CN101056480A - 加热单元及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种加热单元，其包括具有主表面的AlN基板，该主表面上设有条状发热电阻。基板的主表面上形成有发热电阻的保护层。保护层包括覆盖发热电阻的第一覆盖层和覆盖第一覆盖层的第二覆盖层。第一覆盖层由结晶或半结晶玻璃制成，该结晶或半结晶玻璃的结晶温度比该玻璃的玻璃软化点高至少50℃。第二覆盖层由非结晶玻璃制成。

Description

加热单元及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于例如印刷机中加热印刷纸以将碳粉热固定在印刷纸上的加热单元。特别是，涉及一种其基板由例如氮化铝(AlN)的陶瓷材料制成的加热单元。本发明还涉及一种制备这种加热单元的方法。

背景技术

在印刷过程中为了将碳粉(toner)热固定在印刷纸表面，通常将形成于光敏鼓表面上的碳粉图像转移到印刷纸上，然后用加热单元加热印刷纸，以便用加热单元所提供的热将碳粉固定在印刷纸上。这种固定方法通常与在压力下将印刷纸输送通过位于印刷纸后表面侧的加热单元和位于印刷纸主表面侧的压力辊之间同时进行。为有效地固定碳粉同时迅速输送印刷纸，有效的是增大能被加热单元加热的面积，换句话说，尽可能地增大沿印刷纸输送方向的加热宽度。

图7显示了出于这种观点设计的加热单元(例如，JP-A-2002-75599所公开)。加热单元X是方向与纸输送方向垂直的细长条形板。加热单元X用于加热印刷纸P，碳粉T已经被转移到该印刷纸上，并在压力辊R所提供的压力下得以保持，以使碳粉T固定在印刷纸P上。

图7所示的加热单元X包括主要由氮化铝(AlN)制成的陶瓷基板101、覆盖AlN基板主表面101a和后表面101b的氧化物层102、由银和钯组成并且形成于后表面101b上的发热电阻103、以及印刷成厚膜形式以覆盖发热电阻103的覆盖层104。在图7中，AlN基板如下定向：主表面101a位于图的上侧，后表面101b位于下侧。覆盖层104包括形成以覆盖发热电阻103的第一覆盖层141和形成以覆盖第一覆盖层141的第二覆盖层142。氧化物层102的形成是AlN基板101的主表面101a和后表面101b通过发热电阻103的烧结过程而氧化的结果。第一覆盖层141由结晶玻璃形成，第二覆盖层142由非结晶玻璃形成。尽管未显示，AlN基板的后表面101b还包括为发热电阻103供电的电极层。

在加热单元X中，当经由未显示的电极层向发热电阻103供电时，发热电阻103以预定的发热值发热。加热单元X中采用的AlN基板导热性很高，因此热量有效地传输到整个基板。因此，如图7所示，将发热电阻103置于AlN基板的后表面101b上，且在主表面101a上提供印刷纸P，使得AlN基板101的整个主表面101a均起到加热表面的作用，从而有效地加热了印刷纸P。另外，由于热量散布到整个AlN基板101上，AlN基板101可以防止由于内部温差而裂开或通过其它方式损坏。

当制造由此构造的加热单元X时，使发热电阻103烧结后，将璃浆印刷-烧结(print-sinter)，从而随后形成第一覆盖层141和第二覆盖层142。一经在AlN基板101上对玻璃浆进行印刷-烧结，使玻璃成分中的氧和AlN基板101中的氮发生反应，从而发泡。因此，在加热单元X中，通常使用具有多孔结构的结晶玻璃作为第一覆盖层141，以迅速排出泡沫。

然而，近年来，印刷设备也日渐需要加入对雷电过压(surge)的测量，而且加入到印刷设备如加热单元X中的零件需要有更高的耐压(withstand voltage)。尽管未显示，加热单元X的第二覆盖层142也配有控制加热单元X以促进印刷纸在AlN基板101主表面101a上通过的热敏电阻器、以及在由于某些原因而不能控制的时候切断电源的热敏开关和热熔保险丝。热敏电阻器、热敏开关和热熔保险丝通常包括金属部件。这种金属部件可以充当地线，使得在发热电阻103中由于开关或闪电而出现瞬变过压时，第一覆盖层141和第二覆盖层142遭受介质击穿。由于加热单元X采用经常具有多孔结构的结晶玻璃作为第一覆盖层141，不能期望有充分的绝缘性能，因此过压问题特别严重。

发明内容

由于前述情况提出本发明，其目的是提供一种能够达到更高耐压的加热单元，以及制造这种加热单元的方法。

本发明的第一方面提供了一种加热单元，其包括AlN基板；配置在AlN基板上的条状发热电阻；和发热电阻的保护层。保护层包括覆盖发热电阻的第一覆盖层、和覆盖第一覆盖层的第二覆盖层。第一覆盖层由结晶温度比玻璃软化点高50℃或更高的结晶玻璃或半结晶玻璃形成，而第二覆盖层由非结晶玻璃形成。

在由此构造的加热单元中，结晶玻璃或半结晶玻璃形成紧密填充的覆盖层而不是多孔覆盖层，从而提高第一覆盖层的耐压。通常，结晶玻璃或半结晶玻璃通过对结晶玻璃或半结晶玻璃的原料进行加热而形成。由于原料玻璃的玻璃软化点比结晶玻璃或半结晶玻璃低50℃或更低，结晶玻璃或半结晶玻璃的玻璃成分在原料玻璃开始软化至结晶的期间可以流动。因此，第一覆盖层成为结晶玻璃或半结晶玻璃的非多孔紧密填充层。另外，第二覆盖层由于由非结晶玻璃形成而具有紧密填充的结构，因此优点在于改进了耐压。

在一个优选实施方式中，加热单元进一步包括覆盖AlN基板表面上的至少一部分区域的第三覆盖层，所述AlN基板上设置有第一覆盖层，所述的区域上未设置有第一覆盖层。第三覆盖层由非结晶玻璃制成，所述非结晶玻璃的玻璃软化点高于构成第二覆盖层的非结晶玻璃，并且第二覆盖层设置在第一覆盖层的基础(foundation)上和至少部分的第三覆盖层上。

在由此构造的加热单元中，其位置与AlN基板直接接触的第三覆盖层烧结后硬化所花费的时间比第二覆盖层短。因此，玻璃成分和AlN基板之间的反应可以得到更好的抑制，从而使发泡导致的孔隙缺陷得以最小化。

本发明的第二方面提供了一种制造加热单元的方法，该方法包括：在AlN基板上烧结条状发热电阻的步骤、烧结第一覆盖层以覆盖发热电阻的步骤、和烧结第二覆盖层以覆盖第一覆盖层的步骤。烧结第一覆盖层的步骤包括使用结晶温度比玻璃软化点高50℃或更高的结晶玻璃或半结晶玻璃。第一覆盖层的烧结在比结晶玻璃或半结晶玻璃的玻璃软化点高50-70℃的温度下进行。第二覆盖层的烧结包括使用非结晶玻璃和在比非结晶玻璃的玻璃软化点高、但差别为100℃或更小的温度下进行烧结。

在优选的实施方式中，构成第一覆盖层的结晶玻璃或半结晶玻璃的玻璃软化点为740℃或更高，且第一覆盖层的烧结温度为800-850℃。

通过由此设置的制造方法，在烧结第一覆盖层的步骤中，由于烧结温度被限制在比玻璃软化点高50-70℃的范围内，结晶玻璃或半结晶玻璃形成紧密填充的层。另外，将第二覆盖层的烧结温度设定在比非结晶玻璃的软化点高但至多高100℃的范围内，其优点在于抑制了导致发泡的AlN基板与非结晶玻璃之间的反应。

在另一个优选实施方式中，该方法进一步包括在烧结第二覆盖层之前在AlN基板上烧结第三覆盖层的步骤，烧结第二覆盖层的步骤包括在第一覆盖层的基础上和至少部分的第三覆盖层上形成第二覆盖层。烧结第三覆盖层的步骤采用非结晶玻璃，所述非结晶的玻璃软化点高于构成第二覆盖层的非结晶玻璃，且优选在高于非结晶玻璃的玻璃软化点、但差别为30℃或更小的烧结温度下进行烧结。

这样设置的方法抑制了第三覆盖层与AlN基板之间的反应及由此导致的发泡，因为第三覆盖层是在与玻璃软化点相近的温度下烧结的。另外，在AlN基材上形成第三覆盖层之后形成第二覆盖层，因此当形成第二覆盖层时，非结晶玻璃与AlN基板不再发生反应。

本发明的其它特征和优点将通过以下参照附图的详细说明而变得更为显而易见。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的加热单元的横截面图；

图2的横截面图显示的是通过图1的加热单元制造方法形成发热电阻的方法；

图3的横截面图显示的是通过图1的加热单元制造方法形成第一覆盖层的方法；

图4的横截面图显示的是通过图1的加热单元制造方法形成第三覆盖层的方法；

图5的横截面图显示的是通过图1的加热单元制造方法形成第二覆盖层的方法；

图6是根据本发明第二实施方式的加热单元的横截面图；

图7是传统加热单元的横截面图。

具体实施方式

图1是根据本发明第一实施方式的加热单元的横截面图。所图示的加热单元A包括AlN基板1、氧化物层2、发热电阻3和保护层4。AlN基板1具有上表面(或主表面)1a和下表面(或后表面)1b。加热单元A用于例如印刷机中，以提供热从而将碳粉T固定在印刷纸P上。其上转移有碳粉T的印刷纸P在压力辊R提供的合适压力下沿加热单元A的表面输送，加热单元A的热将碳粉T固定在印刷纸P上。

由氮化铝制成的AlN基板1在与印刷纸输送方向相垂直的方向上呈条状。AlN基板1的宽度为7-14mm，厚度为0.5-0.7mm。氮化铝具有优异的热响应，从而使热量倾向于通过AlN基板1基本上均匀地传播，其优点在于能够防止基板开裂。另外，优异的热响应使得可以将发热电阻3置于AlN基板1的后表面，并利用主表面1a作为加热表面，如图1所示。尽管图1中未显示出，AlN基板1包括为发热电阻3供电的电极层。

发热电阻3是诸如含15wt％或更多钯的银/钯电阻，其置于AlN基板1的后表面上，从而沿AlN基板1的长边延伸。当通过驱动单元(未示出)经未显示的电极层为发热电阻3供电时，发热电阻3以预定的热值发热。发热电阻3通过将电阻浆(resistor paste)烧结成具有预定宽度的厚膜形而形成。选定发热电阻3的前述重量比，以便将电阻浆玻璃成分与AlN基板1的成分之间的反应所生成的气体有效地排除，所述反应在发热电阻3的烧结过程中发生。另外，可以根据所需的热值而适当确定发热电阻3的厚度，例如，厚度通常为7-23μm。

氧化物层2是由于发热电阻3的烧结过程中AlN基板1的主表面1a和后表面1b的氧化而形成的氧化铝层。另外，在形成发热电阻3之前，可以有意对AlN基板1进行加热，以预先形成氧化物层2。氧化物层2起着防止AlN基板1中的氮与玻璃浆中的玻璃成分发生反应的作用。

保护层4由玻璃形成，起着保护位于AlN基板1的后表面1b上的电极层(未显示)和发热电阻3的作用。保护层4包括覆盖发热电阻3的第一覆盖层41、覆盖第一覆盖层41的第二覆盖层41和AlN基板1后表面1b上的区域上形成的第三覆盖层43，所述区域上未设有第一覆盖层41。

第一覆盖层41由玻璃浆形成厚度为例如20-40μm的厚膜，所述玻璃姜主要由结晶玻璃或半结晶玻璃材料组成，且第一覆盖层41的位置覆盖了发热电阻3的基础上的发热电阻3和一部分的AlN基板1的后表面1b。主要组成第一覆盖层41的结晶玻璃或半结晶玻璃的玻璃软化点为740℃，结晶温度为790-810℃。结晶玻璃或半结晶玻璃通常具有优异的耐热性，因此即使直接施加发热电阻3所产生的热，第一覆盖层41也不会熔融。另外，热量从发热电阻3传递到第一覆盖层41很困难，这使得大部分热量传递至AlN基板1，从而促进了AlN基板1表面上的温度升高。

第三覆盖层43设置在AlN基板1的后表面1b上未设有第一覆盖层41的区域上，以围绕第一覆盖层41。第三覆盖层43由玻璃浆形成厚度为大约10-25μm的紧密填充层，所述玻璃浆主要由非结晶玻璃组成。主要构成第三覆盖层43的非结晶玻璃的玻璃软化点为780-810℃。

第二覆盖层42由玻璃浆形成表面光滑、厚度为例如30-50μm的厚膜，以覆盖第一覆盖层41和第三覆盖层43，所述玻璃浆主要由非结晶玻璃组成的。由于表面光滑，第二覆盖层42更不容易被例如灰尘之类的外部物质损坏，此外由于具有非结晶玻璃的紧密填充结构，还可防止例如水分之类的外部物质进入。另外，第二覆盖层42的外表面上还连接有金属部件，例如控制加热单元A的热敏电阻器、在由于某些原因不能控制时切断电源的热敏开关和热熔保险丝。

现在，将在下面详细描述前述加热单元A的制造方法。

图2-5的横截面图显示了加热单元A的制造方法的实施方式的方法。以下将参考这些附图进行描述。在此，图2-5以与图1相反的方向图示AlN基板1。因此，图2-5中AlN基板1的上侧表面将被称为后表面1b，下侧表面被称为主表面1a。

首先，如图2所示，发热电阻3在AlN基板1的后表面1b上的预定位置形成。更具体地说，包括由银/钯组成的电阻成分的电阻浆通过印刷法，以厚膜形式涂施于AlN基板1的后表面1b上的预定位置，其中所述电阻成分中钯的含量为15wt％或更高。干燥电阻浆，在700-850℃的温度下烧结。由于上述的特定钯重量比，在烧结过程中抑制了由于烧结导致的银膜形成。因此，可以将由电阻浆玻璃成分与AlN基板1的成分的反应生成的气体有效地排出，从而可以防止在烧结过程中由于发泡而在发热电阻3中形成空隙缺陷。另外，在电阻浆的烧结过程中，氧化物层2也在一定时间在AlN基板1上未形成有发热电阻3的区域上形成，其厚度为大约1.0-10μm。氧化物层2起着抑制AlN基板1与玻璃成分之间的后续反应的作用。在此，优选在该过程之前在AlN基板1的后表面1b上形成互联图案，以便为发热电阻3供电。

然后，如图3所示，形成第一覆盖层41，以覆盖发热电阻3。首先，将玻璃浆加热至高达740℃使其软化，然后以厚膜形式印刷，以覆盖发热电阻3，所述玻璃浆主要由玻璃软化点为740℃、结晶温度为790-810℃的结晶玻璃或半结晶玻璃组成。在该阶段，如图3所示，玻璃浆应涂施成暴露出AlN基板1后表面1b的左右端部分(根据图3的方向)。将这样涂施的玻璃浆干燥，然后在800-850℃的温度下烧结，优选烧结温度为810℃，从而使结晶玻璃或半结晶玻璃结晶。由此可以形成第一覆盖层41。

以上步骤之后，如图4所示，在AlN基板1的后表面1b上未被发热电阻3或第一覆盖层41占据的区域上形成第三覆盖层43。首先，以厚度为大约10-25μm的厚膜的形式，将玻璃浆印刷在AlN基板1的后表面1b上未被第一覆盖层41占据的区域上，以围绕第一覆盖层41，所述玻璃浆主要由玻璃软化点为780-810℃的非结晶玻璃组成。然后浆玻璃浆干燥，之后在810℃下烧结，冷却硬化。在这里，烧结温度可以变化，只要该温度高于玻璃软化点，且差异为30℃或更小。

继续参照图5，形成第二覆盖层42，以覆盖第一覆盖层41和第三覆盖层43。首先，将玻璃浆以厚膜和形式印刷在第一覆盖层41和第三覆盖层43的基础上，所述玻璃浆主要由玻璃软化点为700℃或更高的非结晶玻璃组成。然后，将所印刷的玻璃浆干燥，在800-850℃下烧结，然后冷却硬化。优选地，用作第二覆盖层42的非结晶玻璃的玻璃软化点低于该过程的烧结温度，且温差为100℃或更小。优选在该过程后，在第二覆盖层42的外表面上连接金属部件(未显示)，例如控制加热单元A的热敏电阻器、在由于某些原因不能控制时切断电源的热敏开关和热熔保险丝。

通过前述过程，可以有效地制造加热单元A。除了上述过程之外，该制造方法还可以包括用光滑、导热的树脂涂覆AlN基板1的主表面1a的过程、和预先在AlN基板1的主表面1a和后表面1b上形成氧化物层2的过程。

由此构造的加热单元A提供下述有益效果。

第一覆盖层41通过在高于玻璃浆的玻璃软化点、但是差异在50-70℃之间的烧结温度下烧结玻璃浆而形成，所述玻璃浆包括结晶玻璃或半结晶玻璃材料。该烧结温度范围包括了主要构成第一覆盖层41的结晶玻璃或半结晶玻璃的结晶温度，因此第一覆盖层41在该烧结过程中结晶硬化。由于第一覆盖层41的结晶温度比玻璃浆的玻璃软化点高50℃或更高，在第一覆盖层41由浆料转变成结晶态的同时，浆料中的玻璃成分流动。因此，第一覆盖层41形成紧密填充层而不是多孔层，从而表现出优异的电绝缘性能。此外，第二覆盖层42和第三覆盖层43最初是由非结晶玻璃形成的紧密填充层，因此在电绝缘方面表现优异。因此，加热单元A在金属部件和发热电阻3之间包括有电绝缘性优异的保护层4，从而实现了更高的耐压，从而使源于闪电或其它原因的冲击导致损坏的可能性最小化。

而且，由于第一覆盖层41的烧结温度比玻璃浆的玻璃软化点高但至多高70℃，玻璃成分保持着过度液化的形式，从而可以抑制玻璃成分与AlN基板1的成分之间的反应。因此，第一覆盖层41抑制了发刨造成的空隙缺陷。此外，结晶玻璃或半结晶玻璃的耐热性通常非常优异，并且一旦结晶便不会再次熔融，因此第一覆盖层41在第二覆盖层42和第三覆盖层43的烧结过程中不会再次熔融。

第三覆盖层43通过在比非结晶玻璃的玻璃软化点高、但至多高30℃的烧结温度下烧结其主要组分非结晶玻璃而形成。在玻璃软化点与烧结温度如此接近的情况下，烧结后玻璃成分硬化前的时间更短，因此玻璃成分可以保持液化的时间更短。这种安排使得玻璃成分与AlN基板1的成分之间的反应得以抑制，从而防止了发泡造成的空隙缺陷的出现。另外，第三覆盖层43形成的厚度为大约10-25μm，这使得烧结和冷却所需的时间得以缩短。此外，由于第三覆盖层设置成毗邻于第一覆盖层41并将其环绕，AlN基板1的整个后表面1b被第一覆盖层41或第三覆盖层43所覆盖。换句话说，AlN基板1的后表面1b上覆盖有第一覆盖层41和第三覆盖层43，二者均能够抑制发泡引起的空隙缺陷的出现。第二覆盖层42在由第一覆盖层41和第三覆盖层43构成的基础上烧结，因此第二覆盖层42的烧结过程可以在不导致玻璃成分与AlN基板1的成分之间的反应的情况下进行。

第二覆盖层42通过在800-850℃的烧结温度下烧结玻璃浆而形成，所述玻璃浆主要由玻璃软化点为700℃或更高的非结晶玻璃组成。在第一覆盖层41或第三覆盖层43应该碎裂的情况下，将玻璃软化点与烧结温度之间的差异限制在100℃或更小的范围内，使得玻璃组分与AlN基板1之间的反应可以受到一定程度的抑制。另外，第三覆盖层43可以在第二覆盖层42的烧结过程中软化。然而，由于主要组成第三覆盖层43的非结晶玻璃的玻璃软化点为780℃或更高，第二烧结层42的烧结温度为800-850℃，第三覆盖层43仅仅保持很短时间的软化，而且将发泡抑制在最小的程度。因此，加热单元A的保护层4最不容易导致发泡引起的空隙缺陷，而且其强度也非常优异。此外，保护层4的最外层表面由光滑的非结晶玻璃形成，因此外部物质几乎不可能沾染到保护层4，因而保护层4几乎不可能剥离或受损。

图6图示了加热单元的另一个实施方式。在图6所示的加热单元B中，根据前述实施方式的加热单元A的第三覆盖层43的一部分进入到第一覆盖层41中。在由此构造的加热单元B中，第三覆盖层43和第一覆盖层41之间的接触界面是倾斜的，其优势在于能够将第二覆盖层42与AlN基板1的后表面1b分离。在加热单元B的制造方法中，优选在形成第一覆盖层41之前形成第三覆盖层43。在其余部分，加热单元B的结构与加热单元A相同。

在再另一个实施方式中，加热单元A的第三覆盖层43可以略去，这样保护层4仅仅包括第一覆盖层41和第二覆盖层42。在这种情况下，从耐压的观点看，可以用更简单的结构得到性能相同的加热单元。然而，由于第二覆盖层42的一部分与AlN基板1的后表面1b直接接触，玻璃成分与AlN基板1的成分在第二覆盖层42的烧结过程中发生反应，从而引起发泡，这与上述实施方式相比是一个缺点。

根据本发明的加热单元及其制造方法并不限于前述的实施方式。例如，在加热单元A的制造过程中，形成第一覆盖层41的步骤和形成第三覆盖层43的步骤可以交换。另外，第一覆盖层41、第二覆盖层42和第三覆盖层43的形状可以根据需要而设计。

Claims (7)

1.一种加热单元，其特征在于，包括：

包括主表面的AlN基板；

设置在所述AlN基板的主表面上的条状的发热电阻；和

发热电阻的保护层；

其中，所述的保护层包括覆盖所述发热电阻的第一覆盖层和覆盖所述第一覆盖层的第二覆盖层，

其中所述的第一覆盖层由结晶或半结晶玻璃制成，所述结晶或半结晶玻璃的结晶温度比玻璃软化点高至少50℃，所述的第二覆盖层由非结晶玻璃制成。

2.根据权利要求1所述的加热单元，其特征在于，进一步包括覆盖所述主表面上的至少一部分暴露区域的第三覆盖层，所述的暴露区域上未设置有第一覆盖层，其中所述的第三覆盖层由非结晶玻璃制成，所述非结晶玻璃的玻璃软化点比构成所述第二覆盖层的非结晶玻璃高，并且所述的第二覆盖层设置在所述第一覆盖层和至少部分的所述第三覆盖层上。

3.一种制造加热单元的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

在AlN基板上烧结条状的发热电阻；

烧结第一覆盖层，以覆盖所述的发热电阻；和

烧结第二覆盖层，以覆盖所述的第一覆盖层；

其中所述的第一覆盖层由结晶或半结晶玻璃制成，所述结晶或半结晶玻璃的结晶温度比所述玻璃的玻璃软化点高至少50℃，所述的烧结第一覆盖层在比所述玻璃的玻璃软化点高50-70℃的结晶温度下进行，

其中所述的第二覆盖层由非结晶玻璃制成，所述的烧结第二覆盖层在比所述非结晶玻璃的玻璃软化点高但至多高100℃的温度下进行。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述构成第一覆盖层的玻璃的玻璃软化点不低于740℃，所述第一覆盖层的烧结温度为800-850℃。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述构成第二覆盖层的非结晶玻璃的玻璃软化点不低于700℃，所述第二覆盖层的烧结温度为800-850℃。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括在烧结第二覆盖层之前在所述AlN基板上烧结第三覆盖层的步骤，其中所述的第二覆盖层在所述第一覆盖层和至少部分的所述第三覆盖层上形成。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的第三覆盖层由非结晶玻璃制成，所述非结晶玻璃的玻璃软化点高于构成所述第二覆盖层的非结晶玻璃，并且其中所述的烧结第三覆盖层在比构成所述第三覆盖层的非结晶玻璃的玻璃软化点高但至多高30℃的温度下进行。

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