JP4470022B2 - 発熱素子 - Google Patents

Description

本発明は、住宅やオフィスのガラス窓、スーパーやコンビニエンスストアー等において設置されている業務用冷蔵庫の前面に配置されるガラス扉等に使用される発熱素子に関する。

従来、例えば、住宅やオフィスのガラス窓、スーパーやコンビニエンスストアー等において設置されている業務用冷蔵庫の前面に配置されるガラス扉等に用いられるガラス素子においては、特に冬季における室内外の温度差、又は冷蔵庫内外との大きな温度差によって、ガラス素子の表面においては結露が発生しやすい。また、窓際においては冷たい下降気流（コールドドラフト）の他、窓を通しての熱貫流による室内温度の低下や不均一（ミキシングロス現象）が起こりやすい。そのため、このようなガラス素子においては、その表面に発生する結露、コールドドラフトおよびミキシングロス現象を抑制するために、ガラス素子を構成するガラス基板に、通電により発熱可能となる金属薄膜のコーティング層を一体に付設してなるものがある。

例えば、特許文献１では、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ガラス基板１２の裏面に一体に形成された、通電により発熱自在となる金属薄膜のコーティング層１３の両端部において、電源に導通することとなる金属製の電極部１４を波板状とした上で、その波板状となる電極部１４の波板状の上端側を上方に突出させつつ導電性固定材１５によって一体に固持すると共に、焼成または加熱することによって、前記波板状とした電極部１４を導電性固定材１５を介してコーティング層１３に対して断続的に接合してなるガラス素子１１が提案されている。
特許第３３７６５４４号（第１欄第１１行〜第２欄第４行、図１）

しかしながら、特許文献１のガラス素子１１においては、通電によるコーティング層１３の発熱、いわゆる、熱衝撃によって、ガラス基板１２と導電性固定材１５の両者が加熱され熱膨張する。この際、ガラス基板１２と導電性固定材１５の熱膨張率が著しく異なることから、両者間の熱膨張に大きな差が生じ、ガラス基板１２の表面に形成されたコーティング層１３と導電性固定材１５との接合部に応力が加わることとなる。そして、ガラス素子１１においては、導電性固定材１５がコーティング層１３（ガラス基板１２）の１辺から他辺にわたって短冊状に形成されているため、導電性固定材１５とコーティング層１３との接合面積が大きくなり、特に、導電性固定材１５の接合部端面に加わる応力が大きいものとなる。

また、長期間のガラス素子１１の使用においては、このような熱衝撃がガラス素子１１に繰り返し加わることとなる。したがって、コーティング層１３と導電性固定材１５との接合部に大きな応力が繰り返し加わることとなり、接合部に亀裂または空隙が発生し、導電性固定材１５がコーティング層１３から剥離する。このような剥離が生じると、導電性固定材１５によって固持された電極部１４とコーティング層１３との接合が均一でなくなり、コーティング層１３への通電を確実に行うことができなくなり、場合によっては電極部１４の断線、コーティング層１３の局所的異常発熱等の不具合が発生する。したがって、特許文献１のガラス素子１１は、熱衝撃の耐久性が十分でないという問題があった。

また。前記の剥離等を防止するためには、導電性固定材１５として高温型導電性固定材を使用して、コーティング層１３への接合力を高める必要がある。しかしながら、前記ガラス窓またはガラス扉に通常使用されているガラス素子１１においては、高温型導電性固定材の焼成時の高温によって、ガラス基板１２に反りが生じてしまい、ガラス素子１１の外観不良となるという問題があった。また、高温処理の設備が必要となり、製造コストが高くなるという問題があった。

本発明は、前記の問題を鑑みてなされたもので、高温処理なしで、安価に製造された、熱衝撃の耐久性が優れた発熱素子を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１の発明は、透明基板と、前記透明基板の裏面に形成される導電性薄膜と、前記導電性薄膜の裏面の両端部に設けられる短冊状の電極部と、前記導電性薄膜と前記電極部との間に設けられ、前記導電性薄膜と前記電極部とを接合する導電性固定材とを備える発熱素子であって、前記導電性固定材は、前記電極部の長手方向に沿って複数設けられ、前記導電性固定材の各々の間に空隙部が設けられる発熱素子として構成したものである。

前記構成によれば、リード線等を介して電極部に通電すると、導電性固定材を介して、透明基板に形成される導電性薄膜に通電され、導電性薄膜が発熱して、透明基板が加熱され、透明基板への結露、コールドドラフトおよびミキシングロス現象が抑制される。この導電性薄膜の発熱の際、前記導電性固定材が電極部の長手方向に沿って複数設けられ、導電性固定材の各々の間に空隙部が設けられることによって、透明基板に形成される導電性薄膜に接合する導電性固定材の面積が小さくなり、導電性固定材と透明基板との熱膨張率の差によって生じる導電性固定材の変形量、特に導電性固定材の端面部における変形量が小さくなる。その結果、導電性薄膜と導電性固定材との接合部に加わる応力が小さくなる。

また、導電性薄膜と導電性固定材との接合部に加わる応力が小さいため、接合部での接合力を高める必要がないので、導電性固定材として高温型導電性固定材でなく、樹脂ベースの低温型導電性固定材を使用することが可能となる。

また、請求項２の発明は、前記導電性固定材の各々の裏面に設けられ、前記導電性固定材と前記電極部を接合する導電性接着材をさらに備える発熱素子として構成したものである。前記構成によれば、接着力の高い導電性接着材によって、電極部と導電性固定材との接合がなされる。その結果、導電性固定材の接合不良に起因した電極部の剥離等の発生がなくなる。また、導電性固定材が乾燥処理によって硬化した後、導電性接着材を介して電極部の接合が行われるため、接合作業がしやすくなる。

本発明によれば、導電性固定材が複数設けられ、導電性固定材の各々の間に空隙部が設けられることによって、導電性薄膜と導電性固定材との接合部に加わる応力が小さくなるため、発熱素子を長期間にわたって使用しても、熱衝撃に起因した接合部の亀裂または空隙が発生せず、導電性固定材の剥離が生じない。したがって、熱衝撃の耐久性に優れた発熱素子を提供することが可能となる。また、導電性固定材として低温型導電性固定材を使用して発熱素子が製造されるため、高温処理なしで、安価に製造された発熱素子を提供することが可能となる。

また、本発明によれば、導電性接着材を備えることによって、電極部の剥離がなく、また、接合作業が簡単になるため、発熱素子の作業コストがより一層低くなり、より一層安価な発熱素子を提供することが可能となる。

つぎに、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は発熱素子の構成を示す斜視図、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ線の断面図、（ｂ）は他の実施形態の構成を示す断面図である。

図１、図２（ａ）に示すように、本発明の発熱素子１は、透明基板２と、導電性薄膜３と、短冊状の電極部４と、複数の導電性固定材５とを備え、隣り合う導電性固定材５、５の間に空隙部６が設けられるものである。以下、各構成について説明する。
（透明基板）
透明基板２は、四角形状の板状体である。透明基板２の形状は、四角形状に限定されず、発熱素子１が使用される、例えば、住宅やオフィスのガラス窓、スーパーやコンビニエンスストアー等において設置されている業務用冷蔵庫の前面に設置されるガラス扉の形状に対応した形状をとることが可能である。また、透明基板２は、ガラス、ガラス以外のセラミック、耐熱性プラスチック等からなり、耐久性等が優れていることからガラスが好ましい。さらに、ガラス製の透明基板２としては、熱線反射ガラス、熱線吸収ガラス、低放射ガラス、強化ガラス、ペアガラス等が使用され、熱遮断性等が優れていることからペアガラスが好ましい。このペアガラスの使用によって、発熱素子１を冬季に使用した際の、冷たい下降気流（コールドドラフト）および熱貫流による室内温度の低下や不均一（ミキシングロス現象）の発生をより一層抑制することができる。

（導電性薄膜）
導電性薄膜３は、透明基板２の裏面に形成され、通電によって発熱自在となるものである。そして、導電性薄膜３の発熱によって、透明基板２が加熱され、発熱素子１への結露、コールドドラフトおよびミキシングロス現象の発生が抑制される。また、導電性薄膜３の形成領域は、透明基板２の裏面のほぼ全面が好ましい。しかしながら、発熱素子１への結露、コールドドラフトおよびミキシングロス現象の発生が抑制できれば、透明基板２の一部のみの形成でもよい。ここで、「裏面」とは、発熱素子１がガラス窓の場合における「室内側」を意味し、「表面」は「室外側」を意味する。以下、「裏面」および「表面」の記載は、前記の意味で使用する。

導電性薄膜３は、金、銀等の金属、酸化インジウム、酸化錫、酸化チタン、酸化タンタル等の金属酸化物、または、これらの混合物（例えば、酸化インジウムと酸化錫との混合物であるＩＴＯ等）からなる薄膜であって、導電性等が優れていることから酸化錫からなる薄膜が好ましい。また、導電性薄膜３は、前記薄膜の単層だけでなく、前記薄膜を複数積層した積層膜で構成してもよい。また、導電性薄膜３の形成方法としては、イオンプレーティング、スパッタリング等の物理的蒸着（ＰＶＤ）法、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等の化学的蒸着（ＣＶＤ）法、または印刷法、塗布法等の従来公知の方法で形成することが好ましい。そして、導電性薄膜３の膜厚は２００〜５００ｎｍが好ましい、膜厚が２００ｎｍ未満では薄膜強度が低下しやすく、膜厚が５００ｎｍを超えると薄膜形成の作業性が低下しやすい。

（電極部）
電極部４は、導電性薄膜３の裏面の両端部に設けられる短冊状の電極膜である。電極部４の配置は、上下方向または左右方向の両端部のいずれでもよいが、後記する通電のためのコード７の取り付けを考慮して、左右方向の両端部が好ましい。また、電極部４は、銅、クロム、ニッケル、銀等からなる電極膜で、導電性等が優れていることから銅製の電極膜が好ましい。さらに、電極膜の膜厚は０．２〜０．５ｍｍが好ましい。そして、電極部４は、その端部に図示しない電源に接続されたコード７がハンダ８で接続され、そのコード７から通電することによって、後記する導電性固定材５を介して導電性薄膜３に電圧印加（通電）している。

（導電性固定材、空隙部）
導電性固定材５は、導電性薄膜３と電極部４の間に設けられ、短冊状の電極部４の長手方向に沿って複数設けられている。また、この複数の導電性固定材５の各々の間に、空隙部６が設けられている。すなわち、電極部４の長手方向に沿って所定間隔（空隙部６）を空けて、複数の導電性固定材５がブロック状に設けられている。それゆえ、導電性固定材５と導電性薄膜３（透明基板２）との接合部が複数形成され、結果的に、１ブロックの接合面積が小さくなる。また、導電性薄膜３の発熱によって導電性固定材５および透明基板２が加熱された際、導電性固定材５および透明基板２の熱膨張率の差に起因して接合部に加わる応力は、その接合面積に比例する。したがって、接合面積が小さくなれば、接合部に加わる応力が小さくなり、接合部に亀裂または空隙が発生せず、導電性固定材５の導電性薄膜３（透明基板２）からの剥離を抑制できる。

また、導電性固定材５は導電ペーストからなり、本発明においては、前記のように接合部に加わる応力が小さいため、樹脂ベースの低温型導電ペーストが使用できる。そして、低温型導電ペーストは、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂またはシリコーン樹脂等に、銀、パラジウム、金、白金、銅、ニッケルまたはこれらの合金等の金属粉末、または、それらの混合物を混合したものであって、導電性固定材５と透明基板２との熱膨張率の差を考慮して、導電性、密着性の優れたものを適宜選択する。好ましくは、エポキシ樹脂に銀粉末を混合した銀ペーストである。

また、導電性固定材５（空隙部６）の形状およびサイズは、電極部４の形状およびサイズとほぼ同じであることが好ましい。また、導電性固定材５（空隙部６）の幅は、導通不良の発生を防止するため、電極部４の幅より大きく設定することがより好ましい。しかしながら、導電性および密着性が低下しなければ、前記形状およびサイズに限定されるものではない。

また、導電性固定材５による導電性薄膜３と電極部４との接合方法は、導電性薄膜３の裏面の両端部に、軟化した状態の導電性固定材５を所定間隔（空隙部６）空けて直線状の複数箇所に所定量塗布し、その塗布された導電性固定材５の上（裏面）に電極部４を載せ、乾燥処理によって、導電性固定材５を硬化させることによって行なわれる。

つぎに、本発明の発熱素子の他の実施形態について説明する。図２（ｂ）に示すように、発熱素子１ａは、透明基板２と、導電性薄膜３と、短冊状の電極部４と、導電性固定材５と、導電性接着材９とを備え、導電性固定材５の間に空隙部６が設けられるものである。透明基板２、導電性薄膜３、電極部４、導電性固定材５および空隙部６については、前記発熱素子１（図２（ａ）参照）と同様であるので、説明を省略する。

（導電性接着材）
導電性接着材９は、導電性固定材５の各々の裏面に設けられ、導電性固定材５と電極部４とを接合するものである。また、導電性接着材９は、ハンダ、または、前記低温型導電ペーストからなり、接着力が高く、接合作業が容易なことからハンダが好ましい。そして、低温型導電ペーストは、前記導電性固定材５に使用したものに比べ接着性において高いものを使用する。

また、導電性接着材９による導電性固定材５と電極部４との接合方法は、導電性固定材５が硬化した後、その硬化した導電性固定材５の各々の裏面に導電性接着材９を所定量塗布し、その導電性接着材９の上（裏面）に電極部４を載せ、導電性接着材９を硬化させることによって行われる。この接着力の高い導電性接着材９によって、導電性固定材５と電極部４との接合力が高くなり、電極部４の導電性固定材５からの剥離等がなくなる。また、導電性固定材５が乾燥処理によって硬化した後、導電性接着材９を介して電極部４の接合が行われるため、接合作業がしやすくなる。

次に、本発明の効果を確認した実施例について説明する。
実施例１として、図２（ｂ）に示す構成の発熱素子１ａを作製した。
（透明基板）
透明基板２としては、幅１００ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚み２２ｍｍ（板厚６ｍｍガラス／空気層１０ｍｍ／板厚６ｍｍガラス）のペアガラスを使用した。
（導電性薄膜）
導電性薄膜３としては、酸化錫を使用した。そして、ＣＶＤでペアガラスの裏面に膜厚約３００ｎｍの酸化錫膜を成膜した。
（導電性固定材、空隙部）
導電性固定材５としては、銀ペースト（藤倉化成社製）を使用した。そして、導電性薄膜３の両端部に、１ｍｍの間隔（空隙部６）で直線状の７箇所に、幅７ｍｍ×長さ９ｍｍ×膜厚４０〜６０μｍの銀ペーストをブロック状に塗布し、乾燥処理（１００℃）して硬化させた。
（導電性接着材）
導電性接着材９としては、ハンダを使用した。そして、硬化した銀ペーストの各々の上（裏面）に塗布した。
（電極部）
電極部４としては、幅５ｍｍ×長さ７０ｍｍ×厚み０．２ｍｍの銅箔を使用した。そして、ハンダが塗布された銀ペーストの上（裏面）に銅箔を載せ、ハンダを硬化させて、銅箔を銀ペーストの上（裏面）に接合した。

比較例１として、導電性薄膜３の両端部に導電性固定材５を幅７ｍｍ×長さ７０ｍｍに短冊状に塗布して、空隙部６を設けないこと以外は、前記実施例１と同様の構成の発熱素子を、前記と同様の方法で作製した。

次に、以下の熱衝撃性試験を行い、その結果を表１に示す。
（熱衝撃性試験）
発熱素子を−３０℃の冷凍庫で３０分間保持後、温蔵庫に入れ換え（入換時間５分間）、８０℃の温蔵庫で３０分間保持する熱サイクルを１サイクルとした。そして、発熱素子に熱サイクルを１００、２００、３００、５００または１０００サイクル負荷した後、発熱素子の外観を目視にて観察して、銀ペーストのペアガラス（酸化錫膜）からの剥離の有無を確認した。表１において剥離のないものを「○」、剥離のあるものを「×」とした。

表１に示すように、実施例１の発熱素子１ａは、熱サイクルを１０００サイクル負荷しても、剥離が発生しなかった。また、比較例１の発熱素子は、熱サイクルが３００サイクル以上で、剥離が発生した。したがって、実施例１の発熱素子１ａは、熱衝撃の耐久性が優れていることが確認された。

本発明に係る発熱素子の構成を示す斜視図である。 （ａ）は、図１のＡ−Ａ線の断面図、（ｂ）は他の実施形態の構成を示す断面図である。 （ａ）は従来の発熱素子の構成を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線の断面図である。

符号の説明

１ 発熱素子
２ 透明基板
３ 導電性薄膜
４ 電極部
５ 導電性固定材
６ 空隙部

Claims (2)

1. 透明基板と、
   前記透明基板の裏面に形成される導電性薄膜と、
   前記導電性薄膜の裏面の両端部に設けられる短冊状の電極部と、
   前記導電性薄膜と前記電極部との間に設けられ、前記導電性薄膜と前記電極部とを接合する導電性固定材とを備える発熱素子であって、
   前記導電性固定材は、前記電極部の長手方向に沿って複数設けられ、前記導電性固定材の各々の間に空隙部が設けられることを特徴とする発熱素子。
2. 前記導電性固定材の各々の裏面に設けられ、前記導電性固定材と前記電極部を接合する導電性接着材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の発熱素子。

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