JP2006231523A - サーマルヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性が高く高品位の耐磨耗層を有するサーマルヘッドを提供すること。
【解決手段】支持基板１１と、この支持基板１１上に形成した発熱抵抗体１２と、この発熱抵抗体１２上に形成され、発熱抵抗体１２の発熱部１２ａに電流を供給する電極１３と、発熱抵抗体１２の発熱部１２ａを被覆する保護層１４と、この保護層１４上に形成した耐摩耗層１５とを具備するサーマルヘッドにおいて、耐磨耗層１５の少なくとも表面領域は窒化金属を主成分とする金属膜であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は画像記録デバイスとして使用するサーマルヘッドに関する。

サーマルヘッドは、ヘッド基板部に設けた発熱抵抗体を発熱させ、感熱紙や製版フィルム、印画紙、メディアなどに文字などを記録する画像記録デバイスとして使用されている。また、低騒音で、低ランニングコストなどの利点を有し、近年、ビデオプリンターやイメージャー、シールプリンターなどの出力用デバイスとしても注目されている。

従来のサーマルヘッドは支持基板などから構成されている。支持基板は、セラミックなどの絶縁基板上にグレーズ層を設けた構造をしている。そして、支持基体上に、発熱抵抗体および電極が順に設けられ、電極を通して発熱抵抗体の発熱部に電流を流し、発熱部を加熱する構成になっている。また、発熱部を保護する保護層が発熱部上に設けられ、保護層上には、保護層の摩耗を防止する耐磨耗層が設けられている。保護層はたとえばＳｉ−Ｏ−Ｎを主成分とする膜で形成され、耐磨耗層はたとえばＳｉ−Ｃの膜で形成されている。

上記した構成において、記録紙などの記録媒体に印字する場合、発熱部近傍の耐磨耗層上に沿って記録媒体を移動させる。これと同時に、発熱部に電流を流して加熱させ、その熱により記録媒体への印字が行われる。

従来のサーマルヘッドは、保護層上に耐磨耗層を設けず、たとえば保護層が最上層に位置する場合、記録媒体に剛性があるため、印字の際に、記録媒体との接触で保護層が磨耗する。このため、発熱部近傍に位置する電極のリードエッジ部の段差部分における保護層の被覆性が低下する。その結果、電極に腐食が発生したり、発熱部の抵抗値が変化したりして、サーマルヘッドの不良原因になる。

そこで、従来のサーマルヘッドでは、保護層の摩滅を防止するために、たとえばスパッタリングなどで保護層上にＳｉＣなどからなる硬質膜の耐磨耗層を設けている。しかし、ＳｉＣなどの耐磨耗層は、磨耗レートが保護層の半分程度で、十分な耐磨耗強度が得られない。また、耐磨耗層をスパッタリングで形成した場合、中間層の形成が困難なため、ＳｉＣなどの耐磨耗層と保護層との密着性が悪く、耐磨耗層に浮きや剥れなどの欠陥が発生する。

本発明は、上記した欠点を解決し、信頼性が高く高品位の耐磨耗層を有するサーマルヘッドを提供することを目的とする。

本発明は、支持基板と、この支持基板上に形成した発熱抵抗体と、この発熱抵抗体上に形成され、前記発熱抵抗体の発熱部に電流を供給する電極と、前記発熱抵抗体の発熱部を被覆する保護層と、この保護層上に形成した耐摩耗層とを具備するサーマルヘッドにおいて、前記耐磨耗層の少なくとも表面領域は窒化金属を主成分とする金属膜であることを特徴とする。

本発明によれば、保護層上に設ける耐摩耗層の少なくともその表面領域が窒化金属を主成分とする金属膜で形成され、良好な耐磨耗特性を有するサーマルヘッドが実現する。

本発明の第１実施形態について、ヘッド基板の一部を抜き出した図１を参照して説明する。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の線分ｂ−ｂにおける断面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）の一部を抜き出した断面図である。

支持基板１１は、たとえばセラミックなどの絶縁基板１１ａ上に、蓄熱層および平滑層として機能するグレーズ層１１ｂを設けた構造になっている。支持基板１１上に発熱抵抗体１２を形成し、発熱抵抗体１２上に電極１３を設けている。電極１３は個別電極１３ａと共通電極１３ｂとの対を有し、複数対の個別電極１３ａおよび共通電極１３ｂがたとえば平行に配置されている。個別電極１３ａと共通電極１３ｂとの間に間隙Ｇが設けられ、間隙Ｇ部分に位置する発熱抵抗体１２は発熱部１２ａとして機能する。また、少なくとも発熱部１２ａ上、たとえば発熱部１２ａ上およびその近傍の電極１３上の必要部位に、Ｓｉ−Ｏ−Ｎを主成分とする保護層１４が形成されている。また、保護層１４上の一部、たとえば発熱部１２ａの上方部分に耐磨耗層１５が形成されている。保護層１４はたとえばＳｉ−Ｃから形成され、耐磨耗層１５のたとえば最表層は窒化金属を主成分とする金属膜から形成されている。

耐磨耗層１５は、図１（ｃ）に示すように積層構造で形成され、たとえば保護層１４側に位置する第１層１５１と、第１層１５１上、たとえば第１層１５１よりも保護層１４から遠い外側に第２層１５２とから形成されている。

ここで、上記したサーマルヘッドの製造方法について説明する。

セラミックなどの絶縁基板１１ａ上に焼結でグレーズ層１１ｂを形成し、支持基板１１を形成する。その後、支持基板１１上にスパッタリングで発熱抵抗体膜を成膜し、さらに発熱抵抗体膜上にスパッタリングで電極膜を成膜する。その後、フォトリソグラフィ技術によりパターニングを行い、発熱抵抗体１２および電極１３、たとえば個別電極１３ａや共通電極１３ｂなどの各パターンを形成する。このとき、個別電極１３ａと共通電極１３ｂとの間に間隙Ｇを設け、発熱抵抗体１２の間隙Ｇ部分に発熱部１２ａを形成する。その後、少なくとも発熱抵抗体１２の発熱部１２ａを被覆するように、たとえば発熱部１２ａ上およびこの発熱部１２ａ近傍の電極１３上の必要部位に、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系からなる絶縁材料の保護層１４をスパッタリングで形成する。その後、保護層１４上に、たとえば積層構造の耐磨耗層１５を形成する。

ここで、耐磨耗層１５の形成方法について説明する。耐磨耗層１５の成膜に先だち、チャンバー内を１×１０^-4Ｐａ程度の高真空に排気する。その後、アルゴンガスを導入し、発熱抵抗体１２および電極１３、保護層１４などを設けたヘッド基板側に約−１００Ｖ程度の逆バイアス電位を印加し、その表面をエッチクリーニングする。その後、Ｔｉを原料にしてホローカソードでＴｉを蒸発させて約０．３μｍ成膜し、耐磨耗層１５の第１層１５１部分を形成する。その後、基板バイアスで電圧を印加しながら窒素ガスをチャンバー内に導入し、ＴｉＮ膜を約１．０μｍ成膜し、耐磨耗層１５の第２層１５２部分を形成し、合計で約１．３μｍの耐磨耗層１５を成膜する。

上記の耐磨耗層１５は、保護層１４側に位置する第１層１５１をＴｉで成膜し、第１層１５１よりも外側に位置する第２層１５２をＴｉＮで成膜している。しかし、Ｔｉに代えてＣｒを用いることもできる。また、Ｔｉ_(1-x) Ｃｒ_(x) （Ｘ＝０〜１）で表されるＴｉおよびＣｒの両方の金属を用いることもできる。

この場合、第１層１５１は、硬度の大きい窒化金属の第２層１５２と保護層１４との密着性を高める中間層として機能し、たとえばＴｉ_(1-x) Ｃｒ_(x) （Ｘ＝０〜１）で表される金属成分が９５ａｔｍ％以上であることが望ましい。また、第２層１５２は耐磨耗性を確保するために、Ｔｉ_(1-x) Ｃｒ_(x) （Ｘ＝０〜１）で表される高硬度の金属成分が３０ａｔｍ％以上で、残部は実質窒素を主成分とすることが望ましい。また、導電率を制御する目的で、Ｃ（カーボン）を１０ａｔｍ％程度混入する場合がある。

次に、上記した耐磨耗層１５の特性について、図２の特性図を参照して説明する。図２の横軸は走行距離（ｍ）、縦軸は摩耗量（μｍ）である。

ここでは、耐磨耗層のない保護層のみの構造（サンプルＡ）、および、保護層上にＳｉＣの耐磨耗層を設けた従来構造（サンプルＢ）、保護層上にＴｉＮなどの耐磨耗層を１．３μｍ成膜した発明構造（サンプルＣ）の各サンプルを用意し、各サンプルについて磨耗レートの測定結果を、それぞれ符号Ａ〜Ｃに示している。サンプルＣは、図１で説明した方法で製造し、耐磨耗層に中間層を設けた構造になっている。磨耗レートの測定は、印字試験機に各サンプルをセットし、プラテンローラーによってラッピングテープ（＃４０００）をサーマルヘッド上に通過させ、走行前後における磨耗量を表面粗さ計で測定した。

図２に示すように、サンプルＣは、磨耗レートがサンプルＡの約１／４で、耐磨耗性は４倍になっている。サンプルＢは約４０００ｍで耐磨耗層が摩滅し、保護膜が露出した。サンプルＣは約８０００ｍまで耐磨耗層が残り、磨耗レートはサンプルＢの約１／２になっている。

上記の試験では、耐磨耗層に中間層のない構造（サンプルＤ）についても耐磨耗レートを測定した。サンプルＤは、磨耗試験中にＴｉＮ膜の一部が保護層との界面から剥れたため、その時点で評価を中止した。

これは、硬度の高いＴｉＮ膜などを保護層上に直接成膜すると、膜内に大きな応力が発生し、剥れが発生すると考えられる。したがって、硬度の高い耐磨耗層、たとえばＴｉＮ膜を設ける場合は、保護層とＴｉＮ膜との間の応力を緩和するために、たとえばＴｉなどの中間層を設けることが望ましい。

また、サンプルＡとサンプルＢは、試験中に、発熱抵抗体の静電破壊と思われる保護層の剥れが発生した。しかし、２つのサンプルＣ、Ｄには保護層の剥れは発生しなかった。これは、耐磨耗層の表面を形成するＴｉＮの表面抵抗が数Ωと小さく、また耐磨耗層を共通電極と電気的に接続したため、ＴｉＮ膜が、発熱抵抗体などに蓄積する電荷を放電する除電層として機能したことによると考えられる。

次に、保護層として使用するＳｉ−Ｏ−Ｎを主成分とする保護膜、および従来の耐磨耗層に使用しているＳｉＣ膜、発明の耐磨耗層に使用する窒化金属膜（ＣｒＮ、ＴｉＮ）のビッカース硬度（Ｈｖ）を図３の特性図に示す。

図３に示すように、窒化金属膜のビッカース硬度はＳｉＣ膜よりも高くなっている。とくにＴｉＮ膜は保護層やＳｉＣ膜よりも硬度が高く、耐磨耗性が大きくなっている。

次に、石英基板上に、ＳｉＣ膜、ＴｉＮ膜−Ａ、ＴｉＮ膜−Ｂを１μｍの厚さに成膜した場合の引掻き破壊強度を図４の特性図に示す。ＴｉＮ膜−ＡはＴｉからなる中間層を設けた構造で、ＴｉＮ膜−Ｂは中間層のない構造である。また、保護層およびＳｉＣ膜はスパッタリングで、ＴｉＮ膜はＡ、Ｂともイオンプレーティングである。ＴｉＮ膜の成膜にイオンプレーティングを用いた理由は、Ｔｉタ一ゲットを用いるスパッタリングに比べて、窒素（Ｎ）のイオン化率が高く、Ｔｉ：Ｎ比がほぼ５０：５０で、大きな耐磨耗性が得られると考えたためである。

たとえば、実際に成膜したＴｉＮ膜を、ＥＳＣＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｅｃｔｒｏｓｃｏｙ ｆｏｒ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｎａｒｙｓｉｓ）により定量分析すると、Ｔｉ量が４５〜６０ａｔｍ％となっていた。

また、引掻き破壊試験は、Ｒ＝０．０５ｍｍのダイアモンド針を膜上にセットし、０〜５００ｇｆまで連続して荷重をかけた場合の破断荷重を測定している。

図４に示すように、ＴｉＮ−Ａ、ＢはＳｉＣより付着力が高くなっている。また、Ｔｉの中間層を設けたＴｉＮ−Ａの方が、中間層を設けないＴｉＮ−Ｂよりも付着力が高くなっている。したがって、サーマルヘッド上に窒化金属層として、たとえばＴｉＮ膜を形成する場合、Ｔｉの中間層を設けた方が付着力が強くなる。

また、窒化金属層をたとえばＴｉＮ膜で形成する場合、中間層のＴｉ膜の厚さが耐磨耗層全体の３０％以下でＴｉＮ膜の剥れは発生しなかった。たとえば中間層が厚くなると、その分、硬度の大きい窒化金属の厚さが薄くなり耐磨耗性が低下するため、中間層は最大でも耐磨耗層全体の３０％が望ましい。

また、耐磨耗層の膜厚は３μｍを超えると、内部応力により自己破壊が発生する。したがって膜厚の上限値は３．０μｍが望ましい。一方、耐磨耗層に求められる最低限の耐磨耗性を維持するために下限値は０．５μｍが望ましい。

また、耐磨耗層をサーマルヘッドの共通電極などに接続し、あるいは、接地電位に接続すると、耐磨耗層が除電層として機能し、保護層などの静電破壊などを防止でき、高信頼性で高品質のサーマルヘッドが得られる。

本発明の実施形態を説明するための概略構造図である。 本発明の特性を説明するための特性図である。 本発明の他の特性を説明するための特性図である。 本発明の他の特性を説明するための特性図である。

符号の説明

１１…支持基板
１１ａ…絶縁基板
１１ｂ…グレーズ層
１２…発熱抵抗体
１２ａ…発熱抵抗体の発熱部
１３…電極
１３ａ…個別電極
１３ｂ…共通電極
１４…保護層
１５…耐磨耗層
１５１…耐磨耗層の第１層部分
１５２…耐磨耗層の第２層部分

Claims (3)

1. 支持基板と、この支持基板上に形成した発熱抵抗体と、この発熱抵抗体上に形成され、前記発熱抵抗体の発熱部に電流を供給する電極と、前記発熱抵抗体の発熱部を被覆する保護層と、この保護層上に形成した耐摩耗層とを具備するサーマルヘッドにおいて、前記耐磨耗層の少なくとも表面領域は窒化金属を主成分とする金属膜であることを特徴とするサーマルヘッド。
2. 耐磨耗層の窒化金属の金属成分はＴｉおよびＣｒの少なくとも１つである請求項１記載のサーマルヘッド。
3. 耐磨耗層は積層構造で、ＴｉおよびＣｒの少なくとも１つを主成分とする第１層と、この第１層の外側に位置し、ＴｉおよびＣｒの少なくとも１つの金属成分が前記第１層よりも少ない第２層とを有する請求項１記載のサーマルヘッド。

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