JP4319645B2 - サーマルプリントヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本願発明は、バーコードプリンタ、昇華型フォトカラープリンタ等の感熱記録または熱転写記録に用いられるサーマルプリントヘッドに関し、特に、薄膜型サーマルプリントヘッドとして分類されるものに関する。

この種の薄膜型のサーマルプリントヘッドは、本願の図３および図４に示すように、絶縁基板１０１上に蓄熱グレーズ層１０２を形成した上で、この蓄熱グレーズ層１０２上に、スパッタリング等により薄膜形成した抵抗体層１０３と、同じく薄膜形成した導体層１０４とを順次積層して設け、これら抵抗体層１０３と導体層１０４を保護膜で覆った構成を有している。図４に示される例では、蓄熱グレーズ層１０２は、なだらかな膨隆部１０２ｃを有している。抵抗体層１０３は、膨隆部１０２ｃの一側から反対側まで連続するように形成される一方、導体層１０４は、上記膨隆部１０２ｃの頂部付近に一定間隔の途切れ部１０４ｃをもつように形成されている。また、抵抗体層１０３および導体層１０４は、図３に示されているように、所定幅を有するものが複数並設されている。導体層の一方側１０４ａは、図示しないドライバＩＣの出力パッドに導通接続され、他方側は、通常、共通電極１０４ｂとされている。

導体層１０４の一方側１０４ａと他方側１０４ｂ間に通電すると、抵抗体層１０３上を導体層１０４が覆う範囲においては、抵抗値の相違により、導体層１０４に電流が流れるが、導体層１０４の上記途切れ部１０４ｃにおいては、電流は抵抗体層１０３ｃを流れ、ジュール熱を発生する。すなわち、導体層１０４の途切れ部１０４ｃに臨む抵抗体層１０３ｃが、発熱部として機能する。この発熱部を保護層１０５ｃ越しに印字媒体に圧接させて感熱印字を行う。

保護層１０５は、たとえばＳｉＯ₂などの硬質材料を用い、スパッタリング等の薄膜形成処理によって、通常、５μｍ程度以下の厚みに形成される。この保護層１０５は、印刷時に感熱紙や熱転写インクリボンなどの印字媒体と擦り合わされる部分であり、耐摩耗性を必要とする。この保護層１０５はまた、大気中に含まれている水分や印字媒体に含まれているＣｌ−、Ｎａ＋イオン等が抵抗体層１０３や導体層１０４に接触してこれらを腐食させることを防ぐ。

ところで、保護層１０５に関しては、次のような問題が指摘されている。

すなわち、保護層１０５の厚みが５μｍ未満であると、プリンタ内に入り込んだ塵等の異物がサーマルプリントヘッドＢと印字媒体の間に入り込んだとき、保護層１０５が異物により削り取られて抵抗体層１０３や導体層１０４を部分的に露出させてしまうことがある。この場合、酸化や腐食により抵抗体層１０３の抵抗値を大幅に変化させ、印字品質を著しく低下させてしまう。また、保護層１０５をスパッタリングによって形成する際に、抵抗体層１０３と導体層１０４との間に出来る段差１０４ｄを起点とするクラック状の成膜欠陥や、抵抗体層１０３や導体層１０４上に付着した異物を原因とするピンホールが生じやすく、そうすると、上記のＣｌ−、Ｎａ＋イオン等が浸透して抵抗体層１０３と導体層１０４を腐食させ、抵抗体層１０３の抵抗値を比較的短期間で大幅に変化させることになる。

上記のような問題を解消するための一案としては、バイアス・スパッタ法を保護層１０５の形成に用いることで成膜欠陥の少ない、封止性に優れた保護膜を得るという方法がある。しかし、バイアス・スパッタ法で形成された保護層１０５は、内部に大きな応力を持つため、印字媒体との摩擦によって導体層１０４から剥がれやすいという欠点を有していた。

特開２００１−１０５６４１号公報

本願発明は以上の事情のもとで考え出されたものであって、腐食や欠陥に対して強く、より信頼性の高いサーマルプリントヘッド、およびその製造方法を提供することをその課題としている。

本願発明の第１の側面によって提供されるサーマルプリントヘッドは、絶縁基板上に形成されたグレーズ層と、上記グレーズ層上に形成された抵抗体層と、上記抵抗体層上に、上記抵抗体層の一部を臨ませてその部分が発熱部を形成するように形成された導体層と、上記導体層および発熱部を覆うように形成された保護層と、を備えたサーマルプリントヘッドであって、上記保護層は、下層第１保護層と、この第１保護層に重なり、かつ最外層となる上層第２保護層とで構成されており、上記第１保護層は、５００〜８００Ｈｋの硬度を有し、かつ１〜２μｍの厚みに形成されているとともに、上記第２保護層は、１０００〜２０００Ｈｋの硬度を有し、かつ５〜８μｍの厚みに形成されていることを特徴とする。

好ましい実施の形態においては、上記抵抗体層の厚みは５００〜１０００Åであり、上記導体層の厚みは０．６〜１μｍである。

好ましい実施の形態においてはまた、上記グレーズ層には、膨隆部が形成されており、上記発熱部が上記膨隆部上に位置するように形成されている。

好ましい実施形態においてはさらに、上記第１保護層は、酸化珪素を主成分として形成されており、上記第２保護層は、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ、ＳｉＣまたはＳｉＮを主成分として形成されている。

本願発明の第１の側面に係るサーマルプリントヘッドにおいては、保護層は、２層構造となっており、最外層となり、かつ記録媒体と直接的に擦れ合う上層第２保護層は、１０００〜２０００Ｈｋといった高い硬度を有し、記録媒体や異物に対する耐摩耗性に非常に優れたものとなる。また、上層第２保護層の下層には、５００〜８００Ｈｋといった、上層第２保護層よりも硬度の低い第１保護層が設けられている。したがって、より硬質な上層第２保護層がある程度の厚みを有していても、この上層第２保護層の内部応力を緩和し、この上層第２保護層が異物との接触による衝撃等によって容易に剥がれるといったことを効果的に防止することができる。また、この保護層は、全体としても、６μｍ以上の厚みとされているので、成膜欠陥やピンホールが生じにくい。このように、このサーマルプリントヘッドは、保護層が耐摩耗性に優れるとともに剥離にも強く、さらに、保護層の形成時に成膜欠陥やピンホールが生じにくい構造となっているので、この保護層の剥離、あるいは、成膜欠陥やピンホールに起因して、導体層や抵抗体層が急速に腐食して抵抗値に変化が生じるといった印字品質の悪化要因を効果的に解消することができる。

本願発明の第２の側面によって提供されるサーマルプリントヘッドの製造方法は、絶縁基板上にグレーズ層を形成する工程と、上記グレーズ層上に抵抗体層をスパッタリングにより形成する抵抗体層形成工程と、上記抵抗体層上に、上記抵抗体層の一部を臨ませてその部分が発熱部を形成するように導体層をスパッタリングにより形成する導体層形成工程と、上記導体層および発熱部を覆うようにして、第１保護層をノンバイアス・スパッタリングにより形成する第１保護層形成工程と、上記第１保護層上に、最外層となる第２保護層をバイアス・スパッタリングにより形成する第２保護層形成工程と、を含み、上記第１保護層形成工程において、上記第１保護層は、５００〜８００Ｈｋの硬度を有し、かつ１〜２μｍの厚みに形成されるとともに、上記第２保護層形成工程において、上記第２保護層は、１０００〜２０００Ｈｋの硬度を有し、かつ５〜８μｍの厚みに形成されることを特徴とする。

好ましい実施の形態においてはまた、上記抵抗体層形成工程において、上記抵抗体層は、５００〜１０００Åの厚みに形成され、上記導体層形成工程において、上記導体層は、０．６〜１μｍの厚みに形成される。

一般に、バイアス・スパッタリングによる成膜を行う場合、ノンバイアス・スパッタリングにより形成される成膜に比較し、より緻密で硬質の成膜を得ることができる。したがって、下層第１保護層をノンバイアス・スパッタリングにより成膜し、上層第２保護層をバイアス・スパッタリングにり成膜することにより、それらの材質を適切に選択することと相まって、上層第２保護層の硬度を１０００〜２０００Ｈｋといった極めて高いものとすることができるとともに、ピンホールの発生を防止することができる。また、下層第１保護層を形成した後、その上層にバイアス・スパッタリングにより第２保護層を形成するに際し、プラズマイオンが負に帯電した下層第１保護層の表面にも衝突するので、これにより、下層第１保護層の表面がわずかにエッチングされるとともに、表面に付着した異物が除去される。これにより、下層第１保護層に対する上層第２保護層の付着性がさらに高められ、上層第２保護層の剥がれ防止に寄与する。さらに、浮遊異物は、ターゲット付近のイオンシースにより負の電荷に印加されていることが多いので、下層第１保護層およびこれに積層されてゆく上層第２保護層に付着しにくくなる。このことも、保護層の成膜欠陥の発生を防止することに寄与する。

本願発明のその他の特徴および利点は、図面を参照して以下に行う詳細な説明から、より明らかとなろう。

以下、本願発明の好ましい実施の形態について図面を参照して具体的に説明する。

図１は本願発明に係るサーマルプリントヘッドＡの一実施形態の部分平面図で、図２は図１のII−II線に沿う断面図である。ただし、図２は厚み方向に強調して描いたものである。図１には、サーマルプリントヘッドの全体外形は示されていないが、このサーマルプリントヘッドＡは図１の上下方向に沿って図１と同一のパターンを連ねた、その方向を長手方向とする縦長短冊状の外形を有する。また、図１には示していないが、このサーマルプリントヘッドＡの導体層４の一方側４ａは各々駆動ＩＣの出力パッドとワイヤボンディングにより導通接続されており、導体層４の他方側４ｂは電源回路に共通接続されている。駆動ＩＣの作用により、印字データにしたがって、所望の導体層４の通電状態を選択することが可能である。

図２に示されているように、このサーマルプリントヘッドは、基板１、蓄熱グレーズ層２、抵抗体層３、導体層４、下層第１保護層５ａおよび上層第２保護層５ｂを備えている。

基板１は、たとえばアルミナセラミックなどの絶縁材料によって形成されている。この基板１には、ガラスなどを主成分とする蓄熱グレーズ層２が印刷成膜法などで形成されており、このグレーズ層２は基板の長手方向に連続的に延びるなだらかな膨隆部２ｃを持っている。さらに、蓄熱グレーズ層２上に抵抗体層３を厚さ５００〜１０００Åに形成し、その上にＡｌを主成分とする導体層４を厚さ０．６〜１μｍに形成してある。抵抗体層３と導体層４はスパッタリング法などの成膜法で形成されるため、その土台となる蓄熱グレーズ層２の形状に影響され、図２のように膨隆部を持つ。印字媒体との接触面圧を向上させるにはこの膨隆部を印刷部位とするのが望ましいので、図２のように膨隆部２ｃ頂上付近の導体層４に途切れ部４ｃを設け、こうして露出させた抵抗体層３の一部を発熱部３ｃとしてある。なお、図１について上述したように、抵抗体層３およびこれに積層された導体層４は、それぞれ膨隆部を横断する一定幅の帯状部をなしており、このような帯状部が基板の長手方向にならべて配置したようなパターンをなしている。このようなパターンの形成は、抵抗体層３の形成時、および、導体層４の形成時にフォト・エッチング工程を挿入することによって行うことができる。

本願発明におけるサーマルプリントヘッドでは、抵抗体層３と導体層４とを保護するための保護層５は下層第１保護層５ａと上層第２保護層５ｂとの２層構造となっている。本願発明では、第２保護層５ｂに重ねてさらに保護層を設けることはせず、第２保護層５ｂが印字媒体と直接擦れ合う最外層の保護層としてある。下層第１保護層５ａは酸化ケイ素を主成分とし、５００〜８００Ｈｋの比較的低い硬度をもっており、厚さは１〜２μｍである。一方、上層第２保護層５ｂはＳｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ、ＳｉＣまたはＳｉＮを主成分とし、硬度１０００〜２０００Ｈｋの硬質膜であって、厚さは５〜８μｍである。

次に上記構成を有するサーマルプリントヘッドの製造方法について説明する。

まず、基板１の表面に印刷成膜法などによって成膜を施し、１３００℃程度の焼成などを経ることで均一な厚み、たとえば８０μｍ程度の蓄熱グレーズ層２を形成する。この蓄熱グレーズ層２はガラスなどを主成分としており、この蓄熱グレーズ層の上に後に形成する抵抗体層３の保温を目的としている。次に、フォト・エッチングなどによって膨隆部２ｃを形成するべき部位に凸部を残して残余部を所定厚み分除去する。そして、基板１を再加熱することによって角張った凸部をなだらかな形状の膨隆部２ｃに変化させる。

上記のように蓄熱グレーズ層２を形成した後、スパッタリング法により抵抗体層３と導体層４の薄膜を順次積層形成する。ここで、抵抗体層３はたとえばＴａＳｉＯ₂などの抵抗体材料で形成されており、５００〜１０００Åの厚さである。導体層４はたとえばＡｌなどの導体材料を主成分として形成されており、０．６〜１μｍの厚さである。続いて、フォトリソグラフィ法によるエッチング処理などを経ることで、図１に示すように、それぞれが膨隆部２ｃを横断して延びる帯状部となるように抵抗体層３および導体層４をパターン化する。この際、膨隆部２ｃの真上に当たる抵抗体層３を臨ませて発熱部３ｃとするために、導体層４の一部を除去して途切れ部４ｃを形成しておく。上のように発熱部３ｃが膨隆部２ｃ上に配置されていると、印刷時に発熱部３ｃと印刷媒体を圧接させるのに有利である。

抵抗体層３と導体層４を形成した後、発熱部３ｃと導体層４を覆うように、酸化ケイ素を主成分として下層第１保護層５ａをノンバイアス・スパッタリングで１〜２μｍの厚みに形成する。この第１保護層５ａは、それ自体比較的軟質の材質を主成分としているとともに、ノンバイアス・スパッタリングによって成膜されているので、硬度を５００〜８００Ｈｋといった比較的低い硬度とすることができる。ここで第１保護層５ａの厚みを１μｍ未満にすると、抵抗体層３の発熱部３ｃまたは導体層４上に異物が付着していた場合、膜成分の量が不十分であるため異物の下にまで膜成分が回り込まずにピンホールが出来る可能性が大となるが、この第１保護層５ａの厚みを１μｍ以上とすることにより、上記のようなピンホールが発生する可能性が格段に少なくなる。この第１保護層５ａは、後記するように、その上に積層形成される硬質の第２保護層５ｂの応力を緩和する作用をするが、２μｍを超える厚みとすると、硬質の第２保護層５ｂを支持する層として柔らかすぎ、返って第２保護層５ｂの強度を低下させることになるので不適当となる。

続いて、下層第１保護層５ａに積み重ねるようにして、上層第２保護層５ｂをＳｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ、ＳｉＣまたはＳｉＮを主成分として、バイアス・スパッタリングにより５〜８μｍの厚みに形成する。バイアス・スパッタリングでは、成膜を施す対象面、すなわち第１保護層５ａに負のバイアスが印加されるため、Ａｒ＋イオン等の一部が第１保護層５ａの表面を叩き、この第１保護層５ａの表面をわずかにエッチングすると同時に、第１保護層５ａの表面に付着していた異物が弾き飛ばされる。そのため、第１保護層５ａに対する第２保護層５ｂの付着力がより高められる。また、スパッタリング時の浮遊異物はターゲット表面のイオンシ−スにより負の電荷に印加されていることが多いので、成膜対象面が負に帯電しているとこの異物が付着しにくい。このようなことから、バイアス・スパッタリングによって第２保護層５ｂの成膜を行うと、成膜時に膜内に取り込まれた異物が後に取れることでピンホールが生じるといった事態も発生しにくくなる。さらに、バイアス・スパッタリングで形成された膜は成膜欠陥が少なく緻密であり、封止性に優れた硬質膜であるので、この第２保護層５ｂが５μｍ以上の十分な厚みを有し、かつ、１０００〜２０００Ｈｋの硬度をもつ硬質膜であることと相まって、異物かみ込みによるスクラッチ傷が起こりにくい。また、この硬質の第２保護層５ｂの下には、適度な厚みの比較的軟質の第１保護層ａが設けられているので、これにより、第２保護層５ｂの応力が緩和され、この第２保護層５ｂが衝撃等によって剥がれるといったことは格段に少なくなる。なお、第２保護層５ｂの厚みを８μｍを超える厚みとすることは、発熱部３ｃが発する熱を印字媒体に伝達するための阻害となるので、好ましくない。

このように、本願発明に係るサーマルプリントヘッドは、スクラッチ傷、保護層の剥離、あるいは成膜欠陥やピンホールに起因して、水分やＣｌ^-、Ｎａ⁺などが浸透して導体層や抵抗体層が急速に腐食して抵抗値に変化が生じるといったことを効果的に防止することができる。

以上のようにして製造したサーマルプリントヘッドに対して、表面を塩水で浸してバイアスを印加することで腐食を加速させる加速信頼性試験を行った結果、腐食に至る時間が従来の技術で製造したものに較べて１０倍以上に延び、腐食に対して高い信頼性を確保できたことが確認された。また、異物を発熱部位５ｃの上面にのせて一定時間通常印字を行うスクラッチ加速試験においても、従来の技術で製造したものは一部の発熱部に抵抗値変化が見られたのに対し、上記のようにして製造したサーマルプリントヘッドでは、発熱部の抵抗値変化は無くなった。

もちろん、この発明の範囲は上述した実施形態に限定されることはなく、各請求項に記載した範囲内でのあらゆる変更は、すべて本願発明の範囲に含まれる。

本願発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施形態の部分平面図である。 図１のII−II線に沿う断面図である。 従来のサーマルヘッドの部分平面図である。 図３のIV−IV線に沿う断面図である。

符号の説明

Ａ 本発明に係るサーマルプリントヘッド
Ｂ 従来のサーマルプリントヘッド
１ 基板
２ 蓄熱グレーズ層
２ｃ 膨隆部
３ 抵抗体層
３ｃ 発熱部
４ 導体層
４ａ 個別電極
４ｂ 共通電極
４ｃ 途切れ部
１０４ｄ 段差
５ 保護層
５ａ 下層第１保護層
５ｂ 上層第２保護層
５ｃ 印刷部位、発熱部位

Claims (7)

1. 絶縁基板上に形成されたグレーズ層と、
   上記グレーズ層上に形成された抵抗体層と、
   上記抵抗体層上に、上記抵抗体層の一部を臨ませてその部分が発熱部を形成するように形成された導体層と、
   上記導体層および発熱部を覆うように形成された保護層と、
   を備えたサーマルプリントヘッドであって、
   上記保護層は、下層第１保護層と、この第１保護層に重なり、かつ最外層となる上層第２保護層とで構成されており、
   上記第１保護層は、５００〜８００Ｈｋの硬度を有し、かつ１〜２μｍの厚みに形成されているとともに、上記第２保護層は、１０００〜２０００Ｈｋの硬度を有し、かつ５〜８μｍの厚みに形成されていることを特徴とする、サーマルプリントヘッド。
2. 上記抵抗体層の厚みは５００〜１０００Åであり、上記導体層の厚みは０．６〜１μｍである、請求項１に記載のサーマルプリントヘッド。
3. 上記グレーズ層には、膨隆部が形成されており、上記発熱部が上記膨隆部上に位置するように形成されている、請求項１または２に記載のサーマルプリントヘッド。
4. 上記第１保護層は、酸化珪素を主成分として形成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載のサーマルプリントヘッド。
5. 上記第２保護層は、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ、ＳｉＣまたはＳｉＮを主成分として形成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載のサーマルプリントヘッド。
6. 絶縁基板上にグレーズ層を形成する工程と、
   上記グレーズ層上に抵抗体層をスパッタリングにより形成する抵抗体層形成工程と、
   上記抵抗体層上に、上記抵抗体層の一部を臨ませてその部分が発熱部を形成するように導体層をスパッタリングにより形成する導体層形成工程と、
   上記導体層および発熱部を覆うようにして、第１保護層をノンバイアス・スパッタリングにより形成する第１保護層形成工程と、
   上記第１保護層上に、最外層となる第２保護層をバイアス・スパッタリングにより形成する第２保護層形成工程と、
   を含み、
   上記第１保護層形成工程において、上記第１保護層は、５００〜８００Ｈｋの硬度を有し、かつ１〜２μｍの厚みに形成されるとともに、上記第２保護層形成工程において、上記第２保護層は、１０００〜２０００Ｈｋの硬度を有し、かつ５〜８μｍの厚みに形成されることを特徴とする、サーマルプリントヘッドの製造方法。
7. 上記抵抗体層形成工程において、上記抵抗体層は、５００〜１０００Åの厚みに形成され、上記導体層形成工程において、上記導体層は、０．６〜１μｍの厚みに形成される、請求項６に記載のサーマルプリントヘッドの製造方法。

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