JP2010097793A - 面状発熱体 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱速度の上昇と温度制御の安定性を向上させた面状発熱体を提供することを目的とする。
【解決手段】導電性材料を含有した高分子抵抗体４と、電極３Ａ，３Ｂと、電気絶縁性基材２と、基準抵抗体７と、定電圧電源６とを備え、前記高分子抵抗体４の抵抗値をＴＣ特性を利用して計測することによって、設定温度に到達する前では電圧を印加し、設定温度付近では印加電圧を減少させることにより、加熱速度の上昇と温度制御の安定性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＴＣ特性に優れた高分子抵抗体組成物を用いた面状発熱体に関するものである。

従来この種の面状発熱体は、発熱部がベースポリマーと、導電性物質とを溶媒に分散した抵抗体インクを基材に印刷・乾燥・焼成して作製される抵抗体が用いられている。この種の抵抗体には一般に、導電性物質としてカーボンブラック、金属粉末などが用いられ、ベースポリマーとして結晶性樹脂が用いられる。このような材料によりこの発熱部はＰＴＣ特性を発揮するものである（例えば、特許文献１，２参照）。

さらに、図３，４を用いてその詳細を説明すると、面状発熱体１０１は、基材１０２と、一対の櫛形状電極１０３，１０４と、高分子抵抗体１０５と、被覆材１０６とを有する。

電気絶縁性の基材１０２はポリエステルフィルムなどの樹脂で構成されている。櫛形状電極１０３，１０４は基材１０２上に銀ペースト等の導電性ペーストを印刷・乾燥して形成されている。高分子抵抗体１０５は、櫛形状電極１０３，１０４により給電される位置に高分子抵抗体インクを印刷・乾燥して形成されている。基材１０２と同様の材質の被覆材１０６は櫛形状電極１０３，１０４と高分子抵抗体１０５とを被覆して保護している（例えば、特許文献１参照）。

また、非晶質ポリマーと結晶性ポリマー粒子とカーボンブラックと無機充填剤からなるＰＴＣ組成物を有機溶剤に分散させ、インクを作製した後、電極を設けた樹脂フィルム上にＰＴＣ組成物インクで高分子抵抗体を印刷し、架橋のための熱処理を行い、高分子抵抗体の保護層として樹脂フィルムを積層した面状発熱体も見受けられる（例えば、特許文献２参照）。

ＰＴＣ特性とは、温度上昇によって抵抗値が上昇し、ある温度に達すると抵抗値が急激に増加する抵抗温度特性を意味している。ＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体は、面状発熱体に自己温度調節機能を付与することができる。

高分子抵抗体のＰＴＣ特性を発現する樹脂として、低融点の樹脂である変性オレフィン系樹脂、例えばエチレン酢酸ビニル共重合体、エチレンアクリル酸エチル共重合体、エチレンメタクリル酸メチル共重合体、エチレンメタクリル酸共重合体、エチレンアクリル酸ブチル等のエステル系のエチレンコポリマーが用いられ、高分子抵抗体の抵抗値の経時変化による変化を抑制するため、架橋材や紫外線照射などの方法で架橋される。

ここで、高分子抵抗体の５０℃の抵抗値と２０℃の抵抗値の比である抵抗変化倍率（Ｒ５０／Ｒ２０）はすべて２未満であった。
特開昭５６−１３６８９号公報 特開平８−１２０１８２号公報

しかしながら、従来の面状発熱体は、抵抗変化倍率は１〜２であり、３より大きくなることはほとんどない。

抵抗変化倍率が小さなものは設定温度まで早く到達できるものの、設定温度を超えて温度が上昇する場合があり自己制御の安定性が悪い。

一方、抵抗変化倍率が大きいものは所望の発熱体温度である設定温度に到達する前に既に抵抗値が大きくなってしまっているため、設定温度までの到達時間が長くかかるものであった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、面状発熱体の抵抗値を計測することによって、設定温度の前では低抵抗な発熱体に大きな電圧を印加し、設定温度付近では印加電圧を減少させることにより、加熱速度の上昇と温度制御の安定性を向上させた面状発熱体を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の面状発熱体は、導電性材料を含有した高分子抵抗体と、電極と、電気絶縁性基材と、基準抵抗体と、定電圧電源とを備え、前記高分子抵抗体の抵抗値を計測することによって設定温度の付近でこの高分子抵抗体の印加電圧を減少させるものである。

ＰＴＣ特性を持つ高分子抵抗体は、発熱体であるとともに、発熱温度に応じた抵抗値を示すセンサーでもある。

本発明はこの特徴を利用するものである。高分子抵抗体の材料自体の特性は、抵抗変化倍率は１．５程度と小さいものであるが、低い抵抗値であるため温度上昇は早くなる。

そして適宜計測した抵抗値より温度が推測され、設定温度付近になると、発熱体への印加電圧が弱められる。すなわち擬似的に自己温度制御が働いたように作用することになる。

したがって本発明によれば、急速加熱と急速温度制御機能を併せ持った面状発熱体を実現することができる。

本発明の面状発熱体は、抵抗体自体を温度センサーとして利用しているため、設定温度付近まで急速に加熱でき、設定温度で安定した温度制御可能な面状発熱体を提供することができる。

前記従来の課題を解決するために、本発明の面状発熱体は、導電性材料を含有した高分子抵抗体と、電極と、電気絶縁性基材と、基準抵抗体と、定電圧電源とを備え、前記高分子抵抗体の抵抗値を計測することによって設定温度の付近でこの高分子抵抗体の印加電圧を減少させたものである。

本発明のＰＴＣ特性を持つ高分子抵抗体は、電圧を印加することによって発熱させ、温度の上昇に応じて抵抗値が上昇する。そして設定温度付近になると印加電圧がオフになる一方、瞬時に電圧をオンするように制御することで高分子抵抗体の電圧を計測し、また基準抵抗体に流れる電流を計測することにより高分子抵抗体の抵抗値を求める。

高分子抵抗体の抵抗値と温度の関係は予め分かっているため、設定温度と比較して抵抗値が高ければ印加電圧がオフになる。

このようにして、設定温度までは急速に発熱し、設定温度以降は温度制御機能が働く面状発熱体を実現することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、面状発熱体の設定温度を変化させることができるものである。

従来のＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体は、抵抗変化倍率は材料固有の値として決められていたため、設定温度を変化させることができなかった。

しかし、高分子抵抗体を温度センサーとして利用して印加電圧をオン、オフする本発明では、そのタイミングを変化させることができる。

これにより、発熱温度の高低、強弱を調節することができる面状発熱体を実現することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明において、含まれる樹脂組成物を少なくともＰＴＣ特性を発現する被反応性樹脂と、反応性樹脂の組成とすることにより、導電体を反応性樹脂の接着力と結合力で捕捉し、導電体で形成している導電パスの安定化を図ることができる。

さらに、反応性樹脂とＰＴＣ特性を発現する被反応性樹脂との結合力により、冷熱の繰り返しによる膨張率の温度特性や溶融温度の経時変化が抑制され、導電パスをより安定化することができる。

これにより、物理、化学、電気的な挙動を安定化させることができるので安定した自己制御機能を有した面状発熱体を実現することができる。

第４の発明は、特に、第３の発明において、抵抗体組成物に含まれる樹脂組成物は、主成分がカルボキシル基、カルボニル基、水酸基、エステル基、ビニル基、アミノ基、オキサゾリン基、無水マレイン酸基の少なくとも１種の官能基を含む被反応樹脂と、主成分が前記被反応性樹脂の官能基とは異なるエポキシ基、オキサゾリン基、無水マレイン酸基の少なくとも１種の官能基を含む反応性樹脂とからなる組成とすることにより、被反応性樹脂と反応性樹脂の極性を有する官能基間で反応による化学結合を生じ、被反応性樹脂単独の熱的安定性を高めることができる。

これにより、物理、化学、電気的な挙動を安定化させることができるので長期にわたり安定した自己制御機能を有した面状発熱体を実現することができる。

第５の発明は、特に、第１、第２の発明において、樹脂組成物に熱可塑性エラストマーを含有させたものである。

これにより、高分子抵抗体を構成する抵抗体組成物に柔軟性を付与することができるので外力による変形に対して追従でき、機械的ストレスの繰り返しを受けても高分子抵抗体の亀裂や破断が防止され、安定した自己制御機能を有した面状発熱体を実現することができる。

第６の発明は、第１〜第５のいずれか一つの面状発熱体をカーシートヒータの熱源に使用したものである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１，２において、面状発熱体１は、電気絶縁性基材２と第１，第２の線条電極３Ａ，３Ｂと、高分子抵抗体４とからなる。

線条電極３Ａ、３Ｂは電気絶縁性基材２にそれぞれが左右対称になるように配置され、糸５で部分的に縫い付けられている。

前記線条電極３Ａ、３Ｂはリード線によって定電圧電源６に接続されており、その間に基準抵抗体７、電圧測定用の電圧測定器８が接続されている。

そして、基準抵抗体７に流れる電流値、及び高分子抵抗体４にかかる電圧値を計測し、この高分子抵抗体４の抵抗値により推定された温度によって定電圧電源６がオン、オフする制御機能を有する制御装置９を備えている。

高分子抵抗体４は、線条電極３Ａ，３Ｂが配置された電気絶縁性基材２上に、例えばＴダイ押し出し法によりフィルム状に押し出して形成されている。これにより高分子抵抗体４が線条電極３Ａ，３Ｂと電気絶縁性基材２とに熱融着している。

面状発熱体１の中央部は、線条電極３Ａ，３Ｂと電気絶縁性基材２とに高分子抵抗体４が熱融着された後に打ち抜かれている。

このようにして面状発熱体１が構成されている。また、中央部の打ち抜きはこの場所に限定されないもので、例えば用途先の座席の表皮の材料や形状によりこれ以外の場所に設けてもよい。この場合、線条電極の配線パターンを変更する。

相対向するように配置された幅の広い１対の線条電極３Ａ、３Ｂは、面状発熱体１の長手方向の外側部沿って配設されている。線条電極３Ａ、３Ｂに重なるように配設された高分子抵抗体４に線条電極３Ａ，３Ｂより給電することで、電流が流れて発熱する。

電気絶縁性基材２は、例えばポリエステル繊維で作製されたニードルパンチタイプの不織布が用いられる。これ以外にポリエステル織布を用いてもよい。

これらの電気絶縁性基材２は、面状発熱体１に柔軟性を付与し、外力が加わっても容易に変形してカーシートヒータとして用いた際の着座感を向上させる。

特に、線条電極３Ａ，３Ｂを縫製により取り付ける場合は、縫製による電気絶縁性基材２の針孔から発生する亀裂の防止や柔軟性の点で上記の不織布、織布が最適である。

線条電極３Ａ，３Ｂは、金属導線と金属編組導線の少なくとも１種で構成される。これらの材料は、電気基材絶縁性２への縫製加工が容易であり、生産性が高い。

また、金属導線、金属編組導線の材質、形状の選択範囲が広がる。さらに、金属導線、金属編組導線は可撓性に優れ、かつ機械的強度が高いので面状発熱体の伸び、屈曲、変形などを繰り返しても長期にわたり耐え得る。加えて、電極は線条で構成されているので従来の複雑な櫛形電極とは異なり、簡素な構成とすることができ、電極材料の低コスト化が図れる。

線条電極３Ａ，３Ｂの抵抗はできるだけ低くして電圧ドロップが小さいことが好ましい。

線条電極３Ａ，３Ｂは、面状発熱体１に印加する電圧の電圧ドロップが１Ｖ以下となる抵抗値が適しており、抵抗値で表現すれば１Ω／ｍ以下がよい。

また、線条電極３Ａ，３Ｂの線径は大きいと面状発熱体１に凹凸が形成され、カーシートヒータに用いた場合には着座感が損なわれるため、直径１ｍｍ以下が好ましく、さらに、より快適な着座感を実現するには直径０．５ｍｍ以下がよい。

この抵抗値を実現する材料は、銅、錫メッキを施した銅、銅−銀合金の単線、撚り線、編組線が挙げられる。特に、機械的強度の点では引っ張り強度の高い銅−銀のそれらを用いることが好ましい。

なお、本実施の形態では、電極として線条電極３Ａ，３Ｂを用いたが、これに限定されるものではなく、金属箔の電極、銀ペーストなどのスクリーン印刷による電極膜なども用いることができる。

高分子抵抗体４の樹脂組成物は、ＰＴＣ特性の経時変化を抑制し、安定したＰＴＣ特性を再現するために、ＰＴＣを発現する被反応樹脂としてカルボキシル基を有する変性ポリエチレンと被反応樹脂と反応する反応性樹脂としてエポキシ基を有する変性ポリエチレンとを混成したものである。

これは、被反応性樹脂の持つカルボニル基が反応性樹脂の持つエポキシ基の酸素と反応して化学結合し、架橋された構造を有することに起因している。この架橋反応により、上述したように被反応性樹脂単独の場合に比べ、熱的安定性を高めることができ、その結果、樹脂組成物中での導電体の導電パスの形成、切断する温度が安定する。

この架橋反応は、酸素以外に窒素を介しても起こり得るものである。酸素と窒素の少なくともいずれかを含む官能基を有する反応性樹脂と、これら官能基と反応が可能な官能基を有する被反応性樹脂の組み合わせであれば架橋反応が起こることになり、樹脂組成物を構成する反応性樹脂の反応性官能基と被反応樹脂の官能基との組み合わせとしては、上述のエポキシ基とカルボニル基以外に以下のものがある。

エポキシ基は、上述のカルボニル基以外にカルボキシル基、エステル基、水酸基、アミノ基、ビニル基、無水マレイン酸基、オキサゾリン基と反応して付加重合する。これらの官能基を有する被反応樹脂を用いればよい。

一方、反応性樹脂の官能基としてはエポキシ基以外にオキサゾリン基や無水マレイン酸基を有する反応性樹脂を用いることもできる。このように樹脂組成物は酸素と窒素との少なくともいずれかを介して架橋された構造を有する。

例えば暖房用のヒータのように発熱温度が４０〜５０℃と比較的低い場合には、ＰＴＣ特性を発現する被反応樹脂として、低融点の樹脂である変性オレフィン系樹脂、例えばエチレン酢酸ビニル共重合体、エチレンアクリル酸エチル共重合体、エチレンメタクリル酸メチル共重合体、エチレンメタクリル酸共重合体、エチレンアクリル酸ブチル等のエステル系のエチレンコポリマーを用いることが好ましい。

上述の被反応性樹脂と反応性樹脂は、それぞれ単独でも複合でも用いることが可能で目標値するＰＴＣ特性に応じて適宜選択される。また、それ以外に、ＰＴＣ特性の経時変化
の許容範囲に応じて、反応性樹脂、被反応性樹脂単独でも用いることも可能である。また、架橋反応は反応性樹脂を用いたが、反応性樹脂とは異なる架橋剤を用いることもできる。

さらに、電子線などの架橋手段を用いることもできる。その場合は、上述の官能基を持たない被反応性樹脂が適用可能であり、また、反応性樹脂を用いる必要はない。

また、導電体として、平均粒子径の異なる複数種のカーボンブラック及びグラファイトを使用する。

次に、面状発熱体１の作製方法について一例を述べる。

先ず、ポリエステル繊維の不織布からなる電気絶縁性基材２に直径０．０５μｍの銅―銀合金線１９本を撚り線化したものを用い、ポリエステルの糸５でミシンで縫製し、線条電極３Ａ，３Ｂを形成する。

この時の１対の線条電極３Ａ，３Ｂの電極間距離は１００ｍｍとしている。次に、ＰＴＣ特性を発現する被反応樹脂と反応性樹脂と導電体に混練混合して押出装置に連結されたＴダイより押し出してフィルム状に成型する。

このようにして高分子抵抗体５が作製される。なお、混練混合は、熱ロール、ニーダー、２軸混練機などの装置で行われる。

高分子抵抗体５４厚みは、特に限定されるものではないが、柔軟性、材料コスト、適正な抵抗値、加重が加わった時の強さの点で２０〜２００μｍが適切であり、望ましくは３０〜１００μｍがよい。

次に、フィルム状に成型され、Ｔダイから押し出された高分子抵抗体５は、予め作製された線条電極３Ａ，３Ｂを取り付けた電気絶縁性基材２の同線条電極３３Ａ，３Ｂの存在する面とラミネータにより熱融着されて貼り合わされる。

以上のようにして面状発熱体１が完成する。

線条電極３Ａ，３Ｂと高分子抵抗体４、電気絶縁性基材２と高分子抵抗体４は、それぞれ熱融着により接合されることにより、線条電極３Ａ，３Ｂは電気絶縁性基材２と高分子抵抗体７との間に電気的に接続された状態で配置されている。

次に、面状発熱体１の動作について説明する。

定電圧電源６によって１２．５Ｖが高分子抵抗体４に印加される。３分後から３０秒間隔で数秒程度電圧がオフになる。

次に１２．５Ｖの電圧が数ミリ秒印加され、基準抵抗体７の電流と高分子抵抗体４の電圧が電圧測定器８によって計測される。

これらの計測値から高分子抵抗体４の抵抗値が算出され、予め測定されている当該高分子抵抗体４の温度と抵抗値の関係から、高分子抵抗体４の温度を推定することができ、その推定値と設定値の大小関係から、印加電圧が制御装置９によってオン、オフ制御されることになる。

これにより、設定温度までは低い抵抗値を持つ高分子抵抗体によって急速に加熱され、設定温度付近では、高分子抵抗体自体によって温度が検知されて印加電圧がオフになり、温度制御が行われる。

本発明による面状発熱体は、構成が簡素で、自己温度制御特性に優れる。この面状発熱体は、例えば連続した曲面や平面の組み合わせ等のある器具の表面形状に装着可能であるため、暖房用ヒータとして自動車の座席、ハンドル、その他の暖房を必要とする電気床暖房などの器具に適用できる。また、生産性に優れ低コストが図れるので応用商品の適用範囲が拡大される。

本発明の実施の形態１における面状発熱体を示す平面図 図１のＸ−Ｙ断面図 従来の面状発熱体の平面図 図３のＸ−Ｙ断面図

符号の説明

１ 面状発熱体
２ 電気絶縁性基材
４ 高分子抵抗体
６ 定電圧電源
７ 基準抵抗体

Claims (6)

1. 導電性材料を含有した高分子抵抗体と、電極と、電気絶縁性基材と、基準抵抗体と、定電圧電源とを備え、前記高分子抵抗体の抵抗値を計測することによって設定温度の付近でこの高分子抵抗体の印加電圧を減少させることを特徴とした面状発熱体。
2. 設定温度の変化を可能とした請求項１記載の面状発熱体。
3. 高分子抵抗体が反応性樹脂とＰＴＣ特性を発現する被反応性樹脂とを有する請求項１記載の面状発熱体。
4. 被反応性樹脂の主成分がカルボキシル基、カルボニル基、水酸基、エステル基、ビニル基、アミノ基、オキサゾリン基、無水マレイン酸基の少なくとも１種の官能基を含み、かつ、主成分が前記被反応性樹脂の官能基とは異なる反応性樹脂の主成分がエポキシ基、オキサゾリン基、無水マレイン酸基の少なくとも１種の官能基を含む請求項３記載の面状発熱体。
5. 高分子抵抗体が熱可塑性エラストマーを有する請求項１記載の面状発熱体。
6. 請求項１〜５いずれか１項記載の面状発熱体を熱源としたカーシートヒータ。

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