(57)【要約】【課題】より高温で対象物を加熱可能で、かつ応力緩和が可能なＰＴＣヒータを提供すること。【解決手段】ＰＴＣヒータ１は、ＰＴＣサーミスタ部１１と、絶縁性材料からなるセラミック部１２と、ＰＴＣサーミスタ部１１とセラミック部１２との間に介在する第一電極１３ａおよび第二電極１３ｂと、を備えている。電極１３ａ，１３ｂはそれぞれ、ＰＴＣサーミスタ部１１と接合する第一層１４ａ，１４ｂと、セラミック部１２と接合する第二層１５ａ，１５ｂと、を含んでいる。第一層１４ａ，１４ｂは亜鉛を含有する。第二層１５ａ，１５ｂは亜鉛を含有せずに、ガラス成分を含有しており、第一層１４ａ，１４ｂを覆っている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＴＣサーミスタ部と、
絶縁性材料からなるセラミック部と、
前記ＰＴＣサーミスタ部と前記セラミック部との間に介在する第一電極および第二電極と、を備え、
前記第一電極および前記第二電極はそれぞれ、前記ＰＴＣサーミスタ部と接合する第一層と、前記セラミック部と接合する第二層と、を含み、
前記第一層は亜鉛を含有しており、前記第二層は、亜鉛を含有せずにガラス成分を含有し、前記第一層を覆っている、ＰＴＣヒータ。
【請求項２】
前記第二層は、０．０１重量パーセント以上のガラス成分を含有する、請求項１に記載のＰＴＣヒータ。
【請求項３】
前記第一層および前記第二層の主成分は銀である、請求項１または２に記載のＰＴＣヒータ。
【請求項４】
前記ＰＴＣサーミスタ部、前記セラミック部および前記第一電極および前記第二電極で形成される空間には、熱伝導材料が充填されている、請求項１〜３のいずれかに記載のＰＴＣヒータ。
【請求項５】
前記セラミック部は、互いに対向する第一面および第二面を有し、
前記第一電極および前記第二電極は前記第一面に設けられ、
前記ＰＴＣヒータはさらに、
前記第二面に設けられた第一給電用電極および第二給電用電極と、
前記セラミック部を貫通しており、前記第一電極と前記第一給電用電極とを電気的に接続する第一接続導体と、
前記セラミック部を貫通しており、前記第二電極と前記第二給電用電極とを電気的に接続する第二接続導体と、を含む、請求項１〜４のいずれかに記載のＰＴＣヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＴＣサーミスタの一主面上に一対の電極が設けられたＰＴＣヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のＰＴＣヒータとして、特許文献１に記載のものがある。このＰＴＣヒータは、ＰＴＣサーミスタの表面のうち少なくとも一主面に一対の電極が設けられる。また、一対の電極をＰＴＣサーミスタとで挟みこむように、一対の電極上には絶縁性セラミック部が接着層（シリコン樹脂、エポキシ樹脂、セラミックス等）を介して接合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０５−３４３１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、接着層に樹脂材料を用いると、ＰＴＣヒータの加熱温度が制限される。例えば、耐熱性の良いポリイミド樹脂を用いたとしても、長期的な信頼性の観点から、ＰＴＣヒータの加熱温度は２００℃以下に制限される。
【０００５】
また、接着層として、弾性率が大きく変形しにくいセラミック部が用いられることもある。しかしながら、ＰＴＣサーミスタ層と絶縁性セラミック部とは互いに異なる熱膨張係数を有する。具体的には、ＰＴＣサーミスタ層の方が絶縁性セラミック部よりも大きい。したがって、温度制御中、ＰＴＣサーミスタ層と絶縁性セラミック部とは異なる度合で伸縮することになるが、接着層の弾性率が大きいため、両層の線膨張係数差に起因する応力の緩和を接着層に過度の期待をすることはできない。
【０００６】
それゆえに、本発明の目的は、より高温で対象物を加熱可能で、かつ応力緩和が可能なＰＴＣヒータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の一局面は、ＰＴＣヒータであって、ＰＴＣサーミスタ部と、絶縁性材料からなるセラミック部と、前記ＰＴＣサーミスタ部と前記セラミック部との間に介在する第一電極および第二電極と、を備えている。前記第一電極および前記第二電極はそれぞれ、前記ＰＴＣサーミスタ部と接合する第一層と、前記セラミック部と接合する第二層と、を含んでいる。また、前記第一層は亜鉛を含有し、前記第二層は、亜鉛を含有せずにガラス成分を含有し、前記第一層を覆っている。
【発明の効果】
【０００８】
上記局面によれば、より高温で対象物を加熱可能で、かつ応力緩和が可能なＰＴＣヒータを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第一実施形態に係るＰＴＣヒータの斜視図である。
【図２】図１に示す線Ａ−Ａ’に沿うＰＴＣヒータの縦断面を矢印Ｂの方向から見た時の図である。
【図３】第一実施形態に係るＰＴＣヒータの第一変形例を示す縦断面図である。
【図４】第一実施形態に係るＰＴＣヒータの第二変形例を示す縦断面図である。
【図５】図４のＰＴＣヒータの断続回数に対する抵抗変化率を示すグラフである。
【図６】オーバーコートガラスを形成した、第二変形例に係るＰＴＣヒータの縦断面図である。
【図７】本発明の第二実施形態に係るＰＴＣヒータの斜視図である。
【図８】図７に示す線Ａ−Ａ’に沿うＰＴＣヒータの縦断面を矢印Ｂの方向から見た時の図である。
【図９】第二実施形態に係るＰＴＣヒータの第一変形例を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
《はじめに》
まず、以下の説明の便宜のため、各図に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を定義する。Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、ＰＴＣヒータ１の左右方向、前後方向および上下方向を示す。
【００１１】
《第一実施形態》
以下、図１，図２を参照して、本発明の第一実施形態に係るＰＴＣヒータについて説明する。
【００１２】
《ＰＴＣヒータの構成》
図１および図２において、ＰＴＣヒータ１は、概ね、Ｘ軸方向に４０ｍｍ、Ｙ軸方向に２５ｍｍ、Ｚ軸方向に１ｍｍのサイズを有しており、大略的に、ＰＴＣサーミスタ部１１と、セラミック部１２と、二個一対の第一電極１３ａおよび第二電極１３ｂと、を備えている。
【００１３】
ＰＴＣサーミスタ部１１は、温度変化に対して抵抗値が変化する抵抗体であって、正の温度係数を有する。このＰＴＣサーミスタ部１１は、チタン酸バリウムに所定の添加物を加えたセラミック材料からなり、チタン酸バリウムのキュリー温度付近（例えば９０℃付近や２４０℃付近）で抵抗値が変化する。ＰＴＣサーミスタ部１１は、例えば、Ｚ軸方向からの平面視（以下、上面視という）で矩形形状と、所定の厚さとを有する層状のサーミスタ膜であり、ＸＹ平面に略平行な第一主面１１１を有する。
【００１４】
セラミック部１２は、絶縁性を有するセラミック材料（例えばアルミナ）からなる。セラミック部１２は、例えば、上面視で、上記ＰＴＣサーミスタ部１１よりも大きな面積の矩形形状と、所定の厚さとを有するアルミナ基板である。また、セラミック部１２は、ＸＹ平面に略平行な第一主面１２１であって、ＰＴＣサーミスタ部１１の主面１１１と電極１３ａ，１３ｂを挟んで相対向する第一主面１２１を有する。
【００１５】
上記の通り、電極１３ａ，１３ｂは、ＰＴＣサーミスタ部１１とセラミック部１２とにより挟み込まれるように設けられている。また、電極１３ａ，１３ｂはそれぞれ、Ｘ軸方向に延在するストリップライン状の電極である。また、電極１３ａ，１３ｂは、ＰＴＣサーミスタ部１１の主面１１１上に、所定の間隔をあけて設けられている。所定の間隔は、ＰＴＣサーミスタ部１１に求められる耐圧やセラミック部１２に求められる絶縁耐圧に基づき適宜定められる。
【００１６】
また、電極１３ａは、図２に明示するように、第一層１４ａと、第二層１５ａと、を有する。第一層１４ａは、例えば銀のように酸化し難い金属材料を主成分として含有する。また、第一層１４ａは、電極１３ａがＰＴＣサーミスタ部１１とオーミック接合するように、亜鉛を適量含有する。このような電極１３ａは、ＰＴＣサーミスタ部１１の主面１１１上に形成される。また、亜鉛は酸化し易いので、第二層１５ａは、酸化し難い金属材料（典型的には、第一層１４ａと同様に銀）を主成分として含有する。ただし、第二層１５ａは、酸化し易い亜鉛を含有する第一層１４ａの酸化防止のために設けられるので、亜鉛を含有しない。また、第二層１５ａは、セラミック部１２との接合のためにガラスを所定量含有している。所定量は、第二層１５ａの基礎となる導電性ペーストに対して０．０１重量％超である。なお、所定量は、ガラスの量が多くなればなるほど、電極１３ａの抵抗値が増大したり、信頼性が低下したりするので、５．０重量％未満である。以上のような第二層１５ａは、上記第一層１４ａを覆うように形成される。また、ＰＴＣサーミスタ部１１への電力供給のために、第二層１５ａは、図１に明示するよう、上面視で、ＰＴＣサーミスタ部１１の外形線からＸ軸正方向に向かって露出している。
【００１７】
電極１３ｂは、電極１３ａと同様の構造を有しており、図２に明示するように、第一層１４ｂと、第二層１５ｂを有する。第一層１４ｂは、第一層１４ａと同様であり、第二層１５ｂは、第二層１５ａと同様であるため、それぞれの詳説を省略する。
【００１８】
《ＰＴＣヒータの製法》
次に、上記ＰＴＣヒータ１の製法について説明する。以下には、単一のＰＴＣヒータ１の製法について説明するが、実際には同時に大量のＰＴＣヒータ１が作製される。
【００１９】
まず、セラミック部１２（典型的にはアルミナ基板）上に、第二層１５ａ，１５ｂの基礎となる、亜鉛を含有しない導電性ペーストがスクリーン印刷される。具体的には、この導電性ペーストは、Ｘ軸方向に延在する二本のストリップライン状に、かつこれらがＹ軸方向に所定の間隔をあけて印刷される。
【００２０】
第二層用の導電性ペーストが乾燥した後、第二層１５ａ，１５ｂ上には、ＰＴＣサーミスタ部１１（キュリー温度：９０℃）と接合するべき第一層１４ａ，１４ｂの基礎となるオーミック接合用導電性ペーストがスクリーン印刷される。具体的には、オーミック接合用導電性ペーストは、上面視でＰＴＣサーミスタ部１１の外形線からはみ出ないよう、電力供給部分を除いた部分に印刷される。
【００２１】
これら第一層１４ａ，１４ｂ上に、ＰＴＣサーミスタ部１１を重ねて、積層体が形成される。これらが乾燥した後、５５０℃〜６５０℃で熱処理する。これによって、ＰＴＣサーミスタ部１１およびセラミック部１２は、電極１３ａ，１３ｂにそれぞれ接合する。この熱処理中、一定の荷重を上下方向から積層体に加えることで、これらはより良好に接合する。
【００２２】
ここで、熱処理中、第一層１４ａ，１４ｂの基礎となる導電性ペーストは、ＰＴＣサーミスタ部１１とオーミック接合する。また、第二層１５ａ，１５ｂの基礎となる導電性ペースト中では、銀粒子同士が近づき合い金属結合して、収縮するとともに、ガラス成分がセラミック部１２との界面方向に移動する。このガラス成分が電極１３ａ，１３ｂとセラミック部１２との接合に寄与する。
【００２３】
《ＰＴＣヒータの作用／効果》
以上説明したように、本実施形態では、金属材料からなる電極１３ａ，１３ｂに、ＰＣＴサーミスタ部１１およびセラミック部１２の両方を接合させている。電極１３ａ，１３ｂは金属結合により形成されているため、共有結合やイオン結合により形成されるセラミックスと比べて弾性率が小さい。したがって、温度制御中、ＰＴＣサーミスタ部１１とセラミック部１２とは異なる度合で伸縮することになるが、電極１３ａ，１３ｂの弾性率が小さいため、ＰＣＴサーミスタ部１１およびセラミック部１２の線膨脹係数差による発生する歪み応力が小さくなる。
【００２４】
また、ＰＣＴサーミスタ部１１とセラミック部１２との間には、空気中でかつ高温下で安定的な金属材料からなる電極１３ａ，１３ｂが介在している。よって、長期的な信頼性が確保され、ＰＴＣヒータ１の加熱温度を３００℃というように高温にできる。
【００２５】
《第一変形例》
次に、第一実施形態の第一変形例に係るＰＴＣヒータ１について説明する。第一変形例は、第一実施形態と比較すると、外部環境からＰＴＣサーミスタ部１１を保護するために、図３に示すようなオーバーコートガラス１６がＰＴＣサーミスタ部１１の周囲に形成されている点で相違する。それ以外に両ＰＴＣヒータ１の間に相違点は無い。それゆえ、図３において、図１や図２に示す構成に相当するものには同一参照符号を付け、それぞれの説明を省略する。
【００２６】
オーバーコートガラス１６は以下のようにして形成される。第一実施形態で説明した通り、ＰＴＣサーミスタ部１１およびセラミック部１２は、電極１３ａ，１３ｂにそれぞれ接合させられる。その後に、メタルマスクをＰＴＣサーミスタ部１１の周囲に配置する。次に、ガラスペーストをＰＴＣサーミスタ部１１の周囲に充填する。乾燥後、４００℃〜６００℃で熱処理して、オーバーコートガラス１６が形成される。
【００２７】
なお、ＰＴＣヒータ１の使用温度域が低い場合には、オーバーコートガラス１６に代えて、ポリイミド等の樹脂で、ＰＴＣサーミスタ部１１を覆っても構わない。
【００２８】
《第二変形例》
次に、第一実施形態の第二変形例に係るＰＴＣヒータ１について説明する。第二変形例は、第一実施形態と比較すると、加熱時にＰＴＣサーミスタ部１１とセラミック部１２の熱膨張差を低減するために、図４に示すような熱伝導層１７をさらに備える点で相違する。それ以外に両ＰＴＣヒータ１の間に相違点は無い。それゆえ、図４において、図１や図２に示す構成に相当するものには同一参照符号を付け、それぞれの説明を省略する。
【００２９】
第一実施形態に記載のＰＴＣヒータ１では、電極１３ａ，１３ｂに電力供給されて、ＰＴＣサーミスタ部１１が昇温する。この時、ＰＴＣサーミスタ部１１は熱膨張する。熱は電極１３ａ，１３ｂを通じセラミック部１２にも伝わるため、セラミック部１２も熱膨張する。
【００３０】
ところが、第一実施形態のように熱伝導層１７が無い場合、ＰＴＣサーミスタ部１１、セラミック部１２、電極１３ａ，１３ｂで囲まれた空間は断熱層として作用し、セラミック部１２への熱伝導が不十分となる可能性がある。その結果、ＰＴＣサーミスタ部１１とセラミック部１２の熱膨張差が大きくなり、内部に応力により、ＰＴＣサーミスタ部１１が割れたり剥がれたりことも考えられる。
【００３１】
そこで、熱伝導層１７は、例えば絶縁性を有する熱伝導材料（例えば、ガラス）からなり、ＰＴＣサーミスタ部１１、セラミック部１２、電極１３ａ，１３ｂで囲まれた部分に形成される。この構成により、ＰＴＣサーミスタ部１１で発生した熱は、電極１３ａ，１３ｂだけでなく熱伝導層１７を通じてセラミック部１２にも伝わる。これにより、ＰＴＣサーミスタ部１１とセラミック部１２との熱膨張差を抑制できるため、ＰＴＣサーミスタ部１１の割れや剥がれを抑制することができる。
【００３２】
本件発明者は、熱伝導層１７の効果を確認すべく、第二変形例に係るＰＴＣヒータ１に所定電圧を断続印加し、その断続回数に対する抵抗変化率を測定した。所定電圧とは、交流３０Ｖで、オン期間０．５ｍｉｎに対しオフ期間２．５ｍｉｎを有する。また、抵抗変化率は、断続回数が１回の時を０％としている。その結果を図５に実線で示す。なお、図５には、比較のため、熱伝導層１７を備えないＰＴＣヒータの測定結果も点線で示されている。図５に示すように、本変形例に係るＰＴＣヒータ１の方が小さな抵抗変化率となっている。
【００３３】
ここで、ＰＴＣサーミスタ部１１のキュリー温度が高い（例えば、２４０℃）場合には、熱伝導層１７が設けられていることが好ましい。キュリー温度が高い場合、セラミック部１２との熱膨張差が大きくなり易いからである。
【００３４】
なお、ＰＴＣヒータ１の使用温度域が低い場合には、熱伝導層１７として、ガラスの代わりに、熱伝導率の高い絶縁性セラミック層や、ポリイミド等の樹脂を用いても構わない。
【００３５】
《ＰＴＣヒータの製法》
次に、第二変形例に係るＰＴＣヒータ１の製法について説明する。以下には、単一のＰＴＣヒータ１の製法について説明するが、実際には同時に大量のＰＴＣヒータ１が作製される。
【００３６】
第一実施形態の製法と同様、セラミック部１２上に、第二層１５ａ，１５ｂの基礎となる、亜鉛を含有しない導電性ペーストがスクリーン印刷される。乾燥後、第二層１５ａ，１５ｂ上には、ＰＴＣサーミスタ部１１（キュリー温度：２４０℃）と接合するべき第一層１４ａ，１４ｂの基礎となるオーミック接合用導電性ペーストがスクリーン印刷される。
【００３７】
その後、熱伝導層１７の材料であるガラス等が、セラミック部１２、電極１３ａ，１３ｂで囲まれた凹部に充填される。ここで、熱伝導層１７がＰＴＣサーミスタ部１１と強固に接合すると、ＰＣＴサーミスタ部１１とセラミック部１２との熱膨張差により応力が発生する可能性がある。よって、下記の熱処理後に熱伝導層１７のＺ軸方向厚さが、電極１３ａ，１３ｂのそれよりも小さくなるように、ガラス等の充填量は調整される。
【００３８】
ガラス等の充填後、第一層１４ａ，１４ｂ上にＰＴＣサーミスタ部１１を重ね、これによって得られた積層体を、乾燥後に５５０℃〜６５０℃で熱処理する。これにより、ＰＴＣヒータ１が完成する。その後、必要に応じて、図６に示すようにオーバーコートガラス１６が形成されても構わない。
【００３９】
《第二実施形態》
以下、図７，図８を参照して、本発明の第二実施形態に係るＰＴＣヒータについて説明する。
【００４０】
《ＰＴＣヒータの構成》
図７および図８において、ＰＴＣヒータ２は、概ね、Ｘ軸方向に４０ｍｍ、Ｙ軸方向に２５ｍｍ、Ｚ軸方向に１ｍｍのサイズを有しており、大略的に、ＰＴＣサーミスタ部２１と、セラミック部２２と、二個一対の第一電極２３ａおよび第二電極２３ｂと、二個一対の第一給電用電極２６ａおよび第二給電用電極２６ｂと、二個一対の第一接続導体２７ａおよび第二接続導体２７ｂと、を備えている。
【００４１】
ＰＴＣサーミスタ部２１は、前述のＰＴＣサーミスタ部１１と同様の材料、形状を有しており、ＸＹ平面に略平行な第一主面２１１を有する。
【００４２】
セラミック部２２は、例えば、前述のセラミック部１２と同様のアルミナ基板であって、ＸＹ平面に略平行な第一主面２２１であって、ＰＴＣサーミスタ部２１の主面２１１と電極２３ａ，２３ｂを挟んで相対向する第一主面２２１を有する。セラミック部２２はさらに、主面２２１と上下方向に相対向する第二主面２２２を有する。
【００４３】
電極２３ａ，２３ｂは、電極１３ａ，１３ｂと同様、主面２１１上に所定間隔をあけて設けられたストリップライン状の電極である。本実施形態では、給電用電極２６ａ，２６ｂから、接続導体２７ａ，２７ｂを介して電極２３ａ，２３ｂへの給電が行われるため、上面視で、電極２３ａ，２３ｂはＰＴＣサーミスタ部２１の外形線に内包されていても構わない。
【００４４】
より具体的には、電極２３ａは、図８に明示するように、第一層２４ａと、第二層２５ａと、を有する。第一層２４ａは、第一層１４ａと同様、酸化し難い金属材料と、ＰＴＣサーミスタ部２１とのオーミック接合のための亜鉛とを、含有する。このような電極２３ａは、ＰＴＣサーミスタ部２１の主面２１１上に形成される。
【００４５】
また、第二層２５ａは、酸化し難い金属材料（典型的には銀）を含有するが、第一層２４ａの酸化防止のため亜鉛を含有しない。また、第二層２５ａは、セラミック部２２との接合のためにガラスを所定量含有する。所定量は、第一実施形態で説明した通りである。
【００４６】
電極２３ｂは、電極２３ａと同様の構造を有しており、図８に明示するように、第一層２４ｂと、第二層２５ｂを有する。第一層２４ｂは、第一層２４ａと同様であり、第二層２５ｂは、第二層２５ａと同様であるため、それぞれの詳説を省略する。
【００４７】
給電用電極２６ａ，２６ｂは、酸化し難い金属材料（典型的には銀）からなり、第一主面２２１に形成された電極２３ａ，２３ｂとＺ軸方向に相対向するように、第二主面２２２上に形成される。この給電用電極２６ａ，２６ｂは、電極であって、ＰＴＣサーミスタ部２１への電力供給に使用される。
【００４８】
接続導体２７ａ，２７ｂもまた、酸化し難い金属材料（典型的には銀）からなる。接続導体２７ａは、電極２３ａと給電用電極２６ａとを電気的に接続し、接続導体２７ｂは、電極２３ｂと給電用電極２６ｂとを電気的に接続する。
【００４９】
なお、セラミック部２２への給電用電極２６ａ，２６ｂや接続導体２７ａ，２７ｂの製造方法は周知であるため、その説明を省略する。
【００５０】
《ＰＴＣヒータの作用／効果》
上記第二実施形態は、上面視で電極２３ａ，２３ｂをＰＴＣサーミスタ部２１の外形線から露出させる必要がなくなるため、第一実施形態と比較すると、設置面積を小さくすることができる。
【００５１】
《第一変形例》
次に、第二実施形態の第一変形例に係るＰＴＣヒータ２について説明する。第一変形例は、第二実施形態と比較すると、外部環境からＰＴＣサーミスタ部２１を保護するために、図９に示すようなオーバーコートガラス２８がＰＴＣサーミスタ部２１の表面を覆うように形成されている点で相違する。それ以外に両ＰＴＣヒータ２の間に相違点は無い。それゆえ、図９において、図７，図８に示す構成に相当するものには同一参照符号を付け、それぞれの説明を省略する。また、オーバーコートガラス２８は、前述のオーバーコートガラス１６と同様であるため、その説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明に係るＰＴＣヒータは、より高温で対象物を加熱可能で、かつ応力緩和が可能であり、保温器や湯沸かしポット等に有用である。
【符号の説明】
【００５３】
１，２  ＰＴＣヒータ
１１，２１  サーミスタ部
１２，２２  セラミック部
１３ａ，２３ａ  第一電極
１３ｂ，２３ｂ  第二電極
１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ  第一層
１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂ  第二層
１６，２８  オーバーコートガラス
１７  熱伝導層
２６ａ  第一給電用電極
２６ｂ  第二給電用電極
２７ａ  第一接続導体
２７ｂ  第二接続導体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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