JP2007220636A - 透明導電膜ヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】 視認性を犠牲にすることなく、十分な加熱温度が得られ、尚且つ耐久性に優れた透明導電膜ヒータを提供する。
【解決手段】透明性及び耐熱性に優れた樹脂あるいは樹脂を含む基体（１）の表面（１ａ）の６箇所に、二酸化シリコン膜（２ａ）〜（２ｃ）を介して帯状抵抗体としてのＩＴＯ膜（３ａ）〜（３ｃ）を形成する。更に、左右６箇所に配設されたＩＴＯ膜（３ａ）〜（３ｃ）の両端の電極部（４ａ）〜（４ｆ）にリード線（５）を接続する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、道路標示灯、屋外照明装置、屋外表示装置、さらには車両窓などの融雪をするための透明導電膜ヒータに関するものである。

近年、車両用や歩行者用の信号機を例にとるまでもなく、従来のランプ光源に代わって発光素子（ＬＥＤ）群を光源とした道路標示灯が急増している。

この道路標示灯が寒冷地や降雪地帯で使用される際には、融雪対策が不可欠となる。この対策が採られないと、雪が発光素子間に詰まって凍結し、その結果、各発光素子が氷に覆われて、該標示灯の視認性が悪化するからである。この問題を解消する一つの対策として、各発光素子の周囲あるいは発光素子群の保護ケースの周囲にコード状ヒータ線を配設して、各発光素子の外周を加熱することにより、融雪効果（ないしは凍結防止効果）を得ることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、この対策では、各発光素子間のスペースが狭い場合は、上記ヒータ線の配設が困難であり、また、発光面積が大きく熱伝導率が小さい基体の場合、上記ヒータ線から距離的に離れている箇所での加熱が不十分となる。特に、後者については、従来のランプ光源と比較し、自己発熱量の少ない発光素子では、より深刻な問題となる。

一方、別の対策が車両窓用として提案されている。この提案によれば、透明樹脂基体の表面に、透明導電膜であるＩＴＯ膜が全面被覆され、さらに該膜上にヒータ線が配設される（例えば、特許文献２参照。）。

しかし、この透明導電膜ヒータの加熱温度は、同文献２の図４のグラフにも示されているように、ヒータ線上の温度にして高々２０℃に過ぎず、この程度の発熱量では、視認性がより重視されしかも大きな発熱量が必要となる道路標示灯に対しては、満足すべき融雪効果は期待できない。

本発明者らの実験によれば、上記の透明導電膜ヒータにおいても、ヒータ全体の加熱温度を４０℃〜５０℃程度に上昇させることは可能であることが確認された。しかしながら、加熱が進むにしたがって、透明樹脂基体とＩＴＯ膜との熱膨張率の差が顕現し、その結果、ＩＴＯ膜が基材から剥離し、また、該膜にクラックが生じる等、ＩＴＯ膜の経年劣化が生じる、という致命的欠陥が潜在していることが判明した。

さらに、視認性の面から言えば、該透明導電膜上に配設されたヒータ線は、光源（発光素子）からの照射光路を遮ることは言うに及ばない。これと併せて、照射光量の低下の問題をも誘発される。

実用新案登録第２６０５５７１号 特開２００４−３０６０２５

したがって、本発明の課題は、視認性を低下させることなく、十分な加熱温度が得られ尚且つ耐久性に優れた透明導電膜ヒータを提供することにある。

本発明者等は、透明樹脂基体の表面とＩＴＯ膜との間に特定膜厚の二酸化シリコン膜を応力バランス層として介在させることにより、該ＩＴＯ膜単独での高温発熱を実現するに至った。

本発明によれば、以下の効果が奏される。
（１）高温加熱時においても、透明樹脂基体とＩＴＯ膜との熱膨張係数差などに起因する剥離やクラック現象が防止され、ＩＴＯ膜の耐久性が向上する。これは、介在する二酸化シリコン膜が、上記の熱膨張係数差の問題を解消する応力バランス層として機能しているから、と推察される。
（２）４０℃〜５０℃という十分な加熱量が得られるので、優れた融雪および凍結防止効果が得られる。
（３）ヒータ線を使用する必要がないので、透明樹脂基体、二酸化シリコン膜およびＩＴＯ膜の透明性が三位一体的に発揮され、したがって、得られる透明導電膜ヒータの視認性が格段に向上する。

図１は、本発明の透明導電膜ヒータの基本概念を示す斜視図である。
図２は、本発明の透明導電膜ヒータを信号機の照射用カバーに適用した例を示す正面図である。
図３は、図２のＡ―Ａ線に沿う断面図である。
図４は、図２のＢ―Ｂ線に沿う断面図である。
図５は、図２の例で用いた発熱抵抗体（ＩＴＯ膜）の接続状態を示す模式図である。
図６（ａ）は、図４の態様の応用例を示す部分拡大断面図である。
図６（ｂ）は、図６（ａ）の態様のさらなる応用例を示す部分拡大断面図である。

図１において、（１）は平板状の透明樹脂基体、（１ａ）は該基体の表面、（２）は透明樹脂基体（１ａ）の表面（１ａ）に形成された、膜厚が少なくとも１００ｎｍの二酸化シリコン膜、（３）は二酸化シリコン膜（２）上に形成されたＩＴＯ膜からなる発熱抵抗体、（４）はＩＴＯ膜（３）の両端部に設けられた電極部である。これらの電極間は、図示したように、リード線（５）で接続されている。また、（Ｐ１）、（Ｐ２）は入力端子である。

上記の態様で特徴的なことは、透明樹脂基体（１）の表面（１ａ）とＩＴＯ膜（３）との間に、その膜厚が少なくとも１００ｎｍの二酸化シリコン膜（２）を介在させ、これにより、ヒータ線を用いることなく４０℃〜５０℃の高温加熱を実現し、しかもヒータ構造体としての十分な耐熱性と構造安定性とを確保したことにある。

以下、この点について、さらに詳述する。透明樹脂基体（１）の表面（１ａ）にＩＴＯ膜（３）を直接に配した構造体が４０℃〜５０℃に加熱された場合、種々の不利益が生じることは、既に述べたとおりである。すなわち、ＩＴＯ膜自体が呈する引っ張り応力に加え、加熱による応力変化や両者の熱膨張率の差に起因する応力などにより、全体の応力バランスが崩れ、その結果、該ＩＴＯ膜（３）が該基材（１）から剥離し、また、該膜にクラックが生じる。本発明では、上記の応力バランスを調整するために、ＩＴＯ膜（３）とは逆の圧縮応力を持つ二酸化シリコン膜（２）を配置させる。この二酸化シリコン膜（２）が適切な応力バランスを保つためには、その膜厚が１００ｎｍ〜５００ｎｍであることが好ましい。該膜厚があまりに薄いと、応力バランス効果が得られなくなる。この意味で、該膜厚は、１７０ｎｍ以上にあるのが好ましい。他方、該膜が厚過ぎると、ＩＴＯ膜（３）にクラックが生じることがあるので、その上限値は、高々５００ｎｍに留めておくのが適当である。この結果、発熱抵抗体であるＩＴＯ膜（３）の剥離やクラックが防止され、経年変化のない透明導電膜ヒータが得られる。

さらに、上記二酸化シリコン膜が凹状面や凸状面を有する三次元形状の透明樹脂基体に適用された際には、その応力バランス機能が最大限に発揮される。図１に示した平板状基体にあっては、前述のＩＴＯ膜に起因する応力変化の分布は単純である。これに対して、透明樹脂基体の面が凹状または凸状である場合は、該応力変化の分布は極めて複雑になる。しかるに、膜厚が１００ｎｍの二酸化シリコン膜は、このような複雑な応力変化に柔軟に対応しながら、全体の応力バランスを図る機能を呈する。

以下に、透明樹脂基体の凹状面（碗状内表面）に、二酸化シリコン膜およびＩＴＯ膜を適用した例について述べる。

図２〜図４には、上述した透明導電膜ヒータを信号機に応用した態様が示されている。これらの図において、透明樹脂基体（１）は、信号機の照射部用カバーである鍔付きの碗状体（以下、“カバー（１）”と称することがある。）として示されている。そして、このカバー（１）の表面（１ａ）には、複数枚の帯状二酸化シリコン膜（２ａ）〜（２ｃ）、およびこれらの膜に対応してＩＴＯ膜（３ａ）〜（３ｃ）がそれぞれ形成されている。さらに詳しくは、図２において、一点鎖線で示される二等分線（Ｂ―Ｂ）を軸として、その左右対称の箇所に、帯状の二酸化シリコン膜（２ａ）、（２ｂ）および（２ｃ）が間隔をもって平行に配設され、さらに各シリコン膜に対応して、帯状のＩＴＯ膜（３ａ）、（３ｂ）および（３ｃ）が積層されている。これにともなって、電極（４）も（４ａ）〜（４ｆ）の符号で表示されている。

上記帯状の二酸化シリコン膜とＩＴＯ膜との積層状態は、図３〜図４に示されている。すなわち、図３では、図２のＡ―Ａ線に沿う断面図として、また、図４では、二酸化シリコン膜（２ａ）とＩＴＯ膜（３ａ）について、図２のＢ―Ｂ線に沿う断面図として示されている。

図２〜図４では、二酸化シリコン膜は、互いに面積の異なる帯状体（２ａ）〜（２ｃ）として配設され、それぞれのシリコン膜に対応して、帯状のＩＴＯ膜（３ａ）〜（３ｃ）が積層されている。この配設の態様は、大きい口径と高い発熱量（加熱温度）を必要とする信号機用ヒータにおいては、その温度分布の可及的均一化に好ましく寄与する。つまり、ヒータ面のサイズが信号機用ヒータに比べて小さい場合は、透明樹脂基体（１）の表面（１ａ）をシリコン膜およびＩＴＯ膜で全面被覆したもので十分である。他方、この全面被覆品を、加熱面が広く且つ高い発熱量を要する信号機用ヒータとして適用した場合は、不可避的に温度勾配が生じ、ヒータ全面に亘る均一加熱は困難である。この点、抵抗値の設定が容易な帯状のＩＴＯ膜を複数枚に分けて配することにより、均一加熱が実現する。

帯状のＩＴＯ膜の抵抗値自体は、その幅と膜厚の調整により実験的に容易に設定される。この幅については１０ｍｍ〜６０ｍｍ、膜厚については、その透光性をも考慮して、１００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲から適宜採択すればよい。このような抵抗値は、例えば、ＡＣ１００Ｖ印加の場合にターゲット温度を４０〜５０℃に設定する際は、一般に５Ｗ〜４０Ｗが得られるように調整される。このようにして、カバー（１）の表面（１ａ）に、それぞれに抵抗が調整されたＩＴＯ膜（３ａ）〜（３ｃ）を配することより、全加熱面に亘る温度制御が可能になる。一例を挙げれば、−１０℃の状態からプラス５５℃上昇させるには、ＩＴＯ膜（３ａ）〜（３ｃ）が、１００Ｖ−３０Ｗ・発熱抵抗体４０Ω/sqとなるように調整すればよい。なお、図２〜図４では、６枚のＩＴＯ膜を用いる例を示したが、この枚数は必要に応じて適宜変更される。

図５には、ＩＴＯ膜（３ａ）〜（３ｃ）のリード線（５）による接続状態（図２）が、いわゆる抵抗体の接続の観点から図示されている。この場合、図２に向かって右側のＩＴＯ膜（３ａ）、（３ｂ）および（３ｃ）からなる直列接続抵抗体と、図２に向かって左側のＩＴＯ膜（３ａ）、（３ｂ）および（３ｃ）からなる直列接続抵抗体とが並列接続されている。

もちろん、このような帯状のＩＴＯ膜の抵抗特性を逆用することもできる。例えば、加熱面のサイズが大きい場合、意図的に温度分布を変える場合が、これに該当する。ちなみに、前記の全面被覆においては、意図的に温度分布を変えるような制御は望むべくもない。

つぎに、本発明の透明導電膜ヒータを製造する一例について述べる。まず、透明樹脂基体ないしカバー（１）の表面（１ａ）に、真空蒸着法、イオンアシスト法、イオンプレーティング法、あるいはスパッタリング法などにより、膜厚が少なくとも１００ｎｍの二酸化シリコン膜を全面被覆する。さらに、該二酸化シリコン膜上に真空蒸着法、イオンアシスト法、イオンプレーティング法、あるいはスパッタリング法などによりＩＴＯ膜を１００ｎｍ〜５００ｎｍの膜厚で全面被覆する。ついで、図１または図２に示すような帯状パターンに応じて、カッター、レーザなどでカット線を入れ、該帯状パターン以外のシリコン膜とＩＴＯ膜とを取り除けばよい。

具体的な例として、上記の真空蒸着法を採用して、１００ｎｍの二酸化シリコン膜を全面被覆するときの真空蒸着条件は、蒸着レート：５Å/ｓ〜１５Å/ｓであればよい。他方、ＩＴＯ膜を該二酸化シリコン膜に全面被覆するときの真空蒸着条件は、蒸着レート：１Å/ｓ〜５Å/ｓであればよく、その際、適量の酸素を導入してもよいし、さらにはイオンアシスト法を併用してもよい。さらに、レーザカット条件は、出力２Ｗ〜６Ｗ程度、そして、レーザトリミング条件は、出力２Ｗ〜６Ｗ程度であればよい。このようにして、二酸化シリコン膜とＩＴＯ膜との帯状積層体が形成される。このとき、帯状のＩＴＯ膜の抵抗値は、必要に応じて、レーザトリミングなどにより調整してもよい。

上記の製造例において、透明樹脂基体ないしカバー（１）は、透明導電膜ヒータとしての視認性を確保する意味で、７５％以上の光透過率を有するものが好ましく採用される。該基体の材質は、透光性と耐熱性に優れたポリカーボネイト（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリメチルメタクリレートアクリル（ＰＭＭＡ）等の樹脂から適宜採択される。

本発明においては、透明樹脂基体（１）の外形および発熱抵抗体となるＩＴＯ膜（３）の配置パターンについては、特に制約はなく透明導電膜ヒータを装着する装置の形状に応じて最適なパターンに設定すればよい。

以上に述べた透明導電膜ヒータには、種々の機能膜が追加されてもよい。
図６（ａ）には、図４のＩＴＯ膜（３ａ）の外層に、さらに反射防止膜（６）が付設された例が示されている。もちろん、反射防止膜（６）は、同様にＩＴＯ膜（３ｂ）および（３ｃ）にも付設される。その結果、不要な反射光が遮断されるので、透明導電膜ヒータの視認性がより向上する。また、この反射防止膜（６）は、カバー（１）の外表面に設けても、同様の効果が得られる。なお、この反射防止膜（６）は単層のみならず、多層にしてもよい。図６（ｂ）には、図６（ａ）の反射防止膜（６）上に、さらに、ハードコート層（７）を付設した例が示されている。この場合は、透明導電膜ヒータの表面側の耐擦傷性がより向上する。

以下は、図２〜図５に示した信号機用の透明導電膜ヒータの具体例である。

まず、厚さが３ｍｍで曲率が３６４ｍｍ、外径が３０３ｍｍのポリカーボネイト製カバー（１）の表面（１ａ）上に、膜厚が１７０ｎｍの二酸化シリコン膜を真空蒸着法（蒸着レート：８Å/ｓ）にて全面被覆した。つぎに、この二酸化シリコン膜に、膜厚が１７０ｎｍのＩＴＯ膜をイオンアシスト法（出力１００Ｖ ６００ｍＡ）による真空蒸着（蒸着レート：２Å/ｓ）にて全面被覆した。さらに、これらの二酸化シリコン膜とＩＴＯ膜との全面被覆膜部にレーザでカット線を入れて、図２に示すように、互いに並行配置された６本の帯状ＩＴＯ膜を得た。このときの帯状ＩＴＯ膜については、（３ａ）の幅を５２ｍｍ、（３ｂ）を４３ｍｍ、そして（３ｃ）を２１ｍｍとした。これらＩＴＯ膜全体の、消費電力は３０Ｗであった。また、各ＩＴＯ膜間には、それぞれ１ｍｍの空隙を設けた。

さらに、ＩＴＯ膜（３ａ）〜（３ｃ）のそれぞれの両端部には、図２に示すように、インジウムからなる電極部（４ａ）〜（４ｆ）を設けるとともにこれらの電極間をフッ素樹脂絶縁電線（導体１０ｍｍ、外径０．１８ｍｍ）のリード線（５）で接続して、本発明の透明導電膜ヒータを得た。

得られた透明導電膜ヒータに、−１０℃の環境下において、図２に示す入力端子（Ｐ１）―（Ｐ２）間に電圧ＡＣ１００Ｖを印加して１．５時間の通電テストを実施した。このとき、通電開始から１５分で、カバー（１）の表面温度は４５℃に達した。また、通電終了後のＩＴＯ（３ａ）〜（３ｃ）の表面および界面状態について観察した結果、これら膜にはクラックや剥離は生じていなかった。

以上の例は、本発明の一例に過ぎず、本発明の思想の範囲内であれば、種々の変更および応用が可能であることは言うまでもない。

本発明の透明導電膜ヒータは、信号機や屋外照明装置あるいは屋外表示装置をはじめとして、車両や住宅の窓、監視カメラ、ＬＣＤディスプレイへも内蔵できる。

本発明の透明導電膜ヒータの基本概念を示す斜視図。 本発明の透明導電膜ヒータを信号機の照射用カバーに適用した例を示す正面図。 図２のＡ―Ａ線に沿う断面図。 図２のＢ―Ｂ線に沿う断面図。 図２の例におけるＩＴＯ膜間の接続状態を示す模式図。 （ａ）は図４の態様の応用例を示す部分拡大断面図、（ｂ）は該（ａ）のさらなる応用例を示す部分拡大断面図。

符号の説明

１ 透明樹脂基体
１ａ 基体表面
２ 二酸化シリコン膜
３ ＩＴＯ膜
４ 電極部
５ リード線
６ 反射防止膜
７ ハードコート層

Claims (9)

1. ヒータ線を発熱体として採用していない導電膜ヒータであって、透明樹脂基体の表面に、膜厚が少なくとも１００ｎｍの二酸化シリコン膜を介して、ＩＴＯ膜が発熱抵抗体として形成されていることを特徴とする透明導電膜ヒータ。
2. 該二酸化シリコン膜の膜厚さが、高々５００ｎｍである請求項１に記載の透明導電膜ヒータ。
3. 該二酸化シリコン膜が互いに平行関係にある複数枚の帯状膜として配置され、その際、それぞれの帯状膜の形状に対応してＩＴＯ膜が形成されている請求項１または２に記載の透明導電膜ヒータ。
4. 該ＩＴＯ膜の外層に反射防止膜が設けられた請求項１〜３のいずれかに記載の透明導電膜ヒータ。
5. 該反射防止膜上に、さらに、ハードコート層が設けられた請求項１〜４のいずれかに記載の透明導電膜ヒータ。
6. 該基体の光透過率が７５％以上である請求項１〜５のいずれかに記載の透明導電膜ヒータ。
7. 該帯状ＩＴＯ膜の消費電力が５Ｗ〜４０Ｗに調整された請求項３〜６のいずれかに記載の透明導電膜ヒータ。
8. 信号機用、屋外照明装置用、または屋外表示装置用の融雪ないし凍結防止ヒータとして供される請求項１〜７のいずれかに記載の透明導電膜ヒータ。
9. 該ヒータが少なくとも４５℃に加熱されて供される請求項１〜８のいずれかに記載の透明導電膜ヒータ。
   

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