JP3293981B2

JP3293981B2 - サーマルヘッド及びその製造方法

Info

Publication number: JP3293981B2
Application number: JP28607593A
Authority: JP
Inventors: 享志白川; 壽文中谷
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1992-10-21
Filing date: 1993-10-20
Publication date: 2002-06-17
Anticipated expiration: 2017-06-17
Also published as: JPH06198933A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はサーマルプリンタに搭載
して使用されるサーマルヘッドに関し、特には単結晶シ
リコン基板を用いた印字性能が良好で高速印字に適した
リアルエッジタイプのサーマルヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】サーマルプリンタに搭載されるサーマル
ヘッドは、例えば、複数個の発熱抵抗体を同一基板上に
直線的に配列し、所望の印字信号に従ってこの発熱抵抗
体を選択的に通電加熱させて、感熱記録紙を発色記録さ
せるか、あるいは、インクリボンを介して普通紙に記録
するために用いられている。

【０００３】図４は従来のサーマルヘッドを示したもの
で、アルミナ等のセラミックからなる絶縁性基板上１に
は、保温層として機能するガラスなどからなる上面の断
面形状が略円弧状のグレーズ層２が形成されており、こ
のグレーズ層２の上面には、Ｔａ₂Ｎ等からなる発熱抵
抗体３が蒸着あるいはスパッタリング等により基板１の
表面に被着された後エッチングされて、ドットの数に応
じて複数個直線上に整列して形成されており、この発熱
抵抗体３上の一側には、各発熱抵抗体３に接続される共
通電極４が、他側には各発熱抵抗体３に独立して通電を
行なう個別電極５がそれぞれ接続されている。なお、こ
れら共通電極４及び個別電極５は、例えば、アルミニウ
ム、銅あるいは金等からなり、蒸着あるいはスパッタリ
ング等により被着された後、エッチングにより所望形状
のパターンに形成されている。

【０００４】更に、これらの発熱抵抗体３、共通電極４
及び個別電極５の表面には、これらの発熱抵抗体３、共
通電極４及び個別電極５を保護するほぼ５〜１０μｍの
膜厚の保護層６が形成されており、この保護層６は、前
記各電極４，５の端子部以外の全ての表面を被覆するよ
うに形成されている。また、この保護層６は、各発熱抵
抗体３を酸化による劣化から保護し、またインクリボン
等の接触による摩耗から発熱抵抗体３、共通電極４及び
個別電極５を保護するＳＩＡＬＯＮ等から形成されてい
る。この保護層６はスパッタリング等の手段により積層
形成される。

【０００５】このようなサーマルヘッドを用いる熱転写
プリンタにあっては、このサーマルヘッドをインクリボ
ンを介してプラテン部分に搬送される所定の用紙に圧接
させた状態で所定の印字信号に基づいて発熱抵抗体３を
選択的に通電加熱することにより、前記インクリボンの
インクを溶融して用紙に転写し所望の印字を行なうよう
にしている。また、感熱記録紙に対しては、インクリボ
ンを介さずサーマルヘッドを直接圧接させた状態で所望
の印字を行なうことができる。

【０００６】そしてこのようなサーマルヘッドにあつて
は、グレーズ層２の低熱伝導率（２×１０^-3ｃａｌ／ｃ
ｍ・ｓｅｃ・℃）とアルミナからなる絶縁性基板１の熱
伝導率（４０×１０^-3ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃）との
組み合わせにより、発熱抵抗体３で発生するジュール熱
の蓄熱効果を利用して電力効率や印字特性のバランスを
取っている。つまり、グレーズ層２の蓄熱効果は発熱抵
抗体３の冷却の時定数も長くなり高速印字時には印字の
尾引き・にじみ・余白汚れ等の印字品質の劣化をもたら
すため、電力効率と印字特性の両者を勘案して使用条件
に合わせてグレーズ層２の厚さを調整してあり、通常は
３０〜６０μｍ程度である。

【０００７】また近年、高精細化による高印字品質でか
つ高速印字化のニーズの高まりにより、印字分解能４０
０ｄｐｉで印字スピード１００ｃｐｓの熱転写プリンタ
が実用化されており、この熱転写プリンタに於いては、
発熱抵抗体３の駆動周期が３００μｓ以下という大変短
いパルス幅で通電制御されている。そして、今後ますま
すの高精細化・高速化が進む傾向にある。

【０００８】このような高精細・高速印字の熱転写プリ
ンタに於いては、サーマルヘッドの蓄熱が激しく、印字
品質が劣化するため、グレーズ層２の厚さをほぼ３０μ
ｍと薄くし、更に熱履歴補正ＬＳＩを用いて発熱抵抗体
３への通電時間を補正することにより、蓄熱によるサー
マルヘッドの温度上昇を詳細に制御することが行なわれ
ている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなサーマルヘッドにあっては、高価な熱履歴補正ＬＳ
Ｉを使用する必要があるので、結果として装置が高価に
なるという欠点を有している。このため、一般的に高度
の熱制御性能を除いたものが用いられており、サーマル
ヘッドの蓄熱による温度上昇を十分に制御できない欠点
を有する。

【００１０】また、従来サーマルヘッドの蓄熱は低熱伝
導率のグレーズ層２のみが原因と考えられていたが、上
述のように発熱抵抗体３への通電周期が短い高速印字の
場合は、基板１の熱伝導率が低いことが最大の原因であ
ることがわかった。

【００１１】更に、発熱抵抗体３の駆動周期が３００μ
ｓ以下という大変短いパルス幅での通電制御に於いて所
望の印字品質を得るためには、サーマルヘッドの発熱抵
抗体３のピーク温度を高くして所定の印字エネルギーを
インクリボンに与える必要があるが、例えば、印字時の
環境温度を５〜３５℃とした場合、低温の５℃では必要
な発熱抵抗体のピーク温度を得るために印加エネルギー
を最大にする必要があり、印字パターンによっては、発
熱抵抗体３のピーク温度はグレーズ層２及び発熱抵抗体
３の耐熱温度約７００℃よりも高くなり、グレーズ層２
が熱変形あるいは溶融し、また、発熱抵抗体１３の抵抗
値が変化して低温環境での高速印字に使用できない、と
いう問題点があった。

【００１２】更にまた、Ｔａ−ＳｉＯ₂等のサーメット
系の材料からなる発熱抵抗体３は高温真空アニール処理
によりそのシート抵抗値が略半減する特性を有している
ため、実使用温度以上での高温真空アニール処理は必須
条件であるが、前述したようにグレーズ層２の耐熱温度
が低いため、この高温真空アニール処理ができないとい
う問題点を有していた。

【００１３】更にまた、平面的に共通電極４が形成され
ているため、リアルエッジ化していくと共通電極４の幅
寸法が狭くなりすぎて、電極抵抗の増大による電圧降下
（コモンドロップ）が大きくなり、発熱抵抗体３への印
加電力のばらつきによる印字品質の劣化という問題点を
有していた。

【００１４】更にまた、サーマルヘッドを製造する際の
基板１の分割は研削によって加工されるため、基板１の
エッジ部が鋭利なものとなったり、チッピングが発生す
るなどして印字品質が劣化する、という問題点を有して
いた。

【００１５】本発明は、上述の問題点を解決するために
なされたもので、高精細・高印字品質でかつ高速印字に
適した高耐熱性を有するサーマルヘッドを提供すること
を目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、単結晶シリコン基板の表面には、表面に第
１のメサと、該第１のメサ上に第２のメサが形成され
て、これらの第１及び第２のメサ上に形成された金属酸
化物を主成分とする保温層と、この保温層上に積層して
形成された発熱抵抗体と、前記第２のメサの上部から第
１のメサの傾斜部にかけて形成され前記発熱抵抗体に接
続される共通電極とを有し、前記基板の端部側の前記第
１のメサの傾斜部と第２のメサの傾斜部との交点が、エ
ッジ部となっており、前記第２のメサの傾斜部には、イ
ンクリボンが摺接可能であることを特徴とする。

【００１７】また、前記第１のメサの高さが略３０〜１
００μｍで、第２のメサの高さが略５〜１５μｍである
ことを特徴とする。

【００１８】

【００１９】さらにまた、前記発熱抵抗体の略中心から
前記エッジ部までの距離を略１００μｍとしたことを特
徴とする。

【００２０】さらにまた、前記保温層をＴａとＳｉの酸
化物を主成分とする材料としたことを特徴とする。

【００２１】さらにまた、単結晶シリコン基板の表面に
第１のメサを形成するために、前記単結晶シリコンをエ
ッチングする第１の異方性エッチング工程と、この第１
のメサ上に第２のメサを形成するために、前記単結晶シ
リコンをエッチングする第２の異方性エッチング工程
と、前記第１のメサ及び第２のメサの斜面部の傾斜角を
小さくして、エッジ部を形成する第３の異方性エッチン
グ工程と、前記第１のメサ及び第２のメサの角部を丸め
エッチングする工程と、このエッチングされた基板上に
ＴａとＳｉの金属酸化物を主成分とする材料からなる保
温層を形成する工程と、この後第１のアニール処理を行
なう工程と、この保温層上に発熱抵抗体を形成する工程
と、第２のアニール処理を行う工程と、前記発熱抵抗体
上に電極を形成する工程とを有することを特徴とするサ
ーマルヘッドの製造方法。

【００２２】

【作用】上記手段は以下のように作用する。

【００２３】発熱抵抗体に接続される共通電極を第２の
メサの上部から第１のメサの傾斜部の上にかけて形成す
ることで、発熱抵抗体の通電部が基板の端部に近接した
リアルエッジタイプのサーマルヘッドであっても、共通
電極の幅を広く形成することができるため、いわゆるコ
モンドロップの発生を防止できる。さらに、基板の端部
側の第１のメサの傾斜部と第２のメサの傾斜部との交点
が、エッジ部となっているので、印字後のインクリボン
は、第２のメサの傾斜部を摺接した後、直ちにサーマル
ヘッドから引き剥がされる。

【００２４】また、基板として単結晶シリコンを用いる
ことにより、基板の放熱性が十分となり、発熱抵抗体へ
の通電周期が短い高速印字の場合でも、基板の蓄熱の影
響を少なくすることができる。

【００２５】更に、保温層をＴａとＳｉとの金属酸化物
を主成分とする材料としたことにより、その融点が約１
５００℃以上と高くなり、発熱抵抗体のピーク温度が高
くなっても十分な耐熱性が得られる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１及び図２を参
照して説明する。

【００２７】図１は本発明にかかるサーマルヘッドの構
造を示す断面構造図である。図示したように単結晶シリ
コンからなる基板１１の表面の一端部側に断面形状が略
台形状であり、基板１１の一端部に近接した傾斜部を有
する第１のメサ１１ａと第２のメサ１１ｂとを、第１の
メサ１１ａの傾斜部と第２のメサ１１ｂの傾斜部との交
点が、エッジ部１１ｃとなるように重ねて形成し、この
第１のメサ１１ａと第２のメサ１１ｂとを含めて基板の
表面にＴａとＳｉの酸化物よりなる保温層１２を高周波
プラズマによる反応性スパッタ蒸着法により薄膜として
形成する。

【００２８】そして、前記第２のメサ１１ｂの上面位置
に、前述した従来のサーマルヘッドと同様に、Ｔａ₂Ｎ
あるいはＴａ−ＳｉＯ₂等からなる発熱抵抗体１３が形
成され、この発熱抵抗体１３の一側には各発熱抵抗体１
３に接続される共通電極１４が、他側には各発熱抵抗体
１３に独立して通電を行なう個別電極１５がそれぞれ接
続されている。なお、これらの共通電極１４及び個別電
極１５は、例えば、アルミニウム、銅あるいは金等から
なり、蒸着、スパッタリング等により被着された後、エ
ッチングにより所望形状のパターンに形成される。

【００２９】更に、これらの発熱抵抗体１３、共通電極
１４及び個別電極１５の表面には、発熱抵抗体１３及び
各電極１４，１５を保護する５〜１０μｍの膜厚の保護
層１６が前記各電極１４，１５の端子部以外の全ての表
面を被覆するように形成される。この保護層１６は、各
発熱抵抗体１３を酸化による劣化から保護するとともに
インクリボン等への接触による摩耗から発熱抵抗体１３
及び各電極１４，１５を保護するＳＩＡＬＯＮ等により
形成される。

【００３０】次に、図２のフローチャートを用いて、上
述した実施例のサーマルヘッドの製造方法について説明
する。

【００３１】まず単結晶シリコンからなる基板１１の表
面に熱酸化によりＳｉＯ₂膜を、あるいは蒸着によりＴ
ａ₂Ｏ₅もしくはＳｉ₃Ｎ₄膜を略１μｍの厚さで形成
しマスク層を設ける。このマスク層の上にフォトレジス
トをスピンナー等で塗布し、フォトリソ技術によりレジ
ストパターンを形成した後、ＳｉＯ₂膜の場合はバッフ
ァードフッ酸でエッチングし、Ｔａ₂Ｏ₅もしくはＳｉ
₃Ｎ₄膜の場合はリアクティブイオンエッチングでドラ
イエッチングして、第１のマスクパターンを形成する。

【００３２】次に、ＫＯＨ水溶液等のアルカリ溶液で基
板１１を異方性エッチングして、面方位（１００）に対
し略５５°のテーパ角度で第１のメサ１１ａを略３０〜
１００μｍの高さに形成する。そして次に、この第１の
メサ１１ａの形成に用いたマスク層の残りのマスク層上
に再度フォトレジストを塗布し、フォトリソ技術により
マスクパターンを形成した後、上記と同様に異方性エッ
チングを行なって第１のメサ１１ａ上に第２のメサ１１
ｂを５〜１５μｍの高さに形成する。そして、マスク層
を除去した後、ＫＯＨ水溶液等のアルカリ溶液で基板１
１を全面異方性エッチングして第２のメサ１１ｂの傾斜
角を略２５°と小さく形成する。

【００３３】次に、フッ硝酸エッチャント（ＨＦ：ＨＮ
Ｏ₃：ＣＨ₃ＣＯＯＨ＝１：８：３）を用いて、第１の
メサ１１ａと第２のメサ１１ｂの角部をアール状に丸め
エッチングを行なう。

【００３４】次に、このようにして第１のメサ１１ａと
第２のメサ１１ｂとが重ねられて形成された基板１１上
に保温層１２として、ＳｉとＴａとの酸化物からなる低
熱伝導率、低熱膨張率かつ高耐熱の材料を、高周波プラ
ズマによる反応性スパッタ蒸着により略３０μｍの厚さ
で積層・形成する。この後真空叉は雰囲気アニール炉を
用いて約８００〜１０００℃の高温アニール処理を行な
う。これにより基板１１のソリが解消される。

【００３５】次に、この保温層１２上の第２のメサ１１
ｂの上面にＴａ−ＳｉＯ₂あるいはＴａ₂Ｎ等からなる
発熱抵抗体１３をスパッタにより蒸着しエッチングによ
り所望パターンに形成してから、真空アニール炉を用い
て約８００〜１０００℃の高温熱処理を加える。これに
より発熱抵抗体１３は抵抗値の高温安定性が得られる。

【００３６】次に、従来と同様、発熱抵抗体１３に信号
を与える電極１４，１５が、アルミニウム、銅あるいは
金等をスパッタリング等により被着した後、エッチング
により所望形状のパターンに形成され、更にこの上に保
護層１６が積層されてサーマルヘッドが完成する。この
とき、共通電極１４を第２のメサ１１ｂの傾斜部の上か
ら第１のメサ１１ａの傾斜部の上にかけて形成すること
で、その幅を広く形成する。

【００３７】なお、前記基板１１の端部側の前記第１の
メサ１１ａの傾斜部と第２のメサ１１ｂの傾斜部との交
点であるエッジ部１１ｃは、印字後のインクリボン引き
剥しのためのリボン引き剥しエッジ部１１ｃとなってい
る。

【００３８】次に、本実施例の作用について説明する。

【００３９】本実施例においては、発熱抵抗体に接続さ
れる共通電極１４を第２のメサ１１ａの傾斜部の上から
第１のメサ１１ｂの傾斜部の上にかけて形成したため、
共通電極１４の幅を広く形成でき、いわゆるコモンドロ
ップの発生を押さえることができる。

【００４０】また、本実施例においては、サーマルヘッ
ドの基板１１として単結晶シリコンを用いることによ
り、その熱伝導率が約３４０×１０^-3ｃａｌ／ｃｍ・Ｓ
ｅｃ・℃と、従来のアルミナ基板を用いた場合の熱伝導
率（約４０×１０^-3ｃａｌ／ｃｍ・Ｓｅｃ・℃）と比較
して約８倍となり、発熱抵抗体１３への通電周期が短い
高速印字の場合でも基板による蓄熱の影響を解消するこ
とができる。

【００４１】また、従来のアルミナ等のセラミック材料
からなる基板においては、基板表面に微小な凹凸が多い
ため、近年の発熱抵抗体の高精細化にともなう電極配線
のファインパターン化に対応できない、という問題があ
ったが、本発明の単結晶シリコン基板１１は、板厚の精
度がよくまた表面の平滑度も容易に得られるので、電極
１４，１５のファインパターン化にも十分対応できる。

【００４２】さらにまた本実施例においては、保温層１
２としてＴａとＳｉとの酸化物という低熱伝導率（約１
〜２×１０^-3ｃａｌ／ｃｍ・Ｓｅｃ・℃）の材料を用い
ることにより、良好な蓄熱性が得られるだけでなく、そ
の熱膨張率も略１．０×１０^-6ｃｍ／℃と単結晶シリコ
ン基板１１の熱膨張率（２．６×１０^-6ｃｍ／℃）より
小さく、また形成された保温層１２は、単結晶シリコン
基板１１との密着性がよく、高温アニール処理による膜
の剥離やクラックを生じない。このため保温層１２の膜
厚を約３０μｍまで蒸着によって形成することが可能に
なる。また、この保温層１２の耐熱温度は約１５００℃
となり、単結晶シリコン基板１１の耐熱温度約１４００
℃よりも高くなる。このため、発熱抵抗体１３のピーク
温度が略７００℃を越えても保温層１２の熱変形などは
全く発生せず低温時での高速印字が可能になる。

【００４３】さらにまた、この保温層１２の耐熱温度が
約１５００℃と高いために、発熱抵抗体１３を形成した
後、真空アニール炉を用いて約８００〜１０００℃でア
ニール処理を施すことが可能になり、この高温アニール
処理により発熱抵抗体１３に実印時の際の発熱ピーク温
度よりも高い温度での熱履歴を与えておくことで印字時
の熱変化による発熱抵抗体１３の抵抗値の変化を小さく
することができる。

【００４４】さらにまた、本発明の実施例においては、
基板１１の表面に第１のメサ１１ａ及び第２のメサ１１
ｂを重ねて形成し、その上面に発熱抵抗体１３を形成
し、この発熱抵抗体１３の略中心からインクリボン引き
剥しエッジ部までの距離を略１００μｍとしているた
め、サーマルヘッドの圧接力を発熱抵抗体１３に集中し
て得ることができ、また印字部（発熱抵抗体１３の略中
心）からリボン引き剥し部までの距離が短いため樹脂系
インクが使用でき、いわゆるラフ紙に対しても良好な印
字を行なえる。

【００４５】さらにまた、あらかじめサーマルヘッドの
インクリボン引き剥しエッジ部になる部分を、単結晶シ
リコン基板１１をエッチング加工することによりにより
滑らかに形成できインクリボン走行の不具合が防止さ
れ、印字品質のばらつきを低減することができる。

【００４６】

【発明の効果】以上述べたように本発明のサーマルヘッ
ドにおいては、以下のような顕著な効果を奏する。

【００４７】発熱抵抗体に接続される共通電極を第２の
メサの傾斜部の上から第１のメサの傾斜部の上にかけて
形成したため、発熱抵抗体の通電部が基板の端部に近接
したリアルエッジタイプのサーマルヘッドであっても、
共通電極の幅を広く形成でき、いわゆるコモンドロップ
の発生を押さえることができる。さらに、基板の端部側
の第１のメサの傾斜部と第２のメサの傾斜部との交点
が、エッジ部となっているので、エッジ部により印字後
のインクリボンを短時間内に引き剥がすことができる。

【００４８】また、サーマルヘッドの基板として単結晶
シリコンを用いることにより、基板の放熱性が十分良好
となり、発熱抵抗体への通電周期が短い高速印字の場合
でも基板による蓄熱の影響が少なくなり、また基板の板
厚の精度がよくまた表面の平滑度も容易に得られるの
で、電極のファインパターン化にも十分対応できる。

【００４９】さらに、保温層としてＴａとＳｉとの酸化
物という低熱伝導率の材料を用いることにより、良好な
蓄熱性が得られるだけでなく、この保温層の耐熱温度は
約１５００℃となり、発熱抵抗体の発熱ピーク温度が十
分高くでき低温時での高速印字が可能になる。

【００５０】さらにまた、基板の表面に第１のメサ及び
第２のメサを重ねて形成し、その上面に発熱抵抗体を形
成し、この発熱抵抗体の略中心からインクリボン引き剥
しエッジ部までの距離を略１００μｍとしているため、
サーマルヘッドの圧接力を発熱抵抗体に集中して得るこ
とができ、また印字部（発熱抵抗体の略中心）からリボ
ン引き剥し部までの距離が短いため樹脂系インクが使用
でき、いわゆるラフ紙に対しても良好な印字を行なえ
る。

【００５１】さらにまた、あらかじめサーマルヘッドの
エッジ部になる部分を単結晶シリコン基板をエッチング
加工することによりにより、エッジ部が滑らかに形成で
きインクリボン走行の不具合が防止され、印字品質のば
らつきを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のサーマルヘッドを示す構造
断面図である。

【図２】本発明のサーマルヘッドの製造工程を示すフロ
ーチャート図である。

【図３】従来のサーマルヘッドを示す構造断面図であ
る。

【符号の説明】

１１基板１２保温層１３発熱抵抗体１４共通電極１５個別電極１６保護層

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶シリコン基板には、表面に第１の
メサと、該第１のメサ上に第２のメサが形成されて、こ
れらの第１及び第２のメサ上に形成された金属酸化物を
主成分とする保温層と、この保温層上に積層して形成さ
れた発熱抵抗体と、前記第２のメサの上部から第１のメ
サの傾斜部にかけて形成され前記発熱抵抗体に接続され
る共通電極とを有し、前記基板の端部側の前記第１のメ
サの傾斜部と第２のメサの傾斜部との交点が、エッジ部
となっており、前記第２のメサの傾斜部には、インクリ
ボンが摺接可能であることを特徴とするサーマルヘッ
ド。
【請求項２】前記第１のメサの高さが略３０〜１００
μｍで、第２のメサの高さが略５〜１５μｍであること
を特徴とする請求項１に記載のサーマルヘッド。
【請求項３】前記発熱抵抗体の略中心から前記エッジ
部までの距離を略１００μｍとしたことを特徴とする請
求項１または２に記載のサーマルヘッド。
【請求項４】前記保温層をＴａとＳｉの酸化物を主成
分とする材料としたことを特徴とする請求項１に記載の
サーマルヘッド。
【請求項５】単結晶シリコン基板の表面に第１のメサ
を形成するために、前記単結晶シリコンをエッチングす
る第１の異方性エッチング工程と、この第１のメサ上に
第２のメサを形成するために、前記単結晶シリコンをエ
ッチングする第２の異方性エッチング工程と、前記第１
のメサ及び第２のメサの斜面部の傾斜角を小さくして、
エッジ部を形成する第３の異方性エッチング工程と、前
記第１のメサ及び第２のメサの角部を丸めエッチングす
る工程と、このエッチングされた基板上にＴａとＳｉの
金属酸化物を主成分とする材料からなる保温層を形成す
る工程と、この後第１のアニール処理を行なう工程と、
この保温層上に発熱抵抗体を形成する工程と、第２のア
ニール処理を行う工程と、前記発熱抵抗体上に電極を形
成する工程とを有することを特徴とするサーマルヘッド
の製造方法。