JP7477210B2 - 安定した抵抗挙動を有するｐｐｔｃヒータおよび材料 - Google Patents

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Description

実施形態は、抵抗ヒータの分野、より具体的には、ＰＰＴＣ材料に基づくヒータに関する。
ポリマー正温度係数（ＰＰＴＣ）素子は、様々な用途の中で、過電流保護デバイスまたは過熱保護デバイス、および、電流センサまたは温度センサとして使用され得る。ポリマー正温度係数材料の場合は、導電性金属粒子相または導電性炭素粒子相またはセラミック導電相などの分散させた導電材料（フィラー）を含むポリマーマトリックスの熱膨張により、温度の上昇とともに電気抵抗が増加する。ポリマーマトリックスが融解転移などの相転移をする可能性があるトリップ温度では、それに伴ってポリマーの体積が大幅に増加すると、導電性フィラー粒子が互いに分離し、導電性経路が破壊されるため、抵抗が急激に増加し得る。冷却すると、ポリマーの体積が収縮するため、ＰＰＴＣ材料の抵抗率は、トリップ温度未満の比較的低い値へと戻る可能性がある。こうした挙動から、ＰＰＴＣ材料は、リセッタブルヒューズなどの用途に適している。一般に、ＰＰＴＣ材料の全体的な伝導率および温度による抵抗の増加は、導電性フィラーの含有量に依存し、ここで、高抵抗率（１０～１００００Ω・ｃｍ）のＰＰＴＣ材料では、導電性フィラーの含有量が低いことに起因して、トリップ温度未満でも電気抵抗は温度の増加と共に大きく増加する傾向がある。トリップ温度未満で抵抗が増加すると、ＰＰＴＣ材料のＩ－Ｒ加熱が増加し、ＰＰＴＣ素子の異常なトリップにつながる可能性がある。従って、トリップ温度未満での安定した電気的動作が有用な用途では、既知のＰＰＴＣ材料はあまり役に立たない可能性がある。
この考慮事項および他の考慮事項に関して、本開示は提供される。
一実施形態において、ポリマー正温度係数（ＰＰＴＣ）材料は、ＰＰＴＣボディを画定するポリマーマトリックスと、ポリマーマトリックスに配置されたグラフェンフィラー成分であって、ＰＰＴＣボディの予め定められた平面に沿って整列された複数のグラフェン粒子を含むグラフェンフィラー成分とを備えるＰＰＴＣ成分を備える。
別の実施形態において、抵抗ヒータは、ヒータボディを画定するリング形状に配置されるポリマー正温度係数（ＰＰＴＣ）材料と、２以上の場所で前記ヒータボディと接触するように配置される２以上の電極を含む電極アセンブリとを備え得、前記ＰＰＴＣ材料は、ポリマーマトリックスであって、ＰＰＴＣボディを画定するポリマーマトリックスと、前記ポリマーマトリックスに配置されるグラフェンフィラー成分であって、前記ヒータボディの平面に沿って整列された複数のグラフェンシートを含むグラフェンフィラー成分とを含む。
別の実施形態において、抵抗ヒータを製造する方法は、ポリマー粉末を提供する段階と、グラフェンシート成分および／または炭素ナノチューブ成分を前記ポリマー粉末と混合してＰＰＴＣ材料を形成する段階と、前記ＰＰＴＣ材料を加熱してホットメルトを形成する段階であって、前記グラフェンシート成分は、前記ポリマー粉末から形成されたポリマーマトリックスにおいて均一に分散される、段階と、前記ホットメルトを押出してＰＰＴＣシートを形成する段階と、上の箔と下の箔との間にＰＰＴＣシートを積層してＰＰＴＣボディを形成する段階と、前記ＰＰＴＣボディを単体化してＰＰＴＣ抵抗ヒータコンポーネントを形成する段階とを備える。
本開示の複数の実施形態に係るＰＰＴＣコンポーネントを示す。
本開示の複数の実施形態に係る別のＰＰＴＣコンポーネントを示す。
本開示の複数の実施形態に係る、例示的なＰＰＴＣ材料に関する温度に応じた抵抗を示す。
本開示の複数の実施形態に係る、ＰＰＴＣコンポーネントの処理の概略図を示す。
例示的なプロセスフローを示す。
本開示の実施形態による、例示的な抵抗ヒータの温度に応じた例示的な抵抗を示す。 本開示の実施形態による、例示的な抵抗ヒータの温度に応じた例示的な電力曲線を示す。
本開示の実施形態による、別の例示的な抵抗ヒータの温度に応じた例示的な抵抗を示す。 本開示の実施形態による、別の例示的な抵抗ヒータの温度に応じた例示的な電力曲線を示す。
本開示の実施形態による、別の例示的な抵抗ヒータの温度に応じた例示的な抵抗を示す。 本開示の実施形態による、別の例示的な抵抗ヒータの温度に応じた例示的な電力曲線を示す。
本開示の複数の実施形態に係る、別の例示的な抵抗ヒータに関する温度に応じた例示的な電力曲線を示す。
ＰＰＴＣ素子の電気的挙動を測定するための例示的な試験回路を示す。
基準となる例示的なヒータに関する温度に応じた電力曲線を示す。
本開示の実施形態による、例示的なＰＰＴＣ抵抗ヒータの側面図を示す。
図１０Ａの抵抗ヒータコンポーネントの代替的な変形を平面図で示す。 図１０Ａの抵抗ヒータコンポーネントの代替的な変形を平面図で示す。
例示的なＰＰＴＣベースの抵抗ヒータの回路図を提供する。
本開示の複数の実施形態に係る、例示的なＰＰＴＣベースの抵抗ヒータコンポーネントを示す。
例示的なＰＰＴＣベースの抵抗ヒータの回路図を提供する。
本開示の複数の実施形態に係る、例示的なＰＰＴＣ抵抗ヒータを示す。
本開示の実施形態による、新規のカメラの断面を示す。
本開示の実施形態によるヒータのコンポーネントの平面図および斜視図を示す。
ここで、以下では、例示的な実施形態が示される添付図面を参照しながら、本実施形態についてより十分に説明する。これらの実施形態は、本明細書に記載の実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が十分かつ完全なものになり、当該実施形態の範囲が当業者に十分に伝わるように提供される。図面では、全体を通じて同様の番号が同様の要素を指す。
以下の説明および／または特許請求の範囲では、「上（ｏｎ）」、「上にある（ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ）」、「上に配置され（ｄｉｓｐｏｓｅｄ ｏｎ）」、および「上方（ｏｖｅｒ）」という用語が、以下の説明および特許請求の範囲で使用され得る。「上」、「上にある」、「上に配置され」、および「上方」は、２つまたはそれより多くの要素が互いに物理的に直接接触していることを示すために使用され得る。また、「上」、「上にある」、「上に配置され」、および「上方」という用語は、２つまたはそれより多くの要素が互いに直接接触していないことを意味し得る。例えば、「上方」は、１つの要素が別の要素の上にあるが互いに接触していないことを意味してよく、これら２つの要素の間に別の１または複数の要素を有してよい。更に、「および／または」という用語は、「および」を意味してよく、「または」を意味してよく、「排中的な「または」」を意味してよく、「一方」を意味してよく、「全てではないがいくつか」を意味してよく、「どちらでもない」を意味してよく、および／または「両方」を意味してよいが、特許請求される主題の範囲は、この点において限定されない。
様々な実施形態において、単層炭素ナノチューブ、多層炭素ナノチューブ、またはグラフェンなどのナノサイズの炭素フィラー材料を有する導電性フィラーを含む、新規ＰＰＴＣ材料が提供される。ＰＰＴＣ材料は、ポリエチレン、ポリエチレン共重合体、ポリエステル、ポリウレタン、ポリアミド、フッ素系ポリマー樹脂、またはフルオロポリマーと他のポリマーとの混合物などのポリマーマトリックスを含み得る。ＰＰＴＣ材料は、様々な非限定的な実施形態において、抗酸化剤、分散剤、架橋剤、およびアーク抑制剤などを含み得る。以下で詳細に説明されるように、本実施形態のＰＰＴＣ材料によって提供される利点は、室温から最大使用温度までの温度範囲にわたる安定した電力であり、ここで、電力の変動は、６０％未満、例えば、５０％～６０％などであり得、または、いくつかの実施形態において、３０％未満、例えば、２０％～３０％未満などであり得る。
特定の実施形態は、グラフェンフィラーおよび半結晶性ポリマーマトリックスから形成されるポリマー正温度係数（ＰＰＴＣ）材料に基づく。係るＰＰＴＣ材料により与えられる安定した抵抗挙動によって、ＰＰＴＣコンポーネントを採用した抵抗ヒータなどの新たな用途が得られる。抵抗挙動が安定していると、概してＰＰＴＣコンポーネントのトリップ温度と関連する、ポリマーマトリックスの融点未満の温度に応じたヒータ電力挙動が安定する。別の利点は、均一かつ効果的な熱伝達である。更に、ポリマーの種類、導電性フィラー、導電性フィラーの体積分率を調整することにより抵抗率およびトリップ温度が調整され得るため、抵抗ヒータの用途に従って消費電力および電力制限温度がカスタマイズされ得る。
特定の実施形態では、ＰＰＴＣ材料は、所望の用途に従って、ＰＰＴＣボディを画定する形状およびサイズを有するポリマーマトリックスとして並べられ得る。例として、ＰＰＴＣヒータは、リング形状ヒータまたは他の適切な形状を含む平面ヒータとして並べられ得る。ＰＰＴＣ材料はまた、ポリマーマトリックスに配置されたグラフェンフィラー成分を含み、ここで、グラフェンフィラー成分は、リング形状ＰＰＴＣコンポーネントの主平面など、ＰＰＴＣボディの予め定められた平面に沿って整列された複数のグラフェンシートから形成される。
いくつかの実施形態では、ＰＰＴＣ材料は、グラフェンフィラーのみで形成される導電性フィラーを含み得るが、他の実施形態では、グラフェンフィラーに加えて、既知の炭素フィラーなどの第２導電性フィラーが追加され得る。図１は、本開示の複数の実施形態に係るＰＰＴＣコンポーネントを示す。ＰＰＣＴコンポーネント１００は、ＰＰＴＣボディ１０２を含み、当該ボディは、ポリマーマトリックス１０４、および、ポリマーマトリックス１０４内で微小シートとして分散されているグラフェンフィラー１０６を含む。ＰＰＴＣコンポーネント１００は、電極１０８として示される一対の対向する電極を更に含み、外部電圧を印加して、これらの対向する電極間でＰＰＴＣボディ１０４を介して電流を駆動することができる。ポリマーマトリックス１０４に好適なポリマーの非限定的な例は、ポリエチレン、フッ化ポリビニリデン、エチレンテトラフルオロエチレン、エチレンビニルアセテート、エチレンおよびアクリル酸共重合体、エチレンブチルアクリレート共重合体、ポリ－パーフルオロアルコキシなどの半結晶性ポリマーを含む。
ＰＰＴＣボディ１０２におけるポリマーマトリックスの体積百分率は、いくつかの実施形態において、５０～９９％の範囲であり得、特定の実施形態において６０～９５％の範囲であり得る。様々な非限定的な実施形態において、グラフェンの体積分率は、１％～５０％の範囲であってよく、特定の実施形態では、４％～３０％の範囲であってよい。グラフェンフィラー１０６用のグラフェンは、機械的または化学的な手段で調製されてよく、グラフェン粒子は、粒子中のグラフェンシートの数が、様々な実施形態によれば、１から数百の範囲であり、特定の実施形態では、１から約３０層の範囲である、グラフェンシートの層から形成される。故に、いくつかのグラフェンシートから形成されるグラフェン粒子は、二次元のシート状の形状を有することもできる。いくつかの実施形態によれば、結果として得られるグラフェン粒子のサイズは、０．１μｍ～１００μｍ、特に、１μｍ～３０μｍの範囲であってよい。
背景として、グラフェンは、二次元特性を有する炭素の結晶同素体である。これらの炭素原子は、規則的な原子スケールの六角形パターンでグラフェン内に密集している。グラフェンは、１５００～２５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲の高い熱伝導率を有する。図１の実施形態において、グラフェンフィラーは、シート状の粒子として配置され、ここで、粒子（シートの平面を意味する）は概ね、ＰＰＴＣボディ１０４の予め定められた平面に沿って（示されるデカルト座標系のＸ－Ｙ平面に沿って、など）整列される。グラフェンフィラー１０６の高い熱伝導率によって、Ｚ方向に沿った環境への熱伝達を効果的に可能にするだけでなく、Ｘ－Ｙ平面における均一な熱伝達を可能にする。これらの熱特性は、特に、ヒータ用途に有用である。加えて、グラフェンシートは、１０－６Ω ｃｍの低いバルク電気抵抗率を有し、もっとも伝導性の高い金属は、２×１０－６Ω ｃｍ以上に近いバルク抵抗を有する。更に、グラフェンの２Ｄ構造によって、ポリマーマトリックス１０４中の半結晶性ポリマーがグラフェン粒子の２つの側に接触することができ、その結果、ポリマーマトリックス１０４が融点に達すると、ＰＰＴＣ材料が同調的に温度に応答することができる。
図２は、本開示の複数の実施形態に係る別のＰＰＴＣコンポーネント１２０を示す。 この例では、ＰＰＴＣコンポーネント１２０は、上記のＰＰＴＣコンポーネント１００と概して同じように並べられてよく、同様のコンポーネントには同じ符号が付けられている。ＰＰＴＣコンポーネント１２０は、ＰＰＴＣボディ１１２が導電性コンポーネント１１０を更に含むという点でＰＰＴＣコンポーネント１００という点で異なり、導電性コンポーネント１１０は、ポリマーマトリックス１０６中に複数の炭素粒子またはセラミック導電性粒子（ＴｉＣまたはＷＣなど）として配置される炭素フィラーおよび／またはセラミック導電性コンポーネントであってよい。そのため、導電性コンポーネント１１０は、ＰＰＴＣコンポーネント１００の電気的特性に関して、ＰＰＴＣコンポーネント１２０の電気的特性を変更することができる。
図３は、本開示の複数の実施形態に係る、例示的なＰＰＴＣ材料に関する温度に応じた抵抗を示す。この場合は、これら２つの異なる曲線は、概して図１および図２にそれぞれ並べられるような２つの異なるＰＰＴＣ材料の挙動を表す。下側の曲線はＰＰＴＣコンポーネント１００に対応し、上側の曲線はＰＰＴＣコンポーネント１２０に対応する。両方の例において、室温から約１４０℃～１５０℃の抵抗は比較的低く安定しているが、トリップ温度１７０℃で急激に増加している。純粋なグラフェン成分の場合は、抵抗が９００Ｏｈｍ以上までに増加し、グラフェンおよび炭素フィラーを有するＰＰＴＣコンポーネントの場合は、抵抗が２４，０００Ｏｈｍ以上まで増加する。両方の例において、トリップ温度未満の低い温度抵抗は、非常に安定であることに留意されたい。
図４は、本開示の複数の実施形態に係る、ＰＰＴＣコンポーネントの処理の概略図を示す。ヒータ用途などに適したＰＰＴＣコンポーネントを形成するには、ＰＰＴＣ材料を押出装置で押出して、ＰＰＴＣの層またはシートを形成することができる。概して、ポリマー材料とグラフェン粒子との混合物などのＰＰＴＣ材料２２０が、押出チャンバ２０４に結合されるレセプタクル２０２に追加されてよく、ＰＰＴＣ材料２２０は、押出コンポーネント２０６により混合加熱され、絞り出され（ｄｒａｗｎ）て、シートまたは層の形態でＰＰＴＣボディ２１０を形成することができる。
図５は、例示的なプロセスフロー３０２を示す。ブロック３０２では、ポリマー材料および導電性粉末および任意選択的な添加剤が混合される。ポリマー材料は半結晶性ポリマーの粉末であり得、一方、導電性フィラーはグラフェン粒子を含み、任意で、炭素粒子および／または導電性セラミック粒子を更に含み得る。ブロック３０４では、ホットメルトプロセスが実行され、ポリマーおよび導電性フィラーなどの混合成分が、ポリマーを融解させ、かつ、それに応じて導電性フィラー粒子をポリマーマトリックス中により均一に分散させる、温度に加熱される。ブロック３０６では、ＰＰＴＣ材料のシートを形成するためのシート押出が実行され、ポリマーと導電性フィラーとの融解混合物が押出されて、ＰＰＴＣシートまたは層を形成する。ブロック３０８では、導電性金属層（箔）を、押出されたＰＰＴＣシートの上面および下面に塗布して、積層体を形成することができる。ブロック３１０では、当該積層体を単体化して、対向する電極間に挟まれるＰＰＴＣボディを含む個々のコンポーネントを形成することにより、１または複数のＰＰＴＣコンポーネントが形成される。いくつかの例では、単体化されたＰＰＴＣボディは、円形リング、矩形リング、長円形状リング、楕円形状リング、または多角形リングなどのリングの形状を有し得る。ブロック３１２では、単体化されたＰＰＴＣボディが組み立てられて、ヒータなどのデバイスになる。例えば、単体化されたＰＰＴＣボディは、ＰＰＴＣヒータを形成するためにこれらの対向する電極に接続されるリード（ワイヤ）に取り付けられ得る。任意選択で、ヒータは、カメラまたは加熱される他の構造などの別の構造に組み込まれ得る。ブロック３１４では、絶縁被覆を施して、ＰＰＴＣヒータのコンポーネントを封入することができる。例えば、化学溶液槽での電気泳動析出により絶縁被覆を形成して、ＣＶＤによりパリレン被覆を形成するか、または、他の絶縁被覆を形成することができる。
ここで図６Ａおよび図６Ｂを参照すると、本開示の実施形態による、例示的な抵抗ヒータの温度に応じた例示的な抵抗および電力曲線がそれぞれ示されている。例示的なヒータは、ポリマーマトリックスおよびグラフェンフィラーを有するＰＰＴＣ材料から形成される。図６Ａに示すように、抵抗は、２５℃から約１５０℃まで実質的に変化せず、その後、１７０℃を超えると急激に増加する。逆に、消費電力は、１００℃までは３．３ワットから３ワットのままであり、１５０℃で１．８Ｗまで徐々に減少し、１５０℃より上でより急激に減少し、１７５℃では約０．２ワットであり、ポリマーの融点付近の電力を制限する。
図７Ａおよび図７Ｂは、本開示の複数の実施形態に係る、別の例示的な抵抗ヒータに関する温度にそれぞれ応じた例示的な抵抗曲線および電力曲線を示す。例示的なヒータは、グラフェンフィラーに加えて、炭素フィラー、およびポリマーマトリックスを有するＰＰＴＣ材料から形成される。図７Ａに示すように、抵抗は、２５℃から約１５０℃まで実質的に変化せず、次に、１７０℃を超えると急激に増加する。逆に、消費電力は、１００℃までは３．３ワットから約２．６ワットに減少し、その後、１７０℃で０ワット近くに急激に減少する。上記の結果は、炭素をグラフェンベースのＰＰＴＣボディに追加することによりヒータ特性が調整され得る方法を示す。
本開示の他の実施形態では、ＰＰＴＣヒータは、単層または多層の炭素ナノチューブ材料などの炭素ナノチューブ材料から形成されるフィラーを有するＰＰＴＣ材料から形成され得る。
図７Ｃおよび図７Ｄは、本開示の複数の実施形態に係る、別の例示的な抵抗ヒータに関する温度にそれぞれ応じた例示的な抵抗曲線および電力曲線を示す。例示的なヒータは、ポリマーマトリックスおよび炭素ナノチューブフィラーを有するＰＰＴＣ材料から形成される。図７Ｄに示されるように、１５０℃未満では、電力のレベルは、図９に関して下で説明されるような炭素フィラーに基づくＰＴＣヒータより比較的安定する。
図８は、本開示の複数の実施形態に係る、別の例示的な抵抗ヒータに関する温度に応じた例示的な電力曲線を示す。図８Ａは、ＰＰＴＣ素子の電気的挙動を測定するための例示的な試験回路を示す。図８において、２つの電力曲線が示されており、一方は１６Ｖがヒータに印加された場合の曲線、もう一方は１３．５Ｖがヒータに印加された場合の曲線である。電圧がより高い場合は、より高い電力（３．４ワットを２．４ワットと比較）が駆動されることが示されている。但し、どちらの場合も、電力は２０℃から１４０℃の間でほぼ一定に保たれ、その後、１５０℃を超えると急激に減少してから、１７０℃を超えると１ワット未満の電力レベルに達する。１５０℃を超えてからの電力の減少は、ＰＰＴＣヒータのトリップを反映しており、抵抗が急激に増加するため、所与の印加電圧に対する電流および総電力が制限される。故に、図８のＰＰＴＣ材料のヒータ要素は、トリップ温度を超えて制限された電力に減少する前に、広い温度範囲にわたって均一な電力を提供するように機能する。
比較として、図９は、グラフェンフィラーがないＰＰＴＣに基づく基準ヒータに関する温度に応じた電力曲線を示す。図９には、２つの電力曲線も示されており、一方は１６Ｖがヒータに印加された場合の曲線、もう一方は１３．５Ｖがヒータに印加された場合の曲線である。電圧がより高い場合は、より高い電力（２．１ワットを１．５ワットと比較）が駆動されることが示されている。但し、どちらの場合も、電力は２０℃から１４０℃の間で継続的かつ実質的に減少し、１５０℃を超えるとほぼゼロワットの電力に達する。故に、係る抵抗ヒータは、トリップ温度未満など、室温から１５０℃の間の有用な温度範囲にわたって安定した電力出力を示さない。
本開示の様々な実施形態によれば、ＰＰＴＣヒータを、カメラなどにおけるコンポーネントでの使用に適合させることができる。図１０Ａ～図１５Bに関する以下の実施形態において、カメラへのＰＰＴＣ抵抗ヒータの組み込みを含む、ＰＰＴＣ抵抗ヒータの新規構成が示されている。様々な実施形態によれば、ＰＰＴＣ抵抗ヒータは、前述の実施形態で概して説明したように、炭素充填ポリマーなどの既知のＰＰＴＣ材料に基づくものであってもよいし、グラフェン充填ポリマーに基づくものであってもよい。グラフェン充填ポリマーに基づくＰＰＴＣヒータは、広い温度範囲にわたって安定した電流動作が求められる用途に特に適している可能性がある。
図１０Ａは、本開示の複数の実施形態に係る、例示的なＰＰＴＣ抵抗ヒータ３５０の側面図を示す。抵抗ヒータ３５０は、ＰＰＴＣ抵抗ヒータコンポーネント３６０および外部ワイヤ３７０を含む。抵抗ヒータコンポーネントは概して、例えば、図１および図２の実施形態に関して上述したように並べられ得る。抵抗ヒータコンポーネント３６０は、カメラなどの加熱されるコンポーネントの周囲に隣接するように、平面図で見たときにリング形状を有し得る。矢印は、Ｓ撚りワイヤ３７０からＰＰＴＣ抵抗ヒータコンポーネント３６０を介して流れ、Ｚ撚りワイヤ３７０から流出する電流に関する電流経路を示す。図１０Ｂおよび図１０Ｃは、抵抗ヒータコンポーネント３６０の代替的な変形例を平面図で示す。抵抗ヒータコンポーネント３６０は、円形リングボディとして並べられるＰＰＴＣボディ３６２と、電極３６４として示される対向する電極とを含む。図１０Ｂに示すように、例えば、抵抗ヒータコンポーネント３６０Ａが、セグメント３６４Ａおよび３６４Ｂとして示される２つのリングセグメントとしてこれらの対向する電極と共に並べられ、円形リングボディの一部が、示されているように、露出領域３６２Ａおよび露出領域３６２Ｂで露出されている。図１０Ａおよび図１０Ｂの構成は、セグメント３６４Ａおよび３６４Ｂの互いからの相対的な配置と、露出領域３６２Ａおよび露出領域３６２Ｂの形状およびサイズとが互いに異なる。この構成のため、図１０Ａに示すように、抵抗が最も小さい経路を介して流れる電流は、Ｓ撚りワイヤ３７０から電極３６４のうちの下側へと縦方向に流れ、次に、ＰＰＴＣボディの下面に沿って電極３６４に沿って横方向に流れることができる。次に、電極３６４の切れ目によって、電流は、上面へと縦方向に流れ、次に、上面に沿って横方向に、ＰＰＴＣボディの上面から下面へと縦方向に、下側電極に沿って横方向に流れ、Ｚ撚りワイヤ３７０から縦方向に流出することができる。
図１１は、図１０の例示的なＰＰＴＣベースの抵抗ヒータの回路図を提供する。要素Ｒ０およびＲ７は、ワイヤ３７０からの抵抗を示す。要素Ｒ１、Ｒ４、およびＲ６は、箔からの抵抗を示し、要素Ｒ２、Ｒ３、およびＲ５は、ＰＴＣリングボディからの抵抗を示す。示されているように、要素Ｒ３の抵抗は、ＰＴＣリングの左側および右側で発生するＲ２およびＲ５の抵抗より大きくてよい。
図１２は、本開示の複数の実施形態に係る、ＰＰＴＣヒータコンポーネント４００として示される例示的なＰＰＴＣベースの抵抗ヒータコンポーネントを示す。この例では、ＰＰＴＣヒータコンポーネント４００は、側面図（上および下）および平面図（中央）に示すように、扁平リング形状を有する。ＰＰＴＣヒータコンポーネント４００は、概して、図１および図２の実施形態に示すように並べられてよく、対向する電極間にＰＰＴＣボディが挟まれる。この場合は、これらの対向する電極は、上側リング面および下側リング面の大部分を覆うことができる。
図１３は、図１２の例示的なＰＰＴＣベースの抵抗ヒータの回路図を提供する。要素Ｒ０およびＲ７は、ＰＰＴＣヒータ４００に接続される外部ワイヤからの抵抗を示す。要素Ｒ１、Ｒ２、Ｒ５、およびＲ６は、はんだパッドからの抵抗を示し、要素Ｒ３、Ｒ４は、ＰＴＣボディからの抵抗を示す。
図１４は、本開示の複数の実施形態に係る、例示的なＰＰＴＣ抵抗ヒータ４５０の側面図を示す。抵抗ヒータ４５０は、ＰＰＴＣ抵抗ヒータコンポーネント４００および外部ワイヤ４１０を含む。矢印は、Ｓ撚りワイヤ４１０からＰＰＴＣ抵抗ヒータコンポーネント４００を介して流れ、Ｚ撚りワイヤ４１０から流出する電流に関する電流経路を示す。示されているように、電流は、Ｓ撚りワイヤ４１０から、ＰＰＴＣボディの下面から上面へと縦方向に流れ、次に、上側電極に沿って横方向に、ＰＰＴＣボディの上面から下面へと縦方向に、下側電極に沿って横方向に流れ、Ｚ撚りワイヤ４１０から流出することができる。
様々な実施形態において、ＰＰＴＣヒータは、プリント回路ボード（ＰＣＢ）に組み込まれ得る。例えば、抵抗ヒータコンポーネント４００は、ＰＣＢを使用して表面実装ＰＴＣ抵抗ヒータ構成を支持する抵抗ヒータに組み込まれることができる。
言及されているように、本実施形態に係るＰＰＴＣ抵抗ヒータは、カメラに組み込まれ得る。図１５Ａは、カメラレンズアセンブリに組み込まれるリングとして並べられる、ＰＰＴＣ抵抗ヒータコンポーネント４００Ａを含む新規カメラ４５０を示す。ＰＰＴＣ抵抗ヒータコンポーネント４００Ａは、抵抗加熱法でカメラレンズを加熱するように、カメラレンズ４３０と熱接触していてよい。リング形状のため、カメラレンズ４３０の外周は直接加熱され得る。このように、カメラレンズを所定の量まで加熱して、例えば、湿気または沈殿物を追い払うことができる。
図１５Ａの特定の実施形態では、ヒータコンポーネント４００Ａは、上記のヒータコンポーネント４００について示されるような電流を伝導することができる。ヒータコンポーネント４００Ａは、ＰＴＣボディ４１２、金属箔層４１４、導電性金属部分４１８、および絶縁層４１６を含む。ヒータコンポーネント４００Ａは、接触金属４１９を介してワイヤ４１０に接合され得る。図１５Ｂには、ヒータコンポーネント４００Ａの平面図が示されており、図１５Ａの上部は、図１５Ｂに示す半円形経路に沿った断面Ａ－Ａに対応する。故に、ヒータコンポーネント４００Ａは、表面実装技術に従って並べられ得る。特に、ヒータコンポーネント４００Ａは、ＰＣＢリング４２０上で支持されてよく、ヒータコンポーネント４００ＡおよびＰＣＢリング４２０は、図１５Ｂに示すようにリング形状を有する。ヒータコンポーネント４００Ａは、概して図１４に示すような電流経路を生成するために、示されているような２つのセグメントに分割され得る。とりわけ、ワイヤ４１０間の電流は、２つの半円形の平行な経路を移動することができる。様々な非限定的な実施形態において、ヒータコンポーネント４００Ａの総厚は約２ｍｍであってよく、ＰＣＢリング４２０の厚みは１ｍｍ未満である。ＰＣＢリング４２０に適した材料の非限定的な例には、ＦＲ４、銅インレイＰＣＢ、または、Ａｌ２Ｏ３またはＡｌＮなどのセラミックＰＣＢが含まれる。
本実施形態に係るＰＰＴＣ抵抗ヒータが、加熱されるカメラまたは他のデバイスに組み込まれる場合は、以下の利点が実現され得る。１）自己バランス配電設計、２）薄いがカメラハウジングから完全に絶縁されたコンポーネント、３）非常に狭いエリアに適合できる特別な形状のヒータ、４）ポリマーマトリックスに追加される任意選択的な炭素粒子、およびグラフェン粒子の体積分率（グラフェンベースのＰＰＴＣ材料の場合）などのフィラーレシピを調節することにより抵抗ヒータの電力対温度性能が調整され得るコンポーネント、５）広い温度範囲にわたって、例えば、最高動作温度まで電力発生対温度動作が安定している抵抗ヒータ（グラフェンベースのＰＰＴＣ材料の場合）、６）より寒い環境でのより高い電力発生、７）より温かい環境でのより低い電力発生、８）電力が自己制限された抵抗ヒータ。
本実施形態は特定の実施形態を参照して開示されているが、添付した特許請求の範囲で定義されるように、本開示の領域および範囲から逸脱することなく、記載されている実施形態に対する数々の修正、改変、および変更を行うことが可能である。従って、本実施形態は、記載されている実施形態に限定されるべきではなく、以下の特許請求の範囲の文言およびその同等物により定義される全範囲を有し得る。

Claims (9)

  1. 抵抗ヒータであって、
    ヒータボディを画定するリング形状に配置されるポリマー正温度係数（ＰＰＴＣ）材料と、
    ２以上の場所で前記ヒータボディと接触するように配置される２以上の電極を含む電極アセンブリと、を備え、
    前記ＰＰＴＣ材料は、
    ポリマーマトリックスであって、ＰＰＴＣボディを画定するポリマーマトリックスと、
    前記ポリマーマトリックスに配置されるグラフェンフィラー成分であって、前記ヒータボディの平面に沿って整列された複数のグラフェンシートを含むグラフェンフィラー成分とを含み、
    前記２以上の電極は、上側電極及び下側電極を含み、前記上側電極及び前記下側電極はそれぞれ２つのセグメントを含み、前記上側電極の第１のセグメント対は第１のギャップ及び第２のギャップによって互いに分離され、前記下側電極の第２のセグメント対は第３のギャップ及び第４のギャップによって互いに分離される、抵抗ヒータ。
  2. 前記リング形状は、円形リング、矩形リング、楕円形リング、長円形リング、または多角形リングを含む、請求項１に記載の抵抗ヒータ。
  3. 前記ポリマーマトリックス内に複数の炭素粒子として配置される炭素フィラー成分を更に備える、請求項１または２に記載の抵抗ヒータ。
  4. 前記ポリマーマトリックスの体積百分率は５０～９９％である、請求項１から３のいずれか一項に記載の抵抗ヒータ。
  5. 前記グラフェンフィラー成分の体積百分率は、１％～５０％である、請求項１から４のいずれか一項に記載の抵抗ヒータ。
  6. 前記電極アセンブリに電気的に接続される第１リードおよび第２リードであって、前記ヒータボディの前記平面に垂直方向に延在する第１リードおよび第２リードを更に備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の抵抗ヒータ。
  7. 抵抗ヒータを製造する方法であって、
    ポリマー粉末を提供する段階と、
    グラフェンシート成分および／または炭素ナノチューブ成分を前記ポリマー粉末と混合してＰＰＴＣ材料を形成する段階と、
    前記ＰＰＴＣ材料を加熱してホットメルトを形成する段階であって、前記グラフェンシート成分は、前記ポリマー粉末から形成されたポリマーマトリックスにおいて均一に分散される、段階と、
    前記ホットメルトを押出してＰＰＴＣシートを形成する段階と、
    上の箔と下の箔との間に前記ＰＰＴＣシートを積層してＰＰＴＣボディを形成する段階と、
    前記ＰＰＴＣボディを単体化してＰＰＴＣ抵抗ヒータコンポーネントを形成する段階とを備え、
    前記単体化の後、前記上の箔は上側電極を形成し、前記下の箔は下側電極を形成し、前記上側電極及び前記下側電極はそれぞれ２つのセグメントを含み、前記上側電極の第１のセグメント対は第１のギャップ及び第２のギャップによって互いに分離され、前記下側電極の第２のセグメント対は第３のギャップ及び第４のギャップによって互いに分離される、方法。
  8. 前記ポリマーマトリックス内に複数の炭素粒子として配置される炭素フィラー成分を混合する段階を更に備える、請求項７に記載の方法。
  9. 前記ポリマーマトリックスの体積百分率は、５０～９９％であり、グラフェンフィラー成分の体積百分率は、１％～５０％である、請求項７または８に記載の方法。
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