JP2015006791A - サーマルヘッドおよびこれを備えるサーマルプリンタ - Google Patents

Abstract

【課題】 耐摩耗性の向上したサーマルヘッドおよびこれを備えるサーマルプリンタを提供する。
【解決手段】 サーマルヘッドＸ１は、基板７と、基板７上に設けられた電極１７，１９と、基板７上に設けられ、電極１７，１９に接続された発熱部９と、電極１７，１９上および発熱部９上に設けられた保護層２５と、を備え、保護層２５は、珪素窒化物または珪素酸窒化物を含む第１層２５ａと、第１層２５ａ上に設けられ、タンタル酸化物および珪素炭化物を含む第２層２５ｂとを有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、サーマルヘッドおよびこれを備えるサーマルプリンタに関する。

従来、ファクシミリあるいはビデオプリンタ等の印画デバイスとして、種々のサーマルヘッドが提案されている。例えば、基板と、基板上に設けられた電極と、基板上に設けられ、電極に接続された発熱部と、電極上および発熱部上に設けられた保護層とを備えるサーマルヘッドが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、電極上および発熱部上にＳｉＯ_２からなる第１層が設けられ、かつ第１層上にＴａ_２Ｏ_５からなる第２層が設けられた保護層が記載されている。

特開昭５８−７２４７７号公報

しかしながら、特許文献１に記載のサーマルヘッドでは、保護層の滑り性は良いものの、耐摩耗性が低い。

本発明の一実施形態に係るサーマルヘッドは、基板と、該基板上に設けられた電極と、前記基板上に設けられ、前記電極に接続された発熱部と、前記電極上および前記発熱部上に設けられた保護層とを備えている。また、該保護層は、珪素窒化物または珪素酸窒化物を含む第１層と、該第１層上に設けられ、タンタル酸化物および珪素炭化物を含む第２層とを有する。

本発明の一実施形態に係るサーマルプリンタは、上記に記載のサーマルヘッドと、前記発熱部上に記録媒体を搬送する搬送機構と、前記発熱部上に前記記録媒体を押圧するプラテンローラと、を備える。

本発明によれば、滑り性および耐摩耗性の向上した保護層を提供することができる。

本発明のサーマルヘッドの一実施形態を示す平面図である。 図１のサーマルヘッドのＩ−Ｉ線断面図である。 図２に示す領域Ｑの拡大図である。 本発明のサーマルプリンタの一実施形態の概略構成を示す図である。 図２に示す領域Ｑにおいて、本発明のサーマルヘッドの他の実施形態を示す拡大図である。 図２に示す領域Ｑにおいて、本発明のサーマルヘッドのさらに他の実施形態を示す拡大図である。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明のサーマルヘッドの一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図
１，２に示すように、本実施形態のサーマルヘッドＸ１は、放熱体１と、放熱体１上に配置されたヘッド基体３と、ヘッド基体３に接続されたフレキシブルプリント配線板５（以下、ＦＰＣ５という）とを備えている。なお、図１では、ＦＰＣ５の図示を省略し、ＦＰＣ５が配置される領域を一点鎖線で示す。

放熱体１は、板状に形成されており、平面視で長方形状を有している。放熱体１は、例えば、銅、鉄またはアルミニウム等の金属材料で形成されており、後述するようにヘッド基体３の発熱部９で発生した熱のうち、印画に寄与しない熱の一部を放熱する機能を有している。また、放熱体１の上面には、両面テープあるいは接着剤等（不図示）によってヘッド基体３が接着されている。

ヘッド基体３は、平面視で長方形状の基板７と、基板７上に設けられ、基板７の長手方向に沿って配列された複数の発熱部９と、発熱部９の配列方向に沿って基板７上に並べて配置された複数の駆動ＩＣ１１とを備えている。

基板７は、アルミナセラミックス等の電気絶縁性材料あるいは単結晶シリコン等の半導体材料等によって形成されている。

基板７の上面には、蓄熱層１３が形成されている。蓄熱層１３は、下地部１３ａと隆起部１３ｂとを有している。下地部１３ａは基板７の上面全体に形成されている。隆起部１３ｂは複数の発熱部９の配列方向に沿って帯状に延び、断面が略半楕円形状をなしており、印画する記録媒体を後述する保護層２５に良好に押し当てるように機能する。

また、蓄熱層１３は、例えば、熱伝導性の低いガラスで形成されており、発熱部９で発生する熱の一部を一時的に蓄積することで、発熱部９の温度を上昇させるのに要する時間を短くし、サーマルヘッドＸ１の熱応答特性を高めるように機能する。蓄熱層１３は、例えば、ガラス粉末に適当な有機溶剤を混合して得た所定のガラスペーストを従来周知のスクリーン印刷等によって基板７の上面に塗布し、焼成することで形成される。

図２に示すように、蓄熱層１３の上面には、電気抵抗層１５が設けられている。電気抵抗層１５は、蓄熱層１３と、後述する共通電極１７、個別電極１９および接続電極２１との間に介在している。図１に示すように、電気抵抗層１５は、平面視して、これらの共通電極１７、個別電極１９および接続電極２１と同形状の領域（以下、介在領域という）と、共通電極１７と個別電極１９との間から露出した複数の領域（以下、露出領域という）とを有している。なお、図１では、電気抵抗層１５の介在領域は、共通電極１７、個別電極１９および接続電極２１で隠れている。

電気抵抗層１５の各露出領域は、上記の発熱部９を形成している。そして、複数の露出領域が、図１に示すように、蓄熱層１３の隆起部１３ｂ上に列状に配置されて発熱部９を構成している。複数の発熱部９は、説明の便宜上、図１においては簡略化して記載しているが、例えば、１００ｄｐｉ〜２４００ｄｐｉ（dots per inch）の密度で配置されてい
る。

電気抵抗層１５は、例えば、タンタル窒化物系（ＴａＮ系）、タンタル珪素酸化物系（ＴａＳｉＯ系）、タンタル珪素酸窒化物系（ＴａＳｉＮＯ系）、チタン珪素酸化物系（ＴｉＳｉＯ系）、チタン珪素炭酸化物系（ＴｉＳｉＣＯ系）またはニオブ珪素酸化物系（ＮｂＳｉＯ系）等の電気抵抗の比較的高い材料によって形成されている。そのため、後述する共通電極１７と個別電極１９との間に電圧が印加され、発熱部９に電流が供給されたときに、ジュール発熱によって発熱部９が発熱する。

図１，２に示すように、電気抵抗層１５の上面には、共通電極１７、複数の個別電極１９および複数の接続電極２１が設けられている。これらの共通電極１７、個別電極１９および接続電極２１は、導電性を有する材料で形成されており、例えば、アルミニウム、金、銀および銅のうちのいずれか一種の金属またはこれらの合金によって形成されている。

共通電極１７は、複数の発熱部９とＦＰＣ５とを接続している。図１に示すように、共通電極１７は、主配線部１７ａと副配線部１７ｂとリード部１７ｃとを有している。主配線部１７ａは、基板７の一方の長辺に沿って延びている。副配線部１７ｂは、基板７の一方の短辺および他方の短辺のそれぞれに沿って延び、一端部が主配線部１７ａに接続され、他端部がＦＰＣ５に接続されている。リード部１７ｃは、主配線部１７ａから各発熱部９に向かって個別に延び、先端部が各発熱部９に接続されている。そして、共通電極１７は、副配線部１７ｂの他端部がＦＰＣ５に接続されることにより、ＦＰＣ５と各発熱部９との間を電気的に接続している。

複数の個別電極１９は、各発熱部９と駆動ＩＣ１１とを接続している。図１，２に示すように、各個別電極１９は、一端部が発熱部９に接続され、他端部が駆動ＩＣ１１の配置領域に配置されるように、各発熱部９から駆動ＩＣ１１の配置領域に向かって個別に帯状に延びている。そして、各個別電極１９の他端部が駆動ＩＣ１１に接続されることにより、各発熱部９と駆動ＩＣ１１との間が電気的に接続されている。より詳細には、個別電極１９は、複数の発熱部９を複数の群に分け、各群の発熱部９を、各群に対応して設けられた駆動ＩＣ１１に電気的に接続している。

複数の接続電極２１は、駆動ＩＣ１１とＦＰＣ５とを接続するためのものである。図１，２に示すように、各接続電極２１は、一端部が駆動ＩＣ１１の配置領域に配置され、他端部が基板７の他方の長辺の近傍に配置されるように、帯状に延びている。そして、複数の接続電極２１は、一端部が駆動ＩＣ１１に接続されるとともに、他端部がＦＰＣ５に接続されることにより、駆動ＩＣ１１とＦＰＣ５との間を電気的に接続している。なお、各駆動ＩＣ１１に接続された複数の接続電極２１は、異なる機能を有する複数の配線で構成されている。

駆動ＩＣ１１は、図１，２に示すように、複数の発熱部９の各群に対応して配置されているとともに、個別電極１９の他端部と接続電極２１の一端部とに接続されている。駆動ＩＣ１１は、各発熱部９の通電状態を制御するためのものであり、内部に複数のスイッチング素子を有している。

各駆動ＩＣ１１は、各駆動ＩＣ１１に接続された各個別電極１９に対応するように、内部に複数のスイッチング素子（不図示）が設けられている。そして、図２に示すように、各駆動ＩＣ１１は、各スイッチング素子に接続された一方の接続端子１１ａが個別電極１９に接続されており、各スイッチング素子に接続された他方の接続端子１１ｂが接続電極２１の上記のグランド電極配線に接続されている。

上記の電気抵抗層１５、共通電極１７、個別電極１９および接続電極２１は、例えば、各々を構成する材料層を蓄熱層１３上に、例えばスパッタリング法等の従来周知の薄膜成形技術によって順次積層した後、積層体を従来周知のフォトエッチング等を用いて所定のパターンに加工することにより形成される。なお、共通電極１７、個別電極１９および接続電極２１は、同じ工程によって同時に形成することができる。

図１〜３に示すように、基板７の上面に形成された蓄熱層１３上には、発熱部９、共通電極１７の一部および個別電極１９の一部を被覆する保護層２５が形成されている。なお、図１では、説明の便宜上、保護層２５の形成領域を一点鎖線で示し、これらの図示を省
略している。図示例では、保護層２５は、蓄熱層１３の上面の左側の領域を覆うように設けられている。これにより、発熱部９、共通電極１７の主配線部１７ａ、副配線部１７ｂの一部、リード部１７ｃおよび個別電極１９上に、保護層２５が形成されている。

保護層２５は、発熱部９、共通電極１７および個別電極１９の被覆した領域を、大気中に含まれている水分等の付着による腐食あるいは、印画する記録媒体との接触による摩耗から保護するためのものである。

より詳細には、保護層２５は、図３に示すように、発熱部９、共通電極１７および個別電極１９上に設けられた第１層２５ａと、第１層２５ａ上に設けられた第２層２５ｂとを備えている。

図１，２に示すように、基板７の上面に形成された蓄熱層１３上には、共通電極１７、個別電極１９および接続電極２１を部分的に被覆する被覆層２７が設けられている。なお、図１では、説明の便宜上、被覆層２７の形成領域を一点鎖線で示し、これらの図示を省略している。

被覆層２７は、蓄熱層１３の上面の保護層２５よりも右側の領域を部分的に覆うように設けられている。被覆層２７は、共通電極１７、個別電極１９および接続電極２１の被覆した領域を、大気との接触による酸化、あるいは大気中に含まれている水分等の付着による腐食から保護するためのものである。なお、被覆層２７は、共通電極１７および個別電極１９の保護をより確実にするため、図２に示すように保護層２５の端部に重なるようにして形成されている。

被覆層２７は、例えば、エポキシ樹脂、あるいはポリイミド樹脂等の樹脂材料で形成することができる。また、被覆層２７は、例えば、スクリーン印刷法等の厚膜成形技術を用いて形成することができる。

なお、図１，２に示すように、後述するＦＰＣ５を接続する共通電極１７の副配線部１７ｂおよび接続電極２１の端部は、被覆層２７から露出しており、ＦＰＣ５が接続されるようになっている。

また、被覆層２７は、駆動ＩＣ１１を接続する個別電極１９および接続電極２１の端部を露出させるための開口部（不図示）が形成されており、開口部を介してこれらの配線が駆動ＩＣ１１に接続されている。また、駆動ＩＣ１１は、個別電極１９および接続電極２１に接続された状態で、駆動ＩＣ１１自体の保護、および駆動ＩＣ１１とこれらの配線との接続部の保護のため、エポキシ樹脂あるいはシリコーン樹脂等の樹脂からなる被覆部材２９によって被覆されることで封止されている。

ＦＰＣ５は、図１，２に示すように、基板７の長手方向に沿って延びており、上記のように共通電極１７の副配線部１７ｂおよび各接続電極２１に接続されている。ＦＰＣ５は、絶縁性の樹脂層５ａの内部に複数のプリント配線５ｂが配線された周知のものであり、各プリント配線がコネクタ３１を介して外部の電源装置および制御装置等に電気的に接続されている。

図１，２に示すように、ＦＰＣ５は、ヘッド基体３側の端部において、プリント配線５ｂが、導電性接合材料である半田材料、または電気絶縁性の樹脂中に導電性粒子が混入された異方性導電フィルム（ＡＣＦ）等からなる接合材３２（図２参照）によって、共通電極１７の副配線部１７ｂの端部、および各接続電極２１の端部に接続されている。

ＦＰＣ５と放熱体１との間には、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂またはガラスエポキシ樹脂等の樹脂からなる補強板３３が設けられている。補強板３３は、ＦＰＣ５の下面に両面テープあるいは接着剤等（不図示）によって接着されることにより、ＦＰＣ５を補強するように機能している。また、補強板３３が放熱体１の上面に両面テープあるいは接着剤等（不図示）によって接着されることにより、ＦＰＣ５が放熱体１上に固定されている。

図３を用いて保護層２５について詳細に説明する。保護層２５は、第１層２５ａと、第１層２５ａ上に設けられた第２層２５ｂとにより構成されている。

第１層２５ａは、珪素窒化物（以下、ＳｉＮと称する場合がある）または珪素酸窒化物（以下、ＳｉＯＮと称する場合がある）を含み、電気絶縁性を有する電気絶縁層である。第１層２５ａは、図３に示すように、共通電極１７および個別電極１９の双方に接触しているが、電気絶縁性を有していることにより、共通電極１７と個別電極１９との短絡を防止している。

第１層２５ａは、ＳｉＮを主成分として形成する場合、例えば、Ｎを５７原子％以上含有するＳｉＮで形成することができる。そして、第１層２５ａの厚さは、例えば、０．５μｍ〜１２μｍとされている。なお、ＳｉＮを主成分とするとは、第１層２５ａ中に含有されるＳｉおよびＮの含有率をあわせて８０原子％以上であることを示している。ＳｉＮとしては、化学式でＳｉ_３Ｎ_４となるものを例示することができる。なお、ＳｉＮは非化学量論的組成を有するものであり、Ｓｉ_３Ｎ_４に限定されるものではない。

第１層２５ａは、ＳｉＮを主成分として形成されていることにより、第１層２５ａがＯを含有しない構成となる。それにより、第１層２５ａに接する各種電極および発熱部９が酸化する可能性を低減することができる。

また、第１層２５ａは、ＳｉＯＮを主成分として形成することもできる。ＳｉＯＮは珪素酸窒化物であり、例えば、ＳｉＯＮを例示することができる。なお、ＳｉＯＮは非化学量論的組成を有するものであり、ＳｉＯＮに限定されるものではない。なお、第１層２５ａは、ＳｉＮまたはＳｉＯＮ以外に１〜５原子％のＡｌ等の添加元素を含有していてもよい。

第１層２５ａは、ＳｉＯＮを主成分として形成されていることにより、ＳｉＯＮの硬度がＳｉＮの硬度より低いため、第１層２５ａをバイアススパッタリングにより製膜することで緻密な層とすることができ、第１層２５ａの封止性を向上させることができる。

第２層２５ｂは、第１層２５ａ上に形成されており、発熱部９は、保護層２５の第２層２５ｂを介して記録媒体と接触する構成となっている。そのため、第２層２５ｂは、第１層２５ａとの密着性が要求される。また、第２層２５ｂは、記録媒体と接触するため耐摩耗性、硬度、および滑り性が要求される。

耐摩耗性は、保護層２５の記録媒体と接触することにより生じる摩耗に対する強さを示すものであり、機械摩耗および熱化学摩耗に対する耐性である。機械摩耗は、記録媒体と保護層２５との接触に起因する摩耗であり、熱化学摩耗は、保護層２５の温度の上昇に伴って、保護層２５がメディアと化学的に反応し、保護層２５が溶解することに起因する摩耗である。

密着性は、保護層２５を構成する第１層２５ａと第２層２５ｂとの密着性であり、保護層２５を構成する各層の密着性が低いと、保護層２５を構成する各層が剥離してしまい、
保護層２５の耐摩耗性が低くなる可能性がある。

硬度は、保護層２５の機械的な硬さを示し、指標として、ビッカース硬度を例示することができる。

滑り性は、記録媒体およびインクリボンの搬送しやすさを示し、滑り性が悪いと記録媒体およびインクリボンにしわが生じてしまう可能性がある。

第２層２５ｂは、タンタル酸化物（以下、ＴａＯと称する場合がある）、および珪素炭化物（以下、ＳｉＣと称する場合がある）を含む層である。第２層２５ｂは、ＴａＯを１７〜７５体積％含有し、ＳｉＣを８３〜２５体積％含有することが好ましく、ＴａＯを５０〜７５体積％含有し、ＳｉＣを２５〜５０体積％含有することがさらに好ましい。そして、第２層２５ｂの厚さは、例えば、１μｍ〜１０μｍとされている。

ＴａＯとしては、Ｔａ_２Ｏ_５を例示することができる。なお、ＴａＯは非化学量論的組成を有するものであり、Ｔａ_２Ｏ_５に限定されるものではない。また、ＳｉＣとしては、化学式でＳｉＣとなるものを例示することができる。なお、ＳｉＣは非化学量論的組成を有するものである。

なお、第２層２５ｂは、ＴａＯおよびＳｉＣ以外に他の金属元素を添加元素として含有していてもよい。添加元素としては、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｙ、Ｚｎ、Ｚｒを例示することができる。

第２層２５ｂは、ＴａＯおよびＳｉＣの混合層として設けられているため、第２層２５ｂの機械摩耗に対する耐性を向上させることができ、保護層２５の機械摩耗に対する耐性を向上させることができる。

さらに、ＳｉＣを８３〜２５体積％含有することから、保護層２５の耐摩耗性および硬度を向上させることができるとともに、ＴａＯを１７〜７５体積％含有することから、滑り性も確保することができる。

なお、記録媒体に合わせてＴａＯの含有量を増加させてもよい。例えば、滑りにくい記録媒体を用いる場合には、ＴａＯの含有量を増加させることにより、第２層２５ｂに含有されるＴａの含有量を増加させることができ、第２層２５ｂの滑り性を向上させることができる。なお、滑りにくい記録媒体とは、例えば、昇華型インクリボン等を例示することができ、記録媒体の保護層２５と接する面の摩擦係数が高い記録媒体である。

さらに、本実施形態では、第２層２５ｂを形成するＴａＯの有する次の特性によって、サーマルヘッドＸ１での印画時に、機械摩耗に対する耐性を有しつつ、紙等の記録媒体が第２層２５ｂに引っ掛かりながら搬送される現象（いわゆるスティッキング）の発生を低減することができる。

つまり、スティッキングが発生する要因の一つとして、第２層上に紙粉等の異物が焦げ付くことで、焦げ付いた異物と記録媒体との間に大きな抵抗力が生じることが挙げられる。

これに対して、本実施形態のサーマルヘッドＸ１では、第２層２５ｂがＴａ_２Ｏ_５を含む材料層で形成されており、第２層２５ｂの表面が適度に摩耗することに伴って、第２層２５ｂの表面に焦げ付いた異物が、第２層２５ｂから離脱することとなる。そのため、焦げ付いた異物に起因するスティッキングの発生を低減することができる。そして、第２層
２５ｂは機械摩耗に対する耐性のあるＳｉＣを含むことから、第２層２５ｂの滑り性を向上させつつ、機械摩耗に対する耐性の向上した保護層２５とすることができる。

これに加え、本実施形態のサーマルヘッドＸ１では、第２層２５ｂが、純Ｔａではなく、Ｔａ酸化物であるＴａＯによって形成されている。これにより、第２層２５ｂが純Ｔａで形成されている場合に比べて、第２層２５ｂが化学的に安定した層となっているため、熱化学摩耗に対する耐性を向上させることができる。したがって、本実施形態では、サーマルヘッドＸ１での印画時の耐摩耗性を向上させつつ、スティッキングの発生を低減することができる。

第２層２５ｂは、Ｓｉを２３〜４５原子％、Ｏを４〜３４原子％、Ｃを２５〜４８原子％、Ｔａを２〜１８原子％含有することが好ましい。第２層２５ｂを構成する元素が上記範囲にあることにより、第２層２５ｂの機械摩耗に対する耐性を向上することができる。また、第２層２５ｂの滑り性を向上させることができる。

また、第２層２５ｂは、第２層２５ｂに含まれるタンタルの珪素に対する原子比が、０．０５〜０．７６原子％であることから、滑り性を有しつつ、機械摩耗に対する耐性の向上した保護層２５とすることができる。

なお、第２層２５ｂに含有されている各種元素の含有量は、例えばＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）解析にて確認することができる。例えば、第２層２５ｂのＸＰＳ解析を複数個所にて行い、その平均値を算出して求めることができる。

上記の第１層２５ａ、および第２層２５ｂを有する保護層２５は、例えば、次のように作製することができる。

まず、発熱部９、共通電極１７および個別電極１９上に第１層２５ａを形成する。具体的には、ＳｉＮを主成分とする焼結体をスパッタリングターゲットとしてスパッタリングを行い、ＳｉＮを含む第１層２５ａを形成する。なお、ＳｉＯＮを含む第１層２５ａを形成する場合には、ＳｉＯＮを主成分とする焼結体をスパッタリングターゲットとすればよい。また、ＳｉＮを主成分とする焼結体をスパッタリングターゲットとし、スパッタリングを行う際に酸素を供給して、ＳｉＯＮを含む第１層２５ａを形成してもよい。

次に、第１層２５ａ上に第２層２５ｂを形成する。具体的には、例えば、ＳｉＣの焼結体と、Ｔａ_２Ｏ_５の焼結体とをスパッタリングターゲットとして、２つのスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングを行い、ＳｉＣおよびＴａＯを含む第２層２５ｂを形成する。なお、第２層２５ｂにおけるＳｉＣおよびＴａＯの含有率は、例えば、スパッタリングターゲットに印加するＲＦ電圧の値を変化させることにより、制御することができる。例えば、ＳｉＣのスパッタリングターゲットに印加するＲＦ電圧の値を大きくすることで、第２層２５ｂ中ＳｉＣの含有率を高くすることができる。なお、ＳｉＣおよびＴａＯが所定の比率で混合された焼結体をスパッタリングターゲットとしてもよく、他の元素を添加物として添加したスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングを行ってもよい。

以上のようにして、第１層２５ａおよび第２層２５ｂを備える保護層２５を形成することができる。なお、各層を形成する際に行うスパッタリングは、例えば、公知の高周波スパッタリング法、ノンバイアススパッタリング法あるいはバイアススパッタリング法を適宜用いることができる。

なお、第２層２５ｂが、ＴａＯおよびＳｉＣにより形成される例を示したがこれに限定
されるものではない。

例えば、第２層２５ｂに含まれるＳｉＣが、一部が窒化した珪素炭窒化物（以下、ＳｉＣＮと称する場合がある）であってもよい。ＳｉＣＮは、化学式でＳｉＣＮとなるものを例示することができ、非化学量論的組成を有するものである。

第２層２５ｂが、ＴａＯおよびＳｉＣＮにより形成されることにより、第２層２５ｂの滑り性を有しつつ、さらに機械摩耗に対する耐性を向上させることができる。

すなわち、第２層２５ｂに含まれるＳｉの結合は、Ｓｉ−Ｃ結合に加えて、硬度の高いＳｉ−Ｎ結合を一部有することとなる。そのため、第２層２５ｂの硬度を向上させることができ、耐摩耗性を向上させることができる。

また、第２層２５ｂに含まれるＳｉＣＮが、一部が酸化した珪素炭窒酸化物（以下、ＳｉＣＮＯと称する場合がある）であってもよい。ＳｉＣＮＯは、化学式でＳｉＣＮＯとなるものを例示することができ、非化学量論的組成を有するものである。

第２層２５ｂが、ＴａＯおよびＳｉＣＮＯにより形成されることにより、第２層２５ｂの機械摩耗に対する耐性を有しつつ、さらに滑り性を向上させることができる。

すなわち、第２層２５ｂに含まれるＳｉの結合は、Ｓｉ−Ｃ結合に加えて、硬度の高いＳｉ−Ｎ結合、および膜応力の小さいＳｉ−Ｏ結合を一部有することとなる。そのため、Ｓｉ−Ｎ結合により第２層２５ｂの硬度を向上させるとともに、Ｓｉ−Ｏ結合により第２層２５ｂの内部に生じた内部応力を緩和することができる。それゆえ、第２層２５ｂは、ＴａＯにより滑り性を確保しつつ、Ｓｉ−Ｎ結合により硬度を保ち、Ｓｉ−Ｏ結合により、内部応力を緩和したものとなる。その結果、耐摩耗性、および滑り性の向上した第２層２５ｂとすることができる。

これら例示した第２層２５ｂは、ＴａＯのスパッタリングターゲットと、ＳｉＣＮまたはＳｉＣＮＯのスパッタリングターゲットとを用いて、スパッタリングすることにより作製することができる。

なお、第１層２５ａを下層と上層とからなる２層構造としてもよい。例えば、保護層２５が、基板７側から第１層２５ａの下層、第１層２５ａの上層、および第２層２５ｂをこの順に積層されており、第１層２５ａの下層をノンバイアススパッタリングにより形成し、第１層２５ａの上層をバイアススパッタリングにより形成することにより、第１層２５ａのステップカバレッジを良好にすることができ、保護層２５の封止性を向上させることができる。

次に、本発明のサーマルプリンタの一実施形態について、図４を参照しつつ説明する。図４は、本実施形態のサーマルプリンタＺの概略構成図である。

図４に示すように、本実施形態のサーマルプリンタＺは、上述のサーマルヘッドＸ１、搬送機構４０、プラテンローラ５０、電源装置６０および制御装置７０を備えている。サーマルヘッドＸ１は、サーマルプリンタＺの筐体（不図示）に設けられた取付部材８０の取付面８０ａに取り付けられている。なお、サーマルヘッドＸ１は、発熱部９の配列方向が、後述する記録媒体Ｐの搬送方向Ｓに直交する方向である主走査方向に沿うようにして、取付部材８０に取り付けられている。

搬送機構４０は、感熱紙、インクが転写される受像紙等の記録媒体Ｐを図４の矢印Ｓ方
向に搬送して、サーマルヘッドＸ１の複数の発熱部９上に位置する保護層２５上に搬送するためのものであり、搬送ローラ４３，４５，４７，４９を有している。搬送ローラ４３，４５，４７，４９は、例えば、ステンレス等の金属からなる円柱状の軸体４３ａ，４５ａ，４７ａ，４９ａを、ブタジエンゴム等からなる弾性部材４３ｂ，４５ｂ，４７ｂ，４９ｂにより被覆して構成することができる。なお、図示しないが、記録媒体Ｐとしてインクが転写される受像紙等を用いる場合は、記録媒体ＰとサーマルヘッドＸ１の発熱部９との間に、記録媒体Ｐとともにインクフィルムを搬送するようになっている。

プラテンローラ５０は、記録媒体ＰをサーマルヘッドＸ１の発熱部９上に押圧するためのものであり、記録媒体Ｐの搬送方向Ｓに直交する方向に沿って延びるように配置され、記録媒体Ｐを発熱部９上に押圧した状態で回転可能となるように両端部が支持されている。プラテンローラ５０は、例えば、ステンレス等の金属からなる円柱状の軸体５０ａを、ブタジエンゴム等からなる弾性部材５０ｂにより被覆して構成することができる。

電源装置６０は、上記のようにサーマルヘッドＸの発熱部９を発熱させるための電流および駆動ＩＣ１１を動作させるための電流を供給するためのものである。制御装置７０は、上記のようにサーマルヘッドＸ１の発熱部９を選択的に発熱させるために、駆動ＩＣ１１の動作を制御する制御信号を駆動ＩＣ１１に供給するためのものである。

本実施形態のサーマルプリンタＺは、図４に示すように、プラテンローラ５０によって記録媒体をサーマルヘッドＸ１の発熱部９上に押圧しつつ、搬送機構４０によって記録媒体Ｐを発熱部９上に搬送しながら、電源装置６０および制御装置７０によって発熱部９を選択的に発熱させることで、記録媒体Ｐに所定の印画を行うことができる。なお、記録媒体Ｐが受像紙等の場合は、記録媒体Ｐとともに搬送されるインクフィルム（不図示）のインクを記録媒体Ｐに熱転写することによって、記録媒体Ｐへの印画を行うことができる。

＜第２の実施形態＞
図５を用いて第２の実施形態に係るサーマルヘッドＸ２について説明する。サーマルヘッドＸ２において、保護層２５は、第１層２５ａと第２層２５ｂとの間に、ＳｉＯＮを含む密着層２５ｃを備えている。また、第１層２５ａはＳｉＮにより形成されており、第２層２５ｂはＴａＯおよびＳｉＣにより形成されている。

密着層２５ｃは、ＳｉＯＮにより形成されており、第１層２５ａと第２層２５ｂとの密着性を高める機能を有している。密着層２５ｃはＳｉＯＮを主成分としており、Ｓｉ、ＯおよびＮをあわせて８５原子％以上含有している。なお、Ａｌ等の添加元素を０．１〜５原子％含有していてもよい。

密着層２５ｃは、ＳｉＯＮの焼結体をスパッタリングのターゲットとしてスパッタリングすることにより形成することができる。密着層２５ｃの厚みは０．１〜０．５μｍとすることができる。

サーマルヘッドＸ２において、保護層２５は、第１層２５ａと第２層２５ｂとの間に、ＳｉＯＮを含む密着層２５ｃが介在している。そのため、密着層２５ｃが、第１層２５ａと第２層２５ｂとの間に介在しない場合に比べて、第１層２５ａ上に位置する第２層２５ｂの密着性を向上させることができ、第２層２５ｂの剥離の発生を低減することができる。

それにより、本実施形態のように密着層２５ｃが第１層２５ａと第２層２５ｂとの間に介在する場合の方が、介在しない場合に比べて、第１層２５ａと第２層２５ｂとの間の結合エネルギーを向上させることができるため、第１層２５ａ上への第２層２５ｂの密着性
を向上させることができる。その結果、第２層２５ｂの剥離の発生を低減することができる。

上記の第１層２５ａ、第２層２５ｂ、および密着層２５ｃを有する保護層２５は、例えば、次のように形成することができる。

まず、発熱部９、共通電極１７および個別電極１９上に第１層２５ａを形成する。次に、ＳｉＯＮを含む焼結体をスパッタリングターゲットとしてスパッタリングを行い、密着層２５ｃを形成する。そして、密着層２５ｃ上に第２層２５ｂを形成することによりサーマルヘッドＸ２を作製することができる。

また、第１層２５ａをＳｉＯＮにより形成してもよい。その場合には、第１層２５ａと密着層２５ｃとが、同一組成となるため、第１層２５ａと密着層２５ｃとの密着性をさらに向上させることができる。この場合、ＳｉＯＮをスパッタリングターゲットとして、第１層２５ａの形成時においては、ノンバイアススパッタリングを行い、密着層２５ｃの形成時においては、バイアススパッタリングを行うことにより、封止性が高い保護層２５を作製することができる。

また、第２層２５ｂをＴａＯとＳｉＣＮとにより形成してもよい。その場合、密着層２５ｃに含まれるＳｉと、第２層２５ｂに含まれるＮとが結合することにより、密着層２５ｃと第２層２５ｂとの密着性を向上させることができる。

さらにまた、第２層２５ｂをＴａＯとＳｉＣＮＯとにより形成してもよい。その場合においても、密着層２５ｃに含まれるＳｉと、第２層２５ｂに含まれるＮとが結合することにより、密着層２５ｃと第２層２５ｂとの密着性を向上させることができる。

＜第３の実施形態＞
図６を用いてサーマルヘッドＸ３について説明する。サーマルヘッドＸ３は、蓄熱層１３上に共通電極１７および個別電極１９を形成し、共通電極１７と個別電極１９との間の領域のみに電気抵抗層１５を形成することにより、発熱部９を構成している。そして、保護層２５は、共通電極１７、個別電極１９、および発熱部９上に設けられた第１層２５ａと、第１層２５ａ上に設けられた密着層２５ｃと、密着層２５ｃ上に設けられた第２層２５ｂとを備えている。

サーマルヘッドＸ３は、第１層２５ａがＳｉＮにより形成されており、密着層２５ｃはＳｉＣＮにより形成されており、第２層２５ｂがＴａＯおよびＳｉＣにより形成されている。

密着層２５ｃは、ＳｉＣＮにより形成されており、第１層２５ａと第２層２５ｂとの密着性を高める機能を有している。密着層２５ｃはＳｉＣＮを主成分としており、Ｓｉ、ＣおよびＮをあわせて８５原子％以上含有している。なお、Ａｌ等の添加元素を０．１〜５原子％含有していてもよい。

そのため、密着層２５ｃが、第１層２５ａと第２層２５ｂとをそれぞれ構成する各元素を含む構成となり、第１層２５ａおよび第２層２５ｂと、密着層２５ｃとの密着性を向上させることができる。

また、ＳｉＣＮは、熱伝導率が０．０５〜０．１５Ｗ／ｍ・Ｋと高く、それにより、発熱部１３で発熱した熱を効率よく伝熱することができる。そのため、熱応答特性の向上したサーマルヘッドＸ３とすることができる。それにより、サーマルヘッドＸ３のドット再
現性を高めることができ、印字ムラの少ないサーマルヘッドＸ３とすることができる。

さらにまた、第２層２５ｂをＴａＯおよびＳｉＣＮにより形成した場合、密着層２５ｃを、ＳｉＣＮにより形成することで、サーマルヘッドＸ１の印字する温度域において、密着層２５ｃの熱膨張係数を、第２層２５ｂの熱膨張係数に近づけることができる。

さらにまた、第２層２５ｂをＴａＯおよびＳｉＣＮＯにより形成した場合、密着層２５ｃをＳｉＣＮＯにより形成してもよい。その場合においても、密着層２５ｃと第２層２５ｂとの密着性を向上させることができる。

さらに、密着層２５ｃに含まれたＳｉの結合は、Ｓｉ−Ｃ結合に加えて、硬度の高いＳｉ−Ｎ結合、および膜応力の小さいＳｉ−Ｏ結合を一部有することとなる。そのため、第１層２５ａと第２層２５ｂとにより生じた内部応力を密着層２５ｃにより緩和することができる。その結果、密着層２５ｃは、第１層２５ａと第２層２５ｂとの密着性を向上するとともに応力緩和層として機能することとなる。

なお、第２層２５ｂをＴａＯおよびＳｉＣＮにより形成した場合においても、密着層２５ｃをＳｉＣＮＯにより形成してもよい。それにより、第２層２５ｂに含有される元素に、密着層２５ｃに含有される元素を近づけることができ、密着力を向上させることができる。

また、密着層２５ｃが、Ｓｉ原子、Ｃ原子、Ｎ原子、およびＯ原子を含む構成としてもよい。密着層２５ｃが上記原子を含有することにより、Ｓｉ−Ｃ結合、Ｓｉ−Ｎ結合、およびＳｉ−Ｏ結合が、密着層２５ｃの内部に形成されることとなり、第１層２５ａと第２層２５ｂとの密着性を向上するとともに、第１層２５ａと第２層２５ｂとの応力を緩和することができる。

さらに、密着層２５ｃが、Ｓｉ原子、Ｃ原子、Ｎ原子、およびＯ原子を含むことにより、Ｓｉ−Ｃ結合、Ｓｉ−Ｎ結合、およびＳｉ−Ｏ結合が密着層２５ｃの内部にランダムに混在する構成となる。

そのため、密着層２５ｃのＳｉ原子、Ｃ原子、Ｎ原子、およびＯ原子の含有率を調整することにより、密着層２５ｃの特性を変更することができ、第１層２５ａおよび第２層２５ｂの厚み、あるいは組成に合わせた密着層２５ｃを設けることができる。

例えば、第１層２５ａをＳｉＮ、および第３層２５ｂをＳｉＣで形成した場合、密着層２５ａは、硬度の高い第１層２５ａおよび第２層２５ｂに挟持される構造となるため、密着層２５ｃは硬度の低いものを用いることが好ましく、密着層２５ｃに含まれるＯ原子の含有率が、密着層２５ｃに含まれるＮ原子の含有率よりも高くすることが好ましい。また、密着層２５ｃに含まれるＯ原子の含有率が、密着層２５ｃに含まれるＣ原子の含有率よりも高いことが好ましい。

それにより、比較的硬度の低いＳｉ−Ｏ結合が、密着層２５ｃの内部に混在することとなり、密着層２５ｃに生じる応力を緩和することができる。なお、密着層２５ｃに含まれる各原子の含有率は、例えば、密着層２５ｃのＸＰＳ解析を複数個所にて行い、その平均値を算出して各種原子の原子比を算出することにより求めることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、第１の実施形態であるサーマルヘッドＸ１を用いたサーマルプリンタＺを示したが、これに限
定されるものではなく、サーマルヘッドＸ２，Ｘ３をサーマルプリンタＺに用いてもよい。また、複数の実施形態であるサーマルヘッドＸ１〜Ｘ３を組み合わせてもよい。

また、図１〜３に示すサーマルヘッドＸ１では、蓄熱層１３に隆起部１３ｂが形成され、隆起部１３ｂ上に電気抵抗層１５が形成されているが、これに限定されるものではない。例えば、蓄熱層１３に隆起部１３ｂを形成せず、電気抵抗層１５の発熱部９を、蓄熱層１３の下地部１３ｂ上に配置してもよい。また、蓄熱層１３を形成せず、基板７上に電気抵抗層１５を配置してもよい。

また、密着層２５ｃが、タンタル窒化物（以下、ＴａＮと称する場合がある）を主成分としてもよい。ＴａＮは、Ｔａ_３Ｎ_５を例示することができる。なお、ＴａＮは非化学量論的組成を有するものであり、Ｔａ_３Ｎ_５に限定されるものではない。

密着層２５ｃをＴａＮにより形成した場合においても、第１層２５ａ上に位置する第２層２５ｂの密着性を向上させることができ、第２層２５ｂの剥離の発生を低減することができる。特に、第１層２５ａをＳｉＮにより形成し、第２層２５ｂをＴａＯおよびＳｉＣＮにより形成した場合、密着層２５ｃが第１層２５ａを構成する元素と第２層２５ｂを構成する元素とを含有することとなり、密着性をさらに向上することができる。

なお、密着層２５ｃをＳｉＣおよびＴａＮを含む構成としてもよい。その場合においても同様の効果を奏することができる。

また、保護層２５として、第１層２５ａおよび第２層２５ｂの少なくとも２層構造を有する保護層２５を例示したがこれに限定されるものではない。例えば、第１層２５ａおよび第２層２５ｂを交互に繰り返し積層した複数層の積層構造としてもよい。この場合、保護層２５を構成する第１層２５ａおよび第２層２５ｂの厚みを薄くして、保護層２５全体として５〜１５μｍとすることが好ましい。それにより、発熱部９に生じた熱を正確に記録媒体に伝熱することができる。

さらに、基板７上の各種電極を外部に引き出すためにＦＰＣ５を設けた例を示したが、硬質なリジット基板を用いてもよく、コネクタ３１を基板７上の各種電極に直接電気的に接続して、外部に引き出してもよい。

さらにまた、発熱部９が、薄膜形成技術により形成された電気抵抗層１５の一部である薄膜型のサーマルヘッドの例を示したが、これに限定されるものではない。発熱部９が、印刷等による厚膜形成技術により形成された電気抵抗層１５の一部である厚膜型のサーマルヘッドでもよい。

発熱部９が、基板７の主面に設けられている平面ヘッドに本発明を用いてもよく、発熱部９が、基板７の端面に設けられている端面ヘッドに本発明を用いてもよい。

本発明の実施形態に係るサーマルヘッドの滑り性、耐摩耗性および密着性を調査する目的で以下の実験を行なった。

共通電極、個別電極、および接続電極の各種電極配線が形成された基板を複数準備する。そして、試料Ｎｏ．１〜１６となる基板にスパッタリングによりＳｉＮの第１層を５μｍ製膜した。また、試料Ｎｏ．１７，１８となる基板にスパッタリングによりＳｉＯＮの第１層を５μｍ製膜した。

次に、表１に示す試料Ｎｏ．２〜４，６〜１０用のスパッタリングターゲットを作製した。スパッタリングターゲットは、ＳｉＣの粉末、Ｔａ_２Ｏ_５の粉末、ＳｉＣＮの粉末、およびＳｉＯ_２の粉末を表１に示す体積比の割合で混合した後に焼成して作製した。

比較例として、試料Ｎｏ．１用のスパッタリングターゲットとしてＳｉＣの粉末を焼成して作製した。同様に、試料Ｎｏ．５用のスパッタリングターゲットとして、Ｔａ_２Ｏ_５の粉末を焼成して作製した。

同様に、表２に占めす密着層用のスパッタリングターゲットと、第２層用のスパッタリングターゲットを用意した。第２層用のスパッタリングターゲットは、組成が体積比で１：１となるように調整したものを準備した。

そして、試料Ｎｏ．１〜１０用のスパッタリングターゲットをバッチ内に設置し、それぞれ試料となる第１層が５μｍ製膜された基板に第２層を１０μｍ製膜した。また、試料Ｎｏ．１１〜１８は、表２に示す組成の密着層を１μｍ製膜し、第２層を１０μｍ製膜した。

次に、第２層が製膜された基板に駆動ＩＣを搭載してサーマルヘッドを作製し、以下に示す走行試験を行った。

試料Ｎｏ．１〜１８のサーマルヘッドを搭載したサーマルプリンタに、記録媒体として昇華型インクリボン（メディアサイズＡ６）を用いて、印字周期０．７ｍｓ／ｌｉｎｅ、印加電圧０．１８〜０．３０Ｗ／ｄｏｔ、押し圧８〜１１ｋｇ×Ｆ／ｈｅａｄの条件で１万枚分走行させた。そして、走行させたサーマルプリンタからサーマルヘッドを取り出し、摩耗量を触針式表面形状測定器あるいは非接触の表面形状測定器、または、一般的に知られている表面粗さ計を用いて測定した。

摩耗量が１μｍ以上のものは、耐摩耗性がないと判別して表１，２に×と記載し、摩耗量が１〜０．２μｍのものは耐摩耗性があると判別して表１，２に○と記載し、摩耗量が０．１μｍ以下のものは、耐摩耗性が優れていると判別して表１，２に◎と記載した。また、走行試験後のサーマルヘッドの保護層を、顕微鏡で目視により第１層と第２層とが剥離を生じているか確認を行った。そして、第１層と第２層との間で剥離が生じていないものは密着性があると判別して表２に○と記載し、剥離が生じたものは密着性がないと判別して表２に×と記載した。

また、同様の走行試験を５千枚分走行して、インクリボンにしわが生じたものは、滑り性がないものと判別して表１に×と記載した。そして、滑り性を確認した後さらに走行試験を行い、のべ１万枚分の走行試験を行った。５千枚の時点ではインクリボンにしわが生じておらず、一万枚の時点でインクリボンにしわが生じたものは表１に△と記載した。なお１万枚分の走行試験を行いインクリボンにしわが生じていないものは、滑り性があるものとして表１に○と記載した。

表１に示すように、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．２〜４，６〜１０は、滑り性および耐摩耗性が良好な結果となった。

特に、第２層が、ＴａＯを２５〜５０体積％含有し、ＳｉＣを５０〜７５体積％含有する試料Ｎｏ．３，４は、ある程度良好な滑り性を有しつつ、摩耗量が０．０７μｍ以下となり、優れた耐摩耗性を有していた。

これに対して、第２層がＴａＯのみにより形成される試料Ｎｏ．１は、良好な滑り性を示すものの、摩耗量が９．０μｍと大きい結果となった。

また、第２層がＳｉＣのみにより形成される試料Ｎｏ．５は、良好な耐摩耗性を示すものの、滑り性が悪い結果となった。

また、第２層をＴａＯおよびＳｉＣＮにより形成した試料Ｎｏ．６、および第２層をＴａＯおよびＳｉＣＮＯにより形成した試料Ｎｏ．９は、第２層をＴａＯおよびＳｉＣにより形成した試料Ｎｏ．４に比べて滑り性が向上した結果となった。

さらに、密着層を設けた試料Ｎｏ．１１〜１８は、いずれの試料も剥離が生じておらず
、高い密着性を有し、耐摩耗性を有する結果となった。

Ｘ１〜Ｘ３ サーマルヘッド
Ｚ サーマルプリンタ
１ 放熱体
３ ヘッド基体
５ フレキシブルプリント配線板
７ 基板
９ 発熱部
１１ 駆動ＩＣ
１７ 共通電極
１７ａ 主配線部
１７ｂ 副配線部
１７ｃ リード部
１９ 個別電極
２１ 接続電極
２５ 保護層
２５ａ 第１層
２５ｂ 第２層
２５ｃ 密着層
２７ 被覆層

Claims (10)

1. 基板と、
   該基板上に設けられた電極と、
   前記基板上に設けられ、前記電極に接続された発熱部と、
   前記電極上および前記発熱部上に設けられた保護層と、を備え、
   該保護層は、
   珪素窒化物または珪素酸窒化物を含む第１層と、
   該第１層上に設けられ、タンタル酸化物および珪素炭化物を含む第２層とを有することを特徴とするサーマルヘッド。
2. 前記第２層に含まれる前記珪素炭化物の一部が窒化した珪素炭窒化物である、請求項１に記載のサーマルヘッド。
3. 前記第２層に含まれる前記珪素炭窒化物の一部が酸化した珪素炭窒酸化物である、請求項２に記載のサーマルヘッド。
4. 前記第２層に含まれるタンタルの珪素に対する原子比が、０．０５〜０．７６原子％である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のサーマルヘッド。
5. 前記第１層と前記第２層との間に、珪素酸窒化物を含む密着層をさらに有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のサーマルヘッド。
6. 前記第１層と前記第２層との間に、珪素炭窒化物を含む密着層をさらに有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のサーマルヘッド。
7. 前記第１層と前記第２層との間に、珪素炭窒酸化物を含む密着層をさらに有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のサーマルヘッド。
8. 前記第１層と前記第２層との間に、珪素原子、炭素原子、窒素原子、および酸素原子を含む密着層をさらに有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のサーマルヘッド。
9. 前記密着層に含まれる前記酸素原子の含有率が、前記密着層に含まれる前記窒素原子の含有率よりも高い、請求項８に記載のサーマルヘッド。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のサーマルヘッドと、
    前記発熱部上に記録媒体を搬送する搬送機構と、
    前記発熱部上に前記記録媒体を押圧するプラテンローラと、を備えることを特徴とするサーマルプリンタ。
    

Images