CN1184080C

CN1184080C - 热敏打印头

Info

Publication number: CN1184080C
Application number: CN02152467.XA
Authority: CN
Inventors: 白川享志; 久保敏; 十文字雅久
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2001-12-03
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2022-12-03
Also published as: US6767081B2; US6950117B2; CN1424200A; US20040212669A1; US20030103112A1

Abstract

本发明公开了一种热敏打印头，可防止由于热扩散引起的热效率低下并且节电。实施方式1的特征是基板上形成由Si和多种过渡金属和氧的化合物组成的低热传导性的导电性多元低氧化物陶瓷层组成的保温层，在其上面形成由至少有Si和多种过渡金属和氮的化合物的构成的低热传导性的绝缘性多元高氮化合物陶瓷层组成的第1绝缘层、以及在该第1绝缘层的上面形成的由层状的高绝缘性SiO₂层或Al₂O₃层组成的第2绝缘层，实施方式2的特征是基板由通过热处理而发生了相分离的玻璃所组成，同时在形成发热元件的位置形成突起一定高度的凸条部，在其上部分形成的由发生了相分离的玻璃的一个成分被选择溶出的多孔质玻璃组成的第1保温层和在第1保温层上形成的层状的低热传导性陶瓷的第2保温层。

Description

热敏打印头

技术领域

本发明涉及一种热敏打印机中所使用的热敏打印头，尤其涉及节电且具有高速热响应性的热敏打印头。

背景技术

最近，热敏打印头大量应用于各种信息设备的记录装置。为了使这些信息设备达到高速、低价、节电、小型化等目标，对于热敏打印头也提出了节电且具有高速热响应性的要求。

要使热敏打印头具有高速热响应性，可以使用热传导率较低的保温层材料，并减少保温层的厚度以降低热容量。但是，要减少过去使用的釉保温层材料的热传导率，技术上有困难。所以在使用釉保温层材料时，只是减少其厚度，以减少釉保温层的热容量，减少蓄热。

因此，现在一般都是在牺牲节电性能的同时，得到所希望的热响应性，进行高速打印。

过去的热敏打印头如图5所示。在由氧化铝组成的放热性基板1的上面，形成有由玻璃组成的热传导率约为1.1W/m.k的釉保温层2。

釉保温层2具有例如200μm的厚度，并形成有突起一定高度的凸条部2a，在凸条部2a上形成有后述的发热元件3a。

还有，在釉保温层2的上面，形成有由Ta-SiO₂、TiO₂等组成的发热电阻体3，在此发热电阻体3的上面形成有公共供电体4和单个供电体5，在公共供电体4和单个供电体5之间形成有发热元件3a。

在上述物体的上面，覆盖有由硅铝氧氮耐热陶瓷等陶瓷组成的保护层6，以防止发热元件3a、共同供电体4和单个供电体5等发生氧化和磨损。

过去这种结构的热敏打印头通过向单个供电体5传输基于印刷信息的脉冲电流，能够使发热单元3a选择发热。

但是如前面所述，目前的热敏打印头由于在放热性基板1的上面形成有例如厚度为200μm的极厚的釉保温层2，所以具有相同的热传导率。

因此，釉保温层2处于冷却状态时的单发脉冲通电产生的发热温度低，且与釉保温层2的厚度无关。由于通电时需要大的施加能量，在开始打印的行首位置，完全没有节电效果，也不能降低电池的峰值电流。

还有，在进行连续脉冲通电时，由于釉保温层2的放热性差，釉保温层2的形成有较大发热元件3a的印字负荷部分的蓄热非常大。

因此，发热元件3a的发热温度过高，超过通电热控制的控制范围，在记录用纸上印刷的图像上有可能出现渗墨和拖尾等现象，从而降低打印质量。

然而近年来出现了既不牺牲节电性能，又具有良好热响应性的良好的保温层材料。这种保温层材料由具有低热传导性的低氧化物陶瓷通过氧反应蒸发涂复方法制得。

过去的采用了上述保温层材料的热敏打印头如图6所示，在由硅等组成的具有良好的防热性的基板11的表面，通过光刻技术形成一定高度的凸条部11a，在此凸条部11a上面形成层状的保温层12。

上述保温层12由硅和多种过渡金属与氧的化合物组成，热传导率约为0.8W/m.k，电阻率约为100Ω-cm，热传导率低，具有导电性，通过氧反应蒸发涂复方式在基板11上形成，厚度为10-30μm。

还有，在保温层12的上面，为了使表面绝缘并具有耐腐蚀性，通过溅射蒸发涂敷方式形成由SiO₂、Al₂O₃等绝缘性陶瓷组成的单层的层状绝缘层13，其厚度约为2μm。

还有，在单层的绝缘层13的上面，通过溅射蒸发涂敷方式形成有由Ta-SiO₂或Ti-SiO₂等组成的发热电阻体14，并通过光刻技术形成发热电阻体14的图形。

在上述发热电阻体14的上面，形成有由Al或Cu组成的公共供电体15和单个供电体16，在此公共供电体15和单个供电体16之间形成有发热元件14a。

在这些上面，覆盖有由硅铝氧氮耐热陶瓷等陶瓷组成的保护层17，以防止发热元件14a、公共供电体15和单个供电体16等发生氧化和磨损。

过去这种结构的热敏打印头由于在高热导电性的硅基板11上形成有低导热性的保温层12，可以提高通过单发驱动的单发脉冲通电的发热元件14a的发热温度，降低印刷开始时的基板11的温度较低的行首处的印字淡化现象。

还有，可以减少电源的峰值电流，实现节电和电源小型化的目标。还有，由于防热性好的基板11和绝热性好的低热容量的保温层12相组合，即使是通过连续驱动的连续脉冲通电的连续通电，也能够减缓由于蓄热造成的基板11的温度上升，得到节电的适合高速印刷热敏打印头。

但是，如前所述，现有的采用了保温层的热敏打印头虽然在导电性保温层12上面通过由单层绝缘性陶瓷组成的绝缘层13形成有层状发热体14和供电体15、16，蒸发涂复所特有的针孔缺陷还是会造成各图形之间的通过保温层12的漏电问题。

如果出现这种漏电问题，热敏打印头就不能正常工作。

还有，即使绝缘层13的厚度为约2μm，仍然不能完全消除漏电问题。另外，如果增加绝缘层13的厚度，由于绝缘层13的热传导率比保温层12大，所以会增大绝缘层13中的热扩散，降低热效率。

另外还有，如果采用溅射速率低的SiO₂、Al₂O₃等材料形成厚度约为2μm的单层的绝缘层13时，生产时间长，生产效率低。

还有，作为消除蒸发涂复所特有的针孔缺陷的有效方法，可以采用分次成膜，并在其中间加入机械清洗工序。但是增加了这种清洗工序后，也增加了工时，降低了生产效率。

发明内容

本发明的目的在于，基于上述问题，通过在保温层上形成复数层材质不同的绝缘层，以减少漏电现象，同时防止由于热扩散引起的热效率的降低，提供能够节电的适合高速印刷的热敏打印头。

作为实现上述目的的本发明一是，本发明的热敏打印头具有在基板的上面形成的保温层、在该保温层上面形成的由多个发热电阻体和供电体组成的多个发热元件、至少覆盖所述发热电阻体和所述供电体的表面的保护层，所述保温层由Si和多种过渡金属和氧的化合物组成的低热传导性的导电性多元低氧化物陶瓷层组成，所述保温层的上面形成有多层材质不同的绝缘层。并且，所述绝缘层具有由至少有Si和多种过渡金属和氮的化合物的低热传导性的绝缘性多元高氮化合物陶瓷层组成的第1绝缘层、以及在该第1绝缘层的上面形成的由层状的高绝缘性SiO₂层或Al₂O₃层组成的第2绝缘层。另外，在上述本发明中，第1绝缘层厚度为0.2～1.0μm，所述第2绝缘层的厚度为0.3μm。

还有，作为实现上述目的的本发明二是，本发明的热敏打印头具有在基板的上面形成的保温层、在该保温层上面形成的由多个发热电阻体和供电体组成的多个发热元件、至少覆盖上述发热电阻体和上述供电体的表面的保护层，所述基板由通过热处理而发生了相分离的玻璃所组成，同时在形成所述发热元件的位置形成突起一定高度的凸条部，所述保温层具有由在所述凸条部上部分形成的上述发生了相分离的玻璃的一个成分被选择溶出的多孔质玻璃的第1保温层和在该第1保温层上形成的层状的低热传导性陶瓷的第2保温层组成的2层结构。

另外还有，作为实现上述目的的本发明三是，在包括所述凸条部的所述基板的上面形成覆盖层，该覆盖层在所述凸条部的顶部形成有开口部以部份形成所述第1保温层，从该开口部处露出所述凸部的所述顶部。

另外还有，作为实现上述目的的本发明四是，所述覆盖层由厚度为0.01～-0.1μm的绝缘性陶瓷组成，从所述开口部部分形成所述第1保温层，在所述第1保温层和所述覆盖层上面形成所述第2保温层。

另外还有，作为实现上述目的的本发明五是，所述第1保温层由热传导率为0.3～0.5W/m.k的高绝热性多孔质硅层组成。

另外还有，作为实现上述目的的本发明六是，所述第2保温层由Si和多种过渡金属和氧的化合物组成的热传导率为0.8～1.0W/m.k的低热传导性陶瓷层组成。

另外还有，作为实现上述目的的本发明七是，所述第2保温层沿着所述开口部的形状形成，并消除相当所述覆盖层厚度的台阶以实现平坦化。

另外还有，作为实现上述目的的本发明九是，在所述第1保温层的上面形成厚度为10～30μm的层状的第2保温层。

附图说明

图1是与本发明的第1实施方式的热敏打印头有关的关键部位剖面图。

图2表示与本发明的第1实施方式有关的热敏打印头绝热特性的曲线。

图3是与本发明的第2实施方式的热敏打印头有关的关键部位剖面图。

图4表示本发明的第2实施方式的热敏打印头绝热特性的曲线。

图5表示过去的热敏打印头的第1例的关键部位剖面图。

图6表示过去的热敏打印头的第2例的关键部位剖面图。

具体实施方式

以下，按照附图说明本发明的热敏打印头。

图1为表示本发明的第1实施方式的热敏打印头的关键部位剖面图，图2为比较本发明第1实施方式的热敏打印头与过去的热敏打印头的热响应性的曲线图。

首先，如图1所示，本发明的第1实施方式的热敏打印头中，在由硅等组成的具有良好放热性的基板21的表面，形成有高度为2～20μm的具有大约台阶形状的截面的光滑突出的凸条部21a。

在所述基板21的上面，形成有具有良好机械强度和绝热性、含有金属、具有导电性的黑色的低密度的保温层22。

该保温层22具有热传导率约为0.8W/m.k的低热传导率、由多种过渡金属与氧组成、通过氧反应溅射蒸发涂敷方式形成的厚度为10～30μm的层状结构。另外，所述保温层22以电阻率约为100Ω-cm的导电率成膜。

另外，在所述保温层22的上面，形成有材质不同的复数层的绝缘层23。该绝缘层23的下层形成由主材料的硅为高绝缘性的Si₃N₄、厚度为0.2～1.0μm的低热传导性的绝缘性多元高氮化合物陶瓷组成的第1绝缘层23a。

另外，在上层形成由高绝缘性SiO₂层或Al₂O₃层组成的厚度约为0.3μm的层状的第2绝缘层23b，并形成复数层的绝缘层23。即绝缘层23至少包括有层状的第1和第2绝缘层23a，23b。

还有，在第2绝缘层23b的上面形成有层状的厚度约为0.1μm的由Ta-SiO₂等组成的发热电阻体25的图形。

在所述发热电阻体25的上面形成有由Al或Cu等组成的公共供电体26和单个供电体27，在公共供电体26和单个供电体27之间形成有发热元件25a。

还有，至少为了防止发热电阻体25、公共供电体26和单个供电体27发生氧化或磨损，在这些物体的上面覆盖有层状的厚度约为5μm的由硅铝氧氮耐热陶瓷等陶瓷组成的保护层28。

下面说明由这一结构组成的本发明的热敏打印头的制造方法。

首先，在高放热性的基板21的表面，利用光刻技术突出形成高度为2～20μm的凸条部21a。

接着，在基板21的表面，通过氧反应溅射蒸发涂敷方法，形成黑色的保温层22。即保温层22为通过控制氧化度来溅射形成黑色的低密度的低氧化物陶瓷膜，具有非常小的热传导率。

所述保温层22的氧反应溅射蒸发涂敷工作结束后，继续保持装置内的真空，在同一装置内将氧气切换到氮气，在高氮气氛下进行高氮反应溅射蒸发涂敷，以连续形成由低热传导性的绝缘性多元高氮化合物陶瓷组成的第1绝缘层23a。

在该第1绝缘层23a的上面，通过溅射蒸发涂敷形成由高绝缘性SiO₂层或Al₂O₃层组成的层状的第2绝缘层23b。

这一第2绝缘层23b的形成过程可以为先形成第1绝缘层23a，然后再通过抛光第1绝缘层23a的表面以清除表面突起缺陷。这样在抛光了的第1绝缘层23a的表面形成第2绝缘层23b，可以确保消除漏电问题。

接着，在第2绝缘体23b的上面，通过溅射蒸发涂敷形成层状的发热电阻体25，利用光刻技术形成发热电阻体25的图形。

接着，在发热电阻体25的上面，通过溅射蒸发涂敷形成层状的供电体材料，利用光刻技术形成公共供电体26和单个供电体27。

接着，至少在发热电阻体25、公共供电体26和单个供电体27的上面通过溅射蒸发涂敷覆盖层状的保护层28。

上述的本发明的热敏打印头由于在保温层22的成膜之后接着形成绝缘层23a，所以在第1绝缘层23a的上面形成的由SiO₂或Al₂O₃组成的层状的第2绝缘层23b的厚度约为0.3μm时，也能够提高绝缘性的可靠性。

还有，与本发明的第1实施方式有关的热敏打印头的第2绝缘层23b的材料热传导率比保温层22大，而且厚度小，所以能够防止由于热扩散引起的热效率损失。

因此，如图2的热响应性曲线所示，与点线表示的过去的热敏打印头相比，实线表示的本发明的热敏打印头能够提高单位时间的发热温度，具有节电性，适合高速印刷。

这样，与本发明的第1实施方式有关的热敏打印头中，由于在由Si和多种过渡金属和氧的化合物组成的低热传导性的导电性多元低氧化物陶瓷层组成的保温层的上面形成有多层材质不同的绝缘层，所以可以消除蒸发涂复所特有的针孔缺陷，消除电流的漏电缺陷。

还有，由于绝缘层具有由至少有Si和多种过渡金属和氮的化合物的低热传导性的绝缘性多元高氮化合物陶瓷层组成的第1绝缘层、以及在该第1绝缘层的上面形成的由层状的高绝缘性SiO₂层或Al₂O₃层组成的第2绝缘层，所以可以消除电流的漏电缺陷，提供节电的具有优良的高速热响应性的热敏打印头。

下面，按照附图说明与本发明的第2实施方式有关的热敏打印头。图3是有关本发明的关键部位剖面图。图4表示本发明的第2实施方式的热敏打印头与现有的热敏打印头的热效率相比较的曲线。

接着，如图3所示，与本发明的第2实施方式有关的热敏打印头采用了由厚度约为1mm的玻璃组成的基板31。该基板31由具有与在现有技术中所说明了的釉保温层2相同的热扩散率、容易通过热处理进行相分离的玻璃组成。

在该基板31的表面，通过光刻技术腐蚀形成其截面为大约台阶形状且突出高度为2～50μm的凸条部31a。所述凸条部31a形成后，用500～600℃的温度对基板31进行热处理，以使玻璃的成分发生相分离。

还有，所述基板31经过相分离热处理后，在该基板31的表面形成层状的厚度为0.01～0.1μm的SiO₂等，通过光刻技术形成覆盖包括凸条部31a的基板31上面的覆盖层32。

该覆盖层32在凸条部31a的顶部31b形成具有宽度约为50μm的狭缝的开口部32a，从该开口部32a处露出凸条部31a的顶部31b的一部分。

还有，上述凸条部31a和覆盖层32可以在进行基板31的相分离热处理之前形成，然后再进行相分离热处理。

另外，将形成有上述覆盖层32的基板31浸入盐酸或硝酸等的已加热酸液、或者热水中，在从该开口部32a处露出凸条部31a的顶部31b上形成由Na₂O-B₂O₃等玻璃相被选择溶出的多孔质玻璃层所组成的第1保温层33。

所述第1保温层33的热传导率为0.3～0.5W/m.k，明显低于现有技术所说明的釉保温层2。另外，所述第1保温层33位于后面叙述的发热元件36a的下方深度约为50μm的位置。

还有，从所述开口部32a露出的第1保温层33和覆盖层32的上面形成有具有良好机械强度和绝热性的第2保温层34。

同时，第2保温层34具有利用溅射蒸发涂敷方法形成的厚度为10～30μm的层状结构，以支撑多孔质的机械强度不好的第1保温层33。

还有，所述第2保温层34由硅和多种过渡金属与氧组成，其热传导率约为0.8～1.0W/m.k。

另外，在第2保温层34的表面沿着覆盖层32的开口部32a的形状形成，为了消除相当覆盖层32的厚度的台阶(图中未画出)，对第2保温层34的上面进行研磨抛光以实现平坦化。

另外，在通过研磨抛光变得平坦化了的第2保温层34的上面形成有由耐腐蚀性的SiO₂等绝缘性陶瓷组成的厚度约为0.3μm的层状的下部镀层35。

在该下部镀层35的上面通过溅射蒸发涂敷方法形成有由Ta-SiO₂组成的厚度约为0.1μm的层状发热电阻体36，并通过光刻技术形成发热电阻体的图形。

还有，在发热电阻体36的上面通过溅射蒸发涂敷方法形成有由Al、Cu组成的厚度约为1～3μm的层状的供电体材料，并通过光刻技术形成公共供电体37和单个供电体38。另外在公共供电体37和单个供电体38之间形成有发热元件36a。

发热元件36a的下面是第1保温层33。

因此，至少为了防止发热电阻体36、公共供电体37和单个供电体38发生氧化或磨损，在这些物体的上面覆盖有通过溅射蒸发涂敷方法形成的层状的厚度约为5μm的由硅铝氧氮耐热陶瓷等陶瓷组成的保护层39。

这样，本发明的第2实施方式的热敏打印头中，形成有由热传导率为0.3～0.5W/m.k的高绝热性的多孔质SiO₂组成的第1保温层33、在该第1保温层33的上面形成有0.8～1.0W/m.k的低热传导性的层状的第2保温层34，与过去的釉保温层2相比，绝热性明显增大，所以由于第1和第2保温层33、34的大热阻抗，减少了从发热元件36a流入基板31的热量。

因此，由于其反作用，增大了与发热元件36a压接的印字媒体(图中未画出)一侧的热量，所以能够得到特别适合于电池驱动的便携式打印机等的高热效率节电的热敏打印头。

与本发明的第2实施方式有关的热敏打印头中，虽然基板31为热扩散率小的玻璃基板，由于形成2层高绝热性的第1、第2保温层33、34的作用，即使在连续印刷时，如图4所示，与点线表示的过去的热敏打印头相比，实线表示的本发明第2实施方式的热敏打印头的温度上升变得缓慢，产生因印字浓度过大引起的渗墨和拖尾等问题所需的时间变得更长。因此印字中的冷却停止次数也更少，从而可以减少表示打印能力的实际印字速度的降低。

如以上说明所述，与本发明的第2实施方式有关的热敏打印头具有由在凸条部上部分形成的发生了相分离的玻璃的一个成分被选择溶出的多孔质玻璃组成的第1保温层、以及在该第1保温层上形成的层状的由低热传导性陶瓷组成的第2保温层所形成的2层结构，能够提供高热效率的具有良好机械强度的适合便携式打印机等的节电型热敏打印头。

还有，本发明提供一种容易制造的节电型热敏打印头，是在包括凸条部的所述基板的上面形成覆盖层，该覆盖层在所述凸条部的顶部形成有开口部以部份形成第1保温层，从该开口部处露出凸条部的顶部，通过将形成覆盖层的基板浸入酸液或者热水中，在从开口部处露出凸条部的顶部上能够容易形成由多孔质玻璃层所组成的第1保温层。

另外还有，第1保温层由热传导率为0.3～0.5W/m.k的高绝热性多孔质硅层组成，能够提供高热效率的热敏打印头。

另外还有，覆盖层由厚度为0.01～0.1μm的绝缘性陶瓷组成，从开口部部分形成所述第1保温层，由于形成了第1保温层和在覆盖层上面的第2保温层，因此能够容易制造同时兼做第1保温层的加强层的第2保温层。

另外还有，因为第2保温层由硅和多种过渡金属与氧的化合物组成的热传导率为0.8～1.0W/m.k的低热传导性陶瓷层组成，由于第2保温层和第1保温层的2层结构，能够提供高热效率的具有良好机械强度的热敏打印头。

另外还有，第2保温层沿着开口部的形状形成，并消除相当覆盖层厚度的台阶以实现平坦化，所以可以使开口部上的发热元件部分与记录媒体等密切接触，可以提供能够进行高质量印字的热敏打印头。

另外还有，第1保温层的上面形成厚度为10～30μm的层状的第2保温层，可以增加第2保温层的机械强度，支撑机械强度不好的第1保温层，改善耐寿命特性等。

Claims

1.一种热敏打印头，其特征在于：

具有在基板的上面形成的保温层，在该保温层上面形成的由多个发热电阻体和供电体组成的多个发热元件，和至少覆盖所述发热电阻体和所述供电体的表面的保护层；所述保温层由Si和多种过渡金属和氧的化合物组成的低热传导性的导电性多元低氧化物陶瓷层组成，所述保温层的上面形成有多层材质不同的绝缘层；

所述绝缘层具有第1绝缘层、第2绝缘层；第1绝缘层由至少有Si和多种过渡金属和氮的化合物的低热传导性的绝缘性多元高氮化合物陶瓷层所组成，第2绝缘层在第1绝缘层的上面形成的由层状的高绝缘性SiO₂层或Al₂O₃层所组成。

2.根据权利要求1所述的热敏打印头，其特征在于：所述第1绝缘层厚度为0.2～1.0μm，所述第2绝缘层的厚度为0.3μm。