JPS6166391A - 自己温度制御型発熱装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、キュリー温度前後で電気抵抗値が例えば３〜
７桁程度著しく変化するＰＴＣ特性を有する正特性磁気
抵抗体を利用した発熱装置に関するものであり、詳しく
は自己温度制御作用を有し、制御温度が可変である自己
温度制御型発熱装置に関するものである。

従来の技術 従来正特性磁器抵抗体はＰＴＣ特性を有するため、電気
材料として広く利用されている。例えばモータ起動スイ
ッチ用等の無接点電流制御素子として、また、温度補償
用丈−ミスタとして、そしてヘヤードライヤ、濡Ｊｉｌ
暖房器等の自己温度制御型発熱装置として実用化がなさ
れている。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来チタン酸バリウム（ＢａＴ　ｉ　０３　）を特徴と
する特性磁器抵抗体の比抵抗は最小値が約５Ωｃｍであ
る。従ってこの正特性磁器抵抗体を厚膜で使用した自己
温度制御型発熱装置は低電圧にて高出力を得るには限界
があった。またこの欠点を補うために正特性磁器抵抗体
の厚さを博クシた場合にはＰＴＣ特性が劣り温度制御に
難点があった。そして絶縁破壊が生ずる場合もあった。

さらに正特性磁器抵抗体の発熱温度はそのキュリ一温度
および放熱量によって一義的に決まるため、制御Ｉ湿温
度使用時に変化させることは困難であった。

本発明者は正特性磁器抵抗体のＰＴＣ特性について鋭意
研究した結果、正特性磁器抵抗体のＰＴＣ特性は正特性
磁器抵抗体の粒界に起因することを知見した。すなわち
正特性磁器抵抗体の粒界が増えるほど枯抵抗変化幅は増
大してＰＴＣ，特性が顕著にあられれ、一方、正特性磁
器抵抗体を開成する結晶の層をほとんど一層として粒界
を無くすれば、ＰＴＣ特性は消失するという現象を知見
した。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、自己
温度制御作用を有し、制御温度が可変である自己温度制
御型発熱装置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の自己温度制御型発熱装置は、薄層部を有する正
特性磁器抵抗体と、該薄層部の一方の而に設けられた第
一の電極と、該第一の電極に対応する該薄層部の他方の
面に設けられた第二の電極と、該正特性磁器抵抗体の表
面に該第一の電極と離間させて設けられた少なくとも１
個の第三の電極とから構成され、該第一の電極と該第二
の電極との間に電流を流して発熱体とするとともに該第
一の電極と該第三の電極との間の電気抵抗値を検知する
ことにより温度制御を行なうことを特徴とする。

本発明に用いられる正特性磁器抵抗体とは、湯度上界に
ともなって抵抗値が上昇する磁器材料から形成された抵
抗体を意味する。代表的な正特性ｆａ器低抵抗体しては
、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ２）系焼結体がある。

このものではバリウムをストロンチウムで置換した焼結
体、またバリウム又はチタンを鉛、スズ、ジルコニウム
で置換した焼結体を用いることができる。

正特性磁器抵抗体は耐熱性を有する基板上に形成するこ
とが望ましい。基板としてはアルミナ、チタン酸バリウ
ム、ガラス、樹脂等の絶縁体を用いることが好ましいが
、金属等の導電体を用いることも可能である。正特性磁
器抵抗体は、全体がほぼ均一の厚みである薄膜状に形成
してもよいし、あるいは断面階段状に形成してもよい。

正特性磁器抵抗体を薄膜状とした場合には、薄層部は該
抵抗体の仝休を占める。まＩＣ断面階段状とした場合に
は、薄層部は最も肉厚の小さな部分となる。

薄層部は、第１図に模式的に示すように前記結晶の層を
一層とすることにより形成することが望ましい。薄層部
を形成する結晶を一層とすれば、薄層部の厚み方向Ｂへ
通電した場合に、結晶の粒界を介さずに通電することが
できるからである。

但し出力は若干低下するが、数層の粒界を含んでいても
よい。正特性磁器抵抗体をチタン酸バリウムで形成した
場合には、１ｉｌＩＩ層部の厚みは２ｏ〜２００μ程度
であることが好ましく、２０〜５０μであることが特に
望ましい。チタン酸バリウムの結晶の大きさは一般に２
０〜５０μ程度だからである。

第一の電極は、７ａ層都の一方の面に設けられている。

第二の電極は、薄層部の厚み方向へ通電するために設け
られている。そのため模式図である第１図に例示したよ
うに、第二の電極２は第一の電極１と対向させて薄層部
の他方の面に設けられている。また第三の電極は第一の
電極と離間して設けられている。第三の電極と第一の電
極とを離間させた理由は、離間させることにより第三〇
電極と第一の電極との間Ａに正特性磁器抵抗体構成精品
の粒界を多く存在させるためである。このように第三の
電極と第一の電極との間Ａに結晶の粒界を多く存在させ
れば、ＰＴＣ特性が顕著にあられれる。

第２図に正特性磁器抵抗体の厚さと抵抗変化幅くΔＲ）
の関係を表わす線図を示す。ここでΔＲ（よ正特性磁器
抵抗体の２００℃および２０℃における抵抗値の比の対
数である。第３図より明らかに正特性磁器抵抗体の厚さ
が厚いほど、づなわら粒界が多いはど△Ｒが大きく、す
なわらＰＴＣ特性が顕著になっている。また厚さが５０
ｕ以下ではΔＲはほとんどゼロとなりＰＴＣ特性が消失
している。本発明の自己温度ｔｉｌ制御型発熱装置には
２０〜２００μの厚さの正特性磁器抵抗体が使用される
が、第２図ではこの範囲は△Ｒで２以下の範囲となる。

本発明の自己１度制御型発熱装置では、粒界をほとんど
含まない上記第一の電極と第二の電極との間Ｂを利用し
て、低抵抗で、かつ温度依存性を有しない発熱体として
用いている。また粒界を多数含んだ第一の電極と第三の
電極との間Ａを利用して１丁Ｃ特性を有した抵抗体とし
て用い、該発熱体の温度を制御する。

第一の電極、第二の電極、第三の電極の形成は化学メッ
キ法、ペースト法、溶剤法等の方法を使用できる。その
材料には、アルミニウム、ニッケル、銀、酸化ルテニウ
ム、及びＡｇ十卑金属のオーミック電極金属が使用でき
る。又上記電極の融点は正特性磁器抵抗体の焼結温度よ
りも高い方が望ましい。該抵抗体の焼結の際に電極の溶
融を防ぐためである。

本発明の自己温度制御型発熱装置の基体の代表的な製造
方法を、第３図に例示した工程図を参照して説明する。

まず第３図（Ａ＞に示したように原料粉末を１２５０〜
１４００℃で焼結して正特性磁器抵抗体のブロックを形
成する。次に第３図（Ｂ）に示したように該ブロックの
他方の面に第二の電極を形成する。次に第３図（Ｃ）に
示したように該ブロック全体を基板にうめ込む。基板は
ガラスやエポキシ樹脂で作製することが望ましい。

次に第３図（Ｄ）に示したように基板の表面をブロック
の表面と共に研磨する。研磨はラッピング法で実施でき
る。平滑な研磨面を形成できるからである。このように
研磨すればブロックの厚みを２０〜１００μ程度にする
ことができ、これにより薄層部を形成することができる
。場合によっては研磨は超仕上げ法、ホーニング法で実
施してもよい。

次に第３図（Ｅ）に示したように該ブロックの研磨面で
ある一方の面に第一の電極を設けると共に、第三の電極
を第一の電極と離間させて設ける。

本発明の自己温度制御型発熱装置の基体を製造するにあ
たっては、第３図（Ａ）〜（Ｅ）に例示した方法に限ら
ない。例えば、正特性（ｉｔｌ′ａ抵抗体の原料物質を
ＰＶＤ法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　　Ｖａｐｏｒ　　ｄｅｐ
ｏｓｉｔｉｏｎ）によって処理することによって、基板
上にｉｉ９膜を形成し、この薄膜を薄層部としてもよい
。ＰＶＤ法としては、蒸着、スパッタリング、イオン打
ち込み等を用いることができる。また場合によってはＢ
ａＴ　ｉ　０３系セラミツクの表面に、１３ａＴ　ｉ　
０３に導電性を与えてＰＴＣとならしめるドーパントを
含む溶液または分散液によって塗布膜を形成し、次にこ
れを焼成することによって、薄層部を形成してもよい。

また場合によっては正特性磁器抵抗体の原料物質をＣＶ
Ｄ法（ｃｈｅｍｉｃａｌ　　ｖａｐｏｒｄｅｐＯ５ｉ　
ｔ　ｉ　Ｏｎ）によって処理することによって、基板上
に薄膜を形成し、この薄膜を薄層部としてもよい、ＣＶ
Ｄ法とは原料物質を気化し、これの蒸気をキャリヤガス
と共に反応容器内へ導き、酸化、熱分解などの化学反応
によって薄膜を形成する方法である。

本発明の自己温度制御型発熱装置は上記により製造され
た基体にデバイスとしての回路を付与することにより得
られる。このデバイスの回路としては、正特性磁器抵抗
体の温度依存性を持たない方向を発熱体として、ＰＴＣ
特性を有した方向を制御用として用いるものであればそ
の開成に制限はない。

［実施例］ 以下具体的実施例により詳しく説明する。

（第一実施例） 本発明の第一の実施例の自己温度制御型発熱装置基体の
断面図を第４図、平面図を第５図に示す。

この例の場合には絶縁体であるチタン酸バリウム製のシ
ート状の基板４を形成し、その基板４の上面に白金をペ
ースト印刷することにより第二の電極５を形成した。そ
して全体を１５０℃で乾燥した後に、チタン酸バリウム
を厚さ２５μとなるように、第二の電極５上に薄膜状に
ペースト印刷し、その後再び乾燥し、１２５０℃〜１４
００℃で焼結し、これにより正特性磁器抵抗体６を形成
した。

この正特性磁器抵抗体はキュリ一点が１４０℃、比抵抗
は５Ωｃｍであった。このようにして形成した正特性磁
器抵抗体６の上面にニッケルを無電解メッキすることに
より、第一の電極７、第三の電極８を設（）た。第一の
電極７、第三の電極８はオーミック電極である。本例の
正特性磁器抵抗体６においては、第６図に示すように結
晶は電極間に横方向へ単一層状態で並んでいる。

本実施例の自己温度制御型発熱装置基体の抵抗一温度特
性を第９図に示す。第一の電極７と第三の電極８と間に
通電した場合の特性を第９図の特性曲線Ａに示す。この
場合２００℃から１４０℃までは抵抗は１０２〜１０３
Ωの範囲にあったが、１４０℃を超えると抵抗は飛躍的
に増大しＰＴＣ特性がみられた。

一方、第一の電極７と第二の電極５との間に通電した場
合の特性を第９図の特性曲線Ｂに示す。

この場合には２０℃から２００℃に至るまで抵抗は１０
−２Ω程度とほぼ一定であり、ＰＴＣ特性は消失してい
た。

特性曲線Ｃは比較例である。この場合、前記正特性磁器
抵抗体６と同一の材料を使用して同様な条件に焼結し、
１０ｃｍｘＩ　Ｑｃｍｘｉ　ａｍの大きざとし、厚み方
向の両面に設けた電極に通電した。

上記第一実施例の自己温度制御型発熱装置基体に回路を
付与し、実用に供した自己温度制御型発熱装置の例を第
７図に示す。

まずスイッチ１３をＯＮにすると電流はトランジスタ９
→第二の電極５→正特性磁器抵抗体６→第一の電極７の
順に流れ、正特性磁器抵抗体６が発熱する。モしてキュ
リ一点以後の温度の上昇に伴い、ＰＴＣ特性を有した第
一の電極７と第三の電極８の間の抵抗値も次第に大きく
なる。

ここで基準抵抗１２．１２′によって定まる電圧Ｖ△と
、可変抵抗１０及び第一の電極７と第三の電極８との間
の抵抗値によって定まる電圧ＶＢとがコンパレータ１１
で比較されトランジスタ９の電流方向を切り変える。す
なわら第８図に示すごと＜ＶＡ＞ＶＢの時には電流はト
ランジスタ９→第二の電極５→正特性磁器抵抗体６→第
一の電極７の順に流れて正特性磁器抵抗体６が発熱し、
ＶＡ≦ＶＢの時には電流は正特性１１器低抗体６を流れ
ない。このように正特性磁器抵抗体６を流れる電流が０
Ｎ−ＯＦＦされることにより自己温度制御型発熱装置と
して利用される。

さらに可変抵抗１０の値を大きくすることにより制御Ｉ
湿温度高くすることができ、また可変抵抗１０の値を小
さくすることにより制御温度を低くすることが可能であ
る。すなわち本発明の第一実施例の発熱装置は制御温度
が可変で自己温度制御作用を有している。

（第二実施例） 本発明の第二の実施例の自己温度制御型発熱装置基体の
断面図を第１０図に示す。第１０図において正特性磁器
抵抗体１４は断面階段状をなしており、ガラス製の基板
２０に埋設されている。そしてＦｓｍ部１５と、これに
隣接した段状の厚層部１６とを有し、ａ１層部１５の厚
みは２５μで、厚層部１６の厚みは１０００μである。

そして薄層部１５には第一の電極１７と対向するように
第二の電極１８が設けられ、厚層部１６には第一の電極
１７の反対哨に第三の電極１９が設けられている。

この例の場合、前記正特性磁器抵抗体１４はチタン酸バ
リウムを主として一部鉛を含んでおり、ｆｆｉ極はＮｉ
の上にＡｇのカバー電極が付けられている溝底であり、
Ｎ＋無電解メッキ及びＡｇペーストによって形成されて
いる。この例の場合第一の電極１７と第二の電極１８と
の間を流れる電流、および第一の電極１７と第三の電極
１つとの間を流れる電流は正特性磁器抵抗体１４の厚み
方向へ流れる。この例では第一の電極１７と第二の電極
１８との間に通電して薄層部１５に電流を流ぼば、Ｐ工
Ｃ特性がほとんど消失した抵抗特性が生じ、低抵抗で温
度依存性を有しない発熱体として用いる。一方、第一の
電極１７と第三の電極１９との間に通電して厚層部１６
に電流を通ばば、厚層部１６の厚みに応じたＰＴＣ特性
が生じ、その抵抗ｌａ　＆検知Ｌ　ｒ　１ｆｆｌ　Ｉｕ
　ｅ　ｉＩ＋１１１１　ｔ　６゜（第三の実施例） 第１１図は本発明の第三の実施例の自己温度制御型発熱
装ｒａ基体の断面図を示したものである。

この例の場合には正特性磁器抵抗体２１の厚みを２５μ
とし、これの一方の面に第一の電極２２、第三の電極２
３が設けられ、他方の面のほぼ全長にわたって第二の電
極２４（非オーム性電極である）が設けられ、そしてこ
れら全体を基板２５上に設けている。この基板２５は３
ｊ［性材料であるＳｉＣ等から作製されており、電極を
兼ねるものである。

尚、第１０図に示す例、第１１図に示す例において、第
一の電極１７．２２、第三の電極１９．２３をくし歯状
の電極から形成してもよい。

（第四実施例） 第１２図は本発明の第五の実施例の自己温度制御型発熱
装置基体を示したものである。この例の場合には基板２
８はアルミナによって耐熱性、絶縁性を有するように形
成されており、白金製の第二の電極２７の上面に設けら
れた正特性磁器抵抗体２６はチタン酸バリウムの焼結体
から厚み３０μ作製されている。

上記第二、第三、第四実施例の自己温度制御型発熱装置
基体を実用の自己温度制御型発熱装置として供するには
、第一実施例と同様の回路が付与されるが、該回路に限
るものではない。

［発明の効果］ 本発明の自己温度制御型発熱装置は、正特性磁器抵抗体
の厚さが薄く低抵抗であることから、低電圧にして高出
力が得られ、カーバッテリー等の低電圧で作動する発熱
体に適している。また回路に可変抵抗等を使用すること
により正特性ｍｓ抵抗体の温度を任意に設定することが
可能であり、またＰＴＣ特性を有する部分の抵抗値を検
知して自己温度制御が可能である。すなわち同一のデバ
イスにて温度コントロールの自由な定温度ヒータとして
利用することが可能でありその効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の自己温度制御型発熱装置基体を模式的
に表現した側面図、第２図は正特性磁器抵抗体の厚みと
抵抗変化幅の関係を表わす線図、第３図は本発明の自己
温度制御型発熱装置基体の代表的な製造方法を説明する
ための工程図である。 第４図〜第９図は本発明の第一実施例に係る図であり、
第４図はその自己温度制御型発熱装置基体の縦断面図、
第５図は同平面図、第６図は第４図の要部を示す縦断面
図、第７図は自己温度１ｉＩＪ御型発熱装置の電気回路
図、第８図は自己温度制御型発熱装置の作動原理を表わ
す図、第９図は正特性磁器抵抗体の温度と抵抗の関係を
示す線図である。 第１０図は本発明、の第二実施例の自己温度制御型発熱
装置基体の縦断面図、第１１図は本発明の第三実施例の
自己濃度制御型発熱装置基体の縦断面図、第１２図は本
発明の第四実施例の自己温度１１Ｊ　ａｌｌ型発熱装Ｍ
基体の縦断面図である。 １．７．１７．２２・・・第一の電極 ２．５．１８．２４．２７・・・第二の電極３．８．１
９．２３・・・第三の電極 ６．１４．２１．２６・・・正特性磁器抵抗体特許出願
人　　　　日本′Ｉ１１装株式会社代理人　　　　　弁
理士　大川　広 開　　　　　　弁理士　藤谷　修 同　　　　　　弁理士　丸山明夫 第１図 第２図 厚　ざ（ｍｍ） 第３図 （Ａ）　　　　　口＝＝ニコ 第８図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）薄層部を有する正特性磁器抵抗体と、該薄層部の
   一方の面に設けられた第一の電極と、該第一の電極に対
   応する該薄層部の他方の面に設けられた第二の電極と、 該正特性磁器抵抗体の表面に該第一の電極と離間させて
   設けられた少なくとも１個の第三の電極とから構成され
   、 該第一の電極と該第二の電極との間に電流を流して発熱
   体とするとともに該第一の電極と該第三の電極との間の
   電気抵抗値を検知することにより温度制御を行なうこと
   を特徴とする自己温度制御型発熱装置。
2. （２）正特性磁器抵抗体は主としてチタン酸バリウムか
   ら成り、薄層部の厚みは２０〜２００μである特許請求
   の範囲第１項記載の自己温度制御型発熱装置。
3. （３）正特性磁器抵抗体は全体がほぼ均一の厚みを有す
   る薄層状をなし、第３の電極は第１の電極と同じ側に設
   けられた特許請求の範囲第１項記載の自己温度制御型発
   熱装置。
4. （４）正特性磁器抵抗体は薄層部に隣接した段状の厚層
   部を有する断面階段状をなし、第３の電極は厚層部を挟
   んで第１の電極と対向させて設けられた特許請求の範囲
   第１項記載の自己温度制御型発熱装置。