JP3846650B2

JP3846650B2 - 高熱効率サーマルヘッド

Info

Publication number: JP3846650B2
Application number: JP299097A
Authority: JP
Inventors: 真人薄田; 克人長野
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1997-01-10
Filing date: 1997-01-10
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2017-01-10
Also published as: JPH10193659A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は感熱記録プリンタ−用サーマルヘッドに係り、特に蓄熱層に耐熱性樹脂を用いた高熱効率のサーマルヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
感熱記録方式は、外部より供給された熱エネルギ−により発色するような表面処理を施した、いわゆる感熱記録紙を用いる記録方式である。
【０００３】
一般的な感熱記録用プリンタ−においては、図６に示す構造のサーマルヘッドが用いられる。図６において、１は基板であり、該基板１上には蓄熱層２、バリア層３、発熱抵抗体層４、電極導体層５、更に耐摩耗層６が順次形成され、これらからサーマルヘッドチップが構成される。
【０００４】
前記基板１には熱伝導率、耐熱性ともに高いアルミナが用いられることが多く、蓄熱層２の材料としては、従来より一般的にグレ−ズガラスが用いられている。電極導体層５はワイヤ−ボンディングやフリップチップボンディング等の接続法により、駆動ＩＣ７と電気的に接続され、駆動ＩＣ７から発熱抵抗体層４に電気エネルギ−が供給される。
【０００５】
アルミナ等の基板１上に作製されたサーマルヘッドチップには、プリント情報に応じて電気エネルギ−が供給され、その電気エネルギ−は、発熱抵抗体層４中で熱エネルギ−に変換される。この熱エネルギ−は、サーマルヘッドとの熱の授受をよくするために、適当な方法でサーマルヘッドチップの表面に圧着された感熱紙９に供給されるが、ファクシミリ等のように、横一列に発熱抵抗体を並べて配置してあるような場合には、紙送りもかねてゴムロ−ラ−１０で感熱紙９の裏面を押えて、サーマルヘッドチップの耐摩耗層６表面と、感熱紙９の表面とを圧着することが多い。良好な記録を得るためには、感熱紙の表面とサーマルヘッドチップの密着を良くすることが必要で、全面に良好な接触が保たれるように、硬度、形状等の点を充分に考慮されたゴムロ−ラ−が使用されている。
【０００６】
またビデオプリンタ−等の高品位印刷用サーマルヘッドでは、さらに密着を良くするために、図７のように、発熱部近傍の蓄熱層を周辺部よりも厚くする構造が通常採用されており、一般的に部分グレ−ズと呼ばれている。
【０００７】
一方、印字の高速化と良質印字のためには、発熱体の温度上昇が速く、パルス当たりの３００〜４００℃に維持する時間が長く、かつ温度降下も速いことが必要であるが、従来の７０μｍ前後のガラス蓄熱層２の場合の熱応答特性は充分とはいえず、到達温度を上げるために蓄熱層２の厚さを増すと、熱容量が大きくなるため温度降下が鈍くなり、反対に、熱応答速度を上げるために厚さを薄くすると、到達温度を下げてしまう。ガラス蓄熱層２を用いて、高速印字と良質印字の両方を達成するためには、蓄熱層２の厚さを２０μｍ程度にまで薄くし、大きな電力を印加する必要があり、消費電力の点に問題がある。
【０００８】
この問題を解決するために、特開昭５２−１００２４５号公報においては、蓄熱層２に熱伝導率の極めて小さいエポキシあるいは芳香族ポリイミド等の樹脂を採用し、かつ蓄熱層厚を１０μｍ程度にまで薄くして熱容量を小さくし、非常に優れた印字性能を実現しえたことが記載されている。
【０００９】
また、特開平５９−１４２１６７号公報においては、高熱効率のサーマルヘッドを実現するため、蓄熱層２としてポリイミド樹脂に銅等の高熱伝導率を有する粉体を混合したものが提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
プリンタ−、ファクシミリ等に用いるサーマルヘッドにおいては、高印字性能、高品位印字性能の点のみならず、駆動電源や駆動ＩＣのコストの点からも高熱効率、すなわち低消費電力化されたものの開発が望まれている。この要求に答えるべく、上述のように、ポリイミド等の樹脂を用いた蓄熱層を有するサーマルヘッドが開発され、優れた印字性能が実現され、ガラスグレーズによる蓄熱層を用いた場合に比較し、消費電力が約５０％程度にまで低減することが可能となった。しかしながら樹脂材料の耐熱性および機械的強度の低さに起因する、以下に述べるような不具合が発生するため、実用化には至っていなかった。
【００１１】
ビデオプリンタ−を用いた連続印刷試験を行ったところ、部分グレ−ズ品では１万枚印刷後も、その印刷性能に変化は見られなかったが、ポリイミド品では、１０００枚程度までは印刷性能に変化は見られなかったものの、以降はドット抜け不良箇所が、全ドットの３０％以上にまで増加した。
【００１２】
不良発生のメカニズムについては定かではないが、発熱部の発熱体層４および耐摩耗層６にクラックが発生したことによる断線と、発熱部分の蓄熱層２および薄膜が消失し、クレ−タ−状の穴が開いたことによる断線の２種類の不良が発生していることから、次のようなメカニズムで、不良が発生したものと考えられる。
【００１３】
まず、発熱体層４と耐摩耗層６に生じたクラックは、急激な温度上昇、降下の熱サイクルによる応力から発生したものと考えられ、ポリイミドと薄膜の膨張係数差が主要因であると推察される。一方クレ−タ−状の穴の発生は、３００〜４００℃の高温に保持されたポリイミドが徐々に分解もしくは変質し、下地との密着性が低下したため、感熱紙に擦られた際に発熱部のポリイミドと薄膜が剥し取られたものと推察される。
【００１４】
また、砂粒等の固い粒子で擦られたために発生したと思われる傷のために、抵抗値が変化したドットや断線したドットも見られた。この傷は、プリンタ−内部に混入した後、さらに感熱紙に付着した砂粒が、プリント時にサーマルヘッドの耐摩耗層表面を引っ掻くことにより発生したものであるが、断線に至った深い傷は、蓄熱層２の形成領域に多く見られたことから、図４（ａ）に示すように、ポリイミドでなる蓄熱層２の機械的強度が不足しているために、砂粒（推定粒径１００〜３００μｍ）１３によって蓄熱層２の形成領域が、図示のように押しつぶされたものと考えられる。
【００１５】
このように樹脂のなかでは、耐熱性に優れているとされているポリイミドでさえ、サーマルヘッドの蓄熱層として採用した場合には、長期的信頼性および機械的強度の点では不十分であった。ましてや耐熱性に劣るエポキシ樹脂を採用した場合には、サーマルヘッドの寿命は更に短いことは言うまでもない。
【００１６】
また、特開平５９−１４２１６７号公報に記載のように銅等の熱伝導性の優れた粉体を混入した場合には、熱応答特性の向上は達成できるものの、一般的に熱伝導率の高い銅等の金属は硬度が低いために、機械的強度の点で優れたサーマルヘッドを得ることは困難である。
【００１７】
本発明は、上記従来のサーマルヘッドの問題点を解決して、機械的強度が高く、長寿命でかつ信頼性の高い高熱効率サーマルヘッドを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明のサーマルヘッドは、アルミナまたは窒化アルミニウムでなる基板と印刷用発熱抵抗体層との間に蓄熱層を有するサーマルヘッドにおいて、
樹脂と、ビッカース硬度が４００以上の無機材質の粒子との混合物を前記蓄熱層として用い、
前記無機材質の粒子は、その平均粒径が０．１μｍ〜１０μｍの範囲内の真球状をなし、
前記無機材質の粒子／樹脂の体積比は１以上、１０以下であり、
前記蓄熱層は、前記粒子を混入した樹脂ペーストの前記基板への塗布、硬化により形成される
ことを特徴とする。
【００１９】
本発明においては、ビッカース硬度が４００以上の機械的強度の高い耐熱性無機材料からなる粒子（フィラ−）を多量に添加することにより、蓄熱層として使用する樹脂の耐熱性および機械的強度を飛躍的に向上させたものである。
【００２０】
本発明において、基板としては、熱伝導に優れたアルミナ基板が好適であり、その表面は平坦化のために、約１０μｍのグレ−ズガラスが被覆される。なお、熱伝導率の高い基材として、アルミナが好ましいが、室化アルミニウム等を用いることもできる。
【００２１】
発熱抵抗体層と基板との間に設ける蓄熱層材料としては、耐熱性の面から、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、耐熱性を付与したシリコン樹脂等が用いられる。
【００２２】
また、樹脂と混合する無機材質のフィラーとしては、微小粉末のビッカース硬度として５００程度の値が得られるシリカや、ビッカース硬度が２０００程度のアルミナを用いることができる。その他、窒化珪素、炭化珪素、炭化チタン、窒化チタン、窒化ホウ素等のセラミック粉等が用いられ、さらにビッカース硬度が４００以上の合金を用いることができる。フィラーのビッカーズ硬度についての上限はないが、実用的にはビッカース硬度が１００００程度のものまで用いることができる。
【００２３】
また、蓄熱層の作用を保つ上で、蓄熱層に用いるフィラーの熱伝導率は１ｍｊ／ｃｍ・ｓ・ｄｅｇ以上、１００ｍｊ／ｃｍ・ｓ・ｄｅｇ以下であることが好ましい。なぜならばフィラーの熱伝導率が１ｍｊ／ｃｍ・ｓ・ｄｅｇ未満であると、蓄熱層としてガラスグレーズより熱伝導性のよい樹脂を用いて熱効率を向上させるという本来の目的が達成しにくくなり、また１００ｍｊ／ｃｍ・ｓ・ｄｅｇを超えると本来の蓄熱作用を得ることが困難となる。
【００２４】
蓄熱層に用いる樹脂は、樹脂ペ−ストとフィラーとを混練、脱気処理した後、発熱部近傍に塗布し、所定の温度で硬化したものを使用する。
【００２５】
無機材質粒子の平均粒径は０．１〜１０μｍが好ましい。０．１μｍ未満の微粒子は、製造が難しく高価で、取り扱いが危険である。また、１０μｍを超えると、蓄熱層に対して相対的に粒径が大きくなり充填密度が上がらない。
【００２６】
蓄熱層を構成するフィラー／樹脂の体積比は、１以上１０以下とすることが好ましい。この体積比が１未満であると、フィラー混入による機械的強度の効果があまり期待できなくなり、一方１０を超えると、フィラー間の結合が弱くなり、蓄熱層の所望の強度が得られなくなる。
【００２７】
無機材質粒子の形状は、充填密度を上げて蓄熱層の強度を増大させ、また、塗布の際の流動性をあげる上で、真球が好ましい。この蓄熱層をシリカ／ポリイミドにより構成した場合、熱伝導率は、ポリイミド単体よりは大きいものの、約２ｍｊ／ｃｍ・ｓ・ｄｅｇとグレ−ズガラスの１／５程度と小さくなる。
【００２８】
【作用】
本発明において、蓄熱層に例えばシリカ／ポリイミド蓄熱層を採用した場合、グレ−ズガラス蓄熱層を採用した場合と比較して、その消費電力が５０〜６０％と小さくなる。またその機械的強度は、ポリイミド単体でなる蓄熱層を採用した場合と比較して、大幅に改善され、砂粒に擦られても傷の発生は見られない。耐熱性についても、シリカ／ポリイミド蓄熱層中のシリカ／ポリイミド体積比は１以上、１０以下であり、シリカの方が多いので、蓄熱層全体の熱膨張係数は、ポリイミドよりもむしろ、シリカの方に近いため、膨張係数差に起因するクラックの発生を抑制することが可能となる。また、フィラーとして用いる前述したセラミック等は、バリア層等と近い熱熱膨張係数を有するため、熱サイクルによる層剥離や割れ等を回避できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明を更に詳細に説明する。図１（ａ）は本発明によるサーマルヘッドの断面図、図１（ｂ）はその蓄熱層の部分拡大図である。本実施例においては、蓄熱層２が部分グレーズ層として構成されたものを示す。図１（ｂ）に示すように、本発明の蓄熱層２は、耐熱性樹脂１１に無機質材料でなるフィラー１２を混入して構成されたものであり、図６、図７と同じ他の符号は同じ機能を発揮することを目的として設けられたものである。
【００３０】
図２、図３により、本実施例のサーマルヘッドの製造工程の一例を説明する。図２（ａ）、図３（ａ）に示すように、アルミナ表面に１０μｍ厚のグレ−ズコ−ディングを施した基板１上に、シリカ（ＳｉＯ_２）／ポリイミド蓄熱層２を、発熱部近傍にのみ塗布し、形成した。塗布用のペ−ストは、市販のポリイミド（粘度５００００ｃｐ）と、市販の微小シリカ球（平均粒径約１μｍ、真球状）を重量比で１：１の割合で混練し、真空脱気した後、ディスペンスシリンジ内に充填した。
【００３１】
塗布は、所定の塗布パターンを予めプログラムされたディスペンスロボットを使用して行い、塗布後すみやかにキュア用オーブンに投入し、１００℃で６０分、２４０℃で３０分、４００℃で６０分の３段階の硬化処理を行った。
【００３２】
その後、蓄熱層２の形成された基板１全体をスパッタ装置内で、スパッタエッチ（逆スパッタ１３．５６ＭＨｚ、１００Ｗ、５分）し、次いで図２（ｂ）に示すように、バリア層３と発熱抵抗体層４を連続的に成膜した。
【００３３】
バリア層３の成膜条件は以下の通りとした。ターゲットには５インチ×１５インチの溶融石英を使用し、アルゴンガスの流量５０ｃｍ^３／分（標準状態における流量、以下ガス流量は標準状態の値を記す）、酸素ガスの流量１０ｃｍ^３／分、スパッタ時圧力５０Ｐａ、高周波電力２．５ｋＷ、基板温度２００℃の条件で１μｍの厚さのＳｉＯ_２からなるバリア層３を形成した。
【００３４】
また、発熱抵抗体層４は、Ｎｂ−ＳｉＯ _２により、バリア層３上に同一スパッタ装置を用いて連続的に成膜した。この際、ターゲットには、５インチ×１５インチのＮｂ−ＳｉＯ _２ターゲットを使用し、また、アルゴンガスの流量５０ｃｍ^３／分、酸素ガスの流量１０ｃｍ^３／分、スパッタ時圧力５０Ｐａ、高周波電力１．５ｋＷ、基板温度２００℃の条件で、０．１５μｍの厚さのＮｂ−ＳｉＯ _２の発熱抵抗体層４を形成した。
【００３５】
次に、Ｎｂ−ＳｉＯ _２からなる発熱抵抗体層４を、図２（ｃ）、図３（ｂ）に示した所定のパターンに、フォトリソグラフィーとＲＩＥ（リアクティブ・イオン・エッチング）法により加工した。
【００３６】
その後、スパッタリングにより、Ａｌでなる電極導体層５を形成し、図２（ｄ）、図３（ｃ）のパターンに加工した。この加工は、リン酸／硝酸／酢酸／水系エッチャントを使用したウエットエッチングにより行なった。
【００３７】
さらにその後、図２（ｅ）に示すように、耐摩耗層６として４μｍのＳｉＯ_２膜と、６μｍのＳｉＢ膜を、この順にプラズマＣＶＤ法により成膜した。ここで、ＳｉＢは本来の保護層としての機能を持たせるものであり、また、ＳｉＯ_２は、ＳｉＢ層と電極導体層５との電気的絶縁および相互の反応、拡散を防止するバリア層としての役目を果たすものである。
【００３８】
耐摩耗層６を構成するＳｉＯ_２膜およびＳｉＢ膜の成膜条件は以下の通りとした。原料ガスとしての純シランガスの流量５０ｃｍ^３／分、Ｎ_２Ｏガスの流量４５０ｃｍ^３／分としてプラズマＣＶＤ容器内に導入し、反応圧力２０Ｐａ、高周波電力３０Ｗ、基板温度２００℃の条件で厚さ４μｍのＳｉＯ_２膜を成膜した。
【００３９】
次いで、原料ガスとして純シランガス流量５ｃｍ^３／分、Ｂ_２Ｈ_６を１５％含むＨ_２ガス流量３００ｃｍ^３／分としてプラズマＣＶＤ容器内に導入し、反応圧力１０Ｐａ、高周波電力３５０Ｗ、基板温度２００℃の条件で厚さ６μｍのＳｉＢ膜を成膜した。このＳｉＢ膜は、主成分はアモルファス構造のＢで、３ａｔｍ％程度のＳｉが添加されている。そのビッカース硬度は２０００以上あり、サーマルヘッドの耐摩耗層として、硬度のみならず、信頼性の点でも十分な特性を有する。
【００４０】
最後に、ＳｉＯ_２およびＳｉＢをフォトリソグラフィーとＲＩＥ法により加工し、図１に示したサーマルヘッドチップを完成させた。
【００４１】
その後、アルミニウム製筐体にサーマルヘッドチップを、アルミナフィラー入りシリコン樹脂を使用して接着し、さらに予め駆動ＩＣ７および配線が搭載されたガラスエポキシ製のプリント基板を、サーマルヘッドチップに並べて、アルミニウム製筐体上に、両面テープを用いて接着した。そして最後に、駆動ＩＣ７とサーマルヘッドチップの電極導体層およびその他の配線とを、ボンディングワイヤ８により電気的に接続し、サーマルヘッドを完成させた。
【００４２】
このサーマルヘッドに２ｍｓｅｃのパルス電圧を印加し、ガンマ特性を評価した結果を図５に示す。本実施例のように、ポリイミド／シリカでなる蓄熱層を採用したサーマルヘッドは、従来のガラスグレーズを蓄熱層として使用したものと比較すると、従来のものの約５５％の消費電力においても良好な印字が可能であった。また、ポリイミド樹脂のみの蓄熱層を用いた場合と本実施例の場合とでは消費電力に殆ど差が生じなかった。
【００４３】
また、本実施例のサーマルヘッドをビデオプリンターに搭載し、連続１万枚の印刷試験を行ったところ、クラックや穴による抵抗膜変化および断線は一切観察されなかった。これはポリイミド樹脂より熱膨張率がバリア層３に近いＳｉＯ_２フィラーを用いたため、蓄熱層２とバリア層３との熱膨張率の差が小さくなったことによると思われる。
【００４４】
また、上記試験とは別に、約２００μｍ径の砂粒でサーマルヘッドチップ表面を擦る砥粒試験を行ったところ、従来のポリイミド単体を蓄熱層に使用したサーマルヘッドにみられた引っ掻き傷や、えぐれ等の致命的な欠陥は一切発生しなかった。この理由は、図４（ｂ）に示すように、本発明による場合、硬度の高いフィラーを樹脂に混入した蓄熱層を用いたので、砂粒１３がサーマルヘッドとゴムローラー１０との間に介在してサーマルヘッドが砂粒１３によって押圧されながら移動した場合であっても、蓄熱層２に凹みが生じないため、蓄熱層２の上層１４（バリア層３ないし耐摩耗層６）も破壊されないものと考えられる。
【００４５】
なお本発明を実施する場合、各層を構成する材料は上記実施例のものに限定されない。また、各層を積層する工程は、特開平５−６４９０５号公報に記載のように、基板１とは別に、後で除去可能な形成基板を用意し、その形成基板に耐摩耗層６、電極導体層５、発熱抵抗体層４、バリア層３…の順序で形成していき、最後に形成基板を除去するという前記とは逆の工程で層形成を行えば、樹脂でなる蓄熱層２の耐熱性を考慮することなく、各層３〜６の全部あるいは耐摩耗層６等の一部を印刷、焼結等によって形成できる。また、本発明は、図６、図７に示したように、蓄熱層２を発熱部以外の部分に形成したものや蓄熱層をフラットに形成したものにも適用可能である。
【００４６】
【発明の効果】
請求項１によれば、ビッカース硬度が４００以上の機械的強度の高い耐熱性無機材料からなるフィラーを樹脂に混合したものをサーマルヘッドの蓄熱層に採用したので、高熱効率サーマルヘッドの機械的強度および熱的安定性を改善することができ、サーマルヘッドの寿命および信頼性を飛躍的に向上させることが可能となった。
【００４７】
また、無機材質の粒子の形状を真球状としたので、無機材料の充填率をあげ、機械的強度をより向上させることができ、かつ、樹脂に対するフィラーの混合や塗布が容易となる
【００４８】
また、無機材質の粒子の平均粒径を０．１μｍ以上としたので、比較的製造が容易で安価に提供できる。また、無機材質の粒子の平均粒径を１０μｍ以下としたので、蓄熱層に対する充填密度を確保することができる。
【００４９】
請求項２によれば、無機材質の粒子としてＳｉＯ_２を用いたので、硬度を容易に確保でき、かつ容易に入手可能であるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明によるサーマルヘッドの一実施例を示す断面図、（ｂ）はその蓄熱層の部分拡大図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は本実施例の製造工程を示す断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は本実施例の製造工程を示す平面図である。
【図４】（ａ）は従来の樹脂製蓄熱層使用のサーマルヘッドにおける砂粒かみ込みによる損傷を説明する図、（ｂ）は本発明によるサーマルヘッドの砂粒かみ込み時の状態を示す説明図である。
【図５】蓄熱層にガラズグレーズ層を用いた従来のサーマルヘッドと本発明によるサーマルヘッドの供給電力と光学的濃度との関係図である。
【図６】従来のサーマルヘッドの一例を示す断面図である。
【図７】従来のサーマルヘッドの他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１：基板、２：蓄熱層、３：バリア層、４：発熱抵抗体層、５：電極導体層、６：耐摩耗層、７：駆動ＩＣ、８：ボンディングワイヤ、９：感熱紙、１０：ゴムローラー、１１：樹脂、１２：フィラー

Claims

アルミナまたは窒化アルミニウムでなる基板と印刷用発熱抵抗体層との間に蓄熱層を有するサーマルヘッドにおいて、
樹脂と、ビッカース硬度が４００以上の無機材質の粒子との混合物を前記蓄熱層として用い、
前記無機材質の粒子は、その平均粒径が０．１μｍ〜１０μｍの範囲内の真球状をなし、
前記無機材質の粒子／樹脂の体積比は１以上、１０以下であり、
前記蓄熱層は、前記粒子を混入した樹脂ペーストの前記基板への塗布、硬化により形成される
ことを特徴とする高熱効率サーマルヘッド。
請求項１において、
無機材質の粒子がＳｉＯ_２である
ことを特徴とする高熱効率サーマルヘッド。