JP2002254691A - サーマルヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】粗悪なサーマル紙を高速で印字しても摩耗によ
る印字不具合が発生せず、かつ特殊な硬度の素材使用の
ヘッドや複雑な構成のヘッド構造を採用しないで、保護
膜の耐摩耗性の向上と印字鮮明性の図ったサーマルヘッ
ドおよびサーマルヘッドの製造方法を提供することにあ
る。 【解決手段】アルミナ基板上にガラスグレーズ層を形成
し共通電極を所定の形状に設けられ、さらにアルミ配線
を積層し保護膜を最表面に積層してなるサーマルヘッド
において、前記グレーズ層の厚みを０．１から４０ミク
ロンメートルでスパッタリング法で形成する。これによ
り、グレーズ層の厚みを薄く形成すると、蓄熱の少ない
グレーズ層を形成でき印字鮮明さも向上出来る。さらに
グレーズ層の平坦化が簡便な方法で達成でき、印字・印
画品質、特に高速印字に際しての印字品質とサーマルヘ
ッドの耐摩耗性の向上される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＰＯＳ用プリンタやラ
ベルプリンタ等に使用され、高速印字および画像用印画
に際して印字摩耗、印画品質の向上を図り得るサーマル
ヘッドおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、サーマルヘッドは低騒音、メンテ
ナンスフリー、低ランニングコストなどの利点が着目さ
れ、電子測定装置、ファクシミリ装置、ＰＯＳ端末のプ
リンタなどの各種記録装置に多用されるようになって来
ている。一方、これらの情報機器は小形化、高速印字
化、汎用サーマル紙への対応が要求されており、このた
め用いられるサーマルヘッドにも耐摩耗かつ高熱効率の
ものが望まれている。

【０００３】一般にサーマルヘッドとしては、アルミナ
純度が９５％以上のアルミナ系セラミックを厚さ０．５
から１．０ｍｍ程度に印刷法で形成したセラミックス支
持体上に、厚さ３０ミクロンメートルから８０ミクロン
メートル程度の蓄熱層となるガラスグレーズ層を形成
し、その上に例えば窒化チタン等の多数の発熱抵抗体を
スパッタ蒸着法等で成膜し、さらにその上に発熱抵抗体
に接続される電極膜を付け、フォトエッチングで発熱ド
ット部の間隔を空け、かつ所定パターンで共通電極およ
び個別電極から成る導電体層とを形成し、この発熱部の
最外層には耐摩耗保護層が形成される。この構成では、
前記ガラスグレーズ層が各発熱抵抗体から発生する熱の
放散および蓄熱を制御印字品質に大きく影響を与えてい
る。

【０００４】一方、このガラスグレーズ層を保温層とし
た場合、高速印字の際の印字品質に影響する熱応答性に
限界があることが知られている。このため、印字性能を
満足しつつ、印字効率を上げるためにはガラスグレーズ
層をより精密に厚み制御して用いれば良いことが知られ
ている。

【０００５】上記の構成で高速印字に対応させようとす
ると、グレーズ層の蓄熱による影響を考慮に入れ、グレ
ーズ層の厚みをなるべく薄くする必要がある。

【０００６】一方、サーマルヘッドの上記利便性に伴い
プリンターが広く普及し、大量生産により使われるサー
マル紙は低価格と品質の低下傾向を示している。そこで
印字不良や印字障害が発生し、サーマルヘッドの摩耗問
題が急浮上し大きな問題となってきている。このような
課題をなくして高速紙送りしても良好に印字し、耐久性
の高い、摩耗による印字不具合などを考慮しなくてもい
いようなプリンターが望まれている。

【０００７】この課題に対して、特開平５−５７９３６
は金属製支持体と耐熱樹脂との間にＳiＯ2を接着層とし
て放熱と蓄熱を制御する提案をしている。摩耗性には触
れていない。

【０００８】また、特開平７−１９５７２０はグレーズ
供給量を制御スクリーン印刷法あるいはスプレー法によ
り形成する提案をしている。しかしグレーズ層の厚みを
２５ミクロンメートルから８５ミクロンメートルまでと
厚く規定し、かつ真空装置で一貫していない事への工程
の煩わしさ、価格対応には困難と思われる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の技術
的課題を解決したもので、グレーズ層の厚みを薄く形成
すると共に、グレーズ層の平坦化が簡便な方法で達成で
きることにより、印字・印画品質、特に高速印字に際し
ての印字品質とサーマルヘッドの耐摩耗性の向上を図っ
たサーマルヘッドおよびサーマルヘッドの製造方法を提
供することにある。また、粗悪なサーマル紙を高速で印
字しても摩耗による印字不具合が発生せず、かつ特殊な
硬度の素材使用のヘッドや複雑な構成のヘッド構造を採
用しないで、保護膜の耐摩耗性を向上したものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係るサーマルヘ
ッドは、アルミナ基板１上にガラスグレーズ層を形成
し、共通電極を所定の形状に設けられさらにアルミ配線
を積層し保護膜を最表面に積層してなるサーマルヘッド
において、前記グレーズ層の厚みを０．１から４０ミク
ロンメートルで形成することを特徴とする。 これによ
り、蓄熱の少ないグレーズ層を形成でき、印字鮮明さが
向上出来る。

【００１１】また、前記保護膜の曲率半径が１０ｍｍ以
上に形成することを特徴とする請求項第１項の記載のサ
ーマルヘッドである。

【００１２】これにより、無機質の多く含有する発色層
と高速で加圧接触し走行されるヘッド保護膜への衝撃力
が水平成分に分散され、耐摩耗性が向上される。

【００１３】また、前記グレーズ層をスパッタリング法
で形成することを特徴とする請求項第１項の記載のサー
マルヘッドの製造方法である。

【００１４】これにより、厚みが精密に制御できるグレ
ーズ層が形成できる。

【００１５】また、前記アルミナ基板１の代りに金属基
板、セラミック基板、合成樹脂基板の上にグレーズ層を
形成することを特徴とする請求項第１項の記載のサーマ
ルヘッドである。これによりベース基材の材質に捕らわ
れない安価で柔軟な構成が可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】（実施例１）：薄膜の場合 次に、本発明を実施例に基づき図面を参照して説明す
る。

【００１７】アルミナ基板１上に平坦なグレーズ層２が
形成された本発明のサーマルヘッドの実施例を図１を用
いて説明する。

【００１８】アルミナ純度が９５％以上のアルミナ系セ
ラミックを厚さ０．６ｍｍに印刷法で形成したセラミッ
クス基板上に、蓄熱層となるガラスグレーズ層２を、ス
パッタリング法によって形成する。

【００１９】その工程は、セラミックス基板をスパッタ
リング装置に置き、４×１０−３Ｐａまで真空引きを行
い、７×１０−１Ｐａの真空度までアルゴンガスを導入
する。そして酸化シリコンＳｉＯ2製のターゲットが負
極になるように高周波電力を印加しスパッタリングし、
膜厚を２０ミクロンメートル成膜する。

【００２０】このグレーズ層２の上に五酸化タンタルＴ
ａ2Ｏ5製の発熱抵抗体３をスパッタリング法や蒸着法等
の成膜法で形成される。発熱抵抗体３は五酸化タンタル
Ｔａ2Ｏ5を使用したが、他にＴａ−ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、
Ｃｒ−ＳｉＯ2、Ｎｂ−ＳｉＯ2 、ＴａＮ等が使用でき
る。

【００２１】更にスパッタリング法でアルミニウム電極
層４を膜厚約１ミクロンメートルで成膜し、エッチング
処理により所定の形状にパタンニングする。

【００２２】さらに最外層にＳｉ3Ｎ4製の耐摩耗保護層
５をスパッタリング法で厚み１０ミクロンメートルほど
被着する。所定の接続端子に電気的につなぎ、プリンタ
として完成しサーマル紙に印字させた。評価用のサーマ
ル紙として、サーマルヘッドに摩耗の少ない普通紙と無
機質が多くサーマルヘッドに対する摩耗作用が顕著な粗
悪紙を使った印字耐久試験の結果は、表１の様になっ
た。印字も鮮明で、保護膜５の摩耗量の少ない良好なサ
ーマルヘッドとなった。

【００２３】

【表１】

【００２４】ここで、高速印字においてグレーズ層２が
厚すぎると信号オフ時にも蓄熱が残って尾引き現象や印
字潰れが生じ、一方、画像印画においては、グレーズ層
２の蓄熱効果で印画濃度を確保するために或る程度の層
厚が必要となり、この厚みを適切に制御することが難し
かった。

【００２５】と言うのも現状グレーズ層２は、溶融粘度
が高いガラスを焼成方法で形成しているため、曲率半径
が大きくなってくる。一方、平坦な保護膜５にするため
には、厚付けのグレーズ層２を形成することになり、厚
くなったグレーズ層２により蓄熱作用が働き、印字尾引
不良や、印字不鮮明の課題が発生してくる。

【００２６】つまり被着されるグレーズ層２の曲率半径
を適度に設定することによりサーマル紙やカードとの接
触性は良くなるものの、グレーズ層２厚みの調節が困難
である。また、保護膜５を平坦にして薄膜ヘッドへの衝
撃角度の緩和するには、グレーズ層２の平坦化の課題が
浮上してくる。本発明は、グレーズ層２をスパッタリン
グ方法で上記課題を解決し、前記実施例に示した。

【００２７】さらにグレーズ層２は、アルミナ基板１に
薄く製膜し、蓄熱と放熱を瞬時に応答を良くしている。
一方、グレーズ層２の曲率でサーマル紙とサーマルヘッ
ドとの接触圧力が高まり、良好な熱伝導性の確保と印字
鮮明性を得ている。しかし、サーマル紙の発色部に含ま
れる無機質成分とサーマルヘッドの保護膜５との摩耗作
用が高まり、印字不良を誘発する原因となっている。

【００２８】本発明のグレーズ層２は曲率半径が大き
く、サーマル紙との接触角度が小さくなり、サーマル紙
の発色部に含まれる摩耗成分が保護膜５と作る角度も小
さくなる。つまり、摩耗性が高いサーマル紙に対して、
高速で押付圧力を上げるとサーマルヘッドの保護膜５の
曲率半径を小さくすることは、摩耗を促進する事にな
る。

【００２９】したがって、印字や走行時にサーマル紙の
摩耗紙への衝撃力は、水平成分に多く分割され、垂直成
分が極少になる。本来硬くかつ脆い保護膜５にとって、
耐久摩耗作用を大幅に軽減出来る事になる。曲率半径が
大きい保護膜５にサーマル紙が高速で接触すると保護膜
５にダメージが加わり、保護膜５の摩耗につながる問題
が発生している。

【００３０】この実施例では、グレーズ層２の幅Ｗを
１．８ｍｍとしグレーズ層２の厚みＴを２０ミクロンメ
ートルとし、曲率半径Ｒを２０ｍｍと成した。厚みＴ
（ミクロンメートル）と幅Ｗ（ｍｍ）と曲率半径Ｒの関
係は、図２に示すようになる。しかし、スパッタリング
法によるグレーズ層２の製膜厚みは、平坦性が確保され
ている。

【００３１】曲率半径は、１０ｍｍ以上で平坦部の幅Ｗ
が０．０１ｍｍから１ｍｍまで、厚み３０ミクロンメー
トル以下の範囲で、走行するサーマル紙と保護膜５とな
す角度は０から０．０５度の範囲になる。サーマルヘッ
ドとして適切な蓄熱、熱拡散を与えるグレーズ層２が実
現できるのが分る。

【００３２】ここでグレーズ層２の厚みＴは０．１ミク
ロンメートルから５０ミクロンメートルまで程度が考え
られ、好ましくは１０ミクロンメートルから４０ミクロ
ンメートルまでが良好である。その場合曲率半径Ｒは、
１０ｍｍ以上とするのがよいことが分る。なお、高速印
字の場合に厚みＴを薄くする必要があるのは、厚みＴが
厚過ぎると、発熱部７直下のグレーズ層２２が蓄熱し過
ぎて印字の際に尾引きや印字潰れを生じるからである。

【００３３】また、本発明のアルミナ基板１の代わり
に、鉄・ステンレス・ニッケル・クロム等の金属基板
や、シリコン・ジルコニア・チタニアなどセラミック基
板や、ポリイミド・ポリアミドイミド・エポキシなど合
成樹脂基板でも良い。熱伝導性や耐熱性などサーマルヘ
ッドの規定の物性を満足すればよい。

【００３４】また、グレーズ層２に、蓄熱性や放熱性を
改良するため、添加剤を加えても良い。たとえば、チタ
ン、アルミニューム、マグネシューム、鉄、金、銀、ス
ズ、鉛、カドニューム、亜鉛、ニッケル、クロム、ジル
コニューム等の金属や合金でも添加可能です。そのほか
に上記金属の酸化物、窒化物、塩化物、フッ化物も考え
られる。

【００３５】表２は、サーマルヘッドのグレーズ層の厚
みとグレーズ層の幅を規定した場合の曲率半径を計算し
た。曲率半径が１０ｍｍ以上のサーマルヘッドの平坦性
が、本発明の摩耗性の有るサーマル紙に対して、有効な
構成を示す。

【００３６】

【表２】

【００３７】（実施例２） ：厚膜の場合 アルミナ基板１上に平坦なグレーズ層２が形成された本
発明のサーマルヘッドの実施例を図１を用いて説明す
る。

【００３８】アルミナ純度が９５％以上のアルミナ系セ
ラミックを厚さ０．６ｍｍに印刷法で形成したセラミッ
クス基板上に、蓄熱層となるホウケイ酸ガラスのグレー
ズ層２を、焼成法によって形成する。その工程は、電気
炉で溶融・焼成し、膜厚を２５ミクロンメートル成膜す
る。さらに基板加熱しながら、金を蒸着法で製膜し、エ
ッチング処理によりマスクパターンで所定の形状を作成
し、リード電極層、コモン電極層７を形成した。

【００３９】この電極層４の上に発熱抵抗体３を焼成法
で形成し、さらに最外層に低融点ＳｉＯ2の耐摩耗保護
層６を焼成法で被着する。

【００４０】所定の接続端子に電気的につなぎ、プリン
タとして完成しサーマル紙に印字させた。評価用のサー
マル紙として、サーマルヘッドに摩耗の少ない普通紙と
無機質が多くサーマルヘッドに対する摩耗作用が顕著な
粗悪紙を使った印字耐久試験の結果は、表１の様になっ
た。印字も鮮明で、粗悪サーマル紙に対しても保護膜５
の摩耗量の少ない良好なサーマルヘッドとなった。

【００４１】実施例２のグレーズ層２は摩耗性が高いサ
ーマル紙に対して、高速で押付圧力を上げるとサーマル
ヘッドの保護膜５の材質が比較的柔らかい低融点ガラス
なため、曲率半径を小さくすることは、摩耗を促進する
事になる。

【００４２】したがって、印字や走行時にサーマル紙の
摩耗紙への衝撃力は、比較的低硬度の保護膜５でクッシ
ョン作用で弱められ、保護膜５自身の塑性変形はするも
のの、耐久摩耗作用を大幅に軽減出来る事になる。更に
曲率半径が大きい保護膜５にサーマル紙が高速で接触す
ると保護膜５に水平方向のダメージが加わり、保護膜５
に引っかき摩耗につながる課題が発生してくる。

【００４３】（従来例） ：薄膜の場合 アルミナ基板１上に平坦なグレーズ層２が形成された本
発明のサーマルヘッドの実施例を図１を用いて説明す
る。

【００４４】アルミナ純度が９５％以上のアルミナ系セ
ラミックを厚さ０．６ｍｍに印刷法で形成したセラミッ
クス基板上に、蓄熱層となるガラスグレーズ層２を、ス
パッタリング法によって形成する。

【００４５】その工程は、セラミックス基板をホウケイ
酸ガラスを所定の形状に印刷し、３５０度４５分の焼成
法で、膜厚７０ミクロンメートルで成膜する。

【００４６】このグレーズ層２の上に五酸化タンタルＴ
ａ2Ｏ5製の発熱抵抗体３をスパッタリング法や蒸着法等
の成膜法で形成される。発熱抵抗体３は五酸化タンタル
Ｔａ2Ｏ5を使用したが、他にＴａ−ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、
Ｃｒ−ＳｉＯ2、Ｎｂ−ＳｉＯ2 、ＴａＮ等が使用でき
る。

【００４７】更にスパッタリング法でアルミニウム電極
層４を膜厚約１ミクロンメートルで成膜し、エッチング
処理により所定の形状にパタンニングする。

【００４８】さらに最外層にＳｉ3Ｎ4製の耐摩耗保護層
５をスパッタリング法で厚み１０ミクロンメートルほど
被着する。所定の接続端子に電気的につなぎ、プリンタ
として完成しサーマル紙に印字させた。評価用のサーマ
ル紙として、サーマルヘッドに摩耗の少ない普通紙と無
機質が多くサーマルヘッドに対する摩耗作用が顕著な粗
悪紙を使った印字耐久試験の結果は、表１の様になっ
た。印字は１００万ラインから３００万ラインの印字耐
久試験で不鮮明になり、抵抗値の変動不具合とドット抜
け不良も頻発した。さらに裏付けるように保護膜５の摩
耗量は急激に拡大し、実使用上多くの課題を発生すると
思われる不良なサーマルヘッドとなった。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、従
来困難であった焼成方法によるグレーズ層の小さな曲率
半径を解消し、平坦なグレーズ層の形成が精密にきわめ
て簡単に調節することができる。また本発明では摩耗性
の高いサーマル紙に対して保護膜へのダメージが大幅に
軽減化され、高速印字への対応と耐久性向上ができる。
さらに、グレーズ層の放熱特性が向上し、発熱や冷却の
速度が速くなり、より鮮明な印字が可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１によるサーマルヘッドの断面
図である。

【図２】従来例によるサーマルヘッドの断面図である。

【図３】本発明の実施例２によるサーマルヘッドの断面
図である。

【図４】本発明の実施例２による保護膜の無いサーマル
ヘッドの斜視図である。

【符号の説明】

１ アルミナ基板 ２ グレーズ層 ３ 発熱抵抗体 ４ 電極層 ５ 保護膜 ６ 曲率半径 ７ 金配線 ８ コモン電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中嶋 聡 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 Ｆターム(参考） 2C065 JC06 JC08 JC12 JD03 JD05 JD13 JD14 JD15 JD18 JH05 JH08 JH11

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アルミナ基板上にガラスグレーズ層を形成
   し、発熱抵抗体とアルミ配線を積層し所定の形状に設け
   られた後保護膜を最表面に積層してなるサーマルヘッド
   において、前記グレーズ層の厚みを０．１から４０ミク
   ロンメートルで形成することを特徴とするサーマルヘッ
   ド。
2. 【請求項２】前記保護膜の曲率半径が１０ｍｍ以上に形
   成することを特徴とする請求項第１項の記載のサーマル
   ヘッド。
3. 【請求項３】前記グレーズ層をスパッタリング法で形成
   することを特徴とする請求項第１項の記載のサーマルヘ
   ッド製造方法。
4. 【請求項４】前記アルミナ基板の代りに金属基板、セラ
   ミック基板、合成樹脂基板の上にグレーズ層を形成する
   ことを特徴とする請求項第１項の記載のサーマルヘッ
   ド。