JP4516980B2 - 筒形発熱体 - Google Patents

Description

本発明は、電気をリード線から給電することで発熱する筒形発熱体に関するものである。

発熱体は、一般的に、加熱する対象物の形状に対応するように形成され、例えば、筒形状に形成したものがある（例えば、特許文献１参照。）。
また、発熱体の形状は、板形状も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００６−３４９５１３公報（第１１頁、図３） 特開２００５−３３２６２８公報（第１２頁、図２）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図７は、従来の技術（特許文献１）を説明する図であり、従来のヒータである筒状部本体２０１は、筒状に形成されたセラミックヒータで、ガスセンサ２０２に採用され、通電配線２０３を介して通電されることで、ガスセンサ２０２に結露が発生するのを抑制することができるというものである。

図８は、従来の技術（特許文献２）を説明する図であり、従来の感温素子２２１は、温度センサに用いられ、プリント基板２２２の印刷している抵抗パターン２２３と接続パターン２２４が形成され、接続パターン２２４に芯線２２５が接続しているので、芯線２２５の接続が容易である。
ここで、抵抗パターン２２３は、ヒータの抵抗パターンとして採用可能であり、例えば、抵抗パターンに芯線２２５を接続したヒータとすることも可能である。

しかし、特許文献１の筒状のセラミックヒータ２０１では、通電配線２０３の近傍は温度が低く、温度のばらつきをより小さくする必要があるという問題がある。

特許文献２では、例えば、抵抗パターン２２３をヒータとして採用した場合に、抵抗パターンに芯線（リード線）２２５を接続して通電すると、抵抗パターンの中央の温度は高く、リード線２２５近傍の温度は低くなり、温度差が大きくなるという問題がある。

本発明は、温度のばらつきが小さく、リード線同士の短絡の心配のない筒形発熱体を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、筒をなす絶縁基板の面上にヒータパターンが形成され、ヒータパターンに接続している一方のリード線及び他方のリード線が筒の一端から筒の軸線方向に延出されている筒形発熱体において、他方のリード線が、一方のリード線との間に軸線を挟んで、一方のリード線に対向して配置され、ヒータパターンは、筒の軸線方向に直列に複数のＳ字形状が連続して形成されてなる連続Ｓ字形状部が筒の周方向に複数形成されてなり、一方・他方のリード線に接続した部位の軸線に直交する断面において、ヒータパターンが存在していることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、筒の長手方向に設けられた分割端から開いて帯状に展開し、一方の分割端と他方の分割端を有する絶縁基板とした状態で、一方の分割端近傍に一方のリード線が配置され、一方の分割端と他方の分割端との間の中央部に他方のリード線が配置され、ヒータパターンは、一方の分割端から他方の分割端まで連ねて形成されているとともに、他方の分割端から他方のリード線までの間に形成されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、ヒータパターンを形成している面が、筒の内周面であり、内周面に一方のリード線及び他方のリード線が配置されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、ヒータパターンに接続している他方のリード線が、一方のリード線との間に軸線を挟んで、一方のリード線に対向して配置され、ヒータパターンは、筒の軸線方向に直列に複数のＳ字形状が連続して形成されてなる連続Ｓ字形状部が筒の周方向に複数形成されてなり、一方・他方のリード線に接続した部位の軸線に直交する断面において、ヒータパターンが存在しているので、一方のリード線と他方のリード線との間にヒータパターンを偏りなく形成することができる。従って、筒形発熱体の温度のばらつきを小さくすることができるという利点がある。

また、他方のリード線が、一方のリード線との間に軸線を挟んで、一方のリード線に対向して配置されているので、他方のリード線は、一方のリード線に近接せず、組み付けの際に、リード線同士の短絡の心配がないという利点がある。

請求項２に係る発明では、展開した絶縁基板の一方の分割端近傍に一方のリード線が配置され、一方の分割端と他方の分割端との間の中央部に他方のリード線が配置され、ヒータパターンは、一方の分割端から他方の分割端まで連ねて形成されているとともに、他方の分割端から他方のリード線までの間に形成されているので、一方のリード線と他方のリード線との間にヒータパターンをより偏りなく形成することができる。その結果、リード線を取付けた温度の上がり難い部位に温度の上がりやすいヒータパターンの中央から熱が伝わり、筒形発熱体の温度が平均化される。従って、筒形発熱体の温度のばらつきをより小さくすることができるという利点がある。

請求項３に係る発明では、ヒータパターンを形成している面が、筒の内周面であり、内周面に一方のリード線及び他方のリード線が配置されているので、筒の外周形状がほぼ真円となり、例えば、ガスセンサに採用された場合、筒の半径方向の外方に配置されているガスセンサの外形部の形状が簡単になり、ガスセンサの車両への取付け性を確保することができる。
また、筒の内周面に一方のリード線及び他方のリード線を配置することで、筒の外径を小さくすることができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の筒形発熱体（第１実施の形態）の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。

筒形発熱体（第１実施の形態）１１は、円筒状のものを加熱するのに用いられるヒータで、一方のリード線であるところのリード線１３及び他方のリード線であるところのリード線１４に通電することで、発熱する。

具体的には、筒形発熱体１１は、所定の外径Ｄの絶縁筒２１と、絶縁筒２１に内蔵したヒータパターン２２と、ヒータパターン２２に接続して絶縁筒２１の一端２３から延出されているリード線１３及びリード線１４と、からなる。そして、リード線１３に対してリード線１４が、対向して配置されている。

「対向して配置されている」とは、筒形発熱体１１の軸線Ｃに対して直交する断面（図１の状態に見える視点）において、リード線１４が、リード線１３との間に筒形発熱体１１の軸線Ｃを挟んで配置されていることをいう。つまり、リード線１３の位置を０°としたときに、１８０°の位置にリード線１４は取付けられている。

絶縁筒２１は、外層絶縁部（絶縁基板）２５と、内層絶縁部２６と、からなり、外層絶縁部２５と内層絶縁部２６とでヒータパターン２２を覆うとともに、リード線１３のヒータ接続部２８並びにリード線１４のヒータ接続部３１を覆っている。そして、一方の分割端３２に他方の分割端３３を結合することで、長手結合部３４が形成され、筒形状を形成している。Ｈは絶縁筒２１の長手方向（矢印ａ１の方向）の長さ、Ｈｕは外層絶縁部（絶縁基板）２５の長手方向（矢印ａ１の方向）の長さである。

図２は、本発明の筒形発熱体（第１実施の形態）の絶縁基板及びヒータパターンの展開模式図である。図１を併用して説明する。
外層絶縁部（絶縁基板）２５は、長手結合部３４を切断して展開すると、一方の分割端３２と他方の分割端３３が形成され、帯状の絶縁基板となる。Ｌは絶縁基板２５の長さであり、外層絶縁部２５の周長である。
外層絶縁部２５の材質は、樹脂であり、熱伝導率の高い樹脂を採用した。

他方のリード線１４はまた、一方の分割端３２と他方の分割端３３との間の中央部３５
に配置されている。詳しくは、一方のリード線１３から絶縁基板２５の長さＬの１／２の距離だけ離れた位置Ｐｍに配置されている。

ヒータパターン２２は、発熱体であり、絶縁基板２５の面３６上に形成されたもので、一方の分割端３２近傍に配置されている一方のリード線１３のヒータ接続部２８にヒータパターン２２の始端部３８が接続され、所定の長さを曲線状に収納して、終端部４１が、他方のリード線１４のヒータ接続部３１に接続している。

具体的には、ヒータパターン２２は、絶縁基板２５の分割端３２近傍のリード線１３に接続して、中央の位置Ｐｍまでの間に長手方向波形状部４４が、外層絶縁部（絶縁基板）２５の長さＨｕに近似する振幅で形成され、長手方向波形状部４４に連ねて中央の位置Ｐｍから他方の分割端３３までの間には、直線部４５が形成され、直線部４５に連なる長手方向小波形状部４６が他方の分割端３３から他方のリード線１４まで、つまり中央の位置Ｐｍまで形成されている。
長手方向小波形状部４６は、外層絶縁部（絶縁基板）２５の長さＨｕの約１／２振幅で形成されている。

直線部４５と長手方向小波形状部４６はともに、他方の分割端３３から他方のリード線１４までの間に形成されているヒータパターンである。
ヒータパターン２２の長さは、中央の位置Ｍを基準に略２等分されている。

次に、筒形発熱体（第１実施の形態）１１の温度のばらつきを抑制する機構を説明する。
筒形発熱体（第１実施の形態）１１は、リード線１３とリード線１４を介して通電すると、ヒータパターン２２は発熱して、ヒータパターン２２とともに温度が上昇する。筒形発熱体１１に設けたヒータパターン２２は偏りなく形成されているので、筒形発熱体（第１実施の形態）１１の部位の温度差は小さくなる。

筒形発熱体１１に設けたヒータパターン２２のヒータ接続部２８、３１にリード線１３、１４が対向して配置されているので、非発熱部位であって通電時にも比較的低温となるリード線１３、１４およびヒータ接続部２８、３１の位置を周方向で離間させて、筒形発熱体１１の周方向における温度のばらつきを小さくすることができる。

すなわち、リード線１４を他方の分割端３３近傍に配置した場合に比べ、一方の分割端３２から他方の分割端３３に向かって、一方のリード線１３およびヒータ接続部２８（非発熱部位）、ヒータパターン２２の長手方向波形状部４４（発熱部位）、他方のリード線１４およびヒータ接続部３１（非発熱部位）、ヒータパターン２２の直線部４５および長手方向小波形状部４６（発熱部位）の順に非発熱部位と発熱部位とが交互に位置することで、リード線１３、１４が近接して非発熱部位が集中するのを避け、周方向の温度のばらつきを小さくすることができる。
「温度のばらつきを小さくする」とは、最大値と最小値の差を小さくすること、および高温部と低温部とが集中して温度ムラが発生することのない意味である。

また、分割端３２近傍のリード線１３は、ヒータパターン２２の直線部４５及び長手方向小波形状部４６の近傍に近いので、リード線１３の近傍には直線部４５及び長手方向小波形状部４６から熱が伝わる。その結果、リード線１３近傍の温度と、直線部４５と長手方向小波形状部４６で形成される範囲の中心部５１の温度との間で温度が平均化され、筒形発熱体１１の温度のばらつきを小さくすることができる。

さらに、筒形発熱体１１は、外層絶縁部２５に熱伝導率の高い樹脂を採用したので、ヒータパターン２２の熱を筒形発熱体１１の外周面５３まで効率よく伝えることができる。

筒形発熱体１１は、絶縁筒２１の内周面５４（図３参照）にリード線１３及びリード線１４を配置することで、外径Ｄを小さくすることができる。

次に、本発明の筒形発熱体の別の実施の形態を説明する。
図３（ａ）、（ｂ）は、第２実施の形態の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。上記図１、図２に示す実施の形態と同様の構成については、同一符号を付し説明を省略する。
図４は、本発明の筒形発熱体（第２実施の形態）を用いたガスセンサの断面図である。

第２実施の形態の筒形発熱体１１Ｂは、筒形発熱体１１（第１実施の形態）の内周面５４に除湿剤５６を備えたことを特徴とし、ガスセンサ６１に用いられている。
ガスセンサ６１は、水素検出センサで、水素が矢印ａ２のように流れてくると、検出するもので、筒形発熱体１１Ｂと、筒形発熱体１１Ｂの内側の通路に配置している検出素子６２と、リード線１３及びリード線１４に接続している回路基板６３と、回路基板６３や筒形発熱体１１Ｂを覆っているケース６４と、を備えている。

第２実施の形態の筒形発熱体１１Ｂは、第１実施の形態の筒形発熱体１１と同様の効果を発揮する。

また、筒形発熱体１１は、絶縁筒２１の内周面５４にリード線１３及びリード線１４を配置することで、絶縁筒２１の外周形状がほぼ真円となり、結果的に、ガスセンサ６１の外形部６６の形状が簡単になり、ガスセンサ６１の車両への取付け性を確保することができる。

図５は、第３実施の形態のヒータパターンの展開模式図であり、図２に対応する図である。上記図１、図２に示す実施の形態と同様の構成については、同一符号を付し説明を省略する。
第３実施の形態の筒形発熱体１１Ｃは、ヒータパターン２２Ｃを備えたことを特徴とする。

ヒータパターン２２Ｃは、分割端３２近傍のリード線１３に接続して、絶縁基板２５の一方の分割端３２から中央の位置Ｐｍまでの間に周方向（矢印ａ３の方向）に周方向波形状部７１が、絶縁基板（外層絶縁部２５）の長さＬの１／２に近似する振幅で形成され、周方向波形状部７１に連ねて他方の分割端３３までの間には、第１直線部４５Ｃが形成され、第１直線部４５Ｃに連ねて中央の位置Ｐｍまで第２直線部７３が形成され、第２直線部７３に連ねて他方の分割端３３近傍まで長手方向小波形状部４６Ｃが外層絶縁部（絶縁基板）２５の長さＨｕの約１／６の振幅で形成され、長手方向小波形状部４６Ｃに連ねて他方のリード線１４まで第３直線部７４が形成され、第３直線部７４の端である終端部４１がリード線１４に接続している。

ヒータパターン２２Ｃでは、第１直線部４５Ｃ、第２直線部７３、長手方向小波形状部４６Ｃ及び第３直線部７４はともに、他方の分割端３３から他方のリード線１４までの間に形成されているヒータパターンである。
ヒータパターン２２Ｃの長さは、中央の位置Ｍを基準に略２等分されている。

第３実施の形態の筒形発熱体１１Ｃは、第１実施の形態の筒形発熱体１１と同様の効果を発揮する。

次に、本発明の筒形発熱体の別の実施の形態を説明する。
図６は、第４実施の形態のヒータパターンの展開模式図であり、図２に対応する図である。上記図１、図２に示す実施の形態と同様の構成については、同一符号を付し説明を省略する。
第４実施の形態の筒形発熱体１１Ｄは、ヒータパターン２２Ｄを備えたことを特徴とする。

ヒータパターン２２Ｄは、分割端３２近傍のリード線１３に接続した第１連続Ｓ字形状部８１が形成され、第１連続Ｓ字形状部８１に沿って第２連続Ｓ字形状部８２が形成され、第２連続Ｓ字形状部８２に沿って第３連続Ｓ字形状部８３が形成され、第３連続Ｓ字形状部８３に沿って第４連続Ｓ字形状部８４が形成され、第４連続Ｓ字形状部８４に沿って第５連続Ｓ字形状部８５が形成され、第５連続Ｓ字形状部８５の端である終端部４１がリード線１４に接続している。

第１連続Ｓ字形状部８１は、絶縁基板（外層絶縁部２５）の長さＬの約１／９の振幅で、Ｓ字が２個形成されている。
第２連続Ｓ字形状部８２〜第４連続Ｓ字形状部８４は、第１連続Ｓ字形状部８１と同様である。
第５連続Ｓ字形状部８５は、絶縁基板（外層絶縁部２５）の長さＬの約１／９の振幅で、Ｓ字が１．５個形成されている。

ヒータパターン２２Ｄでは、第４連続Ｓ字形状部８４並びに第５連続Ｓ字形状部８５が、他方の分割端３３から他方のリード線１４までの間に形成されているヒータパターンである。
ヒータパターン２２Ｄの長さは、中央の位置Ｍを基準に略２等分されている。

第４実施の形態の筒形発熱体１１Ｄは、第１実施の形態の筒形発熱体１１と同様の効果を発揮する。

尚、本発明の筒形発熱体は、実施の形態ではガスセンサに採用したが、ガスセンサ以外のものにも採用してもよい。

本発明の筒形発熱体は、水素を検出するセンサに好適である。

本発明の筒形発熱体（第１実施の形態）の説明図である。 本発明の筒形発熱体（第１実施の形態）の絶縁基板及びヒータパターンの展開模式図である。 第２実施の形態の説明図である。 本発明の筒形発熱体（第２実施の形態）を用いたガスセンサの断面図である。 第３実施の形態のヒータパターンの展開模式図である。 第４実施の形態のヒータパターンの展開模式図である。 従来の技術（特許文献１）を説明する図である。 従来の技術（特許文献２）を説明する図である。

符号の説明

１１…筒形発熱体、１３…一方のリード線、１４…他方のリード線、２２…ヒータパターン、２３…筒の一端、２５…絶縁基板（外層絶縁部）、３２…一方の分割端、３３…他方の分割端、３５…中央部、３６…絶縁基板の面、Ｃ…筒の軸線（筒形発熱体の軸線）。

Claims (3)

1. 筒をなす絶縁基板の面上にヒータパターンが形成され、該ヒータパターンに接続している一方のリード線及び他方のリード線が前記筒の一端から筒の軸線方向に延出されている筒形発熱体において、
   前記他方のリード線が、前記一方のリード線との間に前記軸線を挟んで、前記一方のリード線に対向して配置され、
   前記ヒータパターンは、前記筒の軸線方向に直列に複数のＳ字形状が連続して形成されてなる連続Ｓ字形状部が前記筒の周方向に複数形成されてなり、
   前記一方・他方のリード線に接続した部位の前記軸線に直交する断面において、前記ヒータパターンが存在していることを特徴とする筒形発熱体。
2. 前記筒の長手方向に設けられた分割端から開いて帯状に展開し、一方の分割端と他方の分割端を有する絶縁基板とした状態で、前記一方の分割端近傍に前記一方のリード線が配置され、前記一方の分割端と前記他方の分割端との間の中央部に前記他方のリード線が配置され、
   前記ヒータパターンは、前記一方の分割端から前記他方の分割端まで連ねて形成されているとともに、前記他方の分割端から他方のリード線までの間に形成されていることを特徴とする請求項１記載の筒形発熱体。
3. 前記ヒータパターンを形成している前記面が、前記筒の内周面であり、該内周面に前記一方のリード線及び前記他方のリード線が配置されていることを特徴とする請求項１記載の筒形発熱体。

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