(57)【要約】  【課題】  マイクロクラックが生じて抵抗値が変動するのを抑制した抵抗体およびこれを備えたスパークプラグを提供する。  【解決手段】  本開示の抵抗体１は、セラミックスおよびカーボンを含む円板状または円柱状の焼結体１０１、１０２、１０３を複数層有する積層体１０を備えている。そして、当該積層体１０は隣り合う焼結体１０１（１０３）と焼結体１０２とでセラミックスの組成またはカーボンの含有比率が異なっている異種積層部１００を含んでいる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスおよびカーボンを含む円板状または円柱状の焼結体を複数層有する積層体を備え、該積層体は隣り合う焼結体と焼結体とで前記セラミックスの組成または前記カーボンの含有比率が異なっている異種積層部を含むことを特徴とする抵抗体。
【請求項２】
前記異種積層部における前記隣り合う焼結体と焼結体との境界は凹凸形状であることを特徴とする請求項１に記載の抵抗体。
【請求項３】
前記異種積層部を構成する前記焼結体は、前記隣り合う焼結体と焼結体との境界から遠ざかるにしたがって前記セラミックスの組成または前記カーボンの含有比率が変化する変化領域があることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の抵抗体。
【請求項４】
前記積層体の積層方向に垂直な方向の断面で見たときに、カーボンの含有比率は中央部よりも外周部のほうが低いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の抵抗体。
【請求項５】
前記複数層の焼結体のうちの少なくとも一層が、隣接する焼結体よりも直径が小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の抵抗体。
【請求項６】
前記積層体は前記焼結体が３層積層されてなり、抵抗値は積層方向真ん中の焼結体よりも積層方向両側の焼結体のほうが小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の抵抗体。
【請求項７】
積層方向の厚みは積層方向真ん中の焼結体よりも積層方向両側の焼結体のほうが大きいことを特徴とする請求項６に記載の抵抗体。
【請求項８】
先端側の中心電極と、後端側の端子電極と、前記中心電極と前記端子電極との間に配置された請求項１乃至請求項７のうちのいずれかに記載の抵抗体とを備えていることを特徴とするスパークプラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、例えば高温環境下で使用される抵抗体およびこれを備えたスパークプラグに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関用のスパークプラグは、内燃機関（エンジン）に取付けられ、燃焼室内の混合気への着火のために用いられるものである。一般的にスパークプラグは、軸孔を有する絶縁体と、当該軸孔の先端側に挿通される中心電極と、軸孔の後端側に挿通される端子電極と、絶縁体の外周に設けられる主体金具と、主体金具の先端面に設けられ、中心電極との間で火花放電間隙を形成する接地電極とを備えている。また、軸孔内であって、中心電極及び端子電極の間には、エンジンの動作に伴い発生する電波雑音（ノイズ）を抑制するための抵抗体が設けられ、当該抵抗体を介して両電極が電気的に接続されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
ここで、スパークプラグに用いられる抵抗体は、ガラスを主成分とし、これにカーボンを分散させたものが使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００９／１５４０７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常、スパークプラグの抵抗体には、１秒間に１０回以上高圧電流が印加される。従来は長時間にわたって繰り返し高圧電流が印加されていたが、近年登場してきたアイドリングストップやハイブリット等の車においては、走行中に急にスパークプラグへの点火を停止したり開始したりするようになってきている。
【０００６】
ここで、スパークプラグの起動回数が増大すると、抵抗体における電極との接合界面の外周部（稜部）の付近に応力が集中し、その結果マイクロクラックが発生して、抵抗値が変動するおそれがある。
【０００７】
本開示は、上記事情に鑑みてなされたもので、マイクロクラックが生じて抵抗値が変動するのを抑制した抵抗体およびこれを備えたスパークプラグを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の抵抗体は、セラミックスおよびカーボンを含む円板状または円柱状の焼結体を複数層有する積層体を備えている。そして、該積層体は、隣り合う焼結体と焼結体とで前記セラミックスの組成または前記カーボンの含有比率が異なっている異種積層部を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、本開示のスパークプラグは、先端側の中心電極と、後端側の端子電極と、前記中心電極と前記端子電極との間に配置された上記の抵抗体とを備えている。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の抵抗体によれば、応力の集中しやすい稜部（角部）にかかる応力が時間差で生じるようになるので、マイクロクラックが抑制され、抵抗値の変動が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】抵抗体の実施形態の一例を示す概略断面図である。
【図２】抵抗体の実施形態の一例の一部拡大断面図である。
【図３】抵抗体の実施形態の他の例を示す概略断面図である。
【図４】抵抗体の実施形態の他の例を示す概略断面図である。
【図５】抵抗体の実施形態の他の例を示す概略断面図である。
【図６】抵抗体を用いたスパークプラグの概略縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、抵抗体の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
本開示の抵抗体１は、セラミックスおよびカーボンを含む円板状または円柱状の焼結体１０１、１０２、１０３を複数層有する積層体１０を含み、隣り合う焼結体１０１（１０３）と焼結体１０２とでセラミックスの組成またはカーボンの含有比率が異なっている。
【００１４】
図１に示す抵抗体１は、セラミックスおよびカーボンを含む円板状または円柱状の焼結体を複数層有する積層体１０を含んでいる。言い換えると、積層体１０は、円板状または円柱状の複数の焼結体１０１、１０２、１０３による積層構造になっている。なお、図では３層構造を例示しているが、特に限定されない。言い換えれば、４層以上の層であってもよく、この場合に、後述する隣り合う焼結体と焼結体とでセラミックスの組成またはカーボンの含有比率が異なっている異種積層部１００を含んでいればよい。
【００１５】
積層体１０を構成するそれぞれの焼結体１０１、１０２、１０３は、いずれも円板状または円柱状の形状のものである。この焼結体１０１、１０２、１０３は、例えば、セラミックスを主成分とし、これにカーボンを含む多結晶の焼結体である。ここで、主成分とは最も多く含まれる成分のことを意味し、セラミックスとしては例えばアルミナ、ジルコニア、ジルコン、ムライト等の酸化物セラミックが挙げられる。特にアルミナは、熱衝撃に優れ、高温でも使用できる酸化物セラミックスである。そして、温度が上昇しても相変態が生じないので急激な体積変化も生じず、金属イオンの価数も変化しないので周囲の金属成分との反応も起きず、長期間安定して抵抗体１として機能させるのに適している。また、例えばガラスを主成分とする抵抗体に比べて、軟化したり溶けたりすることなく、耐熱性に優れたものとすることができる。
【００１６】
焼結体１０１、１０２、１０３は、図２に示すように、複数のセラミック粒子１１を有しているとともに、この複数のセラミック粒子１１の粒界の少なくとも一部にカーボンの凝集体１２を有している。なお、図２は焼結体１０１、焼結体１０２または焼結体１０３の一部を拡大した断面図である。焼結体１０１、１０２、１０３は、例えばセラミック粒子１１を最も多く含んでいて、例えば、セラミック粒子１１が４０〜８０体積％、カーボンの凝集体１２が１〜４０体積％であり、これにガラス１３が５〜４０体積％含まれ、その他成分が含まれる。この比率は、例えば電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）またはＸ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて測定することができる。
【００１７】
カーボンの凝集体１２には、例えば炭素原子が網目のように結合してできた糸状体、繊維状体、筒状体等が含まれ、いわゆるカーボンナノチューブもこれに該当する。カーボンの凝集体１２としては、糸状体が複数本複雑に絡み合った構造の他、幅方向に広がった帯状、さらに広範囲に広がった膜状のものであってもよい。また、３次元網目状に連続して延びていてもよい。このような構造のカーボンの凝集体１２は、抵抗体１の温度依存性による抵抗値の上昇を抑制するのに寄与できる。
【００１８】
そして、積層体１０は、隣り合う焼結体１０１（１０３）と焼結体１０２とでセラミックスの組成またはカーボンの含有比率が異なっている異種積層部１００を含んでいる。同様に、積層体１０は、隣り合う焼結体１０２と焼結体１０３とでセラミックスの組成またはカーボンの含有比率が異なっている異種積層部１００を含んでいる。
【００１９】
ここで、円板状または円柱状の焼結体を複数層有する積層体１０とは、別々に成形された成形体を積層した後、焼成して積層構造の焼結体となったものが含まれる。また、当該積層体１０とは、異なる組成のセラミック粉末または異なるカーボン含有比率の粉体を順に例えば筒状の冶具内に充填して積層構造の成形体を作製し、この成形体を焼成して積層構造の焼結体となったものも含まれる。
【００２０】
積層体１０の直径は例えば０．２ｍｍ〜１０ｍｍ、全体の長さ（高さ）は例えば１ｍｍ〜２０ｍｍとされる。また、焼結体１０１、１０２、１０３の１層あたりの長さ（高さ）は例えば０．１ｍｍ〜３ｍｍとされる。
【００２１】
異種積層部１００が隣り合う焼結体１０１（１０３）と焼結体１０２とでセラミックスの組成が異なる構成の場合、例えば隣り合う一方の層がアルミナからなり、他方の層がアルミナおよびＳｉ３Ｎ４の混合体もしくはアルミナとＳｉ３Ｎ４とサイアロンとの混合体からなる構成とすることができる。
【００２２】
また、異種積層部１００が隣り合う焼結体１０１（１０３）と焼結体１０２とでカーボンの含有比率が異なる構成の場合、例えば隣り合う一方の層のカーボン含有比率が２体積％で、他方の層はカーボン含有比率が５体積％である構成とすることができる。
【００２３】
隣り合う焼結体１０１（１０３）と焼結体１０２とでセラミックスの組成またはカーボンの含有比率が異なっている異種積層部１００を含む構成によれば、それぞれの焼結体の誘電率が異なっていて分極に要する速度が異なるため、電界形成に時間差が生じる。その結果として、積層体１の端面に位置する応力の集中しやすい稜部（外周部）にかかる応力が時間差で生じるようになって、全体として稜部（角部）にかかる応力が分散されることとなり、この部分へのマイクロクラックの生成が抑制され、抵抗値の変動が抑制される。
【００２４】
積層体１０の端面には、金属層１０４が設けられてもよい。抵抗体１は、スパークプラグに組み込まれた際に中心電極または端子電極に当接ないし接合される。ここで、抵抗体１の端面に金属層１０４が設けられることで、抵抗体１と中心電極または端子電極との接触または接合の状態が良くなる。金属層１０４の材質としては、例えば、タングステン、モリブデン、クロム、ニッケル、白金、金が挙げられる。必要により、金属層１０４の表面にはクロム、ニッケル、金などのメッキがされてもよく、金属層１０４の酸化を抑制し、抵抗値の制御をすることができる。金属層１０４の厚みは、例えば１μｍ〜３０μｍとされる。
【００２５】
ここで、図３に示すように、異種積層部１００における隣り合う焼結体と焼結体との境界は凹凸形状であってもよい。隣り合う焼結体１０１（１０３）と焼結体１０２との境界が凹凸形状であると、各層の焼結体が強固に接合され、境界にクラックが生じにくく、抵抗値の変動が抑制される。また、隣り合う焼結体と焼結体との境界の凹凸形状の部分について、積層体１０の積層方向に垂直な方向の断面をみたとき、凸部と凹部とで異なる誘電率の部分がまだらに分布することで、面内で応力が集中する時間に時間差が生じ、応力を分散させることができる。抵抗体は電界をかけたとき電子がプラス側に移動して帯電するが、誘電率が高いときは移動する電子の量が異なるだけでなく、移動する速度も速くなるので、異なる誘電率では電子の移動速度が一致せず、応力が集中しにくくなることによる。
【００２６】
隣り合う焼結体と焼結体との境界の凹凸形状の部分について、例えば凸部に着目したときの凸部の幅は例えば１μｍ〜１００μｍとされ、凸部の高さは例えば５μｍ〜５００μｍとされる。
【００２７】
また、図１に示すように、異種積層部１００を構成する焼結体１０１、１０２、１０３は、隣り合う焼結体と焼結体との境界から遠ざかるにしたがってセラミックスの組成またはカーボンの含有比率が変化する変化領域１０１０、１０２０、１０３０があってもよい。なお、図１において、焼結体１０１、１０２、１０３に示すグラデーションは、隣り合う焼結体と焼結体との境界付近にセラミックスの組成またはカーボンの含有比率が変化する変化領域１０１０、１０２０、１０３０があることを示している。この変化領域１０１０、１０２０、１０３０は、図１では、それぞれの焼結体１０１、１０２、１０３において、厚み全体の約２５％の厚みの範囲にあるように示しているが、厚み全体の１％〜５０％の厚みの範囲にあってよい。この構成によれば、変化領域全体に応力が分散し、マイクロクラックの生成が抑制され、抵抗値の変動が抑制される。
【００２８】
また、積層体１０の積層方向に垂直な方向の断面で見たときに、カーボンの含有比率は中央部よりも外周部のほうが低くてもよい。ここで、断面を積層方向に垂直な方向に５等分したときの真ん中の領域を中央部とし、両端にある領域を外周部とする。
【００２９】
この構成によれば、カーボンの含有比率が低い外周部は電流が流れにくくなり、積層体１の端面に位置する応力の集中しやすい稜部（外周部）へのマイクロクラックの生成が抑制され、抵抗値の変動が抑制される。
【００３０】
また、図４に示すように、複数層の焼結体１０１、１０２、１０３のうちの少なくとも一層が、隣接する焼結体よりも直径が小さくてもよい。なお、図４では、焼結体１０２が焼結体１０１、１０３よりも直径が小さいものを示している。
【００３１】
例えば、直径の大きい焼結体の当該直径に対し、直径が小さい焼結体の直径は例えば９０％〜９９．５％の大きさに設定される。
【００３２】
この構成によれば、直径の小さい焼結体と直径の大きな焼結体との間の段差ができると、当該段差部分に応力がかかり、全体として稜部（外周部）にかかる応力が分散され、緩和される。
【００３３】
また、積層体１０は焼結体１０１、１０２、１０３が３層積層されてなり、抵抗値は積層方向真ん中の焼結体１０２よりも積層方向両側の焼結体１０１、１０３のほうが小さくてもよい。
【００３４】
この構成にするには、例えば積層方向真ん中の焼結体１０２よりも積層方向両側の焼結体１０１、１０３のほうがカーボンの含有比率が大きくなるようにすればよい。このとき、積層方向両側の焼結体１０１、１０３のカーボンの含有比率を、焼結体１０２のカーボン含有比率の例えば１．０５倍〜２．０倍に設定することができる。
【００３５】
この構成によれば、応力が集中しやすい積層体１の端面にかかる熱量を小さくすることができ、かかる応力を低減させることができる。
【００３６】
また、上記の構成において、図５に示すように、積層方向の厚みは積層方向真ん中の焼結体１０２よりも積層方向両側の焼結体１０１、１０３のほうが大きくてもよい。このとき、積層方向両側の焼結体１０１、１０３の厚みを、焼結体１０２の厚みの例えば１．０
５倍〜２．０倍に設定することができる。
【００３７】
抵抗値が小さい積層方向両側の焼結体１０１、１０３の厚みを大きく、抵抗値が大きい積層方向真ん中の焼結体１０２の厚みを小さくすることで、積層方向両側の焼結体１０１、１０３と積層方向真ん中の焼結体１０２とにかかる応力の大きさを均一に近づけることができる。
【００３８】
次に、上述の抵抗体１の製造方法の例について説明する。
【００３９】
まず、フェノール樹脂を例えばトルエン、メチルエチルケトンなどの溶剤中に溶かして粒径約１０ｎｍのコロイドとして分散させたものをカーボンの凝集体１２の前駆体とする。なお、カーボンの凝集体１２の前駆体としては、フェノール樹脂のほか、カーボンナノチューブ等の糸状あるは繊維状のカーボン源を前駆体として単独または混合して使用することもできる。言い換えると、カーボンの凝集体１２の前駆体の一部または全部の代わりに、あらかじめカーボンナノチューブの粉末を前駆体として添加することもできる。
【００４０】
次に、セラミック粒子１１の原料粉末（例えばアルミナ原料粉末）と、焼結助剤のＣａＯ、ＳｉＯ２、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２等と、例えばポリビニールアルコール、パラフィンワックス、アクリル樹脂などのバインダーと、上記前駆体とを混合し、乾燥させてプレスした後、１４５０℃から１６５０℃で焼成する。このとき、カーボンが周囲の酸素と反応して揮発しないように、フォーミングガス（水素と窒素の混合ガス）雰囲気中、カーボン粉末で埋め焼きを行う。なお、前駆体は、アルミナ原料粉末１００質量％に対し、例えば１〜２０質量％の割合で混合される。
【００４１】
ここで、焼結体を複数層有する積層体１０を含み、隣り合う焼結体と焼結体とでカーボンの含有比率が異なっている構成とするためには、例えば、カーボン源となるカーボンナノチューブの含有量が異なるように、あらかじめカーボンの凝集体１２の前駆体の量を変えて、セラミック粒子１１の原料粉末（例えばアルミナ原料粉末）と、焼結助剤のＣａＯ、ＳｉＯ２、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２等と、例えばポリビニールアルコール、パラフィンワックス、アクリル樹脂などのバインダーに混合したものをそれぞれ準備し、秤量する。その後、プレスの金型内に底から投入し、軽くプレスしたのち、順番に投入とプレスを繰り返して金型内に詰める。最後に、全体をプレスして積層体１０の成型体を形成すればよい。
【００４２】
また、積層体１０の端面に金属層１０４を形成するには、例えば、成型体の端面にタングステンあるいはモリブデンを有機溶剤（例えばジブチルフタレートやテルピネオール）とバインダーとともに混合したメタライズペーストを塗布し、乾燥させたのち、成型体を焼成すればよい。また、金属層１０４は、成型体を焼成したのち、焼結体の端面に蒸着法やスパッタ法で形成してもよい。
【００４３】
以上の方法により、抵抗体１を作製することができる。
【００４４】
次に、本開示のスパークプラグについて説明する。
【００４５】
図６に示すスパークプラグ２０は、先端側の中心電極２１と、後端側の端子電極と２２、中心電極２１と端子電極２２との間に配置された上述の抵抗体１とを備えている。
【００４６】
具体的には、図６に示す形態においては、スパークプラグ２０の軸孔の先端部側には中心電極２１が挿入、固定されている。より詳しくは、中心電極２１の後端部には、自身の外周方向に向けて膨出する膨出部２１１が形成されており、当該膨出部２１１が前記軸孔
の段部に対して係止された状態で、中心電極２１が固定されている。中心電極２１は、銅又は銅合金からなる内層と、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするＮｉ合金からなる外層とにより構成されている。さらに、中心電極２１は、全体として棒状（円柱状）をなし、その先端面が平坦に形成されるとともに、絶縁碍子２３の先端から突出している。
【００４７】
また、軸孔の後端部側（大径部）には、絶縁碍子２３の後端から突出した状態で端子電極２２が挿入、固定されている。
【００４８】
さらに、軸孔（大径部）の中心電極２１と端子電極２２との間には、円柱状の抵抗体１０が配設されている。当該抵抗体１０の両端部は、導電性のガラスシール層を介して、中心電極２１と端子電極２２とにそれぞれ電気的に接続されている。
【００４９】
加えて、主体金具２４は、低炭素鋼等の金属により筒状に形成されており、その外周面にはスパークプラグ２０をエンジンヘッドに取付けるためのねじ部（雄ねじ部）２４１が形成されている。また、ねじ部２４１の後端側の外周面には座部２４２が形成されている。さらに、主体金具２４の後端側には、主体金具２４をエンジンヘッドに取付ける際にレンチ等の工具を係合させるための断面六角形状の工具係合部２４３が設けられるとともに、後端部において絶縁碍子２３を保持するための加締め部２４４が設けられている。
【００５０】
また、主体金具２４の内周面には、絶縁碍子２３を係止するためのテーパ状の段部２４５が設けられている。そして、絶縁碍子２３は、主体金具の後端側から先端側に向かって挿入され、自身の段部２３１が主体金具２４の段部２４５に係止された状態で固定される。
【００５１】
尚、絶縁碍子２３及び主体金具２４双方の段部には、円環状の板パッキン（図示せず）が介在されている。これにより、燃焼室内の気密性を保持し、燃焼室内に晒される絶縁碍子２３の脚長部２３２と主体金具２４の内周面との隙間に入り込む燃料空気が外部に漏れないようになっている。さらに、加締めによる密閉をより完全なものとするため、主体金具２４の後端側においては、主体金具２４と絶縁碍子２３との間に環状のリング部材２６が介在され、リング部材２６間にはタルク（滑石）２７の粉末が充填されている。すなわち、主体金具２４は、板パッキン（図示せず）、リング部材２６及びタルク２７を介して絶縁碍子２３を保持している。
【００５２】
また、主体金具２４の先端面には、ニッケル（Ｎｉ）系合金で構成された接地電極２５が接合されている。すなわち、接地電極２５は、主体金具２４の先端面に対しその後端部が溶接されるとともに、先端側が曲げ返されて、その側面が中心電極２１の先端部と対向するように配置されている。
【００５３】
加えて、中心電極２１の先端面には、貴金属合金（例えば、白金合金やイリジウム合金等）からなる円柱状の貴金属チップ２１２が接合されている。また、接地電極２５のうち前記貴金属チップと対向する面には、円柱状の貴金属チップ２５１が接合されている。貴金属チップ２１２の先端部及び貴金属チップ２５１の先端部間には、火花放電間隙が形成される。
【００５４】
このような構成のスパークプラグ２０によれば、上述の抵抗体を用いており、当該抵抗体が長期間にわたって抵抗値の上昇を抑制することができ、長期間にわたって点火効率を良好なものとすることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１：抵抗体
１０：積層体
１００：異種積層部
１０１、１０２、１０３：焼結体
１０１０、１０２０、１０３０：変化領域
１０４：金属層
１１：セラミック粒子
１２：カーボンの凝集体
２０：スパークプラグ
２１：中心電極
２１１：膨出部
２１２：貴金属チップ
２２：端子電極
２３：絶縁碍子
２３１：段部
２３２：脚長部
２４：主体金具
２４１：ねじ部（雄ねじ部）
２４２：座部
２４３：工具係合部
２４４：加締め部
２４５：段部
２５：接地電極
２６：リング部材
２７：タルク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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