세라믹 글로 플러그

세라믹 글로 플러그{CERAMIC GLOW PLUG}

본 발명은 도전성 세라믹으로 이루어지는 발열 소자가 절연성 세라믹으로 이루어지는 기체(基體)에 매설 유지되어 이루어지는 봉 형상의 세라믹 히터 및 상기 세라믹 히터를 구비하는 글로 플러그에 관련되며, 특히, 상기 발열 소자에 접속되어 상기 기체 속에 매설된 봉 형상의 도전부로부터 직경 방향 외측으로 연장 설치되어 세라믹 히터의 외주면으로 노출되는 전극 취출부(electrode taking-out portion)를 구비하여 이루어짐과 아울러, 상기 세라믹 히터를 직경 방향 외측으로부터 끼워 맞춰 유지하는 금속 외통(外筒)의 내주면과 상기 전극 취출부가 도통한 구조를 가지는 세라믹 글로 플러그에 관한 것이다.

종래, 디젤 엔진의 시동 보조 등에 이용되는 글로 플러그는, 통 형상의 금속 쉘, 봉 형상의 중심축, 통전에 의해 발열하는 발열 소자를 내장하는 히터, 절연 부재, 외통, 접속 단자 등을 구비하고 있다. 디젤 엔진이 필요로 하는 성능이나 비용면에서 히터를 금속제 시스 히터로 하는 메탈 글로 플러그나, 히터를 세라믹 히터로 하는 세라믹 글로 플러그가 사용되고 있다.

그런데 상기 세라믹 글로 플러그는 개략 다음의 구성을 구비하고 있다. 즉, 금속 쉘의 내주측에는 후단측으로 일단을 돌출시킨 중심축이 배치 설치되고, 상기 중심축의 선단측에는 세라믹 히터(이하, 단지 히터라고도 한다)가 설치되어 있다. 또, 금속 쉘의 선단부에는 금속제의 외통이 접합되고, 상기 외통에 의해서 히터가 유지되고 있다. 한편, 금속 쉘의 후단측에 있어서는, 절연 부재가 중심축과 금속 쉘의 간극에 삽입되고, 절연 부재의 후단측에는 접속 단자가 절연 부재를 선단측으로 압압한 상태에서 중심축에 고정되어 있다. 히터의 유지에 대해서는 히터를 외통에 압입하는 수법을 매우 적합하게 이용할 수 있다. 이때, 압입을 용이하게 실행하기 위해 윤활제를 이용하고, 압입을 완료한 후에 상기 윤활제를 가열하여 제거하는 수법도 이용된다. 이와 같이 하여 히터에는 외통으로부터 직경 방향 내향의 힘이 작용하여 강고하게 체결되어 유지된다.

상기 세라믹 히터는 도전성 세라믹으로 이루어지는 발열 소자가, 절연성 세라믹으로 이루어지는 기체 속에 매설되어 유지되는 것에 의해 구성되어 있다. 상기의 경우에 있어서, 발열 소자에 전압을 인가하기 위한 음극ㆍ양극의 양 전극 취출부가 후단측에 설치되고, 일측의 전극 취출부는 금속 쉘에 전기적으로 접속되며, 타측의 전극 취출부는 중심축에 전기적으로 접속된다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 상기 전기적인 접속은 상기의 압입에 의해 실현되어 있다. 또, 양 전극 취출부는 1쌍의 봉 형상의 도전부에 의해 상기 발열 소자의 양단부에 접속되어 있다. 양 전극 취출부 및 1쌍의 도전부는 발열 소자와 마찬가지로 도전성 세라믹으로 구성된다(예를 들면 특허문헌 2 참조). 이후, 전극 취출부와 도전부 및 발열 소자를 총칭하여 저항체라고도 한다.

상기 저항체에 대해서는 상기 저항체가 도전성을 가지도록 상기 저항체의 재료에는 W(텅스텐)이나 Mo(몰리브덴) 등의 금속 성분이 상기 기체에 비교하여 다량으로 포함되는 구성을 채용한다. 이로 인해, 저항체는 기체보다도 큰 열팽창 계수를 가진다. 열팽창 계수가 다르기 때문에 세라믹 히터를 소성할 때의 냉각 단계에서는 저항체의 수축량은 기체보다도 크다. 따라서, 기체에는 축 방향으로 수축하도록 열 응력(인장 응력)이 발생한다. 이에 따라 히터의 표면에 있어서는 압축 응력이 작용한 상태로 되기 때문에 저항체가 내재하고 있지 않은 기체 재료의 소결체와 비교하면 상기 압축 응력이 작용하고 있는 만큼만 외관상으로는 고강도가 된다.

저항체가 히터의 축 방향을 따라서 균일하게 존재하고 있으면, 상기 압축 응력의 작용에 의한 강도의 향상을 매우 적합하게 이용할 수 있다. 그러나 히터의 외주면에는 전극 취출부가 노출 형성되어 있다. 이로 인해, 기체 중 전극 취출부의 주위의 부분(이후, 상기 부위를 전극부라고도 한다)에서는 상기 전극 취출부의 노출부위로부터의 인장 응력이 작용한다. 그러면, 상기한 압축 응력의 작용에 의한 강도의 향상 효과가 상쇄되고, 전극부는 다른 부위에 비해 저강도가 된다.

그런데 히터가 외통에 압입될 때에 사용된 윤활제를 제거하기 위해, 히터와 외통의 일체 조립체는 약 300℃로 가열된다. 외통은 금속제이기 때문에 그 열팽창 계수는 세라믹 히터보다도 현격히 크다. 따라서, 윤활제 제거시의 가열에 의해서 외통은 열팽창을 발생하고, 상기 열팽창 중 축 방향으로의 팽창은 히터의 축 방향의 인장 응력을 발생시킨다. 이때 히터에는 상기의 압입에 의한 직경 방향 내향의 압축 응력과 축 방향의 인장 응력이 작용하게 된다. 상기한 바와 같이 히터의 전극부는 저강도로 되어 있기 때문에, 상기 압축 응력과 인장 응력이 상승적으로 작용하기 때문에 상기 전극부를 기점으로 하여 세라믹 히터에 파손이 발생할 우려가 있다.

상기 파손을 방지하기 위해, 외통의 형상이나 히터 압입시의 압입 직경 차이의 설계 혹은 재료의 선택에 의해 외통이 히터를 체결하는 힘을 약하게 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나 부품의 공차를 작게 하면 생산성이 저하되거나, 또 전기적인 접속불량 등의 문제가 염려되기 때문에, 외통이 히터를 체결하는 힘을 약하게 하는 것은 어렵다. 그래서, 히터 단체(單體)로 강도를 향상하는 기술이 요구된다.

또한, 상기의 과제는 히터가 외통에 압입 유지되는 세라믹 글로 플러그에 한정되는 것은 아니고, 히터가 땜납층을 통하여 외통에 유지되는 세라믹 글로 플러그에 있어서도 마찬가지로 발생할 우려가 있다.

본 발명은 이와 같은 실정에 감안하여 저항체와 기체로 열팽창 계수가 다른 세라믹 히터를 금속제의 외통이 유지하는 구성을 가지는 글로 플러그로서, 히터의 구성재료의 변경이나 외통의 치수ㆍ재료 등의 변경을 실행하는 일없이, 또 전극 취출부에 있어서의 외통과의 전기적 접속을 손상하지 않고, 외통과 조립한 후에 발생할 수 있는 세라믹 히터의 전극부에 있어서의 절손(折損)에 대한 내성을 향상시키려고 하는 것이다.

구성 1. 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 세라믹 글로 플러그는,

절연성 세라믹으로 이루어져 축 방향에 기둥 형상을 이루는 기체와,

도전성 세라믹으로 이루어져 상기 기체의 선단부에 매설되어 통전에 의해서 저항 발열하는 발열 소자와, 상기 발열 소자의 양단부에 접속되어 상기 축 방향의 후방으로 향하여 연장 설치되는 도전부와, 상기 도전부의 적어도 일측에서 직경 방향으로 향하여 연장 설치되어 상기 기체의 외주면으로 노출되는 전극 취출부를 구비하여 이루어지는 저항체로 이루어지는 세라믹 히터를 구비하고,

자신의 내부에 상기 세라믹 히터가 유지되며, 상기 전극 취출부의 노출면과 접촉하여 연속하는 금속제의 통 형상 부재를 구비한 세라믹 글로 플러그로서,

상기 전극 취출부의 노출면의 상기 축 방향 치수 및 상기 둘레 방향 치수가 모두 1.0∼1.8㎜인 것을 특징으로 한다.

구성 2. 본 발명의 세라믹 글로 플러그는,

상기 기체 중 상기 전극 취출부의 노출면의 선단으로부터 0.3㎜, 및 상기 노출면의 후단으로부터 0.3㎜의 특정 영역에 있어서의 압축 잔류 응력의, 상기 기체 중 상기 특정 영역 밖에 있어서의 압축 잔류 응력에 대한 비가 50％ 이상인 것을 특징으로 한다.

구성 3. 본 발명의 세라믹 글로 플러그는,

상기 전극 취출부의 노출면의 상기 축 방향 치수가 상기 둘레 방향 치수에 대해서 작게 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

구성 4. 본 발명의 세라믹 글로 플러그는,

상기 전극 취출부의 노출면의 형상은, 코너부를 가지지 않는 것을 특징으로 한다.

구성 5. 본 발명의 세라믹 글로 플러그는,

상기 세라믹 히터는, 상기 통 형상 부재의 내부에 압입되어 끼워 맞춰지는 것을 특징으로 한다.

구성 1의 세라믹 글로 플러그에 따르면, 저항체와 기체에서 열팽창 계수가 달라도, 전극 취출부의 노출면에 있어서의 축 방향 치수 및 둘레 방향 치수를 모두 1.0∼1.8㎜로 하는 것에 의해, 전극 취출부에 있어서의 통 형상 부재와의 전기적 접속을 손상하는 일없이, 세라믹 히터의 절손에 대한 내성을 향상시킬 수 있다. 특히, 저항체의 열팽창 계수와 기체의 열팽창 계수가 0.3ppm/K 이상 다른 경우에, 상기 작용효과를 더욱 한층 발휘할 수 있다.

구성 2의 세라믹 글로 플러그에 따르면, 기체 중 특정 영역에 있어서의 압축 잔류 응력과 특정 영역 밖에 있어서의 압축 잔류 응력의 비(특정 영역에 있어서의 기체의 압축 잔류 응력/특정 영역 밖에 있어서의 기체의 압축 잔류 응력)가 50％ 이상인 것으로부터, 노출면의 주위에 있어서의 기체의 강도를 향상시킬 수 있다.

구성 3의 세라믹 글로 플러그에 따르면, 전극 취출부의 노출면에 있어서의 축 방향 치수가 둘레 방향 치수에 대해서 작게 형성되어 있는 것으로부터, 세라믹 히터의 절손에 대한 내성을 더욱더 향상시킬 수 있다.

구성 4의 세라믹 글로 플러그에 따르면, 전극 취출부의 노출면이 코너부를 가지지 않는 형상인 것으로부터, 국소적인 응력 집중의 발생을 회피할 수 있고, 노출면의 주위에 있어서의 기체의 강도를 더욱더 향상시킬 수 있다.

세라믹 히터가 통 형상 부재의 내부에 압입되어 끼워 맞춰진 세라믹 글로 플러그에서는, 전극 취출부에 있어서의 통 형상 부재와의 전기적 접속의 확보와 세라믹 히터의 절손에 대한 내성을 양립시키는 것이 어렵다. 이로 인해, 본 구성 5와 같은 세라믹 글로 플러그에 있어서, 상기 구성 1∼4는 특히 유효하다.

도 1은 본 발명의 세라믹 글로 플러그로서, (a)는 정면도를, (b)는 종단면도를 나타내는 것이다.
도 2는 세라믹 히터를 중심에 나타내는 글로 플러그의 부분 확대 단면도이다.
도 3은 세라믹 히터의 제조방법의 공정 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 4는 세라믹 히터에 있어서의 잔류 응력의 영향을 확인하기 위해 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 주요부인 전극 취출부의 노출면 및 잔류 응력 측정영역을 설명하는 도면이다.

이하에, 일실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 우선, 본 발명에 관련되는 세라믹 히터(4)를 구비하는 세라믹 글로 플러그(1, 이하, 「글로 플러그 (1)로 부름」)에 대해서, 도 1의 (a), (b) 및 도 2를 참조하면서 설명한다. 도 1의 (a)는 글로 플러그(1)의 정면도이며, 도 1의 (b)는 글로 플러그(1)의 종단면도이다. 또, 도 2는 세라믹 히터(4)를 중심에 나타내는 부분 확대 단면도이다. 또한, 도 1, 2에 있어서는, 도면의 하측을 글로 플러그{1, 세라믹 히터(4)}의 선단측, 상측을 후단측으로 하여 설명한다.

도 1의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 글로 플러그(1)는 금속 쉘(2), 중심축(3), 세라믹 히터(4), 외통(5), 접속 단자(6) 등을 구비하고 있다.

금속 쉘(2)은 소정의 금속재료(예를 들면, S45C 등의 철계 소재)에 의해서 형성됨과 아울러, 축선(CL1) 방향을 따라서 연장되는 축 구멍(7)을 가지고 있다. 상기 축 구멍(7)의 후단부에는 선단측을 향하여 끝으로 갈수록 가늘어지는 테이퍼부(7a)가 형성되어 있다. 또, 축 구멍(7) 중 상기 테이퍼부(7a)보다도 선단측은 스트레이트 형상으로(동일 내경을 가지도록) 형성되어 있다. 또한, 상기 금속 쉘(2)의 길이 방향 중앙부 외주에는 글로 플러그(1)를 엔진의 실린더 헤드의 장착 구멍에 형성된 암나사부에 장착하기 위한 수나사부(8)가 형성되어 있다. 아울러, 금속 쉘(2)의 후단부 외주에는 단면 육각 형상을 이루는 차양 형상의 공구 걸어 맞춤부 (9)가 형성되어 있으며, 상기 장착구멍에 글로 플러그{1, 수나사부(8)}을 장착할 때에는 상기 공구 걸어 맞춤부(9)에 사용되는 공구가 걸어 맞추어지도록 되어 있다.

또, 금속 쉘(2)의 축 구멍(7)에는 금속제이며 환봉(丸棒) 형상을 이루는 상기 중심축(3)이 수용되어 있다. 더불어서, 상기 중심축(3)의 선단부에는, 후단측과 비교하여 소경으로 형성된 선단소경부(3a)가 형성되어 있다. 또한, 상기 중심축(3)은 금속재료(예를 들면, SUS 등의 철계 소재)에 의해서 형성된 원통 형상의 링 부재(10)를 통하여 상기 세라믹 히터(4)의 후단부에 대해서 접속되어 있다. 상세히 서술하면, 상기 링 부재(10)의 내측 구멍(10a)의 선단부에 상기 세라믹 히터(4)의 후단부가 압입됨과 아울러, 상기 링 부재(10)의 내측 구멍(10a)의 후단부에 대해서 상기 선단소경부(3a)가 끼워 넣어진 상태에서 중심축(3) 및 링 부재(10)가 레이저 용접 등에 의해 접합됨으로써, 중심축(3)과 세라믹 히터(4)가 링 부재(10)를 통하여 기계적으로 또한 전기적으로 접속되어 있다.

한편으로, 상기 중심축(3)의 후단부에는 금속제의 상기 접속 단자(6)가 크림핑(crimping) 고정되어 있다. 또, 상기 접속 단자(6)의 선단부 및 상기 금속 쉘(2)의 후단부 사이에는 양자 사이에 있어서의 직접적인 전기적 도통을 방지하기 위해 절연성 소재로 이루어지는 절연 부싱(11)이 설치되어 있다. 더욱 상세하게는, 상기 절연 부싱(11)은 자신의 후단측에 있어서 직경 방향 외측으로 돌출 형성된 플랜지부(11a)와, 자신의 선단측에 있어서 상기 플랜지부(11a)보다도 세경화(細徑化)하여 형성된 소경부(11b)를 가지고 있다. 그리고 절연 부싱(11)은 상기 소경부(11b)가 상기 축 구멍(7)의 후단부에 대해서 끼워 맞춰짐과 아울러, 상기 플랜지부(11a)가 상기 접속 단자(6) 및 금속 쉘(2)에 끼워진 상태로 설치되어 있다. 또한, 상기 축 구멍(7) 내의 기밀성의 향상 등을 도모하기 위해, 상기 금속 쉘(2) 및 상기 중심축 (3)의 사이에는 상기 테이퍼부(7a)에 걸림 고정된 형으로, 절연성 소재로 이루어지는 O링(12)이 설치되어 있다.

또한, 상기 중심축(3)의 선단측에는 그 외경이 선단측으로도 세경화되어 이루어지는 잘록부(3b)가 형성되어 있다. 상기 잘록부(3b)에 의해서 중심축(3)에 전달되는 응력의 완화 등이 도모되어 있다.

더불어서, 상기 외통(5)은 소정의 금속재료(예를 들면 SUS310)에 의해서 통 형상으로 형성되어 있다. 또, 상기 외통(5)은 상기 세라믹 히터(4)의 축선(CL1) 방향을 따른 중간 부분을 유지하고 있으며, 세라믹 히터(4)의 선단부는 상기 외통(5)의 선단으로부터 노출된 상태로 되어 있다. 또한, 상기 외통(5)은 그 선단측에 비교적 박육(薄肉)으로 형성된 소경부(5a)와, 상기 소경부(5a)보다도 후단측에 있어서 선단측으로도 끝으로 갈수록 가늘어지는 테이퍼부(5b)와, 상기 테이퍼부(5b)의 후단으로부터 연속하여 형성되고, 상기 금속 쉘(2)의 선단의 외경과 대략 동일한 외경을 가지는 대경부(5c)와, 상기 대경부(5c)의 후단측에 있어서 상기 축 구멍(7)의 선단부의 내경과 대략 동일한 외경을 가지는 걸어 맞춤부(5d)를 구비하고 있다. 그리고 상기 걸어 맞춤부(5d)가 상기 축 구멍(7)의 선단부에 끼워 맞춰진 상태에서 레이저 용접 등에 의해 금속 쉘(2) 및 상기 외통(5)의 맞닿음면에 용융부가 형성됨으로써, 상기 외통(5)이 상기 금속 쉘(2)에 대해서 접합되어 있다. 또한, 글로 플러그(1)를 내연기관에 장착했을 때에는 상기 테이퍼부(5b)가 연소실과의 기밀을 확보하는 밀봉으로서의 역할을 담당하게 된다.

다음에, 세라믹 히터(4)의 상세에 대해서 도 2를 주로 하여 참조하면서 설명한다. 세라믹 히터(4)는 절연성 세라믹에 의해서 구성됨과 아울러, 축선(CL1) 방향으로 연장되는 대략 동일 직경으로 환봉 형상의 기체(21)를 가지며, 그 내부에, 도전성 세라믹으로 이루어지는 길고 가는 U자 형상을 이루는 저항체(22)가 매설 상태로 유지되어 있다. 여기서, 세라믹 히터(4)의 외경은, 예를 들면, 2.5∼4.0㎜이다. 또, 상기 저항체(22)는 1쌍의 봉 형상의 도전부(23, 24)와, 상기 도전부(23, 24)의 선단부끼리를 연결하는 연결부(25)를 구비하며, 상기 연결부(25) 중 특히 선단측의 부분이 발열부(26)로 되어 있다. 발열부는 이른바 발열저항체로서 기능하고, 곡면 형상으로 형성된 세라믹 히터(4)의 선단 부분에 있어서, 그 곡면을 따르도록 하여 단면 대략 U자 형상을 이루고 있다. 또, 본 실시형태에 있어서는, 발열부(26)의 단면적이 도전부(23, 24)의 단면적보다도 작아지도록 하여 구성되어 있으며, 통전시에는 상기 발열부(26)에 있어서 적극적으로 발열이 실행되도록 되어 있다. 또한, 연결부(25)가 본 발명에 있어서의 발열 소자에 상당한다. 또, 본 실시형태에서는 기체(21)를 구성하는 절연성 세라믹 재료로서 주로 Si ₃ N ₄ (질화 규소)가 이용된다. 또, 저항체(22)를 구성하는 재료로서 질화 규소를 주성분으로 하고, WC(텅스텐 카바이드)를 함유(예를 들면, 질화 규소 및 텅스텐 카바이드의 합계를 100질량％로 한 경우, 60∼70질량％ 함유)한 도전성 세라믹 재료(소성 후에 도전성을 가지는 재료)가 이용된다. 여기서, 기체(21)의 열팽창 계수는 예를 들면, 3.3∼4.0ppm/K이며, 저항체(22)의 열팽창 계수는 예를 들면, 3.6∼4.2ppm/K로 되어 있다.

또, 상기 도전부(23, 24)는 각각 세라믹 히터(4)의 후단측으로 향하여 서로 대략 평행으로 연장 설치되어 있다. 더불어서, 일측의 도전부(23)의 후단 근처 위치에는 전극 취출부(27)가 직경 방향으로 돌출 설치되어 있다. 그리고 상기 전극 취출부(27)는 세라믹 히터(4)의 외주면으로 노출되어 있다. 마찬가지로, 타측의 도전부(24)의 후단 근처의 위치에도 전극 취출부(28)가 직경 방향으로 돌출 설치되어 있으며, 상기 전극 취출부(28)가 세라믹 히터(4)의 외주면으로 노출되어 있다. 또한, 상기 일측의 도전부(23)의 전극 취출부(27)는 상기 축선(CL1) 방향을 따라서, 상기 타측의 도전부(24)의 전극 취출부(28)보다도 후단측에 위치하고 있다.

더불어서, 전극 취출부(27)의 노출 부분은 상기 링 부재(10)의 내주면에 접촉하고 있다. 그 결과, 링 부재(10)에 접속된 중심축(3)과 상기 도전부(23)의 전기적 도통이 도모되어 있다. 또, 상기 전극 취출부(28)의 노출 부분은 외통(5)의 내주면에 대해서 접촉하고 있다. 이에 따라, 외통(5)에 접합된 금속 쉘(2)과 도전부 (24)의 전기적 도통이 도모되어 있다. 즉, 본 실시형태에서는 상기 중심축(3)과 금속 쉘(2)이 글로 플러그(1)에 있어서, 세라믹 히터(4)의 발열부(26)에 통전하기 위한 양극ㆍ음극으로서 기능하도록 되어 있다. 본 발명의 주요한 부위인 전극 취출부 (28)에 대해서는 제조방법의 설명 후에 평가 결과와 함께 설명한다.

또한, 상기한 글로 플러그(1)는 내연기관의 실린더 헤드의 장착구멍에 조립된다. 이때 상기 외통(5)은 상기 실린더 헤드에 대해서 접촉하고, 이에 따라, 금속 쉘(2)은 접지된다.

이어서, 상기한 글로 플러그(1)의 제조방법에 대해서 설명한다. 또한, 특별히 명기하지 않는 부위에 대해서는 종래 공지의 방법에 의해 제조된다.

우선, SUS630 등의 철계 소재로 이루어지는 파이프재를 소정 길이로 절단한 다음에 소정의 원통 형상으로 정리함으로써 상기 링 부재(10)를 형성한다. 더불어서, 소정의 금속재료(예를 들면, SUS430)로 이루어지는 파이프재를 절단하고, 절삭가공을 시행함으로써, 상기 소경부(5a)나 테이퍼부(5b) 등을 구비한 외통(5)을 형성한다. 또한, 링 부재(10) 및 외통(5)의 표면에 Au도금 등의 도금 가공을 시행한다.

그 후, 상기 링 부재(10)의 내측 구멍(10a)의 선단부에 대해서, 별도 제조한 세라믹 히터(4)의 후단부를 압입한다. 더불어서, 세라믹 히터(4)를 상기 외통(5)의 내측 구멍에 대해서 압입한다. 이때, 외통(5)은 상기 링 부재(10)와 접촉하지 않도록 축선(CL1) 방향으로 이간시켜 고정한다. 또한, 세라믹 히터(4)를 외통(5)으로 압입할 때에는 윤활제로서 파스킨 M30{상품명: 쿄에이샤 화학(주)}을 적당량 도포한다. 또, 압입하여 일체로 된 세라믹 히터(4)와 외통(5)의 일체 조립체를 가열로에 투입하고, 약 300℃로 가열하여 상기 윤활제의 분해 제거를 실행한다.

이어서, 상기 내측 구멍(10a)의 후단부에 대해서 미리 제조한 중심축(3)을 끼워넣은 다음에 링 부재(10) 및 중심축(3)의 맞닿음면을 따라서 레이저 빔을 조사하고, 링 부재(10) 및 중심축(3)을 접합한다. 이에 따라, 중심축(3), 세라믹 히터(4), 외통(5) 및 링 부재(10)가 일체화되어 구성되게 된다.

한편으로, 금속 쉘(2)을 제조하여 둔다. 즉, 소정의 금속재료로 이루어지는 파이프재를 소정 길이로 절단한 다음에 절삭 가공이나 전조(轉造) 가공을 시행하는 것에 의해, 상기 수나사부(8)나 상기 공구 걸어 맞춤부(9)를 구비한 금속 쉘(2)을 얻는다. 또 필요에 따라서 도금 등의 방청 처리를 실행해도 좋다.

다음에, 상기 중심축(3)이나 세라믹 히터(4) 등이 일체화된 외통(5)과 상기 금속 쉘(2)을 접합한다. 즉, 외통(5)의 걸어 맞춤부(5d)를 금속 쉘(2)의 축 구멍(7)에 끼워 맞춘 다음에 상기 외통(5) 및 금속 쉘(2)의 맞닿음면을 따라서 레이저 빔을 조사한다. 이에 따라, 상기 용융부가 형성되고, 중심축(3)이나 세라믹 히터(4) 등과 일체화된 외통(5) 및 금속 쉘(2)이 접합된다.

마지막으로, 상기 절연 부싱(11) 및 O링(12)을 금속 쉘(2) 및 중심축(3) 사이의 소정 위치에 배치한 다음에 금속 쉘(2)의 후단측으로부터 돌출된 중심축(3)의 후단부에 미리 형성한 접속 단자(6)를 크림핑 고정하는 것에 의해 글로 플러그(1)가 얻어진다.

여기서 세라믹 히터(4)의 제조방법에 대해서 설명한다. 본 발명의 세라믹 히터(4)는 전극 취출부(28)의 형상이야말로 특징적이지만, 그 밖의 구성에 대해서는 종전 공지의 제조방법을 유용할 수 있다. 따라서, 미소성 저항체의 형성, 기체 재료와의 일체화, 소성, 외형 연마의 일련의 공정을 거쳐서 제조된다(도 3 참조).

세라믹 히터(4)는 핫 프레스(hot press) 등의 소성 공정시에 수축이나 변형을 발생하기 때문에, 미소성 저항체(소성 전의 저항체)를 사출 성형으로 제조할 때는, 후술하는 전극 취출부의 형상을 나타내도록, 상기 수축 등을 고려하여 형성한다.

이와 같이 하여 제조되는 본 발명의 세라믹 글로 플러그는, 외통과의 양호한 전기적 접속을 실현하고, 또한 내절손성에도 우수한 성능을 가진다. 다음에 본 발명에 의한 세라믹 글로 플러그의 평가 시험 및 그 결과에 대해서 설명한다.

상기한 바와 같이 형성한 시험품의 세라믹 히터는 어느 것이나 모두 외경이 3.1㎜, 길이가 42㎜였다. 또한, 제조한 시험품의 전극 취출부의 노출면의 형상은 어느 것이나 모두 원 혹은 긴 타원의 형상이다. 이와 같이 본 발명에서는 노출면의 형상으로서 코너부를 가지지 않는 형상으로 하고 있다. 또 그 치수는, 축 방향, 둘레 방향 모두 각각의 방향에 있어서의 길이의 최대가 0.5㎜, 1.0㎜, 1.8㎜, 2.0㎜, 3.0㎜로 하고, 이들 조합의 합계 25패턴으로 평가 시험을 실행했다. 또 평가 시험에 대해서 제조한 세라믹 글로 플러그에 이용한 외통은 세라믹 히터의 전극 취출부와 접촉하는 대경부의 외경이 8.0㎜, 내경이 3.05㎜, 길이가 25㎜이며, 상기 대경부의 최대 외경을 가지는 부위의 축 방향의 길이는 4.0㎜였다.

평가 항목은 히터의 절손 내성과 함께 히터에 저항 불량이 발생했는지 아닌지의 확인을 실행하고 있다. 시험 방법은 각각 다음과 같다.

[히터의 절손 불량의 발생률]

상기의 외통에 세라믹 히터를 압입하고, 윤활제를 가열 제거했다. 실온까지 냉각한 후에 히터에 절손이 발생하고 있는지 아닌지를 확인하고, 그 개수를 카운트하여 절손 불량의 발생률을 산출했다. 상기 결과를 표 1에 나타낸다. 또한, 윤활제의 제거는 대기 분위기의 가열로를 이용하여 300℃로 가열하고, 그 후 실온까지 자연 냉각하는 방법을 이용했다.

[낙하에 의한 저항 불량의 발생률]

상기 절손 불량의 시험과 마찬가지의 순서에 의해 세라믹 히터를 외통에 압입하고, 절손이 발생하고 있지 않은 것을 이용하여 상기의 순서에 의해 글로 플러그의 완성품을 제조한다. 완성한 세라믹 글로 플러그를 50cm의 높이로부터 콘크리트 마루에 낙하시킨 후, 세라믹 글로 플러그에 통전하여 저항값을 측정하고, 낙하 전, 즉 설계 저항값으로부터 20％ 이상의 저항값의 상승이 발생한 시험품의 개수를 카운트하여 저항 불량의 발생률을 산출했다. 이 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 양 시험 모두 부호 「○」는 불량의 발생률이 0.1％ 이하, 「△」은 0.1％ 이상 1％ 미만, 「×」는 1％ 이상인 것을 나타내고 있다. 또, 평가개수는 모두 300개였다. 따라서, 본 평가 시험에 있어서 부호 「○」는 불량이 1개도 발생하고 있지 않은 것을 의미하고, 부호 「△」은 불량의 발생이 1개 또는 2개이며, 부호 「×」는 3개 이상의 불량이 발생한 것을 의미하고 있다.

이들 결과에 나타내어지는 바와 같이, 히터의 절손 불량에 대해서는 전극 취출부의 노출면의 형상이 축 방향, 둘레 방향 모두 1.8㎜ 이하이면 불량의 발생률이 매우 낮고 문제가 없는 것을 알 수 있었다. 또 저항 불량에 대해서는 상기 노출면의 형상이 모두 1.0㎜ 이상이면 좋은 것이 확인되었다. 또한, 세라믹 히터의 외경이 2.5∼4.0㎜인 경우에 있어서, 상기의 결과와 마찬가지인 결과가 얻어지는 것을 확인하고 있다.

[히터 외경 의존성 확인]

상기의 평가 시험에 있어서의 히터의 외경에 대한 의존성에 대해서 확인했다. 평가 방법은 상기의 절손 불량의 발생률을 확인한 시험과 마찬가지이며, 전극 취출부의 노출면의 형상을 축 방향으로 1.7㎜, 둘레 방향으로 1.0㎜로 한 실시예 1∼3과 축 방향으로 2.0㎜, 둘레 방향으로 2.0㎜로 한 비교예 1∼3의 각각에 대해 히터의 외경을 φ3.1㎜, φ3.3㎜, φ3.5㎜로 한 합계 6패턴의 시험품을 준비하여 평가 시험을 실행했다. 결과를 표 3에 나타낸다.

상기 평가 시험으로부터, 세라믹 히터의 외경 치수에 의하지 않고, 전극 취출부의 노출면의 형상에 관해서 축 방향, 둘레 방향 모두 1.0㎜∼1.8㎜로 하는 것의 유의성이 확인되었다. 상세하게는, 노출면의 각 방향의 길이를 1.0㎜∼1.8㎜로 한 실시예 1∼3에 대해서는 히터의 외경 치수가 φ3.1㎜, φ3.3㎜, φ3.5㎜의 어느 것이라도, 히터의 절손 불량의 발생률이 0.01％ 이하로 매우 양호했다. 이에 대해서, 노출면의 각 방향의 길이가 1.8㎜를 넘은 비교예 1∼3에 대해서는, 히터가 가는 경우(φ3.3㎜ 이하)에는 절손 불량의 발생률이 높아졌다. 상기 평가 시험으로부터, 특히 히터의 외경이 φ3.3㎜ 이하일 때에는 더욱 한층 본 발명이 유효하게 주효하는 것인 것도 확인되었다.

[노출면 치수비 확인]

이어서, 전극 취출부의 노출면에 있어서의 (절손 불량의 발생률의)축 방향 치수와 둘레 방향 치수에 대한 관계를 확인한 시험에 대해서 설명한다. 평가 방법은 상기의 절손 불량의 발생률을 확인한 시험과 마찬가지이다. 히터의 부하에 대한 내성을 확인하기 위해 윤활제의 제거 온도를 350℃로 과잉으로 높여서 히터의 절손 불량의 발생률을 확인했다. 결과를 표 4에 나타낸다. 또한, 노출면에 있어서의 축 방향 치수와 둘레 방향 치수에 대한 관계성을 평가하기 위해서 실시예 4∼6의 노출면의 면적은 동일하게 되도록, 각각의 치수를 설정했다.

실시예 4의 글로 플러그는 윤활제의 제거 온도가 다른 점을 제외하고 상기의 실시예 1에 상당하는 것이다. 상기의 히터 외경 의존성 확인시험에서는 실시예 4에는 절손 불량이 발생하고 있지 않았던 것에 대해서 윤활제의 제거 온도를 과잉으로 높인 본 시험의 실시예 4에서는 절손 불량이 발생했다. 이에 대해서, 실시예 5 및 6에서는 절손 불량이 발생하지 않았다. 상기의 결과로부터, 노출면의 축 방향 치수가 둘레 방향 치수에 대해서 크게 형성된 실시예 4보다도, 노출면의 축 방향 치수가 둘레 방향 치수에 대해서 작게 형성된 실시예 6의 형상에 가까워짐에 따라 절손 불량에 대한 내구성이 향상하고 있는 것이 확인되었다. 상기의 결과에 의해, 노출면의 축 방향 치수가 둘레 방향 치수에 대해서 작게 형성되는 것의 유의성이 확인되었다. 이것은, 전극 취출부의 노출면이 축 방향에 있어서 노출면의 경계에 가해지는 인장 응력이 주로 노출면의 축 방향 치수에 의존하고 있기 때문인 영향이 발생하고 있기 때문이라고 생각된다.

또한, 전극 취출부의 노출면의 근방에 있어서의, 노출면의 경계로부터의 거리와 히터의 잔류 응력의 관계에 대해 검토한다.

[잔류 응력 영향확인]

본 발명의 세라믹 히터는 도전부가 기체에 비교하여 다량의 금속원소를 함유하기 때문에, 열팽창 계수도 도전부가 기체에 비교하여 크게 구성되어 있다. 이로 인해, 히터의 제조과정에 있어서의 소성 후의 냉각 단계에서는 도전부의 수축량은 기체의 그것보다도 많고, 기체에는 인장 응력이 발생한다. 히터(기체)의 표면에서는 해당 응력은 압축 응력으로서 작용한다. 압축 응력이 작용하고 있으므로, 해당 부위, 즉 내부에 도전부가 매설되어 있는 기체 부위에 있어서의 강도는 외관상으로는 향상한다. 한편, 도전부가 노출된 전극 취출부(노출면)에서는, 노출된 부위의 도전부(노출면)가 그 주위의 기체를 인장하도록 수축하기 때문에 상기한 압축 응력을 상쇄한다. 즉, 노출면에 있어서의 기체와의 경계에서는 상기의 압축 응력에 의한 강도의 향상 효과를 기대하는 것이 어렵다.

그래서 본 발명에서는 노출면의 면적을 작게 하는 것에 의해, 상기 압축 응력의 상쇄되는 비율을 줄이는 구성을 채용하고 있다. 즉 노출면의 면적을 작게 하는 구성에 의해, 상기 노출면의 주위에 있어서의 강도 향상을 달성하고 있는 것이다. 상기 효과는 노출면의 형상이 코너부를 가지지 않는 구성, 즉 원ㆍ타원에 비슷한 형상으로 함으로써, 국소적인 응력집중의 발생을 회피할 수 있어 더욱 한층 유효하게 주효하는 것이다.

상기 효과를 확인하는 시험을 실행했다. 그 결과를 도 4에 나타낸다.

평가 시험에 이용한 샘플은 상기의 실시예 1과 비교예 1이었다. 각각의 히터에 대해서 히터 단체의 표면 잔류 응력을 측정했다. 측정 방법은 X선 잔류 응력 측정법을 이용하고, 2θ-sin2ψ선법을 이용했다. 응력 측정에는 고각도측에서 피크강도가 높은 β-Si ₃ N ₄ (212)의 131.55°를 사용했다. 콜리메이터(collimator)는 φ0.5㎜, 2θ샘플링 폭은 0.1°, 계수 시간은 1000초이었다. X선 관구(管球)에는 Cr-Kα를 이용했다. 본 방법에서는 복수의 입사각으로 X선을 조사하고, 회절각을 얻었다. 입사각에 대한 회절각으로부터 작성한, 2θ-sin2ψ선도의 기울기로부터 잔류 응력을 산출했다. 또 잔류 응력의 측정은, 전극 취출부에 있어서의 노출면과 기체의 경계를 기점(도 5에 있어서의 ST1, ST2 위치 참조)으로 하고, 상기 기점에서 축 방향으로 소정 거리 각각 떨어진 4점에서 실행했다.

전극 취출부의 노출면과 기체의 경계의 잔류 응력 평가를 위해서는, 그 경계의 잔류 응력을 측정하는 것이 본래이지만, 경계의 잔류 응력을 측정하려고 하면 노출면에 있어서의 전극 취출부의 구성재료에 의한 회절피크가 발생하여 정확한 2θ측정을 할 수 없다. 또, φ3.1㎜ 정도의 원기둥 형상 히터의 측면을 측정하기 위해, 콜리메이터 직경이 0.5㎜ 이하에서는 피크강도가 저하하고, 신뢰성이 있는 응력 측정을 할 수 없다. 그로 인해, 경계의 잔류 응력의 기준으로서, 측정범위에 전극 재료를 포함하지 않는 최저거리인 콜리메이터 직경의 반경 0.25㎜ 이상인, 계면으로부터 0.30㎜ 위치의 잔류 응력을 측정했다.

각각의 샘플에 있어서의 도전부에 대한 노출면 경계의 압축 잔류 응력비는, 실시예 1이 71％, 실시예 2가 50％이며, 비교예 1에서는 45％였다. 여기서, 도전부와는 노출면 경계로부터 충분히 거리가 있으며, 응력이 안정된 위치의 것을 나타낸다.

또한, 본 발명의 노출면의 형상에 있어서 「코너부를 가지지 않는」은 원 혹은 타원으로 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 대략 직사각형의 코너부에 대해서 R면따기를 실행한 형상이라도 좋다. 그때의 R의 크기, 즉 곡률 반경을 예를 들면 0.1㎜ 이상으로 하면 「코너부를 가지지 않는」에 상당하는 것이다.

상기 본 발명에 따르면, 히터의 구성재료의 변경이나 외통의 치수ㆍ재료 등의 변경을 실행하는 일없이, 해당 세라믹 히터의 전극부에 있어서의 강도의 향상을 실현하는 것이 가능하다. 그러나 본 발명은 히터의 구성재료의 변경이나 외통의 각종 변경을 제한하는 것은 아니고, 세라믹 히터의 전극부의 강도의 향상이 요구되는 어떤 글로 플러그에 있어서도 채용할 수 있다.

예를 들면, 상기 실시형태에서는, 세라믹 히터(4)가 외통(5)의 내측 구멍에 압입 유지된 구성으로 되어 있지만, 세라믹 히터가 땜납층을 통하여 외통의 내측 구멍에 유지된 구성을 채용해도 좋다.

1: 세라믹 글로 플러그 2: 금속 쉘
21: 기체 22: 저항체
23, 24: 도전부 25: 연결부
26: 발열부 3: 중심축
4: 세라믹 히터 5: 외통