JPH10275675A

JPH10275675A - セラミックヒータ

Info

Publication number: JPH10275675A
Application number: JP7847697A
Authority: JP
Inventors: Katsuto Hashimoto; 勝人橋本; Kazunori Takenouchi; 一憲竹之内
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1997-03-28
Publication date: 1998-10-13

Abstract

(57)【要約】【課題】昇温時間を短縮でき、しかも熱変形等を生じる
ことがなく長期にわたって均一加熱を行うことができ、
また、落下等による衝撃によっても機能が低下しないヒ
ータックヒータを提供する。【解決手段】ヒータを構成する発熱体を導電性を有する
筒状のセラミック体１０で構成する。更に、筒状のセラ
ミック体１０の一方端側にフランジ１８（１５、１２）
を形成し、このフランジをケーシングに係合固定する構
成とする。またフランジ１８に連続して厚肉段上部１６
を形成する。加えて、前記フランジ１８の端面の一部又
は全部に金属層３１を形成し、該金属層３１に給電板３
２を接合するとともに、押さえ板（絶縁板３６）により
該給電板３２と上記フランジ１８の両方同時に上記ケー
シング３５に係合固定する構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特にガラス管の真
空封止等に用いられる筒型のセラミック製ヒータに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、一般産業分野や半導体分野な
ど、さまざまな分野でヒータが使用されており、用途に
応じて板状や円筒状等をしたヒータが用いられている。

【０００３】一用途として、ガラス管の真空封止に用い
られているヒータがある。以下、ガラス管の真空封止方
法を例に挙げて従来技術を説明する。

【０００４】一般に、ガラス管の真空封止は、ランプ、
真空管又はブラウン管の製造に用いられている。真空管
は片側封止のガラス容器内に電極を挿入し、未封止側か
ら真空ポンプで脱気を行いながら、ヒータでガラス管を
加熱、溶断させ、内部を真空封止することによって作ら
れる。

【０００５】上記のような真空封止には、図４に示すよ
うな治具５１が用いられるが、この治具５１には断熱材
５２の内側に筒状のヒータ５３を内蔵してある。そし
て、このヒータ５３の内側に上記真空管のガラス管を挿
入して加熱、溶断するようになっている。

【０００６】上記ヒータ５３の構造は図５に示すよう
に、筒状の絶縁スペーサ５６の表裏にヒータ線５７を螺
旋状に備えたものを耐熱金属からなるケース５５の内部
に備え、上記ヒータ線５７に導通するリード線５４を導
出してある。上記ヒータ線５７にはニクロム線等の金属
製ヒータが用いられるが、体積固有抵抗が非常に小さい
ことからガラス管を溶断する温度を得るためには、幅２
ｍｍ，厚さ０．５ｍｍ程度の帯状とし、図５のように絶
縁スペーサ５６を介して表裏２重に螺旋状としてある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記治具５
１を用いてガラス管の真空封止を行う場合に、ガラス管
と治具５１の軸心を合わせ、ガラス管の外周とヒータ５
３の間に一定のクリアランスを保った状態で治具５１を
配置して加熱を繰り返すと、金属ヒータ５３が熱膨張の
影響により変形し、ガラス管と一定のクリアランスを保
てなくなるといった問題があった。

【０００８】その結果、ガラス管の一部分が他より先に
溶解し、ガラス管の内部を完全に真空封止することがで
きないばかりか、変形を起こしたヒータ線５７がガラス
管と接触し、ヒータ線にガラスが付着するとその部分が
抵抗変化により、急加熱を生じて断線する等の不都合が
あった。

【０００９】また、上記ヒータ５３はヒータ線５７の体
積固有抵抗値が小さいため、帯状のヒータ線５７を絶縁
スペーサ５６を介して螺旋状に巻くことで所望の抵抗値
を得るようにしているが、このような複雑な構造では均
等に発熱し難いばかりか無駄な発熱が多く、消費電力が
大きかった。また、ヒータ線５７自体が酸化され易いこ
とから特性劣化を招き、安定した発熱量が長期間にわた
り得られにくいという問題もあった。

【００１０】また上記治具５１において、ヒータ線５７
への給電部と給電するリード線５４は、種々の耐熱金属
を用いて固定されているが、その固定部分は使用時に熱
サイクルを受け、ヒータ線５７や耐熱金属が熱膨張を繰
り返すことにより、しだいにひずみが発生して緩みを生
じることから、上記ヒータ線５７の給電部とリード線５
４の接触部がショートし、断線しやすくなるという問題
もあった。

【００１１】更に、落下による衝撃や、振動が上記治具
５１に加わった場合に、ヒータ５３が治具５１の定位置
からずれ、ガラス管封止がうまく行われないという問題
が生じるばかりか、リード線５４がねじれて断線してし
まうという問題もあった。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため採用する手段として、本発明はまずヒータを構成
する発熱体を導電性を有する筒状のセラミック体で構成
した。また、この筒状のセラミック体の一方端側に厚肉
段上部と該厚肉段上部に連続するフランジとを形成し、
このフランジをケーシングに係合固定することにより、
上記セラミック体をケーシング内に装着するようにし
た。また、これらの手段に加え、本発明では、前記フラ
ンジの端面の一部又は全部に金属層を形成し、該金属層
に給電板を接合するとともに、押さえ板により該給電板
と上記フランジとを両方同時に上記ケーシングの所定箇
所に圧接固定することにより、上記セラミック体をケー
シング内に装着してなるセラミックヒータを提供する。

【００１３】かくして本発明は前記課題を解決するべ
く、一方端側に厚肉段上部と該厚肉段上部に連続するフ
ランジを形成した筒状をなす導電性のセラミック体に通
電して発熱させるようにしたヒータであって、上記フラ
ンジの端面の一部又は全部に形成した金属層に給電板を
接合するとともに、該給電板と上記フランジとを押さえ
板によりケーシングの所定箇所に圧接固定することによ
り、上記セラミック体をケーシング内に装着してなるセ
ラミックヒータを提供するものである。

【００１４】

【作用】本発明によればヒータを構成する発熱体を導電
性を有する筒状のセラミック体で構成したことにより、
昇温時間を短縮でき、しかも熱変形等を生じることがな
く長期にわたって均一加熱を行うことができる。

【００１５】更に、筒状のセラミック体の一方端にフラ
ンジを形成し、このフランジをケーシングに係合固定す
る構成としたことにより、ケーシングとの組立精度を向
上させ且つ接合強度を大きくすることができ、またフラ
ンジに連続して厚肉段上部を形成してあるのでフランジ
の付け根の破壊応力を吸収緩和でき、ヒータ破損を防止
できる。

【００１６】また、前記フランジの端面の一部又は全部
に金属層を形成し、該金属層に給電板を接合するととも
に、押さえ板により該給電板と上記フランジの両方同時
に上記ケーシングの所定箇所に圧接固定する構造である
ので、セラミック体の給電部と金属製の給電板とに熱膨
張差が生じても、両者の圧接面がラジアル方向にずれる
ことによって熱膨張差を吸収でき、歪みや緩みを回避で
き、またその密着性によってフランジの付け根の破壊応
力を吸収緩和でき、ヒータ破損を防止できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を説明す
る。図１に本発明のセラミックヒータを構成するセラミ
ック体１０のみを示す。

【００１８】このセラミック体１０は、導電性セラミッ
クスからなる蛇行状筒体の両端を給電部１２としたもの
である。すなわち、このセラミック体１０は全体的に円
筒形状であるが、軸方向に１ケ所のスリット１４を有
し、両端面から交互に延びる溝１３を備えることによっ
て蛇行状発熱部１１を形成し、且つ一方端側に厚肉段上
部１６と該厚肉段上部１６に連続した分割フランジ１８
とが形成され、このうちスリット１４の両側に位置し蛇
行状筒体の両端部をなす分割フランジ１８が給電部１
２、その他の分割フランジ１８が保持部となっている。

【００１９】そして、この給電部１２間に電圧を印加す
れば、導電性セラミックスからなる蛇行状筒体のセラミ
ックス体１０自体に通電し、発熱させることができる。
なお、セラミック体１０の２つの給電部１２の後端面に
は白金等の金属ペーストに塗布して焼き付けることによ
り、それぞれ金属層３１を形成しておく。

【００２０】次に、このセラミック体１０を備えたセラ
ミックヒータの構造を説明する。図２はセラミックヒー
タの断面図を示し、同図に示すようにセラミック等の絶
縁材からなるケーシング３５は円筒状体であり、一方の
端面には２つの座繰り３５ａ，３５ｂに上記給電部１２
及び保持部１５を合致させてセラミック体１０をはめ込
む。

【００２１】さらに図２に示すように、ケーシング３５
の外側座繰り３５ｂにセラミックス等からなる押さえ板
としての絶縁板３６を嵌め込み、更に金属板３７を上か
ら覆い、金属板３７をケーシング３５にネジ４０で螺着
固定する概略構造となっている。なお、セラミック体１
０の給電部１２および保持部１５に凹部１７を形成し、
絶縁板３６に対応する突起３６ｂを形成し、位置決めを
可能とし、位置ズレが防止できる構造とした。

【００２２】この構造を詳述するに、図２に示すように
セラミックヒータは分割フランジ１８を内側座繰り３５
ａに嵌合させ、この状態でセラミック体１０の給電部１
２に備えた金属層３１にそれぞれ給電板３２を当接さ
せ、該給電板３２とケーシング３５との間にネジ３８を
通し、ナット３９で螺着する。また二つの給電部１２に
給電板３２を螺着する際に、それぞれネジ３８に給電線
３３を巻付け、ナット３９で固定するとともに、この給
電線３３の他端はケーシング３５の貫通孔３５ｅを通し
て外部に導き出してある。そのため、これらの給電線３
３間に電圧を印加すれば、セラミック体１０に通電して
発熱させることができる。なお、給電板３２には爪３２
ａ（図２参照）を備えており、この爪３２ａを給電部１
２の側面とケーシング５の溝３５ｄ（図３参照）に合致
させてセラミック体１０の回転方向の位置決めを行うよ
うになっている。

【００２３】図３は、この状態でのセラミックヒータの
後面図であり、この後、図２に示したように絶縁板３６
をはめ込み、更に、金属板３７を重ねることにより組立
が完了する。

【００２４】このように構成されるセラミックヒータは
ケーシング３５と絶縁板３６が押さえ板として作用し、
給電板３２を金属層３１に押圧して強固に固定すること
ができる。しかも、この時セラミック体１０に備えた保
持部１５もケーシング３５と絶縁板３６の間で挟持され
て固定される。したがって、セラミック体１０の端面を
全周で固定することができ、強固に、かつ組立精度を高
くして取りつけることができる。

【００２５】絶縁板３６に給電板３２に対応する段差３
６ａを形成し、保持部１５と同時に支持することによ
り、衝撃慣性力による破損を防止できる。

【００２６】更に、ケーシング３５に大きなより衝撃や
振動が加わった場合でも、図１に示すように、セラミッ
ク体１０の給電部１２及び保持部１５に連続して厚肉段
上部１６を設けることにより破壊応力の集中する給電部
１２及び保持部１５と発熱部１１の境界部１３ａの破損
を防止することができる。

【００２７】以上の実施形態において、セラミック体１
０を製造する場合は、セラミック原料を筒状に成形した
後、溝１３の切込み長さを調整することによって、その
発熱部１１の長さを自由に変えられ、更に溝１３の本数
や発熱部１１の幅を変えることによって、セラミック体
１０の抵抗値を自由に調整することができる。ただし、
上記溝１３は合計３本以上形成することが好ましい。こ
れは溝１３が３本未満であると、均一に加熱することが
困難となるためである。さらに、両端の給電部１２は軸
方向に同一側に形成することによって、給電構造を簡略
化できる。

【００２８】さらに、セラミック体１０を螺旋状にする
こともできる。また、以上の例ではセラミック体１０を
ほぼ円筒状としたものを示したが、角筒状やその他の形
状とすることもできる。

【００２９】上記セラミック体１０を成す導電性セラミ
ックスとしては、効率的に発熱するために、体積固有抵
抗値が１０^-4〜１０Ω・ｃｍで、抵抗温度係数（ＴＣ
Ｒ）が負の値を示すものを用いる。ここでＴＣＲが負で
あるとは、温度が高くなるほど抵抗値が低くなることで
あり、常温から高温までの昇温速度を極めて速くできる
という効果がある。

【００３０】上記特性を満たす導電性セラミックスとし
て、具体的にはランタンクロマイト系セラミックスを用
いる。ランタンクロマイト系セラミックスとは、ＬａＣ
ｒＯ₃の組成に対し、Ｌａの一部をＣａ，Ｓｒ，Ｂａ等
の周期律表２ａ族元素の一種以上で置換し、Ｃｒの一部
をＭｎ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｅ，Ｚｒ等の元素、周期
律表第３ａ族、第４ａ族の元素のうち一種以上で置換し
たものである。このセラミックスは、体積固有抵抗値が
１０^-4〜１０Ω・ｃｍであり、その結晶構造がペロブス
カイト型であるため、耐熱性に優れ、高温中でも特性劣
化が少ない。

【００３１】また、ランタンクロマイト系セラミックス
はそのＴＣＲが負の値を示すという特性を持っているた
め高温まで急速昇温を必要とする場合に適した材料であ
るといえる。

【００３２】例えばＬａ_0.8Ｃａ_0.22ＣｒＯ₃という化
学式で表されるものを用い、この原料を成形、生加工、
焼成、後加工することによって、図１のようなセラミッ
ク体１０を得ることができる。上記のような化学式で表
されるセラミックスの熱膨張係数は、１×１０^-7／℃と
比較的小さいことからヒータの熱容量を小さく押さえる
ことができる。

【００３３】また、常温では０．３〜０．４Ω・ｃｍの
体積固有抵抗値であるが、ガラスの溶解温度である９０
０〜１０００℃では３×１０^-4Ω・ｃｍと低くなり、そ
のＴＣＲが負の特性を持つため、他の金属ヒータ等に比
べて高温低域までの昇温時間が極めて早い。

【００３４】さらに、以上の例では真空管のガラス封止
用のヒータについて説明したが、本発明のセラミックヒ
ータは、パイプ内の流体の加熱やその他のさまざまな用
途に好適に用いるこができる。

【００３５】なお、ケーシング３５，絶縁板３６は、絶
縁性、耐熱性に優れた材質を用い、コージライト等のセ
ラミックスで形成することが好ましい。

【００３６】また、上記金属層３１，給電板３２，給電
線３３を成す金属としては、白金の他に、白金−ロジウ
ム，銀，銀−パラジウム，ニッケルなどの耐熱金属又は
合金を用いる。

【００３７】実施例１ここで図１に示すセラミック体１０を試作した。Ｌａ
_0.8Ｃａ_0.22ＣｒＯ₃の組成からなるセラミックスを、
外径１４ｍｍ，内径１２ｍｍの円筒体にし、両端面から
合計１２本の溝１３を溝幅が０．５ｍｍになるように切
込み、中央をスリット１４で切り離して、給電部１２を
発熱部１１より５ｍｍ厚く４ｍｍ程度の長さで軸方向の
同一側に設置した、さらに、溝１３の数を１０本、２本
としたものを用意した。

【００３８】このセラミック体１０を図２に示す構造で
ケーシング３５に取りつけた。なお、給電板３２は白金
製で厚みは０．１ｍｍとし、ケーシング３５，絶縁板３
６はコージライトセラミックスで形成した。

【００３９】このようにして作製した本発明のセラミッ
クヒータと、比較例として図５に示すニクロム線を用い
た従来のヒータ５３を用いて耐久試験を行った。

【００４０】実験は、それぞれのヒータに１００Ｖ程度
の電圧を印加して、４０秒間で９００℃まで昇温した
後、４０秒間保持し、１５０秒間で８０℃以下に冷却す
る熱サイクルをかけ、発熱状態、耐久性、ひずみの大き
さを測定した。結果を表１に示す。

【００４１】

【表１】

【００４２】表１から分かるように、比較例であるニク
ロム線を用いたヒータ５３は熱膨張の影響から、１５０
０サイクル後に給電部に緩みを生じ接触不良がおきてシ
ョートし、断熱してしまった。また、断熱後のヒータ形
状及びヒータ治具５１に対する位置精度を歪みとして測
定したところ、ヒータ形状が１〜２ｍｍの歪みを生じて
いたばかりか、治具５１から１〜２ｍｍの位置ずれも見
られた。

【００４３】これに対し、本発明のセラミックヒータに
ついては３５０００回の熱サイクルにも耐え、給電固定
部の緩みも見られず、ヒータ形状の歪みも０．１ｍｍ以
下しかなかった。従って、本発明のセラミックヒータ
は、熱膨張の影響による給電固定部の緩みや、ヒータ形
状の変化を十分防止することができる。

【００４４】また、昇温速度を４０秒としたとき、従来
のヒータ５３において９００℃を得るには、１０Ａ程度
の電流値を必要としたが、本発明のセラミックヒータで
あれば、電流値は１〜２Ａ程度でよく、消費電力をかな
り低減できることが判った。

【００４５】ただし、本発明のセラミックヒータ１０に
おいて、溝１３の数を２本としたものは均一加熱ができ
なかったため、溝１３の数は３本以上必要であることが
判った。

【００４６】実施例２次に図１及び図６に示す２種類のセラミック体１０、２
０を試作した。これらのセラミック体１０の相違点は前
記厚肉段上部１６の有無にある。Ｌａ_0.8Ｃａ_0. ₂₂Ｃｒ
Ｏ₃の組成を示すセラミックスを、外径１２ｍｍ、内径
１０ｍｍの円筒体にし、両端面から合計１２本の溝１３
を溝幅が０．５ｍｍになるように切込み、中央をスリッ
ト１４で切り離して、給電部１２を発熱部１１より１ｍ
ｍ厚くして２ｍｍとし、給電部１２と同じ厚みの保持部
１５を形成した。

【００４７】図１のセラミック体１０については給電部
１２及び保持部１５に軸方向へ０．５，１，１．５，２
ｍｍ、径方向へ０．５，１，１．５，２ｍｍの厚肉段上
部１６を形成したものを用意した。

【００４８】このセラミック体１０を図２，３に示す構
造でセラミック製のケーシング３５に取りつけた。な
お、給電板３２は白金製で厚みは０．４ｍｍとし、ケー
シング３５、絶縁板３６はコージライトセラミックスで
形成した。

【００４９】セラミック体１０，２０の取付構造として
絶縁板３６が保持部１５と給電部１２に接する給電板３
２とを同時に圧接する形態のものと、保持部１５のみを
圧接する２種類のものを用意し、上記２種類のセラミッ
ク体１０，２０をそれぞれに装着し、合計４種類のセラ
ミックヒータを用意した。

【００５０】これらセラミックヒータを３５ｃｍの高さ
から自然落下させ、その後ガラス管の封止テストを行
い、溶解部の形状確認を行った。結果を表２に示す。

【００５１】

【表２】

【００５２】表２から分かるように、厚肉段上部を設け
ていないセラミック体２０を搭載したセラミックヒータ
はいずれも破損した。また、厚肉段上部を設けているセ
ラミック体１０を搭載したものでも厚肉段上部の軸、径
方向の長さが０．５ｍｍのもので押さえ板が保持部１５
のみを圧接する形態のものは先端部溝部で破損が発生し
た。この現象は、給電部１２が給電板３２で支持され、
一方、保持部１５が絶縁板３６で支持されている為、衝
撃時の慣性力の差による影響が先端側に出たものと考え
られる。

【００５３】また、それ以外でも押さえ板が保持部１５
のみを圧接する形態のものは、封止テストの結果、不良
のものがあった。これは、落下による衝撃のため位置ズ
レが発生したためと考えられる。

【００５４】これに対して、軸、径方向の長さが０．５
ｍｍ以上の厚肉段上部を設け、且つ押さえ板が保持部１
５のみを圧接する形態のものは、落下による破損もな
く、また封止テスト結果も良好であった。

【００５５】

【発明の効果】叙上のように本発明によれば、ヒータを
構成する発熱体を導電性を有する筒状のセラミック体で
構成したことにより、昇温時間を短縮でき、しかも熱変
形等を生じることがなく長期にわたって均一加熱を行う
ことができ、更に、筒状のセラミック体の一方端側にフ
ランジとを形成し、このフランジをケーシングの所定箇
所に圧接固定する構成としたことにより、ケーシングと
の組立精度を向上させ且つ接合強度を大きくすることが
でき、またフランジに連続して厚肉段上部とを形成して
あるのでフランジの付け根の破壊応力を吸収緩和でき、
ヒータ破損を防止できるという優れた効果を奏するもの
である。

【００５６】なお、前記フランジの端面の一部又は全部
に金属層を形成し、該金属層に給電板を接合するととも
に、押さえ板により該給電板と上記フランジの両方同時
に上記ケーシングに係合固定する構造によれば、セラミ
ック体の給電部と金属製の給電板とに熱膨張差が生じて
も、両者の圧接面がラジアル方向にずれることによって
熱膨張差を吸収でき、歪みや緩みを回避でき、またその
密着性によってフランジの付け根の破壊応力を吸収緩和
でき、ヒータ破損を防止できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックヒータを構成するセラミッ
ク体の斜視図である。

【図２】本発明のセラミックヒータの一部分解断面図で
ある。

【図３】セラミックヒータの後面図であり、金属板と絶
縁板を外した状態を示している。

【図４】従来のヒータの斜視図である。

【図５】図５のヒータを構成する発熱部の斜視図であ
る。

【図６】実施例に用いたセラミック体の斜視図である。

【符号の説明】

１０，２０セラミック体１１発熱部１２給電部１３溝１４スリット１５保持部１６厚肉段上部１７境界部１８分割フランジ３１金属層３２給電板３３給電線３５ケーシング３６絶縁板３７金属板３８ネジ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方端側に厚肉段上部と該厚肉段上部に連
続するフランジを形成した筒状をなす導電性のセラミッ
ク体に通電して発熱させるようにしたヒータであって、
上記フランジの端面の一部又は全部に形成した金属層に
給電板を接合するとともに、該給電板と上記フランジと
を押さえ板によりケーシングの所定箇所に圧接固定する
ことにより、上記セラミック体をケーシング内に装着し
てなるセラミックヒータ。