JP6798812B2

JP6798812B2 - ヒータ

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Publication number: JP6798812B2
Application number: JP2016146442A
Authority: JP
Inventors: 秀明吉留
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2020-12-09
Anticipated expiration: 2036-07-26
Also published as: JP2018018627A

Description

本開示は、流体加熱用ヒータ，粉体加熱用ヒータ，気体加熱用ヒータ，酸素センサ用ヒータ，半田ゴテ用ヒータ等に用いられるヒータに関するものである。

従来から、水などの液体または空気などの気体を加熱するヒータとして、セラミック体の内部に発熱抵抗体を設けたセラミックヒータが用いられている。このセラミックヒータを加熱対象物の入った容器等の他部材へ取り付けるために、セラミック体の外周面にフランジが接合されたセラミックヒータが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

このようなヒータとして、金属製のフランジがセラミック体に設けられた金属層にろう材で接合されたものがあり、必要に応じてフランジの表面にはめっき層が設けられている。

特開２００１−２１０４５３号公報

めっき層が設けられたフランジを備えたヒータを、高温、高湿度の環境下で使用すると、フランジの表面のめっき層に欠陥が生じるおそれがあった。さらに、このめっき層の欠陥を起点としたクラックが下地のフランジに到達した場合、ガルバニック腐食によりフランジが腐食して耐久性が低下してしまうおそれがあった。

本開示のヒータは、柱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外周面に周方向に沿って設けられた金属層と、該金属層に接合材を介して接合されたフランジと、該フランジを被覆するめっき層とを備えている。そして、前記めっき層は、該フランジを覆う第１めっき層と、該第１めっき層を覆う第２めっき層とを有し、前記フランジは角部を有する形状であって、前記めっき層の
厚みが前記フランジの角部において他の部位よりも厚い。

本開示のヒータによれば、第２めっき層の表面からフランジに向かってクラックが進展したとしても、第１めっき層と第２めっき層との境界でその進展が食い止められ、クラックがフランジまで到達することが抑えられるので、フランジが腐食することを抑えることができ、フランジの耐久性が向上したヒータとなる。

ヒータの実施形態の一例を示す概略斜視図であり、（ａ）は後端側からの斜視図で、（ｂ）は先端側からの斜視図である。（ａ）は図１に示すヒータの概略縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）における領域Ｂを拡大して示す断面図である。図２（ａ）における領域Ｂの他の例を拡大して示す断面図である。図２（ａ）における領域Ｃの一例を拡大して示す断面図である。

以下、ヒータの実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、ヒータの実施形態の一例を示す概略斜視図、図２（ａ）は図１に示すヒータの概略縦断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）に示す領域Ｂの一例の拡大図である。

図１および図２に示すヒータ１は、柱状または筒状のセラミック体２と、セラミック体２の内部に設けられた発熱抵抗体３と、セラミック体２の外周面に周方向に沿って設けられた金属層４と、金属層４に接合材５を介して接合されたフランジ６と、フランジ６を被覆するめっき層７とを備えている。そして、めっき層７は、当該フランジ６を覆う第１めっき層７１と、第１めっき層７１を覆う第２めっき層７２とを有する。

本実施形態のヒータ１は、例えば、このセラミック体２の周囲に液体、気体および粉体のような流体の被加熱物を通過させて加熱させることができる。ヒータ１におけるセラミック体２は、長さ方向を有する柱状または筒状の部材である。柱状としては、例えば円柱状または角柱状等が挙げられる。なお、ここでいう柱状とは、例えば特定の方向に長く伸びた板状も含んでいる。また、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１においては、セラミック体２は円筒状である。

セラミック体２が筒状（円筒状）である場合には、ヒータ１はセラミック体２の内周面または外周面に被加熱物を接触させて加熱するように用いられる。また、図示しないが、セラミック体２が柱状の場合は、ヒータ１はセラミック体２の外周面に被加熱物を接触させて加熱するように用いられる。

セラミック体２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点では窒化アルミニウムを用いることが好ましい。一方、耐酸化性があって製造しやすい点ではアルミナを用いることが好ましい。

セラミック体２が円筒状である場合の寸法は、例えば長さ方向の全長が４０〜１５０ｍｍ、外径が４〜３０ｍｍ、内径が１〜２８ｍｍに設定することができる。また、セラミック体が円柱状の場合の寸法は、例えば長さ方向の全長が４０〜１５０ｍｍ、外径が４〜３０ｍｍに設定することができる。

セラミック体２の内部には、発熱抵抗体３が設けられている。すなわち、セラミック体２には発熱抵抗体３が埋設されている。発熱抵抗体３は、電流が流れることによって発熱してセラミック体２を加熱するものである。発熱抵抗体３の一端が後述する一対の引出電極９のうちの一方と電気的に接続され、他端が後述する一対の引出電極９のうちの他方と電気的に接続されている。図示していないが、発熱抵抗体３は、長さ方向に繰り返して折り返しながら周方向に沿って設けられた折り返し部（蛇行部）を有している。

発熱抵抗体３は、例えばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）またはレニウム（Ｒｅ）等の高融点の金属を主成分とした導電体から成る。発熱抵抗体３の寸法は、例えば、幅を０．３〜２ｍｍ、厚みを０．０１〜０．１ｍｍ、全長を５００〜５０００ｍｍに設定することができる。これらの寸法は、発熱抵抗体３の発熱温度および発熱抵抗体３に加える電圧等によって適宜設定される。

また、セラミック体２には引出電極９が埋設されている。引出電極９は、一端が発熱抵抗体３に接続されているとともに、他端がセラミック体２の後端側（図中の右側）の表面に設けられた外部電極８に接続されている。引出電極９は、発熱抵抗体３と同じ金属材料からなるものでもよく、異なる金属材料からなるものでもよい。また、発熱抵抗体３と同
時に形成されたものでもよく、別々に形成されたものでもよい。引出電極９が円柱状の場合の直径は、例えば０．３ｍｍ〜１ｍｍとされる。

上述のように、セラミック体２の後端側（図中の右側）の表面には、外部電極８が設けられている。外部電極８は、引出電極９を介して発熱抵抗体３と電気的に接続されている。また、外部電極８は外部の電源と発熱抵抗体３とを電気的に接続するためのものであって、セラミック体２の後端側の２か所にそれぞれ設けられ、リード端子が接合されて当該リード端子を介して外部の電源に接続される。この外部電極８は、例えばタングステン、モリブデン等の金属材料からなる。外部電極８の寸法は、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。

セラミック体２の外周面のうちフランジ６が取り付けられる領域には、周方向に沿って金属層４が設けられている。図に示す例では、金属層４が設けられた領域（フランジ６が取り付けられる領域）は、セラミック体２の後端側にあって、外部電極８よりも先端側の位置にある。

なお、金属層４は、フランジ６とセラミック体２との間だけではなく、そこからセラミック体２の先端側および後端側にかけても設けられている。言い換えると、セラミック体２の長さ方向を含む断面で見たときに、フランジ６の幅よりも金属層４の幅が大きい。これにより、フランジ６のうちセラミック体２の先端側および後端側の両方と金属層４とを接合材５で接合することができる。また、金属層４の広範囲に接合材５を濡れ広がらせることができるので、フランジ６と金属層４との接合強度を向上できる。

金属層４は、例えば、タングステン、モリブデン等の金属材料からなる。また、接合材５としては、金属層６とフランジ６とを接合するための材料を適宜選択することができる。本実施形態のヒータ１においては、接合材５としてろう材を用いている。ろう材としては、例えば、銀または銀−銅ろう等を用いることができる。特に、金属層４をメタライズ層およびめっき層の複合層とすることによって、金属層４と接合材５との濡れ性を向上させてもよい。これにより、セラミック体２とフランジ６との接合強度を向上できる。このようなめっき層としては、例えば、ニッケル層を用いることができる。

金属層４には接合材５を介してフランジ６が接合されている。フランジ６は、セラミック体２を外部機器に取り付けやすくするための部材である。外部機器としては、例えば温水洗浄便座等が挙げられる。本実施形態のヒータ１が温水洗浄便座に用いられる場合には、温水洗浄便座における洗浄用の水がセラミック体２の内部（筒の内周面を壁面とする流路）を通過して加熱されることによって温水になるように用いられる。具体的には、例えば、セラミック体２の後端側から水が導入され、この水がセラミック体２の内部の流路を通過する間に発熱抵抗体３によって加熱された後に、セラミック体２の先端側から温水となって放出される。このとき、セラミック体２の先端側から放出される温水は、セラミック体２の外表面に付着する可能性があるが、この水がセラミック体２の後端側に設けられた外部電極８に触れてしまうことによって漏電が生じることを防ぐ必要がある。ヒータ１を温水洗浄便座に用いた場合には、フランジ６は、温水が外部電極８に付着することを防止することで、結果として漏電を防止するための役割も有している。

フランジ６は、環状の部材であって、セラミック体２が挿入されている。本実施形態のヒータ１においては、フランジ６は内周から外周に至る途中に２つの屈曲部を有している。具体的には、フランジ６は、金属層４から外周側に垂直に立ち上る第１部分６１と、第１部分６１の外周側の端部から後端側に延びる第２部分６２と、第２部分６２の後端から外周側に延びる第３部分６３とを有している。そして、第１部分６１と第２部分６２とによって、および、第２部分６２と第３部分６３とによって、２つの屈曲部が形成されてい
る。

フランジ６は、例えばステンレス鋼または鉄−コバルト−ニッケル合金等の金属材料からなる。特に耐腐食性の観点からは、フランジ６はステンレス鋼からなることが好ましい。フランジ６の寸法は、例えば以下の通り設定することができる。具体的には、第１部分６１の内径をセラミック体２の外径とほぼ等しく、第３部分６３の外径を８ｍｍ〜５０ｍｍ程度に設定することができる。また、セラミック体２の長さ方向における長さ（第２部分６２の長さ）は、例えば０．３ｍｍ〜５ｍｍ程度に設定できる。

図２（ｂ）に示す例のように、フランジ６の表面は、めっき層７で被覆されている。そして、めっき層７は、フランジ６を覆う第１めっき層７１と、第１めっき層７１を覆う第２めっき層７２とを有している。このような構成により、第２めっき層７１の表面からフランジ６に向かってクラックが進展したとしても、第１めっき層７１と第２めっき層７２との境界でその進展が食い止められる。すなわち、めっき層７の表面の欠陥等に起因するクラックがフランジ６まで到達することが抑えられるので、フランジ６が腐食することを抑えることができ、フランジ６の耐久性が向上したヒータ１となる。図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ部を拡大して示しているが、Ｂ部以外の部分においても同様に、フランジ６の表面に第１めっき層７１、第２めっき層７２がある。めっき層７が第１めっき層７１および第２めっき層７２の２層からなるのは、めっき層７が表面に露出する部分だけでよい。具体的には、フランジ６の第１部分６１の金属層４側の端部は接合材５に覆われており、この部分は第１のめっき層７１だけであってもよい。

第１めっき層７１および第２めっき層７２は、例えばニッケル、錫、金等の金属のめっき層である。第１めっき層７１と第２めっき層７２とは同じ金属であってもよいし、異なる金属であってもよい。また、上記金属を主成分として他の成分を副成分として含んでいてもよい。例えば、ニッケルめっきであって、ホウ素（Ｂ）あるいはリン（Ｐ）を副成分として含むものであってもよい。また、第１めっき層７１と第２めっき層７２とは同じ金属であって、副成分が異なっていてもよい。

第１めっき層７１を第２めっき層７２よりも厚くしてもよい。このようにすると、めっき層７１と第２めっき層７２とで金属の種類が異なっている場合には、第１めっき層７１の表面でクラックの進展が止まって腐食が始まったとしても、フランジ６の表面上の第１めっき層７１の厚みが厚いことで、フランジ６への腐食の進行を遅らせることができる。また、めっき層７１と第２めっき層７２とで金属の種類が同じ場合には、第２めっき層７２が薄いことで第１めっき層７１とフランジ６との間に生じる熱応力が大きくなることが抑えられ、めっき層７のフランジ６からの剥がれが抑えられる。すなわち、いずれの場合においても、フランジ６の耐久性が向上したヒータ１となる。

第１めっき層７１の厚みは、例えば１μｍ〜２０μｍに設定することができる。第２めっき層７２の厚みは、例えば０．５μｍ〜１０μｍに設定することができる。

第１めっき層７１が電気めっきから成るとともに、第２めっき層７２が無電解めっきから成るものとすることができる。上述したように、フランジ６の表面の第１めっき層７１の厚みを厚くするのがよい。電気めっきにより第１めっき層７１形成すると、効率よく厚いめっき層を形成することができる。また、電気めっきでめっき層を形成する場合には、電流を印加するための電極をめっき対象物（フランジ６）に接触させて行なう。このとき、電極が接触していた部分が電極跡として残って欠陥となる場合がある。最表面に位置する第２めっき層７２が無電解めっきから成ることで、このような欠陥が表面にないめっき層７とすることができるので、フランジ６の耐久性が向上したヒータ１となる。

第２めっき層７２は第１めっき層７１よりもホウ素の含有率が高いものとすることができる。第２めっき層７のホウ素の含有率が高いと、第２めっき層７２の融点が高くなるので表面からの熱による劣化を防ぐことができる。また、第２めっき層７２の硬度が大きくなるのでめっき層７の表面に傷などの欠陥が生じ難くなる。また、第１めっき層のホウ素の含有率が低いと、第１めっき層７１の硬度が小さくなるので、フランジ６との間の熱応力を緩和しやすくなる。これらのことから、フランジ６の耐熱性および耐久性が向上したヒータ１となる。

ホウ素の含有率は、例えば第１めっき層７１は０〜０．３％で、第２めっき層７２は０．３〜３％に設定することができる。例えば、還元剤としてジメチルアミンボランを用いた無電解めっきにより第２めっき層７２を形成することとで、ホウ素を含有するニッケルめっき層を形成することができる。また、ホウ素を含有しない電解液を用いた電気めっきによりホウ素を含まない第１めっき層７１を形成することができる。

第１めっき層７１および第２めっき層７２のホウ素の含有率は、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー分析（ＥＰＭＡ）によって測定することができる。表面に第１めっき層７１および第２めっき層７２が形成されたフランジ６を切断してフランジ６の表面に対しておおよそ垂直な断面を形成し、この断面に鏡面研磨を施して、第１めっき層７１および第２めっき層７２の断面を波長分散型Ｘ線マイクロアナライザーにて分析すればよい。また、蛍光Ｘ線元素分析（ＸＲＦ）による分析でもよい。

ここで、図３は、図２（ａ）における領域Ｂの他の例を拡大して示す断面図である。また、図４は、図２（ａ）における領域Ｃの一例を拡大して示す断面図である。領域Ｂは、フランジ６の第３部分６３の外周側の端部である。領域Ｃは、フランジ６における第１部分６１と第２部分６２との間の屈曲部である。このように、フランジ６は、端部の角（エッジ）および屈曲部といった角部を有している。フランジ６の第１部分６１の内側の端部の角（エッジ）およびフランジ６の第２部分６２と第３部分６３との間の屈曲部も角部である。

めっき層７の厚みがこのフランジ６の角部において他の部位よりも厚くてもよい。フランジ６の角部では応力が集中してクラックが発生し易く、めっき層７が剥がれる場合がある。この角部におけるめっき層７の厚みが厚いことでクラックが発生し難くなり、クラックが発生してもクラックの進行が抑えられるので、めっき層７のフランジ６からの剥がれが抑えられる。よって、フランジ６の耐久性が向上したヒータ１となる。

図３および図４に示す例では、第１めっき層７１のフランジ６の角部における厚みが他の部位の厚みよりも厚くなっている。これにより、めっき層７の厚みがフランジ６の角部において他の部位よりも厚くなっている。これに限られず、第２めっき層７２の厚みが角部において厚いことで角部におけるめっき層７の厚みが厚くなっていてもよい。あるいは、第１めっき層７１および第２めっき層７２の両方が角部において厚いことで角部におけるめっき層７の厚みが厚くなっていてもよい。

角部におけるめっき層７の厚みを他の部位より厚くするには、電気めっきでめっき層７を形成することで容易にできる。電気めっきによるめっき層の形成では、角部は電流密度が高くなりやすいので、角部に形成されるめっき層の厚みが厚くなり傾向がある。電気めっきの際の電流を大きくすることで、よりこの傾向が強くなり、より容易に角部におけるめっき層の厚みを厚くすることができる。無電解めっきで形成する場合は、全体に同程度の厚みのめっき層を形成し、角部以外をマスク等で覆うなどして角部のみにさらめっき層を形成して角部の厚みを厚くすることができる。

第１めっき層７１はクロムを含有していてもよい。第１めっき層７１が腐食に強いクロムを含有していることで、第１めっき層７１によって腐食の進行をさらに抑えやすくなるので、フランジ６の耐久性がより向上したヒータ１となる。

また、第１めっき層７１中のクロムは、第２めっき層７２側よりもフランジ側において多く分布していてもよい。第１めっき層７１がこのような構成であると、第２めっき層７２の表面に生じた欠陥を起因とするクラックが発生し、第１めっき層７１と第２めっき層７２との境界を越えて第１めっき層７１までクラックが到達した場合であっても、第１めっき層７１内おいて組成が変化しているのでクラックの進展を抑えやすくなる。そして、クロムの多い領域は腐食し難いので、腐食はクロムの多い領域とクロムの少ない領域との境界に沿って進むこととなり、フランジまで腐食が進むのを遅らせることができ、耐久性がより向上する。

クロムを含有する第１めっき層７１は、例えば、ステンレス鋼のようなクロムを含む金属から成るフランジ６を用い、このフランジ６の表面に第１めっき層７１を形成した後に熱処理を施すことで形成することができる。熱処理によってフランジ６に含まれるクロムが第１めっき層７１中へ拡散することで第１めっき層７１はクロムを含有するものとなる。また、熱処理条件によってクロムの拡散状態を調整することで、クロムが第２めっき層７２側よりもフランジ６側に多く分布したもの、すなわちクロムの含有率が第２めっき層７２側よりもフランジ６側の方が多いものにすることができる。ここで、第１めっき層７１における第２めっき層７２側およびフランジ６側とは、第１めっき層７１の厚み方向の断面において、第１めっき層７１の厚みの２分の１の位置に引いた仮想線より第２めっき層７２側およびフランジ６側という。

第１めっき層７１中のクロムの存在（含有率）および分布の確認は、上述したホウ素の含有率の測定と同様に、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー分析（ＥＰＭＡ）によって行なうことができる。上述と同様の方法で第１めっき層７１の断面を波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー分析にて分析し、クロム元素のマッピングを行なうことで、第１めっき層７１中のクロムの存在（含有率）および分布を確認することができる。

次に、本実施形態のヒータの製造方法の一例について説明する。なお、本例では、セラミック体２が円筒状のアルミナ質セラミックスからなる場合の例について説明する。

まず、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、ＳｉＯ_２，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ_２が合計で１０質量％以内になるように調整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３となる所定のパターンを形成する。発熱抵抗体３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や、ニクロム線をコイル状に形成し埋設する方法などがあるが、スクリーン印刷法で形成することが品質面での安定性や製造コストが抑えられるといった面から用いられやすい。

セラミックグリーンシートの発熱抵抗体３を形成する面とは反対側の面に、金属層４および外部電極８となるパターンを発熱抵抗体３の形成と同様に、スクリーン印刷、ディスペンサー等を用いて所定のパターン形状に形成する。

また、セラミックグリーンシートには、発熱抵抗体３と外部電極８とを電気的に接続するための引出電極９を形成するための孔加工および導体ペーストの充填がなされる。

発熱抵抗体３、金属層４、外部電極８および引出電極９は、例えばタングステン、モリ
ブデン、レニウムなどの高融点金属を主成分とする導電性ペーストを用いることができる。

一方、押し出し成型にて円筒状のアルミナ質セラミック成型体を成型する。

そして、この円筒状のアルミナ質セラミック成型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つけ、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２となるアルミナ質一体成型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型体を１５００〜１６００℃の還元雰囲気中（窒素雰囲気）で焼成することで、アルミナ質一体成型体が収縮し、アルミナ質一体焼結体（セラミック体２）を作製することができる。

一方、フランジ６は、ステンレス鋼の板に打ち抜き加工およびプレス加工を施して、第１部分６１、第２部分６２、第３部分６３を有してセラミック体２が挿入される孔を備えた形状にすることで作製することができる。

次に、セラミック体２に形成された金属層４および外部電極８上にめっきを施す。めっきは、ニッケルめっき、金めっき、スズめっきなどが汎用的である。厚みは、３〜１０μｍとすればよい。このめっきによって、金属層４にフランジを接合するための接合材(ろ
う材)の濡れ性（接合性）、および外部電極８へリード端子を接合するための接合材（は
んだ）の濡れ性（接合性）を向上させることができる。めっきの方法は無電解めっきや電気めっき、バレルめっきなどの方法を目的に応じて選択するとよい。

また、フランジ６には電気めっきにより１〜６μｍのニッケルめっき層を第１めっき層７１として形成する。

次に、第１めっき層７１が形成されたフランジ６の孔にセラミック体２を挿入し、フランジ６の孔（第１部分６１の内側の端部）がセラミック体２の金属層４と重なるように位置合わせして、Ａｇ系のろう材（接合材５）を用いて還元雰囲気の炉にて約１０００℃の温度でろう付けする。

そして、セラミック体２にろう付けされたフランジ６に厚みが１〜３μｍの第２めっき層７２を無電解めっきにて形成することでヒータ１となる。

なお、外部電極８には、より線からなるリード端子をはんだ付けすることで給電部を形成してもよい。

１：ヒータ
２：セラミック体
３：発熱抵抗体
４：金属層
５：接合材
６：フランジ
７：めっき層
７１：第１めっき層
７２：第２めっき層
８：外部電極
９：引出電極

Claims

柱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外周面に周方向に沿って設けられた金属層と、該金属層に接合材を介して接合されたフランジと、該フランジを被覆するめっき層とを備えており、
前記めっき層は、該フランジを覆う第１めっき層と、該第１めっき層を覆う第２めっき層とを有し、前記フランジは角部を有する形状であって、前記めっき層の厚みが前記フランジの角部において他の部位よりも厚いことを特徴とするヒータ。
前記第１めっき層が前記第２めっき層よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記第１めっき層が電気めっきから成るとともに、前記第２めっき層が無電解めっきから成る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。
前記第２めっき層は前記第１めっき層よりもホウ素の含有率が高いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。
前記第１めっき層はクロムを含有していることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータ。
前記クロムが前記第２めっき層側よりも前記フランジ側において多く分布していることを特徴とする請求項５に記載のヒータ。