JP7377779B2

JP7377779B2 - ヒータユニット、およびその製造方法

Info

Publication number: JP7377779B2
Application number: JP2020136137A
Authority: JP
Inventors: 健太若林
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 2020-08-12
Filing date: 2020-08-12
Publication date: 2023-11-10
Anticipated expiration: 2040-08-12
Also published as: JP2022032404A

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、およびそ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にスクリーン印刷により形成されたアルミニウム電極と、アルミニウム電極にシリコーン系接着剤を介して接合された放熱板とを備えたものが開示されている。

ＰＴＣセラミック素子の熱膨張係数は、２０～２５０℃で６．５×１０^-6～７．０×１０^-6／℃である。放熱板の熱膨張係数は、２０～３００℃で２．３×１０^-5～２．５×１０^-5／℃である。また、シリコーン系接着剤の熱膨張係数は、２０～２５０℃で１．５×１０^-4～２．０×１０^-4／℃である。

特許第４９９９５２８号公報

しかしながら、上記従来のヒータユニットは、溶融温度が比較的低いシリコーン系接着剤を介してＰＴＣセラミック素子のアルミニウム電極と放熱板とが接合されているので、使用可能温度の上限（すなわち、耐熱性）が低いという問題があった。また、上記従来のヒータユニットは、硬化時間が比較的長いシリコーン系接着剤を介してアルミニウム電極と放熱板とが接合されているので、接合に長い時間がかかるという問題もあった。

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、従来よりも耐熱性に優れるとともに製造時間が短縮されたヒータユニット、およびそ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は、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に設けられた電極と、電極に液晶ポリマーを介して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。

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の両主面に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液晶ポリマーを介して接合する放熱板接合工程とを備えたことを特徴とする。

液晶ポリマーは、シリコーン系接着剤よりも硬化時間が短い。また、液晶ポリマーは、シリコーン系接着剤よりも融点が高い。このため、上記の構成によれば、従来よりも耐熱性に優れるとともに製造時間が短縮されたヒータユニットおよびその製造方法を提供することができる。

上記ヒータユニットおよびその製造方法における液晶ポリマーの熱膨張係数は、５０～２５０℃で３０×１０^-6～１４０×１０^-6／℃であることが好ましい。

上記ヒータユニットの製造方法は、放熱板接合工程において、ホットプレスまたは超音波溶着などの手法によって放熱板を電極に接合してもよい。

本発明によれば、従来よりも耐熱性に優れるとともに製造時間が短縮されたヒータユニット、およびその製造方法を提供することができる。

本発明に係るヒータユニットを示す図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ－Ａ’線縦断面図である。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。本発明の実施例および比較例に係るヒータユニットの熱伝導性を評価した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ユニット１は、板状のＰＴＣセラミック素子２と、その両主面に形成された電極３ａ，３ｂと、電極３ａ，３ｂのそれぞれに接合された金属製の放熱板４ａ，４ｂとを備えている。

また、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、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の両主面に電極３ａ，３ｂを形成する電極形成工程Ｓ２と、形成した電極３ａ，３ｂのそれぞれに金属製の放熱板４ａ，４ｂを接合する放熱板接合工程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２５０℃で、寸法が２５ｍｍ（縦）×１３ｍｍ（横）×２ｍｍ（厚み）である。電極３ａ，３ｂは、平均粒径約５０μｍのＡｌＳｉビーズを含むアルミニウムペーストをスクリーン印刷することにより形成したもので、寸法が２４ｍｍ（縦）×１２ｍｍ（横）×０．０７ｍｍ（厚み）である。また、放熱板４ａ，４ｂは、アルミニウム板からなり、寸法が５０ｍｍ（縦）×１５ｍｍ（横）×０．２ｍｍ（厚み）である。

上記の構成は、以下に示す実施例および比較例に共通している。

［実施例］
本発明の実施例では、放熱板接合工程Ｓ３において、ＪＸ液晶株式会社製の液晶ポリマー「ザイダーＧ－３３０」を介して放熱板４ａ，４ｂを電極３ａ，３ｂに接合した。

より詳しくは、本実施例では、以下の手順（１）～（５）により放熱板４ａを電極３ａに接合した。放熱板４ｂと電極３ｂの接合も同様である。
（１）３３０℃に加熱したホットプレート上に放熱板４ａを載置する。
（２）放熱板４ａ上にシート状の液晶ポリマーを載置し、溶融させる。
（３）電極３ａ，３ｂが形成されたＰＴＣセラミック素子２を、電極３ａを下方に向けた状態で溶融した液晶ポリマー上に載置する。
（４）ＰＴＣセラミック素子２を所定の圧力で放熱板４ａに押し付け、液晶ポリマーを放熱板４ａ－電極３ａ間に行き渡らせる。
（５）ＰＴＣセラミック素子２および放熱板４ａをホットプレートから降ろして冷却し、液晶ポリマーを硬化させる。

なお、「ザイダーＧ－３３０」は、パラヒドロキシ安息香酸、ビフェノールおよびテレフタル酸等から作られるタイプの液晶ポリマーである。

［比較例］
一方、本発明の比較例では、放熱板接合工程Ｓ３において、Ｍｏｍｅｎｔｉｖｅ社製のシリコーン系接着剤「ＴＳＥ３２６０」を介して放熱板４ａ，４ｂを電極３ａ，３ｂに接合した。

［特性評価試験］
上記のようにして製造した実施例および比較例に係るヒータユニット１について、熱伝導性を評価するための第１試験と、電気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－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の表面温度が安定するまでの時間（以下、「必要昇温時間」という）を算出した。表１および図３に示す通り、液晶ポリマーによって接合を行った実施例に係るヒータユニット１、およびシリコーン系接着剤によって接合を行った比較例に係るヒータユニット１は、いずれも必要昇温時間が７秒であった。このことは、液晶ポリマーを使用しても、シリコーン系接着剤を使用した場合と同等の熱伝導性が得られることを示している。

第２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（電極間抵抗）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（放熱板間抵抗）の変化率を算出した。表２に示す通り、液晶ポリマーによって接合を行った実施例における変化率と、シリコーン系接着剤によって接合を行った比較例における変化率との間に有意な差は認められなかった。なお、実施例において変化率がマイナスとなったのは、放熱板接合工程Ｓ３の手順（３），（４）においてＰＴＣセラミック素子２の温度が上昇し、これによりＰＴＣセラミック素子２の還元が起きたためだと考えられる。

このように、本発明の実施例に係るヒータユニット１は、比較例に係るヒータユニット１と同等の熱伝導性および電気伝導性を有している。また、シリコーン系接着剤の推奨硬化時間が１時間程度であるのに対し、液晶ポリマーは３分程度で硬化するので、本発明によれば、製造時間を大幅に短縮することができる。また、液晶ポリマーの融点は３２０℃以上であり、シリコーン系接着剤の融点は２００℃程度であり、液晶ポリマーの方が融点が高いので、本発明によれば、耐熱性に優れたヒータユニット１を得ることができる。さらに、液晶ポリマーの熱膨張係数（線膨張係数）は５０～２５０℃で７３×１０^-6～１３１×１０^-6／℃であり、液晶ポリマーの方が熱膨張係数が小さいので、本発明によれば、温度サイクルに強いヒータユニット１を得ることができる。

［変形例］
以上、本発明に係るヒータユニット、およびその製造方法の実施例について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではない。

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

また、電極３ａ，３ｂの材料は、ビーズを含まないアルミニウムであってもよいし、亜鉛を含むアルミニウム合金であってもよい。

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。

また、放熱板接合工程Ｓ３において、ホットプレスまたは超音波溶着によって放熱板４ａ，４ｂを電極３ａ，３ｂに接合してもよい。

また、放熱板接合工程Ｓ３において、別の液晶ポリマーを使用してもよい。ただし、熱サイクルの観点から、液晶ポリマーの熱膨張係数は、５０～２５０℃で３０×１０^-6～１４０×１０^-6／℃であることが好ましい。

１ヒータユニット
２ＰＴＣセラミック素子
３ａ，３ｂ電極
４ａ，４ｂ放熱板

Claims

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に設けられた電極と、
前記電極に液晶ポリマーを介して接合された金属製の放熱板と、
を備え、
前記電極は、ＡｌＳｉビーズを含むアルミニウム電極である
ことを特徴とするヒータユニット。
前記液晶ポリマーの熱膨張係数が、５０～２５０℃で３０×１０^-6～１４０×１０^-6／℃である
ことを特徴とする請求項１に記載のヒータユニット。
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の両主面にアルミニウム電極を形成する電極形成工程と、
前記アルミニウム電極に金属製の放熱板を液晶ポリマーを介して接合する放熱板接合工程と、
を備え、
前記電極形成工程において、ＡｌＳｉビーズを含むアルミニウムペーストをスクリーン印刷することにより前記アルミニウム電極を形成する
ことを特徴とするヒータユニットの製造方法。
前記液晶ポリマーの熱膨張係数が、５０～２５０℃で３０×１０^-6～１４０×１０^-6／℃である
ことを特徴とする請求項３に記載のヒータユニットの製造方法。
前記放熱板接合工程において、ホットプレスまたは超音波溶着によって前記放熱板を前記電極に接合する
ことを特徴とする請求項４に記載のヒータユニットの製造方法。