(57)【要約】【課題】ＮＴＣ特性を示し、黒鉛よりも負の抵抗温度係数の絶対値が大きく、かつ、黒鉛と同程度の比抵抗を示す抵抗発熱体を提供する。【解決手段】抵抗発熱体は、炭素と、導電性を示す炭化ケイ素とを含む。抵抗発熱体においては、導電性を示す炭化ケイ素が炭素に添加されているので、ＮＴＣ特性を示し、黒鉛よりも負の抵抗温度係数の絶対値が大きい。抵抗発熱体の比抵抗は、黒鉛本来の比抵抗よりも過度に高くならない。たとえば、抵抗発熱体を、紙等の記録材の表面上に形成されたトナー画像を定着させるための加熱装置等に用いると、記録材が通過しない部分（非通紙部）の昇温を防止することができる。抵抗発熱体に含まれる炭素の一部または全部は黒鉛であることが好ましい。抵抗発熱体は炭化ケイ素を２０質量％以上含むことが好ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素と、導電性を示す炭化ケイ素とを含む、抵抗発熱体。
【請求項２】
前記炭素の一部または全部が黒鉛である、請求項１に記載の抵抗発熱体。
【請求項３】
前記炭化ケイ素を２０質量％以上含む、請求項１または請求項２に記載の抵抗発熱体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的には抵抗発熱体に関し、特定的には、複写機、プリンタなどで用いられる、紙等の記録材の表面上に形成されたトナー画像を定着させるための加熱装置等に用いられる抵抗発熱体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、トナー画像を定着させるための加熱装置として、給電により発熱する抵抗発熱体を有する加熱体によって被加熱材としての記録材を加熱する加熱装置が用いられている。このような加熱装置において、記録材が通過しない部分（非通紙部）の昇温を防止するために種々の改善がなされている。
【０００３】
たとえば、特開２００４−２３４９９７号公報（以下、特許文献１という）に開示された加熱装置では、加熱装置に用いられる抵抗発熱体にグラファイト（黒鉛）を含ませている。
【０００４】
特許文献１によれば、グラファイトは、ある温度を境にその温度以下ではＮＴＣ特性（Negative Temperature Coefficient：温度が上がると電気抵抗が低くなる負の抵抗温度特性）を示し、その温度以上ではＰＴＣ特性（Positive Temperature Coefficient：温度が上がると電気抵抗が高くなる正の抵抗温度特性）を示す性質がある。その温度は変曲点温度と呼ばれ、７００℃程度である。このような性質を示すグラファイトを抵抗発熱体に含ませているので、特許文献１に記載の抵抗発熱体は、変曲点温度以下においてＮＴＣ特性を発揮することができる。これにより、非通紙部に対応する抵抗発熱体部分の発熱量をＮＴＣ特性によって低減することができるので、非通紙部の昇温を抑制することができる。
【０００５】
また、特許文献１に開示された抵抗発熱体では、グラファイトのシート抵抗が大きいため、抵抗発熱体の総抵抗を下げるために、ＰＴＣ特性を示す銀またはパラジウムを含有させている。
【０００６】
ところで、一般の炭素発熱体は、負の温度係数を有し、すなわち、ＮＴＣ特性を示すので、高温になると常温での電気抵抗値より電気抵抗値が下がる。このため、炭素発熱体は、電気抵抗値の変化率によっては、温度の自動制御が困難になる可能性がある。
【０００７】
この問題を解消するために、実質的に零に近い温度係数を有する炭素系発熱体を得るための製造方法、または所望の電気抵抗値を有するように成分が調整された発熱体を備えた定着用ヒーターとその製造方法が、たとえば、特開２００１−１５２５０号公報（以下、特許文献２という）または国際公開第ＷＯ２００５／１２４４７１号パンフレット（以下、特許文献３という）に開示されている。
【０００８】
特許文献２または特許文献３には、黒鉛またはアモルファス炭素と、窒化硼素、炭化ケイ素などの導電阻害物質としての金属または半金属化合物とを含む炭素系発熱体が記載されている。
【０００９】
なお、特開平７−５３２６５号公報（以下、特許文献４という）には、電気抵抗の温度依存性が極めて少ない、安定した導電性能を有する導電性炭化ケイ素質セラミック材が開示されている。この導電性炭化ケイ素質セラミック材は、室温から５００℃までの抵抗温度係数の絶対値が０．２％／℃以下の材質からなる。
【特許文献１】特開２００４−２３４９９７号公報
【特許文献２】特開２００１−１５２５０号公報
【特許文献３】国際公開第ＷＯ２００５／１２４４７１号パンフレット
【特許文献４】特開平７−５３２６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に開示された抵抗発熱体では、抵抗発熱体の総抵抗を下げるために、銀またはパラジウムを含有させている。黒鉛がＮＴＣ特性を示すのに対して、銀またはパラジウムはＰＴＣ特性を示す。このため、黒鉛と銀を含有する抵抗発熱体では抵抗温度係数が−２４０ｐｐｍ／℃、黒鉛とパラジウムを含有する抵抗発熱体では抵抗温度係数が−４６０ｐｐｍ／℃となり、黒鉛本来の負の抵抗温度係数よりもその絶対値が小さくなる。すなわち、特許文献１に開示された抵抗発熱体では、負の抵抗温度係数の絶対値が小さくなる、言い換えれば、ＮＴＣ特性が黒鉛よりも弱くなるという問題がある。
【００１１】
特許文献２または特許文献３に開示された炭素系発熱体は、発熱体の比抵抗を調整するために導電阻害物質を含むので、その調整された比抵抗の値が黒鉛本来の比抵抗よりもかなり高くなる。また、この炭素系発熱体は、黒鉛よりも顕著なＮＴＣ特性を示さず、すなわち、黒鉛よりも負の抵抗温度係数の絶対値が大きくない。
【００１２】
なお、特許文献４は、抵抗温度係数の絶対値が極めて小さい導電性炭化ケイ素質セラミック材を得ることを目的としており、発熱体などの導電性部材として、ＮＴＣ特性を示し、かつ、負の抵抗温度係数の絶対値が大きい炭化ケイ素材を得ることについては何ら言及されていない。
【００１３】
そこで、この発明の目的は、ＮＴＣ特性を示し、黒鉛よりも負の抵抗温度係数の絶対値が大きく、かつ、黒鉛と同程度の比抵抗を示す抵抗発熱体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明に従った抵抗発熱体は、炭素と、導電性を示す炭化ケイ素とを含む。
【００１５】
この発明の抵抗発熱体においては、導電性を示す炭化ケイ素が炭素に添加されているので、ＮＴＣ特性を示し、黒鉛よりも負の抵抗温度係数の絶対値が大きい。また、本発明の抵抗発熱体の比抵抗は、黒鉛本来の比抵抗よりも過度に高くならない。したがって、たとえば、本発明の抵抗発熱体を、紙等の記録材の表面上に形成されたトナー画像を定着させるための加熱装置等に用いると、記録材が通過しない部分（非通紙部）の昇温を著しく抑制することができる。
【００１６】
この発明の抵抗発熱体に含まれる炭素の一部または全部は黒鉛であることが好ましい。
【００１７】
この発明の抵抗発熱体は、炭化ケイ素を２０質量％以上含むことが好ましい。炭化ケイ素を２０質量％以上含むことにより、上記の作用効果を達成するために、抵抗発熱体の比抵抗と負の抵抗温度係数の絶対値とを適切な範囲に制御することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のようにこの発明によれば、ＮＴＣ特性を示し、黒鉛よりも負の抵抗温度係数の絶対値が大きく、かつ、黒鉛と同程度の比抵抗を示す抵抗発熱体を得ることができるので、たとえば、本発明の抵抗発熱体を、紙等の記録材の表面上に形成されたトナー画像を定着させるための加熱装置等に用いると、記録材が通過しない部分（非通紙部）の昇温を著しく抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
この発明の一つの実施の形態としての抵抗発熱体は、炭素と、導電性を示す炭化ケイ素の一例として窒素を固溶した炭化ケイ素を含む。
【００２０】
この発明の一つの実施の形態である抵抗発熱体においては、窒素を固溶することによって導電性を示す炭化ケイ素が炭素に添加されているので、ＮＴＣ特性を示し、黒鉛よりも負の抵抗温度係数の絶対値が大きい。また、本発明の抵抗発熱体の比抵抗は、黒鉛本来の比抵抗よりも過度に高くならない。したがって、たとえば、本発明の抵抗発熱体を、紙等の記録材の表面上に形成されたトナー画像を定着させるための加熱装置等に用いると、記録材が通過しない部分（非通紙部）の昇温を著しく抑制することができる。
【００２１】
この発明の抵抗発熱体は、炭化ケイ素を２０質量％以上含むことが好ましく、５０質量％以上含むことがより好ましい。炭化ケイ素を２０質量％以上含むことにより、上記の作用効果を達成するために、抵抗発熱体の比抵抗を常温２５℃において５×１０−５〜５×１０−１Ωｃｍの範囲で、２５〜１２５℃の範囲における抵抗温度係数を−１０００〜−５０００ｐｐｍ／℃の範囲で制御することができる。
【００２２】
この発明の抵抗発熱体に含まれる炭素は、抵抗発熱体全体の比抵抗を相対的に小さくするために作用する。抵抗発熱体に含まれる炭素は、有機樹脂を炭化処理して得られる非結晶質または結晶質の炭素でもよい。また、抵抗発熱体に含まれる炭素は、黒鉛粉末でもよい。さらに、抵抗発熱体に含まれる炭素は、有機樹脂を炭化処理して得られる非結晶質または結晶質の炭素と、黒鉛粉末とを混在させたものでもよい。
【００２３】
抵抗発熱体に含まれる炭素として、有機樹脂を炭化処理して得られる非結晶質または結晶質の炭素を用いる場合、有機樹脂としては、炭化率の高いものが好ましく、具体的にはポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル−ポリ酢酸ビニル共重合体、ポリアミド等のいずれかの熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド等のいずれかの熱硬化性樹脂などが挙げられる。有機樹脂は、粉末の形態で準備されてもよく、ペースト状の形態で準備されてもよい。有機樹脂を炭化処理する温度は７００℃以上が好ましい。
【００２４】
抵抗発熱体の比抵抗を小さくするためには、抵抗発熱体に含まれる炭素の一部または全部として黒鉛粉末を用いるのが好ましい。黒鉛粉末は、一般的な黒鉛粉末でよいが、その比抵抗をより小さくするためには天然の黒鉛粉末を用いるのが好ましい。
【００２５】
抵抗発熱体に含まれる炭素の比抵抗は常温２５℃において１×１０−５〜１×１０−２Ωｃｍ、２５〜１２５℃の範囲における抵抗温度係数は−８００〜−３０００ｐｐｍ／℃であるのが好ましい。
【００２６】
抵抗発熱体に含まれる炭素として黒鉛粉末を用いる場合、抵抗発熱体の原材料を成形体やペースト状物にするための容易さから、黒鉛粉末の粒径は１０μｍ以下が好ましく、５μｍ以下がより好ましい。
【００２７】
この発明の抵抗発熱体に含まれる導電性の炭化ケイ素は、抵抗発熱体全体の負の抵抗温度係数の絶対値を相対的に大きくするために作用する。導電性の炭化ケイ素は、原材料として粉末の形態で準備される。炭化ケイ素粉末の比抵抗は常温２５℃において１×１０−３〜１０Ωｃｍ、２５〜１２５℃の範囲における抵抗温度係数は−１０００〜−６０００ｐｐｍ／℃であるのが好ましい。抵抗発熱体の原材料を成形体やペースト状物にするための容易さから、炭化ケイ素粉末の粒径は１０μｍ以下が好ましく、５μｍ以下がより好ましい。
【００２８】
炭化ケイ素粉末の結晶形は、限定されるものではなく、α型またはβ型のいずれでもよい。炭化ケイ素粉末の製造方法としては、アチソン法、シリカ還元法、気相法、液相法などのいずれを採用してもよい。
【００２９】
炭化ケイ素の負の抵抗温度係数の絶対値が目標値になるように制御するために、炭化ケイ素の結晶形と、導電性を示すように固溶される元素とが適宜選択される。一般的に炭化ケイ素のような半導体では、固溶される元素により形成されるドナー準位またはアクセプタ準位と、伝導体または価電子帯とのエネルギーギャップが大きいほど、その物質の抵抗温度係数の絶対値が大きくなる。また、エネルギーギャップが大きいほど、その物質の比抵抗も大きくなる。この場合、炭化ケイ素のエネルギーギャップは、炭化ケイ素の結晶形と、炭化ケイ素に固溶される元素とによって決定される。
【００３０】
炭化ケイ素に固溶される元素は、好ましい負の抵抗温度係数の絶対値と比抵抗の値を考慮して、アルミニウム（Ａｌ）、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、窒素（Ｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ベリリウム（Ｂｅ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、スカンジウム（Ｓｃ）、バナジウム（Ｖ）などが好ましく、アルミニウム（Ａｌ）、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、窒素（Ｎ）がより好ましい。炭化ケイ素粉末に元素を固溶させる方法としては、固溶される元素を含む雰囲気下で炭化ケイ素粉末を高温処理する方法、固溶させる元素のイオンを炭化ケイ素粉末に照射する方法などがある。
【００３１】
この発明の抵抗発熱体は、有機樹脂もしくは黒鉛粉末のいずれか、または、有機樹脂および黒鉛粉末の両方と、導電性炭化ケイ素とを混合したものを、固形物の形態で基板に貼り付けてもよく、あるいは、ペースト状の形態で基板上に塗布した後に焼き付けてもよい。
【００３２】
固形物の形態は、具体的には、有機樹脂もしくは黒鉛粉末のいずれか、または、有機樹脂および黒鉛粉末の両方と、導電性炭化ケイ素粉末とをヘンシェルミキサーなどで乾式混合したものに、有機バインダー、溶剤、可塑剤を加えて、ニーダなどで混練し、押し出し成形した後に焼成することによって作製される。この場合、導電性炭化ケイ素粉末を用いる代わりに、通常の炭化ケイ素粉末を用い、押し出し成形した後の焼成工程を窒素雰囲気中で行うことにより、炭化ケイ素に窒素を固溶させて、炭化ケイ素に導電性を付与してもよい。
【００３３】
ペースト状の形態で基板上に塗布した後に焼き付ける方法は、具体的には、有機樹脂もしくは黒鉛粉末のいずれか、または、有機樹脂および黒鉛粉末の両方と、導電性炭化ケイ素粉末とをヘンシェルミキサーなどで乾式混合したものに、有機バインダー、溶剤を加えて、三本ロールなどで混錬し、粘度調整することにより作製されたペースト状の形態のものを、スクリーン印刷法、ディッピング法などによって基板上に塗布した後に焼き付ける方法である。この場合、導電性炭化ケイ素粉末を用いる代わりに、通常の炭化ケイ素粉末を用い、ペースト状の形態のものを基板上に塗布した後の焼き付け工程を窒素雰囲気中で行うことにより、炭化ケイ素に窒素を固溶させて、炭化ケイ素に導電性を付与してもよい。
【００３４】
有機バインダーとしては、エチルセルロース、ポリビニルアルコールなどが挙げられる。有機樹脂もしくは黒鉛粉末のいずれか、または、有機樹脂および黒鉛粉末の両方と、導電性炭化ケイ素粉末とに有機バインダーを添加した後、有機バインダーは、後工程の脱脂工程で除去してもよく、除去しなくてもよい。有機バインダーを除去しない場合には、後工程において非酸化雰囲気中にて高温で熱処理して炭化処理を行うことによって、残部の比抵抗を小さくするのが好ましい。
【００３５】
溶剤としては、水、エタノール、トルエン、メチルエチルケトン、ピロリドンなどが挙げられる。用いられる溶剤の種類は、用いられる有機バインダーや可塑剤の溶解性、原材料の粉末の分散性を考慮して選択される。
【００３６】
可塑剤としては、グリセリン、ポリアルキルグリコール、ポリエチレングリコールなどが挙げられる。
【００３７】
固形物の形態で抵抗発熱体を作製するための成形方法としては、押し出し成形法の他に、ドクターブレード成形法、射出成形法、プレス成形法などが挙げられる。成形方法として、押し出し成形法やドクターブレード成形法を採用する場合には、原材料粉末に溶剤や可塑剤を添加するのが好ましいが、射出成形法やプレス成形法を採用する場合には、原材料粉末に溶剤や可塑剤を添加しなくてもよい。
【００３８】
成形体の焼成は、炭素を気化させないように非酸化雰囲気中で行う必要がある。焼成温度は、７００〜２３００℃の範囲内であるのが好ましい。２３００℃を超える焼成温度は、炭化ケイ素が分解するので好ましくない。ただし、加圧した雰囲気中で焼成を行う場合には、焼成温度は２３００℃をわずかに超える温度でもよい。なお、固形物の形態の抵抗発熱体は、成形体を焼成しないで乾燥させることによって作製してもよい。得られた固形物の抵抗発熱体の厚みは、０．０１〜２ｍｍの範囲内であるのが好ましい。
【実施例】
【００３９】
この発明の抵抗発熱体の実施例として試料を作製した。
【００４０】
（実施例１）
まず、雰囲気圧力が１〜１０気圧、温度が２０００℃の窒素ガス雰囲気中に平均粒径が５μｍの炭化ケイ素粉末を１時間保持して、窒素を炭化ケイ素粉末に固溶させることにより、導電性の炭化ケイ素粉末を作製した。一方、平均粒径が５μｍの黒鉛粉末を準備した。
【００４１】
次に、最終的に得られる抵抗発熱体中の導電性炭化ケイ素の含有量が２０〜８０質量％になるように、黒鉛粉末と導電性炭化ケイ素粉末をヘンシェルミキサーで乾式混合した。
【００４２】
その後、得られた混合粉末に、有機バインダーとしてポリビニルアルコール、溶剤として水、可塑剤としてグリセリンを加えて、ニーダで混練した。
【００４３】
押出機を用いて、得られた混練物を押し出し成形することにより、成形体を作製した。
【００４４】
得られた成形体を焼成炉内に置き、温度が１７００℃の窒素ガス雰囲気中で２時間保持することにより焼成した。
【００４５】
このようにして作製された本発明の抵抗発熱体の試料について比抵抗と抵抗温度係数を測定したところ、常温２５℃における抵抗発熱体の比抵抗は５×１０−４〜５×１０−２Ωｃｍの範囲内で、２５〜１２５℃の範囲における抵抗温度係数は−１２００〜−４５００ｐｐｍ／℃の範囲内であった。
【００４６】
（実施例２）
まず、雰囲気圧力が１〜１０気圧、温度が２０００℃の窒素ガス雰囲気中に平均粒径が５μｍの炭化ケイ素粉末を１時間保持して、窒素を炭化ケイ素粉末に固溶させることにより、導電性の炭化ケイ素粉末を作製した。
【００４７】
次に、最終的に得られる抵抗発熱体中の導電性炭化ケイ素の含有量が２０〜８０質量％になるように、導電性炭化ケイ素粉末と、有機樹脂としてペースト状のポリイミド樹脂、および、溶剤としてピロリドンとを三本ロールで混練した。
【００４８】
このようにして得られたペーストをスクリーン印刷法で基板上に塗布し、温度が１５００℃の窒素ガス雰囲気中で２時間保持することにより焼き付けた。
【００４９】
このようにして作製された本発明の抵抗発熱体の試料について比抵抗と抵抗温度係数を測定したところ、常温２５℃における抵抗発熱体の比抵抗は５×１０−３〜１×１０−１Ωｃｍの範囲内で、２５〜１２５℃の範囲における抵抗温度係数は−１０００〜−４０００ｐｐｍ／℃の範囲内であった。
【００５０】
（比較例）
比較のため、市販の炭素シートについて比抵抗と抵抗温度係数を測定したところ、常温２５℃における抵抗発熱体の比抵抗は５×１０−４〜５×１０−３Ωｃｍの範囲内で、２５〜１２５℃の範囲における抵抗温度係数は−８００〜−１２００ｐｐｍ／℃の範囲内であった。
【００５１】
以上の結果から、本発明の実施例１と実施例２の試料は、ＮＴＣ特性を示し、黒鉛からなる市販の炭素シートよりも負の抵抗温度係数の絶対値が大きく、かつ、市販の炭素シートと同程度の比抵抗を示す抵抗発熱体であることがわかる。
【００５２】
今回開示された実施の形態や実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は以上の実施の形態や実施例ではなく、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修正や変形を含むものであることが意図される。