JP4309592B2 - 点火プラグに使用されるコンタクトグラス配合物 - Google Patents

Description

【０００１】
（背景技術）
１．本発明は一般に点火プラグに関し、特に抵抗型点火プラグに用いるコンタクトグラス組成物に関する。
【０００２】
２．議論
全ての内燃ガソリン機関は点火プラグを用いてシリンダー内の空気−燃料混合物を点火する火花を発生させる。点火プラグは三つの基本的構成要素、即ちシェルと、絶縁体と電極とでなる。抵抗型点火プラグは付加的な構成要素、抵抗器を有する。
【０００３】
図１において従来の抵抗型点火プラグ１０の断面図を示す。六角形上部１４と下方ネジ部１６を有するシェル１２は代表的にスチールのような金属材でなる。六角形上部１４は取付けトルクを付与するために用い、下方ネジ部１６は点火プラグ１０をシリンダーヘッドに好適にねじ込みさせる。
【０００４】
シェル１２は代表的に酸化アルミニウムのような耐火材またはセラミック材でなる絶縁体１８を外囲する。絶縁体は熱、冷気、化学的腐食、振動若しくは高電圧変化に耐え得るものにする必要がある。
【０００５】
中心孔２０が絶縁体１８の中心軸線に沿って長手方向に延びている。端子棒または栓２２が中心孔２０の上部に配置される。端子栓２２の頂部は点火プラグワイヤアセンブリの取付部として用いられる。
【０００６】
中央電極２４が中心孔２０の下部に配置される。中央電極２４、同様に点火プラグ１０の他の構成部材は点火コイルからの高圧電流を保持し、点火プラグ１０の他部からは絶縁体１８によって絶縁される。側極または接地極２６がシェル１２に取付られて内方に折り曲げられ、２極間に適宜の火花ギャップＧを形成する。充分な量の電圧が確立すると火花ギャップＧに火花が生じ、シリンダー内の空気−燃料混合物の点火に寄与する。現在の代表的な点火プラグは１６０，０００〜２４０，０００キロメートル（１００，０００〜１５０，０００マイル）あるいはそれ以上の耐久性が期待されるから、電極は熱、酸化、侵食および腐食に耐える材料で構成する必要がある。点火プラグの電極形成に用いる代表的な材料は鉄、クロム、ニッケルおよび白金のような金属の合金を含む。
【０００７】
電極における火花は２段階で生じる。中央電極２４の電圧はギャップＧをイオン化するに充分な電圧まで急速に上昇し、点火プラグを赤化させる。これが第１段階として周知であり、一般に実質上、容量性である。第２段階は長く、第１段階直後に続く。第２段階では点火コイル内に残る残留電圧で生じ、一般に実質上誘導性である。
【０００８】
燃焼過程は第１段階の間に生じる。第２段階はラジオ若しくはテレビジョン通信機器と他の電子装置への不都合な電磁的干渉を起こす。第２段階を短縮するには、約５，０００〜１０，０００オームの抑制器あるいは抵抗器を用いることが次第に増大し点火プラグ製造者に共通する事項になっている。抵抗器２８は代表的に端子棒２２と中央電極２４との間に配置され、絶縁体１８で外囲する。加えて導電性のコンタクトグラス３０および３２の２つの領域が代表的に抵抗器２８の両側に配置され、抵抗器２８との上側界面３４と下側界面３６を区画する。抵抗器２８と導電性コンタクトグラス３０および３２の２領域とは一般に抵抗体と言われている。抵抗器２８の一端に導電性コンタクトグラス３２が中央電極２４に接触せしめられ、抵抗器２８の他端には他方の導電性コンタクトグラス３０が端子棒２２と接触せしめられる。抵抗器２８は充填、突固め若しくは圧力シール法、あるいは予備成形した抵抗器カートリッジを用いる圧力シール法のいずれかによって絶縁体１８内に配置される。
【０００９】
抵抗器の化学的組成は極めて多様である。例えば抵抗器は主としてカーボンを基礎とする材料と一種またはそれ以上のガラスの混合物で抵抗器ガラスと言われるものとなる。これらのカーボンを基礎とする抵抗器は一般にカーボン抵抗器と呼ばれる。ＥＳ−５３３Ｓで表わされるカーボン抵抗器がアライド・シグナル・インコーポレーテッド（ニュージャージー州モーリスタウン）製の登録商標ＡＵＴＯＬＩＴＥとして市販されている点火プラグに使用される。これらのカーボン抵抗器は主として熱炭素、ランプブラック炭素、ジルコニア（代表的には粉状）、ムル石（代表的には粉状）と硼珪酸塩ガラス（代表的には粉状）の混合物でなる。
【００１０】
抵抗器と同様にコンタクトグラスの化学的組成も極めて多様である。例えばＥＳ−５３４表示のコンタクトグラス組成物がアライド・シグナル・インコーポレイテッド（ニュージャージー州モーリスタウン）製で登録商標ＡＵＴＯＬＩＴＥとして市販される点火プラグに使用されており、その組成は４０−４５重量％のニッケル（代表的にフレーク状）と、約４５−５０重量％の硼珪酸塩ガラス（代表的に粉状）と、約１０重量％のムル石（代表的に粉状）と、極めて少量の結合材（例えば約０．５重量％の登録商標ＶＥＥＧＵＭ名のティー“ＶＧＴ”）と、他の金属材料（例えば約０．３重量％の銅（代表的にフレーク状）とでなる。
【００１１】
圧力シーリング法では抵抗器ガラスとコンタクトグラスの混合物を約９８２．２℃（１８００°Ｆ）の温度で圧縮する。シーリング後ニッケルのフレークは圧縮された硼珪酸塩ガラスの粉粒の周囲に分布される稠密網織物状に緻密化され、中央電極・端子棒と抵抗器ガラスとの間の電流路を提供する。ニッケルのフレークの圧縮程度、界面とその近傍における導電材の接点数と性質若しくは界面の化学性と微細構造からいずれも抵抗器の耐久性と安定性に顕著な影響を与える。
【００１２】
車両への応用においては、ある種の抵抗器点火プラグ、特に炭素抵抗器を用いるものは抵抗器本体の低次化によって無機能化することが判明している。各種のものは５，０００オームの呼称値から１，０００，０００オームあるいはそれ以上まで抵抗値を増加することも判明している。要するに抵抗器あるいはその部分は絶縁体として機能し始める。これらの抵抗増加は抵抗器ガラスの本質的な融解の結果である。低次化は端子棒に最至接の抵抗器ガラスとコンタクトグラスとの間の界面における局部的なアークで始まる。局部的なアークは最終的にはコンタクトグラスとの界面に隣接する抵抗器ガラスの多量の融解に至る。他の点火プラグでは電極ギャップ間で不規則な電圧放電の発生が見られた。低次化もまた局部的アークでコンタクトグラスと抵抗器ガラスとの間の界面で始まった。局部的なアークはその後多数の開放溝を作り、抵抗器ガラス内における内部アーク路を提供する。
【００１３】
コンタクトグラスの組成は抵抗器の耐久性と安定性に大きな影響を与え得ると信じられる。コンタクトグラス組成物はコンタクトグラスと抵抗器ガラスの間の界面の物理的・化学的特性を変え得る。これは特に圧力シーリング法施行中に多量の材料が流れた、端子棒に最至接の入口における事実である。
【００１４】
従って耐久性と安定性を点火プラグの抵抗器に与える導電性コンタクトグラス組成物が必要とされている。
【００１５】
（発明の開示）
本発明の一実施形態によれば、抵抗型点火プラグ用のコンタクトグラス組成物は、（ａ）ニッケル、銅、鉄、亜鉛、チタン、銀およびその酸化物よりなる群から選ばれた少なくとも一種の導電材と、（ｂ）グラファイトと、（ｃ）シリコンの混合物とでなる。
【００１６】
本発明の実施形態によれば、抵抗型点火プラグ用のコンタクトグラス組成物は、（ａ）ニッケル、銅、鉄、亜鉛、チタン、銀およびその酸化物よりなる群から選ばれた少なくとも一種の導電材と、（ｂ）グラファイトと、（ｃ）シリコンと、（ｄ）硼珪酸塩ガラスと、（ｅ）硼酸バリウムガラスと、（ｆ）硼酸アルミニウム・マグネシウムと、（ｇ）ボールクレーと、（ｈ）アルミニウムとの混合物でなる。
【００１７】
本発明の更に他の実施形態によれば、端子棒と中央電極を有する抵抗型点火プラグ用の抵抗体は、（ａ）抵抗器と、（ｂ）抵抗器および端子棒に隣接する第１のコンタクトグラス組成物であって（ｉ）ニッケル、銅、鉄、亜鉛、チタン、銀およびその酸化物から選ばれた少なくとも一種の導電材、（ｉｉ）グラファイトおよび（ｉｉｉ）シリコンの混合物でなるものと、（ｃ）抵抗器および中央電極に隣接する第２のコンタクトグラス組成物であって、（ｉ）ニッケル、銅、鉄、亜鉛、チタン、銀およびその酸化物よりなる群から選ばれた少なくとも一種の導電材、（ｉｉ）グラファイトおよび（ｉｉｉ）シリコンの混合物でなるものとで形成される。
【００１８】
本発明の更に完全な作用とその範囲は、下記に簡単に説明する添付の図面と、後述の本発明の詳細な説明と、添付の請求範囲とを理解することによって得られる。
【００１９】
（発明を実施するための最良の形態）
従来の抵抗器型点火プラグに関連する問題を除去するため、本発明はコンタクトグラス配合物の化学的および物理的配合を変更して、特にコンタクトグラスと抵抗器との境界部での点火プラグ抵抗器に対し安定性および耐久性を与えるように構成される。
【００２０】
本発明の動作の特定理論に拘束されることなく、コンタクトグラス配合物のニッケルフレーク（即ち導電性金属）の一部をグラファイトないしはシリコン（共に好ましくは粉末状態、且つ共にある条件下では導電材料である）と交換することにより、コンタクトグラスおよび抵抗器間の境界部の物理的および化学的特性が大きく向上されると考えられる。ニッケルの他に、各種金属（例えば、銅、鉄、亜鉛、チタンおよび銀）および金属酸化物（例えば、二酸化チタンおよび酸化銅）もコンタクトグラス配合物の導電性材料として使用可能である。
【００２１】
本発明の各種コンタクトグラス配合物に使用されるニッケル、グラファイトおよびシリコン成分に関し、−２００メッシュニッケルフレークがノウバメット・スペシャリティー・プロダクツ（ニュージャージィー州ウイックオッフ）から得られた；−３００メッシュサイズのグラファイトフレークがアルファー・イーザー・ディビィジョン・オブ・ジョンソン・マシー（マサチュセッツ州ウオード・ヒル）から得られた；−３２５メッシュサイズの産業等級のグラファイト粉末がグラヒィツヴェルク・クロプフマール・アーゲー（ドイツ国ハウゼンベルグ）の販売代理店であるエスケイダブリュ・メタル・アンド・アロイ，インコーポレーテッド（ニューヨーク州ナイアガラホールス）から得られた；−３２５メッシュサイズ産業等級のグラファイト粉末がアシュバリー・グラヒット・ミルス，インコーポレイテッド（ニュージャージィー州アシュバリー）から得られた；−３００メッシュサイズの実験等級のシリコン粉末がアルファー・イーザー・ディビィジョン・オブ・ジョンソン・マシー（マサチュセッツ州ウオード・ヒル）から得られた；−２００メッシュサイズの産業等級のシリコン粉末がシムカラ（アラバマ州メムティー．メイグス）から得られた。
【００２２】
グラファイトのみを有する（即ちシリコンを有さない）、置換されたニッケルフレークを含むコンタクトグラス配合物についての最初の実験結果は、グラファイトにより抵抗器の耐久性が増加されるが、同時にテストが進行するに従い抵抗値は低速で連続的に減少されることを示した。例えばニッケルフレークに対し置換されたグラファイトを有するコンタクトグラスを含むある抵抗器の胴部は高い割合を占め、その抵抗は２４時間のテスト後、公称５０００オームから１５００〜２０００オームの範囲まで連続的に減少した。
【００２３】
グラファイトを有する効果と抵抗とを相殺するため、シリコンがコンタクトグラス配合物に対し加えられる。グラファイトと同様に、シリコンにより抵抗器の耐久性が向上された。一方テスト時間が増加するに応じシリコンは抵抗の連続的な増加と関連し、グラファイトによる抵抗の減少と連係動作する。
【００２４】
本発明の動作の特定理論に拘束されることなく、従来の代表的なコンタクトグラス配合物の主要ソフトフィラである硼珪酸塩グラス粉末を、より小さな粒径（メッシュ）の硼珪酸塩グラス粉末と置換することにより、材料の凝離が減少されると考えられる。−６０および−８０メッシュサイズの硼珪酸塩グラス粉末（即ちフェロ硼珪酸塩ガラス）はフェロ・コーポレーション（オハイオ州クリーブランド）から得られた。
【００２５】
研磨された断面の微細構造を調べた結果、従来の−４０メッシュの硼珪酸塩グラス粉末をより細かなメッシュサイズ（即ちより小さな粒径）の硼珪酸塩グラス粉末と置換すると、材料凝離が大幅に減少し、これにより境界部で凝離される大きな粒子が避けられることが判明した。本発明の一実施形態によれば、−６０メッシュの硼珪酸塩グラス粉末がコンタクトグラス配合物内のソフトフィラとして採用される。好ましくはコンタクトグラス配合物に使用される硼珪酸塩グラス粉末のメッシュサイズｈが４０より小さく、より好ましくは−４０〜−６０の範囲内に、更により好ましくは−６０より小さい。
【００２６】
本発明の動作の特定理論に拘束されることなく、従来の代表的な抵抗器のグラス配合物の主要ソフトフィラである硼珪酸塩グラス粉末をより小さな粒子（即ちメッシュ）のサイズの硼珪酸塩グラス粉末と置換すると、材料凝離が低減され得るものとされた。本発明の一実施形態によれば、−８０メッシュの硼珪酸塩グラス粉末が抵抗器のガラス配合物のソフトフィラとして採用される。
【００２７】
本発明の動作の特定理論に拘束されることなく、圧力密封温度で溶融可能なガラスである硝酸塩バリウムガラスを加えると、母材がコンタクトグラス配合物の細かな導電性粉末を保持するものとされる。−１４０メッシュサイズの硝酸塩バリウムガラス粉末（即ちフェロ硝酸塩バリウムガラス）がフェロ・コーポレーション（オハイオ州クリーブランド）から得られた。
【００２８】
最初の実験結果によれば、硝酸塩バリウムガラスを加えると、コンタクトグラス配合物内の細かな導電性粉末の結合度が向上され、また特にコンタクトグラスと抵抗器ガラスとの結合度が向上された。本発明のコンタクトグラス配合物が抵抗器カートリッジのプリフォーミングに使用されるとき、有用であるものと考えられる。一方硝酸塩バリウムガラスの量を約７重量％を超えて増加すると、パルスループの不規則性が増大するものと考えられることは理解されよう。
【００２９】
本発明の動作の特定理論に拘束されることなく、圧力密封工程中酸素を消費するアルミニウム（好ましくは粉末状態の）を加えると、コンタクトグラス配合物のニッケル、グラファイトおよびシリコン粉末の酸化物が減少するものとされる。−３２５メッシュサイズアルミニウム粉末はアルファー・イーザー・ディビィジョン・オブ・ジョンソン・マシー（マサチュセッツ州ウオード・ヒル）から得られた。
【００３０】
最初の実験結果によれば、細かなアルミニウム粉末を加えると抵抗器性能が向上したものと考えられる。研磨された断面の微細構造を観察することにより、突然のパルスループ故障の原因がアーク溶融により複数のアークチャンネルが開口されることによることが判明した。アークチャンネルは端子スタッドに最至近の境界部から他の境界部へ伝播した。アークチャンネルにより導電性通路の一部のみが中断されるので、抵抗は５０００オームから１０，０００〜２０，０００オームの範囲への比較的大きな増加が生じた。
【００３１】
追加成分もまた本発明のコンタクトグラス配合物に含ませることができる。この成分として以下のものが含まれるが、これに限定さえるものではない。即ち好ましくは、ケンタッキー−テネシー・クレイ・カンパニー（ケンタッキー州メイヒールド）から入手できる−１００メッシュドライのあるいは−３２５のスラリ状のクレイ、好ましくは−３２５メッシュ状でアール．ティー．バンダービルト・カンパニー（コネチカット州ノーウオーク）から入手できるＲＧＴ、および好ましくはケミシェ・ヴェルケ・ブロッケヒユエス・アーゲー（ドイツ国ヴァルフ）の販売代理店であるマルーン，インコーポレーテッド（オハイオー州ウエストレイク）から入手し得るカーボンブラック（例えばランプブラック）のような導電性コンダクタ・還元剤を使用する。本発明の利点の一は密封ガラスの性能に対し有害であるものとしたカーボンブラックのような成分（米国特許第５，５６５，７３０号参照）が悪影響を及ぼす、インパクトなしに密封ガラス配合物内に含ませることができる。
【００３２】
本発明の各種コンタクトグラス配合物を評価するため、５０００オームの、設計された抵抗値を有するカーボン抵抗器ガラスがテスト用として使用された。
【００３３】
異なる２個の抵抗器ガラス配合物、即ち標準のものと、ＲＲ−１、ＲＲ−２とで示される２個の別の配合物とが形成された。これらの３個の抵抗器ガラス配合物の大きな差異は標準およびＲＲ−１が従来の−４０メッシュの硼珪酸塩ガラスを含み、且つＲＲ−２が−８０メッシュの硼珪酸塩ガラスを含むことにあるだけである。３個のすべての配合物に使用される抵抗器スラリはサーマルカーボン、カーボンブラック、ジルコニア、水および結合剤からなる。標準および２個の別の抵抗器ガラスの混合サイズ、標準４００ポンド）、ＲＲ−１（５ポンド）およびＲＲ２（５ポンド）である。これに限定されるものではないが、標準および２個の別の抵抗器ガラスの配合（重量％で示される）を下表１に示す。
【００３４】
【表１】

【００３５】
次に各種のコンタクトグラス配合物のバッチが形成され、それぞれＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇの符号が付けられた。このコンタクトグラス配合物は次に標準５０００オームの抵抗器ガラスを有する従来の手段により密封されて抵抗器胴部が形成された。表１に開示される標準抵抗器ガラス配合物はこれらのコンタクトグラス配合物と関連して使用された。抵抗器胴部は数種類の絶縁体胴部を持て生産ラインで作成され、１７００°Ｆから１９００°Ｆの範囲を変化する温度で密封された。
【００３６】
各種のコンタクトグラス配合物の有効性を決定するため、抵抗器胴部は特注の５ＫＶ高エネルギ耐久性テスタにおいて逆極性でテストされた。抵抗器胴部の特性は０、２４、７２〜９６、１３６〜１４４のテスト時間の間隔で測定された。最初の低電圧抵抗値、高圧抵抗値および最終の低圧抵抗値はディジタルメータ（モデル１７８マルチメター，キースリー・インスツルメンツ，インコーポレーテッド，オハイオー州クリーブランド）を用いて測定された。オシロスコープ（モデルＲ５１０３，テクトロニクス，インコーポレーテッド（オレゴン州レッドモンドから入手））を用いて、パルスループの形態で観察され記録された。
【００３７】
高圧抵抗値（ＨＶＲ）を測定する際、５０，０００オームより大きな任意の値は故障として考えられた。各測定間隔で平均ＨＶＲが算出された。故障した抵抗器サンプルの割合および残りの抵抗器胴部の平均ＨＶＲも計算された。パルスループ形態を評価する際、ＨＶＲ値の決定を阻止する不安定なパルスループを示す抵抗器胴部も故障として考えられた。不安定なパルスループを示すサンプルの割合も記録された。標準配合物および各種コンタクトグラス配合物の混合サイズは、標準（４００ポンド）、Ａ（５ポンド）、Ｂ（５ポンド）、Ｃ（５ポンド）、Ｄ（５ポンド）、Ｅ（５ポンド）、Ｆ（５ポンド）、Ｇ（１２５ポンド）である。これには限定されるものではないが、標準および各種コンタクトグラスの配合（重量％で示す）は以下の表２に示される。
【００３８】
【表２】

【００３９】
特に本発明のコンタクトグラス配合物内に２９重量％より多量のニッケルが使用できることは理解されよう。
【００４０】
表２のコンタクトグラス配合物を用いての標準コンタクトグラス配合物に対する抵抗器主部の抵抗性能データが以下の表３に示される。
【００４１】
【表３】

【００４２】
コンタクトグラス配合物に使用されるニッケル、グラファイトおよびシリコン粉末の適正の比を選択することにより、耐久性および信頼性に関し現在生産抵抗器より大幅に改良された抵抗器主部を製造可能であることを理解することは本発明を理解する上で重要である。十分量のニッケルを用いることによりグラファイトおよびシリコンの粉末の効果が相殺され安定した抵抗器胴部が製造され得る。
【００４３】
ＲＲ−１およびＲＲ−２抵抗器ガラス配合物の有効性を決定するため、これらの別の抵抗器ガラス配合物を含む複数の抵抗器胴部が組立てられ、５ＫＶ高エネルギ耐久性テスタを用いて逆極性でテストされた。抵抗器胴部の特性は０、２４、７２−９６、１３６−１４４のテスト時間の間隔で測定された。最初の低電圧抵抗値、高電圧抵抗値、および最終の低電圧抵抗値がディジタルメータ若しくは５ＫＶパルステスタを用いて測定された。パルスループの形態はオシロスコープを用いて観察され記録された。
【００４４】
高電圧抵抗（ＨＶＲ）を測定する際、５０，０００オームより大きな任意の抵抗値は故障と考えられた。各測定間隔において平均ＨＶＲが計算された。故障した抵抗器サンプルの割合および残りの抵抗器主部の平均ＨＶＲも計算された。パルスループ形状を評価する際、ＨＶＲ値の決定を妨げる不安定なパルスループを示す抵抗器主部も故障として考えられた。不安定なパルスループを示すサンプルの割合も記録された。以下の抵抗器ガラス・コンタクトグラスの組み合わせ、ＲＲ−１・Ｃ，ＲＲ−２・Ｃ，ＲＲ−２・Ｄ，ＲＲ−２・Ｇもテストされた。ＲＲ−１およびＲＲ−２の配合は表１に開示したものであった。Ｃ、Ｄ、Ｇの配合は表２に開示したものであった。上述した抵抗器ガラス・コンタクトグラスの組み合わせを用いた抵抗器胴部の抵抗性能が下の表４に示される。
【００４５】
【表４】

【００４６】
表４の抵抗性能データは−４０より小さなメッシュサイズを有する硼珪酸塩グラス粉末を含む抵抗器ガラス配合物を使用する利点を示している。好ましくは抵抗器ガラス配合物に使用される硼珪酸塩グラス粉末のメッシュサイズは−４０より小さく、より好ましくは−４０〜−８０の範囲内、更により好ましくは−８０より小さい。
【００４７】
上述した説明は本発明の原理を示すものとして高レベルのものと考えられる。更に多くの設計変更が当業者には容易に理解され、本発明を上述し図示した具体的構造および工程に限定するものではない。従ってすべての好適な設計変更および等価物が以下の請求項に定義される本発明の範囲内に入る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図は従来の抵抗型点火プラグの断面図である。

Claims (3)

1. （ａ）ニッケル、銅、鉄、亜鉛、チタン、銀およびその酸化物からなる群から選択された金属若しくは金属酸化物と、（ｂ）グラファイトと、（ｃ）シリコンとの混合物からなる抵抗器型の点火プラグに使用されるコンタクトグラス配合物。
2. （ａ）抵抗器と、（ｂ）ニッケル、銅、鉄、亜鉛、チタン、銀およびその酸化物からなる群から選択された少なくとも一の導電性材料の混合物からなり、抵抗器および端子スタッドと隣接する第１のコンタクトグラス配合物と、（ｃ）ニッケル、銅、鉄、亜鉛、チタン、銀およびその酸化物からなる群から選択される少なくとも１の導電性材料の混合物からなり、抵抗器および中央電極と隣接する第２のコンタクトグラス配合物とを備え、第１および第２のコンタクトグラス配合物が更にシリコンおよびグラファイトを含んでなることを特徴とする端子スタッドおよび中央電極を有する抵抗器型点火プラグに使用される抵抗器主部体。
3. 第１および第２のコンタクトグラス配合物が硼珪酸塩ガラスを主成分とする配合物である請求項２記載の抵抗器主部体。

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