WO2022264996A1

WO2022264996A1 - スパークプラグ

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Publication number: WO2022264996A1
Application number: PCT/JP2022/023731
Authority: WO
Inventors: 健佐久間; 裕一山田; 治樹吉田; 大輝嶋田; 琢人木場
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2021-06-14
Filing date: 2022-06-14
Publication date: 2022-12-22
Anticipated expiration: 2023-12-14
Also published as: US12095234B2; US20240275137A1; JP7305707B2; JP2022190528A; DE112022003101T5; CN117461227A

Abstract

【解決手段】本発明のスパークプラグ１は、先端側に配される脚長部２２と、脚長部２２の後端側に配され脚長部２２よりも大径である中胴部２３と、中胴部２３の後端側に配され中胴部２３よりも大径である鍔部２４とを有し、アルミナ基焼結体からなる絶縁体２を備える。スパークプラグ１では、中胴部２３を、軸線ＡＸ方向における任意の位置で、軸線ＡＸ方向に対して垂直な方向に切断することで得られる切断面２３ｂを、鏡面研磨した状態において、互いに重ならないように１８５μｍ×２５０μｍの観察領域Ｘを２０個設定すると共に、前記２０個の観察領域Ｘに含まれる複数の気孔について、それぞれ、気孔の外周の長さＰ［μｍ］の２乗値Ｐ２［μｍ２］を求めた場合に、その２乗値Ｐ２［μｍ２］の大きい上位２０個の気孔における２乗値Ｐ２［μｍ２］の平均値が２２００μｍ２以下であり、かつ２０個の観察領域Ｘの合計面積（１００％）に対する、２０個の観察領域Ｘに含まれる全ての気孔の合計面積の割合Ｔ［％］が５％以下である。

Description

スパークプラグ

　本発明は、スパークプラグに関する。

　内燃機関に使用されるスパークプラグとして、アルミナを主成分とするアルミナ基焼結体からなる筒状の絶縁体を備えているものがある（例えば、特許文献１）。この種のスパークプラグでは、近年、小径化の要求により、絶縁体が小径化されている。絶縁体が小径化されると、筒状をなした絶縁体の壁部の厚みが薄くされるため、絶縁体の耐電圧性能に問題が発生することがあった。そのため、近年、絶縁体の更なる耐電圧性能の向上が求められている。

特開２０２０－５７５５９号公報

（発明が解決しようとする課題）
　筒状をなした絶縁体の壁部内には、通常、細かな気孔（空隙）がある程度、存在している。この種の気孔は、絶縁体の製造過程において、不可避的に形成されるものであり、極端に大きな気孔（例えば、直径が５，０００μｍを超える気孔）が形成された場合以外は、通常、その存在が問題視されることは少ない。しかしながら、絶縁体の小径化に伴って、絶縁体の壁部の厚みが小さくなると、気孔の存在を無視できなくなり、気孔が絶縁体の耐電圧性能の低下に影響を及ぼす場合があった。

　本発明の目的は、耐電圧性能に優れる絶縁体を備えたスパークプラグを提供することである。

（課題を解決するための手段）
　本発明者等は、アルミナ基焼結体からなる絶縁体を備えたスパークプラグにおいて、その絶縁体の中胴部の内部に、ある一定以上の大きさを備えつつ、表面が凹凸状の気孔（空隙）が存在していると、スパークプラグの使用時に、その気孔を取り囲む凹凸状の輪郭部分に、局所的な電界集中が発生して、絶縁体の破壊が引き起こされることをつきとめた。

　そして、本発明者等は、前記目的を達成するべく鋭意検討を行った結果、アルミナ基焼結体からなる絶縁体を備えたスパークプラグにおいて、その絶縁体の中胴部に存在する気孔の輪郭形状、気孔の大きさ及び気孔の存在割合等を、後述する所定の条件を満たすように制御すると、絶縁体の耐電圧性能が確保されることを見出し、本願発明の完成に至った。

　前記課題を解決するための手段は、以下の通りである。即ち、
　＜１＞　軸線方向に沿って延びた筒状をなし、先端側に配される脚長部と、前記脚長部の後端側に配され前記脚長部よりも大径である中胴部と、前記中胴部の後端側に配され前記中胴部よりも大径である鍔部とを有し、アルミナ基焼結体からなる絶縁体を備えるスパークプラグであって、前記中胴部を、前記軸線方向における任意の位置で、前記軸線方向に対して垂直な方向に切断することで得られる切断面を、鏡面研磨した鏡面研磨面において、互いに重ならないように１８５μｍ×２５０μｍの観察領域を２０個設定すると共に、前記２０個の観察領域に含まれる複数の気孔について、それぞれ、気孔の外周の長さＰ［μｍ］の２乗値Ｐ^２［μｍ^２］を求めた場合に、その２乗値Ｐ^２［μｍ^２］の大きい上位２０個の気孔における２乗値Ｐ^２［μｍ^２］の平均値が２２００μｍ^２以下であり、かつ前記２０個の観察領域の前記合計面積（１００％）に対する、前記２０個の観察領域に含まれる全ての気孔の合計面積の割合Ｔ［％］が５％以下であるスパークプラグ。

　＜２＞　２０個の前記観察領域それぞれについての、前記気孔の面積の累積分布における累積５０％の面積が、３μｍ^２を超える値である前記＜１＞に記載のスパークプラグ。

　＜３＞　前記割合Ｔが３％以下である前記＜１＞又は＜２＞に記載のスパークプラグ。

　＜４＞　前記中胴部の厚みが、２．０ｍｍ以下である前記＜１＞から＜３＞の何れか１つに記載のスパークプラグ

（発明の効果）
　本発明によれば、耐電圧性能に優れる絶縁体を備えたスパークプラグを提供することができる。

実施形態１に係るスパークプラグの軸線方向に沿った断面図中胴部の切断面を模式的に表した説明図観察領域に対応したＳＥＭ画像を２値化処理した２値化画像を示す説明図全ての気孔の中から、任意に選ばれた１つの気孔を模式的に表した説明図水中耐電圧試験により試験サンプルの貫通電圧を測定する方法を模式的に表した説明図

　＜実施形態１＞
　本発明の実施形態１に係るスパークプラグ１を、図１～図４を参照しつつ説明する。図１は、実施形態１に係るスパークプラグ１の軸線ＡＸ方向に沿った断面図である。図１に示される上下方向に延びた一点鎖線は、スパークプラグ１の軸線ＡＸであり、図１において、スパークプラグ１の長手方向（軸線ＡＸ方向）が、図１の上下方向に対応する。図１の下側に、スパークプラグ１の先端側が示され、図１の上側に、スパークプラグ１の後端側が示される。

　スパークプラグ１は、自動車のエンジン（内燃機関の一例）に取り付けられて、エンジンの燃焼室内における混合気の点火に利用される。スパークプラグ１は、主として、絶縁体２、中心電極３、接地電極４、端子金具５、主体金具６、抵抗体７、シール部材８，９を備えている。

　絶縁体２は、内部に貫通孔２１を含む軸線ＡＸ方向に延びた略円筒状の部材である。絶縁体２の詳細は、後述する。

　主体金具６は、スパークプラグ１をエンジン（具体的には、エンジンヘッド）に取り付ける際に利用される部材であり、全体として軸線ＡＸ方向に延びた円筒状をなし、導電性の金属材料（例えば、低炭素鋼材）によって構成される。主体金具６の先端側の外周面には、ネジ部６１が形成されている。また、ネジ部６１の後端（所謂、ネジ首）には、リング状のガスケットＧが外嵌されている。ガスケットＧは、環状であり、金属板を折り曲げて形成されている。このようなガスケットＧは、ネジ部６１の後端と、ネジ部６１よりも後端側に配置された座部６２との間に配置され、スパークプラグ１がエンジンに取り付けられた際に、スパークプラグ１とエンジン（エンジンヘッド）との間に形成される隙間を封止する。

　主体金具６の後端側には、主体金具６をエンジンに取り付ける際にレンチ等の工具を係合させるための工具係合部６３が設けられている。そして、主体金具６の後端部には、径方向内側に屈曲された薄肉の加締め部６４が設けられている。

　また、主体金具６は、内部に軸線ＡＸ方向に貫通する通し孔６５を備えており、その通し孔６５に挿通される形で、絶縁体２が主体金具６の内部で保持される。絶縁体２の後端は、主体金具６の後端から外側（図１の上側）へ大きく突出した状態となっている。これに対して、絶縁体２の先端は、主体金具６の先端から外側（図１の下側）へ僅かに突出した状態となっている。

　主体金具６における工具係合部６３から加締め部６４に至る部位の内周面と、絶縁体２の外周面（後述する後側筒部２５の外周面）との間には、環状の領域が形成され、その領域に、環状をなした第１リング部材Ｒ１及び第２リング部材Ｒ２が、軸線ＡＸ方向において互いに離された状態で配置されている。そのような第１リング部材Ｒ１と第２リング部材Ｒ２との間には、タルク（滑石）１０の粉末が充填されている。加締め部６４の後端は、径方向内側に折り曲げられて、絶縁体２の外周面（後述する後側筒部２５の外周面）に固定されている。

　また、主体金具６は、座部６２と工具係合部６３との間に設けられた薄肉の圧縮変形部６６を備えている。圧縮変形部６６は、スパークプラグ１の製造時において、絶縁体２の外周面に固定された加締め部６４が先端側に押圧されることにより、圧縮変形する。このように圧縮変形部６６が圧縮変形することにより、第１リング部材Ｒ１、第２リング部材Ｒ２及びタルク１０を介して、絶縁体２が、主体金具６内で先端側に押圧される。その際、絶縁体２の一部である外側に環状に広がった部分（後述する第１拡径部２６）の外周面が、主体金具６の内周側に設けられた段部６６の表面に対して、パッキンＰ１を間に置きつつ、押し付けられる。そのため、エンジンの燃焼室内のガスが、主体金具６と絶縁体２との間に形成される隙間に進入しても、その隙間に設けられたパッキンＰ１により、外部へ漏出することが防止される。

　絶縁体２が主体金具６の内部に装着された状態において、その絶縁体２の内部に、中心電極３が配設されている。中心電極３は、軸線ＡＸ方向に沿って延びる棒状の中心電極本体３１と、その中心電極本体３１の先端に取り付けられる略円柱状（略円板状）のチップ（中心電極チップ）３２とを備えている。中心電極本体３１は、絶縁体２や主体金具６よりも長手方向の長さが短い部材であり、その先端側が外部に露出するように絶縁体２の貫通孔２１内で保持されている。中心電極本体３１の後端は、絶縁体２の内部（貫通孔２１）に収容されている。中心電極本体３１は、外側に配される電極母材３１Ａと、その電極母材３１Ａの内部に埋設された芯部３１Ｂとを備えている。電極母材３１Ａは、例えば、ニッケル又はニッケルを主成分とする合金（例えば、ＮＣＦ６００、ＮＣＦ６０１）を用いて形成される。芯部３１Ｂは、電極母材３１Ａを形成する合金よりも熱伝導性に優れる銅又は銅を主成分とするニッケル基合金で形成される。

　また、中心電極本体３１は、軸線ＡＸ方向の所定の位置に取り付けられた電極鍔部３１ａと、電極鍔部３１ａよりも後端側の部分である電極頭部３１ｂと、電極鍔部３１ａよりも先端側の部分である電極脚部３１ｃとを備えている。電極鍔部３１ａは、絶縁体２内に収容された状態で、絶縁体２の内周面側に形成された段部２３ａ（後述）に支持されている。電極脚部３１ｃの先端（つまり、中心電極本体３１の先端）は、絶縁体２の先端より先端側に突出している。

　チップ３２は、略円柱状（略円板状）であり、中心電極本体３１の先端（電極脚部３１ｃの先端）に、抵抗溶接やレーザ溶接等により接合される。チップ３２は、高融点の貴金属を主成分とする材料（例えば、イリジウム（Ｉｒ）を主成分とするイリジウム基合金）からなる。

　端子金具５は、軸線ＡＸ方向に延びる棒状の部材であり、絶縁体２の貫通孔２１の後端側に挿し込まれる形で取り付けらる。端子金具５は、絶縁体２（貫通孔２１）内において、中心電極３よりも後端側に配置されている。端子金具５は、導電性の金属材料（例えば、低炭素鋼）で構成される。なお、端子金具５の表面には、防食等の目的でニッケル等のメッキが施されてもよい。

　端子金具５は、先端側に配される棒状の端子脚部５１と、その端子脚部５１の後端側に配される端子鍔部５２と、その端子鍔部５２よりも後端側に配されるキャップ装着部５３とを備えている。端子脚部５１は、絶縁体２の貫通孔２１内に挿入されている。端子鍔部５２は、絶縁体２の後端部から露出し、かつその後端部に係止する部分である。キャップ装着部５３は、高圧ケーブルが接続されたプラグキャップ（不図示）が装着される部分であり、そのキャップ装着部５３を介して、外部より火花放電を発生させるための高電圧が印加される。

　抵抗体７は、絶縁体２の貫通孔２１内において、端子金具５の先端（端子脚部５１の先端）と中心電極３の後端（中心電極本体３１の後端）との間に配置される。抵抗体７は、例えば、１ｋΩ以上の抵抗値（例えば、５ｋΩ）を有し、火花発生時の電波ノイズを低減する機能等を備えている。抵抗体７は、主成分であるガラス粒子と、ガラス以外のセラミック粒子と、導電性材料とを含む組成物によって構成される。

　貫通孔２１内における抵抗体７の先端と、中心電極３の後端との間には隙間が設けられており、その隙間を埋める形で、導電性のシール部材８が配設されている。また、貫通孔２１内における抵抗体７の後端と、端子金具５の先端との間にも隙間が設けられており、その隙間を埋める形で、導電性のシール部材９が配設されている。各シール部材８，９は、例えば、Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２系等のガラス粒子と、金属粒子（Ｃｕ、Ｆｅ等）とを含む導電性の組成物によって構成される。

　接地電極４は、主体金具６の先端に接合された接地電極本体４１と、四角柱形状の接地電極チップ４２とを備えている。接地電極本体４１は、全体的には途中で略Ｌ字状に折れ曲がった板片からなり、その後端部４１ａが主体金具６の先端に、抵抗溶接等によって接合される。これによって、主体金具６と接地電極本体４１とが、電気的に接続される。接地電極本体４１は、例えば、主体金具６と同様、ニッケル又はニッケルを主成分とするニッケル基合金（例えば、ＮＣＦ６００、ＮＣＦ６０１）を用いて形成される。接地電極チップ４２は、中心電極３のチップ３２と同様、イリジウム（Ｉｒ）を主成分とするイリジウム基合金等からなる。接地電極チップ４２は、接地電極本体４１の先端部に対して、レーザ溶接によって接合される。

　接地電極本体４１の先端部の接地電極チップ４２と、中心電極３の先端部のチップ３２とは、互いに間隔を保ちつつ、対向するように配置されている。つまり、中心電極３の先端部にあるチップ３２と、接地電極４の先端部にある接地電極チップ４２との間には、隙間ＳＰがあり、中心電極３と接地電極４との間に高電圧が印加されると、その隙間ＳＰにおいて、概ね軸線ＡＸ方向に沿った形で、火花放電が発生する。

　次いで、絶縁体２について詳細に説明する。絶縁体２は、全体的には、軸線ＡＸ方向に沿って細長く延びた筒状（円筒状）をなしており、図１に示されるように、内部に軸線ＡＸ方向に延びた貫通孔２１を含んでいる。絶縁体２は、アルミナを主成分とする筒状（円筒状）のアルミナ基焼結体によって構成される。絶縁体２は、先端側に配される脚長部２２と、脚長部２２の後端側に配される部分であり、脚長部２２よりも大径である中胴部２３と、中胴部２３の後端側に配される部分であり、中胴部２３よりも大径である鍔部２４とを備えている。なお、脚長部２２と中胴部２３との間には、第１拡径部２６が設けられており、また、中胴部２３と鍔部２４との間には、第２拡径部２７が設けられている。

　脚長部２２は、全体的には、先側から後側に向かって徐々に外径が大きくなる細長い筒状（円筒状）をなしており、中胴部２３や第１拡径部２６よりも小さな外径を有している。脚長部２２は、スパークプラグ１がエンジン（エンジンヘッド）に取り付けられた際に、その燃焼室に晒される。

　鍔部２４は、軸線ＡＸ方向における絶縁体２の略中央に配され、円環状をなしている。鍔部２４の内部にある貫通孔２１には、抵抗体７が配設されている。

　第１拡径部２６は、脚長部２２と中胴部２３とを繋ぐ部分であり、先側から後側に向かって徐々に外径が大きくなる円筒状（円環状）をなしている。絶縁体２のうち、この第１拡径部２６の外表面が、絶縁体２が主体金具６に装着される際に、主体金具６の内周側に設けられた段部６６の表面に対して、パッキンＰ１を間に置きつつ載せられる。

　第２拡径部２７は、中胴部２３と鍔部２４とを繋ぐ部分であり、第１拡径部２６よりも外径が大きく、かつ先側から後側に向かって徐々に外径が大きくなる円筒状（円環状）をなしている。

　中胴部２３は、軸線ＡＸ方向において、外径が略同一に設定された筒状（円筒状）をなしている。図１には、軸線ＡＸ方向において、中胴部２３が占める範囲Ｌ１が示されている。絶縁体２が主体金具６に装着された状態において、中胴部２３の外表面（外周面）と主体金具６の内表面（内周面）との間には、僅かな隙間（空間）が存在している。中胴部２３のうち、先端寄りの内側（内周面側）に、円環状の段部２３ａが設けられており、絶縁体２の貫通孔２１に中心電極３の中心電極本体３１が収容された状態において、段部２３ａの表面により、中心電極本体３１の電極鍔部３１ａが支持される。中胴部２３の壁部の厚み（径方向における厚み）は、脚長部２２の壁部の厚みよりも大きい。また、中胴部２３のうち、先端側から段部２３ａが形成されている部分の壁部の厚みは、それよりも後側の部分における壁部の厚みよりも大きい。

　中胴部２３は、その外周面が、大気下（空気）に晒されており、脚長部２２と比べて電気を通し易い環境下にあると言える。そのため、中胴部２３は、脚長部２２と比べて、壁部の厚みが大きく設定されている。

　本明細書において、「中胴部２３の厚み」とは、特に断りが無い限り、中胴部２３のうち、壁部の厚みが略一定である部分（つまり、段部２３ａよりも後端側の部分）の壁部の厚みのことである。中胴部２３の厚みは、本発明の目的を損なわない限り特に制限はないが、例えば、３．０ｍｍ以下であっても良いし、２．０ｍｍ以下であっても良い。中胴部２３の厚みが、２．０ｍｍ以下であると、本発明の技術的効果がより顕著に発揮される。

　なお、絶縁体２は、更に、鍔部２４の後端側に接続され、軸線ＡＸ方向に延びた筒状（円筒状）の後側筒部２５を備えている。後側筒部２５は、鍔部２４の外径よりも小さな外径を有している。後側筒部２５の内部にある貫通孔２１には、端子金具５が備える棒状の端子脚部５１等が配設されている。

　中胴部２３は、絶縁体２の中で、最も小径化の影響を受け易い部分であり、小径化に伴って絶縁破壊が発生し易くなる。そのため、中胴部２３が、少なくとも、以下に示される条件１，２のすべてを満たすような気孔を含む内部組織を備えていると、耐電圧性能に優れた絶縁体２（スパークプラグ１）が得られる。

　＜条件１＞
　中胴部２３を、軸線ＡＸ方向における任意の位置で、軸線ＡＸ方向に対して垂直な方向に切断することで得られる切断面（つまり、中胴部２３を輪切り状にして得られる切断面）２３ｂを鏡面研磨した鏡面研磨面において、互いに重ならないように１８５μｍ×２５０μｍの観察領域（縦：１８５μｍ、横：２５０μｍの矩形状の観察領域）を２０個設定すると共に、それら２０個の観察領域に含まれる複数の気孔について、それぞれ、気孔の外周の長さＰ［μｍ］の２乗値Ｐ^２［μｍ^２］を求めた場合に、その２乗値Ｐ^２［μｍ^２］の大きい上位２０個の気孔における２乗値Ｐ^２［μｍ^２］の平均値が２２００μｍ^２以下となるように、気孔が絶縁体２の中胴部２３に含まれている。

　＜条件２＞
　全ての気孔において、前記２０個の観察領域の合計面積（１００％）に対する、前記２０個の観察領域に含まれる全ての気孔の合計面積の割合Ｔ［％］は、５％以下である。

　ここで、図２～図４等を参照しつつ、より具体的に上記条件１，２等について詳細に説明する。図２は、中胴部２３の切断面２３ｂを模式的に表した説明図である。図２には、中胴部２３が、軸線ＡＸ方向における任意の位置で、軸線ＡＸ方向に対して垂直な方向に切断され、かつ切断後に、鏡面状に研磨された鏡面研磨面の状態の切断面２３ｂが示されている。本明細書において、切断面２３ｂの鏡面研磨面を、切断面２３ｂと同じ符号を用いて「鏡面研磨面２３ｂ」と表す場合がある。

　切断面２３ｂの鏡面研磨処理は、ダイヤモンド砥石やダイヤモンドペースト等を利用した公知の手法に基づいて行われる。鏡面研磨処理は、切断面２３ｂの表面粗さ（Ｒａ）が、例えば０．００１μｍ程度となるまで行われる。

　中胴部２３の鏡面研磨面２３ｂは、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察される。そのため、鏡面研磨面２３ｂには、必要に応じて導電性付与のためのカーボン蒸着が行われてもよい。なお、ＳＥＭの加速電圧は、例えば、２０ｋＶに設定され、ＳＥＭの倍率は、例えば、５００倍に設定される。

　鏡面研磨面２３ｂは、図２に示されるように、円環状をなしており、その円環状の鏡面研磨面２３ｂに、互いに重ならないように１８５μｍ×２５０μｍの大きさの観察領域Ｘが環状に一列に並ぶように２０個設定される。各観察領域Ｘは、鏡面研磨面２３ｂの所定箇所を、ＳＥＭを用いて撮影したＳＥＭ画像として取得される。図２には、複数の観察領域Ｘが模式的に表されている。なお、図２では、観察領域Ｘ同士を区別するために、各符号Ｘに添え字（１～２０の数字）が付されている。例えば、観察領域Ｘのうち、観察領域Ｘ１は、１番目に設定した観察領域Ｘであり、観察領域Ｘ２０は、２０番目に設定した観察領域Ｘである。

　このように設定された合計２０個の観察領域Ｘに対応した合計２０個のＳＥＭ画像について、コンピュータ上で実行される公知の画像解析ソフト（例えば、ＷｉｎＲＯＯＦ（登録商標））を利用して、画像解析処理（二次元画像解析処理）が行われる。

　画像解析処理では、先ず、個々のＳＥＭ画像について、ＳＥＭ画像に付記されているスケールバーを基にした、大きさの較正処理（キャリブレーション）が行われる。次いで、較正処理後のＳＥＭ画像に対して、２値化処理が行われる。図３は、観察領域Ｘに対応したＳＥＭ画像を２値化処理した２値化画像を示す説明図である。２値化処理では、ＳＥＭ画像の各画素についての輝度（明度）が、所定の閾値（例えば、閾値＝１１８）を用いて、二階調化される。つまり、輝度が閾値以下の画素については、その画素の輝度が「０」とされ、輝度が閾値を超えた画素については、その画素の輝度が「２５５」とされる。このように二階調化して、中間階調を無くすことにより、２値化画像が得られる。図３の２値化画像では、気孔１１が黒色で示され、それ以外の部分（セラミック部分）１２が白色で示されている。

　そして、観察領域Ｘに対応した２値化画像から、それに含まれる全ての気孔（空隙）を抽出すると共に、その抽出した各気孔について、それぞれ、気孔の外周の長さＰ［μｍ］が計測される。図４は、全ての気孔の中から、任意に選ばれた１つの気孔１１を模式的に表した説明図である。そして更に、抽出した各気孔について、計測された気孔の外周の長さＰ［μｍ］の２乗値Ｐ^２［μｍ^２］が算出される。２乗値Ｐ^２［μｍ^２］は、２０個の観察領域Ｘに含まれる全ての気孔１１について、それぞれ求められる。

　このように全ての気孔１１について、２乗値Ｐ^２［μｍ^２］が求められた後、それらの気孔１１の中から、２乗値Ｐ^２［μｍ^２］が大きい方から上位２０個の気孔が選出される。そして、それら上位２０個の気孔の２乗値Ｐ^２［μｍ^２］の平均値が算出される。本実施形態の場合、前記２乗値Ｐ^２［μｍ^２］の平均値が、２２００μｍ^２以下に設定されている。

　前記２乗値Ｐ^２［μｍ^２］の平均値が、２２００μｍ^２以下である場合とは、中胴部２３に含まれる気孔の輪郭形状が、切断面（鏡面研磨面）２３ｂにおいて、より真円に近い方が好ましく、また、中胴部２３に含まれる気孔の大きさが小さい方が好ましいことを意味する。

　ここで、気孔の２乗値Ｐ^２［μｍ^２］の技術的な意義について、更に説明する。なお、ここでは、２値化画像から抽出された任意の１つの気孔を例に挙げて説明する。気孔の輪郭形状は、気孔の凹凸度を指標として評価できる。気孔の凹凸度は、（Ｐ^２／Ａ）×（１／４π）で表される。Ｐは、上述したように、気孔の外周の長さＰ［μｍ］を表し、Ａは、気孔の面積［μｍ^２］を表す。また、気孔の大きさは、気孔の面積Ａ［μｍ^２］で評価できる。

　そこで、１つの気孔について、「輪郭形状」と「大きさ」とをまとめて評価する指標Ｖとして、気孔の凹凸度（（Ｐ^２／Ａ）×（１／４π））と、気孔の面積Ａ［μｍ^２］との積（（Ｐ^２／Ａ）×（１／４π）×Ａ）を利用できることが経験的に知られている。この場合、指標Ｖは、２乗値Ｐ^２［μｍ^２］に比例することが明らかであるため、本実施形態においては、１つの気孔における「輪郭形状」と「大きさ」とをまとめて評価する指標として、気孔の外周の長さＰ［μｍ］の２乗値Ｐ^２［μｍ^２］を使用した。

　なお、観察領域Ｘに対応した２値化画像から、抽出した各気孔について、それぞれ、面積Ａ［μｍ^２］も計測される。計測された各気孔の面積Ａ［μｍ^２］は、後述する条件２の規定で利用される。

　また、上記条件２に示されるように、全ての観察領域Ｘの面積（２０個の観察領域Ｘの合計面積）（１００％）に対する、全ての観察領域Ｘに含まれる全ての気孔の合計面積の割合Ｔ［％］は、５％以下となるように、絶縁体２の中胴部２３の内部組織中の気孔１１が調整されている。条件２における全ての気孔の合計面積は、全ての気孔について計測された気孔の面積Ａ［μｍ^２］の総和である。なお、本実施形態において、１個の気孔の面積Ａ［μｍ^２］は、５，０００μｍ^２以下に調整されることが好ましい。参考として、気孔１１の大きさと比較するために、図３の２値化画像中に、面積が略５，０００μｍ^２である円を示した。

　更に、上記条件１，２以外に、以下に示される条件を満たすように、中胴部２３の内部組織が調整されてもよい。具体的には、２０個の観察領域Ｘそれぞれについて、気孔の面積分布を対数正規分布により近似し、その気孔の面積における累積分布の累積５０％の面積を求めた場合に、その累積５０％の面積は、３μｍ^２を超える値であってもよい。中胴部２３がこのような条件を満たしていると、耐衝撃性の優れた絶縁体２が得られる。

　更に、以下に示される条件を満たすように、中胴部２３の内部組織が調整されてもよい。具体的には、上記条件２で示した前記割合Ｔ［％］が、３％以下であってもよい。

　次いで、絶縁体２の製造方法について説明する。絶縁体２は、上述した条件１，２等を満たすように製造されたものである。絶縁体２の製造方法としては、最終的に得られる絶縁体２が条件１，２等を満たすものであれば特に制限はない。ここでは、絶縁体２の製造方法の一例を説明する。

　絶縁体２の製造方法は、主として、スラリー作製工程、脱泡工程、造粒工程、通篩工程、成形工程、研削工程及び焼成工程を備えている。

　＜スラリー作製工程＞
　スラリー作製工程は、原料粉末、バインダー及び溶媒を混合してスラリーを作製する工程である。原料粉末は、主成分として、焼成によりアルミナに転化する化合物の粉末（以下、Ａｌ化合物粉末）が使用される。Ａｌ化合物粉末としては、例えば、アルミナ粉末が使用される。

　Ａｌ化合物粉末の粒径（メジアン径）は、本発明の目的を損なわない限り、特に制限はないが、例えば、１．５μｍ～２．５μｍである。なお、粒径は、レーザ回折法（日機装株式会社製、マイクロトラック粒度分布測定装置、製品名「ＭＴ－３０００」）により測定される体積基準のメジアン径（Ｄ５０）である。

　Ａｌ化合物粉末は、焼成後のアルミナ基焼結体の質量（酸化物換算）を１００質量％としたときに、酸化物換算で９０質量％以上となるように調製されることが好ましい。なお、本発明の目的を損なわない限り、原料粉末には、Ａｌ化合物粉末以外の粉末が含まれてもよい。

　バインダーは、原料粉末の成形性の向上等を目的として、スラリー中に添加される。このようなバインダーとしては、ポリビニルアルコール、水性アクリル樹脂、アラビアゴム、デキストリン等の親水性結合剤が挙げられる。これらは単独で又は２種以上を組み合わせて用いてもよい。

　バインダーの配合量は、本発明の目的を損なわない限り特に制限はないが、例えば、原料粉末１００質量部に対して、０．２質量部～１．５質量部の割合で配合され、好ましくは０．３質量部～０．９質量部の割合で配合される。

　溶媒は、原料粉末等を分散させる等の目的で使用される。溶媒としては、例えば、水、アルコール等が挙げられる。これらは単独で又は２種以上を組み合わせて用いてもよい。

　溶媒の配合量は、本発明の目的を損なわない限り特に制限はないが、例えば、原料粉末１００質量部に対して、３５質量部～４５質量部の割合で配合され、好ましくは３８質量部～４２質量部の割合で配合される。なお、スラリーには、必要に応じて、原料粉末、バインダー及び溶媒以外の他の成分が配合されてもよい。スラリーの混合には、公知の撹拌・混合装置等を利用することができる。

　＜脱泡工程＞
　スラリー作製工程後のスラリーに対して、必要に応じて、脱泡工程を行ってもよい。脱泡工程では、例えば、混合（混錬）後のスラリーの入った容器を、真空脱泡装置内に配置して、減圧して低気圧環境下に置くことで、スラリー内に含まれる気泡が取り除かれる。脱泡前後のスラリーの密度を比較することで、スラリー中の気泡量を把握することができる。

　＜造粒工程＞
　造粒工程は、原料粉末等を含むスラリーから、球状の造粒粉を作製する工程である。スラリーから造粒粉を作製する方法としては、本発明の目的を損なわない限り特に制限はないが、例えば、スプレードライ法が挙げられる。スプレードライ法では、所定のスプレードライヤー装置を利用して、スラリーを噴霧乾燥することにより、所定の粒径を備えた造粒粉が得られる。

　＜通篩工程＞
　通篩工程は、造粒粉を、所定の目開きを有する篩を通過させることで、造粒粉中に含まれる異物等を除去する工程である。通篩工程で使用される篩の目開きは、例えば、造粒粉の平均粒径に対して、１５０％～３００％の大きさとなるように設定される。より具体的には、篩の目開きは、例えば１５０μｍ以上３５０μｍ以下の範囲に調整される。

　＜成形工程＞
　成形工程は、造粒粉を、成形型を利用して所定形状に成形することで成形体を得る工程である。成形工程は、ラバープレス成形や金型プレス成形等によって行われる。本実施形態の場合、成形型（例えば、ラバープレス成形機の内ゴム型及び外ゴム型）を外周側から印加する圧力（プレス昇圧速度）は、段階的に上昇するように調整される。なお、成形プレスの際に、最高プレス圧の半分以下の圧力の時に０．２秒以上の増圧の停止時間を設けることで、顆粒のつぶれ残りがなくなり、気孔の大きさと形を制御することができる。最高プレス圧の半分より大きいプレス圧の時に増圧の停止時間を設けると、成形体に過剰な圧力がかかり、成形体にキレ（切れ目）等の欠陥が発生する。なお、「増圧の停止」とは、プレス圧の増加・減少の値が、最高プレス圧の１／２０以下の場合をいう。

　＜研削工程＞
　研削工程は、成形工程後に得られた成形体の加工取り代の除去や成形体の表面を研磨等する工程である。研削工程では、レジノイド砥石等を研削することにより、加工取り代の除去や成形体の表面の研磨等が行われる。このような研削工程により、成形体の形状が整えられる。

　＜焼成工程＞
　焼成工程は、研削工程により形状が整えられた成形体を焼成して、絶縁体を得る工程である。焼成工程では、例えば、大気雰囲気下で、１４５０℃以上１６５０℃以下で１～８時間焼成する。焼成後、成形体を冷却することにより、アルミナ基焼結体からなる絶縁体２が得られる。

　以上のようにして得られた絶縁体２を使用しつつ、本実施形態のスパークプラグ１が製造される。スパークプラグ１の絶縁体２以外の構成は、上述したように公知の構成と同様である。

　以下、実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。なお、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。

〔実施例１〕
（試験サンプルの作製）
　上記実施形態１で例示したスパークプラグの絶縁体と、基本的な構成が同じである絶縁体（以下、試験サンプル）を、上記実施形態１と同様の製造方法で作製（合計４１本作製）した。試験サンプルの中胴部は、円筒状であり、その厚みは、２．０ｍｍである。

（水中耐電圧の測定）
　以下に示される水中耐電圧試験を行い、貫通電圧の測定を行った。具体的な内容は以下の通りである。図５は、水中耐電圧試験により試験サンプルＴ１の貫通電圧を測定する方法を模式的に表した説明図である。図５に示されるように、先ず、試験サンプルＴ１（スパークプラグの絶縁体２）に対する試験前準備として、絶縁体２の先端部２２ａに第１シリコーンチューブＴ３０を装着し、その状態で、先端部２２ａ内の貫通孔２１に、絶縁を目的としてシリコーンゴムＴ３１を注入して固化させた。なお、中心電極３は、固化したシリコーンゴムＴ３１と接触しないように、予めその長さが、切断等によって調整されている。次いで、第１シリコーンチューブＴ３０よりも、内径が大きい第２シリコーンチューブＴ３２を用意し、その第２シリコーンチューブＴ３２の内側に、第１シリコーンチューブＴ３０を装着した先端部２２ａが配置されるように、第２シリコーンチューブＴ３２を、絶縁体２の鍔部２４に装着した。そして、第２シリコーンチューブＴ３２と、第１シリコーンチューブＴ３０との間に形成される隙間Ｔ３３を、食塩水（濃度：１質量％）Ｔ３４で浸した。また、後側筒部２５の後端側から、内部の貫通孔２１に対して、図５に示されるように、中心電極３及び端子金具５を挿し込む形で装着した。そして、試験サンプルＴ１（絶縁体２）の軸線方向において、中胴部２３の略中央の位置おなり、かつ先端が食塩水Ｔ３４に接触するように、第２シリコーンチューブＴ３２に、試験針Ｔ３５を取り付けた。このように取り付けた試験針Ｔ３５をアース側とし、試験サンプルＴ１（絶縁体２）の後端から露出した端子金具５に、後述する条件で、高電圧を印加した。具体的には、オシリスコープを見ながら、開始電圧（２０ｋＶ）から３０ｋＶまで、１ｋＶ／ｓｅｃで昇圧した。開始電圧から１ｋＶずつ昇圧させ、各電圧で１０秒間保持し、貫通した電圧を記録した。なお、水中耐電圧試験の際、高電圧側の配線は、なるべく空気中に配置し、絶縁物上には必要最小限の部分を載置した。また、中心電極３及び端子金具５は、すべての試験サンプルＴ１の試験について、同じものを使用した。このような作業を、２０本の試験サンプル（絶縁体）に対して行った。試験結果は、２０本の試験サンプルについての平均値とした。結果は、表１に示した。

（耐衝撃性の評価）
　各試験サンプルに対して、ＪＩＳ　Ｂ７７３３に規定されるシャルピー試験を行い、試験サンプル（絶縁体）が破断する破断エネルギーの測定を行った。具体的な内容は、以下の通りである。先ず、試験サンプルである絶縁体を使用して、上記実施形態１で例示したものと同様の構成のスパークプラグ（以下、試験用スパークプラグ）を作製した。その試験用スパークプラグの軸線方向を上下方向として、先端側を下方に向け、試験台に設けられたネジ孔に試験用スパークプラグの主体金具のネジ部を螺合させて固定した。また、固定した試験用スパークプラグの軸線方向の上方に軸支点を有するハンマーを旋回可能に設けた。そして、ハンマーの先端を持ち上げてリリースし、自由落下によりハンマーを旋回させ、ハンマーの先端を絶縁体の後端より略１ｍｍの部位に衝突させた。このハンマーの持ち上げ角度（軸線方向に対する角度）を、所定角度ずつ大きくしながらハンマーの先端を試験用スパークプラグの絶縁体に衝突させた。このような操作を繰り返し、絶縁体に破断が生じた際の持ち上げ角度に基づいて絶縁体のシャルピー破断エネルギー［Ｊ］を求めた。このような作業を、２０本の試験サンプル（絶縁体）に対して行った。試験結果は、２０本の試験サンプルについての平均値とした。結果は、表１に示した。

（中胴部の切断面の観察）
　得られた試験サンプルの中胴部を、軸線方向に対して垂直に切断し、得られた切断面を、鏡面状に研磨した後、その切断面（鏡面研磨面）の組織をＳＥＭで観察した。ＳＥＭの加速電圧は、２０ｋＶに設定し、ＳＥＭの倍率は、５００倍に設定した。そして、その切断面（鏡面研磨面）において、互いに重ならないように観察領域（１８５μｍ×２５０μｍ）を２０個設定し、それら２０個の観察領域に対応した合計２０個のＳＥＭ画像を取得した。そして、それらのＳＥＭ画像に対して、画像解析ソフト（ＷｉｎＲＯＯＦ（登録商標））による画像解析処理を実行して、２０個の観察領域に含まれる複数の気孔について、それぞれ、気孔の外周の長さＰ［μｍ］、及び２乗値Ｐ^２〔μｍ〕を求めた。そして、複数の気孔の中から、２乗値Ｐ^２〔μｍ〕の大きい上位２０個の気孔を選出し、選出した２０個の気孔の２乗値Ｐ^２〔μｍ〕の平均値を算出した。結果は、表１に示した。

　また、２０個の観察領域の合計面積（１００％）に対する、全ての気孔の合計面積の割合Ｔ［％］を求めた。結果は表１に示した。

　更に、２０個の観察領域それぞれについて、気孔の面積分布を対数正規分布により近似し、その気孔の面積における累積分布の累積５０％の面積[μｍ]を求めた。結果は、表１に示した。

〔実施例２～９〕
　成形工程における成形プレスの際に、増圧の停止時間におけるプレス圧を適宜、変更したこと以外は、実施例１と同様にして、実施例２～９の試験サンプルを作製した。

〔実施例１０〕
　中胴部の厚みを３．０ｍｍに変更すると共に、成形工程における成形プレスの際に、増圧の停止時間におけるプレス圧を変更したこと以外は、実施例１と同様にして、実施例１０の試験サンプルを作製した。

〔比較例１，２〕
　成形工程における成形プレスの際に、増圧の停止時間を設けないこと以外は、実施例１と同様にして、比較例１，２の試験サンプルを作製した。

〔比較例３〕
　中胴部の厚みを３．０ｍｍに変更すると共に、成形工程における成形プレスの際に、増圧の停止時間を設けないこと以外は、実施例１と同様にして、比較例３の試験サンプルを作製した。

　得られた試験サンプルについて、実施例１と同様、上記「水中耐電圧の測定」、「耐衝撃性の評価」、及び「切断面の観察」を行った。それらの結果は、表１に示した。なお、実施例１０及び比較例３については、耐衝撃性の評価は行っていない。

　表１に示されるように、中胴部の厚みが２ｍｍである実施例１～９の場合、２乗値Ｐ^２［μｍ^２］が大きい方から上位２０個の気孔について、それらの気孔の２乗値Ｐ^２［μｍ^２］の平均値が、何れも２２００μｍ^２以下となっており、耐電圧性能に優れている。なお、実施例１～９では、２０個の観察領域の合計面積（１００％）に対する、２０個の観察領域に含まれる全ての気孔の合計面積の割合Ｔ［％］が、何れも５．０％以下となっている。また、実施例１～９では、面積が５，０００μｍを超える気孔は見当たらなかった。

　これに対して、中胴部の厚みが２ｍｍである比較例１，２の場合、２乗値Ｐ^２［μｍ^２］の平均値は、それぞれ７８２０μｍ^２、３４２０μｍ^２であり、実施例１～９と比べて、耐電圧性能が低いことが確かめられた。

　また、中胴部の厚みが３ｍｍである実施例１０については、同じく中胴部の厚みが３ｍｍである比較例３と比べて、耐電圧性能に優れていることが確かめられた。

　また、実施例１～９のうち、実施例１～４及び実施例８，９は、気孔の面積の累積分布における累積５０％の面積が、３μｍ^２を超える場合であり、そのような各実施例は、前記累積５０％の面積が３μｍ^２以下である実施例５～７と比べて、耐衝撃性に優れることが確かめられた。

　また、実施例１～９のうち、実施例１，２及び実施例５～９は、前記割合Ｔ［％］が、何れも３％以下であり、実施例３，４と比べて、耐電圧性能に優れることが確かめられた。

　中胴部の厚みが２ｍｍであり、前記２乗値Ｐ^２［μｍ^２］の平均値が１４７０μｍ^２である実施例１と、前記２乗値Ｐ^２［μｍ^２］の平均値が７８２０μｍ^２である比較例１とを比較すると、水中耐電圧の差が、８ｋＶ／ｍｍであった。これに対して、中胴部の厚みが３ｍｍであり、前記２乗値Ｐ^２［μｍ^２］の平均値が１４６５μｍ^２である実施例１０と、前記２乗値Ｐ^２［μｍ^２］の平均値が７８２０μｍ^２である比較例３とを比較すると、水中耐電圧の差が、５ｋＶ／ｍｍであった。このように、前記２乗値Ｐ^２［μｍ^２］が同程度であっても、中胴部の厚みが小さい程、耐電圧性能が大きく向上することが確かめられた。

　１…スパークプラグ、２…絶縁体、２１…貫通孔、２２…脚長部、２３…中胴部、２３ｂ…切断面（鏡面研磨面）、２４…鍔部、２５…後側筒部、２６…第１拡径部、２７…第２拡径部、３…中心電極、４…接地電極、５…端子金具、６…主体金具、７…抵抗体、８…シール部材、９…シール部材、１１…気孔、ＡＸ…軸線

Claims

　軸線方向に沿って延びた筒状をなし、先端側に配される脚長部と、前記脚長部の後端側に配され前記脚長部よりも大径である中胴部と、前記中胴部の後端側に配され前記中胴部よりも大径である鍔部とを有し、アルミナ基焼結体からなる絶縁体を備えるスパークプラグであって、
　前記中胴部を、前記軸線方向における任意の位置で、前記軸線方向に対して垂直な方向に切断することで得られる切断面を、鏡面研磨した鏡面研磨面において、互いに重ならないように１８５μｍ×２５０μｍの観察領域を２０個設定すると共に、前記２０個の観察領域に含まれる複数の気孔について、それぞれ、気孔の外周の長さＰ［μｍ］の２乗値Ｐ^２［μｍ^２］を求めた場合に、その２乗値Ｐ^２［μｍ^２］の大きい上位２０個の気孔における２乗値Ｐ^２［μｍ^２］の平均値が２２００μｍ^２以下であり、かつ
　前記２０個の観察領域の前記合計面積（１００％）に対する、前記２０個の観察領域に含まれる全ての気孔の合計面積の割合Ｔ［％］が５％以下であるスパークプラグ。
　前記２０個の観察領域それぞれについての、前記気孔の面積の累積分布における累積５０％の面積が、３μｍ^２を超える値である請求項１に記載のスパークプラグ。
　前記割合Ｔが３％以下である請求項１又は請求項２に記載のスパークプラグ。
　前記中胴部の厚みが、２．０ｍｍ以下である請求項１から請求項３の何れか一項に記載のスパークプラグ。