JP2008310968A - 高分子発熱体 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＴＣ特性を示す発熱体の基材として、ポリエチレンテレフタレートに代表されるポリエステル系フィルムを用いた場合の耐久性、酸素バリア性を向上することを目的とする。
【解決手段】ベース側基材２とカバー側基材３に狭持してなる一対の電極４，４’と、これら一対の電極４，４’間に形成されたＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体５とを備えた高分子発熱体において、前記ベース側基材２及び前記カバー側基材３の少なくとも一方が酸素バリア層を有するものである。したがって、樹脂の持つ低コスト性や易加工性、易成形性、軽量性などのメリットを損なうことなく、かつ金属やセラミックなどが示す長期安定性を有することとなり、床暖房装置などの長期耐久性が必要となる発熱体に特に有効となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高分子抵抗体のジュール熱を利用した高分子発熱体に関し、更に詳しくは、長期信頼性を有し、かつ低コストで作成できる高分子発熱体に関するものである。

従来から面状発熱体の発熱部として、カーボンブラックや金属粉末、グラファイトなどの導電性物質を樹脂に分散して得られたものが知られている。

なかでも導電性物質と樹脂との組合せにより、自己温度制御機能を示すＰＴＣ発熱体（正の抵抗温度特性を意味する英語Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔの略を意味する）を用いた場合には、温度制御回路が不要となり、部品点数を少なくできるなど、メリットのあるデバイスとして知られている。

これらの構成は、図３に示すように、セラミックや絶縁処理された金属板など、筺体構造としての機能を有するベース材２１上に、導電性インキ組成物を印刷、あるいは塗布して構成した電極２２と、これにより給電される位置に抵抗体インク組成物を印刷、あるいは塗布して構成した抵抗体２３を設け、さらに電極２２及び抵抗体２３を被覆するカバー材２４で発熱体２５を形成する。

電極２２及び抵抗体２３は、ベース材２１やカバー材２４により外界から隔離されるため、長期信頼性を付与されることとなる。ベース材２１やカバー材２４の間にさらに接着層を別途設けた場合も種々提案されている。

従来から、印刷により高分子抵抗体を形成してこれを発熱体として用いた例としては、露・霜除去用として自動車のドアミラーや洗面台のミラー、床暖房器具等がある（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−３７１６９９号公報

一般にベース材やカバー材として、ポリエチレンテレフタレートに代表されるポリエステル系の樹脂系のフィルムが用いられることが多い。これはコストや加工性、成形性、軽量性などの点で満足すべき点が多いためである。

しかしながら、金属やセラミックからなるベース材あるいはカバー材に比べ、水分劣化や酸化劣化が充分でない場合が多い。

数年レベルでの耐久性にはほとんど問題のないレベルではあるが、例えば建材用途に用いる場合には、長期信頼性を確保できる材質であることが望ましく、要求水準を満足できるバリア性能を発揮する必要がある。

本発明は樹脂の有する加工性、成形性、軽量性のメリットを損なうことなく、さらに長期信頼性に適した高分子発熱体を提供することを目的とするものである。

前記従来の課題を解決するための本発明の高分子発熱体は、ベース側基材とカバー側基材に狭持してなる一対の電極と、これら一対の電極間に形成されたＰＴＣ特性を有する高
分子抵抗体とを具備し、前記ベース側基材及び前記カバー側基材の少なくとも一方が酸素バリア層を有するものとした。

上記構成は、樹脂の持つ低コスト性や易加工性、易成形性、軽量性などのメリットを損なうことなく、かつ金属やセラミックなどが示す長期安定性を有することが特徴である。

本発明においては特に限定はしていないが、床暖房装置などの長期耐久性が必要となる発熱体に特に有効となるものである。

一般に酸素遮断性を向上させることによって、二酸化炭素や水蒸気に対するバリア性も向上させることができるため、人体と直接接触させるような用途においても積極的にこれら高分子発熱体を使用することができる。例えばシートヒータや発熱サポータなどへの応用も考えられる。

酸素バリア層としては、酸化アルミあるいはケイ素酸化物などの無機酸化物を樹脂と共にシート状やフィルム上に押出す方法などもあるが、ここではフィルム層とは別に蒸着法あるいはコーティング法などにより独立した層を形成する方法が挙げられ、例えば蒸着させる方法や、コーティングする方法がある。コーティングあるいは蒸着する材質としては、ダイヤモンドライクカーボン（以下ＤＬＣ）と呼ばれる硬質炭素膜を挙げることができる。一般にＤＬＣは、天然ダイヤモンドと同様にｓｐ３結合とｓｐ２結合、水素結合を含むアモルファス構造となっており、高硬度、低摩耗、耐薬品性、耐腐食性、高表面平滑性、高透明度、ガス遮断性などの特徴を有する。ＤＬＣを用いた低温での処理方法として、ＰＥＴフィルム上にコーティング処理できる方法があり、本方法を利用することによって、設備規模を小さくできるため、安価な工法とすることができる。低温での処理が可能となるため、ポリエチレンテレフタレートなどの樹脂ベースの材料上にコーティングできる。またコーティング条件を制御することによって、種々のバリア性能を有するフィルムを得ることができる。

またベース側基材、カバー側基材に酸素バリア層を設けると共に、カバー側基材の電極及び高分子抵抗体を被覆する側の面に、共重合ポリエステル樹脂からなる接着層を設け、ラミネート処理によって電極や抵抗体を覆うことにより、水分や酸素から隔離することができるため、更なる長期安定性を示すことが可能となる。

またポリエステル層／酸素バリア層／ポリエステル層、あるいは酸素バリア層／ポリエステル層／酸素バリア層などのようなサンドイッチ構成を有する複数層からなるフィルムを用いることにより、更に酸素透過性を抑制することができ本発明において有効な手段となる。

本発明の高分子発熱体は、ベース側基材とカバー側基材の少なくとも一方に酸素バリア層を設けることにより、電極や抵抗体が酸素と接触する機会を減らすことができ、信頼性に優れた商品を提供できる。

第１の発明は、ベース側基材とカバー側基材に狭持してなる一対の電極と、これら一対の電極間に形成されたＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体とを具備し、前記ベース側基材及び前記カバー側基材の少なくとも一方が酸素バリア層を有するものである。

したがって、樹脂の持つ低コスト性や易加工性、易成形性、軽量性などのメリットを損なうことなく、かつ金属やセラミックなどが示す長期安定性を有することとなり、床暖房
装置などの長期耐久性が必要となる発熱体に特に有効となるものである。

一般に酸素遮断性を向上させることによって、二酸化炭素や水蒸気に対するバリア性も向上させることができるため、人体と直接接触させるような用途においても積極的にこれら高分子発熱体を使用することができる。例えばシートヒータや発熱サポータなどへの応用も考えられる。

酸素バリア層としては、酸化アルミあるいはケイ素酸化物などの無機酸化物を樹脂と共にシート状やフィルム上に押出す方法などもあるが、ここではフィルム層とは別に蒸着法あるいはコーティング法などにより独立した層を形成する方法が挙げられ、例えば蒸着させる方法や、コーティングする方法がある。コーティングあるいは蒸着する材質としては、ダイヤモンドライクカーボン（以下ＤＬＣ）と呼ばれる硬質炭素膜を挙げられよう。

一般にＤＬＣは、天然ダイヤモンドと同様にｓｐ３結合とｓｐ２結合、水素結合を含むアモルファス構造となっており、高硬度、低摩耗、耐薬品性、耐腐食性、高表面平滑性、高透明度、ガス遮断性などの特徴を有する。ＤＬＣを用いた低温での処理方法として、ＰＥＴフィルム上にコーティング処理できる方法があり、本方法を利用することによって、設備規模を小さくできるため、安価な工法とすることができる。

第２の発明は、第１の発明において、ベース側基材及びカバー側基材が、ポリエステル系フィルム層を含むものであり、基材の融点が比較的高いために、バリア層を形成するための温度範囲を比較的高温まで広げることが可能となる。

第３の発明は、特に第２の発明のポリエステル系フィルム層が、ポリエチレンテレフタレートあるいはポリブチレンテレフタレートからなるものであり、化学的にも機械的にも安定したフィルムを比較的容易に作成することができ、信頼性の高い高分子発熱体を得ることができる。

第４の発明は、特に第１の発明の酸素バリア層が、硬質炭素膜を含むものであり、２００℃以下でコーティング処理が可能で、容易な工法で高分子発熱体を作成できる。

第５の発明は、特に第１の発明の酸素バリア層を有するベース側基材及びカバー側基材の少なくとも一方の酸素透過率を５０ｍｌ／ｍ２・ｄａｙ・ＭＰａ以下に設定したもので、使用時に抵抗体や電極の酸化劣化反応を長期的に抑制することができ、床暖房など比較的長期間に渡り使用されるような場合にも最適な高分子発熱体を提供することができる。

第６の発明は、特に第１の発明のカバー側基材の電極及び高分子抵抗体を被覆する側の面に共重合ポリエステル樹脂からなる接着層を設けたもので、抵抗体や電極との接着性、密着性に優れ、抵抗体や電極は容易に酸素に触れることがなく、良好な発熱特性を有する高分子発熱体を長期に渡り提供することができる。

第７の発明は、特に第１の発明のベース側基材及びカバー側基材の少なくとも一方がポリエステル系フィルム層と酸素バリア層の少なくとも一方の層を複数層含有したものにして、ポリエステル層／酸素バリア層／ポリエステル層、あるいは酸素バリア層／ポリエステル層／酸素バリア層といったサンドイッチ構成とすることにより、酸素遮断性を更に向上することができ、長期間高温使用しても信頼性の高い高分子発熱体を提供することができる。

第８の発明は、特に第１の発明のベース側基材及びカバー側基材の少なくとも一方が不織布あるいは織布からなる繊維層と酸素バリア層を有するフィルム層を積層したもので、
柔軟性、快適性に優れた高分子発熱体を得ることができる。

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、この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において、高分子発熱体１は、電気絶縁性のベース側基材２とカバー側基材３とに狭持された一対の電極４，４’及び、高分子抵抗体５からなる。

ベース側基材２、カバー側基材３としては、１００ｎｍのＤＬＣ膜を低温プラズマコーティング法により、厚さ７５μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムの片側に作成したものを用いた。

このＤＬＣ膜を有するベース側基材１２、カバー側基材１３の酸素透過率を測定したところ、４５ｍｌ／ｍ２・ｄａｙ・ＭＰａであり、ＤＬＣがないポリエチレンテレフタレートフィルムが７５０ｍｌ／ｍ２・ｄａｙ・ＭＰａであったことと比較すると、酸素透過率が約１／１６となっていることがわかった。

電気的に正側と負側となる一対の電極４，４’は、ベース側基材２のＤＬＣ膜をコーティングしていない側の面に導電性ペーストを印刷、乾燥することによって形成した。

導電性ペーストは共重合ポリエステル樹脂中に導電性付与材として銀粉末を分散したものを使用している。

また、高分子抵抗体５は正抵抗温度特性を有し、エチレン酢酸ビニル共重合体とカーボンブラックの混練物をペースト化したものを、電極４，４’が形成された面に印刷、乾燥して形成したものである。

電極４，４’は、相対向するように配置された幅の広い一対の主電極部４ａ，４ａ’と、それら主電極部４ａ，４ａ’から交互に相手側に向かって複数の枝電極部４ｂ，４ｂ’とからなる櫛形形状になっており、これに重なるように配設した高分子抵抗体５に前記枝電極部４ｂ，４ｂ’から電流を流すことで発熱するようになっている。

カバー側基材３のＤＬＣ膜をコーティングしていない側の面に電極４，４’および高分子抵抗体５を被覆し、発熱体周囲を封止することにより高分子発熱体１を得た。なお封止の様子は図示していない。

上記の様に作成した高分子発熱体１は、ＤＬＣ膜を外側に有するＰＥＴフィルムでサンドイッチされた構成であり、それらフィルムに追随するしなやかさを示すため、暖房用ヒータとしてフロアーマットなどに組み込まれ足元を暖たり、椅子などの座部や、背もたれ部の外面あるいは内面に装着され直接接触する人体の部位を暖めるのに使用される。

より快適な柔軟性、密着性を発現させるために、高分子発熱体１はその用途に応じて、発熱面積や発熱温度の変更が可能となることが望ましく、種々の発熱パターンを設計する必要があるが、ここではその詳細は省略する。

高分子抵抗体５はＰＴＣ特性を有し、温度が上昇すると抵抗値が上昇して、所定の温度になるように自己温度調節機能を有する。すなわち、高分子抵抗体５は高分子発熱体１に安全性が高く温度コントロールを不要とする機能を付与する。また従来の線条のヒータに比べて、ＰＴＣ特性を有する高分子発熱体１は速熱性と省エネ性とを発揮することができ
る。

酸素バリア層の有効性を確認するために、８０℃における耐熱性を評価したところ、８０℃で２０，０００時間まで抵抗値変化が生じないことを、また８０℃以上での加速試験の実施により、抵抗体の抵抗値はその後、高抵抗側に徐々に変化することを確認し、実使用でのレベルにおいて極めて長時間の耐久性を示すことが明らかとなった。

（実施の形態２）
図２において、高分子発熱体１１は、電気絶縁性のベース側基材１２とカバー側基材１３とに狭持された一対の電極１４，１４’、高分子抵抗体１５及び、接着層１６とからなるものである。

ベース側基材１２、カバー側基材１３としては、１００ｎｍのＤＬＣ膜を低温プラズマコーティング法により、厚さ７５μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムの片側に作成したものを用いた。

このＤＬＣ膜を有するベース側基材１２、カバー側基材１３の酸素透過率を測定したところ、４５ｍｌ／ｍ２・ｄａｙ・ＭＰａであり、ＤＬＣがないポリエチレンテレフタレートフィルムが７５０ｍｌ／ｍ２・ｄａｙ・ＭＰａであったことと比較すると、酸素透過率が約１／１６となっていることがわかった。

電気的に正側と負側となる一対の電極１４，１４’は、ベース側基材１２のＤＬＣ膜をコーティングしていない側の面に導電性ペーストを印刷、乾燥することによって形成した。導電性ペーストは共重合ポリエステル樹脂中に導電性付与材として銀粉末を分散したものを使用している。

また、高分子抵抗体１５は正抵抗温度特性を有し、エチレン酢酸ビニル共重合体とカーボンブラックの混練物をペースト化したものを、電極１４，１４’が形成された面に印刷、乾燥して形成したものである。

電極１４，１４’は、相対向するように配置された幅の広い一対の主電極部１４ａ，１４ａ’と、それら主電極部１４ａ，１４ａ’から交互に相手側に向かって複数の枝電極部１４ｂ，１４ｂ’とからなる櫛形形状になっており、これに重なるように配設した高分子抵抗体１５に前記枝電極部１４ｂ，１４ｂ’から電流を流すことで発熱するようになっている。

接着層１６として、融点１０７℃の飽和共重合ポリエステル樹脂を５０μｍの厚みになるように、カバー側基材１３のＤＬＣ膜とは反対側の面にＴダイ押出し法にて熱融着によって積層したものである。接着層１６側が電極１４，１４’および高分子抵抗体１５を被覆するようにラミネート加工した。

主電極１４ａ，１４ａ’間を１５０ｍｍとし、枝電極１４ｂ，１４ｂ’どうしの間隔が１０ｍｍになるようにして高分子発熱体１１を得た。

得られた高分子発熱体１１に直流１３．５Ｖ印加時の表面温度は４２℃であった（外気温度２０℃）。

また酸素バリア層並びに接着層の有効性を確認するために、８０℃における耐熱性を評価したところ、８０℃で２５，０００時間まで抵抗値変化が生じないことを、また８０℃以上での加速試験の実施により、抵抗体の抵抗値はその後、高抵抗側に徐々に変化するこ
とを確認し、実使用でのレベルにおいて極めて長時間の耐久性を示すことが明らかとなった。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における高分子発熱体としては、実施の形態２と同様の構成を有するものを下記に示すような方法で作成した。

ベース側基材１２、カバー側基材１３としては、１００ｎｍのＤＬＣ膜を低温プラズマコーティング法により、厚さ７５μｍのポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）フィルムの片側に作成したものを用いた。

このＤＬＣ膜を有するベース側基材１２、カバー側基材１３の酸素透過率を測定したところ、３５ｍｌ／ｍ２・ｄａｙ・ＭＰａであり、ＤＬＣがないポリエチレンテレフタレートフィルムが７５０ｍｌ／ｍ２・ｄａｙ・ＭＰａであったことと比較すると、酸素透過率が１／２０以下となっていることがわかった。

接着層１６は、融点１４５℃の飽和共重合ポリエステル樹脂を５０μｍの厚みになるように、カバー側基材１３のＤＬＣ膜とは反対側の面にＴダイ押出し法にて熱融着によって積層したものである。それ以外の材料、構成、工法は実施の形態２と同一とした。

主電極１４ａ，１４ａ’間を１５０ｍｍとし、枝電極１４ｂ，１４ｂ’どうしの間隔が１０ｍｍになるようにして高分子発熱体１１を得た。

得られた高分子発熱体に直流１３．５Ｖ印加時の表面温度は４２℃であった（外気温度２０℃）。

また酸素バリア層並びに接着層の有効性を確認するために、８０℃における耐熱性を評価したところ、８０℃で２５，０００時間まで抵抗値変化が生じないことを、また８０℃以上での加速試験の実施により、抵抗体の抵抗値はその後、高抵抗側に徐々に変化することを確認し、実使用でのレベルにおいて極めて長時間の耐久性を示すことが明らかとなった。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４における高分子発熱体としては、実施の形態２と同様の構成を有するものを下記に示すような方法で作成した。

ベース側基材１２、カバー側基材１３としては、５０ｎｍのＤＬＣ膜を低温プラズマコーティング法により、厚さ７５μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムの両面に作成したものを用いた。

このＤＬＣ膜を有するベース側基材１２、カバー側基材１３の酸素透過率を測定したところ、３０ｍｌ／ｍ２・ｄａｙ・ＭＰａであり、ＤＬＣがないポリエチレンテレフタレートフィルムが７５０ｍｌ／ｍ２・ｄａｙ・ＭＰａであったことと比較すると、酸素透過率が１／２５となっていることがわかった。それ以外の材料、構成、工法は実施の形態２と同一とした。

主電極１４ａ，１４ａ’間を１５０ｍｍとし、枝電極１４ｂ，１４ｂどうしの間隔が１０ｍｍになるようにして高分子発熱体１１を得た。

得られた高分子発熱体に直流１３．５Ｖ印加時の表面温度は４２℃であった（外気温度
２０℃）。

また酸素バリア層並びに接着層の有効性を確認するために、８０℃における耐熱性を評価したところ、８０℃で３０，０００時間まで抵抗値変化が生じないことを、また８０℃以上での加速試験の実施により、抵抗体の抵抗値はその後、高抵抗側に徐々に変化することを確認し、実使用でのレベルにおいて極めて長時間の耐久性を示すことが明らかとなった。

（実施の形態５）
本発明の実施の形態５における高分子発熱体としては、実施の形態２と同様の構成を有するものを下記に示すような方法で作成した。

ベース側基材１２、カバー側基材１３として、ポリエチレンテレフタレート繊維を交絡させた不織布上に融点が１８０℃のオレフィン系熱可塑性エラストマを５０μｍの厚さのフィルム上に成形したものを用いた。

この基材のフィルム面に、５０ｎｍのＤＬＣ膜を低温プラズマコーティング法により作成した。このＤＬＣ膜を有するベース側基材１２、カバー側基材１３の酸素透過率を測定したところ、５０ｍｌ／ｍ２・ｄａｙ・ＭＰａであり、ＤＬＣがないオレフィン系熱可塑性エラストマが１，０００ｍｌ／ｍ２・ｄａｙ・ＭＰａであったことと比較すると、酸素透過率が約１／２０となっていることがわかった。それ以外の材料、構成、工法は実施の形態２と同一とした。

主電極１４ａ，１４ａ’間を１５０ｍｍとし、枝電極１４ｂ，１４ｂどうしの間隔が１０ｍｍになるようにして高分子発熱体１１を得た。

得られた高分子発熱体に直流１３．５Ｖ印加時の表面温度は４２℃であった（外気温度２０℃）。

また酸素バリア層並びに接着層の有効性を確認するために、８０℃における耐熱性を評価したところ、８０℃で２２，０００時間まで抵抗値変化が生じないことを、また８０℃以上での加速試験の実施により、抵抗体の抵抗値はその後、高抵抗側に徐々に変化することを確認し、実使用でのレベルにおいて極めて長時間の耐久性を示すことが明らかとなった。

以上のように、本発明にかかる発熱体は、高分子と導電性カーボンからなる高分子抵抗体と電極をベース側基材、カバー側基材でサンドイッチすると共に、ベース側基材及びカバー側基材の少なくとも一方に酸素バリア層を設けることによって、長期信頼性を有する発熱体を低コストで提供可能となり、また量産性に優れた商品を提供できる。

（ａ）は本実施の形態１における高分子発熱体の構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｙ断面図 （ａ）は本実施の形態２における発熱体の構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｙ断面図 （ａ）は従来の発熱体を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｙ断面図

符号の説明

１，１１ 高分子発熱体
２，１２ ベース側基材
３，１３ カバー側基材
４，４’，１４，１４’ 電極
５，１５ 高分子抵抗体
１６ 接着層

Claims (8)

1. ベース側基材とカバー側基材に狭持してなる一対の電極と、これら一対の電極間に形成されたＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体とを具備し、前記ベース側基材及び前記カバー側基材の少なくとも一方が酸素バリア層を有することを特徴とする高分子発熱体。
2. 前記ベース側基材及び前記カバー側基材がポリエステル系フィルム層を含むことを特徴とする請求項１記載の高分子発熱体。
3. 前記ポリエステル系フィルム層がポリエチレンテレフタレートあるいはポリブチレンテレフタレートのいずれかの樹脂からなることを特徴とする請求項２記載の高分子発熱体。
4. 前記酸素バリア層が硬質炭素膜を含むことを特徴とする請求項１記載の高分子発熱体。
5. 前記酸素バリア層を有する前記ベース側基材及び前記カバー側基材の少なくとも一方の酸素透過率を５０ｍｌ／ｍ２・ｄａｙ・ＭＰａ以下となるように設定した請求項１記載の高分子発熱体。
6. 前記カバー側基材の電極及び高分子抵抗体を被覆する側の面に共重合ポリエステル樹脂からなる接着層を設けた請求項１記載の高分子発熱体。
7. 前記ベース側基材及び前記カバー側基材の少なくとも一方がポリエステル系フィルム層と酸素バリア層の少なくとも一方の層を複数層含むことを特徴とする請求項１記載の高分子発熱体。
8. 前記ベース側基材及び前記カバー側基材の少なくとも一方が不織布、あるいは織布からなる繊維層と酸素バリア層を有するフィルム層を積層してなる請求項１記載の高分子発熱体。