JPH0632267B2

JPH0632267B2 - 電熱器

Info

Publication number: JPH0632267B2
Application number: JP60030636A
Authority: JP
Inventors: 順二間中
Original assignee: Ricoh Seiki Co Ltd
Current assignee: Ricoh Seiki Co Ltd
Priority date: 1985-02-20
Filing date: 1985-02-20
Publication date: 1994-04-27
Anticipated expiration: 2009-04-27
Also published as: JPS61193392A

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、電流を流すことによって発熱する発熱体を有
する電熱器に関するものであって、更に詳細には、発熱
体へ電流を供給する配線を介して発熱体から熱が散逸さ
れることを防止し熱応答特性を改善した電熱器に関する
ものである。特に、本発明の電熱器は、低消費電力マイ
クロガスセンサやその他の種々のセンサにおいて使用す
るのに適しており、その他半田コテや感熱プリンタヘッ
ド等の種々の加熱装置へ適用することも可能である。

従来技術第１ａ図及び第１ｂ図は、従来の典型的な厚膜セラミッ
クヒータの１例を示している。図示したヒータは耐熱性
材料からなる基板１の上に発熱部２が蛇行形状に形成さ
れている。発熱部２は基板１の両端部に形成してある電
極３ａ，３ｂ間に延在しており、実質上発熱部２と電極
３ａ，３ｂとは一体的に形成されている。電極３上には
接合強度を上げる為のバッファ層４ａ，４ｂを介して配
線５ａ，５ｂがボンデイング接続されている。この配線
の直径は通常0.2乃至1.0mmである。

第１ａ図及び第１ｂ図に示したヒータにおいては、一対
の配線５ａ，５ｂを介して発熱部２へ電流を通電させる
ことにより発熱部２がジュール発熱するものであるが、
発熱部２から発生された熱が周囲へ散逸していく状態を
第３図に模式的に示してある。第３図に示した如く、発
熱部２から発生される熱は主に３つの態様で周囲へ散逸
される。即ち、発熱部２と接触している基板１へ熱伝導
により散逸する経路Ｘと、これも発熱部２と接触してい
る電極を介して配線５ａ，５ｂへ熱伝導により散逸する
経路Ｙと、発熱部２から大気中へ放熱する経路Ｚとがあ
る。この場合の各経路の熱の散逸量は材料の種類や形状
に依存するものであるが、一般的にはＸ≧Ｙ＞Ｚであ
る。

第１ａ図及び第１ｂ図に示したヒータの場合、経路Ｘを
介しての熱の散逸がかなり大きいので、発熱部２が所定
の平衡温度に到達するためには多大の加熱電力と時間と
を必要とする。そこで、ヒータの加熱電力を小さくする
為に、ヒータの熱容量を小さくし、例えば体積を小さく
すると、基板１の熱容量が相対的に大きくなる為に、平
衡温度に到達することが出来ずにヒータだけが局部的に
集中的に加熱されて焼切することとなる。

そこで、加熱電力を小さくすると共に平衡温度への到達
時間を短縮化する目的で、第２ａ図及び第２ｂ図に示し
た如き架橋構造としたマイクロヒータが提案されてい
る。即ち、この場合のヒータにおいては、基板１の上表
面内に凹所１ａを穿設し、その両側に設けた一対の電極
３ａ，３ｂ間を架橋してブリッジ形状に発熱部２を設け
たものである。この場合の配線５ａ，５ｂの直径は典型
的に100乃至200ミクロン程度である。この様な架橋構造
とすることによって、第３図に示した熱の散逸経路Ｘは
実質的に取り除かれ、経路Ｘの散逸量は経路Ｚのものと
同等程度に減少されている。然し乍ら、この場合、発熱
部２の寸法（熱容量）に比べて電極・配線３，５の寸法
（熱容量）ははるかに大きくならざるを得ないので、ヒ
ータの温度状態は経路Ｙによって大きく影響を受ける。
而も、電極３や配線５の材料は電気抵抗が低く熱伝導率
の大きいものを使用するので、経路Ｙを介しての散逸は
益々大きくなっている。

又、第１ａ図及び第１ｂ図に示したヒータは容量が大き
く且つ基板１も加熱せねばならない為に、発熱部２へ多
大の電力を供給する必要がある。その為に、配線５は大
きな電力を伝達することが可能である為にその直径は大
きなものでなければならない。この様に太径の配線５を
電極３へ接続する為に経路Ｙを介しての熱の散逸効果が
増大している。

以上の如く、従来技術における欠点を纏めると以下の如
くなる。

(a)電力消費が必要以上に大きい。

(b)ヒータの温度が電極・配線の温度（周囲温度）に影
響され易い。

(c)ヒータの温度分布が不均一であり、均一な温度分布
を必要とするもには適さない。

(d)余分な部分に熱を取られる為に過剰な電力投入をし
て許容電流密度を越え、エレクトロマイグレーションが
発生したり、温度分布不均一も加わり局所的発熱による
劣化等の寿命の短縮。

(e)ヒータの熱容量を減少させること（マイクロヒー
タ）が困難。

(f)熱平衡に到達する迄の時間が長く電力の浪費。

目的本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述
した如き従来技術の欠点を解消し、熱の散逸を極力防止
すると共に熱応答特性を改善した電熱器を提供すること
を目的とする。

構成本発明は、平衡温度への到達時間を短縮化し且つ消費電
力を低減化することの可能な電熱器を提供するものであ
る。特に、本発明は、低消費電力化したマイクロガスセ
ンサのマイクロヒータに適用するのに適しているが、そ
れに限定されることなく、各種センサ、例えば温度セン
サ、ガスセンサ、湿度センサ、赤外線センサ、真空計、
超音波センサ等の温度制御を必要とするもの、更に、半
田コテ用ヒータや感熱プリンタ用ヘッド等の各種加熱装
置のヒータ等にも適用可能なものである。

本発明は、電流を流すことによって発熱する発熱部を持
った電熱器の改良に関するものであるが、電熱器に限ら
ず発熱部とそこへ電流を供給する配線とをもった装置一
般に関するものであって、その装置がどのように呼称さ
れるかを問うものではない。即ち、本発明においては、
電流が流れることにより発熱する発熱体と、前記発熱体
へ電流を供給する為の配線とを有する電熱器において、
前記発熱体と前記配線との間に熱流抑制部を設け電気発
熱体において発生された熱が前記配線を介して流出する
ことを抑制したことを特徴とするものである。この場合
に、熱流抑制部が発熱体よりも熱伝導率の小さい導電性
材料で構成することが望ましい。

以下、添付の図面を参考に、本発明の具体的実施例の態
様に付いて詳細に説明する。

第４図乃至第７図は、本発明をガスセンサ等に使用する
のに好適なマイクロヒータに適用した場合の幾つかの実
施例を示している。何れの場合も発熱部を架橋構造に構
成した場合を示している。

第４ａ図及び第４ｂ図に示したマイクロヒータにおいて
は、大略矩形形状をした基板１の上表面中央に凹所１ａ
が刻設されている。この基板１の材料としては、例え
ば、金属材料、合成樹脂、シリコン等がある。基板１の
上には絶縁層７が形成されており、凹所１ａ上をブリッ
ジ状に延在して後述する発熱部２を支持する架橋構造を
与えている。この絶縁層７は、例えばSiO₂，Si₃N₄，Al₂
O₃等から形成することが可能である。絶縁層７の上で凹
所１ａの両側には電極３ａ，３ｂが形成されており、且
つこれら電極３ａ，３ｂ間に延在し絶縁層７のブリッジ
部分に支持されて発熱部２が形成されている。尚、本実
施例においては、電極３ａ，３ｂと発熱部２とは同一材
料から一体的に形成されている。これら電極３ａ，３ｂ
と発熱部２とは、例えばPt，PtIr，PtRh，Mo，Ｗ等から
構成することが望ましい。

電極３ａ，３ｂ上には、本発明に従い、熱流抑制部とし
てのバッファ層６ａ，６ｂが形成されており、これらの
バッファ層６ａ，６ｂに夫々電力供給用の配線５ａ，５
ｂがボンディング接続されている。これらのバッファ層
６ａ，６ｂは、電流を流すことによって発熱部２で発生
される熱が配線５ａ，５ｂを介して散逸されることを防
止するものである。然し乍ら、配線５ａ，５ｂを介して
発熱部２へ供給される電流はこれらのバッファ層６ａ，
６ｂを介して供給されるものであるから、これらのバッ
ファ層６ａ，６ｂは電流の通過を阻止したり抑制したり
することがないものであることが必要である。従って、
バッファ層６ａ，６ｂは導電性が高い材料であることが
望ましく、又発熱部２よりも熱伝導性が低い材料である
ことが必要である。バッファ層６は、例えばITO，NiC
r，ステンレス等を使用して構成することが可能であ
る。一方、配線５は、Al，Au，Ni等から通常構成されて
いる。

以上の如く、発熱部２は架橋構造として空中へ張り出し
た構成としてあり、且つ発熱部２は発熱部２よりも熱伝
導率の低いバッファ層６を介して電流供給用の配線５に
接続されているので、発熱部２で発生された熱は周囲へ
散逸することが極力防止されており、従って発熱部２は
迅速に所望の平衡温度へ到達することが可能であり、そ
の為消費電力は低減化される。又、バッファ層６は導電
性が高いので電流の供給上何等問題を発生することはな
い。

第５ａ図及び第５ｂ図は架橋構造とした場合の変形例を
示している。本例においては、バッファ層６を電極とし
て構成している。即ち、第４図の実施例の電極３をバッ
ファ層６で置換した構成である。本例では、発熱部２は
ブリッジ部分のみであり、発熱部２で発生した熱は電極
を兼用するバッファ層６へ伝達することが阻止される。
バッファ層６をITOから構成した場合には、配線５との
接合強度を上げる為に接合層８を介在させることが望ま
しく、接合層８は、例えばNi，NiCr，Cr，Ti、ステンレ
ス等を使用して形成する。

第６ａ図及び第６ｂ図は、架橋構造とした場合の更に別
の変形例を示している。本例は、第５図の実施例と殆ど
同じであるが、発熱部２は絶縁層７の支持用ブリッジ部
分よりも短く構成されており、一方電極を構成している
バッファ層６の一部がブリッジ上に部分的に延在してい
る。従って、発熱部２とバッファ層６との境界は凹所１
ａ上方のブリッジ上に位置している。この様な構成とす
ることによって、発熱部２で発生した熱が散逸すること
を防止することが一層効果的となる。

第７ａ図及び第７ｂ図は、架橋構造とした場合の更に別
の変形例を示している。本例は、発熱部２とバッファ層
６との接続部がブリッジ上に位置している点は前の実施
例と同じであるが、バッファ層６に接続し且つ並設して
電極３が設けられており、電極３は配線５とボディング
接続している点が異なっている。尚、電極３は発熱部２
と同一材料から同時に形成することが可能である。本例
においては、発熱部２と電極３とを同一平面上に互いに
離隔して同時に形成し、次いで発熱部２と電極３との間
にバッファ層６を夫々に接続して形成することが可能で
あり、製造工程が簡素化されると共に量産性が向上し、
コストダウン及び信頼性の向上が得られる。

上述した実施例におけるバッファ層６は、種々の方法で
製造可能であるが、特に第７図に示した実施例において
は、成形部品もしくはセラミックに焼き付けた焼結材料
によって形成することが望ましく、一方その他の実施例
においては、公知の成膜技術を用いて製造することが望
ましい。バッファ層６を構成する断熱材料は、例えば、
ペースト状にして厚膜スクリーン印刷にてパターン化し
焼結するか、或いはスリットマスクにより真空蒸着膜の
パターン化、真空蒸着等で薄膜作成し、ホトリソグラフ
ィーによりパターン化を行なう。尚、接合層８も同様に
して製造することが可能である。又、架橋構造とした場
合、具体的な寸法の１例を示すと、例えば、ブリッジの
長さは約４００ミクロンで幅は約４０ミクロンであり、
シリコン基板上に形成する二酸化シリコンからなる絶縁
層７の厚さは約１ミクロンで、その上に積層形成するPt
からなる発熱部２及び電極３の厚さは約１ミクロンで、
電極３上に形成するITOからなるバッファ層６の厚さは
約５ミクロンで、そのバッファ層６の上にNiCrから形成
され直径約３５ミクロンのAlの配線５がボンディング接
続される接合層８の厚さは約１ミクロンである。

第８図は、マイクロヒータにおける平衡温度到達時間の
測定例を示しており、横軸は到達時間をミリ秒で表して
おり且つ縦軸は発熱部２の中央における温度を表してい
る。第８図のグラフ中、点線Ａで示した特性がバッファ
層６を設ける前の従来装置の場合であり１８mW電力を印
加した場合であって、一方実線Ｂで示した特性はバッフ
ァ層６を設けた後の本発明構成の場合で１６mWの電力を
印加した場合である。特性曲線ＡとＢとを比較すれば一
目瞭然の如く、本発明に従いバッファ層６を発熱部２と
配線５との間に介在させることによって、消費電力を低
減化することが可能なばかりか、平衡温度への到達時間
を短縮化することが可能であることが理解される。

第９図乃至第２０図は本発明を厚膜セラミックヒータに
適用した場合の実施例を示している。第９図の実施例で
は、基板１上に発熱部２が形成されており、発熱部２の
両端に画定されている電極領域上に所定の断熱材料から
なるバッファ層６を形成し、バッファ層６に配線５がボ
ンディング接続されている。本例は、厚さ方向に断熱障
壁を設けて発熱部２からの熱の損失を減少させる構成で
ある。第１０図は第９図の実施例の変形例を示してお
り、例えばバッファ層６の断熱材料としてITO等を使用
し配線５との接合強度が比較的低い場合に、NiCr等の金
属材料からなる接合層８を介在して配線５をホンディン
グさせている。第１１図は更にその変形例を示してお
り、発熱部２ないしはその電極領域とバッファ層６との
間にも別の接合層８を介在させ、更に接合強度を高めた
場合である。

第１２図の実施例では、基板１上に発熱部２が形成され
ており、発熱部２の両端部に一部重畳させ且つ基板１上
に大部分延在させて所定の断熱材料からなるバッファ層
６を形成しており、そのバッファ層６に配線５をボディ
ング接続させている。この場合は、バッファ層６を発熱
部２と大略並設させることによってその面方向の長い伝
導距離を利用して発熱部２の熱損失を一層効果的に防止
している。第１３図は第１２図の実施例の変形例であ
り、配線５とバッファ層６との間の接合強度を上げる為
に接合層８を介在させた場合である。

第１４図は第１３図の実施例を更に変形した場合を示し
ており、配線５ｂと５ｃとの間に熱流抑制素子１０を設
け配線５を介しての熱の散逸を防止することを可能とし
ている。熱流抑制素子１０は支持体としての基板９を有
しており、基板１０の上には所定の断熱材料からなるバ
ッファ層６ｃが形成されており、バッファ層６ｃには接
合強度を上げる為の接合層８ｃ，８ｄを介して配線５
ｂ，５ｃがボンディング接続されている。この場合、電
力損失を減少させる為に配線５ｂの長さを可及的に短く
することが望ましい。支持基板９は熱伝導率が小さく且
つ比熱が大きい材料から形成するが、例えばSiO₂，Al₂O
₃，マイカ等を使用すると良い。第１５図は第１４図の
変形例を示しており、熱流抑制素子１１は、バッファ層
６ｃを接合層８ｃ，８ｄで両側からサンドイッチした構
成を有しており、接合層８ｃ，８ｄは夫々配線５ｂ，５
ｃへ接続されている。

第１６図は本発明を薄膜乃至は厚膜の感熱ヘッドへ適用
した場合の実施例を示しており、基板１上に複数個の所
定の形状をした発熱部２を１列アレイ状に配列して設け
てあり、各発熱部２は所定の断熱材料からなるバッファ
層８ｅを介して対応する電極３ｃへ接続されている。

第１７図及び第１８図は、発熱部２２ａが埋込式に構成
されているセラミックヒータへ本発明を適用した場合の
実施例を示している。即ち、基板２１ａ内に発熱部２２
ａが埋め込まれて設けられており、その発熱部２２ａの
端部の電極領域を貫通してスルーホールが穿設されてお
り、そのスルーホール内にスリーブ状のバッファ層２６
ａを介してリードワイヤ２５ａが接続されている。この
場合も、埋め込まれた発熱部２２ａで発生された熱がリ
ードワイヤ２５ａを介して外部へ散逸されることが効果
的に防止される。第１９図はその変形例であり、リード
ワイヤの代りにリードピン２５ｂの一端部が基板２１ａ
内に部分的に挿入されており、断熱用のバッファ層２６
ｂを介して埋設されている発熱部２２ａへ接続されてい
る。

第２０図は、本発明を半田コテ用のセラミックヒータへ
適用した場合の実施例を示している。発熱部２２ｂは円
筒基板２１ｂの内周面上に形成されており、その一部は
基板端部より突出している。この突出部に所定の断熱材
料よりなるバッファ層２６ｃを介してリードピン２５ｃ
が接続されている。この実施例においても、発熱部２２
ｂで発生された熱がリードピン２５ｃを介して散逸する
ことが防止されている。第２１図は、本発明をコイルヒ
ータに適用した場合を示しており、コイルヒータ素子２
２ｃの一端部は所定の断熱材料からなるバッファ層２６
ｄを介してリードピン２５ｄへ接続されている。

以上の各実施例において、構成要素の材料に付いても説
明したものもあるが、本発明においては、装置の形状や
寸法によっても断熱効果の程度は異なるが、バッファ層
の断熱材料としては、発熱部及び配線材料よりも少なく
とも１桁熱伝導率が低い材料を選択すると良い。尚、本
発明における発熱部、バッファ層、接合層、配線（リー
ド）の材料としては以下の如きものを使用することが可
能である。

発熱部 W(1.7)，Mo，Pt(0.7)，PtIr，NiCr(0.2)，Ta₂N，SiC バッファ層ステンレス合金(0.2)，NiCr，ITO(0.0〜) 接合層 Ni，NiCr，Cr，Ti，ステンレス合金配線(リード) Al(2.4)，Au(3,1)，Cu(3.8)，Ni(0.9)，NiCr(0.2) 尚、上記各材料において括弧内の数字は熱伝導率を表し
ている。又、接合層の材料はそれが接続されるバッファ
層及び配線の材料の双方の接合強度等を考慮して選択さ
れる。

効果以上詳説した如く、本発明によれば、発生する熱の散逸
を防止することが可能であり、迅速に所望の平衡温度に
到達することが可能である。又、発生される熱は散逸さ
れずに有効に使用されるので、熱効率が高くロスが少な
い。更に、構成が比較的簡単なので、製造が容易であ
る。

以上、本発明の具体的実施の態様に付いて詳細に説明し
たが、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきもの
では無く、本発明の技術的範囲を逸脱すること無しに種
々の変形が可能であることは勿論である。例えば、本発
明は電熱器がヒータとして使用される場合のみに限ら
ず、電熱器が感熱部として使用される場合においても、
その感熱部の温度が電極や配線の影響を受けることが無
い様にする為に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図、第１ｂ図、第２ａ図、第２ｂ図及び第３図は
従来の電熱器を示した各説明図、第４ａ図、第４ｂ図、
第５ａ図、第５ｂ図、第６ａ図、第６ｂ図、第７ａ図、
第７ｂ図、は本発明をマイクロヒータへ適用した場合の
幾つかの実施例を示した各説明図、第８図は本発明と従
来技術とを比較したグラフ図、第９図乃至第１６図は本
発明を厚膜セラミックヒータへ適用した場合の幾つかの
実施例を示した各説明図、第１７図乃至第２１図は本発
明をその他の種々のヒータへ適用した場合の各説明図、
である。（符号の説明）１：基板２：発熱部３：電極５：配線６：バッファ層７：絶縁層８：接合層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の表面叉は内部に所定のパターンを有
する層状に付着形成されており電流が流れることにより
発熱する発熱体と、前記発熱体へ電流を供給する為に空
中を延在して前記基板へ接触される配線とを有する電熱
器において、前記発熱体と前記配線との間で前記基板に
付着形成して熱流抑制部を設け、前記熱流抑制部が前記
発熱体及び前記配線と異なる材料であってしかも前記発
熱体よりも熱伝導率の小さい導電性材料から層状に付着
形成されていることを特徴とする電熱器。