加热器以及具备该加热器的电热塞的制作方法
【专利摘要】提供一种即使在高温使用下也能够抑制电阻值的变化的、具有高可靠性的加热器以及具备该加热器的电热塞。本发明的加热器的特征在于，具备：将V、Nb、Ta、Mo或W作为主成分的发热体(2)；接合于发热体2的各端部的引线(3)；埋设有发热体(2)及引线(3)的绝缘基体(1)；发热体(2)及绝缘基体(1)由一体烧结的烧结体构成，发热体(2)含有包含选自V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn或Fe中的且不同于所述发热体(2)的主成分的元素中的至少一种的化合物(6)，在绝缘基体(1)的内部的发热体(2)的周围实质上不含有所述元素。
【专利说明】加热器以及具备该加热器的电热塞
【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备该加热器的电 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具备发热体、接合于该发热体的各 端部的引线、埋设有这些发热体及引线的绝缘基体的结构。并且，作为用于使电阻温度系 数变化的调整成分，而将各种金属的化合物作为添加剂加入发热体（例如参照日本特开 2000-156275 号公报）。
[0003] 近年来，对柴油发动机的排气限制及耗油量限制处于年年被强化的倾向，要求燃 烧时的高温高压化。随此电热塞的高温使用化也在进展。
[0004] 在此，作为调整成分而添加于发热体的各种金属的化合物在烧成时向绝缘基体侧 扩散。于是，有在高温下使用时扩散至绝缘基体中的化合物离子化且向阴极侧的发热体内 移动，从而发热体的电阻值变化的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明是鉴于上述的问题点而发明的，其目的在于提供一种即使在高温使用下也 能够抑制电阻值的变化的、具有高可靠性的加热器以及具备该加热器的电热塞。
[0006] 本发明的加热器的特征在于，具备：将V、Nb、Ta、Mo或W作为主成分的发热体；接 合于该发热体的各端部的引线；和埋设有所述发热体及所述引线的绝缘基体；所述发热体 及所述绝缘基体由烧结体构成，所述发热体含有包含选自1他、了8、(：1^ 〇、1^11或？6中的 且不同于用作所述发热体的所述主成分的元素中的至少一种的化合物，在所述绝缘基体的 内部的所述发热体的周围实质上不含有所述元素。
[0007] 另外，本发明的电热塞的特征在于，具备：上述结构的加热器；和经由电极引出部 与所述一对引线中的一个引线电连接且保持所述加热器的金属制保持部件。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1是表示本发明的加热器的实施方式的一例的示意纵剖面图。
[0009] 图2是表示图1所示的加热器的主要部分的放大纵剖面图。
[0010] 图3是表示本发明的加热器的实施方式的其他例的主要部分的放大纵剖面图。
【具体实施方式】
[0011] 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。
[0012] 图1是表示本发明的加热器的实施方式的一例的示意纵剖面图，图2是表示图1 所示的加热器的主要部分的放大纵剖面图。
[0013] 如图1及图2所示，本实施方式的加热器的特征在于，具备：将V、Nb、Ta、Mo或W 作为主成分的发热体2 ;接合于发热体2的各端部的引线3 ;埋设有发热体2及引线3的绝 缘基体1 ;发热体2及绝缘基体1由烧结体构成，发热体2含有化合物6,该化合物6含有V、 Nb、Ta、Cr、Mo、W、Μη或Fe中的与用作发热体2的主成分的元素不同的元素中的至少一种， 在绝缘基体1的内部的发热体2的周围实质上不含有构成化合物6的V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、 Μη 或 Fe。
[0014] 本实施方式的加热器的绝缘基体1例如为形成棒状或板状的基体。该绝缘基体1 中埋设有发热体2及一对引线3。在此，绝缘基体1由陶瓷烧结体构成，由此，能够提供快速 升温时的可靠性高的加热器。例如，作为陶瓷烧结体，能够举出氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或 碳化物陶瓷等具有电绝缘性的陶瓷。具体而言，作为陶瓷烧结体，能够使用氧化铝质陶瓷、 氮化硅质陶瓷、氮化铝质陶瓷或氮化硅质陶瓷等。尤其，优选陶瓷烧结体由氮化硅质陶瓷构 成。这是因为就氮化硅质陶瓷而言，作为主成分的氮化硅在高强度、高韧性、高绝缘性及耐 热性方面优异。
[0015] 由氮化硅质陶瓷构成的绝缘基体1例如能够通过如下方式得到，即，相对于主成 分的氮化硅，混合5?15质量％的Y 203、Yb203或Er20 3等稀土类元素氧化物作为烧结助剂、 0. 5?3质量％的A1203，而且以使烧结体所含有的Si02量为1. 5?5质量％的方式混合 Si02，形成规定的形状，之后在1650?1780°C进行热压烧成而得到。
[0016] 绝缘基体1的长度例如设定为20?50mm，绝缘基体1的直径例如设定为3?5mm。 需要说明的是，在使用由氮化硅质陶瓷构成的基体作为绝缘基体1的情况下，优选在原料 中混合M 〇Si2、WSi2等且使其在绝缘基体1中分散。在该情况下，能够使作为母材料的氮化 硅质陶瓷的热膨胀系数接近发热体2的热膨胀系数，能够降低与发热体2的发热相伴的热 应力，因此能够提1?加热器的耐久性。
[0017] 埋设于绝缘基体1的发热体2的纵剖面的形状例如为折回形状，位于前端的折回 形状的中央附近（折回的中间点附近）成为最大发热的发热部。该发热体2埋设于绝缘基 体1的前端侧，从发热体2的前端（折回形状的中央附近）至发热体2的后端的距离例如 设定为2?10_。需要说明的是，发热体2的横剖面的形状可以为圆形、椭圆形或矩形等任 一种形状。
[0018] 发热体2由将导电性糊剂烧成而得的烧结体构成。作为导电性糊剂，能够举出将 V、Nb、Ta、Mo、W或Cr等高熔点金属或其化合物作为主成分的糊剂。从V、Nb、Ta、Mo及W中 选择的高熔点金属或其化合物如后述那样，V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Μη或Fe的化合物6更加 容易固溶，烧成时化合物6的元素（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn或Fe)不容易扩散至绝缘基体1 侦k另外，为了调整热膨胀系数，发热体2可以含有绝缘基体1的形成材料。通过使发热体 2含有绝缘基体1的形成材料的陶瓷，可以使发热体2的热膨胀系数接近绝缘基体1的热膨 胀系数。
[0019] 需要说明的是，认为将发热体2的主成分设为￥、他、了&^0、1或〇时，￥、他、丁 &、 Cr、Mo、W、Μη或Fe的化合物6容易固溶的理由在于，这是由于发热体2的主成分和化合物 6成为相同晶体结构。具体而言，上述发热体2的主成分的晶体结构及上述化合物6的主成 分的晶体结构均为体心立方结构，因此认为由于是相同的晶体结构故容易固溶。
[0020] 埋设于绝缘基体1且与发热体2连接的一对引线3可以为由W、Mo、Re、Ta或Nb等 金属引线构成的构成，也可以与发热体2同样地通过印刷导电性糊剂而形成。并且，该引线 3与发热体2相比，每单位长度的电阻变低。
[0021] 另外，在绝缘基体1中埋设有第一电极引出部41，该第一电极引出部41的一端与 一对引线3中的一个连接，并且另一端引出于绝缘基体1的侧面。另一方面，在绝缘基体1 中埋设有第二电极引出部42,该第二电极引出部42的一端与一对引线3中的另一个连接， 并且另一端引出于绝缘基体1的侧面。
[0022] 第一电极引出部41及第二电极引出部42均用与发热体2同样的材料形成，但为 了抑制不必要的发热，第一电极引出部41及第二电极引出部42为与发热体2相比降低了 每单位长度的电阻的部件。换言之，由于发热体2与引线3、第一电极引出部41及第二电极 引出部42相比为高电阻，因此以发热体2可靠地发热而能够得到高温。
[0023] 在本实施方式的加热器中，成为以下的构成，S卩，发热体2中含有与用作发热体2 的主成分的元素不同的1他、了 &、0、]?〇、1、]\111或？6的化合物6，在绝缘基体1的内部的发 热体2的周围实质上不含有化合物6的元素（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn*Fe)。
[0024] 在此，含有与用作发热体2的主成分的元素不同的￥、他、了&、〇、]?0、1、]\111或？6的 元素的化合物6,为用于使发热体2的电阻温度系数变化的调整成分。通过在用于形成发热 体2的导电性糊剂中添加化合物6且烧成，从而能够在烧成后得到具有任意的电阻温度系 数的发热体2,能够制作具备了期望的电阻值的发热体2的加热器。
[0025] 需要说明的是，在形成发热体2的导电性糊剂中，为了使发热体2的热膨胀系数接 近绝缘基体1而添加陶瓷，但使在其中添加的烧结助剂成分极度减少。通过这样操作，能够 使绝缘基体1中的陶瓷的烧结时机（夕4 >夕'' )变早并且使发热体2中的陶瓷的烧结时 机变晚，从而错开液相生成的时机。由此，能够防止化合物6的元素（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、 Μη或Fe)从发热体2向绝缘基体1扩散。即，通过先烧结绝缘基体1侧，其次烧结发热体2 侦牝从而绝缘基体1的收缩先开始，发热体2 -边受压缩的力一边开始烧结。因此，烧结的 收缩朝向内侧（发热体2侧）方向，因此液相的移动也朝向内侧（发热体2侧）方向，从而 能够将化合物6的元素以、他、了 &、(：1^〇、1^11或？6)限制在发热体2中。因此，成为在绝 缘基体1的内部的发热体2的周围实质上不含有化合物6的元素（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Μη 或Fe)的构成。
[0026] 需要说明的是，在此所谓的"使烧结助剂极度减少"具体而言是指，例如使在发热 体2中的陶瓷中添加的烧结助剂成分为添加于绝缘基体1的烧结助剂成分的1/2以下。优 选使在发热体2中的陶瓷中添加的烧结助剂成分为添加于绝缘基体1的烧结助剂成分的 1/3以下。以往，在发热体中的陶瓷中添加的烧结助剂成分设定为3质量％以上且不足15 质量％左右的情况为一般的情况。例如，在专利文献1中，将烧结助剂成分设定为发热体的 2质量％以上且不足10质量％。相对于此，作为在本发明的发热体2中的陶瓷中添加的烧 结助剂成分的量的一例，例如能够举出设定为〇. 05质量％以上且不足0. 2质量％左右的情 况。
[0027] 在本发明中，通过在发热体2中使该烧结助剂成分的含量极度减少，抑制了化合 物6的元素（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Μη或Fe)从发热体2向绝缘基体1的扩散。
[0028] 另外，在此所谓的"实质上不含有"是指，S卩，化合物6的元素（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、 Μη或Fe)在发热体2的周围的绝缘基体1中仅以lppm以下的比例存在，或完全不存在。
[0029] 此外，在此所谓的"发热体2的周围"是指，从发热体2起的距离为ΙΟΟμπι的范围 内。这是因为，在发热体2起100 μ m的范围内的绝缘基体1中存在化合物6的元素（V、Nb、 Ta、Cr、Mo、W、Μη或Fe)的情况下，存在有这些元素在离子化后向发热体2的阴极侧移动而 使发热体2的电阻值变化的可能性。因此，即使在从发热体2离开100 μ m以上的位置处在 绝缘基体1中存在化合物6的元素（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Μη或Fe)，这些元素也几乎不向 发热体2移动，所以即使在距离100 μ m以上的位置处在绝缘基体1中存在化合物6的元素 (V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Μη或Fe)，也并没有特别的问题。
[0030] 发热体2的周围的绝缘基体1中的化合物6的元素（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn或Fe) 的比例能够用以下的方法确认。具体而言，将从发热体2起ΙΟΟμπι的范围内的区域的绝缘 基体1切出0. lmg，将其粉碎后，使用氢氟酸lml和硝酸5ml进行溶解。对这样得到的溶液 使用ICP质量分析装置（Micromass公司制）进行化合物6的元素（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn 或Fe)的定量分析。由此能够确认化合物6的元素的存在比例。
[0031] 作为含有与用作发热体2的主成分的元素不同的￥、他、了&、0、1〇、1^11或？6的 元素中的至少一种的化合物6,例如能够举出V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Μη或Fe的碳化物、氮化 物、硅化物或氧化物。需要说明的是，在上述的例示中，作为发热体2的主成分而含有适宜 元素 V、Nb、Ta、Mo或W的碳化物、氮化物、硅化物或氧化物，这表示例如在发热体2的主成 分为V的情况下，作为化合物6而能够使用除V以外的元素的碳化物、氮化物、娃化物或氧 化物。
[0032] 这些化合物6容易固溶于发热体2的主成分，在烧成时化合物6的元素（V、Nb、Ta、 Cr、Mo、W、Μη或Fe)不容易向绝缘基体1扩散。由此，即使在高温下使用，也能够抑制离子 化且向阴极侧的发热体2内移动而使发热体2的电阻值变化的情况。
[0033] 需要说明的是，在高温下使用的情况下，发热体2的周围的绝缘基体1中含有的助 剂成分阳离子化，离子化的化合物不容易进入发热体2的周围的绝缘基体1。因此，没有从 阳极侧经由绝缘基体1向阴极侧引动的情况，也没有由此引起的电阻值的变化。
[0034] 此外，化合物6是Cr化合物为宜。由于Cr化合物与选自V、Nb、Ta、Mo或W中的 高熔点金属或其化合物完全固溶，因此在烧成时化合物6的元素（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn或 Fe)更加不容易向绝缘基体1扩散。若构成绝缘基体1或发热体2的陶瓷的晶界中存在Cr 则容易离子化，但一旦使其固溶于发热体2中，Cr不容易离子化，因此不会向发热体2的阴 极侧移动，发热体2的电阻值不变化。另外，Cr廉价而适合于批量生产。
[0035] 此时，若发热体2中的Cr的含量为1ΧΚΓ6质量％?1ΧΚΓ1质量％，则更为良好。 通过为该范围的含量，从而容易使发热体2的电阻温度系数发生变化，并且向发热体2固溶 的量成为充分的量。
[0036] 如图1所示，本发明的加热器为如下构成，S卩，例如连接配件5分别电连接于导出 于绝缘基体1的侧面的第一电极引出部41及第二电极引出部42的端部。并且，加热器通 过该连接配件5与外部电路连接。
[0037] 另外，上述的加热器也能够用于电热塞（未图示）。即，本发明的电热塞（未图示） 为具备加热器、和经由第一电极引出部41与构成加热器的一对引线3中的一个引线3电连 接且保持加热器的金属制保持部件（护套件）的构成，通过该构成，即使在高温下使用也能 够抑制加热器的电阻值的变化，因此能够实现具有高可靠性的电热塞。
[0038] 图2所示的例子为发热体2是折回形状的例子，但发热体2并不限定于该形状，本 发明包括如图3所示那样的发热体2不为折回形状的例子。需要说明的是，图3所示的例 子为在绝缘基体1的表面设置导体层6的构成，该导体层6与连接配件或金属制保持部件 (护套件）电连接。
[0039] 接着，对本实施方式的加热器的制造方法进行说明。
[0040] 首先，使氧化铝质陶瓷、氮化硅质陶瓷、氮化铝质陶瓷或碳化硅质陶瓷等的陶瓷粉 末含有烧结助剂而制作将用作绝缘基体1的原料的陶瓷粉体。
[0041] 接着，将该陶瓷粉体用压制成形制作成形体，或将陶瓷粉体制备成陶瓷浆料，成形 为片状，而制作陶瓷生片。在此，得到的成形体或陶瓷生片为成为对开状态的绝缘基体1。
[0042] 接着，在对开的成形体或陶瓷生片上分别印刷用作发热体2的发热体用导电性糊 齐U及用作第一电极引出部41和第二电极引出部42的电极引出部用导电性糊剂的图案，得 到印刷成形体。在此，作为发热体用导电性糊剂及电极引出部用导电性糊剂的材料，使用将 ￥、他3 &1〇或1等高熔点金属作为主成分的材料。发热体用导电性糊剂及电极引出部用导 电性糊剂能够如下制作，即，在这些高熔点金属中，调配作为调整成分的化合物、陶瓷粉体、 粘合剂及有机溶剂等并进行混炼来制作，其中所述化合物含有与用作发热体用导电性糊剂 及电极引出部用导电性糊剂的主成分的元素不同的V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Μη或Fe中的至少 一种。需要说明的是，通过在发热体用导电性糊剂中添加与绝缘基体1为相同材料的陶瓷 粉体，能够使发热体2的热膨胀系数接近绝缘基体1的热膨胀系数。
[0043] 此时，根据加热器的用途来变更发热体用导电性糊剂及电极引出部用导电性糊剂 的图案的长度、线宽或折回图案的距离或者间隔等，由此将发热体2的发热位置及电阻值 设定为期望的值。
[0044] 另一方面，得到以引线3位于发热体2和电极引出部（第一电极引出部41及第二 电极引出部42)之间的方式而埋设于另一对开的成形体或陶瓷生片的引线成形体。引线3 可以使用W、Mo、Re、Ta或Nb等金属引线，也可以通过印刷导电性糊剂而形成。
[0045] 通过重合所得到的印刷成形体和引线成形体而获得下述成形体，即在内部形成有 基于发热体用导电性糊剂、引线3及电极引出部用导电性糊剂的图案的成形体。
[0046] 接着，通过将得到的成形体在1500?1800°C下烧成而能够制作加热器。需要说 明的是，优选烧成在不活泼气体气氛中或还原气氛中进行。另外，优选在施加了压力的状态 下烧成。此外，若在烧成中持续保持最高温度，则在收缩停止后化合物6的元素（V、Nb、Ta、 Cr、Mo、W、Mn或Fe)从发热体2向绝缘基体1扩散，因此通过在收缩结束后立即快速冷却来 防止扩散，能够得到图2所示的加热器。
[0047] 需要说明的是，在此所谓的"快速冷却"是指，例如以200°C /h以上的温度变化来 冷却。通过以200°C /h以上的温度变化进行冷却，能够抑制化合物6的元素（V、Nb、Ta、Cr、 Mo、W、Μη或Fe)从发热体2向绝缘基体1的扩散。
[0048] 实施例
[0049] 如下操作制作本发明的实施例的加热器。
[0050] 首先，作为绝缘基体的原料，混合氮化硅粉末85质量％、作为烧结助剂的Yb20 3粉 末10质量％、M〇Si2粉末3. 5质量％、氧化铝粉末1.5质量％而制作原料粉末。之后，使用 该原料粉末通过压制成形制作用作对开状态的成形体。
[0051] 接着，作为用作发热体、第一电极引出部及第二电极引出部的导电性糊剂，在碳 化钨（WC)粉末70质量％中混合氮化硅粉末29. 95质量％、作为添加剂的金属化合物 Cr3C20. 05质量％，添加适当的有机溶剂、溶剂而制作。在此，在混合于碳化钨（WC)粉末的 氮化娃粉末中，作为烧结助剂混合了 Yb203粉末0. 1质量％。
[0052] 接着，用丝网印刷法将导电性糊剂以图2所示的发热体2的形状涂敷于用作绝缘 基体的对开状态的成形体的表面。
[0053] 接着，制作出用作绝缘基体的另一对开状态的成形体，在该成形体中，以在使上述 各对开状态的成形体重合而密合时、W引线销位于发热体和电极引出部之间的方式埋设将 钨作为主成分的W引线销。然后，通过使两个成形体重合，得到在绝缘基体的内部具有发热 体、引线及电极引出部的成形体。
[0054] 接着，将得到的成形体放入圆筒状的碳制的模具后，在还原气氛中，以1700°C的温 度、35MPa的压力进行热压烧成，且进行烧结而制作加热器（试样1)。在此，对于试样1的 加热器而言，在烧成收缩结束后立即在1700°C?1300°C的温度范围以冷却速度为200°C /h 以上快速冷却。
[0055] 另一方面，作为用作发热体、第一电极引出部及第二电极引出部的导电性糊剂，在 碳化钨（WC) 70质量％中混合氮化硅粉末28质量％、作为添加剂的金属化合物Cr3C22质 量％，且添加适当的有机溶剂、溶剂而制作。在此，准备在混合于碳化钨（WC)粉末的氮化硅 粉末中混合了作为烧结助剂的Yb 203粉末15质量％的材料，没有在烧成收缩结束后立即快 速冷却，而在1700°C?1300°C的温度范围使冷却速度为50°C/h，除此以外与上述加热器同 样烧成而制作加热器（试样2)。
[0056] 此外，准备了将冷却速度设为100°C /h而制作的加热器（试样3)及将冷却速度设 为180°C/h而制作的加热器（试样4)。除了冷却速度以外的条件，与以上的试样2、试样3 及试样4 一起都与试样1相同。
[0057] 接着，将得到的加热器研磨加工成Φ4ι?πι、全长40mm的圆柱状，将线圈状的由Ni构 成的连接配件钎焊于露出于表面的电极引出部。
[0058] 然后，对准备的各试样的加热器施加电压且维持在1500°C，断续通电。具体而言， 持续1500°C ±25°C下的通电一分钟后停止通电一分钟而进行空气冷却，将此设为一个循 环，断续通电了 1〇,〇〇〇循环。比较初期电阻值和1〇,〇〇〇循环后的电阻值，进行发热体2的 电阻变化率的比较。需要说明的是，关于电阻变化，将发热器前端浸渍于25°C的恒温槽，在 25°C下使其稳定后，测定初期电阻值和试验后的电阻值，评价了其间的电阻变化率。
[0059] 此外，使用ICP质量分析装置，通过上述方法进行Cr的元素的定量分析。
[0060] 将以上的结果总结于表1中。
[0061] 表 1
[0062] |Cr含量 |电阻变化率|冷却速度 试样 1 不足 lppm~ 0. 01% 200°C /h
【权利要求】
1. 一种加热器，其特征在于，具备： 发热体，其将V、Nb、Ta、Mo或W作为主成分； 引线，其接合于该发热体的各端部；和 绝缘基体，其埋设有所述发热体及所述引线； 所述发热体及所述绝缘基体由一体烧结的烧结体构成，所述发热体含有包含选自V、 Nb、Ta、Cr、Mo、W、Μη或Fe中的且不同于所述发热体的所述主成分的元素中的至少一种的 化合物，在所述绝缘基体的内部的所述发热体的周围实质上不含有所述元素。
2. 根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述元素为Cr。
3. 根据权利要求2所述的加热器，其特征在于，所述发热体中的Cr的含量为1 X 1(Γ6质 量％?1ΧΚΓ1质量％。
4. 一种电热塞，其特征在于，具备： 权利要求1所述的加热器； 经由电极引出部与所述一对引线中的一个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】H05B3/12GK104145528SQ201380011755
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年2月28日 优先权日:2012年2月29日
【发明者】小林昭雄 申请人:京瓷株式会社