JP4480918B2

JP4480918B2 - 通電遮断機能付きヒーター

Info

Publication number: JP4480918B2
Application number: JP2001167267A
Authority: JP
Inventors: 文勝鈴木; 裕司梅村; 睦丸田; 韶田口
Original assignee: Misuzu Industry Co., Ltd.
Current assignee: Misuzu Industry Co., Ltd.
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2021-06-01
Also published as: JP2002359059A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通電遮断機能付きヒーターに関し、更に詳しくは、基準値を超える温度上昇に対して発火、発煙及び感電を発生させない自己断線機能を有する通電遮断機能付きヒーターに関する。本発明の通電遮断機能付きヒーターは、複写機及びレーザープリンターのトナー定着用に、あるいは塗料乾燥用等に好適に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
ヒーターを備えた機器では、異常が発生した場合に基準値を超えて温度が上昇することがある。これによって、発煙や発火を招き、ヒーターの周辺部品に引火する等の問題がある。このような異常に備えて温度制御装置とともにヒーターへの通電回路中に温度ヒューズを配設し、所定の基準値を超える温度上昇があったとき、温度ヒューズを溶断させて通電回路を遮断している。しかし、この方法は二次的なものであるため、より安全性を高めるためヒーター自体に自己断線機能を付加することが求められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、ヒーター単体においてもフェールセーフを達成し、基準値を超える温度上昇に対して発火、発煙及び感電を発生させない自己断線機能を有する通電遮断機能付きヒーターを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、製品規格内の電気抵抗値を有する発熱体を得るための電気抵抗値調整方法並びに発熱体及びその製造方法について検討した結果、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明の通電遮断機能付きヒーターは、金属材料又は無機材料からなる基板と、該基板の上に形成された絶縁層と、該絶縁層の上に形成された抵抗体パターンとを備えるヒーターにおいて、発熱する該抵抗体パターンの上の少なくとも一部に、所定温度となった場合、該抵抗体パターンを構成する成分と反応して絶縁体となり通電を遮断する遮断部が形成されており、上記抵抗体パターンの上に保護層を備え、且つ、上記遮断部及び上記保護層を構成する成分はガラスであり、該遮断部を構成するガラスは該保護層を構成するガラスよりも軟化点が低いことを特徴とする。
【０００５】
上記保護層の上にはオーバーコート層を備えることができる。
【０００６】
上記基板を構成する材料としては、従来よりヒーター素材として用いられているものであれば特に限定されない。その例としては、金属材料としてはステンレス等が、無機材料としてはセラミックス等が挙げられる。これらのうち、ステンレスとしてはフェライト系耐熱鋼が好ましい。更に、フェライト系耐熱鋼としては例えばＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４４４及びＳＵＳ４３６等が挙げられるが、ＳＵＳ４３０及びＳＵＳ４４４が好ましい。また、無機材料としては、アルミナ、窒化アルミニウム等が挙げられる。
【０００７】
上記絶縁層を構成する成分としては特に限定されないが、上記基板を構成する材料との熱膨張バランスを考慮して選ぶことが必要である。例えば、上記基板がステンレスの場合、ガラス（結晶化ガラスでも非晶質ガラスでもよい。）等が挙げられるが、結晶化ガラスあるいは半結晶化ガラスが好ましい。このときの、ガラスを構成する成分も特に限定されず、軟化点が好ましくは６００℃以上、より好ましくは６５０℃以上、更に好ましくは７００℃以上のガラスが好ましい。このような性質を有するガラスとしては、ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＲＯ系ガラス〔ＲＯはアルカリ土類金属の酸化物（ＭｇＯ，ＣａＯ，ＢａＯ，ＳｒＯ等）である。〕等が挙げられる。
また、上記絶縁層の厚さは特に限定されないが、好ましくは６０〜１２０μｍ、より好ましくは７０〜１１０μｍ、更に好ましくは７５〜１００μｍである。
尚、上記基板を構成する材料が無機材料である場合には上記絶縁層を備えても備えなくてもいずれでもよい。
【０００８】
上記抵抗体パターンは、目的に応じて直線、曲線及び各種形状を組み合わせて形成されるものであるが、その構成成分としては特に限定されない。例えば、銀を含む銀系材料、ＲｕＯ₂、Ｘ₂Ｒｕ₂Ｏ₆ _〜 ₇（ＸはＢｉ、Ｐｂ等の金属元素）、Ｔａ₂Ｎ等が挙げられる。これらのうち、好ましくは銀を含むものが、より好ましくは銀及びパラジウムを含むものがよく、更には、鉛、カドミウム及びニッケル等を含まないものがよい。特に、銀及びパラジウムを含むものによって形成された抵抗体パターンは、加熱硬化時の表面酸化の度合いが小さく、導電性を維持しやすい。尚、上記抵抗体パターンは、銀等を含むペーストを用いて印刷等され、焼成処理等により形成される。
また、上記抵抗体パターンの線厚は特に限定されないが、好ましくは５〜３０μｍ、より好ましくは８〜２０μｍ、更に好ましくは１０〜１５μｍである。
【０００９】
上記遮断部は、ヒーターが発熱し、使用温度を異常に上回る所定の温度となった場合にヒーターを構成する上記抵抗体パターンの通電を遮断する。即ち、上記遮断部を構成する成分と上記抵抗体パターンを構成する成分とが所定の温度となったときに反応して絶縁体となり、これにより通電が遮断される。絶縁体とするためには、上記抵抗体パターンを構成する成分を、反応によって上記遮断部を構成する成分の中に分散等させることによって、抵抗体パターンの導電性が損なわれるような構成とすればよい。上記遮断部を構成する成分は、上記抵抗体パターンを構成する成分と反応して絶縁体となるものであり、ガラスである。このガラスは結晶化ガラスでも非晶質ガラスでもよいが、Ｐｂ系及び／又はＢｉ系の非晶質ガラスが好ましい。Ｐｂ系のガラスとしては、ＰｂＯ−Ｂ_２Ｏ_３系ガラス等が、また、Ｂｉ系のガラスとしては、Ｂｉ_２Ｏ_３−ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３系ガラスが挙げられる。このほか、Ａｇ系の非晶質ガラス（例えばＡｇＯ−Ｐ_２Ｏ_５系）、Ｐ_２Ｏ_５−ＳｎＯ_２−ＺｎＯ系ガラス、ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３系ガラス等も挙げられる。
【００１０】
また、上記遮断部を構成するガラスは、通電遮断を希望する温度として設定した上記「所定温度」は上記絶縁層を構成する成分及び下記において説明する保護層を構成する成分の転移点より低い。このとき、上記抵抗体パターンを構成する成分とガラスとの反応は、上記所定温度がガラスの転移点近くであっても、軟化点近くであっても、更にそれより高温の溶融状態であってもいずれでもよい。反応後にガラスが結晶化していてもしていなくてもよい。
【００１１】
上記遮断部は、上記抵抗体パターンの上の少なくとも一部に設ければよいが、何箇所設けてもよい。また、用途に応じて設計されたヒーターが最も高温に達しやすい抵抗体パターン上の位置に設けることが好ましい。更に、上記遮断部は、上記抵抗体パターンの幅方向に対して、好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上、更に好ましくは１００％覆うのがよい。尚、上記抵抗体パターンの幅を超えて覆ってもよい。
また、上記遮断部の厚さは特に限定されないが、好ましくは５〜１００μｍ、より好ましくは１０〜６０μｍ、更に好ましくは１５〜４０μｍである。
【００１２】
上記保護層は、上記抵抗体パターンを保護するために設けるものであり、ヒーターが発熱している際に上記抵抗体パターンの表面酸化等による劣化等によってヒーターが異常な動作を引き起こさないようにするものである。上記保護層は、上記抵抗体パターンの上だけでなく、上記遮断部を被覆するように形成されていてもよい。
上記保護層を構成する成分は、ガラスである。このガラスは結晶化ガラスでも非晶質ガラスでもよい。この例としては、上記絶縁層を構成する成分として例示したＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＲＯ系ガラス等のＳｉ系ガラス等が挙げられる。本発明において、上記遮断部を構成する成分及び上記保護層を構成する成分がいずれもガラスであり、前者は後者よりも軟化点が低い。両者の温度の差は、好ましくは５００℃以上、より好ましくは４００℃以上、更に好ましくは３５０℃以上である。これにより、ヒーターが所定温度となった場合に遮断部のみで通電遮断を容易に機能させることができる。
また、上記遮断部以外の上記保護層の厚さは特に限定されないが、好ましくは１５〜７５μｍ、より好ましくは２０〜４０μｍ、更に好ましくは２５〜３５μｍである。
【００１３】
上記オーバーコート層は、必要に応じて１層でも２層以上でも設けることができ、主としてヒーター表面をより平滑にするため、あるいは防塵のために設けられるものである。上記オーバーコート層は、上記抵抗体パターンの上に形成されている保護層や、遮断部を完全に被覆していてもしていなくてもよい。
上記オーバーコート層を構成する成分としては特に限定されないが、ガラス等が挙げられる。このガラスは結晶化ガラスでも非晶質ガラスでもよい。この例としては、ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃−ＲＯ系ガラス等が挙げられる。上記保護層を構成する成分及び上記オーバーコート層を構成する成分がいずれもガラスである場合には、前者は後者よりも軟化点が低いことが好ましい。両者の温度の差は、好ましくは４００℃以上、より好ましくは２５０℃以上、更に好ましくは１６０℃以上である。
また、上記オーバーコート層の厚さは特に限定されないが、好ましくは１０〜５０μｍ、より好ましくは１０〜４０μｍ、更に好ましくは２０〜３０μｍである。
【００１４】
本発明の通電遮断機能付きヒーターは、基板の寸法安定性、例えば各層が形成された際に発生することがある基板の反りを低減するために、裏面に反り防止層を備えることができる。この反り防止層を構成する成分としては特に限定されないが、ガラスが好ましい。また、上記反り防止層の厚さはヒーター層を構成する材料及びその厚みによるが、好ましくは２５〜１５０μｍ、より好ましくは７０〜１４０μｍ、更に好ましくは１１０〜１３０μｍである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に基づき、更に詳しく説明する。
実施例１
（１）通電遮断機能付きヒーターの作製
縦２７２．５ｍｍ、横８．７５ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのＳＵＳ４３０製基板１１の表面を平滑処理した後、結晶化ガラス（商品名「３５００Ｎ」、デュポン社製、転移点；７００℃、軟化点；７４０℃）を乾燥処理後１２５μｍとなるように塗布し、８５０℃で焼成して膜厚８０μｍの絶縁層１２を設けた。その後、鉛、カドミウム、ニッケルを含まず、銀−パラジウムを含む抵抗体ペーストを用いて、図１に示すような回路状パターンを印刷し、８５０℃で焼成して抵抗体パターン１４を形成した（図１参照）。尚、この線幅は２．０６ｍｍ、線厚は１１μｍである。更に、この抵抗体パターン１４の各端子の部分には電極として銀ペーストを用いて印刷して、取り出し電極部１３ａ、１３ｂを形成し、焼成処理（８５０℃、３０分）を行った。
次に、遮断部１５となる抵抗体パターンの一部（長さ２ｍｍ、幅２．０６ｍｍ）をマスキングして遮断部以外の部分を上記絶縁層１２を形成する際に用いた結晶化ガラスを用いて膜厚４０μｍの保護層１６を設けた。続けて、非晶質ガラス（ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃−ＲＯ、転移点；５４０℃、軟化点；５８０℃）を用いて塗布し、７５０℃で焼成し、膜厚２０μｍのオーバーコート層１７を設けた。その後、マスキングによって切り欠き部となった部分にＰｂ系非晶質ガラス（ＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃、転移点；３１０℃、軟化点；３７５℃）を用いて充填し、４６０℃で焼成して遮断部１５を設けて、通電遮断機能付きヒーターを作製した（図１及び図２参照）。
【００１６】
上記で得られた通電遮断機能付きヒーターの概略断面図を図２に示す。図２において、１１は基板、１２は絶縁層、１３ａ及び１３ｂは取り出し電極部、１４は抵抗体パターン、１５は遮断部、１６は保護層、１７はオーバーコート層である。
【００１７】
（２）ヒーターの性能試験
上記で得られた通電遮断機能付きヒーターを図３に示す装置を用いて、ヒーター回路に、瞬時に約８００℃になるようにＡＣ２００Ｖの電圧を印加して、ヒーターの通電遮断部が破壊するまでの時間及び破壊時の遮断部の表面温度を測定した。この時、電圧印加時の電流と破壊時の電流も同時に測定した。また、破壊後に絶縁性を評価するために自動耐電・絶縁試験機（ＴＯＳ８８５０Ａ型、菊水電子工業社製）を用いて、取り出し電極部１３ａと遮断部１５上面を完全に覆う電極を用いて遮断部の耐電圧を測定した。その結果を表１に示す。
【００１８】
【表１】

【００１９】
実施例２〜４
遮断部１５及びオーバーコート層１７に用いるガラスを、Ｐｂ系非晶質ガラス（ＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃、転移点；３１０℃、軟化点；３７５℃）とし、保護層１６を形成後、マスキングをはずして遮断部１５への充填及びオーバーコート層１７を１回で塗布した以外は、実施例１と同様にして通電遮断機能付きヒーターを作製した（図４参照）。このヒーターをオーバーコート層１７の膜厚を変えて３個作製し、上記と同様の評価を行い、その結果を表１に示した。尚、図４には便宜上、同じ番号を付し、以下の他態様も同じである。
【００２０】
実施例５〜７
遮断部１５及びオーバーコート層１７に用いるガラスを、Ｂｉ系非晶質ガラス（Ｂｉ₂Ｏ₃−ＺｎＯ−Ｂ₂Ｏ₃、転移点；３９０℃、軟化点；４５５℃）とし、これを５００℃で焼成した以外は、実施例２〜４と同様にして通電遮断機能付きヒーターを作製した。このヒーターをオーバーコート層１７の膜厚を変えて３個作製し、上記と同様の評価を行い、その結果を表１に示した。
【００２１】
比較例１〜４
実施例１において遮断部１５を形成するためのマスキングを用いず、抵抗体パターン１４の上に保護層１６及びオーバーコート層１７を順次積層した以外は実施例１と同様にしてヒーターを作製した（図１３参照）。このヒーターをオーバーコート層１７の膜厚を変えて４個作製し、上記と同様の評価を行い、その結果を表１に示した。
【００２２】
実施例の効果
実施例１〜７は、ヒーターにおいて抵抗体パターンを構成する成分と反応して絶縁体となる遮断部が形成されている例であり、遮断部を構成するガラス成分の軟化点が保護層を構成するガラス成分のそれよりも低いため、いずれも２０秒以内に遮断部のみでヒーターが破壊された。破壊時には、遮断部が破裂することなく瞬時に溶けたガラスが放冷されて固まった。また、破壊後の抵抗体とオーバーコート表面の間の耐電圧も０．６５〜１．９０ｋＶと高く、絶縁性が良好であった。
遮断部を構成する成分としてＰｂ系のガラスとＢｉ系のガラスを用いたが、転移点及び軟化点の低いＢｉ系のガラスを用いた場合は、オーバーコート層の膜厚によらず破壊までの時間が早くなった。
【００２３】
一方、比較例１〜４は、上記のような遮断部が形成されていない例であり、破壊する位置が抵抗体パターンのいろいろな場所、例えば取り出し電極部１３ａ又は１３ｂ近くの抵抗体パターン上、取り出し電極部１３ａ及び１３ｂの中間点等不規則で、破壊までの時間が２６〜３０秒と長く、破壊後の抵抗体とオーバーコート表面の間の耐電圧も０．３〜０．６５ｋＶと低く、絶縁性が劣っていた。
【００２４】
尚、本発明においては、上記実施例に限定されるものではなく、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。
即ち、ヒーターの形態としては、上記実施例に示すもの以外に、例えば、以下のような態様とすることもできる。
【００２５】
（１）図５に示すように、実施例１において作製したヒーター（図２）のオーバーコート層１７及び遮断部１５を更に被覆する第２オーバーコート層１８を設けることができる。
（２）図６に示すように、実施例２において作製したヒーター（図４）のオーバーコート層１７及び遮断部１５を更に被覆する第２オーバーコート層１８を設けることができる。
上記（１）及び（２）の場合、第２オーバーコート層としては、上記オーバーコート層において説明したものと同様とすることができる。第２オーバーコート層を設けた場合、ヒーターの表面の平滑化が一段と図られる。
【００２６】
（３）図７〜１２に示すように、抵抗体パターン１４と遮断部１５が直接接していないものとすることができる。
この場合、断面方向に見た抵抗体パターン１４と遮断部１５との間隔は短いほうが好ましく、通常、２５μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下、より好ましくは１５μｍ以下である。２５μｍを超えると、異常昇温した場合に抵抗体パターンを構成する成分と遮断部を構成する成分との反応が起こりにくくなることがある。
また、図８、図１０及び図１２における第２オーバーコート層１８は上記と同様とすることができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の通電遮断機能付きヒーターによれば、温度制御装置や温度ヒューズ等新たな装置を設けることなく、ヒーターが異常動作し、所定温度を超えた場合に自ら通電を遮断することができる。また、通電が遮断されても発煙及び発火の恐れがない。
ヒーター素子である抵抗体パターンの上に設けられた遮断部は、異常昇温した際に抵抗体パターンを構成する成分と反応して絶縁体となり、通電が遮断されるが、この反応は破裂を引き起こすことがないため、ヒーター周辺部品への影響も小さい。基板を構成する材料としてステンレスを用いた場合は、異常昇温によって割れることもない。また、反応後の遮断部表面は遮断部を構成する成分（例えばガラス）が溶けて固まった状態であるので、ヒーターを交換する作業も安全に行うことができる。
更に、遮断部を構成する成分をうまく選択することによって、用途に応じた異常値を設定でき、規格内の温度で機器を安全に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１において用いた通電遮断機能付きヒーターの概略平面図である。
【図２】実施例１において用いた通電遮断機能付きヒーターの説明断面図である。
【図３】ヒーター性能試験の説明概略図である。
【図４】実施例２〜７において用いた通電遮断機能付きヒーターの説明断面図である。
【図５】本発明の別の態様を示す通電遮断機能付きヒーターの説明断面図である。
【図６】本発明の別の態様を示す通電遮断機能付きヒーターの説明断面図である。
【図７】本発明の別の態様を示す通電遮断機能付きヒーターの説明断面図である。
【図８】本発明の別の態様を示す通電遮断機能付きヒーターの説明断面図である。
【図９】本発明の別の態様を示す通電遮断機能付きヒーターの説明断面図である。
【図１０】本発明の別の態様を示す通電遮断機能付きヒーターの説明断面図である。
【図１１】本発明の別の態様を示す通電遮断機能付きヒーターの説明断面図である。
【図１２】本発明の別の態様を示す通電遮断機能付きヒーターの説明断面図である。
【図１３】比較例１〜４において用いた通電遮断機能付きヒーターの説明断面図である。
【符号の説明】
１；通電遮断機能付きヒーター、１１；基板、１２；絶縁層、１３ａ及び１３ｂ；取り出し電極部、１４；抵抗体パターン、１５；遮断部、１６；保護層、１７；オーバーコート層、１８；第２オーバーコート層。

Claims

金属材料又は無機材料からなる基板と、該基板の上に形成された絶縁層と、該絶縁層の上に形成された抵抗体パターンとを備えるヒーターにおいて、
発熱する該抵抗体パターンの上の少なくとも一部に、所定温度となった場合、該抵抗体パターンを構成する成分と反応して絶縁体となり通電を遮断する遮断部が形成されており、
上記抵抗体パターンの上に保護層を備え、
且つ、
上記遮断部及び上記保護層を構成する成分はガラスであり、該遮断部を構成するガラスは該保護層を構成するガラスよりも軟化点が低いことを特徴とする通電遮断機能付きヒーター。
上記遮断部を構成するガラスはＰｂ系及び／又はＢｉ系のガラスであり、上記保護層を構成するガラスはＳｉ系のガラスである請求項１に記載の通電遮断機能付きヒーター。
上記抵抗体パターンは銀を含む成分からなる請求項１又は２に記載の通電遮断機能付きヒーター。
上記基板を構成する上記金属材料がステンレスである請求項１乃至３のいずれかに記載の通電遮断機能付きヒーター。
上記ステンレスがフェライト系耐熱鋼である請求項１乃至４のいずれかに記載の通電遮断機能付きヒーター。
上記絶縁層がガラスである請求項１乃至５のいずれかに記載の通電遮断機能付きヒーター。
上記保護層の上に更にオーバーコート層を備える請求項１乃至６のいずれかに記載の通電遮断機能付きヒーター。