JPS5836154Y2 - 発熱体用正特性サ−ミスタ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は温度分布が均一でかつ発熱量の大なる、正特性
サーミスタを用いた発熱体装置に関するものである。

例えば角板状正特性サーミスタ素子の相対向する両側面
に電極を付与した発熱体用正特性サーミスタは知られて
いる。

しかしこのようなものにおいては、その電極間距離が長
いため、両電極間に電圧を印加して発熱させた場合、往
々にしてその素子の表面温度が不均一になることが多か
った。

すなわち素子に局部的に高抵抗部が生じるのであつた。

これは例えば、成型された素子を焼成した後に、不可避
的に生じる気孔分布の不均質等により生じた一部の高抵
抗領域や、素子の放熱の悪い部分で、他の部分よりも温
度が高くなって高抵抗になる領域のことをいい、これは
−個所とは限らない この高抵抗部が生じる形態としては、先づ、第１図に示
したように、素子１の、電流の流れる方向（Ｘ方向）と
並行し、かつ両電極２，３にわたって生じる場合がある
。

この場合、前記高抵抗部４は高抵抗値で、その他の低抵
抗部は低抵抗値で、それぞれＸ方向における抵抗値は均
一である。

従ってこの素子１に電流を流すと、素子１のＸ方向の温
度分布は、その抵抗値が均一であることから均一となる
。

なお前記高抵抗部４の抵抗温度特性は第２図の曲線イの
ようになり、他の部分のそれは曲線口のようになる。

ところが電流を流し始めた当初においては、前記低抵抗
部には所定の電流が流れるものの、高抵抗部には余り電
流が流れることがなく、第３図の曲線Ａで示したように
、素子１の電流の流れる方向と直交する方向（Ｙ方向）
において温度分布が生じ、前記高抵抗部４の温度が他の
部分の温度よりも低くなることになる。

ところがこの素子においては、電流を流し始めてしばら
くすると、前記低抵抗部の温度がさらに上昇し、その抵
抗値がキュリ一点を越えて高くなり、前記高抵抗部４の
抵抗値と同様のレベルにまで達することになる。

この場合前記高抵抗部４は、他の部分よりも流れる電流
量が少ないために発熱が遅れ、容易に低抵抗部の抵抗上
昇による追随を許し、もはや高抵抗部は高抵抗部でなく
なってしまう。

この結果、最終的な動作安定時における素子１のＹ方向
の温度分布は、第３図の曲線Ｂのように、殆んど無視で
きる程度のものとなるのである。

この第３図の曲線Ｂにおいて僅かに温度が小さくなって
いる部分は、第２図の曲線イの動作安定点イ′と合致す
るものでありこれは曲線口の動作安定点口′よりも僅か
に温度が低くなっている程度のもので全く問題とはなら
ない。

従って素子１に、第１図のようなＸ方向の高抵抗部４が
生じる場合には、実用上全く問題になることはない。

単に動作安定状態に至るまでの時間に差があるだけであ
る。

素子１に高抵抗部４が生じる形態として、次に第４図に
示したように、素子１の、電流の流れる方向と直交する
方向（Ｙ方向）に両端面にわたって生じる場合がある。

この場合高抵抗部４は高抵抗値で、その他の低抵抗部は
低抵抗値で、それぞれＹ方向における抵抗値は均一であ
り、従ってこの素子１に電流を流した場合、素子１のＹ
方向の温度分布は均一となる。

ところがこの素子１の電流の流れる方向（Ｘ方向）では
、一部に高抵抗部４が必ず存在するため、両電極２，３
に電圧を印加すると、第５図に示すように、Ｘ方向の前
記高抵抗部４の部分に電圧の集中が起ることになる。

この結果、この高抵抗部４（電圧集中部分）の温度は他
の部分よりも高くなるので、そこに電圧集中の加速が生
じ（第６図）、前記高抵抗部４の抵抗値がますます高く
なって、低抵抗部の抵抗値との差を拡げることになる。

従って素子１のＸ方向における温度分布は、第７図に示
したように、前記高抵抗部４の温度が極めて高いものと
なって均熱化できず、また電流の流入量も大きくできず
、実用上大きな問題となっていた。

素子１に高抵抗部４が生じるさらに別の形態として、第
８図に示したように、電極２，３間のいずれか一部分に
のみ、点的に高抵抗部４が生じる場合がある。

この場合、高抵抗部４が僅かな領域にしか存在しないた
め、前述の第１図に示したもののように実用上無視でき
るかのように思われるが、実際には逆で、結果的には第
４図で示したもののようになってしまうのである。

以下順を追ってこの動作について説明する。

まず、電流の流れるＸ方向の、高抵抗部４の存在する領
域（Ｘ１領域）と、この部分にごく隣接した高抵抗部４
を含まない領域（Ｘ２領域）との関係をとってみると、
Ｘｌ領域の抵抗値分布は第９図ａのようになり、Ｘ２領
域の抵抗値分布は同図すのようになる。

この状態において電極２，３間に電圧を印加すると、本
来それぞれの抵抗値分布に応じた電圧分布となるが、実
際にはＸ１領域、Ｘ２領域が隣接しているために、相互
に干渉し合い、第１０図ａ、ｌ）のような電圧分布とな
る。

すなわち、Ｘ１領域の電圧分布のムラがＸ２領域によっ
て緩和されて小さくなり、逆にＸ２領域ではその反作用
によってムラが生じるのである。

これはＸ１領域の高電圧部の熱がＸ２領域に伝導し、そ
の部分の温度を高めて抵抗値をも高くするためである。

この結果Ｘ２領域の発熱速度はもはや均一とはならず、
そこに抵抗値の高い高抵抗部４が形成されたと同様にな
ってしまうことになる。

ところが前述の第４図のものの場合で説明したように、
電流の流れる方向に高抵抗部（高温部）が存在すると、
その部分の電圧集中が加速度的に生じ、高温部はさらに
高温になるので、Ｘ２領域において一旦高抵抗部が生じ
ると、その部分における温度は加速度的に上昇すること
になるのである（第１１図）。

そしてこの高抵抗部（高温部）は瞬時に形成されるもの
であるため、同じ現象が次にはＸ２領域と近接する領域
に転移し、これがまた次の領域に転移し、というように
順次高抵抗部が形成され、遂には第１２図に示したよう
に、素子１の両端部にわたって、っまりＹ方向全域に高
抵抗部が形成されることになるのである。

この第１２図は、第４図に示したものと実質的に同じに
なってしまう。

従ってこれもまた素子１の均熱化は望めず、発熱量の大
なるものを得ることのできないものであった。

そこで従来よりこの欠点を除去せんとして、第１３図に
示すように、電極２，３間に存在する素子１表面上に、
均熱板５を当接させたものがあった。

しかしこの従来のものでは、素子１と均熱板５との密接
が困難であり、素子１の発生熱を有効に放散させる上で
問題となっていた。

またこの従来のものでは、正特性サーミスタ素子１より
取り出す熱は、均熱板５にてほぼ均熱化されるが、素子
１自身は均熱化されていないので、やはり局部的に高温
部が存在し、発熱体として使用する場合にはヒートサイ
クル等の点で種々不都合があった。

本考案の主たる目的は、上記第４図、第８図の各側で示
したような、正特性サーミスタ素子の電流の流れる方向
に高抵抗部があっても、この部分に電圧集中を行なわせ
ないようにした発熱体用正特性サーミスタを提供せんと
するところに存する。

すなわち、相対向側面に電極が付与されてなる正特性サ
ーミスタ素子の少なくとも一平面に、前記両電極間のほ
ぼ全長にわたって抵抗体を付与し、この抵抗体の抵抗値
を、前記素子全体が発熱した時の動作安定点の平均抵抗
値よりも高く、前記素子の電流の流れる方向に生じる電
圧集中部分の単位長さ当りの抵抗値よりも低く設定し、
前記素子に、その電流の流れる方向に電圧集中部が生じ
た場合に、前記抵抗体によりその部分の電圧集中を抑制
させるようにしたことを特徴とするものである。

以下本考案の一具体例を図面とともに詳述する。

第１４図において１１は、例えばチタン酸バリウム系磁
器半導体よりなる角板状正特性サーミスタ素子、１２．
１３はこの素子１１の相対向する側面に付与されてなる
一対の電極、１４は前記素子１１の一表面上の全域に付
与されてなる抵抗体であり、この抵抗体１４の抵抗値は
、前記素子１１全体が発熱した時の動作安定点の平均抵
抗値よりも高く、かつ前記電圧集中部分の単位長さあた
りの抵抗値よりも低く設定されている。

このような構成において、いよその両電極１２゜１３間
に電圧を印加したとすると、素子１１の抵抗値は抵抗体
１４のそれよりも低いため、その電流の殆んどは素子１
１に流れて発熱を開始する。

そして一定時間後、素子１１はそのキュリ一点を越えて
抵抗値が増大し、所定の抵抗値で安定する（動作安定点
）。

ところが、素子１１の電流の流れる方向に前述の高抵抗
部が存在（点あるいは金山にわたって）していたとする
と、その部分には集中して電圧が印加され、他の部分よ
りも高温状態になろうとする。

しかしこの電圧集中部分の素子１１表面上には、この部
分の抵抗値よりも低い値の抵抗体１４が全域に付与され
ているので、この部分に印加される電圧は、抵抗体１４
の抵抗値に応じたものとなり、この部分に流れる素子１
１の電流は、抵抗体１４に主として流れて一定の発熱を
し、素子１１には電圧集中の加速現象が生ぜず、局部的
に発熱することはなく、灼熱化できるものである。

なお前記の高抵抗部は、素子１１のいずれに発生するか
予測がつかないが、上記のように素子１１の表面の全域
あるいはほぼ全域、または両電極１２．１３間の全長あ
るいはほぼ全長にわたって抵抗体１４を付与しておけば
、どこに発生しても良好にその電圧集中を抑制させるこ
とができる。

また前記高抵抗部が複数個新生じた場合も同様に良好な
結果が得られる。

いうまでもないことだが、少なくとも前記抵抗体１４は
、素子１１と実質的に導電接続させる必要がある。

なお図面および上記実施例は、本考案の一具体例を示し
たものにすぎず、これに限定されることはない。

特に素子１１や電極１２．１３の形状は任意であり、例
えば円板素子を用いて、この素子の周面の相対向位置に
電極を付与すること等は、単なる設計的事項である。

また抵抗体１４の付与は素子１１の両平面に行ってもよ
いとともに、その両端を両電極１２．１３に直接接続さ
せてもよく、さらにその付与方法は塗布や貼着等、いか
なる方法を用いてもよい。

この場合、この抵抗体１４と素子１１とを、直接電気的
に接続させた場合には、素子１１の電極１２．１３と抵
抗体１４とを接続させる必要はない。

さらに抵抗体１４の形状も、素子１１全面に付与したも
のに限らず、第１５図、第１６図示のような帯状のもの
であってもよい。

要するに本考案においては、前もって素子１４に生じる
高抵抗部を想定することが難しいことから、素子の表面
に、前記高抵抗部がどこに生じても、良好にその部分に
電圧集中が起らないような形態で抵抗体を付与しておく
ようにすればよいのであり、上記各側のような形状に何
らとられれる必要はない。

さらに本考案においては、素子１１の放熱をより良好に
するために、表面に付与した抵抗体１４の外表面を粗面
化し、その放熱面積を大きくシ、素子１１の発熱量を増
大させることが容易である。

つまり、素子に流れる電流は厚みに対して垂直に流れる
ので、表面部の放熱が多ければそれに見合う電流が素子
１１表面近傍帯に流れ、それだけ発熱量が増すのである
が、比較的粗面化し易い抵抗体１４を粗面化すればよい
本考案では、この効果が意外に大きい。

以上のように本考案は、素子の一平面に抵抗体を付与し
、この抵抗体の抵抗値を、素子全体が発熱した時の動作
安定点の平均抵抗値よりも高く、かつ素子の電圧集中部
分の単位長さあたりの抵抗値よりも低い値に設定し、素
子に生じる高抵抗部の電圧集中を良好に抑制しているの
で、素子が局部的に発熱することがなく、均熱化が図れ
、その使用用途が拡大されるという効果を有する。

また本考案においては、局部発熱を防止しているので、
ヒートサイクルによる素子のヒビ割れ等の問題も解消で
きるという効果を有する。

さらに本考案では、前記抵抗体の付与によって、これに
も若干乍ら常時発熱させることができるので、全体とし
ての発熱量をさらに大きくできる。

また本考案では、抵抗体をあらかじめ付与しておくこと
ができるので、生産性を向上できるという効果をも有す
る等、実用上効果多大なる考案である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の背景となる正特性サーミスタ素子の斜
視図、第２図はその抵抗温度特性図、第３図は第１図Ｙ
方向の温度分布図、第４図は本考案の背景となる他の正
特性サーミスタ素子の斜視図、第５図、第６図はいずれ
も第４図Ｘ方向の電圧分布図、第７図は同じく温度分布
図、第８図は本考案の背景となるさらに他の正特性サー
ミスタ素子の斜視図、第９図は第８図のＸ方向の抵抗値
分布図、第１０図は同電圧分布図、第１１図は同温度分
布図、第１２図は第８図の素子の動作安定時の斜視図、
第１３図は、従来の発熱体用正特性サーミスタを示した
側面図、第１４図は本考案発熱体用正特性サーミスタの
形状例を示した側面図、第１５図、第１６図は本考案の
他の例を示した斜視図である。 １１−正特性サーミスタ素子、１２，１３−電極、１４
抵抗体。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 相対向する側面に電極が付与されてなる正特性サーミス
   タ素子の少なくとも一平面に、前記両電極間のほぼ全長
   にわたって抵抗体を付与し、この抵抗体の抵抗値を、前
   記素子全体が発熱した時の動作安定点の平均抵抗値より
   も高く、その素子の電流の流れる方向に生じる電圧集中
   部分の単位長さ当りの抵抗値よりも低く設定し、前記素
   子に、その電流の流れる方向に電圧集中部が生じた場合
   に、前記抵抗体によりその部分の電圧集中を抑制させる
   ようにしたことを特徴とする発熱体用正特性サーミスタ
   。