JPS598231B2 - 感熱記録用サ−マルヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は感熱記録用のサーマル・ヘッドおよびその製造
法に関するものである。

周知のように、サーマル・ヘッドは既に現在種種の方式
が開発されており、サーマル・ヘッドの現在までに検討
されている方式は発熱体の形成方法によりａ 薄膜型、 ｂ 厚膜型、 ｃ シリコン型、 の３種に分けられる。

従来の薄膜型サーマル・ヘッドにおいて、発熱体には例
えば窒化タンタル薄膜が用いられている。

周知のように、窒化タンタル薄膜は薄膜のハイブリッド
ＩＣ用等の抵抗体として非常に安定な特性を示すことが
知られている。しかし、このような材料を用いてサーマ
ル・ヘッド用発熱抵抗体を形成するためには、その耐熱
性、特に耐酸化特性は充分ではない。

このためこの材料を用いる場合の方式として第１図に示
すような構造が不可欠であり、またその特性も非常に優
れたものであるとされている。

第１図において、１は耐摩耗層、２は抵抗体保護層、３
はリード線、４は発熱抵抗体、５は熱絶縁層、６は基板
である。この発熱抵抗体４の耐酸化性について、第１図
の抵抗体保護層２は非常に有用であるとされている。即
ち、第１図の構造のサーマル・ヘッドにおいて抵抗体保
護層２を除いてしまうと、発熱抵抗体４に印字、印画に
必要なエネルギーを印加した時、酸化により抵抗値が上
昇し、極めて短時間の感熱記録しかできない。本来、窒
化タンタルは硬質高耐熱材料であり、かつ感熱記録を行
なうために必要な抵抗体温度は通常４００℃以下である
にもかかわらず、このような現象がおきるのは発熱抵抗
体４の抵抗値を１００Ω前後にするために厚さの薄い（
約５００λ程度）窒化タンタル膜を用いねばならぬこと
による。硬質耐熱材料として窒化タンタル以外に種々の
窒化物、炭化物、硼化物、硅化物が知られている。

しかしこれらのほとんど全ての物質の比抵抗は窒化タン
タルと同程度、若しくはそれ以下である。従つて、これ
らの材料を用いて発熱抵抗体４を形成しても、同様な現
象がおきるため第１図の抵抗体保護層２を設けねばなら
ない。このような抵抗体保護層２を設ける代わりに、予
め充分な厚さの硬質耐熱材料により発熱抵抗体４を形成
し、熱処理等によりその表面に耐酸化層を形成して発熱
体の耐酸化性を増進することは理論的には可能である。

しかし、この方法は発熱抵抗体４の抵抗値の制御が困難
なため実用的ではない本発明は以上のような従来の欠点
を除去するものである。

すなわち、本発明の主要な目的は従来良く知られている
電気的導電材料例えば硬質耐熱材料、若しくは抵抗体材
料を用いて、従来よりも高温での使用、従つて従来より
高速の感熱記録を可能にするサーマル・ヘツドを提供す
ることにある。第２図ａおよびｂに本発明の一実施例の
サーマル・ヘツドの構造を示す。

この構造は第１図と殆んど同じであるため、同一構成部
分には同一番号を付して説明を省略する。本発明に於て
は、電気的導電材料とＳｉＯ２を含む電気的絶縁物から
成る発熱抵抗体を用いる。

以下、本発明を実施例により説明する。実施例 １ 本実施例においては、発熱抵抗体材料としてＴｉＣ．電
気的絶縁材料としてＳｉＯ２を用いる。

この２つの物質の混合物から成る発熱抵抗体４は例えば
従来のスパツタ抵抗により容易に形成することができる
。このためのスパツタ・ターゲツトの例を第３図に示す
。第３図において、７は円型の凹みを持つ石英円板、８
は石英円板７の凹みに埋め込まれたＴｉＣ円板である。

このようなターゲツトを用い高周波スパツタリングを行
なうことによりＴｉＣとＳｉＯ２の混合物から成る発熱
抵抗体層４を形成することができる。この発熱抵抗体層
４の比抵抗ρはＴｉＣとＳｉＯ２の混合比により自由に
選ぶことができ、この混合比は石英円板７上に設けられ
るＴｉＣ円板８の大きさ、数を変えることにより自由に
変えられる。

本実施例において、基板温度３００℃、Ａｒ圧力４×１
０−３Ｔ０ｒｒ，ＴｉＣとＳｉＯ２の表面積比＝２とす
ると、得られるスパツタ層の比抵抗はＳｉＯ，がない場
合の約２０倍の値が得られる。従つて発熱抵抗体４の厚
さとしてＴｉＣ単独の場合と比べ、約２０倍の厚さを選
ぶことができる。上記の条件で、製作したＴｉＣ単独の
試料ＴｉＣ−ＳｉＯ２系の試料を真空中６００℃で熱処
理した薄膜を用いて、耐摩耗層として１０μのＴａ２Ｏ
５を形成した２種類の発熱抵抗体についての加速寿命試
験の結果を第４図に示す。同図から判るようにＴｉＣ単
独の試料に於ては発熱体抵抗値は単調に増加し、且つ発
熱体表面の変色からこの抵抗値の増加は発熱体の酸化に
よるものであることが判る。

一方、ＴｉＣ−ＳｉＯ２系では発熱体の熱的破壊がおき
るまでは、発熱体は単調に減少し、且つ発熱体表面の変
色即ち酸化の影響は殆んどおきていない更に、発熱体の
寿命を抵抗値が±１０％以上変化した時と定義するとＴ
ｌＣ−ＳｉＯ２系発熱体は熱酸化の影響が除去された結
果２桁近く寿命が改良されている。

実施例 ２ 発熱抵抗材料としてＮｉ−Ｃｒ系電気的絶縁材料として
ＳｉＯ２の場合について検討した。

この系の場合実施例１の試験の範囲内においてはＴｉＣ
−ＳｉＯ２系と殆んど差はないことが確認された。

以上に説明したような本発明の発熱抵抗体材料の耐酸化
特性が優れている理由は次のように説明される。

第５図は本発明発熱抵抗体４の構造を概念的に示したも
のである。第４図において、４は発熱抵抗体層全体を示
し、４ａは発熱抵抗体材料４ｂは電気的絶縁体材料であ
る。第５図に示されるように発熱抵抗体層全体４として
の比抵抗は電気的絶縁材料の存在により実効的に高めら
れる。

一方、耐酸化特性は表面に存在する発熱抵抗体材料４ａ
から順次酸化されるが、ある深さまで酸化が進行すれば
一定温度においてはそれ以上酸化が進行しない深さが存
在する。この深さは電気的絶縁材料の存在により少なく
てすむ。従つて、酸化が進行していない層の深さＤ２に
比べ酸化した層Ｄ，が充分小さくなり発熱抵抗体４とし
ての抵抗変化は無視できる。第５図における発熱抵抗体
の実際の微細構造は必ずしも混合物という表現が適当で
あるとは限らず、材料の組合わせにより種々の状態が実
現され得る。

しかし、これらの状態にかかわらず、発熱抵抗体４のρ
の増加および耐酸化特性の向上は前記の説明により充分
である。以上のような構成の発熱抵抗体は実際のサーマ
ル・ヘツド構成±更に種々の効果を生ずる。

その第１は従来エツチング不可能とされていた材料若し
くは他の部分との関連（基板、電極）においてエツチン
グ困難とみられていた材料を発熱抵抗体材料として使用
できることにある。この場合のエツチング液は電気的絶
縁性と耐酸化性を兼ねる材料をエツチング可能な液が選
ばれる。実際には殆んどの場合、同一シート抵抗を得る
ための厚さが２倍以上になると発熱抵抗体材料がエツチ
ング不能な液で発熱抵抗体をエツチング形成できるよう
になる。第２は発熱抵抗体を支持する基板、若しくは熱
絶縁層は上記のエツチング液でかなりのレートでエツチ
ング可能な場合が多い。

この効果を用いて隣接発熱体への熱分離を改善した高密
度のサーマル・ヘツドの製造が可能である。更に、第１
の効果の帰結として種々の材料の組合かせが可能となり
、従来より高温使用が可能な従つて高速記録、高熱効率
、高信頼度のサーマルヘツドの構成が可能となる。

以上の説明から判るように、本発明による発熱抵抗体を
用いたサーマルヘツドの高温使用における障害は、発熱
体に繰り返し印加される熱パルスによる基板からの抵抗
体のハガレ等の熱疲労が主要因となる。

しかし、この点についても発熱体材料と絶縁材料との組
合わせによる改良の余地がある。このような例として、
発熱抵抗体に用いる絶縁材料と耐摩耗層用材料を同一に
することが考えられる。即ち、実施例１および２に於て
耐摩耗層はＴａ２Ｏ５を用い、記録動作中の耐摩耗層と
発熱抵抗体層との間のハガレを防止するために、この２
つの層間にＳｉＯ２層を介在させることも可能である。
この場合の発熱部の構成は第１図のようになる。但し、
耐摩耗層として、ＳｉＣを用いれば、この中間層を設け
ずに第２図の構成の発熱部を構成することができる。第
３の効果として、上述した耐摩耗層としてＳｉＣを用い
るような実施様態に於ては、第１図の抵抗体保護層２が
不要になるため、感熱記録紙への熱伝達が良くなり、ヘ
ツドの熱効率が改善される。

第４に耐摩耗層と発熱抵抗体の密着力も材料の組み合わ
せにより改善が可能となることは既に説明した通りであ
る。

以上説明したことから判るように、本発明の効果は明ら
かであるが、本発明の実施様態も種々の変更、改良が可
能である。

改良の第１は発熱抵抗体材料と電気的絶縁材料の組み合
わせに関する。

前述したように発熱体抵抗体材料としては、低抵抗の硬
質耐熱材料である炭化物、硅化物、硼化物、窒化物ある
いは、ニクロム、カンタル等空気中で使用可能な抵抗線
発熱体材料を用いることができる。これらの材料のサー
マル・ヘツドの発熱体としての適否は、空気中での使用
可能上限温度には余り影響されない。何故なら、これら
の材料の上限温度はサーマル・ヘツドに要求される温度
よりも充分に高い。従つて発熱体抵抗体材料に関しては
、できる限り高い比抵抗の材料でかつ空気中で高温使用
中に自然に形成される表面の耐酸化防止層がなるべく薄
いような材料を選ぶことにある。この選択基準からこれ
らの導電材料としては、Ｔａ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｗ，
ＭＯ或いはこれらの窒化物、硅化物、炭化物、硼化物で
ある硬質耐熱材料が上述した材料の中でも更に適してい
る。

更にこれらの中でも元素別には′−一′ また化合物としては のような選択基準が与えられる。

これらの導電材料の高温使用時に自然に形成される耐酸
化防止層は発熱抵抗体中の耐酸化性の電気的絶縁物と協
同して、発熱抵抗体の高温使用の際の酸化による抵抗変
化を防止する。

従つて、電気的絶縁物の選定はより重要である。またこ
の材料はエツチングにより微細パターンの形成が可能な
ものでなければならない。このような条件を満たす材料
としてＳｉ，ＳｉＯ２，ＺｒＯ２，ＴｈＯ２等の酸化物
あるいは高抵抗体の窒化物（例えばＳｉＮ３，ＡＩＮ）
硅化物、硼化物、炭化物あるいは各種ガラス質材料が考
えられる。発熱抵抗体の酸化による抵抗変化を防止する
目的で、発熱抵抗体中の電気的絶縁材料として、上記の
材料群の中から材料コスト、エツチング性を考慮すると
ＳｉＯ２は特に良好な材料であり、本発明はＳｌＯ２を
含む電気的絶縁物に選ぶ。改良の第２はこれらの２つの
材料から成る発熱体の形成方法に関する。

この形成方法において、重要なことは発熱抵抗体となる
物質を可能な限り微細な粒子の集合体として形成するこ
とにある。

このためこれらの２つの成分からなる材料を真空中でス
パツタリングする方法、あるいは蒸発せしめる方法が最
も適していることは容易に理解できる。即ち、これらの
材料の発熱抵抗体を従来の薄膜形成技術で形成するのが
最も適当である。また、上述の主旨に従つてこれらの薄
膜形成条件を決めることも重要である。以上述べた如く
、本発明に基き発熱体抵抗体材料の組み合わせその形成
方法、更には耐摩耗層との密着性と耐熱パルス性の改良
等について本発明の主旨を逸脱することなく種々の改良
が可能である。以上のように、本発明は、パルス状電力
の印加にもとづく酸化による抵抗値の上昇を防止するこ
とができ、かつ製造も容易で、高密度記録、高熱効率、
高信頼度の感熱記録用サーマルヘツドの実現に大きく寄
与するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のサーマル・ヘツドを示す要部の断面図、
第２図Ａ，ｂは本発明のサーマル・ヘツドの実施例を示
す要部の断面図、第３図は本発明の発熱抵抗体形成のた
めのスパツタ用ターゲツトの構成例を示す斜視図、第４
図は従来と本発明のサーマルヘツドの比較特性図、第５
図は本発明の発熱抵抗体の耐酸化特性を説明するための
拡大断面図である。 １・・・・・・耐摩耗層、２・・・・・・抵抗体保護層
、４・・・・・・発熱抵抗体、５・・・・・・熱絶縁層
、６・・・・・・基板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電気的材料として、Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆ又はＴｉ、又
   はこれらの硅化物又は炭化物、又はＮｉＣｒ、電気的絶
   縁材料としてＳｉＯ＿２を含んで成る薄膜の発熱抵抗体
   を備えたことを特徴とする感熱記録用サーマルヘッド。