CN103329615A - 加热器以及具有该加热器的电热塞 - Google Patents

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CN103329615A CN2012800058798A CN201280005879A CN103329615A CN 103329615 A CN103329615 A CN 103329615A CN 2012800058798 A CN2012800058798 A CN 2012800058798A CN 201280005879 A CN201280005879 A CN 201280005879A CN 103329615 A CN103329615 A CN 103329615A
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Abstract

本发明提供一种抑制了裂纹进入电阻体和引线的接合部而产生引线之间的绝缘击穿的加热器以及具有该加热器的电热塞。本发明的加热器(1)具有：形成折回形状的电阻体(3)；分别与电阻体(3)的各端部接合的一对引线(4)；在前侧埋设有电阻体(3)且在后侧埋设有一对引线(4)的绝缘基体(2)，在电阻体(3)和引线(4)的接合部(51、52)中，在与引线(4)的轴方向垂直的方向上电阻体(3)与引线(4)重合，电阻体(3)的一个端部和引线(4)的接合部(51)的后端与电阻体(3)的另一个端部和引线(4)的接合部(52)的后端相比位于靠后侧。

Description

加热器以及具有该加热器的电热塞
技术领域
本发明涉及利用于例如燃烧式车载供暖装置的点火用或火焰检测用的加热器、石油暖风机等各种燃烧设备的点火用的加热器、汽车发动机的电热塞用的加热器、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的加热器及具有该加热器的电热塞。
背景技术
作为柴油机的发火辅助用而使用的电热塞例如成为包括具有形成折回形状的电阻体、分别与该电阻体的各端部接合的一对引线、在前侧埋设有电阻体且在后侧埋设有所述一对引线的绝缘基体的加热器的结构。为了对应增强的环境限制，如此结构的电热塞也作为废气净化用的后预热而使用等，需要更加高温、高耐久性。
为了响应这些要求，使用能够在更加高温下使用的陶瓷制电热塞，但电阻体和引线的接合部的电阻变化及由热膨胀差引起的微裂纹等产生频度高，由此引起的电阻变化及引线之间的绝缘击穿(短路)成为问题。
在此，采取使容易产生微裂纹的电阻体和引线的接合面在与引线的轴平行的截面观察时形成倾斜的方式来增大接合面的面积从而提高耐久性等措施(参照专利文献1、专利文献2)。
专利文献1：日本特开2002-334768号公报。
专利文献2：日本特开2003-22889号公报。
发明内容
【发明要解决的课题】
然而，在电阻值变化的电阻体和引线的接合部中，由于电阻体与引线的收缩差，负荷依然较大。由于在与引线的轴方向垂直的方向上电阻体和引线重合，且电阻体的两端分别与引线的各接合部位于在与引线的轴方向垂直的方向上截断的截面上，尤其在快速升温时合成基于各接合部的宽度方向的热膨胀的应力，其结果是，在电阻体和引线的接合部的周围、尤其在绝缘基体的对置的接合部之间微裂纹容易进入，有在引线之间引起绝缘击穿(短路)之虞。
本发明是鉴于上述的情况而发明的，其目的在于提供一种抑制裂纹进入电阻体和引线的接合部而产生引线之间的绝缘击穿的加热器以及具有该加热器的电热塞。
【用于解决课题的手段】
本发明的加热器的特征在于，其具有：形成折回形状的电阻体；分别与该电阻体的各端部接合的一对引线；在前侧埋设有所述电阻体且在后侧埋设有所述一对引线的绝缘基体，在所述电阻体和所述引线的接合部中，在与引线的轴方向垂直的方向上所述电阻体和所述引线重合，所述电阻体的一个端部和所述引线的所述接合部的后端与所述电阻体的另一个端部和所述引线的所述接合部的后端相比位于靠后侧。
另外，本发明的加热器的特征在于，其在上述的结构中，在所述接合部中，在与所述引线的轴方向垂直的截面观察时，所述引线包围所述电阻体的端部。
另外，本发明的加热器的特征在于，其在上述的结构中，所述电阻体的一个端部为正极侧。
另外，本发明的加热器的特征在于，其在上述的结构中，所述电阻体的一个端部和所述引线的所述接合部的前端的位置与所述电阻体的另一个端部和所述引线的所述接合部的前端的位置在所述引线的轴方向上不同。
另外，本发明的加热器的特征在于，其在上述的结构中，所述电阻体的一个端部和所述引线的所述接合部的前端与所述电阻体的另一个端部和所述引线的所述接合部的后端相比位于靠后侧。
另外，本发明的电热塞的特征在于，具有：上述结构的任一项所述的加热器；与所述一对引线中的一个引线的端部电连接且保持所述加热器的金属制保持部件。
【发明效果】
根据本发明的加热器，通过电阻体的一个端部和引线的接合部的后端与电阻体的另一个端部和引线的接合部的后端相比位于靠后侧，在快速升温时施加于最热膨胀的各接合部的后端的热应力在与引线的轴方向垂直的宽度方向上合成的应力变小，从而负荷变小，因此能够不易产生绝缘击穿(短路)。
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剖视图。
图2(a)是放大了图1所示的包括电阻体和引线的接合部的区域A的放大剖视图，(b)是(a)所示的X-X线剖视图。
图3(a)是放大了本发明的加热器的实施方式的另一例的包括电阻体和引线的接合部的区域的放大剖视图，(b)是(a)所示的X-X线剖视图。
具体实施方式
参照附图对本发明的加热器的实施方式的例子进行详细说明。
图1是表示本发明的加热器的实施方式的一例的纵剖视图。另外，图2(a)是放大了图1所示的包括电阻体和引线的接合部的区域A的放大剖视图，图2(b)是图2(a)所示的X-X线剖视图。另外，图3(a)是放大了本发明的加热器的实施方式的另一例的包括电阻体和引线的接合部的区域的放大剖视图，图3(b)是图3(a)所示的X-X线剖视图。
本实施方式的加热器1具有形成折回形状的电阻体3、分别与电阻体3的各端部接合的一对引线4、在前侧埋设有电阻体3且在后侧埋设有一对引线4的绝缘基体2，在电阻体3和引线4的接合部51、52中，在与引线4的轴方向垂直的方向上电阻体3和引线4重合，且电阻体3的一个端部和引线4的接合部51的后端与电阻体3的另一个端部和引线4的接合部52的后端相比位于靠后侧。
本实施方式的加热器1的绝缘基体2例如为形成棒状或板状的基体。在该绝缘基体2中埋设有电阻体3及一对引线4。在此，优选绝缘基体2包括陶瓷，由此能够提供快速升温时的可靠性高的加热器1。具体而言，能够举出氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等具有电绝缘性的陶瓷。尤其，优选绝缘基体2包括氮化硅质陶瓷。这是因为从作为主成分的氮化硅在高强度、高韧性、高绝缘性及耐热性的观点出发氮化硅质陶瓷优异。包括氮化硅质陶瓷的绝缘基体2例如能够通过如下得到，即，相对于主成分的氮化硅混合3～12质量％的Y2O3、Yb2O3、Er2O3等稀土类元素化合物作为烧结助剂、0.5～3质量％的Al2O3，而且以烧结体所含有的SiO2量为1.5～5质量％的方式混合SiO2，形成规定的形状之后在1650～1780℃进行热压烧成。绝缘基体2的长度例如形成20～50mm，绝缘基体2的直径例如形成3～5mm。
需要说明的是，在使用包括氮化硅质陶瓷的陶瓷作为绝缘基体2的情况下，优选混合MoSiO2、WSi2等且使其分散。在该情况下，能够使作为母材料的氮化硅质陶瓷的热膨胀率接近电阻体3的热膨胀率，从而能够提高加热器1的耐久性。
在埋设于绝缘基体2的电阻体3中，纵截面的形状形成折回形状，位于前端的折回形状的中央附近(折回的中间点附近)成为最发热的发热部31。该电阻体3埋设于绝缘基体2的前端侧，从电阻体3的前端(折回形状的中央附近)至电阻体3的后端(接合部51的后端)的距离例如形成2～10mm。需要说明的是，电阻体3的横截面的形状可以为圆、椭圆、矩形等任一个的形状，通常与后述的引线4相比以截面积小的方式形成。
作为电阻体3的形成材料，能够使用将W、Mo、Ti等的碳化物、氮化物、硅化物等作为主成分的材料。在绝缘基体2包括氮化硅质陶瓷的情况下，在与绝缘基体2的热膨胀率的差小的方面、具有高耐热性的方面及电阻率小的方面，在上述的材料中碳化钨(WC)作为电阻体3的材料优异。进而，在绝缘基体2包括氮化硅质陶瓷的情况下，优选电阻体3以无机导电体的WC作为主成分，且对此添加的氮化硅的含有率为20质量％以上。例如，在包括氮化硅质陶瓷的绝缘基体2中，成为电阻体3的导体成分与氮化硅相比热膨胀率大，因此通常处于施加了拉伸应力的状态。对此，通过在电阻体3中添加氮化硅，使热膨胀率接近绝缘基体2的热膨胀率，则能够缓和由于加热器1的升温时及降温时的热膨胀率的差而引起的应力。另外，在电阻体3含有的氮化硅的含量为40质量％以下时，能够较小地形成电阻体3的电阻值且使其稳定。因此，优选电阻体3含有的氮化硅的含量为20质量％～40质量％。更加优选氮化硅的含量为25质量％～35质量％。另外，作为同样向电阻体3添加的添加物，也能够代替氮化硅而添加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，另一端侧导出于绝缘基体2的表面。在图1所示的电热器中，在从一端至另一端形成折回形状的电阻体3的两端部(一端部及另一端部)分别接合有引线4。并且，一个引线4的一端与电阻体3的一端连接，另一端从绝缘基体2的靠后端的侧面露出。另外，另一引线4的一端与电阻体3的另一端连接，另一端从绝缘基体2的后端部露出。
该引线4用与电阻体3相同的材料形成，例如通过与电阻体3相比增大截面积、或与电阻体3相比减少绝缘基体2的形成材料的含量，则每单位长度的电阻值变低。尤其，在与绝缘基体2的热膨胀率的差小的方面、具有高耐热性的方面及电阻率小的方面优选WC作为引线4的材料。另外，优选在引线4中将作为无机导电体的WC设为主成分，且对此以含量成为15质量％以上的方式添加氮化硅。随着氮化硅的含量增加，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。另外，在氮化硅的含量为40质量％以下时，引线4的电阻值变小且稳定。因此，优选氮化硅的含量为15质量％～40质量％。更加优选氮化硅的含量为20质量％～35质量％。
并且，在电阻体3和引线4的接合部51、52中，在与引线4的轴方向垂直的方向上电阻体3和引线4重合，电阻体3的一个端部和引线4的接合部51的后端与电阻体3的另一个端部和引线4的接合部52的后端相比位于靠后侧。
在此，在电阻体3和引线4的接合部51、52中、在与引线4的轴方向垂直的方向上电阻体3和引线4重合是指在与引线4的轴方向垂直的横截面观察接合部51、52时含有电阻体3和引线4的形状。例如为在含有一个引线4及另一引线4的双方的轴的纵截面观察接合部51、52时，引线4配置于内侧而电阻体配置于外侧且接合面从与引线4的轴方向垂直的方向倾斜的形状。关于接合部51、52的各引线4的轴方向的长度(接合部51、52的从前端至后端的距离)例如形成0.5～3mm。
作为接合部51、52的形状，例如能够举出如图2所示那样在加热器1的纵截面观察时接合面从与引线4的轴方向垂直的方向倾斜的形状，但不限于该形状，包括后述的图3所示那样的在与引线4的轴方向垂直的截面观察时引线4包围电阻体3的端部的形状。
在上述那样的接合面为从与引线4的轴方向垂直的方向倾斜的形状的情况下，由于快速升温时施加于最热膨胀的各接合部51、52的后端的热应力在与引线的轴方向垂直的宽度方向上合成的向宽度方向的应力，有微裂纹容易进入而引起在引线之间的绝缘击穿(短路)之虞。
在此，电阻体3的一个端部和引线4的接合部的后端与电阻体3的另一个端部和引线4的接合部的后端相比位于靠后侧。换言之，接合部51的后端的位置和接合部52的后端的位置在引线4的轴方向上不同(错开)。
需要说明的是，关于接合部51的后端的位置和接合部52的后端的位置的错开的距离，接合部51的后端与接合部52的后端相比位于靠2μm～10mm后侧的状态效果好。另外，在引线4的轴方向上的接合部51的前端的位置和接合部52的前端的位置相同的情况下，一个接合面(例如正极侧的接合面)的从与引线4的轴方向垂直的方向倾斜的倾斜角与另一个接合面(例如负极侧的接合面)的从与引线4的轴方向垂直的方向倾斜的倾斜角相比倾斜0.1～15度为佳。
根据该结构，快速升温时施加于最热膨胀的各接合部的后端的热应力在与引线4的轴方向垂直的宽度方向上合成的向宽度方向的应力变小，从而负荷变小，因此能够使绝缘击穿(短路)不易产生。
在此，如图3所示那样，在接合部51、52中，优选在与引线4的轴方向垂直的截面观察时引线4包围电阻体3的端部。根据该形状，快速升温时，覆盖热膨胀的电阻体3的引线4发挥与线膨胀系数不同的绝缘性陶瓷的缓冲材料的作用，从而能够减少负荷，因此能够使绝缘击穿(短路)更加不易产生。
另外，优选位于后侧的电阻体3的一个端部为正极侧。根据该形状，通过在由施加电流时的冲击电流引起的最初施加负荷的正极侧的接合部51的后端在与引线4的轴方向垂直的宽度方向上与最热膨胀的电阻体3(接合部52)的截面错开(从接合部51的后端观察宽度方向时不存在电阻体3)，能够使反复使用时的负荷分散，从而进一步不易产生绝缘击穿(短路)。
另外，优选电阻体3的一个端部和引线4的接合部51的前端的位置与电阻体3的另一个端部和引线4的接合部52的前端的位置在引线4的轴方向上不同(错开)。根据该形状，不仅接合部51的后端及接合部52的后端，而且接合部51的前端及接合部52的前端也在引线4的轴方向上错开，因此快速升温时向与引线4的轴方向垂直的宽度方向合成的应力变小，从而负荷变小而不易产生绝缘击穿(短路)。
另外，优选电阻体3的一个端部和引线4的接合部51的前端与电阻体3的另一个端部和引线4的接合部52的后端相比位于靠后侧。根据该形状，接合部51和接合部52在引线4的轴方向上完全错开，因此快速升温时，向与引线4的轴方向垂直的宽度方向合成的应力几乎不存在，从而负荷变小而不易产生绝缘击穿(短路)。
上述的加热器1能够用于电热塞(未图示)。即，本发明的电热塞(未图示)为具有上述加热器1和电连接构成加热器1的一对引线4中的一个引线4的端部且保持加热器1的金属制保持部件(外壳配件)的结构，通过该结构，加热器1不易产生绝缘击穿(短路)，所以能够实现能够长期使用的电热塞。
下面，对本实施方式的加热器1的制造方法的一例进行说明。
本实施方式的加热器1例如能够通过使用了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型法等形成。
首先，制作含有导电性陶瓷粉末、树脂粘合剂等的、成为电阻体3及引线4的导电性膏剂，且制作含有绝缘性陶瓷粉末、树脂粘合剂等的、成为绝缘基体2的陶瓷膏剂。
接着，用导电性膏剂使用注塑成型法等形成成为电阻体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保持于模具内的状态下，将导电性膏剂填充于模具内而形成成为引线4的规定图案的导电性膏剂的成形体(成形体b)。由此，成形体a和与该成形体a连接的成形体b成为保持于模具内的状态。
接着，在将成形体a及成形体b保持于模具内的状态下，将模具的一部分换成绝缘基体2的成形用的模具后，在模具内填充成为绝缘基体2的陶瓷膏剂。由此，能够得到将成形体a及成形体b埋设于陶瓷膏剂的成形体(成形体c)的加热器1的成形体(成形体d)。
接着，通过将得到的成形体d在1650～1780℃温度、30MPa～50MPa的压力下进行烧成，能够制作加热器1。需要说明的是，优选烧成在氢气等非氧化性气体气氛中进行。
用以上的方法完成本实施方式的加热器1。
实施例
以下述那样制作了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)粉末及15质量％的树脂粘合剂的导电性膏剂在模具内注塑成型制作了成为图1所示那样的形状的电阻体的成形体a。
接着，通过在将该成形体a保持于模具内的状态下将成为引线的上述的导电性膏剂填充于模具内，制作了与成形体a连接且成为图1所示那样的形状的引线的成形体b。
接着，在将成形体a及成形体b保持于模具内的状态下，将含有85质量％的氮化硅(Si3N4)粉末、10质量％的作为烧结助剂的镱(Yb)的氧化物、5质量％的用于使热膨胀率接近电阻体及引线的碳化钨(WC)的陶瓷膏剂在模具内注塑成型。由此，制作了将成形体a及成形体b埋设于成为绝缘基体的成形体c中的结构的成形体d。
接着，将得到的成形体d放入圆筒状的碳制的模具后，在包括氮气的非氧化性气体气氛中，用1700℃的温度、35MPa的压力进行热压烧成而制作了成为本发明实施例的加热器。并且，在露出于得到的加热器的靠后端的侧面的引线端部焊接筒状的金属制保持部件而制作了电热塞。
需要说明的是，接合部51的前端和接合部52的前端的在引线轴方向上的位置一致，接合部51的引线轴方向长度为0.9mm，接合部52的引线轴方向长度为1.0mm，接合部51的后端和接合部52的后端的在引线轴方向上的位置错开了0.1mm。
另一方面，作为比较例，也制作了接合部51的前端和接合部52的前端的在引线轴方向上的位置一致、接合部51的后端和接合部52的后端的在引线轴方向上的位置也一致的电热塞。
用这些电热塞进行了冷热循环试验。冷热循环试验的条件为下述。即，首先向加热器通电以使电阻体的温度成为1400℃的方式设定施加电压，将(1)通电5分钟、(2)停止通电2分钟的(1)、(2)作为一个循环，反复了1万个循环。
测定了冷热循环试验前后的加热器的电阻值的变化，本发明实施例的试料的电阻变化为1％以下，且没有出现微裂纹。对此，比较例的试料的电阻变化为5％以上，且确认了微裂纹。
【符号说明】
1-加热器
2-绝缘基体
3-电阻体
31-发热部
4-引线
51、52-接合部

Claims (6)

1.一种加热器，其特征在于，具有：
形成折回形状的电阻体；
分别与该电阻体的各端部接合的一对引线；
在前侧埋设有所述电阻体且在后侧埋设有所述一对引线的绝缘基体，
在所述电阻体和所述引线的接合部中，在与所述引线的轴方向垂直的方向上所述电阻体和所述引线重合，
所述电阻体的一个端部和所述引线的所述接合部的后端与所述电阻体的另一个端部和所述引线的所述接合部的后端相比位于靠后侧。
2.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，
在所述接合部中，在与所述引线的轴方向垂直的截面观察时，所述引线包围所述电阻体的端部。
3.根据权利要求1或2所述的加热器，其特征在于，
所述电阻体的一个端部为正极侧。
4.根据权利要求1或2所述的加热器，其特征在于，
所述电阻体的一个端部和所述引线的所述接合部的前端的位置与所述电阻体的另一个端部和所述引线的所述接合部的前端的位置在所述引线的轴方向上不同。
5.根据权利要求1或2所述的加热器，其特征在于，
所述电阻体的一个端部和所述引线的所述接合部的前端与所述电阻体的另一个端部和所述引线的所述接合部的后端相比位于靠后侧。
6.一种电热塞，其特征在于，具有：
权利要求1或2所述的加热器；
与所述一对引线中的一个引线的端部电连接且保持所述加热器的金属制保持部件。
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