专利名称：陶瓷加热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷加热器。
背景技术：
以往，陶瓷加热器例如以煤油扇形加热器的点火用加热器或辅助柴油发动机起动所使用的电热塞等为首，用于各种用途。该陶瓷加热器构成为例如在由绝缘性陶瓷构成的基体中埋设由导电性陶瓷构成的发热体。在这种陶瓷加热器中，作为构成发热体的原料，已知使用以钼或钨的硅化物、氮化物及碳化物中的至少一种为主成分的原料，而且，作为构成基体的原料，已知以氮化硅为主成分的原料。但是，通常情况下，构成发热体的原料的热膨胀系数比构成基体的原料的热膨胀系数大，因此，有可能因发热时在两者之间产生的热应力而导致基体上产生裂纹。于是，为了减小两者的热膨胀系数之差而提出在基体中含有稀土类成分、铬的硅化物及铝成分的技术(例如参照专利文献1)。专利文献1 日本特开2007-335397号公报但是，在如上所述的现有的陶瓷加热器中，即便发热体的热膨胀系数和基体的热膨胀系数之差变小，由于在产生异常时大电流流动而产生大的热应力，因此也存在基体破坏这样的应解决的课题。
发明内容
本发明是为了解决上述的现有的陶瓷加热器所存在的课题而作出的，其目的在于提供一种耐久性优良的陶瓷加热器，该陶瓷加热器能够抑制因发热体和由陶瓷构成的基体之间的热膨胀差而导致基体产生裂纹或破坏的情况。本发明的陶瓷加热器通过在由陶瓷构成的基体中埋设发热体而构成，其特征在于，所述发热体在表面具有所述陶瓷进入的凹陷部。另外，在本发明的陶瓷加热器中，优选所述发热体在最高发热部具有所述凹陷部。 并且，优选所述发热体在朝向所述基体表面侧的表面具有所述凹陷部。另外，优选所述发热体具有多个所述凹陷部。根据本发明的陶瓷加热器，由于发热体在表面具有基体的陶瓷进入的凹陷部，因此，进入发热体的凹陷部中的陶瓷作为基体与发热体之间的紧密固定的支柱起作用，从而在基体和发热体之间发挥锚定效果。因此，即便处于当产生异常时大电流流动而在发热体和由陶瓷构成的基体之间因热膨胀差而产生大的热应力的情况下，也可以在该热应力较大作用的发热体的长度方向上抑制发热体和基体之间产生间隙，从而可以防止在基体上产生裂纹或加热器的前端部破坏而飞散。另外，当发热体在最高发热部具有凹陷部时，存在于最高发热部的由陶瓷构成的基体的体积与凹陷部的大小相应地增加，因此，电压施加时的高温强度增加，从而提高振动时的耐久性。
另外，当发热体在朝向基体表面侧的表面具有凹陷部时，自凹陷部至基体表面的周向距离接近于自不具有凹陷部的部分至基体表面的距离，因此，可以使加热器的周向温度分布均勻。另外，当发热体具有多个凹陷部时，多个凹陷部分别作为基体与发热体之间的紧密固定的支柱起作用，由于该支柱的数量增加，因此在基体和发热体之间可以更有效地发挥锚定效果，故即便处于当产生异常时大电流流动而在发热体和由陶瓷构成的基体之间因热膨胀差而产生大的热应力的情况下，也可以在该热应力较大作用的发热体的长度方向上抑制在发热体和基体之间产生间隙，从而可以防止在基体上产生裂纹或加热器的前端部破坏而飞散。
图1(a)是表示本发明的陶瓷加热器的实施方式之一例的透视内部的俯视图，图 1(b)是其主要部分放大图。图2是图1所示的例子的X-X线的剖面图。图3是表示用于制作本发明的陶瓷加热器中的发热体的模具的一例的剖面图。图4是表示本发明的陶瓷加热器的实施方式的其它例的剖面图。图5是表示本发明的陶瓷加热器的实施方式的又一其它例的剖面图。
具体实施例方式以下参照附图详细说明本发明的陶瓷加热器的实施方式的例子。图1(a)是表示本发明的陶瓷加热器的实施方式之一例的透视内部的俯视图，图 1(b)是其主要部分放大图。在图1中，对透视的发热体2用阴影线示出。另外，图2是图1 所示的例子的X-X线的剖面图。本例的陶瓷加热器10具有基体1，其由陶瓷构成；发热体2，其埋设于基体1中， 且包含并列配置的两个对置部2a、2b及以圆弧状连接所述对置部h、2b的连接部2c ；—对引出部3a、3b，其与该发热体2的各自端部连接。发热体2具有由在基体1中平行配置的两个对置部2a、2b和将所述对置部2a、2b相连的圆弧状的连接部2c构成的U形形状。电流经由引出部3a、!3b流到该发热体2，从而使发热体2发热。在本例中，引出部3a、!3b利用与发热体2相同的材料分别与两个对置部2a、2b构成一体并沿着大致同一方向形成，引出部3a、!3b与发热体2相比形成为更大直径，并且为了抑制不需要的发热，与发热体2相比，所述引出部3a、3b的单位长度的电阻低。引出部3a 的处于与发热体2的对置部加相连的部分的相反侧的端面，在基体1的端面露出而构成电极导出部如。另外，引出部北的处于与发热体2的对置部2b相连的部分的相反侧的端面， 在基体1的侧面露出而构成电极导出部4b。图2是在图1所示的X-X线的部位将陶瓷加热器10剖开时的剖面图。如图2所示，在陶瓷加热器10的发热体2，形成有基体1的材料即陶瓷进入的凹陷部5。由此，与不具有基体1的材料即陶瓷进入的凹陷部5的现有的陶瓷加热器相比，本发明的陶瓷加热器 10即便处于诸如在刚开始工作后大电流流动等异常情况下，由于在发热体2和基体1这样的异种材料之间存在基体1的材料即陶瓷进入的发热体2的凹陷部5，因此在两者之间可以得到锚定效果，由此，可以防止因发热体2和基体1之间的瞬间热膨胀之差而导致的特别是在发热体2的长度方向上发热体2与基体1之间产生间隙或在基体1上产生裂纹的情况。在此所指的凹陷部5位于发热体2的对置部2a、2b及连接部2c中的一个部位或多个部位的表面而形成。为了获得锚定效果，该凹陷部5的深度优选为凹陷部5所处位置的发热体W2a、2b、2c)的直径(在发热体为截面呈椭圆形的发热体2时，是长径)的5%以上，而为了防止发热体2的局部发热，所述凹陷部5的深度优选为上述直径(长径)的30% 以下。并且，发热体2长度方向上的凹陷部5的大小，相对于设置凹陷部5的发热体2的对置部2a、2b或连接部2c的各自长度，优选具有上述长度的1/10以上的长度，并且为了获得锚定效果，优选具有上述长度的1/2以下的长度。另外，发热体2宽度方向上的凹陷部 5的大小，相对于发热体2的对置部2a、2b或连接部2c的各自宽度，优选具有上述宽度的 1/10以上的宽度，并且为了获得锚定效果，优选具有1/2以下的宽度。例如，对于截面为直径Imm的圆形且对置部加的长度为IOmm的发热体2而言，作为凹陷部5的形状，构成沿着对置部加的细长形状，其深度优选为50 μ m以上300 μ m以下，长度优选为Imm以上5mm以下，宽度优选为100 μ m以上500 μ m以下。另外，对于在发热体2上设置凹陷部5的位置并未特别限定，只要根据陶瓷加热器 10的规格而设置于能够提高其耐久性的位置即可。例如，煤油扇形加热器的点火用加热器或辅助柴油发动机起动所使用的电热塞等中的陶瓷加热器，由于大多通过在由陶瓷构成的基体前端侧具有最高发热部来使用，因此，可以将凹陷部5设置于相距发热体2前端Imm至 5mm之间的位置。并且，对于凹陷部5的形状，只要能够形成在发热体2上，可以采用各种形状，但通常情况下若俯视时呈圆形、长圆形、椭圆形、长方形，则不仅容易形成，而且能够得到足够的效果。以下对构成本发明的陶瓷加热器10的优选材料进行说明。作为构成由陶瓷构成的基体1的材料，从在高温下具有良好的绝缘特性这方面来看，优选氧化铝陶瓷或氮化硅陶瓷，特别是在急速升温时的耐久特性高这方面，更优选氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷的组织形态是以氮化硅(Si3N4)为主成分的主晶相粒子利用源于烧结辅助剂成分等的晶界相进行结合而成的形态。主晶相可以构成为，用铝(Al)或氧(0)置换硅(Si)或氮(N)的一部分，进而在主晶相中固溶Li、Ca、Mg、Y等金属元素。本例中的基体1可以使用在氮化硅粉末中添加由镱 ( )、钇(Y)或铒(Er)等稀土类元素的氧化物构成的烧结辅助剂而构成的陶瓷原料粉末， 与发热体2同样地利用公知的冲压成型法等进行成型。另外，为了获得所希望的形状的基体1，优选利用使成型体的形状仿照模具而被自由确定的注塑成型法来成型基体1。作为发热体2的材料，可以使用碳化钨(WC)、二硅化钼(MoSi2)及二硅化钨(WSi2) 等公知的导电性陶瓷来作为发热电阻体。在此，例举使用碳化钨来形成发热体2的情况进行说明。准备WC粉末。为了减小其与由陶瓷构成的基体1之间的热膨胀系数之差，优选向该WC粉末中掺合成为基体1的主成分的氮化硅陶瓷等绝缘性陶瓷。此时，通过改变绝缘性陶瓷和导电性陶瓷的含有比率，可以将发热体2的电阻调节至所希望的数值。发热体2可以利用公知的冲压成型法等，对在WC粉末中掺合有成为基体1的主成分的绝缘性陶瓷即氮化硅陶瓷而构成的陶瓷原料粉末进行成型而得到。此时，优选利用使成型体的形状仿照模具而被自由确定的注塑成型法来成型发热体2。以下，对作为本发明实施方式的一例的陶瓷加热器10中的发热体2的制造方法的一例进行说明。首先，准备图3中剖面图所示一例那样的、用于成型发热体2的模具。该模具由上模20和下模21构成，在使上模20和下模21合模时，形成与发热体2 (在图3中为对置部 2a,2b)的形状对应的空腔(腔室)。为了使用这种模具在发热体2形成凹陷部5，在下模 21的模具内配置有凹陷部形成顶针22。另外，凹陷部形成顶针22不仅可以配置于下模21 的模具内，而且可以配置成沿纵向或横向贯通上模20及下模21、或者被夹入上模20和下模 21的合模面并到达空腔。通过使凹陷部形成顶针22作为以突出到空腔内的方式能够插入及抽出的顶针进行配置，相对于在空腔内填充有原料而成型的发热体2，可以从自由的方向在其表面形成与凹陷部形成顶针22的前端形状对应的凹陷部5。另外，通过自由设定凹陷部形成顶针22的大小，可以自由设定凹陷部5的大小。并且，通过自由设定凹陷部形成顶针22的长度，可以自由设定凹陷部5的深度。将由其它模具成型的引出部3a、!3b的成型体，与使用如上所述的模具(上模20、下模21)通过注塑成型法而成型的发热体2的成型体组合，进而以将上述组合体埋设的方式与由其它模具成型的基体1的成型体组合，从而构成陶瓷加热器10的成型体生料。对生成的成型体生料，按照规定的温度曲线进行烧成，以形成在内部埋设有发热体2及引出部3a、3b的基体1，并根据需要对得到的烧结体进行机械加工，从而完成图1所示的本例的陶瓷加热器10。另外，作为烧成方法，若作为基体1的陶瓷而使用氮化硅陶瓷， 则可以例举如下方法，例如经脱脂工序，在还原气体环境下利用1650 1780°C左右的温度及30 50Mpa左右的压力进行烧成的热压方法。根据如上所述的本例的陶瓷加热器10，在埋设于由陶瓷构成的基体1的发热体2 的表面形成有基体1的材料即陶瓷进入的凹陷部5，因此，与不具有基体1的材料即陶瓷进入的凹陷部5的现有的陶瓷加热器相比，本发明的陶瓷加热器10即便处于诸如在刚开始工作后大电流流动等异常情况下，由于在发热体2和由陶瓷构成的基体1这样的异种材料之间存在基体1的陶瓷进入的发热体2的凹陷部5，因此在两种材料之间产生锚定效果，从而可以防止因发热体2和基体1之间的瞬间热膨胀之差而导致特别是在发热体2的长度方向上发热体2与基体1之间产生间隙或在基体1上产生裂纹的情况。形成于发热体2的凹陷部5优选形成为存在于电流流到陶瓷加热器10时达到发热的最高温度的部分即发热体2的最高发热部。据此，因发热体2的发热而增加的基体1 的陶瓷体积在进入存在于发热体2的最高发热部的凹陷部5的部分增加得最大，因此，根据凹陷部5可以有效获得两者之间的锚定效果，从而可以增大电压施加时的高温强度，也可以提高相对于振动等的耐久性。另外，由于发热体2的最高发热部根据发热体2的规格在任意部位设定为各种大小，因此，在将凹陷部5形成于最高发热部时，只要与其对应地将凹陷部5设定为合适的形状和大小即可。在最高发热部，例如对于辅助柴油发动机起动所使用的电热塞而言，由于最高发热部的温度上升至1250°C，且自最高发热部向引出部3a、北侧位置偏移2mm左右，温度降低100°C左右，因此，形成为与该温度差对应即可。 另外，如图4中与图2同样的剖面图所示，形成于发热体2的凹陷部5优选形成为在发热体2表面中的朝向基体1表面侧的表面具有凹陷部5。据此，即便处于诸如大电流流动之类的异常情况下，在与发热体2的对置部h、2b之间相比、由陶瓷构成的基体1的热膨胀大的一侧即基体1表面侧具有发热体2的凹陷部5，因此可以更有效地发挥凹陷部5的锚定效果，从而能够防止发热体2和基体1之间产生间隙或在基体1上产生裂纹的情况。
另外，通过使自发热体2的凹陷部5至基体1表面的最短距离接近自发热体2的未凹陷部分至基体1表面的最短距离，来自各部分的热传导速度接近，因此在基体1的表面， 容易使整体的周向温度分布均勻，从而提高陶瓷加热器10的均热性，减小温度偏差。另外，作为在朝向基体1表面侧的表面具有凹陷部5的发热体2，在图4中示出了在发热体2的对置部2a、2b各自的左右外侧具有凹陷部5的例子，但凹陷部5也可以设置于发热体2的上侧，或设置于发热体2的下侧。而且，凹陷部5并不限于在对置部2a、2b上设置，也可以设置于连接部2c的前端侧、上侧或下侧。并且，如图5中与图2同样的剖面图所示，优选发热体2具有多个凹陷部5。据此， 由于在发热体2和由陶瓷构成的基体1这样的异种材料之间存在陶瓷进入到发热体2表面的多个凹陷部5，因此在两种材料之间可以在各凹陷部5产生锚定效果，且作为整体能够产生更显著的锚定效果，故可以更有效地防止因发热体2和基体1之间的瞬间热膨胀之差而导致在发热体2的长度方向上该发热体2与基体1之间产生间隙或在基体1上产生裂纹的情况。当构成为如上所述使发热体2具有多个凹陷部5时，各个凹陷部5在发热体2的对置部2a、2b及连接部2c中的一个部位或多个部位的表面形成多个即可。为了获得锚定效果，该凹陷部5的深度优选为凹陷部5所处位置的发热体W2a、2b、2c)的直径(在发热体为截面呈椭圆形的发热体2时，是长径)的5%以上，并且，为了防止发热体2的局部发热，优选该凹陷部5的深度为上述直径(长径)的30%以下。另外，发热体2的长度方向上的凹陷部5的大小优选为如下大小，即相对于设置凹陷部5的发热体2的对置部2a、2b或连接部2c的各自长度为1/10左右的凹陷部有多个，为了获得锚定效果，优选在1/2以下的长度内具有三个至五个左右的凹陷部。并且，为了获得锚定效果，优选在发热体2的对置部 2a,2b或连接部2c的各自宽度的1/2以下的宽度内具有两个至四个如下大小的凹陷部，即发热体2的宽度方向上的凹陷部5的大小为相对于上述宽度的1/10左右的宽度。例如，对于截面为直径Imm的圆形且对置部加的长度为IOmm的发热体2而言，作为凹陷部5的形状，深度优选为50 μ m以上300 μ m以下，长度为Imm左右的凹陷部沿长度方向排列有三个至五个，宽度为100 μ m左右的凹陷部沿宽度方向排列有两个至四个即可。附图标记说明1 基体2发热体2a、2b 对置部2c连接部3a、3b 引出部5凹陷部
权利要求
1.一种陶瓷加热器，在由陶瓷构成的基体中埋设有发热体，其特征在于， 所述发热体在表面具有所述陶瓷进入的凹陷部。
2.如权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征在于， 所述发热体在最高发热部具有所述凹陷部。
3.如权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征在于，所述发热体在朝向所述基体表面侧的表面具有所述凹陷部。
4.如权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征在于， 所述发热体具有多个所述凹陷部。
全文摘要
本发明提供一种陶瓷加热器。本发明所要解决的技术课题是当处于诸如刚开始工作后大电流突入并流动之类的异常情况时，因发热体和基体之间的瞬间热膨胀之差而导致产生间隙或在基体上产生裂纹。本发明的解决手段是在本发明的在由陶瓷构成的基体(1)中埋设有发热体(2)而构成的陶瓷加热器(10)中，发热体(2)在表面具有陶瓷进入的凹陷部(5)。即便处于在发热体(2)和基体(1)之间因热膨胀差而产生大的热应力的情况下，由于具有基体(1)的陶瓷进入的凹陷部(5)，因此，在该热应力较大作用的发热体(2)的长度方向上也可以防止发热体(2)和基体(1)之间产生间隙或在基体(1)上产生裂纹。
文档编号H05B3/48GK102204404SQ20098014250
公开日2011年9月28日 申请日期2009年10月20日 优先权日2008年10月28日
发明者山元坚 申请人:京瓷株式会社