加熱器以及具有該加熱器的電熱塞的制作方法
【專利摘要】提供一種即使在快速升溫等時大電流流向電阻體也具有抑制了在電阻體和引線的接合部的端部產(chǎn)生大量的應力集中的高可靠性及耐久性的加熱器以及具有該加熱器的電熱塞。加熱器(1)具有：具有發(fā)熱部(4)的電阻體(3)；接合于電阻體(3)的端部的引線(8)；被覆電阻體(3)及引線(8)的絕緣基體(9)，電阻體(3)和引線(8)的接合部為引線(8)比電阻體(3)粗的形狀，以電阻體(3)的端部進入引線(8)的前端部的方式連接，并且在電阻體(3)的端面設置凹部，引線(8)的一部分進入該凹部。
【專利說明】加熱器以及具有該加熱器的電熱塞
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及利用于例如燃燒式車載供暖裝置的點火用或火焰檢測用的加熱器、石油暖風機等各種燃燒設備的點火用的加熱器、汽車發(fā)動機的電熱塞用的加熱器、氧傳感器等各種傳感器用的加熱器、測定設備的加熱用的加熱器等的加熱器以及具有該加熱器的電熱塞。
【背景技術(shù)】
[0002]使用于汽車發(fā)動機的電熱塞等的加熱器成為包括具有發(fā)熱部的電阻體、引線及絕緣基體的結(jié)構(gòu)。并且，以引線的電阻比電阻體的電阻小的方式進行它們的材料選定及形狀設計。
[0003]在此，電阻體和引線的接合部為形狀變化點或材料組成變化點，因此公開了以下加熱器，即，在為了不受起因于使用時的發(fā)熱及冷卻下的熱膨脹的差的影響而增大接合面積的目的下，在與引線的軸方向平行的截面觀察時，電阻體和引線的界面成為傾斜的加熱器(例如參照專利文獻1、2)。
[0004]專利文獻1:日本特開2002-334768號公報。
[0005]專利文獻2:日本特開2003-22889號公報。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]【發(fā)明要解決的課題】
[0007]最近，由于要求以往以上的快速升溫，因此在發(fā)動機工作開始時有向電阻體通入大電流的必要性。這樣，在向加熱器流動大電流而使用的情況下，即使將電阻體和引線的界面形成斜面而增大接合面積，電阻體和引線的熱膨脹差大，熱應力集中于接合部(電阻體的端部或引線的端部)，而產(chǎn)生裂紋進入的問題。
[0008]本發(fā)明是鑒于上述以往的問題點而發(fā)明的，其目的在于提供一種即使在快速升溫等時大電流向電阻體流動也抑制了較多的熱應力集中于電阻體和引線的接合部的高可靠性及耐久性的加熱器。
[0009]【用于解決課題的手段】
[0010]本發(fā)明的加熱器的特征在于，具有:絕緣基體；埋設于該絕緣基體的電阻體；埋設于所述絕緣基體且在前端側(cè)與所述電阻體連接并且在后端側(cè)導出于所述絕緣基體的表面的引線，該引線為比所述電阻體粗的形狀，以所述電阻體的端部進入所述引線的前端部的方式連接，并且在所述電阻體的端面設置凹部，所述引線的一部分進入該凹部。
[0011]另外，本發(fā)明的加熱器能夠作為具有上述結(jié)構(gòu)的加熱器和與所述引線電連接且保持所述加熱器的金屬制保持部件的電熱塞使用。
[0012]【發(fā)明效果】
[0013]根據(jù)本發(fā)明的加熱器，即使在快速升溫時大電流流動，也能夠使電阻體的內(nèi)側(cè)的熱向與電阻體相比電阻值低的引線散逸。因此，能夠抑制熱停滯于接合部，從而減少由于發(fā)熱而引起的負荷。其結(jié)果是，即使反復使溫度上下變動，也能夠抑制裂紋進入接合部。由此，提高加熱器的可靠性及耐久性。
【專利附圖】

【附圖說明】[0014]圖1(a)是表示本發(fā)明的加熱器的實施方式的一例的主要部分放大縱剖視圖，(b)是沿(a)所示的X-X線的橫剖視圖。
[0015]圖2(a)是表示本發(fā)明的加熱器的實施方式的另一例的主要部分放大縱剖視圖，(b)是沿(a)所示的X-X線的橫剖視圖。
[0016]圖3(a)是表示本發(fā)明的加熱器的實施方式的另一例的主要部分放大縱剖視圖，(b)是沿(a)所示的X-X線的橫剖視圖。
[0017]圖4(a)是表示本發(fā)明的加熱器的實施方式的另一例的主要部分放大縱剖視圖，(b)是沿(a)所示的X-X線的橫剖視圖。
[0018]圖5(a)、(b)是分別表示本發(fā)明的加熱器的實施方式的另一例的主要部分放大縱首1J視圖。
[0019]圖6是表示本發(fā)明的電熱塞的實施方式的一例的簡要縱剖視圖。
【具體實施方式】
[0020]以下，參照附圖對本發(fā)明的加熱器的實施方式的例子進行詳細說明。
[0021]圖1(a)是表示本發(fā)明的加熱器的實施方式的一例的縱剖視圖。圖1(b)是沿圖1(a)所示的X-X線的橫剖視圖。另外，圖2(a)是表示本發(fā)明的加熱器的實施方式的另一例的縱剖視圖。圖2(b)是沿圖2(a)所示的X-X線的橫剖視圖。
[0022]本實施方式的加熱器I具有絕緣基體9、埋設于絕緣基體9的電阻體3、埋設于絕緣基體9且在前端側(cè)與電阻體3連接并且在后端側(cè)導出絕緣基體9的表面的引線8，引線8為比電阻體3粗的形狀，以電阻體3的端部進入引線8的前端部的方式連接，并且在電阻體3的端面設置凹部31，引線8的一部分進入該凹部31。
[0023]本實施方式的加熱器I的絕緣基體9例如為形成棒狀的基體。該絕緣基體9被覆電阻體3及引線8，換言之，電阻體3及引線8埋設于絕緣基體9中，在此，優(yōu)選絕緣基體9包括陶瓷，由此，與金屬相比能夠耐至更加高溫，因此能夠提供快速升溫時的可靠性更高的加熱器I。具體而言，能夠舉出氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等具有電絕緣性的陶瓷。尤其，優(yōu)選絕緣基體9包括氮化硅質(zhì)陶瓷。這是因為就氮化硅質(zhì)陶瓷而言，從作為主成分的氮化硅在高強度、高韌性、高絕緣性及耐熱性的觀點出發(fā)優(yōu)異。該氮化硅質(zhì)陶瓷例如能夠通過如下得到，即，相對于主成分的氮化硅，混合3~12質(zhì)量％的Y203、Yb203、Er2O3等稀土類元素氧化物作為燒結(jié)助劑、0.5~3質(zhì)量％的Al2O3,而且以燒結(jié)體所含有的SiO2量為
1.5~5質(zhì)量％的方式混合SiO2，形成規(guī)定的形狀之后在1650~1780°C進行熱壓燒成。
[0024]另外，在使用包括氮化硅質(zhì)陶瓷的陶瓷作為絕緣基體9的情況下，優(yōu)選混合MoSiO2^ffSi2等且使其分散。在該情況下，能夠使作為母材料的氮化硅質(zhì)陶瓷的熱膨脹率接近電阻體3的熱膨脹率，從而能夠提高加熱器I的耐久性。
[0025]電阻體3若為圖1所示那樣的直線形狀，則能夠?qū)⒁€8之間的區(qū)域設為發(fā)熱部4，要選擇性地作為發(fā)熱部4，則設置將一部分截面積較小地形成的區(qū)域或螺旋形狀的區(qū)域即可。另外，在形成如圖2所示那樣的折回形狀的情況下，能夠?qū)㈦娮梵w3的引線8之間的區(qū)域設為發(fā)熱部4，折回的中間點附近成為最發(fā)熱的發(fā)熱部4。作為該電阻體3，能夠使用將W、Mo、Ti等的碳化物、氮化物、硅化物等作為主成分的材料。在絕緣基體9為上述材料的情況下，在與絕緣基體9的熱膨脹率的差小的方面、具有高耐熱性的方面及電阻率小的方面，在上述的材料中碳化鎢(WC)作為電阻體3的材料優(yōu)異。進而，在絕緣基體9包括氮化硅質(zhì)陶瓷的情況下，優(yōu)選電阻體3以無機導電體的WC作為主成分，且對此添加的氮化硅的含有率為20質(zhì)量％以上。例如，在包括氮化硅質(zhì)陶瓷的絕緣基體9中，成為電阻體3的導體成分與氮化硅相比熱膨脹率大，因此通常處于施加了拉伸應力的狀態(tài)。對此，通過在電阻體3中添加氮化硅，使電阻體3的熱膨脹率接近絕緣基體9的熱膨脹率，則能夠緩和由于加熱器I的升溫時及降溫時的熱膨脹率的差而引起的應力。
[0026]另外，在電阻體3所含有的氮化硅的含量為40質(zhì)量％以下時，能夠較小地形成電阻體3的電阻值且使其穩(wěn)定。因此，優(yōu)選電阻體3所含有的氮化硅的含量為20質(zhì)量％?40質(zhì)量％。更加優(yōu)選氮化硅的含量為25質(zhì)量％?35質(zhì)量％。另外，作為同樣向電阻體3添加的添加物，也能夠代替氮化硅而添加4質(zhì)量％?12質(zhì)量％的氮化硼。
[0027]就電阻體3的厚度(圖2(b)所示的上下方向的厚度)而言，0.5mm?1.5mm為佳，就電阻體3的寬度(圖2(b)所示的水平方向的寬度)而言,0.3mm?1.3mm為佳。通過設為該范圍內(nèi)，能夠較小地形成電阻體3的電阻值而使其充分發(fā)熱。另外，在絕緣基體9例如為層疊對開的成形體而形成的層疊結(jié)構(gòu)的情況下，能夠保持層疊結(jié)構(gòu)的絕緣基體9的層疊界面的密接性。
[0028]接合于電阻體3的端部的引線8能夠使用將W、Mo、Ti等碳化物、氮化物、硅化物等作為主成分的材料，例如與電阻體3相比更多含有絕緣基體9的形成材料，或與電阻體3相比較大地形成截面積等，為與電阻體3相比單位長度的電阻值變低的材料。
[0029]該引線8能夠用與發(fā)熱體3相同的材料形成。尤其，在與絕緣基體I的熱膨脹率的差小的方面、具有高耐熱性的方面及電阻率小的方面優(yōu)選WC作為引線4的材料。另外，在絕緣基體I包括氮化硅質(zhì)陶瓷的情況下，優(yōu)選引線8以無機導電體的WC為主成分，且對此以含量成為15質(zhì)量％以上的方式添加氮化硅。隨著氮化硅的含量增加，能夠使引線8的熱膨脹率接近絕緣基體9的氮化硅的熱膨脹率。另外，在氮化硅的含量為40質(zhì)量％以下時，引線8的電阻值變小且穩(wěn)定。因此，優(yōu)選氮化硅的含量為15質(zhì)量％?40質(zhì)量％。更加優(yōu)選氮化硅的含量為20質(zhì)量％?35質(zhì)量％。需要說明的是，引線8除了與電阻體3相比增大截面積之外，可以通過與電阻體3相比較少地形成絕緣基體9的形成材料的含量，而使每單位長度的電阻值變低。
[0030]并且，如圖1及圖2所示那樣，引線8與電阻體3相比為較粗的形狀，以電阻體3的端部進入引線8的前端部的方式連接，并且在電阻體3的端面設置凹部31，且引線8的一部分進入該凹部31。即，電阻體3與引線8的接合部成為以下的結(jié)構(gòu)，S卩，首先電阻體3的端部進入引線8的前端部，并且引線8的一部分進入設置于進入引線8的前端部的電阻體3的端面的凹部31的結(jié)構(gòu)。需要說明的是，在此所謂的接合部是指在與引線8的軸方向平行的截面觀察時，電阻體3和引線8的界面存在的區(qū)域。
[0031]優(yōu)選電阻體3的端部例如進入引線8的前端部0.1mm?1.0mm,設置于電阻體3的端面的凹部31的深度與電阻體3的端部的進入引線8的前端部的量對應而不同，但例如為0.01?0.3mm。作為凹部31的形狀,截面形狀(開口部形狀)能夠舉出為圓形、橢圓形、多邊形等，但在凹部31的截面形狀為圓形的情況下，優(yōu)選直徑例如為0.05?1.3mm。
[0032]通過這樣的結(jié)構(gòu)，即使快速升溫時大電流流動，也能夠使電阻體3的內(nèi)側(cè)的熱向與電阻體3相比電阻值低的引線8散逸。因此能夠抑制熱停滯于接合部，從而減少由于發(fā)熱而引起的負荷。
[0033]S卩，凹部31的內(nèi)側(cè)與電阻體3相比成為作為低電阻的引線8的組成，因此發(fā)熱負荷減少，從而能夠降低應力。
[0034]其結(jié)果是，即使快速升溫時大電流流動，也能夠抑制裂紋進入接合部。進而，即使反復使電流流動而使溫度上下變動也能夠抑制裂紋進入接合部，從而提高加熱器I的可靠性及耐久性。
[0035]在此，如圖3和圖4所示那樣，在本實施方式的加熱器I中，優(yōu)選接合部的電阻體3的凹部31設置于電阻體3的端面的中央部。由此，即使快速升溫時大電流流動而電阻體3急劇發(fā)熱，也能夠使在電阻體3的內(nèi)部產(chǎn)生的不易散逸的熱通過凹部31的內(nèi)部的引線8而向外周方向大致均等地散逸。由此，能夠減少應力集中，因此能夠以即使長期使用而產(chǎn)品電阻不變化的方式構(gòu)成。
[0036]需要說明的是，在圖3所示的加熱器I中，成為電阻體3的端部進入引線8的前端部的橫截面大致中央部的形狀，在圖4所示的加熱器I中，電阻體3的端部進入引線8的前端部的靠橫截面內(nèi)側(cè)，在從自電阻體3至加熱器I的表面的距離長而使用時絕緣性優(yōu)異的方面，優(yōu)選圖4所示的形狀。
[0037]另外，如圖5(a)、圖5(b)所示那樣，優(yōu)選在接合部的電阻體3的凹部31的內(nèi)面沒有拐角部。由于在凹部31的內(nèi)面沒有銳角的拐角部，即內(nèi)面成為二次曲面，因此應力不集中于凹部31而不產(chǎn)生裂縫。其結(jié)果是，即使長期使用而產(chǎn)品電阻也不發(fā)生變化。因此，進一步提高加熱器I的可靠性及耐久性。需要說明的是，圖5(a)所示的加熱器I成為在電阻體3的端面大致整個面設置凹部31的形狀，圖5(b)所示的加熱器I成為僅在電阻體3的端面的大致中央部附近設置凹部31的形狀，但在發(fā)熱負荷更加降低且能夠有效地減少應力的方面，優(yōu)選圖5(a)所示的形狀。
[0038]另外，優(yōu)選接合部的電阻體3的凹部31設置于電阻體3的兩側(cè)的端面。由此，能夠與陽極側(cè)、負極側(cè)無關地減少由于發(fā)熱而引起的負荷，因此即使不計較陽極側(cè)、負極側(cè)地設置而長期使用，產(chǎn)品電阻也不變化。因此，能夠使加熱器I的可靠性及耐久性更加提高。
[0039]需要說明的是，圖1?圖5所示的加熱器I為電阻體3的端部被引線8的前端部包圍的方式進入的形狀的加熱器。作為本發(fā)明的加熱器，只要引線8為比電阻體3粗的形狀，且以電阻體3的端部進入引線8的前端部的方式連接，電阻體3的端部不一定在全周被引線8的前端部包圍，例如一部分或多個部位可以缺口。但優(yōu)選電阻體3的端部以被引線8的前端部包圍的方式進入。由此，通過快速升溫時覆蓋熱膨脹的電阻體3的引線8發(fā)揮與熱膨脹系數(shù)不同的絕緣性陶瓷的緩沖件的作用而減少應力集中，從而不產(chǎn)生裂縫。其結(jié)果是，即使長期使用而產(chǎn)品電阻不變化。因此，能夠使加熱器I的可靠性及耐久性更加提高。
[0040]如圖6所示那樣，優(yōu)選本實施方式的加熱器I作為具有該加熱器I和與引線8電連接且保持加熱器I的金屬制保持部件7的電熱塞使用。金屬制保持部件7為保持加熱器I的筒狀體，用焊料等接合于引出于陶瓷基體9的側(cè)面的一個引線8。由此，即使在高溫的發(fā)動機中反復開/關而長期使用，加熱器I的電阻不變化，因此任何時候都能夠提供可點燃性優(yōu)異的電熱塞。
[0041]其次，對本實施方式的加熱器I的制造方法進行說明。
[0042]本實施方式的加熱器I例如能夠通過用使用了電阻體3、引線8及絕緣基體9的形狀的模具的噴射成形法等形成。
[0043]首先，制作成為包括導電性陶瓷粉末、樹脂粘合劑等的、電阻體3及引線8的導電性膏劑，并且制作成為包括絕緣性陶瓷粉末、樹脂粘合劑等的、絕緣基體9的陶瓷膏劑。
[0044]接著，用噴射成形法等使用導電性膏劑形成成為電阻體3的規(guī)定圖案的導電性膏劑的成形體(成形體A)。在將成形體A保持于模具內(nèi)的狀態(tài)下，將導電性膏劑填充于模具內(nèi)而形成成為引線8的規(guī)定圖案的導電性膏劑的成形體(成形體B)。由此，成形體A和與其連接的成形體B成為被保持于模具內(nèi)的狀態(tài)。
[0045]接著，在將成形體A及成形體B保持于模具內(nèi)的狀態(tài)下，將模具的一部分替換成絕緣基體9成形用的部分后，填充成為絕緣基體9的陶瓷膏劑于模具內(nèi)。由此，得到用陶瓷膏劑的成形體(成形體C)覆蓋成形體A及成形體B的加熱器I的成形體(成形體D)。
[0046]其次，通過將得到的成形體D例如以1650°C?1800°C的溫度、30MPa?50MPa的壓力進行燒成，則能夠制作加熱器I。優(yōu)選燒成在氫氣等非氧化性氣體氣氛中進行。
[0047]實施例
[0048]如以下那樣制作本發(fā)明的實施例的加熱器。
[0049]首先，將含有碳化鎢(WC)粉末50質(zhì)量％、氮化硅(Si3N4)粉末35質(zhì)量％、樹脂粘合劑15質(zhì)量％的導電性膏劑在模具內(nèi)噴射成形而制作了成為電阻體的成形體A。
[0050]接著，通過在將該成形體A保持于模具內(nèi)的狀態(tài)下，將成為引線的上述的導電性膏劑填充于模具內(nèi)，形成了與成形體A連接且成為引線的成形體B。此時，使用具有各種形狀的模具形成了電阻體與引線的接合部。
[0051]接著，在將成形體A及成形體B保持于模具內(nèi)的狀態(tài)下，將含有氮化硅(Si3N4)粉末85%質(zhì)量％、作為燒結(jié)助劑的鐿(Yb)的氧化物(Yb2O3) 10質(zhì)量％、用于使熱膨脹率接近電阻體及引線的WC5質(zhì)量％的陶瓷膏劑在模具內(nèi)噴射成形。由此，形成了在成為絕緣基體的成形體C中埋設有成形體A及成形體B的結(jié)構(gòu)的成形體D。
[0052]接著，將得到的成形體D放入圓筒狀的碳制的模具后，在由氮氣構(gòu)成的非氧化氣體氣氛中且在1700°C、35MPa的壓力下進行了熱壓燒結(jié)。在露出于得到的燒結(jié)體的表面的弓I線端部釬焊金屬制保持部件而制作了加熱器。
[0053]在此，作為實施例制作圖2所示的方式。制作了以下的加熱器，即，此時的電阻體3的上下方向的厚度為0.9mm、水平方向的寬度為0.6mm、電阻體3的端部進入引線8的前端部0.5mm、設置于電阻體3的端面的凹部31的深度為0.05mm、凹部31的直徑為0.5mm。
[0054]另外，作為比較例，制作了以下的加熱器，S卩，電阻體3的上下方向的厚度為
0.9mm、水平方向的寬度為0.6mm、電阻體3的端部未進入引線8的前端部、在電阻體3的端面沒有凹部31。
[0055]用這些加熱器進行了冷熱循環(huán)試驗。冷熱循環(huán)試驗的條件為以下，首先向加熱器通電以電阻體的溫度成為1400°C的方式設定施加電壓，將(I) 5分鐘通電、(2) 2分鐘非通電的(I)、(2)設為一個循環(huán)，反復I萬循環(huán)。[0056]測定冷熱循環(huán)前后的加熱器的電阻值的變化，本發(fā)明實施例的試料的電阻變化為1%以下。另外，在該試料的電阻體與引線的連接部也沒有局部發(fā)熱的痕跡，也沒有發(fā)現(xiàn)微裂紋。對此，比較例的試料的電阻變化為5%以上，確認了微裂紋。
[0057]【符號說明】
[0058]1-加熱器
[0059]3-電阻體
[0060]31-凹部
[0061]4-發(fā)熱部
[0062] 7-金屬制保持部件
[0063]8-引線
[0064]9-絕緣基體
【權(quán)利要求】
1.一種加熱器，其特征在于，具有: 絕緣基體； 埋設于該絕緣基體的電阻體； 埋設于所述絕緣基體且在前端側(cè)與所述電阻體連接并且在后端側(cè)導出于所述絕緣基體的表面的引線， 該引線為比所述電阻體粗的形狀，以所述電阻體的端部進入所述引線的前端部的方式連接，并且在所述電阻體的端面設置凹部，所述引線的一部分進入該凹部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱器，其特征在于， 所述凹部設置于所述電阻體的端面的中央部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的加熱器，其特征在于， 所述凹部的內(nèi)面沒有拐角部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3的任一項所述的加熱器，其特征在于， 所述凹部設置于所述電阻體的兩側(cè)的端面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1?4的任一項所述的加熱器，其特征在于， 所述電阻體的端部以被所述引線的前端部包圍的方式進入。
6.—種電熱塞,其特征在于,具有: 權(quán)利要求1所述的加熱器； 與所述引線電連接且保持所述加熱器的金屬制保持部件。
【文檔編號】H05B3/18GK103493585SQ201280020674
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月27日
【發(fā)明者】日浦規(guī)光 申請人:京瓷株式會社