JP3177660B2

JP3177660B2 - 変色具

Info

Publication number: JP3177660B2
Application number: JP09293491A
Authority: JP
Inventors: 種博中川; 勉戸松; 義明小野
Original assignee: Pilot Ink Co Ltd
Current assignee: Pilot Ink Co Ltd
Priority date: 1991-03-29
Filing date: 1991-03-29
Publication date: 2001-06-18
Anticipated expiration: 2016-06-18
Also published as: JPH05318915A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、変色具に関する。さら
に詳細には、熱変色層が形成されている熱変色性要素に
接触して前記熱変色層を変色させる変色具に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、熱変色性要素を変色させる手段と
して、タングステン、ニッケル等の抵抗体発熱体を装備
した通電加熱具が開示され、動物玩具等の表面に形成し
た熱変色素材に接触させ、該接触部位を色変化させる試
みが実開昭６２−１３９５７３号公報に開示されてい
る。前記した如く、熱変色層を変色させるための加熱手
段に関する提案は、開示されているが、熱変色層を冷熱
変色させるための有効な冷熱手段は未だ開示されておら
ず、冷水、氷片等の冷熱媒体の適用や、対象の熱変色性
要素を冷蔵庫内に入れ、庫内の冷気による変色操作を余
儀なくされていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記冷熱手段は、家庭
等の特定場所において適用性があるとしても、必要時、
場所を選ばず、即座に、対象物の熱変色層を変色させる
ことができず、低温域に変色点を有する熱変色性要素の
機能を効果的に発現させることができなかった。又、前
記冷熱媒体の適用は、冷熱持続時間に限界があり、これ
らの媒体をその都度、用意する面倒な手間を要してい
た。又、非耐水性の熱変色性要素にあっては、前記冷熱
媒体の直接的な接触は勿論、冷熱媒体を容器に収容させ
て適用する間接的な接触操作に対しても、容器表面に発
生する結露層や水滴、或いは漏水等により熱変色性要素
を変質させがちであった。

【０００４】本発明は前記した従来の冷熱手段の適用に
よる不具合を一挙に解消し、携帯性、即効性、冷熱持続
性、利便性等を満足させ、任意な時、任意な場所におい
て、簡便に熱変色層を冷熱変色させる変色装置、さらに
は、印加電圧の極性を切り換えることにより、冷熱、加
熱の両用機能を備えた変色装置を提供しようとするもの
である。殊に、対象の熱変色性要素が、色彩記憶性感温
変色性色素（温度変化により大きなヒステリシス特性を
示して変色し、低温側変色点と高温側変色点の二つの変
色点をもち、着色状態と無色状態又は有色〔１〕と有色
〔２〕間の互変性を呈し、前記低温側変色点以下の冷熱
又は高温側変色点以上の温度の熱の適用により、常態と
異なる様相に変化させることができ、その様相を常温域
で互変的に記憶保持させることができる機能を有する色
素）を含む色材で彩色された熱変色層を備えた系と組み
合わせ適用することにより、前記色彩記憶性感温色素の
機能を効果的に発現させて、商品の多様化、多分野への
応用展開を可能となす変色具を提供しようとするもので
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明変色具を図面につ
いて説明する。本発明は、熱変色層１２２が形成されて
いる熱変色性要素に接触させることにより、接触部位を
熱変色させる変色具において、Ｐ型半導体素子２１とＮ
型半導体素子２２とを金属片２３で交互に接合し、上下
両面を熱伝導性絶縁板２４で挟持してユニット化した構
成のペルチエ効果を有する熱電変換素子２を熱源として
利用した変色具１であって、吸気孔８１と排気孔８２を
配設したケーシング８内に前記熱電変換素子２が収容、
保持されており、前記熱電変換素子２の吸熱側には伝熱
部材６が密接配置され、露出状態に取付けられており、
前記熱電変換素子２の発熱側には放熱器３が連接配置さ
れていると共に、前記放熱器３を空冷する送気手段５が
配備されており、直流電圧の印加により前記熱電変換素
子２を作動可能に構成されてなり、前記放熱器３は熱抵
抗値が０．１〜１５０〔℃／ワット〕の放熱能力を有
し、１０℃〜３５℃の環境温度において、吸熱側が前記
範囲内の各環境温度に対し、少なくとも３℃以上の温度
降下機能を発現できるよう構成されてなる変色具１を要
件とする。さらには、前記熱電変換素子２に供給する直
流電流の極性を逆転させることにより（切り換えスイッ
チ１０の付設、或いは乾電池の入れ替えによる正負向き
の逆転等）、吸熱側と発熱側を逆転し、加熱、冷却の両
用機能を備えた、変色具１を要件とする。さらには、熱
変色性要素１２の熱変色層１２１が温度変化により大き
なヒステリシス特性を示して、着色状態と無色状態又は
有色〔１〕と有色〔２〕状態間の互変性を呈し、常温域
で前記二状態の何れかを選択的に記憶保持可能な色彩記
憶性感温変色性色素を含む色材で彩色されてなる系と組
合わせて適用される変色具１を要件とする。

【０００６】前記において、ペルチエ効果を有する熱電
変換素子２は、従来より汎用されている系より、目的、
用途、組み込む放熱器の形態等に応じて適宜、選択され
る。前記熱電変換素子２は、不足電子Ｐ型と、過剰電子
Ｎ型の半導体素子からなるカプルを金属片２３（電極）
で交互に接合し、上面及び下面をアルミナ、セラミック
等の熱伝導性絶縁板２４で挟持しユニット化してなる構
成であって、Ｎ側端子からＰ側端子に電流を流すとペル
チエ効果により上面で吸熱、下面で発熱する。（図８、
図９参照）前記におけるＰ型或いはＮ型半導体素子２１、２２は、
Ｂｉ₂Ｔｅ₃、Ｂｉ₂Ｓｅ₃、Ｓｂ₂Ｔｅ₃等が例示できる。
半導体素子の対数は、１〜５１１対、より実用的には４
〜１２７対、好ましくは４〜３１対の系が有効である。
発熱側Ｂ（極性の切り換えにより吸熱側Ａに変換され
る）に連接、配置する放熱器３は、熱抵抗値０．１〜１
５０〔℃／ワット〕の放熱能力を備えていることが必須
であり、１５０〔℃／ワット〕を越える系では、充分な
放熱能力を発現させることができず、逆に０．１〔℃／
ワット〕未満の値を示す放熱器は、設計、製作が困難で
ある。前記放熱器３の熱抵抗値の測定、算出方法を以下
に記載する。熱電変換素子２の発熱面は放熱器３により
単位時間当たりＷ３の熱量を大気中に放出する。Ｗ３は
熱電変換素子２に加える電力Ｗ１（電圧×電流）による
ものと、冷却面より単位時間当たりに吸熱される熱量の
絶対値Ｗ２とを加えたものとなる。Ｗ３＝Ｗ１＋Ｗ２本願における熱抵抗値（Ｒｔｈ）は、熱電変換素子２と
放熱器３との接触する面の中央の温度Ｔと室温Ｔｒを測
定しＲｔｈ＝（Ｔ−Ｔｒ）／Ｗ３により算出する。尚、単位はＴ、Ｔｒは℃、Ｗ１、Ｗ
２、Ｗ３はワットである。又、Ｔｒは１０℃〜３５℃の
間で行う。前記熱電変換素子２に通電する直流電源によ
る印加電圧は、０．３〜５０Ｖであり、０．３Ｖ以下の
系では、電池による作動が困難であり、５０Ｖ以上の系
では、それに応じたカプル数の増加が必要であり、玩
具、教習、筆記材等の分野等の一般商品への適用に対し
高価格となり、不向きであり、特殊な用途に制約され
る。通常、０．５〜２０Ｖの印加電圧により機能する熱
電変換素子２との組み合わせが好ましい。前記電圧を印
加する電源部９は、変色装置１のケーシング８内に一体
的に収容、配置することができるが、コード等を介して
別体として付設することができる。電源としては、乾電
池等各種バッテリーやＡＣ／ＤＣ変換器を接続し、交流
を直流に変換させて適用することもできる。前記システ
ムにおける吸熱側Ａの温度降下機能は、１０℃〜３５℃
の環境温度において、前記範囲の温度に対し、少なくと
も３℃以上の降下温度、さらに具体的には３℃〜４０℃
（好ましくは１０〜２５℃）の降下温度を発現させる。
前記３℃以内の降下温度では室温の変動に対し、変色機
能を充分発揮できない。一方、４０℃を越える降下温度
では水蒸気の凍結が発生し実用的でない。極性の切り換
えにより、吸熱側Ａを発熱側に変換させて適用するに際
し、前記発熱側の温度は前記環境温度範囲内の温度プラ
ス３℃〜６０℃（好ましくは５℃〜５０℃）の昇温特性
を発現できるよう構成される。尚、本願でいう直流と
は、熱電変換素子２を有効に作動させるための直流を意
味し、冷却又は加熱させる間、一瞬たりとも逆電圧が印
加されてはならないということではない。熱電変換素子
２自体、熱容量を有しているものであるから、短い時間
であれば、逆電圧が印加されても必ずしも冷却面と加熱
面が逆転するわけではない。このような逆電圧の印加を
含むものであってもよい。よく知られているように、熱
電変換素子２を用いて温度の制御を行う場合、熱応答性
を早めるために逆電圧を印加することがある。変色具１
は、多様な形態が有効であり、例えば、筆記具、筆跡消
去具、スタンプ、玩具要素（例えば、人形玩具の櫛、そ
の他のメイクアップ具等）等が挙げられる。次ぎに、本
発明の変色具１と組み合わせて適用される熱変色性要素
１２の熱変色層１２１を構成する感温変色性材料につい
て説明する。

【０００７】従来より公知の感温変色性色素を含む熱変
色性材料、例えば、液晶や、電子供与性呈色性有機化合
物、前記化合物の顕色剤及び前記両者の呈色反応を生起
させる媒体となる化合物の３成分を含む熱変色性材料又
は前記成分の樹脂固溶体の微粒子の形態の変色性を示す
熱変色性材料（例えば、特公昭５１−３５４１４号公
報、特公昭５１−４４７０６号公報、特公昭５２−７７
６４号公報、特公平１−２９３９８号公報等）を挙げる
ことができる。前記は所定の温度（変色点）を境とし
て、その前後で変色し、変化前後の両状態のうち常温域
では特定の一方の状態しか存在しえない。即ち、もう一
方の状態は、その状態が発現するのに要する熱又は冷熱
が適用されている間は維持されるが、前記熱又は冷熱の
適用がなくなれば常温域で呈する状態に戻る、所謂、温
度変化による温度−色濃度について小さいヒステリシス
幅（ΔＨ）を示して変色するタイプである。（図１０参
照）

【０００８】又、本出願人が先に提案した特開昭６０−
２６４２８５号公報に記載されている、大きなヒステリ
シス特性を示して変色する色彩記憶性感温変色性色素を
含む熱変色性材料で彩色された系が有効である。前記色
素は、大きなヒステリシス幅（ΔＨ）を示して変色す
る。即ち、温度変化による着色濃度の変化をプロットし
た曲線の形状が、温度を変色温度域より低温側から温度
を上昇させていく場合と逆に変色温度域より高温側から
下降させていく場合とで大きく異なる経路を辿って変色
するタイプである。（図１１参照）グラフ中のＡ点（温度ｔ₁）はこれ以下の温度では前記
色素が完全に呈色している状態になる点であり、Ｂ点
（温度ｔ₃）は温度が上昇する過程で実質的な変色（消
色）が始まる点であり、Ｃ点（温度ｔ₄）はこれ以上の
温度では完全に消色している状態になる点であり、変色
温度域は前記ｔ₁とｔ₄の間の温度域であり、特に着色状
態と無色状態の両状態又は有色〔１〕と有色〔２〕の両
状態が共存でき、色濃度の差の大きい領域であるｔ₂と
ｔ₃の間が実質的な変色温度域、常温域で前記二状態の
何れかを選択的に記憶保持可能な領域である。前記した
感温変色性色素、色彩記憶性感温変色性色素は、通常、
微小カプセルに内包され、バインダーを含む媒体中に分
散されて、インキ、絵具又は塗料などの形態の色材とし
て適用され、支持体表面に熱変色層が形成される。ま
た、熱可塑性プラスチック中に前記微小カプセル顔料を
練合させて溶融成形した多様な形状の熱変色性要素１２
が本発明の変色具１と組み合わせて有効に適用される。
熱変色性要素１２は、熱変色性面状体、熱変色性線状
体、凹凸表面をもつ熱変色性成形体、その他既述の熱変
色性材料による熱変色層１２１が表面層に形成されたも
の全てを含む。筆記板、教習、学習材、絵本、その他玩
具要素等を挙げることができる。熱変色層１２１は、−
１０℃〜＋１００℃の範囲（好適には−５℃〜７０℃）
に変色点を有するものが実用面よりみて有効である。

【０００９】

【作用】直流電圧（０．３〜５０Ｖ）の印加により、Ｎ
側端子からＰ側端子に電流を流すとペルチエ効果により
上面で吸熱、下面で発熱し、上下両面の熱伝導性絶縁板
２４に伝熱し、吸熱側Ａ、発熱側Ｂを形成する。前記発
熱側Ｂ（極性の逆転により、吸熱側に変換される）に
連接、配置の放熱器３（特定範囲の熱抵抗値を有する）
の作用により、吸熱側Ａの温度を所望範囲に降下、維持
させる。熱変色層１２１により表面層が形成されている
熱変色性要素１２に、前記変色具１を接触させると、接
触部位の前記熱変色層１２１を冷熱変色させ、極性の逆
転により前記吸熱側Ａを発熱側に逆転させることにより
加熱変色させる。熱変色層１２１がヒステリシス幅（Δ
Ｈ）の小さい熱変色特性を示す感温色素を含む色材で形
成された系では、変色点を境としてその前後で変色し、
変化前後の両状態のうち、常温域では特定の一方の状態
を存在させ、もう一方の状態はその状態が発現するのに
要する熱又は冷熱の適用をなくすと常温域で呈する状態
に戻る。一方、色彩記憶性感温変色性色素を含む色材で
形成された熱変色層１２１は、低温側変色点以下の冷
熱、或いは高温側変色点以上の熱の適用により、常態と
異なる様相に互いに変色させ、その状態が発現するのに
要した冷熱又は熱の適用をなくしても、その状態を常温
域で記憶保持させることができ、前記記憶保持された様
相は、前記状態の発現するに要したと逆の熱的手段によ
り元の状態に変色させ、これを常温域で記憶保持させ
る。

【００１０】

【実施例１】（図１〜図４参照）電気アイロンの外観に似せたケーシング８の内部前方の
上面に小型直流モーター４が出力軸側を下方にして取付
けられ、出力軸に直結させたファン５の回転により周辺
に送気可能に構成され、アルミニウム製円板の周縁に立
設した、求心方向に放射状に形成された多数のフィンを
もつ放熱器３が、前記フィンをファン５の周辺に位置さ
せて取付けられ、前記円板の下面には熱電変換素子２
（半導体の対数：１７対）の発熱側が密接して取付けら
れ、前記素子２の吸熱側にはアルミニウム製円形薄板
（直径約３ｃｍ）からなる伝熱部材６が密接して固定配
備され、ケーシング８の下面より露出している。前記伝
熱部材６には、印像「Ａ」を設けた着磁製印像プレート
７を着脱自在に装着してスタンプを構成できる。前記ケ
ーシング８の下面には、前記ファン５への吸気孔８１が
複数個、適宜間隔をおいて配設され、前記ケーシング８
の前方側面には、排気孔８２が配設されている。前記ケ
ーシング８の上部には把手が取付けられ、極性切り換え
スイッチ１０が配備され、ケーシング８の後部に配備さ
れた電源部９（１．５Ｖ乾電池の２個を並列配置）と結
線され、モーター４及び熱電変換素子２は前記電源部９
と作動可能に結線されている（結線図省略）。前記変色
具１は、極性の切り換えにより、冷熱及び熱の適用が可
逆的に可能であり、以下の特性を示した。使用時（室温
２３℃）における、電圧０．８Ｖ、電流１．３Ａ、発熱
側最高温度５２℃（到達時間約２分）、吸熱側最低温度
８℃（到達時間約３分）、放熱器の熱抵抗値：２９．０
〔℃／ワット〕、加熱立ち上がり特性（１０秒後３２
℃）、吸熱立ち上がり特性（３０秒後１３℃）を示し
た。前記スタンプを用いて、白色シートに色彩記憶性感
温変色性色素〔黒色←→無色：低温側変色点（ｔ₁）１
５℃、高温側変色点（ｔ₂）３５℃〕を含む色材により
熱変色層１２１が全面に形成されている熱変色性要素１
２（室温下で白色を呈している）に線引きしたところ、
黒色の筆跡を現出させた。前記筆跡は１７℃〜３０℃の
室温下で記憶保持された。前記冷熱型変色具１は、極性
の切り換えにより加熱型変色具として機能（加熱温度３
６℃以上）させ、前記黒色の筆跡をなぞることにより、
黒色の筆跡を消去させ、元の白色に変化させることがで
き、前記様相の変化を繰り返し再現させることができ
る。

【００１１】

【実施例２】（図５〜図７参照）縦６ｃｍ、横５ｃｍ、高さ２ｃｍの概外形のプラスチッ
クケーシング８内のー側に電源電池９（１．５Ｖの乾電
池）を収容し、他側に収容、固定配備した小型直流モー
ター４に直結のファン５の回転により送気可能に構成
し、前記駆動要素の側部に配置の放熱器３（アルミニウ
ム材からなるメッシュ状シートを多重に折り曲げて多層
状に構成）を空冷させる。前記放熱器３の基端には放熱
板が取付けられ、該放熱板は熱電変換素子２（半導体の
対数：１７）の発熱側に密接、固定されており、前記素
子２の吸熱側にはアルミニウムプレートからなる伝熱部
材６が密接、固定され、表面を露出させている。前記ケ
ーシング８の側面には、排気孔８２が設けられ、伝熱部
材６が配備された側のケーシング８には吸気孔８１が設
けられている。前記変色具１は以下の特性を備えてい
る。使用時（室温２３℃）における、電圧０．８Ｖ、電
流１．３Ａ、発熱側最高温度２９℃（到達時間約２
分）、吸熱側最低温度４℃（到達時間３秒）、放熱器の
熱抵抗値：１０．０〔℃／ワット〕、吸熱立ち上がり特
性（２０秒後１３℃）を示した。前記スタンプを用い
て、白色シートに色彩記憶性感温変色性色素〔黒色←→
無より熱変色層１２１が全面に形成されている熱変色性要
素１２（室温下で白色を呈している）に線引きしたとこ
ろ、黒色の筆跡を現出させた。前記筆跡は１７℃〜３０
℃の室温下で記憶保持された。前記冷熱型変色具１は、
印加電流の極性の切り換えにより加熱型変色具として機
能させることができる。

【００１２】

【発明の効果】本発明の変色具は、熱変色層を設けた熱
変色性要素と組み合わせて適用され、殊に、低温域に変
色点を有する熱変色性要素の機能を効果的に発現させに
ことができる冷熱手段であって、従来の冷水、氷片等を
冷熱媒体とする冷熱手段に対し、任意な時、任意な場所
において、即座に簡便に対象物の熱変色層を冷熱変色さ
せる利便性、非耐水性対象物への適用性、携帯性等を満
足させる。さらには、電源の極性の切り換えにより、冷
熱、加熱の両用機能を備えた変色具を提供できる。しか
も、印加電圧が低電圧（５０Ｖ以下）で有効に機能させ
ることができ、漏電等の危険もない。乾電池等バッテリ
ーの取り換えにより機能を永続させることができる。前
記した如く、簡便に冷熱の適用が可能となり、低温域に
変色点を有する熱変色層を配設した構成の多様な熱変色
性要素との組み合わせを可能となす。殊に、対象の熱変
色性要素が、色彩記憶性感温変色性色素（温度変化によ
り大きなヒステリシス特性を示して変色し、低温側変色
点と高温側変色点の二つの変色点をもち、着色状態と無
色状態または有色〔１〕と有色〔２〕間の互変性を呈
し、前記低温側変色点以下の冷熱又は高温側変色点以上
の熱の適用により、常態と異なる様相に変化させること
ができ、その様相を常温域で記憶保持させることができ
る機能を有する色素）を含む色材で彩色された熱変色層
を備えた系と組み合わせ適用することにより、前記色彩
記憶性感温変色性色素の機能を効果的に発現させて、商
品の多様化、多分野への応用展開を可能にすることがで
きる。

【００１３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明変色具のー実施例の使用状態を示した説
明図である。

【図２】図１の変色具の縦断説明図である。

【図３】図２のＡ−Ａ線の断面説明図である。

【図４】図１の変色具の機能面の説明図である。

【図５】本発明変色具の他の実施例の使用状態を示した
説明図である。

【図６】図５の変色具の斜視図である。

【図７】図５の変色具の縦断説明図である。

【図８】本発明変色具に適用する熱電変換素子の斜視図
である。

【図９】本発明変色具に適用する熱電変換素子の構造及
び作用の説明図である。

【図１０】感温変色性色素の温度変化による変色特性の
説明グラフである。

【図１１】色彩記憶性感温変色性色素の温度変化による
変色特性の説明グラフである。

【符号の説明】

１変色具２熱電変換素子２１Ｐ型半導体素子２２Ｎ型半導体素子２３金属片２４絶縁板Ａ吸熱側Ｂ発熱側３放熱器６伝熱部材８ケーシング９電源部１０切り換えスイッチ１１電源スイッチ１２熱変色性要素１２１熱変色層１２２熱変色像

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A63H 30/02 A63H 33/22 B41K 1/00 B43K 8/00 B43K 19/00 - 19/12 B43L 1/00 B43L 19/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】熱変色層が形成されている熱変色性要素
に接触させることにより、接触部位を熱変色させる変色
具において、Ｐ型半導体素子とＮ型半導体素子とを金属
片で交互に接合し、上下両面を熱伝導性絶縁板で挟持し
てユニット化した構成のペルチエ効果を有する熱電変換
素子を熱源として利用した変色具であって、吸気孔と排
気孔を配設したケーシング内に前記熱電変換素子が収
容、保持されており、前記熱電変換素子の吸熱側には伝
熱部材が密接配置され、露出状態に取付けられており、
前記熱電変換素子の発熱側には放熱器が連接配置されて
いると共に、前記放熱器を空冷する送気手段が配備され
ており、直流電圧の印加により前記熱電変換素子を作動
可能に構成されてなり、前記放熱器は熱抵抗値が０．１
〜１５０〔℃／ワット〕の放熱能力を有し、１０℃〜３
５℃の環境温度において、吸熱側が前記範囲内の各環境
温度に対し、少なくとも３℃以上の温度降下機能を発現
できるよう構成されてなる変色具。
【請求項２】前記熱電変換素子に供給する直流電流の
極性を逆転させることにより、前記吸熱側と発熱側を逆
転し、加熱、冷却の両用機能を備えた、請求項１記載の
変色具。
【請求項３】熱変色性要素の熱変色層が、温度変化に
より大きなヒステリシス特性を示して、着色状態と無色
状態又は有色〔１〕と有色〔２〕状態間の互変性を呈
し、常温域で前記二状態の何れかを選択的に記憶保持可
能な色彩記憶性感温変色性色素を含む色材で彩色されて
なり、前記熱変色性要素と組合わせて適用される請求項
１又は請求項２記載の変色具。