JP2019175671A

JP2019175671A - 面状発熱体

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Publication number: JP2019175671A
Application number: JP2018062065A
Authority: JP
Inventors: 赳充笠嶋; Takemitsu Kasashima; 章博上田; Akihiro Ueda
Original assignee: Seiren Co Ltd
Current assignee: Seiren Co Ltd
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2019-10-10

Abstract

【課題】湿度や温度などの環境条件に対する耐久性が高く、電極接合部の屈曲耐久性に優れた面状発熱体を提供する。【解決手段】絶縁糸と金属線とによって編成され、金属線によって形成された少なくとも１の発熱部を有する発熱編物と、表面に金属皮膜が形成されたシート状の２の電極とで構成され、前記発熱部における金属線編み込み方向の両端部に、前記電極が各々電気的に接続されて形成された２の電極接合部を有することを特徴とする面状発熱体である。【選択図】図１

Description

本発明は、面状発熱体に関する。詳しくは、湿度や温度などの環境条件に対する耐久性が高く、電極接合部の屈曲耐久性に優れた面状発熱体に関する。

従来、可撓性を有する面状発熱体としては、高分子フィルム上に一対の金属電極（陰極、陽極）と、この一対の金属電極間にカーボン粒子などを含有した比較的高い電気抵抗を有する樹脂被膜とが形成された発熱体が用いられてきた。しかしながら、衣服や椅子、乗り物のシートなど、人体に接触するような箇所で従来の面状発熱体を使用した場合、基材に高分子フィルムを用いているために柔軟性が不足し、変形によるシワや断線が発生するという問題があった。

面状発熱体の柔軟性を改善する方法として、基材に布帛を用いることが提案されている。例えば、特許文献１には、布帛の表面にインキ状態の導電性材料および抵抗体材料を印刷・乾燥することで電極部・発熱部を形成してなる面状発熱体が開示されている。しかしながら、インキ状態の導電性材料および抵抗体材料を印刷・乾燥する手法では導電性が不十分となる場合があり、導電性を上げるために印刷するインキの量を増やす必要から電極部・発熱部が厚くなり、柔軟性も損なわれる。加えて面状発熱体の重量も増大することとなる。その結果、基材としての布帛の柔軟性に電極部・発熱部が追従できず、割れを生じるおそれもあった。

特許文献２には、全体又は一部が金属被覆糸で構成されたシート状の発熱部と、当該発熱部に対して外部より給電するための電極部を備えた面状発熱体が開示されている。これによれば柔軟性と耐久性の高い面状発熱体が提供できるとしている。しかしながら、金属被覆糸で構成されたシート状の発熱部は、湿度や温度などの環境条件に対する耐久性が低いという問題があった。つまり、金属被覆糸の金属成分が水分や熱により剥がれる虞があった。また、特許文献２において電極部として例示されている金属被覆糸を編織した帯状体を用いた場合、発熱部と電極部との接続部分の屈曲耐久性が不十分であった。

特開２００８−２６９９１４号公報特開２００７−２２０６１６号公報

本発明は、湿度や温度などの環境条件に対する耐久性が高く、電極接合部の屈曲耐久性に優れた面状発熱体を提供することを課題とする。

本発明者らは、鋭意検討を行なった結果、金属線によって形成された発熱部を有する面状発熱体であれば湿度や温度の影響を受け難いこと、加えて、電極を金属皮膜が形成されたシート状の電極を用いることで、電極接合部の屈曲耐久性に優れた面状発熱体を得られることを見出した。

本発明は、絶縁糸と金属線とによって編成され、金属線によって形成された少なくとも１の発熱部を有する発熱編物と、
表面に金属皮膜が形成されたシート状の２の電極とで構成され、
前記発熱部における金属線編み込み方向の両端部に、２の前記電極が各々電気的に接続されて形成された２の電極接合部を有することを特徴とする面状発熱体である。

これによれば、湿度や温度による発熱性劣化を起こし難い面状発熱体が得られる。また、得られた面状発熱体は、電極接合部の屈曲耐久性に優れる。

前記電極は、表面に金属皮膜が形成された絶縁フィルムまたは、表面に金属皮膜が形成された絶縁性繊維から成る布帛であることが好ましい。

前記電極接合部において、前記発熱部と前記電極とがホットメルト樹脂を介して接続されていることが好ましい。前記電極接合部において、前記発熱部と前記電極とが低温ハンダを介して接続されていることが好ましい。

湿度や温度などの環境条件によって発熱性の低下を起し難く、繰り返しの屈曲によっても電極接合部の電気的接続が破断され難い面状発熱体を提供できる。

本発明の面状発熱体における発熱編物の構成を示す概略図である。

本発明の面状発熱体は、絶縁糸と金属線とによって編成され、金属線によって形成された少なくとも１の発熱部を有する発熱編物を構成要素としている。絶縁糸を構成する繊維素材としては、綿、麻などの天然繊維、キュプラ、レーヨンなどの再生繊維、ナイロン、ポリエステル、アクリル等の合成繊維が挙げられ、特に限定されない。強度、汎用性の点で合成繊維が好ましい。更に比較的低い融点（例えば１５０〜２００℃程度）を有する成分を含んだ、所謂、熱融着糸を用いてもよい。熱融着糸を用いた場合、後述する発熱部の形状を保持することができるため、複数の発熱部を有する場合、隣接する発熱部同士の短絡を防止する効果が期待できる。

絶縁糸の形態としてはフィラメント糸であることが好ましく、モノフィラメント糸、マルチフィラメント糸のいずれであってもよい。糸の総繊度は３３〜１１１ｄｔｅｘであることが好ましい。また、撚り数については１００〜３００回／ｍ程度であることが好ましい。

金属線は金、銀、銅、鉄、ニッケル、スズなどから選択され、その単体または合金から成ることが好ましい。特に耐久性、はんだ付け性という観点から、銅および銅−ニッケル合金であることが好ましい。

金属線の太さは３０〜８０μｍであることが好ましい。金属線の太さがこの範囲内であれば、布帛としたときの柔軟性が維持されるという効果が得られる。

絶縁糸と金属線とから発熱編物が形成される。発熱編物は少なくとも１の発熱部を有する。発熱部は１本または複数本の金属線から形成されている。絶縁糸と金属線とで形成される発熱編物の組織としては、平編み、フライス編み、スムース編み、トリコット編みなどが挙げられる。発熱部は発熱編物の金属線編み込み方向に延びる帯状の形状で形成される（図１）。複数の発熱部が設けられる場合、帯状の各発熱部間に絶縁糸で形成された絶縁部を有するように構成できる。

複数の発熱部を形成する場合、１つの発熱部と１つの絶縁部とからなる基本単位部分において、発熱部の占める面積率が２９％以上であり、なおかつ発熱部の幅と絶縁部の幅が各々０．６〜１０ｍｍであることが好ましい。発熱部の面積率と、発熱部や絶縁部の幅がこの範囲内であれば、発熱部における均一な発熱性と、発熱部同士の電気的な短絡の防止が両立できる。

絶縁部を形成する絶縁糸として熱融着糸を用いた場合、この熱融着糸が溶融する温度まで昇温しその後冷却することで熱融着糸が近傍の糸と融着を起し、発熱編物の形状を強固に保持することが可能となる。この場合、面状発熱体の形状変化に対しても、発熱部を構成する金属線がずれることがないため、発熱部同士の電気的な短絡の防止がより確実なものとなり好ましい。

本発明で用いられる電極は、表面に金属皮膜が形成されたシート状の部材である。電極は、表面に金属皮膜が形成された絶縁フィルムまたは、表面に金属皮膜が形成された絶縁性繊維から成る布帛であることができる。金属皮膜の成分としては、ニッケル、スズ、銅、銀、金などが挙げられる。

絶縁フィルムの素材としてはポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。なかでも高耐熱性、高耐候性という観点から、ＰＣ樹脂やポリイミド樹脂であることが好ましい。絶縁フィルムの厚さは２０〜５０μｍであることが好ましい。絶縁フィルムの厚さがこの範囲内であれば、発熱部に接続した後でも変形に追従し、発熱体の柔軟性を損なわないという効果が得られる。

絶縁性繊維から成る布帛としては、綿、麻などの天然繊維、キュプラ、レーヨンなどの再生繊維、ナイロン、ポリエステル、アクリル等の合成繊維などから成る織物、編物、不織布のいずれであってもよい。繊維布帛の厚さは２００μｍ以下であることが柔軟性の観点から好ましい。

上記絶縁フィルムや絶縁性繊維から成る布帛の表面に金属皮膜を形成する方法としては、無電解めっきや電解めっきが挙げられる。一般的な金属の無電解めっき、電解めっき方法が採用され、装置、条件等は特に限定されない。

電極における金属皮膜の厚さは２〜１０μｍであることが好ましい。金属皮膜が形成された電極の表面抵抗値は低いほど好ましいが、０．０２Ω／□以下であることが好ましい。表面抵抗値がこの範囲内であれば、発熱部との電気的接続が十分なものとなる。

電極は、発熱部に電流を流すためのものであり、発熱部の両端に接続される。両端とは、前述のように帯状に形成された発熱部の、金属線編み込み方向についての両端という意味である。発熱部と電極との電気的な接続は、ホットメルト樹脂あるいは低温ハンダを介して接続されていることが好ましい。ホットメルト樹脂や低温ハンダは、加熱することによって流動性を呈し、発熱部の内部空隙に浸透するため強固な接続が可能となる。このようにして形成された電極接合部は、優れた屈曲耐久性を有している。

本発明で用いられるホットメルト樹脂はポリウレタン系ホットメルト樹脂、ポリオレフィン系ホットメルト樹脂、ポリエチレン酢酸ビニル系ホットメルト樹脂などが挙げられる。なかでもポリウレタン系ホットメルト樹脂が伸縮性に優れるという点で好ましい。ホットメルト樹脂が接着性を発揮する溶融温度は１００〜１４０℃であることが好ましい。溶融温度が１００〜１４０℃の範囲内であれば、製造工程を簡便にすることができるうえに、発熱時における剥離発生の懸念がない。

本発明で用いられる低温ハンダはスズ・ビスマス、スズ・ビスマス・銀、スズ・インジウム等が挙げられる。低温ハンダが接着性を発揮する溶融温度は１４０〜１５０℃であることが好ましい。

以下に本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例により何らの制限を受けるものではない。なお、本実施例における各種物性の評価方法は以下の通りである。

＜湿度、温度に対する耐久性＞
１０ｍｍ幅の電極材および発熱部を接続したもの（全長１５５ｍｍ）を試料として以下の２通りの評価試験を行なった。
高温試験：送風定温乾燥器（ＤＲＳ６２０ＤＡ、株式会社アドバンテック製）を用い、面状発熱体を１００℃の条件下で５００時間静置した。
高温高湿試験：恒温恒湿器（ＰＨ−３ＫＴ、エスペック株式会社製）を用い、面状発熱体を６５℃、９０％ＲＨの条件下で５００時間静置した。
試料の両端間の抵抗値をミリオームハイテスタ（日置電機株式会社製）のクリップ型プローブで摘み、その抵抗値を測定した。上記評価試験前の抵抗値に対する評価試験後の抵抗値の百分率を抵抗値増加率（％）として算出した。

＜電極接合部の屈曲耐久性＞
１０ｍｍ幅の２の電極材および発熱部を接続したもの（全長１５５ｍｍ）を試料とし、接続部分で屈曲されるようにＭＩＴ耐屈疲労試験機（株式会社東洋精機製作所）にセットし、４０，０００回の屈曲をおこなった。このとき、曲げ半径は０．３８ｍｍ、屈曲速度は１７５ｃｐｍ、屈曲角度は±１３５°、荷重は０ｋｇとした。
試料の両端間の抵抗値をミリオームハイテスタ（日置電機株式会社製）のクリップ型プローブで摘み、その抵抗値を測定した。上記屈曲試験前の抵抗値に対する屈曲試験後の抵抗値の百分率を抵抗値増加率（％）として算出した。

＜発熱編物＞
金属線として銅ニッケル合金線（線径５０μｍ）、絶縁糸としてＰＥＴ糸（５６ｄｔｅｘ／２４ｆ）を用いて丸編みを行ない、コース：８０本／２．５４ｃｍ、ウェール：３８本／２．５４ｃｍの発熱編物を得た。金属線とＰＥＴ糸の比率は１：３とした。

＜発熱織物＞（比較用）
金属線として錫めっき銅線（線径１００μｍ）、絶縁糸としてＰＥＴ糸（１８ｄｔｅｘモノフィラメント）を用いて平織りを行ない、経糸密度：７１本／２．５４ｃｍ、緯糸密度：７０本／２．５４ｃｍの発熱織物を得た。金属線とＰＥＴ糸の比率は、経糸では１：４、緯糸では１：２とした。

＜電極Ａ＞
厚み３８μｍのポリイミドフィルム（東レ・デュポン株式会社製、カプトン（登録商標）１５０ＥＮ）の表面に、１０μｍの銅被膜が形成されたＦＰＣ材料を電極材Ａとして用いた。

＜電極Ｂ＞
ＰＥＴ糸の平織り織物（経糸：３３ｄｔｅｘ、緯糸：６９ｄｔｅｘ、織り密度：経１８９本／２．５４ｃｍ、緯１２０本／２．５４ｃｍ）に、以下の条件でロールｔｏロールめっき装置を用いて金属めっきを行ない、Ｃｕ−Ａｇめっき布帛の電極Ｂを得た。
ＰＥＴ糸の平織り織物を常温で３０秒間、塩化パラジウム０．３ｇ／Ｌ、塩化第一錫３０ｇ／Ｌ、３６％塩酸３００ｍＬ／Ｌを含む水溶液に浸漬後、十分に水洗した（触媒付与）。その後４０℃で１分間、酸濃度０．１Ｎのホウ弗化水素酸に浸漬後、十分に水洗した（触媒活性化）。続けて４０℃で１５分間、塩化第二銅９ｇ／Ｌ、３７％ホルマリン９ｍＬ／Ｌ、３２％水酸化ナトリウム４０ｍＬ／Ｌ、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラキス（２−ヒドロキシプロピル）エチレンジアミン２０ｇ／Ｌ及び安定化剤を含む溶液に浸漬し、これにより一様に布上に３０ｇ／ｍ^２で銅被膜が形成され、更に布を十分に水洗した（無電解銅めっき）。更に続けて、ダインシルバーＡＣＣ（大和化成株式会社製）を含む水溶液に常温で３０秒間浸漬した後に、十分に水洗した（酸洗浄）。この銅被膜を陰極として、ダインシルバーＧＰＥ-ＳＴ１５（大和化成株式会社製）に浸漬し、不溶性陽極を使用し、電流密度２Ａ／ｄｍ^２で、常温で１．５分間電気めっきした後に、十分に水洗した。これにより一様に銅被膜上に５ｇ／ｍ^２で銀被膜が形成された（電気銀メッキ）。続けてダインシルバーＡＣＣ（大和化成株式会社製）を含む水溶液に常温で３０秒間浸漬した後に、十分に水洗した（酸洗浄）。更にニューダインシルバーＳ１（大和化成株式会社製）を含む水溶液に４０℃で１分間浸漬した後に、十分に水洗した（変色防止処理）。最後に乾燥を行い、白色の銅−銀の二層構造を有する金属被膜が形成された電極Ｂを得た。

＜電極Ｃ＞
Ｃｕ蒸着ポリイミド（ＰＩ）フィルム（Ｃｕ厚み：１．５μｍ、ＰＩ厚み：２５μｍ、東レＫＰフィルム株式会社製）を用い、以下の条件でロールｔｏロールめっき装置を使用して電解Ｓｎめっきを行ない、Ｃｕ−Ｓｎめっきフィルムの電極Ｃを得た。
Ｃｕ蒸着ポリイミド（ＰＩ）フィルムを陰極として、２２℃で１３０秒間、硫酸第一錫５０ｇ／Ｌ、硫酸（９５％以上）１１０ｍＬ／Ｌ、ＳＴ−１０（石原ケミカル株式会社製）を含む溶液に浸漬し、可溶性陽極を使用し、電流密度１．５Ａ／ｄｍ^２で電気めっきした後に、十分に水洗した。これにより一様にフィルム上に１１ｇ／ｍ^２で錫被膜が形成された。更に、５０１ＳＮ（石原ケミカル株式会社製）を含む水溶液に５０℃で１０秒間浸漬した後に、十分に水洗した（変色防止処理）。最後に乾燥を行い、銅−錫の二層構造を有する金属被膜が形成された電極Ｃを得た。

＜接合手段＞
発熱部と電極との接合手段として、以下の２通りの接合手段を用いた。接合手段Ａとしては、ホットメルトタイプの樹脂接着剤シート「エセラン（登録商標）ＳＨＭ１０１−ＰＵＲ」（溶融温度１１５℃、シーダム株式会社製）を用いて、エアー駆動式自動転写用プレスＨＰ−４５３６Ａ−１２（株式会社ハシマ製）にて１３０℃、３８０ｇ／ｍ^２で３０秒間の熱プレスを行ない接続した。

接合手段Ｂとしては、低温ハンダペースト「ＳＢ６−ＨＬＧＱ−２０」（株式会社ニホンゲンマ製）を電極に厚み５０μｍで塗布して発熱部に重ね、エアー駆動式自動転写用プレスＨＰ−４５３６Ａ−１２（株式会社ハシマ製）にて１７０℃、３８０ｇ／ｍ^２で３０秒間の熱プレスを行ない接続した。

［実施例１〜３、比較例１、２］
表１に実施例１〜３および比較例１、２の面状発熱体についての発熱部材（発熱編物、発熱織物）と電極、接合手段の組み合わせと、屈曲試験における抵抗値増加率（％）のデータを示す。

屈曲試験において、実施例（１〜３）に比べ、比較例（１、２）は抵抗値増加率が高く、すなわち屈曲により導電性が低下していることがわかる。

実施例１〜３の面状発熱体について、高温試験、高温高湿試験における抵抗値増加率（％）を表２に示す。いずれの実施例においても、高温試験、高温高湿試験での抵抗値増加率（％）は１００〜１６０％の範囲にあり、良好な環境耐久性を有していると判断できる。

１金属線
２絶縁糸

Claims

絶縁糸と金属線とによって編成され、金属線によって形成された少なくとも１の発熱部を有する発熱編物と、
表面に金属皮膜が形成されたシート状の２の電極とで構成され、
前記発熱部における金属線編み込み方向の両端部に、２の前記電極が各々電気的に接続されて形成された２の電極接合部を有することを特徴とする面状発熱体。
前記電極は、表面に金属皮膜が形成された絶縁フィルムまたは、表面に金属皮膜が形成された絶縁性繊維から成る布帛であることを特徴とする請求項１に記載の面状発熱体。
前記電極接合部において、前記発熱部と前記電極とがホットメルト樹脂を介して接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の面状発熱体。
前記電極接合部において、前記発熱部と前記電極とが低温ハンダを介して接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の面状発熱体。