JP7291569B2 - ヒータユニットの製造方法 - Google Patents

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ユニットの製造方法に関する。

従来、定温ヒータや局所加熱ヒータとして、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、板状を有するＰＴＣセラミック素子と、ＰＴＣセラミック素子の両主面上に設けられた４層電極と、４層電極の最表面にパラレルギャップ溶接により接合された放熱板とを備えたものが開示されている。なお、４層電極は、クロム電極層、ニッケル電極層、銀電極層および錫電極層を含んでいる。

電極および放熱板は、適量の導電性ビーズを含むシリコーン系接着剤によって接合される場合もある。

特開平７－１４２２０５号公報

しかしながら、パラレルギャップ溶接による電極と放熱板との接合には、電極が厚い場合にしか適用できないという問題がある。数十μｍオーダーの薄い電極に対してパラレルギャップ溶接を適用すると、ＰＴＣセラミック素子が損傷するおそれがあるからである。

一方、導電性ビーズを含むシリコーン系接着剤による接合には、パラレルギャップ溶接に比べ、電極－放熱板間の熱伝導性および電気伝導性が低いという問題がある。また、この接着剤は、耐熱性が低く、かつビーズの分散状態の管理が難しいという点においても好ましいものではなかった。

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、電極が薄くても、ＰＴＣセラミック素子の損傷なしに該電極と放熱板とを熱伝導性および電気伝導性が良好な状態で接合させることができる、ヒータユニットの製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るヒータ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、正温度係数セラミック素子にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる電極を形成する電極形成工程と、電極に金属製の放熱板をレーザ溶接により接合させる放熱板接合工程と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、電極および放熱板の境界部分が合金化され、両者が強固かつ緻密に接合されるので、シリコーン系接着剤を使用した場合よりも熱伝導性および電気伝導性を向上させることができる。また、この構成によれば、レーザ溶接の条件を微調整することにより、正温度係数セラミック素子の損傷なしに電極および放熱板を接合させることも比較的容易である。パラレルギャップ溶接では、このような微調整は困難である。

上記製造方法は、電極形成工程において、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉を用いたコールドスプレー溶射により４０μｍ以上１００μｍ以下の厚みの電極を形成することが好ましい。

この構成によれば、レーザ溶接を行う際に電極と放熱板とが剥離するのを防ぐことができる。

また、上記製造方法は、放熱板接合工程において、１００μｍ以上３００μｍ以下の厚みのアルミニウム製の放熱板を接合させることが好ましい。

アルミニウム製の放熱板のレーザ溶接には、高反射材であるアルミニウムがレーザ光を吸収せず溶融がなかなか始まらない一方で、一旦溶融が始まると吸収が良くなり一気に溶融が進み被溶接部側がレーザ光の影響を受けてしまう、という難しさがある（被溶接部を構成する正温度係数セラミック素子は、アルミニウムよりレーザ吸収が良いため損傷を受け易い）。これを避けるためには、放熱板の厚みを薄くするか、被溶接部を構成するアルミニウム電極を厚くすることでレーザ溶接条件の許容範囲を広くすることが考えられるが、放熱板を薄くすると溶接強度が低下し、アルミニウム電極を厚くするとコストアップしてしまう。この点、上記の構成、すなわち、コールドスプレー溶射により形成した厚みが４０μｍ以上１００μｍ以下のアルミニウム（またはその合金からなる）電極と厚みが１００μｍ以上３００μｍ以下の放熱板とを組み合わせた構成によれば、正温度係数セラミック素子が損傷せず、かつ各部を強固に接合させることができるレーザ溶接条件を比較的容易に導き出すことができる。

また、上記課題を解決するために、本発明に係るヒータユニットは、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設けられたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる電極と、電極上にレーザ溶接により接合された金属製の放熱板と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、電極が薄くても、ＰＴＣセラミック素子の損傷なしに該電極と放熱板とを熱伝導性および電気伝導性が良好な状態で接合させることができる、ヒータユニットの製造方法を提供することができる。

本発明に係るヒータユニットの製造方法を示すフロー図である。 本発明に係る方法によって製造されたヒータユニットを示す（Ａ）平面図および（Ｂ）縦断面図である。

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

図１および図２に示すように、本発明に係るヒータユニット１の製造方法は、細長い平板状のＰＴＣセラミック素子２を準備する素子準備工程Ｓ１と、準備したＰＴＣセラミック素子２の両主面上にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる電極３ａ，３ｂを形成する電極形成工程Ｓ２と、形成したアルミニウム電極３ａ，３ｂのそれぞれに金属製の放熱板４ａ，４ｂを接合させる放熱板接合工程Ｓ３とを備えている。

ＰＴＣセラミック素子２は、キュリー温度が２６０℃で、寸法が３５ｍｍ（縦）×７ｍｍ（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３４ｍｍ（縦）×６ｍｍ（横）である。放熱板４ａ，４ｂは、アルミニウム板からなり、寸法が３４ｍｍ（縦）×６ｍｍ（横）×０．２ｍｍ（厚み）である。電極３ａ，３ｂの厚みについては、後で説明する。

上記の構成は、以下に示す第１実施例、第２実施例、第１比較例および第２比較例において共通している。

［第１実施例］
本発明の第１実施例では、電極形成工程Ｓ２において、平均粒径３５μｍのアルミニウム粉を使用して４０μｍ厚の電極３ａ，３ｂを形成した。また、第１実施例では、ＴＲＵＭＰＦ社製レーザ溶接機「ＴｒｕＦｉｂｅｒ ５００」を用いたレーザ溶接により電極３ａ，３ｂと放熱板４ａ，４ｂとを接合させた。レーザ溶接の条件は以下の通りである。

・照射径： １８．７ｍｍ
・照射波形： ＣＷ（連続発振）
・出力： ５００Ｗ
・走査速度： １８００ｍｍ／秒

［第２実施例］
本発明の第２実施例では、電極形成工程Ｓ２において、平均粒径５０μｍのアルミニウム粉を使用して１６０μｍ厚の電極３ａ，３ｂを形成したこと以外は第１実施例と同様にして、ヒータユニット１を製造した。

［第１比較例］
第１比較例では、電極形成工程Ｓ２において、平均粒径３５μｍのアルミニウム粉を使用して４０μｍ厚の電極３ａ，３ｂを形成した。また、第１比較例では、信越化学工業株式会社社製シリコーン系接着剤「ＫＥ－１８８０」を用いて電極３ａ，３ｂと放熱板４ａ，４ｂとを接合させた。

［第２比較例］
第２比較例では、電極形成工程Ｓ２において、平均粒径５０μｍのアルミニウム粉を使用して１６０μｍ厚の電極３ａ，３ｂを形成したこと以外は第１比較例と同様にして、ヒータユニット１を製造した。

［特性評価試験］
上記のようにして製造した第１実施例、第２実施例、第１比較例および第２比較例に係るヒータユニット１について、電気伝導性を評価するための第１試験と、熱伝導性を評価するための第２試験とを行った。

第１試験では、放熱板４ａ，４ｂを接合させる前に測定した電極３ａ，３ｂ間の抵抗を基準とした、放熱板４ａ，４ｂを接合させた後に測定した放熱板４ａ，４ｂ間の抵抗の変化率を算出した。表１に示す通り、電極３ａ，３ｂと放熱板４ａ，４ｂとをレーザ溶接で接合させた第１実施例および第２実施例では、放熱板４ａ，４ｂ間の抵抗が電極３ａ，３ｂ間の抵抗よりも小さかった。反対に、電極３ａ，３ｂと放熱板４ａ，４ｂとを接着剤で接合させた第１比較例および第２比較例では、放熱板４ａ，４ｂ間の抵抗が電極３ａ，３ｂ間の抵抗よりも大きかった。このことは、レーザ溶接を用いたことにより、電極３ａ－放熱板４ａおよび電極３ｂ－放熱板４ｂ間の電気伝導性が向上したことを示している。

第２試験では、放熱板４ａ－放熱板４ｂ間に商用交流電圧（ＡＣ１００Ｖ）を印加することによりＰＴＣセラミック素子２を昇温させたときの放熱板４ａの表面温度の変化（昇温特性）を熱電対で測定し、放熱板４ａの表面温度が安定温度の９８％に到達するまでの時間（以下、「必要昇温時間」という）を算出した。表２に示す通り、電極３ａ，３ｂと放熱板４ａ，４ｂとをレーザ溶接で接合させた第１実施例は、電極３ａ，３ｂと放熱板４ａ，４ｂとを接着剤で接合させた第１比較例よりも必要昇温時間が短かった。同様に、第２実施例は、第２比較例よりも必要昇温時間が短かった。このことは、レーザ溶接を用いたことにより、電極３ａ，３ｂ－放熱板４ａ，４ｂ間の熱伝導性が向上したことを示している。

［変形例］
以上、本発明の第１実施例および第２実施例について説明してきたが、本発明の構成はこれらには限定されない。

例えば、ＰＴＣセラミック素子２の寸法、電極３ａ，３ｂの厚み以外の寸法および放熱板４ａ，４ｂの厚み以外の寸法は、任意に変更することができる。

電極３ａ，３ｂの厚みは、４０μｍ以上の任意の厚みに変更することができる。ただし、電極３ａ，３ｂを厚くすると、電極３ａ，３ｂの材料費が高くつくとともに電極形成時間が長くなる。このため、電極３ａ，３ｂの厚みは、１００μｍ以下であることが好ましい。また、電極３ａ，３ｂの厚みを４０μｍ未満にすると、安定的にレーザ溶接を行うことが難しくなる。

放熱板４ａ，４ｂの厚みは、任意に変更することができる。ただし、上記の理由により、放熱板４ａ，４ｂの厚みは、１００μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。

上記実施例では、電極３ａ，３ｂにアルミニウムを用いたが、アルミニウム・亜鉛などのアルミニウム合金でも、同様の効果が得られた。また、放熱板４ａ，４ｂの材料は、アルミニウム以外の他の金属材料（例えば、ステンレス）であってもよい。

１ ヒータユニット
２ ＰＴＣセラミック素子
３ａ，３ｂ 電極
４ａ，４ｂ 放熱板

Claims (1)

1. 正温度係数セラミック素子を準備する素子準備工程と、
   前記正温度係数セラミック素子にアルミニウムまたはアルミニウム合金の粉を用いたコールドスプレー溶射により４０μｍ以上１００μｍ以下の厚みの電極を形成する電極形成工程と、
   前記電極に１００μｍ以上３００μｍ以下の厚みのアルミニウム製の放熱板をレーザ溶接により接合させる放熱板接合工程と、
   を備えたことを特徴とするヒータユニットの製造方法。

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