JP4465290B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は内燃機関に使用されるスパークプラグに関する。

従来、絶縁体の軸方向に形成された貫通孔に対し、その一方の端部側に端子金具を挿入し、同じく他方の端部側に中心電極を挿入して、該貫通孔内において端子金具と中心電極とを導電性シール材層にて封止、固着した構造を有するスパークプラグが広く用いられている。

絶縁体貫通孔内において、端子金具と中心電極とは導電性シール材層により直結されるか、あるいは、各々の導電性シール材層の間に抵抗体を配置する形で結合される。導電性シール材層は、一般には金属粒子とベースガラスとの混合物からなるものであり、金属粒子がガラスマトリックス中にてネットワーク状に接触した形で分散することで、絶縁性のガラスに対し導電性を付与したものである。

近年、スパークプラグ用の絶縁体として、絶縁耐電圧に優れたアルミナ質セラミックで構成されたものが使用されている。他方、端子金具あるいは中心電極はＦｅやＮｉ等を主成分とする金属製であり、絶縁体との間の線膨張係数（以下、熱膨張係数とも言う）の差は相当大きい（例えば、アルミナは７．３×１０^−６／℃、ＦｅおよびＮｉは１２〜１４×１０^−６／℃前後である）。従って、例えば使用時に高温化したスパークプラグが冷却されるとき、端子金具あるいは中心電極は絶縁体よりも収縮量が大きくなるので、導電性シール材層がこれに追従できない場合は剥がれ等を起こす懸念がある。

そこで、金属とガラス（無機材料）との混合物を用いた導電性シール材層は、端子金具あるいは中心電極と絶縁体との中間の熱膨張係数に調整できるので、その導電性シール材層を用いることで、両者の収縮変位の差を多少軽減させることができる。

一方、スパークプラグが適用されるエンジンの仕様が高出力化しており、混合気の圧縮比が高くなっていることから、導電性シール材層の気密性能もより高レベルのものが求められるようになってきている。さらに、最近のエンジンは、スパークプラグを取り付けるシリンダヘッド周辺の機構が複雑化しており、取付スペースも確保しにくくなっていることから、スパークプラグの小型化が強く求められている。

スパークプラグが小型化すれば、絶縁体ひいてはこれに形成される貫通孔の内径も縮小される。そして、このようなスパークプラグの中心電極にエンジンの燃焼圧が加わると、貫通孔内の導電性シール材層に付加される単位面積当たりの圧力が従来よりも高くなり、混合気の圧縮比が高くなっていることとも相俟って、従来の導電性シール材層の仕様では耐久性を十分に確保することが困難となってきている。

すなわち、従来の端子金具あるいは中心電極と絶縁体との中間の熱膨張係数を有する導電性シール材層を用いた場合、高温から冷却する際に導電性シール材層がアルミナ質セラミックからなる絶縁体より収縮量が大きく、貫通孔内面におけるシール材と絶縁体との接合面においてはアルミナの収縮量が少ないため導電性シール材層側に引張応力が発生し、これにクラックの進展や剥離等が生じる。

特に、貫通孔内径が４ｍｍ以下といった小型のスパークプラグにおいては、高出力・高圧縮比の条件にて運転されるエンジンに適用されたとき、上記の要因とも相俟って、耐久性を確保することが困難となる。また、導電性シール材層の半径方向の収縮が大きく生ずると、絶縁体貫通孔内面から導電性シール材層が剥離して隙間を生じ、気密性やシール材自体の耐久性が低下するおそれがある。

このため、例えば導電性シール材層に絶縁体を構成するアルミナよりも熱膨張係数の低い無機材料、例えばβ−ユークリプタイト、β−スポジュメン、キータイト、シリカ、ムライト、コージェライト、ジルコンおよびチタン酸アルミニウム等からなる絶縁性フィラーを含有させ、導電性シール材層の熱膨張係数を絶縁体の熱膨張係数よりも小さくすることにより、上述したものとは反対に導電性シール材層側に圧縮応力を発生させ、クラックの進展や剥離等を抑制できることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−２２８８６号公報

しかしながら、上述したように導電性シール材層に絶縁性フィラーを含有させる場合、導電性シール材層のベースガラスが軟化したときの固体成分が増えるため導電性シール材層全体としての硬度が上昇する。通常、端子金具と中心電極とを導電性シール材層にて封止、固着するために、絶縁体を加熱しつつ、絶縁体中に端子金具を圧入する（以下、ガラスシールと言う）。このとき、上記導電性シール材層では硬すぎてガラスシール時の端子金具に対する封着加重が十分でなく、絶縁体中に端子金具が十分に挿入されない状態、いわゆる端子ウキが発生することがある。一方、封着加重を単純に大きくすると、絶縁体中に端子金具を圧入する際に、絶縁体を破損してしまう虞がある。

本発明は上述したような課題を解決するためになされたものであって、導電性シール材層が硬くなる原因である絶縁性フィラーをできるだけ低減しつつ、線膨張係数を絶縁体の線膨張係数よりも小さくすることで、導電性シール材層におけるクラックや剥離等の発生が抑制でき、且つ、ガラスシール後の端子ウキの発生も抑制でき、さらには、ガラスシールの際における絶縁体等の破損の発生も抑制でき、生産性・信頼性に優れるスパークプラグを提供することを目的としている。

本発明のスパークプラグは、アルミナ質セラミックにて構成された絶縁体の軸方向に形成された貫通孔内で、端子金具と中心電極との間に配置された導電性シール材層を有するスパークプラグにおいて、前記導電性シール材層はベースガラスと、導電性フィラーと、含有量が１０重量％以下（０を含む）の絶縁性フィラーとを有し、かつ前記ベースガラスは、Ｓｉ成分をＳｉＯ_２酸化物成分に換算して５５重量％以上６５重量％以下、Ｂ成分をＢ _２ Ｏ_３酸化物成分に換算して２２重量％以上３５重量％以下、Ｃａ成分をＣａＯ酸化物成分に換算して０．２重量％以上２重量％以下、Ａｌ成分をＡｌ_２Ｏ_３酸化物成分に換算して２重量％以下、ならびに、Ｎａ成分、Ｋ成分をそれぞれＮａ_２Ｏ酸化物成分、Ｋ_２Ｏ酸化物成分に換算したときの合計量で４重量％以上８重量％以下含み、かつ、前記Ｎａ成分およびＫ成分の両方を含むものであることを特徴とする。

本発明では、導電性シール材層中の絶縁性フィラーの含有量を１０重量％以下としている。これにより、ベースガラスが軟化したときの導電性シール材全体の硬度を低減することができる。よって、ガラスシールを行う際の封着加重が比較的小さくても端子ウキが発生することを抑制でき、かつ絶縁体の破損を抑制できる。なお、導電性シール材層中の絶縁性フィラーの含有量が１０重量％を超えると、上記効果を得ることができない。

そして、本発明ではスパークプラグの導電性シール材層を構成するベースガラスの組成を所定の組成とすることにより、導電性シール材層中の絶縁性フィラーの含有量を低減したとしても導電性シール材層の熱膨張係数をアルミナ質セラミックからなる絶縁体の熱膨張係数よりも小さくできる。これにより、導電性シール材層側に圧縮応力を発生させ、クラックの進展や剥離等を抑制することができる。

具体的には、導電性シール材層を構成するベースガラスとして、Ｓｉ成分をＳｉＯ_２酸化物成分に換算して５５重量％以上６５重量％以下、Ｂ成分をＢ_２Ｏ_３酸化物成分に換算して２２重量％以上３５重量％以下、Ｃａ成分をＣａＯ酸化物成分に換算して０．２重量％以上２重量％以下、Ａｌ成分をＡｌ_２Ｏ_３酸化物成分に換算して２重量％以下、ならびに、Ｎａ成分、Ｋ成分をそれぞれＮａ_２Ｏ酸化物成分、Ｋ_２Ｏ酸化物成分に換算したときの合計量で４重量％以上８重量％以下含み、かつ、これらＮａ成分およびＫ成分の両方を含むものとしている。以下、ベースガラスを構成する各成分について説明する。

Ｓｉ成分をＳｉＯ_２酸化物成分に換算したときの重量が５５重量％未満の場合、ベースガラスの熱膨張係数が大きくなり、導電性シール材層と絶縁体との間に剥離やクラックが発生するおそれがある。他方、６５重量％を超えると、ベースガラスの軟化温度が高くなり、ガラスシールを行なう際の端子ウキが発生するおそれがある。

また、Ｂ成分をＢ_２Ｏ_３酸化物成分に換算したときの重量が２２重量％未満の場合、ベースガラスの軟化温度が高くなり、ガラスシールを行なう際の端子ウキが発生するおそれがある。他方、３５重量％を超えると、ベースガラスの熱膨張係数が大きくなり、導電性シール材層と絶縁体との間に剥離やクラックが発生するおそれがある。

また、Ｃａ成分は、ベースガラスを含む導電性シール材層と接する抵抗体の抵抗値の安定化またはベースガラス自身の軟化温度を低減するために添加されるものである。Ｃａ成分をＣａＯ酸化物成分に換算したときの含有量が０．２重量％未満であると、抵抗体の抵抗値の安定化またはベースガラスの軟化温度の低減が十分でなく、ガラスシールを行なう際の端子ウキが発生するおそれがある。２重量％を超えると、その熱膨張係数が大きくなり、導電性シール材層と絶縁体との間に剥離やクラックが発生するおそれがある。

Ａｌ成分はベースガラスに不可避的不純物として含有されるものであり、Ａｌ_２Ｏ_３酸化物成分に換算して２重量％を超えるとベースガラスの軟化温度が高くなるためガラスシールを行なう際の端子ウキが発生するおそれがある。なお、Ａｌ成分は、ベースガラスにおける含有量が０重量％に近いほど好ましい。

Ｎａ成分、Ｋ成分は、いずれもベースガラスの軟化温度を低減するために加えられるものである。このＮａ成分とＫ成分とが両方ベースガラスに含有されることで、アルカリ混合効果が起こり、有効にベースガラスの軟化温度を低減することができる。

Ｎａ成分をＮａ_２Ｏ酸化物成分、Ｋ成分をＫ_２Ｏ酸化物成分に換算したとき、これらの含有量の合計がベースガラス全体に対して４重量％未満では、ベースガラスの軟化温度を低減することが難しく、ガラスシールを行なう際の端子ウキが発生するおそれがある。また、これらの含有量の合計が８重量％を超えると、その熱膨張係数が大きくなり、導電性シール材層と絶縁体との間に剥離やクラックが発生するおそれがある。

さらに、本発明のスパークプラグは、前記ベースガラスにおける前記Ｎａ成分をＮａ_２Ｏ酸化物成分に換算したときの重量をＷ１、前記Ｋ成分をＫ_２Ｏ酸化物成分に換算したときの重量をＷ２としたとき、Ｗ１≧Ｗ２であることが好ましい。Ｎａ成分、Ｋ成分を用いたとき、ベースガラスの熱膨張係数の大きさの変化を比較すると、Ｎａ成分を用いた方がベースガラスの熱膨張係数の大きさの変化が少ないことが認められる。このため上述したようにＷ１≧Ｗ２とすることで、ベースガラスの軟化温度を低減させつつ、熱膨張係数低減することが可能となる。

そして、より好ましくは、Ｗ１≧Ｗ２≧Ｗ１／５であることがより好ましい。上述した熱膨張係数の観点からはＮａ成分をＫ成分よりも多くすることが好ましいが、ベースガラスの軟化温度低減の観点からは両者を含有させる必要があり、Ｋ成分があまりに少ないとベースガラスの軟化温度を十分に低減することが困難となる。

本発明ではベースガラスとして上述したようなＳｉ成分、Ｂ成分、Ｃａ成分、Ｎａ成分およびＫ成分を必須成分として含有することを特徴とするが、必要に応じて、かつ、本発明の趣旨に反しない範囲において、他の成分、例えばＺｒ成分、Ｔｉ成分、ＭｇＯ成分等を含有させてもよい。この場合、他の成分の含有量は、酸化物成分に換算して、ベースガラス全体に対して１０重量％以下とすることが好ましい。

さらに、本発明のスパークプラグは、前記導電性シール材層がベースガラスと導電性フィラーのみで形成されていることが好ましい。このように絶縁性フィラーを含有せず、軟化時の硬度が低減された導電性シール材層の軟化時の硬度をより低減することができる。よって、ガラスシールを行なう際の端子ウキが発生することをより抑制できる。

さらに、本発明のスパークプラグは、前記ベースガラスにおける前記Ｓｉ成分をＳｉＯ_２酸化物成分に換算したときの重量および前記Ｂ成分をＢ_２Ｏ_３酸化物成分に換算したときの重量の合計が８６重量％以上９４重量％以下であることが好ましい。これにより、十分に導電性シール材層の熱膨張係数を低減することができる。

本発明の別のスパークプラグは、絶縁体の軸方向に形成された貫通孔内に、中心電極が第１導電性シール材層、及び端子金具が第２導電性シール材層にそれぞれ固着され、該第１導電性シール材層と第２導電性シール材層との間に抵抗体が介在したスパークプラグにおいて、前記第２導電性シール材層は、ベースガラスと、導電性フィラーと、含有量が１０重量％以下（０を含まない）の絶縁性フィラーとを含み、前記第１導電性シール材層は、ベースガラスと、導電性フィラーと、含有量が第２導電性シール材層より少ない（０を含む）絶縁性フィラーを含むことを特徴とする。

本発明では、第１導電性シール材層中及び第２導電性シール材層中の絶縁性フィラーの含有量を１０重量％以下としている。これにより、第１導電性シール材層及び第２導電性シール材層のベースガラスが軟化したときの硬度を低減することができる。よって、ガラスシールを行なう際の封着加重が比較的小さくても端子ウキを抑制できる。また、このように低減された封着加重により、ガラスシールを行なう際に、絶縁体の破損を抑制できる。なお、第1導電性シール材層中又は第２導電性シール材層の絶縁性フィラーの含有量が１０重量％を超えると、上記効果を得ることができない。

そして、第２導電性シール材層中の絶縁性フィラーの含有量が、前記第１導電性シール材層中の絶縁性フィラーの含有量よりも多くすることで、第２導電性シール材層のベースガラス軟化時の硬度が第１導電性シール材層のベースガラス軟化時の硬度よりも大きくなる。すると、第１導電性シール材層と第２導電性シール材層との間に設けられた抵抗体が十分に第２導電性シール材層に押圧されて内部に封入、固着することができる。なお、第２導電性シール材層中の絶縁性フィラーの含有量が、前記第１導電性シール材層中の絶縁性フィラーの含有量以下であれば、上記効果を十分に得ることが難しい。また、第２導電性シール材層中の絶縁性フィラーの含有量を第１導電性シール材層中の絶縁性フィラーの含有量から１重量％以上多くすることで、上記効果を有効に得ることができる。

以下、第１実施形態について説明する。図１に、第１実施形態に係るスパークプラグ１００の一例を示す。スパークプラグ１００は、筒状の主体金具１、先端部２ａが突出するようにその主体金具１の内側に嵌め込まれた絶縁体２、先端に形成された発火部３ａを突出させた状態で絶縁体２の内側に設けられた中心電極３、および主体金具１に一端が溶接等により結合されるとともに他端側が側方に曲げ返されて、その側面が中心電極３の先端部と対向するように配置された接地電極４等を備えている。また、接地電極４には上記発火部３ａに対向する発火部４ａが形成されており、それら発火部３ａと、対向する発火部４ａとの間の隙間が火花放電ギャップｇとされている。

主体金具１は、低炭素鋼等の金属により円筒状に形成されており、スパークプラグ１００のハウジングを構成するとともに、その外周面には、スパークプラグ１００を図示しないエンジンブロックに取り付けるためのねじ部１ａが形成されている。なお、１ｂは、主体金具１をエンジンブロックに取り付ける際に、スパナやレンチ等の工具を係合させる工具係合部であり、六角状の軸断面形状を有している。

絶縁体２は、内部に自身の軸方向に沿って中心電極３を嵌め込むための貫通孔５を有し、全体が以下の絶縁材料により構成されている。すなわち、該絶縁材料はＡｌ成分を、Ａｌ _２ Ｏ _３ に換算した値にて８０〜９８ｍｏｌ％（望ましくは９０〜９８ｍｏｌ％）含有するアルミナ質セラミックである。

Ａｌ以外の成分は、具体的には下記の範囲で１種又は２種以上を含有させることができ
る：
Ｓｉ成分：ＳｉＯ _２ 換算値で１．５０〜５．００ｍｏｌ％；
Ｃａ成分：ＣａＯ換算値で１．２０〜４．００ｍｏｌ％；
Ｍｇ成分：ＭｇＯ換算値で０．０５〜０．１７ｍｏｌ％；
Ｂａ成分：ＢａＯ換算値で０．１５〜０．５０ｍｏｌ％；
Ｂ成分：Ｂ _２ Ｏ _３ 換算値で０．１５〜０．５０ｍｏｌ％。

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２ｂが例えばフランジ状に形成されている。そして、該突出部２ｂよりも後端側がこれよりも細径に形成された本体部２ｃとされている。一方、突出部２ｂの先端側にはこれよりも細径の第一軸部２ｄと、その第一軸部２ｄよりもさらに細径の第二軸部２ｅがこの順序で形成されている。

なお、本体部２ｃの外周面後端部にはコルゲーション部２ｆが形成され、その外周面には釉薬層２ｇが形成されている。また、第一軸部２ｄの外周面は略円筒状とされ、第二軸部２ｅの外周面は先端に向かうほど縮径する略円錐面状とされている。

絶縁体２の貫通孔５は、中心電極３を挿通させる略円筒状の第一部分５ａと、その第一部分５ａの後端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５ｂとを有する。端子金具１０と抵抗体１１とは第二部分５ｂ内に収容され、中心電極３は第一部分５ａ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３ｂが形成されている。そして、上記貫通孔５の第一部分５ａと第二部分５ｂとは、第一軸部２ｄ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の電極固定用凸部３ｂを受けるための凸部受け面５ｃがテーパ面あるいはアール面状に形成されている。

また、第一軸部２ｄと第二軸部２ｅとの外周面における接続部２ｈは段付面とされ、これが主体金具１の内面に形成された主体金具側係合部としての凸条部１ｃとリング状の板パッキン２０を介して係合することにより、軸方向の抜止めがなされている。

他方、主体金具１の後端側開口部内面と、絶縁体２の外面との間には、フランジ状の突出部２ｂの後方側周縁と係合するリング状の線パッキン３０が配置され、そのさらに後方側にはタルク等の充填層３１を介してリング状の線パッキン３２が配置されている。そして、絶縁体２を主体金具１に向けて先端側に押し込み、その状態で主体金具１の開口縁をリング状の線パッキン３２に向けて内側に加締めることにより加締め部１ｄが形成され、主体金具１が絶縁体２に対して固定されている。

絶縁体２の貫通孔５の後端側には端子金具１０が挿入・固定され、同じく先端側には中心電極３が挿入・固定されている。また、該貫通孔５内において端子金具１０と中心電極３との間に抵抗体１１が配置されている。この抵抗体１１の両端部は、第１導電性シール材層１２、第２導電性シール材層１３を介して中心電極３と端子金具１０とにそれぞれ電気的に接続されている。

抵抗体１１は、ガラス粉末と導電材料粉末（および必要に応じてガラス以外のセラミック粉末）との混合粉末を原料とし、後述のガラスシール工程においてこれを加熱・プレスすることにより得られる抵抗体組成物で構成される。なお、抵抗体１１を省略して、一層の導電性シール材層により端子金具１０と中心電極３とを一体化した構成としてもよい。

端子金具１０は低炭素鋼等で構成され、表面に防食のためのＮｉメッキ層（層厚：例えば５μｍ）が形成されている。そして、該端子金具１０は、シール部１０ａ（先端部）と、絶縁体２の後端縁より突出する端子部１０ｃと、端子部１０ｃとシール部１０ａとを接続する棒状部１０ｂとを有する。

シール部１０ａは軸方向に長い円筒状に形成され、その外周面にはねじ状あるいはリブ状等の形態の凸部を有するとともに、導電性シール材層１３中に没入する形で配置され、貫通孔５の内面との間を導電性シール材層１３によりシールされる。

接地電極４および中心電極３の本体部はＮｉ合金やＦｅ合金等で構成されている。また、中心電極３の本体部の内部には、放熱促進のためにＣｕあるいはＣｕ合金等で構成された芯材３ｃが埋設されている。なお、接地電極４においても芯材が埋設されていてもよい。一方、上記発火部３ａおよび対向する発火部４ａは、Ｉｒ、ＰｔおよびＲｈの１種又は２種以上を主成分とする貴金属合金を主体に構成される。なお、発火部３ａおよび対向する発火部４ａは一方又は双方を省略することもできる。

第１導電性シール材層１２、第２導電性シール材層１３は第１実施形態のスパークプラグ１００の要部をなすものであり、ベースガラスと導電性フィラーとからなる。

この、導電性シール材層１２、１３に含有される導電性フィラーは、例えばＣｕおよびＦｅ等の金属成分の１種又は２種以上を主体とする金属粉末である。

このように、第１導電性シール材層１２、第２導電性シール材層１３中の絶縁性フィラーの含有量を１０重量％以下としている。これにより、第１導電性シール材層１２、第２導電性シール材層１３のベースガラス軟化時の硬度を低減することができる。よって、ガラスシールを行なう際の端子ウキが発生することを抑制できる。また、封着加重を単純に大きくする必要がなく、ガラスシールを行なう際に、絶縁体２を破損してしまうことも抑制できる。

さらに、第１導電性シール材層１２、第２導電性シール材層１３におけるベースガラスは、Ｓｉ成分をＳｉＯ _２ 酸化物成分に換算して５５重量％以上６５重量％以下、Ｂ成分をＢ _２ Ｏ _３ 酸化物成分に換算して２２重量％以上３５重量％以下、Ｃａ成分をＣａＯ酸化物成分に換算して０．２重量％以上２重量％以下、Ａｌ成分をＡｌ _２ Ｏ _３ 酸化物成分に換算して２重量％以下、ならびに、Ｎａ成分、Ｋ成分をそれぞれＮａ _２ Ｏ酸化物成分、Ｋ _２ Ｏ酸化物成分に換算したときの合計量で４重量％以上８重量％以下含み、かつ、これらＮａ成分およびＫ成分の両方を含むものである。

第１導電性シール材層１２、第２導電性シール材層１３におけるベースガラスの組成を上述したような組成とすることで、ベースガラスを含む第１導電性シール材層１２、第２導電性シール材層１３の熱膨張係数を絶縁体２の熱膨張係数よりも低くすることができ、第１導電性シール材層１２、第２導電性シール材層１３におけるクラックの進展や剥離等を抑制することができる。

次に、本実施形態１のスパークプラグ１００の製造方法の一例を説明する。まず、絶縁体２は、例えば原料粉末としてアルミナ粉末と、Ｓｉ成分、Ｃａ成分、Ｍｇ成分、Ｂａ成分およびＢ成分の各成分源粉末を、焼成後に酸化物換算にて前述の組成となる所定の比率で配合し、所定量の結合剤（例えばＰＶＡ）と水とを添加・混合して成形用素地スラリーを作る。なお、各成分源粉末は、例えばＳｉ成分はＳｉＯ _２ 粉末、Ｃａ成分はＣａＣＯ _３ 粉末、Ｍｇ成分はＭｇＯ粉末、Ｂａ成分がＢａＣＯ _３ 粉末、Ｂ成分がＨ _３ ＢＯ _３ 粉末の形で配合できる。なお、Ｈ _３ ＢＯ _３ は溶液の形で配合してもよい。

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成形用素地造粒物とされる。そして、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。ここでは、内部に軸方向に貫通するキャビティを有するゴム型が使用され、そのキャビティの下側開口部に下パンチが嵌め込まれる。また、下パンチのパンチ面には、キャビティ内においてその軸方向に延びるとともに、絶縁体２の貫通孔５の形状を規定するプレスピンが一体的に凸設されている。

この状態でキャビティ内に、所定量の成形用素地造粒物を充填し、キャビティの上側開口部を上パンチで塞いで密封する。この状態でゴム型の外周面に液圧を印加し、キャビティの造粒物を、該ゴム型を介して圧縮することによりプレス成形体を得る。なお、成形用素地造粒物は、プレス時における造粒物の粉末粒子への解砕が促進されるよう、該成形用素地造粒物の重量を１００重量部として、０．７〜１．３重量部の水分が添加された後、上記プレス成形が行われる。成形体は、外面側がグラインダ切削等により加工されて、絶縁体２に対応した外形形状に仕上げられ、次いで大気中で温度１４００〜１６００℃とし、１〜８時間焼成されて絶縁体２となる。

また、導電性シール材粉末の調製は以下のようにして行なう。すなわち、上述したような各成分を所定の組成で含むベースガラス粉末および導電性フィラー粉末を所定の組成で配合して配合原料となし、水系溶媒および混合用メディア（例えばアルミナ等のセラミック製のもの）とともに混合用のポット中に投入し、このポットを回転させて上記原料を均一に混合・分散させて調製する。

次に、絶縁体２への中心電極３および端子金具１０の組付け、ならびに、抵抗体１１および導電性シール材層１２、１３の形成は、以下に説明するガラスシール工程により行なわれる。

まず、釉薬スラリーを噴霧ノズルから絶縁体２の必要な表面に噴霧・塗布することにより、図１の釉薬層２ｇとなるべき釉薬スラリー塗布層２ｇａ（図２）を形成し、これを乾燥する。次に、図２に示すように、この釉薬スラリー塗布層２ｇａが形成された絶縁体２の貫通孔５に対し、その第一部分５ａに中心電極３を挿入した後、図３に示すように導電性シール材粉末Ｈを充填する。そして、図４に示すように、貫通孔５内に押さえ棒４０を挿入して充填した粉末Ｈを予備圧縮し、第一の導電性シール材粉末層１２ａを形成する。

次いで、抵抗体組成物の原料粉末を、絶縁体２の後端側から貫通孔５内に充填して同様に予備圧縮し、さらに導電性シール材粉末Ｈを充填して、押さえ棒４０によりて予備圧縮を行なうことにより、図５に示すように、中心電極３側（下側）から貫通孔５内には、第一の導電性シール材粉末層１２ａ、抵抗体組成物粉末層１１ａおよび第二の導電性シール材粉末層１３ａが積層された状態となる。

そして、図６に示すように、貫通孔５に端子金具１０を後端側から配置した組立体ＰＡを形成する。この状態で加熱炉に挿入して７００〜９５０℃の所定温度に加熱し、その後、端子金具１０を貫通孔５内へ中心電極３と反対側から軸方向に圧入して積層状態の各層１２ａ、１１ａ、１３ａを軸方向にプレスする。これにより、図７に示すように、各層は圧縮・焼結されてそれぞれ導電性シール材層１２、抵抗体１１および導電性シール材層１３となる（以上、シール工程）。なお、このガラスシール工程時に塗布した釉薬スラリー塗布層２ｇａの釉焼も同時に行なわれ、釉薬層２ｇとなる。

こうしてガラスシール工程が完了した組立体ＰＡには、主体金具１や接地電極４等が組み付けられて、図１に示すスパークプラグ１００が完成する。スパークプラグ１００は、そのねじ部１ａにおいてエンジンブロックに取り付けられ、燃焼室に供給される混合気への着火源として使用される。

次に、第２実施形態のスパークプラグ２００について説明する。なお、第２実施形態のスパークプラグ２００は、第１実施形態のスパークプラグ１００の第１導電性シール材層１２及び第２導電性シール材層１３の材料のみが異なるものであり、それについて詳細に説明し、その他の部分は省略する。

第２実施形態のスパークプラグ２００は、第１導電性シール材層２１２は、ベースガラスと導電性フィラーとからなる。他方、第２導電性シール材層２１３は、ベースガラスと導電性フィラーと１重量％の絶縁性フィラーからなる。この絶縁性フィラーは、ＴｉＯ_２の結晶からなる。

このように、第１導電性シール材層２１２、第２導電性シール材層２１３中の絶縁性フィラーの含有量を１０重量％以下としている。これにより、第１導電性シール材層２１２、第２導電性シール材層２１３のベースガラス軟化時の硬度を低減することができる。よって、ガラスシールを行なう際の端子ウキが発生することを抑制できる。また、封着加重を単純に大きくする必要がなく、ガラスシールを行なう際に、絶縁体２を破損してしまうことも抑制できる。

そして、第２導電性シール材層２１３中の絶縁性フィラーの含有量が、前記第１導電性シール材層２１２中の絶縁性フィラーの含有量よりも多くすることで、第２導電性シール材層２１３のベースガラス軟化時の硬度が第１導電性シール材層２１２のベースガラス軟化時の硬度よりも大きくなる。すると、第１導電性シール材層２１２と第２導電性シール材層２１３との間に設けられた抵抗体１１が十分に第２導電性シール材層２１３に押圧されて内部に封入、固着することができる。

以下、本発明について実施例を参照して説明する。
（実施例１）
まず、絶縁体２を次のようにして作製した。原料粉末として、アルミナ粉末（アルミナ９５ｍｏｌ％、Ｎａ含有量（Ｎａ_２Ｏ換算値）０．１ｍｏｌ％、平均粒径３．０μｍ）に対し、ＳｉＯ_２（純度９９．５％、平均粒径１．５μｍ）、ＣａＣＯ_３（純度９９．９％、平均粒径２．０μｍ）、ＭｇＯ（純度９９．５％、平均粒径２μｍ）、ＢａＣＯ_３（純度９９．５％、平均粒径１．５μｍ）、Ｈ_３ＢＯ_３（純度９９．０％、平均粒径１．５μｍ）を所定比率にて配合するとともに、この配合した粉末総量を１００重量部として、親水性バインダとしてのＰＶＡを３重量部と、水１０３重量部とを加えて湿式混合することにより、成形用素地スラリーを作製した。

次いで、これら組成の異なるスラリーをそれぞれスプレードライ法により乾燥して、球状の成形用素地造粒物を調製した。なお、造粒物は、ふるいにより粒径５０〜１００μｍに整粒した。そして、この造粒物を、既に説明したラバープレス法により圧力５０ＭＰａにて成形し、その成形体の外周面にグラインダ研削を施して所定の絶縁体形状に加工するとともに、温度１５５０℃で２時間焼成することにより絶縁体２を得た。なお、蛍光Ｘ線分析により、絶縁体２は下記の組成を有していることがわかった：

Ａｌ成分：Ａｌ_２Ｏ_３換算値で９４．９ｍｏｌ％；
Ｓｉ成分：ＳｉＯ_２換算値で２．４ｍｏｌ％；
Ｃａ成分：ＣａＯ換算値で１．９ｍｏｌ％；
Ｍｇ成分：ＭｇＯに換算値で０．１ｍｏｌ％；
Ｂａ成分：ＢａＯに換算値で０．４ｍｏｌ％；
Ｂ成分：Ｂ_２Ｏ_３換算値で０．３ｍｏｌ％。

次に、質量比にて１：１に配合されたＣｕ粉末とＦｅ粉末（いずれも平均粒径３０μｍ）とからなる金属粉末とＴｉＯ_２からなる絶縁粉末とベースガラス粉末（平均粒径１５０μｍ）とを、金属粉末の含有量が約５０重量％となるように混合して、導電性シール材粉末を作った。

ここでベースガラス粉末の組成は、ＳｉＯ _２ を６０重量％、Ｂ _２ Ｏ _３ を３２重量％、ＣａＯを０．５重量％、Ａｌ _２ Ｏ _３ を１重量％、Ｎａ _２ Ｏを３．５重量％、Ｋ _２ Ｏを１重量％、ＺｒＯ _２ を１重量％、ＭｇＯを1重量％とした。また、絶縁粉末を表１に示す含有量となるように調整した。

また、抵抗体原料粉末は以下のようにして調製した。まず、微粒ガラス粉末（平均粒径８０μｍ）を３０質量％、セラミック粉末としてのＺｒＯ_２（平均粒径３μｍ）を６６質量％、カーボンブラックを１質量％、及び有機バインダとしてのデキストリンを３質量％配合し、水を溶媒としてボールミルにより湿式混合し、その後これを乾燥した予備素材を調製した。そして、これに粗粒ガラス粉末（平均粒径２５０μｍ）を、上記予備素材２０重量部に対して８０重量部配合し、抵抗体原料粉末を得た。なお、ガラス粉末の材質は、ＳｉＯ_２を５０質量％、Ｂ_２Ｏ_５を２９質量％、Ｌｉ_２Ｏを４質量％、及びＢａＯを１７質量％それぞれ配合・溶解して得られるホウケイ酸リチウムガラスであり、その軟化温度は５８５℃であった。

次いで、上記導電性シール材粉末及び抵抗体組成物粉末を用いて、上述したようなスパークプラグの製造方法（図２〜図７）により、図１に示す抵抗体入りスパークプラグ１００を各々１００本ずつ製造した。

なお、第１導電性シール材粉末層１２ａを形成するための導電性シール材粉末の充填量は０．１５ｇ、抵抗体組成物粉末層１１ａを形成するための抵抗体原料粉末の充填量は０．４０ｇ、及び第２導電性シール材粉末層１３ａを形成するための導電性ガラス粉末の充填量は０．１５ｇとし、ホットプレス処理の加熱温度は９００℃、加圧力は１００ｋｇ／ｃｍ^２とした。

そして、上記条件で作製したスパークプラグサンプルおよびホットプレス処理の加熱温度を５０℃低くして作製したスパークプラグサンプルＮｏ．１〜７について、それぞれ封着性の評価を行った。封着性の評価は、絶縁体２からの端子金具１０のウキの有無を目視することにより判断した。

ホットプレス処理の加熱温度を９００℃として作製したスパークプラグサンプルについてはいずれも絶縁体２からの端子金具１０のウキは認められなかった。ホットプレス処理の加熱温度を５０℃低くしたもの（８５０℃）については、以下の表１に示すような結果となった。なお、表１中、絶縁体２からの端子金具１０のウキが１００本ともなかったものを「○」で示し、端子金具１０のウキが１本あったものを「△」、２本あったものを「×」で示した。

表１から明らかなように、第１導電性シール材層１２、第２導電性シール材層１３の絶縁性フィラーの含有量が１０重量％以下のものは、十分な封着性を有していることが認められた。

（実施例２）
次に、実施例１のスパークプラグ１００のうち、第１導電性シール材層１２、第２導電性シール材層１３のベースガラス粉末の組成が、最終的に得られるベースガラスの組成が以下の表２に示すような組成となるように調製したスパークプラグサンプルを作成した。なお、表２中、組成は重量％で示した。表２において、試料Ｎｏ．８〜１１はベースガラスの組成が本発明におけるベースガラスの組成の範囲内であり、試料Ｎｏ．１２〜２２は、ベースガラスを構成する少なくとも１種の成分の含有量が本発明におけるベースガラスの組成の範囲から外れるものである。また、絶縁性フィラーの含有量を０重量％とした。

こうして得られたスパークプラグサンプル（各条件共、作製数１００）について気密性の評価を行った。評価はスパークプラグサンプルの取付ねじ部１ａを、図８に示すように、加圧試験台５０に形成された加圧キャビティの雌ねじ部５１に取り付け、該加圧キャビティ内の圧縮空気を１．５ＭＰａ（標準試験）及び２．５ＭＰａ（加速試験）の２水準にて導入し、端子金具１０側からの空気漏洩量を測定した。

加圧キャビティ内の圧縮空気が１．５ＭＰａ（標準試験）の場合は、いずれのスパークプラグサンプルについても空気の漏洩へ認められなかった。加圧キャビティ内の圧縮空気が２．５ＭＰａ（加速試験）の場合は、以下の表１に示すような結果となった。なお、表１中、漏洩がなかったものを「○」で示し、０．０５ｍｌ／分以下の漏洩があったものを「△」で示し、漏洩量が０．０５ｍｌ／分以上であったものを漏洩品として「×」で示した。

また、実施例１と同様に作成したスパークプラグサンプルおよびホットプレス処理の加熱温度を５０℃低くして作製したスパークプラグサンプルについて、それぞれ実施例１と同様な封着性の評価を行った。なお、ホットプレス処理の加熱温度を９００℃として作製したスパークプラグサンプルについてはいずれも絶縁体２からの端子金具１０のウキは認められなかった。ホットプレス処理の加熱温度を５０℃低くしたもの（８５０℃）については、以下の表２に示すような結果となった。

表２から明らかなように、導電性シール材のベースガラスの組成を本発明のベースガラスの組成の範囲内としたものは、いずれも十分な気密性、封着性を有していることが認められた。特に、Ｎａ成分をＮａ_２Ｏ酸化物成分に換算したときの重量をＷ１、Ｋ成分をＫ_２Ｏ酸化物成分に換算したときの重量をＷ２としたとき、Ｗ１≧Ｗ２であるものは、ガラスシールの際の温度を低くした場合であっても、いずれも気密性、封着性に優れていることが認められた。

（実施例３）
次に、実施例１、実施例２のスパークプラグ１００と同様にスパークプラグ２００を作成した。なお、第１導電性シール材層２１２、第２導電性シール材層２１３のベースガラスとして、実施例１のベースガラスを使用し、さらに第２導電性シール材層２１３については、含有する絶縁性フィラーの含有量を、表３に示すように、サンプルＮ０．２３〜２７となるように調整した。なお、第１導電性シール材層２１２の絶縁性フィラーの含有量は０重量％である。

そして、上記サンプルＮＯ．２３〜２７について、ＪＩＳ Ｂ８０３１−１９９５に示す、内挿抵抗体負荷寿命試験を行った。そして、±２０％より大きく、±３０％以下であるものを「○」、±２０以下であるものを「◎」とした。結果を表３に示す。

これによると、また、第２導電性シール材層２１３中の絶縁フィラーの含有量を第１導電性シール材層２１２中の絶縁フィラーの含有量よりも多くすることで、特に有効に負荷寿命特性を向上することができる。

本発明のスパークプラグの一例を示した断面図 本発明のスパークプラグの製造工程の一例を示した断面図 本発明のスパークプラグの製造工程の一例を示した断面図 本発明のスパークプラグの製造工程の一例を示した断面図 本発明のスパークプラグの製造工程の一例を示した断面図 本発明のスパークプラグの製造工程の一例を示した断面図 本発明のスパークプラグの製造工程の一例を示した断面図 シール性評価の評価装置を示した概略図

符号の説明

１…主体金具、２…絶縁体、３…中心電極、４…接地電極、１０…端子金具、１１…抵抗体、１２、２１２…第１導電性シール材層、１３、２１３…第２導電性シール材層、１００、２００…スパークプラグ

Claims (9)

1. アルミナ質セラミックにて構成された絶縁体の軸方向に形成された貫通孔内で、端子金具と中心電極との間に配置された導電性シール材層を有するスパークプラグにおいて、
   前記導電性シール材層はベースガラスと、導電性フィラーと、含有量が１０重量％以下（０を含む）の絶縁性フィラーとを有し、かつ前記ベースガラスは、
   Ｓｉ成分をＳｉＯ_２酸化物成分に換算して５５重量％以上６５重量％以下、
   Ｂ成分をＢ _２ Ｏ_３酸化物成分に換算して２２重量％以上３５重量％以下、
   Ｃａ成分をＣａＯ酸化物成分に換算して０．２重量％以上２重量％以下、
   Ａｌ成分をＡｌ_２Ｏ_３酸化物成分に換算して２重量％以下、ならびに、
   Ｎａ成分、Ｋ成分をそれぞれＮａ_２Ｏ酸化物成分、Ｋ_２Ｏ酸化物成分に換算したときの合計量で４重量％以上８重量％以下含み、かつ、前記Ｎａ成分およびＫ成分の両方を含むものであることを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記ベースガラスにおける前記Ｎａ成分をＮａ_２Ｏ酸化物成分に換算したときの重量をＷ１、前記Ｋ成分をＫ_２Ｏ酸化物成分に換算したときの重量をＷ２としたとき、Ｗ１≧Ｗ２であることを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
3. 前記導電性シール材層は、ベースガラスと導電性フィラーのみで形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のスパークプラグ。
4. 前記ベースガラスにおける前記Ｓｉ成分をＳｉＯ_２酸化物成分に換算したときの重量および前記Ｂ成分をＢ_２Ｏ_３酸化物成分に換算したときの重量の合計が８６重量％以上９４重量％以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載のスパークプラグ。
5. 絶縁体の軸方向に形成された貫通孔内に、中心電極が第１導電性シール材層、及び端子金具が第２導電性シール材層にそれぞれ固着され、該第１導電性シール材層と第２導電性シール材層との間に抵抗体が介在したスパークプラグにおいて、
   前記第２導電性シール材層は、ベースガラスと、導電性フィラーと、含有量が１０重量％以下（０を含まない）の絶縁性フィラーとを含み、
   前記第１導電性シール材層は、ベースガラスと、導電性フィラーと、含有量が第２導電性シール材層より少ない（０を含む）の絶縁性フィラーを含むことを特徴とするスパークプラグ。
6. 前記第１導電性シール材層はベースガラスと導電性フィラーのみで形成されていることを特徴とする請求項５記載のスパークプラグ。
7. 前記絶縁体は、アルミナ質セラミックからなり、
   前記第１および第２導電性シール層のベースガラスは、
   Ｓｉ成分をＳｉＯ_２酸化物成分に換算して５５重量％以上６５重量％以下、
   Ｂ成分をＢ_２Ｏ_３酸化物成分に換算して２２重量％以上３５重量％以下、
   Ｃａ成分をＣａＯ酸化物成分に換算して０．２重量％以上２重量％以下、
   Ａｌ成分をＡｌ_２Ｏ_３酸化物成分に換算して２重量％以下、ならびに、
   Ｎａ成分、Ｋ成分をそれぞれＮａ_２Ｏ酸化物成分、Ｋ_２Ｏ酸化物成分に換算したときの合計量で４重量％以上８重量％以下含み、かつ、前記Ｎａ成分およびＫ成分の両方を含むものであることを特徴とする請求項５又は６記載のスパークプラグ。
8. 前記ベースガラスにおける前記Ｎａ成分をＮａ_２Ｏ酸化物成分に換算したときの重量をＷ１、前記Ｋ成分をＫ_２Ｏ酸化物成分に換算したときの重量をＷ２としたとき、Ｗ１≧Ｗ２であることを特徴とする請求項７記載のスパークプラグ。
9. 前記ベースガラスにおける前記Ｓｉ成分をＳｉＯ_２酸化物成分に換算したときの重量および前記Ｂ成分をＢ_２Ｏ_３酸化物成分に換算したときの重量の合計が８６重量％以上９４重量％以下であることを特徴とする請求項７または８記載のスパークプラグ。