JPH0348642B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、フアクシミリやプリンタの感熱記録
や感熱転写記録などに用いられるサーマルヘツド
などの各種用途に最適の炭化珪素質発熱素子およ
びその製造方法に関する。

感熱記録は、小さな低抗体のジユール熱を利用
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
相まつて、フア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ツクス
などの感熱層ハを設けたものである。この記録紙
上にサーマルヘツドとしての発熱素子ニを乗せて
記録紙の一部を加熱すると、加熱された部分透明
部ホを形成し、着色層ロが顕出して文字・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。その記録紙上に
サーマルヘツドとしての発熱素子ニを乗せて記録
紙の一部を加熱すると、加熱された部分が発色部
ヘを形成し、この発色部ヘは他の部分と色別され
文字や図形を描くことができるものである。な
お、前記感熱層中には、電子供与成分トと電子受
容成分チとの化学成分が微粒子状の固体として結
着剤リ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融されると急速なイ
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、前記サーマルヘツドは、小さな発熱抵抗
体のジユ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) 印字が鮮明で高速応答（急速発熱が可能なこ
と） (3) 低消費電力で発熱体抵抗値のバラツキがない
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）であつて発熱体の熱
分離が良く、発熱体の密度が高く、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、量産に適しており、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、サーマルヘツドは大別して、(a)厚膜法に
よるもの、(b)薄膜法によるもの、(c)半導体塔載の
ものなどがある。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
よるサーマルヘツドがある。この厚膜法によれ
ば、セラミツク基板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がメツシユ状
のス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つて形成されるが、こと
抵抗体が直接表面に露出すると耐摩耗性が劣るの
で最表層にSiO₂、SiC、Ta₂O₅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ツ
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
性が悪く、発熱抵抗体は複雑な技術によつて形成
されるためバラツキが生じ易い欠点がある。

また、(b)の薄膜法によるものは各種蒸着法やイ
オンプレーテイ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、(c)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、大きなヘツ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
点があつた。

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、これらサーマルヘツドの欠点
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
造方法によつて、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
結体の電気伝導度が大きい層が形成されており、
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つ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他の成分が少ないSiCリツチ
の焼結体の層であり嵩密度が3.0ｇ／cm³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、サーマルヘツ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り導
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位に向上した層である。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重量％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つても体積抵抗が
10³〜10^-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
ーマルヘツドのようにセラミツク基板上に抵抗発
熱体を印刷積層した膜とは異なり、密着性に優れ
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、サーマルヘツドとし
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つ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
ヘツドのように感熱紙との摺動による摩耗から発
熱体抵抗体を保護するための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
特性であ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対応性は速く、
しかも耐熱スポーリング性や耐電圧性が優れてお
り、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
は熱放散性が優れ、わずか1/100秒位の短時間に
おいても印字パルスのONやOFFに対応し易い特
徴がある。しかも前記特許請求の範囲第３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・cm以上の層１と、電気伝導度
が大きい層、たとえばカーボンブラツクなどの炭
素質導電物質が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１の裏面
側には、銅やアル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、任意の位置に発
熱部５を形成するための電極を必要とするが、そ
のためには、NiCr−Auや銀パラジユーム等のペ
ーストを第５図の導体層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
して導体層３を形成すれば、炭化珪素質焼結体の
表面はやや凹状にくぼんだ発熱部５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
凹状溝の発熱部を形成することは、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、発熱
部の寿命を延ばすことができる。また、必要に応
じて前記凹状のくぼみ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
Ta₂O₅のような物質を充填することが有利であ
る。このように、本発明によれば感熱紙との摺動
面は耐摩耗性の極めて優れたSiCやTa₂O₅のよう
なセラミツクスで構成されているため、その摩耗
量は0.05μｍ／Km以上と従来のサーマルヘツドに
は見られない耐摩耗性の優れた発熱素子を提供す
ることができる。つまり本発明によれば、従来の
サーマルヘツ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10Km以上の耐用
性のあるサーマルヘツ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体層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
にあけるメタライジングは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、SiC100重量部に対し、Co、Ni、
Fe、Al、Pt、Pd、Ｂなどの炭化物の少なくとも
１種を４〜10重量％、また必要によりTi、Ｗ、
Mo、Zr、Hf、Ta、Nb、Ｕ、Cr、Ｖ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り原子状
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
重量部に対してホウ素0.12％とカーボンブラツク
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型炭化珪素100重量部に
対しホウ素0.10％とカーボンブラツク７％と糖密
1.5％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
形物を1900°〜2300℃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×220μｍで、そのピツチが187.5μ
となるように、Co₂C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1100°〜1800℃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ツドとしての発熱
素子を得た。そして、このサーマルヘツドを用い
て印加電力8W／mm²、印加時間５ｍｓで、発熱部
の中心温度が約155℃となる発熱体を印字速度10
〜15字／秒の速さで５、８、10ポイントの文字を
幅210mmの感熱記録用紙上に文字ピツチ５mmで約
10万字プリントした。

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ツ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を示
す縦断面図、第３図は従来のサーマルヘツドの縦
断面図、第４図は本発明のサーマルヘツドの斜視
図、第５図及び第６図は本発明のサーマルヘツド
の縦断面図である。 上記図面において、１は基層、２は発熱抵抗体
層、３は導体層、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大き
   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つ
   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
   の製造方法において、電気伝導度が小さい層を形
   成するための原料組成物と電気伝導度が大きい層
   を形成するための原料組成物が二層に構成された
   生成形体を作成し、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つて形
   成される極間を発熱部と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
   原料組成物の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。