JP2007083532A - 発熱抵抗素子、サーマルヘッド、プリンタ、及び発熱抵抗素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 発熱抵抗体の発熱効率を向上して消費電力の低減を図り、発熱抵抗体下部の基板の強度を向上しつつ、簡易にかつ安価に製造することができる発熱抵抗素子、これを用いたサーマルヘッド、プリンタ、及び発熱抵抗素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 プリンタのサーマルヘッド４を、基板１１と、基板１１の一面に接合される蓄熱層１２と、蓄熱層１２上に設けられた発熱抵抗体１３とを有する構成とする。基板１１の蓄熱層１２側の面と蓄熱層１２の基板１１側の面とのうちの少なくともいずれか一方に、発熱抵抗体１３に対向させて凹部２６を設けて、基板１１と蓄熱層１２との間の、発熱抵抗体１３に対向する領域に空胴部２７を形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、発熱抵抗素子、これを用いたサーマルヘッド、プリンタ、及び発熱抵抗素子の製造方法に関するものである。

発熱抵抗素子は、例えばサーマルプリンタのサーマルヘッド等に用いられるものであって、一般的に、アルミナセラミクスなどからなる基板上にガラスなどからなる蓄熱層を敷設し、その上に複数の発熱抵抗体を設けた構成とされている。

ここで、サーマルプリンタとは、サーマルヘッドによってインクを加熱溶融させて印刷対象に転写する熱転写型プリンタや、サーマルヘッドによって感熱紙を直接感熱させる直接感熱型プリンタ等の総称である。

サーマルプリンタは、サーマルヘッドの各発熱抵抗体に選択的に熱を発生させて、インクリボンや感熱紙等の加熱対象の所望の位置に熱を加えることで、インクを溶融させて所望のパターンで印刷対象に転写したり、感熱紙を所望のパターンで感熱させている。

このような発熱抵抗素子を使用する機器において、近年、小型軽量型の携帯用途を中心とした、電池による駆動が可能な省電力型の製品が普及しつつある。また、昨今、環境配慮という観点等によるエネルギ事情から、電池を使用しない据え置き型の電子機器においても、待機電力のゼロ化を目指すなど、省電力化の動きが活発で、エネルギ効率をアップするということが必要不可欠になってきている。

従来の発熱抵抗素子では、発熱抵抗体が発生させた熱の大半は、印刷等の目的の加熱処理には寄与せずに、発熱抵抗素子を構成する材料や蓄熱層を通して基板側へ伝達されてしまっているといわれている。

このため、発熱抵抗体が発生させた熱を極力基板に伝達させずに印刷等の加熱処理に有効利用することで（すなわち発熱効率を高めることで）、発熱抵抗素子の省電力化を図ることが考えられている。

また、サーマルヘッドは、連続して印刷出力を行うと、基板に継続的に熱が伝達されるために基板の放熱が間に合わなくなり、サーマルヘッド全体がかなり高温になってしまう。この温度上昇は、印刷品位を落とす原因となるため、高品位な連続印刷を実現するためには、サーマルヘッドの発熱効率を高める必要がある。

発熱効率を高めたサーマルヘッドとしては、例えば、後記の特許文献１に示される構造のものが考案されている。このサーマルヘッドは、絶縁基板本体と、該絶縁基板本体の表面に形成されたアンダーグレーズ層とからなる絶縁基板の表面に、間隔をあけて複数の発熱抵抗体を配置するとともに、これらの発熱抵抗体に電力を供給する配線を敷設した構造を有している。アンダーグレーズ層の厚さ方向の中間位置に、発熱抵抗体の配列方向に沿って延びる帯状の空洞部を備えることにより、該帯状の空洞部を熱伝導率の低い断熱層として機能させ、発熱抵抗体から絶縁基板側に流れる熱量を低減することで、発熱効率を向上することが考えられている。

帯状の空洞部は、アンダーグレーズ層を形成する際に、帯状のセルロース系樹脂を埋め込んでおき、焼成処理の際にこのセルロース系樹脂を蒸発させることで、アンダーグレーズ層の中に形成されている。
特開平６−１６６１９７号公報

しかしながら、特許文献１のサーマルヘッドには以下の課題がある。

第１に、発熱抵抗体の下に空洞部を設けることで、絶縁基板本体方向への断熱効果はあるものの、厚さ方向の中間位置に空洞部を形成するためにアンダーグレーズ層自体が比較的厚く形成される必要がある。このため、アンダーグレーズ層に伝達された熱量がアンダーグレーズ層内に蓄積されることとなり、発熱抵抗体の表面側への熱量の伝達量が少ないので、発熱効率が低い。

第２に、空洞部を形成するために蒸発させる樹脂材料の寸法精度は低く、精密な形状の空洞部を形成することができない。このため、空洞部は、複数の発熱抵抗体の配列方向に沿って複数の発熱抵抗体に跨るように帯状に形成されるので、発熱抵抗体の位置におけるアンダーグレーズ層の強度が低く、印字の際に発熱抵抗体にかかる圧力によって、空洞部が潰れ易い。特に、発熱抵抗体との間に印刷用紙を挟むドラムは、発熱抵抗体の配列方向に沿って配されるため、アンダーグレーズ層が発熱抵抗体の配列方向に沿って割れる虞がある。

第３に、アンダーグレーズ層の厚さ方向の中間位置に空洞部を設ける従来の方法は、アンダーグレーズ下層の表面に、セルロース系樹脂からなる蒸発成分層を帯状に印刷して乾燥させ、その後、アンダーグレーズ下層と同一の絶縁材料からなるアンダーグレーズ表層形成ペーストを表面に形成して乾燥させる。さらに、このようにして積層された絶縁材料を約１３００℃の温度で焼成することにより、蒸発成分層を蒸発させるものである。したがって、発熱抵抗体の下方に空洞部を設けるために複雑な工程が必要であり、製造に時間を要してしまう。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、発熱抵抗体の発熱効率を向上して消費電力の低減を図り、発熱抵抗体下部の基板の強度を向上しつつ、簡易にかつ安価に製造することができる発熱抵抗素子、これを用いたサーマルヘッド、プリンタ、及び発熱抵抗素子の製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。

すなわち、本発明は、基板と、該基板の一面に接合される蓄熱層と、該蓄熱層上に設けられた発熱抵抗体とを有し、前記基板の前記一面と前記蓄熱層の前記基板側の面とのうちの少なくともいずれか一方には、前記発熱抵抗体に対向する領域に凹部が設けられていて、前記基板と前記蓄熱層との間には、前記発熱抵抗体に対向する領域に空胴部が形成されている発熱抵抗素子を提供する。

このように構成される発熱抵抗素子では、基板の蓄熱層側の一面、または蓄熱層の基板側の面、もしくはこれら両方の面のうち、発熱抵抗体に対向する領域に、溝等の凹部が形成されていて、これによって、基板と蓄熱層との間の発熱抵抗体に対向する領域には、空洞部が形成されている。

この空洞部内の気体層は、蓄熱層から基板への熱の流入を規制する断熱層として機能する。

この発熱抵抗素子は、基板や蓄熱層として凹部を有するものを用いてこれらを貼り合せること以外は、空洞部を有していない発熱抵抗素子と同じ製造方法で作成することができるので、従来の空隙を有する発熱抵抗素子に比べて製造工程が単純となり、製造コストが低くて済む。

また、この発熱抵抗素子では、凹部の深さが断熱層の厚みとなるので、断熱層の厚みの制御が容易である。

なお、凹部の形状は任意であって、各発熱抵抗体ごとに独立して設けてもよく、また、複数の発熱抵抗体にまたがる溝状に形成してもよい。

この発熱抵抗素子において、前記凹部の深さが、１μｍ以上１００μｍ以下とされていてもよい。

この場合には、空洞部内の気体層の厚みが１μｍ以上と十分に確保されていて、この気体層による断熱効果が高いので、発熱抵抗素子の消費電力が低くて済む。また、凹部の深さが１００μｍ以下とされているので、発熱抵抗素子の厚みが抑えられる。

また、この発熱抵抗素子において、前記基板と前記蓄熱層とが、陽極接合によって接合されていてもよい。

陽極接合技術とは、接合対象物（例えばシリコン基板とガラス板）とを３００°Ｃから５００°Ｃ程度に加熱した状態で５００Ｖから１ｋＶの電圧を印加することで、接合対象物間に大きな静電引力を生じさせて、接合対象物の界面を化学結合させて接合対象物同士を接合するというものである。

この陽極接合技術を用いることで、接着剤を塗布することなく基板と蓄熱層とを直接接合することができ、製造工程が簡略化される。

また、本発明は、基板と、該基板の一面に接着される蓄熱層と、該蓄熱層と前記基板との間に形成される接着剤層と、該蓄熱層上に設けられた発熱抵抗体とを有し、前記基板と前記蓄熱層との間のうち、前記発熱抵抗体に対向する領域は、前記接着剤層が形成されていない空洞部とされている発熱抵抗素子を提供する。

このように構成される発熱抵抗素子では、基板と蓄熱層とが接着剤層を介して貼り合わせられている。基板と蓄熱層との間のうち、発熱抵抗体に対向する領域は、接着剤層が形成されていない空洞部とされている。この空洞部内の気体層は、蓄熱層から基板への熱の流入を規制する断熱層として機能する。

この発熱抵抗素子は、基板と蓄熱層との間に所定パターンの接着剤層を形成してこれらを貼り合せること以外は、空洞部を有していない発熱抵抗素子と同じ製造方法で作成することができるので、従来の空隙を有する発熱抵抗素子に比べて製造工程が単純となり、製造コストが低くて済む。

また、この発熱抵抗素子では、接着剤層の厚みが断熱層の厚みとなるので、断熱層の厚みの制御が容易である。

この発熱抵抗素子において、前記接着剤層の厚みが１μｍ以上１００μｍ以下とされていてもよい。

この場合には、空洞部の厚みも１μｍから１００μｍの範囲内とされる。すなわち、この発熱抵抗素子では、空洞部内の気体層の厚みが１μｍ以上と十分に確保されていて、この気体層による断熱効果が高いので、発熱抵抗素子の消費電力が低くて済む。また、空洞部の厚みが１００μｍ以下とされているので、発熱抵抗素子の厚みが抑えられる。

また、この発熱抵抗素子において、前記基板がガラス基板、シリコン基板、セラミクス基板とのうちのいずれかとされており、前記接着剤層を構成する接着剤が、ガラス材料または高分子樹脂材料であってもよい。

この場合には、接着剤として熱伝導率の低い材質が用いられていて、蓄熱層から接着剤層を介して基板へ流入する熱量が少ないので、発熱抵抗素子の消費電力が低くて済む。

この発熱抵抗素子において、前記接着剤層が、スクリーン印刷もしくはフォトリソグラフィを用いたパターニングによって形成されていてもよい。

この場合には、得られる接着剤層の形状精度が高く、空洞部を所望の位置に正確に形成することができるので、発熱抵抗素子の歩留まりがよい。

上記いずれかの発熱抵抗素子において、前記発熱抵抗体と前記空洞部との対が複数設けられており、前記空洞部同士が互いに連通されていてもよい。

この場合には、各発熱抵抗体に対して設けられている空洞部同士が連絡され、各発熱抵抗体の作動状態の差に応じ、各発熱抵抗体の温度差が生じても、各空洞部の内圧差を生ずることが防止される。空洞部の圧力は熱伝導に影響するため、空洞部間を連絡することで各発熱抵抗体の発熱特性を容易に均一化することができる。

また、上記いずれかの発熱抵抗素子において、前記空洞部が、外部と連通されていてもよい。

この場合には、各空洞部が大気開放されるので、発熱抵抗体の作動による温度変化によっても、空洞部内の内圧が上昇することを防止できる。

また、上記いずれかの発熱抵抗素子において、前記空洞部内が外部とは独立した空間とされており、該空洞部内に気体が封入されていてもよい。

この場合には、空洞部内に封入された気体の圧力によって、発熱抵抗体にかかる押圧力が支持され、耐圧性能をさらに向上できる。

ここで、空洞部内に封入される気体は、不活性ガスであることが好ましい。

このようにすることで、発熱抵抗体の酸化等の劣化を防止し、信頼性、耐久性を向上することができる。

また、上記いずれかの発熱抵抗素子において、前記空洞部内が外部とは独立した空間とされており、該空洞部内が大気圧以下に減圧されていてもよい。

この場合には、発熱抵抗体の作動による温度変化によっても空洞部内の内圧の変動を抑制することができる。

上記の発熱抵抗素子において、前記蓄熱層は、厚みが１０μｍ以上１００μｍ以下の薄板ガラスによって構成されていてもよい。

この場合には、蓄熱層が１０μｍ以上の厚みの薄板ガラスによって構成されていて、その機械的強度が十分に確保されているので、信頼性が高い。

また、蓄熱層の厚みが１００μｍ以下と薄く、蓄熱層自体の熱容量が小さいので、この発熱抵抗素子では、発熱抵抗体が発生させた熱が蓄熱層に奪われずに目的の熱処理に利用されることになり、発熱効率が高い。

この薄板ガラス製の蓄熱層と基板との接合処理は、７００°Ｃ以下の温度で行われることが好ましい。

この場合には、蓄熱層を構成する薄板ガラスの軟化点以下の温度で接合処理が行われるので、蓄熱層の形状精度を保つことができ、信頼性が高い。

また、本発明は、上記構成の発熱抵抗素子を備えたサーマルヘッドを提供する。

このサーマルヘッドによれば、発熱効率が高く製造コストの低い発熱抵抗素子を用いているので、低消費電力を実現しながら低コストである。

また、本発明は、上記構成のサーマルヘッドを用いるプリンタを提供する。

このプリンタによれば、発熱効率が高く製造コストの低いサーマルヘッドを用いているので、低消費電力を実現しながら低コストである。

また、本発明は、基板と、該基板上に形成される蓄熱層と、該蓄熱層上に設けられた発熱抵抗体とを有する発熱抵抗素子の製造方法であって、前記基板と前記蓄熱層とのうちの少なくともいずれか一方を、一面に凹部が設けられた構成とし、前記基板と前記蓄熱層とを前記一面が接合面となる向きにして接合する接合工程と、前記蓄熱層上の前記凹部に対向する部位に前記発熱抵抗体を形成する発熱抵抗体形成工程とを備える発熱抵抗素子の製造方法を提供する。

この発熱抵抗素子の製造方法では、基板と蓄熱層とのうちの少なくともいずれか一方を、一面に凹部が形成された構成とし、これら基板と蓄熱層とを、凹部が形成された一面が接合面となる向きにして接合する。これにより、基板と蓄熱層との間には凹部が形成された領域に空洞部が形成されることになる。この空洞部内の気体層は、蓄熱層から基板への熱の流入を規制する断熱層として機能する。

さらに、蓄熱層上の凹部に対向する部位に、発熱抵抗体を形成する。これにより、発熱抵抗体に対向する部位に空洞部が形成された発熱抵抗素子が得られる。

この発熱抵抗素子の製造方法は、基板や蓄熱層に凹部を形成してこれらを貼り合せること以外は、空洞部を有していない発熱抵抗素子の製造方法と同じ工程を用いることができるので、従来の空隙を有する発熱抵抗素子の製造方法に比べて製造工程が単純とすることができ、製造コストを抑えられる。

ここで、基板や蓄熱層は、製造段階で凹部を有する形状に成形されてもよく、平板状に形成されたのちにエッチングや機械加工等によって凹部が形成されてもよい。エッチングによる加工は加工精度が高いので、凹部が微細である場合にも凹部の形状精度を十分高くすることができる。また、凹部の深さを調整することで、断熱層の厚みを調整することができる。

また、本発明は、基板の一面に所定形状の接着剤層を形成する接着剤層形成工程と、前記基板の一面に蓄熱層を接着して前記基板と前記蓄熱層との間に前記接着剤層の形成されていない空洞部を形成する接着工程と、前記蓄熱層上の前記空洞部に対向する領域に発熱抵抗体を形成する発熱抵抗体形成工程とを有している発熱抵抗素子の製造方法を提供する。

この発熱抵抗素子の製造方法では、基板と蓄熱層とが接着剤層を介して貼り合わせられている。基板と蓄熱層との間のうちの一部領域には接着剤層が設けられておらず、これによって空洞部が形成されている。この空洞部内の気体層は、蓄熱層から基板への熱の流入を規制する断熱層として機能する。

さらに、蓄熱層上の空洞部に対向する部位に、発熱抵抗体を形成する。これにより、発熱抵抗体に対向する部位に空洞部が形成された発熱抵抗素子が得られる。

この発熱抵抗素子の製造方法は、基板と蓄熱層との間に所定パターンの接着剤層を形成してこれらを貼り合せること以外は、空洞部を有していない発熱抵抗素子の製造方法と同じ工程を用いることができるので、従来の空隙を有する発熱抵抗素子の製造方法に比べて製造工程を単純とすることができ、製造コストを抑えられる。

ここで、接着剤層の厚みを調整することで、空洞部が形成する断熱層の厚みを調整することができる。

本発明に係る発熱抵抗素子、サーマルヘッド、及びプリンタによれば、低消費電力を実現しながら、製造コストが低くて済む。また、発熱抵抗素子の強度も向上することができる。

また、本発明に係る発熱抵抗素子の製造方法によれば、低消費電力の発熱抵抗素子を低コストで製造することができる。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
［第一実施形態］
本実施形態では、本発明を、サーマルプリンタに適用した例を示す。

図1に示すように、本実施形態に係るサーマルプリンタ１は、本体フレーム２と、水平配置されるプラテンローラ３と、プラテンローラ３の外周面に対向配置されるサーマルヘッド４（発熱抵抗素子）と、プラテンローラ３とサーマルヘッド４との間に感熱紙５を送り出す紙送り機構６と、サーマルヘッド４を感熱紙５に対して所定の押圧力で押し付ける加圧機構７とを備えている。

サーマルヘッド４は、図２の平面図に示すように板状をなしており、図３の断面図（図２のα−α矢視断面図）に示すように、基板１１と、基板の一面に接合される蓄熱層１２と、蓄熱層１２上に設けられた発熱抵抗体１３と、蓄熱層１２及び発熱抵抗体１３を覆って磨耗や腐食から保護する保護膜層１４とを有している。

本実施形態では、基板１１と蓄熱層１２とは、陽極接合によって接合されている。また、発熱抵抗体１３は、サーマルヘッド４においてプラテンローラ３の長手方向に沿って複数配列されている。

このサーマルヘッド４では、一般的なサーマルヘッドと同様に、基板１１として、ガラス基板やシリコン基板、アルミナセラミクス基板等の絶縁性基板が用いられている。ガラス基板としては、二酸化珪素の含有量が５０％から８０％のものが用いられる。また、アルミナセラミクス基板としては、酸化アルミニウム含有量は９５％から９９．５％のものが用いられる。本実施形態では、基板１１として、シリコン基板が用いられている。

ここで、後述するように、蓄熱層１２が薄板ガラスによって構成されているので、基板１１として蓄熱層１２の材質に性質の近いシリコン基板を用いた場合には、サーマルヘッド４が熱膨張した際に生じる歪みが少なくて済む。

また、アルミナセラミクス基板は、サーマルヘッドの基板として一般的に用いられるものであって、ガラスやシリコン基板よりもヤング率が大きく、機械的強度が高いので、後述するように発熱抵抗体１３となる各種の薄膜を形成した際に、膜応力による歪みが生じにくい。

蓄熱層１２は、厚さ１０μｍ以上の薄板ガラスによって構成されていて、十分な機械的強度を有している。また、蓄熱層１２の厚みは１００μｍ以下とされており、これによってサーマルヘッド４の厚みが低減されている。

発熱抵抗体１３は、蓄熱層１２上に所定パターンで形成される発熱抵抗体層２１と、蓄熱層１２上に発熱抵抗体層２１と接して設けられる個別電極２２及び共通電極２３とを有している。

このサーマルヘッド４では、基板１１の蓄熱層１２側の面と蓄熱層１２の基板１１側の面とのうちの少なくともいずれか一方には、発熱抵抗体１３に対向する領域に、凹部２６が形成されている。これにより、基板１１と蓄熱層１２との間の発熱抵抗体１３に対向する領域に、空洞部２７が形成されている。

この空洞部２７内の気体層は、蓄熱層１２から基板１１への熱の流入を規制する断熱層として機能する。

ここで、凹部２６の形状は任意であって、その大きさは、発熱抵抗体１３の寸法に近ければ、発熱抵抗体１３よりも大きくてもよく、小さくてもよい。

凹部２６の平面視における大きさを発熱抵抗体１３の発熱有効面積よりも大きくした場合には、発熱抵抗体１３と基板１１との間の断熱性能が大きくなる。一方、凹部２６の平面視の大きさを発熱抵抗体１３の発熱有効面積よりも小さくした場合には、シリコン基板１１の機械的強度を向上することができる。

本実施形態では、凹部２６は、基板１１の一面側に設けられており、平面視において発熱抵抗体１３よりも若干小さい略四角形とされている。また、凹部２６の深さＤは、１μｍ以上１００μｍ以下とされている。すなわち、このサーマルヘッド４では、空洞部２７内の気体層の厚みが１μｍ以上と十分に確保されていて、この気体層による断熱効果が高い。また、凹部２６の深さが１００μｍ以下とされているので、サーマルヘッド４の厚みが抑えられる。

次に、上記本実施形態に係るサーマルヘッド４の製造方法について説明する。

まず、基板１１（シリコンウェハ）の一面の、発熱抵抗体層２１が形成される領域に、所定深さの凹部２６を形成する（凹部形成工程）。

凹部２６は、例えば基板１１の一面にエッチングやレーザー加工を施すことによって作成される。

基板１１にエッチングによる加工を施す場合には、まず、基板１１の一面に、スパッタ法、真空蒸着法、ＣＶＤ法やその他の手法により、凹部２６を設ける領域にエッチング窓が開口したエッチングマスクを形成する。この状態で、基板１１の一面にエッチングを施すことで、所定深さの凹部２６を形成する。

本実施形態では、基板１１の一面にフォトレジスト材を塗布し、このフォトレジスト材を所定パターンのフォトマスクを用いて露光して、凹部２６を形成する領域以外の部分を固化させる。その後、基板１１の一面を洗浄して固化していないフォトレジスト材を除去することで、凹部２６を形成する領域にエッチング窓が形成されたエッチングマスクを得る。この状態で、基板１１の一面にエッチングを施すことで、所定深さの凹部２６を得る。このエッチング処理には、例えば水酸化テトラメチルアンモニウム溶液やフッ酸系のエッチング液等を用いたウェットエッチングのほか、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）やプラズマエッチング等のドライエッチングが用いられる。

次に、基板１１の一面からエッチングマスクを全て除去したのち、この一面に厚さ１０μｍから１００μｍの薄板ガラスを接合して蓄熱層１２を得る（接合工程）。

このように基板１１の一面に薄板ガラスを接合して蓄熱層１２を形成した状態では、基板１１と蓄熱層１２との間には、凹部２６が形成される領域に、独立した空洞部２７が形成される。ここで、凹部２６の深さＤが空洞部２７の厚み（断熱層の厚み）となるので、断熱層の厚みの制御は容易である。

なお、空洞部２７内には、接合工程における周辺雰囲気ガスが封入される。例えば、大気中で接合工程を行った場合には、空洞部２７内には大気が封入される。

本実施形態では、基板１１と薄板ガラスとの接合は、陽極接合技術を用いて行われる。

具体的には、まず、基板１１の一面に薄板ガラスの一面を合わせた状態にして、これら基板１１と薄板ガラスとを３００°Ｃから５００°Ｃに加熱する。この状態で、基板１１と薄板ガラスとの間に５００Ｖから１ｋＶの電圧を印加することで、基板１１と薄板ガラスとの間に大きな静電引力が発生し、これらの界面が化学結合して接合が行われる。

この薄板ガラス製の蓄熱層１２と基板１１との接合処理は、７００°Ｃ以下、すなわち薄板ガラスの軟化点以下の温度で行われるので、このサーマルヘッド４では、蓄熱層１２の形状精度を保つことができ、信頼性が高い。

ここで、薄板ガラスとして１０μｍ程度の厚みのものは、製造やハンドリングが困難であり、また高価である。そこで、このような薄い薄板ガラスを直接基板１１に接合する代わりに、製造やハンドリングが容易な厚みをもった薄板ガラスを基板１１に接合したのちに、この薄板ガラスをエッチングや研磨等によって所望の厚みとなるように加工してもよい。この場合には、基板１１の一面に容易かつ安価にごく薄い蓄熱層１２を形成することができる。

なお、薄板ガラスのエッチングには、上記のように凹部２６の形成に用いた各種エッチングを用いることができる。また、薄板ガラスの研磨には、例えば、半導体ウェーハ等の高精度研磨に用いられるＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリッシング）等を用いることができる。

このようにして形成した蓄熱層１２上に、発熱抵抗体層２１、個別電極２２、共通電極２３、保護膜層１４を順次形成する（発熱抵抗体形成工程）。なお、発熱抵抗体層２１、個別電極２２、及び共通電極２３を形成する順序は任意である。

これら発熱抵抗体層２１、個別電極２２、共通電極２３、保護膜層１４は、従来のサーマルヘッドにおけるこれら部材の製造方法を用いて作成することができる。

具体的には、スパッタリングやＣＶＤ（化学気相成長法）、蒸着等の薄膜形成法を用いて蓄熱層１２上にＴａ系やシリサイド系等の発熱抵抗体材料の薄膜を成膜し、この発熱抵抗体材料の薄膜をリフトオフ法やエッチング法等を用いて成形することにより所望の形状の発熱抵抗体１３を形成する。

同様に、蓄熱層１２上にＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｇ等の配線材料をスパッタリングや蒸着法等により成膜してこの膜をリフトオフ法もしくはエッチング法を用いて成形したり、配線材料をスクリーン印刷した後に焼成するなどして、所望の形状の個別電極２２及び共通電極２３を形成する。

本実施の形態では、一つの発熱抵抗体１３に対して二つの独立した個別電極２２を設け、共通電極２３を一方の個別電極２２上にかぶせて設けることで、共通電極２３の配線抵抗値の低減を図っている。

このように発熱抵抗体層２１、個別電極２２、及び共通電極２３を形成したのち、蓄熱層１２上にＳｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＳｉＡｌＯＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ダイヤモンドライクカーボン等の保護膜材料をスパッタリング、イオンプレーティング、ＣＶＤ法等により成膜して、保護膜層１４を形成する。

これにより、図１に示されるサーマルヘッド４が製造される。

このように構成されるサーマルヘッド４では、基板１１と蓄熱層１２との間の発熱抵抗体１３に対向する領域に空洞部２７が形成されていて、この空洞部２７内の気体層は、蓄熱層１２から基板１１への熱の流入を規制する断熱層として機能する。本実施形態では、凹部２６の深さＤが１μｍ以上とされていて、空洞部２７内の気体層の厚みが１μｍ以上確保されているので、この気体層による断熱効果が高い。

さらに、このサーマルヘッド４では、蓄熱層１２の厚みが１００μｍ以下と薄く、蓄熱層１２自体の熱容量が小さいので、発熱抵抗体１３が発生させた熱が蓄熱層１２に奪われずに印刷に効果的に利用される。

このように、このサーマルヘッド４では、発熱抵抗体１３が発生させた熱を印刷に有効利用することができるので、発熱抵抗体１３の発熱効率が高い。

また、このように発熱抵抗体１３が発生させた熱が基板１１に伝わりにくいので、連続して印刷出力を行ってもサーマルヘッド４全体の温度が上昇しにくい。このため、本実施形態に係るサーマルプリンタ１は、高品位な連続印刷が可能である。

さらに、このサーマルヘッド４は、基板１１の一面に凹部２６を形成してこの一面に蓄熱層１２となる薄板ガラスを貼り合せること以外は、空洞部２７を有していないサーマルヘッドと同じ製造方法で作成することができるので、従来の空隙を有するサーマルヘッドに比べて製造工程が単純となり、製造コストが低くて済む。

また、このサーマルヘッド４では、基板１１と蓄熱層１２とは、陽極接合によって接合されているので、接着剤を塗布することなく基板１１と蓄熱層１２とを直接接合することができ、製造工程が簡略化される。

このように、このサーマルヘッド４は、発熱効率が高く製造コストが低い。

このため、このサーマルヘッド４を用いるサーマルプリンタ１は、低消費電力を実現しながら低コストである。

ここで、本実施形態では、基板１１に凹部２６を形成した例を示したが、これに限られることなく、基板１１に凹部２６を設ける代わりに、図３に二点差線で示すように、蓄熱層１２において基板１１の一面側を向く面に凹部２６を設けてもよく、基板１１と蓄熱層１２の両方に、互いに対向させて凹部２６を設けてもよい。

［第二実施形態］
本実施形態に示すサーマルプリンタは、第一実施形態で示したサーマルプリンタ１において、サーマルヘッド４の代わりに、図４に示すサーマルヘッド３１を用いたものである。

以下、第一実施形態で示すサーマルヘッド４と同様または同一の部材については同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。

サーマルヘッド３１は、第一実施形態で示したサーマルヘッド４において、基板１１に凹部２６を設ける代わりに、基板１１と蓄熱層１２との間に所定パターンの接着剤層３２を設けている。ここで、サーマルヘッド３１の動作時には、発熱抵抗体１３の温度が２００°Ｃから３００°Ｃ程度まで上昇するため、接着剤層３２を構成する接着剤としては、発熱抵抗体１３の温度に耐えられる高耐熱性材料が用いられる。

具体的には、接着剤層３２は、二酸化珪素または三酸化ホウ素などを主成分とするガラスペーストや、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂等の高分子樹脂材料によって構成されている。

また、基板１１と蓄熱層１２との間の領域のうち、発熱抵抗体１３に対向する領域は、接着剤層３２が形成されていない空洞部２７となっている。

この空洞部２７内の気体層は、蓄熱層１２から基板１１への熱の流入を規制する断熱層として機能する。

この空洞部２７の形状は任意であって、その大きさは、発熱抵抗体１３の寸法に近ければ、発熱抵抗体１３よりも大きくてもよく、小さくてもよい。

空洞部２７の平面視における大きさを発熱抵抗体１３の発熱有効面積よりも大きくした場合には、発熱抵抗体１３と基板１１との間の断熱性能が大きくなる。一方、空洞部２７の平面視の大きさを発熱抵抗体１３の発熱有効面積よりも小さくした場合には、シリコン基板１１の機械的強度を向上することができる。

本実施形態では、基板１１と蓄熱層１２との間には、平面視において発熱抵抗体１３よりも若干小さい略四角形の空洞部２７が形成されている。

また、本実施形態では、接着剤層３２の厚みＴは、１μｍ以上１００μｍ以下とされている。すなわち、本実施形態に係るサーマルヘッド３１では、基板１１と蓄熱層１２との間に形成される空洞部２７内の気体層の厚みが、１μｍから１００μｍの範囲内とされている。

すなわち、このサーマルヘッド３１では、空洞部２７内の気体層の厚みが１μｍ以上と十分に確保されていて、この気体層による断熱効果が高いので、消費電力が低くて済む。また、空洞部２７の厚みが１００μｍ以下とされているので、サーマルヘッド３１の厚みが抑えられる。

以下、このサーマルヘッド３１の製造方法について説明する。

まず、基板１１の一面、もしくは蓄熱層１２において基板１１側を向く面に前記した接着剤を塗布して、所定パターンの接着剤層３２を形成する（接着剤層形成工程）。

接着剤層３２は、基板１１の一面に対して、スクリーン印刷もしくはフォトリソグラフィを用いたパターニングによって形成される。

本実施形態では、接着剤層３２は、フォトリソグラフィを用いたパターニングによって形成されている。具体的には、基板１１上に、フォトリソグラフィによって接着剤層３２を形成する領域が開口したマスクパターンを形成し、この開口部に接着剤を充填したのち、マスクパターンを除去して所定パターンの接着剤層３２を形成する。

ここで、このサーマルヘッド３１では、接着剤層３２の厚みＴが断熱層の厚みとなるので、断熱層の厚みの制御が容易である。

このように形成した接着剤層３２を乾燥させたのち、この接着剤層３２を介して、基板１１と蓄熱層１２とを接着する（接着工程）。これにより、基板１１と蓄熱層１２との間に、接着剤層３２の形成されていない空洞部２７が形成される。

ここで、接着剤として前記のガラスペーストを用いた場合には、熱処理を行うことによって基板１１と蓄熱層１２とを接着する。この熱処理の際に、蓄熱層１２の変形等を生じさせることがないよう、ガラスペーストとしては、蓄熱層１２を構成する薄板ガラスの軟化点（７００°Ｃ）以下の低融点のものを用いることが好ましい。

なお、空洞部２７内には、接着工程における周辺雰囲気ガスが封入される。例えば、大気中で接着工程を行った場合には、空洞部２７内には大気が封入される。

以降は、第一実施形態で示したサーマルヘッドの製造方法と同様にして、蓄熱層１２上の空洞部２７に対向する領域に発熱抵抗体１３を形成する（発熱抵抗体形成工程）。

このように構成されるサーマルヘッド３１では、基板１１と蓄熱層１２との間のうち、発熱抵抗体１３に対向する領域が、接着剤層３２が形成されていない空洞部２７とされており、この空洞部２７内の気体層は、蓄熱層１２から基板１１への熱の流入を規制する断熱層として機能する。

また、このサーマルヘッド３１では、基板１１がシリコン基板とされており、接着剤層３２を構成する接着剤が、ガラス材料または高分子樹脂材料とされている。すなわち、このサーマルヘッド３１では、接着剤として熱伝導率の低い材質が用いられていて、蓄熱層１２から接着剤層３２を介して基板１１へ流入する熱量が少ない。

このため、このサーマルヘッド３１では、発熱抵抗体１３が発生させた熱を効果的に印刷に利用することができ、発熱抵抗体１３の発熱効率が高い。

また、このように発熱抵抗体１３が発生させた熱が基板１１に伝わりにくいので、連続して印刷出力を行ってもサーマルヘッド４全体の温度が上昇しにくい。このため、本実施形態に係るサーマルプリンタ１は、高品位な連続印刷が可能である。

さらに、このサーマルヘッド３１は、基板１１と蓄熱層１２との間に所定パターンの接着剤層３２を形成してこれらを貼り合せること以外は、空洞部２７を有していないサーマルヘッドと同じ製造方法で作成することができるので、従来の空隙を有するサーマルヘッドに比べて製造工程が単純となり、製造コストが低くて済む。

このサーマルヘッド３１では、接着剤層３２が、スクリーン印刷もしくはフォトリソグラフィを用いたパターニングによって形成されているので、得られる接着剤層３２の形状精度が高い。すなわち、本実施形態に係るサーマルヘッドの製造方法では、空洞部２７を所望の位置に正確に形成することができるので、サーマルヘッド３１の歩留まりがよい。

ここで、上記各実施の形態において、各発熱抵抗体１３に対向して設けられる空洞部２７内を大気圧以下に減圧してもよい。

この場合には、空洞部２７内の気体による熱伝導を低減し、断熱効果をさらに向上することができる。また、密閉状態にある空洞部２７内の圧力が発熱抵抗体１３の作動による温度変化に応じて変動することを回避することができる。ここで、空洞部２７内を真空状態にすることで、より高い効果を得ることができる。

また、各発熱抵抗体１３に対向して設けられる空洞部２７内に大気圧より高い圧力状態の気体を封入することにしてもよい。このようにすることで、薄膜で構成される発熱抵抗体１３の発熱面に外部から力が加わった場合に、空洞部２７内の圧力によりこの外力に対抗して発熱面の変形を防止し、あるいは、変形後に元の状態に復元する効果を得ることができる。

この場合に、空洞部２７内に封入するガスとしては、Ｎ₂、Ｈｅ、Ａｒ等の不活性ガスを用いることが好ましい。このようにすることで、空洞部２７内に封入するガスが蓄熱層１２を透過して発熱抵抗体１３に到達しても、発熱抵抗体１３が酸化したり特性劣化したりする問題を防止でき、サーマルヘッドの信頼性および再現性が高くなる。

また、上記各実施の形態において、基板１１に形成される凹部２６や、基板１１と蓄熱層１２との間に形成される空洞部２７の形状は任意であって、各発熱抵抗体１３ごとに独立して設けてもよく、複数の発熱抵抗体１３にまたがる形状に形成してもよい。なお、各発熱抵抗体１３に対応する凹部２６（または空洞部２７）の数及び配置は任意とすることができる。

例えば、第一実施形態においては、図５に示されるサーマルヘッド４ａのように、各発熱抵抗体１３のそれぞれに対向する位置に複数の凹部２６を設けてもよい。この場合には、一つの発熱抵抗体１３に対応する凹部２６の大きさの総和を維持しつつ、各凹部２６の大きさを小さくすることができる。すなわち、このサーマルヘッド４ａでは、断熱層の大きさを維持して断熱性能を維持しつつ、基板１１の機械的強度を保つことができる。

ここで、図５に示す例は、発熱抵抗体１３の発熱有効面積内に９個の凹部２６を正方配列したものであり、最も加熱される発熱抵抗体１３の中央部に対向させて凹部２６を設けたことにより、高い断熱性能を得ている。

また、第一実施形態においては、図６に示すサーマルヘッド４ｂまたは図７に示されるサーマルヘッド４ｃのように、発熱抵抗体１３ごとに個別に形成された各凹部２６を相互に連絡する連通孔２６ａを設けてもよい。

ここで、図６に示すサーマルヘッド４ｂは、基板１１と蓄熱層１２とのうち、凹部２６が形成される側に溝状の連通孔２６ａを形成した例である。また、図７に示すサーマルヘッド４ｃは、基板１１と蓄熱層１２とのうち、凹部２６が形成されていない側に溝状の連通孔２６ａを形成した例である。

これらの構成を採用した場合には、発熱抵抗体１３ごとに温度状態が異なっても、全ての発熱抵抗体１３に対する凹部２６内の圧力状態を一定にすることができる。連通孔２６ａは、凹部２６と同様の手法を用いて作成することができる。また、連通孔２６ａは、基板１１や蓄熱層１２にダイサーによる溝加工を施すことにより、容易に作成することができる。

また、第一実施形態においては、図８に示すサーマルヘッド４ｄまたは図９に示されるサーマルヘッド４ｅのように、凹部２６を大気開放することにしてもよい。

ここで、図８に示すサーマルヘッド４ｄは、図６に示すサーマルヘッド４ｂにおいて、任意の凹部２６からサーマルヘッドの端部まで溝状の連通孔２６ａを設けたものである。また、図９に示すサーマルヘッド４ｅは、図７に示すサーマルヘッド４ｃにおいて、連通孔２６ａの端部をサーマルヘッドの端部外面まで設けたものである。

これらの構成を採用した場合には、各発熱抵抗体１３に設けられた空洞部２７内の内圧を均一な大気圧に保持することができる。空洞部８内の圧力は熱伝導に影響するため、空洞部２７を大気開放することによって、各発熱抵抗体１３の発熱特性を均一にすることができる。

なお、上記各実施形態では、サーマルヘッドの発熱抵抗体層２１、個別電極２２、及び共通電極２３が、薄膜プロセスによって作成される例を示したが、これに限られることなく、発熱抵抗体層２１、個別電極２２、及び共通電極２３を、それぞれレジネート金や酸化ルテニウム等を使用する厚膜プロセスによって作成されてもよい。

また、本発明は、全面グレーズ型や部分グレーズ型、ニアエッジ型などの構造によらず、全ての形式のサーマルヘッドに適用することができる。

また、本発明は、直接感熱型と言われる感熱紙を用いるものや、溶融型や昇華型の熱転写リボンを用いたものや、最近では、いったんフィルム状の媒体に印字後、硬質の媒体に再転写するものなど、全ての形式のサーマルプリンタに適用することができる。

また、本発明は、上記各実施形態に示したサーマルヘッド４，３１の他に、これらサーマルヘッド４，３１とほぼ同様の構造である熱消去ヘッドや、熱定着を必要とするプリンタなどの定着ヒータ、光導波路型光部品の薄膜発熱抵抗素子等、他の膜状の発熱抵抗素子を保有する電子部品に適用することができる。また、サーマル式とバブル式のインクジェットヘッドにも応用できる可能性がある。

本発明の第一実施形態に係るサーマルプリンタの構成を示す縦断面図である。 本発明の第一実施形態に係るサーマルヘッドの構成を示す平面図である。 図２のα−α矢視断面図である。 本発明の第二実施形態に係るサーマルヘッドの構成を示す縦断面図である。 本発明の第一実施形態に係るサーマルヘッドの他の形態例を示す平面図である。 本発明の第一実施形態に係るサーマルヘッドの他の形態例を示す平面図である。 本発明の第一実施形態に係るサーマルヘッドの他の形態例を示す平面図である。 本発明の第一実施形態に係るサーマルヘッドの他の形態例を示す平面図である。 本発明の第一実施形態に係るサーマルヘッドの他の形態例を示す平面図である。

符号の説明

１ サーマルプリンタ
４，４ａ〜４ｅ，３１ サーマルヘッド（発熱抵抗素子）
１２ 基板
１３ 蓄熱層
１４ 発熱抵抗体
２６ 凹部
２７ 空洞部
３２ 接着剤層

Claims (18)

1. 基板と、
   該基板の一面に接合される蓄熱層と、
   該蓄熱層上に設けられた発熱抵抗体とを有し、
   前記基板の前記一面と前記蓄熱層の前記基板側の面とのうちの少なくともいずれか一方には、前記発熱抵抗体に対向する領域に凹部が設けられていて、前記基板と前記蓄熱層との間には、前記発熱抵抗体に対向する領域に空胴部が形成されている発熱抵抗素子。
2. 前記凹部の深さが、１μｍ以上１００μｍ以下とされている請求項１記載の発熱抵抗素子。
3. 前記基板と前記蓄熱層とが、陽極接合によって接合されている請求項１または２に記載の発熱抵抗素子。
4. 基板と、
   該基板の一面に接着される蓄熱層と、
   該蓄熱層と前記基板との間に形成される接着剤層と、
   該蓄熱層上に設けられた発熱抵抗体とを有し、
   前記基板と前記蓄熱層との間のうち、前記発熱抵抗体に対向する領域は、前記接着剤層が形成されていない空洞部とされている発熱抵抗素子。
5. 前記接着剤層の厚みが１μｍ以上１００μｍ以下とされている請求項４記載の発熱抵抗素子。
6. 前記基板がガラス基板、シリコン基板、セラミクス基板とのうちのいずれかとされており、前記接着剤層を構成する接着剤が、ガラス材料または高分子樹脂材料である請求項４または５に記載の発熱抵抗素子。
7. 前記接着剤層が、スクリーン印刷もしくはフォトリソグラフィを用いたパターニングによって形成されている請求項４から６のいずれかに記載の発熱抵抗素子。
8. 前記発熱抵抗体と前記空洞部との対が複数設けられており、
   前記空洞部同士が互いに連通されている請求項１から７のいずれかに記載の発熱抵抗素子。
9. 前記空洞部が、外部と連通されている請求項１から８のいずれかに記載の発熱抵抗素子。
10. 前記空洞部内が外部とは独立した空間とされており、
    該空洞部内に気体が封入されている請求項１から８のいずれかに記載の発熱抵抗素子。
11. 前記気体が不活性ガスである請求項１０記載の発熱抵抗素子。
12. 前記空洞部内が外部とは独立した空間とされており、
    該空洞部内が大気圧以下に減圧されている請求項１から８のいずれかに記載の発熱抵抗素子。
13. 前記蓄熱層は、厚みが１０μｍから１００μｍの範囲内の薄板ガラスによって構成されている請求項１から８のいずれかに記載の発熱抵抗素子。
14. 前記基板と前記蓄熱層との接合処理が、７００°Ｃ以下の温度で行われた請求項１３記載の発熱抵抗素子。
15. 請求項１から１４のいずれかに記載の発熱抵抗素子を備えたサーマルヘッド。
16. 請求項１５記載のサーマルヘッドを用いたプリンタ。
17. 基板と、該基板上に形成される蓄熱層と、該蓄熱層上に設けられた発熱抵抗体とを有する発熱抵抗素子の製造方法であって、
    前記基板と前記蓄熱層とのうちの少なくともいずれか一方を、一面に凹部が設けられた構成とし、
    前記基板と前記蓄熱層とを前記一面が接合面となる向きにして接合する接合工程と、
    前記蓄熱層上の前記凹部に対向する部位に前記発熱抵抗体を形成する発熱抵抗体形成工程とを備える発熱抵抗素子の製造方法。
18. 基板の一面に所定形状の接着剤層を形成する接着剤層形成工程と、
    前記基板の一面に蓄熱層を接着して前記基板と前記蓄熱層との間に前記接着剤層の形成されていない空洞部を形成する接着工程と、
    前記蓄熱層上の前記空洞部に対向する領域に発熱抵抗体を形成する発熱抵抗体形成工程とを有している発熱抵抗素子の製造方法。

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