JPH07176367A - ヒーター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 上下面に電極を有する正温度係数サーミスタ
ーからなる複数の発熱体１…と、これらの発熱体１…を
上下から挟み、発熱体１…の上面の電極同士および下面
の電極同士を電気的に接続する二枚の金属板４・５と、
二枚の金属板４・５を封止する電気絶縁性のパッケージ
６とが備えられており、上記の発熱体１…は下面から上
面に向かってテーパー形状になっているヒーター。 【効果】 上記の発熱体１…は下から上に向かってテー
パー形状になっているので、発熱体１…のエッジによ
る、発熱体１…の上面側の金属板４の破断が起こり難く
なる。このため、発熱体１…の上面側の金属板４を薄く
できるので、薄い面状のヒーターを実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、正温度係数（ Positiv
e Temperature Coefficient ）サーミスターを発熱体と
して用いたヒーターに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、自己温度制御機能を備える正
特性サーミスターである、チタン酸バリウム系磁器半導
体からなる平板状の発熱体を用いた面状ヒーターが考え
られている。この面状ヒーターは、発熱温度を一定に保
つための温度制御回路や、過熱を防止するための過熱防
止回路が不要であり、かつ、極めて高い安全性を有して
いる。

【０００３】上記の面状ヒーターは、発熱体の表面およ
び裏面に電極を設け、これら電極にリード線を半田付け
することにより外部電源と接続しており、発熱体で発生
する熱を被加熱物に均一に伝達するために、電気絶縁
性、耐熱性、機械的強度および熱伝導性に優れたアルミ
ナ等のセラミックスの成形品からなるケース、もしく
は、熱可塑性樹脂等からなる絶縁シートで上記の発熱体
が覆われている。

【０００４】発熱体の表面および裏面に設けられた電極
に直接リード線が半田付けされているため、その部分に
凸部が存在する。ケースもしくは絶縁シートと発熱体と
の間に空間（隙間）ができると、発熱体と被加熱物との
間の熱伝導性が低下することから、ケースで上記の発熱
体を覆う場合には、半田付け凸部に合わせてケースに凹
部を設け、ケースと発熱体との密着性に留意している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
構成では、絶縁シートで発熱体を覆う場合、発熱体が絶
縁シート内を移動しないように、発熱体を絶縁シートに
固定する必要があり、そのために接着剤等を用いなけれ
ばならないという問題点を有している。

【０００６】また、セラミックスの成形品からなるケー
スで発熱体を覆う場合、このケースを予め別途作製する
必要があり、面状ヒーターが分厚くなると共に、面状ヒ
ーターを製造するための部品点数および工程数が増加
し、かつ、コストアップを招来するという問題点を有し
ている。

【０００７】さらに、上記のケースはセラミックスの成
形品からなるので加工性に乏しく、その形状に凹凸を設
ける加工に手間取るため、発熱体の使用温度が低くて耐
熱性を備えたケースを必要としない場合には、一層、上
記の問題が深刻なものとなる。

【０００８】そこで、発熱体を放熱板兼電極板となる金
属板で挟持し、それらを被うように絶縁体を設けた面状
ヒーターが考えられている。熱伝導を良くするため、金
属板と絶縁体とは圧縮成形によって一体に成形されてい
る。

【０００９】ところが、この面状ヒーターでは、成形時
の圧力により金属板が破壊されやすいので、厚く、か
つ、剛性を有する金属板が必要になる。例えば、アルミ
ニウム板の場合、少なくても０．２ｍｍ以上の厚さにし
ないと、発熱体のエッジでアルミニウム板が破断する。
このため、面状ヒーターを薄型化できないという問題点
を有している。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係るヒーター
は、上記の課題を解決するために、上下面に電極を有す
る正温度係数サーミスターからなる複数の発熱体と、こ
れらの発熱体を上下から挟み、発熱体の上面の電極同士
および下面の電極同士を電気的に接続する二枚の金属板
と、二枚の金属板を封止する電気絶縁性のパッケージと
が備えられており、上記の発熱体は下面から上面に向か
ってテーパー形状になっていることを特徴としている。

【００１１】

【作用】上記の構成によれば、正温度係数サーミスター
からなる発熱体を備えたので、温度制御回路を設けなく
ても、ヒーターの発熱温度を一定にすることができる。
しかも、上記の発熱体は下から上に向かってテーパー形
状になっているので、発熱体のエッジによる、発熱体の
上面側の金属板の破断が起こり難くなる。このため、発
熱体の上面側の金属板を薄くできるので、薄い面状のヒ
ーターを実現できる。

【００１２】

【実施例】本発明の一実施例について図１ないし図３に
基づいて説明すれば、以下の通りである。

【００１３】本実施例のヒーターは、図１に示すよう
に、正温度係数サーミスターからなる発熱体１…と、発
熱体１…を上下から挟む金属板４・５とを備えており、
これらを電気絶縁性の樹脂からなるパッケージ６に封止
した構造になっている。

【００１４】発熱体１は、図２に示すように、ＰＴＣ材
料（例えばチタン酸バリウム等を主原料としたセラミッ
クス半導体）からなり、球を輪切りにした形状あるいは
円錐台形状等のテーパー形状をした発熱部材１ｂを有し
ており、発熱部材１ｂの上面および底面に電極１ａ・１
ｃが形成されている。

【００１５】発熱部材１ｂは、上パンチをテーパー形状
にし、ダイスおよび下パンチを円柱形状にした金型によ
り原料粉末を成形し、その成形体を焼成することにより
得られる。

【００１６】上側の金属板４は、アルミニウム、金、白
金、ニッケル、銅、銀等で作られた薄い板または箔から
なり、発熱体１の上面の電極１ａおよび上部側面に電気
的に接続するように設けられている。下側の金属板５
は、金属板４と同様の材料で、かつ、金属板４より厚い
板からなり、発熱体１の下面の電極１ｃに電気的に接続
するように設けられている。金属板４・５には、孔が明
いていてもよいし、金網状であってもよい。

【００１７】金属板４・５の一部は、短冊状になってパ
ッケージ６から飛び出しており、短冊状の部分が電源と
の接続端子４ａ・５ａになっている。

【００１８】上記の構成において、電源に接続端子４ａ
・５ａを接続する。

【００１９】発熱体１…は、室温からキュリー温度Ｔc
（抵抗急変温度）までは低抵抗であるが、キュリー温度
Ｔc を越えると急峻に抵抗値が増大する特性を有する感
熱素子としての正特性サーミスターである。この特性に
より、発熱体１…は、電源から電圧が印加されると、最
初は、低温であるために抵抗値が小さくて大電流が流
れ、この結果、急激に温度が上昇する一方、温度がキュ
リー温度Ｔc を越えると抵抗値が急峻に増大することに
より、一定温度以上には温度が上がらず、一定温度を安
定に保つこととなる。

【００２０】即ち、発熱体１…は自己温度制御機能を備
える。従って、面状ヒーターは、消費電力が少なく、温
度制御回路や過熱防止回路を省くことができ、小型化が
可能となっている。また、局部過熱による発火等の虞れ
もない。尚、この発熱体１は、材料組成によりキュリー
温度Ｔc が、およそ30〜250 ℃の範囲で任意に設定でき
るので、本実施例における発熱体１…では、被加熱物の
加熱に有効なパッケージ６の表面温度が実現でき、か
つ、安全性や省電力化を考慮してキュリー温度Ｔc を設
定すればよい。

【００２１】パッケージ６は、長繊維を含む充填材が配
合された合成樹脂で一体的に形成されており、発熱体１
…および金属板４・５を被覆して密封、即ち、シールし
ている。また、パッケージ６は、リード線と接続端子４
ａ・５ａとの半田付け部分に力学的負荷が掛かって断線
等が起こらないように、接続端子４ａ・５ａの金属板４
・５側も覆うようになっている。

【００２２】なお、ガラス繊維は、一般に、製法により
長繊維と短繊維に分類される。上記の長繊維とは、この
意味で使用されており、長い繊維という意味ではない。

【００２３】上記の合成樹脂は、熱収縮率が小さく、電
気絶縁性、機械的強度に優れると共に、発熱体１…の発
熱温度に耐え得る耐熱性、水蒸気等の水分を内部に通さ
ない防水性、空気を内部に通さない気密性を備えている
こと、および、リード線の被覆材料との密着性が良好で
あることが必要であり、例えば、不飽和ポリエステル樹
脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹
脂等の熱硬化性樹脂、あるいは、ポリプロピレン樹脂、
ポリアミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂等の
熱可塑性樹脂が用いられる。尚、合成樹脂は、例えば、
価格、使用する充填材との親和性、パッケージ６の成形
方法、ヒーターの用途や大きさ、形状、ヒーターに要求
される強度や諸物性等に応じて、適宜選択すればよい。
また、合成樹脂は、硬化剤や離型剤、低収縮剤、着色
剤、増粘剤等を含有していてもよい。

【００２４】上記の充填材（以下、フィラーと称する）
は、熱伝導性、電気絶縁性および機械的強度に優れると
共に、発熱体１…の発熱温度に耐え得る耐熱性を備えて
いること、および、合成樹脂との親和性が良好であるこ
とが必要であり、例えば、有機繊維、無機繊維、有機粉
末、無機粉末等が用いられる。

【００２５】有機繊維としては、例えば、木綿、羊毛、
麻等からなる天然繊維、レーヨン等からなる化学繊維、
ポリ塩化ビニル樹脂、ポリアミド樹脂、全芳香族ポリア
ミド樹脂、飽和ポリエステル樹脂等からなる合成繊維等
が用いられる。無機繊維としては、例えば、ガラス繊
維、チタン酸カリウム、ボロン、炭化ケイ素、アルミ
ナ、ポリチタノカルボシラン等が用いられる。

【００２６】また、有機粉末としては、例えば、スチレ
ン−ブタジエンゴム等のゴム等が用いられる。無機粉末
としては、例えば、炭酸カルシウム、カオリン、クレ
ー、アルミナ、水酸化アルミニウム、硫酸バリウム、リ
トポン、カットファイバー状やミルドファイバー状のガ
ラスパウダ、ガラスフレーク、ガラスビーズ、ガラスマ
イクロバルーン、アルミノシリケートマイクロバルー
ン、シリカマイクロバルーン、ワラストナイト、ボロン
ナイトライド、微粒子ケイ素、超微粒子状無水シリカ、
石英粉末、タルク、マイカ、三酸化アンチモン等が用い
られる。

【００２７】上記の有機粉末および無機粉末の粒子径
は、特に限定されるものではない。尚、有機粉末および
無機粉末の形態は、特に限定されるものではない。

【００２８】上記のフィラーは、例えば、価格、使用す
る合成樹脂との親和性、パッケージ６の成形方法、ヒー
ターの用途や大きさ、形状、ヒーターに要求される強度
や諸物性等に応じて、適宜選択すればよい。また、合成
樹脂に対するフィラーの配合量は、特に限定されるもの
ではない。尚、上記のフィラーは、それぞれを単独で合
成樹脂に配合してもよいが長繊維を含むことが必要であ
る。また、必要に応じて二種類以上を混合して合成樹脂
に配合してもよい。さらに、合成樹脂とフィラーとの混
合方法は、特に限定されるものではない。

【００２９】上記のパッケージ６は、例えば、ＳＭＣ(S
heet Molding Compound)、ＢＭＣ(Bulk Molding Compou
nd) 等の熱硬化性樹脂に対しては、加熱圧縮成形法によ
り成形・製造される。また長繊維強化されたポリプロピ
レン樹脂やポリアミド樹脂等の熱可塑性樹脂（スタンパ
ブルシート）に対しては、加熱した樹脂を冷却、圧縮す
る圧縮成形法により成形・製造される。

【００３０】上記のＳＭＣによるヒーターの成形・製造
は、以下の手順により行われる。即ち、先ず、フィラー
が配合された合成樹脂（以下、コンポジットと称する）
を、所定形状・大きさの３枚のシートに成形し、このう
ちの２枚を上面シートおよび下面シートとする一方、残
りの１枚のシートの所定位置に発熱体１…を収容可能な
大きさの孔を開口して有孔シートとする。尚、これらシ
ートの厚みや成形方法は、特に限定されるものではな
い。

【００３１】次に、下面シート上に、金属板５、発熱体
１…を孔に嵌合した有孔シート、もう一方の金属板４を
この順序で所定位置に載置し、さらに金属板４上に上面
シートを載置する。その後、この積層物をプレス成形機
上の金型（図示せず）に設置し、所定条件、即ち所定の
温度・圧力・時間等でプレスすることにより、コンポジ
ットを熱硬化させ、３枚のシートを一体化してパッケー
ジ６を形成する。これにより、発熱体１…および金属板
４・５はパッケージ６内部に密封され、固定されてヒー
ターが成形・製造される。

【００３２】また、上記のＢＭＣによるヒーターの成形
・製造は、以下の手順により行われる。即ち、先ず、コ
ンポジットをペースト状にした後、このペースト状コン
ポジットを所定量拡げる。次に、上記のペースト状コン
ポジット上に、金属板４、発熱体１…とペースト状コン
ポジット、もう一方の金属板５をこの順序で所定位置に
配置し、さらに金属板５上にペースト状コンポジットを
所定量拡げる。その後、この積層物を所定条件でプレス
することにより、コンポジットを熱硬化させ、パッケー
ジ６を形成し、ヒーターとする。

【００３３】さらに、上記の熱可塑性樹脂によるヒータ
ーの成形・製造は、以下の手順により行われる。即ち、
先ず、コンポジットを所定形状・大きさの３枚のシート
に成形し、このうちの２枚を上面シートおよび下面シー
トとする一方、残りの１枚のシートに孔を開口して有孔
シートとする。尚、これらシートの厚みや成形方法は、
特に限定されるものではない。

【００３４】次に、上記３枚のシートを所定温度に加熱
して充分に融かし、下面シート上に、金属板４、発熱体
１…を孔に嵌合した有孔シート、もう一方の金属板５を
この順序で所定位置に載置し、さらに金属板５上に上面
シートを載置する。あるいは、上述の順序で重ね合わせ
た後に加熱してシートを充分に融かしてもよい。その
後、この積層物をプレス成形機上の金型に設置し、所定
条件でプレスすることにより、コンポジットを融着・冷
却させ、３枚のシートを一体化してパッケージ６を形成
し、ヒーターとする。

【００３５】尚、ＳＭＣ、ＢＭＣ、および、長繊維強化
された熱可塑性樹脂（スタンパブルシート）によるヒー
ターの成形・製造の手順は、上記の手順に限定されるも
のではなく、パッケージ６により、発熱体１…および金
属板４・５が被覆・密閉されてヒーターが成形・製造さ
れる手順であればよい。また、圧縮成形においては、プ
レスする際に金属板４・５同士が接触する虞れが無けれ
ば、有孔シートを省略してもよい。この場合、発熱体１
および金属板４・５間には、金属板４・５の孔を通過し
た合成樹脂が満たされることとなる。

【００３６】ところが、フィラーの繊維長が、金属板４
・５の孔の大きさよりも短くなっている場合には、金属
板４・５の上下にコンポジットを載置してプレスする
と、その圧力により合成樹脂およびフィラーの大部分が
金属板４・５の孔を通過して金属板４・５間に入り込ん
でしまい、金属板４・５の上下にコンポジットが殆ど残
らなくなる。従って、金属板４・５の上下には、極めて
薄いパッケージ６しか形成されなくなり、金属板４・５
の一部は、パッケージ６表面に露出する。即ち、発熱体
１…および金属板４・５の電気絶縁性は確保されなくな
り、面状ヒーターとして使用することが不可能となる。

【００３７】また、上記の金属板４・５においては、金
属板４・５の端面側あるいは内面側にそれぞれリード線
を接続していることにより、金属板４・５の外面側には
リード線の接続による凹凸が生じない。従って、この凹
凸を吸収するための厚みをパッケージ６に設ける必要が
なく、パッケージ６、即ちヒーターを薄く形成すること
ができる。これにより、ヒーターを小型化・軽量化・薄
型化することができると共に、発熱体１…で発生した熱
を効率良く被加熱物に伝達することができる。さらに、
パッケージ６表面（発熱面）が平滑となっており、被加
熱物に密着させることができるので、熱の伝達効率をよ
り一層向上させることができる。

【００３８】上記のリード線は、図示しない電源コード
と接続されており、この電源コードを通じて外部電源と
電気的に接続されている。また、各発熱体１は、互いに
並列に接続されている。尚、リード線および電源コード
の長さは、特に限定されるものではない。

【００３９】上記構成のヒーターは、正特性サーミスタ
ーからなる発熱体１…を発熱手段としているので、通電
後に迅速に温度上昇し、所定の温度に達すると、その温
度を保つことになる。よって、パッケージ６表面が所定
の温度まで迅速に上昇し、被加熱物を素早く加熱するこ
とができる。

【００４０】さらに、発熱体１は下から上に向かってテ
ーパー形状になっているので、発熱体１のエッジによ
る、発熱体１の上面側の金属板４の破断が起こり難くな
る。このため、発熱体１の上面側の金属板４を薄くでき
るので、薄い面状のヒーターを実現できる。

【００４１】次に、具体例により、上記構成のヒーター
の製造方法を詳細に説明するが、本発明はこれらにより
何ら限定されるものではない。尚、以下の具体例におい
ては、面状ヒーターの形状を扁平な方形状としている。

【００４２】長繊維強化された熱可塑性樹脂（スタンパ
ブルシート）による面状ヒーターの成形・製造を行っ
た。まず、ケープラシート社製スタンパブルシート（品
番：Ｃ８０１０−Ｎ、組成：ポリプロピレン樹脂６０ｗ
ｔ％、ガラス繊維４０ｗｔ％、厚さ０．８５ｍｍ）を１
５０ｍｍ四方に切断し、２枚のシートとし、上面シート
および下面シートとした。また、同社製のスタンパブル
シート（品番：Ｃ８０４０−Ｎ、組成：同上、厚さ３．
３ｍｍ）を１５０ｍｍ四方に切断した後、所定の位置に
直径１５ｍｍの孔を５ヶ所開口して有孔シートとした。

【００４３】また、下面の直径１５ｍｍ、厚さ２．５ｍ
ｍの発熱体１を用い、発熱体１の上面にアルミニウム箔
（厚さ０．０２ｍｍ）を金属板４として用い、下面に１
３０ｍｍ四方に切断されたアルミニウム板（厚さ０．２
ｍｍ）を金属板５として用いた。

【００４４】次に、赤外線ヒーターを用いて、上記の上
面シートおよび下面シートを２分３０秒間加熱する一
方、上記の有孔シートを４分３０秒間加熱して、それぞ
れ２００℃にした後、下面シートを設置し、この下面シ
ートの上に金属板５としてのアルミニウム板および有孔
シートをこの順序で載置し、有孔シートの孔に発熱体１
…を嵌合した後、さらに金属板４としてのアルミニウム
箔、および上面シートをこの順序で載置した（図３参
照）。

【００４５】その後、この積層物を温度５０℃、圧力１
０ｋｇ／ｃｍ² にて４０秒間プレスし、ポリプロピレン
樹脂を融着させ、３枚のシートを一体化して１５０ｍｍ
×１５０ｍｍ×４ｍｍのヒーターが得られた。このヒー
ターの電気絶縁性は極めて良好であることが確認でき
た。

【００４６】本発明に対応するヒーターは、上下面に電
極１ａ・１ｃを有する正温度係数サーミスターからなる
複数の発熱体１…と、これらの発熱体１…を上下から挟
み、発熱体１…の上面の電極１ａ…同士および下面の電
極１ｃ…同士を電気的に接続する二枚の金属板４・５
と、二枚の金属板４・５を封止する電気絶縁性のパッケ
ージ６とが備えられており、上記の発熱体１…は下から
上に向かってテーパー形状になっている構成である。

【００４７】これによれば、正温度係数サーミスターか
らなる発熱体１…を備えたので、温度制御回路を設けな
くても、ヒーターの発熱温度を一定にすることができ
る。しかも、上記の発熱体１…は下面から上面に向かっ
てテーパー形状になっているので、発熱体１…のエッジ
による、発熱体１…の上面側の金属板４の破断が起こり
難くなる。このため、発熱体１…の上面側の金属板４を
薄くできるので、薄い面状のヒーターを実現できる。

【００４８】

【発明の効果】本発明に係るヒーターは、以上のよう
に、上下面に電極を有する正温度係数サーミスターから
なる複数の発熱体と、これらの発熱体を上下から挟み、
発熱体の上面の電極同士および下面の電極同士を電気的
に接続する二枚の金属板と、二枚の金属板を封止する電
気絶縁性のパッケージとが備えられており、上記の発熱
体は下面から上面に向かってテーパー形状になっている
ので、温度制御回路を設けなくても、ヒーターの発熱温
度を一定にすることができる。発熱体のエッジによる、
発熱体の上面側の金属板の破断が起こり難くなる。この
ため、発熱体の上面側の金属板を薄くできるので、薄い
面状のヒーターを実現できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るヒーターの概略構成を示す縦断面
図である。

【図２】図１のヒーターで用いられる発熱体の概略構成
を示す縦断面図である。

【図３】図１のヒーターの具体例を示すものであり、ヒ
ーターの概略構成を示す平面図である。

【符号の説明】

１ 発熱体 １ａ 電極 １ｂ 発熱部材 １ｃ 電極 ４ 金属板 ５ 金属板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上下面に電極を有する正温度係数サーミス
   ターからなる複数の発熱体と、これらの発熱体を上下か
   ら挟み、発熱体の上面の電極同士および下面の電極同士
   を電気的に接続する二枚の金属板と、二枚の金属板を封
   止する電気絶縁性のパッケージとが備えられており、上
   記の発熱体は下面から上面に向かってテーパー形状にな
   っていることを特徴とするヒーター。