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JP2014187004A - 絶縁体およびスパークプラグ - Google Patents

絶縁体およびスパークプラグ Download PDF

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研悟 藤村
Toshimasa Saji
俊匡 佐治
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啓一 黒野
Toshitaka Honda
稔貴 本田
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Abstract

【課題】スパークプラグに用いられる絶縁体の、強度や耐電圧性能の向上。
【解決手段】スパークプラグに用いられ、アルミナを主成分とする焼結体によって構成された絶縁体において、焼結体は、希土類元素（Ｒ．Ｅ．）と、第２族元素（２Ａ）との含有割合が、０．１≦Ｒ．Ｅ．／２Ａ≦１．４ を満たし、かつ、希土類元素（Ｒ．Ｅ．）と、酸化バリウム（ＢａＯ）との含有割合が、０．２≦ＢａＯ／Ｒ．Ｅ．≦０．８ を満たす。また、焼結体の断面における任意の６３０μｍ×４８０μｍの領域内に、希土類元素を含む結晶を包む７．５μｍ×５０μｍの仮想的な長方形枠が少なくとも１つ以上存在する。長方形枠の面積に対する希土類元素を含む結晶の面積の占有率が５％以上、かつ、長方形枠を長辺方向に３等分割した場合の各分割領域における希土類元素を含む結晶の面積の占有率のうちの最大の面積の占有率と、最小の面積の占有率の比率が５．５以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、絶縁体および絶縁体を有するスパークプラグに関する。
ガソリンエンジンなどの内燃機関の点火に使用されるスパークプラグは、一般に、中心電極と、中心電極の外側に設けられた絶縁体と、絶縁体の外側に設けられた主体金具と、主体金具に取り付けられて中心電極との間に火花放電ギャップを形成する接地電極とを備える。このようなスパークプラグの絶縁体は、例えば、希土類元素成分と、珪素成分と、第２族元素とを含有するアルミナ焼結体により構成されている（特許文献１）。
従来から、スパークプラグに用いられる絶縁体には、耐電圧性の向上が望まれている。絶縁体の耐電圧性を向上させるために、例えば、絶縁体を構成する材料の組成を最適化したり、材料を微粒子化したりするなどの手段がある。
特許第４６０７２５３号
しかしながら、絶縁体を構成する材料の組成を変更すると、一部の性能が低下するという問題が生じるおそれがあり、また、材料を微粒子化すると、焼結が進みすぎて異常粒成長を招き、密度が低下するため、絶縁体の強度や耐電圧性能の低下を生じるおそれがあった。そのため、スパークプラグに用いられる絶縁体には、強度や耐電圧性能の向上が望まれている。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、スパークプラグに用いられ、アルミナを主成分とする焼結体によって構成された絶縁体が提供される。この絶縁体において、前記焼結体は、希土類元素と、ＩＵＰＡＣ１９９０年勧告に基づく周期表の第２族元素との、質量百分率を用いて表される酸化物換算した場合の含有割合が、０．１≦希土類元素の含有率／第２族元素の含有率≦１．４ を満たし、かつ、；前記希土類元素と、酸化バリウムとの質量百分率を用いて表される酸化物換算した場合の含有割合が、０．２≦酸化バリウムの含有率／希土類元素の含有率≦０．８ を満たしており、；前記焼結体の断面における任意の６３０μｍ×４８０μｍの領域内に、前記希土類元素を含む結晶を包む７．５μｍ×５０μｍの仮想的な長方形枠が、少なくとも１つ以上存在し、；前記長方形枠は、前記長方形枠の面積に対する前記希土類元素を含む結晶の面積の占有率が５％以上、かつ、；前記長方形枠を長辺方向に３等分割した場合の各分割領域における前記希土類元素を含む結晶の面積の占有率のうちの最大の面積の占有率と、最小の面積の占有率の比率が５．５以下であることを特徴とする。この形態の絶縁体によれば、希土類元素を含む結晶相が細長く凝集した形状となる。絶縁体への電圧印加時に絶縁破壊が生じた場合、希土類元素を含む細長い結晶相が電流の通過を阻害するため、電流は、希土類元素を含む細長い結晶相を迂回するように流れ、導通経路が長くなる。この結果、耐電圧性能が向上する。また、この形態の絶縁体によれば、希土類元素を含む結晶相が細長く凝集した形状となるので、絶縁体の靱性値を増加させることができ、絶縁体の強度を向上することができる。
（２）上記形態の絶縁体において、前記任意の領域内に、前記長方形枠が１０個以上存在してもよい。この形態の絶縁体によれば、任意の領域内に希土類元素を含む細長く凝集した結晶相が、より細長くなる傾向があり、絶縁体の靱性値および強度の更なる向上を図ることができる。
（３）上記形態の絶縁体において、前記焼結体に含まれる前記アルミナの粒子の平均粒径は８μｍ以下であり、かつ、前記希土類元素を含む結晶の平均粒径は５μｍ以下であってもよい。この形態の絶縁体によれば、希土類元素を含む結晶の平均粒径が５μｍ以下であるので、結晶の析出後、冷却過程において、ガラス相もしくはアルミナとの熱膨張差に起因する細かなひび割れの発生といった絶縁体の損傷を抑制でき、絶縁体の強度低下を抑制できる。
（４）上記形態の絶縁体において、前記焼結体は、二酸化珪素を含み、前記焼結体において、質量百分率を用いて表される酸化物換算した場合の前記二酸化珪素の含有割合は、２．２ｗｔ％以上、かつ、３．２ｗｔ％以下であってもよい。この形態の絶縁体によれば、希土類元素を含む結晶相をより効率的に形成することができ、絶縁体の耐電圧性および強度を更に向上できる。
（５）上記形態の絶縁体において、前記焼結体は、二酸化珪素を含み、前記焼結体において、質量百分率を用いて表される酸化物換算した場合の前記二酸化珪素の含有割合は、２．１ｗｔ％以上、かつ、２．６ｗｔ％以下であってもよい。この形態の絶縁体によれば、絶縁体の耐電圧性を更に向上できる。
（６）本発明の一形態によれば、上記形態の絶縁体を有するスパークプラグが提供される。この形態のスパークプラグによれば、耐電圧性および強度の高い絶縁体をスパークプラグの絶縁体として用いることができる。よって、耐久性の高いスパークプラグを提供できる。
本発明は、装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、絶縁体およびスパークプラグの製造方法やその制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
第１実施形態におけるスパークプラグ１００の部分断面図。 第１実施形態における絶縁碍子１０の組成について説明する説明図。 耐電圧を測定する装置を示す説明図。
Ａ．第１実施形態：
Ａ１．スパークプラグ概略構成：
図１は、第１実施形態におけるスパークプラグ１００の部分断面図である。スパークプラグ１００は、図１に示すように、軸線Ｏに沿った細長形状を有している。図１において、一点破線で示す軸線Ｏ−Ｏの右側は、外観正面図を示し、軸線Ｏ−Ｏの左側は、スパークプラグ１００の中心軸を通る断面でスパークプラグ１００を切断した断面図を示している。以下の説明では、軸線Ｏに平行であって図１の下方側を先端側と呼び、図１の上方側を後端側と呼ぶ。
スパークプラグ１００は、絶縁碍子１０と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子金具４０と、主体金具５０とを備える。絶縁碍子１０の一端から突出する棒状の中心電極２０は、絶縁碍子１０の内部を通じて、絶縁碍子１０の他端に設けられた端子金具４０に電気的に接続されている。中心電極２０の外周は、絶縁碍子１０によって保持され、絶縁碍子１０の外周は、端子金具４０から離れた位置で主体金具５０によって保持されている。主体金具５０に電気的に接続された接地電極３０は、火花を発生させる隙間である火花ギャップを中心電極２０の先端との間に形成する。スパークプラグ１００は、内燃機関のエンジンヘッド２００に設けられた取付ネジ孔２０１に主体金具５０を介して取り付けられる。端子金具４０に２万〜３万ボルトの高電圧が印加されると、中心電極２０と接地電極３０との間に形成された火花ギャップに火花が発生する。
絶縁碍子１０は、アルミナを始めとするセラミックス材料を焼成して形成されたアルミナ焼結体からなる絶縁体である。絶縁碍子１０は、中心電極２０および端子金具４０を収容する軸孔１２が中心に形成された筒状の部材である。絶縁碍子１０の軸方向中央には外径を大きくした中央胴部１９が形成されている。中央胴部１９よりも端子金具４０側には、端子金具４０と主体金具５０との間を絶縁する後端側胴部１８が形成されている。中央胴部１９よりも中心電極２０側には、後端側胴部１８よりも外径が小さい先端側胴部１７が形成され、先端側胴部１７の更に先には、先端側胴部１７の外径以下の外径を有するとともに、先端側に向けて縮径する脚長部１３が形成されている。なお、脚長部１３は、一定の外径を有するストレート形状や、段部を有する形状などとしてもよい。
主体金具５０は、絶縁碍子１０の後端側胴部１８の一部から脚長部１３に亘る部位を包囲して保持する円筒状の金具である。本実施形態では、主体金具５０は、低炭素鋼により形成され、全体にニッケルめっきや亜鉛めっき等のめっき処理が施されている。主体金具５０は、工具係合部５１と、取付ネジ部５２と、シール部５４とを備える。主体金具５０の工具係合部５１は、スパークプラグ１００をエンジンヘッド２００に取り付ける工具（図示せず）が嵌合する。主体金具５０の取付ネジ部５２は、エンジンヘッド２００の取付ネジ孔２０１に螺合するネジ山を有する。主体金具５０のシール部５４は、取付ネジ部５２の根元に鍔状に形成され、シール部５４とエンジンヘッド２００との間には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿される。主体金具５０の先端面５７は、中空の円状であり、その中央には、絶縁碍子１０の脚長部１３から中心電極２０が突出する。
主体金具５０の工具係合部５１より後端側には薄肉の加締部５３が設けられている。また、シール部５４と工具係合部５１との間には、加締部５３と同様に薄肉の圧縮変形部５８が設けられている。工具係合部５１から加締部５３にかけての主体金具５０の内周面と絶縁碍子１０の後端側胴部１８の外周面との間には、円環状のリング部材６，７が介在されており、さらに両リング部材６，７間にタルク（滑石）９の粉末が充填されている。スパークプラグ１００の製造時には、加締部５３を内側に折り曲げるようにして先端側に押圧することにより圧縮変形部５８が圧縮変形し、この圧縮変形部５８の圧縮変形により、リング部材６，７およびタルク９を介し、絶縁碍子１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧される。この押圧により、タルク９が軸線Ｏ方向に圧縮されて主体金具５０内の気密性が高められる。
また、主体金具５０の内周においては、取付ネジ部５２の位置に形成された金具内段部５６に、環状の板パッキン８を介し、絶縁碍子１０の脚長部１３の基端に位置する係止部３００が押圧されている。この板パッキン８は、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性を保持する部材であり、燃焼ガスの流出が防止される。
中心電極２０は、電極母材（図示省略）の内部に、電極母材よりも熱伝導性に優れる芯材（図示省略）が埋設された棒状の部材である。本実施形態では、電極母材は、ニッケルを主成分とするニッケル合金から成り、芯材は、銅または銅を主成分とする合金から成る。中心電極２０の後端部は、セラミック抵抗３およびシール体４を介して端子金具４０に電気的に接続される。
接地電極３０は、耐腐食性の高い金属から構成され、一例として、ニッケル合金が用いられる。この接地電極３０の基端は、主体金具５０の先端面５７に溶接されている。接地電極３０の先端側は、軸線Ｏと交差する方向に屈曲されており、接地電極３０の先端部が、中心電極２０の先端面と軸線Ｏ上で対向している。なお、接地電極３０は、中心電極２０と同様に、電極母材の内部に、電極母材よりも熱伝導性に優れる芯材が埋設された棒状の部材によって形成されてもよい。
Ａ２．絶縁碍子１０の組成詳細：
図２は、第１実施形態における絶縁碍子１０の組成について説明する説明図である。図２（ａ）は、絶縁碍子１０の断面における任意の６３０μｍ×４８０μｍの領域を２００倍に拡大した拡大断面図３００である。図２（ｂ）は、図２（ａ）における長方形枠３１０を拡大して模式的に示す模式図である。
絶縁碍子１０を構成するアルミナ焼結体は、希土類元素と、ＩＵＰＡＣ１９９０年勧告に基づく周期表の第２族元素との、質量百分率を用いて表される酸化物換算した場合の含有割合が、０．１≦希土類元素の含有率／第２族元素の含有率≦１．４ を満たし、かつ、希土類元素と、酸化バリウムとの質量百分率を用いて表される酸化物換算した場合の含有割合が、０．２≦酸化バリウムの含有率／希土類元素の含有率≦０．８ を満たす。以降、本明細書では、希土類元素をＲ．Ｅ．と表し、第２族元素を２Ａと表す。
図２（ａ）において、白く示される部位がＲ．Ｅ．を含む結晶相であり、その他の大半を占めるグレーで示される部位がアルミナ粒子である。なお、図２（ｂ）では、説明の便宜上、Ｒ．Ｅ．を含む結晶３５０を斜線ハッチングで示し、アルミナ粒子３６０を白抜きで示している。
長方形枠３１０は、Ｒ．Ｅ．を含む結晶３５０を包む７．５μｍ×５０μｍの仮想的な長方形枠である。長方形枠３１０は、図２（ａ）に示されるように、拡大断面図３００内に、重複することなく、少なくとも１つ以上存在する。第１実施形態では、拡大断面図３００内に長方形枠３１０が１０個以上存在する。長方形枠３１０が拡大断面図３００内に複数存在する場合、拡大断面図３００内において、各長方形枠３１０が互いに重複しないように配置される。
また、長方形枠３１０は、長方形枠３１０の面積Ｓに対するＲ．Ｅ．を含む結晶の面積Ｓ１の占有率が５％以上である。例えば、長方形枠３１０の面積Ｓ＝３７５μｍ2であり、長方形枠３１０におけるＲ．Ｅ．を含む結晶の面積Ｓ１＝２２．５μｍ2である場合、面積Ｓにおける面積Ｓ１の占有率は６％となる。すなわち、長方形枠３１０の面積Ｓ＝３７５μｍ2の場合、面積Ｓ１≧１８．７５μｍ2であればよい。
また、長方形枠３１０は、図２（ｂ）に破線で示すように、長方形枠３１０を長辺３１０ａの方向に３等分割した場合の各分割領域（Ｒ１〜Ｒ３）におけるＲ．Ｅ．を含む結晶の面積の占有率のうちの最大の面積の占有率Ｐａと、最小の面積の占有率Ｐｂの比率が５．５以下である。例えば、第１実施形態では、長方形枠３１０の面積Ｓ＝３７５μｍ2の場合、領域Ｒ１の面積ｓ１＝領域Ｒ２の面積ｓ２＝領域Ｒ３の面積ｓ３＝１２５μｍ2となる。このとき、領域Ｒ１におけるＲ．Ｅ．を含む結晶の面積＝１０μｍ2、領域Ｒ２におけるＲ．Ｅ．を含む結晶の面積＝７．５μｍ2、領域Ｒ３におけるＲ．Ｅ．を含む結晶の面積＝５μｍ2である場合、領域Ｒ１におけるＲ．Ｅ．を含む結晶の面積の占有率＝８％、領域Ｒ２におけるＲ．Ｅ．を含む結晶の面積の占有率＝６％、領域Ｒ３におけるＲ．Ｅ．を含む結晶の面積の占有率＝４％となり、分割領域Ｒ１〜Ｒ３におけるＲ．Ｅ．を含む結晶の面積の占有率のうちの最大の面積の占有率Ｐａ（領域Ｒ１におけるＲ．Ｅ．を含む結晶の面積の占有率＝８％）と、最小の面積の占有率Ｐｂ（領域Ｒ３におけるＲ．Ｅ．を含む結晶の面積の占有率＝４％となり）の比率は２となり、５．５以下となる。
ここで、本明細書におけるＲ．Ｅ．を含む結晶の面積の算出方法について説明する。アルミナ焼結体を切断、加工し平面を得る。その後、ダイヤモンドディスクなどを用いて鏡面研磨をする。研磨面を走査型電子顕微鏡（日本電子 ＪＳＭ６４６０ＬＡ）を用いて任意の視野（６３０μｍ×４８０μｍ、２００倍）を反射電子像で観察し、画像を得る。更に、得られた画像に対して２値化処理を行うことにより、Ｒ．Ｅ．を含む結晶の専有面積を求めることができる。画像の２値化の方法は、Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ｅｌｅｍｅｎｔ２．０を使用し、画像のヒストグラムにおいて、照度が９６．８％±０．２％となるレベルを２階調化の閾値として設定し、２階調化画像を得る。この結果、白い部分がＲ．Ｅ．を含む結晶相、その他アルミナ相などが黒く表示される。この画像において、７．５μｍ×５０μｍの仮想長方形を設定し（長方形枠３１０）、長方形枠３１０内になるべく白い部分、つまり、Ｒ．Ｅ．を含んだ結晶を多く内包するように配置したときのＲ．Ｅ．を含む部分が長方形枠３１０内に占める割合（占有率）を求める。占有率を求めるにあたり、画像が２値化してあるので、例えば、Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ｅｌｅｍｅｎｔ２．０を用いて画像のヒストグラムなどで算出することができる。
また、下記の方法によって、結晶にＲ．Ｅ．が含まれることが確認される。アルミナ焼結体の結晶相を、例えば、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）（ＨＩＴＡＣＨＩ製、「ＨＤ−２０００」）付属のエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）（ＥＤＡＸ製、ＤＥＸ：「Ｇｅｎｅｓｉｓ４０００」、検出器：ＳＵＴＷ３．３ＲＴＥＭ）を用いて下記測定条件等で元素分析を行うことによって確認してもよい。
＜測定条件等＞
（１）加速電圧：２００ｋＶ
（２）照射モード：ＨＲ（スポットサイズ：約０．３ｎｍ）
（３）エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）の測定結果は、酸化物換算質量％で算出する。なお、第２族成分、希土類成分およびＡｌ成分以外の酸化物で酸化物換算質量％が１質量％以下のものは不純物とする。
また、絶縁碍子１０を構成するアルミナ焼結体に含まれるアルミナ粒子３６０の平均粒径Ｄ１は８μｍ以下であり、かつ、Ｒ．Ｅ．を含む結晶３５０の平均粒径Ｄ２は５μｍ以下である。なお、本明細書において、結晶の平均粒径は、インターセプト法を用いて測定されたものであり、例えば、下記のように測定された粒径である。アルミナ焼結体を切断し、加工することで平面を得る。更に、ダイヤモンドディスクなどを用いて鏡面研磨をする。その後、必要に応じてサーマルエッチングまたはケミカルエッチングなどの処理を行っても良い。次に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて所定倍率（例えば、２０００倍程度）で行い、組織画像を得る。この組織の画像上に合計長さが所定長さ（例えば、５００μｍ）相当になる直線を数本ランダムに引く。そして、直線が横切る粒子数を数えて、画像上での直線長さ（例えば、５００μｍ）を粒子数で除した値が、結晶の平均粒径である。
また、絶縁碍子１０を構成するアルミナ焼結体は、二酸化珪素（Ｓｉ）を含み、アルミナ焼結体において、質量百分率を用いて表される酸化物換算した場合の二酸化珪素（ＳｉＯ2）の含有割合は、２．０ｗｔ％以上、かつ、３．４ｗｔ％以下である。
上記説明した絶縁碍子１０は、図２に示されるように、Ｒ．Ｅ．を含む結晶相が細長く、鎖状に羅列して凝集した形状となる。
Ａ３．製造方法：
絶縁碍子１０の製造方法について説明する。まず、絶縁碍子１０の原料粉末を含んだスラリーを作製する。スラリーの作製方法の一例としては、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を主成分とし、二酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化マンガン（ＭｇＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）等を含んだ原料粉末を用意し、この原料粉末をエタノールと共にボールミル中で約２４時間程度混合することによって得ることができる。スラリーは、Ｒ．Ｅ．と、２Ａとの、質量百分率を用いて表される酸化物換算した場合の含有割合が、０．１≦Ｒ．Ｅ．の含有率／２Ａの含有率≦１．４ を満たし、かつ、Ｒ．Ｅ．と、酸化バリウム（ＢａＯ）との質量百分率を用いて表される酸化物換算した場合の含有割合が、０．２≦ＢａＯの含有率／Ｒ．Ｅ．の含有率≦０．８ を満たすように、調整される。また、スラリーは、累積体積が１０％となる粒径（Ｄ１０）と、累積体積が９０％となる粒径（Ｄ９０）の比率（Ｄ９０／Ｄ１０）が、３．５以上、かつ、６．０以下である粒度分布であり、スラリー水分が２０％以上、かつ、５０％以下の範囲内であり、かつ、スラリーのｐＨが５以上かつ１１以下の範囲内となるように調整される。作製したスラリーにバインダーを添加し、攪拌することによってバインダーが添加されたスラリーを得ることができる。バインダーとしては、例えば、親水性結合剤が配合されたアクリル共重合体水溶液やポリビニルアルコール、水溶性アクリル樹脂、アラビアゴム、デキストリンなどが挙げられる。バインダーの添加量についても特に限定されないが、スラリーに占めるバインダーの割合として、０．５重量％〜１５重量％程度を例示することができる。
バインダーが添加されたスラリーをスプレードライヤーで乾燥して粒造する。第１実施形態では、スプレードライイングの噴霧は回転ディスクで行い，ディスク回転数を１５０００ｒｐｍ，熱風温度は乾燥室入り口で２００℃に調節した。これによって、原料粉末とバインダーとを含んだ顆粒（スプレー顆粒）を得ることができる。得られた顆粒を絶縁碍子１０の形状にプレス成形する。プレス圧についても特に限定はないが、２０００ｋｇｆ／ｃｍ2程度を例示することができる。このプレス成形によって、絶縁碍子１０の形状に成形されたセラミック成形体を得ることができる。
Ａ４．評価結果：
以上説明した特徴を備える絶縁碍子１０を有するスパークプラグ１００について、耐電圧性能、スパークプラグの性能について試験を行い評価した結果を示す。表１は、絶縁碍子１０の組成に基づく、加熱耐電圧性能、曲げ強度の試験結果を示している。表２は、Ｒ．Ｅ．を含む細長い凝集群の個数に基づく、加熱耐電圧性能、曲げ強度の試験結果および性能の評価を示している。
耐電圧性能を評価する試験は、各試料の高温下における耐電圧を測定した。耐電圧を測定する装置を図３に示す。図３（ａ）は、焼結体４００と、絶縁破壊を引き起こす金属製のリング４０１とを俯瞰した図であり、図３（ｂ）は、焼結体４００と、リング４０１との断面図である。リング４０１は、その軸線長さＬが３〜４ｍｍであり、図示しない固定手段によって、焼結体４００の先端近傍に未接触状態で固定されている。焼結体４００は、基部４０２により一端部が固定され、他端部が基部４０２から突出している。この高温下での耐電圧評価は、焼結体４００の基部４０２から突出した部位を、６００℃〜９５０℃に高周波加熱し、焼結体４００における加熱され易い金属製のリング４０１に近接した部位が８００℃に達したときの電圧値を試料の耐電圧値として測定することとした。
曲げ強度を評価する試験は、「ＪＩＳ Ｒ １６０４」に準拠した方法によって、３６×４×３ｍｍの大きさの試料を用いて３点曲げ強度をスパン３０ｍｍに設定して測定した。
表１において、各項目は以下の通り示している。なお、以下では、「含有割合」とは、特に断らない限り、質量百分率を用いて表される酸化物換算した場合の含有割合を示す。
Ａｌ2Ｏ3 ：アルミナの含有割合
ＳｉＯ2 ：二酸化珪素の含有割合
ＭｇＯ ：酸化マグネシウムの含有割合
ＢａＯ ：酸化バリウム含有割合
ＣａＯ ：酸化カルシウムの含有割合
Ｌａ2Ｏ3 ：酸化ランタンの含有割合
Ｒ．Ｅ．／２Ａ ：第２族元素に対する希土類元素の含有割合
ＢａＯ／Ｒ．Ｅ． ：希土類元素に対する酸化バリウムの含有割合
耐電圧 ：８００度に加熱した際のスパークプラグ（絶縁碍子１０）の耐電圧性能
曲げ強度 ：スパークプラグ（絶縁碍子１０）の曲げ強度
凝集群 ：Ｒ．Ｅ．を含む結晶相の細長い凝集群があるかないか（形成されたか否か）。
Ａは凝集群あり
Ｂは凝集群なし
表２において、各項目は以下の通り示している。
凝集群の数 ：Ｒ．Ｅ．を含む結晶相を包む７．５μｍ×５０μｍの仮想的な長方形枠３１０が、拡大断面図３００内に、重複することなく存在する数
曲げ強度 測定値：スパークプラグ（絶縁碍子１０）の曲げ強度の測定値
曲げ強度 性能 ：スパークプラグ（絶縁碍子１０）の曲げ強度の性能評価結果
ＡはＧＯＯＤ（従来より大幅に向上）
ＢはＯＫ（従来品より向上）
ＣはＮＧ（従来品と同等）
耐電圧 測定値 ：８００度に加熱した際のスパークプラグ（絶縁碍子１０）の耐電圧性能の測定値
耐電圧 性能 ：８００度に加熱した際のスパークプラグ（絶縁碍子１０）の耐電圧性能の評価結果
ＡはＧＯＯＤ（従来より大幅に向上）
ＢはＯＫ（従来品より向上）
ＣはＮＧ（従来品と同等）
表１に示されるように、０．１≦Ｒ．Ｅ．の含有率／２Ａの含有率≦１．４、かつ、０．２≦ＢａＯの含有率／Ｒ．Ｅ．の含有率≦０．８の範囲となる組成を有する実施例１〜１０に示す絶縁碍子１０は、耐電圧性能、曲げ強度ともに、上記組成範囲を満たさない比較例１〜６に比して向上できる。
実施例１〜１０に示す組成範囲では、Ｒ．Ｅ．がＳｉ成分に選択的に吸着される。Ｓｉ成分は、水の流れに影響を受けやすいため、スプレードライ法で粒造すると、スラリーの液滴の水分が蒸発していく過程で、Ｓｉ成分とＲ．Ｅ．成分とは、顆粒の外側に凝集する傾向がある。この顆粒を用いてセラミック成形体をプレス成形すると、顆粒が破壊され、外環が破壊されるが、一部は破壊されずに残るため、焼結体の組織にＲ．Ｅ．を含んだ相が細長く凝集しやすくなると考えられるためである。
また、表２に示されるように、凝集群、すなわち、Ｒ．Ｅ．を含む結晶相を包む７．５μｍ×５０μｍの仮想的な長方形枠３１０が、拡大断面図３００内に、重複することなく少なくとも一つ存在するとき、凝集群が０個のときに比して、曲げ強度、加熱耐電圧性能は向上する。特に、凝集群が１０個以上存在する場合には、曲げ強度、加熱耐電圧性能ともに、より向上する。
表３は、絶縁碍子１０を構成するアルミナ焼結体のアルミナ粒子の平均粒子径に基づく、耐電圧性能、抗圧強度の試験結果およびスパークプラグ１００の性能の評価を示している。抗圧強度の試験は、中央胴部１９を硬質ファイバーを介して圧縮し、目視で破壊もしくはクラックが入ることが確認されたときの圧縮荷重を測定することにより行った。なお、硬質ファイバーは、２．０ｔの硬質ファイバーを利用し、圧縮速度は、５ｍｍ／ｍｉｎとした。
表３において、各項目は以下の通り示している。
アルミナ平均粒子径：アルミナの平均粒子径
耐電圧 ：８００度に加熱した際のスパークプラグ（絶縁碍子１０）の耐電圧性能
抗圧強度 ：スパークプラグ（絶縁碍子１０）の抗圧強度
性能 ：スパークプラグ（絶縁碍子１０）の性能評価結果
ＡはＧＯＯＤ（従来より大幅に向上）
ＢはＯＫ（従来品と同等）
表３に示されるように、アルミナの粒子の平均粒径は８．０μｍ以下のとき、アルミナ粒子の平均粒子径が８．０μｍより大きい場合に比して、耐電圧性能、抗圧強度ともに向上するので、スパークプラグ（絶縁碍子１０）の性能は向上する。
表４は、Ｒ．Ｅ．を含む結晶の平均粒径に基づく、耐電圧性能、抗圧強度の試験結果およびスパークプラグ１００の性能の評価を示している。表４において、各項目は以下の通り示している。
Ｒ．Ｅ．を含む結晶の粒径：Ｒ．Ｅ．を含む結晶の平均粒子径
耐電圧 ：８００度に加熱した際のスパークプラグ（絶縁碍子１０）の耐電圧性能
抗圧強度 ：スパークプラグ（絶縁碍子１０）の抗圧強度
性能 ：スパークプラグ（絶縁碍子１０）の性能評価結果
ＡはＧＯＯＤ（従来より大幅に向上）
ＢはＯＫ（従来品と同等）
表４に示されるように、Ｒ．Ｅ．を含む結晶の平均粒子径が５μｍ以下のとき、Ｒ．Ｅ．を含む結晶の平均粒子径が５．０μｍより大きい場合に比して、耐電圧性能、抗圧強度ともに向上するので、スパークプラグ（絶縁碍子１０）の性能は向上する。
表５は、製造工程におけるＤ９０／Ｄ１０に基づく抗圧強度の試験結果およびスパークプラグ１００の性能評価を示している。表５において、各項目は以下の通り示している。
Ｄ９０／Ｄ１０：Ｄ１０に対するＤ９０の割合
相対密度 ：上記製造工程によって得られた絶縁碍子１０の相対密度
抗圧強度 ：上記製造工程によって得られた絶縁碍子１０の抗圧強度
性能 ：絶縁碍子１０の性能評価結果
ＡはＧＯＯＤ（従来より大幅に向上）
ＢはＯＫ（従来品と同等）
表５に示されるように、Ｄ９０／Ｄ１０が３．５以上かつ、５．９以下の範囲のスラリーを用いて形成された絶縁碍子１０は、性能が、従来品よりも大幅に向上している。
Ｄ９０／Ｄ１０が３．５より小さい場合、粒子同士が過敏に反応するため、異常粒成長が生じる場合があり、アルミナ焼結体の強度低下を引き起こす可能性があり、Ｄ９０／Ｄ１０が６．０より大きい場合、粒子同士の反応性が乏しく、緻密な焼結体を得られず、耐電圧性能や機械的強度の低下を引き起こす可能性があると考えられるためである。
表６は、製造工程におけるスラリー成分に基づくＲ．Ｅ．成分の粒子の偏析状態の評価結果を示している。表６において、各項目は以下の通り示している。
スラリー水分：スラリーの水分
偏析群 ：Ｒ．Ｅ．を含む結晶相の細長い偏析の有無
Ａは偏析有り
Ｂは偏析無し
表６に示されるように、スラリー水分が２０％以上、かつ、５０％以下の範囲のスラリーを用いると、スプレードライ法で粒造した際に、Ｒ．Ｅ．を含む結晶相の細長い偏析が生じる。
スラリー水分が２０％より低い場合、スプレードライ法での粒造の際、下流内の水分が少なすぎるために、原料粒子の移動が十分に生じず、顆粒の外側にＲ．Ｅ．成分の粒子を偏析させることができない可能性があり、スラリー水分が５０％より高い場合、減量中の全ての粒子が動きやすい状態となるため、Ｒ．Ｅ．成分を選択的に外側に偏析させることができなくなる可能性があると考えられるためである。
表７は、製造工程におけるスラリーのｐＨに基づくスラリーの粘性について示している。スラリーのｐＨおよび粘性は、以下の方法により測定した。Ｐｈについては、株式会社堀場製作所 ガラス電極式水素イオン濃度指示計（型式：Ｄ−５１、ガラス電極 型式：９６２１Ｃ）を用いて、スラリーの温度を２０℃に設定し測定した。粘性について、東機産業 ＶＩＳＣＯＭＥＴＥＲ（ｍｏｄｅｌ：ＢＨＩＩ）を用い、スラリーの温度を２０℃に設定し測定した。表７において、各項目は以下の通り示している。
ｐＨ：スラリーのｐＨ
粘性：スラリーの粘性
表７に示されるように、スラリーのｐＨが５以上、かつ、１１以下のときの粘性は、５５０ｍＰａ・ｓ〜１０５０ｍＰａ・ｓとなり、Ｒ．Ｅ．を含む結晶相を細長く偏析させるのに好ましい粘度となる。
スラリーのｐＨが５より低い場合、ゼータ電位が下降し等電点に近づくため、粒子が凝集しやすくなり、スラリー中の原料が沈降して組成が所望の値よりずれてしまう恐れがある。スラリーのｐＨが１１より高い場合、ゼータ電位の変化が大きくなる傾向にあるため、スラリー粘性が大きくなり過ぎてＲ．Ｅ．を含む原料が動きにくくなり、粒造の際に顆粒の外側にＲ．Ｅ．を含む原料を凝集させることができないとおそれがあると考えられるためである。
表８は、絶縁碍子１０を構成するアルミナ焼結体における二酸化珪素（Ｓｉ）の含有割合に基づく加熱耐電圧性能、抗圧強度の試験結果、および、スパークプラグ１００の性能評価を示している。表８において、各項目は以下の通り示している。
ＳｉＯ2量：二酸化珪素の含有割合
凝集群の数：Ｒ．Ｅ．を含む結晶相を包む７．５μｍ×５０μｍの仮想的な長方形枠３１０が、拡大断面図３００内に、重複することなく存在する数
耐電圧 ：８００度に加熱した際のスパークプラグ（絶縁碍子１０）の耐電圧性能
抗圧強度 ：スパークプラグ（絶縁碍子１０）の抗圧強度
性能 ：スパークプラグ（絶縁碍子１０）の性能評価結果
ＡはＧＯＯＤ（従来より大幅に向上）
ＢはＯＫ（従来品と同等）
表８に示されるように、質量百分率を用いて表される酸化物換算した場合の二酸化珪素の含有割合が２．０ｗｔ％以上、かつ、３．４ｗｔ％以下のとき、スパークプラグ（絶縁碍子１０）の耐電圧性能、抗圧強度ともに、従来品に比して向上する。なかでも、二酸化珪素の含有割合が２．１ｗｔ％以上、かつ、２．６ｗｔ％以下のときは、スパークプラグ（絶縁碍子１０）の耐電圧値が３５．５ｋＶ以上となり、耐電圧性能がさらに向上する。
Ｂ．変形例：
・変形例１：
上記第１実施形態では、絶縁碍子１０を構成するアルミナ焼結体に含まれるアルミナ粒子の平均粒径は８μｍ以下、Ｒ．Ｅ．を含む結晶の平均粒径は５μｍ以下としている。これに対して、アルミナ粒子の平均粒径は８μｍより大きくてもよく、また、Ｒ．Ｅ．を含む結晶の平均粒径は５μｍより大きくても良い。
・変形例２：
また、絶縁碍子１０を構成するアルミナ焼結体において、質量百分率を用いて表される酸化物換算した場合のＳｉＯ2の含有割合は、２．２ｗｔ％未満、または、３．２ｗｔ％より高くてもよい。
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
３…セラミック抵抗
４…シール体
５…ガスケット
６…リング部材
８…板パッキン
９…タルク
１０…絶縁碍子
１２…軸孔
１３…脚長部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…中央胴部
２０…中心電極
３０…接地電極
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…取付ネジ部
５３…加締部
５４…シール部
５６…金具内段部
５７…先端面
５８…圧縮変形部
１００…スパークプラグ
２００…エンジンヘッド
２０１…取付ネジ孔
３００…係止部
３１０…長方形枠
３１０ａ…長辺
３５０…Ｒ．Ｅ．を含む結晶
３６０…アルミナ粒子
４００…焼結体
４０１…リング
４０２…基部

Claims (6)

  1. スパークプラグに用いられ、アルミナを主成分とする焼結体によって構成された絶縁体であって、
    前記焼結体は、
    希土類元素と、ＩＵＰＡＣ１９９０年勧告に基づく周期表の第２族元素との、質量百分率を用いて表される酸化物換算した場合の含有割合が、０．１≦希土類元素の含有率／第２族元素の含有率≦１．４ を満たし、かつ、
    前記希土類元素と、酸化バリウムとの質量百分率を用いて表される酸化物換算した場合の含有割合が、０．２≦酸化バリウムの含有率／希土類元素の含有率≦０．８ を満たしており、
    前記焼結体の断面における任意の６３０μｍ×４８０μｍの領域内に、前記希土類元素を含む結晶を包む７．５μｍ×５０μｍの仮想的な長方形枠が、少なくとも１つ以上存在し、
    前記長方形枠は、
    前記長方形枠の面積に対する前記希土類元素を含む結晶の面積の占有率が５％以上、かつ、
    前記長方形枠を長辺方向に３等分割した場合の各分割領域における前記希土類元素を含む結晶の面積の占有率のうちの最大の面積の占有率と、最小の面積の占有率の比率が５．５以下であることを特徴とする絶縁体。
  2. 請求項１に記載の絶縁体であって、
    前記任意の領域内に、前記長方形枠が１０個以上存在することを特徴とする絶縁体。
  3. 請求項１または請求項２に記載の絶縁体であって、
    前記焼結体に含まれる前記アルミナの粒子の平均粒径は８μｍ以下であり、かつ、前記希土類元素を含む結晶の平均粒径は５μｍ以下であることを特徴とする絶縁体。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の絶縁体であって、
    前記焼結体は、二酸化珪素を含み、
    前記焼結体において、質量百分率を用いて表される酸化物換算した場合の前記二酸化珪素の含有割合は、２．０ｗｔ％以上、かつ、３．４ｗｔ％以下であることを特徴とする絶縁体。
  5. 請求項４に記載の絶縁体であって、
    前記二酸化珪素の含有割合は、２．１ｗｔ％以上、かつ、２．６ｗｔ％以下であることを特徴とする絶縁体。
  6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の絶縁体を有するスパークプラグ。
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