KR101375989B1 - 세라믹 히터 및 글로우 플러그 - Google Patents

세라믹 히터 및 글로우 플러그 Download PDF

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유타카 세키구치
요시히토 이카이
다케시 미츠오카
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니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H05B3/141—Conductive ceramics, e.g. metal oxides, metal carbides, barium titanate, ferrites, zirconia, vitrous compounds

Abstract

우수하고 빠른 가열 성능을 가지며, 전력 소모를 감소시킬 수 있고, 내구성이 우수한 세라믹 히터, 및 빠른 가열 성능, 낮은 전력 소모 및 빠른 온도 상승시의 내구성을 모두 높은 수준으로 실현할 수 있는 글로우 플러그의 제공.
세라믹 히터(12)는 기판(60) 및 상기 기판(60) 내에 매설되는 저항기 소자(30)를 포함한다. 상기 저항기 소자(30)는 전기적으로 도전성인 세라믹으로 형성되고 U-형 형상으로 절첩된 열-발생부(33), 상기 열-발생부(33)의 단부에 결합되는 리드부(31), 및 상기 열-발생부(33)와 상기 리드부(31)의 사이에 위치되는 중간부(40)를 포함한다. 상기 중간부(40)는, 상기 축(XA) 방향을 따라 임의의 2개 지점(P1), (P2)에서의 단면을 비교할 때, 상기 저항기 소자(30)의 단면을 포함하는 가상 외접원(CG)의 직경(CL) 및 상기 단면의 전체 단면 영역(HS) 모두가 후단측 단면 내의 그것들에 비하여 선단측 단면 내에서 작게 되도록 형성된다.

Description

세라믹 히터 및 글로우 플러그{CERAMIC HEATER AND GLOW PLUG}
본 발명은 세라믹 히터 및 글로우 플러그에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 우수하고 빠른 가열 성능을 가지며, 전력 소모를 감소시킬 수 있고, 내구성 또한 뛰어나며, 이 모든 것이 높은 레벨로 실현되는 세라믹 히터 및 글로우 플러그에 관한 것이다. 본 발명은 상기 세라믹 히터 및 상기 글로우 플러그가 과거에서 보다 더욱 단시간 내에 온도 상승될 때("초단기 온도 상승(susper quick temperature rising)"으로도 칭함)에, 특히 우수한 내구성을 보이는 세라믹 히터 및 글로우 플러그를 실현한다.
빠른 시동을 돕거나 또는 빠른 활성화를 허용하기 위하여, 디젤 엔진, 다양한 유형의 센서 등은 글로우 플러그, 센서용 히터, 팬용 히터, 등을 이용한다.
예를 들면, 디젤 엔진에 있어서, 실린더 내로 도입된 공기는 압축되며, 연료는 단열 압축의 결과로 온도가 상승된 상기 공기에로 분사됨으로써, 그 결과물인 공기 연료 혼합물이 자연스럽게 점화되어 연소된다. 그러나, 이러한 디젤 엔진이 겨울이나 추운 환경 등에서 시동될 때에는, 외부 공기, 상기 엔진 등의 온도가 낮기 때문에, 압축만으로는 연소실 내의 공기를 자연스러운 점화에 요구되는 온도로 가열하는 것이 용이하지 않다. 이러한 문제를 극복하기 위하여, 연료 점화를 위한 수단으로서 이러한 디젤 엔진에 글로우 플러그를 사용한다.
글로우 플러그용 히터, 센서용 히터, 팬용 히터, 등으로서 사용되는 주지의 히터는, 예를 들면, 전기적으로 도전성인 세라믹으로 형성되는 가열 저항기 소자가 전기적으로 절연성인 세라믹 기판 내에 삽입되는 구조를 갖는다. 구체적으로 말하자면, 특허문헌 1은 저항 온도 계수가 서로 다른 상이한 유형의 전기적 도전성 세라믹으로 형성되는 저항기 소자가 전기적으로 절연성인 세라믹으로 형성되는 기판 내에 삽입되는 세라믹-히터-유형 글로우 플러그를 개시한다. 상술한 바와 같이, 특허문헌 1은 상이한 저항성을 갖는 저항기 소자들을 결합함으로써, 빠른 가열 성능 및 자가 온도 조절 기능을 갖는 세라믹-히터-유형 글로우 플러그의 제공을 제안한다.
글로우 플러그의 경우, 빠른 가열 성능을 실현하고 미세 온도 조절을 수행하기 위하여, 상기 글로우 플러그에 대한 전기 공급을 제어하는 데에 제어기를 사용한다. 그러나, 시동 시에, 어떤 경우에는 배터리의 전압이 떨어질 수 있고, 그 결과로 상기 글로우 플러그에 충분히 높은 전압을 공급하는 데에 실패한다. 이러한 단점을 극복하기 위하여, 낮은 저항을 갖는 글로우 플러그를 사용할 수 있다. 그러나, 이 경우에는, 상온에서의 상기 글로우 플러그의 저항이 낮기 때문에, 전기 공급이 개시될 때 돌입 전류가 크게 흐르게 된다. 이러한 문제는 상이한 저항을 갖는 상이한 물질들을 조합하여 사용함으로써 해결가능하다. 구체적으로 말하자면, 상기 저항기 소자는 상기 저항기 소자의 선단측 부분(열-발생부)만을 비교적 높은 열 저항성을 갖는 물질로 형성하고 상기 저항기 소자의 후단측 부분(리드부 포함)은 비교적 낮은 저항성을 갖는 물질로 형성하도록 구성될 수 있다. 그러나, 이러한 구성은 비용을 증가시키므로, 가능하다면, 단일 재료의 단일 사용을 통하여 빠른 가열 성능을 실현하는 것이 바람직하다.
특허문헌 2는 전력 소모를 감소시키도록 고안된 세라믹 히터를 개시한다. 상기 개시된 세라믹 히터는 상기 세라믹 히터의 열-발생부 및 리드부가 전기적으로 도전성인 동일한 세라믹으로 형성되고 그들 사이의 단면 영역의 비율이 소정 범위 내로 되도록 결정됨을 특징으로 한다. 상기 문헌은 이러한 구조가 전력 소모를 감소시킨다고 언급한다. 그러나, 단면 영역의 비율이 증가될 때, 지지 부재의 표면 온도가 그의 단면 내 위치들 사이에서 크게 변화한다. 이러한 문제는 단면 영역의 비율을 적당히 설정함으로써 완화가능하다. 그러나, 상기 지지 부재(기판)의 표면에서 온도가 더욱 균일하기를 바랄 때에는, 온도가 낮은 지지 부재 표면 상의 일 부분이 상기 세라믹 히터의 만족스러운 가열 기능을 제공하는 정도로 가열되도록, 상기 지지 부재의 내부(저항기 소자) 온도가 과도하게 증가되어야 한다. 이 경우, 가동 내구성(상기 세라믹 히터를 반복적으로 가동하는 내구성 테스트를 통하여 결정된 바, 상기 세라믹 히터의 내구성)이 떨어질 수 있다. 즉, 전력 소모와 가동 내구성 사이에 존재하는 상충 관계가 존재하므로, 상기 전력 소모와 가동 내구성을 자연스럽게 개선시키는 것은 그의 기술적 중요성이 크기는 하지만 실질적으로는 곤란하다.
부수적으로, 특허문헌 1 및 2에 개시된 상기 세라믹 히터의 경우, 그들의 열-발생부(특허문헌 1에서의 "제 1 가열 요소(20)" 및 특허문헌 2에서의 "절첩부(3d)")는 U-형 형상으로 형성되는 비교적 긴 열-발생 선단부(50)가 상기 기판의 외곽선을 따라 그 주위에 배치되도록 도 9에 도시된 바와 같은 형상으로 된다. 이러한 형상이 균일하고 효율적인 기판의 가열을 허용함으로써 우수하고 빠른 가열 성능을 제공하고 전력 소모를 감소시키는 것으로 가정하였으므로, 상기 열-발생부는 상기 기판의 외곽선을 따라 그 주위에 배치되도록 U-형 형상으로 형성된다. 그러나, 본 발명자들은 우수하고 빠른 가열 성능을 제공하고 전력 소모를 감소시키는 것으로 가정된 종래의 형상과 상이한 형상을 갖는 저항기 소자를 만들 때, 그들의 예상과는 달리, 본 발명자들이 만든 저항기 소자가 우수하고 빠른 가열 성능을 가지며, 전력 소모를 감소시킬 수 있고 또한 개선된 내구성을 가진다는 것을 발견하였다.
더욱이, 최근 수년 동안, 글로우 플러그용 세라믹 히터는 개선된 가열 성능 및 내구성을 가지며 또한 전력 소모를 더욱 감소시킬 것이 요구되고 있다. 특히, 이러한 세라믹 히터는 엔진의 시동 성능 열화를 방지하기 위하여 충분한 양의 열 복사를 보장하면서, 전력 소모를 더욱 감소시킬 것이 요구되고 있다. 또한, 우수한 내구성을 가지며, 새로운 엔진의 제어에 공헌하도록 소량의 파워 공급에 대하여 1초 이내에 히터가 1000℃에 도달할 수 있는("초단기 온도 상승"으로도 칭함) 온도 증가 성능을 실현하고, 그리고, 파워 공급 전압이, 예를 들면, 약 7V로 떨어질 때에도 이러한 온도 증가 성능을 유지할 수 있는 세라믹 히터에 대한 수요가 증가하고 있다.
특허문헌 1 : 일본국 특허 제3044632호 특허문헌 2 : 일본국 특허공개공보 제2006-24394호
본 발명의 목적은 우수하고 빠른 가열 성능을 가지며, 전력 소모를 감소시킬 수 있고, 또한 내구성이 우수한 세라믹 히터 및 글로우 플러그를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 상기 세라믹 히터 및 상기 글로우 플러그가 이들에 큰 부하를 부과하는 초단기 온도 상승에 사용될 때에도 실제적인 내구성을 갖는 세라믹 히터 및 글로우 플러그를 제공하는 것이다.
상술한 바의 문제점을 해결하는 본 발명에 의한 세라믹 히터는 전기적으로 절연성인 세라믹으로 형성되는 기판, 및 상기 기판 내에 매설되는 저항기 소자로 이루어지며, 여기에서 상기 저항기 소자는 전기적으로 도전성인 세라믹으로 형성되고 U-형 형상으로 절첩된 단일의 열-발생부, 및 상기 열-발생부의 대향 단부에 결합되는 한 쌍의 리드부를 포함하고, 상기 단부는 축(XA) 방향에 대하여 후방을 향하며, 상기 축(XA) 방향에 대하여 후방으로 직선적으로 연장된다. 상기 세라믹 히터의 제 1 구조적 특징은
상기 저항기 소자가 상기 열-발생부 및 상기 리드부 사이에 위치되는 중간부를 포함하고;
상기 축(XA) 상의 2개의 임의의 상이한 지점인 선단측 지점(P1) 및 후단측 지점(P2)에서 상기 축(XA)에 수직인 평면을 따라 취한 상기 세라믹 히터의 단면(S1, S2) 상에서, 상기 단면(S1, S2) 상에 나타나는 상기 저항기 소자의 2개의 단면(HS1a, HS1b) 및 2개의 단면(HS2a, HS2b)을 각각 외접 및 포함하도록 가상 외접원(CG1, CG2)이 그려질 때, 각각, 상기 외접원(CG1, CG2)의 직경(CL1, CL2)은 관계 (CL1) < (CL2)를 만족하며; 그리고
상기 저항기 소자의 2개의 단면(HS1a, HS1b)의 전체 단면 영역(HS1s) 및 상기 저항기 소자의 2개의 단면(HS2a, HS2b)의 전체 단면 영역(HS2s)은 관계 (HS1s) < (HS2s)를 만족함에 있다.
상기 제 1 구조적 특징을 갖는 세라믹 히터의 제 2 구조적 특징은 상기 세라믹 히터의 단면(S1, S2)의 단면 영역(S1s, S2s)이 관계 (S1s) < (S2s)를 만족함에 있다.
상기 제 1 또는 제 2 구조적 특징을 갖는 세라믹 히터의 제 3 구조적 특징은
상기 세라믹 히터의 선단부가 노출되도록 상기 세라믹 히터가 금속으로 형성되는 튜브형 부재 내로 삽입되어 지지되고;
상기 중간부 각각은 상기 저항기 소자의 최대 두께(tXVmax)의 2/3 이하로 되는 두께를 갖는 일 부분을 가지며; 그리고
상기 저항기 소자의 최대 두께(tXVmax)의 2/3인 두께로 되는 상기 저항기 소자의 일 부분이 금속으로 형성되는 상기 튜브형 부재로부터 노출됨에 있다.
상기 제 1 내지 제 3 구조적 특징 중 어느 한 가지를 갖는 세라믹 히터의 제 4 구조적 특징은 관계 (
Figure 112010027250012-pct00001
2)> (
Figure 112010027250012-pct00002
1) 및 관계 (L1) > (L2)가 만족됨에 있고, 여기에서 (
Figure 112010027250012-pct00003
1)는 외곽선이 상기 중간부의 폭을 결정하는 상기 중간부의 방사상 외측 외곽선 각각과 상기 축(XA)과의 사이에 형성되는 각도를 나타내며, (L1)는 축(XA) 방향을 따라 측정된 바, 상기 중간부의 길이를 나타내고, (
Figure 112010027250012-pct00004
2)는 외곽선이 상기 중간부의 두께를 결정하는 상기 중간부의 방사상 외측 외곽선 각각과 상기 축(XA)과의 사이에 형성되는 각도 중 가장 큰 각도를 나타내며, 그리고 (L2)는 축(XA) 방향으로 측정된 바, 상기 가장 큰 각도를 형성하는 상기 중간부의 외곽선의 길이를 나타낸다.
상기 제 2 내지 제 4 구조적 특징 중 어느 한 가지를 갖는 세라믹 히터의 제 5 구조적 특징은 상기 저항기 소자의 최대 두께(tXVmax)의 2/3 이하로 되는 두께를 갖는 상기 중간부의 부분이 매설되는 상기 기판의 외곽선은 그의 선단을 향하여 테이퍼짐에 있다.
상기 제 2 내지 제 5 구조적 특징 중 어느 한 가지를 갖는 세라믹 히터의 제 6 구조적 특징은 상기 각도 (
Figure 112010027250012-pct00005
1) 및 각도 (
Figure 112010027250012-pct00006
3)가 관계 |
Figure 112010027250012-pct00007
3 -
Figure 112010027250012-pct00008
1| ≤ 10을 만족시킴에 있고, 여기에서 상기 각도 (
Figure 112010027250012-pct00009
3)는, 상기 축(XA) 방향에서 볼 때, 상기 중간부가 위치된 축(XA)방향 일 지점에서 상기 축(XA) 및 상기 기판의 외곽선과의 사이에 형성되는 각도를 나타낸다.
상기 제 1 내지 제 6 구조적 특징 중 어느 한 가지를 갖는 세라믹 히터의 제 7 구조적 특징은 상기 한 쌍의 리드부 사이의 최대 간격(GL) 및 상기 저항기 소자의 최대 두께(tXVmax)의 2/3 이하로 되는 두께를 갖는 중간부들 사이의 최대 간격(GM)이 관계 (GL) < (GM)를 만족시킴에 있다.
본 발명에 의한 글로우 플러그는 상술한 바의 구조를 갖는 세라믹 히터로 이루어진다.
본 발명에 의한 세라믹 히터는 그의 열-발생부가 상술한 바의 구조로 되는 중간부를 가지도록 형성되므로, 상기 열-발생부는 감소된 부피를 가질 수 있고, 우수하고 빠른 가열 성능을 가지며, 소량의 전력 소모을 통하여 소정의 온도에 이를 수 있고, 그리고, 예를 들면, 상기 세라믹 히터에 전압이 가해질 때의 열확장의 결과로서 발생되는 응력 또는 이와 유사한 힘의 집중을 피할 수 있고, 따라서, 상기 세라믹 히터는 강화된 가동 내구성 및 기계적 내구성을 갖는다. 그러므로, 본 발명은 우수하고 빠른 가열 성능을 가지며, 전력 소모를 감소시킬 수 있고, 내구성이 우수한 세라믹 히터를 제공할 수 있다. 더욱이, 본 발명에 의한 글로우 플러그는 본 발명에 의한 세라믹 히터를 포함하므로, 본 발명에 의한 상기 글로우 플러그는 빠른 가열 성능, 낮은 전력 소모 및 보다 높은 레벨의 내구성을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 세라믹 히터의 일 실시예를 나타내는 개략적인 사시도
도 2는 축(XA)을 포함하는 평면을 따라 취한, 본 발명의 일 실시예인 세라믹 히터의 개략적인 단면도
도 3은 본 발명에 의한 세라믹 히터의 일 실시예를 나타내는 1세트의 확대 단면도
도 4는 본 발명에 의한 세라믹 히터의 일 실시예에 대한 한 쌍의 도면으로서, 각각 상기 축(XA) 방향을 따라 임의의 지점(P)에서의 핵심 단면을 나타내는 도면
도 5는 본 발명에 의한 세라믹 히터의 일 실시예에 대한 한 쌍의 부분적인 투시도로서, 상기 저항기 소자(30)의 형상을 설명하기 위한 특징부들을 과장된 방식으로 나타내는 도면
도 6은 (
Figure 112010027250012-pct00010
1), (L1), (
Figure 112010027250012-pct00011
2), 및 (L2)를 추출할 때 가정되는 접선 및 이들 사이의 교차를 나타내는 모델 도면
도 7은 본 발명의 세라믹 히터의 수정예를 나타내는 1세트의 도면
도 8은 본 발명에 의한 글로우 플러그의 일 실시예에 의한 글로우 플러그를 나타내는 개략적인 단면도
도 9는 상기 축(XA)을 포함하는 평면을 따라 취한, 종래의 세라믹 히터를 나타내는 확대 단면도
도 10은 글로우 플러그의 표면 온도 및 전력 소모를 측정하기 위하여 이용되는 장치를 개략적으로 설명하기 위한 설명도
도 11은 글로우 플러그의 표면 온도 및 전력 소모를 측정하기 위하여 이용되는 장치를 상세하게 설명하기 위한 설명도
본 발명에 의한 세라믹 히터의 일 실시예인 세라믹 히터를 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명에 의한 세라믹 히터의 일 실시예인 세라믹 히터(12)를 나타내는 개략적인 사시도이다. 도 2는 도 1에 나타낸 상기 세라믹 히터(12)에 대하여 축(XA)을 포함하는 평면을 따라 취한 개략적인 단면도이다. 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 이 세라믹 히터(12)는 상기 축(XA) 방향을 따라(이하, 축(XA) 방향으로 칭할 수 있음) 연장되는 바-형상 기판(60) 및 상기 기판(60) 내에 매설되는 저항기 소자(30)를 포함한다. 특히, 도 2에서, 후술되는 글로우 플러그(200)를 구성하는 데에 사용되는 튜브형 부재(90)가 파선으로 표시된다.
상기 저항기 소자(30)는 상기 기판(60)의 축(XA) 방향에 대하여 선단측 상에 U-형상으로 절첩된 부분을 갖는 단일의 열-발생부(33), 및 상기 열-발생부(33)의 상응하는 후단에 연결되어 상기 축(XA) 방향으로 연장되는 한 쌍의 리드부(31,31)를 포함한다. 상기 한 쌍의 리드부(31,31)는 상기 기판(60)의 축(XA)의 대향측에 위치되며, 대체로 서로 평행하게, 상기 축(XA)을 따라 상기 기판(60)의 후단면(75)에로 연장되므로, 상기 리드부(31,31)는 상기 기판(60)의 후단면(75)에 노출된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 리드부(31,31)는 각각의 전극 인출부(77,78)를 가지며, 이들은 상기 기판(60)의 외부 원주면에 노출된다. 특히, 상기 열-발생부(33) 및 상기 리드부(31,31)는 중간부(40,40)에 의하여 함께 연결된다. 상기 중간부(40,40)의 구조는 후술한다.
다음으로, 상기 세라믹 히터(12)의 선단부의 형태를 설명한다. 도 3(a)은, 도 2의 경우에서와 같이, 상기 열-발생부(33)의 U-형 형상이 인식 가능하고 상기 저항기 소자(30)의 폭이 인식 가능한 방향(즉, 도 2 및 도 3이 도시된 종이에 수직인 방향; 이하, 이 방향을 "XV 방향"으로도 칭함)에서 보이는 바와 같이, 상기 축(XA)을 통과하는 상기 세라믹 히터(12)의 선단부 단면의 확대도이다. 도 3(b)는 상기 (XV) 방향 및 상기 축(XA)에 수직인 방향(이하, 이 방향은 "XH 방향"으로도 칭함)에서 보이는 바, 상기 세라믹 히터(12)의 선단부 단면의 확대도이다. 특히, 도 3(b)에 실제로 나타낸 일 부분은, 설명을 위하여, 상기 저항기 소자(30)의 열-발생부(33)의 최선단 단부의 단면만을 나타낸 것이나, 상기 열-발생부(33), 상기 중간부(40) 및 상기 리드부(31)의 외곽선 또한 도 3(b)의 단면에 돌출된다. 그러므로, 상기 방향(XH)은 또한 상기 저항기 소자(30)의 두께가 인식될 수 있는 방향이라고도 말할 수 있다. 도 3(c)는 상기 축(XA) 방향을 따라 임의의 지점(P)에서 상기 축(XA)에 수직인 평면을 따라 취한 한 쌍의 중간부(40,40)의 단면(S)을 나타낸다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 상기 중간부(40)를 상세히 설명한다. 이들 한 쌍의 중간부(40,40)는 상술한 바의 제 1 구조적 특징의 조건을 만족시킨다. 즉, 도 3(a)에서, 위치(P1, P2)는 상기 축(XA) 방향을 따라 설정된다. 도 4(a) 및 4(b)는 이들 위치(P1, P2)에 상응하는 단면(S1, S2)을 나타낸다. (S1S, S2S)는 상기 단면(S1, S2)의 단면 영역을 나타낸다(상기 중간부(40)(상기 저항기 소자(30)의 단면 영역을 포함함). (HS1a, HS1b) 및 (HS2a, HS2b)는 상기 위치(P1, P2)에서 상기 저항기 소자(30)의 단면을 나타내며, (HS1S, HS2S)는 상기 위치(P1, P2)에서 상기 단면의 단면 영역(상기 단면의 전체 단면 영역)을 나타낸다. 특히, (CG1, CG2)는 상기 쌍으로 된 단면(HS1a, HS1b) 및 (HS2a, HS2b)을 포함하는 가상 외접원을 각각 나타내며, 그리고 (CL1, CL2)는 이들 가상 외접원의 직경을 나타낸다. 더욱이, (CN1, CN2)는 상기 쌍으로 된 단면(HS1a, HS1b) 및 (HS2a, HS2b)과 접촉하는 가상 내접원을 각각 나타내며, 그리고 (CD1, CD2)는 이들 가상 내접원의 직경을 나타낸다.
상기 가상 외접원(CG1, CG2)의 직경이 관계 (CL1) < (CL2)를 만족시키고, 상기 저항기 소자(30)의 상기 단면(HS1a, HS1b), (HS2a, HS2b)의 전체 단면 영역(HS1S, HS2S)이 관계 (HS1S) < (HS2S)를 만족시키는 상기 중간부(40)의 존재로 인하여 다음의 효과가 얻어진다. 즉, 상기 중간부(40,40) 및 상기 열-발생 선단부(50)의 부피가 감소되므로, 상기 저항기 소자(30)에 대한 전압의 인가에 의하여 발생되는 상기 한 쌍의 리드부(31,31)의 열확장으로부터 기인하는 응력, 핸들링 시에 발생하는 응력, 및 상기 저항기 소자(30)에 작용하는 기타 응력은 상기 한 쌍의 중간부(40,40)에 의하여 점진적으로 흡수되고, 상기 열-발생 선단부(50) 상에 이들 응력이 집중되는 것을 피할 수 있다. 더욱이, 상기 열-발생 선단부(50)의 부피가 감소되므로, 상기 열-발생 선단부(50)는 더욱 우수하고 빠른 가열 성능을 가지며, 소량의 전력만을 소모하면서 소정의 온도에 이를 수 있고, 상술한 바의 응력으로 인하여 발생되기도 하는 상기 열-발생 선단부(50)의 균열을 방지할 수 있다. 그 결과, 상기 저항기 소자(30); 특히, 상기 열-발생부(33)는 우수하고 빠른 가열 성능을 가지며, 소량의 전력만을 소모하면서 소정의 온도에 이를 수 있고, 강화된 가동 내구성 및 기계적 내구성을 가질 수 있다. 상기 세라믹 히터(12)가 열을 발생하도록 하게 하기 위하여 상기 세라믹 히터(12)에 전기가 공급될 때, 상기 히터의 온도는 가장 뜨거운 열-발생부(55)에서 가장 높게 되며, 상기 축(XA) 방향에 수직인 단면 내에서 상기 저항기 소자(30)의 상기 전체 단면 영역 및 상기 세라믹 히터(12)의 상기 단면 영역(상기 저항기 소자(30) 포함)은 이곳에서 가장 작게 된다.
상기 중간부(40,40)의 경계를 상세히 설명한다. 상기 축(XA) 방향을 따라 임의의 상이한 2개 지점에서 상기 단면이 상술한 바의 관계를 만족시키는 부분들이 상기 중간부이므로, 상기 단면이 상술한 바의 관계를 만족시키지 못하는 지점은 상기 중간부(40,40)이 경계가 될 수 있다. 이를 도 3(a)을 참조하여 구체적으로 설명한다.
지점(Qa)은 상기 저항기 소자(30)의 상기 열-발생부(33)(상기 선단부)에서 상기 축(XA) 방향을 따른 일 지점이다. 이 지점(Qa) 후방에 위치되는 지점(Pa)은 방사상 방향(이하, 방사상 방향은 상기 "방향(XD)"으로도 칭할 수 있음)에 대하여 상기 저항기 소자(30) 외측의 외곽선(40g)이 상기 후단을 향하여 확장되기 시작하는 기준점이다. 이들 2개 지점(Qa, Pa)에서 상기 단면 형상 사이의 비교로부터, 상기 지점(Qa) 및 상기 지점(Pa)에서 상기 저항기 소자(30)의 상기 쌍으로 된 단면을 포함하는 상기 가상 외접원이 동일한 직경을 갖는다는 것을 발견하였다. 더욱이, 상기 지점(Qa) 및 상기 지점(Pa)에서 상기 저항기 소자(30)의 상기 쌍으로 된 단면의 상기 전체 단면 영역은 동일하다. 그러므로, 상기 지점(Qa) 및 지점(Pa) 사이의 부분들은 상기 중간부에 상응하지 않는다(즉, 상기 부분들은 상기 열-발생부의 부분들이다).
다음으로, 도 3(a)에서 상기 지점(Pa) 및 지점(P1)을 비교한다. 상술한 바와 같이, 상기 저항기 소자(30)는 상기 지점(Pa)(기준점)으로부터 후방으로 확장된다. 그러므로, 상기 지점(P1)에서, 상기 가상 외접원의 직경은 상기 지점(Pa)에서보다 더욱 크다. 더욱이, 이로써, 상기 저항기 소자(30)의 전체 단면 영역 또한 증가한다. 그러므로, 상기 상기 지점(Pa) 및 지점(P1) 사이의 부분들은 상기 중간부에 상응한다.
한편, 단면 영역에서 대략 일정한 상기 리드부(31)는 지점(Pb)으로부터 후방으로 확장하도록 형성된다. 그러므로, 상기 지점(Pb) 및 지점(Qd)을 비교할 때, 그들의 단면 형상 등에서는 차이가 발견되지 않으며, 상기 지점(Pb) 및 지점(Qd) 사이의 부분들은 상기 중간부에 상응하지 않는다. 상기 지점(Pa) 및 상기 지점(Pb) 사이의 영역에서, 상기 저항기 소자(30)의 상기 전체 단면 영역 및 상기 가상 외접원의 직경은 모두 증가된다. 그러므로, 상기 상기 지점(Pa) 및 지점(Pb) 사이의 부분들은 상기 중간부에 상응한다.
부수적으로, 상술한 바의 구조를 갖는 본 발명에 있어서, 바람직하기로는, 상기 임의의 지점(P1) 및 지점(P2)에서 상기 세라믹 히터(12)의 단면 영역(S1S, S2S)은 관계 (S1S) < (S2S)를 만족시킨다. 즉, 상기 중간부(40,40)의 외곽선(40g)은 상기 기판(60)의 외곽선(60g)을 따라 선단쪽으로 좁아진다. 이러한 구조는 상기 기판 선단부의 부피를 감소시키므로, 상기 열-발생 선단부(50)에 의하여 발생되는 열은 상기 기판(60)의 외부 원주면에 효율적으로 전달될 수 있다. 그러므로, 빠른 가열 성능을 더욱 개선할 수 있고, 전력 소모를 더욱 감소시킬 수 있으며, 가동 내구성을 강화하고, 또한 보다 균일한 열 발생의 성취가 가능하다. 더욱이, 상기 열-발생 선단부(50) 및 상기 기판 선단부(80)의 외측 사이의 온도 차이가 감소되므로, 상기 기판 선단부(80)가 소망하는 온도로 가열될 때, 상기 저항기 소자(30)는 과도하게 열을 발생시킬 필요가 없다. 그 결과, 상기 세라믹 히터(12)는 내구성이 우수하다. 더욱이, 상기 중간부(40)에서, 상기 저항기 소자(30)의 단면 영역 대 상기 중간부(40)의 단면 영역의 비율이 증가되고, 따라서 상기 저항기 소자(30)에 작용하는 응력을 완화시키는 것이 가능하며, 이는 상기 우수한 내구성에 공헌하게 된다. 종래의 세라믹 히터의 경우, 상기 기판(60)의 외곽선이 상기 선단을 향하여 좁아지는 구조를 이용하는 것에 대한 고려가 있었다; 그러나, 상기 중간부(40)의 형상을 포함하여, 상기 기판(60)의 형상 및 이들의 시너지 효과에 대해서는 연구된 바가 없으며, 이에 대해서는 아무런 발명도 이루어지지 않았다. 상술한 바의 효과는 일차적으로 이들 구조의 시너지 효과를 통하여 성취된다.
상기 세라믹 히터가 실제로 사용되는 경우, 상기 세라믹 히터는 가열할 물품에 부착되도록 또 다른 부재에 의하여 지지된다. 이러한 지지는 금속으로 형성되는 튜브형 부재(90)에 의하여 주로 수행된다. 글로우 플러그(200)를 일 예로 들어 상기 지지 부재를 설명한다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 상기 세라믹 히터(12)는 상기 세라믹 히터(12)의 선단부가 상기 금속 튜브형 부재(90)로부터 노출되도록 상기 금속 튜브형 부재(90)에 부착된다. 상기 금속 튜브형 부재(90)는 세라믹보다 열전도율이 더욱 높기 때문에, 상기 세라믹 히터의 열-발생부(33)에 의하여 발생되고 상기 세라믹 히터 그 자체를 통하여 상기 튜브형 부재(90)에 전달되는 열 중 일부는 상기 가열할 물품을 가열하지 않은 채로 외부로 유출된다. 이러한 문제점을 피하기 위하여, 바람직하기로, 상기 세라믹 히터는 그의 선단에서 집약적으로 열을 발생하여, 전력 소모를 억제하면서 효과적인 가열을 가능하게 한다.
이러한 바램을 만족시키기 위하여, 상기 세라믹 히터는 상술한 바의 구조에 더하여 다음의 제 3 의 구조적 특징을 이용할 수 있다. 도 3(b)에 나타낸 바의 저항기 소자(30)의 두께는 상기 선단을 향하여 감소된다. 구체적으로 말하자면, 상기 지점(Pb)의 후방에 위치되는 상기 저항기 소자(30)의 부분들은 단면 영역 및 두께가 대략 일정한 리드부(31)이다. 상기 저항기 소자(30)는 상기 리드부(31)에서 가장 큰 두께(tXVmax)를 갖는다. 상기 중간부(40)에서, 상기 저항기 소자(30)의 두께는 상기 지점(Pb)(경계)(상기 지점(Pb)과 지점(Pa)의 사이)으로부터 상기 선단을 향하여 점진적으로 감소된다. 상기 중간부(40)의 선단측에서, 상기 저항기 소자(30)는 상기 열-발생부(33)에 적당한 두께를 가지며, 그의 선단부는 반구형의, 둥근 형상을 갖는다.
상기 저항기 소자(30)의 두께는 상기 튜브형 부재(90)의 선단면(90f)으로부터 전방으로(도 3에서의 상방) 돌출되는 상기 저항기 소자(30)의 일 부분이 상기 저항기 소자(30)의 최대 두께(tXVmax)의 2/3 이하로 되는 두께(tXVex)를 갖도록 결정된다(도 3에서, 상기 지점(P1)에서, 상기 두께(tXVex)는 상기 최대 두께(tXVmax)의 2/3로 된다). 이러한 구조를 갖는 상기 중간부(40)는 상기 저항기 소자(30)로 하여금 상기 튜브형 부재(90)에 의하여 커버되는 그의 일 부분에서 대량의 열이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 열-발생부(33)에 의하여 발생되는 열은 상기 기판(60)의 외부 원주면에 효율적으로 전달될 수 있으므로, 빠른 가열 성능이 더욱 강화될 수 있고 전력 소모는 더욱 감소될 수 있다. 더욱이, 상기 기판 선단부(80)가 소망하는 온도로 가열될 때, 상기 열-발생부(33)는 필요 이상의 많은 열을 발생할 필요가 없다. 그러므로, 상기 세라믹 히터(12)는 내구성 역시 우수하다. 따라서, 바람직하기로, 상기 저항기 소자는 상기 중간부가 상기 저항기 소자의 최대 두께(tXVmax)의 2/3 이하의 두께(tXVex)로 되는 부분을 가지며, 상기 저항기 소자의 최대 두께(tXVmax)의 2/3인 두께로 되는 상기 저항기 소자의 일 부분이 상기 금속 튜브형 부재 외측에 위치되는 구조로 된다. 특히, 상기 저항기 소자(30)의 상기 최대 두께(tXVmax)는 상기 전극 인출부(77,78)의 전방에 위치되는 위치에서 측정된 바의 두께이다.
상기 저항기 소자(30)(특히, 상기 중간부(40)의 형상을 상세히 설명한다. 다음의 설명을 더욱 명확히 하기 위하여, 도 5(a) 및 5(b)는, 과장된 방식으로, 도 3(a) 및 3(b)의 특징부를 변형하여 나타낸다.
도 5(a) 및 5(b)에 나타낸 바와 같이, 상기 저항기 소자(30)는 상기 선단측으로부터 순서대로 배치된 상기 열-발생부(33), 상기 중간부(40), 및 상기 리드부(31)를 포함한다. 도 5(a)의 상기 방향(XV)에서, 상기 방향(XD)(방사상 방향)에 대하여 외측으로 위치되는 상기 중간부(40)의 측부분의 형상은 상기 중간부(40)의 폭이 증가되도록 테이퍼진다. 상기 테이퍼진 중간부의 외곽선(40g)은 상기 축(XA)에 대하여 각도(
Figure 112010027250012-pct00012
1)를 형성한다. 상기 축(XA) 방향을 따라 측정된 바, 상기 중간부(40)의 길이는 (L1)로 표시된다. 한편, 도 5(b)에 나타낸 방향(XH)에서, 상기 중간부(40) 각각은 두께가 증가되도록 선단으로부터 후단을 향하여 확대되는 중간 구역(40f), 및 상기 상기 중간 구역(40f)에 비하여 적게 확대되는 중간 구역(40b)으로 이루어진다. 상기 열-발생부(33)의 외곽선 및 상기 리드부(31)의 외곽선은 모두 상기 축(XA)에 평행하게 연장된다. 이러한 구조에 있어서, 상기 축(XA)에 대하여 상기 중간 구역(40f, 40b)에 의하여 형성되는 각도 중 큰 각도 하나를 각도(
Figure 112010027250012-pct00013
2)로 칭한다. 더욱이, 상기 각도(
Figure 112010027250012-pct00014
2)를 형성하는 상기 중간 구역 외곽선의 길이(상기 축(XA) 방향을 따라 측정된 바)는 (L2)로 표시한다. 상기 중간부가 다수개의 중간 구역 외곽선에 의하여 형성되는 경우, 상기 중간 구역 외곽선들 사이의 경계는 일부 경우 둥글게 될 수 있다. 이 경우, 상기 다수개의 중간 구역 외곽선의 접선을 가정하고, 인접한 접선의 교차가 경계로 사용되도록 상술한 바의 (
Figure 112010027250012-pct00015
1), (L1), (
Figure 112010027250012-pct00016
2), 및 (L2)를 추출한다(도 6 참조). 더욱이, 상기 중간부(40)의 외곽선(40g)이 직선적이지 않은 경우(예를 들면, 아치형을 갖는 경우), 상기 중간부(40)의 경계는 상술한 바와 같이 계산된다; 각 중간부(40)의 상기 전방측 단부 지점과 상기 후방측 단부 지점을 연결하는 하나의 직선을 가정하고; 그리고, 상기 직선 및 상기 축(XA) 사이의 각도를 상술한 바의 각도(
Figure 112010027250012-pct00017
)로서 추출한다. 더욱이, 상기 축(XA) 방향을 따라 측정한 바, 상기 중간부(40)의 상기 전방측 단부 지점과 상기 후방측 단부 지점 사이의 거리를 상술한 바의 (L)로서 추출한다. 도 5 및 도 6에서는, 상기 중간부(40)의 형상에 대한 이해를 돕기 위하여, 보조선(쇄선)이 제공된다.
본 실시예는 관계 (
Figure 112010027250012-pct00018
2) > (
Figure 112010027250012-pct00019
1) 및 관계 (L1) > (L2)를 만족하기 위한 구조로 된다. 구체적으로 말하자면, (
Figure 112010027250012-pct00020
1)=1, (
Figure 112010027250012-pct00021
2) = 25, (L1) = 3.5㎜, 및 (L2) = 2.0㎜이다. 이러한 구조 덕분에, 상기 저항기 소자(30)의 U-형 형상이 인식 가능한 상기 방향(XH)에서 볼 때, 상기 저항기 소자(30)(상기 중간부(40))는 상기 선단을 향하여 비교적 점진적으로 테이퍼지는 형상을 갖는다. 반대로, 이에 수직인 방향(XV)에서 볼 때, 상기 저항기 소자(30)(상기 중간부(40))는 상기 선단을 향하여 비교적 급격하게 테이퍼지는 형상을 갖는다. 이러한 형상 덕분에, 상기 저항기 소자(30)는 다음의 효과를 달성한다. 특히, 이러한 형상이 형성될 때, 바람직하기로는, (
Figure 112010027250012-pct00022
1), (
Figure 112010027250012-pct00023
2), 및 (L1)이 각각의 관계 0.5˚≤
Figure 112010027250012-pct00024
1 ≤ 5˚, 10˚≤
Figure 112010027250012-pct00025
2 ≤70˚, 및 2.5㎜ ≤ L1 ≤ 20㎜를 만족하도록 결정된다.
상술한 바와 같이, 상기 히터의 열 발생이 그의 선단에 집중되는 것은 전력 소모의 감소라는 관점에서 바람직하다. 그러나, 일부 경우에는, 상기 선단의 작은 영역에서만 열이 발생되는 것이 바람직하지 않게 간주된다. 특히, 디젤 엔진의 가열에 사용되는 글로우 플러그의 경우, 효율적인 연소를 실현하기 위하여, 열은 다소 큰 영역에 걸쳐서 발생되는 것이 바람직하다. 상기의 양립불가능한 요건을 만족시키기 위하여, 본 실시예의 세라믹 히터(12)는 상술한 바의 구조를 갖는다. 그러므로, 상기 세라믹 히터(12)의 선단부의 비교적 큰 부분(도 3(a)에서, (Pa)의 전방에 위치되는 일 부분)은 가장 높은 온도에 도달한다. 특히, 예를 들면, "가장 높은 온도에의 도달"은 30초에 걸쳐 7V를 인가한 결과 1200℃에 도달함을 의미한다.
특히, 상술한 바의 요건을 만족시키면서 보다 우수한 내구성을 실현하기 위하여, 바람직하기로는, 상기 튜브형 부재(90)로부터 돌출되는 상기 중간부(40) 부분의 두께(tXVex)가 상기 저항기 소자(30)의 최대 두께(tXVmax)의 2/3 이하로 되는 영역에서, 상기 기판(60)의 외곽선(60g)은 본 실시예에서와 같이 상기 선단을 향하여 좁아지도록 테이퍼진다. 상기 중간부(40)의 테이퍼 형상에 더하여 이러한 구조를 이용함으로써, 상기 한 쌍의 중간부(40,40)의 외부 윤곽이 직선적으로 되고 요철부 등을 갖지 않게 된다. 그러므로, 상기 저항기 소자(30)에 전압을 인가할 때, 열응력의 집중 및 국부적인 온도 상승을 완화하는 것이 가능해진다. 더욱이, 상기 열-발생 선단부(50)에 열응력이 집중되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 세라믹 히터는 우수하고 빠른 가열 성능을 가질 수 있고, 소량의 전력을 소모하면서 소정의 온도에 도달할 수 있으며, 강화된 가동 내구성을 가질 수 있다.
이제 도 5를 참조하여 설명한다. 상술한 바와 같이, 상기 중간부(40)는 상기 관계 (CL1) < (CL2) 및 상기 관계 (HS1S) < (HS2S)가 만족되는 영역이다. 그러므로, 상기 중간부(40)는 (R1), 및 (R2) 사이의 영역이다. 한편, 상기 "상술된 바의 두께(tXVex)"는 위치(R3)에서 상기 중간부(40)의 두께이며, 이는 상기 리드부(31) 두께(tXVmax)의 2/3이다. 그러므로, "두께가 (tXVex)인 중간부(40)"는 도 5에 나타낸 바와 같이 (R1) 및 (R3) 사이의 중간부(40m)이다. (R1) 및 (R3) 사이의 상기 영역에서, 상기 기판(60)의 외곽선(60g)은 테이퍼진 형상이다. 그러므로, 상술한 바의 효과를 얻게 된다.
바람직하기로는, 상기 기판(60)의 상술한 바의 테이퍼진 형상은 아래와 같이 형성된다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 방향(XV)에서 볼 때, 상기 축(XA) 및 상기 기판(60)의 테이퍼진 외곽선 사이에 형성되는 각도(
Figure 112010027250012-pct00026
3)는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 관계 |
Figure 112010027250012-pct00027
3 -
Figure 112010027250012-pct00028
1| ≤ 10˚, 더욱 바람직하기로는 |
Figure 112010027250012-pct00029
3 -
Figure 112010027250012-pct00030
1| ≤ 6˚, 이상적으로는 = 0˚를 만족시키도록 결정된다. 그러므로, 상기 열-발생부(33)에 의하여 발생되는 열은 상기 기판 선단부(80)의 외부 원주면에 효율적으로 전달될 수 있다. 따라서, 빠른 가열 성능을 더욱 강화하고 전력 소모를 더욱 감소시키는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 상기 열-발생부(33)는 상기 기판 선단부(80)를 소망하는 온도로 가열하기 위하여 필요한 정도보다 더 많은 열을 발생시킬 필요가 없다. 그러므로, 상기 세라믹 히터(12)는 내구성이 우수하다.
특히, 디젤 엔진의 시동에 있어서의 성능에서 볼 때, 상기 한 쌍의 리드부(31,31) 사이의 최대 간격(GL)은 관계 (GL) < (GM)를 만족시키도록 결정되며, 여기에서 GM은 두께(tXVex)가 상기 저항기 소자(30)의 최대 두께(tXVmax)의 2/3 이하인 상기 중간부(40,40) 부분들 사이의 최대 간격(GL)을 나타낸다. 그러므로, 상기 열 발생 온도가 비교적 높은 영역에서, 상기 한 쌍의 중간부(40,40)는 그들 사이에 증가된 간격을 갖게 되어, 상기 열-발생부(33)에 의하여 발생되는 열이 상기 기판(60)에 효율적으로 전달되고, 상기 기판으로부터 복사되는 열의 양이 증가된다. 따라서, 엔진 시동 성능을 유지하면서 전력 소모를 감소시키는 것이 가능하게 된다. 더욱이, 상기 열-발생부(33)는 상기 기판 선단부(80)를 소망하는 온도로 가열하기 위하여 필요한 정도보다 더 많은 열을 발생시킬 필요가 없으므로, 상기 세라믹 히터(12)는 내구성이 우수하다.
이상에서는, 상기 세라믹 히터(12)의 구조를 설명하였다. 다음으로, 상기 세라믹 히터(12)의 재료 및 상기 세라믹 히터(12)의 제조 방법을 설명한다.
상기 세라믹 히터(12)의 기판(60)을 형성하기 위한 전기적으로 절연성인 세라믹의 일 예는 질화 실리콘 세라믹이다. 또한, 전기적으로 도전성인 질화 실리콘(Si3N4) 및 탄화 텅스텐(WC)의 혼합물 역시 상기 저항기 소자(30)를 형성하기 위한 전기적으로 도전성인 세라믹으로서 사용된다. 이들 재료 및 이들 재료의 제조 방법은 주지되어 있고, 예를 들면, 일본국 특허공개공보 제2008-293804호에 기재되어 있다.
즉, 상기 기판(60)을 형성하기 위한 재료 분말 및 상기 저항기 소자(30)를 형성하기 위한 재료 분말을 미리 준비한다. 상기 저항기 소자(30)가 될 그린 부재(green member)는 해당 재료 분말을 소정의 금형에 충전시킴으로써 수행되는 사출 성형을 통하여 형성된다. 상기 사출 성형에 사용되는 금형은 상기 저항기 소자(30)가 상술한 바의 형상을 갖도록 고안된다. 양자택일적으로, 상술한 바의 형상의 갖는 상기 저항기 소자(30)의 그린 부재를 얻기 위하여, 사출 성형을 통하여 얻은 부재를 가공한다. 한편, 상기 기판(60)을 형성하기 위한 재료 분말은 상이한 금형에 충전하고, 상기 성형된 그린 부재를 상기 충전된 재료 분말 상에 위치시키며, 상기 기판(60)을 형성하기 위한 재료 분말을 더욱 충전한다. 이어서, 상기 성형된 그린 부재가 상기 기판(60)을 형성하기 위한 재료 분말 내에 매설된 상태에서 압축 성형을 수행함으로써, 상기 성형된 그린 부재 및 상기 재료 분말을 일체화하고, 그리하여, 그린 세라믹 히터를 생산한다. 소정의 해제 공정(debindering process) 등을 수행한 후, 상기 그린 세라믹 히터를 핫프레스(hot press)에 의하여 소성한다. 그 결과물인 세라믹 히터의 외부 형상을 연삭기(grinder) 등을 사용하여 조절한다. 이 때에, 상기 기판(60)이 상술한 바의 형상을 갖도록 상기 가공을 수행한다.
상술한 바와 같이 제작된 상기 세라믹 히터(12)는 도 8에 나타낸 바와 같은 글로우 플러그(200)로서 사용가능하다. 상기 글로우 플러그(200)는 상기 세라믹 히터(12), 상기 금속 튜브형 부재(90), 하우징(93), 및 중앙 로드(94)로 주로 구성된다. 주지된 바와 같이, 상기 튜브형 부재(90)는 그의 내주면에 상기 세라믹 히터(12)를 지지하며, 상기 튜브형 부재(90)가 전극 인출부(78)에 접촉되도록 프레스-피팅이나 브레이징에 의하여 상기 세라믹 히터(12)에 고정된다. 역시 금속 튜브형 부재로 되는 상기 하우징(93)의 선단부는 상기 튜브형 부재(90)에 결합된다. 엔진에의 부착을 위한 외부 나사(98)는 상기 하우징(93)의 외부 원주면의 중앙 영역에 형성되고, 도구 결합부(99)는 상기 후단에 형성된다. 상기 글로우 플러그(200)을 상기 엔진에 부착할 때, 도구는 상기 도구 결합부(99)에 맞물린다. 금속으로 로드형 형상으로 형성되며 상기 세라믹 히터(12)에 전력을 공급하는 데에 사용되는 상기 중앙 로드(94)는 상기 중앙 로드(94)가 상기 도구 결합부(99)를 통과하여 절연 부재(95) 및 절연 결합 부재(96)에 의하여 상기 하우징(93)으로부터 절연되도록 상기 하우징(93) 내에 제공된다. 상기 중앙 로드(94)는 금속으로 형성되는 크림프 부재(97)를 사용함으로써 고정가능하다. 예를 들면, 상술한 바와 같이 고정되는 상기 중앙 로드(94)의 선단부에 리드 와이어(92)를 결합하고, 상기 리드 와이어(92)를 통하여 상기 세라믹 히터(12)에 전력을 공급한다. 도 8의 예에서는, 상기 리드 와이어(92)와의 접속을 돕기 위하여 상기 세라믹 히터(12)의 후단에 금속으로 형성되는 링부재(91)가 끼워맞춤된다.
거론할 필요도 없이, 이 예는 본 발명에 의한 상기 세라믹 히터에 대한 실시예의 일 예이며, 및 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
실시예 1
(상기 세라믹 히터의 제조)
WC(평균 입자 크기: 0.7㎛), 질화 실리콘(평균 입자 크기: 1.0㎛), 및 Er2O3(소결 보조제)를 보울 미분기에서 40시간 동안 습식-블렌딩하여, 상기 저항기 소자를 형성하기 위한 분말 혼합물을 얻었다(상기 분말 혼합물의 WC 함량을 27 부피%(63 질량%) 내지 32 부피%(70 질량%)의 범위 내로 조정하여, 완성된 히터의 상온 저항을 약 300mΩ 이상이 되도록 하였다). 과립화용 분말을 준비하기 위하여 상기 저항기 소자를 형성하기 위한 분말 혼합물을 분사 건조법에 의하여 건조하였다. 바인더가 40 내지 60 부피%의 양으로 존재하도록 상기 바인더를 상기 과립화용 분말에 첨가하였고, 상기 분말을 혼련기에서 10시간 동안 반죽하였다. 그 후, 펠레타이저를 사용함으로써 상기 얻어진 혼합물로부터 약 3㎜의 입자 크기를 갖는 입자를 형성하였다. 형성된 입자를 실시예 1 내지 실시예 15 및 비교예 1의 중간부를 형성할 수 있는 금형을 갖는 사출 성형기에 넣어, 사출 성형을 통하여 상술한 바의 조건들을 만족시키는 열-발생부가 될 그린 열-발생부를 갖는 그린 저항기 소자를 얻었다.
한편, 질화 실리콘(평균 입자 크기: 0.6㎛), Er2O3(소결 보조제), 및 CrSi2, WSi2, 및 SiC(열확장 조정자)를 보울 미분기에서 습식-블렌딩하여, 분말 혼합물을 얻었다. 상기 분말 혼합물에 바인더를 첨가하고, 그 결과 혼합물을 분사 건조법에 의하여 건조함으로써, 상기 기판을 형성하기 위한 기판-형성 분말 혼합물을 얻었다.
다음으로, 상기 기판-형성 분말 혼합물에 상기 그린 저항기 소자를 매설하여 압축 성형함으로써, 세라믹 히터가 될 성형물을 얻었다. 이 성형물을 탈결합하기 위하여 질소 분위기에서 1시간 동안 800℃에서 하소하고, 0.1 MPa의 질소 분위기에서 90분 동안 30 MPa의 압력하에 1780℃에서 핫프레스 공법으로 소성하여, 소성물을 얻었다. 얻어진 소성물을 3.1㎜의 직경을 갖는 대략적인 실린더의 형상으로 연마하였다. 또한, 소망에 따라, 상기 기판 선단부(80)를 테이퍼링하고, 다듬질하거나, 둥근 형상으로 다듬어, 표 1에 나타낸 각각의 세라믹 히터를 제조하였다. 상기 제조된 세라믹 히터는 상술한 바의 세라믹 히터(12)와 동일한 형상을 갖는다. 그러나, 상기 세라믹 히터는 도 7에 나타낸 수정된 형상을 가질 수도 있다. 이들 수정된 형상에 대해서는 후술한다. 상기 제조된 세라믹 히터의 치수 예는 다음과 같다: 상기 세라믹 히터의 전체 길이(상기 축(XA) 방향의 길이)는 30 내지 50㎜이고, 상기 세라믹 히터(12)(일정 직경부)의 직경은 2.5 내지 3.2㎜이며, 상기 세라믹 히터(상기 기판 선단부(80) 제외)의 최소 벽 두께는 100 내지 500㎛이고, 상기 축(XA) 방향으로 상기 기판 선단부(80)의 길이는 1 내지 20㎜이며, 상기 한 쌍의 리드부(31,31) 사이의 간격은 0.2 내지 1㎜이다.
상기 준비된 세라믹 히터 각각을 사용하여 상술한 바의 글로우 플러그를 제작하였으며, 이에 후술되는 다양한 성능 평가 테스트를 수행하였다. 특히, 상기 세라믹 히터의 특성값은 표 1에 나타낸 바와 같다.
(글로우 플러그의 전력 소모 측정)
이들 글로우 플러그의 표면 온도 및 전력 소모를 측정하기 위하여 도 10에 나타낸 장치를 사용하였다. 도 10에 나타낸 상기 장치는 제어기(100); 상기 제어기(100)에 접속되는 직류 전원(101); 상기 직류 전원(101)에 접속되는 오실로스코프(105); 상기 오실로스코프(105)에 접속되는 복사 고온계(104) 및 퍼스널 컴퓨터(106); 및 상기 직류 전원(101)으로부터 연장되는 와이어를 포함한다. 특히, 도 11은 상기 장치의 세부를 나타낸다.
도 10에 나타낸 장치를 사용하여 실시예 및 비교예 1의 글로우 플러그 각각에 대하여 표면 온도 및 전력 소모를 측정하였다. 구체적으로 말하자면, 각각의 글로우 플러그(200)를 상기 장치의 와이어에 접속하고, 상기 글로우 플러그(200)에 인가되는 전압을 상기 제어기(100)에 설정하였다. 상기 제어기(100)는 상기 직류 전원(101)을 제어함으로써 상기 글로우 플러그(200)에 인가되는 전압을 제어하였다. 카메라(102) 및 주요 몸체(103)로 구성되는 상기 복사 고온계(104)를 사용하여, 상기 글로우 플러그의 세라믹 히터의 표면 온도를 측정하였다(복사율(emissivity): 0.935). 이 때에, 상기 글로우 플러그의 표면 온도가 1200℃로 되도록 각각의 글로우 플러그를 흐르는 전류를 제어하였다. 제어된 방식으로 공급되는 상기 전력을 후술되는 방법에 의하여 전력 소모로서 계산하였다.
더욱이, 상기 직류 전원(101)으로부터 각각의 글로우 플러그에 인가되는 전압 및 각각의 글로우 플러그를 흐르는 전류를 상기 오실로스코프(105)를 사용하여 모니터링 하였고, 상기 복사 고온계(104)에 의하여 상기 세라믹 히터의 표면 온도로서 측정된 상기 측정 온도를 모니터링 하였다. 상기 오실로스코프(105)는 트리거로서 상기 인가 전압을 사용하면서 상기 측정 온도, 상기 인가 전압, 및 상기 전류에 대한 데이터를 동기 방식으로 저장할 수 있다. 이러한 방식으로 얻어진 상기 데이터를 상기 퍼스널 컴퓨터(106)에서 처리하여, 전력 소모를 계산하였다. 표 1 및 표 2는 그 결과를 나타낸다.
(글로우 플러그의 가동 내구성 테스트)
실시예 및 비교예 1의 상기 글로우 플러그에 대하여 가동 내구성에 대한 테스트를 수행하였다. 히터 온도가 1350℃ 또는 1450℃의 최고 온도에 도달할 때까지 상기 히터 온도를 1000℃/sec의 비율로 증가시키도록 히터 전압을 각각의 글로우 플러그에 인가하여, 상기 전압의 인가를 중단하고, 상기 글로우 플러그를 30초 동안 팬에 의하여 냉각하는 가열 및 냉각 주기를 반복함으로써 상기 가동 내구성 테스트를 수행하였다. 상기 반복 주기의 수가 100000에 이를 때 상기 가열 및 냉각 주기를 종료하였다. 상기 반복 주기의 수가 100000에 이르기 전에 저항이 10%이상 변화되었을 때, 상기 테스트를 종료하였다. 이러한 테스트에서, 상기 가열 및 냉각 주기가 35000회 이상 반복된 글로우 플러그를 "우수(◎)"로 평가하였다; 상기 가열 및 냉각 주기가 15000회 이상 반복된 글로우 플러그를 "양호(○)"로 평가하였다; 그리고, 상기 가열 및 냉각 주기가 5000회 이상 반복된 글로우 플러그를 "보통(△)"으로 평가하였다. 이 테스트의 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다.
(글로우 플러그에 대한 빠른 가열 성능 테스트)
실시예 및 비교예 1의 상기 글로우 플러그에 대하여 빠른 가열 성능 테스트에 대한 테스트를 수행하였다. 각각의 글로우 플러그에 11V의 직류 전압을 인가하고, 상기 세라믹 히터의 외부 원주면에서 가장 뜨거운-발생부(21)의 온도를 측정하였다. 1000℃에 도달하는 데에 필요한 시간을 1000℃ 도달 시간으로서 측정하였고, 이에 기초하여 빠른 가열 성능을 평가하였다. 이 테스트의 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다.
(글로우 플러그에 대한 엔진 시동 테스트)
실시예의 상기 글로우 플러그에 대하여, -25℃의 환경에서 엔진 시동 테스트를 수행하였다. 엔진이 10초 이내에 950rpm에 도달할 수 있게 한 글로우 플러그를 "우수(◎)"로 평가하였다; 그리고, 엔진이 15초 이내에 950rpm에 도달할 수 있게 한 글로우 플러그를 "양호(○)"로 평가하였다. 이 테스트의 결과를 표 2에 나타낸다.
세라믹 히터의 형상 테스트 결과
중간부의 외접원의 직경차이
(㎜)		 단면
영역
S1
(㎜2)		 단면 영역
S2
(㎜2)		 중간부의
내접원의
직경차이
(㎜)		 가장
뜨거운
열발생부에서
저항기의
단면 영역 (㎜2)		 단면
영역비율
(가장
뜨거운 열발생부/리드부)		 형상 전력 소모
(Wh)		 가동 내구성 상온 저항
(mΩ)		 빠른 가열 성능
(sec)
실시예 1 1.7 1.8 7.5 0.4 0.4 1/9.3 1 33 ◎ 437 0.4
실시예 2 1.3 2.8 7.5 0 0.4 1/9.3 2 41 ◎ 455 0.7
실시예 3 0.8 4.5 7.5 -0.6 0.4 1/9.3 6 47 ◎ 501 1.3
실시예 4 1.7 2.8 7.5 0.4 0.4 1/9.3 7 38 ◎ 438 0.8
실시예 5 1.7 8.6 8.6 0.4 0.4 1/9.3 8 44 ◎ 425 1.2
실시예 6 1.7 8.6 8.6 0.4 0.4 1/9.3 9 46 ◎ 444 1.5
비교예 1 0 8.6 8.6 -1 1.1 1/2.8 24 62 ◎ 433 3.1
tXVex/
tXVmax 		각도
Figure 112010027250012-pct00031
3
(°)		 각도
Figure 112010027250012-pct00032
1
(°)		 각도
차이(°)
|
Figure 112010027250012-pct00033
3-
Figure 112010027250012-pct00034
1|		 간격
차이
GM-GL
(㎜)		 상온
저항
(mΩ)		 전력
소모
(W)		 가동 내구성 빠른 가열 성능
(sec)		 엔진 시동 시간
1350℃ 1450℃
실시예 1 1/3 7.5 7.5 0 -0.4 437 33 ◎ ◎ 0.4 ○
실시예 7 2/3 1 1 0 0.5 292 40 ◎ ◎ 0.9 ◎
실시예 8 1/3 1 1 0 0.5 312 35 ◎ ◎ 0.6 ◎
실시예 9 3/4 1 1 0 0.5 323 43 ◎ ◎ 1.2 ◎
실시예 10 1/3 1 1 0 0.5 334 43 ◎ ◎ 1.2 ◎
실시예 11 1/3 2 7 5 0.5 313 38 ◎ ○ 0.9 ◎
실시예 12 1/3 2 12 10 0.5 325 40 ◎ ○ 1.0 ◎
실시예 13 1/3 2 15 13 0.5 333 42 ◎ △ 1.2 ◎
실시예 14 1/3 11 1 10 0.5 313 38 ◎ ◎ 0.9 ◎
실시예 15 1/3 15 1 14 0.5 310 40 ◎ △ 1.0 ◎
표 1 및 표 2에 나타낸 결과로부터 명백한 바와 같이, 저항기 소자가 상술한 바의 제 1 구조적 특징의 요건을 만족시키는 한 쌍의 중간부를 포함하는 열-발생부를 갖는 실시예의 글로우 플러그는 우수하고 빠른 가열 성능을 가짐을 발견하였고, 전력 소모를 감소시킬 수 있고, 내구성이 우수하다. 특히, 상술한 바의 제 1 및 제 2 구조적 특징의 요건을 만족시키는 실시예 1 내지 실시예 4 및 실시예 7 내지 실시예 15의 글로우 플러그는 빠른 가열 성능 및 내구성이 우수하면서 전력 소모를 감소시킬 수 있었다. 반대로, 상술한 바의 제 1 구조적 특징의 요건을 만족시키지 못하는 비교예 1의 글로우 플러그는, 62W의 큰 전력을 소모하였다.
상기 표 2에서 “tXVex/tXVmax”는 상기 중간부(40)의 최소 두께 대 상기 저항기 소자(30)의 최대 두께의 비율을 나타낸다. 실시예 7 내지 실시예 9 사이의 비교는, 상기 저항기 소자(30)의 최대 두께에 비하여 상기 중간부(40)의 얇은 정도가 증가할 때; 구체적으로 말하자면, 상기 글로우 플러그가 상술한 바의 제 3 의 구조적 특징을 가질 때, 전력 소모를 감소시키면서 빠른 가열 성능을 개선할 수 있다는 것을 나타낸다. 구체적으로 말하자면, 실시예 7 및 실시예 8에서, 상기 저항기 소자(30)(상기 중간부(40))의 두께는 상기 세라믹 히터의 튜브형 부재(90)로부터 노출된 일 부분에서 2/3으로 된 반면, 실시예 9에서, 상기 저항기 소자(30)(상기 중간부(40))의 상기 노출된 부분에서의 두께는 상기 노출부의 시작 부분에서 측정한 바 3/4이다. 그러므로, 실시예 9의 상기 글로우 플러그는 실시예 7 및 실시예 8에서보다 다소 큰 양의 전력을 소모하였다.
특히, 실시예 10은 상기 제 1 및 제 2 구조적 특징을 가지나 상기 제 3 의 구조적 특징은 갖지 않는 비교용 예이다. 즉, 상기 저항기 소자(30)는 두께가 상기 튜브형 부재(90) 내의 상기 최대 두께의 2/3으로 되는 일 부분을 갖는다. 그러므로, 열은 상기 튜브형 부재(90)로부터 소멸되며, 이는 상기 빠른 가열 성능을 다소 저감시킨다.
실시예 8 및 실시예 11 내지 실시예 15의 글로우 플러그는, 빠른 가열 성능 및 전력 소모에 대한 상기 각도(
Figure 112010027250012-pct00035
1,
Figure 112010027250012-pct00036
3)의 영향을 확인하기 위하여, 그들의 세라믹 히터가 상기 세라믹 히터(12)의 외부 형상과 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 외부 형상을 갖도록 제작되었다. 이들 실시예 사이의 비교는 상기 제 6 구조적 특징을 갖는 것이 바람직함을 나타낸다.
더욱이, 표 2의 실시예 1 및 실시예 7 내지 실시예 15 사이의 비교는 상기 한 쌍의 리드부(31) 사이의 최대 간격(GL)과 상기 두께(tXVex)를 갖는 중간부(40) 사이의 최대 간격(GM) 사이의 관계가 상기 관계 (GL)<(GM)를 만족시키도록 이를 설정함으로써 엔진 시동 성능이 개선 가능함을 나타낸다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예는 최선단에서의 상기 중간부(40)의 상기 외접원(CG) 직경과 최후단에서의 상기 중간부(40)의 상기 외접원(CG) 직경 사이의 차이(CL2-CL1)가 서로 상이하다. 설계에 따라, 상기 직경 차이를 소망하는 값으로 선택한다. 예를 들면, 상기 직경 차이는 0.1 내지 2.5㎜의 범위, 바람직하기로는, 0.3 내지 2.0㎜의 범위 내로 선택된다. 상기 직경 차이가 이 범위 내로 될 때, 상기 한 쌍의 중간부(40)의 외경은 상기 선단을 향하여 적절히 감소되고, 그들의 부피는 감소된다. 그러므로, 상기 열-발생부(33)의 내구성을 유지하면서, 빠른 가열 성능을 개선하고 전력 소모를 더욱 낮추는 것이 가능하다.
더욱이, 상기 가장 뜨거운-발생부(55)는 바람직하기로는 그의 전체 단면 영역이 상기 리드부(31)의 전체 단면 영역의 1/60 내지 1/2.6으로 되도록 형성된다. 각각의 상기 전체 단면 영역은 상기 축(XA)에 수직인 평면을 따라 취한 상기 저항기 소자(30)의 단면 영역의 합이다. 상기 가장 뜨거운-발생부(55)의 단면 영역이 상술한 바의 범위 내로 될 때, 우수하고 빠른 가열 성능, 낮은 전력 소모, 및 우수한 내구성이 실현가능하고, 상기 가장 뜨거운-발생부(55)의 가열 온도가 더욱 균일하게 될 수 있다. 따라서, 이 세라믹 히터(12)가 상기 글로우 플러그(200)의 히터로서 사용될 때, 상기 글로우 플러그(200)는 우수하고 빠른 가열 성능, 낮은 전력 소모, 및 우수한 내구성을 발휘하며, 또한 우수한 엔진 시동 성능을 발휘한다.
더욱이, 상기 기판(60)의 테이퍼 정도는, 바람직하기로는, 상기 세라믹 히터의 단면(S1) 및 (S2) 사이의 단면 영역의 비율(S1S/S2S)이 약 0.1 내지 0.9(바람직하기로는, 0.5 내지 0.9)로 되도록 결정된다. 이로써 상기 열-발생 선단부(50)의 매설 위치는 상기 기판 선단부(80)의 외표면에 대하여 너무 가까이도 너무 멀리도 되지 않으며, 상기 열-발생 선단부(50)가 매설되는 상기 기판 선단부(80)의 벽 두께는 적당한 두께로 되므로, 상기 열-발생 선단부(50)에 의하여 발생되는 열은 상기 기판(60)의 외주면에 더욱 효과적으로 그리고 더욱 빠르게 전달될 수 있다. 그러므로, 빠른 가열 성능, 낮은 전력 소모, 및 내구성을 보다 높은 레벨로 실현하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 본 발명의 제 4 구조적 특징의 효과를 검증하기 위하여 검증 테스트를 수행하였다. 상기 저항기 소자의 각도(
Figure 112010027250012-pct00037
1,
Figure 112010027250012-pct00038
2) 및 길이(L1, L2)의 조건이 서로 상이하게 제조된 세라믹 히터에 대하여 상술한 바의 테스트와 유사한 테스트를 수행하였다. 상기 세라믹 히터의 사양 및 상기 테스트 결과를 표 3에 나타낸다.

각도
Figure 112010027250012-pct00039
1
(°)		 각도
Figure 112010027250012-pct00040
2
(°)		 길이
L1
(㎜)		 길이
L2
(㎜)		 상온
저항
(mΩ)		 전력
소모
(W)		 가동 내구성 빠른
가열
성능
(sec)
 엔진
시동
시간
1350℃ 1450℃
실시예 8 1 25 14 2 312 35 ◎ ◎ 0.6 ◎
실시예 16 1 2 14 20 292 40 ◎ ◎ 0.9 ◎
실시예 17 3.5 3 12 11 293 39 ◎ ◎ 0.9 ◎
실시예 18 3.5 2 12 20 291 43 ◎ ◎ 1.2 ◎
실시예 8의 상기 세라믹 히터는 상기 제 4 구조적 특징의 요건을 만족시킨다. 즉, 상기 세라믹 히터는 상기 관계 (
Figure 112010027250012-pct00041
2) > (
Figure 112010027250012-pct00042
1) 및 상기 관계 (L1) > (L2)를 만족시키도록 형성하였다. 한편, 실시예 16 내지 실시예 18의 세라믹 히터는 상기 각도(
Figure 112010027250012-pct00043
) 및 상기 길이(L)에 관한 상기 관계 중 어느 하나 또는 모두를 만족시키지 못하도록 형성하였다. 실시예 8 및 실시예 16 내지 실시예 18 사이의 비교는 실시예 8의 상기 세라믹 히터가 전력 소모를 감소시킬 수 있고 빠른 가열 성능이 비교적 우수함을 나타낸다. 이는 상기 제 6 구조적 특징의 요건을 만족시키기 위하여 상기 중간부(40)를 구성함으로부터 기인하며, 따라서, 상기 저항기 소자(30)의 저항은 상기 선단측에서 상기 열-발생부(33)에 집중된다.
본 발명의 수정예를 설명한다. 상기 본 실시예의 저항기 소자(30)는 대체로 타원형인 단면 형상을 갖는다. 그러나, 소위 사출 성형을 통하여 상기 저항기 소자(30)를 형성하는 한, 상기 저항기 소자(30)의 단면 형상은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 실시예는 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 한, 상기 저항기 소자(30)가 대체로 원형 또는 팬-형 단면, 또는 모따기된 모서리를 갖는 직사각형 또는 다각형 단면을 가지도록 수정가능하다.
상기 저항기 소자(30)의 단면 형상뿐 아니라, 그의 외부 형상 또한 수정가능하다. 도 7은 몇몇 수정예를 나타낸다. 도 7에서, 구체적인 설명을 요하지 않는 부분에 대해서는, 도면을 명확히 하기 위하여 참조 부호를 생략한다.
도 7(a)에 나타낸 세라믹 히터(1)는 상기 세라믹 히터(12)의 경우에 비하여 상기 기판 선단부(80)가 더욱 날카로운 지점을 갖도록 형성된다. 따라서, 상기 열-발생부(33) 또한 상기 기판 선단부(80)의 외곽선을 따라 다소 날카로운 형상을 가지며, 상기 저항기 소자(30)의 최선단 단부만이 U-형 형상을 형성한다. 더욱이, 상기 중간부(40)의 내부 및 외부 외곽선 모두는 상기 한 쌍의 중간부(40) 사이의 간격이 상기 선단을 향하여 감소되도록 직선적으로 연장된다. 이러한 구조 덕분에, 상기 세라믹 히터(1)는 상기 세라믹 히터(12)에 비하여 전력 소모를 더욱 감소시킬 수 있다.
도 7(b)에 나타낸 세라믹 히터(2)는 상기 한 쌍의 중간부(40) 사이의 간격이 일정하며 상기 리드부(31) 사이의 간격과 동일한 것을 제외하고는 상기 세라믹 히터(12)와 동일하다.
도 7(c)에 나타낸 세라믹 히터(3)는 상기 중간부(40)가 매설된 기판(60)의 일 부분의 외곽선(60g)이 상기 세라믹 히터(2)와 상이하다. 즉, 상기 외곽선(60g)이 상기 선단을 향하여 선형적으로 테이퍼진 상기 세라믹 히터(2)와는 달리, 상기 세라믹 히터(3)에서는, 대향 곡선이 상기 외곽선(60g)을 형성하도록 상기 외곽선(60g)이 비선형적으로 테이퍼진다. 더욱이, 상기 중간부(40)의 외곽선(40g)은 상기 기판(60)의 외곽선(60g)을 따라 형성된다. 특히, 상기 곡선이 내측으로 볼록한 상기 세라믹 히터(3)와는 반대로, 세라믹 히터(4)(도 7(d))에서는, 상기 곡선이 외측으로 복록한 구조로 된다.
도 7(e)에 나타낸 세라믹 히터(5)의 경우, 상기 기판 선단부(80)는 상기 테이퍼부 선단으로부터 직선적으로 돌출되는 일 부분(40t)을 가지며, 상기 저항기 소자(30)는 상기 열-발생부(33)가 상기 돌출부(40t) 내에 위치되도록 상기 기판(60)의 형상을 따라 형성된다. 상기 히터의 선단부는 부피가 작으므로, 온도가 빠르게 증가된다. 그러므로, 도 7(e)에 나타낸 구조는 빠른 가열 성능이 중요할 때 적용가능하다.
도 7(f)에 나타낸 세라믹 히터(6)는 상기 한 쌍의 중간부(40) 사이의 간격이 상기 선단을 향하여 증가되는 것을 제외하고는 상기 세라믹 히터(2)와 동일하다. 이러한 구조는 폭이 감소되는 상기 저항기 소자(30)의 부분을 후방을 이동시키기 때문에, 가장 높은 온도에 도달하는 일 부분이 확대되므로, 상기 엔진 시동 성능을 개선하는 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바의 평가 테스트에 사용되는 세라믹 히터(7)는 상기 세라믹 히터(2)와 대략 유사한 형상을 갖는다. 상기 기판 선단부(80)가 상기 세라믹 히터(2)에 비하여 더욱 크게 형성되는 것은 상이하나 그 나머지 부분에는 변화가 없다(도시 생략).
세라믹 히터(8)는 상기 기판 선단부(80)가 반구형 형상을 갖는다는 것을 제외하고는 상기 세라믹 히터(2)와 동일하다(도 7(g)). 상기 기판 선단부(80)가 반구형 형상을 가지므로, 상기 세라믹 히터(8)는 빠른 가열 성능 및 전력 소모에 있어서 상기 세라믹 히터(2)에 비하여 다소 못하다. 그러나, 상기 세라믹 히터(8)는 본 발명의 실행에 관련하여 아무런 문제도 일으키지 않는다. 더욱이, 세라믹 히터(9)는 상기 기판 선단부(80)가 모따기됨(끝을 잘라버린 원뿔 형상으로)을 제외하고는 상기 세라믹 히터(8)와 동일하다(도 7(h)참조).
비록 본 발명의 실시예는 상술된 바와 같으나, 기타의 수정도 가능하다. 예를 들면, 도 7(i)에 나타낸 세라믹 히터(10)는 상기 중간부(40) 부분이 방사상 외측으로 부풀도록 형성된다. 이러한 세라믹 히터에서도, 본 발명은 실행가능하다. 특히, 이러한 형상을 갖는 세라믹 히터의 경우, 상술한 각도(
Figure 112010027250012-pct00044
)의 결정이 일부 경우에는 곤란하게 된다. 이러한 경우, 상기 각도(
Figure 112010027250012-pct00045
1)는 후술하는 바와 같이 추출된다. 우선, 상기 중간부의 제 1 경계를 상술한 바와 같은 방식으로 명시한다. 상기 최선단측 상의 경계 및 상기 최후단측 상의 경계(상기 명시된 경계 중에서)를 통과하는 가상선을 가정하고, 상기 가상선과 상기 축(XA) 사이에 형성되는 각도를 상기 각도(
Figure 112010027250012-pct00046
1)로서 얻는다. 상기 각도(
Figure 112010027250012-pct00047
1)를 얻는 이러한 방법은 도 7(i)에 나타낸 형상 뿐만 아니라, 상기 외곽선이 곡선 또는 단차 형상을 갖는 경우에도 적용가능하다.
그러나, 이러한 형상을 적용할 때, 제조 공정의 생산율 개선이 곤란해진다. 그러므로, 거론할 필요도 없이, 상기 중간부는 바람직하기로는 직선적으로 연장되도록 형성된다. 상기 제 1 구조적 특징에 관련하여, "상기 중간부가 바람직하기로는 연속적으로 형성된다."라고 말할 수 있다.
더욱이, 상기 본 실시예에서, 상기 세라믹 히터는 상기 기판 및 상기 저항기 소자가 모두 세라믹으로 형성되는 구조로 된다. 그러나, 상기 세라믹 히터의 구조는 이에 한정되지 않으며, 종래 주지된 구조도 추가적으로 적용가능하다. 구체적으로 말하자면, 도 7(j)에 나타낸 세라믹 히터(11)에서와 같이, 상기 리드부(31)의 후단부는 텅스텐과 같은 금속 리드 와이어로 형성된다.
특히, 본 발명을 실행할 때, 세라믹 히터는 상이한 유형의 전기적으로 도전성인 세라믹을 사용하여 형성가능하다. 이 경우, 본 발명에 의하여 정의된 구체적인 디자인은 불필요하게 될 수 있고, 본 발명에 의하여 달성되는 효과는 더욱 단순한 디자인의 적용을 통하여 비교적 용이하게 얻을 수 있다. 그러나, 상기 단일의 전기적으로 도전성인 세라믹을 사용하여 세라믹 히터를 형성할 때에만, 제조에 사용되는 물질 및 제조 공정 자체의 관리가 용이하게 될 수 있고, 상술한 바의 작용 및 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 중요성은 상기 단일의 전기적으로 도전성인 세라믹을 사용하는 세라믹 히터에서 더욱 중요하게 된다. 그러나, 상이한 유형의 전기적으로 도전성인 세라믹을 사용하는 세라믹 히터에 본 발명을 적용할 때, 상기 세라믹 히터가 더욱 바람직한 특성을 발휘할 수 있음은 명백하다. 그러므로, 본 발명의 적용은 상기 저항기 소자가 상기 단일의 전기적으로 도전성인 세라믹으로 형성되는 세라믹 히터에 한정되지 않는다. 그러나, 상기 저항기 소자가 상기 단일의 전기적으로 도전성인 세라믹으로 형성되는 세라믹 히터에 중요한 구조를 제공하는 본 발명은 상이한 유형의 전기적으로 도전성인 세라믹으로 형성되는 세라믹 히터의 설계로부터 용이하게 생각해낼 수 있는 것이 아니다.
1 ~ 12 - 세라믹 히터 200 - 글로우 플러그
30 - 저항기 소자 31 - 리드부
33 - 열-발생부 40 - 중간부
50g - 중간부의 외곽선 60 - 기판
60g - 기판의 외곽선 90 - 튜브형 부재

Claims (9)

  1. 전기적으로 절연성인 세라믹으로 형성되는 기판 및 상기 기판에 매설되는 저항기 소자로 이루어지며, 여기에서 상기 저항기 소자는 전기적으로 도전성인 세라믹으로 형성되고 U-형 형상으로 절첩된 단일의 열-발생부, 및 상기 열-발생부의 대향 단부에 결합되는 한 쌍의 리드부를 포함하고,
    상기 단부는 축(XA) 방향에 대하여 후방을 향하며, 상기 축(XA) 방향에 대하여 후방으로 직선으로 연장되는 세라믹 히터로서,
    상기 저항기 소자는 상기 열-발생부 및 상기 리드부 사이에 위치되는 중간부를 포함하고;
    상기 축(XA) 상의 2개의 임의의 상이한 지점인 선단측 지점(P1) 및 후단측 지점(P2)에서 상기 축(XA)에 수직인 평면을 따라 취한 상기 세라믹 히터의 단면(S1, S2) 상에서, 상기 단면(S1, S2) 상에 나타나는 상기 저항기 소자의 2개의 단면(HS1a, HS1b) 및 2개의 단면(HS2a, HS2b)을 각각 외접 및 포함하도록 가상 외접원(CG1, CG2)이 그려질 때, 각각, 상기 외접원(CG1, CG2)의 직경(CL1, CL2)은 관계 (CL1) < (CL2)를 만족하며; 그리고
    상기 저항기 소자의 2개의 단면(HS1a, HS1b)의 전체 단면 영역(HS1s) 및 상기 저항기 소자의 2개의 단면(HS2a, HS2b)의 전체 단면 영역(HS2s)은 관계 (HS1s) < (HS2s)를 만족함을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 히터의 단면(S1, S2)의 단면 영역(S1s, S2s)은 관계 (S1s) < (S2s)를 만족함을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 히터는 상기 세라믹 히터의 선단부가 노출되도록 금속으로 형성되는 튜브형 부재 내로 삽입되어 지지되고;
    상기 중간부 각각은 상기 저항기 소자의 최대 두께(tXVmax)의 2/3이하로 되는 두께를 갖는 일 부분을 가지며; 그리고
    상기 저항기 소자의 최대 두께(tXVmax)의 2/3인 두께로 되는 상기 저항기 소자의 부분은 금속으로 형성되는 상기 튜브형 부재로부터 노출됨을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    관계 (
    Figure 112012057817331-pct00048
    2) > (
    Figure 112012057817331-pct00049
    1) 및 관계 (L1) > (L2)가 만족되며, 여기에서 (
    Figure 112012057817331-pct00050
    1)는 외곽선이 상기 중간부의 폭을 결정하는 중간부의 방사상 외측 외곽선 각각과 상기 축(XA)과의 사이에 형성되는 각도를 나타내며, (L1)는 축(XA) 방향을 따라 측정된 바 상기 중간부의 길이를 나타내고, (
    Figure 112012057817331-pct00051
    2)는 외곽선이 상기 중간부의 두께를 결정하는 상기 중간부의 방사상 외측 외곽선 각각과 상기 축(XA)과의 사이에 형성되는 각도 중 가장 큰 각도를 나타내며, 그리고 (L2)는 축(XA) 방향으로 측정된 바 상기 가장 큰 각도를 형성하는 상기 중간부의 외곽선의 길이를 나타냄을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 저항기 소자의 최대 두께(tXVmax)의 2/3 이하로 되는 두께를 갖는 상기 중간부의 부분이 매설되는 상기 기판의 외곽선은 그의 선단을 향하여 테이퍼짐을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 각도(
    Figure 112012057817331-pct00052
    1) 및 각도(
    Figure 112012057817331-pct00053
    3)는 관계 |
    Figure 112012057817331-pct00054
    3 -
    Figure 112012057817331-pct00055
    1| ≤ 10을 만족시키며, 여기에서 상기 각도(
    Figure 112012057817331-pct00056
    3)는 상기 중간부가 위치된 축(XA)방향 일 지점에서 상기 기판의 외곽선과 상기 축(XA)과의 사이에 형성되는 각도를 나타냄을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  7. 청구항 3 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 한 쌍의 리드부 사이의 최대 간격(GL) 및 상기 저항기 소자의 최대 두께(tXVmax)의 2/3 이하로 되는 두께를 갖는 중간부들 사이의 최대 간격(GM)은 관계 (GL) < (GM)를 만족시킴을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  8. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 의한 세라믹 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 글로우 플러그.
  9. 청구항 7에 의한 세라믹 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 글로우 플러그.
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