CN102933903B - 加热器及具备该加热器的火花塞 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在急速升温等时即使引线的弯曲部流过大电流，也能抑制局部膨胀产生的应力集中所引起的微裂的发生的具有高可靠性及耐久性的加热器及具备该加热器的火花塞。本发明的加热器(1)的特征在于，具备：绝缘基体(2)；埋设于绝缘基体(2)的电阻体(3)；埋设于绝缘基体(2)，在一端侧与电阻体(3)连接并在另一端侧具有从绝缘基体(2)的表面露出的端子部(41)的引线(4)，其中，引线(4)具有朝向端子部(41)弯曲的弯曲部(A)，弯曲部(A)的至少一截面的纵横比大于比弯曲部(A)靠端子部(41)侧的部分的一截面的纵横比。

Description

加热器及具备该加热器的火花塞
技术领域
本发明涉及在例如燃烧式车载制热装置中的点火用或火焰检测用的加热器、石油风扇加热器等各种燃烧设备的点火用的加热器、机动车发动机的火花塞用的加热器、氧传感器等各种传感器用的加热器、测定设备的加热用的加热器等中利用的加热器及具备该加热器的火花塞。
背景技术
作为机动车发动机的火花塞用加热器，已知有例如如下的结构：具备绝缘基体、埋设于绝缘基体的电阻体、埋设于绝缘基体而在一端侧与电阻体连接且在另一端侧具有从绝缘基体的表面露出的端子部的引线，引线具有朝向端子部弯曲的弯曲部(例如，参照专利文献1)。
在上述的结构中，通常，引线的端子部的形状为圆形，并且引线的弯曲部的截面形状也与端子部的形状同样地成为圆形。
【在先技术文献】
【专利文献】
专利文献1：日本特开2006-258417号公报
发明内容
【发明要解决的课题】
近年来，要求能够更急速地升温的加热器，为了在启动时(发动机起动时)向电阻体流过大电流，而需要增大从端子部导入的电力(进入电力)。
在此，在上述加热器中当要增大进入电力时，进入电力的负载向引线的弯曲部中的弯曲处中央附近(图2所示的A2-A2’线截面附近)的外侧(图2所示的A2’侧)集中，局部发热而弯曲部的弯曲处中央附近发生局部膨胀，在该局部膨胀的部位中，引线与绝缘基体的界面上集中有应力而存在产生微裂的问题。
本发明鉴于上述的问题而提出，其目的在于提供一种在急速升温等时即使引线的弯曲部流过大电流，也能抑制局部膨胀产生的应力集中所引起的微裂的发生的具有高可靠性及耐久性的加热器及具备该加热器的火花塞。
【用于解决课题的手段】
本发明的加热器的特征在于，具备：绝缘基体；埋设于该绝缘基体的电阻体；埋设于所述绝缘基体，在一端侧与所述电阻体连接并在另一端侧具有从所述绝缘基体的表面露出的端子部的引线，其中，所述引线具有朝向所述端子部弯曲的弯曲部，该弯曲部的至少一截面的纵横比大于比所述弯曲部靠端子部侧的部分的一截面的纵横比。
另外，本发明的火花塞的特征在于，具备：上述的结构中任一项所述的加热器；与所述引线的所述端子部电连接并保持所述加热器的金属制保持构件。
【发明效果】
根据本发明的加热器，在进入电力的负载容易集中的弯曲部A中的弯曲处中央附近(图2所示的A2-A2’线截面附近)的外侧(A2’侧)之外也设置进入电力的负载容易集中的部位，因此能够使进入电力的负载从弯曲处中央附近(图2所示的A2-A2’线截面附近)的外侧(A2’侧)向其他的部位分散，能够抑制引线与绝缘基体的界面产生微裂的情况。
附图说明
图1是表示本发明的加热器的实施方式的一例的纵向剖视图。
图2中，(a)是将图1所示的引线的弯曲部A放大的放大图，(b)是(a)所示的A1-A1’线剖视图，(c)是(a)所示的A2-A2’线剖视图，(d)是(a)所示的A3-A3’线剖视图。
图3中，(a)是将本发明的加热器的实施方式的另一例的引线的弯曲部A放大的放大图，(b)是(a)所示的A1-A1’线剖视图，(c)是(a)所示的A2-A2’线剖视图，(d)是(a)所示的A3-A3’线剖视图。
图4中，(a)是将本发明的加热器的实施方式的又一例的引线的弯曲部A放大的放大图，(b)是(a)所示的A1-A1’线剖视图，(c)是(a)所示的A2-A2’线剖视图，(d)是(a)所示的A3-A3’线剖视图。
具体实施方式
参照附图，详细说明本发明的加热器的实施方式的例子。
图1是表示本发明的加热器的实施方式的一例的纵向剖视图，图2(a)是将图1所示的引线的弯曲部A放大的放大图，图2(b)是图2(a)所示的A1-A1’线剖视图，图2(c)是图2(a)所示的A2-A2’线剖视图，图2(d)是图2(a)所示的A3-A3’线剖视图。
图1所示的加热器1的特征在于，具备绝缘基体2、埋设于绝缘基体2的电阻体3、埋设于绝缘基体2而在一端侧与电阻体3连接且在另一端侧具有从绝缘基体2的表面露出的端子部41的引线4，引线4具有朝向端子部41弯曲的弯曲部A，弯曲部A的至少一截面的纵横比大于比弯曲部A靠端子部41侧的部分的一截面的纵横比。
本实施方式的加热器1中的绝缘基体2形成为例如棒状。在该绝缘基体2中埋设有电阻体3及引线4。在此，绝缘基体2优选由陶瓷构成，由此能够提供一种急速升温时的可靠性高的加热器1。具体而言，列举有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等具有电绝缘性的陶瓷。尤其是绝缘基体2优选由氮化硅质陶瓷构成。这是因为，氮化硅质陶瓷的主要成分即氮化硅在高强度、高韧性、高绝缘性及耐热性的观点上优异。由氮化硅质陶瓷构成的绝缘基体2例如可以如下得到：对于主要成分的氮化硅，添加3～12质量％的Y2O3、Yb2O3、Er2O3等稀土类元素氧化物、0.5～3质量％的Al2O3作为烧结辅助剂，而且以烧结体中含有的SiO2量成为1.5～5质量％的方式混合SiO2，成形为规定的形状，然后，在1650～1780℃下进行热压烧成而得到。绝缘基体2的长度形成为例如20～50mm，绝缘基体2的直径形成为例如3～5mm。
此外，在使用由氮化硅质陶瓷构成的材料作为绝缘基体2时，优选使MoSiO2、WSi2等混合并分散。这种情况下，能够使作为母材的氮化硅质陶瓷的热膨胀率接近电阻体3的热膨胀率，能够提高加热器1的耐久性。
埋设于绝缘基体2的电阻体3的纵截面的形状呈折回形状，折回的中间点附近成为发热最多的发热部31。该电阻体3埋设在绝缘基体2的前端侧，从电阻体3的前端(折回形状的中央附近)到电阻体3的后端(与引线的接合端部)的距离形成为例如2～10mm。需要说明的是，电阻体3的横截面的形状可以是圆、椭圆、矩形等任意形状，通常形成得比后述的引线4的截面积小。
作为电阻体3的形成材料，可以使用以W、Mo、Ti等的碳化物、氮化物、硅化物等为主要成分的材料。在绝缘基体2由氮化硅质陶瓷构成时，在与绝缘基体2的热膨胀率之差小的点、具有高耐热性的点及比电阻小的点上，在上述的材料中优选碳化钨(WC)作为电阻体3的材料。而且，在绝缘基体2由氮化硅质陶瓷构成时，电阻体3以无机导电体的WC为主要成分，向其添加的氮化硅的含有率优选为20质量％以上。例如，在由氮化硅质陶瓷构成的绝缘基体2中，成为电阻体3的导体成分比氮化硅的热膨胀率大，因此通常处于受到拉伸应力的状态。相对于此，通过向电阻体3中添加氮化硅，而使热膨胀率接近绝缘基体2的热膨胀率，从而能够缓和加热器1的升温时及降温时的热膨胀率之差引起的应力。而且，在电阻体3中含有的氮化硅的含有量为40质量％以下时，能够使电阻体3的电阻值比较小且稳定。因此，电阻体3中含有的氮化硅的含有量优选为20质量％～40质量％。更优选的是，氮化硅的含有量为25质量％～35质量％。而且，作为向电阻体3的同样的添加物，也可以取代氮化硅而添加4质量％～12质量％的氮化硼。
埋设于绝缘基体2的引线4在一端侧与电阻体3连接且在另一端侧具有从绝缘基体2的表面露出的端子部41。具体而言，在从一端到另一端呈折回形状的电阻体3的两端部分别接合有引线4。并且，一方的引线4在一端侧与电阻体3的一端连接，且在另一端侧从绝缘基体2的靠后端的侧面露出。而且，另一方的引线4在一端侧与电阻体3的另一端连接，且在另一端侧从绝缘基体2的后端部露出。
该引线4使用与电阻体3同样的材料形成，例如通过使截面积比电阻体3增大或使绝缘基体2的形成材料的含有量比电阻体3减少，而降低每单位长度的电阻值。尤其是WC在与绝缘基体2的热膨胀率之差小的点、具有高耐热性的点及比电阻小的点上，适合作为引线4的材料。而且，引线4以作为无机导电体的WC为主要成分，优选以含有量成为15质量％以上的方式向其添加氮化硅。随着氮化硅的含有量的增加，而能够使引线4的热膨胀率接近构成绝缘基体2的氮化硅的热膨胀率。而且，在氮化硅的含有量为40质量％以下时，引线4的电阻值减小且稳定。因此，氮化硅的含有量优选为15质量％～40质量％。更优选的是，氮化硅的含有量为20质量％～35质量％。
并且，引线4(在一端侧与电阻体3的一端连接且在另一端侧从绝缘基体2的靠后端的侧面露出的引线4)具有朝向端子部41弯曲的弯曲部A，弯曲部A的至少一截面的纵横比(长宽比)大于比弯曲部A靠端子部41侧的部分的一截面(图2所示的A1-A1’线剖视图)的纵横比。需要说明的是，引线4中的从绝缘基体2的靠后端的侧面露出的部分是端子部41，弯曲部A是指从引线4中的端子部41的附近到达沿着棒状的绝缘基体2的长度方向的直线部分为止的弯曲的部分。而且，纵横比(长宽比)的纵向是指相对于与弯曲部A的弯曲方向平行的平面(包含弯曲部A的中心轴的平面)而垂直的轴的方向(与图1的纸面垂直的方向)。
在此，图2(b)至图2(d)是弯曲部A的截面的纵横比(长宽比)以随着从端子部41侧远离而逐渐增大的方式形成的图。即，端子部41附近的图2(b)所示的A1-A1’线剖视图表示大致圆形的截面，弯曲部A的弯曲处中央附近的图2(c)所示的A2-A2’线剖视图表示以相对于与弯曲部A的弯曲方向平行的平面(包含弯曲部A的中心轴的平面)而垂直的方向(与纸面垂直的方向)为长轴的椭圆形的截面，从端子部41远离的弯曲部A的终端附近的图2(d)所示的A3-A3’线剖视图表示长轴的长度比图2(c)所示的A2-A2’线剖视图进一步变长的椭圆形的截面。
从端子部41进入的进入电力的负载在弯曲部A的截面上的弯曲处中央附近(图2所示的A2-A2’线截面附近)的外侧(A2’侧)具有增大的倾向。另一方面，通常在截面的形状为圆形时，进入电力的径向的负载相对于360°任何角度都大致均等地分散，但在截面形状的形状为具有长轴和短轴的形状时，具有进入电力的负载容易作用在长轴侧的外周附近的倾向。因此，通过使弯曲部A的至少一截面的纵横比大于比弯曲部A靠端子部41侧的部分的一截面(图2所示的A1-A1’线剖视图)的纵横比，并在进入电力的负载容易集中的弯曲部A的截面上的弯曲处中央附近(图2所示的A2-A2’线截面附近)的外侧(A2’侧)之外也设置进入电力的负载容易集中的部位，由此，能够使进入电力的负载从弯曲处中央附近(图2所示的A2-A2’线截面附近)的外侧(A2’侧)向其他的部位分散。具体而言，以使进入电力从弯曲处中央附近(图2所示的A2-A2’线截面附近)的外侧(A2’侧)分散的方式设定长轴的位置，并使进入电力的负载从弯曲部A的截面上的弯曲处中央附近(图2所示的A2-A2’线截面附近)的外侧(A2’侧)向长轴侧的外周附近分散，由此，能够抑制弯曲部A产生微裂的情况。
在此，如图2所示，本发明的加热器1的弯曲部A的截面优选为纵横比朝向端子部41减少的形状。根据该形状，能够使端子部41产生的进入电力的负载朝向弯曲部A逐渐分散，能够进一步抑制弯曲部A产生微裂的情况。
另外，如图2所示，本发明的加热器1的弯曲部A的截面优选为以相对于与弯曲部A的弯曲方向平行的平面(包含弯曲部A的中心轴的平面)而垂直的方向为长轴的扁平形状。根据该形状，能够使在弯曲部A的中央附近(图2所示的A2-A2’线截面附近)的外侧(A2’侧)具有增大的倾向的进入电力的负载向相对于弯曲方向(弯曲部A的外侧)反转了90°的方向的外周附近分散，热量分散而不会停滞，因此能够进一步抑制弯曲部A产生微裂的情况。
此外，如图2所示，本发明的加热器1优选弯曲部A的截面为椭圆形，通过为这种形状，使截面无角而应力容易分散，因此不易产生微裂。
另外，如图2所示，本发明的加热器1的端子部41优选为圆形，通过为这种形状，而使端子部41处的进入应力均等地分散，不易产生微裂。
此外，本发明的加热器1的弯曲部A优选具有剖视下的纵横比连续变化的部分，尤其是优选弯曲部A的整体在剖视下的纵横比连续变化。通过为这种形状，在成为常规状态时，没有负载集中的部位，因此即使反复使用也不易产生微裂。
此外，本发明的加热器1优选弯曲部A呈具有长轴及短轴的截面形状，且长轴的方向在弯曲部A的整体上一致。换言之，优选弯曲部A呈具有长轴及短轴的截面形状，且是随着朝向端子部41而长轴的长度变短且短轴的长度变长的形状。通过为这种形状，进入电力的负载不会变化，没有扭转引起的应力集中，因此不易产生微裂。
需要说明的是，并不局限于端子部41的形状为圆形且弯曲部A的截面为椭圆形的图2所示的方式，也可以形成为其他的方式。作为其他的方式，从形成容易度的点出发，列举有例如矩形、菱形、三角形、六边形、八边形等比较简单的形状。即使为这些截面形状，当弯曲部A的纵横比大时，在弯曲部A的中央附近的外侧以外也能够设置在形状上负载容易集中的部分，从而能够使负载分散。
在图2所示的从端子部41到弯曲部A而从圆形变化为椭圆的方式的情况下，负载容易集中在椭圆的长轴端部，同样地，在图3所示的端子部41及弯曲部A均为矩形形状且从端子部41到弯曲部A而纵横比增大的方式的情况下，上下方向为短边，就负载容易集中的角部的间隔而言，短边比长边近，因此负载容易集中在短边即上下方向。
另外，在除此以外的多边形形状的情况下，如图4所示，当从端子部41到弯曲部A而纵横比增大时，上下的角部的角度减小，或者与矩形形状的情况同样地上下的角部的间隔接近，因而负载容易集中在上下方向。
需要说明的是，在截面形状为上述那样的矩形形状或六边形形状等多边形形状的情况下，由于角部的存在，而负载过于集中，或者容易成为绝缘基体2的破裂的起点，因此优选如图3所示那样形成为将角部修圆的形状。在该点上，由于圆形或椭圆形没有角部，因此更优选。
上述的加热器1可以使用于火花塞(未图示)。即，本发明的火花塞(未图示)是具备上述的加热器1、及与构成加热器1的引线4的端子部41电连接并保持加热器1的金属制保持构件(护套配件)的结构，通过该结构，在加热器1的弯曲部A不易产生微裂，因此能够实现可长期使用的火花塞。
接着，说明本实施方式的加热器1的制造方法的一例。
本实施方式的加热器1例如可以通过使用上述本实施方式的结构的电阻体3、引线4及绝缘基体2的形状的模具的注塑成形法等形成。
首先，制作包含导电性陶瓷粉末、树脂基料等在内的成为电阻体3及引线4的导电性膏剂，并制作包含绝缘性陶瓷粉末、树脂基料等在内的成为绝缘基体2的陶瓷膏剂。
接着，使用导电性膏剂，通过注塑成形法等，形成作为电阻体3的规定图案的导电性膏剂的成形体(成形体a)。并且，在将成形体a保持在模具内的状态下，将导电性膏剂向模具内填充而形成作为引线4的规定图案的导电性膏剂的成形体(成形体b)。由此，成为将成形体a和与该成形体a连接的成形体b保持在模具内的状态。
接着，在模具内保持有成形体a及成形体b的状态下，将模具的一部分更换为绝缘基体2的成形用的模具之后，向模具内填充作为绝缘基体2的陶瓷膏剂。由此，能得到成形体a及成形体b由陶瓷膏剂的成形体(成形体c)覆盖的加热器1的成形体(成形体d)。
接着，将得到的成形体d在30MPa～50MPa的压力下以1600℃～1800℃的温度进行烧成，由此能够制作加热器1。需要说明的是，烧成优选在氢气等非氧化性气体的气氛中进行。
实施例
如以下所述制作本发明的实施例的加热器。
首先，将含有50质量％的碳化钨(WC)粉末、35质量％的氮化硅(Si3N4)粉末、15质量％的树脂基料在内的导电性膏剂向模具内进行注塑成形而制作了图1所示的形状的作为电阻体的成形体a。
接着，在将该成形体a保持在模具内的状态下，将成为引线的上述的导电性膏剂向模具内充填，由此，与成形体a连接而形成了图1及图2所示的形状的成为引线的成形体b。
接着，在将成形体a及成形体b保持在模具内的状态下，将含有85质量％的氮化硅(Si3N4)粉末、10质量％的作为烧结辅助剂的镱(Yb)的氧化物(Yb2O3)、5质量％的用于使热膨胀率接近电阻体及引线的碳化钨(WC)在内的陶瓷膏剂向模具内进行注塑成形。由此，形成了在作为绝缘基体的成形体c中埋设有成形体a及成形体b的结构的成形体d。
接着，将得到的成形体d放入到圆筒状的碳制的模具之后，在由氮气构成的非氧化性气体的气氛中，以1700℃、35MPa的压力进行热压、烧结，制作出本发明实施例的加热器。需要说明的是，该加热器(本发明实施例的试料)的引线部具有弯曲部，弯曲部朝向端子部进行变化，弯曲处中央附近的截面为扁平形状(椭圆)，端子部的形状为圆形，截面形状的面积恒定，纵横比逐渐变化，且截面的长轴方向始终恒定。
然后，在得到的加热器的靠后端的侧面露出的引线端部(端子部)上钎焊筒状的金属制保持构件，从而制作了火花塞。
另一方面，作为比较例，也制作了弯曲部的截面的纵横比与比弯曲部靠端子部侧的部分的一截面的纵横比相同，且弯曲部整体上的恒定的纵横比的截面为圆形的火花塞。
使用上述的火花塞进行了冷热循环试验。冷热循环试验的条件是首先向加热器通电，以电阻体的温度成为1400℃的方式设定施加电压，将1)5分钟通电、2)2分钟非通电的1)、2)作为1次循环，反复进行了1万次循环。
测定冷热循环试验前后的加热器的电阻值的变化时，本发明实施例的试料的电阻变化为1％以下。而且，在该试料的引线与绝缘基体的界面上也没有局部发热的痕迹，没有发现微裂。相对于此，比较例的试料的电阻变化为5％以上，且能够确认到微裂。
【附图标号说明】
1：加热器
2：绝缘基体
3：电阻体
31：发热部
4：引线
41：端子部
A：弯曲部

Claims (8)

1.一种加热器，其特征在于，
具备：
绝缘基体；
埋设于该绝缘基体的电阻体；
埋设于所述绝缘基体，在一端侧与所述电阻体连接并在另一端侧具有从所述绝缘基体的表面露出的端子部的引线，
所述引线具有朝向所述端子部弯曲的弯曲部，该弯曲部的至少一截面的纵横比大于所述弯曲部靠端子部侧的部分的一截面的纵横比。
2.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，
所述弯曲部的截面的纵横比朝向所述端子部减少。
3.根据权利要求1或2所述的加热器，其特征在于，
所述弯曲部的截面是以与该弯曲部的弯曲方向垂直的方向为长轴的扁平形状。
4.根据权利要求1或2所述的加热器，其特征在于，
所述弯曲部的截面为椭圆形。
5.根据权利要求1或2所述的加热器，其特征在于，
所述端子部为圆形。
6.根据权利要求1或2所述的加热器，其特征在于，
所述弯曲部具有剖视下的纵横比连续变化的部分。
7.根据权利要求1或2所述的加热器，其特征在于，
所述弯曲部呈具有长轴及短轴的截面形状，所述长轴的方向在所述弯曲部的整体上一致。
8.一种火花塞，其特征在于，
具备：权利要求1所述的加热器；与所述引线的所述端子部电连接并保持所述加热器的金属制保持构件。
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