JPH03266386A - スパークプラグの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明はスパークプラグに関し、特に実用回転範囲が
広く、しかも耐電圧性に優れたスパークプラグの製造方
法に関する。

（従来の技術） 自動車用ガソリンエンジン等の火花着火式エンジンにお
いて使用されるスパークプラグは、エンジンの燃焼室に
臨んで露出させた中心電極棒下端の放電電極部と接地電
極部との間に瞬間的に高電圧を印加することにより、画
電極部間の空気層に絶縁破壊によるスパーク電流を流し
、それによって発生する電気火花により燃焼室内の圧縮
された混合気を点火するようになっている。この場合、
放電電極部と接地電極部との間に放電不良が発生すると
、ミスファイアによる始動不良や加速不良の原因となっ
て好ましくない。したがって、この種のスパークプラグ
においては、例えば第６図に示すように、下端に放電電
極部１を設けた中心電極体２の周囲に、絶縁性に優れた
アルミナ製の絶縁碍子３を設けると共に、この碍子３を
外嵌保護する取付金具４の下端部分に接地電極部５を設
けることにより、上記放電電極部１と接地電極部５との
間の絶縁性を高めて放電電圧を高め、かつショートサー
キットの発生を抑制して確実な着火性を確保するように
なっている。

ところで、スパークプラグの一般的傾向として、エンジ
ン回転数が低くなるとスパーク発生部位、特に放電電極
部１の周辺温度も低くなるので、該温度が低くなり過ぎ
ると中心電極体２周囲の碍子脚部３ａに付着したカーボ
ンを十分に燃焼しきれずに絶縁不良を起こし、ミスファ
イアを発生しやすくなるという問題がある。このような
問題に対しては、絶縁碍子３における碍子脚長りを長く
するのが一般的な方法である。すなわち、このように碍
子脚長りを長くすることにより、上記碍子脚部３ａを経
由した取付金具４への放熱量が少なくなるので、放電電
極部１の付近の温度低下が少なくなってカーボン燃焼性
が向上すると共に、絶縁碍子３とその外周を取り囲む取
付金具４との間に深い溝６が形成されることになって、
少しぐらいカーボンが付着したぐらいでは上記碍子脚部
３ａの表面電気抵抗が極端に低下せず、放電電極部１と
接地電極部５との間で確実にスパークが発生することに
なって、ミスファイアを発生しにくくなるのである。

しかし、このようにカーボン付着性を考慮して碍子脚長
りを長くすると、上記したように絶縁碍子３を経由する
放熱量の低下に起因してエンジン回転数が高回転になる
ほど放電電極部１の蓄熱量が増えるなめ、電極温度が上
昇し過ぎてプレイグニツシヨンを発生しやすくなるとい
う別の問題を発生することになる。

このように、現状のスパークプラグにおいては、カーボ
ン付着性と耐プレイグニツシヨン性とを高水準で両立す
ることができず、汎用性に乏しいという問題を抱えてお
り、低回転域から高回転域まで幅広く使用できるスパー
クプラグに対する要望が高まっている。

一方、近年、スパークプラグのハイデユーティ性の向上
を目的として、現行のアルミナ（以下、Ａ　Ｉ　２０　
ｇと称する）製の絶縁碍子に代えて、窒化珪素焼結体や
炭化珪素焼結体等が持つ強度特性に着目してスパークプ
ラグの絶縁碍子を構成しようという試みもある（例えば
特開昭５７−１５２６８９号公報参照〉。

（発明が解決しようとする課題） 上記公報に記載された複数のセラミック材料のうちで、
特に窒化珪素（以下、Ｓｉ３Ｎ４と称する）の焼結体は
、現行のＡ　ｌ　２０３焼結体と比較して、次頁の表１
に示すような特性を備えている。

以下余白 表１ すなわち、表１からも明らかなように、Ｓｉ３Ｎ４は、
耐電圧性についてはＡｌ２Ｏ，よりは低いものの放電電
圧以上の耐電圧性を示し、また強度面においてもＡ１□
０５以上の曲げ強度を備えており、これも問題がない。

さらに熱伝導率はＡｌ２Ｏ３よりも高い熱伝導率を示す
ことから、第６図に示す碍子脚長りを長くしてもＡｌ２
Ｏ，よりも良好な耐プレイグニツシヨン性が期待される
ことになる。

このような検討結果に基づいてＳｉ３Ｎ４焼結体を絶縁
碍子としたスパークプラグを試作し、それを用いて実機
試験を行ったところ、エンジンが例えば１００時間時間
積働した後に突然停止するという事態が発生した。

その原因を調べるために、スパークプラグを分解して調
べたところ、例えば第６図に示すように、絶縁碍子３の
中心電極体２に臨む異径部分の付近から外側の取付金具
４にまで達する細い貫通穴７が形成されているのが発見
された。すなわち、この貫通穴７を中心として絶縁碍子
３に絶縁破壊が起こり、ショートサーキットが発生した
ものと考えられる。

そこで、絶縁碍子としたＳｉ３Ｎ４焼結体に電気の良導
体となる物質が含まれているのではないかと考えて、貫
通穴が発生したＳｉ３Ｎ４焼結体の組成をレーザラマン
分光法によって分析したところ、第７図に示すように、
焼結時にα−８ｉ３Ｎ４から相転移によって変化したβ
−３ｉ３Ｎ４の存在を示すラマンピークの他に、波数５
２１ｃｍ＋−１の付近に遊離した珪素（以下、Ｓｉとい
う）の存在を示す鋭いラマンピークも検出された。つま
り、このようにＳｉ３Ｎ４焼結体に遊離Ｓｉが存在する
ことにより、経時変化によって絶縁性能が低下すること
になって、高電圧を印加したときに上記貫通穴を形成す
るようなショートサーキットの主因になったものと考え
られる。

そこで、この発明はスパークプラグの碍子材料としてＳ
ｉ３Ｎ４焼結体を使用する場合の上記の問題に鑑みて、
スパークプラグの耐電圧性を向上させることを課題とす
る。

（課題を解決するための手段） すなわち、本発明に係るスパークプラグの製造方法は、
該スパークプラグの絶縁碍子をＳｉ３Ｎ４焼結体で構成
すると共に、上記焼結体の形成後に酸化雰囲気中で加熱
処理を行うことを特徴とする。

（作　　　用） 上記の構成によれば、スパークプラグの絶縁碍子をＳｉ
３Ｎ４焼結体としたことにより、碍子脚部を長くしてカ
ーボン付着に起因する低回転側でのミスファイアを効果
的に防止することができると共に、該焼結体が持つ良好
な熱伝導性によって電極部分の冷却性が向することによ
り高回転側の耐プレイグニツシヨン性の悪化が回避され
て、この種のスパークプラグの実用回転範囲が拡大する
ことになる。

特に、上記Ｓｉ３Ｎ４焼結体を形成した後に酸化雰囲気
中で加熱処理することにより、耐電圧性がＡｌ２Ｏ，に
匹敵する４　５　ＫＶ／　ｕ＋と高い数値を示すと共に
、レーザラマン分光分析結果によっても波数５２１ｃｍ
−’の付近のラマンピークの消失が確認された。これは
、Ｓｉ３Ｎ４焼結体中に含まれる遊離Ｓｉが酸素分子（
０２）と化学反応を起こすことにより酸化されて、Ｓ　
ｉ　＋０２→Ｓｉ○２という不可逆的な化学反応を経て
、絶縁物質である安定な酸化珪素（ＳｉＯ２）に変化し
たものと考えられる。

そして、このように熱処理後のＳｉ３Ｎ４焼結体を絶縁
碍子としたスパークプラグをエンジンに装着し、評価の
ための実機試験を長時間行っても、絶縁碍子には貫通穴
が形成されるような絶縁破壊が発生せず、耐電圧性の向
上が確認された。

（実　施　例　） 以下、本発明の実施例について説明する。

第１図は一般的なロータリーエンジン用のスパークプラ
グ１０の下部構造を示し、概略中空円筒形状とされた５
ｔ３Ｎ４焼結体からなる絶縁碍子１１には、先端の放ａ
ｔ極部１２が下方に突出した状態で中心電極体１３が嵌
装されている。この中心電極体１３は、上端にハイテン
ションコード接続用のターミナル部（図示せず）を形成
した大径の上部電極棒１４と、それよりも小径の下部を
掻棒１５とが、両者間に介装された導電性のガラス封着
部１６によって一体的に結合された構造とされている。

そして、上記下部電極棒１５の下端が放電電極部１２と
なっている。また、このスパークプラグ１０には、該プ
ラグ１０をシリンダヘッド等に取り付けるための取付金
具１７が、上記絶縁碍子１１の下端部分から中間部分に
かけて外嵌して設けられている。この取付金具１７の下
部側に設けたネジ部１７ａの下端が上記放電電極部１２
の周囲を環状に取り囲んでいると共に、接地電極部１８
が上記ネジ部１７ａの下端内周縁を内方に延出して設け
られて、その先端が上記放電電極部１２に近接配置され
ている。

上記絶縁碍子１１の外周部分は、その下端付近において
傾斜状段部を介して下端部分が小径に形成されており、
これにより外周を取り囲む上記ネジ部１７ａの内周面と
の間に奥行の深い渭１９で隔てられた碍子脚部１１ａが
形成されることになる。なお、上記ネジ部１７ａには上
記絶縁碍子１１における傾斜状段部にほぼ平行する傾斜
状段部が設けられて５両段部の間に気密用のパツキン２
０が介装されている。

そして、本実施例における絶縁硝子１１の内周部分は、
上記中心電極体１３におけるガラス封着部１６および下
部電極棒１５の各外径寸法にそれぞれ対応して内径寸法
が異ならされていると共に、ガラス封着部１６側の大径
部１１ｂと下部電極棒１５ｆｌｌの小径部１１ｃとが、
両者間のテーバ状部ｌｉｄにそれぞれ湾曲部ｌｉｅ、ｌ
ｌｆを介してなだらかに接続されている。

なお、上記取付金具１７の上端部と内側の絶縁碍子１１
との間には、２個のパツキン２１．２１とシール材２２
とが介装されていると共に、その上端縁１７ｂが内方に
向かって折り曲げられて、これにより上記シール材２２
が脱落しないように保護している。

ここで、上記絶縁碍子１１を構成するＳｉ３Ｎ４焼結体
の製造方法について説明すると、まず原材料を従来と同
様の手法によって高温状態で焼結することにより通常の
Ｓｔ、Ｎ４焼結体を得る。

次いで、焼結後のＳｉ３Ｎ４焼結体に対して、酸素分圧
を高めた酸化雰囲気中で加熱処理を行う。

この加熱処理は、Ｓｉ３Ｎ４焼結体を例えばｌ。

０００℃の設定温度の下で４時間放置することにより行
った。

このようにして熱処理を行ったＳｉ３Ｎ４焼結体を、レ
ーザラマン分光分析器にセットしてスペクトル分析する
と、第２図に示すように、図の鎖線に示すように加熱処
理前に検出された遊離Ｓｔを特徴づける波数５２１ｃｍ
−１付近の鋭いラマンビークが消量しているのが確認さ
れた。これは、遊離Ｓｉが雰囲気中の酸素分子と化合す
ることにより、構造の異なる５ｉ０２に変化したものと
推察される。一方、β−３ｉ３Ｎ４の存在を示すラマン
ピークについては加熱処理前と同様に検出されたので、
加熱処理によって基本的な構造変化は生じていないもの
と考えられる。

なお、上記の熱処理に際しては、１２００℃以上に温度
を上げると本体のＳｉ３Ｎ４が酸化されて強度低下を招
くおそれがあるので、熱処理温度を１２００℃を超えな
いように設定する必要がある。また、雰囲気中の酸素分
子が焼結体内部に十分拡散できるように、比較的長時間
の反応時間を確保する必要がある。

そして、遊離Ｓｉが耐電圧性に与える影響を調べるため
に、第３図に示すように、熱処理後のＳｉ３Ｎ４焼結体
からなるテストピース２３を一対のテスト電極２４．２
４で挟持し、画電極２４゜２４に直流電圧を印加するこ
とにより絶縁破壊電圧を調べた。なお、テストピース２
３には、直径５０Ｉ１ｍ、肉厚ＩＩＩＩＩのサンプルを
使用した。この実験により、従来では２５ＫＶ前後で絶
縁破壊を発生すると考えられていたのが、約４５ＫＶの
電圧を印加したときに上記テストピース２３に絶縁破壊
が発生し、これにより耐電圧性がＡｌ２Ｏ，と同レベル
にまで向上しているのが確認された。

そこで、熱処理を行ったＳｉ３Ｎ４焼結体を第１図にお
ける絶縁碍子１１としたスパークプラグ１０を作製し、
実際にエンジンに装着して実機試験を行った。この実機
試験は、第４図に示すように、１，５００ｒｐｍから７
，５００ｒｐｍへの全開加速状態と、７，５００ｒｐｍ
から１，５００ｒｐｍへの全閉減速状態とを２０秒の周
期で繰り返すというプラグ温度変化が最も激しい条件で
２００時間をかけて行った。試験終了後、供試したスパ
ークプラグ１０を点検しても、絶縁碍子１１には貫通穴
が形成されておらず、実用に耐えうるものとの評価を得
た。

なお、本実施例においては、スパークプラグ１０におけ
る中心電極体１３の異径部分に対応する絶縁碍子１１の
大径部１１ｂと小径部１１ｃとが、上記したように両者
間のテーパ状部ｌｉｄに対してそれぞれ湾曲部ｌｉｅ、
ｌｌｆを介してなだらかに接続されていることから、電
界集中が緩和されることになって、耐電圧性がより一層
向上するという利点がある。

次に、第４図は本発明をレシプロエンジン用のスパーク
プラグ１０′に適用した別の実施例を示すもので、この
実施例においてもスパークプラグ１０′の中心電極体１
３′を外嵌する絶縁碍子１１′が、上記第１の実施例と
同様に焼結後に酸素雰囲気中で加熱処理されな５ｉ３Ｎ
４ｆＲ結体によって構成されていると共に、該絶縁碍子
１１′の上記中心電極体１３′の下端に設けられた放電
電極部１２′の付近から、接地電極部１８′を有する取
付金具１７′の下部側のネジ部１７ａ′との接触部分と
の間に、上記ネジ部１７ａ′の内周面との間の奥行の深
い渭１９′に面して露出する長めの碍子脚部１１ｂ′が
形成されている。

また、この実施例においても、上記中心電極体１３′の
異径部分に対応する上部側の大径部１１ｂ′と下部側の
小径部１１ｃ′とが、両者間のテーパ状部１１ｄ′に対
してそれぞれ湾曲部１１ｅ　　、ｌｌｆ’を介してなだ
らかに接続されている。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、スパークプラグの絶縁碍
子をＳｉ３Ｎ４焼結体としたことにより、碍子脚部を長
くしてカーボン付着に起因する低回転側でのミスファイ
アを効果的に防止することができると共に、該焼結体が
持つ良好な熱伝導性によって電極部分の冷却性が向する
ことにより高回転側の耐プレイグニツシヨン性の悪化が
回避されて、この種のスパークプラグの実用回転範囲が
拡大することになる。

特に、絶縁碍子に用いるＳｉ３Ｎ４焼結体を形成した後
に酸化雰囲気中で加熱処理することにより、この種のス
パークプラグの耐電圧性が著しく向上するという効果が
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１〜５図は本発明の実施例を示すもので、第１図は本
発明方法を適用したロータリーエンジン用スパークプラ
グの下部構造を示す半断面図、第２図はＳｉ３Ｎ４焼結
体の熱処理後のラマンスペクトル図、第３図は耐電圧試
験装置の概略構成図、第４図は実機試験におけるエンジ
ン回転数を示すタイムチャート図、第５図は同じく本発
明方法を適用したレシプロエンジン用スパークプラグの
下部構造を示す半断面図である。第６図は従来例の問題
点の説明図、第７図は従来のＳｉ３Ｎ４焼結体のラマン
スペクトル図である。 １０・・・スパークプラグ、１１・・・絶縁碍子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）スパークプラグの製造方法であって、該スパーク
   プラグの絶縁碍子をＳｉ＿３Ｎ＿４焼結体で構成すると
   共に、上記焼結体の形成後に酸化雰囲気中で加熱処理を
   行うことを特徴とするスパークプラグの製造方法。