JP7481158B2 - サーマルプリントヘッドおよびサーマルプリンタ - Google Patents
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Description
本発明は、サーマルプリントヘッドと、当該サーマルプリントヘッドを具備するサーマルプリンタとに関する。
特許文献１には、サーマルプリントヘッドの一例が開示されている。当該サーマルプリントヘッドは、支持基板の上に配置された発熱抵抗体と、当該発熱抵抗体に設けられた複数の電極とを備える。複数の電極に電流が流れると、発熱抵抗体が発熱する。これにより、感熱紙などの記録媒体に印字がなされる。
当該サーマルプリントヘッドは、発熱抵抗体、および複数の電極を覆う保護膜をさらに備える。当該保護膜は、支持基板の厚さ方向において当該保護膜の内部に作用する膜応力の分布が異なる特性を有する。この膜応力の分布について具体的に言及すると、当該厚さ方向において発熱抵抗体から徐々に遠ざかると、当該膜応力が徐々に大となるものである。これにより、保護膜の表面の硬度がより大きくなるため、記録媒体に対する当該サーマルプリントヘッドの耐摩耗性がより優れたものとなる。さらに、当該厚さ方向において、保護膜の内部に作用する膜応力が当該保護膜の表面から発熱抵抗体にかけて徐々に小となるため、発熱抵抗体の発熱に起因した熱応力の集中が抑制される。これにより、保護膜の硬度が比較的大であっても、当該保護膜に亀裂などが発生しにくくなる。
しかし、当該保護膜は、スパッタリング法により形成される。当該保護膜の形成にあたっては、１回の成膜ごとにガス圧を調整しながら、比較的多くの成膜回数をかけてケイ化物の薄膜を積層させることが必要である。したがって、当該保護膜の形成は、当該サーマルプリントヘッドの製造効率が低下する要因となるため、この点について改善が望まれる。
本発明は上述の事情に鑑み、製造効率の低下を抑制しつつ、記録媒体に対する耐摩耗性を向上させることが可能なサーマルプリントヘッドおよびその製造方法と、当該サーマルプリントヘッドを備えるサーマルプリンタとを提供することをその課題とする。
本発明の第１の側面によって提供されるサーマルプリントヘッドは、厚さ方向を向く主面を有する基板と、主走査方向に配列された複数の発熱部を含むとともに、前記主面の上に形成された抵抗体層と、前記抵抗体層の上に形成され、かつ前記複数の発熱部に導通する配線層と、前記主面の一部と、前記複数の発熱部、および前記配線層と、を覆う保護層と、を備え、前記保護層の少なくとも一部を覆う被覆層をさらに備え、前記厚さ方向に沿って視て、前記被覆層は、前記複数の発熱部に重なり、前記被覆層は、前記保護層に接する下地層と、前記下地層に積層された本体層と、を有し、前記下地層および前記本体層の各々は、金属元素を含むことを特徴としている。
本発明の実施において好ましくは、前記金属元素は、金属結合により互いに結合されている。
本発明の実施において好ましくは、前記本体層のビッカース硬さは、前記保護層のビッカース硬さよりも大である。
本発明の実施において好ましくは、前記保護層は、ケイ素をその組成に含む。
本発明の実施において好ましくは、前記主面は、基面と、前記基面から前記厚さ方向に膨出する凸面と、を含み、前記凸面は、前記主走査方向に沿って延び、前記複数の発熱部は、前記凸面の上に形成されている。
本発明の実施において好ましくは、前記厚さ方向に沿って視て、前記被覆層は、前記凸面に重なっている。
本発明の実施において好ましくは、前記凸面は、前記基面に対して平行な頂面と、前記頂面および前記基面につながり、かつ副走査方向において互いに離れて位置する一対の傾斜面と、を含み、前記複数の発熱部は、前記頂面と、前記一対の傾斜面との少なくともいずれかと、の上に形成されている。
本発明の実施において好ましくは、前記配線層は、共通配線と、複数の個別配線と、を含み、前記共通配線は、前記複数の発熱部に対して前記副走査方向の一方側に位置し、前記複数の個別配線は、前記複数の発熱部に対して前記副走査方向の他方側に位置し、前記共通配線の一部と、前記複数の個別配線の各々の一部と、は、前記一対の傾斜面のいずれかの上に形成されている。
本発明の実施において好ましくは、前記一対の傾斜面は、前記基面から前記頂面にかけて互いに近づくように前記基面に対して傾斜している。
本発明の実施において好ましくは、前記一対の傾斜面の各々は、前記基面につながる第１領域と、前記頂面および前記第１領域につながる第２領域と、を含み、前記基面に対する前記第２領域の傾斜角は、前記基面に対する前記第１領域の傾斜角よりも小である。
本発明の実施において好ましくは、前記基板は、半導体材料からなり、前記半導体材料は、ケイ素を組成とする単結晶材料を含む。
本発明の実施において好ましくは、前記主面を覆う絶縁層をさらに備え、前記抵抗体層は、前記絶縁層に接している。
本発明の実施において好ましくは、ヒートシンクをさらに備え、前記基板は、前記厚さ方向において前記主面とは反対側を向く裏面を有し、前記裏面は、前記ヒートシンクに接合されている。
本発明の第２の側面によって提供されるサーマルプリントヘッドの製造方法は、厚さ方向を向く主面を有する基材に対して、主走査方向に配列された複数の発熱部を含む抵抗体層を、前記主面に形成する工程と、前記複数の発熱部に導通する配線層を、前記抵抗体層の上に形成する工程と、前記主面の一部と、前記複数の発熱部、および前記配線層と、を覆う保護層を形成する工程と、を備え、前記保護層を形成する工程の後に、前記保護層の少なくとも一部を覆う被覆層を形成する工程をさらに備え、前記被覆層を形成する工程では、前記保護層に接し、かつ金属元素を含む下地層を形成する工程と、前記下地層に積層され、かつ金属元素を含む本体層を形成する工程と、を含み、前記本体層は、めっきにより形成されることを特徴としている。
本発明の実施において好ましくは、前記被覆層を形成する工程では、スパッタリング法により前記下地層が形成され、前記被覆層を形成する工程では、前記下地層を導電経路とした電解めっきにより前記本体層が形成される。
本発明の実施において好ましくは、前記主面は、基面と、前記基面から前記厚さ方向に膨出する凸面と、を含み、前記抵抗体層を形成する工程の前に、前記基面から前記厚さ方向に膨出し、かつ前記主走査方向に沿って延びるとともに、前記凸面を含む凸部を前記基材に形成する工程をさらに備え、前記抵抗体層を形成する工程では、前記複数の発熱部を前記凸面の上に形成する。
本発明の実施において好ましくは、前記基材は、半導体材料からなり、前記半導体材料は、ケイ素を組成とする単結晶材料を含む。
本発明の実施において好ましくは、前記凸部を形成する工程では、異方性エッチングにより前記凸部が形成される。
本発明の第３の側面によって提供されるサーマルプリンタは、本発明の第１の側面によって提供されるサーマルプリントヘッドと、前記複数の発熱部に対向して配置されたプラテンと、を備える。
本発明にかかるサーマルプリントヘッドおよびその製造方法によれば、製造効率の低下を抑制しつつ、記録媒体に対する耐摩耗性を向上させることが可能となる。
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面に基づき以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
本発明を実施するための形態について、添付図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
図１～図６に基づき、本発明の第１実施形態にかかるサーマルプリントヘッドＡ１０について説明する。サーマルプリントヘッドＡ１０は、後述するサーマルプリンタＢ１０の主要部をなす。サーマルプリントヘッドＡ１０は、要部および付随部により構成される。サーマルプリントヘッドＡ１０の要部は、基板１、絶縁層２、抵抗体層３、配線層４、保護層５および被覆層６を備える。サーマルプリントヘッドＡ１０の付随部は、配線基板７１、ヒートシンク７２、複数の駆動素子７３、複数の第１ワイヤ７４、複数の第２ワイヤ７５、封止樹脂７６およびコネクタ７７を備える。ここで、図１においては、保護層５、被覆層６、複数の第１ワイヤ７４、複数の第２ワイヤ７５、および封止樹脂７６の図示を省略している。図２および図３においては、保護層５および図６の図示を省略している。
図１～図６に基づき、本発明の第１実施形態にかかるサーマルプリントヘッドＡ１０について説明する。サーマルプリントヘッドＡ１０は、後述するサーマルプリンタＢ１０の主要部をなす。サーマルプリントヘッドＡ１０は、要部および付随部により構成される。サーマルプリントヘッドＡ１０の要部は、基板１、絶縁層２、抵抗体層３、配線層４、保護層５および被覆層６を備える。サーマルプリントヘッドＡ１０の付随部は、配線基板７１、ヒートシンク７２、複数の駆動素子７３、複数の第１ワイヤ７４、複数の第２ワイヤ７５、封止樹脂７６およびコネクタ７７を備える。ここで、図１においては、保護層５、被覆層６、複数の第１ワイヤ７４、複数の第２ワイヤ７５、および封止樹脂７６の図示を省略している。図２および図３においては、保護層５および図６の図示を省略している。
ここで、説明の便宜上、サーマルプリントヘッドＡ１０の主走査方向を「ｘ方向」と呼ぶ。サーマルプリントヘッドＡ１０の副走査方向を「ｙ方向」と呼ぶ。基板１の厚さ方向を「ｚ方向」と呼ぶ。ｚ方向は、ｘ方向およびｙ方向の双方に対して直交している。以下の説明において、「ｚ方向に沿って視て」とは、「厚さ方向に沿って視て」を指す。
サーマルプリントヘッドＡ１０においては、図４に示すように、サーマルプリントヘッドＡ１０の要部をなす基板１は、ヒートシンク７２に接合されている。さらに、配線基板７１は、ｙ方向において基板１の隣に位置する。配線基板７１は、基板１と同じくヒートシンク７２に固定されている。基板１の上には、抵抗体層３の一部をなし、かつｘ方向に配列された複数の発熱部３１（詳細は後述）が形成されている。複数の発熱部３１は、配線基板７１に搭載された複数の駆動素子７３により選択的に発熱する。複数の駆動素子７３は、コネクタ７７を介して外部から送信される印字信号にしたがって駆動する。
さらに、本発明にかかるサーマルプリンタＢ１０は、図４に示すように、サーマルプリントヘッドＡ１０と、プラテンローラ７９とを備える。サーマルプリンタＢ１０において、プラテンローラ７９は、感熱紙などの記録媒体を送り出すローラ状の機構である。プラテンローラ７９が記録媒体を複数の発熱部３１に押し当てることにより、当該複数の発熱部３１が当該記録媒体に印字を行う。サーマルプリンタＢ１０においては、プラテンローラ７９に代えて、ローラ状ではない機構を採用できる。当該機構は、平坦な面を有する。ここで、平坦な面には、小さい曲率を有する曲面が含まれる。サーマルプリンタＢ１０においては、プラテンローラ７９のようなローラ状の機構と、当該機構とを含めて「プラテン」と呼ぶ。ここで、説明の便宜上、図４において記録媒体の供給元の側（図４における右側）を「上流側」と呼ぶ。図４において記録媒体の排出先の側（図４における左側）を「下流側」と呼ぶ。
基板１は、図１に示すように、ｚ方向に沿って視てｘ方向に延びる帯状である。基板１は、半導体材料からなる。当該半導体材料は、ケイ素（Ｓｉ）を組成とする単結晶材料を含む。
図５に示すように、基板１は、主面１０および裏面１３を有する。基板１の結晶構造に基づく主面１０および裏面１３の面方位は、ともに（１００）面である。主面１０および裏面１３は、ｚ方向において互いに反対側を向く。図４に示すように、サーマルプリントヘッドＡ１０においては、主面１０が示すプラテンローラ７９に対向し、かつ裏面１３が配線基板７１に対向する。主面１０は、基面１１および凸面１２をさらに含む。基面１１は、裏面１３に対して平行である。凸面１２は、基面１１からｚ方向に膨出している。凸面１２は、ｘ方向に沿って延びている。
図６に示すように、凸面１２は、頂面１２１、および一対の傾斜面１２２を有する。頂面１２１は、ｚ方向において基面１１から離れて位置し、かつ基面１１に対して平行である。一対の傾斜面１２２は、ｙ方向において互いに離れて位置する。一対の傾斜面１２２は、頂面１２１および基面１１につながっている。一対の傾斜面１２２は、基面１１から頂面１２１にかけて互いに近づくように基面１１に対して傾斜している。基面１１に対する一対の傾斜面１２２の各々の傾斜角αは、ともに同一である。
図６に示すように、基板１には、凸部１７が形成されている。凸部１７は、基面１１からｚ方向に膨出し、かつｘ方向に沿って延びている。凸面１２は、凸部１７の表面である。したがって、凸面１２の構成は、凸部１７の形状に基づいたものとなっている。
絶縁層２は、図６に示すように、基板１の主面１０を覆っている。絶縁層２により、基板１は、抵抗体層３および配線層４に対して電気絶縁されている。絶縁層２は、たとえば、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を原材料とした二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）からなる。絶縁層２の厚さの例は、１μｍ以上１５μｍ以下である。
抵抗体層３は、図５および図６に示すように、基板１の主面１０の上に形成されている。抵抗体層３は、絶縁層２に接している。これにより、サーマルプリントヘッドＡ１０において、絶縁層２は、基板１と抵抗体層３との間に挟まれた構成となっている。抵抗体層３は、たとえば窒化タンタル（ＴａＮ）からなる。抵抗体層３の厚さの例は、０．０２μｍ以上０．１μｍ以下である。
図２、図３および図６に示すように、抵抗体層３は、複数の発熱部３１を含む。抵抗体層３において、複数の発熱部３１は、配線層４から露出する部分である。複数の発熱部３１に対して配線層４から選択的に通電されることによって、複数の発熱部３１は、記録媒体を局所的に加熱する。複数の発熱部３１は、ｘ方向に配列されている。複数の発熱部３１のうち、ｘ方向において隣り合う２つの当該発熱部３１は、互いに離れて位置する。基板１の凸面１２において、複数の発熱部３１は、頂面１２１に形成されている。図４に示すように、サーマルプリンタＢ１０において、複数の発熱部３１は、プラテンローラ７９に対向している。凸面１２において、複数の発熱部３１は、頂面１２１と、一対の傾斜面１２２とのいずれかとを跨いで形成されてもよい。
配線層４は、図５および図６に示すように、抵抗体層３の上に形成されている。配線層４は、抵抗体層３の複数の発熱部３１に通電するための導電経路をなしている。配線層４の電気抵抗率は、抵抗体層３の電気抵抗率よりも小である。配線層４は、たとえば銅（Ｃｕ）からなる金属層である。配線層４の厚さの例は、０．３μｍ以上２．０μｍ以下である。この他、配線層４は、抵抗体層３の上に積層されたチタン（Ｔｉ）層と、当該チタン層の上に積層された銅層との２つの金属層からなる構成でもよい。この場合のチタン層の厚さの例は、０．１μｍ以上０．２μｍ以下である。
図２に示すように、配線層４は、共通配線４１、および複数の個別配線４２を含む。共通配線４１は、抵抗体層３の複数の発熱部３１に対してｙ方向の一方側に位置する。複数の個別配線４２は、複数の発熱部３１に対してｙ方向の他方側に位置する。図３に示すように、ｚ方向に沿って視て、共通配線４１と複数の個別配線４２とに挟まれた抵抗体層３の複数の領域が、複数の発熱部３１である。
図２および図３に示すように、共通配線４１は、基部４１１、および複数の延出部４１２を有する。ｙ方向において、基部４１１は、抵抗体層３の複数の発熱部３１から最も離れて位置する。基部４１１は、ｚ方向に沿って視てｘ方向に延びる帯状である。複数の延出部４１２は、ｙ方向において基板１の凸部１７に対向する基部４１１の端部から、複数の発熱部３１に向けて延びる帯状である。複数の延出部４１２は、ｘ方向に沿って配列されている。複数の延出部４１２の各々の一部は、基板１の一対の傾斜面１２２のうち、基部４１１に対向する当該傾斜面１２２の上に形成されている。したがって、共通配線４１の一部は、一対の傾斜面１２２のいずれかの上に形成されている。共通配線４１においては、基部４１１から複数の延出部４１２を介して複数の発熱部３１に電流が流れる。
図２および図３に示すように、複数の個別配線４２の各々は、基部４２１および延出部４２２を有する。ｙ方向において、基部４２１は、抵抗体層３の複数の発熱部３１から最も離れて位置する。複数の個別配線４２の基部４２１は、ｘ方向に対して千鳥配置となるように配列されている。延出部４２２は、ｙ方向において基板１の凸部１７に対向する基部４２１の端部から、複数の発熱部３１に向けて延びる帯状である。複数の個別配線４２の延出部４２２は、ｘ方向に沿って配列されている。複数の個別配線４２の各々の延出部４２２は、基板１の一対の傾斜面１２２のうち、複数の個別配線４２の基部４２１に対向する当該傾斜面１２２の上に形成されている。したがって、複数の個別配線４２の各々の一部は、一対の傾斜面１２２のいずれかの上に形成されている。複数の個別配線４２の各々においては、複数の発熱部３１のいずれかから延出部４２２を介して基部４２１に電流が流れる。ｚ方向に沿って視て、複数の発熱部３１の各々は、複数の個別配線４２の延出部４２２のいずれかと、共通配線４１の複数の延出部４１２のいずれかとに挟まれている。
保護層５は、図５に示すように、基板１の主面１０の一部と、抵抗体層３の複数の発熱部３１、および配線層４とを覆っている。保護層５は、電気絶縁性を有する。保護層５は、ケイ素をその組成に含む。保護層５は、たとえば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）および炭化ケイ素（ＳｉＣ）のいずれからなる。あるいは、保護層５は、これらの物質のうち複数種類からなる積層体でもよい。保護層５の厚さの例は、１．０μｍ以上１０μｍ以下である。サーマルプリンタＢ１０において、記録媒体は、図４に示すプラテンローラ７９により複数の発熱部３１を覆う保護層５の領域に押し当てられる。
図６に示すように、保護層５には、配線開口５１が設けられている。配線開口５１は、ｚ方向に保護層５を貫通している。配線開口５１から、複数の個別配線４２の基部４２１と、複数の個別配線４２の延出部４２２の各々の一部とが露出している。
被覆層６は、図５に示すように、保護層５の少なくとも一部を覆っている。ｚ方向に沿って視て、被覆層６は、抵抗体層３の複数に発熱部３１に重なっている。さらに、ｚ方向に沿って視て、被覆層６は、基板１の凸面１２に重なっている。図６に示すように、被覆層６は、下地層６１および本体層６２を有する。下地層６１および本体層６２の各々は、金属元素を含む。下地層６１および本体層６２の各々に含まれる金属元素は、金属結合により互いに結合されている。したがって、被覆層６は、電流を比較的流しやすい導電体とされる。下地層６１は、保護層５に接している。下地層６１は、保護層５に接するバリア層と、当該バリア層の上に積層されたシード層から構成される。バリア層に含まれる金属元素は、たとえばチタンである。シード層に含まれる金属元素は、たとえば銅である。本体層６２は、下地層６１に積層されている。本体層６２の厚さは、下地層６１の厚さよりも大である。本体層６２のビッカース硬さ（ＨＶ）は、保護層５のビッカース硬さよりも大である。本体層６２に含まれる金属元素は、たとえば銅である。この他、本体層６２に含まれる元素は、ニッケル（Ｎｉ）でもよい。
配線基板７１は、図４に示すように、ｙ方向において基板１の隣に位置する。図１に示すように、ｚ方向に沿って視て、複数の個別配線４２は、ｙ方向において抵抗体層３の複数の発熱部３１と、配線基板７１との間に位置する。ｚ方向に沿って視て、配線基板７１の面積は、基板１の面積よりも大である。さらに、ｚ方向に沿って視て、配線基板７１は、ｘ方向を長手方向とする矩形状である。配線基板７１は、たとえばＰＣＢ基板である。配線基板７１には、複数の駆動素子７３、およびコネクタ７７が搭載されている。
ヒートシンク７２は、図４に示すように、基板１の裏面１３と対向している。裏面１３は、ヒートシンク７２に接合されている。配線基板７１は、ねじなどの締結部材によりヒートシンク７２に固定されている。サーマルプリントヘッドＡ１０の使用時において、抵抗体層３の複数の発熱部３１から発生した熱の一部は、基板１を介してヒートシンク７２に伝導される。ヒートシンク７２に伝導された熱は、外部へと放熱される。ヒートシンク７２は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）からなる。
複数の駆動素子７３は、図１および図４に示すように、電気絶縁性を有するダイボンディング材（図示略）を介して配線基板７１の上に搭載されている。複数の駆動素子７３の各々は、種々の回路が構成された半導体素子である。複数の駆動素子７３の各々には、複数の第１ワイヤ７４の各々の一端と、複数の第２ワイヤ７５の各々の一端とが接合されている。複数の第１ワイヤ７４の他端は、複数の個別配線４２の基部４２１に対して個別に接合されている。複数の第２ワイヤ７５の各々の他端は、配線基板７１に設けられ、かつコネクタ７７に導通する配線（図示略）に接合されている。これにより、印字信号、制御信号、および抵抗体層３の複数の発熱部３１に供給される電圧が、外部からコネクタ７７を介して複数の駆動素子７３に入力される。複数の駆動素子７３は、これらの電気信号に基づき、複数の個別配線４２に電圧を選択的に印加させる。これにより、複数の発熱部３１が選択的に発熱する。
封止樹脂７６は、図４に示すように、複数の駆動素子７３、複数の第１ワイヤ７４、および複数の第２ワイヤ７５と、基板１および配線基板７１の各々の一部とを覆っている。封止樹脂７６は、電気絶縁性を有する。封止樹脂７６は、たとえばアンダーフィルに用いられる黒色かつ軟質の合成樹脂である。
コネクタ７７は、図１および図４に示すように、配線基板７１のｙ方向の一端に搭載されている。コネクタ７７は、サーマルプリンタＢ１０に接続される。コネクタ７７は、複数のピン（図示略）を有する。当該複数のピンの一部は、配線基板７１において、複数の第２ワイヤ７５が接合された配線（図示略）に導通している。さらに、当該複数のピンの別の一部は、配線基板７１において、共通配線４１の基部４１１に導通する配線（図示略）に導通している。
次に、図７～図１８に基づき、サーマルプリントヘッドＡ１０の製造方法の一例について説明する。ここで、図７～図１８（ただし、図１６および図１７を除く。）の断面位置は、サーマルプリントヘッドＡ１０の要部を示す図５の断面位置と同一である。
最初に、図７および図８に示すように、基材８１に凸部１７を形成する。
まず、図７に示すように、基材８１を覆う第１マスク層８９１と、第１マスク層８９１の一部を覆う第２マスク層８９２とを形成する。基材８１は、半導体材料からなる。当該半導体材料は、ケイ素を組成とする単結晶材料を含む。基材８１は、シリコンウエハである。ｚ方向に対して直交する方向において、複数の基板１にそれぞれ相当する領域が複数個連なったものが、基材８１に相当する。基材８１は、第１面８１Ａおよび第２面８１Ｂを有する。第１面８１Ａおよび第２面８１Ｂは、ｚ方向において互いに反対側を向く。基材８１の結晶構造に基づく第１面８１Ａおよび第２面８１Ｂの面方位は、ともに（１００）面である。第１マスク層８９１は、第１面８１Ａおよび第２面８１Ｂを覆うように形成される。第１マスク層８９１は、二酸化ケイ素からなる。第２マスク層８９２は、第１面８１Ａを覆う第１マスク層８９１の領域を覆うように形成される。第２マスク層８９２は、窒化ケイ素からなる。第１面８１Ａを覆う第１マスク層８９１の領域と、当該領域を覆う第２マスク層８９２には、ｚ方向に貫通するマスク開口８９３が形成されている。
第１マスク層８９１および第２マスク層８９２の形成にあたっては、まず、熱酸化法により第１面８１Ａおよび第２面８１Ｂを覆う二酸化ケイ素の薄膜を形成する。次いで、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により、第１面８１Ａを覆う第１マスク層８９１の領域を覆う窒化ケイ素の薄膜を形成する。最後に、リソグラフィパターニングと、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）とにより、第１面８１Ａを覆う二酸化ケイ素の薄膜の領域の一部と、当該領域を覆う窒化ケイ素の薄膜の一部とを除去する。これにより、第１マスク層８９１および第２マスク層８９２が形成されるとともに、第１面８１Ａを覆う当該第１マスク層８９１の領域と、当該領域を覆う第２マスク層８９２とにマスク開口８９３が形成される。
次いで、図８に示すように、基材８１に主面１０および凸部１７を形成する。主面１０および凸部１７は、図７に示すマスク開口８９３で露出した第１面８１Ａの領域に対して、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いたウエットエッチングにより形成される。当該エッチングは、異方性である。最後に、フッ化水素酸（ＨＦ）を用いたウエットエッチングにより第１マスク層８９１および第２マスク層８９２を除去する。以上により、基面１１および凸面１２を含む主面１０と、凸部１７とが、基材８１に形成される。さらに、基材８１の第２面８１Ｂは、裏面１３となる。凸面１２は、基面１１からｚ方向に膨出している。凸部１７は、基面１１からｚ方向に膨出し、かつｘ方向に沿って延びている。凸部１７は、凸面１２を含む。第１マスク層８９１および第２マスク層８９２に覆われていた第１面８１Ａの領域が、凸面１２の頂面１２１となる。さらに、基面１１に対する凸面１２の一対の傾斜面１２２の各々の傾斜角αは、ともに同一である。これは、凸部１７が異方性エッチングにより形成されることに起因している。
次いで、図９に示すように、基材８１の主面１０を覆う絶縁層２を形成する。絶縁層２は、プラズマＣＶＤによりオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を原料ガスとして形成された二酸化ケイ素の薄膜を複数回にわたって積層させることによって形成される。
次いで、図１０～図１３に示すように、抵抗体層３および配線層４を形成する。抵抗体層３は、ｘ方向に配列された複数の発熱部３１を含む。配線層４は、複数の発熱部３１に導通する。さらに、配線層４を形成する工程では、共通配線４１、および複数の個別配線４２を形成する工程を含む。基材８１において、共通配線４１は、図１３に示す抵抗体層３の複数の発熱部３１に対してｙ方向の一方側に位置する。基材８１において、複数の個別配線４２は、図１３に示す複数の発熱部３１に対してｙ方向の他方側に位置する。
まず、図１０に示すように、基材８１の主面１０の上に抵抗体膜８２を形成する。抵抗体膜８２は、絶縁層２の全面を覆うように形成される。抵抗体膜８２は、スパッタリング法により窒化タンタルの薄膜を絶縁層２に積層させることによって形成される。
次いで、図１１に示すように、抵抗体膜８２の全面を覆う導電層８３を形成する。導電層８３は、スパッタリング法により銅の薄膜を複数回にわたって抵抗体膜８２に積層させることによって形成される。この他、導電層８３の形成にあたっては、スパッタリング法によりチタンの薄膜を抵抗体膜８２に積層させた後、当該チタンの薄膜に対してスパッタリング法により銅の薄膜を複数回にわたって積層させる手法を採ってもよい。
次いで、図１２に示すように、導電層８３に対してリソグラフィパターニングを施した後、導電層８３の一部を除去する。当該除去は、硫酸（Ｈ2ＳＯ4）および過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）の混合溶液を用いたウエットエッチングにより行われる。これにより、共通配線４１、および複数の個別配線４２が、抵抗体膜８２の上に形成される。したがって、本工程でもって配線層４の形成が完了する。さらに、基材８１の頂面１２１（凸面１２）の上に形成された抵抗体膜８２の領域が配線層４から露出する。
次いで、図１３に示すように、抵抗体膜８２および配線層４に対してリソグラフィパターニングを施した後、抵抗体膜８２の一部を除去する。当該除去は、反応性イオンエッチングにより行われる。これにより、抵抗体層３が、基材８１の主面１０の上に形成される。基材８１の頂面１２１の上には、複数の発熱部３１が現れる。
次いで、図１４に示すように、基材８１の主面１０の一部と、抵抗体層３の複数の発熱部３１、および配線層４を覆う保護層５を形成する。保護層５は、プラズマＣＶＤにより窒化ケイ素の薄膜を積層させることによって形成される。
次いで、図１５に示すように、ｚ方向に貫通する配線開口５１を保護層５に形成する。配線開口５１は、保護層５に対してリソグラフィパターニングを施した後、保護層５の一部を除去することにより形成される。当該除去は、反応性イオンエッチングにより行われる。これにより、配線開口５１から複数の個別配線４２の一部（図５に示す複数の個別配線４２の基部４２１、および複数の個別配線４２の延出部４２２の各々の一部）が露出する。
次いで、図１６～図１８に示すように、保護層５の少なくとも一部を覆う被覆層６を形成する。被覆層６を形成する工程では、保護層５に接し、かつ金属元素を含む下地層６１を形成する工程と、下地層６１に積層され、かつ金属元素を含む本体層６２を形成する工程とを含む。
まず、図１６に示すように、保護層５と、保護層５の配線開口５１で露出した複数の個別配線４２の一部とを覆う下地層６１を形成する。下地層６１は、スパッタリング法によりチタンの薄膜を保護層５と、配線開口５１で露出した複数の個別配線４２の一部とに積層させた後、当該チタンの薄膜に対してスパッタリング法により銅の薄膜を積層させることによって形成される。
次いで、図１７に示すように、下地層６１の上に本体層６２を形成する。本体層６２は、銅からなる。本体層６２は、下地層６１に対してリソグラフィパターニングを施した後、めっきにより形成される。当該めっきは、電解めっきおよび無電解めっきのいずれかである。当該めっきが電解めっきである場合、本体層６２は、下地層６１を導電経路とすることにより形成される。
次いで、図１８に示すように、本体層６２に覆われていない下地層６１の領域を除去する。当該除去は、硫酸および過酸化水素の混合溶液を用いたウエットエッチングにより行われる。これにより、被覆層６が形成される。
次いで、基材８１をｘ方向およびｙ方向に沿って切断することにより、基材８１を個片に分割する。これにより、基板１を含むサーマルプリントヘッドＡ１０の要部が得られる。次いで、配線基板７１に複数の駆動素子７３、およびコネクタ７７を搭載する。次いで、基板１の裏面１３、および配線基板７１をヒートシンク７２に接合させる。次いで、配線基板７１に対して複数の第１ワイヤ７４、および複数の第２ワイヤ７５の接合を行う。最後に、基板１および配線基板７１に対して、駆動素子７３、複数の第１ワイヤ７４、および複数の第２ワイヤ７５を覆う封止樹脂７６の形成を行う。以上の工程を経ることによって、サーマルプリントヘッドＡ１０が得られる。
次に、サーマルプリントヘッドＡ１０の作用効果について説明する。
サーマルプリントヘッドＡ１０は、基板１の主面１０の一部と、抵抗体層３の複数の発熱部３１、および配線層４とを覆う保護層５と、保護層５の少なくとも一部を覆う被覆層６とを備える。ｚ方向に沿って視て、被覆層６は、複数の発熱部３１に重なっている。被覆層６は、保護層５に接する下地層６１と、本体層６２に積層された本体層６２とを有する。下地層６１および本体層６２の各々は、金属元素を含む。これにより、サーマルプリントヘッドＡ１０の使用時においては、記録媒体が被覆層６に接触することとなる。したがって、記録媒体が保護層５に接触しない構成となるため、当該記録媒体に対するサーマルプリントヘッドＡ１０の耐摩耗性を向上させることが可能となる。
被覆層６の下地層６１は、金属元素を含む。これにより、下地層６１は、スパッタリング法で形成することができる。さらに、被覆層６の本体層６２も金属元素を含む。これにより、本体層６２は、めっきにより下地層６１に金属元素を析出させることで形成することができる。したがって、本構成によれば、被覆層６を比較的容易に、かつ効率よく形成することが可能となる。以上より、サーマルプリントヘッドＡ１０によれば、製造効率の低下を抑制しつつ、記録媒体に対するサーマルプリントヘッドＡ１０の耐摩耗性を向上させることが可能となる。
被覆層６の下地層６１および本体層６２の各々に含まれる金属元素は、金属結合により互いに結合されている。これにより、下地層６１および本体層６２の各々は、電流を比較的流しやすい導電体とされる。したがって、本体層６２は、下地層６１を電流経路とした電解めっきにより形成することができる。これにより、サーマルプリントヘッドＡ１０の製造効率の低下をさらに抑制することができる。
被覆層６の本体層６２のビッカース硬さは、保護層５のビッカース硬さよりも大である。このような物性は、記録媒体に対するサーマルプリントヘッドＡ１０の耐摩耗性の向上を図る上で好ましい。さらに、本体層６２の動摩擦係数は、より小であることが好ましい。これにより、サーマルプリントヘッドＡ１０の使用時において、記録媒体に起因した紙かすが被覆層６に付着することを抑制できる。
基板１の主面１０は、基面１１と、基面１１からｚ方向に膨出する凸面１２とを含む。凸面１２は、ｘ方向に沿って延びている。複数の発熱部３１は、凸面１２の上に形成されている。これにより、サーマルプリントヘッドＡ１０の使用時において、サーマルプリントヘッドＡ１０に対する記録媒体の接触面積をより小とすることができる。したがって、複数の発熱部３１に起因した記録媒体における印字の品質を向上させることができる。
さらに、凸面１２は、基板１の基面１１に対して平行な頂面１２１と、頂面１２１および基面１１につながり、かつｙ方向において互いに離れて位置する一対の傾斜面１２２とを含む。複数の発熱部３１は、頂面１２１の上に形成されている。共通配線４１の一部と、複数の個別配線４２の各々の一部とは、一対の傾斜面１２２のいずれかの上に形成されている。これにより、ｚ方向に沿って視て、複数の発熱部３１の各々のｙ方向の寸法をより小としつつ、サーマルプリントヘッドＡ１０の使用時において、サーマルプリントヘッドＡ１０に対して記録媒体の接触面積をさらに小とすることができる。したがって、サーマルプリントヘッドＡ１０における発熱量を抑えつつ、記録媒体における印字の品質をさらに向上させることができる。
基板１において、一対の傾斜面１２２は、基面１１から頂面１２１にかけて互いに近づくように基面１１に対して傾斜している。このような凸面１２の形状は、サーマルプリントヘッドＡ１０の製造方法において、異方性エッチングにより基材８１に凸部１７を形成することにより現れる。これは、基材８１は、半導体材料からなることと、当該半導体材料がケイ素を組成とする単結晶材料を含むこととに起因する。
サーマルプリントヘッドＡ１０は、ヒートシンク７２をさらに備える。基板１の裏面１３は、ヒートシンク７２に接合されている。これにより、サーマルプリントヘッドＡ１０の使用時において、複数の発熱部３１から発した熱の一部を、基板１およびヒートシンク７２を介して速やかに外部に放出させることができる。
〔第２実施形態〕
図１９および図２０に基づき、本発明の第２実施形態にかかるサーマルプリントヘッドＡ２０について説明する。これらの図において、先述したサーマルプリントヘッドＡ１０と同一または類似の要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。ここで、図１９の断面位置は、先述したサーマルプリントヘッドＡ１０を示す図５の断面位置と同一である。
図１９および図２０に基づき、本発明の第２実施形態にかかるサーマルプリントヘッドＡ２０について説明する。これらの図において、先述したサーマルプリントヘッドＡ１０と同一または類似の要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。ここで、図１９の断面位置は、先述したサーマルプリントヘッドＡ１０を示す図５の断面位置と同一である。
サーマルプリントヘッドＡ２０においては、基板１の凸面１２の構成と、抵抗体層３の複数の発熱部３１の構成とが、先述したサーマルプリントヘッドＡ１０の当該構成と異なる。
図１９および図２０に示すように、凸面１２の一対の傾斜面１２２の各々は、第１領域１２２Ａおよび第２領域１２２Ｂを含む。第１領域１２２Ａは、基板１の基面１１につながっている。第２領域１２２Ｂは、凸面１２の頂面１２１、および第１領域１２２Ａにつながっている。一対の傾斜面１２２の各々において、基面１１に対する第２領域１２２Ｂの傾斜角α２は、基面１１に対する第１領域１２２Ａの傾斜角α１よりも小である。このような一対の傾斜面１２２は、図８に示す工程と、図９に示す工程との間に、頂面１２１と、一対の傾斜面１２２との境界およびそれらの近傍に、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液を用いたウエットエッチングを施すことにより形成される。
図２０に示すように、抵抗体層３の複数の発熱部３１は、以下の態様により形成されている。第１に、複数の発熱部３１は、凸面１２の頂面１２１の上に形成されている。第２に、複数の発熱部３１は、頂面１２１と、凸面１２の一対の傾斜面１２２のうち下流側に位置する当該傾斜面１２２の第２領域１２２Ｂとを跨いで形成されている。第３に、複数の発熱部３１は、頂面１２１と、一対の傾斜面１２２のうち下流側に位置する当該傾斜面１２２の第２領域１２２Ｂと、当該傾斜面１２２の第１領域１２２Ａとを跨いで形成されている。第４に、複数の発熱部３１は、一対の傾斜面１２２のうち下流側に位置する当該傾斜面１２２の第２領域１２２Ｂと、当該傾斜面１２２の第１領域１２２Ａとを跨いで形成されている。これらの態様をまとめると、複数の発熱部３１は、頂面１２１と、一対の傾斜面１２２の少なくともいずれかとの上に形成されている。
次に、サーマルプリントヘッドＡ２０の作用効果について説明する。
サーマルプリントヘッドＡ２０は、基板１の主面１０の一部と、抵抗体層３の複数の発熱部３１、および配線層４とを覆う保護層５と、保護層５の少なくとも一部を覆う被覆層６とを備える。ｚ方向に沿って視て、被覆層６は、複数の発熱部３１に重なっている。被覆層６は、保護層５に接する下地層６１と、本体層６２に積層された本体層６２とを有する。下地層６１および本体層６２の各々は、金属元素を含む。したがって、サーマルプリントヘッドＡ２０によっても、製造効率の低下を抑制しつつ、記録媒体に対するサーマルプリントヘッドＡ２０の耐摩耗性を向上させることが可能となる。
サーマルプリントヘッドＡ２０においては、基板１の一対の傾斜面１２２（凸面１２）の各々は、第１領域１２２Ａおよび第２領域１２２Ｂを含む。第１領域１２２Ａは、基板１の基面１１につながっている。第２領域１２２Ｂは、凸面１２の頂面１２１、および第１領域１２２Ａにつながっている。一対の傾斜面１２２の各々において、基面１１に対する第２領域１２２Ｂの傾斜角α２は、基面１１に対する第１領域１２２Ａの傾斜角α１よりも小である。本構成をとることにより、凸面１２に沿って形成された保護層５の表面が、より滑らかなものとなる。さらに、被覆層６は、保護層５の表面に沿った形状となるため、被覆層６の表面もより滑らかなものとなる。したがって、サーマルプリントヘッドＡ２０の使用時において記録媒体が被覆層６に接触する際、当該被覆層６に対する記録媒体の動摩擦力が低減するため、記録媒体に起因した紙かすが当該被覆層６に付着することを抑制できる。
本発明にかかるサーマルプリントヘッドＡ１０およびサーマルプリントヘッドＡ２０が備える被覆層６は、下地層６１および本体層６２を有する。被覆層６は、半導体材料からなる基材８１から製造されるサーマルプリントヘッドＡ１０およびサーマルプリントヘッドＡ２０の他に、以下のサーマルプリントヘッドにも適用される。第１に、アルミナ基板、または窒化アルミニウム（ＡＬＮ）基板などのセラミックス基板、もしくはガラス基板などに、厚膜技術を利用して抵抗体層３の複数の発熱部３１、配線層４、および保護層５などを形成する厚膜型のサーマルプリントヘッドである。この場合の複数の発熱部３１の材料には、二酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）、ＴａＳｉＯ2、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＴａＳｉＮなどが使用される。第２に、上述したセラミックス基板、またはガラス基板などに、薄膜技術を利用して複数の発熱部３１、配線層４、および保護層５などを形成する薄膜型のサーマルプリントヘッドである。この場合の複数の発熱部３１の材料には、ＴａＳｉＯ2、ＴａＮ、ＴａＳｉＮなどが使用される。
本発明は、先述した実施形態に限定されるものではない。本発明の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
Ａ１０，Ａ２０：サーマルプリントヘッド
１：基板
１０：主面
１１：基面
１２：凸面
１２１：頂面
１２２：傾斜面
１２２Ａ：第１領域
１２２Ｂ：第２領域
１３：裏面
１７：凸部
２：絶縁層
３：抵抗体層
３１：発熱部
４：配線層
４１：共通配線
４１１：基部
４１２：延出部
４２：個別配線
４２１：基部
４２２：延出部
５：保護層
５１：配線開口
６：下地層
６１：下地層
６２：本体層
７１：配線基板
７２：ヒートシンク
７３：駆動素子
７４：第１ワイヤ
７５：第２ワイヤ
７６：封止樹脂
７７：コネクタ
７９：プラテンローラ
８１：基材
８１Ａ：第１面
８１Ｂ：第２面
８２：抵抗体膜
８３：導電層
８４：下地層
８５：本体層
８９１：第１マスク層
８９２：第２マスク層
８９３：マスク開口
α，α１，α２：傾斜角
１：基板
１０：主面
１１：基面
１２：凸面
１２１：頂面
１２２：傾斜面
１２２Ａ：第１領域
１２２Ｂ：第２領域
１３：裏面
１７：凸部
２：絶縁層
３：抵抗体層
３１：発熱部
４：配線層
４１：共通配線
４１１：基部
４１２：延出部
４２：個別配線
４２１：基部
４２２：延出部
５：保護層
５１：配線開口
６：下地層
６１：下地層
６２：本体層
７１：配線基板
７２：ヒートシンク
７３：駆動素子
７４：第１ワイヤ
７５：第２ワイヤ
７６：封止樹脂
７７：コネクタ
７９：プラテンローラ
８１：基材
８１Ａ：第１面
８１Ｂ：第２面
８２：抵抗体膜
８３：導電層
８４：下地層
８５：本体層
８９１：第１マスク層
８９２：第２マスク層
８９３：マスク開口
α，α１，α２：傾斜角
Claims (12)
- 厚さ方向を向く主面を有する基板と、
主走査方向に配列された複数の発熱部を含むとともに、前記主面の上に形成された抵抗体層と、
前記抵抗体層の上に形成され、かつ前記複数の発熱部に導通する配線層と、
前記主面の一部と、前記複数の発熱部、および前記配線層と、を覆う保護層と、
前記保護層の一部を覆う被覆層と、を備え、
前記厚さ方向に視て、前記被覆層は、前記複数の発熱部に重なる部分と、前記複数の発熱部よりも外方に位置する部分と、を含み、
前記被覆層は、前記保護層に接する下地層と、前記下地層に積層された本体層と、を有し、
前記下地層および前記本体層の各々は、金属元素を含み、
前記主面は、第１基面と、前記第１基面から前記厚さ方向に膨出する第１凸面と、を含み、
前記第１凸面は、前記主走査方向に沿って延びており、
前記複数の発熱部は、前記第１凸面の上に形成されており、
前記保護層は、前記厚さ方向において前記第１基面と同じ側を向く第２基面と、前記第２基面から膨出する第２凸面と、を有し、
前記厚さ方向に視て、前記第１凸面および前記被覆層の各々の全体は、前記第２凸面に重なっており、
前記被覆層は、副走査方向の両側に位置するとともに、前記第２凸面との界面から立ち上がる一対の端面を有し、
前記一対の端面の各々は、前記厚さ方向において前記第２凸面に対向する側に当該厚さ方向に対して傾斜している、サーマルプリントヘッド。 - 前記金属元素は、金属結合により互いに結合されている、請求項１に記載のサーマルプリントヘッド。
- 前記本体層のビッカース硬さは、前記保護層のビッカース硬さよりも大である、請求項２に記載のサーマルプリントヘッド。
- 前記保護層は、ケイ素をその組成に含む、請求項３に記載のサーマルプリントヘッド。
- 前記第１凸面は、前記第１基面に対して平行な頂面と、各々が前記頂面および前記第１基面につながり、かつ前記副走査方向において互いに離れた一対の傾斜面と、を含み、
前記複数の発熱部は、前記頂面と、前記一対の傾斜面との少なくともいずれかと、の上に形成されている、請求項１ないし４のいずれかに記載のサーマルプリントヘッド。 - 前記配線層は、共通配線と、複数の個別配線と、を含み、
前記共通配線は、前記複数の発熱部に対して前記副走査方向の一方側に位置しており、
前記複数の個別配線は、前記複数の発熱部に対して前記副走査方向の他方側に位置しており、
前記共通配線の一部と、前記複数の個別配線の各々の一部と、は、前記一対の傾斜面のいずれかの上に形成されている、請求項５に記載のサーマルプリントヘッド。 - 前記一対の傾斜面は、前記第１基面から前記頂面にかけて互いに近づくように前記第１基面に対して傾斜している、請求項５または６に記載のサーマルプリントヘッド。
- 前記一対の傾斜面の各々は、前記第１基面につながる第１領域と、前記頂面および前記第１領域につながる第２領域と、を含み、
前記第１基面に対する前記第２領域の傾斜角は、前記第１基面に対する前記第１領域の傾斜角よりも小である、請求項７に記載のサーマルプリントヘッド。 - 前記基板は、半導体材料からなり、
前記半導体材料は、ケイ素を組成とする単結晶材料を含む、請求項１ないし８のいずれかに記載のサーマルプリントヘッド。 - 前記主面を覆う絶縁層をさらに備え、
前記抵抗体層は、前記絶縁層に接している、請求項１ないし９のいずれかに記載のサーマルプリントヘッド。 - ヒートシンクをさらに備え、
前記基板は、前記厚さ方向において前記主面とは反対側を向く裏面を有し、
前記裏面は、前記ヒートシンクに接合されている、請求項１ないし１０のいずれかに記載のサーマルプリントヘッド。 - 請求項１ないし１１のいずれかに記載のサーマルプリントヘッドと、
前記複数の発熱部に対向して配置されたプラテンと、を備える、サーマルプリンタ。
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| US5745147A (en) * | 1995-07-13 | 1998-04-28 | Eastman Kodak Company | Resistance-stable thermal print heads |
| US6767081B2 (en) * | 2001-12-03 | 2004-07-27 | Alps Electric Co., Ltd. | Thermal head |
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