CN102511196A

CN102511196A - 陶瓷加热器

Info

Publication number: CN102511196A
Application number: CN2010800410383A
Authority: CN
Inventors: 山元坚
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2012-06-20
Also published as: EP2496051A1; US8933373B2; WO2011052624A1; EP2496051A4; KR101598014B1; JP5377662B2; EP2496051B1; US20120234823A1; KR20120086690A; JPWO2011052624A1

Abstract

本发明提供一种抑制由于发热体与由陶瓷构成的基体的热膨胀差而基体产生龟裂的情况，且耐久性优异的陶瓷加热器。本发明的陶瓷加热器在陶瓷基体(1)的内部埋设有发热电阻体，该发热电阻体具有由折回部(2c)及从折回部(2c)的两端分别延伸的两条直线部(2a、2b)构成的发热部(2)，两条直线部(2a、2b)的横截面形状中的相互对置的至少中央部为凹状(凹部(5))。

Description

陶瓷加热器

技术领域

本发明涉及在火花塞等中使用的陶瓷加热器，其中该火花塞使用于例如石油暖风机的点火用加热器或柴油发动机的起动辅助。

背景技术

一直以来，陶瓷加热器使用在以火花塞等为主的各种用途中，其中该火花塞使用于例如石油暖风机的点火用加热器或柴油发动机的起动辅助。该陶瓷加热器例如将由导电性陶瓷构成的发热体埋设在由绝缘性陶瓷构成的基体中而构成。在此种陶瓷加热器中，作为构成发热体的原料，使用以钼或钨的硅化物、氮化物及碳化物中的至少一个为主要成分的原料，而且，作为构成基体的原料，已知有以氮化硅为主要成分的原料。

然而，通常构成发热体的原料的热膨胀系数比构成基体的原料的热膨胀系数大，因此在发热时由于两者之间产生的热应力而基体可能会产生龟裂。因此，为了减少两者的热膨胀系数差，而提出有在基体中含有稀土类成分、铬的硅化物及铝成分的技术(例如，参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2007-335397号公报

然而，在上述的以往的陶瓷加热器中，存在如下课题：即使发热体的热膨胀系数与基体的热膨胀系数之差减少，在异常时流过大电流的情况下还是会产生大的热应力，由此在基体内部产生龟裂。

发明内容

本发明为了解决这样的以往的陶瓷加热器中的课题而作出，其目的在于提供一种通过发热体与由陶瓷构成的基体的热膨胀差来抑制基体产生龟裂的情况，且耐久性优异的陶瓷加热器。

本发明的陶瓷加热器的特征在于，在陶瓷基体的内部埋设有发热电阻体，该发热电阻体具有由折回部及从该折回部的两端分别延伸的两条直线部构成的发热部，所述两条直线部的横截面形状中的相互对置的内侧的至少中央部为凹状。

在此，优选所述两条直线部的相互对置的内侧的至少中央部为弯曲的曲线状的凹状。

另外，优选所述两条直线部的横截面形状中的相互的外侧为弯曲的曲线状。

另外，优选所述两条直线部在横截面形状中分别为月牙状。

另外，优选配置有所述两条直线部的位置的所述陶瓷基体在横截面形状中，外周的形状与所述两条直线部的相互对置的内侧的至少中央部的凹状的壁面之间的形状不相似。

另外，优选所述折回部的横截面形状与所述直线部的横截面形状相同。

另外，所述发热电阻体的特征在于，所述发热部比其他部分的电阻高。

[发明效果]

根据本发明的陶瓷加热器，两条直线部的横截面形状中的相互对置的内侧的至少中央部为凹状，因此相互对置的内侧的面的面积增大，而且该面在剖视观察时不再是直线，因此能够分散被该相互对置的内侧的至少中央部(凹部)分隔的陶瓷基体在体积膨胀时产生的应力，发热部像缓冲器那样发挥作用而能够缓和该应力。因此，能够防止在异常时施加急剧的电压的情况下的发热部之间的陶瓷基体发生体积膨胀而产生龟裂的情况。

附图说明

图1(a)是表示本发明的陶瓷加热器的实施方式的一例的透视了内部的俯视透视图，(b)是其主要部分放大图。

图2是图1所示的陶瓷加热器的X-X线向视剖视图。

图3是表示本发明的陶瓷加热器的实施方式的另一例的横向剖视图。

图4是表示本发明的陶瓷加热器的实施方式的又一例的横向剖视图。

图5是表示本发明的陶瓷加热器的实施方式的再一例的横向剖视图。

图6是表示本发明的陶瓷加热器的实施方式的又再一例的横向剖视图。

图7是表示用于制作本发明的陶瓷加热器中的发热体的模具的一例的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图，详细地说明本发明的陶瓷加热器的实施方式的例子。

图1(a)是表示本发明的陶瓷加热器的实施方式的一例的透视了内部的俯视透视图，图1(b)是图1(a)的主要部分放大图。而且，图2是图1所示的陶瓷加热器的X-X线向视剖视图。

本例的陶瓷加热器10在陶瓷基体1的内部埋设发热电阻体而构成，该发热电阻体具有由折回部2c及从该折回部2c的两端分别延伸的两条直线部2a、2b构成的发热部2。如图所示，在棒状的陶瓷基体1的内部埋设有发热电阻体的结构的情况下，以折回部2c位于陶瓷基体1的前端部的方式埋设。并且，折回部2c形成为俯视下圆弧状，直线部2a、2b成为在俯视相互平行地形成的平行部，由折回部2c和直线部2a、2b构成的发热部2形成为U字状。

作为陶瓷基体1的形成材料，从高温下的绝缘特性优异的观点出发，优选氧化铝质陶瓷或氮化硅质陶瓷，尤其在急速升温时的耐久特性高的观点出发，优选氮化硅质陶瓷。氮化硅质陶瓷的组织是通过由烧结辅助剂成分等得到的晶界相将以氮化硅(Si₃N₄)为主要成分的主结晶相粒子结合的形态的组织。主结晶相可以是利用铝(Al)或氧(O)来置换硅(Si)或氮(N)的一部分，而且，在主结晶相中固溶有Li、Ca、Mg、Y等金属元素。

另一方面，作为发热部2的形成材料，可以使用碳化钨(WC)、二硅化钼(MoSi₂)、二硅化钨(WSi₂)等导电性陶瓷。

另外，在构成发热部2的直线部2a、2b的各自的端部连接有引线部3a、3b，经由引线部3a、3b向发热部2流动电流，从而使发热部2发热。具体而言，引线部3a、3b是优选通过与发热部2同样的材料，与构成发热部2的直线部2a、2b分别一体化大致沿同一方向形成的构件，形成为比发热部2大的直径，为了抑制不必要的发热而每单位长度的电阻比发热部2低。在图1中，引线部3a的与直线部2a连接一侧的相反侧的端面从陶瓷基体1的基端部露出，而构成电极取出部4a。而且，引线部3b的与直线部2b连接一侧的相反侧的端面从陶瓷基体1的侧面露出，而构成电极取出部4b。需要说明的是，发热部2和引线部3a、3b也可以由不同组成分别成形，这种情况下也与上述同样地，引线部3a、3b为了抑制不必要的发热而每单位长度的电阻比发热部2低。

并且，如图2所示，两条直线部在横截面形状中，相互对置的内侧的至少中央部是凹状(以下，将两条直线部的相互对置的内侧的至少中央部称为凹部5)。

在发热部2的横截面形状方面，在两条直线部2a、2b的相互对置的内侧的至少中央部未成为凹状的以往的陶瓷加热器中，异常时施加有急剧的电压的情况下，由于被该相互对置的部分分隔的陶瓷基体在体积膨胀时产生的应力，而在陶瓷基体上从陶瓷基体与发热部的界面开始产生龟裂。

相对于此，根据本例的陶瓷加热器10，两条直线部2a、2b的横截面形状中的相互对置的内侧的至少中央部成为凹状(相互对置的内侧的至少中央部成为凹部5)，因此相互对置的内侧的面的面积增大，而且该面在剖视观察时不再是直线，因此能够分散被该相互对置的内侧的至少中央部(凹部)分隔的陶瓷基体1在体积膨胀时产生的应力，发热部2像缓冲器那样发挥作用而能够缓和该应力。因此，能够防止在异常时施加急剧的电压的情况下的发热部之间的陶瓷基体1发生体积膨胀而产生龟裂的情况。

在此，至少中央部为凹状是指既可以仅在相互对置的内侧的中央部设置凹部5，也可以在相互对置的内侧的大致整体设置凹部5，换言之，凹部5的开口部既可以仅在相互对置的内侧的中央部，也可以在相互对置的内侧的大致整体。需要说明的是，在图2中，两条直线部2a、2b的相互对置的内侧的除凹部5以外的区域分别成为平坦面而相互平行地对置。这样的形状可以使用后述的冲压成形法或注射成形法来制作。

另外，虽然凹部5即使在稍凹陷的形状下也能发挥效果，但为了发挥缓冲器那样的效果，凹部5的深度优选为直线部2a、2b的横截面上的宽度方向(图2的水平方向)的厚度(假定未形成凹部5时的直线部2a、2b的宽度方向的厚度)的3％以上，为了防止局部发热，凹部5的深度优选为直线部2a、2b的横截面上的宽度方向(图2的水平方向)的厚度(假定未形成凹部5时的直线部2a、2b的宽度方向的厚度)的50％以下。

另外，凹部5的开口部的高度方向(图2的上下方向)的长度优选为平行部2a、2b的横截面上的高度方向(图2的上下方向)的厚度(假定未形成凹部5时的直线部2a、2b的高度方向的厚度)的5％以上，从缓冲器效果的观点出发优选为70％以下。

此外，从最大限度地发挥缓冲器效果的观点出发，凹部5优选设置在发热部2的长度方向整体(折回部2c及直线部2a、2b)上。

如图3所示，本发明的陶瓷加热器10优选构成发热部2的直线部2a、2b的对置的内侧的至少中央部(凹部5)为弯曲的曲线状的凹状。

在此，弯曲的曲线状的凹状是指在凹部5的内部没有弯折点，与弯曲的曲线有棱角而稍形成为曲线的情况相比，优选整体形成为平滑的曲线。并且，与图2所示的方式同样地，为了防止局部发热，而凹部5的深度优选为直线部2a、2b的横截面上的宽度方向(图3的水平方向)的厚度(假定未形成凹部5时的直线部2a、2b的宽度方向的厚度)的50％以下。根据该方式，由于在凹部5不存在应力集中而容易产生龟裂的弯折点，因此能够进一步抑制在陶瓷基体1产生龟裂的情况。

另外，如图4所示，本发明的陶瓷加热器10的两条直线部2a、2b优选横截面形状中的相互的外侧为弯曲的曲线状。

在此，外侧弯曲的曲线状是指在外侧没有弯折点，与弯曲的曲线有棱角而稍形成为曲线的情况相比，优选整体形成为平滑的曲线。根据该方式，由于在两条直线部2a、2b的相互的外侧不存在应力集中而容易产生龟裂的弯折点，因此能够进一步抑制陶瓷基体1产生龟裂的情况。

另外，如图5所示，本发明的陶瓷加热器10的两条直线部2a、2b优选在横截面形状上分别为月牙状。根据该方式，在电压施加时虽然月牙状的尖细的两端部分优先发热，但由于该尖细的两端部分沿着发热部2的长度方向大致均匀地配置，因此陶瓷基体1的温度均匀地上升，从而陶瓷加热器10的周向的温度分布变得均匀的时间加快。因此，月牙状的尖细的两端部分在陶瓷加热器10的横截面上更优选配置在距外周均等的位置。需要说明的是，如后所述，横截面形状为月牙状的两条直线部2a、2b的凹部5之间的形状优选为与陶瓷基体1的横截面的外周形状不相似的月牙状。

如图6所示，本发明的陶瓷加热器10中，在发热部2的直线部2a、2b中的陶瓷基体1的横截面形状方面，优选外周的形状与两条直线部2a、2b的相互对置的至少中央部(凹部5)的凹状之间的形状不相似。换言之，在配置有两条直线部2a、2b的位置的陶瓷基体1的横截面形状中，优选外周的形状与两条直线部2a、2b的相互对置的内侧的至少中央部(凹部5)的凹状的壁面之间的形状不相似。在图6中，陶瓷基体1的横截面的外周形状是圆，凹部5之间的陶瓷基体1的横截面形状是椭圆，它们是不相似的关系。

在此，不相似是指配置有两条直线部2a、2b的位置的陶瓷基体1的横截面的外周形状与两条直线部2a、2b的相互对置的内侧的至少中央部(凹部5)的凹状的壁面之间的形状不是同种形状，具体而言，在陶瓷基体1的横截面的外周形状为圆的情况下，若凹部5的壁面之间的形状为圆，则相似，若为四边形或椭圆，则不相似。需要说明的是，在此所说的椭圆优选短轴与长轴之比为1∶1.2以上。而且，在陶瓷基体1的横截面的外周形状为四边形的情况下，若凹部5之间的形状为四边形且短边与长边的比率和外周形状的四角的短边与长边的比率相比在20％以内，则相似，若凹部5之间的形状为圆或椭圆，则不相似。虽然凹状5之间的形状为四边形且短边与长边的比率和外周形状的四角的短边与长边的比率相比超过20％的情况是不相似，但还是优选圆或椭圆。如此，通过使陶瓷基体1的外周的形状与两条直线部2a、2b的相互对置的内侧的至少中央部(凹部5)的凹状的壁面之间的形状不相似，而在激烈振动时被发热部2分隔的外侧的陶瓷基体1与内侧的陶瓷基体1之间不易引起共振，从而高温强度增加且耐久性良好。

另外，折回部2c的横截面形状优选与两个直线部2a、2b的横截面形状相同。根据该方式，由于在折回部2c与直线部2a、2b之间没有高低差，因此在由于电压施加而发热部2发生膨胀时能防止应力集中且能够抑制陶瓷基体1(发热部2的折回部2c与两个直线部2a、2b的接合处)产生龟裂。需要说明的是，也可以使发热部2的折回部2c的横截面形状与直线部2a、2b的横截面形状不同，而以从它们的连接部逐渐倾斜的方式形成不同的形状。

此外，与引线部3a、3b相比，发热部2优选为高电阻。在此所谓高电阻是指每单位长度的电阻高的情况。通过使发热部2比引线部3a、3b的电阻高，而能利用发热部2可靠地得到高温。并且，通过使发热部2中的发热电阻体的形状为本发明那样的形状，不会产生龟裂而耐久性优异。因此，能够得到加热效率优异的高可靠性的陶瓷加热器10。

以下，说明本发明的实施方式的一例的陶瓷加热器10的制造方法的一例。

首先，准备图7所示的用于成形发热部2的模具。该模具由上模具61和下模具62构成，在使上模具61与下模具62对合时，形成与发热部2(图7中的平行部2a、2b)的形状对应的空穴(空腔)。为了使用这样的模具在发热部2形成凹部5，而在上模具61与下模具62的模具边界面上配置有用于形成凹部5的间隔件63。需要说明的是，在空穴内填充原料粉末而成形的发热部2，通过以自由的形式安置间隔件63，而能够在发热部2形成凹部5。而且，通过自由地设定间隔件63的尺寸，而能够自由地设定凹部5的尺寸，通过自由地设定间隔件63的长度，而能够自由地设定凹部5的深度。间隔件63具有在取出成形体后另外从成形体分开的方法或在模具内具有间隔件的滑动机构而在模具内进行分开的方法等。

使用这样的模具，在空穴内填充发热部2的形成材料而制作发热部2的成形体。

作为发热部2的形成材料，列举有碳化钨(WC)、二硅化钼(MoSi₂)、二硅化钨(WSi₂)等导电性陶瓷。在此，使用碳化钨(WC)作为发热部2的形成材料时，为了减少与陶瓷基体1的热膨胀系数差，而优选在WC粉末中混合陶瓷基体1的主要成分的氮化硅质陶瓷等绝缘性陶瓷。此时，通过使导电性陶瓷与绝缘性陶瓷的含有比率变化，而能够将发热部2的电阻调整成所希望的值。

将如此调制了含有比率的原料粉末通过冲压成形法或注射成形法而填充到上述模具的空穴内，来制作发热部2的成形体。

另一方面，使用例如在氧化铝粉末或氮化硅粉末中添加了由镱(Yb)、钇(Y)、铒(Er)等稀土类元素的氧化物构成的烧结辅助剂的陶瓷原料粉末，与发热部2同样地，利用周知的冲压成形法、注射成形法等来成形出陶瓷基体1的成形体。

并且，在使用上述模具(上模具61、下模具62)成形得到的发热部2的成形体上组合由另外的模具成形得到的引线部3a、3b的成形体，并进一步以将它们埋设的方式组合于利用另外的模具成形得到的陶瓷基体1的成形体，从而得到陶瓷加热器10的未加工成形体。

按照规定的温度曲线，以成为在内部埋设有发热部2及引线部3a、3b的陶瓷基体1的方式对得到的陶瓷加热器10的未加工成形体进行烧成，根据需要对得到的烧结体进行机械加工，从而完成图1所示的陶瓷加热器10。需要说明的是，作为烧成方法，使用氮化硅质陶瓷作为陶瓷基体1的陶瓷时，列举有例如经由脱脂工序，在还原气氛下以1650～1780℃左右的温度及30～50MPa左右的压力进行烧成的热冲压的方法。

根据利用此种制造方法得到的陶瓷加热器10，两条直线部2a、2b的横截面形状中的相互对置的内侧的至少中央部为凹状，因此发热部2像缓冲器那样发挥作用而能够缓和被该相互对置的内侧的至少中央部(凹部5)分隔的陶瓷基体1发生体积膨胀时产生的应力。因此，能够防止在异常时施加急剧的电压的情况下发热部2之间的陶瓷基体发生体积膨胀而产生龟裂的情况。

符号说明：

10…陶瓷加热器

1…陶瓷基体

2…发热部

2a、2b…直线部

2c…折回部

3a、3b…引线部

4a、4b…电极取出部

5…凹部

Claims

1.一种陶瓷加热器，其特征在于，

在陶瓷基体的内部埋设有发热电阻体，该发热电阻体具有由折回部及从该折回部的两端分别延伸的两条直线部构成的发热部，所述两条直线部的横截面形状中的相互对置的内侧的至少中央部为凹状。

2.根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征在于，

所述两条直线部的相互对置的内侧的至少中央部为弯曲的曲线状的凹状。

3.根据权利要求1或2所述的陶瓷加热器，其特征在于，

所述两条直线部的横截面形状中的相互的外侧为弯曲的曲线状。

4.根据权利要求3所述的陶瓷加热器，其特征在于，

所述两条直线部在横截面形状中分别为月牙状。

5.根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征在于，

在横截面形状中，配置有所述两条直线部的位置的所述陶瓷基体的外周的形状与所述两条直线部的相互对置的内侧的至少中央部的凹状的壁面之间的形状不相似。

6.根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征在于，

所述折回部的横截面形状与所述直线部的横截面形状相同。

7.根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征在于，

所述发热电阻体中，所述发热部比其他部分的电阻高。