JP5734160B2 - 絶縁材料及びこれを用いた点火プラグ - Google Patents
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Description
本発明は、アルミナ質焼結体からなる絶縁材料及び該絶縁材料を用いた点火プラグに関する。
アルミナ結晶を主相とするアルミナ質焼結体は、絶縁性に優れ、耐電圧が高いため、絶縁材料として好適である。アルミナ質焼結体からなる絶縁材料は、例えば自動車の燃焼機関用の点火プラグ、エンジン部品、ＩＣ基板等に広く用いられている。
特に、点火プラグにおいては、小型化の要求が高まり、絶縁碍子の厚みを薄くすることが要求されている。一方、点火プラグにおいては、放電圧を高くすることも要求されている。そこで、点火プラグ用の絶縁材料としては、耐電圧により優れた材料の開発が要求されている。
特に、点火プラグにおいては、小型化の要求が高まり、絶縁碍子の厚みを薄くすることが要求されている。一方、点火プラグにおいては、放電圧を高くすることも要求されている。そこで、点火プラグ用の絶縁材料としては、耐電圧により優れた材料の開発が要求されている。
絶縁材料としては、例えばアルミナ結晶を主相とし、該アルミナ結晶の結晶粒界に少なくともイットリウム成分を含む結晶粒界相を有するアルミナ質焼結体が開発されている（特許文献１参照）。かかるアルミナ質焼結体においては、アルミナ結晶の平均結晶粒径が２μｍ以下で、結晶粒界相が少なくともイットリウム成分としてＹ2Ｓｉ2Ｏ7とＳｉＯ2とで構成する高融点相を有し、アルミナ質焼結体を１００重量％としたとき、上記高融点相が０．１重量％以上１５重量％以下の範囲で含有する。
しかしながら、特許文献１に示された従来のアルミナ質焼結体においては、アルミナ結晶の粒界に結晶質が存在する。そのため、非晶質のガラス成分だけで、アルミナ結晶の粒界を十分に埋めることができなくなり、依然として結晶粒界に空隙が生じるおそれがある。その結果、絶縁材料の内部において放電が発生し易くなり、耐電圧が低下するおそれがある。そこで、さらに耐電圧特性に優れた絶縁材料の開発が望まれている。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであって、耐電圧特性に優れた絶縁材料及びこれを用いた点火プラグを提供しようとするものである。
本発明の一態様は、アルミナ結晶を主相とし、該アルミナ結晶を構成する結晶粒の粒界に非晶質の粒界相を有するアルミナ質焼結体からなる絶縁材料であって、
上記粒界相は、ＳｉＯ2にＣａＯ及び／又はＭｇＯが添加されたガラス成分中に、特定成分として希土類元素の酸化物及び／又は周期律表第４族元素の酸化物を含有し、
上記アルミナ質焼結体の断面においては、上記アルミナ結晶の上記結晶粒の平均結晶粒径が２μｍ以下であり、上記粒界相の外周形の円形度の平均が０．４〜０．６であり、
上記主相と上記粒界相の組成比を、アルミナ：ガラス成分：特定成分＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１００質量％）とした時に、これら成分を頂点とする三角座標において、点（ａ、ｂ、ｃ）が、Ａ（９８．０、１．０、１．０）、Ｂ（９０．０、５．０、５．０）、Ｃ（９３．５、５．０、１．５）、Ｄ（９７．８、２．０、０．２）の４点で囲まれる範囲内にあることを特徴とする絶縁材料にある（請求項１）。
上記粒界相は、ＳｉＯ2にＣａＯ及び／又はＭｇＯが添加されたガラス成分中に、特定成分として希土類元素の酸化物及び／又は周期律表第４族元素の酸化物を含有し、
上記アルミナ質焼結体の断面においては、上記アルミナ結晶の上記結晶粒の平均結晶粒径が２μｍ以下であり、上記粒界相の外周形の円形度の平均が０．４〜０．６であり、
上記主相と上記粒界相の組成比を、アルミナ：ガラス成分：特定成分＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１００質量％）とした時に、これら成分を頂点とする三角座標において、点（ａ、ｂ、ｃ）が、Ａ（９８．０、１．０、１．０）、Ｂ（９０．０、５．０、５．０）、Ｃ（９３．５、５．０、１．５）、Ｄ（９７．８、２．０、０．２）の４点で囲まれる範囲内にあることを特徴とする絶縁材料にある（請求項１）。
本発明の他の態様は、燃焼機関に装着され、該燃焼機関の点火を行う点火プラグであって、
外周にネジ部が設けられた取付金具と、該取付金具内に固定された絶縁碍子と、先端部が上記絶縁碍子から突出するように該絶縁碍子内に固定された中心電極と、上記取付金具に固定されて上記中心電極の上記先端部との間に火花放電ギャップを介して対向する接地電極とを備え、
上記絶縁碍子として上記絶縁材料を用いたことを特徴とする点火プラグにある（請求項５）。
外周にネジ部が設けられた取付金具と、該取付金具内に固定された絶縁碍子と、先端部が上記絶縁碍子から突出するように該絶縁碍子内に固定された中心電極と、上記取付金具に固定されて上記中心電極の上記先端部との間に火花放電ギャップを介して対向する接地電極とを備え、
上記絶縁碍子として上記絶縁材料を用いたことを特徴とする点火プラグにある（請求項５）。
上記絶縁材料は、上記アルミナ質焼結体からなり、該アルミナ焼結体の断面において、上記アルミナ結晶の平均結晶粒径は２μｍ以下であり、上記粒界相の円形度の平均は０．４〜０．６である。そのため、上記アルミナ結晶を構成する結晶粒の粒界に、非晶質の上記粒界相が充填性よく充填されている。即ち、上記アルミナ結晶の結晶粒の粒界に気孔が発生することを抑制することができる。そのため、上記絶縁材料は、内部で放電が起こりにくく、優れた耐電圧特性を示すことができる。
また、上記粒界相は、ＳｉＯ2にＣａＯ及び／又はＭｇＯが添加されたガラス成分中に、特定成分として希土類元素の酸化物及び／又は周期律表第４族元素の酸化物を含有する。かかる構成の粒界相は、該粒界相自体も優れた耐電圧特性を示すことができる。
また、上記点火プラグにおいては、上記絶縁碍子として上記絶縁材料を用いている。そのため、該絶縁材料が有する優れた耐電圧特性を生かして、高い耐電圧を示す信頼性の高い点火プラグを構築することが可能になる。
次に、上記絶縁材料の好ましい実施形態について説明する。
上記絶縁材料は、アルミナ質焼結体からなり、該アルミナ質焼結体は、アルミナ結晶を主相とし、該アルミナ結晶を構成する結晶粒の粒界に非晶質の粒界相を有する。
上記アルミナ質焼結体の断面において、上記アルミナ結晶の上記結晶粒の平均結晶粒径が大きくなりすぎると、耐電圧特性が低下するおそれがある。かかる観点から、上記結晶粒の平均結晶粒径の上限は、上述のごとく２μｍであることがよい。また、原料コストが高くなるという観点から、上記平均結晶粒径の下限は、０．５μｍであることが好ましい。
上記絶縁材料は、アルミナ質焼結体からなり、該アルミナ質焼結体は、アルミナ結晶を主相とし、該アルミナ結晶を構成する結晶粒の粒界に非晶質の粒界相を有する。
上記アルミナ質焼結体の断面において、上記アルミナ結晶の上記結晶粒の平均結晶粒径が大きくなりすぎると、耐電圧特性が低下するおそれがある。かかる観点から、上記結晶粒の平均結晶粒径の上限は、上述のごとく２μｍであることがよい。また、原料コストが高くなるという観点から、上記平均結晶粒径の下限は、０．５μｍであることが好ましい。
また、上記アルミナ質焼結体の断面においては、上記粒界相の外周形の円形度を規定する。上記粒界相の外周形の円形度が１に近づくにつれて、上記粒界相の外周形は円形に近くなる。一方、円形度が小さくなるにつれて、上記粒界相の外周形は板状（棒状）に近くなる。いずれの場合でも、上記アルミナ結晶の結晶粒の粒界における気孔が増加し、耐電圧が下がってしまう。かかる観点から、上記アルミナ質焼結体の断面における上記粒界相の外周形の円形度は、平均で、上述のごとく０．４以上かつ０．６以下であることがよい。より好ましくは、円形度の下限は０．５がよい。
上記アルミナ焼結体の断面における上記結晶粒の平均結晶粒径、及び上記粒界相の外周形の円形度の平均は、上記アルミナ焼結体の断面のＳＥＭ画像を撮影し、画像処理により測定することができる。円形度は、各粒界相の実際の外周の長さをＡとし、各粒界相の面積と同面積の円の面積をＢとすると、４πＢ／Ａ2で算出することができる。
また、上記アルミナ質焼結体の断面における上記粒界相の面積率が０．８〜６．０％であることが好ましい（請求項２）。
上記粒界相の面積率が上述の範囲を超えて大きすぎる場合には、耐電圧の高いアルミナの割合が低下するため、耐電圧が低下するおそれがある。一方、上記粒界相の面積率が上述の範囲よりも小さすぎる場合には、粒界の気孔が増加するため、耐電圧が低下するおそれがある。
上記粒界相の面積率が上述の範囲を超えて大きすぎる場合には、耐電圧の高いアルミナの割合が低下するため、耐電圧が低下するおそれがある。一方、上記粒界相の面積率が上述の範囲よりも小さすぎる場合には、粒界の気孔が増加するため、耐電圧が低下するおそれがある。
上記粒界相の面積率は、上記アルミナ質焼結体の断面における全体面積に対する各粒界相の面積の合計の割合を百分率（％）で表したものである。
上記粒界相の面積率は、上記アルミナ焼結体の断面のＳＥＭ画像を撮影し、画像処理により測定することができる。
上記粒界相の面積率は、上記アルミナ焼結体の断面のＳＥＭ画像を撮影し、画像処理により測定することができる。
上記粒界相は、ＳｉＯ2にＣａＯ及び／又はＭｇＯが添加されたガラス成分中に、特定成分として希土類元素の酸化物及び／又は周期律表第４族元素の酸化物を含有する。
上記希土類元素は、例えばＹ、Ｓｃ、またはランタノイド元素であることが好ましい。また、上記周期律表第４族元素は、Ｈｆ、Ｚｒ、またはＴｉであることが好ましい。上記特定成分としては、１種類あるいは複数種類の酸化物を用いることができる。
上記希土類元素は、例えばＹ、Ｓｃ、またはランタノイド元素であることが好ましい。また、上記周期律表第４族元素は、Ｈｆ、Ｚｒ、またはＴｉであることが好ましい。上記特定成分としては、１種類あるいは複数種類の酸化物を用いることができる。
上記アルミナ質焼結体においては、上記主相と上記粒界相の組成比を、アルミナ：ガラス成分：特定成分＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１００質量％）とした時に、これら成分を頂点とする三角座標において、点（ａ、ｂ、ｃ）が、Ａ（９８．０、１．０、１．０）、Ｂ（９０．０、５．０、５．０）、Ｃ（９３．５、５．０、１．５）、Ｄ（９７．８、２．０、０．２）の４点で囲まれる範囲内にあることが好ましい。
上記主相と上記粒界相におけるアルミナとガラス成分と特定成分との組成比が上記三角座標における上述の範囲から外れる場合には、上述の粒界相における外周形の円形度を０．４〜０．６という範囲に調整することが困難になる。なお、上記三角座標において、点（ａ、ｂ、ｃ）が、Ａ（９８．０、１．０、１．０）、Ｂ（９０．０、５．０、５．０）、Ｃ（９３．５、５．０、１．５）、Ｄ（９７．８、２．０、０．２）の４点で囲まれる範囲を図６に示す。
上記主相と上記粒界相におけるアルミナとガラス成分と特定成分との組成比が上記三角座標における上述の範囲から外れる場合には、上述の粒界相における外周形の円形度を０．４〜０．６という範囲に調整することが困難になる。なお、上記三角座標において、点（ａ、ｂ、ｃ）が、Ａ（９８．０、１．０、１．０）、Ｂ（９０．０、５．０、５．０）、Ｃ（９３．５、５．０、１．５）、Ｄ（９７．８、２．０、０．２）の４点で囲まれる範囲を図６に示す。
上記粒界相における上記ガラス成分の組成比を、ＳｉＯ2：ＭｇＯ：ＣａＯ＝ａ´：ｂ´：ｃ´（ａ´＋ｂ´＋ｃ´＝１００質量％）とした時に、これら成分を頂点とする三角座標において、点（ａ´、ｂ´、ｃ´）が、Ａ´（１００、０、０）、Ｂ´（７５、２５、０）、Ｃ´（７５、２０、５）、Ｄ´（９５、０、５）の４点で囲まれる範囲内（ただしＡ´点を除く）にあることが好ましい（請求項３）。
上記ガラス成分の組成比が上記三角座標における上述の範囲を満たすことにより、粒界の気孔をより少なくすることができ、耐電圧をより向上させることができる。なお、上記三角座標において、Ａ´（１００、０、０）、Ｂ´（７５、２５、０）、Ｃ´（７５、２０、５）、Ｄ´（９５、０、５）の４点で囲まれる範囲を図７に示す。
上記ガラス成分の組成比が上記三角座標における上述の範囲を満たすことにより、粒界の気孔をより少なくすることができ、耐電圧をより向上させることができる。なお、上記三角座標において、Ａ´（１００、０、０）、Ｂ´（７５、２５、０）、Ｃ´（７５、２０、５）、Ｄ´（９５、０、５）の４点で囲まれる範囲を図７に示す。
また、上記特定成分は、Ｙ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＺｒＯ2、Ｓｃ2Ｏ3及びＴｉＯ2から選ばれる少なくとも１種であることが好ましい（請求項４）。
この場合には、非晶質の粒界相の耐電圧をより高めることができ、上記絶縁材料の耐電圧特性をより向上させることができる。同様の観点から最も好ましくはＹ2Ｏ3がよい。
この場合には、非晶質の粒界相の耐電圧をより高めることができ、上記絶縁材料の耐電圧特性をより向上させることができる。同様の観点から最も好ましくはＹ2Ｏ3がよい。
上記絶縁材料は、耐電圧特性が要求される用途に好適である。
好ましくは、内燃機関における点火プラグにおける絶縁碍子に適用することができる。
上記絶縁材料は、上記アルミナ質焼結体からなり、耐電圧特性だけでなく、強度も高い。そのため、耐電圧特性及び強度が要求される上記点火プラグにおける絶縁碍子に好適である。
好ましくは、内燃機関における点火プラグにおける絶縁碍子に適用することができる。
上記絶縁材料は、上記アルミナ質焼結体からなり、耐電圧特性だけでなく、強度も高い。そのため、耐電圧特性及び強度が要求される上記点火プラグにおける絶縁碍子に好適である。
（実施例１）
次に、実施例にかかるアルミナ質焼結体からなる絶縁材料について説明する。
本例の実施例にかかる絶縁材料のアルミナ質焼結体の断面における結晶粒及び粒界の模式図を図１に示す。同図に示すごとく、本例の実施例にかかる絶縁材料は、アルミナ結晶を主相とし、該アルミナ結晶を構成する結晶粒１１の粒界に非晶質の粒界相１２を有するアルミナ質焼結体１からなる。
次に、実施例にかかるアルミナ質焼結体からなる絶縁材料について説明する。
本例の実施例にかかる絶縁材料のアルミナ質焼結体の断面における結晶粒及び粒界の模式図を図１に示す。同図に示すごとく、本例の実施例にかかる絶縁材料は、アルミナ結晶を主相とし、該アルミナ結晶を構成する結晶粒１１の粒界に非晶質の粒界相１２を有するアルミナ質焼結体１からなる。
粒界相１２は、ＳｉＯ2にＭｇＯが添加されたガラス成分中に、特定成分としてＹ2Ｏ3（イットリア）を含有する。アルミナ質焼結体１の断面においては、アルミナ結晶の結晶粒１１の平均結晶粒径が２μｍ以下であり、粒界相１２の外周形の円形度の平均が０．４〜０．６である。
本例においては、原料として平均粒径の異なるアルミナ粉末を用い、また焼成温度を変えて、アルミナ結晶粒１１の平均粒径の異なる５種類のアルミナ質焼結体からなる絶縁材料（試料Ｘ１〜試料Ｘ５）を作製した。
以下、代表例として、試料Ｘ３の絶縁材料の製造方法を具体的に説明する。
以下、代表例として、試料Ｘ３の絶縁材料の製造方法を具体的に説明する。
即ち、まず、粒界相用の原料粉末として、平均粒径０．８〜１．２μｍのイットリア粉末と、平均粒径０．４〜０．８μｍのシリカ粉末と、平均粒径１μｍのマグネシア粉末とを準備した。これらの原料粉末を、質量比で、イットリア：シリカ：マグネシア＝１：７：２で配合し、分散媒としての水に分散させて混合原料スラリーを得た。次いで、混合原料スラリーに、平均粒径１μｍのアルミナ粉末を混合した。このとき、混合原料スラリー中の全粉末１００質量％中におけるイットリア粉末とシリカ粉末とマグネシア粉末との合計量が３質量％となるように、アルミナ粉末を配合した。
次いで、イットリア粉末、シリカ粉末、マグネシア粉末、及びアルミナ粉末を含有する混合原料スラリーを噴霧乾燥して、混合原料造粒粉末を得た。次いで、混合原料造粒粉末を成形して混合原料成形体を得た。そして、得られた混合原料成形体を温度１５００℃にて１〜３時間焼成し、アルミナ質焼結体からなる絶縁材料（試料Ｘ３）を得た。
本例においては、後述の表１に示すように、上述の試料Ｘ３とは、アルミナ粉末の平均粒径、及び焼成温度等を変更して、さらに４種類のアルミナ質焼結体からなる絶縁材料（試料Ｘ１、試料Ｘ２、試料Ｘ４、及び試料Ｘ５）を作製した。
本例においては、後述の表１に示すように、上述の試料Ｘ３とは、アルミナ粉末の平均粒径、及び焼成温度等を変更して、さらに４種類のアルミナ質焼結体からなる絶縁材料（試料Ｘ１、試料Ｘ２、試料Ｘ４、及び試料Ｘ５）を作製した。
本例において作製した絶縁材料（試料Ｘ１〜Ｘ５）について、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真にて確認した。代表例として、試料Ｘ３の絶縁材料の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図２に示す。このＳＥＭ写真により、本例の実施例にかかる絶縁材料（アルミナ質焼結体）は、アルミナ結晶を主相とし、該アルミナ結晶を構成する結晶粒の粒界に非晶質の粒界相が形成されていることを確認した。なお、本例において、非晶質の粒界相は、ＳｉＯ2にＭｇＯが添加されたガラス成分中に、特定成分としてイットリアを含有する。
次に、試料Ｘ１〜Ｘ５について、アルミナ質焼結体におけるアルミナ結晶を構成する結晶粒の平均粒径（μｍ）、非晶質の粒界相の外周形の円形度、及び粒界相の面積率（％）を測定した。
平均粒径、円形度、及び面積率は、各試料の断面について倍率１万倍のＳＥＭ写真を撮影し、画像処理ソフト（三谷商事株式会社製の「Ｗｉｎ ＲＯＯＦ ver．５．０」）を用いて測定した。
平均粒径、円形度、及び面積率は、各試料の断面について倍率１万倍のＳＥＭ写真を撮影し、画像処理ソフト（三谷商事株式会社製の「Ｗｉｎ ＲＯＯＦ ver．５．０」）を用いて測定した。
平均粒径は、画像処理ソフトにおいてＳＥＭ画像におけるアルミナ結晶の結晶粒をなぞり、その円相当径を算出し、これを３視野で行い、その平均を求めることにより測定した。その結果を表１に示す。
また、円形度は、画像処理ソフトにおいて二値化したＳＥＭ画像における非晶質の粒界相を識別し、上述の定義に従って算出し、これを３視野で行い、その平均を求めることにより測定した。その結果を表１に示す。
また、面積率は、画像処理ソフトにおいて二値化したＳＥＭ画像における非晶質の粒界相を識別し、全体面積に対する各粒界相の面積の割合を算出し、これを３視野で行い、その平均を求めることにより測定した。その結果を表１に示す。
また、円形度は、画像処理ソフトにおいて二値化したＳＥＭ画像における非晶質の粒界相を識別し、上述の定義に従って算出し、これを３視野で行い、その平均を求めることにより測定した。その結果を表１に示す。
また、面積率は、画像処理ソフトにおいて二値化したＳＥＭ画像における非晶質の粒界相を識別し、全体面積に対する各粒界相の面積の割合を算出し、これを３視野で行い、その平均を求めることにより測定した。その結果を表１に示す。
次に、各試料の絶縁材料について耐電圧を測定した。
まず、各試料を円板状に切り出し、ダイヤモンド砥粒研磨盤を用いて研磨し、直径φ１５ｍｍ×厚み１．０ｍｍ（１．０±０．０５ｍｍ）の円板状の測定用サンプルを作製した。この測定用サンプルを用いてＪＩＳ−Ｃ２１４１（１９９２年）に準じた方法により耐電圧を測定した。
具体的には、まず、円板状の測定用サンプルの上下面に、ニードル状に尖らせた二つのプローブ（Tektronix P6015A）をそれぞれ当接させた。次いで、定電圧電源（KIKUSUI PAK20-18A、PAK20-36A）から発信器（WAVE WF1943A）とコイルとにより発生させた高電圧をプローブ間に印加した。そして、オシロスコープ（Tektronix DPO3034）でモニターしながら、プローブ間の印加電圧を２０ｋＶから１０秒間に１ｋＶの割合で段階的に上昇させた。そして、測定用サンプルが絶縁破壊したときの印加電圧を試料の耐電圧（ｋＶ／ｍｍ）とした。その結果を表１に示す。また、各試料におけるアルミナ結晶粒の平均粒径と、各試料の耐電圧との関係を図３に示す。同図において、横軸はアルミナ結晶粒の平均粒径（μｍ）を示し、縦軸は耐電圧（ｋＶ／ｍｍ）を示す。
まず、各試料を円板状に切り出し、ダイヤモンド砥粒研磨盤を用いて研磨し、直径φ１５ｍｍ×厚み１．０ｍｍ（１．０±０．０５ｍｍ）の円板状の測定用サンプルを作製した。この測定用サンプルを用いてＪＩＳ−Ｃ２１４１（１９９２年）に準じた方法により耐電圧を測定した。
具体的には、まず、円板状の測定用サンプルの上下面に、ニードル状に尖らせた二つのプローブ（Tektronix P6015A）をそれぞれ当接させた。次いで、定電圧電源（KIKUSUI PAK20-18A、PAK20-36A）から発信器（WAVE WF1943A）とコイルとにより発生させた高電圧をプローブ間に印加した。そして、オシロスコープ（Tektronix DPO3034）でモニターしながら、プローブ間の印加電圧を２０ｋＶから１０秒間に１ｋＶの割合で段階的に上昇させた。そして、測定用サンプルが絶縁破壊したときの印加電圧を試料の耐電圧（ｋＶ／ｍｍ）とした。その結果を表１に示す。また、各試料におけるアルミナ結晶粒の平均粒径と、各試料の耐電圧との関係を図３に示す。同図において、横軸はアルミナ結晶粒の平均粒径（μｍ）を示し、縦軸は耐電圧（ｋＶ／ｍｍ）を示す。
表１及び図３に示すように、アルミナ結晶を構成する結晶粒の大きな試料Ｘ５においては、耐電圧が不十分であった。これに対し、アルミナ結晶を構成する結晶粒の平均粒径２μｍ以下である試料Ｘ１〜４においては、優れた耐電圧を示した。なお、試料Ｘ１〜Ｘ４においては、粒界相の外周形の円形度の平均についても０．４〜０．６という範囲内にある。
次に、本例においては、原料の配合割合及び焼成温度等を変更することにより、粒界相の外周形の円形度、及び粒界相の面積率等が異なるさらに１５種類のアルミナ質焼結体からなる絶縁材料（試料Ｘ６〜試料Ｘ２０）を作製した。試料Ｘ６〜Ｘ２０は、原料の配合割合及び焼成温度等を変更した点を除いては、上述の試料Ｘ３と同様にして作製したアルミナ質焼結体からなる絶縁材料である。試料Ｘ６〜Ｘ２０についても、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真にて確認した。そして、ＳＥＭ写真により、本例の実施例にかかる絶縁材料（アルミナ質焼結体）は、アルミナ結晶を主相とし、該アルミナ結晶を構成する結晶粒の粒界に非晶質の粒界相が形成されていることを確認した。なお、本例において、非晶質の粒界相は、ＳｉＯ2にＭｇＯが添加されたガラス成分中に、特定成分としてイットリアを含有する。
次に、試料Ｘ６〜Ｘ２０についても、アルミナ質焼結体におけるアルミナ結晶を構成する結晶粒の平均粒径（μｍ）、非晶質の粒界相の外周形の円形度、及び粒界相の面積率（％）を測定した。測定方法は上述の通りであり、その結果を後述の表２に示す。
さらに、試料Ｘ６〜Ｘ２０について、耐電圧を測定した。測定方法は上述の通りであり、その結果を後述の表２に示す。また、試料Ｘ６〜試料Ｘ１２のデータに基づいて、粒界相の円形度と耐電圧との関係を図４に示す。同図において、横軸が粒界相の円形度を示し、縦軸が耐電圧（ｋＶ／ｍｍ）を示す。
さらに、試料Ｘ６〜Ｘ２０について、耐電圧を測定した。測定方法は上述の通りであり、その結果を後述の表２に示す。また、試料Ｘ６〜試料Ｘ１２のデータに基づいて、粒界相の円形度と耐電圧との関係を図４に示す。同図において、横軸が粒界相の円形度を示し、縦軸が耐電圧（ｋＶ／ｍｍ）を示す。
表２及び図４より知られるごとく、非晶質の粒界相の外周形の円形度が平均で０．４〜０．６という範囲から外れる絶縁材料（試料Ｘ６、Ｘ７、Ｘ１１、Ｘ１２、及びＸ１７〜Ｘ２０）においては、耐電圧が不十分であった。これに対し、粒界相の円形度が平均で０．４〜０．６という範囲内にある絶縁材料（試料Ｘ８〜１０、及びＸ１３〜Ｘ１６）においては、優れた耐電圧を示した。なお、試料Ｘ８〜１０、及びＸ１３〜Ｘ１６においては、アルミナ結晶を構成する結晶粒の平均粒径についても２μｍ以下という範囲にある。
また、本例において作製した合計２０種類の絶縁材料（試料Ｘ１〜Ｘ２０）について、アルミナ：ガラス成分：特定成分＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１００質量％）とした時に、これら成分を頂点とする三角座標において、アルミナ結晶からなる主相と非晶質の粒界相の組成比を図５に示す。
図５、表１、及び表２より知られるごとく、点（ａ、ｂ、ｃ）が、Ａ（９８．０、１．０、１．０）、Ｂ（９０．０、５．０、５．０）、Ｃ（９３．５、５．０、１．５）、Ｄ（９７．８、２．０、０．２）の４点で囲まれる範囲内から外れると（試料１７〜Ｘ２０）、粒界相の円形度を平均で０．４〜０．６という範囲内にすることが困難になり、耐電圧が低下していた。
図５、表１、及び表２より知られるごとく、点（ａ、ｂ、ｃ）が、Ａ（９８．０、１．０、１．０）、Ｂ（９０．０、５．０、５．０）、Ｃ（９３．５、５．０、１．５）、Ｄ（９７．８、２．０、０．２）の４点で囲まれる範囲内から外れると（試料１７〜Ｘ２０）、粒界相の円形度を平均で０．４〜０．６という範囲内にすることが困難になり、耐電圧が低下していた。
以上のように、本例によれば、アルミナ結晶を主相とし、該アルミナ結晶を構成する結晶粒の粒界に非晶質の粒界相を有するアルミナ質焼結体からなり、粒界相は、ＳｉＯ2にＣａＯ及び／又はＭｇＯが添加されたガラス成分中に、特定成分として希土類元素の酸化物及び／又は周期律表第４族元素の酸化物を含有し、アルミナ質焼結体の断面において、アルミナ結晶の上記結晶粒の平均結晶粒径が２μｍ以下であり、粒界相の外周形の円形度の平均が０．４〜０．６である絶縁材料は、耐電圧特性に優れることがわかる。
（実施例２）
本例においては、実施例１において作製した絶縁材料（試料Ｘ３）を絶縁碍子として用いた点火コイルの例である。
図８に示すごとく、本例の点火プラグは、自動車用エンジンなどの燃焼機関の点火に用いられる。
点火プラグ５は、自動車用エンジン等の燃焼機関に装着され、その点火に用いられるものであり、燃焼機関の燃焼室を区画するエンジンヘッド（図示略）に設けられたねじ穴に挿入されて固定されるよう構成されている。本例における点火プラグ５は、耐電圧特性に優れたアルミナ質焼結体からなる絶縁材料を絶縁体として用いる。なお、以下の説明において図の上方を基端側、図の下方を先端側又は燃焼室側と称す。
本例においては、実施例１において作製した絶縁材料（試料Ｘ３）を絶縁碍子として用いた点火コイルの例である。
図８に示すごとく、本例の点火プラグは、自動車用エンジンなどの燃焼機関の点火に用いられる。
点火プラグ５は、自動車用エンジン等の燃焼機関に装着され、その点火に用いられるものであり、燃焼機関の燃焼室を区画するエンジンヘッド（図示略）に設けられたねじ穴に挿入されて固定されるよう構成されている。本例における点火プラグ５は、耐電圧特性に優れたアルミナ質焼結体からなる絶縁材料を絶縁体として用いる。なお、以下の説明において図の上方を基端側、図の下方を先端側又は燃焼室側と称す。
点火プラグ５は、実施例１の試料Ｘ３の絶縁材料を用いて略筒状に形成した絶縁碍子５０と、その内側に保持される中心電極５１と、絶縁碍子５０の外周を覆いつつエンジンヘッド（図示略）に固定する取付金具５２と、これに沿設された接地電極５３とによって構成されている。取付金具５２は、例えば、導電性の低炭素鋼等の高耐熱性金属材料を用いて略筒状に形成されている。取付金具５２の外周面には、エンジンヘッド（図示略）に設けられたねじ穴に固定するためのネジ部５２２が設けられている。本実形態において、ネジ部５２２の呼び径は１０ｍｍ以下であり、ネジ部５２２は、ＪＩＳ（日本工業規格）でいうＭ１０以下のものである。
取付金具５２の中腹内周は先端側に向かって径小となる係止部５２３が形成され、内側に絶縁碍子５０の大径部５０２が係止、固定されている。取付金具５２の基端側外周にはネジ部５２２を締めつけるためのナット部５２６が形成されている。取付金具５２の基端側には、加締め部５２４が形成されている。封止部材５２５を介して絶縁碍子５０の大径部５０２を加締め固定している。
ネジ部５２２は、エンジンヘッド（図示略）に設けられたネジ穴にガスケット５５を介して螺結される。ネジ部５２２を形成した取付金具５２の内側は、中心電極５１との間で電界を形成する側面電極５２０を構成している。
ネジ部５２２は、エンジンヘッド（図示略）に設けられたネジ穴にガスケット５５を介して螺結される。ネジ部５２２を形成した取付金具５２の内側は、中心電極５１との間で電界を形成する側面電極５２０を構成している。
絶縁碍子５０は、アルミナ質焼結体からなる絶縁材料（実施例１の試料Ｘ３）を用いて略筒状に形成されている。絶縁碍子５０の軸孔５０１には略長軸状に形成された中心電極５１が挿入・固定されている。絶縁碍子５０の中腹には径大となる大径部５０２が形成され、取付金具５２の内側に係止・固定されている。絶縁碍子５０の先端部５０３は、取付金具５２の先端部５２１から燃焼室側に突出している。絶縁碍子の先端部５０３を取付金具５２の先端部５２１から突出させることにより、本例のように細径のプラグにおいても中心電極先端部５１１と取付金具先端部５２１との間の放電を抑制している。
絶縁碍子５２の基端側は、取付金具５２の加締め部５２４から露出する碍子頭部５０４が設けられている。碍子頭部５０４は、コルゲート状に形成され中心電極端子部５１５と取付金具５２との表面距離を長くして沿面リークを防止している。
絶縁碍子５２の基端側は、取付金具５２の加締め部５２４から露出する碍子頭部５０４が設けられている。碍子頭部５０４は、コルゲート状に形成され中心電極端子部５１５と取付金具５２との表面距離を長くして沿面リークを防止している。
中心電極５１は、例えば内材としてＣｕ等の熱伝導性に優れた金属材料が用いられ、外材としてＮｉ基合金等の耐熱性及び耐食性に優れた金属材料が用いられて長軸状に形成されている。中心電極５１は、その先端部５１１が絶縁碍子５０の先端部５０３から燃焼室側に突出するように設けられている。中心電極５１の先端部５１１には、耐熱性の高い中心電極放電チップ５１２が当該先端部５１１から燃焼室側に向かって突出して設けられている。中心電極５１の基端側には、絶縁碍子５０の軸孔５０１内部において、中心電極５１と導電性のガラスシール５１３を介して電気的に接続された長軸状のステム５１４が設けられている。さらにその基端側には、碍子頭部５０４から露出し、外部の点火装置（図示略）に接続される中心電極端子部５１５が形成されている。
取付金具５２の先端部５２１に沿設して、接地電極５３が形成されている。接地電極５３は、例えばＮｉを主成分とするＮｉ基合金等を用いて略柱形状に形成されている。本例においては、接地電極５３は、断面が略角柱形状をなしており、基端側が取付金具５２の先端部５２１に溶接などにより固定され、中間部が略Ｌ字型に曲げられて、他端側の側面５３１において中心電極５１の先端部５１１と対向いている。
接地電極５３の側面５３１には、中心電極５１の先端部５１１に設けられた中心電極放電チップ５１２と火花放電ギャップ５４を介して対向して基端側に向かって突出する接地電極放電チップ５３２が設けられている。この火花放電ギャップ５４の大きさは、例えば１ｍｍ程度にすることができる。
なお、中心電極放電チップ５１２及び接地電極放電チップ５３２は、例えば、Ｉｒ（イリジウム）合金やＰｔ（白金）合金等からなり、それぞれ中心電極先端部５１１及び接地電極側面５３１にレーザ溶接や抵抗溶接等にて接合されている。
接地電極５３の側面５３１には、中心電極５１の先端部５１１に設けられた中心電極放電チップ５１２と火花放電ギャップ５４を介して対向して基端側に向かって突出する接地電極放電チップ５３２が設けられている。この火花放電ギャップ５４の大きさは、例えば１ｍｍ程度にすることができる。
なお、中心電極放電チップ５１２及び接地電極放電チップ５３２は、例えば、Ｉｒ（イリジウム）合金やＰｔ（白金）合金等からなり、それぞれ中心電極先端部５１１及び接地電極側面５３１にレーザ溶接や抵抗溶接等にて接合されている。
ここで、上述したように、本例においては、絶縁碍子５０として、実施例１の試料Ｘ３の絶縁材料を用いている。この絶縁材料は、平均粒径２μｍ以下のアルミナ結晶を主相とし、粒界相の外周形の円形度の平均が０．４〜０．６であるものである。試料Ｘ３の絶縁材料は、実際に絶縁碍子５０を形成した後、耐電圧測定用に切り出した試料においても焼結体中に空孔がほとんど観察されず、優れた耐電圧特性を有している。
また、点火プラグ５を実機のエンジンにて、放電電圧３５ｋＶ、高負荷（スロットル全開、平均５５００ｒｐｍ）耐久試験を２００時間運転したが、貫通放電現象は観測されなかった。
したがって、本例における点火プラグ５は、緻密で欠陥が少なく、高い耐電圧特性を備えており極めて信頼性が高い。
点火プラグ５の中心電極５１と接地電極５３との間に高電圧が印加されたときに、絶縁碍子５０の耐電圧が低いと中心電極５１と側面電極５２０との間で貫通放電を起こす虞があるが、アルミナ質焼結体からなる絶縁材料（試料Ｘ３）によって形成した絶縁碍子５０は実施例１に示すように耐電圧特性に優れているため、絶縁碍子５０の肉厚が薄くても貫通放電を起こす虞がない。
また、点火プラグ５を実機のエンジンにて、放電電圧３５ｋＶ、高負荷（スロットル全開、平均５５００ｒｐｍ）耐久試験を２００時間運転したが、貫通放電現象は観測されなかった。
したがって、本例における点火プラグ５は、緻密で欠陥が少なく、高い耐電圧特性を備えており極めて信頼性が高い。
点火プラグ５の中心電極５１と接地電極５３との間に高電圧が印加されたときに、絶縁碍子５０の耐電圧が低いと中心電極５１と側面電極５２０との間で貫通放電を起こす虞があるが、アルミナ質焼結体からなる絶縁材料（試料Ｘ３）によって形成した絶縁碍子５０は実施例１に示すように耐電圧特性に優れているため、絶縁碍子５０の肉厚が薄くても貫通放電を起こす虞がない。
１ アルミナ質焼結体
１１ 結晶粒
１２ 粒界相
１１ 結晶粒
１２ 粒界相
Claims (5)
- アルミナ結晶を主相とし、該アルミナ結晶を構成する結晶粒の粒界に非晶質の粒界相を有するアルミナ質焼結体からなる絶縁材料であって、
上記粒界相は、ＳｉＯ2にＣａＯ及び／又はＭｇＯが添加されたガラス成分中に、特定成分として希土類元素の酸化物及び／又は周期律表第４族元素の酸化物を含有し、
上記アルミナ質焼結体の断面においては、上記アルミナ結晶の上記結晶粒の平均結晶粒径が２μｍ以下であり、上記粒界相の外周形の円形度の平均が０．４〜０．６であり、
上記主相と上記粒界相の組成比を、アルミナ：ガラス成分：特定成分＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１００質量％）とした時に、これら成分を頂点とする三角座標において、点（ａ、ｂ、ｃ）が、Ａ（９８．０、１．０、１．０）、Ｂ（９０．０、５．０、５．０）、Ｃ（９３．５、５．０、１．５）、Ｄ（９７．８、２．０、０．２）の４点で囲まれる範囲内にあることを特徴とする絶縁材料。 - 請求項１に記載の絶縁材料において、上記アルミナ質焼結体の断面における上記粒界相の面積率が０．８〜６．０％であることを特徴とする絶縁材料。
- 請求項１又は２に記載の絶縁材料において、上記粒界相における上記ガラス成分の組成比を、ＳｉＯ2：ＭｇＯ：ＣａＯ＝ａ´：ｂ´：ｃ´（ａ´＋ｂ´＋ｃ´＝１００質量％）とした時に、これら成分を頂点とする三角座標において、点（ａ´、ｂ´、ｃ´）が、Ａ´（１００、０、０）、Ｂ´（７５、２５、０）、Ｃ´（７５、２０、５）、Ｄ´（９５、０、５）の４点で囲まれる範囲内（ただしＡ´点を除く）にあることを特徴とする絶縁材料。
- 請求項１〜３のいずれか一項に記載の絶縁材料において、上記特定成分は、Ｙ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＺｒＯ2、Ｓｃ2Ｏ3及びＴｉＯ2から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする絶縁材料。
- 燃焼機関に装着され、該燃焼機関の点火を行う点火プラグであって、
外周にネジ部が設けられた取付金具と、該取付金具内に固定された絶縁碍子と、先端部が上記絶縁碍子から突出するように該絶縁碍子内に固定された中心電極と、上記取付金具に固定されて上記中心電極の上記先端部との間に火花放電ギャップを介して対向する接地電極とを備え、
上記絶縁碍子として請求項１〜４のいずれか一項に記載の絶縁材料を用いたことを特徴とする点火プラグ。
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