加熱器及具備該加熱器的電熱塞的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的加熱器具備：由陶瓷構(gòu)成的絕緣基體；埋設(shè)于絕緣基體的電阻體；和連接于電阻體的端部的引線，電阻體及引線均含有導(dǎo)電體及分散于導(dǎo)電體中的絕緣性陶瓷粒子，與引線中所含有的絕緣性陶瓷粒子相比，電阻體中所含有的絕緣性陶瓷粒子更小。
【專利說明】加熱器及具備該加熱器的電熱塞

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及利用于例如燃燒式車載供暖裝置的點(diǎn)火用或火焰檢測(cè)用的加熱器、石 油暖風(fēng)機(jī)等各種燃燒設(shè)備的點(diǎn)火用的加熱器、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的電熱塞（glow plug)用的加熱 器、氧傳感器等各種傳感器用的加熱器或測(cè)定設(shè)備的加熱用的加熱器等的加熱器。另外，本 發(fā)明涉及具備上述加熱器的電熱塞。

【背景技術(shù)】
[0002] 使用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的電熱塞等的加熱器包括具有發(fā)熱部的電阻體、引線及絕緣基 體。并且，以引線的電阻值比電阻體的電阻值小的方式，進(jìn)行引線及電阻體的材料的選定及 形狀的設(shè)計(jì)（例如參照專利文獻(xiàn)1)。
[0003] 近年，加熱器處于比以往更加在高溫環(huán)境下使用的傾向。因此，在加熱循環(huán)中，有 在加熱器產(chǎn)生的熱應(yīng)力比以往帶來更大的影響的可能性。
[0004] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開2002-334768號(hào)公報(bào)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的加熱器具備：由陶瓷構(gòu)成的絕緣基體；埋設(shè)于該絕緣基體中的電阻體； 連接于該電阻體的端部的引線，其中，所述電阻體及所述引線均含有導(dǎo)電體及分散于該導(dǎo) 電體中的陶瓷粒子，與所述引線所含有的絕緣性陶瓷粒子相比，所述電阻體所含有的絕緣 性陶瓷粒子更小。
[0006] 另外，本發(fā)明為具備上述結(jié)構(gòu)的加熱器和與所述引線電連接且保持所述加熱器的 金屬制保持部件的電熱塞。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 圖I (a)是表示本發(fā)明的加熱器的實(shí)施方式的一例的簡(jiǎn)要縱剖視圖，（b)是（a)所 示的區(qū)域A的主要部分放大圖。
[0008] 圖2是表示本發(fā)明的加熱器的實(shí)施方式的另一例的主要部分放大剖視圖。
[0009] 圖3是表示本發(fā)明的加熱器的實(shí)施方式的另一例的簡(jiǎn)要縱剖視圖。
[0010] 圖4是表示本發(fā)明的電熱塞的實(shí)施方式的一例的簡(jiǎn)要縱剖視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0011] 以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的加熱器10的實(shí)施方式的例子進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0012] 本實(shí)施方式的加熱器10具備：由陶瓷構(gòu)成的絕緣基體1、埋設(shè)于絕緣基體1的電 阻體2、和連接于電阻體2的端部的引線3。電阻體2及引線3均含有導(dǎo)電體21、31及絕緣 性陶瓷粒子（以下，只稱為陶瓷粒子）22、32。并且，與引線3所含有的陶瓷粒子32相比，電 阻體2所含有的陶瓷粒子32更小。
[0013] 本實(shí)施方式的加熱器10中的絕緣基體1例如為棒狀。該絕緣基體1被覆于導(dǎo)體 線路6 (電阻體2及引線3)。換言之，導(dǎo)體線路6 (電阻體2及引線3)埋設(shè)于絕緣基體1。 在此，絕緣基體1用陶瓷形成。由此，能夠提高絕緣基體1的耐熱性。其結(jié)果是，提高加熱 器10的高溫環(huán)境下的可靠性。具體而言，作為使用于絕緣基體1的陶瓷，能夠舉出氧化物 陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷等具有電絕緣性的陶瓷。在本實(shí)施方式的加熱器10中，絕 緣基體1由氮化硅質(zhì)陶瓷構(gòu)成。氮化硅質(zhì)陶瓷的強(qiáng)度、韌性、絕緣性及耐熱性優(yōu)異。該氮化 硅質(zhì)陶瓷用以下的方法得到。例如，針對(duì)主成分的氮化硅，作為燒結(jié)助劑而混合3?12質(zhì) 量％的Y 2〇3、Yb2O3或Er2O 3等稀土類元素氧化物、0· 5?3質(zhì)量％的Al2O3及SiO2。此時(shí)，以 燒結(jié)體中所含有的SiO 2量成為1. 5?5質(zhì)量％的方式添加 SiO2。接著，將得到的混合體成 形為規(guī)定的形狀。之后，例如通過在1650?1780°C進(jìn)行熱壓燒成而能夠得到氮化硅質(zhì)陶 瓷。
[0014] 另外，在本實(shí)施方式中，將MoSi2 *WSi2等分散于由氮化硅質(zhì)陶瓷構(gòu)成的絕緣基體 1。在該情況下，能夠使將氮化硅質(zhì)陶瓷作為母材料的絕緣基體1的熱膨脹系數(shù)接近于含有 Mo或W等的導(dǎo)體線路6的熱膨脹系數(shù)。由此，能夠減少在絕緣基體1和導(dǎo)體線路6之間產(chǎn) 生的熱應(yīng)力。其結(jié)果是，能夠提高加熱器10的耐久性。
[0015] 在絕緣基體1中埋設(shè)有電阻體2。電阻體2具有主要作為發(fā)熱的區(qū)域的發(fā)熱部20。 在電阻體2具有圖1(a)所示那樣的折回形狀的情況下，折回的中間點(diǎn)附近最發(fā)熱。在該情 況下，折回的中間點(diǎn)附近成為發(fā)熱部20。
[0016] 該電阻體2將W、Mo或Ti等金屬或者這些金屬的碳化物、氮化物或硅化物等作為 主成分。該主成分為所述的導(dǎo)電體21。需要說明的是，如圖1(b)所示，導(dǎo)電體21可以為粒 子狀，但并不限于此。導(dǎo)電體21例如也可以為鱗片狀或針狀等。
[0017] 在本實(shí)施方式的加熱器10中，電阻體2含有碳化鎢（WC)作為導(dǎo)電體21。這是因 為構(gòu)成絕緣基體1的氮化硅質(zhì)陶瓷和構(gòu)成電阻體2的WC的熱膨脹系數(shù)的差較小。另外，作 為電阻體2的材料，WC在具有高耐熱性的方面也優(yōu)異。進(jìn)而，在本實(shí)施方式中，在電阻體2 中將WC設(shè)為主成分，且在該WC中添加有20質(zhì)量％以上的氮化硅。該氮化硅為所述的陶瓷 粒子22。在由氮化硅質(zhì)陶瓷構(gòu)成的絕緣基體1中，成為電阻體2的導(dǎo)電體21與氮化硅相比 熱膨脹系數(shù)大。因此，在加熱循環(huán)下，在絕緣基體1和電阻體2之間施加熱應(yīng)力。在此，通 過在電阻體2中添加氮化硅作為陶瓷粒子22,使電阻體2的熱膨脹系數(shù)接近絕緣基體1的 熱膨脹系數(shù)。由此，能夠減少加熱器10的升溫時(shí)及降溫時(shí)在絕緣基體1和電阻體2之間產(chǎn) 生的熱應(yīng)力。
[0018] 另外，在電阻體2中所含有的氮化硅的含量為40質(zhì)量％以下時(shí)，電阻體2的電阻 值的偏差變小，因此能夠容易進(jìn)行電阻值的調(diào)整。
[0019] 因此，在本實(shí)施方式的加熱器10中，電阻體2中所含有的氮化硅的含量為20?40 質(zhì)量％。另外,作為添加于電阻體2的添加物，也能夠替代氮化硅而添加4?12質(zhì)量％的 氮化硼。
[0020] 另外，在本實(shí)施方式的加熱器10中，電阻體2的厚度例如為0. 5?1. 5_。另外， 電阻體2的寬度例如為0. 3?1. 3_。通過在該范圍內(nèi)設(shè)定電阻體2的厚度和寬度，能夠較 大地形成電阻體2的電阻。由此，能夠使電阻體2效率良好地發(fā)熱。
[0021] 在與電阻體2的端部連接的引線3中，將W、Mo或Ti等金屬或者這些金屬的碳化 物、氮化物或硅化物等設(shè)為主成分。該主成分為所述的導(dǎo)電體31。引線3能夠使用與電阻 體2相同的材料。在本實(shí)施方式的加熱器10中，引線3含有WC作為導(dǎo)電體31。這是因?yàn)?構(gòu)成絕緣基體1的氮化硅質(zhì)陶瓷與WC的熱膨脹系數(shù)的差較小。進(jìn)而，在本實(shí)施方式中，在 引線3中，將WC設(shè)為主成分，且在該WC中添加15質(zhì)量％以上的氮化硅。該氮化硅為所述 的陶瓷粒子32。越增加引線3中的氮化硅的含量，越能夠使引線3的熱膨脹系數(shù)接近絕緣 基體1的熱膨脹系數(shù)。由此，能夠減少在引線3和絕緣基體1之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力。另外，在 氮化硅的含量為40質(zhì)量％以下時(shí)，能夠減少引線3的電阻值的偏差，因此能夠容易進(jìn)行電 阻值的調(diào)整。因此，在本實(shí)施方式的加熱器10中，引線3中所含有的氮化硅的含量為15? 40質(zhì)量％。
[0022] 在本實(shí)施方式的加熱器10中，與引線3中的電流的流動(dòng)方向垂直的方向的截面 積，比與電阻體2中的電流的流動(dòng)方向垂直的方向的截面積大。具體而言，引線3的截面積 為電阻體2的截面積的2?5倍左右的大小。由此，能夠使引線3的電阻小于電阻體2的 電阻。換言之，使電阻體2的電阻大于引線3的電阻。如此，將加熱器10設(shè)計(jì)成在電阻體 2發(fā)熱。具體而言，在本實(shí)施方式的加熱器10中，引線3的厚度例如為1?2. 5mm。另外， 在本實(shí)施方式的加熱器10中，引線3的寬度例如為0. 5?I. 5mm。
[0023] 需要說明的是，通過使引線3中的陶瓷粒子32的含量少于電阻體2中的陶瓷粒子 22的含量，可以使引線3的電阻值小于電阻體2的電阻值。
[0024] 在此，導(dǎo)體線路6(電阻體2及引線3)中含有導(dǎo)電體21、31和陶瓷粒子22、32。并 且，電阻體2中所含有的陶瓷粒子22比引線3中所含有的陶瓷粒子32小。由此，在加熱循 環(huán)中，能夠使在電阻體2和絕緣基體1之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力的大小接近于在引線3和絕緣基 體1之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力的大小。其結(jié)果是，能夠降低在加熱器10的內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力偏離 于特定的部位。
[0025] 具體而言，通過較小地形成電阻體2中所含有的陶瓷粒子22,電阻體2中所含有 的陶瓷粒子22的比表面積變大。通過使比表面積較大的陶瓷粒子22分散于導(dǎo)電體21，電 阻體2相對(duì)地不容易熱膨脹。相反，通過較大地形成引線3中所含有的陶瓷粒子32,引線3 中所含有的陶瓷粒子32的比表面積變小。通過使比表面積較小的陶瓷粒子32分散于導(dǎo)電 體31，引線3相對(duì)地容易熱膨脹。另一方面，若關(guān)注于使用加熱器10時(shí)的加熱器10的溫度 分布，則發(fā)熱的電阻體2相對(duì)地成為較高的溫度，且引線3相對(duì)地成為較低的溫度。即，通 過使電阻體2中所含有的陶瓷粒子22比引線3中所含有的陶瓷粒子32小，能夠使相對(duì)地 成為較高的溫度的電阻體2不容易熱膨脹，且相對(duì)地成為較低的溫度的引線3容易熱膨脹。 由此，能夠減少在使用加熱器10時(shí)在電阻體2和絕緣基體1之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力與在引線3 和絕緣基體1之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力的差。
[0026] 在此，引線3中所含有的陶瓷粒子32的平均粒徑例如為0. 1?15 μ m。電阻體2 中所含有的陶瓷粒子22的平均粒徑為引線3中所含有的陶瓷粒子的平均粒徑的20%以上 且90%以下的大小，優(yōu)選為50%以上且70%以下的大小。
[0027] 該陶瓷粒子22、32的平均粒徑如以下那樣測(cè)定即可。在埋設(shè)有電阻體2或引線3 的任意的部位截?cái)嗉訜崞?0,用掃描電子顯微鏡（SEM)或金屬顯微鏡觀察截面部分。在得 到的圖像上畫出任意的五根直線，能夠?qū)M穿過該直線的粒子50個(gè)份兒的長(zhǎng)度的平均值 設(shè)為平均粒徑。該平均粒徑的求法為所謂的弦長(zhǎng)法（chord length method)。另外，代替上 述那樣的弦長(zhǎng)法，也能夠用Nirec公司制圖像分析裝置LUZEX-DS(= > =社製畫像解析裝 置LUZEX-FS)求出平均粒徑。
[0028] 另外，在本實(shí)施方式的加熱器10中，構(gòu)成導(dǎo)體線路6(電阻體2及引線3)的陶瓷粒 子22、32由與形成絕緣基體1的陶瓷相同的材料構(gòu)成。由此，在導(dǎo)體線路6 (電阻體2及引 線3)變成高溫時(shí)，能夠減少在與絕緣基體1之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力。由此，能夠減少在導(dǎo)體線路 6和絕緣基體1的界面產(chǎn)生裂紋。需要說明的是，所謂陶瓷粒子22、32是與形成絕緣基體1 的陶瓷相同的材料，并不限于陶瓷粒子22、32由與絕緣基體1完全相同的陶瓷構(gòu)成。具體 而言，包括陶瓷粒子22、32的主成分與絕緣基體1的主成分由相同陶瓷構(gòu)成的情況。例如， 在絕緣基體1為將氮化硅設(shè)為主成分且在其中含有燒結(jié)助劑成分的陶瓷的情況下，能夠舉 出陶瓷粒子22、32由氮化硅構(gòu)成的情況。
[0029] 另外，在本實(shí)施方式的另一例子中，如圖2所示，電阻體2及引線3中所含有的陶 瓷粒子22、32均為針狀的粒子。在該情況下，與引線3中所含有的陶瓷粒子32的長(zhǎng)軸的長(zhǎng) 度相比，電阻體2中所含有的陶瓷粒子22的長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度較短。
[0030] 具體而言，在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，在用上述的弦長(zhǎng)法觀察引線3中所含有的 陶瓷粒子32時(shí)，橫穿過直線的粒子的縱橫比（長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度/短軸的長(zhǎng)度）的平均值例如為 1. 5?10,長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度的平均值例如為0. 1?15 μ m。此時(shí)，在用弦長(zhǎng)法觀察電阻體2中所 含有的陶瓷粒子22時(shí)，橫穿過直線的粒子的縱橫比（長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度/短軸的長(zhǎng)度）的平均值 比引線3中所含有的陶瓷32的縱橫比的平均值小。并且，電阻體2中所含有的陶瓷粒子22 的長(zhǎng)軸的平均值為引線3中所含有的陶瓷粒子32的長(zhǎng)軸的平均值的90%以下。
[0031] 通過使電阻體2及引線3中所含有的陶瓷粒子22、32均為針狀的粒子，陶瓷粒子 22彼此及陶瓷粒子32彼此分別相互纏繞，從而提高加熱器10的強(qiáng)度。其結(jié)果是，能夠減少 由于外力而產(chǎn)生加熱器10折斷的可能性。
[0032] 需要說明的是，并不限定于電阻體2及引線3中所含有的陶瓷22、32均為針狀的 粒子的情況，可以是引線3所含有的陶瓷粒子32為針狀的粒子，而電阻體2所含有的陶瓷 粒子22不為針狀的粒子。另外，也可以是電阻體2所含有的陶瓷粒子22為針狀的粒子，而 引線3所含有的陶瓷粒子32不為針狀的粒子。在這樣的情況下，比較針狀的粒子的長(zhǎng)軸的 長(zhǎng)度和不是針狀的粒子的長(zhǎng)度（直徑），來評(píng)價(jià)粒子的大小。
[0033] 另外，如圖3所示，引線3可以以將電阻體2的端部包在里面的方式與電阻體2的 端部連接。電阻體2的端部有熱應(yīng)力容易集中的傾向，但通過用引線3將該部分包在里面， 能夠減少在與絕緣基體1之間產(chǎn)生熱應(yīng)力。由此，在電阻體2的表層部的陶瓷粒子22和導(dǎo) 電體21之間不容易產(chǎn)生裂紋。其結(jié)果是，能夠減少電阻體2的電阻值的變化。
[0034] 如圖4所示，本實(shí)施方式的加熱器10能夠作為具備與引線3電連接且保持加熱器 10的金屬制保持部件4的電熱塞100使用。具體而言，在本例的電熱塞100中，金屬制保持 部件4(護(hù)套件）與一個(gè)引線3電連接。例如電極5與另一個(gè)引線3電連接。作為電極5， 能夠使用帽式（cap type)電極等。另外，作為電極5的另一例，例如也能夠使用金屬絲等。
[0035] 需要說明的是，金屬制保持部件4 (護(hù)套件）為保持加熱器10的金屬制的筒狀體。 用焊料等接合于在絕緣基體1的側(cè)面引出的一個(gè)引線3。另外，用焊料等將電極5接合于 在絕緣基體1的后端引出的另一個(gè)引線3。由于本例的電熱塞100具備減少了在電阻體2 和絕緣基體1之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力與在引線3和絕緣基體1之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力之差的加熱器 10,從而提1? 了耐久性。
[0036] 其次，對(duì)本實(shí)施方式的加熱器10的制造方法進(jìn)行說明。
[0037] 本實(shí)施方式的加熱器10例如能夠用噴射成形法等形成。
[0038] 首先，作為導(dǎo)電體21、31的材料，準(zhǔn)備WC、WSi2、MoSi2*SiC等導(dǎo)電性陶瓷粉末。 另外，作為陶瓷粒子22、32的材料，準(zhǔn)備Si 3N4、Al203、Zr02或AIN等絕緣性陶瓷粉末。接著， 使用導(dǎo)電性陶瓷粉末制作成為電阻體2或引線3的導(dǎo)電性膏劑。接著，使絕緣性陶瓷粉末 分散于導(dǎo)電性膏劑。此時(shí)，添加于成為電阻體2的導(dǎo)電性膏劑中的絕緣性陶瓷粉末，使用與 添加于成為引線3的導(dǎo)電性膏劑中的絕緣性陶瓷粉末相比粒徑小的粉末。另外，制作成為 含有絕緣性陶瓷粉末及樹脂粘合劑等的絕緣基體1的陶瓷膏劑。
[0039] 接著，使用導(dǎo)電性膏劑用噴射成形法等形成成為電阻體2的規(guī)定圖案的導(dǎo)電性膏 劑的成形體（成形體a)。接著，在將成形體a保持于模具內(nèi)的狀態(tài)下將導(dǎo)電性膏劑填充于 模具內(nèi)，成形成為引線3的規(guī)定圖案的導(dǎo)電性膏劑的成形體（成形體b)。由此，成形體a和 與該成形體a連接的成形體b成為保持于模具內(nèi)的狀態(tài)。
[0040] 接著，在將成形體a及成形體b保持于模具內(nèi)的狀態(tài)下將模具的一部分換成絕緣 基體1成形用的模具。接著，在模具內(nèi)填充成為絕緣基體1的陶瓷膏劑。由此，得到用陶瓷 膏劑的成形體（成形體C)覆蓋了成形體a及成形體b的加熱器10的成形體（成形體d)。
[0041] 接著，通過將得到的成形體d例如以1650°C?1780°C的溫度、30MPa?50MPa的壓 力進(jìn)行燒成，則能夠制作加熱器10。需要說明的是，優(yōu)選燒成在氫氣等非氧化性氣體氣氛中 進(jìn)行。
[0042] 實(shí)施例
[0043] 說明本發(fā)明的加熱器10的實(shí)施例。作為試料2、3,用上述的制造方法制作了兩個(gè) 試料。進(jìn)而，作為比較例，制作了試料1。具體而言，在試料1?3中，絕緣基體1以氮化硅 作為主成分，電阻體2及引線3以WC作為主成分。并且，在試料1?3中，使氮化硅作為絕 緣性陶瓷粒子22、32分散于電阻體2及引線3中。分散的絕緣性陶瓷粒子22、32的粒徑為 以下。在試料1中，使平均粒徑10 μ m的絕緣性陶瓷粒子22分散于電阻體2中，且使平均 粒徑8 μ m的絕緣性陶瓷粒子32分散于引線3中。在試料2中，使平均粒徑6 μ m的絕緣 性陶瓷粒子22分散于電阻體2中，且使平均粒徑8 μ m的絕緣性陶瓷粒子32分散于引線3 中。在試料3中，使平均粒徑4 μ m的絕緣性陶瓷粒子22分散于電阻體2中，且使平均粒徑 8μπι的絕緣性陶瓷粒子32分散于引線3中。
[0044] 需要說明的是，絕緣基體1的橫截面的外周形狀為圓形。另外，電阻體2及引線3 的橫截面的外周形狀為橢圓形。并且，絕緣基體1的直徑為3. 5_，電阻體2及引線3的厚 度為I. 3_，寬度為0. 6_。
[0045] 使用這些加熱器10進(jìn)行了循環(huán)試驗(yàn)。循環(huán)試驗(yàn)的條件為以下。首先，以電阻體2 的溫度成為1400°C的方式對(duì)加熱器10進(jìn)行五分鐘的通電，之后，停止通電放置兩分鐘。將 此設(shè)為一個(gè)循環(huán)，進(jìn)行了一萬個(gè)循環(huán)的加熱循環(huán)試驗(yàn)。將其結(jié)果表示于表1。
[0046] [表 1]
[0047]

【權(quán)利要求】
1. 一種加熱器，具備：由陶瓷構(gòu)成的絕緣基體；埋設(shè)于該絕緣基體中的電阻體；和與該 電阻體的端部連接的引線，其中， 所述電阻體及所述引線均含有導(dǎo)電體及分散于該導(dǎo)電體中的絕緣性陶瓷粒子，所述電 阻體中所含有的所述絕緣性陶瓷粒子比所述引線中所含有的所述絕緣性陶瓷粒子小。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱器，其中， 所述電阻體及所述引線中所含有的所述絕緣性陶瓷粒子均由針狀的粒子構(gòu)成，所述電 阻體中所含有的所述絕緣性陶瓷粒子的長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度比所述引線中所含有的所述絕緣性陶 瓷粒子的長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度短。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的加熱器，其中， 所述絕緣性陶瓷粒子由與形成所述絕緣基體的所述陶瓷相同的材料構(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1?3中任一項(xiàng)所述的加熱器，其中， 所述引線以將所述電阻體的端部包在里面的方式與所述電阻體的端部連接。
5. -種電熱塞，具備： 權(quán)利要求1所述的加熱器；和 與所述導(dǎo)體線路電連接且保持所述加熱器的金屬制保持部件。
【文檔編號(hào)】H05B3/03GK104396342SQ201380034312
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2013年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月29日
【發(fā)明者】日浦規(guī)光 申請(qǐng)人:京瓷株式會(huì)社