JP7315374B2

JP7315374B2 - 薄膜面状ヒータ及び薄膜面状ヒータの制御方法

Info

Publication number: JP7315374B2
Application number: JP2019095091A
Authority: JP
Inventors: 聡成田; 龍雄井上
Original assignee: Micronics Japan Co Ltd
Current assignee: Micronics Japan Co Ltd
Priority date: 2019-05-21
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2023-07-26
Anticipated expiration: 2039-05-21
Also published as: JP2020191200A

Description

本発明は、薄膜抵抗体を用いた薄膜面状ヒータに関する。

信号機などのカバーに付着した雪を溶かすためにヒータが使用されている（特許文献１参照。）。このような用途に、薄膜抵抗体を有する薄膜面状ヒータを用いることができる。薄膜面状ヒータにおいて薄膜抵抗体の任意の一部を発熱領域とし、且つ発熱領域を所定の発熱量に設定するために、薄膜抵抗体の膜厚を調整する方法を使用できる。即ち、薄膜抵抗体の所定の領域について膜厚を薄くすることにより電気抵抗を増大させて発熱領域にする。更に、膜厚を調整して発熱領域の電気抵抗を制御し、発熱領域の発熱量を設定する。

特開２０１６－１７０６２７号公報

薄膜抵抗体の形成に、スパッタリング法、蒸着法、無電解めっき法などが用いられている。しかし、形成用マスクをパターニングして薄膜抵抗体の膜厚を制御することは難しい。このため、薄膜面状ヒータについて発熱領域の位置や発熱量を任意に設定することが困難であるという問題があった。

上記問題点に鑑み、本発明は、発熱領域の位置及び発熱量を任意に設定できる薄膜面状ヒータ及び薄膜面状ヒータの制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、主面に発熱領域が設定され、発熱領域の外側で主面の外縁に沿って相互に絶縁分離され、発熱領域から外縁に向かってそれぞれ放射状に延伸する複数の抵抗体領域が配置された薄膜抵抗体を有する基体と、抵抗体領域のそれぞれに配置された電極を備える薄膜面状ヒータが提供される。薄膜面状ヒータの制御装置は、抵抗体領域の対に配置された電極の間に電圧を印加し、発熱領域と抵抗体領域との境界の電気的連結部及び発熱領域を通過する電気力線を発生させる。

本発明の他の態様によれば、発熱領域から外縁に向かってそれぞれ放射状に延伸する抵抗体領域の対に配置された電極の間に電圧を印加し、発熱領域と抵抗体領域との境界の電気的連結部及び発熱領域を通過する電気力線を発生させる薄膜面状ヒータの制御方法が提供される。

本発明によれば、発熱領域の位置及び発熱量を任意に設定できる薄膜面状ヒータ及び薄膜面状ヒータの制御方法を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る薄膜面状ヒータの構成を示す模式図である。本発明の第１の実施形態に係る薄膜面状ヒータに発生する電気力線を示す模式図である。本発明の第１の実施形態に係る薄膜面状ヒータの変形例の構成を示す模式図である。図３の薄膜面状ヒータに発生する電気力線を示す模式図である。本発明の第１の実施形態に係る薄膜面状ヒータの他の変形例の構成を示す模式図である。図５の薄膜面状ヒータに発生する電気力線を示す模式図である。本発明の第１の実施形態に係る薄膜面状ヒータに使用される基体の例を示す模式図である。本発明の第２の実施形態に係る薄膜面状ヒータの構成を示す模式図である。本発明の第２の実施形態に係る薄膜面状ヒータの動作を示す模式図である。本発明の第２の実施形態に係る薄膜面状ヒータの発熱領域を示す模式図である。ヘッドライトカバーの模式図である。ヘッドライトカバーに薄膜面状ヒータを適用した模式図である。図１２に示した薄膜面状ヒータの発熱領域を示す模式図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各部の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る薄膜面状ヒータは、図１に示すように、主面に発熱領域１１が設定され、発熱領域１１の外側で主面の外縁に沿って相互に絶縁分離された抵抗体領域１２１～１２８が配置された薄膜抵抗体を有する基体１０を備える。抵抗体領域１２１～１２８には電極２１～２８がそれぞれ配置されている。以下において、基体１０に配置された抵抗体領域を総称して「抵抗体領域１２」という。また、抵抗体領域１２にそれぞれ配置された電極を「電極２０」と総称する。

抵抗体領域１２は、発熱領域１１の外側から主面の外縁に延伸するスリット１４によって、相互に絶縁分離されている。発熱領域１１が主面の中央に設定されている図１の基体１０では、主面の中央領域から外縁に向かって放射状に複数のスリット１４が形成されている。なお、スリット１４を形成する以外の方法により薄膜抵抗体をパターニングして、複数の抵抗体領域１２を相互に絶縁分離してもよい。例えば、抵抗体領域１２の相互の間に絶縁体を配置してもよい。

図１に示した薄膜面状ヒータでは、制御装置３０によって電極２０の動作が制御される。具体的には、抵抗体領域１２の対にそれぞれ配置された電極２０の間に電圧が印加され、抵抗体領域１２の対の間に、発熱領域１１と抵抗体領域１２との境界の電気的連結部１３、及び発熱領域１１を通過する電気力線が発生する。図１に示した薄膜面状ヒータでは、発熱領域１１を挟んで対称に位置する抵抗体領域１２が対になっている。つまり、発熱領域１１を挟んで対向する抵抗体領域１２の対にそれぞれ配置された電極２０の間に電圧が印加される。

抵抗体領域１２１～１２８が配置された図１に示す薄膜面状ヒータは、４組の抵抗体領域１２の対を有する。即ち、抵抗体領域１２１と抵抗体領域１２５、抵抗体領域１２２と抵抗体領域１２６、抵抗体領域１２３と抵抗体領域１２７、抵抗体領域１２４と抵抗体領域１２８が、それぞれ抵抗体領域１２の対である。

制御装置３０は、抵抗体領域１２の対ごとに異なるタイミングで電気力線を順次発生させる。例えば図２に示すように、制御装置３０により、抵抗体領域１２１に配置された電極２１と抵抗体領域１２５に配置された電極２５の間に所定の電圧Ｖが印加される。これにより、抵抗体領域１２１と抵抗体領域１２５の間に電気力線Ｅが発生する。この電気力線Ｅは、抵抗体領域１２１と発熱領域１１との境界の電気的連結部１３、抵抗体領域１２５と発熱領域１１との境界の電気的連結部１３、及び発熱領域１１を通過する。

制御装置３０は、抵抗体領域１２１と抵抗体領域１２５の間に電気力線を発生させた後、抵抗体領域１２２と抵抗体領域１２６の間に電気力線を発生させる。その後、制御装置３０は、抵抗体領域１２３と抵抗体領域１２７の間、抵抗体領域１２４と抵抗体領域１２８の間に電気力線を順次発生させる。以後、上記の順に電気力線の発生する領域を変化させる制御が繰り返される。

このように、電圧を印加する電極２０を、電極２１と電極２５、電極２２と電極２６、電極２３と電極２７、電極２４と電極２８の組み合わせで繰り返すことにより、発熱領域１１で電気力線が重なる。電気力線の密度の高い領域（抵抗の高い領域）でジュール熱が発生するため、発熱領域１１が発熱する。

上記では、４組の抵抗体領域１２の対を有する薄膜面状ヒータを例示的に説明したが、抵抗体領域１２の対は４組に限られない。例えば、抵抗体領域１２の対が３組であったり、５組であったりしてもよい。

なお、抵抗体領域１２の電極２０が配置された部分よりも、抵抗体領域１２の電気的連結部１３の電気抵抗を高くすることが好ましい。これにより、電極２０が配置された領域での発熱が抑制される。このため、電極２０に耐高温材料を使用する必要がない。

上記のように、発熱領域１１は電気力線が重なる領域である。電気力線の重なる領域は、抵抗体領域１２の形状によって規定される。このため、抵抗体領域１２の形状を変更することにより、発熱領域１１の位置を任意に設定可能である。例えば図３に示すように、発熱領域１１の位置を、基体１０の主面の中央からずらした位置に設定してもよい。

図３に示した基体１０においても、図４に示すように電気力線Ｅが発熱領域１１で重なる。このように、抵抗体領域１２ごとにスリット１４の長さや延伸方向を調整することにより、任意の位置に発熱領域１１を設定することができる。したがって、基体１０の中央からはずれた位置に発熱領域１１を配置したい場合などにも、第１の実施形態に係る薄膜面状ヒータは好適に使用される。

また、スリット１４の長さを変えて抵抗体領域１２の範囲を調整することにより、発熱領域１１の面積を調整できる。例えば、図５に、図３に示した薄膜面状ヒータよりもスリット１４を長くした例を示す。図５に示した基体１０では、図６に示すように電気力線Ｅが重なる発熱領域１１の面積が、図４に示した発熱領域１１よりも小さい。これにより、発熱領域１１における電流密度が高くなり、発熱領域１１で発生するジュール熱が増大する。このように、抵抗体領域１２の範囲を調整することにより、発熱領域１１の電流密度を制御し、発熱領域１１に発生するジュール熱を調整することができる。

以上に説明したように、図１に示した薄膜面状ヒータでは、薄膜抵抗体の電気力線の集中する位置や範囲を制御することができる。電気力線の集中する位置を制御することにより、発熱領域１１の位置を任意に設定できる。また、電気力線の集中する範囲を制御することにより、発熱領域１１における発熱量を任意に設定できる。したがって、第１の実施形態に係る薄膜面状ヒータによれば、発熱領域１１の位置及び発熱量を任意に設定することができる。

第１の実施形態に係る薄膜面状ヒータは、例えば、スパッタリング法、蒸着法、無電解めっき法などにより薄膜抵抗体が形成された図７に示す基体１０について、薄膜抵抗体にスリット１４を形成するなどして抵抗体領域１２をパターニングして得られる。なお、薄膜抵抗体の主面の形状は多角形状に限られず、例えば円形状であってもよい。また、ガラス板などの透明基板の表面に酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）膜などの透明な薄膜抵抗体を成膜するなどして、透光性を有する基体１０を実現することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る薄膜面状ヒータでは、基体１０の主面の外縁に沿って隣接する抵抗体領域１２の対にそれぞれ配置された電極２０の間に電圧を印加する。つまり、第２の実施形態に係る薄膜面状ヒータは、対をなす抵抗体領域１２が隣接する点が、抵抗体領域１２の対が発熱領域１１を挟んで対向する図１に示した薄膜面状ヒータと異なる。

図８に、第２の実施形態に係る薄膜面状ヒータの電気的な接続の例を示す。図８に示した薄膜面状ヒータでは、抵抗体領域１２１と抵抗体領域１２２、抵抗体領域１２３と抵抗体領域１２４、抵抗体領域１２５と抵抗体領域１２６、抵抗体領域１２７と抵抗体領域１２８が、それぞれ抵抗体領域１２の対をなす。

図８に示すように、制御装置３０は、電極２１と電極２２の間、電極２３と電極２４の間、電極２５と電極２６の間、電極２７と電極２８の間に、それぞれ電圧Ｖを印加する。これにより、隣接する抵抗体領域１２の間に電流が流れる。図９に、正の電圧が印加された抵抗体領域１２１から負の電圧が印加された抵抗体領域１２２に電流Ｉが流れる例を示した。隣接する抵抗体領域１２の間の電気抵抗が小さいことから、図９に示すように電流Ｉはスリット１４の端部で折り返す。

抵抗体領域１２の電極２０が配置された部分よりも電気的連結部１３の電気抵抗が高いことにより、電流Ｉが折り返す領域の電気抵抗が最も大きい。このため、図８に示した薄膜面状ヒータの発熱領域１１は電流Ｉが折り返す領域である。例えば図１０に示すように、発熱領域１１がリング形状である。或いは、折り返す個々の領域が独立した複数の発熱領域１１になる。

なお、上記のように、基体１０の主面の抵抗体領域１２に囲まれた領域には電流が流れない。したがって、基体１０の主面の中央領域に薄膜抵抗体を配置しなくてもよい。このため、例えば透明基板を基体１０に使用した場合などに、薄膜抵抗体の成膜による基体１０の透過率の劣化を抑制できる。

（その他の実施形態）
上記のように本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、実施形態に係る薄膜面状ヒータを、信号機のヒータに適用することができる。即ち、光源から出力される信号光が透過する信号機のカバーを加熱するヒータとして、実施形態に係る薄膜面状ヒータを使用できる。例えば降雪地帯に設置される信号機では、カバーに付着した雪により信号の視認性が低下する。薄膜面状ヒータによりカバーを加熱することにより、カバーに付着した雪が溶かされ、信号の視認性の低下が抑制される。実施形態に係る薄膜面状ヒータでは、発熱領域１１の位置や発熱領域１１における発熱量を任意に設定できる。このため、薄膜面状ヒータに透光性の材料を使用してカバーの主面に重ねるように薄膜面状ヒータを配置することにより、雪が付着するカバーの位置や雪の付着量に応じて、使用電力量の無駄なくカバーを加熱することができる。

また、信号機に限らず、例えば自動車のヘッドライトなどの発光装置に使用されるヒータなどにも、実施形態に係る薄膜面状ヒータは適用可能である。例えば、図１１に示す半球状のお椀形のヘッドライトカバー１００に、図１２に示すように第２の実施形態に係る薄膜面状ヒータを適用する。ここで、基体１０の中央領域には薄膜抵抗体が配置されていない薄膜面状ヒータを使用する。図１３は、図１２に示した構成において、第２の実施形態で説明したように薄膜面状ヒータの発熱領域１１を電流Ｉの折り返す領域に設定した例である。上記の構成によれば、ヘッドライトカバー１００の中央領域に薄膜抵抗体が配置されていないため、ヘッドライトカバー１００の中央領域を透過する光の減衰が抑制される。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態などを含むことはもちろんである。

１０…基体
１１…発熱領域
１２…抵抗体領域
１３…電気的連結部
１４…スリット
２０…電極
３０…制御装置

Claims

主面に発熱領域が設定され、前記発熱領域の外側で前記主面の外縁に沿って相互に絶縁分離され、前記発熱領域から外縁に向かってそれぞれ放射状に延伸する複数の抵抗体領域が配置された薄膜抵抗体を有する基体と、
前記抵抗体領域のそれぞれに配置された電極と、
前記抵抗体領域の対に配置された前記電極の間に電圧を印加し、前記抵抗体領域の対の間に、前記発熱領域と前記抵抗体領域との境界の電気的連結部及び前記発熱領域を通過する電気力線を発生させる制御装置と
を備え、前記基体が複数組の前記抵抗体領域の対を有することを特徴とする薄膜面状ヒータ。
前記制御装置が、
前記発熱領域を挟んで対向する前記抵抗体領域の対に配置された前記電極の間に、前記抵抗体領域の対ごとに異なるタイミングで電圧を印加し、
前記発熱領域で前記電気力線が重なるように、前記抵抗体領域の対ごとに前記電気力線を順次発生させる
ことを特徴とする請求項１に記載の薄膜面状ヒータ。
前記発熱領域が、前記主面の中央からずれた位置に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の薄膜面状ヒータ。
前記制御装置が、前記主面の外縁に沿って隣接する前記抵抗体領域の対に配置された前記電極の間に電圧を印加し、隣接する前記抵抗体領域の間に電流を流すことを特徴とする請求項１に記載の薄膜面状ヒータ。
前記主面の中央領域に薄膜抵抗体が配置されていないことを特徴とする請求項４に記載の薄膜面状ヒータ。
前記抵抗体領域の前記電極が配置された部分よりも、前記抵抗体領域の前記電気的連結部の電気抵抗が高いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の薄膜面状ヒータ。
前記抵抗体領域が、前記発熱領域の外側から前記主面の外縁に延伸する複数のスリットによって相互に絶縁分離されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の薄膜面状ヒータ。
前記電気的連結部は前記基体に円環状に設けられ、前記スリットの終端部分は前記電気的連結部に位置することを特徴とする請求項７に記載の薄膜面状ヒータ。
主面に発熱領域が設定され、前記発熱領域の外側で前記主面の外縁に沿って相互に絶縁分離され、前記発熱領域から外縁に向かってそれぞれ放射状に延伸する複数の抵抗体領域が配置された薄膜抵抗体を有する基体、及び、前記抵抗体領域のそれぞれに配置された電極を備える薄膜面状ヒータの制御方法であって、
前記抵抗体領域の対に配置された前記電極の間に電圧を印加し、前記抵抗体領域の対の間に、前記発熱領域と前記抵抗体領域との境界の電気的連結部及び前記発熱領域を通過する電気力線を発生させ、
前記発熱領域をジュール熱により発熱させる
ことを特徴とする薄膜面状ヒータの制御方法。
前記発熱領域を挟んで対向する前記抵抗体領域の対に配置された前記電極の間に、前記抵抗体領域の対ごとに異なるタイミングで電圧を印加し、
前記発熱領域で前記電気力線が重なるように、前記抵抗体領域の対ごとに前記電気力線を順次発生させる
ことを特徴とする請求項９に記載の薄膜面状ヒータの制御方法。
前記主面の外縁に沿って隣接する前記抵抗体領域の対に配置された前記電極の間に電圧を印加し、隣接する前記抵抗体領域の間に電流を流すことを特徴とする請求項９に記載の薄膜面状ヒータの制御方法。