JP6081836B2 - Ceramic heater - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、燃焼式車載暖房装置、石油ファンヒータ、自動車エンジンのグロープラグ、酸素センサ等の各種センサまたは測定機器に利用されるセラミックヒータに関するものである。 The present invention relates to a ceramic heater used in various sensors or measuring equipment such as a combustion-type in-vehicle heating device, an oil fan heater, a glow plug of an automobile engine, and an oxygen sensor.
燃焼式車載暖房装置、石油ファンヒータ、自動車エンジンのグロープラグ、酸素センサ等の各種センサまたは測定機器に利用されるヒータとして、例えば、セラミックヒータが知られている。セラミックヒータとしては、例えば、特許文献1に記載のセラミックヒータが挙げられる。特許文献1に記載のセラミックヒータは、棒状のセラミック材と、セラミック材の内部に設けられた発熱体と、セラミック材の外部に設けられており発熱体と電気的に接続されたリードとを備えている。セラミックヒータは、リードを介して金属製パイプに電気的に接続されている。一般的に、リードと金属製パイプとの接続は、リードと金属製とをろう材によって接合することによって行なわれる。
For example, a ceramic heater is known as a heater used in various sensors or measuring devices such as a combustion-type in-vehicle heating device, an oil fan heater, a glow plug of an automobile engine, an oxygen sensor, and the like. As a ceramic heater, the ceramic heater of
しかしながら、特許文献1に記載のセラミックヒータにおいては、リードと金属製パイプとをろう材によって接合した場合には、セラミックヒータで発せられた熱が、ろう材を介して外部に逃げてしまう場合があった。その結果、セラミックヒータの昇温速度を向上させることが困難であった。
However, in the ceramic heater described in
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、昇温速度を向上させたセラミックヒータを提供することにある。 This invention is made | formed in view of this problem, The objective is to provide the ceramic heater which improved the temperature increase rate.
本発明の一態様のセラミックヒータは、セラミック基体と、該セラミック基体に埋設された発熱体と、該発熱体に電気的に接続された導出部と、前記セラミック基体にろう材層を介して接合された金具とを含み、前記ろう材層には空隙があり、該空隙は、前記ろう材層と前記セラミック基体との境界および前記ろう材層と前記金具との境界の少なくとも一方に面していることを特徴とする。 The ceramic heater according to one aspect of the present invention includes a ceramic base, a heating element embedded in the ceramic base, a lead-out portion electrically connected to the heating base, and a brazing material layer bonded to the ceramic base. and a has been fitting, the gap there Ri in the brazing material layer, voids are facing at least one of the boundary between the boundary and the brazing material layer between the said brazing material layer ceramic substrate bracket It is characterized by.
本発明の一態様のセラミックヒータによれば、ろう材層に空隙があることによって、ろう材層における熱伝導を抑制することができる。その結果、セラミックヒータで発せられた熱が、ろう材を介して外部に逃げてしまうことを抑制できる。その結果、セラミックヒータの昇温速度を向上させることができる。 According to the ceramic heater of one embodiment of the present invention, the heat conduction in the brazing material layer can be suppressed due to the presence of voids in the brazing material layer. As a result, it is possible to suppress the heat generated by the ceramic heater from escaping to the outside through the brazing material. As a result, the temperature increase rate of the ceramic heater can be improved.
以下、本発明の一実施形態に係るセラミックヒータ10について、図面を参照しながら説明する。図1は本発明のセラミックヒータ10を示す断面図である。図1に示すように、セラミックヒータ10は、セラミック基体1と、セラミック基体1に埋設された発熱体5と、発熱体5に電気的に接続された導出部6と、セラミック基体1に接合された金具3とを含んでいる。セラミック基体1と金具3との間にはろう材層2が設けられているとともに、ろう材層2には空隙4が形成されている。
Hereinafter, a
セラミック基体1は、例えば、棒状または板状に形成されたセラミック焼結体からなるものである。セラミック焼結体としては、例えば、酸化物セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミックスが挙げられる。具体的には、アルミナ質セラミックス、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または炭化珪素質セラミックス等を用いることができる。特に、セラミック基体1が、窒化珪素質セラミックスからなることが好適である。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が高強度、高靱性、高絶縁性および耐高熱性である点で優れている。
The
窒化珪素質セラミックスからなるセラミック基体1は、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として5〜15質量%のY2O3、Yb2O3またはEr2O3等の希土類元素酸化物、0.5〜5質量%のAl2O3、さらに焼結体に含まれるSiO2量が1.5〜5質量%となるようにSiO2を混合し、所定の形状に成形し、その後、1650〜1780℃でホットプレス焼成することによって得ることができる。
The
セラミック基体1の長さは、例えば20〜50mmに設定され、セラミック基体1の直径は例えば3〜5mmに設定される。
The length of the
なお、セラミック基体1として窒化珪素質セラミックスからなるものを用いる場合であって、発熱体5がモリブデン(Mo)またはタングステン(W)からなる場合には、セラミック基体1には、MoSi2およびWSi2等を混合し分散させることが好ましい。これにより、母材である窒化珪素質セラミックスの熱膨張率を発熱体5の熱膨張率に近付けることができ、ヒータの耐久性を向上させることができる。
When the
発熱体5はセラミック基体1に埋設されている。発熱体5は、折返し形状であって、それぞれの端部に導出部6が接続されている。発熱体5は、発熱するための抵抗体であって、電流が流れることによって発熱する。導出部6は、発熱体5と外部の電源とを電気的に接続するための部材であって、一端が発熱体5に接続されるとともに、他端がセラミック基体1の表面に引き出されている。
The
発熱体5および導出部6には、W、Moまたはチタン(Ti)等の炭化物、窒化物または珪化物等を主成分とするものを使用することができる。さらに、発熱体5は、熱膨張率をセラミック基体1の熱膨張率に近付けるために、セラミック基体1と同じ材料を含んでいてもよい。発熱体5は抵抗値が高く設定されていて、特に折返しの中間点付近で最も発熱するようになっている。一方、導出部6は、セラミック基体1の形成材料の含有量を発熱体5よりも少なくしたり、発熱体5よりも断面積を大きくしたりすることによって、単位長さ当たりの抵抗値が発熱体5よりも低くなっている。
As the
金具3はセラミック基体1を保持するための部材である。金具3は筒状の部材であって、セラミック基体1の端部を囲むように設けられている。言い換えると、金具3の内側にセラミック基体1が挿入されている。金具3は、例えば、ステンレスまたは鉄(Fe)−ニッケル(Ni)−コバルト(Co)合金からなる。
The
金具3とセラミック基体1とは、ろう材層2によって接合されている。ろう材層2は、セラミック基体1の端部を囲むように設けられている。言い換えると、ろう材層2は、セラミック基体1の端部の全周に設けられている。これにより、金具3とセラミック基体1とが強固に固定されている。
The
セラミック基体1にろう材層2を設けるためには、ろう付け前にガラス成分をセラミック基体1の内面に焼き付けておけばよい。これにより、良好にろう材層2を設けることができる。なお、金具3を電極として機能させる場合には、ガラス成分にNi等の金属を混ぜておくことによって下地に導電性を与えるとともに、導出部6とこの下地とを電気的に接続すればよい。これにより、導出部6とろう材層2と金具3とを電気的に接続できる。
In order to provide the
ろう材層2としては、ガラス成分を5〜20質量%含んだ銀(Ag)−銅(Cu)ろう、AgろうまたはCuろう等を用いることができる。ガラス成分はセラミックスとの濡れ性が良く、摩擦係数が大きいため、ろう材層2とセラミック基体1との接合強度またはろう材層2と金具3との接合強度を向上させることができる。
As the brazing
ろう材層2の厚みは、例えば50〜150μmに設定できる。ここで、本実施形態のセラミックヒータ10においては、図2に示すように、ろう材層2は空隙4を有する。空隙4は、ろう材層2にガラス成分を含ませておくことによって形成することができる。具体的には、ろう付けの際の加熱時に、ろう材層2のガラス成分が含んでいる窒素または酸素が発泡することによって空隙4が形成される。言い換えれば、本実施形態における空隙4は、窒素または酸素の発泡によって形成された空孔である。さらに言いかえれば、本実施形態における空隙4は、窒素または酸素を含む気泡である。このように、本実施形態のセラミックヒータ10は、ろう材層2に空隙4が設けられていることによって、発熱体5で発せられた熱がろう材層2を介して金具3に逃げてしまうことを抑制できる。その結果、セラミックヒータ10の昇温速度を向上させることができる。
The thickness of the
また、図3に示すように、空隙4が、セラミック基体1または金具3に接するように設けられていることが好ましい。これにより、セラミック基体1とろう材層2との間に生じる熱応力または金具3とろう材層2との間に生じる熱応力を低減できる。
In addition, as shown in FIG. 3, the
空隙4がセラミック基体1または金具3に接するようにするためには、以下の方法を用いることができる。具体的には、ろう付けの前に、セラミック基体1または金具3に、ガラス成分の下地を設けておけばよい。これにより、下地のガラス成分が含んでいる窒素または酸素が、ろう付けの際の加熱時に発泡することによって、空隙4がセラミック基体1または金具3に接するように形成される。
In order for the
また、図4に示すように、空隙4は、セラミック基体1あるいは金具3に接するように複数設けられていることが好ましい。空隙4が複数あることによって、セラミック基体1とろう材層2との間に生じる熱応力または金具3とろう材層2との間に生じる熱応力をさらに低減できる。
Further, as shown in FIG. 4, it is preferable that a plurality of the
また、図5に示すように、空隙4の大きさは大小入り混じっていることが好ましい。空隙4が小さいものばかりの場合には、空隙4を設けることによって生じるろう材層2における熱伝導の抑制という効果を効果的に得ることが困難になる。反対に、空隙4が大きいものばかりの場合には、セラミック基体1と金具3との接合強度を向上させることが困難になる。空隙4の大きさが大小入り混じったものであることによって、ろう材層2におけ
る熱伝導を効果的に抑制しつつ、セラミック基体1と金具3との接合強度を向上できる。空隙4の大きさとしては、大きいもので例えば0.1〜0.5mm、小さいもので例えば0.01mm程度にすることができる。
Moreover, as shown in FIG. 5, it is preferable that the size of the
また、図6に示すように、空隙4の多くは特にセラミック基体1に接するように設けられていることが好ましい。熱源である発熱体5を内部に有するセラミック基体1により近い場所に空隙4を配置することで、ろう材層2における熱伝導をさらに抑制できる。その結果、セラミックヒータ10の昇温速度をさらに向上できる。
Further, as shown in FIG. 6, it is preferable that most of the
また、図1に示すように、セラミックヒータ10の先端側に発熱体5を有する場合には、図7に示すように、空隙4はろう材層2のうちセラミックヒータ10の後端側に偏って存在していることが好ましい。セラミックヒータ10の後端側は、金具3の温度がろう材層2の温度と比較して低くなっている場合が多く、金具3とろう材層2との間で熱応力が生じやすい。この後端側において、空隙4を多く設けることによって、耐久性を向上させることができる。
As shown in FIG. 1, when the
次に、本発明のセラミックヒータの製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of the ceramic heater of this invention is demonstrated.
まず、導電性セラミック粉末および樹脂バインダー等を含む、発熱体5および導出部6となる導電性セラミックペーストを作製するとともに、絶縁性セラミック粉末および樹脂バインダー等を含むセラミック基体1となる絶縁性セラミックペーストを作製する。
First, an electrically conductive ceramic paste that becomes a
次に、導電性セラミックペーストを用いて、射出成形法等によって発熱体5となる所定パターンの導電性セラミックペーストの成形体(成形体A)を形成する。そして、成形体Aを金型内に保持した状態で、導電性セラミックペーストを金型内に充填して導出部6となる所定パターンの導電性ペーストの成形体(成形体B)を形成する。これにより、成形体Aとこの成形体Aに接続された成形体Bとが金型内に保持された状態となる。
Next, using a conductive ceramic paste, a molded body (formed body A) of a conductive ceramic paste having a predetermined pattern to be the
次に、金型内に成形体Aおよび成形体Bを保持した状態で、金型の一部をセラミック基体1の成形用のものに取り替えた後に、金型内にセラミック基体1となる絶縁性セラミックペーストを充填する。これにより、成形体Aおよび成形体Bが絶縁性セラミックペーストの成形体(成形体C)で覆われたセラミックヒータの成形体(成形体D)が得られる。
Next, in a state where the molded body A and the molded body B are held in the mold, a part of the mold is replaced with one for molding the
次に、得られた成形体Dを例えば1650℃〜1780℃の温度で、30MPa〜50MPaの圧力で焼成することにより、金型の内部に発熱体5、導出部6およびセラミック基体1を作製することができる。なお、焼成は水素ガス等の非酸化性ガス雰囲気中で行なうことが好ましい。
Next, the obtained molded body D is fired at a temperature of 1650 ° C. to 1780 ° C., for example, at a pressure of 30 MPa to 50 MPa, thereby producing the
次に、セラミック基体1と金具と3の間にろう材層2を形成する。例えば、ガラス成分を含むAg−Cuろうの場合には、800〜1000℃でろう付けを行なう。ここで、ろう付け条件である700℃以上の昇温速度を4〜8℃/分、圧力を1〜1×103Paとすることで、ろう材層2の中に空隙4を設けることができる。これは、昇温速度を早くすることによって、ガラス成分に含まれる窒素または酸素を一気に発泡させることができるためである。昇温速度をさらに早くすることによって空隙を多く、大きくさせることができる。また、圧力を低くすることによっても、窒素または酸素を発泡させやすくすることができる。
Next, a brazing
以上の方法により、本発明のグロープラグを得ることができる。 The glow plug of the present invention can be obtained by the above method.
本発明の実施例のセラミックヒータを以下のようにして作製した。 The ceramic heater of the example of the present invention was produced as follows.
まず、炭化タングステン(WC)粉末を50質量%、窒化珪素(Si3N4)粉末を35質量%および樹脂バインダーを15質量%含む導電性セラミックペーストを、金型内に射出成形して発熱体5となる成形体Aを作製した。 First, a conductive ceramic paste containing 50% by mass of tungsten carbide (WC) powder, 35% by mass of silicon nitride (Si 3 N 4 ) powder, and 15% by mass of a resin binder is injection-molded into a mold to produce a heating element. 5 was produced.
次に、この成形体Aを金型内に保持した状態で、導出部6となる上記の導電性ペーストを金型内に充填することにより、成形体Aと接続させて導出部6となる成形体Bを形成した。
Next, in a state where the molded body A is held in the mold, the above-described conductive paste that becomes the lead-out
次に、成形体Aおよび成形体Bを金型内に保持した状態で、窒化珪素(Si3N4)粉末を85質量%、焼結助剤としてのイッテリビウム(Yb)の酸化物(Yb2O3)を10質量%ならびに発熱体5および導出部6に熱膨張率を近づけるためのWCを5質量%含む絶縁性セラミックペーストを、金型内に射出成形した。これにより、セラミック基体1となる成形体C中に成形体Aおよび成形体Bが埋設された構成の成形体Dを形成した。
Next, 85% by mass of silicon nitride (Si 3 N 4 ) powder and ytterbium (Yb) oxide (Yb 2 ) as a sintering aid while the molded body A and the molded body B are held in the mold. An insulating ceramic paste containing 10% by mass of O 3 ) and 5% by mass of WC for bringing the coefficient of thermal expansion close to the
次に、得られた成形体Dを円筒状の炭素製の型に入れた後、窒素ガスから成る非酸化性ガス雰囲気中で、1700℃で35MPaの圧力でホットプレスを行ない、焼結させた。得られた焼結体を用いて4種類のサンプルを作製した。 Next, after putting the obtained molded body D into a cylindrical carbon mold, it was sintered by hot pressing at 1700 ° C. and a pressure of 35 MPa in a non-oxidizing gas atmosphere composed of nitrogen gas. . Four types of samples were produced using the obtained sintered body.
サンプルAは焼結体にSUS430からなる金具3を所定の位置にセットしてガラス成分を13質量%加えたAgとCuとからなるろう材を用いて接合して、図2に示すセラミックヒータ10を作製した。ロウ付けの際には真空炉を用いて、700℃から850℃までの昇温工程および850℃での加熱工程における圧力を1×103Paとして、700℃から850℃までの昇温速度を5℃/分とした。
Sample A is set in a sintered body with a
サンプルBは焼結体の表面とSUS430からなる金属部材の内径側とにNiを含むガラス成分からなる下地を塗布して1000℃にて焼き付けた。この焼結体に対して金具3を所定の位置にセットしてAgとCuとからなるろう材を用いて接合して、図4に示すセラミックヒータ10を作製した。真空炉の条件として700℃から850℃までの昇温工程および850℃での加熱工程における圧力を1×103Paとして、700℃から850℃までの昇温速度を5℃/分とした。
Sample B was baked at 1000 ° C. by applying a base made of a glass component containing Ni on the surface of the sintered body and the inner diameter side of the metal member made of SUS430. The
サンプルCは焼結体の表面とSUS430からなる金属部材の内径側とにNiを含むガラス成分からなる下地を塗布して1000℃にて焼き付けた。この焼結体に対して金具3を所定の位置にセットしてAgとCuとからなるろう材を用いて接合して、図5に示すセラミックヒータ10を作製した。真空炉の条件として700℃から850℃までの昇温工程および850℃での加熱工程における圧力を1×101Paとして、700℃から850℃までの昇温速度を8℃/分とした。
Sample C was baked at 1000 ° C. by applying a base made of a glass component containing Ni on the surface of the sintered body and the inner diameter side of the metal member made of SUS430. The
サンプルDは焼結体の表面にNiを含むガラス成分からなる下地を塗布して1000℃にて焼き付けた。この焼結体に対してSUS430からなる金具3を所定の位置にセットしてAgとCuとからなるろう材を用いて接合して、図6に示すセラミックヒータ10を作製した。真空炉の条件として700℃から850℃までの昇温工程および850℃での加熱工程における圧力を1×102Paとして、700℃から850℃までの昇温速度を6℃/分とした。
Sample D was baked at 1000 ° C. by applying a base made of a glass component containing Ni on the surface of the sintered body. A
従来品として、焼結体に対してSUS430からなる金属製部材を所定の位置にセットしてガラスを5質量%加えたAgとCuとからなるろう材を用いて接合して、セラミックヒータを作製した。真空炉の条件として700℃から850℃までの昇温工程および85
0℃での加熱工程における圧力を1×104Paとして、700℃から850℃までの昇温速度を2.5℃/分とした。
As a conventional product, a ceramic heater is manufactured by setting a metal member made of SUS430 to a predetermined position on a sintered body and bonding using a brazing material made of Ag and Cu to which 5% by mass of glass is added. did. As the conditions of the vacuum furnace, a temperature raising step from 700 ° C. to 850 ° C. and 85
The pressure in the heating process at 0 ° C. was 1 × 10 4 Pa, and the rate of temperature increase from 700 ° C. to 850 ° C. was 2.5 ° C./min.
なお、真空炉内圧力は真空炉中にアルゴンガスを流入することによって調整した。 The pressure in the vacuum furnace was adjusted by flowing argon gas into the vacuum furnace.
A〜Dのサンプル各10個について、空隙4の発生位置、大きさおよび0.01mm以上の空隙の発生数を調査した。
With respect to each of 10 samples A to D, the occurrence position and size of the
測定は、金具3を長手方向に2分割して、その一方を研磨し、セラミック基体1、ろう材層2および金具3を含む断面をSEMを用いて50倍の倍率で観察した。
In the measurement, the
サンプルAは、空隙4はセラミック基体1と金具3との間に多く、大きさは0.01〜0.1mmであり、0.01mm以上の空隙の個数は、長手方向1cmあたり、3〜7個であった。
In sample A, there are
サンプルBは、空隙4の位置はセラミック基体1または金具3に接するものが多く、大きさは0.01〜0.2mmであり、0.01mm以上の空隙の個数は、長手方向1cmあたり、5〜12個であった。
In the sample B, the
サンプルCは、空隙4の位置はセラミック基体1または金具3に接するものが多く、大きさは0.01〜0.5mmであり、0.01mm以上の空隙の個数は、長手方向1cmあたり、10〜22個であった。
In the sample C, the positions of the
サンプルDは、空隙4の位置は金具3に接するものが多く、大きさは0.01〜0.3mmであり、0.01mm以上の空隙の個数は、長手方向1cmあたり、8〜20個であった。
In sample D, the position of the
従来品は、空隙4の位置はセラミック基体1と金具3の間に多く、大きさは0.01mm未満であり、0.01mm以上の空隙は、なかった。
In the conventional product, the
以上の結果を表1に示す。 The results are shown in Table 1.
これらのサンプルを用いて、最高発熱部が1200℃に到達するまでの時間と、最高発熱部が1200℃を保った場合の消費電力を測定した。サンプルA〜Dと従来品とをそれぞれ10本ずつ測定して、平均値で比較した。 Using these samples, the time required for the highest heat generating portion to reach 1200 ° C. and the power consumption when the highest heat generating portion maintained 1200 ° C. were measured. Ten samples A to D and each of the conventional products were measured and compared by average value.
サンプルAのセラミックヒータは、1200℃に到達する時間が平均17秒で、1200℃における消費電力が平均32Wであった。 In the ceramic heater of Sample A, the time to reach 1200 ° C. averaged 17 seconds, and the power consumption at 1200 ° C. averaged 32 W.
サンプルBのセラミックヒータは、1200℃に到達する時間が平均16秒で、1200℃における消費電力が平均32Wであった。 The ceramic heater of Sample B averaged 16 seconds to reach 1200 ° C., and the average power consumption at 1200 ° C. was 32 W.
サンプルCのセラミックヒータは、1200℃に到達する時間が平均15秒で、1200℃における消費電力が平均30Wであった。 The ceramic heater of sample C had an average time to reach 1200 ° C. of 15 seconds, and the average power consumption at 1200 ° C. was 30 W.
サンプルDのセラミックヒータは、1200℃に到達する時間が平均15.5秒で、1200℃における消費電力が平均30.5Wであった。 The ceramic heater of sample D had an average time to reach 1200 ° C. of 15.5 seconds, and the average power consumption at 1200 ° C. was 30.5 W.
これに対して、従来品は、1200℃に到達する時間が平均20秒で、1200℃における消費電力が平均35Wであった。 On the other hand, in the conventional product, the time to reach 1200 ° C. averaged 20 seconds, and the power consumption at 1200 ° C. averaged 35 W.
以上の結果から、本発明を用いることによって、セラミックヒータの昇温速度を向上できることが確認できた。また、本発明を用いることによって、セラミックヒータの消費電力を減らせることが確認できた。 From the above results, it was confirmed that the heating rate of the ceramic heater can be improved by using the present invention. Moreover, it has confirmed that the power consumption of a ceramic heater can be reduced by using this invention.
1:セラミック基体
2:ろう材層
3:金具
4:空隙
5:発熱体
6:導出部
10:セラミックヒータ
1: Ceramic base body 2: Brazing material layer 3: Metal fitting 4: Gaps 5: Heating element 6: Deriving part 10: Ceramic heater
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