JP4025641B2 - Ceramic heater - Google Patents

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JP4025641B2
JP4025641B2 JP2002375641A JP2002375641A JP4025641B2 JP 4025641 B2 JP4025641 B2 JP 4025641B2 JP 2002375641 A JP2002375641 A JP 2002375641A JP 2002375641 A JP2002375641 A JP 2002375641A JP 4025641 B2 JP4025641 B2 JP 4025641B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は耐熱衝撃性、高温安定性に優れ、昇温特性及び耐久性の良好な石油ファンヒータ等の各種燃焼機器の点火用又は気化用ヒータや、酸素センサー等の各種センサーや測定機器、電子部品、産業機器、あるいは温水ヒータ、半田ごて等の一般家庭用電気製品等の加熱用ヒータ、更にはディーゼルエンジン等の始動時やアイドリング時に副燃焼室内を急速に予熱する内燃機関用グロープラグ等に適用される直流あるいは交流電源で使用される高温用のセラミックヒータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、ディーゼルエンジンの始動促進に用いられるグロープラグをはじめとする各種点火並びに加熱用ヒータとしては、耐熱金属製のシース内に高融点金属線等から成る発熱抵抗体を埋設した各種シーズヒータや、火花放電を利用した各種点火装置が多用されていたが、それらはいずれも急速昇温が困難であり、その上、耐摩耗性や耐久性に劣り、とりわけ前記各種点火装置においては、点火時に雑音等の電波障害が発生し易い他、確実な点火という点からの信頼性に欠ける等の欠点があった。
【0003】
そこで熱伝達効率が優れ、急速昇温が可能で電波障害が発生せず、しかも確実に点火して安全性も高く、耐摩耗性や耐久性に優れた信頼性の高い発熱体として、セラミック焼結体と高融点金属やその化合物、及びそれらを主成分とする各種無機導電材から成る発熱部を担持または接合、あるいは埋設したセラミック発熱体が、内燃機関のグロープラグをはじめ、各種加熱用ヒータとして広く利用されるようになってきた。
【0004】
一般に、セラミック発熱体としては、アルミナセラミックスの表面や内部に高融点金属の発熱部を設けたセラミックヒータが知られているが、電気絶縁材料として用いられるアルミナ(Al23)は耐熱衝撃性や高温強度に劣ることから、セラミック発熱体のセラミック体には耐熱性や耐熱衝撃性、耐酸化性に優れた非酸化物系セラミックス、とりわけ耐熱性に優れ、高温強度も高く、熱容量が小さく、電気絶縁性が良好な窒化珪素質セラミックスが、急速昇温可能な高温用のセラミック発熱体のセラミック体として広く採用されている。
【0005】
次に、窒化珪素質セラミックスを用いた従来のセラミックヒータ1を図面に基づき説明する。図1において、セラミックヒータ1は、円筒状もしくは円柱状の窒化珪素質焼結体から成るセラミック体4の一方の端部に埋設されたWCを主成分とする略U字状の発熱部2と、該発熱部2の両端部に接続された第2リード3、リード線5、該リード線5および電極引出部6が内蔵され、該電極引出部6の端部はセラミック体4の表面に露出するように形成されている。これらは、電気的に接続した構造となっている。
【0006】
かかるセラミック体4の端部側面に露出した電極引出部6には、特許文献1に示されているように、その上に金属層7が被着形成され、外部電源に接続されるリード金具9が接合されたNiの金属板8が前記金属層7により接合されていた。
【0007】
【特許文献1】
特開平7−25674号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
このように前記接合応力緩和材を成す金属板8を介してセラミック体4とリード金具9を接合したとしても、電極取り出し部6の温度を40℃と450℃の温度に繰り返し加熱冷却する耐久試験で500サイクルを越える長期的な加熱冷却の反復に対しては、金属板8のロウ付け部周辺に残留応力が発生し、クラックが成長して接合強度が低下するという問題があった。
【0009】
その結果、リード金具9の剥離や、前記クラックが内部のリード線5に伸び、リード線5の周囲の隙間から酸素が侵入し発熱体2が酸化してセラミックヒータ1の耐久性が劣化し、長期的な信頼性に欠けるという課題があった。
【0010】
本発明は前記課題に鑑み成されたもので、その目的は、リード金具を接合した電極取り出し金属板の接合部が長期的な加熱冷却の反復に耐える強度を有し、クラック等が発生せず、かつ耐熱衝撃性、高温安定性に優れ、昇温特性の良好な各種燃焼機器の点火用又は気化用ヒータや、各種センサーや測定機器、電子部品、産業機器、一般家庭用電気製品等の加熱用ヒータ、更には内燃機関用グロープラグ等に好適な高温用のセラミックヒータを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックヒータは、円筒状または円柱状のセラミック体該セラミック体に埋設され、通電により発熱する無機導電材からなる発熱部、該発熱部に電気的に接続された電極取り出し部該電極取り出し部に電気的に接続された金属層と、該金属層を介して前記電極取り出し部と電気的に接続された曲面状の金属板と、該金属板に接続されたリード金具と、を備え、前記電極取り出し部におけるセラミック体の曲率半径をR1(mm)、前記金属板の内周面の曲率半径をR2(mm)、前記金属層の平均厚みをt(mm)としたとき、−0.1≦(R1−R2)<t、かつ、前記金属層の平均厚みが30〜150μmであることを特徴とする。
【0012】
また、本発明のセラミックヒータは、前記金属層が、Au−Cu合金、もしくはAg−Cu合金、Au−Ni合金を主成分とするロウ材からなることを特徴とする。
【0013】
そして、本発明のセラミックヒータは、前記金属層が、活性金属としてバナジウム(V)又はチタン(Ti)を含有することを特徴とする
さらに、本発明のセラミックヒータは、前記金属板の周辺部とセラミック基体との間に形成される金属層の厚みが30〜150μmであることを特徴とする。
【0014】
【作用】
本発明のセラミックヒータは、稼働時の加熱冷却の反復によるセラミック発熱体のセラミック体と、前記電極取出用の金属板との熱膨張差で発生する応力により、活性金属を含有した金属層と電極取り出し部及びセラミック体、曲面電極取り出し金属板等との接合強度を損なうことを防止し、セラミックヒータを構成する円筒状もしくは円柱状セラミック発熱体のロウ付け部周辺のクラック発生を防止して耐久性を向上させることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセラミックヒータについて詳述する。図1(a)は、本発明のセラミックヒータ1の一実施形態を示す斜視図であり、図1(b)はそのX−X断面図である。
【0016】
セラミックヒータ1は、円柱状の窒化珪素質焼結体から成るセラミック体4の一方の端部に埋設されたWCを主成分とする略U字状の発熱部2と、これに接続される第2リード部3、該第2リード部の両端部と電気的に接続されたリード部5と、該リード部5に接続し他端側面で露出した電極取出部6と、金属層7にリード金具9が接続された金属板8で構成された略円柱状を成すものであり、リード部5は、WCを主成分とする導電体、またはW線、あるいはそれらを組み合わせて構成されるもので、抵抗値を下げて通電による発熱を発熱部2より小さくなるように調整している。
【0017】
図2は、セラミック体4の製法を示す展開図である。セラミック生成形体4aの表面に順次発熱体2、第2リード部3、リード線5、電極引出部6を設置し、これを2層重ね、さらにその上に別のセラミック成形体4aを重ねて、ホットプレス焼成により一体焼成する。その後、焼結体を円柱加工してセラミック体4とする。
【0018】
尚、本発明のセラミックヒータを構成するセラミック体4は、ブロック状又は層状の発熱部2を平面視した時にU字状やW字状等、任意の形状を成すもので、該発熱体2をセラミック体4にプリントや転写等の手法により形成したり、あるいは、線状の発熱部2をコイル状に巻回したり、屈曲させたりしたものをセラミック体4に埋設したりし、かかる発熱部2の両端にW材等から成るリード線5を電気的に接続したものでも良い。
【0019】
図3は、図1の円筒状もしくは円柱状セラミックヒータ1の要部断面図であり、セラミック体4の曲率半径をR1(mm)、金属板8の曲率半径をR2(mm)、金属層7の平均厚みをt(mm)としたとき、−0.1≦(R1−R2)<tの関係を満足すれば、金属層7を介してセラミック体4に金属板8を接合する際に、溶融した金属層7がその表面張力により、金属板8をセラミック体2側に引っ張るような力が働くので、金属板8の外周部で金属層7の厚みが薄くなり、金属層7および金属板8とセラミック体4との熱膨張差による応力を緩和し、使用中の熱サイクルに対し良好な耐久性を示す。
【0020】
このためには、金属層7の量の調整も必要である。(金属層7の平均厚み)×(金属層7の面積)で示される容積に対して、±15%以内のバラツキ範囲内に収まるように金属層7の塗布量を調整することが好ましい。
【0021】
ここで金属層7の平均厚みtとは、金属板8外周部の厚みと金属板8中央の厚みを平均したものとする。
【0022】
これに対し、(R1−R2)が−0.1(mm)より小さい場合は、金属板8全面に金属層7が形成されにくくなり金属層7中に巣が発生して、応力集中によりクラックが発生するという不具合がある。また(R1−R2)がt(mm)以上となると、金属板8の端とセラミック体4との隙間が大となり、金属板8端部の金属層7の厚みが厚くなり、セラミック体4と金属層7間の熱膨張差による残留応力によりクラックが発生するという不具合が発生する。
【0023】
本発明のリード金具9を接合した電極取出用の金属板8は、活性金属を含有した金属層7で加熱接合した後の冷却過程や、稼働時の加熱冷却で発生するセラミック体と4の熱膨張差を緩和するものであれば、いずれの材質でも適用可能であるが、前記セラミック体4の熱膨張率3.0〜5.4×10-6/℃に近似した3.0〜7.5×10-6/℃の金属板8が望ましい。
【0024】
また、前記金属板8は、塑性変形し易いという点からは、ヤング率が14〜15×103kg/mm2を示すFe−Ni−Co合金やFe−Ni合金等の鉄(Fe)基合金が最適であり、前記金属板8自体の塑性変形で前記熱膨張差により発生する応力を十分吸収できるという点からは、金属板8の角部は応力集中を回避するために面取りや丸く曲面加工を施しておくことはより好ましい。
【0025】
また、前記金属層7と接着する電極取り出し部の金属板8は、熱膨張差による応力が狭い範囲に集中するのを回避するため、金属板8が接合される前記金属層7の表面積に対して20%以上の接合面積で接合することが好ましいが、逆に、80%を越えると応力が集中する金属板8の外周部と金属層7の外周が接近し応力が集中してクラックが発生しやすくなることから、前記接合面積は金属層7の表面積の20〜80%とすることが好ましく、しかも前記金属板8の外周部は金属層7の外周部のいずれの縁とも重ならないことが望ましい。
【0026】
一方、前記電極引出部6は削り出した露出面のままでも良いが、Ni等の金属被覆を施し、その上に金属層7を形成すれば、さらに接続の信頼性を向上させることができる。また、金属板8に接続するリード金具9としては低熱膨張率のNi線等も適用できる。
【0027】
また、前記金属板8の周囲における金属層7の厚みは30〜150μmとすることが好ましい。前記金属層7の厚みが150μmを越えると、金属層7の厚みが大きくなり熱膨張差に起因する熱応力によりクラックが発生しやすくなるので好ましくない。また、前記金属層7の厚みが30μm未満であると、金属層7を形成する金属の量が少なくなるので金属層7中に巣が発生し、リード金具9接合部が金属板8から浮いていた場合に、リード金具9に対する応力によりリード金具9引き千切れてしまうといった問題が発生するので好ましくない。
【0028】
そして、本発明における金属層7としては、Au−Cu合金、もしくはAu−Cu合金、Au−Ni合金を主成分とし、合計量が90〜99重量%で、残部1〜10重量%がV、Mo、Ti、Zr、Hf、Mnのいずれか一種以上の活性金属を含有するもの等が挙げられ、前記活性金属は窒化物や炭化物、水素化物等の形態で含有させても良い。これにより、使用中の熱サイクルに対するセラミックヒータ1の耐久性を向上させることができる。また、前記金属層7は、活性金属としてバナジウム(V)又はチタン(Ti)を含有することが好ましい。
【0029】
前記活性金属の量が1重量%未満では接合強度の向上効果が見られず、10重量%を越えると前記金属層7の焼き付け温度が高くなるとともに、冷却時に大きな残留応力を生じてクラックの原因となるため前記範囲に限定され、1〜5重量%が最も望ましい。また、マイグレーション等による短絡の防止という点からは、金属層7としては貴金属の主成分としてAuを含有するものが最も望ましい。
【0030】
なお、前記金属層7は、電極取り出し部と電気的に接続しておれば、電極取り出し部より引き出して設けることも可能であり、該金属層7の表面積の20〜80%の範囲内に曲面電極取り出し用の金属板8が実質的に接着した面積を有しておれば良い。
【0031】
本発明のセラミックヒータ1におけるセラミック体4の材料としては、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックス等の非酸化物セラミックスや、アルミナ、ムライト等々の酸化物セラミックスのセラミック焼結体から成るセラミック体4で構成される。特に、非酸化物セラミックスにおいて、金属層7、金属板8とセラミック体4との熱膨張差による応力のために、使用中の熱サイクルによる疲労によりセラミック体4にクラックが発生することを防止するために有効である。
【0032】
例えば、窒化珪素質セラミックスとしては、その粒界相が焼結助剤成分の周期律表3a族元素や珪素等を含む結晶相あるいはガラス相で構成されるが、望ましくは粒界にモノシリケート(RE2SiO5)やダイシリケート(RE2Si27)からなる結晶相を主相として析出させたものが好適である。それは、前記モノシリケートやダイシリケートの析出がセラミック体4の高温における耐酸化性を高めるからである。また、セラミック体4の粒界相にダイシリケートを析出させることと関連して、セラミック体4中の全希土類元素の酸化物換算量と、不純物的酸素のSiO2換算量とのモル比は、耐酸化性の点からは2以上であることが好ましく、また焼結体の緻密化という点からは5以下に制御することが望ましい。
【0033】
また、酸化物セラミックスの一例としてのアルミナとしては、アルミナ88〜95重量%に対し、シリカ(SiO2)2〜6重量%、マクネシア(MgO)1〜3重量%、カルシア(CaO)1〜3重量%を含むようなものを使用することができる。
【0034】
尚、前記発熱体2を成す無機導電材の構成成分を、セラミック体4である非酸化物系セラミック焼結体中に少量添加して発熱体2とセラミック体4との熱膨張差や反応性を調整しても良い。
【0035】
また、前記無機導電材の主成分に対して、その粒成長を制御してセラミック体4との熱膨張差によるクラックを防止し、かつ抵抗を増大させないようにするために、窒化珪素、窒化硼素、窒化アルミニウムあるいは炭化珪素の一種以上を発熱体2中に含有させても良く、その量は主成分100重量部に対して、例えば、窒化珪素は5〜30重量部、窒化硼素(BN)は1〜20重量部、窒化アルミニウムは1〜15重量部、炭化珪素は3〜15重量部の割合であることが望ましい。
【0036】
また、前記発熱体2の無機導電材は、W、Mo、Ti等の高融点金属、あるいはWCやMoSi2、TiN等の高融点金属の炭化物や珪化物、窒化物等を主成分とする抵抗体が挙げられ、望ましくはセラミック体4をなすセラミックスとの熱膨張差、及び高温度下でもそれらと反応し難いという点からは、WCあるいはWを主成分とするものが好適である。
【0037】
【実施例】
次に、本発明のセラミックヒータ1を以下に詳述するようにして評価した。
【0038】
先ず、比表面積が7〜15m2/gのSi34粉末に、希土類元素の酸化物としてYb23を10〜15重量%、及びMoSi2を5重量%未満と、Al23を適量、それぞれ焼結助剤として添加し、必要に応じて着色剤や熱膨張率調整剤としてMoSi2、Mo2C、WSi2、WO3、WC等を適宜含有させて24時間ボールミルで湿式混合した。
【0039】
その後、得られた前記泥漿をそれぞれ噴霧乾燥して造粒し、該造粒体を用いてプレス成形法により平板状の生成形体4aを作製した。
【0040】
次に、WCの微粉末80重量%とSi34の微粉末20重量%の混合粉末に溶媒を加えて調製したペーストを使用して、スクリーン印刷法等によりU字状のパターンで、最終的に焼結体の先端より約5mm以内に位置するように前記生成形体4aの表面に発熱体2を形成した。
【0041】
更に、92重量%のWCと8重量%のBNの各微粉末から成るペーストを使用して、前記発熱体2の両端と一部が重なるようにして第2リード3を所定の位置に形成する。
【0042】
その際、電極引出部6を前記第2リード3と同一組成のペーストで生成形体4aの他端に、前記同様にして矩形状のパターンを2か所、生成形体4aの側面まで平行に所定の配置でそれぞれ形成した。
【0043】
次に、前記発熱体2部及び第2リード3、電極取引出部6をそれぞれ印刷形成した各生成形体4aに、直径0.3mmのW線を前記リード部及び電極取り出し部のパターンとそれぞれ電気的に接続するように載置し、その上に別の生成形体4aを重ねた後、む還元性の雰囲気下1780℃の温度で1時間以上、ホットプレス焼成して略直方体形状のセラミック体4を得た。
【0044】
そして、略直方体形状のセラミック体4をセンタレスにより円柱状に加工した。
【0045】
その後、前記セラミック体4の電極引出部6の露出部と接続するように、金属層7をそれぞれスクリーン印刷法で3mm角の正方形状に被着し、真空炉中1000℃の温度で金属層7を焼き付けた。
【0046】
次いで、前記金属層7上に表1に示すようにセラミック体4の曲率半径をR1とし、金属板8の内周面の曲率半径をR2とし、金属板8の厚みを0.20mmとしたとき、(R1−R2)を種々設定し、その上に直径0.6mmのNi製のリード金具9を溶接したFe−Ni−Co合金から成る前記金属板8を載置し、真空炉中、900〜1200℃の温度で接続した。
【0047】
また、アルミナからなるセラミックヒータとして、Wからなる発熱体を内蔵し、電極引出部にWからなる電極パッドと、平均厚み50μmのAu−Cuロウからなる金属層と厚み200μmのFe−Ni−Co合金からなる金属板を有し、(R1−R2)が0mmであるセラミックヒータを作製した。
【0048】
かくして得られた評価用のセラミックヒータ1を用いて、600℃の温度で1000時間暴露する連続放置の耐久試験後、及び40℃と450℃の両温度に暴露する工程を1サイクルとする冷熱サイクルを10000サイクル実施する耐久試験後のそれぞれの電極取り出し用の金属板8の接続状態を以下のような方法で評価した。
【0049】
先ず、前記セラミックヒータ1の耐久試験前後の抵抗値を測定し、抵抗変化率の最大値を求めると共に、冷熱サイクル耐久試験後の電極取り出し用の金属板8の接続部周辺を浸透探傷試験法と顕微鏡による検査を行い、クラックの有無を確認した。
【0050】
【表1】

Figure 0004025641
【0051】
表1から明らかなように、本発明の範囲外である試料番号1、2、8、9、14、15は耐久試験前後の抵抗変化率が13.3%以上と大きく、しかもいずれも耐久試験後にはセラミック体4にクラックが認められた。なお、従来例は試料番号1、2に相当する。
【0052】
これに対し、本発明のセラミックヒータ1はいずれも抵抗変化率が6.0%以下と小さく、セラミック体4にもクラックは発生しなかった。抵抗変化率が6.0%以下のものは耐久評価後のクラックは発生しておらず、セラミック体4の半径R1と、金属板8の内周面の曲率半径R2の差(R1−R2)が本発明の範囲内であれば応力の集中が回避され、その結果、電極取り出し用の金属板8の接続強度が大幅に改善されていることが確認できた。
【0053】
尚、本発明のセラミックヒータ1は前記実施例に限定されるものではなく、前記金属層7及び金属板8の形状は、本発明の主旨を逸脱しないものであればいかなる形状でも良く、またセラミック体4の断面形状も用途に応じて種々の変更が可能であり、また発熱体2を平行に複数配設して多層構造とし、各発熱体2を直列にあるいは並列に接続した構造としたものに適用しても同様の効果を奏するものである。
【0054】
【発明の効果】
上記のように、本発明のセラミックヒータは、電極取り出し部におけるセラミック体の曲率半径をR1(mm)、金属板の内周面の曲率半径をR2(mm)、金属層の平均厚みをt(mm)としたとき、−0.1≦(R1−R2)<t、かつ、金属層の平均厚みが30〜150μmとなるように形成されている。これにより、常温付近から高温まで急速に昇温することを長時間にわたり反復したり、高温下で発熱させて飽和状態で長時間、連続稼働したりしても、リード線を接続した電極取り出し金属板との接合部が長期的な加熱冷却の反復に耐える強度を有し、かつ耐熱衝撃性、高温安定性に優れ、昇温特性の良好な耐久性に優れたセラミックヒータが得られる。
【0055】
また、前記金属層が、Au−Cu合金、もしくはAg−Cu合金、Au−Ni合金を主成分とするロウ材とすれば、使用中の熱サイクルに対して耐久性良好なセラミックヒータとすることができる。
【0056】
そして、前記金属層が、活性金属としてバナジウム(V)又はチタン(Ti)を含有することによりセラミック体に対する前記金属層の接合強度をさらに向上させることができる。
【0057】
また、金属板の周辺部とセラミック基体との間に形成される金属層の厚みを30〜150μmとすることにより金属層とセラミック基体のの熱膨張差による応力を低減させ、耐久性をさらに改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は、本発明のセラミックヒータの斜視図であり、(b)はそのX−X線断面図である。
【図2】本発明のセラミックヒータにおけるセラミック体の製造工程を説明するための図である。
【図3】本発明のセラミックヒータの要部断面図である。
【符号の説明】
1:セラミックヒータ
2:発熱部
3:第2リード部
4:セラミック体
5:リード部
6:電極引出部
7:金属層
8:金属板
9:リード金具[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is excellent in thermal shock resistance and high temperature stability, and has excellent temperature rise characteristics and durability, such as heaters for ignition or vaporization of various combustion devices such as petroleum fan heaters, various sensors and measuring devices such as oxygen sensors, electronic Heaters for general household electrical appliances such as parts, industrial equipment, hot water heaters, soldering irons, etc., and glow plugs for internal combustion engines that rapidly preheat the auxiliary combustion chamber when starting diesel engines or idling The present invention relates to a ceramic heater for high temperature used in a direct current or alternating current power source applied to the above.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as various ignition and heating heaters such as glow plugs used for accelerating start-up of diesel engines, various sheathed heaters in which a heating resistor made of a refractory metal wire or the like is embedded in a sheath made of a heat-resistant metal, However, various ignition devices using spark discharge have been widely used, but all of them are difficult to rapidly increase in temperature, and are inferior in wear resistance and durability. In addition to being prone to radio interference such as noise, there are drawbacks such as lack of reliability in terms of reliable ignition.
[0003]
Therefore, ceramic firing is a reliable heating element with excellent heat transfer efficiency, rapid heating, no radio interference, reliable ignition, high safety, and excellent wear resistance and durability. A ceramic heating element carrying, bonding, or embedding a heating element composed of a bonded body, a refractory metal, a compound thereof, and various inorganic conductive materials mainly composed of them, and various heaters including a glow plug of an internal combustion engine Has come to be widely used as.
[0004]
In general, a ceramic heater having a high-melting-point metal heat generating portion provided on the surface or inside of an alumina ceramic is known as a ceramic heating element. However, alumina (Al 2 O 3 ) used as an electrical insulating material is resistant to thermal shock. Since the ceramic body of the ceramic heating element is inferior in heat resistance and high temperature strength, it is a non-oxide ceramic with excellent heat resistance, thermal shock resistance and oxidation resistance, especially heat resistance, high temperature strength, high heat capacity, Silicon nitride ceramics with good electrical insulation are widely used as ceramic bodies for high-temperature ceramic heating elements that can be rapidly heated.
[0005]
Next, a conventional ceramic heater 1 using silicon nitride ceramic will be described with reference to the drawings. In FIG. 1, a ceramic heater 1 includes a substantially U-shaped heat generating portion 2 mainly composed of WC embedded in one end of a ceramic body 4 made of a cylindrical or columnar silicon nitride sintered body. The second lead 3, the lead wire 5, the lead wire 5 and the electrode lead-out portion 6 connected to both ends of the heat generating portion 2 are built in, and the end of the electrode lead-out portion 6 is exposed on the surface of the ceramic body 4. It is formed to do. These are electrically connected structures.
[0006]
As shown in Patent Document 1, a metal layer 7 is formed on the electrode lead-out portion 6 exposed on the side surface of the end portion of the ceramic body 4 and is connected to an external power source 9. The Ni metal plate 8 bonded to each other was bonded by the metal layer 7.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-25675
[Problems to be solved by the invention]
Thus, even if the ceramic body 4 and the lead metal fitting 9 are joined via the metal plate 8 that constitutes the joining stress relaxation material, the durability test in which the temperature of the electrode take-out portion 6 is repeatedly heated and cooled to temperatures of 40 ° C. and 450 ° C. In the case of repeated heating and cooling over 500 cycles, there is a problem that residual stress is generated around the brazed portion of the metal plate 8, cracks grow, and bonding strength decreases.
[0009]
As a result, peeling of the lead metal fitting 9 or the crack extends to the internal lead wire 5, oxygen enters from the gap around the lead wire 5, the heating element 2 is oxidized, and the durability of the ceramic heater 1 deteriorates. There was a problem of lack of long-term reliability.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to have a strength at which a joint portion of an electrode extraction metal plate to which a lead fitting is joined can withstand repeated heating and cooling over a long period of time, and cracks and the like do not occur. Heating of ignition or vaporization of various combustion equipment with excellent thermal shock resistance, high temperature stability and good temperature rise characteristics, heating of various sensors and measuring equipment, electronic parts, industrial equipment, general household electrical appliances, etc. Another object of the present invention is to provide a high-temperature ceramic heater suitable for a heater for an internal combustion engine and a glow plug for an internal combustion engine.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
Ceramic heater of the present invention includes a cylindrical or cylindrical ceramic body, are embedded in the ceramic body, a heating unit made of an inorganic conductive material which generates heat by energization, electrically connected to the electrode extraction portion in the heat generating unit When a metal layer electrically connected to said electrode extraction portion, and the electrode extraction portion and electrically connected to the curved metal plate via the metal layer, lead metal fitting connected to the metal plate The radius of curvature of the ceramic body in the electrode lead-out portion is R1 (mm ), the radius of curvature of the inner peripheral surface of the metal plate is R2 (mm ), and the average thickness of the metal layer is t (mm). -0.1 ≦ (R1-R2) <t and the average thickness of the metal layer is 30 to 150 μm .
[0012]
In the ceramic heater of the present invention, the metal layer is made of a brazing material mainly composed of an Au—Cu alloy, an Ag—Cu alloy, or an Au—Ni alloy.
[0013]
The ceramic heater according to the present invention is characterized in that the metal layer contains vanadium (V) or titanium (Ti) as an active metal, and the ceramic heater according to the present invention includes a peripheral portion of the metal plate, The thickness of the metal layer formed between the ceramic substrate and the ceramic substrate is 30 to 150 μm.
[0014]
[Action]
The ceramic heater according to the present invention includes a metal layer and an electrode containing an active metal due to a stress generated by a difference in thermal expansion between a ceramic body of a ceramic heating element by repeated heating and cooling during operation and a metal plate for extracting the electrode. Prevents damage to bonding strength between the take-out part and ceramic body, curved electrode take-out metal plate, etc., and prevents the occurrence of cracks around the brazed part of cylindrical or columnar ceramic heating elements that make up ceramic heaters. Can be improved.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the ceramic heater of the present invention will be described in detail. Fig.1 (a) is a perspective view which shows one Embodiment of the ceramic heater 1 of this invention, FIG.1 (b) is the XX sectional drawing.
[0016]
The ceramic heater 1 includes a substantially U-shaped heat generating portion 2 mainly composed of WC embedded in one end portion of a ceramic body 4 made of a columnar silicon nitride sintered body, and a first connected to this. 2 lead portion 3, lead portion 5 electrically connected to both ends of the second lead portion, electrode extraction portion 6 connected to the lead portion 5 and exposed at the other side surface, and lead metal fitting to the metal layer 7 9 is formed of a substantially cylindrical shape composed of a metal plate 8 to which the lead 9 is connected, and the lead portion 5 is a conductor mainly composed of WC, or a W wire, or a combination thereof, The resistance value is lowered and the heat generated by energization is adjusted to be smaller than that of the heat generating portion 2.
[0017]
FIG. 2 is a development view showing a manufacturing method of the ceramic body 4. The heating element 2, the second lead part 3, the lead wire 5, and the electrode lead-out part 6 are sequentially installed on the surface of the ceramic production form 4a, and two layers are stacked, and another ceramic molded body 4a is further stacked thereon. Integral firing is performed by hot press firing. Thereafter, the sintered body is cylindrically processed to form a ceramic body 4.
[0018]
The ceramic body 4 constituting the ceramic heater of the present invention has an arbitrary shape such as a U shape or a W shape when the block-like or layer-like heat generating portion 2 is viewed in plan view. The ceramic body 4 is formed by a method such as printing or transfer, or the linear heat generating portion 2 is wound in a coil shape or bent, and the heat generating portion 2 is embedded in the ceramic body 4. A lead wire 5 made of a W material or the like may be electrically connected to both ends of the wire.
[0019]
FIG. 3 is a cross-sectional view of the main part of the cylindrical or columnar ceramic heater 1 of FIG. 1, wherein the radius of curvature of the ceramic body 4 is R1 (mm), the radius of curvature of the metal plate 8 is R2 (mm), and the metal layer 7 When the average thickness of t is (mm), if the relationship of −0.1 ≦ (R1−R2) <t is satisfied, when the metal plate 8 is bonded to the ceramic body 4 via the metal layer 7, The melted metal layer 7 has a force that pulls the metal plate 8 toward the ceramic body 2 due to the surface tension, so that the thickness of the metal layer 7 is reduced at the outer periphery of the metal plate 8, and the metal layer 7 and the metal plate The stress due to the difference in thermal expansion between the ceramic body 4 and the ceramic body 4 is relieved, and good durability is exhibited against the heat cycle during use.
[0020]
For this purpose, adjustment of the amount of the metal layer 7 is also necessary. It is preferable to adjust the coating amount of the metal layer 7 so as to be within a variation range of ± 15% with respect to the volume represented by (average thickness of the metal layer 7) × (area of the metal layer 7).
[0021]
Here, the average thickness t of the metal layer 7 is obtained by averaging the thickness of the outer peripheral portion of the metal plate 8 and the thickness of the center of the metal plate 8.
[0022]
On the other hand, when (R1-R2) is smaller than -0.1 (mm), the metal layer 7 is difficult to be formed on the entire surface of the metal plate 8, and a nest is generated in the metal layer 7, and cracks occur due to stress concentration. There is a problem that occurs. When (R1-R2) is equal to or greater than t (mm), the gap between the end of the metal plate 8 and the ceramic body 4 becomes large, the thickness of the metal layer 7 at the end of the metal plate 8 increases, and the ceramic body 4 There arises a problem that cracks are generated due to residual stress due to a difference in thermal expansion between the metal layers 7.
[0023]
The metal plate 8 for taking out an electrode to which the lead metal fitting 9 of the present invention is joined is composed of the ceramic body 4 generated by the cooling process after heating and joining with the metal layer 7 containing the active metal and the heat generated by the heating and cooling during operation. Any material can be used as long as it can relieve the expansion difference, but the ceramic body 4 has a thermal expansion coefficient of 3.0 to 5.4 × 10 −6 / ° C. which is close to 3.0 to 7. A metal plate 8 of 5 × 10 −6 / ° C. is desirable.
[0024]
The metal plate 8 is iron (Fe) -based such as Fe—Ni—Co alloy or Fe—Ni alloy having a Young's modulus of 14 to 15 × 10 3 kg / mm 2 in that it is easily plastically deformed. From the point that an alloy is optimal and the stress generated by the thermal expansion difference can be sufficiently absorbed by the plastic deformation of the metal plate 8 itself, the corners of the metal plate 8 are chamfered or rounded to avoid stress concentration. It is more preferable to carry out processing.
[0025]
Further, the metal plate 8 of the electrode take-out part that adheres to the metal layer 7 has a surface area of the metal layer 7 to which the metal plate 8 is bonded in order to avoid stresses due to thermal expansion differences being concentrated in a narrow range. However, conversely, if it exceeds 80%, the outer periphery of the metal plate 8 where the stress concentrates and the outer periphery of the metal layer 7 approach each other and the stress concentrates to generate a crack. Therefore, the bonding area is preferably 20 to 80% of the surface area of the metal layer 7, and the outer peripheral portion of the metal plate 8 may not overlap any edge of the outer peripheral portion of the metal layer 7. desirable.
[0026]
On the other hand, the electrode lead-out portion 6 may be the exposed exposed surface, but the connection reliability can be further improved by applying a metal coating such as Ni and forming the metal layer 7 thereon. Further, as the lead metal fitting 9 connected to the metal plate 8, Ni wire having a low coefficient of thermal expansion can be applied.
[0027]
The thickness of the metal layer 7 around the metal plate 8 is preferably 30 to 150 μm. If the thickness of the metal layer 7 exceeds 150 μm, the thickness of the metal layer 7 is increased, and cracks are likely to occur due to thermal stress caused by a difference in thermal expansion, which is not preferable. Further, if the thickness of the metal layer 7 is less than 30 μm, the amount of metal forming the metal layer 7 is reduced, so that a nest is generated in the metal layer 7 and the joint portion of the lead metal fitting 9 is floating from the metal plate 8. In such a case, there is a problem in that the lead fitting 9 may be broken due to stress on the lead fitting 9.
[0028]
And as the metal layer 7 in this invention, it is based on Au-Cu alloy, or Au-Cu alloy, Au-Ni alloy, the total amount is 90 to 99 weight%, and the remainder 1 to 10 weight% is V, Examples include those containing one or more active metals of Mo, Ti, Zr, Hf, and Mn. The active metals may be contained in the form of nitrides, carbides, hydrides, and the like. Thereby, durability of the ceramic heater 1 with respect to the heat cycle in use can be improved. The metal layer 7 preferably contains vanadium (V) or titanium (Ti) as an active metal.
[0029]
If the amount of the active metal is less than 1% by weight, the effect of improving the bonding strength is not seen, and if it exceeds 10% by weight, the baking temperature of the metal layer 7 is increased and a large residual stress is generated during cooling, causing cracks. Therefore, it is limited to the above range, and 1 to 5% by weight is most desirable. From the viewpoint of preventing short circuit due to migration or the like, the metal layer 7 is most preferably one containing Au as a main component of a noble metal.
[0030]
If the metal layer 7 is electrically connected to the electrode lead-out part, the metal layer 7 can be provided by being pulled out from the electrode lead-out part. The curved surface is within a range of 20 to 80% of the surface area of the metal layer 7. It suffices if the metal plate 8 for taking out the electrode has a substantially bonded area.
[0031]
As a material of the ceramic body 4 in the ceramic heater 1 of the present invention, a ceramic body 4 made of a ceramic sintered body of non-oxide ceramics such as silicon nitride ceramics and aluminum nitride ceramics, and oxide ceramics such as alumina and mullite. Consists of. In particular, in non-oxide ceramics, cracks are prevented from occurring in the ceramic body 4 due to fatigue due to thermal cycles during use due to the stress due to the thermal expansion difference between the metal layer 7, the metal plate 8, and the ceramic body 4. It is effective for.
[0032]
For example, in silicon nitride ceramics, the grain boundary phase is composed of a crystal phase or glass phase containing a group 3a element of the periodic table of the sintering aid component, silicon, or the like, but preferably monosilicate ( It is preferable to deposit a crystal phase composed of RE 2 SiO 5 ) or disilicate (RE 2 Si 2 O 7 ) as a main phase. This is because the precipitation of the monosilicate or disilicate enhances the oxidation resistance of the ceramic body 4 at a high temperature. Further, in connection with the precipitating disilicate in the grain boundary phase of the ceramic body 4, the oxide equivalent weight of the total rare earth elements of the ceramic body 4, the molar ratio of SiO 2 in terms of the impurity oxygen is It is preferably 2 or more from the viewpoint of oxidation resistance, and is preferably controlled to 5 or less from the viewpoint of densification of the sintered body.
[0033]
Moreover, as alumina as an example of oxide ceramics, silica (SiO 2 ) 2 to 6% by weight, Macnesia (MgO) 1 to 3% by weight, calcia (CaO) 1 to 3 with respect to 88 to 95% by weight of alumina. Those containing% by weight can be used.
[0034]
The inorganic conductive material constituting the heating element 2 is added in a small amount to the non-oxide ceramic sintered body, which is the ceramic body 4, so that the thermal expansion difference or reactivity between the heating element 2 and the ceramic body 4 is increased. May be adjusted.
[0035]
In order to prevent the cracks due to the difference in thermal expansion from the ceramic body 4 and to prevent the resistance from increasing with respect to the main component of the inorganic conductive material so as to control the grain growth thereof, silicon nitride, boron nitride One or more of aluminum nitride or silicon carbide may be contained in the heating element 2, and the amount thereof is, for example, 5 to 30 parts by weight of silicon nitride and boron nitride (BN) with respect to 100 parts by weight of the main component. The ratio is preferably 1 to 20 parts by weight, aluminum nitride is 1 to 15 parts by weight, and silicon carbide is 3 to 15 parts by weight.
[0036]
Further, the inorganic conductive material of the heating element 2 is a resistor mainly composed of a refractory metal such as W, Mo, Ti, or a carbide, silicide, nitride, or the like of a refractory metal such as WC, MoSi 2 , or TiN. In view of the difference in thermal expansion from the ceramic forming the ceramic body 4 and the difficulty of reacting with them even at high temperatures, those containing WC or W as the main component are preferred.
[0037]
【Example】
Next, the ceramic heater 1 of the present invention was evaluated as described in detail below.
[0038]
First, Si 3 N 4 powder having a specific surface area of 7 to 15 m 2 / g, 10 to 15% by weight of Yb 2 O 3 as an oxide of rare earth element, and less than 5% by weight of MoSi 2 , Al 2 O 3 A suitable amount of each is added as a sintering aid, and if necessary, MoSi 2 , Mo 2 C, WSi 2 , WO 3 , WC, etc. are appropriately added as a colorant and a coefficient of thermal expansion, and wetted in a ball mill for 24 hours. Mixed.
[0039]
Thereafter, each of the obtained sludge was spray-dried and granulated, and the granulated body was used to produce a flat shaped shaped body 4a by a press molding method.
[0040]
Next, using a paste prepared by adding a solvent to a mixed powder of 80% by weight of WC fine powder and 20% by weight of Si 3 N 4 fine powder, a U-shaped pattern is obtained by screen printing or the like. In particular, the heating element 2 was formed on the surface of the generated shaped body 4a so as to be located within about 5 mm from the tip of the sintered body.
[0041]
Further, the second lead 3 is formed at a predetermined position by using a paste composed of fine powders of 92 wt% WC and 8 wt% BN so that both ends of the heat generating element 2 partially overlap each other. .
[0042]
At that time, the electrode lead-out portion 6 is made of the same composition as the second lead 3 at the other end of the generated shape 4a, and two rectangular patterns are formed in parallel to the side of the generated shape 4a in the same manner as described above. Each was formed by arrangement.
[0043]
Next, a W wire having a diameter of 0.3 mm is electrically connected to the pattern of the lead part and the electrode take-out part, respectively, on each generated shape 4a on which the heating element 2 part, the second lead 3, and the electrode trading part 6 are printed. The ceramic body 4 having a substantially rectangular parallelepiped shape is mounted by hot press firing at a temperature of 1780 ° C. for 1 hour or more in a reducing atmosphere after placing another generation shape 4a thereon. Got.
[0044]
The substantially rectangular parallelepiped ceramic body 4 was processed into a cylindrical shape by centerless.
[0045]
Thereafter, the metal layer 7 is deposited in a 3 mm square shape by screen printing so as to be connected to the exposed portion of the electrode lead portion 6 of the ceramic body 4, and the metal layer 7 is heated at 1000 ° C. in a vacuum furnace. Baked.
[0046]
Next, as shown in Table 1 on the metal layer 7, when the radius of curvature of the ceramic body 4 is R1, the radius of curvature of the inner peripheral surface of the metal plate 8 is R2, and the thickness of the metal plate 8 is 0.20 mm , (R1-R2) are set, and the metal plate 8 made of an Fe-Ni-Co alloy, on which a lead fitting 9 made of Ni having a diameter of 0.6 mm is welded, is placed in a vacuum furnace, 900 The connection was made at a temperature of ˜1200 ° C.
[0047]
In addition, as a ceramic heater made of alumina, a heating element made of W is incorporated, an electrode pad made of W in the electrode lead-out portion, a metal layer made of Au—Cu solder with an average thickness of 50 μm, and Fe—Ni—Co with a thickness of 200 μm. A ceramic heater having a metal plate made of an alloy and having (R1-R2) of 0 mm was produced.
[0048]
Using the ceramic heater for evaluation 1 obtained in this way, after a continuous standing durability test that is exposed to a temperature of 600 ° C. for 1000 hours, and a cooling cycle in which the steps of exposure to both temperatures of 40 ° C. and 450 ° C. are one cycle. Was evaluated by the following method for the connection state of each metal plate 8 for taking out the electrodes after the endurance test.
[0049]
First, the resistance value of the ceramic heater 1 before and after the durability test is measured to obtain the maximum value of the resistance change rate, and the periphery of the connection portion of the metal plate 8 for taking out the electrode after the thermal cycle durability test is a penetration test method. Inspection with a microscope was performed to check for cracks.
[0050]
[Table 1]
Figure 0004025641
[0051]
As is apparent from Table 1, Sample Nos. 1, 2, 8, 9, 14, and 15 which are outside the scope of the present invention have a large resistance change rate of 13.3% or more before and after the endurance test, and all are endurance tests. Later, cracks were observed in the ceramic body 4. The conventional example corresponds to sample numbers 1 and 2.
[0052]
On the other hand, all the ceramic heaters 1 of the present invention had a resistance change rate as small as 6.0% or less, and no cracks were generated in the ceramic body 4. When the resistance change rate is 6.0% or less, cracks after durability evaluation did not occur, and the difference between the radius R1 of the ceramic body 4 and the radius of curvature R2 of the inner peripheral surface of the metal plate 8 (R1-R2) However, if it is within the range of the present invention, concentration of stress was avoided, and as a result, it was confirmed that the connection strength of the metal plate 8 for taking out the electrode was greatly improved.
[0053]
The ceramic heater 1 of the present invention is not limited to the above embodiment, and the metal layer 7 and the metal plate 8 may have any shape as long as they do not depart from the gist of the present invention. The cross-sectional shape of the body 4 can be variously changed according to the application, and a plurality of heating elements 2 are arranged in parallel to form a multilayer structure, and the heating elements 2 are connected in series or in parallel. Even if applied to the above, the same effect can be obtained.
[0054]
【The invention's effect】
As described above, in the ceramic heater of the present invention, the radius of curvature of the ceramic body at the electrode extraction portion is R1 (mm ), the radius of curvature of the inner peripheral surface of the metal plate is R2 (mm ), and the average thickness of the metal layer is t ( mm), −0.1 ≦ (R1−R2) <t 3 , and the average thickness of the metal layer is 30 to 150 μm . As a result, even if the temperature is rapidly increased from near room temperature to high temperature over a long period of time, or even if the heat is generated under high temperature and operated continuously for a long time in a saturated state, the electrode extraction metal connected with the lead wire A ceramic heater excellent in durability with excellent temperature rise characteristics and excellent thermal shock resistance and high-temperature stability can be obtained in which the joint with the plate has the strength to withstand repeated heating and cooling over a long period of time.
[0055]
In addition, if the metal layer is made of a brazing material mainly composed of an Au-Cu alloy, an Ag-Cu alloy, or an Au-Ni alloy, a ceramic heater having excellent durability against the heat cycle during use is obtained. Can do.
[0056]
And the joint strength of the said metal layer with respect to a ceramic body can further be improved because the said metal layer contains vanadium (V) or titanium (Ti) as an active metal.
[0057]
Further, by setting the thickness of the metal layer formed between the peripheral portion of the metal plate and the ceramic base to 30 to 150 μm, stress due to the difference in thermal expansion between the metal layer and the ceramic base is reduced, and durability is further increased. Can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a perspective view of a ceramic heater according to the present invention, and FIG. 1B is a sectional view taken along line XX.
FIG. 2 is a diagram for explaining a manufacturing process of a ceramic body in the ceramic heater of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a main part of the ceramic heater of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Ceramic heater 2: Heat generating part 3: Second lead part 4: Ceramic body 5: Lead part 6: Electrode lead part 7: Metal layer 8: Metal plate 9: Lead metal fitting

Claims (4)

円筒状または円柱状のセラミック体該セラミック体に埋設され、通電により発熱する無機導電材からなる発熱部、該発熱部に電気的に接続された電極取り出し部該電極取り出し部に電気的に接続された金属層と、該金属層を介して前記電極取り出し部と電気的に接続された曲面状の金属板と、該金属板に接続されたリード金具と、を備えたセラミックヒータにおいて
前記電極取り出し部におけるセラミック体の曲率半径をR1(mm)、前記金属板の内周面の曲率半径をR2(mm)、前記金属層の平均厚みをt(mm)としたとき、−0.1≦(R1−R2)<t、かつ、前記金属層の平均厚みが30〜150μmであることを特徴とするセラミックヒータ。
A cylindrical or cylindrical ceramic body, are embedded in the ceramic body, a heating unit made of an inorganic conductive material which generates heat by energization, and the electrode extraction portion which is electrically connected to the heat generating unit, to the electrode extraction portion A ceramic heater comprising: a metal layer electrically connected; a curved metal plate electrically connected to the electrode lead-out portion through the metal layer ; and a lead fitting connected to the metal plate in,
When the radius of curvature of the ceramic body at the electrode extraction portion is R1 (mm ), the radius of curvature of the inner peripheral surface of the metal plate is R2 (mm ), and the average thickness of the metal layer is t (mm), −0. 1 ≦ (R1-R2) <t 3 , and an average thickness of the metal layer is 30 to 150 μm .
前記金属層が、Au−Cu合金、もしくはAg−Cu合金、Au−Ni合金を主成分とするロウ材からなることを特徴とする請求項1記載のセラミックヒータ。The ceramic heater according to claim 1, wherein the metal layer is made of a brazing material mainly composed of an Au—Cu alloy, an Ag—Cu alloy, or an Au—Ni alloy. 前記金属層が、活性金属としてバナジウム(V)又はチタン(Ti)を含有することを特徴とする請求項1記載のセラミックヒータ。The ceramic heater according to claim 1, wherein the metal layer contains vanadium (V) or titanium (Ti) as an active metal. 前記金属板の周辺部とセラミック体との間に形成される金属層の厚みが30〜150μmであることを特徴とする請求項記載のセラミックヒータ。The ceramic heater according to claim 1, wherein the thickness of the metal layer formed between the peripheral portion and the ceramic body of the metal plate is 30 to 150 [mu] m.
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