JP6502226B2 - セラミックヒータ - Google Patents

Description

本発明は、例えば温水洗浄便座、ファンヒータ、電気温水器、２４時間風呂などに用いられるセラミックヒータに係り、特にはセラミック製の筒状のヒータ本体に、金属製の環状のフランジを外嵌させた構造のセラミックヒータに関するものである。

通常、温水洗浄便座には、樹脂製の容器（熱交換器）を有する熱交換ユニットが用いられている。この熱交換ユニットには、熱交換器内に収容された洗浄水を暖めるために、筒状のセラミックヒータが取り付けられている。

この種のセラミックヒータとしては、円筒状のセラミック製のヒータ本体に、平板からなる円環状のセラミック製のフランジを外嵌し、ガラスを介してヒータ本体とフランジとを接合したものが知られている。

また、近年では、ヒータ本体とフランジとの間の気密性や強度（接合強度）などを改善するために、円筒状のセラミック製のヒータ本体に、平板からなる円環状の金属製のフランジを外嵌し、ヒータ本体とフランジとをろう材によって接合したものが提案されている（例えば、特許文献１、２を参照）。

特開平１１−７４０６３号公報 特開平９−２８３１９７号公報

しかしながら、上述したセラミック製ヒータ本体と金属製フランジとをガラスを介して溶着接合する場合には、３種の材料の熱膨張係数差に起因してガラスクラックが発生したり、クラック発生部位からガラスが脱落したりするという問題があった。

より具体的には、例えばフランジが平板状ではなく片側面にガラス溜り部ができるような形状の場合、フランジを構成する金属の熱膨張係数はガラスの熱膨張係数よりも大きいことから、全体的にはガラスに対して圧縮応力が作用する。その一方で、ガラスに対して局所的（例えばフランジの穴部の他面側開口部の近傍など）には引張応力も作用する。そして、流出したガラスがこのような箇所に存在すると、ガラスクラックが発生することがあった。その結果、ヒータ本体とフランジとの間の気密性及び接合強度が低下するおそれがあった。また、クラック発生部位のガラスは強度的に弱くなるため、脱落して異物の発生につながるおそれがあった。従って、上述の場合にはセラミックヒータに十分な性能を付与することが難しかった。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガラスを介して接合されたヒータ本体とフランジとの間の気密性及び接合強度に優れたセラミックヒータを提供することにある。

そして上記課題を解決するための手段（手段１）としては、セラミック製の筒状のヒータ本体と、前記ヒータ本体に外嵌されている金属製の環状のフランジとを備えたセラミックヒータにおいて、前記フランジは、第１面及び第２面を貫通している穴部を有するとともに、前記第１面側に凹状部分を有し、前記凹状部分には、ガラスが充填されたガラス溜り部を有するとともに、前記ガラス溜り部に配置された前記ガラスを介して、前記フランジ及び前記ヒータ本体が接合されており、前記ガラスは、前記穴部を介して前記第２面側に流出しているとともに、前記ガラスの流出幅は、前記穴部の開口縁から前記フランジの径方向に向かって０．７ｍｍ以下となるように設定されていることを特徴とするセラミックヒータがある。

金属製フランジの凹状部分にガラスを配置して溶着接合すると、熱膨張係数差に起因して、全体的にはガラスに対して圧縮応力が作用する。その一方、フランジの穴部を介して第２面側開口部の近傍に流出するガラスには、テコの原理により、ガラスクラックの原因となる引張応力が作用する。その点、手段１に記載の発明によると、第２面側におけるガラスの流出幅が穴部の開口縁からフランジの径方向に向かって０．７ｍｍ以下となるように設定されているため、引張応力が集中する箇所にガラスが殆ど存在しなくなり、ガラスクラックが発生しにくくなる。よって、ヒータ本体とフランジとの間の気密性及び接合強度が向上することに加え、ガラスの脱落による異物の発生も防止することができる。

なお、ガラスの流出幅は、穴部の開口縁からフランジの径方向に向かって０．５ｍｍ以下となるように設定されていることが好適である。流出幅をこのように設定した場合、ガラスの溶着接合のための焼成時間が短くてもガラスクラックの発生を防止することができる。また、この場合には、ガラスの特性の使用範囲が広がり、ガラスの材料選択の余地が大きくなるため、さらに汎用性の高い設計とすることができる。

ガラスの流出幅を制御して所定値以下に抑えるための具体的手段としては、例えば、溶着時のガラス流動性を低減すること、フランジの第２面側における穴部の周縁にガラス流出防止層を形成すること、当該穴部の周縁にガラス流出防止加工を施すこと、当該穴部の周縁にガラス流出防止部材を配置した状態でガラスの溶着を行うこと、等がある。溶着時のガラス流動性の低減の例としては、ガラス成分の調整により溶着時のガラス粘度を高めるようにすることなどが挙げられる。ガラス流出防止層の例としては、溶融したガラスを弾くセラミック層などが挙げられる。ガラス流出防止加工の例としては、粗面加工などが挙げられる。

上記手段のセラミックヒータでは、フランジの凹状部分のガラス溜り部には、ガラスが充填され、そのガラスを介してヒータ本体及びフランジが接合されている。ゆえに、この構成のセラミックヒータを製造する場合には、例えばガラス溜り部にガラスの材料を充填して、そのガラスを介してヒータ本体とフランジとを溶着接合すればよい。よって、従来のろう付けによる接合方法を行う場合に比べて、容易に製造可能なセラミックヒータとすることができる。

また、凹状部分を有する上記手段のフランジを用いた場合、例えば平板状のフランジの穴部の幅の狭い内周面のみで接合する場合に比べて、ガラス溜り部に配置されたガラスが、軸方向に沿って広い面積にわたりヒータ本体の外周面やフランジの穴部の内面に溶着する。それによって、ヒータ本体とフランジとの間に高い気密性や接合強度が付与される。

ここで「ガラス溜り部」とは、前記凹状部分のうち、ガラスを溜めることができる部分（ガラスが充填されて溜められている部分）のことを指す。

前記フランジは、金属製の環状のフランジであって、それを形成する金属材料としては、金属単体や合金が挙げられる。このような金属単体や合金の好適例としては、クロム及び鉄を含む金属であるＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０などのステンレスが挙げられる。ステンレスを用いる理由としては、ステンレスは耐熱性、耐食性、機械的強度に優れ、かつガラスに対する密着性が高いからである。そのほか、鉄、銅、クロム、ニッケル等といった金属単体や、クロム鋼、鉄−ニッケル、鉄−ニッケル−コバルト等といった合金なども、フランジを形成する金属材料として選択することができる。

ここで、フランジがクロムを含む金属からなる場合、フランジの表面のクロム含有量は、フランジの内部のクロム含有量より大きいことが好ましい。この場合、フランジの表面におけるガラスの濡れ性が向上することから、ガラスがフランジの表面に強固に接合しやすくなり、気密性や接合強度が向上する。また、金属製のフランジの表面にクロムが多く存在すると、耐食性の向上につながるという利点がある。なお、フランジの表面のクロムは、金属単体として存在していてもよいほか、酸化物として存在していてもよい。

フランジは、板材が凹状部分を有するようにカップ形状に曲げられた状態に形成されたものであることが好ましく、ガラスはガラス溜り部となるカップ内部の少なくとも一部を埋めた状態に形成されていることが好ましい。このような構造であれば、例えばプレス加工等により、板材からフランジを容易に製造することができる。

上記手段のセラミックヒータでは、フランジを構成する金属の熱膨張係数は、ヒータ本体を構成するセラミックの熱膨張係数及びガラスの熱膨張係数よりも大きいことが好ましい。従って、ガラスの溶着の際の温度（溶着温度）から例えば常温に温度が低下する際に、外側のフランジから内側のガラス及びヒータ本体に対して応力を加えることができる。この応力の作用により、気密性や接合強度を高めることができる。

ここで、フランジを形成する金属の熱膨張係数としては、特に限定されないが、例えば１００×１０^−７／Ｋ〜２００×１０^−７／Ｋの範囲内の値を採用することができる。また、ヒータ本体を構成するセラミックの熱膨張係数及びガラスの熱膨張係数としては、いずれも特に限定されないが、例えば５０×１０^−７／Ｋ〜９０×１０^−７／Ｋの範囲内の値を採用することができる。なお、ガラスの熱膨張係数はセラミックの熱膨張係数より大きいことが好ましく、この場合には気密性や接合強度をよりいっそう向上させることができる。

セラミックヒータでは、フランジはガラス及びヒータ本体に圧縮残留応力を加えた状態に接合されていることがよく、この場合には気密性や接合強度をよりいっそう向上させることができる。

上記手段のセラミックヒータにおいて、ヒータ本体を形成するセラミックとしては、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化けい素、窒化ほう素、ジルコニア、チタニア、ムライトなどを好適例として挙げることができる。ヒータ本体は、例えば、タングステン、モリブデン、タンタル等などからなる発熱体（ヒータパターン層）を備えている。

上記手段のセラミックヒータに使用されるガラスとしては、特に限定されないが、例えば、Ｂ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２・Ｎａ_２Ｏ系、ＳｉＯ_２・ＰｂＯ系、ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３・ＢａＯ系のガラス、または、それぞれの成分を組み替えた成分系のガラスなどが好適例として挙げられる。

ガラスが溜められるガラス溜り部の深さ（軸方向における深さ）としては、例えば１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲で設定されることが好ましく、ガラスの深さとしては、例えば２ｍｍ以上に設定されることが好ましい。

（ａ）は本発明を具体化した実施形態におけるセラミックヒータの正面図、（ｂ）は同セラミックヒータにおけるフランジ及びガラスの部分を軸方向に沿って切断したときの部分破断面図。 実施形態のセラミックヒータのガラス部分を透過して示す平面図。 実施形態のセラミックヒータのセラミック層のヒータパターン層側を展開して示す説明図。 （ａ）は実施形態のセラミックヒータのフランジを示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図。 実施形態のセラミックヒータにおけるフランジ及びガラスの部分を軸方向に沿って切断したときの要部拡大破断面図。 参考例のセラミックヒータにおけるフランジ及びガラスの部分を軸方向に沿って切断したときの要部拡大破断面図。 実施形態のセラミックヒータにおけるフランジ及びガラスの部分を軸方向に沿って切断したときの要部拡大破断面図。 （ａ）〜（ｆ）は実施形態のセラミックヒータの製造方法を示す説明図。 別の実施形態のセラミックヒータにおけるフランジ及びガラスの部分を軸方向に沿って切断したときの要部拡大破断面図。 別の実施形態のセラミックヒータにおけるフランジ及びガラスの部分を軸方向に沿って切断したときの要部拡大破断面図。 別の実施形態のセラミックヒータにおけるフランジ及びガラスの部分を軸方向に沿って切断したときの要部拡大破断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態のセラミックヒータ及びその製造方法を図１〜図８に基づいて説明する。

本実施形態のセラミックヒータ１１は、例えば温水洗浄便座の熱交換ユニットの熱交換器において、洗浄水を暖めるために用いられるものである。

図１、図２に示されるように、このセラミックヒータ１１は、円筒状をなすセラミック製のヒータ本体１３と、ヒータ本体１３に外嵌される金属製の円環状のフランジ１５とを備えている。ヒータ本体１３は、セラミック管１７と、そのセラミック管１７の外周のほぼ全体を覆うセラミック層１９とにより構成されている。本実施形態では、セラミック管１７の外径が１０ｍｍφ、内径が８ｍｍφ、長さが６５ｍｍに設定され、セラミック層１９の厚さが０．５ｍｍ、長さが６０ｍｍに設定されている。セラミック層１９はセラミック管１７の外周を完全には覆っていないため、ヒータ本体１３の外周面１４には、軸方向に沿って延びる例えば幅１ｍｍ×深さ０．５ｍｍの溝部２１が形成されている。

このヒータ本体１３を構成しているセラミック管１７及びセラミック層１９は、例えばアルミナからなる。アルミナの熱膨張係数としては、５０×１０^−７／Ｋ〜９０×１０^−７／Ｋの範囲内であり、本実施形態のものでは７０×１０^−７／Ｋ（３０℃〜３８０℃）となっている。

図３に示されるように、セラミック層１９の内周面（セラミック管１７側の面）または内部には、蛇行したパターン形状のヒータパターン層２２及び一対の内部端子２３が形成されている。これらの内部端子２３は、図示しないビア導体等を介して、セラミック層１９の外周面の端部の外部端子２５（図１参照）と電気的に接続されている。

図４に示されるように、フランジ１５は、例えばステンレス等の金属からなる円環状の部材であり、板材の中央部分が第１面Ｓ１の側に曲げられて凹状（カップ形状）となったものである。より具体的にいうと、本実施形態のフランジ１５は、例えば厚さ１ｍｍの板材を曲げることで形成されたものである。板材の中央部には、内面である第１面Ｓ１及び外面である第２面Ｓ２を貫通する穴部２７が形成されている。本実施形態では、凹状部分１６の開口部側（即ち図４（ｂ）の上側）の内径は、例えば１６ｍｍφに設定されている。一方、凹状部分１６の底部側（即ち図４（ｂ）の下側）の内径、つまり穴部２７の内径は、例えば１２ｍｍφに設定されている。

また、フランジ１５の全体の高さＨ１（図４（ｂ）の上下方向）は例えば６ｍｍであり、半径ｒ（例えば１．５ｍｍ）にて湾曲した底部２９と、底部２９から上方に（軸方向と垂直に）延びる円筒状の側部３１とから構成されている。なお、例えば、底部２９の高さＨ２は１．５ｍｍであり、側部３１の高さＨ３は４．５ｍｍである。また、半径ｒは、軸方向に沿った断面における半径を意味する。

ここで、フランジ１５を形成する金属の熱膨張係数は、１００×１０^−７／Ｋ〜２００×１０^−７／Ｋの範囲内の値となる。例えば、フランジ１５がＳＵＳ３０４（主成分がＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）製である場合には、その熱膨張係数は、１７８×１０^−７／Ｋ（３０℃〜３８０℃）であり、ＳＵＳ４３０（主成分がＦｅ、Ｃｒ）製である場合には、その熱膨張係数は、１１０×１０^−７／Ｋ（３０℃〜３８０℃）である。

本実施形態では、図５に示されるように、フランジ１５の凹状部分１６のうち、ヒータ本体１３の外周面とフランジ１５の内面である第１面Ｓ１とで囲まれた空間が、ガラス３３が充填されるガラス溜り部３５とされている。なお、図１及び図２では、ガラス３３の部分にハッチングをかけて示している。

このガラス溜り部３５の高さＨ４（図５の上下方向）は、例えば１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内にて設定され、本実施形態では５ｍｍとされている。ガラス溜り部３５の側部３１における幅（即ち開口部の径方向の長さ）Ｘは、例えば１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内にて設定され、本実施形態では２ｍｍとされている。

ガラス溜り部３５には、ガラス３３がガラス溜り部３５の高さＨ４の１／３以上に充填されており、そのガラス３３を介してヒータ本体１３とフランジ１５とが溶着接合されている。ガラス３３の高さ（ヒータ本体１３の軸方向に沿った寸法）Ｈ５は、例えば１ｍｍ〜１９ｍｍの範囲内にて設定されている。

ガラス３３としては、例えばＮａ_２Ｏ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２系のガラス、いわゆるＡｌ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２系のガラス（ホウケイ酸ガラス）が用いられている。このガラス３３の熱膨張係数は、例えば５０×１０^−７／Ｋ〜９０×１０^−７／Ｋ（３０℃〜３８０℃）の範囲内の値となり、本実施形態では６２×１０^−７／Ｋ（３０℃〜３８０℃）となっている。

図５をさらに拡大した図７に示されるように、凹状部分１６の底部２９側に位置する穴部２７の内面２８と、ヒータ本体１３の外周面１４との間には、例えば０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の隙間３９が存在し、本実施形態ではその隙間３９の寸法Ｙが０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ程度に設定されている。第１面Ｓ１側のガラス溜まり３５に充填されたガラス３３の一部は、この隙間３９をヒータ本体１３の外周面１４に沿って軸方向に流出し、第２面Ｓ２の下端のさらに下方位置まで到っている。

ここで、図７のフランジ１５の場合、第２面Ｓ２側における穴部２７の周縁を含むフランジ１５の底部表面に、ガラス流出防止層４３が形成されている。ガラス流出防止層４３としては、溶融したガラス３３を弾く層であることがよく、本実施形態において具体的には窒化ほう素やアルミナなどからなる薄いセラミック層が形成されている。そのため、本実施形態のセラミックヒータ１１では、第２面Ｓ２側にこのようなガラス流出防止層４３があることから、ガラス３３が第２面Ｓ２側に沿って殆ど流出していない。即ち、上記セラミック層によりガラス３３が弾かれることで径方向ｄ１への流出がくい止められる結果、第２面Ｓ２側にガラス３３が殆ど付着していない状態となっている。具体的にいうと、ガラス３３の流出幅ｗ１は、穴部２７の開口縁４０からフランジ１５の径方向ｄ１に向かって０．７ｍｍ以下（具体的にはｗ１＝０ｍｍ）となっている。ここで、図５をさらに拡大した図６には、ガラス３３の流出幅ｗ１が穴部２７の開口縁４０からフランジ１５の径方向ｄ１に向かって０．７ｍｍとなっているもの（参考例）を示す。この参考例ではガラス流出防止層４３を設けていないため、ガラス３３がフランジ１５の径方向ｄ１に向かっていくぶん流出している。

次に、本実施形態のセラミックヒータ１１を製造する方法を図８に基づいて説明する。

まず、図８（ａ）に示されるように、円筒状をなすアルミナ質のセラミック管１７を仮焼成する。

また、図８（ｂ）に示されるように、アルミナ質のセラミックシート５１の表面または積層したシート内部に、タングステン等の高融点金属を印刷する。これにより、後にヒータパターン層２２、内部端子２３及び外部端子２５となるパターン５３を形成する。

次に、このセラミックシート５１の片側面にセラミックペースト（アルミナペースト）を塗布し、図８（ｃ）に示されるように、セラミックシート５１をセラミック管１７の外周面に巻き付けて接着してから一体焼成する。その後、外部端子２５にニッケルめっきを施し、ヒータ本体１３とする。

次に、ステンレスからなる板材を金型を用いてプレス成形して、カップ状のフランジ１５を形成した後、このフランジ１５の底部表面に対してガラス流出防止層４３を形成する（図７参照）。ここでは、第２面Ｓ２側における穴部２７の周縁を含むフランジ１５の底部表面に、ガラス流出防止層４３の形成材料である窒化ほう素（ＢＮ）粉末を塗布し、６０℃、３０分の条件で乾燥、固化を行う。その結果、窒化ほう素からなる厚さ１μｍ〜１００μｍ程度の極めて薄いガラス流出防止層４３が得られる。なお、凹状部分１６内に充填されたガラス３３との密着性を確保するため、フランジ１５の第１面Ｓ１側にはガラス流出防止層４３を形成しないようにする。よって、窒化ほう素粉末はフランジ１５の第２面Ｓ２側のみに塗布する。そして、このようにして準備したフランジ１５を、図８（ｄ）に示されるように、ヒータ本体１３の所定の取付位置に外嵌する。この状態でヒータ本体１３及びフランジ１５を図示しない治具で支持する。

また、ホウケイ酸ガラスからなる上記ガラス材料をリング状にプレス成形し、これを６４０℃で３０分仮焼して、仮焼済みガラス材５５を作製する。そして、図８（ｅ）に示されるように、ヒータ本体１３とフランジ１５との間のガラス溜り部３５に、リング状の仮焼済みガラス材５５を配置する。

次に、この状態のものを焼成用の連続炉に投入して、ヒータ本体１３とフランジ１５とのガラス付けを行う。具体的には、連続炉内を還元雰囲気（例えば、Ｎ_２＋５％Ｈ_２）にして溶着温度（１０１５℃）で所定時間加熱することで、仮焼済みガラス材５５を溶融させる。その後、仮焼済みガラス材５５を常温（例えば２５℃）まで冷却して固化させることで、ガラス３３を介してヒータ本体１３とフランジ１５とを溶着固定し、セラミックヒータ１１を完成させる。
＜実験例＞

以下、本実施形態のセラミックヒータ１１の性能を評価するために行った実験例について説明する。

ここでは、ガラス付け時の焼成条件を変更するべく、連続炉内に投入した被焼成物の搬送速度を変えて、入炉から出炉までの時間（即ち焼成時間）が２時間、６時間、２４時間となるようにした。また、上記のようなガラス流出防止層４３をフランジ１５にあらかじめ形成しておくことで、第２面Ｓ２側におけるガラス３３の流出幅ｗ１が、穴部２７の開口縁４０からフランジ１５の径方向ｄ１に向かって、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、０．９ｍｍ、１．１ｍｍとなるようにした。このように試験区を設定して、１試験区あたり５本のセラミックヒータ１１を連続炉に投入し、ガラス付けを行った。そして、出炉後のセラミックヒータ１１について、第２面Ｓ２側に流出したガラス３３におけるガラスクラックの発生状況（「クラック発生数／投入数（各５本）」）を目視調査した。その結果を表１に示す。ちなみに、入炉から出炉までの時間を短く設定した場合、長く設定した場合に比べて温度変化が急激になり、ガラス３３に加わる熱衝撃が大きくなることから、ガラスクラックが発生しやすい焼成条件となる。

表１に示されるように、６時間以上の焼成を行った場合、ガラス３３の流出幅ｗ１が０．７ｍｍ以下の試験区（即ち実施例）では、ガラスクラックが全く発生しなかった。これに対し、ガラス３３の流出幅ｗ１が０．９ｍｍ以上の試験区（即ち比較例）では、６時間の焼成を行った場合のみならず、２４時間の長時間焼成を行った場合についても、ガラスクラックが発生した。また、２時間の短時間焼成を行った場合、ガラス３３の流出幅ｗ１が０．７ｍｍの試験区ではガラスクラックが若干発生したが、０．５ｍｍ以下の試験区ではガラスクラックが全く発生しなかった。

以上のことから、フランジ１５の第２面Ｓ２側におけるガラス３３の流出幅ｗ１を０．７ｍｍ以下とすることで、十分に量産に対応しうる６時間焼成でもガラスクラックが発生しないセラミックヒータ１１が得られることがわかった。また、ガラス３３の流出幅ｗ１を０．５ｍｍ以下とした場合には、２時間の短時間焼成が可能となり、上記のセラミックヒータ１１を効率よく製造できることがわかった。

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態のセラミックヒータ１１では、第２面Ｓ２側におけるガラス３３の流出幅ｗ１が穴部２７の開口縁４０からフランジ１５の径方向ｄ１に向かって０．７ｍｍ以下となるように設定されている。このため、引張応力が集中する箇所にガラス３３が殆ど存在しなくなり、そこにガラスクラックが発生しにくくなる。よって、ヒータ本体１３とフランジ１５との間の気密性及び接合強度が向上することに加え、ガラス３３の脱落による異物の発生も防止することができる。従って、本実施形態によれば、セラミックヒータ１１に十分な性能を付与することができる。

（２）本実施形態において、ガラス３３の流出幅ｗ１が０．５ｍｍ以下となるように設定した場合には、ガラス３３の溶着接合のための焼成時間が短くても、ガラスクラックの発生を防止することができる。よって、生産性の向上を図ることができる。また、この場合には、ガラス３３の特性の使用範囲が広がり、ガラス３３の材料選択の余地が大きくなるため、さらに汎用性の高い設計とすることができる。

（３）本実施形態のセラミックヒータ１１では、フランジ１５の凹状部分１６のガラス溜り部３５にガラス３３が充填され、そのガラス３３を介してヒータ本体１３及びフランジ１５が接合されている。ゆえに、この構成のセラミックヒータ１１を製造する場合には、ガラス溜り部３５にガラス３３の材料を充填して、そのガラス３３を介してヒータ本体１３とフランジ１５とを溶着接合すればよい。よって、従来のろう付けによる接合方法を行う場合に比べて、セラミックヒータ１１を容易に製造することができる。また、本実施形態のフランジ１５はカップ形状に曲げられたものであり、ガラス３３がガラス溜り部３５となるカップ内部を埋めた構造となっている。従って、このような構造であれば、例えばプレス加工等により、板材からフランジ１５を容易に製造することができる。

（４）本実施形態のセラミックヒータ１１では、凹状部分１６を有するフランジ１５を用いている。このため、従来の平板状のフランジを接合する場合に比べて、ガラス溜り部３５に配置されたガラス３３が、軸方向に沿って広い面積にわたりヒータ本体１３の外周面１４やフランジ１５の穴部２７の内面２８に溶着する。それによって、ヒータ本体１３とフランジ１５との間に高い気密性や接合強度が付与される。

（５）本実施形態のセラミックヒータ１１では、フランジ１５を構成する金属（ステンレス）の熱膨張係数は、ヒータ本体１３を構成するセラミック（アルミナ）の熱膨張係数及びガラス３３の熱膨張係数よりも大きくなっている。従って、ガラス３３の溶着の際の温度から常温に温度が低下する際に、外側のフランジ１５から内側のガラス３３及びヒータ本体１３に対して応力を加えることができる。この応力の作用により、気密性や接合強度を高めることができる。また、製造後においてもこのフランジ１５は、ガラス３３及びヒータ本体１３に圧縮残留応力を加えているため、気密性や接合強度をよりいっそう向上させることができる。

（６）本実施形態のセラミックヒータ１１では、フランジ１５がクロム及び鉄を含むステンレスからなり、焼成工程を経ることでフランジ１５の表面のクロム含有量が、フランジ１５の内部のクロム含有量より大きくなっている。従って、フランジ１５の表面におけるガラス３３の濡れ性が向上する結果、ガラス３３がフランジ１５の表面に強固に接合しやすくなり、気密性や接合強度が向上する。また、金属製のフランジ１５の表面にクロムが多く存在することで、耐食性の向上を図ることができる。

なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施形態のセラミックヒータ１１では、フランジ１５の第２面Ｓ２側における穴部２７の周縁を含むフランジ１５の底部表面に、ガラス流出防止層４３を形成する一方、穴部２７の内面２８にはガラス流出防止層４３を形成しなかった。これに対し、例えば図９に示す別の実施形態のセラミックヒータ１１Ａのように、ガラス流出防止層４３を穴部２７の内面２８の一部または全部に対しても形成することができる。あるいは、例えば図１０に示す別の実施形態のセラミックヒータ１１Ｂのように、第２面Ｓ２側における穴部２７の開口縁４０からフランジ１５の径方向ｄ１に向かって、０．７ｍｍ〜１．５ｍｍの領域にガラス流出防止層４３を形成してもよい。つまり、穴部２７の開口縁４０にすぐ近くの領域に、必ずしもガラス流出防止層４３は存在していなくてもよい。

・上記実施形態のセラミックヒータ１１、１１Ａ、１１Ｂでは、ガラス流出防止層４３を形成したが、これに代えて、同様の位置にガラス流出防止加工を施してもよい。具体的には、サンドブラスト、バフ研磨、ラッピング等といった物理的処理により粗面を加工形成してもよく、あるいは粗化液等を用いた化学的処理により粗面を加工形成してもよい。このような粗面が存在していると、溶融したガラス３３の濡れ性が低下し、流出がくい止められる。なお、粗面の表面粗さ（Ｒａ）は限定されないが、例えば０．５μｍ〜３μｍ程度とすることが好ましい。

・上記実施形態に代えて、例えば、当該穴部２７の周縁にガラス流出防止部材を配置した状態でガラス３３の溶着を行うことで、ガラス３３の流出をくい止めるようにしてもよい。具体的には、図１１に示す別の実施形態のセラミックヒータ１１Ｃのように、溶融したガラス３３を弾きやすい材料（例えば窒化ほう素や窒化珪素等）からなる治具７１を用いる。この治具７１には、例えば穴部２７に対応して同様の穴が設けられている。そして、この治具７１を当該穴部２７の周縁にて当接させて配置し、この状態でガラス３３の溶着を行うようにする。その結果、溶融したガラス３３が治具７１の表面にて弾かれることで、流出がくい止められる。

・上記実施形態では、ガラス流出防止層４３の形成やガラス流出防止加工による粗面の形成を、フランジ１５をカップ状にプレス成形した後に行っていたが、これをプレス成形の前に（即ち板材がまだ平坦な状態で）行っても勿論よい。なお、平坦な板材にはプレス成形の前にあらかじめ穴部２７を加工形成する必要があるが、上記のガラス流出防止層４３の形成等は、穴開け加工の前後を問わず行うことが可能である。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）上記手段１において、前記フランジの前記第２面側における前記穴部の周縁に、ガラス流出防止層が形成されていること。
（２）上記思想（１）において、前記ガラス流出防止層は、溶融した前記ガラスを弾く層であること。
（３）上記思想（１）において、前記ガラス流出防止層は、溶融した前記ガラスを弾くセラミック層であること。
（４）上記手段１において、前記フランジの前記第２面側における前記穴部の周縁に、ガラス流出防止加工部が形成されていること。
（５）上記思想（４）において、前記ガラス流出防止加工部は、粗面加工された部分であること。
（６）上記手段１において、前記フランジを構成する金属の熱膨張係数は、前記ガラスの熱膨張係数よりも大きく、前記ガラスの熱膨張係数は、前記ヒータ本体を構成するセラミックの熱膨張係数よりも大きいこと。
（７）上記手段１において、前記ガラスの流出幅は、前記穴部の開口縁から前記フランジの径方向に向かって０．５ｍｍ以下となるように設定されていること。

１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ…セラミックヒータ
１３…ヒータ本体
１５…フランジ
１６…凹状部分
２７…穴部
３３…ガラス
３５…ガラス溜り部
４０…穴部の開口縁
ｄ１…フランジの径方向
ｗ１…ガラスの流出幅
Ｓ１…第１面
Ｓ２…第２面

Claims (6)

1. セラミック製の筒状のヒータ本体と、前記ヒータ本体に外嵌されている金属製の環状のフランジとを備えたセラミックヒータにおいて、
   前記フランジは、第１面及び第２面を貫通している穴部を有するとともに、前記第１面側に凹状部分を有し、
   前記凹状部分には、ガラスが充填されたガラス溜り部を有するとともに、前記ガラス溜り部に配置された前記ガラスを介して、前記フランジ及び前記ヒータ本体が接合されており、
   前記ガラスは、前記穴部を介して前記第２面側に流出しているとともに、前記ガラスの流出幅は、前記穴部の開口縁から前記フランジの径方向に向かって０．７ｍｍ以下となるように設定されている
   ことを特徴とするセラミックヒータ。
2. 前記フランジは、板材が前記凹状部分を有するようにカップ形状に曲げられた状態に形成されたものであって、前記ガラスは、カップ内部の少なくとも一部を埋めた状態に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
3. 前記フランジを構成する金属の熱膨張係数は、前記ヒータ本体を構成するセラミックの熱膨張係数及び前記ガラスの熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックヒータ。
4. 前記フランジは、前記ガラス及び前記ヒータ本体に圧縮残留応力を加えた状態に接合されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
5. 前記フランジは、クロム及び鉄を含む金属からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
6. 前記フランジは、ステンレスからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。

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