JP2023096800A

JP2023096800A - Ｐｔｃヒータおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2023096800A
Application number: JP2021212801A
Authority: JP
Inventors: 健太若林; Kenta Wakabayashi; 康行松浦; Yasuyuki Matsuura
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2023-07-07

Abstract

【課題】昇温特性に優れ、一定電流で動作するＰＴＣヒータおよびその製造方法を提供する。【解決手段】セラミックＰＴＣ素子１１上に厚膜抵抗体層１４が形成されたＰＴＣヒータ１０であって、セラミックＰＴＣ素子１１の主面上に形成された第１電極層１２と、第１電極層上において一部領域を残して形成された第１絶縁層１３と、第１絶縁層１３および第１電極層上の一部領域上に形成された厚膜抵抗体層１４と、厚膜抵抗体層上において一部領域を残して形成された第２絶縁層１５と、第２絶縁層１５および厚膜抵抗体層１４上の一部領域上に形成された第２電極層１６とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＴＣ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子および抵抗体からなる複合型のＰＴＣヒータおよびその製造方法に関する。

従来、例えば複写機のトナー定着用ヒータにＰＴＣ素子を用いたものがある（特許文献１参照）。

特開２０１４－２２８６８４号公報

ところで、セラミックＰＴＣ素子では、温度上昇に伴って抵抗値が下がるＮＴＣ（ＮｅｇａｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）領域が存在し突入電流が発生するため、一定電流で動作するようなヒータを実現することが困難であった。

一方、導電性ポリマーを用いたいわゆるポリマーＰＴＣ素子はＮＴＣ領域は存在しないものの、２００℃以上の高温では破壊に至る可能性があり、使用が困難になる問題があった。

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、昇温特性に優れ、一定電流で動作するＰＴＣヒータおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明のＰＴＣヒータは、セラミックＰＴＣ素子上に厚膜抵抗体層が形成されたＰＴＣヒータであって、前記セラミックＰＴＣ素子の主面上に形成された第１電極層と、前記第１電極層上において一部領域を残して形成された第１絶縁層と、前記第１絶縁層および前記第１電極層上の前記一部領域上に形成された厚膜抵抗体層と、前記厚膜抵抗体層上において一部領域を残して形成された第２絶縁層と、前記第２絶縁層および前記厚膜抵抗体層上の前記一部領域上に形成された第２電極層と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、セラミックＰＴＣ素子上に厚膜抵抗体層を形成することで、その合成抵抗により突入電流を抑制し、一定電流動作を可能としている。しかも、厚膜抵抗体層を第１および第２絶縁層によって挟む構成としたことにより、厚膜抵抗体層の厚みを薄くしても、所望の耐電圧（絶縁耐力）を確保することができる。また、上記のとおり、厚膜抵抗体層上に第１電極層および第１絶縁層と、第２電極層および第２絶縁層とを形成することで小型かつ昇温特性に優れたＰＴＣヒータを実現できる。

また本発明のＰＴＣヒータは、上記構成において、前記第１電極層および前記第２電極層は、アルミニウム層であり、前記第１絶縁層および前記第２絶縁層は、ガラス層であることを特徴とする。

この構成によれば、第１電極層、第２電極層、第１絶縁層および第２絶縁層を印刷工程により形成することができるため、すべての層を印刷により形成した後、まとめて焼き付け工程を行うことで、容易にＰＴＣヒータを製造することができる。

また本発明のＰＴＣヒータの製造方法は、セラミックＰＴＣ素子上に厚膜抵抗体層が形成されたＰＴＣヒータの製造方法であって、前記セラミックＰＴＣ素子の主面上に第１電極層を印刷する工程と、前記第１電極層上において一部領域を残して第１絶縁層を印刷する工程と、前記第１絶縁層および前記第１電極層上の前記一部領域上に厚膜抵抗体層を印刷する工程と、前記厚膜抵抗体層上において一部領域を残して第２絶縁層を印刷する工程と、前記第２絶縁層および前記厚膜抵抗体層上の前記一部領域上に第２電極層を印刷する工程と、前記第１電極層と、前記第１絶縁層と、前記厚膜抵抗体層と、前記第２絶縁層と、前記第２電極層とをまとめて焼き付ける工程とを備えることを特徴とする。

この製造方法によれば、第１電極層、第２電極層、第１絶縁層および第２絶縁層を印刷工程により形成することができるため、すべての層を印刷により形成した後、まとめて焼き付け工程を行うことで、容易にＰＴＣヒータを製造することができる。

本発明によると、昇温特性に優れ、一定電流で動作するＰＴＣヒータおよびその製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係るＰＴＣヒータを示す断面図である。本発明の実施形態に係るＰＴＣヒータに用いられる厚膜抵抗体層を示す平面図である。本発明の実施形態に係る抵抗および温度の関係を示すグラフである。他の実施形態に係るＰＴＣヒータを示す断面図である。他の実施形態に係るＰＴＣヒータを示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面に基づき詳細に説明する。
図１に示すように、ＰＴＣヒータ１０においては、セラミックＰＴＣ素子１１の上面に電極１２（本発明の「第１電極」に相当）が形成されている。電極１２の上には、ガラス膜１３（本発明の「第１絶縁層」に相当）が積層形成されている。ガラス膜１３は、図中右端縁に達しているが、左端縁からは離隔しており、当該左端縁には形成されていない。すなわち、電極１２は、右端縁から所定領域はガラス膜１３によって覆われているが、左端縁においては、ガラス膜１３によって覆われていない。

このように左端縁においてガラス膜１３が形成されていない電極１２上に厚膜抵抗体層１４が積層形成されており、電極１２は左端縁のガラス膜１３が形成されていない領域において厚膜抵抗体層１４に接触し、その他の右端縁側の領域ではガラス膜１３が介在することで厚膜抵抗体層１４に接触しない状態となっている。この場合、電極１２は、左端縁の僅かな領域のみにおいて厚膜抵抗体層１４と導通し、それ以外の領域ではガラス膜１３が介在する分、厚膜抵抗体層１４の耐電圧を大きくすることができる。

厚膜抵抗体層１４は、主にルテニウムおよびガラスにより組成され、図２に示すように、平面形状が四角形形状に形成されており、その厚みが１０～２０μｍとなっている。

厚膜抵抗体層１４の上にはガラス膜１５（本発明の「第２絶縁層」に相当）および電極１６（本発明の「第２電極」に相当）が形成されている（図１）。ガラス膜１５は、図中左端縁に達しているが、右端縁からは離隔しており、当該右端縁には電極１６が形成されていない。すなわち、電極１６は、左端縁から所定領域はガラス膜１５を介在して厚膜抵抗体層１４に接触しない状態となっているのに対して、右端縁においては、ガラス膜１５が介在せずに厚膜抵抗体層１４に接触している。この場合、電極１６は、右端縁の僅かな領域のみにおいて厚膜抵抗体層１４と導通し、それ以外の領域ではガラス膜１５が介在する分、厚膜抵抗体層１４の耐電圧を大きくすることができる。

このように、厚膜抵抗体層１４の上下にガラス膜を成膜することにより、上下方向（電極１６、厚膜抵抗体層１４、電極１２の方向）に通電させる構成において、厚膜抵抗体層１４の厚みを薄くしても耐電圧を大きくすることができる。

次に、このＰＴＣヒータ１０の製造方法について説明する。
直方体形状のセラミックＰＴＣ素子１１の両主表面にアルミニウムペーストを印刷し乾燥させることにより電極１２、１７を形成する。その後、電極１２上の所定領域（電極１２と厚膜抵抗体層１４とを接続する一部領域を除いた領域）にガラスペーストを印刷し乾燥させることによりガラス膜１３を形成する。次に、ガラス膜１３および当該ガラス膜１３が形成されていない電極１２上に厚膜抵抗体層１４を印刷により形成し乾燥させる。次に、厚膜抵抗体層１４上の所定領域（電極１６と厚膜抵抗体層１４とを接続する一部領域を除いた領域）にガラスペーストを印刷し乾燥させることよりガラス膜１５を形成する。次に、ガラス膜１５の上およびガラス膜１５が形成されていない厚膜抵抗体層１４の上にアルミニウムペーストを印刷し乾燥させることにより電極１６を形成する。

このようにして各層を形成した後、全体に対して１回の焼き付けを行うことにより、ＰＴＣヒータ１０を製造することができる。なお、焼き付け条件は、８５０℃、１０分間とした。

本実施形態においては、セラミックＰＴＣ素子１１の一方面に対して電極１７を、セラミックＰＴＣ素子１１の他方面に対して電極１２、ガラス膜１３、厚膜抵抗体層１４、ガラス膜１５、電極１６について順次印刷、乾燥する工程を繰り返し、最後に１回の焼き付け工程を行うことで、複数回の焼き付けを行う必要がなく、容易にＰＴＣヒータ１０を製造することができる。

以上の構成において、セラミックＰＴＣ素子１１に対して直列に厚膜抵抗体層１４を接続し、厚膜抵抗体層１４をガラス膜１３、１５で挟む構成としたことにより、薄い厚み（例えば１０～２０μｍ）の厚膜抵抗体層１４を用いても、所望の耐電圧を確保することができ、これにより、一定電流で動作する昇温特性に優れたヒータを実現できる。

具体的には、従来、突入電流を抑制するためには相応の抵抗値を有する固定抵抗が必要であったが、そのような固定抵抗はサイズが大きく、熱伝導性に劣っていた。その結果としてＰＴＣ素子が必要な温度に上昇するまでにかかる時間を短くすることが困難であり、昇温特性が劣っていたが、本実施形態のＰＴＣヒータ１０では、セラミックＰＴＣ素子１１に薄い（１０～２０μｍ）厚膜抵抗体層１４を成膜するとともに、電極１２、１６と接続する一部領域を除く当該厚膜抵抗体層１４の表裏にガラス膜１３、１５を成膜することにより、１０～２０μｍ程度の厚膜抵抗体層１４であっても所望の耐電圧を確保することができる。すなわち、１０～２０μｍ程度の薄い厚膜抵抗体層単体で耐電圧を高めることは困難であるが、本実施形態では、当該厚膜抵抗体層１４をガラス膜１３、１５によって挟む構成としたことにより、耐電圧を向上させることができる。

また、比較的サイズが大きな固定抵抗と比べて１０～２０μｍ程度の厚膜抵抗体層１４では熱伝導性の低下は少ない。ガラス膜は熱伝導性に劣るものの、電極１２、１６も良好な熱伝導体として機能するため、これらを組み合わせた本発明の構成では全体として高い熱伝導性を有する。これにより、昇温特性に優れたＰＴＣヒータ１０を実現することができる。

以下に実施例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明する。
セラミックＰＴＣ素子１１は、キュリー点２５０℃で素子寸法２５ｍｍ×１３ｍｍ×ｔ２．０ｍｍの直方体素子を用いた。その両主表面にアルミニウムペーストを印刷することにより２４ｍｍ×１２ｍｍの大きさのアルミニウム電極１２、１７を形成した。アルミニウム電極１２上に２３ｍｍ×１２ｍｍのガラス膜１３、２４ｍｍ×１２ｍｍの厚膜抵抗体層１４、２３ｍｍ×１２ｍｍのガラス膜１５および２４ｍｍ×１２ｍｍのアルミニウム電極１６を順に成膜した。

このようにして製作されたＰＴＣヒータ１０について、通電動作を行った結果を表１および図３において実線で示す。なお、比較例として固定抵抗（厚膜抵抗体層１４）を有しない構成についての通電動作を行った結果を表２および図３において破線で示す。通電動作は、ＰＴＣヒータ１０に電圧１００Ｖを印加し、温度、電流値、抵抗値を測定した。表１において、固定抵抗は厚膜抵抗体層１４の抵抗値であり、８（Ω）とした。表１、２において、ＰＴＣ抵抗はＰＴＣ素子１１の抵抗値であり、合成抵抗はこれらを合成した抵抗値である。

厚膜抵抗体層１４を有しないＰＴＣヒータ（表２）では、温度２５℃の場合に合成抵抗値が５０（Ω）であり、温度２２０℃の場合の合成抵抗値が１０（Ω）であるため、この間の合成抵抗値が大きく低下している（図３に示すように、２５℃基準の抵抗比が大きく変化している）のに対して、厚膜抵抗体層１４を有するＰＴＣヒータ（表１）では、温度２５℃の場合に合成抵抗値が１８（Ω）であり、温度２２０℃の場合に合成抵抗値が１０（Ω）であるため、この間の合成抵抗値は僅かな低下にとどまっている（図３に示すように、２５℃基準の抵抗比がほぼ一定）。つまり、実施例によれば比較例に対し、温度上昇にかかわりなく一定電流で動作させることができる。

［他の実施形態］
上述の実施形態においては、ＰＴＣ素子１１の一方の面のみに厚膜抵抗体層１４を設ける場合について述べたが、これに限られず、ＰＴＣ素子１１の他方の面（図１において電極１７が形成された面）においても同様に厚膜抵抗体層１４を設けるようにしてもよい。

具体的には、図４に示すように、ＰＴＣ素子１１の上面側に電極１２、ガラス膜１３、厚膜抵抗体層１４、ガラス膜１５、電極１６が形成されるとともに、下面側に電極１７、ガラス膜２３、厚膜抵抗体層２４、ガラス膜２５、電極２６が上面側の電極１２、ガラス膜１３、厚膜抵抗体層１４、ガラス膜１５、電極１６と同様に形成される。このようにすれば、ＰＴＣ素子１１を上下両面から素早く加熱することができる。

また、上述の実施形態においては、電極１２、１６、１７、２６をアルミニウム電極とする場合について述べたが、これに限られず、例えば、銀（Ａｇ）を用いた電極、またはニッケル（Ｎｉ）メッキ上に銀（Ａｇ）ペースト電極を成膜したものを用いることもできる。

また、上述の実施形態においては、電極１２の一部領域を残してそれ以外の領域の厚みを薄くして当該領域にガラス膜１３を形成して電極１２の一部領域の表面とガラス膜１３の表面の高さを合わせている（面一にしている）が、これに限定されない。例えば、図５に示すように、電極１２の厚みを均一に形成して電極１２の表面の一部領域を残してガラス膜１３を形成し、電極１２の一部領域とガラス膜１３上に厚膜抵抗体層１４を形成してもよい。この場合、厚膜抵抗体層１４の表面にガラス膜１３の厚み分だけ段差が形成される。なお、ガラス膜１５および電極１６においては、厚膜抵抗体層１４の表面の一部領域を残してガラス膜１５を形成し、厚膜抵抗体層１４の表面の一部領域とガラス膜１５の高さを合わせ（面一とし）、厚膜抵抗体層１４の表面の一部領域とガラス膜１５上に電極１６を形成する。この場合、厚膜抵抗体層１４の表面にガラス膜１５の厚み分だけ段差が形成される。

以上、本発明の実施形態について実施例に基づいて説明したが、本発明の範囲は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明に限られることなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

本発明に係るＰＴＣヒータは、複写機のトナー定着用ヒータ装置のほか、フィルムラミネーターの加熱装置など、種々の加熱装置に広く適用することができる。

１０ＰＴＣヒータ
１１セラミックＰＴＣ素子
１２、１７電極（第１電極）
１６、２６電極（第２電極）
１３、２３ガラス膜（第１絶縁層）
１５、２５ガラス膜（第２絶縁層）
１４、２４厚膜抵抗体層

Claims

セラミックＰＴＣ素子上に厚膜抵抗体層が形成されたＰＴＣヒータであって、
前記セラミックＰＴＣ素子の主面上に形成された第１電極層と、
前記第１電極層上において一部領域を残して形成された第１絶縁層と、
前記第１絶縁層および前記第１電極層上の前記一部領域上に形成された厚膜抵抗体層と、
前記厚膜抵抗体層上において一部領域を残して形成された第２絶縁層と、
前記第２絶縁層および前記厚膜抵抗体層上の前記一部領域上に形成された第２電極層と、
を備えることを特徴とするＰＴＣヒータ。
前記第１電極層および前記第２電極層は、アルミニウム層であり、
前記第１絶縁層および前記第２絶縁層は、ガラス層である
ことを特徴とする請求項１に記載のＰＴＣヒータ。
セラミックＰＴＣ素子上に厚膜抵抗体層が形成されたＰＴＣヒータの製造方法であって、
前記セラミックＰＴＣ素子の主面上に第１電極層を印刷する工程と、
前記第１電極層上において一部領域を残して第１絶縁層を印刷する工程と、
前記第１絶縁層および前記第１電極層上の前記一部領域上に厚膜抵抗体層を印刷する工程と、
前記厚膜抵抗体層上において一部領域を残して第２絶縁層を印刷する工程と、
前記第２絶縁層および前記厚膜抵抗体層上の前記一部領域上に第２電極層を印刷する工程と、
前記第１電極層と、前記第１絶縁層と、前記厚膜抵抗体層と、前記第２絶縁層と、前記第２電極層とをまとめて焼き付ける工程と
を備えることを特徴とするＰＴＣヒータの製造方法。