专利名称：陶瓷加热器及使用该陶瓷加热器的电热塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种陶瓷加热器及使用该陶瓷加热器的电热塞(glow plug)，尤其涉及一种用于石油暖风炉点火用等的陶瓷加热器，以及使用该陶瓷加热器来用于促进柴油发动机启动等的电热塞。
背景技术：
近年来，为适应排放气体的限制，柴油发动机的燃烧方式从具有副燃烧室的类型向直接喷射式(所谓直喷式)转变，而且向多气门化方向发展。用于这种直接喷射式柴油发动机的电热塞，通过气缸盖的壁面与主燃烧室相面对。另一方面，为了确保气缸盖的强度，气缸盖的厚度又不能过薄。
因此，在直喷式柴油发动机中插入电热塞的孔径既细且长。即用于直喷式柴油发动机的电热塞，与以往的副燃烧室预热型的电热塞相比，需要将其长度变细变长。
为了适应这种电热塞的长尺寸化的要求，同时也为了缩短陶瓷加热器的全长来谋求成本的降低，提出了一种将陶瓷加热器固定于金属制外筒一端并向外部突出其加热部的电热塞。
例如，在日本专利文献1中，电热塞的前端连接有金属制外筒，在其金属制外筒的前端开口部用玻璃固定有陶瓷加热器。该陶瓷加热器在由电绝缘陶瓷构成的圆筒状陶瓷体的一端埋设有高熔点金属(例如钨等)制成的线圈、导电性陶瓷等构成的发热电阻体。而发热电阻体中连接有正极引线和负极引线。并且，在与埋设陶瓷体发热电阻体的部位相反的另一端面上，形成有圆形突出部，并从该突出部的侧面露出有正极引线的前端，而负极引线则露出于陶瓷体的侧面。
电热塞的正极引出金属配件的前端连接有形成为杯状(有底圆筒状)的端子。将该正极引出金属配件的杯状端子，嵌合于在陶瓷加热器的端面上所形成的突出部上，并通过钎焊进行接合。从而使电热塞的正极引出金属配件和陶瓷加热器的正极引线电连接。而在陶瓷体的侧面露出的负极引线则连接于电热塞的金属制外筒上。
这种陶瓷加热器可以按如下方法制造。烧结时使正极引线偏离中央而进行烧结。然后研磨烧结成形后的陶瓷加热器的端面以形成突出部，并从该圆形突出部的侧面露出引线的前端。
另外，如日本专利文献2所述的电热塞中，陶瓷加热器的正极引线和正极引出金属配件通过连接孔相连接。即，在陶瓷体的后端部上形成连接孔，在该连接孔中插入正极引出金属配件并与正极引线电极相连接。该连接孔(正极一侧的电极引出孔)是在孔中填埋Mo等高熔点金属的状态下进行烧结，然后将Mo等金属用酸溶解而形成。
日本专利文献1特开2002-122326号公报(第8页、图1)日本专利文献2特开2001-324141号公报发明内容发明所要解决的技术课题然而，如日本专利文献1所述，在从陶瓷体的后端所形成的突出部的侧面露出正极引线的前端，并在其突出部上嵌合且钎焊正极引出金属配件的杯状端子的结构中，存在正极引出金属配件的端子部分容易发生局部发热、陶瓷加热器的导电耐久性恶化的问题。
另外，如日本专利文献2所述，在陶瓷体的后端形成连接孔，通过该连接孔连接正极引线和正极引出金属配件，在此情况下陶瓷加热器的耐久性也不是很理想。即，为了形成连接孔，将高熔点金属埋设在陶瓷体内，通过热压进行单轴加压烧结时，由于压力高熔点金属塑性变形并被挤成椭圆形。因此在烧结时高熔点金属周围的陶瓷中留有残留应力。而烧结后除去其中高熔点金属时，残留应力被释放，因此除去高熔点金属后的连接孔(电极引出孔)的周围就产生裂纹。由此降低陶瓷加热器的耐久性及耐热可靠性。而且，由于用酸溶解除去成孔部件Mo等高熔点金属，所以其所需要处理时间和大量废液处理也成问题。
本发明是鉴于上述问题而做出的，其目的在于提供一种耐久性、耐热可靠性良好的陶瓷加热器及使用该陶瓷加热器的电热塞。
解决课题的方法一方面，本发明提供一种陶瓷加热器，其包括内置于棒状陶瓷体中的发热电阻体、连接于该发热电阻体上的正极引线和负极引线，其中，在上述正极引线的前端形成引出部，上述引出部在上述陶瓷体一侧端面上所形成的突出部的侧壁的多个位置中露出。该引出部，优选露出于突出部的侧壁的相对置的位置。
连接于从发热电阻体中引出的正极引线上的引出部，在突出部的侧壁的多个位置中引出并露出，并且正极引出金属配件的端子可连接各个露出部。所以，即使通过正极引出金属配件施加高电压，也可以避免正极引出金属配件和正极引线的连接部(正极引出部)中电流的集中，从而可抑制正极引出部的发热。虽然通电后不久所产生的热量，在陶瓷体内部中并不能充分扩散，但是此时正极引出部和陶瓷体之间的温差也能得到抑制。所以，能够提供一种在施加电压时耐热冲击性强、导电耐久性优良的陶瓷加热器。从而，利用这种耐热冲击性强的陶瓷加热器的电热塞，则无点火不良情况并可大幅提高其可靠性。
另一方面，本发明提供一种陶瓷加热器，其包括由电绝缘陶瓷构成的主体部、埋设在该主体部前端的发热电阻体、连接于上述发热电阻体上的正极引线及负极引线、为在上述正极引线上插入正极引出金属配件而形成于上述主体部的基部一侧的电极引出孔，其中，上述电极引出孔的横截面大致呈圆形，该横截面的长径A和短径B之比为0.8≤B/A≤1。由此可减少电极引出孔周边的残留应力、抑制裂纹发生。从而可获得耐久性、耐热可靠性良好的陶瓷加热器。
这种形状的电极引出孔，优选以烧结制成上述主体部的陶瓷成形体中埋设密度大于等于1.5g/cm3的碳精棒(carbon)构成的成孔部件的状态，在惰性气氛中或还原气氛中烧结，再将该成孔部件在氧化气氛中燃烧除去后形成。另外，替代燃烧除去成孔部件的方法，也可优选通过水喷射(water jet)除去的方法。采用这种方法，无需用酸溶解除去成孔部件，因此不存在其所需的处理时间和废液处理的问题。
另外，优选在电极引出孔的周围，与成孔部件之间具有反应层，而且还优选主体部由氮化硅陶瓷构成、且反应层中存在有SiC。另外，主体部由氮化硅陶瓷构成、成孔部件的表面涂敷氮化硼也可以。
本发明中的“埋设”，不仅意味着将固体形状的物体埋入，也包含着将糊状物体烧结后内置于其中的含义。
发明效果采用本发明，可以提供一种耐久性、耐热可靠性良好的陶瓷加热器及使用该陶瓷加热器的电热塞。
图1A是表示本发明的第一实施方式所涉及的陶瓷加热器的剖视图。
图1B是表示图1A所示陶瓷加热器的突出部附近的放大斜视图。
图1C是表示引出部的变形例的斜视图。
图2是表示包括图1A陶瓷加热器的电热塞的剖视图。
图3A是表示本发明的第二实施方式所涉及的陶瓷加热器的纵向剖视图。
图3B是表示图3A所示陶瓷加热器的横向剖视图。
图4A是表示第二实施方式的电极引出孔的形成方法的工序图。
图4B是表示图4A的后续工序的工序图。
图4C是表示图4A的后续工序的工序图。
图5A是表示第二实施方式的电极引出孔的另一种形成方法的工序图。
图5B是表示图4A的后续工序的工序图。
图5C是表示图4A的后续工序的工序图。
图6A是表示向成形体中埋入成孔部件的方法的概略图。
图6B是表示向成形体中埋入成孔部件后状态的斜视图。
图7是表示第二实施方式的陶瓷加热器的电极引出孔附近状态的局部放大斜视图。
图8是表示包括图3A所示陶瓷加热器的电热塞的剖视图。
图9是表示第二实施方式的陶瓷加热器的后端面的端面图。
图10A是表示实施例3中所形成的电极引出孔的模式图。
图10B是表示实施例3中所形成的电极引出孔的模式图。
图10C是表示实施例3中所形成的电极引出孔的模式图。
符号说明10陶瓷加热器11陶瓷体12发热电阻体13a，b引出部14正极引出金属配件15a，b引线16突出部18电极引出孔20陶瓷加热器22金属制外筒25外壳
26电热塞实施发明的最佳方式第一实施方式(陶瓷加热器)图1A是表示本实施方式所涉及的陶瓷加热器的剖视图。如图1A所示，本实施方式的陶瓷加热器10具有内置于陶瓷体11中的发热电阻体12、连接于发热电阻体12的正极引线15a及负极引线15b、与正极引线15a及负极引线15b相连接的陶瓷体11的表面中所露出的引出部13a及13b。连接于正极引线15a前端的引出部13a，从陶瓷体11的一端所形成的突出部16的侧壁中露出，并与正极引出金属配件14相连接。而连接于负极引线15b前端的引出部13b，从陶瓷体11的侧面中露出，并能够与外部相连接。
陶瓷体11是由棒状的电绝缘陶瓷构成，其一侧端面上形成有突出部16。而发热电阻体12埋设于陶瓷体11前端一侧的内部中。该发热电阻体12是U字形的棒状体，且含有导电成分、用于调节电阻温度系数的调节成分、以及绝缘成分的陶瓷成分。另外，如图1A所示，引出部13a、13b分别与引线15a、15b的前端相连接。连接于负极引线15b前端的引出部13b从陶瓷体11的侧面中露出，而连接于正极引线15a的引出部13a则从突出部16侧壁的两个位置中引出并露出。
在从突出部15的侧壁露出的引出部13a上连接用于与外部电连接的正极引出金属配件14。正极引出金属配件14可以是陶瓷加热器的一部分，也可以是安装陶瓷加热器的装置(电热塞等)的一部分。正极引出金属配件14的端子的材质由SUS304等构成，并且前端形成为杯状。正极引出金属配件14采用了可从外部对陶瓷加热器10施加规定电压的结构。该正极引出金属配件14的端子形状为杯状，以便与从陶瓷体11突出部16的侧壁中露出的多处引出部13a可靠地连接，即使增加引出部13a的露出位置也能够可靠地连接。这里正极引出金属配件14的端子前端形成为杯状，但并不仅限于此。例如，也可将正极引出金属配件14的前端分成多个分支，并使正极引出金属配件的各分支前端与引出部13a的各露出位置相连接。
对引出部13a施加外部电源，则设置于陶瓷体11内的U字形发热电阻体12通电而开始发热，所产生的热量通过陶瓷体11内部传导到表面。通过正极引出金属配件14，对引出部13a施加电压后不久，所产生的热量在陶瓷体11内部中传导并不充分。另一方面，与正极引出金属配件14相连接的引出部13a其电流通路容易变窄，局部容易发热。所以，施加电压后不久，在突出部16中，引出部13a和陶瓷体11之间出现温差，陶瓷加热器10的导电耐久性就容易恶化。
然而，在本实施方式的陶瓷加热器10中，突出部16的侧壁上露出两处或两处以上的引出部13a，而且在该引出部13a的各露出部上可连接正极引出金属配件14的端子。因此可以降低突出部16附近电流通路的电阻，且可以抑制施加电压时引出部13a的局部发热。从而可以抑制突出部16中的热应力并提高导电耐久性。
作为更佳实施方式，如图1A所示，引出部13a的两处露出部，介于突出部16之间在相对置的位置形成较为理想。当引出部13a的露出部有三处或三处以上时，优选使各露出部之间的距离都相等。在这种位置里形成露出部，可以加大引出部13a的发热位置之间的距离，从而可以抑制突出部16的热应力，并进一步提高导电耐久性。
更进一步，优选突出部16的外径A和陶瓷体11的外径B之比为0.4≤A/B≤0.88。若外径比A/B大于0.88，则从引出部13a的露出部到中心的距离变长，因此引出部13a的电阻变高、突加电压时突出部16中容易发生局部发热。另一方面，若外径比A/B小于0.4，则突出部16的耐载重降低、突出部16中容易产生裂纹。
并且，优选引出部13a的各露出部的面积在1×105-6.8×105μm2的范围。若引出部13a的露出部面积小于1×105m2，则引出部13a和正极引出金属配件14的端子之间的接触电阻变大、施加电压时突出部16中产生的热应力变大。若引出部13a的露出部面积大于6.8×105μm2，则突出部16的引出部13a和周围陶瓷之间的热应力变大、在引出部13a及突出部16中容易产生裂纹。
引出部13a的形状，如图1B所示，优选为从陶瓷体11的中心轴向同一直线上的两个方向延伸的形状。通过形成这种形状，可以在突出部16的圆周面上相对置的两个位置中露出引出部13a。例如，如图1B所示，可以做成向正交于陶瓷体11长度方向的方向延伸的柱状(或板状)。柱状或板状的陶瓷体的剖面形状可以做成圆形、椭圆形、扁平椭圆形、矩形、纺锤形、六角形等各种形状。并且，柱状或板状的陶瓷体11的剖面形状，根据剖面的位置可以不同。例如，板状陶瓷体11的剖面，埋设在陶瓷体11内的中央附近是长方形，而从陶瓷体11露出的端面附近可以是扁平椭圆形。另外，也可以采用从陶瓷体11的中心轴向三个或三个以上的方向延伸的形状。并且优选增大引出部13a与引线之间的接触面积，以便减小引出部13a与引线之间的接触电阻。在此，优选将引出部13a与引线接触的部分做成向下方延伸的形状。例如，可将引出部13a做成如图1C所示的T字形的形状。
通常，优选引出部含有导电成分和绝缘成分。该导电成分是从W、Ta、Nb、Ti、Mo、Zr、Hf、V及Cr等中选择1种或1种以上的元素的硅化物、碳化物或氮化物等中的至少1种。该绝缘成分是氮化硅系烧结体等。尤其在绝缘成分中含有氮化硅时，作为导电成分优选使用碳化钨、硅化钼、氮化钛或硅化钨等中的至少一种。另外，导电成分还可以是从W、Ta、Nb、Ti、Mo、Zr、Hf、V及Cr等中选择1种或1种以上元素构成的金属。
构成陶瓷体11的电绝缘陶瓷，通常是一同烧结发热电阻体12及引线15a、15b等，烧结后它们则成为一体。该电绝缘陶瓷，相对于发热电阻体12及引线15a、15b等，在温度-20℃-1500℃下有足够的绝缘性即可。尤其优选相对于发热电阻体12具有大于等于108倍的绝缘性。
构成该电绝缘陶瓷的成分虽无特别限定，但优选为氮化物陶瓷。因为氮化物陶瓷的热传导率相对较高，可以有效地将热量从陶瓷体11的前端传到另一端，从而可以减小陶瓷体11的前端和另一端之间的温差。例如，可以从氮化硅陶瓷、硅铝氧氮陶瓷及氮化铝陶瓷中仅选一种，也可以将氮化硅陶瓷、硅铝氧氮陶瓷及氮化铝陶瓷中的至少一种作为其主要成分。
特别是在氮化物陶瓷中选用氮化硅系陶瓷，可以制作出热冲击性强、耐久性优良的陶瓷加热器以及电热塞。这里所说的氮化硅系陶瓷泛指以氮化硅为主要成分的物质，不仅包括氮化硅，还包括硅铝氧氮等。通常，配合数质量百分比(2-10质量百分比左右)的烧结助剂(Y、Yb、Er等的各氧化物)后进行烧结。另外，烧结助剂粉末没有特别限定，可以采用烧结氮化硅时常用的稀土类氧化物等的粉末。特别是Er2O3等，若采用烧结时的晶界生成结晶相的烧结助剂粉末，则耐热性变高，所以尤为优选。
另外，陶瓷体11也可含有构成发热电阻体12的各金属元素的硼化物。由此可以减小与发热电阻体12之间的热膨胀系数之差。而且为减小与下述导电成分之间的热膨胀系数之差还可以含有少量的导电成分。
发热电阻体12通常含有导电成分和绝缘成分。该导电成分是从W、Ta、Nb、Ti、Mo、Zr、Hf、V及Cr等中选择一种或一种以上元素的硅化物、碳化物或氮化物等中的至少一种；而绝缘成分是氮化硅系烧结体等。特别是在构成绝缘成分及/或绝缘体的成分中含有氮化硅系烧结体时，作为导电成分优选使用碳化钨、硅化钼、氮化钛或硅化钨等中的至少一种。
导电成分与发热电阻体12中的绝缘成分以及构成绝缘陶瓷体的成分之间的热膨胀系数差越小越好。优选导电成分的熔点超过陶瓷加热器的使用温度(大于等于1400℃，大于等于1500℃则更好)。另外，发热电阻体12中包括的导电成分和绝缘成分的量比虽无特别限定，但当将发热电阻体12的体积设为100％体积时，优选导电成分占15-40体积百分比，更优选占20-30体积百分比则。若导电成分不足15体积百分比，则由于导电成分之间的接触变得非常少，因此发热电阻体13的电阻变得过大，且其耐久性也明显下降。另外，若超过40体积百分比，则相对于主体部12的热膨胀率，发热电阻体13的热膨胀率变得过大，耐久性也下降。
(电热塞)下面说明使用如图1A所示陶瓷加热器的电热塞。图2所示的电热塞26，在外壳25的前端保持有金属制外筒22。该金属制外筒22是由不锈钢等导电材料制成。由于该金属制外筒22本身具有接地电极的作用，所以当将金属制外筒22安装于其他部件中时，可通过金属制外筒22本身进行通电。在金属制外筒22前端的开口部上，嵌装陶瓷加热器10，并通过钎焊予以固定。而且，露出于陶瓷加热器10侧面的负极引出部13b，通过钎焊与电热塞的金属制外筒22的内壁相电连接。另一方面，露出于陶瓷加热器10突出部16上的多个正极引出部13a，则与电热塞的正极引出金属配件14相连接。
本实施方式的电热塞，即使通过正极引出金属配件14施加高压，也可以避免正极引出金属配件14和正极引出部13a中发生的电流集中，从而可抑制引出部13a的发热。所以，虽然通电后不久所产生的热量，在陶瓷体11内部中的传导并不充分，但此时也可以抑制引出部13a和陶瓷体11之间的温差。所以，即使在电热塞点火时对陶瓷加热器10施加较大电压，也不易发生因耐热冲击导致的操作不良、故障。即，可以提供一种无点火不良、显著提高可靠性的电热塞。
(陶瓷加热器及电热塞的制造方法)下面说明本实施方式的陶瓷加热器以及使用该陶瓷加热器的电热塞的制造方法。
首先，说明陶瓷加热器10的制造方法。
作为构成发热电阻体12的原料，先制作含有导电成分和绝缘成分的浆料。将全部浆料设为100质量百分比时，优选含有合计为75-90质量百分比的导电成分和绝缘成分。例如，该浆料可通过将含有这些成分的规定量的粉末作为各原料粉末进行湿式混合，然后使其干燥，再与聚丙烯、蜡之类的粘合剂等混合即可得到。该浆料还可以是适当干燥后成形加工成易于调制的粒状等之物。
将如此制作的浆料，其中埋入引线15a、15b的同时使其成形为发热电阻体12的形状。并且，可以任意方式进行向浆料中引线15a、15b的埋入。例如，在发热电阻体的形状的模具内突出固定引线15a、15b，并向该模具内注入浆料。另外也可以在成形为发热电阻体12形状的浆料中插入并埋入引线15a、15b。引出部13a，可在形成发热电阻体12的同时，向引出部形状的模具内注入浆料来制作。之外，也可以在形成棒状陶瓷基体之后，调制适度的粘合剂来制作浆料，将其通过丝网印刷法印刷在陶瓷基体上，形成引线15a、15b、发热电阻体12及引出部12。而且，仅印刷除引线15a、15b以外的发热电阻体12和引出部12，再埋设引线15a、15b也可以。此处引出部13a的形状，优选为以正交于陶瓷体11的长度方向的方式延伸的柱状或板状。
将该发热电阻体12、引线15a及15b、引出部13a及13b与陶瓷体11用原料一起，挤压成形并加压成一体，从而得到具有基体形状的粉末成形体。然后，将该陶瓷加热器成形体放入石墨制等加压用模具中，再置于烧结炉内，根据需要预烧除去粘合剂后，以规定温度进行所需时间的热压烧结，由此可得到陶瓷加热器10。
在陶瓷加热器10端面的中央部，形成突出于该端面外周部16ab的呈圆形(略呈圆柱状)的突出部16，并在该突出部16的侧面露出引出部13a的侧面。略呈圆柱状的突出部16，既可以在陶瓷体11烧结后用具有手术刀形状的金钢石磨具进行研磨来形成，也可以在形成陶瓷加热器10的成形体时进行切削来形成。另外也可以在挤压成形陶瓷加热器10成形体时的模具中形成突出部的形状。本实施方式中，引出部13a形成为从陶瓷体11的中心轴向一条直线上的沿两个方向延伸的形状(优选柱状或板状)。所以，如果形成圆筒状的突出部16，引出部13a则从突出部16的圆周面相对置的两个位置中露出。
其次，将形成为杯状(有底圆筒状)正极引出金属配件14的端子嵌合于陶瓷加热器10的突出部16上，并钎焊露出于突出部16的侧面的引出部13a和正极引出金属配件14的端子。再将该陶瓷加热器10嵌装于不锈钢制的金属制外筒22中并钎焊后，通过钎焊及铆接固定在外壳25上，由此完成电热塞26的制作。
本实施方式的陶瓷加热器10，在烧结时，使正极引线15a偏芯，并通过研磨烧结成形后的陶瓷加热器10的端面等方法形成台阶状的突出部16。在此，优选通过在烧结前使引线15a偏芯，从而使引线15a位于引出部13a的大致中心的位置。引线15a位于引出部13a的大致中心位置，可使从引出部13a的外周至引线15a的路径电阻大致均等，从而可抑制局部发热。而且在该突出部16的侧壁中直接露出有从引线15a引出的引出部13a的两个侧面。通过这种结构，正极引线15a和正极引出金属配件14在多个位置上相连接，所以连接面积增大，可以更可靠地进行连接。又因为将正极引出金属配件14的端子的前端形成为杯状，并嵌合钎焊于突出部16上，所以可以提高该焊接部分16的强度。
第二实施方式(陶瓷加热器)
图3A是本实施方式的陶瓷加热器的纵向剖视图，图3B是图3A所示的基端侧的端面图。本实施方式的陶瓷加热器除下述说明之外，与第一实施方式相同。图3A及图3B所示的陶瓷加热器10，包括由电绝缘陶瓷构成的主体部11、埋设于陶瓷体11的前端一侧的发热电阻体12、形成于主体部11的基端侧的电极引出孔18、形成于主体部11的基端侧的一对电极引出部13a及13b、电连接于电极引出部13a及13b和发热电阻体12之间的一对引线15a及15b。连接于正极引线15a上的电极引出部13a，从电极引出孔18中露出；连接于负极引线15b的电极引出部13b，则露出于主体部11的侧面中。
主体部12，是直径为2-5mm、长度为15-50mm左右的圆柱状，由相对于发热电阻体12及引线15a、15b等，并在温度-20-1500℃下具有充分电绝缘性的电绝缘陶瓷构成。优选该电绝缘陶瓷相对于发热电阻体13具有大于等于108倍的电绝缘性。作为构成这种主体部12的成分虽无特别限定，但优选为氮化物陶瓷。因为氮化物陶瓷的热传导率相对较高，可以有效地将热量从陶瓷加热器10的前端传到基端，从而可减小陶瓷加热器10的前端和基端之间的温差。
在主体部11的前端一侧埋设有将棒状或片状的导电性陶瓷形成为纵向剖面U字形的发热电阻体12。该发热电阻体12，通常含有导电成分和绝缘成分，并可以通过将含有这些成分的糊状物体和构成上述主体部11的陶瓷成形体一并烧结得到。
作为导电成分，优选从W、Ta、Nb、Ti、Mo、Zr、Hf、V及Cr等中选择一种或一种以上元素的硅化物、碳化物或氮化物等中的至少一种。作为绝缘成分，优选为氮化硅、氮化铝、氧化铝、多铝红柱石(mullite)等。
另外，该发热电阻体12不仅可以如图3A所示进行整体埋设，还可以将其一部分从主体部11中露出(无图示)。并且，作为发热电阻体12，除导电性陶瓷以外，还可将钨、钼、铼等高熔点金属做成线圈状的物体。
主体部11的基端侧形成有从基端面沿长度方向形成的电极引出孔18。该电极引出孔18的横截面直径为0.2-0.5mm左右并略呈圆形，长度为3-15mm左右。此处所说的略呈圆形是指长径A和短径B之比为0.8≤B/A≤1。对需要急剧升温且需具备高温耐久性的陶瓷加热器，为提高主体部11的瓷器强度以及发热电阻体13的高温耐热性，在高出常规的烧结温度、烧结压力条件下进行热压烧结。这种热压烧结是以单轴高压进行加压烧结，因此电极引出孔18的横截面呈椭圆形、长径A和短径B的比成为B/A＜0.8的可能性极高。本发明者发现，一旦形成这种形状，因烧结时的残留应力作用，在电极引出孔18的周围产生裂纹，电极部的高温可靠性会明显下降。采用本发明，通过后述的制造方法使长径A和短径B之比为0.8≤B/A≤1，由此可以抑制电极引出孔18附近的残留应力、防止裂纹的发生，稳定保持正极电极引出部13a和后述的正极引出金属配件14之间的连接状态，从而得到良好的耐热可靠性。更优选为将长径A和短径B之比B/A设定为大于等于0.85，特别优选设定为大于等于0.89。
在主体部11的基端一侧，在电极引出孔18中露出有正极电极的引出部13a，而负极电极引出部13b则从主体部12的侧壁中露出。此处电极引出部13a、13b，可优选使用与发热电阻体12同样材质构成的糊状物。而引线15a、15b，可优选使用以钨为主要成分的导电体，但也并不仅限于此。
本实施方式的特征部分在于陶瓷加热器10的正极一侧的结构。将在周围露出有正极一侧电极引出部13a的电极引出孔18的横截面形状形成为略呈圆形形状，从而可得到耐热可靠性高的陶瓷加热器10。本发明者发现，在电极引出孔18呈椭圆形状的以往陶瓷加热器中，存在着其内部产生残留应力，由此在电极引出孔的周围容易产生裂纹的问题。而本实施方式的电极引出孔18略呈圆形，所以残留应力小，而且应力分散在电极引出孔18的整个内侧面，从而可防止在电极引出孔18周围所产生的裂纹。
(电极引出孔18的形成方法)本实施方式的电极引出孔18可通过以下方法制造。首先，如图4A所示，在由电绝缘陶瓷构成的两块成形体40的贴合面上形成成为电极引出孔18的凹部38，将该两块陶瓷成形体40贴合，并在该凹部38中埋设用于形成电极引出孔18的成孔部件41。接着，如图4B所示，在热压烧结后，如图4C所示，或通过热处理燃烧除去、或通过水喷射(water jet)等机械方法除去成孔部件41，即可得到具有电极引出孔18的陶瓷成形体。采用上述方法能够以短时间、低成本在陶瓷加热器10的陶瓷体11内形成电极引出孔16。
上面说明了成孔部件41的一部分露出于成形体40表面的状态下烧结的例子，但也可以将成孔部件41完全埋设在成形体40内的状态下进行烧结。例如，如图5A所示，将成孔部件41埋设在陶瓷成形体40的内部，再将成形体40在氮气(N2)、氦气(He)等惰性气氛中或在还原气氛中进行烧结，而留有成孔部件41的状态下形成烧结体11。如果采用热压烧结、气压烧结，则可利用烧结时烧结体11的晶界滑移作用所产生的致密化，烧结出无裂纹的成形体40。之后，如图5B所示，露出成孔部件41的一部分，可通过研磨、切断、激光加工、喷沙加工、超声波加工、水喷射(water jet)加工等使成孔部件41的一部分露出。例如，可用平面研磨机床等进行研磨处理，使成孔部件41露出。之后，如图5C所示，再除去成孔部件41。
对于陶瓷成形体40的成形方法，在使用机械压力机等加压成形时，可以如下方法进行。首先，在模具内填充一半左右的原料粉末，进行第一次加压而预成形。其次在其上面配置成孔部件41后再次填充原料粉末，将整体再次进行加压成形，得到陶瓷成形体40。
另外，进行热压烧结时，如图6A所示，将陶瓷成形体40分成两块以上，在贴合面上设置用于放置成孔部件41的凹部40a。然后在凹部40a中埋设成孔部件41，再将各陶瓷成形体40贴合而形成陶瓷成形体。
作为该成形体40的成形方法，不仅可以采用成形模具成形，也可以采用层叠陶瓷生坯片(ceramic green sheet)的方法。还可以用注塑成形机来形成成形体，同时将成孔部件41埋设在成形体中。
在此，作为成孔部件41，例如优选使用碳精棒。碳精棒在高温下也能够保持其硬度，且能够氧化除去，若完全反应则成为二氧化碳和水。所以，作为成孔部件41，如果使用碳精棒，则以往埋设Mo等高熔点金属再用酸熔解除去时所存在的问题，即在已形成电极引出孔16周围的裂纹、处理时间、废液处理等问题均可得到解决。作为成孔部件41的碳精棒，可以是圆柱状、棱柱状等所需的任意的形状，其密度优选大于等于1.5g/cm3。这是因为如果碳精棒的密度不足1.5g/cm3，则无法防止陶瓷体热压烧结时所产生的横截面形状的变形，而不能进行所需形状孔的加工。特别是施加大于等于30MPa压力的同时进行烧结时，为避免烧结时的变形，优选其密度大于等于1.6g/cm3。
另外，从正极电极引出部13a的耐氧化性的观点考虑，如图7所示，优选在与成孔部件41相连接的电极引出部13a的表面形成反应层31。由此可以防止在燃烧除去成孔部件41时正极电极引出部13a的氧化，并可以确保与之后插入的正极引出金属配件之间的良好导通状态。但是除去成孔部件41后，反应层31仍残留在电极引出部13a表面的情况颇多。
例如，作为陶瓷主体部11使用氮化硅系陶瓷，作为成孔部件41使用碳精棒，将该碳精棒41埋设在主体部11的电极引出孔18的横截面中大致中央位置，并在惰性气氛中或还原气氛中以约1650-1800℃的温度进行烧结。由此可在正极电极引出部13a的表面形成由SiC构成的反应层31。所以，将用作成孔部件的碳精棒41在氧化气氛中以约800-1000℃的温度进行燃烧除去时，通过SiC的耐氧化性可防止内部电极引出部13a的氧化。
在将成孔部件41的一部分从陶瓷体11的基端面露出的状态下，以约1000℃的温度在氧化气氛中进行30分钟至1小时左右的燃烧即可轻易除去。例如，成孔部件41为碳精棒时，碳精棒41暴露在氧化气氛中，碳和氧结合产生二氧化碳而气化碳精棒，由此可除去埋设于烧结体11中的碳精棒。从而无需通过切削成孔也可以完成孔加工。
热处理温度虽由陶瓷材料来决定，但优选大于等于800℃；而处理时间则根据要除去的碳精棒41的大小而不同。例如，直径为1mm、长度为5mm的碳精棒11，以温度1000℃持续约3小时即可燃烧除去。并且，还可根据需要对孔内部进行喷砂、水喷射(water jet)等清洗处理，以除去碳精棒燃烧后的灰粉。
另外，还可以使用水喷射(water jet)等方法将成孔部件41机械除去。尤其是在使用喷射(water jet)等方法将成孔部件41机械除去时，也可以预先在用于成孔部件41的碳精棒的表面涂敷BN(氮化硼)之后进行埋设、烧结、成孔加工。因为涂敷氮化硼后，在电极引出部13a的表面不形成反应层31，可以更有效地利用水喷射(water jet)等方法进行机械除去。
(电热塞)图8表示使用本实施方式的陶瓷加热器10的电热塞的例子。
除以下说明之外，其他的与第一实施方式中的电热塞相同。这种陶瓷加热器型电热塞，与第一实施方式相同，为多层结构。其包括陶瓷加热器10、用其前端包覆陶瓷加热器10的主体部11基端的金属制外筒22、用其前端包覆金属制外筒22基端的外壳25。
而且，正极引出金属配件14插入在陶瓷加热器10的电极引出孔18中，且电连接于露出在电极引出孔18周面的引出部13a。电极引出孔18在真空中烧结处理后形成金属化表面。将涂敷含有以Au-Cu、Au-Ni、Ag-Cu为主要成分的活性金属浆料的正极引出金属配件14插入到该电极引出孔18中，并通过钎焊予以接合。在此，当电极引出孔18的周面(电极引出部13a的表面)上形成有反应层31时，可通过研磨或水喷射(water jet)等方法将反应层31机械除去，并露出电极引出部13a后，再进行钎焊。在将正极引出金属配件14钎焊于电极引出孔18时，如图9所示，优选将正极引出金属配件14固定在电极引出孔18的中央位置。由此可以事先防止由焊料偏置而导致的应力的集中、裂纹的发生。
(陶瓷加热器以及电热塞的制造方法)下面说明陶瓷型电热塞的制造方法的一个例子。
由电绝缘陶瓷构成的主体部11的主要成分与烧结助剂混合调制出原料粉末。接着，将该原料粉末挤压成形并通过相互贴合得到主体部11形状的两块陶瓷成形体。再制作发热电阻体用浆料，并将其在陶瓷成形体的至少一个贴合面上，通过丝网印刷法印刷成发热电阻体12、电极引出部13a、13b的导体形状。然后，在陶瓷成形体的贴合面上，配置用于电连接发热电阻体12和电极引出部13a、13b的引线的同时，还配置用于形成电极引出孔18的成孔部件41之碳精棒。并以将这些夹入的状态贴合两块成形体，以约1650-1800℃的温度、在惰性气氛中或还原气氛中热压烧结，由此可一同烧结主体部11和发热电阻体12(此时碳精棒的端面由主体部11包覆，没有露出)而得到成形体。然后，在主体部11的基端侧进行切削加工等使成孔部件41的碳精棒的端面露出，再在氧化气氛中以约800-1000℃的温度进行燃烧除去，形成露出正极引出部13a的电极引出孔18。其次，将陶瓷成形体由棱柱状加工成略呈圆柱状的同时，并露出负极电极引出部13b。然后在正极引出部13a和负极引出部13b的表面涂敷含有Ag-Cu的浆料，在真空中烧结形成金属化层。然后，将陶瓷加热器10的基端嵌装于金属制外筒22内，将正极引出金属配件14插入陶瓷加热器的电极引出孔18后，再进行钎焊，即得到陶瓷型电热塞。
实施例1通过以下方法，制作了如图1A所示的陶瓷加热器10。
在构成陶瓷体11的电绝缘陶瓷的用作其主要成分的90-92摩尔百分比的氮化硅中，添加作为烧结助剂的稀土类元素氧化物2-10摩尔百分比。相对于氮化硅和稀土类元素氧化物的总量，氧化铝和氧化硅分别按0.2-2.0质量百分比和1-5质量百分比进行添加混合后调制成原料粉末。
然后，挤压成形原料粉末而得到成形体。其次，制作了在钨中添加混合适量的有机溶剂、溶媒的发热体浆料，并将其在成形体上通过丝网印刷法印刷成发热电阻体12及引出部13a、13b的导体形状。
然后，在发热电阻体12和引出部13a、13b之间夹入以钨为主要成分用作导电体的引线15a、15b，并使之与发热电阻体12和引出部13a、13b相互贴紧。之后，以1650-1800℃的温度热压烧结，从而一同烧结陶瓷体11和发热电阻体12。
在陶瓷加热器10的基部一侧的端面中央部，通过研磨形成突出于外周部16ab的圆柱形突出部16。同时在该突出部16的侧面露出正极引出部13a的侧面。另外，将形成为杯状正极引出金属配件14的端子，嵌合于陶瓷加热器10的端面上所形成的突出部16中，并通过钎焊，使正极引出金属配件14和引出部13a相接合。
将引出部13a的露出部制成4个、2个、1个。当引出部13a的露出部为4个或2个时，则制作成引出部13a的露出部之间为相对置的和露出部靠近于一侧的两种。
在将引出部13a的露出部之间设置为相互对置的情形时，可以如下方法形成。例如，当露出4个引出部13a时，在突出部16的圆周方向上相隔90°等距设置露出部。露出2个引出部13a时，则在突出部16的圆周方向上相隔180°设置露出部。另外，若相邻的引出部13a间隔大于等于90°，则视为“相对置配置”。
另一方面，将引出部13a的露出部配置在一侧时，在突出部16的圆周方向上30°以内的范围中，集中配置所有引出部13a的露出部。
进而，制作出突出部16的外径A和上述陶瓷体11外径B之比A/B各不相同的陶瓷加热器10的样品，还制作出引出部13a的截面积各不相同的陶瓷加热器10的样品。
在已准备的各个样品的发热电阻体12上施加电压，使发热电阻体12产生焦耳热，并施加使陶瓷加热器达到饱和温度1400℃的电压，施加电压时间为5分钟，之后撤去电压，进行3分钟的强制冷却，以此周期循环10000次，由此对经导电耐久试验后的温度变化进行分析评价。其中，强制冷却是通过将常温压缩空气向陶瓷加热器的最高发热部位喷射来进行。
上述结果如表1所示。
表1
*表示不在本发明的范围内表1中，“直径比”是指突出部的外径A和陶瓷体的外径B的比A/B。对耐久试验后的温度变化，经10000次循环周期的导电耐久试验后，对施加使陶瓷加热器达到耐久试验前饱和温度1400℃的电压时的温度，从1400℃下降了何种程度进行测量。作为结论，温度变化在-25℃以内的为◎(优)，在-45℃以内的为○(良)，-100℃以内的为△(许可范围)，超过-100℃的为×(不良)。
基于表1所示结果，No.1-33号样品，在经10000次循环周期后的温度变化可得到许可范围内的结果。然而，试样No.34-42号所示样品，经10000次循环周期后的温度变化得不到良好的结果。
No.2-8、No.14-20号样品具有多个引出部，引出部的方向相对置，直径比为0.4≤A/B≤0.88，引出部的截面积为1×105-6.8×105μm2。对这些样品可得到经10000次循环周期后的温度变化在-25℃以内的上佳结果。
另一方面，在作为比较例的No.36、No.39-42号样品中，还观察到引出部13a或突出部16中出现了裂纹。
在采用本实施例而得到良好结果的No.1-33号条件下制作的陶瓷加热器10上，钎焊及铆接固定金属制外筒22、外壳25，制出电热塞26。并在该电热塞26上施加电压使发热体产生焦耳热，电热塞前端的饱和温度为1400℃，施加电压时间为5分钟，之后，撤去其电压，以常温压缩空气向最高的发热部位喷射使其冷却的强制冷却时间为3分钟，以此周期，经10000次循环周期进行了评价，得到了温度变化在-25℃以内的上佳结果。同时还知道，自金属制外筒22和陶瓷体21的接触点开始无一处有破损，并显示出优于耐热冲击性的电热塞。
实施例2采用下述方法制出了如图3A以及B所示的陶瓷加热器10。在构成陶瓷主体部11的主要成分的90-92摩尔百分比的氮化硅中，添加作为烧结助剂的稀土类元素氧化物2-10摩尔百分比。而且，相对于氮化硅和稀土类元素氧化物的总量，氧化铝和氧化硅各按0.2-2.0质量百分比和1-5质量百分比进行添加混合后，调制出原料粉末。
然后，将这些原料粉末用挤压成形法得到两块陶瓷成形体，该两块陶瓷成形体是用来相互贴合而形成主体部11的。同时制作以碳化钨为主要成分材料的且添加混合有适量有机溶剂、溶媒的发热体浆料，并将其在陶瓷成形体的至少一方的贴合面上，通过丝网印刷法印刷成发热电阻体12、以及电极引出部13a、13b的导体形状。其次，在陶瓷成形体的贴合面上，配置电连接发热电阻体12和电极引出部13a、13b的引线15a、15b，并在主体部11内配置用于形成电极引出孔18的成孔部件41之碳精棒。将这些放入到两块陶瓷成形体之后贴合，以约1650-1800℃的温度、在惰性气氛中或还原气氛中进行热压烧结，由此一同烧结主体部11和发热电阻体12而得到成形体。
然后，露出成孔部件41的碳精棒的端面，并在氧化气氛中约800-1000℃的温度燃烧除去，由此形成露出正极引出部13a的电极引出孔18。其次，将陶瓷主体部11由棱柱状加工成略呈圆柱状，并露出负极电极引出部13b。然后，在引出部13a和引出部13b的表面涂敷含有Ag-Cu的浆料，在真空中烧结以形成金属化层，并涂敷由Ni构成的镀金层。然后，在金属制外筒22内嵌装陶瓷加热器10，在电极引出孔18中插入正极引出金属配件14，之后进行钎焊。
在此，电极引出孔18的截面形状略呈圆形，本实施例中，制作了长径A和短径B之比B/A各不相同的电极引出孔18。并且，与第1实施例相同，对经10000次循环周期的导电耐久试验后的温度变化进行了分析评价。
表2
基于表2所示结果，对于No.1-10号样品，经10000次循环周期后的温度变化可得到许可范围内的结果。然而，试样No.11-15号所示的样品，经10000次循环周期后的温度变化得不到良好的结果。
对于No.1-7号样品，由于使用作为成孔部件41的且密度大于等于1.5g/cm3的碳精棒形成了电极引出孔，所以孔截面上的变形程度低、孔周边的残留应力也极小。因此可以得到电极部接合状态非常稳定、耐久试验后温度变化非常小的良好结果。
然而，在电极引出孔18的长径A和短径B的比为0.8≤B/A≤1的试样中，对于No.8-10号样品，由于成孔部件41使用了Mo，所以长径A和短径B之比B/A接近0.8，而经10000次循环周期后的温度变化也刚够达到许可范围。
另外，对于No.11-15号样品，由于其长径A和短径B之比B/A不足0.8，而耐久实验后的温度变化超过-100℃。在No.11-15号样品中，还观察到了电极引出孔周边有裂纹。可以认为这是由于耐久试验的热循环使电极引出部的接合状态恶化，导致电阻值增大而出现温度变化超过-100℃的情况。
在采用本实施例得到良好结果的No.1-5号条件下制成的陶瓷加热器11上，通过钎焊及铆接以固定金属制外筒22、外壳25，制出电热塞26。并在该电热塞26上施加电压使发热体产生焦耳热，将电热塞前端的饱和温度设为1400℃，施加电压时间为5分钟，之后撤去其电压，向最高发热部位喷射常温压缩空气，使其冷却，其强制冷却时间设为3分钟，以此周期，进行了10000次循环周期的评价，得到了温度变化在-25℃以内的上佳结果。同时还知道，自正极引出部13a和正极引出金属配件14之间钎焊部的电极引出孔18开始无一处有破损，并显示出该电热塞具有优良的耐热可靠性。
参考例1作为主要成分在90-92摩尔百分比的氮化硅中，添加作为烧结助剂的稀土类元素氧化物2-10摩尔百分比。其次，将氧化铝、氧化硅，相对于氮化硅和稀土类氧化物的总量，各按0.2-2.0质量百分比和1-5质量百分比添加混合后，调制出原料粉末。然后，通过压力成形制备了平板状的由氮化硅构成的成形体40。
在成形体40的一侧平面上形成有半圆形截面的槽40a，在该槽部40a中配置长10mm的碳精棒41，再将同样的成形体40重合成一组，在约1650-1800℃的温度下进行热压烧结，由此得到烧结体11。其中碳精棒41使用了直径为0.5mm、1.0mm、2.0mm、密度分别为1.4g/cm3、1.5g/cm3、1.6g/cm3的圆柱状物。
为使碳精棒41的一端从烧结体11的表面露出，将所得到的烧结体11在平面研磨机床上进行研磨处理。然后在氧化炉中以1000℃的温度进行热处理，燃烧除去碳精棒41后，确认各个试样的孔的状态。其结果如表3所示。
表3
从表3可知，碳精棒41的密度大于等于1.5g/cm3的试样号为2、3、5、6、8、9的样品，可得到如图10A所示的圆形截面良好的孔。另一方面，密度为1.4g/cm3的试样号1、5、7的样品中，如图10B、图10C所示，其截面形状发生了变形。另外，碳精棒直径为1-2mm的较粗的试样号为4、7的样品中，烧结后的碳精棒41发生了裂纹。
权利要求
1.一种陶瓷加热器，包括陶瓷体、内置于上述陶瓷体中的发热电阻体、连接在上述发热电阻体上的正极引线和负极引线、与上述正极引线连接的露出于上述陶瓷体表面的正极引出部，其特征在于在上述陶瓷体的一侧端面上形成突出部；上述正极引出部，在上述突出部的侧壁的多个位置中引出并露出，且外部端子可连接各露出部。
2.根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征在于上述引出部的露出部形成于上述突出部的侧壁的相对置的位置。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷加热器，其特征在于上述突出部的外径A和上述陶瓷体的外径B之比为0.4≤A/B≤0.88。
4.根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征在于上述引出部的露出部的面积为1×105-6.8×105μm2。
5.一种陶瓷加热器，包括由电绝缘陶瓷构成的主体部、埋设于上述主体部前端一侧的发热电阻体、与上述发热电阻体电连接的正极引出部、位于上述主体部基端一侧且在其内面中露出上述正极引出部的电极引出孔，其特征在于上述电极引出孔的横截面大致呈圆形，该横截面的长径A和短径B之比为0.8≤B/A≤1。
6.根据权利要求5所述的陶瓷加热器，其特征在于上述电极引出孔，是在烧结制成上述主体部的陶瓷成形体中埋设由碳精棒构成的成孔部件的状态下烧结，然后除去该成孔部件而形成。
7.根据权利要求6所述的陶瓷加热器，其特征在于上述成孔部件通过燃烧除去。
8.根据权利要求6所述的陶瓷加热器，其特征在于上述成孔部件通过水喷射除去。
9.根据权利要求6至8中任意一项所述的陶瓷加热器，其特征在于在上述电极引出孔的周围，具有上述成孔部件和上述正极引出部进行化学反应而形成的反应层。
10.根据权利要求6所述的陶瓷加热器，其特征在于上述主体部由氮化硅系陶瓷构成，在上述电极引出孔的内表面形成有含SiC的反应层。
11.根据权利要求6至8中的任意一项所述的陶瓷加热器，其特征在于上述主体部由氮化硅系陶瓷构成，在上述成孔部件的表面涂敷有氮化硼。
12.一种陶瓷加热器的制造方法，该陶瓷加热器在由电绝缘陶瓷构成的主体部的基端一侧，具有横截面大致呈圆形的电极引出孔，其特征在于，包括将烧结制成上述主体部的陶瓷成形体，以埋设由密度大于等于1.5g/cm3的碳精棒构成的成孔部件的状态，在惰性气氛或还原气氛中烧结的工序；将上述成孔部件，在氧化气氛中燃烧除去的工序。
13.一种陶瓷加热器的制造方法，该陶瓷加热器在由电绝缘陶瓷构成的主体部的基端一侧，具有横截面大致呈圆形的电极引出孔，其特征在于，还包括将烧结制成上述主体部的陶瓷成形体，以埋设由密度大于等于1.5g/cm3的碳精棒构成的成孔部件的状态，在惰性气氛中或还原气氛围中烧结的工序；将该成孔部件通过水喷射法除去的工序。
14.一种电热塞，其特征在于在金属制外筒的前端开口部中插入固定权利要求1至11中任意一项所述的陶瓷加热器。
全文摘要
本发明涉及一种陶瓷加热器以及使用该陶瓷加热器的电热塞，上述陶瓷加热器中，在陶瓷体(11)的一侧端面上形成突出部(16)，将电连接于发热电阻体(12)上的正极引出部(13a)在突出部(16)的侧壁的多个位置中引出并露出，而且正极引出金属配件的端子(14)可连接各露出部。
文档编号F23Q7/00GK1957641SQ20058001672
公开日2007年5月2日 申请日期2005年2月25日 优先权日2004年5月27日
发明者有马裕之, 吉田政生 申请人:京瓷株式会社