JPH10223360A - 面状発熱体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 厚膜技術を用いた面状発熱体に関し、コスト
ダウンにつながる新規な端子取付構造に関するものであ
り、低価格面状発熱体を提供する。 【解決手段】 絶縁性耐熱性を有する基板１の面に、厚
膜印刷技術を用いて形成された抵抗体層２の両終端部
に、導電性ペースト５を用いて金属細線不織布シート６
を焼結、接合し、前記以外の抵抗体層に保護コーティン
グ用ガラスペーストを印刷、焼成し保護ガラス層３を形
成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、厚膜印刷技術を用
いて形成する、面状発熱体に関するものであり、特に、
接続用端子部の構成に特徴を有するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、面状発熱体は電気カーペット、セ
ラミックスファンヒータ等民生用機器や、配管、タンク
の保温等の産業用の熱源として広く使用されており、そ
のうち民生用としての将来は、その薄さの特徴を生かし
た壁、床暖房や融雪瓦等としての応用が検討され、一部
商品化されている。従来の面状発熱体を大別すると、
１）導電性微粒子を熱可塑性樹脂中にブレンドしたもの
をシート状に成形したもの、２）電気的絶縁性基板上に
エッチング法等でパターンニングした金属薄膜を張り付
けたもの、３）チタン酸バリウムやチタン酸鉛酸バリウ
ム等の粉末を、成形し、それを焼成した、そのもの自体
が正の抵抗−温度特性（ＰＴＣ特性）を示すセラミック
スや、４）導電性微粒子をシリコーン樹脂やフリットガ
ラスと混合し、有機ビヒクルを混ぜペースト状とし、そ
れを厚膜印刷技術を用いて電気的絶縁性基板上に塗膜
し、焼成した厚膜タイプに分類できる。

【０００３】すなわち、１）のものは、特公昭５４−１
３６２５号などの公報に開示されているように、ポリオ
レフィン系樹脂等の熱可塑性樹脂に、カーボンブラック
をブレンド・混練し、シート状に成形したもので、樹脂
中に導電性のカーボン粒子が配合され物理的接触のみで
導通を得ているものである。カーボン粒子と熱可塑性樹
脂との熱膨張係数は、樹脂のほうが極端に大きく、か
つ、樹脂はガラス転移点以上の温度でさらに大きい熱膨
張を示すため、ブレンドされたカーボン粒子の間隔が温
度上昇と共に広がり、ガラス転移点より上では、その広
がりが加速されるため抵抗値が大きくなり、顕著なＰＴ
Ｃ特性を示し、その温度前後で発熱体に電流が流れにく
くなり、自己温度制御特性をもっているため、それらの
ものは電気毛布、ホットカーペット等の商品として広く
実用化されている。しかし、熱可塑性樹脂が主成分であ
るため、高温の面状発熱体は難しく、発熱温度は約８０
℃が上限である。

【０００４】２）のものは、ステンレス薄膜やアルミニ
ウム薄膜等をエッチング法や、機械的プレス法で細い線
幅のパターン状に成形し、それを絶縁処理を施したアル
ミニウム板やホーロー基板等に、シリコーン樹脂接着剤
や無機接着剤で張り付けたものが開発されており、一部
堀こたつの補助ヒータとして実用化されている。しか
し、基板との接合に課題があり、高温用の発熱体は作製
が難しいようである。また、積層マイカ板にニクロム線
を巻き付け、その両面をマイカ板でサンドイッチ状にし
たものが古くから作られており、電気アイロン等に使わ
れてきた。しかし、この構成は、機械的強度が小さく独
立して使用することが困難であり、限られた用途に限定
されている。

【０００５】また、３）の焼結体自体が発熱体であり、
かつ、ＰＴＣ温度特性を持つチタン酸バリウム系素子
は、該素子のキューリー点以上の温度で抵抗値が極端に
上昇する特異な温度抵抗値特性を有しており、かつ、そ
のキューリー点が、チタン酸バリウム中のバリウムサイ
トを、ストロンチウム、カルシウム或いは鉛等で部分的
に置換することにより、常温付近から３００℃位まで変
化制御できるため、電気蚊取り器のヒータ、洗濯機の乾
燥機、布団乾燥機、温風ヒータ等各種熱源に広く用いら
れている。しかし、その焼結体のサイズが小さく、広い
面積の面状発熱体に適用するためには、多数個の素子を
並べる必要があり、コスト的に課題がある。また、１２
０℃以上のキューリー点にもっていくためには、バリウ
ムの一部を鉛に置換しなければならず、２５０℃の発熱
温度を得ようとすれば３０モル％程度も置換する必要が
あり、環境汚染の課題がある。

【０００６】また、厚膜印刷技術を用いた４）のもの
は、例えば、特公昭５８−１５９１３号に開示されてい
るものがあり、その詳細はシリコーン樹脂ワニスにグラ
ファイト粉末、有機溶剤、流動性調整剤等を混合し、耐
熱性絶縁性基板に塗布し、２５０〜４５０℃で３時間焼
成し製造する方法が記述されている。２００〜３６０℃
まで発熱する面状発熱体が作製できるようである。ま
た、特公昭３８−１７８２７号には、ホーロー被覆軟鋼
板の絶縁性基板上に、黒鉛または金属チタン或いはその
混合物とフリットガラス、有機ビヒクルを混合、ペース
ト化し、前記絶縁基板上に塗布、焼成、その上に絶縁保
護の目的で透明性のホーローを施した構造のものが開示
されている。

【０００７】また、公知のものとしては、９６〜９９％
アルミナ基板上に、銀・パラジウム粉末或いは酸化ルテ
ニウム粉末とフリットガラス及び有機ビヒクルを混合
し、ペースト化したものを前記基板上に印刷塗布し、焼
成したものが一般的に知られており、特殊な使用例とし
ては、プリンター用のサーマルヘッドがあり、本方式の
ものが大量に使われている。その一般的構造は図７及び
図８に示した。図７は平面図、図８は端子部の断面図を
それぞれ示している。図中１は絶縁性耐熱性基板、２は
厚膜抵抗体層パターン、８は抵抗体層２に９の部分で接
続した電極層パターンであり、３は前記抵抗体層２を保
護するために抵抗体層２上に形成されたガラス層パター
ンである。面状発熱体として使用するには、前記電極層
部８にリード線を接続しなければならず、一般的には、
銀ローによる接合法や電極板を物理的に圧接する方法等
で行われている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来の面状発熱
体、特に、厚膜印刷技術を用いた４）に述べたものは、
ハイブリッドＩＣという確立されたプロセスがあり、大
量生産向きなので低コストの民生用面状発熱体を提供で
きそうであるが、前述の一般的構成の面状発熱体では、
面状発熱体ではないが不透明石英管にニクロム線ヒータ
を挿入したもの、或いは、不透明石英管にタングステン
線を不活性ガスとともに封入したヒータ等には、コスト
的に勝てないのが現状である。厚膜方式での更なるコス
トダウンは、量産効果によるコスト削減しか無いのが現
状と思われる。そのコスト上昇の要因は種々あるが、一
つは基板材料や導体、抵抗体ペーストが高価である、二
つは生産するために多くの工程が必要であるに大別でき
る。本発明は、主に後者の改善に係わるものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明の面状発熱体は、厚膜印刷技術を用いて形成
する面状発熱体であり、絶縁性耐熱性基板の面に、抵抗
体層を有し、該抵抗体の両終端部に、導電性ペーストを
介して金属細線不織布シートが焼結されており、前記以
外の抵抗体層上に抵抗体層保護コーティング層が形成さ
れた構造を有しており、従来の厚膜方式の面状発熱体に
較べ電極層パターンが省略できるため、材料のコストダ
ウン及び工数の削減が可能となり、大幅なコストダウン
目的が達成できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、電気的絶縁性耐熱性を有する基板の少なくとも一方
の面に、厚膜印刷技術を用いて形成された面状発熱体と
なる抵抗体層を有し、該抵抗体層の両終端部に、導電性
ペーストを介して金属細線不織布シートが焼結接合され
ており、前記以外の抵抗体層上に抵抗体保護コーティン
グ層が形成された構造であり、金属細線不織布シートを
使用することにより、導電性ペーストで直接抵抗体層に
電極端子の接合が可能となり、その結果、従来の厚膜方
式の面状発熱体では電極層が必要であったが、本発明で
は不必要となり、その結果、電極層材料が削減でき、か
つ、印刷工程が削減されるため約１０％程度のコストダ
ウンが可能となった。

【００１１】また、請求項２に記載の発明は、抵抗体層
の端部に、導電性ペーストを介して焼結接合された金属
細線不織布シートの先端部より、さらに内側の抵抗体層
にも前記導電ペーストが焼結塗布されている構造を有し
ており、該抵抗体層に塗布する導電性ペーストの面積、
長さは制御でき、その結果、導電性ペーストが塗布焼結
された部分は導体層として働くために、金属細線不織布
シートによる端子付け部の温度上昇を抑えることがで
き、該部分の信頼性をより確実なものとすることができ
る。

【００１２】また、請求項３に記載の発明は、金属細線
不織布シートが、中空状ニッケル細線よりなる不織布シ
ートで構成されているため、該不織布シートが熱膨張の
緩衝帯として働き、ヒータによる熱サイクルで端子付け
部に働く熱膨張係数の違いによるストレスの緩和帯とし
て作用し、信頼性の高い端子付け構造を提供できる。ま
た、ニッケル金属は、空気中での表面酸化が表面層で留
まるため、酸化の進行が遅く、長時間の使用に耐える端
子付け構造を提供できる。

【００１３】（実施の形態１）以下に、本発明の請求項
１及び請求項３に記載された発明の実施形態について、
図１、図２、図３及び図４を用いて説明する。

【００１４】図１は、本発明の面状発熱体の一製造工程
（端子取付前のもの）における平面図を、図２には図１
の抵抗体層の終端部の断面図をそれぞれ示した。図１及
び図２において、１は電気的絶縁性耐熱性基板であり、
例えば、ステンレススチール鋼（ＳＵＳ−４３０）薄板
表面に、電解法でホーロー材料を均一に塗布し、８５０
℃で焼結したものであり、２は前記基板１上にスクリー
ン印刷法にて形成した抵抗体層であり、その作製法は、
例えば、銀・パラジウム（８５：１５ｗｔ％）微粉末
に、ＳｉＯ₂・ＺｎＯ・ＣａＯ系フリットガラス微粉
末、有機ビヒクル及び粘度調整剤を加え、混練したペー
ストを、スクリーン印刷・乾燥後、空気雰囲気中８５０
℃、keep時間７分で焼成した。３は抵抗体層２を保護す
るための保護コーティング層であり、空気雰囲気中５１
０℃焼成のガラスをコートした。４は前記抵抗体層２の
両終端部で、端子取付部である。該部分に保護コート用
ガラス層は施してない。従来のものは、この部分に導電
性のペーストを用いて電極層を形成するのが一般的であ
った。それは、従来の端子付け法が抵抗体層表面では不
可能であったためである。

【００１５】図３、図４には、本発明の面状発熱体の端
子接合を行った、一実施形態を示した。図３は面状発熱
体の平面図を、図４には端子接合部の拡大断面図をそれ
ぞれ示した。図３及び図４において、１は絶縁性耐熱性
基板、２は抵抗体層、３は抵抗体層２を保護するコーテ
ィング層である。１〜３は前述のものと同等なので詳細
な説明は省略する。抵抗体層２の両終端部４には端子付
けがなされており、本実施形態では、６の金属細線不織
布シート、例えば、線径１０〜１００μm程の中空状ニ
ッケル細線の不織布シート（日本精線（株）で製造：作
り方は、カーボンファイバー不織布シート表面に、メッ
キ法でニッケルを電着させ、芯のカーボンを酸化除去
し、最後に酸化したニッケルを還元し作っている）であ
り、該金属細線不織布シート６が前記抵抗体層２の両終
端部４の表面に導電性ペースト５で焼結接合されてい
る。導電性ペースト５は、例えば、銀微粒子とガラスフ
リット微粒子を有機ビヒクル、粘度調整剤と混練しペー
スト状にしたものであり、それを前記抵抗体層４の部分
に印刷塗布し、前記金属細線不織布シート６を密着、乾
燥させ、焼成、接合したものである。前記金属細線不織
布シート６の他端には、リード線をハトメ法等で取り付
ける。金属細線不織布シート６は柔軟性があり、下地抵
抗体層４との熱膨張係数の違いによる熱ストレスを吸収
緩和する作用がある。本実施形態のごとく、金属細線不
織布シートを使用することにより、抵抗体層表面に導電
性ペーストを介して直接端子が取り付けられるようにな
り、その結果、従来必要であった電極層が省略でき、材
料の節減及び印刷・乾燥工程の削減が可能となり、より
安い面状発熱体を提供することが可能となった。

【００１６】（実施の形態２）次に、本発明の請求項２
に記載された発明の実施の形態について、図５及び図６
を用いて説明する。

【００１７】図５は本発明の別な実施の形態の面状発熱
体の平面図を、図６には図５の端子取付部の拡大断面図
をそれぞれ示した。１は電気的絶縁性耐熱性基板、２は
抵抗体層、３は前記抵抗体層を保護するコーティング
層、５は導電性ペースト焼結体層、６は金属細線不織布
シート、４は抵抗体層２の終端部で、前記金属細線不織
布シート６を前記導電性ペースト５で焼結接合した部
分、７は抵抗体層２の両終端部付近の、前記金属細線不
織布シート６より内側に入った部分の表面のほぼ全体に
塗布焼結された、前記導電性ペースト５の焼結部を示
し、その長さは５〜２０ｍｍ程度であり、該表面にはガ
ラス保護層３が無い構成をそれぞれ示している。その材
料、作製方法等は前述したので省略する。前記７の部分
に保護コート層が無い構成について説明したが、ガラス
層等の保護層を塗布しても何等問題はない。本発明で重
要なことは、７の部分を有することである。すなわち、
金属細線不織布シート６の、前記抵抗体層２との接合部
４より、より抵抗体層２側の部分に、前記抵抗体層２に
電気的に密着して導電性ペースト５の焼結体層を有する
ことである。

【００１８】図６において、前記した７の部分が無い構
成であれば、前記金属細線不織布シート６の左端部より
すぐに抵抗体層２となり、その構成で発熱させると、前
記金属細線不織布シート６の左端部が高温になり、前記
金属細線不織布シート６の接合部が高温度にさらされ、
温度差の大きい熱サイクルを受け、さらに、金属細線不
織布シート６の表面酸化が促進される等の問題が生じ
る。しかし、本実施の形態のごとく、金属細線不織布シ
ート６の左終端部より内側に導電層７が形成されている
と、抵抗体層２すなわち発熱体層は、導電層７の左終端
部からとなり、その結果、金属細線不織布シート６の接
合部の温度が低い状態を形成することが可能となり、前
述した問題を解決することができる。ヒータ使用時の前
記金属細線不織布シート６接合部の温度は、前記導電性
層７の長さを変えることにより制御でき、より信頼性の
ある端子の接続が得られる。

【００１９】本実施の形態では、ステンレス／ホーロー
コート基板について説明したが、厚膜印刷技術を用いて
形成する面状発熱体には、基本的問題を有せず各種の基
板材料が適用できる。また、抵抗体層２と金属細線不織
布シート６との接合に、銀微粒子／フリットガラス系に
ついて説明したが、アルミニウム微粒子、銀・パラジウ
ム微粒子或いは金微粒子とフリットガラス系のペースト
も、空気雰囲気焼成で適用でき、焼成雰囲気に窒素系を
用いれば、その他の酸化されやすい材料を用いた導電性
ペーストも使用可能である。また、厚膜技術を用いて形
成する、面状発熱体への端子取付構造について説明した
が、その他の抵抗体膜形成技術、例えば、スパッター
法、蒸着法やメッキ法等による薄膜抵抗体、抵抗材料の
溶射法などで形成した抵抗体膜にも共通して適用でき
る。

【００２０】

【発明の効果】以上のように、本発明の面状発熱体によ
れば、従来のごとく端子取付用の電極層が省略でき、そ
の結果、材料の節減及び印刷・乾燥・焼成工程の削減が
でき、より低価格の面状発熱体を提供できる。また、抵
抗体層終端部に取り付けた、端子部より抵抗体層側の抵
抗体層に、導電性層を形成することにより、端子取付部
の発熱時の温度上昇を低く抑えることができ、より信頼
性の高い端子取付構造が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による面状発熱体の製造
過程における平面図

【図２】同製造過程における面状発熱体の要部断面図

【図３】本発明の一実施の形態による面状発熱体の平面
図

【図４】同実施の形態による面状発熱体の要部断面図

【図５】本発明の他の実施の形態による面状発熱体の平
面図

【図６】同実施の形態による面状発熱体の要部断面図

【図７】従来の面状発熱体の平面図

【図８】同従来の面状発熱体の断面図

【符号の説明】 １ 絶縁性耐熱性基板 ２ 抵抗体層 ３ 保護コート層 ４ 抵抗体層終端部端子取付部 ５ 導電性ペースト焼結体 ６ 金属細線不織布シート ７ 導電性ペースト焼結体層 ８ 電極層 ９ 電極層・抵抗体層オーバーラップ部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気的絶縁性耐熱性を有する基板の少なく
   とも一方の面に、厚膜印刷技術を用いて形成された面状
   発熱体となる抵抗体層を有し、前記抵抗体層の両終端部
   に、導電性ペーストを介して金属細線不織布シートが焼
   結接合されており、前記以外の抵抗体層上に抵抗体保護
   コーティング層が形成された構造を特徴とする面状発熱
   体。
2. 【請求項２】抵抗体層の端部に、導電性ペーストを介し
   て、焼結接合された金属細線不織布シートの先端部よ
   り、さらに内側の抵抗体層にも前記導電性ペーストが焼
   結塗布されている構造を特徴とする請求項１に記載の面
   状発熱体。
3. 【請求項３】金属細線不織布シートが、中空状ニッケル
   細線よりなる不織布シートであることを特徴とする請求
   項１に記載の面状発熱体。