JPH0813548B2

JPH0813548B2 - 発熱素子の発熱制御構造

Info

Publication number: JPH0813548B2
Application number: JP29397892A
Authority: JP
Inventors: 庸夫越智
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 1992-10-08
Filing date: 1992-10-08
Publication date: 1996-02-14
Anticipated expiration: 2011-02-14
Also published as: JPH05246065A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はサーマルヘッド等に用
いられる発熱素子の発熱制御構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、サーマルヘッド等に用いられる発
熱素子の発熱方法は、基板上に設けられた多数の発熱素
子に駆動回路部から選択的に電圧を印加することによ
り、選択された発熱素子に電流を流して発熱させ、この
熱で感熱記録を行なうように構成されている。この場
合、発熱素子に印加される電圧は、駆動回路部から発熱
素子にパルス状に与えられ、このパルスで発熱素子に電
流が流れる時間等を制御することにより、発熱素子の発
熱温度を制御している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したサー
マルヘッド等に用いられる発熱素子の発熱制御方法で
は、連続した文字等を印字する場合、印字の始めと終り
では発熱素子の温度が異なるが変化することによる印字
濃度のバラツキが生じるものであった。これは発熱素子
の温度は、印字の開始時では常温（室温）であるのに対
し、印字の終了時ではその発熱素子の使用頻度によって
常温から印字温度の間で変化する。これに対処して均一
な印字濃度の感熱記録を行なうには、発熱素子に電流を
流す時間やタイミング等をその使用頻度に応じて制御し
なければならず、制御回路が極めて複雑で高価になると
いう問題があった。この発明の目的は、電気的な制御回
路を簡略化したものでありながら、発熱素子の温度上昇
を所定の範囲内に制限することが可能な発熱素子の制御
構造を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この発明は上述した目的
を達成するために、活電側導電体と接地側導電体とに接
触する発熱素子を熱膨張係数の大なる金属体で支持し、
前記発熱素子の発熱により前記金属体が膨張することに
より、前記発熱素子が一定温度以上になると前記導電体
との接触を断つようにしたものである。

【０００５】

【作用】この発明の発熱素子の発熱制御構造によれば、
活電側導電体と接地側導電体とに接触する発熱素子が頻
繁に発熱してその温度が所定以上になると、発熱素子を
支持している金属体が発熱素子の熱により熱膨張し、こ
の金属体の熱膨張により前記発熱素子と前記導電体との
接触を断つ。そのため、発熱素子の通電が断たれ、発熱
素子の温度上昇を抑えることができる。しかも、金属体
の熱膨張により発熱素子への通電を自動的に断つので、
発熱素子に電流を流す時間やタイミング等をその使用頻
度に応じて電気的に制御する必要がなく、発熱素子の電
気的な制御を簡略化することができる。

【０００６】

【第１実施例】以下、図１および図２を参照して、この
発明の第１実施例を説明する。図１はこの発明の発熱素
子の発熱制御構造を示す要部拡大断面図である。この発
熱素子の発熱制御構造は、例えば感熱記録を行なうサー
マルヘッドに適用されるものであり、単結晶のｎ型シリ
コン基板（ウエハ）１上に多数の発熱構成体２およびこ
の発熱構成体２を駆動するトランジスタ素子３等の駆動
素子を一括して形成した構成となっている。発熱構成体
２はシリコン基板１上に多数配列形成されている。すな
わち、シリコン基板１の上面にはSiO₂の絶縁膜４が熱酸
化処理により形成されているとともに、この絶縁膜４上
にはリンシリケードガラス（ＰＳＧ）よりなる絶縁性の
高い絶縁保護膜５がＣＶＤ(Chemical Vapor Depositio
n)法により形成されている。この絶縁保護膜５の上面に
はCu、Ti、Mo等の低抵抗金属よりなる配線パターン（活電
側導電体）６が形成されており、この配線パターン６の
上面には支持金属体７が形成されているとともに、この
支持金属体７を除いて配線パターン６上にはSiO₂、SiN等
よりなる絶縁膜８が上述した絶縁保護膜５上に亘って形
成されている。この場合、支持金属体７は熱膨張係数の
大なるPb等の金属よりなり、筒状に複数配列形成されて
おり、その上面は常温状態で絶縁膜８の上面と同一面と
なり、常温以上になると熱膨張により絶縁膜８の上面よ
りも上方へ突出するように構成されている。また、絶縁
膜８には支持金属体７の領域内から外部に亘って凹溝９
がハーフエッチングにより形成され、この凹溝９内にC
u、Ti、Mo等よりなる接地ライン（接地側導電体）１０が
形成されている。この接地ライン１０は上述した配線パ
ターン６および支持金属体７と導通しないように絶縁膜
８で保護され、温度変化の影響をほとんど受けることが
なく、その上面は絶縁膜８の上面と同一面に形成されて
いる。そして、この接地ライン１０を含む支持金属体７
上には発熱抵抗素子（発熱素子）１１が常温状態で接地
ライン１０と密着可能に設けられている。すなわち、こ
の発熱抵抗素子１１は電気抵抗が高く、熱膨張係数の小
さい材料、例えば多結晶シリコンよりなり、この多結晶
シリコンに不純物としてリン（Ｐ）イオンをドープする
ことにより、所定のシート抵抗（数十Ω／□）を有す
る。すなわち、この発熱抵抗素子１１の全抵抗値はＰイ
オンの濃度およびその面積によって決定され、最終的に
は数十〜数百Ω程度に調整されている。この発熱抵抗素
子１１および上述した絶縁膜８上にはSiO₂、SiN等よりな
る保護膜１２が形成されている。

【０００７】なお、トランジスタ素子３は電界効果（Ｅ
ＦＴ）型のｎーＭＯＳであり、発熱構成体２の近傍にお
けるシリコン基板１に形成されている。すなわち、この
部分のシリコン基板１の内部にはＢイオンをドープして
なるｐ型領域１３が形成されており、このｐ型領域１３
内にはＰイオンをドープしてなる一対のｎ型領域１４、
１４が形成されている。そして、このｐ型領域１３にお
けるｎ型領域１４、１４の間に位置する箇所には、SiO₂
よりなるゲート絶縁膜１５を介してゲート電極１６が形
成されている。このゲート電極１６は発熱抵抗素子１１
と同様に多結晶シリコンにＰイオンをドープすることに
より低抵抗に形成されており、その表面は上述した絶縁
保護膜５で覆われている。また、一対のｎ型領域１４、
１４と対応する箇所には、ドレイン、ソースの配線パタ
ーン６、１７がそれぞれｎ型領域１４、１４と導通して
形成されている。この場合、ドレインの配線パターン６
は上述したように発熱構成体２に延設されている。そし
て、これらの上面には上述した絶縁膜８および保護膜１
２が順に積層形成されている。

【０００８】次に、図２を参照して、上述したようなサ
ーマルヘッドの発熱構成体２を製造する場合について説
明する。この場合、サーマルヘッドは、１枚のシリコン
基板（ウエハ）１を多数のブロックに区分し、各ブロッ
クごとに所要の素子を同時に形成した上、最後に各ブロ
ックごとに切断して得られるものであり、以下の説明は
シリコン基板１の１ブロックについてのみ説明する。

【０００９】まず、単結晶のｎ型シリコン基板１を用意
し、このシリコン基板１に、予め、トランジスタ素子３
等の駆動素子を形成する。そして、トランジスタ素子３
のドレイン、ソースの各配線パターン６、１７が絶縁膜
４および絶縁保護膜５上に形成される際に、発熱構成体
２が形成される。すなわち、シリコン基板１上に絶縁膜
４を介して形成された絶縁保護膜５の上面にCu、Ti、Mo等
の低抵抗金属およびPb等の熱膨張係数の大きい金属を順
次蒸着またはスパッタリングにより積層形成し、この積
層された各金属層を上から順にエッチングして、図２
（Ａ）に示すように、支持金属体７を配線パターン６上
にパターン形成する。そして、支持金属体７を除いて配
線パターン６上にSiO₂、SiN等よりなる絶縁膜８を形成
し、この絶縁膜８をハーフエッチングして支持金属体７
の領域内から外部に亘って凹溝９を形成する。

【００１０】この後、図２（Ｂ）に示すように、絶縁膜
８の凹溝９内にCu、Ti、Mo等の低抵抗金属を蒸着またはス
パッタリングにより形成する。これにより、凹溝９内に
接地ライン１０が形成される。そして、シリコン基板１
を適宜の温度に加熱し、図２（Ｃ）に示すように支持金
属体７を熱膨張させ、支持金属体７の上端を絶縁膜８の
上方へ突出させる。この突出量は後述する発熱抵抗素子
１１を接地ライン１０から離間させ得る程度であり、発
熱抵抗素子１１の剛性が高ければ突出量は小さく、剛性
が低ければ大きく設定されている。また、加熱温度は発
熱抵抗素子１１の剛性および支持金属体７の熱膨張率等
によって決定される。

【００１１】このように支持金属体７を膨張させた状態
で、図２（Ｄ）に示すように、支持金属体７を除く絶縁
膜８および接地ライン１０上にフォトレジスト１８を被
着する。しかる後、このフォトレジスト１８の表面にモ
ノシラン(SiH₄)ガスを用いてＣＶＤ法により、図２
（Ｅ）に示すように、多結晶シリコン層１９を生成し、
この多結晶シリコン層１９にＰイオンを打ち込んで抵抗
値を調節した後、多結晶シリコン１９をプラズマエッチ
ングにより所定の抵抗値を有する大きさに形成する。こ
れにより、図２（Ｆ）に示すように、フォトレジスト１
８を介して接地ライン１０を覆った状態で、支持金属体
７上に発熱抵抗素子１１が形成される。

【００１２】この後、フォトレジスト１８をエッチング
により総て除去すると、図２（Ｇ）に示すように、発熱
抵抗素子１１は支持金属体７により、接地ライン１０の
上方に接触することなく支持される。そして、この状態
のまま、全体を常温に下げると、支持金属体７が図１に
示すように収縮し、発熱抵抗素子１１はその下の接地ラ
イン１０に密接する。この状態で、その全表面に保護膜
１２を被着する。これにより、サーマルヘッドが形成さ
れる。

【００１３】次に、このように構成されたサーマルヘッ
ドを使用する場合について説明する。まず、シリコン基
板１のトランジスタ素子３のゲート電極１６に駆動信号
が与えられると、ソース側からドレイン側に電流が流
れ、この電流が発熱構成体２の配線パターン６から支持
金属体７を介して発熱抵抗素子１１に流れる。そのた
め、発熱抵抗素子１１が発熱し、この熱で感熱記録を行
なう。この場合、発熱抵抗素子１１に流れた電流は接地
ライン１０によりアースされる。このように発熱構成体
２の発熱抵抗素子１１に電流が流れて発熱を頻繁に繰り
返すと、発熱抵抗素子１１の温度が次第に上昇する。し
かも、この発熱抵抗素子１１の熱により支持金属体７も
次第に熱膨張して発熱抵抗素子１１を徐々に押し上げ
る。そして、一定以上の温度になると、発熱抵抗素子１
１は支持金属体７により押し上げられて接地ライン１０
から離間し通電が断たれる。そのため、発熱抵抗素子１
１はそれ以上温度が上昇せず、逆に温度が下がるので、
これに伴って支持金属体７が収縮し、再び、発熱抵抗素
子１１が接地ライン１０に接触して導通し、通電可能な
状態になる。この結果、発熱抵抗素子１１はその使用頻
度が高くても、一定温度以上にならないため、均一な印
字濃度の感熱記録を行なうことができ、しかも発熱抵抗
素子１１に電流を流す時間やタイミング等をその使用頻
度に応じて電気的に制御する必要がないので、発熱抵抗
素子１１の電気的な制御を簡略化することができる。

【００１４】

【第２実施例】次に、図３を参照して、この発明の第２
実施例を説明する。この場合、前述した第１実施例と同
一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。この
第２実施例の発熱構成体２０は、発熱抵抗素子１１の下
面中央に対応する箇所に支持金属体７を設け、発熱抵抗
素子１１の下面両側に接地ライン１０を設けた構成とな
っている。すなわち、支持金属体７は前述した実施例と
同じ熱膨張係数の大なるPb等の金属よりなり、配線パタ
ーン６上に柱状に導通して形成されている。この支持金
属体７は前述した実施例と同様に、常温状態では図３
（Ａ）に示すように、その上面が配線パターン６上に形
成された絶縁膜８および接地ライン１０の上面と同一面
をなし、発熱抵抗素子１１により加熱されて一定温度以
上になると、図３（Ｂ）に示すように、その上面が接地
ライン１０の上方へ突出して発熱抵抗素子１１を押し上
げる。また、接地ライン１０は配線パターン６上に形成
された絶縁膜８を前述した実施例と同様にハーフエッチ
ングして凹溝９、９を形成し、この凹溝９、９内にCu、T
i、Mo等の低抵抗金属を蒸着またはスパッタリングにより
被着することにより形成されている。この接地ライン１
０も前述した実施例と同様に、温度変化の影響をほとん
ど受けず、絶縁膜８の凹溝９、９内から上方へ突出する
ことがなく、絶縁膜８の上面と同一面を保って形成され
ている。なお、発熱抵抗素子１１を覆って絶縁膜８上に
形成される保護膜１２は、支持金属体７を熱膨張させた
状態で被着することにより、図３（Ａ）に実線で示す如
く、発熱抵抗素子１１との間に隙間ｓを有する。しか
し、この隙間ｓは印字時の際にサーマルヘッドに加わる
圧力により点線で示す如く保護膜１２が押されて発熱抵
抗素子１１に接触する。そのため、第１実施例と同様
に、最初から点線の如く保護膜１２を形成しておいても
よい。

【００１５】したがって、このような発熱構成体２０も
第１実施例と同様の効果があるほか、特に支持金属体７
を熱膨張させた状態で保護膜８を形成することにより、
発熱抵抗素子１１との間に隙間ｓを形成すれば、使用時
に支持金属体７が熱膨張した際、発熱抵抗素子１１を滑
らかに押し上げることができ、確実かつ良好に発熱抵抗
素子１１への通電を断つことができる。

【００１６】

【第３実施例】次に、図４を参照して、この発明の第３
実施例を説明する。この場合にも、上述した第１実施例
と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
この第３実施例の発熱構成体３０は、発熱抵抗素子１１
の下面中央と対応する箇所に支持金属体３１が形成さ
れ、下面の右端側に配線パターン（活電側導電体）３２
が形成され、左端側に接地ライン（接地側導電体）３３
が形成されている。すなわち、支持金属体３１、配線パ
ターン３２および接地ライン３３はそれぞれシリコン基
板１上の絶縁膜４上に並列に形成されている。換言すれ
ば、配線パターン３２と接地ライン３３との間に支持金
属体３１が設けられ、これらの間に絶縁膜８が形成され
ている。この場合においても、支持金属体３１は第１実
施例と同じ熱膨張係数の大きいPb等の金属よりなり、常
温状態では図４（Ａ）に示すように、その上面は配線パ
ターン３２および接地ライン３３の上面と同一面をな
し、発熱抵抗素子１１により加熱されると、図４（Ｂ）
に示すように、その上面が配線パターン３２および接地
ライン３３の上面よりも上方へ突出して発熱抵抗素子１
１を押し上げる。また、配線パターン３２および接地ラ
イン３３はそれぞれ温度変化の影響を受けないCu、Ti、Mo
等の金属よりなり、配線パターン３２は図１に示すトラ
ンジスタ素子３のドレイン用の配線パターン６と兼用さ
れている。なお、保護膜１２は前述した第２実施例と同
様に、支持金属体３１を熱膨張させた状態で被着され、
図４（Ａ）に示すように発熱抵抗素子１１との間に隙間
ｓを形成している。

【００１７】このような発熱構成体３０においても、前
述した第２実施例と全く同様の作用効果がある。

【００１８】なお、この発明は上述した各実施例に限定
されず、種々応用変形が可能である。例えば、発熱構成
体を搭載する基板はシリコン基板である必要はなく、ガ
ラス、石英等の絶縁基板であってもよい。また、発熱構
成体はライン型、シリアル型のほか、マトリクス型に配
列形成してもよい。さらに、接地側の導電体はダイオー
ドで構成してもよい。

【００１９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明の
発熱素子の発熱制御構造によれば、活電側導電体と接地
側導電体とに接触する発熱素子を熱膨張係数の大なる金
属体で支持し、前記発熱素子の発熱により前記金属体が
膨張することにより、前記発熱素子が一定温度以上にな
ると前記導電体との接触を断つようにしたので、発熱素
子の温度上昇を制限することができ、しかも、発熱素子
の電気的な制御回路を簡略化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の発熱素子の発熱制御構造をサーマル
ヘッドに適用した場合の第１実施例の要部拡大断面図。

【図２】（Ａ）〜（Ｇ）は図１に示す発熱構成体の製造
過程を示す各断面図。

【図３】（Ａ）（Ｂ）は発熱構成体の第２実施例を示す
要部拡大断面図。

【図４】（Ａ）（Ｂ）は発熱構成体の第３実施例を示す
要部拡大断面図。

【符号の説明】

２、２０、３０発熱構成体６、３２配線パターン（活電側導電体）７、３１支持金属体１０、３３接地ライン（接地側導電体）１１発熱抵抗素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｂ４１Ｊ 3/20 １１５Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活電側導電体と接地側導電体とに接触す
る発熱素子を熱膨張係数の大なる金属体で支持し、前記
発熱素子の発熱により前記金属体が膨張することによ
り、前記発熱素子が一定温度以上になると前記導電体と
の接触を断つことを特徴とする発熱素子の発熱制御構
造。