JP4158231B2 - サーマルヘッド用絶縁基板 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カラープリンタ等の印刷部の主要構成であるサーマルヘッドに用いられるサーマルヘッド用絶縁基板の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術としては、本件出願人による関連技術の特許出願として、特願平９−１８６０２１号（従来例１）、特願平１０−１５５５９１号（従来例２）の特許出願が出願されている。
以下、この従来例について、夫々の概略を説明する。
【０００３】
（１）従来例１（特願平９−１８６０２１号）の基本的な請求項１は、
Ｃｒを１０〜３０重量％、Ａｌを０．１〜６重量％含む鉄合金からなる金属基板と、この金属基板の表面に形成された共通電極部となる突起と、この金属基板の表面に形成されたアルミニウム酸化物に富む酸化被膜と、この酸化被膜上に形成された結晶性ガラス層と、この結晶性ガラス層上に形成されたグレーズガラス層とを具備したサーマルヘッド用絶縁基板において、前記結晶性ガラス及びグレーズガラスの熱膨張率が、前記金属基板の熱膨張率よりも小さくなるようにしたサーマルヘッド用絶縁金属基板である。
【０００４】
また、請求項２に記載のものでは、結晶性ガラスの焼成温度をその融点よりも１０℃以上低くし、かつ、上記グレーズガラスの軟化点が前記結晶性ガラスの軟化点より５０℃以上低くなるようにしたサーマルヘッド用絶縁金属基板である。
【０００５】
共通電極部となる突起を有する絶縁基板として、金属基板を用いるようにすると、電気伝導性の点で有効であり、従来例１に示したもの以前から用いられていた。
しかし、従来例１以前のものでは、金属基板表面の共通電極部となる突起を加工形成する際、加工歪みが発生し、後工程の加熱により基板の反りが生じるという問題があった。
【０００６】
そこで、従来例１の請求項１に記載したように、ガラス層の熱膨張係数を金属基板の熱膨張係数よりも小さく設定することで、加工表面に残留した応力を相殺し、基板を平坦化することができるようになった。
【０００７】
一方、従来例１以前の絶縁基板では、金属基板上面に形成したガラス層の表面には、微細な欠陥が見られ、この微細な表面欠陥は薄膜パターンの断線の原因になっていた。
【０００８】
そこで、従来例１の請求項２に記載したように、第１層を結晶性ガラス、第２層をそれよりも軟化点が５０℃以上低いグレーズガラスの２層構造とすることで、耐ヒートショック性を損なうことなく表面欠陥を減少できた。
【０００９】
このように、サーマルヘッド用基板に従来例１に記載したような絶縁基板を用いるようにすると、基板の反りがなくなり、表面欠陥が減少し、薄膜パターンの断線をなくすことができる。
【００１０】
（２）従来例２（特願平１０−１５５５９１号）の基本的な請求項１は、
鉄合金からなる金属基板と、この金属基板の表面に形成された共通電極部となる突起と、この金属基板の表面に形成された鉄酸化物を含まない酸化物層と、この酸化物層上に形成されたガラス層とを具備したサーマルヘッド用絶縁基板において、鉄合金組成が、Ｃｒを１〜１０重量％含む鉄合金であるように構成したサーマルヘッド用絶縁金属基板である。
このようにすることにより、サーマルヘッド用絶縁基板の固有抵抗値が小さくなり、サーマルヘッド駆動時における消費電力を低減することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来例１及び２に示した絶縁基板の製造工程において、スパッター、化学蒸着（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）での成膜中に絶縁基板が高温にさらされるために、基板は熱変形し、冷却後に、成膜した薄膜の剥離が生じるという問題が生じた。
【００１２】
また、金属基板ではチョコレートブレークが困難なために、多数個取りが難しく、生産性が低いという問題がある。
本発明は、上記課題（問題点）を解決し、成膜した薄膜の冷却後の剥離を防止し、成膜工程での歩留まりと生産性を向上させたサーマルヘッド用絶縁基板を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のサーマルヘッド用絶縁基板では、上記課題を解決するために、請求項１に記載のものでは、セラミック基板の表面に厚膜プロセスで形成された共通電極用突起と、この突起を頂点としてセラミック基板上に形成された凸状のグレーズガラス層とを備えた構成とした。
このように、絶縁基板の基材をセラミック基板とし、厚膜技術で基板表面に共通電極用突起を形成することで、スパッター、ＣＶＤ等の成膜中に発生する高温による基板の熱変形を抑制し、成膜パターンの剥離を防止することができる。
また、絶縁基板の基材がセラミックであるために、チョコレートブレークが容易で多数個取りが可能になり、サーマルヘッド用絶縁基板の生産性が向上する。
【００１４】
また、上記共通電極用突起を頂点とする凸状のグレーズガラス層において、下部が結晶化ガラス層で、上部が非晶質ガラス層であるように構成した。
このように、下部を結晶化ガラス層とすれば、焼成後、セラミック化するための軟化点が上昇する。これにより上部のグレーズガラス層の焼成温度を高く設定することが可能となり、グレーズガラス層の表面粗さを小さくすることができ、これは後の成膜工程での剥離を解消する上で一層効果的である。
【００１５】
請求項２に記載のサーマルヘッド用絶縁基板は、上記共通電極用突起の形成工程が、厚膜印刷工程、乾燥工程、焼成工程、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程、レジスト除去工程の順となるように構成した。
製作工程をこのように構成することにより、先ず、セラミック基板焼成後に突起を形成する側の表面にスピンコーターによりレジストを塗布する。または、フィルム状のドライレジスト膜を用いることも可能である。そして、所望の幅にフォトリソグラフィーでパターンニングする。次に、ウェットエッチング若しくはドライエッチングにより、共通電極を所望の突起形状に加工した後、レジスト層を剥離する。以上の工程により実際に、本発明のサーマルヘッド用絶縁基板を形成できる。
【００１６】
請求項３に記載のサーマルヘッド用絶縁基板は、上記共通電極用突起の形成工程が、厚膜印刷工程、乾燥工程、焼成工程、フォトリソグラフィー工程、ショットブラスト工程、レジスト除去工程の順となるように構成した。
製作工程をこのように構成することにより、セラミック基板焼成後に突起を形成する側の表面にスピンコーターによりレジストを塗布する。または、フィルム状のドライレジスト膜を用いることも可能である。そして、所望の幅にフォトリソグラフィーでパターンニングする。次に、ショットブラストで余分な金属部分を除去し、共通電極を所望の突起形状に加工した後、レジスト層を剥離することにより、本発明のサーマルヘッド用絶縁基板を形成できる。
【００１７】
請求項４に記載のサーマルヘッド用絶縁基板は、上記共通電極用突起の形成工程が、厚膜印刷工程、乾燥工程、焼成工程、切削工程の順となるように構成した。
製作工程をこのように構成することにより、セラミック基板焼成後に、ダイヤモンドトリューがコーティングされた円盤状の外周刃により余分な金属部分を除去し、共通電極を所望の突起形状に加工した後、本発明のサーマルヘッド用絶縁基板を形成できる。
【００１８】
請求項５に記載のサーマルヘッド用絶縁基板は、上記共通電極用突起の形状が、高さが５〜１５０μｍ、幅が１０〜１００μｍであるように構成した。
共通電極用突起の高さを５μｍ以上とすることにより、共通電極用突起の盛り上がりが小さくなり、プラテンローラとの接触面積が大きくなり、サーマルヘッドの抑え圧が大きくなりすぎて、プリント速度が低下する事態を防止することができる。
また、共通電極用突起の高さを１５０μｍ以下とすることにより、後の成膜工程で必要となるレジスト形成が難しくなり、エッチング中の破断が増加する事態を防止することができる。
更に、共通電極用突起の幅も上記範囲が実用可能なレンジである。
【００１９】
請求項６に記載のサーマルヘッド用絶縁基板は、上記共通電極用突起の上部表面に溝を設けるように構成した。
この溝は、基板表面上に形成した突起を共通電極として使用するプレヒートサーマルヘッド、ダブルラインサーマルヘッド、ドットシフトサーマルヘッドにおいて、共通電極用突起直上での熱伝導を遮断し、これによりエネルギー効率の低下を防止したサーマルヘッドとすることができる。
【００２０】
請求項７に記載のサーマルヘッド用絶縁基板は、上記共通電極用突起の主成分が、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉの中から選択された少なくとも１つであるように構成した。
これらの金属微粉を用いることにより、共通電極の酸化を抑制し、電気伝導性が良くなる。
【００２１】
請求項８に記載のサーマルヘッド用絶縁基板は、上記共通電極用突起の形成工程において、厚膜の焼成工程を減圧下で行うように構成した。
このようにすると、金属微粉が焼成温度で収縮し、その真密度が１００％に近づき、共通電極用突起のエッチング特性、機械特性が良くなり、所望の形状に仕上げることが容易となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明のサーマルヘッド用絶縁基板の一実施の形態を図１乃至図４を用いて説明する。
図１は、本実施の形態のサーマルヘッド用絶縁基板を使用したダブルヒートラインサーマルヘッドの外観構成を示す一部を切り欠いて示した斜視図である。
図２は、本発明のサーマルヘッド用絶縁基板を示す縦断側面図である。
図３は、本発明のサーマルヘッド用絶縁基板の製造の一工程を示す縦断側面図である。
図４は、本発明のサーマルヘッド用絶縁基板を用いたサーマルヘッドの一部を切り欠いて示した平面図である。
【００２３】
図１に示すサーマルヘッド２０において、２１は、例えば厚さが０．８ｍｍのセラミック基板としてのアルミナ基板である。このアルミナ基板２１の表面には長尺状の共通電極用突起２２が突出形成されている。
この共通電極用突起２２の高さは、５０μｍとされている。
【００２４】
２４ａは、図２に示す共通電極用突起２２より同図左側のアルミナ基板２１の左表面に形成された第１のグレーズガラスであり、その共通電極用突起２２近傍の部分は、盛り上がりが形成されており、盛り上がり部２４ａ1とされている。
２４ｂは、共通電極用突起２２より同図右側のアルミナ基板２１の右表面に形成された第２のグレーズガラスであり、その共通電極用突起２２近傍の部分は、盛り上がりが形成されており、盛り上がり部２４ａ2とされている。
【００２５】
２５は、発熱抵抗体であり、第１のグレーズガラス２４ａから共通電極用突起２２を介して第２のグレーズガラス２４ｂまでに亙る各表面に形成されている。
この発熱抵抗体２５は、１ドットに対応して設けられており、実際には一定間隔をおいて複数設けられている。
この発熱抵抗体２５において、共通電極用突起２２の表面２２ａに当接する部分は該表面２２ａと電気的に接合されている。
【００２６】
２６ａは、第１のグレーズガラス２４ａの表面に形成された第１の個別電極であり、その一端部は発熱抵抗体２５ａの一端部と電気的に接合されている。
この第１の個別電極２６ａの他端は、図４に示す第１のコントロールＩＣ１２ａの端子に接続されている。
なお、ここで、図２と図４に示した構成の対応関係を補足説明すると、図４の８ａと８ｂは、図２の第１と第２の発熱抵抗体２５ａ、２５ｂに、９ａと９ｂは同じく第１と第２の個別電極２６ａ、２６ｂに対応し、図４の１０は、図２に示す共通電極２７である。
【００２７】
図２において、２６ｂは、第２のグレーズガラス２４ｂの表面に形成された第２の個別電極であり、その一端部は発熱抵抗体２５ｂの一端部と電気的に接合されている。
この第２の個別電極２６ｂの他端部は、図４に示す第２のコントロールＩＣ１２ｂの端子に接続される。
【００２８】
２７は、図１に示す共通電極用突起２２に沿って配置された共通電極であり、その裏面が図２に示す発熱抵抗体２５の表面に電気的に接合され、かつ設置されている。
即ち、図２に示す発熱抵抗体２５においては、第１の個別電極２６ａ及び共通電極２７と接合していない部分が、実際に発熱抵抗体として作用し、以下、この部分を第１の発熱抵抗体２５ａと称する。
【００２９】
また、発熱抵抗体２５においては、第２の個別電極２６ｂ及び共通電極２７と接合していない部分が、実際に発熱抵抗体として作用し、以下、この部分を第２の発熱抵抗体２５ｂと称する。
即ち、図１に示すサーマルヘッド２０は、複数の第１の発熱抵抗体２５ａ・・・２５ａ、及び、複数の第２の発熱抵抗体２５ｂ・・・２５ｂを有している。
図２に示す２８は、第１の個別電極２６ａ等の表面全体を覆う保護層である。
なお、図１においては、上記保護層２８の図示が省略されている。
【００３０】
次に、本実施の形態による共通電極用突起２２を有する絶縁基板の製造方法について、図３を参照して説明する。
初めに、図３に示すアルミナ基板２１は、ｎ−プロピルブロマイドのような有機溶剤により、脱脂洗浄された後、スクラバーにより洗浄される。
これにより、アルミナ基板２１の表面及び裏面に夫々付着していたゴミ等が除去される。
【００３１】
次に、アルミナ基板２１は、臭化メチルの洗浄液中に浸された後、超音波洗浄される。
これにより、アルミナ基板２１の表面及び裏面における微小な凹凸部に吸着されていたゴミが除去される。
【００３２】
その後、所望の開口幅を有するメタルマスク、又は、スクリーンマスクを使用し、金属微粉と有機物を混練した印刷ペーストをアルミナ基板２１の表面に印刷塗布することで共通電極用突起を形成する。
金属微粉としては、酸化し難く、電気伝導性の良い、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉを主成分とする合金、又は、これらの内の単体金属が望ましい。
印刷終了後、アルミナ基板２１の表面平坦化のために１０分程度レベリングを行い、その後１５０℃、２０分間の大気乾燥を行う。
【００３３】
次に、焼却炉にて大気中３００℃の加熱を行うことで、印刷ペースト中の有機物をバーンアウトする。
続いて金属微粉が焼結し、高密度化する温度（大気中６００℃程度）で焼成する。この焼成工程の雰囲気環境としては、水素雰囲気、更には減圧雰囲気でも良く、このようにすると共通電極用突起の更なる高密度化が期待できる。
【００３４】
次に、図３に示す共通電極用突起２２より、同図左側の、アルミナ基板２１の左表面には、グレーズガラスペースト２４ｂ1が２０μｍの厚さでスクリーン印刷される。
これと同様にして、共通電極用突起２２より、同図右側の、アルミナ基板２１の右表面には、グレーズガラスペースト２４ｂ2が２０μｍの厚さでスクリーン印刷される。
ここで、上述した第１のグレーズガラスペースト２４ｂ1及び第２のグレーズガラスペースト２４ｂ2とは、溶剤と非晶質ガラスの粉末との混合物をいう。
そして、上述した第１のグレーズガラスペースト２４ｂ1及び第２のグレーズガラスペースト２４ｂ2のスクリーン印刷が終了すると、これらの表面はレベリングにより平坦化される。
【００３５】
次に、レベリングにより平坦化された印刷基板を真空容器中にて１Ｐａ以下の真空度で１５分以上放置することで、ペーストが含有している空気をスクリーン印刷表面より放出させる。
次に、グレーズガラスペースト２４ｂ1、２４ｂ2を、炉内において比較的低温の１４０℃に加熱するというプリベーキング処理が行われる。
１４０℃でプリベーキングをするのは、ガラスペーストに含まれる溶剤を突沸することなく徐々に揮発させるためである。
【００３６】
このプリベーキング処理が終了すると、アルミナ基板２１を炉外に取り出し、上記１４０℃から室温まで自然冷却する。
次いで、アルミナ基板２１は８００℃で１０分間焼成された後、室温になるまで自然冷却される。
次に、スクリーン印刷により、図３に示す共通電極用突起２２の両側部及び共通電極用突起２２の両側のグレーズガラス層の各表面に第１のグレーズガラスペースト２４ｃ1及び第２のグレーズガラスペースト２４ｃ2の表面が整えられる。
本グレーズガラスは、先のグレーズガラス層より融点が約１００℃低い。
【００３７】
次に、グレーズガラスペースト２４ｃ1、２４ｃ2等が１４０℃において、上記同様にプリベーキング処理され、グレーズガラスペーストペースト２４ｃ1、２４ｃ2等に含まれる溶剤が徐々に揮発される。
このプレベーキング処理後、アルミナ基板２１は、７００℃の温度とされた炉内において、１０分間の焼成処理が施される。
これにより、グレーズガラスペースト２４ｃ1とその下のグレーズガラスとが一体となり、この結果、図４に示す盛り上がり部２４ａ1を有する第１のグレーズガラス２４ａが形成される。
【００３８】
また、これと同時に、グレーズガラスペースト２４ｃ2とその下のグレーズガラスとが一体となり、この結果、図２に示す盛り上がり部２４ａ2を有する第２のグレーズガラス２４ｂが形成される。
ここで必要に応じて、図３に示す共通電極用突起２２を含む表面Ｈが研磨される。これにより、余分なグレーズガラス及び共通電極用突起２２の表面酸化膜が除去される。
【００３９】
上述した実施の形態によれば、絶縁基板の基材をセラミック基板であるアルミナ基板とし、厚膜技術で基板表面に共通電極用の突起を形成することで、スパッター、ＣＶＤ等の成膜中に発生する高温にる基板の熱変形を抑制し、成膜パターンの剥離を防止することができる。
また、絶縁基板の基材がセラミックであるために、チョコレートブレークが容易で多数個取りが可能になり、サーマルヘッド用絶縁基板の生産性が向上する。
更に、ガラス絶縁層の第１層をグレーズガラス、第２層を第１層より融点が５０℃以上低いグレーズガラスとすると共に、ガラスペースト塗布後に脱泡処理を行い、第１層の焼成温度を溶融温度よりも数１０℃低くすることで剥離強度、耐エッチング性を低下させることなく表面欠陥が解消できる。
【００４０】
また、共通電極用突起の上部表面に、１〜２μｍ程度の溝を設けるようにすると、この溝は、基板表面上に形成した突起を共通電極として使用するプレヒートサーマルヘッド、ダブルラインサーマルヘッド、ドットシフトサーマルヘッドにおいて、共通電極用突起直上での熱伝導を遮断し、これによりエネルギー効率の低下を防止したサーマルヘッドとすることができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明のサーマルヘッド用絶縁基板は、上述のように構成したために以下のような優れた効果を有する。
（１）請求項１に記載したように、絶縁基板の基材をセラミック基板とし、厚膜技術で基板表面に共通電極用突起を形成することで、スパッター、ＣＶＤ等の成膜中に発生する高温による基板の熱変形を抑制し、成膜パターンの剥離を防止することができる。
（２）また、絶縁基板の基材がセラミックであるために、チョコレートブレークが容易で多数個取りが可能になり、サーマルヘッド用絶縁基板の生産性が向上する。
【００４２】
（３）また、セラミック基板に接する下部を結晶化ガラス層としているため、焼成後、セラミック化するための軟化点が上昇する。これにより上部のグレーズガラス層の焼成温度を高く設定することが可能となり、グレーズガラス層の表面粗さを小さくすることができ、これは後の成膜工程での剥離を解消する上で一層効果的である。
【００４３】
（４）請求項２に記載したように構成すると、先ず、セラミック基板焼成後に突起を形成する側の表面にスピンコーターによりレジストを塗布する。または、フィルム状のドライレジスト膜を用いることも可能である。そして、所望の幅にフォトリソグラフィーでパターンニングする。次に、ウェットエッチング若しくはドライエッチングにより、共通電極を所望の突起形状に加工した後、レジスト層を剥離する。以上の工程により実際に、本発明のサーマルヘッド用絶縁基板を形成できる。
【００４４】
（５）請求項３に記載したように構成すると、セラミック基板焼成後に突起を形成する側の表面にスピンコーターによりレジストを塗布する。または、フィルム状のドライレジスト膜を用いることも可能である。そして、所望の幅にフォトリソグラフィーでパターンニングする。次に、ショットブラストで余分な金属部分を除去し、共通電極を所望の突起形状に加工した後、レジスト層を剥離することにより、本発明のサーマルヘッド用絶縁基板を形成できる。
【００４５】
（６）請求項４に記載したように構成することにより、セラミック基板焼成後に、ダイヤモンドトリューがコーティングされた円盤状の外周刃により余分な金属部分を除去し、共通電極を所望の突起形状に加工した後、本発明のサーマルヘッド用絶縁基板を形成できる。
【００４６】
（７）請求項５に記載したように、共通電極用突起の高さを５μｍ以上とすることにより、共通電極用突起の盛り上がりが小さくなり、プラテンローラとの接触面積が大きくなり、サーマルヘッドの抑え圧が大きくなりすぎて、プリント速度が低下する事態を防止することができる。
（８）また、共通電極用突起の高さを１５０μｍ以下とすることにより、後の成膜工程で必要となるレジスト形成が難しくなり、エッチング中の破断が増加する事態を防止することができる。
【００４７】
（９）請求項６に記載したように、共通電極用突起の上部表面に溝を設けるように構成すると、この溝は共通電極用突起直上での熱伝導を遮断し、これによりエネルギー効率の低下を防止したサーマルヘッドとすることができる。
【００４８】
（１０）請求項７に記載したように、共通電極用突起の主成分が、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉの中から選択された少なくとも１つであるように構成すると、共通電極の酸化を抑制し、電気伝導性が良くなる。
【００４９】
（１１）請求項８に記載したように、共通電極用突起の形成工程において、厚膜の焼成工程を減圧下で行うように構成すると、金属微粉が焼成温度で収縮し、その真密度が１００％に近づき、共通電極用突起のエッチング特性、機械特性が良くなり、所望の形状に仕上げることが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のサーマルヘッド用絶縁基板を用いたサーマルヘッドを示す一部を切り欠いて示した斜視図である。
【図２】本発明のサーマルヘッド用絶縁基板を示す縦断側面図である。
【図３】本発明のサーマルヘッド用絶縁基板の製造の一工程を示す縦断側面図である。
【図４】本発明のサーマルヘッド用絶縁基板を用いたサーマルヘッドの一部を切り欠いて示した平面図である。
【符号の説明】
２０：サーマルヘッド
２１：アルミナ基板（セラミック基板）
２２：共通電極用突起
２４ａ、２４ｂ：グレーズガラス

Claims (8)

1. セラミック基板の表面に厚膜プロセスで形成された共通電極用突起と、
   この突起を頂点として上記セラミック基板上に形成された凸状のグレーズガラス層とを備え、
   上記グレーズガラス層は、上記セラミック基板に接する下部が結晶化ガラス層で、上部が非晶質ガラス層であることを特徴とするサーマルヘッド用絶縁基板。
2. 上記共通電極用突起の形成工程が、
   厚膜印刷工程、乾燥工程、焼成工程、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程、レジスト除去工程の順となるように構成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用絶縁基板。
3. 上記共通電極用突起の形成工程が、
   厚膜印刷工程、乾燥工程、焼成工程、フォトリソグラフィー工程、ショットブラスト工程、レジスト除去工程の順となるように構成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用絶縁基板。
4. 上記共通電極用突起の形成工程が、
   厚膜印刷工程、乾燥工程、焼成工程、切削工程の順となるように構成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用絶縁基板。
5. 上記共通電極用突起の形状が、高さが５〜１５０μｍ、幅が１０〜１００μｍとなるように形成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のサーマルヘッド用絶縁基板。
6. 上記共通電極用突起の上部表面に溝を設けるようにしたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のサーマルヘッド用絶縁基板。
7. 上記共通電極用突起の主成分が、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉの中から選択された少なくとも１つであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のサーマルヘッド用絶縁基板。
8. 上記共通電極用突起の形成工程において、
   厚膜の焼成工程を減圧下で行うようにしたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のサーマルヘッド用絶縁基板。

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