JP5311335B2 - サーマルヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
発熱効率の高いサーマルヘッドとしては、例えば、特許文献1に開示された構造を有するものが知られている。
また、基板として熱膨張係数が3.3×10−6/℃の単結晶シリコン基板を用い、蓄熱層として高価で加工性は悪いが、熱膨張係数が3.2×10−6/℃のパイレックスガラスを用いた場合には、サーマルヘッドに反りや歪みは発生しなくなるが、製造コストが高騰化し、製造工程が煩雑化してしまうといった問題点があった。
本発明の参考例としての発明に係るサーマルヘッドは、支持基板の表面に弾性材料からなる接着層を介して積層された蓄熱層の上に、複数の発熱抵抗体が間隔をあけて配列され、前記支持基板と前記蓄熱層との間の前記発熱抵抗体の発熱部に対向する領域に空洞部が形成され、該空洞部が、前記支持基板の表面に設けられた凹部と、該凹部を閉塞し、前記空洞部に表面を露出させた前記蓄熱層とにより構成されている。
また、支持基板の材料として単結晶シリコン基板を採用した場合でも、蓄熱層の材料として安価で加工性の良いソーダガラスを採用することができるので、製造コストの低減化を図ることができて、製造工程の簡略化を図ることができる。
さらに、発熱抵抗体の発熱部と対向する領域(発熱部によって覆われる領域)の下方に、発熱効率を向上させるのに十分な深さ(高さ)を有する空洞部、すなわち、蓄熱層から支持基板への熱の流入を規制する断熱層が形成されることとなるので、発熱効率を向上させることができる。
また、支持基板の一面から蓄熱層の他面に向かって突出する堰の先端面により、発熱抵抗体の表面から加えられる押圧力が支持されることとなるので、印刷時の過大な圧力に対する機械的強度を向上させることができ、耐久性および信頼性を向上させることができる。
また、発熱抵抗体の発熱部と対向する領域(発熱部によって覆われる領域)の下方に、発熱効率を向上させるのに十分な深さ(高さ)を有する空洞部、すなわち、蓄熱層から支持基板への熱の流入を規制する断熱層が形成されることとなるので、発熱効率を向上させることができる。
また、支持基板の材料として単結晶シリコン基板を採用した場合でも、蓄熱層の材料として安価で加工性の良いソーダガラスを採用することができるので、製造コストの低減化を図ることができて、製造工程の簡略化を図ることができる。
さらに、発熱抵抗体の発熱部と対向する領域(発熱部によって覆われる領域)の下方に、発熱効率を向上させるのに十分な深さ(高さ)を有する空洞部、すなわち、蓄熱層から支持基板への熱の流入を規制する断熱層が形成されることとなるので、発熱効率を向上させることができる。
図1は本発明に係るサーマルヘッドを搭載したサーマルプリンタの縦断面図、図2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3は図2のα−α矢視断面図、図4〜図10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。
なお、基板11の他面(図3において下側の面)上には、図示しない放熱板が設けられている。
なお、発熱抵抗体14が実際に発熱する部分(以下、「発熱部」という。)は、個別電極17および共通電極18と重ならない部分である。
凹部20は、発熱抵抗体14毎に空洞部19を形成するように設けられており、凹部20と凹部20との間はドット間隔壁21(図2参照)で隔てられている(仕切られている)。また、基板11の表面に、複数の凹部20が形成されることにより、凹部20と凹部20との間に位置するドット間隔壁21の表面全体が接着層12を介して蓄熱層13の裏面と接触することとなる。
なお、空洞部19の平面視における寸法は任意であって、発熱部の寸法に近ければ、本実施形態のように発熱部よりも大きくてもよく、また、発熱部よりも小さくてもよい。
接着層12の材料としては、サーマルヘッド4の動作時に、200℃から300℃程度まで上昇する発熱抵抗体14の温度に耐え得る高耐熱性材料、例えば、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂等の有機樹脂材料が用いられる。
まず、図4に示すように、一定(300μm〜1mm程度)の厚さを有する基板11の表面の、発熱抵抗体14の発熱部と対向する領域に、空洞部19を形成する凹部20を加工する。基板11の材料としては、例えば、熱膨張係数が8.6×10−6/℃のソーダガラス、熱膨張係数が3.2×10−6/℃のパイレックスガラス、熱膨張係数が3.8×10−6/℃の無アルカリガラス等のガラス基板、熱膨張係数が3.3×10−6/℃の単結晶シリコン基板、熱膨張係数が7.2×10−6/℃のセラミックス基板(アルミナ基板)等が用いられる。
凹部20は、例えば、基板11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。
つづいて、図6に示すように、ペースト状の接着層12の一面(図6において上側の面)上に一定(10μm〜100μm程度)の厚さを有する蓄熱層13を重ねて置き、所定の温度と荷重を一定の時間均等に加えて、基板11と蓄熱層13とを接合(接着)する。蓄熱層13の材料としては、例えば、熱膨張係数が8.6×10−6/℃のソーダガラス、熱膨張係数が3.2×10−6/℃のパイレックスガラス、熱膨張係数が3.8×10−6/℃の無アルカリガラス等のガラス基板が用いられる。
ガラス基板からなる蓄熱層13のエッチングには、上述したように、凹部20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、ガラス基板からなる蓄熱層13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。
これら発熱抵抗体層16、個別電極17、共通電極18、保護膜15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蓄熱層13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層16を形成する。
このようにして発熱抵抗体層16、個別電極17、および共通電極18を形成した後、蓄熱層13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15を形成する。
また、基板11の材料として単結晶シリコン基板を採用した場合でも、蓄熱層13の材料として安価で加工性の良いソーダガラスを採用することができるので、製造コストの低減化を図ることができて、製造工程の簡略化を図ることができる。
さらに、発熱抵抗体14の発熱部と対向する領域(発熱部によって覆われる領域)の下方に、発熱効率を向上させるのに十分な深さ(高さ)を有する空洞部19、すなわち、蓄熱層13から基板11への熱の流入を規制する断熱層が形成されることとなるので、発熱効率を向上させることができる。
また、発熱抵抗体14の発熱部と対向する領域の下方に、発熱効率を向上させるのに十分な深さを有する空洞部19、すなわち、蓄熱層13から基板11への熱の流入を規制する断熱層が形成されることとなるので、発熱効率を向上させることができる。
図11に示す方法は、図11(a)に示すように、凹部20が形成された基板11(図4参照)の一面上に一定(10μm〜100μm程度)の厚さを有するシート状の接着層12を重ねて(被せて)置き、図示しない柔らかいローラ、棒、型等を用いて凹部20内に接着層12を押し込んで、基板11の一面上全体を接着層12で覆うようにしたものである。
このように製造すると、容易に製造することができる平坦なシート状に形成された接着層素材を使用することができるので、製造コストを低減させることができ、製造工程の簡略化を図ることができる。
なお、接着層12は加熱すると押し込みやすくなる。
図14に示す方法は、図14(a)に示すように、凹部20が形成された基板11(図4参照)を、容器36内に収容された液状の接着層素材にディッピングし(漬け)、引き上げて、図14(b)に示すように、基板11の表面全体を接着層12で覆うようにしたものである。
図16に示す方法は、液状の接着層12を、凹部20が形成された基板11(図4参照)の一面上で、凹部20が形成されている領域以外の領域に刷毛41(図15参照)等で図15に示す方法よりも厚めに塗布した後、プレス機46等で接着層12の一面(図16において上側の面)を押圧して、図16(b)に示すように、基板11の一面上全体を接着層12で覆うようにしたものである。
図17に示すように、本実施形態に係るサーマルヘッド51は、凹部20の壁面(基板11の一面および蓄熱層13の他面と直交する面)20aおよび底面(基板11の一面および蓄熱層13の他面に平行な面)20bに、接着層12が積層(形成)されていない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一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。
なお、ガラスの熱伝導率は0.9W/mK、空気の熱伝導率は0.02W/mK、エポキシ樹脂の熱伝導率は0.21W/mKである。
さらに、基板11の材料として単結晶シリコン基板を採用した場合でも、蓄熱層13の材料として安価で加工性の良いソーダガラスを採用することができるので、製造コストの低減化を図ることができて、製造工程の簡略化を図ることができる。
さらにまた、発熱抵抗体14の発熱部と対向する領域(発熱部によって覆われる領域)の下方に、発熱効率を向上させるのに十分な深さ(高さ)を有する空洞部19、すなわち、蓄熱層13から基板11への熱の流入を規制する断熱層が形成されることとなるので、発熱効率を向上させることができる。
また、基板11の材料として単結晶シリコン基板を採用した場合でも、蓄熱層13の材料として安価で加工性の良いソーダガラスを採用することができるので、製造コストの低減化を図ることができて、製造工程の簡略化を図ることができる。
さらに、発熱抵抗体14の発熱部と対向する領域(発熱部によって覆われる領域)の下方に、発熱効率を向上させるのに十分な深さを有する空洞部19、すなわち、蓄熱層13から基板11への熱の流入を規制する断熱層が形成されることとなるので、発熱効率を向上させることができる。
図18に示す方法は、発熱抵抗体14の発熱部と対向する領域(発熱部によって覆われる領域)が、予め機械加工、レーザー加工、抜き加工等によりくり抜かれた一定(10μm〜100μm程度)の厚さを有するシート状の接着層12(図18参照)を、凹部20が形成された基板11(図4参照)の一面上に位置合わせしながら重ねて(被せて)置き、凹部20が形成された基板11の一面上で、凹部20が形成されている領域以外の領域を接着層12で覆うようにしたものである。
図20に示すように、本実施形態に係るサーマルヘッド61は、凹部20の壁面20aに沿って、すなわち、凹部20の平面視における輪郭に沿って堰62が形成されているという点で上述した第2参考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2参考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11の一面から蓄熱層13の他面に向かって突出する堰62の先端面62aにより、発熱抵抗体14の表面(図20において上側の面)から加えられる押圧力が支持されることとなるので、印刷時の過大な圧力に対する機械的強度を向上させることができ、耐久性および信頼性を向上させることができる。
なお、本実施形態では、堰62の先端面62aと蓄熱層13の他面との間に接着層12は介在しておらず、基板11は蓄熱層13に対して、あるいは蓄熱層13は基板11に対して熱伸びできる(移動できる)ようになっている。
また、基板11の材料として単結晶シリコン基板を採用した場合でも、蓄熱層13の材料として安価で加工性の良いソーダガラスを採用することができるので、製造コストの低減化を図ることができて、製造工程の簡略化を図ることができる。
さらに、発熱抵抗体14の発熱部と対向する領域(発熱部によって覆われる領域)の下方に、発熱効率を向上させるのに十分な深さ(高さ)を有する空洞部19、すなわち、蓄熱層13から基板11への熱の流入を規制する断熱層が形成されることとなるので、発熱効率を向上させることができる。
また、基板11の材料として単結晶シリコン基板を採用した場合でも、蓄熱層13の材料として安価で加工性の良いソーダガラスを採用することができるので、製造コストの低減化を図ることができて、製造工程の簡略化を図ることができる。
さらに、発熱抵抗体14の発熱部と対向する領域(発熱部によって覆われる領域)の下方に、発熱効率を向上させるのに十分な深さ(高さ)を有する空洞部19、すなわち、蓄熱層13から基板11への熱の流入を規制する断熱層が形成されることとなるので、発熱効率を向上させることができる。
図21に示す方法は、凹部20および堰62に対応する領域(発熱部と対向する領域)が、予め機械加工、レーザー加工、抜き加工等によりくり抜かれた一定(10μm〜100μm程度)の厚さを有するシート状の接着層12(図21参照)を、凹部20および堰62が形成された基板11(図20参照)の一面上に位置合わせしながら重ねて(被せて)置き、凹部20および堰62が形成された基板11の一面上で、凹部20および堰62が形成されている領域以外の領域を接着層12で覆うようにしたものである。
例えば、上述した実施形態では、空洞部19が、発熱抵抗体14と同じ数だけ形成されたものを説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら空洞部19は、発熱抵抗体14の配列方向に沿って、発熱抵抗体14を跨ぐように形成されたもの、すなわち、一つの空洞部であってもよい。
このような空洞部が形成されたサーマルヘッドによれば、隣接して配置された空洞部同士が互いに連通状態とされ、発熱抵抗体14で発生した熱(熱量)の、基板11内への流出経路の一部が遮断されることとなるので、発熱抵抗体14で発生した熱(熱量)が、基板11内へ流出してしまうことをさらに抑制することができ、発熱抵抗体14の発熱効率をさらに向上させることができて、消費電力の低減化をさらに図ることができる。
例えば、発熱抵抗素子部品としては、熱によってインクを吐出するサーマル式またはバルブ式のインクジェットヘッドを始めとした用途に応用できる。また、サーマルヘッド4と略同様の構造である熱消去ヘッドや、熱定着を必要とするプリンタ等の定着ヒータ、光導波路型光部品の薄膜発熱抵抗素子等、他の膜状の発熱抵抗素子部品を保有する電子部品でも同様の効果を得ることができる。
4 サーマルヘッド
11 基板(支持基板)
12 接着層
13 蓄熱層
14 発熱抵抗体
19 空洞部
20 凹部
51 サーマルヘッド
61 サーマルヘッド
62 堰
S 空間(隙間)
Claims (1)
- 支持基板の表面に凹部を形成し、
該凹部の形成された前記支持基板の表面に、平坦なシート状に形成された弾性材料からなる接着層素材を積層し、該接着層素材を熱または外力によって前記支持基板の表面形状に沿わせるように変形させることにより、前記凹部を形成する壁面および底面を露出させずに覆うように前記支持基板表面に接着層を積層し、
該接着層を挟んで前記支持基板の表面に蓄熱層を積層状態に接合し、
該蓄熱層の表面の前記凹部に対向する領域に、複数の発熱抵抗体を間隔をあけて形成するサーマルヘッドの製造方法。
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