JP2005135927A - 加熱体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 保護膜表面粗さを所定以下に維持しつつ、その絶縁耐圧をさらに高めた加熱体を提供する。
【解決手段】 耐熱絶縁性基板１１上に形成され、かつ、平行に延びる２つの帯状部、およびこれらの帯状部の一端どうしを連結する連結部を有する発熱抵抗体１２と、この発熱抵抗体１２を覆う保護膜１４と、を備える加熱体であって、保護膜１４は、平均粒径が０．５〜２．０μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末を３〜４０重量％混合したガラスによって形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子写真プロセスにおいてトナーを記録紙に熱定着させるべく記録紙を加熱する場合等に使用される加熱体およびその製造方法に関する。

本発明が前提とするこの種の加熱体は、ハロゲンランプを内蔵した円筒部材からなる伝統的な加熱部材に代え、瞬時にして所定温度まで昇温しうる応答性能、および小型・薄型化を達成するべく開発されたものであって、その基本的な構成は、たとえば特許文献１に示されている。すなわち、この種の加熱体は、セラミック等の耐熱絶縁性の基板上に、帯状の発熱抵抗体をたとえば厚膜印刷法によって形成し、この発熱抵抗体の両端部に電極を形成した上で、上記加熱抵抗体をガラス製の保護膜で覆った基本構成を有する。

この加熱体をたとえば電子写真プロセスにおいてトナーを記録紙に熱定着するための定着ヒータとして使用する場合、発熱抵抗体にその長手方向全長にわたって相当なジュール熱を発生させるべく大電流を流すため、上記ガラス製の保護膜には、高い絶縁性が求められる。しかしながら、このように絶縁性を高めるには、保護膜の膜厚を厚くせねばならず、そうすると、発熱抵抗体が発する熱が保護膜表面に伝達するまでの時間が長くなり、すなわち、熱応答性が悪くなり、上記電子写真プロセスの高速化の障害となる。

このような問題を解決するために、本出願人は先に、上記保護膜の厚みを所定以上に上げることなく、所定の絶縁性能が得られるようにした加熱体の構成を提案している（特許文献２参照）。すなわち、この出願に提案された加熱体は、上記ガラス製の保護膜に、粒径が５μｍ以下のＡｌ₂Ｏ₃粉末を３〜３０重量％混合したものである。このようにすると、単位厚み当たりの保護膜の絶縁耐圧値をＡｌ₂Ｏ₃粉末を混合しない場合に比較して２倍以上に高めることができる。その結果、保護膜として、通常のガラスを使用する場合に比較して、この保護膜を薄型化しつつ、所定の絶縁性を得ることができる。

上記出願に示された加熱体において、その保護膜を形成するガラスに混合するべきＡｌ₂Ｏ₃粉末の割合が３〜３０重量％の範囲に規定されているのは、普通に入手可能な粒径５μｍ以下のＡｌ₂Ｏ₃粉末を用いる場合、その混合割合が３重量％未満であっても、３０重量％を超えても、所定の絶縁耐圧値が得られないことが実験により示されたからである。

ところで、前述の電子写真プロセスのさらなる高速化に対応するには、上記加熱体において、保護膜の厚みをさらに薄型化して、その伝熱応答性を高める必要がある。ところが、上記出願に係る加熱体において、５μｍ以下の粒径のＡｌ₂Ｏ₃粉末の混合割合を単に３０重量％より増やしても、絶縁耐圧値を上げることができないことが判明しているし、また、図６に示すように、保護膜の表面にＡｌ₂Ｏ₃粒Ａが露出して無視できない凹凸が形成されてしまうという別の問題が生じてしまう。

特開平２−５９３５６号公報 特開平０８−２６４２６９号公報

本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、保護膜表面粗さを所定以下に維持しつつ、その絶縁耐圧をさらに高めた加熱体を提供することをその課題としている。

本発明者は、上記出願に係る加熱体に関連して種々の検討をし、保護膜の形成に際して粒径５μｍ以下のＡｌ₂Ｏ₃粉末をガラス材料に混合する場合において、その混合割合が３０％を超えると保護膜の絶縁耐圧値が低下する理由は、Ａｌ₂Ｏ₃粉末の粒径が比較的大きいことと、焼成時における見掛け上のガラスの流動性が悪化することとがあいまって、図６に示すように、保護膜の内部に比較的大きな気泡Ｂが混入するためであるとの知見を得た上で、本発明に到達した。

すなわち、本発明の第１の側面により提供される加熱体は、耐熱絶縁性基板上に形成され、かつ、平行に延びる２つの帯状部、およびこれらの帯状部の一端どうしを連結する連結部を有する発熱抵抗体と、この発熱抵抗体を覆う保護膜と、を備える加熱体であって、上記保護膜は、平均粒径が０．５〜２．０μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末を３〜４０重量％混合したガラスによって形成されていることに特徴づけられる。

好ましい実施形態においては、上記保護膜は、Ａｌ₂Ｏ₃粉末を３０〜４０重量％混合したガラスによって形成されている。

平均粒径が０．５〜２．０μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末は、普通に入手可能な粒径５μｍ以下のＡｌ₂Ｏ₃粉末をさらにボールミル等で粉砕することによって比較的容易に得ることができる。ガラスに混合されるＡｌ₂Ｏ₃粉末の粒径が上記出願の場合に比較して小さくなる結果、焼成時に流動化するガラス成分に気泡が混入することが少なくなり、その結果、Ａｌ₂Ｏ₃粉末の混合割合を４０重量％まで増大させても、Ａｌ₂Ｏ₃粉末による絶縁耐圧値増加が得られる。ただし、混合割合が４０重量％を超えると、焼成時の見掛け上の流動性が悪化して気泡混入の可能性が増大し、むしろ絶縁耐圧値が低下する傾向となるとともに、保護膜表面にＡｌ₂Ｏ₃粒子による微小な凹凸が露出する可能性が増大し、加熱対象との摺動面である保護膜の表面粗さが増大する不具合を招く。しかし、この傾向は、後述するように、焼成時でのガラス成分の流動性を高めるべく手段を講じれば、軽減される。なお、上記出願における加熱体によって得られる絶縁耐圧に対する比較において、より絶縁耐圧値、および熱伝導係数を高めるためには、上記Ａｌ₂Ｏ₃粉末の混合割合は、３０〜４０重量％とすることが望ましい。

このようなことから、本発明の第１の側面による加熱体によれば、保護膜の表面粗さの増大を招くことなく、この保護膜の絶縁耐圧をさらに高めることができるので、この保護膜をより薄状とすることにより、この加熱体は、熱応答性と絶縁性において著しく優れたものとなる。その結果、この加熱体を電子写真プロセスの熱定着ヒータとして使用する場合、電子写真プロセス機器のより高速化が可能となる。加えて、Ａｌ₂Ｏ₃は、それ自体熱伝導性に優れているので、保護膜にこのＡｌ₂Ｏ₃をより高い割合で混合することができる本発明の加熱体は、上記のように保護膜を薄状とすることができることとあいまって、さらに熱応答性の高いものとなる。

好ましい実施形態においては、上記保護膜のガラス成分は、ＳｉＯ₂−ＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃系のガラスである。この種の保護膜に通常用いられるガラス成分の軟化点が約６５０〜７６０℃であることに比較すると、上記の場合の軟化点は５８０〜６３０℃であり相当に低い。たとえば、上記のＡｌ₂Ｏ₃粉末を含んだガラスペーストを上記発熱抵抗体の形成を終えた絶縁基板上に印刷し、それをたとえば８１０℃前後で焼成する場合、ガラス成分の軟化点が通常のガラスに比較して低いが故に、ガラス成分はより流動化する。こうして流動性が促進されたガラス成分は、Ａｌ₂Ｏ₃粉末粒子を容易に取り巻くことができ、したがって焼成時に保護膜に気泡が混入する可能性を著しく減じることができる。その結果、焼成時にガラス中に気泡が混入してこれが保護膜の絶縁耐圧値を下げてしまうといったことを回避することができる。同時に、焼成後の保護膜の表面の平滑化が促進される。

ＰｂＯとＢ₂Ｏ₃とはいずれもガラスの軟化点を下げる作用をするが、ＰｂＯはガラスの線膨張率を上げ、Ｂ₂Ｏ₃はガラスの線膨張率を下げる作用をするので、これらＰｂＯとＢ₂Ｏ₃の双方をガラスに混入することにより、焼成後に形成される保護膜の線膨張率を所望のように調整することができる。これにより、保護膜の線膨張率を基板材料の線膨張率と対応させ、駆動時での昇温によって加熱体に反りが発生することを効果的に回避することができる。

また、ＰｂＯとＢ₂Ｏ₃とは、いずれも、焼成時にガラスの結晶化を促進するアルカリ土類ではないので、焼成過程におけるガラス結晶の成長によって保護膜の表面が荒れが生じるといったこともない。

本発明の第２の側面によって提供される加熱体の製造方法は、耐熱絶縁性基板上に平行に延びる２つの帯状部、およびこれらの帯状部の一端どうしを連結する連結部を有する発熱抵抗体を形成するステップと、上記発熱抵抗体を覆うように保護膜を形成するステップと、を含む加熱体の製造方法であって、上記保護膜を形成するステップは、固体成分中、平均粒径が０．５〜２．０μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末を３〜４０重量％混合したガラスペーストを用いて印刷を行うステップ、および、上記印刷されたガラスペーストを焼成するステップ、を含んでいることに特徴づけられる。

好ましい実施形態においては、上記保護膜を形成するステップは、固体成分中、平均粒径が０．５〜２．０μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末を３０〜４０重量％混合したガラスペーストを用いて行う。

好ましい実施形態においては、上記ガラスペーストとしては、ＳｉＯ₂−ＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃系のガラス成分からなるガラスペーストを用いる。

かかる方法によって製造される加熱体は、本発明の第１の側面について上述したのと同様の利点を有することは明らかである。

上述したように、軟化点を低めたガラス成分を含むガラスペーストを用いると、たとえば、８１０℃で焼成する場合、ガラス成分の流動性が大いに高められる。そうすると、かりに粒径５μｍ以下のＡｌ₂Ｏ₃粉末が混入していても、流動性が高められたガラスが容易にＡｌ₂Ｏ₃粒子を取り巻くことができ、相対的に流動性の低いガラスが用いられていた従来に比較し、焼成後の保護膜中に大きな気泡が混入する可能性が少なくなり、その結果、保護膜に、Ａｌ₂Ｏ₃粉末による所定の絶縁耐圧値を与えることができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明に係る加熱体１０の外形の一例を示し、図２は図１のII−II線断面を示している。所定幅および所定厚みをもった長矩形状をした耐熱絶縁性基板１１の上面に、その一端から長手方向に延び、他端でＵターンして一端側まで戻るように延びる帯状の発熱抵抗体１２が形成されており、この発熱抵抗体１２の両端部には、電極１３，１３が形成されている。上記絶縁性基板１１としては、たとえば、アルミナセラミックが用いられる。上記発熱抵抗体１２は、たとえば銀・パラジウムペースト、あるいは酸化ルテニウムペーストなどの抵抗体ペーストを用いた厚膜印刷法によって形成することができる。また、上記電極１３は、導電性ペーストを用いた厚膜印刷法によって形成することができる。たとえば、上記基板１１の表面または裏面に配設した温度センサ（図示略）によって表面温度を監視しながら、この表面温度が所定の温度となるように、上記発熱抵抗体１２が駆動制御される。なお、帯状発熱体１２の形態は、図示したものの他にも種々のものがある。

上記基板１１には、各電極１３を除く発熱抵抗体１２を覆うようにして、保護膜１４が形成される。この保護膜１４として要求される機能は、優れた絶縁性能と、表面平滑性と、良好な熱伝導性能である。絶縁性能は、上記帯状発熱抵抗体１２の全長にわたって大きなジュール熱を発生させるべく、比較的大きな電流を流す必要故に求められる。表面平滑性は、加熱対象との相対摺動を円滑にするために求められる。良好な熱伝導性能は、発熱抵抗体１２の駆動を開始してから保護膜表面の温度が所定の温度まで上昇するまでの時間、すなわち、熱応答性を高めるために求められる。

上記保護膜１４に求められる機能を高度に達成するため、本発明では、上記保護膜１４は次のように形成されている。

すなわち、上記保護膜１４は、平均粒径が０．５〜２．０μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末を３〜４０重量％、好ましくは３０〜４０重量％含むガラスによって形成される。上記保護膜１４の形成成分のうち、上記Ａｌ₂Ｏ₃粉末を除くガラス成分は、好ましくは軟化点が５８０〜６３０℃である、この種の保護膜として用いられる通常のガラスよりも軟化点が低められたガラス成分が用いられる。より具体的には、このガラス成分は、ＳｉＯ₂−ＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃系の低軟化点ガラスを使用することができる。

上記保護膜１４はまた、厚膜印刷法によって形成される（図４参照）。より具体的には、ガラスフリットと、上記Ａｌ₂Ｏ₃粉末とを溶剤成分中に混練してなるガラスペーストを用い、スクリーン印刷法によって上記基板１１上の上記発熱抵抗体１２を覆う領域に付着させる。こうして付着させるガラスペーストの厚みは、焼成後の保護膜の目的厚みにみあった適当な厚みに設定される。この場合、ガラスフリットに対するＡｌ₂Ｏ₃粉末の割合は、ガラスフリットとＡｌ₂Ｏ₃粉末の総和に対するＡｌ₂Ｏ₃の割合が、上記のように、３〜４０重量％、好ましくは３０〜４０重量％となるようにする。

上記のようにガラスペーストが印刷された基板１１は次に、焼成炉内に装填され、たとえば８１０℃の焼成温度によって保護膜１４の焼成を行う（図４参照）。このとき、次のような過程を経て、高い絶縁耐圧値と、良好な熱伝導性と、高い表面平滑性をもつ保護膜１４が形成される。

すなわち、焼成炉における熱により、ガラスペースト中の溶剤成分が蒸発してゆくとともに、ガラス成分が軟化して流動化する。上述のように、ガラス成分として軟化点の低いものが採用されている場合、焼成温度におけるガラス成分の流動性は高められる。これに加えて、混入されるＡｌ₂Ｏ₃粉末の粒径が０．５〜２．０μｍと比較的小さいため、流動性が高められたガラス成分がＡｌ₂Ｏ₃粒子を容易に取り巻くことができるとともに、溶剤の気化等によって発生する気泡もまた容易に外部に逃げることができるので、Ａｌ₂Ｏ₃粒子とガラス成分との境界に大きな気泡が混入されてしまうといったことがなくなる。また、保護膜１４の表層付近のＡｌ₂Ｏ₃粒子もまた、上記流動性が高められたガラス成分によって取り巻かれるので、Ａｌ₂Ｏ₃粒子が保護膜１４の表面に露出して表面平滑性が阻害されるといったこともなくなる。なお、上記のように流動化されたガラス成分がＡｌ₂Ｏ₃粒子を取り巻く作用は、前述のように軟化点が低められたガラス成分を使用するとより良く発揮するが、Ａｌ₂Ｏ₃粉末の平均粒径を０．５〜２．０μｍといった小径に設定するだけでも発揮される。

また、ガラス成分の軟化点を低下させるために、ＰｂＯおよびＢ₂Ｏ₃という、非アルカリ土類の成分を混入したガラスを使用すると、焼成過程においてガラス成分が結晶化してこれが保護膜１４の表面を荒らすといったこともなくなる。ＰｂＯおよびＢ₂Ｏ₃は、いずれもガラスの軟化点を下げる作用をするが、ＰｂＯはガラスの線膨張率を上げる作用をし、Ｂ₂Ｏ₃はガラスの線膨張率を上げる作用をするので、これらの混合比率を調整することにより、保護膜１４の線膨張率を所望のように調整することができる。このように調整される保護膜１４の線膨張率をセラミックからなる基板１１の線膨張率と対応させておくと、加熱体１０の駆動時に発生する熱によってこの加熱体１０に反りが発生することを効果的に回避することができる。

以上の過程によって形成される保護膜１４は、図３に示されるように、大きな割合のＡｌ₂Ｏ₃が含まれていることになるので、単位厚み当たりの絶縁耐圧値が高まる。しかも、焼成過程において気泡が混入する可能性が少なくなるので、気泡の混入に起因する絶縁耐圧値の低下もなく、その結果、保護膜の絶縁耐圧値は高いレベルで安定する。しかも上述のように保護膜１４の表面平滑性が確保されるので、加熱対象との摺動円滑性が得られる。

さらに、上記保護膜１４は、その単位厚み当たりの絶縁耐圧値が高められるので、その結果保護膜１４の厚みを従来よりも薄くすることができ、そうすると、発熱抵抗体からの熱が保護膜１４の表面まで到達するまでの時間、すなわち、熱応答性も高まる。この点についてはまた、伝熱性の良好なＡｌ₂Ｏ₃が比較的高い密度で保護膜中に含まれることになるから、このことによっても保護膜１４の伝熱性が高まる。たとえば、上記Ａｌ₂Ｏ₃粉末の混合割合を３０重量％以上とすると、保護膜１４の熱伝導率を３．０〜６．０×１０-3cal/cm・sec・℃、好ましくは３．８〜６．０×１０-3cal/cm・sec・℃まで高めることができる。なお熱伝導率は、ガラス単体では１．５〜２．５×１０-3cal/cm・sec・℃であることを考慮すれば、その増加は著しい。

ところで、高い絶縁耐圧値と、良好な熱伝導性と、高い表面平滑性をもつ保護膜１４は、ガラス成分の軟化点をたとえば５８０〜６３０℃に下げ、Ａｌ₂Ｏ₃粒子の粒径を５μｍ以下としただけであっても、ある程度は達成される。すなわち、焼成時におけるガラス成分の流動性により、このガラス成分がＡｌ₂Ｏ₃粒子を取り巻く作用を発揮し、気泡の残存を回避することができる。なお、この場合についても、Ａｌ₂Ｏ₃粒子の混合比率は、３〜４０重量％、好ましくは３０〜４０重量％としておくのがよい。

〔実施例〕
固体成分中、中心径が０．８〜１．３μｍであるＡｌ₂Ｏ₃粉末を３５重量％含むとともに、ガラス成分として、ＰｂＯおよびＢ₂Ｏ₃の添加量を調節することにより軟化点を約６００℃に設定したものを含むガラスペーストを用い、焼成後の厚みが４５μｍとなるようにして印刷・焼成して保護膜１４を形成した。焼成温度は８１０℃とした。なお、ガラス成分中、ＰｂＯとＢ₂Ｏ₃の添加比率は、保護膜の線膨張率が５５〜７０×１０-7／℃となるように設定した。こうして保護膜１４を形成した加熱体１０の保護膜表面と電極間に図５に示すように１．５ｋＶの交流電圧を３秒印加する耐圧試験を行ったところ、不良率は約２％であった。また、表面粗さＲｚは０．６μｍであった。

〔比較例〕
固体成分中、中心径が５μｍであるＡｌ₂Ｏ₃粉末を３０重量％含むガラスペーストを用い、焼成後の厚みが４５μｍとなるようにして印刷・焼成して保護膜を形成した加熱体の保護膜表面と電極間に図５に示すように１．５ｋＶの交流電圧を３秒印加する耐圧試験を行ったところ、不良率は約１０％であった。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、ガラスとしての基本的組成は、ＳｉＯ₂を主成分として含む種々なものが採用されることはいうまでもない。

本発明の加熱体の一実施形態の外観斜視図である。 図１のII−II線断面図である。 保護膜の拡大断面図である。 保護膜形成工程の説明図である。 保護膜の絶縁耐圧試験の説明図である。 従来の問題点の説明図である。

符号の説明

１０ 加熱体
１１ 基板
１２ 発熱抵抗体
１４ 保護膜

Claims (6)

1. 耐熱絶縁性基板上に形成され、かつ、平行に延びる２つの帯状部、およびこれらの帯状部の一端どうしを連結する連結部を有する発熱抵抗体と、
   この発熱抵抗体を覆う保護膜と、を備える加熱体であって、
   上記保護膜は、平均粒径が０．５〜２．０μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末を３〜４０重量％混合したガラスによって形成されていることを特徴とする、加熱体。
2. 上記保護膜は、Ａｌ₂Ｏ₃粉末を３０〜４０重量％混合したガラスによって形成されている、請求項１に記載の加熱体。
3. 上記保護膜のガラス成分は、ＳｉＯ₂−ＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃系のガラスである、請求項１または２に記載の加熱体。
4. 耐熱絶縁性基板上に平行に延びる２つの帯状部、およびこれらの帯状部の一端どうしを連結する連結部を有する発熱抵抗体を形成するステップと、
   上記発熱抵抗体を覆うように保護膜を形成するステップと、を含む加熱体の製造方法であって、
   上記保護膜を形成するステップは、固体成分中、平均粒径が０．５〜２．０μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末を３〜４０重量％混合したガラスペーストを用いて印刷を行うステップ、および、上記印刷されたガラスペーストを焼成するステップ、を含んでいることを特徴とする、加熱体の製造方法。
5. 上記保護膜を形成するステップは、固体成分中、平均粒径が０．５〜２．０μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末を３０〜４０重量％混合したガラスペーストを用いて行う、請求項４に記載の加熱体の製造方法。
6. 上記ガラスペーストとしては、ＳｉＯ₂−ＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃系のガラス成分からなるガラスペーストを用いる、請求項４または５に記載の加熱体の製造方法。

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