JP6666014B2 - 面発熱体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、面発熱体及びその製造方法に関する。

自動車等のシートヒーター、自動車のステアリングヒーター、単車のグリップヒーター、床暖房及び電気カーペット等の民生品のほか、各種の配管やタンク、あるいはビニールハウス等において使用される凍結防止用部材及び融雪ヒーター等の、凍結対策品や雪対策品、並びに育苗用保温シート、電熱ウェア等の幅広い分野において、各種の面発熱体が用いられている。

従来の面発熱体としては、基材上にニクロム線をパターニングしたものや、基材上に金属箔をめっき又はアルミ蒸着等の方法により貼り付けたもの、導電繊維を織り込んだもの、又は編み込んだもの等が使用されている。

特開２００７−２２０６１６号公報 特開２００３−２５７５９７号公報

面発熱体として従来用いられている、基材上にニクロム線をパターニングしたものは、ニクロム線に由来する凹凸が表面上に現れ易いという問題があった。この凹凸を目立ちにくくするために表面に厚いシートを被せることもできるが、この場合は発熱効率が落ちてしまうという問題があった。また、この面発熱体は消費電力の点でも改良すべき余地があった。

また、面発熱体として使用されている、基材上に金属箔をめっき又はアルミ蒸着等の方法により貼り付けたものも、ある程度の厚さのあるものを基材として用いる必要があった。また、この面発熱体では、元の基材の風合い、物性その他の特性を維持することができず、結果的に伸縮性や柔軟性に乏しいものとなり、加工性や取り扱いの面で問題があった。具体的には、例えば折り曲げ時に金属箔にクラックが生じ、その場所で断線してしまい、性能が劣化するといった問題があった。

そこで、本発明は、表面に凹凸が生じず、消費電力に優れ、かつ伸縮性及び柔軟性に優れる面発熱体を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討を重ね、支持層及び金属層を有する、厚さが３μｍ〜１ｍｍ程度の面発熱体は、表面に凹凸が生じず、消費電力に優れ、かつ伸縮性及び柔軟性に優れることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいてさらなる試行錯誤を経て完成されたものであり、以下の態様を含む。
項１．
（Ａ）支持層；及び
（Ｂ）金属層
を含有し、
前記金属層（Ｂ）が、前記支持層（Ａ）の少なくとも一方の面に、直接又は一以上の他の層を介して配置されている面発熱体であって、
厚さが３μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする面発熱体。
項２．
前記金属層（Ｂ）が、銅、アルミ、ニッケル、スズ及び銀、並びにこれら金属の１種以上を含有する合金からなる群より選択される少なくとも一種の金属を有する、項１に記載の面発熱体。
項３．
銅を含有する前記合金が銅ニッケル合金又は銅亜鉛合金である、項２に記載の面発熱体。
項４．
前記金属層（Ｂ）が、０．５ｇ／ｍ^２〜３０ｇ／ｍ^２配置されている、項１〜３のいずれか一項に記載の面発熱体。
項５．
前記金属層（Ｂ）が、スパッタリング層、蒸着層又はメッキ層である、項１〜４のいずれか一項に記載の面発熱体。
項６．
前記金属層（Ｂ）が、前記支持層（Ａ）の両方の面に、直接又は一以上の他の層を介して配置されている、項１〜５のいずれか一項に記載の面発熱体。
項７．
前記支持層（Ａ）が、表皮材である、項１〜５のいずれか一項に記載の面発熱体。
項８．
項１〜７のいずれか一項に記載の面発熱体を製造する方法であって、
前記金属層（Ｂ）をスパッタリングにより形成する工程
を含む方法。

本発明によれば、表面に凹凸が生じず、消費電力に優れ、かつ伸縮性及び柔軟性に優れる面発熱体を提供することができる。

スパッタリング装置の一例を示す縦断面図である。

１．面発熱体
本発明の面発熱体は、
（Ａ）支持層；及び
（Ｂ）金属層
を含有し、
前記金属層（Ｂ）が、前記支持層（Ａ）の少なくとも一方の面に、直接又は一以上の他の層を介して配置されている面発熱体であって、
厚さが３μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする面発熱体である。

ニクロム線等の電熱線が発熱体として配置された従来の面発熱体では、電熱線に由来する凹凸が表面に生じていた。また、基材上に金属箔をめっき又はアルミ蒸着等の方法により貼り付けたもの従来の面発熱体では、ある程度の厚さのあるものを基材として用いる必要があったため全体が厚くなり、また元の基材の風合い、物性その他の特性を維持することができず、結果的に伸縮性や柔軟性に乏しいものとなり、加工性や取り扱いの面で問題があった。

これに対して、本発明の面発熱体は、金属層を発熱体として用いているため表面に凹凸が生じないという利点がある。また、本発明の面発熱体は、薄い支持層と薄い金属層から構成されているため、全体が薄く、支持層自体の風合い、物性その他の特性を維持することができ、結果的に伸縮性や柔軟性に優れたものとすることができるという利点をも有する。

本発明において、用語「層」には、連続的な層に限られず、不連続なもの（例えば、織物等）も含まれる。

１．１ 支持層（Ａ）
支持層（Ａ）は、特に限定されず、面発熱体の用途に応じて幅広く選択することができる。

支持層（Ａ）の厚さは、特に制限されず、通常、３μｍ〜１ｍｍである。本発明の面発熱体における金属層（Ｂ）の厚さは、前記支持層（Ａ）の厚さに比べて非常に薄いので、本発明の面発熱体が支持層（Ａ）及び金属層（Ｂ）のみから実質的になる場合、その厚さは、前記支持層（Ａ）の厚さと実質的に同じである。

支持層（Ａ）は、特に限定されないが、織物、編み物や表皮材であってもよいし、シートであってもよい。

支持層（Ａ）が織物や編み物である場合、それを構成する繊維は、特に限定されないが、合成繊維であってもよい。

本発明における合成繊維は、好ましくは、ポリエステル繊維である。

当該ポリエステル繊維を構成するポリエステルの例としては、ポリエチレンテレフタレート、変性ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート（例、ポリエチレン−２，６−ナフタレート）等が挙げられる。

前記合成繊維は、好ましくは、モノフィラメントである。

支持層（Ａ）が表皮材である場合、特に限定されず、用途に応じて幅広く選択することができる。

上記において表皮材は、特に限定されないが、例えば、合成皮革、合成樹脂等が挙げられる。特に限定されないが、合成皮革としては、例えば、ポリウレタン及び塩化ビニル等が挙げられる。合成樹脂としては、特に限定されないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリオレフィン等が挙げられる。

また、上記において表皮材は、これらの素材を複数種組み合わせたものであってもよい。

表皮材の厚さは、特に限定されず、例えば、３０μｍ〜３００μｍであってもよい。

支持層（Ａ）がシートである場合、その素材としては、特に限定されないが、例えば、不織布及び紙、並びにフィルム等が挙げられる。

１．２ 金属層（Ｂ）
本発明の面発熱体は、金属層（Ｂ）が、前記支持層（Ａ）の少なくとも一方の面に、直接又は一以上の他の層を介して配置されている。

金属層（Ｂ）は、ジュール熱によって発熱する。

金属層（Ｂ）は、前記支持層（Ａ）の両方の面に、直接又は一以上の他の層を介して配置されていてもよい。この場合、発熱効率の点で有利である。

金属層（Ｂ）は、特に限定されないが、好ましくは、銅、アルミ、ニッケル、スズ及び銀、並びにこれら金属の１種以上を含有する合金からなる群より選択される少なくとも一種の金属を含有する。銅を含有する合金としては、特に限定されないが、例えば、銅ニッケル合金及び銅亜鉛合金等が挙げられる。金属層（Ｂ）は、より好ましくは、銅ニッケル合金又はニッケル（単体）を含有する。

金属層（Ｂ）は、その下地となる層の面積当たり、好ましくは０．５ｇ／ｍ^２〜３０ｇ／ｍ^２配置されている。また、前記数値範囲において、下限値としては、１ｇがより好ましい。前記下限値以上であると、ジュール熱による発熱効率の点で有利となる傾向がある。また、前記数値範囲において、本発明の効果の点で、上限値としては５ｇがより好ましく、３ｇがさらに好ましい。なお、これらの数値は金属の付着量として、蛍光Ｘ線法に従って測定されるものである。ここで、付着量の数値は、分析した単位面積あたりの付着金属質量である。

金属層（Ｂ）は、特に限定されないが、スパッタリング層（スパッタリングによって形成された層）、蒸着層（蒸着によって形成された層）又はメッキ層（メッキによって形成された層）とすることができる。金属層（Ｂ）は、好ましくは、スパッタリング層である。

金属層（Ｂ）は、好ましくは、アモルファス薄膜である。特に、スパッタリングによって形成された金属薄膜は、アモルファス薄膜である。

金属層（Ｂ）は、少なくともそのほぼ全体が、電気的に繋がっていて、導電性を有すること、すなわち、分断されていないことが好ましい。

１．３ 粘着層（Ｃ）
本発明の面発熱体は、必要に応じて、さらに粘着層（Ｃ）を支持層（Ａ）とは反対側の表面に有していてもよい。この粘着層（Ｃ）の働きにより、対象物に本発明の面発熱体を貼付することができる。

粘着層（Ｃ）の構成成分は、特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができる。特に限定されないが、例えば、ポリウレタン等が挙げられる。粘着層（Ｃ）はこれらのいずれか一種を単独で含有していてもよいし、複数種を組み合わせて含有していてもよい。

また、粘着層（Ｃ）は、さらに他の添加剤を含有していてもよい。

１．４ 剥離層（Ｄ）
本発明の面発熱体は、特に粘着層（Ｃ）を含有する場合、剥離層（Ｄ）を粘着層（Ｃ）と相対する面に有していると便利である。通常、対象物に本発明の面発熱体を粘着層（Ｃ）を介して貼付した後、剥離層（Ｄ）を剥離する。

剥離層（Ｄ）としては、特に限定されないが、例えば、離形紙若しくは離形フィルム、又は織物若しくはニット等が使用できる。

１．５ 基布（Ｅ）
本発明の面発熱体は、剥離層（Ｄ）（ただし、剥離層（Ｄ）は、必要に応じて配置される）側から順に、支持層（Ａ）、面発熱体（Ｂ）、粘着層（Ｄ）及び基布（Ｅ）が配置されていてもよい。このとき、左記の各要素の間には必要に応じて他の要素（層、部材等）が介在していてもよい。

基布（Ｅ）としては、特に限定されないが、例えば、ポリエステル、ナイロン、レーヨン及び綿等が使用できる
本発明の面発熱体は、必要に応じて、さらに他の層を含有していてもよい。

１．３ 具体的な使用方法等
本発明の面発熱体は、流通時における破損等から保護する目的で、強度の高い他の支持層に離型材を介して貼り付けられていてもよい。この場合、発熱体として使用する際には他の支持層から剥離する。

本発明の面発熱体は、特段の事情の無い限り、面状のスペースにおいて熱が必要とされているあらゆる用途において使用することができ、その具体的な用途は特に限定されない。用途の具体例としては、特に限定されないが、自動車等のシートヒーター、自動車のステアリングヒーター、単車のグリップヒーター、床暖房及び電気カーペット等の民生品のほか、各種の配管やタンク、あるいはビニールハウス等において使用される凍結防止用部材及び融雪ヒーター等の、凍結対策品や雪対策品、並びに育苗用保温シート、電熱ウェア等が挙げられる。
２．面発熱体の製造方法
本発明の前記面発熱体を製造する方法は、
前記金属層（Ｂ）をスパッタリングにより形成する工程
を含む方法である。

このスパッタリング工程に供するため、支持層（Ａ）を含むシート（非処理シート）を用意する。この非処理シートは、好ましくは長尺である。

合成繊維は表面が疎水性である場合が多く、スパッタリング加工において静電気障害が発生しやすいが、帯電防止処理によって、帯電防止処理面の反対側の面に対してスパッタリングを実施した場合であっても静電気障害を防止又は抑制でき、その結果、本発明の面発熱体の生産性が向上する。

帯電防止処理の方法は、例えば、非処理シートの表面への帯電防止剤の噴霧が好ましい。

帯電防止剤は、陰イオン性界面活性剤、陽イオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤、又は両性界面活性剤等の帯電を防止又は抑制する効果を有する従来公知の界面活性剤を主成分として含有するものが挙げられる。

帯電防止剤の量は、帯電を防止又は抑制できる程度であればよく、通常、非処理シートの重量に対して、１重量％未満である。

金属薄膜の非処理シートに対する密着性の観点から、帯電防止処理を行ったのとは反対側の面に対してスパッタリングを実施することが、好ましい。

以下に、一例として、スパッタリングによるステンレス鋼のアモルファス薄膜形成について、図１を参照しつつ、説明する。

図１は、スパッタリング装置の一例を示す縦断面図であり、密閉可能なケーシング１０が水平方向の仕切り板１１によって下側のスパッタ室１２と上側のロール室１３とに分けられ、下側のスパッタ室１２の中央にステンレス鋼からなる平板状のターゲット１４が中空のターゲットソース１５上に固定され、このターゲットソース１５に通される冷水によって下面側から冷却されるようになっている。このターゲット１４の上方左右にアノード１６が水平に設置される。一方、上側のロール室１３の下部に水冷シリンダー１７が水平に、かつ回転自在に設置され、その下半部が仕切り板１１に形成した開口部１１ａからスパッタ室１２内に突出する。そして、ロール室１３の上部右側に非処理シートの送り出し軸１８が、また上部左側に非処理シートの巻取り軸１９がそれぞれ水平に、かつ回転自在に設置され、送り出し軸１８に巻かれている非処理シートが引出され、右上部のガイドローラ２０を経て前記水冷シリンダー１７に巻回され、左上部のガイドローラ２０を経て巻取り軸１９に巻付けられる。なお、スパッタ室１２には第２の真空ポンプ２１が、またロール室１３には第１の真空ポンプ２２がそれぞれ接続される。

好ましくは、スパッタリングによる金属層（Ｂ）の被覆の前に、非処理シートを、例えば、１００〜１３０℃の乾燥条件下で、水分含有率が０．１重量％以下になるまで、乾燥する。

長尺の非処理シートは、巻芯上にロール状に巻かれ、この巻芯が密閉可能なケーシング１０内に設けられている送り出し軸１８に装着され、この送り出し軸１８上の巻芯から引出された非処理シートの先端が送り出し軸１８と平行に設けられている巻取り軸１９上の巻芯に固定される。そして、前記の送り出し軸１８及び巻取り軸１９を回転することにより、非処理シートが拡布状態で、かつ所定の速度で前送りされるが、この発明では、前記の非処理シートが送り出し軸１８及び巻取り軸１９の間で冷却され、非処理シートの表面温度が好ましくはステンレス鋼の融点（１６２０〜１７２０°Ｋ）の１／２以下、特に好ましくは１／３以下に維持される。この表面温度が前記融点（絶対温度）の１／２を超えた場合は、スパッタリングで形成されるステンレス鋼薄膜が結晶化し、アモルファス薄膜が得難くなる。

前記の非処理シートの冷却は、非処理シートを大径の水冷シリンダー１７に接触させて前送りすることによって行うことができる。また、別法として、小径の多数本の水冷ローラにガイドローラ状に圧接して前送りする方法等が例示される。なお、前記のターゲット１４も、水冷その他の冷却手段によって冷却すること、または、放熱性を良好にすることが好ましく、これによってアモルファス薄膜の形成が容易になる。前記のまたは水冷シリンダー１４に接して移動する非処理シートの片側に非処理シートの幅よりも長い棒状のアノード１６、及び平板状のステンレス鋼であるターゲット１４が、非処理シートとターゲット１４の間にアノード１６が位置するように近接させて、かつ平行に配置され、このアノード１６及びターゲット１４間に５００〜１０００Ｖの直流電圧が印加される。なお、ケーシング１０内は、あらかじめ密閉状態で減圧され、次いでアルゴンガス等の不活性ガスを導入して１×１０^−１〜１×１０^−２Ｐａ程度の不活性ガス雰囲気に形成される。

本発明の製造方法によれば、表面に凹凸が生じず、消費電力に優れ、かつ伸縮性及び柔軟性に優れる面発熱体を提供することができる。

実施例１
ポリエステル不織布（目付１５ｇ／ｍ^２）に銅及び銅合金をスパッタリング法にて付着量が３ｇ／ｍ^２の厚さになるように成膜し、面状発熱体を形成した。

面状発熱体の左右の対する辺のそれぞれに、銅箔の導電粘着テープを貼りつけて電極とし、出力ＤＣ１２Ｖ・４Ａの電源装置からそれぞれの電極に電極（＋極、−極）をそれぞれ接続し、電圧を印加させた。

即座に面状発熱体の表面の温度が４５℃まで上昇することが確認された。

実施例２
同じくポリアリレート系液晶ポリマー不織布（目付３ｇ／ｍ^２）に銅及び銅合金をスパッタリング法にて付着量が１ｇ／ｍ^２の厚さになるように成膜した。

実施例１と同様に印加させたところ、同様に発熱することが確認された。

実施例３
Ａ４版の合成皮革表皮（Ａ）に銅及び銅合金をスパッタリング法にて付着量が１５ｇ／ｍ^２の厚さになるように成膜し、面状発熱体（Ｂ）を形成した。

実施例１と同様に印加させたところ、即座に面状発熱体の表面の温度が４０℃まで上昇することが確認された。

Ｆ：非処理シート
１０：ケーシング
１１：仕切り板
１１ａ：仕切り板開口部
１２：スパッタ室
１３：ロール室
１４：ターゲット
１５：ターゲットソース
１６：アノード
１７：水冷シリンダー
１８：送り出し軸
１９：巻取り軸
２０：ガイドローラ
２１：第１の真空ポンプ
２２：第２の真空ポンプ

Claims (6)

1. （Ａ）支持層；及び
   （Ｂ）金属層
   を含有し、
   前記金属層（Ｂ）が、前記支持層（Ａ）の少なくとも一方の面に、直接又は一以上の他の層を介して配置されている面発熱体であって、
   厚さが３μｍ〜１ｍｍであり、前記金属層（Ｂ）がアモルファス薄膜であり、前記金属層（Ｂ）が、銅、アルミ、ニッケル、スズ及び銀、並びにこれら金属の１種以上を含有する合金からなる群より選択される少なくとも一種の金属を有し、且つ前記金属層（Ｂ）が５ｇ／ｍ ^２ 以下配置されていることを特徴とする面発熱体。
2. 銅を含有する前記合金が銅ニッケル合金又は銅亜鉛合金である、請求項１に記載の面発熱体。
3. 前記金属層（Ｂ）が、０．５ｇ／ｍ^２〜５ｇ／ｍ^２配置されている、請求項１又は２に記載の面発熱体。
4. 前記金属層（Ｂ）が、前記支持層（Ａ）の両方の面に、直接又は一以上の他の層を介して配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の面発熱体。
5. 前記支持層（Ａ）が、表皮材である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の面発熱体。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の面発熱体を製造する方法であって、
   前記金属層（Ｂ）をスパッタリングにより形成する工程を含む方法。

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