CN104396342A - 加热器及具备该加热器的电热塞 - Google Patents
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Abstract
本发明的加热器具备：由陶瓷构成的绝缘基体；埋设于绝缘基体的电阻体；和连接于电阻体的端部的引线，电阻体及引线均含有导电体及分散于导电体中的绝缘性陶瓷粒子，与引线中所含有的绝缘性陶瓷粒子相比，电阻体中所含有的绝缘性陶瓷粒子更小。
Description
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(glow plug)用的加热器、氧传感器等各种传感器用的加热器或测定设备的加热用的加热器等的加热器。另外，本发明涉及具备上述加热器的电热塞。
背景技术
使用于汽车发动机的电热塞等的加热器包括具有发热部的电阻体、引线及绝缘基体。并且，以引线的电阻值比电阻体的电阻值小的方式，进行引线及电阻体的材料的选定及形状的设计(例如参照专利文献1)。
近年，加热器处于比以往更加在高温环境下使用的倾向。因此，在加热循环中，有在加热器产生的热应力比以往带来更大的影响的可能性。
专利文献1：日本特开2002-334768号公报。
发明内容
本发明的加热器具备：由陶瓷构成的绝缘基体；埋设于该绝缘基体中的电阻体；连接于该电阻体的端部的引线，其中，所述电阻体及所述引线均含有导电体及分散于该导电体中的陶瓷粒子，与所述引线所含有的绝缘性陶瓷粒子相比，所述电阻体所含有的绝缘性陶瓷粒子更小。
另外，本发明为具备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。
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简要纵剖视图，(b)是(a)所示的区域A的主要部分放大图。
图2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剖视图。
图3是表示本发明的加热器的实施方式的另一例的简要纵剖视图。
图4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10的实施方式的例子进行详细说明。
本实施方式的加热器10具备：由陶瓷构成的绝缘基体1、埋设于绝缘基体1的电阻体2、和连接于电阻体2的端部的引线3。电阻体2及引线3均含有导电体21、31及绝缘性陶瓷粒子(以下，只称为陶瓷粒子)22、32。并且，与引线3所含有的陶瓷粒子32相比，电阻体2所含有的陶瓷粒子32更小。
本实施方式的加热器10中的绝缘基体1例如为棒状。该绝缘基体1被覆于导体线路6(电阻体2及引线3)。换言之，导体线路6(电阻体2及引线3)埋设于绝缘基体1。在此，绝缘基体1用陶瓷形成。由此，能够提高绝缘基体1的耐热性。其结果是，提高加热器10的高温环境下的可靠性。具体而言，作为使用于绝缘基体1的陶瓷，能够举出氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷等具有电绝缘性的陶瓷。在本实施方式的加热器10中，绝缘基体1由氮化硅质陶瓷构成。氮化硅质陶瓷的强度、韧性、绝缘性及耐热性优异。该氮化硅质陶瓷用以下的方法得到。例如，针对主成分的氮化硅，作为烧结助剂而混合3～12质量％的Y2O3、Yb2O3或Er2O3等稀土类元素氧化物、0.5～3质量％的Al2O3及SiO2。此时，以烧结体中所含有的SiO2量成为1.5～5质量％的方式添加SiO2。接着，将得到的混合体成形为规定的形状。之后，例如通过在1650～1780℃进行热压烧成而能够得到氮化硅质陶瓷。
另外，在本实施方式中，将MoSi2或WSi2等分散于由氮化硅质陶瓷构成的绝缘基体1。在该情况下，能够使将氮化硅质陶瓷作为母材料的绝缘基体1的热膨胀系数接近于含有Mo或W等的导体线路6的热膨胀系数。由此，能够减少在绝缘基体1和导体线路6之间产生的热应力。其结果是，能够提高加热器10的耐久性。
在绝缘基体1中埋设有电阻体2。电阻体2具有主要作为发热的区域的发热部20。在电阻体2具有图1(a)所示那样的折回形状的情况下，折回的中间点附近最发热。在该情况下，折回的中间点附近成为发热部20。
该电阻体2将W、Mo或Ti等金属或者这些金属的碳化物、氮化物或硅化物等作为主成分。该主成分为所述的导电体21。需要说明的是，如图1(b)所示，导电体21可以为粒子状，但并不限于此。导电体21例如也可以为鳞片状或针状等。
在本实施方式的加热器10中，电阻体2含有碳化钨(WC)作为导电体21。这是因为构成绝缘基体1的氮化硅质陶瓷和构成电阻体2的WC的热膨胀系数的差较小。另外，作为电阻体2的材料，WC在具有高耐热性的方面也优异。进而，在本实施方式中，在电阻体2中将WC设为主成分，且在该WC中添加有20质量％以上的氮化硅。该氮化硅为所述的陶瓷粒子22。在由氮化硅质陶瓷构成的绝缘基体1中，成为电阻体2的导电体21与氮化硅相比热膨胀系数大。因此，在加热循环下，在绝缘基体1和电阻体2之间施加热应力。在此，通过在电阻体2中添加氮化硅作为陶瓷粒子22，使电阻体2的热膨胀系数接近绝缘基体1的热膨胀系数。由此，能够减少加热器10的升温时及降温时在绝缘基体1和电阻体2之间产生的热应力。
另外，在电阻体2中所含有的氮化硅的含量为40质量％以下时，电阻体2的电阻值的偏差变小，因此能够容易进行电阻值的调整。
因此，在本实施方式的加热器10中，电阻体2中所含有的氮化硅的含量为20～40质量％。另外，作为添加于电阻体2的添加物，也能够替代氮化硅而添加4～12质量％的氮化硼。
另外，在本实施方式的加热器10中，电阻体2的厚度例如为0.5～1.5mm。另外，电阻体2的宽度例如为0.3～1.3mm。通过在该范围内设定电阻体2的厚度和宽度，能够较大地形成电阻体2的电阻。由此，能够使电阻体2效率良好地发热。
在与电阻体2的端部连接的引线3中，将W、Mo或Ti等金属或者这些金属的碳化物、氮化物或硅化物等设为主成分。该主成分为所述的导电体31。引线3能够使用与电阻体2相同的材料。在本实施方式的加热器10中，引线3含有WC作为导电体31。这是因为构成绝缘基体1的氮化硅质陶瓷与WC的热膨胀系数的差较小。进而，在本实施方式中，在引线3中，将WC设为主成分，且在该WC中添加15质量％以上的氮化硅。该氮化硅为所述的陶瓷粒子32。越增加引线3中的氮化硅的含量，越能够使引线3的热膨胀系数接近绝缘基体1的热膨胀系数。由此，能够减少在引线3和绝缘基体1之间产生的热应力。另外，在氮化硅的含量为40质量％以下时，能够减少引线3的电阻值的偏差，因此能够容易进行电阻值的调整。因此，在本实施方式的加热器10中，引线3中所含有的氮化硅的含量为15～40质量％。
在本实施方式的加热器10中，与引线3中的电流的流动方向垂直的方向的截面积，比与电阻体2中的电流的流动方向垂直的方向的截面积大。具体而言，引线3的截面积为电阻体2的截面积的2～5倍左右的大小。由此，能够使引线3的电阻小于电阻体2的电阻。换言之，使电阻体2的电阻大于引线3的电阻。如此，将加热器10设计成在电阻体2发热。具体而言，在本实施方式的加热器10中，引线3的厚度例如为1～2.5mm。另外，在本实施方式的加热器10中，引线3的宽度例如为0.5～1.5mm。
需要说明的是，通过使引线3中的陶瓷粒子32的含量少于电阻体2中的陶瓷粒子22的含量，可以使引线3的电阻值小于电阻体2的电阻值。
在此，导体线路6(电阻体2及引线3)中含有导电体21、31和陶瓷粒子22、32。并且，电阻体2中所含有的陶瓷粒子22比引线3中所含有的陶瓷粒子32小。由此，在加热循环中，能够使在电阻体2和绝缘基体1之间产生的热应力的大小接近于在引线3和绝缘基体1之间产生的热应力的大小。其结果是，能够降低在加热器10的内部产生的热应力偏离于特定的部位。
具体而言，通过较小地形成电阻体2中所含有的陶瓷粒子22，电阻体2中所含有的陶瓷粒子22的比表面积变大。通过使比表面积较大的陶瓷粒子22分散于导电体21，电阻体2相对地不容易热膨胀。相反，通过较大地形成引线3中所含有的陶瓷粒子32，引线3中所含有的陶瓷粒子32的比表面积变小。通过使比表面积较小的陶瓷粒子32分散于导电体31，引线3相对地容易热膨胀。另一方面，若关注于使用加热器10时的加热器10的温度分布，则发热的电阻体2相对地成为较高的温度，且引线3相对地成为较低的温度。即，通过使电阻体2中所含有的陶瓷粒子22比引线3中所含有的陶瓷粒子32小，能够使相对地成为较高的温度的电阻体2不容易热膨胀，且相对地成为较低的温度的引线3容易热膨胀。由此，能够减少在使用加热器10时在电阻体2和绝缘基体1之间产生的热应力与在引线3和绝缘基体1之间产生的热应力的差。
在此，引线3中所含有的陶瓷粒子32的平均粒径例如为0.1～15μm。电阻体2中所含有的陶瓷粒子22的平均粒径为引线3中所含有的陶瓷粒子的平均粒径的20％以上且90％以下的大小，优选为50％以上且70％以下的大小。
该陶瓷粒子22、32的平均粒径如以下那样测定即可。在埋设有电阻体2或引线3的任意的部位截断加热器10，用扫描电子显微镜(SEM)或金属显微镜观察截面部分。在得到的图像上画出任意的五根直线，能够将横穿过该直线的粒子50个份儿的长度的平均值设为平均粒径。该平均粒径的求法为所谓的弦长法(chord length method)。另外，代替上述那样的弦长法，也能够用Nirec公司制图像分析装置LUZEX-DS(ニレコ社製画像解析装置LUZEX-FS)求出平均粒径。
另外，在本实施方式的加热器10中，构成导体线路6(电阻体2及引线3)的陶瓷粒子22、32由与形成绝缘基体1的陶瓷相同的材料构成。由此，在导体线路6(电阻体2及引线3)变成高温时，能够减少在与绝缘基体1之间产生的热应力。由此，能够减少在导体线路6和绝缘基体1的界面产生裂纹。需要说明的是，所谓陶瓷粒子22、32是与形成绝缘基体1的陶瓷相同的材料，并不限于陶瓷粒子22、32由与绝缘基体1完全相同的陶瓷构成。具体而言，包括陶瓷粒子22、32的主成分与绝缘基体1的主成分由相同陶瓷构成的情况。例如，在绝缘基体1为将氮化硅设为主成分且在其中含有烧结助剂成分的陶瓷的情况下，能够举出陶瓷粒子22、32由氮化硅构成的情况。
另外，在本实施方式的另一例子中，如图2所示，电阻体2及引线3中所含有的陶瓷粒子22、32均为针状的粒子。在该情况下，与引线3中所含有的陶瓷粒子32的长轴的长度相比，电阻体2中所含有的陶瓷粒子22的长轴的长度较短。
具体而言，在本发明的另一实施例中，在用上述的弦长法观察引线3中所含有的陶瓷粒子32时，横穿过直线的粒子的纵横比(长轴的长度/短轴的长度)的平均值例如为1.5～10，长轴的长度的平均值例如为0.1～15μm。此时，在用弦长法观察电阻体2中所含有的陶瓷粒子22时，横穿过直线的粒子的纵横比(长轴的长度/短轴的长度)的平均值比引线3中所含有的陶瓷32的纵横比的平均值小。并且，电阻体2中所含有的陶瓷粒子22的长轴的平均值为引线3中所含有的陶瓷粒子32的长轴的平均值的90％以下。
通过使电阻体2及引线3中所含有的陶瓷粒子22、32均为针状的粒子，陶瓷粒子22彼此及陶瓷粒子32彼此分别相互缠绕，从而提高加热器10的强度。其结果是，能够减少由于外力而产生加热器10折断的可能性。
需要说明的是，并不限定于电阻体2及引线3中所含有的陶瓷22、32均为针状的粒子的情况，可以是引线3所含有的陶瓷粒子32为针状的粒子，而电阻体2所含有的陶瓷粒子22不为针状的粒子。另外，也可以是电阻体2所含有的陶瓷粒子22为针状的粒子，而引线3所含有的陶瓷粒子32不为针状的粒子。在这样的情况下，比较针状的粒子的长轴的长度和不是针状的粒子的长度(直径)，来评价粒子的大小。
另外，如图3所示，引线3可以以将电阻体2的端部包在里面的方式与电阻体2的端部连接。电阻体2的端部有热应力容易集中的倾向，但通过用引线3将该部分包在里面，能够减少在与绝缘基体1之间产生热应力。由此，在电阻体2的表层部的陶瓷粒子22和导电体21之间不容易产生裂纹。其结果是，能够减少电阻体2的电阻值的变化。
如图4所示，本实施方式的加热器10能够作为具备与引线3电连接且保持加热器10的金属制保持部件4的电热塞100使用。具体而言，在本例的电热塞100中，金属制保持部件4(护套件)与一个引线3电连接。例如电极5与另一个引线3电连接。作为电极5，能够使用帽式(cap type)电极等。另外，作为电极5的另一例，例如也能够使用金属丝等。
需要说明的是，金属制保持部件4(护套件)为保持加热器10的金属制的筒状体。用焊料等接合于在绝缘基体1的侧面引出的一个引线3。另外，用焊料等将电极5接合于在绝缘基体1的后端引出的另一个引线3。由于本例的电热塞100具备减少了在电阻体2和绝缘基体1之间产生的热应力与在引线3和绝缘基体1之间产生的热应力之差的加热器10，从而提高了耐久性。
其次，对本实施方式的加热器10的制造方法进行说明。
本实施方式的加热器10例如能够用喷射成形法等形成。
首先，作为导电体21、31的材料，准备WC、WSi2、MoSi2或SiC等导电性陶瓷粉末。另外，作为陶瓷粒子22、32的材料，准备Si3N4、Al2O3、ZrO2或AIN等绝缘性陶瓷粉末。接着，使用导电性陶瓷粉末制作成为电阻体2或引线3的导电性膏剂。接着，使绝缘性陶瓷粉末分散于导电性膏剂。此时，添加于成为电阻体2的导电性膏剂中的绝缘性陶瓷粉末，使用与添加于成为引线3的导电性膏剂中的绝缘性陶瓷粉末相比粒径小的粉末。另外，制作成为含有绝缘性陶瓷粉末及树脂粘合剂等的绝缘基体1的陶瓷膏剂。
接着，使用导电性膏剂用喷射成形法等形成成为电阻体2的规定图案的导电性膏剂的成形体(成形体a)。接着，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，成形成为引线3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1成形用的模具。接着，在模具内填充成为绝缘基体1的陶瓷膏剂。由此，得到用陶瓷膏剂的成形体(成形体c)覆盖了成形体a及成形体b的加热器10的成形体(成形体d)。
接着，通过将得到的成形体d例如以1650℃～1780℃的温度、30MPa～50MPa的压力进行烧成，则能够制作加热器10。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。
实施例
说明本发明的加热器10的实施例。作为试料2、3，用上述的制造方法制作了两个试料。进而，作为比较例，制作了试料1。具体而言，在试料1～3中，绝缘基体1以氮化硅作为主成分，电阻体2及引线3以WC作为主成分。并且，在试料1～3中，使氮化硅作为绝缘性陶瓷粒子22、32分散于电阻体2及引线3中。分散的绝缘性陶瓷粒子22、32的粒径为以下。在试料1中，使平均粒径10μm的绝缘性陶瓷粒子22分散于电阻体2中，且使平均粒径8μm的绝缘性陶瓷粒子32分散于引线3中。在试料2中，使平均粒径6μm的绝缘性陶瓷粒子22分散于电阻体2中，且使平均粒径8μm的绝缘性陶瓷粒子32分散于引线3中。在试料3中，使平均粒径4μm的绝缘性陶瓷粒子22分散于电阻体2中，且使平均粒径8μm的绝缘性陶瓷粒子32分散于引线3中。
需要说明的是，绝缘基体1的横截面的外周形状为圆形。另外，电阻体2及引线3的横截面的外周形状为椭圆形。并且，绝缘基体1的直径为3.5mm，电阻体2及引线3的厚度为1.3mm，宽度为0.6mm。
使用这些加热器10进行了循环试验。循环试验的条件为以下。首先，以电阻体2的温度成为1400℃的方式对加热器10进行五分钟的通电，之后，停止通电放置两分钟。将此设为一个循环，进行了一万个循环的加热循环试验。将其结果表示于表1。
[表1]
测定了加热循环试验前和试验后的加热器10的电阻值的变化，本发明的实施例的试料(试料2、3)的电阻变化率为1％以下。另外，观察了电阻体2和引线3，分别在两者的连接部也没有观察到裂纹的产生。对此，比较例的试料(试料1)的电阻变化率为40％。另外，在电阻体2和引线3的连接部产生了裂纹。根据以上的结果可知，通过使用本发明的结构，能够减少在加热器10产生的热应力。
【符号说明】
1-绝缘基体
2-电阻体
10-加热器
100-电热塞
20-发热部
3-引线
21、31-导电体
22、32-绝缘性陶瓷粒子
4-金属制保持部件
5-电极
6-导体线路
Claims (5)
1.一种加热器，具备：由陶瓷构成的绝缘基体；埋设于该绝缘基体中的电阻体；和与该电阻体的端部连接的引线，其中，
所述电阻体及所述引线均含有导电体及分散于该导电体中的绝缘性陶瓷粒子，所述电阻体中所含有的所述绝缘性陶瓷粒子比所述引线中所含有的所述绝缘性陶瓷粒子小。
2.根据权利要求1所述的加热器，其中，
所述电阻体及所述引线中所含有的所述绝缘性陶瓷粒子均由针状的粒子构成，所述电阻体中所含有的所述绝缘性陶瓷粒子的长轴的长度比所述引线中所含有的所述绝缘性陶瓷粒子的长轴的长度短。
3.根据权利要求1或2所述的加热器，其中，
所述绝缘性陶瓷粒子由与形成所述绝缘基体的所述陶瓷相同的材料构成。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的加热器，其中，
所述引线以将所述电阻体的端部包在里面的方式与所述电阻体的端部连接。
5.一种电热塞，具备：
权利要求1所述的加热器；和
与所述导体线路电连接且保持所述加热器的金属制保持部件。
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