JP4633442B2 - サーマルヘッド - Google Patents

Description

本発明は、サーマルプリンタの構成部品として用いられるサーマルヘッドに関する。

サーマルヘッドの従来例として、図１１に示すものがある。図示されたサーマルヘッドＢは、絶縁性の基板９１上に、ガラスからなるグレーズ層９２が形成され、発熱抵抗体９３、電極９４、およびガラス材料を主成分とする保護膜９６がさらに積層形成されている。このサーマルヘッドＢによる印字処理時には、たとえば感熱紙などの記録紙を保護膜９６上に圧接させた状態で相対移動させつつ、発熱抵抗体９３において発熱した熱が保護膜９６を通じて記録紙に伝達して発色することにより、印字がなされる。

上記した構成のサーマルヘッドにおいて、電極９４は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどの導電性の優れた金属材料から適宜選択されたものが使用される。とりわけ電極９４の材料としてＡｕを用いた場合、Ａｕ自体が化学的に安定した材料であり、耐食性に優れることから、電極の腐食に起因する通電不良を回避することができる。また、Ａｕは、Ａｌなどに比べると電気抵抗（抵抗率）が小さい。このため、同一サイズの電極で比較すると、電極にＡｕを用いた場合は、電極にＡｌを用いた場合よりも電極部分における電圧降下量が小さくなり、電力ロスを抑制することができる。

このように電極にＡｕを用いた場合には、上述したような利点が得られる一方で、次のような不具合が生じていた。すなわち、Ａｕは、Ａｌなど他の良導電性金属と比較すると保護膜を形成するガラスとの密着性が悪い。このため、保護膜が剥離する虞があり、サーマルヘッドの耐久性が低下する場合があった。また、電極と保護膜との熱膨張率の差により保護膜に応力が発生しており、この応力は、保護膜の剥離を助長することにもなる。

特開２００２−６７３６７号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、電極材料としてＡｕを用いたサーマルヘッドにおいて、電極上に形成される保護膜の密着性を高め、耐久性の向上を図ることが可能なサーマルヘッドを提供することを課題としている。

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明によって提供されるサーマルヘッドは、基板上に、グレーズ層と、発熱抵抗体と、Ａｕを主成分とする電極と、上記発熱抵抗体および上記電極を覆う保護膜とを有し、上記電極は、コモンライン部とこのコモンライン部から延出する複数の延出部からなる共通電極、および、上記延出部の各々の先端に対して間隔を隔てて先端が対向する複数の個別電極を含むサーマルヘッドであって、上記コモンライン部の下層側には絶縁膜が全面形成され、上記コモンライン部の上層側には、Ｎｉ、Ｃｒ、およびＴｉのうちの少なくとも１種を含む金属薄膜が形成され、上記コモンライン部および上記金属薄膜には、それらの厚み方向に貫通する複数の貫通部が形成され、かつ、上記絶縁膜は、上記電極よりも上記保護膜との密着性が高く、上記金属薄膜は、上記電極よりも上記保護膜との密着性が高いことを特徴としている。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記貫通部は、貫通孔とすることが可能であり、この場合、上記貫通孔の直径は、１〜１０μｍであるのが好ましい。また、本発明では、これに代えて、上記貫通部は、スリットとすることもできる。この場合、上記スリットの幅は、１〜１０μｍであるのが好ましい。

本発明においてはまた、上記コモンライン部の下層側に、絶縁膜が全面形成されている。絶縁膜は、電極（コモンライン部）よりも保護膜に対する密着性に優れている。したがって、上記貫通部に入り込んだ保護膜の一部が絶縁膜と直接密着することによって保護膜の密着力が向上し、保護膜の剥離の抑制を図るのには好適である。

本発明においてはさらに、上記コモンライン部の表面には、Ｎｉ、Ｃｒ、およびＴｉのうちの少なくとも１種を含む金属薄膜が形成されている。Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉなどの金属は、Ａｕよりも保護膜との密着性に優れている。したがって、上記金属を含む金属薄膜を電極（コモンライン部）と保護膜との間に介在させることにより、保護膜の剥離を抑制し、サーマルヘッドの耐久性を向上させることができる。また、上記金属はＡｕとの付着力に優れているため、金属薄膜が電極から剥離するという不具合が生じることもない。

本発明のその他の特徴および利点については、以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

以下、本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〜図３は、本発明の実施形態に係るサーマルヘッドＡ１を示す。サーマルヘッドＡ１は、基板１、グレーズ層２、発熱抵抗体３、共通電極４１、複数の個別電極４２、金属薄膜５、および保護膜６を備えている。なお、図１においては、保護膜６は省略されている。

基板１は、平面視長矩形の平板状であり、たとえばアルミナセラミックなどの絶縁体で構成されている。基板１上には、グレーズ層２、発熱抵抗体３、電極層４（各電極４１，４２）、金属薄膜５および保護膜６が順次積層して形成されている。グレーズ層２は、蓄熱層としての役割、および共通電極３や個別電極４などが形成される表面を滑らかにしてその接着力を高める役割などを果たす。グレーズ層２は、ガラスペーストを用いた印刷・焼成によって形成されており、外面が略円弧状に隆起した隆起部２１を有している。発熱抵抗体３は、たとえばＴａＳｉＯ₂をＣＶＤ法またはスパッタリング法によって成膜した
ものであり、少なくともグレーズ層２の隆起部２１を覆うように形成されている。発熱抵抗体３の厚みは、たとえば０．２〜２．０μｍに設定される。電極層４は、発熱抵抗体３の上層側に積層され、たとえばＡｕを主成分とする金属をスパッタリング法によって成膜したものである。電極層４の厚みは、たとえば０．３〜２．０μｍに設定される。電極層４は、たとえばフォトリソグラフィ法などによってその一部分が選択的にエッチングされており、このことにより共通電極４１、個別電極４２が形成されている。

共通電極４１は、基板１の長手方向に沿って延びるとともにその両端部から基板１の短手方向に連続して延びるコモンライン部４１Ａと、コモンライン部４１Ａのうち基板１の長手方向に沿う部分から基板１の短手方向に突出する複数の延出部４１Ｂとを有している。コモンライン部４１Ａは、図外の端子部から後述する発熱抵抗部３１に対して一括して電流を流すための部分であり、比較的まとまった大面積として形成されている。

各個別電極４２は、グレーズ層２の隆起部２１の頂上面近傍において発熱抵抗体３の一部分を露出させるように、その一端が各延出部４１Ｂと間隔を隔てて形成されている。各個別電極４２の他端は、駆動ＩＣ７に電気的に接続されている。駆動ＩＣ７は、外部から送信されてくるプリント用の画像データに基づいて通電を制御するためのものであり、基板１上に搭載されている。駆動ＩＣ７によって個別電極４２に選択的に通電がなされると、発熱抵抗体３のうち、個別電極４２とこれに対向する延出部４１Ｂとの間の露出部分が発熱抵抗部３１として機能し、１つの発熱ドットを形成するように構成されている。

図面には表れていないが、共通電極の延出部４１Ｂおよび個別電極４２の表面４１Ｂａ，４２ａには、複数の凹部が形成されている。これら複数の凹部は、表面４１Ｂａ，４２ａを凹凸状の粗面とすることにより形成されており、表面４１Ｂａ，４２ａの中心線平均あらさＲａとしては、０．１〜０．５μｍとされるのが好ましい。このような凹凸状は、たとえばライトエッチングなどの表面処理手法により形成することができる。

金属薄膜５は、コモンライン部４１Ａの上層側に積層され、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉのうちの少なくとも１種を含む金属をメッキ処理あるいはスパッタリング法によって成膜したものである。金属薄膜５の厚みは、たとえば０．２〜２．０μｍに設定される。コモンライン部４１Ａおよび金属薄膜５には、下層側のグレーズ層２あるいは発熱抵抗体３まで貫通する貫通部として、平面視円形の複数の貫通孔ｈが形成されている。貫通孔ｈの直径は、好ましくは１〜１０μｍとされている。貫通孔ｈは、たとえばガラスマスクを利用したエッチングにより形成することができる。なお、本実施形態における貫通部としては、貫通孔ｈに代えて、平面視長矩形状のスリット（図示略）を形成してもよい。

保護膜６は、発熱抵抗体３、共通電極４１および個別電極４２を覆うように形成されており、たとえばＳｉＯ₂、ＳｉＮなどから構成されている。保護膜６は、ＣＶＤ法あるいはスパッタリング法によって形成されている。保護膜６の厚みは、たとえば３〜１０μｍに設定される。図２および図３に良く表れているように、保護膜６の一部は、貫通孔ｈに入り込み、グレーズ層２や発熱抵抗体３と直接密着している。

次に、上記構成を有するサーマルヘッドＡの作用について説明する。

本実施形態のサーマルヘッドＡにおいて、共通電極４１の延出部４１Ｂおよび個別電極４２の表面４１Ｂａ，４２ａには、複数の凹部が形成されている。本実施形態とは異なり、従来技術によるサーマルヘッドのように、Ａｕからなる電極に表面処理を施さずに電極の上層側に保護膜を形成した場合には、Ａｕとガラスとの密着力不足に起因して保護膜の剥離が生じやすくなっていた。本実施形態によれば、電極層４の上層側に形成される保護膜６の一部が表面４１Ｂａ，４２ａの凹部に入り込み、いわゆるアンカー効果により保護膜６の密着力の向上を図ることができる。したがって、保護膜６の剥離を抑制して、サーマルヘッドＡ１の耐久性の向上を図ることができる。なお、本実施形態において、表面４１Ｂａ，４２ａの中心線平均あらさＲａが０．１〜０．５μｍとされる場合は、上述したアンカー効果が適切に発揮されることとなり、保護膜６の剥離を抑制するのに好適である。

また、保護膜６には、電極層４を構成するＡｕと保護膜６を構成するガラスとの熱膨張率の差によって、これらの境界面に沿う方向に比較的大きな応力が生じているが、本実施形態によれば、上記境界面に沿う方向のズレが生じ難くなり、このような面からも保護膜の剥離を抑制するのに好適である。

共通電極４１のコモンライン部４１Ａの上層側には、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉのいずれかを含有する金属薄膜５が形成されているため、保護膜６の密着力を高めることができる。具体的には、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉなどの金属は、Ａｕと比較するとイオン化傾向が大きく不安定であるため、表面に酸化膜を形成しやすい。この酸化膜の存在により、ガラスとの密着性を確保することが可能となる。したがって、金属薄膜５を電極層４（本実施形態ではコモンライン部４１Ａ）と保護膜６との間に介在させることにより、保護膜６の剥離を抑制し、サーマルヘッドの耐久性を向上させることができる。また、上記金属はＡｕとの付着力に優れているため、金属薄膜５が電極層４から剥離するという不具合が生じることもない。

コモンライン部４１Ａおよび金属薄膜５には、コモンライン部４１Ａの下面まで通じる複数の貫通孔ｈが形成されている。ここで、コモンライン部４１Ａの上層側に形成される保護膜６は、その一部が貫通孔ｈに入り込んでコモンライン部４１Ａの下層側に形成されたグレーズ層２や発熱抵抗体３と直接密着する。グレーズ層２あるいは発熱抵抗体３は、電極層４よりも保護膜６に対する密着性が良好であるため、保護膜６とグレーズ層２や発熱抵抗体３との密着領域を確保することによって保護膜６との密着力が向上し、その結果、保護膜６の剥離を抑制することができる。また、保護膜６の一部が貫通孔ｈに入り込んでいるため、保護膜６にその下層との境界面に沿った応力が発生しても、この境界面に沿う方向のズレが生じ難くなる。したがって、保護膜６の剥離を抑制するのに好適である。さらに、貫通孔ｈの直径が１〜１０μｍとされている場合には、保護膜６の一部が貫通孔ｈ内に適切に充填される一方で、コモンライン部４１Ａの断面積が極端に小さくなることを回避できる。その結果、コモンライン部４１Ａにおける電圧降下量の増加が抑制され、好適である。なお、上述したように、貫通部として貫通孔ｈに代えてスリットが形成されている場合においても、スリット内に入り込んだ保護膜６の一部がグレーズ層２あるいは発熱抵抗体３と直接密着することにより、保護膜６の剥離を抑制することができる。ここで、スリットは、コモンライン部４１Ａの幅方向に対して略直交する方向に延びるように形成するのが好ましく、スリットの幅は１〜１０μｍであるのが好ましい。この場合、コモンライン部４１Ａの断面積が極端に小さくなることがなく、コモンライン部４１Ａにおける電圧降下量の増加が抑制される。

共通電極４１のコモンライン部４１Ａは、各発熱抵抗部３１に対して一括して電流を流すための部分であり、比較的まとまった大面積として形成されている。したがって、従来技術によるサーマルヘッドでは、保護膜は、コモンライン部上において電極との熱膨張率の差による応力の影響を受けやすく、より一層剥離しやすくなっていた。これに対し、本実施形態によれば、上述したような保護膜６の密着性の向上を図るための措置が十分に講じられており、コモンライン部４１Ａのような大面積を有する部分においても、保護膜６の剥離を適切に抑制することができる。

図４は、本実施形態に係るサーマルヘッドの他の例を示す図３に相当する図である。図４に示されたサーマルヘッドＡ１ａは、コモンライン部４１Ａの下層側に絶縁膜８が形成された構成を有している。絶縁膜８は、保護膜６の構成材料（たとえばＳｉＯ₂、ＳｉＮなど）に対して密着性の優れる材料が適宜選択して用いられ、たとえばＴａ₂Ｏ₅で構成されている。絶縁膜８は、電極層４よりも保護膜６に対する密着性に優れているため、サーマルヘッドＡ１ａにおいては、保護膜６の一部が貫通孔ｈに入り込んで絶縁膜８と直接密着することにより、保護膜６の密着力が向上し、保護膜６の剥離を抑制することができる。また、絶縁膜８は、グレーズ層２や発熱抵抗体３よりも保護膜６に対する密着性に優れている。これにより、サーマルヘッドＡ１ａは、絶縁膜８上の電極層４が形成されていない範囲においても、上述したサーマルヘッドＡ１と比して保護膜６の密着力が向上する。したがって、サーマルヘッドＡ１ａによれば、保護膜６の剥離をより効果的に抑制することができる。

図５および図６は、本発明の参考例に係るサーマルヘッドＡ２を示す。なお、図５以降の図面においては、上記した実施形態と同一または類似の要素には、上記した実施形態と同一の符号を付しており、適宜説明を省略する。

サーマルヘッドＡ２は、基板１、グレーズ層２、発熱抵抗体３、共通電極４１０、複数の個別電極４２０、および保護膜６を備えている。なお、図５においては、保護膜６は省略されている。

基板１上には、グレーズ層２、電極層４、発熱抵抗体３および保護膜６が順次積層して形成されている。グレーズ層２は、外面が略円弧状に隆起した隆起部２１を有している。電極層４は、グレーズ層２の上層側に積層されている。電極層４は、その一部分が選択的にエッチングされ、後述する熱処理を施すことにより共通電極４１０、個別電極４２０が形成されている。

共通電極４１０は、上記実施形態と同様の形状であり、コモンライン部４１０Ａと複数の延出部４１０Ｂとを有している。ただし、コモンライン部４１０Ａには貫通孔が形成されておらず、この点について上記実施形態における共通電極４１の形状と異なっている。各個別電極４２０は、グレーズ層の隆起部２１の頂上面近傍において隆起部２１の一部分を露出させるように、各延出部４１０Ｂと間隔を隔てて形成されている。共通電極４１０および個別電極４２０においては、これらの表面近傍まで下層側のグレーズ層２のガラス成分が拡散している。図６および後述する図７〜図１０において、電極の表面近傍に拡散したガラス成分は、模式的にドットで表されている。このようなガラス成分の拡散は、後述する熱処理を施すことによって達成される。

発熱抵抗体３は、電極層４の上層側に積層されている。発熱抵抗体３は、グレーズ層の隆起部２１の露出部分を覆うとともに延出部４１０Ｂの一端部と個別電極４２０の一端部とに跨るように形成されている。発熱抵抗体３のうち、延出部４１０Ｂとこれに対向する個別電極４２０との間の露出部分が発熱抵抗部３１として機能し、１つの発熱ドットを形成するように構成されている。したがって、このサーマルヘッドＡ２では、発熱抵抗体３が電極層４の上層側に形成されている点、および金属薄膜５が形成されていない点において、上記実施形態の積層構造と異なっている。

次に、上記したサーマルヘッドＡ２の製造方法の一例を図７〜図９を参照して説明する。

まず、図７（ａ）に示すように、基板１上に、外面が略円弧状に隆起した隆起部２１を有するようにグレーズ層２を形成する。グレーズ層２の形成は、ガラスペーストを印刷・焼成することにより行なう。次いで、図７（ｂ）に示すように、グレーズ層２上に電極層４を形成する。電極層４の形成は、Ａｕを主成分とする金属ペーストを印刷・焼成することにより行なう。引き続き、電極層４の一部分をフォトリソグラフィ法などによって選択的にエッチングし、図７（ｃ）に示すように、ガラス成分が未拡散の共通電極４１０’、個別電極４２０’を形成する。

次いで、基板１は、たとえば１時間に亘って８００℃〜９００℃の熱処理が施される。電極の主成分であるＡｕは、不純物が拡散しやすい性質を有している。このため、図７（ｄ）に示すように、グレーズ層２のガラス成分が共通電極４１０’、個別電極４２０’の内部に拡散し、これらの表面近傍にガラス成分を含んだ共通電極４１０、個別電極４２０が形成される。

次いで、図８（ａ）に示すように、発熱抵抗体層３’を形成する。発熱抵抗体層３’の形成は、たとえばＴａＳｉＯ₂をＣＶＤ法またはスパッタリング法によって成膜することにより行なう。引き続き、発熱抵抗体層３’の不用部分をエッチングにより除去し、図８（ｂ）に示すように発熱抵抗体３を形成する。

次いで、図９に示すように、保護膜６を形成する。保護膜６の形成は、たとえばＳｉＯ₂あるいはＳｉＮをＣＶＤ法あるいはスパッタリング法によって成膜することにより行なう。

本参考例によれば、共通電極４１０および個別電極４２０の表面近傍には、グレーズ層２のガラス成分が拡散している。ガラスは、Ａｕよりも保護膜６に対する密着性に優れているため、共通電極４１０および個別電極４２０の表面近傍に拡散したガラス成分が接着剤として機能し、保護膜６の密着力が向上する。したがって、サーマルヘッドＡ２の耐久性の向上を図ることができる。

図１０は、本参考例に係るサーマルヘッドの他の例を示す図６に相当する図である。図１０に示されたサーマルヘッドＡ２ａは、グレーズ層２と電極層４の間にスパッタリング法などによって金属膜９が形成された構成を有している。金属膜９の形成は、グレーズ層２上に、たとえばＮｉ、Ｃｒ、Ｔｉのいずれかを含有する金属をスパッタリング法によって成膜することにより行なう。このサーマルヘッドＡ２ａにおいては、上述したように電極の形成後に熱処理を施すことによって、金属膜９に含まれる上記金属成分が表面近傍まで拡散した共通電極４１１、個別電極４２１となる。上記金属は、Ａｕよりも保護膜６に対する密着性に優れているため、共通電極４１１および個別電極４２１の表面近傍に拡散した上記金属成分が接着剤として機能し、保護膜６の密着力が向上する。また、保護膜６の種類によっては、グレーズ層２のガラス成分よりも金属膜９の金属成分の方が保護膜６との密着性に優れる場合があり、かかる場合にサーマルヘッドＡ２ａは好適である。なお、金属膜９を所定の厚さ以下の薄膜とすることにより、サーマルヘッドＡ２ａにおいても、グレーズ層２のガラス成分が共通電極４１１、個別電極４２１の表面近傍まで拡散することが期待できる。

本発明は、上記した実施形態の内容に限定されない。本発明に係るサーマルヘッドの各部の具体的な構成は、発明の思想から逸脱しない範囲内で種々に設計変更自在である。

上記実施形態において、ライトエッチングによる凹部は、電極の一部に形成されているが、電極全体に亘って形成されていてもよい。同様に、金属薄膜５あるいは貫通孔ｈは、電極全体に亘って形成されていてもよい。

貫通部は、平面視円形の貫通孔あるいは平面視長矩形状のスリットに限定されるものではなく、貫通部の大きさについても限定されるものではない。要するに、本発明における貫通部は、電極の厚み方向に貫通していればよく、貫通部の形状、大きさ、数量および配置は適宜変更が可能である。

保護膜は、上記実施形態における単層構造に限定されるものではなく、たとえば耐摩耗層などを備えた２層以上からなる積層構造であってもよい。また、薄膜型や厚膜型といったサーマルヘッドの種類も問うものではない。

本発明の実施形態に係るサーマルヘッドの要部概略平面図である。 本発明の実施形態に係るサーマルヘッドの要部断面図である。 図１のIII −III断面図である。 本発明の実施形態に係るサーマルヘッドの他の例を示す図３に相当する断面図である。 本発明の参考例に係るサーマルヘッドの要部概略平面図である。 本発明の参考例に係るサーマルヘッドの要部断面図である。 本発明の参考例に係るサーマルヘッドを製造する方法の一例を示す要部断面図である。 本発明の参考例に係るサーマルヘッドを製造する方法の一例を示す要部断面図である。 本発明の参考例に係るサーマルヘッドを製造する方法の一例を示す要部断面図である。 本発明の参考例に係るサーマルヘッドの他の例を示す要部断面図である。 従来のサーマルヘッドの一例を示す要部断面図である。

Ａ１，Ａ１ａ，Ａ２，Ａ２ａ サーマルヘッド
１ 基板
２ グレーズ層
３ 発熱抵抗体
４ 電極層
４１，４１０，４１１ 共通電極
４２，４２０，４２１ 個別電極
４１Ｂａ，４２ａ 表面（電極の）
５ 金属薄膜
６ 保護膜
８ 絶縁膜
９ 金属膜
ｈ 貫通孔

Claims (5)

1. 基板上に、グレーズ層と、発熱抵抗体と、Ａｕを主成分とする電極と、上記発熱抵抗体および上記電極を覆う保護膜とを有し、上記電極は、コモンライン部とこのコモンライン部から延出する複数の延出部からなる共通電極、および、上記延出部の各々の先端に対して間隔を隔てて先端が対向する複数の個別電極を含むサーマルヘッドであって、
   上記コモンライン部の下層側には絶縁膜が全面形成され、
   上記コモンライン部の上層側には、Ｎｉ、Ｃｒ、およびＴｉのうちの少なくとも１種を含む金属薄膜が形成され、
   上記コモンライン部および上記金属薄膜には、それらの厚み方向に貫通する複数の貫通部が形成され、かつ、
   上記絶縁膜は、上記電極よりも上記保護膜との密着性が高く、上記金属薄膜は、上記電極よりも上記保護膜との密着性が高いことを特徴とする、サーマルヘッド。
2. 上記貫通部は、貫通孔である、請求項１に記載のサーマルヘッド。
3. 上記貫通孔の直径は、１〜１０μｍである、請求項２に記載のサーマルヘッド。
4. 上記貫通部は、スリットである、請求項１に記載のサーマルヘッド。
5. 上記スリットの幅は、１〜１０μｍである、請求項４に記載のサーマルヘッド。

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