JP6807660B2 - Ceramic heater element and ceramic glow plug - Google Patents
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Description
本明細書は、セラミックヒータ素子、および、セラミックグロープラグに関する。 The present specification relates to a ceramic heater element and a ceramic glow plug.
セラミックグロープラグ等に設けられるセラミックヒータ素子は、例えば、発熱抵抗体と、発熱抵抗体を埋設するセラミック(例えば、窒化ケイ素等)からなる支持体と、を備えている。また、発熱抵抗体は、発熱部と、発熱部に接続されたリード部と、を含んでいる。発熱部とリード部とは、例えば、窒化ケイ素と導電物質を含む材料で形成されている。通電時には、リード部を通じて発熱部に電力が供給され、発熱部の温度が高くなる。 The ceramic heater element provided in the ceramic glow plug or the like includes, for example, a heat generating resistor and a support made of ceramic (for example, silicon nitride or the like) in which the heat generating resistor is embedded. Further, the heat generating resistor includes a heat generating portion and a lead portion connected to the heat generating portion. The heat generating portion and the lead portion are formed of, for example, a material containing silicon nitride and a conductive substance. When energized, power is supplied to the heat generating portion through the lead portion, and the temperature of the heat generating portion rises.
通電時に発熱部の温度をより高くするために、発熱部の抵抗値がリード部の抵抗値よりも大きくなるように、発熱部とリード部とが構成される。例えば、発熱部とリード部との間で材料組成比(例えば、窒化ケイ素と導電物質のそれぞれの割合)を異ならせることによって、発熱部の抵抗値がリード部の抵抗値よりも大きくなる。ところが、発熱部とリード部との間で材料組成比が異なる場合、発熱部とリード部との接続部分の強度が低下する場合があった。 In order to raise the temperature of the heat generating portion when energized, the heat generating portion and the lead portion are configured so that the resistance value of the heat generating portion becomes larger than the resistance value of the lead portion. For example, by making the material composition ratio (for example, the ratio of each of silicon nitride and the conductive substance) different between the heat generating portion and the lead portion, the resistance value of the heat generating portion becomes larger than the resistance value of the lead portion. However, when the material composition ratio differs between the heat generating portion and the lead portion, the strength of the connecting portion between the heat generating portion and the lead portion may decrease.
本明細書は、発熱部とリード部との間で材料組成比が異なる発熱抵抗体を有するセラミックヒータ素子において、発熱部とリード部との接合面での強度の低下を抑制できる技術を開示する。 The present specification discloses a technique capable of suppressing a decrease in strength at a joint surface between a heat generating portion and a lead portion in a ceramic heater element having a heat generating resistor having a material composition ratio different between the heat generating portion and the lead portion. ..
本明細書は、例えば、以下の適用例を開示する。 The present specification discloses, for example, the following application examples.
[適用例1]
発熱部と前記発熱部に接続されたリード部とを含む発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体を埋設するセラミックからなる支持体と、を備えるセラミックヒータ素子であって、
前記発熱部は、窒化ケイ素と第1導電物質とを含み、
前記リード部は、窒化ケイ素と第2導電物質とを含み、
前記発熱部の断面上において15μm×15μmの正方形の第1対象領域に少なくとも一部が含まれる前記窒化ケイ素の粒子の最大外径の平均値は、前記リード部の断面上において15μm×15μmの正方形の第2対象領域に少なくとも一部が含まれる前記窒化ケイ素の粒子の最大外径の平均値よりも大きく、
前記発熱部の前記第1対象領域における前記第1導電物質の割合は、前記リード部の前記第2対象領域における前記第2導電物質の割合よりも、小さい、
セラミックヒータ素子。
[Application example 1]
A ceramic heater element comprising a heat-generating resistor including a heat-generating portion and a lead portion connected to the heat-generating portion, and a support made of ceramic in which the heat-generating resistor is embedded.
The heat generating portion contains silicon nitride and a first conductive substance.
The lead portion contains silicon nitride and a second conductive substance.
The average value of the maximum outer diameters of the silicon nitride particles including at least a part in the first target region of the 15 μm × 15 μm square on the cross section of the heat generating portion is a 15 μm × 15 μm square on the cross section of the lead portion. Larger than the average value of the maximum outer diameters of the silicon nitride particles containing at least a part in the second target region of
The proportion of the first conductive substance in the first target region of the heat generating portion is smaller than the proportion of the second conductive substance in the second target region of the lead portion.
Ceramic heater element.
このように、発熱部の第1対象領域における第1導電物質の割合が、リード部の第2対象領域における第2導電物質の割合よりも小さいと、発熱部の抵抗値をリード部の抵抗値よりも大きくすることができ、発熱部の温度を高くすることができる。 As described above, when the ratio of the first conductive substance in the first target region of the heat generating portion is smaller than the ratio of the second conductive substance in the second target region of the lead portion, the resistance value of the heat generating portion is changed to the resistance value of the lead portion. It is possible to increase the temperature of the heat generating portion.
しかしながら、発熱部とリード部との間で導電物質の割合を異ならせる(つまり発熱部とリード部との間で材料組成比を異ならせる)と、発熱部とリード部との接合面で強度が低下する場合がある。これに対し、本適用例の構成では、第1対象領域に少なくとも一部が含まれる窒化ケイ素の粒子の最大外径の平均値を、第2対象領域に少なくとも一部が含まれる窒化ケイ素の粒子の最大外径の平均値よりも大きくしている。これにより、発熱部とリード部との接合面での強度の低下を抑制できる。 However, if the ratio of the conductive substance is different between the heat generating part and the lead part (that is, the material composition ratio is different between the heat generating part and the lead part), the strength at the joint surface between the heat generating part and the lead part becomes stronger. May decrease. On the other hand, in the configuration of this application example, the average value of the maximum outer diameters of the silicon nitride particles containing at least a part in the first target region is set, and the silicon nitride particles containing at least a part in the second target region. It is larger than the average value of the maximum outer diameter of. As a result, it is possible to suppress a decrease in strength at the joint surface between the heat generating portion and the lead portion.
発明者らは、発熱部とリード部との接合面での強度の低下を抑制できる理由として、以下の理由を推定している。つまり、接合面の付近では、発熱部とリード部との熱膨張差に起因した亀裂が発生しやすいが、外径が長い窒化ケイ素の粒子が接合面の付近により多く存在すると、この亀裂が接合面の付近に発生したとしても亀裂の進行を抑制でき、その結果、強度の低下を抑制できると考えている。
そして、窒化ケイ素がより多く含まれる発熱部(例えば、第1導電物質の割合をより少なくすることで、窒化ケイ素の割合がより多くなる)の第1対象領域に少なくとも一部が含まれる窒化ケイ素の粒子の最大外径の平均値を、窒化ケイ素が相対的に少なく含まれるリード部(例えば、第2導電物質の割合を相対的に多くすることで、窒化ケイ素の割合が相対的に少なくなる)の第2対象領域に少なくとも一部が含まれる窒化ケイ素の粒子の最大外径の平均値よりも大きくすることで、この接合面の付近に外径が長い窒化ケイ素の粒子を多く存在させることができると考えている。
The inventors presume the following reasons as the reason why the decrease in strength at the joint surface between the heat generating portion and the lead portion can be suppressed. That is, in the vicinity of the joint surface, cracks due to the difference in thermal expansion between the heat generating portion and the lead portion are likely to occur, but if more silicon nitride particles having a long outer diameter are present near the joint surface, these cracks are joined. It is believed that even if it occurs near the surface, the progress of cracks can be suppressed, and as a result, the decrease in strength can be suppressed.
Then, silicon nitride in which at least a part is contained in the first target region of the heat generating portion containing a larger amount of silicon nitride (for example, the proportion of silicon nitride increases by decreasing the proportion of the first conductive substance). By increasing the average value of the maximum outer diameters of the particles of the lead portion containing a relatively small amount of silicon nitride (for example, by relatively increasing the ratio of the second conductive substance, the ratio of silicon nitride becomes relatively small. ), By making it larger than the average value of the maximum outer diameters of the silicon nitride particles containing at least a part of them, a large number of silicon nitride particles having a long outer diameter should be present in the vicinity of this joint surface. I think I can do it.
[適用例2]
適用例1に記載のセラミックヒータ素子であって、
前記セラミックヒータ素子の形状は、軸線の方向に延びる棒状であり、
前記発熱部は、前記軸線の方向の先端側に配置されるとともに、前記リード部は、前記軸線の方向に沿って延びており、
前記発熱部と前記リード部とは、前記軸線の方向に垂直な方向に重なって接続されており、
前記リード部と前記発熱部との接合面は、前記軸線の方向に対して斜めに傾斜している部分を含む、
セラミックヒータ素子。
[Application example 2]
The ceramic heater element according to Application Example 1.
The shape of the ceramic heater element is a rod shape extending in the direction of the axis.
The heat generating portion is arranged on the tip side in the direction of the axis, and the lead portion extends along the direction of the axis.
The heat generating portion and the lead portion are connected so as to overlap in a direction perpendicular to the direction of the axis.
The joint surface between the lead portion and the heat generating portion includes a portion that is inclined obliquely with respect to the direction of the axis.
Ceramic heater element.
このように、リード部と発熱部との接合面は、軸線の方向に対して斜めに傾斜している部分を含んでいる。この構成によれば、接合面の全体が軸線の方向に垂直である場合と比べて接合面の面積が大きくなるので、外径が長い窒化ケイ素の粒子が接合面の付近により多く存在することができ、リード部と発熱部との接合面で強度の低下をより抑制できる。 As described above, the joint surface between the lead portion and the heat generating portion includes a portion that is inclined obliquely with respect to the direction of the axis. According to this configuration, the area of the joint surface is larger than that when the entire joint surface is perpendicular to the direction of the axis, so that more silicon nitride particles having a long outer diameter may be present near the joint surface. Therefore, the decrease in strength can be further suppressed at the joint surface between the lead portion and the heat generating portion.
[適用例3]
適用例1または2に記載のセラミックヒータ素子と、
前記セラミックヒータ素子の後端部を収容する筒状の主体金具と、
を有するセラミックグロープラグ。
[Application example 3]
The ceramic heater element according to Application Example 1 or 2 and
A tubular main metal fitting that accommodates the rear end of the ceramic heater element,
Ceramic glow plug with.
なお、本明細書に開示の技術は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、セラミックヒータ素子、セラミックヒータ素子の製造方法、セラミックヒータ素子とセラミックヒータ素子を保持する金属外筒とを有するセラミックヒータモジュール、セラミックヒータ素子と主体金具とを有するセラミックグロープラグ、等の態様で実現することができる。 The technique disclosed in the present specification can be realized in various aspects, for example, a ceramic heater element, a method for manufacturing a ceramic heater element, a ceramic heater element, and a metal outer cylinder for holding the ceramic heater element. It can be realized in the form of a ceramic heater module having a ceramic heater, a ceramic glow plug having a ceramic heater element and a main metal fitting, and the like.
A.実施形態:
A1.セラミックグロープラグの構成:
図1は、実施形態のセラミックグロープラグの一例の概略図である。図1(A)は、セラミックグロープラグ10(以下、単に「グロープラグ10」とも呼ぶ)の断面図であり、図1(B)は、グロープラグ10のうちのセラミックヒータ素子40を含む部分を示す拡大断面図である。図示されたラインCLは、グロープラグ10の中心軸を示している。図示された断面は、中心軸CLを含む平らな断面である。以下、中心軸CLのことを「軸線CL」とも呼び、中心軸CLに平行な方向を「軸線方向」とも呼ぶ。中心軸CLを中心とする円の径方向を、単に「径方向」とも呼び、中心軸CLを中心とする円の円周方向を「周方向」とも呼ぶ。中心軸CLと平行な方向のうち、図1における下方向を第1方向D1と呼ぶ。第1方向D1は、後述する端子部材80からセラミックヒータ素子40に向かう方向である。図中の第2方向D2と第3方向D3とは、互いに垂直な方向であり、いずれも、第1方向D1と垂直な方向である。以下、第1方向D1を、先端方向D1とも呼び、第1方向D1の反対方向を、後端方向D1rとも呼ぶ。また、図1における先端方向D1側をグロープラグ10の先端側と呼び、図1における後端方向D1r側をグロープラグ10の後端側と呼ぶ。
A. Embodiment:
A1. Ceramic glow plug configuration:
FIG. 1 is a schematic view of an example of a ceramic glow plug of the embodiment. FIG. 1 (A) is a cross-sectional view of a ceramic glow plug 10 (hereinafter, also simply referred to as “glow plug 10”), and FIG. 1 (B) shows a portion of the glow plug 10 including a ceramic heater element 40. It is an enlarged sectional view which shows. The illustrated line CL indicates the central axis of the glow plug 10. The cross section shown is a flat cross section including the central axis CL. Hereinafter, the central axis CL is also referred to as "axis CL", and the direction parallel to the central axis CL is also referred to as "axis direction". The radial direction of the circle centered on the central axis CL is also simply referred to as the "diameter direction", and the circumferential direction of the circle centered on the central axis CL is also referred to as the "circumferential direction". Of the directions parallel to the central axis CL, the downward direction in FIG. 1 is called the first direction D1. The first direction D1 is a direction from the terminal member 80 described later toward the ceramic heater element 40. The second direction D2 and the third direction D3 in the figure are directions perpendicular to each other, and both are directions perpendicular to the first direction D1. Hereinafter, the first direction D1 is also referred to as a tip direction D1, and the direction opposite to the first direction D1 is also referred to as a rear end direction D1r. Further, the front end direction D1 side in FIG. 1 is referred to as the front end side of the glow plug 10, and the rear end direction D1r side in FIG. 1 is referred to as the rear end side of the glow plug 10.
グロープラグ10は、主体金具20と、中軸30と、セラミックヒータ素子40(以下、単に「ヒータ素子40」とも呼ぶ)と、Oリング50と、絶縁部材60と、金属外筒70(以下、単に「外筒70」とも呼ぶ)と、端子部材80と、接続部材90と、を含んでいる。主体金具20は、中心軸CLに沿って延びる貫通孔20xを有する筒状の部材である。また、主体金具20は、後端方向D1r側の端部に形成された工具係合部28と、工具係合部28よりも先端方向D1側に設けられた雄ネジ部22と、を含んでいる。工具係合部28は、グロープラグ10の脱着時に、図示しない工具と係合する部分である。雄ネジ部22は、図示しない内燃機関の取付孔の雌ネジに螺合するためのネジ山を含んでいる。主体金具20は、導電性材料(例えば、炭素鋼等の金属)で形成されている。 The glow plug 10 includes a main metal fitting 20, a center pole 30, a ceramic heater element 40 (hereinafter, also simply referred to as “heater element 40”), an O-ring 50, an insulating member 60, and a metal outer cylinder 70 (hereinafter, simply referred to as “heater element 40”). It also includes an "outer cylinder 70"), a terminal member 80, and a connecting member 90. The main metal fitting 20 is a tubular member having a through hole 20x extending along the central axis CL. Further, the main metal fitting 20 includes a tool engaging portion 28 formed at the end portion on the rear end direction D1r side and a male screw portion 22 provided on the tip direction D1 side of the tool engaging portion 28. There is. The tool engaging portion 28 is a portion that engages with a tool (not shown) when the glow plug 10 is attached or detached. The male screw portion 22 includes a screw thread for screwing into a female screw of a mounting hole of an internal combustion engine (not shown). The main metal fitting 20 is made of a conductive material (for example, a metal such as carbon steel).
主体金具20の貫通孔20xには、中軸30が収容されている。中軸30は、丸棒状の部材である。中軸30は、導電材料(例えば、ステンレス鋼)で形成されている。中軸30の後端方向D1r側の端部である後端部39は、主体金具20の後端方向D1r側の開口OPbから後端方向D1rに向かって突出している。 The center pole 30 is housed in the through hole 20x of the main metal fitting 20. The center pole 30 is a round bar-shaped member. The center pole 30 is made of a conductive material (for example, stainless steel). The rear end portion 39, which is the end portion on the rear end direction D1r side of the center pole 30, projects from the opening OPb on the rear end direction D1r side of the main metal fitting 20 toward the rear end direction D1r.
開口OPbの近傍において、中軸30の外面と、主体金具20の貫通孔20xの内面と、の間には、Oリング50が設けられている。Oリング50は、弾性材料(例えば、ゴム)で形成されている。さらに、主体金具20の開口OPbには、リング状の絶縁部材60が装着されている。絶縁部材60は、筒状部62と、筒状部62の後端方向D1r側に設けられたフランジ部68と、を含んでいる。筒状部62は、中軸30の外面と、主体金具20の開口OPbを形成する部分の内面と、の間に挟まれている。絶縁部材60は、例えば、樹脂で形成されている。主体金具20は、これらの部材50、60を介して、中軸30を支持している。 In the vicinity of the opening OPb, an O-ring 50 is provided between the outer surface of the center pole 30 and the inner surface of the through hole 20x of the main metal fitting 20. The O-ring 50 is made of an elastic material (for example, rubber). Further, a ring-shaped insulating member 60 is attached to the opening OPb of the main metal fitting 20. The insulating member 60 includes a tubular portion 62 and a flange portion 68 provided on the D1r side in the rear end direction of the tubular portion 62. The tubular portion 62 is sandwiched between the outer surface of the center pole 30 and the inner surface of the portion of the main metal fitting 20 that forms the opening OPb. The insulating member 60 is made of, for example, a resin. The main metal fitting 20 supports the center pole 30 via these members 50 and 60.
絶縁部材60の後端方向D1r側には、端子部材80が配置されている。端子部材80は、キャップ状の部材であり、導電材料(例えば、ニッケル等の金属)で形成されている。端子部材80と主体金具20との間には、絶縁部材60のフランジ部68が挟まれている。端子部材80には、中軸30の後端部39が挿入されている。端子部材80が加締められることによって、端子部材80が後端部39に固定されている。これにより、端子部材80は、中軸30に、電気的に接続される。 The terminal member 80 is arranged on the D1r side in the rear end direction of the insulating member 60. The terminal member 80 is a cap-shaped member and is made of a conductive material (for example, a metal such as nickel). A flange portion 68 of the insulating member 60 is sandwiched between the terminal member 80 and the main metal fitting 20. The rear end 39 of the center pole 30 is inserted into the terminal member 80. By crimping the terminal member 80, the terminal member 80 is fixed to the rear end portion 39. As a result, the terminal member 80 is electrically connected to the center pole 30.
主体金具20の先端方向D1側の開口OPaには、外筒70が固定されている(例えば、圧入や溶接)。外筒70は、中心軸CLに沿って延びる貫通孔70xを有する筒状の部材である。外筒70は、導電性材料(例えば、ステンレス鋼)で形成されている。 An outer cylinder 70 is fixed to the opening OPa on the D1 side in the tip direction of the main metal fitting 20 (for example, press fitting or welding). The outer cylinder 70 is a tubular member having a through hole 70x extending along the central axis CL. The outer cylinder 70 is made of a conductive material (for example, stainless steel).
外筒70の貫通孔70xには、通電によって発熱するヒータ素子40が挿入されている。ヒータ素子40は、中心軸CLに沿って延びるように配置された棒状の部材である。外筒70は、ヒータ素子40の先端部41が露出した状態で、ヒータ素子40の中央部分の外周面を、保持している。ヒータ素子40の後端部49は、主体金具20の貫通孔20xに収容されている。以下、ヒータ素子40と金属外筒70との全体を、「ヒータモジュール490」とも呼ぶ。 A heater element 40 that generates heat when energized is inserted into the through hole 70x of the outer cylinder 70. The heater element 40 is a rod-shaped member arranged so as to extend along the central axis CL. The outer cylinder 70 holds the outer peripheral surface of the central portion of the heater element 40 in a state where the tip portion 41 of the heater element 40 is exposed. The rear end 49 of the heater element 40 is housed in the through hole 20x of the main metal fitting 20. Hereinafter, the entire heater element 40 and the metal outer cylinder 70 will also be referred to as a “heater module 490”.
ヒータ素子40の後端部49には、接続部材90が固定されている。接続部材90は、中心軸CLに沿って延びる貫通孔を有する円筒状の部材であり、導電性材料(例えば、ステンレス鋼)で形成されている。接続部材90の先端方向D1側の部分には、ヒータ素子40の後端部49が圧入されている。接続部材90の後端方向D1r側の部分には、中軸30の先端方向D1側の端部である先端部31が圧入されている。これにより、中軸30は、接続部材90に電気的に接続される。なお、中軸30の先端部31と接続部材90とは、溶接されてもよい。 A connecting member 90 is fixed to the rear end 49 of the heater element 40. The connecting member 90 is a cylindrical member having a through hole extending along the central axis CL, and is made of a conductive material (for example, stainless steel). The rear end 49 of the heater element 40 is press-fitted into the portion of the connecting member 90 on the D1 side in the tip direction. The tip portion 31 which is the end portion of the center pole 30 on the tip direction D1 side is press-fitted into the portion on the rear end direction D1r side of the connecting member 90. As a result, the center pole 30 is electrically connected to the connecting member 90. The tip 31 of the center pole 30 and the connecting member 90 may be welded together.
次に、ヒータモジュール490の詳細について、説明する。図1(B)には、金属外筒70と接続部材90とヒータ素子40とのより詳細な断面図が示されている。ヒータ素子40は、軸線CLに沿って延びる丸棒状の基体210と、基体210の内部に埋設された、略U字状の発熱抵抗体220(以下、単に「抵抗体220」と呼ぶ)と、を含んでいる。基体210は、絶縁性セラミック材料で形成されている(詳細は後述)。抵抗体220は、導電性セラミック材料で形成されている(詳細は後述)。基体210は、抵抗体220を覆った状態で、抵抗体220を支持している(基体210は、特許請求の範囲の「支持体」の例である)。ヒータ素子40は、材料を焼成することによって、形成される。基体210の先端部(すなわち、ヒータ素子40の先端部41)は、丸められている。抵抗体220の電気伝導率は、基体210の電気伝導率よりも、高い。抵抗体220は、通電によって、発熱する。 Next, the details of the heater module 490 will be described. FIG. 1B shows a more detailed cross-sectional view of the metal outer cylinder 70, the connecting member 90, and the heater element 40. The heater element 40 includes a round bar-shaped substrate 210 extending along the axis CL and a substantially U-shaped heat generating resistor 220 (hereinafter, simply referred to as “resistor 220”) embedded inside the substrate 210. Includes. The substrate 210 is made of an insulating ceramic material (details will be described later). The resistor 220 is made of a conductive ceramic material (details will be described later). The substrate 210 supports the resistor 220 while covering the resistor 220 (the substrate 210 is an example of a "support" in the claims). The heater element 40 is formed by firing the material. The tip of the substrate 210 (that is, the tip 41 of the heater element 40) is rounded. The electrical conductivity of the resistor 220 is higher than the electrical conductivity of the substrate 210. The resistor 220 generates heat when energized.
抵抗体220は、2本のリード部221、222と、それらのリード部221、222に接続された発熱部223と、電極取出部281、282と、を含んでいる。各リード部221、222は、ヒータ素子40の後端部49から先端部41の近傍まで軸線CLの延びる方向に沿って(ここでは、軸線CLに平行に)延びている。第1リード部221と第2リード部222とは、中心軸CLを挟んでおおよそ対称な位置に、配置されている。第3方向D3は、第2リード部222から第1リード部221へ向かう方向である。 The resistor 220 includes two lead portions 221 and 222, a heat generating portion 223 connected to the lead portions 221 and 222, and electrode extraction portions 281 and 282. The lead portions 221 and 222 extend from the rear end portion 49 of the heater element 40 to the vicinity of the front end portion 41 along the extending direction of the axis CL (here, parallel to the axis CL). The first lead portion 221 and the second lead portion 222 are arranged at positions substantially symmetrical with respect to the central axis CL. The third direction D3 is a direction from the second lead portion 222 to the first lead portion 221.
発熱部223は、ヒータ素子40の先端部41に埋設され、第1リード部221の先端方向D1側の端と第2リード部222の先端方向D1側の端とを接続する。すなわち、リード部221、222は、発熱部223の後端方向D1r側に接続されている。発熱部223の形状は、ヒータ素子40の先端部41の丸い形状に沿って湾曲する略U字状である。発熱部223の断面積は、リード部221、222のそれぞれの断面積よりも、小さい。また、発熱部223の単位長さ当たりの電気抵抗は、リード部221、222の単位長さ当たりの電気抵抗よりも、大きい。この結果、通電時には、発熱部223の温度が、リード部221、222の温度と比べて、急速に上昇する。 The heat generating portion 223 is embedded in the tip portion 41 of the heater element 40, and connects the end of the first lead portion 221 on the tip direction D1 side and the end of the second lead portion 222 on the tip direction D1 side. That is, the lead portions 221 and 222 are connected to the rear end direction D1r side of the heat generating portion 223. The shape of the heat generating portion 223 is a substantially U shape that curves along the round shape of the tip portion 41 of the heater element 40. The cross-sectional area of the heat generating portion 223 is smaller than the cross-sectional area of each of the lead portions 221 and 222. Further, the electric resistance per unit length of the heat generating portion 223 is larger than the electric resistance per unit length of the lead portions 221 and 222. As a result, when energized, the temperature of the heat generating portion 223 rises more rapidly than the temperature of the lead portions 221 and 222.
第1リード部221の後端方向D1r側の部分には、第1電極取出部281が接続されている。第1電極取出部281は、径方向に沿って延びている。第1電極取出部281の内側の端部は第1リード部221に接続され、第1電極取出部281の外側の端部は、ヒータ素子40の外面に露出する。第1電極取出部281の露出部分は、外筒70の内周面に接触している。これにより、外筒70と第1リード部221とが、電気的に接続される。 The first electrode take-out portion 281 is connected to the portion on the D1r side in the rear end direction of the first lead portion 221. The first electrode take-out portion 281 extends along the radial direction. The inner end of the first electrode take-out portion 281 is connected to the first lead portion 221 and the outer end of the first electrode take-out portion 281 is exposed to the outer surface of the heater element 40. The exposed portion of the first electrode extraction portion 281 is in contact with the inner peripheral surface of the outer cylinder 70. As a result, the outer cylinder 70 and the first lead portion 221 are electrically connected.
第2リード部222の後端方向D1r側の部分には、第2電極取出部282が接続されている。第2電極取出部282は、径方向に沿って延びており、第1電極取出部281よりも、後端方向D1r側に配置されている。第2電極取出部282の内側の端部は、第2リード部222に接続され、第2電極取出部282の外側の端部は、ヒータ素子40の外面に露出する。第2電極取出部282の露出部分は、接続部材90の内周面に接触している。これにより、接続部材90と第2リード部222とが、電気的に接続される。 A second electrode take-out portion 282 is connected to a portion on the D1r side in the rear end direction of the second lead portion 222. The second electrode take-out portion 282 extends along the radial direction, and is arranged on the rear end direction D1r side of the first electrode take-out portion 281. The inner end of the second electrode take-out portion 282 is connected to the second lead portion 222, and the outer end of the second electrode take-out portion 282 is exposed to the outer surface of the heater element 40. The exposed portion of the second electrode extraction portion 282 is in contact with the inner peripheral surface of the connecting member 90. As a result, the connecting member 90 and the second lead portion 222 are electrically connected.
グロープラグ10の使用時には、主体金具20と端子部材80との間に、電圧が印加される。上述したように、第1リード部221は、第2電極取出部282と金属外筒70とを介して、主体金具20に電気的に接続されている。第2リード部222は、第2電極取出部282と接続部材90と中軸30とを介して、端子部材80に電気的に接続されている。従って、主体金具20と端子部材80とを通じて供給された電力は、リード部221、222を通じて、発熱部223に供給される。これにより、発熱部223が発熱する。 When the glow plug 10 is used, a voltage is applied between the main metal fitting 20 and the terminal member 80. As described above, the first lead portion 221 is electrically connected to the main metal fitting 20 via the second electrode extraction portion 282 and the metal outer cylinder 70. The second lead portion 222 is electrically connected to the terminal member 80 via the second electrode extraction portion 282, the connecting member 90, and the center pole 30. Therefore, the electric power supplied through the main metal fitting 20 and the terminal member 80 is supplied to the heat generating portion 223 through the lead portions 221 and 222. As a result, the heat generating portion 223 generates heat.
図2は、ヒータ素子40の先端部分の拡大断面図である。図中には、軸線CLを含む平らな断面が示されている。図中では、図を見やすくするために、ヒータ素子40の各要素210、221、222、223のそれぞれのハッチングが省略されている。図中の第1接合面241は、第1リード部221と発熱部223との接合面を示し、第2接合面242は、第2リード部222と発熱部223との接合面を示している。図示するように、本実施形態では、これらの接合面241、242は、それぞれ、軸線CLに対して斜めに傾斜している傾斜部分241x、242xを含んでいる。すなわち、発熱部223とリード部221、222とは、軸線CLに垂直な方向に沿って重なった状態で、接続されている。従って、第1接合面241の全体が軸線CLに垂直である場合と比べて、第1接合面241の面積が広くなる。この結果、後述する、外径が長い窒化ケイ素の粒子が第1接合面241の付近により多く存在することができ、第1リード部221と発熱部223との第1接合面241での強度の低下をより抑制できる。同様に、第2接合面242の全体が軸線CLに垂直である場合と比べて、第2接合面242の面積が広くなる。この結果、後述する、外径が長い窒化ケイ素の粒子が第2接合面242の付近により多く存在することができ、第2リード部222と発熱部223との第2接合面242での強度の低下をより抑制できる。なお、本実施形態では、内周側から外周側に向かって(すなわち、軸線CLから離れる方向に向かって)延びる傾斜部分241x、242xは、後端側(後端方向D1r側)に向かって傾斜している。 FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the tip end portion of the heater element 40. In the figure, a flat cross section including the axis CL is shown. In the figure, hatching of each element 210, 221 222, 223 of the heater element 40 is omitted in order to make the figure easier to see. The first joint surface 241 in the drawing shows the joint surface between the first lead portion 221 and the heat generating portion 223, and the second joint surface 242 shows the joint surface between the second lead portion 222 and the heat generating portion 223. .. As shown in the figure, in the present embodiment, these joint surfaces 241 and 242 include inclined portions 241x and 242x that are inclined obliquely with respect to the axis CL, respectively. That is, the heat generating portion 223 and the lead portions 221 and 222 are connected in a state of overlapping along the direction perpendicular to the axis CL. Therefore, the area of the first joint surface 241 is larger than that in the case where the entire first joint surface 241 is perpendicular to the axis CL. As a result, more silicon nitride particles having a long outer diameter, which will be described later, can be present in the vicinity of the first joint surface 241 and have a strength at the first joint surface 241 of the first lead portion 221 and the heat generating portion 223. The decrease can be further suppressed. Similarly, the area of the second joint surface 242 is larger than that in the case where the entire second joint surface 242 is perpendicular to the axis CL. As a result, more silicon nitride particles having a long outer diameter, which will be described later, can be present in the vicinity of the second joint surface 242, and the strength of the strength of the strength of the second lead portion 222 and the heat generating portion 223 at the second joint surface 242. The decrease can be further suppressed. In the present embodiment, the inclined portions 241x and 242x extending from the inner peripheral side toward the outer peripheral side (that is, toward the direction away from the axis CL) are inclined toward the rear end side (rear end direction D1r side). doing.
本実施形態では、基体210は、窒化ケイ素を含む絶縁性セラミック材料で、形成されている。また、リード部221、222と、発熱部223とは、それぞれ、窒化ケイ素と導電物質とを含む導電性セラミック材料で形成されている。導電物質としては、例えば、炭化タングステンが用いられる。なお、発熱部223の導電性セラミック材料とリード部221、222の導電性セラミック材料との間では、窒化ケイ素と導電物質との材料組成比が異なっている。 In this embodiment, the substrate 210 is made of an insulating ceramic material containing silicon nitride. Further, the lead portions 221 and 222 and the heat generating portion 223 are each formed of a conductive ceramic material containing silicon nitride and a conductive substance. As the conductive substance, for example, tungsten carbide is used. The material composition ratio of silicon nitride and the conductive substance is different between the conductive ceramic material of the heat generating portion 223 and the conductive ceramic material of the lead portions 221 and 222.
ヒータ素子40は、例えば以下のように、製造される。まず、基体210の絶縁性セラミック材料と、リード部221、222の導電性セラミック材料と、発熱部223の導電性セラミック材料と、が準備される。基体210の絶縁性セラミック材料は、例えば以下のように、準備される。窒化ケイ素の粉末を含むスラリーから、スプレードライによって、粉末が生成される。生成された粉末とバインダとを混練することによって、基体210の絶縁性セラミック材料としての混合物が生成される。リード部221、222の導電性セラミック材料は、例えば以下のように、準備される。窒化ケイ素の粉末と導電物質の粉末とを含むスラリーから、スプレードライによって、粉末が生成される。生成された粉末とバインダとを混練することによって、リード部221、222の導電性セラミック材料としての混合物が生成される。発熱部223の導電性セラミック材料は、リード部221、222の導電性セラミック材料と同じ方法で、準備される。ただし、本実施形態では、発熱部223の導電性セラミック材料に含まれる窒化ケイ素の粉末の粒径は、リード部221、222の導電性セラミック材料に含まれる窒化ケイ素の粉末の粒径よりも、大きい。また、発熱部223の導電性セラミック材料に含まれる導電物質の割合(例えば、重量パーセント)は、リード部221、222の導電性セラミック材料に含まれる導電物質の割合よりも、低い。 The heater element 40 is manufactured, for example, as follows. First, the insulating ceramic material of the substrate 210, the conductive ceramic material of the lead portions 221 and 222, and the conductive ceramic material of the heat generating portion 223 are prepared. The insulating ceramic material of the substrate 210 is prepared, for example, as follows. A powder is produced by spray-drying from a slurry containing a silicon nitride powder. By kneading the produced powder and the binder, a mixture of the substrate 210 as an insulating ceramic material is produced. The conductive ceramic materials of the lead portions 221 and 222 are prepared, for example, as follows. A powder is produced by spray-drying from a slurry containing a silicon nitride powder and a conductive substance powder. By kneading the produced powder and the binder, a mixture of the lead portions 221 and 222 as a conductive ceramic material is produced. The conductive ceramic material of the heat generating portion 223 is prepared in the same manner as the conductive ceramic material of the lead portions 221 and 222. However, in the present embodiment, the particle size of the silicon nitride powder contained in the conductive ceramic material of the heat generating portion 223 is larger than the particle size of the silicon nitride powder contained in the conductive ceramic material of the lead portions 221 and 222. large. Further, the proportion of the conductive substance contained in the conductive ceramic material of the heat generating portion 223 (for example, weight percent) is lower than the proportion of the conductive substance contained in the conductive ceramic material of the lead portions 221 and 222.
次に、未焼成の抵抗体220を、例えば以下のように、成形する。まず、未焼成のリード部221、222を、リード部221、222の材料を用いた射出成形によって成形する。そして、発熱部223用の成形型の中の所定の位置に未焼成のリード部221、222を配置した状態で、発熱部223を、発熱部223の材料を用いた射出成形によって成形する。これにより、互いに接続された未焼成のリード部221、222と発熱部223と、すなわち、未焼成の抵抗体220が、成形される。なお、先に未焼成の発熱部223を射出成形し、リード部221、222用の成形型の中の所定の位置に未焼成の発熱部223を配置した状態で、リード部221、222を、射出成形によって成形してもよい。 Next, the unfired resistor 220 is molded, for example, as follows. First, the unfired reed portions 221 and 222 are molded by injection molding using the materials of the reed portions 221 and 222. Then, with the unfired lead portions 221 and 222 arranged at predetermined positions in the molding mold for the heat generating portion 223, the heat generating portion 223 is molded by injection molding using the material of the heat generating portion 223. As a result, the unfired lead portions 221 and 222 and the heat generating portion 223 connected to each other, that is, the unfired resistor 220 is formed. In addition, in a state where the unfired heat generating portion 223 is injection-molded first and the unfired heat generating portion 223 is arranged at a predetermined position in the molding mold for the lead portions 221 and 222, the lead portions 221 and 222 are formed. It may be molded by injection molding.
次に、基体210を、例えば以下のように、成形する。ヒータ素子40用の成形型の中の所定の位置に未焼成の抵抗体220を配置した状態で、射出成形によって、基体210の材料を、未焼成の抵抗体220を覆うように、成形する。以上により、未焼成の基体210、ひいては、未焼成のヒータ素子40が、成形される。 Next, the substrate 210 is molded as follows, for example. With the unfired resistor 220 placed at a predetermined position in the molding die for the heater element 40, the material of the substrate 210 is molded so as to cover the unfired resistor 220 by injection molding. As described above, the unfired substrate 210 and, by extension, the unfired heater element 40 are formed.
次に、未焼成のヒータ素子40を焼成する。そして、焼成された部材(焼成体とも呼ぶ)の外形を研磨によって整えることによって、ヒータ素子40が完成する。 Next, the unfired heater element 40 is fired. Then, the heater element 40 is completed by adjusting the outer shape of the fired member (also referred to as a fired body) by polishing.
図3は、走査型電子顕微鏡(SEM)による抵抗体220の断面画像の例である。この断面画像IMは、図2に示すヒータ素子40の断面を鏡面研磨し、鏡面研磨された断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)によって撮影して得られた画像である(倍率は3000倍)。断面画像IM中の明るい色の部分は、導電物質(ここでは、炭化タングステン)の部分を示している。断面画像IM中の暗い色の部分は、窒化ケイ素の粒子を示している。濃い色の部分を仕切る薄い色の線は、粒界を示している。断面画像IMに示された白色の点線は、1つの窒化ケイ素の粒子Gの輪郭を示している。図示するように、窒化ケイ素の粒子の形状は、細長い棒状である(針状粒子とも呼ばれる)。抵抗体220では、窒化ケイ素の多数の粒子が形成されている。このような窒化ケイ素の粒子は、焼成時に、形成される。 FIG. 3 is an example of a cross-sectional image of the resistor 220 by a scanning electron microscope (SEM). This cross-sectional image IM is an image obtained by mirror-polishing the cross-section of the heater element 40 shown in FIG. 2 and photographing the mirror-polished cross-section with a scanning electron microscope (SEM) (magnification is 3000 times). .. The brightly colored portion in the cross-sectional image IM indicates the portion of the conductive material (here, tungsten carbide). The dark colored part in the cross-sectional image IM shows the silicon nitride particles. The light-colored lines that separate the dark-colored areas indicate the grain boundaries. The white dotted line shown in the cross-sectional image IM shows the outline of one silicon nitride particle G. As shown in the figure, the shape of the silicon nitride particles is elongated rod-like (also called needle-shaped particles). In the resistor 220, a large number of particles of silicon nitride are formed. Such silicon nitride particles are formed during firing.
断面画像IMの下部には、窒化ケイ素の1つの粒子Gの長軸長Lが示されている。長軸長Lは、断面画像IMにおける粒子の最大外径を示している。図示するように、粒子Gの外径は、方向に応じて異なる。長軸長Lは、方向に応じて異なる外径のうちの最大の外径である。長軸長Lは、後述する評価試験で、用いられる。 At the bottom of the cross-sectional image IM, the major axis length L of one particle G of silicon nitride is shown. The major axis length L indicates the maximum outer diameter of the particles in the cross-sectional image IM. As shown, the outer diameter of the particle G varies depending on the direction. The major axis length L is the maximum outer diameter among the outer diameters that differ depending on the direction. The major axis length L is used in an evaluation test described later.
A2.ヒータ素子の評価試験:
図4は、評価試験の結果を示す表である。評価試験では、ヒータ素子40のサンプルを用いて、ヒータ素子40の靱性と曲げ強度とが評価された。図4の表は、サンプルの番号と、発熱部223における長軸長Lの平均値L1(第1平均長軸長L1と呼ぶ)と、リード部222における長軸長Lの平均値L2(第2平均長軸長L2と呼ぶ)と、比率L1/L2と、発熱部223における導電物質割合R1と、リード部222における導電物質割合R2と、靱性値と、曲げ強度と、を示している。
A2. Evaluation test of heater element:
FIG. 4 is a table showing the results of the evaluation test. In the evaluation test, the toughness and bending strength of the heater element 40 were evaluated using a sample of the heater element 40. The table of FIG. 4 shows the sample numbers, the average value L1 of the major axis length L in the heat generating portion 223 (referred to as the first average major axis length L1), and the average value L2 of the major axis length L in the lead portion 222 (the first). 2 Average major axis length L2), the ratio L1 / L2, the conductive material ratio R1 in the heat generating portion 223, the conductive material ratio R2 in the lead portion 222, the toughness value, and the bending strength.
平均長軸長L1、L2は、図3で説明した長軸長Lの平均値である。図3で説明したように、ヒータ素子40のサンプルの軸線CLを含む断面を鏡面研磨した。そして、鏡面研磨した断面を、査型電子顕微鏡(SEM)で、3000倍の倍率で、撮影した。撮影によって得られた画像(SEM画像とも呼ぶ)を解析することによって、平均長軸長L1、L2を算出した。平均長軸長L1、L2は、いずれも、SEM画像中の15μm×15μmの正方形の対象領域に少なくとも一部が含まれる粒子の長軸長Lの平均値である。粒子の一部分が対象領域の外に位置し、粒子の残りの部分が対象領域の内に位置する場合、その粒子の長軸長Lは、平均長軸長L1、L2の算出に用いられた。図2に示す第1対象領域A1は、発熱部223の第1平均長軸長L1の算出のための対象領域を示し、第2対象領域A2は、リード部222の第2平均長軸長L2の算出のための対象領域を示している。図示するように、第1対象領域A1は、発熱部223上の接合面241、242から離れた位置に配置されている。また、第2対象領域A2は、リード部222上の接合面242から離れた位置に配置されている。 The average major axis lengths L1 and L2 are average values of the major axis lengths L described with reference to FIG. As described with reference to FIG. 3, the cross section of the heater element 40 including the axis CL of the sample was mirror-polished. Then, the mirror-polished cross section was photographed with a scanning electron microscope (SEM) at a magnification of 3000 times. The average major axis lengths L1 and L2 were calculated by analyzing the images obtained by photographing (also referred to as SEM images). The average major axis lengths L1 and L2 are both average values of the major axis lengths L of the particles in which at least a part is included in the target region of the 15 μm × 15 μm square in the SEM image. When a part of the particle is located outside the target area and the rest of the particle is located inside the target area, the major axis length L of the particle was used to calculate the average major axis lengths L1 and L2. The first target area A1 shown in FIG. 2 indicates a target area for calculating the first average major axis length L1 of the heat generating portion 223, and the second target area A2 is the second average major axis length L2 of the lead portion 222. The target area for the calculation of is shown. As shown in the figure, the first target region A1 is arranged at a position away from the joint surfaces 241 and 242 on the heat generating portion 223. Further, the second target region A2 is arranged at a position away from the joint surface 242 on the lead portion 222.
第1導電物質割合R1は、上記のSEM画像上の第1対象領域A1の面積に対する、第1対象領域A1内の導電物質(ここでは、炭化タングステン)を表す部分の面積の割合である。第2導電物質割合R2は、上記のSEM画像上の第2対象領域A2の面積に対する、第2対象領域A2内の導電物質を表す部分の面積の割合である。 The first conductive substance ratio R1 is the ratio of the area of the portion representing the conductive substance (here, tungsten carbide) in the first target region A1 to the area of the first target region A1 on the SEM image. The second conductive substance ratio R2 is the ratio of the area of the portion representing the conductive substance in the second target region A2 to the area of the second target region A2 on the SEM image.
靱性値は、JIS R1607で規定されたIF法に準じて、以下のように特定された。ヒータ素子40のサンプルの軸線CLを含む断面(図2)を鏡面研磨し、サンプルの断面に、ビッカース硬度計を用いて圧痕を形成した。図2の圧痕VIは、この評価試験で形成される圧痕VIの概要を示している。図2では、ヒータ素子40断面の下部に、圧痕VIを含む部分の拡大図が示されている。ビッカース硬度計は、矩形の圧痕をサンプルに形成する。ここで、圧痕VIの2個の対角C1、C2が、接合面242上に位置するように、ビッカース硬度計の圧子に対するサンプルの相対位置が調整された。圧痕VIの形成は、荷重が5kgfであり、その荷重の保持時間が15秒である、という条件下で行われた。このような荷重の印加によって、圧痕VIの角C1、C2から、接合面242に沿って、亀裂CR1、CR2が生じた。 The toughness value was specified as follows according to the IF method specified in JIS R1607. A cross section (FIG. 2) of the heater element 40 including the axis CL of the sample was mirror-polished, and an indentation was formed on the cross section of the sample using a Vickers hardness tester. The indentation VI of FIG. 2 gives an overview of the indentation VI formed in this evaluation test. In FIG. 2, an enlarged view of a portion including the indentation VI is shown at the lower part of the cross section of the heater element 40. The Vickers hardness tester forms a rectangular indentation on the sample. Here, the relative positions of the sample with respect to the indenter of the Vickers hardness tester were adjusted so that the two diagonals C1 and C2 of the indentation VI were located on the joint surface 242. The formation of the indentation VI was performed under the condition that the load was 5 kgf and the holding time of the load was 15 seconds. By applying such a load, cracks CR1 and CR2 were generated from the indentation VI angles C1 and C2 along the joint surface 242.
亀裂長Cは、第1角C1から延びる第1亀裂CR1の端(角C1とは反対側の端)と、第2角C2から延びる第2亀裂CR2の端(角C2とは反対側の端)と、の間の直線距離2Cの半分である。圧痕長kは、圧痕VIの2個の対角C1、C2の間の直線距離2kの半分である。このような亀裂長Cと圧痕長kとを用いて、靱性値Kcを、以下の計算式に従って、算出した。
Kc=0.026×E1/2×P1/2×k/(C3/2)
ここで、Eは、抵抗体220の弾性率である。リード部222と発熱部223との間で弾性率は同じであったので、その同じ弾性率を、抵抗体220の弾性率Eとして採用した(ここでは、E=400GPa)。Pは、荷重である(ここでは、P=5kgf)。
The crack length C is the end of the first crack CR1 extending from the first corner C1 (the end opposite to the corner C1) and the end of the second crack CR2 extending from the second corner C2 (the end opposite to the corner C2). ) And half of the straight line distance 2C. The indentation length k is half of the linear distance 2k between the two diagonals C1 and C2 of the indentation VI. Using such a crack length C and an indentation length k, the toughness value Kc was calculated according to the following formula.
Kc = 0.026 x E 1/2 x P 1/2 x k / (C 3/2 )
Here, E is the elastic modulus of the resistor 220. Since the elastic modulus was the same between the lead portion 222 and the heat generating portion 223, the same elastic modulus was adopted as the elastic modulus E of the resistor 220 (here, E = 400 GPa). P is a load (here, P = 5 kgf).
曲げ強度は、ヒータ素子40のサンプルを用いた3点支持の曲げ試験を行い、サンプルが折れた時の最大曲げ応力を示している。図5は、曲げ試験における3個の支持具S1、S2、S3の配置を示す説明図である。図中には、図2と同じヒータ素子40の断面が示されている。図示するように、第1支持具S1は、ヒータ素子40の外周面のうち接合面242の近傍の位置である第1位置P1で、ヒータ素子40のサンプルを支持する。第2支持具S2は、ヒータ素子40の外周面のうち、第1位置P1の反対側、かつ、第1位置P1よりも先端方向D1側の第2位置P2で、ヒータ素子40のサンプルを支持する。第3支持具S3は、ヒータ素子40の外周面のうち、第1位置P1の反対側、かつ、第1位置P1よりも後端方向D1r側の第3位置P3で、ヒータ素子40のサンプルを支持する。第2位置P2と第3位置P3との間の距離は、サンプルの種類によらず、同じであった。そして、第1支持具S1は、軸線CLに垂直に他の支持具S2、S3に向かう方向の荷重を、ヒータ素子40のサンプルに印加する。支持具S2、S3は、軸線CLに垂直に第1支持具S1に向かう方向の荷重を、ヒータ素子40のサンプルに印加する。そして、サンプルが折れるまで、荷重を徐々に強くした。 The bending strength shows the maximum bending stress when the sample is broken by performing a bending test of three-point support using the sample of the heater element 40. FIG. 5 is an explanatory view showing the arrangement of the three supports S1, S2, and S3 in the bending test. In the figure, the same cross section of the heater element 40 as in FIG. 2 is shown. As shown in the figure, the first support tool S1 supports the sample of the heater element 40 at the first position P1 which is a position near the joint surface 242 on the outer peripheral surface of the heater element 40. The second support tool S2 supports the sample of the heater element 40 at the second position P2 on the outer peripheral surface of the heater element 40, which is opposite to the first position P1 and on the tip direction D1 side of the first position P1. To do. The third support S3 is a sample of the heater element 40 at the third position P3 on the outer peripheral surface of the heater element 40, which is opposite to the first position P1 and on the rear end direction D1r side of the first position P1. To support. The distance between the second position P2 and the third position P3 was the same regardless of the type of sample. Then, the first support S1 applies a load in the direction toward the other supports S2 and S3 perpendicular to the axis CL to the sample of the heater element 40. The supports S2 and S3 apply a load in the direction toward the first support S1 perpendicular to the axis CL to the sample of the heater element 40. Then, the load was gradually increased until the sample broke.
なお、本評価試験では、基体210の外周面と、接合面241、242との間の距離T(すなわち、基体210の外周面と、リード部221、222と、の間の距離)が、0.2mmとなるように、ヒータ素子40のサンプルの外周面が研磨された。そして、曲げ試験では、サンプルの破壊の起源が接合面241、242のいずれかであるサンプルの最大曲げ応力が採用された。破壊の起源が接合面241、242のいずれでもない場合(例えば、接合面241、242は割れずに他の部分が割れた場合)、そのサンプルの曲げ応力を採用しなかった。そして、同じ構成の別のサンプルを用いて、サンプルの破壊の起源が接合面241、242のいずれかとなるまで、曲げ試験を繰り返した。 In this evaluation test, the distance T between the outer peripheral surface of the substrate 210 and the joint surfaces 241 and 242 (that is, the distance between the outer peripheral surface of the substrate 210 and the lead portions 221 and 222) is 0. The outer peripheral surface of the sample of the heater element 40 was polished so as to have a thickness of .2 mm. Then, in the bending test, the maximum bending stress of the sample whose origin of fracture of the sample is one of the joint surfaces 241 and 242 was adopted. If the origin of the fracture was neither of the joint surfaces 241 or 242 (for example, the joint surfaces 241 and 242 were not cracked and the other parts were cracked), the bending stress of the sample was not adopted. Then, using another sample having the same configuration, the bending test was repeated until the origin of the fracture of the sample was one of the joint surfaces 241 and 242.
図4の表に示すように、1番、2番、3番の3種類のサンプルが評価された。これらのサンプルの間では、発熱部223の第1平均長軸長L1と発熱部223の第1導電物質割合R1との少なくとも1つが、互いに異なっている。第1平均長軸長L1と第1導電物質割合R1との変更は、発熱部223の導電性セラミック材料(具体的には、窒化ケイ素の材料粒子の粒径と、導電物質の含有率(例えば、重量パーセント))を変更することによって、実現された。ヒータ素子40の他の部分の構成は、3種類のサンプルの間で共通であった。例えば、リード部221、222の導電性セラミック材料は、3種類のサンプルの間で、共通であった。また、基体210の絶縁性セラミック材料は、3種類のサンプルの間で、共通であった。また、ヒータ素子40の形状、ヒータ素子40の外径、発熱部223の形状、第1リード部221の形状、第2リード部222の形状、これらの要素40、221、222、223のそれぞれの大きさは、3種類のサンプルの間で共通であった。 As shown in the table of FIG. 4, three types of samples No. 1, No. 2, No. 3 were evaluated. Among these samples, at least one of the first average major axis length L1 of the heat generating portion 223 and the first conductive substance ratio R1 of the heat generating portion 223 is different from each other. The change between the first average major axis length L1 and the first conductive substance ratio R1 is the change in the conductive ceramic material of the heat generating portion 223 (specifically, the particle size of the material particles of silicon nitride and the content of the conductive substance (for example). , Weight percent)) was achieved by changing. The configuration of the other parts of the heater element 40 was common among the three types of samples. For example, the conductive ceramic materials of the leads 221 and 222 were common among the three types of samples. Also, the insulating ceramic material of the substrate 210 was common among the three types of samples. Further, the shape of the heater element 40, the outer diameter of the heater element 40, the shape of the heat generating portion 223, the shape of the first lead portion 221 and the shape of the second lead portion 222, and each of these elements 40, 221, 222, 223. The size was common among the three samples.
第1平均長軸長L1の変更は、発熱部223の材料に含まれる窒化ケイ素の材料粒子の粒径を変えることによって、実現された。窒化ケイ素の材料粒子の粒径が大きいほど、焼成後の第1平均長軸長L1が長くなった。具体的には、第1平均長軸長L1は、1番、2番、3番の順に、1.3mm、1.8mm、2.2mmであった。リード部222の第2平均長軸長L2は、3種類のサンプルの間でおおよそ同じであり、具体的には、1番、2番、3番の順に、1.8μm、1.7μm、1.7μmであった。なお、3種類のサンプルの間の第2平均長軸長L2の違い(0.1μm)は、製造ばらつきによる誤差である。比率L1/L2は、1番、2番、3番の順に、0.7、1.1、1.3であった。このように、1番のサンプルでは、発熱部223の第1平均長軸長L1は、リード部222の第2平均長軸長L2よりも小さかった。2番と3番のサンプルでは、発熱部223の第1平均長軸長L1は、第2リード部222の第2平均長軸長L2よりも大きかった。なお、第1リード部221の平均長軸長は、第2リード部222の第1平均長軸長L1と、おおよそ同じである。 The change of the first average major axis length L1 was realized by changing the particle size of the material particles of silicon nitride contained in the material of the heat generating portion 223. The larger the particle size of the silicon nitride material particles, the longer the first average major axis length L1 after firing. Specifically, the first average major axis length L1 was 1.3 mm, 1.8 mm, and 2.2 mm in the order of Nos. 1, 2, and 3. The second average major axis length L2 of the lead portion 222 is approximately the same among the three types of samples, and specifically, 1.8 μm, 1.7 μm, and 1 in the order of No. 1, No. 2, No. 3, and 1. It was 0.7 μm. The difference (0.1 μm) in the second average major axis length L2 among the three types of samples is an error due to manufacturing variation. The ratios L1 / L2 were 0.7, 1.1, and 1.3 in the order of No. 1, No. 2, No. 3, and No. 1. As described above, in the first sample, the first average major axis length L1 of the heat generating portion 223 was smaller than the second average major axis length L2 of the lead portion 222. In the No. 2 and No. 3 samples, the first average major axis length L1 of the heat generating portion 223 was larger than the second average major axis length L2 of the second lead portion 222. The average major axis length of the first lead portion 221 is approximately the same as the first average major axis length L1 of the second lead portion 222.
第1導電物質割合R1の変更は、発熱部223の材料に含まれる導電物質の割合を変えることによって、実現された。材料に含まれる導電物質の割合(例えば、重量パーセント)が高いほど、第1導電物質割合R1が高くなった。具体的には、第1導電物質割合R1は、1番、2番、3番の順に、26%、29%、26%であった。1番と3番との間では、第1導電物質割合R1は同じであった。リード部222の第2導電物質割合R2は、3種類のサンプルの間で同じ42%であった。このように、発熱部223の第1導電物質割合R1は、リード部222の第2導電物質割合R2よりも低い(なお、第1リード部221の導電物質割合は、第2リード部222の第2導電物質割合R2とおおよそ同じである)。従って、発熱部223の電気抵抗値は、リード部221、222の電気抵抗値よりも大きい。この結果、通電時には、発熱部223の温度をより高くすることができる。 The change of the first conductive substance ratio R1 was realized by changing the ratio of the conductive substance contained in the material of the heat generating portion 223. The higher the ratio of the conductive material contained in the material (for example, the weight percentage), the higher the ratio of the first conductive material R1. Specifically, the first conductive substance ratio R1 was 26%, 29%, and 26% in the order of Nos. 1, 2, and 3. The first conductive substance ratio R1 was the same between No. 1 and No. 3. The second conductive substance ratio R2 of the lead portion 222 was the same 42% among the three types of samples. As described above, the ratio of the first conductive substance R1 of the heat generating portion 223 is lower than the ratio of the second conductive substance R2 of the lead portion 222 (note that the proportion of the conductive substance of the first lead portion 221 is the second of the second lead portion 222. 2 Conductive substance ratio is approximately the same as R2). Therefore, the electric resistance value of the heat generating portion 223 is larger than the electric resistance value of the lead portions 221 and 222. As a result, the temperature of the heat generating portion 223 can be raised even when the power is turned on.
図4に示すように、靱性値は、1番、2番、3番の順に、4.7、5.1、6.6であった(単位は、MPa・m0.5)。このように、靱性値は、比率L1/L2が高いほど、良好であった。特に、発熱部223の第1平均長軸長L1がリード部222の第2平均長軸長L2よりも小さい1番の靱性値は、5未満であったが、発熱部223の第1平均長軸長L1がリード部222の第2平均長軸長L2よりも大きい2番、3番のそれぞれの靱性値は、5を超えた。このように、発熱部223の第1平均長軸長L1が、リード部222の第2平均長軸長L2よりも長い場合に靱性値が向上する理由は、発熱部223とリード部221、222との接合面241、242の付近において、外径が長い窒化ケイ素の粒子を多く存在させることができ、その結果、接合面の付近に亀裂が発生したとしても、亀裂の進行を抑制するからだと推定される。 As shown in FIG. 4, the toughness values were 4.7, 5.1, and 6.6 in the order of Nos. 1, 2, and 3 (unit: MPa · m 0.5 ). As described above, the higher the ratio L1 / L2, the better the toughness value. In particular, the first toughness value at which the first average major axis length L1 of the heat generating portion 223 is smaller than the second average major axis length L2 of the lead portion 222 was less than 5, but the first average length of the heat generating portion 223 was less than 5. The toughness values of Nos. 2 and 3 in which the shaft length L1 is larger than the second average major shaft length L2 of the lead portion 222 exceeded 5. As described above, the reason why the toughness value is improved when the first average major axis length L1 of the heat generating portion 223 is longer than the second average major axis length L2 of the lead portion 222 is that the heat generating portion 223 and the lead portions 221, 222. This is because a large number of silicon nitride particles having a long outer diameter can be present in the vicinity of the joint surfaces 241 and 242 with the joint surface, and as a result, even if cracks occur in the vicinity of the joint surface, the progress of the cracks is suppressed. Presumed.
また、第1平均長軸長L1が第2平均長軸長L2とおおよそ同じである2番の靱性値(ここでは、5.1)と比べて、第1平均長軸長L1が更に長い3番の靱性値は、6.6と、大幅に向上した。このように、第1平均長軸長L1がより長いほど、靱性値をより向上できる。 Further, the first average major axis length L1 is longer than the second toughness value (5.1 in this case) in which the first average major axis length L1 is approximately the same as the second average major axis length L2. The toughness value of No. was 6.6, which was significantly improved. As described above, the longer the first average major axis length L1, the more the toughness value can be improved.
曲げ強度は、1番、3番の順に、1027、1084であった(単位は、MPa。2番のサンプルについては、曲げ強度は測定されなかった)。このように、曲げ強度は、比率L1/L2が高いほど、良好であった。特に、発熱部223の第1平均長軸長L1がリード部222の第2平均長軸長L2よりも小さい1番の靱性値は、1030MPa未満であったが、発熱部223の第1平均長軸長L1がリード部222の第2平均長軸長L2よりも大きい3番の靱性値は、1080MPaを超えた。このように、発熱部223の第1平均長軸長L1がリード部222の第2平均長軸長L2よりも長い場合に曲げ強度が向上する理由は、発熱部223とリード部221、222との接合面241、242の付近において、外径が長い窒化ケイ素の粒子を多く存在させることができ、その結果、接合面の付近に亀裂が発生したとしても、窒化ケイ素の長い粒子が、亀裂の進行を抑制する、ひいては、接合面241、242での強度の低下を抑制するからだと推定される。 The bending strength was 1027 and 1084 in the order of No. 1 and No. 3 (unit: MPa. No bending strength was measured for the sample No. 2). As described above, the higher the ratio L1 / L2, the better the bending strength. In particular, the first toughness value at which the first average major axis length L1 of the heat generating portion 223 is smaller than the second average major axis length L2 of the lead portion 222 was less than 1030 MPa, but the first average length of the heat generating portion 223 was less than 1030 MPa. The toughness value of No. 3 having a shaft length L1 larger than the second average length shaft length L2 of the lead portion 222 exceeded 1080 MPa. As described above, the reason why the bending strength is improved when the first average major axis length L1 of the heat generating portion 223 is longer than the second average major axis length L2 of the lead portion 222 is that the heat generating portion 223 and the lead portions 221 and 222 A large number of silicon nitride particles having a long outer diameter can be present in the vicinity of the joint surfaces 241, 242 of the above, and as a result, even if cracks occur in the vicinity of the joint surface, the long silicon nitride particles will be cracked. It is presumed that this is because the progress is suppressed, and thus the decrease in strength at the joint surfaces 241 and 242 is suppressed.
なお、リード部221、222と、発熱部223とは、それぞれ、窒化ケイ素に加えて、導電物質を含んでいる。焼成時の窒化ケイ素の粒子の成長は、窒化ケイ素の粒子の周りに存在する導電物質によって抑制される。導電物質の含有率が高いほど、窒化ケイ素の粒子は成長しにくい。また、通電時に発熱部223の温度をより高くするために、リード部221、222での第2導電物質割合R2(すなわち、導電物質の含有率)は、発熱部223での第1導電物質割合R1(すなわち、導電物質の含有率)よりも、高い。従って、焼成時に、リード部221、222では、発熱部223と比べて、窒化ケイ素の粒子は成長しにくい。このような条件下において、発熱部223とリード部221、222との間で、窒化ケイ素の粒子の長軸長Lのバランスが不均等になることを許容し、窒化ケイ素の粒子が比較的成長しやすい発熱部223での第1平均長軸長L1を、リード部222での第2平均長軸長L2よりも長くすることによって、靱性値と曲げ強度とを向上できた。 The lead portions 221 and 222 and the heat generating portion 223 each contain a conductive substance in addition to silicon nitride. The growth of silicon nitride particles during firing is suppressed by the conductive material present around the silicon nitride particles. The higher the content of the conductive substance, the more difficult it is for the silicon nitride particles to grow. Further, in order to raise the temperature of the heat generating portion 223 when energized, the ratio of the second conductive substance R2 (that is, the content of the conductive substance) in the lead portions 221 and 222 is the ratio of the first conductive substance in the heat generating portion 223. It is higher than R1 (that is, the content of the conductive substance). Therefore, at the time of firing, the silicon nitride particles are less likely to grow in the lead portions 221 and 222 as compared with the heat generating portion 223. Under such conditions, the balance of the major axis length L of the silicon nitride particles is allowed to be uneven between the heat generating portion 223 and the lead portions 221, 222, and the silicon nitride particles grow relatively. By making the first average major axis length L1 in the easily generating portion 223 longer than the second average major axis length L2 in the lead portion 222, the toughness value and the bending strength could be improved.
さらに、図2で説明したように、リード部221、222と発熱部223との接合面241、242は、軸線方向に対して斜めに傾斜している傾斜部分241x、242xを含んでいる。従って、接合面241、242が軸線CLに垂直である場合と比べて、接合面241、242の面積を増大できる。この結果、仮に図2の亀裂CR1、CR2のような亀裂が接合面(接合面241、または、接合面242)に生じる場合であっても、外径が長い窒化ケイ素の粒子が接合面の付近により多く存在することができ、接合面の全面積に対する亀裂の面積の割合を小さくできるので、接合面での強度の低下を抑制できる。 Further, as described with reference to FIG. 2, the joint surfaces 241 and 242 of the lead portions 221 and 222 and the heat generating portion 223 include inclined portions 241x and 242x that are inclined obliquely with respect to the axial direction. Therefore, the area of the joint surfaces 241 and 242 can be increased as compared with the case where the joint surfaces 241 and 242 are perpendicular to the axis CL. As a result, even if cracks such as the cracks CR1 and CR2 in FIG. 2 occur on the joint surface (joint surface 241 or joint surface 242), silicon nitride particles having a long outer diameter are present near the joint surface. Since the ratio of the crack area to the total area of the joint surface can be reduced, the decrease in strength at the joint surface can be suppressed.
B.変形例:
(1)発熱抵抗体220の構成としては、上記の構成に代えて、他の種々の構成を採用可能である。例えば、リード部221、222と発熱部223とに含まれる導電物質としては、炭化タングステンに限らず、種々の導電物質を採用可能である。例えば、タングステンを採用してもよく、タングステンを含む化合物(例えば、タングステンの炭化物、タングステンの珪化物、タングステンの窒化物など)を採用してもよい。また、モリブデンを採用してもよく、モリブデンを含む化合物(例えば、モリブデンの炭化物、モリブデンの珪化物、モリブデンの窒化物など)を採用してもよい。一般的には、導電物質としては、タングステンとモリブデンとのうちの少なくとも1種の金属成分を含む種々の物質を採用可能である。例えば、タングステン、タングステンを含む上記の3種の化合物、モリブデン、モリブデンを含む上記の3種の化合物、のうちの少なくとも1つを採用してよい。なお、発熱部223に含まれる導電物質(第1導電物質と呼ぶ)は、第1リード部221に含まれる導電物質(第2導電物質と呼ぶ)と異なっていてもよく、第2導電物質と同じであってもよい。発熱部223に含まれる第1導電物質は、第2リード部222に含まれる導電物質(第3導電物質と呼ぶ)と異なっていてもよく、第3導電物質と同じであってもよい。第1リード部221に含まれる第2導電物質は、第2リード部222に含まれる第3導電物質と異なっていてもよく、第3導電物質と同じであってもよい。
B. Modification example:
(1) As the configuration of the heat generating resistor 220, various other configurations can be adopted instead of the above configuration. For example, the conductive substance contained in the lead portions 221 and 222 and the heat generating portion 223 is not limited to tungsten carbide, and various conductive substances can be adopted. For example, tungsten may be adopted, or a compound containing tungsten (for example, a carbide of tungsten, a silicified product of tungsten, a nitride of tungsten, etc.) may be adopted. Further, molybdenum may be adopted, or a compound containing molybdenum (for example, a carbide of molybdenum, a silicified product of molybdenum, a nitride of molybdenum, etc.) may be adopted. In general, as the conductive substance, various substances containing at least one metal component of tungsten and molybdenum can be adopted. For example, at least one of the above three compounds containing tungsten and tungsten and the above three compounds containing molybdenum and molybdenum may be adopted. The conductive substance (referred to as the first conductive substance) contained in the heat generating portion 223 may be different from the conductive substance (referred to as the second conductive substance) contained in the first lead portion 221 and is referred to as the second conductive substance. It may be the same. The first conductive substance contained in the heat generating portion 223 may be different from the conductive substance (referred to as the third conductive substance) contained in the second lead portion 222, or may be the same as the third conductive substance. The second conductive substance contained in the first lead portion 221 may be different from the third conductive substance contained in the second lead portion 222, or may be the same as the third conductive substance.
なお、発熱部223の材料は、窒化ケイ素と導電物質とに加えて、種々の物質を含み得る。発熱部223の材料は、例えば、希土類元素の酸化物などの焼結助剤を含み得る。また、リード部221、221の材料も、同様に、窒化ケイ素と導電物質とに加えて、焼結助剤などの、種々の物質を含み得る。基体210の材料も、同様に、窒化ケイ素に加えて、焼結助剤などの、種々の物質を含み得る。 The material of the heat generating portion 223 may contain various substances in addition to the silicon nitride and the conductive substance. The material of the heat generating portion 223 may include, for example, a sintering aid such as an oxide of a rare earth element. Similarly, the materials of the lead portions 221 and 221 may also contain various substances such as a sintering aid in addition to the silicon nitride and the conductive substance. Similarly, the material of the substrate 210 may contain various substances such as a sintering aid in addition to silicon nitride.
(2)第1平均長軸長L1と第1導電物質割合R1との算出に用いられる第1対象領域A1としては、発熱部223の断面上の種々の位置の15μm×15μmの正方形の領域を採用可能である。同様に、第2平均長軸長L2と第2導電物質割合R2との算出に用いられる第2対象領域A2としては、リード部221、222の断面上の種々の位置の15μm×15μmの正方形の領域を採用可能である。例えば、断面は、軸線CLに対して斜めに傾斜していてもよい。 (2) As the first target region A1 used for calculating the first average major axis length L1 and the first conductive substance ratio R1, 15 μm × 15 μm square regions at various positions on the cross section of the heat generating portion 223 are defined. It can be adopted. Similarly, the second target region A2 used for calculating the second average major axis length L2 and the second conductive substance ratio R2 is a 15 μm × 15 μm square at various positions on the cross sections of the lead portions 221 and 222. Areas can be adopted. For example, the cross section may be inclined obliquely with respect to the axis CL.
一般的には、第1対象領域A1は、発熱部223のうちの接合面241、242を形成する部分とおおよそ同じ構造の部分に配置されることが好ましい。上記の実施形態のように、発熱部223の全体が同じ材料で形成される場合には、発熱部223の全体に亘って構造がおおよそ同じと推定されるので、第1対象領域A1としては、発熱部223の種々の部分の領域を採用可能である。 In general, it is preferable that the first target region A1 is arranged in a portion of the heat generating portion 223 having substantially the same structure as the portion forming the joint surfaces 241 and 242. When the entire heat generating portion 223 is formed of the same material as in the above embodiment, it is estimated that the structure is substantially the same over the entire heat generating portion 223. Therefore, as the first target region A1, Regions of various parts of the heat generating portion 223 can be adopted.
また、第2対象領域A2は、リード部221、222のうちの接合面241、242を形成する部分とおおよそ同じ構造の部分に配置されることが好ましい。上記の実施形態のように、第1リード部221の全体が同じ材料で形成される場合には、第2対象領域A2としては、第1リード部221の種々の部分の領域を採用可能である。また、上記の実施形態のように、第2リード部222の全体が同じ材料で形成される場合には、第2対象領域A2としては、第2リード部222の種々の部分の領域を採用可能である。 Further, it is preferable that the second target region A2 is arranged in a portion of the lead portions 221 and 222 having substantially the same structure as the portion forming the joint surfaces 241 and 242. When the entire first lead portion 221 is made of the same material as in the above embodiment, regions of various portions of the first lead portion 221 can be adopted as the second target region A2. .. Further, as in the above embodiment, when the entire second lead portion 222 is formed of the same material, regions of various portions of the second lead portion 222 can be adopted as the second target region A2. Is.
発熱部223の断面上の少なくとも1つの第1対象領域A1から算出された第1平均長軸長L1と第1導電物質割合R1と、第1リード部221の断面上の少なくとも1つの第2対象領域A2から算出された第2平均長軸長L2と第2導電物質割合R2とが、「L1>L2」という条件と「R1<R2」という条件とを満たしている場合には、発熱部223と第1リード部221との組み合わせは、2つの条件を満たしているということができる。発熱部223と第2リード部222との組み合わせについても、同様である。ここで、第1リード部221と第2リード部222との間で、第2平均長軸長L2が異なっていてもよい。また、第1リード部221と第2リード部222との間で、第2導電物質割合R2が異なっていてもよい。いずれの場合も、発熱部223の後端側に接続された2つのリード部221、222のうちの少なくとも1つと、発熱部223とが、「L1>L2」という条件と「R1<R2」という条件とを満たしていることが好ましい。 The first average major axis length L1 and the first conductive substance ratio R1 calculated from at least one first target region A1 on the cross section of the heat generating portion 223, and at least one second target on the cross section of the first lead portion 221. When the second average major axis length L2 and the second conductive substance ratio R2 calculated from the region A2 satisfy the conditions of "L1> L2" and "R1 <R2", the heat generating portion 223 It can be said that the combination of the first lead portion 221 and the first lead portion 221 satisfies two conditions. The same applies to the combination of the heat generating portion 223 and the second lead portion 222. Here, the second average major axis length L2 may be different between the first lead portion 221 and the second lead portion 222. Further, the second conductive substance ratio R2 may be different between the first lead portion 221 and the second lead portion 222. In either case, at least one of the two lead portions 221 and 222 connected to the rear end side of the heat generating portion 223 and the heat generating portion 223 are referred to as "L1> L2" and "R1 <R2". It is preferable that the conditions are satisfied.
なお、第1平均長軸長L1と第2平均長軸長L2と第1導電物質割合R1と第2導電物質割合R2とは、それぞれ、図4のサンプルの値に代えて、他の種々の値であってよい。一般的には、発熱部223の温度をより高くするためには、発熱部223の導電物質割合R1が、2つのリード部221、222のそれぞれの導電物質割合R2のいずれよりも小さいことが好ましい。さらに、ヒータ素子40の強度を向上するためには、発熱部223の第1平均長軸長L1が、2つのリード部221、222のそれぞれの第2平均長軸長L2のいずれよりも大きいことが好ましい。 The first average major axis length L1, the second average major axis length L2, the first conductive substance ratio R1 and the second conductive substance ratio R2 are various other values, respectively, instead of the values of the sample of FIG. It can be a value. Generally, in order to raise the temperature of the heat generating portion 223, it is preferable that the conductive substance ratio R1 of the heat generating portion 223 is smaller than any of the conductive substance ratios R2 of the two lead portions 221 and 222. .. Further, in order to improve the strength of the heater element 40, the first average major axis length L1 of the heat generating portion 223 must be larger than any of the second average major axis lengths L2 of the two lead portions 221 and 222, respectively. Is preferable.
(3)発熱部223の第1平均長軸長L1を大きくする方法としては、発熱部223の材料に含まれる窒化ケイ素の粒子の粒径を大きくする方法に代えて、他の種々の方法を採用可能である。ヒータ素子40の焼成時には、焼成温度が高い場合に、窒化ケイ素の粒子が成長しやすい。また、リード部221、222の導電物質の含有率は、発熱部223の導電物質の含有率よりも高いので、リード部221、222では、発熱部223と比べて、焼成時に、窒化ケイ素の粒子が成長しにくい。従って、焼成温度を高くすることによって、リード部221、222よりも発熱部223での窒化ケイ素の粒子の成長を促進できる、すなわち、第1平均長軸長L1が第2平均長軸長L2よりも大きくなり得る。なお、焼成温度が過剰に高くなると、窒化ケイ素の粒子が分解して小さくなる。適切な焼成温度は、発熱部223とリード部221、222とのそれぞれの材料に応じて異なる。焼成温度は、実験的に決定されることが好ましい。 (3) As a method for increasing the first average major axis length L1 of the heat generating portion 223, various other methods are used instead of the method for increasing the particle size of the silicon nitride particles contained in the material of the heat generating portion 223. It can be adopted. When firing the heater element 40, silicon nitride particles tend to grow when the firing temperature is high. Further, since the content of the conductive substance in the lead portions 221 and 222 is higher than the content of the conductive substance in the heat generating portion 223, the silicon nitride particles in the lead portions 221 and 222 are higher than those in the heat generating portion 223 at the time of firing. Is hard to grow. Therefore, by raising the firing temperature, the growth of silicon nitride particles in the heat generating portion 223 can be promoted more than in the lead portions 221, 222, that is, the first average major axis length L1 is higher than the second average major axis length L2. Can also grow. If the firing temperature becomes excessively high, the silicon nitride particles are decomposed and become smaller. The appropriate firing temperature differs depending on the respective materials of the heat generating portion 223 and the lead portions 221 and 222. The firing temperature is preferably determined experimentally.
(4)発熱部223とリード部221、222との接合面241、242の構成としては、図2で説明した構成に代えて、他の種々の構成を採用可能である。例えば、傾斜部分241x、242xを内周側から外周側へ辿る場合に、傾斜部分241x、242xは、後端側(後端方向D1r側)に向かって傾斜する代わりに、先端側(先端方向D1側)に向かって傾斜してもよい。また、傾斜部分241x、242xは、先端側に向かって傾斜する部分と後端側に向かって傾斜する部分との両方を含んでもよい。また、2つの接合面241、242の間で、形状が異なっていてもよい。また、2つの接合面241、242のうちの少なくとも一方から、傾斜部分241x、242xが省略されてもよい。一般的には、2つの接合面241、242のうちの少なくとも一方が、軸線CLに対して斜めに傾斜している部分を含むことが好ましい。 (4) As the configuration of the joint surfaces 241 and 242 of the heat generating portion 223 and the lead portions 221 and 222, various other configurations can be adopted instead of the configuration described with reference to FIG. For example, when the inclined portions 241x and 242x are traced from the inner peripheral side to the outer peripheral side, the inclined portions 241x and 242x are not inclined toward the rear end side (rear end direction D1r side), but are inclined toward the front end side (tip direction D1). It may be tilted toward the side). Further, the inclined portions 241x and 242x may include both a portion inclined toward the front end side and a portion inclined toward the rear end side. Further, the shapes may be different between the two joint surfaces 241 and 242. Further, the inclined portions 241x and 242x may be omitted from at least one of the two joint surfaces 241 and 242. In general, it is preferable that at least one of the two joint surfaces 241 and 242 includes a portion inclined at an angle with respect to the axis CL.
(5)ヒータ素子の構成は、図1、図2等で説明した構成に代えて、他の種々の構成であってよい。例えば、ヒータ素子には、第2リード部222に接続された端子が固定されてもよい。端子は、例えば、ヒータ素子40の後端方向D1r側の端面に固定されてよい。そして、その端子と、中軸30とが、ワイヤで接続されてもよい。この場合、第2電極取出部282は省略される。 (5) The configuration of the heater element may be various other configurations instead of the configurations described in FIGS. 1, 2, and the like. For example, a terminal connected to the second lead portion 222 may be fixed to the heater element. The terminal may be fixed to, for example, the end face on the D1r side in the rear end direction of the heater element 40. Then, the terminal and the center pole 30 may be connected by a wire. In this case, the second electrode take-out portion 282 is omitted.
(6)グロープラグの構成は、図1で説明した構成に代えて、他の種々の構成であってよい。例えば、中軸30の後端部39の外周面には、雄ねじが形成され、端子部材80には、雌ねじが形成され、端子部材80を中軸30の後端部39にねじ込むことによって、中軸30に端子部材80が固定されてもよい。ここで、端子部材80としては、キャップ状の部材に代えて、ナットを採用してもよい。また、ヒータ素子40を主体金具20に固定する方法としては、ヒータ素子40を保持する外筒70を主体金具20に固定する方法に代えて、他の任意の方法を採用可能である。例えば、ヒータ素子40の後端部49が、直接的に、主体金具20の貫通孔20x内に圧入されてもよい。いずれの場合も、筒状の主体金具20は、ヒータ素子40の後端部49を収容することが好ましい。この構成によれば、主体金具20がヒータ素子40を保持する構成を、容易に実現できる。また、発熱部223は、ヒータ素子40のうちの主体金具20の貫通孔20xの外に配置された部分に設けられていることが好ましい。この構成によれば、ヒータ素子40は、適切に、過熱対象(例えば、燃焼室内のガス)を、過熱できる。 (6) The configuration of the glow plug may be various other configurations instead of the configuration described with reference to FIG. For example, a male screw is formed on the outer peripheral surface of the rear end portion 39 of the center pole 30, a female screw is formed on the terminal member 80, and the terminal member 80 is screwed into the rear end portion 39 of the center pole 30 to form the center pole 30. The terminal member 80 may be fixed. Here, as the terminal member 80, a nut may be used instead of the cap-shaped member. Further, as a method of fixing the heater element 40 to the main metal fitting 20, any other method can be adopted instead of the method of fixing the outer cylinder 70 holding the heater element 40 to the main metal fitting 20. For example, the rear end 49 of the heater element 40 may be press-fitted directly into the through hole 20x of the main metal fitting 20. In either case, the tubular main metal fitting 20 preferably accommodates the rear end 49 of the heater element 40. According to this configuration, a configuration in which the main metal fitting 20 holds the heater element 40 can be easily realized. Further, it is preferable that the heat generating portion 223 is provided in a portion of the heater element 40 arranged outside the through hole 20x of the main metal fitting 20. According to this configuration, the heater element 40 can appropriately superheat an object to be overheated (for example, a gas in a combustion chamber).
(7)上述したヒータは、内燃機関の始動補助のために利用されるグロープラグに限らず、種々のグロープラグに適用可能である。例えば、排気ガスを昇温するための排気ガスヒータ装置や、触媒やディーゼル粒子フィルタ(DPF: Diesel Particulate Filter)を再活性化するためのバーナーシステムや、冷却水を昇温するためのウォータヒータ装置等の種々の装置に利用されるグロープラグに、上記実施形態のヒータを適用可能である。 (7) The above-mentioned heater is applicable not only to glow plugs used for assisting the start of an internal combustion engine, but also to various glow plugs. For example, an exhaust gas heater device for raising the temperature of exhaust gas, a burner system for activating a catalyst or a diesel particle filter (DPF), a water heater device for raising the temperature of cooling water, etc. The heater of the above embodiment can be applied to the glow plug used in various devices of the above.
以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。 Although the present invention has been described above based on the embodiments and modifications, the above-described embodiments of the invention are for facilitating the understanding of the present invention and do not limit the present invention. The present invention can be modified and improved without departing from the spirit and claims, and the present invention includes equivalents thereof.
10...グロープラグ、20...主体金具、20x...貫通孔、22...雄ネジ部、28...工具係合部、30...中軸、31...先端部、39...後端部、40...セラミックヒータ素子(ヒータ素子)、41...先端部、49...後端部、50...Oリング、60...絶縁部材、62...筒状部、68...フランジ部、70...金属外筒(外筒)、70x...貫通孔、80...端子部材、90...接続部材、210...基体(支持体)、220...発熱抵抗体(抵抗体)、221...第1リード部、222...第2リード部、223...発熱部、241...第1接合面、242...第2接合面、241x、242x...傾斜部分、281...第1電極取出部、282...第2電極取出部、490...ヒータモジュール、G...粒子、L...長軸長、C...亀裂長、k...圧痕長、T...距離、R1...第1導電物質割合、R2...第2導電物質割合、L1...第1平均長軸長、L2...第2平均長軸長、A1...第1対象領域、A2...第2対象領域、C1...第1角、C2...第2角、S1...第1支持具、S2...第2支持具、S3...第3支持具、P1...第1位置、P2...第2位置、P3...第3位置、D1...第1方向(先端方向)、D1r...後端方向、D2...第2方向、D3...第3方向、VI...圧痕、CL...中心軸(軸線)、IM...断面画像、CR1...第1亀裂、CR2...第2亀裂、OPa...開口、OPb...開口 10 ... Glow plug, 20 ... Main bracket, 20x ... Through hole, 22 ... Male screw part, 28 ... Tool engagement part, 30 ... Central shaft, 31 ... Tip part , 39 ... rear end, 40 ... ceramic heater element (heater element), 41 ... front end, 49 ... rear end, 50 ... O ring, 60 ... insulating member, 62 ... Cylindrical part, 68 ... Flange part, 70 ... Metal outer cylinder (outer cylinder), 70x ... Through hole, 80 ... Terminal member, 90 ... Connection member, 210. .. Base (support), 220 ... Heat-generating resistor (resistor), 221 ... 1st lead part, 222 ... 2nd lead part, 223 ... Heat-generating part, 241 ... 1 Joint surface, 242 ... 2nd joint surface, 241x, 242x ... Inclined part, 281 ... 1st electrode extraction part, 282 ... 2nd electrode extraction part, 490 ... Heater module, G ... particles, L ... major axis length, C ... crack length, k ... indentation length, T ... distance, R1 ... first conductive material ratio, R2 ... second conductive Material ratio, L1 ... 1st average major axis length, L2 ... 2nd average major axis length, A1 ... 1st target area, A2 ... 2nd target area, C1 ... 1st angle , C2 ... 2nd corner, S1 ... 1st support, S2 ... 2nd support, S3 ... 3rd support, P1 ... 1st position, P2 ... 2nd Position, P3 ... 3rd position, D1 ... 1st direction (tip direction), D1r ... rear end direction, D2 ... 2nd direction, D3 ... 3rd direction, VI ... Indentation, CL ... central axis (axis), IM ... cross-sectional image, CR1 ... 1st crack, CR2 ... 2nd crack, OPa ... opening, OPb ... opening
Claims (3)
前記発熱部は、窒化ケイ素と第1導電物質とを含み、
前記リード部は、窒化ケイ素と第2導電物質とを含み、
前記発熱部の断面上において15μm×15μmの正方形の第1対象領域に少なくとも一部が含まれる前記窒化ケイ素の粒子の最大外径の平均値は、前記リード部の断面上において15μm×15μmの正方形の第2対象領域に少なくとも一部が含まれる前記窒化ケイ素の粒子の最大外径の平均値よりも大きく、
前記発熱部の前記第1対象領域における前記第1導電物質の割合は、前記リード部の前記第2対象領域における前記第2導電物質の割合よりも、小さい、
セラミックヒータ素子。 A ceramic heater element comprising a heat-generating resistor including a heat-generating portion and a lead portion connected to the heat-generating portion, and a support made of ceramic in which the heat-generating resistor is embedded.
The heat generating portion contains silicon nitride and a first conductive substance.
The lead portion contains silicon nitride and a second conductive substance.
The average value of the maximum outer diameters of the silicon nitride particles including at least a part in the first target region of the 15 μm × 15 μm square on the cross section of the heat generating portion is a 15 μm × 15 μm square on the cross section of the lead portion. Larger than the average value of the maximum outer diameters of the silicon nitride particles containing at least a part in the second target region of
The proportion of the first conductive substance in the first target region of the heat generating portion is smaller than the proportion of the second conductive substance in the second target region of the lead portion.
Ceramic heater element.
前記セラミックヒータ素子の形状は、軸線の方向に延びる棒状であり、
前記発熱部は、前記軸線の方向の先端側に配置されるとともに、前記リード部は、前記軸線の方向に沿って延びており、
前記発熱部と前記リード部とは、前記軸線の方向に垂直な方向に重なって接続されており、
前記リード部と前記発熱部との接合面は、前記軸線の方向に対して斜めに傾斜している部分を含む、
セラミックヒータ素子。 The ceramic heater element according to claim 1.
The shape of the ceramic heater element is a rod shape extending in the direction of the axis.
The heat generating portion is arranged on the tip side in the direction of the axis, and the lead portion extends along the direction of the axis.
The heat generating portion and the lead portion are connected so as to overlap in a direction perpendicular to the direction of the axis.
The joint surface between the lead portion and the heat generating portion includes a portion that is inclined obliquely with respect to the direction of the axis.
Ceramic heater element.
前記セラミックヒータ素子の後端部を収容する筒状の主体金具と、
を有するセラミックグロープラグ。 The ceramic heater element according to claim 1 or 2,
A tubular main metal fitting that accommodates the rear end of the ceramic heater element,
Ceramic glow plug with.
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