(57)【要約】      （修正有）【課題】発熱体の折返部内周部の電力集中を低減化することにより、絶縁体の焼損防止と温度の面内均一性の確保とを図った面状発熱体を提供する。【解決手段】面状発熱体は絶縁体と発熱体とを備える。絶縁体は絶縁シートとで成り、発熱体は絶縁シートの間に配設されている。発熱体は蛇行状に形成され、直線部３１と折返部３２とを有する。隣り合う直線部３１，３１の間隙幅ｔ１は各直線部３１の幅ｔ２の２倍よりも狭く設定されている。また、折返部３２の外周縁３３は半径Ｒ２の半円状に形成され、内周縁３４は中心角が１８０度を超える円弧状に形成されている。そして、内周縁３４の半径Ｒ１は外周縁３３の半径Ｒ２の０．２６倍〜０．５１倍の範囲内に設定されている。【選択図】図４
2014212045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電によって発熱する帯状の発熱体を、シート状の絶縁体内に蛇行状に配設して、当該発熱体を、間隙幅ｔ１で平行に隣り合う幅ｔ２の直線部とこれら隣り合う直線部の端部に連結した折返部とで形成した面状発熱体であって、
隣り合う直線部の上記間隙幅ｔ１を、直線部の上記幅ｔ２の２倍よりも狭く設定し、
上記折返部の外周縁の形状を、隣り合う直線部の外縁の延長線で挟まれる領域内に収まるように形成し、
上記折返部の内周縁の形状を、中心角が１８０度を超える円弧状に形成すると共に、当該内周縁の半径Ｒ１を、隣り合う直線部における外縁間距離Ｗ（＝ｔ１＋２×ｔ２）の半分の０．２６倍〜０．５１倍の範囲内に設定した、
ことを特徴とする面状発熱体。
【請求項２】
請求項１に記載の面状発熱体において、
上記発熱体における折返部の外周縁の形状を、半径Ｒ２の半円状に形成すると共に、当該折返部の内周縁の半径Ｒ１を、上記半径Ｒ２の０．２６倍〜０．５１倍の範囲内に設定した、
ことを特徴とする面状発熱体。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の面状発熱体において、
上記折返部の内周縁の半径Ｒ１を、隣り合う直線部における上記外縁間距離Ｗの半分の０．３９倍に設定した、
ことを特徴とする面状発熱体。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の面状発熱体において、
上記折返部の内周縁と上記直線部の縁との連結部に面取り部を設けた、
ことを特徴とする面状発熱体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、蛇行状の発熱体をポリイミド樹脂等の絶縁体で被覆した構造の面状発熱体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術としては、例えば、特許文献１に記載の面状発熱体がある。
この面状発熱体は、ＳＵＳ等を素材とする帯状の発熱体をポリイミドフィルム上に蛇行状に形成し、別体のポリイミドフィルムをこの発熱体の上に積層した構成を成す。
これにより、所定の電力を発熱体に供給することで、面状発熱体全体を発熱させ、この被加熱物を面状発熱体によって加熱することができる。
通常、このような面状発熱体では、例えば、特許文献２や特許文献３に記載されているように、発熱体のピッチ間を狭くして、電力密度が低くなるように設計する。
これにより、温度の面内均一性を図ると共に、被加熱物と発熱体との温度差を抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−０３１１４７号公報
【特許文献２】特開２００４−１８５８９９号公報
【特許文献３】特開２００７−０３５４７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記した従来の技術では、次のような問題がある。
通常の面状発熱体のデザインにおいては、例えば、特許文献１や特許文献３に記載の面状発熱体のように、発熱体の２つの給電端子が近接するように設計する。
このような面状発熱体の場合、発熱体の折返部が多用されることとなり、電力供給時において、電力集中が、これらの折返部の内周部に発生する。このため、各折返部の内周部の温度が、ポリイミド樹脂等の絶縁体の耐熱温度以上になり、絶縁体が焦げて炭化するという事態が生じるおそれがある。
また、高温の発熱が部分的に発生することで、温度の面内均一性が阻害されるおそれもある。
【０００５】
この発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、発熱体の折返部内周部の電力集中を低減化することにより、絶縁体の焼損防止と温度の面内均一性の確保とを図った面状発熱体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、通電によって発熱する帯状の発熱体を、シート状の絶縁体内に蛇行状に配設して、当該発熱体を、間隙幅ｔ１で平行に隣り合う幅ｔ２の直線部とこれら隣り合う直線部の端部に連結した折返部とで形成した面状発熱体であって、隣り合う直線部の間隙幅ｔ１を、直線部の幅ｔ２の２倍よりも狭く設定し、折返部の外周縁の形状を、隣り合う直線部の外縁の延長線で挟まれる領域内に収まるように形成し、折返部の内周縁の形状を、中心角が１８０度を超える円弧状に形成すると共に、当該内周縁の半径Ｒ１を、隣り合う直線部における外縁間距離Ｗ（＝ｔ１＋２×ｔ２）の半分の０．２６倍〜０．５１倍の範囲内に設定した構成とする。
かかる構成により、帯状の発熱体に通電すると、発熱体が発熱し、その熱が絶縁体を伝搬して、外部に放射される。これにより、被加熱物を絶縁体表面に接触させておくことで、被加熱物を所望の温度に加熱することができる。
ところで、この発熱体では、隣り合う直線部の間隙幅ｔ１が、直線部の幅ｔ２の２倍よりも狭く設定されており、直線部の間隙、つまりピッチが狭い。このため、通電時には、電力集中がこれらの直線部を連結する折返部の内周部に発生し、内周部の温度が、直線部や折返部の外周部に比べて高温になる。この結果、折返部の内周部に位置する絶縁体部分が耐熱温度以上に加熱されることとなり、焦げて炭化するおそれがある。また、このように、高温の発熱が部分的に発生することで、温度の面内均一性が阻害されるおそれがある。
しかし、この発明では、折返部の内周縁の形状を、中心角が１８０度を超える円弧状に形成すると共に、当該内周縁の半径Ｒ１を、隣り合う直線部における外縁間距離Ｗの半分の０．２６倍〜０．５１倍の範囲内に設定しているので、折返部の内周縁の大きさが、直線部の間隙幅ｔ２よりも極めて大きくなっている。このため、折返部の内周部における電力密度が小さくなり、この内周部での電力集中が低減する。この結果、折返部の内周部の温度上昇が抑えられ、内周部に位置する絶縁体部分の焼損を防止することができる。また、折返部の内周部の温度上昇が抑えられるので、温度の面内均一性を確保することができる。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の面状発熱体において、発熱体における折返部の外周縁の形状を、半径Ｒ２の半円状に形成すると共に、当該折返部の内周縁の半径Ｒ１を、半径Ｒ２の０．２６倍〜０．５１倍の範囲内に設定した構成とする。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の面状発熱体において、折返部の内周縁の半径Ｒ１を、隣り合う直線部における外縁間距離Ｗの半分の０．３９倍に設定した構成とする。
かかる構成により、発熱体における折返部の内周部の温度上昇を最も低く抑えることができる。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の面状発熱体において、折返部の内周縁と上記直線部の縁との連結部に面取り部を設けた構成とする。
かかる構成により、他の部分に比べて著しく低温になりがちな連結部の温度を、他の部分の温度に近づけることができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上詳しく説明したように、この発明の面状発熱体によれば、発熱体の折返部内周部の電力集中を低減化することができ、この結果、絶縁体の焼損防止と温度の面内均一性の確保とを図ることができるという、優れた効果がある。
特に、請求項３の発明によれば、発熱体における折返部の内周部の温度上昇を最も低く抑えることができるので、より優れた温度の面内均一性を有した面状発熱体を提供することができるという効果がある。
さらに、請求項４の発明によれば、他の部分に比べて著しく低温になりがちな連結部の温度を、他の部分の温度に近づけることができるので、さらに温度の面内均一性を高めることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の第１実施例に係る面状発熱体を示す分解斜視図である。
【図２】面状発熱体を一部破断して示す平面図である。
【図３】図２の矢視Ａ−Ａ断面図である。
【図４】直線部と折返部との連結部分を拡大して示す部分拡大平面図である。
【図５】折返部と直線部との連結部における電流密度分布を説明するための平面図である。
【図６】シミュレーション結果を示す線図である。
【図７】この発明の第２実施例に係る面状発熱体の要部を示す平面図である。
【図８】折返部の内周縁と直線部の縁との連結部における電流密度を説明するための平面図である。
【図９】発熱体の一変形例を示す部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明の最良の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
（実施例１）
図１は、この発明の第１実施例に係る面状発熱体を示す分解斜視図であり、図２は、面状発熱体を一部破断して示す平面図であり、図３は、図２の矢視Ａ−Ａ断面図である。
図１に示すように、面状発熱体１は、絶縁体２と、この絶縁体２内に配設された帯状の発熱体３とで構成されている。
【００１４】
絶縁体２は、下側の絶縁シート２１と上側の絶縁シート２２とで成る。これら絶縁シート２１，２２は、ポリイミド，ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート），ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）やポリアミド等の樹脂を長方形のシート状に成形することにより形成することができる。
また、樹脂の他に、窒化アルミ、アルミナ、マイカ等のセラミックを絶縁体２として用いることができる。この場合にも、樹脂製同様に面内温度均一性を期待することができるが、無機物であるので、異常温度による炭化は発生しない。しかし、クラックや割れ発生の可能性があり、後述する発熱体３を適用することで、クラックや割れ等を抑制することが期待できる。
【００１５】
発熱体３は、通電すると温度が上昇して発熱する導電体であり、例えば、ステンレススチール、ニクロム線（ニッケル−クロム合金）、カンタル、鉄−ニッケル合金、銅−ニッケル合金等を薄い帯状にすることで形成することができる。さらに、導電性インクをスクリーン印刷でパターニングすることでも形成することができる。例えば、絶縁体２として、ポリイミド等の樹脂を使用する場合には、銀インクを樹脂上にスクリーン印刷でパターニングし、窒化アルミ等のセラミックを使用する場合には、白金インクをセラミック上にスクリーン印刷でパターニングすることで、発熱体３を形成するもできる。
この発熱体３は、図３に示すように、絶縁シート２１上に形成されており、絶縁シート２２が、発熱体３を覆うようにして絶縁シート２１上に積層されている。
【００１６】
図２に示すように、発熱体３は、絶縁シート２１上に蛇行状に形成され、その両給電端子３ａ，３ｂが、絶縁体２の外部に露出されている。
ここで、発熱体３について具体的に説明する。
発熱体３は、直線部３１と折返部３２とで成り、折返部３２が、平行に隣り合う直線部３１，３１の端部を連結した蛇行形状を成す。
図４は、直線部３１と折返部３２との連結部分を拡大して示す部分拡大平面図である。
図４に示すように、各直線部３１（３１Ａ，３１Ｂ）の幅はｔ２に設定され、隣り合う直線部３１Ａ，３１Ｂの間隙幅はｔ１に設定されている。そして、この隣り合う直線部３１Ａ，３１Ｂの間隙幅ｔ１は、各直線部３１（３１Ａ，３１Ｂ）の幅ｔ２の２倍よりも狭く設定されている。つまり、直線部３１Ａ，３１Ｂの間隙幅ｔ１は、各直線部３１（３１Ａ，３１Ｂ）の幅ｔ２に比べて狭く設定され、発熱体３による温度の面内均一性の確保が図られている。
【００１７】
折返部３２は、外周縁３３と内周縁３４とを有した略Ｃ字状の形状をしている。
折返部３２の外周縁３３は、半径Ｒ２の半円状に形成され、外周縁３３の形状が、隣り合う直線部３１Ａ，３１Ｂの外縁３１ａ，３１ｂの延長線ａ，ｂで挟まれる領域Ｓ内に収まるように設定されている。
一方、内周縁３４は、点Ｏを中心とする中心角が１８０度を超える円弧状に形成され、内周縁３４の半径Ｒ１は、隣り合う直線部３１Ａ，３１Ｂの外縁間距離Ｗ（＝ｔ１＋２×ｔ２）の半分の０．２６倍〜０．５１倍の範囲内に設定されている。つまり、折返部３２の内周縁３４の半径Ｒ１を、外周縁３３の半径Ｒ２の０．２６倍〜０．５１倍の範囲内に設定した。
【００１８】
次に、この実施例の面状発熱体１の作用及び効果について説明する。
図５は、折返部と直線部との連結部における電流密度分布を説明するための平面図である。
図１〜図３に示した面状発熱体１において、所定の電圧を発熱体３の両給電端子３ａ，３ｂ間に印加し、発熱体に通電すると、温度が上昇して、発熱体３が発熱する。この熱は絶縁体２を伝搬して、絶縁体２の表面から外部に放射される。したがって、図示しない被加熱物を面状発熱体１の絶縁体２表面に接触させておくことで、被加熱物を所望の温度に加熱することができる。
【００１９】
ところで、発熱体３の折返部３２と直線部３１との連結部における電流密度は、内周縁３４を含む内周部が最も高く、その外側にいくに従って、電流密度が低くなっていく。
したがって、従来型の面状発熱体の発熱体では、図５の（ａ）に示すように、内周縁３４が短いため、 電力が、内周縁３４を含む狭い内周部Ｌ１に集中する。この結果、内周部Ｌ１の電流密度が極端に高くなり、その外側の領域Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の電流密度は極めて低くなる。このため、内周部Ｌ１の温度が、他の部分に比べて高温になり、内周部Ｌ１に位置する絶縁体２の部分が耐熱温度以上に加熱され、焦げて炭化するおそれがある。また、このように、高温の発熱が部分的に発生することで、温度の面内均一性が阻害されるおそれがある。
【００２０】
これに対して、この実施例の面状発熱体１では、図４に示したように、発熱体３の折返部３２において、その内周縁３４が、中心角が１８０度を超える円弧状に形成され、内周縁３４の半径Ｒ１が、外周縁３３の半径Ｒ２の０．２６倍〜０．５１倍の範囲内に設定されており、内周縁３４が長い。このため、図５の（ｂ）に示すように、内周縁３４を含む内周部Ｌ１の広い領域で、電流密度が、上記従来型に比べて低くなり、その外側の領域Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の電流密度も、グラディーションの如く、順次低くなると想定される。
この結果、折返部３２の内周部Ｌ１への電力集中が回避され、内周部Ｌ１の温度上昇が抑えられて、内周部Ｌ１に位置する絶縁体２部分の焼損が防止される。また、内周部Ｌ１の温度上昇が抑えられるので、面状発熱体１全体における温度の面内均一性が確保される。
【００２１】
発明者は、かかる効果を確認すべく、次のようなシミュレーションを行った。
具体的には、図４に示す発熱体３を、単位長さ当たりの抵抗が３．６Ω／ｍのＳＵＳ（）ステンレススチール）３０４で形成し、その直線部３１の幅ｔ２と厚さを７．４ｍｍと０．０３ｍｍにそれぞれ設定すると共に、間隙幅ｔ１を０．７ｍｍに設定することで、折返部３２の外周縁３３の半径Ｒ２を７．７５ｍｍ設定した。そして、２００Ｖの電圧を両給電端子３ａ，３ｂ間に印加して、８Ａの電流を発熱体３に通電することとした。
かかる条件下で、内周縁３４の半径Ｒ１の外周縁３３の半径Ｒ２に対する倍率を変化させて、各倍率のときの折返部３２の内周部Ｌ１（図５参照）における最大電流密度をシミュレーションした。
図６は、シミュレーション結果を示す線図である。
図６のＰ０点で示すように、内周縁３４の半径Ｒ１の外周縁３３の半径Ｒ２に対する倍率が「０」、即ち、外周縁３３の形状が図５の（ａ）に示した従来型の場合には、内周部の最大電流密度が、１．５×１０８ （Ａ／ｍ２ ）にも達した。
そして、半径Ｒ１の半径Ｒ２に対する倍率を上げていくに従って、最大電流密度は高勾配で低下し、Ｐ３点の「０．３９」倍を境に低勾配で上昇していった。
つまり、半径Ｒ１の半径Ｒ２に対する倍率を「０．２９」倍にすると、図６のＰ１点で示すように、最大電流密度が、１．０×１０８ （Ａ／ｍ２ ）に至り、最大電流密度が、図５の（ａ）に示した従来型の発熱体に対して約４０％も減少した。さらに、倍率を「０．３９」倍迄上げると、図６のＰ３点で示すように、最大電流密度が、０．７１×１０８ （Ａ／ｍ２ ）に至り、最大電流密度が、従来型の発熱体に対して約５３％も減少した。そして、倍率を「０．５１」倍迄上げると、図６のＰ２点で示すように、最大電流密度が、０．７４×１０８ （Ａ／ｍ２ ）に上昇したが、最大電流密度は、従来型の発熱体に対して約５１％も減少していた。
以上のシミュレーションの結果を踏まえ、発明者は、内周縁３４の半径Ｒ１の外周縁３３の半径Ｒ２に対する倍率を０．２６〜０．５１の範囲内（図６のＰ１点からＰ２点内）に設定した。これは、絶縁体２の焼損防止などの見地から、内周部における最大電流密度の低減率が、少なくとも４０％以上必要であること、及び、折返部３２の強度等の面から、折返部３２の幅が、直線部３１の半分程度は必要であることによる。勿論、図６の点Ｐ３で示すように、内周縁３４の半径Ｒ１の外周縁３３の半径Ｒ２に対する倍率を「０．３９」に設定することが、最も好ましい。
【００２２】
（実施例２）
次に、この発明の第２実施例について説明する。
図７は、この発明の第２実施例に係る面状発熱体の要部を示す平面図であり、図８は、折返部の内周縁と直線部の縁との連結部における電流密度を説明するための平面図である。
【００２３】
この実施例の面状発熱体は、図７に示すように、面取り部３５，３６を有する点が、上記第１実施例と異なる。
具体的には、折返部３２の内周縁３４の右端と直線部３１Ａの縁３１ａ’との連結部に面取り部３５を形成し、内周縁３４の左端と直線部３１Ｂの縁３１ｂ’との連結部に面取り部３６を形成した。
図８に示すように、面取り部３５，３６がない発熱体３においては、折返部３２の内周縁３４の右，左端と直線部３１Ａ，３１Ｂとの連結部Ｌ６の電流密度が、他の領域に比べて著しく低くなってしまい、発熱体３の温度の面内均一性を害するおそれがある。
このため、この実施例のように、他の領域に比べて著しく低温になりがちな連結部Ｌ６を削除して、面取り部３５，３６を設けることで、温度の面内均一性を確保することができる。
その他の構成、作用及び効果は、上記第１実施例と同様であるので、それらの記載は省略する。
【００２４】
なお、この発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内において種々の変形や変更が可能である。
例えば、上記第１及び第２実施例では、折返部３２の外周縁３３の形状を半円状にしたが、この外周縁の形状は隣り合う直線部３１Ａ，３１Ｂの外縁３１ａ，３１ｂの延長線ａ，ｂで挟まれる領域Ｓ内に収まるように設定されていればよく、図９に示すように、半円状でない形状の外周縁３３’を有する面状発熱体もこの発明の範囲に含まれることは、勿論である。
【符号の説明】
【００２５】
１…面状発熱体、  ２…絶縁体、  ３…発熱体、  ３ａ，３ｂ…給電端子、  ２１，２２…絶縁シート、  ３１，３１Ａ，３１Ｂ…直線部、  ３１ａ，３１ｂ…縁、  ３２…折返部、  ３３，３３’…外周縁、  ３４…内周縁、  ３５，３６…面取り部、  Ｌ１…内周部、  Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４…領域、  Ｌ６…連結部。
【図１】
2014212045.tif 000003
【図２】
2014212045.tif 000004
【図３】
2014212045.tif 000005
【図４】
2014212045.tif 000006
【図５】
2014212045.tif 000007
【図６】
2014212045.tif 000008
【図７】
2014212045.tif 000009
【図８】
2014212045.tif 000010
【図９】
2014212045.tif 000011