JP2009151976A - 高分子発熱体 - Google Patents

Abstract

【課題】薄肉成型可能な低抵抗を示す高分子抵抗体を提供して、柔軟性と器具に装着した際の発熱体の使用感と信頼性を向上させるとともに低コスト化を図っ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。
【解決手段】電気絶縁性基材２と、前記電気絶縁性基材２上に配設された少なくとも一対の金属撚り線からなる電極３，３’と、該一対の電極３，３’とは直接接触しないＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体４と、該電極３，３’と該高分子抵抗体４との双方に接触する導電層５，５’から形成されてなる高分子発熱体１を用いる。
【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４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２２上に、導電性インキ組成物を印刷、あるいは塗布して得られる電極２３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、あるいは塗布して得られる抵抗体２４を設け、発熱体２１を形成する。

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

前記従来の構成では、用いられる抵抗体組成物の比抵抗は通常１０００Ω・ｃｍ以上であり、そのため櫛形電極のように非常に近接して給電する構成となっていた。また通常、櫛形電極は銀ペーストを用い、印刷・乾燥により形成されるので、その使用量が多くなるため高価なものとなっていた。

高分子抵抗体をインクとして作製したものは、塗布量調整により数十ミクロンメートル程度の薄膜状に発熱部を形成できるので、高分子発熱体としての柔軟性を発揮することは容易である。しかしながらが、インク状の高分子抵抗体を塗布する面としては、平滑で含浸することがなく、かつ腰のあるポリエステルフィルムなどの電気絶縁性基材を用いる必要があり、柔軟性を損ねる結果となっていた。また、高分子発熱体の給電部として、高価な導電性ペーストを櫛型電極として多量に用いる必要があるため、コストが高いという欠点を有していた。

一方、押し出し成型に用いる抵抗体では、インクに供するものに比べてミリメートル単位の厚肉となり、柔軟性に欠けるとともに、電極ケーブル間が近接した構成となり面状発熱体と言えるものでななかった。Ｔダイ押し出し加工やカレンダー加工などの薄肉成型法もあるが、これらの加工法に適した高分子抵抗体の提案はされていない。

上記従来の技術の問題点に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、薄肉成型可能な低抵抗を示す高分子抵抗体を提供した場合、柔軟性と器具に装着した際の面状発熱体の使用感と信頼性を向上させるとともに低コスト化を図った高分子発熱体を提供することにある。

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、電気絶縁性基材と、前記電気絶縁性基材上に配置された少なくとも一対の金属撚り線からなる電極と、該一対の電極とは直接接触しないＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体と、該電極と該高分子抵抗体との双方に接触する導電層から形成されてなるものである。

本発明では低抵抗を示す高分子抵抗体を薄膜に形成することを基本とするものであるが、この構成により、高分子抵抗体に給電する電極間を櫛形構成とする必要性はなくなり、広い間隔で電極を配置することが可能となり、電極の使用量を低減するとともに高分子抵抗体をパターン化する必要がないため低コストの面状発熱体を提供できる。

導電層と同様の機能を果たすものとして、導電性の被覆材があるが、本発明においては、電極と導電層、及び導電層と高分子抵抗体のそれぞれが接着された状態であれば良く、電極自身の被覆の状態は問わない。結果として電極部が導電層により全面が覆われたものであっても良いし、また一部のみが覆われたような状態であっても構わない。

本発明よれば、薄膜かつ低抵抗の面状発熱体を提供できるとともに、柔軟性に富み、使用感と信頼性も高めることができ、しかも低コスト化を促進できるものである。

第１の発明は、電気絶縁性基材と、前記電気絶縁性基材上に配置された少なくとも一対の金属撚り線からなる電極と、該一対の電極とは直接接触しないＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体と、該電極と該高分子抵抗体との双方に接触する導電層から形成されてなり、抵抗体組成物に給電する電極間を櫛形構成とする必要性はなくなり、広い間隔で電極を配置することが可能となり、電極の使用量を低減するとともに高分子抵抗体をパターン化する必要がないため低コストの面状発熱体を提供できる。

また複雑な工法を必要とせず、Ｔダイやカレンダーロール法などによって得た高分子抵抗体や導電層を電極と共に電気絶縁性基材に熱融着などによって貼り合わせることによって容易に作製できる。

さらに撚り線からなる電極と高分子抵抗体との間に設けた導電層が、電極及び高分子抵抗体との密着性を仲介する役割を果たし、屈曲性や折り曲げ性に対する耐久性が向上できる。また撚り線からなる電極が断線した際においても、導電層が存在することによりスパーク発生を抑制することができるため、安全性を向上させることができる。

第２の発明は、第１の高分子発熱体において、導電層がカーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボン繊維、導電性セラミック繊維、導電性ウィスカ、金属繊維、導電性無機酸化物、導電性ポリマー繊維の少なくとも一種から選ばれる導電体を含むものであり、導電体の原料が比較的安価にかつ安定して入手できるため、高品質でコストを抑えた高分子発熱体を提供できる。

第３の発明は、特に第２の高分子発熱体において、導電性セラミック繊維が、炭素、ケイ素、チタン、タングステンの少なくとも一つの元素を含むものであり、化学的にも機械的にも安定した高分子発熱体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。

またこれら導電性セラミック繊維は燃えにくい材質であり、外部からの着火に対しても難燃性、不燃性を示す。

第４の発明は、特に第１〜第３のいずれか１つの発明の高分子発熱体において、導電層の比抵抗が０．０１〜５００Ω・ｃｍであり、導電層での発熱ロスなどが少なく、電気的にも安定した高分子発熱体を作成できる。０．０１Ω・ｃｍよりも小さくするためには導電体の比率を高める必要があるが、その場合バインダとなる樹脂比率が低くなるため金属との密着性が低下してしまう。また５００Ω・ｃｍよりも大きくなると、電圧を印加した際に高分子抵抗体よりも導電層の抵抗値が大きくなり、導電層のみが発熱し、面状発熱体を得ることができない。

第５の発明は、特に第１〜第４のいずれか１つの発明の高分子発熱体において、導電層がリン系、窒素系、シリコーン系の少なくとも１種の難燃剤を含有することによって、外部から加熱された場合においてもまた電極線が断線して局部的に温度上昇などが生じても、発煙発火を抑制することができる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〜第５のいずれか１つの発明の高分子発熱体において、電極が銀銅合金の金属細線から得られた撚り線構造よりなり、柔軟性、屈曲性に優れるため、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〜第６のいずれか１つの発明の高分子発熱体において、電気絶縁性基材、電極、高分子抵抗体及び導電層が柔軟性を有するものであり、人体などと直接接触させるようなデバイスとしても用いることができる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〜第７のいずれか１つの発明の高分子発熱体において、電気絶縁性基材が樹脂フィルム、織布、不織布の少なくとも１種からなり、柔軟性、快適性、長期信頼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、電気絶縁性基材２上に一対の電極３，３’、及び、高分子抵抗体４、及び導電層５，５’を含む。

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もので、難燃剤が含浸処理された不織布を用いることができる。

一対の電極３，３’としては、線径０．０６ｍｍの銀銅合金線を１５本撚って得たものであり、不織布上の所定位置に熱融着処理し得た。

電極３，３’とは直接接触しないように高分子抵抗体４を同様に熱融着により配置し、その後、電極３，３’及び高分子抵抗体４を接触させるための導電層５，５’を熱融着することにより高分子発熱体１を得た。

なお、電極３，３’に給電するためのリード線は省略した。

このとき、高分子抵抗体４は下記の材料、手順により混練物を作成後、カレンダー加工によりフィルム状に加工したものを使用した。

高分子抵抗体４は、結晶性樹脂として、エチレン・メタアクリル酸メチル共重合体（商
品名「アクリフトＣＭ５０２１」、融点６７℃、住友化学（株）製）３０部と、エチレン・メタアクリル酸共重合体(商品名「ニュクレルＮ１５６０」、融点９０℃、三井・デュポンポリケミカル（株）製)３０部と、エチレン・メタアクリル酸共重合体金属配位物(商品名「ハイミラン１７０２」、融点９０℃、三井・デュポンポリケミカ（株）製)４０部とで構成した。

この結晶性樹脂３５重量％と、反応性樹脂（商品名「ボンドファースト７Ｂ」、住友化学（株）製）２重量％と、２種類の導電体として、カーボンブラック（商品名「プリンテックスＬ」、１次粒子径２１ｎｍ、グサ社製)２５重量％と、グラファイト（商品名「ＧＲ１５」、鱗状黒鉛、日本黒鉛（株）製）１８重量％と、難燃剤(商品名「レオフォスＲＤＰ」、リン酸エステル系液状難燃剤、味の素（株）製)２０重量％により混練物Ａを作製した。

次に、エラストマーとして、スチレン系熱可塑性エラストマー（商品名「タフテックＭ１９４３」）、旭化成エンジニアリング（株）製）４０重量％と、カーボンブラック（商品名「＃１０Ｂ」、１次粒子径７５ｎｍ、三菱化学株製)４５重量％と炭化タングステン（井澤金属（株）製）１３重量％と、溶融張力向上剤として、メタアクリル酸アルキル・アクリル酸アルキル共重合物と4フッ化エチレン共重合物との混合物（商品名「メタブレンＡ３０００」、三菱レーヨン（株）製）２重量％から混練物Ｂを作製した。

そして、混練物Ａと混練物Ｂとを等量と、離型剤として変性シリコーンオイル２重量％と流動性付与剤として、メタアクリル酸アルキル・アクリル酸アルキル共重合物２重量％とを混練して高分子抵抗体４を作製した。

導電層５,５’は、バインダとして高分子抵抗体４を作成する際に使用した結晶性樹脂を３５重量％と、導電体として、導電性ウィスカ（商品名「ＦＴＬ−１１０」、針状酸化チタン、石原産業（株）製）３５重量％、カーボンブラック（商品名「プリンテックスＬ」、１次粒子径２１ｎｍ、グサ社製)２０重量％、難燃剤(商品名「レオフォスＲＤＰ」、リン酸エステル系液状難燃剤、味の素（株）製)１０重量％により混練物を得、厚み１００μｍのフィルムを作成して得た。比抵抗は２０Ω・ｃｍであった。

この高分子発熱体１、図２、および図３に示したように、座席暖房用ヒータとして自動車の座席装置７である座部８及び背もたれ９に基材２側を上部として取り付けて使用されるものである。

座部８及び背もたれ９の吊り込み部（図示せず）に対応するために中央部や周縁部に吊り込むための耳部（基材２の延長部）が設けられるが、ここでは省略している。

また、このような面状発熱体１を装着した座部８及び背もたれ９は、一般的に座席に腰掛けた人体による荷重がかかった時に変形し、荷重がかからなくなると復元するウレタンパット等の座席基材１０と座席表皮１１を備えており、従って、座部８及び背もたれ９の座席基材１０上に高分子抵抗体４側を、座席表皮１１に基材２側を配置して取り付けられる薄い面状発熱体１も、前記した座部８及び背もたれ９の変形に対応して相似の変形をしなければならない。

そのために、種々の発熱パターンの設計、そのための電極３，３’並びに導電層５，５’の配置形状を変更する必要があることは言うまでもないが、ここでは省略している。

電極３，３’は、相対向するように幅の広い一対（電気的に正側と負側）を面状発熱体１の長手方向の外側部に沿って配置し、これに接触するように配設した導電層５，５’を
介し、高分子抵抗体４に電流が流れ、発熱する。

本実施の形態において、高分子抵抗体４はＰＴＣ特性を有し、温度が上昇すると抵抗値が上昇し、所定の温度になるように自己温度調節機能を有するようになり、温度コントロールが不要で安全性の高い面状発熱体１としての機能を有するようになる。

また、自動車用座席に組み込まれるカーシートヒーターとしては着座感や難燃性を満足することができる。

着座感は、紙のような音鳴り感がなく、座席表皮材と同等の伸び特性、すなわち、５％の伸びに対して７ｋｇｆ以下の荷重であることで満足できる。

また、ＰＴＣ特性を有する面状発熱体として速熱性と省エネ性を、従来のチュービングヒータを発熱体とするものに比べて発揮することができる。チュービングヒータを発熱体とするものは、温度制御器を必要として、ＯＮ−ＯＦＦ制御で通電を制御して発熱温度を制御している。

ＯＮ時のヒータ線温度は約８０℃まで上昇するため、座席表皮材とはある程度の距離をおいて配置する必要があるのに対して、本実施の形態の面状発熱体では、発熱温度が４０℃〜５０℃の範囲に自己制御されるので、座席表皮材近傍に近接して配置することができる。発熱温度が低く、座席近傍であることより、速熱性と外部への放熱ロスを低減できることによる省エネ性を実現できる。

また、電気絶縁性基材２に難燃性不織布を用いて、また、高分子抵抗体４、導電層５，５’に難燃剤を配合することで難燃性を実現できる。

難燃性は、面状発熱体１単品での自動車用内装材難燃規格ＦＭＶＳＳ３０２規格（水平着火で不燃性はもとより自己消火するものや、標線間の燃焼速度が８０ｍｍ／ｍｉｎ以下であれば適合する）を満足する必要があり、少なくとも難燃剤の充填量が１０重量％以上あれば適合できることを確認した。

本実施の形態で得た高分子発熱体１を、８０℃炉中放置試験、１５０℃炉中放置試験、−２０℃と５０℃のヒートサイクル試験を実施した。その結果、それぞれ、５００時間、２００時間、２００回後も抵抗値変化率はいずれも初期の３０％以内であった。この要因としては、反応性樹脂による架橋反応により結晶性樹脂そのもの、および結晶性樹脂と導電体との結合を図ったことに起因していると考えられた。

優れたＰＴＣ特性を発揮するために、複数の導電体を組み合わせることと、海島構成とすることを本実施の形態では適用している。そのメカニズムの詳細は現時点では不明であるが以下のように推察している。

まず、ＰＴＣ特性を有する抵抗体組成物とするためには、用いる結晶性樹脂は、その融点が発熱飽和温度以上の近傍にあるものを選択する必要がある。

導電体としては、できるだけ少ない添加量で所定の抵抗値を達成することが求められるが、そうした導電体は一般的には導電性カーボンブラックと呼ばれるもので、１次粒子径が約２０ｎｍ以下でストラクチャー（葡萄の房のように１次粒子の集合体のことをいう。吸油量で相関付けられている）の発達した構造のものであるが、そうした導電性カーボンブラックでは一方で、ＰＴＣ特性を発現しにくいという欠点を有していた。

これは、導電性カーボンブラックではストラクチャーが発達して、結晶性樹脂の温度による比容積の変化（これがＰＴＣ特性発現の主因と言われている）によってもストラクチャーの導電パスが切断されにくいことによるといわれている。

一方で、１次粒子径の大きいカーボンブラックは優れたＰＴＣ特性を有することを発明者らは知見として得ていた。

また、グラファイトのような導電体は、カーボンブラックに比べるとさらに粒子径が大きく、かつ鱗片のような層状構造を有すること、さらに、金属やセラミックなどの粒子径が大きく、無定形の優れた導電性（小さい体積固有抵抗を有する。

カーボンやグラファイト系の１００分の１以下）を有すること、これらの複数の導電体を組み合わせることで、厚みが約１００ミクロンメートル以下で、面積抵抗が４００Ω□以下、比抵抗が３Ω・ｃｍ以下の抵抗を有するとともに、ＰＴＣ特性のひとつの指標となる２０℃の抵抗値の対する５０℃の抵抗値の比が１．５以上、２０℃の抵抗値の対する８０℃の抵抗値の比が５以上の抵抗体組成物とすることができた。

こうした低抵抗でありながら優れたＰＴＣ特性を発揮できたメカニズムの詳細は不明であるが、結晶性樹脂と複数の導電体を組み合わせたことによる新規な導電パスの形成と、難燃剤を液状としたことで、液体の大きな熱膨張係数を利用することができたことによると考えている。

また、モンタン酸部分けん化エステルなどのワックス、さらには他のワックス等の可塑剤や分散剤を必要に応じて用いても良いことは言うまでもない。

また、導電体の形状としてはウィスカ形状のものを用いて実施したが、球状やその他イガ形状のものでも構わない。

さらに本実施の形態では高分子抵抗体４と電極３，３’が同一平面内では重ねあわない配置で示したが、導電層５，５’を介して接触するような形態であれば積層された配置であっても構わない。

以上のように、本発明にかかる面状発熱体は、柔軟性に富み、信頼性が高く、暖房用発熱体として自動車の座席装置、ハンドル装置、その他の部位の暖房に供することができる。

（ａ）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）はは（ａ）のＸ−Ｙ断面図 本発明の実施の形態１における高分子発熱体取りつけた自動車の座席を示す透視側面図 図２に示す座席の透視正面図 （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 高分子発熱体
２ 電気絶縁性基材
３，３’ 電極
４ 高分子抵抗体
５，５’ 導電層

Claims (8)

1. 電気絶縁性基材と、前記電気絶縁性基材上に配設された少なくとも一対の金属撚り線からなる電極と、前記一対の電極とは直接接触しないＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体と、前記電極と高分子抵抗体との双方に接触する導電層から形成してなる高分子発熱体。
2. 導電層がカーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボン繊維、導電性セラミック繊維、導電性ウィスカ、金属繊維、導電性無機酸化物、導電性ポリマー繊維の少なくとも一種から選ばれる導電体を含む請求項１記載の高分子発熱体。
3. 導電性セラミック繊維が、炭素、ケイ素、チタン、タングステンの少なくとも一つの元素を含む請求項２記載の高分子発熱体。
4. 導電層の比抵抗が０．０１〜５００Ω・ｃｍである請求項１〜３のいずれか１項に記載の高分子発熱体。
5. 導電層がリン系、窒素系、シリコーン系の少なくとも１種の難燃剤を含有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の高分子発熱体。
6. 電極が銀銅合金の金属細線から得られた撚り線構造よりなる請求項１に記載の高分子発熱体。
7. 電気絶縁性基材、電極、高分子抵抗体、及び導電層が柔軟性を有する請求項１に記載の高分子発熱体。
8. 電気絶縁性基材が樹脂フィルム、織布、不織布の少なくとも１種からなる請求項１に記載の高分子発熱体。