JPH10114092A - サ−マルヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 サ−マルヘッドの印字熱効率、印字品位、高
速印字性及び製造歩留まりを向上することを可能にした
構造及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 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
温層は蒸着により積層された、導電性黒色セラミック膜
からなる蓄熱層と、遷移金属膜からなる熱拡散層と、絶
縁性セラミック膜からなる熱抵抗層とから構成され、更
に前記保温層に熱酸化処理が施されたことを特徴とす
る。

Description

【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、高速印字性及び製造歩留
まり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３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の端部にガラスからなる凸状の透明な部分グレ−
ズ層２を略３０μｍ厚みに形成して、その上にＴａ−Ｓ
ｉＯ２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、フォソリソ技術により所
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、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、サイアロン等
からなる保護層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−マルヘッドの部分グレ−ズ層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蓄熱層として不
十分なものである。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−を増大させたり、グレ−ズ層２の厚みを厚く
することとなり、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−の増大及びグレ−
ズ層２の体積増大は、無効熱量の増大とグレ−ズ層２の
放熱性の悪化を招き、サ−マルヘッドの蓄熱が大きくな
り、熱履歴補正ＬＳＩ等による熱制御精度が低下して、
印字品位及び高速印字性を著しく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、グレ−ズ層２の断熱性能及び放熱性
能の限界に達している。

【０００８】また、グレ−ズ層２は厚膜技術によりガラ
スペ−ストの印刷、焼成で形成されているため、膜厚精
度に難があり、膜厚のバラツキ幅が３０μｍの厚みで略
１０μｍもあるため、発熱抵抗体３の蓄熱バラツキが大
きく、グレ−ズ層２の膜厚の層別（グレ−ズ層２の膜厚
を測定して、厚いものはエッチングして、膜厚を揃え
る）が不可欠となり、サ−マルヘッドの歩留まり、及び
生産性を著しく低下させ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、前記保温層は蒸着により積層された、導電
性黒色セラミック膜からなる蓄熱層と、遷移金属膜から
なる熱拡散層と、絶縁性セラミック膜からなる熱抵抗層
とから構成され、更に前記保温層に熱酸化処理が施され
たことを特徴とする。

【００１０】また、本発明は、前記保温層は、下層の前
記蓄熱層が略１５〜２０μｍ、中間層の前記熱拡散層が
略０．１〜０．５μｍ、上層の前記熱抵抗層が略１〜２
μｍの厚みにそれぞれ積層されたことを特徴とする。

【００１１】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、前
記保温層の積層工程が、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
膜からなる蓄熱層を積層する工程と、遷移金属の蒸着に
より熱拡散層を積層する工程と、絶縁性セラミック膜の
蒸着により熱抵抗層を積層する工程とからなり、更に該
保温層を熱酸化処理する工程からなることを特徴とす
る。

【００１２】また、本発明は、前記熱酸化処理する工程
が、略６００〜９００℃の温度により、前記熱抵抗層の
欠陥部に露出している前記熱拡散層を熱酸化することを
特徴とする。

【００１３】前述したように本発明の保温層は、少なく
とも３層に形成されており、下層の蓄熱層は導電性黒色
セラミック膜、いわゆる「サ−メット膜」を略１５〜２
０μｍの厚みに蒸着により積層され、従来のグレ−ズ層
と同様の働きをするものであるが、酸化度を加減して遊
離金属を含ませて黒色化させているため、蓄熱層は伝導
熱及び輻射熱の吸収性が高くなり、断熱性（発熱ドット
部分に熱を溜める）を向上させることができる。

【００１４】また、中間層の熱拡散膜は、遷移金属が略
０．１〜０．５μｍの厚みに蒸着により積層されている
が、該金属膜は輻射熱に対する反射性に優れるととも
に、熱伝導率が大きく熱拡散性が高いが、適度の厚みと
することにより膜内に熱を保持する効果が生じて断熱性
を向上させることができる。

【００１５】更に、上層の熱抵抗層は熱伝導率の小さい
絶縁性セラミック膜を、略１〜２μｍの厚みに蒸着によ
り積層したことにより、発熱抵抗体から発生するジュ−
ル熱の伝導熱及び中間層である熱拡散層からの輻射熱の
反射を受けて高温となり、熱の２次放射効果により発熱
抵抗体の発熱温度をより高める効果を生じる。

【００１６】このように、保温層を少なくとも３層構成
とすることにより、熱吸収性及び熱反射性に優れたもの
となり、従来のガラスからなる透明な１層の保温層と比
べて断熱性が高まる。また、下層の蓄熱層の膜厚を従来
のグレ−ズ層の略３０μｍに対して、略１５〜２０μｍ
とできることにより、熱容量が低減され、発熱ドットの
直下に蓄熱が集中することになる。

【００１７】また、本発明の保温層は、薄膜技術により
蒸着で形成するため、自公転式の基板ホルダを用いるこ
とにより、従来の厚膜技術により形成されるグレ−ズ層
の厚みバラツキ幅、略１０μｍに対して、略３μｍ以内
とできる。従って、発熱抵抗体の蓄熱バラツキが著しく
少なくなり、熱制御精度が向上して高印字品位での高速
印字を可能とするとともに、サ−マルヘッドの製造歩留
まり及び生産性を向上させることができる。

【００１８】また、本発明の保温層は、発熱抵抗体及び
電極との絶縁性を確保するために、上層の絶縁性の熱抵
抗層の欠陥部から中間層の遷移金属が露出して、発熱抵
抗体や電極のショ−トが発生し、サ−マルヘッドの歩留
まりを低下させる問題を回避するため、保温層を積層
後、熱酸化処理して前記遷移金属が露出した部分を絶縁
物化することにより、サ−マルヘッドの製造歩留まりを
高くすることができる。

【００１９】

【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、その上に少な
くとの３層構成からなる蒸着による保温層１２が積層さ
れている。該保温層１２はその下層としてシリコンと遷
移金属（特に、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｈ
ｆ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、いわゆる「サ−メット膜」からなる蓄熱層１２
ａが略１５〜２０μｍの厚みに形成されている。該蓄熱
層１２ａ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。このようにスパッタ蒸着で密度の低
い柱状晶に形成された黒色の蓄熱層１２ａは、従来の透
明なガラスグレ−ズ層２の厚み略３０μｍに対して、熱
容量が小さい上に遊離した金属による熱の吸収性及び反
射性が付与されるため、前記蓄熱層１２ａの厚みを１５
〜２０μｍとしても従来と同等のサ−マルヘッドの印字
熱効率となる。

【００２０】前記蓄熱層１２ａ上に中間層として遷移金
属膜（特に、Ｔａ、Ｗ，Ｃｒ、ＴｉＭｏ、Ｚｒ等の前記
高融点金属群が好適）からなる熱拡散層１２ｂが略０．
１〜０．５μｍの厚みにＣＶＤ、スパッタ等で蒸着によ
り積層される。その熱拡散層１２ｂは、熱伝導率の大き
い金属膜であるが、膜厚が薄い略０．１〜０．５μｍの
範囲にあると伝導熱を膜内に拡散蓄熱する効果が大き
い。但し、０．５μｍ以上では熱拡散が大きくなりすぎ
て蓄熱効果が低下する。また、金属膜は輻射熱の反射性
が高いため、サ−マルヘッドの印字熱効率を高める作用
が大きい。

【００２１】前記熱拡散層１２ｂ上には、上層として絶
縁性セラミック膜からなる熱抵抗層１２ｃが略１〜２μ
ｍの厚みにＣＶＤ、スパッタ蒸着等により積層される。
該熱抵抗層１２ｃは、絶縁性が高く熱伝導率の小さい酸
化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、又はサイ
アロン等からなるため、後述する発熱抵抗体１３の発熱
を発熱部１３ａ（発熱ドット）の直下で蓄熱する効果が
大きく、サ−マルヘッドの印字熱効率を高める作用に働
く。

【００２２】また、前記熱抵抗層１２ｃ上には、後で発
熱抵抗体１３や電極１４が形成されるため、中間層であ
る前記熱拡散層１２ｂに対して絶縁性を有することが必
須条件となり、熱抵抗層１２ｃの厚みは略１〜２μｍが
適切であるが、該熱抵抗層１２ｃは、前述したようにＣ
ＶＤやスパッタ蒸着により積層され、現状では分子レベ
ルによる成膜欠陥を皆無とすることが不可能である。そ
のため、保温層１２が３層に積層された後、酸素雰囲気
中にて略６００〜９００℃で熱酸化することにより、前
記熱抵抗層１２ｃの欠陥部（欠陥穴）から露出している
遷移金属からなる前記熱拡散層１２ｂを選択的に絶縁性
酸化物とすることにより、信頼性の高い保温層が形成で
きる。なお、熱酸化の温度としては、前記熱拡散層１２
ｂの金属を熱酸化により絶縁性を付与するには、少なく
とも６００℃以上が必要で、但し、基板１１や保温層１
２の耐熱限界より９００℃以下とする。

【００２３】その保温層１２の上に、前記従来例と同様
に、Ｔａ−ＳｉＯ２等からなる発熱抵抗体１３が積層形
成され、その上にアルミ、銅や金等からなる電極１４が
積層形成されて、該発熱抵抗体１３の発熱部１３ａを挟
んで共通電極１４ａと個別電極１４ｂが形成される。最
後に、前記発熱抵抗体１３や前記電極１４を酸化及び磨
耗から保護するための保護層１５が、サイアロン、Ｓｉ
−Ｏ−ＮやＳｉＣ等により略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。

【００２４】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のグラフにより説明する。同図は、サ−マルヘッドの
発熱抵抗体１３に１パルスの電流を印加したときの発熱
部１３ａの温度変化を示したもので、実線のグラフａが
本発明、破線のグラフｂが従来例である。図から明らか
なように従来は温度のピ−ク値が５００℃であったもの
が、本発明の場合は６００℃と著しく向上している。

【００２５】これは、本発明のサ−マルヘッドにおい
て、発熱抵抗体１３から放射される輻射熱は、保温層１
２の下層のサ−メット膜からなる前記蓄熱層１２ａ及び
中間層の遷移金属膜からなる前記熱拡散層１２ｂにより
反射され、且つ伝導熱も該両層１２ａ、１２ｂにより吸
収され、発熱ドット部分を蓄熱するための良好な断熱効
果が生じているためである。なお、本発明は、シリコン
等の良放熱性の基板１１を用いているため、基板１１に
流入する熱は、速やかに放熱されるため、特に連続印字
を行っても印字品位を保つことができる。

【００２６】以上のように、本発明の実施の形態とし
て、前記保温層１２を３層構成にて説明してきたが、更
に多層化してもよく、例えば、上層の熱抵抗層１２ｃを
下層の蓄熱層１２ａと中間層の熱拡散層１２ｂとの間に
更に介挿して４層構成としたり、熱拡散層１２ｂと熱抵
抗層１２ｃとを交互に介挿して５〜６層構成とすること
もできる。また、熱拡散層１２ｂの遷移金属として高融
点金属群が好適であるが、熱酸化により絶縁性酸化物を
形成できるものであればその他の種類の遷移金属であっ
ても勿論本発明に用いることができる。

【００２７】

【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蓄熱層と、遷移金
属膜からなる熱拡散層と、絶縁性セラミック膜からなる
熱抵抗層とから構成され、更に前記保温層に熱酸化処理
が施されたものであるため、従来の単層構成の透明なガ
ラスグレ−ズ層に比べて、発熱抵抗体の発熱ドットに発
生するジュ−ル熱の伝導熱及び輻射熱の吸収と反射効果
により、断熱性が高まり、発熱した熱を発熱ドットの直
下に閉じこめる作用が大きくなり、サ−マルヘッドの印
字エネルギ−を低減でき印字熱効率を向上できる。

【００２８】また、本発明は、保温層の厚みを従来の略
半分にできるため、保温層の熱容量が低減され、熱応答
性が向上して、熱制御精度が向上して、特に熱転写印字
における転写ドットの忠実度が高まり印字品位及び高速
印字性を向上することができる。

【００２９】また、本発明の保温層は、薄膜技術による
蒸着法で積層しているため、従来の厚膜技術により形成
されるグレ−ズ層に比較して、膜厚のバラツキ幅を略１
／３に低減できるので、蓄熱バラツキが著しく少なくな
り、熱制御精度が向上して高印字品位で高速印字が可能
になるとともに、サ−マルヘッドの歩留まり及び生産性
を向上させることができる。

【００３０】また、本発明のサ−マルヘッドの製造方法
によれば、保温層の製造工程に熱酸化処理の工程を設け
たことにより、絶縁性セラミック膜からなる熱抵抗層に
欠陥部が発生して、金属膜からなる熱拡散層が露出して
も、熱酸化処理により絶縁性酸化物ができるため、保温
層の上面に形成する発熱抵抗体や電極のショ−トの発生
を解消でき、製造歩留まりを向上できる等の顕著な効果
を奏する。

【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−マルヘッドの熱応答特
性を比較するグラフである。

【図３】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、 ガラスグレ−ズ層 １２ 保温層 １２ａ 蓄熱層 １２ｂ 熱拡散層 １２ｃ 熱抵抗層 ３、１３ 発熱抵抗体 １３ａ 発熱部 ４、１４ 電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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
   温層は蒸着により積層された導電性黒色セラミック膜か
   らなる蓄熱層と、遷移金属膜からなる熱拡散層と、絶縁
   性セラミック膜からなる熱抵抗層とから構成され、更に
   前記保温層に熱酸化処理が施されたことを特徴とするサ
   −マルヘッド。
2. 【請求項２】 前記保温層は、下層の前記蓄熱層が略１
   ５〜２０μｍ、中間層の前記熱拡散層が略０．１〜０．
   ５μｍ、上層の前記熱抵抗層が略１〜２μｍの厚みにそ
   れぞれ積層されたことを特徴とする請求項１記載のサ−
   マルヘッド。
3. 【請求項３】 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、 前記保温層の積層工程が、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
   ク膜からなる蓄熱層を積層する工程と、遷移金属の蒸着
   により熱拡散層を積層する工程と、絶縁性セラミック膜
   の蒸着により熱抵抗層を積層する工程とからなり、更に
   該保温層を熱酸化処理する工程からなることを特徴とす
   るサ−マルヘッドの製造方法。
4. 【請求項４】 前記熱酸化処理する工程は、略６００〜
   ９００℃の温度により、前記熱抵抗層の欠陥部に露出し
   ている前記熱拡散層を熱酸化することを特徴とする請求
   項３記載のサ−マルヘッドの製造方法。