DE60001300T2

DE60001300T2 - Isolator für Zündkerze und Zündkerze mit solchem Isolator

Info

Publication number: DE60001300T2
Application number: DE60001300T
Authority: DE
Inventors: Hirohito Ito; Masaya Ito; Tanaka Kuniharu; Katsura Matsubara; Kenji Nunome; Makoto Sugimoto; Yoshihiro Yamamoto
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1999-11-29
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: CN1284287C; US6559579B2; JP2001155546A; JP4530380B2; BR0005854A; US20010004184A1; CN1303151A; EP1104062A1; DE60001300D1; EP1104062B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze, die als Quelle zum Zünden eines Mischgases in einem Verbrennungsmotor verwendet wird, und einen Isolator für eine derartige Zündkerze.
Der Isolator für eine Zündkerze (im Folgenden als "Isolator" bezeichnet), die eine Zündkerze zur Verwendung in Verbrennungsmotoren ist, beispielsweise in einem Kraftfahrzeugmotor, ist normalerweise durch einen auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körper gebildet, der durch Sintern eines auf Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) basierenden Isolationsmaterials erhalten wird. Der Grund dafür ist, dass Aluminiumoxidkeramiken eine hervorragende Hitzebeständigkeit, mechanische Festigkeit, dielektrische Festigkeit, etc. aufweisen. Insbesondere wird der Isolator einer Zündkerze häufig einer Hitze von ungefähr 500ºC bis 700ºC ausgesetzt, die bei der Verbrennung (ungefähr 2000ºC bis 3000ºC) eines Gases entsteht, das durch eine Funkenentladung in der Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors gezündet wird. Es ist folglich wichtig, dass der Isolator für eine Zündkerze eine hervorragende dielektrische Festigkeit über einen Temperaturbereich von Räumtemperatur bis zu den obengenannten hohen Temperaturen aufweist. Ein derartiger Isolator (ein auf Aluminiumoxid basierender gesinterter Körper) wird beispielsweise durch ein Dreikomponentensystem gebildet, welches Siliziumoxid (SiO&sub2;), Kalziumoxid (CaO) und Magnesiumoxid (MgO) als Sinterhilfsmittel aufweist, um die erforderliche Sintertemperatur zu reduzieren und die Sinterfähigkeit zu verbessern.
Ein Isolator, der lediglich durch das obengenannte Dreikomponentensystem-Hilfsmittel gebildet ist, hat jedoch den Nachteil, dass das Dreikomponentensystem-Sinterhilfsmittel (hauptsächlich bestehend aus einer Si-Komponente) als eine niedrigschmelzende Glasphase auf den Grenzen der Aluminiumoxidkristallpartikel nach dem Sintern vorhanden ist. Wenn der Isolator einer Hitze von ungefähr 700ºC ausgesetzt wird, erweicht die Wärmewirkung die niedrigschmelzende Glasphase, was möglicherweise eine Verschlechterung der dielektrischen Festigkeit des Isolationsmaterials zur Folge haben kann. Man kann folglich vorsehen, lediglich die Menge eines derartigen Sinterhilfsmittels, das während der Bildung des Isolators hinzuzugegeben ist, zu reduzieren, für den Zweck der Reduzierung des Auftretens einer niedrigschmelzenden Glasphase. Dieser Ansatz hat jedoch den Nachteil, dass die Verdichtung des Isolators nicht voranschreiten kann. Selbst wenn die Verdichtung des Isolators offenbar erfolgt, verbleiben einige Poren an den Grenzen der Aluminumoxidkristallpartikel, wodurch möglicherweise eine Verschlechterung der dielektrischen Festigkeit des Isolators verursacht werden kann.
Für den Zweck der Verdichtung des Isolators schlägt die JP-A-62-100474 (der Ausdruck "JP- A" wird in diesem Fall verwendet für eine "nicht geprüfte veröffentlichte japanische Patentanmeldung") vor, dass eine Rohmaterialzusammensetzung, die durch Granulieren eines Rohmaterialpulvers erhalten wird, bestehend aus Aluminiumoxidpulver und dem obengenannten Dreikomponentensystem-Sinterhilfsmittel, für einen vorbestimmten Partikeldurchmesser, mit der gleichen nicht granulierten Rohmaterialzusammensetzung vermengt wird, um die Menge der Restporen an den Grenzen des auf Alumuniniumoxid basierenden gesinterten Körpers zu reduzieren. Die JP-A-62-143866 schlägt vor, dass ein Rohmaterialpulver, bestehend aus zwei Aluminiumoxidpulvern mit unterschiedlichen Partikeldurchmessern, und das obengenannte Dreikomponentensystem-Sinterhilfsmittel gesintert werden, um die Menge der Restporen, die auf den Grenzen des auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körpers vorhanden sind, zu reduzieren.
Zur Verbesserung der dielektrischen Festigkeit der Glasphase auf den Grenzen der Aluminiumoxidkristallpartikel schlägt die JP-B-7-17436 (der Ausdruck "JP-B" wird in diesem Fall für eine "geprüfte japanische Patentanmeldung" verwendet) vor, dass ein auf Aluminiumoxid basierender gesinterter Körper durch ein Sinterhilfsmittel gebildet wird, beispielsweise Y&sub2;O&sub3;, La&sub2;O&sub3; and ZrO&sub2;, um die Menge der Restporen zu reduzieren und den Schmelzpunkt der Glasphase an den Grenzen der Aluminiumoxidkristallpartikel anzuheben. Darüber hinaus schlägt das japanische Patent 2564842 vor, dass ein Aluminiumoxidpulver als eine Hauptkomponente mit einer organischen Metallverbindung und einer Aluminiumverbindung vermengt wird, um ein Rohmaterialpulver aufzubereiten, welches eine Y&sub4;Al&sub2;O&sub9;-Phase aufweist, die gleichmäßig in gleichförmigen Aluminiumoxidkristallpartikeln am Trippelpunkt verteilt ist, sodass die dielektrische Festigkeit des resultierenden auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körpers verbessert werden kann.
In den vergangenen Jahren haben aufgrund der verbesserten Ausgangsleistung von Verbrennungsmotoren und der reduzierten Größe der Motoren das Einlassventil und das Auslassventil mehr Platz in der Verbrennungskammer eingenommen, und die Größe der Zündkerze hat sich verringert. Folglich musste der Isolator, der die Zündkerze bildet, dünner werden und eine größere dielektrische Festigkeit aufweisen. Unter diesen Umständen kann jedoch selbst ein Isolator, der durch den auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körper gemäß den obengenannten verschiedenen Patenten gebildet ist, kaum die Anforderungen in Bezug auf die dielektrische Festigkeit bei einer Temperatur der Größenordnung von ungefähr 700ºC ausreichend erfüllen. Entsprechend kann ein derartiger Isolator dielektrisch durchschlagen.
Die EP-A-0 954 074 offenbart einen Isolator für eine Zündkerze gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Zündkerze, die einen Isolator mit Aluminiumoxid als eine Hauptkomponente enthält, der weniger anfällig ist für das Auftreten eines dielektrischen Durchschlags aufgrund der Wirkung von Restporen oder einer niedrigschmelzenden Glasphase an den Grenzen des auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körpers, der das Isolationsmaterial bildet und eine größere dielektrische Festigkeit bei einer Temperatur der Größenordnung von ungefähr 700ºC aufweist, als herkömmliche Materialien, und eines Isolators zur Verwendung in einer derartigen Zündkerze.
Der. Isolator für eine Zündkerze gemäß der Erfindung, der entwickelt worden ist, um die obengenannten Probleme zu lösen, weißt einen auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körper auf, der Al&sub2;O&sub3; (Aluminiumoxid) als eine Hauptkomponente und mindestens eine Komponente (im Folgenden als "E.Komponente" bezeichnet) enthält, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, in der eine Ca (Kalzium)-Komponente, eine Sr (Stronzium)-Komponente und Ba (Barium)-Komponente enthalten sind, wobei der auf Aluminiumoxid basierende gesinterte Körper zumindest teilweise Teilchen enthält, die eine Verbindung aufweisen, welche die E.Komponente und die AL (Aluminium)-Komponente enthält, bei einem Molarverhältnis von Al zu E von 4,5 zu 6,7, berechnet bezüglich deren Oxide, und eine relative Dichte von 90% oder mehr hat.
Bei der Erfindung ist zu beachten, dass der auf Aluminiumoxid basierende gesinterte Körper Aluminiumoxid als eine Hauptkomponente enthält, die mindestens teilweise Partikel einer Verbindung enthält, die eine E.Komponente und eine Al-Komponente mit einem Molarverhältnis (Al&sub2;O&sub3;/E.O) von 4,5 zu 6,7 enthält, berechnet bezüglich deren Oxide.
Da angenommen werden kann, dass die obengenannte Verbindung, die bestimmte Komponenten mit einem bestimmten Molarverhältnis aufweist, eine Verbindung ist, die einen hohen Schmelzpunkt aufweist, kann ein Isolator für eine Zündkerze durch einen auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körper mit Partikeln einer derartigen Verbindung gebildet werden, mit einer extrem guten dielektrischen Festigkeit bei einer Temperatur der Größenordnung von 700ºC, verglichen mit herkömmlichen Isolatoren, die Aluminiumoxid als eine Hauptkomponente enthalten. Beispiele der obengenannten Verbindung, die ein Molarverhältnis auf Al&sub2;O&sub3;/E.O) von 4,5 zu 6,7 aufweist, enthalten BaAl9.2O14.8 (Molarverhältnis: 4,6; E.Komponente: Ba-Komponente), und BaAl13.2O20.8 (Molarverhältnis: 6,6; E.Komponente: Ba-Komponente). Alternativ können andere Verbindungen als Hexaaluminat und Analoge davon verwendet werden.
Der Ausdruck "Partikel" bezeichnet in diesem Zusammenhang Partikel, die andere sind als Aluminiumoxidpartikel, die an einem Schnittbereich beobachtet werden können, der durch Schneiden des Isolators erhalten wird. Das Vorhandensein dieser Partikel kann einfach durch Spiegelpolieren der Schnittoberfläche des Isolators und dann Beobachten der Schnittfläche unter SEM bestätigt werden. Wenn es notwendig ist, kann das Vorhandensein dieser Partikel durch Betrachtung unter TEM bestätigt werden. Diese Partikel können nachfolgend einer EDS-Analyse unterzogen werden, um zu bestätigen, dass die E.Komponente und die Al- Komponente darin vorkommen.
Das Vorhandensein der "Verbindung", die in den obengenannten Partikeln enthalten ist, kann durch verschiedene Messverfahren bestätigt werden. Beispielsweise kann ein Isolator, für den bestätigt worden ist, dass Partikel vorhanden sind, die die E.Komponente und die Al- Komponente enthalten, durch Betrachtung unter SEM- und EDS-Analyse, zermahlen werden, um ein Pulver zu erhalten, das dann einer Röntgenstrahldiffraktometrie unterzogen wird, um festzustellen, ob ein Spektrum auftritt, das der Verbindung entspricht, die ein Molarverhälmis (Al&sub2;O&sub3;/E.0) von 4,5 bis 6,7 aufweist. Wenn ein Spektrum vorhanden ist, welches einer derartigen Verbindung entspricht, kann beurteilt werden, dass die Verbindung vorhanden ist Wenn die E.Komponente eine Ba-Komponente ist, können bei dieser Röntgenstrahldiffraktometrie sehr ähnliche Spektren in Bezug auf das Röntgenstrahldiffraktometriediagramm von BaAl9.2O20.8 (Molarverhältnis: 4,6), BaAl&sub1;&sub2;O&sub1;&sub9; (Molarverhältnis: 6,0) und BaAl13.2O28.8 (Molarverhältnis: 6,6) vorhanden sein, wodurch es offensichtlich unmöglich wird zu beurteilen, welche Verbindung vorliegt. Selbst in dem Fall, bei dem irgendeine der obengenannten Verbindungen vorhanden ist, kann eine Wirkung bezüglich der Verbesserung der dielektrischen Festigkeit bei einer Temperatur der Größenordnung von ungefähr 700ºC einsetzen, solange das obengenannte Molarverhältnis (Al&sub2;O&sub3;/E.0) in den Bereich von 4,5 bis 6,7 fällt. Andere Verfahren als die Röntgenstrahldiffraktometrie (beispielsweise EPMA-Analyse) können verwendet werden, um das Vorhandensein der obengenannten Verbindung zu bestätigen. Zu beachten ist, dass unterschiedliche Messverfahren ein unterschiedliches Molarverhältnis liefern können, selbst wenn es sich um den gleichen Isolator handelt. Jedoch ist es mit irgendeinem Messverfahren möglich, eine Wirkung in Bezug auf eine Verbesserung der dielektrischen Festigkeit bei einer Temperatur der Größenordnung von ungefähr 700ºC zu erhalten, sofern das obengenannte Molarverhältnis (Al&sub2;O&sub3;/E.0) in den vorbestimmten Bereich fällt.
Der Bereich, in dem derartige Partikel vorhanden sind, ist nicht speziell eingeschränkt. Die Partikel sind vorzugsweise im Inneren des Isolators vorhanden, insbesondere an den Partikel- Partikel-Grenzen und/oder dem Trippelpunkt von Aluminiumoxid. Diese Partikel müssen darüber hinaus nicht gleichmäßig in dem auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körper vorhanden sein. Diese Partikel können in einem Bereich vermehrt vorhanden sein, wo eine gewünschte dielektrische Festigkeit gefordert ist, um eine Wirkung bezüglich der Verbesserung der dielektrischen Festigkeit zu erhalten. Die Form dieser Partikel ist nicht speziell eingeschränkt.
Es ist anzunehmen; dass wenn das obengenannte Molarverhältnis (Al&sub2;O&sub3;/E.O) unter 4,5 fällt oder 6,7 überschreitet, die Verbindung, die durch diese spezifischen Komponenten gebildet wird, Strukturdefekte aufweist und folglich die dielektrische Festigkeit bei einer Temperatur der Größenordnung von ungefähr 700ºC verschlechtert werden kann, obwohl der Grund für dieses Phänomen nicht bekannt ist.
Gemäß der Erfindung ist es darüber hinaus wichtig, dass der Isolator nicht nur Partikel enthält, die aus einer Verbindung gebildet sind, die die E.Komponente und die Al-Komponente mit einem Molarverhältnis (Al&sub2;O&sub3;/E.0) von 4,5 zu 6,7 aufweist, berechnet bezüglich deren Oxide, sondern auch eine relative Dichte von nicht weniger als 90% hat. Wenn die relative Dichte des Isolators unter 90% fällt, sind viele Restporen in dem Isolator vorhanden, in denen sich ein elektrisches Feld leicht konzentrieren kann, was möglicherweise zu einer Verschlechterung der dielektrischen Festigkeit bei einer Temperatur von ungefähr 700ºC führen kann. Der Ausdruck "relative Dichte", wie er hier verwendet wird, bezeichnet den Prozentsatz der Dichte des gesinterten Körpers, gemessen durch das Archimedes-Verfahren pro theoretische Dichte des gesinterten Körpers. Der Ausdruck "theoretische Dichte", wie er hier verwendet wird, zeigt die Dichte, die erhalten wird, indem der Gehalt der verschiedenen Elemente, die in dem gesinterten Körper vorhanden sind, in eine Oxidbasis umgewandelt wird, und die Ergebnisse dann einer Berechnung gemäß der Mischtheorie unterzogen werden. Je größer die relative Dichte ist, desto dichter ist der gesinterte Körper, und folglich umso kleiner ist die Anzahl der Restporen, also desto größer ist die dielektrische Festigkeit.
Wie oben erwähnt, weist der Isolator gemäß der Erfindung eine hervorragende dielektrische Festigkeit bei einer Temperatur der Größenordnung von 700ºC auf, verglichen mit einer herkömmlichen Zündkerze. Bei einer Verwendung für eine kleine Zündkerze, die einen dünnen Isolator benötigt, oder eine Zündkerze für einen Verbrennungsmotor mit hoher Ausgangsleistung, der eine hohe Temperatur in der Verbrennungskammer aufweist, kann der Isolator gemäß der Erfindung wirkungsvoll Probleme verhindern, beispielsweise einen dielektrischen Durchschlag (Funkendurchschlag).
Bezüglich des Isolators für eine Zündkerze gemäß der Erfindung hat man festgestellt, dass Partikel, die eine Verbindung enthalten, die zur Verbesserung der dielektrischen Festigkeit beiträgt, gebildet werden, wenn das Molarverhältnis (Al&sub2;O&sub3;/E.O) der E.Komponente und Al- Komponente, berechnet bezüglich deren Oxide, innerhalb dem obengenannten vorbestimmten Bereich liegt. Der Gehalt der Al-Komponente und der der E.Komponente in dem auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körper sind selbst nicht einschränkend. Um eine gute dielektrische Festigkeit bei einer Temperatur der Größenordnung von ungefähr 700ºC zu erhalten, sind die Al-Komponente und die E.Komponente vorzugsweise in den auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körper mit einer Menge von 80,0 Gewichtsprozent bis 99,8 Gewichtsprozent eingearbeitet, (noch vorteilhafter von 91,0 bis 99,7 Gewichtsprozent), und von 0,2 bis 10 Gewichtsprozent, basierend auf 100 Gewichtsprozent des auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körpers.
In dem Isolator für die Zündkerze gemäß der Erfindung ist die Verbindung, die die obengenannten Partikel enthält, vorzugsweise eine E.Al&sub1;&sub2;O&sub1;&sub9;-Phase. Die E.Al&sub1;&sub2;O&sub1;&sub9;-Phase kann bestätigt werden, wenn Diagramme ähnlich JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards) Kartennummer 38-0470, 26-0976 und 26-0135 für Röntgenstrahldiffraktionsspektrum erhalten werden. JPSD-Karten Nummern 38-0470, 26- 0976 und 26-0135 kennzeichnen jeweils die CaAl&sub1;&sub2;O&sub1;&sub9;-Phase, die SrAl&sub1;&sub2;O&sub1;&sub9;-Phase und BaAl&sub1;&sub2;O&sub1;&sub9;-Phase.
Der Grund, warum die dielektrische Festigkeit des Isolators verbessert wird, wenn die Partikel, die die E.Al&sub1;&sub2;O&sub1;&sub9;-Kristallphase aufweisen, zumindest lokal in dem auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körper vorhanden sind, ist nicht bekannt. Diese E.Al&sub1;&sub2;O&sub1;&sub9;- Kristallphase ist eine ideale Kristallstruktur von sogenannten Hexaaluminatkristallstrukturen, und liefen folglich einen hohen Schmelzpunkt, verglichen mit anderen Kristallstrukturen, die Defekte aufweisen, wodurch vermutlich die dielektrische Festigkeit bei einer Temperatur der Größenordnung von ungefähr 700ºC verbessert wird. Unabhängig davon, ob die Partikel, die zumindest lokal in dem Isolator (ein auf Aluminiumoxid basierter gesinterter Körper) enthalten sind, aus einer E.Al&sub1;&sub2;O&sub1;&sub9;-Phase alleine oder alleine mit einem anderen Kristall aufgebaut sind, kann eine Verbesserung der dielektrischen Festigkeit erhalten werden.
Der Isolator für eine Zündkerze gemäß der Erfindung kann auch eine Silizium (Si)- Komponente aufweisen. In diesem Fall erfüllt das Molarverhältnis des Gehalts der Siliziumkomponente und der obengenannten E.Komponente, berechnet bezüglich der Oxide, vorzugsweise die Beziehung SiO&sub2;/(SiO&sub2; + E.O) ≤ 0,8.
Die Si-Komponente kann leicht schmelzen, um eine flüssige Phase während des Sinterns zu bilden und als ein Sinterhilfsmittel zu dienen, um die Verdichtung des Isolators zu beschleunigen. Die Aufnahme der Si-Komponente ermöglicht eine wirkungsvolle Verbesserung der Verdichtung des Isolators.
Die obengenannte Si-Komponente dient als eine Sinterhilfe zur Beschleunigung der Verdichtung, und existiert als niedrigschmelzende Glasphase an Partikel-Partikel Grenzen des Aluminiumkristalls. Wenn der Isolator Partikel aus einer Verbindung aufweist, die die E.Komponente und die Al-Komponente mit einem Molarverhältnis (Al&sub2;O&sub3;/E.O) von 4,5 bis 6,7 enthält, berechnet bezüglich der Oxide, kann gemäß der Erfindung die dielektrische Festigkeit wirkungsvoll verbessert werden. Folglich ermöglicht das Vorhandensein von Partikeln, die die obengenannten Eigenschaften auf Partikel-Partikel Grenzen in dem auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körper aufweisen, die Anhebung des Schmelzpunktes auf Partikel-Partikel Grenzen, verglichen mit einer niedrigschmelzenden Glasphase alleine. Es ist wichtig, den Anteil der Si-Komponente gemäß der obengenannte Beziehung einzustellen. Dies liegt daran, dass die Einstellung des Anteils der Si-Komponente gemäß der obengenannte Beziehung es ermöglicht Partikel mit den obengenannten Eigenschaften auf den Partikel- Partikel Grenzen während des Sinterns zu bilden. Als Ergebnis kann die dielektrische Festigkeit des Isolators bei einer Temperatur der Größenordnung von ungefähr 700ºC wirkungsvoll verbessert werden.
Die Zündkerze gemäß der Erfindung enthält eine axiale Zentralelektrode, einen Metallmantel, der um die Zentralelektrode in radialer Richtung angeordnet ist, eine Masseelektrode, die an dem Metallmantel an einem Ende, das der Zentralelektrode gegenüberliegt, befestigt ist, und einen Isolator für die Zündkerze, wie oben gezeigt, der um die Zentralelektrode in einer radialen Richtung angeordnet ist, zwischen der Zentralelektrode und dem Metallmantel. In dieser Anordnung kann eine Zündkerze gebildet werden, die einen Isolator aufweist, der eine hervorragende dielektrische Festigkeit bei einer Temperatur der Größenordnung von ungefähr 700ºC aufweist, und der kaum einen dielektrischen Durchschlag (Funkendurchschlag) erfährt.
Die Erfindung wird weiter beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine allgemeine Frontquerschnittsansicht, die ein Ausführungsbeispiel der Zündkerze gemäß der Erfindung verdeutlicht;
Fig. 2A und 2B vertikale Querschnitte, die Ausführungsbeispiele des Isolationsmaterials für die Zündkerze verdeutlichen; und
Fig. 3 ein schematisches Diagramm, das eine Vorrichtung verdeutlicht, die zur Messung der dielektrischen Festigkeit verschiedener Proben von Beispielen bei 700ºC verwendet.
Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Eine Zündkerze 100, die als Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zündkerze in Fig. 1 gezeigt ist, enthält eine sich axial erstreckende Zentralelektrode 3, einen Isolator 2, der um die Zentralelektrode 3 in einer radialen Richtung angeordnet ist, und einen Metallmantel 4, der den Isolator 2 aufbewahrt. Der Metallmantel 4 ist beispielsweise durch Karbonstahl (JIS-G3507) gebildet. Eine Masseelektrode 5 ist an ihrem einen Ende 5a an dem Metallmantel 4 an einem vorderen Ende 4a davon durch Schweißen befestigt. Die Masseelektrode 5 erstreckt sich am anderen Ende in Richtung des vorderen Endes 3a der Zentralelektrode, und krümmt sich in eine L-Form, um einen vorbestimmten Funkenspalt g in Bezug auf die Zentralelektrode 3 zu bilden (am vorderen Ende 3a).
Der Isolator 2, der einen wesentlichen Teil der Zündkerze gemäß der Erfindung darstellt, hat ein Durchgangsloch 6, das entlang seiner Zentralachse O gebildet ist. Ein Anschluss 7 ist in dem Durchgangsloch 6 an einem Ende davon aufgenommen und befestigt. In ähnlicher Weise ist eine Zentralelektrode 3 in dem Durchgangsloch 6 an dem anderen Ende davon aufgenommen und befestigt. Ein Widerstand 8 ist in dem Durchgangsloch 6 angeordnet, zwischen dem Anschluss 7 und der Zentralelektrode 3. Der Widerstand 8 ist elektrisch mit der Zentralelektrode 3 und dem Anschluss 7 über elektrisch leitfähige Glasschichten 9 und 10, an den entsprechenden Enden jeweils verbunden. Der Widerstand 8 ist durch eine Widerstandszusammensetzung gebildet, die durch Mischen eines Glaspulvers und eines elektrisch leitfähigen Materialpulvers (und optional Keramikpulver, das ein anderes als Glaspulver ist) und dann durch Sintern der Mixtur bei starkem Druck oder dergleichen erhalten wird. Alternativ kann der Widerstand 8 weggelassen werden, um eine Struktur zu erhalten, die eine Zentralelektrode 8 und einen Anschluss 7 aufweist, die mit einer einzelnen elektrisch leitfähigen Glasabdichtschicht integriert sind.
Der Isolator 2 hat ein Durchgangsloch 6, in das die Zentralelektrode 3 entlang ihrer Zentralachse O passt. Der Isolator 2 ist im allgemeinen durch ein Isolationsmaterial gemäß der Erfindung gebildet. Das Isolationsmaterial, das in diesem Fall zu verwenden ist, ist durch einen auf einem Aluminiumoxid basierten gesinterten Körper gebildet, der hauptsächlich aus Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) besteht, und eine E.Komponente aufweist (zumindestens eine, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die eine Kalzium (Ca)-Komponente, eine Stronzium (Sr)- Komponente und eine Barium (Ba)-Komponente aufweist).
Der Isolator 2 hat ferner einen flanschähnlichen Vorsprung 2e, der in dem mittleren Bereich seiner Länge gebildet ist, radial nach außen wegstehend, wie in Fig. 1 gezeigt. Der Isolator 2 enthält einen Hauptkörper 2b, der einen vorderen Bereich aufweist, der in Richtung vorderes Ende der Zentralelektrode 3 liegt, und einen Bereich hinter dem Vorsprung 2e, dünner als der Vorsprung 2e. Der Isolator 2 enthält andererseits einen ersten axialen Bereich 2g vor dem Vorsprung 2e, dünner als der Vorsprung 2e, und einen zweiten axialen Bereich 2i, der vor dem ersten axialen Bereich 2g gebildet ist, dünner als der erste axiale Bereich 2g. Der Hauptkörper 2b weist eine Glasur 2d auf, die den Umfang des Hauptkörpers 2b bedeckt, und eine Riffelung 2c, die auf dem hinteren Ende des Umfangs gebildet ist. Der erste axiale Bereich 2g hat einen im wesentlichen zylindrischen Umfang. Der zweite axiale Bereich 2i hat einen im wesentlichen konischen Umfang, der zu seinem vorderen Ende schmäler wird.
Das Durchgangsloch 6 in dem Isolator 2 hat einen im Wesentlichen zylindrischen ersten Bereich, durch den die Zentralelektrode 3 in dem Durchgangsloch 6 aufgenommen ist, und einen im Wesentlichen zylindrischen zweiten Bereich 6b, der hinter dem ersten Bereich 6a gebildet ist (in Figur nach oben), größer im Durchmesser als der erste Bereich 6a. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind der Anschluss 7 und der Widerstand 8 in dem zweiten Bereich 6b aufgenommen, und die Zentralelektrode 3 erstreckt sich durch den ersten Bereich 6a. Die Zentralelektrode 3 hat einen erhöhten Bereich 3b zur Fixierung der Elektrode, die radial nach außen wegstehend gebildet ist. Der erste Bereich 6a und der zweite Bereich 6b des Durchgangslochs 6 sind miteinander im ersten axialen Bereich verbunden. An dieser Verbindungsposition ist eine sich verjüngende oder gekrümmte erhöhte bereichsaufnehmende Oberfläche 6c gebildet, um den elektrodenfixierenden erhöhten Bereich 3b der Zentralelektrode 3 aufzunehmen.
Der Bereich 2h, wo der erste axiale Bereich 2g und der zweite axiale Bereich 2i miteinander verbunden sind, hat einen gestuften Umfang. Der gestufte Umfang kontaktiert den erhöhten Bereich 4c, der als Kontaktbereich für den Teil des Metallmantels auf der inneren Oberfläche des Metallmantels 4 über eine Ringdichtung gebildet ist, um zu verhindern, dass der Isolator 2 entlang der Achse gleitet. Eine kreisrunde Lineardichtung 12 ist dagegen zwischen der inneren Oberfläche der hinteren Öffnung des Metallmantels 4 und der äußeren Oberfläche des Isolators 2, die mit dem hinteren Ende des flanschähnlichen angehobenen Bereichs 2e in Kontakt ist, gebildet. Eine kreisrunde Lineardichtung 14 ist zwischen der Lineardichtung 12 angeordnet, wobei ein Talgpulver 13 dazwischenliegend angeordnet ist. Durch Einführen des Isolators 2 in das Durchgangsloch vorwärts in Richtung des Metallmantels 4 und durch Abdichten des Öffnungsrandes des Metallmantels 4 nach innen in Richtung der Lineardichtung 14, um eine gekrümmte Oberfläche zu bilden, wird ein abgedichteter Bereich 4b gebildet, um den Metallmantel 4 an dem Isolator 4 zu befestigen.
Die Fig. 2A und 2B zeigen einige Ausführungsbeispiele des Isolators 2. Die Größe der verschiedenen Bereiche dieser Ausführungsbeispiele sind.
- Gesamtlänge L1: 30 bis 75 mm
- Länge L2 des ersten Axialbereichs: 0 bis 30 mm (mit der Annahme, dass der Bereich 2f, an dem er mit dem erhöhten Bereich 2e verbunden ist, ausgenommen ist und der Bereich 2h, an dem er mit dem zweiten Axialbereich 2i verbunden ist, eingeschlossen ist)
- Länge L3 des zweiten Axialbereichs 2i: 2 bis 27 mm
- Außendurchmesser D1 des Hauptkörpers 2b: 9 bis 13 mm
- Außendurchmesser D2 des angehobenen Bereichs 2e: 11 bis 16 mm
- Außendurchmesser D3 des ersten Axialbereichs 2g: 5 bis 11 mm
- Außendurchmesser D4 des zweiten Axialbereichs 2i auf der Basisseite: 3 bis 8 mm
- Außendurchmesser D5 des zweiten Axialbereichs 2i am vorderen Ende (mit der Annahme, dass wenn der zweite Axialbereich gekrümmt oder abgeschrägt ist an seinem vorderen Rand, der Außendurchmesser den Außendurchmesser an der gekrümmten oder abgeschrägten Oberfläche auf einem Abschnitt kennzeichnet, der eine Zentralachse O enthält): 2,5 bis 7 mm
- Innendurchmesser D6 des zweiten Bereichs 6b des Durchgangslochs 6: 2 bis 5 mm
- Innendurchmesser D7 des ersten Bereichs 6a des Durchgangslochs 6: 1 bis 3,5 mm
- Dicke t1 des ersten Axialbereichs 2g: 0,5 bis 4, 5 mm
- Dicke t2 des Basisbereichs des zweiten Axialbereichs 2i (senkrecht zur Zentralachse O): 0,3 bis 3,5 mm
- Dicke t3 des vorderen Endes des zweiten Axialbereichs 2i (senkrecht zur Zentralachse O, unter der Annahme, dass wenn der zweite Axialbereich gekrümmt oder abgeschrägt ist, an seinem vorderen Rand, die Dicke des vorderen Endes die Dicke der gekrümmten oder abgeschrägten Oberfläche an dem Basisende auf einem Abschnitt kennzeichnet, der die Zentralachse O enthält): 0,2 bis 3 mm
- Durchschnittliche Dicke tA((t2 + t3)/2) des zweiten Axialbereichs 2i: 0,25 bis 3,25 mm
Die Größen der obengenannten verschiedenen Bereiche des Isolators 2, wie in Fig. 2A gezeigt sind beispielsweise: L1: ungefähr 60 mm; L2: ungefähr 10 mm; L3: ungefähr 14 mm; D1: ungefähr 11 mm; D2: ungefähr 13 mm; D3: ungefähr 7,3 mm; D4: 5,3 mm; D5: ungefähr 4,3 mm; D6: 3,9 mm; D7: 2,6 mm; t1: 1,7 mm; t2: 1,3 mm; t3: 0,9 mm; tA: 1,1 mm
Der in Fig. 2B gezeigte Isolator hat einen ersten Axialbereich 2b und einen zweiten Axialbereich 2i, die beide einen etwas größeren Außendurchmesser aufweisen, als der in Fig. 2A gezeigte. Die Größen der verschiedenen Bereiche sind beispielsweise: L1: ungefähr 60 mm; L2: ungefähr 10 mm; L3: ungefähr 14 mm; D1: ungefähr 11 mm; D2: ungefähr 13 mm; D3: ungefähr 9,2 mm; D4: 6,9 mm; D5: ungefähr 5,1 mm; D6: 3,9 mm; D7: 2,7 mm; t1: 3,3 mm; t2: 2,1 mm; t3: 1,2 mm; tA: 1,65 mm
Der Isolator 2 kann beispielsweise durch das folgende Verfahren gebildet werden. Zuerst werden Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;)-Pulver, Silizium (Si)-Pulver und optional eine Magnesium (Mg)-Komponente und eine E.Komponente als Rohmaterialpulver gemischt. Der Mixtur wird dann ein hydrophiler Binder (beispielsweise Polyvinylalkohol) und Wasser als Lösungsmittel zugegeben. Die Mischung wird dann gerührt, um eine formbare Basisaufschlämmung vorzubereiten.
Als Aluminiumoxidpulver, das als eine Hauptkomponente des Rohmaterialpulvers zu verwenden ist, kann eines verwendet werden, welches einen Durchschnittspartikeldurchmesser von 2,0 um oder weniger aufweist. Wenn der Durchschnittspartikeldurchmesser von dem Aluminiumoxidpulver 2,0 um überschreitet, kann die Verdichtung des gesinterten Körpers selbst schwer gründlich voranschreiten, was eine Verschlechterung der dielektrischen Festigkeit des Isolators zur Folge hat. Das Aluminiumoxidpulver, das das Rohmaterialpulver bildet, wird vorzugsweise in den auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körper in einer Menge von 80,0 bis 99,7 Gewichtsprozent eingearbeitet, vorzugsweise von 91,0 bis 99,0 Gewichtsprozent, berechnet bezüglich des Oxids der Al-Komponente, um eine hohe elektrische Festigkeit zu erhalten.
Die E.Komponente, die Si-Komponente und die Mg-Komponente können in der Form ihrer Oxide verwendet werden (oder Mischoxide davon), sowie in der Form verschiedener anorganischer Pulver, beispielsweise Hydroxidpulver, Carbonpulver, Chloridpulver, Sulfatpulver, Nitratpulver und Phosphatpulver. Beispielsweise kann eine Ca-Komponente oder Ba-Komponente als E.Komponente, eine Si-Komponente und Mg-Komponente in der Form eines CaCO&sub3;-Pulvers oder BaCO&sub3;.-Pulvers, eines SiO&sub2;-Pulvers und eines MgO-Pulvers jeweils gemischt werden. Diese anorganischen Pulver müssen jeweils in einer Form sein, die oxidiert werden kann, um oxidiert zu werden, wenn bei einer hohen Temperatur in der Atmosphäre gesintert wird.
Von den hinzuzugebenden anorganischen Pulvern hat das E.Komponenten-Pulver vorzugsweise einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 1,0 um oder weniger. Wenn der durchschnittliche Partikeldurchmesser der E.Komponente 1,0 um überschreitet, erfolgt keine gründliche Reaktion der E.Komponente mit der Al-Komponente, wodurch es unmöglich wird Partikel zu bilden, die aus einer Verbindung gebildet sind, die eine E.Komponente und eine Al-Komponente aufweisen, mit einem Molarverhältnis von 4,5 bis 6,7, berechnet bezüglich der Oxide. Die E.Komponente ist vorzugsweise in den auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körper in einer Menge von 0,2 bis 10,0 Gewichtsprozent eingearbeitet, berechnet bezüglich des Oxids, um eine hohe dielektrische Festigkeit zu erhalten.
Von den hinzuzugebenden anorganischen Pulvern muss die Si-Komponente in einer derartigen Menge zugegeben werden, dass das Molarverhältnis der Si-Komponente und der obengenannten E.Komponente die Beziehung SiO&sub2;/(SiO&sub2; + E.O) erfüllt, berechnet bezüglich des Oxids. Der Gehalt der Si-Komponente, berechnet bezüglich des Oxids, kann basierend auf dem Gehalt der obengenannten E.Komponente berechnet werden, berechnet bezüglich des Oxids. Die Si-Komponente und E.Komponente können hinzugegeben werden, unter Berücksichtigung der Summe des Gehalts der Al-Komponente und der E.Komponente, berechnet bezüglich des Oxids. Die Mg-Komponente ist vorzugsweise in dem auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körper in einer Menge von 5 Gewichtsprozent oder weniger aufgenommen, vorzugsweise 3 Gewichtsprozent oder weniger, berechnet bezüglich des Oxids, um eine hohe dielektrische Festigkeit zu erhalten. Diese anorganischen Pulver, einschließlich die Si-Komponente und die Mg-Komponente haben vorzugsweise einen Durchschnittspartikeldurchmesser von 1 um oder weniger.
Wasser, das als Lösungsmittel bei der Vorbereitung der formbaren Basisaufschlemmung verwendet wird, ist nicht speziell einschränkend. Das gleiche Wasser, das bei der Aufbereitung des herkömmlichen Isolationsmaterials verwendet wird, kann verwendet werden. Als Binder kann eine hydrophile organische Verbindung verwendet werden. Beispiele der hydrophilen organischen Verbindung, die hier verwendbar sind, umfassen Polyvinylalkohol (PVA), wasserlösliches Akrylharz, Gummiarabikum, und Dextrin. Von diesen hydrophilen organischen Verbindungen ist PVA am meisten zu bevorzugen. Das Verfahren zur Aufbereitung der formbaren Basisaufschlemmung ist nicht spezifisch einschränkend. Jegliches Mischverfahren kann verwendet werden, sofern das Rohmaterialpulver, der Binder und Wasser gemischt werden können, um eine formbare Basisaufschlämmung zu bilden. Der Binder und Wasser können in einer Menge von 0,1 bis 5 Gewichtsteilen aufgenommen sein, speziell in einer Menge von 0,5 bis 3 Gewichtsteilen, und von 40 bis 120 Gewichtsteilen, insbesondere von 50 bis 100 Gewichtsteilen, jeweils basierend auf 100 Gewichtsteilen des Rohmaterialpulvers.
Die formbare Basisaufschlämmung wird dann mittels eines Sprühtrocknungsverfahren oder dergleichen getrocknet, um ein kugelförmiges, teilweise formbares granuliertes Basismaterial zu bilden. Das granulierte Material, das derart erhalten wird, hat vorzugsweise einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 30 um bis 200 um, speziell von 50 um bis 150 um. Das formbare granulierte Basismaterial wird dann gummipressgeformt, um ein pressgeformtes Produkt als ein Original des Isolationsmaterials zu erhalten. Das pressgeformte Produkt, das folglich erhalten worden ist, wird dann einem Schneiden auf seinem Umfang unterzogen, über ein Kunstharzrad, so dass es in eine äußere Form entsprechend der in den Fig. 2A und 2B gezeigten gebracht wird. Das geformte Produkt wird dann bei einer Temperatur von 1500ºC bis 1700ºC in einer Atmosphäre 1 bis 8 Stunden lang gesintert. Das geformte Produkt wird glasiert, und dann abschließend gesintert, um einen Isolator 2 zu erhalten. Das geformte Produkt wird in dem o. g. Sintertemperaturbereich gehalten, eine willkürliche Temperatur innerhalb des o. g. Bereichs kann für eine vorbestimmte Zeitdauer beibehalten werden, oder die Temperatur kann gemäß einem vorbestimmten Erwärmungsmuster innerhalb des o. g. Bereichs für eine vorbestimmte Zeitdauer variiert werden.
Der Betrieb der Zündkerze 100 wird im folgenden beschrieben. Die Zündkerze 100 ist über einen Gewindebereich 4d, der auf dem Metallmantel 4 gebildet ist, an einem Motorblock befestigt, so dass sie als eine Quelle zum Zünden eines Mischgases verwendet werden kann, das in die Verbrennungskammer eingebracht wird. Der Isolator, der für die Zündkerze 100 verwendet wird, kann durch das erfindungsgemäße Isolationsmaterial gebildet sein, um eine erhöhte dielektrische Festigkeit bei einer Temperatur der Größenordnung von ungefähr 700ºC zu haben. Selbst bei der Verwendung in einem Hochleistungsmotor, der in seiner Verbrennungskammer eine hohe Temperatur erreicht, erfährt die folglich erhaltene Zündkerze 100 kaum einen dielektrischen Durchschlag (Funkendurchschlag), und kann folglich hoch Zuverlässigkeit gebildet werden.
Wenn ein axialer Bereich, der im Durchmesser kleiner und dünner ist, als der in Kontakt stehende erhöhte Bereich 2e (eine Kombination des ersten Axialbereichs 2g und des zweiten Axialbereichs 2i in diesem Fall) vor dem angreifenden erhöhten Bereich 2e gebildet ist, wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt, kann beispielsweise der axiale Bereich, z. B. der zweite axiale Bereich 2i leicht einen dielektrischen Durchschlag erfahren (Funkendurchschlag). Entsprechend ist das Isolationsmaterial gemäß der Erfindung speziell für einen derartigen Isolator 2 geeignet. In dem Isolator gemäß Fig. 2A ist die Durchschnittsdicke tA des zweiten Axialbereichs 2i beispielsweise als 1,1 mm definiert. Selbst wenn der Isolator gemäß der Erfindung einen derart kleinen Durchmesser um die Zentralelektrode 3 herum aufweist, können Probleme, beispielsweise ein dielektrischer Durchschlag (Funkendurchschlag), wirkungsvoll verhindert oder vermieden werden.
Die Zündkerze, für die die Erfindung verwendet werden kann, ist nicht auf den in Fig. 1 gezeigten Typ beschränkt. Die Zündkerze kann in einer Form sein, die eine Mehrzahl von Masseelektroden aufweist, die der Seitenfläche einer Zentralelektrode gegenüberliegend an seinem vorderen Endbereich angeordnet sind, so dass ein Funkenspalt gebildet wird. In diesem Fall kann die Zündkerze von einem Semi-Oberflächenentladungstyp sein, enthaltend das vordere Ende eines Isolators, der zwischen die Seitenoberfläche der Zentralelektrode und die vordere Fläche der Masseelektrode eingeführt ist. Bei dieser Anordnung erfolgt eine Funkenentladung entlang der Oberfläche des vorderen Endes des Isolators, wodurch es möglich ist, die Widerstandsfähigkeit gegenüber Rauch oder dergleichen, verglichen mit einer Zündkerze vom Luftentladungstyp, zu verbessern.
Die folgenden Experimente wurden durchgeführt, um die Wirkung der Erfindung zu bestätigen.
Einem Aluminiumpulver mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 0,4 um (Reinheit: 99,8% oder mehr) wurde mindestens ein oder mehrere Pulver hinzugegeben, die von der Gruppe ausgewählt wurden, enthaltend CaCO&sub3;-Pulver, das einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 0,8 um aufweist (Reinheit: 99,9%), BaCO&sub3;-Pulver mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 1,0 um (Reinheit: 99,9%) und SrCO&sub3;-Pulver mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 0,8 um (Reinheit: 99,9%) als E.Komponenten und optional SiO&sub2;-Pulver mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 0,6 um (Reinheit: 99,9%) und/oder MgO-Pulver mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 0,3 um (Reinheit: 99,9%) wie in Tabelle 1 gezeigt, in Verhältnissen gemäß Tabelle 1, um ein Rohmaterialpulver zu bilden.
Dem folglich erhaltenen Rohmaterialpulver wurde dann PVA als hydrophiler Binder und Wasser als ein Lösungsmittel jeweils in einer Menge von 2 Gewichtsanteilen und 70 Gewichtsanteilen hinzugegeben, basierend auf 100 Gewichtsanteilen des Gesamtgewichts des Rohmaterialpulvers. Die Mischung wurde dann gerührt, durch einen Nassprozess in einem Kugelmörser, mit Aluminiumoxidkugeln, um die formbaren Basisaufschlämmung zu erhalten. Die so erhaltene formbare Basisaufschlämmung, wurde dann durch ein Spraytrocknungsverfahren getrocknet, um ein kugelförmiges, teilweise formbares granuliertes Basismaterial zu bilden. Das granulierte Material wird dann auf einen Durchmesser von 10 um bis 355 um gesiebt. Das folglich erhaltene formbare granulierte Grundmaterial wird dann einem Gummipressverfahren unterzogen. Das formbare granulierte Grundmaterial wird dann gummipressgeformt mit einem Druck von ungefähr 100 MPa mit einem Gummidruckstift zum Formen des Durchgangslochs 6. Das druckgeformte Produkt, das so erhalten worden ist, wurde dann einem Schneiden auf den Umfang über ein Kunstharzrad unterzogen, um ein geformtes Produkt des Isolationsmaterials mit einer vorbestimmten Form zu erhalten. Anschließend wurde das geformte Produkt bei einer Sintertemperatur (die höchste Sinterbeibehaltungstemperatur) gemäß Tabelle 1 in der Atmosphäre zwei Stunden lang gehalten, so dass es gesintert wurde. Das folglich gesinterte geformte Produkt wurde glasiert, und dann abschließend gesintert, um den Isolator 2, wie in Fig. 2A gezeigt, zu bilden.
Diese folglich erhaltenen Isolatoren wurden jeweils wie folgt überprüft. Zur Messung der relativen Dichte wurden diese Isolatoren für die Dichte (relative Dichte) mittels des Archimedes-Verfahrens gemessen. Das Verhältnis der Messung zu der theoretischen Dichte, die durch die Mischtheorie erhalten wird, wurde dann bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Diese Isolatoren wurden auch jeweils einer chemischen Analyse zur Aufbauanalyse unterzogen, berechnet bezüglich des Oxids. Von den Ergebnissen der Aufbauanalyse wurde dann das Molarverhältnis der Siliziumkomponente und der E.-Komponente in dem Isolator (SiO&sub2;/SiO&sub2; + E.O) berechnet, berechnet bezüglich des Oxids. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Die Partikel auf den Grenzen der Aluminiumoxidpartikel, die unter SEM beobachtet werden, wurden einer EDS-Analyse unterzogen, um das Vorhandensein von Partikeln zu bestätigen, die wenigstens die Al-Komponente unter die E.-Komponente in dem auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körper enthalten (Isolationsmaterial). Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Für die Untersuchung unter SEM wurde der Isolator geschnitten. Der resultierende Schnittbereich wurde dann spiegelpoliert. Ein Abtastelektronenmikroskop vom Typ JSM-840 von JEOL Ltd. wurde für die Messung verwendet.
Wenn das Vorhandensein der o. g. Partikel bestätigt wurde, nach der EDS-Analyse, dann wurde der Isolator einer Röntgenstrahlpulverdiffraktometrie unterzogen, um zu bestimmen, ob in dem Isolator eine Verbindung vorhanden ist, die die Al-Komponente und die E.-Komponente mit einem Molarverhältnis (Al&sub2;O&sub3;/E.O) von 4,5 bis 6,7 aufweist, berechnet bezüglich des Oxids. Die Ergebnisse der Bestimmung, ob oder ob nicht die Verbindung ein Molarverhältnis (Al&sub2;O&sub3;/E.O) von 4,5 zu 6,7 aufweist, sind in Tabelle 3 gezeigt. Wenn die Ergebnisse der Röntgenstrahldiffraktometrie zeigen, dass ein Diffraktionspeak von E.Al&sub1;&sub2;O&sub1;&sub9;-Phase auftritt, kann beurteilt werden, dass eine Verbindung mit dem o. g. Molarverhältnis (Al&sub2;O&sub3;/E.O) von 6,0 (also E. Al&sub1;&sub2;O&sub1;&sub9; = 6(Al&sub2;O&sub3;) (E.O)) in den Partikeln enthalten ist. Wenn die Partikel eine ausreichende Größe aufweisen, werden sie einer EPMA-Analyse unterzogen, um die Quantität der verschiedenen Komponenten zu bestimmen. Die Ergebnisse können auf Oxidbasis reduziert werden, um das Molarverhältnis (Al&sub2;O&sub3;/E.O) zu berechnen. Für die Pulver- Röntgenstrahldifraktometrie, die gemäß dem Beispiel zu verwenden ist, wurde der Isolator in einem Aluminiumoxidmörser auf eine Partikelgröße zerkleinert, die klein genug war, um durch ein Sieb mit 300 Maschenweite zu passen. Das folglich erhaltene Pulver wurde dann einer Messung mittels eines Röntgenstrahlgenerators vom Typ RU-200T unterzogen, und einem Weitwinkelgoniometer mit Monochromator, von Rigaku Corp. (Meßbedingungen: Röhrenstrom: 100 mA; Röhrenspannung: 40 kV; Schritt: 0,01º; Scangeschwindigkeit: 2º/min.).
Die dielektrische Festigkeit bei 700ºC wurde gemessen. Für die Messung der dielektrischen Festigkeit wurde das gleiche oben genannte formbare granulierte Basismaterial zur Vorbereitung eines Teststücks verwendet, das bezüglich der dielektrischen Festigkeit zu messen war. Im einzelnen wurde ein formbares granuliertes Basismaterial durch Pressformung gebildet (bei einem Druck von 100 MPa). Das folglich gebildete formbare granulierte Basismaterial wurde unter den gleichen Bedingungen gesintert, wie der o. g. Isolator, um ein scheibenförmiges Probenstück mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Dicke von 0,65 mm zu erhalten. Diese Proben wurden jeweils zwischen Elektroden 21a und 21b angeordnet und durch zylindrische Aluminiumoxidisolatoren 22a und 22b und einem Abdichtglas 23, wie in Fig. 3 gezeigt, fixiert. Das Innere einer Heizbox 25 wurde auf eine Temperatur von 700ºC durch einen elektrischen Heizer 24 erhitzt. Unter diesen Bedingungen wurde der Anfangsisolationswiderstand und die dielektrische Festigkeit gemessen, die sich ergeben, wenn eine Spannung im kV Bereich von einem Hochspannungsgenerator (CDI- Leistungsversorgung) 26 an die Probe angelegt wird, bis ein dielektrischer Durchschlag auftritt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
Die verschiedenen Isolatoren wurden jeweils verwendet, um eine Zündkerze 100, wie in Fig. 1 gezeigt, zu bilden. Diese Zündkerzen 100 wurden jeweils bezüglich der dielektrischen Festigkeit geprüft. Der Durchmesser des Gewindes des Metallmantels 4 der Zündkerze 100 gemäß dem gegenwärtigen Beispiel betrug 12 mm. Die Zündkerze 100 wurde dann in einen Vierzylindermotor eingebaut (Kolbenversetzung: 2000 cc). Der Motor wurde dann kontinuierlich mit Vollgas und einer Drehzahlgeschwindigkeit von 6000 rpm betrieben, mit der höchsten Entladespannung, die fixiert war auf 35 kV und 38 kV, und die Temperatur des vorderen Endes (unterer Teil gemäß Fig. 1) des Isolators wurde in einem Bereich von 700ºC bis 730ºC gehalten. Nach 50 Stunden Laufzeit wurde die Testprobe dann geprüft, ob ein dielektrischer Durchschlag (Funkendurchschlag) auf dem Isolator 2 aufgetreten ist. In der unten gezeigten Tabelle 3 sind diejenigen, die keine Abnormalitäten auf dem Isolator nach 50 Stunden Laufzeit gezeigt haben, mit dem Symbol O dargestellt, während diejenigen, die einen dielektrischen Durchschlag auf dem Isolator innerhalb 50 Stunden Laufzeit aufwiesen, durch das Symbol X gekennzeichnet sind. Tabelle 1
Beachte: Die Proben mit dem Symbol * kennzeichnen Vergleichsbeispiele. Tabelle 2
Beachte: Die Proben mit dem Symbol * kennzeichnen Vergleichsbeispiele. Tabelle 3
Beachte: Die Proben mit dem Symbol * kennzeichnen Vergleichsbeispiele.
Die Ergebnisse der Tabellen 2 und 3 zeigen, dass die Probennummern 1 bis 10, die ein Isolationsmaterial enthalten, welches einen auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körper enthält, der Partikel aufweist, die aus einer Verbindung gebildet sind, die die E.Komponente und die Al-Komponente mit einem Molarverhältnis (Al&sub2;O&sub3;/E.O) von 4,5 bis 6,7 enthält, berechnet bezüglich deren Oxide, und eine relative Dichte von 90% oder mehr aufweist, eine dielektrische Festigkeit von etwa 50 kV/mm oder größer bei 700ºC aufweisen. Die Zündkerzen, die von den Isolationsmaterialien der Probenummern 1 bis 10 hergestellt worden sind, erfuhren keinen dielektrischen Durchbruch auf dem Isolator sowohl bei 35 kV als auch bei 38 kV höchsten Entladespannungen und folglich hatten sie hervorragende Zündkerzeneigenschaften.
Bei einigen Proben hat man festgestellt, dass sie Komponenten enthielten, die nicht während der Vorbereitung hinzugegeben worden sind, wenn sie im Aufbau detektiert worden sind. Dies lag wahrscheinlich daran, dass Komponenten, die ursprünglich in verschiedenen Rohmaterialen als Verunreinigungen enthalten waren, detektiert worden sind.
Im Gegensatz dazu zeigen die Vergleichsbeispiele mit den Nr. 11 und 12, die ein Isolationsmaterial enthalten, welches einen auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körper frei von Partikeln enthält, die mindestens die E.Komponente und die Al-Komponente aufweisen, (also frei von Partikeln, die aus einer Verbindung gebildet sind, die die E.Komponente und die Al-Komponente mit einem Molarverhältnis (Al&sub2;O&sub3;/E.O) von 4,5 bis 6,7 aufweist, berechnet bezüglich deren Oxide), eine dielektrische Festigkeit kleiner als 50 kV/mm bei 700ºC. Die Probenummer 12 zeigt eine dielektrische Festigkeit von weniger als 46 kV/mm bei 700ºC, was zeigt, dass selbst wenn das Isolationsmaterial (ein auf Aluminiumoxid basierender gesinterter Körper) eine Ba-Komponente als die E.Komponente enthält, Partikel, die aus einer Verbindung gebildet werden, die das o. g. Molarverhältnis (Al&sub2;O&sub3;/E.O) aufweist, von 4,5 zu 6,7, nicht wirkungsvoll gebildet werden, da das Molarverhältnis (SiO&sub2;/(SiO&sub2; + E.O) 0,8 überschreitet, berechnet bezüglich der Oxide, wodurch es möglich wird, eine ausreichende dielektrische Festigkeit bei ungefähr 700ºC zu erhalten.
Die Proben-Nummer 13, die ein Isolationsmaterial enthält (ein auf Aluminiumoxid basierender gesinterter Körper), das Partikel aufweist, die von einer Verbindung gebildet werden, die das o. g. Molarverhältnis (Al&sub2;O&sub3;/E.O) von 4,5 zu 6,7 aufweist, jedoch eine relative Dichte von weniger als 90% aufweist, hat die schlechtesten Ergebnisse von den Proben der gegenwärtigen Beispiele, nämlich eine dielektrische Festigkeit von 25 kV/mm bei 700ºC. Dies zeigt, dass selbst wenn das Isolationsmaterial Partikel enthält, die aus einer Verbindung gebildet sind, die das o. g. Molarverhältnis (Al&sub2;O&sub3;/E.O) von 4,5 zu 6,7 aufweist, eine verbesserte dielektrische Festigkeit bei einer Temperatur von ungefähr 700ºC, nicht erhalten werden kann, solange das Isolationsmaterial keine relative Dichte von 90% oder mehr aufweist.

Claims

1. Isolator für eine Zündkerze, der einen auf Aluminiumoxid basierenden gesinterten Körper enthält, welcher enthält:

Al&sub2;O&sub3; (Aluminiumoxid) als eine Hauptkomponente und dadurch gekennzeichnet, dass er weiter enthält:

wenigstens eine Komponente, nachfolgend als "E.Komponente" bezeichnet, die aus der Gruppe gewählt ist, die aus der Ca(Calzium)Komponente), Sr(Strontium)-Komponente und Ba(Barium)Komponente besteht,

wobei der auf Aluminiumoxid basierende, gesinterte Körper, Teilchen enthält, die eine Verbindung enthalten, welche die E.Komponente und Al,(Aluminium)Komponente enthält, welche Verbindung ein Molarverhältnis der Al,Komponente zu der E.Komponente von 4,5 bis 6,7, berechnet bezüglich deren Oxid, aufweist und eine relative Dichte von 90 % oder mehr hat.

2. Isolator für eine Zündkerze nach Anspruch 1, wobei die in den Teilchen enthaltende Verbindung E.Al&sub2;O&sub1;&sub9;Phase ist.

3. Isolator für eine Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, wobei der auf Aluminiumoxid basierende gesinterte Körper weiter eine Si,(Silicium)Komponente enthält und das Molarverhältnis der Si,Komponente und der E,Komponente, berechnet bezüglich derer Oxide, die folgende Beziehung erfüllt:

SiO&sub2;/(SiO&sub2; + E.O) ≤ 0,8,

wobei E.O ein Oxid der E,Komponente darstellt.

4. Isolator für eine Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der auf Aluminiumoxid basierende gesinterte Körper 80 bis 99, 7 Gewichtsprozente der Aluminiumoxidkomponente bezüglich deren Oxid enthält.

5. Isolator für eine Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der auf Aluminiumoxid basierende gesinterte Körper 0,2 bis 10 Gewichtsprozente der E.Komponente bezüglich deren Oxid enthält.

6. Zündkerze (100), enthaltend:

eine axiale Zentralelektrode (3);

einen um die Zentralelektrode (3) in radialer Richtung vorgesehenen metallischen Mantel (4);

eine Masseelektrode (5), die an dem metallischen Mantel (4) an einem der Zentralelektrode (3) gegenüberliegenden Ende von ihm befestigt ist;

einen Isolator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der um die Zentralelektrode in einer radialen Richtung zwischen der Zentralelektrode und dem metallischen Mantel vorgesehen ist.