JP2649165B2 - 正温度特性発熱素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は正温度特性発熱素子に関し、さらに詳しく
は、抵抗特性および温度特性が長期にわたって安定な正
温度特性発熱素子に関する。

［従来の技術およびその問題点］ 従来、正温度特性発熱体に外装を施した発熱素子はセ
ラミックス系発熱体ではよく知られている。

また、有機高分子系の発熱体では、たとえば、特開昭
53−148738号公報には、発熱体を塩化ビニル樹脂で挟ん
で熱融着した発熱素子が記載されており、特開昭54−15
7351号には、発熱体の片面に液体状のトリアジン樹脂、
エポキシ樹脂、あるいはポリイミド樹脂を塗布した発熱
素子が記載されており、特開昭59−123182号公報には、
フッ素系樹脂の懸濁液を発熱体に塗布した発熱素子が記
載られている。

しかしながら、前記公報に記載のものはいずれも高温
で乾燥、硬化させる必要があり、発熱体が変形、変性す
るなどの不具合があり、また外装材と電極が強固に密着
しているので、長期にわたって通電すると、発熱体の素
材と電極が剥離してしまい、発熱素子の抵抗が次第に増
大して発熱温度が変化する不具合がある。

また、特開昭61−267287号公報には、発熱体基材に第
一および第二絶縁層を設けた発熱素子が示されており、
絶縁層と電極との間の界面の接着性の強化が試みられて
いる。

しかしながら、前記公報に記載の発熱素子において
は、曲げ応力により電極が発熱体素材から剥離する欠点
があり、また、長時間にわたる通電において抵抗値ある
いは温度特性の変動を生じて、安定性に欠ける欠点もあ
る。

発熱体にポリエチレンテレフタレートフィルムを、エ
チレン−アクリル酸エステル類などの粘着剤で貼り付け
たものも市販されている。

しかしながら、本発明者等の検討によると、前記市販
の発熱素子は、耐熱性および長期安定性に問題がある。

いずれにしても、前記従来の発熱素子は、外装材と電
極との接着を強固にするものであるが、これが為に、電
極と発熱体素材との剥離を招き、長時間の通電における
抵抗値の増大、温度分布の拡大をもたらすなどの欠点を
有している。

本発明は、前記従来の欠点を解消することを目的とす
る。

さらに詳しくは、本発明の目的は、長時間の通電にお
いても、抵抗値および発熱温度の分布の拡大がなく、常
に安定した温度特性を発揮することのできる耐熱性が大
きい正温度特性発熱素子を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明者らは、上記問題点を解決するべく鋭意研究し
た結果、電極を特定の樹脂フィルムによって被覆した後
に外装材によって、発熱体および樹脂フィルムを被覆す
ると、長時間にわたって抵抗値および発熱状態の安定し
た、耐熱性の大きい正温度特性発熱素子が得られること
を見出し、本発明を完成するに至った。

本発明は、従来のように電極と外装材との接着を強固
にするのではなく、そのような従来の思想とは全く反対
の技術思想に立脚するものである。

すなわち、本願第一の発明は、結晶性熱可塑性樹脂と
導電性物質とを混合し、成型して得た発熱体素材に電極
を設けてなる発熱体の表面に、少なくとも前記電極を被
覆するが前記電極に接着されることのない樹脂フィルム
を積層し、更に耐熱性樹脂からなる外装材を積層してな
ることを特徴とする正温度特性発熱素子であり、 本願第二の発明は、結晶性熱可塑性樹脂と導電性物質
と半導電性粒子とを混合し、成形して得た発熱体素材に
電極を設けてなる発熱体の表面に、少なくとも前記電極
を被覆するが前記電極に接着されることのない樹脂フィ
ルムを積層し、更に耐熱性樹脂からなる外装材を積層し
てなることを特徴とする正温度特性発熱素子である。

本願第一および第二の発明において、前記結晶性熱可
塑性樹脂としては、たとえば、ポリオレフィン樹脂およ
びその共重合樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアセター
ル、熱可塑性ポリエステル樹脂、ポリフェニレンオキサ
イドおよびノリル樹脂、ポリスルフォンが挙げられる。

前記ポリオレフィン樹脂としては、たとえば、高密度
ポリエチレン、中、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度
ポリエチレン等のポリエチレン、アイソタクチックポリ
プロピレン、シンジオタクチックポリプロピレン、アタ
クチックポリプロピレン等のポリプロピレン、ポリブテ
ン、４−メチルペンテン−１樹脂等が挙げられ、また、
この発明においては、エチレン−プロピレン共重合体、
エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−エチルアク
リレート共重合体、エチレン−塩化ビニル共重合体、お
よびプロピレン−塩化ビニル共重合体等のオレフィンと
の共重合体、およびフッ素含有エチレン共重合体、なら
びにこれらの変性物をも使用することができる。

前記酢酸ビニル系樹脂としては、たとえば、酢酸ビニ
ル樹脂、ポリビニルアセトアセタール、ポリビニルブチ
ラール等が挙げられる。

ポリアミド系樹脂としては、たとえばナイロン６、ナ
イロン８、ナイロン11、ナイロン66、ナイロン610等が
挙げられる。

前記ポリアセタールは、単一重合体であっても共重合
体であってもよい。

前記熱可塑性ポリエステル樹脂としては、たとえば、
ポリプロピレンテレフタレート、およびポリブチレンテ
レフタレート等が挙げられる。

また、結晶性熱可塑性樹脂として、トランス−1,4−
ポリイソプレン、シンジオタクチック−1,2−ポリブタ
ジエンなども使用することができる。

前記各種の結晶性熱可塑性樹脂は、その一種を単独で
使用することもできるし、また、二種以上を混合してポ
リマーブレンドとして用いることもできる。

もっとも、前記各種の熱可塑性樹脂の中でも高密度ポ
リエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖状ポリエチレン
やエチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−エチルア
クリレート共重合体などのオレフィン系共重合体や１、
４−トランスポリイソプレンなどが好ましい。

本願第一および第二の発明において、前記導電性物質
としては、各種のものを用いることができ、たとえば、
カーボンブラック粒子、グラファイト粒子などの粒状
物、金属粉体などの粉状物、炭素繊維などの繊維状物、
金属酸化物粉体などを挙げることができ、中でもカーボ
ンブラック粒子、グラファイト粒子などの粒状物が好ま
しく、特にカーボンブラック粒子が好ましい。

前記の導電性物質は、単独で、またはその二種以上を
併用することができる。

前記の粒状物の平均粒径につき特に制限がないのであ
るが、たとえば、平均粒径が10〜200mμ、好ましくは15
〜100mμである導電性物質が使用される。

前記の繊維状物の場合、そのアスペクト比は、通常１
〜1,000、好ましくは１〜100である。

前記結晶性熱可塑性樹脂と代表的な導電性物質である
カーボンブラック粒子との配合量は、重量比として、通
常、10〜80:90〜20、好ましくは、55〜75:45〜25であ
る。

前記導電性物質の配合量が前記範囲よりも少いと、発
熱体素材の抵抗が大きくなり、発熱体が実用上充分に発
熱しないことがあり、また前記範囲よりも多いと、正温
度特性が充分に発現しなくなることがある。

本願第二の発明においては、前記結晶性可塑性樹脂と
導電性物質との他に、半導電性物質を配合する。

前記半導電性物質を添加することにより、より一層、
発熱素子の抵抗安定性および温度安定性を向上させるこ
とができる。

前記半導電性物質として、特に制限はないが粉状物が
好ましく、たとえば、SiC、B₄C、Si、Ge、SnO、GaSb、G
aP、GaAs、InSb、InSe、GaSe、InTe、GaTe、Li₃N、β−
Al₂O₃、などが挙げられ、中でもSiCが好ましい。

前記半導電性物質は、単独で、または混合して用いる
ことができる。

前記半導電性物質の平均粒径につき特に制限はない
が、通常、300mμ以下、好ましくは、100μｍ以下の半
導電性物質が使用される。

前記半導電性物質の使用量は、その種類に応じて適宜
に決定することができるのであるが、前記結晶性熱可塑
性樹脂と前記導電性物質との合計量を100重量部とした
場合、10〜300重量部、好ましくは、15〜200重量部であ
る。

前記半導電性物質の配合量が前記範囲内であると、発
熱素子の抵抗および発熱状態をより一層安定にすること
ができる。

本願第一の発明においては、前記結晶性熱可塑性樹脂
と導電性物質とを混合し、本願第二の発明においては、
結晶性熱可塑性樹脂と導電性物質と半導電性粒子とを混
合し、成形して、所定形状を有する発熱体素材を得る。

前記混合は、たとえば、、混練用オープンロール、バ
ンバリミキサー、単軸スクリュー押出機、２軸スクリュ
ー押出機、単軸往復動スクリュー混合機等により行なう
ことができる。

この場合の混練温度は、特に制限はないが、通常、用
いる結晶性熱可塑性樹脂の融点以上の温度、好ましく
は、該融点より30℃以上高い温度である。

前記成形は、射出成形、金型成形、押出成形、加圧成
形等の各種の成形法によることができる。

なお、前記混合は、前記成形操作において実現するこ
ともできる。

本願第一および第二の発明において、前記成形時にお
いて、あるいは、成形後において、前記結晶性熱可塑性
樹脂と導電性物質との組成物中の結晶性熱可塑性樹脂を
架橋し、あるいは結晶性熱可塑性樹脂と導電性物質と半
導電性粒子との組成物中の結晶性熱可塑性樹脂を架橋す
ることにより、前記組成物を硬化させるのが好ましい。

前記組成物を硬化させると、正温度特性が改良される
とともに、発熱素子の動作中の発熱体素材の熱変形ある
いは熱軟化等による発熱素子の不良化を防止することが
できるからである。

前記結晶性熱可塑性樹脂の架橋は、架橋剤および／ま
たは放射線を利用して行うことができる。

前記架橋剤は、結晶性熱可塑性樹脂の種類に応じて、
有機過酸化物、硫黄化合物、オキシム類、ニトロソ化合
物、アミン化合物、ポリアミン化合物等から適宜に選択
して決定することができる。

たとえば、前記結晶性熱可塑性樹脂がポリオレフィン
系樹脂等である場合には、好適な架橋剤としてたとえば
有機過酸化物を利用することができる。

前記有機過酸化物としては、たとえば、ベンゾイルパ
ーオキシド、ラウロイルパーオキシド、ジクミルパーオ
キシド、ｔ−ブチルパーオキシド、ｔ−ブチルパーオキ
シベンゾエート、ｔ−ブチルクミルパーオキシド、ｔ−
ブチルヒドロパーオキシド、2,5−ジメチル−2,5−ジ
（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘキサン、2,5−ジメチル−
2,5−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘキシン−３、1,1−
ビス−（ｔ−ブチル−ペルオキシ−イソプロピル）ベン
ゼン、1,1−ビス−（ｔ−ブチル−ペルオキシ）−3,3,5
−トリメチル−シクロヘキサン、ｎ−ブチル−4,4−ビ
ス−（ｔ−ブチル−ペルオキシ）バレレート、2,2−ビ
ス−（ｔ−ブチル−ペルオキシ）ブタン、ｔ−ブチル−
ペルオキシ−ベンゼン等が挙げられ、中でも2,5−ジメ
チル−2,5−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘキシン−３
が好ましい。

前記架橋剤の添加量は、上記結晶性熱可塑性樹脂100
重量部に対して、通常、0.01〜５重量部、好ましくは0.
05〜２重量部である。

所定の形状に成形された発熱体素体の表面には、電極
が設けられている。なお、この発熱体素子には、当然の
ことながら、前記電極にリード線を接続している。

前記電極の素材としては、特に制限はなく、通常のも
のを用いることができ、たとえば、銀、銅、ニッケル、
アルミニウム、金などを挙げることができる。

前記電極は、発熱体素体の表面に、たとえば銀ペース
トによるスクリーン印刷あるいは塗布することにより形
成することができ、また金属箔を圧着する方法や、その
後にエッチングによって任意の形状に加工することによ
り形成することができる。

本願第一および第二の発明においては、前記電極を被
覆する樹脂フィルムは、耐熱性を有する限りにおいて特
に制限がなく、たとえば、塩化ビニリデン樹脂、ポリエ
チレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート
樹脂、ポリカーボネート樹脂、ナイロン、ポリイミド樹
脂などの各種フィルムなどを挙げることができる。

これら各種の樹脂フィルムの中からいずれを使用する
かは、前記発熱体素材の形成に使用した結晶性熱可塑性
樹脂の種類に応じて適宜に決定することができるのであ
るが、前記結晶性熱可塑性樹脂としてポリオレフィン系
樹脂を使用する場合には、特にポリ塩化ビニリデン樹脂
フィルムやポリエチレンフィルムが好ましい。

前記樹脂フィルムは、少なくとも前記電極を被覆すれ
ばよいが、前記発熱体の電極形成面全面を被覆するよう
にしてもよい。

前記樹脂フィルムの厚さは、通常、１〜200μｍ、好
ましくは１〜100μｍである。

前記樹脂フィルムの厚さが前記範囲より下回ると、フ
ィルム強度が低下することがあり、前記厚さが前記範囲
を超えると、フィルムの柔軟性が失われることがある。

本願第一および第二の発明において、外装材は、耐熱
性を有する樹脂であれば良い。

外装材は、比較的低温で硬化する樹脂を発熱体の表面
に塗布することにより、あるいは耐熱性のある樹脂フィ
ルムまたは樹脂シートを発熱体に積層することによって
得ることができる。いずれの方法によるも、発熱体素体
の表面に、電極を被覆する樹脂フィルムの上にこれらの
外装材が積層されることになる。

前記低温で硬化する樹脂としては、たとえばシリコー
ン樹脂系、低温硬化型のエポキシ樹脂系、ウレタン樹脂
系などの接着剤を好適に用いることができる。

前記樹脂フィルムまたは樹脂シートとしては、ポリエ
チレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレー
ト樹脂などのポリエステル樹脂、ナイロン66、ナイロン
６などのポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、酢酸
セルロース系樹脂、カルボキシメトキシセルロース樹脂
などのセルロース系樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレ
ン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、
ポリブチレン、ポリブテン−１などのポリオレフィンな
どの各種フィルムが挙げられる。

前記硬化性樹脂の塗布方法としては、特に制限がな
く、たとえば、刷毛塗りなどによる塗布方法、あるいは
浸漬などによる塗布方法が用いられる。

前記樹脂フィルムを積層する場合には、たとえば、樹
脂フィルムに予め接着剤を塗布した後、前記発熱体に貼
り合わせる方法が用いられ、その場合には、ドクターブ
レードなどによって接着剤を塗布するかあるいは樹脂フ
ィルムを接着剤中に浸漬する方法がある。

前記樹脂フィルムに接着剤を塗布して樹脂フィルムを
発熱体に貼り合わせる方法においては、樹脂フィルムを
空気が入り込まないように発熱体に貼り合わせ、室温で
数時間放置させて硬化させるが、40〜150℃で熱処理す
ることにより硬化速度が大きくなり、強度が発現するの
で好ましい。また、減圧下で硬化させると気泡のないも
のが得られるので好ましい。

本発明の正温度特性発熱素子は、たとえば、定温度発
熱体素子、加熱保護素子、過電流保護素子などに用いる
ことができる。

［実施例］ 以下、実施例および比較例を示して本発明をさらに詳
細に説明する。

（実施例１） 低密度ポリエチレン［東ソー（株）製、商品名：ペト
ロセン170］64重量部と、カーボンブラック［三菱化成
（株）製、商品名：ダイアブラックＥ、平均粒径:43m
μ］36重量部とをラボプラストミルに供給して混練した
後、架橋剤として0.19重量部の2,5−ジメチル−2,5−ジ
（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘキシン−３を添加してさら
に混練することによって組成物を得た。

次いで得られた組成物を用いて肉厚0.5mmのシートに
成形し、５×10cmの発熱体素体を作成した。得られた発
熱体素体の片面に銀ペースト［藤倉化成（株）製、商品
名：ドータイトＤ−550］を塗布してくし歯状の電極を
形成し、さらにこの電極にリード線を引き出し、乾燥し
て発熱体を作成した。

次に、この発熱体の表面をポリ塩化ビニリデンフィル
ム［旭化成工業（株）製、商品名：サランラップ）によ
り被覆した。

次いで、シリコーン系接着剤［コニシ（株）製、商品
名：ボンドMOSIO］を塗布した厚さ100μｍのポリエチレ
ンテレフタレートフィルム［東レ（株）製、商品名:E20
♯100］で、前記接着剤を発熱体側に向けて、発熱体を
挟み、軽度に押圧してから、100℃で４時間保持し、前
記接着剤を硬化させた。

このようにして得られた発熱素子の室温での初期抵抗
値は22Ωであった。

次に、この発熱素子に100Vの交流を通電し、発熱状態
を赤外線サーモグラフィーにより観察したところ、通電
部の温度分布差は10℃であった。また、100Vの交流を20
0時間通電した後の室温での抵抗値は24Ωであり、温度
分布差は10℃であった。

（比較例１） 発熱体をポリ塩化ビニリデンフィルムで被覆しなかっ
た以外は、実施例１と同様に行なって発熱素子を得た。

得られた発熱素子の初期抵抗値は、24Ωであり、通電
部の温度分布差は11℃であった。

その発熱素子に100Vの交流を10時間通電した後の室温
抵抗値は60Ωであり、通電部の温度分布差は30℃であ
り、局所発熱を生じていた。

（実施例２） 低密度ポリエチレン［東ソー（株）製、商品名：ペト
ロセン170］59重量部とカーボンブラック［三菱化成工
業（株）製、ダイアブラックＥ］41重量部およびこれら
の100重量部に対して67重量部の炭化ケイ素粉［不二見
研磨材工業（株）製、商品名:SiC♯2000］をラボプラス
トミルに供給し、混練した後、架橋剤として0.3重量部
の2,5−ジメチル−2,5−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘ
キシン−３を添加し、さらに混練して組成物を得た。

混練後、厚さ0.5mmのシートに成形し、５×10cmに作
成した。このシートの片面に銀ペースト［藤倉化成
（株）製、商品名：ドータイトＤ−550］でくし歯状の
電極を形成し、リード線を取付けて充分乾燥させること
により発熱体を形成した。

得られた発熱体をポリ塩化ビニリデンフィルム［旭化
成工業（株）製、商品名：サランラップ）により被覆し
た。

次にシリコーン系接着剤［コニシ（株）製、商品名：
ボンドMOS 10］を充分混合し、耐熱性樹脂としてポリエ
チレンテレフタレートフィルム［東レ（株）製、商品
名:E20♯100］上に均一に塗布した。

前記接着剤を塗布した２枚のフィルムで、前記発熱体
を挟み、軽度に押圧して100℃で４時間硬化することに
より発熱素子を得た。

得られた発熱素子の室温での初期抵抗値は21Ωであ
り、100Vの交流を通電してその発熱状態を赤外線サーモ
グラフィーで観察したところ、通電部での温度分布差は
７℃であり非常に安定していた。

さらに、100Vの交流を200時間通電した後の室温での
比抵抗は20Ωであり、発熱温度分布差は７℃で一定であ
った。

（比較例２） 発熱体をポリ塩化ビニリデンフィルムによって被覆し
なかった以外は、前記実施例２と同様に行なって発熱素
子を得た。

得られた発熱素子の室温での初期抵抗値は22Ωであ
り、100Vの交流通電時の発熱温度差は７℃であった。

100Vの交流を通電したところ、48時間後の室温抵抗値
は、45Ωに増大していた。この時点での100Vの交流通電
時における発熱温度分布差は30℃以上にも達し、局所発
熱を生じていた。さらに時間の経過に従って局所発熱が
拡大した。

（実施例３） ポリ塩化ビニリデンフィルムに代えて低密度ポリエチ
レンフィルム［宇部興産（株）製、商品名：ワンラッ
プ］を用いた以外は実施例２と同様に行なって発熱素子
を得た。

得られた発熱素子の室温での初期抵抗値は22Ωであ
り、100Vの交流通電時における発熱温度差は８℃であっ
た。

100Vの交流を200時間通電した後の室温抵抗値は21Ω
であり、安定していた。また、100Vの交流通電時の発熱
温度分布差は８℃で一定であった。

［発明の効果］ 以上説明したように、本願第一の発明によると、本発
明の正温度特性発熱素子は、少なくとも電極を樹脂フィ
ルムによって被覆した後、外装材を形成しているので、
長期間にわたって、抵抗特性および発熱温度特性をほぼ
一定に保持することができ、また、耐熱性に優れるなど
の種々の利点を有し、本願第二の発明においては、導電
性物質と半導電性物質とを併用しているので、本願第一
の発明に比べて、長期間にわたって、抵抗特性および発
熱温度特性をさらに精度良く一定に保持することができ
る。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】結晶性熱可塑性樹脂と導電性物質と混合
   し、成形して得た発熱体素材に電極を設けてなる発熱体
   の表面に、少なくとも前記電極を被覆するが前記電極に
   接着されることのない樹脂フィルムを積層し、更に耐熱
   性樹脂からなる外装材を積層してなることを特徴とする
   正温度特性発熱素子。
2. 【請求項２】結晶性熱可塑性樹脂と導電性物質と半導電
   性粒子を結合し、成形して得た発熱体素材に電極を設け
   てなる発熱体の表面に、少なくとも前記電極を被覆する
   が前記電極に接着されることのない樹脂フィルムを積層
   し、更に耐熱性樹脂からなる外装材を積層してなること
   を特徴とする正温度特性発熱素子。