JP7372248B2 - シート状発熱体および発熱装置 - Google Patents
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Description
発熱体の用途に用いるシートとして、例えば、特許文献1には、体積抵抗率Rが1.0×10-7Ωcm~1.0×10-1Ωcmであり、かつ一方向に延びた複数の線状体が、互いに平行に間隔をもって配列された疑似シート構造体を有するシートが記載されている。このシートは、線状体の直径Dと隣り合う線状体同士の間隔Lとの関係が、式:L/D≧3を満たし、かつ線状体の直径Dと隣り合う線状体同士の間隔Lと線状体の体積抵抗率Rとの関係が、式:(D2/R)×(1/L)≧0.003(式中のDおよびLの単位はcmである)を満たす。
また、特許文献2には、一方向に延びた複数の金属ワイヤーが間隔をもって配列された疑似シート構造体を有する三次元成形用発熱シートが記載されている。この三次元成形用発熱シートは、金属ワイヤーの直径が7μm~75μmである疑似シート構造体と、疑似シート構造体の一方の表面上に設けられた樹脂保護層と、を有し、樹脂保護層を有する側の疑似シート構造体の表面上に設けられた層の合計の厚さが、金属ワイヤーの直径の1.5倍~80倍である。
本発明の目的は、電極に取り付けて発熱させたときに、金属ワイヤーと電極との間の接続部の抵抗を低減できるシート状発熱体、および当該シート状発熱体を有する発熱装置を提供することである。
以下、本発明について実施形態を例に挙げて、図面に基づいて説明する。本発明は実施形態の内容に限定されない。なお、図面においては、説明を容易にするために拡大又は縮小をして図示した部分がある。
本実施形態に係るシート状発熱体10は、電極に取り付けられて使用される。
本実施形態に係るシート状発熱体10は、図1及び図2に示すように、例えば、複数の金属ワイヤー22が間隔をもって配列された疑似シート構造体20と、接着剤層30とを有している。具体的には、例えば、シート状発熱体10は、接着剤層30上に疑似シート構造体20が積層されている。
つまり、本実施形態に係るシート状発熱体10では、疑似シート構造体20の第二面20Bと接着剤層30の第一接着面30Aとを対面させて、疑似シート構造体20と接着剤層30とが互いに積層されている。
第一の金属の体積抵抗率(以下、「体積抵抗率RM1」とも称する)は、3.0×10-6[Ω・cm]以上5.0×10-4[Ω・cm]以下である。
第二の金属の標準電極電位(以下、「標準電極電位EM2」とも称する)は+0.34V以上である。
「第一の金属を主成分として含む」とは、芯線全体の50質量%以上を第一の金属が占めていることを意味する。芯線全体に占める第一の金属の割合は、70質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがさらに好ましい。
「第二の金属を主成分として含む」とは、金属皮膜全体の50質量%以上を第二の金属が占めていることを意味する。金属皮膜に占める第二の金属の割合は、70質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがさらに好ましい。
本実施形態の効果が得られる理由は、以下のように推測される。
通常、複数の金属ワイヤーが配列されたシート状発熱体を電極に取り付けて用いる場合には、金属ワイヤーの体積抵抗率を比較的高くすることが必要とされる。これにより、金属ワイヤーの抵抗を上昇させることができるので、シート状発熱体を発熱させやすくすることができる。
反面、体積抵抗率が比較的高い金属ワイヤーは、標準電極電位が比較的低い傾向があるので、製造後の経時変化により、金属ワイヤーの表面に酸化被膜が生じやすいという性質を有する。表面に酸化皮膜が生成すると、金属ワイヤーと電極あるいは接続部材との間の接続部の抵抗が上昇し、その結果、金属ワイヤーと接続する電極部位が異常発熱することがある。
ここで、異常発熱とは、電極の存在しない疑似シート構造体のみが発熱している領域よりも、金属ワイヤーと電極が接続する電極部位の温度が高くなる状態をいう。
本明細書では、湿熱環境下(85℃、相対湿度85%)で20時間保管した後のシート状発熱体に対して2Vの電圧を30秒間印加したときの、金属ワイヤーと接続する電極部位の温度を異常発熱の指標として用いる。詳細は実施例の項に記載する。
本実施形態のシート状発熱体10では、疑似シート構造体20を構成する複数の金属ワイヤー22として、図3に示すように、第一の金属を主成分とする芯線221の外側に、第二の金属を主成分とする金属皮膜222を設けた金属ワイヤー22を採用する。
さらに、第一の金属の体積抵抗率RM1を3.0×10-6[Ω・cm]以上5.0×10-4[Ω・cm]以下と比較的高く設定し、かつ第二の金属の標準電極電位EM2を+0.34V以上と比較的高く設定する。
第一の金属の体積抵抗率RM1が上記範囲であることにより、芯線221が発熱しやすくなる。また、第二の金属の標準電極電位EM2が上記範囲であることにより、製造後の経時変化による金属ワイヤー22の表面(つまり金属皮膜222の表面)への酸化皮膜が生じにくくなる。
すなわち、本実施形態における金属ワイヤー22によれば、発熱体としての発熱機能と、金属ワイヤーの表面への酸化皮膜生成の抑制とのバランスを図ることができる。
また、通常のシート状発熱体は、金属ワイヤーが複数配列された疑似シート構造体を有するので、電極に取り付けて発熱させたときの異常発熱が生じやすい。しかしながら、本実施形態では、金属ワイヤー22と電極との間の接続部の抵抗を低減することができ、このような電極部位の異常発熱を防止することが可能である。
疑似シート構造体20は、一方向に延びた複数の金属ワイヤー22が、互いに間隔をもって配列された構造を有する。具体的には、例えば、疑似シート構造体20は、直線状に伸びた金属ワイヤー22が、金属ワイヤー22の長さ方向と直交する方向に、等間隔で複数配列された構造を有する。つまり、疑似シート構造体20は、例えば、金属ワイヤー22がストライプ状に配列された構造を有する。
金属ワイヤー22は、芯線221と、芯線221の外側に設けられた金属皮膜222と、を有する。
芯線221は、第一の金属を主成分として含む。なお、第一の金属は、合金を含む概念である。例えば、芯線全体の50質量%以上を真鍮が占めている場合、芯線の主成分は、合金である真鍮(第一の金属)である。
第一の金属の体積抵抗率RM1は、3.0×10-6[Ω・cm]以上5.0×10-4[Ω・cm]以下であり、3.5×10-6[Ω・cm]以上1.5×10-4[Ω・cm]以下であることが好ましく、4.0×10-6[Ω・cm]以上9.0×10-5[Ω・cm]以下であることがより好ましい。
第一の金属の体積抵抗率RM1が3.0×10-6[Ω・cm]以上であると、金属ワイヤー22が発熱しやすくなる。
第一の金属の体積抵抗率RM1が5.0×10-4[Ω・cm]以下であると、電極に取り付けて発熱させたときの電極間の抵抗が低下しやすくなる。そのため、同じ電流を得るために必要な印加電圧を小さくすることができ、最終的に得られる発熱装置の安全性に優れる。
本実施形態では、標準電極電位EM1が+0.34V未満である第一の金属を使用しても、上述のとおり、第二の金属の標準電極電位EM2が所定の範囲であることにより、製造後の経時変化による金属ワイヤー22の表面への酸化皮膜が生じにくくなる。
第一の金属の標準電極電位EM1は、以下の方法で決定される。
ただし、第一の金属がタングステンの場合、タングステンの標準電極電位は、以下のように推測される。系中に水が存在したときに、タングステン(W)から酸化タングステン(WO2)が生成されるときの電位は、-0.12Vであることから、タングステンの標準電極電位は、+0.34V未満であると推測される。
合金については、標準電極電位の小さい金属成分が先に腐食されてイオン化するため、標準電極電位が小さい金属成分の添加が少量であっても、標準電極電位が大きい金属成分よりも大幅に低い標準電極電位を示す傾向がある。例えば、第一の金属が真鍮の場合、亜鉛が先に析出すること、銅の標準電極電位が+0.34であること、および亜鉛の標準電極電位が-0.76Vであることから、真鍮の標準電極電位は、亜鉛の標準電極電位側に引き寄せられるため、+0.34V未満とする。
第一の金属としては、例えば、タングステン(5.7×10-6)、鉄(6.5×10-6)、モリブデン(5.2×10-6)、ニッケル(6.8×10-6)、およびチタン(4.2×10-5)等の金属が挙げられる。括弧内の数値は、各金属の体積抵抗率である(単位:Ω・cm)。
また、第一の金属としては、例えば、ステンレス鋼(7.3×10-5)、真鍮(7×10-6)、りん青銅(7.8×10-6)、ベリリウム銅(7.7×10-6)、鉄ニッケル(5.0×10-5)、ニクロム(1.0×10-4)、カンタル(1.45×10-4)、ハステロイ(1.3×10-4)、およびレニウムタングステン(7.5×10-6)等の合金が挙げられる。括弧内の数値は、各合金の体積抵抗率である(単位:Ω・cm)。
これらの中でも、第一の金属は、タングステン、モリブデン、ニッケル、または真鍮であることが好ましく、タングステンまたはモリブデンであることがより好ましい。なお、真鍮とは、銅と亜鉛との合金であり、通常、質量比で、銅を60%以上95%以下含み、および亜鉛を5%以上40%以下含む合金である。
第一の金属がタングステンまたはモリブデンであると、細い金属ワイヤー22が得られやすく、かつ断線しにくい芯線221が得られやすくなる。また、第一の金属がタングステンまたはモリブデンであると、体積抵抗率RM1が、3.0×10-6Ω・cmを上回りつつ、低い値を示すため好ましい。
芯線221の断面が円形状である場合には、芯線221の直径DCは、金属ワイヤー22の直径を後述する範囲に調整しやすくする観点から、5μm以上74μm以下であることが好ましく、8μm以上59μm以下であることがより好ましく、12μm以上49μm以下であることがさらに好ましい。
芯線221の断面が楕円形状である場合には、長径が上記の直径DCと同様の範囲にあることが好ましい。
金属皮膜222は、第二の金属を主成分として含む。第二の金属は、第一の金属とは異なる。第二の金属は、第一の金属と同様に、合金を含む概念である。
第二の金属の標準電極電位EM2は、+0.34V以上であり、+0.5V以上であることが好ましく、+0.7V以上であることがより好ましく、+1.0V以上であることがさらに好ましい。第二の金属の標準電極電位EM2の上限値は、+2.0V以下であることが好ましく、+1.6V以下であることがより好ましい。
シート状発熱体10を電極に取り付けたときに生じ得る異常発熱は、一本の金属ワイヤー22に対して一つの電極を取り付けた場合には生じ難いが、複数本の金属ワイヤー22に対して一つの電極を取り付けた場合には、金属ワイヤー22と電極が接続する部分も複数存在するため、より生じやすくなる。
第二の金属の標準電極電位EM2が+0.34V以上であると、シート状発熱体10を電極に取り付けたときに、異常発熱が生じにくくなる。また、経時による金属ワイヤー22表面への酸化皮膜の形成を抑制できるので、酸化皮膜の形成に起因するその他の異常も抑制されやすくなる。
例えば、グラファイトで芯線を被覆した金属ワイヤーであれば、酸化皮膜の形成は生じないが、金属ワイヤーと電極との間の接続部の抵抗を低下させることができない。一方、例えば、芯線221を標準電極電位EM2が高い金で被覆した金属ワイヤー22は、酸化皮膜の形成抑制、および金属ワイヤーと電極との間の接続部の抵抗がどちらも良好となる。
第二の金属の体積抵抗率RM2が2.0×10-5[Ω・cm]未満であると、金属皮膜を有さない金属ワイヤー(芯線)が電極に接続する場合よりも、金属ワイヤー22と電極との接続部の抵抗を低減しやすくなる。
第二の金属としては、金、白金、パラジウム、銀、および銅等ならびに合金等が挙げられる。当該合金としては、金、白金、パラジウム、銀、および銅からなる群から選択される少なくとも2種の金属を含む合金等が挙げられる。
第二の金属は、金、白金、パラジウム、銀、および銅ならびに前記合金(金、白金、パラジウム、銀、および銅からなる群から選択される少なくとも2種の金属を含む合金)からなる群から選ばれる少なくとも一種であることが好ましく、金、白金、パラジウム、および銀ならびに前記合金からなる群から選ばれる少なくとも一種であることがより好ましい。
金属皮膜222の厚さは、例えば、電子顕微鏡(例えば、ZEISS社製、品番Cross Beam 550等)を用いて、疑似シート構造体20の金属ワイヤー22の断面を観察することにより測定される。
中間層は、金属皮膜222と同様の方法で形成することができる。
中間層としては、例えば、ニッケル層、ニッケル合金層、スズ層、スズ合金層、銅合金層、ニオブ層、ニオブ合金層、チタン層、チタン合金層、モリブデン層、モリブデン合金層、タングステン層、タングステン合金層、パラジウム合金層、およびプラチナ合金層等、第二の金属とは異なる金属の層が挙げられる。
中間層の厚さは、0.01μm以上1μm以下であることが好ましく、0.02μm以上1μm以下であることがより好ましく、0.03μm以上0.7μm以下であることがさらに好ましい。
金属ワイヤー22は、1本の金属ワイヤー22からなる線状体であってもよいし、複数本の金属ワイヤー22を撚った線状体であってもよい。
疑似シート構造体20において、金属ワイヤー22同士の間隔Lは、0.3mm以上12.0mm以下であることが好ましく、0.5mm以上10.0mm以下であることがより好ましく、0.8mm以上7.0mm以下であることがさらに好ましい。
金属ワイヤー22同士の間隔Lが0.3mm以上12.0mm以下であると、電極に取り付けて発熱させたときの電極間の抵抗が低下しやすくなる。これにより、電極をシート状発熱体10に取り付けやすくなるため、電極部位の異常発熱が抑制されやすくなる。
また、金属ワイヤー22同士の間隔Lが上記範囲であれば、シート状発熱体10が接着剤層30を有し、シート状発熱体の構成部材を接着剤層と接着させる場合、またはシート状発熱体を接着剤層により被着体に接着する場合に、金属ワイヤー22同士の間から露出する接着剤層30の露出面積を確保し、疑似シート構造体20から露出する接着剤層30と構成部材または被着体との接着が金属ワイヤー22により妨げられることを防止できる。
また、金属ワイヤー22同士の間隔Lが上記範囲であれば、金属ワイヤー22同士がある程度密集しているため、疑似シート構造体20の抵抗を低く維持し、温度上昇の分布を均一にする等の、シート状発熱体10の機能の向上を図ることができる。
なお、隣り合う2つの金属ワイヤー22同士の間隔Lとは、金属ワイヤー22を配列させていった方向に沿った長さであって、2つの金属ワイヤー22の対向する部分間の長さである(図2参照)。
間隔Lは、金属ワイヤー22の配列が不等間隔である場合には、全ての隣り合う金属ワイヤー22同士の間隔の平均値であるが、間隔Lの値を制御しやすくする観点から、金属ワイヤー22は疑似シート構造体20において、略等間隔に配列されていることが好ましく、等間隔に配列されていることがより好ましい。
金属ワイヤー22が後述するように波形状である場合には、金属ワイヤー22の間隔Lは、金属ワイヤー22の湾曲、屈曲により金属ワイヤー22同士が間隔Lよりも近接する箇所が生じるため、間隔Lがより広いことが好ましい場合がある。このような場合には、金属ワイヤー22の間隔Lは、1mm以上30mm以下であることが好ましく、2mm以上20mm以下であることがより好ましい。
金属ワイヤー22の断面が円形状である場合には、金属ワイヤー22の直径Dは、シート抵抗の上昇抑制の観点、発熱効率及び耐絶縁破壊特性の向上の観点、金属ワイヤー22を視覚の上でも触覚の上でも目立たなくする観点、並びにシート状発熱体10を光線が均一に透過し得るという観点から、1本あたり、6μm以上75μm以下であることが好ましく、9μm以上60μm以下であることが好ましく、13μm以上50μm以下であることがさらに好ましい。このような細線である金属ワイヤーは、前述の金属ワイヤー22と電極との間の接続部の抵抗の上昇および電極部位の異常発熱が顕著に生じやすいが、本実施形態では、このような電極部位の異常発熱が抑制される。また、金属ワイヤー22の直径Dが13μm以上であると、金属ワイヤー22の強度が増し、断線しにくくなるという効果が得られる。一方、金属ワイヤー22の直径Dが13μm以上である場合には、金属ワイヤー22の線抵抗が低下しやすくなるが、本実施形態においては、第一の金属の体積抵抗率が3.0×10-6Ω・cm以上であるため、金属ワイヤー22の線抵抗を高く維持することが可能である。
金属ワイヤー22の断面が楕円形状である場合には、長径が上記の直径Dと同様の範囲にあることが好ましい。
金属ワイヤー22の直径Dは、デジタル顕微鏡(キーエンス社製、品番VHX-6000)を用いて、疑似シート構造体20の金属ワイヤー22の断面を観察し、無作為に選んだ5箇所で、金属ワイヤー22の直径Dをそれぞれ測定し、その平均値とする。
接着剤層30は、接着剤を含む層である。なお、接着剤層30は、必要に応じて設けられる層である。
疑似シート構造体20は、接着剤層30に接触していることが好ましい。
疑似シート構造体20の第二面20B上に接着剤層30を積層したシート状発熱体10とすることで、接着剤層30により、シート状発熱体10の被着体への貼り付けが容易となる。
反面、接着剤層30に含まれる成分により、金属ワイヤー22に酸化皮膜が生じやすくなり、シート状発熱体10を電極に取り付けたときに、金属ワイヤー22と電極との間の接続部の抵抗が上昇する可能性が高まると考えられる。しかし、本実施形態における金属ワイヤー22によれば、芯線221の周りに、予め金属皮膜222を設けているので、製造後の経時による酸化皮膜生成が抑制される。
シート状発熱体10は、第一面20Aを被着体に対向させて被着体に接着することができる。この場合には、上述したように、シート状発熱体10において、疑似シート構造体20から露出する接着剤層30の第一接着面30Aにより、シート状発熱体10と被着体との接着が容易となる。また、第二接着面30Bを被着体に対向させてシート状発熱体10を被着体に接着してもよい。
エネルギー線による硬化の条件は、用いるエネルギー線によって異なる。例えば、紫外線照射により接着剤層30を硬化させる場合、紫外線の照射量は、10mJ/cm2以上3,000mJ/cm2以下であることが好ましく、照射時間は、1秒間以上180秒間以下であることが好ましい。
なお、当該アクリル系共重合体は、単量体成分(a1’)および単量体成分(a2’)以外のその他の単量体成分(a3’)に由来する構成単位(a3)をさらに含んでいてもよい。
ヒドロキシ基含有モノマーとしては、例えば、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、3-ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、4-ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート等が挙げられ、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレートが好ましい。
カルボキシ基含有モノマーとしては、例えば、(メタ)アクリル酸、マレイン酸、フマル酸、およびイタコン酸等が挙げられ、(メタ)アクリル酸が好ましい。
エポキシ基含有モノマーとしては、例えば、グリシジル(メタ)アクリレート等が挙げられる。
アミノ基含有モノマーとしては、例えばジアミノエチル(メタ)アクリレート等が挙げられる。
シアノ基含有モノマーとしては、例えばアクリロニトリル等が挙げられる。
エネルギー線硬化性の成分としては、例えばエネルギー線が紫外線である場合には、多官能(メタ)アクリレート化合物等の、一分子中に紫外線重合性の官能基を2つ以上有する化合物等が挙げられる。
エネルギー線硬化性の成分は、単独で用いても二種以上を混合して用いてもよい。
本実施形態に係るシート状発熱体10の製造方法は、特に限定されない。シート状発熱体10は、例えば、次の工程を経て製造される。
まず、第一の金属を主成分として含む芯線221を準備し、芯線221の外側に、第二の金属を主成分とする金属皮膜222を形成する。これにより、金属ワイヤー22が得られる。なお、金属ワイヤー22は、市販品であってもよい。
金属皮膜222は、例えば、芯線221の表面に金属単体又は金属合金を蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング、または湿式めっき等することにより形成することができる。なお、金属ワイヤー22に中間層を設ける場合には、例えば、金属皮膜222の形成と同様の方法で、芯線221の表面に中間層を形成することができる。
次に、剥離シートの上に、接着剤層30の形成用組成物を塗布し、塗膜を形成する。次に、塗膜を乾燥させて、接着剤層30を作製する。次に、接着剤層30の第一接着面30A上に、金属ワイヤー22を配列しながら配置して、疑似シート構造体20を形成する。例えば、ドラム部材の外周面に剥離シート付きの接着剤層30を配置した状態で、ドラム部材を回転させながら、接着剤層30の第一接着面30A上に金属ワイヤー22を螺旋状に巻き付ける。その後、螺旋状に巻き付けた金属ワイヤー22の束をドラム部材の軸方向に沿って切断する。これにより、疑似シート構造体20を形成すると共に、接着剤層30の第一接着面30Aに、複数の金属ワイヤー22を配置する。そして、疑似シート構造体20が形成された剥離シート付きの接着剤層30をドラム部材から取り出す。この工程を経た後、剥離シートを接着剤層30から剥離することで、シート状発熱体10が得られる。また、剥離シートは、シート状発熱体10の構成部材として残してもよい。この方法によれば、例えば、ドラム部材を回転させながら、金属ワイヤー22の繰り出し部をドラム部材の軸と平行な方向に沿って移動させることで、疑似シート構造体20における隣り合う金属ワイヤー22の間隔Lを調整することが容易である。
本実施形態に係るシート状発熱体10のシート抵抗(Ω/□=Ω/sq.)は、800Ω/□以下であることが好ましく、0.01Ω/□以上500Ω/□以下であることがより好ましく、0.05Ω/□以上300Ω/□以下であることがさらに好ましい。シート状発熱体10は、印加する電圧を低減する観点から、シート抵抗が比較的低いことが好ましい。シート状発熱体10のシート抵抗が800Ω/□以下であれば、印加する電圧の低減が容易に実現される。
シート抵抗は、次の方法により測定する。まず、電気的接続を向上させるために、銀ペーストを疑似シート構造体20の両端に塗布する。その後、銅テープを両端に貼付けたガラス基板に、シート状発熱体10を、銀ペーストと銅テープとが接触するように貼付けた後、電気テスターを用いて抵抗を測定し、シート抵抗を算出する。
本実施形態に係るシート状発熱体10は、面状発熱体であるので、面で発熱する用途に好適に用いられる。
本実施形態に係るシート状発熱体10は、金属ワイヤー22に給電するための電極に取り付けて使用される。金属ワイヤー22と電極とを電気的に接続する手段としては、例えば、以下の接続手段(1)~(6)が挙げられる。
接続手段(1):金属ワイヤー22と電極とを導電性接着剤で接着する。
接続手段(2):金属粒子が樹脂に分散した組成物(銀ペースト等)、又は金属粒子が樹脂に分散した組成物からなるフィルムを介して接続させる。
接続手段(3):金属板によりかしめることにより金属ワイヤー22と電極との接触を維持する。
接続手段(4):金属ワイヤー22と電極との接触部をスナップボタンのオス・メスで挟んで両者の接触を維持する。
接続手段(5):金属ワイヤー22と電極との接触部の周囲に電磁波又は超音波により溶融可能な樹脂フィルムを配置し、電磁波又は超音波の適用により樹脂フィルムを溶融、固化させて金属ワイヤー22と電極との接触を維持する。
接続手段(6):金属ワイヤー22と電極との接触部をリベットで挟み、かしめることにより両者の接触を維持する。
シート状発熱体10を電極に取り付けて発熱させたときの、金属ワイヤー22と電極との間の接続部の抵抗を低減する方法として、銀ペースト等の導電材料を用いて、シート状発熱体10を電極に取り付ける方法も考えられる。
しかしながら、シート状発熱体10が、熱に比較的弱い基材を有している場合には、通常、熱で硬化する銀ペースト等の導電材料を用いると、熱による基材へのダメージが生じやすくなる。基材の中でも、伸長性を有する基材は、導電性シートを伸張しながら曲面に追従させて貼り付ける場合に有用であるが、熱に弱い傾向がある。
また、シート状発熱体10が、図1に示すように接着剤層30を有している場合には、接着剤層30による接着により金属ワイヤー22と電極との接触の維持を図ることができるので、この点からも、電極への余分な銀ペーストや導電性接着剤等の形成を行わずに、金属ワイヤー22と電極とを直接接触させることが生産性の面でも好ましい。本発明者らの検討により、金属ワイヤーと電極とが接触することにより両者が電気的に接続している場合に、金属ワイヤーと電極との間の接触不良に起因して、接触抵抗の上昇により異常発熱が起こりやすいことが見出された。本実施形態に係るシート状発熱体10は、金属皮膜222を構成する第二の金属の標準電極電位EM2が前述の範囲にあることで、このような場合でも、異常発熱の発生を回避することが可能である。
従来の金属ワイヤーを用いたヒーターにおいては、金属ワイヤーと電極との接続のためのこのような方法を採用することはなかったため、金属ワイヤーと電極との間の抵抗の上昇は問題とならず、ワイヤーに、電極との間の接触抵抗低下のためにメッキ等の金属被覆をすることは試みられなかった。例えば、特許文献2の実施例においては、発熱効率の評価にあたり、電極とワイヤーとの電気的接続を銀ペーストを介して行っているため、金属ワイヤーと電極との間の接触抵抗の上昇は起こらず、特許文献2の実施例で用いているワイヤーは金属皮膜を有していない。
シート状発熱体10は、例えば、発熱して利用し得る被着体に貼付けて使用される。このような被着体にシート状発熱体10を適用して得られる物の機能として、例えば、デフォッガー(defogger)、及びデアイサー(deicer)等が挙げられる。この場合、被着体としては、例えば、浴室等の鏡、輸送用装置(乗用車、鉄道、船舶、及び航空機等)の窓、建物の窓、アイウェア、信号機の点灯面、及び標識等が挙げられる。また、電気製品の筐体、車両内装部品、建材・内装材等に使用される成形品の表面に、TOM(Three dimension Overlay Method)成形、フィルムインサート成形、真空成形等の三次元成形法を利用して、成形品をシート状発熱体10で被覆し、発熱体としてもよい。
接着剤層30が硬化性を有する場合、シート状発熱体10を被着体に貼付けた後、接着剤層30を硬化する。シート状発熱体10を被着体に貼り合わせる際には、シート状発熱体10の疑似シート構造体20側を被着体に貼付けて(すなわち、接着剤層30の第一接着面30Aと被着体との間に疑似シート構造体20を介在させて被着体に貼付けて)もよいし、シート状発熱体10の第二接着面30Bを被着体に貼付けてもよい。
なお、接着剤層30の第二接着面30B側に基材32(図4参照)が存在しない場合には、シート状発熱体10の疑似シート構造体20側を、被着体に貼り合わせることが好ましい。被着体および接着剤層30の両方により疑似シート構造体20が十分に保護されるためである。これにより、シート状発熱体10の耐衝撃性が向上する点で、実用化に適しているといえる。また、接着剤層30は、発熱時(通電時)の感電防止にも寄与する。この場合に、シート状発熱体10が、接着剤層30の第二面20B上に、後述する剥離層34を有していれば、シート状発熱体10を被着体に貼り付けるまでのシート状発熱体10の保形性が向上する。剥離層34は、シート状発熱体10の被着体への貼付けの後、剥離除去する。剥離層34の除去は、接着剤層30を硬化する場合、硬化の前であっても後であってもよい。
次に、本発明の第二実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、本実施形態では、シート状発熱体10に代えてシート状発熱体10Aを用いた以外は第一実施形態と同様の構成であるので、シート状発熱体10Aについて説明し、それ以外の説明を省略する。
本実施形態に係るシート状発熱体10Aは、図4に示すように、接着剤層30の第二接着面30B上に積層された基材32を有している。
基材32としては、例えば、紙、不織布、織布、熱可塑性樹脂フィルム、硬化性樹脂の硬化物フィルム、金属箔、及びガラスフィルム等が挙げられる。熱可塑性樹脂フィルムとしては、例えば、ポリエステル系、ポリカーボネート系、ポリイミド系、ポリオレフィン系、ポリウレタン系、及びアクリル系等の樹脂フィルムが挙げられる。また、基材32は、被着体が有する曲面上への貼付けを容易とする観点から、伸縮性を有することが好ましい。
なお、接着剤層30とは対向しない基材32の表面(シート状発熱体10Aから露出する表面)には、シート状発熱体10A(疑似シート構造体20)の保護性を強化するために、紫外線硬化性樹脂等を用いたハードコート処理等が施されていてもよい。
次に、本発明の第三実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、本実施形態では、第一実施形態に係るシート状発熱体10が少なくとも1つの剥離層34をさらに備える点で相違する。これ以外は第一実施形態と同様の構成であるので、剥離層34について説明し、それ以外の説明を省略する。
本実施形態に係るシート状発熱体10Bは、例えば、疑似シート構造体20の第一面20A、及び接着剤層30の第二接着面30Bの少なくとも一方の面上に積層された剥離層34を有する。
なお、図5には、疑似シート構造体20の第一面20A、及び接着剤層30の第二接着面30Bの双方の面上に積層された剥離層34を有するシート状発熱体10Bが示されている。
剥離基材としては、例えば、紙基材、紙基材等に熱可塑性樹脂(例えば、ポリエチレン等)をラミネートしたラミネート紙、及びプラスチックフィルム等が挙げられる。紙基材としては、グラシン紙、コート紙、及びキャストコート紙等が挙げられる。プラスチックフィルムとしては、ポリエステルフィルム(例えば、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、及びポリエチレンナフタレート等)、及びポリオレフィンフィルム(例えば、ポリプロピレン、及びポリエチレン等)等が挙げられる。剥離剤としては、例えば、オレフィン系樹脂、ゴム系エラストマー(例えば、ブタジエン系樹脂、及びイソプレン系樹脂等)、長鎖アルキル系樹脂、アルキド系樹脂、フッ素系樹脂、及びシリコーン系樹脂等が挙げられる。
剥離層34の剥離剤層の厚さは、特に限定されない。剥離剤を含む溶液を塗布して剥離剤層を形成する場合、剥離剤層の厚さは、0.01μm以上2.0μm以下であることが好ましく、0.03μm以上1.0μm以下であることがより好ましい。
剥離基材としてプラスチックフィルムを用いる場合、プラスチックフィルムの厚さは、3μm以上150μm以下であることが好ましく、5μm以上100μm以下であることがより好ましい。
次に、本発明の第四実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、本実施形態では、第一実施形態に係るシート状発熱体10の疑似シート構造体20を疑似シート構造体20Cに代えた点で相違する。これ以外は第一実施形態と同様の構成であるので、疑似シート構造体20Cについて説明し、それ以外の説明を省略する。
本実施形態に係るシート状発熱体10Cは、疑似シート構造体20Cの金属ワイヤー22Cが周期的に湾曲又は屈曲していてもよい。具体的には、金属ワイヤー22Cは、例えば、正弦波、矩形波、三角波、およびのこぎり波等の波形状であってもよい。つまり、疑似シート構造体20Cは、例えば、一方に延びた波形状の金属ワイヤー22Cが、金属ワイヤー22Cの延びる方向と直交する方向に、等間隔で複数配列された構造としてもよい。
なお、図6には、一方に延びた波形状の金属ワイヤー22Cが、金属ワイヤー22Cの延びる方向と直交する方向に、等間隔で複数配列された疑似シート構造体20Cを有するシート状発熱体10Cが示されている。
次に、本発明の第五実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、本実施形態では、シート状発熱体を発熱装置の発熱体として用いた一態様について説明する。本実施形態に係る発熱装置50は、第一実施形態から第四実施形態のいずれかのシート状発熱体(本実施形態に係るシート状発熱体10D)を備える。
本実施形態に係る発熱装置50は、図7に示すように、本実施形態に係るシート状発熱体10Dと、シート状発熱体10D(本実施形態における疑似シート構造体20D)に給電する電極40とを有する。電極40は、シート状発熱体10Dの疑似シート構造体20Dの端部に電気的に接続されている。電極40と疑似シート構造体20Dとの接合は、電極40と、疑似シート構造体20Dの金属ワイヤー22とが接触することによりなされ、シート状発熱体10Dは接着剤層30により電極に固定されている。本実施形態によれば、シート状発熱体10Dを接着剤層30により簡便に電極40に固定し、かつ、金属ワイヤー22と電極40との電気的な接続も同時に行うことができる。そして、上述のとおり、通常、金属ワイヤーと電極とが接触することにより両者が電気的に接続する。この場合、金属ワイヤーと電極との間の接触不良に起因して、異常発熱が起こりやすい。本実施形態に係る発熱装置50においては、金属ワイヤー22の金属皮膜を構成する第二の金属の標準電極電位EM2が+0.34V以上であることで、異常発熱の発生が防止される。
第五実施形態に係る発熱装置50は、電極40に代えて、電極40Aを用いた発熱装置であることが好ましい。
具体的には、電極40Aを用いた発熱装置は、シート状発熱体10Dにおける、複数の金属ワイヤー22の少なくとも一部が、電極40Aと接続して配置され、電極40Aの金属ワイヤー22と接続する表面が、第三の金属から形成され、第三の金属の標準電極電位(以下、「標準電極電位EM3」とも称する)が+0.5V以上であることが好ましい。
第三の金属の標準電極電位EM3が+0.5V以上であると、電極の耐腐食性が向上する。その結果、保管時及び使用時の、温度及び湿度による影響により、電極が腐食して電極と金属ワイヤーとの間の接触抵抗が上昇することを防止することができる。そのため、温度及び湿度の影響により、発熱装置の使用時の電極部位における発熱が大きくなることを抑制することができる。
したがって、電極40Aを用いた発熱装置によれば、金属ワイヤー22の金属皮膜を構成する第二の金属の標準電極電位EM2が+0.34V以上であることに加え、電極40Aの金属ワイヤー22と接続する表面の標準電極電位が+0.5V以上であるため、金属ワイヤー22と電極40Aとの間の接続部の抵抗がより低減され、電極部位の異常発熱がより防止される。
第三の金属の標準電極電位EM3は、+0.5V以上であり、+0.7V以上であることが好ましく、+0.9V以上であることがより好ましい。第三の金属の標準電極電位EM3の上限値は、+2.0V以下であることが好ましく、+1.6V以下であることがより好ましい。
第三の金属の標準電極電位EM3は、材料固有の値であり、既知の値である。なお、第三の金属は、合金を含む概念である。
第三の金属は、金、白金、およびパラジウムならびに前記合金(金、白金、パラジウム、および銀からなる群から選択される少なくとも2種の金属を含む合金)からなる群から選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。第三の金属は第二の金属と同一であっても異なっていてもよい。
電極基体としては、表面に第三の金属からなるコーティング層を形成できる材質であれば特に限定されない。電極基体としては公知の電極を用いることができる。コーティング層としては、例えば、電解メッキ、無電解メッキ、スパッタ法、蒸着法、及びスピンコート法等、公知の方法で形成されたコーティング層が挙げられる。コーティング層の厚さは、0.01μm以上3μm以下であることが好ましく、0.02μm以上1μm以下であることがより好ましく、0.03μm以上0.7μm以下であることがさらに好ましい。
バッファ層としては、例えば、ニッケル層、ニッケル合金層、スズ層、スズ合金層、銅合金層、ニオブ層、ニオブ合金層、チタン層、チタン合金層、モリブデン層、モリブデン合金層、タングステン層、タングステン合金層、パラジウム合金層、およびプラチナ合金層等、第三の金属とは異なる金属の層が挙げられる。バッファ層の厚さは、0.01μm以上1μm以下であることが好ましく、0.02μm以上1μm以下であることがより好ましく、0.03μm以上0.7μm以下であることがさらに好ましい。
図8~図10は、電極と金属ワイヤーとの接触の一態様を示す断面図である。なお、図8~図10に示す電極は、それぞれ、前記1)~3)の電極の一態様に相当する。
図8に示す電極401は、電極全体が第三の金属から形成されており、前記1)の電極の一態様に相当する。図8には、第三の金属から形成された電極401と、金属ワイヤー22の金属皮膜とが接触している状態が示されている。
図9に示す電極402は、電極基体402Aと、電極基体402Aの表面に形成されたコーティング層402Bとを有し、前記2)の電極の一態様に相当する。図9には、第三の金属から形成されたコーティング層402Bと、金属ワイヤー22の金属皮膜とが接触している状態が示されている。
図10に示す電極403は、電極基体403Aと、電極基体403Aの表面に形成されたバッファ層403Cと、バッファ層403Cの表面に形成されたコーティング層403Bとを有し、前記3)の電極の一態様に相当する。図10には、第三の金属から形成されたコーティング層403Bと、金属ワイヤー22の金属皮膜とが接触している状態が示されている。
接続手段としては特に限定されないが、上述した接着剤層による接続のほか、例えば、半田、溶接、及び挟み具(例えばクリップ及び万力等)による圧着等が挙げられる。
本発明は前述の実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。
例えば、前述の実施形態では、疑似シート構造体は単層であるが、これに限定されない。例えば、シート状発熱体は、疑似シート構造体をシート面方向(シート表面に沿った方向)に複数配列したシートであってもよい。複数の疑似シート構造体は、シート状発熱体の平面視において、互いの金属ワイヤーを平行に配列してもよいし、交差させて配列させてもよい。
接着剤層30と、他の接着剤層とは、同じ組成であってもよいし、異なる組成であってもよい。
他の接着剤層との厚さは、接着剤層30の厚さと同様に、3μm以上150μm以下であることが好ましく、5μm以上100μm以下であることがより好ましい。
支持層としては、例えば、紙、熱可塑性樹脂フィルム、硬化性樹脂の硬化物フィルム、金属箔、およびガラスフィルム等が挙げられる。熱可塑性樹脂フィルムとしては、例えば、ポリエステル系、ポリカーボネート系、ポリイミド系、ポリオレフィン系、ポリウレタン系、およびアクリル系等の樹脂フィルムが挙げられる。
固定手段としては特に限定されないが、例えば、両面テープ、ヒートシール性のフィルム、半田、及び挟み具(例えばクリップ及び万力等)等が挙げられる。固定手段は、被着体の材質に応じて適宜選択することが好ましい。固定手段の配置箇所は特に限定されない。
基材として厚さ50μmのポリエチレンテレフタレートフィルム上に、粘着剤層(感圧接着剤層)を設けた粘着シート(株式会社美舘イメージングが提供するMTAR-1)を準備した。
芯線として、銅メッキされたタングステンワイヤー(株式会社トクサイ製)を準備した。このワイヤーは、銅メッキによる金属皮膜の厚さが0.1μmであり、メッキ層を含む直径は20μmである。第一の金属はタングステンであり、第二の金属は銅である。
ドラム軸と平行に、金属ワイヤーごと粘着シートを切断し、接着剤層の上に、疑似シート構造体が積層されたシート状発熱体を得た。
また、シート状発熱体の作製に用いたのと同じ粘着シートを準備した。この粘着シートの粘着剤層上に、一対の短冊状の銅板電極(10mm×40mm、厚さ10μm)を250mm離して平行かつ両端の位置をそろえて設置した。各例で作製したシート状発熱体を、金属ワイヤーの長手方向が電極の長手方向と直交するように電極設置部に貼り付けた。シート状発熱体と電極とは、金属ワイヤー間において露出している粘着剤層により接着させた。この際、両電極間に接続された金属ワイヤーが14本となるように調整した。これにより、金属ワイヤーを両電極に接触させ、シート状の発熱装置を得た。なお、表2中、基体とは銅板を意味する。
銅メッキされたタングステンワイヤーに代えて、ニッケル層を介して金メッキされた真鍮ワイヤー(株式会社トクサイ製)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、シート状発熱体及び発熱装置を得た。このワイヤーは、金メッキによる金属皮膜の厚さが0.1μmであり、中間層として厚さが0.1μmのニッケル層を有し、メッキ層およびニッケル層を含む直径は30μmである。第一の金属は真鍮であり、第二の金属は金である。
なお、真鍮ワイヤーにおける銅と亜鉛の割合は、65質量%:35質量%である。
銅メッキされたタングステンワイヤーに代えて、金メッキされたニッケルワイヤー(株式会社トクサイ製)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、シート状発熱体及び発熱装置を得た。このワイヤーは、金メッキによる金属皮膜の厚さが0.1μmであり、メッキ層を含む直径は30μmである。第一の金属はニッケルであり、第二の金属は金である。
周りに金属皮膜を形成していないタングステンワイヤーを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、シート状発熱体及び発熱装置を得た。
周りに金属皮膜を形成していない真鍮ワイヤーを用いたこと以外は、実施例2と同様にして、シート状発熱体及び発熱装置を得た。
銅メッキタングステンワイヤー代えて、厚さ0.1μmのグラファイト層が周りに形成されたタングステンワイヤー(トクサイ株式会社製)を形成したこと以外は、実施例1と同様にして、シート状発熱体及び発熱装置を得た。
一対の短冊状の銅板電極に代えて、一対の短冊状の金メッキされた銅板電極(10mm×40mm、厚さ10μm)を電極として用い、銅メッキされたタングステンワイヤー(株式会社トクサイ製)に代えて、金メッキされたタングステンワイヤー(株式会社トクサイ製)を芯線として用いた以外は、実施例1と同様にして、シート状発熱体及び発熱装置を得た。金メッキされた銅板電極は、基体としての銅板の表面上に、バッファ層としての厚さ0.1μmのニッケル層と、メッキ層としての厚さ0.1μmの金層とをこの順で有する。また、金メッキされたタングステンワイヤーは、金メッキによる金属皮膜の厚さが0.1μmであり、メッキ層を含む直径は20μmである。
(体積抵抗率および標準電極電位)
各例で用いた金属の体積抵抗率および標準電極電位を表1、2に示す。
表1中、「C」はグラファイトを表す。
各例で得られたシート状発熱体について、金属ワイヤーの直径Dを既述の方法に従って測定した。金属ワイヤーの直径Dおよび金属皮膜の厚さ等の測定結果を表1に示す。
(湿熱環境保管後の電極間の抵抗の上昇率)
電気テスターにより、各例で作製した発熱装置の両電極間の抵抗R1[Ω]を測定した。
次に、各例で作製した発熱装置を、85℃相対湿度85%の湿熱環境下で20時間保管し、抵抗R1と同様の方法で、抵抗R2(湿熱環境保管後の電極間の抵抗R2)[Ω]を測定した。R1及びR2の値から、湿熱環境保管後の電極間の抵抗の上昇率((R2-R1)/R1に100を乗じた値)[%]を算出した。結果を表3に示す。
前述の湿熱環境保管後の発熱装置の両電極間に2Vの電圧を印加し、30秒後において、放射温度計(FIR社製、品番C2)により、金属ワイヤーと接触する電極部位の温度を測定した。電極部位以外の発熱部よりも電極部位の温度が高い場合を異常発熱「有り」、電極部位以外の発熱部の温度に対して、電極部位の温度が等しい、または低い場合を異常発熱「無し」と判定した。結果を表3に示す。
実施例1は、比較例1、2に比べ、電極間の抵抗の上昇率が小さく、かつ電極部位が異常発熱しなかった。また、実施例1は、金属皮膜を有さないタングステンワイヤーまたは真鍮ワイヤーを用いた比較例1、2に比べて電極間の抵抗の上昇率が小さいが、皮膜としてグラファイト層を有するタングステンワイヤーを用いた比較例3に比べ、電極間の抵抗の上昇率がやや大きかった。その一方で、実施例1では、発熱装置の電極部位が異常発熱しなかったのに対し、比較例1~3は、電極部位が異常発熱した。
したがって、本実施例のシート状発熱体によれば、電極に取り付けて発熱させたときに、金属ワイヤーと電極との間の接続部の抵抗を低減することができる。また、電極部位の異常発熱を抑制することができる。
また、本実施例の発熱装置によれば、発熱させたときに、金属ワイヤーと電極との間の接続部の抵抗を低減することができる。また、電極部位の異常発熱を抑制することができる。
Claims (10)
- 複数の金属ワイヤーが間隔をもって配列された疑似シート構造体を有するシート状発熱体であって、
前記金属ワイヤーが、第一の金属を主成分として含む芯線と、前記芯線の外側に設けられ前記第一の金属とは異なる第二の金属を主成分として含む金属皮膜と、を有し、
前記第一の金属の体積抵抗率が3.0×10-6[Ω・cm]以上5.0×10-4[Ω・cm]以下であり、
前記第二の金属の標準電極電位が+0.34V以上であり、
前記シート状発熱体は接着剤層を有し、
前記疑似シート構造体が、前記接着剤層に接触している、
シート状発熱体。 - 請求項1に記載のシート状発熱体において、
前記第二の金属は、金、白金、パラジウム、銀、および銅ならびに合金からなる群から選ばれる少なくとも一種であり、
前記第二の金属としての合金は、金、白金、パラジウム、銀、および銅からなる群から選択される少なくとも2種の金属を含む、
シート状発熱体。 - 請求項1または請求項2に記載のシート状発熱体において、
前記第二の金属は、体積抵抗率が2.0×10-5[Ω・cm]未満である、シート状発熱体。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のシート状発熱体において、
前記第一の金属は、タングステンまたはモリブデンである、シート状発熱体。 - 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のシート状発熱体において、
前記金属ワイヤーの直径が13μm以上50μm以下である、シート状発熱体。 - 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のシート状発熱体において、
前記接着剤層の前記疑似シート構造体とは反対側に、基材を有する、シート状発熱体。 - 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のシート状発熱体において、
前記金属ワイヤーは、電極に接触して用いられる、シート状発熱体。 - 複数の金属ワイヤーが間隔をもって配列された疑似シート構造体を有するシート状発熱体であって、
前記金属ワイヤーが、第一の金属を主成分として含む芯線と、前記芯線の外側に設けられ前記第一の金属とは異なる第二の金属を主成分として含む金属皮膜と、を有し、
前記第一の金属が、タングステン、鉄、モリブデン、ニッケル、チタン、ステンレス鋼、真鍮、りん青銅、ベリリウム銅、鉄ニッケル、ニクロム、カンタル、ハステロイ、またはレニウムタングステンであり、
前記第二の金属が、金、白金、パラジウム、銀、および銅、並びに合金からなる群から選ばれる少なくとも一種であり、
前記第二の金属としての合金は、金、白金、パラジウム、銀、および銅からなる群から選択される少なくとも2種の金属を含み、
前記シート状発熱体は接着剤層を有し、
前記疑似シート構造体が、前記接着剤層に接触している、
シート状発熱体。 - 請求項1から請求項8のいずれか一項に記載のシート状発熱体と、
電極と、を含む発熱装置であって、
前記シート状発熱体における、前記複数の金属ワイヤーの少なくとも一部が、前記電極と接続して配置され、
前記電極の前記金属ワイヤーと接続する表面が、第三の金属から形成され、
前記第三の金属の標準電極電位が+0.5V以上である、
発熱装置。 - 請求項1から請求項8のいずれか一項に記載のシート状発熱体と、電極と、を有し、
前記シート状発熱体は、前記接着剤層により前記電極に接着され、
前記金属ワイヤーは、前記電極に接触している発熱装置。
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