KR20130016360A - 히터 및 이것을 구비한 글로 플러그 - Google Patents

히터 및 이것을 구비한 글로 플러그 Download PDF

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Abstract

(과제)
급속 승온시 등에 저항체에 대전류가 흘러도 저항체와 리드의 접합부의 단부에 다대한 응력 집중이 발생하는 것이 억제된 높은 신뢰성 및 내구성을 갖는 히터 및 이것을 구비한 글로 플러그를 제공한다.
(해결 수단)
히터(1)는 발열부(4)를 갖는 저항체(3)와, 상기 저항체(3)의 단부에 접합된 리드(8)와, 상기 저항체(3) 및 상기 리드(8)를 피복하는 절연기체(9)를 구비하고, 상기 저항체(3)와 상기 리드(8)의 접합부는 단면으로 보았을 때 상기 저항체(3)가 전체 둘레에 걸쳐 상기 리드(8)를 통해서 상기 절연체(9)와 이간되어 있는 영역을 갖고 있다.

Description

히터 및 이것을 구비한 글로 플러그{HEATER AND GLOW PLUG PROVIDED WITH SAME}
본 발명은 예를 들면 연소식 차량 탑재 난방 장치에 있어서의 점화용 또는 불꽃 검지용 히터, 석유 팬 히터 등의 각종 연소기기의 점화용 히터, 자동차 엔진의 글로 플러그용 히터, 산소 센서 등의 각종 센서용 히터, 측정기기의 가열용 히터 등에 이용되는 히터 및 이것을 구비한 글로 플러그에 관한 것이다.
자동차 엔진의 글로 플러그 등에 사용되는 히터는 발열부를 갖는 저항체, 리드 및 절연기체를 포함하는 구성으로 되어 있다. 그리고, 리드의 저항이 저항체의 저항보다 작아지도록 이들 재료의 선정이나 설계가 되어 있다.
여기에서, 저항체와 리드의 접합부는 형상 변화점이거나 재료 조성 변화점이거나 하므로 사용시의 발열이나 냉각에 의한 열팽창의 차에 기인한 영향을 받지 않도록 접합 면적을 크게 할 목적으로 리드의 축방향과 평행한 단면으로 보았을 때 저항체와 리드의 계면이 경사져 있는 것이 알려져 있다(예를 들면 특허문헌 1, 특허문헌 2 참조).
일본 특허 공개 2002-334768호 공보 일본 특허 공개 2003-22889호 공보
최근, 종래 이상의 급속 승온이 요구되고 있기 때문에 엔진 동작 개시시에 저항체에 대전류를 흐르게 할 필요성이 발생되어 왔다. 리드의 축방향과 평행한 단면으로 보았을 때에 저항체와 리드의 계면이 경사져 있는 형상(저항체와 리드의 경계가 되는 계면의 둘레 가장자리부가 절연기체에 접해서 삼중 계면으로 되어 있는 형상)의 히터이면, 리드를 흘러온 전류가 접합부의 단부에 있는 삼중 계면의 일점에 집중되기 쉬움으로써 이 부분에 응력이 집중되어 크랙이 생긴다고 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 감안하여 안출된 것이며, 그 목적은 급속 승온시 등에 저항체에 대전류가 흘러도 저항체와 리드의 접합부의 단부에 다대한 응력 집중이 발생하는 것이 억제된 높은 신뢰성 및 내구성을 갖는 히터 및 이것을 구비한 글로 플러그를 제공하는 것이다.
본 발명의 히터는 발열부를 갖는 저항체와, 상기 저항체의 단부에 접합된 리드와, 상기 저항체 및 상기 리드를 피복하는 절연기체를 구비하고, 상기 저항체와 상기 리드의 접합부는 단면으로 보았을 때 상기 저항체가 전체 둘레에 걸쳐 상기 리드를 통해서 상기 절연체와 이간되어 있는 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 히터는 상기 구성에 있어서 상기 접합부에 있어서의 상기 저항체의 외형이 상기 발열부와는 반대측을 향해서 가늘어져 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 히터는 상기 구성에 있어서 상기 저항체는 되접어 꺾인 형상을 이루고, 상기 저항체의 양단부에 상기 리드가 각각 접합되어 있고, 상기 접합부를 상기 리드의 축방향에 수직인 단면으로 보았을 때 상기 저항체의 도심(圖心)이 상기 리드의 도심에 대하여 바깥쪽에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 히터는 상기 구성에 있어서 상기 저항체는 되접어 꺾인 형상을 이루고, 상기 저항체의 양단부에 상기 리드가 각각 접합되어 있고, 상기 접합부를 상기 리드의 축방향과 평행한 단면으로 보았을 때 내측의 경사각이 외측의 경사각보다 급하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 히터는 상기 구성에 있어서 상기 저항체는 되접어 꺾인 형상을 이루고, 상기 저항체의 양단부에 상기 리드가 각각 접합되어 있고, 상기 접합부를 상기 리드의 축방향과 평행한 단면으로 보았을 때 상기 리드의 선단면이 내측을 향해서 경사져 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 히터는 상기 구성에 있어서 상기 접합부를 상기 리드의 축방향에 수직인 단면으로 보았을 때 상기 저항체의 외형이 곡선으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 히터는 상기 구성에 있어서 상기 접합부에 있어서의 상기 리드의 외형이 상기 발열부측을 향해서 가늘어져 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 히터는 상기 구성 중 어느 하나에 기재된 히터와, 한쪽의 상기 리드에 전기적으로 접속된 시스(sheath) 금구와, 다른쪽의 상기 리드에 전기적으로 접속된 와이어를 구비한 글로 플러그로서 사용할 수 있다.
(발명의 효과)
본 발명의 히터에 의하면, 저항체의 전체 둘레를 리드가 둘러싸는 접합부를 갖고 있기 때문에 리드를 흘러온 전류가 분산되어서 접합부의 단부에 있는 삼중 계면의 일점에 집중되지 않게 됨과 아울러, 저항체의 전체 둘레로부터 똑같이 리드를 향해서 열수축이 잘 되기 때문에 접합부의 단부에 다대한 응력 집중이 발생하지 않는다. 그 결과, 반복해서 온도를 높이고 낮춰도 접합부의 단부에 크랙이 생기는 것을 억제할 수 있다. 이에 따라, 히터의 신뢰성 및 내구성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 히터의 실시형태의 일례를 나타내는 종단면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 저항체와 리드의 접합부를 포함하는 영역(A)을 확대한 확대 단면도이다.
도 3은 도 2의 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이다.
도 5(a)는 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이며, 도 5(b)는 도 5(a)에 나타내는 Y-Y선에 있어서의 횡단면도이다.
도 6은 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이다.
도 7은 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이다.
도 8은 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 횡단면도이다.
도 9는 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이다.
이하, 본 발명의 히터에 대해서 실시형태의 예에 대해서 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 히터의 실시형태의 일례를 나타내는 종단면도이다. 또한, 도 2는 도 1에 있어서의 저항체와 리드의 접합부를 포함하는 영역(A)을 확대한 확대 단면도, 도 3은 도 2에 나타내는 히터(1)의 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.
본 실시형태의 히터(1)는 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 구비하고, 저항체(3)와 리드(8)의 접합부는 단면으로 보았을 때 저항체(3)가 전체 둘레에 걸쳐 리드(8)를 통해서 절연체(9)와 이간되어 있는 영역을 갖고 있다.
본 실시형태의 히터(1)에 있어서의 절연기체(9)는 예를 들면 봉 형상으로 형성된 것이다. 이 절연기체(9)는 저항체(3) 및 리드(8)를 피복하고 있고, 바꿔 말하면 저항체(3) 및 리드(8)가 절연기체(9)에 매설되어 있다. 여기에서, 절연기체(9)는 세라믹스로 이루어지는 것이 바람직하고, 이에 따라 금속보다 고온까지 견딜 수 있게 되므로 급속 승온시의 신뢰성이 보다 향상된 히터(1)를 제공하는 것이 가능해진다. 구체적으로는 산화물 세라믹스, 질화물 세라믹스, 탄화물 세라믹스 등의 전기적인 절연성을 갖는 세라믹스를 들 수 있다. 특히, 절연기체(9)는 질화규소질 세라믹스로 이루어지는 것이 바람직하다. 질화규소질 세라믹스는 주성분인 질화규소가 고강도, 고인성, 고절연성 및 내열성의 관점에서 뛰어나기 때문이다. 이 질화규소질 세라믹스는 예를 들면 주성분인 질화규소에 대하여 소결 조제로서 3～12질량%의 Y2O3, Yb2O3, Er2O3 등의 희토류원소 산화물, 0.5～3질량%의 Al2O3, 또한 소결체에 포함되는 SiO2양으로서 1.5～5질량%가 되도록 SiO2를 혼합하여 소정의 형상으로 성형하고, 그 후에 1650～1780℃에서 핫프레스 소성함으로써 얻을 수 있다.
또한, 절연기체(9)로서 질화규소질 세라믹스로 이루어지는 것을 사용할 경우, MoSi2, WSi2 등을 혼합해 분산시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 모재(母材)인 질화규소질 세라믹스의 열팽창률을 저항체(3)의 열팽창률에 근접시킬 수 있어 히터(1)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
발열부(4)를 갖는 저항체(3)는 예를 들면 되접어 꺾인 형상을 이루고 있고, 리턴의 중간점 부근이 가장 발열하는 발열부(4)로 되어 있다. 이 저항체(3)로서는 W, Mo, Ti 등의 탄화물, 질화물, 규화물 등을 주성분으로 하는 것을 사용할 수 있다. 절연기체(9)가 상술한 재료인 경우, 절연기체(9)와의 열팽창률의 차가 작은 점, 높은 내열성을 갖는 점 및 비저항이 작은 점에서 상기 재료 중에서도 탄화텅스텐(WC)이 저항체(3)의 재료로서 우수하다. 또한, 절연기체(9)가 질화규소질 세라믹스로 이루어질 경우 저항체(3)는 무기 도전체의 WC를 주성분으로 하고, 이것에 첨가되는 질화규소의 함유율이 20질량% 이상인 것이 바람직하다. 예를 들면, 질화규소질 세라믹스로 이루어지는 절연기체(9) 중에 있어서 저항체(3)가 되는 도체 성분은 질화규소와 비교해서 열팽창률이 크기 때문에 통상은 인장 응력이 걸린 상태에 있다. 이에 대하여 저항체(3) 중에 질화규소를 첨가함으로써 열팽창률을 절연기체(9)의 그것에 근접하게 하여 히터(1)의 승온시 및 강온시의 열팽창률의 차에 의한 응력을 완화할 수 있다.
또한, 저항체(3)에 포함되는 질화규소의 함유량이 40질량% 이하일 때에는 저항체(3)의 저항값를 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)로의 같은 첨가물로서 질화규소 대신에 질화붕소를 4질량%～12질량% 첨가할 수도 있다.
또한, 저항체(3)의 두께(도 3에 나타내는 상하 방향의 두께)는 예를 들면 0.5㎜～1.5㎜가 좋다. 이 두께의 범위 내로 함으로써 저항체(3)의 저항이 작아져서 효율적으로 발열하는 것이 되고, 또한 적층 구조의 절연기체(9)의 적층 계면의 밀착성을 유지할 수 있다.
또한, 저항체(3)의 폭(도 3에 나타내는 수평 방향의 폭)은 예를 들면 0.3㎜～1.3㎜가 좋다. 이 폭의 범위 내로 함으로써 저항체(3)의 저항이 작아져서 효율적으로 발열하는 것이 되고, 또한 적층 구조의 절연기체(9)의 적층 계면의 밀착성을 유지할 수 있다.
저항체(3)의 단부에 접합된 리드(8)는 W, Mo, Ti 등의 탄화물, 질화물, 규화물 등을 주성분으로 하는 것을 사용할 수 있고, 예를 들면 절연기체(9)의 형성 재료를 저항체(3)보다 많이 포함하거나, 저항체(3)보다 단면적을 크게 하거나 하는 등 저항체(3)보다 단위 길이당 저항값이 낮게 되어 있는 것이다.
저항체(3)의 단부에 접합된 리드(8)는 저항체(3)보다 단위 길이당 저항값이 낮게 되어 있는 것이다. 이 리드(8)는 저항체(3)와 같은 재료를 이용하여 형성할 수 있다. 특히, WC가 절연기체(9)와의 열팽창률의 차가 작은 점, 높은 내열성을 갖는 점 및 비저항이 작은 점에서 리드(8)의 재료로서 바람직하다. 또한, 리드(8)는 무기 도전체인 WC를 주성분으로 하고, 이것에 질화규소를 함유량이 15질량% 이상이 되도록 첨가하는 것이 바람직하다. 질화규소의 함유량이 늘어남에 따라서 리드(8)의 열팽창률을 절연기체(9)를 구성하는 질화규소의 열팽창률에 근접시킬 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 절연기체(9)의 형성 재료의 함유량을 저항체(3)보다 적게 하는 것 외에 저항체(3)보다 단면적을 크게 함으로써 단위 길이당 저항값이 낮게 되어 있어도 좋다.
그리고, 도 3에 나타내는 바와 같이 저항체(3)와 리드(8)의 접합부는 리드(8)의 축방향에 수직인 단면에서 단면으로 보았을 때 저항체(3)가 전체 둘레에 걸쳐 리드(8)를 통해서 절연체(9)와 이간되어 있는 영역을 갖고 있다. 바꿔 말하면, 리드(8)의 축방향에 수직인 단면에서 단면으로 보았을 때 저항체(3)의 전체 둘레를 리드(8)가 둘러싸고 있는 영역을 갖고 있다. 또한, 여기에서 말하는 접합부란 리드(8)의 축방향과 평행한 단면으로 보았을 때 저항체(3)와 리드(8)의 계면이 존재하는 영역을 말한다. 도 2에 있어서는 저항체(3)에 있어서의 리드(3)로 덮인 영역이 접합부이며, 저항체(3)와 리드(8)의 계면을 파선으로 나타내고 있다.
이러한 구성에 의해, 저항체(3)의 전체 둘레를 리드(8)가 둘러싸는 접합부를 갖고 있기 때문에 리드(8)를 흘러온 전류가 분산되어서 접합부의 단부에 있는 삼중 계면의 일점에 집중되지 않게 됨과 아울러, 저항체(3)의 전체 둘레로부터 똑같이 리드(8)를 향해서 열수축이 잘 되기 때문에 저항체(3)와 리드(8)의 접합부의 단부에 다대한 응력 집중이 되지 않도록 할 수 있다. 그 결과, 반복해서 온도를 높이고 낮춰도 접합부의 단부에 크랙이 생기는 것을 억제할 수 있고, 히터(1)의 신뢰성 및 내구성이 향상된다.
또한, 삼중 계면이란 저항체(3)와 리드(8)의 계면, 저항체(3)와 절연기체(9)의 계면 및 리드(8)와 절연기체(9)의 계면이 접하는 영역을 의미하고 있다.
여기에서, 저항체(3)와 리드(8)의 접합부는 단면으로 보았을 때 저항체(3)가 전체 둘레에 걸쳐 리드(8)를 통해서 절연기체(9)와 이간되어 있는 영역이 90% 이상인 것이 바람직하고, 특히 접합부의 모든 영역에 있어서 리드(8)의 축방향에 수직인 단면에서 단면으로 보았을 때 저항체(3)가 전체 둘레에 걸쳐 리드(8)를 통해서 절연기체(9)와 이간되어 있는 것이 바람직하다. 이 범위로 함으로써, 상술한 이유로부터 사용시 냉각 과정에 있어서 저항체(3)와 리드(8)의 계면에 다대한 응력 집중이 발생하지 않게 되는 점에서 효과적이다.
여기에서, 본 실시형태의 히터(1)는 도 4에 나타내는 바와 같이 접합부에 있어서의 저항체(3)의 외형이 발열부(4)와는 반대측을 향해서 가늘어져 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는 접합부에 있어서의 저항체(3)의 외형이 발열부(4)와는 반대측을 향해서 단면적에서 50%～90%가 되도록 가늘어져 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 리드(8)의 축방향에 수직인 히터(1)의 단면이 접합부를 포함한 부분에 있어서 열팽창계수를 발열부(4)측으로부터 리드(8)측을 향해서 경사지도록 변화시킬 수 있고, 급격한 열팽창 차가 발생하기 어렵게 구성할 수 있다.
또한, 저항체(3)가 되접어 꺾인 형상을 이루고 저항체(3)의 양단부에 리드(8)가 각각 접합된 형태에 있어서, 도 5에 나타내는 바와 같이 접합부를 리드(8)의 축방향에 수직인 단면으로 보았을 때 저항체(3)의 도심이 리드(8)의 도심에 대하여 바깥쪽에 위치하고 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는 예를 들면 0.03㎜～0.2㎜ 바깥쪽에 위치하고 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 리드(8)의 내측의 단면적을 크게 할 수 있다. 일반적으로 전류는 리드(8)의 내측을 흐르기 때문에 단면적당 전류 밀도를 저감시킬 수 있으므로 국소 발열을 억제할 수 있다. 그 결과, 장기 사용에서도 제품 저항이 변화되지 않는다. 따라서, 히터(1)의 신뢰성 및 내구성이 더욱 향상된다.
또한, 저항체(3)가 되접어 꺾인 형상을 이루고 저항체(3)의 양단부에 리드(8)가 각각 접합된 형태에 있어서, 도 6에 나타내는 바와 같이 접합부를 리드(8)의 축방향과 평행한 단면으로 보았을 때 내측의 경사각(a)이 외측의 경사각(b)보다 급하게 되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는 내측의 경사각(a)이 외측의 경사각(b)보다 5°～20°정도 급하게 되어 있는(각도가 크게 되어 있는) 것이 바람직하다. 또한, 내측의 경사각(a)이란 접합부에 있어서의 리드의 축방향과 저항체(3)의 내측의 측면이 이루는 각도이며, 외측의 경사각(b)이란 접합부에 있어서의 리드의 축방향과 저항체(3)의 외측의 측면이 이루는 각도이다. 이에 따라, 보다 효율적으로 리드(8)의 내측의 단면적당 전류 밀도를 저감시킬 수 있으므로 국소 발열을 억제할 수 있다. 그 결과, 장기 사용에서도 제품 저항이 변화되지 않는다. 따라서, 히터(1)의 신뢰성 및 내구성을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 전류 밀도를 저감시킬 수 있다고 하는 관점에서는 저항체(3)가 되접어 꺾인 형상을 이루고 저항체(3)의 양단부에 리드(8)가 각각 접합된 형태에 있어서, 도 7에 나타내는 바와 같이 접합부를 리드(8)의 축방향과 평행한 단면으로 보았을 때 리드(8)의 선단면이 내측을 향해서 경사져 있는 것이 바람직하다. 바꿔 말하면, 리드(8)의 선단면은 접합부의 길이가 외측보다 내측 쪽이 거리(D)만큼 길어지도록 경사져 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는 외측보다 예를 들면 0.2㎜～0.8㎜ 내측을 향해서 경사져 있고, 외측보다 내측 쪽이 예를 들면 0.2㎜～0.8㎜ 길게 되어 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 보다 효율적으로 리드(8)의 내측의 단면적당 전류 밀도를 저감시킬 수 있으므로 국소 발열을 억제할 수 있다. 그 결과, 장기 사용에서도 제품 저항이 변화되지 않는다. 따라서, 히터(1)의 신뢰성 및 내구성을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 도 8에 나타내는 바와 같이 접합부를 리드(8)의 축방향에 수직인 단면으로 보았을 때 저항체(3)의 외형이 원호 형상 등의 곡선으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 저항체(3)의 코너부에 응력이 집중되지 않게 되어 코너부에서의 국소 발열을 억제할 수 있다. 그 결과, 장기 사용에서도 제품 저항이 변화되지 않는다. 따라서, 히터(1)의 신뢰성 및 내구성을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 도 9에 나타내는 바와 같이 접합부에 있어서의 리드(8)의 외형이 발열부(4)측을 향해서 가늘어져 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 접합부를 연속적으로 변화시킬 수 있고 히터(1) 사용시의 냉각 과정에서 발생하는 최대 주응력을 작게 할 수 있어 국소 발열을 억제할 수 있다. 그 결과, 장기 사용에서도 제품 저항이 변화되지 않는다. 따라서, 히터(1)의 신뢰성 및 내구성을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태의 히터(1)는 상기 구성 중 어느 하나에 기재된 히터(1)와, 한쪽의 리드(8)에 전기적으로 접속된 시스 금구와, 다른쪽의 리드(8)에 전기적으로 접속된 와이어를 구비한 글로 플러그로서 사용하는 것이 바람직하다. 시스 금구는 히터(1)를 유지하는 금속제 통 형상체이며, 세라믹 기체(9)의 측면으로 인출된 한쪽의 리드(8)에 납땜재(brazing filler metal) 등에 의해 접합된다. 또한, 와이어는 다른쪽의 세라믹 기체(9)의 후단으로 인출된 다른쪽의 리드(8)에 땜납재 등에 의해 접합된다. 이에 따라, 고온의 엔진 중에서 ON/OFF가 반복되면서 장기 사용해도 히터(1)의 저항이 변화되지 않으므로 어떤 때라도 착화성이 우수한 글로 플러그를 제공할 수 있다.
이어서, 본 실시형태의 히터(1)의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 실시형태의 히터(1)는 예를 들면 저항체(3), 리드(8) 및 절연기체(9) 형상의 금형을 사용한 사출 성형법 등에 의해 형성할 수 있다.
우선 도전성 세라믹 분말, 수지 바인더 등을 포함한 저항체(3) 및 리드(8)가 되는 도전성 페이스트를 제작함과 아울러 절연성 세라믹 분말, 수지 바인더 등을 포함하는 절연기체(9)가 되는 세라믹 페이스트를 제작한다.
이어서, 도전성 페이스트를 이용하여 사출 성형법 등에 의해 저항체(3)가 되는 소정 패턴의 도전성 페이스트의 성형체(성형체 A)를 형성한다. 성형체 A를 금형 내에 유지한 상태에서 도전성 페이스트를 금형 내에 충전해서 리드(8)가 되는 소정 패턴의 도전성 페이스트의 성형체(성형체 B)를 형성한다. 이에 따라, 성형체 A와 그것에 접속된 성형체 B가 금형 내에 유지된 상태가 된다.
이어서, 금형 내에 성형체 A 및 성형체 B를 유지한 상태에서 금형의 일부를 절연기체(9) 성형용의 것으로 바꾼 후 금형 내에 절연기체(9)가 되는 세라믹 페이스트를 충전한다. 이에 따라, 성형체 A 및 성형체 B가 세라믹 페이스트의 성형체(성형체 C)로 덮인 히터(1)의 성형체(성형체 E)가 얻어진다.
이어서, 얻어진 성형체 E를 1700℃ 정도에서 소성함으로써 히터(1)를 제작할 수 있다. 소성은 수소 가스 등의 비산화성 가스 분위기 중에서 행하는 것이 바람직하다.
[실시예]
본 발명의 실시예의 히터를 이하와 같이 해서 제작했다.
우선, 탄화텅스텐(WC) 분말을 50질량%, 질화규소(Si3N4) 분말을 35질량%, 수지 바인더를 15질량% 포함하는 도전성 페이스트를 금형 내에 사출 성형해서 저항체가 되는 성형체 A를 제작했다.
이어서, 이 성형체 A를 금형 내에 유지한 상태에서 리드가 되는 상기 도전성 페이스트를 금형 내에 충전함으로써 성형체 A와 접속시켜서 리드가 되는 성형체 B를 형성했다. 이때, 표 1의 시료 No.1～No.13에 나타내는 바와 같이 여러 가지 형상을 갖는 금형을 이용하여 13종 형상의 저항체와 리드의 접합부를 형성했다.
또한, 표 1에 있어서 시료 No.1은 저항체와 리드의 접합부가 단면으로 보았을 때 저항체가 전체 둘레에 걸쳐 리드를 통해서 절연체와 이간되어 있는 영역을 갖고 있지 않고, 리드의 축방향과 평행한 단면으로 보았을 때 저항체와 리드의 계면이 경사져 있는 것이다. 또한, 표 1에 있어서 저항체의 발열부 단면적이란 발열부에 있어서의 저항체의 횡단면의 면적이며, 저항체의 접합부(단부) 단면적이란 저항체의 단부의 면적이다. 리드 도심에 대한 저항체 도심의 위치란 리드의 선단에 상당하는 위치의 횡단면을 보았을 때의 저항체 및 리드의 도심의 위치 관계를 나타낸 것이다. 접합부 축방향 길이(D)(내측-외측)는 접합부(저항체와 리드가 겹쳐지는 영역)의 축방향의 내측의 길이에서 외측의 길이를 뺀 값이다. 리드의 접합부 형상(발열부측을 향하는 형상)은 접합부에 있어서의 리드의 횡단면의 외형이 발열부측을 향해서 같은 형상인지 가늘어져 있는지를 나타내고 있다.
이어서, 성형체 A 및 성형체 B를 금형 내에 유지한 상태에서 질화규소(Si3N4) 분말을 85질량%, 소결 조제로서의 이테르븀(Yb)의 산화물(Yb2O3)을 10질량%, 저항체 및 리드에 열팽창률을 근접시키기 위한 WC를 5질량% 포함하는 세라믹 페이스트를 금형 내에 사출 성형했다. 이에 따라, 절연기체가 되는 성형체 C 중에 성형체 A 및 성형체 B가 매설된 구성의 성형체 E를 형성했다.
이어서, 얻어진 성형체 E를 원통 형상의 탄소제 형(型)에 넣은 후 질소 가스로 이루어지는 비산화성 가스 분위기 중에서 1650℃～1780℃의 온도, 30㎫～50㎫의 압력으로 핫프레스를 행하여 소결했다. 얻어진 소결체의 표면에 노출된 리드 단부에 시스 금구를 브레이징(brazing)해서 히터를 제작했다.
이 히터를 이용하여 냉열 사이클 시험을 행했다. 냉열 사이클 시험의 조건은 우선 히터에 통전하여 저항체의 온도가 1400℃가 되도록 인가 전압을 설정하고, 1) 5분간 통전, 2) 2분간 비통전의 1), 2)를 1사이클로 해서 1만 사이클 반복했다. 냉열 사이클 시험 전후의 히터의 저항값의 변화를 측정하고, 저항값의 변화가 10% 미만일 경우를 내구성에 문제 없음(표 1에서 「○」로 표시), 저항값의 변화가 10% 이상일 경우를 내구성에 문제 있음(표 1에서 「×」로 표시)이라고 판정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
또한, 내구성에 문제 있음으로 판정한 시료에는 저항체와 리드의 접합부에 마이크로 크랙이 발생하고 있었다.
Figure pct00001
표 1에서 본 발명의 범위 내의 것인 시료 No.3, No.4, No.7, No.13은 저항체와 리드의 접합부는 단면으로 보았을 때 저항체가 전체 둘레에 걸쳐 리드를 통해서 절연체와 이간되어 있는 영역을 갖고 있고, 저항체의 외형이 발열부와는 반대측을 향해서 가늘어져 있고, 저항체의 도심이 리드의 도심에 대하여 바깥쪽에 위치하고 있고, 내측의 경사각이 외측의 경사각보다 급하게 되어 있고, 리드의 선단면이 내측을 향해서 경사져 있고, 저항체의 외형이 곡선으로 형성되어 있고, 리드의 외형이 발열부측을 향해서 가늘어져 있는 경우이며, 저항 변화가 1% 이하로 본 발명의 히터 중에서는 가장 작았다.
또한, 본 발명의 범위 내의 것인 시료 No.5는 저항체와 리드의 접합부는 단면으로 보았을 때 저항체가 전체 둘레에 걸쳐 리드를 통해서 절연체와 이간되어 있는 영역을 갖고 있고, 저항체의 외형이 발열부와는 반대측을 향해서 가늘어져 있고, 저항체의 도심이 리드의 도심에 대하여 바깥쪽에 위치하고 있고, 내측의 경사각이 외측의 경사각보다 급하게 되어 있고, 리드의 선단면이 내측을 향해서 경사져 있고, 저항체의 외형이 곡선으로 형성되어 있는 경우이며, 저항 변화가 2%로 되었다.
또한, 본 발명의 범위 내의 것인 시료 No.6은 저항체와 리드의 접합부는 단면으로 보았을 때 저항체가 전체 둘레에 걸쳐 리드를 통해서 절연체와 이간되어 있는 영역을 갖고 있고, 저항체의 외형이 발열부와는 반대측을 향해서 가늘어져 있고, 저항체의 도심이 리드의 도심에 대하여 바깥쪽에 위치하고 있고, 내측의 경사각이 외측의 경사각보다 급하게 되어 있고, 리드의 선단면이 내측을 향해서 경사져 있고, 리드의 외형이 발열부측을 향해서 가늘어져 있는 경우이며, 저항 변화가 2%로 되었다.
또한, 본 발명의 범위 내의 것인 시료 No.2는 저항체와 리드의 접합부는 단면으로 보았을 때 저항체가 전체 둘레에 걸쳐 리드를 통해서 절연체와 이간되어 있는 영역을 갖고 있고, 리드의 선단면이 내측을 향해서 경사져 있고, 저항체의 외형이 곡선으로 형성되어 있고, 리드의 외형이 발열부측을 향해서 가늘어져 있는 경우이며, 저항 변화가 7%로 본 발명의 히터 중에서는 가장 크게 되었다.
또한, 본 발명의 범위 내의 것인 No.8, No.9는 저항체와 리드의 접합부는 단면으로 보았을 때 저항체가 전체 둘레에 걸쳐 리드를 통해서 절연체와 이간되어 있는 영역을 갖고 있고, 저항체의 외형이 발열부와는 반대측을 향해서 가늘어져 있고, 내측의 경사각이 외측의 경사각보다 급하게 되어 있고, 리드의 선단면이 내측을 향해서 경사져 있고, 저항체의 외형이 곡선으로 형성되어 있고, 리드의 외형이 발열부측을 향해서 가늘어져 있는 경우이며, 저항 변화가 6%, 5%로 본 발명의 히터 중에서는 큰 편이었다.
또한, 본 발명의 범위 내의 것인 No.10은 저항체와 리드의 접합부는 단면으로 보았을 때 저항체가 전체 둘레에 걸쳐 리드를 통해서 절연체와 이간되어 있는 영역을 갖고 있고, 저항체의 외형이 발열부와는 반대측을 향해서 가늘어져 있고, 저항체의 도심이 리드의 도심에 대하여 바깥쪽에 위치하고 있고, 리드의 선단면이 내측을 향해서 경사져 있고, 저항체의 외형이 곡선으로 형성되어 있고, 리드의 외형이 발열부측을 향해서 가늘어져 있는 경우이며, 저항 변화가 5%였다.
또한, 본 발명의 범위 내의 것인 No.11, No.12는 저항체와 리드의 접합부는 단면으로 보았을 때 저항체가 전체 둘레에 걸쳐 리드를 통해서 절연체와 이간되어 있는 영역을 갖고 있고, 저항체의 외형이 발열부와는 반대측을 향해서 가늘어져 있고, 저항체의 도심이 리드의 도심에 대하여 바깥쪽에 위치하고 있고, 내측의 경사각이 외측의 경사각보다 급하게 되어 있고, 저항체의 외형이 곡선으로 형성되어 있고, 리드의 외형이 발열부측을 향해서 가늘어져 있는 경우이며, 저항 변화가 4%, 3%였다.
본 발명의 범위 밖의 것인 No.1은 저항 변화가 55%로 매우 크게 되었다.
1 : 히터 2 : 선단부
3 : 저항체 4 : 발열부
8 : 리드 9 : 절연기체

Claims (8)

  1. 발열부를 갖는 저항체와,
    상기 저항체의 단부에 접합된 리드와,
    상기 저항체 및 상기 리드를 피복하는 절연기체를 구비하고;
    상기 저항체와 상기 리드의 접합부는 단면으로 보았을 때 상기 저항체가 전체 둘레에 걸쳐 상기 리드를 통해서 상기 절연체와 이간되어 있는 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 히터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 접합부에 있어서의 상기 저항체의 외형은 상기 발열부와는 반대측을 향해서 가늘어져 있는 것을 특징으로 하는 히터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 저항체는 되접어 꺾인 형상을 이루고,
    상기 저항체의 양단부에 상기 리드가 각각 접합되어 있고,
    상기 접합부를 상기 리드의 축방향에 수직인 단면으로 보았을 때 상기 저항체의 도심은 상기 리드의 도심에 대하여 바깥쪽에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 히터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저항체는 되접어 꺾인 형상을 이루고,
    상기 저항체의 양단부에 상기 리드가 각각 접합되어 있고,
    상기 접합부를 상기 리드의 축방향과 평행한 단면으로 보았을 때 내측의 경사각은 외측의 경사각보다 급하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 히터.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저항체는 되접어 꺾인 형상을 이루고,
    상기 저항체의 양단부에 상기 리드가 각각 접합되어 있고,
    상기 접합부를 상기 리드의 축방향과 평행한 단면으로 보았을 때 상기 리드의 선단면은 내측을 향해서 경사져 있는 것을 특징으로 하는 히터.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접합부를 상기 리드의 축방향에 수직인 단면으로 보았을 때 상기 저항체의 외형은 곡선으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 히터.
  7. 제 1 항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접합부에 있어서의 상기 리드의 외형은 상기 발열부측을 향해서 가늘어져 있는 것을 특징으로 하는 히터.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 히터와, 한쪽의 상기 리드에 전기적으로 접속된 시스 금구와, 다른쪽의 상기 리드에 전기적으로 접속된 와이어를 구비한 것을 특징으로 하는 글로 플러그.
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