JPS6139501A - 炭化珪素質発熱素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ファクシミリやプリンタＯ感熱記録や感熱転
写記録などに用いられるサーマルヘッドなどの各種用途
に最適の炭化珪素質全盛素子およびその製造方法に関す
る。

感熱記録は、小さな抵抗体のジュール熱を利用した直接
記録方法であり、感熱記録紙を高温を発熱素子で加熱す
るだけで記録が得られ、現像・定着などを必要としない
利点がある。

このような簡便さと用紙が比較的安価なことと相まって
、ファクシミリやプリンタのほかハードコピーの分野に
おける記録方法として、最近非常に注目を集めている。

そして感熱記録は、第１図及び第２図に示すように物理
的方法によるものと化学的方法によるものとに大別され
る。

第１図は、物理的感熱記録方法の基本的な構成を示す縦
断面図であり、記録紙は基紙（イ）の上に着色層（ロ）
を設け、その表面に白色不透明なワックスなどの感熱層
（ハ）を設けたものである。この記録紙上にサーマルヘ
ッドとしての発熱素子に）を乗せて記録紙の一部を加熱
すると、加熱された部分が透明部（ホ）を形成し、着色
Ｒ（ロ）が顕出して文字・図形等が記録紙上で他の部分
と色別されるものである。

第２図は、化学的感熱記録方法の基本的な構成を示す縦
断面図であり、記録紙は基紙（イ）の上に感熱層（ハ）
が設けられたものである。この記録紙上にサーマルヘッ
ドとしての発熱素子に）を乗せて記録紙の一部を加熱す
ると、加熱された部分が発色部（へ）を形成し、この発
色部（へ）は他の部分と色別され文字や図形金描くこと
ができるものである。匁お、前記感熱層中には、電子供
与成分（ト）と電子受容成分（ト）との化学成分が微粒
子状の固体として結着剤（ワ）の中に分散しており、こ
の２つの成分は常温では固体でそれぞれ単体では加熱し
ても発色しないが、両方が同時に加熱溶徹されると急速
なイオン交換形電子授受反応を起こして不可逆な着色物
質を生じるものである。

一方、前記サーマルヘッドは、小さな発熱抵抗体のジュ
ール熱を利用するものであり、次に示すような諸性能が
要求される。

（１）高信頼度で長寿命（耐摩耗性があること）（２）
　　−Ｊ芋が鮮明で高速応答（急速発熱が可能なこと） （３）　　低消費電力で発熱体抵抗値のパラツギがない
こと。

すなわち、具体的には、高温の熱ストレスの繰返しに耐
え、かつ長期にわたり抵抗値の変動が少なく、感熱紙と
の摺動による摩耗が少なく、しかも熱効率がよい構造（
構成）であって発熱体の熱分離が艮＜、＠熱体の密度が
高く、発熱体抵抗値のバラツキが少ないことなど要求さ
れる。その他に、生産性が良く、量産に適しておシ、安
価であることなども当然に要求される条件である。

従来、サーマルヘッドは大別して、＋１）厚膜法による
もの、（ｂ）薄膜法によるもの、（ｅｌ半導体塔載のも
のなどかめる。これらのうち最も代表的なものとして、
第３図の縦断面図に示すような厚膜法によるサーマルヘ
ッドがある。この厚膜法によれば、セラミック基板（１
）の表面に導体による電極（３）が形成され、その上に
発熱抵抗体（２）がメツシュ状のヌクリーンにより各種
のパターンとして印刷され、焼成されることによって形
成されるが、この抵抗体が直接表面に露出すると耐摩耗
性が劣るので最表届に５ｉ（ｈ、５ｉＣＳＴａｘｅｓ　
などの耐摩耗性保護膜（４）が設けられる。

しかしながら、この厚膜法によるサーマルヘッドは前記
耐摩耗性保護膜が設けられているため最表層が加熱され
るまでに一定の時間を要し熱応答性が悲ぐ、発熱抵抗体
は複雑な技術によって形成されるためバラツキが生じ易
い欠点がある。

また、ｆｂ）の薄膜法によるものは各種蒸着法やイオン
ブレーティング法などの煩雑技術のものであるためコス
ト高となり薄膜のため耐摩耗性などが劣る欠点がある。

一方、（ｅ）の半導体塔載によるものは、熱応答性が比
較的速く、微細なパターンが可能であり、発熱抵抗体の
劣化が比較的少ない利点はあるものの、大きなヘッドが
作りにくく熱効率が悪くしかも熱蓄積がしにくく、耐摩
耗性に乏しいなどの欠点があった。

そこで本発明は、このような従来のい、ずれの方式にも
よらないで、これらサーマルヘッドの欠点をすべて解消
することを目的とし、前記特許請求の範囲に記載の炭化
珪素質発熱素子およびその製造方法によって、上記目的
を達成するものである。

すなわち、本発明によれば炭化珪素を主成分とする炭化
珪素質焼結体の電気伝導度が小さい層を基板とし、この
基板の表面に同じく炭化珪素質焼結体の！気伝導度が大
きい層が形成されておシ、その表面の一部に導体層が形
成されていて導体層の任意の二点間によって形成される
樹間には発熱部が一形成される炭化珪素質発熱素子を提
供することができる。これを図面に基づいて具体的に説
明する。

第４図は本発明の炭化珪素質発熱素子の斜視図であり、
第５図は上記第４図に対応する縦断面図である。これら
の図面において、１は炭化珪素質焼結体の電気伝導度が
小さい層であり、炭化珪素を主成分とし比較的細の成分
が少ないＳｉＣリッチの焼結体の層であり嵩密度が８．
０　ｆ／ｃｄ以上と比較的高く、熱伝導性がよく熱放散
性に優れているほか、高硬度で耐腐食性や耐熱衝撃性が
優れており、サーマルヘッドの基板としては最適のもの
である。

２は炭化珪素質焼結体の電気伝導度が大きい層であり、
炭化珪素を主成分としそのほかに炭素、鉄、銅、アルミ
ニウムなどの導電性の良好な物質が均一に分散され、複
合相が形成されたシ導電性物質相互の接触により導電性
が付与され、体積抵抗が１０３〜１０−１位に向上した
層でめる。この層が形成されるには、炭化珪素１００重
量部に対し上記例示の導電性物質、例えば有機系又は無
機系の炭素含有物を４〜１０重世％添加することが有利
である。しかしながら、これらの添加量に限定されるも
のでなく、鉄や銅などの良電導物質については上記添加
量よりも微量であっても体積抵抗が１０テ〜１０−１位
の電気伝導度が大きい層を形成することができる。

そして本発明によれば、上記炭化珪素質焼結体の電気伝
導度が小さい層（１）と大きい層（２）とは生成形体の
製造段階で一体生成されるので、従来のサーマルヘッド
のようにセラミック基板上に抵抗発熱体を印刷積層した
模とは異なシ、密者注に優れ熱膨張差が少なく応力の集
中が少ない利点がある。

また、本発明によれば、サーマルヘッドとしての発熱素
子全体が炭化珪素質焼結体で構成されているので感熱紙
と直接に接触する面も高硬度で耐摩耗性に優れ、耐電圧
性があるため高い印加が可能であり、熱伝導性が良いの
で熱放散性に優れ急冷が可能であり、耐腐食性に優れて
いるので感熱紙中の化学成分によっておかされることは
ない。このように本発明によれば、従来のサーマルヘッ
ドのように感熱紙との摺動による摩耗から発熱抵抗体を
保護する苑めの１０μｍ程度の耐摩耗性保護膜を格別設
けなくとも炭化珪素質焼結体の特性でおる耐摩耗性の良
好な表面が印加と殆んど同時或いは瞬時に発熱されるの
で応答性は速く、しかも耐熱スホーリング性や耐電圧性
が優れておシ、この点でも耐久性がよく長寿命を保証す
ることができる。

一方、本発明の炭化珪素質発熱素子は、熱伝導性が極め
て良好であるため感熱紙に印字した後には熱放散性が優
ｎ、わずかン１００秒位の短時間においても印字パルス
のＯＮやＯＦＦに応答し易い特徴がある。しかも前記特
許請求の範囲第８項に記載の如く、電気伝導度が小さい
層、たとえば固体抵抗が１０３オーム・６１１以上の層
（１）と、電気伝導度が大きい層、たとえばカーボンプ
ラックなどの炭素ＪＭ導電物質が４〜５％位添加混入さ
れた層（２）との中間層には、第６図に示すように絶縁
性断熱層（６）が形成されていることにより、熱放散性
を高めると共に熱損失を極力少なくし、ひいては低消費
電力の熱効率のよい構造とすることができる。また、必
要に応じて電気伝導度の小さい層＋１１の裏面側には、
銅やア７レミニウムなどの薄板状の放散板を接合するこ
とにより、一層熱放散性を高めることもできる。これは
、漢字の表現のように英数字や簡単なカナ字よりも印字
速度を早くしなければならないようなプリンタに特に有
効であり、多数の素点を必要とする場合には発熱素子の
密度を高めると共に、熱放散性を高めることも必要であ
る。

また、本発明によれば炭化珪素質焼結体の電気伝導度の
大きい層（２）の表面には、任意の位置−発熱部（５）
を形成するための！極を必要とするが、その念めには、
ＮｉＣｒ−Ａｕや銀パラジューム等のペーストを第５図
の導ｔＪＬ層（３）のように印刷焼成することもできる
が、好ましくは第４図に示すように、電気伝導度の大き
い層の表面（２）にメタライズ層（３）を形成すれば、
炭化珪素質焼結体の表面はやや凹状の微細の溝を形成し
た導電層（３）が形成される。このように、炭化珪素質
焼結体表面に微細な凹状溝の４重層を形成することは、
感熱紙との摺動面における接触抵抗を少なくすると共に
、導電層の寿命を延ばすことができる。また、必要に応
じて前記凹状溝には耐久性のある物質、例えばＳｉＣと
密着性に優れかつ耐摩耗性にも優れたＴａ２０ｇのよう
な物質を充填することが有利である。このように、一本
発明によれば感熱紙との摺動面は＃摩耗性の極めて優れ
たＳ　ｉ　Ｃ（”　Ｔａｘ　Ｏｓのようなセラミックス
で構成されているため、その摩耗量は０．０５μｍ／　
ｉｔｓ以上と従来のサーマルヘッドには見られない耐摩
耗性の優れた発Ｉ８素子を提供することができる。つま
り本発明によれば、従来のサーマルヘッドの最大の未解
決の課題である寿命を延長する問題は、炭化珪素質焼結
体の熱伝導性が大きい層を感熱紙と直接に接触する摺動
面とすることにより解決し、実用的に数ｌ〇−以上の耐
用性のあるサーマルヘッドとしての発熱素子を提供する
ことができる。そのため、本発明によれば特許請求の範
囲第２項に記載の如く前記導電層（３）は”電気伝導度
が大きい層（２）の表面と同一平面上にあるか又はわず
かに下面に形成されることが好ましい態様となる。摺動
面における感熱紙との接触抵抗を極力なくすと共に、導
体層を摩擦抵抗から保護する上で有利となるからである
。なお、本発明におけるメタライジグはＳｉＣの分解を
防止しかつ高温加熱の処理に耐え得る炭化珪素質焼結体
とするために、ｓｉｃ　１００１ｉｉ部に対し、Ｃｏ、
Ｎｉ′、Ｆｅ、Ａ１１　Ｐｔ、Ｐｄ％　Ｂなどの炭化物
の少くとも１ｆｔを４〜１０重量％、また必要によりＴ
ｉ、　Ｗ、　Ｍｏ％Ｚｒ％Ｈｆ、　Ｔａ、　Ｎｂ、　Ｕ
、　Ｃｒ、■の中から選ばれる元素或いはこの元素を含
有する各種の化合物を添加した組成物を使用することが
有利である。

このような各種の物質を含有させた炭化珪素系組成分は
、特に密着性、耐熱性、耐熱衝撃性及び接合性が極めて
優れたメタライズ層を形成することができるものである
。その理由は、前記ＣｏやＮｉなどの元素の炭化物は分
解反応によ多原子状の極めて活性なＣを容易に生成し、
ＳｉＣと強固な結合を形成し易いためと考えられるから
である。

次に第６図の断面図と第７図の斜視図に示す本発明の実
施品は、特許請求の範囲第７項に記載された笑施態様に
より製造されたものである。

次に本発明の最も代表的な実施例について説明する。

実施例 β型炭化珪素を９６重量％含有する炭化珪素１００重λ
部に対してホウ素０．１２９６とカーボンブラック２．
０％とを添加し均一に混合した生成形体を、第４図又は
第５図に示すように基層（１）となるよう作成し、次に
同じく上記β潤度化珪素１００重量部に対しホウ素０．
１０％とカーポンプフック７％と糖密１．５炎とを添加
し均一に混合した生成形体を各々射出成形機により作成
し、これらを一体とした成形物４１９００°〜２３００
°Ｃの焼成温度の非酸化性雰囲気下で焼成して得られた
炭化珪素質焼結体を発熱体寸法が１６５μｍ　Ｘ　２２
Ｇμｍで、そのビ１．チが１８７．５μとなるように、
Ｃ０２ＣとＴｉ粉末とから成るペースト状の金属化用組
成分をスクリーン印刷で導体間隔が最低１９２μｍとな
るように印刷し、アルゴン気流中で１，１００’〜１，
８００°Ｃの温度で約６０分焼成して第４図に示すよう
なサーマルヘッドとしての発熱素子′ｆ：得た。そして
、このサーマルヘッドを用いて印加電力８　Ｗ／ａｖＡ
、印加時間５ｒＩＬｓで、発熱部の中心温度が約１５５
°Ｃとなる発熱体を印字速度１０〜１６字／秒の速さで
５．８．１０ポイントの文字を幅２１０ｍの感熱記録用
紙上に文字ピ・ブチ５順で約ｌＯ万字プリントした。

以上のように、本発明によれば耐摩耗性が極めて優れ、
高温の熱ストレスの繰り返しに十分耐え、長期にわたり
抵抗値の変動が少なく発熱体抵抗値のバラツキが少なく
、応答性の極めて良好で熱効率のよいサーマルヘッドと
しての炭化珪素質発熱素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第２図は感熱記録機構の基本構成上水す縦断面
図、第３図は従来のサーマルヘッドの縦断面図、第４図
は本発明のサーマルヘッドの斜視図、第５図及び第６図
は本発明のサーマルヘッドの縦断面図である。 また、第７図は本発明のサーマルヘッドの他の一実施例
について縦断面図であり、第８図は第７図に示す実流量
の斜視図である。 上記図面において、１は基層、２は発熱抵抗体層、３は
導電層、４は耐摩耗性保護層、５は発熱部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炭化珪素を主成分とする炭化珪素質焼結体の電気伝
   導度が小さい層を基板とし、この基板の表面に同じく炭
   化珪素質焼結体の電気伝導度が太きい層が形成されてお
   り、その表面の一部には導体層が形成されていて導体層
   の任意の二点間によって形成される極間には発熱部が形
   成される炭化珪素質発熱素子。 ２、前記導体層は電気伝導度が大きい層の表面と同一平
   面上にあるか又はわずかに下面に形成されていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の発熱素子。 ３、前記炭化珪素質焼結体の電気伝導度が小さい層と電
   気伝導度が大きい層との中間層に絶縁性断熱層が形成さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   発熱素子。 ４、炭化珪素質焼結体により構成される発熱素子の生成
   形体は該焼結体の電気伝導度が小さい層を形成する原料
   組成物と該焼結体の電気伝導度が大きい層を形成する原
   料組成物との少くとも二層を構成するように作成され、
   該成形体を焼成した後、該焼結体の電気伝導度が大きい
   層の表面の一部に導体層を形成し、該導体層の任意の二
   点間によって形成される極間が発熱部を形成するよう表
   面処理をすることを特徴とする炭化珪素質発熱素子の製
   造方法。 ５、該焼結体の電気伝導度が小さい層を形成する原料組
   成物は主成分である炭化珪素１００重量部に対して炭素
   その他の導電性物質を４重量部以下を含有しているもの
   であり、該焼結体の電気伝導度が大きい層を形成する原
   料組成物は主成分である炭化珪素１００重量部に対して
   炭素その他の導電性物質を４〜１０重量％を含有するも
   のであることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の
   製造方法。 ６、該焼結体の電気伝導度が小さい層を形成する原料組
   成物と該焼結体の電気伝導度が大きい層を形成する原料
   組成物との中間層に絶縁性断熱層を形成する原料組成物
   を有する生成形体を作成することを特徴とする特許請求
   の範囲第４項記載の製造方法。 ７、炭化珪素質焼結体の電気伝導度が大きい層の表面の
   発熱部を形成する部分以外を切削した後にメタライジン
   グ、厚膜印刷などによって導体層を該基板の表面と同一
   平面上か又はわずか下面に形成し、凹部は必要により耐
   久性材料で充填されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第４項記載の製造方法。