JP5856738B2 - サーマルヘッド - Google Patents

Description

発熱抵抗体層に拡散防止物質を含有させ、抵抗値のバラつきを防止したサーマルヘッドに関する。

プリンタなどに用いられるサーマルヘッドの絶縁性基板には、一般的にセラミックやアルミナ等が用いられている。ところが、セラミックやアルミナ等は、価格が高いため、これらの代替材としてガラス基板を用いることが検討されている。

しかし、絶縁性基板として用いられているアルミナ基板の耐熱温度が１０００℃程度であったのに対して、ガラス基板は７００℃付近にガラス転移点があり、絶縁性基板上に形成される発熱抵抗体層の焼成温度である８００℃に耐えられないという問題を有していた。

また、ガラス基板として用いられる無アルカリガラスは、熱膨張係数が小さいために、例えば、発熱抵抗体やオーバーコートなどの熱膨張係数の大きい素材からなるものを隣接させて配設すると、加熱した際に界面に生じた歪みによって破損が発生してしまう。

特許文献１には、抵抗体ペーストにガラス転移点が高いガラスを含有させる方法が記載されており、導電物質としての酸化ルテニウムにガラス粉末、印刷用の樹脂および溶剤を混練し抵抗体ペーストとしたものを電極上に塗布し、焼成することにより発熱抵抗体層を形成している。

特許文献１のように、発熱抵抗体層をガラスおよび導電物質などで構成することにより、発熱抵抗体とガラス基板との熱膨張係数の差を小さくすることができ、加熱した際の界面における歪みの発生を少なくしてガラス基板が破損することを防止できる。

しかし、特許文献１の抵抗体ペーストの焼成温度は８１０℃であり、絶縁性基板にガラス基板を用いる際には、軟化点よりも焼成温度が高いために用いることができない。したがって、絶縁性基板としてガラス基板を用いるために、ガラスの軟化点以下すなわち７００℃未満の焼成温度において焼成可能な抵抗体ペーストの開発が求められている。

また、絶縁性基板上に配設された電極層および発熱抵抗体層の上面には、保護膜としてのオーバーコート層が配設されており、ガラスを主成分としたガラスペーストを塗布して焼成することにより形成されている。

このとき、抵抗体ペーストにガラスを含有させると、発熱抵抗体層と保護膜層との界面において双方のガラスが混ざり合ってしまい、導電物質などが拡散して、発熱抵抗体層の抵抗値にバラつきが発生するという問題を有していた。

特許文献２には、界面における物質の拡散による抵抗値のバラつきを防止するために、発熱抵抗体層とオーバーコート層との間にシリコン層をスパッタリングまたは気相化学成長技術（ＣＶＤ）によって形成し、物質の拡散を防止して抵抗値のバラつきを防止することが開示されている。

特開２００１−１１３７４０号公報 特開平５−３１８７９２号公報

しかし、スパッタリングまたはＣＶＤによるシリコン層の形成は、作業工程の増加やコストの増加を招き実用的ではない。

そこで、本発明では、このような従来技術に鑑みて、発熱抵抗体層を、酸化亜鉛を主成分とするガラスからなり、導電物質および拡散防止物質を含有したペーストを焼成して形成することにより、発熱抵抗体の抵抗値のバラつきを防止して製品の品質を向上させ、また、コストパフォーマンスおよび製造時の作業性に優れたサーマルヘッドを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、第１の本発明のサーマルヘッドは、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に所定パターンで形成された電極層と、前記電極層上に形成された発熱抵抗体層と、前記電極層と前記発熱抵抗体層とを覆う保護層とを備えたサーマルヘッドであって、前記発熱抵抗体層は、酸化亜鉛を主成分とするガラスを主な成分として導電物質および拡散防止物質である酸化鉛を含有するペーストの焼成体からなり、前記保護層は、前記電極層および前記発熱抵抗体層を覆うように積層され、酸化亜鉛を主成分とするガラスを主な成分とするガラスペーストの焼成体からなり、前記保護層内において、前記発熱抵抗体層内の前記拡散防止物質である酸化鉛が拡散している鉛拡散層を設けることにより、前記保護層のガラス成分が前記発熱抵抗体層のガラス成分と混ざることを防いで形成されていることを特徴とするものである。

このような、第１の本発明のサーマルヘッドによれば、発熱抵抗体層と保護膜層とを共に酸化亜鉛を主成分とするガラスを主な成分とし、発熱抵抗体層が拡散防止物質である酸化鉛を含有したペーストの焼成体からなることにより、発熱抵抗体層と保護膜層との間にガラス拡散を防止する鉛拡散層を設けて、発熱抵抗体層と保護膜層とのガラス成分が混ざり合うことを防ぐことができるので、サーマルヘッドの抵抗値のバラつきの発生を防止して、高品質な製品を提供することを可能とする。

また、第２の本発明のサーマルヘッドは、前記拡散防止物質である酸化鉛は、前記発熱抵抗体層に対して１〜１０ｗｔ％含有されていることを特徴とするものである。

このような、第２の本発明のサーマルヘッドによれば、発熱抵抗体層と保護膜層との間にガラス拡散を防止する鉛拡散層を確実に形成して、発熱抵抗体層と保護膜層のガラスとが混ざり合うことを防ぐことができるので、サーマルヘッドの抵抗値のバラつきの発生を防止して、高品質な製品を提供することを可能とする。

また、第３の本発明のサーマルヘッドは、前記絶縁性基板が、板ガラスからなることを特徴とするものである。

このような、第３の発明のサーマルヘッドによれば、コストパフォーマンスに優れたサーマルヘッドとすることができる。

第１の本発明のサーマルヘッドの製造方法は、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に所定パターンで形成された電極層と、前記電極層上に形成された発熱抵抗体層と、前記電極層と前記発熱抵抗体層とを覆う保護層とを備えたサーマルヘッドの製造方法であって、酸化亜鉛を主成分とするガラスを主な成分とし、導電物質および拡散防止物質である酸化鉛を含有するペーストを焼成して前記発熱抵抗体層を形成し、酸化亜鉛を主成分とするガラスを主な成分とするガラスペーストを前記電極体層および前記発熱抵抗体層を覆うように塗布し、その後焼成して前記保護層を形成することによって、前記発熱抵抗体層内の前記拡散防止物質である酸化鉛を前記保護層内に拡散させて、前記保護層のガラス成分が前記発熱抵抗体層のガラス成分と混ざることを防ぐ鉛拡散層を形成することを特徴とするものである。

このような、第１の本発明のサーマルヘッドの製造方法によれば、発熱抵抗体層と保護膜層とを共に酸化亜鉛を主成分とするガラスとし、発熱抵抗体層を拡散防止物質である酸化鉛を含有したペーストを焼成して形成することにより、発熱抵抗体層と保護膜層との間にガラス拡散を防止する鉛拡散層を形成して、発熱抵抗体層と保護膜層とのガラス成分が混ざり合うことを防止し、抵抗値のバラツキの少ない高品質なサーマルヘッドを製造することを可能とする。

また、第２の本発明のサーマルヘッドの製造方法は、前記発熱抵抗体層を形成する前記ペースト中のガラスが、平均粒径が２μｍ以下の粉末を用いることを特徴とするものである。このような、第２の本発明のサーマルヘッドの製造方法によれば、発熱抵抗体層を緻密で均質な構造とすることができる。

また、第３の本発明のサーマルヘッドの製造方法は、前記発熱抵抗体層を形成する前記ペースト中のガラスのガラス軟化点が、６００℃〜６５０℃であることを特徴とするものである。このような、第３の本発明のサーマルヘッドの製造方法によれば、発熱抵抗体層と保護膜層との間にガラスの拡散を防止するための鉛拡散層を効果的に形成することができる。

本発明のサーマルヘッドによれば、発熱抵抗体層を、酸化亜鉛を主成分とするガラスからなり、導電物質および拡散防止物質を含有したペーストを焼成して形成するので、絶縁性基板にガラス基板を用いることを可能としてサーマルヘッドのコストパフォーマンスを良好にすると共に、作業工程を増加させることなく保護層への鉛の拡散を防止することができるので、高品質なサーマルヘッドを提供することを可能とする。

本発明に係るサーマルヘッドの断面図 図１における要部拡大断面図 本発明に係るサーマルヘッドの断面ＳＥＭ写真 本発明に係る保護膜層の焼成温度検討結果の断面ＳＥＭ写真 保護膜層焼成後の試験片の表面粗さ測定結果（ａ）焼成温度６１０℃における測定結果（ｂ）焼成温度６５０℃における測定結果（ｃ）焼成温度８００℃における測定結果

本発明に係るサーマルヘッド１の具体的な実施形態を図１乃至図５を用いて説明する。

本発明のサーマルヘッド１は、図１に示すように、無アルカリガラス系の板ガラスからなる絶縁性基板２の上面にフォトエッチングによってＡｕ電極層３が積層して配設されている。さらに、Ａｕ電極層３の上面には、Ａｕ電極層３の一部を露出させた状態で、発熱抵抗体層４およびコモン電極層５が配設され、発熱抵抗体層４およびコモン電極層５とを覆うように保護膜層６が積層し配設されている。

また、サーマルヘッド１は、図２に示すように、サーマルヘッド取付台７に配設され、サーマルヘッド１に隣接して配設されたＩＣ搭載部８の上面に配設されたＩＣ９とＡｕ電極層３の表面に露出した部分とがワイヤー１０によって接続され、絶縁のための封止材１１によって封止されている。

発熱抵抗体層４は、酸化亜鉛を主成分とするガラスを主な成分とし、導電物質としての酸化ルテニウム、拡散防止物質としての酸化鉛等を有する抵抗体ペーストを塗布した後、６５０℃以下の温度で焼成することにより形成される。

なお、拡散防止物質としては、酸化鉛を用いることが好ましく、抵抗体ペースト全体の質量に対して１〜１０ｗｔ％の割合で含有させるとよい。

抵抗体ペーストに用いられる酸化亜鉛を主成分とするガラスには、ガラスの軟化点が６００〜６５０℃であり、平均粒径が２μｍ以下のガラス粉末を用いることが好ましく、２μｍ以下の粒径のガラス粉末とすることにより、絶縁性基板２としての板ガラスのガラス転移点以下の温度すなわち６５０℃程度の温度において焼成を行っても、緻密で均質な発熱抵抗体層４を形成することができる。

このように、抵抗体ペーストに拡散防止物質としての酸化鉛を含有させることにより、発熱抵抗体層４に積層させて保護膜層６を焼成する際に、保護膜層６内に鉛の拡散が生じて、図３に示すように、鉛拡散層１２を形成することにより、発熱抵抗体層４のガラス成分と保護膜層６のガラス成分とが混ざり合って抵抗値にバラつきが発生するのを防止することができる。

また、保護膜層６は、酸化亜鉛を主成分とするガラス粉末に全体の質量に対して１５〜２５ｗｔ％の熱膨張係数が小さい低膨張結晶化ガラスの粉末を混合し、ガラスペーストとしたものを発熱抵抗体層４およびコモン電極層５を覆うように塗布し、６５０℃以下の温度で焼成することにより形成される。

なお、保護膜層６には、ガラスの軟化点が６００〜６５０℃であり、ガラスの結晶化温度が６８０℃以上のガラス粉末を用いることにより、焼成による製膜時においてガラスが結晶化することがなく、表面への凹凸の発生を防止することができる。
＜実施例１＞

次に、発熱抵抗体層４および保護膜層６とにそれぞれ用いるガラスについて検討を行った。

実験には、酸化亜鉛を主成分とし、酸化鉛を含有しないガラス１、酸化鉛を１〜１０ｗｔ％含有させたガラス２および酸化鉛を６０ｗｔ％含有させたガラス３を用いた。なお、ガラス１は６５０℃の軟化点を有し、ガラス２は６３５℃の軟化点を有し、ガラス３は５５０℃の軟化点を有している。

試験片は、ガラス基板に対して、ガラス１を含有させた抵抗体ペーストを印刷によって塗布し、６４０℃で焼成して発熱抵抗体層４を形成し、さらに、発熱抵抗体層４に積層させてガラス１乃至ガラス３からなるガラスペーストを印刷により塗布し、６４０℃で焼成することにより保護膜層６を形成して作成した。なお、保護膜層６にガラス３を用いる場合には、６００℃で焼成を行った。

また、抵抗体ペーストにガラス２およびガラス３を含有させたものについても、上記と同じ手順でそれぞれ試験片を作成した。

作成した試験片に対し、それぞれ抵抗値を測定して所定の抵抗値からの抵抗値上昇率および抵抗値上昇率のバラつきを求め、表１にまとめた。

表１内の数値は、所定の抵抗値からの抵抗値上昇値と、抵抗値上昇値のバラつき（括弧内に示される数値）である。

表１に示すように、いずれのガラスにおいても、発熱抵抗体層４と保護膜層６とに同じガラスを用いると、抵抗値上昇率が大きくなっていることがわかる。

また、発熱抵抗体層４にガラス１を用い、保護膜層６に対してガラス２を用いると抵抗値上昇率が３５．８％となり、大きな抵抗値の上昇が見られた。保護膜層６に対してガラス３を用いると抵抗値上昇率は−５．４％と小さかったものの、抵抗値上昇率のバラつきが１２．８％と大きく、安定した抵抗値が得られていない。

また、発熱抵抗体層４に対してガラス２を用いた場合は、保護膜層６に対してガラス２以外を用いることで、抵抗値上昇率が小さく良好な抵抗値を示し、保護膜層６に対してガラス１を用いることで、抵抗値上昇率が小さく、さらに、抵抗値上昇率のバラつきも少ない値が得られた。

また、発熱抵抗体層４に対してガラス３を用いた場合は、保護膜層６に対していずれのガラスを用いても、抵抗値上昇率が高く、所定の抵抗値のほぼ２倍程度まで上昇していることが分かる。

これらの結果から、発熱抵抗体層４にガラス２を用い、保護膜層６にガラス１を用いる組み合わせが最も抵抗値上昇率および抵抗値上昇率のバラつきに優れた組み合わせであった。

これは、ガラスに対して酸化鉛の含有量を増加させると、ガラスの軟化点が引き下げられるため、発熱抵抗体層４に積層させてガラスペーストを塗布して焼成する際に、焼成温度で発熱抵抗体層４のガラスが軟化して、発熱抵抗体層４に含まれる鉛成分が保護膜層６中に拡散して鉛拡散層１２を形成し、保護膜層６の酸化亜鉛が移動するのを防止するためである。

しかし、ガラス３のように多量の酸化鉛を含有させると、形成された発熱抵抗体層４の軟化点が低くなり熱耐性が低くなるために、保護膜層６を焼成する際に発熱抵抗体層４が液状となり鉛成分が大量に保護膜層６に拡散して抵抗値を上昇させてしまい、さらに、保護膜層６の軟化点が下がりサーマルヘッドとしての耐熱要求を満たすことができなくなる。

＜実施例２＞
また、保護膜層６の焼成温度について検討を行った。

ガラス基板上に発熱抵抗体層４を形成し、発熱抵抗体層４に積層させてガラスペーストを印刷により塗布し、それぞれ６１０℃、６５０℃および８００℃で焼成し、得られた試験片の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、得られたＳＥＭ像を図４に示す。

なお、図４の（ａ）および（ｂ）は、保護膜層６を６１０℃で焼成した断面をＳＥＭを用いて３０００倍および５０００倍で観察した写真、（ｃ）および（ｄ）は、保護膜層６を６５０℃で焼成した断面をＳＥＭを用いて３０００倍および５０００倍で観察した写真、（ｅ）および（ｆ）は、保護膜層６を８００℃で焼成した断面をＳＥＭを用いて３０００倍および５０００倍で観察した写真である。

６１０℃で焼成した試験片は、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、発熱抵抗体層４および保護膜層６が均一であり、鉛が保護膜層６の４分の１程度の厚さまで拡散して鉛拡散層１２を形成しているのが分かる。

また、６５０℃で焼成した試験片は、図４（ｃ）および（ｄ）に示すように、保護膜層６に若干の気泡が認めれた。また、明確な鉛拡散層１２の界面が認められず、保護膜層６の９割以上の厚さにまで鉛が拡散していることが分かる。

また、８００℃で焼成した試験片は、図４（ｅ）および（ｆ）に示すように、保護膜層６に大きな気泡が認められるとともに、多数の粒界が認められることから、ガラスが結晶化し析出していることが分かる。

また、各試験片の表面粗さを測定した結果を図５に示す。

なお、図５（ａ）は焼成温度６１０℃、（ｂ）は焼成温度６５０℃および（ｃ）は焼成温度８００℃のときの試験片の表面粗さ測定結果である。

測定結果から、焼成温度６５０℃のときの表面が最もなめらかとなっていることが分かる。

また、焼成温度６１０℃において認められた凹凸は、焼成温度が不十分であるためにガラス粉末の粒子が完全に融解せずに残ったためであると考えられる。

また、焼成温度８００℃における表面の乱れは、焼成温度が高すぎるために、ガラスの結晶化が生じたためである。

以上の結果から、保護膜層６は、６１０℃から６５０℃の間の温度で焼成されて形成されるのが好ましく、この間の焼成温度とすることにより、緻密で均質な保護膜層６とすることができる。

＜実施例３＞
保護膜層６のガラスペーストに混合させる低膨張結晶化ガラスの混合量を検討する。

ガラスペーストの全質量に対して、低膨張結晶化ガラスを０〜３０ｗｔ％の割合で１０ｗｔ％おきに添加量を増加させて混合したガラスペーストを印刷により塗布した後、６４０℃で焼成して試験片を得た。

サーマルヘッドを用いて印刷時または紙送り時において、サーマルヘッドとプラテンローラとの間に異物が通過することによる、保護膜層６へのクラックの発生を検討するために、それぞれの試験片に対して異物通過の試験を行った、試験結果を表２に示す。

表２に示すように、ガラスペーストに対して低膨張結晶化ガラスを０ｗｔ％および１０ｗｔ％混合した試験片は、異物通過試験によってクラックが発生してしまった。

また、低膨張結晶化ガラスを３０ｗｔ％混合した試験片では、凹凸が大きくサーマルヘッドとプラテンローラとの間に記録用紙を通過させることができなかった。

よって、異物通過試験においては、ガラスペーストに対して３０ｗｔ％の低膨張結晶化ガラスを混合したものが最もよく、異物が通過しても保護膜層６にクラックの発生は認められなかった。

これは、ガラスペーストに低膨張結晶化ガラスを混合して焼成することにより、粒子状の低膨張結晶化ガラスの間に融解したガラスが間を埋めるように侵入してネットワーク構造を形成するとともに、ガラス相と低膨張結晶化ガラスとの界面に析出硬化が起こるので、表面に微細なクラックが発生した場合においても、クラックが深さ方向に進行してサーマルヘッドが破損することを防止していると考えられる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々に変更することができるものである。

１ サーマルヘッド
２ 絶縁性基板
３ Ａｕ電極層
４ 発熱抵抗体層
５ コモン電極層
６ 保護膜層
７ サーマルヘッド取付台
８ ＩＣ搭載部
９ ＩＣ
１０ ワイヤー
１１ 封止材
１２ 鉛拡散層

Claims (6)

1. 絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に所定パターンで形成された電極層と、前記電極層上に形成された発熱抵抗体層と、前記電極層と前記発熱抵抗体層とを覆う保護層とを備えたサーマルヘッドであって、
   前記発熱抵抗体層は、酸化亜鉛を主成分とするガラスを主な成分として導電物質および拡散防止物質である酸化鉛を含有するペーストの焼成体からなり、
   前記保護層は、前記電極層および前記発熱抵抗体層を覆うように積層され、酸化亜鉛を主成分とするガラスを主な成分とするガラスペーストの焼成体からなり、
   前記保護層内において、前記発熱抵抗体層内の前記拡散防止物質である酸化鉛が拡散している鉛拡散層を設けることにより、前記保護層のガラス成分が前記発熱抵抗体層のガラス成分と混ざることを防いで形成されている
   ことを特徴とするサーマルヘッド。
2. 前記拡散防止物質である酸化鉛は、前記発熱抵抗体層に対して１〜１０ｗｔ％含有されていることを特徴とする請求項１に記載のサーマルヘッド。
3. 前記絶縁性基板は、板ガラスからな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。
4. 絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に所定パターンで形成された電極層と、前記電極層上に形成された発熱抵抗体層と、前記電極層と前記発熱抵抗体層とを覆う保護層とを備えたサーマルヘッドの製造方法であって、
   酸化亜鉛を主成分とするガラスを主な成分とし、導電物質および拡散防止物質である酸化鉛を含有するペーストを焼成して前記発熱抵抗体層を形成し、
   酸化亜鉛を主成分とするガラスを主な成分とするガラスペーストを前記電極体層および前記発熱抵抗体層を覆うように塗布し、その後焼成して前記保護層を形成することによって、前記発熱抵抗体層内の前記拡散防止物質である酸化鉛を前記保護層内に拡散させて、前記保護層のガラス成分が前記発熱抵抗体層のガラス成分と混ざることを防ぐ鉛拡散層を形成することを特徴とするサーマルヘッドの製造方法。
5. 前記発熱抵抗体層を形成する前記ペースト中のガラスは、平均粒径が２μｍ以下の粉末を用いることを特徴とする請求項４に記載のサーマルヘッドの製造方法。
6. 前記発熱抵抗体層を形成する前記ペースト中のガラスのガラス軟化点は、６００℃〜６５０℃であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のサーマルヘッドの製造方法。