KR20130058047A

KR20130058047A - 히터 및 이것을 구비한 글로 플러그

Info

Publication number: KR20130058047A
Application number: KR1020137005778A
Authority: KR
Inventors: 타케시 오카무라; 노리미츠 히우라
Original assignee: 쿄세라 코포레이션
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2013-06-03
Also published as: JPWO2012057213A1; EP2635090A4; EP2635090B1; US20130284714A1; KR101477559B1; WO2012057213A1; JP5575260B2; CN103053218A; CN103053218B; EP2635090A1

Abstract

(과제)
급속 승온시 등에 저항체에 대전류가 흘러도 저항체와 리드의 접합부로의 마이크로 크랙 등의 발생이 억제된 히터 및 이것을 구비한 글로 플러그를 제공한다.
(해결 수단)
본 발명의 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 리드(8)는 발열부측의 선단에 걸쳐서 외형이 가늘어져 있고, 상기 저항체(3)와 상기 리드(8)의 접합부는 상기 리드(8)의 축방향에 수직인 단면으로 보았을 때 상기 저항체(3)가 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 도 15에 나타내는 바와 같이 리드의 축을 포함하는 단면(리드의 축을 따라 절단한 단면)으로 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, 엔진의 연소 상태를 최적화하기 위해서 ECU로부터의 제어 신호가 펄스화된 구동 방법이 채용되게 되었다.

여기에서, 펄스로서는 직사각형파를 사용하는 경우가 많다. 펄스의 상승 부분에는 고주파 성분이 있고, 이 고주파 성분은 리드의 표면부에서 전송된다. 그런데, 다른 임피던스를 갖는 리드의 표면과 저항체의 표면이 접합되도록 해서 조인트 부분이 형성되면 이 조인트 부분에서 임피던스의 정합이 이루어지지 않아 고주파 성분이 반사되어버린다. 그 때문에, 조인트 부분이 국소적으로 가열되어 리드와 저항체의 조인트 부분에 마이크로 크랙의 발생이나 저항값이 변화되는 문제점이 발생하고 있었다.

또한, 펄스 구동을 채용하지 않고 DC 구동을 채용한 경우에도 같은 문제점이 발생하고 있었다. 즉, 최근의 ECU에서는 회로 로스가 없어졌기 때문에 급속 승온을 목적으로 해서 엔진 동작 개시시에 저항체에 대전류가 흐르게 되어 있다. 따라서, 펄스의 직사각형파와 같이 전력 돌입의 상승이 급준해져 고주파 성분을 포함한 고전력이 히터에 돌입되어 오게 되었기 때문에 같은 문제점이 발생하고 있었다.

본 발명은 상기 종래의 문제점을 감안하여 안출된 것이며, 그 목적은 급속 승온시 등에 저항체에 대전류가 흘러도 저항체와 리드의 접합부로의 마이크로 크랙 등의 발생이 억제된 히터 및 이것을 구비한 글로 플러그를 제공하는 것이다.

본 발명의 히터는 발열부를 갖는 저항체와, 상기 저항체의 단부에 상기 저항체의 단부를 둘러싸도록 접합된 리드와, 상기 저항체 및 상기 리드를 피복하는 절연기체를 구비하고, 상기 리드는 발열부측의 선단에 걸쳐서 외형이 가늘어져 있고, 상기 저항체와 상기 리드의 접합부는 상기 리드의 축방향에 수직인 단면으로 보았을 때 상기 저항체가 상기 리드를 통해서 상기 절연기체와 이간되어 있는 영역을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명은 상기 구성의 히터와, 상기 리드의 단자부에 전기적으로 접속됨과 아울러 상기 히터를 유지하는 금속제 유지 부재를 구비한 것을 특징으로 하는 글로 플러그이다.

(발명의 효과)

본 발명의 히터에 의하면, 리드가 발열부측의 선단에 걸쳐서 외형이 가늘게 되도록 하여 단면적을 작게 하면서 저항체를 둘러싸도록 접합하게 되므로, 다른 임피던스를 갖는 리드와 저항체의 접합부에서도 고주파 성분이 전파되는 영역에서는 급격한 임피던스의 불일치가 발생하지 않고, 그 결과 고주파 성분이 반사되지 않아 리드와 저항체의 조인트 부분에서의 임피던스의 정합이 이루어지게 된다. 따라서, 펄스 구동, DC 구동에 관계없이 전력 돌입의 상승이 급준해져도 리드와 발열부의 조인트에 마이크로 크랙 등이 발생하지 않고, 장기간 저항이 안정된다. 이에 따라, 히터의 신뢰성 및 내구성이 향상된다.

도 1은 본 발명의 히터의 실시형태의 일례를 나타내는 종단면도이다.
도 2(a)는 도 1에 나타내는 저항체와 리드의 접합부를 포함하는 영역(A)을 확대한 확대 단면도이며, 도 2(b)는 도 2(a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.
도 3은 도 2(a)에 나타내는 영역(B)에 있어서의 저항체와 리드의 접합부를 확대한 확대 사시도이다.
도 4(a)는 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이며, 도 4(b)는 도 4(a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도, 도 4(c)는 도 4(a)에 나타내는 Y-Y선에 있어서의 횡단면도이다.
도 5는 도 4(a)에 나타내는 영역(B)에 있어서의 저항체와 리드의 접합부를 확대한 확대 사시도이다.
도 6(a)는 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이며, 도 6(b)는 도 6(a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.
도 7(a)는 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이며, 도 7(b)는 도 7(a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.
도 8(a)는 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이며, 도 8(b)는 도 8(a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.
도 9(a)는 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이며, 도 9(b)는 도 9(a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.
도 10(a)는 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이며, 도 10(b)는 도 10(a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.
도 11(a)는 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이며, 도 11(b)은 도 11(a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.
도 12(a)는 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이며, 도 12(b)는 도 12(a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.
도 13(a)는 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이며, 도 13(b)는 도 13(a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.
도 14(a)는 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이며, 도 14(b)는 도 14(a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.
도 15(a)는 종래의 히터를 나타내는 종단면도이며, 도 15(b)는 도 15(a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다.

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

도 1은 본 발명의 히터의 실시형태의 일례를 나타내는 종단면도이다. 또한, 도 2(a)는 도 1에 나타내는 저항체와 리드의 접합부를 포함하는 영역(A)을 확대한 확대 단면도이며, 도 2(b)는 도 2(a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다. 도 3은 도 2에 나타내는 영역(B)에 있어서의 저항체와 리드의 접합부의 확대 사시도이다.

본 실시형태의 히터(1)는 발열부(4)를 갖는 저항체(3)와, 저항체(3)의 단부에 이 저항체(3)의 단부를 둘러싸도록 접합된 리드(8)와, 저항체(3) 및 리드(8)를 피복하는 절연기체(9)를 구비하고, 리드(8)는 발열부(4)측의 선단에 걸쳐서 외형이 가늘어져 있고, 저항체(3)와 리드(8)의 접합부는 리드(8)의 축방향에 수직인 단면으로 보았을 때 저항체(3)가 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 우수하기 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 예를 들면 1650∼1780℃에서 핫프레스 소성함으로써 얻을 수 있다.

또한, 절연기체(9)로서 질화규소질 세라믹스로 이루어지는 것을 사용할 경우, MoSiO₂, WSi₂ 등을 혼합하여 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 꺾은 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 뛰어나다. 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 상태로 있다. 이에 대하여 저항체(3) 내에 질화규소를 첨가함으로써 열팽창률을 절연기체(9)의 그것에 근접시켜서 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 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)로의 마찬가지의 첨가물로서 질화규소 대신에 질화붕소를 4질량%∼12질량% 첨가할 수도 있다.

또한, 저항체(3)의 두께[도 2(b)에 나타내는 상하 방향의 두께]는 0.5㎜∼1.5㎜ 정도가 좋고, 저항체(3)의 폭[도 2(b)에 나타내는 수평 방향의 폭]은 0.3㎜∼1.3㎜ 정도가 좋다. 이 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 저항체(3)와 같은 재료를 이용하여 형성할 수 있고, W, Mo, Ti 등의 탄화물, 질화물, 규화물 등을 주성분으로 하는 것을 사용할 수 있다. 그리고, 예를 들면 절연기체(9)의 형성 재료의 함유량을 저항체(3)보다 적게 함으로써 저항체(3)보다 단위 길이당 저항값이 낮게 되어 있는 것이다.

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.

리드(8)는 리드(8)의 축방향에 수직인 단면에서 접합부를 단면으로 보았을 때 저항체(3)의 단부를 둘러싸도록 저항체(3)에 접합되어 있다. 또한, 리드(8)는 발열부(4)측의 선단에 걸쳐서 외형이 점차 가늘어져 있고, 바꿔 말하면 리드(8)는 발열부(4)측의 선단에 걸쳐서 점차 두께가 얇아져 있다. 그리고, 저항체(3)와 리드(8)의 접합부는 리드(8)의 축방향에 수직인 단면으로 보았을 때 저항체(3)가 리드(8)를 통해서 절연체와 이간되어 있는 영역을 갖고 있다. 여기에서 말하는 접합부란 리드(8)의 축을 포함하는 단면으로 보았을 때 저항체(3)와 리드(8)의 계면이 존재하는 영역을 말한다. 또한, 리드(8)의 축을 포함하는 단면이란 리드(8)의 축을 따라 리드(8)의 축방향과 평행하게 절단된 단면을 말한다. 또한, 접합부의 길이 방향의 길이[리드(8)가 저항체(3)의 단부를 둘러싸고 있는 길이 방향의 거리]는 0.01㎜ 이상이 바람직하다.

이러한 구성으로 함으로써, 리드(8)가 발열부(4)측의 선단에 걸쳐서 외형이 가늘어지도록 해서 단면적을 작게 하면서 저항체(3)를 둘러싸도록 접합하게 되므로, 리드(8) 표면을 따라 전파되어 온 고주파 성분이 리드(8)의 단면적이 작아짐과 아울러 리드(8) 내부에 그 전파 영역을 확대하고, 또한 리드(8)의 내경측에 있는 저항체(3)의 표면에도 전파 영역이 포함되면서 고주파 성분이 진행되고, 리드(8)의 종단부에서는 저항체(3)의 표면에만 고주파 성분이 전파되기 때문에 다른 임피던스를 갖는 리드(8)와 저항체(8)의 접합부에서도 고주파 성분이 전파되는 영역에서는 급격한 임피던스의 불일치가 발생하지 않고, 그 결과 고주파 성분이 반사되지 않고 리드(8)와 저항체(3)의 조인트 부분에서의 임피던스의 정합이 이루어지게 된다. 즉, ECU로부터의 제어 신호가 펄스화된 구동 방법이라도 펄스의 상승 부분의 고주파 성분이 리드(8)의 표면부에서 전송되어도 조인트 부분에서의 반사를 억제할 수 있다. 따라서, 리드(8)와 저항체(3)의 조인트 부분에서의 국소적인 발열을 억제할 수 있어 조인트 부분에 마이크로 크랙이 발생하지 않고, 장기간 저항값이 안정된다.

또한, 펄스 구동을 채용하지 않고 DC 구동을 채용한 경우에도 동일한 효과가 얻어진다. 즉, 급속 승온을 목적으로 해서 엔진 동작 개시시에 저항체에 대전류를 흘리면 펄스의 직사각형파와 같이 전력 돌입의 상승이 급준해져 고주파 성분을 포함한 고전력이 히터로 돌입되지만, 고주파 성분을 포함한 고전력이 히터로 돌입되어도 리드(8)와 저항체(3)의 조인트 부분에서의 국소적인 발열을 억제할 수 있어 조인트에 마이크로 크랙이 발생하지 않고, 장기간 저항이 안정된다.

또한, 리드(8)가 저항체(3)의 단부를 둘러싸도록 저항체(3)에 접합되어 있다는 것은 리드(8)가 선단측에 오목 형상부를 갖는 형상이며, 이 오목 형상부에 저항체(3)의 단부가 감합되어 있는 구조이면 좋고, 이하에 설명하는 것과 같은 형태를 들 수 있다.

도 2 및 도 3에 나타낸 히터(1)는 저항체(3)와 리드(8)의 접합부가, 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 있는 것이다. 이 형태에 의하면 저항체(3), 리드(8) 및 이들과는 열팽창계수가 크게 다른 절연기체(9)의 계면[저항체(3)와 리드(8)와 절연기체(9)의 삼중 계면]이 존재하지 않는 영역을 가지므로, 사용시 냉각 과정에 있어서 저항체(3)와 리드(8)의 계면에 다대한 응력 집중이 되지 않도록 할 수 있다. 그 결과, 반복해서 온도를 높이고 낮춰도 열팽창계수가 비슷하기 때문에 접합 단부에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있고, 히터(1)의 신뢰성 및 내구성이 향상된다.

한편, 도 4 및 도 5에 나타낸 히터(1)는 리드(8)의 발열부(4)측의 선단에 걸쳐서 외형이 점차 가늘어져 있는 부분(테이퍼 부분)의 경사 각도를 전체 둘레에 걸쳐 일치시키지 않고, 경사 각도를 변화시켜서 저항체(3)의 단부를 둘러싸도록 접합시킨 것이다.

또한, 도 4(a)는 본 발명의 히터(1)의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이며, 도 4(b)는 도 4(a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도, 도 4(c)는 도 4(a)에 나타내는 Y-Y선에 있어서의 횡단면도이다. 또한, 도 5는 도 4(a)에 나타내는 영역(B)에 있어서의 저항체(3)와 리드(8)의 접합부의 확대 사시도이다. 이 형태에 의하면, 리드(8)와 저항체(3)의 접합부의 선단 영역이 곡선 형상이 되고, 또한 이 선단 영역과 절연기체(9)의 접촉 면적도 확대되므로 여러 가지 주파수 대역의 고주파 성분의 반사를 억제할 수 있을 뿐 아니라, 접합부에서 고주파 성분의 로스가 열로 변환된 경우에도 절연기체(9)에 열을 분산시킬 수 있게 된다. 따라서, 리드(8)와 저항체(3)의 조인트 부분에서의 국소적인 발열을 억제할 수 있어 조인트 부분에 마이크로 크랙이 발생하지 않고, 장기간 저항이 안정되어 히터(1)의 신뢰성 및 내구성이 향상된다.

또한, 리드(8)의 테이퍼 부분의 경사 각도를 전체 둘레에 걸쳐 일치시키지 않고, 경사 각도를 변화시켜서 저항체(3)를 둘러싸도록 접합시킴으로써 저항체(3) 및 리드(8)와 절연기체(9)의 접촉 면적이 늘어남으로써 밀착 강도가 증가하고, 또한 단면으로 보았을 때의 접합 형태가 원 형상이 아니라 꽃잎 형상이 됨으로써 히터(1)에 급격한 열 충격이 가해졌을 경우에 있어서도 열팽창의 차에 의한 응력을 완화하여 강인(强靭)한 히터로 할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 히터(1)는 변형예로서 이하와 같은 형태로 할 수도 있다.

도 6에 나타낸 히터(1)는 도 2 및 도 3에 나타낸 형태에 있어서의 리드(8)의 형상을 변형한 변형예이며, 리드(8)의 외형이 점차 가늘어져 있는 부분이 리드(8)의 축을 포함하는 단면으로 보았을 때 복수의 경사 영역을 갖고 있고, 복수의 경사 영역은 후단측보다 선단측의 경사가 완만하게 되어 있는 것이다. 구체적으로는, 예를 들면 도면에 나타내는 바와 같이 단면적이 지수함수적으로 감소되는 형상으로 되어 있다. 또한, 도 6(a)는 본 발명의 히터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 종단면도이며, 도 6(b)는 도 6(a)에 나타내는 X-X선에 있어서의 횡단면도이다. 이러한 형상에 의하면, 주파수 대역에 관계없이 가장 임피던스가 매칭되는 단면적의 감소 형태가 되므로 조인트에 마이크로 크랙이 발생하지 않고, 장기간 저항이 안정된다. 바꿔 말하면, 단면적이 지수함수적으로 감소됨으로써 반사되는 고주파 성분이 보다 적어지고, 리드(8)와 저항체(3)의 조인트 부분에서의 국소적인 발열을 억제할 수 있어 조인트에 마이크로 크랙이 발생하지 않고, 장기간 저항이 안정되어 히터(1)의 신뢰성 및 내구성이 향상된다.

또한, 도 7∼도 11에 나타낸 히터(1)는 접합부에 있어서 저항체(3)가 테이퍼 영역을 갖도록 저항체(3)의 외형이 발열부(4)와는 반대측을 향해서 가늘어져 있는 것이다. 이러한 형상에 의하면, 고주파 성분이 조금 반사되어도 저항체(3)와의 경계를 따라 반사되기 때문에 국소 발열하는 개소를 리드 내부에 가둘 수 있기 때문이며, 그 결과 조인트 부분에 마이크로 크랙이 발생하지 않고, 장기간 저항이 안정된다.

또한, 도 7은 저항체(3)에 있어서의 발열부(4)와는 반대측의 선단이 뾰족한 형상을 나타내고, 도 8∼도 10은 저항체(3)에 있어서의 발열부(4)와는 반대측의 선단에 끝면을 갖는 형상이며 뾰족하지 않은 형상을 나타내고 있다.

여기에서, 도 7∼도 11에 있어서의 테이퍼 영역의 길이 방향의 길이(도면의 수평 방향의 길이)로서는 0.01㎜ 이상이 바람직하고, 또한 도 8∼도 10에 나타낸 히터(1)에 있어서 접합부에 있어서의 저항체(3)의 외형이 발열부(4)와는 반대측을 향해서 단면적으로 50%∼90%가 되도록 가늘어져 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 리드(8)의 축방향에 수직인 히터(1)의 단면이 접합부를 포함하는 부분에 있어서 열팽창계수를 발열부(4)측으로부터 리드(8)측을 향해서 경사지도록 변화시킬 수 있고, 급격한 열팽창 차가 발생하기 어렵게 구성할 수 있다.

본 실시형태의 히터(1)는 도 10에 나타내는 바와 같이, 리드(8)에 있어서의 발열부측의 선단이 저항체(3)의 테이퍼 영역의 기점보다 발열부측에 위치하고 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 조인트 부분이 가열되어도 리드(8)의 테이퍼 선단부가 저항체(3)에 파고들기 때문에 리드(8)가 조인트로부터 박리될 일이 없고, 또한 조인트에 마이크로 크랙이 발생하지 않고, 장기간 저항이 안정된다.

또한, 본 실시형태의 히터(1)는 도 11에 나타내는 바와 같이 리드(8)에 있어서의 발열부측의 선단이 저항체(3)의 테이퍼 영역의 기점에 위치하고 있어도 좋다. 이에 따라, 가장 임피던스가 매칭되는 형상이 되므로 반사가 일어나지 않고, 발열하지 않게 된다.

또한, 본 실시형태의 히터(1)는 도 12∼도 14에 나타내는 바와 같이 리드(8)의 축을 포함하는 단면으로 보았을 때 저항체(3)의 단부가 둥글게 형성되어 있는 것이 바람직하다. 저항체(3)의 단부가 둥글게 형성되어 있음으로써 돌입 전류가 커졌을 때 도체의 중심부를 통해서 오는 직류 성분에 의해 발생되는 전자 전도에 의한 격자 진동에 기인한 국부적인 가열에 의한 응력이 리드(8)와 저항체(3)의 조인트 부분에서 중심부에 집중되지 않고 외주 방향으로 분산되어서 완화된다. 따라서, 조인트 부분에 마이크로 크랙이 발생하지 않고, 장기간 저항이 안정된다. 또한, 본 발명은 상기 구성 중 어느 하나에 기재된 히터와, 상기 리드의 단자부에 전기적으로 접속됨과 아울러 상기 히터를 유지하는 금속제 유지 부재를 구비한 것을 특징으로 하는 글로 플러그이다.

또한, 본 실시형태의 히터(1)는 상기 구성 중 어느 하나에 기재된 히터(1)와, 리드(8)의 단자부(81)에 전기적으로 접속됨과 아울러 히터(1)를 유지하는 금속제 유지 부재를 구비한 글로 플러그로서 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 히터(1)는 봉 형상의 절연기체(9)의 내부에 되접어 꺾은 형상을 이룬 저항체(3)가 매설되어 있음과 아울러 한 쌍의 리드(8)가 저항체(3)의 양단부에 각각 전기적으로 접속되어서 매설되어 있고, 한쪽의 리드(8)에 전기적으로 접속된 금속제 유지 부재[시스(sheath) 금구]와, 다른쪽의 리드(8)에 전기적으로 접속된 와이어를 구비한 글로 플러그로서 사용하는 것이 바람직하다.

금속제 유지 부재(시스 금구)는 히터(1)를 유지하는 금속제의 통 형상체이며, 세라믹기체(9)의 측면으로 인출된 한쪽의 리드(8)에 납땜재(brazing filler metal) 등에 의해 접합된다. 또한, 와이어는 다른쪽의 세라믹기체(9)의 후단으로 인출된 다른쪽의 리드(8)에 납땜재 등에 의해 접합된다. 이에 따라, 고온의 엔진 내에서 ON/OFF가 반복되면서 장기 사용해도 히터(1)의 저항이 변화되지 않으므로 어떤 때라도 착화성 이 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)의 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. 그리고, 성형체 a를 금형 내에 유지한 상태로 도전성 페이스트를 금형 내에 충전해서 리드(8)가 되는 소정 패턴의 도전성 페이스트의 성형체(성형체 b)를 형성한다. 이에 따라, 성형체 a와, 이 성형체 a에 접속된 성형체 b가 금형 내에 유지된 상태가 된다.

이어서, 금형 내에 성형체 a 및 성형체 b를 유지한 상태로 금형의 일부를 절연기체(9)의 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 d)가 얻어진다.

이어서, 얻어진 성형체 d를 예를 들면 1650℃∼1780℃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, 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 상태로 리드가 되는 상기 도전성 페이스트를 금형 내에 충전함으로써 성형체 a와 접속시켜서 리드가 되는 성형체 b를 형성했다. 이때, 표 1 및 표 2에 나타내는 바와 같이 여러 가지 형상을 갖는 금형을 이용하여 6종 형상의 저항체와 리드의 접합부를 형성했다. 또한, 표 1 및 표 2에 있어서의 접합부에서의 리드의 경사각 및 저항체의 경사각은 각각 길이 방향으로 평행한 형상의 경우를 0°로 해서 단면으로 보았을 때 리드 및 저항체의 측면이 장축으로부터 몇도 경사져 있는지를 나타내고 있다.

이어서, 성형체 a 및 성형체 b를 금형 내에 유지한 상태로 질화규소(Si₃N₄) 분말을 85질량%, 소결 조제로서의 이테르븀(Yb)의 산화물(Yb₂O₃)을 10질량%, 저항체 및 리드에 열팽창률을 근접시키기 위한 탄화텅스텐(WC)을 5질량% 포함하는 세라믹 페이스트를 금형 내에 사출 성형했다. 이에 따라, 절연기체가 되는 성형체 c 내에 성형체 a 및 성형체 b가 매설된 구성의 성형체 d를 형성했다.

이어서, 얻어진 성형체 d를 원통 형상의 탄소제의 형에 넣은 후, 질소 가스로 이루어지는 비산화성 가스 분위기 중에서 1700℃, 35㎫의 압력으로 핫프레스를 행해 소결해서 히터를 제작했다. 얻어진 소결체의 표면에 노출된 리드 단부(단자부)에 통 형상의 금속제 유지 부재(시스 금구)를 브레이징(brazing)해서 글로 플러그를 제작했다.

이 글로 플러그의 전극에 펄스 패턴 제너레이터를 접속하여 인가 전압 7V, 펄스 폭 10㎲, 펄스 간격 1㎲의 직사각형 펄스를 연속 통전했다. 1000시간 경과 후, 통전 전후의 저항값의 변화율[(통전 후의 저항값-통전 전의 저항값)/통전 전의 저항값]을 측정했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 시료 번호 1은 가장 발열한 개소가 리드와 저항체의 접속부였다. 그리고, 통전 상태를 확인하기 위해서 오실로스코프를 이용하여 시료 번호 1의 히터에 흐르는 펄스 파형을 확인한 결과, 입력 파형과 달리 펄스의 상승이 급준하게 되지 않고 7V에 도달할 때까지 1㎲를 요하고, 오버 슈트(over shoot)하면서 물결치고 있었다.

이것은 시료 번호 1의 히터에서는 펄스의 상승 부분에 포함되는 고주파 성분이, 리드와 저항체의 조인트 부분에서 임피던스의 정합이 이루어지지 않기 때문에 반사된 것이라고 생각된다. 또한, 히터의 가장 발열한 개소가 리드와 저항체의 접속부로 되어 있는 것에 대해서도 고주파 성분의 반사에 기인하여 리드와 저항체의 조인트 부분에서의 국소적인 발열이 발생한 것이라고 생각된다.

또한, 시료 번호 1의 통전 전후의 저항 변화는 55%로 매우 커졌기 때문에 펄스 통전 후 주사형 전자현미경으로 시료 번호 1의 리드와 저항체의 접합부를 관찰한 결과, 접합 계면에 외주 방향으로부터 내측을 향해서 마이크로 크랙이 발생하고 있는 것을 확인했다.

한편, 시료 번호 2∼시료 번호 6에 대해서는 가장 발열한 개소는 히터 선단의 저항체 발열부였다. 그리고, 통전 상태를 확인하기 위해서 오실로스코프를 이용하여 히터에 흐르는 펄스 파형을 확인한 결과, 입력 파형과 거의 같은 파형이었다.

이것은 리드와 저항체의 조인트 부분에서 임피던스의 정합이 이루어짐으로써 펄스의 상승 부분에 포함되는 고주파 성분이 리드와 저항체의 조인트 부분에서 반사되지 않고 통전 가능한 것을 나타내고 있다.

또한, 시료 번호 2∼시료 번호 6의 통전 전후의 저항 변화는 5% 이하로 작고, 펄스 통전 후 주사형 전자현미경으로 이들 시료 번호의 리드와 저항체의 접합부를 관찰한 결과, 마이크로 크랙은 없었다.

이어서, 히터에 DC 전원을 접속해서 저항체의 온도가 1400℃가 되도록 인가 전압을 설정하고, 1) 5분간 통전, 2) 2분간 비통전의 1), 2)를 1사이클로 해서 1만사이클 반복했다. 통전 전후의 히터의 저항값의 변화율을 측정했다.

표 2에 나타내는 바와 같이, 시료 번호 1의 통전 전후의 저항 변화는 55%로 매우 커졌기 때문에 DC 통전 후 주사형 전자현미경으로 시료 번호 1의 리드와 저항체의 접합부를 관찰한 결과, 접합 계면에 외주 방향으로부터 내측을 향해서 마이크로 크랙이 발생하고 있는 것을 확인했다.

한편, 시료 번호 2∼시료 번호 6의 통전 전후의 저항 변화는 5% 이하로 작고, DC 통전 후에 주사형 전자현미경으로 이들 시료 번호의 리드와 저항체의 접합부를 관찰한 결과, 마이크로 크랙은 없었다.

이상과 같이, 리드는 발열부측의 선단에 걸쳐서 외형이 점차 가늘어져 있고, 저항체와 리드의 접합부는 리드의 축방향에 수직인 단면으로 보았을 때 저항체가 상기 리드를 통해서 절연체와 이간되어 있는 영역을 갖고 있음으로써 펄스 구동, DC 구동에 관계없이 전력 돌입의 상승이 급준해져도 리드와 발열부의 조인트에 마이크로 크랙이 발생하지 않고, 장기간 저항이 안정된다. 이에 따라, 히터의 신뢰성 및 내구성이 향상된다.

1 : 히터 3 : 저항체
4 : 발열부 8 : 리드
81 : 단자부 9 : 절연기체

Claims

발열부를 갖는 저항체와,
상기 저항체의 단부에 상기 저항체의 단부를 둘러싸도록 접합된 리드와,
상기 저항체 및 상기 리드를 피복하는 절연기체를 구비하고;
상기 리드는 발열부측의 선단에 걸쳐서 외형이 가늘어져 있고,
상기 저항체와 상기 리드의 접합부는 상기 리드의 축방향에 수직인 단면으로 보았을 때 상기 저항체가 상기 리드를 통해서 상기 절연기체와 이간되어 있는 영역을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 히터.
제 1 항에 있어서,
상기 리드의 상기 외형이 가늘어져 있는 부분은 상기 리드의 축을 포함하는 단면으로 보았을 때 복수의 경사 영역을 갖고 있고, 상기 복수의 경사 영역은 후단측보다 선단측의 경사가 완만하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 히터.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 접합부에 있어서 상기 저항체는 테이퍼 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 히터.
제 3 항에 있어서,
상기 리드에 있어서의 상기 발열부측의 선단은 상기 테이퍼 영역의 기점보다 상기 발열부측에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 히터.
제 3 항에 있어서,
상기 리드에 있어서의 상기 발열부측의 선단은 상기 테이퍼 영역의 기점에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 히터.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 리드의 축을 포함하는 단면으로 보았을 때 상기 저항체의 단부는 둥글게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 히터.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 히터와, 상기 리드의 상기 단자부에 전기적으로 접속됨과 아울러 상기 히터를 유지하는 금속제 유지 부재를 구비한 것을 특징으로 하는 글로 플러그.