JP4925536B2

JP4925536B2 - サーマルヘッド

Info

Publication number: JP4925536B2
Application number: JP2001298651A
Authority: JP
Inventors: 利昭道廣
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2021-09-27
Also published as: JP2003103819A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファクシミリやビデオプリンタ等の記録デバイスとして組み込まれるサーマルヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ファクシミリ等の記録デバイスとしてサーマルヘッドが幅広く用いられている。
【０００３】
かかるサーマルヘッドとしては、例えば図３に示す如く、グレーズドアルミナセラミックス等から成るベースプレート１１の上面に複数個の発熱抵抗体１３と通電用の電極１４とを所定パターンに被着させるとともに、これらをＳｉＮ（窒化珪素）等から成る保護層１５で被覆した構造のものが知られており、感熱紙等の記録媒体を保護層１５の表面に摺接させながら、発熱抵抗体１３を外部からの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、これらの熱を保護層１５を介して記録媒体に伝導させることによって所定の印画が形成される。
【０００４】
尚、前記保護層１５は、発熱抵抗体１３や電極１４を記録媒体の摺接による磨耗から保護するためのものであり、従来周知のスパッタリング法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を採用し、ＳｉＮ等の耐磨耗性に優れた無機質材料を発熱抵抗体１３等の上面に４μm〜８μm程度被着させることにより形成されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、サーマルヘッドの保護層１５をスパッタリング法やＣＶＤ法により形成した場合、保護層１５中にはピンホール等の微細な膜欠陥が数多く形成される。
【０００６】
このため、印画に際して大気中に含まれている水分や記録媒体に含まれているＮａ⁺，Ｋ⁺，Ｃｌ^-等のイオンが保護層１５の膜欠陥を介して発熱抵抗体１３や電極１４に接触すると、発熱抵抗体１３等が腐食されてしまい、発熱抵抗体１３等の電気抵抗値が大幅に変動するという欠点を有していた。
【０００７】
また上記欠点を解消するために、保護層１５の上面にエポキシ樹脂やポリイミド樹脂等から成る封止材を被着させ、この封止材でもって保護層１５の膜欠陥を塞ぐことが提案されている。
【０００８】
しかしながら、サーマルヘッドの保護層１５上に前述の封止材を被着させた場合、封止材を形成するエポキシ樹脂やポリイミド樹脂等が比較的軟質であることから、印画に際して記録媒体が保護層１５上の封止材に摺接されると、封止材が著しく磨耗して封止材の一部が短時間で保護層１５上より消失してしまい、先に述べた保護膜１５の膜欠陥が比較的早期に開口するという不都合があった。
【０００９】
また前記封止材を形成するエポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の線膨張係数は比較的大きく（２０×１０^-6〜９０×１０^-6℃^-1）、ＳｉＮ等から成る保護層１５の線膨張係数（３×１０^-6℃^-1）と大きく相違していること、並びに、保護層１５と封止材との馴染みがあまり良好でないことから、発熱抵抗体１３の発した熱等によってサーマルヘッド全体の温度が上昇すると、保護層１５−封止材間に発生する大きな熱応力によって封止材が保護層１５上より剥離してしまうことがあり、これによっても保護層１５の膜欠陥が開口する恐れがあった。
【００１０】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、発熱抵抗体等の電気抵抗値を長期にわたって略一定に保つことができる高信頼性のサーマルヘッドを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のサーマルヘッドは、ベースプレートと、該ベースプレートの上面に被着されたＮｂＳｉＯ系抵抗材料から成る複数個の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の上方に位置し、該発熱抵抗体に接続された一対の電極と、前記発熱抵抗体および前記一対の電極を被覆する保護層とを備えるサーマルヘッドであって、前記保護層は、スパッタリング法またはＣＶＤ法にて成膜されたＳｉＯ及び／又はＳｉＮを含む無機質材料から成る第一層と、厚膜プロセスによって形成されたペルヒドロポリシラザンの焼結体から成る第二層と、ＳｉＮ及び／又はＳｉＣを含む無機質材料から成る第三層とを順次積層して形成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また本発明のサーマルヘッドは、前記保護層の第一層及び第三層がスパッタリング法またはＣＶＤ法にて成膜された薄膜から成ることを特徴とするものである。
【００１３】
更に本発明のサーマルヘッドは、前記発熱抵抗体を形成するＮｂＳｉＯ系抵抗材料の組成比率がＮｂ_xＳｉＯ_y（１．４≦ｘ≦１．９、１．４≦ｙ≦１．９）であり、且つ前記発熱抵抗体及び前記保護層の各層に含まれているＳｉの含有率が２０原子％〜４４原子％に設定されていることを特徴とするものである。
【００１４】
また更に本発明のサーマルヘッドは、前記保護層の第三層を形成する無機質材料の比抵抗が１×１０⁷Ω・ｃｍ〜１×１０¹¹Ω・ｃｍに設定されていることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明のサーマルヘッドによれば、保護層を構成する３つの層のうち、最下層となる第一層の膜欠陥はペルヒドロポリシラザンの焼結体から成る第二層によって封止されることから、発熱抵抗体等を大気中に含まれている水分や記録媒体に含まれているイオン等の接触による腐食から良好に保護することができ、しかもこの第二層上には硬質のＳｉNやＳｉＣ等から成る第三層が最上層として設けられており、保護層全体の磨耗も有効に抑えられるため、第二層の一部が早期に消失することはなく、発熱抵抗体等を第二層によって大気より確実に遮断し続けることで、発熱抵抗体等の電気抵抗値を長期にわたり略一定に保つことが可能となる。
【００１６】
また本発明のサーマルヘッドによれば、発熱抵抗体を形成するＮｂＳｉＯ系抵抗材料の組成比率をＮｂ_xＳｉＯ_y（１．４≦ｘ≦１．９、１．４≦ｙ≦１．９）とし、発熱抵抗体及び前記保護層の各層に含まれているＳｉの含有率を２０原子％〜４４原子％に設定することにより、発熱抵抗体−保護層間、及び、保護層の各層間で馴染みを良好として、発熱抵抗体及び保護層各層の線膨張係数を比較的近い値に調整することができるため、印画に際して発熱抵抗体の発する熱等によってサーマルヘッドの温度が上昇しても、これらの各層間に大きな熱応力が発生するのを有効に防止することができ、保護層の各層を下地に対して強固に被着させておくことが可能となる。これにより、サーマルヘッドの信頼性が向上される。
【００１７】
更に本発明のサーマルヘッドによれば、前記保護層の最上層となる第三層の比抵抗を１×１０⁷Ω・ｃｍ〜１×１０¹¹Ω・ｃｍに設定して適度な導電性を付与しておけば、保護層の表面に記録媒体を摺接させて印画を行う際に、記録媒体の表面に帯電した静電気の一部がサーマルヘッドに印加されても、これらの電荷は保護層上で一箇所に留まることはなく、保護層全体にわたって良好に拡散されるため、保護層に局部的な大電圧が印加されて保護層が静電破壊されるのを有効に防止することができ、これによってもサーマルヘッドの信頼性を向上させることが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
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斜視図、図２は図１のサーマルヘッドの断面図であり、１はベースプレート、３は発熱抵抗体、４は電極、５は保護層である。
【００１９】
前記ベースプレート１は、矩形状をなすように外形加工されたグレーズドアルミナセラミックスや表面を酸化膜で被覆した単結晶シリコン、多結晶シリコン等から成り、その上面には、複数個の発熱抵抗体３や通電用の電極４，保護層５等が被着され、これらを支持する支持母材として機能する。
【００２０】
前記ベースプレート１は、グレーズドアルミナセラミックスから成る場合、まずアルミナ、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を添加・混合する等してセラミックグリーンシートを形成するとともに、該シートを所定形状に打ち抜いて高温で焼結させることによってアルミナ基板を形成し、得られたアルミナ基板の上面に従来周知のスクリーン印刷等によってガラスペーストを印刷・塗布し、これを高温で焼き付けグレーズ層を形成することによって製作される。
【００２１】
尚、上述したグレーズドアルミナセラミックス基板のグレーズ層は、印画に際して後述する発熱抵抗体３の発する熱の一部を蓄積し、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ための蓄熱層として機能するものである。
【００２２】
また前記ベースプレート１の上面に設けられる複数個の発熱抵抗体３は、例えば６００ｄｐｉ（dot per inch）の密度で主走査方向（ベースプレート１の長手方向）に直線状に配列されている。
【００２３】
前記発熱抵抗体３は、その各々がＮｂＳｉＯ系抵抗材料によって例えば０．０１μｍ〜０．２μｍの厚みに形成されており、電極４等を介して電源電力が供給されるとジュール発熱を起こし、印画に必要な所定の温度となる。
【００２４】
このような発熱抵抗体３を形成するＮｂＳｉＯ系抵抗材料としては、組成比率がＮｂ_xＳｉＯ_y（１．４≦ｘ≦１．９、１．４≦ｙ≦１．９）で表されるものが好適に用いられ、発熱抵抗体３中に含まれているＳｉの含有率は２０原子％〜４４原子％に設定される。
【００２５】
かかる組成比率を有したＮｂＳｉＯ系抵抗材料は、単位時間当たりの発熱量を印画に適した大きさに調整することが容易で、しかも耐パルス性に優れており、特に階調表現が必要な写真印画等の用途に適した発熱抵抗体３が得られる。
【００２６】
また前記発熱抵抗体３の両端には、アルミニウム等の金属材料から成る一対の電極４が接続されている。
【００２７】
前記一対の電極４は、発熱抵抗体３の一端側で全ての発熱抵抗体３と共通接続されるとともに、他端側で各発熱抵抗体３と個別に接続されており、図示しないドライバーＩＣのオン・オフに基づいて発熱抵抗体３に電源電力を印加する。
【００２８】
尚、前記発熱抵抗体３や一対の電極４は、従来周知の薄膜手法、具体的には、ベースプレート１の上面全体に、上述したＮｂＳｉＯ系抵抗材料とアルミニウム等の金属材料とをスパッタリング法等によって順次、被着させ、これを従来周知のフォトリソグラフィー及びエッチング技術を採用し、所定パターンに加工することにより形成される。
【００２９】
そして上述した発熱抵抗体３や一対の電極４上には保護層５が例えば３μｍ〜１５μｍの厚みに被着され、かかる保護層５でもって発熱抵抗体３や電極４が共通に被覆されている。
【００３０】
この保護層５は、記録媒体の摺接による磨耗、並びに、大気中に含まれている水分、記録媒体に含まれているイオン（Ｎａ⁺，Ｋ⁺，Ｃｌ^-等）の接触による腐食から発熱抵抗体３や電極４を保護するためのものであり、発熱抵抗体３側より、第一層６、第ニ層７及び第三層８の３層を順次積層した３層構造を有し、これらの各層に含まれるＳｉの含有率は、先に述べた発熱抵抗体３と同様に、２０原子％〜４４原子％に設定される。
【００３１】
尚、ここで、保護層５の各層に含まれるＳｉの含有率を発熱抵抗体３と同じ２０原子％〜４４原子％に設定するのは、発熱抵抗体３−保護層５間、及び、保護層５の各層間で馴染みを良好になすとともに、これらの層３，６，７，８の線膨張係数を比較的近い値に設定するためであり、これによって、印画に際し発熱抵抗体３の発する熱等によってサーマルヘッドの温度が上昇しても、各層間に大きな熱応力が発生するのを有効に防止し、保護層５の各層を下地に対して強固に被着させておくことができる。
【００３２】
以下、保護層５を構成する第一層６〜第三層８の各層について個別に説明する。
保護層５の最下層として設けられる第一層６は、ＳｉＯ（酸化珪素）及び／又はＳｉＮ（窒化珪素）を含む無機質材料により例えば０．１μｍ〜２．０μｍの厚みに形成される。
【００３３】
この第一層６は、その上に配される第二層７を熱処理のプロセスを経て形成する際に、後述するペルヒドロポリシラザン溶液中の有機溶剤が発熱抵抗体３や電極４等と接触してこれらを酸化しようとするのを有効に防止するためのものであり、これによってサーマルヘッドの製造プロセスにおける発熱抵抗体３の抵抗値変動が極めて有効に抑えられる。
【００３４】
尚、前記第一層６は、従来周知の薄膜手法、具体的にはスパッタリング法やＣＶＤ法等を採用し、ＳｉＯやＳｉＮ、或いは、これらの混合材料（ＳｉＯＮ）を所定厚みに堆積させることによって形成され、このようにして得られた第一層６にはピンホール等の微細な膜欠陥が数多く形成されることとなる。
【００３５】
また保護層５の中間層として設けられる第二層７は、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ等の無機質材料によって０．０３μｍ〜０．１５μｍの厚みに形成され、化１に示すペルヒドロポリシラザンを焼結させてなる焼結体により形成される。
【００３６】
【化１】

【００３７】
このペルヒドロポリシラザンは、例えば１５０℃〜２２０℃の温度で重合を起こすセラミック前駆体ポリマーであり、ペルヒドロポリシラザンをキシレンやシクロヘキセン等の有機溶剤に溶かして作製したペルヒドロポリシラザン溶液（粘度：０．５ｃｐｓ〜１．０ｃｐｓ）を従来周知のディッピング法、スピンコート法、バーコーター法等の厚膜手法によって第一層６の上面に薄く塗布し、これをまず１５０℃〜２２０℃の温度領域で約１時間、次に４００℃〜５００℃の温度で約１時間、熱処理し、ペルヒドロポリシラザンをセラミック化することにより第二層７が形成される。
【００３８】
このとき、ペルヒドロポリシラザンの熱処理を窒素雰囲気中で行うと、ＳｉＮを主成分とするセラミック焼結体が、また高湿度雰囲気（湿度５０％以上）で行うと、ＳｉＯを主成分とするセラミック焼結体が形成されることとなる。
【００３９】
以上のような厚膜プロセスによって形成される第二層７には、ピンホール等の膜欠陥が殆ど存在しないことから、第一層６の膜欠陥を第二層７で良好に塞ぐことができる。従って、発熱抵抗体３や電極４を保護層５で良好に封止し、発熱抵抗体３や電極４を大気中に含まれている水分や記録媒体に含まれているイオン等の接触による腐食から良好に保護することが可能となる。
【００４０】
そして保護層５の最上層として設けられる第三層８は、ＳｉN及び／又はＳｉＣ（炭化珪素）を含む硬質の無機質材料により２．０μｍ〜５．０μｍの厚みに形成される。
【００４１】
前記第三層８を形成するＳｉNやＳｉＣは、ビッカース硬度Ｈｖが１５００〜４０００の硬質材料であり、耐磨耗性に優れているため、印画に際して記録媒体の摺接による磨耗量を小さく抑えることができ、印画動作の繰り返しによって第二層７が早期に露出するのを有効に防止することができる。従って、発熱抵抗体３や電極４を第二層７によって大気より確実に遮断し続けることができ、発熱抵抗体３や電極４の電気抵抗値を長期にわたり略一定に保つことが可能となる。
【００４２】
またこの場合、第三層８を形成する無機質材料にカーボン（Ｃ）やＴｉＣ，ＨｆＣ，ＶＣ等を所定量添加して、その比抵抗を１×１０⁷Ω・ｃｍ〜１×１０¹¹Ω・ｃｍに設定しておけば、第三層８には適度な導電性が付与されることとなるため、保護層５の表面に記録媒体を摺接させて印画を行う際に、記録媒体の表面に帯電した静電気の一部がサーマルヘッドに印加されても、これらの電荷は保護層５上で一箇所に留まることはなく、保護層５全体にわたって良好に拡散されるため、保護層５に局部的な大電圧が印加されて保護層５が静電破壊されるのを有効に防止することができ、これによってもサーマルヘッドの信頼性を向上させることが可能となる。従って第三層８の比抵抗は１×１０⁷Ω・ｃｍ〜１×１０¹¹Ω・ｃｍに設定しておくことが好ましい。
【００４３】
尚、前記第三層８は、先に述べた第一層６と同様の形成法により形成される。例えば、ＳｉＣやＳｉＮ、或いは、これらの混合材料（ＳｉＣＮ）を、従来周知の薄膜手法、具体的にはスパッタリング法やＣＶＤ法等を採用し、第二層７の上面に所定厚みに堆積させることによって第三層８が形成される。
【００４４】
かくして上述したサーマルヘッドは、感熱紙等の記録媒体を保護層５の表面、具体的には第三層８の表面に摺接させながら、外部からの画像データに基づいて複数個の発熱抵抗体３に選択的に電力を印加し、発熱抵抗体３を個々に選択的にジュール発熱させるとともに、該発熱した熱を保護層１５を介して記録媒体に伝導させ、印画を形成することによってサーマルヘッドとして機能する。
【００４５】
尚、本発明は上述した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。
【００４６】
例えば上述の実施形態においては、電極４をアルミニウムにより形成するようにしたが、これに代えて、電極４をＡｌ-Ｓｉ、Ａｌ-Ｓｉ-Ｃｕ等のＳｉを含む導電材料により形成するようにしても良く、この場合、電極４−保護層５間の密着性も向上される利点がある。
【００４７】
【発明の効果】
本発明のサーマルヘッドによれば、保護層を構成する３つの層のうち、最下層となる第一層の膜欠陥はペルヒドロポリシラザンの焼結体から成る第二層によって封止されることから、発熱抵抗体等を大気中に含まれている水分や記録媒体に含まれているイオン等の接触による腐食から良好に保護することができ、しかもこの第二層上には硬質のＳｉNやＳｉＣ等から成る第三層が最上層として設けられており、保護層全体の磨耗も有効に抑えられるため、第二層の一部が早期に消失することはなく、発熱抵抗体等を第二層によって大気より確実に遮断し続けることで、発熱抵抗体等の電気抵抗値を長期にわたり略一定に保つことが可能となる。
【００４８】
また本発明のサーマルヘッドによれば、発熱抵抗体を形成するＮｂＳｉＯ系抵抗材料の組成比率をＮｂ_xＳｉＯ_y（１．５≦ｘ≦７．０、１．８≦ｙ≦２．４）とし、発熱抵抗体及び前記保護層の各層に含まれているＳｉの含有率を２０原子％〜４４原子％に設定することにより、発熱抵抗体−保護層間、及び、保護層の各層間で馴染みを良好として、発熱抵抗体及び保護層各層の線膨張係数を比較的近い値に調整することができるため、印画に際して発熱抵抗体の発する熱等によってサーマルヘッドの温度が上昇しても、これらの各層間に大きな熱応力が発生するのを有効に防止することができ、保護層の各層を下地に対して強固に被着させておくことが可能となる。これにより、サーマルヘッドの信頼性が向上される。
【００４９】
更に本発明のサーマルヘッドによれば、前記保護層の最上層となる第三層の比抵抗を１×１０⁷Ω・ｃｍ〜１×１０¹¹Ω・ｃｍに設定して適度な導電性を付与しておけば、保護層の表面に記録媒体を摺接させて印画を行う際に、記録媒体の表面に帯電した静電気の一部がサーマルヘッドに印加されても、これらの電荷は保護層上で一箇所に留まることはなく、保護層全体にわたって良好に拡散されるため、保護層に局部的な大電圧が印加されて保護層が静電破壊されるのを有効に防止することができ、これによってもサーマルヘッドの信頼性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るサーマルヘッドの斜視図である。
【図２】図１のサーマルヘッドの断面図である。
【図３】従来のサーマルヘッドの断面図である。
【符号の説明】
１・・・ベースプレート、３・・・発熱抵抗体、４・・・通電用の電極、５・・・保護層、６・・・第一層、７・・・第二層、８・・・第三層

Claims

ベースプレートと、
該ベースプレートの上面に被着されたＮｂＳｉＯ系抵抗材料から成る複数個の発熱抵抗体と、
該発熱抵抗体の上方に位置し、該発熱抵抗体に接続された一対の電極と、
前記発熱抵抗体および前記一対の電極を被覆する保護層と
を備えるサーマルヘッドであって、
前記保護層は、スパッタリング法またはＣＶＤ法にて成膜されたＳｉＯ及び／又はＳｉＮを含む無機質材料から成る第一層と、厚膜プロセスによって形成されたペルヒドロポリシラザンの焼結体から成る第二層と、ＳｉＮ及び／又はＳｉＣを含む無機質材料から成る第三層とを順次積層して形成されていることを特徴とするサーマルヘッド。
前記保護層の第一層及び第三層がスパッタリング法またはＣＶＤ法にて成膜された薄膜から成ることを特徴とする請求項１に記載のサーマルヘッド。
前記発熱抵抗体を形成するＮｂＳｉＯ系抵抗材料の組成比率がＮｂ_ｘＳｉＯ_ｙ（１．４≦ｘ≦１．９、１．４≦ｙ≦１．９）であり、且つ前記発熱抵抗体及び前記保護層の各層に含まれているＳｉの含有率が２０原子％〜４４原子％に設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のサーマルヘッド。
前記保護層の第三層を形成する無機質材料の比抵抗が１×１０^７Ω・ｃｍ〜１×１０^１１Ω・ｃｍに設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のサーマルヘッド。