JPH0632273B2 - 電気的抵抗加熱エレメント及び電気ヒータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、強磁性体材料を用いた温度自己調節機能を有
するヒータに関する。より具体的には、性能を向上させ
るための補助的な層を有する強磁性体材料で作製された
自己調節型ヒータに関する。

〔従来の技術〕

本発明は、CarterおよびKrummeの米国特許第 4,256,945
号に記載されているような形式の自動調節機能を有する
強磁性体ヒータに関し、上記米国特許の記載内容の一部
である表皮効果（ skin effect）、侵入度（ skin dept
h）、自動調節比（ autoregulating ratio）等の概念は
本発明においても援用されるものである。

低抵抗の非磁性体材料から成る基板上に高抵抗且つ高透
磁率の磁性体材料から成る表面層を設けた自動調節型ヒ
ータは、多くの分野において利用させる段階まで開発が
なされている。これらのヒータの作動が良好な理由は、
上記磁性体の表面層中を電流が流れ、且つこの表面層が
高い抵抗率を有するため加熱層としての役割を果たして
いるということに起因するものである。従って、磁性体
表面層としては、高い透磁率と共に高い抵抗率を有する
ものが要求される。更にまた、所望の利用分野に対応し
得る適切なキュリー温度を有することも要求される。然
しながら、このような構成にしたときの一つの欠点は、
高出力レベルにおいて上記磁性体表面層内の磁場が極め
て高くなり、エルステッド値が高くなると飽和現象を生
じて実効透磁率が相対的に低下することである。

更にまた、キュリー温度以下においては上記磁性体表面
層の発熱部分のインピーダンスの力率（ＰＦ）が、例え
ば 0.7というように比較的低くなり、そのため同調回路
内に無効力率補正エレメントを設ける必要がある。ヒー
タの形状を改善し、磁性体層の厚さを増加させても、力
率は最大0.707程度にまでしか達しない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、上記の構造体に対して更に別の層を追
加することにより上記の制約を克服する手段を提供する
ことにある。このような追加層を設けることによって次
のような多くの改善がなされる。即ち、キュリー温度以
下において高い力率が得られること、インピーダンスマ
ッチングが容易になること、全体的な形状としてさまざ
まな形態のものが可能となること等々であり、その場合
においても、磁性体層の実効透磁率は高く保持され、広
い周波数レンジにおいて良好な性能、即ち、高い自己調
節比（Ｓ／Ｒ）と高力率が確保されるものである。

而して、上記自己調節比（Ｓ／Ｒ）は、本発明にかゝる
自動調節ヒータを設計する上で重要なパラメータとな
る。この比率は、実効キュリー温度以下におけるヒータ
の全抵抗と実効キュリー温度以上におけるヒータの抵抗
との比率と密接な関連性を有している。電流が一定に保
たれているときにこのような抵抗の変化が生じると、ヒ
ータの温度がキュリー温度を超えるとき、当該一定電流
における発熱量が急激に減少する。従って、上記自己調
節比（Ｓ／Ｒ）の値が自動調節性能を決定するものであ
る。

Jackson およびRusse11 は、米国特許第 2,181,274号に
おいて磁性体基板上に非磁性体材料（真鍮が好適とされ
ている。）のシーズを設けたものを開示している。彼等
はこれを誘導電流で作動させるよう提案しており、その
場合の最大効率若しくは最大力率を得るための条件、即
ち、効率と力率の最も良好な組合せを達成するための条
件を開示している。然しながら、Jackson はオーム結合
で使用できるヒータは開示しておらず、また、自己調節
機能についても何ら言及していない。低周波数を用いる
Jackson の発明は、キュリー温度前後における自己調節
機能について何ら考慮しておらず、また、自動調節効果
の重要なファクタである強磁性体材料の実効透磁率の向
上がもたらす利点についても何ら言及していない。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の前記の目的は、電気的抵抗加熱エレメントにお
いて、所定の温度範囲内でその抵抗値が固有の変化特性
に従って変化することにより上記温度範囲内で温度調節
するための手段と、上記範囲の上限域において上記加熱
エレメントの実効リアクタンスを減少せしめる手段と、
を備えた上記の電気的抵抗加熱エレメントによって達成
される。

また、本発明の目的は、自己調節型ヒータにおいて、当
該ヒータの電気抵抗値の固有の変化特性に基づいてその
抵抗加熱による最大発熱量を自動調節する手段と、抵抗
値の顕著な変化特性を維持しつゝ上記自動調節型ヒータ
の力率を改善する手段と、を備えた上記の自動調節型ヒ
ータによって達成される。

更にまた、本発明の目的は、電気的抵抗加熱エレメント
において、高い熱伝動性及び導電性を有する非磁性体基
板と、上記基板に対し熱的及び電気的に緊密な接触状態
を保った第１の平面を有する強磁性体層と、上記強磁性
体層の反対側の平面に対して熱的及び電気的に緊密な接
触状態を保った高い導電率を有する非磁性体層と、を備
えた上記の電気的抵抗加熱エレメントによって達成され
る。

また、本発明の目的は、自己調節型ヒータの力率を比較
的高い値に保つための方法において、高抵抗層に電気的
および熱的に接触せしめられた磁性体層が実効キュリー
温度以下にある当初の期間中は、電流の大部分を電気的
高抵抗層に集中して通過させるステップと、上記磁性体
層の温度がそのキュリー温度に達したときには電流の大
部分を低抵抗材料中に拡散させて通過させるステップ
と、から成る上記の方法によって達成し得る。

更にまた、本発明の目的は、非磁性体から成る低抵抗の
層と高抵抗の層並びにこれらの層と電気的な接触を保っ
てこれらの層の間に設けられる磁性体層とから成る自己
調節型の多層構造の加熱エレメントの力率を高く保持す
る方法において、上記磁性体の実効キュリー温度以下に
おいては電流の大部分を上記高抵抗層に集中せしめ、上
記磁性体層がその実効キュリー温度に達したときには電
流の大部分が低抵抗層を流れるように切り換えることを
特徴とする上記の方法によって達成し得る。

而して、本発明の第１の実施例においては、強磁性体材
料から成る層に高抵抗の非磁性体材料から成る表面層が
取り付けられる。これら２つの層に平行に高周波電源が
接続され、供給電力の抵抗加熱によって熱が発生する。

而して、上記の如く強磁性体材料に高周波電流を通じる
と、その磁気特性に基づいて表皮効果を生じ、電流の大
部分は上記構造体の表面の浅い領域に集中して流れる。
高抵抗の非磁性体表面層が存在しない場合には、電流の
大半は上記強磁性体層の表面の狭い領域に集中する。従
って、その場合の力率および発熱量は、上記強磁性体材
料の電流の大半が流れる部分の抵抗率とリアクタンスに
よって決定される。

而して、上記構造体に非磁性体表面層が追加されると、
電流の大半は表皮効果によって上記非磁性体表面層にシ
フトされる。上記表面層として、より好適な抵抗値およ
びリアクタンス特性を有するものを選択することによ
り、上記構造体全体の抵抗加熱の力率を向上させること
が可能となる。

強磁性体材料は、実効キュリー温度を有しており、この
温度おいて実質的に非磁性体になる。この温度に達する
と表皮効果は減退し、そのため電流は強磁性体層を含む
構造体全体に均等に分配されて流れるようになり、多く
の電流が強磁性体層中をも流れるようになる。上記構造
体を流れる全電流は常時実質的に一定のレベルに保たれ
るようになっている。

上記の如く、電流の流れる領域の断面積が増加しても電
流の供給量を一定に保持しておくことにより、抵抗加熱
によって発生する熱量を減少させることができる。これ
によって予め設定された実効キュリー温度付近における
自動調節機能が達成されるものである。

上記構造体に供給する電流に関して、本明細書中で用い
られる“定電流”もしくはこれに類する用語は、電流が
増加することができないという意味ではなく、次の式に
従って導かれる電流のことを指している。

この式の詳細については、Rodney Derbyshireの米国特
許出願第 568,220号に記載されており、その記載内容は
本発明にも援用されるものである。

具体的には、自動調節機能を達成するためには、キュリ
ー温度以上において負荷に与えられる電力が、キュリー
温度以下において負荷に与えられる電力よりも少なくな
ければならない。若し、電流が一定不変に保たれるなら
ば、電流を減少させて電力供給を制御する場合は別とし
て、最も良好な電力調節比が得られるものである。電力
を実効キュリー温度以上の温度に維持するのに必要な発
熱量以下に減少させるならば、電流を若干増加させても
差し支えなく、その場合でも温度自動調節機能は達成さ
れる。従って、多きな自動調節比を必要としない場合に
は、電流制御の程度についての抑制を弱めることにより
電源装置のコストを安くすることができる。

本発明の第２の実施例においては、単一の磁性体層の周
囲を、低抵抗の非磁性体から成る内側の層と、その外側
の高抵抗の非磁性体層によって被覆する。上記磁性体層
は、表皮効果の作用により、実効キュリー温度以下にお
いては電流の大部分が上記高抵抗の領域を流れるように
し、キュリー温度以上においては電流の大部分が上記低
抵抗の領域を流れるように切り換える役割を果たす。ど
の場合においても、電流の大部分が上記磁性体層を流れ
ることはない。

この第２の形態のものにおいては、実効キュリー温度以
下において最大の抵抗加熱が必要とされるときに、上記
高抵抗層において高い力率が得られるものである。そし
て、電流の大部分が上記低抵抗層に切り換えられたとき
には、抵抗加熱は大幅に減少し、これにより自動調節機
能が向上するものである。

強磁性体を用いた自己調節型ヒータの形状に関する通常
の要件はこの場合においても適用されるものであり、被
覆されていない磁性体電流経路の厚さに対する幅の比率
（約50：１）についても通常の要件が適用され、これに
よって強磁性体材料の高透磁率もその最大値若しくはそ
れに近い値に維持されるものである。上記ヒータにＡＣ
電流を通じる手段としては誘導形式のものも採用し得
る。

上記構造体の形状は、改善された所望の力率と共に、妥
当な自己調節電力比等のヒータに必要な他の特性も保持
されるように設計されなければならない。上記抵抗層を
追加することによって自己調節比は低下するが、それで
もなお充分な自己調節比が得られるものであるから、殆
どの場合において問題は生じない。

抵抗層を追加することによってキュリー温度以下におけ
るヒータの抵抗値は減少するが、自己調節比との間でそ
れほど重大な競合関係を生じるものではない。

ヒータの特性、即ち力率や自己調節比は、層の選択され
たパラメータ、即ち透磁率、抵抗率、誘電定数、厚さに
依存し、また選定されたＡＣ周波数（通常はMHz のレン
ジ）に依存する。

力率、自己調節比および抵抗レベルＲｓの相互間の競合
関係は個々のヒータの設計目的に応じて異なってくる。
然しながら、本明細書においては、改善された自動調節
型ヒータを各種適用面に応じて設計する場合に必要且つ
充分な基本的原理を述べることにする。

〔作 用〕

上記の如き構成とすることにより、本発明に係るヒータ
によるときは、キュリー温度以下において高い力率が得
られること、インピーダンスマッチングが容易になるこ
と、全体的な形状としてさまざまな形態のものが可能と
なること等々であり、その場合においても、磁性体層の
実効透磁率は高く保持され、広い周波数レンジにおいて
良好な性能、即ち、高い自己調節比（Ｓ／Ｒ）と高い力
率が保持されるものである。

〔実施例〕

本発明の特質および目的を一層明瞭にするため、以下添
付図面を参照しつゝ詳細に説明する。なお、各図中同一
の参照番号を付したものは同等の構成要素を示してい
る。

第１図は、本発明にかゝる２層型のヒータの望ましい実
施例の側方断面図、 第２図は、オーバーラッピングコネクタの近接効果を利
用した本発明にかゝる２層型のヒータの望ましい実施例
を示す側方断面図、 第３図は、第２図に示した実施例の端部近くの断面図、 第４図は、本発明にかゝる３層型のヒータの望ましい実
施例の側方断面図、 第５図は、２層型ヒータにキュリー温度以下において10
MHz の高周波電流を通じたときの電流密度をヒータの表
面からの距離の関数として示すグラフ、 第６図は、２層型ヒータにキュリー温度以下において２
MHz の高周波電流を通じたときの電流密度をヒータの表
面からの距離の関数として示すグラフ、 第７図は、自動調節比（Ｓ／Ｒ）と力率（ＰＦ）との関
係を、外側の抵抗層の厚さの関数として示すグラフ、 第８図は、抵抗層の厚さおよび磁性体層の厚さとＳ／Ｒ
（自動調節比）との関係を示すグラフ、 第９図は、抵抗率と層の厚さとの比率がＳ／Ｒ（自動調
節比）に対して与える効果を示すグラフ、 第10図は、供給される電流の周波数がＰＦ（力率）、Ｓ
／Ｒ（自動調節比）および表面層の抵抗値（Ｒｓ）に対
して与える影響を示すグラフ、 第11Ａ図および第11Ｂ図は、本発明の更に改良されたヒ
ータのもう一つの実施例を示す側方および端部近くの側
面図、 第12図は、本発明にかゝるヒータのキュリー温度以下に
おけるインピーダンスを示すグラフ、 第13図は、異なった周波数におけるヒータの温度と抵抗
の関係を示すグラフ、 第14図は、周波数と抵抗の関係を示すグラフ、 第15図は、一定の周波数13.65MHzにおいて温度と抵抗お
よびリアクタンスの関係を示すグラフ、 第16図は、第３図および第４図に示した実施例の変更例
を示す端部近くの断面図、 第17図は、所定の抵抗率を有する表面層の厚さとＳ／Ｒ
（自動調節比）、Ｒｓ（抵抗値）およびＰＦ（力率）と
の関係を示すグラフである。

なお、第５図ないし第10図および第17図のグラフは実験
データではなく計算値に基づくものである。

而して、第１図に示したような本発明の第１の実施例
は、強磁性体層２とこれを囲繞する高抵抗の非磁性体か
ら成る表面層１とから構成されている。これら２つの層
の間に高周波電源10が接続される。然るときは、これら
の層に供給される電力の関数としての抵抗加熱による熱
が発生する。

そのとき、強磁性体層２の磁気特性と高周波電源10によ
って“表皮効果（ skin effect）”を生じる。Carterお
よびKrummeの米国特許第 4,256,945号に詳細に述べられ
ている如く、“表皮効果”とは、高周波電流が導電体の
内側の主体部よりもその表面領域に集中して流れる現象
を指している。導電体の表面領域への電流の集中度は周
波数が高くなるほど顕著となる。然しながら、上記表皮
効果は導電体の透磁にも依存している。平坦な表面と、
厚さＴを有する“厚い”導電体に、その表面と平行な方
向に電流が流れるように高周波電源を接続した場合、表
皮効果の影響下における電流密度は、下記の式で示す如
く、導電体の表面からの距離に応じて指数関数的に減少
する。

ｊ（ｘ）＝ｊ_ｏｅ^-X/S 〔ここで、 ｊ（ｘ）は、導電体の表面からの距離ｘにおける電流密
度（単位：Ａ／ｍ^２）、 ｊ_ｏは、表面の電流量、 ｓは、ｍｋｓ単位系において下記式で示される“侵入度
（ skin depth）”である。

ｓ＝２／μσω（ただしＴ＞＞ｓ）〕 ここで、μは導電体材料の透磁率、σは導電体材料の導
電率、ωは高周波電源の角周波数（ radian frequncy）
である。材料の磁気特性と表皮効果の関係を論じる場合
には、相対透磁率μｒという概念を用いるのが便利であ
り、ここでμｒは真空中の透磁率μｖ＝４π×10₂₆ヘン
リー／メートルに標準化された透磁率を表す。従って、
μｒμ／μｖ＝μ／４π×10₂₆となる。非磁性体におい
てはμｒ＝１である。

前述の材料の表面からの距離の関数としての電流密度の
関係は、平面状の厚い導電体について導かれたものでる
が、侵入度ｓに比べて極めて大きな曲率半径を有する円
筒状の導電体についても成立する。

非磁性体層１が存在しない場合には、電流の多くは強磁
性体層２の表面近くの狭い領域に集中して流れる。従っ
て、その場合の力率は、上記強磁性体層２の電流の流れ
ている部分の抵抗率および透磁率によって決定される。

上記の構造に対して、非磁性体層１が追加される場合に
は、層１の厚さは、電流の大部分が表皮効果によって層
１の側へシフトされるように適切に選定される。強磁性
体層２に対する表面層として、より望ましい抵抗率およ
び透磁率特性を有する材料を選定することによって、構
造全体において生じる抵抗加熱の力率を向上させること
ができる。

上記強磁性体材料２は、これが実質的に非磁性体となる
ような実効キュリー温度を有している。従って、この温
度に達したとき表皮効果は減少し、これによって電流は
強磁性体層２均等に全体に分配され、これによって強磁
性体２内を電流の大部分が流れるようになる。上記構造
物中を流れる全電流は、常に実質的に一定のレベルに保
持されるようになっている。

電流を一定に保ち、しかも上記電流が流れる断面積が増
大する場合には、発生する抵抗熱は実質的に減少する。
従って、予め定められたキュリー温度近くにおける自動
温度調節機能が達成されるものである。上記層は層２よ
りも抵抗率の高いものを選択しなければならないから、
これらの層の相対抵抗率を考慮しなければならない。

第４図に示した変更実施例においては、単一の強磁性体
層８が、外側の高抵抗の非磁性体層７と内側の低抵抗の
非磁性体層９によってカバーされている。上記強磁性体
層８は、キュリー温度以下においては電流の大部分を高
抵抗領域７を流れるように切り換え、キュリー温度以上
においては低抵抗層９を流れるように切り換える役割を
果たす。従って、強磁性体層８中を電流の大部分が流れ
ることは殆どない。

上記の如き形態においては、キュリー温度以下において
最大限の抵抗加熱が必要とされるときに、上記高抵抗層
７によって上記ヒータは高い力率を達成するものであ
る。そして、電流の大部分が低抵抗層９の側へ切り換え
られたときには、抵抗加熱は大幅に減少せしめられるも
のである。

即ち、キュリー温度以下においては、磁性体層８および
電流の周波数に起因して生じる表皮効果によってＡＣ電
流の大部分は表面の高抵抗層７を流れ、これによって比
較的高い力率を生じる。温度が上昇してキュリー温度に
達すると、磁性体層８の透磁率が減少し、上記のような
電流の分配はもはや効果的に保持されず、電流の大部分
は下側の層９を流れるようになり、その場合この層の抵
抗値が低いために僅かな熱しか発生しなくなる。

強磁性体による自己調節機能を有するヒータの設計上の
通常の配慮がこゝでも適用されるが、その場合、平坦な
層を用い、且つ電流帰還路を設ける場合には、強磁性体
材料の消磁効果を回避するために強磁性体材料の寸法に
関して厚さに対する幅の比率に対する配慮がなされなけ
ればならない。

第２図には、平坦な層の使用を可能にするオーム接続が
示されている。

第１図に示したように、磁性体層２の厚さが厚い（Ｔ＞
＞δ）場合の電流分布の計算結果が第５図および第６図
に示されている。これらのグラフは、ヒータの表面から
の距離が増加するにつれてどのように電流が減少するか
を示している。曲線12および14はキュリー温度以下にお
ける透磁率が300 の磁性体基板上に、厚さが 1／2 ミル
の10μΩ・cmの材料の層を設けたものを示している。抵
抗層における電流密度は、２MHz および10MHz のいずれ
においても、またキュリー温度以下若しくはキュリー温
度以上においてもほぼ均一である。

第１図に示したような２層構造のヒータの２つの層にお
ける理論上の電流積分値Ｉ_１およびＩ_２が、キュリー温
度以上および以下において（比率Ｉ_２／Ｉ_１として）第
５図および第６図に示されている。いずれの場合におい
ても、キュリー温度以下においては電流の殆どが抵抗層
１に集中し、またキュリー温度以上においては磁性体層
２に集中することが理解される。

第１表には、第１図に示したような構造のヒータにおけ
る電気特性が掲げられている。即ち、磁性体の透磁率μ
_２の値が 200から１の間の幾つかの場合について、表面
インピーダンスＲｓ＋ｊＸｓと自己調節比および力率が
一覧表にして示してある。この透磁率の範囲は、合金42
や、インバール36（Invar36）や、キュリー温度が60℃
ないし400℃の範囲にある他のニッケル・鉄合金におけ
るそれと差程変わらない。磁性体層の抵抗率ρ_２の75×
10^-6Ω・cmという値は、合金42や、幾つかの他のニッケ
ル・鉄合金のそれに近似するものである。磁性体層につ
いて選択されたこれら２つの抵抗率の値は、オーステイ
ト系ステンレス鋼とニクロムのような材料のそれぞれと
対応するものである。

層の厚さを適正に選定すれば、第１表に示す如く、透磁
率の値が高い場合には力率は或る一定の値にまで増加す
るものであり、このことは第７図ないし第９図および第
17図の様々なグラフにも示される通りである。従って、
ヒータの寸法を適切に設定することによって、入力イン
ピーダンスは殆ど純粋な抵抗とみなすことが可能であ
り、多くの場合においてこれを所望の値に設定すること
が可能であり、これによってインピーダンスマッチング
のための回路は省略可能となる。

第１表には、また、表面層１の抵抗率が60μΩ・cmから
100μΩ・cmへ増加すると、100 μΩ・cm且つμ_２＝20
0 における力率が減少して、60μΩ・cmにおける値より
僅かに低くなり、その自己調節比（μ_２＝１における）
は60μΩ・cmにおけるものよりも40％向上することが示
されている。これは重要な変化である。

第２表には、抵抗層を取り除いた単一の磁性体層におけ
る表面インピーダンス、力率および自己調節比の計算値
が示されている。この場合、自己調節比は向上するが、
μ_２＝200 において力率は非常に低下し、そのためヒー
タと電源を効率良く接続するためにインピーダンスマッ
チングが必要となる。更にまた、第１表を比較、参照す
れば明らかな如く、第１表のμ_２＝１，ρ_１＝100 μΩ
・cmにおける力率が67.5％であり、これが第２表のμ＝
１における力率68.9％よりも僅かに低下しているという
唯一の例外を除けば、抵抗層を設けた方が力率は常に良
好であることが理解される。

複数の層から成るヒータにおける抵抗層の有効性は第３
表から明らかであり、その具体例を示す第４図におい
て、非磁性体から成る上部層７は、温度感応性の磁性体
材料から成る第２の層８と結合され、その下に非磁性体
から成る導電性の基板９が設けられている。上部層７は
例えば非磁性のステンレス鋼であり、第２の層８は合金
42であり、第３の層９は銅である。最初の４つの計算値
はρ_１＝60μΩ・cmについてのものである。次の４つの
計算値はρ_１＝10²⁰の場合、即ち、上部層が存在しない
場合に等しい計算値である。ここでも、μ_２＝１の場合
を除くすべての場合について、第３の層に設けたことに
よって力率が自己調節比（Ｓ／Ｒ）を若干犠牲にするだ
けで実質的に大幅に改善されていることが理解される。

再度第５図および第６図を参照すれば、第１図に示した
実施例において、２MHz の場合には自己調節比（Ｓ／
Ｒ）が11.0であり、また10MHz においては６．７である
ことが理解される。キュリー温度以下において10MHz に
おける力率（ＰＦ）は２MHz における力率の値0.94より
も若干良好な値、即ち0.98を示している。これは、自動
調節比を僅かに犠牲にするだけで達成されるものであ
る。抵抗層なしで、このヒータは自動調節比17.3を確保
することができる。このように、厚さおよび表面抵抗率
を適切に選定することによって、自己調節比Ｓ／Ｒを極
めて僅かに減少させるだけで力率を実質的に増大させる
ことが可能となるものである。

第４図に示した第２の実施例は、磁性体層８の対向面
に、低抵抗且つ低透磁率の第３の層９を設けてある。キ
ュリー温度以下においては、（表皮効果により）電流の
大部分は高抵抗の表面層７中を流れる。キュリー温度以
上においては電流の殆どは低抵抗の第３の層９中を流れ
る。表面抵抗および自己調節比Ｓ／Ｒの計算によれば、
キュリー温度以上において電流の大部分は第３の層９中
に流れることを示している。

３層構造のシステムにおいては、選択すべき設計上のパ
ラメータは多数存在する。３層構造のシステムの利点を
得るために２つの質的に異なった作動モードが可能であ
る。第１のモード、即ちモードＡにおいては、磁性体層
の厚さは侵入度の１倍ないし数倍の範囲に設定される。
他のモード、即ちモードＢにおいては、磁性体層の厚さ
は侵入度の 1／３ないし 2／３の範囲に設定される。こ
れらについて以下順次論述する。

第７図には、モードＡの場合が描かれており、このグラ
フでは、所定の材料で作製された磁性体層８の厚さｔ_８
が約 0.3mil、即ち侵入度の約１．５倍である場合にお
いて、周波数ｆ＝13.56 MHz において上記Ｓ／Ｒおよび
ＰＦが抵抗層７の厚さｔ_７の関数として描かれている。
この場合（および磁性体層が更に厚い場合）、Ｓ／Ｒは
抵抗層７の厚さｔ_７の単調な減少関数であり、力率は厚
さｔ_７の単調な増加関数である。第７図は抵抗層の２つ
の異なった抵抗率ρ_７＝ 100μΩ・cmと 200μΩ・cmの
計算値についても示してい。これら２つの曲線は、ρ_７
＝100 の厚さの軸（ｔ_７）の目盛を拡張したとき、即ち
ｔ_７（ρ_７＝100 ）＝ 1／２ｔ_７（ρ_７＝200 ）とした
ときに、２つの曲線が互いに重なるような状態となるこ
とを示している。このような変換を行なった場合に両者
が同じような曲線を描くということの物理的な意味は、
両者とも表面層７の抵抗値が等しいということである。
換言すれば、層の抵抗率に対する層の厚さの比率が両者
を変更しても一定に保たれるということ、即ちｔ_７／ρ
_７＝一定というのが変換公式であり、これによってヒー
タの電気的特性を変えることなくこれら２つのパラメー
タを変換することが可能となることを示している。上記
式は３次元の一般法則の特殊な場合を示すものであり、
３次元の法則はｌ^２／ρ＝一定（こゝでｌは外形の“ス
ケール”である。）となるものである。（なお、上記の
ような１次元の場合には直線次元であり、従って、ｔ_７
は平方化されない。） 磁性体層の厚さを侵入度の約 1.5倍より大きくしたこの
“Ａ”モードの有用性は、例えばロールクラッド法、ス
パッタリング法によって薄い磁性体層を形成するのが困
難な高周波領域において有用である。これによって、キ
ュリー温度以下における例えば 0.9以上というような高
い力率を維持しつゝ大きな自動調節比（90）を確保する
ことができる。

モードＢこのモードにおいては、磁性体層は侵入度の１
倍よりも薄く形成される。表面の抵抗層７を追加するこ
とによって、当該抵抗層７の厚さｔ_７の増加に伴い当初
は自動調節比Ｓ／Ｒも増大するが、上記厚さｔ_７が或る
上限値を超えると、それ以後は抵抗層７の厚さｔ_７の増
大に伴ってモードＡの場合と同様にＳ／Ｒは次第に減少
する。第８図には３つの異なった磁性体層８の厚さｔ_８
についての状態が示されている。磁性体層の厚さが侵入
度（δ）の１倍より小さい場合には非常に高いＳ／Ｒ値
が得られる。この状態は、前述のモードＡの作動におい
て述べた切換え動作がモードＢにおいても適用されるこ
とを示している。

モードＢの作動は、特に低い周波数において適用可能で
あり、その場合、δの見地から磁性体層８の厚さが薄い
ことが望ましい。

第９図は、厚さ0.15mi1 の磁性体層に抵抗層を設けた場
合における抵抗層の厚さとＳ／Ｒおよび力率の関係を示
しており、抵抗層７の抵抗率の広い範囲において高いＳ
／Ｒが得られることを示している。更にまた、抵抗率の
値が低い場合には、抵抗層７の厚さｔ_７と抵抗率の比率
を一定に保つことによって同等の効果が得られることを
示している。この点においては、前記モードＡの作動と
同様である。

モードＢの作動は力率の観点からすれば、モードＡのそ
れほど良好ではない。力率0.9 という値を得るために、
モードＡにおいてはＳ／Ｒ値が約100 となるが、モード
ＢにおいてはＳ／Ｒ値は約50である。

次に第10図は、“モードＡ”の作動を周波数の関数とし
て示してある。第10図は、この形態のものにおいては一
般的に10ないし40MHz の範囲の周波数が好適であること
を示している。この範囲において力率ＰＦは 0.9より大
きく、表面抵抗値Ｒｓも充分に高く、Ｓ／Ｒ値も50より
大きい。

周波数を上記帯域の下限近くまで減少させると、δの見
地から上記磁性体層の厚さが薄くなり過ぎて効率良く電
流を切り換えることができなくなるためＳ／Ｒ値も減少
する。

第11Ａ図は、誘導電流によって作動する本発明にかゝる
ヒータの試験品の一例を示している。アニール処理され
たTC30-4合金17から成る直径 0.345″（インチ）のシリ
ンダ部材上に無電解メッキにより形成された厚さ0.000
5″のニッケル層15が長さ3.75″にわたって設けられて
いる。このメッキによって２層構造の円筒状のヒータ16
が形成される。

上記２層構造のシリンダ部材16の外周には27回巻きのヘ
リカルコイル18が巻き付けられ、これに高周波電流を通
じることによりヒータに対して誘導電流が生じるように
なっている。上記コイルは、その断面を第11Ｂ図に示す
如く、カプトン（Kapton）製の絶縁被覆19を施した0.00
35″×0.040″の矩形断面を有するワイヤ20から成って
いる。上記巻線はシリンダ部材16の外周に実用上可能な
限りきつく且つ互いに密接して巻かれ、これによって磁
場漏れリアクタンスを最小限にし、最良の力率が確保さ
れるようになっている。

この試験回路の室温における微小信号によるインピーダ
ンスの測定値が第12図に示されており、キュリー温度以
下における高力率特性が確認された。20MHz 以上の周波
数における力率ＰＦの若干の減少は、コイル巻線間のキ
ャパシタンスに起因するものである。周波数の関数とし
てのインピーダンスの変化は緩やかである点に着目すべ
きであり、これはヒータにとって有益な特性である。２
MHz から10MHz の間の区間では抵抗値は40％しか変化し
ない。

第13図は、幾つかの異なった周波数における０℃から70
℃の範囲内における温度の関数としての抵抗の測定値を
示している。これらの測定は、短いケーブルを用いて試
験すべきヒータを試験チャンバ内にセットし、上記試験
チャンバの外側に設けたベクトルインピーダンスメータ
によって得られた値である。インピーダンスの測定値
は、ケーブルの影響のために補正してある。

第14図には０℃と70℃における抵抗値の比率が周波数の
関数として描かれている。第12図を併わせて参照するこ
とにより、高い力率と高い抵抗値比率との間には競合関
係が存在することが理解される。

抵抗比率の最大値は透磁率の平方根と等しく、抵抗層の
厚さが０の場合に発生する。TC30-4の微小信号による透
磁率は約 400（予め測定された値）である。従って、抵
抗値比率の最大値は20であり、予期した通り抵抗層が加
えられた場合よりも高くなっている。

第15図のデータは、無線周波数（ＰＦ）電流の大部分が
抵抗層を流れることを示しており、また従って、磁性体
材料の実効透磁率は高力率下においては抵抗層を設けな
い場合に比べて高くなることを示している。6.7 という
抵抗値比率の測定値は、微小信号条件下において測定さ
れた比率（第14図参照）よりも高くなっている。この比
率は磁性体基板の透磁率が約400 であることに対応する
ものである。

第10図および第12図は、所定の構造（即ち、寸法および
電気的特性が一定のもの）を有するヒータが、は、相当
に広い周波数帯域において作動可能であり、その範囲内
で有用な使用特性を保持し得ることを示している。然し
ながら、これらの曲線は非常に異なった周波数において
どのようにすれば同一のの電気的作動が得られるかにつ
いては示していない。これを行なうためには、状況に応
じて電気的な類似性の法則を適用しなければならない。
これらの類似性若しくは比率の法則は、Strattonの論文
（“Electromagnetic Theory”Section 9.3，pp488-49
0，McGraw Book Co.,New York,1941）に記載されてお
り、この記載内容は本発明において援用されるものであ
る。

第16図は、磁性体層が全体的に高抵抗層によって覆わ
れ、これらの２つの層が連続的に結合され、これによっ
て閉じられた層が形成された実施例を示している。具体
的には、銅の主体部25の周囲に磁性体層27が設けられ、
その周囲に非磁性体材料から成る高抵抗層29が設けられ
ている。このような構造のヒータの作動は第４図に示し
た構造のものと殆ど同等であるが、磁性体層が連続的に
形成されているため、消磁のために悪影響を受けること
がない。

このヒータの作動に対する磁性体層の厚さの影響は第17
図に示してある。侵入度の約３倍に相当する 0.7mil の
厚さにおいては、Ｓ／Ｒ比は外側の層Ｔ_１の厚さの増加
の関数として急速に低下する。即ち、Ｔ_１が０から0.4
mil へ増加すると、Ｓ／Ｒは 115から54まで低下する。
一方、力率ＰＦは磁性体層に流れる電流のパーセンテー
ジが増大するのに伴って急速に増加する。即ち、0.5 か
ら0.96、更にはプロット範囲を超えて増加する。

なお、本発明はその目的の範囲内において様々な変更実
施例が可能であり、またこれまで詳しく述べた実施例の
範囲内においても様々な設計変更等が可能であるから、
上記の説明は単に例示的なものに過ぎず本発明の範囲を
限定するものと解してはならない。

〔発明の効果〕

本発明は叙上の如く構成されるから、本発明によるとき
は、キュリー温度以下において高い力率を有し、インピ
ーダンスマッチングが容易で、ヒータの全体的な形状と
してさまざまな形態のものが可能となること等々多くの
利点を有する自己調節型ヒータが提供されるものであ
り、その場合においても、磁性体層の実効透磁率は高く
保持され、広い周波数レンジにおいて良好な性能、即
ち、高い自己調節比と高い力率を保持するヒータを提供
し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかゝる２層型のヒータの望ましい実
施例の側方断面図、 第２図は、オーバーラッピングコネクタの近接効果を利
用した本発明にかゝる２層型のヒータの望ましい実施例
を示す側方断面図、 第３図は、第２図に示した実施例の端部近くの断面図、 第４図は、本発明にかゝる３層型のヒータの望ましい実
施例の側方断面図、 第５図は、２層型ヒータにキュリー温度以下において10
MHz の高周波電流を通じたときの電流密度をヒータの表
面からの距離の関数として示すグラフ、 第６図は、２層型ヒータにキュリー温度以下において２
MHz の高周波電流を通じたときの電流密度をヒータの表
面からの距離の関数として示すグラフ、 第７図は、自動調節比（Ｓ／Ｒ）と力率（ＰＦ）との関
係を、外側の抵抗層の厚さの関数として示すグラフ、 第８図は、抵抗層の厚さおよび磁性体層の厚さとＳ／Ｒ
（自動調節比）との関係を示すグラフ、 第９図は、抵抗率と層の厚さとの比率がＳ／Ｒ（自動調
節比）に対して与える効果を示すグラフ、 第10図は、供給される電流の周波数がＰＦ（力率）、Ｓ
／Ｒ（自動調節比）および表面層の抵抗値（Ｒｓ）に対
して与える影響を示すグラフ、 第11Ａ図および第11Ｂ図は、本発明の更に改良されたヒ
ータのもう一つの実施例を示す側方および端部近くの側
面図、 第12図は、本発明にかゝるヒータのキュリー温度以下に
おけるインピーダンスを示すグラフ、 第13図は、異なった周波数におけるヒータの温度と抵抗
の関係を示すグラフ、 第14図は、周波数と抵抗の関係を示すグラフ、 第15図は、一定の周波数13.65MHzにおいて温度と抵抗お
よびリアクタンスの関係を示すグラフ、 第16図は、第３図および第４図に示した実施例の変更例
を示す端部近くの断面図、 第17図は、所定の抵抗率を有する表面層の厚さとＳ／Ｒ
（自動調節比）、Ｒｓ（抵抗値）およびＰＦ（力率）と
の関係を示すグラフである。 １……高抵抗非磁性体層 ２……強磁性体層 ７……高抵抗非磁性体層 ８……強磁性体層 ９……低抵抗非磁性体層 10……高周波電源 15……ニッケル層 16……円筒状ヒータ 17……シリンダ部材 19……絶縁被覆 20……ワイヤ 25……銅の主体部 27……磁性体層 29……高抵抗非磁性体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−5586（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−226490（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−90380（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−146181（ＪＰ，Ａ) 特表 昭60−500981（ＪＰ，Ａ) 米国特許4256945（ＵＳ，Ａ) 米国特許4701587（ＵＳ，Ａ)

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気的抵抗加熱エレメントにおいて： 強磁性体の第１の層と、前記強磁性体層と熱接触する高
   抵抗非磁性体の第２の層とを有し、所定の温度範囲内で
   の前記エレメントの抵抗値の固有の変化により前記エレ
   メントの温度を前記所定の温度範囲内で温度調節する手
   段と、 高周波電流が前記第１及び第２の層に流れた際に該電流
   の大部分が前記第２の層に封じ込められるような関係に
   互いに配置された前記第１及び第２の層を有しており、
   前記温度範囲の下限域において前記エレメントの実効リ
   アクタンスを減少せしめる手段と、 を備えたことを特徴とする電気的抵抗加熱エレメント。
2. 【請求項２】前記抵抗層が、前記第１の層に対して、当
   該第１の層が前記第２の層と接触している側とは反対側
   の側面において熱的及び電気的に緊密な接触状態を保つ
   よう取付けられていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載の電気的抵抗加熱エレメント。
3. 【請求項３】前記加熱エレメントが実効キュリー温度に
   達したとき、前記強磁性体層が電流の流れを前記高抵抗
   層から低抵抗層へ効果的な切換えを可能とする厚さであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の電気
   的抵抗加熱エレメント。
4. 【請求項４】電気的抵抗加熱エレメントであって、 熱伝導性及び導電性の高い非磁性体基層と、 前記基層と熱的及び電気的に親密に接する第１の平坦面
   を有する強磁性体層と、 前記強磁性体層の対向する平坦面と熱的及び電気的に親
   密接触する電気抵抗の高い別の非磁性体層と、から成
   り、 前記強磁性体層は、前記強磁性体層をそのキュリー温度
   に接近せしめるのに十分な大きさの定電流が投入された
   際に、前記電流の大半が前記高電気抵抗非磁性体層から
   前記非磁性体基層へ移るように十分に薄くなされている
   ことを特徴とする電気的抵抗加熱エレメント。
5. 【請求項５】前記強磁性体層の厚さが、所定の作動周波
   数において侵入度の１／３乃至２／３の範囲内に設定さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載
   の電気的抵抗加熱エレメント。
6. 【請求項６】前記別の非磁性体層の抵抗が、６０μΩ・
   ｃｍ乃至５０００μΩ・ｃｍの範囲内に設定されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の電気的
   抵抗加熱エレメント。
7. 【請求項７】前記別の非磁性体層が、非電解ニッケルか
   らなることを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の
   ４項に記載の電気的抵抗加熱エレメント。
8. 【請求項８】前記別の非磁性体層が、ニクロム等からな
   る高抵抗率を有する各種の合金の１つからなることを特
   徴とする特許請求の範囲第４項に記載の電気的抵抗加熱
   エレメント。
9. 【請求項９】前記別の非磁性体層が、導電性の有機ポリ
   マーからなることを特徴とする特許請求の範囲第４項に
   記載の電気的抵抗加熱エレメント。
10. 【請求項１０】電気ヒータであって、 高抵抗エレメントと、 低抵抗エレメントと、 前記高抵抗エレメントと前記低抵抗エレメントとの間に
    位置し、前記エレメントの双方と熱的及び電気的に接触
    する強磁性体エレメントと、 前記高抵抗エレメントと前記低抵抗エレメントとの間の
    電流を切り換える手段と、から成り、 前記手段は、前記強磁性体エレメントをそのキュリー温
    度近くまで加熱するのに十分な大きさの高周波数定電流
    源と並列に接続する手段を含むことを特徴とする電気ヒ
    ータ。
11. 【請求項１１】電気ヒータであって、 高抵抗エレメントと、 低抵抗エレメントと、 前記高抵抗エレメントと前記低抵抗エレメントとの間に
    位置して前記エレメントの両方と熱的及び電気的に接触
    している強磁性体エレメントと、 前記高抵抗エレメントと前記定抵抗エレメントとの間の
    電流を切り換える手段と、から成り、 前記手段は、前記強磁性体エレメントの透磁率を著しく
    減少させるため前記強磁性体エレメントをそのキュリー
    温度近くまで加熱するのに十分な大きさの定電流源によ
    って生成された高周波数電流を前記エレメント内に発生
    させる手段を含むことを特徴とする電気ヒータ。
12. 【請求項１２】非磁性体からなる低抵抗の層と高抵抗の
    層並びにこれらの層と電気的な接触を保ってこれらの層
    の間に設けられる磁性体層とからなる自己調節型の多層
    構造の加熱エレメントを有する自己調節型ヒータの力率
    を高く保持する方法のおいて、 高抵抗層に電気的および熱的に接触せしめられた磁性体
    層が実効キュリー温度以下にある当初の期間中は、電流
    の大部分を電気的高抵抗層に集中して通過させるステッ
    プと、 前記磁性体層の温度がそのキュリー温度に達したときに
    は、電流の大部分を低抵抗材料中に拡散させて通過させ
    るステップと、 かるなることを特徴とする前記の方法。
13. 【請求項１３】非磁性体からなる低抵抗の層と高抵抗の
    層並びにこれらの層と電気的な接触を保ってこれらの層
    の間に設けられる磁性体層とからなる自己調節型の多層
    構造の加熱エレメントの力率を高く保持する方法におい
    て、 前記磁性体の実効キュリー温度以下においては、電流の
    大部分を前記高抵抗層に集中せしめ、 前記磁性体層がその実効キュリー温度に達したときに
    は、電流の大部分が低抵抗層を流れるように切り換える
    ことを特徴とする前記の方法。