JP2008186700A - 面状発熱体 - Google Patents

Abstract

【課題】各特性の樹脂を混合すると、いくつかの特性は失われ、所望の特性すべてを満足することは困難であったことを鑑み、正抵抗温度特性を有する部分、導電性を有する部分、等に分離し、それらを直列接続することで、全体として複数の特性を併せ持つ面状発熱体を提供する。
【解決手段】面状発熱体１は、基材２である不織布と、基材２に定着させた電極３と、その上に成型した第１導電性樹脂組成物４と、第１導電性樹脂組成物４と電気的に接続した第２導電性樹脂組成物５によって構成し、電極や電源に繋がるリード線６を接続する。そしてＰＴＣ特性を有する導電性樹脂組成物を、全体の一部に直列回路を形成するように配置することによって、簡便に抵抗体全体として低抵抗化することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、正抵抗温度特性を特徴とした面状発熱体に関し、詳しくは、低い抵抗値かつ高い変化倍率の特性を併せ持つ発熱体の構成及びその材料に関するものである。

従来から、正抵抗温度特性を有するＰＴＣ抵抗体が発熱体（ヒータ）として使用されている。正抵抗温度特性とは、抵抗体の抵抗値が温度の上昇に従って増加し、ある温度に達すると急激に増加するものをいう。ここで抵抗値の増加率を変化倍率とする。

ＰＴＣ抵抗体は、結晶性樹脂と導電性材料とを混合して形成させたものが広く知られている。原理は、結晶性樹脂が結晶質から非晶質に転換する際の急激な体積膨張によって、その中に分散していた導電性材料の平均粒子間距離が増加することにより、結果として、抵抗値も増大するものと考えられている。このような原理に基づくＰＴＣ抵抗体は、それ自身で自己温度制御機能を有するため、サーモスタット等の安全装置を設ける必要なく、部品点数を少なくできる利点がある（例えば特許文献１参照）。

図４において、面状発熱体は、樹脂フィルム１５上に配置された電極１６に、ＰＴＣ抵抗体１７を印刷して乾燥させたものである。さらにその上に、保護フィルムを張り合わせた構成もある。しかしいずれの場合においても、面状発熱体は一種類の均一なＰＴＣ抵抗体のみで構成されている。
特開２００１−３５７９６６号公報

しかしながら、従来の構成では、一種類の樹脂組成物に、発熱性、導電性、柔軟性及び正抵抗温度特性を有するように樹脂を選定及び混合する必要があり、その場合に全ての特性を同時に満たすことは困難であった。一般に、発熱性を良くすれば導電性が悪くなり、柔軟性を良くすれば正抵抗温度特性が悪くなる。また、導電性を良くすれば導電材料の充填量が多くなり、柔軟性も悪くなる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、正抵抗温度特性を有する部分、導電性を有する部分、等に分離し、それらを直列接続することで、全体として複数の特性を併せ持つ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、一対の電極と、前記電極に接続し、第１導電性材料を第１熱可塑性樹脂中に分散せしめてなる第１導電性樹脂組成物と、前記第１導電性樹脂組成物に接続し、第２導電性材料を第２熱可塑性樹脂中に分散せしめてなる第２導電性樹脂組成物とを有し、前記第１導電性樹脂組成物と前記第２導電性樹脂組成物とが電気的に直列接続されているように、特性の異なる複数の導電性樹脂組成物を直列接続したものである。これにより簡便に、抵抗体全体として所望の特性を得ることができる。

本発明の面状発熱体は、電気特性、機械特性等の物性値が異なる導電性樹脂組成物が直列接続されているため、全体としてそれらの特性を併せ持つ面状発熱体を簡便に作製することができる。

第１の発明は、一対の電極と、前記電極に接続し、第１導電性材料を第１熱可塑性樹脂中に分散せしめてなる第１導電性樹脂組成物と、前記第１導電性樹脂組成物に接続し、第２導電性材料を第２熱可塑性樹脂中に分散せしめてなる第２導電性樹脂組成物とを有し、前記第１導電性樹脂組成物と前記第２導電性樹脂組成物とが電気的に直列接続したものである。これにより、第１導電性樹脂組成物に発熱性、導電性及び柔軟性、第２導電性樹脂組成物に正抵抗温度特性等のように、特性を分離して直列接続することにより、第１及び第２導電性樹脂組成物を合わせた全体としてこれらの特性を付与することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の第１導電性樹脂組成物の体積固有抵抗値を１０Ω・ｃｍ未満と小さくし、かつ第２導電性樹脂組成物の体積固有抵抗値の２０℃と５０℃の抵抗比（以下、変化倍率と呼ぶ）を１．５倍以上大きくしたものである。

従来のＰＴＣ抵抗体は、電源電圧が１００Ｖということもあり、体積固有抵抗値が１０Ω・ｃｍ以上であるものが通常である。そして、体積固有抵抗値をそれ以下とすると、変化倍率が１．５倍未満と小さくなる傾向もある。これは、該抵抗値を１０Ω・ｃｍ以下にするためには、導電性材料を多量に添加する必要があり、その状態では２０〜５０℃程度の加熱によって導電性材料の平均粒子間距離を増加させることは困難だからである。我々の別の試験でも高抵抗のＰＴＣ抵抗体の方が変化倍率が大きくなる傾向にあった。

そこで本発明では、第１導電性樹脂組成物の抵抗を小さくすることによって全体の抵抗値を小さくすることができる。また、第２導電性樹脂組成物の変化倍率を大きくすることで、第１導電性樹脂組成物に流れる電流も規整することができる。すなわち、全体として両特性を併せ持つ面状発熱体を実現することができる。

第３の発明は、特に、体積固有抵抗値が１０Ω・ｃｍ未満であり、変化倍率が２０℃と５０℃の抵抗比で１．５倍以上あるものである。

低抵抗の導電性樹脂組成物と高変化倍率の導電性樹脂組成物とを直列接続することで、体積固有抵抗値が１０Ω・ｃｍ未満であり、かつ変化倍率が１．５倍以上とすることができ、簡便に自己温度制御機能に優れた面状発熱体を得ることができる。

第４の発明は、特に、第２の発明の第１導電性材料が、カーボンナノチューブであるものである。カーボンナノチューブを添加することによって抵抗値が低下することは知られているが、変化倍率が小さいため、ＰＴＣ抵抗体として通常利用することは困難である。しかし、抵抗値を低下させる点であれば有用であり、また、他の導電性材料（カーボンブラック、黒鉛等）に比べて添加量を少なくすることができるため、抵抗体の柔軟性を得ることができる利点もある。

第５の発明は、特に、第２の発明の第２熱可塑性樹脂が、エチレン系共重合体を含有したものである。これにより、高い変化倍率を得ることができ、柔軟性も付与することができる。

第６の発明は、特に、第５の発明のエチレン系共重合体が、エチレン酢酸ビニル共重合体であるものである。融解温度及び軟化温度の低い当該共重合体点を用いることで、２０℃〜８０℃の温度領域内の変化倍率を高くすることができる。

第７の発明は、第２導電性樹脂組成物を複数箇所有するものである。これにより、第１導電性樹脂組成物と第２導電性樹脂組成物との抵抗値が異なることによって生ずる温度分
布を緩和させることができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における面状発熱体の構成概略図を示すものであり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｙ位置断面図である。

図１において、面状発熱体１は、基材２である不織布と、基材２に定着させた電極３と、その上に成型した第１導電性樹脂組成物４と、第１導電性樹脂組成物４と電気的に接続した第２導電性樹脂組成物５によって構成されている。そして電極や電源（図示せず）に繋がるリード線６が接続されている。

基材２の材質は問わず、耐熱性と平滑性がある不織布が良い。また、耐熱性の樹脂フィルムを使用することもできる。本実施の形態では、ポリエステル繊維で作製されたニードルパンチタイプで、難燃剤が含浸処理された難燃性不織布を用いている。電極３には直径０．１ｍｍを２０本縒った錫メッキ銅線を使用した。そして糸で部分的に縫い付けている（図示せず）。また、第１導電性樹脂組成物４には、第１熱可塑性樹脂としてエチレン系エラストマー、第１導電性材料としてカーボンナノチューブを１７０℃の加熱式のオープンロールで混練して作製した。カーボンナノチューブの配合は２０重量％である。なお、導電性材料としてカーボンナノチューブに限定されるものでなく、高導電性であれば、例えばケッチェンブラック、アセチレンブラック等でも良い。

そして第２導電性樹脂組成物５には、第２熱可塑性樹脂としてエチレン系共重合体であるエチレン酢酸ビニルを１７０℃のオープンロールで混練し、さらにカーボンブラックを５０重量％添加して混練して作製した。なお、熱可塑性樹脂としてエチレン酢酸ビニル共重合体に限定されるものでなく、ＰＴＣ発現物質であり、かつ低融点の材料であれば、例えばエチレンアクリルエステル共重合体、エチレンメタクリル酸メチル共重合体等でも良い。

次に、各導電性樹脂組成物を２００℃の熱プレス機によって５０〜８０μｍのシートを作製し、短冊状に切断する。そして図１のように、第１導電性樹脂組成物４を並べてその上に第２導電性樹脂組成物５を置き、直列回路を構成させ、熱プレスによって不織布２に固定させる。最後にリード線６を接続する。なお、本発明の実施の形態では、プレス成型によって作製したが、押出成型法によって作製しても良い。

以上のように作製した面状発熱体の体積固有抵抗値を測定し、各温度での変化倍率を算出した。

なお、第１導電性樹脂組成物のみ（従来例１）及び第２導電性樹脂組成物のみ（従来例２）、第１導電性樹脂組成物と第２導電性樹脂組成物を同量混練した導電性樹脂組成物（従来例３）も合わせて測定し、発明の効果を検証した。測定条件である雰囲気温度は、２０〜８０℃の１０℃毎である。その結果を図３の説明図に示す。これにより、以下の点が明らかとなる。

従来例１により、カーボンナノチューブを添加することによって少量であっても、体積固有抵抗（２０℃、単位Ω・ｃｍ、以下同じ）を１未満に低下させることができるが、変化倍率（５０℃／２０℃、以下同じ）は１．１以下となる。添加量が少ないため柔軟性を有する。

従来例２より、カーボンブラックを添加することによって変化倍率を３．０とすることができるが、体積固有抵抗が１０以上となる。また、カーボンの添加量が多いため、柔軟
性に欠ける。

従来例３より、体積固有抵抗を下げることができるが、変化倍率を得ることができない。

本発明では、体積固有抵抗を２．１と１０未満にすることができ、かつ変化倍率を１．９と１．５以上とすることができた。また、第２導電性樹脂組成物は柔軟性に欠けるものの全体のうちの一部であり、大部分を占める第１導電性樹脂組成物が柔軟性を有すめため、面状発熱体全体として折り曲げ性に優れていた。

以上より、特定の特性を有する樹脂組成物を混練することでは得られないが、本発明のように各特性を有する樹脂組成物を直列接続することによって、各特性を併せ持つ樹脂組成物を実現することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態における面状発熱体の構成概略図を示すものであり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｙ位置断面図である。

面状発熱体２の構成及び材料は、実施の形態１と同様である。以下に、本実施の形態の作製方法を説明する。

各導電性樹脂組成物を２００℃の熱プレス機によって５０〜８０μｍのシートを形成し、短冊状に切断する。そして図２のように、電極間に複数枚の第１導電性樹脂組成物を並べてその間に複数枚の第２導電性樹脂組成物を置き、直列回路を構成させ、熱プレスによって不織布２に固定させる。なお、本発明の実施の形態では、プレス成型によって作製していたが、射出成型や押出成型によって作製しても良い。

以上のように作製した面状発熱体の２０℃〜８０℃の体積固有抵抗値を測定し、各温度での変化倍率を算出した。その結果、２０℃での体積固有抵抗を１０未満にすることができ、かつ２０℃と５０℃の変化倍率を１．５以上とすることができた。さらに、発熱状態を赤外線サーモグラフ（対象物から出ている赤外線放射エネルギーを検出し、見かけの温度に変換して、温度分布を画像表示する装置）によって観察した。その結果、高抵抗の第２導電性樹脂組成物を複数箇所に分割することによって、局所的な温度上昇を避けることができ、面上発熱体の全体の温度分布を均一にすることができた。

以上より、本発明のように各特性を有する樹脂組成物を複数個直列接続することによって、各特性を併せ持つ樹脂組成物が得られ、さらに面状の温度斑を緩和させた面状発熱体を実現することができる。

以上のように、本発明にかかる面状発熱体は、抵抗値が低いので、１００Ｖ対応の家庭用のみでなく、１０〜２０Ｖ対応の自動車搭載用、数Ｖ程度の乾電池対応のヒータとして応用が可能となる。

（ａ）発明の実施の形態１における面状発熱体の概略平面図（ｂ）同概略断面図 （ａ）発明の実施の形態２における面状発熱体の概略平面図（ｂ）同概略断面図 面状発熱体の各温度での体積固有抵抗値を示す説明図 （ａ）従来の例における面状発熱体の概略平面図（ｂ）同概略断面図

符号の説明

１ 面状発熱体
３ 電極
４ 第１導電性樹脂組成物
５ 第２導電性樹脂組成物

Claims (7)

1. 一対の電極と、前記電極に接続し、第１導電性材料を第１熱可塑性樹脂中に分散せしめてなる第１導電性樹脂組成物と、前記第１導電性樹脂組成物に接続し、第２導電性材料を第２熱可塑性樹脂中に分散せしめてなる第２導電性樹脂組成物とを有し、前記第１導電性樹脂組成物と前記第２導電性樹脂組成物とが電気的に直列接続されていることを特徴とする面状発熱体。
2. 第１導電性樹脂組成物の体積固有抵抗値が１０Ω・ｃｍ未満と小さいことを特徴とし、かつ第２導電性樹脂組成物の体積固有抵抗値の２０℃と５０℃の抵抗比が１．５倍以上と大きいことを特徴とする請求項１に記載の面状発熱体。
3. 体積固有抵抗値が１０Ω・ｃｍ未満であり、かつ体積固有抵抗値の２０℃と５０℃の抵抗比が１．５倍以上である請求項１または２に記載の面状発熱体。
4. 第１導電性材料が、カーボンナノチューブを含有して成る請求項２に記載の面状発熱体。
5. 第２熱可塑性樹脂が、エチレン系共重合体を含有して成る請求項２に記載の面状発熱体。
6. エチレン系共重合体が、エチレン酢酸ビニル共重合体である請求項５に記載の面状発熱体。
7. 電極間に、第２導電性樹脂組成物を複数箇所有する請求項１に記載の面状発熱体。

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