JP5643250B2 - 面状発熱体および面状発熱体システム - Google Patents

Description

本発明は、面状発熱体および面状発熱体システムに関する。

浴室や洗面所では、鏡を見ようとした時に、曇って見えなくなってしまうことが良くある。このような曇りを防止（防曇）するために、従来から種々の試みがなされている。

例えば特許文献１には、防曇に用いる面状発熱体の技術が開示されている。図１３（ａ）は、この面状発熱体を示す断面図である。基板１０１の上に抵抗体膜から成る発熱体１０２、配線１０３設けられている。これら３つの要素によりヒータユニット１０４が形成される。ヒータユニット１０４は２枚の防水シート１０５で挟まれており、周囲に形成されたヒートシール１０６によって封止されている。配線１０３が設けられた側の防水シート１０５には穴１０７が形成されている。防水シート１０５上には、穴１０７に連通する穴を有するキャップ１０８が設けられている。さらに、この穴１０７を通して給電線１０９が配設されている。給電線１０９は配線１０３に接続される。また給電線１０９は防水被覆１１０によって被覆されている。キャップ１０８と防水シート１０５の接続部、および給電線１０９とキャップ１０８の接続部は接着剤１１１によって封止されている。以上のような構成とすることにより、発熱体１０２を含むヒータユニット１０４は液密に保持される。このため面状発熱体に水が掛かってもヒータユニット１０４が水に触れることがない。以上の構成により、水の多い環境にあっても安定な動作が確保される。

図１３（ｂ）はヒータユニット１０４の構成を示す平面図である。配線１０３は２つに分かれており、それぞれが櫛歯状に形成されている。この櫛歯の間にストライプ状に発熱体１０２が形成されている。配線１０３に電圧を印加し発熱体１０２に電流を流すことにより、発熱体１０２が発熱する。以上のような構成とすることにより、面状発熱体は面内一様に発熱する。このため本技術による面状発熱体を鏡の裏面に密着させれば、均一で効率の良い防曇が可能になる。

また特許文献２には特許文献１の防水シートに代えて、防水性、防湿性、耐熱性、耐薬品性を有する多層フィルムを用いて、ヒータユニットをラミネートすることにより、耐薬品性も向上させた面状発熱体の技術が開示されている。

また、特許文献３には特許文献１と同様の構造において、発熱体として、ＰＴＣ発熱体（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ発熱体）を用いる構成が示されている。ＰＴＣ発熱体は正の抵抗温度係数を有する物質であり、所定の温度に達すると急激に抵抗が上昇する。このため、低温では電流が流れて発熱し、所定温度まで温度が上昇すると、電流が流れなくなって発熱が止まるように動作する。この動作により温度を一定に保つことができる。

特開平１０−３０２９４２号公報 特許第３０１０５５０号公報 特開平１０−１７９３５０号公報

特許文献１、２の第１の問題点は、水蒸気による腐食の虞があることである。これらの構成では、シール材等で接続部を封止しているが、水蒸気はわずかな隙間でも浸入するため、水蒸気を完全にシャットアウトすることは困難である。そして、一旦水蒸気が浸入すると、密閉構造に阻まれて水分は外部に放出され難い。このため時間の経過とともに配線や発熱体が腐食される虞がある。なお特許文献３においては接続部の詳細は明らかにされていないが、図面を参照すると、同様な構造を想定しているものと推測される。

また第２の問題点はコストが高いことである。従来の技術では、電力を供給するための導線を、防水機能を有するシートの穴を介してヒータユニットに接続している。そして接続部はシール材などで封止されている。このような封止構造を形成するためには、専用の部材が必要であり、加工の手間も必要となる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、水蒸気が浸入してもこれを排除でき、かつ安価な、面状発熱体を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の面状発熱体では、絶縁性かつ不透水性の基板上に、発熱抵抗体と配線と受電コイルとが電気的に接続された回路部、を有し、前記回路部を取り囲んでシール部が設けられ、前記回路部を覆って透湿防水シートが設けられ、前記基板と前記透湿防水シートと前記シール部によって、前記回路部が液密に封止されている。

本発明によれば、水蒸気が浸入してもこれを排除でき、かつ安価な、面状発熱体を構成することができる。

第１の実施の形態の面状発熱体を示す平面図である。 第１の実施の形態の面状発熱体を示す断面図である。 第１の実施の形態の面状発熱体の製造方法を示す断面図である。 第２の実施の形態の面状発熱体を示す平面図である。 第３の実施の形態の面状発熱体システムを示す断面図である。 第３の実施の形態の等価回路を示す回路図である。 第４の実施の形態の面状発熱体システムを示す断面図である。 第５の実施の形態の面状発熱体システムを示す断面図である。 第６の実施の形態の面状発熱体システムを示す断面図である。 第７の実施の形体の支持部材を示す断面図である 第８の実施の形体の面状発熱体を示す断面図である 第９の実施の形体の面状発熱体を示す断面図である 従来の技術の面状発熱体を示す断面図である

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による面状発熱体１を示す一部破断平面図である。

不透水性で絶縁性の基板１の上に、ＰＴＣ発熱体２がストライプ状に設けられている。ここで、ＰＴＣ発熱体２のＰＴＣとはＰｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔの略であり、正の抵抗温度係数を持つ物質のことである。ＰＴＣ発熱体２では所定の温度以上では急激に抵抗が増大し電流が流れにくくなる。このため、電圧を印加し続けても、所定温度で発熱が止まる。この作用によりＰＴＣ発熱体２は、自身を所定温度に保つように動作する。

ＰＴＣ発熱体２は基板１の面上に、概ね均等に並ぶように配置される。基板１の外周近傍には２つの配線３が設けられている。ＰＴＣ発熱体２は配線３に対して並列に接続される。その上には電力を受け取るための受電コイル４が、ＰＣＴ発熱体２および配線３と絶縁された状態で設置されている。受電コイル４の端子と配線３の端子とはリード線５によって電気的に接続される。以降、ＰＴＣ発熱体２、配線３、受電コイル４、リード線５で構成される回路を内部回路と呼ぶこととする。

内部回路を覆うように、透湿防水シート６が設けられる。透湿防水シート６は基板１の外周近傍に設けられた不透水性のシール材７によって、基板１に接着される。シール材７は内部回路全てを取り囲むように基板１の外周部に設けられる。したがって、内部回路は、基板１、透湿防水シート６、およびシール材７によって、外界に対して液密に封止される。このように、本発明では内部回路と外部回路とを接続する引き出し配線が無いため、透湿防水シート６や基板１およびシール材７に引き出し配線用の開口部が存在しない。なお基板１と透湿防水シートとがヒートシールを適用可能な材料である場合には、シール材７を用いずにヒートシールによって封止を行っても良い。

また基板１上には、面状発熱体の受電状況や動作状況を表示するインジケータ８を内部回路構成要素として設けても良い。この場合、インジケータ８は配線３と接続される。

なお図１では、受電コイル４は基板１の鉛直方向に回転軸を有するドーナッツ型に描いているが、例えば、これと垂直な向きでコアを有するようなカプラタイプのものであっても良い。どのようなコイルとするかは給電側の仕様に合わせて決定され、種々の形体をとり得るものである。

図２は図１のＡ−Ａ‘における断面図である。図２に示すように、基板１上に配置された内部回路は、基板１とシール材７および透湿防水シート６によって液密に封止される。以上のように、本実施の形態による面状発熱体では、外部に引き出される配線が存在しない。このため透湿防水シート６や基板１、シール部７に穴が存在せず、水に対する封止が容易であり、信頼性も高い。さらに穴あけや、配線の位置合わせ、穴の周囲の防水などの加工が不要であり、部材や加工の手間を従来よりも大幅に削減することができる。

次に本実施の形態における面状発熱体の製造方法について説明する。図３は本実施の形態における面状発熱体の製造方法を示す断面図である。まず図３（ａ）のように、基板１の上にＰＣＴ発熱体２のパターンを形成する。基板は不透水性かつ絶縁性で、耐熱性（例えば100℃程度）を有するものを用いる。例えば、ＰＥＴ、ポリイミド、ＡＢＳ、ポリカーボネイトなどの樹脂を用いることができる。また熱伝導性が高いことが望ましいため、熱伝導性を高めたポリフェニレンサルファイドやポリブチレンテレフタレート、あるいは前記の樹脂に熱伝導性を付与したものが好適である。ＰＣＴ発熱体２はスクリーン印刷等を用いて原料のペーストを塗布し、硬化して形成する。ＰＴＣ発熱体２の材料としてはカーボン粒子を樹脂中に分散させたものや、グラフトカーボンを用いたものが好適である。またニッケル合金などの金属微粒子を樹脂中に分散させたものを用いても良い。

次に図３（ｂ）のように配線３のパターンを形成する。パターンの形成は、スクリーン印刷などによって原料となるペーストを塗布する。次いで熱硬化などによって硬化する。配線３の材料としては、低抵抗であることが望ましく、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎやこれらの合金などの微粒子をバインダーで固化したものが好適である。

次に図３（ｃ）のように接着剤、粘着テープなどを用いて受電コイル４を設置する。また、リード線５を用いて、受電コイル４の端子を半田付けなどによって配線３と接続する。受電コイル４は巻き線コイルであり、端子以外は絶縁性のパッケージに収納されていることが望ましい。また受電コイル４の仕様は送電側との整合を取って決められる。なお、図示はしていないが、配線の接続部は、エポキシやシリコーンなどの防水樹脂によって封止されることが望ましい。

次に図３（ｄ）のように、接着剤、粘着テープなどによってインジケータ８を設置し、半田付け、ワイヤボンディングなどによって配線３と接続する。

次に図３（ｅ）のように、ディスペンスなどによってシール材７のパターンを形成する。シール材７は防水性の樹脂であり、エポキシ、シリコーン、ウレタン、ポリエステルなど種々の樹脂を用いることができる。

次に図３（ｆ）のように透湿防水シート６を貼着する。次いでシール材７を硬化させ、面状発熱体１が完成する。透湿防水シート６は水蒸気を通し、水は通さない性質を持ったシートである。アパレル用や建材用に種々のものが販売されているが、本発明にもこれらのものが適用できる。代表的なものに高密度ポリエチレン不織布やポリエステル不織布がある。なお透湿防水シート６が基板１に対してヒートシール可能なものであれば、シール材７を用いず、ヒートシールで透湿防水シート６と基板１を接着しても良い。

次に本実施の形態の面状発熱体の動作について説明する。まず受電コイル４が電力を受け取る。すると２つの配線３の間に電位差が発生する。そしてＰＴＣ発熱体２に電流が流れ発熱する。ＰＴＣ発熱体２は面内ほぼ均等に分布しているので、基板１の温度も面内一様に上昇する。さらにＰＴＣ発熱体２の温度が上昇し所定温度になると、ＰＴＣ発熱体２の抵抗が急激に増大し、発熱が止まる。このため面状発熱体は、温度を一定に保つように動作する。

ここで、面状発熱体が浴室や洗面所など水気が多く、多湿となりやすい環境に置かれた場合を考える。まず水が掛かった場合を考えると、面状発熱体は液密に封止されているため、内部に水が浸入することはない。次に多湿な環境に置かれた場合を考える。透湿防水シート６は水蒸気を通すため、外気の湿度上昇に伴って面状発熱体内部の湿度も上昇する。この状態で受電コイル４に電力を供給すると、ＰＴＣ発熱体２が発熱する。すると面状発熱体内部の温度が上昇し、内部に入った水分は蒸発して外界に放出される。また、ＰＴＣ発熱体２の温度上昇に伴い、基板１の温度も上昇する。このため、基板１の外側の面には曇りや結露が生じない。このようにして、多湿な環境に置かれても、本発明の面状発熱体は、表面に曇りや結露を生じることが無い。さらに面状発熱体の内部は乾燥した状態に保たれる。

次に、シールの一部に欠陥が生じ、面状発熱体内部に水分が入ってしまった場合を考える。この場合も前記と同様な作用により、面状発熱体内部の水分は水蒸気となって外部に放散される。

以上のような動作により、ＰＴＣ発熱体２や配線３などの構成要素には、水分の作用による腐食が生じない。さらに、シールに欠陥が生じたとしても、水分が排除され腐食は生じない。こうして面状発熱体の性能は、多湿な環境にあっても維持されることとなる。

なお、基板１として鏡を用いた場合は、面状発熱体自体が防曇鏡となる。また基板１は絶縁性、不透水性、耐熱性を有していれば良いため、本実施の形態の技術は、タイルや、壁紙などにも適用できる。
（第２の実施形態）
図４は本発明第２の実施の形態を示す平面図である。本実施の形態では、２つの配線３を櫛歯形状とし、互いに対向させている。そしてＰＴＣ発熱体２はこれらの配線間を連結するように、ストライプ状に形成されている。本実施の形態では第１の実施の形態よりも、発熱箇所が細かく分割されているため面状発熱体温度の面内均一性が向上する。
（第３の実施形態）
図５は本発明の第３の実施形態を示す断面図である。本実施の形態は、面状発熱体に加えて、電力を供給する電力ユニット９を備えた面状発熱体システムである。電力ユニット９は、電源回路１０と、送電コイル１１と、給電線１２を備えている。ここでは面状発熱体システムが壁１３に設置された例を示している。面状発熱体は支持部材１４によって壁１３に取付けられている。なお壁１３はワイヤレス給電を行うために、絶縁体でなければならない。

図５のように、電力ユニット９と面状発熱体は壁１３を挟んで対向して設置される。また送電コイル１１と受電コイル４とは位置を合わせて設置する必要がある。電磁誘導方式で送電する場合、周波数は１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚが好適である。このとき伝送距離は数ｃｍ程度となるため、壁１３はこれより薄いことが望ましい。

図６は本実施の形態による面状発熱体システムの等価回路である。まず送電コイル１１によって発生した磁力線１５が壁１３を透過する。磁力線１５は周期的に変動し、その変動により受電コイル４に誘導電流が発生する。こうして、面状発熱体に電力が供給される。なお面状発熱体を受信した電力よりも低い周波数で、面状発熱体を動作させるために、受電コイル４と配線３の間に周波数変換回路を設けても良い。
（第４の実施形態）
図７は本発明第４の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態では、受電コイル４に接続された共振回路１６と、電源回路１１に接続された共振回路１６が設けられている。この構成により、送電回路と受電回路が共振するようになっており、送受電は磁気共鳴方式によって行われる。周波数は数十ｋＨｚ〜数百ＭＨｚが好適である。磁気共鳴方式では、伝送距離が長いため、電磁誘導方式の場合よりも厚い壁に対しても、面状発熱体システムが構築できる。また第３の実施の形態と同様、周波数変換回路を設けても良い。
（第５の実施の形態）
図８は第５の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態では第４または第５の実施の形態の面状発熱体システムにおいて、面状発熱体に接して防曇対象物１７を配置している。防曇対象物１７は支持部材１４によって壁に取付けられている。防曇対象物１７は基板１に密着していることが望ましい。そのため、図８の例では接着層１８を設けている。面状発熱体の熱を効率良く伝えるため、接着層１８は熱伝導性の高い材質のものが望ましい。例えば熱伝導性の両面テープなどが好適である。なお壁１３や支持部材１４を用いて、密着構造が取れる場合には接着層１８は必須ではない。防曇対象物１７としては鏡、タイル、壁紙、写真、絵画など様々なものを用いることができる。鏡に適用した場合が、防曇鏡である。
（第６の実施の形態）
図９は本発明第６の実施の形態を示す斜視図である。本実施の形体は実施の形態５で説明した面状発熱体システムにおける支持部材１４の形状に関する。支持部材１４は側面に通気口１９を設けている。これは面状発熱体が動作したときに、放出される水蒸気を外界に逃がす役割を果たす。また、支持部材１４の下部に排水口２０を設けても良い。これは支持部材１４の内部に水が溜まるのを防ぐ役割を果たす。なお排水口２０は常時開口している必要はないので、通常はふたをしておく構造としても良い。
（第７の実施の形態）
図１０は本発明第７の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態では、第６の実施の形態の支持部材１４の通気口１９に、シール材７を介して透湿防水シート６が貼付されている。この構造とすることにより、通気口１９からの水の浸入が防止される。同時に通気口１９から外界への水蒸気放出が可能となる。
（第８の実施の形態）
図１１は第８の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態では、面状発熱体の外皮となる透湿防水シート６の一端を、図１１（ａ）のように、余白６‘として基板１の外側まで延伸している。そして、この面状発熱体を支持部材１４に取付けるときに、余白６’を、図１１（ｂ）のように支持部材１４と防曇対象部１７との間に挟み込む。このようにすると基板１と透水防湿シート６との接着面から水や、洗剤などが浸入し難くなり、面状発熱体の耐久性が一段と向上する。
（第９の実施の形態）
図１２は本発明第９の実施の形態を示す一部破断平面図である。本実施の形態では受電コイル４と配線３の間に、湿度センサ／スイッチ２１を備えている。湿度センサ／スイッチは、湿度センサの測定結果に応じて、回路をオン／オフする機能を有する。例えば湿度５０％でオン、３０％でオフとなるように設定しておけば、面状発熱体内部は常に湿度５０％以下に保たれる。また湿度が３０％未満の場合は電力を消費しないので、電力が節約される。また、湿度センサ／スイッチ２１や電源回路１０にマイコンを組み込んでおいて、湿度センサ／スイッチ２１がオフの場合は、電源回路１０がスリープモードになるように設定しておけば、さらに消費電力が節約される。本実施の形態は、実施の形態１〜９、すべてに適用可能である。

１ 基板
２ ＰＴＣ発熱体
３ 配線
４ 受電コイル
５ リード線
６ 透湿防水シート
７ シール材
８ インジケータ
９ 電力ユニット
１０ 電源回路
１１ 送電コイル
１２ 給電線
１３ 壁
１４ 支持部材
１５ 磁力線
１６ 共振回路
１７ 防曇対象物
１８ 接着層
１９ 通気口
２０ 排水口
２１ 湿度センサ／スイッチ
１０１ 基板
１０２ 発熱体
１０３ 配線
１０４ ヒータユニット
１０５ 防水シート
１０６ ヒートシール
１０７ 穴
１０８ キャップ
１０９ 給電線
１１０ 防水被覆
１１１ 接着剤

Claims (9)

1. 絶縁性かつ不透水性の基板上に、発熱抵抗体と配線と受電コイルとが電気的に接続された回路部、を有し、前記回路部を取り囲んでシール部が設けられ、前記回路部を覆って透湿防水シートが設けられ、前記基板と前記透湿防水シートと前記シール部によって、前記回路部が液密に封止され、前記受電コイルと前記抵抗発熱体との間に湿度センサと、前記湿度センサの出力に応じて回路をオン／オフするスイッチとを備えている、ことを特徴とする面状発熱体。
2. 前記透湿防水シート、前記基板、前記シール部のいずれにも、配線のための開口部を持たない、ことを特徴とする請求項１記載の面状発熱体。
3. 前記発熱抵抗体がＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）発熱体である、ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の面状発熱体。
4. 前記受電コイルが、外界の作用による磁界の変動によって電力を発生し、前記電力により前記発熱体が発熱する、ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の少なくともいずれかに一項に記載の面状発熱体。
5. 前記発熱抵抗体が、ストライプ状、あるいはドット状に、前記基板面にほぼ均等に分布している、ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の少なくともいずれかに一項に記載の面状発熱体。
6. 前記湿度センサの出力が、予め定められた第１の所定値以上になったときに前記スイッチがオンになり、前期湿度センサの出力が予め定められた第１の所定値より低い、第２の所定値未満となったときに、前記スイッチがオフとなる、ことを特徴とする請求項１乃至請求項５いずれか一項に記載の面状発熱体。
7. 請求項４乃至請求項６いずれか一項に記載された面状発熱体と、外部に磁界を発生する送電コイルを備えた電力ユニットとを有し、前記送電コイルが発生する磁界の作用により、前記受電コイルに電力が発生し、この電力により前記面状発熱体が発熱する、ことを特徴とする面状発熱体システム。
8. 前記面状発熱体に対し、曇りを防止すべき面状の対象物が密着するように取付けられている、ことを特徴とする請求項７記載の面状発熱体システム。
9. 前記面状の対象物が鏡であること、を特徴とする請求項８記載の面状発熱体システム。

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