JP3526515B2 - サーマルヘッド - Google Patents

サーマルヘッド

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JP3526515B2 JP20632797A JP20632797A JP3526515B2 JP 3526515 B2 JP3526515 B2 JP 3526515B2 JP 20632797 A JP20632797 A JP 20632797A JP 20632797 A JP20632797 A JP 20632797A JP 3526515 B2 JP3526515 B2 JP 3526515B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はワードプロセッサや
ファクシミリ等のプリンタ機構として組み込まれるサー
マルヘッドの改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、ワードプロセッサ等のプリンタ機
構として組み込まれるサーマルヘッドは、アルミナセラ
ミックス等から成る絶縁基板上にガラスグレーズ層を介
して発熱抵抗体及び導電層を設け、前記発熱抵抗体を厚
み数ミクロン程度の保護膜によって被覆した構造を有し
ている。かかるサーマルヘッドは、前記導電層を介して
発熱抵抗体に所定の電力を印加し、発熱抵抗体を印画信
号に基づいて選択的にジュール発熱させるとともに、該
発熱した熱を感熱紙等の記録媒体に伝導させ、記録媒体
に所定の印字画像を形成することによってサーマルヘッ
ドとして機能するものである。
【0003】尚、前記保護膜は記録媒体の摺接による磨
耗や大気中に含まれる水分等の接触による酸化腐食から
発熱抵抗体等を保護するためのもので、該保護膜は一般
に、耐磨耗性と電気絶縁性に優れた材料、例えば、酸化
タンタル等によって形成されていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来のサーマルヘッドにおいては、保護膜が電気絶縁性の
高い材料から成っているため、発熱抵抗体上の保護膜に
記録媒体を摺接させて印字を行った際、保護膜表面の感
熱紙等が摺接された部位に静電気が蓄積され、その蓄積
が所定量に達すると保護膜に絶縁破壊が生じ、保護膜と
しての機能が喪失されるとともに前記絶縁破壊に伴って
発熱抵抗体等に瞬間的に大電流が流れることにより発熱
抵抗体が焼損するという欠点を有している。
【0005】また上述した従来のサーマルヘッドにおい
ては、記録媒体中に含まれるイオンが保護膜中のピンホ
ール等を介して発熱抵抗体に接触し易く、その結果、発
熱抵抗体が比較的短時間で腐食されて電気抵抗値が大き
く変動する欠点も有していた。
【0006】そこで上記欠点を解消するために、前記保
護膜上に更にクロム(Cr)や窒化チタン(TiN)等
の導電材料から成る厚み1μm程度の薄い静電気拡散層
を被着させ、この静電気拡散層の全体にわたって静電気
の電荷を分散させることによって保護膜の絶縁破壊や発
熱抵抗体の焼損を防止することが提案されている。
【0007】しかしながら、保護膜の上面にクロムや窒
化チタン等から成る静電気拡散層を被着させる場合、静
電気拡散層の被着工程が別途、必要となって製造コスト
の上昇を招く上に、保護膜を形成する酸化タンタルと静
電気拡散層を形成するクロム等の熱膨張係数が大きく相
違することに起因して両者間に大きな熱応力が印加さ
れ、静電気拡散層が保護膜より容易に剥離するという欠
点が誘発される。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は上記欠点に鑑み
案出されたもので、本発明のサーマルヘッドは、絶縁基
板上に発熱抵抗体を設けるとともに該発熱抵抗体を保護
膜で被覆してなるサーマルヘッドにおいて、前記保護膜
を珪素,酸素及び窒素を含む無機質材料で形成するとと
もに、該保護膜の表面から2μmまでの深さの領域を上
部領域、発熱抵抗体の表面から2μmまでの高さの領域
を下部領域とそれぞれ定義した場合に保護膜の上部領域
の酸素含有比率を2〜12wt%、下部領域の酸素含有
比率を15〜25wt%に設定し、保護膜の上部領域の
比抵抗を5×10〜1×1011Ω・cmに、保護膜
の下部領域の比抵抗を1×1012〜1×1014Ω・
cmとし、更に、保護膜中にイットリウムを1〜20w
t%添加したことを特徴とする。
【0009】また本発明のサーマルヘッドは、上記保護
膜の酸素含有比率が上部領域から下部領域に向かって漸
次大きくなっていることを特徴とする。更に本発明のサ
ーマルヘッドは、上記保護膜がスパッタリングにて形成
されていることを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に基づい
て詳細に説明する。図1は本発明のサーマルヘッドの一
形態を示す断面図であり、1は絶縁基板、3は発熱抵抗
体、5は保護膜である。
【0011】前記絶縁基板1はアルミナセラミックス等
のセラミック材料から成り、その上面でグレーズ層2や
発熱抵抗体3,導電層4,保護膜5等を支持する作用を
為す。
【0012】前記絶縁基板1は、アルミナ、シリカ、マ
グネシア等のセラミックス原料粉末に適当な有機溶剤、
溶媒を添加混合して泥漿状と成すとともにこれを従来周
知のドクターブレード法やカレンダーロール法等を採用
することによってセラミックグリーンシートを形成し、
しかる後、前記セラミックグリーンシートを所定形状に
打ち抜き加工するとともに高温で焼成することによって
製作される。
【0013】また前記絶縁基板1の上面にはグレーズ層
2が20〜60μmの厚みに被着・形成されている。前
記グレーズ層2はガラスやポリイミド樹脂等の低熱伝導
性材料により形成されており、発熱抵抗体3の発する熱
が適当な温度となるようにその内部で熱を蓄積及び放散
し、これによってサーマルヘッドの熱応答特性を良好な
状態に維持する作用を為す。
【0014】尚、前記グレーズ層2は、ガラスによって
形成する場合、ガラス粉末に適当な有機溶媒、溶剤を添
加混合して得たガラスペーストを絶縁基板上面の全体も
しくは所定領域に従来周知のスクリーン印刷法を採用す
ることによって所定厚みに印刷・塗布し、しかる後、こ
れを高温(約900℃)で焼成することによって絶縁基
板1の上面に被着される。
【0015】また前記グレーズ層2上には複数個の発熱
抵抗体3が被着・配列されており、該各発熱抵抗体3の
両端には一対の導電層4が接続されている。
【0016】前記発熱抵抗体3は、TaSiOやTaS
iNO,TiSiO,TiSiCO,NbSiO等の電
気抵抗材料から成っており、それ自体が所定の電気抵抗
率を有しているため、一対の導電層4を介して外部電源
からの電力が印加されるとジュール発熱を起こし、記録
媒体Pに印画を形成するのに必要な所定温度、例えば3
00〜400℃の温度にジュール発熱する。
【0017】また前記発熱抵抗体3の両端に接続される
一対の導電層4はアルミニウム等の金属材料から成って
おり、該一対の導電層4は前記発熱抵抗体3にジュール
発熱を起こさせるために必要な所定の電力を印加する作
用を為す。
【0018】前記複数個の発熱抵抗体3及び一対の電極
4は、従来周知のスパッタリング法及びフォトリソグラ
フィー技術を採用することによってグレーズ層2の上面
に所定パターン、所定厚み(発熱抵抗体3は0.01〜
0.5μmの厚み、一対の導電層4は0.5〜2.0μ
mの厚み)をもって被着される。
【0019】そして前記発熱抵抗体3及び一対の導電層
4の上面には更に、保護膜5が被着されている。前記保
護膜5は発熱抵抗体3や一対の導電層4を大気中に含ま
れている水分等の接触による腐食や記録媒体Pの摺接に
よる磨耗から保護するためのものであり、該保護膜5
は、珪素(Si),酸素(O)及び窒素(N)を含む無
機質材料により例えば4〜20μmの厚みをもって形成
され、かつ、上部領域(表面から深さ2μmまでの領
域)の酸素含有比率が2〜12wt%、下部領域(発熱
抵抗体3と接する面から高さ2μmまでの領域)の酸素
含有比率が15〜25wt%に設定されている。
【0020】ここで、酸素含有比率が2〜12wt%に
設定された保護膜5の上部領域では比抵抗が5×10
〜1×1011Ω・cmの範囲となって電荷を良好に拡
散し得る物性を備え、また一方、酸素含有比率が15〜
25wt%に設定された保護膜5の下部領域では比抵抗
が1×1012〜1×1014Ω・cmの範囲となって
十分な電気絶縁性を備える。このため、サーマルヘッド
の表面に感熱紙等の記録媒体Pを摺接させて印字を行う
際、サーマルヘッド表面の記録媒体Pが摺接される部位
に静電気が蓄積されても、その電荷は比抵抗を小さくし
た保護膜5の上部領域全体にわたって面方向に拡散し、
これによって保護膜5の絶縁破壊が有効に防止されるよ
うになる。
【0021】また前記保護膜5は、前述した如く、上部
領域の比抵抗が小さくなしてあるため、記録媒体P中の
イオンは保護膜5の上部領域で良好に捕獲されるように
なり、従ってイオンが保護膜5中のピンホールを介して
発熱抵抗体3に接触しようとするのが有効に防止されて
発熱抵抗体3の電気抵抗値を略一定に保つことができ
る。
【0022】しかも、前記保護膜5は、上部領域に電荷
拡散機能を兼ね備えた単層の膜によって形成されている
ため、保護膜5等の上に静電気拡散のために別途、導電
膜等を被着させたりする必要は無く、サーマルヘッドの
製造工程を簡略化して製造コストを抑えることもでき
る。
【0023】また前記保護膜5は、その全体が珪素,酸
素,窒素の3種類の元素から成る単層の膜で形成されて
いるため、印字に際し、熱膨張係数の相違等に起因して
保護膜5の一部がサーマルヘッドより容易に剥離してし
まうことはない。従って保護膜全体を発熱抵抗体3等に
対して強固に被着させておくことによりサーマルヘッド
を長期にわたって良好に機能させることができる。
【0024】更に前記保護膜5は下部領域の酸素含有比
率を15〜25wt%に設定することで発熱抵抗体3と
接する部位の比抵抗を高くなしてあるため、一対の導電
層4間の短絡等も確実に防止され、サーマルヘッドを常
に正常に動作させることができる。
【0025】また更に前記保護膜5を、図2に示す如
く、酸素含有比率が上部領域から下部領域に向かって漸
次大きくなるように形成すれば、保護膜自体の機械的強
度が上がることに加え、保護膜5をスパッタリング等に
よって形成する際に成膜装置の制御が簡単になる。
【0026】このような保護膜5は、まずスパッタリン
グ装置のチャンバー内の所定位置に窒化珪素焼結体から
成るターゲット材と発熱抵抗体3及び導電層4が被着さ
れた絶縁基板1とをそれぞれ配置させ、しかる後、前記
チャンバー内にアルゴンガスと酸素ガスとを導入しなが
ら前記ターゲット材と絶縁基板1との間に所定の電力を
印加し、前記ターゲット材の構成材料をスパッタリング
することによって形成される。このとき、チャンバー内
への酸素ガスの導入量は成膜開始時、50SCCMに設
定され、スパッタ膜が厚くなるにつれて徐々に酸素ガス
の導入量を少なくしていく。これによって絶縁基板1上
に堆積するスパッタ膜中には酸素ガスの導入量に応じて
酸素が混入され、発熱抵抗体3上には酸素含有比率が上
部領域から下部領域に向かって漸次大きくした保護膜5
が形成されることとなる。尚、前記スパッタ膜を安定的
に形成するには、前述のスパッタリングを行っている
間、チャンバー内の圧力を略一定に保持されるように酸
素ガス導入量の変化に応じてアルゴンガス導入量を適宜
調整すると良い。
【0027】かくして上述したサーマルヘッドは、一対
の導電層4間に外部からの印字信号に基づいて所定の電
力を印加し、発熱抵抗体3を個々に選択的にジュール発
熱させるとともに、該発熱した熱を感熱紙等の記録媒体
Pに伝導させ、記録媒体Pに所定の印画を形成すること
によってサーマルヘッドとして機能する。
【0028】次に本発明の作用効果を実験例に基づき説
明する。下記の表1は保護膜の上部領域の酸素含有比率
を異ならせた6個のサーマルヘッドサンプル(サンプル
No.1〜 6)を用いて走行試験(A4用紙25枚に対する
連続印字)を行った結果を示し、表2は保護膜の下部領
域の酸素含有比率を異ならせた6個のサーマルヘッドサ
ンプル(サンプルNo.7〜12)を用いてSST試験(ステ
ップ・ストレス・テスト)を行った結果を示すものであ
る。尚、この実験に用いたサーマルヘッドサンプルの発
熱抵抗体は全てTaSiOにより形成した。
【0029】
【表1】
【0030】
【表2】
【0031】表1によれば、保護膜の上部領域の酸素含
有比率を2wt%よりも小さく設定したサンプルNo.1で
は保護膜の内部応力が大きすぎて保護膜が剥離し、また
酸素含有比率を12wt%よりも大きく設定したサンプ
ルNo.4,5,6では酸素含有比率が大きくなるに従って発熱
抵抗体の腐食が多くの箇所で発生する傾向があり、更に
これらのうちサンプルNo.5,6では保護膜に絶縁破壊も発
生したのに対し、酸素含有比率を2〜12wt%の範囲
内に設定したサンプルNo.2,3では保護膜の剥離や絶縁破
壊、発熱抵抗体の腐食等は一切見られず、全ての発熱抵
抗体の電気抵抗値が略一定に保たれた。
【0032】また表2によれば、保護膜の下部領域の酸
素含有比率を15wt%よりも小さく設定したサンプル
No.7,8,9では発熱抵抗体に対する馴染みが悪いことから
保護膜に浮きが発生し、また酸素含有比率を25wt%
よりも大きく設定したサンプルNo.12 では保護膜の封止
性が悪くなって発熱抵抗体に腐食が発生し、殆どの発熱
抵抗体の電気抵抗値が短時間で大きく変動したのに対
し、酸素含有比率を15〜25wt%の範囲内に設定し
たサンプルNo.10,11では保護膜の浮きや発熱抵抗体の腐
食等は一切見られず、保護膜を発熱抵抗体上に良好な状
態で被着させておくことができた。
【0033】これらの実験結果より、保護膜の上部領域
の導電性、保護膜の発熱抵抗体に対する密着性、保護膜
の封止性等を十分なレベルに維持するには、保護膜の上
部領域の酸素含有比率を2〜12wt%に、また保護膜
の下部領域の酸素含有比率を15〜25wt%に設定し
なければならないことが判る。
【0034】尚、本発明は上記実施例に限定されるもの
ではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々
の変更、改良等が可能であり、例えば、上述の形態にお
いては保護膜5を珪素,酸素,窒素の3種類の成分での
み形成するようにしたが、これ以外に、イットリウム
(Y)やアルミニウム(Al),チタン(Ti),スト
ロンチウム(Sr),タンタル(Ta),タングステン
(W)等の金属元素が含まれていても良く、特にイット
リウムを1〜20wt%の範囲で保護膜5に添加してお
けば保護膜5をスパッタリングにて形成する際にチャン
バー内における放電特性を安定させることができ、極め
て良好な膜付けが可能となる。
【0035】また上述した本発明のサーマルヘッドにお
いて、前記保護膜5を形成する際、酸素含有比率の異な
る複数個のSiONターゲットを用いてスパッタリング
することにより保護膜5中の酸素含有比率を調整するよ
うにしても良い。
【0036】
【発明の効果】本発明のサーマルヘッドによれば、保護
膜が珪素,酸素及び窒素を含む無機質材料で形成すると
ともに該保護膜の上部領域の酸素含有比率を2〜12w
t%、下部領域の酸素含有比率を15〜25wt%に設
定したことから、保護膜の上部領域では電荷を良好に拡
散し得る物性となり、また保護膜の下部領域では十分な
電気絶縁性を備えた物性となる。従って、サーマルヘッ
ドの表面に感熱紙等の記録媒体を摺接させて印字を行う
際、サーマルヘッド表面の感熱紙等が摺接される部位に
静電気が蓄積されても、該静電気の電荷は保護膜の上部
領域全体にわたって面方向に良好に拡散し、これによっ
て保護膜の絶縁破壊が有効に防止されるようになる。
【0037】また本発明のサーマルヘッドにおいては、
前記保護膜が電荷拡散機能を兼ね備えた単層の膜によっ
て形成されているため、保護膜等の上に静電気拡散のた
めに別途、導電膜等を被着させたりする必要は無く、サ
ーマルヘッドの製造工程を簡略化して製造コストを抑え
ることもできる。
【0038】更に本発明のサーマルヘッドにおいては、
保護膜全体が珪素,酸素及び窒素から成る単層の膜で形
成されているため、印字に際し、熱膨張係数の相違等に
起因して保護膜の一部がサーマルヘッドより容易に剥離
してしまうことはない。従って保護膜を発熱抵抗体に対
して強固に被着させておくことによりサーマルヘッドを
長期にわたって良好に機能させることができる。
【0039】また更に本発明のサーマルヘッドにおいて
保護膜の酸素含有比率を上部領域から下部領域に向かっ
て漸次大きくなすようにしておけば、保護膜自体の機械
的強度が上がることに加え、保護膜をスパッタリング等
によって形成する場合に成膜装置の制御を簡単になすこ
とができる。また保護膜中にイットリウムを1〜20w
t%の範囲で添加しておけば、保護膜をスパッタリング
にて形成する際にチャンバー内における放電特性を安定
させることができ、極めて良好な膜付けが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のサーマルヘッドの一形態を示す断面図
である。
【図2】保護膜中の酸素含有比率を説明するための線図
である。
【符号の説明】
1・・・絶縁基板 3・・・発熱抵抗体 5・・・保護膜

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】絶縁基板上に発熱抵抗体を設けるとともに
    該発熱抵抗体を保護膜で被覆してなるサーマルヘッドに
    おいて、前記保護膜を珪素,酸素及び窒素を含む無機質
    材料で形成するとともに、該保護膜の表面から2μmま
    での深さの領域を上部領域、発熱抵抗体の表面から2μ
    mまでの高さの領域を下部領域とそれぞれ定義した場合
    保護膜の上部領域の酸素含有比率を2〜12wt%、
    下部領域の酸素含有比率を15〜25wt%に設定し
    保護膜の上部領域の比抵抗を5×10 〜1×10 11
    Ω・cmに、保護膜の下部領域の比抵抗を1×10 12
    〜1×10 14 Ω・cmとし、更に、保護膜中にイット
    リウムを1〜20wt%添加したことを特徴とするサー
    マルヘッド。
  2. 【請求項2】上記保護膜はその酸素含有比率が上部領域
    から下部領域に向かって漸次大きくなっていることを特
    徴とする請求項1に記載のサーマルヘッド。
  3. 【請求項3】上記保護膜はスパッタリングにて形成され
    ていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載
    のサーマルヘッド。
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