JPS6322041B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、少なくとも交流電圧が印加される樹
脂層と、この樹脂層を介して相対向して設けられ
た一対の電気導体とを有する誘電型電気素子に関
するものである。ここにおいて誘電型電気素子と
は、樹脂に固有の体積インピーダンスによつて決
まる樹脂層のインピーダンスを正確に検出する電
気素子のことである。

このような誘電型電気素子は、環境の変化を検
知するセンサなどとして広く用いられる。一例と
してポリアミド組成物あるいは有機半導体などの
半導体物質をポリエチレンやポリプロピレンなど
のポリオレフイン組成物ないしはポリ弗化ビニリ
デンなどの熱可塑性樹脂に分散させた組成物より
なる感熱素子などが挙げられる。また感熱素子全
体の構造としては、芯線に一方の電気導体線をら
せん状に巻を付けてその外側を樹脂層によつて被
覆し、これをさらに外側の電気導体線を巻き付
け、さらにその外側を電気絶縁外被によつて被覆
して全体を可撓性のある多重同心円筒状の線とし
て構成する場合や、シート状の樹脂層の両面にそ
れぞれ電気導体線を蛇行状に配置し、その外側を
電気絶縁外被で被覆し、全体をサンドウイツチ状
の多層構造板として構成する場合が代表例として
あげられる。これらの電気導体線に通電して発熱
機能をもたせた構造のものが一般的に使用され、
なかでも多重同心円筒状の線として構成したもの
は、電気毛布や電気カーペツトなどの採暖具の感
熱素子として広く用いられている。

ところで、これらの誘電型電気素子において用
いられる樹脂として、上記のポリアミド、ポリエ
チレン、ポリプロピレンもしくはポリ弗化ビニリ
デンなどの電気特性の安定している高分子組成物
が用いられる場合が多い。ところがこれらはいず
れもポリマーとしての結晶性が高く、常温付近に
おいて大きな剛性を有している。このために誘電
型電気素子の樹脂層に電気導体を取り付ける際
に、電気導体が樹脂層から反撥を受けて両者の接
触が十分に行われず、樹脂層のインピーダンスを
正確に検出することが妨げられる。

さらに、このような誘電型電気素子を高湿下で
使用あるいは保管するときは、さらに新しい問題
が発生する。たとえば、電気毛布などの高湿の条
件下に保管して再度、これを用いようとするとき
などがこれに相当する。すなわち、このような条
件のもとでは、誘電型電気素子における樹脂層に
水分子が吸着され、この吸着層の中に樹脂層中の
イオン性不純物や可塑剤などが浸出してきて抵抗
の低い層をつくる。これが電気導体と樹脂層との
電気的接触を良好にさせて、先に述べた乾燥時に
両者の間に存在していた接触抵抗を低減させてし
まう。この結果、吸湿時と乾燥時に示す樹脂固有
のインピーダンスの差異よりも大きなものとして
この変化が検出されてしまうことになる。

本発明は、これらの従来の欠点を改善して、乾
燥時は樹脂層のインピーダンスを正確に検出し、
しかも加湿時にも乾燥時に近いインピーダンス値
を検出すること、いいかえると湿度の影響をうけ
ない誘電型電気素子をを提供するものである。

本発明の特徴は、一言で言えば、電気導体が剛
性の大きい樹脂層から反撥を受けて生じた間隙に
樹脂のインピーダンスに比べてその大きさが無視
しうるほど小さく、かつ樹脂の抵抗に比べてその
大きさが十分に大きく、かつ撥水性を有する誘電
体層を介在させたことである。ここで、誘電型電
気素子の電気的な作動機構について乾燥下と加湿
下との二つの条件に分けて述べる。

(1) 乾燥状態の作動機構 この場合は、間隙部位（電気導体と樹脂層と
の間に形成される間隙のことを以下、簡単にこ
う呼ぶことにする）に介在した誘電層が電気導
体と樹脂層との間の電気的な橋わたしの役割を
行うと解することができる。すなわち誘電層が
これら両者に対して緊密に密着し、両者との界
面間に存在する接触抵抗を低減すると考え得
る。この誘電層の厚みは樹脂層のそれに比べる
と無視しうるほど薄く、電気容量は樹脂層のそ
れに比べて十分大きいと考えられるので、樹脂
層のインピーダンスを正確に検出することが可
能となる。この様子を模式的に表した等価回路
図を第１図に示す。ここでｃ，Ｃはそれぞれ誘
電層および樹脂層の容量であり、ｃ≫Ｃであ
る。ｒ，Ｒはそれぞれ誘電層および樹脂層の抵
抗である。

(2) 加湿状態の作動機構 この場合は、(1)で述べた誘電層の他に吸着さ
れた水分子によつて形成され、樹脂中のイオン
物質などの不純物や可塑剤を含んだ水分層が間
隙部位に介在してくる。この様子を模式的に示
した等価回路図を第２図に示す。ここでr_W，
c_Wの水分層の抵抗および容量、r′，c′は撥水性
誘電層と水分層の間の界面の接触抵抗ならびに
容量である。ここにおいてr_Wの値はかなり小さ
い。しかし撥水性誘電層と水分層とはなじみが
悪く、このためにr′およびインピーダンスは無
視できないものになる。この結果、誘電型電気
素子は、樹脂のインピーダンスよりも大きなイ
ンピーダンスを検出することになる。多くの樹
脂においては吸湿によつてインピーダンスの値
が低下するが、この変化を相殺することによつ
て湿度の影響を除去することができる。吸湿に
よる上記の変化が大きいポリアミド組成物など
を用いるときはとくにこの効果が大である。

以上、作動機構について述べたが、実際には選
択する誘電層材料のちがいによつて電気導体ある
いは樹脂層との漏れの性質のちがいもしくは撥水
性の程度のちがいが生じてくるので、誘電型電気
素子あるいはその使用条件のちがいによつて最も
適合する材料を選定する必要がある。これらの材
料もしくはその形態の差異に応じて以下に述べる
ような方法で製造された誘電型電気素子はきわめ
て優秀な電気特性を有している。

(1) 塗布・浸漬法 これは誘電体層を形成する組成物が処理工程
の前後で組成を変化させない場合に適用しう
る。すなわち、組成物が液状である場合は直接
これにより塗布、浸漬処理すればよく、固体の
場合は適当な溶剤に溶解させて処理した後に乾
燥させればよい。これらの場合、一対の電気導
体のうちの少なくとも一方の、樹脂層に対向す
る部分を含む部位もしくはその電気導体に対向
する樹脂層のうち、少なくとも一方に対して塗
布したり、もしくは少なくとも一方の電気導体
あるいは樹脂層の全体を浸漬するなどの方法が
考えられる。

(2) 焼付、表面処理法 これは誘電体層を形成する組成物が処理工程
の前後において組成を変化させる場合に適用し
うる。一般には(1)、で述べた工程の後で熱処理
による焼きつけを行う。

さて、誘電体層の材料としては種々のものが考
えられるが、中でも弗素原子もしくはケイ素原子
を含む高分子物質である場合はすぐれた結果を与
える。これらのうちでもとくにグリース、オイ
ル、ゴム、またはワニスの形態をとつたものがす
ぐれている。これらのうち前二者は(1)の、後の二
者は(2)の方法で行うのが適当である。

次に第３図に示すような多重同心円筒状感熱素
子を例にとつて、本発明を具体的に説明する。こ
の感熱素子の構成の手順は以下のとおりである。

(1) ポリエステルまたはガラスなどの耐熱線繊維
よりなる芯線１に電気導体線（以後、導線と呼
ぶ）２を巻きつける。

(2) この上に高分子感温体層３を溶融チユービン
グする。ここに高分子感温体とは温度変化に応
じてインピーダンスの変化する高分子組成物の
ことである。

(3) (2)における感温体層が冷却、固化してからそ
の上に２と同様の導線４を巻きつける。

(4) さらに絶縁外被５を被覆する。

上記で誘電体層を介在させる工程は、たとえば
(1)において導線２を巻いた後の状態のもの、もし
くは(3)において導線４を巻く前の状態のものに対
する処理工程として付加される。

ここにおいて次のような手法を用いることも可
能である。すなわち、芯線１を高分子感温体と密
着性の良好な材料によつて構成し、よつて内側導
線２と高分子感温体層との密着を良好にする方
法、あるいは、高分子感温体層を溶融チユービン
グする際に、芯線１に内側導線２を巻きつけた状
態において、溶融した感温体層がこれに付着して
いる部分を高真空下におき、よつて導線２と感温
体層との密着を良好にする方法などである。この
ような方法を併用した場合は二つの間隙部分のう
ちの外側のもののみに誘電体層を介在させれば本
発明の目的を遂行することができる。

さらに、本発明によつて実現しうる重要な効果
について述べる。すなわその一つとして誘電体層
を介在させることによつて電気導体を保護し、樹
脂層との直接の接触を防いで、電気導体の腐触も
しくは変質を防ぐことである。このことで腐触層
による接触抵抗の生起が抑えられて電気特性の安
定化を図り得る。

またもう一つの効果として、誘電体層の抵抗が
樹脂層のそれに比べて十分大きいときは、樹脂層
を保護することができる。すなわち、誘電型電気
素子を発熱素子としても使用するために一方の電
気導体に直流成分を有する電圧を印加する場合
に、感温体層にもこの電圧が印加されるが、樹脂
層が直流分極を起こしやすい組成物で構成されて
いる場合は、分極を起こしてインピーダンス値が
変化してしまう。ところが誘電体層の抵抗が樹脂
層に比べて十分大きいときは、直流電圧成分はほ
とんどこの部分に印加されることになり、樹脂層
にはほとんど印加されないことになる。樹脂層の
インピーダンスを検出する場合には、他方の電気
導体に交流電圧を印加し、交流電流を検知するこ
とによるので、上記の直流電圧成分はここで影響
を及ぼさない。よつて長期間にわたる使用によつ
ても本発明の誘電型電気素子は安定な電気特性を
保持することが可能となる。

一般に弗素原子やケイ素原子を含む高分子化合
物よりなる組成物は、きわめて薄い層にしてもき
わめて大きい抵抗値を有さしめることができる反
面、容量は十分に大きい値を持たせることができ
るので、インピーダンスを樹脂層のそれに比べて
無視しうるほどに小さくすることが可能である。
よつてこのような目的に十分にかなうものであ
る。

なお、本発明と同様の目的を有するものとし
て、実公昭45−10145号公報にみられるように、
中空円筒状をなす樹脂層の外面に導電性接着塗料
を塗布して、その上に外側電気導体線を巻き付け
る方法が知られている。しかしながら、このよう
な方法によつては、樹脂層の温度ヒユーズ性が著
しく損なわれるという欠陥を有する。すなわち、
電気素子の一方の電気導体に通電することによつ
てこれを発熱素子としても用いる場合に、何らか
の原因によつて電気素子の一部または全部が異常
昇温するときに、樹脂層が溶融することによつて
外側と内側の電気導体とを接触させて通電を停止
する温度ヒユーズ機能を付与させることができる
が、実公昭45−10145号公報の方法によつては、
導電性接着塗料層は、一般にカーボンなどの導電
剤を配合させており、溶融性に乏しくなるので、
この温度ヒユーズ機能の正常な作動が妨げられ
る。

実公昭45−10145号公報の方法と本発明とのも
う一つの大きなちがいは言うまでもなく、間隙部
位に位置する介在層が前者では導電性物質である
のに対して後者では誘電体層であるということで
ある。

以下実施例を挙げて本発明を詳しく説明する。

実施例 １ ポリプロピレン70重量部に対して、常温におけ
る抵抗がそれぞれ３×10⁶Ω・cm、３×10^-3Ω・
cmの７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン
（以下TCNQと略す）カリウム塩およびグラフア
イトをそれぞれ15重量部加え、100℃の恆温機に
て一昼夜乾燥した。これを190℃の温度で溶融混
練し、押出成型機によつてガツト状に押し出した
後にペレツト化してさらに一昼夜乾燥した。

一方、ガラス繊維からなる芯線にアルミニウム
製の導線をまきつけ、これを三弗化塩化エチレン
オリゴマーの液に浸漬した。これに、上で調製し
たポリプロピレン組成物のペレツトを溶融チユー
ビングして冷却、固化後再度、上記の三弗化塩化
エチレンオリゴマー液に浸漬した。この上にアル
ミニウム製導線を巻きつけ、さらにその上をポリ
塩化ビニルの外被によつて被覆して感熱素子とし
た。これを試料１とする。

また、上記のペレツトを溶融プレスして大きさ
10cm×10cm、厚さ１mmのシートを作り、両面の直
径５cmの円形状にコロイダルカーボンを塗布して
電気特性測定用のテストピースとした。

以上のようにして構成した感熱素子とテストピ
ースの絶乾時（100℃一昼夜乾燥）のインピーダ
ンス一温度特性を第４図に示す。またこれらの試
料を45℃、95％RHの雰囲気下に100時間放置し
た後のインピーダンス一温度特性をも同時に示
す。比較例として実施例のような処理を施さない
感熱素子の特性もあわせて示す。

実施例 ２ ポリ弗化ビニリデン樹脂65重量部に対して、常
温における抵抗がそれぞれ10⁵Ω・cm、および0.1
Ω・cmのTCNQナトリウム塩およびチヤンネル
ブラツクをそれぞれ20および15重量部加えて、実
施例１と同じように溶融混練した後、ペレツト化
した。

一方、ガラス繊維からなる芯線にステンレス鋼
製の導線を巻きつけて、溶融チユービングしよう
とする部分を20mmHgの真空度の雰囲気におき、
上で調製したペレツトを製線用押出機にかけて上
記の導線の部分に溶融チユービングした。冷却、
固化後にこの上に次のような表面処理を施した扁
平なステンレス鋼製導線を巻きつけ、さらにその
上をポリ塩化ビニルの外被によつて被覆し、感熱
素子とした。これを試料２とする。ここにおい
て、表面処理とはステンレス鋼製導線をキシレン
で希釈したシリコンアルキツドワニスに浸漬させ
た後に150℃で１時間、焼付を行う工程のことで
ある。

また、このような処理を施さない比較例の感熱
素子と、実施例１と同様のテストピースを同時に
作製した。

以上の試料のインピーダンス一温度特性を第５
図に示す。またこれらの試料を120℃の雰囲気下
においてDC50Vの電圧を500時間、連続通電した
後のインピーダンス一温度特性、45℃95％RHの
雰囲気下に100時間放置した後のインピーダンス
一温度特性をも同時に示す。

実施例 ３ 熱可塑性ポリウレタン溶融液に含浸させた後、
乾燥させたポリエチレンテレフタレート繊維から
なる芯線に、断面が扁片な矩形をなす銅線をまき
つけ、その上からポリドデカンアミド（ナイロン
12）の乾燥ペレツトを製線用押出機にかけて溶融
チユービングした。冷却、固化後にこの上に次の
ような表面処理を施した扁平な銅線をまきつけ、
さらにその上をポリ塩化ビニルの外被によつて被
覆し、感熱素子とした。

さて、外側銅線の処理として次のような各種の
方法を採用した。

(1) ジメチルポリシロキシサンへの浸漬（試料３
−１） (2) キシレン−ブタノールで希釈したシリコンワ
ニスのナイロン層に対向する面への塗布および
その後の150℃、１時間の焼付（試料３−２） (3) 弗素系撥水剤（商品名デイツクガードＦ−
3320、大日本インキ化学工業社製）のトリクロ
ルエタン希釈液への浸漬（試料３−３）。

またこのような処理をしない比較例、および実
施例１と同様のテストピースも作成した。

以上の試料のインピーダンス一温度特性を第６
〜８図に示す。また実施例２と全く同条件での通
電もしくは加湿下放置の後のインピーダンス一温
度特性をもあわせて示す。

なお、以上の実施例において、体積固有インピ
ーダンスは、各試料についての樹脂層の厚みと電
極面積（巻線電気導体の場合は線巾とピツチから
計算してある）から単純に算出した。

また第５図、第６図、第８図のグラフにおいて
線が錯雑な部分は適当に省略してみやすくしてあ
る。

次に、以上の実施例について考察を加える。

実施例１においては、第４図からわかるよう
に、三弗化塩化エチレンオリゴマー処理によつて
理論特性（テストピースの両面にコロイダルカー
ボンを塗布したものについてのインピーダンス一
温度特性）に近い特性が出ていることを示す。

実施例２においても同様に第５図からわかるよ
うに、シリコンアルキツドワニスによる焼付によ
つて得られた感熱素子が理論特性と良好な一致を
示している。実施例１、２の感熱素子あるいはテ
ストピースに用いられている感温体は、典型的な
電子伝導を示す組成物であり、実施例１、２にお
いてインピーダンス値が湿度によらないことや、
実施例２において直流電圧を印加することによつ
てもインピーダンス値が変わらないということ
は、電子伝導性の物質に特有の現象である。実施
例１、２の感熱素子は十分にこの性質を引き出し
ている。

これに対して実施例１、２において処理を施し
ていないものは、インピーダンスが高いレベルに
出ており、曲線の傾斜もなだらかであつて、温度
検知能力が小さくなることを示している。さらに
第５図から通電によつてインピーダンス値が増大
しているが、ステンレス鋼電極が変質してポリ弗
化ビニリデン組成物との間の接触部位の抵抗が増
大することによるものと解することができる。さ
らに第４，５図において加湿によつてインピーダ
ンスが低下し、かつ曲線の傾斜も鋭くなる傾向を
示している。このことは加湿によつて間隙部位に
水の吸着層が形成されて、これが電極と感温体層
の電気的な接触を良好にするためと考えられるこ
とができる。

実施例３はポリドデカンアミド（ナイロン12）
を用いた感熱素子に関するものである。第６〜８
図はそれぞれ初期特性、加湿後の特性および通電
後の特性を示したものである。第６図はジメチル
ポリシロキサン、シリコンワニスおよび弗素系撥
水剤によつて処理した感熱素子が、処理しないも
のに比べて良好な特性を示すことを表している。
第７図はテストピースが吸湿によつてインピーダ
ンスの大巾な低下をきたすのに対して、撥水処理
した試料が絶乾時とほぼ同じインピーダンス値を
示すことを表している。すなわち、これらのもの
は湿度による特性変化をこうむらない。また撥水
処理を施していない試料は、インピーダンスが全
般的に低下するとともに曲線の傾きが鋭くなる。
このこともやはり実施例１、２と同様に解するこ
とができる。また第８図は、撥水処理を施したも
のは直流電圧を印加しても直流分極現象を起こさ
ないことを示している。これに対してテストピー
スあるいは撥水処理を施さない感熱素子は、直流
分極を起こしてインピーダンス値が増大してしま
う。この差異は、撥水処理したものはこの撥水層
に直流電圧の大部分が印加され、感温体にわずか
しか直流電圧が印加されないようになるという機
能の有無によつて説明することが可能である。

上に述べた実施例１〜３からもわかるように、
本発明の感熱素子はきわめてすぐれた電気特性と
湿度の変化を殆んど受けない使用上きわめてすぐ
れた特性とを有している。以上の実施例はすべて
感熱素子に関するものであるが、以上に詳細に述
べてきたように、本発明は上のようなすぐれた特
性を有する誘電型電気素子を提供するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１〜２図は誘電型電気素子の等価回路を示す
図、第３図は感熱素子の構造を示す図、第４〜８
図は実施例および比較例の感熱素子のインピーダ
ンス一温度特性を示す。 １……芯系、２，４……電気導体、３……高分
子感温体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも交流電圧が印加される樹脂層と、
   この樹脂層を介して相対向して設けられた一対の
   電気導体とを有する誘電型電気素子において、前
   記電気導体の少なくとも一方の樹脂層に対向する
   部分と樹脂層との間に、インピーダンスの大きさ
   が樹脂層のそれに対して無視することができるほ
   ど小さく、かつ撥水性の大きな誘電体層を介在さ
   せたことを特徴とする誘電型電気素子。 ２ 前記誘電体層が、弗素原子もしくはケイ素原
   子を含む高分子物質である特許請求の範囲第１項
   記載の誘電型電気素子。 ３ 前記弗素原子を含む高分子物質が、弗素ゴ
   ム、弗素グリース、弗素ワニスおよび弗素オイル
   よりなる群から選ばれる特許請求の範囲第２項記
   載の誘電型電気素子。 ４ 前記ケイ素原子を含む高分子物質が、シリコ
   ンゴム、シリコングリース、シリコンワニスおよ
   びシリコンオイルよりなる群から選ばれる特許請
   求の範囲第２項記載の誘電型電気素子。 ５ 前記樹脂層が、ポリアミド組成物よりなる特
   許請求の範囲第１〜４項のいずれかに記載の誘電
   型電気素子。 ６ 前記樹脂層が管状をなす特許請求の範囲第１
   〜４項のいずれかに記載の誘電型電気素子。