JPH0218887A - 電気デバイス - Google Patents

電気デバイス

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JPH0218887A
JPH0218887A JP1111909A JP11190989A JPH0218887A JP H0218887 A JPH0218887 A JP H0218887A JP 1111909 A JP1111909 A JP 1111909A JP 11190989 A JP11190989 A JP 11190989A JP H0218887 A JPH0218887 A JP H0218887A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は導電性ポリマーを有して成る電気デバイスに関
する。
［従来の技術］ 導電性ポリマーおよびそれらを有して成るヒーター、回
路保護装置、センサーおよび他の電気デバイスはよく知
られている。例えば以下の文献を参照できる：アメリカ
合衆国特許第３，８２３，２１７号、第３，８５８．１
４４号、第３，８６１，０２９号、第３，９１４，３６
３号、第４．０８５，２８６号、第４．１７７．３７６
号、第４，１７７．４４６号、第４，１８８，２７６号
、第４，２２３，２０９号、第４，２３７，４４１号、
第４．２３８，８１２号、第４，２４２．５７３号、第
４，２５５，６９８号、第４，２７２，４７１号、第４
，２８６．３７６号、第４，３０４，９８７号、第４，
３１４，２３０号、第４，３１７，０２７号、第４，３
１８，２２０号、第４，３２７，３５１号、第４，３２
９，７２６号、第４，３３０，７０３号、第４，３８８
，６０７号、第４，４２１．５８２号、第４，４２６，
３３９号、第４，４２６，６３３号、第４．４２９，２
１６号、第４．４１３．３’０１号、第４，４４２，１
３９号、第４，４４５，０２６号、第４，４７５，１３
８号、第４，４５０，４９６号、第４，５３４，８８９
号、第４，５４３，４７４号、第４，５４５，９２６号
、第４．５６０，４９８号、第４，５７４，１８８号、
第４，５８２，９８３号、第４，６５４，５１１号、第
４．６５８，１２１号、第４，６５９，９１３号、第４
，６８９，４７５号、第４，７００，０５４号、第４，
７１９，３３５号、第４．７２２．８５３号、第４，７
３３，０５７号、第４，７６１，５４１号およびアメリ
カ合衆国特許出願第８１８８４６号（１９８６年１月１
４日出願）、第５３゜６１０号（１９８７年５月２０日
出願）、第７５゜９２９号（１９８７年７月２１日出願
）。
層状導電性ポリマー基材を有して成る電気デバイスら既
知である。例えばアメリカ合衆国特許第４　３３０．７
０３号（ホースマ（１−１ｏｒｓｍａ）ら）には、印加
された場合、抵抗正温度係数（ＰＴＣ）挙動を示す層の
厚さの少なくとし一部分を、次いで、抵抗零温度係数（
ＺＴＣまたは一定ワット数）挙動を示す隣接層を電流が
通過するように設計されている自己制御性加熱物品が記
載されている。アメリカ合衆国特許第４．７１９，３３
５号（バトリワーラ（Ｂ　ａＬｌｉｗａｌｌａ）ら）お
よびアメリカ合衆国特許出願第５１，４３８号および第
５３，６１０号（双方共バトリワーラら）にはＰＴＣ基
材に取り付けた入り込み電極パターンを有して成る自己
制御性ヒーターが記載されている。ヒーターの表面の出
力密度を変えるために電極パターンを変えてよく、ある
場合では、電極は抵抗性であってよい、即ち、ヒーター
を印加した時にある程度熱を供給する。
アメリカ合衆国特許第４，６２８，１８７号（セキグチ
（Ｓ　ｅｋｉｇｕｃｈｉ）ら）には、絶縁性基材に配置
された一対のＴＩｉ極がＰＴＣ導電性ボリマーペースト
を含んで成る抵抗層により接続されている加熱要素が記
載されている。アメリカ合衆国特許第３２２１．１４５
号（ヘイガ−（Ｈａｇｅｔ））には「半絶縁性」色、例
えば、導電性エポキシ、接着剤フィルムまたはサーメッ
トにより離されている金属シート？？￥極を有して成る
広大面積可撓性ヒーターが記載されている。これらの全
部のヒーターに関して、導電性ポリマー層は、熱の主要
源である＝ｉ！極の主機能は電流を送ることである。従
って、電極の抵抗は、通常導電性ポリマー層の抵抗より
実質的に小さい。結果として、ヒーターの抵抗安定性は
、主として導電性ポリマーの抵抗安定性の関数である。
更に、ヒーターは、電極の良さに沿った電圧降下の結果
としてヒーターの表面にわたる不均一な出力密度にさら
されることがある。
日本国特許出願昭和５９年第２２６４９３号には、少な
くとも一方が０．１〜５Ω／ｃｍの「高抵抗」電極であ
る２つの電極が導電性ポリマーマトリックスに埋設され
ているストリップヒーターが記載されている。この型の
ヒーターでは、導電性ポリマーおよび抵抗電極の双方に
より熱が発生する。
既知の長さおよび形状のヒーターにはこのような構造が
有利であるが、導電性ポリマーもしくは抵抗要素の抵抗
率またはヒーターの物理的寸法、例えば電極間の距離を
変えることな（、所定の電圧における出力を容易に変更
できない。
［発明の構成コ ＰＴＣ挙動を示し、小さい注入（ｉｎｒｕｓｈ）特性を
有し、抵抗安定性を有し、また、デバイスの表面にわた
り均一な出力分布を提供するように設計できる電気デバ
イスを、層状導電性ポリマー基材の表面に取り付けた抵
抗電極を使用することにより製造できることが見出され
た。従って、１つの要旨において、本発明は、 （Ｉ　Ｘａ）Ｐ　Ｔ　Ｃ挙動を示し、 （ｂ）有機ポリマーおよびポリマー中に分散された粒状
充填剤を含んで成り、また、（ｃ）融点Ｔｍを有する 導電性ポリマー組成物から成る層状抵抗要素、ならびに （２）電源に接続でき、 （ａ）抵抗率が１．Ｏｘ　Ｉ　０−Ｒ−１，ｏ×１０−
’Ω・ｃｍであり、 （ｂ）　Ｔ　ｍ以下の温度でＺＴＣ挙動を示す材料を含
んで成る２つの電極であって、（１）各？Ｔ！極は、長
さの幅に対する比が少なくと６１０００：ｌとなるよう
に０１〜１００００００インヂの長さ（のおよび０．０
０５〜１０インチの幅（ｗ）を何し、 （ｉｉ）各電極は、０．０００１〜０．０１インチの厚
さを有し、 （ｉｉｉ）３ｉｉ極は、０．１〜１００００Ωの抵抗（
ｒｔｅ）をｆ了し、 （１■）各電極は、抵抗要素の平坦層状表面に取り付け
られ、また、 （ｖ＞合わせて抵抗要素の表面積の１０〜９０％を覆う
電極 を有して成る電気デバイスであって、 抵抗要素は、１！源に接続した場合、Ｒｅより小さく、
０１〜１００００Ωである抵抗ＲＣｐを有し、電気デバ
イスは抵抗Ｒｈを灯し、 抵抗Ｒｅ、ＲａｐおよびＩＮ　ｈは、デバイス全体を２
３℃の均一温度にして電極を最初に電源に接続した場合
に測定される抵抗であるデバイスを提（Ｊ’ｌする。
本発明のデバイスに使用する抵抗要素は、粒状導電性充
填剤か分散されているポリマー成分から成る導電性ポリ
マーを含んで成る。ポリマー成分は、結晶性有機ポリマ
ーまたは少なくとら１種の結晶性有機ポリマーを含んで
成るブレンドであるのが好ましい。充填剤はカーボンブ
ラック、グラファイト、金属、金属酸化物またはこれら
を含んで成る混合物であってよい。ある場合では、充填
剤は自体導電性ポリマーの粒状物を含んで成ってよい。
そのような粒状物はポリマー成分中で分配されて一体性
を保持する。また、導電性ポリマーは、酸化防止剤、不
活性充填剤、照射促進剤、安定剤、分散剤または他の成
分を含んで成ってよ゛い。
導電性ポリマーを基材にインキまたはペーストの形態で
基材に塗布する場合、溶媒が組成物の成分であってよい
。導電性充填剤および他の成分の分散は、トライブレン
ド、溶融加工、ロール練り、混練もしくは焼結または成
分を適当に混合する他の方法により行うことができる。
抵抗要素を化学的手段または放射線照射により架橋して
よい。
２３°Ｃにおける導電性ポリマーの好ましい抵抗率は、
抵抗要素の寸法および使用する電源に関係するが、−数
的には０．１〜１０００００Ω・ｃｍ。
好ましくは１〜＋０００Ω’　ａｍ、特に１０〜ｌ００
０Ω・ｃＩｌｌである。直流６〜６０ボルトで印加され
るヒーターとして使用するのに適当な電気デバイスの場
合、導電性ポリマーの抵抗率は好ましくは１０〜１００
０Ω”ｃｍである。交流１１０〜２４０ポル＋で印加す
る場合、抵抗率は好ましくは１０００〜！　００００Ω
・ｃｍである。より高い抵抗率の場合、交流２４０ボル
ト以上の電圧で印加されるデバイスに適当である。
抵抗要素を構成する組成物は、スイッチング温度Ｔｓの
ＰＴＣ挙動を示す。スイッチング温度Ｔｓは、融点以下
におけるｌｏｇ（抵抗率）ｖｓ温度曲線の比較的平坦な
部分および曲線の急勾配部分に接するように描いた線の
交点として定義される。抵抗要素が２層以上から成る場
合、要素の複合層はＰＴＣ挙動を示す必要がある。スイ
ッチング温度は、導電性ポリマー組成物の融点Ｔｍと同
じでも、または僅かにそれ以下であってよい。融点は、
ポリマーについて測定される示差走査熱量計（Ｄ　Ｓ　
Ｃ）曲線のピークにおける温度として定義される。
ｒＰＴＣ挙動を示す組成物」なる語は、ｎ　１４値が少
なくとも２，５、またはＲ＋ｏｏ値が少なくともＩＯで
ある組成物、好ましくはこの双方を満足する組成物、特
にＩ（３（ｌ値が少なくとも６である組成物を意味する
ものとして本明細書では使用している。
ここで、・１１４は、１４℃の範囲の最後と最初の抵抗
率の比であり、Ｒ１゜。は、１００°Ｃの範囲の最後と
最初の抵抗率の比であり、Ｒ３（１は、３０℃の範囲の
最後と最初の抵抗率の比である。ある場合では、導電性
ポリマー組成物は、Ｔｓ〜（Ｔｓ＋２０）°Ｃ１好まし
くはＴｓ〜（Ｔｓ＋４０）’Ｃ１特にＴｓ〜（Ｔｓ＋７
０）’Ｃの温度範囲で減少しない抵抗率を（Ｔケろ必要
がある。
抵抗要素は層状であり、少なくとも１つの比較的平坦な
表面をａして成る。電気デバイスの所望の可撓性および
抵抗に応じて、抵抗要素を任萄の適当な厚さにしてよい
が、通常０．０００１〜ＯＩＯインヂである。抵抗要素
が溶融押出導電性ポリマーを有して成る場合、厚さは０
．００５〜０゜１００インチ、好ましくは０．０１０〜
０．０５０インチ、特に００１０〜００２５インチであ
る。
導電性ポリマーがポリマー厚膜から成る場合、抵抗要素
の厚さは、０．０００１〜０．００５インチ、好ましく
は０．０００５〜０．００３インチ、特に０００１〜０
゜００３インヂである。そのような場合、導電性ポリマ
ー膜を付着する基材は、ポリエステルもしくはポリエチ
レンのようなポリマーフィルムまたはシート、第２導電
性ポリマーシート、アルミナもしくは他のセラミックの
ような絶縁性材料または他の適当な材料、例えばファイ
バーグラスであってよい。抵抗要素の領域は任意の寸法
であってよい：大部分のヒーターは１０〜２００インチ
８の面積を有する。
抵抗要素の抵抗Ｒａｐは、導電性ポリマー組成物の抵抗
率、電極のパターンおよび抵抗ならびに抵抗要素の幾何
学的構造の関数である。多くの場合では、Ｒｃｐは、好
ましくは０．０１−＋０００Ω、特に０．１−１００Ω
、より特に１〜１００Ωである。
本発明の電極は、電流を輸送し、また、Ｉ’Ｒ加熱によ
り熱を提供する作用の双方を有する。
般に電極は、１．０×１０−６〜１×１０−”Ω’ｃｍ
の抵抗率を有する材料から成り、好ましくは金属であり
、あるいは金属を含んで成る材料、例えばインキから成
る。好ましい材料は、銅、特に既知の方法で適当な電極
パターンにエツチングされた電着または冷間圧延銅であ
る。他の適当な材料は、抵抗要素に印刷される厚膜イン
キまたは抵抗要素に真空蒸着またはスパッタされた金属
である。多くの場合、電極は抵抗要素に直接印刷または
エツチングされるが、ある場合では、別の層に電極を付
着してよく、その後、その層を抵抗要素に積層する。
電極は、着目すべき温度範囲でＺＴＣ（抵抗零温度係数
）挙動を示す。ｒｚ’ｒｃ挙動」なる語は、抵抗要素の
Ｔｓ値以下の任意の３０℃の温度範囲で６倍以下、好ま
しくは２倍以下で抵抗率が増える組成物を意味するもの
として使用している。電極を構成する材料は、抵抗要素
を構成する導電性ポリマーのＴｓ以上の温度でｐ　’ｒ
　ｃまたはＮＴＣ（抵抗負温度係数）であってよい。電
気デバイスの抵抗安定性は、電極の存在により向上する
。一般に電極は金属から成るので、導電性ポリマーの抵
抗安定性に影響する酸化および他の処理の影響をあまり
受けない。
許容できる抵抗および電気パスをもたらす任意の形状の
パターン、例えば螺旋状または直線状に電極を形成して
よいが、蛇紋パターンが好ましい。
抵抗要素の対向表面または同一表面に電極を配置してよ
い。電極を対向表面に配置する場合、電流パスが層状抵
抗要素の表面に対して実質的に垂直となり、抵抗要素の
表面に対して平行に電流が殆ど流れないように相互に直
接対向して配置するのが好ましい。電気回路の対向端で
電極に電気的接続部を形成する。これらの「端」は物理
的に相互に隣接してよいが、電気的に回路の対向端に存
在する。
？［極パターンは抵抗要素の全層状電極表面積の１０〜
９０％を覆ってよい。抵抗要素の同一表面に電極が存在
する多くの場合、露出表面の少なくとも３０％、好まし
くは少なくとも４０％、特に少なくとも５０％が覆われ
、即ち、全表面積の少なくとも１５％、好ましくは少な
くとも２０％、特に少なくとも２５％が覆われる。
最高抵抗値を提供するには、電極は所定の印加電圧の場
合にできる限り薄いのが好ましい。平均厚さ（１）は、
ｏ、ｏｏｏｔ〜０．０１インチ、好ましくは０．０００
５〜０．００５インチである。多くの場合、電極の幅（
ｗ）は、０．００５〜１０インチ、好ましくは０．００
５〜１インチ、特に０．０１０〜０．１００インチであ
る。抵抗要素の表面における任意の位置の出力を変える
ｌこめに、電極の幅または電極の間隔を変えてよい。
各１１極の長さ（ρ）は、０．１−１ｘ１０８インチ、
好ましくは１〜１００００インチ、特に１０〜１０００
インチであり、電気デバイスの機能に関係する。電極の
抵抗特性を向上させるために、電極の長さの幅に対する
比は、少なくとも１０００：１１好ましくは＋５００＋
１、特に２５００：ｌである。電極幅が長さに沿って変
化する場合、最大幅を使用してこの比を決定する。出来
上がった電極は、２３℃においてｏ、ｉ−＋ｏｏｏｏΩ
、好ましくは１〜１０００Ω、特に１０〜１０００Ωの
抵抗（Ｒｅ）を有する。多くの場合、電極の単位長さ当
たりの抵抗が少なくとも５％、好ましくは少なくとも１
０％、特に少なくとも２０％、より特に少なくとも２５
％変化するように電極の幅を変えるのが望ましい。
本発明の電気デバイスは、０．１〜１００００Ω、好ま
しくはｌ−１０００Ω、特に１０〜１０００Ωの抵抗（
Ｒｈ）を有するように設計される。
このようなデバイスの場合、２３℃においてＲｃｐはｎ
ｅ以下である。ＲｅのＲｃｐに対する比は、１１〜１０
００：ｌ、好ましくはｌ：ｌ−１００：１であり、電極
の抵抗Ｒｅは、Ｒｈの少なくとも５０％、好ましくはＲ
ｈの少なくとも６０％、特にｌ”（ｈの少なくとも７０
％を構成する。高い電極抵抗は、電気デバイスを印加す
る場合の注入電流を最小限にするように機能する。
本発明の電気デバイスをヒーターまたは回路保護デバイ
スとして使用できる。デバイスの正確な寸法および抵抗
特性は、目的とする最終用途および印加電圧に関係する
。１つの好ましい用途は鏡または他の基材、例えば自動
車または他の乗物のサイドミラーまたはりャビューミラ
ーの加熱である。
ヒーターとして使用するのに適当である電気デバイスｌ
の平面図である第１図により本発明を説明する。均一幅
および間隔のＩＪｉ対３および４が、導電性ポリマーを
有して成る抵抗要素２の表面で蛇紋パターンを形成して
いる。電極への電気接続は、スペード・コネクター５お
上び６により形成されている。
第２図は、抵抗３および４が導電性ポリマー抵抗要素２
の対向表面に配置された電気デバイスの断面図である。
電極は幅および間隔が変化している。
第３図は、ミラーヒーターとして使用するように設計し
た電気デバイスの平面図である。電極３および４は導電
性ポリマー抵抗要素上で蛇紋パターンを形成し、電源へ
の接続はコネクター５および６により為されている。
本発明を以下の実施例により説明する。
し実施例］ エチレン／アクリル酸コポリマー（プリマカー（ｒ’　
ｒｉｍａｃｏｒ）　ｌ　３２０、ダウ・ケミカルズ（Ｄ
ｏｗＣｈｅｍｉｃａｌｓ）製）５３．８重量％をカーボ
ンブラック（スタテックス・ジー（Ｓｔａｔｅｘ　　Ｇ
）、コロンビアン・ケミカルズ（Ｃｏｌｕｍｂｉａｎ　
　Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）製）４３２重量％および炭酸カ
ルシウム（オミア・ブシュ（Ｏｍｙａ　　Ｂｓｈ）、オ
ミア・インコーホレーテッド（Ｏｍｙａ　　Ｉ　ｎｃ、
　）製）３重量％と混合して導電性ポリマーベレットを
製造した。ペレットを押し出して厚さ０．０１０インチ
（０，０２５ｃｍ）のシートにした。約４．５Ｘ３．１
インチ（Ｉ　１．４３ｘ７゜８７ｃｍ）の抵抗要素を導
電性ポリマーシートから切り取った。
レジストインキ（ピー・アール（ＰＲ）３００３、ハイ
ゾール（１−Ｉｙｓｏｌ）製）を使用して０．００１イ
ンチ（０，００２５ｃｍ）のポリエステル（エレクトロ
シールド・シー（Ｅ　１ｅｃＬｒｏｓｈｉｅｌｄ　　Ｃ
）　＋　８、ラマー）（Ｌａｍａｒｔ）製）に積層した
０、０００フインヂ（０００１８ｃｍ）電着銅から成る
基材に電極パターンを印刷した。熱対流炉でインキを硬
化させた後、パターンをエツチングしてポリエステル支
持材料」二に銅トレースを残した。銅トレースは２つの
電極となり、それぞれは幅約０．０１９インチ（０゜０
４８ｃｍ）、長さ約２００インヂ（５０８ｃｍ）であり
、第３図に示すような蛇紋パターンを形成した。
この電極パターンを導電性ポリマーシートの片側に積層
し、０．００１インチ（０，００２５ｃｍ）ポリエステ
ル／ポリエチレンシート（ヒートンール可能なポリエス
テルフィルム、スリー・エム（３Ｍ）製）を他方側に積
層した。スペード型コネクターによりヒーターに成端部
を形成した。
【図面の簡単な説明】
第１図はヒーターとして使用するのに適当な本発明の電
気デバイスの平面図、第２図は抵抗要素の両側に電極を
配置した本発明の電気デバイスの断面図、第３図はミラ
ーヒーターとして使用する本発明の電気デバイスの平面
図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、（１）（ａ）ＰＴＣ挙動を示し、 （ｂ）有機ポリマーおよびポリマー中に分散された粒状
    充填剤を含んで成り、また （ｃ）融点Ｔｍを有する 導電性ポリマー組成物から成る層状抵抗要素、ならびに （２）電源に接続でき、 （ａ）抵抗率が１．０×１０＾−＾６〜１．０×１０＾
    −＾２Ω・ｃｍであり、 （ｂ）Ｔｍ以下の温度でＺＴＣ挙動を示す材料を含んで
    成る２つの電極であって、 （ｉ）各電極は、長さの幅に対する比が少なくとも１０
    ００：１となるように０．１〜１００００００インチの
    長さおよび０．００５〜１０インチの幅を有し、 （ｉｉ）各電極は、０．０００１〜０．０１インチの厚
    さを有し、 （ｉｉｉ）各電極は、０．１〜１００００Ωの抵抗（Ｒ
    ｅ）を有し、 （ｉｖ）各電極は、抵抗要素の平坦層状表面に取り付け
    られ、また、 （ｖ）合わせて抵抗要素の表面積の１０〜９０％を覆う
    電極を有して成る電気デバイスであって、 抵抗要素は、電源に接続した場合、Ｒｅより小さく、０
    ．１〜１００００Ωである抵抗Ｒｃｐを有し、電気デバ
    イスは抵抗Ｒｈを有し、 抵抗Ｒｅ、ＲｃｐおよびＲｈは、デバイス全体を２３℃
    の均一温度にして電極を最初に電源に接続した場合に測
    定される抵抗であるデバイス。 ２、双方の電極は、抵抗要素の同一表面に存在する請求
    項１記載のデバイス。 ３、電極は抵抗要素の対向表面に存在する請求項１記載
    のデバイス。 ４、抵抗要素は、溶融押出された導電性ポリマーを有し
    て成る請求項１〜３のいずれかに記載のデバイス。 ５、導電性ポリマーはポリマー厚膜インキである請求項
    １〜３のいずれかに記載のデバイス。 ６、ＲｅはＲｈの少なくとも５０％である請求項１〜５
    のいずれかに記載のデバイス。 ７、ＲｅのＲｃｐに対する比は、少なくとも１０：１で
    ある請求項１〜６のいずれかに記載のデバイス。 ８、電極は、銅の連続層をエッチングして蛇紋パターン
    とすることにより形成したものである請求項１〜７のい
    ずれかに記載のデバイス。 ９、乗物のミラー用のヒーターであり、ミラーの後表面
    に取り付けられる電気デバイスであって、電極は、 （ａ）抵抗率が１×１０＾−＾６〜１×１０＾−＾５Ω
    ・ｃｍである材料を含んで成り、（ｂ）少なくとも１０
    ０インチの長さを有し、 （ｃ）長さの幅に対する比が少なくとも１５００：１で
    あり、また、 （ｄ）０．５〜２００Ωの抵抗を有する 請求項１〜８のいずれかに記載のデバイス。 １０、少なくとも一方の電極の単位長さ当たりの抵抗が
    少なくとも５％変化する請求項１〜９のいずれかに記載
    のデバイス。
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