JP2021172294A - 車両窓ガラスの加熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両の窓ガラス外面に付着した雪を効率的に溶かすことができる窓ガラスの加熱システムを提供すること。【課題を解決するための手段】樹脂ガラス１は、樹脂シート９を主材とし、ハードコート層１４で両表面を覆われている。樹脂シート９の表面とハードコート層１４との間には受電コイル３が敷設されている。受電コイル３は、電気的に閉ループをなしており、前記車両に対して電気的に浮いている。車両２の室内側には、樹脂シート９に対向して配置された送電コイル４には、インバーター６が接続されている。インバーター６は、高周波で発振して送電コイル４から受電コイル３に対して電力をワイヤレスで供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂シートを主材とした窓ガラスに付着した雪、氷を溶融する車両窓ガラスの加熱システムに関する。

樹脂シートを主材とした窓ガラス（樹脂による窓ガラス、以下、「樹脂ガラス」と称する）は、無機ガラスに代わって車両用の窓ガラスとして利用されている。特に、ポリカーボネート樹脂シートは、樹脂ガラスとして代表的な硬質な樹脂素材である。一方、ポリカーボネート樹脂シートは熱伝導率がガラスの１／５と低く、特に厚い窓の車両室内側に発熱線を形成した場合、曇りを取る目的では有効であるが、外側への熱伝導が十分でなく、融雪や解氷を行うのには十分でない。

特許文献１では、樹脂ガラスに電熱線を設け、透明導電層に発熱線を配線してその上にプライマー層とハードコート層を積層した樹脂ガラスが開示されている。電熱線に通電して発熱させ、ハードコート層の伝熱性を利用して樹脂ガラスに付着した雪を溶かすのである。また、特許文献２においては、 発熱層を第１樹脂パネルと第２樹脂パネルの間に挟み込み、発熱層の熱を外面に伝える技術が開示されている。

特許第５０４８４３５号公報 特開２０１７−１０９６８３号公報

自動車、重機等の車両においては、一部の車両を除き、電源配線が車両の外側の表面上に露出しない構造になっている。よって、特許文献１および特許文献２の技術を用いて生産された樹脂ガラスにおいては、車両の室外に外表面を有する樹脂ガラスを車両に設置する際には、電熱線や発熱層の端子を車両の内側に配置する必要がある。ポリカーボネート樹脂シートやアクリル樹脂シート等の透明樹脂で製作された樹脂ガラスは、無機ガラスより熱伝導率が低いため、特許文献１および特許文献２の技術をもってしても、車両の室外側への熱伝導が十分でなく、融雪や解氷を行うのには十分でない。

また、電熱線や発熱層へ電源を供給する配線（バスバー）は電流容量を大きくとる必要から、大面積化や厚膜としたバスバーが窓に敷線され視界を遮ることになる。また、製造工程においても電熱線や発熱層とは別に形成することが求められる。

さらに、電熱線や発熱層の端子が車内側に配置されるということは、電熱線や発熱層より外側に樹脂ガラスの層が介在することが不可欠であり、電熱線や発熱層から樹脂ガラスの外面まで熱が伝わり難くなることが避けられない。従って、車両外部側の樹脂ガラス表面に付着した雪を効率的に溶かすことが容易ではないという問題があった。

そこで、本発明の目的は、車両の窓ガラス外面に付着した雪を効率的に溶かすことができる窓ガラスの加熱システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の車両窓ガラスの加熱システムは、樹脂シートを主材とし、ハードコート層で両表面を覆われ、車両の室外に一方側の表面を露出した窓ガラスを加熱する窓ガラスのシステムにおいて、
前記樹脂シートの少なくとも一方側の表面と当該表面を覆う前記ハードコート層との間に敷設され、電気的に閉ループをなしており、前記車両に対して電気的に浮いている受電コイルと、
前記車両の室内側に向いた前記窓ガラスの表面に対向して配置された送電コイルと、
前記送電コイルに接続され、高周波で発振する共振型のインバーターとを有し、前記送電コイルから受電コイルに対して電力をワイヤレスで供給することを特徴とする。

本発明の車両窓ガラスの加熱システムによれば、車両外部側の樹脂ガラス表面に電熱線を配置し、電力供給をワイヤレスにて受けることにより、バスバーを用いなくとも発熱に用いる電力を供給でき、樹脂シートを用いた窓において有効である。また、窓外側の表面側に形成した発熱線にも電力をワイヤレスで効率的に供給することができ、融雪や解氷にも有効である。また、窓内側の表面側にも受電コイルをさらに設ければ、曇り除去も同時に可能になる。

実施例による車両窓ガラスの加熱システムを装着した車両を示し、図１Ａは斜視図、図１Ｂは一部断面図である。 樹脂ガラスの製造工程を示す図である。 受電コイルと送電コイルのパターンを示す図である。 他の例による受電コイルと送電コイルのパターンを示す図である。 前照灯の窓ガラスに適用した例を示す図である。

以下、本発明の実施例による車両窓ガラスの加熱システムを説明する。加熱システムは、樹脂ガラス１、車両２、送電コイル４、インバーター６を具備している。図１Ａにおいて、フロントガラスとして樹脂ガラス１はゴム製のパッキン７を介して車両２に嵌め込まれており、その外表面は車両２の室外に向いて露出している。樹脂ガラス１には、破線で示す受電コイル３が敷設されている。受電コイル３は、室外に設置され、後述する様に所定のパターンを有している。受電コイル３としては、リッツ線を用いるが、発熱性を考慮して素材を選定するのが良い。また、車両２の室内には、送電コイル４が設置されている。送電コイル４は、運転席の室内天井に設置されたサンバイザー５に内蔵されている。送電コイル４は、低抵抗で高周波における損失を少なくするために、リッツ銅線を選択するのが良い。

図１Ｂにおいて、送電コイル４は、高周波（例えば、１００ｋＨｚ）で発振する共振型のインバーター６に接続され、高周波電力を受ける。送電コイル４は、常時車両室内の天井８側に対向して配置されている。送電コイル４は、回動可能で有り、樹脂ガラス１の室内側の表面に対向して配置されることにより、近接して磁気的に結合できるようになっている。樹脂ガラス１は、樹脂シート９を主材として、その両面にプライマー層１３とハードコート層１４を有している。そして、車両２の外側の樹脂シート９の表面と、プライマー層１３との間に、受電コイル３が敷設されているのである。受電コイル３は、電気的に閉ループをなしており、車両２に対して電気的に浮いている（アース等の電位的な接続が無い）。

図２は、樹脂ガラス１を製造する工程を示している。
まず、剥離フィルム１０の上で、受電コイル３を所定の配線パターンに形成し、樹脂シート９上に受電コイル３を配置する（図２Ａ）。受電コイル３は、電熱線としても利用されるものであって全体を均一なリッツ線により構成されており、１つのループの中で単位長さ当たりの発熱量は均一である。受電コイル３が配置される樹脂シート９の表面は、最終的に樹脂ガラス１として製品になった場合に、車両２の外側に露出する側の表面である。

次に、上側（受電コイル３の側）から第１押圧板１１、下から送電コイルを内蔵した第２押圧板１２とにより樹脂シート９を挟み込む。第２押圧板１２の送電コイルと受電コイル３とが磁気的に結合される。少なくとも第１押圧板１１若しくは第２押圧板１２の一方には送電コイルが設けられており、これに高周波電流を流すことにより、受電コイル３が電力を受ける。受電コイル３は閉ループになっており、受電コイル３の表面温度が樹脂シート９の融点よりも高い温度（例えば、約２００℃程度）になるように、送電コイルの電力を調整する（図２Ｂ）。

樹脂シート９としては、ポリカーボネート系、アクリル系樹脂、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の透明樹脂シートを使用できる。特に、ポリカーボネート樹脂シートが望ましい。また、厚さは５ｍｍ程度であるが、重機車両においては更に厚いものも利用される。

この状態の下で、第１押圧板１１、第２押圧板１２をプレス機に装着して押圧する。受電コイル３は、自らの発熱により、樹脂シート９を溶融して埋め込まれてゆく。受電コイル３が樹脂シート９の表面に至るまで埋め込まれた時点で、樹脂シート９の表面に第１押圧板１１が当たり、受電コイル３をさらに埋め込ませることができなくなる。この状態が、受電コイル３を連続状に且つ断面の一部が連続して外方へ露出するように、且つ樹脂シート９の表面から殆ど突出させない状態に埋め込まれた状態である。プレス機によるプレス終了後、剥離フィルム１０を剥がす（図２Ｃ）。

次に、透明なメタクリル酸メチル樹脂（通称、アクリル樹脂）系塗料をディップ方式により塗布する。この塗料には、紫外線に対する耐候性を確保するため、ＵＶ吸収剤を添加したり、赤外線に対する遮蔽効果を付与するためセラミクス粒子を分散させておいてもよい。ディップ方式の塗膜形成作用により、樹脂シート９の上下の表面にプライマー層１３が形成される。その後１３０℃の雰囲気下での６０分程度の加熱／乾燥する。プライマー層１３の膜厚は、１〜４μｍである。尚、プライマー層１３は、次に塗布するハードコート層１４が樹脂シート９に対して高い接着性を有するのならば、省略しても良い。

さらに、同様にディップ方式によりシロキサン系塗料が塗布される。ディップ方式の塗膜形成作用により、樹脂シート９の上下の表面にハードコート層１４が形成される。次いで１２０℃程度の加熱／乾燥により縮合化反応が進行される（図２Ｄ）。ハードコート層１４の膜厚は、４〜８μｍである。

その後、ハードコート層１４の図面上側（受電コイル３側）に対してさらに強度を持たせるため、シロキサンのシリコーンポリマーに含まれるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を、波長が２００ｎｍ以下の真空紫外光（Ｘｅランプ等）を照射することによって二酸化ケイ素に改質した改質膜を形成してもよい。なお、二酸化ケイ素膜の光吸収係数が波長１７２ｎｍにおいて１×１０^４ｃｍ^−１程度であるため、この改質膜の厚さは厚くても１．３μｍ程度である。

図３には、送電コイル４のパターン（図３Ａ、図３Ｂ）、受電コイル３のパターン（図３Ｃ、図３Ｄ）を示している。送電コイル４は、平面的なサンバイザー５に内蔵するために、２次元平面的なループを描くものを示した。図３Ａは一筆書き螺旋（渦巻き状）を均一的に配置した送電コイル４のパターンであり、図３Ｂは複数のコイルを外側に偏在させた送電コイル４のパターンである。

図３Ｃは均一的な螺旋（渦巻き状）を描く受電コイル３のパターンであり、図３Ｄは同心円の偏在した受電コイル３のパターンである。図３Ｃは均一的な一筆書き螺旋（複数ｎターン巻き）を均一的に配置した受電コイル３のパターンであり、図３Ｄは複数のサブコイル３ａ−３ｈ（１回巻き）を均一的にｎ個同心円状に配置した受電コイル３のパターンである。受電コイル３としては、銅製のリッツ線を用いた。リッツ線の線径を０．０６ｍｍ以下とすることで金属線自体の抵抗値による発熱を得た。

送電コイル４のパターンについては、図３Ａのものは受電側の均一性が向上するが、図３Ｂのものは受電側で均一化を行う必要が生じる。受電コイル３については、図３Ｃのパターンは受電コイル３の一筆書き螺旋の中に交差する配線箇所ＣＲＳＳがあるため、図２に示した製法に従って製造する場合、図３Ｄのパターンに比較して配線箇所ＣＲＳＳの埋め込みが難しい。よって、製造する上では、図３Ａの送電コイル４のパターンと図３Ｄの受電コイル３のパターンが望ましい。

上記実施例において、送電コイル４の大きさは受電コイル３と同等以下とすることで、送電コイル４で発生した磁束をより多くとらえることができる。図３Ｃに示した受電コイル３はｎ回巻コイルであり発熱領域の均一性を高めることができるが、図３Ｄに示した受電コイル３は中心付近の面積の小さなコイルの発熱が小さくなる。図３Ｅは図３Ｃに示した受電コイル３の発熱分布であり、図３Ｆは図３Ｄに示した受電コイル３の発熱分布である。図３Ｆの発熱分布は図３Ｅの発熱分布に比べてムラがあるので、別途対応が必要である。

本実施例によれば、ワイヤレスで電力を受ける受電コイル３が、これを構成する金属線自体の抵抗値により発熱を起こす電熱線となっている。さらに、受電コイル３から樹脂ガラス１の外側表面までの間には、ディップコーティング法により成膜された薄いプライマー層１３とハードコート層１４又は一部が改質膜に改質されているハードコート層１４が存在しているだけなので、樹脂ガラス１の外側表面に付着した雪や氷に対して直接的に熱を伝えることができる。

なお、プライマー層１３をなすアクリル樹脂の熱伝導率は、ポリカーボネート樹脂と略同じであるが、シリコン系のハードコート層１４はガラスと同等の熱伝導性を持たせることができるため、熱の伝導に関していえば、プライマー層１３の介在自体も大きな支障にはならない。

上記実施例は、受電コイル３は、全体を均一なリッツ線により構成したものであるが、受電コイル３に電気部品を挿入してもよい。図３Ｄに示した受電コイル３の発熱分布にはムラがあることを上記したが、この問題に対応するため、通過する磁束の少ないサブコイルに対して共振用のチップコンデンサ１５を直列に挿入する。図４Ａに示す例では、中心に近い、いくつかのサブコイルに対してチップコンデンサ１５が挿入されている。チップコンデンサ１５が挿入されたサブコイルは共振型のサブコイルであり、チップコンデンサ１５が挿入されていないサブコイルは非共振型のサブコイルである。チップコンデンサ１５により、積極的に共振させることにより発熱のばらつきを緩和することができる。尚、チップコンデンサ１５は、視界を遮らない位置に挿入するのが望ましい。

受電コイル３を構成する部材として、リッツ線の代わりに他の部材を用いても良い。図４Ｂは、受電コイル３を金属メッシュ体とした場合の例である。メッシュの格子に渦電流が流れ電流のばらつきが緩和され均一な発熱分布が得られる。この場合、送電コイル４の占める平面的な形と大きさは受電コイル３の金属メッシュ体と同等にする。

さらに、受電コイル３のもつ機能のうち発熱線の機能を分離して、受電部１６と発熱線１７とにより構成しても良い。図４Ｃは、そのような他の実施例である。受電部１６はコイルのＱ値を高めるため、できるだけ低抵抗の材質の配線材を用い、発熱線１７は発熱量が最大になるよう、配線材の材質や線径を選択する。送電コイル４の占める平面的な形と大きさは、受電部１６の平面的な形と大きさとほぼ同じとする。送電コイル４の平面的な形と大きさに対して発熱線１７の平面的な形と大きさは自由に設定できる。図２に示したような製造方法で受電部１６、発熱線１７を樹脂シート９に固定使用とすると、ワイヤレス給電を受けたときに受電部１６、発熱線１７の発熱量が均一ではない。よって、発熱線１７のみ樹脂シート９へ埋め込みを行い、受電部は別の方法で樹脂シート９に固定する必要がある。

上記各実施例においては、樹脂ガラス１は、フロントガラスに適用を想定したが、車両２の前部、左右両側部、ルーフ部に設けられた窓ガラスに装着することができ、装着場所に応じて樹脂ガラス１の形状を任意に変更することも可能である。

図５において車両の窓ガラスとして、樹脂ガラス１を前照灯の窓ガラスに適用した例を示す。前照灯の窓ガラスでは、厚さ２０ｍｍ以上の樹脂シート９を利用する。樹脂シート９の外側表面に円形コイルによる受電コイル３を、内側表面に他の受電コイル１９を設け、プライマー層１３，ハードコート層１４を設ける。受電コイル１９は、電気的に閉ループをなしており、車両２に対して電気的に浮いている（アース等の電位的な接続が無い）。図２における製造工程を、樹脂シート９の両面に適用するだけで、製造出来る。

前照灯の室内には、発光体１８と送電コイル４が設けられる。樹脂ガラス１から離して発光体１８の周囲に送電コイル４を設置し、夫々の受電コイル３、１９に電力を供給する。内側の受電コイル１９は曇り除去に利用し、外側の受電コイル３は融雪や解氷に利用することにより、同時に使うことができる。受電コイル１９への送電は、受電コイル３へ電力をワイヤレスで供給する送電コイル４とインバーター６と共通に使用可能である。

上記実施例においては、樹脂シート９の両側の表面に受電コイル３、１９を敷設したが、少なくとも樹脂シート９の一方の表面に、受電コイル３若しくは受電コイル１９の一方を敷設しても良い。受電コイル１９のみを敷設した場合、曇り除去の機能が発揮されることになる。

上記各実施例によれば、受電コイル３は電力供給をワイヤレスにて受けることにより、バスバーを用いなくとも発熱に用いる電力を供給できるため、特に厚いポリカーボネート樹脂を用いた窓において特に有効である。また、窓外側の表面側に形成した発熱線にも電力をワイヤレスで効率的に供給することは、融雪や解氷に有効である。また、窓内側の表面側にも受電コイルをさらに設けることにより、曇り除去も同時に可能になる。

１ 樹脂ガラス
２ 車両
３ 受電コイル
３、１９ 受電コイル
３ａ−３ｈ サブコイル
４ 送電コイル
５ サンバイザー
６ インバーター
７ パッキン
８ 天井
９ 樹脂シート
１０ 剥離フィルム
１１ 第１押圧板
１２ 第２押圧板
１３ プライマー層
１４ ハードコート層
１５ チップコンデンサ
１６ 受電部
１７ 発熱線
１８ 発光体

Claims (6)

1. 樹脂シートを主材とし、ハードコート層で両表面を覆われ、車両の室外に一方側の表面を露出した窓ガラスを加熱する窓ガラスのシステムにおいて、
   前記樹脂シートの少なくとも一方側の表面と当該表面を覆う前記ハードコート層との間に敷設され、電気的に閉ループをなしており、前記車両に対して電気的に浮いている受電コイルと、
   前記車両の室内側に向いた前記窓ガラスの表面に対向して配置された送電コイルと、
   前記送電コイルに接続され、高周波で発振する共振型のインバーターとを有し、前記送電コイルから受電コイルに対して電力をワイヤレスで供給することを特徴とする車両窓ガラスの加熱システム。
2. 請求項１の車両窓ガラスのシステムにおいて、前記受電コイルが敷設される前記樹脂シートの少なくとも一方側の表面は、前記車両の室外に向いた表面であることを特徴とする車両窓ガラスの加熱システム。
3. 請求項１の車両窓ガラスのシステムにおいて、前記受電コイルは、均一なリッツ線で全体を閉ループに構成したものであることを特徴とする車両窓ガラスの加熱システム。
4. 請求項１の車両窓ガラスのシステムにおいて、前記受電コイルは同心円状に、電気的に閉ループとなる複数個からのサブコイルからなり、中心に近い、サブコイルに対してチップコンデンサが挿入されていることを特徴とする車両窓ガラスの加熱システム。
5. 請求項２の車両窓ガラスのシステムにおいて、前記送電コイルは車両の室内のサンバイザー内に設置されることを特徴とする車両窓ガラスの加熱システム。
6. 前記樹脂シートの少なくとも一方側の表面に電気的に閉ループをなし閉ループ全体を均一なリッツ線からなる受電コイルを配置して第１、第２押圧板の間に挟み、
   少なくとも一方の押圧板に設けられた送電コイルから電力を前記受電コイルに供給して前記受電コイルを発熱させ、
   前記受電コイルの発熱により発生した熱で、前記樹脂シートが溶融されて、第１、第２押圧板をプレスすることにより、前記受電コイルを前記樹脂シートに埋め込むことを特徴とする窓ガラスの製造方法。
   

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