JP3325787B2 - サ−マルヘッド及びその製造方法 - Google Patents

サ−マルヘッド及びその製造方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、サ−マルプリンタ
に使用されるサ−マルヘッド及びその製造方法に係り、
特に、印字熱効率、印字品位、及び高速印字性を向上す
ることを可能にしたサ−マルヘッド及びその製造方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】従来のサ−マルヘッドの構造及びその製
造方法は、一般に、アルミナ基板上の端部に複数の発熱
抵抗体を直線状に配列して、各発熱抵抗体に選択的に通
電することによって発熱させ、感熱記録紙あるいは熱転
写リボンを用いて、ドット状の記録を行うものである。
【0003】図6は、従来のサ−マルヘッドの構造を示
す要部断面図であり、アルミナ等のセラミックからなる
基板1の端部にガラス部分グレ−ズ層からなる凸状の透
明な保温層2を略30μm厚みに形成して、その上にT
a−SiO2等からなる発熱抵抗体3をスパッタリング
等により積層し、フォトリソ技術で、ドットの数に応じ
て複数個直線状に配列するように発熱抵抗体3のパタ−
ンを形成している。
【0004】前記発熱抵抗体3上には電力エネルギ−を
供給するために、Al、Cu、Au等からなる電極4を
スパッタリング等で積層して、フォトリソ技術により所
望のパタ−ンに形成している。該電極4の共通電極4a
が基板1の端部と発熱抵抗体3の発熱部3aに挟まれた
発熱抵抗体3の一方の側に形成され、また、発熱抵抗体
3の他方の側に電極4の個別電極4b及び外部接続端子
部(図示せず)が同時に形成されている。
【0005】その外部接続端子部にマスク(図示せず)
を設けて、前記発熱抵抗体3や前記電極4の酸化や磨耗
を防止するため、SiC、サイアロン等からなる着色し
た保護層5をスパッタリング等で積層し、前記端子部の
マスクを剥離して、外部接続端子部上に易ハンダ性の金
属がメッキされた後、前記基板1をダイシングしてチッ
プ状のサ−マルヘッドが製造されている。このような、
従来のサ−マルヘッドにおいて、各発熱抵抗体3がジュ
−ル熱を発生して保護層5の表面に密着した感熱紙や熱
転写インクリボン等(図示せず)を加熱することによ
り、感熱紙の発色又は、記録紙へのインク転写が行われ
て文字や画像が印字される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来のサ−マルヘッドの保温層2は、透明なガラスで形成
されているため、発熱抵抗体3の発熱による伝導熱や輻
射熱の吸収性や反射性が小さく熱抵抗が比較的小さいも
のである。そのため各発熱部3a(発熱ドット)の通電
ON時の温度上昇が比較的小さいものとなり、所望の印
字濃度を得るために各発熱ドットへの印加エネルギ−を
増大させることになり、いわゆる「印字熱効率」が低い
という課題があった。
【0007】さらに、印加エネルギ−の増大は、無効熱
量を増大させるため、サ−マルヘッドの蓄熱が大きくな
り、高速印字性を低下させるという課題があった。特
に、近年、サ−マルプリンタの高印字品位化及び高速印
字化が著しく進展しており、サ−マルヘッドは、400
ドット/インチ(64μm間隔)で160ドットの多数
の発熱体を備えて、100文字/秒の高速度で印字でき
るものが要求されてきているが、熱履歴補正LSIを用
いて熱制御を行っても、印字の潰れや濃度ムラを解消で
きず、保護層2の断熱性能及び放熱性能の限界に達して
いる。
【0008】一方、前記保護層5は、従来、SiC又は
サイアロンのセラミック材料をArガスのみの雰囲気で
スパッタ蒸着していたため、酸素や窒素の軽元素が欠乏
した膜となり、遊離した金属により着色を生じて透明度
が低下した状態で用いていた。このため、発熱抵抗体3
の発熱による伝導熱や輻射熱を吸収及び反射するため、
熱抵抗が比較的大きなものとなる。その結果、保護層5
の内部に熱が蓄積する、いわゆる「蓄熱」によって、各
発熱ドットの通電OFF時の温度低下が小さいものとな
り、熱応答性が低下するため、印字した時、ドットの面
積が大きくなりすぎる、いわゆる「印字の潰れ」を生じ
て印字品位が低下するという課題があった。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
めに本発明のサ−マルヘッドは、基板の上面に保温層を
積層し、該保温層の上面に発熱抵抗体と電極とを積層
し、その上面を保護層により被覆してなるサ−マルヘッ
ドにおいて、前記保温層は導電性黒色セラミック膜、前
記保護層は絶縁性透明セラミック膜からなることを特徴
とする。
【0010】また、本発明のサ−マルヘッドの製造方法
は、基板の上面に保温層を積層し、該保温層の上面に発
熱抵抗体と電極とを積層した後、その上面を保護層によ
り被覆してなるサ−マルヘッドの製造方法において、シ
リコンと遷移金属の酸素欠乏リアクティブスパッタ蒸着
により導電性黒色セラミック膜からなる前記保温層を形
成する工程と、蒸着により絶縁性透明セラミック膜から
なる前記保護層を形成する工程とからなることを特徴と
する。
【0011】また、本発明の製造方法は、セラミック材
料の酸素又は窒素リアクティブスパッタ蒸着により絶縁
性透明セラミック膜からなる前記保護層を形成すること
を特徴とする。
【0012】前述したように本発明は、保温層を導電性
黒色セラミック膜で、更に保護層を絶縁性透明セラミッ
ク膜で形成されてなり、この保温層と保護膜との間に発
熱抵抗体が形成されることによって、発熱抵抗体から基
板へ向かって放射される輻射熱が前記保温層内の遊離し
た金属によって反射され、発熱抵抗体の温度上昇に寄与
するため、所望の印字濃度を得るための印加エネルギ−
を低減することができる。
【0013】更に、発熱抵抗体から印字媒体(熱転写イ
ンクリボン等)へ向かって放射される輻射熱は、十分に
透明な前記保護層を透過して、該保護層の表面に密着し
た印字媒体に直接到達して熱に変換する。このため、発
熱抵抗体が発する輻射熱エネルギ−を有効に利用できる
ことにより、所望の印字濃度を得るための印加エネルギ
−が低減され、印字熱効率を向上させることができる。
また、前記印字熱効率の向上により、前記保温層の厚み
を薄く形成して保温層の熱容量を小さくすることが可能
となり、印字時の放熱性が改善され、熱応答性に優れた
高速印字に適したサ−マルヘッドを提供することができ
る。
【0014】また、前記保護膜が透明な絶縁性セラミッ
ク膜であるため、発熱抵抗体から発生するジュ−ル熱の
伝導熱及び輻射熱の吸収及び反射による蓄熱が、前記従
来の着色された保護層と比べて十分に小さいものであ
る。よって保護層内部の蓄熱が低減され更に熱応答性の
向上に寄与し、印字の潰れが低減され印字品位を向上す
ることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明のサ−マルヘッドの
構造及びその製造方法の実施の形態について、図面によ
り説明する。図1は本発明のサ−マルヘッドの構造を示
す要部断面図である。同図において、シリコンからなる
基板11の表面の一部に凸部が形成され、その上にシリ
コンと遷移金属(特に、Ta、W、Cr、Ti、Zr、
Mo、Hf等の高融点金属群が好適)の酸素欠乏リアク
ティブスパッタ蒸着により柱状晶に形成された導電性黒
色セラミック膜からなる保温層12が略20μmの厚み
に形成されている。該保温層12は、前記リアクティブ
スパッタ蒸着において酸素ガスの流量を加減して酸素を
欠乏状態にしてスパッタ蒸着することにより、未反応の
遊離した金属を多く含む導電性で黒色を呈する所望の導
電性黒色セラミック膜が容易に形成される。
【0016】前記保温層12の上に、酸化シリコンやア
ルミナ等をスパッタリングにより形成した絶縁層13を
介して、前記従来例と同様にTa−SiO2等からなる
発熱抵抗体14が積層形成され、その上にアルミ、銅、
金等からなる電極15が積層形成されて、該発熱抵抗体
14の発熱部(発熱ドット)14aを挟んで共通電極1
5aと個別電極15bとが形成される。
【0017】最後に、前記発熱抵抗体14や前記電極1
5を酸化及び磨耗から保護するための保護層16が、サ
イアロンの酸素又は窒素リアクティブスパッタ蒸着によ
り略5μmの厚みで積層されて、本発明のサ−マルヘッ
ドが完成する。該リアクティブスパッタ蒸着の雰囲気と
しては、酸素流量又は窒素流量が、O2又はN2カ゛ス/
(Ar+O2又はN2カ゛ス)=略5%により行ない、該
保護膜16は絶縁性で十分に透明なセラミック膜となっ
ている。
【0018】このようにして形成された本発明のサ−マ
ルヘッドと、前記従来のものとの熱応答特性の比較を図
2乃至図5により説明する。図2は、サ−マルヘッドの
発熱抵抗体3又は14に1パルスの電流を印加した時の
発熱部3a又は14aの温度変化をグラフで示したもの
で、グラフaが本発明、グラフbが従来例である。同図
の熱応答グラフに示すように従来は温度のピ−ク値が4
00℃であったものが、本発明の場合は480℃とな
り、熱効率が約16%向上している。
【0019】図3は、同様に発熱抵抗体3又は14に連
続パルスの電流を印加した時の温度変化を示したもの
で、グラフaが本発明、グラフbが従来例である。同図
に見られるように、連続パルスの場合、特に本発明のサ
−マルヘッドは通電OFF時の温度降下の熱応答性に優
れている。
【0020】図4及び図5は、サ−マルヘッドにより、
実際に印字媒体に印字した文字「欄」の拡大図で、図4
は本発明のサ−マルヘッド、図5は従来のサ−マルヘッ
ドを用いたものである。これらの図から、従来のサ−マ
ルヘッドは熱応答性が悪く、文字の一部に「印字潰れ」
が生じているが、本発明のサ−マルヘッドの場合には高
品位の印字となっている。
【0021】これは、本発明のサ−マルヘッドにおい
て、前記発熱抵抗体14に電圧を印加することにより、
発熱ドット14aがジュ−ル熱を発生し伝導熱とともに
輻射熱が四方に放射される。発生した伝導熱は、遊離し
た金属を多く含む黒色の保温層12に効率よく吸収され
蓄熱して、基板11方向への熱流が制限され熱抵抗が大
きいものとなり、発熱ドット14aを保温する。一方、
透明である前記保護層16内部の伝導熱の吸収による蓄
熱が少なく、表面に密着した印字媒体の加熱に寄与する
伝導熱が多くなるためである。
【0022】また他方、発熱抵抗体から放射される輻射
熱については、基板11に向かう輻射熱は前記保温層1
2に入射すると、該保温層内の遊離した金属によって、
発熱抵抗体14へ向かって反射され発熱ドット14aを
保温する。一方、印字媒体に向かう輻射熱は、前記保護
層15が透明であるため透過して、効率良く印字媒体に
伝達されるためである。
【0023】なお、本発明は前述した実施の形態に限定
されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能で
ある。例えば前記保護層16は、サイアロンの他に、絶
縁性透明セラミック膜にできる酸化アルミニウム、窒化
アルミニウム、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化タン
タル、酸化ジルコニウム、酸化クロム、酸化チタン、窒
化ボロン、窒化炭素等のセラミック材料、又はこれらの
混合物が好適であり、単層に限らず複層化しても良い。
また、各層の製法として、スパッタの他にCVD、イオ
ンプレーティング等の薄膜製造方法を用いても良いこと
は勿論である。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のサ−マル
ヘッドによれば、発熱抵抗体の下部に形成された保温層
が導電性黒色セラミック膜からなるため、発熱抵抗体の
発熱ドットに発生するジュ−ル熱の伝導熱に対して、遊
離した金属で黒色化しているので熱吸収力の大きいもの
となり、更に輻射熱に対しては遊離した金属により反射
力が大きくなる。また、発熱抵抗体の上部に形成された
保護層は絶縁性透明セラミック膜からなり、発熱ドット
に発生する伝導熱に対して十分に透明化しているため吸
収力が小さく、輻射熱に対しては反射がほとんどなくな
る。その結果、本発明のサ−マルヘッドは、その印字熱
効率、印字品位、高速印字性を著しく向上する効果を奏
する。
【0025】また、本発明のサ−マルヘッドの製造方法
において、前記保温層である導電性黒色セラミック膜を
シリコンと遷移金属の酸素欠乏リアクティブスパッタ蒸
着により形成したものであるため、酸素ガスの流量の制
御により所望の導電性黒色セラミック膜を容易に形成す
ることができる。また、本発明の前記保護層である絶縁
性透明セラミック膜は、セラミック材料の酸素又は窒素
リアクティブスパッタ蒸着により形成したものであるた
め、酸素ガス又は窒素ガスの流量の制御により所望の膜
を容易に形成することができる。
【0026】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のサ−マルヘッドの構造を示す要部断面
図である。
【図2】本発明及び従来例のサ−マルヘッドの1パルス
の電流に対する熱応答特性を比較するグラフである。
【図3】本発明及び従来例のサ−マルヘッドの連続パル
スの電流に対する熱応答特性を比較するグラフである。
【図4】本発明のサ−マルヘッドにより印字した文字
「欄」の拡大図である。
【図5】従来のサ−マルヘッドにより印字した文字
「欄」の拡大図である。
【図6】従来のサ−マルヘッドの構造を示す要部断面図
である。
【符号の説明】
1、11 基板 2、12 保温層 3、14 発熱抵抗体 3a、14a 発熱部 4、15 電極 5、16 保護層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B41J 2/335

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板の上面に保温層を形成し、該保温層
    の上面に発熱抵抗体と電極とを積層し、その上面を保護
    層により被覆してなるサーマルヘッドにおいて、前記保
    温層は遊離した金属を含む導電性黒色セラミック膜、前
    記保護層はセラミック材料の酸素、又は窒素のリアクテ
    ィブスパッタ蒸着にて形成された絶縁性透明セラミック
    膜からなることを特徴とするサーマルヘッド。
  2. 【請求項2】 基板の上面に保温層を積層し、該保温層
    の上面に発熱抵抗体と電極とを積層した後、その上面を
    保護層により被覆してなるサーマルヘッドの製造方法に
    おいて、シリコンと遷移金属の酸素欠乏リアクティブス
    パッタ蒸着により遊離した金属を含む導電性黒色セラミ
    ック膜からなる前記保温層を形成する工程と、セラミッ
    ク材料の酸素、又は窒素リアクティブスパッタ蒸着によ
    り絶縁性透明セラミック膜からなる前記保温層を形成す
    る工程とからなることを特徴とするサーマルヘッドの製
    造方法。
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