JPS63278203A - 発熱抵抗体 - Google Patents

発熱抵抗体

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JPS63278203A
JPS63278203A JP62113370A JP11337087A JPS63278203A JP S63278203 A JPS63278203 A JP S63278203A JP 62113370 A JP62113370 A JP 62113370A JP 11337087 A JP11337087 A JP 11337087A JP S63278203 A JPS63278203 A JP S63278203A
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JP
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heating resistor
resistor
metal
resistivity
layers
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JP62113370A
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Tomohiro Nakamori
仲森 智博
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Oki Electric Industry Co Ltd
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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】 (産業上の利用分野) この発明は、サーマルヘッド、ヒーター及びその他の電
子機器に用いる発熱抵抗体に関する。
(従来の技術) 従来より、電力を印加することによって発熱体となり、
ヒータ或いは感熱ヘッド等に用いる、種々の発熱抵抗体
が提案されでいる。
近年、この発熱抵抗体の用途の一例として、当該発熱抵
抗体を薄膜状に配設して電流を通じ、この際に生じる発
熱を利用し、感熱紙を発色させてドツト状のモザイクを
作ることにより、絵、文字等の印字を行なうための、種
々の構造の薄膜型サーマルヘッドが提案され、注目され
ている。
このような薄膜型サーマルヘッド(以下、単にサーマル
ヘッドと称する。)の−例としで、例えば文献(「金属
表面技術」邦、 (6)、+983.第271〜277
頁)に開示されるものが知られている。
上述の文献に開示される構造のサーマルヘッドでは、発
熱抵抗体を構成する材料としで、主に、窒化タンタル(
TaJ)が用いられている。周知のように、富化タンタ
ル(TaJ)は、例えばハイブリッドIC等の薄膜抵抗
体としで用いる場合には、抵抗値の安定性に優れている
。しかしながら、例えばサーマルヘッドを構成する発熱
抵抗体に窒化タンタル(Ta2N)を用いる場合には、
窒化タンタル(Ta2N)の有する耐熱性、特(こ、耐
酸化性か充分なものではなかった。これがため、窒化タ
ンタル(TaJ)V発熱抵抗体として用いる場合には、
耐酸化性を改善するため、耐酸化膜及び耐摩耗層といっ
た保護膜を配設するのが一般的である。
以下、図面ヲ参照して、発熱抵抗体の用途の一例としで
、従来のサーマルヘッドにつき説明する。
第5図は、従来のサーマルヘッドを説明するため、サー
マルヘッドの概略的な要部断面図により示した説明図、
第6図(A)は、第5図に示す発熱抵抗体の配設状@を
示すための平面図である。これらの図中、断面を示すハ
ツチングは一部を除き省略しで示す。
第5図において、11は例えばセラミックス、グレーズ
ドアルミナまたはその他任意好適な材料よりなる絶縁基
板を示し、当該絶縁基板11の表面に窒化タンタル(T
aJ)より構成される発熱抵抗体13か、第6図(A)
に示すような矩形状に設けられている。
また、この発熱抵抗体13の上側表面に、例えば金(A
u)、ニクロム(Ni−Cr)またはその他の好適材料
よりなる個別の給電体15及び17が互いに離間して配
設されており、これら給電体15と給電体17との間に
相当する発熱抵抗体13の一部分(第5図中、斜線を付
して示す部分)が発熱部19を構成する。
ざらに、給電体15及び17と発熱部19に相当する発
熱抵抗体13の上側には、耐酸化膜21と耐摩耗層23
とが順次被着形成されており、これら二層の膜により発
熱抵抗体13の保護膜が構成されている。
また、窒化タンタル(TaJ)の有する電気抵抗率は約
300uΩ・cm程度である。ここで、例えば、サーマ
ルヘッドか長時間の使用(こ耐え得るように、発熱抵抗
体の有する膜厚を充分な膜厚として構成すると、当該発
熱抵抗体13が有する抵抗値は、所望の抵抗値よりも小
さい値を示す場合が有った。従って、印字に必要な発熱
量を得るためには、発熱抵抗体13に供給する電流値を
大きくする必要が有った。しかしながら、配線回路及び
駆動方法及びその他の構成成分(いずれも図示せず)か
有する制約から、限られた電流値の範囲で実用的な発熱
量を得る必要が有る。これかため、第6図(B)の平面
図に示すよう(こ、発熱抵抗体13をミアンダ型の形状
を以って配設することにより、当該発熱抵抗体13の有
する抵抗値を上げる技術が知られている。
一方、印字品質の向上を図るため(こは、サーマルヘッ
ドに配設された発熱抵抗体13を微細化することが要求
される。従って、ミアンダ型として形成した発熱抵抗体
+3u、ざら(こ微細な形状とする必要か有るが、この
微細化には加工技術上の限界を有する。これがため、例
えば第6図(A)で説明した矩形のような、簡易な形状
の発熱抵抗体で、所望とする抵抗値が得られるような抵
抗体材料が望まれでいる。
このような抵抗体材料として、例えばタンタル−シリコ
ン−窒素(Ta−3i−N) 、或いはタンタル−シリ
コン−酸素(Ta−3i−0)といった高い電気抵抗率
(103〜105uΩ・cm程度)を有する抵抗体材料
が開発されている。
(発明か解決しようとする問題点) しかしながら、上述した従来の抵抗体材料では、高い電
気抵抗率を有する反面、電気抵抗率に関して温度依存′
iを有し、当該発熱抵抗体が高温になるに従って電気抵
抗率か低下する傾向が有る。従って、例えばサーマルヘ
ッドとして従来の抵抗体材料からなる発熱抵抗体を連続
的(こ駆動した場合、当該発熱抵抗体の温度によって電
気抵抗率に変動を生じ、当該発熱抵抗体に対する印加電
力の制御を行なう必要がをる。また、発熱抵抗体の発熱
に伴ない、当該抵抗体自体或いはこれに近接する構成成
分の温度が上昇すると抵抗体の発熱量も相加的に増大す
るため、上述の印加電力の制御が困難であるという問題
点が有った。
この発明の目的は、上述した従来の問題点に鑑み、高い
電気抵抗率を有し、かつ当該抵抗率に開する温度依存性
が低い発熱抵抗体を提供し、当該発熱抵抗体を用いて優
れた電子機器を提供することに有る。
(問題点を解決するための手段) この目的の達成を図るため、この発明の発熱抵抗体によ
れば、 金R(M)または該金属(M)の窒化物(MNx)(X
は正数)よりなる導電体層と、窒化珪素(SiNy) 
(yは正数)よりなる絶縁体層とを積層して多層構造と
したことを特徴としている。
また、この発明の実施に当っては、上述した金属(M)
がチタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム
(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタ
ル(Ta)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、及
びタングステン(W)のうちから選ばれた1種類の金属
または2種類以上の金属の混合物、または、上述の金属
からなる1種類の金属窒化物または2種類以上の金属窒
化物の混合物から導電体層を構成するのが好適である。
(作用) この発明の発熱抵抗体の構成によれば、上述の金属或い
は金属窒化物よりなる導電体層と、窒化珪素(SiNy
) (yは正数)よりなる絶縁体層とを積層して発熱抵
抗体を構成したため、当該発熱抵抗体の抵抗率(こ関す
る温度依存性を低減せしめることができる。
(実施例) 以下、図面を参照して、この発明の実施例につき説明す
る。尚、以下に説明する実施例では、この出願の好まし
い特定の数値的条件、材料、配置関係及びその他の条件
の下で説明するが、これらは単なる一例であるにすぎず
、この発明は以下に述べる実施例にのみ限定されるもの
ではないことを理解されたい。
第1図(A)は、この発明の発熱抵抗体の用途の一例と
しで、当該発熱抵抗体をサーマルヘッドに用いた場合の
実施例の説明に供する概略的な断面図、第1図(8)は
、第1図(A)に示した発熱抵抗体の積層構成の一例を
示す要部断面図である。図中、この発明の特徴となる構
成成分を除き、第5図を用いて既に説明した構成成分と
同一の機能を有する構成成分についでは、同一の符号を
付して示す。さらに、同図中、断面を示すハツチングは
、一部を除き省略して示す。
まず、第5図を用いて説明した従来のサーマルヘッドの
製造方法に従って、第1図(A)の断面図に示すように
、従来と同様のグレーズドアルミナより成る絶縁基板1
1の上側に発熱抵抗体25ヲ被着形成する。ここで、こ
の発明の発熱抵抗体25は、第1図(B)に示すように
、前述した種々の金属(M)或いは金属窒化物(MNx
)(xは正数)を以って構成した導電体層27と、窒化
珪素(SiNy) (yは正数)を以って構成した絶縁
体層29とを積層した、少なくとも3層以上の多層構造
としで構成されている。従って、以下に述べる実施例の
比較を容易とするため、発熱抵抗体25を構成する導電
体層27と絶縁体層29との積層数に拘らず、両者の膜
厚の合計が約3000人となるよう(こ、発熱抵抗体2
5を絶縁基板11の上側に形成する。
然る後、絶縁基板11上に被着した発熱抵抗体25が約
50u m x 75u mの矩形を呈するようにパタ
ーンニングし、当該矩形形状を有する発熱抵抗体25の
密度を16ドツト/cmとしで形成する。
続いて、上述の発熱抵抗体25の上側に膜厚2umの金
(Au)及びニクロム(Ni−Cr)よりなる給電体1
5或いは17ヲ被着形成した後、従来周知の作成条件に
従い、炭化珪素(SiC)よりなる保護膜31を約4u
mの膜厚て被着形成し、サーマルヘッドを形成した。
以下、図面ヲ参照して、この発明の発熱抵抗体の実施例
につき、ざらに詳細に説明する。
策上太磨に この第1実施例では、上述の導電体層27を構成する金
属(M)としてタンタル(Ta)V用い、絶縁体層29
ヲ四窒化三珪素(S!J4)として構成する。
さらに、この第1実施例では、絶縁基板11の上側に、
まず導電体層27ヲ積層し、当該導電体層27の上側に
絶縁体層29を積層する。然る後、導電体層27と絶縁
体層29とを順次積層し、発熱抵抗体25における積層
数か3層、9層、19層または29層となるように、4
種類のサーマルヘッドを夫々作成した。ここで、既に述
べたように、発熱抵抗体25が有する膜厚を約300O
Aと一定とし、かつ導電体層27と絶縁体層29との膜
厚の比を1:1とする。
次に、発熱抵抗体を構成する導電体層及び絶縁体層の被
着方法(こつき説明する。
この実施例の被着方法は、従来周知のマグネトロンスパ
ッタ法を用い、導電体層27ヲ形成するに当ってはタン
タル(Ta)よりなるターゲットを直流(DC)でスパ
ッタリングし、絶縁体層29ヲ形成するに当っては、交
流(RF)で四窒化三珪素(SiJ4)ターゲットのス
パッタリングを行なう。
実際にスパッタを行なうに際しては、発熱抵抗体25を
被着せしめる絶縁基板110表面を清浄化するため、ま
す、真空中(こおいて、当該基板118200°Cの温
度で30分間加熱した後、水冷によって室温まで温度を
下げる。然る後、アルゴシ(Ar)をスパッタガスとし
て、上述のTaターゲットをDC,5iJ4ターゲツト
をRFて、同時にスパッタリングを行なう。この際、ス
パッタ装置に備えられたシャッターを切り換えることに
よっていずれか一方の被スパツタ粒子(即ち、丁aまた
は5iJ4)uJ断し、導電体層27と絶縁体層29と
が同時に絶縁基板11上に被着しないようにして発熱抵
抗体25を形成する。
このようにして得た、この実施例の発熱抵抗体の特性を
比較するため、上述した、積層数の異なる4種類の発熱
抵抗体が有する電気抵抗率の温度依存性を0℃から12
0°Cの温度範囲で測定した。
また、この発明の第1実施例の発熱抵抗体と従来の発熱
抵抗体との比較を行なう目的で、発熱抵抗体がTa−3
i−Nの1層のみで構成されることを除いて、同一の構
成条件により作成したサーマルヘッドを比較例として測
定を行なった。
第2図は、上述の電気抵抗率に関する温度依存性の測定
結果を説明するための特性曲線図である。第2図(こお
いて、縦軸に電気抵抗率(μΩ・cm)を取り、横軸に
発熱抵抗体の温度(’C)7j取って示す。また、曲線
■は、上述の実施例のうち、発熱抵抗体25を3層構造
とした場合、曲線II、■及び曲線■は、各々、9層、
19層或いは29層として発熱抵抗体25を構成した場
合につき示している。ざらに、曲線Vは、上述した比較
例としての発熱抵抗体に関する測定結果を示しでいる。
この図からも理解できるように、O′Gから120℃の
温度まで上昇する1こ従い、従来の発熱抵抗体(曲線■
)は、25℃における抵抗率を基準として4.12〜−
10.5%の範囲で約1200LlΩ”cmの抵抗率の
低下を伴なう。これ(こ対しで、この発明の第1実施例
に係る4種類の発熱抵抗体では、いずれの場合も抵抗率
の低下の度合が少なく、最大でも0.74〜−3.54
%の範囲で約250uΩ・cm程度(曲線IV) 、最
小で0.19〜−−0.97%の範囲で約100UΩ・
cm程度(曲線I)であり、かつ当該曲線は、はぼ直線
的な低下傾向を示し、上述の温度依存性が著しく低いこ
とが理解できる。
また、この第1実施例の4種類の発熱抵抗体では、従来
の発熱抵抗体(Ta−St−N)に比べて、高い温度で
も、比較的安定に高抵抗率を維持し得ることが理解でき
る。
また、上述の測定では、0°Cから120℃の温度範囲
での測定結果のみを図示して説明した。しかしながら、
この発明の発熱抵抗体は、上述の温度範囲でのみ効果を
有するものではなく、上述の温度範囲を超えてサーマル
ヘッドの使用時に至り得る温度(約500°C程度)に
おいても、上述の測定結果と同様の効果を得ることがで
きる。
11叉流舅 次に、図面を参照して、この発明の第2実施例につき説
明する。
上述した第1実施例では、導電体層27として、タンタ
ル(Ta)を用いた場合につき説明した。しかしながら
、この発明の発熱抵抗体は、第1実施例のように、導電
体層として金属単体(M)!用いた場合にのみ限定され
るものではない。
この第2実施例では、導電体層27を金属窒化物(MN
x)(xは正数)とした場合につき説明する。
第1実施例で既に説明した作成方法に従って、この第2
実施例では、導電体層27を、上述の金属窒化物(MN
x)の−例として一窒化タンタル(TaN)で構成し、
絶縁体層29を四窒化三珪素(SiJ4)で構成した場
合につき検討した。但し、この第2実施例の発熱抵抗体
の有する抵抗率を第1実施例で述べた各抵抗体とほぼ同
程度とするため、以下に説明する第2実施例としての発
熱抵抗体25を構成する導電体層27と絶縁体層29と
の膜厚の比u+、2 : 1とし、かつ、−窒化タンタ
ル(TaN)と四窒化三珪素(SisN4)とのスパッ
タ時に、スパッタガスをアルゴン−窒素(Ar−N2)
(全体のスパッタガス体積における窒素の体積が占める
割合は10%)としてサーマルヘッドを作成し、比較を
行なった。
前述の第1実施例で述べた場合と同様にしで、この第2
実施例の発熱抵抗体の特性を比較するため、3層、9層
、19層及び29層と、4種類の発熱抵抗体が有する電
気抵抗率の温度依存性を0℃から120℃の温度範囲で
測定した。この測定に当り、第1実施例と同様に、従来
の発熱抵抗体との比較を行なう目的で、発熱抵抗体がT
a−8i−Nの1層のみで構成されることを除いて同一
の構成条件により作成したサーマルヘッドを比較例とし
た。
第3図は、第2図と同様に、電気抵抗率に関する温度依
存性の測定結果を説明するための特性曲線図である。ま
た、曲線■は、第2実施例のうち、発熱抵抗体25ヲ3
層構造とした場合、曲線■、■及び曲線■は、各々9層
、19層或いは29層として発熱抵抗体を構成した場合
につき示している。ざらに、曲線Vは、第2図と同様に
、比較例としての発熱抵抗体に関する測定結果を示す。
この図からも理解できるように、0°Cから120℃の
温度まで上昇するに従い、従来の発熱抵抗体(曲線V)
が、25℃における抵抗率を基準として4.12〜− 
+0.5%の範囲で約1200uΩ” cmの抵抗率の
低下を伴なう。これに対して、この発明の第2実施例に
係る4種類の発熱抵抗体では、いずれの場合も抵抗率の
低下傾向が、はぼ直線的てあり、抵抗率の低下は最大で
も1.04〜−3.99%の範囲で約500uΩ・cm
程度(曲線■)、最小で0.19−−1.15%の範囲
で約120uΩ−cm程度(曲線■)と、上述の温度依
存性が著しく低いことが理解できる。
ざらに、前述の第1実施例と同様に、上述の第2実施例
も、従来の発熱抵抗体(Ta−3i−N)に比べて、高
い温度でも比較的安定に高抵抗率を維持し得ることか理
解できる。
丸亀災比玉 以下、発熱抵抗体をサーマルヘッドに用いで駆動させた
場合の寿命に関して、上述した第1実施例及び第2実施
例の発熱抵抗体と、従来の発熱抵抗体との比較試験を行
なった結果につき説明する。
この寿命比較試験では、前述した温度依存性に関する比
較を行なった場合と同一の構成からなるサーマルヘッド
を、繰り返し周期1i 2 ms及びパルス幅を0.8
msに設定して駆動することにより行なった。また、駆
動する際の印加電力は、各々のサーマルヘッドを用いて
感熱紙に印字を行ない、当該感熱紙に印字された部分の
発色(黒色)の度合の指標としての光学濃度(Opti
cal Density:O,D、)が常に約1.2と
なるように調整して行なった。
第4図は、この寿命比較試験の結果を示す特性曲線図で
ある。図中、横軸にパルスの印加数を取り、縦軸には初
期抵抗値臼と各ステップ終了時の抵抗値との差ΔBから
求めた抵抗変化率(ΔR/RM百分率として表わしたも
の)を取ってプロットしたものである。図中、曲線aは
上述した第1実施例の発熱抵抗体のうち積層数が19層
であるサーマルヘッド(第2図の曲線■に相当)、曲線
すは第2実施例の発熱抵抗体のうち積層数が19層のも
の(第3図の曲線■)、曲線Cは従来構成のサーマルヘ
ッド(第2図及び第3図の曲線■)の結果を夫々示して
いる。
この第4図からも理解できるように、発熱抵抗体を窒化
タンタル(TaJ)とした従来構成のサーマルヘッド(
曲線C)では、パルス印加数が102に達する辺から抵
抗変化率の変動を生じている。
これに対しで、第1実施例に係るサーマルヘッド(曲線
a)では約7×103、第2実施例に係るサーマルヘッ
ド(曲線b)では約5XIO’に相当するパルス印加数
まで、抵抗変化率の変動が認められない。
以上、この発明の実施例につき詳細に説明したか、この
発明の実施例の発熱抵抗体は、従来の発熱抵抗体に比べ
て、第2図及び第3図を参照して説明したように温度依
存性が低く、かつ第4図から理解できるように、優れた
耐久性を有する。
また、上述した実施例では、タンタル(Ta)或いは一
窒化タンタル(TaN)からなる導電体層を用い、発熱
抵抗体を構成した場合につき説明した。しかしながら、
この発明は上述の実施例にのみ限定されるものではなく
、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム
(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、クロム
(Cr)、モリブデン(Mo)、またはタングステン(
W)、或いは、これら金属の窒化物としても、上述の実
施例と同様な効果が得られた。ざらに、これら金属の混
合物、当該金属の窒化物、及び当該金属と金属窒化物と
の混合物として、上述の導電体層を形成した場合にも、
上述の実施例と同様な効果を期待し得る。
また、上述の実施例では、絶縁基板の上に、まず、導電
体層27を被着し、その上側に絶縁体層29を積層した
場合(こつき説明したが、例えば絶縁基板の上に、順次
、絶縁体層、導電体層の順序で積層した構成としても良
い。さらに、上述の実施例では、積層数を奇数として説
明したが、当該積層数を偶数とし、例えば絶縁基板と接
する層を絶縁体層、保護層(或いは給電体)の下側に積
層せしめられた層を導電体層として構成しても良い。
また、上述の実施例では、発熱抵抗体を被着形成するに
当り、マグネトロンスパッタ法を用いた場合につき説明
した。しかしなから、この発明は、この被着方法に限定
されるものではなく、例えば蒸着法、化学的気相成長(
Chemical VaporDeposition:
CVD)法またはその他、任意好適な被着方法として実
施することができる。
これら材料条件、配M開係、積層数、被着手段、膜厚及
びその他の条件は、この発明の目的の範囲内で、設計の
変更及び変形を任意好適に行ない得ること明らかである
(発明の効果) 上述した説明から明らかなように、この発明の発熱抵抗
体によれば、前述した金属或いは金属窒化物よりなる導
電体層と、窒化珪素(SiNy) (!l’は正数)よ
りなる絶縁体層とを積層して発熱抵抗体を構成している
。これがため、電気抵抗率に関する温度依存性が低く、
かつ高い電気抵抗率を有し、この発明を例えばサーマル
ヘッドに適用した場合のように、駆動に際しで優れた耐
久性を有する。従って、この発明の発熱抵抗体を用いる
ことにより、サーマルヘッド、ヒーター及びその他、種
々の優れた電子機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(A)は、この発明の発熱抵抗体の実施例の説明
に供するため、サーマルヘッドの概略的な断面により示
す説明図、 第1図(B)は、この発明の詳細な説明するため、第1
図(A)に示した発熱抵抗体の積層関係の一例を示すた
めの要部断面図、 第2図は、第1実施例の電気抵抗率に関する温度依存性
を説明するための特性曲線図、第3図は、第2実施例の
電気抵抗率に関する温度依存性を説明するための特性曲
線図、第4図は、この発明の実施例の寿命試験の結果を
説明するための特性曲線図、 第5図、第6図(A)及び第6図(B)は、従来技術の
説明に供する説明図である。 11・・・・絶縁基板、13.25・・・・発熱抵抗体
15、17・・・・給電体、19・・・・発熱部21・
・・・耐酸化膜、23・・・・耐摩耗層27・・・・導
電体層、29・・・・絶縁体層31・・・・保護膜。 特許出願人    沖電気工業株式会社IツN く 実施例と比較例との寿命試験の説明図 第4図 第6図 従来の発熱抵抗体を用いたサーマルヘッドの断面図第5
図 一’;)!:1−

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)金属(M)または該金属(M)の窒化物(MN_
    x)(xは正数)より成る導電体層と、窒化珪素(Si
    N_y)(yは正数)より成る絶縁体層とを積層して成
    る ことを特徴とする発熱抵抗体。
  2. (2)前記金属(M)がチタン(Ti)、ジルコニウム
    (Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニ
    オブ(Nb)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、モ
    リブデン(Mo)、及びタングステン(W)のうちから
    選ばれた1種類または2種類以上よりなる ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の発熱抵抗
    体。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996009738A1 (de) * 1994-09-20 1996-03-28 Negawatt Gmbh Elektrisches heizelement

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO1996009738A1 (de) * 1994-09-20 1996-03-28 Negawatt Gmbh Elektrisches heizelement

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