JP6914357B2 - 共焼結された多層構造を有するヒータ - Google Patents

Description

本発明は、吸引性エアロゾルを供給するシステム用の、共焼結された多層構造を有するヒータの製造方法に関する。さらに本発明は、ヒータの使用、吸引性エアロゾルを供給するシステム、ならびにヒータに関する。

従来技術からは、エアロゾルを形成させるために物質を加熱する、吸引性エアロゾルを供給するための、ヒータを有するシステムが公知である。使用するシステムに応じて、物質は、液状、ガス状、または固体であり得る。一般的に、そのようなシステムにおいては、タバコまたはタバコ類似製品を含む物質を従来の紙巻きタバコのように燃やすのではなく、それによって吸引性エアロゾルを得るために、物質を燃やすことなく加熱するのみである。

例えば、国際公開第２０１３／０３４４５６号（ＷＯ ２０１３／０３４４５６ Ａ１）には、タバコ、またはシステム内の保存容器中に存在するタバコ類似製品を、ヒータの表面または表面近くにおいて、ニコチン含有エアロゾルおよび／または香味料含有エアロゾルが生じるまで加熱するシステムの構造が記載されている。形成されたエアロゾルは、吸い口を使って、使用者に吸い込まれる。

吸引性エアロゾルを供給するための例示的に記載されるさらなるシステムが、国際公開第２０１６／２０７４０７号（ＷＯ ２０１６／２０７４０７ Ａ１）に記載されている。このシステムは、エアロゾルを形成する物質を装入するための開口部を有するケーシングを含む。そのケーシング内には、装入された物質を加熱するものの完全には燃やさないヒータが配置されている。この例においても、形成されたエアロゾルは、吸い口を使って使用者に吸い込まれる。

吸引性エアロゾルを供給するシステム用のヒータの典型的な構造が、国際公開第２０１１／０５０９６４号（ＷＯ ２０１１／０５０９６４ Ａ１）に例示的に記載されている。電気絶縁基板、例えば、電気絶縁セラミックス上に金属ペーストが塗布され、続いて、塗布された金属ペーストにパターンを入れることで、抵抗導体路の形状の抵抗素子が生じる。次いで、塗布された金属ペーストと共に基板を、２段階法で焼結させる。次いで、付加的なステップにおいて、抵抗導体路上にパッシベーション層を焼結させることができる。

従来技術からは、より複雑なヒータを製造するためのさらなる多段階法も公知である。例えば、国際公開第２０１３／０１７１８５号（ＷＯ ２０１３／０１７１８５ Ａ１）には、発熱抵抗体を含む導電性構造が配置されている断熱基板を有する加熱エンボススタンプが記載されている。その導電性構造は、電気絶縁層で被覆されている。例えば、加熱エンボススタンプは、まず絶縁層を導電性基板上に焼結させる方法によって製造可能である。次いで、抵抗素子を焼結させ、その上に、さらなるベークアウトステップにおいて、再び絶縁層を焼結させる。

したがって、従来技術から公知の方法は、多数の加工ステップおよびベークアウトステップが必要であるという欠点を有する。そのため、吸引性エアロゾルを供給するシステム用のヒータの製造は、非常に複雑になり、それゆえ時間がかかり高価になる。

したがって、本発明の課題は、従来技術の欠点を克服する、ヒータを製造するための改善された方法を提供することである。特に、ヒータを低コストかつ迅速に製造できる方法を提供することである。

この課題は、本発明によれば、特許請求項１の主題による方法により解決される。

吸引性エアロゾルを供給するシステム用の、共焼結された多層構造を有するヒータの本発明による製造方法は、そのために、次のステップ：
少なくとも１つの第１の基板層の準備、
前記第１の基板層上への少なくとも部分的な、少なくとも１つの第１の絶縁層の配置、
前記第１の絶縁層上への少なくとも部分的な、少なくとも１つの加熱素子の配置、
前記加熱素子上への少なくとも部分的な、少なくとも１つの第２の基板層および少なくとも１つの第２の絶縁層の配置、ただし、第２の絶縁層は、少なくとも部分的に第２の基板層上に配置されており、かつ第２の絶縁層は、少なくとも部分的に加熱素子および／または第１の絶縁層と接続されているものとする、
層および加熱素子のプレス加工、ならびに
多層構造の層を共焼結させるための、プレス加工した層の燃焼
を有する。

ヒータは、物質を加熱するまたは蒸発させるために、２００℃から４００℃の温度範囲で操作可能である。しかしながら、ヒータを浄化するために、少なくとも一時的には、さらに高い温度範囲においても、例えばおよそ５５０℃においてもヒータを操作できる。

「多層構造」という用語は、ヒータの様々な層を含む構成を表すために用いることができる。

「共焼結させた」および「共焼結させた多層構造」という用語は、多層構造の複数の層を、例えば加圧下または非加圧状態で、同時に加熱およびベークアウトすることと理解され得るため、多層構造の層を、唯一の作業工程において、燃焼ないしは同時焼結させる（ｚｕｓａｍｍｅｎｓｉｎｔｅｒｎ）ことができるようになる。個々の層を、燃焼前に予備乾燥させてもよい。

本発明による方法のステップを、一例では連続的に行ってもよい。別の一例では、ステップを任意の順序で行うことができ、かつ／または個々のステップを省略ないしは追加してもよい。

本発明の驚くべき知見は、多層構造の共焼結により、ベークアウトステップ数を唯一のベークアウトステップに減らし、それにより、ヒータの製造コストを著しく下げられることにある。

本発明の一例では、第１の基板層および／または第２の基板層が、少なくとも１つのグリーンシート、特に安定化ジルコニア（ＺｒＯ２）を有するグリーンシートを含む。

「グリーンシート」という用語は、有機材料および無機材料を有し得る固体画分を含む基板層および／またはフィルムと理解できる。固体の中の有機画分は、例えば、酸化アルミニウム、イットリア安定化ジルコニアまたはスカンジア安定化ジルコニア、さらには別のセラミック材料、金属材料もしくはガラス状材料も含み得て、さらに無機画分が、相応する量の残部を含んでもよい。有機画分は、さらに、バインダ、可塑剤、および分散剤を含み得る。可塑剤としては、フタル酸塩、ポリオール、グリコール、リン酸塩、ならびに別の難揮発性炭化水素等を使用してもよい。セラミックグリーンシートの製造方法は、例えば、独国特許出願公開第１９９２４１３４号明細書（ＤＥ １９９２４１３４ Ａ１）に記載されている。

「安定化ジルコニア」という用語は、第１および／または第２の基板層としてのイットリア安定化ジルコニアを表すために使用可能であり、それは、例えば、国際公開第２０１０／０８９０２４号（ＷＯ ２０１０／０８９０２４ Ａ１）に記載されている。第１および／または第２の基板層の酸素伝導性は、タンタルまたはニオブの添加によって抑制できる。イットリウムの代わりに、別の２価または３価の金属、例えばスカンジウムも安定化に使用可能である。有利には、金属全量に対して２０〜４０モル％、特に２５〜３５モル％の含有量の安定化剤により、高い破壊強度を達成できるが、なぜなら、それによりジルコニアの高温正方相が維持されるからである。さらに、ＨｆＯ２でのドーピングにより、機械強度を２５０ＭＰａ超に高めることができる。

さらなる一例では、グリーンシートが、０．２５ｍｍから０．５ｍｍの間の範囲の厚さを有する。

一例では、第１の絶縁層および／または第２の絶縁層が、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を有し、特に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を有するセラミックスラリーを有する。

例えば、独国特許出願公開第４０１６８６１号明細書（ＤＥ４０１６８６１ Ａ１）に記載されるように、例えば、酸化アルミニウムを有するセラミックスラリーを使用してもよい。その場合、酸化アルミニウム微細粉末が、さらなる有機添加物および無機添加物を利用して、グリーンシートを製造するための流延材料（Ｇｉｅｓｓｍａｓｓｅ）へと加工される。有利には、そのような絶縁層が、１０００℃を超える高温においてもなお絶縁性に作用する。さらに、そのような絶縁層は、抜群の機械特性ゆえ、共焼結に向けて特に適切である。特に、そのようなセラミックスラリーの使用により、本質的にクラックフリーの組織が得られる。

さらなる一例では、第１の絶縁層および／または第２の絶縁層の配置は、
第１の基板層上での第１の絶縁層の、および／または第２の基板層上での第２の絶縁層のスクリーン印刷および／またはテープキャスティングを有する。

スクリーン印刷および／またはテープキャスティングにより、第１の絶縁層および／または第２の絶縁層を、特に迅速かつ効率よく配置できる。

一例では、加熱素子が、少なくとも１つの抵抗素子、特に白金、Ｐｔサーメットを含む抵抗素子を含む。

例えば、加熱素子は、導体路の形状の抵抗素子として形成されてもよい。その導体路を電流が貫流すると、導体路の固有抵抗により熱が生じる。導体路を貫流する電流に応じて、ヒータの一定の熱出力を指定できる。

好ましくは、Ｐｔサーメットが、次のように構成されている：
粒径が５０μｍのＰｔ粉末４５重量％、
粒径が２μｍのＡｌ２Ｏ３粉末４５重量％、および
バインダ１０重量％、例えば、Ｚｓｃｈｉｍｍｅｒ＆Ｓｃｈｗａｒｚ ＧｍｂＨ＆Ｃｏ．ＫＧ社のＭＥＴＡＷＡＸ Ｐ−５０または類似のバインダ。

相対分率は、それぞれ、ＰＴサーメットの総重量に対してである。

Ｐｔサーメットの製造には、Ｐｔ粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末、およびバインダを、ローラブロック上でＡｌ２Ｏ３ボールと混合してもよい。次いで、封入空気を除去するために、生じた混合物を二軸Ｚ型混錬機に充填し、脱塩水、ＶＥ（完全脱塩）水を添加して、分散機でさらに混合させることができる。

さらなる一例では、加熱素子の配置が、第１の絶縁層上への抵抗素子のスクリーン印刷を有する。

例えば、前記の混合物は、少なくとも８０％の空気湿度中において、スクリーン印刷法を用いて絶縁層上に塗布できる。

一例では、第２の基板層および第２の絶縁層の配置は、
加熱素子上への少なくとも部分的な第２の絶縁層の配置、および第２の絶縁層上への少なくとも部分的な第２の基板層の配置、または
第２の基板層上への少なくとも部分的な第２の絶縁層の配置、および加熱素子上への少なくとも部分的な第２の絶縁層の配置
を有する。

例えば、第２の絶縁層を、まず加熱素子および／または第１の絶縁層上に配置してもよいため、第２の絶縁層は、少なくとも部分的に、加熱素子および／または第１の絶縁層と接続されていることになり、次いで、第２の基板層を、第２の絶縁層の向かい側に配置できる。さらなる一例では、第２の絶縁層をまず、同じく第２の基板層上に配置し、次いで第２の基板層を、その表面に配置された第２の絶縁層と一緒に、加熱素子上、または第１の絶縁層上に配置することが可能であるため、第２の絶縁層は、少なくとも部分的に、加熱素子および／または第１の絶縁層と接続されていることになる。

さらなる一例では、プレス加工した層の燃焼が、多層構造のプレス加工した層の、少なくとも１４００℃での少なくとも３６時間にわたる燃焼を有する。

プレス加工した層の燃焼は、例えば、米国特許出願公開第２００４００９４４１７号明細書（ＵＳ ２００４００９４４１７ Ａ１）または独国特許発明第１９５４５５９０号明細書（ＤＥ １９５４５５９０ Ｃ２）において記載される方法に基づいて行ってもよい。

さらなる一例では、本方法は、
燃焼に先立つ、特に型抜きもしくはレーザカッティングプロセスによるヒータの個別化、または
層のプレス加工後であり燃焼に先立つヒータの個別化
を有する。

有利には、燃焼前にヒータを個別化することにより、セラミックス中でのマイクロクラックの生成を妨害できる。

一例では、第２の絶縁層および／または第２の基板層に切欠部を導入する、特に、加熱素子の少なくとも１つの接続手段（Ａｎｓｃｈｌｕｓｓｍｉｔｔｅｌ）を少なくとも部分的に露出させるために切欠部を導入する。

この切欠部は、加熱素子を接触させるために利用する。例えば、切欠部は、型抜きされた穴の形状であってもよく、その穴を通して、加熱素子の接続用接点（Ａｎｓｃｈｌｕｓｓｋｏｎｔａｋｔ）を接触させるために、それぞれ少なくとも１つの接続リード線を貫通案内することができる。しかしながら、切欠部は、ヒータの外側から接続用接点に接近することを可能にする、それぞれの絶縁層および／または基板層の短縮と理解することもできる。

さらなる一例では、本方法は、層のプレス加工に先立つ、
（ｉ）第１の絶縁層と第１の基板層との間、および／または
（ｉｉ）第２の絶縁層と第２の基板層との間、および／または
（ｉｉｉ）第１の絶縁層と第２の絶縁層との間での
少なくとも１つの温度センサの配置
を有する。

有利には、層間での、温度センサの一体型配置により、ヒータの温度を確かに算出し、それに応じて、ヒータを通る電流を制御または調整できる。

さらに本発明は、吸引性エアロゾルを供給するシステムにおける、本発明の方法により製造されるヒータの使用を提案する。

さらに本発明は、本発明の方法により製造される少なくとも１つのヒータを有する、吸引性エアロゾルを供給するシステムを提案する。

さらに本発明は、
第１の面と第１の面の向かい側にある第２の面とを有する少なくとも１つの加熱素子、
少なくとも１つの第１および第２の絶縁層であるが、ただし、第１の絶縁層は、少なくとも部分的に加熱素子の第１の面上に配置されており、かつ第２の絶縁層は、少なくとも部分的に加熱素子の第２の面上に配置されているものとする絶縁層、
ならびに
少なくとも１つの第１の基板層および第２の基板層であるが、ただし、第１の基板層は、少なくとも部分的に第１の絶縁層上に配置されており、かつ第２の基板層は、少なくとも部分的に第２の絶縁層上に配置されているものとする基板層
を有する、吸引性エアロゾルを供給するシステム用の、共焼結された多層構造を有するヒータを提案する。

本発明のさらなる特徴および利点は、図面を手がかりに本発明の好ましい実施形態を説明する以下の記載から明らかである。

本発明の一実施形態によるヒータの分解図を示す。 本発明の一実施形態によるヒータの製造方法を示す。

図１は、本発明の一実施形態によるヒータ１の分解図を示す。

表示する実施形態では、グリーンシート、特に安定化ＺｒＯ２を有するグリーンシートであってもよい第１の基板層３上に、第１の絶縁層５が配置されている。表示する実施形態では、第１の絶縁層５が、Ａｌ２Ｏ３を有するセラミックスラリーを含み得て、かつ第１の基板層３上に、スクリーン印刷および／またはテープキャスティングを用いて配置され得る。第１の基板層３上に第１の絶縁層５を配置した後に、その構造を、さらなる加工の前に乾燥してもよい。

第１の基板層３と第１の絶縁層５との間には、表示する実施形態では、温度センサ９が配置されている。温度センサ９は、ヒータ１の温度の算出に利用する。図１では、温度センサ９は、単に任意選択で示されているが、なぜなら、そのようなセンサは、本発明にとって本質的ではないからである。同じく、温度センサ９または複数の温度センサ（表示せず）が、多層構造の別の層間に配置されていてもよい。表示しない実施形態では、温度センサが、第１の絶縁層５と第２の絶縁層５’との間、および／または第２の絶縁層５’と第２の基板層３’との間にも配置可能である。

表示する実施形態では、第１の絶縁層５上に加熱素子７が配置されている。図１では、加熱素子７が、導体路の形状の抵抗素子として実現されている。表示する実施形態では、抵抗素子が、Ｐｔサーメットを含み得て、かつスクリーン印刷法を用いて、第１の絶縁層５上に配置されていてもよい。図１では、抵抗素子が、２つの接続用接点を有する、蛇行状に案内された導体路として示されている。表示されない実施形態では、導体路が別のやり方で形成されていることも可能である。例えば、導体路は、らせん形状に形成されていることも可能である。加熱素子は、表示しない一実施形態では、適切な電子制御により、自身も温度センサの機能を担うことができる。

加熱素子７上には、表示する実施形態では、第２の絶縁層５’が配置されており、その絶縁層は他方で、第２の基板層３’上に配置されている。第１および第２の絶縁層５、５’の材料、ならびに第１および第２の基板層３、３’の材料は、本質的には同じであってもよい。さらに、第２の絶縁層５’および第２の基板層３’を順々に、第１の絶縁層５および第１の基板層３と同様のやり方で配置することも可能である。その代わりに、第２の絶縁層５’をまず、同じく第２の基板層３’上に配置してから、第２の基板層３’を、その表面に配置された第２の絶縁層５’と一緒に、加熱素子７上に配置することも可能である。

表示する実施形態では、加熱素子１の接続用接点を少なくとも部分的に露出させるために、第１の絶縁層５に対する第２の絶縁層５’の短縮および第１の基板層３に対する第２の基板層３’の短縮の形状での切欠部が、第２の絶縁層５’および第２の基板層３’に導入されている。表示されない実施形態では、切欠部が、型抜きされた穴の形状であってもよく、その穴を通して、加熱素子７を接触させるために、それぞれ少なくとも１つの接続リード線を貫通案内することができる。

図１で示す多層構造の層は、本質的には平面ないしは平坦である。しかしながら、表示されない実施形態では、それらの層が、被加熱物質を取り囲むために、凹面または凸面の湾曲を有すること、ないしはシリンダ状に屈曲していることも可能である。例えば、表示されないその実施形態では、被加熱物質が、シリンダ内に配置され得る、ないしはシリンダ内に押し込まれてもよい。

図２は、本発明の一実施形態によるヒータの製造方法を示す。

吸引性エアロゾルを供給するシステム用の、共焼結された多層構造を有するヒータを製造するための示される方法は、次のステップ：
少なくとも１つの第１の基板層の準備１０１０、
第１の基板層上への少なくとも部分的な、少なくとも１つの第１の絶縁層の配置１０２０、
第１の絶縁層上への少なくとも部分的な、少なくとも１つの加熱素子の配置１０３０、
加熱素子上への少なくとも部分的な、少なくとも１つの第２の基板層および少なくとも１つの第２の絶縁層の配置１０４０、ただし、第２の絶縁層は、少なくとも部分的に第２の基板層上に配置されており、かつ第２の絶縁層は、少なくとも部分的に加熱素子および／または第１の絶縁層と接続されているものとする、
層および加熱素子のプレス加工１０５０、ならびに
多層構造の層を共焼結させるための、プレス加工した層の燃焼１０６０
を有する。

前記の記載、請求項、および図中で示す特徴は、個別にも任意の組み合わせでも、その様々な実施形態での本発明にとって本質的であり得る。

１ ヒータ
３、３’ 基板層
５、５’ 絶縁層
７ 加熱素子
９ 温度センサ
１０１０ 第１の基板層の準備
１０２０ 第１の絶縁層の配置
１０３０ 加熱素子の配置
１０４０ 第２の基板層および第２の絶縁層の配置
１０５０ プレス加工
１０６０ 燃焼

Claims (15)

1. 次のステップ：
   少なくとも１つの第１の基板層（３）の準備（１０１０）、
   前記第１の基板層（３）上への少なくとも部分的な、少なくとも１つの第１の絶縁層（５）の配置（１０２０）、
   前記第１の絶縁層（５）上への少なくとも部分的な、少なくとも１つの加熱素子（７）の配置（１０３０）、
   前記加熱素子（７）上への少なくとも部分的な、少なくとも１つの第２の基板層（３’）および少なくとも１つの第２の絶縁層（５’）の配置（１０４０）、ただし、前記第２の絶縁層（５’）は、少なくとも部分的に前記第２の基板層（３’）の表面上に配置されており、かつ前記第２の絶縁層（５’）は、少なくとも部分的に前記加熱素子（７）および／または前記第１の絶縁層（５）と接続されているものとする、
   前記層および前記加熱素子（７）のプレス加工（１０５０）、ならびに
   多層構造の層を共焼結させるための、前記プレス加工した層の燃焼（１０６０）
   を有し、
   前記基板層が、セラミック材料を含み、かつ、
   前記第１の基板層および／または前記第２の基板層の酸素伝導性が、タンタルまたはニオブの添加によって抑制される、吸引性エアロゾルを供給するシステム用の、共焼結された多層構造を有するヒータ（１）の製造方法。
2. 前記第１の基板層（３）および／または前記第２の基板層（３’）が、少なくとも１つのグリーンシートを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記グリーンシートが、０．２５ｍｍから０．５ｍｍの間の範囲の厚さを有することを特徴とする、請求項２記載の方法。
4. 前記第１の絶縁層（５）および／または前記第２の絶縁層（５’）が、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を有することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記第１の絶縁層（５）および／または第２の絶縁層（５’）の配置が、
   前記第１の基板層（３）上での前記第１の絶縁層（５）の、および／または前記第２の基板層（３’）の表面上での前記第２の絶縁層（５’）のスクリーン印刷および／またはテープキャスティングを有することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記加熱素子（７）が、少なくとも１つの抵抗素子を含むことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記加熱素子（７）の配置（１０３０）が、前記第１の絶縁層（５）上への前記抵抗素子のスクリーン印刷を有することを特徴とする、請求項６記載の方法。
8. 前記第２の基板層（３’）および第２の絶縁層（５’）の配置が、
   前記加熱素子（７）上への少なくとも部分的な前記第２の絶縁層（５’）の配置、および前記第２の絶縁層（５’）上への少なくとも部分的な前記第２の基板層（３’）の配置、または
   前記第２の基板層（３’）上への少なくとも部分的な前記第２の絶縁層（５’）の配置、および前記加熱素子（７）上への少なくとも部分的な前記第２の絶縁層（５’）の配置
   を有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記プレス加工した層の燃焼（１０６０）が、
   多層構造のプレス加工した層の、少なくとも１４００℃での少なくとも３６時間にわたる燃焼を有することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 前記燃焼（１０６０）に先立つ、ヒータ（１）の個別化、または
    前記層のプレス加工（１０５０）後であり前記燃焼（１０６０）に先立つヒータ（１）の個別化
    を有する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 前記第２の絶縁層（５’）および／または前記第２の基板層（３’）への切欠部の導入
    を有する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 前記層のプレス加工に先立つ、
    （ｉ）前記第１の絶縁層（５）と前記第１の基板層（３）との間、および／または
    （ｉｉ）前記第２の絶縁層（５’）と前記第２の基板層（３’）との間、および／または
    （ｉｉｉ）前記第１の絶縁層（５）と前記第２の絶縁層（５’）との間での
    少なくとも１つの温度センサ（９）の配置
    を有する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 吸引性エアロゾルを供給するシステムにおける、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法（１０００）により製造されたヒータ（１）の使用。
14. 請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法（１０００）により製造された少なくとも１つのヒータ（１）を有する、吸引性エアロゾルを供給するシステム。
15. 吸引性エアロゾルを供給するシステム用の、共焼結された多層構造を有するヒータ（１）であって、
    第１の面と前記第１の面の向かい側にある第２の面とを有する少なくとも１つの加熱素子（７）、
    少なくとも１つの第１および第２の絶縁層（５、５’）であるが、ただし、前記第１の絶縁層（５）は、少なくとも部分的に前記加熱素子（７）の第１の面上に配置されており、かつ前記第２の絶縁層（５’）は、少なくとも部分的に前記加熱素子（７）の第２の面上に配置されているものとする絶縁層、ならびに
    少なくとも１つの第１の基板層（３）および第２の基板層（３’）であるが、ただし、前記第１の基板層（３）は、少なくとも部分的に前記第１の絶縁層（５）上に配置されており、かつ前記第２の基板層（３’）は、少なくとも部分的に前記第２の絶縁層（５’）上に配置されているものとする基板層
    を有し、
    前記基板層が、セラミック材料を含み、かつ、
    前記第１の基板層および／または前記第２の基板層の酸素伝導性が、タンタルまたはニオブの添加によって抑制されている、ヒータ（１）。

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