JP4807711B2

JP4807711B2 - スパークプラグの絶縁碍子用アルミナ基焼結体

Info

Publication number: JP4807711B2
Application number: JP04514399A
Authority: JP
Inventors: 邦治田中; 桂松原; 禎広山元
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1999-02-23
Filing date: 1999-02-23
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2019-02-23
Also published as: JP2000247729A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、セラミック製品の材料として好適な、高い絶縁性、良好な耐電圧性を有するアルミナ基焼結体に関するものである。特には、高温下（例えば７００℃）での耐電圧性を要求されるスパークプラグの絶縁碍子用アルミナ基焼結体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アルミナセラミックスは、耐電圧性、耐熱性及び機械的特性等に優れ、安価であるため、スパークプラグ用の絶縁碍子やＩＣパッケージの多層配線基板などのセラミック製品の材料として用いられている。特に、スパークプラグの絶縁碍子に於いては室温から７００℃付近の高温まで高い絶縁性と良好な耐電圧性が要求される。
【０００３】
アルミナ基焼結体中に残留気孔が存在すると、高電圧印加時に残留気孔で絶縁破壊が起こるため、アルミナ基焼結体の耐電圧特性が低下する。そこで、アルミナ基焼結体の緻密化を目的として、種々の方法が検討されている。
【０００４】
例えば、特開昭６２−１００４７４号公報では造粒子の粒径を制御することにより、また、特開昭６２−１４３８６６号公報では、粒径の異なる２種類のアルミナ原料を使用することにより、焼結体中の残留気孔を減少させ耐電圧性を向上させる方法が開示されている。また、特開昭６３−１９０７５３号公報では、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３といった希土類やＺｒＯ_２等を含む焼結助剤を用い、また、焼結体の空孔率を６％以下にして高耐電圧化を達成している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、アルミナ絶縁層の肉厚を薄くしても７００℃付近の高温下で十分かつ良好な耐電圧性が得られるスパークプラグの絶縁碍子用アルミナ基焼結体を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、アルミナ基焼結体の鏡面研磨面に露出した気孔の特性を所定の範囲に規定したスパークプラグの絶縁碍子用アルミナ基焼結体を要旨とする。ここで規定する気孔の特性とは、（ａ）気孔の面積率（０．５％以上４％以下）、（ｂ）気孔の最大長径Ｄ_ｍａｘ（１５μｍ以下）、（ｃ）気孔の面積分布を対数正規分布で表示した際の標準偏差σ（２μｍ以下）である。気孔の特性を係る範囲に規定することでスパークプラグの絶縁碍子用アルミナ基焼結体の良好な耐電圧性が得られる。
【０００８】
ここにいう「焼結体の鏡面研磨面」とは、焼結体の表面或いは切断面を以下の方法を用いて研磨加工した面をいう。すなわち、４５μmのダイヤモンド砥石を用いて平面に加工し、順次９μｍ、３μｍ、０．２５μmのダイヤモンドペーストを用いて鏡面研磨を行い、Ｒａ＝０．０１μm程度まで研磨加工した面である。
【０００９】
前記（ａ）にいう「面積率で１００％」とは、原則として、観察視野の具体的面積値を１００％とすることをいう。例えば、倍率５００倍のＳＥＭ写真に基づいて気孔の諸特性を得る場合、原則としてＳＥＭ写真の観察部の面積を１００％とする。次いで、該ＳＥＭ写真上に観察される気孔の総面積を画像処理装置を用いて求め、得られた気孔の総面積を観察部の面積で除して百分率にて面積率を算出する。気孔の面積割合が４％を超えると、耐電圧性が６０ｋＶ／ｍｍ以下に低下する。
【００１０】
前記（ｂ）にいう「気孔の最大長径Ｄ_ｍａｘ」とは、観察対象となった全気孔の気孔周縁上の２点間の直線距離のうち、最も大きい値のものをいう。気孔の最大長径Ｄ_ｍａｘが１５μｍを超えると、耐電圧性が６０ｋＶ／ｍｍ以下に低下したり不安定な挙動となる。
【００１１】
前記（ｃ）にいう「対数正規分布」とは、しばしば粒度分布を表すのに用いられるものである。対数正規分布による標準偏差σを用いることで気孔の大きさのばらつきを容易に判断できる。気孔の面積分布に基づく標準偏差σが２μｍ以上を超えると、良好な耐電圧性が得られなくなる。
【００１２】
したがって、上記の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３種類のすべての特性を所定の範囲にコントロールすれば、良好な耐電圧性を有するスパークプラグの絶縁碍子用アルミナ基焼結体が得られる。
【００１３】
請求項２の発明は、希土類元素ＲＥ．のうちＬａ（ランタン）、Ｐｒ（プラセオジウム）、Ｎｄ（ネオジウム）のうち少なくとも一種類を含むアルミナ基焼結体を要旨とし、請求項１に記載の発明のより好ましい構成を例示したものである。希土類元素のうちこれら３種類を用いれば、気孔の発生量を減らして、気孔径をある程度均一にすることができる。更に、アルミナ粒界の耐熱性を上げて耐電圧性を向上できる。希土類元素の添加量としては、０．０１〜２０重量部の範囲が特性面及びコスト面から望ましい。
【００１４】
これら３種類の希土類元素は、硝酸塩、炭酸塩、水酸化物等の様々な形態で入手可能なため、製造方法の選択の幅を広くできる。また、ＨＩＰ法(ホットアイソスタチックプレス法）、真空又は大気以外の雰囲気中での焼成、２０００℃近い高温条件下での焼成等の特殊な条件を用いることなく、大気中で通常の温度範囲での焼成が可能になる。
【００１５】
上記希土類を添加したアルミナ基焼結体中には、ＲＥ．−β−アルミナ（組成式：ＲＥ．Ａｌ₁₁Ｏ₁₈）若しくはＲＥ．ＡｌＯ₃から選ばれる少なくとも一種類の結晶相を析出させてもよい。係る結晶相を析出させることで、アルミナ粒界の耐熱性を上げて耐電圧性を更に向上できるからである。これらの結晶相は、焼成過程で反応焼成により析出させても、あらかじめ反応させて結晶相を析出させてから添加しても同様の効果が得られる。
【００１６】
【実施例】
（１）アルミナ基焼結体の製作
平均粒径０．４μｍのアルミナ原料粉末に、焼結助剤として平均粒径０.６μｍのＳｉＯ_２粉末、平均粒径０.８μｍのＣａＣＯ_３粉末、平均粒径０.３μｍのＭｇＯ粉末及び表１に示す平均粒径１．０μｍの各種希土類元素の酸化物を、表１に示す量比となるように秤量し配合した粉末を製造する。尚、希土類元素の添加量は、全て「ＲＥ．₂Ｏ₃換算」で求めた。
【００１７】
これらの配合粉末をそれぞれボールミルにて、２０ｍｍφのアルミナボールを使用しエタノール中１６時間混合した後、湯煎にて乾燥し混合粉末を得る。これらの混合粉末をそれぞれ１５０ＭＰａの静水圧プレスで５０×５０×２０ｍｍの成形体に成形し、次に大気雰囲気下において表１に示す焼成温度（１４７５℃から１６００℃）で２時間保持して焼成する。また、試料番号１１及び試料番号１３については、大気中での焼成の後に、１４５０℃×１０００気圧×1時間の条件でＨＩＰ処理（ホットアイソスタチックプレス処理）する。
【００１８】
（２）気孔率の測定
（１）で得られた各焼結体の切断面を４５μmのダイヤモンド砥石を用いて平面に加工し、順次９μｍ、３μｍ、０．２５μmのダイヤモンドペーストを用いて鏡面研磨を行い、Ｒａ＝０．０１μm程度まで研磨する。この鏡面研磨面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察する。倍率５００倍にて撮影したＳＥＭ写真をもとに個々の気孔の長径、面積及び最大長径と視野面積を画像処理装置（機種名；ニレコ社製LUZEX３）を用いて測定する。結果を「気孔率」、「最大長径Ｄ_max」として表２に示す。
【００１９】
（３）標準偏差σの算出
測定した個々の長径及び面積を、長径について分級し(各分級の最大値をBmax(μm)、最小値をBmin(μm)としたとき、Log(Bmax)−Log(Bmin)＝０．１５）、各階級に属する気孔の面積を階級毎に合計した面積分布に対して対数正規分布を適用し、以下の数式１を用いて標準偏差σを求める。結果を「標準偏差σ」として表２に示す。
【００２０】
【数１】

【００２１】
（４）耐電圧性の評価
耐電圧性は、７００℃における耐電圧値で評価する。アルミナ基焼結体を１６ｍｍ×１６ｍｍ×０．６５ｍｍに加工した試験片１を用いて、図１に示す構成の装置により測定する。具体的な方法は以下のようである。まず、試験片１をアルミナ製碍筒２ａとアルミナ製碍筒２ｂとではさんだ状態で、ＳｉＯ_２系の封着ガラス３を用いて１４００℃に加熱溶融し、ガラス接合体７を作製する。加熱用ヒータ５を有する加熱用ボックス８中にガラス接合体７をセットした後、高電圧発生装置６に接続された電極４ａと接地された電極４ｂとで試験片１をはさむ。その後、加熱用ヒータ５で７００℃まで加熱した状態で高電圧を印加し、絶縁破壊が発生したときの値を耐電圧値として計測する。結果は、「耐電圧平均値」、「耐電圧バラツキ幅（耐電圧値の最大値から最小値を引いた値）」として表２に示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【表２】

【００２４】
本発明の実施例である試料番号３、試料番号４、試料番号６、試料番号７、試料番号１１乃至試料番号１５では、気孔率、最大長径、標準偏差が規定の範囲内にあるため、耐電圧平均値が６０ｋＶ／ｍｍ以上、耐電圧バラツキ幅が２０ｋＶ／ｍｍ以下の優れた耐電圧性を示す。
【００２５】
希土類元素を含む実施例である試料番号３、試料番号４、試料番号６、試料番号７、試料番号１２、試料番号１４、試料番号１５では、ＨＩＰ法（ホットアイソスタチックプレス法）を用いなくとも良好な焼結体が得られることがわかる。ＨＩＰ法を用いた実施例である試料番号１１及び試料番号１３は、どちらも良好な耐電圧性が得られる。両者を比較すると、希土類元素を含む試料番号１３の方が良好な耐電圧性を示すことがわかる。
【００２６】
本発明の比較例である試料番号１及び試料番号２は、最大長径が規定範囲内にあるものの、気孔率及び標準偏差が規定範囲外のため、耐電圧性が劣る。同じく比較例である試料番号５は、気孔率及び最大長径は規定範囲内であるものの、標準偏差が規定範囲外のため、耐電圧バラツキ幅が大きい。同じく比較例である試料番号８は、気孔率、最大長径及び標準偏差の全てが規定範囲外であるため、耐電圧性が劣る。同じく比較例である試料番号９は、標準偏差は規定範囲内であるものの、気孔率及び最大長径が規定範囲外であるため、耐電圧平均値が劣る。同じく比較例である試料番号１０は、気孔率及び標準偏差が規定範囲内であるものの、最大長径が規定範囲外であるため、耐電圧バラツキ幅が大きい。すなわち、気孔率、最大長径、標準偏差のいずれかが欠けても良好な耐電圧性が得られないことがわかる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、セラミック製品の材料として好適な、高い絶縁性、良好な耐電圧性を有するスパークプラグの絶縁碍子用アルミナ基焼結体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に使用した耐電圧性評価方法の模式図である。
【符号の説明】
１アルミナ基焼結体からなる試験片
２ａアルミナ製碍筒
２ｂアルミナ製碍筒
３封着ガラス
４ａ電極
４ｂ電極
５加熱用ヒータ
６高電圧発生装置
７ガラス接合体
８加熱用ボックス

Claims

焼結体の任意の鏡面研磨面に露出した気孔が以下の特徴を有するスパークプラグの絶縁碍子用アルミナ基焼結体。
（ａ）前記鏡面研磨面を面積率で１００％とした場合の前記気孔の面積率が０．５以上４％以下である。
（ｂ）前記気孔の最大長径Ｄ_ｍａｘが１５μｍ以下である。
（ｃ）前記気孔の各長径（単位；μｍ）を確率変数とした場合の面積分布を対数正規分布で表示した際の標準偏差σが２μｍ以下である。
請求項１に記載のスパークプラグの絶縁碍子用アルミナ基焼結体であって、希土類元素ＲＥ．のうちＬａ（ランタン）、Ｐｒ（プラセオジウム）、Ｎｄ（ネオジウム）のうち少なくとも一種類を含むことを特徴とするスパークプラグの絶縁碍子用アルミナ基焼結体。