JPS61193392A - 電熱器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １４分見 本発明は、電流を流すことによって発熱する発熱体を有
する電熱器に関するものであって、更に・詳細には、発
熱体へ電流を供給する配線を介して発熱体から熱が散逸
されることを防止し熱応答時性を改善した電熱器に関す
るものである。特に、本発明の電熱器は、低消費電力マ
イクロガスセンサやその他の種々のセ、ンサにおいて使
用するのに適しており、その他半田ロチや感熱プリンタ
ヘッド等の種々の加熱装置へ適用することも可能である
。

従】ｌ（１ 第１ａ図及び第１ｂ図は、従来の典型的な厚膜セラミッ
クヒータの１例を示している。図示したヒータは耐熱性
材料からなる基板１の上に発熱部２が蛇行形状に形成さ
れている。発熱部２は基板１の両端部に形成しである電
極３ａ、Ｓｂ間に延在しており、実質上発熱部２と電極
３ａ、３ｂとは一体的に形成されている。電極３上には
接合強度を上げる為のバッファ層４ａ、４ｂを介して配
線５ａ、５ｂがボンディング接続されている。この配線
の直径は通常０．２乃至１　、　Ｏｙｅｍである。

第１ａ図及び第１ｂ図に示したヒータにおいては、一対
の配線５ａ、５ｂを介して発熱部２へ電流を通電させる
ことにより発熱部２がジュール発熱するものであるが、
発熱部２から発生された熱が周囲へ散逸していく状態を
第３図に模式的に示しである。第３図に示した如く、発
熱部２から発生される熱は主に３つの態様で周囲へ散逸
される。

即ち、発熱部２と接触している基板１へ熱伝導により散
逸する経路Ｘと、これも発熱部２と接触している電極を
介して配線５ａ、５ｂへ熱伝導により散逸する経路Ｙと
、発熱部２から大気中へ放熱する経路Ｚとがある。この
場合の各経路の熱の散逸量は材料の種類や形状に依存す
るものであるが、一般的にはＸ≧Ｙ＞Ｚである。

第１ａ図及び第１ｂ図に示したヒータの場合、経路Ｘを
介しての熱の散逸がかなり大きいので、発熱部２が所定
の平衡温度に到達するためには多大の加熱電力と時間と
を必要とする。そこで、ヒータの加熱電力を小さくする
為に、ヒータの熱容量を小さくし、例えば体積を小さく
すると、基板１の熱容量が相対的に大きくなる為に、平
衡温度に到達することが出来ずにヒータだけが局部的に
集中的に加熱さ九て焼切することとなる。

そこで、加熱電力を小さくすると共に平衡温度への到達
時間を短縮化する目的で、第２ａ図及び第２ｂ図に示し
た如き架橋構造としたマイクロヒータが提案されている
。即ち、この場合のヒータにおいては、基板１の上表面
内に凹所１ａを穿設し、その両側に設けた一対の電極３
ａ、３ｂ間を架橋してブリッジ形状に発熱部２を設けた
ものである。この場合の配線５ａ、５ｂの直径は典型的
に１００乃至２００ミクロン程度である。この様な架橋
構造とすることによって、第３図に示した熱の散逸経路
又は実質的に取り除かれ、経路Ｘの散逸量は経路Ｚのも
のと同等程度に減少されている。然し乍ら、この場合、
発熱部２の寸法（熱容量）に比べて電極・配線３，５の
寸法（熱容量）ははるかに大きくならざるを得ないので
、ヒータの温度状態は経路Ｙによって大きく影響を受け
る。而も、電極３や配線５の材料は電気抵抗が低く熱伝
導率の大きいものを使用するので、経路Ｙを介しての散
逸は益々大きくなっている。

又、第１ａ図及び第１ｂ図に示したヒータは容量が大き
く且つ基板１も加熱せねばならない為に、発熱部２へ多
大の電力を供給する必要がある。その為に、配線５は大
きな電力を伝達することが可能である為にその直径は大
きなものでなければならない。この様に太径の配線５を
電極３へ接続する為に経路Ｙを介しての熱の散逸効果が
増大している。

以上の如く、従来技術における欠点を纏めると以下の如
くなる。

（ａ）電力消費が必要以上に大きい。

（ｂ）ヒータの温度が電極・配線の温度（周囲温度）に
影響され易い。

（Ｃ）ヒータの温度分布が不均一であり、均一な温度分
布を必要とするものには適さない。

（ｄ）余分な部分に熱を取られる為に過剰な電力投入を
して許容電流密度を越え、エレクトロマイグレーション
が発生したり、温度分布不均一も加わり局所的発熱によ
る劣化等の寿命の短縮。

（ｅ）ヒータの熱容量を減少させること（マイクロヒー
タ）が困難。

（ｆ）熱平衡に到達する迄の時間が長く電力の浪費・ ｌ−煎 本発明は、以上の点に鑑みなされたものであ゛って、上
述した如き従来技術の欠点を解消し、熱の散逸を極力防
止する′と共に熱応答特性を改善した電熱器を提供する
ことを目的とする。　　　　・構成 本発明は、平衡温度への到達時間を短縮化し且つ消費電
力を低減化することの可能な電熱器を提供するものであ
る。特に、本発明は、低消費電力化したマイクロガスセ
ンサのマイクロヒータ番こ適用するのに適しているが、
それに限定されることなく、各種センサ、例えば温度セ
ンサ、ガスセンサ、湿度センサ、赤外線センサ、真空計
、超音波センサ等の温度制御を必要とするもの、更に、
半田コテ用ヒータや感熱プリンタ用ヘッド等の各種加熱
装置のヒータ等にも適用可能なものである。

本発明は、電流を流すことによって発熱する発熱部を持
った電熱器の改良に関するものであるが、電熱器に限ら
ず発熱部とそこへ電流を供給する配線とをもった装置一
般に関するものであって、その装置がどのように呼称さ
れるかを問うものではない。即ち１本発明においては、
電流が流れることにより発熱する発熱体と、前記発熱体
へ電流を供給する為の配線とを有する電熱器において、
前記発熱体と前記配線との間に熱流抑制部を設け前記発
熱体において発生された熱が前記配線を介して流出する
ことを抑制したことを特徴とするものである。この場合
に、熱流抑制部が発熱体よりも熱伝導率の小さい導電性
材料で構成することが望ましい。

以下、添付の図面を参考に、本発明の具体的実施の態様
に付いて詳細に説明する。

第４図乃至第７図は、本発明をガスセンサ等に使用する
のに好適なマイクロヒータに適用した場合の幾つかの実
施例を示している。何れの場合も発熱部を架橋構造に構
成した場合を示している。

第４ａ図及び第４ｂ図に示したマイクロヒータにおいて
は、大略矩形形状をした基板１の上表面中央に凹所１ａ
が刻設されている。この基板１の材料としては、例えば
、金属材料、合成樹脂、シリコン等がある。基板１の上
には絶縁層７が形成されており、凹所１ａ上をブリッジ
状に延在して後述する発熱部２を支持する架橋構造を与
えている。この絶縁層７は、例えばＳｉＯ□、　Ｓｉ３
Ｎ４．　Ａｌ２Ｏ３等から形成することが可能である。

絶縁層７の上で凹所１ａの両側には電極３ａ、３ｂが形
成されており、且つこれら電極３ａ、３ｂ間に延在し絶
縁層７のブリッジ部分に支持されて発熱部２が形成され
ている。尚、本実施例においては、電極３ａ、３ｂと発
熱部２とは同一材料から一体的に形成されている。これ
ら電極３ａ、３ｂと発熱部２とは、例えばＰｔ、　Ｐｔ
Ｉｒ、　ＰｔＲｈ、　Ｍｏ、　Ｗ等から構成することが
望ましい。

電極３ａ、３ｂ上には、本発明に従い、熱流抑制部とし
てのバッファ層６ａ、６ｂが形成されており、これらの
バッファ層６ａ、６ｂに夫々電力供給用の配線５ａ、５
ｂがボンディング接続されている。これらのバッファ層
６ａ、６ｂは、電流を流すことによって発熱部２で発生
される熱が配線５ａ、５ｂを介して散逸されることを防
止するものである。然し乍ら、配線５ａ、５ｂを介して
発熱部２へ供給される電流はこれらのバッファ層６ａ、
、６ｂを介して供給されるものであるから、これらのバ
ッファ層６ａ、６ｂは電流の通過を阻止したり抑制した
りすることがないものであることが必要である。従って
１．バッファ層６ａ、６ｂは導電性が高い材料であるこ
とが望ましく、又発熱部２よりも熱伝導性が低い材料で
あることが必要である。バッファ層６は、例えばＩＴＯ
，１ｌｌｉｃｒ。

ステンレス等を使用して構成することが可能である。一
方、配線５は、Ａｌ、　Ａｕ、　Ｎｉ等から通常構成さ
れている。

以上の如く、発熱部２は架橋構造として空中へ張り出し
た構成としてあり、且つ発熱部２は発熱部２よりも熱伝
導率の低いバッファ層６を介して電流供給用の配線５に
接続されているので、発熱部２で発生された熱は周囲へ
散逸することが極力防止されており、従って発熱部２は
迅速に所望の平衡温度へ到達することが可能であり、そ
の為消費電力は低減化される。又、バッファ層６は導電
性が高いので電流の供給上付等問題を発生することはな
い。

第５ａ図及び第４ｂ、図は架橋構造とした場合の変形例
を示している。本例においては、バ、ツフ、ア層６を電
極として構成している。即ち、第４図の実施例の電極３
をバッファ層６で置換した。構成である。本例では、発
、熱部２はブリッジ部分のみで。

あ、す、発熱部２で発生ルた熱は電極を兼用するバッフ
ァ層６へ伝達す、る、午とが阻止される。バッファ層６
をＩＴＯから構成、シ、た場合には、配線５との接合強
度を上げる。為に欅４、金層８を介在させることが望ま
しく、接合層８は、例えばＮｉ、　ＮｉＣｒ、　Ｃｒ。

Ｔｉ、ステンレス等、を使用して形成する。

第６ａ図及び第６ｂ図は、架橋構造とした場合１の更に
別の変形例ケ示している。本例は、第５図の実施例と殆
ど同じで１あるが、発熱部２は絶縁層７の支持用ブリッ
ジ部分よりも短く構成されており、一方電極を構成し正
、いるバッファ層６の一部がブリッジ上に部分的に延在
している。従って、発熱部２とバッファ層６との境界は
凹所１ａ上方のブリッジ上に位置している。この様な構
成とすることによって、発熱部２で発生した熱が散逸す
ることを防止することが一層効果的となる。

第７ａ図及び第７ｂ図は、架橋構造とした場合の更に別
の変形例を示してい颯。本例は、発熱部゛　　２とバッ
ファ層６との接続部がブリッジ上に位置している点は前
の実施例と同じであるが、バッファ層６に接続し且つ並
設して電極３が設けられており、電極３は配線５とボン
ディング接続している点が異なっている。尚、電極３は
発熱部２と同一材料から同時に形成することが可能であ
る。本例においては、発熱部２と電極３とを同一平面上
に互いに離隔して同時に形成し、次いで発熱部２と電極
３との間にバッファ層６を夫々に接続して形成すること
が可能であり、製造工程が簡素化されると共に量産性が
向上し、コストダウン及び信頼性の向上が得られる。

上述した実施例におけるバッファ層６は、種々の方法で
製造可能であるが、特に第７図に示した実施例において
は、成形部品もしくはセラミックに焼き付けた焼結材料
によって形成することが望ましく、一方その他の実施例
においては、公知の成膜技術を用いて製造することが望
ましい。バッファ層６を構成する断熱材料は、例えば、
ペースト状にして厚膜スクリーン印刷にてパターン化し
焼結するか、或いはスリットマスクにより真空蒸着膜の
パターン化、真空蒸着等で薄膜作成し、ホトリソグラフ
ィーによりパターン化を行なう。尚。

接合層８も同様にして製造することが可能である。

又、架橋構造とした場合、具体的な寸法の１例を示すと
、例えば、ブリッジの長さは約４００ミクロンで幅は約
４０ミクロンであり、シリコン基板上に形成する二酸化
シリコンからなる絶縁層７の厚さは約１ミクロンで、そ
の上に積層形成するｐｔからなる発熱部２及び電極３の
厚さは約１ミクロンで、電極３上に形成する丁ＴＯか゛
らなるバッファ層６の厚さは約５ミクロンで、そのバッ
ファ層６の上にＮｉＣｒから形成され直径約３５ミクロ
ンのＡ１の配線５がボンディング接続される接合層８の
厚さは約１ミクロンである。

第８図は、マイクロヒータにおける平衡温度到達時間の
測定例を示しており、横軸は到達時間をミリ秒で表して
おり且つ縦軸は発熱部２の中央における温度を表してい
る。第８図のグラフ中、点線Ａで示した特性がバッファ
層６を設ける前の従来装置の場合であり１８ｍＷ電力を
印加した場合であって、一方丈線Ｂで示した特性は□バ
ラフッ層６′を設けた後の本発明構成の場合１’１６ｍ
Ｖ（７１電力を印加した場合である。特性曲線ＡとＢと
を比較すれば一目瞭然の如く１本発明に葎いバッファ層
６を発熱部２と配線５との間に介在させることによって
、消費電力を低減化する二ｉが可能なばかりか、平衡温
度への到達時間を短縮化することが可能であることが理
解される。

第９図乃至第２０図は本発明を厚膜セラミックヒータｉ
適用した場合の実施例を〜示している。第９図の実施例
では、基板１上に発熱部２が形成されており、発熱部２
の両端に画定されている電極領域上に所定の断熱材料か
らなるバッファ層６を形成し、バッファ層６に配線５が
ボンディング接続されている。本例は、厚さ方向に断熱
障壁を設けて発熱部２からの熱の損失を減少させる構成
である。第１０＠は第９図の実施例の変形例を示してお
り、例えばバッファ層６の断熱材料としてＩＴＯ等を使
用し配線色との接合強度が比較的低い場合に、ＮｉＣｒ
等の金属材料からなる接合層８を介在して配線５をボン
ディングさせている。第１１図は更にその変形例を示し
ており、発熱部２ないしはその電極領域とバッファ層６
との間にも別の接合層８を介在させ、更に□接合強度を
高めた場合である。

第１２図の実施例では、基板１上に発熱部２が形成され
ており、発熱部２の両端部に一部重畳させ且つ基板１上
に大部分□延在させて所定の断熱材料からなるバッファ
層６゛を形成して六〇、そのバッファ層６に配線５をボ
ンディング接続させている。臣の場合は、）（ソファ層
６を発熱部２と大略並設させることによってその面方向
の長い伝導距離を利用して発熱部２の熱損失を一層効果
的に防止している。第１３図は第１２図の実施例の変形
例であり、配線５とバッファ層６との間の接合強度を上
げる為に接合層８を介在させた場合である。

第１４図は第１３図の実施例を更に変形した場合を示し
ており、配線５ｂと５０との間に熱流抑制素子１０を設
け配線５を介しての熱の散逸を防止することを可能とし
ている。熱流抑制素子１０は支持体としての基板９を有
しており、基板１０の上には所定の断熱材料からなるバ
ッファ層６ｃが形成されており、バッファ層６ｃには接
合強度を上げる為の接合層８ｃ、’８ｄを介して配線５
ｂ。

５ｃがボンディング接続されている。この場合、電力損
失を減少させる為に配線５ｂの長さを可及的に短くする
ことが望ましい。支持基板９は熱伝導率が小さく且つ比
熱が大きい材料から形成するが、例えば５ｉｎ２．　Ａ
ｌ□０３．マイカ等を使用すると良い。第１５図は第１
４図の変形例を示しており、熱流抑制素子１１は、バッ
ファ層６ｃを接合層８ｃ、８ｄで両側からサンドイッチ
した構成を有しており、接合層８ｃ、８ｄは夫々配線５
ｂ、５ｃへ接続されている。

第１６図は本発明を薄膜乃至は厚膜の感熱ヘッドへ適用
した場合の実施例を示しており、基板ｌ上に複数個の所
定の形状をした発熱部２を１列アレイ状に配列して設け
てあり、各発熱部２は所定の断熱材料からなるバッファ
層８ｅを介して対応する電極３ｃへ接続されている。

第１７図及び第１８図は、発熱部２２ａが埋込式に構成
されているセラミックヒータへ本発明を適用した場合の
実施例を示している。即ち、基板２ｉａ内に発熱部２１
ａ、２１ａが埋や込まれて設けられており、その発熱部
２１ａの端部の電極領域を貫通してスルーホールが穿設
されており、そのスルーホール内にスリーブ状のバッフ
ァ層２６ａを介してリードワイヤ２５ａが接続されてい
る。この場合も、埋め込まれた発熱部２２ａで発生され
た熱がリードワイヤ２５ａを介して外部へ散逸されるこ
とが効果的に防止される。第１９図はその変形例であり
、リードワイヤの代りにり一ドピン２５ｂの一端部が基
板２１ａ内に部分的に挿入されており、断熱用のバッフ
ァ層２６ｂを介して埋設されている発熱部２２ａへ接続
されている。

第２０図は、本発明を半田４コ、テ用窃セラミックヒー
タへ適用した場合の実施例を示している。発熱部２２ｂ
は円筒基板２１ｂの内周面上に形成されており、その一
部は基板端部より突出している。

この突出部に所定の断熱材料より６るバッファ層２６ｃ
を介してリードピン２５ｃが接続されている。この実施
例においても、発熱部２２ｂで発生された熱がリードピ
ン２５ｃを介゛して散逸することが防止されている。第
２１図は、本発明をコイルヒータに適用した場合を示し
ており、コイルヒータ素子２２ｃの一端部は所定の断熱
材料がらなルハッファ層２６ｄを介してリードピン２５
ｄへ接続されている。

以上の各実施例において、構成要素の材料に付　　゛い
ても説明したものもあるが、本発明においては、装置の
形状や寸法によっても断熱効果の程度は異なるが、バッ
ファ層の断熱材料としては、発熱部及び配置線材料より
も少なくとも１桁熱伝導率が低い材料を選択すると良い
。尚、本発明における発熱部、バッファ層、接合層、配
線（リード）の材料としては以下の如きものを使用する
ことが可能である。

１１１制 Ｗ（１，７）、　Ｍｏ、　Ｐｔ（０，７）、　ＰｔＩｒ
、　Ｎ１Ｃｒ（０，２）。

Ｔａ２Ｎ、　ＳｉＣ バッファ層 ステンレス合金（０，２）、　ＮｉＣｒ、　ＩＴＯ（０
，（１〜）後立腹 Ｎｉ、　ＮｉＣｒ、　Ｃｒ、　Ｔｉ、ステンレス合金坦
麓工宏」σ Ａｌ（２，４）、　Ａｕ（３，１）、　Ｃｕ（３，８）
、　Ｎ１（０，９）。

Ｎ１Ｃｒ（０，２） 尚、上記各材料において括弧内の数字は熱伝導率を表し
ている。又、接合層の材料はそれが接続されるバッファ
層及び配線の材料の双方の接合強度等を考慮して選択さ
れる。

叉し≦艮 以上詳説した如く、本発明によれば、発生する熱の散逸
を防止することが可能であり、迅速に所望の平衡温度に
到達することが可能である。又、発生される熱は散逸さ
れずに有効に使用されるので、熱効率が高くロスが少な
い。更にＪ構成が比較的簡単なので、製造が容易である
。

以上、本発明の具体的実施の態様に付いて詳細　　−に
説明したが、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべ
きものでは無く、本発明の技術的範囲を逸脱すること無
しに種々の変形が可能であることは勿論である。例えば
、本発明は電熱器がヒータとして使用される場合のみに
限らず、電熱器が感熱部として使用される場合において
も、その感熱部の温度が電極や配線の影響を受けること
が無い様にする為に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図、第１ｂ図、第２ａ図、第２ｂ図及び第３図は
従来の電熱器を示した各説明図、第４ａ図、第４ｂ図、
第５ａ図、第５ｂ図、第６ａ図、噌＾ 第６ｂ図、第７ａ図、第７ｂ図、は本発明をマイクロヒ
ータへ適用した場合の幾つかの実施例を示した各説明図
、第８図は本発明と従来技術とを比較したグラフ図、第
９図乃至第１６図は本発明を厚膜セラミックヒータへ適
用した場合の幾つかの実施例を示した各説明図、第１７
図乃至第２１図は本発明をその他の種々のヒータへ適用
した場合の各説明図、である。 （符号の説明） １：基板 ２：発熱部 ３：電極 ５：配線 ６：バッファ層 ７：絶縁層 ５　　８：接合層 特許出願人　　　　リコー精器　株式会社第４０図 第６０図 ゛第７０図 第７ｂ図 ３ａ　　　　　　、３ｂ　。 第１６図 第１７図 第１８図 第１９図 第２０図 第２１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電流が流れることにより発熱する発熱体と、前記発
   熱体へ電流を供給する為の配線とを有する電熱器におい
   て、前記発熱体と前記配線との間に熱流抑制部を設け前
   記発熱体において発生された熱が前記配線を介して流出
   することを抑制したことを特徴とする電熱器。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記熱流抑制部が
   前記発熱体よりも熱伝導率の小さい導電性材料で構成さ
   れていることを特徴とする電熱器。