JP4522183B2 - サーマルヘッド及びそれを用いたサーマルプリンタ - Google Patents

Description

本発明は、発熱抵抗体の発する熱を利用して印画等の動作を行うサーマルヘッド及びそれを用いたサーマルプリンタに関するものである。

従来より、ファクシミリやビデオプリンタ等の印画デバイスとしてサーマルヘッドが用いられている。

かかる従来のサーマルヘッドは、例えば図６に示す如く、アルミナセラミックス等から成る基板２１の上面に、複数の発熱抵抗体２３を配列するとともに、各発熱抵抗体２３の両端にアルミニウムから成る一対の電極配線２４を接続し、これらを窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等から成る保護層２５で被覆した構造を有しており、外部の搬送手段を用いて感熱紙やインクフィルム等の記録媒体を発熱抵抗体２３上に搬送しながら、複数の発熱抵抗体２３を画像データに基づいて個々に選択的にジュール発熱させるとともに、記録媒体を発熱抵抗体２３上の保護層表面に摺接させ、発熱抵抗体２３の発した熱を保護層２５を介して記録媒体に伝達させることによって印画を形成するようになっている。

尚、保護層２５は、発熱抵抗体２３や一対の電極配線２４を記録媒体の摺接による磨耗から良好に保護するためのものであり、窒化珪素等の無機質材料を従来周知のスパッタリング法を採用することにより発熱抵抗体２３や一対の電極配線２４の表面に所定厚みに被着させて形成される。

ところで、スパッタリング法等の薄膜手法により成膜される保護層２５には、“ピンホール”と呼ばれる膜欠陥が形成されているため、かかる膜欠陥内に大気中の水分や記録媒体に含まれるＮａ^＋イオンやＫ^＋イオン、Ｃｌ⁻イオン等が入り込み、発熱抵抗体２３や電極配線２４に接触すると、発熱抵抗体２３や電極配線２４が腐食・溶融してこれらの配線抵抗が著しく上昇し、発熱抵抗体２３を所望の温度で発熱させることが困難となる課題があった。

そこで上記課題を解決すべく、下記の特許文献１に記載されているように、電極配線の表面を、アルミニウムを陽極酸化してなる陽極酸化層で被覆することが提案されている。
特開平２−３８０６２号公報

しかしながら、特許文献１に示されたサーマルヘッドにおいては、発熱抵抗体の表面には陽極酸化層が形成されていないため、上述の“ピンホール”が発熱抵抗体の真上に存在した場合、大気中の水分や記録媒体に含まれるイオン等の影響で発熱抵抗体が腐食する課題は依然として未解決のままである。

また特許文献１に示されたサーマルヘッドにおいては、電極配線の表面にのみ陽極酸化層が形成されていることから、発熱抵抗体と電極配線との境界面における段差部を陽極酸化層で封止することができない。また段差部は保護層で良好に被覆することは一般的に困難である。それ故、上記段差部から水分やイオンが侵入し、発熱抵抗体や電極配線が腐食するという課題が存在していた。

本発明は上記課題に鑑み案出されたものであり、その目的は、発熱抵抗体及び電極配線の腐食を良好に防止することが可能な高性能のサーマルヘッド、並びにサーマルプリンタを提供することにある。

本発明のサーマルヘッドは、抵抗体層から成る発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の両端に電気的に接続され、金属層から成る一対の電極配線と、前記抵抗体層及び前記金属層の表面が酸化されて形成された絶縁層と、前記発熱抵抗体及び前記電極配線を被覆する保護層とを備え、前記電極配線を構成する前記金属層は、前記発熱抵抗体を構成する前記抵抗体層上に配されており、前記絶縁層の厚みは、前記電極配線の上面よりも前記電極配線の端面で小さいことを特徴とする。

また、本発明の上述のサーマルヘッドにおいて、前記絶縁層の厚みは前記発熱抵抗体の上面よりも前記電極配線の上面で大きくなっていてもよい。

また、本発明の上述のサーマルヘッドにおいて、前記絶縁層は、前記抵抗体層及び前記金属層を、その表面より内側に向かって酸化することで形成されていてもよい。

更に、本発明の上述のサーマルヘッドにおいて、前記金属層がアルミニウムにより形成されており、前記抵抗体層及び前記金属層の酸化が陽極酸化法により行われていてもよい。

また、本発明の上述のサーマルヘッドにおいて、前記発熱抵抗体を構成する前記抵抗体層上に形成される前記絶縁層中の酸素含有率と前記発熱抵抗体中の酸素含有率との差が２０原子％以内であるように構成されていてもよい。

更に、本発明の上述のサーマルヘッドにおいて、前記発熱抵抗体の組成がＴａ_ｘＳｉＯ_ｙ（１．３≦ｘ≦１．７、１．２≦ｙ≦１．９５）であってもよい。

また更に、本発明の上述のサーマルヘッドにおいて、前記絶縁層の組成がＴａ_ａＳｉＯ_ｂ（０．９≦ａ≦１．２、５．７≦ｂ≦６．２）であってもよい。
そして、本発明のサーマルプリンタは、上述のサーマルヘッドと、該サーマルヘッド上に記録媒体を搬送する搬送手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、抵抗体層及び金属層に、その一部が酸化されて形成された絶縁層を形成したことから、発熱抵抗体、電極配線のみならず、これらの境界面における段差部をも絶縁層で良好に覆うことができる。従って、抵抗体層や金属層上の保護層に形成された“ピンホール”内に大気中の水分や記録媒体に含まれるイオン等が侵入しても、これらの水分やイオンによって発熱抵抗体や電極配線が腐食することが良好に防止され、発熱抵抗体を所望の温度で発熱させることが可能な高性能のサーマルヘッド、並びにサーマルプリンタを実現できる。

しかも、前記電極配線がアルミニウムにより形成されている場合、前記電極配線表面に位置する絶縁層はＳｉ-Ｎ系やＳｉ-Ｏ-Ｎ系の無機物材料との密着性が良好な酸化アルミニウムにより形成されることとなるため、保護層をＳｉ-Ｎ系やＳｉ-Ｏ-Ｎ系の無機物材料で形成しておけば、絶縁層と保護層の密着性を高くすることができるという利点がある。

また本発明によれば、前記絶縁層の厚みを前記発熱抵抗体の上面よりも前記電極配線の上面で大きくすることにより、前記保護層中に“ピンホール”が発生しやすい前記電極配線上で絶縁層の封止性をより一層高めることができる。

更に本発明によれば、前記絶縁層の厚みを、前記電極配線の上面よりも前記保護層中の“ピンホール”が発生しにくい前記電極配線の端面で小さくすることにより、電極配線の上面側の封止性を良好に維持しつつ、金属層中における電流の通過領域の体積をより多く確保することができ、絶縁層の形成によって電極配線の配線抵抗が過度に大きくなることが抑制される。

また更に、本発明によれば、抵抗体層の一部を酸化して形成された絶縁層中の酸素含有率と抵抗体層からなる発熱抵抗体中の酸素含有率との差が２０原子％以内であることから、発熱抵抗体の組成比と絶縁層内のＳｉ、Ｏの組成比とが極端に変化しないため、同一性材料同士による結合力の増加によって、絶縁層の下地に対する密着力を高くすることができる。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るサーマルヘッドの断面図、図２は図１のサーマルヘッドの平面図（グレーズ層、保護層、絶縁層不図示）であり、１は基板、２はグレーズ層、３は発熱抵抗体、４は電極配線、５は保護層、６は絶縁層である。

基板１は、アルミナセラミックス等の電気絶縁性材料や単結晶シリコン等の半導体材料など、種々の材料によって矩形状をなすように形成されており、その上面にはグレーズ層２や発熱抵抗体３，電極配線４、保護層５、絶縁層６等が設けられ、これらを支持する支持母材として機能する。

このような基板１は、例えばアルミナセラミックスから成る場合、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に成すとともにこれを従来周知のドクターブレード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、これを所定形状に打ち抜いた上、高温で焼成することにより製作される。

また基板１の上面には、ガラス製のグレーズ層２が基板１の長手方向に帯状に被着され、その頂部付近には複数の発熱抵抗体３が設けられる。

グレーズ層２は、例えば曲率半径１ｍm〜４ｍmの断面円弧状をなす帯状の突出部２ａと、該突出部２ａの下地となる層状の基層部２ｂとで形成されている。

このグレーズ層２は、低熱伝導性（熱伝導率：０．７Ｗ／ｍ・Ｋ〜１．０Ｗ／ｍ・Ｋ）のガラスにより形成されているため、その内部で発熱抵抗体３の発する熱の一部を蓄積してサーマルヘッドの熱応答特性を良好に維持する作用、具体的には、発熱抵抗体３の温度を短時間で印画に必要な所定の温度まで上昇させる蓄熱層としての作用を為す。

尚、グレーズ層２は、ガラス粉末に適当な有機溶剤を添加・混合して得た所定のガラスペーストを従来周知のスクリーン印刷等によって基板１の上面に帯状に印刷・塗布し、これを高温で焼き付けることによって形成される。

更にグレーズ層２の頂部付近に設けられる複数の発熱抵抗体３は、例えば６００ｄｐｉ（dot per inch）の密度で主走査方向に直線状に配列されており、これらの発熱抵抗体３は各々がＴａＮやＴａＳｉＯ，ＴｉＳｉＯ等の電気抵抗材料により形成された抵抗体層から成っている。例えば抵抗体層がＴａＳｉＯ系からなっている場合、発熱抵抗体３の組成はＴａ_ｘＳｉＯ_ｙ（１．３≦ｘ≦１．７、１．２≦ｙ≦１．９５）とすることが好ましい。

この発熱抵抗体３は、その両端に電気的に接続される電極配線４等を介して電源電力が印加されるとジュール発熱を起こし、記録媒体に印画を形成するのに必要な温度、例えば１３０℃〜３５０℃の温度となる。

また発熱抵抗体３に接続される電極配線４は、発熱抵抗体３等に電力を供給する給電配線として機能するものであり、アルミニウムや銅等の金属材料により形成された金属層から成っている。

この電極配線４は、発熱抵抗体３の一端側に共通に接続される帯状の共通電極配線４ａと、発熱抵抗体３の他端側に個別に接続される個別電極配線４ｂとで構成されており、共通電極配線４ａをプラス電位（例えば２０Ｖ〜２４Ｖ）に保持された外部電源の＋端子に、個別電極配線４ｂを図示しないドライバーＩＣを介して接地電位（例えば０Ｖ〜１Ｖ）に保持された外部電源の−端子にそれぞれ接続させている。そしてドライバーＩＣ内のスイッチング素子がオン状態のとき、電極配線４を介して発熱抵抗体３に電力が供給され、発熱抵抗体３が所定の温度で発熱する。

このような発熱抵抗体３や電極配線４は、従来周知の薄膜形成技術、例えばＴａＮ等の電気抵抗材料からなる抵抗体層とアルミニウムを主成分とする金属材料からなる金属層とをグレーズ層２上に従来周知のスパッタリング等によって順次積層するとともに、これらの積層体を従来周知のフォトリソグラフィー技術やエッチング技術等を採用し所定パターンに加工することによって形成される。

また上述した発熱抵抗体３や電極配線４の表面には絶縁層６が形成され、更にその上には保護層５が被着されている。

絶縁層６は、保護層５に接する発熱抵抗体３や電極配線４を被覆することで、発熱抵抗体３や電極配線４が大気中の水分や記録媒体に含まれるイオンによって腐食するのを防止するためのものであり、発熱抵抗体３や電極配線４を構成する抵抗体層や金属層を酸化してできる酸化物により主に形成されている。例えば、電極配線４がアルミニウムから成る
場合、絶縁層６は主に酸化アルミニウムにより形成されることとなる。

この絶縁層６は、抵抗体層や金属層の表面よりも上側のみならず、抵抗体層や金属層の表面よりも内側の領域にも形成されるため、保護層５で良好に被覆することが困難な発熱抵抗体３と電極配線４との境界部に位置する段差部を絶縁層６で良好に覆うことができる。

絶縁層６の厚みは、発熱抵抗体３の表面で抵抗体層の厚みの１０％〜９０％に、より好ましくは１５％〜５０％、更に好ましくは２０％〜３０％に設定され、電極配線４の表面で金属層の厚みの５％〜５０％に、より好ましくは１０％〜４０％に、更に好ましくは１５％〜３０％に設定される。その理由は、発熱抵抗体３の表面で絶縁層６の厚みが大きすぎると、抵抗値が上昇しすぎるという問題があり、発熱抵抗体３の表面で絶縁層６の厚みが小さいと、高温多湿化の環境下でサーマルヘッドを使用する場合、絶縁層６の封止性が不足するおそれがあるからである。また電極配線４の表面で絶縁層６の厚みが大きすぎると、電極配線４の配線抵抗が大きく成り、サーマルヘッドの消費電力が大きくなるという問題があり、電極配線４の表面で絶縁層６の厚みが小さいと、高温多湿化の環境下でサーマルヘッドを使用する場合、絶縁層６の封止性が不足するおそれがあるからである。

また図３に示すように、絶縁層６の厚みを発熱抵抗体３の上面よりも電極配線４の上面で大きくすれば、保護層６中に“ピンホール”が発生しやすい電極配線４上で絶縁層の封止性をより一層高めることができる。なお、保護層６中の“ピンホール”が電極配線４の上面で発生しやすいのは、電極配線４の形成時、その表面に“ヒロック”と呼ばれる突起が形成され、かかる突起によって保護層６に“ピンホール”が形成されるためであると考えられる。

更に絶縁層６の厚みを、電極配線４の上面よりも保護層６中に“ピンホール”が発生しにくい電極配線４の端面で小さくすれば、電極配線４の上面側の封止性を良好に維持しつつ、金属層中における電流の通過領域の体積をより多く確保することができ、絶縁層６の形成によって電極配線４の配線抵抗が過度に大きくなることを抑制できる。

また更に電極配線４の表面に形成される絶縁層６の厚みは、共通電極配線４ａよりも個別電極配線４ｂの方で小さくすることが好ましい。その理由は、電極配線４の線幅は共通電極配線４ａよりも個別電極配線４ｂの方が小さいため、配線抵抗は個別電極配線４ｂの方で大きいところ、絶縁層６の厚みが個別電極配線４ｂの方が大きくなると、元々大きな個別電極配線４ｂの配線抵抗が更に大きくなり、電圧降下がより大きくなってしまうからである。

更にまた抵抗体層上に形成される絶縁層６の酸素含有率と発熱抵抗体３の酸素含有率との差は２０原子％以内に設定することが好ましく、この場合、絶縁層６と発熱抵抗体３との内部応力の差や線膨張係数の差を小さく抑え、絶縁層６の下地に対する密着力を高くすることができる。なお、絶縁層６の組成は、発熱抵抗体３の組成がＴａ_ｘＳｉＯ_ｙ（１．３≦ｘ≦１．７、１．２≦ｙ≦１．９５）である場合、Ｔａ_ａＳｉＯ_ｂ（０．９≦ａ≦１．２、５．７≦ｂ≦６．２）であることが好ましい。

絶縁層６は、例えば従来周知の陽極酸化法や高温酸化法により形成される。具体的には、陽極酸化法の場合、例えば図４に示すような陽極酸化装置を用いて形成され、発熱抵抗体３及び電極配線４が形成された基板１を、酒石酸アンモニウム、プロピレングリコール等を０．５質量％〜５質量％含む電解液で満たされた処理槽７中に浸漬させるとともに、該処理槽７内の電極板８を陰極に、基板１の電極配線４を陽極にそれぞれ接続し、しかる後、電極板８−電極配線４間に外部電源９を用いて３０Ｖ〜１５０Ｖの正の電圧を１０分間〜６０分間印加することによって、発熱抵抗体３を構成する抵抗体層、並びに電極配線４を構成する金属層の表面を、これらの層の内側に向かって酸化することにより絶縁層６が形成される。

また絶縁層６の厚みを発熱抵抗体３の上面よりも電極配線４の上面で大きく、あるいは、絶縁層６の厚みを、電極配線４の上面よりも電極配線４の端面で小さくするには、例えば陽極酸化を２回処理することが考えられる。具体的には、まず、発熱抵抗体および電極配線を形成する際に基板１上に積層される抵抗体層及び金属層から成る積層体に対して比較的高い印加電圧で陽極酸化を施す。このとき、上記積層体に関して、金属層の上面は露出しているものの抵抗体層の上面は露出していないため、陽極酸化による絶縁層は金属層の上面に形成され、抵抗体層の上面には基本的に形成されない。次に、発熱抵抗体の形成箇所に対応する金属層をエッチング等の方法により除去し、抵抗体層及び金属層の端面を露出させる。そして、露出させた抵抗体層及び金属層に対して、１回目の陽極酸化よりも低い印加電圧で２回目の陽極酸化を施し、抵抗体層の上面や金属層の端面に絶縁層を形成する。このように陽極酸化を施せば、１回目よりも２回目の陽極酸化の方が陽極酸化時の印加電圧が小さいため、絶縁層６の厚みは電極配線４の上面よりも発熱抵抗体３の上面や電極配線４の端面で小さくなる。

また絶縁層６の厚みを共通電極配線４ａよりも個別電極配線４ｂで小さくするには、陽極酸化法により絶縁層６を形成する際、共通電極配線４ａを陽極に接続するようにすれば良い。絶縁層６の厚みを共通電極配線４ａ、個別電極配線４ｂの双方で略等しくするには、共通電極配線４ａを陽極に接続した状態で陽極酸化した後、個別電極配線４ｂを陽極に接続して再び陽極酸化を行えば良い。

また抵抗体層上の絶縁層６の酸素含有率は、絶縁層６を陽極酸化法により形成する場合、電解液中のＯＨ^―の濃度、電圧印加時間、印加電圧値を可変させることによって調整される。具体的には、電解液中のＯＨ^―の濃度が大きくなるほど、電圧印加時間が長くなるほど、印加電圧値が大きくなるほど、絶縁層６の酸素含有率は大きくなる。一方、電解液中の酸素ＯＨ^―の濃度が小さくなるほど、電圧印加時間が短くなるほど、印加電圧値が低くなるほど、絶縁層６の酸素含有率は小さくなる。したがって、発熱抵抗体３と絶縁層６との酸素含有率の差を２０原子％以内とするためには、上述の傾向を踏まえ、電解液中のＯＨ^―の濃度、電圧印加時間、印加電圧値を適宜調整する。

一方、保護層５は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）やサイアロン（Ｓｉ-Ａｌ-Ｏ-Ｎ）等のＳｉ-Ｎ系もしくはＳｉ-Ｏ-Ｎ系の無機物材料により発熱抵抗体３や電極配線４を共通に被覆しており、絶縁層６と共に発熱抵抗体３や電極配線４を大気中に含まれている水分等の接触による腐食から保護する作用を為す。

かかる保護層５は、従来周知の薄膜形成技術、例えばスパッタリングを採用し、上述の無機質材料を発熱抵抗体３や電極配線４等の上面に０．１μｍ〜５μｍの厚みに被着させることにより形成され、このように形成された保護層５には例えば１０個／ｃｍ^２〜５０個／ｃｍ^２の割合で“ピンホール”と呼ばれる膜欠陥が形成され、かかる“ピンホール”の内部に大気中の水分や記録媒体に含まれるイオンが侵入する場合がある。

ところが、本発明においては、先に述べたように、保護層５に接する発熱抵抗体３や電極配線４の表面を、抵抗体層や金属層を酸化してなる絶縁層６で被覆したことから、発熱抵抗体３、電極配線４のみならず、これらの境界面における段差部も絶縁層６で良好に覆うことができる。従って、保護層５に形成された“ピンホール”内に大気中の水分や記録媒体に含まれるイオン等が侵入しても、これらの水分やイオンによって発熱抵抗体３や電極配線４が腐食することが良好に防止され、発熱抵抗体３を所望の温度で発熱させることが可能な高性能のサーマルヘッドを実現できる。

また、絶縁層６をＳｉ-Ｎ系やＳｉ-Ｏ-Ｎ系の無機物材料との密着性が良好な酸化アルミニウムにより形成しておけば、保護層５をＳｉ-Ｎ系やＳｉ-Ｏ-Ｎ系の無機物材料で形成する場合、絶縁層６と保護層５の密着性を高くすることができるという利点がある。

そして、上述のようなサーマルヘッドが組み込まれるサーマルプリンタには、図５に示す如く、記録媒体をサーマルヘッドＴの発熱抵抗体３上に搬送する搬送手段として、プラテンローラ１０や搬送ローラ１１等が配設される。

プラテンローラ１０は、ＳＵＳ等の金属から成る軸芯の外周にブタジエンゴム等を３ｍｍ〜１５ｍｍ程度の厚みに巻きつけた円柱状の部材であり、サーマルヘッドＴの発熱抵抗体３上に回転可能に支持され、記録媒体を発熱抵抗体３上の保護層表面に押圧しつつ記録媒体を発熱抵抗体３の配列と直交する方向（図中の矢印方向）に搬送する。

また搬送ローラ１１は、その外周部が金属やゴム等によって形成されており、サーマルヘッドＴに対し記録媒体の搬送方向上流側と下流側に分かれて配設され、これらの搬送ローラ１１と前述のプラテンローラ１０とで記録媒体の走行を支持している。

そして、これと同時に複数の発熱抵抗体３を図示しないドライバーＩＣの駆動に伴い選択的にジュール発熱させ、これらの熱を保護層５を介し記録媒体に伝達させることによって所定の印画が形成される。

尚、本発明は上述の実施形態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、改良等が可能である。

本発明の一実施形態に係るサーマルヘッドの断面図である。 図１のサーマルヘッドの平面図（グレーズ層、保護層、絶縁層不図示）である。 本発明の他の実施形態に係るサーマルヘッドの断面図である。 絶縁層を形成する際に用いる陽極酸化装置の構成を示す図である。 図１のサーマルヘッドを用いたサーマルプリンタの構成を示す図である。 従来のサーマルヘッドの断面図である。

符号の説明

１・・・基板
２・・・グレーズ層
３・・・発熱抵抗体
４・・・電極配線
４ａ・・・共通電極配線
４ｂ・・・個別電極配線
５・・・保護層
６・・・絶縁層
７・・・処理槽
８・・・電極板
９・・・外部電源
１０・・・プラテンローラ
１１・・・搬送ローラ

Claims (8)

1. 抵抗体層から成る発熱抵抗体と、
   該発熱抵抗体の両端に電気的に接続され、金属層から成る一対の電極配線と、
   前記抵抗体層及び前記金属層の表面が酸化されて形成された絶縁層と、
   前記発熱抵抗体及び前記電極配線を被覆する保護層と
   を備え、
   前記電極配線を構成する前記金属層は、前記発熱抵抗体を構成する前記抵抗体層上に配されており、
   前記絶縁層の厚みは、前記電極配線の上面よりも前記電極配線の端面で小さいことを特徴とするサーマルヘッド。
2. 前記絶縁層の厚みは前記発熱抵抗体の上面よりも前記電極配線の上面で大きいことを特徴とする請求項１に記載のサーマルヘッド。
3. 前記絶縁層は、前記抵抗体層及び前記金属層を、その表面より内側に向かって酸化することで形成されている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。
4. 前記金属層がアルミニウムにより形成されており、前記抵抗体層及び前記金属層の酸化が陽極酸化法により行われていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のサーマルヘッド。
5. 前記発熱抵抗体を構成する前記抵抗体層上に形成される前記絶縁層中の酸素含有率と前記発熱抵抗体中の酸素含有率との差が２０原子％以内であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のサーマルヘッド。
6. 前記発熱抵抗体の組成がＴａ_ｘＳｉＯ_ｙ（１．３≦ｘ≦１．７、１．２≦ｙ≦１．９５）であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のサーマルヘッド。
7. 前記絶縁層の組成がＴａ_ａＳｉＯ_ｂ（０．９≦ａ≦１．２、５．７≦ｂ≦６．２）であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のサーマルヘッド。
8. 請求項１から７のいずれかに記載のサーマルヘッドと、該サーマルヘッド上に記録媒体
   を搬送する搬送手段とを備えたことを特徴とするサーマルプリンタ。

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