(57)【要約】【課題】取り扱い時の湾曲や発熱による発熱体素子と被覆層との伸縮度合の差を伴う伸び縮みが繰り返されても、発熱体素子と絶縁性シート部とが接着界面で剥離することがない面状発熱体、特に可撓性を有する面状発熱体を提供する。【解決手段】本発明の面状発熱体１は、発熱部１０と、該発熱部１０を被覆するシート部２０と、を備える。前記発熱部１０は、複数個の貫通穴を有する薄膜状の発熱体素子からなり、前記シート部２０は、前記発熱体素子１１の上面及び下面とに配置されて該発熱体素子１１を被覆し、且つ、前記貫通穴１１１を通して連続されている。【選択図】図１
2008021545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱部と、該発熱部を被覆するシート部と、を備える面状発熱体であって、
前記発熱部は、複数個の貫通穴を有する薄膜状の発熱体素子からなり、
前記シート部は、前記発熱体素子の上面及び下面に配置されて該発熱体素子を被覆し、且つ、前記貫通穴で互いに連通している面状発熱体。
【請求項２】
前記発熱体素子は、厚み１００μｍ以下の金属箔である請求項１に記載の面状発熱体
。
【請求項３】
前記シート部は、絶縁性を有する可撓性材料で形成されている請求項１又は２に記載の面状発熱体。
【請求項４】
前記可撓性材料は、ゴム又は熱可塑性樹脂である請求項３に記載の面状発熱体。
【請求項５】
複数個の貫通穴を有する薄膜状の発熱体素子からなる発熱部の上下面に、ゴム又は熱可塑性樹脂を配設し、次いで、加熱プレス処理して、前記ゴム又は熱可塑性樹脂を加硫又は溶融して成形する面状発熱体の製造方法。
【請求項６】
前期加熱プレス処理は、５０〜２５０Ｋｇ／ｃｍ２の圧力でプレスしながら、１２０〜３００℃の温度で処理するものである請求項５に記載の面状発熱体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜状の発熱体素子を用いた面状発熱体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、土木、建築分野において面状発熱体の活用が進められている。例えば、土木分野においては、特に融雪用として道路、橋梁、あるいは歩道橋等に用途開発が進み、また、建築分野においては、床暖房、屋根融雪用等に使用されている。加えてホームエレクトロニクスあるいはビルのインテリジェント化の進行で今後の面状発熱体の需要は大幅に増加することが予想される。
【０００３】
従来、面状発熱体としては、金属箔を樹脂フィルムに貼合し所定の加熱部分をプリントしてエッチングを行って配線したもの、合成樹脂にカーボン粉末、カーボン短繊維、アルミ粉末等の導電性充填剤を配合してシート状に成形したもの、ガラス繊維等の耐熱性繊維織物上にカーボン等の導電性物質をグラフト化した塗料を塗布し電極部を付けたもの等々が提案され（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３他）、電熱カーペット、水道の凍結防止、温室の暖房、融雪用等に用いられている。
【０００４】
これらの面状発熱体は、上記のような金属箔タイプ、金属粉塗料タイプ、カーボン粉末等の導電性充填剤練り込みタイプ等の発熱体素子の両面に絶縁性シートあるいはボード等を接着する、あるいは発熱体素子、電極部、絶縁層を一体成形する方法が一般的に採用されている。
【特許文献１】特開平５−２９９１５９号公報
【特許文献２】特開平７−２４２８２７号公報
【特許文献３】特開昭４８−２１２３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらの面状発熱体は、発熱体素子の両面に絶縁性シート部を接着して発熱体素子を被覆した構成なので、薄厚の可撓性を有するシート体とした場合、取り扱いの際における湾曲の繰り返しにより、発熱体素子と絶縁性シート部との接着界面で剥離が生じ易い。また、発熱体素子と絶縁性シート部とは、発熱による伸縮量が異なるために、接着界面には位相差が生ずるが、長期間の使用でこれが繰り返されることにより剥離がより生じ易くなる。また、発熱体素子とシート部とが接着性の悪い材質である場合にはプライマー処理等を行って接着性を向上させることが必要となるというような発熱体素子と被覆するシート部との間の接着性が問題となる。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑み、取り扱い時の湾曲や発熱による発熱体素子と被覆層との伸縮度合の差を伴う伸び縮みが繰り返されても、発熱体素子と絶縁性シート部とが接着界面で剥離することがない面状発熱体、特に可撓性を有する面状発熱体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、薄膜状の面状発熱体素子をシート部で被覆してなる面状発熱体において、面状の発熱体素子に複数個の貫通穴を形成し、該貫通穴でシート部を連続させて一体化することで発熱体素子とシート部との剥離を防止できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
より具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。
【０００９】
（１）  発熱部と、該発熱部を被覆するシート部と、を備える面状発熱体であって、前記発熱部は、複数個の貫通穴を有する薄膜状の発熱体素子からなり、前記シート部は、前記発熱体素子の上面及び下面とに配置されて該発熱体素子を被覆し、且つ、前記貫通穴で互いに連通している面状発熱体。
【００１０】
（１）の発明における面状発熱体は、発熱部と、該発熱部を被覆するシート部と、を備える。また、発熱部は、薄膜状の発熱体素子からなり、該発熱体素子は、複数個の貫通穴を有し、前記発熱体素子の上面及び下面とに配置されて該発熱体素子を被覆しているシート部が、発熱体素子の貫通穴を通して連続されて一体化しているので、発熱体素子とシート部との接着性に優れ、発熱体素子とシート部の剥離が生じ難い。また、繰り返しの湾曲・折り曲げ作業や加熱による発熱体素子とシート部との伸縮が繰り返されても発熱体素子とシート部が剥離してくるおそれがない。
【００１１】
（２）  前記発熱体素子は、厚み１００μｍ以下の金属箔である（１）に記載の面状発熱体。
【００１２】
（２）の発明における面状発熱体は、発熱体素子が、その厚みが３０〜１００μｍの薄膜状の金属箔であるので、発熱体素子は柔軟性を有することになる。柔軟に変形可能なシート部で被覆して用いることで、柔軟性を有する面状発熱体を構成することができる。面状発熱体を柔軟に変形可能とすることで、例えば、曲面を有する物や、人体などの動く物に装着可能に構成することができる。
【００１３】
（３）  前記シート部は、絶縁性を有する可撓性材料で形成されている（１）又は（２）に記載の面状発熱体。
【００１４】
（３）の発明による面状発熱体は、シート部が絶縁性を有する可撓性材料であるので、シート部は柔軟性を有することになる。上記（２）に記載の厚み３０〜１００μｍの金属箔である発熱体素子とを組み合わせることで、柔軟で可撓性を有する面状発熱体となるため、面状発熱体は柔軟に変形可能となり、例えば、曲面を有する物や、人体などの動く物に装着可能に構成することができる。また、シート部自体が絶縁性を有するので、面状発熱体を絶縁材料で被覆する必要がないため面状発熱体を直接人体に当てても好適に使用することができる。また、経済的でもある。
【００１５】
（４）  前記可撓性材料は、ゴム又は熱可塑性樹脂である（３）に記載の面状発熱体。
【００１６】
（４）の発明による面状発熱体は、シート部が絶縁性及び可撓性を有するゴム又は熱可塑性樹脂であるので、柔軟性に優れると共に、絶縁性を有する。これにより、人体に直接当てるなどの使用が可能な面状発熱体を構成することができる。また、ゴム又は熱可塑性樹脂を用い、これらで発熱部を被覆し、これらをプレスしながら加熱処理することで、ゴムは加熱溶融して加硫され、また、熱可塑性樹脂は加熱溶融されて、発熱体素子に形成された貫通穴を通して発熱体素子の上下に配設されたゴム又は熱可塑性樹脂が接続し一体化される。これにより、発熱体素子とシート部との接着性がより向上し、剥離が生じ難くなる。
【００１７】
（５）  複数個の貫通穴を有する薄膜状の発熱体素子からなる発熱部の上下面に、ゴム又は熱可塑性樹脂を配設し、次いで、加熱プレス処理して、前記ゴム又は熱可塑性樹脂を加硫又は溶融して成形する面状発熱体の製造方法。
【００１８】
（６）  前期加熱プレス処理は、５０〜２５０Ｋｇ／ｃｍ２の圧力でプレスしながら、１２０〜３００℃の温度で処理するものである（５）に記載の面状発熱体の製造方法。
【００１９】
（５）及び（６）の発明による製造方法は、ゴム又は熱可塑性樹脂で複数個の貫通穴を有する薄膜状の発熱体素子からなる発熱部の上下面を被覆して、この積層物を加熱プレス処理することでゴム又は熱可塑性樹脂が加硫又は溶融されて面状発熱体が成形される。これによって、発熱体素子に形成された貫通穴に上記ゴム又は熱可塑性樹脂が充填されるので、発熱体素子の上下のゴム又は熱可塑性樹脂が接続し一体化された状態となり、発熱部との剥離が生じ難くなる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、発熱体素子の上下面を被覆するシート部は発熱体素子に形成された貫通穴で連続して一体化されているので、発熱体素子とシート部との接着が難しい場合でも両者の高い接着強度を得ることができる。また、繰り返しの湾曲・折り曲げ作業や発熱時の発熱体素子とシート部との伸縮差等に起因する剥離が生じ難い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は電気エネルギーを利用した面状発熱体に適用されるものであって、複数個の貫通穴を有する薄膜状の発熱体素子からなる発熱部の上下面を絶縁性のシート部で被覆し、且つ該貫通穴を通してシート部が連続している面状発熱体である。
【００２２】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。
【００２３】
図１は、本発明の面状発熱体における実施形態の平面図である。図２は、図１におけるＡ―Ａ´断面図である。
【００２４】
図１、２に示すように、面状発熱体１は、発熱部１０と、該発熱部１０を被覆するシート部２０と、を備える。
【００２５】
発熱部１０は、複数個の貫通穴１１１が形成された薄膜状の発熱体素子１１と、該発熱体素子１１の両端に接続された電力供給線１２ａ、１２ｂと、から形成される。尚、電力供給線１２ａ、１２ｂの一方の先端は、発熱体素子１１の端部にハンダ又はカシメ等の接合手段を用いて接続されている（図２の拡大図参照）。尚、図示していないが、電力供給線１２ａ、１２ｂの他方の先端には電力端子部が設けられており、該電力端子部から電力が供給される。
【００２６】
発熱体素子１１には、その両端部に接続される電力供給線１２ａ、１２ｂを介して電力が供給される。発熱部１０を構成する発熱体素子１１は、供給された電力により発熱する。これにより、面状発熱体１の全体が発熱する。また、該発熱部１０は絶縁性を有するシート部２０により被覆されていて、好適に、面状発熱体１を直接人体に当てることができるようになっている。
【００２７】
シート部２０は、発熱部１０の下面を被覆する第１シート２１と上面を被覆する第２シート２２とからなり、第１シート２１と第２シート２２とは、発熱体素子１１に形成された貫通穴１１１で接続されて一体化されている（図２の拡大図参照）。
【００２８】
尚、本発明において、発熱体素子１１の両端に接続された電力供給線１２ａ、１２ｂを介して電力が供給されて、発熱されることになっているが、発熱体素子１１の両端に一対の電極部を配設して接続し、この電極部の端部に電力供給線を接続してもよい。これによって、発熱体素子１１への電流がより均一に全域に流れることになるので、発熱体素子１１の平面全域をより均一に発熱させることができるためより好ましい。また、電極部は、発熱体素子１１の両端で全幅に亘って接続されているのがより一層好ましい。
【００２９】
この際に、電極部に使用される電極材料としては、電気抵抗値が充分低くて従来から一般的に電極部として使用されている銅、ニッケル等の金属が使用可能である。また、電極部の形状としては極細の金属繊維、合成繊維に対する金属メッキ繊維、若しくは合成繊維中に導電性材料を含有した繊維等の導電性繊維又は金属線などの線状材料、これら線状材料を金網若しくは布帛にしたもの、薄い金属板、又は金属箔などが使用できる。特に、導電性繊維、金属箔は軽量で柔軟性を有しているため好ましく使用できる。
【００３０】
更に、金属箔リボン等の帯状の形状とすることで、シーム溶接又はハンダ付け等の接合手段を用いて容易に発熱体素子１１の両端全幅に亘って接続できるので特に好ましい。この金属箔リボンを電極部として使用する場合は、電気抵抗値が低い、厚み１５０μｍ程度の銅又はニッケル箔リボンがよく、特にこれらのリボンの電気抵抗値は、発熱体素子の電気抵抗値の１／１０以下であれば、発熱体素子１１の全幅に均等に電流を流すことができ、該発熱体素子１１の平面全域を発熱させることが可能となる。
【００３１】
以下、上述した実施形態における各種構成物について説明する。
【００３２】
［発熱体素子］
本発明において使用される発熱体素子１１としては、金属箔、金属粉やカーボンブラック等の導電性粉末と合成樹脂やゴム等のマトリックスとの複合体、ガラス繊維等の耐熱性繊維織物上にカーボン等の導電性物質をグラフト化した塗料を塗布したシート体、金属繊維、炭素繊維、導電性繊維の抄紙あるいは他の絶縁パルプ、繊維等を含む数種の繊維の混抄紙及びこれらの複合体であれば特に限定されるものではないが、面状発熱体１の可撓性を付与するにはシート状であるのが好ましく、更には、貫通穴の加工性から薄膜状の金属箔が好ましい。
【００３３】
発熱体素子１１として薄膜状の金属箔を使用する場合、金属箔としては、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼等のステンレス鋼や、ニッケルクロム合金等のニッケル系合金、アルミ、銅などの金属箔に打ち抜き加工を施すことにより所定の貫通穴が形成されたものである。貫通穴を施すことにより、所望の抵抗値及び発熱量が得られるように所定のパターンに形成される。また、後述するようにシート部２０が連続して一体化される。
【００３４】
これらの金属箔の厚さとしては、面状発熱体の用途により適宜決定することができるが、１００μｍ以下、好ましくは３〜１００μｍ程度、より好ましくは３０〜１００μｍのものが用いられる。
【００３５】
また、発熱体素子１１に形成された貫通穴１１１の形状は、円形、方形、多角形等いずれでもよく、また、その大きさ及び個数は、発熱体素子１１の大きさや厚み及び発熱体素子１１とシート部２０との接着力等から適宜決定される。尚、発熱体素子１１の面積に対する貫通穴１１１の総面積の割合（開穴率ともいう）は、１０〜７０％であるのが好ましく、３０〜６０％であるのがより好ましい。この開穴率が上記の範囲内であれば、シート部２０が発熱体素子１１に形成された貫通穴１１１を通じて接続されて好ましい接着力を有することになる。また、発熱させた場合、局部発熱を小さくすることができる。
【００３６】
尚、発熱体素子１１の抵抗値は開穴によって大きくなるので、開穴率を上げることで抵抗値が大きくなり発熱量が増大することになる。従って、発熱体素子１１の電気特性の設計の際には、発熱体素子として用いる材質や形状（特に厚さ）に加えて開穴率による抵抗率変化を考慮するのが好ましい。
【００３７】
発熱体素子１１に開穴する方法は、使用する発熱体素子１１の材質、性状によって異なるが、フレキシブルタイプ又は箔である場合はパンチング等の機械加工で行うのが一般的である。金属粉やカーボンブラック等の導電性粉末と合成樹脂やゴム等のマトリックスとの複合体等である場合は、得られた複合体を上記のような機械加工してもよいが、成形時に予め開穴部が形成できる形状の型を使用して成形する等の方法であってもよい。
【００３８】
［シート部］
本発明において、シート部２０とは、絶縁性や熱伝導性を有する可撓性材料の素材で形成されている。このような素材としては、例えば、天然ゴムやイソプレンゴム、ポリブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、ブチルゴム、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＤＭなど）、シリコンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、熱可塑性エラストマー（ポリオレフィン系，ポリエステル系，ポリアミド系エラストマー他）などの合成ゴム等の各種ゴム、あるいはポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、エチレン・ビニルアルコール共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、アクリル酸エステル又はメタクリ酸エステルを主成分とするアクリル樹脂、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などのポリエステル、ポリアセタール、アセチル・ジセルロース又はアセチル・トリセルロースの繊維素誘導体等の熱可塑性樹脂が挙げられる。
【００３９】
尚、ゴムの場合には、未加硫のものを用いて発熱部１０を被覆し、これをプレスしながら加熱して加硫させることで、発熱部１０を被覆しているシート部２０が発熱体素子１１に形成された貫通穴１１１を通して連続して一体化されるので、接着性がより向上し、剥離が生じ難くなるので、特に好ましい。
【００４０】
［製造方法］
本発明の面状発熱体１は、発熱部１０を絶縁性のシート部２０で被覆することで製造されるが、発熱部１０をシート部２０で被覆する方法としては、シート部２０を構成する可撓性材料の素材を発熱部１０の上下面にカレンダー成形法、プレス成形法等で施すことで行われる。
【００４１】
例えば、素材がゴムの場合は、未加硫のゴムシートを用いて、発熱部１０を被覆するように上下面に該ゴムシートを配置して、これをゴム加硫成形金型に組み込み、ゴム加硫機で高温高圧で加熱プレス処理して製造する。この際、未加硫ゴムシートは徐々に加硫が進み、相対する上下面の未加硫のゴムシートが、貫通穴１１１を通じて流動しながら発熱体素子１１を覆い込み一体成形が行われる。
【００４２】
また、素材が熱可塑性樹脂の場合は、ゴムと同様に発熱部１０を被覆するように上下面に該熱可塑性樹脂を配置して、これをプレス機に組み込み、加熱プレス処理して製造する。この際、熱可塑性樹脂は溶解して、相対する上下面の熱可塑性樹脂が、貫通穴１１１を通じて流動しながら発熱体素子１１を覆い込み一体化される。
【００４３】
これによって、発熱体素子１１に形成された貫通穴１１１にゴム又は熱可塑性樹脂が充填されて、相対する上下面のゴム又は熱可塑性樹脂が連続して一体化された状態となるので、接着性がより優れることになり、発熱部との剥離が生じ難くなる。
【００４４】
加熱プレス処理の条件としては、未加硫ゴムシートの場合は、使用するゴムシートの種類によって適宜選定されるが、好ましくは５０〜２５０Ｋｇ／ｃｍ２、より好ましくは１００〜２００Ｋｇ／ｃｍ２の圧力でプレスしながら、好ましくは１２０〜１８０℃、より好ましくは１４０〜１６０℃の温度で、好ましくは１０〜６０分、より好ましくは１５〜３０分処理する。また、熱可塑性樹脂の場合は、使用する熱可塑性樹脂の種類によって適宜選定されるが、好ましくは５０〜２５０Ｋｇ／ｃｍ２、より好ましくは１００〜２００Ｋｇ／ｃｍ２の圧力でプレスしながら、好ましくは１２０〜３００℃、より好ましくは１４０〜１８０℃の温度で、好ましくは１０〜６０分、より好ましくは１５〜３０分処理する。
【実施例】
【００４５】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４６】
＜実施例１＞
ステンレススチール箔に、円形状で、穴と穴との間隔＝４ｍｍ、半径＝１ｍｍの貫通穴が形成された（開穴率４０％）幅１００ｍｍ、長さ３００ｍｍ、厚さ５０μｍの金属箔を発熱体素子とし、この発熱体素子の両端の略中央部に電力供給線をハンダで接続して、発熱部を形成した。この発熱部の上下面に幅１１０ｍｍ、長さ３１０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの未加硫のシリコンゴムシートを重ね合わせた。次に、この発熱部とゴムシートとの積層物を１５０Ｋｇ／ｃｍ２の圧力でプレスし、１５０℃の温度で２０分程度加熱してゴムシートを加硫して、幅１１０ｍｍ、長さ３１０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍの面状発熱体を得た。得られた面状発熱体の層間剥離強度は２０Ｋｇ／２５ｍｍであった。
【００４７】
以上のようにして得られた面状発熱体５枚に、１００Ｖの交流電圧を通電し、発熱体の表面温度が２８０℃となるように温度調節しながら２時間通電後、２時間室温下で放置する加熱サイクルを繰り返し、面状発熱体の耐久性を観察した。その結果、繰り返し回数２５０回後において、いずれの面状発熱体も抵抗値の変化、金属の破断、ゴムシートと発熱体素子との剥がれ、及び変形は認められなかった。また、耐久性試験後の面状発熱体５枚について、５０００Ｖ、１分の条件で耐電圧性能を測定したが、いずれの面状発熱体も絶縁破壊は生じなかった。更に、前記面状発熱体５枚について柔軟性試験を行った結果、Ｒ３ｍｍに湾曲が可能であった。
【００４８】
＜比較例１＞
実施例１において、ステンレススチール箔には貫通穴を開けずに、他は同様な方法で成形して幅１１０ｍｍ、長さ３１０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍの面状発熱体を得た。得られた面状発熱体の層間剥離強度は１０Ｋｇ／２５ｍｍであった。
【００４９】
比較例１について、実施例１と同様の方法で面状発熱体の耐久性を観察した。その結果、繰り返し回数２５０回後において、いずれの面状発熱体も抵抗値の変化、金属の破断、ゴムシートと発熱体素子との剥がれ、及び変形は認められた。また、耐久性試験後の面状発熱体５枚についても、同様にして耐電圧性能を測定したが、一部の面状発熱体に絶縁破壊が生じた。
【００５０】
この結果より、本発明の面状発熱体は、層間剥離強度に優れ、耐久性にも優れることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の面状発熱体における実施形態の平面図である。
【図２】図１におけるＡ―Ａ´断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１      面状発熱体
１０    発熱部
１１    発熱体素子
２０    シート部
１１１  貫通穴
【図１】
2008021545.tif 000003
【図２】
2008021545.tif 000004