JPH06238933A - サーマルプリントヘッド及びサーマルプリンタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は感熱記録装置に関するもので、印字
熱効率と印字速度の大幅な向上、ヘッドの小型化、低コ
スト化、記録画質の向上などをその目的としている。 【構成】 Ｃｒ−Ｓｉ−ＳｉＯまたはＴａ−Ｓｉ−Ｓｉ
Ｏ合金薄膜抵抗体２とＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＴａまたはＷ
から選ばれた薄膜導体３とからなる発熱抵抗体を、常温
から３００℃の範囲での線膨張係数が５×１０~⁶／℃以
下である基板上に形成する。また、駆動用ＬＳＩチップ
上に、無機絶縁物層、あるいは耐熱樹脂層と無機絶縁物
層からなり、常温から３００℃の範囲での合成線膨張係
数が５×１０~⁶／℃以下である、１層、または２層構造
の断熱層を設け、この上に前記発熱抵抗体を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はファクシミリやプリンタ
等の記録装置用薄膜サーマルプリントヘッド及びサーマ
ルプリンタに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ファクシミリやプリンタ等の記録装置に
利用されている感熱記録や熱転写記録の重要部品の一つ
に薄膜サーマルプリントヘッドがあることはよく知られ
ている。その基本的な構成例を図３に示す。ここで基板
１１は、セラミック基板の上に設けられた５０〜１００
μｍの厚さのガラス層で、発熱抵抗体１７（真の発熱部
は薄膜抵抗体１２）の発熱時にはできるだけその発熱量
を酸化防止層１６、耐摩耗層１５側に伝導させるよう断
熱的に働き、冷却時には速やかに前記セラミック基板側
に熱伝達されるよう最適化されたものである。

【０００３】薄膜抵抗体１２は、例えば２ｍＳのパルス
通電によって２５０〜３００℃にまで昇温し、その後２
０ｍＳの冷却時間で元の温度まで降下するという非常に
苛酷な動作を１０⁸回以上も繰り返し、しかもその間の
抵抗値変化率が±１０％以下の範囲にとどまらなければ
ならないという特性が要求されている。更に、薄膜とし
ての実用厚さの限界が５００〜１０００Åということか
ら、その比抵抗は１０００〜２０００μΩｃｍ程度でな
ければ利用が難しくなるという事情がある。これらの条
件を満たす数少ない抵抗体材料として昔からよく用いら
れているものに、Ｔａ₂Ｎ、ＴｉＯｘ、ＨｆＢ₂などがあ
るが、これらは空気中で加熱すると酸化が進んで焼損し
てしまうため、酸素遮断層として酸化防止層１６が不可
欠となっている。該酸化防止層１６にはＳｉＯ₂のスパ
ッタ膜が用いられるのが一般的であり、その膜厚は３〜
５μｍとなっている。しかし、該ＳｉＯ₂膜は感熱記録
紙などで圧接通紙されると摩耗や破断を引き起こすの
で、この上に耐摩耗層１５として硬いＴａ₂Ｏ₅のスパッ
タ膜を２〜３μｍの厚さで被覆して用いている。なお、
これら酸化防止層１６、耐摩耗層１５は、Ａｌなど軟ら
かい金属が用いられる薄膜導体１４の保護層としての役
割も同時に果たしている。

【０００４】Ａｌなどの材料からなる薄膜導体１４を薄
膜抵抗体１２の上に直接形成して電圧を印加して加熱す
ると、エレクトロマイグレーションを起こして抵抗値が
大きく変化する場合がある。通常、これを防止するため
に、厚さ５００〜１０００ÅのＣｒなどの高融点金属薄
膜を前記薄膜抵抗体１２上に形成し、バリア金属薄膜１
３として用いている。また、前記薄膜導体１４は配線抵
抗としての値を小さくするためにその膜厚を１〜２μｍ
としているが、この膜厚による段差は感熱紙と発熱部と
の当りに影響を及ぼす（感熱紙が段差近傍の発熱部に当
たらないようになる）ことと、発熱量が熱伝導性のよい
Ａｌ導体側に逃げることを防ぐ目的で、図３に示すよう
に２００〜３００μｍ程度後退させるのが一般的であ
る。この程度の後退量であれば、前記バリア金属薄膜１
３の抵抗値を薄膜抵抗体１２の抵抗値の１％以下とする
ことができ、結果的に薄膜導体を後退しない場合よりも
熱損失を低く抑えることが可能である。

【０００５】さて、従来このような構成のサーマルプリ
ントヘッドを用いてサーマルプリンタが製品化されてい
たが、当然の事ながらその印刷速度の向上の要求が強く
なり、通電パルス幅も１ｍｓと短く、繰り返し周期も５
〜１０ｍｓと速くなってきた。しかし、この高速化を達
成するには発熱抵抗体の発熱温度を高くする必要があ
り、その周辺への熱的、機械的歪を増大させてしまう。
その結果、酸化防止層１６、耐摩耗層１５のクラックの
発生と、該クラックから侵入する空気による薄膜抵抗体
１２の焼損につながり、その改善が大きな開発課題とな
っていた。

【０００６】これに応えて、特開昭５８−８４４０１号
公報記載のＣｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体材料が開
発された。これは酸化物とも言えるもので、空気中での
加熱処理によって特に安定化され、それ以下の温度で使
用する限り、酸化雰囲気中での加熱に対しても非常に安
定して使用することができる材料である。すなわち、保
護層にクラックが発生しても問題がなく、これらによっ
て高速ファクシミリなどの製品が提供されることになっ
たのである。

【０００７】また、上記Ｃｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵
抗体材料と非常によく似た特性を示すＴａ−Ｓｉ−Ｓｉ
Ｏ合金薄膜抵抗体材料（特開昭５３−１１０３７４号公
報及び特開昭５７−６１５８２号公報に記載）について
も高速ファクシミリ用発熱抵抗体として優れた特性を示
すことが知られているが、やはり厚い保護層が不可欠と
なっていることは周知の事実である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように高速サ
ーマルプリンタが製品化されているが、その基本的構造
は図３に示す通り、耐パルス寿命の点から依然として５
〜８μｍの厚さの２層の保護層（酸化防止層１６、耐摩
耗層１５）を被覆して用いている。しかし、もし該保護
層なしに裸の薄膜抵抗体を発熱抵抗体として用いること
ができれば、熱伝達率の悪い保護層を通して感熱紙など
を加熱していた従来の必要電力量を半減させることがで
きると共に、発熱抵抗体表面の加熱の時間遅れがなくな
り、更には基板側への熱の逃げを大幅に削減させること
が可能となる。従って、本発明の目的は保護層なしでも
耐パルス寿命の充分長い発熱抵抗体を提供し、消費電力
を大幅に低減できる感熱記録装置を実現することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、Ｃｒ−Ｓｉ
−ＳｉＯまたはＴａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体と、
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの中から選ばれた薄膜導体
とからなる発熱抵抗体を、常温から３００℃の範囲での
線膨張係数が５×１０~⁶／℃以下である基板上に形成す
ることによって達成される。

【００１０】また、駆動用ＬＳＩチップ上に、無機絶縁
物層、あるいは耐熱樹脂層と無機絶縁物層からなり、常
温から３００℃の範囲での合成線膨張係数が５×１０~⁶
／℃以下である１層、または２層構造の断熱層を設け、
更にこの上に前記発熱抵抗体を設ければ、サーマルプリ
ントヘッドのモノリシック化が図れる。

【００１１】更に、上記発熱抵抗体上に１μｍ以下の厚
さの非常に薄い耐摩耗層を被覆すればサーマルプリント
ヘッドの耐久性を格段に向上させることができる。

【００１２】

【作用】上記のように構成された発熱抵抗体はパルス加
熱に対して安定で、その抵抗値変化率を要求範囲に納め
ることが可能となる。そして、薄膜抵抗体及び高融点金
属薄膜導体の高い硬度は優れた耐摩耗性を示し、この点
からも抵抗値変化率を要求範囲に入れることが可能にな
る。また、保護層の形成が不用または極薄化が可能とな
るのでヘッド製造工程が簡略化され、低コスト化も達成
できる。

【００１３】一方、前述のように記録に要する投入エネ
ルギーを半減させることができることから、印刷速度を
高速化することも可能である。と言うのは、２０００〜
４０００個の発熱抵抗体が一列に並んで構成されている
ラインヘッドを一度に動作させると１ドット分の投入電
力の２０００〜４０００倍の電力が必要となり、通常の
事務機としての消費電力を越えるために２分割とか４分
割して動作させているのが一般的であるからである。し
かし、上記のように構成された発熱抵抗体であれば、投
入エネルギーを半減させられるので、全ドット一括動作
が実現可能である。

【００１４】また、後述するように、短パルス駆動が可
能となるので蓄熱層を薄くして冷却速度を速くすれば、
より高速な印字が可能になるという更なる効果もある。

【００１５】

【実施例】以下、実施例に基づいて詳細な説明を行う。

【００１６】〔実施例１〕まず、本発明者らによる特許
出願である特開昭５８−８４４０１号に開示され、また
１９８２年San Diegoで開催されたElectronics Compone
nts Conferenceにて発表したＣｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄
膜抵抗体を用い、本願発明の骨格となる「耐酸化性薄膜
発熱抵抗体の耐パルス特性に影響を与えている要因の明
確化」を行い、保護層なしでも耐パルス特性、寿命特性
を従来技術以上に向上させることができることを明らか
にする。また、保護層のない発熱抵抗体による印字熱効
率が大幅に向上できること、従って発熱抵抗体の最大印
加可能電力と必要印加電力の比を一層大きく改善でき、
この性能裕度を高速印字に振り向かせることによって今
まで不可能であった超高速印字が可能となることを明ら
かにする。

【００１７】図１に本発明の発熱抵抗体の断面図を、図
２には他の実施例の断面図を示す。基板１上には、膜厚
を約７００Å、幅を約１００μｍ（２００ｄｐｉ）、長
さを約１５０μｍ、抵抗値を約２５００ΩとしたＣｒ−
Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体２が設けられている。ま
た、バリア金属薄膜３は厚さが約５００ÅのＣｒ、薄膜
導体４は厚さ約２μｍのＡｌでバリア金属薄膜３より約
３００μｍ後退させている。そして、本発明の発熱抵抗
体の最大の特徴は、従来の発熱抵抗体に見られる保護層
（酸化防止層１６、耐摩耗層１５）が存在しないという
点にある。なお、図２の発熱抵抗体は図１の発熱抵抗体
上に保護層５を設けたものであるが、該保護層５は砂塵
巻き込みによる擦過痕発生防止用保護層であって、従来
の保護層とは比べものにならないくらい薄く被覆されて
いる。

【００１８】なお、本実施例の場合はＣｒ−Ｓｉ−Ｓｉ
Ｏ合金薄膜抵抗体２の膜厚を約７００Åのとしたが、５
００〜２０００Åの範囲で選択してよいことは勿論であ
る。また、本実施例ではバリア金属薄膜３の膜厚を約５
００Åとしたが、５００〜１０００Åであればよい。基
板１は常温から３００℃の範囲での線膨張係数が５×１
０~⁶／℃以下のものであればよく、例えばネオセラム、
パイレックスガラス、断熱層を持つＳｉ基板やムライト
セラミックなどを用いるとよい。

【００１９】以下、Ｃｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体
２の耐パルス性に及ぼす基板１と保護層５の影響を明ら
かにするための実験結果を示す。なお、今回用いた薄膜
抵抗体２、バリア金属薄膜３、薄膜導体４は材料、形
状、作成方法など全ての条件を上述のものと同一として
いる。

【００２０】基板１には、（株）日本電気硝子製ネオセ
ラムＮ−１１、及び従来より採用されているグレーズド
アルミナ基板を使用した。また、図２に示す極薄な保護
層５としては０．３μｍの厚さのＳｉ₃Ｎ₄をＣＶＤ法に
よって作成したものを用いた。一方、図３に示す従来よ
り採用されている保護層１６としては約３μｍの厚さの
ＳｉＯ₂をスパッタにて形成し、その上に耐摩耗層１５
として約１μｍの厚さのＳｉ₃Ｎ₄をＣＶＤ法によって形
成した。

【００２１】これらを試料Ｎｏと共に一覧表にしたのが
表１であり、各種材料の常温〜３００℃の範囲での線膨
張係数をまとめて示したのが表２である。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】なお、表１の中に示した平均線膨張係数と
は基板と保護層の線膨張係数の相加平均であり、保護層
のない場合は基板の線膨張係数とした。このような数値
を用いる理由は後述するが、薄膜抵抗体の機械的疲労破
壊に影響を与えるのは基板と保護層からパルス加熱の度
に加えられる繰返し熱応力の大きさであり、その概略値
は基板と保護層の常温〜３００または４００℃までの線
膨張係数の相加平均に比例すると考えるからである。

【００２５】さて、このようにして作成した４種類の発
熱抵抗体（表１の〜）について、まずステップアッ
プストレステスト（以下ＳＳＴという）を行った。その
結果の一例を図４に示す。図４のＳＳＴ特性での横軸を
横断する時点の印加エネルギを発熱抵抗体の耐パルス性
能を表わす代表値と考えてよいことが分かる。

【００２６】一方、Ｃｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体
２の破壊は単なる加熱では発生しない。従って、機械的
繰り返し応力による疲労破壊によるものと思われるが、
０．０７μｍと極端に薄い抵抗体薄膜自身の熱膨張収縮
による疲労破壊というよりは、同時に加熱冷却している
基板あるいは保護層の熱膨張収縮に左右されていると考
えるのが妥当であろう。

【００２７】これを確認するために表１の平均線膨張係
数を横軸に、図４の横軸横断点を縦軸にとって整理した
のが図５である。ここには１．５ｍｓの印加パルス幅で
のＳＳＴ特性（図４）の結果のほか、０．３ｍｓという
短パルス駆動でのＳＳＴ特性の結果も合わせて記してあ
る。なお、パルスの繰り返し周期はどちらも１０ｍｓの
一定値とした。すなわち、単位時間当りの投入エネルギ
はどちらのパルス幅でも同じ条件とし、基板温度上昇条
件を一定として評価した。

【００２８】図５を見て明らかなように、発熱抵抗体の
耐パルス特性を決定づけているのは上述した「平均線膨
張係数」という値であり、保護層の有無とか厚さには基
本的には無関係であるということがよく理解できる。

【００２９】一方、保護層の有無による印字熱効率をパ
ルス幅１．０ｍｓの場合で比較すると、現在感熱ファク
シミリの製品に適用している試料Ｎｏ（表１参照）で
は０．３４ｍｊ／ｄｏｔの印字エネルギが必要なのに対
し、他の試料（Ｎｏ、、）では同一条件での必要
印字エネルギが０．２６ｍｊ／ｄｏｔと約２５％の削減
を図ることができた。前記必要印字エネルギの削減量が
比較的小さかった理由は、比較した試料Ｎｏの耐摩耗
層５が、従来技術で一般的に用いられている熱伝導率の
小さい膜厚２μｍのＴａ₂Ｏ₅膜から熱伝導率の大きい膜
厚１μｍのＳｉ₃Ｎ₄膜に既に換えられていたことによ
る。

【００３０】さて、次に印字寿命についてであるが、上
述した必要印字エネルギと図４に示すＳＳＴ特性での横
軸横断点の比の大きさが印字寿命と関係していることは
よく知られている。そこで、この比を耐パルス裕度と呼
ぶことにして求めた値を表１に記した。これを見て驚く
ことは、今まで不可欠と考えて採用してきた厚い２層の
保護層が、グレーズドセラミック基板の場合でさえ不要
となる可能性を示していることである。そこで、連続空
印字寿命試験を行った結果を図６に示すが、ここでは全
ての試料に同一条件の印加エネルギを与えている。すな
わち、印加パルス幅は０．４６ｍｓ（一般的なパルス幅
の約半分）と厳しくし、印加エネルギは０．２５ｍｊ／
ｄｏｔと保護層のない場合の必要印字エネルギ相当の値
としている。この空印字寿命試験は感熱紙を用いないの
で簡便であるため、ここでもまずこれで評価したのであ
るが、感熱紙による冷却効果がないので熱的には実印字
寿命試験よりは厳しい条件となること、その反面、砂塵
巻き込みなどによる擦過痕の発生とかクラックの発生に
よる発熱抵抗体破断の評価ができないこと等に注意して
評価しなければならない。そして、感熱紙による発熱抵
抗体への冷却効果は保護層がない、あるいは薄い場合の
方が厚い保護層の場合よりも大きく、従ってこの空印字
寿命試験は前者の発熱抵抗体にはより厳しい試験となっ
ていることに注意する必要がある。

【００３１】この観点から図６を見ると、耐パルス裕度
が大きい試料Ｎｏの空印字寿命が、耐パルス裕度のよ
り小さい試料Ｎｏの空印字寿命よりも短くなっている
ことが理解できる。すなわち、薄くても保護層のある
の発熱抵抗体の実効質量がより大きくなり、このため同
一投入エネルギでの温度上昇幅が小さくなっているので
ある。しかし、どちらにしても１００〜１０００億パル
スの印字寿命になると予測することができ、この過剰品
質を０．１ｍｓ以下の超短パルス駆動に利用することが
可能となる。特にこのような超短パルス駆動となると、
時間遅れの原因となる保護層の極薄化ないしは完全削除
が不可欠となるのでこの点からも本発明の有効性が理解
できよう。但し、パルス繰り返し周期の短縮が同時に果
されなければその効果は半減するが、これについては冷
却速度の大幅な改善を含む他の実施例でその具体例を示
す。

【００３２】さて、図６の試料Ｎｏについてである
が、耐パルス裕度が試料Ｎｏと同等であり、空印字寿
命試験においても試料Ｎｏに０．３４ｍｊ／ｄｏｔを
投入すると図６のＮｏと同等の特性を示すことから、
印加パルス幅が１ｍｓ程度となる使用条件では両者とも
同等の寿命特性を示すものと考えられる。しかし、図６
のように０．４６ｍｓのパルス幅または、もっと短いパ
ルス幅で使用する場合には寿命的に短くなることは避け
られない。印加パルス幅０．５ｍｓでのパルス寿命の仕
様を５０００万パルス以上と規定すると、基板の線膨張
係数は５×１０~⁶／℃以下としなければならないことが
図５からも理解されよう。なお、これらの結論はＡｌ薄
膜導体４の後退量を各２ｍｍと大幅にずらし、感熱紙が
軟らかい薄膜導体に接触しない形状の発熱抵抗体とした
試料Ｎｏ、、の実印字寿命試験で確認している。
このように後退量を大きくしても、バリア金属薄膜３の
膜厚を１０００Åと少し厚くすればその抵抗値は発熱抵
抗体の抵抗値の１％以下とすることが可能で何の問題も
ない。これはもはやバリア金属薄膜ではなく通電用の薄
膜導体そのものである。そして、その配線長が長くなる
場合は第２の薄膜導体、例えばＡｌあるいは他の金属を
積層して用いるとか、同種の金属をめっきで厚付けする
方法などを用いて配線抵抗を規定値にしてやればよい。
一方、保護層なしで製品に搭載した場合、配線導体の耐
食性なども確保できなければならない。これらの観点か
らの最適化を次に説明する。

【００３３】まず、薄膜配線導体として耐熱性と高剛性
を有する低抵抗金属材料としては、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、
ＴａまたはＷが挙げられる。これらの金属を薄膜導体と
して利用した場合の生産性と信頼性について評価した結
果を表３に示す。

【００３４】

【表３】

【００３５】ここで、耐電食性とは薄膜導体の水中での
電食性を評価した結果で、必ずしも空気中での腐食特性
を示すものではない。しかし、長期にわたる信頼性とい
う意味では保護層のない状態でＣｒを使用することには
不安が残る。一方、ＴａはＣｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜
抵抗体と同じフッ酸系エッチング液でなければウエット
エッチングが難しい。このため選択エッチングという点
でドライエッチングなどの方法を用いなければならず、
生産性に劣る。従って、これら５種の金属材料の全てが
薄膜導体として利用可能であるが、最も信頼性が高く、
生産性も最もよく（高速スパッタも可）、比抵抗も小さ
いＮｉ薄膜が最適となる。このＮｉ薄膜を厚く付ける方
法にメッキ法があり、しかも電気メッキと無電解メッキ
の両方が広く利用されているという点でも利用価値が高
い。勿論、ワイヤボンディングやはんだ付けも容易であ
るので、接続実装の点でも便利なメタライゼーションと
言える。Ｃｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体上にＳｉ₃
Ｎ₄などの薄い保護層を用いる場合は勿論Ｃｒでもよい
ことは今迄の実績が示しており何の問題もない。

【００３６】薄膜導体として２０００Å厚さのＮｉ金属
を用い、Ｃｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体のみからな
る２層構造の発熱抵抗体（図１のＡｌ薄膜導体４がな
く、バリア金属薄膜３のＣｒをＮｉに換えたもの）と、
これに０．３μｍ厚さのＳｉ₃Ｎ₄保護層を被覆した発熱
抵抗体をネオセラム基板上に作成してＳＳＴ特性と空印
字寿命試験を行ったところ、これらは試料Ｎｏ、と
ほとんど同じ特性を示した。そして実印字寿命試験でも
砂塵を巻き込まない条件では全く問題のない寿命特性を
示し、砂塵巻き込み実印字寿命試験で保護層のない発熱
抵抗体の方のみ、１０００〜２０００万パルスでガラス
基板に入るクラックによると推定される抵抗破断が見ら
れるようになるという結果を得ている。なお、共通電極
側のＮｉ薄膜導体の抵抗値を小さくするため、この部分
のみに電気Ｎｉメッキを施して約２μｍの膜厚にしてい
る。この場合は同種材料による後退電極の形成（片側の
み）と同じである。

【００３７】なお、印加パルス幅を０．１ｍｓと極端に
短くした場合の印字寿命試験を行なったが、０．３μｍ
の厚さのＳｉ₃Ｎ₄保護層のある発熱抵抗体は５０００万
パルス以上の寿命を示した。また、この保護層の厚さを
約１μｍと厚くしても印字熱効率の低下は５％以下と小
さく、砂漠地帯で使用するサーマルプリントヘッドのＳ
ｉ₃Ｎ₄保護層の厚さを約１μｍ程度またはそれ以下と規
定するのも総合寿命の点で有効であった。

【００３８】〔実施例２〕半導体型サーマルプリントヘ
ッド（ＵＳＰ３，８１３，５１３）は発熱抵抗体とドラ
イバー回路を同一Ｓｉ基板上に形成できるのでヘッドの
大幅な小型化を達成できる。しかしここで開示されてい
る半導体型サーマルプリントヘッドはＳｉ基板内に形成
される拡散層を該発熱抵抗体として用いているので、発
熱抵抗体とＳｉ基板とを熱絶縁させることが難しく、熱
効率が非常に悪いという欠点を持っている。

【００３９】これを改善する方法としては、特開昭５４
−１３０９４６号公報に記載されているＳｉ基板上に厚
いガラス層を形成して薄膜抵抗体をこの上に設ける方
法、あるいは特開昭６１−１２３５７号公報に記載され
ている有機材料を含む２層構造からなる断熱層をアルミ
ナ基板上に形成してサーマルプリントヘッドを製作する
方法があり、これをＳｉ基板に応用することなどが考え
られる。しかし、上記発明ではいずれも厚い断熱層をＳ
ｉ基板上に形成するので、断熱層形成過程で生ずる熱歪
によって断熱層にクラックが発生し易く、また、断熱層
とＳｉ基板間の大きな段差を段切れなく薄膜配線するこ
とが事実上不可能であるため、技術的には実現困難であ
る。

【００４０】本実施例では上記した厚いガラス層を薄く
することが可能となる方法について具体的に述べる。

【００４１】図７は、本実施例のサーマルプリントヘッ
ドの発熱抵抗体と駆動用ＬＳＩの相対関係を示す断面図
である。この実施例では、駆動用回路が通常のＬＳＩ製
造工程によって作成されている厚さ０．３５ｍｍのＳｉ
基板２１上に、厚さ約８μｍのＣＶＤ−ＳｉＯ₂層２５
（断熱層）を形成し、その後、図７に示すように発熱抵
抗体を形成する部分を除いてＳｉＯ₂層２５をフォトエ
ッチングによって段階的に取り除いている。この場合、
ＬＳＩの出力端子のコレクタ電極２２と上記ＣＶＤ−Ｓ
ｉＯ₂層２５との間に急激な段差が生じないよう平坦化
処理を行なうことはいうまでもない。そして、Ｃｒ−Ｓ
ｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体２と導体として使用するバリ
ア金属薄膜３、例えばＮｉ薄膜を連続スパッタ法で形成
し、フォトエッチングによって望みの発熱抵抗体の形状
に加工して、ドライバ回路と一体化されたサーマルプリ
ントヘッドを形成する。なお、これらの薄膜の厚さは各
々７００Å、２０００Åである。

【００４２】このようにして形成された発熱抵抗体と駆
動用ＬＳＩを搭載したＳｉ基板２１を図８に示すような
構造のサーマルプリントヘッドに組み立てる。まず、幅
約３ｍｍの前記Ｓｉ基板２１を幅約４ｍｍの放熱板２６
上にダイボンディングし、該放熱板２６上に取り付けら
れているコネクタ２７と電気的に接続する。これは金線
２８を用いたワイヤボンディングでも、テープキャリア
法による一括接続でもよい。どちらにしても制御信号線
と電源線のみの接続本数で事足りる。このようにして、
幅の狭い小型化されたサーマルヘッドが出来上がる。

【００４３】本構成のサーマルヘッドが実施例１で述べ
た「低膨張率の基板上に保護層のないＣｒ−Ｓｉ−Ｓｉ
Ｏ合金薄膜抵抗体を形成する」という条件を満たしてい
ることは説明するまでもないであろう。そして本実施例
の重要な点は、従来技術において不可欠であった５０〜
１００μｍという厚い断熱層を８μｍ程度まで薄くした
ことにある。これが可能となったのは、実施例１で詳述
したように０．１〜０．３ｍｓという超短パルス印字
と、保護層を不要化したことによって断熱層側への熱流
出を低減させることができたことによる。すなわち、こ
れらの要因により印字熱効率を下げることなく断熱層を
薄くすることができ、Ｓｉ基板上に形成できる限界の厚
さのＳｉＯ₂層でも断熱層として利用できるようになっ
たのである。

【００４４】このサーマルヘッド（２００ｄｐｉ）に
０．３ｍｓのパルス幅、０．２５ｍｊ／ｄｏｔの印加エ
ネルギ、３ｍｓの繰り返し周期で連続空印字寿命試験を
行なったところ、５０００万パルス以上の信頼性テスト
に合格した。更に、０．１ｍｓのパルス幅、０．２２ｍ
ｊ／ｄｏｔの印加エネルギ、１ｍｓの繰り返し周期で連
続空印字寿命試験を行なったが、５０００万パルス以上
の信頼性テストに合格している。また、後者の印字条件
で実印字評価を行なったが、非常に速い繰返し周期にも
かかわらず尾引きが見られなかった。このことは、熱伝
導性に優れたＳｉ基板と薄い断熱層の組合せが適度な断
熱性と速い冷却を両立させていることを示している。

【００４５】〔実施例３〕本実施例は前記断熱層の厚さ
を更に薄くし、製造技術的にも実施例２を更に改善しよ
うとするものである。すなわち、本実施例では図９に示
すように、ドライバー回路を含むＳｉ基板２１上に、常
温から３００℃の範囲での合成線膨張係数が５×１０~⁶
／℃以下である耐熱樹脂層２４と無機絶縁物層２５から
なる薄い２層構造の断熱層を設け、この上に実施例１で
示した、Ｃｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体と、Ｎｉ、
Ｃｒ、Ｍｏ、ＴａまたはＷより選ばれた薄膜導体とから
なる発熱抵抗体２０を形成するのである。

【００４６】表２に示すように、Ｓｉ基板の線膨張係数
は３．１×１０~⁶／℃と小さい。この上に耐熱樹脂層２
４として耐熱性樹脂であるポリイミドを２〜５μｍの厚
さで被覆することは半導体分野で広く利用されている。
更にこの上に無機絶縁物層２５として線膨張係数の小さ
いＳｉＯ₂層を２〜３μｍの厚さで被覆する場合、線膨
張係数の小さいポリイミド、例えば（株）日立化成製の
ポリイミドＰＩＱ−Ｌ１００（３×１０~⁶／℃）又はＰ
ＩＸ−Ｌ１１０（５×１０~⁶／℃）を用いればクラック
の発生もなく良好な２層構造の断熱層をＳｉ基板上に形
成することが可能となる。

【００４７】前記ポリイミド材料の熱伝導率は通常、サ
ーマルプリントヘッドの断熱層として使用されるガラス
材料の約１／１０と小さく、該ポリイミド層の２〜５μ
ｍの厚さはこのガラス層の２０〜５０μｍの厚さに相当
する。例えば、本発明で示すポリイミド３μｍ／ＳｉＯ
₂２μｍの２層構造の断熱層は約３０μｍの厚さのガラ
ス層に相当し、その線膨張係数はＳｉ基板からの影響を
考慮しても２〜３×１０~⁶／℃程度と推定できる。

【００４８】また、前記無機絶縁物層２５には、ＳｉＯ
₂膜の代りとして機械的強度に優れるＳｉ₃Ｎ₄膜を用い
てもよい。該Ｓｉ₃Ｎ₄膜は砂塵を巻き込み易い環境下で
サーマルヘッドを用いる場合に特に有効で、比較的軟ら
かいポリイミドの機械的強化に大きく貢献する。なお、
ポリイミド３μｍ／Ｓｉ₃Ｎ₄２μｍの２層構造断熱層の
線膨張係数はＳｉ₃Ｎ₄膜と同じ３．０×１０~⁶／℃程度
と推定される。そして、断熱特性は実質的にポリイミド
層で決定されることはいうまでもない。

【００４９】このように２〜５μｍと薄いポリイミドを
Ｓｉ基板上にスピンコートし、乾燥、一次硬化のあと、
発熱抵抗体近傍とドライバー回路部の必要個所を除いて
他をフォトエッチングで除去し、最終硬化させる。この
一連のプロセスは半導体などで利用されている一般的な
方法と同じである。この時、薄いポリイミドの段差は連
続的に変化するよう自動的に処理されることがこのプロ
セスの特徴である。すなわち、従来技術の厚い２層構造
の断熱層の形成と段差処理が、薄いポリイミドの断熱層
を利用することによって、技術的に容易な、一般的な半
導体プロセスで実行することができるのである。このよ
うに薄い断熱層でよいことについては実施例２と同様の
理由によっているが、後に再び詳しく説明する。なお、
上記ＳｉＯ₂またはＳｉ₃Ｎ₄膜には、発熱抵抗体の配線
導体と接続されるドライバー回路の接続部の位置にスル
ーホールを形成しておくことは言うでもない。

【００５０】上記のように形成した２層構造からなる断
熱層の上に発熱抵抗体を形成し、それぞれの発熱抵抗体
とそれぞれのドライバー回路が接続された状態になるよ
うにしてモノリシックＬＳＩサーマルプリントヘッドを
作製した。この一部断面図を図９に示す。

【００５１】実施例１で述べたＣｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金
薄膜抵抗体と、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＴａまたはＷより選
ばれた薄膜導体とからなる発熱抵抗体２０と、ドライバ
ーＬＳＩからのコレクタ電極２２が図９の紙面に垂直な
方向に、例えば２００ｄｐｉ（ドット／インチ）のピッ
チで並んでスルーホール接続部２３で接続されており、
その反対側はＮｉ薄膜導体共通電極３’となってつなが
っている。そしてドライバーＬＳＩを制御する信号線
は、ドライバ、ストローブ、クロック、ラッチ、電源、
ＩＣ電源、及び上記共通電極（グランド）の７本とな
り、これで全発熱抵抗体を一括駆動することができる。
図９に示すモノリシックＬＳＩプリントヘッドの幅は３
〜４ｍｍ以下とすることが可能で、その実装形態は図８
に示したものと同一である。但し、ヘッド長はシリコン
ウエハのサイズで決まり、６インチウエハで製作できる
ヘッド長はＡ４サイズ、またはＢ４サイズの半分とな
る。従って、Ａ４またはＢ４サイズのヘッドは１／２長
のモノリシックＬＳＩプリントヘッド２本をヒートシン
クの上でダイボンディングして接続する必要がある。但
し、各ヘッドを駆動するのは両端からの各７本の信号線
のみでよく、３〜４ｍｍ幅という極めて細いサーマルプ
リントヘッドが、しかも非常に容易な組立実装方法によ
って製作することができるのである。なお、ヒートシン
ク２６はＳｉ基板２１と線膨張係数がよく合っているＦ
ｅ−４２％Ｎｉ合金で製作し、はんだ付けによってダイ
ボンディングして実装した。また、必要によっては極薄
の保護層５を設けてもよい。

【００５２】前記構成の発熱抵抗体にパルス幅０．３ｍ
ｓ、印字周期３ｍｓのＳＳＴを行なったところ、ＳＳＴ
特性横軸横断点は０．２８ｍｊとなり、実施例１の資料
Ｎｏとほぼ同等の特性を示した。一方、実施例１と同
等の印画濃度を出すのに必要な印字エネルギは０．１２
ｍｊと半減し、耐パルス裕度が２．３と大幅に向上し
た。このように大幅に熱効率が向上した理由は、発熱抵
抗体の近傍が他より２〜５μｍ高く感熱紙との熱交換が
良好なこと、断熱樹脂層２４が熱伝導率の非常に小さい
ポリイミドからなっていること、砂塵巻き込みによる擦
過痕発生防止用保護層に熱伝導率の大きいＳｉ₃Ｎ₄膜を
用い、しかも１μｍ以下と非常に薄くしていること、印
字パルス幅を短くして熱の利用効率を向上させたことな
どが挙げられる。また、印字周期を２〜３ｍｓと非常に
短くしても尾引きが見られないのは、薄くて熱伝導率の
非常に小さな耐熱樹脂層と無機絶縁物層の２層構造から
なる断熱層と、熱伝導率の非常に大きなＳｉ基板との組
合せが大きく貢献しているからである。

【００５３】なお、印字周期を更に短くして１〜２ｍｓ
とする場合は、２層構造の断熱層のうち耐熱樹脂層２４
の厚さを約２μｍと更に薄くすればよいことは、試作評
価で分かっている。

【００５４】次に、パルス幅０．３ｍｓ、印字周期３ｍ
ｓ、印加エネルギ０．１２ｍｊ／ｄｏｔの条件で実印字
寿命試験を行なった結果、１億パルス以上の寿命を示し
た。そこで、パルス幅０．１ｍｓ、印字周期２ｍｓ、印
加エネルギ０．１１ｍｊ／ｄｏｔとして実印字寿命試験
を行なったところ、２０００〜３０００万パルスで抵抗
値が１０％以上増加することが分かった。しかし、これ
だけ短いパルス幅での印字でこれだけの寿命特性を示す
理由は、裸同然の発熱抵抗体の発熱温度が従来の厚い保
護層を有する発熱抵抗体に比べて２００〜３００℃も低
くなること（同一発色濃度でのシミュレーション結
果）、及びＣｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体２と耐熱
樹脂層２４の間に２〜３μｍの厚さの無機絶縁物層２５
を設けたことによってポリイミドが受ける温度が更に５
０〜１００℃低くなることに起因するのは明らかであ
る。但し、上記無機絶縁物層２５の厚さと保護層５の総
厚さが１〜２μｍと薄くなると、プラテンローラによる
加圧がポリイミドの疲労変形となって発熱抵抗体の破断
をもたらすことが分かっている。従って、機械的強度の
大きいＳｉ₃Ｎ₄膜を用い、前記総厚さを２μｍ以上とし
なければならないが、生産性も考えてこの総厚さは２〜
４μｍの範囲とするのが最適となる。

【００５５】本実施例のヘッドの製作は、仮に２〜３μ
ｍルールの半導体プロセスを用いてドライバ回路の製作
をしても、デバイス領域は３００〜５００μｍの幅に納
まる。しかも、熱効率が約３倍にも向上したためにＳｉ
基板側への流出熱量は従来技術のヘッドの場合の１／３
となり、このデバイス領域の昇温を１００℃以下にでき
るための発熱抵抗体との隔離距離は高々２００μｍもと
ればよいことがシミュレーションからも分かっている。
そして、発熱抵抗体の製造プロセスは６００ｄｐｉとし
ても１０μｍルール相当であり、両方とも製造歩留りの
非常によいプロセスでヘッドを製造することが可能であ
る。この高い製造歩留りが付加価値の高いモノリシック
ＬＳＩサーマルプリントヘッドのコストを従来並みのレ
ベルに押し下げるのである。そして、５インチまたは６
インチウエハで製造できる長さのヘッドであれば、ドッ
ト密度は１０００ｄｐｉでも製造可能であり、コストも
あまり変わらない。しかし、Ａ４サイズあるいはＢ４サ
イズの長さのヘッドを作る場合は２本を中央部分で突き
合わせて作る必要があり、この方法ではドット密度は４
００ｄｐｉ程度が限界となる。どちらにしても、従来、
熱効率がよいとされていたグレーズドセラミック基板を
用いたサーマルヘッドでは数千本のワイヤボンディング
を必要とするため、ラインヘッドのドット密度は２００
〜３００ｄｐｉが限界で、実装コストも高くなってい
た。しかし、本実施例では２０本程度のワイヤボンディ
ングですみ、しかもヘッドサイズが大幅に小さくなり
（１０〜２０分の１）、熱効率はほぼ３倍（０．３４ｍ
ｊから０．１２ｍｊ）、印字速度は数倍となって、記録
紙の連続送りが可能となったのである。これらの特性は
ファクシミリやプリンタの小型化、低消費電力化、高速
化、高画質化（記録紙の連続送りと印字タイミングの制
御）、低コスト化に大きく貢献できることはいうまでも
ないであろう。

【００５６】〔実施例４〕実施例１〜３に使用したＣｒ
−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体材料と非常によく似た特
性を示すＴａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体材料につい
ては先述した通りである。そこで、この材料についても
実施例１で述べたＣｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体と
同様の試作、評価を行なったが、実施例１で述べたＣｒ
−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体とほとんど同一の結果を
得た。なお、これら２つの材料の唯一の相違点は、Ｃｒ
−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体のＳＳＴ（図４）と寿命
試験（図６）における抵抗値変化率が一旦マイナス側に
変化した後破断するのに対し、Ｔａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金
薄膜抵抗体は徐々にプラス側に変化した後破断するとい
う点である。従って、保護層のないＴａ−Ｓｉ−ＳｉＯ
合金薄膜抵抗体の場合においても、基板の線膨張係数が
５×１０~⁶／℃以下であれば高速印字の可能な薄膜サー
マルプリントヘッドとすることができ、実施例２及び実
施例３に述べたモノリシックＬＳＩサーマルプリントヘ
ッドと同一のヘッドを実現することが可能なのである。

【００５７】

【発明の効果】本発明によれば、２５〜６５％の印字エ
ネルギの削減、１０〜２０分の１のヘッドの小型化、３
〜５倍の印字速度の高速化、ドット密度の大幅な向上、
記録紙の連続送り化による画質の向上などが可能なサー
マルヘッド、サーマルプリンタを実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例となる発熱抵抗体の断面図で
ある。

【図２】 本発明の他の実施例となる発熱抵抗体の断面
図である。

【図３】 従来の発熱抵抗体の断面図である。

【図４】 ＳＳＴ特性を示すグラフである。

【図５】 熱応力の大きさと耐パルス性を示すグラフで
ある。

【図６】 空印字寿命特性を示すグラフである。

【図７】 本発明の他の実施例となる発熱抵抗体の断面
図である。

【図８】 図７の発熱抵抗体を搭載したサーマルヘッド
の断面図及び平面図である。

【図９】 本発明の他の実施例となる発熱抵抗体の断面
図である。

【符号の説明】

１は基板、２はＣｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体、３
はバリア金属薄膜、４は薄膜導体、５は保護層である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃｒ−Ｓｉ−ＳｉＯまたはＴａ−Ｓｉ−
   ＳｉＯ合金薄膜抵抗体と、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａまた
   はＷより選ばれた薄膜導体とからなる発熱抵抗体が、常
   温から３００℃の範囲での線膨張係数が５×１０~⁶／℃
   以下である基板上に形成されていることを特徴とするサ
   ーマルプリントヘッド。
2. 【請求項２】 駆動用ＬＳＩチップ上に、常温から３０
   ０℃の範囲での線膨張係数が５×１０~⁶／℃以下である
   無機絶縁物層の断熱層を設け、この上にＣｒ−Ｓｉ−Ｓ
   ｉＯまたはＴａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体と、Ｎ
   ｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＴａまたはＷより選ばれた薄膜導体と
   からなる発熱抵抗体を形成したことを特徴とするサーマ
   ルプリントヘッド。
3. 【請求項３】 駆動用ＬＳＩチップ上に、耐熱樹脂層と
   無機絶縁物層からなり、常温から３００℃の範囲での合
   成線膨張係数が５×１０~⁶／℃以下である２層構造の断
   熱層を設け、この上にＣｒ−Ｓｉ−ＳｉＯまたはＴａ−
   Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体と、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔ
   ａまたはＷより選ばれた薄膜導体とからなる発熱抵抗体
   を形成したことを特徴とするサーマルプリントヘッド。
4. 【請求項４】 前記発熱抵抗体に１μｍ以下の厚さの耐
   摩耗層を被覆したことを特徴とする請求項１、２または
   ３記載のサーマルプリントヘッド。
5. 【請求項５】 請求項１、２、３または４に記載のサー
   マルプリントヘッドを搭載して感熱記録を行うことを特
   徴とするサーマルプリンタ。