JP2016031823A

JP2016031823A - ヒータ

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Publication number: JP2016031823A
Application number: JP2014153416A
Authority: JP
Inventors: 泰広中井; Yasuhiro Nakai
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2016-03-07
Anticipated expiration: 2034-07-29
Also published as: JP6313155B2

Abstract

【課題】金属筒に接触している被加熱物に電流が流れることを防止する。【解決手段】本発明のヒータ１０は、棒状または筒状のセラミック体１と、セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック体１の表面に設けられて発熱抵抗体２に接続された、第１電極３および第２電極４と、セラミック体１の少なくとも発熱抵抗体２が設けられた部分が挿入された金属筒５と、セラミック体１の少なくとも発熱抵抗体２が設けられた部分の外周面および金属筒５の内周面の間に設けられた金属層６とを備えており、第１電極３自体が金属層６から絶縁されているとともに、第２電極自体４が金属層６に電気的に接続されている。これにより、セラミック体１の表面に電流がリークしたとしても、この電流を金属層６を介して第２電極４へ流すことができる。【選択図】図１

Description

本発明は、液体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータおよび酸素センサ用ヒータ等に用いられるヒータに関するものである。

液体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータおよび酸素センサ用ヒータ等に用いられるヒータとして、例えば特許文献１に開示されたヒータ装置が知られている。特許文献１に開示されたヒータ装置は、金属製ケースと、金属製ケースに挿入されたセラミックヒータと、金属製ケースの内面とセラミックヒータの表面との間に鋳込みによって形成された金属層とを備えている。

特開平９−２２７７４号公報

特許文献１に開示されたヒータ装置を用いる際に、想定された電流よりも大きな電流を流すと、セラミックヒータに埋設された発熱体を流れる電流がセラミックヒータの表面へリークしてしまうおそれがあった。このようなリークが発生してしまうと、金属層を通じて金属製ケースに電流が流れてしまう。このため、金属ケースに接触している被加熱物に電流が流れてしまうおそれがあった。その結果、被加熱物を介して漏電したり、被加熱物が発火しやすい物質から成る場合には被加熱物が発火したりするという問題があった。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒータにおいて被加熱物に電流が流れてしまうおそれを低減することにある。

本発明の一態様のヒータは、棒状または筒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の表面に設けられて前記発熱抵抗体に接続された、第１電極および第２電極と、前記セラミック体の少なくとも前記発熱抵抗体が設けられた部分が挿入された金属筒と、前記セラミック体の少なくとも前記発熱抵抗体が設けられた部分の外周面および前記金属筒の内周面の間に設けられた金属層とを備えており、前記第１電極自体が前記金属層から絶縁されているとともに、前記第２電極自体が前記金属層に電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明の一態様のヒータによれば、第２電極自体が金属層に電気的に接続されているので、セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体を流れる電流がセラミック体の表面にリークしたとしても、この電流を金属層を介して第２電極へ流すことができる。したがって、金属筒に接触している被加熱物に電流が流れることを防止できる。これにより、被加熱物を介して漏電したり、被加熱物が発火したりすることを防止できる。

本発明のヒータの一実施形態を示す概略断面図である。本発明のヒータの変形例を示す概略断面図である。

本発明の一実施形態のヒータ１０について詳細に説明する。

図１は、本発明のヒータ１０の実施形態の一例を示す断面図である。図１に示すように、このヒータ１０は、棒状または筒状のセラミック体１と、セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック体１の表面に設けられて発熱抵抗体２に接続された、第１電極３および第２電極４と、セラミック体１の少なくとも発熱抵抗体２が設けられた部分が挿入された金属筒５と、セラミック体１の少なくとも発熱抵抗体２が設けられた部分の外周面および金属筒５の内周面の間に設けられた金属層６とを備えている。

セラミック体１は、発熱抵抗体２を保護するために設けられる部材である。セラミック体１の形状は、棒状または筒状である。棒状としては、例えば円柱状または角柱状等が挙げられる。なお、ここでいう棒状とは、例えば特定の方向に長く伸びた板状も含んでいる。筒状としては、例えば円筒状または角筒状が挙げられる。図１に示すヒータ１０においては、セラミック体１は円柱状である。

セラミック体１は、絶縁性のセラミック材料から成る。絶縁性のセラミック材料としては、例えばアルミナ、窒化珪素または窒化アルミニウムが挙げられる。熱伝導率に優れるという観点からは窒化アルミニウムを用いることが好ましい。特に、窒化アルミニウムを用いる場合には、セラミック体１の熱伝導率を、１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高くできるので、セラミック体１の内部に形成した発熱抵抗体２で発生した熱を金属層６に効率良く伝えることができる。したがって、ヒータ１０の急速昇温が可能となる。また、製造のしやすさの観点からはアルミナを用いることが好ましい。セラミック体１が円柱状の場合には、セラミック体１の寸法は、例えば長さを１００ｍｍに、外径を２０ｍｍに設定することができる。また、セラミック体１が板状の場合には、セラミック体１の寸法は、例えば長さを８０ｍｍに、幅を５０ｍｍに、厚みを２ｍｍに設定することができる。セラミック体１が円筒状の場合には、セラミック体１の寸法は、例えば長さを１００ｍｍに、外径を２０ｍｍに、内径を１４ｍｍに設定することができる。

発熱抵抗体２は、発熱するための抵抗体であって、電流が流れることによって発熱する。発熱抵抗体２はセラミック体１の内部に設けられている。すなわち、発熱抵抗体２はセラミック体１に埋設されている。本実施形態のヒータ１０における発熱抵抗体２は折返し形状を有している。発熱抵抗体２の両端部は引出電極２１に接続されている。引出電極２１は、セラミック体１の一方の端部へと引き出されており、端部においてセラミック体１の外周面に引き出されている。本実施形態においては、引出電極２１はセラミック体１のうち金属筒５よりも外側に位置している部分に引き出されている。

本実施形態においては、発熱抵抗体２の折り返し部がセラミック体１の他方の端部に設けられている。すなわち、引出電極２１は、セラミック体１のうち発熱抵抗体２の折り返し部とは反対側の領域に設けられている。発熱抵抗体２の両端部は、引出電極２１を介して、セラミック体１１の外周面に設けられた第１電極３および第２電極４に電気的に接続されている。

発熱抵抗体２は金属材料から成る。金属材料としては、例えばタングステン、モリブデンまたはレニウム等が挙げられる。発熱抵抗体２の寸法は、例えば幅を１ｍｍに、全長を３０００ｍｍに、厚みを０．０２ｍｍに設定することができる。引出電極２１は、発熱抵抗体２と同じ金属材料を用いて、発熱抵抗体２と同時に形成することができる。また、引出電極２１は、発熱抵抗体２とは別体として形成することもできる。

第１電極３および第２電極４はセラミック体１の表面に形成されている。本実施形態に
おいては、第１電極３および第２電極４はセラミック体１のうち金属筒５よりも外側に位置している部分に形成されている。第１電極３および第２電極４は、セラミック体１が円柱状や角柱状の形状の場合にはその外周面に形成される。一方、セラミック体１が円筒状や角筒状の形状の場合には、その内周面にも形成することができる。第１電極３および第２電極４は金属材料からなる。金属材料としては、例えばタングステン、モリブデンまたはレニウム等が挙げられる。また、第１電極３それ自体は、第１電極３と発熱抵抗体２２との間において金属層６から絶縁されている。より具体的には、第１電極３は金属層６から隙間を介して配置されている。一方、第２電極４それ自体は、金属層６に電気的に接続されている。より具体的には、第２電極４の一部は金属筒５の内側にまで形成されており、そのさらに一部が金属層６に覆われている。これにより、第２電極４自体が金属層６に電気的に接続されている。なお、図１においては、第２電極４と金属層６とが互いに接しているが、特にこれに限られない。具体的には、第２電極４と金属層６との間にろう材等の導電体が設けられていることによって、第２電極４と金属層とが電気的に接続されていても構わない。

第１電極３の寸法、例えば長さを９ｍｍに、幅を５ｍｍに、厚みを０．０２ｍｍに設定することができる。また、第２電極４の寸法は、長さを２４ｍｍに、幅を５ｍｍに、厚みを０．０２ｍｍに設定することができる。

第１電極３および第２電極４の表面には、ニッケル、金または錫等から成る被覆層を形成してもよい。また、第２電極４のうち金属層６に覆われる部分の表面には、異種金属との接触による腐食（電食）を抑制するという点から、金属層６との酸化還元電位、すなわち、接触している金属間に生じる電位差が小さくなるよう金属からなる被覆層を形成することが望ましい。具体的には、金属層６がアルミニウムから成る場合には、亜鉛を用いて被覆層を形成すればよい。これにより、例えば、被覆層としてニッケルを用いた場合と比べて、金属間の接触で生じる電位差を低くできるので、腐食（電食）を抑制できる。特に、被覆層を形成する金属の酸化還元電位は、第２電極４の金属層６に覆われる部分の酸化還元電位と、金属層６の酸化還元電位との間にある値であることが望ましい。これにより、第２電極４の金属層６に覆われる部分と金属層６とが直接接触する場合と比べて、金属の接触界面に生じる電位差を低くできるので、金属界面における腐食（電食）を抑制することが可能となる。なお、ここでいう腐食（電食）とは、異種金属が接触する場合において、酸化還元電位の大きい方が陽極（＋極）に、小さい方が陰極（−極）となって電位差が発生し、陽極となる金属が空気中の水等の存在によって腐食してしまうことを意味している。

セラミック体１の内部の発熱抵抗体２へ通電する際には、第１電極３を正極とし、第２電極４を接地極として通電する。通電する際の電源は直流または交流のどちらであってもよい。直流を用いて通電する場合は、第１電極３に負の電位を加えることもできる。

金属筒５は、被加熱物に接触させて用いられる部材である。金属筒５は、筒状の部材である。筒状としては、例えば円筒状または角筒状が挙げられる。図１に示すヒータ１０においては、金属筒５は底部を有する円筒状である。本実施形態のヒータ１０においては、金属筒５には、セラミック体１のうち少なくとも、発熱抵抗体２が形成された部分の全体が挿入されている。すなわち、金属筒５の内径はセラミック体１の外径よりも大きく、金属筒５の内周面とセラミック体１の外周面との間には、金属層６を充填することができる程度の隙間が形成されている。

金属筒５は、金属材料からなる。金属材料としては、例えばステンレス、アルミニウム、黄銅、青銅またはチタン等が挙げられる。軽量化の観点からは、金属材料としては、アルミニウムを用いることが好ましい。また、耐腐食性の観点からは、金属材料としては、
チタンを用いることが好ましい。特に加工性、耐久性および耐熱性の点から、ステンレスを用いることが好ましい。ステンレスを用いる場合には、金属筒５の熱伝導率は、例えば１６Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度になる。金属筒５が円筒状の場合には、金属筒５３の寸法は、例えば長さを１２０ｍｍに、外径を２５ｍｍに、内径を２３ｍｍに設定することができる。

金属筒５は、切削加工または鋳込み成形等の方法で作製することができる。金属筒５の表面には、所望により、被加熱物への伝熱性を向上するための凹凸または放熱フィンを設けることができる。凹凸を設ける場合には、金属筒５の表面に切削加工をすることによって凹凸を形成することができる。また、放熱フィンを設ける場合には、切削加工、溶接または鋳込み成形等によって放熱フィンを形成することができる。

金属層６はセラミック体１と金属筒５との間の熱伝導を良好にするための部材である。金属層６はセラミック体１の外周面および金属筒５の内周面の間に充填されている。金属層６はセラミック体１のうち少なくとも発熱抵抗体２が設けられた部分を覆うように充填されている。金属層６は、アルミニウム、亜鉛、錫等の金属またはそれらを主成分とする金属粉体を利用することができる。特に、それらの金属に、銅、マグネシウムおよびケイ素等が添加されていて、２００〜５００℃程度の融点を有する金属を鋳込みで充填したものを用いることが好ましい。金属粉を充填した場合と比べて、充填率が高く、熱伝導性に優れるため、金属筒５の外周面の温度上昇にかかる時間を短くできる。

金属層６の材料は、金属筒５の材料に応じて選択することができる。異種金属間の接触による腐食（電食）を抑制するという点からは、金属層６の材料の酸化還元電位と金属筒５の材料の酸化還元電位とが同じか、または、近くなるような材料を用いることが望ましい。具体的には、金属筒５がアルミニウムから成る場合には、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分として、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛、ニッケルもしくは錫等を含有する合金を用いて金属層６を形成すればよい。これにより、金属間に発生する電位差を同じか、または、小さくできるので、腐食（電食）を有効に抑制することができる。

接合材７は、第１電極３および第２電極４上に第１リード３１および第２リード４１を取り付けるために用いられる。接合材７は、導電性の材料で、給電のためのリードを固定できるだけの接着力と、温度変化に耐え得る耐久性とを有するものが選択される。このような材料として、例えば導電性接着剤、半田またはろう材等を用いることができる。耐熱性に優れるという観点からは、接合材７としては銀および銅からなるろう材を用いることが望ましい。

第１リード３１は第１電極３に電流を流すための部材であり、第２リード４１は第２電極４から電流を取り出すための部材である。第１リード３１および第２リード４１としては、ニッケルまたは銅の金属からなる線材または板材を用いることができる。第１リード３１および第２リード４１は、第１電極３および第２電極４の表面上に接合材７を用いて取り付けることができる。第１リード３１および第２リード４１が線材の場合には、単線またはより線を用いることができる。線材または板材の材質や形状は、ヒータ１０の使用時の電流値を考慮して決定される。

封止材８は、セラミック体１が挿入される金属筒５３の開口部において生じるセラミック体１と金属筒５との隙間を閉じるように充填される。封止材８は、金属層６を外気から遮断するために設けられる。封止材８は、例えばシリコーンもしくはエポキシ等の接着剤、アルミナ等のセラミックス粉体と無機ポリマーを混合した無機系の接着剤またはセメント等を用いることができる。温度変化に対応するために必要である適度な弾性および耐熱性を有するという点からは、シリコーンから成る接着剤を用いることが望ましい。封止材
８を設けることによって、金属層６を外気から遮断し、外気による金属層６の腐食を抑制できるので、ヒータ１０の長期信頼性を向上できる。

本実施形態のヒータ１０は、第１電極３自体が金属層６から絶縁されているとともに、第２電極４自体が金属層６に電気的に接続されているので、セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体２からセラミック体１の表面へ向けて電流がリークしたとしても、電流は金属層６を伝わって第２電極４へと流れる。そのため、金属筒５を介して被加熱物へ電流が流れるおそれを低減できる。これにより、被加熱物を介して漏電したり、被加熱物が発火したりすることを防止できる。

また、本発明のヒータ１０は、第２電極４がセラミック体１の外周面に位置している部分において金属層６に接触している。このように第２電極４が金属層６に直接触れていることによって、第２電極４と金属層６との間で電流を流しやすくすることができる。そのため、電流のリークが生じたときに、金属筒５を介して被加熱物へ電流が流れるおそれをさらに低減できる。さらに、第２電極４と金属層６とが面接触していることが好ましい。これにより、第２電極４と金属層６との間の接触抵抗を小さくできる。

また、本実施形態のヒータ１０は、第１電極３に接合材７（７１）で接合された第１リード３１および第２電極４に接合材７（７２）で接合された第２リード４１をさらに備えるとともに、第１リード３１と第１電極３とを接合する接合材７（７１）の融点が、第２リード４１と第２電極４とを接合する接合材７（７２）の融点よりも低い。これにより、ヒータ１０が異常な高温になったとしても、第１電極３の接合材７（７１）を溶融することができるので、第１リード３１と第１電極３との間の電気的な接続を遮断することができる。その結果、発熱抵抗体２に通電し続けることを防止できる。具体的には、第２リード４１に用いられる接合材７（７２）として、４００〜９００℃の融点を有する導電性の材料、例えば銀および銅を含有するろう材を用いることができる。また、第１リード３１に用いられる接合材７（７１）として、１５０〜３００℃の融点を有する導電性の材料、例えば錫、銀、銅またはビスマス等を含有する半田を用いることができる。

また、図２に示すように、ヒータ１０は、セラミック体１が筒状であって、第１電極３がセラミック体１の内周面であって金属層６の内側に位置する部分に設けられていてもよい。これにより、第１電極３と第１リード３１とを接合する接合材７（７１）を発熱抵抗体２の近くに位置させることができるので、ヒータ１０が異常な高温になった場合には、第１リード３１と第１電極３との電気的な接続を速やかに遮断することができる。なお、図２においては発熱抵抗体２が別々に２か所に設けられているように見えるが、そうではなく、実際にはセラミック体１の内部で繋がった１本の抵抗体である。なお、セラミック体１が筒状の場合には、例えば、セラミック体１の先端に蓋をした状態で、金属層６を充填すればよい。これにより、筒状のセラミック体１の内周面側に金属層６が進入してしまうことを抑制できる。なお、図２に示すヒータ１０においては、セラミック体１の先端に板材９が設けられている。

また、上述の実施形態のヒータ１０においては、第２電極４と金属層６とを直接接触させていたが、これに限られない。すなわち、第２電極４と金属層６とが間に発熱抵抗体２を介さずに電気的に接続されていることによって、被加熱物に電気が流れることを防止できる構造であればよい。例えば、第２電極４と金属層６とが接触しておらず、金属筒５を介して第２電極４と金属層６とが電気的に接続されていてもよい。一例を挙げると、金属筒５と第２電極４とがリード線等によって接続されることによって、金属筒５と第２電極４とが電気的に接続されていてもよい。また、金属筒５と第２リード４１とがリード線等によって電気的に接続されていてもよいし、金属筒５と第２リード４１とが接触していることによって電気的に接続されていても構わない。

＜ヒータの製造方法＞
本実施の形態のヒータ１０の製造方法について説明する。

まず、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯおよびＺｒＯ_２が合計で１０質量％以内になるように調製したアルミナ質セラミックグリーンシートを作製する。

そして、このアルミナ質セラミックグリーンシートの表面に、発熱抵抗体２となる所定のパターンを形成する。発熱抵抗体２の形成方法としてはスクリーン印刷法、転写法、抵抗体埋設法、その他の方法として金属箔をエッチング法などにより形成する方法またはニクロム線をコイル状に形成して埋設する方法等があるが、製造コストおよび品質面での安定性を考慮すると、スクリーン印刷法を用いることが望ましい。また、引出電極２１は、発熱抵抗体２と同時に一体的に形成することができる。

セラミックグリーンシートの発熱抵抗体２を形成する面とは反対側の面に、第１電極３および第２電極４となる所定のパターンを発熱抵抗体２の形成の場合と同様に形成する。第１電極３は、金属層６から絶縁されるようにパターンが形成される。一方、第２電極４は、金属層６に電気的に接続されるようにパターンが形成される。第２電極４それ自体と金属層６とを電気的に接続する方法としては、第２電極４のパターンの一部を金属層６が充填される領域にまで延ばすように形成してもよいし、また、第２電極４と金属層６とを接続する別のパターンを形成してもよい。

また、セラミックグリーンシートのそれぞれ異なる面に形成される発熱抵抗体２と第１電極３および第２電極４とを電気的に接続するために、セラミックグリーンシートに孔を空けてスルーホール導体となる導体ペーストを充填する。

発熱抵抗体２、第１電極３、第２電極４およびスルーホール導体を形成するための材料としては、例えばタングステン、モリブデンまたはレニウム等の高融点金属を主成分とする導電ペーストを用いることができる。

一方、押出成形にて円柱状のアルミナ質セラミック成形体を成形する。そして、この円柱状のアルミナ質セラミック成形体に前述のアルミナ質セラミックグリーンシートを巻き付け、同一の組成のアルミナ質セラミックスを分散させた密着液を塗布して密着させることで、セラミック体１となるアルミナ質一体成形体を得ることができる。

こうして得られたアルミナ質一体成形体を１５００〜１６００℃の還元雰囲気中（窒素雰囲気）で焼成することで、アルミナ質一体焼結体（セラミック体１）を作製することができる。

セラミック体１に形成された第１電極３および第２電極４の表面に被覆層を形成することができる。被覆層は、第１電極３および第２電極４を保護する目的や、第１電極３および第２電極４に第１リード３１および第２リード４１を取り付ける際に用いる半田やろう材の濡れ性を向上する目的で形成される。被覆層としては、ニッケル、金または錫等を用いることができる。被覆層を形成する方法として、無電解めっき、電気めっきまたはバレルめっき等のめっき方法を目的に応じて選択できる。

以上のようにして、円柱状のセラミック体１を得ることができる。このセラミック体１を同径方向の隙間が均等になるように金属筒５内に挿入する。セラミック体１を挿入する金属筒５の材料としては、例えばステンレス、アルミニウム、青銅またはチタン等を用途に応じて選択できる。このセラミック体１と金属筒５との隙間に金属層６となる金属材料
を充填する。金属層６は、伝熱性に優れるという点から、充填密度を高めることが望ましい。このような金属層６を形成する方法としては、例えばアルミニウム、亜鉛または錫等を主成分とする金属に、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛、ニッケルまたは錫等から選ばれる金属を添加して、２００〜５００℃程度の融点を有する金属を鋳込みで充填することができる。

また、セラミック体１が挿入される金属筒５の開口部を閉じるように封止材８が充填される。封止材８は、例えばシリコーンもしくはエポキシ等の接着剤、アルミナ等のセラミック粉体と無機ポリマーとを混合した無機系の接着剤またはセメント等を用いることができる。温度変化に対応する適度な弾性および耐熱性を有するという点からは、シリコーン接着剤を用いることが望ましい。

＜第１の実施例＞
Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯまたはＺｒＯ_２が合計で１０質量％以内になるように調製したアルミナ質セラミックグリーンシートを準備し、この表面にタングステンとモリブデンとを主導電成分とする発熱抵抗体２用の導電性ペーストをスクリーン印刷法にて印刷した。また、裏面には、タングステンを主導電成分とする第１電極３用の導電性ペーストおよび第２電極４用の導電性ペーストを同様にスクリーン印刷法にて印刷した。第２電極４は、その一部が金属筒５の内側に位置するようにセラミック体１の軸方向において第１電極３よりも長くなるように形成した。第１電極３は周方向に９ｍｍ、軸方向に５ｍｍの矩形状のパターンで形成し、それ自体が発熱部までの間において金属層６とは絶縁されるようにした。第２電極４は、周方向に９ｍｍ、軸方向に５ｍｍの矩形状のパターンで形成すると共に、その一部が幅３ｍｍで発熱部の方向へ２０ｍｍ延びるように形成した。この延びた部分が金属筒５の内側に位置するとともに、金属層６に覆われることによって、第２電極４が金属層６に電気的に接続される。第１電極３および第２電極４の厚みは焼成後に０．０２ｍｍとなるように設定した。

次に、準備したアルミナ質セラミックグリーンシートのうち発熱抵抗体２を形成する面に、略同一組成からなるアルミナ質セラミックスを分散させた密着液を塗布し、別に準備した円柱状のアルミナ質セラミック成形体の外周面に密着させてセラミック体１となるアルミナ質一体成形体を作製した。この円柱状のアルミナ質セラミック成形体は、予め押出成形により作製して、乾燥させておいたものである。

このようにして準備したアルミナ質一体成形体を１５００〜１６００℃の還元雰囲気中（窒素雰囲気）で焼成することで、セラミック体１を得た。セラミック体１の外周面には、前述の第１電極３および第２電極４が形成されている。このようにして、長さが１００ｍｍで、外径が２０ｍｍで、内径が１４ｍｍの円柱状のセラミック体１を作製した。その後、第１電極３および第２電極４の表面に無電解めっきにてニッケルめっきを施し、φ１．２ｍｍのニッケル製の第１リード３１および第２リード４１をそれぞれ第１電極３および第２電極４に銀ろうを用いて取り付けた。

このセラミック体１からなるヒータ１０を、一端に開口を有しており、外側の長さが９０ｍｍで、内側の長さが８８ｍｍで、内径が２２ｍｍで、外径が２５ｍｍのステンレス製の金属筒５内に、セラミック体１を挿入する。このとき、セラミック体１と金属筒５とが接触しないようにして隙間を形成しておく。その後、セラミック体１と金属筒５との両方を加熱しつつ、この隙間に溶融した亜鉛、錫、銀および銅からなる金属を充填して金属層６を形成した。

金属層６は、セラミック体１の少なくとも発熱抵抗体２が存在する部分の全体を覆って
いる。第１電極３は、セラミック体１の外周面において、第１電極３それ自体が金属層６とは絶縁されており、第２電極４は、セラミック体１の外周面において、第２電極４の一部が金属層６と重なっており、第２電極４と金属層６とが電気的に接続されていることを確認した。このようにして、セラミック体１からなる本発明のヒータ１０（試料１）を得た。

また、比較例として、第２電極４が金属層６に電気的に接続されていないヒータ１０（試料２）を作製した。

次に、試料１と試料２との第１電極３側を正極として、第２電極４側を接地極へ接続し、金属筒５の外周面を水が撹拌されている水槽中に位置させて直流電源を用いて通電による破壊試験を行った。通電を開始すると、試料１と試料２の温度上昇に伴って両方の金属筒５の外周面で水が沸騰し始めた。さらに通電し続けると、試料１と試料２の両方の温度が上昇し続け、水が激しく沸騰した。その後、さらに通電し続けると、試料１および試料２の両方で第１電極３と第２電極４との間で短絡が発生した。分解して確認したところ、試料１と試料２の両方においてセラミック体１１の発熱部でセラミック体１の内部にある発熱抵抗体２から、セラミック体１の表面にかけて電流がリークしている箇所が確認された。

さらに、試料２では金属層６から金属筒５へと電流が流れ、金属筒５から被加熱物である水へと電流が流れたのに対して、第２電極４自体と金属層６とを電気的に接続した試料１では、電流は金属層６から第２電極４側へと流れたことによって、被加熱物である水には電流が流れなかった。そのため、被加熱部材への漏電は生じていなかった。上記の結果、本発明のヒータ１０は、電流のリークに対して安全性を高めたヒータ１０であることがわかった。

上記の場合においては、発熱抵抗体２の温度上昇によって電流のリークが発生した例を示した。他の事例として、セラミック体１に、ボイド等の欠陥が存在していた場合においても、通電時、この欠陥部から電流のリークが発生するおそれがある。このような場合でも、同様にリークした電流は第２電極４へ流れ、被加熱物に電流が流れることを同様に防止できる。

＜第２の実施例＞
第１の実施例と同様にヒータ１０（試料３）を作製した。試料１と異なる点としては、第１電極３に第１リード３１を取り付けるために用いる接合材７（７１）の融点と第２電極４に第２リード４１を取り付けるために用いる接合材７（７２）の融点とが異なる点である。本実施例では、第１電極３に使用する接合材７（７１）の融点は、第２電極４に使用する接合材７（７２）の融点よりも低く設定されている。第１電極３に使用した接合材７（７１）は、錫を主成分とし、銀および銅を含有する融点が２３０℃の半田を用いた。一方、第２電極４に使用した接合材７（７２）は、融点が６００℃程度である銀ろうを用いた。

また、第１電極３に第１リード３１を取り付けるときには、接合材７が溶融した際に第１リードが第１電極３から離れるように、力を加えて撓ませた状態で固定した。

このようにして得た試料３と上述の試料１とに対して評価を行なった。試料１と試料３の第１電極３側を正極とし、第２電極４側を接地極へ接続して、金属筒５の外周面を空気中に位置させて直流電源を用いて通電破壊試験を行なった。通電を開始すると、試料１と試料３のセラミック体１１の発熱体温度が上昇し始めた。さらに通電し続けると、試料１と試料３の発熱抵抗体２の温度が３００℃に到達した。その後、さらに通電し続け、試料
１と試料３の発熱抵抗体２の温度はさらに上昇し、４３０℃となったとき、試料３の第１リード３１を取り付けるための接合材７が溶融した。接合材７が溶融することによって、撓んでいた第１リード３１が元に戻ろうとする力によって第１電極３から離れることによって、通電が遮断されて発熱抵抗体２の温度の上昇がストップして温度が低下し始めた。一方、試料１では、さらに発熱体温度が上昇し続け、発熱抵抗体２の温度が５００℃となった時、第１電極３と第２電極４との間で短絡が発生した。分解して確認したところ、試料１では、セラミック体１１の発熱抵抗体２から、セラミック体１の表面にかけて電流がリークしている箇所が確認された。一方、試料３では、電流の短絡が発生する前に、接合材７が溶融して、発熱抵抗体２への通電を遮断したので、所定の温度以上へ加熱することが防止できた。

以上の結果から、第１リード３１と第１電極３とを接合する接合材７（７１）の融点を第２リード４１と第２電極４とを接合する接合材７（７２）の融点よりも低くしておくことによって、例えば、空焚き時のように異常な発熱が生じたときに発熱抵抗体２への電流を遮断することができるので、ヒータ１０が故障することを未然に防止できることが確認できた。

＜第３の実施例＞
第２の実施例と同様にしてヒータ１０（試料４）を作製した。試料４のうち試料３と異なる点としては、セラミック体１が円筒状である点、セラミック体の先端に内周の穴を塞ぐようにセラミック体と同じ組成の板材９が取着されている点および第１電極３がセラミック体１の内周面に形成されている点が挙げられる。第１電極３を円筒状のセラミック体１の内周面に形成する方法としては、導体ペーストのパターンを転写する方法を用いることができる。

本実施例においても、第２の実施例と同様に、第１電極３に使用する接合材７（７１）の融点は、第２電極４に使用する接合材７（７２）の融点よりも低く設定されている。第１電極３に使用する接合材７（７１）は、錫を主成分とし、銀および銅を含有する融点が２３０℃の半田を用いた。一方、第２電極４に使用する接合材７（７２）は、融点が６００℃の銀ろうを用いた。

また、第１電極３に第１リード３１を取り付けるときには、接合材７（７１）が溶融した際に第１リードが第１電極３から離れるように、力を加えて撓ませた状態で固定した。

このようにして得た試料４と上述の試料１とに対して評価を行なった。試料１と試料４との第１電極３側を正極とし、第２電極４側を接地極へ接続して、金属筒５の外周面を水が撹拌されている水漕中に位置させて直流電源を用いて通電を行なった。

通電を開始すると、試料１と試料４のセラミック体１１の発熱体温度が上昇し始めた。さらに通電し続けると、試料１と試料４の発熱抵抗体２の温度が３００℃に到達した。その後、さらに通電し続け、試料１と試料３の発熱抵抗体２の温度はさらに上昇し、３５０℃となったとき、試料３の第１リード３１を取り付けるための接合材７が溶融した。接合材７が溶融することによって、撓んでいた第１リード３１が元に戻ろうとする力によって第１電極３から離れることによって、通電が遮断されて発熱抵抗体２の温度の上昇がストップして温度が低下し始めた。一方、試料１では、さらに発熱抵抗体２の温度が上昇し続け、発熱抵抗体２の温度が５００℃となった時、第１電極３と第２電極４との間で短絡が発生した。分解して確認したところ、試料１では、発熱抵抗体２から、セラミック体１の表面にかけて電流がリークしている箇所が確認された。一方、試料４では、発熱抵抗体２が異常な発熱をする前に接合材７が溶融して、発熱抵抗体２への通電を遮断することができることが確認された。

以上の結果から、第１電極３がセラミック体１の内周面であって金属層６の内側に位置する部分に設けられていることによって、第１電極３と第１リード３１とを接合する接合材７（７１）を発熱抵抗体２の近くに位置させることができる。そのために、ヒータ１０が異常な高温になった場合には、接合材７（７１）を速やかに溶融させることができるので、第１リード３１と第１電極３との電気的な接続を速やかに遮断できることを確認できた。

１：セラミック体
２：発熱抵抗体
２１：引出電極
３：第１電極
３１：第１リード
４：第２電極
４１：第２リード
５：金属筒
６：金属層
７（７１，７２）：接合材
８：封止材
９：板材
１０：ヒータ

Claims

棒状または筒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の表面に設けられて前記発熱抵抗体に接続された、第１電極および第２電極と、前記セラミック体の少なくとも前記発熱抵抗体が設けられた部分が挿入された金属筒と、前記セラミック体の少なくとも前記発熱抵抗体が設けられた部分の外周面および前記金属筒の内周面の間に設けられた金属層とを備えており、前記第１電極自体が前記金属層から絶縁されているとともに、前記第２電極自体が前記金属層に電気的に接続されていることを特徴とするヒータ。
前記第２電極が前記セラミック体の外周面に位置している部分において前記金属層に接触していることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記第１電極に接合材で接合された第１リードおよび前記第２電極に接合材で接合された第２リードをさらに備えるとともに、前記第１リードと前記第１電極とを接合する接合材の融点が、前記第２リードと前記第２電極とを接合する接合材の融点よりも低いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ。
前記セラミック体が筒状であって、前記第１電極が前記セラミック体の内周面であって前記金属層の内側に位置する部分に設けられていることを特徴とする請求項３に記載のヒータ。