(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス製基板と、該ステンレス製基板上に形成された絶縁層と、該絶縁層上に形成された抵抗体パターンとを備える発熱体素子の、該抵抗体パターン上の端子に配設されるリード部材を、導電性ペーストにより固着し、その後無機接着剤により固定し、
上記無機接着剤がアルミナ、炭酸カルシウム及び水ガラスを含むことを特徴とするリード部材接続方法。
【請求項２】
上記リード部材がリード線である請求項１記載のリード部材接続方法。
【請求項３】
上記リード線を導電性ペーストにより埋設する請求項２記載のリード部材接続方法。
【請求項４】
上記導電性ペースト及び無機接着剤を２００℃以下で硬化させる請求項１乃至３のいずれかに記載のリード部材接続方法。
【請求項５】
上記リード部材がＬ型板状材である請求項１記載のリード部材接続方法。
【請求項６】
上記Ｌ型板状材の底面が導電性ペーストにより上記抵抗体パターン上の端子の表面上に接合されている請求項５記載のリード部材接続方法。
【請求項７】
上記導電性ペーストを更に８００℃以上で焼き付ける請求項６記載のリード部材接続方法。
【請求項８】
上記Ｌ型板状材の立設部が導電・非酸化性材料により被覆されている請求項５記載のリード部材接続方法。
【請求項９】
上記導電性ペーストが銀ペーストである請求項１乃至８のいずれかに記載のリード部材接続方法。
【請求項１０】
ステンレス製基板と、該ステンレス製基板上に形成された絶縁層と、該絶縁層上に形成された抵抗体パターンと、該抵抗体パターン上の端子に配設されるリード部材と、該リード部材を固着する導電層と、更に該リード部材を被覆する無機接着剤部と、を備え、上記リード部材が上記抵抗体パターン上の端子に固定され、
上記無機接着剤部がアルミナ、炭酸カルシウム及び水ガラスを含むことを特徴とするリード部材付き発熱体素子。
【請求項１１】
上記リード部材がリード線である請求項１０記載のリード部材付き発熱体素子。
【請求項１２】
上記リード線を導電性ペーストにより埋設する請求項１１に記載のリード部材付き発熱体素子。
【請求項１３】
上記導電層及び無機接着剤部が２００℃以下で硬化形成される請求項１０乃至１２のいずれかに記載のリード部材付き発熱体素子。
【請求項１４】
上記リード部材がＬ型板状材である請求項１０記載のリード部材付き発熱体素子。
【請求項１５】
上記Ｌ型板状材の底面が導電性ペーストにより上記抵抗体パターン上の端子の表面上に接合されている請求項１４記載のリード部材付き発熱体素子。
【請求項１６】
上記導電層を更に８００℃以上で焼き付け形成される請求項１５記載のリード部材付き発熱体素子。
【請求項１７】
上記Ｌ型板状材の立設部が導電・非酸化性材料により被覆されている請求項１４記載のリード部材付き発熱体素子。
【請求項１８】
上記導電層及び上記導電性ペーストが銀を含む請求項１０乃至１７のいずれかに記載のリード部材付き発熱体素子。
【請求項１９】
上記無機接着剤部がアルミナ、炭酸カルシウム及び水ガラスから構成される請求項１０乃至１８のいずれかに記載のリード部材付き発熱体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リード部材接続方法及びリード部材付き発熱体素子に関し、更に詳しくは、ステンレスを基板とする発熱体の抵抗体パターン上の端子へのリード部材接続方法とこれを利用した発熱体素子に関する。本発明のリード部材接続方法を利用した発熱体素子は、アイロン、電子ジャー、シャワートイレの温水ヒーター、複写機やレーザープリンターのサーマルヘッド等に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ステンレスを基板として２５０〜５００℃の発熱体である抵抗体パターン上の端子に取り付けられるリード部材は、端子に直接半田付けしたり、リード部材との接続部品がプラスチックの型に収められるコネクターという形で接続されてきた。しかし、半田では安全使用温度が２５０℃と低く、コネクターではプラスチックが２００℃以上で変形又は損傷してしまう。そこで、設定温度への追従性や再現性、安定性を保持するためにリード部材及び端子を損傷することのない接続方法が求められている。
【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、ステンレスを基板とする発熱体の抵抗体パターン上の端子とリード部材を接続する際に、接続不良をなくすことができるとともに電気的に接続状態の良好なリード部材接続方法及びこれを利用した発熱体素子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】
本発明者らは、ステンレスを基板とする発熱体の抵抗体パターン上の端子とリード部材を接続する際に、接続不良をなくすことができるとともに電気的に接続状態の良好なリード部材接続方法及びこれを用いた発熱体素子について検討した結果、本発明を完成するに至った。
本第１発明のリード部材接続方法は、ステンレス製基板と、該ステンレス製基板上に形成された絶縁層と、該絶縁層上に形成された抵抗体パターンとを備える発熱体素子の、該抵抗体パターン上の端子に配設されるリード部材を、導電性ペーストにより固着し、その後無機接着剤により固定し、上記無機接着剤がアルミナ、炭酸カルシウム及び水ガラスを含むことを特徴とするリード部材接続方法。
【０００５】
本第１０発明のリード部材付き発熱体素子は、ステンレス製基板と、該ステンレス製基板上に形成された絶縁層と、該絶縁層上に形成された抵抗体パターンと、該抵抗体パターン上の端子に配設されるリード部材と、該リード部材を固着する導電層と、更に該リード部材を被覆する無機接着剤部と、を備え、上記リード部材が上記抵抗体パターン上の端子に固定され、上記無機接着剤部がアルミナ、炭酸カルシウム及び水ガラスを含むことを特徴とする。
【０００６】
上記ステンレス基板を構成する「ステンレス」としては、特に限定されないが、フェライト系耐熱鋼が好ましく用いられ、このうち、ＳＵＳ４３０及びＳＵＳ４４４が好ましく用いられる。基板の形状も特に限定されず、板状でも、円筒状でも、あるいは部分的に折れ曲がったり、曲面となった形でもよい。大きさについても、目的、用途に応じて種々選ぶことができる。
【０００７】
上記「絶縁層」としては、ステンレス基板との熱膨張バランスを考慮し、半結晶性ガラス等のガラスが好ましく用いられる。
また、上記「抵抗体パターン」は通常、鉛、カドミウム、ニッケルを含まない抵抗体ペーストを用いて、目的、基板の形状に応じて回路状に印刷され、焼成処理により形成されるものである。
【０００８】
上記「リード部材」は、その形状は特に限定されず、例えば、リード線（第２及び第１１発明参照）又は板状材等とすることもできる。このリード線は、通常、銅等の細線が単線又は撚り線となってポリ塩化ビニル樹脂等で被覆されたものである。この板状材の形状は、特に限定されず平板状材でも縦断面が略Ｌ字状のＬ型板状材（第５発明及び第１４発明参照）等でもよい。このＬ型板状材の底面部と立設部との長さ比等も種々選択でき、またこの底面部の底面形状は、固着される基板の表面形状に対応したものであればよく、例えば、表面が平滑な平面基板の場合は平滑底面形状であり、管状基板の場合はその曲面表面に対応した曲面底面形状である。この板状材の材質も特に限定されないが、例えばコバール（鉄−ニッケル−コバルト合金）等とすることができる。
【０００９】
また、上記Ｌ型板状材を用いる場合には、本第８及び第１７発明に示すように、少なくとも立設部が、導電性があり且つ酸化されない（酸化されにくい、後工程の熱処理により酸化されない）導電・非酸化性材料によって被覆されていることが好ましい。これによって、加熱硬化時の表面酸化を防止でき、導電性を維持できるものとなる。この「導電・非酸化性材料」としては、特に限定されないが、銀、銀−パラジウム等が挙げられ、立設部、又は立設部及び底面部の全体の被覆に際しては、これらの微粒子を含むペースト又はその他の塗料等を用いることができる。
【００１０】
上記リード線は、本第３及び第１２発明に示すように、抵抗体パターン上の端子に導電性ペーストによって埋設することができる。また、上記Ｌ型板状材は、本第６及び第１５発明に示すように、Ｌ型板状材の底面が導電性ペーストによって抵抗体パターン上の端子の表面上に接合されたものとすることができる。
【００１１】
上記「導電性ペースト」及び「導電層」を形成するために用いられる導電性ペーストとしては、抵抗体パターンの電気抵抗値が大きく変動しないよう、導電性を有するペーストであれば特に限定されず、例えば、カーボン、銅、銀、銀−パラジウム等の微粒子を高濃度で粘性のあるバインダー樹脂等に混ぜたもの等が挙げられる。これらのうち、本第９及び第１８発明に示すように、銀を含む銀ペーストが好ましい。また、この導電性ペーストは、本第４発明及び本第１３発明に示すように、２００℃以下で硬化させることができ、好ましくは１００〜２００℃で、更に好ましくは、１２０〜１８０℃で硬化させることが好ましい。この方法は、第３発明に示すようにリード線等のリード部材を覆う（埋設させる）場合に好ましい。
また、上記導電性ペーストを８００℃以上で焼き付けることもできる。特に、本第６及び第１５発明に示すように、このＬ型板状材を覆わずに底面のみを接合する場合に好適であり、即ち、上記導電性ペーストを８００℃以上（好ましくは８２０℃以上、より好ましくは８５０℃以上、通常は８７０℃以下）で焼き付けることができる。これにより、全体を覆わなくても、より強固な接着固定を行うことができる。
【００１２】
上記「無機接着剤」及び上記「無機接着剤部」を構成することになる「無機接着剤」としては、無機充填剤を含み接着性能があるものが好ましい。無機接着剤の主な構成要素は無機充填剤、水溶性バインダー及び凝固剤である。
【００１３】
上記無機充填剤としては、アルミナである。その他の無機充填剤としては、シリカ、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素等が挙げられ、一種単独又は二種以上を混合して用いることができるが、リード線の材質の膨張係数に近い組成のものを用いるのがよい。また、上記無機充填剤の形状としては微粒子であることが好ましく、水溶性バインダー中で均一に分散しやすく、強固な接着が可能になる。
また、上記水溶性バインダーとしては、水ガラスである。その他の水溶性バインダーとしては、リン酸塩、コロイダルシリカ等が挙げられる。更に、凝固剤としては、炭酸ナトリウムである。その他の無機充填剤としては、アルミン酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カルシウム、カルシウムスルホアルミネート等が挙げられる。
【００１４】
上記無機接着剤及び無機接着剤部は、本第４発明及び本第１３発明に示すように、２００℃以下で硬化させることが好ましく、より好ましくは１００〜２００℃で、更に好ましくは、１２０〜１８０℃で硬化させることが好ましい。この場合は、リード線を導電性ペーストにより埋設し且つ導電性ペースト２００℃以下で硬化させる場合に好適である（第４及び第１３発明参照）。上記無機接着剤の使用に際しては、リード線の固定面にかかる機械的応力を減少させるためにできるだけ大きな面積を利用することが好ましく、更には固定部分にできるだけ無機接着剤の厚みを持たせることが好ましい。
【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
本実施例はリード部材としてリード線を用いた場合の発熱体素子に関するものであり、図１にその説明断面図を示す。
厚さ２ｍｍのＳＵＳ４３０製板状基板１の表面を平滑処理した後、半結晶性ガラスを焼成処理後１００μｍとなるように塗布し、２回焼成処理を繰り返して絶縁層２を形成した。その後、鉛、カドミウム、ニッケルを含まない抵抗体ペースト（商品名「３６１５」、デュポン社製）を用いて所定の回路状抵抗体パターン３を印刷（線幅１．５ｍｍ、線厚１０μｍ、全長７５０ｍｍ）し、焼成処理した。抵抗体パターン３の両端部に端子４として銀ペーストを縦５ｍｍ×横５ｍｍの寸法で印刷し、更に、端子以外の部分を鉛、カドミウム、ニッケルを含まない半結晶性ガラスで保護ガラス８として塗布し、発熱体素子を製造した。
【００１６】
次に、端子４にリード線７を接続するために、銅線材を撚り線（１本の線径０．１８ｍｍが５０本、外径１．５ｍｍ）とし、端子用銀ペースト（商品名「３６６０」、デュポン社製）で覆うように塗布し、１５０℃で１時間加熱し、自然冷却し、銀ペーストを硬化させた。そして、更に、アルミナ６５重量部、炭酸カルシウム３５重量部及び水ガラス２０重量部からなる無機接着剤６を保護ガラス８にかかるように塗布し、室温で１２時間静置、その後、９０℃で２時間、１５０℃で２時間加熱し、自然冷却して、リード線付き発熱体素子９を製造した。
【００１７】
このリード線付き発熱体素子は、図１に示すように、ＳＵＳ４３０製基板１に、半結晶性ガラスの絶縁層２、抵抗体パターン３、端子４の順に積層形成されている。端子４とリード線７を接続するため、リード線７が端子４上で導電性ペースト５により埋設され、更に保護ガラス８面にかかるように無機接着剤６で固定されている。
【００１８】
リード線を接続、固定した後、ＳＵＳ４３０基板を支持体として図２に示す方法で引っ張り強度を測定した。その結果、３ｋｇｆであった。また、発熱体素子の動作テスト［「室温→５００℃（５分保持）→室温」を５００回繰り返し］を行った後、同じ条件で引っ張り強度を測定したところ、３ｋｇｆであった。また、発熱体素子の動作テスト前後の電気抵抗値は１２．１９Ω→１２．３０Ωと、ほとんど変化が見られなかった。
【００１９】
実施例２
上記実施例１でリード線を被覆し、端子を固定する無機接着剤の接着面積を２倍にした以外は、同様にして、引っ張り強度を測定したところ、発熱体の動作テスト前では、６ｋｇｆ、動作テスト後では、６ｋｇｆであった。また、発熱体素子の動作テスト前後の電気抵抗値は１２．１０Ω→１２．２０Ωと、ほとんど変化が見られなかった。
【００２０】
実施例３
本実施例はリード部材としてＬ型板状材を用いた場合の発熱体素子の関するものであり、図３にその説明断面図及び図４に一部説明斜視図を示す。
外径１７ｍｍ、厚さ１ｍｍ、長さ１２０ｍｍのＳＵＳ４３０製円筒状基板１ａを平滑処理した後、半結晶性ガラスを焼成処理後１００μｍとなるように塗布し、２回焼成処理を繰り返して絶縁層２ａを形成した。その後、鉛、カドミウム、ニッケルを含まない抵抗体ペースト（商品名「３６１５」、デュポン社製）を用いて所定の回路状抵抗体パターン３ａを印刷（線幅６ｍｍ、線厚１０μｍ、全長２８０ｍｍ）し、焼成処理した。抵抗体パターン３ａの両端部に端子４ａとして銀ペーストを縦６ｍｍ×横７ｍｍの寸法で印刷し、更に、端子以外の部分を鉛、カドミウム、ニッケルを含まない半結晶性ガラスで保護ガラス８ａとして塗布し、発熱体素子を製造した。
【００２１】
次に、端子４ａに、底面が曲面（上記円筒状基板１ａの表面と同率曲面）となっているＬ型板状端子（底面部７１；縦５ｍｍ×横６ｍｍ、立設部７２；高さ６ｍｍ×幅６ｍｍ）７ａを接続するために、まず基板に対して垂直に折れ曲がるコバール製Ｌ型板状端子７１の立設部７３を端子用銀ペースト（商品名「３６６０」、デュポン社製）で被覆し、１５０℃で１５分間加熱し、自然冷却した。そして、この立設部上の被覆層７３を備えるＬ型板状端子７ａの底面部７１に上記端子用銀ペースト５ａを塗布し、端子用銀ペースト５ａがはみ出るように端子４ａ上に静圧した（図４及び図３参照。尚、図４において保護ガラス８ａは省略した。）。これを１５０℃で１５分間加熱し、更に、８５０℃で１０分間焼き付け処理を行った。乾燥後、アルミナ６５重量部、炭酸カルシウム３５重量部及び水ガラス２０重量部からなる無機接着剤６ａを保護ガラス８ａにかかるように塗布し、室温で１２時間静置し、その後、９０℃で２時間、１５０℃で２時間加熱し、自然冷却して、Ｌ型板状端子付き発熱体素子９ａを製造した。
【００２２】
Ｌ型板状端子７ａを接続、固定した後、ＳＵＳ４３０基板を支持体としてＬ型リード端子の立設部７２を固定し、引っ張り強度を測定した。その結果、１８ｋｇｆであった。また、発熱体素子の動作テスト［「室温→５００℃（５分保持）→室温」を５００回繰り返し］を行った後、同じ条件で引っ張り強度を測定したところ、１８ｋｇｆであった。また、発熱体素子の動作テスト前後の電気抵抗値は７．２０Ω→７．２５Ωと、ほとんど変化が見られなかった。
【００２３】
実施例の効果
実施例１及び２においては、リード線の芯線がばらけたり、基板及び端子を傷つけることなく、また、端子の面積を十分に用いて、接着がはがれることなくリード線を接続することができた。発熱体素子の動作テストの後でも基板及び端子に熱による変形や損傷は確認されず、製造した発熱体素子は、精度よく目的の抵抗値、更には温度に達することが確認できた。
また、実施例３においては、銀ペーストによってＬ型板状端子底面の接合部分を焼き付けすることにより、板状端子を銀ペーストで覆わなくても強固に固定することができ、発熱体素子の動作テストの後でも基板及び端子に熱による変形や損傷がなく、製造した発熱体素子は、精度よく目的の抵抗値、更には目的の温度に達することが確認できた。また、Ｌ型板状端子の立設部を予め、非（難）酸化性の銀ペーストで被覆したために、焼き付けの際に表面が酸化されることがなく、接触不良を招くこともなかった。
【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。
例えば、無機接着剤には、より耐熱性、接着性を向上させるために、強化材としてシリカ−アルミナ繊維、アルミナ繊維、ジルコニア繊維等の無機繊維やクロスを配合してもよい。
【００２５】
また、リード部材としてリード線を用いる場合は、固定時にリード線にかかる機械的応力を分散させるために、軟らかいリード線（アルミニウムや銅、アニールしたニッケル等の線材）や撚り線を用いることが好ましい。更に、Ｌ型板状材は基板に対して垂直でなくても鋭角でも、鈍角でもよい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明のリード部材取り付け方法によれば、抵抗体パターン上の端子とリード部材との接続不良をなくすともに、発熱体素子が動作してもリード部材がはずれることがない。また、導電性ペースト及び無機接着剤を２００℃以下で硬化させることで、無機接着剤中の凝固剤が発泡するのを防ぐことができる。更に、導電性ペーストを８００℃以上で焼き付けることによって、引っ張り強度に優れた接合をすることができた。特に、リード部材としてＬ型板状材を用いた場合は、リード線を用いた場合に比べてかなり大きな引っ張り強度を示した。
また、本発明のリード部材付き発熱体素子によれば、発熱体素子が動作しても熱による変形やリード部材がはずれる等接続不良を起こすことなく、発熱体として設定温度への追従性や再現性、安定性を保持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１及び２における板状基板を用いた発熱体素子上の抵抗体パターンに形成される端子にリード線を接続した時の説明断面図である。
【図２】実施例１及び２において用いたリード線接続後の引っ張り試験の説明断面図である。
【図３】実施例３における円筒状基板を用いた発熱体素子上の抵抗体パターンに形成される端子にＬ型板状端子を接続した時の説明縦断面図である。
【図４】実施例３においてＬ型板状端子の底面を端子上に静圧、端子用銀ペーストによって固定される際の一部説明斜視図である。
【符号の説明】
１，１ａ；ステンレス製基板、２，２ａ；絶縁層、３，３ａ；抵抗体パターン、４，４ａ；端子、５，５ａ；導電性ペースト、６，６ａ；無機接着剤、７；リード線、７ａ；Ｌ型板状端子、７１；Ｌ型板状端子の底面、７２；Ｌ型板状端子の立設部、７３；銀ペースト被覆層、８，８ａ；保護ガラス、９，９ａ；発熱体素子。
【図１】
0004578647.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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