(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属箔抵抗体又は金属線抵抗体からなる発熱素子を、縮合多環多核芳香族系樹脂を用いて被覆し、さらにその外側に縮合多環多核芳香族系樹脂よりも絶縁性の高い耐熱絶縁性樹脂シートを積層して絶縁被覆したことを特徴とする面状発熱体。
【請求項２】
耐熱絶縁性樹脂シートがポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルフォン、ポリフェニレンサルファイド及び芳香族ポリアミドから選ばれる少なくとも１種のシートである請求項１に記載の面状発熱体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気エネルギーを利用する面状発熱体に関するものである。更に詳細には電気エネルギーで発熱する面状発熱体の絶縁被覆に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から面状発熱体として、各種の面状の発熱素子を電気絶縁性シートで被覆した構造のものが広く利用されている。
例えば、発熱素子としてはカーボン系あるいは金属系の導電性樹脂をガラスクロス、ポリエステルシート、ポリイミドシート、又はマイカ等の基材に含浸、塗布又は印刷により保持させたもの、あるいはアルミニウム、銅、ステンレススチール等の金属箔をエッチングして回路としたもの、そのほかニッケルクロム、銅ニッケル等の金属抵抗線をマイカなどの絶縁基板に張り巡らして回路としたものなどが使われている。
また、発熱素子を被覆するための電気絶縁材料としては、シリコン、ポリエステル、ポリアミドなどの合成樹脂シート、ゴムシート、エポキシ樹脂含浸ガラスクロスなどが用いられている。
【０００３】
これらのうちでも、発熱素子として、金属箔をエッチングして回路としたもの、あるいは金属抵抗線を絶縁基板に張り巡らして回路としたものは比較的高い温度で使用できる利点があるほか、経過時間による抵抗値変化が少ない特徴がある。このため、この方法により製造された面状発熱体は家庭用電気機器、医療用機器、情報機器、工業用機器の保温、凍結防止など広範囲の分野でヒーターとして用いられている。
また、これらの利用分野のうち、一部の分野では面状発熱体が高い温度領域で使用されることから、発熱素子を被覆する絶縁材料として、シリコンシート、ポリイミドシート、ポリエーテルイミドシート、マイカ、ポリスルフォンシート、ポリフェニレンサルファイドシート、芳香族ポリアミドシートなどの耐熱性の高い材料が使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、金属箔をエッチングして回路としたもの、あるいは金属抵抗線を絶縁基板に張り巡らして回路としたものを前記絶縁材料で被覆した場合には、次のような問題点があった。
すなわち、シリコンシートで被覆した場合には高温での使用中にシリコンからシロキサンを発生し、このために面状発熱体近傍の被加熱物などの電極部の接触不良を生じるほか、複写機の感光ドラムの加熱に用いられているような場合には感光ドラムの帯電不良を起すという不都合があった。さらに高温で長期間使用した場合には断線を生じることがあった。
また、ポリイミドを用いて絶縁被覆した場合には、ポリイミドは高価であること、ポリイミドを接着する場合にはシリコンなどの樹脂を塗布又は被覆して接着されるが、面状発熱体として使用中にカールするという不都合があった。
【０００５】
また、マイカを使用した場合には、マイカが柔軟性に乏しく、脆いことから複雑な形状、あるいは厚さの薄い面状発熱体を得ることができないばかりでなく、振動を生じる部分あるいは動的な部分の加熱には用いることができないという不都合があった。
また、ポリエーテルイミド、ポリスルフォン、ポリフェニレンサルファイドなどの樹脂は、耐熱性が低く、実用上の最高使用温度が１７０℃程度に限定されるという不都合があった。
すなわち、上記のように従来の絶縁材料を用いて被覆した場合には、いずれも高温で長期間の使用ができなかったり、性能の劣化を生じるという不都合があった。
【０００６】
このように従来の面状発熱体では、高温で長期間にわたり安定して使用可能なものは見出されていなかった。
すなわち本発明の課題は、高い温度領域、具体的には２００〜２５０℃のような温度領域においても使用可能であり、長期間にわたり断線することがなく、発熱体が変形することがなく、被加熱物を汚染することのない面状発熱体を開発することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、発熱素子を被覆する絶縁材料として縮合多環多核芳香族系樹脂を用いることによって、面状発熱体の使用温度を著しく高めることができ、かつ長期間にわたって断線などを生じないこと、被加熱物を汚染することがないことを見出した。また、縮合多環多核芳香族系樹脂と他の耐熱性絶縁材料とを重ねあわせて用いることによって、絶縁被覆層を薄くすることが可能であり、柔軟性の高い面状発熱体が得られることを見出し本発明に到達した。
【０００８】
すなわち本発明は、金属箔抵抗体又は金属線抵抗体からなる発熱素子を、縮合多環多核芳香族系樹脂を用いて被覆し、さらにその外側に縮合多環多核芳香族系樹脂よりも絶縁性の高い耐熱絶縁性樹脂シートを積層して絶縁被覆したことを特徴とする面状発熱体である。
【０００９】
本発明において面状発熱体とは、その形状が、シート状の発熱体のほか、シート状の発熱体を巻き込んで円筒状あるいは多角筒状に成形したもの、及びシート状発熱体を湾曲させた形状のもの、さらには３次曲面を形成するように成形したものも含まれる。
また、本発明において用いられる縮合多環多核芳香族系樹脂とは、縮合多環芳香族化合物または縮合多環芳香族化合物と単環芳香族化合物との混合物からなる原料物質を、酸触媒の存在下で、少なくとも２個のヒドロキシメチル基またはハロメチル基を有する芳香族化合物からなる架橋剤と反応させて得られる熱硬化性樹脂である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
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。
本発明における金属箔抵抗体は、通常はステンレススチール箔、鉄クロム箔、ニッケルクロムアルミ箔、アルミ箔、銅箔等をエッチングして所望の抵抗値及び発熱量が得られるように形成したものである。これらの金属箔の厚さとして通常は１０〜５０μｍのものが用いられる。このほか、面状発熱体が縦長のような場合には帯状の金属箔抵抗体を用いることもできる。
【００１１】
また、金属線抵抗体としてはニッケルクロム線、銅ニッケル線、鉄クロム線などの金属線であり、その素線径は特に限定はないが通常は０．０５〜０．２５ｍｍ程度のものが用いられる。これらの金属線は、通常は所望の抵抗値及び発熱量が得られるように絶縁基板に張り巡らした形状のものが用いられる。ここで言う絶縁基板とは、金属抵抗線を張り巡らすための形状を保持すると共に、耐熱絶縁性を有するものであれば良く、その材質、形状などに特に限定されるものではない。しかしながら本発明においては特に縮合多環多核芳香族系樹脂又は縮合多環多核芳香族系樹脂プリプレグが好ましい。
このほか、金属抵抗線を基板に張り巡らさずに、金属抵抗線の状態のままで用いることもできる。
【００１２】
縮合多環多核芳香族系樹脂とは、一般にナフタレン、アントラセン、フェナントレン、ピレンなどの縮合多環芳香族化合物または縮合多環芳香族化合物とフェノール、アルキルフェノール、レゾルシンなどの単環芳香族化合物との混合物からなる原料物質と、２個以上のヒドロキシメチル基またはハロメチル基を有する芳香族化合物とを酸触媒の存在下で脱水縮合反応させることによって合成された熱硬化性樹脂（特開昭６２−２２７９２４号公報、特開昭６２−２２７９２５号公報、特開平１−２９４７２９号公報など）をいう。
これらの樹脂は英訳名（Polycondensed  Fused-Polynuclear  Aromatic  Resin）の略号からＣＯＰＮＡ樹脂と略称されている。
【００１３】
しかし、２個以上のハロメチル基を有する芳香族化合物、例えばジクロルメチルベンゼンを用いて合成された縮合多環多核芳香族系樹脂の場合には樹脂中に塩化水素が残存し腐食性の増加や耐熱性が低下することがある。
したがって本発明において縮合多環多核芳香族系樹脂としては、ナフタレン、アントラセン、フェナントレン、ピレンやこれらの混合物であるコルタールピッチなどの縮合多環芳香族化合物または縮合多環香族化合物とフェノル、アルキルフェノール、レゾルシンなどの単環芳香族化合物との混合物からなる原料物質とベンゼンジメタノールなどのヒドロキシメチル化合物との脱水縮合反応によって合成された樹脂を用いることが好ましい。
【００１４】
酸触媒としては、トルエンスルフォン酸、ベンゼンスルフォン酸、ナフタリンスルフォン酸などの芳香族スルフォン酸や、硫酸、塩酸などの鉱酸を用いることができるが、成形性などから芳香族スルフォン酸が好ましい。
縮合多環芳香族化合物に対する２個以上のヒドロキシメチル基又はハロメチル基を有する芳香族化合物の混合比は、モル比で１．０以上、好ましくは１．３〜２である。
【００１５】
酸触媒の配合比は、縮合多環芳香族化合物と２個以上のヒドロキシメチル基又はハロメチル基を有する芳香族化合物の合計重量に対して、重量比で０．１〜１０％である。
【００１６】
縮合多環芳香族化合物と、ポリヒドロキシメチル（又はポリハロメチル）化合物、酸触媒を所定量仕込んで、９０〜１５０℃に加熱することで縮合反応が進行する。
反応の進行に伴って分子量が増加し、粘度が上昇する。さらに反応を続けるとゲル化し網目状の不融不溶の熱硬化物を与える。プリプレグを調製する場合には、ゲル化する前の熱熔融性、溶剤溶解性を有する段階で反応を一旦停止し、溶剤の溶解した樹脂ワニスを、ガラスクロスなどに含浸塗布させることにより製造する。また、樹脂ワニスではなく熱で熔融させた液状樹脂を直接ガラスクロスなどに塗布するホットメルト法でも製造可能である。
【００１７】
この縮合多環多核芳香族系樹脂はガラス転移点が３００℃以上であり、熱分解温度が４００〜５００℃であるなど耐熱性に優れているほか、熱膨張率が小さく、吸水性が低いなどの特徴を有している。更にまた、プリプレグとして用いた場合には、各種の合成樹脂との接着性が高いなどの優れた特性がある。
縮合多環多核芳香族系樹脂は、芳香族スルフォン酸を触媒として用いてピレン、フェナントレン、アントラセン、ナフタレンと１，４−ベンゼンジメタノールとの縮合反応によって合成することもできるが、市販品（例えば住金ケミカル（株）製、ＳＫレジン）もあることから、それらを用いると便利である。
【００１８】
本発明において、縮合多環多核芳香族系樹脂を用いて発熱素子を絶縁被覆する場合には、縮合多環多核芳香族系樹脂をガラスクロスなどに含浸させ重合度を半硬化状態（Ｂステージ状態）に止めたプリプレグ、あるいは縮合多環多核芳香族系樹脂を耐熱性樹脂フイルムに塗布させてＢステージ状態に止めたプリプレグを用いて被覆したのち、加熱圧縮により完全硬化させると、発熱素子との高い接着性が得られる点で好都合である。
【００１９】
縮合多環多核芳香族系樹脂をガラスクロス、ポリイミド織布などの基材に含浸させたＢステージ状態の縮合多環多核芳香族系樹脂プリプレグを用いて発熱素子を絶縁被覆する場合のプリプレグの厚さは、所望の絶縁耐力によって異なり一概には特定できない。しかし、薄すぎる場合には絶縁耐力が得られないこと、また厚すぎる場合には高価となることから通常は０．１〜３ｍｍ、好ましくは０．２〜１ｍｍ程度のものが用いられる。
【００２０】
また、縮合多環多核芳香族系樹脂をフイルムの片面又は両面に塗布してＢステージ状態のプリプレグとして被覆する場合の基材フィルムの厚さは、所望の絶縁耐力によって異なり一概には特定できないが、薄すぎる場合には絶縁耐力が得られず、厚すぎる場合には柔軟性が失われるばかりでなく、高価となることから通常は０．０２５〜０．３ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．１ｍｍ程度とされる。また、縮合多環多核芳香族系樹脂層の厚さは、薄すぎる場合は発熱素子との接着性が得られず、厚すぎる場合には柔軟性が失われるばかりでなく高価となることから通常は０．００５〜０．３ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．２ｍｍである。
【００２１】
また縮合多環多核芳香族系樹脂プリプレグの外側にポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルフォン、ポリフェニレンサルファイド及び芳香族ポリアミドなどの縮合多環多核芳香族系樹脂よりも絶縁性の高い耐熱性樹脂のフイルムを重ねあわせる。このように縮合多環多核芳香族系樹脂プリプレグと、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルフォン、芳香族ポリアミドなどのシートの単独又は組み合わせとを重ねあわせることにより、縮合多環多核芳香族系樹脂プリプレグ単独で絶縁被覆した場合よりも薄い被覆で高い絶縁耐力を得ることもできる。
【００２２】
縮合多環多核芳香族系樹脂プリプレグとポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルフォン、ポリフェニレンサルファイド、芳香族ポリアミドなどのシートとを重ねあわせる場合におけるプリプレグの厚さとしては通常は０．０１〜０．３ｍｍ、好ましくは０．０３〜０．２ｍｍ程度である。また、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルフォン、ポリフェニレンサルファイド、芳香族ポリアミドなどのシートの厚さとして通常は０．０２〜０．５ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．２５ｍｍである。
【００２３】
本発明において、発熱素子を縮合多環多核芳香族系樹脂で被覆する方法としては、発熱素子の表裏面に縮合多環多核芳香族系樹脂プリプレグ、又は縮合多環多核芳香族系樹脂プリプレグとともにその外側にポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルフォン、ポリフェニレンサルファイド、芳香族ポリアミドなどの耐熱性の高い樹脂シートを重ねあわせ、加圧下、１００〜３００℃の温度で加熱して成形される。
【００２４】
また、加熱成形中には、縮合多環多核芳香族系樹脂の縮合反応に基づくガス発生により気泡を生じる虞があることから、通常は若干低い温度で加熱し、しかる後高い温度で加熱成形することが好ましい。例えば、５〜５０ｋｇｆ／ｃｍ２の加圧下に、１５０〜１８０℃で５〜１２０分加熱し、次に２００〜２５０℃で１５〜１２０分程度加熱する方法などによって行うことができる。
【００２５】
本発明において、発熱素子を縮合多環多核芳香族系樹脂とともにポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルフォン、ポリフェニレンサルファイド、芳香族ポリアミドなどの耐熱絶縁性樹脂シートで被覆する場合には、耐熱絶縁性樹脂シートと縮合多環多核芳香族系樹脂プリプレグとの接着性を向上させる目的で、耐熱絶縁性樹脂シートの被接着面がコロナ放電処理されたものを用いることもできる。
【００２６】
このように発熱素子の表面を縮合多環多核芳香族系樹脂により被覆した面状発熱体は、絶縁材料として縮合多環多核芳香族系樹脂の使用に基づく高い耐熱性が得られるほか、発熱体として長期間の使用中における金属箔の破断あるいは金属抵抗線の断線を生じないこと、被加熱物の接点部分の接触不良、及び被加熱物の物性低下を生じないという優れた効果が得られる。
【００２７】
本発明における縮合多環多核芳香族系樹脂を絶縁被覆材料に用いることによる上記効果の素因については明らかではない。しかし、縮合多環多核芳香族系樹脂の線膨張係数が金属抵抗体の線膨張係数に非常に近いことから、加熱が繰り返されても発熱素子にストレスを及ぼさないこと、また縮合多環多核芳香族系樹脂は芳香環が分子構成成分の主体であり基本的に熱安定性の高い構造であり面状発熱体あるいは被加熱物に悪影響を与えるようなガスを発生し汚染しないこと、さらには均一性の高いプリプレグが得られること、加熱処理工程中での変形率が小さいことなどによって上記のような効果が得られるものと推測される。
【００２８】
【実施例】
次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。
【００２９】
（実施例１）
ステンレススチール箔が幅２ｍｍの蛇行状にエッチングして形成された、１００×２００ｍｍ、厚さ３０μｍの金属箔抵抗体を発熱素子とした。
この発熱素子の表裏面に、ガラスクロスに１，４−ベンゼンジメタノールとナフタレンとの縮合多環多核芳香族系樹脂を含浸させた厚さ０．１ｍｍ、幅１１０ｍｍ、長さ２１０ｍｍのプリプレグ（住金ケミカル（株）製、ＳＫレジンプリプレグ）と、その外側に厚さ０．０５ｍｍ、幅１１０ｍｍ、長さ２１０ｍｍのポリイミドフイルムをそれぞれ重ねあわせた。このようにした後、１２ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力下に、１８０℃で６０分間、更に２５０℃に昇温した後３０分間加熱した。
【００３０】
このように加熱成形した後、ステンレススチール箔部分にコードを接続し面状発熱体とした。この面状発熱体に１００Ｖの交流電圧を通電し、発熱体の表面温度が２３０℃となるように温度調節しながら２時間の通電、２時間室温下で放置する加熱サイクルを繰り返し、発熱体の状況の変化を観察した。その結果、繰り返し回数９５０回後においても抵抗値の変化、金属の破断、絶縁被覆材の剥がれ、及び変形は認められなかった。
また、このようにして製作した面状発熱体１０枚について絶縁耐力を２０００Ｖ、１分の条件で測定したが、いずれも絶縁破壊は生じなかった。
【００３１】
（実施例２）
ガラスクロスに１，４−ベンゼンジメタノールとナフタレンとの縮合多環多核芳香族系樹脂を含浸させ加熱成形された厚さ０．１ｍｍ、幅７０ｍｍ、長さ１００ｍｍの基板（住金ケミカル（株）製、ＳＫレジン基板）の両長辺部分に５ｍｍ間隔で５ｍｍ内側まで切り込みを入れた。
この絶縁基板の切り込みを利用して素線径０．１ｍｍのニクロム線を基板表面に５ｍｍ間隔で張り巡らして発熱素子を作製した。
この発熱素子の表裏面にそれぞれ８０×１１０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍの縮合多環多核芳香族系樹脂プリプレグを重ね合わせた。このようにした後、１２ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力下に、１８０℃で６０分間、更に２５０℃に昇温した後３０分間加熱し、面状発熱体を製作した。
【００３２】
この面状発熱体に１００Ｖの交流電圧を通電し、発熱体の表面温度が２３０℃となるように温度調節しながら実施例１と同様に加熱サイクル試験を行った。その結果、くり返し回数９５０回後においても抵抗値の変化、金属線の断線、絶縁被覆材の剥がれ、変形は認められなかった。
また、このようにして製作した面状発熱体１０枚について絶縁耐力を２０００Ｖ、１分の条件で測定したが、いずれも絶縁破壊は生じなかった。
【００３３】
（比較例１）
実施例２と同様の発熱素子の両面に、厚さ０．２ｍｍ、幅８０ｍｍ、長さ１１０ｍｍのシリコン樹脂と、その外側に厚さ０．１ｍｍ、幅８０ｍｍ、長さ１１０ｍｍのポリイミドフイルムをそれぞれ重ねあわせた。しかる後、２５ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力下に、１８０℃で６０分間、更に２５０℃に昇温した後３０分間加熱した。
このように加熱成形した後、ニクロム線両端部分にコードを接続し面状発熱体とした。
この面状発熱体に１００Ｖの交流電圧を通電し、発熱体の表面温度が２３０℃となるように温度調節しながら実施例１と同様にして加熱サイクル試験を行った。その結果、繰り返し回数２４５回の時点でニクロム線に破断を生じ、発熱体としての機能を失った。
【００３４】
【発明の効果】
金属箔抵抗体又は金属線抵抗体からなる発熱素子を用い、絶縁被覆材料として縮合多環多核芳香族系樹脂を用いることにより、従来の面状発熱体では不可能であった２００〜２５０℃で、長期間安定に使用が可能な面状発熱体が得られた。更に縮合多環多核芳香族系樹脂と高い絶縁性を有する耐熱性シートを組み合わせて絶縁被覆を行うことにより、薄くて柔軟性の高い面状発熱体が得られるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】面状発熱体の平面図の例である（破断面で金属箔発熱素子を示す）。
【図２】図１におけるＡ−Ａ’線断面拡大図である。
【符号の説明】
１  面状発熱体
２  電源コード
３  金属箔発熱素子
４  縮合多環多核芳香族系樹脂
５  耐熱絶縁性樹脂シート
【図１】
0004001696.tif 000002
【図２】
0004001696.tif 000003