CN1942709B - 陶瓷加热器及其制造方法、以及使用陶瓷加热器的电热塞 - Google Patents

Abstract

提供一种陶瓷加热器，其中加热部与引线部之间的接合部的损坏得到抑制，并且可靠性良好。陶瓷加热器(1)包括：由绝缘陶瓷制造的杆状支撑件(2)；以及电阻器元件(3)，其包括埋设于所述支撑件(2)的顶端部分中的加热部(31)和从所述加热部(31)向所述支撑件(2)的后端侧延伸的一对引线部(33)，在所述陶瓷加热器(1)中，所述加热部(31)和引线部(33)由相同的导电陶瓷制造。

Description

陶瓷加热器及其制造方法、以及使用陶瓷加热器的电热塞

技术领域

本发明涉及一种陶瓷加热器、制造所述陶瓷加热器的方法、及使用陶瓷加热器的电热塞(glow plug)，更具体地，本发明涉及一种适合于用于起动柴油发动机的电热塞的陶瓷加热器、制造所述陶瓷加热器的方法、及使用所述陶瓷加热器的电热塞。

背景技术

传统地，封装加热器(sheath heater)被用来起动柴油发动机，在所述封装加热器中，埋设于绝缘粉(insulating powder)中的加热线圈被放置在具有底部的圆筒金属壳中。然而，在这样的封装加热器中，导热率低，且由于加热线圈被埋设于绝缘粉中，因此需要很长时间来升高温度。最近，需要将加热器的加热温度升高到1000℃或更高，以及趋向于延长加热器甚至在发动机起动后产生热量的余辉(afterglow)时间段。对于这些需求，由于加热线圈由金属制造，封装加热器具有耐久性的问题。

因此，已经研制了陶瓷加热器，在所述陶瓷加热器中，主要包括如碳化钼或硅化钼等的导电陶瓷材料和如氮化硅等的绝缘陶瓷部件的加热部被埋设于由在高温下具有高抗腐蚀性的氮化硅陶瓷制造的支撑件中，从而提高导热率并且使得能够快速升高温度。

公开了如下实例，在所述实例中，在这种陶瓷加热器中，连接到内部加热部的引线部仅由如钨(W)等的金属线来配置，以及这种引线部由低电阻陶瓷材料和金属线二者来配置(例如，参见专利参考文献1和2)。

专利参考文献1：JP-A-4-268112

专利参考文献2：JP-A-2002-334768

发明内容

本发明要解决的问题

然而，在制造上述陶瓷加热器中，除了所述支撑件外，还需要至少两种、至多四种材料。如上所述的陶瓷加热器存在的问题在于加热部与引线部之间的热膨胀系数的差异导致所述两部分之间的接合部易于破裂。

本发明是为了解决上述问题而作出的。本发明的目的是提供一种陶瓷加热器，以及制造所述陶瓷加热器的方法和使用所述陶瓷加热器的电热塞，在所述陶瓷加热器中，加热部与引线部之间的接合部的损坏得到抑制，并且可靠性良好。

解决问题的方式

本发明的陶瓷加热器是具有以下部分的陶瓷加热器：杆状支撑件，其沿轴向延伸且由绝缘陶瓷制造；以及电阻器元件，其包括一对引线部以及埋设于支撑件的顶端部分中的加热部，所述引线部包括：连接至加热部的一端、从支撑件的后端露出的另一端、以及从支撑件的外周面露出的端子部分，其中，加热部和引线部由相同的导电陶瓷制造。

如上所述，电阻器元件，即加热部和一对引线部由相同的导电陶瓷制造，从而可提供一种陶瓷加热器，象传统陶瓷加热器中由于加热部与引线部之间热膨胀系数的差异而导致的在接合部中的损坏可得到抑制，并且可靠性良好。在所述电阻器元件中，加热部和引线部可由相同的导电陶瓷分开生产，然后被接合在一起。然而，考虑到接合它们的步骤、为此造成的成本等，更优选一体地模制由加热部和引线部配置的电阻器元件。

在本发明的陶瓷加热器中，优选每瓦最大加热温度是18.4到30.0(℃/W)。在本发明的陶瓷加热器中，由相同的导电陶瓷来构造加热部和引线部，因此难以使作为陶瓷加热器特征的顶端部分集中产生热。然而，陶瓷加热器被如上述配置，因此可在陶瓷加热器的顶端部分中集中高效地产生热。

当每瓦的最大加热温度小于18.4(℃/W)时，则在整个陶瓷加热器中产生热，难以使顶端部分集中产生热。与引线部相比，用于产生热的加热部的体积相对较大，加热部自身在产热时因为热膨胀而损坏，可能降低通电耐久性。因此，这不是优选的。此外，陶瓷加热器的能耗大，因此引出电极的部分的温度变得更高，电极引出的可靠性降低。因此，这不是优选的。当每W的加热温度超过30.0(℃/W)，产生的热过分集中到陶瓷加热器的顶端部分，从而，当陶瓷加热器被用来起动电热塞时，起动性能降低。与引线部相比，用于产热的加热部的体积相对较小，因此难以生产加热部。

通过使用辐射温度计对陶瓷加热器测量最大加热温度。此外，每瓦的最大加热温度是当陶瓷加热器产生热时通过用此时的能耗除最大加热温度所获得的值。例如，在最大加热温度为1200℃且能耗是40W的情况下，每瓦的最大加热温度是1,200(℃)/40(W)＝30(℃/W)。能耗是陶瓷加热器1中整个电阻器元件3的能耗。

在本发明的陶瓷加热器中，优选地，包括在从支撑件的顶端到支撑件整个长度的1/3的范围内的电阻器元件部分的电阻与电阻器元件的电阻之比是0.48到0.80。根据所述配置，可在陶瓷加热器的顶端部分中集中高效地产生热。当电阻比小于0.48时，上述每瓦最大加热温度易于变成比预定值小，这可导致通电耐久性降低并增加能耗。因此，这不是优选的。当电阻比超过0.80时，上述每瓦最大加热温度易于变成超出预定值，在电热塞中使用的情况下的起动性能降低，并且难以生产加热部。因此，这不是优选的。

权利要求书中的术语“所述电阻器元件的电阻”意味着被布置在电阻器元件从支撑件露出之处的两部分(端子部之间、电极部之间、或者端子与电极部之间)之间的电阻。在电阻器元件从支撑件露出之处是三部分或更多部分的情况下，这些术语意味着实际用于供电到加热器的两部分之间的电阻。

在本发明的陶瓷加热器中，优选地，在25℃下的电阻器元件的电阻等于或小于420mΩ。当25℃下的电阻器元件3的电阻被设定为420mΩ或更小，能够使温度迅速上升。例如，当在室温下电阻器元件的电阻被设定为420mΩ或更小时，易于获得在施加11V电压的情况下，在2秒内达到1,000℃的陶瓷加热器。例如，可通过调节构成电阻器元件的导电陶瓷的成分、或通过调节生产电阻器元件时的烧结温度，来调节在25℃下的电阻器元件的电阻。

在本发明的陶瓷加热器中，优选地，加热部的截面积S1比引线部的截面积S2小。当加热部的截面积S1这样比引线部的截面积S2小时，仅陶瓷加热器的顶端部分可高效地产生热。加热部和引线部的截面积S1、S2是垂直于传导路径的截面积。

优选地，加热部的最小截面积S1相对于引线部的截面积S2处于1/2.6至1/25.5的范围内。根据所述配置，可以获得能耗受到抑制、温度能够迅速升高、以及提供足够的通电耐久性的陶瓷加热器。在加热部的最小截面积S1小于引线部的截面积S2的1/25.5的情况下，即S1/S2＜1/25.5，加热部占据垂直于支撑件轴向的截面的截面积过分小，使得支撑件的表面温度可能根据位置而极大地变化，可能在陶瓷加热器中出现温度变化。当加热部的截面积减小时，可能难以生产加热部。相反，当加热部的最小截面积S1超过引线部的截面积S2的1/2.6时，即S1/S2＞1/2.6，加热部的截面积过分大，使得能耗可能大。此外，存在电阻器元件的热膨胀系数大于支撑件的热膨胀系数、由于热膨胀系数的差异加热部受到应力、加热部易于损坏、通电耐久性降低的可能。

在本发明中，电阻器元件的加热部的截面积在从一个端部到另一端部的范围上未必相同。只要最小面积包括在上述截面积之比中，可包括不同的截面积。

在本发明的陶瓷加热器中，优选地，加热部具有沿轴向延伸、且分别连接到该对引线部的一对连接部，并且其中一个连接部的中心轴线被定位在其中一个连至所述连接部的引线部的中心轴线的外侧。根据所述配置，加热部更靠近支撑件的外周，使得在加热部中产生的热可被高效地传输到陶瓷加热器的外表面，并且热在陶瓷加热器的顶端部分中高效地产生。

通常，这种陶瓷加热器的电阻器元件通过注射模塑法来生产。当这种电阻器元件将通过注射模塑法生产时，使用一对上部和下部模具(金属模具)，其中与电阻器元件对应的空腔(凹槽)形成在模具匹配面(合模面)中。在生产这种电阻器元件时，形成电阻器元件的材料(原料)被注射到通过闭合上部和下部模具而形成的空腔中，凝固后，模具被打开以取出电阻器元件。这时，为了从模具(内面)平稳地分开并取走电阻器元件，使用放置了用于弹出电阻器元件的起模杆(柱状推杆)的模具。在该模具开口处，起模杆被推向空腔，电阻器元件从空腔的底面轻微分开。

为了确保从空腔内面分离电阻器元件、并平稳地取出所述电阻器元件，起模杆必须被布置为在整个电阻器元件上恰当地分布。有时，起模杆也被设置在电阻器元件的引线部之外的加热部中。此时，抵靠加热部的起模杆还必须变细。由于起模杆更细，所以更易于发生变形和损坏(扭曲和弯曲)。因此，可考虑将电阻器元件从模具取出，而不使起模杆抵靠加热部。然而，可能出现的问题是，例如加热部不能平稳地从成形型面分离，从而导致加热部扭曲或变形，或者在所述部分的根部出现破裂。

因此，本发明的陶瓷加热器在加热部的一部分中具有扁平部，加热部的该扁平部在加热部的截面中的宽度w大于加热部的垂直于宽度的厚度h，并且加热部的该扁平部的宽度大于加热部的其他部分的宽度。当将扁平部这样布置在加热部的一部分中时，起模杆可抵靠扁平部。因此，当将电阻器元件从模具取出时，电阻器元件可易于从成形型面分离，并且加热部扭曲或变形、或者在所述部分根部出现破裂的现象可被抑制。此外，不必使起模杆变细，因此起模杆的变形或损坏也可得到抑制。作为扁平部的一个实例，可采用包括凸起的部分，所述凸起通过局部地升高加热部以突出到外部而形成。

在本发明的陶瓷加热器中，当该加热器由经过引线部的中心轴线的截面切割时，优选地，凸起被布置在加热部的内部。当凸起这样被布置在加热部内部时，加热部更靠近支撑件的外周，在加热部中产生的热可被高效地传输到陶瓷加热器的外表面，热在陶瓷加热器的顶端部分中高效地产生。

本发明的陶瓷加热器可被用作电热塞。在该情况下，优选地，电热塞具有：金属外管，其使陶瓷加热器的加热部突出，且其沿圆周方向包围加热部；以及金属壳，其使金属外管的顶端侧突出且其保持金属外管，并且加热部的后端与金属外管的顶端面之间的轴向距离D等于或大于2mm。最近，在电热塞中，倾向于将加热部更靠近顶端放置，以在燃烧室的内部位置进行加热，因此陶瓷加热器的纵向长度倾向于加长。于是，陶瓷加热器的强度出现问题。金属外管的使用保持了陶瓷加热器的强度。当距离D等于或大于2mm时，由金属外管传导走陶瓷加热器的加热部产生的热可被抑制，可高效地进行加热。当距离D小于2mm时，由加热部产生的热被金属外管传导走，结果是电热塞的温度升高延迟，于是增加了加热到预定温度的能耗。

生产本发明的陶瓷加热器的方法是生产具有如下部分的陶瓷加热器的方法：杆状支撑件，其由绝缘陶瓷制造；以及电阻器元件，其由支撑件的顶端部中埋设的加热部和一对引线部来配置，所述引线部从加热部向支撑件的后端侧延伸，其中，加热部的截面积S1小于引线部的截面积S2，加热部的一部分具有扁平部，加热部的该扁平部在加热部的截面中的宽度w大于加热部的垂直于宽度的厚度h，所述方法包括：通过使用模具注射模塑成形未烧结的电阻器元件的步骤(模塑步骤)，所述未烧结的电阻器元件由相同的导电陶瓷材料制造，且在烧结后形成为电阻器元件；在未烧结的电阻器元件中使起模杆抵靠在烧结后形成为扁平部的未烧结扁平部和在烧结后形成为引线部的未烧结引线部的步骤(脱模步骤)，由此从模具移走；在未烧结支撑件中埋设未烧结电阻器元件的步骤(埋设步骤)，所述未烧结支撑件在烧结后形成为支撑件；以及烧结其中埋设有未烧结电阻器元件的未烧结支撑件的步骤(烧结步骤)。

在所述配置中，在脱模步骤中，起模杆抵靠未烧结扁平部和未烧结引线部以从模具将其推出，由此，当未烧结电阻器元件将从模具取出时，未烧结电阻器元件可易于从成形型面分离，并且未烧结加热部扭曲或变形、或者在所述部分的根部中出现破裂的现象可被抑制。

在生产本发明的陶瓷加热器的方法中，优选地，起模杆包括：第一起模杆，其在将抵靠未烧结引线部的起模杆当中最靠近未烧结加热部；第二起模杆，其将抵靠邻近第一起模杆的未烧结扁平部；以及第三起模杆，其抵靠邻近第一起模杆的未烧结引线部，并且第一起模杆与第二起模杆之间的轴向距离比第一起模杆与第三起模杆之间的轴向距离短。根据所述配置，关于具有小截面积的未烧结加热部，可以以减小的间隔放置起模杆。当未烧结电阻器元件将被从模具取出时，未烧结电阻器元件可易于从成形型面分离，并且未烧结加热部扭曲或变形、或者所述部分的根部中出现破裂的现象可被抑制。

附图说明

图1是示出本发明的陶瓷加热器的一个实例的截面图。

图2是示出图1中截面A-A的截面图。

图3是示出图1中截面B-B的截面图。

图4是本发明的电阻器元件的第一实施例的正视图(平面图)、主要部分的放大图、以及主要部分放大图的进一步局部放大图。

图5是电阻器元件的另一实例的正视图(平面图)、以及主要部分的放大图。

图6是图解制造未烧结电阻器元件的步骤的截面图，A是示出模具关闭后，进行注射的状态的图；B是示出在上模的起模杆(ejector pin)保持抵靠未烧结电阻器元件的同时，上模升起的状态的图；C是示出上模升高打开模具，未烧结电阻器元件通过下模的起模杆突出的状态的图，该图省略了上模。

图7是示出本发明的电热塞的截面图。

图8是示出制造陶瓷加热器的实例的截面图。

图9是示出制造陶瓷加热器的实例的截面图。

图10是示出制造陶瓷加热器的实例的截面图。

图11是示出测量加热温度和能耗的方法的图。

附图标记的说明

1：陶瓷加热器；2：支撑件；3：电阻器元件；31：加热部；

33：引线部；4：凸起；200：电热塞

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明。

图1是示出本发明的陶瓷加热器1的实例的截面图。在本发明的陶瓷加热器1中，电阻器元件3被埋设在沿轴线方向O延伸的杆状支撑件2中。支撑件2由绝缘陶瓷制造。其中一个端部是顶端2a(图1的左侧)，而另一个端部是后端2b(图1的右侧)。

构成支撑件2的绝缘陶瓷的实例是氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷的结构具有以下形式：由于烧结将稍后说明的辅助成分等，主要包括氮化硅(Si₃N₄)的主相颗粒通过晶界相而结合在一起。主相可以用Al或0、或者如处于一定相的Li、Ca、Mg或Y的金属原子的固溶体代替一部分Si或N。

例如，由以下分子式表示的硅铝氧氮陶瓷(sialons)作为例子：

β-硅铝氧氮陶瓷：Si6-zAlzOzN8-Z(z＝0到4.2)

α-硅铝氧氮陶瓷：Mx(Si，Al)12(O，N)16(x＝0到2)

M：Li、Mg、Ca、Y、或R(R为不包括La和Ce的稀土元素)

在氮化硅陶瓷中，按照氧化物在整个烧结体中的含量，可包含1质量％到10质量％的至少选自元素周期表中的3A、4A、5A、6A、3B(例如Al)和4B(例如Si)族的元素族以及Mg的一种作为阳离子元素。这些成分主要以氧化物的形式加入，且在烧结体中，主要以氧化物或如硅酸盐等的复合氧化物的形式包含。

当烧结辅助成分小于1质量％时，难以获得致密的烧结体。当烧结辅助成分超过10质量％时，将出现强度、韧性、及耐热性的不足。优选地，烧结辅助成分的含量为2质量％到8质量％。当稀土元素被用作烧结辅助成分时，可使用Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、或Lu。在这些元素当中，Tb、Dy、Ho、Tm和Yb具有加速晶界相结晶并提高高温强度的效果，因此可优选使用。

特别地，当以高温进行加热时，期望尽可能地降低氮化硅陶瓷的Mg或Al的含量。更优选地，必须尽可能地降低作为所使用材料或生产工艺中不可避免的杂质的1A和2A族元素的进入。

再次参照图1，埋设于支撑件2中的电阻器元件3由加热部31、一对连接部32和一对引线部33来构成。加热部31具有由折叠部分311和一对连接部分312形成的类似U状。折叠部分311被埋设在支撑件2的顶端2a附近中。该对连接部分312的顶端分别被连接至折叠部分311的两端。该对连接部分312沿轴线方向O延伸。该对连接部分312的后端分别被连接到该对连接部32的顶端。连接部32具有从顶端2a向后端2b直径逐渐增大的锥形。该对连接部32的后端分别被连接到该对引线部33。引线部33的另一端延长，以从支撑件2的后端2b露出。端子部分34被布置在该对引线部33中，以从支撑件2的外周面露出。

在陶瓷加热器1中，构成电阻器元件3的加热部31、连接部32、引线部33和端子部分34由相同的导电陶瓷制造。导电陶瓷的实例为碳化钨(WC)、二硅化钼(MoSi₂)、二硅化钨(WSi₂)等的陶瓷。

当电阻器元件3，即加热部31和该对引线部33由如上所述的相同的导电陶瓷制造时，则可提供这样一种陶瓷加热器，其中，象在传统陶瓷加热器中由于加热部与引线部之间热膨胀系数的差异导致的接合部中的损坏可被抑制，并且可靠性良好。

构成电阻器元件3的导电陶瓷可包含构成支撑件2的陶瓷材料，如上述氮化硅陶瓷，以降低相对于支撑件2的线膨胀系数的差异，并提高抗热冲击性。当改变导电陶瓷中绝缘陶瓷成分的相对含量时，就可以将导电陶瓷的电阻率调节至期望值。

具体地，导电陶瓷中包含的绝缘陶瓷含量优选为50重量％或更少。当导电陶瓷中包含的绝缘陶瓷含量超过50重量％时，不能确保产生足够的热，因此不是优选的。

更优选地，导电陶瓷中的绝缘陶瓷含量为20重量％到50重量％。当导电陶瓷中的绝缘陶瓷成分的含量被设定在所述范围中时，则相对于支撑件2的线膨胀系数的差异可被降低以提高抗热冲击性。

在所述实施例中，陶瓷加热器1的每瓦(W)最大加热温度是26.5(℃/W)。由于每瓦最大加热温度是18.4到30.0(℃/W)，因此，可在陶瓷加热器1的顶端部分中集中高效地产生热。

在所述实施例的陶瓷加热器1中，电阻器元件3的包含在从支撑件2的顶端2a到该支撑件的整个长度(L1)的1/3的范围内的部分(L2)的电阻(R2)与电阻器元件3的电阻(R1)的比为0.53。由于电阻比(R2/R1)为0.48到0.80，这样可在陶瓷加热器的顶端部分中集中高效地产生热。

在所述实施例的陶瓷加热器1中，电阻器元件3在25℃时的电阻(R1)为330mΩ。当电阻器元件3在25℃时的电阻(R1)被设定为420mΩ或更小时，能够使温度迅速上升。

在所述实施例中，当电阻器元件3的加热部31的长度(La)是从折叠部分311的最顶端侧到加热部31的后端侧部分(加热部31与连接部32的界面部分)沿轴线方向O的长度时，该加热部的长度(La)为3.4mm。这样，优选地设定加热部31的长度(La)等于或大于1mm且等于或小于10mm。当加热部31的长度(La)小于1mm时，加热部31的体积太小以致于热被支撑件2移走，结果是温度升高被延迟，且用于加热至预定温度的能耗增加。因此，这不是优选的。相反，当加热部31的长度(La)大于10mm时，则加热部31的体积过大。因此，陶瓷加热器1的大于所需的宽度范围产生热，在所述情况下也增加了能耗。

在所述实施例中，当从加热部31与连接部32的界面部分到连接部32与引线部33的界面沿轴线方向O的长度为连接部32的长度(Lb)时，连接部32的长度(Lb)为1.6mm。优选地设定连接部32的长度(Lb)等于或大于1mm且等于或小于10mm。当连接部32的长度(Lb)小于1mm时，连接部32太短以致于强度不足，并且在加热部31与引线部33之间存在出现破裂的可能。相反，当连接部32的长度(Lb)大于10mm时，连接部32的长度过长，在连接部32中存在消耗大量电力的可能。

在所述实施例中，从支撑件2的顶端2a到电阻器元件3的折叠部分311的最顶端侧沿轴线方向O的距离(Lc)为1mm。优选地，进行埋设使得距离(Lc)等于或大于0.2mm并等于或小于1.0mm。当距离(Lc)小于0.2mm时，电阻器元件3从支撑件2的顶端2a露出的可能性高，因此电阻器元件3可能被氧化和断裂。相反，当所述距离大于1.0mm时，存在在顶端2a几乎不产生热的可能性，温度升高被延迟。

陶瓷加热器1的总长度和直径没有特别地限制。在通常形式中，陶瓷加热器具有总长度大于等于30mm且小于等于50mm、并且直径大于等于2.5mm且小于等于4.0mm的类似圆杆的形状。例如，支撑件2的表面层的最小厚度为大于等于100μm且小于等于500μm。

加热部31的每个连接部分312的中心轴线O2被定位在对应的其中一个引线部33的中心轴线O3的外侧。当其中一个连接部分312的中心轴线O2被定位在连接至连接部分312的其中一个引线部33的中心轴线O3的外侧时，加热部31更靠近支撑件2的外周，使得加热部31生的热可被高效地传导到陶瓷加热器的外表面1a，在陶瓷加热器1的顶端部中高效地产生热。

图2是示出图1所示的陶瓷加热器1中包括加热部31(连接部分312)的截面A-A的截面图，图3是示出包括引线部33的截面B-B的截面图的一个实例的截面图。A-A截面图是通过沿加热部31的最小截面切割而获得的。从图2和图3可明显看出，加热部31的截面积S1形成为小于引线部33的截面积S2。当加热部31的截面积S1以这种方式小于引线部33的截面积S2时，仅陶瓷加热器的顶端部可以高效地产生热。加热部31和引线部33的截面形状为椭圆形。

在所述实施例中，电阻器元件3的加热部31的截面积S1为0.48mm²，电阻器元件3的引线部33的截面积S2为1.68mm²。当陶瓷加热器1中的电阻器元件3的小直径部3a被调节到如上所述的大直径部3c的截面积的1/2.6到1/25.5的范围内时，可以获得能耗得到抑制、能够使温度迅速上升、且提供足够的通电耐久性的陶瓷加热器。

图4是通过仅提取并放大图1的陶瓷加热器1的电阻器元件3所获得的放大视图。尽管稍后将详细说明，由图4中虚线表示的圆形部P1到P7为起模杆(顶端面)T1到T7抵靠的位置，起模杆T1到T7被用于在作为处于未烧结状态的电阻器元件3的未烧结电阻器元件103通过注射模塑法制造出之后，从模具中取出未烧结电阻器元件。如图4所示，在电阻器元件3中，在位于加热部31的连接部分312的中间处内侧的部分以向内膨胀的形状膨胀地形成半弓形凸起4。尽管凸起4在图4中为半圆形，但厚度被设定为与连接部分312的直径相同。本实施例中连接部分312的厚度h1是薄的，例如0.56mm，凸起4的圆弧半径r1为0.4mm，凸起4存在的部分处连接部分312的宽度w1为0.9mm。因此，设定为使得直径为例如0.8mm的柱状起模杆T7的顶端面可抵靠连接部分312的与凸起4对应的部分(图4中虚线的圆形部P7)。折叠部分311的中间部分的宽度w2为0.8mm。设定为使得直径为0.8mm的柱状起模杆T6的顶端面可抵靠其中表示的虚线的圆形部P6。在凸起4的半圆形平面与半弓形外周面之间的脊线(ridge line)，设置足够小半径的倒角，以便不形成尖锐边缘。

这样，作为加热部31的一部分，陶瓷加热器1具有凸起4(扁平部)，其中，在加热部31的截面(section)中加热部31的宽度w1、w3比垂直于加热部31的宽度的厚度h长。当凸起4被这样布置在加热部31的一部分中时，可以使起模杆T6、T7抵靠凸起4。因此，当将未烧结电阻器元件103从模具中取出时，所述未烧结电阻器元件103可容易地从成形型面分离，并且加热部31扭曲或变形、或者在所述部分的根部出现破裂的现象可被抑制。此外，不必使起模杆T6、T7变细，因此，起模杆的变形或损坏也可得到抑制。

在陶瓷加热器1中，当加热器由经过引线部33的中心轴线O2、O3的截面切割时，凸起4被布置在加热部31的内部。当凸起4被这样布置在加热部31的内部时，加热部31更靠近支撑件2的外周，在加热部31中产生的热可被高效地传导到陶瓷加热器的外表面1a，在陶瓷加热器1的顶端部中高效地产生热。

本发明不限于上述内容，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以以适当修改的方式来实现本发明。例如，根据加热部31的厚度和长度，布置在加热部31中的凸起4可防止如由起模杆脱模造成的破裂等不利因素。图5示出图4的加热部31的一个变形例。在图5-A中，凸起4被布置在加热部31的连接部分312的多个位置。尽管在图5-A中示出两个位置，但是可以以凹部和凸部连续的形式形成许多凸起。在图5-B中，折叠部分311具有比起模杆T6直径小的固定宽度，并且凸起4被布置在该部分的中间。

凸起4的形式不限于弓形。例如，在图5-C中，凸起4(扁平部)被布置在加热部31的折叠部分311与连接部分312的连接部。在该情况下，以图解方式测量宽度w3。w3的值为0.9mm，厚度h3为0.56mm。这样，扁平部可具有能使起模杆抵靠的厚度，并且在该情况下，能够使得脱模不会在加热部31中造成破裂或类似情况。可根据电阻器元件3的期望电阻与加热部31的长度之间的关系、以及凸起4的数量与间距之间的关系来适当地设定。

下面，将说明制造本发明的陶瓷加热器1的方法。首先，制造未烧结的电阻器元件103。具体地，如图6-A所示，模具51、61彼此重叠，并且未烧结的电阻器元件103通过注射模塑法来制造。接着，如图6-B所示，在上模51的起模杆T1到T7保持突出的同时，上模51被升起以打开模具。随后，如图6-C所示，上模(未示出)与起模杆T1到T7一起被升起，而下模61的起模杆T1到T7突出。然后，未烧结电阻器元件103从模具51、61分离。此时，将形成为加热部的未烧结加热部131也与其它部分一起推出。在图6中，省略了对T1到T3的图解。因此，在取出未烧结电阻器元件103时，未烧结加热部131不被损坏或弯曲，也不会出现破裂。因此，即使当未烧结加热部131的厚度小于将被放置的起模杆T6、T7的厚度时，也可以进行未烧结加热部131的脱模。因此，可高效地生产未烧结加热部131薄的未烧结电阻器元件103。

如此形成的未烧结电阻器元件103被埋设于例如柱状的未烧结支撑件102中。然后，在如暂时烧结(provisional sintering)的预定热处理之后，产品通过热压(hot press)被烧结，外周面被研磨，并且顶端(下端)被精加工成半球形，由此生产陶瓷加热器1。

下面，将说明本发明的电热塞。图7示出了电热塞200的截面构造。上述陶瓷加热器1的外周面被金属外管221沿周向包围，使得至少支撑件2的顶端2a突出，并且金属外管221通过被管状金属壳222从外部沿周向包围来保持，使得金属外管的顶端侧突出。

此时，在电热塞200中，陶瓷加热器1的加热部31的后端与金属外管221的顶端面221a间沿轴线方向O的距离D为5mm。当距离D这样为2mm或更大时，可以抑制金属外管将陶瓷加热器的加热部产生的热移走的现象，同时陶瓷加热器被金属外管加固。因此，可高效地进行加热。

在金属壳222的外周面中，形成了用作安装部的螺纹部223，该安装部用于将电热塞200固定到未示出的发动机组(engineblock)。通过钎焊或压力装配、或者通过将金属壳222的顶端开口的整个边缘与金属外管221的外周面激光焊接，使金属壳222固定到金属外管221。

在金属壳222的内部，用于将电力供应到陶瓷加热器1的中心轴224以与金属壳222绝缘的状态被从金属壳的后端侧放置。例如，陶瓷环225被放置在中心轴224的后端侧的外周面与金属壳222的内周面之间，并且在所述环的后部中形成有玻璃(glass)填充层226，从而实现固定。环侧结合部227在陶瓷环225的外周面上以大直径部分的形式形成，且与靠近金属壳222的内周面后端的以周向台阶形式形成的金属侧结合部228结合，从而防止沿轴向向前脱开。

中心轴224的后端部延长到金属壳222的后部，并且端子金属230经由绝缘套229被装配到该延长部上。端子金属230通过周向卷边(crimp)部231以导电(conductive)状态固定到中心轴224的外周面。

相反，陶瓷加热器1的电阻器元件3被电连接到环元件232，所述环元件232中的一端被电连接到金属外管221，而另一端通过压力装配等被插入陶瓷加热器1的后端侧中。环元件232与中心轴224通过引线元件233彼此电连接。

上面已详细说明了本发明的陶瓷加热器和电热塞的构造和生产方法。上述构造和生产方法仅为实例，本发明不限于这些实例。在不偏离本发明的精神的情况下，在配置上可适当地改变本发明的陶瓷加热器和电热塞的构造和生产方法。

实例

(实例1)

首先，在未烧结加热部231中布置有凸起4的未烧结电阻器元件200的样品，以及没有布置凸起的未烧结电阻器元件200的样品被注射塑模，并从模具中取出。检查在各样品的未烧结加热部231中是否产生如破裂等缺陷。即，生产出在所述实施例的未烧结加热部231中具有凸起4的本发明未烧结电阻器元件200的样品，以及不具有凸起4的对比例的未烧结电阻器元件200的样品。本发明的样品通过模具51、61来模制，所述模具51、61配置为在未烧结加热部231中，凸起4的部分P7由起模杆T7推出。对比例的样品通过模具来模制，在所述模具中起模杆没有被放置在与上述对应的位置处。本发明的样品和对比例的样品都是在未烧结加热部231中起模杆P6被放置在折叠部分的中间部分P6的状态下来生产的。每一个所用模具是在一个面中可以获取四个样品的类型，并且通过25次注塑(shot)生产100个样品。以下述方式进行缺陷检查。模制后，样品以200℃干燥50分钟。然后，使用放大镜进行外观检查。具有缺陷的样品被计数为有缺陷的。在表1中示出结果。

[表1]

凸起	缺陷样品
		存在(本发明)	1
没有(对比例)	30

如表1所示，在凸起4处于未烧结加热部231中的本发明的样品中，其中一个样品是有缺陷的，成品率为99％。相反，在未烧结加热部231中没有形成凸起的对比例中，30个样品是有缺陷的，成品率为70％。

(实例2)

下面，由导电陶瓷制造并且具有连续形成的加热部31和一对引线部33的电阻器元件3被埋设于由绝缘陶瓷制造的杆状支撑件2中，以生产如图1所示配置的1至6号样品的陶瓷加热器1。使用所述陶瓷加热器1，生产出用于起动柴油发动机并具有图7所示配置的电热塞20。

构造支撑件2的绝缘陶瓷是96.5(0.89Si₃N₄-0.08Er₂O₃-0.01V₂O₅-0.02WO₃)-3.5MoSi₂(重量比)。构造电阻器元件3的导电陶瓷是70WC/30Si₃N₄-3.96Er₂O₃-1.61SiO₂(重量比)。

1至6号样品的陶瓷加热器1的沿纵向的截面形状为图8至图10所示的三种截面形状。1和5号样品具有图8所示的形状，2和3号样品具有图9所示的形状，4和6号样品具有图10所示的形状。图8至图10中的部分的数值单位是(mm)。如表2所示，设定了1至6号样品的陶瓷加热器1的加热部6的截面A-A中的截面积、以及引线部7的截面B-B中的截面积。

[表2]

表3中示出了在1至6号样品的陶瓷加热器1中，关于电阻器元件的电阻，电阻器元件3的总电阻(R1)、包括在从支撑件的顶端到支撑件总长度1/3的范围内的电阻器元件部分的电阻(R2)，以及电阻比(R2/R1)。

[表3]

在1至6号样品的电热塞20中，测量了当电热塞被加热到1,250℃时的能耗以及所述能耗的每瓦最大加热温度。在表4中示出结果。

[表4]

使用图11所示的装置进行最大加热温度、能耗、以及稍后将说明的施加11V时达到1,000℃的时间段的测量。即，通过控制器40设定所施加的电压，由此控制直流电源41并且控制施加到电热塞20的电压。通过由照相机(camera)42和主体43构成的辐射温度计44(热辐射系数为0.935)来测量电热塞20的陶瓷加热器1的顶端部的温度。由示波器45监视从直流电源41施加的电压和电流，并且监视辐射温度计44所测量的温度。示波器45将s所施加的电压用作触发信号，同步记录所测量的温度、所施加的电压及电流的数据。所获得的数据通过个人计算机46来编辑以获得能耗、达到1000℃的时间段等。表5示出了所述装置的细节。

[表5]

	名称	类型	制造商	细节
					40	控制器	GROW PLUG测试控制器	NIPPOELECTRONICIND.LTD.	型号GPT-FIB
41	直流电源	EX-750L2	TAKASAGO	扩展范围直流电能
					44	辐射温度计	红外温度计	IRCON	MODLINE 6000系列
43	辐射温度计主体	红外温度计	IRCON	MODLIE PLUS
					45	示波器	DL710 16CH数字显示器	YOKOGAWA	SUFFIXM-NJ/M1/C10
46	个人计算机	NEC VerseProGenuineIntel X68Family 6Model 8Stepping 3	NEC	操作系统：MicrosoftWindows98第二版MODEL701830

接着，对电热塞20进行通电耐久性测试。通电耐久性测试的测试温度通过调节所施加的电压被设定到1350℃，该温度是耐热性(heat resistance)的极限温度。在通电中，一分钟通电和30秒通电停滞(在该期间通过压缩空气来进行强制冷却)被设定为一个周期，并且重复该周期。通电周期数的上限被设定为50,000周期。当电阻改变10％或更多时，测试在所述时刻终止。电热塞20被安装到实际的柴油发动机，并进行起动柴油发动机的测试来测量直到起爆(blow-up)为止所经过的时间段。

在柴油发动机起动测试中，环境温度为-7℃，且预热(pre-glow)时间为10秒。起爆被设定为当旋转数达到空转数的80％时的时刻。

表6示出结果。

[表6]

关于1至4号与6号样品，起爆时间为1.4到2.5秒，因此良好。关于5号样品，起爆时间为4.1秒，应注意起动性能稍次于其它样品。通过对比，关于1至5号样品，通电持续周期超过50,000，因此耐久性良好。关于6号样品，通电持续周期为39,250，应注意通电持续周期稍次于其它样品。

通过如上所述，当每瓦加热温度为18.4到30.0℃/W时，可以获得通电耐久性和起动性能都良好的电热塞。当加热部的电阻与电阻器元件的电阻的比(R2/R1)为0.48至0.80时，可以获得通电耐久性和起动性能都良好的电热塞。

[实例3]

下面，为了检查对电阻器元件3的电阻(R1)的影响，通过在1,700到1,800℃的范围内改变烧结温度来改变电阻器元件3的电阻(R1)的同时，来生产与2号样品中生产的陶瓷加热器1的材料和形状相同的陶瓷加热器。此时，电阻器元件3的电阻(R1)为249到478mΩ。使用该陶瓷加热器1，来生产用于起动柴油发动机的7至10号样品的电热塞20。

在电热塞20中，测量了当电热塞被加热到1,250℃时的能耗、每瓦加热温度、以及在施加11V时达到1,000℃的时间段。在表7中示出结果。

[表7]

如表7所示，当电热塞被加热到1,250℃时的能耗基本上彼此相同，并且每瓦加热温度也基本上彼此相同。在这种情况下，从表7明显看出，在8到10号样品中达到1,000℃的时间段为2秒或更短，因此良好。在7号样品中达到1,000℃的时间段为2.5秒，且应注意该时间段稍次于其它实例。即，可以确定，当电阻器元件3的电阻(R1)为420mΩ或更小时，可以获得温度可迅速升高的电热塞。

(实例4)

接着，生产了如图8所示设定了每个陶瓷加热器1中的电阻器元件3的加热部31的截面积(S1)、引线部33的截面积(S2)、和加热部31的截面积(S1)与引线部33的截面积(S2)之比(S1/S2)、以及其它尺寸等设定为与样品1相同的陶瓷加热器1。所述陶瓷加热器被安装到电热塞20。

关于电热塞20，使用图11所示的装置来测量室温时的电阻、饱和温度、在饱和温度时在垂直于轴线方向的截面中外周面的最大温度与最小温度之差(Δt)、以及能耗。在表8中示出结果。

对电热塞20进行上述通电耐久性测试。表8也示出了结果。

[表8]

从表8显而易见，在加热部31的截面积(S1)与引线部33的截面积(S2)之比(S1/S2)接近1/25.5的样品中，最大温度与最小温度之差(Δt)大，但能耗得到抑制。随着所述比率越接近1/2.6，能耗越大，但应注意最大温度与最小温度之差(Δt)越小。此外，可确定当比率超过1/2.6时，通电耐久性显著降低。出于这些，可确定，为了获得能耗得到抑制、最大温度与最小温度之差(Δt)小、以及通电耐久性良好的电热塞，加热部31的截面积(S1)与引线部33的截面积(S2)之比(a/A)优选设定为1/2.6至1/25.5。

虽然已参考具体实施例详细地说明了本发明，但是对于本领域的技术人员显然的是，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可进行各种改变和变形。

本申请基于2004年4月7日提交的日本专利申请(No.2004-112721)、2004年4月13日提交的日本专利申请(No.2004-118117)、以及2004年7月6日提交的日本专利申请(No.2004-199602)，且其公开内容在此引入作为参考。

Claims (14)

1.一种陶瓷加热器，其包括：杆状支撑件，其沿轴向延伸并包括绝缘陶瓷；以及电阻器元件，其包括一对引线部以及埋设于所述支撑件的顶端部分中的加热部，所述引线部包括连接至所述加热部的一端、从所述支撑件的后端露出的另一端、以及从所述支撑件的外周面露出的端子部分，其中，

所述加热部和所述引线部包括相同的导电陶瓷。

2.根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征在于，

每瓦最大加热温度为18.4到30.0(℃/W)。

3.根据权利要求1或2所述的陶瓷加热器，其特征在于，

所述电阻器元件中包括在从所述支撑件的顶端到所述支撑件整个长度的1/3的范围内的部分的电阻与所述电阻器元件的电阻之比是0.48到0.80。

4.根据权利要求1或2所述的陶瓷加热器，其特征在于，

所述电阻器元件的电阻在25℃时是420mΩ或更小。

5.根据权利要求1或2所述的陶瓷加热器，其特征在于，

所述加热部的截面积S 1小于所述引线部的截面积S2。

6.根据权利要求5所述的陶瓷加热器，其特征在于，

所述加热部的最小截面积S1相对于所述引线部的截面积S2处于1/2.6到1/25.5的范围内。

7.根据权利要求5所述的陶瓷加热器，其特征在于，

所述加热部具有一对沿轴向延伸并且分别与所述一对引线部连接的连接部，以及

其中一个所述连接部的中心轴线位于所述引线部中连至该连接部的引线部的中心轴线的外侧。

8.一种陶瓷加热器，其包括：杆状支撑件，其沿轴向延伸并包括绝缘陶瓷；以及电阻器元件，其包括嵌入所述支撑件的顶端部分中的加热部以及从所述加热部向所述支撑件的后端侧延伸的一对引线部，其中，所述加热部和所述引线部包括相同的导电陶瓷，以及

所述陶瓷加热器在所述加热部的一部分中具有扁平部，所述加热部的所述扁平部在所述加热部的截面中的宽度w大于所述加热部的垂直于所述宽度的厚度h，并且所述加热部的所述扁平部的宽度大于所述加热部的其他部分的宽度。

9.根据权利要求8所述的陶瓷加热器，其特征在于，

所述扁平部具有通过使所述加热部的一部分突出而形成的凸起。

10.根据权利要求9所述的陶瓷加热器，其特征在于，

当所述加热器被经过所述引线部的中心轴线的截面切割时，所述凸起被布置在所述加热部的内部。

11.一种包括陶瓷加热器的电热塞，其特征在于，使用如权利要求1至10中任一项所述的陶瓷加热器。

12.根据权利要求11所述的电热塞，其特征在于，

所述电热塞包括：

金属外管，其使所述陶瓷加热器的所述加热部突出，所述金属外管沿周向包围所述加热部；以及

金属壳，其使所述金属外管的顶端侧突出，所述金属壳保持所述金属外管，以及

所述加热部的后端与所述金属外管的顶端面之间的轴向距离D等于或大于2mm。

13.一种用于生产陶瓷加热器的方法，所述陶瓷加热器包括：包含绝缘陶瓷的杆状支撑件；以及电阻器元件，其包括埋设于所述支撑件的顶端部分中的加热部和从所述加热部向所述支撑件的后端侧延伸的一对引线部，其中，

所述加热部的截面积S1小于所述引线部的截面积S2，所述加热部的一部分具有扁平部，所述加热部的所述扁平部在所述加热部的截面中的宽度w大于所述加热部的垂直于所述宽度的厚度h，以及

所述方法包括：

通过使用模具来注射模塑成形未烧结电阻器元件，所述未烧结电阻器元件由相同的导电陶瓷材料制造，并且在烧结后形成为所述电阻器元件；

在所述未烧结电阻器元件中，使起模杆抵靠烧结后形成为所述扁平部的未烧结扁平部以及烧结后形成为所述引线部的未烧结引线部，以从所述模具脱模；

使所述未烧结电阻器元件埋设于烧结后形成为所述支撑件的未烧结支撑件中；

烧结埋设有所述未烧结电阻器元件的所述未烧结支撑件。

14.根据权利要求13所述的生产陶瓷加热器的方法，其中，

所述起模杆包括：第一起模杆，其在抵靠所述未烧结引线部的所述起模杆中最靠近所述未烧结加热部；第二起模杆，其抵靠邻近所述第一起模杆的所述未烧结扁平部；以及第三起模杆，其抵靠邻近所述第一起模杆的所述未烧结引线部，并且

所述第一起模杆与所述第二起模杆之间的轴向距离比所述第一起模杆与所述第三起模杆之间的轴向距离短。

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