专利名称：内燃机用火花塞及制造该火花塞的方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机用火花塞及一种制造该火花塞的方法。
背景技术：
在用于点火如汽车用汽油发动机等内燃机的火花塞中，随着近些年发动机的进步，发动机盖(engine head)构造日益复杂。此外，由于火花塞的安装空间的减小，所以要求火花塞的小型化和其直径的减小。为了使火花塞小型化和减小火花塞的直径，具有固定至发动机盖的安装部的金属壳体的直径减小，保持在金属壳体内的绝缘体的厚度必需变薄，并且减小绝缘体直径。
然而，当使绝缘体变薄且减小其直径时，在包围绝缘体周围的金属壳体与插入在贯通绝缘体的轴向孔中的中心电极之间产生介质击穿的趋势可能增加。此外，难以确保耐电压。为了满足这些相矛盾的需求，期望绝缘体的耐电压高。
作为一种解决上述问题的具体手段，例如，日本特开平No.9-272273号公报公开了一种具有不大于0.5％气孔率的氧化铝陶瓷。此外，日本特开平No.11-45143号公报公开了一种氧化铝基烧结体，该氧化铝基烧结体具有在预定的镜面研磨面上露出、占有不超过4％的镜面研磨面且最大长度不超过15μm的气孔。
发明内容
然而，根据本发明的发明人进行的研究，发现绝缘体的介质击穿不仅可能在存在任何巨大气孔或气孔的最大长轴不小于15μm的情况下发生，而且还可能在每个气孔都小但大量气孔密集存在的情况下发生，这可能成为介质击穿的起点。也就是说，尽管在现有技术中允许这种密集的气孔，但实际上，当绝缘体薄和其直径减小时，这种密集的气孔不是优选的。
因此，为了解决上述问题完成了本发明，而且本发明的目的是提供一种包括高耐电压绝缘体的高可靠性的内燃机用火花塞和一种制造该火花塞的方法。
一种解决上述问题的手段是内燃机用火花塞(下文中也称作“火花塞”)，其包括筒状金属壳体，其具有绝缘体保持孔；筒状绝缘体，在其中包括沿轴线方向延伸的轴向孔，且所述筒状绝缘体与所述金属壳体的所述绝缘体保持孔卡合；以及中心电极，其被保持在所述绝缘体的所述轴向孔中，其中，所述绝缘体具有在由所述金属壳体包围的被包围部的预定镜面研磨截面用作观察区域以观察暴露于所述观察区域中的气孔的情况下，在所述观察区域中的任何位置暴露于直径为50μm的判定区域中的一个或多个气孔占所述判定区域的不超过40％的组织。
在观察区域中，当在绝缘体的直径为50μm的判定区域中含有单独气孔，并且该单独气孔占据超过40％的判定区域时，可能存在大直径的巨大气孔。而且，当在直径为50μm的判定区域中含有许多气孔，并且这些气孔占据超过40％的判定区域时，可能存在许多气孔聚集的气孔群(下文中称作“聚集气孔群”)。
在绝缘体中存在巨大气孔的情况下，当向火花塞施加放电高压或向绝缘体施加高电场时，易于发生从存在巨大气孔的位置开始穿透绝缘体的介质击穿。
类似地，在绝缘体中存在聚集气孔群的情况下，当向绝缘体施加高电场时，易于发生从存在聚集气孔群的位置开始的绝缘体的介质击穿。造成上述情况的可能原因是整个聚集气孔群引起与几乎等于该气孔群大小的巨大气孔的影响相同的影响。
因此，当采用直径或最大长轴作为判定绝缘体的耐电压品质的标准时，结果未必是真实的。这是因为当形成聚集气孔群的每个气孔都具有小尺寸直径时，即使观察区域中存在聚集气孔群，也可能不会被认为是聚集气孔。
另一方面，根据本发明的火花塞采用以下这种绝缘体，该绝缘体具有当观察观察区域中的气孔时，在观察区域中的任何位置包含在直径为50μm的判定区域中的一个或多个气孔占不超过40％的判定区域的组织。也就是说，根据本发明的火花塞采用以下这种绝缘体，该绝缘体至少在被包围部中既不包含占超过40％的判定区域的巨大气孔，也不包含占超过40％的判定区域的聚集气孔群。这样，就不可能发生从存在巨大气孔或聚集气孔群的位置开始的穿透绝缘体的介质击穿(穿透破坏)，从而获得可靠的火花塞。
此外，在如上所述的内燃机用火花塞中，沿所述轴线方向，火花塞的将被插入内燃机的一端称为“前侧”，而火花塞的位于内燃机外部的另一端称为“后侧”时，其中，所述金属壳体包括沿径向向内突出的卡合凸部，该卡合凸部包括位于其后侧的后卡合面；和位于所述卡合凸部的前侧的前筒部，该前筒部具有比所述卡合凸部的内径大的内径，其中，所述绝缘体包括中间主干部，其包括位于所述中间主干部的前侧并与所述金属壳体的所述后卡合面从后侧卡合的卡合台肩面；和位于所述中间主干部的前侧的长腿部，该长腿部具有比所述中间主干部的直径小的直径并与所述前筒部形成空间；其中，在所述绝缘体中，所述长腿部的面对所述卡合凸部的部分在垂直于所述轴线的径向上具有不超过1.80mm的厚度。
在该火花塞中，在绝缘体的长腿部中，与卡合凸部相对的部分在垂直于轴线的径向上具有不超过1.80mm的厚度。在包含这样的薄绝缘体的火花塞中，当绝缘体内含有巨大气孔或聚集气孔群时，在绝缘体中易于发生从存在巨大气孔或聚集气孔群的位置开始的穿透破坏。
因此，如上所述，由于火花塞不包含一个或多个气孔占超过40％的判定区域的巨大气孔或聚集气孔群，所以尽管具有薄的绝缘体，仍可获得包括高耐电压绝缘体的高可靠性火花塞。
此外，在火花塞中，即使施加最大值为36kV的火花放电波形电压，而在金属壳体和中心电极之间不产生火花放电，绝缘体也可保持绝缘而不会引起任何穿透破坏。
此外，解决上述问题的另一个手段是一种制造内燃机用火花塞的方法，所述火花塞包括筒状金属壳体，其具有绝缘体保持孔；筒状绝缘体，在其中包括沿轴线方向延伸的轴向孔，且所述筒状绝缘体与所述金属壳体的所述绝缘体保持孔卡合；以及中心电极，其被保持在所述绝缘体的所述轴向孔中，所述方法包括以下步骤浆体形成步骤，在该步骤中，将主要由氧化铝粉末组成的原材料粉末和有机粘结剂与溶剂进行捏合(knead)以形成浆体；消泡步骤，在该步骤中，将上述形成的浆体置于低压环境下以进行消泡；粒化步骤，在该步骤中，将上述消过泡的浆体形成为粒状体；以及压制步骤，在该步骤中，将上述形成的粒状体填充在模子中并进行压缩以形成压制成型体(press-molded body)。
绝缘体中形成聚集气孔群的原因在于由于浆体中包含的气泡造成的空隙残留在粒状体中，所以当粒状体在压制成型步骤被压碎(crush)时，由空隙造成的气泡残留在压制成型体中。因此，聚集气孔群很可能残留在通过烧结压制成型体形成的绝缘体中。
另一方面，在本发明的制造内燃机用火花塞的方法中，依次通过浆体形成步骤、消泡步骤、粒化步骤和压制步骤而形成绝缘体。因此，由于浆体在消泡步骤中被消泡，所以浆体中含有的气泡在浆体形成的捏合过程等可被释放出来。从而，由浆体中含有的气泡而导致的空隙不可能残留在粒化步骤形成的粒状体中。结果，当在压制步骤通过压碎粒状体来形成压制成型体时，可防止上述空隙导致的气泡遗留在压制成型体中。此外，当烧结压制成型体时，绝缘体中不会残留聚集气孔群，从而可获得高耐电压的绝缘体和高可靠性的内燃机用火花塞。
此外，将浆体置于低压环境下的消泡步骤的例子包括将浆体放置在通过真空泵减压的腔室中的真空消泡法。
此外，本发明提供一种制造上述内燃机用火花塞的方法，其中，所述氧化铝粉末优选具有不超过1.0μm的平均粒径。
当氧化铝粉末的平均粒径小时，氧化铝粉末的表面面积相对增大，可实现改善烧结，从而获得致密的绝缘体。另一方面，当氧化铝粉末的平均粒径不超过1.0μm时，浆体的粘度变高，在浆体中易于包裹气泡。因此，当氧化铝粉末的平均粒径不超过1.0μm时，利用消泡步骤的消泡对充分防止通过烧结压制成型体形成的绝缘体中残留聚集气孔群具有显著效果。
此外，本发明提供根据上述任何一个方面的制造内燃机用火花塞的方法，其中，所述浆体优选不含有促使气泡释放的添加剂。
如果浆体不含有如防沫剂、分散剂等促使气泡释放的任何添加剂，则消泡步骤带来显著的效果。
图1是示出根据实施例的火花塞的构造的纵向剖视图。
图2是示出图1所示的火花塞的前部的局部放大剖视图。
图3是示出根据实施例的火花塞中的绝缘体的整个观察区域(镜面研磨截面)的SEM照片。
图4是示出根据实施例的火花塞的绝缘体的观察区域的测定视野的SEM照片。
图5是示出图4的观察视野中出现的陶瓷表面和气孔部分被二值化的情形的说明图。
图6是示出根据比较形态1的火花塞的绝缘体的观察区域(镜面研磨截面)的SEM照片的例子。
图7是示出根据比较形态1的火花塞中的绝缘体的观察区域的测定视野的SEM照片。
图8是示出图7的观察视野中出现的陶瓷表面和气孔部分被二值化的情形的说明图。
图9是示出根据比较形态2的火花塞的绝缘体的观察区域(镜面研磨截面)的SEM照片的例子。
图10是示出根据比较形态2的火花塞的绝缘体的观察区域的测定视野的SEM照片。
图11是示出图10的观察视野中出现的陶瓷表面和气孔部分被二值化的情形的说明图。
图12是示出用于计算观察区域的判定区域中的气孔占有面积率的程序的流程图。
图13是示出根据实施例的火花塞的制造过程中的绝缘体的制造步骤的流程图。
具体实施例方式
以下将参照
本发明的实施例。
图1和图2示出了根据本发明实施例的火花塞1。图1是火花塞的纵向剖视图。图2是火花塞的前部的局部放大剖视图。在本说明书的实施例中，沿轴线Z的方向被称为轴线方向(即，图1和图2中的上下方向)，火花塞1的将被插入内燃机(未示出)的一端(图1和图2中的下侧)被称为“前侧”，而火花塞1的位于内燃机外部的另一端(图1和图2中的上侧)被称为“后侧”。
火花塞1由具有绝缘体保持孔10H的筒状金属壳体10、其中包含沿轴线方向延伸的轴向孔20H并与金属壳体10的绝缘体保持孔10H卡合的绝缘体20、以及保持在绝缘体20的轴向孔20H中的中心电极30和同样保持在轴向孔20H中的端子接头40构成。
外部电极80的一端通过焊接与金属壳体10的前端侧10S接合，外部电极80的另一端在横向上弯曲，使得另一端的一侧面向中心电极30的前端部31。结果，在外部电极80和中心电极30之间形成火花放电间隙G。
金属壳体10由低碳钢等金属构成，并成形为筒以用作火花塞1的外壳(housing)。在金属壳体10中，在位于前侧的前部12的外周面上形成用于将火花塞1安装至发动机气缸体(engine block，未示出)的安装螺纹11。在根据本实施例的火花塞1中，安装螺纹11的公称设计(nominal designation)为M12。安装螺纹11也可以是公称设计为小于M12的M10。然而，本说明书中的安装螺纹11的公称设计是指在ISO 2705(M12)、ISO 2704(M10)等中规定的值，自然地，在这些标准中提供的尺寸公差范围之内的变动是允许的。
金属壳体10包括大直径部16，其直径大于前部12的直径且径向向外突出；中间部17，其直径小于大直径部16的直径；以及工具卡合部18，其位于前部12的后面(图中的上侧)。当安装火花塞1时，工具卡合部18用于与如扳手和旋钳等工具卡合，并且该工具卡合部18具有六角柱状外周。在前部12中，具有位于后面且与大直径部16相连的中间筒部15，卡合凸部14径向向内突出且位于中间筒部15与包括顶端面10S的前筒部13之间。
绝缘体20由氧化铝系陶瓷烧结体构成，在氧化铝系陶瓷烧结体中形成沿轴线方向延伸的轴向孔20H。在轴向孔20H的后侧，端子部41从绝缘体20的后端面20B突出，在柱状轴部42被保持在轴向孔20H中时，通过导电玻璃密封70固定端子接头40。另一方面，在轴向孔20H的前侧，中心电极30通过导电玻璃密封60固定，使得中心电极30的前端部31从绝缘体20的前端20S突出。此外，在轴向孔20H中，在端子接头40的轴部42和中心电极30之间布置电阻元件50。
因而，中心电极30与端子接头40通过电阻元件50和导电玻璃密封60、70电连接。注意，电阻元件50由电阻成分构成，该电阻成分由玻璃粉末和导电材料粉末(必要时，添加除玻璃以外的陶瓷粉末)的混合粉末制成。中心电极30包括朝外突出的前端部31和位于后侧的主体部32。主体部32由芯33和包围芯33的筒状覆盖部34构成，该芯33由促进散热的Cu或Cu合金制成。前端部31和覆盖部34由具有耐热性的镍合金等构成。
在绝缘体20关于轴线方向的中央部分中，形成径向向外突出的凸缘23。此外，在凸缘23的前侧(图中下侧)形成直径小于凸缘23的直径的中间主干部22。此外，在中间主干部22的更前侧，形成大致锥状的长腿部21。在中间主干部22与长腿部21之间形成卡合台肩面22F，该卡合台肩面22F的直径台阶状减小且朝向前方倾斜。更具体地，根据本实施例的火花塞1的长腿部21由以下部分构成位于后侧且具有筒状外周面的筒状部21C；以及位于该筒状部前侧(图中下侧)且呈外部直径朝向前侧逐渐变细的圆台形状的锥状部21T。在根据本实施例的火花塞1中，如图2所示，筒状部21C与锥状部21T之间的关于轴线方向的边界位于金属壳体10的卡合凸部14的前侧(图中下侧)。因此，长腿部21的面对卡合凸部14的部分(即，面对卡合凸部14的内周面14N的相对部21N)位于筒状部21C内。
此外，筒状主体24形成在绝缘体20的凸缘23的后侧。波纹状部分(corrugation)24C形成在主体24后侧的外周面上。在绝缘体20中，主体24的前部、凸缘23、中间主干部22和除了前端部的长腿部21是被金属壳体10包围的被包围部25。
绝缘体20被从后侧(图中上侧)插入金属壳体10的绝缘体保持孔10H中。中间主干部22的卡合台肩面22F从后侧(图中上侧)通过环状板片密封垫(plate packing)91与位于金属壳体10的卡合凸部14后侧且倾斜地面对后侧的后卡合面14B卡合，使得绝缘体20与金属壳体10的绝缘体保持孔10H卡合。
此外，在金属壳体10中，与凸缘23的后侧卡合的环状线密封垫(line packing)92布置在工具卡合部18的内部和绝缘体20的主体24的外周面之间的间隙中。在环状线密封垫92的更后侧，通过如滑石等填充层94，布置另一个环状线密封垫93。然后，绝缘体20被朝向金属壳体10的前侧(图中下侧)推压，且金属壳体10的后开口缘被朝向密封垫93弯边(caulk)以形成弯边部19。结果，绝缘体20被固定到金属壳体10上。
注意，绝缘体20的轴向孔20H在其被插入到中心电极30的主体部32中的前部具有减小的直径，并且可制成为在绝缘体20的长腿部21中放大其半径尺寸(厚度)。
在根据本实施例的火花塞1中，在绝缘体20的长腿部21中，与金属壳体10的卡合凸部14关于垂直于轴线Z的径向(图中水平方向)相对的部分(即，面对内周面14N的相对部21N(筒状部21C))，具有不超过1.80mm的厚度NT，更具体地，如1.77mm。
注意，在本实施例的火花塞1中，如上所述，通过筒状部21C和锥状部21T形成绝缘体20的长腿部21。这样，面对卡合凸部14的内周面14N的相对部21N被包括在筒状部21C中，相对部21N的厚度NT与筒状部21C的厚度相等。然而，可使筒状部21C的尺寸关于轴线方向减小，或者整个长腿部21可朝向前侧逐渐变细从而形成为圆台状(即，整个长腿部21被制成为锥状部21T)。在该情况下，面对内周面14N的相对部21N的厚度NT关于轴线方向变化。因此，相对部21N的代表性厚度是在相对部中最窄部位测得的厚度。
除根据本实施例的火花塞1之外，根据比较形态1和2的火花塞用于测定每个火花塞的耐电压。根据比较形态1、2的火花塞包括绝缘体20，该绝缘体20具有与实施例(稍后描述的)中的绝缘体不同的组织(texture)但具有与实施例中的绝缘体相同的尺寸和形状。详细地，根据本实施例和比较形态1、2的火花塞被浸入绝缘油中，且火花放电波形的电压被施加至金属壳体10和端子接头40之间。在这种情况下，由于绝缘油处于火花放电间隙G中，因此在火花放电间隙G中不产生火花放电。在逐渐增大最大火花放电波形电压的同时，重复施加火花放电波形电压。然后，当在绝缘体20中发生介质击穿(穿透破坏)时，火花放电波形电压的最大值被记录为火花塞的耐电压。对于该试验，每个形态具有30个样本。
表1 每个形态30个样本
*1测定视野的数量(SEM照片数量)为10在表1中示出结果。如上所述，在绝缘体20的长腿部21中，面对金属壳体10的卡合凸部14N的相对部21N的沿径向的厚度NT不超过1.8mm(1.77mm)。因此，根据表1，根据本实施例的火花塞1的耐电压为36-42kV。也就是说，根据本实施例的火花塞1(绝缘体20)可确保至少36kV的耐电压。另一方面，具有与实施例相似的绝缘体的比较形态1和2的耐电压分别为34-40kV。这意味着在最坏的情况下，仅仅可确保34kV的耐电压。
用于根据本实施例的火花塞1的绝缘体20在其组织方面具有特定特征。更具体地，当火花放电波形电压被施加到端子接头40，并且观察沿厚度方向(垂直于轴线的方向径向)被施加了电场的绝缘体20的被包围部25的截面区域时，特别地，观察被容易地施加高电场的长腿部21的相对部21N的截面时，在绝缘体20中没有观察到具有大截面积的巨大气孔和聚集的气孔群(参照图3-图5)。
以下将详细说明。首先，根据本实施例的火花塞1被切成内部容纳有绝缘体20的圆形切片(即，沿垂直于轴线Z的方向切断)。被横向切断的绝缘体被埋入树脂中，并对位于被包围部25中特别是相对部21N中的部分的截面进行镜面研磨。此外，进行碳沉积以使研磨面具有导电性，并且用电子显微镜观察研磨截面。观察所采用的电子束设定为20kV的加速电压和35-38μm的光点直径(spot size)。图3是示出根据本实施例的火花塞1中的绝缘体20的整个观察区域(镜面研磨截面)的S EM(扫描电子显微镜)照片的例子。图4是示出根据本实施例的火花塞1的绝缘体20的观察区域中的一部分(测定视野)的S EM照片。图4所示的照片被选为示出多个观察视野中的最大气孔中的一个的照片。图4所示的观察视野的尺寸为355μm×265μm。图5是说明图，示出了出现在图4所示的观察视野中的陶瓷表面(横截面)被着白色而气孔部分被着黑色的二值化情形。
图3和图4中的SEM照片示出根据本实施例的火花塞1的绝缘体20具有直径不超过约10μm的单独气孔P几乎均匀分散的组织。整体气孔率即出现在观察区域中的气孔部分(等于绝缘体中包含的气孔的体积)的百分比为4.5％(参照表1)。然而，如图4中右下部所示，可能出现长轴最大约50μm的扁平气孔HP。
另一方面，用于根据比较形态1的火花塞的绝缘体具有当观察观察区域时观察到聚集的气孔群SP的组织(参照图6至图8)。图6是示出根据比较形态1的火花塞的绝缘体的观察区域的SEM照片的例子。图7是示出观察区域特定部分的S EM照片的例子。注意，图7也被选为其中观察到最大聚集气孔群SP中的一个的照片。此外，图8是图7所示的陶瓷表面和气孔部分被二值化的说明图。
图6和图7所示的SEM照片表明根据比较形态1的火花塞的绝缘体也具有直径不超过约10μm的单独气孔P几乎均匀分散的组织。与本实施例相似，整体气孔率为4.5％(参照表1)。然而，与上述实施例的情况不同，如图6中箭头指示的部分和图7的中央部所示，每个气孔并不大，但观察到多个气孔集中的聚集气孔群SP。图7所示的聚集气孔群SP的整体尺寸具有约70μm的伪长轴，这是相当大规模的气孔群。
用于根据比较形态2的火花塞的绝缘体具有当观察观察区域时在某些部分中观察到单独具有大截面积的巨大气孔GP的组织(参照图9至图11)。图9是示出根据比较形态2的火花塞的绝缘体的观察区域的SEM照片的例子。注意，图10也被选为观察到最大的巨大气孔GP中的一个的照片。此外，图11是图10所示的陶瓷表面和气孔部分被二值化的说明图。
图9和图10中的SEM照片表明根据比较形态2的火花塞的绝缘体也具有直径不超过约10μm的单独气孔P几乎均匀分散的组织。与以上实施例相似，整体气孔率为4.5％(参照表1)。然而，与上述实施例和比较形态1的情况不同，如图10中左上部所示，可能观察到不仅具有大的长轴，还具有气孔部分的大截面积的巨大气孔GP。
顺便提及，当绝缘体的组织中存在一定缺陷且向绝缘体20施加高电场时，在绝缘体内部将易于产生从该缺陷开始的介质击穿(即穿透破坏)。这种介质击穿导致火花塞和绝缘体的耐电压降低。此外，由于在实施例以及比较形态1和2中观察到多个直径约10μm的小的单独气孔P，所以这些气孔似乎对火花塞的耐电压影响很小。此外，由于实施例以及比较形态1和2的整体气孔率的大小几乎相同，所以整体气孔率不可能作为研究这3个试验样本的性能之间关系的标准。这是因为，尽管这3个试验样本具有相同的整体气孔率，但这3个试验样本之间的耐电压存在差异。
另一方面，当对比图4、图7和图10(也参照图5、图8和图11)时，显然绝缘体中形成的比较大气孔或气孔群的有无及大小与耐电压大小之间存在一定关系。也就是说，在根据实施例的具有比较高耐电压的绝缘体20的组织(参照图4和图5)中没有观察到类似于比较形态1的聚集的气孔群SP(参照图7和图8)。此外，除了通常观察到的直径约10μm的单独气孔P，还可能观察到最大直径为50μm且呈扁平状的大扁平气孔HP。因此，尽管扁平气孔HP的最大直径(长轴)比较大，但其截面要比在比较形态2中观察到的巨大气孔GP(参照图10和图11)的截面小。
因此，绝缘体中巨大气孔GP或聚集气孔群SP的存在与否影响火花塞(绝缘体)的耐电压大小。更具体地，这是基于下述原因考虑的。由于陶瓷部和气孔(空气)部之间的介电常数存在差异，因此电场集中在气孔部分。特别地，在具有大截面积的巨大气孔GP中，电场集中的量级大，在巨大气孔GP内容易发生气体放电。因而，巨大气孔GP可能成为穿透破坏的起点。如下考虑在观察到聚集气孔群SP时，引起穿透破坏的原因。构成聚集气孔群SP的气孔之间存在的陶瓷部薄。因此，当在构成聚集气孔群SP的某些孔中发生气体放电时，存在于气孔之间的薄陶瓷部破裂，由此气孔接连地相互连接。与存在巨大气孔的情况相似，聚集气孔群SP可能成为穿透破坏的起点。
因此，将研究用于区分在比较形态1和2中观察到的巨大气孔GP和聚集气孔群SP、与在本实施例中观察到的扁平气孔HP的标准。首先，讨论在根据比较形态1的绝缘体中观察到的聚集气孔群SP(参照图7和图8)。构成聚集气孔群SP的每个气孔不具有如在比较形态2中观察到的巨大气孔GP的大截面积。然而，多个气孔集中在一起，看起来这些气孔形成一个块。还存在其中气孔看起来相互连接的部分。因此，每个气孔的直径(长轴)不适于用作区分聚集气孔群SP和直径约10μm的单独气孔P的标准，该直径约10μm的单独气孔P在根据比较形态1的绝缘体中观察到很多。这是因为不能仅基于每个气孔的长轴的大小来区分构成聚集气孔群SP的气孔和没有构成聚集气孔群SP的单独气孔P。
首先，利用图7所示的照片，如图8所示将在观察视野中观察到的陶瓷表面和气孔部分二值化。具体地，陶瓷表面被着白色，而气孔部分被着黑色。然后，假定直径为50μm的假想圆HC，该假想圆HC位于观察视野中的预定位置以算出包含在该假想圆HC中的气孔部分(黑色部分)的百分比。在观察区域中重复重新定位该假想圆HC以找出最大百分比(以下称之为“最大气孔面积率”)。
更具体地，将假想圆HC定位成气孔尽可能多地被包含在该假想圆HC中，并算出最大气孔面积率。
如图8所示，通过这样定义最大气孔面积率，在除单独气孔P之外的聚集气孔群SP被包含在观察视野中的情况下，确保聚集气孔群SP被包含在假想圆HC中。算出每个包含有聚集气孔群SP的观察视野(SEM照片)的最大气孔面积率，在表1中示出十个观察视野中的最大比率。
类似地，将图4中的根据本实施例的绝缘体的气孔部分和陶瓷部分二值化以获得图5的说明图。此外，采用假想圆HC算出图5中的最大气孔面积率。
由于如上述定义最大气孔面积率，所以当如图5所示在观察视野中包含除单独气孔P之外的扁平气孔HP时，确保扁平气孔HP被包含在假想圆HC中。算出每个包含有扁平气孔HP的观察视野(SEM照片)的最大气孔面积率，在表1中示出十个观察视野中的最大比率。
类似地，将图10中的根据比较形态2的绝缘体的气孔部分和陶瓷部分二值化以获得图11的说明图。此外，采用假想圆HC算出图11中的最大气孔面积率。
由于如上述定义最大气孔面积率，所以当如图11所示在观察视野中包含除单独气孔P之外的巨大气孔GP时，确保巨大气孔GP被包含在假想圆HC中。算出每个包含有巨大气孔GP的观察视野(SEM照片)的最大气孔面积率，在表1中示出十个观察视野中的最大比率。
根据表1，根据本实施例和比较形态1、2的火花塞(绝缘体)的最大气孔面积率分别为22％、50％、47％。也就是说，在根据本实施例的绝缘体中，最大气孔面积率为22％，不高于40％。另一方面，在根据比较形态1和2的绝缘体中，最大气孔面积率分别为50％和47％，都超过40％。结果，可以发现，最大气孔面积率可以作为与火花塞的耐电压负相关的标准。也就是说，当最大气孔面积率低时，火花塞的耐电压倾向于高。因此，优选采用最大气孔面积率不高于40％的绝缘体，更优选采用最大气孔面积率不高于30％的绝缘体。
此外，根据表1，对于各自具有不同类型缺陷(即，聚集气孔群SP和巨大气孔GP)的两种类型的绝缘体(比较形态1和2)，耐电压几乎是一样的(34-40kV)。另一方面，根据比较形态1和2的绝缘体的最大气孔面积率也几乎是相同的百分比(50％和47％)。因而，最大气孔面积率可以是用于不同缺陷类型(即，聚集气孔群SP和巨大气孔GP)的标准。
在当观察绝缘体的观察区域中的气孔时最大气孔面积率不高于40％的情况下(即，在假想圆HC中气孔占有的面积不超过假想圆HC判定区域的40％的情况下)，与比较形态1和2的情况相比，火花塞(绝缘体)被认为具有高的耐电压。
如下进行图5、图8和图11中的二值化和最大气孔面积率的计算(参照图12)。如上所述，绝缘体的截面经过镜面研磨处理以获得观察区域(步骤S1)。当采用电子显微镜观察观察区域时，包含扁平气孔HP(本实施例)、聚集气孔群SP(比较形态1)和巨大气孔GP(比较形态2)的观察视野(355μm×265μm)的SEM照片被拍成A4纸尺寸(步骤S2)。在描图纸上描绘SEM照片中的孔的轮廓并染黑如此描绘的气孔部分。结果，完成了具有黑色气孔部分和白色陶瓷部分的图片。采用扫描仪(200dpi)捕获该图像并将其转换成JPEG格式。采用预定阈值(例如，阈值＝209)使每个像素的发光度(亮度)分成两个灰度等级。也就是说，当像素的发光度低于该阈值时，其被转换成0。另一方面，当像素的发光度超过该阈值时，其被转换成255(72像素/英寸)。这意味着不存在中间灰度等级。从而，完成每个像素的二值化(步骤S3)。
直径为50μm的假想圆HC定位于图片上。落在假想圆HC中的像素被提取出来以计数假想圆HC中包含的像素和被认为是0发光度的像素。被认为是0发光度的像素数除以假想圆HC中的像素数，得到的值就是假想圆HC中的气孔面积率。此外，使假想圆HC重新定位在预定位置以获得每个位置的气孔面积率(步骤S4)。注意，适当地定位假想圆HC以使假想圆HC中的气孔部分的面积可最大。
获得的气孔面积率中最大的气孔面积率将成为观察视野(SEM照片)中的最大气孔面积率(步骤S5)。如上所述，获得最大气孔面积率的假想圆HC的位置在本实施例的情况下是假想圆HC包含扁平气孔HP的位置、在比较形态1的情况下是假想圆HC包含聚集气孔群SP的位置、在比较形态2的情况下是假想圆HC包含巨大气孔GP的位置。因此，例如，在本实施例中，当重新定位假想圆HC以使扁平气孔HP被包含在假想圆HC内时，计算假想圆HC中每个位置的气孔面积率以获得最大气孔面积率。相同的程序可被应用到比较形态1和2。
接着，将参照图13来说明根据本实施例的火花塞1的制造方法。在根据本实施例的火花塞1的制造方法中，仅绝缘体20的制造方法，更具体地，即绝缘体20的压力成形(pressmolding)用粉末的制造方法与比较形态1、2的火花塞不同，而其它构件的制造方法与比较形态1、2以及普通火花塞的制造方法相同。因此，主要说明与比较形态1、2以及普通火花塞不同的部分，而省略或简化关于相同部分的详细说明。
首先，将说明根据本实施例的绝缘体20的制造方法。此外，还将说明根据比较形态1、2的绝缘体相对于本实施例的任何不同部分。
根据本实施例，如表1所示，采用平均粒径低于1.0μm(详细地，0.5μm)的氧化铝(Al2O3)粉末，该粒径比在比较形态2中的小。然后，假设原材料粉末取为100质量％，称取氧化铝粉末使其在90-99.8质量％范围内。此外，混合起助烧结作用的添加元素体系粉末以制备原材料粉末(步骤S11)。制备原材料粉末，使得烧结后的绝缘体的成分为Si2.0％、Ca2.0％、Mg0.1％、Ba0.4％、B0.5％、和Al95.0％(单位质量比)。
此外，在比较形态1中采用相同的氧化铝粉末和添加元素体系粉末类似地制备原材料粉末。另一方面，如表1所示，比较形态2采用平均粒径为较大粒径的1.5μm的氧化铝粉末，以类似的方式制备原材料粉末。
注意，添加元素体系粉末优选由从Si、Ca、Mg、Ba和B中选择的一种或多种组分组成。假设原材料粉末取为100质量％，由上述组分组成的添加元素体系粉末换算成氧化物的总含量优选在4-7质量％范围内。结果，在烧结时添加元素体系粉末熔融，容易产生液相。这样，添加元素体系粉末可起到烧结辅助剂的作用，促使绝缘体的密度增大。当总含量低于4质量％时，难以获得致密的绝缘体，导致在约700℃的高温环境下强度(physical strength)和耐电压性能降低。另一方面，当总含量超过7质量％时，烧结后获得的绝缘体的氧化铝含量不够高，由此使耐电压性能恶化。
更具体地，添加元素体系粉末可以由例如作为Si组分的SiO2粉末、作为Ca组分的CaCO3粉末、作为Mg组分的MgO粉末、作为Ba组分的BaCO3粉末和作为B组分的H3BO3粉末(或溶液)组成。因此，除了使用Si、Ca、Mg和Ba的氧化物以外，用在添加元素体系粉末中的每种组分Si、Ca、Mg和Ba可以是各种类型的无机原材料粉末，例如氢氧化物、碳酸盐、氯化物、硫酸盐、硝酸盐和磷酸盐等。然而，这些无机基原材料粉末必须是可通过烧结转化成氧化物的粉末。
在本实施例中，在步骤S12的浆体形成中，有机粘结剂和用作溶剂的水与原材料粉末湿式混合从而制备浆体。这里，水溶性丙烯酸树脂用作有机粘结剂。此外，假设原材料粉末取为100重量份，添加的有机粘结剂为2重量份，添加一定量的水使由原材料粉末、有机粘结剂和水组成的这样的混合物中水的含量为58％。以同样方式形成比较形态1中的浆体。因此，到此为止，本实施例采用与比较形态1相同的制造方式。
另一方面，因为比较形态2采用不同类型的氧化铝粉末等，所以在比较形态2中，采用与本实施例和比较形态1的有机粘结剂不同的有机粘结剂。在比较形态2中，向浆体中添加分散剂，该分散剂具有促进消除浆体中由于表面活性作用引起的气泡的作用。通过湿式混合形成浆体，使得氧化铝粉末和溶剂(水)被顺利地混合。
然而，在本实施例和比较形态1中不向浆体添加分散剂。在烧结后的绝缘体中，由于分散剂产生的碳和其它残余成分可能造成对绝缘体的绝缘性能(耐电压)的影响，所以除了必需的有机粘结剂外不添加其它添加剂。
根据本实施例和比较形态1的浆体采用具有较小粒径的氧化铝粉末。因此，与比较形态2的浆体相比，上述浆体的粘度变高，并且上述浆体更容易内包气泡。结果，氧化铝粉末倾向于凝结且在其内形成空隙(void)，从而气泡很可能被包裹在浆体中。此外，在捏合步骤产生的气泡不可能从浆体中释放出来。因此，在这种状态下，气泡很可能被包裹在下述的喷雾颗粒中。
在步骤13中，使根据本实施例的浆体经受消泡步骤。更具体地，将装有完成捏合步骤后的浆体的容器放置在真空消泡设备中以减压。然后，该容器被放置在低压环境下由此去除浆体中包含的气泡，此后，解除减压。结果，消泡步骤后浆体的密度比消泡步骤前上升了约20％。因此，认为已经去除了浆体中包含的与上述百分比相等的气泡。
另一方面，根据比较形态1的浆体没有经过消泡步骤。
此外，如上所述，由于根据比较形态2的浆体中含有分散剂，所以在捏合步骤中容易释放气泡。因此，比较形态2没有进行消泡步骤。
随后，采用如喷雾干燥机(spray drier)等粒化设备，在步骤S14，使这样制备好的浆体经粒化步骤以形成球状喷雾颗粒(细粒)。然后，这样形成的细粒被筛滤且形成为预定大小，以获得喷雾颗粒。
此外，当采用根据比较形态1的没有进行消泡步骤的浆体形成喷雾颗粒时，一部分喷雾颗粒内含有较大的、无定形的和三维网状结构的空隙，这被认为是由浆体中包含的气泡引起的。另一方面，在根据本实施例的消泡浆体中，未发现包含这种大空隙的喷雾颗粒。
注意，采用喷雾干燥机将根据比较形态2的浆体也粒化成喷雾颗粒。在根据比较形态2的喷雾颗粒中，未发现包含有大空隙的喷雾颗粒。可能的原因是由于使用了分散剂而使浆体中的气泡可容易地被释放。
随后，在步骤S15的压制步骤中，这样形成的喷雾颗粒经受橡胶压制成型。通过使用热固性树脂砥石(resinoidwhetstone)研磨压制成型体的外周以形成预定外形。于是，完成了与绝缘体的预定形状对应的未烧结绝缘体(参照图1和图2)。将随后在下面描述的相同方法应用到比较形态1和2中。
在本实施例中，虽然通过橡胶压制成型来进行喷雾颗粒的压制成型，也可使用其它成型方法(例如，挤出成型)来形成未烧结绝缘体。
此外，将未烧结绝缘体在大气压下以1500-1600℃的温度烧结并保持两个小时(步骤S16)。此后，这样的烧结体被涂上釉料并经过最后的烘烤，由此完成了绝缘体20(步骤S17)。
除绝缘体20的制造之外，在步骤S21中通过传统的公知方法形成中心电极30，该中心电极30由被镍合金包围并与镍合金一体化的铜合金构成。
在步骤S18中，将中心电极30组装到绝缘体20中。更具体地，中心电极30、电阻元件50和端子接头40的轴部41被布置在绝缘体20的轴向孔20H中。然后，通过加热和熔化导电玻璃密封60和70将这些构件固定在一起，从而确保轴向孔20H的气密性。
另一方面，除绝缘体20和中心电极30的制造之外，在步骤S31中，通过传统的公知方法形成金属壳体10，还在步骤S32中，通过传统公知的镀铬进行电镀。
将组装有中心电极30的绝缘体20布置在金属壳体10的绝缘体保持孔10H中，卡合凸部14的后卡合面14B和中间主干部22的卡合台肩面22F通过板片密封垫91卡合。此后，线密封垫92、93和填充层94被布置在绝缘体20和金属壳体10之间。然后，形成弯边部19，从而将绝缘体20固定在金属壳体10中(步骤S19)。
此外，外部电极80的一端被焊接到金属壳体10的前端侧10S上。此外，外部电极80的另一端被弯曲成面对中心电极30的前端部31。这样，完成了根据本实施例的火花塞1以及比较形态1和2的火花塞(步骤S20)。
如上所述，根据比较形态1的火花塞在绝缘体制造过程中没有经过消泡步骤(步骤S13)。因此，与根据比较形态2的浆体相比，如上所述，由于比较形态1中采用的浆体使用较小粒径的氧化铝粉末，所以浆体的粘度变高，且浆体趋向于形成块。因此，氧化铝粉末很可能凝结而在其中形成空隙，由此气泡趋向于被包裹在浆体中。而且，在捏合步骤产生的气泡也不可能从浆体中释放出去。基于这个原因，如上所述，根据比较形态1的一部分喷雾颗粒含有较大的、无定形的和三维网状结构的空隙，这被认为是由浆体中所包含的气泡所引起的。
具有如图7所示包含有聚集气孔群SP的组织的绝缘体被认为是由于使用这种喷雾颗粒而形成的。也就是说，认为在未烧结体的压制成型之后，以及在烧结绝缘体之后，残留了较大的、无定形的和三维网状结构的空隙，并且该空隙作为聚集气孔群SP残留下来。
另一方面，如上所述，根据本实施例的火花塞1在绝缘体20的制造过程中经过了消泡步骤(步骤13)。也就是说，虽然采用与比较形态1的方法和材料相同的方法和材料(氧化铝粉末等)制造火花塞1，但因为增加了消泡步骤(步骤S13)，所以根据本实施例的绝缘体20的组织被认为是不含聚集气孔群SP的。
值得注意的是，在根据本实施例的绝缘体20中观察到的扁平气孔HP被认为包括不同于聚集气孔群SP的形成过程的形成过程。也就是说，当进行橡胶压制成型时，喷雾颗粒被压碎，喷雾颗粒中含有的陶瓷颗粒(氧化铝颗粒或添加元素体系粉末)通过有机粘结剂相互接触。然而，喷雾颗粒的外周面在压制成型时未被充分压碎且呈现壳状，最终作为扁平气孔HP残留在绝缘体20中。
在根据比较形态2的绝缘体中观察到的巨大气孔GP的形成过程也被认为不同于聚集气孔群SP的形成过程。也就是说，当进行橡胶压制成型时，使许多喷雾颗粒相互压缩，最终每个颗粒被压碎。然而，由于本实施例或比较形态1中采用的有机粘结剂与比较形态2中采用的有机粘结剂不同，所以根据比较形态2的喷雾颗粒不可能被压碎。因此，当喷雾颗粒在压制成型时被压碎时，如在四个喷雾颗粒位于正四面体的各顶点时正四面体的重心位置等不易施加压力的部分，喷雾颗粒未被充分压碎，从而认为残留了大的气孔(巨大气孔GP)。
显然，当火花塞1的绝缘体20采用具有最大气孔面积率不超过40％的组织的绝缘体时，可实现具有高耐电压的火花塞。形成这样的绝缘体的具体方法是在浆体消泡之后进行粒化。更具体地，当不向浆体添加如分散剂等促使去除气泡的任何添加剂而且采用平均粒径不超过1.0μm的氧化铝粉末时，优选在浆体消泡之后进行粒化。
不必说，本发明不特别地限于上述实施例，而是可在本发明的范围内并依照特定目的和应用以各种方式进行改变或变型。
在根据上述实施例的火花塞1中，金属壳体10上形成的安装螺纹11采用公称设计M12。然而，当根据本发明的火花塞采用包括公称设计小于M12(例如，M10)的安装螺纹的比较细的火花塞时，本发明特别有效。例如，当安装螺纹的公称设计为M10时，金属壳体必须确保足够厚度以保持每个构件所需的强度。另一方面，散热灯中的中心电极的直径为不低于1.7mm。当考虑这些时，在绝缘体的长腿部中，面对金属壳体的卡合凸部的部分在垂直于轴线的径向厚度应为不超过1.6mm。在采用这种薄厚度的绝缘体的火花塞中，本发明特别有效。
权利要求
1.一种内燃机用火花塞(1)，其包括筒状金属壳体(10)，其包括绝缘体保持孔(10H)；筒状绝缘体(20)，在所述筒状绝缘体(20)中包括沿轴线方向(Z)延伸的轴向孔(20H)，并且所述筒状绝缘体(20)与所述金属壳体(10)的所述绝缘体保持孔(10H)卡合；以及中心电极(30)，其被保持在所述绝缘体(20)的所述轴向孔(20H)中，其中，所述绝缘体(20)具有在由所述金属壳体(10)包围的被包围部(25)的预定镜面研磨截面用作观察区域以观察暴露于所述观察区域中的气孔的情况下，在所述观察区域中的任何位置暴露于直径为50μm的判定区域(HC)中的一个或多个气孔的面积占所述判定区域(HC)面积的不超过40％的组织。
2.根据权利要求1所述的内燃机用火花塞(1)，其特征在于，当沿所述轴线方向(Z)，将所述火花塞(1)的将被插入内燃机的一端称为“前侧”，而将所述火花塞(1)的位于所述内燃机外部的另一端称为“后侧”时，所述金属壳体(10)还包括沿径向向内突出的卡合凸部(14)，该卡合凸部(14)包括位于其后侧的后卡合面(14B)；和位于所述卡合凸部(14)的前侧的前筒部(13)，该前筒部(13)具有比所述卡合凸部(14)的内径大的内径，所述绝缘体(20)还包括中间主干部(22)，其包括位于所述中间主干部(22)的前侧并从后侧与所述金属壳体(10)的所述后卡合面(14B)卡合的卡合台肩面(22F)；和位于所述中间主干部(22)的前侧的长腿部(21)，该长腿部(21)具有比所述中间主干部(22)的直径小的直径并与所述金属壳体(10)的所述前筒部(13)形成空间；以及在所述绝缘体(20)中，所述长腿部(21)的面对所述金属壳体(10)的所述卡合凸部(14)的部分(21N)在垂直于所述轴线方向(Z)的径向上具有不超过1.80mm的厚度(NT)。
3.一种制造内燃机用火花塞(1)的方法，所述火花塞(1)包括筒状金属壳体(10)，其具有绝缘体保持孔(10H)；筒状绝缘体(20)，在所述筒状绝缘体(20)中包括沿轴线方向(Z)延伸的轴向孔(20H)，并且所述筒状绝缘体(20)与所述金属壳体(10)的所述绝缘体保持孔(10H)卡合；以及中心电极(30)，其被保持在所述绝缘体(20)的所述轴向孔(20H)中，所述方法包括步骤浆体形成步骤(S12)，在该步骤中，将主要由氧化铝粉末组成的原材料粉末和有机粘结剂与溶剂进行捏合以形成浆体；消泡步骤(S13)，在该步骤中，将上述形成的浆体置于低压环境下以进行消泡；粒化步骤(S14)，在该步骤中，将上述消过泡的浆体形成为粒状体；以及压制步骤(S15)，在该步骤中，将上述形成的粒状体填充在模子中并进行压缩以形成压制成型体。
4.根据权利要求3所述的制造内燃机用火花塞(1)的方法，其中，所述氧化铝粉末具有不超过1.0μm的平均粒径。
5.根据权利要求3所述的制造内燃机用火花塞(1)的方法，其中，所述浆体不包含促使气泡释放的添加剂。
6.根据权利要求4所述的制造内燃机用火花塞(1)的方法，其中，所述浆体不包含促使气泡释放的添加剂。
全文摘要
本发明提供一种高可靠性的内燃机用火花塞及制造该火花塞的方法，该内燃机用火花塞包括具有高耐电压的绝缘体。该内燃机用火花塞包括筒状金属壳体，其具有绝缘体保持孔；筒状绝缘体，在其中包括沿轴线方向延伸的轴向孔，且所述筒状绝缘体与所述金属壳体的所述绝缘体保持孔卡合；以及中心电极，其被保持在所述绝缘体的所述轴向孔中，其中，所述绝缘体具有在由所述金属壳体包围的被包围部的预定镜面研磨截面用作观察区域以观察暴露于所述观察区域中的气孔的情况下，在所述观察区域中的任何位置暴露于直径为50μm的判定区域的一个或多个气孔占所述判定区域的不超过40％的组织。
文档编号H01T13/00GK101039016SQ20071008744
公开日2007年9月19日 申请日期2007年3月16日 优先权日2006年3月16日
发明者本田稔贵, 田边宏之, 水野贵光, 大洋美 申请人:日本特殊陶业株式会社