JP2000138103A

JP2000138103A - 温度制御用素子

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Publication number: JP2000138103A
Application number: JP10312229A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Yoshitake; 務吉武
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-11-02
Filing date: 1998-11-02
Publication date: 2000-05-16
Anticipated expiration: 2018-11-02
Also published as: JP3328204B2

Abstract

(57)【要約】【課題】磁性体酸化物を用いて構成された従来の温度
制御用素子は、低温で電気抵抗が大きく、高温で電気抵
抗が小さいという欠点があった。【解決手段】温度制御用素子において、ランタン・カ
ルシウム・マンガン系酸化物磁性体として、Ｌａ_1-xＣ
ａ_xＭｎＯ_y（ただし、0.1＜ｘ＜0.5、および2.5＜ｙ＜
3.5）、あるいは、Ｌａ_1-x（Ｃａ_1-zＡ_z）_xＭｎＯ_y（た
だし、ＡはＳｒまたはＢａのうち少なくとも１つの元素
であり、0.1＜ｘ＜0.5、2.5＜ｙ＜3.5、および０＜ｚ＜
１）、あるいは（Ｌａ_1-nＢ_n）_1-x（Ｃａ_1-zＡ_z）_xＭｎ
Ｏ_y（ただし、Ｂは希土類元素のうち少なくとも１つの
元素、ＡはＳｒまたはＢａのうち少なくとも１つの元素
であり、0.1＜ｘ＜0.5、2.5＜ｙ＜3.5、０＜ｚ＜１、
および、０＜ｎ＜0.5）を抵抗体として用いることを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ある温度範囲で正
の抵抗温度特性を有する酸化物磁性体を用いた温度制御
用素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】家電製品や事務機器をはじめとする多く
の機器において、種々の環境条件でその性能を維持する
必要がある場合には、一般的に温度を制御する素子が使
用されている。この場合、温度を一定に制御するために
は、温度計を用いたフィードバックによる方式やサーミ
スタ等が利用されている。

【０００３】温度計を用いたフィードバックによる方式
では、装置内の温度制御を行う箇所に設置された温度計
によって計測された温度に基づいて、温度が設定温度よ
りも上昇した場合にはヒーターの電流を減少させ、一
方、温度が下降した場合には電流を増加させることによ
って温度制御を行うことができる。

【０００４】また、サーミスタを用いた温度制御用素子
では、正の抵抗温度特性を有するチタン酸バリウム系セ
ラミックス（例えば、特願平４−３１６１２号公報に開
示されている）が利用されている。このチタン酸バリウ
ム系セラミックスは、キュリー温度を超えると抵抗値が
急激に増加する性質をもつ。このため、温度制御用素子
に利用すると、温度がキュリー温度よりも上昇した場合
には通過する電流量が減少し、またキュリー温度よりも
低下した場合には電流量が増加するため、機器の温度を
一定に制御することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
温度計を用いたフィードバックによる温度制御方法で
は、制御部分の温度を測定し、その温度に基づいてヒー
ターの電流を制御する必要がある。従って、ヒーターを
温度計測用回路や制御回路等と組み合わせることが必要
になる。このため、この方式の温度制御用素子は、回路
が複雑になり、また、コストも高くなるという問題があ
る。さらに、制御部の温度分布に不均一がある場合に
は、温度制御は温度計の設置された部分の温度によって
行われるため、温度計から離れた領域では制御すべき温
度からずれてしまうという問題も指摘されていた。

【０００６】一方、サーミスタを用いた温度制御用素子
では、サーミスタが温度センサーに利用される方式や、
サーミスタ自体がヒーターとして利用される方式があ
る。まず、サーミスタを温度センサーとして使用する場
合には、一般的には、ヒーターと組み合わせて利用され
る。サーミスタの温度が上昇してキュリー温度を超える
と、サーミスタの電気抵抗が非常に大きくなるので、回
路に流れる電流が減少して温度が低下する。そして、キ
ュリー温度よりも低くなるとサーミスタの電気抵抗が小
さくなるので、再び回路に流れる電流が増加して温度が
上昇するため、機器の温度制御を行うことができる。こ
の場合には、上記の温度計を利用した制御方法と異なっ
て制御回路が必要ないため、温度制御用素子を非常に簡
便で、かつ、低コストで製造することができる。

【０００７】しかしながら、上記の温度計による制御の
場合と同様に、サーミスタを設置した付近とその他の領
域で温度分布に不均一性が発生しやすいという問題があ
った。また、例えばチタン酸バリウム系セラミックスを
利用したサーミスタでは、キュリー温度付近での数十
℃、場合によっては、５０℃以上の広い温度範囲で電気
抵抗が変化する。このため、１０〜２０℃以内の狭い温
度領域で温度制御するという目的には有利ではなかっ
た。

【０００８】次に、サーミスタ自体をヒーターとして利
用する方式では、温度制御が必要とされる領域内に均一
にヒーターを配置することによって、温度センサーによ
る方式を利用する場合よりも温度の均一性を向上させる
ことができる。この場合には、ヒーター自体が温度セン
サーとなり、温度がキュリー温度を超えると電流が減少
し、また、キュリー温度よりも低くなると電流が増加し
て機器の温度制御を行うことができる。

【０００９】しかし、一般的に正の抵抗温度特性を有す
るサーミスタ材料であるチタン酸バリウム系セラミック
スは、電気抵抗率が１００Ω・ｃｍ以上と非常に高い値
である。このため、一般の電気機器でヒーターとして利
用するためには、ある程度電気抵抗を小さくする必要が
あり、その場合には、断面積の大きなヒーターを使用し
ており、その結果、温度制御用素子のサイズが大きくな
ってしまうという問題があった。

【００１０】さらにまた、チタン酸バリウム系セラミッ
クスを利用したサーミスタでは、キュリー温度以下の温
度領域で負の電気抵抗の温度係数を有している。したが
って、キュリー温度よりも温度が下がりすぎてしまうと
再び電気抵抗が増加し始めて、電流が減少し、さらに温
度が低下してしまうという問題も発生するので、温度制
御用素子の安定性もあまりよくないという問題があっ
た。

【００１１】本発明の目的は、上記課題を解決するため
に、構造が簡単で、温度均一性や制御温度範囲に優れ
た、小型で低コストの温度制御用素子を提供することに
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、ランタン・カルシウム・マンガン系酸化
物磁性体を抵抗体として用い、また、この抵抗体を低電
圧電源と組み合わせることによって構成することを特徴
とする、構造が簡単で安価な温度制御用素子である。

【００１３】すなわち本発明は、前記ランタン・カルシ
ウム・マンガン系酸化物磁性体として、Ｌａ_1-xＣａ_xＭ
ｎＯ_y（ただし、0.1＜ｘ＜0.5、および2.5＜ｙ＜3.
5）、あるいは、Ｌａ_1-x（Ｃａ_1-zＡ_z）_xＭｎＯ_y（ただ
し、ＡはＳｒまたはＢａのうち少なくとも１つの元素で
あり、0.1＜ｘ＜0.5、2.5＜ｙ＜3.5、および０＜ｚ＜
１）、あるいは（Ｌａ_1-nＢ_n）_1-x（Ｃａ_1-zＡ_z）_xＭｎ
Ｏ_y（ただし、Ｂは希土類元素のうち少なくとも１つの
元素、ＡはＳｒまたはＢａのうち少なくとも１つの元素
であり、0.1＜ｘ＜0.5、2.5＜ｙ＜3.5、０＜ｚ＜１、
および、０＜ｎ＜0.5）を抵抗体として用いることを特
徴とする。

【００１４】ランタン・カルシウム・マンガン系酸化物
磁性体は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する物質で
あり、低温では強磁性であり、Ｍｎイオンの伝導電子の
スピンが強磁性的に揃い、金属的な導電性を示す。一
方、キュリー温度以上では、スピンの秩序が乱れて電気
抵抗が一桁以上増加する。したがって、キュリー温度で
は、チタン酸バリウム系セラミックスと同様に正の抵抗
温度特性を有するという特徴がある。この際、ランタン
・カルシウム・マンガン系酸化物磁性体の電気抵抗率
は、低温の金属状態で１０^-3Ω・ｃｍ程度、高温の高抵
抗状態では１０^-2Ω・ｃｍ程度であり、チタン酸バリウ
ム系セラミックスの１００Ω・ｃｍ以上と比較すると、
３桁以上低い値を有している。このため、一般の電気機
器においてヒーターとして利用する場合にも、薄膜ヒー
ターとして使用でき、小型の温度制御用素子を実現する
ことができる。

【００１５】また、特にランタン・カルシウム・マンガ
ン系酸化物磁性体は、キュリー温度での電気抵抗の変化
が２０℃以内の非常に狭い温度範囲で起こるため、チタ
ン酸バリウム系セラミックスを用いた場合と比較して、
より細かい温度制御が可能となる。さらにまた、ランタ
ン・カルシウム・マンガン系酸化物磁性体の電気抵抗で
特徴的なのは、チタン酸バリウム系セラミックスの場合
と異なって、キュリー温度以下で電気抵抗が正の温度係
数を示すことである。したがって、キュリー温度以下で
温度が低下するとともに電気抵抗が小さくなり、そのた
め、ヒーターを流れる電流が増加して温度を上昇させる
作用をする。したがって、温度制御性が優れているとい
う特長もある。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の温度制御用素子は、ラン
タン・カルシウム・マンガン系酸化物磁性体を用いたヒ
ーターを低電圧電源と組み合わせ、ヒーターに電流を流
すだけの簡便な構成で、適切な温度制御を行うことが可
能である。

【００１７】温度制御用素子の一部の温度が上昇して、
ランタン・カルシウム・マンガン系酸化物磁性体のキュ
リー温度に近づくと、その部分の電気抵抗が急速に大き
くなり、ヒーター電流が減少するために、温度制御用素
子全体の温度が低下する。一方、温度が下がると、電気
抵抗が再び小さくなって、ヒーター電流が増加するた
め、再び温度は上昇する。これらの作用によって温度制
御用素子の温度はランタン・カルシウム・マンガン系酸
化物磁性体のキュリー温度よりやや低い温度に維持する
ことが可能である。

【００１８】なお、既に記述したように、この温度制御
用素子では、たとえ温度が下がりすぎても、低温での電
気抵抗の温度係数が正であるため、ヒーター電流がさら
に増加することによって温度を上昇させる方向に作用
し、チタン酸バリウム系セラミックスを用いたサーミス
タのような問題は起こらない。

【００１９】本発明において、酸化物磁性体としてのＬ
ａ_1-xＣａ_xＭｎＯ_y（ここで、0.1＜ｘ＜0.5、および、
2.5＜ｙ＜3.5）は、Ｃａを含有することにより、上記の
電気抵抗の変化が非常に狭い温度範囲で起こるという利
点を持つ。また、Ｃａ濃度ｘを変化させることによっ
て、上記素子の制御温度を変化させることができる。

【００２０】次に、酸化物磁性体としてＣａの一部をＳ
ｒまたはＢａに置換したＬａ_1-x（Ｃａ_1-zＡ_z）_xＭｎＯ
_y（ただし、ＡはＳｒまたはＢａのうち少なくとも１つ
の元素であり、0.1＜ｘ＜0.5、2.5＜ｙ＜3.5、および０
＜ｚ＜１）、または、さらにＬａの一部を希土類元素に
置換した（Ｌａ_1-nＢ_n）_1-x（Ｃａ_1-zＡ_z）_xＭｎＯ
_y（ただし、Ｂは希土類元素のうち少なくとも１つの元
素、ＡはＳｒまたはＢａのうち少なくとも１つの元素で
あり、0.1＜ｘ＜0.5、2.5＜ｙ＜3.5、０＜ｚ＜１、およ
び、０＜ｎ＜0.5）を抵抗体として用いることによっ
て、制御温度を１００℃程度まで向上させることができ
る。

【００２１】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。

【００２２】（実施例１）図１に、本発明の温度制御用
素子の基本構造を示す。まず、酸化物磁性体１を用いた
ヒーターは、絶縁体基板２上に形成された厚膜であり、
ヒーターには定電圧電源３によって電流を流すだけの簡
便な構成のものを用いた。

【００２３】本実施例では、−５０℃に保冷された冷凍
庫の中で、一部分を−２０℃に保持する場合の温度制御
用素子を作成した。酸化物磁性体としては、Ｌａ_1-xＣ
ａ_xＭ _nＯ_y（ここで、0.1＜ｘ＜0.5、および、2.5＜ｙ＜
3.5）において、ｘ＝0.3のものを用いた。ｙは３に近い
値である。この酸化物磁性体を、グリーンシート法によ
って、図１のヒーター形状になるように、ＭｇＯやガラ
ス等の絶縁体基板に厚さ0.02ｍｍ程度塗布した。

【００２４】その後、８００〜９００℃程度の温度で焼
成することによって、酸化物磁性体の厚膜ヒーターを作
製した。このようにして作成されたＬａ_0.7Ｃａ_0.3Ｍｎ
Ｏ_y厚膜は、バルク焼結体と同様の電気特性を示し、図
２に示すように、摂氏−２０度付近よりも低い温度で低
抵抗の金属、また、これよりも高い温度で高抵抗の半導
体的な電気抵抗を示した。

【００２５】ヒーター部分は、厚さ0.02ｍｍ，線幅0.1
ｍｍで、長さは５０ｃｍ程度とした。ヒーターの電気抵
抗は低温の金属状態で２００Ω程度、高温の半導体状態
では数ｋΩと１桁以上高い値を示した。このヒーター
を、図１のように５０Ｖの低電圧電源と組み合わせて温
度制御用素子を構成し、さらに、これを２２０ｍＡ以上
の電流では温度が上昇し、１００ｍＡ以下の電流では温
度が低下する熱負荷と接触させて、−５０℃まで冷却可
能な冷凍庫中に設置した。熱負荷の温度は、−２０℃よ
りもかなり低下すると、ヒーターを流れる電流が増加し
て温度が上昇し、−２０℃を少し超えると、ヒーター電
流が減少して温度が低下した。これによって、冷凍庫の
温度が−５０℃に維持されている状態でも、熱負荷の温
度を−２０℃程度に制御することができた。

【００２６】（実施例２）本実施例は、冬期のガラス凍
結防止用に温度制御用素子を利用した場合の例で、図３
の構造の温度制御用素子を作成した。ヒーターの構造
は、金属薄膜を用いたヒーター４と、ガラス板６上に、
ヒーター４と直列に接続した複数の酸化物磁性体薄膜ヒ
ーター５を等間隔で配置し、ヒーター４の両端間に定電
圧電源７を接続したものである。この場合、ヒーター４
全体を酸化物磁性体５で構成しなかったのは、薄膜ヒー
ターを用いたため、酸化物磁性体５だけではヒーターの
抵抗が大きくなりすぎるためである。

【００２７】このような構成のヒーターで酸化物磁性体
薄膜ヒーター５部分の抵抗によってヒーター電流が制限
されるような設計にしておくと、ガラス板６の温度が上
昇すると酸化物磁性体薄膜ヒーター５部分の抵抗が大き
くなって、ヒーター電流が著しく減少し、温度が下がる
とヒーター電流が増加するため、ガラス板６の温度制御
を行うことが可能となる。

【００２８】酸化物磁性体としては、Ｌａ_0.7（Ｃａ_0.5
Ｓｒ_0.5）_0.3ＭｎＯ_y（ｙは３．０程度）を用いたが、
Ｓｒの代わりにＢａを用いても差し支えない。また、Ｌ
ａの一部を他の希土類元素で置換しても差し支えない。
この場合、Ｃａの一部をＳｒまたはＢａで、また、Ｌａ
の一部を他の希土類元素で置換することによって、Ｃａ
だけの場合よりもキュリー温度を高くし、５〜１５℃程
度の温度に制御することが可能になる。

【００２９】ヒーター部分の作製に際しては、まず、高
周波マグネトロンスパッタリング法によって、ガラス基
板全面に酸化物磁性体薄膜を厚さ１ｘ１０−４ｃｍ程度
成膜した。次に、通常のフォトリソグラフィ技術とイオ
ンミリングによるエッチング技術によって、酸化物磁性
体部分のヒーターパターンを形成した。次に、金属ヒー
ター部分にニッケルクロム合金を厚さ５ｘ１０−４ｃｍ
程度蒸着してヒーターを完成させた。ヒーターは線幅
０．５ｍｍ、長さ１０ｃｍであり、抵抗は２００Ω程度
であった。

【００３０】このヒーターを５０Ｖの定電圧電源と組み
合わせた。この凍結防止用ガラスを冬期氷点下まで温度
が下がるカーブミラーに用いて温度制御を試みた。気温
が５℃以下に下がると、ヒーターの抵抗が下がって電流
が増加するため、カーブミラーの温度が上昇する。一
方、カーブミラーの温度が１０℃を超えてくると、酸化
物磁性体薄膜の電気抵抗が高くなるのでヒーターを流れ
る電流が減少し、必要以上にカーブミラーの温度が上昇
することもなかった。このため、この実施例では、カー
ブミラーの温度を数℃から１５℃程度の温度範囲で制御
可能であり、氷点下の道路においてもカーブミラーの凍
結を防止することができた。

【００３１】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明は、
ランタン・カルシウム・マンガン系酸化物磁性体をヒー
ターの全部または一部に利用し、定電圧電源と組み合わ
せることによって、構造が簡単であり、かつ、小型で安
価な温度制御用素子を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の温度制御用素子の一具体例を概略的に
示す斜視図。

【図２】磁性体酸化物の電気抵抗の温度変化を示すグラ
フ。

【図３】本発明の温度制御用素子の他の具体例を概略的
に示す斜視図。

【符号の説明】

１酸化物磁性体２絶縁体基板３定電圧電源４ヒーター５磁性体酸化物厚膜ヒーター６ガラス板７定電圧電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記の一般式Ｌａ_1-xＣａ_xＭｎＯ_y （ただし、0.1＜ｘ＜0.5、および2.5＜ｙ＜3.5）で表さ
れる酸化物磁性体を抵抗体として用いたことを特徴とす
る温度制御用素子。
【請求項２】下記の一般式Ｌａ_1-x（Ｃａ_1-zＡ_z）_xＭｎＯ_y （ただし、ＡはＳｒまたはＢａのうち少なくとも１つの
元素であり、0.1＜ｘ＜0.5、2.5＜ｙ＜3.5、および、０
＜ｚ＜１）で表される酸化物磁性体を抵抗体として用い
たことを特徴とする温度制御用素子。
【請求項３】下記の一般式（Ｌａ_1-nＢ_n）_1-x（Ｃａ_1-zＡ_z）_xＭｎＯ_y （ただし、Ｂは希土類元素のうち少なくとも１つの元
素、ＡはＳｒまたはＢａのうち少なくとも１つの元素、
0.1＜ｘ＜0.5、2.5＜ｙ＜3.5、０＜ｚ＜１、および０＜
ｎ＜0.5）で表される酸化物磁性体を抵抗体として用い
たことを特徴とする温度制御用素子。
【請求項４】定電圧電源と、請求項１〜３のいずれか
１項に記載の酸化物磁性体とを用いたヒーターのみで構
成されていることを特徴とする温度制御用素子。
【請求項５】請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸
化物磁性体を用いたヒーターを他の材質のヒーターと直
列に接続して構成したヒーターと定電圧電源のみで構成
されていることを特徴とする温度制御用素子。