专利名称：陶瓷加热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在例如氧传感器、空燃比传感器、火花塞、石油风扇加热器的点火用加热器等中使用的陶瓷加热器。
背景技术：
以往，作为用于起动发动机的热源或室内供暖的辅助热源等的热源，或作为空燃比传感器的加热用加热器等使用陶瓷加热器。作为在上述用途中使用的陶瓷加热器公知有例如如专利文献1所示那样的结构，即，在陶瓷绝缘体(陶瓷体)中埋设发热体，陶瓷体的外周由金属制圆筒体保持，将作为外部连接端子的引导构件经由焊料连接到与发热体的端部电连接的作为外部电极的电极取出金属件。专利文献1 日本特开2000-220829号公报在用于上述用途中的陶瓷加热器中，在其使用时，对陶瓷体与金属制圆筒体(筒状金属构件)的接合部施加因反复施加受热历程、振动等引起的拉伸或扭转这些应力。在强应力反复施加于陶瓷加热器的情况下，特别是在形成于陶瓷体的表面的金属层与经由焊料与该金属层接合的筒状金属构件的接合面较强地表现出因应力产生的影响。因此，存在陶瓷体与筒状金属构件的接合性下降而接合强度下降的可能性。然而，近年来，要求陶瓷加热器在更快速地反复进行升降温的环境下或在更高温下进行升降温的环境下也维持陶瓷体与筒状金属构件的接合部的接合强度而具有足够的耐久性。相对于此，在专利文献1中记载的现有的陶瓷加热器中，对于端部通过焊料与陶瓷体接合的筒状金属构件而言，为了提高与陶瓷体的基于焊料的接合强度而增大筒状金属构件，由此必须增大端部的接合面积。因此，产生难以实现在确保陶瓷体与筒状金属构件的足够的接合强度的同时实现陶瓷加热器的小型化的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种陶瓷加热器，该陶瓷加热器能够维持在陶瓷体内埋设有发热体的加热部与保持该加热部的筒状金属构件间的基于焊料的接合强度，且具有高耐久性。本发明的陶瓷加热器具备在陶瓷体的内部埋设发热电阻体而构成的加热部；形成于所述陶瓷体的表面的一部分且用于对该加热部通电的金属层；一端部的内表面经由焊料与该金属层接合的筒状金属构件，所述陶瓷加热器的特征在于，在所述筒状金属构件的所述一端部的端面上设置有与该端面以外的部分相比焊料的润湿性低的焊料阻止部。此外，在上述结构的基础上，本发明的陶瓷加热器的特征在于，所述筒状金属构件在表面形成有镀敷层，并且在所述焊料阻止部设有使所述筒状金属构件的一部分露出的金属露出部。此外，在上述结构的基础上，本发明的陶瓷加热器的特征在于，所述筒状金属构件的所述金属露出部的表面被粗糙化。此外，在上述结构的基础上，本发明的陶瓷加热器的特征在于，所述筒状金属构件在所述金属露出部的表面形成有多个绕周方向延伸的突条或槽。此外，在上述结构的基础上，本发明的陶瓷加热器的特征在于，所述筒状金属构件被倒角使所述一端部的端面成为向外侧倾斜的C面。此外，在上述结构的基础上，本发明的陶瓷加热器的特征在于，所述金属层形成为未从所述筒状金属构件的所述一端部向外侧伸出。发明效果根据本发明的陶瓷加热器，其具备在陶瓷体的内部埋设发热电阻体而构成的加热部；形成于所述陶瓷体的表面的一部分且用于对该加热部通电的金属层；一端部的内表面经由焊料与该金属层接合的筒状金属构件，在所述筒状金属构件的所述一端部的端面上设有与该端面以外的部分相比焊料的润湿性低的焊料阻止部，由此，即使在升温时焊料软化，也能够通过设置在筒状金属构件的一端部的端面的焊料阻止部防止焊料从接合部向筒状金属构件的外表面流出，因此，能够提高陶瓷体的金属层与筒状金属构件间的基于焊料的接合部的接合强度，即使在反复进行急速的升降温的环境下或反复进行以高温的升降温的环境下也能够具有较高的耐久性。
图1是表示本发明的陶瓷加热器的实施方式的一例的立体图。图2是图1所示的陶瓷加热器的剖视图。图3是表示图1所示的陶瓷加热器的加热部与筒状金属构件的接合部分的放大剖视图。
具体实施例方式以下，参照
本发明的陶瓷加热器的实施方式的示例。图1是表示本发明的陶瓷加热器的实施方式的一例的立体图。图2是图1所示的陶瓷加热器的剖视图。图3 是图1所示的陶瓷加热器的加热部与筒状金属构件的接合部分的放大剖视图。如图1 图3所示，本例的陶瓷加热器1具备加热部2 ；筒状金属构件3，其一端部经由焊料11与形成在加热部2的陶瓷体6的表面上的金属层4接合；此外，陶瓷加热器 1还具备用于向筒状金属构件3和加热部2 —同通电的电极端子10、使筒状金属构件3与电极端子10绝缘的绝缘体9。在加热部2中，在陶瓷体6的内部埋设有发热电阻体7及与发热电阻体7连接的引导部8，在陶瓷体6的外侧的表面的一部分形成的金属层4与引导部8的一方连接。此外，引导部8的另一方在陶瓷体6的端部伸出而与外部电极连接，在该外部电极上经由焊料接合有电极端子10的端部。如此，筒状金属构件3经由焊料11与金属层4接合，由此与加热部2的发热电阻体7电接合，电极端子10经由焊料与外部电极接合，由此同样与加热部2 的发热电阻体7电接合。另外，筒状金属构件3与电极端子10由绝缘体9电绝缘，成为向加热部2通电的通电电极。筒状金属构件3在一端部的内表面保持加热部2的陶瓷体6并作为通电电极发挥功能，在一端部的端面设置有与该端面以外的部分相比焊料11的润湿性低的焊料阻止部 5。通过如此在筒状金属构件3的一端部的端面上设置焊料阻止部5，即使在加热部2升温时焊料11发生软化或熔融的情况下，也能够防止焊料11从金属层4与筒状金属构件3的接合部越过筒状金属构件3的端面而向外表面流出。由此，将加热部2的陶瓷体7上的金属层4与筒状金属构件3的内表面接合的焊料11的量不会减少，因此能够防止该接合强度的降低，相对于在加热部2的冷热循环中产生的热应力、因振动等引起的拉伸或扭转这些外部应力而言，能够提高并维持接合强度，因此能够提高加热部2与筒状金属构件3的结合可靠性而具备充分的耐久性。设置于筒状金属构件3的一端部的端面上的焊料阻止部5是与筒状金属构件3的其他部分相比焊料11的润湿性低的部分，也可以采用覆盖与构成筒状金属构件3的金属相比焊料11的润湿性低的材料，例如金属的氧化膜、喷镀的玻璃、溶胶-凝胶法形成的玻璃寸。另外，作为焊料阻止部5的其他结构，优选筒状金属构件3在表面形成有镀敷层 (未图示)，且在一端部的端面的焊料阻止部5上设置筒状金属构件3的一部分从镀敷层露出的金属露出部，而作为焊料阻止部5。由此，通过在筒状金属构件3的一端部的内表面形成的镀敷层使焊料11对筒状金属构件3的润湿性提高，从而能够提高加热部2的陶瓷体7 上的金属层4与筒状金属构件3的接合强度，并且由于焊料阻止部5是金属露出部，因此能够防止因热应力而剥离或破损。作为这样的筒状金属构件3及镀敷层，例如作为筒状金属构件3的材质使用SUS、 作为镀敷层使用Ni、铬等的组合即可，镀敷层可使厚度形成为3 10 μ m而通过电解镀敷法形成。此外，为了在表面形成有镀敷层的筒状金属构件3的一端部的端面设置金属露出部，可以通过喷砂法或砂纸将覆盖有镀敷层的部分研磨而除去从而形成金属露出部。此外，筒状金属构件3优选使作为焊料阻止部5的金属露出部的表面粗糙化。此时，由于被粗糙化的表面的凹凸妨碍焊料11流动，因此能够有效地防止焊料11越过焊料阻止部5而向筒状金属构件3的外表面流出，从而能够提高并维持接合强度。作为焊料阻止部5的金属露出部的表面被粗糙化的状态，除了具有不规则的凹凸而粗糙的状态以外，还优选在周向上形成有不连续的突条或槽的状态，由此，能够防止形成焊料11流动的通道。此外，为了如此使焊料阻止部5的金属露出部的表面粗糙化，优选利用喷砂装置、 砂纸、砂轮等加工。另外，筒状金属构件3优选在焊料阻止部5的金属露出部的表面形成多个绕周方向延伸的突条或槽。由此，能够防止形成焊料11向筒状金属构件3的外表面流动的通道， 因此能够有效地防止焊料11越过焊料阻止部5而向筒状金属构件3的外表面流出，从而提高并维持接合强度。作为该突条，优选在放射方向(与绕周方向正交的方向)上不连续，且多个突条的形状、条数、间隔各种各样。为了形成这样的突条，优选使筒状金属构件3沿周向旋转，并利用喷砂装置、砂纸、砂轮等加工。
另外，作为该槽，优选在放射方向(与绕周方向正交的方向)上不连续，且多个突条的形状、条数、间隔各种各样。为了形成这样的槽，优选使筒状金属构件3沿周向旋转，并利用喷砂装置、砂纸、 砂轮等加工。此外，筒状金属构件3优选被倒角使设置有焊料阻止部5的一端部的端面成为向外侧倾斜的C面。此时，通过C面的倾斜，能够有效地防止焊料11向筒状金属构件3的外表面流出，从而能够提高并维持接合强度；进一步而言，能够有效地防止焊料11越过焊料阻止部5而向筒状金属构件3的外表面流出，从而能够提高并维持接合强度。作为这样的C面，优选调整为角度为30 60度、宽度为0. 3 Imm的倾斜面。此外，为了使筒状金属构件3的一端部的端面形成为锐角，优选其厚度为0. 2mm以下。此外，为了将筒状金属构件3的一端部的端面倒角成这样的C面，优选使筒状金属构件3沿周向旋转，并利用砂纸、砂轮等与端面倾斜地接触而进行加工。此外，在加热部2的陶瓷体6的表面的一部分上形成的金属层4优选以未从筒状金属构件3的一端部向外侧伸出的方式形成。由此，由于流动有焊料11的金属层4与筒状金属构件3的一端部的端面之间分开距离，所以能够进一步有效地防止焊料11越过焊料阻止部5而向筒状金属构件3的外表面流出，从而能够提高并维持接合强度。此外，能够缓和因冷热循环而产生的热应力，防止焊料11从金属层4及筒状电极构件3剥离。本发明的陶瓷加热器1的制造方法例如如以下所述。构成加热部2的陶瓷体6的电绝缘性陶瓷通常在内部配设发热电阻体7及引导部 8而烧成，烧成后它们形成为一体。该电绝缘性陶瓷相对于发热电阻体7及引导部8只要在-20 +1500°C下具有充分的绝缘性即可。尤其优选相对于发热电阻体7具有电阻率为 IO8倍以上的绝缘性。对于构成该电绝缘性陶瓷的成分没有特别的限定，作为主要成分优选氧化铝质陶瓷等氧化物陶瓷、或氮化硅质陶瓷、氮化铝质陶瓷等的氮化物陶瓷。特别是，氮化物陶瓷的导热率较高，能够将热量高效地从陶瓷体6的埋设有发热电阻体7的前端侧向另一端侧传递，从而能够减小陶瓷体6的前端侧与另一端侧的温差，因为而优选。此时的陶瓷体6也可以仅由氮化硅质陶瓷、硅铝氧氮聚合材料及氮化铝质陶瓷中的任一种构成，也可以以氮化硅质陶瓷、硅铝氧氮聚合材料及氮化铝陶瓷中的至少一种为主要成分而构成。尤其是，通过在氮化物陶瓷中选用氮化硅质陶瓷作为主要成分，能够形成具有耐热冲击强且耐久性良好的加热部2的陶瓷加热器1。该氮化硅质陶瓷广泛包含以氮化硅为主要成分的材料，但不仅含有氮化硅，还含有硅铝氧氮聚合材料等。此外，通常配合几质量％ O 10质量％左右)烧结剂(YJb、Er等的各氧化物等)而烧成。此外，对于烧结剂的粉末没有特别的限定，可以使用通常在氮化硅质陶瓷的烧成中使用的稀土类氧化物等的粉末。尤其，若使用Er2O3等烧结后的晶界成为结晶相的烧结剂粉末，则烧结后氮化硅质陶瓷的耐热性提高，因而更加优选。此外，也可以在陶瓷体6中含有构成发热电阻体7的各金属元素的硼化物，为了缩小与发热电阻体7及引导部8的导电成分的热膨胀率的差，也可以含有少量的导电成分。此外，发热电阻体7通常含有导电成分和绝缘成分。该导电成分为从W、Ta、Nb、 Ti、Mo、Zr、Hf、V及Cr等选出的一种以上元素的硅化物、碳化物及氮化物等的至少一种，绝缘成分为氮化硅质烧结体等的陶瓷体6的主要成分。尤其是，在构成绝缘成分及/或陶瓷体6的主要成分中含有氮化硅的情况下，作为导电成分优选使用碳化钨、硅化钼、氮化钛及硅化钨中的至少一种。此外，导电成分优选与构成绝缘成分及陶瓷体6的主要成分的热膨胀差小，熔点优选超过陶瓷加热器1的使用温度(1400°C以上，进一步为1500°C以上)。另外，对于发热电阻体7中含有的导电成分与绝缘成分的量比没有特别的限定，当发热电阻体为100体积％时，优选使导电成分为15 40体积％，更优选为20 30体积％。为了制作陶瓷体6，首先制作作为构成上述发热电阻体7的成分而示出的导电成分和含有绝缘成分的糊剂(paste)，需要使其埋入上述的电绝缘性陶瓷中。首先，在糊剂中，通常在以糊剂整体为100质量％时，合计含有导电成分及绝缘成分75 90质量％。该糊剂例如可通过如下方式得到，即，将上述成分作为各原料粉末而湿式混合规定量，然后使其干燥，进而与聚丙烯、蜡等规定量的粘结剂等混合而得到。该糊剂还可以为适度地干燥而成形加工成容易处理的粒状等的形态。此外，埋入可以通过任意方式进行，例如可以以如下方式进行，即，调节向模内突出的引导部的长度而并将其固定，然后向该模内注入上述糊剂。此外，也可以对针成形为规定的形状的糊剂调制接触长度以将金属引导件插入引导部而埋入。除此以外，也可以将棒状基体的原料粉末通过冲压成形法得到成形体，制成在成形体的上表面调合有适度的粘结剂等的上述糊剂，将其通过网板印刷法印制形成发热部、引导部及电极部的导体形状。如此，对该发热电阻体7与陶瓷体6用的原料一起进行冲压成形而加压成为一体，由此得到具有基体的形状的粉末成形体。然后， 进一步将该陶瓷加热器成形体收纳到黑铅制等的加压用挤压模(dies)，并将其收容到烧成炉，根据需要进行煅烧而除去粘结剂，然后以规定的温度按照需要的时间进行热压烧成，从而能够得到陶瓷体6。不言而喻的是，此处的发热电阻体7与引导部8相比为高电阻。在陶瓷体6的端面的中央部，使与发热电阻体7连接的引导部8露出，在其上形成金属层10。在此，通过利用焊料11进行钎焊接合形成为杯状(有底圆筒状)的电极端子 10。并且，在所述陶瓷体6的侧面，使与发热电阻体7连接的引导部8露出，且在圆周上形成金属层10。通过利用焊料11进行钎焊将筒状金属构件3接合于此。如此形成陶瓷加热器1。为了防止因高温导致的腐蚀，电极端子10、筒状金属构件3优选在不锈钢上设置镀镍。焊料11优选含有银、金、铜等低电阻成分。本实施方式所涉及的氧传感器包括固体电解质层；传感器部，其具备配设于固体电解质层和固体电解质层的一侧主面上的测定电极、配设于固体电解质层的另一侧主面上的基准电极；陶瓷加热器1，其与该传感器部接合且以上述实施方式为代表。并且，如上所述，本实施方式的氧传感器中的陶瓷加热器1具有较高的耐久性。因此，本实施方式的氧传感器能够稳定地测定被测定气体的浓度。其结果是，能够提供具有高可靠性的氧传感器。接下来，对本实施方式的火花塞进行说明。对于本实施方式所涉及的火花塞而言， 以上述实施方式为代表的陶瓷加热器1固定于发动机内，而该火花塞通过引导构件11与温度控制装置等电路连接。本实施方式的火花塞由于具备以上述实施方式为代表的陶瓷加热器1，因此在被施加高温高压负载时也能够维持高耐久性。
以氧传感器的加热器为首，本发明的陶瓷加热器还可以用作发钳的加热器、火花塞的加热器。无论在哪一用途中都能够提高并维持加热部2与筒状金属构件3的基于焊料的接合强度，因此即使在反复使用时也能够稳定地对发热电阻体7通电，在急速升降温或以高温升降温的情况下也能够维持高耐久性。实施例本发明的陶瓷加热器以下述方式制成。首先，在作为构成陶瓷体6的电绝缘性陶瓷的主要成分的90 92摩尔％的氮化硅中添加混合作为烧结剂的稀土类元素氧化物 2 10摩尔％、相对于氮化硅及稀土类元素氧化物的总量分别为0. 2 2. 0质量％及1 5质量％的氧化铝及氧化硅，从而调制成原料粉末。然后，使用该原料粉末通过冲压成形法得到成形体，在成形体的上表面制作在钨中添加混合有适当的有机溶剂及溶媒的发热体糊剂，并将其通过网板印刷法印刷到发热电阻体7的图案上。进而，夹入密接作为引导部8的以钨为主要成分的导电体以与发热电阻体7的图案连接，在约1650 1800°C的温度下进行热压烧成，由此将陶瓷体6、发热电阻体7及引导部8 —体烧成。然后，通过研磨切削陶瓷体6而露出引导部8的一部分，形成电极取出部，在该电极取出部涂敷含有Ag-Cu-Ti的导体糊剂并在真空中烧成，然后实施厚度约为3 μ m的镀镍， 从而在陶瓷体6的表面形成金属层4。相对于如此得到的加热部2，对筒状金属构件3改变焊料阻止部5的有无、焊料阻止部5的金属露出部的有无、焊料阻止部5的金属露出部的表面的粗糙化的有无、焊料阻止部5的金属露出部的表面的槽的有无、设置有焊料阻止部5的端面向外侧倾斜了的C面的有无、金属层4从筒状金属构件3的一端部的伸出的有无，将各自的一端部的内表面与金属层4利用金-铜焊料进行了钎焊。在此，在未设置作为焊料阻止部5的金属露出部的结构中，在筒状金属构件3的表面形成镍镀敷层后，通过燃烧器在大气中加热筒状金属构件3的一端部，在镀敷层上形成氧化膜而构成焊料阻止部5。此外，在设置有金属露出部的结构中，在SUS制的筒状金属构件3的表面形成镍镀敷层后，使用砂纸剥离一端部的端面的镀敷层，并将露出的SUS加热而使其氧化，从而构成焊料阻止部5的金属露出部。此外，通过改变剥离镀敷层时使用的磨具的粒度而调整了金属露出部的表面的粗糙面。此外，通过变更用砂纸加工的方向而调整粗糙化的方向，形成绕周方向延伸的槽。此外，作为绕周方向的槽，通过在使筒状3沿轴向旋转的同时对其进行磨削加工，从而设置成在放射方向上无法构成连续槽的槽。此外，作为 C面，制作C面加工用的工具，从而设置成角度为30 55度、宽度为0. 3 0. 8mm的C面。 另外，通过改变筒状金属构件3的一端部的长度，从而改变了加热部2的金属层4的伸出长度。对于以如上述方式制成的陶瓷加热器的各个样品，对发热电阻体7施加电压而流过电流，从而使发热电阻体7进行焦耳发热。此时，施加使陶瓷加热器1的饱和温度达到 1400°C的电压且使电压施加时间为5分钟，然后，切断电压使常温的压缩空气吹向陶瓷加热器1的最高发热部而使其冷却以进行强制冷却，并使强制冷却的时间为3分钟，通过将以上热循环进行10000次而完成10000次循环的通电耐久试验。在该通电耐久试验后，对加热部2的前端施加载荷，针对筒状金属构件3对于加热部2的金属层4的接合强度实施比较评价。
各样品的条件及评价结果如表1所示。[表 1]
权利要求
1.一种陶瓷加热器，其具备在陶瓷体的内部埋设发热电阻体而构成的加热部；形成于所述陶瓷体的表面的一部分且用于对该加热部通电的金属层；一端部的内表面经由焊料与该金属层接合的筒状金属构件，其特征在于，在所述筒状金属构件的所述一端部的端面上设置有与该端面以外的部分相比焊料的润湿性低的焊料阻止部。
2.根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征在于，所述筒状金属构件在表面形成有镀敷层，并且在所述焊料阻止部设置有使所述筒状金属构件的一部分露出的金属露出部。
3.根据权利要求2所述的陶瓷加热器，其特征在于， 所述筒状金属构件的所述金属露出部的表面被粗糙化。
4.根据权利要求2所述的陶瓷加热器，其特征在于，所述筒状金属构件在所述金属露出部的表面形成有多个绕周方向延伸的突条或槽。
5.根据权利要求1 4中任一项所述的陶瓷加热器，其特征在于，所述筒状金属构件被倒角使所述一端部的端面成为向外侧倾斜的C面。
6.根据权利要求1 5中任一项所述的陶瓷加热器，其特征在于， 所述金属层形成为未从所述筒状金属构件的所述一端部向外侧伸出。
全文摘要
本发明提供一种陶瓷加热器，其提高陶瓷加热器的加热部与筒状金属构件的接合强度，提高耐久性。陶瓷加热器具备在陶瓷体(6)的内部埋设发热电阻体(7)而构成的加热部(2)；在陶瓷体(6)的表面的一部分形成且用于对加热部(2)通电的金属层(4)；一端部的内表面经由焊料(11)与金属层(4)接合的筒状金属构件(3)，在筒状金属构件(3)的一端部的端面上设有与该端面以外的部分相比焊料(11)的润湿性低的焊料阻止部(5)。能够消除焊料(11)从筒状金属构件(3)的一端部漏出，能够提高并维持金属层(4)与筒状金属构件(3)的经由焊料(11)的接合强度。
文档编号G01N27/409GK102165841SQ20098013744
公开日2011年8月24日 申请日期2009年9月17日 优先权日2008年9月26日
发明者竹之内浩 申请人:京瓷株式会社