JPH06104073A

JPH06104073A - 面状発熱体

Info

Publication number: JPH06104073A
Application number: JP25116992A
Authority: JP
Inventors: Masaki Ikeda; 正樹池田; Masahiro Hiraga; 将浩平賀; Haruhiko Handa; 晴彦半田; Akihiko Yoshida; 昭彦吉田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-09-21
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 1994-04-15

Abstract

(57)【要約】【目的】電気絶縁性、耐熱性、耐久性に優れた面状発
熱体を提供することを目的とする。【構成】平板状の金属基体１と、その金属基体１上に
形成されている絶縁性を有する第１のホーロ層２と、そ
の第１のホーロ層２上に形成され、絶縁性を有する第２
のホーロ層４と、その第２のホーロ層４中に埋設されて
いる電気発熱素子３とを備え、前記電気発熱素子３の加
熱時に前記第１および／または第２のホーロ層２，４に
実質的に圧縮応力が生じるように、前記金属基体１の電
気発熱素子３側表面が所定の曲率を持つ凹面に形成され
ていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気エネルギーを熱源
とした各種暖房器や調理機器に用いられる面状発熱体に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、面状発熱体として樹脂フィルムで
電気発熱体を挟着したものが多用されているが、樹脂フ
ィルムの耐熱性が低いため、２００℃以上では使用でき
ない。

【０００３】そこで、特開昭５７−１０９４１９号公報
に示されているような、ホーロ鋼板上に、絶縁性ホーロ
層を形成した後、さらにホーロ層中に箔状の電気発熱素
子を一体に埋設した面状発熱体が提案されている。

【０００４】この面状発熱体の構成を図３および図４に
示す。両図において１は金属基体であり、その表面に絶
縁性ホーロ層２が被覆してある。３は電気発熱素子であ
り、この電気発熱素子３を第１のホーロ層２の表面に配
置し、その上から、第２のホーロ層４を形成するスリッ
プを塗布し、焼成して第２のホーロ層４を形成してい
る。こうして第２のホーロ層４によって被覆され、金属
基体１と一体に結合された面状発熱体が得られる。この
面状発熱体は電気絶縁性に比較的優れているので、１５
０℃〜３００℃の中高温度域で使用するのに適し、しか
も薄型で長寿命が期待できるなどの特徴を有する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】電気用品規格には、絶
縁抵抗が使用時１ＭΩ以上、絶縁耐力１ｋＶ以上と規定
してある。従って、このタイプの面状発熱体に要求され
る最大のポイントは上記絶縁特性の安定化にある。

【０００６】面状発熱体の絶縁抵抗は次式によって表さ
れる。

【０００７】

【数１】

【０００８】ここにＲは面状発熱体の絶縁抵抗、ρtは
ホーロ層の体積固有抵抗、Ａは電気発熱素子の面積、ｄ
はホーロ層の膜厚を示す。

【０００９】ホーロ層の膜厚はホーロ密着性の観点から
決定されるもので、たかだか１００〜３００μｍ程度で
ある。よって面状発熱体の絶縁抵抗を向上させるには、
体積固有抵抗の優れたガラスフリットで絶縁ホーロ層を
形成すれば良い。そのガラスフリットの体積固有抵抗
は、ガラス中のアルカリ成分（Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、Ｌｉ₂
Ｏ）によって大きく影響を受けるため、アルカリ成分量
の少ないガラスフリットの選択によって絶縁抵抗の安定
化が達成できる。

【００１０】しかしながら、絶縁耐力については、上記
の絶縁抵抗ほど明確な関係が得られず、使用するガラス
フリットの種類、膜厚、焼成条件等によってその特性が
著しく変化する。

【００１１】さらに本発明者らは絶縁性について詳細に
検討した結果、オン−オフ通電のヒートサイクル寿命試
験後の絶縁抵抗、絶縁耐力は初期値より低下し、特性の
劣化が認められることがわかった。さらに面状発熱体の
表面温度が高いほどその劣化度合が大きいことを見いだ
した。すなわち、従来の面状発熱体は、表面温度が３０
０℃以下では使用可能であるが、それ以上の高温が要求
される発熱体には絶縁特性の劣化から、使用することが
できなかった。このような絶縁性劣化のメカニズムは、
絶縁ホーロ層にマイクロクラックが発生するためと考え
られた。

【００１２】本発明は、以上のような従来の面状発熱体
の課題を考慮し、高温でのサイクル寿命を行っても、絶
縁特性が劣化することなく、高温域で使用することので
きる面状発熱体を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本出願の第１の発明は、
平板状の金属基体と、その金属基体上に形成されている
絶縁性を有する第１のホーロ層と、その第１のホーロ層
上に形成され、絶縁性を有する第２のホーロ層と、その
第２のホーロ層中に埋設されている電気発熱素子とを備
え、前記電気発熱素子の加熱時に前記第１および／また
は第２のホーロ層に実質的に圧縮応力が生じるように、
前記金属基体の電気発熱素子側表面が所定の曲率を持つ
凹面に形成されていることを特徴とする面状発熱体であ
る。

【００１４】本出願の第２の発明は、平板状の金属基体
と、その金属基体上に形成されている絶縁性を有する無
アルカリ結晶化ガラスからなる第１のホーロ層と、その
第１のホーロ層上に形成され、絶縁性を有する第２のホ
ーロ層と、その第２のホーロ層中に埋設されている電気
発熱素子とを備えたことを特徴とする面状発熱体であ
る。

【００１５】

【作用】第１の本発明では、電気発熱素子を形成する側
の金属基体表面を例えば１００００ｍｍアール以下の曲
率を持つ凹面にしたことにより、電気発熱素子の加熱時
に、その電気発熱素子を埋設している側のホーロ層に対
して圧縮応力が加わる。そのためヒートサイクルによっ
ても、ホーロ層にクラック等が発生せず、絶縁性を保持
することができる。

【００１６】第２の本発明では、金属基体上に形成する
第１のホーロ層にアルカリ成分（Ｌｉ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ
₂Ｏ）を全く含まない無アルカリ結晶化ガラスを用いる
ことにより、面状発熱体の電気絶縁性が飛躍的に向上す
る。また、このガラスは金属基体に焼き付けるときに無
数の微結晶が析出するので、セラミックスに近く、耐熱
性（９００℃程度）が大幅に向上する。それに比べて通
常用いられるガラスはアモルファスであるため耐熱温度
（６００℃程度）が低い。例えば、電気発熱素子を７０
０℃で形成すると、アモルファスガラスは耐熱温度以上
ではガラスが、軟化、流動するので、ガラス中の小さな
泡が成長して大きな泡となる。その結果、その大きな泡
が原因となって絶縁耐力の低下を招く。それに対して無
アルカリ結晶化ガラスは、結晶の析出により耐熱性が向
上するので電気発熱素子を８００℃で焼き付けても、結
晶化ガラス層が軟化、流動することがなく、結晶化ガラ
ス層中の泡が大きく成長することがない。故に、絶縁耐
力も高い値を示す。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例の面状発熱体を図面に
基づいて説明する。

【００１８】図１は本実施例の面状発熱体の構造を示す
断面図である。同図において面状発熱体は、平板状の金
属基体１と、その金属基体１上に形成されている絶縁性
を有する第１のホーロ層２と、その第１のホーロ層２上
に形成され、絶縁性を有する第２のホーロ層４と、その
第２のホーロ層４中に埋設されている電気発熱素子３と
を備えており、その電気発熱素子３が通電によって加熱
した際に、第１および／または第２のホーロ層２，４に
実質的に圧縮応力が生じるように、金属基体１の電気発
熱素子３側表面は、所定の曲率を持つ凹面に形成されて
いる。

【００１９】以下、面状発熱体を構成する各要素につい
て説明する。（１）金属基体本発明に使用される金属基体１は、ホーロ用鋼，ステン
レス鋼，珪素鋼，ニッケル−クロム−鉄，ニッケル−
鉄，コバール，インバーなどの各種合金材やそれらのク
ラッド材などが選択できる。本実施例において使用され
る金属材料は、特にホーロ層との膨張率を整合させる必
要があることから、線膨張率１００〜１４０×１０^-7／
℃のステンレス鋼を使用することが好ましい。

【００２０】金属基体１の材質が決定されれば、所望の
形状加工、穴加工等が通常の機械加工、エッチング加
工、レーザ加工等で施される。本実施例の必要要件であ
る１００００ｍｍ以下の凹面の形成は、金属基体１を３
本ローラ等で加工することにより形成される。形成され
た金属基体１はホーロ層の密着性を向上させる目的で、
表面脱脂された後、ニッケル、コバルトなどの各種メッ
キを施したり、熱酸化処理によって酸化被覆層を形成し
たりする。

【００２１】（２）ホーロ層本発明の目的は使用温度範囲が高い面状発熱体を供給す
ることにある。そのため本実施例に用いられるホーロ層
は、電気絶縁性、耐熱性の観点から、無アルカリ結晶化
ガラス（焼成によって、たとえば、MgO系の結晶相を析
出）で構成することが好ましい。そのガラス組成は、特
に、MgOが16−50重量％,SiO₂が7−30重量％,B₂O₃が5−3
4重量％、BaOが0−50重量％,La₂O₃が0−40重量％,CaOが
0−20重量％,P₂O₅が0−5重量％,MO₂が0−5重量％（但
し、MはZr,Ti,Snのうち少なくとも一種の元素）からな
るときがより好ましい。

【００２２】このように、結晶化ガラス材料が選択され
る理由の１つは、ホーロ層の耐熱温度が高くなるためで
ある。すなわち、ホーロ層上に電気発熱素子を形成する
とき、高温（８００℃以上）で焼成するのでホーロ層の
耐熱温度は少なくとも９００℃以上必要である。本実施
例のガラスを結晶化させることにより耐熱温度が９００
℃以上（９００℃でもガラスが流動しないので、８００
℃で電気発熱素子を形成しても、ガラス層内の泡が大き
く成長しない。その結果絶縁耐力は劣化しない）にな
る。

【００２３】それに対して一般の非晶質ガラスは、再加
熱しても結晶化しないので耐熱性（約６００℃以上でガ
ラスが流動するので、電気発熱素子を８００℃以上で形
成すると、ガラス層内の泡が大きく成長して絶縁耐力の
低下を招く）は向上しない。

【００２４】結晶化ガラス材料が選択されるもう１つの
理由は、金属基体１とホーロ層との密着性を強固にする
ためである。特に、上記の組成のガラスは、密着性が非
常に強固である。

【００２５】上記結晶化ガラス層を金属基体１上に被覆
する方法として、通常のスプレー法、粉末静電塗装法、
電気泳動電着法等があるが、被膜の緻密性，電気絶縁性
等の観点から判断した場合、電気泳動電着法を採用する
ことが最も好ましい。

【００２６】この電気泳動電着法に用いられるスラリー
は、ガラスとアルコールおよび少量の水を入れてボール
ミル中で約２０時間粉砕，混合し、調製される。本実施
例のスラリー中のガラスの平均粒径は１〜５μm程度で
ある。このようにして得られたスラリーを電解槽に入れ
て、液を循環させる。そして、金属基体１を、このスラ
リー中に浸漬し、１００〜４００Ｖで陰分極させること
により、その金属基体１表面にガラス粒子を析出させ
る。これを乾燥後、８５０〜９００℃で１０分〜１時間
焼成する。これによって、ガラスの微粒子が溶融すると
共に、ガラスの成分と金属材料が、相互拡散するため、
ホーロ層２と金属基体１との強固な密着が得られる。

【００２７】なお、焼成は常温から徐々に昇温して上記
温度に到達させるほうが微細針状結晶が無数に析出し、
耐熱性がより向上する。

【００２８】（３）電気発熱素子本実施例に用いられる電気発熱素子は、基本的には薄帯
状またはラス網状のＦｅ−Ｎｉ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ，ス
テンレス鋼などの各種電気発熱材、あるいは印刷法で形
成した酸化ルテニウム−ガラス、Ａｇ−Ｐｄ−ガラス、
カーボンなどの抵抗体が好ましい。その一実施例を図２
に示す。

【００２９】本実施例の面状発熱体において、結晶化ガ
ラス層で被覆された金属基体１に電気発熱素子３を一体
化形成する方法としては、スプレー形成法、転写法、印
刷法を利用することが好ましい。次に、具体的実施例に
ついて説明する。

【００３０】（実施例１）金属基体１として、ステンレ
スＳＵＳ４３０を用い、表１に示す如く、３本ローラで
金属基体１に種々の曲率を設けた。次に表２の組成番号
７に示す組成の結晶化ガラスを用いて、前述のごとく作
製した電着用スラリー中に、前述の金属基体１を浸漬
し、基体表面を１５０Ｖ／ｃｍの電圧勾配で陰分極し、
表面に厚さ１００μm電気泳動電着し、さらに８８０℃
で１０分間焼成した。

【００３１】さらに図２に示すＳＵＳ４３０製の電気発
熱素子を、結晶化ガラスで被覆された金属基体１（以下
基板と呼ぶ）の凹面上に配置し、その上からチタン釉薬
スリップをスプレー塗布、８００℃焼成し、基板と一体
化した。なお表１中の金属基体（基材）の曲率の欄にお
けるマイナス表示は電気発熱素子形成側を凸にしたもの
を表している。

【００３２】このようにして得られた面状発熱体におけ
る電気発熱素子３と金属基体１の間の絶縁抵抗、および
１０００Ｖ絶縁耐力を、国洋電機（株）製耐圧絶縁自動
試験器を用い測定した。さらに１００Ｖ通電（表面温度
で４００℃）を３０分、通電オフを３０分のサイクル試
験を実施し、１００サイクル後の絶縁抵抗を測定した。
その結果を表１に示す。なお、表１中で絶縁抵抗は５０
０Ｖ印加時の抵抗値、絶縁耐力は１０００Ｖをクリアー
したものを○、クリアーしなかったものを×として表し
ている。

【００３３】表１から明らかなように、金属基体１の電
気発熱素子３を形成する側を１００００mmアール以下の
曲率にしたものは、サイクル試験を行なっても、電気絶
縁特性の劣化が見られなかった。しかし金属基体１の電
気発熱素子３を形成する側を凸面、もしくは１００００
mmアール以上の曲率の凹面の場合、絶縁特性の劣化が著
しく、また、加熱時に面状発熱体からホーロ層のクラッ
クによると思われる音が発生していた。この理由はホー
ロ層を形成するガラスの耐強度に関係する。

【００３４】一般に、ガラス材の圧縮応力は、引っ張り
応力よりも約１０倍の強度を持っている。すなわち金属
基体１の電気発熱素子３を形成する側を凹面にすると、
加熱によるホーロ層２，４に加わる応力は圧縮応力とな
り、ホーロ層２，４はその応力に十分耐えうるものとな
る。一方、金属基体１の電気発熱素子３形成側が凸面ま
たは１００００mmアール以上の曲率の凹面の場合、ホー
ロ層２，４に加わる応力は引っ張り応力となり、ホーロ
層２、４はその応力に耐えられなくなり、ホーロ層２お
よび／または４にクラックが発生する。そのため絶縁特
性が劣化すると推定される。

【００３５】

【表１】

【００３６】（実施例２）ＳＵＳ４３０からなる金属基
体１（100mm×100mm×0.5mm）の表面に、表２〜表６に
示す組成の結晶化ガラス層を厚さ１００μm電気泳動電
着し、８８０℃で１０分間焼成し基体サンプルを形成
し、さらに実施例１と同様な方法で面状発熱体サンプル
を作製した。基板の表面粗度、うねり性、耐熱性および
面状発熱体の絶縁性等の諸特性を調べた。その結果を組
成とともに表２〜表６に示している。

【００３７】なお、表面粗度はタリサーフ表面粗さ計で
測定し、表面中心線平均粗さＲａで示した。面状発熱体
を４００℃に加熱し、その時の絶縁耐力は国洋電機
（株）製耐圧絶縁自動試験器を用い、遮断電流を１０ｍ
Ａに設定し、１分間１０００Ｖ電圧印加し、その時のリ
ーク状態を○、×で評価した。

【００３８】耐熱性は、サンプルを８５０℃の電気炉中
に１０分間入れ、炉から取り出し３０分間、自然放冷を
繰り返すスポーリングテストを行って、サンプルのクラ
ックや剥離の状態を調べた。なお、クラックは赤インク
中に浸漬し、その後、表面を拭き取って、目視観察によ
って、その有無を調べた。表２〜４中の記号○、△、×
は、記号○が１０サイクル以上行っても、異常が認めら
れないもの、記号△は５〜９サイクルで発生したもの、
記号×は４サイクル以下で発生したものを示す。

【００３９】密着性については、面状発熱体の曲げ試験
を行い、ホーロ層が剥離して金属基体１が露出したもの
を×、金属基体１が一部だけ露出したものを△、金属基
体１が露出していないものを○とした。

【００４０】以上の評価にもとずき総合評価を行い、そ
の結果を記号○、△、×で示した。組成番号１〜８はSi
O₂とB₂O₂を除く他の成分を一定として、SiO₂とB₂O₃を変
化させたもの、組成番号９〜１５は、SiO₂/B₂O₃をほぼ
一定にし、MgO量（ただしＭはＺｒ，Ｔｉ，Ｓｎのうち
少なくとも一種の元素）を変化させたもの、組成番号１
６〜１９は同じく、CaO量を変化させたもの。組成番号
２０〜２４は、同じく、BaO量を変化させたもの。組成
番号２５〜２９は、同じくLa₂O₃量を変化させたもの。
組成番号３０〜４２はそれぞれ、ZrO₂、TiO₂、SnO₂、P₂
O₅、ZnOの影響を示す。

【００４１】表２〜表６から明らかなように、SiO₂を増
加させれば、耐熱性は向上するが、表面性、および密着
性が悪くなる。逆に、B₂O₃量を増加させれば、表面性、
密着性は向上するが耐熱性は低下する。したがって、本
実施例では、結晶化ガラス層の組成においては、SiO₂は
７〜３０重量％、B₂O₃は５〜３４重量％の範囲内が好ま
しいとする。

【００４２】MgO量はガラス層の結晶性と相関があり、
１６重量％以下では結晶析出が不十分で、耐熱性に劣
る。また、５０重量％以上では、結晶が析出しやすく、
ガラス溶融時に簡単に結晶化し、均質なガラスを得るこ
とが難しく、また、表面粗度が大きくなる。

【００４３】CaO量は、２０重量％以上入れると、表面
性が悪くなり好ましくない。BaO量は、５０重量％以上
では、耐熱性、および密着性が劣化し好ましくない。La
₂O₃は、４０重量％以上では、耐熱性が劣化し好ましく
ない。

【００４４】その他の添加可能な成分はZrO₂、TiO₂、Sn
O₂、P₂O₅、ZnOなどが挙げられるが、５重量％以下まで
なら添加可能である。

【００４５】

【表２】

【００４６】

【表３】

【００４７】

【表４】

【００４８】

【表５】

【００４９】

【表６】

【００５０】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明は、従来の面状発熱体は、サイクル寿命後の絶縁
特性劣化の観点から、３００℃以下での使用に限られて
いたが、本発明の面状発熱体は、金属基体における電気
発熱素子を形成する側の表面を所定の曲率にすることに
より、高温でのヒートサイクル寿命試験を行なっても、
絶縁特性が劣化することなく、したがって高温域で使用
することができるという長所を有する。

【００５１】また、本発明は、第１のホーロ層に無アル
カリ結晶化ガラスで構成されているため、耐熱性および
絶縁耐力が向上するという長所を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における面状発熱体の構成を
示す断面図である。

【図２】本発明の一実施例における電気発熱素子の平面
図である。

【図３】従来の面状発熱体の構成を示す斜視図である。

【図４】従来の面状発熱体の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１金属基体２第１のホーロ層３電気発熱素子４第２のホーロ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉田昭彦大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平板状の金属基体と、その金属基体上に
形成されている絶縁性を有する第１のホーロ層と、その
第１のホーロ層上に形成され、絶縁性を有する第２のホ
ーロ層と、その第２のホーロ層中に埋設されている電気
発熱素子とを備え、前記電気発熱素子の加熱時に前記第
１および／または第２のホーロ層に実質的に圧縮応力が
生じるように、前記金属基体の電気発熱素子側表面が所
定の曲率を持つ凹面に形成されていることを特徴とする
面状発熱体。
【請求項２】前記所定の曲率が１００００ｍｍアール
以上である請求項１記載の面状発熱体。
【請求項３】平板状の金属基体と、その金属基体上に
形成されている絶縁性を有する無アルカリ結晶化ガラス
からなる第１のホーロ層と、その第１のホーロ層上に形
成され、絶縁性を有する第２のホーロ層と、その第２の
ホーロ層中に埋設されている電気発熱素子とを備えたこ
とを特徴とする面状発熱体。
【請求項４】前記第１のホーロ層の組成が、MgOが１
６−５０重量％、SiO₂が７−３０重量％、B₂O₃が５−３
４重量％、BaOが０−５０重量％、La₂O₃が０−４０重量
％、CaOが０−２０重量％、P₂O₅が０−５重量％、MO₂が
０−５重量％（但し、MはZr,Ti,Snのうち少なくとも一
種の元素）からなる請求項３記載の面状発熱体。