JP2000272958A

JP2000272958A - スパークプラグ用絶縁体、その製造方法及びそれを用いたスパークプラグ

Info

Publication number: JP2000272958A
Application number: JP11269024A
Authority: JP
Inventors: Makoto Sugimoto; 誠杉本; Hiroyuki Tanabe; 宏之田辺; Hiroto Ito; 博人伊藤; Sadahiro Yamamoto; 禎広山元; Katsura Matsubara; 桂松原; Kuniharu Tanaka; 邦治田中; Toru Shimamori; 融島森; Masaya Ito; 正也伊藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1998-11-24
Filing date: 1999-09-22
Publication date: 2000-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】７００℃近傍といった高温下においても高耐
電圧特性を有するスパークプラグ用絶縁体及びそれを備
えるスパークプラグを提供する。【解決手段】スパークプラグ１００に用いられるアル
ミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とするスパークプラグ用絶
縁体２であって、少なくともケイ素（Ｓｉ）成分と、１
種類以上の希土類元素（以下、ＲＥ．と表す）成分とを
含有し、かつ、理論密度比が９５％以上であるアルミナ
基焼結体により構成する。かかる構成により、スパーク
プラグ用絶縁体２は、アルミナ結晶粒界に存在する残留
気孔や低融点ガラス相の影響による絶縁破壊の発生を抑
制し、７００℃程度の高温下における耐電圧特性に優れ
た絶縁体を有するものとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関における
混合気への着火源として使用されるスパークプラグと、
それに使用されるスパークプラグ用絶縁体及びその製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車エンジン等の内燃機関に使用され
るスパークプラグにおいては、スパークプラグ用絶縁体
（以下、単に「絶縁体」ともいう）として、従来より、
アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）系の材料を焼成したアルミナ基
焼結体により形成されている。その理由としては、アル
ミナが耐熱性及び機械的強度、さらには耐電圧特性に優
れていることが挙げられる。なお、従来より、この絶縁
体（アルミナ基焼結体）を形成するにあたっては、焼成
温度の低減及び焼結性の向上を目的として、例えば酸化
珪素（ＳｉＯ_２）−酸化カルシウム（ＣａＯ）−酸化マ
グネシウム（ＭｇＯ）からなる三成分系を焼結助剤とし
て用いている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、スパークプ
ラグ用絶縁体は、内燃機関の燃焼室内にて生じる火花放
電による高温の燃焼ガス（約２０００℃〜３０００℃）
の影響により、５００〜７００℃程度の熱間に曝される
ものである。そのために、スパークプラグ用絶縁体にあ
っては、室温から前記高温にわたる範囲内で耐電圧特性
に優れることが重要となる。とりわけ、近年では、内燃
機関の高出力化やエンジンの小型化に伴い、燃焼室内に
おける吸気及び排気バルブの占有面積の大型化や４バル
ブ化が検討されてきており、スパークプラグ自体が小型
化（小径化）される傾向にある。そのために、絶縁体に
ついても肉厚を薄肉化することが要求されており、絶縁
体としては５００℃〜７００℃程度の熱間に曝されたと
きにも、耐電圧特性により一層優れるものが要求される
ようになってきている。

【０００４】しかしながら、上述のように三成分系の焼
結助剤を用いて絶縁体（アルミナ基焼結体）を形成した
場合には、この三成分系の焼結助剤（主にＳｉ成分）
が、焼結後にアルミナ結晶粒子の粒界に低融点ガラス相
として存在してしまうために、絶縁体が７００℃程度の
熱間に曝されると、その温度の影響により該低融点ガラ
ス相が軟化して耐電圧特性の低下につながってしまう。
そこで、低融点ガラス相を減少させる目的として、単に
これらの焼結助剤の添加量を低減して絶縁体を形成する
ことも考えられるが、絶縁体の緻密化が進行しなかった
り、あるいは一見緻密化が進行していてもアルミナ結晶
粒子により構成される粒界に多数の気孔が残留してしま
い、これらが原因となって耐電圧特性の低下につながっ
てしまう。

【０００５】即ち、アルミナ結晶粒子により構成される
粒界に気孔（残留気孔）が存在したり、あるいは粒界が
低融点の粒界相（低融点ガラス相）からなると、絶縁体
が７００℃程度の熱間に曝され、かつ、スパークプラグ
を火花放電させるべく数十ｋＶの高電圧が印加されたと
きに、粒界に存在する残留気孔に電界が集中してしまっ
たり、あるいは粒界相が軟化してしまったりして、絶縁
体の絶縁破壊（火花貫通）を起こすおそれがある。

【０００６】そこで、本発明は、絶縁体（アルミナ基焼
結体）中の粒界に存在する残留気孔や粒界における低融
点ガラス相の影響による絶縁破壊の発生を抑え、５００
〜７００℃程度の熱間に曝されたときにも、耐電圧特性
に一層優れると共に緻密化された絶縁体、及び、そのよ
うに優れた絶縁体を製造することができる絶縁体の製造
方法、並びに、それを用いたスパークプラグとを提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】前記課題
を解決するための本発明の請求項１に記載のスパークプ
ラグ用絶縁体は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とす
るスパークプラグ用絶縁体であって、少なくともケイ素
（Ｓｉ）成分と、１種類以上の希土類元素（以下、Ｒ
Ｅ．と表す）成分とを含有し、かつ、理論密度比が９５
％以上であるアルミナ基焼結体からなることを特徴とす
る。

【０００８】本発明によれば、アルミナを主成分とする
絶縁体中に、少なくともＳｉ成分と、１種類以上のＲ
Ｅ．成分とを含有させることにより、７００℃程度の高
温下において優れた耐電圧特性を有する絶縁体を得るこ
とができる。この理由としては、絶縁体にＳｉ成分とＲ
Ｅ．成分とを含有させることにより、焼成時に両成分と
も溶融して液相を生じ易く、絶縁体（アルミナ基焼結
体）の緻密化を促進する焼結助剤として機能することが
挙げられる。即ち、Ｓｉ成分の含有により、絶縁体中に
おいて電界が集中し易い残留気孔の割合が少ない、即ち
緻密化された絶縁体を得ることができる。

【０００９】なお、本発明の絶縁体にあっては、上述し
たようにＳｉ成分とＲＥ．成分とを含有させることによ
り絶縁体の緻密化を図ることが可能となるが、得られる
絶縁体の理論密度比を９５％以上とすることが重要であ
る。絶縁体の理論密度比が９５％未満である場合には、
７００℃程度の高温下における耐電圧特性が低下するお
それがあるからである。ここでいう「理論密度」とは、
焼結体を構成する各元素成分の含有量を酸化物に換算
し、各酸化物の含有量から混合則によって計算される密
度のことをいう。また、「理論密度比」とは、アルキメ
デス法によって測定された焼結体密度の前記理論密度に
対する割合を示すものである。

【００１０】ところで、上記Ｓｉ成分にあっては緻密化
を促進する焼結助剤として機能する一方で、アルミナ結
晶粒子の粒界にて低融点ガラス相として存在するもので
もある。そこで、本発明では、絶縁体中に１種類以上の
ＲＥ．成分を含有させていることが重要となる。このＲ
Ｅ．成分が、Ｓｉ成分と共に絶縁体中に含有されること
により、焼成時に形成される粒界相中にＲＥ．成分がＳ
ｉ成分と相俟ってＲＥ．−Ｓｉからなるガラス相といっ
た高融点相を生成して、粒界相の融点を向上させるもの
と考えられる。そして、この高融点相の生成により、７
００℃程度の高温下における粒界相の軟化を防止ないし
抑制することができ、耐電圧特性の向上を図ることがで
きる。なお、本発明におけるＲＥ．成分としては、周期
律表第３ａ族のＳｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウ
ム）、及び、Ｌａ（ランタン）からＬｕ（ルテチウム）
までのランタノイド元素が挙げられ、いずれの成分につ
いても絶縁体（アルミナ基焼結体）中に含有させること
により、粒界相の融点の向上、ひいては耐電圧特性の向
上の効果を得ることができる。

【００１１】即ち、本発明によれば、スパークプラグ用
絶縁体を構成するアルミナ基焼結体中に、少なくともＳ
ｉ成分及び１種類以上のＲＥ．成分を含有させ、かつ、
焼結体の理論密度比を９５％以上とすることにより、従
来のスパークプラグと比較して、７００℃程度の高温下
における絶縁体の耐電圧特性に優れ、ひいては小型で絶
縁体の厚みが薄いスパークプラグに適用した場合や、あ
るいは燃焼室内の温度が高い高出力内燃機関用のスパー
クプラグに適用した場合に、絶縁破壊（火花貫通）等の
トラブルを効果的に防止できるようになる。

【００１２】また、本発明のスパークプラグ用絶縁体に
あっては、ＲＥ．成分を、請求項２に記載のように、酸
化物換算にて０．０１〜１８重量％の範囲内で含有する
ことが、７００℃程度の高温下における耐電圧特性の向
上をより効果的に得る上で好ましい。

【００１３】また、本発明のスパークプラグ用絶縁体
は、請求項３に記載のように、カルシウム（Ｃａ）成分
若しくはマグネシウム（Ｍｇ）成分のうち少なくともい
ずれかを含有してもよい。そして、その場合にはケイ素
成分（Ｓ：単位は重量％）、カルシウム成分（Ｃ：単位
は重量％）、マグネシウム成分（Ｍ：単位は重量％）の
酸化物換算した各成分の総計に対するＳｉ成分の割合を
重量基準で、Ｓ／（Ｓ＋Ｃ＋Ｍ）≧０．７の関係式を満
たすことが好ましい。

【００１４】Ｃａ成分及びＭｇ成分は、前記Ｓｉ成分と
同様に、焼成時に溶融して液相を生じ、絶縁体（アルミ
ナ基焼結体）の緻密化を促進する焼結助剤として機能す
る成分であり、それにより絶縁体の緻密化の向上（理論
密度比の向上）を図ることができる。そして、Ｓｉ、Ｃ
ａ、Ｍｇの三成分系の各成分が絶縁体中に含有されると
きに、Ｓｉ成分の割合が前記関係式のように調整される
ことによって、焼成時にＳｉ成分がＲＥ．成分と相俟っ
て、粒界相中に高融点相を効果的に生成し、耐電圧特性
の向上を図ることができる。

【００１５】さらに、前記関係式にあっては、請求項４
に記載のように、０．９５≧Ｓ／（Ｓ＋Ｃ＋Ｍ）≧０．
７５の関係式を満たすことにより、結晶相としてムライ
ト（Ａｌ_６Ｓｉ_２Ｏ_１３）結晶相を少なくとも有するス
パークプラグ用絶縁体を構成することが好ましい。この
発明において、前記三成分系の各成分が含有されるとき
に、Ｓｉ成分の割合を前記関係式の範囲内で調整するこ
とにより、Ｓｉ成分がＲＥ．成分と相俟って高融点相を
生成すると共に、融点が１９００℃近傍といったムライ
ト結晶相を生成させることが可能となり、７００℃程度
の高温下における絶縁体の耐電圧特性の向上を図ること
ができる。

【００１６】前記関係式において、Ｓｉ成分の割合が
０．７５より少ない場合には、または０．９５を超える
場合には、ムライト結晶相の生成がほとんどみられな
い。特に、前記関係式において０．９２≧Ｓ／（Ｓ＋Ｃ
＋Ｍ）≧０．７８を満たすように調整すれば、絶縁体
（アルミナ基焼結体）中にムライト結晶相がより効果的
に生成させることが可能となる。なお、絶縁体における
ムライト結晶相の存在箇所は特には限定されるものでは
なく、絶縁体（アルミナ基焼結体）の内部に存在するこ
とが好ましく、さらにはアルミナの二粒子粒界及び／又
は三重点に存在することがより好ましい。

【００１７】また、絶縁体に含有されるＲＥ．成分とし
ては、請求項５に記載のように、少なくともネオジム
（Ｎｄ）成分を含有することが好ましい。Ｎｄ成分を含
有することにより、絶縁体を複数個製造した際の各絶縁
体の７００℃程度の高温下における耐電圧値のバラツキ
を、他のＲＥ．成分を含ませた場合と比較して小さくす
ることできる。このことは、絶縁体を量産した場合に、
７００℃程度の高温下における耐電圧特性に優れた絶縁
体を確実に得ることが可能となる。

【００１８】さらに、ＲＥ．成分としてＮｄ成分を少な
くとも含有することにより、請求項５に記載のように、
絶縁体中にＲＥ．−β−アルミナ（組成式：ＲＥ．Ａｌ
_１１Ｏ_１８）構造の結晶相（以下、単に「ＲＥ．−β−
アルミナ結晶相」という）といった融点が２０００℃近
傍の高融点の結晶相を生成することが可能となる。

【００１９】これはＮｄのイオン（Ｎｄ^３＋）半径がＲ
Ｅ．成分の中でも小さいことから、Ｓｉ成分と相俟って
高融点結晶相を生成すると共に、Ａｌ成分とも相俟って
ＲＥ．−β−アルミナ結晶相（Ａｌ_１１ＮｄＯ_１８結晶
相）生成するものと考えられる。そして、この高融点の
ＲＥ．−β−アルミナ結晶相の生成により、絶縁体の耐
電圧特性を向上を図ることができる。絶縁体中のＲＥ．
−β−アルミナ結晶相の存在箇所は特には限定されるも
のではなく、絶縁体（アルミナ基焼結体）の内部にまで
存在することが好ましく、さらにはアルミナの二粒子粒
界及び／又は三重点に存在することがより好ましい。

【００２０】なお、Ｎｄ成分に関しては、ＲＥ．−β−
アルミナのＪＣＰＤＳカードが存在しないためにＸ線回
折による同定は直接的には不可能であるが、Ｎｄ^３＋の
イオン半径がＬａ^３＋とほぼ同等であることから、Ｎｄ
成分がＬａ−β−アルミナのＪＣＰＤＳカード（Ｎｏ．
３３−６９９）と類似したＸ線回折スペクトルを示すこ
とになる。また、ＲＥ．−β−アルミナ結晶相は、Ｎｄ
成分の他に、Ｌａ、Ｐｒ（プラセオジム）成分を絶縁体
中に含有させた場合にも生成可能ではあるが、耐電圧値
のバラツキを考慮して、少なくともＮｄ成分を含む結晶
相を生成させることが好ましいものといえる。また、Ｒ
Ｅ．−β−アルミナ結晶相は、ＲＥ．−β−アルミナを
原料粉末として予め添加することもできるが、焼成時に
粒成長の異方性が大きいことから焼結体の緻密化が阻害
するおそれがあるために、該結晶相は焼成時に生成させ
ることが好ましい。

【００２１】また、本発明の絶縁体は、請求項７に記載
のように、主成分であるアルミナ粉末に対し、少なくと
もケイ素化合物粉末と、１種類以上のＲＥ．成分系化合
物粉末とを混合して原料粉末を調整する工程と、前記原
料粉末を用いて所定の絶縁体形状を有する成形体を成形
する工程と、前記成形体を１４５０〜１６５０℃の温度
範囲にて１〜８時間保持して焼成する工程とにより製造
することができる。このように前記各粉末の平均粒径を
制御して、前記焼成条件により焼成することで、焼成中
における各粉末粒子相互の反応（接触）が良好となり、
その結果、得られる絶縁体中に効果的に高融点結晶相を
生成させることが可能となる。また、各粉末粒子相互の
反応が良好となることから、焼成収縮を高めることが可
能となり、理論密度比９５％以上といった緻密化した絶
縁体を製造することができる。

【００２２】また、本発明のスパークプラグは、請求項
８に記載のように、軸状の中心電極と、その中心電極の
径方向周囲に配置される主体金具と、その主体金具の一
端に固着されて前記中心電極と対向するように配置され
た接地電極と、中心電極と主体金具との間において前記
中心電極の径方向周囲を覆うように配置されると共に、
請求項１ないし６のいずれかに記載のスパークプラグ用
絶縁体を備えることによって、７００℃程度の高温下に
おいて耐電圧特性に優れ、絶縁破壊（火花貫通）を起こ
しにくい絶縁体を有するスパークプラグを構成すること
ができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の幾つかの実施の形
態を図面を用いて説明する。図１に示す本発明の一例た
るスパークプラグ１００は、軸状に延びる中心電極３
と、この中心電極３の径方向周囲を覆うように配置され
た絶縁体２と、その絶縁体２を保持する主体金具４とを
有する。この主体金具４は例えば炭素鋼（ＪＩＳ−Ｇ３
５０７）により形成され、先端側４ａの一端に接地電極
５の一端５ａが溶接等により固着されている。そして、
この接地電極５の他端側は、先端側中心電極４ａに向か
って延び、略Ｌ字状に曲げ返され、中心電極３（先端側
中心電極３ａ）と所定の火花放電ギャップｇを形成して
いる。

【００２４】本発明の主要部である絶縁体２には、自身
の中心軸線Ｏ方向に沿って貫通孔６が形成されており、
その一方の端部側に端子電極７が挿入・固定され、同じ
く他方の端部側に中心電極３が挿入・固定されている。
また、この貫通孔６内において端子電極７と中心電極３
との間に抵抗体８が配置されている。この抵抗体８の両
端部は、導電性ガラス層９、１０を介して中心電極３と
端子電極７とにそれぞれ電気的に接続されている。な
お、抵抗体８は、ガラス粉末と導電材料粉末（及び必要
に応じてガラス粉末以外のセラミック粉末）とを混合し
て、ホットプレス等により焼結して得られる抵抗体組成
物により形成される。また、この抵抗体８を省略して、
一層の導電性ガラスシール層により中心電極３と端子電
極７とを一体化した構成としてもよい。

【００２５】絶縁体２は、内部に自身の中心軸線Ｏ方向
に沿って中心電極３を嵌め込むための貫通孔６を有し、
全体が本発明の絶縁材料により構成されている。即ち、
該絶縁材料はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分として構
成されており、少なくともケイ素（Ｓｉ）成分と１種類
以上のＲＥ．成分を含有し、特にＲＥ．成分にあっては
酸化物換算にて０．０１〜１８重量％の範囲内で含有し
てなるアルミナ基焼結体から構成される。

【００２６】さらに、絶縁体２を詳細にみると、図１に
示すように、絶縁体２の軸方向中間には、周方向外向き
に突出する突出部２ｅが例えばフランジ状に形成されて
いる。そして、絶縁体２には、中心電極３の先端に向か
う側を前方側として、その突出部２ｅよりも後方側がこ
れよりも細形に形成された本体部２ｂとされている。一
方、突出部２ｅの前方側にはこれよりも細径の第一軸部
２ｇと、その第一軸部２ｇよりもさらに細径の第二軸部
２ｉがこの順序で形成されている。なお、本体部２ｂの
外周面には釉薬２ｄが施され、当該外周面の後端部には
コルゲーション２ｃが形成されている。また、第一軸部
２ｇの外周面は略円筒状とされ、第二軸部２ｉの外周面
は先端に向かうほど縮径する略円錐状とされている。

【００２７】ついで、絶縁体２の貫通孔６は、中心電極
３を挿通させる略円筒状の第一部分６ａと、その第一部
分６ａの後方側（図中上方側）においてこれよりも大径
に形成される略円筒状の第二部分６ｂとを有する。図１
に示すように、端子電極７と抵抗体８は第二部分６ｂ内
に収容され、中心電極３は第一部分６ａ内に挿通され
る。中心電極３の後端部には、その外周面から外向きに
突出して電極固定用凸部３ａが形成されている。そし
て、この貫通孔６の第一部分６ａと第二部分６ｂとは、
第一軸部内において互いに接続しており、その接続位置
には、中心電極３の電極固定用凸状部３ｂを受けるため
の凸部受け面６ｃがテーパ面あるいはＲ面状に形成され
ている。

【００２８】また、第一軸部２ｇと第二軸部２ｉとの接
続部２ｈの外周面は段付部とされ、これが主体金具４の
内面に形成された主体金具側係合部としての凸状部４ｃ
と環状の板パッキン１１を介して係合することにより、
絶縁体２の軸方向の抜止めがなされている。他方、主体
金具４の後方側開口部内面と、絶縁体２の外面との間に
は、フランジ状の突出部２ｅの後方側周縁と係合する環
状の線パッキン１２が配置され、そのさらに後方側には
粉末滑石１３を介して環状の線パッキン１４が配置され
ている。そして、絶縁体２を主体金具４に向けて前方側
に押し込み、その状態で主体金具４の開口縁を線パッキ
ン１４に向けて内側にＲ状にカシメることにより、カシ
メ部４ｂが形成され、主体金具４が絶縁体２に対して固
定されることになる。

【００２９】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、絶縁体２の
幾つかの例を示すものである。その各部の寸法は、以下
に例示する。・全長Ｌ１：３０〜７５ｍｍ。・第一軸部２ｇの長さＬ２：０〜３０ｍｍ（但し、突出
部２ｅとの接続部２ｆを含まず、第二軸部２ｉとの接続
部２ｈを含む）。・第二軸部２ｉの長さＬ３：２〜２７ｍｍ。・本体部２ｂの外径Ｄ１：９〜１３ｍｍ。・突出部２ｅの外径Ｄ２：１１〜１６ｍｍ。・第一軸部２ｇの外径Ｄ３：５〜１１ｍｍ。・第二軸部２ｉの基端側外径Ｄ４：３〜８ｍｍ。・第二軸部２ｉの先端部外径Ｄ５（但し、先端面外周縁
にＲないし面取りが施される場合は、中心軸線Ｏを含む
断面において、そのＲ部ないし面取り部の基端位置にお
ける外径を指す）：２．５〜７ｍｍ。・貫通孔６の第二部分６ｂの内径Ｄ６：２〜５ｍｍ。・貫通孔６の第一部分６ａの内径Ｄ７：１〜３．５ｍ
ｍ。・第一軸部２ｇの肉厚ｔ１：０．５〜４．５ｍｍ。・第二軸部２ｉの基端部肉厚ｔ２（中心軸線Ｏと直交す
る向きにおける値）：０．３〜３．５ｍｍ。・第二軸部２ｉの先端部肉厚３ｔ（中心軸線Ｏと直交す
る向きにおける値；但し、先端面外周縁にＲないし面取
りが施される場合は、中心軸線Ｏを含む断面において、
該Ｒ部ないし面取り部の基端位置における肉厚を指
す）：０．２〜３ｍｍ。・第二軸部２ｉの平均肉厚ｔＡ（（ｔ１＋ｔ２）／
２）：０．２５〜３．２５ｍｍ。

【００３０】なお、図２（ａ）に示す絶縁体２における
前記各部の寸法は、例えば以下の通りである：Ｌ１＝約
６０ｍｍ、Ｌ２＝約１０ｍｍ、Ｌ３＝約１４ｍｍ、Ｄ１
＝約１１ｍｍ、Ｄ２＝約１３ｍｍ、Ｄ３＝約７．３ｍ
ｍ、Ｄ４＝５．３ｍｍ、Ｄ５＝約４．３ｍｍ、Ｄ６＝
３．９ｍｍ、Ｄ７＝２．６ｍｍ、ｔ１＝１．７ｍｍ、ｔ
２＝１．３ｍｍ、ｔ３＝０．９ｍｍ、ｔＡ＝１．５ｍ
ｍ。

【００３１】また、図２（ｂ）に示す絶縁体２は、第一
軸部２ｇ及び第二軸部２ｉがそれぞれ、図２（ａ）に示
すものと比較してやや大きい外径を有している。各部の
寸法としては、例えば以下の通りである：Ｌ１＝約６０
ｍｍ、Ｌ２＝約１０ｍｍ、Ｌ３＝約１４ｍｍ、Ｄ１＝約
１１ｍｍ、Ｄ２＝約１３ｍｍ、Ｄ３＝約９．２ｍｍ、Ｄ
４＝６．９ｍｍ、Ｄ５＝約５．１ｍｍ、Ｄ６＝３．９ｍ
ｍ、Ｄ７＝２．７ｍｍ、ｔ１＝３．３ｍｍ、ｔ２＝２．
１ｍｍ、ｔ３＝１．２ｍｍ、ｔＡ＝２．７ｍｍ。

【００３２】ついで、この絶縁体２は、例えば下記のよ
うな方法で製造される。まず、原料粉末として、アルミ
ナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末と、Ｓｉ成分、カルシウム（Ｃ
ａ）成分、マグネシウム（Ｍｇ）成分の各無機系粉末
と、さらにＲＥ．成分系粉末を添加した上で配合し、親
水性結合剤（例えば、ポリビニルアルコール）と溶媒と
しての水とを添加・混合して成形用素地スラリーを調製
する。

【００３３】原料粉末の主成分であるアルミナ粉末は、
その平均粒径が２μｍ以下のものを使用するのがよい。
平均粒径が２μｍを超えると、焼結体自体の緻密化を十
分に進行させることが困難となりがちで、絶縁体の耐電
圧特性の低下につながってしまうことがある。なお、原
料粉末を構成するアルミナ粉末は、焼成後のアルミナ基
焼結体１００重量％中に、Ａｌ成分の酸化物換算にて、
７５．０〜９９．７％の範囲内となるように適宜調製さ
れることが良好な耐電圧特性を得る上で好ましい。

【００３４】ＲＥ．成分系粉末としては、焼成によりＲ
Ｅ．成分の酸化物に転化できる物質である限りその種類
に特に制限はなく、例えばＲＥ．成分の酸化物、及びそ
の複合酸化物等の粉末を挙げることができる。なお、添
加されるＲＥ．成分系粉末は、焼成後のアルミナ基焼結
体１００重量％中に、ＲＥ．成分の酸化物換算にて０．
０１〜１８重量％の範囲内となるように適宜調整され、
添加される必要がある。ここでいうＲＥ．成分として
は、周期律表第３ａ族のＳｃ（スカンジウム）、Ｙ（イ
ットリウム）、及び、Ｌａ（ランタン）からＬｕ（ルテ
チウム）までのランタノイド元素の各成分が挙げられ
る。

【００３５】さらに、Ｓｉ成分はＳｉＯ_２粉末、Ｃａ成
分はＣａＣＯ_３粉末、Ｍｇ成分はＭｇＯ粉末の形でアル
ミナ粉末に添加することができる。なお、Ｓｉ、Ｃａ、
Ｍｇの各成分については、各成分の酸化物（複合酸化物
でもよい）の他、水酸化物、炭酸塩、塩化物、硫酸塩、
硝酸塩等、リン酸塩等の各種無機系粉末を使用してもよ
い。但し、これら無機系粉末は、いずれも大気中高温の
焼成により酸化されて酸化物に転化できるものを使用す
る必要がある。

【００３６】添加される各無機系粉末は、Ｓｉ成分
（Ｓ：単位は重量％）、Ｃａ成分（Ｃ：単位は重量
％）、Ｍｇ成分（Ｍ：単位は重量％）の酸化物換算した
各成分の総計に対するＳｉ成分の割合を重量基準で、Ｓ
／（Ｓ＋Ｃ＋Ｍ）≧０．７を満たすように、より好まし
くは０．９５≧Ｓ／（Ｓ＋Ｃ＋Ｍ）≧０．７５の関係式
を満たすように適宜調整され、添加される必要がある。
また、各無機系粉末の好適な平均粒径としては、各無機
系粉末とも平均粒径１μｍ以下とするとよい。各無機系
粉末の平均粒径が前記範囲内にあると、前記平均粒径の
範囲にあるアルミナ粉末及びＲＥ．成分系粉末との焼結
過程での反応（接触）が良くなるものと考えられ、更に
は焼成収縮を高め、緻密化した絶縁体を構成することが
できる。

【００３７】成形用素地スラリーを調整する際の溶媒と
しての水には特に制限がなく、従来の絶縁体を製造する
場合と同様の水を使用することができる。また、バイン
ダーには、例えば親水性有機化合物を使用することがで
き、例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、水溶性ア
クリル樹脂、アラビアゴム、デキストリン等を挙げるこ
とができる。これの中でもＰＶＡが最も好ましい。ま
た、成形用素地スラリーを調整する方法には、特に制限
がなく、原料粉末、バインダー及び水を混合して成形用
素地スラリーを形成することができればどのような混合
方法であってもよい。バインダー及び水の配合量は、原
料粉末を１００重量部とした場合に、バインダーは０．
１〜５重量部、特に０．５〜３重量部の割合で、水は４
０〜１２０重量部、特に５０〜１００重量部の割合で配
合される。

【００３８】成形用素地スラリーは、スプレードライ法
等により噴霧乾燥されて球状の成形用素地造粒物に調製
される。この造粒物の平均粒径としては、３０〜２００
μｍがよく、特に好ましくは５０〜１５０μｍである。
そして、得られた成形用素地造粒物をラバープレス成形
することにより、絶縁体の原形となるプレス成形体を作
る。得られたプレス成形体は、その外側をレジノイド砥
石等にて切削加工されて、図２に対応した外形形状に仕
上げられ、ついで大気雰囲気下において焼成温度１４５
０℃〜１６５０℃の範囲内で、かつ１〜８時間の焼成時
間の焼成時間により成形体を焼成し、その後、釉薬をか
けて仕上焼成されて、絶縁体２が完成される。

【００３９】前記成形体の焼成温度に関しては、その焼
成温度が１４５０℃よりも低い場合には、十分に緻密化
した絶縁体が得られない場合がある。他方、焼成温度が
１６５０℃を超える場合には、アルミナ結晶粒子が焼成
中に異常粒成長してしまうために、絶縁体の機械的強度
が低下し易く、かつ、粒界に粗大な気孔が生じ易く耐電
圧特性の低下につながってしまう。

【００４０】また、前記焼成温度の条件における前記成
形体の焼成時間に関しては、１時間〜８時間保持させる
ことが好ましい。この焼成時間が、１時間より短い場合
には、十分に緻密化した絶縁体（アルミナ基焼結体）が
得られない場合がある。一方、８時間よりも焼成時間が
長い場合には、アルミナ結晶粒子が焼成中に異常粒成長
してしまうために、焼成温度が高過ぎる（１６５０℃以
上）時と同様に、耐電圧特性の低下につながってしま
う。なお、成形体を前記焼成温度範囲内にて成形体を保
持するにあたり、前記温度範囲内の任意の温度を一定に
維持させながら所定時間保持させてもよいし、前記温度
範囲内において所定の加熱パターンに従って温度を変動
させつつ所定時間保持させてもよい。

【００４１】以下、スパークプラグ１００の作用につい
て説明する。即ち、スパークプラグ１００は、主体金具
４に形成されたネジ部４ｄによりエンジンブロックに取
り付けられ、燃焼室内に導入される混合気への着火源と
して使用される。ここで、スパークプラグ１００に使用
されている絶縁体２は本発明の絶縁体で構成されている
ことで、７００℃程度の高温下での耐電圧特性が向上
し、燃焼室内が高温となる高出力エンジンに使用された
場合でも、絶縁破壊（火花貫通）を起こしにくく、高い
信頼性を確保することができる。

【００４２】例えば、図２（ａ）及び（ｂ）に示すよう
に、絶縁体２において、係合用突出部２ｅよりも前方側
に、これよりも小径で径方向の厚さが薄肉である軸部
（この場合、第一軸部２ｇと第二軸部２ｉとを合わせた
部分）が形成される場合、その軸部、例えば第二軸部２
ｉにおいて絶縁破壊（火花貫通）が生じ易くなる。従っ
て、このような絶縁体２においては、本発明の絶縁体が
特に有用となる。例えば、図４（ａ）の絶縁体では、第
二軸部２ｉの平均肉厚ｔＡが１．５ｍｍとされている
が、中心電極３の周囲にこのような肉厚の薄い部分が形
成されていても、本発明の絶縁体を適用することによ
り、絶縁破壊（火花貫通）等のトラブルの発生を効果的
に防止ないし抑制することができる。

【００４３】本発明の絶縁体が適用可能なスパークプラ
グは図１に示すタイプのものに限らず、例えば、複数の
接地電極の先端を中心電極の側面と対向させてそれらの
間に火花放電ギャップを形成したものであってもよい。
この場合には、絶縁体の先端部を中心電極の側面と接地
電極の先端面との間に進入させたセミ沿面タイプのスパ
ークプラグとして構成してもよい。この構成では、絶縁
体の先端部の表面を沿う形態の火花放電がなされるの
で、気中放電タイプのスパークプラグと比べて燻り等に
対する耐汚損性が向上する。

【００４４】

【実施例】（実施例１）本発明の効果を確認するため
に、以下の実験を行った。まず、表１に示すアルミナ
（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末（いずれも純度９９．８％以上）の
うち、平均粒径が０．１〜２．２μｍにあたる番号のア
ルミナ粉末〜の中からそれぞれ１種を選択し、各ア
ルミナ粉末に平均粒径０．６μｍのＳｉＯ_２粉末（純度
９９．９％）と、平均粒径０．８μｍのＣａＣＯ_３粉末
（純度９９．９％）と、平均粒径０．３μｍのＭｇＯ粉
末（純度９９．９％）とを添加して、さらには表２に示
す平均粒径１．０〜１９．０μｍの各種ＲＥ．酸化物
（ＲＥ．成分系粉末）を表３に示す量比となるように秤
量した上で添加して、原料粉末を調製した。なお、各種
ＲＥ．酸化物は、アルミナ粉末、ＳｉＯ_２粉末、ＣａＣ
Ｏ _３粉末及びＭｇＯ粉末の合計添加量に対して外配合に
て添加した。

【００４５】そして、これらの原料粉末総量を１００重
量部として、親水性結合剤としてＰＶＡ２重量部と、溶
媒としての水７０重量部を配合し、アルミナ製ボールを
用いたボールミルにて湿式混合することにより、成形用
素地スラリーを調製する。ついで、この成形用素地スラ
リーをスプレードライ法等により噴霧乾燥して球状の成
形用素地造粒物を調製し、篩により粒径１０〜３５５μ
ｍに整粒する。そして得られた成形用素地造粒物をラバ
ープレス型内に投入し、貫通孔６形成用ラバープレスピ
ンを挿入しつつ約１００ＭＰａの圧力にてラバープレス
成形を行い、得られたプレス成形体の外側をレジノイド
砥石にて切削加工して、所定の絶縁体形状の成形体に成
形する。その後、大気雰囲気下において表３に示す焼成
温度（最高焼成保持温度）と保持時間をもって各成形体
を焼成し、その後、釉薬をかけて仕上焼成し、図２
（ａ）に示すような絶縁体２をそれぞれ製造した。

【００４６】そして、以下の方法によって、焼成して得
られた絶縁体の理論密度比、絶縁体に含有されるＲＥ．
成分の酸化物換算値、上述したＳ／（Ｓ＋Ｃ＋Ｍ）の関
係式の値、絶縁体中のＲＥ．−β−アルミナ構造の結晶
相及びムライト結晶相の有無、７００℃における耐電圧
値及び実機耐電圧テストの各試験並びに各分析を行っ
た。なお、それらの結果を表４に示した。

【００４７】理論密度比：アルキメデス法により各絶
縁体の密度（相対密度）の測定を行い、混合則による理
論密度に対する比で示した。

【００４８】絶縁体に含有されるＲＥ．成分の酸化物
換算値：各絶縁体を蛍光Ｘ線で分析して、それより検出
されたＲＥ．成分の量を酸化物換算した値で示した。こ
こで、表２に示すＲｅ．成分のうち、Ｌａ、Ｎｄ、Ｄｙ
（ジスプロシウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｓｃ及びＹ
に関しては、それぞれＬａ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３、Ｄｙ _２
Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３として換算
し、Ｐｒに関してはＰｒ _６Ｏ_１１として換算するものと
する。

【００４９】Ｓ／（Ｓ＋Ｃ＋Ｍ）の関係式の値：各絶
縁体を化学分析して、それより得られたＳｉ成分、Ｃａ
成分、Ｍｇ成分の値をそれぞれ酸化物換算し、上記関係
式にて算出した。

【００５０】ＲＥ．−β−アルミナ結晶相及びムライ
ト結晶相の有無：各絶縁体において、自身の軸線との直
交断面をとり、その断面組織のＸ線回折を行い、ＪＣＰ
ＤＳカードＮｏ．３３−６９９、Ｎｏ．１５−７７６に
相当するスペクトルが存在するか否かにより判断した。
図３には、Ｎｄ−β−アルミナ結晶相（Ａｌ_１１ＮｄＯ
_１８）を有する実施例である試料番号１０のＸ線回折チ
ャートを示した。図４には、ムライト結晶相（Ｓｉ_２Ａ
ｌ_６Ｏ_１３）を有する実施例である試料番号８のＸ線回
折チャートを示した。なお、各結晶相が存在したときに
も、例えば極少量の存在割合のために、Ｘ線回折にて明
確にスペクトルとして現れない場合があり、その場合に
は本実施例では無という判断をした。

【００５１】７００℃における耐電圧値：本試験にあ
たっては、上述した同様の成形用素地造粒物を用いて、
耐電圧値測定用のテストピースをそれぞれ作製した。詳
細には、金型プレス成形（加圧力１００ＭＰａ）により
成形用素地造粒物を成形し、これを前記絶縁体と同じ条
件にて焼成すると共に、Φ２５ｍｍ×ｔ（厚さ）＝０．
６５ｍｍの円板状試験片を得た。そして、この各試験片
２０を、図５に示すように、電極２１ａ、２１ｂ間に挟
み、さらにアルミナ製碍筒２２ａ、２２ｂ及び封着ガラ
ス２３により固定して、電熱ヒータ２４にて加熱用ボッ
クス２５内を７００℃に加熱し、数十ｋＶ程度の高電圧
を各試験片２０に印加するための高電圧発生装置（ＣＤ
Ｉ電源）２６を使用して一定の高電圧を印加すること
で、各試験片２０の耐電圧値を測定した。

【００５２】実機耐電圧テスト：各絶縁体を用いて、
図１に示すスパークプラグをそれぞれ形成する。ここ
で、本実施例におけるスパークプラグの主体金具のねじ
径は１２ｍｍとした。そして、そのスパークプラグを４
気筒エンジン（排気量２０００ｃｃ）に取付け、スロッ
トル全開状態、エンジン回転数６０００ｒｐｍにて、放
電電圧を３５ｋＶ及び３８ｋＶにて制御しつつ、絶縁体
の先端（図中下方）温度を７００℃程度に設定した上で
連続運転を行い、５０時間経過後に絶縁体に火花貫通が
生じたか否かを評価した。なお、５０時間経過後に絶縁
体に異常がみられなかったものについては○印、逆に５
０時間未満にて絶縁体に絶縁破壊（火花貫通）がみられ
たものについては×印で示した。

【００５３】

【表１】

【００５４】

【表２】

【００５５】

【表３】

【００５６】

【表４】

【００５７】表４の結果より、Ｓ／（Ｓ＋Ｃ＋Ｍ）の関
係式が０．７以上を満たし（換言すれば、Ｓｉ成分を含
有し）、ＲＥ．成分を含有し、さらに理論密度比が９５
％以上である試料番号１〜１７のものにあっては、７０
０℃の耐電圧値がいずれも６０ｋＶ／ｍｍ以上と良好な
値を示し、実機耐電圧テストについても放電電圧３５ｋ
Ｖ及び３８ｋＶの両方において良好な結果が得られるこ
とがわかる。その中でもＲＥ．成分の含有量が０．０１
〜１８重量％の範囲のものは７００℃の耐電圧値がより
良好な値を示した。

【００５８】一方、絶縁体中にＲＥ．成分を含有しない
比較例である試料番号１８のものでは、７００℃の耐電
圧値が４７ｋＶ／ｍｍと劣る結果となった。また、Ｒ
Ｅ．成分の酸化物換算での含有量が所定の範囲内ではあ
るが、理論密度比が９５．０％以下となった試料番号１
９及び２０では、７００℃の耐電圧値がそれぞれ４３ｋ
Ｖ／ｍｍ、３２ｋＶ／ｍｍと劣る結果となった。これに
より、理論密度比が９５％より低い場合では耐電圧値向
上の効果が得られないことがわかる。

【００５９】（実施例２）実施例１に用いた試料番号４
及び６の耐電圧測定用のテストピースをそれぞれ１０個
ずつ実施例１と同様の方法を用いて作製し、得られたそ
れぞれのテストピースについて、７００℃における耐電
圧値の測定を実施例１と同様の方法により行った。そし
て、試料番号４及び６の各耐電圧値をそれぞれプロット
したものを図６に示した。

【００６０】図６の結果より、Ｎｄ成分を含有する試料
番号４のものとＬａ成分を含有する試料番号６のもの
は、いずれも１０個の平均値において、７００℃の耐電
圧値が６０ｋＶ／ｍｍ以上と良好な値を示すものの、Ｎ
ｄ成分を含有するものについては、Ｌａ成分を含有する
ものと比較して耐電圧値のバラツキが小さく、さらに１
０個全てのものが耐電圧値６０ｋＶ／ｍｍを示し、耐電
圧値の最高値及び最小値がＬａ成分のものより高い値を
示すことが本実施例よりわかる。これにより、Ｎｄ成分
を含有する本発明の絶縁体を量産した場合にあっても、
７００℃程度の高温下における耐電圧特性に優れた絶縁
体を確実に得られるものであるといえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスパークプラグの一例を示す全体正面
断面図である。

【図２】スパークプラグ用絶縁体の幾つかの実施形態を
示す縦断面図である。

【図３】Ｎｄ−β−アルミナ結晶相（Ａｌ_１１ＮｄＯ
_１８）を有する実施例である試料番号１０のＸ線回折チ
ャートである。

【図４】ムライト結晶相（Ｓｉ_２Ａｌ_６Ｏ_１３）を有す
る実施例である試料番号８のＸ線回折チャートである。

【図５】７００℃における実施例の各試験片の耐電圧値
を測定するために用いた装置を示す模式図である。

【図６】実施例である試料番号４及び６の各試験片の耐
電圧値のバラツキについて示した図である。

【符号の説明】

１００スパークプラグ２スパークプラグ用絶縁体（絶縁体）３中心電極４主体金具５接地電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山元禎広名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者松原桂名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者田中邦治名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者島森融名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者伊藤正也名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内Ｆターム(参考） 4G030 AA07 AA08 AA11 AA12 AA13 AA36 AA37 BA01 BA12 CA01 GA27 5G059 AA03 AA05 CC01 FF01 FF02 FF14 5G303 AA10 AB02 BA11 CA01 CB01 CB06 CB15 CB17 CB22 CB26 CB30 CB40 CB41 CB43

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とする
スパークプラグ用絶縁体であって、少なくともケイ素（Ｓｉ）成分と、１種類以上の希土類
元素（以下、ＲＥ．と表す）成分とを含有し、かつ、理
論密度比が９５％以上であるアルミナ基焼結体からなる
ことを特徴とするスパークプラグ用絶縁体。
【請求項２】前記ＲＥ．成分を、酸化物換算にて０．
０１〜１８重量％の範囲内で含有する請求項１に記載の
スパークプラグ用絶縁体。
【請求項３】カルシウム（Ｃａ）成分若しくはマグネ
シウム（Ｍｇ）成分のうち少なくともいずれかを含有す
ると共に、前記ケイ素成分、該カルシウム成分及び該マ
グネシウム成分の各成分の含有量を酸化物換算で、それ
ぞれＳ（単位：重量％）、Ｃ（単位：重量％）及びＭ
（単位：重量％）としたときに、Ｓ／（Ｓ＋Ｃ＋Ｍ）≧０．７の関係式を満たす請求項１または２に記載のスパークプ
ラグ用絶縁体。
【請求項４】前記ケイ素成分、前記カルシウム成分及
び前記マグネシウム成分の各成分の含有量を酸化物換算
で、それぞれＳ（単位：重量％）、Ｃ（単位：重量％）
及びＭ（単位：重量％）としたときに、０．９５≧Ｓ／（Ｓ＋Ｃ＋Ｍ）≧０．７５の関係式を満たすと共に、結晶相としてムライト（Ａｌ
_６Ｓｉ_２Ｏ_１３）結晶相を有する請求項３に記載のスパ
ークプラグ用絶縁体。
【請求項５】前記ＲＥ．成分として、少なくともネオ
ジム（Ｎｄ）成分を含有する請求項１ないし４のいずれ
かに記載のスパークプラグ用絶縁体。
【請求項６】結晶相としてＲＥ．−β−アルミナ（組
成式：ＲＥ．Ａｌ_１ _１Ｏ_１８）構造の結晶相を有する請
求項５に記載のスパークプラグ用アルミナ系絶縁体。
【請求項７】主成分であるアルミナ粉末に対し、少な
くともケイ素化合物粉末と、１種類以上のＲＥ．成分系
粉末とを混合して原料粉末を調整する工程と、前記原料粉末を用いて所定の絶縁体形状を有する成形体
を成形する工程と、前記成形体を１４５０〜１６５０℃の温度範囲にて１〜
８時間保持して焼成する工程と、からなることを特徴と
するスパークプラグ用絶縁体の製造方法。
【請求項８】軸状の中心電極と、前記中心電極の径方向周囲に配置される主体金具と、前記主体金具の一端に固着されて前記中心電極と対向す
るように配置された接地電極と、前記中心電極と前記主体金具との間において該中心電極
の径方向周囲を覆うように配置されると共に、請求項１
ないし６のいずれかに記載のスパークプラグ用絶縁体
と、を備えたことを特徴とするスパークプラグ。