JP3124506B2 - ヒータ・センサ複合体 - Google Patents

ヒータ・センサ複合体

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JP3124506B2 JP09082238A JP8223897A JP3124506B2 JP 3124506 B2 JP3124506 B2 JP 3124506B2 JP 09082238 A JP09082238 A JP 09082238A JP 8223897 A JP8223897 A JP 8223897A JP 3124506 B2 JP3124506 B2 JP 3124506B2
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    • H05B3/46—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor mounted on insulating base

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ヒータ部とセンサ
部とが一体化され、二本のリード線が導出されるヒータ
・センサ複合体に関し、特に、半田ごての加熱ヒータに
好適なヒータ・センサ複合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１１は、半田ゴテの先端部を図示した
ものであり、丸棒状のセラミックヒータ５１が半田ゴテ
のコテ先５２に嵌挿された状態を示している。このセラ
ミックヒータ５１は、セラミック芯棒の回りにセラミッ
ク・グリーンシート５３が巻着されて構成されている。
セラミック・グリーンシート５３には、ヒータ・パター
ンとセンサ・パターンとが印刷されており、その位置関
係を図示すると、例えば、図１２の通りである。なお、
この例では、幅０．２ｍｍのタングステン・ペーストを
印刷してセンサ・パターン５５を構成し、これを囲むよ
うに幅０．４ｍｍのタングステン・ペーストを印刷して
ヒータ・パターン５４を構成している。そして、先端部
のセンサ・パターン５５は、ヒータ・パターン５４の中
央を横切ってセンサ電極５６に接続されており、また、
ヒータ・パターン５４は、センサ電極５６よりも先端側
に位置するヒータ電極５７に接続されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１
１、図１２に示すようなセンサ付きのセラミックヒータ
は、リード線が４本となる関係から、セラミック芯棒の
外径を３．５mmφより小さくできないので、半田ゴテを
小型化する際に、リード線の処理などの点からパイプ径
を小さくできないという問題点があった。また、センサ
は、セラミック芯棒の外周に設けられているので、コテ
先の温度を精密には検出できないという問題点もあっ
た。また、図示のセンサに限らず、抵抗値の温度変化に
応じてコテ先の温度を検知するものにあっては、少なか
らず個体差があるので、製品ごとのバラツキについて個
々に調節する必要があった。
【０００４】ところで、グリーンシートをセラミック芯
棒に巻着するのではなく、セラミック芯棒のまわりに、
直接、電熱線を巻き付け、その回りをセラミックコート
して絶縁するヒータも活用されている。しかしながら、
このようなヒータにおいては、緻密なセラミック粒子に
よってセラミックコートした場合には、電熱線の熱膨張
率が、セラミックコート層の熱膨張率より大きいことか
ら、セラミックコート層に亀裂が生じてしまうという問
題点があった。一方、この問題を回避するため、粗いセ
ラミック粒子によってセラミックコートした場合には、
絶縁抵抗が下がってしまい、半田付け対象の基板に漏電
してしまう恐れがあるという問題点があった。本発明
は、これらの諸点に鑑みてなされたものであって、コテ
先の温度を簡易かつ精密に検出することができ、しか
も、絶縁層に亀裂が生じることもなく安定した絶縁性を
発揮するヒータ・センサ複合体を提供することを目的と
する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、第１金属材料によって加熱部と非加熱部
とを形成すると共に、第２金属材料によって非加熱部を
形成し、第１金属材料の加熱部と第２金属材料の先端部
とを接合してなるヒータ・センサ複合体であって、前記
第１金属材料は、鉄クロム合金による電熱材料であり、
前記第２金属材料は、ニッケルまたはニッケルクロム合
金であり、この金属材料の組み合わせによって熱電対を
形成することを特徴としている。好適には、前記第１金
属材料は、細径の線材をコイル状に形成して円筒状の絶
縁パイプの外周に巻着してなる加熱部と、太径の線材を
直線状に形成して前記絶縁パイプの外周に固定してなる
非加熱部とが接続されてなり、前記第２金属材料は、前
記絶縁パイプの内部に挿通されている。
【０００６】
【発明の実施の態様】以下、実施例に基づいて、この発
明を更に詳細に説明する。本発明の半田ゴテ用ヒータの
主要部は、図１、図２に示すように、軸方向の貫通穴１
ａを有する円柱状の絶縁パイプ１に、ヒータ・センサ複
合体２を取り付けて構成されている。ここで、絶縁パイ
プ１は、例えば、アルミナによる成型品である。ヒータ
・センサ複合体２は、図１に示すように、コイル状に巻
かれた加熱線材３の先端部３ａと、直線状の非加熱線材
４の先端部４ａとがアルゴン溶接によって接続されてい
る。なお、加熱線材３の基端部３ｂは、直線状の非加熱
線材５に接続されている。加熱線材３の材料は、鉄クロ
ム合金であり、その成分の一例を示すと表１の通りであ
る。
【０００７】
【表１】
【０００８】このような鉄クロム合金のうち、特に、カ
ンタルＤ（カンタル社のカンタル線）が好適であり、そ
の主要な成分比率は、Ｃｒ＝２２．０，Ａｌ＝４．８で
ある。また、Ｃｒ＝２２．０，Ａｌ＝５．８や、Ｃｒ＝
２２．０，Ａｌ＝５．３や、Ｃｒ＝２０．０，Ａｌ＝
４．０でも良い。この実施例において、非加熱線材４は
Ｎｉで構成されているが、非加熱線材５と加熱線材３と
は、同じカンタルＤで構成されている。但し、非加熱線
材５による発熱を防ぐため、非加熱線材５の線径は、加
熱線材３の線径の２．５倍程度に設定されている。この
ように構成されたヒータ・センサ複合体２に通電する
と、加熱線材３が発熱することによって図３（ｂ）のよ
うな温度分布になると考えられる。すなわち、非加熱線
材４，５の基端部４ｂ，５ｂは、ほぼ同一の温度Ｔ0 で
あるのに対して、アルゴン溶接点４ａ，３ａは、温度Ｔ
1 であり、加熱線材３は、その中央部が高温になると解
される。そして、カンタル線（３，５）とＮｉ線（４）
とで熱電対が構成されているので、Ｎｉ線のゼーベック
係数をα、カンタル線のゼーベック係数をβとすると、
非加熱線材４（Ｎｉ線）の基端部４ｂと、非加熱線材５
（カンタル線）の基端部５ｂとの間には、ほぼ、α（Ｔ
1 −Ｔ0 ）−β（Ｔ1 −Ｔ0 ）の起電力が発生すること
になる。ここで、αとβとは異符号であるので、非加熱
線材４，５の起電力は、互いに加算されることになる。
非加熱線材５の先端部５ａの温度は、加熱線材３の発熱
に対応して上昇するので、仮に、非加熱線材５にＮｉ線
を選択したとすると、非加熱線材４，５の基端部４ｂ，
５ｂ間の起電力は減少することになる。
【０００９】
【表２】
【００１０】表２は、ヒータ・センサ複合体２の特性を
示したものであり、アルゴン溶接点３ａ，４ａを０℃〜
５００℃まで加熱すると共に、非加熱線材４ｂ，５ｂの
両端電圧を実測したものである。表２より明らかなよう
に、半田ゴテとして実際に用いられる温度２００℃〜４
５０℃において直線性が良く、かつ、センサ出力として
実用可能な出力レベルであることが確認できる。また、
図４は、ヒータ・センサ複合体２の出力特性（Ｂ）を熱
電対Ｋ型の特性（Ａ）と比較したものであり、熱電対Ｋ
型の約１／２の値を示すことが確認される。図示の通
り、このヒータ・センサ複合体２では、６００℃まで安
定したセンサ出力が得られるので、半田ゴテ用の温度セ
ンサに限らず、その他の用途にも十分に活用可能であ
る。本発明の半田ゴテ用ヒータの製造方法について説明
すると、絶縁パイプ１の貫通穴１ａに非加熱線材４を挿
通すると共に、絶縁パイプ１の外周に加熱線材３を巻着
させる。そして、カンタル線からなる固定線６によって
非加熱線材５を絶縁パイプ１の外周に固定する（図２参
照）。その後、アルゴン溶接部３ａ，４ａと、加熱線材
３と、固定線６とを覆うように、第１のセラミックコー
ト材７をディップコートし、乾燥して焼成する。第１の
セラミックコート材７は、具体的には、バインダと粗粒
タイプのアルミナとを含んだ水溶液であり、乾燥・焼成
されることによってアルゴン溶接部３ａ，４ａや加熱線
材３がしっかりと絶縁パイプ１に固定される。なお、セ
ラミックコート材７は、粗粒タイプのものであるので、
絶縁パイプ１と加熱線材３との熱膨張率の差が吸収され
ることになり、使用時に裂け目などが生じることはな
い。
【００１１】次に、第２のセラミックコート材８をディ
ップコートし、乾燥・焼成すると共に、このセラミック
コート材８を用いて、ヒータ・センサ複合体２をコテ先
９の開口穴９ａに接着させる（図５参照）。なお、コテ
先９は、熱伝導性に優れた材料で構成されているのは勿
論である。第２のセラミックコート材８は、具体的に
は、バインダと微細タイプのアルミナとを含んだ水溶液
であり、乾燥・焼成によって確実な絶縁性が確保され
る。また、第２のセラミックコート材８によって、ヒー
タ・センサ複合体２は、コテ先９にしっかりと接着され
る。本発明のヒータ・センサ複合体２においては、非加
熱線材４が、絶縁パイプ１の貫通穴１ａで中空状態に保
持されているので、非加熱線材４は、加熱線材３の温度
の影響を受けにくい。また、非加熱線材４としてＮｉ線
を用いており、酸化による腐食に強いので、中空状態で
使用することができる。コテ先９の開口穴９ａにヒータ
・センサ複合体２が固定化されると、コテ先９の基端側
の外周には、保護パイプ１０が固定される（図５参
照）。また、保護パイプ１０の基端側には、合成樹脂材
（導出部）１１が嵌合されており、合成樹脂材を通して
接続端子１２，１３が導出され、全体として、一体化さ
れた半田ゴテ用ヒータとなる（図６参照）。つまり、こ
の半田ゴテ用ヒータでは、接続端子１２，１３を対応す
るコネクタに着脱することによって、半田ゴテ用ヒータ
の装着や交換が行われる。なお、図７に示すように、保
護パイプ１０の基端側は、グリップ部１４によって保持
されており、接続端子１２，１３に近接して温度測定用
のサーミスタＴＨが設けられている。
【００１２】図８、図９は、ヒータ・センサ複合体２を
用いた温度制御回路を図示したものである。図示の温度
制御回路は、コテ先を加熱すると共にコテ先の温度Ｔ1
を検出するヒータ・センサ複合体２と、ヒータ・センサ
複合体２の基端側の温度Ｔ0を検出するサーミスタＴＨ
と、ヒータ・センサ複合体２への通電部１５と、ヒータ
・センサ複合体２からの熱電対出力を増幅する増幅部１
６と、熱電対出力とサーミスタ出力を加算する加算部１
７と、交流電圧を整流する全波整流部１８（以下、図
９）と、ゼロクロスパルス発生部１９と、コテ先の温度
を設定する温度設定部２０と、これらの動作全体を制御
するマイコンユニット２１とを中心的に備えている。な
お、算出されたコテ先の温度は、マイコンユニット２１
に接続された表示部２２に表示されるようになってい
る。この実施例では、マイコンユニット２１は、具体的
には、ワンチップマイコンＭ３７４７０（三菱）であ
る。このマイコンユニット２１には、出力ポートPORT
１，PORT２が設けられており、出力ポートPORT１の出力
データによって、通電部１５をＯＮ／ＯＦＦ制御し、出
力ポートPORT２の出力データによって、加算部１７の出
力側のスイッチＳＷをＯＮ／ＯＦＦ制御するようになっ
ている。また、マイコンユニット２１には、Ａ／Ｄコン
バータにつながるアナログ入力端子ＡＤIN１，ＡＤIN２
が設けられている。そして、アナログ入力端子ＡＤIN１
には、加算部１７の出力値が入力され、アナログ入力端
子ＡＤIN２には、設定温度に対応した電圧値が入力され
る。なお、アナログ入力端子ＶREF には、Ａ／Ｄコンバ
ータに対する基準電圧（例えば、２．５５Ｖ）が入力さ
れており、これによってＡ／Ｄコンバータの分解能が定
まるようになっている。マイコンユニット２１の割り込
み端子ＩＮＴは、ゼロクロスパルス発生部１９に接続さ
れており、全波整流された脈流が０ボルトに達すると、
マイコンユニット２１に割り込み信号が加わり、割り込
み処理プログラムが開始されるようになっている。
【００１３】図８に示すように、通電部１５は、電界効
果トランジスタFET1と、トランジスタFET1のゲート端子
に接続された抵抗Ｒ１とで構成されている。そして、ト
ランジスタFET1のドレイン端子は、全波整流部１８の出
力＋Ｖ（例えば、波高値が２４ボルト）に接続されてお
り、ソース端子は、ヒータ・センサ複合体２に接続され
ている。増幅部１６は、電流制限抵抗Ｒ２と、ダイオー
ドＤ１，Ｄ２と、非反転増幅器Ａ０と、約２５０倍の増
幅率を実現する抵抗Ｒ３，Ｒ４と、反転増幅器Ａ１と、
抵抗Ｒ５，Ｒ６とで構成されている。この回路構成によ
り、ヒータ・センサ複合体２からのセンサ電圧は、非反
転増幅器Ａ０と反転増幅器Ａ１とで約２５０倍に増幅さ
れ、電圧位相が反転することになる。抵抗値の一例を挙
げると、Ｒ３＝１ＫΩ、Ｒ４＝２５０ＫΩ、Ｒ５＝Ｒ６
＝１００ＫΩである。この回路において、非反転増幅器
Ａ０の電源電圧は、＋ＶDDと−ＶDD（例えば、±５ボル
ト）であるので、＋ＶDD〜−ＶDDの範囲を越える電圧が
非反転増幅器Ａ０に印加されると、特性劣化や破壊を起
こす恐れがある。そのため、クランプダイオードＤ１，
Ｄ２を設けることにより、非反転増幅器Ａ０には、＋Ｖ
DD＋ＶF 〜−ＶDD−ＶF の範囲内の電圧しか加わらない
ようにしている。なお、ＶF は、ダイオードＤ１，Ｄ２
の順方向電圧である。
【００１４】ところで、トランジスタFET1がＯＮ状態の
時には、抵抗Ｒ２にはＶ−ＶDD−Ｖ F の電圧が加わる
が、抵抗Ｒ２の抵抗値を１０ＫΩ程度にしているので、
せいぜい２ｍＡ程度の電流しか流れない。一方、トラン
ジスタFET1がＯＦＦ状態の時には、抵抗Ｒ２に、ヒータ
・センサ複合体２からの熱電対出力が加わるので、場合
によっては、抵抗Ｒ２での電圧降下が問題となる。しか
し、本発明では、非反転増幅器Ａ０によって増幅動作を
行っているので、その入力インピーダンスＲinは十分に
大きく、Ｒin≫Ｒ２の条件が成立するので、熱電対出力
を正確に検出することができる。なお、反転増幅器を採
用したのでは、必ずしも、Ｒin≫Ｒ２の条件が成立しな
い。加算部１７は、反転増幅器Ａ２と、抵抗Ｒ７，Ｒ
８，Ｒ１１，Ｒ１３とを中心に構成されている。また、
サーミスタＴＨには、抵抗Ｒ１０が並列に接続され、こ
れに抵抗Ｒ９を通して電源電圧＋ＶDDが供給されてい
る。抵抗値の一例を挙げると、Ｒ７＝Ｒ８＝１００Ｋ
Ω、Ｒ１１＝Ｒ１３＝４７ＫΩ、Ｒ９＝２２０ＫΩ、Ｒ
１０＝５０ＫΩである。そして、加算部１７とマイコン
ユニット２１との間には、出力ポートPORT2 によって制
御される開閉スイッチＳＷが設けられている（図９参
照）。
【００１５】加算部１７において、反転増幅器Ａ１から
の入力は、抵抗Ｒ７を通して反転増幅器Ａ２に印加さ
れ、サーミスタＴＨからの入力は、抵抗Ｒ１１を通して
反転増幅器Ａ２に印加される。また、電源電圧−ＶDDを
抵抗Ｒ１２と可変抵抗ＶＲ１とで分圧した電圧は、抵抗
Ｒ１３を通して反転増幅器Ａ２に印加される。ここで、
反転増幅器Ａ２の出力は、マイコンユニット２１のＡ／
Ｄコンバータに加わるので、ヒータ・センサ複合体２や
サーミスタＴＨからの出力電圧が、温度変化に対応して
増減したとしても、反転増幅器Ａ２の出力は、常に、プ
ラスの範囲内を維持する必要がある。そこで、本発明で
は、可変抵抗ＶＲ１を調整して、反転増幅器Ａ２の出力
が、常に、０Ｖ〜２．５５Ｖの範囲内になるようにして
いる。図９に示すように、温度設定部２０は、抵抗Ｒ１
４，Ｒ１５と、バッファＡ３と、可変抵抗ＶＲ２とで構
成されている。可変抵抗ＶＲ２には基準電圧ＶREF が加
わっているが、可変抵抗ＶＲ２の人為的な操作により、
マイコンユニットのアナログ入力端子ＡIN２には、設定
温度２００℃〜４５０℃に対応した電圧が加わるように
なっている。
【００１６】続いて、図１０のタイミングチャートを参
照しつつ、図８、図９に示す制御回路の動作内容を説明
する。図１０には、全波整流回路の出力（Ａ）、ゼロク
ロスパルス発生部の出力（Ｂ）、アナログ入力端子ＡＤ
IN１への入力（Ｃ）、出力ポートPORT１からの出力
（Ｄ）、センサ・ヒータ複合体２の両端電圧（Ｅ）がそ
れぞれ示されている。全波整流回路１８の出力値が０ボ
ルトとなり、ゼロクロスパルス発生部１９の出力が立ち
上がると、割り込み端子ＩＮＴへのパルス信号によっ
て、マイコンユニット２１に割り込みがかかる。割り込
み処理では、マイコンユニット２１は、先ず、出力ポー
トPORT１，PORT２に制御信号を出力して、トランジスタ
FET1をＯＦＦ状態にすると共に、開閉スイッチＳＷ１を
ＯＮ状態に設定する。トランジスタFET1がＯＦＦ状態に
なると、センサ・ヒータ複合体２への通電は停止される
ので、センサ・ヒータ複合体２の両端には、熱電対出力
のみが表れる。この熱電対出力は、こて先温度Ｔ1 と基
端部4b,5b の温度Ｔ0 との温度差Ｔ1−Ｔ0 に対応した
値であるが、この熱電対出力は、増幅部１６によって約
２５０倍に増幅された後、加算部１７の抵抗Ｒ５に加わ
る。一方、加算部１７の抵抗Ｒ７には、サーミスタＴＨ
１の抵抗値に対応した電圧が加わっており、サーミスタ
ＴＨ１の抵抗値は、センサ・ヒータ複合体２の基端部4
b,5b の温度Ｔ0 に対応して変化する。そのため、加算
部１７からは、こて先温度Ｔ1 に対応した電圧が出力さ
れることになる。このとき、開閉スイッチＳＷ１をＯＮ
状態であるから、こて先温度Ｔ1 に対応した電圧は、ア
ナログ入力端子ＡＤIN１からマイコンユニット２１に入
力されることになる。
【００１７】一方、アナログ入力端子ＡＤIN２からは、
設定温度ＴS に対応した電圧が入力されている。そこ
で、マイコンユニット２１は、アナログ入力端子ＡＤIN
１とアナログ入力端子ＡＤIN２の電圧を比較して、現在
のコテ先温度ＴP が設定値ＴSより高いか否かを判断す
る。いま、割り込みパルス（図１０（Ｂ））が、最初の
３つ目までである場合なら、こて先温度ＴP が設定値Ｔ
S より低いことになる。このＴP ＜ＴS の条件では、マ
イコンユニット２１は、出力ポートPORT２を介して開閉
スイッチＳＷ１をＯＦＦ状態にすると共に、出力ポート
PORT１を介してトランジスタFET1をＯＮ状態にして割り
込み処理を終える。すると、トランジスタFET1がＯＮ状
態になったことにより、その後、センサ・ヒータ複合体
２には、全波整流部１８の出力がそのまま印加されるこ
とになり、ヒータが加熱されてこて先の温度が上昇す
る。図１０のタイミングチャートにおいて、最初の３つ
目までの割り込みパルスの場合には、上記と同じ動作を
繰り返して、こて先の温度ＴP が上昇する。そして、こ
れに応じて、アナログ入力端子ＡＤIN１への入力値が増
加する。しかし、４つ目以降の割り込みパルスの場合に
は、こて先温度ＴP が設定値ＴS より高くなるので（Ｔ
P ＞ＴS ）、マイコンユニット２１は、出力ポートPORT
１，PORT２を介して、開閉スイッチＳＷ１とトランジス
タFET1とをＯＦＦ状態にして割り込み処理を終えること
になる。トランジスタFET1がＯＦＦ状態になったことに
より、通電部１５は、割り込み処理後も、センサ・ヒー
タ複合体２への通電が停止したままとなり、こて先の温
度は、降下してゆく。その後、こて先温度ＴP が設定値
ＴS より低くなれば（ＴP ＜ＴS ）、通電部１５は、セ
ンサ・ヒータ複合体２への通電を再開することになる。
【００１８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、鉄ク
ロム合金による電熱材料と、ニッケルまたはニッケルク
ロム合金との組み合わせによって熱電対を形成している
ので、コテ先の温度を簡易かつ精密に検出することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るヒータ・センサ複合体の一例につ
いて、その基本構成を略記したものである。
【図２】図１のヒータ・センサ複合体を絶縁パイプに取
り付けて絶縁層を設けた状態を図示したものである。
【図３】図１のヒータ・センサ複合体の温度分布を図示
したものである。
【図４】図１のヒータ・センサ複合体の温度／起電力特
性を図示したものである。
【図５】図２のヒータ・センサ複合体と保護パイプとの
関係を図示したものである。
【図６】半田ごて用ヒータの全体像を図示したものであ
る。
【図７】半田ゴテの断面構造を図示したものである。
【図８】半田ゴテの温度制御回路の一部を図示したもの
である。
【図９】半田ゴテの温度制御回路の残りの一部を図示し
たものである。
【図１０】図８の制御回路について各部の波形を図示し
たタイミングチャートである。
【図１１】従来の半田ゴテ用ヒータの構造を図示したも
のである。
【図１２】ヒータパターンとセンサパターンを図示した
ものである。
【符号の説明】
２ ヒータ・センサ複合体 ３ 加熱部 ３ａ 加熱部の先端 ４ ニッケルまたはニッケルクロム合金による非加
熱部 ４ａ 非加熱部の先端 ５ 鉄クロム合金による非加熱部

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１金属材料によって加熱部と非加熱部
    とを形成すると共に、第２金属材料によって非加熱部を
    形成し、第１金属材料の加熱部と第２金属材料の先端部
    とを接合してなるヒータ・センサ複合体であって、 前記第１金属材料は、鉄クロム合金による電熱材料であ
    り、前記第２金属材料は、ニッケルまたはニッケルクロ
    ム合金であり、この金属材料の組み合わせによって熱電
    対を形成することを特徴とするヒータ・センサ複合体。
  2. 【請求項２】 前記第１金属材料は、細径の線材をコイ
    ル状に形成して円筒状の絶縁パイプの外周に巻着してな
    る加熱部と、太径の線材を直線状に形成して前記絶縁パ
    イプの外周に固定してなる非加熱部とが接続されてな
    り、 前記第２金属材料は、直線状に形成されて前記絶縁パイ
    プの内部に挿通されていることを特徴とする請求項１に
    記載のヒータ・センサ複合体。
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