JP5460897B1 - 平面発熱体の電極を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の形状の平面発熱体に、任意の場所に任意の形状の電極を作ることを可能にし、必要部分のみ発熱させたり、熱源を移動させたりすることを可能にする、平面発熱体の電極を製造する方法を提供する。
【解決手段】電気作用により発熱する平面発熱体８０のための電極を製造する方法は、平面発熱体の電極部分７３を任意の形状かつ任意の位置に設計した原版から紫外線露光マスク用のネガフィルムを形成し、ネガフィルムのマスキングを介して紫外線照射により、硬化しなかったエポキシ樹脂の部分を含む薄膜部材を形成し、現像液により、硬化しなかったエポキシ樹脂を溶解して電極部分を形成し、電解溶液槽内のイオン化反応により、電極部分に金属を析出して電極を形成する工程を含む。
【選択図】図８Ｂ

Description

本発明は、電気作用により発熱するカーボン繊維シートのような平面発熱体のための電極を製造する方法に関する。

電気作用により発熱する平面発熱体は、各種分野において、広く用いられている。

例えば、機械装置の温度を一定に保つために平面発熱体を貼り付ける場合や、容器内にある液体の凍結防止や保温・加熱等温度調節が必要な液体容器の周囲に貼られる場合もある。同様に、保温が必要な流体搬送用配管等に巻き付け、流体温度の下降を防止する場合にも用いられる。住宅用の床下暖房用シートしても用いられている。さらに、工業用の液化ガス供給装置で用いられる液化ガスは、急激なガスの放出により流路の温度は急激に低下し、ガス流体によってはそれが結晶化して、流路を妨げることもある。このような液化ガス供給装置は、電熱線ヒーター等により加熱しガス流体の結晶堆積を防止している。具体的に、このような液化ガス供給装置を構成する圧力調整機、フィルター、圧力センサー、流量計等を含む各種のガス流量制御機器を、シート状の平面発熱体で覆い加熱し、ガス流路内の結晶化を防止している。

カーボン繊維シートは、電極を付けて電位を与えると電極間に電流が流れ、カーボンが導体であることからその抵抗値に応じた電力で発熱することが知られている。従来、電気作用により発熱する平面発熱体としてカーボン繊維シートが使用される場合、電極として銅箔テープや銀ペーストを用いて接着し、耐熱性の粘着ポリエチレンフィルムや粘着ポリイミドフィルムを高温高圧プレスで押圧して絶縁保護フィルムを形成することによって、平面発熱体を製造していた。このようにしてカーボン繊維シートに接着した電極の一部を剥離し、この剥離部を給電用端子として使用していた。

図１は、従来の銅箔テープの電極２を備えた矩形のカーボン繊維シート１を使用した平面発熱体の平面図、平面発熱体の断面図、平面発熱体の一部を拡大した断面図を示している。カーボン繊維シート１は、絶縁保護フィルム３により被覆されている。

このような従来の平面発熱体によれば、電極をカーボン繊維シートの表面にしか接着できないために電極部とカーボン繊維シートの接触抵抗が大きく、接触抵抗のバラツキで給電効率が劣り、接触不良による発熱等が発生するという問題があり、更に電極用の銅テープや銀ペーストをカーボン繊維シートの先端部にしか設けることができないために、電極の形状も制限されたものにならざるを得ない。

本発明の課題は、平面発熱体の任意の場所に任意の形状の電極を作ることを可能にし、局部的に電流を集中させたり、２次元平面上で電流の流れを移動させたり、必要部分のみ発熱させたり、熱源を移動させたりすることを可能にする、平面発熱体の電極を製造する方法を提供することである。

また、本発明の課題は、高価な銅箔テープや銀ペーストを用いることなく、多くの電極材料の使用を可能にし、安価にかつ量産化も可能にする、平面発熱体の電極を製造する方法を提供することである。

また、本発明の課題は、本発明の方法により製造された電極を備えた平面発熱体を提供することである。

本発明によれば、電気作用により発熱する平面発熱体のための電極を製造する方法は、
平面発熱体の両面にエポキシ樹脂の薄膜印刷を行なうことよって、平面発熱体に絶縁膜を塗布した薄膜部材を形成する第１の工程と、
薄膜部材を加熱することによって乾燥する第２の工程と、
平面発熱体の電極部分を任意の形状かつ任意の位置に設計して原版を作成し、原版に撮影フィルムを重ねて、露光処理により紫外線露光マスク用のネガフィルムを形成する第３
の工程と、
薄膜部材の両面にネガフィルムをそれぞれ重ねて、ネガフィルムのマスキングを介して薄膜部材の両面に紫外線を照射することによって、硬化したエポキシ樹脂の部分と硬化しなかったエポキシ樹脂の部分とを含む、薄膜部材を形成する第４の工程と、
紫外線を照射された薄膜部材を現像液に含侵して現像処理し、硬化しなかったエポキシ樹脂を溶解することによって、平面発熱体の露出により電極部分を形成する第５の工程と、
アノードとしての金属板と、現像処理された、被メッキ物であるカソードとしての薄膜部材とを、電源に接続するとともに、電解溶液槽に浸漬し、イオン化反応により、平面発熱体の露出による電極部分に、金属を析出して電極を形成する第６の工程と、
を含む。

本発明によれば、電極の形状や電極位置を自由に効率よく形成できることで、平面発熱体としてカーボン繊維シートの形状を自由の形成することが可能となる。

また、本発明によれば、カーボン繊維シートに対する電極の配置を工夫することにより、平面発熱体の任意の箇所を自在に過熱することが可能となる。

また、本発明によれば、スクリーン印刷メッキ法を用いることにより、自由な電極の形状、自由な電極の配置が可能になり、カーボン繊維シートに、多様な電流力線を描くことによって、平面発熱体の任意の箇所を自在に加熱することが可能になる。

更に、本発明によれば、自由でかつ微細な電極の形状、自由な電極の配置が可能になり、カーボン繊維シート上に様々な電磁効果を起こさせ、また電流力線を描くことにより、電気遊動等バイオテクノロジーにも応用可能であり、発熱体以外の用途開発も可能となる。

銅箔テープの電極２を備えた矩形のカーボン繊維シートを使用した、従来の平面発熱体の平面図、平面発熱体の断面図、平面発熱体の一部を拡大した断面図を示す。 紫外線露光現像型エポキシ樹脂をカーボン繊維シートに印刷する、シルクスクリーンによるエポキシ樹脂薄膜工程を示す。 エポキシ樹脂の絶縁膜を施したカーボン繊維シートの薄膜部材を、加熱して乾燥するプレキュア工程（熱乾燥工程）を示す。 露光処理による、紫外線露光マスク用の電極部分のネガフィルムの設計、作成工程を示す。 紫外線を照射し、ネガフィルムによってマスクされていない薄膜部材のエポキシ樹脂のみを露光し、硬化させる露光工程を示す。 紫外線照射により露光処理された薄膜部材の現像工程を示す。 薄膜部材に銅電極を形成するメッキ電極析出工程の原理図を示す。 メッキ電極析出工程を経て得られる銅電極を備えた薄膜部材の一部断面を示す。 メッキ電極析出工程によって、銅電極を備えた多数の薄膜部材を製造する場合のイメージを示す。 メッキ電極析出工程によって銅電極が形成された薄膜部材を、安定化するポストキュア及び仕上げ工程を施した薄膜部材を示す。 完成した円板状の平面発熱体の一部断面を示す。 本発明により製造された電極を備えた円板状の平面発熱体の使用形態を示す。 図９Ａと同様に、本発明により製造された電極を備えた円板状の平面発熱体の使用形態を示す。

本発明を、具体的な実施例に基づき、以下に説明する。

電気作用により発熱する平面発熱体としてカーボン繊維シートを使用し、このカーボン
繊維シートに対して電極を製造する方法を、各工程にしたがって説明する。

図２は、第１の工程として、紫外線露光現像型エポキシ樹脂をカーボン繊維シートに印刷する、シルクスクリーンによるエポキシ樹脂薄膜工程を示す。まず、カーボン繊維シート２０とシルクスクリーン版２１とを準備し、カーボン繊維シート２０の両面に、保持しろ２２を残してシルクスクリーン版２１を重ね、カーボン繊維シート２０の両面に重ねられたシルクスクリーン版２１に、それぞれスクリーン印刷方式を用いてエポキシ樹脂の薄膜印刷を行なう。エポキシ樹脂は、ローラーによりカーボン繊維シート２０に印刷され、この工程を数回繰り返すことによって、エポキシ樹脂の塗布による強固な絶縁膜２３を形成する。

紫外線露光現像型エポキシ樹脂は、分子構造的に、架橋密度が高く、自由体積が小さいことから、特に高温下での接着性が優れている。更に、露光現像型エポキシ樹脂は、以下の特徴を有している。
（１）貯蔵安定性(熱安定性)が良い。
（２）熱硬化型に比べ、紫外線照射による硬化が速い。
（３）室温で硬化でき、紫外線（ＵＶ）と熱の二段階硬化が可能である。
（４）熱硬化型とほぼ同等の硬化物の物性が得られる。
（５）極薄膜硬化が可能である。
（６）アルカリ性水溶液で現像が可能である。

図３は、第２の工程として、プレキュア工程（熱乾燥工程）を示す。第１の工程で形成されたエポキシ樹脂の絶縁膜２３を施したカーボン繊維シート２０の薄膜部材３０を、その両側から、加熱ヒーター３１Ａ、３１Ｂによって加熱して乾燥する。具体的には、約８０℃で、２０〜３０分間加熱する。

図４は、第３の工程として、電極部分のネガフィルムの設計、作成工程を示す。電極部分を任意の形状かつ任意の位置に設計して原版４０を作成し、その原版に撮影フィルムを重ねて、露光処理により紫外線露光マスク用のネガフィルム４１を形成する。図示実施例においては、円板状の平面発熱体を想定し、電極部分は、円板状の平面発熱体の周囲電極４２と中心電極４３として示されている。ただし、電極部分は、円板状に限らず、任意の形状に設計可能である。

図５は、第４の工程として、紫外線照射による露光工程を示す。プレキュア工程後の、エポキシ樹脂の絶縁膜２３を施したカーボン繊維シート２０の薄膜部材３０の両面に、紫外線露光マスク用のネガフィルム４１をそれぞれ重ねて、薄膜部材３０の両側から、紫外線照射装置５０Ａ、５０Ｂによって、紫外線を照射し、ネガフィルム４１によってマスクされていない薄膜部材３０のエポキシ樹脂のみを露光し、硬化させる。紫外線照射装置の紫外線ランプ出力として、特に、２８０〜４５０ｎｍ域の紫外線が、硬化に有効である。

紫外線照射により露光処理された薄膜部材３０は、ネガフィルム４１のマスキングによって、硬化したエポキシ樹脂の部分６１と硬化しなかったエポキシ樹脂の部分６２とを含み、硬化しなかったエポキシ樹脂の部分６２が、周囲電極４２と中心電極４３に対応する。

図６は、第５の工程として、紫外線照射により露光処理された薄膜部材３０の現像工程を示す。露光処理された薄膜部材３０は、現像液のアルカリ水溶液に含侵され、硬化しなかったエポキシ樹脂は溶解し、硬化したエポキシ樹脂は残留する。現像液は、環境に対する影響を抑制するために、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム等のアルカリ性水溶液あるいはＮ−メチルピロリドン等の有機溶液が用いられている。この工程の結果、硬化しなかったエポキシ樹脂の溶解により、カーボン繊維シート２０の周囲電極４２と中心電極４３に対応する部分が露出する。

図７Ａは、第６の工程として、電解溶液によるメッキ電極析出工程の原理図を示している。アノード（陽極）としての銅板７０と、薄膜部材７１（３０）の保持しろ２２を介して、現像処理された、被メッキ物であるカソード（陰極）としての薄膜部材７１（３０）とを、直流電源Ｅに接続し、銅板７０と薄膜部材７１とを、硫酸銅溶液槽７２に浸漬する。硫酸銅溶液槽７２に浸漬された銅板７０と薄膜部材７１とに、直流電源Ｅから直流電圧
が印加されると、薄膜部材７１において、カソード反応（Ｃｕ^２＋＋２e^-→Ｃｕ）が起こり、銅板７０において、アノード反応（Ｃｕ→Ｃｕ^２＋＋２e^-）が起こる。

即ち、直流電源Ｅから直流電圧を印加すると、溶液中で硫酸銅と硫酸は、それぞれ解離して、Ｃｕ^２＋、Ｈ^＋、ＨＳＯ_４ ⁻、ＳＯ_４ ^２−イオンとして存在している。電子は溶液中に入り込めないので、溶液中において電流はこれらのイオンの移動により運ばれる。被メッキ物であるカソードの薄膜部材７１に外部回路を通して電子が運ばれ、薄膜部材７１の表面（電極界面）の溶液中のＣｕ^２＋イオンを還元しで金属銅が析出し銅皮膜が形成される。この際、薄膜部材７１は、ネガフィルム４１のマスキングによって、硬化したエポキシ樹脂の部分６１と硬化しなかったエポキシ樹脂の部分６２とを含むことから、周囲電極４２と中心電極４３に対応する、硬化しなかったエポキシ樹脂の部分６２にのみ、金属銅が析出し銅皮膜が形成される。

一方、アノードの銅板７０では逆の現象が起こり、銅板７０と溶液の界面でイオン化反応が起こり、銅は電子を放出してＣｕ^２＋イオンとして溶液中に溶け出す。放出された電子は銅板７０と導線を経て直流電源Ｅの端子に入り、導線を経て薄膜部材７１に供給される。

図７Ｂは、メッキ電極析出工程を経て得られる銅電極７３を備えた薄膜部材７１の一部断面を示す。炭素とセルロース繊維との親和性が良好であることから、しっかりと繊維に固定された炭素粒子７４は、Ｃｕ^２＋イオンと結合してカーボン繊維の内部まで浸透する。そのために、析出された銅電極７３は、接触抵抗が非常に低く、剥離する事も無く、カーボン繊維シートと一体化する。従って、その導電性は極めて良い。

図７Ｃは、メッキ電極析出工程によって、多数の薄膜部材７１を製造する場合のイメージを示す。アノード（陽極）としての銅板７０と、被メッキ物であるカソード（陰極）としての薄膜部材７１（３０）とを一対として、多数の対（図では、３対）の銅板７０と薄膜部材７１とが、直流電源Ｅに接続され、硫酸銅溶液槽７２に浸漬されている。

図８Ａは、第７の工程として、ポストキュア及び仕上げ工程を施した、銅電極７３（周囲電極４２、中心電極４３）を有する薄膜部材７１を示す。メッキ電極析出工程によって銅電極７３が形成された薄膜部材７１は、付着した硫酸銅溶液が水で洗浄され、乾燥される。その後、乾燥された薄膜部材７１は、ポストキュアと呼ばれる、１５０℃の高温でエポキシ樹脂を再度熱硬化させる処理によって、安定化される。安定化された薄膜部材７１は、保護材としてポリエチレンフィルム等でラミネートされ、補強される。補強された薄膜部材７１において、形成された銅電極７３の周囲電極４２及び中心電極４３のそれぞれの一部に給電端子を形成するために、給電端子を形成する部分のラミネート部材を除去し、周囲電極４２及び中心電極４３のそれぞれの一部８１と８２を露出させ、露出した銅電極７３に、半田メッキ等を施し、それを給電端子とする。最後に、周囲電極４２の外側の不要部分を切除する。図８Ｂは、完成した円板状の平面発熱体８０の一部断面を示し、平面発熱体８０は、カーボン繊維シート２０、その両面のエポキシ樹脂の硬化層８３、更にその両面のポリエチレンフィルム等のラミネート層８４により構成され、銅電極７３には、その両面に給電端子８５が形成されている。

以上のように、第１の工程ないし第７の工程を実施することにより、電気作用により発熱するカーボン繊維シートに対して電極を形成して、円板状の平面発熱体を製造することができる。

本発明によれば、非常に脆弱で、柔軟なカーボン繊維シートに対して、金属メッキを施して電極を形成することが可能であり、カーボン繊維シートとして、カーボン繊維紙、カーボン繊維布等を使用可能であり、更に、銅の替わりに、銀、金等の金属メッキがカーボン繊維シートの表面だけでなく高い密度で繊維内部まで金属を析出することが可能である。

図９Ａは、本発明により製造された電極を備えた円板状の平面発熱体８０の使用形態を簡単に示している。周囲電極（正電極）の給電端子８４ａと中心電極（負電極）の給電端子８４ｂとの間に電源Ｅを接続すると、カーボン繊維シートが、その抵抗値に応じた電力で発熱する。

同様に、図９Ｂは、本発明により製造された電極を備えた円板状の平面発熱体８０の使用形態を簡単に示し、周囲電極の給電端子８４ａと中心電極の給電端子８４ｂとの間に電源Ｅを接続したとき、周囲電極から中心電極に向かう電気力線９０の方向を示している

２０：カーボン繊維シート
２１：シルクスクリーン版
２３：絶縁膜
３０：薄膜部材
４０：原版
４１：ネガフィルム
４２：周囲電極
４３：中心電極
６１：硬化したエポキシ樹脂の部分
６２：硬化しなかったエポキシ樹脂の部分
７０：銅板
７３：銅電極
８０：平面発熱体
８２：エポキシ樹脂の硬化層
８３：ラミネート層

Claims (8)

1. 電気作用により発熱する平面発熱体のための電極を製造する方法において、
   前記平面発熱体の両面にエポキシ樹脂の薄膜印刷を行なうことよって、前記平面発熱体に絶縁膜を塗布した薄膜部材を形成する第１の工程と、
   前記薄膜部材を加熱することによって乾燥する第２の工程と、
   前記平面発熱体の電極部分を任意の形状かつ任意の位置に設計して原版を作成し、前記原版に撮影フィルムを重ねて、露光処理により紫外線露光マスク用のネガフィルムを形成する第３の工程と、
   前記薄膜部材の両面に前記ネガフィルムをそれぞれ重ねて、前記ネガフィルムのマスキングを介して前記薄膜部材の両面に紫外線を照射することによって、硬化したエポキシ樹脂の部分と硬化しなかったエポキシ樹脂の部分とを含む、薄膜部材を形成する第４の工程と、
   紫外線を照射された薄膜部材を現像液に含侵して現像処理し、硬化しなかったエポキシ樹脂を溶解することによって、前記平面発熱体の露出により電極部分を形成する第５の工程と、
   アノードとしての金属板と、現像処理された、被メッキ物であるカソードとしての薄膜部材とを、電源に接続するとともに、電解溶液槽に浸漬し、イオン化反応により、前記平面発熱体の露出による電極部分に、金属を析出して電極を形成する第６の工程と、
   を含むことを特徴とする平面発熱体のための電極を製造する方法。
2. 前記電極が形成された薄膜部材に付着した電解溶液が洗浄され、乾燥され、その後、乾燥された前記薄膜部材が、前記硬化したエポキシ樹脂を高温で再度熱硬化させて安定化される第７の工程を更に含む請求項１に記載の方法。
3. 前記安定化された薄膜部材が、保護材としてポリエチレンフィルムでラミネートして補強される第８の工程を更に含む請求項２に記載の方法。
4. 前記電解溶液が硫酸銅溶液であり、前記平面発熱体の露出される電極部分に、金属銅を析出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
5. 前記平面発熱体が、円板状のカーボン繊維シートであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
6. 前記平面発熱体の露出される電極部分が、前記平面発熱体の周囲電極及び中心電極として形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
7. 前記周囲電極の一部及び前記中心電極の一部に、それぞれ給電端子を設けることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の方法により製造される電極を備えた平面発熱体。