JP6889029B2 - ヒーターユニットおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、優れた昇温特性を有するヒーターユニット、特に正温度係数（Positive Temperature Coefficient, ＰＴＣ）セラミック素子を発熱源に用いたヒーターユニットおよびその製造方法に関する。
これまでに、定温ヒーターや局所加熱ヒーターとして、自己温度制御機能を備えたＰＴＣセラミック素子を発熱源に用いた平板状ヒーターが多くの分野で使用されてきており、例えば下記の特許文献１には、車載用ヒーターとして、電極面を有する発熱素子と、その電極面に接して発熱素子に重ね合わされた電極部材と、発熱素子と電極部材とを包む絶縁性シートと、絶縁性シートに包まれた発熱素子および電極部材を収容する中空部と発熱素子からの熱が伝導される放熱面とを有する筒体と、少なくともフィンを含み筒体の放熱面上に設けられた放熱体ユニットと、を備えたものが開示されている。
このような従来の平板状ヒーターは、図３に示されるように、ＰＴＣセラミック素子１と筺体や放電体ユニットとを絶縁するために、ＰＴＣセラミック素子１の主表面に形成した電極と金属電極板３を接着層６で接着し、その周りに絶縁性シート７（例えば、東レ・デュポン株式会社製のポリイミドシート、商品名：カプトン（登録商標））を巻いて絶縁し、さらに熱を伝えるために角形パイプ状の金属（筺体）８で圧接した構造を有しているが、このような構造であるために、熱抵抗が発生し、ヒーターの昇温特性に問題が有った。
このような従来の平板状ヒーターは、図３に示されるように、ＰＴＣセラミック素子１と筺体や放電体ユニットとを絶縁するために、ＰＴＣセラミック素子１の主表面に形成した電極と金属電極板３を接着層６で接着し、その周りに絶縁性シート７（例えば、東レ・デュポン株式会社製のポリイミドシート、商品名：カプトン（登録商標））を巻いて絶縁し、さらに熱を伝えるために角形パイプ状の金属（筺体）８で圧接した構造を有しているが、このような構造であるために、熱抵抗が発生し、ヒーターの昇温特性に問題が有った。
本発明は、従来技術における上記の問題点を解決し、優れた昇温特性を有する正温度係数セラミックを用いたヒーターユニット（ＰＴＣヒーターユニット）を提供することを課題とする。また、本発明の課題は、上記のヒーターユニットを製造するための方法を提供することでもある。
本発明者は、種々検討を行った結果、ＰＴＣセラミック素子の両主表面に形成された金属電極板の表面にさらに接着層を介して、ポリイミド層が電着により形成された金属放熱板、又は、ポリイミドフィルムと金属放熱板を積層することにより、金属放熱板とＰＴＣセラミック素子との絶縁を確保し、かつＰＴＣセラミック素子にて発生する熱を速やかに均一に被加熱物に伝達できるヒーターユニットが製造できることを見出して、本発明を完成した。
本発明者は、種々検討を行った結果、ＰＴＣセラミック素子の両主表面に形成された金属電極板の表面にさらに接着層を介して、ポリイミド層が電着により形成された金属放熱板、又は、ポリイミドフィルムと金属放熱板を積層することにより、金属放熱板とＰＴＣセラミック素子との絶縁を確保し、かつＰＴＣセラミック素子にて発生する熱を速やかに均一に被加熱物に伝達できるヒーターユニットが製造できることを見出して、本発明を完成した。
前記の課題を解決可能な本発明のヒーターユニットは、平板状の正温度係数セラミック素子の上下面に形成された金属電極板の表面と、金属放熱板の片面に形成された１〜２００μｍの厚みを有する電着ポリイミド層とが接着層を介して接合され、前記金属電極板と前記金属放熱板とが絶縁性シートを巻き付けることなく絶縁されていることを特徴とする。
また、本発明は、上記の特徴を有したヒーターユニットにおいて、前記金属放熱板の厚みが０．１〜０．５ｍｍであることを特徴とするものである。
更に、本発明は、前記のヒーターユニットを製造するための方法であって、当該方法が、以下の工程：
平板状の正温度係数セラミック素子の上面および下面に金属電極板を積層する工程、
金属放熱板の片面にポリイミドを電着塗装し、当該片面に１〜２００μｍの厚みを有する電着ポリイミド層を形成させる工程、および
接着剤を介して、前記金属放熱板の片面に形成された前記電着ポリイミド層と、前記金属電極板を積層する工程
を含むことで、前記金属電極板と前記金属放熱板とが絶縁性シートを巻き付けることなく絶縁されていることを特徴とする。
平板状の正温度係数セラミック素子の上面および下面に金属電極板を積層する工程、
金属放熱板の片面にポリイミドを電着塗装し、当該片面に１〜２００μｍの厚みを有する電着ポリイミド層を形成させる工程、および
接着剤を介して、前記金属放熱板の片面に形成された前記電着ポリイミド層と、前記金属電極板を積層する工程
を含むことで、前記金属電極板と前記金属放熱板とが絶縁性シートを巻き付けることなく絶縁されていることを特徴とする。
更に、本発明は、上記の特徴を有したヒーターユニットの製造方法において、前記金属放熱板の厚みが０．１〜０．５ｍｍであることを特徴とする。
本発明によれば、接着層を介してポリイミド層が金属電極板に積層されているので、金属放熱板とＰＴＣセラミック素子との絶縁を確保し、かつ金属放熱板を通じてＰＴＣセラミック素子の発熱を速やかに被加熱物に伝えることができる層構成により、従来例より昇温特性の優れたヒーターユニットが得られる。
以下、図面を用いて、本発明の実施例を詳細に説明する。
図１に示される本発明のヒーターユニットにおいては、平板状のＰＴＣセラミック素子１の上面および下面（両電極面）にそれぞれ接着層２を介して金属電極板３が積層されており、この金属電極板３のさらに外側には、表面にポリイミド層４が形成された金属放熱板５が、接着層２’を介して積層されている。
図１に示される本発明のヒーターユニットにおいては、平板状のＰＴＣセラミック素子１の上面および下面（両電極面）にそれぞれ接着層２を介して金属電極板３が積層されており、この金属電極板３のさらに外側には、表面にポリイミド層４が形成された金属放熱板５が、接着層２’を介して積層されている。
本発明における平板状のＰＴＣセラミック素子１は、キューリー点以上の温度になると急激に抵抗が増加して通電する電流を抑制する結果、それ以上の温度上昇が制限される機能を有している。ＰＴＣセラミック素子１の上記機能により、温度制御回路や過熱防止回路を省略することができ、消費電力を小さくすることができる。
また、上記のＰＴＣセラミック素子１の上面および下面に設けられる接着層２は、耐熱性、導電性および熱伝導性の点からシリコン系接着剤を用いて形成されることが好ましく、金属電極板３はアルミニウムやステンレスなどから成る金属板であり、金属電極板３の厚みとしては０．１〜０．５ｍｍが好ましい。
また、上記のＰＴＣセラミック素子１の上面および下面に設けられる接着層２は、耐熱性、導電性および熱伝導性の点からシリコン系接着剤を用いて形成されることが好ましく、金属電極板３はアルミニウムやステンレスなどから成る金属板であり、金属電極板３の厚みとしては０．１〜０．５ｍｍが好ましい。
図１に例示した本発明のヒーターユニットにおけるポリイミド層４は、電着により形成された電着ポリイミド層で、金属放熱板５の表面に直接、即ち、接着層を介さずに積層されており、この層厚みは１〜２００μｍであることが好ましい。ポリイミド層４の電着は金属放熱板５の片側表面にのみ施される。
本発明では、ポリイミド含有電着溶液に金属放熱板５を浸漬させ外部から電圧を印加することで金属放熱板５の表面にポリイミド層を形成させることができ、この際、電着条件（電圧、通電時間など）を適宜選択することによってポリイミド層４の厚みを制御することができる。
上記のポリイミド層４が形成された金属放熱板５と、前記の金属電極板３とを接合している接着層２’を形成するのに使用される接着剤としては、前記接着層２と同様に、耐熱性、導電性および熱伝導性の点からシリコン系接着剤が好ましい。
本発明では、ポリイミド含有電着溶液に金属放熱板５を浸漬させ外部から電圧を印加することで金属放熱板５の表面にポリイミド層を形成させることができ、この際、電着条件（電圧、通電時間など）を適宜選択することによってポリイミド層４の厚みを制御することができる。
上記のポリイミド層４が形成された金属放熱板５と、前記の金属電極板３とを接合している接着層２’を形成するのに使用される接着剤としては、前記接着層２と同様に、耐熱性、導電性および熱伝導性の点からシリコン系接着剤が好ましい。
なお、本発明における金属放熱板５としては、例えばアルミニウムやステンレスなどの熱伝導性に優れた金属からなるものが一般的であり、好ましい厚みは０．１〜０．５ｍｍである。
本発明では、金属放熱板５上に電着されたポリイミド層を接着層を介在させて金属電極板３と接合することによって、絶縁性シートを使用しなくても、金属電極板３と絶縁された金属放熱板５を設けることができる。また、上記構成により、従来技術に比較して金属放熱板に必要とされる剛性（要求される板厚）を大幅に低減することができ、金属放熱板５の厚みも最小限（好ましくは０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下）に薄くすることができる。その結果、ＰＴＣセラミック素子１から金属放熱板５を通じて被加熱部までの距離を従来よりも小さくすることができ、ヒーターユニットの昇温特性を向上させることができる。
本発明では、金属放熱板５上に電着されたポリイミド層を接着層を介在させて金属電極板３と接合することによって、絶縁性シートを使用しなくても、金属電極板３と絶縁された金属放熱板５を設けることができる。また、上記構成により、従来技術に比較して金属放熱板に必要とされる剛性（要求される板厚）を大幅に低減することができ、金属放熱板５の厚みも最小限（好ましくは０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下）に薄くすることができる。その結果、ＰＴＣセラミック素子１から金属放熱板５を通じて被加熱部までの距離を従来よりも小さくすることができ、ヒーターユニットの昇温特性を向上させることができる。
また、図２に示される本発明のヒーターユニットにおいては、平板状のＰＴＣセラミック素子１の上面および下面にそれぞれ接着層２を介して金属電極板３が積層されており、この金属電極板３の表面に、接着層２’を介してポリイミド層（ポリイミドフィルム）４が積層されており、さらにこのポリイミド層４の表面に、接着層２”を介して金属放熱板５が積層されている。
図２に例示した本発明のヒーターユニットにおけるポリイミド層４としてのポリイミドフィルムの厚みは１〜２００μｍであることが好ましく、市販品が利用できる。
このようなポリイミドフィルムと金属放熱板５とを接合している接着層２”を形成するのに使用される接着剤としては、前記接着層２および２’と同様に、耐熱性、導電性および熱伝導性の点からシリコン系接着剤が好ましい。
図２に例示した本発明のヒーターユニットにおけるポリイミド層４としてのポリイミドフィルムの厚みは１〜２００μｍであることが好ましく、市販品が利用できる。
このようなポリイミドフィルムと金属放熱板５とを接合している接着層２”を形成するのに使用される接着剤としては、前記接着層２および２’と同様に、耐熱性、導電性および熱伝導性の点からシリコン系接着剤が好ましい。
図１に示される層構成を有したヒーターユニットを製造するための本発明の第１の製造方法は、接着剤を介して、平板状のＰＴＣセラミック素子の上面および下面に金属電極板を積層する工程と、金属放熱板の片側表面にポリイミドを電着して、当該表面に１〜２００μｍの厚みを有する電着ポリイミド層を形成させる工程と、接着剤を介して、前記金属放熱板の表面に形成された前記電着ポリイミド層と前記金属電極板を積層する工程を含む。この際、使用される接着剤としてはシリコン系接着剤が好ましく、貼り合わせを行った後には、温度１４０〜１６０℃（好ましくは１５０℃）で０．５〜２時間（好ましくは１時間）加熱を行ってシリコン樹脂を熱硬化させ、接着層を形成させる。
上記の製造方法により得られるＰＴＣヒーターユニットにおいては、電着ポリイミド層が金属放熱板の片側にのみ存在しており、この電着ポリイミド層と金属電極板とが接着剤（好ましくはシリコン系接着剤）により接着されているので、優れた昇温特性、即ち、短時間で所定の温度に達する速熱性を有している。
上記の製造方法により得られるＰＴＣヒーターユニットにおいては、電着ポリイミド層が金属放熱板の片側にのみ存在しており、この電着ポリイミド層と金属電極板とが接着剤（好ましくはシリコン系接着剤）により接着されているので、優れた昇温特性、即ち、短時間で所定の温度に達する速熱性を有している。
また、図２に示される層構成を有したヒーターユニットを製造するための本発明の第２の製造方法は、接着剤を介して、平板状のＰＴＣセラミック素子の上面および下面に金属電極板を積層する工程と、接着剤を介して、１〜２００μｍの厚みを有したポリイミドフィルムを貼り付ける工程と、ポリイミドフィルム上に接着剤を介して、前記金属電極板を積層する工程を含み、接着層の形成に使用される接着剤の種類や熱硬化条件は、第１の製造方法の場合と同じである。なお、金属放熱板とポリイミドフィルムとを接着剤を介して貼り合わせて積層体を得た後に、当該積層体のポリイミドフィルムと金属電極板とを接着剤を介して積層してもよい。
以下、本発明のヒーターユニットの製造例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明は、これに限定されるものではない。
以下、本発明のヒーターユニットの製造例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明は、これに限定されるものではない。
実施例１：電着ポリイミド層が積層された層構成を有する本発明のヒーターユニットの製造例
キュリー点が２４０℃のＰＴＣセラミック素子（１５ｍｍ×２５ｍｍ、厚さ２ｍｍ）の両主表面に市販のシリコン系接着剤を塗布厚み約５０μｍにて塗布し、金属電極板（材質：アルミニウム、厚さ０．２ｍｍ）を貼り付けた。一方、金属放熱板（材質：アルミニウム、厚さ０．２ｍｍ）の片側の表面に、電着により５０μｍのポリイミド膜を形成させ、このポリイミド膜の表面にシリコン系接着剤（同上）を約５０μｍの塗布厚みにて塗布し、この塗布面に前記の金属電極板を貼り合わせた。
このようにして得られた積層体を１５０℃の温度で１時間加熱し、シリコン系接着剤を熱硬化することで、図１に示される層構成を有した本発明のＰＴＣヒーターユニットを作製した。
キュリー点が２４０℃のＰＴＣセラミック素子（１５ｍｍ×２５ｍｍ、厚さ２ｍｍ）の両主表面に市販のシリコン系接着剤を塗布厚み約５０μｍにて塗布し、金属電極板（材質：アルミニウム、厚さ０．２ｍｍ）を貼り付けた。一方、金属放熱板（材質：アルミニウム、厚さ０．２ｍｍ）の片側の表面に、電着により５０μｍのポリイミド膜を形成させ、このポリイミド膜の表面にシリコン系接着剤（同上）を約５０μｍの塗布厚みにて塗布し、この塗布面に前記の金属電極板を貼り合わせた。
このようにして得られた積層体を１５０℃の温度で１時間加熱し、シリコン系接着剤を熱硬化することで、図１に示される層構成を有した本発明のＰＴＣヒーターユニットを作製した。
実施例２：ポリイミドフィルムが積層された層構成を有する本発明のヒーターユニットの製造例
前記実施例１と同様にして、ＰＴＣセラミック素子の両主表面に市販のシリコン系接着剤を塗布し、金属電極板を貼り付けた。そして、この金属電極板の上にシリコン系接着剤を塗布した後、５０μｍの厚みの市販のポリイミドフィルムを貼りつけた。さらにこのポリイミドフィルムの上にシリコン系接着剤（同上）を約５０μｍの塗布厚みにて塗布し、この塗布面に、実施例１と同じ金属放熱板を貼り合わせた。
このようにして得られた積層体を１５０℃の温度で１時間加熱し、シリコン系接着剤を熱硬化することで、図２に示される層構成を有した本発明のＰＴＣヒーターユニットを作製した。
前記実施例１と同様にして、ＰＴＣセラミック素子の両主表面に市販のシリコン系接着剤を塗布し、金属電極板を貼り付けた。そして、この金属電極板の上にシリコン系接着剤を塗布した後、５０μｍの厚みの市販のポリイミドフィルムを貼りつけた。さらにこのポリイミドフィルムの上にシリコン系接着剤（同上）を約５０μｍの塗布厚みにて塗布し、この塗布面に、実施例１と同じ金属放熱板を貼り合わせた。
このようにして得られた積層体を１５０℃の温度で１時間加熱し、シリコン系接着剤を熱硬化することで、図２に示される層構成を有した本発明のＰＴＣヒーターユニットを作製した。
従来例：金属製の角形チューブで圧接した構造を有する従来のヒーターユニットの製造
前記実施例１および２と同様にして、ＰＴＣセラミック素子の両主表面に、市販のシリコン系接着剤を塗布し、金属電極板を貼り付けた。このようにして得られた積層体を絶縁性シート（厚さ５０μｍのカプトン（登録商標）フィルム）を巻いて絶縁し、さらに金属製の角形チューブを被せ、この角形チューブに圧力を加えて上記絶縁性シートと圧接するようにし、図３に示される構成を有したＰＴＣヒーターユニットを作製した。
前記実施例１および２と同様にして、ＰＴＣセラミック素子の両主表面に、市販のシリコン系接着剤を塗布し、金属電極板を貼り付けた。このようにして得られた積層体を絶縁性シート（厚さ５０μｍのカプトン（登録商標）フィルム）を巻いて絶縁し、さらに金属製の角形チューブを被せ、この角形チューブに圧力を加えて上記絶縁性シートと圧接するようにし、図３に示される構成を有したＰＴＣヒーターユニットを作製した。
図４には、上記で得られた本発明例（実施例１および２）と従来例の各昇温特性が示されている。
図４に示されるように、同じＰＴＣセラミック素子を用いた場合でも、本発明例と従来例には昇温特性に大きな差が有り、本発明例の場合には、金属電極板と金属放熱板、それに加え接着層やポリイミドの絶縁層を必要最小の厚みとすることで、熱抵抗が小さくなる。その中でも、金属放熱板にポリイミドを電着させた実施例１のＰＴＣヒーターユニットの方が、ＰＴＣセラミック素子から金属放熱板の距離を短くすることが可能であり、熱抵抗を小さくすることができる。
図４に示されるように、同じＰＴＣセラミック素子を用いた場合でも、本発明例と従来例には昇温特性に大きな差が有り、本発明例の場合には、金属電極板と金属放熱板、それに加え接着層やポリイミドの絶縁層を必要最小の厚みとすることで、熱抵抗が小さくなる。その中でも、金属放熱板にポリイミドを電着させた実施例１のＰＴＣヒーターユニットの方が、ＰＴＣセラミック素子から金属放熱板の距離を短くすることが可能であり、熱抵抗を小さくすることができる。
これに対し、従来例の場合には、角形のパイプ状の金属に圧力を加えて絶縁性シートに圧接させてこれを金属放熱板としていることにより、実施例１や実施例２のように、角形の金属製パイプを構成する金属放熱板の厚みを１．０ｍｍ以下に薄くすることはできない。もし、それ以下に厚みを薄くすると、角形パイプの剛性が低下し、ヒーターユニットの形状が保持できなくなるからである。さらに、この従来例には、角形パイプと絶縁性シートを圧接させる際に印加する圧力により、ＰＴＣセラミック素子にクラックが発生する恐れが有り、また、この圧接時に絶縁性シートが損傷して、絶縁が保てなくなる可能性もあった。
上記の比較試験からもわかるように、本発明は、従来例における問題点を解消できるものであり、また、本発明では、金属放熱板と金属電極板を、最短距離で熱抵抗を最小限にして熱結合できるため、速熱性が要求されるＰＴＣヒーターユニットの構造として、従来例よりも優れている。
上記の比較試験からもわかるように、本発明は、従来例における問題点を解消できるものであり、また、本発明では、金属放熱板と金属電極板を、最短距離で熱抵抗を最小限にして熱結合できるため、速熱性が要求されるＰＴＣヒーターユニットの構造として、従来例よりも優れている。
本発明のヒーターユニットは、短時間で所定の温度に達して当該温度を維持し続ける優れた昇温特性を有しているので、自己温度制御機能を備えた各種製品（例えば、定温ヒーターや局所加熱ヒーターなど）に幅広く利用できる。
１ ＰＴＣセラミック素子（正温度係数セラミック素子）
２、２’、２” 接着層
３ 金属電極板
４ ポリイミド層
５ 金属放熱板
６ 接着層
７ 絶縁性シート
８ 角形パイプ状の金属
２、２’、２” 接着層
３ 金属電極板
４ ポリイミド層
５ 金属放熱板
６ 接着層
７ 絶縁性シート
８ 角形パイプ状の金属
Claims (4)
- 平板状の正温度係数セラミック素子の上下面に形成された金属電極板の表面と、金属放熱板の片面に形成された１〜２００μｍの厚みを有する電着ポリイミド層とが接着層を介して接合され、前記金属電極板と前記金属放熱板とが絶縁性シートを巻き付けることなく絶縁されていることを特徴とするヒーターユニット。
- 前記金属放熱板の厚みが０．１〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のヒーターユニット。
- 請求項１または２に記載のヒーターユニットを製造するための方法であって、当該方法が、以下の工程：
平板状の正温度係数セラミック素子の上面および下面に金属電極板を積層する工程、
金属放熱板の片面にポリイミドを電着塗装し、当該片面に１〜２００μｍの厚みを有する電着ポリイミド層を形成させる工程、および
接着剤を介して、前記金属放熱板の片面に形成された前記電着ポリイミド層と、前記金属電極板を積層する工程
を含むことで、前記金属電極板と前記金属放熱板とが絶縁性シートを巻き付けることなく絶縁されていることを特徴とするヒーターユニットの製造方法。 - 前記金属放熱板の厚みが０．１〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項３に記載のヒーターユニットの製造方法。
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