JP4597352B2

JP4597352B2 - Ceramic heater

Info

Publication number: JP4597352B2
Application number: JP2000367102A
Authority: JP
Inventors: 桂松原; 洋紀渡辺; 正也伊藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2020-12-01
Also published as: JP2002170650A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐久性に優れ、十分な強度を有するセラミックヒータに関する。本発明のセラミックヒータは、特に、ディーゼルエンジンの始動に使用されるセラミックグロープラグの加熱源等として有用である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ディーゼルエンジンの始動、或いは各種センサの早期活性等において、金属製シースに充填された絶縁粉末に発熱用コイルが埋設されたシースヒータが使用されている。しかし、このシースヒータでは、発熱用コイルが絶縁粉末に埋設されているため熱伝導性が低く、昇温に長時間を要する。そこで、近年、発熱用コイルを繊密な絶縁性セラミック焼結体に埋設することで熱伝導性を向上させ、急速昇温を可能としたセラミックヒータが開発され、用いられている。
【０００３】
また、金属製の発熱用コイルを導電性セラミックからなる発熱抵抗体に置き換えたセラミックヒータも提供されており、特に、１２００℃以上にまで昇温させる必要があるセラミックグロープラグ等において使用されている。このヒータは、ＷＣ、ＭｏＳｉ₂等の導電性セラミックからなる発熱体を、高温での耐食性に優れた窒化珪素質セラミックからなる絶縁性基体に埋設した構造となっている。更に、絶縁性基体には、発熱体に通電するため、Ｗなどの高融点金属からなり、一端側が発熱体の端部側に固定され、他端側が基体表面に位置している金属製の通電用リード線が埋設されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
セラミックヒータには、上述の昇温特性の他、通電及びその停止の繰り返しに対する耐久性並びに十分な強度等が要求される。しかし、絶縁性セラミックからなる基体に、導電性セラミックからなる発熱抵抗体と通電用リード線とが埋設されているセラミックヒータでは、発熱体或いは基体の形成に用いられるセラミック材料等の種類によっては、耐久性の評価において短時間のうちに発熱体と通電用リード線との固定部近傍にクラックが発生することがある。また、クラックの発生にまで至らなくても強度が低下する等の問題もある。
本発明は、上記の従来の問題を解決するものであり、耐久性に優れ、且つ十分な強度を有するセラミックヒータを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
セラミックヒータでは、発熱抵抗体と通電用リード線との固定部近傍において図１におけるＸ方向への引張応力が残留し易く、これがクラックの発生もしくは強度低下の一因ではないかと推察される。従って、発熱体とリード線との固定部近傍において引張応力が残留し難い構造とすること、或いはそのようなセラミック材料等を選定することが重要であると考えられる。
本発明は、このような知見に基づきなされたものである。
【０００６】
本発明のセラミックヒータは、発熱抵抗体と、一端側が発熱抵抗体の端部側に固定された通電用リード線と、これら発熱抵抗体と通電用リード線とが埋設されている絶縁性基体とを備えるセラミックヒータにおいて、発熱抵抗体と通電用リード線との固定部近傍の発熱抵抗体にビッカース圧子を圧入した場合に発生する図１におけるＸ方向のクラック長さ（Ｌｘ）に対するＹ方向のクラック長さ（Ｌｙ）の比（Ｌｙ／Ｌｘ）が１．３以下であることを特徴とする。
尚、Ｘ方向は発熱抵抗体の軸線方向であり、Ｙ方向はＸ方向に対して直角の方向である。
【０００７】
ビッカース圧子としては、ＪｌＳＢ７７２５「ビッカース硬さ試験機」に規定された対面角１３６度のダイヤモンド四角錐圧子を使用する。このビッカース圧子は、発熱抵抗体の端部側に固定された通電用リード線の端面から少し離れた固定部近傍の発熱抵抗体に圧入される。また、圧子は、図３のように、その対角線の方向が可能な限りＸ、Ｙ方向を向くように圧入され、Ｘ、Ｙ方向からの対角線の方向のずれを３０°以下に抑えることが好ましく、１０°以下に抑えることが特に好ましい。
【０００８】
この「固定部近傍」とは、発熱抵抗体と通電用リード線との接触面の近傍を意味するが、ビッカース圧子は、固定された通電用リード線の端面から発熱抵抗体の端面と逆の方向へ３００μｍ以上、５００μｍ以下の位置に圧入する。また、長さ方向のこの位置において発熱抵抗体の径方向の中央部（図１において１２１で指し示される部位である。）に圧入する。圧子の圧入荷重は、４９Ｎとする。尚、クラック長さは光学式顕微鏡により倍率４００倍で観察し、測定する。
【０００９】
本発明のセラミックヒータでは、発熱抵抗体の上記の部位にビッカース圧子を圧入した場合に発生するＸ方向のクラック長さ（Ｌｘ）に対するＹ方向のクラック長さ（Ｌｙ）の比（Ｌｙ／Ｌｘ）が１．３以下であり、特に１．２以下であることが好ましい。Ｌｙ／Ｌｘ値が１．３を越えても１．５以下であれば固定部近傍におけるクラックの発生は抑えられるが十分ではなく、固定部近傍における抗折強度も低下する傾向にある。一方、Ｌｙ／Ｌｘが１．３以下であれば、通電と、その停止とを繰り返す耐久試験において、通電と停止とを１００００回繰り返してもクラックが発生せず、且つ固定部近傍の抗折強度も８００ＭＰａ以上、特に９００ＭＰａ以上と高く、優れた耐久性と強度とを併せ有するセラミックヒータとすることができる。
【００１０】
Ｌｙ／Ｌｘが大きい場合に耐久性及び強度が低下する理由は必ずしも明らかではないが、Ｌｙ／Ｌｘが大きいということは、固定部近傍においてＸ方向へのより大きな引張応力が残留していることを意味しており、それによってＹ方向へのクラック長さが長くなり、耐久性及び強度が低下するものと考えられる。
【００１１】
本発明のセラミックヒータでは、発熱抵抗体及び絶縁性基体の各々を形成するセラミック材料の３０〜１０００℃における熱膨張係数の差が０．２ｐｐｍ／℃以下であり、特に０．１ｐｐｍ／℃以下であることがより好ましい。この熱膨張係数の差が０．２ｐｐｍ／℃以下であれば、固定部近傍に残留する引張応力を十分に低減させることができ、優れた耐久性と強度とを併せ有し、信頼性の高いセラミックヒータとすることができる。
【００１２】
尚、熱膨張係数は下記の式により算出することができる。
熱膨張係数（ｐｐｍ／℃）＝−［（１０００℃における標準試料長さ−１０００℃における測定試料長さ）／｛３０℃における測定試料長さ×（１０００℃−３０℃）｝］＋８．４５×１０^-6
上記の式において、「１０００℃における標準試料長さ」は、標準試料として１０００℃における熱膨張係数が８．４５×１０^-6／℃であるアルミナを使用した場合のこのアルミナの１０００℃における長さを意味する。尚、この標準試料の３０℃における長さは、測定試料の３０℃における長さと等しい長さであるとする。
【００１３】
また、セラミックヒータの発熱抵抗体及び絶縁性基体はいずれも相当に寸法の小さいものであり、そのものでは熱膨張係数の測定が容易ではない。そのため、実際には、発熱抵抗体及び絶縁性基体を形成する各々のセラミック材料をセラミックヒータの製造の場合と同じ条件により焼成して試片を作製し、この試片を用いて熱膨張係数を測定する。
【００１４】
発熱抵抗体は導電成分と絶縁成分により構成される。
導電成分は、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、及びＣｒから選ばれる１種以上の金属元素の珪化物、炭化物、窒化物又はホウ化物等のうちの少なくとも１種が焼成され、形成される。絶縁成分は、通常、窒化珪素からなる。導電成分は、特に、その熱膨張係数が、絶縁成分である窒化珪素等、もしくは絶縁性基体を構成する窒化珪素質焼結体等と大きな差がないものが好ましい。熱膨張係数の差が小さい導電成分であれば、ヒータ使用時に発熱抵抗体と絶縁性基体との界面近傍におけるクラックの発生が抑えられる。そのような導電成分としては、ＷＣ、ＭｏＳｉ₂、ＴｉＮ又はＷＳｉ₂などが挙げられる。更に、この導電成分としては、その融点がセラミックヒータの使用温度を越える耐熱性の高いものが好ましい。導電成分の融点が高ければ使用温度域におけるヒータの耐久性も向上する。
【００１５】
導電成分と絶縁成分との量比は特に限定されないが、発熱抵抗体を１００体積部とした場合に、導電成分を１５〜４０体積部とすることができ、特に２０〜３０体積部とすることが好ましい。
【００１６】
通電用リード線は、Ｗ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｍｏ及びＮｂ等から選ばれる金属或いはこれらの金属を主成分とする合金などにより形成することができ、特に、Ｗが多用される。
【００１７】
絶縁性基体は、通常、窒化珪素質焼結体からなる。この焼結体は、窒化珪素粒子及び粒界ガラス相からなるものであってもよいし、これに加えて粒界に結晶相が析出していてもよい。更に、ＳｉＣ粒子等を含有する複合体であってもよい。また、窒化珪素粒内にＡｌとＯが固溶したサイアロンであってもよい。
【００１８】
本発明のセラミックヒータは以下のようにして製造することができる。
発熱抵抗体を形成するための原料としては、導電成分の原料粉末、絶縁成分の原料粉末及び焼結助剤粉末を用いる。この焼結助剤粉末としては、希土類酸化物粉末が多用されるが、Ａｌ₂Ｏ₃或いはＳｉＯ₂等の一般に窒化珪素質焼結体の焼成において用いられる酸化物等の粉末を使用することもできる。これらの焼結助剤粉末は１種のみを使用してもよいが、通常、希土類酸化物粉末とＡｌ₂Ｏ₃粉末或いは希土類酸化物粉末とＳｉＯ₂粉末のように２種以上を併用することが多い。尚、希土類酸化物として、Ｙ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃又はＹｂ₂Ｏ₃等をした場合、粒界ガラスの耐熱性がより高くなるため好ましい。
【００１９】
これら導電成分用原料粉末、絶縁成分用原料粉末、及び焼結助剤粉末を所定の量比で混合し、混合粉末を調製する。この混合は、湿式等、通常の方法によって行うことができる。
【００２０】
導電成分用原料粉末、絶縁成分用原料粉末及び焼結助剤粉末は、これらの合計量を１００体積部とした場合に、導電成分用原料粉末を１５〜４０体積部、特に２０〜３０体積部、絶縁成分用原料粉末と焼結助剤粉末とで８５〜６０体積部、特に８０〜７０体積部とすることができる。
【００２１】
このようにして調製した混合粉末に、適量のバインダ等を配合して混練した後、射出成形等の成形方法により、発熱抵抗体となる成形体とすることができる。また、この成形体の端部側にＷ等の金属からなる通電用リード線の一端側が固定され、取り付けられる。
【００２２】
その後、この成形体を、絶縁性基体用原料粉末に埋入する。その方法としては、絶縁性基体用原料粉末を圧粉した半割型を２個用意し、これら半割型の間に成形体を載置した後、プレス成形する方法等が挙げられる。次いで、これらを一体に５〜１２ＭＰａ程度に加圧することにより、絶縁性基体の形状を有する粉末成形体に発熱抵抗体となる成形体及び通電用リード線が埋設されたセラミックヒータ成形体が得られる。このセラミックヒータ成形体を、黒鉛製等の加圧用ダイスに収納し、これを焼成炉に収容し、所定の温度で所要時間、ホットプレス焼成することにより、セラミックヒータを製造することができる。焼成温度及び焼成時間は特に限定されないが、焼成温度は１６５０〜１８５０℃、特に１７００〜１８００℃、焼成時間は３０〜１２０分、特に６０〜９０分とすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセラミックヒータ及びそれを備えるグロープラグを実施例により更に詳しく説明する。
（１）セラミックヒータの構成
図１は、セラミックヒータの縦断面図である。
セラミックヒータ１は、絶縁性基体１１、発熱抵抗体１２及び通電用リード線１３ａ、１３ｂにより構成されている。絶縁性基体１１は窒化珪素質焼結体等からなり、埋設される発熱抵抗体１２及び通電用リード線１３ａ、１３ｂは、この絶縁性基体１１によって保護されている。発熱抵抗体１２には、導電性セラミックと絶縁性セラミックとが含有されている。また、Ｗ等からなるリード線１３ａ、１３ｂは、外部からセラミックヒータ１に供給される電力を発熱抵抗体１２に給電できるように、各々その一端側は発熱抵抗体１２の両端部側に固定され、他端側は絶縁性基体１１の表面に位置している。
【００２４】
（２）ヒータを組み込んだグロープラグの構成
図２は、このセラミックヒータを組み込んだグロープラグの縦断面図である。
グロープラグ２は、発熱する部位である先端側にセラミックヒータ１を備える。セラミックヒータ１は、金属製の固定筒２１に貫装され、この固定筒２１は外筒２２の先端部に保持されている。
【００２５】
（３）セラミックヒータの製造
表１に記載の、導電性セラミック及び絶縁性セラミックを使用し、それぞれＬｙ／Ｌｘが表１に記載の値となるセラミックヒータを以下のようにして製造した。尚、実施例１〜３及び比較例１〜３におけるＬｙ／Ｌｘ値は、発熱抵抗体及び絶縁製基体の熱膨張係数の組み合わせを変えることによって調整した。また、発熱抵抗体及び絶縁性基体を形成する各々のセラミック材料の熱膨張係数は、焼成後に高熱膨張の粒界ガラス相を形成する焼結助剤及び高熱膨張のＷＣ等の配合量を変えることによって調整した。
【００２６】
導電性セラミックであるＷＣ粉末５０〜７０質量部（以下、「部」と略記する。）と窒化珪素原料粉末３０〜５０部との合計量１００部に対して、焼結助剤として、外配合で２〜２０部のＹｂ₂Ｏ₃粉末及び外配合で１〜５部のＳｉＯ₂粉末を配合して発熱抵抗体用原料とした。この原料を７２時間湿式混合した後、乾燥し、混合粉末を得た。その後、この混合粉末とバインダとを混練機に投入し、４時間混練した。次いで、得られた混練物を裁断してペレット状とし、これを射出成型機に投入してＷ製のリード線が両端部側に固定され、接続されたＵ字状の発熱抵抗体となる成形体を得た。
【００２７】
一方、６０〜７０部の窒化珪素原料粉末に、焼結助剤として１５〜２５部のＹｂ₂Ｏ₃粉末及び１〜３部のＳｉＯ₂粉末、並びに５〜１５部のＣｒＳｉ₂粉末及び１〜５部のＳｉＣ粉末を配合し、４０時間湿式混合したものをスプレードライヤ法によって造粒し、この造粒物を圧粉した２個の半割型を用意した。その後、発熱抵抗体となる成形体を２個の半割型間に載置し、プレス成形して埋入した後、これらを６．９ＭＰａの圧力で一体に加圧し、未焼成のセラミックヒータを得た。次いで、この未焼成のセラミックヒータを６００℃で仮焼してバインダを除去し、仮焼体を得た。その後、この仮焼体を黒鉛製の加圧用ダイスにセットし、窒素雰囲気下、１７００〜１８００℃で２４ＭＰａを負荷して１．５時間、ホットプレス焼成し、セラミックヒータを製造した。
【００２８】
【表１】

【００２９】
（４）セラミックヒータの耐久性及び強度の評価
（３）において製造したセラミックヒータのＬｙ／Ｌｘ値並びに耐久性及び固定部近傍における抗折強度を以下の方法により測定した。結果を表２に示す。
▲１▼圧子圧入法によるＬｙ／Ｌｘ値の測定
ビッカース圧子；対面角１３６度のダイヤモンド四角錐圧子
圧入位置；通電用リード線の先端面から４００μｍの位置であって発熱抵抗体の径方向（厚さ）の中央部
圧入荷重；４９Ｎ
圧入時間；１５秒
クラック長さ；４００倍の光学顕微鏡により観察し、測定
【００３０】
▲２▼固定部近傍の抗折強度
方法；三点曲げ強度（下スパン１２ｍｍの中間部に固定部が位置するように配置）
測定温度；２５℃
ヒータ径；３．５ｍｍ
▲３▼耐久性
セラミックヒータの発熱抵抗体に１分間通電し、１４００℃に昇温させた後、１分間通電を停止する行程を１回とし、最大１００００回繰り返した。
【００３１】
【表２】

【００３２】
表２の結果によれば、Ｌｙ／Ｌｘ値が１．３以下である実施例１〜３では、通電とその停止とを１００００回繰り返してもヒータが折損することがなく、耐久性に優れており、固定部の抗折強度も８００ＭＰａ以上と十分であることが分かる。また、発熱抵抗体と絶縁性基体の各々を形成するセラミック材料の熱膨張係数の差が特に小さい実施例２では、１０００ＭＰａ以上とより大きな抗折強度を有するヒータが得られている。一方、比較例１〜３では、Ｌｙ／Ｌｘ値が１．３を越えているため、耐久性、抗折強度ともに劣り、Ｌｙ／Ｌｘ値が大きくなるとともに耐久性、強度ともにより低下していることが分かる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、通電とその停止とを繰り返した場合の耐久性に優れ、且つ発熱抵抗体と通電用リード線との固定部近傍における抗折強度の大きいセラミックヒータとすることができる。このセラミックヒータは、グロープラグ、バーナ等或いは酸素センサ等において長期に渡って安定な昇温特性を有する加熱源として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミックヒータを説明するための縦断面図である。
【図２】セラミックヒータを組み込んだグロープラグの縦断面図である。
【図３】発熱抵抗体に圧入された圧子及びその角部から発生しているクラックの様子を表わす模式図である。
【符号の説明】
１；セラミックヒータ、１１；絶縁性基体、１２；発熱抵抗体、１３ａ、１３ｂ；通電用リード線、２；グロープラグ、２１；金属製の固定筒、２２；外筒、３；ビッカース圧子、４ｘ；Ｘ方向のクラック、４ｙ；Ｙ方向のクラック。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a ceramic heater having excellent durability and sufficient strength. Ceramic heater of the present invention is particularly useful as a heat source, such as a ceramic glow plug for use in diesel engine start.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a sheath heater in which a heating coil is embedded in an insulating powder filled in a metal sheath has been used for starting a diesel engine or early activation of various sensors. However, in this sheath heater, since the heating coil is embedded in the insulating powder, the thermal conductivity is low, and it takes a long time to raise the temperature. Therefore, in recent years, ceramic heaters have been developed and used in which the heat conductivity is improved by embedding a heat generating coil in a fine insulating ceramic sintered body and rapid heating is possible.
[0003]
There is also provided a ceramic heater in which a metal heating coil is replaced with a heating resistor made of a conductive ceramic, and is used particularly in a ceramic glow plug that needs to be heated to 1200 ° C. or higher. . This heater has a structure in which a heating element made of a conductive ceramic such as WC or MoSi ₂ is embedded in an insulating base made of a silicon nitride ceramic having excellent corrosion resistance at high temperatures. In addition, the insulating substrate is made of a metal having a high melting point such as W in order to energize the heating element, and one end is fixed to the end of the heating element and the other end is located on the surface of the substrate. Lead wire is embedded.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Ceramic heaters are required to have durability against repeated energization and stoppage, sufficient strength, etc. in addition to the above-described temperature rise characteristics. However, in a ceramic heater in which a heating resistor made of conductive ceramic and a conducting lead wire are embedded in a base made of insulating ceramic, depending on the type of ceramic material used for forming the heating element or the base, In the evaluation of durability, cracks may occur in the vicinity of the fixing portion between the heating element and the energization lead wire in a short time. Further, there is a problem that the strength is lowered even if cracks do not occur.
The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a ceramic heater having excellent durability and sufficient strength.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In the ceramic heater, the tensile stress in the X direction in FIG. 1 tends to remain in the vicinity of the fixing portion between the heating resistor and the energization lead, and it is assumed that this may be a cause of cracking or strength reduction. Therefore, the stress tension in the fixed portion the vicinity of the heating element and the lead wire is to hard structure remains, or is considered to be important to select such a ceramic material or the like.
The present invention has been made based on such findings.
[0006]
The ceramic heater of the present invention includes a heating resistor, an energization lead wire having one end fixed to the end portion side of the heating resistor, and an insulating substrate in which the heating resistor and the energization lead wire are embedded. In a ceramic heater provided with a crack in the Y direction with respect to the crack length (Lx) in the X direction in FIG. 1 that occurs when a Vickers indenter is press-fitted into the heating resistor in the vicinity of the fixing portion between the heating resistor and the energization lead wire The length (Ly) ratio (Ly / Lx) is 1.3 or less.
The X direction is the axial direction of the heating resistor, and the Y direction is a direction perpendicular to the X direction.
[0007]
As the Vickers indenter, a diamond quadrangular pyramid indenter having a facing angle of 136 degrees specified in JlS B 7725 “Vickers hardness tester” is used. The Vickers indenter is press-fitted into the heating resistor in the vicinity of the fixed portion slightly away from the end face of the energization lead wire fixed to the end portion side of the heating resistor. Further, as shown in FIG. 3, the indenter is preferably press-fitted so that the direction of the diagonal line is as much as possible in the X and Y directions, and the shift in the diagonal direction from the X and Y directions is preferably suppressed to 30 ° or less. It is particularly preferable to keep the angle 10 ° or less.
[0008]
This “near the fixing portion” means the vicinity of the contact surface between the heating resistor and the energization lead, but the Vickers indenter is opposite to the end surface of the heating resistor from the end surface of the fixed energization lead. It press-fits to the position of 300 to 500 μm in the direction. Further, press-fitted into the central portion in the radial direction of the heating resistor at this position in the longitudinal direction (a portion pointed by Oite 121 in Figure 1.). The indentation load of the indenter is 49N. The crack length is observed and measured with an optical microscope at a magnification of 400 times.
[0009]
In the ceramic heater of the present invention, the ratio (Ly / Lx) of the Y-direction crack length (Ly) to the X-direction crack length (Lx) generated when a Vickers indenter is press-fitted into the above-mentioned portion of the heating resistor. Is 1.3 or less, and particularly preferably 1.2 or less. Even if the Ly / Lx value exceeds 1.3, if it is 1.5 or less, the occurrence of cracks in the vicinity of the fixed portion can be suppressed, but this is not sufficient, and the bending strength in the vicinity of the fixed portion tends to decrease. On the other hand, if Ly / Lx is 1.3 or less, in an endurance test that repeats energization and its stop, cracking does not occur even if the energization and stop are repeated 10,000 times, and the bending strength near the fixed portion Can be a ceramic heater having both excellent durability and strength, as high as 800 MPa or more, particularly 900 MPa or more.
[0010]
The reason why durability and strength decrease when Ly / Lx is large is not necessarily clear, but large Ly / Lx means that a larger tensile stress in the X direction remains in the vicinity of the fixed part. This means that the crack length in the Y direction is increased, and the durability and strength are reduced.
[0011]
In the ceramic heater of the present invention, the difference in thermal expansion coefficient at 30 to 1000 ° C. of the ceramic material forming each of the heating resistor and the insulating substrate is 0.2 ppm / ° C. or less, particularly 0.1 ppm / ° C. or less. More preferably. If this difference in thermal expansion coefficient 0.2 ppm / ° C. or less, the tensile stress remaining in the fixing portion near can be sufficiently reduced, a combination of the excellent durability and strength, reliability It can be a high ceramic heater.
[0012]
The thermal expansion coefficient can be calculated by the following formula.
Thermal expansion coefficient (ppm / ° C.) = − [(Standard sample length at 1000 ° C.−measured sample length at 1000 ° C.) / {Measured sample length at 30 ° C. × (1000 ° C.−30 ° C.)}] + 8.45 × 10 ^-6
In the above formula, “standard sample length at 1000 ° C.” means the length of this alumina at 1000 ° C. when alumina having a thermal expansion coefficient of 8.45 × 10 ⁻⁶ / ° C. at 1000 ° C. is used as the standard sample. Means. It is assumed that the length of the standard sample at 30 ° C. is equal to the length of the measurement sample at 30 ° C.
[0013]
Further, the heating resistor and the insulating base of the ceramic heater are both considerably small in size, and it is not easy to measure the thermal expansion coefficient by itself. Therefore, in actuality, each ceramic material forming the heating resistor and the insulating substrate is fired under the same conditions as in the production of the ceramic heater to produce a specimen, and the thermal expansion coefficient is determined using this specimen. taking measurement.
[0014]
The heating resistor is composed of a conductive component and an insulating component.
The conductive component is at least one of silicide, carbide, nitride, boride and the like of one or more metal elements selected from W, Ta, Nb, Ti, Mo, Zr, Hf, V, and Cr. Baked and formed. The insulating component is usually made of silicon nitride. In particular, it is preferable that the conductive component has a thermal expansion coefficient that is not significantly different from that of an insulating component such as silicon nitride or a silicon nitride sintered body constituting an insulating substrate. If the conductive component has a small difference in thermal expansion coefficient, the occurrence of cracks in the vicinity of the interface between the heating resistor and the insulating substrate can be suppressed when the heater is used. Examples of such a conductive component include WC, MoSi ₂ , TiN, and WSi ₂ . Further, the conductive component is preferably a heat-resistant component whose melting point exceeds the operating temperature of the ceramic heater. If the melting point of the conductive component is high, the durability of the heater in the operating temperature range is also improved.
[0015]
The quantity ratio between the conductive component and the insulating component is not particularly limited, but when the heating resistor is 100 parts by volume, the conductive component can be 15 to 40 parts by volume, and particularly 20 to 30 parts by volume. Is preferred.
[0016]
The energization lead wire can be formed of a metal selected from W, Re, Ta, Mo, Nb, or the like, or an alloy containing these metals as a main component, and W is particularly frequently used.
[0017]
The insulating base is usually made of a silicon nitride sintered body. This sintered body may be composed of silicon nitride particles and a grain boundary glass phase, and in addition to this, a crystal phase may be precipitated at the grain boundaries. Furthermore, it may be a composite containing SiC particles and the like. Alternatively, sialon in which Al and O are dissolved in silicon nitride grains may be used.
[0018]
The ceramic heater of the present invention can be manufactured as follows.
As a raw material for forming the heating resistor, a conductive component raw material powder, an insulating component raw material powder and a sintering aid powder are used. As the sintering aid powder, rare earth oxide powder is often used, but it is also possible to use powders of oxides such as Al ₂ O ₃ or SiO _{2 that} are generally used in firing silicon nitride sintered bodies. it can. Only one kind of these sintering aid powders may be used, but usually two or more kinds of rare earth oxide powder and Al ₂ O ₃ powder or rare earth oxide powder and SiO ₂ powder are used in combination. There are many. Note that it is preferable to use Y ₂ O ₃ , Er ₂ O _3, Yb ₂ O ₃ or the like as the rare earth oxide because the heat resistance of the grain boundary glass becomes higher.
[0019]
These conductive component raw material powder, insulating component raw material powder, and sintering aid powder are mixed at a predetermined quantitative ratio to prepare a mixed powder. This mixing can be performed by an ordinary method such as a wet process.
[0020]
The conductive component raw material powder, the insulating component raw material powder, and the sintering aid powder are 15 to 40 parts by volume, particularly 20 to 30 parts by volume of the conductive component raw powder when the total amount thereof is 100 parts by volume. The insulating component raw material powder and the sintering aid powder can be 85 to 60 parts by volume, particularly 80 to 70 parts by volume.
[0021]
An appropriate amount of a binder or the like is blended and kneaded into the mixed powder thus prepared, and then a molded body that becomes a heating resistor can be formed by a molding method such as injection molding. In addition, one end side of a lead wire for energization made of a metal such as W is fixed and attached to the end side of the formed body.
[0022]
Thereafter, this molded body is embedded in the raw material powder for an insulating substrate. Examples of the method include a method in which two half molds obtained by compacting a raw material powder for an insulating substrate are prepared, a molded body is placed between the half molds, and then press molding is performed. Next, by integrally pressing these to about 5 to 12 MPa, a ceramic heater molded body in which a powder molded body having the shape of an insulating base and a molded body serving as a heating resistor and a lead wire for energization are embedded is obtained. . The ceramic heater molded body is housed in a pressing die made of graphite or the like, housed in a firing furnace, and subjected to hot press firing at a predetermined temperature for a required time, whereby a ceramic heater can be manufactured. The firing temperature and firing time are not particularly limited, but the firing temperature may be 1650 to 1850 ° C., particularly 1700 to 1800 ° C., and the firing time may be 30 to 120 minutes, particularly 60 to 90 minutes.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the ceramic heater of the present invention and the glow plug including the ceramic heater will be described in more detail with reference to examples.
(1) Configuration of Ceramic Heater FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a ceramic heater.
The ceramic heater 1 includes an insulating substrate 11, a heating resistor 12, and energization lead wires 13a and 13b. The insulating base 11 is made of a silicon nitride sintered body or the like, and the buried heating resistor 12 and energization lead wires 13 a and 13 b are protected by the insulating base 11. The heating resistor 12 contains a conductive ceramic and an insulating ceramic. Further, the lead wires 13a and 13b made of W or the like are respectively fixed at one end side to both end portions of the heating resistor 12 so that electric power supplied from the outside to the ceramic heater 1 can be supplied to the heating resistor 12. The other end is located on the surface of the insulating substrate 11.
[0024]
(2) Configuration of Glow Plug Incorporating Heater FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a glow plug incorporating this ceramic heater.
The glow plug 2 includes a ceramic heater 1 on the tip side, which is a portion that generates heat. The ceramic heater 1 is inserted into a metal fixed cylinder 21, and the fixed cylinder 21 is held at the tip of the outer cylinder 22.
[0025]
(3) Manufacture of ceramic heater Using the conductive ceramic and insulating ceramic described in Table 1, ceramic heaters having Ly / Lx values shown in Table 1 were manufactured as follows. The Ly / Lx values in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were adjusted by changing the combination of the thermal expansion coefficients of the heating resistor and the insulating substrate. Also, the thermal expansion coefficient of each ceramic material forming the heating resistor and the insulating substrate should be changed in the amount of the sintering aid and the high thermal expansion WC, etc., which form a high thermal expansion grain boundary glass phase after firing. Adjusted by.
[0026]
As a sintering aid, 50 wt.-70 wt parts (hereinafter abbreviated as “part”) of WC powder, which is a conductive ceramic, and 30-50 wt. 2 to 20 parts of Yb ₂ O ₃ powder and 1 to 5 parts of SiO ₂ powder were blended to prepare a heating resistor material. This raw material was wet-mixed for 72 hours and then dried to obtain a mixed powder. Thereafter, the mixed powder and the binder were put into a kneader and kneaded for 4 hours. Next, the obtained kneaded material is cut into pellets, which are put into an injection molding machine, and W lead wires are fixed to both end sides, forming a connected U-shaped heating resistor. Got the body.
[0027]
On the other hand, 60 to 70 parts of silicon nitride raw material powder, 15 to 25 parts of Yb ₂ O ₃ powder and 1 to 3 parts of SiO ₂ powder as a sintering aid, and 5 to 15 parts of CrSi ₂ powder and 1 to A mixture of 5 parts of SiC powder and wet-mixed for 40 hours was granulated by a spray dryer method, and two halves were prepared by compacting the granulated product. After that, a molded body that becomes a heating resistor is placed between two halves, press-molded and embedded, and then these are pressed together at a pressure of 6.9 MPa, and an unfired ceramic heater is attached. Obtained. Next, this unfired ceramic heater was calcined at 600 ° C. to remove the binder, and a calcined body was obtained. Thereafter, this calcined body was set on a graphite pressure die, and was subjected to hot press firing at 1700 to 1800 ° C. under a nitrogen atmosphere for 1.5 hours to produce a ceramic heater.
[0028]
[Table 1]

[0029]
(4) Evaluation of durability and strength of ceramic heater The Ly / Lx value, durability, and bending strength in the vicinity of the fixed portion of the ceramic heater manufactured in (3) were measured by the following methods. The results are shown in Table 2.
(1) Measurement of Ly / Lx value by indenter indentation method Vickers indenter; Diamond quadrangular pyramid indenter position at 136 ° facing angle; 400 μm from the tip of the lead wire for energization, and radial direction of the heating resistor (thickness) )) Center press-fit load; 49N
Press-in time: 15 seconds Crack length: Observed and measured with 400 times optical microscope
(2) Folding strength method in the vicinity of the fixed part; Three-point bending strength (arranged so that the fixed part is located in the middle part of the lower span 12 mm)
Measurement temperature: 25 ° C
Heater diameter: 3.5mm
(3) Durability The heating resistor of the ceramic heater was energized for 1 minute, heated to 1400 ° C., and then the process of stopping the energization for 1 minute was defined as one time and repeated up to 10,000 times.
[0031]
[Table 2]

[0032]
According to the results of Table 2, in Examples 1 to 3 where the Ly / Lx value is 1.3 or less, the heater does not break even if the energization and the stop thereof are repeated 10,000 times, and the durability is excellent. In addition, it can be seen that the bending strength of the fixing portion is sufficient to be 800 MPa or more. Further, in Example 2 in which the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic materials forming each of the heating resistor and the insulating substrate is particularly small, a heater having a greater bending strength of 1000 MPa or more is obtained. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 3, since the Ly / Lx value exceeds 1.3, the durability and the bending strength are inferior, and the Ly / Lx value is increased and the durability and the strength are both decreased. I understand that.
[0033]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can be set as the ceramic heater which is excellent in durability at the time of repeating electricity supply and its stop, and has a high bending strength in the vicinity of the fixing part of a heating resistor and an electricity supply lead wire. This ceramic heater can be used as a heating source having a stable temperature rising characteristic for a long time in a glow plug, a burner, or an oxygen sensor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view for explaining a ceramic heater.
FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of a glow plug incorporating a ceramic heater.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a state of a crack generated from an indenter press-fitted into a heating resistor and a corner portion thereof.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1; Ceramic heater, 11; Insulating base | substrate, 12; Heat generating resistor, 13a, 13b; Lead wire for electricity supply, 2; Glow plug, 21; Metal fixed cylinder, 22: Outer cylinder, 3; Vickers indenter, 4x ; X direction crack, 4y; Y direction crack.

Claims

In a ceramic heater comprising a heating resistor, an energization lead wire having one end fixed to the end side of the heating resistor, and an insulating substrate in which the heating resistor and the energization lead wire are embedded, The crack length in the Y direction relative to the crack length (Lx) in the X direction in FIG. A ceramic heater, wherein a ratio of (Ly) (Ly / Lx) is 1.3 or less.

2. The ceramic heater according to claim 1, wherein a difference in thermal expansion coefficient at 30 to 1000 ° C. of the ceramic material forming each of the heating resistor and the insulating substrate is 0.2 ppm / ° C. or less.