JPS6259423B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は、電気絶縁性ホーロ層中に電気発熱素
子を一体に埋設した面状発熱体の製造法に関する
もので、暖房器、調理器、乾燥器などの電気エネ
ルギーを利用した熱源を提供するものである。 従来例の構成とその問題点 面状発熱体は、近年機器の薄型化、均一加熱な
どのニーズに合つた発熱体として脚光を浴びるよ
うになつてきた。しかし、従来の面状発熱体は雲
母などの絶縁基板にヒータを巻回した構造であ
り、被加熱物への熱伝達が悪く、電気発熱材が封
口されていないので、耐湿特性に問題があり、使
用条件が限定されていた。また、近年、アルミナ
などの生シートにタングステンなどの高価でか
つ、高融点の導電パターンを形成し、シートを貼
り合わせて焼結した面状発熱体があるが、これは
電気的特性上はすぐれており、高温での使用が可
能であるが、焼結温度が高く、電極の取り出しな
どに問題があつた。その他に、有機質フイルムの
間にカーボン等のペーストで導電パターンを形成
し、ラミネートなどの方法で発熱体を構成したも
のもあるが、これらは、樹脂フイルムの耐熱性が
低いため、通常50〜120℃で使用され、200℃以上
では使用できなかつた。また寿命にも問題があつ
た。 さらに、最近、金属基板にホーロ層を形成し、
そのホーロ層表面に、さらにホーロ層によつて発
熱素子を被覆して被着した、言わゆる発熱素子を
ホーロ層でサンドイツチにした発熱体が提案され
ている。この発熱体は、発熱素子を被覆するホー
ロ層が耐熱性に優れるので、100〜400℃程度の中
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。 しかし、この発熱体を実用化するためには、発
熱素子と金属基板との間の電気絶縁特性の課題を
解決する必要がある。 この種発熱体のように、高温で使用される物品
には、電気絶縁抵抗の観点から、金属基板に形成
するホーロ層は、一般に使用されているホーロフ
リツトを用いることができない。 その理由は、一般に使用されているホーロフリ
ツトは、フレツト中にNa₂O、K₂O、Li₂Oなどの
アルカリ金属酸化物を20〜35重量％含有してお
り、このため、200℃以上の高温で使用した場
合、前述のアルカリ成分のイオンの移動が起こ
り、絶縁抵抗が著しく劣化すする。その意味か
ら、発熱体を構成するホーロ層は、アルカリ成分
の少ない（10重量％以下）低アルカリフリツトも
しくは無アルカリフリツトで形成する必要があ
る。 しかし、前述の低アルカリフリツトまたは無ア
ルカリフリツトは、易溶性成分としてすぐれてい
るアルカリ成分の含有量が少ないため、800〜850
℃の焼成温度でホーロ焼成を行つても、ホーロと
しての流動性に乏しく、いわゆる半流動状態でホ
ーロ層が形成されるため、どうしてもホーロ層中
にボイドが存在することになる。このボイドを除
去する目的で、さらに高温（900℃以上）で焼成
を行つても、さほど効果がない。 電気的特性、特に絶縁耐圧の観点から、このボ
イドの存在は重要な意味を持つており、このボイ
ドの大きさ、量が大であればあるほど、絶縁破壊
を起こしやすくなる。すなわち、ボイドを少なく
できるかどうかが、前述の発熱体の商品化、量産
化が可能がどうかに大いに関係する。 発明の目的 本発明は、上記のように発熱素子をホーロ層に
埋め込んだ発熱体において、ホーロ層、特に金属
基板と発熱素子間のホーロ層中に存在するボイド
の問題を解決し、電気的特性、特に絶縁耐圧を改
善し、信頼性、量産性に適した発熱体を提供する
ことを目的とする。 発明の構成 本発明は、金属基板の表面に、非酸化性雰囲気
中で焼成して第１のホーロ層を形成した後、前記
ホーロ層の表面に第２のホーロ層によつて発熱素
子を被覆して結合することを特徴とする。 実施例の説明 第１図は本発明による発熱体の基本構成を示
す。１は金属板で、その両面もしくは片面に第１
の絶縁性ホーロ層２を形成している。３は薄帯状
金属発熱素子であり、これをホーロ層２の表面に
設置し、さらに第２のホーロ層４で被覆すること
により発熱素子３をホーロ層２，４で挾持した構
造になつている。 以下、各構成要素について説明する。 (1) 金属基材 発熱体を構成するホーロ基板の金属基材に
は、アルミニウム、アルミダイキヤスト、鋳
鉄、アルミナイズド鋼、低炭素鋼、ホーロ鋼
板、あるいはステンレス鋼板が使用され、その
選択にあたつては使用条件、使用温度、基材の
形状、加工性より決定され、必要に応じて前処
理が行われる。以後の説明にはホーロ用鋼板を
中心に述べる。 (2) 電子発熱素子 電気発熱素子は基本的には、薄帯状のもので
ある。電気発熱素子の表面にホーロ層４を完全
に被覆する必要があり、例えばコイル状あるい
は厚い帯状の発熱素子を用いると、それだけホ
ーロ層４の膜厚が大となる。それにより、ホー
ロ層の密着性が極端に低下し、外的なシヨツク
で、簡単にホーロ層が剥離し、電気発熱素子が
露出してしまう。 発熱素子薄帯の厚みは10〜200μｍが適当で
あり、好ましくは30〜100μｍの範囲である。 金属の薄帯化は通常の冷間圧延、熱間圧延に
よる方法の他に、超急冷法による薄帯化も利用
できる。薄帯化した金属を所望のパターンに形
成する方法としては、エツチング法、プレス加
工法が適している。第２図にパターン形成した
電気発熱素子の一例を示した。電気発熱素子
は、定格電力、発熱面積、温度分布などを考慮
して、膜厚、パターン形状を設定する。 電気発熱素子の材料には各種の電気発熱材を
用いることができるが、発熱素子の形状（パタ
ーンの巾、長さ、厚み）などを決定する因子と
なる固有抵抗や熱膨張係数が適当な値を有し、
しかもホーロ層との密着性や、加工性などに優
れたものが選択される。これらの観点から、20
℃における固有抵抗60μΩ・cm、100℃におけ
る熱膨張係数が104×10^-7deg^-1のフエライト系
ステンレス鋼が最も好ましい。 (3) 絶縁ホーロ層 発熱体の電気的性質を決定するフアクターと
して、発熱素子と金属基板の間に介在する絶縁
ホーロ層の電気的性質（絶縁抵抗、絶縁耐圧
等）が重要なポイントとなる。 絶縁抵抗を決定する重要な因子としては、ホ
ーロ層の膜厚の他に、ガラスフリツトの体積固
有抵抗がある。それは次の式によつて表され
る。 Ｒ_v＝ρ_ｖ・ｄ／Ａ (1) Ｒ_v：絶縁抵抗 ρ_v：体積固有抵抗 Ａ：発熱素子面積 ｄ：ホーロ層の膜厚 ここで、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100〜500
μｍ程度である。この点から絶縁ホーロ層の絶
縁抵抗を向上させるためには、体積固有抵抗の
すぐれたガラスフリツトで絶縁ホーロ層を構成
する必要があり、ガラスフリツトの選択が重要
となつてくる。 次に具体例について説明する。 まず、ホーロ層を形成するフリツトは、アルカ
リ成分が５重量％の日本フリツト社製低アルカリ
フリツトXG−４を用いた。 このフリツトを第１表のミル配合組成にして、
ボールミルでミル引きを２時間行い、スリツプと
した。これらスリツプを前処理した大きさ100×
100mmのホーロ用鋼板にスプレーガンで約150μｍ
の厚さに塗布し、乾燥後、所定の温度で５分間焼
成を行い、絶縁ホーロ層とした。さらにこのホー
ロ層上に第２図に示したパターンのステンレス鋼
SUS430の製発熱素子（厚み：60μｍ）を設置
し、その上から、さらに絶縁ホーロ層に用いたホ
ーロスリツプをスプレーガンで約150μｍの厚さ
に塗布し、乾燥後、所定温度で５分間焼成して発
熱素子被覆ホーロ層とした。

【表】 この時、ホーロ焼成雰囲気を種々変化させて、
発熱素子と鋼板との間の絶縁耐圧を測定した。そ
の結果を第２表に示す。ここで絶縁耐圧は電気用
品取締り法に規定してある絶縁耐圧試験法に準じ
て測定した。

【表】 第２表中の空気雰囲気中の焼成は通常のバツチ
炉を用いたものであり、本発明の非酸化性雰囲気
中での焼成は、窒素、アルゴン、水素などを流し
た焼成炉中で焼成したものである。 第２表から、明らかなように、従来の酸化性雰
囲気中で焼成した面状発熱体の絶縁耐圧は1kV以
下と低く、またホーロ層のボイドを除去する意味
で焼成温度を上げたものはそれほど効果を示さな
かつた。それに対し、本発明の非酸化性雰囲気中
で焼成した発熱体は、従来一般に使用されている
酸化雰囲気中で焼成したものに比べ、著しく絶縁
耐圧の向上が図れた。 なお、上例では第１、第２のホーロ層の焼成条
件と同じにしたが、No.３〜８については、第２の
ホーロ層を空気中で焼成しても絶縁耐圧は同様の
特性を示した。 絶縁耐圧の向上した理由を解析するために、そ
れらの断面写真を取つた。第３図にその結果を図
示した。第３図ａは酸化性雰囲気中で焼成した発
熱体の断面であり、ｂは非酸化性雰囲気中で焼成
したそれである。第３図から明らかなように、ホ
ーロ層中のボイド５の大きさ、数とも、著しく異
なり、従来の酸化性雰囲気中で焼成したホーロ層
中のボイドの大きさ、数とも大であることがわか
る。 非酸化性雰囲気としては、アルゴン、ヘリウ
ム、窒素、水素、真空中などが考えられるが、コ
スト、量産性、安全性の観点から窒素中が好まし
い。 酸化雰囲気中で焼成した場合のボイドの発生要
因としては、(1)鋼板中のＣの酸化によるCO₂ガス
の発生、(2)焼成過程時の鋼板の熱酸化によるガラ
ス粒子の軟化流動の阻害が挙げられる。要因１に
おいて、低アルカリガラスを用いているため、軟
化流動性に乏しく、発生したCO₂ガスがホーロ層
中に残存することになる。 上記(2)のボイド発生機構を第４図に図示した。 酸化性雰囲気中では、焼成時にガラス粒子６の
軟化流動の開始と同時に、鋼板の酸化物層７の成
長が開始される。この時、鉄の酸化物がガラス中
に溶解、拡散し始める。鉄の酸化物がガラス中に
溶解すると、軟化点が上昇するようになり、所定
温度では溶けにくくなり、半焼結状態でホーロ層
中にボイドが混入したままとなる。このボイドを
除去する意味で、焼成温度をさらに上げると、鉄
の酸化物層が逆に増加する一方となり、より溶け
にくくなり、それほど効果を示さなくなる理由が
これである。 本発明のように、非酸化性雰囲気で焼成を行う
と、鋼板の酸化物層の発生がなくなり、それによ
り、ガラスフリツトの軟化温度を上昇させること
なく、所定温度で軟化流動し、ボイドの混入を避
けることができる。 以上の理由により、本発明は従来の方法に比べ
て、ホーロ層中のボイドの大きさ、量とも少なく
なり、絶縁耐圧が向上するものと考えられる。 本発明の方法は、前述の絶縁耐圧の向上のほか
に、発熱素子のリード取り出し部の熱酸化がな
く、スポツト溶着性あるいは寿命特性にすぐれた
効果を示すとともに、従来の方式では熱酸化のた
めに、片面ホーロは不可能であつたが、本発明の
方法において、第２のホーロ層をも非酸化性雰囲
気で焼成すると、片面ホーロが可能となる。 その実施例を第５図に示す。第５図ａは従来法
による構成、ｂは本発明法による構成を示す。す
なわち従来法では熱酸化、腐食の観点から両面ホ
ーロ加工は必須であるが、本発明法では、焼成中
に基材の熱酸化を受けないため、片面ホーロが可
能となる。これにより、軽量化が可能となる。 発明の効果 以上のように、本発明によれば、電気的特性、
特に絶縁耐圧を著しく改善することができる。ま
た、発熱素子のリード部の熱酸化防止が可能とな
り、リード線のスポツト溶接性、寿命を向上する
ことができ、さらに従来不可能であつた片面ホー
ロも可能とすることができる。 また、本発明の発熱体をやぐらこたつの赤外線
ランプに代えれば、ヒータ部の大巾な薄型化が可
能となるばかりでなく、ホーロ層より良質の遠赤
外線を放射して健康暖房が可能となる。またホツ
トウオーマに用いると輻射伝熱を行うので、底部
の断熱材を少なく構成でき、軽量化とコストダウ
ンが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による発熱体の基本構成を示す
要部断面図、第２図は発熱素子のパターン例を示
す平面図、第３図は発熱体の要部の断面を比較し
た図、第４図はボイドの発生機構を説明する図、
第５図は発熱体の基本構成の比較を示す要部断面
図である。 １……金属基板、２……第１のホーロ層、３…
…発熱素子、４……第２のホーロ層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属基板上の第１のホーロ層を形成する工程
   と、前記ホーロ層上に、第２のホーロ層によつて
   電気発熱素子を被覆結合する工程とを有し、前記
   第１のホーロ層の焼成を非酸化性雰囲気中で行う
   ことを特徴とする発熱体の製造法。 ２ 非酸化性雰囲気が窒素、アルゴン、ヘリウ
   ム、水素または真空である特許請求の範囲第１項
   記載の発熱体の製造法。 ３ 前記第２のホーロ層の焼成を非酸化性雰囲気
   中で行う特許請求の範囲第１項記載の発熱体の製
   造法。