(57)【要約】【課題】  絶縁耐電圧が高く、かつばらつきの少ないセラミックヒータおよびセラミックヒータの製造方法を提供する。【解決手段】  実施形態のセラミックヒータの製造方法は、セラミックで構成された基板１と、基板１上に形成された発熱体４と、発熱体４を覆うように形成されたオーバーコート層５と、を備えるセラミックヒータの製造方法であって、発熱体４には炭素系の発熱体を用い、焼成温度が４００〜５００℃であるガラスを４０μｍ以下の厚みになるように焼成する工程を複数回行うことにより、オーバーコート層５の厚みＴを６０μｍ以上とした。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックで構成された基板と、前記基板上に形成された発熱体と、前記発熱体を覆うように形成されたオーバーコート層と、を備えるセラミックヒータの製造方法において、
前記発熱体は、炭素系の発熱体であり、
前記オーバーコート層は、焼成温度が４００〜５００℃であるガラスを４０μｍ以下の厚みになるように焼成する工程を複数回行うことにより、厚みＴが６０μｍ以上とされるセラミックヒータの製造方法。
【請求項２】
前記発熱体はグラファイト、前記ガラスはビスマス系のガラスである請求項１に記載のセラミックヒータの製造方法。
【請求項３】
セラミックで構成された基板と、前記基板上に形成された発熱体と、前記発熱体を覆うように形成されたオーバーコート層と、を備えるセラミックヒータにおいて、
前記発熱体は、炭素系の発熱体であり、
前記オーバーコート層は、焼成温度が４００〜５００℃であるガラスで構成されているとともに、厚みＴが６０μｍ以上であり、そのガラス表面に直径Ｒが０．２ｍｍ以上の発泡が存在しない、および／またはそのガラス表面に存在する直径Ｒが０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの発泡が１個／ｃｍ２以下であるセラミックヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、複写機のトナー定着等に使用されるセラミックヒータおよびセラミックヒータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像形成装置に使われるトナー定着用ヒータとして、セラミックヒータが使われている。セラミックヒータは、セラミック製の基板に、導電パターンおよび発熱体を設け、それらをオーバーコート層で覆った板状のヒータである。このセラミックヒータの発熱体として、炭素系の材料からなる発熱体が注目されている。
【０００３】
ここで、セラミックヒータのオーバーコート層は、絶縁耐電圧、すなわち絶縁が破壊され、短絡が発生する電圧値が十分に高いことが要求される。しかし、炭素系の発熱体を備えたセラミックヒータのオーバーコート層において絶縁耐電圧を高めようとした場合に、絶縁耐電圧が大きくばらつくという問題が生じている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２３４９９８号公報
【特許文献２】特開２００５−１３５９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、絶縁耐電圧が高く、かつばらつきの少ないセラミックヒータおよびセラミックヒータの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するために、実施形態のセラミックヒータは、セラミックで構成された基板と、前記基板上に形成された発熱体と、前記発熱体を覆うように形成されたオーバーコート層と、を備えるセラミックヒータの製造方法において、前記発熱体は、炭素系の発熱体であり、前記オーバーコート層は、焼成温度が４００〜５００℃であるガラスを４０μｍ以下の厚みになるように焼成する工程を複数回行うことにより、厚みＴが６０μｍ以上とされる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態のセラミックヒータについて説明するための図である。
【図２】図１のセラミックヒータのＡ−Ａ’断面について説明するための図である。
【図３】発泡について説明について説明するための図である。
【図４】第１の実施形態のセラミックヒータの一製造方法について説明するための図である。
【図５】第１〜第３のコート層の製造工程について説明するための図である。
【図６】第１〜第３のコート層の焼成時における基板の温度を熱電対で測定したときの時間と温度の関係について説明するための図である。
【図７】オーバーコート層の膜厚と絶縁耐電圧の関係について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、発明を実施するための実施形態について説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
第１の実施形態のセラミックヒータについて、図面を参照して説明する。図１は、第１の実施形態のセラミックヒータについて説明するための図、図２は第１の実施形態のセラミックヒータの断面について説明するための図である。
【００１０】
セラミックヒータは、トナー定着用のヒータであり、主要部として基板１を備えている。基板１は、例えば厚みは１ｍｍ、幅は１０ｍｍ、長さは２８０ｍｍであるような細長い基板である。基板１は、絶縁性および熱伝導性に優れた酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）などのセラミックで構成されている。
【００１１】
基板１の一方の面上には、導電パターン２、３が形成されている。導電パターン２、３は、例えば銀（Ａｇ）や銀とパラジウムの合金（Ａｇ／Ｐｄ）で構成された金属のパターンであり、基板１の長手方向に沿うように、かつ互いに所定の間隔を保って形成されている。その端部には、電力が供給される部分である電極部２１、３１が形成されている。
【００１２】
また、基板１の面上には、導電パターン２、３に積層するように、発熱体４が形成されている。発熱体４は、グラファイトなどの炭素系の材料で構成された抵抗体である。この発熱体４は、温度が上昇すると抵抗値が低くなる特性、いわゆるＮＴＣ特性を有している。
【００１３】
さらに、基板１の面上には、発熱体４を覆うように、オーバーコート層５が形成されている。オーバーコート層５は、焼成温度が４００〜５００℃のガラスで構成されている。焼成温度とは、加熱によってガラス粉末が溶融して膜状になる温度であり、一般的には軟化温度よりも１０〜５０℃高い温度がこれに該当する。このようなガラスとしては、ビスマス塩系ガラス、ビスマス亜鉛系ガラス、リン酸塩系ガラス、リン酸亜鉛系ガラス、バナジウム系ガラスなどが挙げられる。特に、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）を含むビスマス系のガラスが望ましい。また、ガラス中には、発熱体４等との熱膨張係数を調整するために、酸化物、窒化物、シリカ等からなるフィラーが添加されている。
【００１４】
このオーバーコート層５は、厚みＴが６０μｍ以上であるとともに、ガラス表面には直径Ｒが０．２ｍｍ以上の発泡が存在しない、および／またはそのガラス表面に存在する直径Ｒが０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの発泡が１個／ｃｍ２以下となっている。発泡とは、オーバーコート層５の表面を拡大した写真である図３において、Ｆとして示すような泡である。なお、この写真では、発泡の直径Ｒは、約０．３ｍｍである。
【００１５】
基板１の他方の面上には、摺動層６が形成されている。摺動層６は、オーバーコート層５と比較して表面が滑らかなガラスで構成されており、通紙される側の面となる。つまり、発熱体４側の面では熱を発生させ、摺動層６側の面では通紙させながら、トナー定着が行われる。
【００１６】
本実施形態のセラミックヒータの一製造方法を図４を参照しながら説明する。
【００１７】
まず、セラミックで構成された基板１の一方の面上に、導電ペーストをスクリーン印刷により塗布し、乾燥させたのちに焼成して導電パターン２、３を形成する（Ｓ１）。導電ペーストには、例えば銀（Ａｇ）またはその粉末、有機溶剤、バインダ、ホウ珪酸ガラスなどを含むペーストを使用できる。次に、基板１の他方の面上に、ガラスペーストをスクリーン印刷により塗布し、乾燥させたのちに焼成して摺動層６を形成する（Ｓ２）。次いで、導電パターン２、３に積層するように、基板１上に抵抗ペーストをスクリーン印刷により塗布し、乾燥させたのちに焼成して発熱体４を形成する（Ｓ３）。抵抗ペーストには、グラファイト（Ｃ）またはその粉末、有機溶剤、バインダ、ホウ珪酸ガラスなどを含むペーストを使用できる。
【００１８】
次に、発熱体４を覆うように、基板１上にガラスペーストをスクリーン印刷により塗布し、乾燥させたのちに焼成して第１のコート層５１を形成する（Ｓ４）。ガラスペーストには、例えばガラス、有機溶剤、増粘材としてエチルセルロースを含有するバインダ、フィラーとしてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の粉末などを含むペーストを使用できる。このガラスには、焼成可能な温度が４００〜５００℃のガラスを使用する必要がある。これは炭素系の発熱体４が、５００〜７００℃程度で酸化、燃焼による消耗が生じてしまうためである。本実施形態では、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）と酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）とアルカリ金属からなる軟化点が４３８℃のビスマス系のガラスを用いている。
【００１９】
ここで、焼成は、図５（ａ）に示すように、焼成後のガラス層、すなわち第１のコート層５１の厚みＴ１が４０μｍ以下となるように行われる。これは、焼成後のガラス中に発泡が残存することを抑制するためである。なお、ガラスは、焼成前後で厚みが変化するので注意が必要である。例えば、乾燥のときにガラス層の厚みが５０μｍであった場合、焼成後は厚みが３３μｍとなるので、それを考慮して塗布、乾燥、焼成を行うことが望ましい。また、焼成後のガラス中に発泡が残存することを抑制するために、焼成は、図６に示すように、温度を１０分以上かけて４００℃〜５００℃まで上昇させたのち、１０分前後４００℃〜５００℃を保ち、その後は１０分以上かけて常温まで温度を下降させるような焼成条件で行うとなおよい。具体的には、熱電対で測定したときの基板１の表面温度において、温度をほぼ一定の温度勾配で１０分以上かけてガラスの焼成温度まで上げていったのちに、その温度を約１０分間ほぼ一定温度に保ち、その後、ほぼ一定の温度勾配で１０分以上かけて常温まで下げていくような焼成条件で行うとよい。
【００２０】
次に、第１のコート層５１上に、Ｓ４の工程で使用したものと同じガラスペーストをスクリーン印刷により塗布し、乾燥させたのちに焼成して第２のコート層５２を形成し（Ｓ５）、さらに第２のコート層５２上に、Ｓ４の工程で使用したものと同じガラスペーストをスクリーン印刷により塗布し、乾燥させたのちに焼成して第３のコート層５３を形成する（Ｓ６）。この第２のコート層５２の厚みＴ２も第３のコート層５３の厚みＴ３も、図５（ｂ）、（Ｃ）に示すように、焼成後のガラス層の厚みがそれぞれ４０μｍ以下となるように行われる。以上のように、第１〜第３のコート層５１、５２、５３を積層することにより、厚みが１００μｍで、ガラス中の発泡が抑制されたオーバーコート層５を備えるセラミックヒータが完成する。
【００２１】
ここで、オーバーコート層の厚みを変えて焼成したときの絶縁耐電圧について試験を行った。その結果を図７に示す。ヒータＡは一度の焼成によって３３μｍの膜厚のガラスを形成する工程を１回行ったもの、ヒータＢは同様の工程を２回行ったもの、ヒータＣは同様の工程を３回行ったもの、ヒータＤは同様の工程を４回行ったものである。つまり、○は３３μｍ×ｎ（ｎは整数）を意味する。同様に、△は５０μｍ×ｎ（ｎは整数）を、□は６５μｍ×ｎ（ｎは整数）を意味する。なお、絶縁体電圧は、オーバーコート層の上に金属板を配置した状態で電極部に電圧を印加していき、その金属板と電極部とで短絡が発生したときの電圧値であり、○、△、□が絶縁耐電圧、その上下のバーが絶縁耐電圧の上限値、下限値を意味している。試験数は各５個である。
【００２２】
結果からわかるように、オーバーコート層の厚みが増すほど絶縁耐電圧が上昇する傾向がある。また、ヒータＢとヒータＨ、ヒータＣとヒータＦおよび○、△、□を結んだ点線から、オーバーコート層の厚みが同じでも、薄めの層を複数回に分けて形成する方が絶縁耐電圧が高くなることがわかる。これは、焼成方法と発泡の発生に関係があるためである。本実施形態のように、焼成温度が４００℃〜５００℃のガラスを用いると、バインダの焼成温度もそれに近いため、ガラスが焼成されるまでにバインダ、特にエチルセルロース等が十分に焼尽しきらず、それらが燃焼して生じる炭酸ガスなどがガラス中に残って、図３のような発泡が生じやすい。発泡が生じると当該部分は実質的にガラスの厚みが薄くなることと同じになるため絶縁耐電圧が低くなる。これに対して、一度に焼成するガラスの厚みを小さくすると、そのバインダが燃焼する際に生じるガスをガラス外部に排出しやすくなり、発泡が生じにくくなるため、絶縁耐電圧が高くなると考えられる。また、ヒータＡ〜ＤとヒータＥ〜Ｉから、薄めの層である方が絶縁耐電圧のばらつきが小さいことがわかる。これは、ある一層でその層の厚みを貫くほどの深さの発泡が生じたり、ある場所に偏って複数の発泡が生じても、その発泡による絶縁耐電圧低下の影響をその薄い一層だけに留めることができるためと考えられる。
【００２３】
発明者のさらなる試験の結果、１回の焼成により形成するガラス層の厚みを４０μｍ以下にする焼成工程を複数回行い、オーバーコート層の厚みＴを６０μｍ以上とすることにより、絶縁体電圧を当該用途において実用的なレベルである２．０ｋＶ以上とすることができ、かつそのばらつきの小さくすることができることがわかった。また、１回の焼成により形成するガラス層の厚みを３５μｍ以下にする焼成工程を複数回行い、オーバーコート層の厚みＴを８０μｍ以上とすることにより、絶縁体電圧を２．５ｋＶ以上とすることができ、かつそのばらつきをさらに小さくすることができることがわかった。なお、１回の焼成により形成するガラス層の厚みが小さすぎると所定の厚みを得るためには工程が増え、製造に要する時間が長くなることから、一焼成工程で形成するガラス層の厚みは１５μｍ以上、さらには２０μｍ以上が望ましい。また、オーバーコート層の厚みＴは、２００μｍ以上、さらには１５０μｍ以下が望ましい。また、発泡は、焼成工程のみならず、ガラスペーストの組成や粘度、印刷の仕方などにも影響するため、適宜それらも調整するのが望ましい。
【００２４】
さらに、ヒータＡ〜Ｉについて観察したところ、発泡の大きさ、数と絶縁耐電圧およびそのばらつきとには相関があることがわかった。すなわち、発泡はおおよそ目視できないほど小さいものから、直径Ｒが０．５ｍｍのものまで存在するが、大きいものが１個でも存在すると絶縁耐電圧が大きく低下し、大きくなくても多く存在すると絶縁耐電圧のばらつきが大きくなることがわかった。具体的には、オーバーコート層５の表面に直径Ｒが０．２ｍｍよりも大きい発泡が存在すると絶縁耐電圧が大きく低下し、直径Ｒが０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ以上の発泡が１個／ｃｍ２より多く存在すると絶縁耐電圧のばらつきが大きくなり、それよりも直径Ｒが小さい発泡であれば絶縁耐電圧にそれほど影響を与えない傾向を見出した。したがって、オーバーコート層５の表面に直径Ｒが０．２ｍｍ以上の発泡は存在せず、オーバーコート層５の存在する直径Ｒは０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの発泡が１個／ｃｍ２以下であることで、絶縁耐電圧およびそのばらつきを小さくすることができる。もちろん、オーバーコート層５の表面において、直径Ｒが０．１ｍｍ以上の発泡が存在しないのが最適である。
【００２５】
第１の実施形態においては、炭素系の発熱体４を用いたセラミックヒータの製造方法において、焼成温度が４００〜５００℃であるガラスを４０μｍ以下の厚みになるように焼成する工程を複数回行うことにより、オーバーコート層５の厚みＴを６０μｍ以上としたことで、絶縁耐電圧を高くすることができるとともに、絶縁耐電圧のばらつきを小さくすることができる。
【００２６】
セラミックヒータとしては、厚みＴを６０μｍ以上とし、かつそのガラス表面に直径Ｒが０．２ｍｍ以上の発泡が存在しない、および／またはそのガラス表面に存在する直径Ｒが０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの発泡が１個／ｃｍ２以下であることにより、絶縁耐電圧を高くすることができるとともに、絶縁耐電圧のばらつきを小さくすることができる。
【００２７】
この発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００２８】
１  基板
２、３  導電パターン
４  発熱体
５  オーバーコート層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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