加热器以及具有该加热器的电热塞的制作方法
【专利摘要】提供一种即使大电流流向电阻体也抑制了向电阻体和引线的接合部产生微裂纹及加热器的电阻值的变化的高可靠性及耐久性的加热器以及具有该加热器的电热塞。本发明的加热器1具有：具有发热部(4)的电阻体(3)；接合于电阻体(3)的端部的引线(8)；被覆电阻体(3)及引线(8)的绝缘基体(9)，电阻体(3)和引线(8)具有在与引线(8)的轴方向垂直的方向上重叠的连接部(2)，在与轴方向垂直的截面观察该连接部(2)时，电阻体(3)和引线(8)的边界为曲线状。
【专利说明】加热器以及具有该加热器的电热塞
【技术领域】
[0001]本发明涉及利用于例如燃烧式车载供暖装置的点火用或火焰检测用的加热器、石油暖风机等各种燃烧设备的点火用的加热器、汽车发动机的电热塞用的加热器、氧传感器等各种传感器用的加热器、测定设备的加热用的加热器等的加热器以及具有该加热器的电热塞。
【背景技术】
[0002]使用于汽车发动机的电热塞等的加热器成为包括具有发热部的电阻体、引线及绝缘基体的结构。并且，以引线的电阻比电阻体的电阻小的方式进行它们的材料选定及形状设计。
[0003]在此，电阻体和引线的接合部为连接具有不同形状的电阻体和引线的形状变化点或连接材料组成不同的电阳体和引线的材料组成变化点，因此公开了以下加热器，即，以减少起因于使用时的发热及冷却下的热膨胀的差的影响的方式设法增大接合面积等，例如，如图10(a)所示那样，在与引线的轴方向平行的截面观察时，电阻体3和引线8的界面成为倾斜的加热器(例如参照专利文献1、2)。
[0004]专利文献1:日本特开2002-334768号公报。
[0005]专利文献2:日本特开2003-22889号公报。
【发明内容】
[0006]【发明要解决的课题】
[0007]最近，为了使发动机的燃烧状态最优化，采用将自ECU的控制信号脉冲化的驱动方法。
[0008]在此，作为脉冲采用矩形波较多。在脉冲的立起部分存在高频成分，该高频成分在引线的表面部传输。然而，若具有不同的阻抗的引线和电阻体在端面对置而形成接缝部分(连接部)，则在该连接部不能得到阻抗匹配的高频成分的一部分反射且散射，作为焦尔热散逸。因此，连接部局部发热，但若如图10(b)所示那样，引线8和电阻体3的边界面成为平板状，则起因于引线的热膨胀率和电阻体的热膨胀率不同，在引线8和电阻体3的连接部产生微裂纹，裂缝沿引线8和电阻体3的边界面一举进展，从而产生了加热器的电阻值在较短的工作时间发生变化的问题点。
[0009]另外，即使在不采用脉冲驱动而采用DC驱动的情况下，产生了同样的问题点。即，在最近的ECU中电路损失变少，以快速升温为目的，发动机工作开始时大电流流向电阻体。因此，如脉冲的矩形波那样，电力突入的立起变得陡峭，含有高频成分的高电力突入加热器，因此产生同样的问题点。
[0010]本发明是鉴于上述以往的问题点而发明的，其目的在于提供一种即使大电流流向电阻体也抑制了向电阻体和引线的接合部产生微裂纹及加热器的电阻值的变化的高可靠性及耐久性的加热器以及具有该加热器的电热塞。[0011]【用于解决课题的手段】
[0012]本发明的加热器的特征在于，具有:绝缘基体；埋设于该绝缘基体的电阻体；埋设于所述绝缘基体且在前端侧与所述电阻体连接的引线，以所述电阻体和所述引线的端面对置的方式设置有连接部，在与轴方向垂直的截面观察该连接部时，所述电阻体和所述引线的边界为曲线状。
[0013] 另外，本发明的电热塞的特征在于，具有上述结构的任一项所述的加热器和与所述引线电连接且保持所述加热器的金属制保持部件。
[0014]【发明效果】
[0015]根据本发明的加热器，即使高频成分沿引线的表面传播，也抑制了向电阻体和引线的接合部产生微裂纹、在边界面的裂缝的进展及加热器的电阻值的变化，从而加热器的电阻值长期稳定。由此，提高加热器的可靠性及耐久性。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1(a)是表示本发明的加热器的实施方式的一例的主要部分放大纵剖视图，(b)是(a)所示的X-X线的横剖视图。
[0017]图2是表示本发明的加热器的实施方式的另一例的纵剖视图。
[0018]图3(a)是放大了图2所示的包括电阻体和引线的连接部的区域A的一例的放大纵剖视图，(b)是(a)所示的X-X线的横剖视图。
[0019]图4(a)是放大了图2所示的包括电阻体和引线的连接部的区域A的另一例的放大纵剖视图，(b)是(a)所示的X-X线的横剖视图。
[0020]图5(a)是放大了图2所示的包括电阻体和引线的连接部的区域A的另一例的放大纵剖视图，(b)是(a)所示的X-X线的横剖视图。
[0021]图6 (a)是放大了图2所示的包括电阻体和引线的连接部的区域A的另一例的放大纵剖视图，(b)是(a)所示的X-X线的横剖视图，(C)是(a)所示的Y-Y线的横剖视图。
[0022]图7(a)是放大了图2所示的包括电阻体和引线的连接部的区域A的另一例的放大纵剖视图，(b)是(a)所示的X-X线的横剖视图。
[0023]图8 (a)是放大了图2所示的包括电阻体和引线的连接部的区域A的另一例的放大纵剖视图，(b)是(a)所示的X-X线的横剖视图。
[0024]图9是表示本发明的电热塞的实施方式的一例的简要纵剖视图。
[0025]图10(a)是表示以往的加热器的主要部分的放大纵剖视图，(b)是(a)所示的X_X线的横剖视图。
【具体实施方式】
[0026]以下，参照附图对本发明的加热器的实施方式的例子进行详细说明。
[0027]图1 (a)是表示本发明的加热器的实施方式的一例的纵剖视图，图1 (b)是图1 (a)所示的X-X线的横剖视图。另外，图2是表示本发明的加热器的实施方式的另一例的纵剖视图。
[0028]本实施方式的加热器I具有绝缘基体9、埋设于绝缘基体9的电阻体3、埋设于绝缘基体9且在前端侧与电阻体3连接的引线8，电阻体3和引线8具有在与引线(8)的轴方向垂直的方向上重叠的连接部2，在与轴方向垂直的截面观察该连接部2时，电阻体(3)和引线⑶的边界为曲线状。
[0029] 本实施方式的加热器I的绝缘基体9例如为形成棒状的基体。该绝缘基体9被覆电阻体3及引线8，换言之，电阻体3及引线8埋设于绝缘基体9中，在此，优选绝缘基体9包括陶瓷，由此，与金属相比能够耐至更加高温，因此能够提供快速升温时的可靠性更高的加热器I。具体而言，能够举出氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等具有电绝缘性的陶瓷。尤其，优选绝缘基体9包括氮化硅质陶瓷。这是因为就氮化硅质陶瓷而言，从作为主成分的氮化硅在高强度、高韧性、高绝缘性及耐热性的观点出发优异。该氮化硅质陶瓷例如能够通过如下得到，即，相对于主成分的氮化硅，混合3~12质量％的Y203、Yb203、Er2O3等稀土类元素氧化物作为烧结助剂、0.5~3质量％的Al2O3,而且以烧结体所含有的SiO2量为1.5~5质量％的方式混合SiO2，形成规定的形状之后在1650~1780°C进行热压烧成。
[0030]另外，在使用包括氮化硅质陶瓷的陶瓷作为绝缘基体9的情况下，优选混合MoSiO2^ffSi2等且使其分散。在该情况下，能够使作为母材料的氮化硅质陶瓷的热膨胀率接近电阻体3的热膨胀率，从而能够提高加热器I的耐久性。
[0031]电阻体3尤其具有作为发热的区域的发热部4。在电阻体3为如图1(a)所示那样的直线状的情况下，通过设置将一部分截面积较小地形成的区域或螺旋形状的区域，能够将该区域设为发热部4。需要说明的是，在图1所示的实施方式中，电阻体3为直线形状，电阻体3的一端与引线8电连接，并且电阻体3的另一端与以覆盖绝缘基体9的表面的方式设置的表面导体11电连接。
[0032]另外，在电阻体3为图2所示那样的折回形状的情况下，电阻体3的引线8之间的区域成为发热部4。
[0033]作为该电阻体3，能够使用将W、Mo、Ti等的碳化物、氮化物、硅化物等作为主成分的材料。在绝缘基体9为上述材料的情况下，在与绝缘基体9的热膨胀率的差小的方面、具有高耐热性的方面及电阻率小的方面，在上述的材料中碳化钨(WC)作为电阻体3的材料优异。进而，在绝缘基体9包括氮化硅质陶瓷的情况下，优选电阻体3以无机导电体的WC作为主成分，且对此添加的氮化硅的含有率为20质量％以上。例如，在包括氮化硅质陶瓷的绝缘基体9中，成为电阻体3的导体成分与氮化硅相比热膨胀率大，因此通常处于施加了拉伸应力的状态。对此，通过在电阻体3中添加氮化硅，使电阻体3的热膨胀率接近绝缘基体9的热膨胀率，则能够缓和由于加热器I的升温时及降温时的热膨胀率的差而引起的应力。
[0034]另外，在电阻体3所含有的氮化硅的含量为40质量％以下时，能够较小地形成电阻体3的电阻值且使其稳定。因此，优选电阻体3所含有的氮化硅的含量为20质量％~40质量％。更加优选氮化硅的含量为25质量％~35质量％。另外，作为同样向电阻体3添加的添加物，也能够代替氮化硅而添加4质量％~12质量％的氮化硼。
[0035]就电阻体3的厚度(图1(b)及图3(b)所示的上下方向的厚度)而言，0.5mm~
1.5mm为佳,就电阻体3的宽度(图3 (b)所示的水平方向的宽度)而言，0.3mm~1.3mm为佳。通过设为该范围内，电阻体3的电阻变小成为效率良好地发热的电阻体。另外，在绝缘基体9例如为层叠对开的成形体而形成的层叠结构的情况下，能够保持层叠结构的绝缘基体9的层叠界面的密接性。
[0036]前端侧连接于电阻体3的端部的引线8能够使用与将W、Mo、Ti等的碳化物、氮化物、硅化物等作为主成分的电阻体3同样的材料，尤其，在与绝缘基体9的热膨胀率的差小的方面、具有高耐热性的方面及电阻率小的方面优选WC作为引线4的材料。另外，在绝缘基体9包括氮化硅质陶瓷的情况下，优选引线8以无机导电体的WC为主成分，且对此以含量成为15质量％以上的方式添加氮化硅。随着氮化硅的含量增加，能够使引线8的热膨胀率接近绝缘基体9的氮化硅的热膨胀率。另外，在氮化硅的含量为40质量％以下时，引线8的电阻值变小且稳定。因此，优选氮化硅的含量为15质量％?40质量％。更加优选氮化硅的含量为20质量％?35质量％。需要说明的是，引线8可以通过与电阻体3相比较少地形成绝缘基体9的形成材料的含量而使每单位长度的电阻值比电阻体3低，也可以通过与电阻体3相比增大截面积而使每单位长度的电阻值比电阻体3低。
[0037]另外，电阻体3和引线8具有以在与引线8的轴方向垂直的方向上重叠的方式设置的连接部2，需要说明的是，在此所谓的连接部2是指在与引线8的轴方向平行的截面观察时，电阻体3和引线8的界面存在的区域。例如，如图1及图2所示那样，为了增大电阻体3的端面和引线8的端面的接合面积，在与引线8的轴方向平行的纵截面观察，以电阻体3的端面和引线8的端面的边界线相对于引线8的轴方向倾斜的方式设置连接部2。需要说明的是，作为相对于轴方向的边界线的倾斜角，例如为10?80度。
[0038]进而，在与轴方向垂直的截面观察连接部2时，电阻体3和引线8的边界成为曲线状。换言之，电阻体3和引线8的边界面成为曲面。
[0039]通过这样的结构，沿引线8的表面传播来的高频成分在引线8和电阻体8的连接部2未能得到阻抗匹配的一部分反射且散射，作为焦尔热散逸。从而连接部2局部发热。此时，若引线8和电阻体8的边界连接成曲线状，则能够使起因于引线8的热膨胀率和电阻体3的热膨胀绿不同的边界面内的应力的方向不一致。因此，不管是脉冲驱动、DC驱动，即使电力突入的立起变得陡峭，也抑制在引线8和电阻体3的连接部2产生微裂纹，并且抑制产生的裂缝在引线8和电阻体3的边界面一举进展，从而加热器I的电阻值长期稳定。
[0040]S卩，即使为自E⑶的控制信号脉冲化的驱动方法，也抑制在引线8和电阻体3的连接部2产生微裂纹，裂缝在引线8和电阻体3的边界面不一举进展，从而加热器I的电阻值长期稳定。
[0041]另外，即使在不采用脉冲驱动而采用DC驱动的情况下，也能够得到同样的效果。即，以快速升温为目的，若发动机工作开始时向电阻体流动大电流，则如脉冲的矩形波那样，电力突入的立起变得陡峭，含有高频成分的高电力突入加热器，但即使含有高频成分的高电力突入加热器，也抑制在引线8和电阻体3的连接部产生微裂纹，裂缝在引线8和电阻体3的边界面不一举进展，从而加热器I的电阻值长期稳定。
[0042]另外，图3所示的加热器I为电阻体3为以下的加热器，即，形成折回形状且以能够牢固地嵌合电阻体3和引线8的连接部2的方式在边界面设置阶段状的台阶且相对于轴方向倾斜。需要说明的是，该阶段状的台阶为在与轴方向平行的纵截面观察时出现的台阶。
[0043]如此，阶段状地设置台阶而在与轴方向垂直的截面观察连接部2时，根据电阻体3和引线8的边界接合成曲线状，成为每一个台阶设置90度的遮蔽板的结构，因此能够进一步抑制裂纹。
[0044]进而，图4所示的加热器I为以下的加热器，即，电阻体3形成折回形状且在与轴方向垂直的截面观察的电阻体3和引线8的边界形成对且向引线8侧凸出的曲线状。通过形成这样的结构，高频波成分反射时，利用在与电阻体3的边界的引线侧容易产生焦耳热的状况，以使加热器I的中心侧变热的方式使热量分布，则从绝缘基板9施加压缩应力，从而能够抑制裂缝的形成，加热器I的电阻值长期稳定。
[0045]尤其，以快速升温为目的，在发动机工作开始时向电阻体3流动大电流的情况下，如脉冲的矩形波那样电力突入的立起变得陡峭，含有高频成分的高电力突入加热器，但通过将连接部2的后端侧设为这样的结构(向引线8侧凸出的曲线状)，即使含有高频成分的高电力突入加热器，也抑制在引线8和电阻体3的连接部2产生微裂纹，裂缝在引线8和电阻体3的边界面不一举进展，从而加热器I的电阻值长期稳定。
[0046]进而，将加热器I的阴极侧接地，在以快速升温作为目的在发动机工作开始时向电阻体3流动大电流的情况下，阳极侧和阴极侧快速产生电位差，电子从接地的阴极侧瞬间快速流入，因此与阳极侧相比温度先上升。从该情况可知，通过不仅阳极侧的连接部2，将阴极侧的连接部2也形成这样的结构(向引线8侧凸出的曲线状)，而使热量向加热器的中心传播，以中心侧变热的方式使热量分布，则从绝缘基板9施加压缩应力，从而能够抑制裂缝的形成，加热器I的电阻值长期稳定。
[0047]需要说明的是，即使为自ECU的控制信号脉冲化的驱动方法，也能够得到同样的效果。
[0048]另一方面，如图5所示，在连接部2的至少前端侧的与轴方向垂直的截面观察的电阻体3和引线8的边界可以为向电阻体3侧凸出的曲线状。根据该结构，即使沿引线8的表面传播来的高频成分在引线8和电阻体3的连接部由于阻抗不匹配而反射，局部产生热量，起因于热膨胀差的应力的方向在边界面内也被弯曲，从而抑制微裂纹的产生，并且除了在边界面产生的裂缝不一举进展的效果以外，还具有以下的效果。
[0049]通电开始后稍微过一会，与连接部2相比变得高温的发热从加热器I前端侧的发热区域开始，电阻体3与引线8相比先变得高温。在此，通过在连接部2的至少前端侧的与轴方向垂直的截面观察电阻体3和引线8的边界为向电阻体3侧凸出的曲线状，则电阻体3的热量向引线8侧传播时，形成以电阻体3包进引线8那样的热量的传播方法，因此成为在界面部分不是拉伸而施加压缩应力的情况，能够抑制界面的裂缝。
[0050]尤其，通过如图(b)那样在连接部2的后端侧(引线8侧)的与轴方向垂直的截面观察的电阻体3和引线8的边界成为向引线8侧凸出的曲线状，且如图6(c)那样在连接部2的前端侧(电阻体3侧)的与轴方向垂直的截面观察的电阻体3和引线8的边界成为向电阻体3侧凸出的曲线状，则具有以下的效果。
[0051]以快速升温为目的在发动机工作开始时向电阻体3流动大电流的情况的初始阶段，如脉冲的矩形波那样，电力突入的立起变得陡峭，含有高频成分的高电力突入加热器1，但即使含有高频成分的高电力突入加热器1，也抑制在引线8和电阻体3的连接部2产生微裂纹，裂缝在引线8和电阻体3的边界面不一举进展。另外，通电后稍微过一会，与连接部2相比从加热器I前端侧的发热区域变成高温的发热开始，电阻体3与引线8相比先变成高温，因此能够缓和应力。
[0052]如此，能够抑制在连接部产生微裂纹，所以裂缝不沿边界进展，从而加热器I的电阻值长期稳定。
[0053]另外，如图7所示那样，通过在连接部2的与轴方向垂直的截面观察电阻体3和引线8的边界为引线8包围电阻体3的一部分那样的曲线状，则使电流的反射分散且使焦耳热的产生分散，并且使应力的方向弯曲的效果大，即使电阻体3膨胀也能够封住应力，因此不产生裂缝的进展。如此，能够在连接部2抑制微裂纹的形成，从而加热器I的电阻值长期稳定。
[0054]尤其，如图8那样，通过在连接部2的与轴方向垂直的截面观察的电阻体3和引线8的边界为引线8包住电阻体3的整体那样的曲线状，则即使电阻体3热膨胀也能够将应力完全封住。进而，沿引线8的表面传播来的高频成分在与电阻体3的连接部2阻抗未得到匹配的一部分反射，作为焦耳热散逸，连接部2局部加热，但此时，若在连接部2的后端侧电阻体3被引线8包住，则在连接部2反射的电流散射成放射状，从而能够提高焦耳热的散逸效果。其结果是，在引线8和电阻体3的连接部2不易产生微裂纹，抑制裂缝沿边界面一举进展的情况，从而加热器I的电阻值长期稳定。
[0055]另外，如图9所示那样，优选本实施方式的加热器I作为具有该加热器I和与引线8的端子部(未图示)电连接且保持加热器I的金属制保持部件7的电热塞使用。具体而言，优选加热器I作为以下所述的电热塞使用，即，在棒状的绝缘基体的内部埋设有形成了折回形状的电阻体3且一对引线8以与电阻体3的两端部分别电连接的方式被埋设，并且具有与一个引线8电连接的金属制保持部件7 (护套件)和与另一个引线8电连接的电线。
[0056]需要说明的是，金属制保持部件7 (护套件)为保持加热器I的筒状体，用焊料等接合于引出于陶瓷基体9的侧面的一个引线8。另外，电线用焊料等接合于引出于陶瓷基体9的后端的另一个引线8。由此，即使在高温的发动机中反复开/关而长期使用，加热器I的电阻不变化，因此任何时候都能够提供可点燃性优异的电热塞。
[0057]其次，对本实施方式的加热器I的制造方法进行说明。
[0058]本实施方式的加热器I例如能够通过用使用了电阻体3、引线8及绝缘基体9的形状的模具的喷射成形法等形成。
[0059]首先，制作成为包括导电性陶瓷粉末、树脂粘合剂等的、电阻体3及引线8的导电性膏剂，并且制作成为包括绝缘性陶瓷粉末、树脂粘合剂等的、绝缘基体9的陶瓷膏剂。
[0060]接着，用喷射成形法等使用导电性膏剂形成成为电阻体3的规定图案的导电性膏剂的成形体(成形体a)。并且，在将成形体a保持于模具内的状态下，将导电性膏剂填充于模具内而形成成为引线8的规定图案的导电性膏剂的成形体(成形体b)。由此，成形体a和与该成形体a连接的成形体b成为被保持于模具内的状态。
[0061 ] 接着，在将成形体a及成形体b保持于模具内的状态下，将模具的一部分替换成绝缘基体9成形用的部分后，填充成为绝缘基体9的陶瓷膏剂于模具内。由此，得到用陶瓷膏剂的成形体(成形体c)覆盖成形体a及成形体b的加热器I的成形体(成形体d)。
[0062]其次，通过将得到的成形体d例如以1650°C?1800°C的温度、30MPa?50MPa的压力进行烧成，则能够制作加热器I。优选烧成在氢气等非氧化性气体气氛中进行。
[0063]实施例
[0064]如以下那样制作本发明的实施例的加热器。
[0065]首先，将含有碳化钨(WC)粉末50质量％、氮化硅(Si3N4)粉末35质量％、树脂粘合剂15质量％的导电性膏剂在模具内喷射成形而制作了成为电阻体的成形体a。
[0066]接着，通过在将该成形体a保持于模具内的状态下，将成为引线的上述的导电性膏剂填充于模具内，形成了与成形体a连接且成为引线的成形体b。此时，如表1及表2所示那样，使用具有各种形状的模具形成了六种形状的电阻体与引线的接合部。
[0067]接着，在将成形体a及成形体b保持于模具内的状态下，将含有氮化硅(Si3N4)粉末85%质量％、作为烧结助剂的镱(Yb)的氧化物(Yb2O3) 10质量％、用于使热膨胀率接近电阻体及引线的WC5质量％的陶瓷膏剂在模具内喷射成形。由此，形成了在成为绝缘基体的成形体c中埋设有成形体a及成形体b的结构的成形体d。
[0068]接着，将得到的成形体d放入圆筒状的碳制的模具后，在由氮气构成的非氧化气体气氛中且在1700°C、35MPa的压力下进行了热压烧结而制作了加热器。在露出于得到的烧结体的表面的引线端部(端子部)钎焊筒状的金属制保持部件(护套件)而制作了电热塞。
[0069]在该电热塞的电极上连接脉冲发生器，连续通电了印加电压7V、脉冲宽度IOy S、脉冲间隔Ius的矩形脉冲。经过1000小时后，，测定了通电前后的电阻值的变化率((通电后的电阻值-通电前的电阻值)/通电前的电阻值)。将其结果表示于表1。
[0070][表 I]
[0071]
【权利要求】
1.一种加热器，其特征在于，具有: 绝缘基体； 埋设于该绝缘基体的电阻体； 埋设于所述绝缘基体且在前端侧与所述电阻体连接的引线， 所述电阻体和所述引线具有在与该引线的轴方向垂直的方向上重叠的连接部，在与轴方向垂直的截面观察该连接部时，所述电阻体和所述引线的边界为曲线状。
2.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于， 在所述连接部的至少后端侧的与轴方向垂直的截面观察的所述电阻体和所述引线的边界为向所述引线侧凸出的曲线状。
3.根据权利要求2所述的加热器，其特征在于， 在所述连接部的至少后端侧的与轴方向垂直的截面观察的所述电阻体和所述引线的边界为向所述电阻体侧凸出的曲线状。
4.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于， 在所述连接部的与轴方向垂直的截面观察的所述电阻体和所述引线的边界为所述引线包围所述电阻体的一部分那样的曲线状。
5.—种电热塞,其特征在于,具有: 权利要求1所述的加热器； 与所述引线电连接且保持所述加热器的金属制保持部件。
【文档编号】H05B3/48GK103493586SQ201280020685
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年4月27日 优先权日:2011年4月27日
【发明者】冈村健 申请人:京瓷株式会社