JPH0529069A

JPH0529069A - 板状ヒーターおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH0529069A
Application number: JP3178159A
Authority: JP
Inventors: Keishin Ohara; 佳信尾原
Original assignee: Sekisui Plastics Co Ltd
Current assignee: Sekisui Kasei Co Ltd
Priority date: 1991-07-18
Filing date: 1991-07-18
Publication date: 1993-02-05

Abstract

(57)【要約】【構成】伝熱板としてのアルミナ板２の片面に電極２
ａを形成する。２枚のアルミナ板２・２を、それらの電
極２ａ面をＰＴＣセラミックス１の両面にそれぞれ接着
させて挟むように設ける。各アルミナ板２におけるＰＴ
Ｃセラミックス１と当接しない電極２ｂ部分を介して電
気をＰＴＣセラミックス１に供給する。【効果】従来は発熱体と外部との電気的接続の際に発
熱体に半田付け等の凸部を生じるため、発熱体を挟む伝
熱板にその凸部に応じた凹部を設ける必要があったが、
上記構成では、アルミナ板２に凹部を設ける必要がな
く、アルミナ板２とＰＴＣセラミックス１との当接面積
を増加できるから、ＰＴＣセラミックス１からアルミナ
板２を介して外部に伝達される熱伝導効率を向上でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、 150℃付近以
下の低温で加熱する必要のある定温ヒーターとして多く
の応用分野で利用できるＰＴＣ（Positive Temperature
Coefficient）特性を有するチタン酸バリウム磁器半導
体の板状ヒーターおよびその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ヒーターとしては、マイカ
等の絶縁板の中にニクロム線を挟み込む、高密度アル
ミナの板の表面に発熱体金属を印刷する、耐熱性高分
子フィルムの表面にカーボン等の発熱塗料を塗布する等
が挙げられる。

【０００３】しかし、上記の各ヒーターでは、１）発熱
温度を一定にするために制御回路が必要、２）過熱防止
のための回路が必要、３）発熱部分の印刷パターン等の
設計が複雑という問題を生じていた。

【０００４】そこで、上記の問題を回避するものとし
て、自己温度制御機能を備える正特性サーミスタである
チタン酸バリウム系磁器半導体からなる発熱体を用いた
ヒーターが考えられ、そのようなヒーターでは、発熱体
の両面に電極が設けられ、それらの電極が半田付け等に
より外部の電源と接続され、さらに、それら電極を外部
と絶縁すると共に発熱体からの熱を外部に伝達するため
に、電気絶縁性、耐熱性、機械的強度および熱伝導性に
優れたセラミックスのケースが上記発熱体を被うように
設けられている。

【０００５】そして、上記ヒーターでは、発熱体の電極
に直接半田付けされているため、その表面に凸部がで
き、また、ケースと発熱体との間に空間ができると、接
着性や熱伝導性が低下することから、そのような凸部に
合わせてケースに凹部を設けてケースと発熱体とを密着
させることが考えられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記ヒータ
ーでは、ケースに凹部が形成されるので、ケースと発熱
体との当接面積が減少して、発熱体からケースを介して
外部への熱の伝達効率が低下するという問題を生じてい
る。

【０００７】また、上記ヒーターの製造方法では、ケー
スがセラミックスの成形品からなるので、セラミックス
が加工性に乏しく、その形状に凹凸を設ける加工に手間
取るという問題を生じている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の板状ヒー
ターは、上記課題を解決するために、電気絶縁性を備え
るアルミナ等の伝熱板が、チタン酸バリウム系磁器半導
体等の正特性サーミスタからなる盤状の発熱体の両面に
当接するように設けられている板状ヒーターにおいて、
上記伝熱板の一面に電極面が設けられ、上記電極面を、
その一部電極面を残して上記発熱体と接合するように上
記伝熱板が設けられていることを特徴としている。

【０００９】請求項２記載の板状ヒーターの製造方法
は、上記課題を解決するために、電気絶縁性を備えるア
ルミナ等の伝熱板を、チタン酸バリウム系磁器半導体等
の正特性サーミスタからなる盤状の発熱体の両面に当接
させてなる板状ヒーターの製造方法において、上記伝熱
板の一面に電極面を形成した後、上記電極面における一
部電極面を残して上記電極面を上記発熱体と接合し、上
記発熱体に電気を供給するリード線を上記一部電極面に
接続してなることを特徴としている。

【００１０】

【作用】請求項１記載の構成によれば、上記熱伝導板は
上記発熱体と当接しない電極部分である前記一部電極面
を有するので、その一部電極面部分を介して外部と上記
発熱体との電気的な接続が可能となる。

【００１１】これにより、従来は、発熱体と外部との電
気的接続の際に発熱体の面上に半田付け等の凸部を生じ
るため、発熱体を被う伝熱板に上記凸部に応じた凹部を
設ける必要があったが、上記構成では、伝熱板に凹部を
設ける必要がなく、伝熱板と発熱体との当接面積を増加
させることができる。

【００１２】請求項２記載の方法によれば、上記伝熱板
は上記発熱体と当接しない電極部分である前記一部電極
面を有し、発熱体に電気を供給するリード線を上記一部
電極面に接続しているので、その一部電極面部分を介し
て外部と上記発熱体とが電気的に接続された板状ヒータ
ーを得ることができる。

【００１３】したがって、従来は、発熱体と外部との電
気的接続の際に発熱体の面上に半田付け等の凸部を生
じ、熱伝導性を向上させるために、発熱体に当接する伝
熱板に上記凸部に応じた凹部を形成加工する必要があっ
たが、上記方法では、伝熱板に凹部を形成する必要がな
いことから、アルミナ等の成形品である脆い伝熱板に、
従来のように凹部を形成するという手間取る加工を省く
ことができる。

【００１４】

【実施例】本発明の一実施例について図１ないし図４に
基づいて説明すれば、以下の通りである。まず、正特性
サーミスタの原材料となるチタン酸バリウム系半導体粉
末の調製について説明すると、無水炭酸バリウム( BaCO
₃、堺化学社製BW-KL ) 680.72ｇ、高純度二酸化チタン
( TiO₂、東邦チタニウム社製 )290.12ｇ、無水炭酸スト
ロンチウム( SrCO₃、本荘ケミカル社製 ) 26.80ｇ、炭
酸マンガン( MnCO₃、和光純薬社製、99.9％試薬) 0.20
87ｇ、二酸化ケイ素( SiO₂、レアメタリック社製、99.9
％試薬 )1.0908ｇ、三酸化アンチモン(Sb₂O₃、レアメタ
リック社製、99.9％試薬）1.0584ｇを５リットル容量の
ボールミルに入れ、これに水 3.5リットルと直径25mmの
ナイロンコーティングされた鉄球40個とを加え、24時
間、粉砕混合した。

【００１５】その混合物を 130℃にて乾燥し、その乾燥
混合物をアルミナルツボに入れて1150℃にい２時間、仮
焼をした後、その仮焼物を粉砕して仮焼物粉末を得た。
続いて、上記のようにして得られた仮焼物粉末 500ｇ
に、15％(w/w) ポリビニル樹脂水溶液（脱イオン水で溶
解）を１％(w/w) となるように加えて混練した後、 120
℃で乾燥し、粉砕してチタン酸バリウム系半導体粉末を
得た。

【００１６】次に、上記粉末を用いて円盤状の焼結体の
製造について説明すると、まず、上記チタン酸バリウム
系半導体粉末を直径18.1mmの成形金型に入れ、１トン/c
m²の加圧下で成形し、その成形物を電気炉に入れて、13
50℃で２時間焼成して、直径15mm、厚さ２mmの円盤状の
正温度特性、すなわちＰＣＴ（Positive TemperatureCo
efficient）特性を有する正特性サーミスタであるセラ
ミックスを得た。

【００１７】そのセラミックスの表面を走査型電子顕微
鏡で観察したところ、緻密なチタン酸バリウム系粒子で
構成された焼結体となっていた。その後、そのセラミッ
クスの両面にオーミック性の銀電極( デグサ社製 )を塗
布し、 580℃において５分間、焼付けて電極を形成し、
さらに、その電極上にカバー電極( デグサ社製 )を塗布
し、560 ℃において５分間焼付けを行って、図１に示す
ように、発熱体電極１ａを備えるＰＴＣセラミックス
（発熱体）１を得た。なお、ＰＴＣセラミックス１の形
状や大きさは、上記の形状および大きさに限定されるも
のではなく、上記の円盤状以外に角盤状に成形してもよ
い。

【００１８】このようなＰＴＣセラミックス１は、正温
度係数（Positive Temperature Coefficient）を有する
素材、例えばチタン酸バリウムを主原料としたセラミッ
クス半導体から成り、室温からキュリー温度Ｔc （抵抗
急変温度）までは低抵抗であるが、キュリー温度Ｔc を
越えると急峻に抵抗値が増大する特性を有する感熱素子
としての正特性サーミスタである。

【００１９】この特性によりＰＴＣセラミックス１に電
圧を印加すると、最初は、低抵抗なため、初期消費電力
が大きく急激に温度が上昇し、温度がキュリー温度を越
えると抵抗値が急峻に増大することにより、消費電力が
大幅に低下する。これにより、ＰＴＣセラミックス１
は、一定温度以上にはその温度が上がらず、安定な温度
を保つこととなって、自己温度制御機能を備える。な
お、このＰＴＣセラミックス１は材料組成によりキュリ
ー温度Ｔc が、およそ30〜250 ℃の範囲で任意に設定で
き、ＰＴＣセラミックス１の使用される条件に応じてキ
ュリー温度Ｔc が設定される。

【００２０】次に、上記ＰＴＣセラミックス１を用いた
板状ヒーターの製造について説明すると、まず、高い電
気絶縁性〔絶縁抵抗が10¹²（Ω・cm）以上のもの〕を備
える伝熱板、例えば高密度のアルミナ板（伝熱板）２
を、前記発熱体電極１ａより大きな面積面を備える所定
の形状、例えば厚み１mm、20mm角に成形した後、そのア
ルミナ板２の片面に、カバー銀電極材料等のペースト状
電極材を塗布した。

【００２１】その後、上記ペースト状電極材が乾燥する
前に、２枚の上記アルミナ板２・２を上記電極材を介し
て前記ＰＴＣセラミックス１の各発熱体電極１ａにそれ
ぞれ当接しながら乾燥させ、続いて、加熱して、上記電
極材を上記アルミナ板２に焼き付けてアルミナ板電極
（電極面）２ａを形成し、かつ、発熱体電極１ａとアル
ミナ板電極２ａとを接着した。このとき、２枚のアルミ
ナ板２・２は対向するように配置され、また、ＰＴＣセ
ラミックス１は各アルミナ板２・２のほぼ中央部に設置
される。

【００２２】その次、２枚のアルミナ板２・２における
上記各発熱体電極１ａ・１ａと接着されていない各アル
ミナ板電極２ａ・２ａ部分である外部用電極面（一部電
極面）２ｂ・２ｂに、上記ＰＴＣセラミックス１に電気
を供給するリード線３をそれぞれハンダ４により接続し
た。

【００２３】この後、各外部用電極面２ｂ…を外部と電
気的に絶縁するために、リード線３付のＰＴＣセラミッ
クス１およびアルミナ板２を金型に填めて、フェノール
樹脂等の液状の高分子絶縁材５をその金型に流し込んで
上記各外部用電極面２ｂ・２ｂ間に充填した。

【００２４】続いて、所定時間加熱して、例えば 120℃
で30分間加熱し、硬化させた後、その金型から取り出し
て、図２に示すように、ＰＴＣセラミックスを内蔵した
板状ヒーターを得た。この板状ヒーターの上下面は、熱
伝導率の高い電気絶縁体であるアルミナ板２からなり、
周面は熱伝導率の低く熱を逃がさない電気絶縁体である
高分子絶縁材５からなっている。

【００２５】このようなヒーターを測定用の試料ホール
ダーに取り付けて、直流電圧を印加し、印加後の経時的
に変化する表面温度をデジタル温度計を用いて測定し
た。なお、直流電圧として、10Ｖと 100Ｖとをそれぞれ
用いて測定した。その結果を図３に示した。上記ヒータ
ーの室温、約25℃での抵抗値は５Ωであった。図から分
かるように、直流電圧10Ｖでは60秒程度で表面温度が約
70℃の定常状態に、また、 100Ｖでは70秒程度で表面温
度が 108℃の定常状態となっており、迅速に加温され、
定常状態となった後は一定の温度を保つことが分かっ
た。

【００２６】ところで、従来は、発熱体と外部との電気
的接続の際に発熱体の面上に半田付け等の凸部を生じる
ため、発熱体を挟む伝熱板に上記凸部に応じた凹部を設
ける必要があったが、上記実施例の構成では、アルミナ
板２に凹部を設ける必要がなく、アルミナ板２とＰＴＣ
セラミックス１との当接面積を増加させることができ、
熱の伝達効率を向上させることが可能となる。

【００２７】また、ＰＴＣセラミックス１が自己温度制
御機能を備えているため、サーモスタットのような温度
制御器が不要となり、機械的温度制御機構が無いことか
ら温度制御の信頼性が向上すると共に小型軽量にでき
る。さらに、熱伝導率の高いアルミナ板２・２間にＰＴ
Ｃセラミックス１を挟み込み、かつ、アルミナ板２・２
間の外部電極面２ｂ間であるＰＴＣセラミックス１の周
囲に断熱材としての高分子絶縁材５を充填しているの
で、ＰＴＣセラミックス１からの熱を無駄なくアルミナ
板２に伝達できることから、板状ヒーターの省電力化が
図れる。

【００２８】一方、従来における板状ヒーターの製造方
法は、発熱体と外部との電気的接続の際に発熱体の面上
に半田付け等の凸部を生じ、熱伝導性を向上させるため
に、発熱体を挟むセラミックス等の伝熱板に上記凸部に
応じた凹部を形成加工する必要があったが、上記実施例
の方法では、アルミナ板２に凹部を形成する必要がない
ことから、脆いアルミナ板２に、従来のように凹部を形
成するという手間取る加工を省くことができる。

【００２９】よって、上記のように熱の伝達効率が良
く、小型軽量などといった優れた特性を有する板状ヒー
ターをより容易に迅速に安定に得られる。

【００３０】このような板状ヒーターは、温度検知でき
るセンサーや、低温発熱する発熱体として工業用材料や
高機能材料として利用できる。また、上記のような板状
ヒーターを加熱対象物７に固定する方法として、図４に
示すように、金属性のケース６にヒーターを入れ、金属
性の蓋６ａを、ケース６および蓋６ａに穿設されている
固定孔６ｂを通してネジ６ｃによりヒーターのアルミナ
板２を挟むようにして固定し、さらに、そのネジ６ｃを
ケース６の下部より突き出させて、ケース６を加熱対象
物７に螺着してもよい。このとき、リード線３はケース
側壁６ｄに設けられた引き出し孔（図示せず）を通して
外部に引き出されている。このようにケース６を用いる
ことで、ヒーターの機械的な強度を高めることが可能と
なる。

【００３１】なお、上記実施例では、伝熱板としてアル
ミナ板２を用いた例を挙げたが、電気絶縁性に優れ、熱
伝導率の高い他のセラミックス、例えば、ベリリア、炭
化ケン素ヒタセラム、窒化アルミニウムを用いてもよ
い。

【００３２】

【発明の効果】請求項１記載の板状ヒーターは、以上の
ように、発熱体に伝熱板が当接している板状ヒーターに
おいて、上記伝熱板の当接面に電極が設けられ、その電
極における前記発熱体と当接しない部分を介して電気が
上記発熱体に供給される構成である。

【００３３】それゆえ、従来は、発熱体と外部との電気
的接続の際に発熱体に半田付け等の凸部を生じるため、
発熱体と当接する伝熱板にその凸部に応じた凹部を設け
る必要があったが、上記構成では、伝熱板に凹部を設け
る必要がなく、伝熱板と発熱体との当接面積を増加させ
ることができる。

【００３４】この結果、発熱体から伝熱板を介して外部
に放出される熱の伝達効率を向上させることができると
いう効果を奏する。

【００３５】請求項２記載の板状ヒーターの製造方法
は、以上のように、正特性サーミスタからなる発熱体の
両面に伝熱板を当接させてなる板状ヒーターの製造方法
において、上記伝熱板の当接面に電極を形成し、上記発
熱体に電気を供給するリード線を上記電極における前記
発熱体と当接しない部分に接続してなる方法である。

【００３６】したがって、従来は、発熱体と外部との電
気的接続の際に発熱体の端面上に凸部を生じるため、発
熱体を挟む伝熱板に上記凸部に応じた凹部を形成加工す
る必要があったが、上記方法では、伝熱板に凹部を設け
る必要がなく、通常伝熱板が脆いため、そのような凹部
を形成する際に欠け易い等の困難さを伴う加工を省くこ
とができる。

【００３７】この結果、上記方法では、凹部を形成する
必要がないため、伝熱板と発熱体の当接面積が増加する
ことによる熱伝達効率の高いという優れた特性を有する
板状ヒーターをより容易に安定に得られるという効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の板状ヒーターの断面図である。

【図２】上記板状ヒーターの斜視図である。

【図３】２種の印加電圧における上記板状ヒーターの表
面温度の経時変化を示すグラフである。

【図４】上記板状ヒーターの使用例を示す説明図であ
る。

【符号の説明】１ＰＴＣセラミックス（発熱体）２アルミナ板（伝熱板）２ａアルミナ板電極（電極面）２ｂ外部用電極面（一部電極面）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気絶縁性を備える伝熱板が、正特性サー
ミスタからなる盤状の発熱体の両面に当接するように設
けられている板状ヒーターにおいて、上記伝熱板の一面に電極面が設けられ、上記電極面をそ
の一部電極面を残して上記発熱体と接合するように上記
伝熱板が設けられていることを特徴とする板状ヒータ
ー。
【請求項２】電気絶縁性を備える伝熱板を、正特性サー
ミスタからなる盤状の発熱体の両面に当接させてなる板
状ヒーターの製造方法において、上記伝熱板の一面に電極面を形成した後、上記電極面に
おける一部電極面を残して上記電極面を上記発熱体と接
合し、上記発熱体に電気を供給するリード線を上記一部
電極面に接続してなることを特徴とする板状ヒーターの
製造方法。