(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正特性サーミスタ発熱素子の相対する両主面のそれぞれに、陰極と陽極の面積が異なる一対の電極が形成され、一主面に形成された面積の大きな電極と他主面に形成された面積の小さな電極、一主面に形成された面積の小さな電極と他主面に形成された面積の大きな電極とが、電気的に同極となるように接続されてなる正特性サーミスタ発熱体であって、前記電極は、両主面にそれぞれ形成された面積の大きな電極同士が重なり合う部分の面積が一主面の面積の５０％以上となるように構成されているとともに、両主面にそれぞれ形成された一対の電極間の間隔が正特性サーミスタ発熱素子の厚さよりも狭くなるように構成されていることを特徴とする正特性サーミスタ発熱体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正特性サーミスタ発熱素子を用いた発熱体に係り、特に、正特性サーミスタ発熱素子に形成される電極の構成を工夫することにより、発熱効率を高めて大電力を得ることができるとともに、正特性サーミスタ発熱素子の破損を防止したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、各種の配管やポンプ部の凍結防止用ヒータなどとして、正特性サーミスタ（以下「ＰＴＣ」と略記する）発熱素子を発熱源として用いた発熱体が知られている。当該出願人は先に、上述の用途に好適であり、且つコンパクト化を可能としたＰＴＣ発熱体を特願平７−１２９６０８号にて提案した。この提案によるＰＴＣ発熱体は、ＰＴＣ発熱素子と一対の電極端子とから構成されたものである。ＰＴＣ発熱素子は、チタン酸バリウム系セラミック素子からなり、相対する両主面に、それぞれ銀ペーストからなる一対の電極が対向して形成されている。一方、電極端子は、基部と、該基部に連続して形成された一対の接触片及びリード線接続部とからなり、バネ弾性に優れたステンレス板により断面略コの字状に形成されている。そして、この電極端子の接触片間にＰＴＣ発熱素子が配置されることにより、ＰＴＣ発熱素子と電極端子とが電気的に接続されてＰＴＣ発熱体が構成される。
【０００３】
上記のＰＴＣ発熱体は、電極端子のバネ弾性によってＰＴＣ発熱素子が強固に掴持されることになるため、従来必要とされていた導電性接着剤や電極端子のバネ性を働かせるためのケースを用いることなく、ＰＴＣ発熱素子の電極と電極端子との正常な電気的接続状態を確実に得ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成のＰＴＣ発熱体は、既に述べたように、断面略コの字状に形成された一対の電極端子をＰＴＣ発熱素子と電気的に接続するものであることから、ＰＴＣ発熱素子に形成される電極は、両主面のそれぞれにおいて、陰極と陽極とが分割されて対向する形状となる。しかしながら、このような電極構成の場合には、発熱部分がＰＴＣ発熱素子の両主面にそれぞれ形成された一対の電極間のみに限られてしまうため発熱効率が悪く、大電力が要求されるような用途、例えば、外径の大きな配管等の凍結防止を図るような用途では使用が困難になる場合があった。また、凍結結防止用ヒータとして使用される際、場合によっては−２０〜−４０℃程度の氷点下雰囲気からヒータを立ち上げることがあるが、その際、ＰＴＣ発熱素子内部の部分的な発熱による偏熱によって機械的な内部応力が残留し、素子割れ等の破損が生じてしまう恐れがあった。
【０００５】
本発明はこのような点に基づいてなされたもので、その目的とするところは、ＰＴＣ発熱素子の発熱効率を高めて大電力を得ることができるとともに、ＰＴＣ発熱素子の破損を防止した信頼性の高いＰＴＣ発熱体を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するべく本発明による正特性サーミスタ発熱体は、正特性サーミスタ発熱素子の相対する両主面のそれぞれに、陰極と陽極の面積が異なる一対の電極が形成され、一主面に形成された面積の大きな電極と他主面に形成された面積の小さな電極、一主面に形成された面積の小さな電極と他主面に形成された面積の大きな電極とが、電気的に同極となるように接続されてなる正特性サーミスタ発熱体であって、前記電極は、両主面にそれぞれ形成された面積の大きな電極同士が重なり合う部分の面積が一主面の面積の５０％以上となるように構成されているとともに、両主面にそれぞれ形成された一対の電極間の間隔が正特性サーミスタ発熱素子の厚さよりも狭くなるように構成されていることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を参照して、本発明のＰＴＣ発熱体の実施の形態を説明する。この実施の形態によるＰＴＣ発熱体は、ＰＴＣ発熱素子１と一対の電極端子１１とから構成されている。まず、ＰＴＣ発熱素子１は、角板状に形成されたチタン酸バリウム系セラミック素子からなり、相対する両主面にはそれぞれ、銀ペーストからなり、陰極と陽極の面積が異なる一対の対向電極１ａ、１ｂと１ｃ、１ｄが形成されている。図１の例では、面積の小さな電極１ａが略長方形状、面積の大きな電極１ｂが略Ｌ字状に形成されていて、裏面においても略同形状に電極１ｃ、１ｄが形成されている。
【０００８】
電極端子１１は、基部１１ａと、該基部１１ａに連続して形成された一対の接触片１１ｂ、１１ｂ’及びリード線接続部１１ｃとからなり、バネ弾性に優れたステンレス板により断面略コの字状に形成されている。この電極端子１１の接触片１１ｂ、１１ｂ’間にＰＴＣ発熱素子１が配置されることにより、ＰＴＣ発熱素子１の電極１ａと１ｄ、電極１ｂと１ｃとが電気的に同極となるように接続される。
【０００９】
ここで、上記のような電極構成のＰＴＣ発熱体に電極端子を介して所定の電圧を印加すると、電極１ａと電極１ｂ間、電極１ｃと電極１ｄ間に電流が流れて発熱するとともに、電極１ｂと電極１ｄの重なり合った部分間（ＰＴＣ発熱素子の厚さ方向）にも電流が流れて発熱する。つまり、従来、両主面のそれぞれに陰極と陽極とが分割されて対向する形状に形成された電極構成のＰＴＣ発熱体が、両主面にそれぞれ形成された一対の電極間しか発熱しなかったのに対し、この実施の形態によるＰＴＣ発熱体おいては、ＰＴＣ発熱素子の表面に加え、ＰＴＣ発熱素子の内部においても発熱が行われることになる。従って、発熱効率が著しく上昇して大電力を得ることが可能になる。
【００１０】
上記構成のＰＴＣ発熱体を実使用に供する場合は、使用条件、用途等を考慮して必要に応じて適宜に絶縁処理を施す。例えば、各種の配管やポンプ部の凍結防止用ヒータなど、特に防水性や防湿性が要求される用途で使用する場合には、ＰＴＣ発熱体をケース内に収納し、その空隙部に電気絶縁物を充填するか、若しくはケースを用いず、電気絶縁物で直接ＰＴＣ発熱体を被覆することなどが考えられる。
【００１１】
ＰＴＣ発熱体を収納するケースの構造は何ら限定されず、例えば、一端が開口した有底筒形状のものや、上面に埋込部を有する箱状のものなどが挙げられ、構成材料としては、例えば、ＰＢＴ樹脂、ＡＢＳ樹脂、シリコーンゴム等の高分子材料、アルミナ等のセラミック材料、ステンレス、アルミニウム、銅、真鍮等の金属材料などが挙げられる。また、電気絶縁物としては、例えば、液状シリコーンゴム、エポキシ樹脂等が挙げらる。
【００１２】
【実施例】
以下、実際に製造したＰＴＣ発熱体の構成を図１及び図２を参照して説明する。図１は本実施例によるＰＴＣ発熱体の分解斜視図であり、図２は図１のＡ─Ａ断面図である。
【００１３】
実施例１
この実施例では、ＰＴＣ発熱素子１と、当該出願人が特願平７−１２９６０８号にて提案した一対の電極端子１１とを組み合わせてＰＴＣ発熱体を構成した。ＰＴＣ発熱素子１は、縦１３ｍｍ、横３０ｍｍ、厚さ２．５ｍｍの角板状に形成された、キュリー温度１８０℃、常温における体積抵抗率約７８００Ω・ｃｍのチタン酸バリウム系セラミック素子からなり、相対する両主面にはそれぞれ、銀ペーストからなり、陰極と陽極の面積が異なる一対の対向電極１ａ、１ｂと、１ｃ、１ｄがスクリーン印刷によって形成されている。図１の例では、面積の小さな電極１ａ、１ｃが縦３ｍｍ、横１８ｍｍの略長方形状に形成され、面積の大きな電極１ｂ、１ｄが前記電極１ａ、１ｃから２．０ｍｍの間隔を隔てて略Ｌ字状となるように形成されている。つまり、このＰＴＣ発熱体においては、両主面にそれぞれ形成された面積の大きな電極１ｂ、１ｄ同士が重なり合う部分の面積が、一主面の面積の約５０％となるような電極構成となっている。
【００１４】
一方、電極端子１１は、基部１１ａと、該基部１１ａに連続して形成された一対の接触片１１ｂ、１１ｂ’及びリード線接続部１１ｃとからなり、バネ弾性に優れた厚さ０．３ｍｍのステンレス板により断面略コの字状に形成されている。この電極端子１１の接触片１１ｂ、１１ｂ’間にＰＴＣ発熱素子１が配置されることにより、ＰＴＣ発熱素子１の電極１ａと電極１ｄ、電極１ｂと電極１ｃとが電気的に同極となるように接続される。
【００１５】
実施例２
面積の小さな電極１ａ、１ｃを縦３ｍｍ、横１４ｍｍの略長方形状に形成した他は、実施例１と同様にしてＰＴＣ発熱体を製造した。このＰＴＣ発熱体においては、両主面にそれぞれ形成された面積の大きな電極１ｂ、１ｄ同士が重なり合う部分の面積が、一主面の面積の約６０％となるような電極構成となっている。
【００１６】
比較例１
面積の小さな電極１ａ、１ｃを縦３ｍｍ、横２２ｍｍの略長方形状に形成した他は、実施例１と同様にしてＰＴＣ発熱体を製造した。このＰＴＣ発熱体においては、両主面にそれぞれ形成された面積の大きな電極１ｂ、１ｄ同士が重なり合う部分の面積が、一主面の面積の約４０％となるような電極構成となっている。
【００１７】
比較例２
面積の小さな電極１ａ、１ｃを縦３ｍｍ、横１４ｍｍの略長方形状に形成するとともに、面積の大きな電極１ｂ、１ｄを前記電極１ａ、１ｃから、ＰＴＣ発熱素子の厚さと同じ２．５ｍｍの間隔を隔てて略Ｌ字状となるように形成した他は、実施例１と同様にしてＰＴＣ発熱体を製造した。このＰＴＣ発熱体においては、両主面にそれぞれ形成された面積の大きな電極１ｂ、１ｄ同士が重なり合う部分の面積が、一主面の面積の約５３％となるような電極構成となっている。
【００１８】
ここで、上記のようにして得られた４種類のＰＴＣ発熱体を試料として、発熱特性を評価した。まず、電極端子１１のリード線接続部１１ｃに電源供給用のリード線をスポット溶接によって接続したものを一端が開口した有底筒形状のシリコーンゴムケース内に収納し、その空隙部に液状シリコーンゴムを注入して加熱硬化させた。次に、このようにして絶縁処理を施したＰＴＣ発熱体を、長さ４００ｍｍ、幅２００ｍｍ、厚さ３ｍｍのアルミニウム放熱板の中央部に装着し、常温雰囲気中にてＡＣ１００Ｖの電圧を印加して発熱量を測定した。サンプル数は各々１０個とし、それらの測定値の平均値で評価した。
【００１９】
本実施例では更に、絶縁処理を施していない状態のＰＴＣ発熱体を試料として、以下のような低温通電負荷試験を実施してみた。ＰＴＣ発熱体を−４０℃の低温雰囲気中に放置し、その状態でリード線間（電極端子間）にＡＣ１００Ｖの電圧を１５分間印加、１５分間休止するサイクルを１０００サイクル繰り返して行い、１０００サイクル終了時のＰＴＣ発熱素子の表面状態を確認した。サンプル数は各々１０個とした。
【００２０】
これらの試験結果は以下の通りである。
発熱特性（発熱量）  低温通電負荷（素子表面状態）実施例１    １８．５Ｗ          素子割れ無し実施例２    １９．２Ｗ          素子割れ無し比較例１    １７．０Ｗ          素子割れ無し比較例２    １８．７Ｗ          素子割れ有り
【００２１】
まず、発熱特性の結果によれば、実施例２と実施例１における面積の大きな電極１ｂ、１ｄ同士が重なり合う部分の面積は、それぞれ一主面の面積の６０％と５０％であり、その間の１０％の減少に対して、発熱量の減少率は４％程度となっている。これに対して、実施例１と比較例１における面積の大きな電極１ｂ、１ｄ同士が重なり合う部分の面積は、それぞれ一主面の面積の５０％と４０％であり、その間の１０％の減少に対して、発熱量の減少率は８％程度となっている。つまり、ＰＴＣ発熱体の発熱効率は、面積の大きな電極１ｂ、１ｄ同士が重なり合う部分の面積が一主面の面積の５０％である場合を境に低下することが判る。従って、ＰＴＣ発熱体の電極構成としては、両主面に形成される面積の大きな電極同士が重なり合う部分の面積が一主面の面積の５０％以上となるように構成することが望ましいと言える。
【００２２】
次に、低温通電負荷試験の結果によれば、面積の小さな電極１ａ、１ｃと、面積の大きな電極１ｂ、１ｄの間隔がＰＴＣ発熱素子の厚さよりも狭く構成されている実施例１、実施例２、比較例１は、ＰＴＣ発熱素子に何の異常も認められていないのに対し、面積の小さな電極１ａ、１ｃと、面積の大きな電極１ｂ、１ｄの間隔がＰＴＣ発熱素子の厚さと同じである比較例２は、ＰＴＣ発熱素子に素子割れが発生しているものが幾つか認められた。従って、両主面にそれぞれ形成される一対の電極間の間隔は、ＰＴＣ発熱素子の厚さよりも狭くなるように構成することが望ましいと言える。
【００２３】
本発明は前記実施例に限定されるものではない。まず、ＰＴＣ発熱素子に形成する電極の形状は、どのような形状であっても良い。要は、両主面にそれぞれ形成された面積の大きな電極同士が重なり合う部分の面積が一主面の面積の５０％以上となるように構成されているとともに、両主面にそれぞれ形成された一対の電極間の間隔が正特性サーミスタ発熱素子の厚さよりも狭くなるように構成されていれば良いのである。従って、上記のような要件を満足していれば、両主面に形成される電極の形状がそれぞれ異なっていても良い。更に、前記実施例では、断面略コの字状の一対の電極端子を使用してＰＴＣ発熱素子の電極と電気的に接続したが、それ以外の手段によっても構わない。尚、一対の電極端子を使用する場合、前記実施例では、接触片１１ｂ、１１ｂ’が平板状に形成されているが、この表面に複数個の突起や孔が設けられたものであっても良い。これにより、ＰＴＣ発熱素子で発生した熱が電極端子側に放散するのを抑制することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、正特性サーミスタ発熱素子に形成される電極の構成を工夫することにより、発熱効率を高めて大電力を得ることができるとともに、素子割れなどが発生しない信頼性の高いＰＴＣ発熱体を提供することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す図で、ＰＴＣ発熱体の分解斜視図である。
【図２】本発明の一実施例を示す図で、図１のＡ─Ａ断面図である。
【符号の説明】
１…ＰＴＣ発熱素子
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…電極
１１…電極端子
１１ａ…基部
１１ｂ，１１ｂ’…接触片
１１ｃ…リード線接続部
【図１】
0003804695.tif 000002
【図２】
0003804695.tif 000003