JP2009126117A - サーマルプリントヘッドおよびその製造方法、並びに、サーマルプリンタ - Google Patents

Abstract

【課題】サーマルプリントヘッドの耐摩耗性および靭性を向上させる。
【解決手段】サーマルプリントヘッド１０に、絶縁板３１およびグレーズ層３２からなる支持基板と、グレーズ層３２の表面の抵抗体層１２および電極層１３によって形成された発熱体２３と、この発熱体２３を覆う保護層１４と、低窒化チタン層１７とこの低窒化チタン層１７よりも窒化率が大きい高窒化チタン層１８とからなり、少なくとも発熱体２３を覆うように保護層１４の表面に形成された耐磨耗層１６と、を備える。ここで、窒化率とは、チタンに対する窒素の原子数比を示す数値である。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーマルプリントヘッドおよびその製造方法、並びに、サーマルプリンタに関する。

サーマルプリントヘッドは、抵抗発熱部に配列された複数の発熱体を発熱させ、その熱により感熱記録紙などの被印刷体に文字や図形などの画像を形成する出力用デバイスである。このサーマルプリントヘッドは、バーコードプリンタ、デジタル製版機、ビデオプリンター、イメージャー、シールプリンターなどの記録機器に広く利用されている。

一般的なサーマルプリントヘッドは、放熱板と、放熱板に取り付けられた発熱体板と、発熱体板と同じ側で放熱板に取り付けられた回路基板とを備えている。この発熱体板の放熱板と相対する表面の反対側の表面の帯状に延びる発熱領域には、抵抗体層の複数の抵抗発熱部が所定の間隔で直線状に配列されている。また、回路基板には、抵抗発熱部を駆動する駆動回路の一部となる駆動用ＩＣなどの電気部品が搭載されている。

抵抗発熱部の表面には、抵抗発熱部を保護する保護層が形成されている場合がある。この保護層は、たとえばスパッタリングによって絶縁材料を蒸着した層である。また、保護層の表面には、磨耗を抑制するために耐磨耗層が設けられる場合がある。耐磨耗層は、たとえばイオンプレーティング法によって形成される。保護膜層はたとえばＳｉ−Ｏ−Ｎ系材料を主成分とする膜であり、耐磨耗層はＴｉＮなどの窒化金属を主成分とする硬質膜である（たとえば特許文献１参照）。

このようなサーマルプリントヘッドを用いたプリンタは、一般的に、所定の弾性を持つ材料で円筒状に形成されたプラテンローラを備えている。このプラテンローラは、発熱抵抗体が配列された主走査方向を軸として、その側面が支持基板上の発熱領域に接するように配置され、その軸を中心に回転可能に設けられる。プラテンローラの回転によって、プラテンローラと発熱領域の間に挿入された媒体は、主走査方向に垂直な副走査方向に移動する。プラテンローラによって媒体を発熱領域に押し付けつつ、その媒体を副走査方向に移動させ、発熱領域の発熱パターンを媒体の移動とともに変化させることにより、所望の画像を被印刷体上に形成する。
特開２００６−２３１５２３号公報

硬質膜とも呼ばれる耐磨耗層は、硬い故に靭性が乏しい。逆に、靭性を高めようとすると、硬度が低くなる傾向にある。たとえば窒化金属膜であるＴｉＮは、ビッカース硬度ＨｖがＨｖ＝２１００程度と、同じく窒化金属でありＨｖ＝２５００程度のＣｒＮに比べて膜硬度は低いが、優れた靭性を有している。このため、プリンタのサーマルプリントヘッドに形成されたＴｉＮの硬質膜は、異物の噛み込みによる発熱抵抗体の破損の抑制に非常に有効である。しかし、ＴｉＮは硬度が低いため機械摩耗性が大きく、耐用走行距離はＳｉＣなどと同程度しかない。

そこで、本発明は、サーマルプリントヘッドの耐摩耗性および靭性を向上させることを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、サーマルプリントヘッドにおいて、支持基板と、前記支持基板の表面に配列された発熱体と、前記発熱体を覆う保護層と、低窒化チタン層とこの低窒化チタン層よりも窒化率が大きい高窒化チタン層と積層からなり、少なくとも前記発熱体を覆うように前記保護層の表面に形成された耐磨耗層と、を具備することを特徴とする。

また、本発明は、サーマルプリントヘッドの製造方法において、支持基板を形成する工程と、前記支持基板の表面に発熱体を配列する工程と、前記発熱体を覆う保護層を形成する保護層形成工程と、前記保護層形成工程の後に、低窒化チタン層とこの低窒化チタン層よりも窒化率が大きい高窒化チタン層とからなり、少なくとも前記発熱体を覆うように前記保護層の表面に耐磨耗層を形成する耐磨耗層形成工程と、を具備することを特徴とする。

また、本発明は、サーマルプリンタにおいて、支持基板と、前記支持基板の表面に配列された発熱体と、前記発熱体を覆う保護層と、低窒化チタン層とこの低窒化チタン層よりも窒化率が大きい高窒化チタン層と積層からなり、少なくとも前記発熱体を覆うように前記保護層の表面に形成された耐磨耗層と、を備えたサーマルプリントヘッドと、被印刷媒体を前記発熱体の位置で前記サーマルプリントヘッドに押し付けながら前記発熱体の配列方向に垂直な方向に移動させるプラテンローラと、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、サーマルプリントヘッドの耐摩耗性および靭性を向上させることができる。

本発明に係るサーマルプリントヘッドおよびそれを用いたサーマルプリンタの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図３は、本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態における斜視図である。図４は、本実施の形態のサーマルプリントヘッドを用いたサーマルプリンタの一部の断面図である。

サーマルプリントヘッド１０は、たとえば発熱体板２０、回路基板４０および放熱板３０を有している。発熱体板２０および回路基板４０は、放熱板３０の同じ側の表面に載置されている。発熱体板２０には、主走査方向に延びる発熱領域２４が形成されている。

放熱板３０は、たとえばアルミニウムなどの金属で形成された板である。発熱領域２４に所定の発熱パターンを形成するための制御信号や駆動電力は、たとえばコネクタ４６を介して回路基板４０に入力される。発熱領域２４を発熱させる駆動回路は、たとえば回路基板４０の上に実装された駆動用ＩＣ４２などによって形成されている。駆動用ＩＣ４２と発熱体板２０とは、たとえばボンディングワイヤ４４によって電気的に接続されている。また、駆動用ＩＣ４２と回路基板４０に形成された配線パターンの間も、たとえばボンディングワイヤ４４によって電気的に接続されている。駆動用ＩＣ４２およびボンディングワイヤ４４は、たとえば樹脂４８によって封止されている。

このサーマルプリントヘッドを用いたサーマルプリンタは、所定の弾性を持つ材料で円筒状に形成されたプラテンローラ５０を有している。このプラテンローラ５０は、主走査方向に平行な直線上に軸５２を持つ。また、プラテンローラ５０の側面が発熱領域２４に接するように配置され、軸５２を中心に回転可能に設けられる。

プラテンローラ５０の回転によって、プラテンローラ５０と発熱領域２４との間に挿入された感熱記録媒体６０は、主走査方向に対して垂直な副走査方向に移動する。感熱記録媒体６０は、発色温度以上に加熱されると発色する、たとえば感熱紙である。プラテンローラ５０によって感熱記録媒体６０を発熱領域２４に押し付けつつ、その感熱記録媒体６０を副走査方向に移動させ、発熱領域２４の発熱パターンを感熱記録媒体６０の移動とともに変化させることにより、所望の画像を感熱記録媒体６０上に形成する。

図１は、本実施の形態における発熱体板の図２のＩ−Ｉ矢視一部拡大断面図である。図２は、本実施の形態におけるサーマルプリントヘッドの一部を切り欠いた上面図である。

本実施の形態の発熱体板２０は、支持基板１１と、発熱体２３と、保護層１４と、耐磨耗層１６を備えている。支持基板１１は、絶縁体で形成された板であり、たとえば絶縁板３１とその絶縁板３１の表面に固着されたグレーズ層３２を備えている。絶縁板３１は、たとえばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などのセラミックで形成されている。グレーズ層３２は、膜厚が３０〜２００μｍ程度の、たとえば酸化珪素（ＳｉＯ_２）で形成された層である。また、グレーズ層３２は、ポリイミド樹脂で形成してもよい。

発熱体２３は、たとえば導電体層に形成されている。導電体層は、グレーズ層３２の表面に形成された抵抗体層１２と、その抵抗体層１２の表面に形成された電極層１３とからなる。抵抗体層１２および電極層１３は、主走査方向に間隔を置いて複数配列されていて、それぞれの抵抗体層１２および電極層１３は、副走査方向に延びている。また、抵抗体層１２の表面の一部には、電極層１３が形成されていない領域があり、その部分が発熱体２３となる。この発熱体２３が、主走査方向に並んで発熱領域２４を形成している。

電極層１３は、たとえば個別電極２５および共通電極２８とからなる。個別電極２５は、それぞれ駆動用ＩＣ４２に個別に接続されている。共通電極２８は、発熱体２３を挟んで個別電極２５の反対側に設けられていて、主走査方向に延びている。なお、個別電極２５および共通電極２８の発熱体２３に向かう端部は、リーディングエッジ２９と呼ばれる。

抵抗体層１２は、たとえばＴａＳｉＯ_２で形成されている。電極層１３は、たとえばＡｌで形成されている。抵抗体層１２の膜厚は０．０５μｍ程度である。電極層１３の膜厚は、０．５μｍ〜１μｍ程度である。

保護層１４は、少なくとも発熱領域２４を覆うように導電体層の表面に形成されている。保護層１４は、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の材料などの絶縁体によって形成されている。保護層１４の厚さは、たとえば２〜５μｍ程度である。

Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の材料によって形成された保護層１４は、硬質で緻密な絶縁材料で形成されているため、抵抗体層１２および電極層１３が大気中に含まれている水分などと接触することにより生じる腐食を抑制するパッシベーション機能を発揮する。Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の材料のＯ成分を少なくし、Ｎ成分を増加させるとパッシベーション機能を増大させることができるが、熱膨張係数が大きくなり、クラックが生じやすくなる傾向がある。そこで、使用環境や接触する電極層などの材料に応じて、Ｓｉ、Ｏ、Ｎの組成は、適宜変更する。たとえばＳｉに対してＯとＮが同量のＳｉＯＮ（酸窒化珪素）を好適に用いることができる。

耐磨耗層１６は、少なくとも発熱体２３を覆うように保護層１４の表面に形成されている。耐磨耗層１６は、低窒化チタン層１７と高窒化チタン層１８とを積層したものである。高窒化チタン層１８の窒化率は、低窒化チタン層１７よりも大きい。ここで、窒化率とは、チタンに対する窒素の原子数比で表した値である。低窒素化チタン層１７は、たとえばＴｉ_２Ｎで形成されている。高窒素化チタン層１８は、たとえばＴｉＮで形成されている。つまり、低窒化チタン層１７の窒化率は０．５で、高窒素化チタン層１８の窒化率は１である。

本実施の形態では、耐磨耗層１６は、低窒化チタン層１７と高窒化チタン層１８とを単位とすると、３．５単位が積層されている。積層数は、この数に限定されるものではなく、たとえば１単位から数百単位まで、適宜変更してもよい。

また、低窒化チタン層１７と高窒化チタン層１８とは、明確な境界を持たなくてもよい。つまり、低窒化チタン層１７と高窒化チタン層１８との間で窒化率が連続的に変化してもよい。また、耐磨耗層１６の最上層および最下層は、いずれも低窒化チタン層１７および高窒化チタン層１８のいずれであってもよい。

さらに、この耐磨耗層１６を共通電極２８や、接地電位に接続してもよい。この場合、耐磨耗層１６は、サーマルヘッド１０の耐磨耗層１６や保護層１４と、感熱記録媒体６０との摺接による帯電を防止する帯電防止機能を有することになる。

耐磨耗層１６には、炭素（Ｃ）を混入させてもよい。これにより、耐磨耗層１６の耐摩耗性を高めることができる。炭素は、たとえば耐磨耗層１６の全体に混入させる。低窒化チタン層１７あるいは高窒化チタン層１８のいずれかのみに炭素を混入させてもよいし、低窒化チタン層１７と高窒化チタン層１８との炭素濃度を変えてもよい。また、炭素濃度を表面から保護層１４に近づくにつれて高めたり、低めたりしてもよい。耐磨耗層１６の全体の炭素濃度は５０ｗｔ％以下であることが望ましい。

また、耐磨耗層１６とグレーズ層３２との間に中間層１５を設けてもよい。中間層１５は、たとえばチタン（Ｔｉ）で形成された０．１〜１．０μｍ程度の層である。このような中間層１５を設けることにより、耐磨耗層１６の密着性を向上させることができる。

このように、低窒化チタン層１７と高窒化チタン層１８を積層することにより、耐磨耗層１６の全体としては、高い硬度と、高い靭性を得ることができる。したがって、サーマルプリントヘッド１０の耐摩耗性および靭性を向上させることができる。

図５は、低窒化チタン層と高窒化チタン層とを積層した場合の硬度および靭性の測定結果を示すグラフである。図５には、比較のため、単層のＴｉＮの測定結果も併せて示した。

硬度の測定は、ダイナミック超微小硬度計を用いて押し込み深さを測定した。測定に際しては、測定圧子の押し込み深さが窒化チタン層の厚さの３０％以下となるように荷重を設定した。また、２００ｇｆ（２Ｎ）でこの圧子を押し込んで、圧痕の形状を観察した。クラックがある場合にはそのクラック長を測定して、靭性を評価した。

この試験には、３種類の低窒化チタン層と高窒化チタン層とを積層したサンプル（Ａ〜Ｃ）と、比較のための単層のＴｉＮのサンプル（Ｄ）の、計４種類のサンプルを用いた。Ａ〜Ｃのサンプルでは、低窒化チタン層と高窒化チタン層の積層の単位数が異なる。Ａ〜Ｃのサンプルの積層の単位数およびそれぞれの単位の厚さは、以下のとおりである。

サンプルＡ：積層数は１０単位、ＴｉＮ層およびＴｉ_２Ｎ層の厚さは０．１μｍ
サンプルＢ：積層数は５０単位、ＴｉＮ層およびＴｉ_２Ｎ層の厚さは０．０２μｍ
サンプルＣ：積層数は２００単位、ＴｉＮ層およびＴｉ_２Ｎ層の厚さは０．００５μｍ
なお、サンプルＡ〜Ｃの窒化チタン層の全体の膜厚は、２μｍである。

図５から、低窒化チタン層と高窒化チタン層とを積層すると、単層のＴｉＮよりも硬度が高くなることがわかる。また、低窒化チタン層と高窒化チタン層のそれぞれの厚さが薄くなり、積層単位数が多くなるほど、靭性が向上し、積層単位数が２００単位になると、靭性はＴｉＮと同程度であることがわかる。

図６は、低窒化チタン層と高窒化チタン層とを積層した場合の異物噛込み試験の結果を示すグラフである。この試験では、粒径が３μｍのＳｉＣの砥粒を付着させたラッピングテープを、図５と同じ種類のサンプルの表面にプラテンローラ５０を用いて走行させた。図６は、この試験結果を、ラッピングテープの走行距離と抵抗体層１２に生じた不良ビット数との関係として示したものである。

図６から、低窒化チタン層と高窒化チタン層とを積層すると、走行距離にかかわらず、単層のＴｉＮよりも不良ビット数が少なくなっていることがわかる。したがって、低窒化チタン層と高窒化チタン層とを積層することにより、サーマルプリントヘッド１０の対異物特性が向上することがわかる。また、積層単位数が２００単位までの範囲では、積層単位数を多くするほど、耐異物特性が高いことがわかる。

次に、本実施の形態のサーマルプリントヘッドの製造方法について説明する。

図７は、本実施の形態におけるサーマルプリントヘッドの製造方法のフローチャートである。

まず、アルミナなどによって絶縁板３１を形成する（工程Ｓ１）。次に、絶縁板３１の表面にグレーズ層３２を形成する（工程Ｓ２）。グレーズ層３２は、たとえばガラスペーストを絶縁板３１の表面に塗布し、所定の温度で焼成することによって、絶縁板３１の表面に被着させることができる。ガラスペーストは、ＳｉＯ_２のガラス粉末に適当な有機溶媒、溶剤を添加・混合して得られる。ガラスペーストは、スクリーン印刷法などにより絶縁板の表面に塗布する。

その後、グレーズ層３２の表面に導電体層を形成する（工程Ｓ３）。まず、グレーズ層３２の表面に、たとえばスパッタリングによって、ＴａＳｉＯ_２で抵抗体層１２を成膜する。さらに、その抵抗体層１２の表面に、たとえばスパッタリングによって、Ａｌで電極層１３を成膜する。その後、抵抗体層１２および電極層１３に対して、たとえばフォトエングレービングプロセスによってパターニングを施し、抵抗体層１２および電極層１３のパターンを形成する。このパターニングによって、個別電極２５や、共通電極２８の形状を決定し、個別電極２５と共通電極２８との間に間隙を設けて発熱体２３を形成する。

次に、導電体層を保護する保護層１４を形成する（工程Ｓ４）。たとえば、発熱領域２４およびその近傍のリーディングエッジ２９を含む部分に、マスク治具（シャドウマスク）を用いたスパッタリングによって、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系材料の膜を選択的に形成する。

保護層１４を形成（工程Ｓ４）した後に、その保護層１４の表面に耐磨耗層１６を形成する。耐磨耗層は、たとえば中間層１５を形成（工程Ｓ５）した後に、その中間層１５をベースとして窒化チタン膜を形成（工程Ｓ６）していく。

中間層１５の形成に先立ち、支持基板１１に導電体層および保護層１４が形成された成形体の表面をクリーニングしてもよい。たとえばシーズヒーターなどでこの成形体を２００℃程度まで加熱しながら、成形体を収めた真空チャンバー内を１×１０^−４Ｐａ程度の高真空に排気する。その後、その真空チャンバー内にアルゴンガスを導入する。さらに、その成形体にＲＦ電源で、−１００Ｖ程度の逆バイアス電位を印加して、２ｋＷ程度の電力を供給することにより、表面をエッチクリーニングすることができる。

このようにして表面をクリニーニングした成形体に中間層１５を形成する（工程Ｓ５）。たとえば真空チャンバーにクリーニング済みの成形体を収めたまま、Ｔｉを原料としてホローカソードでＴｉを蒸発させる。加熱された原料は蒸発して、成形体に付着し、中間層１５が形成される。中間層１５は、保護層１４の表面の、耐磨耗層１６の成膜エリアと同じか、あるいは、それよりも広い領域に形成する。

中間層１５の厚さは、たとえば０．５μｍ程度である。中間層１５の膜厚を０．１μｍ未満とし、導電体層の段差と同程度となると、中間層１５としての機能を十分に発揮できない。

窒化チタン膜の形成（工程Ｓ６）は、たとえば中間層１５が形成した真空チャンバーに窒素を適当な流量で流しながら、成形体にＲＦバイアスを印加して２ｋＷ程度の電力を供給し、ホローカソードでＴｉを蒸発させることにより行う。この際、真空チャンバーに流れる窒素のマスフローレートを適当に制御することにより、所定の窒化率の窒化チタン層を形成することができる。すなわち、低窒化チタン層１７を形成する際には、窒素のマスフローレートを低くし、高窒化チタン層１８を形成する際には、窒素のマスフローレートを高くする。このように窒素のマスフローレートを周期的に変化させることにより、低窒化チタン層１７と高窒化チタン層１８とを積層させることができる。

１つの供給装置で真空チャンバーへの窒素の供給を行う場合には、窒素の供給量を急激に変化させることが難しいことがある。このような場合には、窒素の供給装置を２つ準備し、１つの供給装置のマスフローレートを固定し、他方の供給装置は高窒化チタン層を形成する際のみ窒素を供給するようにすることにより、容易にマスフローレートを制御することができる。

このようにして製造した発熱体板２０および回路基板４０を放熱板３０に載置して固定し、回路基板４０の駆動用ＩＣ４２と発熱体板２０の個別電極２５とをボンディングワイヤ４４で接続することなどにより、サーマルプリントヘッド１０が完成する。

なお、以上の説明は単なる例示であり、本発明は上述の実施の形態に限定されず、様々な形態で実施することができる。

本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態における発熱体板の図２のＩ−Ｉ矢視一部拡大断面図である。 本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態における一部を切り欠いた上面図である。 本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態における斜視図である。 本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態を用いたサーマルプリンタの一部の断面図である。 低窒化チタン層と高窒化チタン層とを積層した場合の硬度および靭性の測定結果を示すグラフである。 低窒化チタン層と高窒化チタン層とを積層した場合の異物噛込み試験の結果を示すグラフである。 本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態における製造方法のフローチャートである。

符号の説明

１０…サーマルプリントヘッド、１１…支持基板、１２…抵抗体層、１３…電極層、１４…保護層、１５…中間層、１６…耐磨耗層、１７…低窒化チタン層、１８…高窒化チタン層、２０…発熱体板、２３…発熱体、２４…発熱領域、２５…個別電極、２８…共通電極、２９…リーディングエッジ、３０…放熱板、３１…絶縁板、３２…グレーズ層、４０…回路基板、４２…駆動用ＩＣ、４４…ボンディングワイヤ、４６…コネクタ、４８…樹脂、５０…プラテンローラ、５２…軸、６０…感熱記録媒体

Claims (7)

1. 支持基板と、
   前記支持基板の表面に配列された発熱体と、
   前記発熱体を覆う保護層と、
   低窒化チタン層とこの低窒化チタン層よりも窒化率が大きい高窒化チタン層と積層からなり、少なくとも前記発熱体を覆うように前記保護層の表面に形成された耐磨耗層と、
   を具備することを特徴とするサーマルプリントヘッド。
2. 前記窒化率をチタンに対する窒素の原子数比で表したときに、前記低窒化チタン層の窒化率は１以上であって、前記高窒化チタン層の窒化率は２以下であることを特徴とする請求項１に記載のサーマルプリントヘッド。
3. 前記耐磨耗層は前記低窒化チタン層および前記高窒化チタン層からなる単位を２単位以上備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のサーマルプリントヘッド。
4. 前記保護層と前記耐磨耗層との間に金属チタンで形成された中間層をさらに具備することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のサーマルプリントヘッド。
5. 支持基板を形成する工程と、
   前記支持基板の表面に発熱体を配列する工程と、
   前記発熱体を覆う保護層を形成する保護層形成工程と、
   前記保護層形成工程の後に、低窒化チタン層とこの低窒化チタン層よりも窒化率が大きい高窒化チタン層とからなり、少なくとも前記発熱体を覆うように前記保護層の表面に耐磨耗層を形成する耐磨耗層形成工程と、
   を具備することを特徴とするサーマルプリントヘッドの製造方法。
6. 前記耐磨耗層形成工程は、保護層が形成された成形体を窒素のマスフローレートが可変の容器中に配置し、その容器中でチタンを蒸発させて耐磨耗層を形成する工程であって、前記低窒化チタン層と前記高窒化チタン層との形成時の前記マスフローレートを変化させることを特徴とする請求項５に記載のサーマルプリントヘッドの製造方法。
7. 支持基板と、前記支持基板の表面に配列された発熱体と、前記発熱体を覆う保護層と、低窒化チタン層とこの低窒化チタン層よりも窒化率が大きい高窒化チタン層と積層からなり、少なくとも前記発熱体を覆うように前記保護層の表面に形成された耐磨耗層と、を備えたサーマルプリントヘッドと、
   被印刷媒体を前記発熱体の位置で前記サーマルプリントヘッドに押し付けながら前記発熱体の配列方向に垂直な方向に移動させるプラテンローラと、
   を具備することを特徴とするサーマルプリンタ。

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