KR101515451B1

KR101515451B1 - 히터 및 이것을 구비한 글로우 플러그

Info

Publication number: KR101515451B1
Application number: KR1020137026709A
Authority: KR
Inventors: 타케시 오카무라
Original assignee: 쿄세라 코포레이션
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2015-04-28
Also published as: EP2704519A4; CN103493586B; JP5883172B2; JP6075669B2; JP2016106365A; CN103493586A; JPWO2012147920A1; WO2012147920A1; JP6247375B2; US10299317B2; JP2017098257A; US9491805B2; EP2704519B1; EP2704519A1; JP2015099795A; KR20130130075A; US20140042145A1; JP5701979B2; US20170127478A1

Abstract

(요약) 저항체에 대전류가 흘러도 저항체와 리드의 접합부에의 마이크로 크랙의 발생이나 히터의 저항값의 변화가 억제된 높은 신뢰성 및 내구성을 갖는 히터 및 이것을 구비한 글로우 플러그를 제공한다. (해결수단) 본 발명은 발열부(4)를 갖는 저항체(3)와, 저항체(3)의 단부에 접합된 리드(8)와, 저항체(3) 및 리드(8)를 피복하는 절연기체(9)를 구비한 히터(1)로서, 저항체(3)와 리드(8)가 리드(8)의 축방향에 수직인 방향으로 겹치는 접속부(2)를 갖고, 상기 접속부(2)를 축방향에 수직인 단면으로 보았을 때에 저항체(3)와 리드(8)의 경계가 곡선상이다.

Description

히터 및 이것을 구비한 글로우 플러그{HEATER AND GLOW PLUG COMPRISING SAME}

본 발명은 예를 들면 연소식 차재 난방장치에 있어서의 점화용 또는 불꽃 검지용 히터, 석유 팬히터 등의 각종 연소 기기의 점화용 히터, 자동차 엔진의 글로우 플러그용 히터, 산소 센서 등의 각종 센서용 히터, 측정 기기의 가열용 히터 등에 이용되는 히터 및 이것을 구비한 글로우 플러그에 관한 것이다.

자동차 엔진의 글로우 플러그 등에 사용되는 히터는 발열부를 갖는 저항체, 리드 및 절연 기체를 포함하는 구성으로 되어 있다. 그리고, 리드의 저항이 저항체의 저항보다 작아지도록 이들의 재료 선정이나 형상 설계가 되어 있다.

여기에서, 저항체와 리드의 접합부는 다른 형상을 가진 저항체와 리드를 접속하는 형상 변화점이거나 재료 조성이 다른 저항체와 리드를 접속하는 재료 조성 변화점이거나 하므로, 사용시의 발열이나 냉각에서의 열팽창의 차에 기인한 영향을 저감하도록 접합 면적을 크게 하는 등의 연구가 되어 있다. 예를 들면, 도 10(a)에 나타낸 바와 같이, 리드의 축방향으로 평행한 단면에서 봤을 때에 저항체(3)와 리드(8)의 경계면이 비스듬히 되어 있는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1, 2를 참조).

일본 특허 공개 2002-334768호 공보 일본 특허 공개 2003-22889호 공보

최근, 엔진의 연소 상태를 최적화하기 위해서 ECU로부터의 제어 신호가 펄스화된 구동 방법이 취해지게 되어 왔다.

여기에서, 펄스로서는 구형파를 사용하는 일이 많다. 펄스의 상승 부분에는 고주파성분이 있고, 이 고주파성분은 리드의 표면부에서 전송한다. 그런데, 다른 임피던스를 갖는 리드와 저항체가 끝면에서 대향하도록 해서 이음매 부분(접속부)이 형성되면 이 접속부에서 임피던스의 정합이 취해지지 않은 고주파성분의 일부는 반사되어 산란되어 줄열로서 유실된다. 그 때문에, 접속부가 국소적으로 발열되지만, 도 10(b)에 나타낸 바와 같이 리드(8)와 저항체(3)의 경계면이 평면상으로 되어 있으면 리드의 열팽창율과 저항체의 열팽창율이 다른 것에 기인해서 리드(8)와 저항체(3)의 접속부에 마이크로 크랙이 발생하고, 리드(8)와 저항체(3)의 경계면을 따라 균열이 일시에 진전되어 히터의 저항값이 짧은 운전 시간에서 변화되는 문제점이 발생해 왔다.

또한, 펄스 구동을 채용하지 않고, DC 구동을 채용한 경우라도 같은 문제점이 발생해 왔다. 즉, 최근의 ECU에서는 회로 로스가 적어졌기 때문에 급속 승온을 목적으로 해서 엔진 동작 개시시에 저항체에 대전류가 흐르게 되어 있다. 따라서, 펄스의 구형파와 같이 전력돌입의 상승이 급준해지고, 고주파성분을 포함한 고전력이 히터에 돌입해 오게 되어 왔기 때문에 같은 문제점이 발생해 왔다.

본 발명은 상기 종래의 문제점을 감안하여 안출된 것이며, 그 목적은 저항체에 대전류가 흘러도 저항체와 리드의 접속부에의 마이크로 크랙의 발생, 경계면에서의 균열의 진전 및 히터의 저항값의 변화가 억제된 높은 신뢰성 및 내구성을 갖는 히터 및 이것을 구비한 글로우 플러그를 제공하는 것이다.

본 발명의 히터는 절연 기체와, 상기 절연 기체에 매설된 저항체와, 상기 절연 기체에 매설되고 선단측에서 상기 저항체에 접속된 리드를 구비하고, 상기 저항체의 끝면과 상기 리드의 끝면이 대향하도록 접속부가 설치되고, 상기 접속부를 축방향에 수직인 단면으로 보았을 때에 상기 저항체와 상기 리드의 경계가 곡선상인 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명은 상기 구성 중 어느 하나에 기재된 히터와, 상기 리드와 전기적으로 접속되어서 상기 히터를 유지하는 금속제 유지 부재를 구비한 것을 특징으로 하는 글로우 플러그이다.

(발명의 효과)

본 발명의 히터에 의하면, 리드의 표면을 따라 고주파성분이 전파되어도 저항체와 리드의 접속부에의 마이크로 크랙의 발생, 경계면에서의 균열의 진전 및 히터의 저항값의 변화가 억제되어 장기간에 걸쳐 히터의 저항값이 안정된다. 이것에 의해, 히터의 신뢰성 및 내구성이 향상된다.

도 1(a)는 본 발명의 히터의 실시형태의 일례를 나타내는 종단면도이며, (b)는 (a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.
도 2는 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이다.
도 3(a)는 도 2에 나타내는 저항체와 리드의 접속부를 포함하는 영역(A)을 확대한 일례의 확대 종단면도이며, (b)는 (a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.
도 4(a)는 도 2에 나타내는 저항체와 리드의 접속부를 포함하는 영역(A)을 확대한 다른 예의 확대 종단면도이며, (b)는 (a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.
도 5(a)는 도 2에 나타내는 저항체와 리드의 접속부를 포함하는 영역(A)을 확대한 다른 예의 확대 종단면도이며, (b)는 (a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.
도 6(a)는 도 2에 나타내는 저항체와 리드의 접속부를 포함하는 영역(A)을 확대한 다른 예의 확대 종단면도이며, (b)는 (a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도, (c)는 (a)에 나타내는 Y-Y선에 있어서의 횡단면도이다.
도 7(a)는 도 2에 나타내는 저항체와 리드의 접속부를 포함하는 영역(A)을 확대한 다른 예의 확대 종단면도이며, (b)는 (a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.
도 8(a)는 도 2에 나타내는 저항체와 리드의 접속부를 포함하는 영역(A)을 확대한 다른 예의 확대 종단면도이며, (b)는 (a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.
도 9는 본 발명의 글로우 플러그의 실시형태의 일례를 나타내는 개략 종단면도이다.
도 10(a)는 종래의 히터의 요부를 나타내는 확대 종단면도이며, (b)는 (a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.

이하, 본 발명의 히터에 대해서 실시형태의 예에 대해서 도면을 참조해서 상세하게 설명한다.

도 1(a)는 본 발명의 히터의 실시형태의 일례를 나타내는 종단면도이며, 도 1(b)는 도 1(a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다. 또한, 도 2는 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이다.

본 실시형태의 히터(1)는 절연 기체(9)와, 절연 기체(9)에 매설된 저항체(3)와, 절연 기체(9)에 매설되고 선단측에서 저항체(3)에 접속된 리드(8)를 구비한 히터로서, 저항체(3)와 리드(8)가 리드(8)의 축방향에 수직인 방향으로 겹치는 접속부(2)를 갖고, 접속부(2)를 축방향에 수직인 단면으로 보았을 때에 저항체(3)와 리드(8)의 경계가 곡선상이다.

본 실시형태의 히터(1)에 있어서의 절연 기체(9)는 예를 들면 봉상으로 형성된 것이다. 이 절연 기체(9)는 저항체(3) 및 리드(8)를 피복하고 있고, 바꿔 말하면, 저항체(3) 및 리드(8)가 절연 기체(9)에 매설되어 있다. 여기에서, 절연 기체(9)는 세라믹스로 이루어지는 것이 바람직하고, 이것에 의해, 금속보다 고온까지 견딜 수 있게 되므로, 급속 승온시의 신뢰성이 보다 향상된 히터(1)를 제공하는 것이 가능하게 된다. 구체적으로는 산화물 세라믹스, 질화물 세라믹스, 탄화물 세라믹스 등의 전기적인 절연성을 갖는 세라믹스를 들 수 있다. 특히, 절연 기체(9)는 질화규소질 세라믹스로 이루어지는 것이 바람직하다. 질화규소질 세라믹스는 주성분인 질화규소가 고강도, 고인성, 고절연성 및 내열성의 관점에서 우수하기 때문이다. 이 질화규소질 세라믹스는 예를 들면, 주성분인 질화규소에 대하여 소결 조제로서 3∼12질량%의 Y₂O₃, Yb₂O₃, Er₂O₃등의 희토류 원소 산화물, 0.5∼3질량%의 Al₂O₃, 또한 소결체에 포함되는 SiO₂량으로서 1.5∼5질량%가 되도록 SiO₂를 혼합하고, 소정의 형상으로 성형하고, 그 후, 예를 들면 1650∼1780℃에서 핫 프레스 소성함으로써 얻을 수 있다.

또한, 절연 기체(9)로서 질화규소질 세라믹스로 이루어지는 것을 사용할 경우, MoSi₂, WSi₂등을 혼합해서 분산시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 모재인 질화규소질 세라믹스의 열팽창율을 저항체(3)의 열팽창율에 근접시킬 수 있어 히터(1)의 내구성을 향상시킬 수 있다.

저항체(3)는 특히 발열되는 영역인 발열부(4)를 갖고 있고, 저항체(3)가 도 1(a)에 나타내는 직선형상일 경우는 일부 단면적을 작게 한 영역이나 나선형상의 영역을 형성함으로써 이 영역을 발열부(4)로 할 수 있다. 또한, 도 1에 나타내는 실시형태는 저항체(3)가 직선형상이며, 저항체(3)의 일단이 리드(8)와 전기적으로 접속됨과 아울러 저항체(3)의 타단이 절연 기체(9)의 표면을 덮도록 설치된 표면 도체(11)와 전기적으로 접속되어 있다.

또한, 저항체(3)가 도 2에 나타내는 되접어 꺽은 형상을 이루고 있는 경우, 저항체(3)의 리드(8) 사이의 영역이 발열부(4)가 되지만, 되접어 꺽은 중간점 부근이 가장 발열되는 발열부(4)가 된다.

이 저항체(3)로서는 W, Mo, Ti 등의 탄화물, 질화물, 규화물 등을 주성분으로 하는 것을 사용할 수 있다. 절연 기체(9)가 상술한 재료인 경우, 절연 기체(9)와의 열팽창율의 차가 작은 점, 높은 내열성을 갖는 점 및 비저항이 작은 점에서 상기 재료 중에서도 탄화 텅스텐(WC)이 저항체(3)의 재료로서 우수하다. 또한, 절연 기체(9)가 질화규소질 세라믹스로 이루어지는 경우, 저항체(3)는 무기 도전체인 WC를 주성분으로 하고, 이것에 첨가되는 질화규소의 함유율이 20질량%이상인 것이 바람직하다. 예를 들면, 질화규소질 세라믹스로 이루어지는 절연 기체(9) 중에 있어서 저항체(3)가 되는 도체성분은 질화규소와 비교해서 열팽창율이 크기 때문에 통상은 인장응력이 가해진 상태에 있다. 이것에 대하여, 저항체(3) 중에 질화규소를 첨가함으로써 저항체(3)의 열팽창율을 절연 기체(9)의 열팽창율에 가깝게 해서 히터(1)의 승온시 및 강온시의 열팽창율의 차에 의한 응력을 완화시킬 수 있다.

또한, 저항체(3)에 포함되는 질화규소의 함유량이 40질량%이하일 때에는 저항체(3)의 저항값을 비교적 작게 해서 안정시킬 수 있다. 따라서, 저항체(3)에 포함되는 질화규소의 함유량은 20질량%∼40질량%인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 질화규소의 함유량은 25질량%∼35질량%가 좋다. 또한, 저항체(3)에의 같은 첨가물로서 질화규소 대신에 질화붕소를 4질량%∼12질량% 첨가할 수도 있다.

또한, 저항체(3)의 두께(도 1(b) 및 도 3(b)에 나타내는 상하 방향의 두께)는 0.5㎜∼1.5㎜가 좋고, 저항체(3)의 폭(도 3(b)에 나타내는 수평방향의 폭)은 0.3㎜∼1.3㎜가 좋다. 이 범위내로 함으로써 저항체(3)의 저항이 작아져서 효율 좋게 발열하는 것으로 되고, 또한, 절연 기체(9)가 예를 들면 반으로 갈라진 성형체를 적층해서 형성해서 이루어지는 적층구조의 경우에 있어서 적층구조의 절연 기체(9)의 적층계면의 밀착성을 유지할 수 있다.

저항체(3)의 단부에 선단측이 접속된 리드(8)는 W, Mo, Ti 등의 탄화물, 질화물, 규화물 등을 주성분으로 하는 저항체(3)와 같은 재료를 사용할 수 있다. 특히, WC가 절연 기체(9)와의 열팽창율의 차가 작은 점, 높은 내열성을 갖는 점 및 비저항이 작은 점에서 리드(8)의 재료로서 바람직하다. 또한, 절연 기체(9)가 질화규소질 세라믹스로 이루어지는 경우, 리드(8)는 무기 도전체인 WC를 주성분으로 하고, 이것에 질화규소를 함유량이 15질량%이상이 되도록 첨가하는 것이 바람직하다. 질화규소의 함유량이 증가함에 따라서 리드(8)의 열팽창율을 절연 기체(9)의 열팽창율에 가깝게 할 수 있다. 또한, 질화규소의 함유량이 40질량%이하일 때에는 리드(8)의 저항값이 작아짐과 아울러 안정된다. 따라서, 질화규소의 함유량은 15질량%∼40질량%가 바람직하다. 보다 바람직하게는 질화규소의 함유량은 20질량%∼35질량%로 하는 것이 좋다. 또한, 리드(8)는 절연 기체(9)의 형성 재료의 함유량을 저항체(3)보다 적게 함으로써 저항체(3)보다 단위길이당 저항값이 낮게 되어 있어도 좋고, 저항체(3)보다 단면적을 크게 함으로써 저항체(3)보다 단위길이당 저항값이 낮게 되어 있어도 좋다.

그리고, 저항체(3)와 리드(8)가 리드(8)의 축방향에 수직인 방향으로 겹치도록 접속부(2)가 설치되어 있다. 또한, 여기에서 말하는 접속부(2)란 리드(8)의 축방향과 평행한 단면에서 봤을 때 저항체(3)와 리드(8)의 계면이 존재하는 영역을 말한다. 예를 들면, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 저항체(3)의 끝면과 리드(8)의 끝면의 접합 면적을 크게 하기 위해서 리드(8)의 축방향과 평행한 종단면에서 볼 때 저항체(3)의 끝면과 리드(8)의 끝면의 경계선이 리드(8)의 축방향에 대하여 경사져 있도록 접속부(2)가 설치된다. 또한, 축방향에 대한 경계선의 경사각으로서는 예를 들면 10∼80도이다.

또한, 접속부(2)를 축방향에 수직인 단면으로 보았을 때에 저항체(3)와 리드(8)의 경계가 곡선상으로 되어 있다. 바꿔 말하면, 저항체(3)와 리드(8)의 경계면이 곡면으로 되어 있다.

이러한 구성으로 함으로써, 리드(8)의 표면을 따라 전파해 온 고주파성분은 리드(8)와 저항체(3)의 접속부(2)에서 임피던스의 정합이 취해지지 않은 일부가 반사되어 산란되어 줄열로서 유실되고, 접속부(2)가 국소적으로 발열된다. 이 때, 저항체(3)와 리드(8)의 경계가 곡선상으로 접속되어 있으면, 리드(8)의 열팽창율과 저항체(3)의 열팽창율이 다른 것에 기인한 경계면내에 있어서의 응력의 방향을 일치하지 않도록 할 수 있다. 따라서, 펄스 구동, DC 구동에 관계없이 전력돌입의 상승이 급준하게 되어도 리드(8)와 저항체(3)의 접속부(2)에 마이크로 크랙이 발생하는 것을 억제함과 아울러 리드(8)와 저항체(3)의 경계면에 발생한 균열이 일시에 진전되는 것을 억제하여 장기간에 걸쳐 히터(1)의 저항값이 안정된다.

즉, ECU로부터의 제어 신호가 펄스화된 구동 방법이어도 리드(8)와 저항체(3)의 접속부(2)에 마이크로 크랙이 발생하는 것을 억제하고, 리드(8)와 저항체(3)의 경계면에서 균열이 일시에 진전되지 않아 장기간에 걸쳐 히터(1)의 저항값이 안정된다.

또한, 펄스 구동을 채용하지 않고 DC 구동을 채용한 경우라도 같은 효과가 얻어진다. 즉, 급속 승온을 목적으로 해서 엔진 동작 개시시에 저항체에 대전류를 흘리면 펄스의 구형파와 같이 전력돌입의 상승이 급준하게 되고, 고주파성분을 포함한 고전력이 히터에 돌입해 오지만, 고주파성분을 포함한 고전력이 히터에 돌입해 와도 리드(8)와 저항체(3)의 접속부(2)에 마이크로 크랙이 발생하는 것을 억제하고, 리드(8)와 저항체(3)의 경계면에서 균열이 일시에 진전되지 않아 장기간에 걸쳐 히터(1)의 저항값이 안정된다.

또한, 도 3에 나타낸 히터(1)는 저항체(3)가 되접어 꺾은 형상을 이루고 있고, 저항체(3)와 리드(8)의 접속부(2)를 강고하게 감합할 수 있도록 경계면에 스텝상의 단차를 형성해서 축방향에 대하여 경사지도록 한 것이다. 또한, 이 스텝상의 단차는 축방향과 평행한 종단면으로 보았을 때에 나타나는 것이다.

이렇게, 스텝상으로 단차를 형성하면서도 접속부(2)를 축방향에 수직인 단면으로 보았을 때에 저항체(3)와 리드(8)의 경계가 곡선상으로 접합되어 있는 구성에 의하면, 스텝의 단차마다 90°의 차폐판을 설치한 구조가 되므로, 크랙은 더 억지할 수 있다.

또한, 도 4에 나타낸 히터(1)는 저항체(3)가 되접어 꺾은 형상을 이루고 있고, 축방향에 수직인 단면으로 본 저항체(3)와 리드(8)의 경계가 쌍을 이루어 리드(8)측으로 볼록한 곡선상인 것이다. 이러한 구성으로 함으로써, 고주파성분이 반사했을 때 저항체(3)와의 경계의 리드측에 줄열이 발생하기 쉬워지는 것을 이용해서 열을 히터(1)의 중심측이 뜨거워지도록 열을 분포시킴으로써 절연 기체(9)로부터 압축 응력이 가해지도록 해서 균열의 형성을 억지할 수 있고, 장기간에 걸쳐 히터(1)의 저항값이 안정된다.

특히, 급속 승온을 목적으로 해서 엔진 동작 개시시에 저항체(3)에 직류의 대전류를 흘린 경우, 펄스의 구형파와 같이 전력돌입의 상승이 급준해지고, 고주파성분을 포함한 고전력이 히터에 돌입해 오지만, 접속부(2)의 후단측을 이러한 구조(리드(8)측으로 볼록한 곡선상)로 함으로써 고주파성분을 포함한 고전력이 히터에 돌입해 와도 리드(8)와 저항체(3)의 접속부(2)에 마이크로 크랙이 발생하는 것을 억제하고, 리드(8)와 저항체(3)의 경계면에서 균열이 일시에 진전되지 않아 장기간에 걸쳐 히터(1)의 저항값이 안정된다.

또한, 히터(1)의 음극측을 접지해서 급속 승온을 목적으로 해서 엔진 동작 개시시에 저항체(3)에 직류의 대전류를 흘렸을 경우 양극측과 음극측에 급격하게 전위차가 발생하고, 접지된 음극측으로부터 전자가 순간적으로 급격하게 유입되므로 양극측보다 먼저 온도가 상승한다. 이 점에서 양극측의 접속부(2) 뿐만 아니라, 음극측의 접속부(2)도 이러한 구조(리드(8)측으로 볼록한 곡선상)로 함으로써 열을 히터의 중심으로 전파시켜서 중심측이 뜨거워지도록 열을 분포시킴으로써 절연체로부터 압축 응력이 가해지도록 하고, 리드(8)와 저항체(3)의 경계면을 따라 균열이 발생하지 않아 장기간에 걸쳐 히터(1)의 저항값이 안정된다.

또한, ECU로부터의 제어 신호가 펄스화된 구동 방법이어도 같은 효과가 얻어진다.

한편, 도 5와 같이, 접속부(2)의 적어도 선단측에 있어서의 축방향에 수직인 단면으로 본 저항체(3)와 리드(8)의 경계가 저항체(3)측으로 볼록한 곡선상이어도 좋다. 이 구성에 의하면, 리드(8)의 표면을 따라 전파해 온 고주파성분이 리드(8)와 저항체(3)의 접속부에서 임피던스의 불일치에 의해 반사되어 국소적으로 발열해도 열팽창차에 기인한 응력의 방향이 경계면내에서 구부러져서 마이크로 크랙의 발생을 억제함과 아울러 경계면에서 발생한 균열이 일시에 진전되는 일은 없게 된다라는 효과에 추가해서 이하의 효과도 갖는다.

통전 개시후 잠시 경과해서 히터(1) 선단측의 발열 영역으로부터 접속부(2)보다 고온이 되는 발열이 개시되고, 저항체(3)가 리드(8)보다 먼저 고온이 된다. 여기에서, 접속부(2)의 적어도 선단측에 있어서의 축방향에 수직인 단면으로 본 저항체(3)와 리드(8)의 경계가 저항체(3)측으로 볼록한 곡선상인 점에서 저항체(3)의 열이 리드(8)측으로 전파할 때 저항체(3)가 리드(8)를 감싸 넣는 것과 같은 열의 전달법을 하므로 계면부분에 인장은 아니고 압축되는 응력을 가하게 되어 계면의 균열을 억지할 수 있다.

특히, 도 6(b)와 같이 접속부(2)의 후단측(리드(8)측)에 있어서는 축방향에 수직인 단면으로 본 저항체(3)와 리드(8)의 경계가 리드(8)측으로 볼록한 곡선상이 되고, 도 6(c)와 같이 접속부(2)의 선단측(저항체(3)측)에 있어서는 저항체(3)와 리드(8)의 경계가 저항체(3)측으로 볼록한 곡선상이 됨으로써 이하의 효과를 갖는다.

급속 승온을 목적으로 해서 엔진 동작 개시시에 저항체(3)에 직류의 대전류를 흘린 경우의 초기 단계에서는 펄스의 구형파와 같이 전력돌입의 상승이 급준하게 되고, 고주파성분을 포함한 고전력이 히터(1)에 돌입해 오지만, 고주파성분을 포함한 고전력이 히터(1)에 돌입해 와도 리드(8)와 저항체(3)의 접속부(2)에 마이크로 크랙이 발생하는 것을 억제해서 리드(8)와 저항체(3)의 경계면에서 균열이 일시에 진전되지 않는다. 또한, 통전 개시후 잠시 경과해서 히터(1) 선단측의 발열 영역으로부터 접속부(2)보다 고온이 되는 발열이 개시되면 저항체(3)가 리드(8)보다 먼저 고온이 되므로 응력을 완화시킬 수 있다.

이렇게, 접속부(2)에 마이크로 크랙의 발생을 억지할 수 있기 때문에, 경계면을 따라 균열이 진전되지 않아 장기간에 걸쳐 히터(1)의 저항값이 안정된다.

또한, 도 7과 같이 접속부(2)에 있어서의 축방향에 수직인 단면으로 본 저항체(3)와 리드(8)의 경계가 저항체(3)의 일부를 리드(8)가 둘러싸는 곡선상인 점에서 전류의 반사를 분산시켜서 줄열의 발생을 분산시킴과 아울러 응력의 방향을 구부리는 효과가 커서 저항체(3)가 팽창해도 응력을 가두게 되므로, 균열의 진전이 생기지 않는다. 이렇게, 접속부(2)에 마이크로 크랙의 형성을 억지할 수 있고, 리드(8)와 저항체(3)의 경계면을 따라 균열이 진전되지 않는 점에서 장기간에 걸쳐 히터(1)의 저항값이 안정된다.

특히, 도 8과 같이 접속부(2)에 있어서의 축방향에 수직인 단면으로 본 저항체(3)와 리드(8)의 경계가 저항체(3) 전체를 리드(8)가 둘러싸는 곡선상인 점에서 저항체(3)가 열팽창해도 응력을 완전히 가둘 수 있다. 또한, 리드(8)의 표면을 따라 전파해 온 고주파성분은 저항체(3)와의 접속부(2)에서 임피던스의 정합이 취해지지 않는 일부가 반사되어 줄열로서 유실되고, 접속부(2)가 국소적으로 가열되지만, 이 때, 접속부(2)의 후단측에 있어서 저항체(3)가 리드(8)에 감싸 넣어지게 되어 있으면 접속부(2)에서 반사한 전류가 방사상으로 산란해서 줄열의 유실 효과를 높일 수 있다. 결과적으로, 리드(8)와 저항체(3)의 접속부(2)에 마이크로 크랙이 발생하기 어려워지고, 경계면을 따라 균열이 일시에 진전되는 것을 억지해서 장기간에 걸쳐 히터(1)의 저항값이 안정된다.

또한, 본 실시형태의 히터(1)는 도 9에 나타낸 바와 같이, 상기 히터(1)와, 리드(8)의 단자부(도시 생략)에 전기적으로 접속됨과 아울러 히터(1)를 유지하는 금속제 유지 부재(7)를 구비한 글로우 플러그로서 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 히터(1)는 봉상의 절연 기체(9)의 내부에 되접어 꺾은 형상을 한 저항체(3)가 매설되어 있음과 아울러 한쌍의 리드(8)가 저항체(3)의 양단부에 각각 전기적으로 접속되어서 매설되어 있고, 한쪽의 리드(8)에 전기적으로 접속된 금속제 유지 부재(7)(시스 금구)와, 다른쪽의 리드(8)에 전기적으로 접속된 와이어를 구비한 글로우 플러그로서 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 금속제 유지 부재(7)(시스 금구)는 히터(1)를 유지하는 금속제의 통상체이며, 세라믹 기체(9)의 측면으로 인출된 한쪽의 리드(8)에 납재 등으로 접합된다. 또한, 와이어는 다른쪽의 세라믹 기체(9)의 후단으로 인출된 다른쪽의 리드(8)에 납재 등으로 접합된다. 이것에 의해, 고온의 엔진 중에서 ON/OFF가 반복되면서 장기간 사용해도 히터(1)의 저항이 변화되지 않으므로, 어떤 때라도 착화성이 우수한 글로우 플러그를 제공할 수 있다.

이어서, 본 실시형태의 히터(1)의 제조 방법에 대해서 설명한다.

본 실시형태의 히터(1)는 예를 들면, 저항체(3), 리드(8) 및 절연 기체(9)의 형상의 금형을 사용한 사출 성형법 등에 의해 형성할 수 있다.

우선, 도전성 세라믹 분말, 수지 바인더 등을 포함하는 저항체(3) 및 리드(8)가 되는 도전성 페이스트를 제작함과 아울러 절연성 세라믹 분말, 수지 바인더 등을 포함하는 절연 기체(9)가 되는 세라믹 페이스트를 제작한다.

이어서, 도전성 페이스트를 사용해서 사출 성형법 등에 의해 저항체(3)가 되는 소정 패턴의 도전성 페이스트의 성형체(성형체(a))를 형성한다. 그리고, 성형체(a)를 금형내에 유지한 상태로 도전성 페이스트를 금형내에 충전해서 리드(8)가 되는 소정 패턴의 도전성 페이스트의 성형체(성형체(b))를 형성한다. 이것에 의해, 성형체(a)와, 이 성형체(a)에 접속된 성형체(b)가 금형내에 유지된 상태가 된다.

이어서, 금형내에 성형체(a) 및 성형체(b)를 유지한 상태로 금형의 일부를 절연 기체(9)의 성형용의 것으로 치환한 후, 금형내에 절연 기체(9)가 되는 세라믹 페이스트를 충전한다. 이것에 의해, 성형체(a) 및 성형체(b)가 세라믹 페이스트의 성형체(성형체(c))로 덮여진 히터(1)의 성형체(성형체(d))가 얻어진다.

이어서, 얻어진 성형체(d)를 예를 들면 1650℃∼1800℃의 온도, 30㎫∼50㎫의 압력으로 소성함으로써 히터(1)를 제작할 수 있다. 또한, 소성은 수소 가스 등의 비산화성 가스 분위기 중에서 행하는 것이 바람직하다.

실시예

본 발명의 실시예의 히터를 이하와 같이 해서 제작했다.

우선, 탄화 텅스텐(WC) 분말을 50질량%, 질화규소(Si₃N₄) 분말을 35질량%, 수지 바인더를 15질량% 포함하는 도전성 페이스트를 금형내에 사출 성형해서 저항체가 되는 성형체(a)를 제작했다.

이어서, 이 성형체(a)를 금형내에 유지한 상태로 리드가 되는 상기 도전성 페이스트를 금형내에 충전함으로써 성형체(a)와 접속시켜서 리드가 되는 성형체(b)를 형성했다. 이 때, 표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 각종 형상을 갖는 금형을 사용해서 6종의 형상의 저항체와 리드의 접합부를 형성했다.

이어서, 성형체(a) 및 성형체(b)를 금형내에 유지한 상태로 질화규소(Si₃N₄) 분말을 85질량%, 소결 조제로서의 이터븀(Yb)의 산화물(Yb₂O₃)을 10질량%, 저항체 및 리드에 열팽창율을 가깝게 하기 위한 탄화 텅스텐(WC)을 5질량% 포함하는 세라믹 페이스트를 금형내에 사출 성형했다. 이것에 의해, 절연 기체가 되는 성형체(c) 중에 성형체(a) 및 성형체(b)가 매설된 구성의 성형체(d)를 형성했다.

이어서, 얻어진 성형체(d)를 원통상의 탄소제의 형태로 넣은 후, 질소 가스로 이루어지는 비산화성 가스 분위기 중에서 1700℃, 35㎫의 압력으로 핫프레스를 행해서 소결해서 히터를 제작했다. 얻어진 소결체의 표면에 노출된 리드 단부(단자부)에 통상의 금속제 유지 부재(시스 금구)를 납땜해서 글로우 플러그를 제작했다.

이 글로우 플러그의 전극에 펄스 패턴 제너레이터를 접속하고, 인가 전압 7V, 펄스폭 10μs, 펄스 간격 1μs의 구형 펄스를 연속 통전했다. 1000시간 경과후, 통전 전후의 저항값의 변화율((통전후의 저항값-통전전의 저항값)/통전전의 저항값)을 측정했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 시료번호 1은 가장 발열된 개소가 리드와 저항체의 접속부였다. 그리고, 통전상태를 확인하기 위해서 오실로스코프를 사용해서 시료번호 1의 히터에 흐르는 펄스파형을 확인한 결과 입력파형과 달리 펄스의 상승이 급준하게 되지 않고 7V에 도달할 때까지 1μs 요하고, 오버슈트하면서 물결치고 있었다.

이것은 시료번호 1의 히터에서는 펄스의 상승 부분에 포함되는 고주파성분이 리드와 저항체의 경계면에서 임피던스의 정합이 취해지지 않는 점에서 반사된 것이라고 생각된다. 또한, 히터의 가장 발열된 개소가 리드와 저항체의 접속부로 되어 있는 것에 대해서도 고주파성분의 반사에 기인해서 리드와 저항체의 접속부에서의 국소적인 발열이 생긴 것이라고 생각된다.

또한, 시료번호 1의 통전 전후의 저항 변화는 55%로 매우 컸기 때문에 펄스 통전후, 주사형 전자현미경으로 시료번호 1의 리드와 저항체의 접속부를 관찰한 결과 경계면에 외주방향으로부터 내측을 향해서 마이크로 크랙이 발생하고 있는 것을 확인했다.

한편, 시료번호 2∼4에 대해서는 가장 발열된 개소는 히터 선단의 저항체 발열부였다. 그리고, 통전상태를 확인하기 위해서 오실로스코프를 사용해서 히터에 흐르는 펄스파형을 확인한 결과 입력파형과 대략 같은 파형이었다.

이것은 리드와 저항체의 접속부에서 이상 가열하지 않고 전류가 통전할 수 있었던 것을 나타내고 있다.

또한, 시료번호 2∼4의 통전 전후의 저항 변화는 5%이하로 작고, 펄스 통전후, 주사형 전자현미경으로 이들의 시료번호의 리드와 저항체의 접속부를 관찰한 결과 마이크로 크랙은 없었다.

1:히터 2:접속부
3:저항체 4:발열부
7:금속제 유지 부재 8:리드
9:절연 기체 11:표면 도체

Claims

절연 기체와,
상기 절연 기체에 매설되고 되접어 꺾은 형상을 갖는 저항체와,
상기 절연 기체에 매설되고 선단측에서 상기 저항체에 접속된 한 쌍의 리드를 구비한 히터로서,
상기 저항체와 상기 한 쌍의 리드가 상기 리드의 축방향에 수직인 방향으로 겹치는 접속부를 각각 갖고,
상기 리드의 축방향에 수직한 방향에서 상기 접속부끼리 겹치는 부분을 갖고, 상기 접속부끼리 겹치는 부분을 상기 축방향에 수직인 단면으로 보았을 때에 상기 한 쌍의 리드가 상기 저항체보다 중심측에 위치함과 동시에, 상기 저항체와 상기 리드의 경계가 중심측으로 볼록한 곡선상인 것을 특징으로 하는 히터.
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제 1 항에 기재된 히터와, 상기 리드와 전기적으로 접속되어서 상기 히터를 유지하는 금속제 유지 부재를 구비한 것을 특징으로 하는 글로우 플러그.