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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-01-06
(45)【発行日】2025-01-15
(54)【発明の名称】自己制限的ヒータ
(51)【国際特許分類】
H01C 7/02 20060101AFI20250107BHJP
H01C 17/065 20060101ALI20250107BHJP
H05B 3/14 20060101ALI20250107BHJP
【ＦＩ】
H01C7/02
H01C17/065 100
H05B3/14 A
【請求項の数】
16
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2021025208
(22)【出願日】2021-02-19
(65)【公開番号】P2021136448
(43)【公開日】2021-09-13
【審査請求日】2023-11-06
(31)【優先権主張番号】62/981,650
(32)【優先日】2020-02-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】519226506
【氏名又は名称】リテルフューズ、インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】エフレム フェシャイエ
(72)【発明者】
【氏名】パウリウス カビシウス
(72)【発明者】
【氏名】ジアンフア チェン
(72)【発明者】
【氏名】リマンタス ミセヴィシウス
【審査官】花田 尚樹
(56)【参考文献】
【文献】特開昭５３－０１８８３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２９７６６５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開平０４－０４９６０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１９８１０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－１１６２０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－０１４２８６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｃ ７／０２
Ｈ０１Ｃ １７／０６５
Ｈ０５Ｂ ３／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電圧源と、温度変化に対する抵抗変化が最小限である抵抗器と、
正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器と
を備える自己制限的ヒータであって、
前記抵抗器および前記ＰＴＣ抵抗器は、
互いに直列に電気的に結合され、
互いに熱的に結合され、
金属系基板プリント回路基板（ＰＣＢ）上に積層され、ここで前記金属系基板ＰＣＢは、
金属基板で構成されるベース層、ここで、前記金属基板は、アルミニウム系合金である；
前記抵抗器および前記ＰＴＣ抵抗器を電流が流れる際に熱を吸収する誘電体層、ここで、前記熱は、前記ベース層に伝達される；および
銅箔を含む回路層；
を含み、
前記自己制限的ヒータは、温度制限条件までの温度上昇に応答して、電力出力を自動的に低減する、
自己制限的ヒータ。
【請求項2】
前記抵抗器および前記ＰＴＣ抵抗器は、前記金属系基板ＰＣＢ上にはんだ付けされるチップ抵抗器である、請求項１に記載の自己制限的ヒータ。
【請求項3】
前記抵抗器および前記ＰＴＣ抵抗器は、前記金属系基板ＰＣＢ上に塗布される抵抗インクを含む、請求項１に記載の自己制限的ヒータ。
【請求項4】
前記抵抗器および前記ＰＴＣ抵抗器は、直接接触して結合される、請求項１から３のいずれか一項に記載の自己制限的ヒータ。
【請求項5】
前記抵抗器および前記ＰＴＣ抵抗器は、前記金属系基板ＰＣＢにはんだ付けされる、請求項１または２に記載の自己制限的ヒータ。
【請求項6】
前記抵抗器は第１オーム抵抗を有し、前記ＰＴＣ抵抗器は第２オーム抵抗を有し、前記第１オーム抵抗の温度変化は、前記第２オーム抵抗の温度変化より小さい、請求項１から５のいずれか一項に記載の自己制限的ヒータ。
【請求項7】
前記第１オーム抵抗は、前記第２オーム抵抗より高い、
請求項６に記載の自己制限的ヒータ。
【請求項8】
前記第１オーム抵抗は、前記第２オーム抵抗と同様である、
請求項６に記載の自己制限的ヒータ。
【請求項9】
前記第１オーム抵抗は、前記第２オーム抵抗より低い、
請求項６に記載の自己制限的ヒータ。
【請求項10】
自己制限的ヒータを製造する方法であって、金属系基板プリント回路ボード（ＰＣＢ）に抵抗素子を結合する段階であって、ここで、前記金属系基板ＰＣＢは、
金属基板で構成されるベース層、ここで、前記金属基板は、アルミニウム系合金である；
誘電体層；および
銅箔を含む回路層；を含む、段階と、
前記金属系基板ＰＣＢに正温度係数（ＰＴＣ）素子を結合する段階であって、ここで、前記抵抗素子および前記ＰＴＣ素子は、互いに電気的に直列に結合される、段階と
を備え、
前記抵抗素子及び前記ＰＴＣ素子は、互いに熱的に結合され、
電圧が電源から供給されると、前記誘電体層は、前記抵抗素子及び前記ＰＴＣ素子を電流が流れる際に熱を吸収して、前記熱は、前記ベース層に伝達され、
前記自己制限的ヒータは、温度が温度制限条件まで増加することに応じて、その電力出力を自動的に低減させる、
方法。
【請求項11】
前記抵抗素子は抵抗チップである、請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
前記ＰＴＣ素子は第２抵抗チップである、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記金属系基板ＰＣＢに前記抵抗チップおよび前記第２抵抗チップをはんだ付けする段階を更に備える請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記抵抗素子および前記ＰＴＣ素子は、スクリーン印刷を使用して、前記金属系基板ＰＣＢに堆積される、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項15】
前記金属系基板ＰＣＢに前記抵抗素子および前記ＰＴＣ素子を結合する段階を更に備える請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項16】
前記抵抗素子および前記ＰＴＣ素子は、抵抗インクを使用して前記金属系基板ＰＣＢに塗布される、請求項１０から１５のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
［関連出願の相互参照］
本願は、２０２０年２月２６日に出願された「ＳＥＬＦ－ＬＩＭＩＴＩＮＧ ＨＥＡＴＥＲ」と題する米国仮特許出願第６２／９８１，６５０号に基づく優先権の利益を主張するものであり、この出願全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本願は、２０２０年２月２６日に出願された「ＳＥＬＦ－ＬＩＭＩＴＩＮＧ ＨＥＡＴＥＲ」と題する米国仮特許出願第６２／９８１，６５０号に基づく優先権の利益を主張するものであり、この出願全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【0002】
正温度係数（ＰＴＣ）デバイスは、温度に反応する初期抵抗を有する材料で作られる。ＰＴＣデバイスの温度が上昇するにつれて、抵抗も増加する。ＰＴＣ素子を通過する電流が所定の制限を超えて増加すると、ＰＴＣ素子が熱くなることで、ＰＴＣ素子の抵抗が増加し、その抵抗により、保護されたデバイスを通る電流の流れが劇的に低減または阻止され得る。それにより、回路を流れる軽減されていない故障電流にさもなければ起因するであろう損傷が防止される。
【0003】
ＰＴＣデバイスは、寿命および温度に対する安定性がかなり低いため、加熱用途には適していない。温度係数が高いＰＴＣ加熱デバイスは、わずかな温度変化でも消費電力を急速に低減する。故に、係るＰＴＣデバイスを使用するヒータの有効性は限られている。温度係数が低いＰＴＣデバイスには、急峻な温度制限特性がない。
【0004】
本改善が有用であり得るのは、これらおよび他の考慮事項に対してである。
【発明の概要】
【0005】
この概要は、発明を実施するための形態において以下で更に説明する概念の選択を簡略化された形態で紹介するために提供される。この概要は、特許請求される主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定するように意図されるわけでも、特許請求される主題の範囲の決定を助けるものとして意図されるわけでもない。
【0006】
本開示に係る自己制限的な加熱デバイスのある例示的な実施形態は、電圧源、温度変化に対する抵抗変化が最小限である抵抗器、正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器を含んでよく、当該抵抗器および当該ＰＴＣ抵抗器は、互いに直列に結合され、互いに熱的に結合され、自己制限的ヒータは、所定の電力出力への到達に応答して、電力出力を自動的に低減する。
【0007】
本開示に係る自己制限的な加熱デバイスを製造する方法のある例示的な実施形態は、金属系基板プリント回路ボード（ＰＣＢ）の銅層に抵抗素子を結合し、金属系基板ＰＣＢの銅層に正温度係数（ＰＴＣ）素子を結合する段階であって、抵抗素子およびＰＴＣ素子は、互いに直列である、段階、金属系基板ＰＣＢの銅層に、第１端子および第２端子を含む電源を結合する段階であって、第１端子は抵抗素子に結合し、第２端子はＰＴＣ素子に結合する、段階を含んでよく、金属系基板ＰＣＢは、電源からの電圧の放出に応答して温度が上昇し、自己制限的ヒータの温度は、所定の温度を超えない。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】複数の例示的な実施形態に係る、自己制限的ヒータの回路図を示す図である。
【0009】
【0010】
【0011】
【図4】複数の例示的な実施形態に係る、ＰＴＣデバイスの電力特性を示すグラフである。
【0012】
【0013】
【図6】複数の例示的な実施形態に係る、金属系基板ＰＣＢ上の自己制限的ヒータの上面図および断面図を示す図である。
【0014】
【図7】複数の例示的な実施形態に係る、自己制限的ヒータの試験データを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
自己制限的ヒータ、および、自己制限的ヒータを構築するための方法が開示される。自己制限的ヒータは、電力供給装置と直列に結合される抵抗器およびＰＴＣ抵抗器で構成される。どちらの抵抗デバイスも良好な熱的結合を有する。抵抗器は温度変化に対する抵抗変化が最小限であるが、ＰＴＣ抵抗器の抵抗は温度上昇に伴って増加する。抵抗器とＰＴＣ抵抗器との抵抗の比率は、ＰＴＣ抵抗器の制限の幾つかが回避されることを保証するために選択される。
【0016】
自己制限的とは、ヒータが加熱電力出力を制限することを意味する。ヒータの自己制限的機能とは、ヒータへの電力が遮断されるか、または大幅に（ほぼゼロ電力まで）低減されることを意味する場合がある。あるいは、自己制限的とは、電力がある所定の制限まで減少することを意味する場合がある。
【0017】
図１は、複数の例示的な実施形態に係る、抵抗素子１０２がＰＴＣ素子１０４に結合された回路１００の代表図である。以下では、本明細書において抵抗加熱デバイス１００としても知られている回路１００についてより詳細に説明する。回路１００の抵抗素子１０２は、ＰＴＣ素子１０４に直列に電気的に接続される。単一の抵抗素子１０２および単一のＰＴＣ素子１０４が示されているが、回路１００を構成する抵抗素子および／またはＰＴＣ素子は複数あってよい。以下、これらの素子を「抵抗器１０２」および「ＰＴＣ１０４」とそれぞれ称する。電源１０６が抵抗器１０２およびＰＴＣ１０４に結合され、電源１０８の第１端子が抵抗器に接続され、電源１１０の第２端子がＰＴＣに接続される。
【0018】
回路１００は、少なくとも２つの抵抗素子、すなわち、抵抗器１０２およびＰＴＣ１０４を使用して構築される抵抗加熱デバイスを表す。複数の例示的な実施形態では、これらの抵抗素子のうち第１のもの、すなわち、図１の抵抗器１０２は、温度変化に対する抵抗変化が非常に小さい、言い換えると、温度係数が低い。これは、回路１００の温度に変化があったとしても、抵抗器１０２のオーム抵抗にはあまり変化がないことを意味する。複数の例示的な実施形態では、このオーム抵抗の変化は、温度が－４０℃～＋１６０℃変化した場合でも、セ氏１度（℃）あたり１０００ｐｐｍより大きくは変化しない。
【0019】
抵抗加熱デバイス１００内の抵抗素子のうち第２のもの、すなわち、図１のＰＴＣ１０４は、温度依存性が高く、かつ、温度係数が正である抵抗を有する。言い換えると、抵抗加熱デバイス１００の温度が変化するにつれて、ＰＴＣ１０４の抵抗も変化する。更に、複数の例示的な実施形態では、抵抗加熱デバイス１００の温度が上昇するにつれて、ＰＴＣ１０４の抵抗が増加し、抵抗加熱デバイスの温度が低下するにつれて、ＰＴＣの抵抗が減少する。複数の例示的な実施形態では、このオーム抵抗の変化は、元の値の数パーセントから最大で１０００倍変化し、温度は、セ氏－４０度（℃）～セ氏１６０度変化する。
【0020】
抵抗器１０２およびＰＴＣ１０４は、図１に示すように、直列に電気的に接続される。更に、複数の例示的な実施形態では、抵抗器１０２およびＰＴＣ１０４は、互いに対する良好な熱的結合を有する。この熱的結合については、以下でより詳細に説明する。
【0021】
プリント回路ボード（ＰＣＢ）は従来、ＦＲ－４などの繊維ガラス材料を使用して製造されている。特定の高出力用途では、金属系基板ＰＣＢがより一般的になりつつある。金属系基板ＰＣＢは、ＰＣＢ上の構成要素から熱を放散する。金属系基板（金属被覆）ＰＣＢの製造には、ほぼあらゆる金属が使用され得る。アルミニウムＰＣＢは、以下に限定されるわけではないが、例えば、高出力の電力供給装置およびＬＥＤ電球を含む、多くの業界で人気がある。
【0022】
回路１００に係る抵抗加熱デバイスは、金属系基板ＰＣＢを使用して作られ得る。図２Ａおよび図２Ｂは、複数の例示的な実施形態に係る、抵抗加熱デバイス２００の上面図および側面図である。上面図（図２Ａ）において、抵抗加熱デバイス２００は、金属系基板または金属被覆ＰＣＢ２０６上に配置され、抵抗器２０２ａ、抵抗器２０２ｂ（総称して「抵抗器２０２」）、および、これら２つの抵抗器の間に配置されるＰＴＣ２０４を含む。
【0023】
金属系基板または金属被覆ＰＣＢは、銅箔回路層で覆われた金属系積層体で作られる。この金属は、アルミニウム、マグネシウム、および、シルミン（Ａｌ‐Ｍｇ‐Ｓｉ）などの材料の組み合わせであってよい。金属系基板ＰＣＢは、アルミニウム系合金などの金属基板で構成される基層と、レガシＰＣＢのＦＲ－４であり得る誘電体（断熱）層と、銅箔から成る回路層とで構成される。全てのＰＣＢボードには、少なくとも単一の金属層があり、この金属層は通常、以下に限定されるわけではないが、銅である。基板とは、金属系のＰＣＢの本体を指す。代替的に、基板はＦＲ－４で作られ得る。あるいは、ＰＣＢが銅インレイで構成されてもよいし、ＰＣＢがアルミナまたは窒化アルミニウムなどのセラミックＰＣＢであってもよい。誘電体層は、電流が銅層上の回路を流れる際に熱を吸収し、その熱は、アルミニウム層に伝達されてから、そこで分散される。金属系基板ＰＣＢは、レガシＰＣＢよりもはるかに優れた熱放散を行う。
【0024】
抵抗加熱デバイス２００（図２Ｂ）の側面図は、上部（回路）層２１０、中間（誘電体）層２１２、および下部（金属基板）層２１４を示す。各層の厚みが異なり得るため、側面図は縮尺通りには描かれていない。ＦＲ－４は、かなり優れた断熱材である。厚みが薄いほど、熱源とヒートシンクとして機能する金属層（アルミニウム）との間の熱的結合および電力伝達が良好である。例えば、誘電体層２１２の厚みは、０．１ｍｍと薄くてよく、アルミニウム層の厚みは、以下に限定されるわけではないが、０．４～３．２ｍｍであってよい。
【0025】
複数の例示的な実施形態では、抵抗加熱デバイス２００の抵抗器２０２とＰＴＣ２０４との間に良好な熱的結合があり、ＰＣＢは、両方のデバイスを結合するインタフェースである。良好な熱的結合によって、加熱されている回路／デバイスまたは媒体／デバイスの１または複数の構成要素の破壊をもたらし得る熱暴走、すなわち、ある温度上昇が、絶え間ない温度上昇を引き起こすようなやり方で状況を変化させる、一種の制御されていないフィードバックイベントが防止される。一実施形態では、抵抗加熱デバイス２００の熱的結合は、アルミニウムであり得る下部金属基板層２１４上に抵抗器２０２およびＰＴＣ２０４の両方をはんだ付けすることにより達成される。ＰＣＢ２０８のアルミニウム基板上にこれらのデバイスをはんだ付けすることにより、抵抗加熱デバイス２００における熱暴走の発生が防止される。
【0026】
代替的に、別の実施形態では、抵抗加熱デバイス２００の抵抗デバイスのうちの１つであるＰＴＣ２０４は、２つの導電性プレートの間に、例えば、抵抗膜を使用して、抵抗層と積層される。図３Ａおよび図３Ｂは、このプロセス３００を示す。ＰＴＣ層３０４が抵抗膜３０２または抵抗加熱素子３０２と積層され、積層されたＰＴＣ層は、２つの導体層３０６ａおよび３０６ｂ（総称して「導体層３０６」）の間に配置される。導体層３０６は、以下に限定されるわけではないが、銅を含む任意の高伝導材料で構成され得る。ＰＴＣ層３０４を抵抗膜３０２と積層し、かつ、これらを導体層３０６で囲むことにより、ＰＴＣと抵抗膜との良好な熱的結合が達成されるため、抵抗加熱素子３０２は熱暴走から保護される。図３Ｂは、このプロセスの図解を提供する。良好な熱的結合は、抵抗膜とＰＴＣとの間に直接的接触を有することで達成される。
【0027】
当業者にはよく知られているように、抵抗加熱デバイス２００の抵抗素子は、様々なやり方でＰＣＢ２０６に取り付けられ得る。抵抗器２０２およびＰＴＣ２０４は、従来の手法である、エッチングされた銅の上部回路層２１０上にはんだ付けされるチップ抵抗器であってよい。あるいは、抵抗器２０２およびＰＴＣ２０４は、例えば、スクリーン印刷を使用することにより、銅層上に堆積され得る。抵抗加熱デバイス２００を作成するための別の手法は、抵抗インクを使用することであってよい。抵抗インクがＰＣＢの銅層に塗布されると、導電性銅と抵抗インクとの間に電気的接触が形成される。はんだ付けは、導電性はんだ（金属）と抵抗材料との間に同じ種類のインタフェースを提供している。本開示の実施形態は、この点において限定されない。
【0028】
［温度係数］
【0029】
全ての抵抗器には関連付けられる温度係数があり、この温度係数は、温度が合意された基準温度から逸脱する際に抵抗器のオーム抵抗がどれだけドリフトするかを示すものである。抵抗器の基準温度がセ氏２０度であり、かつ、抵抗器が使用されている温度が３０度である場合は、抵抗器のオーム抵抗はある程度変化する。温度変化に対する抵抗変化が最小限である抵抗器のオーム抵抗、例えば、２５ｐｐｍ／℃は、温度が大幅に変化してもあまり変化しないが、温度係数が高い抵抗器のオーム抵抗、例えば、５０００ｐｐｍ／℃は、大幅に変化し得る。故に、温度係数が高い抵抗器は、それらが存在する回路の信頼性に影響を与え得る。
【0030】
その名が示すように、正温度係数抵抗器の略であるＰＴＣ抵抗器にも、関連付けられる温度係数がある。「Ｐ」は、温度が上昇するとＰＴＣ抵抗器のオーム抵抗も増加することを示す。（対照的に、温度係数が負である（ＮＴＣ）抵抗器のオーム抵抗は、温度が上昇するにつれて減少する。
【0031】
ＰＴＣ抵抗器は、寿命および温度に対する安定性がかなり低いため、加熱用途には適していない。温度に対する低い安定性は、同じ温度での抵抗を指しており、到達した温度に応じて異なる場合がある。例えば、ＰＴＣを含むヒータが非常に低い温度から２０℃に達したとする。その場合、ＰＴＣの抵抗は、同じＰＴＣデバイスを冷却することにより２０℃の温度に達した場合より小さくなる。また、ＰＴＣデバイスの経年劣化は影響を及ぼす。長い動作時間の経過と共に、ＰＴＣデバイスの抵抗はゆっくりとドリフトするため、ヒータの電力出力が変化する。温度係数が高いＰＴＣ加熱デバイスは、わずかな温度変化でも影響を受け、温度が変化している間の消費電力を急速に低減する。故に、温度係数が高いＰＴＣデバイスを使用するヒータの有効性は限られている。
【0032】
温度係数が低いＰＴＣデバイスは、温度係数が高いＰＴＣデバイスほど極端には温度変化の影響を受けない。それにもかかわらず、係る温度係数が低いＰＴＣデバイスには、急峻な温度制限特性がない。係るＰＴＣはまた、電力出力をすぐに低減するため効果的ではない。幾つかの用途では、オブジェクト／デバイスをできるだけ速く最適な動作温度にすることが重要である。それらの用途では、電力出力をできるだけ高くすべきである。しかし、オブジェクト／デバイスには通常、供給できる電力に制限がある。その結果、急峻なＰＴＣデバイスは出力電力をすぐに失い、オブジェクト／デバイスが十分に加熱されない。一方で、急峻な温度制限特性を持たないＰＴＣは、電力出力を低減しない場合があり、代わりに過熱を引き起こす場合がある。
【0033】
これらの対照的な特性は、図４のグラフ４００に示されている。急峻な温度制限特性を持つ抵抗デバイスは、出力電力をすぐに失い、その結果、当該抵抗デバイスを含むオブジェクト／デバイスは、最高温度（Ｔｍａｘで示される）に到達しない。対照的に、急峻ではない温度制限特性を持つ抵抗デバイスは、出力電力をはるかによりゆっくりと失い、オブジェクト／デバイスが最高温度を超えて過熱領域に入るリスクがある。
【0034】
［消費電力］
【0035】
抵抗加熱デバイス２００の場合は、消費電力は、これら２つ（またはそれより多く）の抵抗素子の全抵抗および印加される電圧に依存する。消費電力は、以下の式を使用して計算され得る。
（Ｐ＝Ｖ２／Ｒｓｕｍ） （１）
ここで、Ｐはヒータの消費電力であり、Ｖは、加熱素子に印加される電圧であり、Ｒｓｕｍは、直列に接続される抵抗素子の全抵抗である。抵抗加熱デバイス２００は２つ（組）の抵抗素子を有するため、これは数学的に以下のように表記され得る。
Ｒｓｕｍ＝（ΣＲ＋ΣＲＰＴＣ） （２）
ここで、Ｒは抵抗器２０２の抵抗であり、ＲＰＴＣはＰＴＣ２０４の抵抗である。抵抗加熱デバイス２００が、直列である複数の抵抗器２０２を含む場合は、これらの抵抗器の全抵抗は個々の抵抗の合計であり、同様に、互いに直列である複数のＰＴＣ２０４が存在する場合は、ＰＴＣ２０４の全抵抗は個々の抵抗の合計である。当業者にはよく知られているように、抵抗加熱デバイス２００は、単一の抵抗器２０２および単一のＰＴＣ２０４、または各々の倍数を採用し得る。
（Ｐ＝Ｖ２／Ｒｓｕｍ） （１）
ここで、Ｐはヒータの消費電力であり、Ｖは、加熱素子に印加される電圧であり、Ｒｓｕｍは、直列に接続される抵抗素子の全抵抗である。抵抗加熱デバイス２００は２つ（組）の抵抗素子を有するため、これは数学的に以下のように表記され得る。
Ｒｓｕｍ＝（ΣＲ＋ΣＲＰＴＣ） （２）
ここで、Ｒは抵抗器２０２の抵抗であり、ＲＰＴＣはＰＴＣ２０４の抵抗である。抵抗加熱デバイス２００が、直列である複数の抵抗器２０２を含む場合は、これらの抵抗器の全抵抗は個々の抵抗の合計であり、同様に、互いに直列である複数のＰＴＣ２０４が存在する場合は、ＰＴＣ２０４の全抵抗は個々の抵抗の合計である。当業者にはよく知られているように、抵抗加熱デバイス２００は、単一の抵抗器２０２および単一のＰＴＣ２０４、または各々の倍数を採用し得る。
【0036】
ＰＴＣ２０４は、抵抗器２０２と比較して室温での抵抗が比較的低い場合がある。結果として、電圧が抵抗加熱デバイス２００に印加されると、これら２つの（直列に接続される）抵抗素子を流れる電流は、抵抗器２０２で消費される電力の大部分をもたらす。この電力消費によって抵抗器２０２は熱くなる。但し、ＰＴＣ２０４は、消費電力が抵抗器２０２の消費電力と比較して小さいため、よりゆっくりと熱くなる。
【0037】
上記のように、特に低温での熱暴走を回避するために、抵抗素子とＰＴＣ素子との間の良好な熱的結合が保証される。良好な熱的結合がないと、抵抗器２０２（およびＰＴＣ２０４）は、抵抗加熱デバイス２００による電力制限をトリガすることなく、安全限界を超えて熱くなる場合がある。これによって、抵抗加熱デバイス２００に対して、例えば、ヒートスポット、または、更に深刻なことを引き起こす場合がある。抵抗器２０２の消費電力の結果としてＰＴＣ２０４が加熱されるため、ＰＴＣの抵抗が増加し、その結果、全ての素子の抵抗の合計（式２）が増加し、電力Ｐ（式１）が減少する。
【0038】
図５Ａから図５Ｄは、４つのシナリオ、すなわち、典型的（図５Ａ）、抵抗器２０２＜ＰＴＣ２０４（図５Ｂ）、抵抗器２０２＝ＰＴＣ２０４（図５Ｃ）、および抵抗器２０２＞ＰＴＣ２０４（図５Ｄ）における抵抗加熱デバイス２００の温度に対する電力の特性を示す。これらの様々なシナリオにおける抵抗器２０２とＰＴＣ２０４との間の抵抗比の変化が実現され得る。
【0039】
３つのケース：
【0040】
ΣＲ＞ΣＲＰＴＣ
【0041】
低温範囲では、抵抗素子の抵抗の合計がＰＴＣ素子の抵抗の合計より高い（数学的にΣＲ＞ΣＲＰＴＣと表記される）（図５Ｂ）限り、抵抗素子はＰＴＣ素子よりも消費電力の多くの部分を生成するが、ヒータ温度は温度制限条件よりもはるかに低い。ヒータ温度が上昇すると、ＰＴＣ抵抗が増加し、かつ、ヒータの総電力が減少するため、温度制限が発生している。ＰＴＣ特性（図４）が急峻であるほど、達成されるヒータの制限特性は急激である。
【0042】
ΣＲ＝ΣＲＰＴＣ
【0043】
抵抗素子の抵抗の合計がＰＴＣ素子の抵抗の合計と同じである（数学的にΣＲ＝ΣＲＰＴＣと表記される）（図５Ｃ）場合は、ヒータ温度が温度制限条件よりもはるかに低いが、抵抗素子はＰＴＣ素子と同じ量の電力を生成する。ヒータ温度が上昇し、かつ、制限温度に近づくにつれて、ＰＴＣ抵抗部分が優勢になり始め、制限条件が発生している。このシナリオの違いは、制限条件がΣＲ＞ΣＲＰＴＣのシナリオ（図５Ｂ）ほど急激ではないことである。
【0044】
ΣＲ＜ΣＲＰＴＣ
【0045】
抵抗素子の抵抗の合計がＰＴＣ素子の抵抗の合計より小さい（数学的にΣＲ＜ΣＲＰＴＣと表記される）（図５Ｄ）場合は、ヒータ温度が温度制限条件よりもはるかに低いが、ＰＴＣ素子は抵抗素子より高い電力を生成し始める。故に、ヒータの電力出力制限特性は更に遅くなる。
【0046】
これら２つの抵抗の合計の比率（ΣＲ／ΣＲＰＴＣ）が大きいほど、温度範囲にわたる消費電力応答が平坦になる。更には、ＰＴＣ素子により引き起こされる総消費電力のばらつき／不安定性が小さくなる。同時に、ＰＴＣ素子により消費されるピーク電力が低くなり、その逆もまた同様である。比率ΣＲ／ΣＲＰＴＣが小さいほど、温度制限が早く発生し、同時に、ＰＴＣ素子のピーク電力が高くなる。故に、図５Ａから図５Ｄのグラフは、ヒータ特性が必要に応じて調節され得る機構を伝える。
【0047】
図６は、複数の例示的な実施形態に係る、抵抗加熱デバイスまたは自己制限的ヒータ６００の上面図および断面図を示す。銅層６０６上に抵抗素子または抵抗チップ６０２ａおよび６０２ｂ（総称して「抵抗器６０２」）が配置され、これらの抵抗器の間にＰＴＣ素子６０４が配置されて示されている。電圧が印加され、かつ、電流が抵抗器６０２およびＰＴＣ素子６０４を通過すると、熱がアルミニウム層６０８に散逸する。複数の例示的な実施形態では、抵抗器６０２とＰＴＣ素子６０４との間に良好な熱的結合がある。更に、複数の例示的な実施形態では、抵抗器６０２は、温度変化に対する抵抗変化が非常に小さい。これら２つの抵抗器６０２ａおよび６０２ｂは同様の温度係数を有し得るが、これは必須ではない。代わりに、ＰＴＣの両側に２つの抵抗器を有することで、複数の例示的な実施形態では、熱の約半分が一方の側（抵抗器６０２ａ）から、半分がもう一方の側（抵抗器６０２ｂ）から来るように熱的結合が改善される。更に、複数の例示的な実施形態では、ＰＴＣ６０４は、温度依存性が高く、かつ、温度係数が正である抵抗を有する。
【0048】
ある例示的な実施形態では、抵抗器は第１オーム抵抗を有するが、ＰＴＣは第２オーム抵抗を有し、第１オーム抵抗は制限条件から遠い。一実施形態では、第１オーム抵抗は、第２オーム抵抗より高い。第２実施形態では、第１オーム抵抗は、第２オーム抵抗と同様である。第３実施形態では、第１オーム抵抗は、第２オーム抵抗より小さい。故に、抵抗器とＰＴＣとの間の抵抗比は、ヒータ特性を調節し、かつ、特徴的な鋭さを制限するために使用され得る。
【0049】
図７は、複数の例示的な実施形態に係る、自己制限的ヒータの試験結果のグラフ７００を含む。グラフは、温度（℃）対全抵抗（オーム）を表し、全抵抗は、抵抗構成要素の抵抗（ＲＲｅｓｉｓｔｏｒ）とＰＴＣ構成要素の抵抗（ＲＰＴＣ）との合計である。ヒータ動作範囲（ＬＴＲまたは低温抵抗範囲）２０℃から１２０℃の間では、抵抗はわずかに（０．０８オームから０．１０オームの間）変化するに過ぎない。温度が１２０℃を超えて上昇すると、抵抗は大幅に増加し始める。故に、設計通り、ヒータは自己制限的である。実線はＰＴＣのみの抵抗対温度を示すが、点線は、ＰＴＣと抵抗器とを合わせた抵抗対温度を示す。故に、抵抗器を有するＰＴＣが存在することで、温度が上昇する際に抵抗がより平坦（ほぼ同じ）に保たれることが保証される。
【0050】
自己制限的ヒータ６００は、それぞれが同様の性能を示す、より小さなセグメント／ユニットに分割され得る。あるいは、自己制限的ヒータ６００が形成される金属系基板ＰＣＢを他のヒータと並列に組み合わせて、適切な用途向けのより大きなヒータを形成することができる。
【0051】
複数の例示的な実施形態では、本明細書で開示する自己制限的ヒータは、抵抗素子とＰＴＣ素子との間の良好な熱的結合を構築するように設計される。これはＰＴＣヒューズとは異なる。なぜなら、電流の増加ではなく回路の残りの部分の温度により、制限がトリガされるからである。
【0052】
故に、加熱電力出力を制限する能力を有する自己制限的ヒータが開示される。自己制限的ヒータは、電力を大幅に遮断してもよいし、電力をある所定の制限まで低減してもよい。多くの用途に過熱のリスクがある。従来の用途では、このリスクを軽減するために、温度監視デバイスが実装の一部になっている。係る温度監視は、例えば、リレー、トランジスタ、またはスイッチなどの何らかのスイッチング機構を使用して、ヒータ電力を断つことができる。過熱リスクを制御するための別の機構は、電力パルスの利用である。
【0053】
本明細書で開示する自己調節ヒータは、これらの更なる安全装置を回避することができる。これは、ヒータがある所定の温度に達すると、上記の抵抗素子およびＰＴＣ素子の原理に起因して出力電力を自動的に低下させることで、過熱を回避するからである。更には、更なる監視回路を回避できるため、自己制限的ヒータは、この回路で発生し得る障害の影響を受けない。
【0054】
自動車用途では、過熱のリスクが多数ある。例えば、水タンクは空になると溶けて変形する可能性があり、封止性の喪失、穴、または他の問題が生じ得る。危険な汚染物質からの保護に使用される尿素タンクは熱くなり、尿素が分解し始める場合がある。これは６０℃を超える温度で急速に起こり、尿素タンクは排出量の削減に効果的ではなくなる。車両の外部取付部品であるカメラレンズは、過熱すると人間が触れたときに火傷を引き起こす場合がある。過熱したバッテリは発火し、爆発する可能性さえある。これは、燃料／ディーゼル経路でも起こり得る。自動車のこれら全ての構成要素などは、自己制限的ヒータを有することで利益を得る場合がある。自己調節機能を有することで、信頼性が高まり、かつ、これらのリスクが低減するため、より小型でより高出力のヒータを構築することができる。
【0055】
本明細書で使用する場合、単数で記載され「ａ」または「ａｎ」という語に続く要素または段階は、複数の要素または段階を除外するものと明示的に記載されない限り、複数の要素または段階を除外しないものと理解されたい。更に、本開示の「一実施形態」への言及は、記載されている特徴も組み込んだ更なる実施形態の存在を除外するものと解釈されることを意図していない。
【0056】
本開示は特定の実施形態に言及しているが、添付の特許請求の範囲で定義されるように、本開示の領域および範囲から逸脱することなく、記載されている実施形態に対して数々の修正、改変、および変更を行うことが可能である。従って、本開示は、記載されている実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲の文言およびその均等物により定義される完全な範囲を有することが意図されている。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図6】
【図7】
