JP5181111B2 - 発熱抵抗素子部品およびサーマルプリンタ - Google Patents
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Description
サーマルヘッドの高効率化においては、発熱抵抗体の下層に断熱層を形成する方法がある(例えば、特許文献1参照。)。発熱抵抗体で発生した熱量のうち、発熱抵抗体上方の耐摩耗層に伝達される上方伝達熱量の方が発熱抵抗体下方の絶縁基板に伝達される下方伝達熱量よりも大きくなるので、印字時に必要とされるエネルギー効率が良好となる。
また、上記特許文献1に開示されたサーマルヘッドには、発熱素子と密閉空所との間に、密閉空所に作用する外部荷重を緩衝させ得る補強層が設けられている。しかし、この補強層には屈曲部があり、外部荷重に対して十分な強度を得ることは難しいといった問題点もあった。
本発明に係る発熱抵抗素子部品は、支持基板の上に積層された絶縁被膜の上に、複数の発熱抵抗体が間隔をあけて配列され、前記発熱抵抗体の一端に共通配線がそれぞれ接続されるとともに、前記発熱抵抗体の他端に個別配線がそれぞれ接続されてなる発熱抵抗素子部品であって、前記支持基板の表面に、前記発熱抵抗体の発熱部に対向する領域に配置された第一の凹部と、該第一の凹部の近傍に間隔をあけて配置された第二の凹部とが形成されている。
また、本発明に係る発熱抵抗素子部品によれば、第一の凹部と第二の凹部との間に、発熱抵抗体の表面から加えられる押圧力を支持する支持部材として機能する隔壁が形成されることとなる。すなわち、印刷時等に発熱抵抗体の表面側から押圧力を受けても、第一の凹部と第二の凹部との間に形成された隔壁によって押圧力が支持されることとなるので、支持基板の機械的強度を向上させることができ、耐圧性能を向上させることができる。
図1は本実施形態に係る発熱抵抗素子部品であるサーマルヘッドの平面図であり、保護膜を取り除いた状態を示す図、図2は図1のII−II矢視断面図、図3(a)〜図3(e)は本実施形態に係る発熱抵抗素子部品であるサーマルヘッドの製造方法を説明するための工程図、図4はアンダーコート(絶縁皮膜)の厚みをパラメータとして、サーマルヘッドの発熱効率を計算した結果を示すグラフ、図5は第一の中空断熱層および第二の中空断熱層の厚みをパラメータとして、サーマルヘッドの発熱効率を計算した結果を示すグラフである。
図2に示すように、サーマルヘッド1は、支持基板(以下、「基板」という。)2と、基板2の上に形成されたアンダーコート(絶縁皮膜)3とを備えている。また、図1および図2に示すように、アンダーコート3の上には複数の発熱抵抗体4が一方向に間隔をあけて形成され(配列され)、発熱抵抗体4には配線5が接続されている。配線5は、発熱抵抗体4の配列方向に直交する方向(以下、「印刷対象物送り方向」という。)の一端に接続される共通配線5aと、他端に接続される個別配線5bとから構成されている。さらに、図2に示すように、サーマルヘッド1は、発熱抵抗体4および配線5の上面を被覆する保護膜6を備えている。
なお、発熱抵抗体4が実際に発熱する部分(以下、「発熱部」という。)は、配線5と重ならない部分である。
第一の凹部8は、発熱抵抗体4の発熱部によって覆われる領域に、第一の空洞部7が位置するように形成された(すなわち、発熱抵抗体4の発熱部の裏面(図2において下側の面)側を連通するとともに、発熱抵抗体4の配列方向に沿って、発熱抵抗体4を跨ぐように形成された)平面視矩形状を呈する凹所である。そして、第一の凹部8の底面(基板2の表面に平行な面)および壁面(基板2の表面と直行する面)と、アンダーコート3の裏面(図2において下側の面)とで形成される(密閉される)空間は、第一の空洞部7を構成している。
第二の凹部10は、第一の空洞部7の周囲をぐるりと取り囲むように形成された無端状の凹所であり、内側(内方)に形成された壁面(基板2の表面と直行する面)の輪郭および外側(外方)に形成された壁面(基板2の表面と直行する面)の輪郭はそれぞれ、平面視矩形状を呈している。そして、第二の凹部10の底面(基板2の表面に平行な面)および両壁面と、アンダーコート3の裏面(図2において下側の面)とで形成される(密閉される)空間は、第二の空洞部9を構成している。
この隔壁11の幅(第一の凹部8と第二の凹部10との間の距離)は、小さければ小さいほど(薄ければ薄いほど)発熱効率を向上させることができるが、その反面、機械的強度が低下してしまう。そのため、隔壁11の幅は、第一の凹部8および第二の凹部10の深さ(基板2の表面と直行する方向の長さ)の1/5倍〜2倍程度(好ましくは、0.2倍)に設定している。すなわち、第一の凹部8および第二の凹部10の深さが100μmである場合には、隔壁11の幅は20μm〜200μm程度(好ましくは、20μm)に設定されることとなる。
なお、このような幅を有する隔壁11は、サンドブラスト、ドライエッチング、ウェットエッチング、レーザー加工等により第一の凹部8および第二の凹部10を加工することにより作成可能である。
まず、図3(a)に示すように、一定の厚さを有する基板2の表面の、発熱抵抗体4が形成される領域に、第一の空洞部7を形成する第一の凹部8を加工し、この第一の凹部8の周囲に、第二の空洞部9を形成する第二の凹部10を加工する。基板2の材料としては、例えば、ガラス基板、単結晶シリコン基板等が用いられる。また、基板2の厚みは、300μm〜1mm程度である。
これら第一の凹部8および第二の凹部10はそれぞれ、例えば、基板2の表面に、サンドブラスト、ドライエッチング、ウェットエッチング、レーザー加工等を施すことによって形成される。
エッチングによる加工を施す場合には、同様に、基板2の表面に第一の凹部8および第二の凹部10を形成する領域にエッチング窓が形成されたエッチングマスクを形成し、この状態で、基板2の表面にエッチングを施すことで、所定深さの第一の凹部8および第二の凹部10を得る。このエッチング処理には、単結晶シリコンの場合、例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム溶液、KOH溶液、フッ酸と硝酸の混合液によるエッチング液等によるウェットエッチングが、また、ガラス基板の場合、フッ酸系のエッチング液等を用いたウェットエッチングが行われる。そのほか、リアクティブイオンエッチング(RIE)やプラズマエッチング等のドライエッチングが用いられる。
また、ガラスからなる基板2と薄板ガラスからなるアンダーコート3とを接合する場合は、接着層を用いない熱融着で接合する。ガラスからなる基板2と薄板ガラスからなるアンダーコート3との接合処理は、ガラスからなる基板2および薄板ガラスからなるアンダーコート3の徐冷点以上で、かつ、軟化点以下の温度で行われる。そのため、基板2およびアンダーコート3の形状精度を保つことができ、信頼性が高い。
ここで、薄板ガラスとして10μm程度の厚みのものは、製造やハンドリングが困難であり、また高価である。そこで、このような薄い薄板ガラスを直接基板2に接合する代わりに、製造やハンドリングが容易な厚みをもった薄板ガラスを基板2に接合した後に、この薄板ガラスをエッチングや研磨等によって所望の厚みとなるように加工してもよい。この場合には、基板2の一面に容易、かつ、安価にごく薄いアンダーコート3を形成することができる。
薄板ガラスのエッチングには、上述したように、第一の凹部8および第二の凹部10の形成に用いた各種エッチングを用いることができる。また、薄板ガラスの研磨には、例えば、半導体ウェーハ等の高精度研磨に用いられるCMP(ケミカルメカニカルポリッシング)等を用いることができる。
これら発熱抵抗体4、個別配線5b、共通配線5a、保護膜6は、従来のサーマルヘッドにおけるこれら部材の製造方法を用いて作製することができる。具体的には、スパッタリングやCVD(化学気相成長法)、蒸着等の薄膜形成法を用いて絶縁皮膜上にTa系やシリサイド系等の発熱抵抗体材料の薄膜を成膜し、この発熱抵抗体材料の薄膜をリフトオフ法やエッチング法等を用いて成形することにより所望の形状の発熱抵抗体を形成する。
同様に、アンダーコート3の上に、Al、Al−Si、Au、Ag、Cu、Pt等の配線材料をスパッタリングや蒸着法等により成膜してこの膜をリフトオフ法、もしくはエッチング法を用いて形成したり、配線材料をスクリーン印刷した後に焼成する等して、所望の形状の個別配線5bおよび共通配線5aを形成する。
このようにして発熱抵抗体4、個別配線5b、および共通配線5aを形成した後、アンダーコート3の上にSiO2、Ta2O5、SiAlON、Si3N4、ダイヤモンドライクカーボン等の保護膜材料をスパッタリング、イオンプレーティング、CVD法等により成膜して、保護膜6を形成する。
図6は本実施形態に係るサーマルヘッドの平面図であり、保護膜を取り除いた状態を示す図である。
図6に示すように、本実施形態に係るサーマルヘッド21は、第二の凹部10の代わりに、第二の凹部22が設けられているという点で上述した第1実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第1実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
凹部22aは、共通配線5aによって覆われる領域の基板2の表面に、第二の空洞部(第二の中空断熱層)23の一方(図6において上方)が位置するように形成されており、凹部22bは、個別配線5bによって覆われる領域の基板2の表面に、第二の空洞部(第二の中空断熱層)23の他方(図6において下方)が位置するように形成されている。そして、凹部22aの底面(基板2の表面に平行な面)および壁面(基板2の表面と直行する面)と、アンダーコート3の裏面とで形成される(密閉される)空間は、第二の空洞部23の一方を構成し、凹部22bの底面(基板2の表面に平行な面)および壁面(基板2の表面と直行する面)と、アンダーコート3の裏面とで形成される(密閉される)空間は、第二の空洞部23の他方を構成している。
その他の作用効果は、上述した第1実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。
図7は本実施形態に係るサーマルヘッドの平面図であり、保護膜を取り除いた状態を示す図である。
図7に示すように、本実施形態に係るサーマルヘッド31は、第一の凹部8の代わりに、第一の凹部32が設けられているという点で上述した第1実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第1実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
また、基板2の表面に、これら第一の凹部32が形成されることにより、第一の凹部32と第一の凹部32との間に、表面全体がアンダーコート3の裏面と当接する、隔壁34が形成されることとなる。すなわち、第一の凹部32と第一の凹部32とは、隔壁34によって区画される(仕切られる)こととなる。
その他の作用効果は、上述した第1実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。
図8は本実施形態に係るサーマルヘッドの平面図であり、保護膜を取り除いた状態を示す図である。
図8に示すように、本実施形態に係るサーマルヘッド41は、第二の凹部9の代わりに、第二の凹部42が設けられているという点で上述した第3実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第3実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
凹部42aは、共通配線5aによって覆われる領域の基板2の表面に、第二の空洞部(第二の中空断熱層)43の一方(図8において上方)が飛び飛びに(破線状に)位置するように形成されており、凹部42bは、個別配線5bによって覆われる領域の基板2の表面に、第二の空洞部(第二の中空断熱層)43の他方(図8において下方)が飛び飛びに(破線状に)位置するように形成されている。そして、凹部42aの底面(基板2の表面に平行な面)および壁面(基板2の表面と直行する面)と、アンダーコート3の裏面とで形成される(密閉される)空間は、第二の空洞部43の一方を構成し、凹部42bの底面(基板2の表面に平行な面)および壁面(基板2の表面と直行する面)と、アンダーコート3の裏面とで形成される(密閉される)空間は、第二の空洞部43の他方を構成している。
また、基板2の表面に、これら第二の凹部42(より詳しくは、隣り合う第二の凹部42)が所定の間隔をあけて形成されることにより、第二の凹部42と第二の凹部42との間に、表面全体がアンダーコート3の裏面と当接する、隔壁44が形成されることとなる。すなわち、隣り合う第二の凹部42と第二の凹部42とは、隔壁44によって区画される(仕切られる)こととなる。
その他の作用効果は、上述した第3実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。
図9は本実施形態に係るサーマルヘッドの平面図であり、保護膜を取り除いた状態を示す図、図10は図9のIX−IX矢視断面図、図11(a)〜図11(f)は本実施形態に係るサーマルヘッドの製造方法を説明するための工程図である。
第一の貫通部52は、発熱抵抗体4の発熱部によって覆われる領域に、第一の空洞部54が位置するように形成された(すなわち、発熱抵抗体4の発熱部の裏面(図10において下側の面)側を連通するとともに、発熱抵抗体4の配列方向に沿って、発熱抵抗体4を跨ぐように形成された)平面視矩形状を呈する貫通穴である。そして、第一の貫通部52の壁面(基板2の表面と直行する面)と、アンダーコート3の裏面(図10において下側の面)とで形成される空間は、第一の空洞部54を構成している。
第二の貫通部53は、第一の空洞部54の周囲をぐるりと取り囲むように形成された無端状の貫通穴であり、内側(内方)に形成された壁面(基板2の表面と直行する面)の輪郭および外側(外方)に形成された壁面(基板2の表面と直行する面)の輪郭はそれぞれ、平面視矩形状を呈している。そして、第二の貫通部53の両壁面と、アンダーコート3の裏面(図10において下側の面)とで形成される空間は、第二の空洞部55を構成している。
なお、図10および図11(f)中の符号57は、エッチングマスクである。
まず、図11(a)に示すように、一定の厚さを有する基板2の表面に絶縁材料からなるアンダーコート3を成膜する。アンダーコート3の材料としては、例えば、SiO2、SiO、Al2O3、Ta2O5、SiAlON、Si3N4等が用いられる。基板2の材料としては、例えば、ガラス基板、単結晶シリコン基板等が用いられる。基板2厚みは300μm〜1mm程度である。アンダーコート3の厚さ寸法は5μm〜100μmである。
エッチングマスク57の表面にフォトレジスト(図示略)でパターニングした後、RIEによるドライエッチングまたはウェットエッチングを行い、エッチングマスク57を形成する。エッチングマスク57は、基板2に第一の貫通部52および第二の貫通部53を形成するためのもので、表面側の発熱抵抗体4が配されることとなる領域にエッチング窓を形成し、残りの領域を被覆するようにパターニングされる。
例えば、第一の凹部8,32を第一の貫通部52と同様の貫通部とすることもでき、第二の凹部10,22,42を第二の貫通部53と同様の貫通部とすることもできる。
また、上述した実施形態では、第二の凹部10,22,42、第二の貫通部53を、第一の凹部8,32、第一の貫通部52の外側に、一重に配置したものについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、二重または三重以上に配置してもよい。
本実施形態に係るサーマルプリンタ60は、本体フレーム61に、水平配置されるプラテンローラ62と、プラテンローラ62に感熱紙63を挟んで押し付けられる上記第1〜第5実施形態に係るサーマルヘッド1,21,31,41,51とを備えている。サーマルヘッド1,21,31,41,51は、プラテンローラ62の長手方向に配列された複数の発熱抵抗体4を有し、加圧機構64により所定の押圧力で感熱紙63に押し付けられるようになっている。図中、符号65は紙送り駆動モータである。
2 基板(支持基板)
3 アンダーコート(絶縁被膜)
4 発熱抵抗体
5a 共通配線
5b 個別配線
8 第一の凹部
10 第二の凹部
21 サーマルヘッド(発熱抵抗素子部品)
22 第二の凹部
31 サーマルヘッド(発熱抵抗素子部品)
32 第一の凹部
41 サーマルヘッド(発熱抵抗素子部品)
42 第二の凹部
51 サーマルヘッド(発熱抵抗素子部品)
52 第一の貫通部
53 第二の貫通部
60 サーマルプリンタ
Claims (7)
- 支持基板の上に積層された絶縁被膜の上に、複数の発熱抵抗体が間隔をあけて配列され、前記発熱抵抗体の一端に共通配線がそれぞれ接続されるとともに、前記発熱抵抗体の他端に個別配線がそれぞれ接続されてなる発熱抵抗素子部品であって、
前記支持基板の表面に、前記発熱抵抗体の発熱部に対向する領域に配置された第一の凹部と、該第一の凹部の近傍に間隔をあけて配置された第二の凹部とが形成されている発熱抵抗素子部品。 - 前記第二の凹部が、前記第一の凹部に対して前記共通配線側および前記個別配線側に、それぞれ前記発熱抵抗体の配列方向に沿って形成されている請求項1に記載の発熱抵抗素子部品。
- 前記第二の凹部が、前記複数の発熱抵抗体に共通して設けられている請求項2に記載の発熱抵抗素子部品。
- 前記第一の凹部が、前記複数の発熱抵抗体に共通して設けられている請求項1に記載の発熱抵抗素子部品。
- 前記第二の凹部が、前記第一の凹部の周囲を取り囲む環状に設けられている請求項1に記載の発熱抵抗素子部品。
- 前記第一の凹部および/または前記第二の凹部が、前記支持基板の板厚方向に貫通している請求項1から5のいずれか一項に記載の発熱抵抗素子部品。
- 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の発熱抵抗素子部品からなるサーマルヘッドを備えるサーマルプリンタ。
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