JP7061553B2

JP7061553B2 - ヒーターユニットおよびその製造方法

Info

Publication number: JP7061553B2
Application number: JP2018216126A
Authority: JP
Inventors: 政博上城; 政秀谷口; 康行松浦
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 2018-11-19
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2022-04-28
Anticipated expiration: 2038-11-19
Also published as: JP2020087549A

Description

本発明は、正温度係数（Positive Temperature Coefficient, ＰＴＣ）セラミック素子を発熱源に用いたヒーターユニットおよびその製造方法に関する。

従来、定温ヒーターや局所加熱ヒーターとして、自己温度制御機能を有するＰＴＣセラミック素子を発熱源に用いたヒーターユニットが様々な分野で使用されている。その一例として、特許文献１には、平板状を有するＰＴＣセラミック素子と、その両主面上に設けられたアルミニウムからなる電極とを備えた車載用のヒーターユニットが開示されている。このヒーターユニットでは、ＰＴＣセラミック素子と電極とがシリコーン系接着剤を介して接着されている。

また、ＰＴＣセラミック素子上への電極の形成方法に関しては、特許文献２により、溶線式フレーム溶射、粉末式フレーム溶射、溶棒式フレーム溶射、高速フレーム溶射、電気式溶射、アーク溶射、プラズマ溶射、線爆溶射、コールドスプレー溶射等の手法を用いるこことも知られている。

特許第４４５５４７３号公報特開２０１５－４６４６２号公報

しかしながら、シリコーン系接着剤を用いた電極の形成は、製造工程が多段階となるため、製造コストの増加が避けられないとの問題があった。また、各種溶射による電極の形成は、ヒーターユニットとして使用する際に必要とされる、ＰＴＣセラミック素子と形成した電極との間の接合強度および電極表面の平滑性が得られにくいとの問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、製造工程がシンプルで、しかも、ＰＴＣセラミック素子－電極間の接合強度および電極表面の平滑性が優れたヒーターユニットおよびその製造方法を提供することにある。

本発明者は、種々検討を行った結果、上記各種溶射のうちのコールドスプレー溶射であれば、使用する金属粉の粒径と電極の厚みとを調整することにより満足のいく接合強度および平滑性が同時に得られることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明に係るヒーターユニットの製造方法は、正温度係数セラミック素子を準備する素子準備工程と、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属粉を用いたコールドスプレー溶射により正温度係数セラミック素子に電極を形成する電極形成工程とを備え、電極形成工程は、金属粉のメジアン径が２０μｍ以下であり、かつ電極の厚みが４０μｍ以下となるようにコールドスプレー溶射の溶射時間が設定されていることを特徴とする。

また、本発明に係るヒーターユニットは、平板状の正温度係数セラミック素子と、正温度係数セラミック素子の両主面上に位置する電極とを備え、電極は、メジアン径が２０μｍ以下のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属粉を用いたコールドスプレー溶射により形成されたものであり、４０μｍ以下の厚みを有することを特徴とする。

本発明によれば、製造工程がシンプルで、しかも、ＰＴＣセラミック素子－電極間の接合強度および電極表面の平滑性が優れたヒーターユニットおよびその製造方法を提供することができる。

本発明の実施例および比較例に係るヒーターユニットの（Ａ）平面図および（Ｂ）側面図である。本発明の実施例および比較例に係るヒーターユニットに対して行った第２試験の一部の結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係るヒーターユニットおよびその製造方法について説明する。

図１に示すように、本発明に係るヒーターユニット１は、平板状のＰＴＣセラミック素子２と、その両主面上に位置する電極３ａ，３ｂとを備えている。ＰＴＣセラミック素子２は、キュリー温度が２４０℃で、寸法が２４ｍｍ（縦）×１５ｍｍ（横）×２ｍｍ（厚み）である。電極３ａ，３ｂは、純度９９．７％のアルミニウム粉を使用したコールドスプレー溶射により形成したもので、寸法が２３ｍｍ（縦）×１４ｍｍ（横）である。上記の構成は、以下に説明する全ての実施例および比較例において共通している。

［実施例１］
実施例１では、メジアン径が１０μｍのアルミニウム粉を使用するとともに、電極３ａ，３ｂの厚みが１８μｍとなるように溶射時間を設定した。

［実施例２，３］
実施例２，３では、実施例１と同様、メジアン径が１０μｍのアルミニウム粉を使用した。また、実施例２では、電極３ａ，３ｂの厚みが２６μｍとなるように溶射時間を設定し、実施例３では、電極３ａ，３ｂの厚みが３０μｍとなるように溶射時間を設定した。

［実施例４］
実施例４では、メジアン径が２０μｍのアルミニウム粉を使用するとともに、電極３ａ，３ｂの厚みが１８μｍとなるように溶射時間を設定した。

［実施例５－７］
実施例５－７では、実施例４と同様、メジアン径が２０μｍのアルミニウム粉を使用した。また、実施例５では、電極３ａ，３ｂの厚みが２８μｍとなるように溶射時間を設定し、実施例６では、電極３ａ，３ｂの厚みが３４μｍとなるように溶射時間を設定し、実施例７では、電極３ａ，３ｂの厚みが４１μｍとなるように溶射時間を設定した。

［比較例１－５］
比較例１－５では、実施例４と同様、メジアン径が２０μｍのアルミニウム粉を使用した。また、比較例１では、電極３ａ，３ｂの厚みが５１μｍとなるように溶射時間を設定し、比較例２では、電極３ａ，３ｂの厚みが６５μｍとなるように溶射時間を設定し、比較例３では、電極３ａ，３ｂの厚みが７３μｍとなるように溶射時間を設定し、比較例４では、電極３ａ，３ｂの厚みが８２μｍとなるように溶射時間を設定し、比較例５では、電極３ａ，３ｂの厚みが１０２μｍとなるように溶射時間を設定した。

［比較例６］
比較例６では、メジアン径が３０μｍのアルミニウム粉を使用するとともに、電極３ａ，３ｂの厚みが４０μｍとなるように溶射時間を設定した。

［比較例７，８］
比較例７，８では、比較例６と同様、メジアン径が３０μｍのアルミニウム粉を使用した。また、比較例７では、電極３ａ，３ｂの厚みが５０μｍとなるように溶射時間を設定し、比較例８では、電極３ａ，３ｂの厚みが６２μｍとなるように溶射時間を設定した。

このようにして製造した実施例１－７および比較例１－８に係るヒーターユニット１に対し、接合強度に関する第１試験と、熱伝達特性に関する第２試験とを行った。
（第１試験）
この試験では、ＰＴＣセラミック素子２と電極３ａ，３ｂとの間の接合強度を評価するために、電極３ａ，３ｂの表面に貼り付けたセロハンテープ（セキスイ社製、型番：Ｎｏ．２５２）を素早くめくり上げ、電極３ａ，３ｂの少なくとも一部がＰＴＣセラミック素子２から剥がれたか否かを確認した。
（第２試験）
この試験では、ヒーターユニット１を０．３ｍｍ厚の一対のＳＵＳ板で挟み込んで該ＳＵＳ板と電極３ａ，３ｂとを圧接させ、ＳＵＳ板－電極３ａ－ＰＴＣセラミック素子２－電極３ｂ－ＳＵＳ板間の熱伝達特性を評価するために、ＳＵＳ板にＡＣ１００Ｖを印加し続けたときの該ＳＵＳ板の表面温度の変化を熱電対で測定した。

第１試験および第２試験の結果をまとめると、表１および図２の通りとなる。

ここで、第１試験の結果の“○”は、電極３ａ，３ｂの剥がれが確認されなかったことを示している。また、第２試験の結果の“○”は、６０秒以内にＳＵＳ板の表面温度がＰＴＣセラミック素子２のキュリー温度である２４０℃の近傍に達したことを示している。

第１試験の結果は、ＰＴＣセラミック素子２と電極３ａ，３ｂとの間の接合強度が、電極３ａ，３ｂの厚みに関係していることを示している。より詳しくは、第１試験の結果は、電極３ａ，３ｂの厚みを５０μｍ以下とすれば、良好な接合強度が得られることを示している。

一方、第２試験の結果は、ＳＵＳ板－電極３ａ－ＰＴＣセラミック素子２－電極３ｂ－ＳＵＳ板間の熱伝達特性が、使用したアルミニウム粉のメジアン径および電極３ａ，３ｂの厚みの両方に関係していることを示している。より詳しくは、第２試験の結果は、使用するアルミニウム粉のメジアン径を２０μｍ以下とし、かつ電極３ａ，３ｂの厚みを４０μｍ以下とすれば、良好な熱伝達特性が得られることを示している。

ここで、アルミニウム粉のメジアン径および電極３ａ，３ｂの厚みを上記の通りにすることにより良好な熱伝達特性が得られるのは、電極３ａ，３ｂの表面の平滑性が向上し、電極３ａ，３ｂとＳＵＳ板との接触面積が増大するためだと考えられる。したがって、使用するアルミニウム粉のメジアン径を２０μｍ以下とし、かつ電極３ａ，３ｂの厚みを４０μｍ以下とすることは、十分に平坦な電極３ａ，３ｂを得るための条件であるとも言える。

以上のように、メジアン径が２０μｍ以下のアルミニウム粉を用いたコールドスプレー溶射により４０μｍ以下の厚みを有する電極３ａ，３ｂを形成する実施例１－７によれば、ＰＴＣセラミック素子２と電極３ａ，３ｂとの間の接合強度が良好で、かつ電極３ａ，３ｂの表面が十分に平坦なヒーターユニット１を得ることができる。

なお、本発明は、上記実施例の構成に限定されない。例えば、ＰＴＣセラミック素子２の寸法および電極３ａ，３ｂの厚み以外の寸法は、任意に変更することができる。また、アルミニウムからなる金属粉の代わりにアルミニウム・亜鉛合金等のアルミニウム合金からなる金属粉を用いても、同様の効果を得ることができる。

１ヒーターユニット
２ＰＴＣセラミック素子
３ａ，３ｂ電極

Claims

正温度係数セラミック素子を準備する素子準備工程と、
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属粉を用いたコールドスプレー溶射により前記正温度係数セラミック素子に電極を形成する電極形成工程と、
を備え、
前記電極形成工程は、前記金属粉のメジアン径が２０μｍ以下であり、かつ前記電極の厚みが４０μｍ以下となるように前記コールドスプレー溶射の溶射時間が設定されていることを特徴とするヒーターユニットの製造方法。
平板状の正温度係数セラミック素子と、
前記正温度係数セラミック素子の両主面上に位置する電極と、
を備え、
前記電極は、メジアン径が２０μｍ以下のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属粉を用いたコールドスプレー溶射により形成されたものであり、４０μｍ以下の厚みを有することを特徴とするヒーターユニット。