专利名称：火花塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃机的火花塞，更具体地，本发明涉及火花放电间隙中产生包括沿陶瓷绝缘体的前端面(top endsurface)发生的表面放电(沿面放电(creeping discharge))的火花放电的火花塞，其中，所述火花放电间隙形成在接地电极的前端部与中心电极的前端部的外周面(侧周面)之间。
背景技术：
近年来，已经提出并开发了在接地电极与中心电极之间形成火花放电间隙并沿陶瓷绝缘体的前端面产生表面放电的各种火花塞。例如，作为这种火花塞中的一种，已知一种间歇放电型火花塞，并且日本特开2005-203119号公报(下面称为“JP2005-203119”)公开了这种间歇放电型火花塞。在通常状态下，在间歇放电型火花塞中，通过接地电极的一个端部与中心电极的前端部之间的空气发生气中放电(aerialdischarge)，即产生火花，但是，在所谓的陶瓷绝缘体的表面被碳污染(玷污)的熏烧状态(smoldering condition)下，在沿陶瓷绝缘体的前端面出现表面放电的路径中发生火花放电。一旦发生火花放电，附着或沉积在陶瓷绝缘体的前端面上的碳会被烧掉，进行了火花塞的清洁，接着在接地电极与中心电极之间再发生气中放电。通常以如下方法形成这种火花塞中使用的陶瓷绝缘体。在对弹性模具或橡胶模具中的绝缘陶瓷粉末(例如，氧化铝)与插入陶瓷粉末中以形成轴向孔的销一起加压成形后，对坯体(compact)进行切削和研磨处理以使其形状形成为陶瓷绝缘体的外形。随后，取出销，对坯体进行烧结，接着进行釉烧处理，最终完成陶瓷绝缘体。
发明内容
然而，在制造陶瓷绝缘体的过程中，在切出坯体和/或取出销时，由于坯体尚未烧结，存在在例如陶瓷绝缘体的前端面与轴向孔的内周面之间的边界等棱角部(edge portion)处形成凹部(或凹陷或凹进)的情况。此外，如果凹部很大，一旦发生表面放电，则火花放电的路径趋于会聚或聚积在通过凹部的路径中。为此，在由通过的火花放电切断或剃去(或削掉)陶瓷绝缘体的表面时，也就是，在所谓的沟道效应(channeling)在某部位集中地发生且陶瓷绝缘体的表面被切削得很深时，有可能以所述某部位为基点或起点而出现阻挡片(block chip)。
因此，为了解决以上问题，本发明的一个目的是提供一种能够在表面放电发生时抑制沟道效应的会聚或集中的火花塞。
根据本发明的一方面，一种火花塞，其产生包括沿面放电的火花放电，所述火花塞包括中心电极；陶瓷绝缘体，该陶瓷绝缘体具有轴向孔，该轴向孔沿轴线方向形成在所述陶瓷绝缘体的轴心，以将所述中心电极支撑在所述轴向孔中，所述中心电极的前端部从所述陶瓷绝缘体的前端面突出，所述陶瓷绝缘体在所述陶瓷绝缘体的所述前端面与所述轴向孔的内周面之间的第一棱角部处设置有凹部；金属壳，该金属壳具有火花塞安装部，该火花塞安装部设置有用于安装到内燃机的螺纹，并且该金属壳以由该金属壳覆盖所述陶瓷绝缘体的外周的状态保持所述陶瓷绝缘体；以及接地电极，该接地电极的一个端部与所述金属壳固定连接，该接地电极的另一个端部与所述中心电极的所述前端部的外周面间隔地定位，以在所述中心电极的所述前端部的所述外周面与所述接地电极的所述另一个端部之间限定火花放电间隙，所述火花放电包括在所述火花放电间隙中发生的沿所述陶瓷绝缘体的所述前端面出现的所述沿面放电，当在所述凹部当中，将以所述轴线为圆心的第一假想圆定义为经过所述凹部的距所述轴线的径向距离最大的部分的圆，并且将以所述轴线为圆心的第二假想圆定义为经过所述凹部的距所述轴线的径向距离最小的部分的圆，且进一步将所述第一假想圆和所述第二假想圆的直径的差表示为直径差X时，所述直径差X为0.08mm以下。
根据本发明的另一方面，一种火花塞，其其产生包括沿面放电的火花放电，所述火花塞包括中心电极；陶瓷绝缘体，该陶瓷绝缘体具有轴向孔，该轴向孔沿轴线方向形成在所述陶瓷绝缘体的轴心，以将所述中心电极支撑在所述轴向孔中，所述中心电极的前端部从所述陶瓷绝缘体的前端面突出，所述陶瓷绝缘体具有倒角面，通过对所述陶瓷绝缘体的所述前端面与所述轴向孔的内周面之间的第一棱角部进行倒角来形成所述倒角面，所述倒角面在所述倒角面和所述前端面之间的第二棱角部处设置有凹部；金属壳，该金属壳具有火花塞安装部，该火花塞安装部设置有用于安装到内燃机的螺纹，并且该金属壳以由该金属壳覆盖所述陶瓷绝缘体的外周的状态保持所述陶瓷绝缘体；以及接地电极，该接地电极的一个端部与所述金属壳固定连接，该接地电极的另一个端部与所述中心电极的所述前端部的外周面间隔地定位，以在所述中心电极的所述前端部的所述外周面与所述接地电极的所述另一个端部之间限定火花放电间隙，所述火花放电包括在所述火花放电间隙中发生的沿所述陶瓷绝缘体的所述前端面出现的所述沿面放电，当在所述凹部当中，将以所述轴线为圆心的第三假想圆定义为经过所述凹部的距所述轴线的径向距离最大的部分的圆，并且将以所述轴线为圆心的第四假想圆定义为经过所述凹部的距所述轴线的径向距离最小的部分的圆，且进一步将所述第三假想圆和所述第四假想圆的直径的差表示为直径差Y时，所述直径差Y为0.08mm以下。
从参照附图的以下说明中，本发明的其它目的和特征将易于理解。
图1是火花塞1的局部剖视图。
图2是火花放电间隙GAP附近区域的放大剖视图。
图3是从火花塞1的前端侧观察的图2中的虚线圆A所圈起的部分的立体图。
图4是图2中的虚线圆B所圈起的部分的放大剖视图。
图5是从火花塞1的前侧沿轴线O方向观察的图2中的虚线圆B所圈起的部分的立体图。
图6是根据第二实施方式的火花塞101的火花放电间隙GAP附近区域的放大剖视图。
图7是从火花塞101的前端侧观察的图6中的虚线圆J所圈起的部分的立体图。
图8是图6中的虚线圆K所圈起的部分的放大剖视图。
图9是从火花塞101的前侧沿轴线O方向观察的图6中的虚线圆K所圈起的部分的立体图。
图10是作为变型的火花塞201的火花放电间隙GAP附近区域的放大剖视图。
图11是作为变型的火花塞301的火花放电间隙GAP1和GAP2附近区域的放大剖视图。
具体实施例方式 下面将参照
内燃机用火花塞的实施方式。
[第一实施方式] 现将参照图1至图3说明火花塞1的结构。图1是火花塞1的局部剖视图。图2是火花放电间隙GAP附近区域的放大剖视图。图3是从火花塞1的前端侧观察的图2中虚线圆A所圈起的部分的立体图。这里，在下面的说明中，将图1中火花塞1的轴线O方向定义为上下方向(垂直方向)，将火花塞1的下侧称为前端侧，将火花塞1的上侧称为后端侧。
如图1所示，火花塞1具有以下结构，在该结构中，中心电极20被保持在陶瓷绝缘体10的轴向孔12内的前端侧，在后端侧设置端子金属套(terminal metaljacket)40，通过用金属壳(主金属)50覆盖陶瓷绝缘体10来保护陶瓷绝缘体10。此外，接地电极30与金属壳50的前端面57连接，接地电极30的另一个端部侧(也就是，接地电极30的前端部31侧)朝中心电极20的前端部22弯曲。于是在接地电极30的前端部31与中心电极20的前端部22的外周面23之间形成火花放电间隙GAP。
陶瓷绝缘体10由例如烧结的氧化铝等烧结的陶瓷材料制成，并且大致形成为圆筒形，沿轴线O方向在陶瓷绝缘体10的轴心形成有轴向孔12。外径最大的凸缘部19大致形成于轴线O方向上的中部，后端侧主体部18被形成在凸缘部19的后端侧(即，图1中的上侧)。此外，外径比后端侧主体部18的外径小的前端侧主体部17被形成在凸缘部19的前端侧(即，图1中的下侧)。此外，外径比前端侧主体部17的外径小的腿部13被形成在前端侧主体部17的前端侧。该腿部13朝其前端逐渐变细，当火花塞1被安装在内燃机的发动机气缸盖(未示出)中时，该腿部13暴露于燃烧室。在腿部13与前端侧主体部17之间形成台阶部15。
中心电极20为棒状电极，并且具有母材(body material)24和芯材25，母材24由镍或如Inconel 600或Inconel 601(面标)等镍基合金制成，或者由比Inconel 600或Inconel 601的镍含量高的高镍含量合金制成，芯材25被埋设在母材24中并且由导热性优于母材24的导热性的铜或铜基合金制成。如图2所示，中心电极20被保持在陶瓷绝缘体10的轴向孔12中的前端侧，并且中心电极20的前端部22的直径略小。前端部22从陶瓷绝缘体10的前端面11朝前端侧突出。从图2中可以看出，小直径前端部22的一部分被定位于或位于陶瓷绝缘体10的轴向孔12的内部，从而在前端部22的该部分与轴向孔12的内周面之间限定了间隙。将该间隙称为热空间(thermo-space)29，通过设置该热空间29，能够抑制向陶瓷绝缘体10的前端面11附近的中心电极20侧的热传导。前端面11如此被保持在稍高于其周围温度的温度，即使在熏烧状态下碳等附着或沉积在前端面11上时，仍可以容易地清洁前端面11。因此减少了前端面11的污染(碳玷污)。
返回图1，中心电极20通过导电密封构件4和陶瓷电阻器3与设置在后端侧(即，图1中的上侧)的端子金属套40电连接，所述导电密封构件4沿着轴线O方向在轴向孔12中延伸。在使用火花塞1时，高压电缆(未示出)被经由插头(未示出)连接到端子金属套40，从而提供高电压。
接着，金属壳50为用于将火花塞1固定到内燃机的发动机气缸盖的大致圆筒状壳体。金属壳50覆盖或环绕从后端侧主体部18的一部分到陶瓷绝缘体10的腿部13的区域，从而金属壳50将陶瓷绝缘体10保持在金属壳50中。金属壳50由低碳钢制成，并且设置有与火花塞扳手(未示出)配合的工具接合部51；以及具有将被旋拧到发动机气缸盖的火花塞孔(未示出)中的螺纹的火花塞安装部52。本实施方式中的火花塞1为通常被称为长型(long-reach type)并且具有长的螺纹长度(reach)的小型火花塞。更具体地，螺纹的长度，即设置在火花塞安装部52上的两个螺纹形成起始位置(即，螺纹的两个端点)之间的沿轴线O方向的长度为25mm以上。此外，金属壳50具有小直径，也就是，火花塞安装部52的公称直径为M12以下(例如，M10以下)。
此外，凸缘状密封部54被设置在金属壳50的工具接合部51与火花塞安装部52之间。此外，通过弯曲板材形成的环状垫圈(gasket)5被插入火花塞安装部52与密封部54之间。当将火花塞1安装到发动机气缸盖的火花塞孔时，垫圈5在密封部54与火花塞孔的开口边缘之间被施压从而被挤压变形，从而起密封开口边缘以防止发动机气体通过火花塞孔泄漏的作用。
金属壳50还设置有位于工具接合部51的后端侧的薄弯边部53。另外，在密封部54与工具接合部51之间设置有薄压曲部58。在金属壳50的内周面的从工具接合部51到弯边部53的部分与陶瓷绝缘体10的后端侧主体部18的外周面之间，插入有圆环状的环构件6和7。滑石粉(滑石)9填充在圆环状的环构件6和7之间。通过弯边将弯边部53向内弯曲，接着通过圆环状的环构件6和7及滑石9朝金属壳50内部的前端侧压陶瓷绝缘体10。因此，在经由环状板片密封垫8将陶瓷绝缘体10的台阶部15支撑在形成在金属壳50的内周面的火花塞安装部52处的台阶部56上的状态下将金属壳50与陶瓷绝缘体10彼此固定连接。利用金属壳50与陶瓷绝缘体10之间的经由板片密封垫8的气密性的紧密密封接触，能够防止发动机气体泄漏。这里，在弯边过程中，通过施加压缩力使压曲部58弯曲并向外变形，从而增加滑石9沿轴线O方向的压缩长度，提高金属壳50的气密性。
接地电极30为具有矩形截面的棒状电极。与中心电极20相同，接地电极30由镍或如Inconel 600或Inconel 601(商标)等镍基合金制成，或者由比Inconel 600或Inconel 601的镍含量高的高镍含量合金制成。在第一实施方式中，设置两个接地电极30，两个接地电极30各自的一端部(接地电极30的基端部32)被相对于轴线O对称地配置，并且与金属壳50的前端面57固定连接。从图中可以看出，这两个接地电极30沿轴线O方向朝前端侧延伸，两个接地电极30的各自的另一个端部(即，每个前端部31)均朝中心电极20的前端部22弯曲。更具体地，接地电极30弯曲成前端部31的顶端面33面对中心电极20的前端部22的外周面23。于是在接地电极30的该前端部31与中心电极20的前端部22的外周面23之间形成火花放电间隙GAP。如图3所示，接地电极30的前端部31的顶端面33具有向内弯曲的表面，换句话说，顶端面33沿中心电极20的前端部22的外周面23的形状向内弯曲，从而火花放电间隙GAP的尺寸(长度)不会因顶端面33上的位置不同而产生差异。
在第一实施方式中的具有上述结构的火花塞1中，如图2和图3所示，如上所述，在接地电极30的前端部31与中心电极20的前端部22的外周面23之间提供火花放电间隙GAP。在通常状态下，如图中的箭头S1所示，发生气中放电，即通过火花放电间隙GAP中的空气产生火花。另一方面，在火花塞1的熏烧状态等的情况下，如图中的箭头S2所示，发生在陶瓷绝缘体10的前端面11上并且沿着该前端面11出现的表面放电(沿面放电)，通过烧掉附着或沉积在前端面11上的碳来进行火花塞1的清洁。
这里，一旦发生表面放电，尽管火花出现并经过陶瓷绝缘体10的前端面11与轴向孔12的内周面之间的棱角部(第一棱角部)60，在第一实施方式中，在该棱角部60处形成微细或微小的凹部(或凹陷或凹坑)61。在陶瓷绝缘体10的制造过程中设置该微细的凹部61。更具体地，以如下方式形成微细的凹部61。在对设置有用于提供轴向孔12的销的弹性模具或橡胶模具中的陶瓷粉末(例如，氧化铝)进行加压成形后，对坯体进行切削和研磨处理以使其形状形成为陶瓷绝缘体10的外形。随后取出销，烧结坯体并接着进行釉烧处理，最终完成陶瓷绝缘体10。
在陶瓷绝缘体10的该制造过程中，例如，在将销取出以形成轴向孔12之后，从坯体的前端侧将具有微细的凸凹或粗糙度以提供微细的凹部的凹部成形销插入坯体中，从而提供微细的凹部。然而，形成微细的凹部的方法不限于此。对于形成轴向孔12的销，制备分成两个销的长度方向可分的销，该分成的两个销为用于形成与腿部13对应的部分的前端侧销，以及用于形成腿部13的后端侧的部分的后端侧销。在对如氧化铝等陶瓷粉末加压成形之后，分别沿后端方向和前端方向取出后端侧销和前端侧销。这里，例如，通过在取出前端侧销时提供微小或细微的振动，可以在陶瓷绝缘体10的棱角部60的区域中形成微细的凹部。
第一实施方式提供了凹部61的适当尺寸或尺寸限定(definition)，防止凹部61成为沟道效应的集中的基点或起点。
下面，参照图3至图5说明对陶瓷绝缘体10的限定。图4是图2中的虚线圆B所圈起的部分的放大剖视图。图5是沿轴线O从火花塞1的前侧观察的图2中的虚线圆B所圈起的部分的立体图。
如图3至图5所示，以轴线O为圆心的第一假想圆Q1被定义为通过陶瓷绝缘体10的前端面11与轴向孔12的内周面之间的棱角部60中形成的凹部61当中的凹部61的距轴线O的径向距离最大的部分的圆。同样，以轴线O为圆心的第二假想圆Q2被定义为通过凹部61当中的凹部61的距轴线O的径向距离最小的部分的圆。然而，对于凹部61中的凹部61的最大的部分和最小的部分，沿轴线O方向距陶瓷绝缘体10的前端面11的深度达到0.1mm的区域即为作为凹部61的对象。当将第一假想圆Q1和第二假想圆Q2各自的直径表示为D1和D2时，第一假想圆Q1的直径D1和第二假想圆Q2的直径D2之差X表示为(D1-D2)。第一实施方式确定的该直径差X为0.08mm以下。
如果凹部61中有直径差X大于0.08mm的部分，则一旦发生表面放电，在陶瓷绝缘体10的前端面11上并沿该前端面11发出且飞到(或抛到)中心电极20的外周面23的火花的路径倾向于会聚或聚集在经过直径差X大于0.08mm的部分的路径中。因此，存在该路径上的陶瓷绝缘体10的表面将由于火花放电而被切断或剃去(或削掉)的危险，也就是，所谓的沟道效应在某部位集中地发生。此外，如果陶瓷绝缘体10的表面上的某部位被该沟道效应的集中而被削得很深，则可能以所述某部位作为基点或起点沿陶瓷绝缘体10的晶体结构的晶界出现阻挡片。然而，当将直径差X设为0.08mm以下时，可以抑制表面放电发生时火花的路径在某部位上的会聚，并且能够抑制沟道效应集中的发生。
除了以上限定，第一实施方式确定直径差X为0.004mm以上。如果凹部61中存在直径差X小于0.004mm的部分，则凹部61的在该部分中的尺寸极小，棱角部60的棱角仍如其本来地残留。热量趋于聚集到该棱角。当该棱角的温度局部变高时，在该高温区发生热蚀(thermal etching)。这可能导致陶瓷绝缘体10的晶体结构的晶界分解，导致沟道效应以该分解区域为起点集中。因此，需要直径差X为0.004mm以上。
[第二实施方式] 接着，将参照图6至图9说明火花塞的第二实施方式。图6是根据第二实施方式的火花塞101的火花放电间隙GAP附近区域的放大剖视图。图7是从火花塞101的前端侧观察的图6中的虚线圆J所圈起的部分的立体图。图8是图6中的虚线圆K所圈起的部分的放大剖视图。图9是从火花塞101的前侧沿轴线O方向观察的图6中的虚线圆K所圈起的部分的立体图。
如图6所示，第二实施方式中的火花塞101具有倒角面(chamfer surface)162，通过对陶瓷绝缘体110的前端面111与轴向孔112的内周面之间的棱角部(第一棱角部)进行倒角来形成该倒角面162。此外，如图7所示，与第一实施方式相同，在倒角面162与前端面111之间的棱角部(第二棱角部)160处设置有微细的凹部161。火花塞101的其它部分和结构与第一实施方式的火花塞1的对应部分和结构相同，因此这里省略对它们的说明。
在具有上述结构的火花塞101中，第二实施方式的重点仍在于凹部161，以及通过对凹部161的尺寸进行限定，防止凹部161成为沟道效应集中的起点。
如图7至9所示，以轴线O为圆心的第三假想圆Q3被定义为经过陶瓷绝缘体110的前端面111与倒角面162之间的棱角部160中形成的凹部161当中的凹部161的距轴线O的径向距离最大的部分的圆。同样，以轴线O为圆心的第四假想圆Q4被定义为经过凹部161当中的凹部161的距轴线O的径向距离最小的部分的圆。当将第三假想圆Q3和第四假想圆Q4各自的直径表示为D3和D4时，第三假想圆Q3的直径D3与第四假想圆Q4的直径D4之差Y表示为(D3-D4)。与第一实施方式相同，第二实施方式确定该直径差Y为0.004mm～0.08mm。
如果凹部161中有直径差Y大于0.08mm的部分，则在发生表面放电时火花放电的路径倾向于会聚。因此，存在由于沟道效应的集中该路径上的陶瓷绝缘体110的表面将被切断或剃去(或削掉)的危险。此外，如果陶瓷绝缘体110表面上的某部位由于该沟道效应的集中而被削得很深，则可能以所述某部位为基点或起点沿陶瓷绝缘体110的晶体结构的晶界出现阻挡片。此外，如果凹部161中有直径差Y小于0.004mm的部分，则在该部分趋于发生局部热蚀。这可能导致陶瓷绝缘体110的晶体结构的晶界分解，导致以该分解区域为起点的沟道效应集中。
如上所述，在第一和第二实施方式的火花塞1、101中，提供涉及陶瓷绝缘体10、110的棱角部60、160中形成的凹部61、161的尺寸的限定。另外，为了通过防止由沟道效应产生的切削来获得更好的效果，第一和第二实施方式还提供涉及陶瓷绝缘体10、110的材料和尺寸的限定。更具体地，第一和第二实施方式确定作为陶瓷绝缘体10、110的材料，每个陶瓷绝缘体10、110包含总质量占0.02～0.30质量％的从TiO2、Fe2O3、ZrO2中选出的至少一种氧化物。由于这些氧化物有导电性，所以在将少量的这些氧化物作为陶瓷绝缘体10、110的材料混入每个陶瓷绝缘体10、110时，陶瓷绝缘体10、110的表面的电阻减小，可以想像，即使在陶瓷绝缘体10、110的表面上发生表面放电，该混合有氧化物的陶瓷绝缘体也具有减少火花对陶瓷绝缘体10、110的损害的作用。因此，通过将少量的氧化物混入陶瓷绝缘体中，能够抑制由火花放电引起的对陶瓷绝缘体10、110的表面的切削，从而能够抑制沟道效应集中的发生。
为了有效地抑制由火花放电引起的对陶瓷绝缘体10、110的表面的切削，根据后面提到的实验2，期望陶瓷绝缘体包含总质量占0.02质量％以上的从TiO2、Fe2O3、ZrO2中选出的至少一种氧化物。然而，这意味着将导电材料混入陶瓷绝缘体10、110，从而稍稍降低或劣化陶瓷绝缘体10、110的耐电压性能(withstand voltage performance)。根据后面提到的实验2，当陶瓷绝缘体包含总含量占0.30质量％以下的从TiO2、Fe2O3、ZrO2中选出的至少一种氧化物时，能够确保陶瓷绝缘体10、110所需的充分的耐电压性能。
此外，为了在含有导电氧化物的这些陶瓷绝缘体10、110中获得更充分的耐电压性能，期望陶瓷绝缘体10、110的前端部的厚度T为0.8mm以上。这里，该厚度T指的是沿轴线O方向距陶瓷绝缘体10、110的前端面11、111为0.8mm～2mm的范围内的径向最小厚度。如果厚度T小于0.8mm，则不能获得充分的耐电压性能，陶瓷绝缘体10、110有产生贯通破坏(或绝缘穿透)的危险。
此外，第一和第二实施方式确定陶瓷绝缘体10、110的材料中含有的B2O3为0.14质量％以下。已知，当陶瓷绝缘体10、110中含有B2O3时，陶瓷绝缘体10、110的熔点降低。如果熔点降低，则导致陶瓷绝缘体10、110的晶体结构的晶界分解(消耗或损耗)。因此B2O3的含量越少越好。然而，根据以下的实验3，会发现即使在B2O3混入陶瓷绝缘体10、110时，当B2O3的含量为0.14质量％以下时，由沟道效应和/或沿陶瓷绝缘体10、110的晶体结构的晶界的阻挡片引起的切削陶瓷绝缘体10、110的影响也充分的小。
此外，如前文所述，第一和第二实施方式的火花塞1、101为通常被称为长型且具有长的螺纹长度的小型火花塞。更具体地，螺纹的长度为25mm以上，并且，金属壳50具有小直径，也就是，火花塞安装部52的公称直径为M12以下(例如，M10以下)。
螺纹的长度越长，金属壳50的整个长度越长，从而使由金属壳50保持的陶瓷绝缘体10、110的长度也越长。这里，存在以下情况在制造过程中，由于由陶瓷粉末加压成形的坯体的加压密度(press-density)不均一以及在加压成形后的切削处理中切削销的不期望的弯曲，而偏心地形成陶瓷绝缘体10、110。当对偏心形成的陶瓷绝缘体10、110的坯体进行烧结时，在陶瓷绝缘体10、110中可能产生轻微的弯曲部分。此外，陶瓷绝缘体10、110的整个长度越长，弯曲部分的相对尺寸也越大。因此，在螺纹的长度长的情况下，存在陶瓷绝缘体10、110的前端部将从火花塞1、101的轴线O移位或偏移的危险。在设置有这种具有弯曲部分的陶瓷绝缘体10、110的火花塞1、101中，存在以下情况在两个接地电极30中的一个接地电极30和中心电极20之间出现的表面放电(沿面放电)的方向与第一和第二实施方式中的陶瓷绝缘体10、110的弯曲部分(弯曲)的方向一致。在这种情况下，仅在该接地电极30处集中地发生火花放电，这可能引起沟道效应的发生。因此，如上所述，即使火花放电集中，也能通过设置对直径差X、直径差Y、厚度T及陶瓷绝缘体中包含的材料等的限定来提供抑制沟道效应的发生的效果。当使用螺纹长度为25mm以上的金属壳50并且将该金属壳50应用于具有整个长度趋于较长的陶瓷绝缘体10、110的火花塞1、101时，能够得到很好的效果。
此外，在设计金属壳50的火花塞安装部52的公称直径为M10从而能够增加发动机设计的自由度的小直径火花塞1、101时，由于外径和内径的限制，陶瓷绝缘体10、110的前端部的径向厚度必然变薄。陶瓷绝缘体10、110的厚度越薄，厚度的轻微差异对绝缘性能的维持影响越大。因而，在陶瓷绝缘体10、110的前端部出现阻挡片的情况下，火花塞的直径越小，对绝缘性能的维持的影响越大。因此，如上所述，对直径差X、直径差Y、厚度T及陶瓷绝缘体中包含的材料等的限定的设置提供了确保陶瓷绝缘体10、110的绝缘性能的效果。当使用火花塞安装部52的公称直径为M12以下的火花塞1、101时，能够获得很好的效果。此外，当在第一和第二实施方式的火花塞1、101中火花塞安装部52的公称直径为M10以下时，能够获得更好的效果。
不用说，可以对本发明进行变型。在第一和第二实施方式中，采用所谓的间歇放电型火花塞作为火花塞1、101；接地电极30的前端部31朝中心电极20的外周面23弯曲。间歇放电型火花塞是在通常状态下在接地电极30与中心电极20之间发生气中放电，而在熏烧状态下在陶瓷绝缘体10、110的前端面11、111上且沿该前端面11、111发生表面放电的火花塞(所谓半沿面(semi-creeping)型火花塞)。
此外，例如，本发明可以应用于所谓的沿面放电或表面放电型火花塞，例如图10所示的火花塞201，其中，在接地电极230的前端部231与中心电极220的前端部222的外周面223之间的火花放电间隙GAP中，总是发生箭头S3表示的气中放电和箭头S4表示的表面放电(沿面放电)二者。从图10中可以看出，火花塞201具有如下结构，在该结构中，陶瓷绝缘体210的前端面211位于或介于接地电极230的前端部231与中心电极220的外周面223之间，此外，如此调整或微调火花放电间隙GAP的尺寸或间隙距离，使得能够以低于直接产生气中放电的电压的电压在接地电极230的前端部231与中心电极220的外周面223之间产生箭头S3表示的气中放电和箭头S4表示的表面放电。
此外，本发明还可以应用于所谓的混合型火花塞，例如图11中所示的火花塞301，该火花塞301具有两种接地电极，即主接地电极335和副接地电极330，该主接地电极335的前端部336沿轴线O方向延伸到并定位在中心电极320的前端部322的前端面324的前端侧，副接地电极330与上述实施方式中的接地电极30相同。更具体地，从图11中可以看出，火花塞301具有如下结构，在该结构中，如此调整或微调火花放电间隙GAP1、GAP2的尺寸或间隙距离，使得能够在通常状态下在中心电极320的前端部322的前端面324与主接地电极335的前端部336之间产生如箭头S5表示的气中放电，并且在熏烧状态下在中心电极320的前端部322的外周面323与副接地电极330的前端部331之间通过陶瓷绝缘体310的前端面311产生如箭头S6表示的表面放电和气中放电。
尽管本发明可以被应用于典型或普通的火花塞，但是，当本发明用于基于表面放电发生的前提设计的如火花塞1、101、201和301等火花塞时，能够有效地抑制由沟道效应引起的对陶瓷绝缘体的切削，这实现了长寿命化。
接着，下面将说明评价实验。为了验证对例如在陶瓷绝缘体10、110的棱角部60、160处形成的凹部61、161的尺寸、陶瓷绝缘体10、110的材料和厚度T的限定所达到的效果，而进行评价实验。
[实验1] 进行有关陶瓷绝缘体的棱角部处形成的凹部的尺寸的评价。在本实验中，首先，制作用于单极(一个接地电极)半沿面火花塞的多个陶瓷绝缘体样品。至于陶瓷绝缘体的材料，其与后面提到的实验2中的样品29的组成相同(参见表2)。此外，制造陶瓷绝缘体使得陶瓷绝缘体的前端部的厚度T为0.92mm。
接着，通过CT扫描确定每个样品中形成的凹部的三维形状，为每个样品定义穿过凹部的径向距离最大的部分的第一假想圆Q1和穿过凹部的径向距离最小的部分的第二假想圆Q2。这里，当设定凹部的最大部分与最小部分时，在各凹部中，沿轴线O方向距陶瓷绝缘体的前端面的深度达到0.1mm的区域是作为凹部的对象。接着，为每个样品确定第一假想圆Q1的直径D1和第二假想圆Q2的直径D2，计算出直径差X。此外，从多个样品中抽出或选出十种样品，该十种样品中的每一种样品均具有在0.001mm～0.16mm范围内的不同的直径差X，并根据直径差X的大小顺序将该十种样品编号为1至10。
在利用这些制备好的陶瓷绝缘体样品1～10完成单极半沿面火花塞之后，每个火花塞均被安装到试验发动机中(活塞排量(piston displacement)0.66L，直列3缸发动机、双凸轮轴(DOHC)，4阀门，直接喷射涡轮增压发动机
在燃烧室中，陶瓷绝缘体的前端面从燃烧室的内壁面突出9mm。接着，在以40km/h的固定2档速度供应A/F14.4的空气燃料混合物的条件下进行12小时的运行试验。在运行试验之后，通过CT扫描确定每个样品的由沟道效应切削的陶瓷绝缘体的前端面上的一部分的三维形状，测试每个样品的最深切削部分的深度。本评价实验的结果表示在表1中。
[表1] 如表1所示，证明了在直径差X为0.01以上的样品4～10中，随着直径差X的增大，由于沟道效应产生的最深切削部分的深度变深。此外，在直径差X大于0.08mm的样品9、10中，由沟道效应切削的部分的深度为0.32mm以上。依据经验可知，当由沟道效应切削的部分的深度超过0.3mm时，趋于出现阻挡片。因而，为了防止该问题，直径差X应当为0.08mm以下。
另一方面，在每个直径差X均小于0.01mm的样品1～3中，证明了随着直径差X的变小，由沟道效应产生的最深切削部分的深度变深。这是由于以下机理。由于凹部尺寸很小，热量集中在陶瓷绝缘体的前端面与陶瓷绝缘体的轴向孔的内周面之间的棱角部，从而发生热蚀。此外，热蚀引起陶瓷绝缘体的晶体结构的晶界分解，导致以该分解区域作为起点的沟道效应的集中。由该机理导致样品1～3的深度走势。
这里，在直径差X(直径差X0.001mm)最小的样品1中，由沟道效应产生的最深的切削部分的深度小于0.3mm，如上所述，这与阻挡片的产生有关。然而，当注意到样品3、2的沟道效应深度变化和样品2、1的沟道效应深度变化时，可以发现在直径差X从0.004mm变到0.001mm的情况(即，从样品2到样品1)下沟道效应深度的增加程度比在直径差X从0.009mm变到0.004mm的情况(即，从样品3到样品2)下沟道效应深度的增加程度大。因此，如果直径差X小于0.004mm，则沟道效应深度趋于增加。因此，当直径差X为0.004mm以上时，防止沟道效应集中的确定性变大，直径差X优选为0.004mm以上。
[实验2] 接着，进行有关陶瓷绝缘体的材料的氧化物含量的评价。在本评价实验中，通过以表2所示的质量比测量每一成分的质量之后，将SiO2粉末、CaO粉末、MgO粉末、B2O3粉末和氧化物Z粉末与Al2O3粉末混合来制备十三种原料粉末。通过已知的方法，以与实验1相同的方式，利用这十三种原料粉末制造用于单极半沿面火花塞的多个陶瓷绝缘体样品。从表2中可以看出，氧化物Z是根据表2中的质量比混合了TiO2、Fe2O3和ZrO2的氧化物。而后，以与实验1同样的方式，通过CT扫描确定凹部的三维形状，为每个样品抽出作为凹部尺寸的直径差X为0.03mm的陶瓷绝缘体样本，根据每个样品的组成将其编号为21到33。
在利用这些制备好的陶瓷绝缘体样本21～33完成单极半沿面火花塞之后，每个火花塞均被安装到与实验1相同的试验发动机中，进行相同的运行试验。此外，通过CT扫描，测量每个样品的陶瓷绝缘体的前端面上的由沟道效应切削的部分中的最深切削部分的深度。
此外，利用以上十三种原料粉末，通过加压成形(加压力100MPa)和在与陶瓷绝缘体相同的烧结条件下烧结，制成直径φ为25mm、厚度为0.65mm的圆盘状试验件。根据每个试验件的组成给这些试验件以与陶瓷绝缘体样品相同的编号。为了进行耐电压试验，每个试验件都被夹在一对电极之间，通过氧化铝筒和密封玻璃固定。在耐电压试验中，在经由加热器加热到700℃的条件下对每个试验件施加高电压，测量绝缘穿透发生时的耐电压。结果表示在表2中。
[表2]
如表2所示，证明了随着氧化物Z的含量的增加，由沟道效应产生的最深切削部分的深度变浅。在每一个的氧化物Z的含量均小于0.02质量％的样品21～24中，由沟道效应切削的部分的深度超过0.30mm。从该结果中可以发现，为了防止阻挡片的产生，氧化物Z的含量，即从TiO2、Fe2O3和ZrO2中选出的至少一种氧化物的总含量应当为0.02质量％以上。
另一方面，证明了随着氧化物Z的含量的增加，陶瓷绝缘体的耐电压(相同成分的试验件的耐电压)变小。在每一个的氧化物Z含量均大于0.30质量％的样品32、33中，耐电压均低于25kV/mm。一般来说，在上述条件下制造的试验件中，如果耐电压低于25kV/mm，则在与试验件成分相同的陶瓷绝缘体中有发生贯通破坏的危险。鉴于该危险，发现，氧化物Z的含量，即从TiO2、Fe2O3和ZrO2中选出的至少一种氧化物的总含量应当为0.30质量％以下。
[实验3] 接着，进行有关作为陶瓷绝缘体的材料的B2O3含量的评价。在本评价实验中，也以与实验2的方式相同的方式，在以表3所示的质量比测量每一种原料的质量之后，通过将SiO2粉末、CaO粉末、MgO粉末、B2O3粉末和氧化物Z粉末与Al2O3粉末混合来制备三种原料粉末。而后利用三种原料粉末制造用于单极半沿面火花塞的多个陶瓷绝缘体样品，编号为41至43。此外，制造这些对应的试验件并且进行与实验2相同的评价实验。结果表示在表3中。在表3中，作为比较样品，还示出了实验2中已经得到的样品29的结果。
[表3]
如表3所示，证明了随着B2O3的含量的增加，由沟道效应产生的最深切削部分的深度变深，陶瓷绝缘体的耐电压(相同成分的试验件的耐电压)变小。在B2O3的含量最高(B2O3的含量0.19质量％)的样品43中，尽管耐电压大于25kV/mm，由沟道效应切削的部分的深度为0.32mm。根据该结果，关于B2O3的含量，可以发现B2O3的含量应当为0.14质量％以下。
[实验4] 接着，进行有关陶瓷绝缘体的厚度T与耐电压特性的关系的评价。使用与实验2的样品29(参见表2)相同的成分形成的陶瓷绝缘体材料，以与实验2的方式相同的方式，通过加压成形(加压力100MPa)并在与陶瓷绝缘体相同的烧结条件下烧结，制造直径φ为25mm、厚度T为0.50mm～0.92mm的四种不同的圆盘状试验件(样品编号51～54)。而后，每个试验件均被夹在一对电极之间，通过氧化铝筒和密封玻璃固定。在700℃的加热条件下，对每个试验件施加35kV的高电压，进行是否发生绝缘穿透的评价。结果表示在表4中。
[表4] 如表4所示，在厚度T为0.65mm以下的样品51、52中发生绝缘穿透的同时，在厚度T为0.80mm以上的样品53、54中未发生绝缘穿透。根据该结果，为了使陶瓷绝缘体具有充分的耐电压，发现陶瓷绝缘体的厚度T应当为0.80mm以上。
如上所述，本发明具有以下效果。
在本发明的火花塞中，在陶瓷绝缘体的第一棱角部中形成的凹部中，经过凹部的距轴线的径向距离最大的部分的第一假想圆的直径与经过凹部的距轴线的径向距离最小的部分的第二假想圆的直径之间的直径差X被设定为0.08mm以下。在形成直径差X大于0.08mm的凹部的情况下，在发生沿陶瓷绝缘体的前端面出现的表面放电时，火花的路径将倾向于会聚或聚集在穿过所述凹部的路径中。因此，存在陶瓷绝缘体的表面由于火花而被切断或剃去(或削掉)的危险，也就是，存在所谓的沟道效应在某部位集中地发生的危险。此外，例如，如果陶瓷绝缘体表面上的某部位由该沟道效应的集中而被切削得很深，则可能以该某部位为起点沿陶瓷绝缘体的晶体结构的晶界出现阻挡片。当将直径差X设定为0.08mm以下时，可以在发生表面放电时抑制火花路径会聚到所述某部位，并且能够抑制沟道效应集中的发生。
在本发明中，直径差X被设定为0.004mm以上。如果凹部中有直径差X小于0.004mm的部分，该凹部在该部分的尺寸变得极小，棱角部的棱角仍如其本来地残留。热量趋于聚集到该棱角。此外，当该棱角的温度局部变高时，在该高温区发生热蚀。这可能引起陶瓷绝缘体的晶体结构的晶界分解，导致沟道效应以该分解区域作为起点而集中。当直径差X为0.004mm以上时，能够有效地抑制由热量聚集引起的沟道效应集中的发生。
在本发明中，即使第一棱角部被倒角，在陶瓷绝缘体的第二棱角部中形成的凹部当中，经过凹部的距轴线的径向距离最大的部分的第三假想圆的直径与经过凹部的距轴线的径向距离最小的部分的第四假想圆的直径之间的直径差Y被设定为0.08mm以下。在形成直径差Y大于0.08mm的凹部的情况下，在发生沿陶瓷绝缘体的前端面出现的表面放电时，火花路径倾向于会聚或聚集在穿过所述凹部的路径中。因此，存在陶瓷绝缘体的表面由于火花而被切断或剃去(或削掉)的危险，也就是，存在所谓的沟道效应将在某部位集中地发生的危险。此外，例如，如果陶瓷绝缘体表面上的某部位由该沟道效应的集中而被切削得很深，则可能以该某部位为起点沿陶瓷绝缘体的晶体结构的晶界出现阻挡片。当将直径差Y设定为0.08mm以下时，可以在发生表面放电时抑制火花路径在该某部位的会聚，并且能够抑制沟道效应集中的发生。
在本发明中，直径差Y被设定为0.004mm以上。如果凹部中存在直径差Y小于0.004mm的部分，凹部的该部分的尺寸变得极小，棱角部的棱角仍如其本来地残留。热量趋于聚集在该棱角。此外，当该棱角的温度局部变高时，在该高温区发生热蚀。这可能引起陶瓷绝缘体的晶体结构的晶界分解，导致沟道效应以该分解区域为起点而集中。当直径差Y为0.004mm以上时，能够有效地抑制由热量聚集引起的沟道效应集中的发生。
在本发明中，期望陶瓷绝缘体含有总质量占0.02～0.30质量％的从TiO2、Fe2O3和ZrO2中选出的至少一种氧化物。由于这些氧化物具有导电性，当将少量的这些氧化物作为陶瓷绝缘体的材料混入陶瓷绝缘体中时，陶瓷绝缘体的表面的电阻减小，可以想像，即使发生陶瓷绝缘体表面出现的表面放电，该混合有氧化物的陶瓷绝缘体也具有减少火花对陶瓷绝缘体的损害的效果。因此，通过将少量的氧化物混入陶瓷绝缘体中，能够抑制由火花放电引起的对陶瓷绝缘体表面的切削，并且能够抑制沟道效应集中的发生。在这些氧化物的含量小于0.02质量％的情况下，不能充分地获得减小火花对陶瓷绝缘体的损害的效果。另外，这意味着将导电材料与陶瓷绝缘体混合，从而使陶瓷绝缘体的耐电压性能稍稍下降或劣化。如果该氧化物的含量大于0.30质量％，陶瓷绝缘体的耐电压性能下降，存在陶瓷绝缘体发生贯通破坏的危险。
在本发明中，为了确保由于混合了氧化物而降低的陶瓷绝缘体的耐电压性能，期望陶瓷绝缘体的前端部的厚度T应当为0.8mm以上。利用该厚度，能保证陶瓷绝缘体的耐电压性能。
在本发明中，期望B2O3的含量为0.14质量％以下。因为B2O3降低了氧化铝基陶瓷绝缘体的熔点，所以为了防止陶瓷绝缘体的晶体结构的晶界分解(损耗)，B2O3的含量越小越好。利用该B2O3含量，能够获得抑制沟道效应和/或沿陶瓷绝缘体的晶体结构的晶界的阻挡片的产生的效果。
2008年6月12日申请的第2008-154659号日本专利申请的全部内容通过引用包含于此。
虽然已参照本发明的某些实施方式对本发明进行了如上说明，但是，本发明不限于上述实施方式。根据上述示教，本技术领域的技术人员会对上述实施方式进行变型和改变。参考所附的权利要求书限定本发明的范围。
权利要求
1.一种火花塞，其产生包括沿面放电的火花放电，所述火花塞包括
中心电极；
陶瓷绝缘体，该陶瓷绝缘体具有轴向孔，该轴向孔沿轴线方向形成在所述陶瓷绝缘体的轴心，以将所述中心电极支撑在所述轴向孔中，所述中心电极的前端部从所述陶瓷绝缘体的前端面突出，所述陶瓷绝缘体在所述陶瓷绝缘体的所述前端面与所述轴向孔的内周面之间的第一棱角部处设置有凹部；
金属壳，该金属壳具有火花塞安装部，该火花塞安装部设置有用于安装到内燃机的螺纹，并且该金属壳以由该金属壳覆盖所述陶瓷绝缘体的外周的状态保持所述陶瓷绝缘体；以及
接地电极，该接地电极的一个端部与所述金属壳固定连接，该接地电极的另一个端部与所述中心电极的所述前端部的外周面间隔地定位，以在所述中心电极的所述前端部的所述外周面与所述接地电极的所述另一个端部之间限定火花放电间隙，所述火花放电包括在所述火花放电间隙中发生的沿所述陶瓷绝缘体的所述前端面出现的所述沿面放电，
当在所述凹部当中，将以所述轴线为圆心的第一假想圆定义为经过所述凹部的距所述轴线的径向距离最大的部分的圆，并且将以所述轴线为圆心的第二假想圆定义为经过所述凹部的距所述轴线的径向距离最小的部分的圆，且进一步将所述第一假想圆和所述第二假想圆的直径的差表示为直径差X时，所述直径差X为0.08mm以下。
2.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，
所述第一假想圆与所述第二假想圆的直径的所述直径差X为0.004mm以上。
3.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，
所述陶瓷绝缘体包含总质量占0.02～0.30质量％的从TiO2、Fe2O3和ZrO2中选出的至少一种氧化物。
4.根据权利要求3所述的火花塞，其特征在于，
当将所述陶瓷绝缘体的前端部沿径向的厚度表示为厚度T时，所述厚度T为0.8mm以上。
5.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，
所述陶瓷绝缘体含有B2O3，并且B2O3的含量为0.14质量％以下。
6.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述火花塞安装部的公称直径为M12以下。
7.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述火花塞安装部的公称直径为M10以下。
8.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，设置在所述火花塞安装部上的两个螺纹形成起始位置之间的沿轴线方向的长度为25mm以上。
9.一种火花塞，其产生包括沿面放电的火花放电，所述火花塞包括
中心电极；
陶瓷绝缘体，该陶瓷绝缘体具有轴向孔，该轴向孔沿轴线方向形成在所述陶瓷绝缘体的轴心，以将所述中心电极支撑在所述轴向孔中，所述中心电极的前端部从所述陶瓷绝缘体的前端面突出，所述陶瓷绝缘体具有倒角面，通过对所述陶瓷绝缘体的所述前端面与所述轴向孔的内周面之间的第一棱角部进行倒角来形成所述倒角面，所述倒角面在所述倒角面和所述前端面之间的第二棱角部处设置有凹部；
金属壳，该金属壳具有火花塞安装部，该火花塞安装部设置有用于安装到内燃机的螺纹，并且该金属壳以由该金属壳覆盖所述陶瓷绝缘体的外周的状态保持所述陶瓷绝缘体；以及
接地电极，该接地电极的一个端部与所述金属壳固定连接，该接地电极的另一个端部与所述中心电极的所述前端部的外周面间隔地定位，以在所述中心电极的所述前端部的所述外周面与所述接地电极的所述另一个端部之间限定火花放电间隙，所述火花放电包括在所述火花放电间隙中发生的沿所述陶瓷绝缘体的所述前端面出现的所述沿面放电，
当在所述凹部当中，将以所述轴线为圆心的第三假想圆定义为经过所述凹部的距所述轴线的径向距离最大的部分的圆，并且将以所述轴线为圆心的第四假想圆定义为经过所述凹部的距所述轴线的径向距离最小的部分的圆，且进一步将所述第三假想圆和所述第四假想圆的直径的差表示为直径差Y时，所述直径差Y为0.08mm以下。
10.根据权利要求9所述的火花塞，其特征在于，
所述第三假想圆与所述第四假想圆的直径的所述直径差Y为0.004mm以上。
11.根据权利要求9所述的火花塞，其特征在于，
所述陶瓷绝缘体包含总质量占0.02～0.30质量％的从TiO2、Fe2O3和ZrO2中选出的至少一种氧化物。
12.根据权利要求11所述的火花塞，其特征在于，
当将所述陶瓷绝缘体的前端部沿径向的厚度表示为厚度T时，所述厚度T为0.8mm以上。
13.根据权利要求9所述的火花塞，其特征在于，
所述陶瓷绝缘体含有B2O3，并且B2O3的含量为0.14质量％以下。
14.根据权利要求9所述的火花塞，其特征在于，所述火花塞安装部的公称直径为M12以下。
15.根据权利要求9所述的火花塞，其特征在于，所述火花塞安装部的公称直径为M10以下。
16.根据权利要求9所述的火花塞，其特征在于，设置在所述火花塞安装部上的两个螺纹形成起始位置之间的沿轴线方向的长度为25mm以上。
全文摘要
一种火花塞，具有中心电极；陶瓷绝缘体，其具有轴向孔以将中心电极支撑在轴向孔中；保持陶瓷绝缘体的金属壳；以及接地电极，该接地电极的一个端部与金属壳固定连接，该接地电极的另一个端部与中心电极的前端部的外周面间隔开，以在所述另一个端部和所述外周面之间限定火花放电间隙。陶瓷绝缘体在陶瓷绝缘体的前端面与轴向孔的内周面之间的棱角部处设置有凹部。当将以轴线为圆心的第一假想圆和第二假想圆分别定义为经过凹部的距轴线的径向距离最大和最小的部分的圆时，第一假想圆和第二假想圆的直径差为0.08mm以下。
文档编号H01T13/20GK101604820SQ20091020375
公开日2009年12月16日 申请日期2009年6月12日 优先权日2008年6月12日
发明者布目健二 申请人:日本特殊陶业株式会社