JP4547098B2

JP4547098B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP4547098B2
Application number: JP2001039571A
Authority: JP
Inventors: 禎広山元; 邦治田中; 桂松原; 正也伊藤; 博人伊藤; 健二布目
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: JP2002246144A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスパークプラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等に使用される内燃機関の高出力化に伴い、燃焼室内における吸気及び排気バルブの占有面積も拡大してきている。そのため、混合気に点火するためのスパークプラグはその小型化が必要とされている上、ターボチャージャー等の過給装置等により、燃焼室内の温度も上昇する傾向にあるので、その絶縁体は耐熱性に優れたアルミナ質の絶縁材料で構成されたものが一般に使用されている。また、スパークプラグ用の絶縁体としてアルミナ質のものが使用される別の重要な理由として、アルミナが高温での耐電圧特性に優れていることが挙げられる。しかしながら、近年ではスパークプラグの小型化に伴い、絶縁体の厚みも薄くなる傾向にあり、さらに耐電圧特性に優れた絶縁体が求められている。
【０００３】
例えば、スパークプラグ用絶縁体の材料として従来、ＳｉＯ_２−ＣａＯ−ＭｇＯの三元系焼結助剤を用いたアルミナセラミックが多く使用されてきた。しかし、この種の焼結助剤は、セラミック中に低融点のガラス質粒界相を形成することから、高温下で高電圧が印加されると絶縁破壊を生じやすい問題がある。また、バイヤー法等で製造されたアルミナ原料中には、製法上の理由により相当量のＮａ成分が不可避的に混入しているが、このＮａ成分は粒界相中に溶け込んで耐電圧を下げる原因ともなる。
【０００４】
そこで、耐電圧特性向上のためにアルミナの含有率を９５〜９８質量％にまで増加させた絶縁体や、あるいは低ソーダアルミナ使用により、Ｎａ含有率を低くした絶縁体、さらにはＹ_２Ｏ_３あるいはＬａ_２Ｏ_３等の希土類元素成分を配合して高融点粒界相を生成させ、耐電圧特性を改善した絶縁体（例えば特開昭６３−１９０７５３号公報）などが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらはいずれも製法あるいは原料のコストが一般のアルミナ質セラミックよりも割高であり、性能面の改善と引き換えに最終的なスパークプラグの価格が高騰する問題を避けがたい。
【０００６】
本発明の課題は、絶縁破壊等に対する耐久性においてより高性能であって、かつ安価に製造することができるスパークプラグ用絶縁体と、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】
本発明に係るスパークプラグにおける絶縁体の第一の構成は、軸状をなし、かつ、その軸線方向において、スパークプラグの火花放電ギャップの位置する側を先端側として、該先端側を形成する第一部分と、その第一部分の軸線方向後方側に隣接する第二部分とが、第一部分が第二部分よりも絶縁性が高くなるように、互いに組成の異なる絶縁性セラミックにて構成され、かつ第一部分と第二部分との少なくとも境界部において、それら第一部分と第二部分との隣接方向に、絶縁性の大小に関与する１又は２以上の成分（絶縁性関与成分）の含有率が連続的に変化する組成傾斜領域が形成される。また、本発明に係るスパークプラグは、主体金具と中心電極との間に上記の絶縁体を配し、絶縁体の先端側において、基端部が主体金具に結合された接地電極と中心電極との間に火花放電ギャップを形成したものであり、また、本発明に係るスパークプラグの主体金具は、絶縁体の中間部外周に形成された段付面と係合する凸条部と、該凸条部よりも絶縁体の先端から遠い位置に設けられ、絶縁体を主体金具に固定するための加締めにより段付面を凸条部に押し当てる向きの外力を作用させる加締め部を有し、また、第二部分は第一部分に隣接形成されており、第一部分と第二部分との接合位置は主体金具の凸条部よりも先端側に位置する構成した点にある。
【０００８】
上記構成によると、高電圧印加により絶縁破壊等の問題を生じやすい火花放電ギャップ側の第一部分が、絶縁破壊等の問題が比較的に生じにくい第二部分よりも絶縁性を向上させたセラミックにて構成されるので、火花放電時に高電圧印加の影響を受けやすい第一部分の耐電圧特性を向上できる。また、絶縁性を向上させたセラミックは、一般にはコスト的に割高となるケースも多いが、本発明においては、このようなセラミックを第一部分にのみ選択的に適用すればよいので、絶縁体全体のコストアップを抑制しつつ、絶縁破壊等に対する耐久性を向上させることが可能である。さらに、第一部分と第二部分とは、絶縁性に差異が生ずるように異なる材質ないし組成を有するものとして構成されるが、それら第一部分と第二部分の少なくとも境界部には、それらの隣接方向において絶縁性関与成分の組成傾斜領域が形成されているから、例えば第一部分と第二部分との間の結合強度が向上する。また、第一部分と第二部分との間に熱膨張係数の急峻な不連続が生じ難くなるので、燃焼室内にて加熱／冷却のサイクルが繰り返された場合に、第一部分と第二部分との境界部に熱応力が集中し難くなり、耐熱衝撃性が向上する。
【０００９】
絶縁体の上記第一部分と第二部分とは、例えば絶縁性に特に優れ、かつ焼結セラミック材を採用する場合は比較的安価な、アルミナを主成分とするアルミナ質セラミックにて構成することが有効である。あるいは、窒化アルミニウムなど、他の種類のセラミックにて構成してもよい。また、第一部分と第二部分とを、主成分の互いに異なるセラミックにて構成することも可能である。
【００１０】
次に、本発明とは別の参考例に係るスパークプラグにおける絶縁体は、絶縁性セラミックにより軸状に構成され、かつ、絶縁性セラミックの絶縁性の大小に関与する1又は２以上の成分（絶縁性関与成分）の含有率が、表層部が内層部よりも絶縁性が高くなるように、絶縁体表面側から内部に向けて連続的に変化する組成傾斜領域が形成される。
【００１１】
上記構成によると、高電圧印加により絶縁破壊等の起点を生じやすい絶縁体の表層部が、絶縁破壊等の問題が比較的に生じにくい内層部よりも絶縁性が向上するように、絶縁性関与成分の分布が調整されているので、火花放電時に高電圧印加の影響を受けやすい絶縁体表層部の耐電圧特性を向上できる。また、絶縁性を向上させたセラミックは、一般にはコスト的に割高となるケースも多いが、本参考例においては、このようなセラミックを表層部にのみ選択的に適用すればよいので、絶縁体全体のコストアップを抑制しつつ、絶縁破壊等に対する耐久性を向上させることが可能である。さらに、絶縁体表層部と内層部とは、絶縁性に差異が生ずるように異なる絶縁性関与成分の含有率を有するものとして構成されるが、絶縁体表面側から内部に向けて絶縁性関与成分の含有率が連続的に変化する組成傾斜領域が形成されているから、例えば上記内層部と外層部との間の結合強度が向上する。また、内層部と外層部との間に熱膨張係数の急峻な不連続が生じ難くなるので、燃焼室内にて加熱／冷却のサイクルが繰り返された場合に、熱応力が局所集中し難くなり、耐熱衝撃性が向上する。
【００１２】
上記第二の構成においても絶縁性セラミックは、アルミナを主成分とするアルミナ質セラミックや、窒化アルミニウム等にて構成できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１及び図２に示す本発明の一例たるスパークプラグ１００は、筒状の主体金具１、先端部２１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３１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、及び主体金具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３１に対向する発火部３２が形成されており、それら発火部３１と、対向する発火部３２との間の隙間が火花放電ギャップｇとされている。
【００１４】
絶縁体２は軸状をなし、かつ、スパークプラグ１００に組み付けたときに火花放電ギャップｇ側に位置する軸線Ｏ方向の先端部を形成する第一部分２ｐと、その第一部分２ｐの軸線Ｏ方向後方側に隣接する第二部分２ｓとが、各々アルミナを主成分とするアルミナ質セラミックにて構成されてなる。第二部分２ｓは、例えば従来のスパークプラグ用絶縁体と同様の材質のアルミナ質セラミックにて構成できる。また、第一部分２ｐと第二部分２ｓとの間には、第一部分２ｐと第二部分２ｓとの中間的な組成を有する組成傾斜領域２ｙが形成されている。
【００１５】
そして、第一部分２ｐの材質は第二部分２ｓよりも絶縁性を向上させたものとして構成される。具体的には、以下の少なくともいずれかの要件を満たすセラミックとして構成される。
▲１▼第二部分２ｓよりも粒界相の含有率（あるいは組織断面における面積率）が小となる組織を有するもの。その粒界相を絶縁性関与成分として、図２（ｂ）に示すように、第一部分２ｐと第二部分２ｓとの間には、該粒界相の含有率が第一部分２ｐ側に向けて連続的に減少する組成傾斜領域が形成される。粒界相の含有率を減少させるには、焼結助剤成分の配合量を低減させる必要があるが、この場合、アルミナ粉末に対し焼結助剤成分を、それらアルミナ粉末と焼結助剤成分との合計に対する比率にて０．３〜５質量％程度の配合量とすることが有効である。
【００１６】
▲２▼第二部分２ｓよりも粒界相中の結晶相の含有率（あるいは粒界相の結晶化率）が大となる組織を有するもの。その結晶相を絶縁性関与成分として、第一部分２ｐと第二部分２ｓとの間には、該結晶相の含有率（あるいは結晶化率）が第一部分２ｐ側に向けて連続的に増加する組成傾斜領域が形成される。絶縁性向上に寄与する結晶相としては、後述する希土類含有化合物（例えば希土類元素と珪素との複合酸化物）のほか、希土類を含有しない相としてＣａＡｌ_１２Ｏ_１９、ＢａＡｌ_１２Ｏ_１９、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、Ａｌ_６Ｓｉ_２Ｏ_１３（ムライト）等の各結晶相がある。
【００１７】
▲３▼アルミナ含有率が第二部分２ｓよりも高いもの。そして、そのアルミナ含有率を絶縁性関与成分として、図２（ｃ）に示すように、第一部分２ｐと第二部分２ｓとの間には、該アルミナ含有率が第一部分２ｐ側に向けて連続的に増加する組成傾斜領域が形成される。第一部分２ｐのアルミナ含有率を第二部分２ｓよりも高めることで、火花放電時に高電圧印加の影響を受けやすい第一部分２ｐの耐電圧特性を向上できる。具体的には、アルミナ含有率が高くなることは焼結助剤の添加量も低く抑えられることを意味するから、形成される粒界相の含有率低減、あるいは粒界相の平均厚さ減少が要因となって、耐電圧特性が改善されるものと考えられる。また、コスト的に割高となる高アルミナ質セラミックを第一部分２ｐにのみ適用すればよく、第二部分２ｓの材質は、それよりはアルミナ含有率の低いより安価なセラミックで構成できるので、絶縁体２全体の製造コストの上昇を抑制しつつ、絶縁破壊等に対する耐久性を向上させることが可能である。
【００１８】
第一部分２ｐのアルミナ成分の具体的な含有率としては、Ａｌ_２Ｏ_３に換算した質量にて９５〜１００質量％の範囲で選択できる。この場合、焼結助剤として機能する例えばＳｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂａ及びＢ成分を、ＳｉはＳｉＯ_２に、ＣａはＣａＯに、ＭｇはＭｇＯに、ＢａはＢａＯに、ＢはＢ_２Ｏ_３に、それぞれ酸化物換算した場合の質量にて合計で５質量％までの範囲で含有させ、第一部分２ｐを形成する焼結体の緻密化を促進することができる。また、焼結助剤としては、次に述べる希土類元素成分を採用することももちろん可能である。他方、熱間静水圧プレス法等の高温高圧焼成が可能な場合は、焼結助剤をほとんど排除した形でも緻密化した焼結体を得ることが可能である。なお、第一部分２ｐを形成する焼結体の相対密度は、特に高温での耐電圧特性向上の観点から、９５％以上、望ましくは９８％以上となっているのがよい。
【００１９】
▲４▼希土類元素成分Ｒの含有率が第二部分２ｓよりも高いもの。そして、その希土類元素成分Ｒの含有率を絶縁性関与成分として、図２（ｄ）に示すように、第一部分２ｐと第二部分２ｓとの間には、希土類元素成分Ｒの含有率が第一部分２ｐ側に向けて連続的に増加する組成傾斜領域が形成される。希土類元素成分Ｒは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕの１種又は２種以上であり、焼結助剤として例えば酸化物の形で添加されるものである。希土類元素成分は主に粒界相中において高融点化合物相を形成することから、第一部分２ｐの希土類元素成分含有率を第二部分２ｓよりも高めることで、火花放電時に高電圧印加の影響を受けやすい第一部分２ｐの耐電圧特性を向上できる。その要因として、前述の粒界相の結晶化が促進されることが挙げられる。また、粒界相中に結晶相として析出する微細な希土類含有化合物が、導電経路を分断ないし迂回させることで絶縁破壊の耐電圧を向上させる機構も考えられる。他方、希土類元素成分の添加量増加はコスト的には割高となるが、第一部分２ｐにおいてのみ希土類元素成分を多く添加すればよいから、絶縁体２全体の製造コストの上昇を抑制しつつ、絶縁破壊等に対する耐久性を向上させることが可能である。
【００２０】
第一部分２ｐにおける希土類元素成分の具体的な含有率としては、ＲがＣｅの場合はＲＯ_２、Ｐｒの場合はＲ_６Ｏ_１１、それら以外の場合にはＲ_２Ｏ_３にそれぞれ酸化物換算して、０．０１〜１８質量％の範囲にて選択できる。これら希土類元素成分は、例えば焼結助剤として酸化物粉末の形で配合できる。そして、上記の希土類元素成分の中でも、特にＰｒ、Ｎｄ及びＤｙの１種又は２種以上を使用することが、高温での耐電圧特性を向上させる観点においてより有効である。
なお、Ｎｄ成分とＰｒ成分とは複合添加する形態を採用すれば、例えば、ＮｄとＰｒとを主体とした非分離希土類であるジジムの酸化物を採用でき、原料コストの低減に効果的である。
【００２１】
また、希土類元素成分Ｒとともに、他の焼結助剤成分を配合することももちろん可能であり、例えば、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ及びＢの１種又は２種以上を共添加焼結助剤成分として配合できる。特にＳｉは、希土類元素成分との間で高融点の複合酸化物を形成しやすく、高温での耐電圧特性向上効果をさらに高めることができる。
【００２２】
▲４▼アルカリ金属成分の含有率が第二部分２ｓよりも低いもの。そして、そのアルカリ金属成分の含有率を絶縁性関与成分として、図２（ｅ）に示すように、第一部分２ｐと第二部分２ｓとの間には、アルカリ金属成分の含有率が第一部分２ｐ側に向けて連続的に減少する組成傾斜領域が形成される。アルカリ金属成分は、例えばＬｉ、Ｎａ及びＫの１種又は２種以上であるが、これらはいずれもイオン伝導性が高く、粒界相形成成分となった場合に、その含有率が過大であると耐電圧特性の低下を招くことにつながる。そこで、第一部分２ｐのアルカリ金属成分含有率を第二部分２ｓよりも低くすることで、火花放電時に高電圧印加の影響を受けやすい第一部分２ｐの耐電圧特性を向上できる。他方、アルカリ金属元素は、例えばＮａなどアルミナ原料中に製法上の要因により不可避的に含有されることも多く、その含有率を低くしたアルミナ原料（例えば低ソーダアルミナ）は、通常のアルミナ原料（例えば中ソーダアルミナあるいは普通ソーダアルミナ）よりはコスト的に割高となる。しなしながら、上記の構成では、そのようなアルカリ金属成分含有率の低いアルミナ質セラミックを第一部分２ｐにのみ適用すればよく、第二部分２ｓの材質は、それよりはアルカリ金属成分含有率の高いより安価なセラミックで構成できるので、絶縁体２全体の製造コストの上昇を抑制しつつ、絶縁破壊等に対する耐久性を向上させることが可能である。例えば、低ソーダアルミナ粉末を原料として使用し、Ｎａ以外のアルカリ金属成分の積極添加を行なわない場合は、アルカリ金属成分の含有率を酸化物換算にて０．０５質量％以下に留めることが可能である。
【００２３】
一方、第二部分２ｓの具体的な材質としては、例えば焼結助剤成分の含有率が酸化物換算にて５〜１５質量％とされ、かつアルカリ金属成分として例えばＮａをＮａ_２Ｏ換算した値にて０．０７〜０．５質量％の範囲で含有するものを採用できる。このようなＮａ含有率であれば、中ソーダアルミナあるいは普通ソーダアルミナも原料として問題なく使用することができる。
【００２４】
次に、絶縁体２の全体形状の詳細について説明する。まず、絶縁体２の軸方向には貫通孔６が形成されており、その一方の端部側から端子金具１３が挿入・固定され、同じく他方の端部側から中心電極３が挿入・固定されている。また、該貫通孔６内において端子金具１３と中心電極２との間に抵抗体１５が配置されている。この抵抗体１５の両端部は、導電性ガラスシール層１６，１７を介して中心電極３と端子金具１３とにそれぞれ電気的に接続されている。なお、抵抗体１５は、ガラス粉末と導電材料粉末（及び必要に応じてガラス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、導電性ガラスシール層１６、１７は、Ｃｕ、Ｓｎ、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を混合したガラスにより構成される。なお、抵抗体１５を省略して、端子金具１３と中心電極３とを、１層の導電性ガラスシール層により一体化した構成としてもよい。
【００２５】
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、該突出部２ｅよりも後方側がこれよりも細径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面状とされている。
【００２６】
また、中心電極３の軸断面径は抵抗体１５の軸断面径よりも小さく設定されている。そして、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（図面上方側）においてこれよりも径大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、端子金具１３と抵抗体１５とは第二部分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３ｃが形成されている。そして、上記貫通孔６の第一部分６ａと第二部分６ｂとは、第一軸部２ｇ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３ｃを受けるための凸部受け面６ｃがテーパ面あるいはアール面状に形成されている。
【００２７】
さらに、第一軸部２ｇと第二軸部２ｉとの接続部２ｈの外周面は段付面とされ、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６３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リング状のパッキン６２が配置され、そのさらに後方側にはタルク等の充填層６１を介してリング状のパッキン６０が配置されている。そして、絶縁体２を主体金具１に向けて前方側に押し込み、その状態で主体金具１の開口縁をパッキン６０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。
【００２８】
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、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７が形成されている。このねじ部７の外径は１８ｍｍ以下（例えば、１８ｍｍ、１４ｍｍ、１２ｍｍ、１０ｍｍ等）とされる。なお、１ｅは、主体金具１を取り付ける際に、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。
【００２９】
次に、中心電極３及び接地電極４の本体部３ａ及び４ａは、インコネル（Inconel：商標名）等のＮｉ合金等で構成されている。また、中心電極３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３ｂが埋設されている。一方、上記発火部３１及び対向する発火部３２は、Ｉｒ、Ｐｔ及び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。中心電極３の本体部３ａは先端側が縮径されるとともにその先端面が平坦に構成され、ここに上記発火部を構成する合金組成からなる円板状のチップを重ね合わせ、さらにその接合面外縁部に沿ってレーザー溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接等により溶接部を形成してこれを固着することにより発火部３１が形成される。また、対向する発火部３２は、発火部３１に対応する位置において接地電極４にチップを位置合わせし、その接合面外縁部に沿って同様に溶接部を形成してこれを固着することにより形成される。なお、これらチップは、例えば表記組成となるように各合金成分を配合・溶解することにより得られる溶解材、又は合金粉末あるいは所定比率で配合された金属単体成分粉末を成形・焼結することにより得られる焼結材により構成することができる。なお、発火部３１及び対向する発火部３２は少なくとも一方を省略する構成としてもよい。
【００３０】
絶縁体２は、例えば下記のような方法で製造可能である。まず、原料粉末として、アルミナ粉末と焼結助剤粉末とを、第一部分２ｐ及び第二部分２ｓについて各々定められた組成となるように配合し、親水性結合剤（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。
【００３１】
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ＰＧ１（第一部分２ｐ用）及び成形用素地造粒物ＰＧ２（第二部分２ｓ用）とされる。これら成形用素地造粒物ＰＧ１及びＰＧ２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。図３は、ラバープレス成形の工程を模式的に示している。ここでは、内部に軸方向に貫通するキャビティ３０１を有するゴム型３００が使用され、そのキャビティ３０１の上側開口部には上パンチ３０４が嵌め込まれる。また、下パンチ３０２のパンチ面には、キャビティ３０１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６（図１）の形状を規定するプレスピン３０３が一体的に凸設されている。
【００３２】
この状態でキャビティ３０１内に、所定量の成形用素地造粒物ＰＧ１及びＰＧ２を充填し、キャビティ３０１の上側開口部を上パンチ３０４で塞いで密封する。このとき、プレスピン３０３の軸線方向において下側に、成形用素地造粒物ＰＧ１及びＰＧ２の一方を先に充填し、次いでその上側に他方を充填する。これにより、キャビティ３０１内の軸線方向に、第一部分２ｐ用の造粒物ＰＧ１と第二部分２ｓ用の造粒物ＰＧ２とが２層に積み重なった形で充填される。
【００３３】
この状態でゴム型３００の外周面に液圧を印加し、キャビティ３０１の造粒物ＰＧ１，ＰＧ２を、該ゴム型３００を介して圧縮することにより、図４（ａ）に示すように、各造粒物ＰＧ１，ＰＧ２による粉末成形部２０２ｐ及び２０２ｓが軸線方向に結合されたプレス成形体２０２を得る。このプレス成形体２０２の外面側をグラインダ切削等により加工して図１の絶縁体２に対応した外形形状に仕上げることにより、図４（ｂ）に示すように、第一部分２ｐに対応した形状の粉末成形部１５２ｐと、同じく第二部分２ｓに対応した形状の粉末成形部１５２ｓとを有する被焼成成形体１５２が得られる。該被焼成成形体１５２を所定の温度で焼成する。
【００３４】
この焼成の際に、粉末成形部１５２ｓ及び１５２ｐとの間では、その境界面１５２ｂを介して、両粉末成形部１５２ｓ及び１５２ｐの成分が相互拡散し、その焼成温度及び焼成時間に応じて定まる長さで、図２に示すような組成傾斜領域２ｙが形成される。例えば、焼結助剤成分の含有率（粒界相の含有率）において低ければ図２（ｂ）に示すようなものを、同じく粉末成形部１５２ｐが粉末成形部１５２ｓよりもアルミナ含有率において高ければ図２（ｃ）に示すようなものを、さらに希土類元素成分含有率において高ければ図２（ｄ）のようなものを、またアルカリ金属成分含有率において低ければ図２（ｅ）に示すような組成傾斜領域をそれぞれ形成できる。なお、これらの絶縁性関与成分の、２以上のものが同時に傾斜した組成傾斜領域を形成してもよいことはもちろんである。例えば、粉末成形部１５２ｐにおいてアルミナ含有率が高く、かつ希土類元素成分含有率も高くなるように両粉末成形部１５２ｓ及び１５２ｐを組成調整しておけば、図２（ｃ）と図２（ｄ）とを同時に満足する組成傾斜領域が形成されることとなる。
他方、図４（ｂ）において、境界面１５２ｂから遠く離れた領域には成分拡散の影響が及び難いので、粉末成形部１５２ｓ及び１５２ｐが着目している絶縁性関与成分に関して略均一な組成を有している限り、得られる第一部分２ｐ及び第二部分２ｓにおいては、組成傾斜領域にそれぞれ隣接する形で、絶縁性関与成分の含有率が略一定となる領域が形成される。
【００３５】
上記焼成が終了すれば、釉薬をかけて仕上焼成することにより、図１の絶縁体２が完成する。
【００３６】
なお、絶縁体２は、図５に示すように、上記の各絶縁性関与成分（アルミナ成分、粒界相（焼結助剤成分）、希土類元素成分及び図示はしていないがアルカリ金属成分から選ばれる１種又は２種以上）は、第一部分２ｐの全長にわたって段階的（（ｂ）、（ｃ）、（ｄ））又は連続的（（ｅ）：ここではアルミナ成分についての例示であるが、もちろん、他の絶縁性関与成分であってもよい）に変化するように構成してもよい。これは、例えば、図６に示すように、成形を行なう際に、絶縁性関与成分源となる粉末の含有率を異ならせた複数種類の成形用素地造粒物ＰＧ１〜ＰＧ５を、絶縁性関与成分の傾斜方向に対応した含有率の順序にて成形型３００内のキャビティ３０１内に順次投入し、各形用素地造粒物ＰＧ１〜ＰＧ５がなるべく混ざらないように積層充填された充填層ＰＧを作る。
【００３７】
そして、該充填層ＰＧを、図６に示すようにラバープレス成形し、図７（ａ）に示すプレス成形体２０２を得る。このプレス成形体２０２には、絶縁性関与成分の含有率の異なる粉末成形部２０２ｓ，２０２ｄ，２０２ｃ，２０２ｂ及び２０２ａが、成形用素地造粒物ＰＧ１〜ＰＧ５の充填順序に対応して形成される。
これを図４と同様に加工すれば、図７（ｂ）に示すように、粉末成形部１５２ａ，１５２ｂ，１５２ｃ，１５２ｄ及び１５２ｓを有する被焼成成形体１５２が得られ、これを焼成することにより、図５（ａ）の絶縁体２を製造することができる。
【００３８】
図５の（ｂ）〜（ｄ）においては、成形用素地造粒物ＰＧ１〜ＰＧ５に対応して、絶縁性関与成分の含有率が略一定となる領域が形成され、隣接する領域間に組成傾斜領域がそれぞれ形成されて、全体の組成変化プロファイルがステップ状となっているが、例えば絶縁性関与成分源となる粉末の含有率をさらに細かく変化させた成形用素地造粒物の組を使用するか、あるいは焼成時間を長くして成分拡散を十分に進行させれば、図５（ｅ）に示すように、第一部分２ｐの全長にわたって組成を連続的に変化させた組成傾斜領域を形成することが可能である。
【００３９】
次に、図８（ａ）に示すように、本発明とは別の参考例に係る絶縁体２は、表層部が内層部よりも絶縁性が高くなるように、具体的には、中心軸線Ｏに関する半径方向において、外周面側が貫通孔６側である内周面側よりも絶縁性が高くなるように、絶縁性関与成分の含有率が絶縁体表面側から内部に向けて連続的に変化する組成傾斜領域２ｕが形成されたものとして構成することもできる。絶縁性関与成分は、ここでも、アルミナ成分（図８（ｃ）：外周面側で高くする）、粒界相（焼結助剤成分）（図８（ｂ）：外周面側で低くする）、希土類元素成分（図８（ｄ）：外周面側で高くする）及びアルカリ金属成分（図８（ｅ）：外周面側で低くする）の少なくともいずれかとすることができる。本参考例では、特に高絶縁性が要求される、絶縁体２の先端部（図８の第二軸部２ｉ）にのみ選択的に形成されている。なお、本実施形態での組成傾斜領域２ｕは、絶縁体２の外周面から半径ｒ方向の中間位置までの区間に形成されているか、図８（ｂ）〜（ｅ）に破線で示すように、内周面までの全区間にわたって形成されていてもよい。
【００４０】
上記のような組成傾斜領域２ｕは、例えば以下のようにして形成することができる。まず、単一組成の成形用素地造粒物を用いる以外は、図３及び図４に示したのと略同様の方法にて、図９（ａ）に示すような成形体１５２を作製する。この成形体１５２は、絶縁性関与成分に関して全体が略均一な基準組成を有するものである。他方、絶縁性関与成分の成分源粉末を懸濁させたスラリーＳを別途用意する。成形体１５２の組成傾斜領域２ｕの形成対象となる部分１５２ｉに、このスラリーＳを塗布・乾燥して、図９（ｂ）に示すように、粉末塗布層ＡＰを形成する。例えば絶縁性関与成分の含有率が絶縁体表面側で多くなるようにしたい場合には、絶縁性関与成分の成分源粉末の含有率が成形体１５２よりも高い粉末塗布層ＡＰが形成されるように、使用するスラリーＳ中の成分源粉末の懸濁量を調整しておく。
【００４１】
例えば希土類元素成分の含有率を絶縁体表層部にて高くしたい場合は、成分源粉末として希土類粉末を用い、粉末塗布層ＡＰ中の希土類粉末の含有率を成形体１５２よりも高くする。粉末塗布層ＡＰは、例えばその全体を希土類粉末にて形成することができる。このようにして粉末塗布層ＡＰを形成した成形体１５２を焼成すると、図９（ｃ）に示すように、粉末塗布層ＡＰ中の希土類元素成分が絶縁体２側に拡散して、図９（ｄ）に示すように、絶縁体２の表層部側にて希土類元素成分の含有率が高くなるように、組成傾斜領域２ｕが形成される。
【００４２】
他方、絶縁性関与成分の含有率が絶縁体表面側で低くなるようにしたい場合には、絶縁性関与成分の成分源粉末の含有率が成形体１５２よりも低い粉末塗布層ＡＰが形成されるように、使用するスラリーＳ中の成分源粉末の懸濁量を調整しておく。例えば、アルカリ金属成分を絶縁体表層部にて低くしたい場合は、粉末塗布層ＡＰ中のアルカリ金属成分の含有率を成形体１５２よりも低くし、代わってアルミナ粉末の含有率を高くしておけばよい。これにより、絶縁体２の表層部側にてアルカリ金属成分の含有率が低くなるように（換言すれば、アルミナ成分の含有率が高くなるように）、組成傾斜領域２ｕが形成される。
【００４３】
また、焼成をＣＯや水素などを流通した還元雰囲気にて行なうか、あるいは炭素を主体とする還元雰囲気形成粉末中に成形体１５２を埋め込んで焼成することにより、得られるアルミナ絶縁体の表層部にて、焼結助剤成分に基づく粒界相の形成量が少なくなるように、該粒界相を絶縁性関与成分とした組成傾斜領域を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の構成に係る絶縁体を使用したスパークプラグの一実施形態を示す縦断面図。
【図２】その組成傾斜領域の形成形態をいくつか例示して示す説明図。
【図３】図２の組成傾斜領域を形成するための、絶縁体製造工程の一例を示す説明図。
【図４】図３に続く工程説明図。
【図５】組成傾斜領域の形成形態の変形例をいくつか例示して示す説明図。
【図６】図５の組成傾斜領域を形成するための、絶縁体製造工程の一例を示す説明図。
【図７】図７に続く工程説明図。
【図８】本発明とは別の参考例に係る絶縁体を使用したスパークプラグの、組成傾斜領域の形成形態をいくつか例示して示す説明図。
【図９】図８の組成傾斜領域を形成するための、絶縁体製造工程の一例を示す説明図。

Claims

主体金具と中心電極との間に軸状をなす絶縁体を配し、前記絶縁体の先端側において、基端部が前記主体金具に結合された接地電極と前記中心電極との間に火花放電ギャップを形成したスパークプラグにおいて、
前記主体金具は、前記絶縁体の中間部外周に形成された段付面と係合する凸条部と、該凸条部よりも前記絶縁体の先端から遠い位置に設けられ、前記絶縁体を前記主体金具に固定するための加締めにより前記段付面を前記凸条部に押し当てる向きの外力を作用させる加締め部を有し、
前記絶縁体は、前記先端側を形成する第一部分と、その第一部分の軸線方向後方側に隣接する第二部分とが、前記第一部分が前記第二部分よりも絶縁性が高くなるように、互いに組成の異なる絶縁性セラミックにて構成され、かつ前記第一部分と前記第二部分との少なくとも境界部において、それら第一部分と第二部分との隣接方向に、前記絶縁性の大小に関与する１又は２以上の成分（以下、絶縁性関与成分という）の含有率が連続的に変化する組成傾斜領域が形成され、
前記組成傾斜領域は前記主体金具の前記凸条部よりも前記先端側に位置することを特徴とするスパークプラグ。
前記第一部分と前記第二部分とは、いずれも絶縁性セラミックの主成分となる主相粒子を、該主相粒子よりも低融点の粒界相にて結合した組織を有してなり、前記第一部分において前記第二部分よりも、前記粒界相の含有率が小であり、前記組成傾斜領域において前記絶縁性関与成分としての該粒界相の含有率が前記第一部分側に向けて連続的に減少する請求項１記載のスパークプラグ。
前記第一部分と前記第二部分とは、いずれも絶縁体セラミックの主成分となる主相粒子を、該主相粒子よりも低融点の粒界相にて結合した組織を有してなり、前記第一部分において前記第二部分よりも、前記粒界相の結晶化率が大であり、前記組成傾斜領域において前記絶縁性関与成分としての該粒界相結晶化率が前記第一成分側に向けて連続的に増加する請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
前記第一部分と前記第二部分とは、いずれもアルミナを主成分とするアルミナ質セラミックにて構成されている請求項１ないし３のいずれかに記載のスパークプラグ。
各アルミナ質セラミックのアルミナ含有率が、前記第一部分において第二部分よりも高くされてなり、前記組成傾斜領域において前記絶縁性関与成分としてのアルミナ含有率が前記第一部分側に向けて連続的に増加する請求項４記載のスパークプラグ。
各アルミナ質セラミックの希土類元素成分含有率が、前記第一部分において第二部分よりも高くされ、前記組成傾斜領域において前記絶縁性関与成分としての希土類元素成分含有率が前記第一部分側に向けて連続的に増加する請求項４又は５に記載のスパークプラグ。
各アルミナ質セラミックのアルカリ金属成分の含有率が、前記第一部分において第二部分よりも低くされ、前記組成傾斜領域において前記絶縁性関与成分としてのアルカリ金属成分含有率が前記第一部分側に向けて連続的に減少する請求項４ないし６のいずれかに記載のスパークプラグ。