JP5200256B2

JP5200256B2 - サーマルヘッドの製造方法

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Publication number: JP5200256B2
Application number: JP2008269765A
Authority: JP
Inventors: 法宜東海林; 法光三本木; 義則佐藤; 利光師岡; 圭太郎頃石
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-10-20
Also published as: US8256099B2; JP2010094939A; US20100115760A1

Description

本発明は、サーマルヘッドの製造方法に関するものである。

従来、小型ハンディターミナルに代表される小型情報機器端末に多く搭載されるサーマルプリンタに用いられ、印画データに基づいて複数の発熱素子を選択的に駆動することによって感熱記録媒体に印画を行うためのサーマルヘッドが知られている（例えば、特許文献１参照）。

サーマルヘッドの高効率化においては、発熱抵抗体の発熱部の下層に断熱層を形成する方法がある。発熱部の下層に断熱層を形成することにより、発熱抵抗体で発生した熱量のうち、発熱部上方の耐摩耗層に伝達される上方伝達熱量の方が発熱部下方の蓄熱層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。特許文献１に記載のサーマルヘッドは、一体化された基板と支持板との間に空洞部が設けられており、この空洞部を中空断熱層として機能させることで、下方電熱量より上方電熱量を大きくしエネルギー効率の向上を図っている。

特開２００７−３２０１９７号公報

特許文献１に記載のサーマルヘッドの製造方法は、基板の一方の面に形成された突部の内部に空隙部を形成し、他方の面に平坦な支持板を融着接合して前記空隙部を閉塞することにより、空洞部を形成するようになっている。この製造方法では、基板が支持板によって補強される前に空洞部を形成するため基板が破損する可能性があり、製造過程中の基板の扱いが困難という問題がある。また、基板の元板厚にばらつきがあるため、空洞部上の蓄熱層としての基板の厚さを制御するのが困難という問題がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、発熱効率が高く安定した品質のサーマルヘッドを製造することができるサーマルヘッドの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、基板の一面に空洞部用凹部と該空洞部用凹部より深さが深いマーク用凹部を形成する凹部形成工程と、該凹部形成工程により前記空洞部用凹部および前記マーク用凹部が形成された前記基板の前記一面に支持板を接合する接合工程と、該接合工程により前記支持板が接合された前記基板を、前記一面に対して反対側の裏面側から前記マーク用凹部が貫通するまで薄板化する薄板化工程と、該薄板化工程により薄板化された前記基板の前記裏面に前記空洞部用凹部に対向して発熱抵抗体を形成する発熱抵抗体形成工程とを備えるサーマルヘッドの製造方法を提供する。

本発明によれば、接合工程において、凹部形成工程により形成された基板の空洞部用凹部が支持板によって覆われることで、基板と支持板との間に空洞部が形成される。この空洞部は中空断熱層として機能し、発熱抵抗体の発熱部で発生した熱が蓄熱層としての基板（以下、サーマルヘッドに組み込まれた基板を「蓄熱層」という。）を介して支持板へ伝わるのを抑制するので、エネルギー効率の高いサーマルヘッドを製造することができる。また、空洞部用凹部の深さにより空洞部の厚さが決定されるので、中空断熱層の厚さを容易に制御することができる。

この場合に、発熱抵抗体を支える蓄熱層の空洞部上の薄板部分（以下、「薄板部」という。）の厚さが、空洞部用凹部の深さとマーク用凹部の深さとの差によって決定されるので、凹部形成工程において、空洞部用凹部とマーク用凹部をそれぞれ所望の深さにするだけで、薄板部の厚さを正確に制御することができる。また、薄板化する前の基板に各凹部を形成し、支持板により基板を補強した状態で薄板化することで、製造過程中に空洞部が壊れるのを抑制することができる。これにより、発熱効率が高く安定した品質のサーマルヘッドを製造することができる。

上記発明においては、前記凹部形成工程において、前記空洞部用凹部の深さとマーク用凹部の深さとの差が前記発熱抵抗体が支えられる前記基板の厚さとなるように前記空洞部用凹部およびマーク用凹部を形成することとしてもよい。

このように構成することで、薄板化工程において、マーク用凹部が貫通するまで基板を薄板化するだけで、発熱抵抗体を支える基板、すなわち、蓄熱層の薄板部を所望の厚さに制御することができる。

また、上記発明においては、前記基板の前記一面の前記空洞部用凹部を形成する領域にエッチング速度を低減するバリア層を成膜するバリア層成膜工程を備え、前記凹部形成工程が、前記基板の前記一面の前記空洞部用凹部を形成する領域と前記マーク用凹部を形成する領域にエッチング加工を行うこととしてもよい。

バリア層により空洞部用凹部のエッチング速度とマーク用凹部のエッチング速度とに差を設けることで、凹部形成工程において、深さの異なる空洞部用凹部とマーク用凹部とを１度のエッチング加工により形成することができる。

また、上記発明においては、前記凹部形成工程が、前記基板の前記一面の前記空洞部用凹部が形成される領域と前記マーク用凹部が形成される領域に熱プレス加工を行うこととしてもよい。
熱プレス加工により、所望の深さの空洞部用凹部およびマーク用凹部を簡易に形成することができる。

本発明によれば、発熱効率が高く安定した品質のサーマルヘッドを製造することができるという効果を奏する。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法Ａについて、図面を参照して説明する。
本実施形態に係るサーマルヘッドの製造方法Ａは、例えば、図１に示すようなサーマルプリンタ１０に用いられるサーマルヘッド１を製造するものである。

サーマルプリンタ１０は、本体フレーム１１と、水平配置されるプラテンローラ１３と、プラテンローラ１３の外周面に対向配置されるサーマルヘッド１と、サーマルヘッド１を支持している放熱板１５と（図２参照）、プラテンローラ１３とサーマルヘッド１との間に感熱紙１２等の印刷対象物を送り出す紙送り機構１７と、サーマルヘッド１を感熱紙１２に対して所定の押圧力で押し付ける加圧機構１９とを備えている。

プラテンローラ１３は、加圧機構１９の作動により、サーマルヘッド１および感熱紙１２が押し付けられるようになっている。これにより、プラテンローラ１３の荷重が感熱紙１２を介してサーマルヘッド１に加えられるようになっている。
放熱板１５は、例えば、アルミ等の金属、樹脂、セラミックスまたはガラス等からなる板状部材であり、サーマルヘッド１の固定および放熱を目的とするものである。

サーマルヘッド１は、図２に示すように板状をなしており、図３（図２のＡ−Ａ矢視断面図）に示すように、放熱板１５に固定されている矩形状の支持基板（支持板）３と、支持基板３の表面に接合された蓄熱層５と、蓄熱層５上に設けられた複数の発熱抵抗体７と、発熱抵抗体７に接続された電極部８Ａ，８Ｂと、発熱抵抗体７および電極部８Ａ，８Ｂを覆い磨耗や腐食から保護する保護膜９とを有している。なお、図２において、矢印Ｋは、紙送り機構１７による感熱紙１２の送り方向を示している。

支持基板３は、強度が高いものが好ましく、例えば、３００μｍ〜１ｍｍ程度の厚さを有するガラス、金属またはセラミックス等の絶縁性の基板である。

蓄熱層５は、厚さ１０〜５０μｍ程度の薄板状のガラスによって構成されている。蓄熱層５の支持基板３側の表面には、長手方向に延びる矩形状の空洞部用凹部２が形成されている。蓄熱層５と支持基板３とは、接着剤または陽極接合等の直接接合によって接合されている。

支持基板３と蓄熱層５との間には、蓄熱層５の空洞部用凹部２が支持基板３によって覆われることにより空洞部（以下、空洞部を「中空断熱層」という。）４が形成されている。空洞部用凹部２の底部分、すなわち、蓄熱層５の中空断熱層４上に位置する薄板部分（以下「薄板部５Ａ」という。）は、約１０μｍの厚さを有している。

中空断熱層４は、発熱抵抗体７で発生した熱が蓄熱層５の薄板部５Ａから支持基板３への熱の流入を抑制する断熱層として機能するものであり、全ての発熱抵抗体７に対向する連通構造を有している。空洞部を断熱層として機能させることで、発熱抵抗体７の下方の蓄熱層５に伝導される熱量より発熱抵抗体７の上方へと伝導されて印字等に利用される熱量が大きくなり、発熱効率の向上を図ることができる。

発熱抵抗体７は、蓄熱層５の上端面において、それぞれ空洞部用凹部２を幅方向に跨ぐように設けられ、空洞部用凹部２の長手方向に所定の間隔をあけて配列されている。すなわち、各発熱抵抗体７は、蓄熱層５の薄板部５Ａを介して中空断熱層４に対向して設けられ、中空断熱層４上に位置するように配置されている。

電極部８Ａ，８Ｂは、発熱抵抗体７を発熱させるためのものであり、各発熱抵抗体７の配列方向に直交する方向の一端に接続される共通電極８Ａと、各発熱抵抗体７の他端に接続される個別電極８Ｂとから構成されている。共通電極８Ａは、全ての発熱抵抗体７に一体的に接続され、個別電極８Ｂは個々の発熱抵抗体７にそれぞれ接続されている。

個別電極８Ｂに選択的に電圧を印加すると、選択された個別電極８Ｂとこれに対向する共通電極８Ａとが接続されている発熱抵抗体７に電流が流れて発熱抵抗体７が発熱するようになっている。この状態で、加圧機構１９の作動により、発熱抵抗体７の発熱部分を覆う保護膜９の表面部分（印字部分）に感熱紙１２を押し付けることで、感熱紙１２が発色して印字されるようになっている。

なお、各発熱抵抗体７のうち実際に発熱する部分（以下、発熱部分を「発熱部７Ａ」という。）は、発熱抵抗体７に電極部８Ａ，８Ｂが重なっていない部分、すなわち、発熱抵抗体７のうち共通電極８Ａの接続面と個別電極８Ｂの接続面との間の領域であって、中空断熱層４のほぼ真上に位置する部分である。

以下、このように構成されたサーマルヘッド１の製造方法Ａ（以下、単に「製造方法Ａ」とする。）について説明する。
本実施形態に係る製造方法Ａは、図４（ａ），（ｂ）に示すように、大型で矩形状の薄板ガラス（基板）５０と支持基板３とを張り合わせて多数のサーマルヘッド１を形成する。図４（ａ）において、薄板ガラス５０の長手方向を矢印Ｙ、幅方向を矢印Ｘとする。

この製造方法Ａは、蓄熱層５となる薄板ガラス５０の空洞部用凹部２を形成する領域にバリア層２１（図６参照）を成膜するバリア層成膜工程と、空洞部用の凹部２とマーク用の凹部６（図７参照）を形成する凹部形成工程と、空洞部用凹部２およびマーク用凹部６が形成された薄板ガラス５０の一面５０Ａに支持基板３を接合する接合工程と、支持基板３が接合された薄板ガラス５０を薄板化する薄板化工程と、薄板化された薄板ガラス５０の裏面５０Ｂに発熱抵抗体７を形成する発熱抵抗体形成工程とを備えている。以下、図５のフローチャートを参照して、各工程について具体的に説明する。

まず、図６に示すように、厚さが約２００〜５００μｍの大型の薄板ガラス５０の一面５０Ａに、ガラスがエッチングされる速度よりもエッチング速度が遅いバリア層２１を成膜する。そして、空洞部用凹部２を形成する領域にのみバリア層２１が残るようにパターニングを行う（ステップＡ１、バリア層成膜工程）。

バリア層２１としては、例えば、フッ酸系のウェットエッチングに対する耐性がガラスより大きいアルミやタンタル等が用いられる。また、空洞部用凹部２は、例えば、薄板ガラス５０の長手方向Ｙに延びる溝を長手方向Ｙに直列に３列、幅方向Ｘに並列に８列並ぶように形成するものとする。また、マーク用凹部６は、ほぼ四角柱状の溝を薄板ガラス５０の４隅にそれぞれ形成するものとする。

続いて、フォトリソグラフィー技術により、空洞部用凹部２を形成する領域（バリア層２１を残した領域）およびマーク用凹部６を形成する領域以外にフォトレジスト２３を形成する。

蓄熱層５の薄板部５Ａの厚さを約１０μｍにする場合、例えば、バリア層２１の厚さは約１μｍとする。また、薄板ガラス５０のエッチング速度を毎分１μｍとし、バリア層２１のエッチング速度を毎分０．１μｍとする。この条件で薄板ガラス５０の一面５０Ａを一様にエッチングする（凹部形成工程）。

エッチングを１０分間行うと、図７に示すように、バリア層２１が全て溶解するとともに、深さ約１０μｍのマーク用凹部６が形成される（ステップＡ２）。この状態から薄板ガラス５０の一面５０Ａをさらに一様にエッチングしていくことで、所定の深さの空洞部用凹部２と、空洞部用凹部２より深さが約１０μｍ深いマーク用凹部６とが形成される。

凹部形成工程においては、図８に示すように、空洞部用凹部２が所望の深さとなるまでエッチングを継続する（ステップＡ３）。バリア層２１により、空洞部用凹部２のエッチング速度とマーク用凹部６のエッチング速度とに差を設けることで、凹部形成工程において、深さの異なる空洞部用凹部２とマーク用凹部６とを１度のエッチング加工により形成することができる。

凹部形成工程により薄板ガラス５０に空洞部用凹部２およびマーク用凹部６を形成したら、図９に示すように、薄板ガラス５０の一面５０Ａからフォトレジスト２３を全て剥離し、マーク用凹部６の底面にエッチング終了検出用のマーク層２５を形成する（ステップＡ４）。マーク層２５の形成は、例えば、マスク蒸着、マスクスパッタ、または、スクリーン印刷等のプロセスにより行う。マーク層２５は、不透明なマークとし、肉眼で確認できる程度の大きさに成膜することが好ましい。

続いて、図１０に示すように、凹部形成工程により空洞部用凹部２およびマーク用凹部６が形成された薄板ガラス５０の一面５０Ａに支持基板３を接合する（ステップＡ５、接合工程）。薄板ガラス５０と支持基板３とは接着剤により接着する。なお、接着剤を用いずに、陽極接合等の直接接合により接合することとしてもよい。

薄板ガラス５０の一面５０Ａが支持基板３によって覆われることで、すなわち、空洞部用凹部２の開口部が支持基板３によって覆われることで、薄板ガラス５０と支持基板３との間に空洞部（中空断熱層）４が形成される。空洞部用凹部２の深さにより空洞部の厚さが決定されるので、中空断熱層４の厚さを容易に制御することができる。

次に、図１１に示すように、接合工程により支持基板３が接合された薄板ガラス５０を、一面５０Ａに対して反対側の裏面５０Ｂ側からマーク用凹部６が貫通するまで一様に薄板化する（ステップＡ６、薄板化工程）。薄板ガラス５０の薄板化は、凹部形成工程と同様のエッチングにより行う。

この場合に、空洞部用凹部２の深さとマーク用凹部６の深さとの差を１０μｍとしているので、マーク用凹部６が貫通してマーク層２５が形成された部分のガラスがすべて溶解した時点で、蓄熱層５としての薄板ガラス５０の中空断熱層４上に厚さが約１０μｍの薄板部５Ａが形成される。この時点でマークが消滅するので、薄板ガラス５０のエッチングを終了する。

薄板ガラスとして１００μｍ以下の厚さのものは、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、当初から薄い薄板ガラスを直接支持基板３に接合する代わりに、製造やハンドリングが容易な厚さの薄板ガラス５０を支持基板３に接合し、その後、薄板部５Ａが所望の厚さとなるようにエッチングによって加工することで、支持基板３の一面に容易かつ安価にごく薄い蓄熱層５を形成することができる。

次に、蓄熱層５上に発熱抵抗体７、共通電極８Ａ、個別電極８Ｂ、および、保護膜９を順次形成する（ステップＡ７、発熱抵抗体形成工程等）。これら発熱抵抗体７、共通電極８Ａ、個別電極８Ｂ、および、保護膜９は、従来のサーマルヘッドにおける公知の製造方法を用いて作製することができる。

具体的には、発熱抵抗体形成工程においては、スパッタリングやＣＶＤ（化学気相成長法）、または、蒸着等の薄膜形成法を用いて蓄熱層５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する。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７が形成される。

続いて、発熱抵抗体形成工程と同様に、蓄熱層５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する。そして、この膜をリフトオフ法や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したりするなどして、所望の形状の共通電極８Ａおよび個別電極８Ｂを形成する。なお、発熱抵抗体７、共通電極８Ａ、および、個別電極８Ｂを形成する順序は任意である。

発熱抵抗体７および電極部８Ａ，８Ｂにおけるリフトオフもしくはエッチングのためのレジスト材のパターニングでは、フォトマスクを用いて、フォトレジスト材をパターンニングする。

発熱抵抗体７、共通電極８Ａおよび個別電極８Ｂを形成した後、蓄熱層５上にＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＡｌＯＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、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９を形成する。そして、大型の薄板ガラス５０および支持基板３を切断することにより、個別のサーマルヘッド１が完成する。

以上説明したように、本実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法Ａによれば、蓄熱層５と支持基板３との間に中空断熱層４が形成される。この中空断熱層４により、発熱抵抗体７の発熱部７Ａで発生した熱が蓄熱層５を介して支持基板３へ伝わるのが抑制されるので、エネルギー効率の高いサーマルヘッド１を製造することができる。

また、発熱抵抗体７を支える中空断熱層４上の薄板部５Ａの厚さが、空洞部用凹部２の深さとマーク用凹部６の深さとの差によって決定されるので、凹部形成工程において、空洞部用凹部２とマーク用凹部６をそれぞれ所望の深さにするだけで、薄板部５Ａの厚さを正確に制御することができる。また、薄板化する前の薄板ガラス５０に空洞部用凹部２およびマーク用凹部６を形成し、支持基板３により薄板ガラス５０を補強した状態で薄板化することで、製造過程中に空洞部が壊れるのを抑制することができる。これにより、発熱効率が高く安定した品質のサーマルヘッド１を製造することができる。

〔第２の実施形態〕
以下、本発明の第２の実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法Ｂ（以下、単に「製造方法Ｂ」とする。）について、図１２のフローチャートを参照して説明する。
本実施形態に係る製造方法Ｂは、凹部形成工程において、バリア層２１を用いたエッチング加工に代えて熱プレス加工により空洞部用凹部２およびマーク用凹部６を形成する点で第１の実施形態と異なる。
以下、本実施形態の説明において、第１の実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法Ａと構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。

凹部形成工程においては、図１３に示すように、薄板ガラス５０の一面５０Ａの空洞部用凹部２が形成される領域とマーク用凹部６が形成される領域に熱プレス加工を行う（ステップＢ１、凹部形成工程）。空洞部用凹部２およびマーク用凹部６は、マーク用凹部６が空洞部用凹部２の深さに蓄熱層５の薄板部５Ａの厚さを加えた深さとなるように形成する。

例えば、空洞部用凹部２の深さが１００μｍで薄板部５Ａの厚さを約１０μｍにする場合、マーク用凹部６の深さを１１０μｍとすればよい。以下、接合工程、薄板化工程、および、発熱抵抗体形成工程等のステップＢ２〜Ｂ５については、第１の実施形態のステップＡ４〜Ａ７と同様である（図１４〜図１６参照）。
このように、本実施形態に係る製造方法Ｂによれば、熱プレス加工により、所望の深さの空洞部用凹部２およびマーク用凹部６Ａを簡易に形成することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の第１の実施形態に係るサーマルプリンタの概略構成図である。図１のサーマルヘッドを保護膜側から見た平面図である。図２のサーマルヘッドのＡ−Ａ断面図である。（ａ）は大型の薄板ガラスと支持基板とを接合させた状態を薄板ガラス側から見た平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢指断面図である。本発明の第１の実施形態に係るサーマルヘッドの製造方法のフローチャート図である。大型の薄板ガラスにバリア層を成膜した状態を示す縦断面図である。図６の薄板ガラスにエッチングを１０分間行った状態を示す縦断面図である。図７の薄板ガラスに空洞部用凹部およびマーク用凹部を形成した状態を示す縦断面図である。図８の薄板ガラスのマーク用凹部にマーク層を形成した状態を示す縦断面図である。図９の薄板ガラスの一面に支持基板を接合した状態を示す縦断面図である。図１０の薄板ガラスを薄板化した状態を示す縦断面図である。本発明の第２の実施形態に係るサーマルヘッドの製造方法のフローチャート図である。薄板ガラスに空洞部用凹部およびマーク用凹部を形成した状態を示す縦断面図である。図１３の薄板ガラスのマーク用凹部にマーク層を形成した状態を示す縦断面図である。図１４の薄板ガラスの一面に支持基板を接合した状態を示す縦断面図である。図１５の薄板ガラスを薄板化した状態を示す縦断面図である。

符号の説明

１サーマルヘッド
２空洞部用凹部
３支持基板（支持板）
６マーク用凹部
７発熱抵抗体
２１バリア層
５０薄板ガラス（基板）
５０Ａ薄板ガラスの一面
５０Ｂ薄板ガラスの裏面

Claims

基板の一面に空洞部用凹部と該空洞部用凹部より深さが深いマーク用凹部を形成する凹部形成工程と、
該凹部形成工程により前記空洞部用凹部および前記マーク用凹部が形成された前記基板の前記一面に支持板を接合する接合工程と、
該接合工程により前記支持板が接合された前記基板を、前記一面に対して反対側の裏面側から前記マーク用凹部が貫通するまで薄板化する薄板化工程と、
該薄板化工程により薄板化された前記基板の前記裏面に前記空洞部用凹部に対向して発熱抵抗体を形成する発熱抵抗体形成工程と
を備えるサーマルヘッドの製造方法。
前記凹部形成工程において、前記空洞部用凹部の深さとマーク用凹部の深さとの差が前記発熱抵抗体が支えられる前記基板の厚さとなるように前記空洞部用凹部およびマーク用凹部を形成する請求項１に記載のサーマルヘッドの製造方法。
前記基板の前記一面の前記空洞部用凹部を形成する領域にエッチング速度を低減するバリア層を成膜するバリア層成膜工程を備え、
前記凹部形成工程が、前記基板の前記一面の前記空洞部用凹部を形成する領域と前記マーク用凹部を形成する領域にエッチング加工を行う請求項１または請求項２に記載のサーマルヘッドの製造方法。
前記凹部形成工程が、前記基板の前記一面の前記空洞部用凹部が形成される領域と前記マーク用凹部が形成される領域に熱プレス加工を行う請求項１または請求項２に記載のサーマルヘッドの製造方法。