CN103493585B - 加热器以及具有该加热器的电热塞 - Google Patents

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Abstract

提供一种即使在快速升温等时大电流流向电阻体也具有抑制了在电阻体和引线的接合部的端部产生大量的应力集中的高可靠性及耐久性的加热器以及具有该加热器的电热塞。加热器(1)具有：具有发热部(4)的电阻体(3)；接合于电阻体(3)的端部的引线(8)；被覆电阻体(3)及引线(8)的绝缘基体(9)，电阻体(3)和引线(8)的接合部为引线(8)比电阻体(3)粗的形状，以电阻体(3)的端部进入引线(8)的前端部的方式连接，并且在电阻体(3)的端面设置凹部，引线(8)的一部分进入该凹部。

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以及具有该加热器的电热塞。
背景技术
使用于汽车发动机的电热塞等的加热器成为包括具有发热部的电阻体、引线及绝缘基体的结构。并且，以引线的电阻比电阻体的电阻小的方式进行它们的材料选定及形状设计。
在此，电阻体和引线的接合部为形状变化点或材料组成变化点，因此公开了以下加热器，即，在为了不受起因于使用时的发热及冷却下的热膨胀的差的影响而增大接合面积的目的下，在与引线的轴方向平行的截面观察时，电阻体和引线的界面成为倾斜的加热器(例如参照专利文献1、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】
最近，由于要求以往以上的快速升温，因此在发动机工作开始时有向电阻体通入大电流的必要性。这样，在向加热器流动大电流而使用的情况下，即使将电阻体和引线的界面形成斜面而增大接合面积，电阻体和引线的热膨胀差大，热应力集中于接合部(电阻体的端部或引线的端部)，而产生裂纹进入的问题。
本发明是鉴于上述以往的问题点而发明的，其目的在于提供一种即使在快速升温等时大电流向电阻体流动也抑制了较多的热应力集中于电阻体和引线的接合部的高可靠性及耐久性的加热器。
【用于解决课题的手段】
本发明的加热器的特征在于，具有：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且在前端侧与所述电阻体连接并且在后端侧导出于所述绝缘基体的表面的引线，该引线为比所述电阻体粗的形状，以所述电阻体的端部进入所述引线的前端部的方式连接，并且在所述电阻体的端面设置凹部，所述引线的一部分进入该凹部。
另外，本发明的加热器能够作为具有上述结构的加热器和与所述引线电连接且保持所述加热器的金属制保持部件的电热塞使用。
【发明效果】
根据本发明的加热器，即使在快速升温时大电流流动，也能够使电阻体的内侧的热向与电阻体相比电阻值低的引线散逸。因此，能够抑制热停滞于接合部，从而减少由于发热而引起的负荷。其结果是，即使反复使温度上下变动，也能够抑制裂纹进入接合部。由此，提高加热器的可靠性及耐久性。
附图说明
图1(a)是表示本发明的加热器的实施方式的一例的主要部分放大纵剖视图，(b)是沿(a)所示的X-X线的横剖视图。
图2(a)是表示本发明的加热器的实施方式的另一例的主要部分放大纵剖视图，(b)是沿(a)所示的X-X线的横剖视图。
图3(a)是表示本发明的加热器的实施方式的另一例的主要部分放大纵剖视图，(b)是沿(a)所示的X-X线的横剖视图。
图4(a)是表示本发明的加热器的实施方式的另一例的主要部分放大纵剖视图，(b)是沿(a)所示的X-X线的横剖视图。
图5(a)、(b)是分别表示本发明的加热器的实施方式的另一例的主要部分放大纵剖视图。
图6是表示本发明的电热塞的实施方式的一例的简要纵剖视图。
具体实施方式
以下，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(a)是表示本发明的加热器的实施方式的一例的纵剖视图。图1(b)是沿图1(a)所示的X-X线的横剖视图。另外，图2(a)是表示本发明的加热器的实施方式的另一例的纵剖视图。图2(b)是沿图2(a)所示的X-X线的横剖视图。
本实施方式的加热器1具有绝缘基体9、埋设于绝缘基体9的电阻体3、埋设于绝缘基体9且在前端侧与电阻体3连接并且在后端侧导出绝缘基体9的表面的引线8，引线8为比电阻体3粗的形状，以电阻体3的端部进入引线8的前端部的方式连接，并且在电阻体3的端面设置凹部31，引线8的一部分进入该凹部31。
本实施方式的加热器1的绝缘基体9例如为形成棒状的基体。该绝缘基体9被覆电阻体3及引线8，换言之，电阻体3及引线8埋设于绝缘基体9中，在此，优选绝缘基体9包括陶瓷，由此，与金属相比能够耐至更加高温，因此能够提供快速升温时的可靠性更高的加热器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9包括氮化硅质陶瓷。这是因为就氮化硅质陶瓷而言，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优异。该氮化硅质陶瓷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等稀土类元素氧化物作为烧结助剂、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。
另外，在使用包括氮化硅质陶瓷的陶瓷作为绝缘基体9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。
电阻体3若为图1所示那样的直线形状，则能够将引线8之间的区域设为发热部4，要选择性地作为发热部4，则设置将一部分截面积较小地形成的区域或螺旋形状的区域即可。另外，在形成如图2所示那样的折回形状的情况下，能够将电阻体3的引线8之间的区域设为发热部4，折回的中间点附近成为最发热的发热部4。作为该电阻体3，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9为上述材料的情况下，在与绝缘基体9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9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9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，使电阻体3的热膨胀率接近绝缘基体9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所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所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。
就电阻体3的厚度(图2(b)所示的上下方向的厚度)而言，0.5mm～1.5mm为佳，就电阻体3的宽度(图2(b)所示的水平方向的宽度)而言，0.3mm～1.3mm为佳。通过设为该范围内，能够较小地形成电阻体3的电阻值而使其充分发热。另外，在绝缘基体9例如为层叠对开的成形体而形成的层叠结构的情况下，能够保持层叠结构的绝缘基体9的层叠界面的密接性。
接合于电阻体3的端部的引线8能够使用将W、Mo、Ti等碳化物、氮化物、硅化物等作为主成分的材料，例如与电阻体3相比更多含有绝缘基体9的形成材料，或与电阻体3相比较大地形成截面积等，为与电阻体3相比单位长度的电阻值变低的材料。
该引线8能够用与发热体3相同的材料形成。尤其，在与绝缘基体1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，在绝缘基体1包括氮化硅质陶瓷的情况下，优选引线8以无机导电体的WC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8的热膨胀率接近绝缘基体9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8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％。需要说明的是，引线8除了与电阻体3相比增大截面积之外，可以通过与电阻体3相比较少地形成绝缘基体9的形成材料的含量，而使每单位长度的电阻值变低。
并且，如图1及图2所示那样，引线8与电阻体3相比为较粗的形状，以电阻体3的端部进入引线8的前端部的方式连接，并且在电阻体3的端面设置凹部31，且引线8的一部分进入该凹部31。即，电阻体3与引线8的接合部成为以下的结构，即，首先电阻体3的端部进入引线8的前端部，并且引线8的一部分进入设置于进入引线8的前端部的电阻体3的端面的凹部31的结构。需要说明的是，在此所谓的接合部是指在与引线8的轴方向平行的截面观察时，电阻体3和引线8的界面存在的区域。
优选电阻体3的端部例如进入引线8的前端部0.1mm～1.0mm，设置于电阻体3的端面的凹部31的深度与电阻体3的端部的进入引线8的前端部的量对应而不同，但例如为0.01～0.3mm。作为凹部31的形状，截面形状(开口部形状)能够举出为圆形、椭圆形、多边形等，但在凹部31的截面形状为圆形的情况下，优选直径例如为0.05～1.3mm。
通过这样的结构，即使快速升温时大电流流动，也能够使电阻体3的内侧的热向与电阻体3相比电阻值低的引线8散逸。因此能够抑制热停滞于接合部，从而减少由于发热而引起的负荷。
即，凹部31的内侧与电阻体3相比成为作为低电阻的引线8的组成，因此发热负荷减少，从而能够降低应力。
其结果是，即使快速升温时大电流流动，也能够抑制裂纹进入接合部。进而，即使反复使电流流动而使温度上下变动也能够抑制裂纹进入接合部，从而提高加热器1的可靠性及耐久性。
在此，如图3和图4所示那样，在本实施方式的加热器1中，优选接合部的电阻体3的凹部31设置于电阻体3的端面的中央部。由此，即使快速升温时大电流流动而电阻体3急剧发热，也能够使在电阻体3的内部产生的不易散逸的热通过凹部31的内部的引线8而向外周方向大致均等地散逸。由此，能够减少应力集中，因此能够以即使长期使用而产品电阻不变化的方式构成。
需要说明的是，在图3所示的加热器1中，成为电阻体3的端部进入引线8的前端部的横截面大致中央部的形状，在图4所示的加热器1中，电阻体3的端部进入引线8的前端部的靠横截面内侧，在从自电阻体3至加热器1的表面的距离长而使用时绝缘性优异的方面，优选图4所示的形状。
另外，如图5(a)、图5(b)所示那样，优选在接合部的电阻体3的凹部31的内面没有拐角部。由于在凹部31的内面没有锐角的拐角部，即内面成为二次曲面，因此应力不集中于凹部31而不产生裂缝。其结果是，即使长期使用而产品电阻也不发生变化。因此，进一步提高加热器1的可靠性及耐久性。需要说明的是，图5(a)所示的加热器1成为在电阻体3的端面大致整个面设置凹部31的形状，图5(b)所示的加热器1成为仅在电阻体3的端面的大致中央部附近设置凹部31的形状，但在发热负荷更加降低且能够有效地减少应力的方面，优选图5(a)所示的形状。
另外，优选接合部的电阻体3的凹部31设置于电阻体3的两侧的端面。由此，能够与阳极侧、负极侧无关地减少由于发热而引起的负荷，因此即使不计较阳极侧、负极侧地设置而长期使用，产品电阻也不变化。因此，能够使加热器1的可靠性及耐久性更加提高。
需要说明的是，图1～图5所示的加热器1为电阻体3的端部被引线8的前端部包围的方式进入的形状的加热器。作为本发明的加热器，只要引线8为比电阻体3粗的形状，且以电阻体3的端部进入引线8的前端部的方式连接，电阻体3的端部不一定在全周被引线8的前端部包围，例如一部分或多个部位可以缺口。但优选电阻体3的端部以被引线8的前端部包围的方式进入。由此，通过快速升温时覆盖热膨胀的电阻体3的引线8发挥与热膨胀系数不同的绝缘性陶瓷的缓冲件的作用而减少应力集中，从而不产生裂缝。其结果是，即使长期使用而产品电阻不变化。因此，能够使加热器1的可靠性及耐久性更加提高。
如图6所示那样，优选本实施方式的加热器1作为具有该加热器1和与引线8电连接且保持加热器1的金属制保持部件7的电热塞使用。金属制保持部件7为保持加热器1的筒状体，用焊料等接合于引出于陶瓷基体9的侧面的一个引线8。由此，即使在高温的发动机中反复开／关而长期使用，加热器1的电阻不变化，因此任何时候都能够提供可点燃性优异的电热塞。
其次，对本实施方式的加热器1的制造方法进行说明。
本实施方式的加热器1例如能够通过用使用了电阻体3、引线8及绝缘基体9的形状的模具的喷射成形法等形成。
首先，制作成为包括导电性陶瓷粉末、树脂粘合剂等的、电阻体3及引线8的导电性膏剂，并且制作成为包括绝缘性陶瓷粉末、树脂粘合剂等的、绝缘基体9的陶瓷膏剂。
接着，用喷射成形法等使用导电性膏剂形成成为电阻体3的规定图案的导电性膏剂的成形体(成形体A)。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8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和与其连接的成形体B成为被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，将模具的一部分替换成绝缘基体9成形用的部分后，填充成为绝缘基体9的陶瓷膏剂于模具内。由此，得到用陶瓷膏剂的成形体(成形体C)覆盖成形体A及成形体B的加热器1的成形体(成形体D)。
其次，通过将得到的成形体D例如以1650℃～1800℃的温度、30MPa～50MPa的压力进行烧成，则能够制作加热器1。优选烧成在氢气等非氧化性气体气氛中进行。
实施例
如以下那样制作本发明的实施例的加热器。
首先，将含有碳化钨(WC)粉末50质量％、氮化硅(Si3N4)粉末35质量％、树脂粘合剂15质量％的导电性膏剂在模具内喷射成形而制作了成为电阻体的成形体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，形成了与成形体A连接且成为引线的成形体B。此时，使用具有各种形状的模具形成了电阻体与引线的接合部。
接着，在将成形体A及成形体B保持于模具内的状态下，将含有氮化硅(Si3N4)粉末85％质量％、作为烧结助剂的镱(Yb)的氧化物(Yb2O3)10质量％、用于使热膨胀率接近电阻体及引线的WC5质量％的陶瓷膏剂在模具内喷射成形。由此，形成了在成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放入圆筒状的碳制的模具后，在由氮气构成的非氧化气体气氛中且在1700℃、35MPa的压力下进行了热压烧结。在露出于得到的烧结体的表面的引线端部钎焊金属制保持部件而制作了加热器。
在此，作为实施例制作图2所示的方式。制作了以下的加热器，即，此时的电阻体3的上下方向的厚度为0.9mm、水平方向的宽度为0.6mm、电阻体3的端部进入引线8的前端部0.5mm、设置于电阻体3的端面的凹部31的深度为0.05mm、凹部31的直径为0.5mm。
另外，作为比较例，制作了以下的加热器，即，电阻体3的上下方向的厚度为0.9mm、水平方向的宽度为0.6mm、电阻体3的端部未进入引线8的前端部、在电阻体3的端面没有凹部31。
用这些加热器进行了冷热循环试验。冷热循环试验的条件为以下，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)设为一个循环，反复1万循环。
测定冷热循环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。另外，在该试料的电阻体与引线的连接部也没有局部发热的痕迹，也没有发现微裂纹。对此，比较例的试料的电阻变化为5％以上，确认了微裂纹。
【符号说明】
1-加热器
3-电阻体
31-凹部
4-发热部
7-金属制保持部件
8-引线
9-绝缘基体

Claims (5)

1.一种加热器，其特征在于，具有：
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且在前端侧与所述电阻体连接并且在后端侧导出于所述绝缘基体的表面的引线，
该引线为比所述电阻体粗的形状，以所述电阻体的端部进入所述引线的前端部的方式连接，并且在所述电阻体的端面设置凹部，所述引线的一部分进入该凹部，
所述电阻体的端部的全周以被所述引线的前端部包围的方式进入而连接，
所述电阻体的端部进入所述引线的前端部的靠横截面内侧。
2.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，
所述凹部设置于所述电阻体的端面的中央部。
3.根据权利要求1或2所述的加热器，其特征在于，
所述凹部的内面没有拐角部。
4.根据权利要求1或2所述的加热器，其特征在于，
所述凹部设置于所述电阻体的两侧的端面。
5.一种电热塞，其特征在于，具有：
权利要求1所述的加热器；
与所述引线电连接且保持所述加热器的金属制保持部件。
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