JP2017182910A

JP2017182910A - ヒータ

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Publication number: JP2017182910A
Application number: JP2016064011A
Authority: JP
Inventors: 健太郎奥本; Kentaro Okumoto
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2036-03-28
Also published as: JP6698398B2

Abstract

【課題】セラミック体の表面にクラックが発生するのを抑制した、耐久性に優れたヒータを提供する。【解決手段】本発明の一態様のヒータ１０は、柱状または筒状のセラミック体１と、セラミック体１の内部に外周面の周方向に沿って設けられた発熱抵抗体２と、セラミック体１が挿入された金属筒３と、少なくともセラミック体１の外周面および金属筒３の間に設けられた充填材４とを備え、セラミック体１の表面のうちの少なくとも発熱抵抗体２と対向する部位に金属層５が設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、流体加熱用ヒータ，気体加熱用ヒータ，酸素センサ用ヒータ等に用いられる管状シースヒータに関するものである。

金属製ケース（金属筒）にセラミックヒータが嵌挿されてなるヒータ装置であって、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、金属製ケースの材質よりも低融点の金属からなる充填材が鋳込み形成されていることを特徴とするヒータ装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。なお、セラミックヒータは、セラミック体の先端側の内部に外周面の周方向に沿って発熱抵抗体が埋め込まれていて、特に先端側が発熱して温度が高くなるようになっている。

特開平９−２２７７４号公報

ここで、低融点の金属からなる充填材を鋳込み形成する際に、セラミック体と充填材との濡れ性が悪く、これらの界面に空隙ができることがある。セラミック体の表面のうちの発熱抵抗体に対向する部位と充填材との界面に空隙があると、空隙の内側にあるセラミック体の表面は外部との熱の授受を行うことができず、局所的に温度が上昇して異常発熱を引き起こすおそれがある。一方、空隙が無いセラミック体の表面では、外部との熱のやり取りがスムーズに行え、空隙のあるセラミック体の表面に比べて、温度は低くなる。

このことから、異常発熱したセラミック体の表面温度とその周囲のセラミック体の表面温度との間で温度差が生じ、これらの境界に熱膨張差による応力が生じてセラミック体の表面にクラックが発生するおそれがあった。すなわち、耐久性が悪かった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、セラミック体の表面にクラックが発生するのを抑制した、耐久性に優れたヒータを提供することを目的とする。

本発明の一態様のヒータは、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外周面の周方向に沿って設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体が挿入された金属筒と、少なくとも前記セラミック体の外周面および前記金属筒の間に設けられた充填材とを備え、前記セラミック体の表面のうちの少なくとも前記発熱抵抗体と対向する部位に金属層が設けられていることを特徴とするものである。

セラミック体の表面のうちの発熱抵抗体と対向する部位に充填材が十分にぬれ広がり、この部位に空隙が発生するのを抑制できるため、耐久性が向上する。

本実施形態のヒータの一例を示す概略斜視図である。図１に示すヒータの分解図である。（ａ）は図１に示すヒータをＡ−Ａ線で切断した概略縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ線で切断した概略横断面図である。（ａ）は本実施形態のヒータの他の例を示す概略縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＤ−Ｄ線で切断した概略横断面図である。本実施形態のヒータの他の例を示す概略斜視図である。図５に示すＥ−Ｅ線で切断した概略縦断面図である。図３に示す領域Ｃの他の例を示す拡大断面図である。本実施形態のヒータの他の例を示す概略斜視図である。

本実施形態のヒータの一例について詳細に説明する。

図１は本実施形態のヒータの一例を示す概略斜視図であり、図２は図１に示すヒータの一例を示す分解図である。図３（ａ）は本実施形態のヒータの図１に示すＡ−Ａ線で切断した概略縦断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示すＢ−Ｂ線で切断した概略横断面図である。図４（ａ）は本実施形態のヒータの他の例を示す概略縦断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）に示すＤ−Ｄ線で切断した概略横断面図である。

図１〜図４に示すヒータ１０は、柱状または筒状のセラミック体１と、セラミック体１の内部に外周面の周方向に沿って設けられた発熱抵抗体２と、セラミック体１が挿入された金属筒３と、少なくともセラミック体１の外周面および金属筒３の間に設けられた充填材４とを備え、セラミック体１の表面のうちの少なくとも発熱抵抗体２と対向する部位に金属層５が設けられている。

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、柱状または筒状である。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。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〜図３に示すヒータ１０においてセラミック体１は円柱状であり、図４に示すヒータ１０においてセラミック体１は円筒状である。

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で発生した熱を充填材４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、例えば長さを１２０ｍｍ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が角柱状の場合には、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、例えば長さを１２０ｍｍ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、電流が流れることによって発熱する抵抗体である。発熱抵抗体２はセラミック体１の内部に埋設され、外周面の周方向に沿って設けられている。本実施形態のヒータ１０における発熱抵抗体２は折り返し形状の部位を有している。

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の後端部へと延びており、当該セラミック体１の後端部においてスルーホール導体の
形態でセラミック体１の外周面へと引き出されている。図１〜図４に示すヒータ１０においては、引出電極２１はセラミック体１のうち金属筒３から突出した部分でセラミック体１の外周面に引き出され、パッド電極６に電気的に接続されている。なお、金属筒３の内側において、引出電極２１をセラミック体１の外周面に引き出すこともできる。

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２５００ｍｍに、厚みを０．０２ｍｍに設定することができる。また、発熱抵抗体２の折り返し部の長手方向長さは、例えば８０ｍｍ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とは異なる材料を用いて別々に形成することもできる。

セラミック体１の後端部の外周面における引出電極２１の引き出された部位およびその周囲には、パッド電極６が設けられている。図１〜図４に示すヒータ１０においては、パッド電極６はセラミック体１のうち金属筒３よりも外側に位置している部分に形成されている。パッド電極６は、セラミック体１が円柱状または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。この場合には、パッド電極６をセラミック体１のうち金属筒３の内側に位置している部分に形成することもできる。パッド電極６は金属材料からなり、この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。パッド電極６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。

パッド電極６の表面には、接合材８を介してリード端子７が接合されている。リード端子７はパッド電極６に電流を流すためまたは電流を取り出すための部材である。リード端子７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。リード端子７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。リード端子７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。

接合材８は、パッド電極６上にリード端子７を取り付けるために用いられる。接合材８は、導電性の材料からなり、給電のためのリード端子７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８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。

セラミック体１は金属筒３に挿入されている。金属筒３は、被加熱物に接触させて用いられる筒状の部材である。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〜図４に示すヒータ１０においては、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金属筒３に挿入されている。すなわち、金属筒３の内径はセラミック体１の外径よりも大きく、金属筒３の内周面とセラミック体１の外周面との間には、充填材４を充填することができる程度の隙間が形成されている。

なお、図５および図６に示すように、金属筒３は先端に底部（金属蓋３１）を有する形状であってもよい。熱膨張の観点から、金属蓋３１の材料は金属筒３の材料と同じであることが望ましい。そして、金属筒３の底部（金属蓋３１）とセラミック体１との間にも充填材４を充填してもよい。

金属筒３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。金属筒３が円筒状の場合には、金属筒３の寸法は、例えば長さを１００ｍｍに、外径を２５ｍｍに、内径を２３ｍｍに設定することができる。

金属筒３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。必要により、金属筒３の表面には、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３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。

少なくともセラミック体１の外周面および金属筒３の間には充填材４が設けられている。充填材４はセラミック体１と金属筒３との間の熱伝導を良好にするためのものである。充填材４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。充填材４としては、例えば、アルミニウム、亜鉛、錫等の金属に銅、マグネシウムおよびケイ素等を添加したものを鋳込みで充填したものを用いることができる。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３の外周面の温度上昇にかかる時間を短くすることができる。

また、必要により、図６に示すように、セラミック体１が挿入される金属筒３の開口部において生じるセラミック体１と金属筒３との隙間を埋めるように、封止材９が充填される。この封止材９は、充填材４を外気から遮断するために設けられる。封止材９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９を設けることによって、充填材４を外気から遮断し、外気による充填材４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。なお、図示しないが、図３および図４に示す形態において、セラミック体１が挿入される金属筒３の開口部において生じるセラミック体１と金属筒３との隙間を埋めるように、先端側および後端側に封止材９が設けられてもよい。なお、セラミック体１と金属筒３との隙間がない場合には、充填材４の端面を覆うように封止材９が設けられていればよい。

上述の実施形態においては、セラミック体１の一部が金属筒３の外部に位置していたが、これに限られない。具体的には、セラミック体１の全体が金属筒３の内部に位置していてもよい。このような場合には、パッド電極６およびリード端子７を絶縁性のシートで覆うことによって、充填材４との間の絶縁性を確保すればよい。これにより、充填材４を介して漏電が起きてしまうおそれを低減できる。

そして、セラミック体１の表面のうちの少なくとも発熱抵抗体２と対向する部位には金属層５が設けられている。ここでいうセラミック体１の表面のうちの少なくとも発熱抵抗体２と対向する部位とは、セラミック体１の内部に埋設され、外周面の周方向に沿って設けられた発熱抵抗体２における特に発熱する折り返し部を少なくとも覆う領域のことを意味している。ここで、後述する溝１１は除かれる。

本実施形態においては、金属層５はセラミック体１のうち先端側の外周面に一周連続して設けられている。金属層５は金属材料からなり、この金属材料としては、パッド電極６と同様に、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。金属層５の寸法は、例えば長さを８５ｍｍに、厚みを０．０２ｍｍに設定することができる。

セラミック体１の表面のうちの発熱抵抗体２と対向する部位に金属層５が設けられていることで、金属層５の表面に充填材４が十分にぬれ広がり、セラミック体１における発熱抵抗体２に対向する部位と金属筒３との間に、空隙が発生するのを抑制できる。異常発熱する空隙の発生を抑制できることから、ヒータ１０の耐久性を向上させることができる。なお、セラミック体１の外周面の後述する溝１１を除く金属筒３に挿入される領域の全域に金属層５が設けられているのがよい。

ここで、図７に示すように、金属層５は、セラミック体１の表面に面して設けられた金属層本体５１と、金属層本体５１の外表面に設けられためっき層５２とからなる構成であってもよい。この構成により、充填材４の金属層５への接触性（ぬれ性）が向上するので、接触熱抵抗（接触面で発生する熱抵抗）を抑えることができる。そのため、ヒータの過渡特性を向上させることができる。なお、過渡特性とは、昇温に要する時間および降温に要する時間を短くして、より短い時間で目的とする温度に到達させる特性のことを意味する。

また、図８に示すように、セラミック体１は、外周面に長手方向に沿って溝１１を有していてもよい。本実施形態においては、セラミック体１の外周面の先端から後端にかけて溝１１が設けられている。溝１１は、例えば底面と側面とを有する形状とされる。このような場合の溝１１の寸法は、例えば深さを０．２〜０．８ｍｍ、開口幅を０．４〜２．４ｍｍに設定できる。このような溝１１に充填材４が入り込むことにより、金属筒３の中にあるセラミック体１にひねりの力が加わったとしても、セラミック体１と充填材４とがより強固に接合されることになるので、セラミック体１と充填材４との剥がれを抑制することができる。そのため、ヒータ１０の耐衝撃性を向上させることができる。

また、図８に示すように、金属層５は少なくとも溝１１を除く発熱抵抗体２と対向する表面に設けられていてもよい。言い換えると、金属層５は溝１１には設けられていないのがよい。これにより、充填材４の溝１１へのぬれ広がりが十分ではなくなり、通電、非通電時の充填材４の膨張収縮による溝１１の底面と側面との境界にかかる応力を緩和でき、この境界にクラックが入るのを抑制できる。そのため、ヒータ１０の耐久性を向上させることができる。

なお、溝１１において、セラミック体１と充填材４との間に空隙を有していてもよい。これにより、セラミック体１の溝１１にクラックが生じるおそれを低減でき、ヒータ１０の長期信頼性を向上できる。さらに、この空隙が溝１１の長さ方向全体に延びていてもよい。これにより、溝１１の長さ方向における均熱性を高めることができる。これにより、溝１１のうち特定の部位において熱応力が集中するおそれを低減できる。その結果、ヒータ１０の長期信頼性を向上できる。

また、図１〜図８に示すように、金属層５はセラミック体１の先端には設けられていないのがよい。そして、図５および図６に示すように、金属筒３の先端側の開口を塞ぐ金属蓋３１をさらに備え、セラミック体１の先端と金属蓋３１との間に間隙が設けられていて、当該間隙における充填材４２の充填率が、セラミック体１の外周面と金属筒３との間にある充填材４１の充填率よりも小さいのがよい。例えば、セラミック体１の外周面と金属筒３との間にある充填材４１の充填率は９９体積％以上で、セラミック体１の先端と金属蓋３１との間にある充填材４２の充填率は例えば０〜５０体積％とされる。

これにより、セラミック体１の先端から逃げる熱を抑えることができ、ヒータ１０の昇温速度をより速くすることができる。また、ヒータ１０の外周面において被加熱物を加熱する際に、効率よく加熱することができる。

次に、本実施形態のヒータ１０の製造方法の一例について説明する。

まず、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分として、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および引出電極２１となる所定のパターンを形成する。発熱抵抗体２および引出電極２１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泊をエッチング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。なお、発熱抵抗体２と引出電極２１とは別々な形成方法で形成しても良い。

セラミックグリーンシートの発熱抵抗体２および引出電極２１を形成する面とは反対側の面に、パッド電極６を発熱抵抗体２および引出電極２１の形成と同様に所定のパターンで形成する。同様にして、発熱抵抗体２と対抗する部位に金属層５を所定のパターンで形成する。また、引出電極２１をセラミック体１の外周面に引き出してパッド電極６と電気的に接続するために、セラミックグリーンシートには孔加工を施すとともにこの孔に引出電極２１の一部としてのスルーホール導体を形成するための導体ペーストを充填する。発熱抵抗体２、引出電極２１（スルーホール導体も含む）、パッド電極６および金属層５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、押し出し成型にて例えば円柱状のアルミナ質セラミック成型体を成型する。

そして、この円柱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る。このとき、必要により外周面に長手方向に沿って溝１１を設けてもよく、アルミナ質セラミックグリーンシートの巻き付けた端部同士の間に隙間を設けるようにアルミナ質セラミックグリーンシートを巻きつけることで、外周面に長手方向に沿って溝１１を設けることができる。一方、隙間なくアルミナ質セラミックグリーンシートを巻きつけることで、溝１１のないセラミック体１とすることができる。そして、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型体を得ることができる。

こうして、得られた成型体を１５００〜１６００℃の還元雰囲気中（窒素雰囲気中）で焼成することによって、セラミック体１、溝１１、発熱抵抗体２、引出電極２１、パッド電極６および金属層５を備えた焼結体を得ることができる。得られた焼結体に、さらにパッド電極６および金属層５にめっき等を施した後にリード端子７を接続する。

次に、金属蓋３１の外周面と金属筒３の内周面に形成したねじ構造によって、金属筒３に金属蓋３１を取り付け、そこへセラミック体１を挿入する。

さらに、セラミック体１の周方向における位置決めを行なうために、セラミック体１と金属筒３との間に、スペーサーを挿入する。スペーサーとしては、φ０．７５ｍｍ程度、長さが１０ｍｍ程度の円柱状の棒を４本準備して、セラミック体１の外周に沿って９０度の間隔で４か所に挿入する。そして、このスペーサーによって確保されたセラミック体１と金属筒３との間の隙間に充填材４を充填する。このとき、セラミック体１、金属筒３、金属蓋３１は充填する充填材の温度と同じにするのが好ましい。また、振動を加えて充填材４を流し込むことで、充填欠陥（いわゆる巣等）を防ぐことができる。スペーサーを挿入した方とは逆側の方から徐冷し、セラミック体１が固定されたら、スペーサーを抜き取る。充填材４としては、例えば錫合金や亜鉛合金を用いることができる。

ここで、セラミック体１の先端と金属蓋３１との間にある充填材４２の充填率が、セラミック体１の外周面と金属筒３との間にある充填材４１の充填率よりも小さい構成とするには、セラミック体１の先端と金属蓋３１との間の隙間を例えば０．０５ｍｍ以下と小さくしてセラミック体１の先端と金属蓋３１との間に充填材４２が入りにくくする方法や、セラミック体１の先端に金属層５を設けずに充填材４がセラミック体１の先端に濡れ広がらないようにする方法などが挙げられる。

また、セラミック体１の先端と金属蓋３１とが接触している状態にして、充填材４を充填した後に、金属蓋３１を一旦取り外し、セラミック体１の先端に空隙があることを確認し、再度、金属蓋３１を最初の取り付け時よりも緩く取り付けてもよい。このようにして、セラミック体１と金属蓋３１の間に例えば２〜３ｍｍの間隔の空隙を設け、充填率を小さくしてもよい。このとき、金属蓋３１が金属筒３から緩むことを防止するために、金属蓋３１と金属筒３との溶接を行なう。

最後に、必要により、充填材４を外気から遮断するために、セラミック体１が挿入される金属筒３の開口部において生じるセラミック体１と金属筒３との隙間を埋めるように封止材９を充填する。

以上のようにして、本実施形態のヒータ１０を得ることが出来る。

ヒータ１０の実施例について説明する。

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準備し、この表面にタングステンとモリブデンとを主成分として成る発熱抵抗体用の導体ペーストをスクリーン印刷法にて印刷した。具体的には、発熱抵抗体として、幅１ｍｍの折り返し形状である発熱部とその両端部に接続された幅３ｍｍの引出電極とのパターンを形成した。また、このセラミックグリーンシートの裏面には、タングステンを主成分とするパッド電極用の導体ペーストをスクリーン印刷法にて印刷した。また、同様にして、発熱抵抗体と対抗する部位に金属層を形成するために、タングステンを主成分とする導体ペーストをスクリーン印刷法にて印刷した。引出電極の端部にはφ０．４ｍｍのスルーホールを形成し、タングステンを主成分とした導電性ペーストを注入することによって、パッド電極と発熱抵抗体とを電気的に接続するスルーホール導体を形成した。

次に、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用の導体ペーストを形成した側の面に、同様の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、別に準備した円筒状のアルミナ質セラミック成型体の周囲に、導体ペーストを形成した側の面を密着させるように巻き、外周面に長手方向に沿って溝を設けるように成型体を作製した。

このようにして準備した成型体を１５００〜１６００℃の還元雰囲気中で焼成することで、セラミック体、溝、発熱抵抗体、引出電極、パッド電極および金属層を備えた焼結体を作製した。焼結体の表面には、前述のパッド電極および発熱抵抗体と対向する部位に金属層が形成されている。このパッド電極及び金属層に無電解めっきにてニッケルめっきを施した後に、リード端子としてφ１．２ｍｍのニッケルワイヤーを接合材としての銀ろうを用いてろう付けした。

次に、ステンレスから成る金属蓋の外周面と同じくステンレスから成る金属筒の内周面
に形成したねじ構造によって金属筒と金属蓋を取り付け、そこへセラミック体を挿入し、スペーサーとしてφ０．７５ｍｍ程度、長さが１０ｍｍ程度の円柱状の棒を４本準備して、セラミック体と金属筒との間に、セラミック体の外周に沿って９０度の間隔で４カ所に挿入した。この時、セラミック体の先端と金属蓋とが接触している状態にした。

このスペーサーによって確保されたセラミック体と金属筒との間の隙間に、充填材として融点が２３０℃である錫合金を充填した。その際に、セラミック体、金属筒、金属蓋、充填材（錫合金）を２５０℃に加熱して、錫合金を上記の隙間に振動を加えながら充填した。スペーサーの反対側から徐冷し、セラミック体が固定された段階でスペーサーを抜いた。上記のようにして充填材を得る。その後、金属蓋を一旦取り外し、セラミック体の先端に空隙があることを確認し、再度、金属蓋を取り付けた。この時、最初の取り付け時よりも緩く取り付けた。このようにして、セラミック体と金属蓋との間に空隙を設けた。そして、金属蓋が金属筒から緩むことを防止するために金属蓋と金属筒との溶接を行なった。また、充填材を外気から遮断するために、封止材として耐熱シリコーンを用いて、セラミック体が挿入される金属筒の開口部において生じるセラミック体と金属筒との隙間を埋めるように充填した。

以上のようにして、図５および図６に示すような形態の実施例となるヒータ１０を作製した（試料１）。

また、比較例として、発熱抵抗体と対抗する部位に導体層を設けないヒータを作製し、これを試料２とした。試料２のヒータは、上記以外は試料１と同じ構成である。

次に、試料１と試料２との比較を行った。具体的には、水の流量が毎分６リットルの環境下にし、試料１および試料２にそれぞれ同電力を印加する断続試験を行った。サイクル毎に金属筒とリード端子との間の漏れ電流をＡＣ２０００Ｖ、１分間の条件で測定した。

その結果、試料１では、１サイクル後０．２８ｍＡであった漏れ電流が１００００サイクル後では０．３０ｍＡでほぼ変化がなかったが、試料２では１サイクル後０．３０ｍＡであった漏れ電流が１００００サイクル後では０．６４ｍＡと漏れ電流が２倍以上であった。このことより、実施例の試料１は、比較例の試料２よりも発熱抵抗体上のセラミック体と金属筒との間の空隙を抑制し、通電による異常発熱を低減できたことにより、耐久性が向上していることがわかる。

１：セラミック体
１１：溝
２：発熱抵抗体
２１：引出電極
３：金属筒
３１：金属蓋
４、４１、４２：充填材
５：金属層
５１：金属層本体
５２：めっき層
６：パッド電極
７：リード端子
８：接合材
９：封止材
１０：ヒータ

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外周面の周方向に沿って設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体が挿入された金属筒と、少なくとも前記セラミック体の外周面および前記金属筒の間に設けられた充填材とを備え、
前記セラミック体の表面のうちの少なくとも前記発熱抵抗体と対向する部位に金属層が設けられていることを特徴とするヒータ。
前記金属層は、前記セラミック体の表面に面して設けられた金属層本体と、該金属層本体の外表面に設けられためっき層とからなることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記セラミック体は、外周面に長手方向に沿って溝を有してい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。
前記金属層は、少なくとも前記溝を除く前記発熱抵抗体と対向する表面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。
前記金属層は、前記セラミック体の先端には設けられていないことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載のヒータ。
前記金属筒の先端側の開口を塞ぐ金属蓋をさらに備え、
前記セラミック体の先端と前記金属蓋との間に間隙が設けられていて、当該間隙における充填材の充填率が、前記セラミック体の外周面と前記金属筒との間にある充填材の充填率よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載のヒータ。