JP2021153036A - ヒータユニット及びその応用品 - Google Patents

Abstract

【課題】温度の過昇防止機能を有し、温度の均一化がなされたヒータユニットと、車両用ウインドシールド装置を提供すること。【解決手段】基材と、一対の電極が形成されたセラミック系の正特性サーミスタ素子からなるＰＴＣ発熱素子と、第一電極端子と、第二電極端子と、からなり、上記第一電極端子と上記ＰＴＣ発熱素子の一方の電極層とが電気的に接続しており、上記第二電極端子と上記ＰＴＣ発熱素子のもう一方の電極層とが電気的に接続しており、上記基材には、略平面部が形成されているとともに、該略平面部には凹部が形成されており、上記ＰＴＣ発熱素子が、上記凹部内に配置されており、上記第一電極端子と上記第二電極端子の内の一方又は両方が、上記基材の略平面部における有効加熱部に配置されているヒータユニット。上記のヒータユニットを備えた車両用ウインドシールド装置。【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、車両におけるカメラユニット、ウインドシールド、レーダユニット等に付着した結露、氷、霜、水滴を除去するとともに、曇り、結露、氷、霜の付着を防止するためのヒータユニット、及び、このヒータユニットが備えられたウインドシールド装置に関する。

車両用ウインドシールド装置は、ウインドシールドの車室側に取付けられて、車両前方の他車両や障害物の有無の検知に用いられる。車両用ウインドシールド装置は、ウインドシールドに固定されるブラケットと、ブラケットに支持されるカメラユニットまたはレーダユニットと、太陽光などの外光がカメラユニットに入射することを抑制する遮光フードを備える。ここで、車室内の湿度が高い場合や、車外の温度が低い場合には、曇り、結露、霜、氷などがウインドシールドに付着するため、車両用ウインドシールド装置は、遮光フードを加熱するためのヒータユニットを遮光フードの裏側に備えている。このヒータユニットから発せられる熱によって、遮光フードと対向するウインドシールドに付着した曇り、結露、霜、氷などは溶融、蒸発して除去される。これにより、カメラユニットによる撮影は鮮明なものとなる。また、レーダユニットからのレーダが減衰することなく、正確な検知が可能となる（特許文献１など参照）。

ヒータユニットとしては、例えば、加熱される面状の対象領域を均一に昇温するため、対象領域の周縁に位置する第１の線状発熱体と、対象領域の内部に位置する第２の線状発熱体とを別々に備えたものが知られている（特許文献２など参照）。また、線状発熱体としても種々のものが知られている（特許文献３など参照）。ヒータユニットとしても、種々の態様のものが知られている（特許文献４，５など参照）。

特開２０１７−１８５８９３公報 実用新案登録第１８０１１９０号 特許第６３２０９３５号 特開２０１９−９３７９４公報 特開２０１９−１０４３７８公報

従来のヒータユニットは、温度の過昇防止のためにヒューズが使用され、ショートや制御系の故障によって設計で意図しない高温の発熱が生じた場合は、このヒューズで通電が遮断され、ヒータユニットへの通電が停止されるようになっていた。しかし、ヒューズを設置する場合、部品点数が増加してしまうとともに、ヒータユニットの厚さも厚くなり、また、ヒータユニットにヒューズ形状の凹凸が生じてしまうという問題があった。また、ヒューズを使用せずに温度の過昇防止をする手段としては、ヒータ素子として正特性サーミスタ素子（ＰＴＣ素子）を使用することが考えられる。ＰＴＣ素子としては、セラミック系のものと有機系のものがあるが、現在、車両用ウインドシールド装置に対しては、主に有機系のＰＴＣ素子が多く検討されている。これには、被加熱対象の範囲が広く、ヒータ素子の設置スペースに余裕がないことから、フィルムのような薄い平面形状に加工しやすい有機系のＰＴＣ素子が好まれているという背景がある。しかしながら、有機系のＰＴＣ素子は、その構造上、高温環境下での劣化や経時的な劣化の課題が付きまとっており、特に自動車のような長期間の耐久性と過酷な温度環境への耐性が要求される分野では限定的な使用にとどまっている。一方、セラミック系のＰＴＣ素子は、硬く、ある程度の厚さを有するものであり、薄い平面形状への加工が困難であることから、広範囲を均等に加熱する用途に向いていないという課題もあった。

本発明はこのような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、温度の過昇防止機能を有し、温度の均一化がなされたヒータユニットと、それを備えた車両用ウインドシールド装置を提供することにある。

上記目的を達成するべく、本発明によるヒータユニットは、基材と、一対の電極が形成されたセラミック系の正特性サーミスタ素子からなるＰＴＣ発熱素子と、第一電極端子と、第二電極端子と、からなるヒータユニットにおいて、上記第一電極端子と上記ＰＴＣ発熱素子の一方の電極層とが電気的に接続しており、上記第二電極端子と上記ＰＴＣ発熱素子のもう一方の電極層とが電気的に接続しており、上記基材には、略平面部が形成されているとともに、該略平面部には凹部が形成されており、上記ＰＴＣ発熱素子が、上記凹部内に配置されており、上記第一電極端子と上記第二電極端子の内の一方又は両方が、上記基材の略平面部における有効加熱部に配置されているものである。
また、上記第一電極端子と上記第二電極端子の内の一方又は両方により、上記基材における略平面部の面の全域が実質的に覆われていることが考えられる。
また、上記第二電極端子が、上記基材の凹部内に配置されており、上記第一電極端子及び上記第二電極端子によって上記ＰＴＣ発熱素子が挟持されており、上記第一電極端子により、上記基材における略平面部が実質的に覆われていることが考えられる。
また、上記ヒータユニットにおけるＰＴＣ発熱素子が配置された側の面において、最表面に迷光防止材が形成されていることが考えられる。
また、上記第一電極端子と上記第二電極端子の内の一方又は両方が、上記ＰＴＣ発熱素子を押止する方向に付勢されていることが考えられる。
本発明による車両用レーダ装置は、上記のヒータユニットと、車両のウインドシールドに取付けられるブラケットと、上記ブラケットに収容されたセンサユニットと、を備えたものである。

本発明によれば、ヒータ素子としてＰＴＣ素子を使用することで、温度の過昇防止を図ることが可能である。また、基材の凹部中にヒータ素子が配置され、また、第一電極端子と第二電極端子の内の一方又は両方により基材表面の全域が実質的に覆われることになるため、ヒータユニットとして平面化をすることができる。更にこの構成により、ヒータ素子からの熱が第一電極端子と第二電極端子の内の一方又は両方により伝熱し、ヒータユニットにおける第一電極端子及び／又は第二電極端子が配置される部分の全域が均一に発熱するようになる。

本発明の実施の形態１によるヒータユニットの構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態１によるヒータユニットの構成を示す断面図で、図１におけるＩＩ−ＩＩ´断面図である。 本発明の実施の形態１によるヒータユニットの第一電極端子及び第二電極端子の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１によるヒータユニットの基材の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１によるヒータユニットのＰＴＣ発熱素子の構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態２によるヒータユニットの構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態２によるヒータユニットの構成を示す断面図で、図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ´断面図である。 本発明の実施の形態２によるヒータユニットの第一電極端子及び第二電極端子の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２によるヒータユニットの基材の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２によるヒータユニットのＰＴＣ発熱素子の構成を示す平面図である。 本発明によるヒータユニットを使用した車両用ウインドシールド装置の概要を示す断面図である。

（実施の形態１）
まず、図１〜図５を参照して実施の形態１を説明する。本実施の形態は、本発明によるヒータユニットを車両用ウインドシールド装置に適用することを想定した例を示すものである。

図４に示すように、基材１５は、ＡＢＳ樹脂からなり、全体形状として略平板形状となっている。基材１５における一方の主面においては、略全面におおよそ台形形状の略平面部１５ａが形成されている。この略平面部１５ａにおける長い側の底辺を除く周囲には、後述する第一電極端子１３ａを保持するための係止部１５ｃが形成されており、第一電極端子１１をスライドして装着できるようになっている。また、台形の長い側の底辺に沿って、凹部１５ｂが形成されており、この凹部１５ｂの形状は、縦１４．０ｍｍ、横５０．０ｍｍ、深さ１．５ｍｍの２つの直方体が連結した形状となっている。また、この凹部１５ｂと連続して、後述する第二電極端子１３ｂをリード線まで引き出すための引出溝１５ｄが形成されている。

ＰＴＣ発熱素子１１は、縦１４．０ｍｍ、横５０．０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの略角板状に形成されたチタン酸バリウム系セラミックの正特性サーミスタ素子（ＰＴＣ素子）からなり、図５に示すように、一つの主面に銀ペーストからなる電極層が形成され、もう一方の主面にも銀ペーストからなる電極層が形成され、それぞれ電極層１１ａ、電極層１１ｂとされている（なお、図５において、電極層１１ｂは裏面に位置するため表れない）。この電極層１１ａ，電極層１１ｂの内の一方が＋極、もう一方が−極とされる。尚、ＰＴＣ発熱素子１１の材料については、必要とされる発熱特性（例えば、キュリー温度等）に応じて適宜設定すればよい。なお、本実施の形態では、２つのＰＴＣ発熱素子１１が使用される。

本実施例においては、厚さ０．３ｍｍのバネ弾性に優れたりん青銅板からなる第一電極端子１３ａ及び第二電極端子１３ｂが使用される。第一電極１３ａ及び第二電極１３ｂを図３に示す。第一電極端子１３ａは、基材１５における略平面部１５ａと略同形状となっており、上底３０ｍｍ、下底１８０ｍｍ、高さ７０ｍｍの略台形形状となっており、そこにリード線引出部が連設された形状となっている。また、第二電極１３ｂは、基材１５の凹部１５ｂ及び引出溝１５ｄと略同形状となっており、縦１４．０ｍｍ、横５０．０ｍｍの２つの長方形が連結した形状となっており、そこにリード線引出部が連設された形状となっている。また、第二電極１３ｂの一部には、幅が狭くなっている部分がある。何らかの原因で何れかの箇所でショートが起こってしまった場合、この幅の狭い部分が電流ヒューズとなり断線するので、他の機器や素子を過電流から保護することができる。

これらの構成材料の組み立てについて以下に説明する。図１はヒータユニット１０の全体構成、図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ´断面を示す図となる。まず、基材１５の凹部１５ｂ及び引出溝１５ｄの底部に第二電極１３ｂを配置する。この際、ＰＴＣ発熱素子１を押止する方向に付勢するため、中央部が凸となるように、第二電極１５ｂを湾曲させておく。次いで、基材１５の凹部１５ｂ内に、電極層１１ｂが凹部１５ｂの底部に向き、電極層１１ａが凹部１５ｂの開口部に向くよう、ＰＴＣ発熱素子１１を配置する。併せて、引出溝１５ｄ内に厚さ１．２ｍｍのＡＢＳ樹脂からなる絶縁スペーサ１７を配置する。そして、おおよそ台形形状をした略平面部１５ａの長い側の底辺より、第一電極端子１３ａをスライドして挿入し、係止部１５ｃに嵌合させる。これにより、ＰＴＣ発熱素子１１は、第一電極１３ａと第二電極１３ｂに挟持されるともに、第一電極端子１３ａとＰＴＣ発熱素子１１の一方の電極層１１ａとが電気的に接続し、第二電極端子１３ｂとＰＴＣ発熱素子１１のもう一方の電極層１１ｂとが電気的に接続することとなる。また、第一電極１３ａによって、ＰＴＣ発熱素子１１及び第二電極１３ｂは、凹部１５ｂの底部側に押さえつけられることになるため、湾曲させておいた第二電極１３ｂの復元力によって、ＰＴＣ発熱素子１１は、押止されることになる。このようにして、実施の形態１によるヒータユニット１０は構成される。

（実施の形態２）
次いで、図６〜図１０を参照して実施の形態２を説明する。本実施の形態は、車両用ウインドシールド装置に本発明によるヒータユニットを取り付けたことを想定した例を示すものである。

図９に示すように、基材２５は、ＡＢＳ樹脂からなり、全体形状として略平板形状となっている。基材２５における一方の主面においては、略全面におおよそ台形形状の略平面部２５ａが形成されている。また、台形の長い側の底辺に沿って、凹部２５ｂが形成されており、この凹部２５ｂの形状は、縦１４．０ｍｍ、横５０．０ｍｍ、深さ１．８ｍｍの２つの直方体が２つある形状となっている。

ＰＴＣ発熱素子２１は、縦１４．０ｍｍ、横５０．０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの略角板状に形成されたチタン酸バリウム系セラミックの正特性サーミスタ素子（ＰＴＣ素子）からなり、図３に示すように、一つの主面には銀ペーストからなる２つの電極が入れ違いの櫛歯状に形成され、それぞれ電極層２１ａ、電極層２１ｂとされている。この電極層２１ａ，電極層２１ｂの内の一方が＋極、もう一方が−極とされる。尚、ＰＴＣ発熱素子２１の材料については、必要とされる発熱特性（例えば、キュリー温度等）に応じて適宜設定すればよい。なお、本実施の形態では、２つのＰＴＣ発熱素子２１が使用される。

本実施例においては、厚さ０．３ｍｍのバネ弾性に優れたりん青銅板からなる第一電極端子２３ａ及び第二電極端子２３ｂが使用される。第一電極２３ａ及び第二電極２３ｂを図８に示す。第一電極端子２３ａと第二電極端子２３ｂを合わせた形状が、基材２５における略平面部２５ａと略同形状となっている。第一電極端子２３ａは、上底３０ｍｍ、下底１３９ｍｍ、高さ５４ｍｍの略台形形状となっており、そこにリード線引出部が連設された形状となっている。第一電極端子２３ａには、ＰＴＣ発熱素子２１が位置する２ヶ所が延長され、その箇所が裏側に折り込まれ、高さ０．６ｍｍのＬ字に折られた部分が設けられる。この部分が、ＰＴＣ発熱素子２１の電極層２１ａと電気的に接続される部分となる。また、第二電極２３ｂは、上底１５９ｍｍ、下底１８０ｍｍ、高さ８ｍｍの略台形形状となっており、そこにリード線引出部が連設された形状となっている。第二電極端子２３ｂには、ＰＴＣ発熱素子２１が位置する２ヶ所が延長され、その箇所が裏側に折り込まれ、高さ０．６ｍｍのＬ字に折られた部分が設けられる。この部分が、ＰＴＣ発熱素子２１の電極層２１ｂと電気的に接続される部分となる。また、第一電極２３ａの一部には、幅が狭くなっている部分がある。何らかの原因で何れかの箇所でショートが起こってしまった場合、この幅の狭い部分が電流ヒューズとなり断線するので、他の機器や素子を過電流から保護することができる。

これらの構成材料の組み立てについて以下に説明する。図６はヒータユニット２０の全体構成、図７は、図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ´断面を示す図となる。まず、基材２５の凹部２５ｂ内に、電極層１１ａ及び電極層１１ｂが凹部２５ｂの開口部に向くよう、ＰＴＣ発熱素子２１を配置する。この際、電極層２１ａがおおよそ台形形状をした略平面部２５ａの短い側の底辺の側、電極層２１ｂがおおよそ台形形状をした略平面部２５ａの長い側の底辺の側となるようにする。そして、第一電極端子２３ａを略平面部２５ａの短い側の底辺の側に配置し、第一電極端子２３ａを略平面部２５ａの長い側の底辺の側に配置する。第一電極端子２３ａと第二電極端子２３ｂとの間隔は８ｍｍとし、この間隔部分に厚さ０．９ｍｍのＡＢＳ樹脂からなる絶縁スペーサ２７を配置する。これら第一電極端子２３ａ、第二電極端子２３ｂ及びスペーサ２７は、タッピングネジ（図示しない）によって基材２５に固定される。これにより、ＰＴＣ発熱素子２１は、第一電極２３ａと第二電極２３ｂに挟持されるともに、第一電極端子２３ａとＰＴＣ発熱素子２１の一方の電極層２１ａとが電気的に接続し、第二電極端子２３ｂとＰＴＣ発熱素子２１のもう一方の電極層２１ｂとが電気的に接続することとなる。

上記のようにして得られた実施の形態１〜２によるヒータユニット１０，２０について、第一電極端子１３ａ，２３ａ、第二電極端子１３ｂ，２３の両端は引き出されてリード線（図示しない）に接続され、このリード線により、コネクタ（図示しない）が接続されることになる。

このようなヒータユニット１０，２０は、車両用ウインドシールド装置内に取り付けることができる。図１１を参照して車両用ウインドシールド装置の例を説明する。図１１における右側が車両前方となり、ウインドシールド５７に取付けられる車両用ウインドシールド装置は、ブラケット５１、遮光フード５３、センサユニット５５を備える。ブラケット５１は、椀状の形状を有する樹脂部材であり、遮光フード５３及びセンサユニット５５を収容する。ブラケット５１の周縁部には接着剤が形成され、ウインドシールド５７の車室側に取付けられる。なお、ウインドシールド５７は、一般的に、フロントガラス、サイドガラス、リアガラスと称されることがある。センサユニット５５は、ブラケット内に形成された樹脂部材によって固定保持されることになる。なお、センサユニット５５としては、カメラユニットやレーダユニット等が考えられる。この際、センサユニット５５における受光部はウインドシールド５７に向けられ、センサユニット５５における受光部とウインドシールド５７の間には他部材を介さないようにされる。車両用ウインドシールド装置においては、センサユニット５５の受光部が受光する光の範囲を定めるものとして遮光フード５３が使用されるが、本実施の形態１，２におけるヒータユニット１０，２０は、そのままこの遮光フード５３として使用することができる。

ヒータユニット１０，２０を遮光フード５３として使用する場合、第一電極１３ａ，２３ａにおけるＰＴＣ発熱素子１１，２１と接する面と反対の最表面に、迷光防止材が形成されていることが好ましい。これにより、受光範囲以外からの外光が入射されることを抑えられるようになる。迷光防止材は、反射防止材と称されることもあり、不織布や、ナシ地加工、シボ加工、つや消し加工、植毛加工といった加工が表面になされたシートが挙げられる。また、迷光防止材を形成する一対応として、つや消し塗料を塗布することも考えられる。

車室の湿度が高い場合や、車外の温度が低い場合、曇り、結露、霜、氷などがウインドシールド５７に付着することがある。この曇り、結露、霜、氷などによって光が散乱し、センサユニット５５による鮮明な撮影が阻害されるおそれがある。これはカメラユニットの代わりにレーダユニットを使用したときも同様である。そのため、遮光フード５３として本発明によるヒータユニット１０，２０が使用され、ヒータユニット１０，２０から発せられる熱によってウインドシールド５７を加熱することで、曇り、結露、霜、氷が除去されることになる。また、ヒータユニット１０，２０からの熱によってブラケット５１内の空気が加熱され、それによってブラケット５１内の湿度が低下することにより、結露が除去されることになる。

尚、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、ＰＴＣ発熱素子１１，２１について、上記実施の形態のように２個ではなく、１個でも良いし、３個でも良いしそれ以上でも良い。また、基材１５，２５の形状も、平板形状に限られず、全く異なる形状でも良い。基材１５，２５に形成される凹部の位置、即ちＰＴＣ発熱素子１１，２１を配置する位置についても、所望とする発熱特性や使用環境に応じ、適宜設計することができる。

基材１５，２５においては、第一電極端子１３ａ，２３ａと第二電極端子１３ｂ，２３ｂの内の一方又は両方が、略平面部１５ａ，２５ａにおける有効加熱部に配置されていることになる。有効加熱部とは、発熱をさせるように設計する部分である。実施の形態１においては、第一電極端子１３ａが配置されている部分、実施の形態２においては、第一電極端子２３ａと第二電極端子２３ｂが配置されている部分となる。ＰＴＣ発熱素子１１，２１の固定と、ＰＴＣ発熱素子１１，２１、第一電極端子１３ａ，２３ａ及び第二電極端子１３ｂ，２３ｂの電気的接続を考慮すると、有効加熱部の面積は、凹部１５ｂ，２５ｂの面積より大きいことが好ましい。

特に、第一電極端子１３ａ，２３ａと第二電極端子１３ｂ，２３ｂの内の一方又は両方により、略平面部１５ａ，２５ａの全域が実質的に覆われていることが好ましい。ここで、全域が実質的に覆われているとは、完全に全ての領域が覆われているまでは必要なく、略平面部１５ａ，２５ａの主要部が覆われていれば足りる。例えば、略平面部１５ａ，２５ａの面積の８０%が覆われていれば、全域が実質的に覆われていると考えられる。

また、略平面部１５ａ，２５ａは完全な平面である必要はなく、若干の凹凸を有していたり、僅かな曲面となっていたりしても良い。例えば、略平面部１５ａ，２５ａの面積の平方根をＬ、凹凸や曲部の法線方向の最大値をＨとしたときＨ／Ｌ＞０．１程度であれば略平面であると考えられる。

また、ヒータユニット３１には、ヒータ素子１が発する熱が外部に放出されないよう、断熱材を取付けることも考えられる。また、外部からの衝撃から保護するために、緩衝材を取付けることも考えられる。断熱材も緩衝材も、種々の発泡樹脂や発泡ゴムから構成することが好ましいため、断熱材と緩衝材を兼ねた部材とすることもできる。また、断熱特性、耐熱性、衝撃吸収性、外観など、種々の特性が異なるような複数の断熱材や緩衝材を組合せて使用することもできる。

以上詳述したように本発明によれば、温度の過昇防止機能を有し、温度の均一化がなされたヒータユニットを得ることができる。このようなヒータユニットは、例えば、家庭用暖房器具、自動車内装用暖房装置、産業用加熱装置、各種除雪解氷装置、防曇装置、加熱調理器具など、各種熱源として好適に使用することができる。

１０，２０ ヒータユニット
１１，２１ ＰＴＣ発熱素子
１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂ 電極層
１３ａ，２３ａ 第一電極
１３ｂ，２３ｂ 第二電極
１５，２５ 基材
１５ａ，２５ａ 略平面部
１５ｂ，２５ｂ 凹部

Claims (6)

1. 基材と、一対の電極が形成されたセラミック系の正特性サーミスタ素子からなるＰＴＣ発熱素子と、第一電極端子と、第二電極端子と、からなるヒータユニットにおいて、
   上記第一電極端子と上記ＰＴＣ発熱素子の一方の電極層とが電気的に接続しており、上記第二電極端子と上記ＰＴＣ発熱素子のもう一方の電極層とが電気的に接続しており、
   上記基材には、略平面部が形成されているとともに、該略平面部には凹部が形成されており、
   上記ＰＴＣ発熱素子が、上記凹部内に配置されており、
   上記第一電極端子と上記第二電極端子の内の一方又は両方が、上記基材の略平面部における有効加熱部に配置されていることを特徴とするヒータユニット。
2. 上記第一電極端子と上記第二電極端子の内の一方又は両方により、上記基材における略平面部の面の全域が実質的に覆われていることを特徴とする請求項１記載のヒータユニット。
3. 上記第二電極端子が、上記基材の凹部内に配置されており、
   上記第一電極端子及び上記第二電極端子によって上記ＰＴＣ発熱素子が挟持されており、
   上記第一電極端子により、上記基材における略平面部が実質的に覆われていることを特徴とする請求項２記載のヒータユニット。
4. 上記ヒータユニットにおけるＰＴＣ発熱素子が配置された側の面において、最表面に迷光防止材が形成されていることを特徴とする請求項１〜３何れか記載のヒータユニット。
5. 上記第一電極端子と上記第二電極端子の内の一方又は両方が、上記ＰＴＣ発熱素子を押止する方向に付勢されていることを特徴とする請求項１〜４何れか記載のヒータユニット。
6. 請求項１〜５何れか記載のヒータユニットと、車両のウインドシールドに取付けられるブラケットと、上記ブラケットに収容されたセンサユニットと、を備えた車両用ウインドシールド装置。

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