JP2008243774A - 面ヒータを備える装置 - Google Patents

Abstract

【課題】面ヒータにおける温度分布に偏りを従来よりも低減する。
【解決手段】面ヒータ１００は、絶縁性の基材１０２と、基材１０２上に設けられた導電膜１０４と、導電膜１０４を覆う絶縁膜１０６とを備える。導電膜１０４は、常温で４２０ｐｐｍ／℃以上の抵抗温度係数を有する材料で形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、面ヒータを備える装置に関する。

面ヒータとしては、例えば以下の特許文献１に記載されたものが知られている。

特開２００１−３２６０６０号公報

図１１は、従来の面ヒータの構成を示す説明図である。この面ヒータは、発熱体１１００の両側に電極１１１０，１１２０が設けられており、加熱時には電極１１１０，１１２０の間に電流（矢印で示す）が一方向に流れる。面ヒータの他の構造としては、ニクロム線を加熱面にわたって蛇行するように設けたものも存在する。

このような従来の面ヒータでは、温度分布に偏りが生じる傾向があり、均一に加熱することが困難な場合があった。また、発熱体の形状や構造に依存して電極（端子）の位置が決まってしまうので、端子位置を選択する融通性が低いという問題もあった。

本発明は、面ヒータにおける温度分布に偏りを従来よりも低減することのできる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］ 面ヒータを備える装置であって、
前記面ヒータは、
絶縁性の基材と、
前記基材上に設けられた導電膜と、
前記導電膜を覆う絶縁膜と、
を備え、
前記導電膜は、常温で４２０ｐｐｍ／℃以上の抵抗温度係数を有する材料で形成されていることを特徴とする装置。

この装置では、面ヒータの導電膜が常温で４２０ｐｐｍ／℃以上の抵抗温度係数を有する材料で形成されているので、導電膜の比較的高温の部分にはあまり電流が流れず、比較的低温の部分に電流が集中する。従って、面ヒータにおける温度分布に偏りを従来よりも低減することが可能である。

［適用例２］ 適用例１記載の装置であって、
前記導電膜は、常温で４．８μΩ-ｃｍ以上の抵抗を示す材料で形成されている、装置。

この構成によれば、抵抗値が比較的大きな材料で導電膜を形成するので、導電膜をそれほど薄くしなくても十分に発熱体として機能させることが可能である。

［適用例３］ 適用例２記載の装置であって、
前記導電膜は、タングステンで形成されている、装置。

タングステンは、融点が高いので、比較的高温に渡るまで、上述の効果を維持することが可能である。

［適用例４］ 適用例１ないし３のいずれかに記載の装置であって、
前記面ヒータは透明である、装置。

この構成では、透光性が要求される部分（窓など）に面ヒータを利用することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、面ヒータ、面ヒータを備えた種々の装置、等の形態で実現することができる。

A．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての加熱装置の構成を示す説明図である。この加熱装置１０００は、面ヒータ１００と、２本のリード線１１０と、電源１２０と、スイッチ１３０とを備えている。図１（Ｂ）は、面ヒータ１００の断面を示している。面ヒータ１００は、絶縁性の基材１０２と、基材１０２上に設けられた導電膜１０４と、導電膜１０４を覆うように設けられた絶縁膜１０６と、を有している。この例では、導電膜１０４は矩形形状を有しており、その一辺上の両端近傍に、リード線１１０と接続するための２つの電極１０８が設けられている。

基材１０２は、絶縁性の材料で形成されて入れば良く、例えば石英ガラスなどで形成することができる。導電膜１０４は発熱体として機能するものであり、後述するように、タングステンなどの種々の材料で形成することが可能である。導電膜１０４は、基材１０２上に蒸着することによって形成できる。絶縁膜１０６としては、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの種々の絶縁性薄膜で構成することが可能である。絶縁膜１０６も蒸着で形成可能である。

面ヒータ１００全体の温度を素早く上昇させるためには、各層１０２，１０４，１０６の熱容量を十分小さくすることが好ましい。小さな熱容量は、例えば各層の厚みを小さくすれば実現可能である。また、面ヒータ１００を透明なものとすれば、透光性が要求される部分（窓など）に面ヒータ１００を利用することができる。透明な面ヒータは、例えば、透明導電膜材料を用いて導電膜１０４を形成することによって実現可能である。透明導電膜材料としては、酸化インジウム系（いわゆるＩＴＯ）、酸化亜鉛系、酸化スズ系などの種々の材料を使用可能である。面ヒータ１００が「透明」と言えるためには、例えば可視光の範囲（波長が４００〜７００ｎｍの範囲）における平均透過率が８０％以上であることが好ましい。

図２（Ａ）は、導電膜１０４の抵抗温度特性の一例を示している。導電膜１０４の抵抗値は、一般に、温度が上昇するほど大きくなる。以下で説明するように、導電膜１０４の材料としては、抵抗温度係数（温度の増加に対する抵抗値の増加率）が大きいものほど好ましい。

図２（Ｂ）は、加熱装置１０００の初期の動作状態を示している。図２（Ｂ）の面ヒータ１００の内部に描かれている破線は、等温線である。スイッチ１３０をオン状態にした直後は、面ヒータ１００のうちでリード線１１０に接続されている左辺の部分に大部分の電流が流れ、この部分の温度が上昇する。ところで、図２（Ａ）に示したように、導電膜１０４の抵抗値は一般に温度が上昇するほど大きくなる。従って、面ヒータ１００の左辺近傍が昇温すると、その部分の抵抗値が高くなるので、他の部分（左辺近傍よりも右寄りの部分）に流れる電流が相対的に増加する。このような現象が継続してゆくと、図２（Ｂ）に示したように、面ヒータ１００の左辺近傍（リード線１１０と接続されている部分）で比較的高温になり、それと反対側の部分で比較的低温になる。しかし、導電膜１０４の抵抗温度係数が十分に大きい場合には、面ヒータ１００内における高温部と低温部との間の温度差を、実用上十分に小さくすることができる。

図２（Ｃ）は、面ヒータ１００の中央付近が外部から冷やされて低温領域ＬＴＡが生じた状態を示している。このような低温領域ＬＴＡは、その周囲の高温部分よりも抵抗値が小さいので、より大きな電流が流れてより多く発熱する。従って、面ヒータ１００の一部に低温領域ＬＴＡが生じた場合にも、その領域ＬＴＡの発熱量が多くなるので、再び均一な温度分布に近づくことが理解できる。このように、この面ヒータ１００は、導電膜１０４の抵抗温度係数が大きいので、温度分布の偏りが自律的に低減され、かなり均一な温度分布を実現することが可能である。なお、抵抗温度係数の大きな導電膜１０４は、例えばタングステンなどの金属で形成することが可能である。

図３は、種々の金属の抵抗値と抵抗温度係数と融点とを示している。これらの特性値は、常温（２０℃）での値である。導電線として一般的に使用される銅の抵抗は１．７μΩ−ｃｍであり、アルミニウムの抵抗は２．７μΩ−ｃｍである。従って、導電膜１０４としては、銅やアルミニウムよりも抵抗の大きな材料を用いることが好ましい。こうすれば、抵抗値が比較的大きな材料で導電膜１０４を形成するので、導電膜１０４をそれほど薄くしなくても十分に発熱体として機能させることが可能である。この意味では、図３に挙げられているタングステン、モリブデン、チタン、ジルコニウム、ニッケル等の金属を、導電膜１０４の材料として用いることが可能である。これらの金属は、いずれも常温で４．８μΩ-ｃｍ以上の抵抗を示し、銅に比べて十分大きな抵抗を有している。従って、これらの金属を用いて、発熱体として機能する導電膜１０４を構成することが可能である。また、発熱体としての機能の点からは、導電膜１０４の厚みを十分薄く（例えば１０ｎｍ〜１０００ｎｍ）することが好ましい。

なお、図２でも説明したように、導電膜１０４の材料としては抵抗温度係数が大きなものほど好ましい。この意味では、抵抗温度係数が４２０ｐｐｍ／℃以上の材料を用いることが好ましい。また、融点が高い材料を用いると、より高温において面ヒータ１００を使用することが可能となる。この意味では、タングステンを用いて導電膜１０４を形成することが好ましい。

なお、導電膜１０４の素材としては、タングステン、モリブデン、チタン、ジルコニウム、ニッケル等の金属のいずれかを含む合金や混合物などを利用することも可能である。また、図３に示したもの以外の材料も利用可能である。また、前述したように、透明な面ヒータを実現するために、透明導電膜材料を用いて導電膜１０４を形成することも可能である。

以上のように、第１実施例の加熱装置１０００では、面ヒータの発熱体（導電膜１０４）を抵抗温度係数の大きな材料（例えば４２０ｐｐｍ／℃以上の材料）で形成したので、面ヒータにおける温度分布に偏りを低減することが可能である。また、この面ヒータは、温度分布の偏りを自律的に解消する機能を有しているので、図１，図２に示したように発熱体の偏った側に２つの端子を設けることができる。換言すれば、面ヒータの端子位置を選択する融通性が高いという利点がある。

B．他の実施例：
図４は、本発明の第２実施例としての原子時計装置の構成を示す説明図である。この原子時計装置２０００は、レーザ２１０と、セシウムガスセル２２０と、光センサ２３０と、共振制御部２４０と、時計表示部２５０と、ＰＷＭヒータ制御部２６０とを備えている。セシウムガスセル２２０には、セシウムガスが封入されており、また、その温度調整のために面ヒータ１００がその上下にそれぞれ設けられている。良く知られているように、このセシウムガスセル２２０を用いた原子時計装置２０００は、基底状態のセシウム原子が特定の周波数のマイクロ波を吸収すると、レーザ光を吸収する性質を利用したものでさる。すなわち、レーザ光でセシウム原子を励起すると、励起に使用されたレーザ光はセシウム原子で吸収され、励起に使用されなかったレーザ光がセシウムガスセル２２０を透過して光センサ２３０で検出される。共振制御部２４０は、光センサ２３０の出力に応じてマイクロ波ＭＷの周波数を変調し、変調後のマイクロ波ＭＷでセシウムガスセル２２０を照射する。このマイクロ波ＭＷの周波数が、セシウム原子の特定の周波数（共振周波数）と一致すると、マイクロ波ＭＷを吸収したセシウム原子がレーザ光を吸収する。このとき、セシウムガスセル２２０におけるレーザ光の吸収率が最大になるので、光センサ２３０の出力が最小となる。このときの共振周波数は、セシウムに固有の値（９．１９ＧＨｚ）であり、この共振周波数を用いて計時を行って時計表示部２５０に時刻を表示することによって、正確な時刻を表示することが可能である。

この原子時計装置２０００の精度を高めるためには、ガスセル２２０の温度を一定に保つことが好ましい。面ヒータ１００とＰＷＭヒータ制御部２６０は、ガスセル２２０の温度を一定に保つためのものである。なお、本発明の面ヒータは、セシウムガスセル式以外（例えばルビジウムガスセル式）の原子時計装置にも適用可能である。

図５は、ＰＷＭヒータ制御部２６０の内部構成を示すブロック図である。ＰＷＭヒータ制御部２６０は、ＣＰＵ５００と、基本クロック生成回路５１０と、１／Ｎ分周器５２０と、ＰＷＭ部５３０と、減算器５５０と、ＡＤ変換部５６０と、指令値レジスタ５８０と、を備えている。

基本クロック生成回路５１０は、所定の周波数を有するクロック信号ＰＣＬを発生する回路であり、例えばＰＬＬ回路で構成される。分周器５２０は、このクロック信号ＰＣＬの１／Ｎの周波数を有するクロック信号ＳＤＣを発生する。Ｎの値は所定の一定値に設定される。このＮの値は、予めＣＰＵ５００によって分周器５２０内に設定される。ＰＷＭ部５３０は、クロック信号ＰＣＬ，ＳＤＣと、減算器５５０の出力Ｍとに応じて、面ヒータ１００に供給する電圧信号ＳＶのデューティを制御する。

減算器５５０は、指令値レジスタ５５０から与えられる指令値Ｙから、ＡＤ変換部５６０の出力Ｘを減算した値（Ｙ−Ｘ）を出力する。ＡＤ変換部５６０の出力Ｘは、クロック信号ＳＤＣに同期して、セシウムガスセル２００内に設けられた温度センサ２２２の出力をＡＤ変換した値である。指令値Ｙは、ＣＰＵ５００によって指令値レジスタ５８０内に予め設定された値であり、面ヒータ１００の目標温度を示す値である。従って、減算器５５０の出力Ｍは、目標温度Ｙと現行温度Ｘとの差分（Ｙ−Ｘ）を意味している。

ＰＷＭ部５３０は、クロック信号ＳＤＣの１周期の間に、デューティがＭ／Ｎであるパルスを１つ発生させる回路であり、例えばコンパレータで実現される。ＰＷＭ部５３０から出力される電圧信号ＳＶのパルスのデューティは、温度の差分Ｍが大きいほど増加する。従って、温度の差分Ｍが大きいほど、より大きな実効電圧が面ヒータ１００に印加される。より具体的に言えば、面ヒータ１００に印加される実効電圧は、温度の差分Ｍに比例するように制御される。

上述の説明から理解できるように、ＰＷＭヒータ制御部２６０は、目標温度Ｙと現行温度Ｘとの差分Ｍに基づいて、ヒータの実効電圧をＰＷＭ制御している。このようなＰＷＭ制御を行えば、セシウムガスセル２２０の温度を、素早くかつ精度良く目標温度に到達させ、また、目標温度近傍に維持することが可能である。

図６は、図５のＰＷＭヒータ制御部２６０を用いた温度制御の様子を示すグラフである。図６（Ａ）は、温度の時間変化の例を示しており、図６（Ｂ）は、面ヒータ１００の電力の時間変化を示している。図６（Ｂ）の破線で示すように、面ヒータ１００の定格電力で比較的緩やかに昇温すると、図６（Ａ）の破線で示すように、温度も比較的緩やかに上昇する。一方、ＰＷＭヒータ制御部２６０を用いて面ヒータ１００のＰＷＭ制御を行うことによって、図６（Ｂ）の実線で示すように面ヒータ１００に印加される電力が温度の差分に比例して変化する。具体的には、温度の差分が大きい場合には、最大印加電力までヒータに電力が供給され、温度の差分が小さくなるに従って、急激に印加電力が低下する。この結果、図６（Ａ）に実線で示すように、セル温度が素早く目標温度に到達する。また、目標温度に到達した後も、温度の差分に応じたＰＷＭ制御を行うことによって、目標温度近傍に維持することが可能である。

図７は、本発明の第３実施例としてのプリンタ用の定着ドラム装置の構成を示す説明図である。この定着ドラム装置３０００は、定着ドラム６００の内面に面ヒータ１００が設置されたものである。面ヒータ１００の電力は、前述したＰＷＭヒータ制御部２６０によって制御される。定着ドラム６００は、図７（Ｂ）に示すように、印刷用紙Ｐ上に塗布されたインク（又はトナー）を加熱することによって、インク（又はトナー）を定着させるためのものである。この定着ドラム装置３０００も、図５，図６で説明したＰＷＭ制御を実行することによって、定着ドラム６００の温度を素早くかつ精度良く目標温度に到達させ、また、目標温度近傍に維持することが可能である。

図８は、本発明の第４実施例としての車両用の排気ガス浄化装置の構成を示す説明図である。この排気ガス浄化装置４０００は、車両の排気管の途中に設けられており、排気ガスＥＧを浄化するための触媒式浄化装置７００を有している。触媒式浄化装置７００の内部には、触媒を加熱するためのヒータ１００ａが設置されている。このヒータ１００ａは、浄化装置７００内に設けられた触媒を可能な限り均一に昇温させるために、凹凸状に折り曲げられている。このヒータ１００ａの電力は、前述したＰＷＭヒータ制御部２６０によって制御される。なお、面ヒータ１００ａによる加熱は、主として車両の始動時に行われる。この理由は、車両の始動時は触媒が低温なので、そのままでは浄化を上手く行えないからである。一方、エンジンから高温の排気ガスＥＧが十分に供給されるようになった後には、排気ガスＥＧによって触媒が十分に加熱されるので、ヒータ１００ａによる加熱はほとんど不要となる。従って、この排気ガス浄化装置４０００では、車両の始動時にヒータ１００ａによって触媒を急速に加熱する。この急速加熱は、図６で説明したようにＰＷＭヒータ制御部２６０によって実行することが可能である。

図９は、本発明の第５実施例としての便座加熱装置の構成を示す説明図である。この便座加熱装置５０００は、便座８００内に面ヒータ１００ｂが設けられたものである。面ヒータ１００ｂの電力は、ＰＷＭヒータ制御部２６０によって制御される。この便座加熱装置５０００は、例えば通常はヒータによる加熱を行わずに待機しており、使用者がトイレに入室した直後に便座８００を面ヒータ１００ｂによって急速加熱する。こうすれば、不使用時の無駄な電力を節約することができる。なお、使用者がトイレに入室したか否かを検出するため、に例えば人体感知センサをトイレに設置しておき、そのセンサの出力信号に応じてＰＷＭヒータ制御部２６０がその動作を開始するように装置を構成することができる。

図１０は、本発明の第６実施例としての車両用のフロントガラス除霜装置の構成を示す説明図である。このフロントガラス除霜装置６０００は、車両のフロントガラス９００内に透明な面ヒータ１００ｃを設けたものである。この面ヒータ１００ｃは、２本のリード線１１０を介して電源１２０に接続されており、リード線１１０にはスイッチ１３０が設けられている。なお、２本のリード線１１０は、いずれもフロントガラス９００の下端において面ヒータ１００ｃに接続されている。この除霜装置６０００は、透明な面ヒータ１００ｃを用いているので、運転者の視界を邪魔することなく、フロントガラス９００に付着した霜を素早く融かすことが可能である。

C．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

C１．変形例１：
本発明による面ヒータは、上述した各種の装置以外の種々の装置に適用可能である。また、面ヒータの形状は、適用される装置に併せて任意に変更することが可能である。

C２．変形例２：
面ヒータを制御するための装置は、スイッチ１３０（図１）や、ＰＷＭヒータ制御部２６０（図４）に限らず、他の種々の制御装置を採用することが可能である。

本発明の第１実施例としての面ヒータの構成を示す説明図である。 加熱装置の動作状態と温度特性とを示す説明図である。 種々の金属の抵抗値と抵抗温度係数と融点とを示す説明図である。 本発明の第２実施例としての原子時計装置の構成を示す説明図である。 ＰＷＭヒータ制御部の内部構成を示すブロック図である。 ＰＷＭヒータ制御部を用いた温度制御の様子を示すグラフである。 本発明の第３実施例としてのプリンタ用定着ドラム装置の構成を示す説明図である。 本発明の第４実施例としての車両用の排気ガス浄化装置の構成を示す説明図である。 本発明の第５実施例としての便座加熱装置の構成を示す説明図である。 本発明の第６実施例としての車両用のフロントガラス除霜装置の構成を示す説明図である。 従来の面ヒータの構成を示す説明図である。

符号の説明

１００…面ヒータ
１０２…基材
１０４…導電膜
１０６…絶縁膜
１０８…電極
１１０…リード線
１２０…電源
１３０…スイッチ
２００…セシウムガスセル
２１０…レーザ
２２０…セシウムガスセル
２２２…温度センサ
２３０…光センサ
２４０…共振制御部
２５０…時計表示部
２６０…ＰＷＭヒータ制御部
５００…ＣＰＵ
５１０…基本クロック生成回路
５２０…分周器
５３０…ＰＷＭ部
５５０…減算器
５６０…ＡＤ変換部
５８０…レジスタ
６００…定着ドラム
７００…触媒式浄化装置
８００…便座
９００…フロントガラス
１０００…加熱装置
１１００…発熱体
１１１０，１１２０…電極
２０００…原子時計装置
３０００…定着ドラム装置
４０００…排気ガス浄化装置
５０００…便座加熱装置
６０００…フロントガラス除霜装置

Claims (4)

1. 面ヒータを備える装置であって、
   前記面ヒータは、
   絶縁性の基材と、
   前記基材上に設けられた導電膜と、
   前記導電膜を覆う絶縁膜と、
   を備え、
   前記導電膜は、常温で４２０ｐｐｍ／℃以上の抵抗温度係数を有する材料で形成されていることを特徴とする装置。
2. 請求項１記載の装置であって、
   前記導電膜は、常温で４．８μΩ-ｃｍ以上の抵抗を示す材料で形成されている、装置。
3. 請求項２記載の装置であって、
   前記導電膜は、タングステンで形成されている、装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の装置であって、
   前記面ヒータは透明である、装置。

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