JP5449797B2 - 面状発熱体 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電気床暖房パネル、電気カーペットのような面状採暖具に使われる面状発熱体に関するものであり、特に電極、抵抗体が同一面上で形成される面状発熱体の電極および抵抗体のパターン構成に関するものである。

従来、この種の面状発熱体は、図３に示すように、ポリエステルフィルム等の電気絶縁性基材上１０１に導電性銀ポリマーを印刷して一対の導電性母線１０２ａ，１０２ｂを形成するとともに、これら各母線１０２ａ，１０２ｂから対をなした櫛形電極を形成する導体通路１０３ａ，１０３ｂを複数設け、その上にＰＴＣ導電性インキからなる複数の抵抗体１０４を前記導体通路１０３ａ，１０３ｂに対して垂直で、かつ平行に間隔をおいて縞状に印刷していた。

このように構成された面状発熱体の導電性母線１０２ａ，１０２ｂに電源を印加すると、導体通路１０３ａ，１０３ｂ間の各抵抗体１０４が発熱し、同抵抗体１０４を配置した領域が加熱領域として加熱される。

抵抗体１０４を形成するＰＴＣ導電性インキは、エチレン酢酸ビニル共重合体樹脂にカーボンブラックを添加し、溶剤と混合させてインキにしている（例えば、特許文献１参照）。

ＰＴＣ特性とは、温度上昇によって抵抗値が上昇し、ある温度に達すると抵抗値が急激に増加する抵抗温度特性（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎ）を意味しており、ＰＴＣ特性を有する加熱領域は、自己温度調節機能を有する面状発熱体を提供できる。
特開平３−１２９６９３号公報

従来の面状発熱体において、例えば、前者のものでは図４（ａ）に示すように、導電性母線１０２ａのＡ部で断線した場合、断線間隔が極めて小さいとコロナ放電が発生し、断線部Ａ部から導電性母線１０２ａの終端部までに電気的に繋がっている加熱領域の合成抵抗、すなわち図４におけるａ領域の合成抵抗に相当する電力、つまり断線部Ａ部に電気を流そうとする力がスパークを発生するに必要な分以上あれば、その後絶縁破壊を起こしてスパークが発生する可能性がある。

しかし、断線部Ａ部に抵抗体１０４が重なっていなければ、例えスパークが発生したとしても導電性銀ポリマーからなる導電性母線１０２ａの断線部Ａ部がスパークによる発生熱によって蒸発して断線間隔が広がりスパークが継続しなくなる。

同じく、例えば導体通路１０３ａの抵抗体１０４が重なっていないＢ部で断線した場合においても、断線間隔が極めて小さいとコロナ放電が発生し、その後絶縁破壊を起こしてスパークが発生する可能性あるが、スパークが発生したとしても導体通路の断線部Ｂ部は蒸発して断線間隔が広がりスパークは継続しない。

ところが、図４（ｂ）に示すように、導体通路１０３ａのうち導電性母線１０２ａから延出する根元に近い箇所が断線した場合、すなわち、断線部Ｃ部のように導体通路１０３
ａに抵抗体１０４が重なっている箇所が断線した場合は様相が違ってくる。

この場合も始めは断線間隔が極めて小さいとコロナ放電が発生し、図４（ｂ）に示すように断線部Ｃ部から導体通路１０３ａの先端部までに電気的に繋がっている加熱領域、すなわちｂ領域の合成抵抗に相当する電力、つまり断線部Ｃ部に電気を流そうとする力がスパークを発生するに必要な分以上あれば、その後絶縁破壊を起こしてスパークが発生するが、スパークによる発生熱は断線部Ｃ部に重なっている抵抗体１０４、およびその周辺に放熱されてしまうため、導体通路１０３ａの断線部Ｃ部は蒸発せず、断線間隔は極めて小さい状態を維持しつつスパークが継続する。

さらに、そのスパークによる発生熱により導体通路１０３ａの断線部Ｃ部の上に重なっている抵抗体１０４が徐々に変質し、炭素が繋がったバイパス経路が形成されて電流が流れ、バイパス経路の抵抗値がある適度な値である場合、バイパス経路で異常加熱を起こすという問題が発生する。

この問題を解決するためには、
（１）スパークを発生させないようにするために、断線箇所以降の加熱領域および導電性母線あるいは導体通路の合成抵抗を大きくする。

（２）スパークによる発生熱あるいはバイパス経路での発生熱を分散させるために、
（２−１）金属箔を貼り付ける。

（２−２）導電性母線あるいは導体通路を十分放熱できる程度に幅広くする。

（２−３）導電性母線あるいは導体通路の厚みを十分放熱できる程度に厚くする。

などが考えられる。

しかしながら、（２−１）については、断線箇所以降の加熱領域および導電性母線１０２ａ，１０２ｂ、あるいは導体通路１０３ａ〜１０３ｂの合成抵抗を大きくするためには、具体的に加熱領域の数を減少させて発熱面積を小さくするか、加熱領域を挟み込んでいる２本の導体通路１０３ａ，１０３ｂ間の距離を広げてやることになるが、加熱領域の数を減少させて発熱面積を小さくすることは、面状発熱体としての本来機能である面的に発熱させるという目的を大きく損なうことである。

また、加熱領域を挟み込んでいる２本の導体通路１０３ａ，１０３ｂ間の距離を広げてやることも、個々の加熱領域の抵抗値を大きくすることであり、発熱量が大幅に小さくなるため、面状発熱体としての本来機能である発熱させて温度を上げるという目的を大きく損なうもので有効ではない。

次に、前記（２）については、スパークによる発生熱あるいはバイパス経路での発生熱を分散させるために、金属箔を貼り付けることは、面状発熱体の厚みが厚くなる、重くなる、硬くなる、コストが高くなるなどの不具合が発生するし、導電性母線１０２ａ，１０２ｂ、あるいは導体通路１０３ａ，１０３ｂ間の幅を広くすると発熱面積が小さくなるため、面状発熱体としての本来機能である面的に発熱させるという目的を大きく損なうことになる。

また、導電性母線１０２ａ，１０２ｂ、あるいは導体通路１０３ａ，１０３ｂの厚みを厚くすると、面状発熱体の厚みが厚くなるという不具合に加えて、ＰＴＣ導電性インキを導体通路１０３ａ，１０３ｂ上に印刷した時に、導体通路１０３ａ，１０３ｂと電気絶縁
性基材１０１９との間に大きな段差ができ、導体通路１０３ａ，１０３ｂと加熱領域との境界線に段差クラック（エッジ切れ）が発生して、電気的に接続されず、加熱領域が発熱しなくなるという不具合も発生する。

それに加えて、スパークによる発生熱を放熱してしまうため、断線部が蒸発せず、スパークが継続してしまう可能性もあり、いずれにしても有効な解決手段とならない。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、抵抗体が接続されている電極が断線したとしても、スパークが発生せず、断線箇所での異常過熱も防止し、かつ温度ムラの少ない面状発熱体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、本発明の面状発熱体は、電気絶縁性基材と、前記絶縁性基材上に対向して形成された少なくても一対の給電電極と、前記給電電極から個々に枝別れした複数の枝電極と、前記枝電極から更に分岐するとともに、対向する位置に配設された複数の接続電極と、前記接続電極間に電気的に接続して形成された複数の第一の抵抗体と、隣接する第一の抵抗体間に設けた非抵抗部と、前記非抵抗部を挟む前記第一の抵抗体間に電気的に接続された第二の抵抗体とを具備したものである。

これによって、抵抗体が接続されている接続電極が断線したとしても、スパークが継続せず、断線箇所での異常過熱も防止し、かつ温度ムラの少ない面状発熱体を提供することができる。

本発明の面状発熱体によれば、それぞれの接続電極には第一の抵抗体ならびに第二の抵抗体の合成抵抗で電流値が決定され、接続電極が断線してもスパークを引き起こさない合成抵抗を設定すれば、抵抗体の変質やカーボン化による異常過熱が防止できる。

さらに隣接する第一の抵抗体間の非抵抗部に第二の抵抗体を配設することで、発熱の空白領域を減少させることが出来るため温度ムラが少なくなり、安全性と使い勝手に優れた面状発熱体を提供することが可能となる。

第１の発明は、電気絶縁性基材と、前記絶縁性基材上に対向して形成された少なくても一対の給電電極と、前記給電電極から個々に枝別れした複数の枝電極と、前記枝電極から更に分岐するとともに、対向する位置に配設された複数の接続電極と、前記接続電極間に電気的に接続して形成された複数の第一の抵抗体と、隣接する第一の抵抗体間に設けた非抵抗部と、前記非抵抗部を挟む前記第一の抵抗体間に電気的に接続された第二の抵抗体とを具備したものである。

これによって、抵抗体が接続されている接続電極が断線したとしても、スパークが継続せず、断線箇所での異常過熱も防止し、かつ温度ムラの少ない面状発熱体を提供することができる。

第２の発明は、前記第１の発明において、第二の抵抗体を第一の抵抗体に対し単位面積当たりの比抵抗を小さく設定したものであり、非抵抗部の略中央に位置する第二の抵抗体の発熱密度を第一の抵抗体の発熱密度より増加することで、面状発熱体としての温度ムラをより改善することが可能となる。

第３の発明は、前記第１の発明において、面状発熱体の第一の抵抗体と第二の抵抗体と
を同時に形成したもので、抵抗体を同時に加工することにより、印刷工程の削減が図れ生産性を高めることができる。

そして、第４の発明は、前記第１〜３いずれか一つの面状発熱体を面状採暖具に搭載したものである。

（実施の形態１）
図１，２において、面状発熱体はポリエステルフィルム等から成る電気絶縁性基材１と、この上に形成された電極とを有する。

すなわち、電極は、前記絶縁性基材１上に対向して形成さ、銀ペーストを印刷・乾燥した一対の給電電極２ａ，２ｂと、これら給電電極２ａ，２から個々に枝別れした複数の枝電極３ａ，３ｂと、これら枝電極３ａ，３ｂから更に分岐形成され、対向する位置に配設された複数の接続電極４ａ，４ｂとで構成されている。

そして、接続電極４ａ，４ｂ間には高分子抵抗体インキを印刷・乾燥処理し、両端を電気的に接続した第一の抵抗体５が形成されている。

それぞれの第一の抵抗体５間には非抵抗部６が、この非抵抗部６を挟む第一の抵抗体５間には両端を電気的に接続された第二の抵抗体７がそれぞれ設けられている。

高分子抵抗体インキとしては、樹脂にカーボンを練り込んだ高分子抵抗体を溶剤に溶かしたもの、あるいは特に結晶性樹脂にカーボンを練り込んだ高分子抵抗体を溶剤に溶かしたものを使用している。

次に、動作、作用について説明する。

図１において、まず通常の動作状態としては、給電電極２ａ，２ｂ間に電源８を繋ぐと、給電電極２ａ→枝電極３ａ→接続電極４ａに流れ、その後、第一の抵抗体５から接続電極４ｂに流れる電流と、第一の抵抗体５を介して第二の抵抗体側７を通過して他の接続電極４ｂ側に流れる電流とに分かれ、その後は枝電極３ｂ→給電電極２ｂという順に流れ、電源が交流であれば当然この流れ方向と逆の流れ方向が交互に発生する。

また、接続電極４ａまたは４ｂが断線した場合、本来接続電極４ａや４ｂには個々の第一の抵抗体と第二の抵抗体の合成抵抗を負荷とする電力を供給する構成であり、接続電極４ａまたは４ｂが断線してもスパークエネルギーが発生しないレベルで各々の抵抗値を予め高抵抗側に設定すれば、第一の抵抗体が重なっているで接続電極４ａまたは４ｂが断線してもスパークは発生せず、断線箇所で抵抗体が変質したり炭化することでの異常過熱を防止できる。

一方、隣接する第１の抵抗体間に形成された非抵抗部６の略中央部に第二の抵抗体７を配設しているため、通電時には非抵抗部６によって生じる温度低下は第二の抵抗体７によって緩和され、面状発熱体としての温度ムラを低減することができる。

また、第二の抵抗体７に印加される電圧は、第二の抵抗体７が接続される第一の抵抗体間の電位差で決定されるため、設計段階で必要に応じ第一の抵抗体５との給電位置を配慮すれば第二の抵抗体７の発熱量を調節することも出来る。

更に、第一の抵抗体５と第二の抵抗体７の単位面積当たり比抵抗は、周囲に非抵抗部６が存在する第二の抵抗体７側を低めに設定すれば、面状発熱体としての温度ムラをより低
減することができる。

なお、第二の抵抗体７を第一の抵抗体５と同時に形成（印刷）することも考えられる。

このようにすることで、第二の抵抗体を印刷する加工工程の削減が図れ、生産性が向上すると共にコスト低減が図れる効果を奏するものである。

以上のように、本発明にかかる面状発熱体は、抵抗体が接続されている電極が断線したとしても、スパークが発生しても断線箇所での異常過熱も防止し、かつ温度ムラの少ない面状発熱体を提供することができるため、床暖房パネルや電気カーペット等の面状採暖具に適用できるものである。

本発明の実施の形態１における面状発熱体の平面図 同面状発熱体の要部拡大図 従来の面状発熱体の平面図 （ａ）は従来の面状発熱体の抵抗体と接しない導電性母線や導体通路が断線した状態を示す平面図、（ｂ）は従来の面状発熱体の抵抗体と接する導体通路が断線した状態を示す平面図

１ 電気絶縁性基材
２ａ，２ｂ 給電電極
３ａ，３ｂ 枝電極
４ａ，４ｂ 接続電極
５ 第一の抵抗体
６ 非抵抗部
７ 第二の抵抗体

Claims (4)

1. 電気絶縁性基材と、前記絶縁性基材上に対向して形成された少なくても一対の給電電極と、前記給電電極から個々に枝別れした複数の枝電極と、前記枝電極から更に分岐するとともに、対向する位置に配設された複数の接続電極と、前記接続電極間に電気的に接続して形成された複数の第一の抵抗体と、隣接する第一の抵抗体間に設けた非抵抗部と、前記非抵抗部を挟む前記第一の抵抗体間に電気的に接続された第二の抵抗体とを具備した面状発熱体。
2. 第二の抵抗体は、第一の抵抗体に対して単位面積当たりの比抵抗を小さく設定した請求項１記載の面状発熱体。
3. 第一の抵抗体と第二の抵抗体とは同時に形成した請求項１記載の面状発熱体。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載の面状発熱体を搭載した面状採暖具。