JPS623968A - 耐摩耗性薄膜サ−マルヘツド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業」二の利用分野〉 本発明は、絶縁基板と、この基板上に設けられた薄膜発
熱抵抗体層と、最上層に薄膜耐摩耗層とを有する耐摩耗
性薄膜サーマルヘッドにおいて。

前記薄膜耐摩耗層を改良したサーマルヘッドに関するも
のである。

〈従来技術〉 従来、感熱記録に使用されるサーマルヘッドとしては、
薄膜式、厚膜式、半導体式があり、薄膜式は、ビットの
密度、抵抗値のばらつき、熱応答特性が優れているとさ
れている。ところでヘッドの表面は常に記録紙に接する
ため耐摩耗性が要求されるため薄膜抵抗体層の最」二層
に薄膜耐摩耗層を設けており、この耐摩耗層として例え
ば酸化タンタル（Ｔ　ａ　２０５）の薄膜層を用いてい
た。

従来の薄膜式サーマルヘッドの１例には次のようなもの
がある。即ち、アルミナ等の基板上に。

薄膜発熱抵抗体層を１例えばスパッタリングで０６１μ
ｍの厚さに形成し、上層にはＡ、＠、Ａｕ等の導体層を
２μｍの厚さで配設する。更に上層には、抵抗体保護層
（酸化防止層）をスパッタリング等により２μｍの厚さ
で形成する。その上層の記録紙と接する表面には、Ｔａ
２Ｏ３から成る耐摩耗層を１０μｍの厚さでスパッタリ
ング等により形成する。

この場合の作用について説明すると、導体層への通電に
より発熱抵抗体が抵抗発熱し、生成熱は抵抗体保護層、
耐摩耗層を介して記録紙に伝達される。ヘッドの表面は
記録紙と接し、記録紙上を摺動するが、耐摩耗層により
ヘッドの摩耗を軽減する。

〈従来技術の問題点〉 しかし、耐摩耗層として一般に用いられている。

例えばＴａ２０５から成る薄膜層は、なお硬度が十分で
はなく、従って耐摩耗性も不十分であり。

耐熱衝撃性も良好とは言えない。

このためヘッドの使用により耐摩耗層り（摩耗し。

または剥離し、抵抗体保護層や発熱抵抗体層が影響を受
け、抵抗値のバラツキやクラックの発生等の現象が現わ
れる。

また、耐摩耗層としてＳ　ｉＣ、Ｓ　ｔ　ａ　Ｎ　ａ等
を用いたものがある。しかし前者は化学的に不安定で、
感熱紙中の感熱物質等との反応により特性が劣化し、後
者は膜内部応力が大きく、亀裂が発生し易い。これらの
現象は印字の乱れやヘット寿命の低減という問題点を生
じさせる。

ヘッド寿命の増大のために耐摩耗層の厚みを増すことも
考えられつる。しかし、厚みを増すとＳｉ３Ｎ４等では
膜の内部応力が増大し改良にならず、また一般的にドツ
ト密度および熱応答性能は低下し、印字品質および記録
速度の低下は免れない。

したがって、耐摩耗層の厚みを増すことなく。

前記現象を排除する必要がある。

本発明は」１記問題点を解決することを基本的な目的と
し、耐摩耗層の厚みを増すことなく、該耐摩耗層の特性
を向−卜させることにより、サーマルヘッドを改良する
ことを課題とする。

〈問題点を解決するための手段〉 絶縁基板と、この基板上に設けられた薄膜発熱抵抗層と
最」二層に薄膜耐摩耗層とを有する耐摩耗性薄膜サーマ
ルヘッドにおいて１本発明は、前２耐摩耗層を（Ｓｔ　
　Ｎ　　）　　　　　（ＡＩｌＮ）３　４　１００−χ （但し５≦χ≦６０ｗｔ％）を母材として気相折着法に
より形成されたＳｔ、ＡＩｌ、Ｎ、０系薄膜としたこと
を特徴とする。

尚前記気相析着は不活性ガスを主とし。

Ｎ　２０２ガスを含む混合ガスの雰囲気中で行えば。

耐摩耗層の特性は極めて向上する。

さらに、前記薄膜耐摩耗層と、前記薄膜発熱体層との間
に薄膜熱応力吸収鵬を設けることにＪ：す。

ヘッド表面の熱衝撃性を改善することができ１発熱抵抗
体層の保護の完全を図ることができる。

〈発明の作用、効果〉 即ち１本発明は、サーマルヘッドが最」二層に有する薄
膜耐摩耗層を、　　（Ｓ　ｉ　３Ｎ４）　１ｏｏ−。

（Ａ、５Ｎ）　　　（但し５≦χ≦６０シｔ％）母材（
ターχ ゲット）として気相析着法により形成したＳｉ。

ｌｅ、Ｎ、０系薄膜としたことにより化学的に安定で、
内部応力が少なくしかも、耐摩耗性の優れたサーマルヘ
ッドが得られる。

前記気相析着法（スパッタリング等）により得られる薄
膜は、非晶質で、しかも緻密な構造が得られる。この生
成薄膜はＳ　ｌ　＋　Ａ　Ｉ！　＋　　Ｎ＊０系から成
り、その組成は母材（ターゲット）の組成に基本的に依
存する（Ｓｔ／Ａｊ！比）　と共に雰囲気ガス中のＮ　
　、０　　分圧にも依存する（Ｎ１０比）。母材ターゲ
ットの組成範囲において、生成薄膜の組成はＳ　ｉａ　
Ｎ４−Ａ、ｅＮ−Ａ　ＲＯＳ　ｉｏ　２系状態図におい
て、β−サイアロンｓ　ｔ　（ｅ　ｚ）ＡＩｌ２０．Ｎ
８−２　（Ｚ−０〜４．２原子比）の領域から５１２Ｎ
２０の方へずれた中間領域に亘る領域のものが得られる
。特にβサイアロンの領域から外れた非晶質領域が好ま
しい結果を与える。

母材組成としては生成膜の特性及び形成速度（スパッタ
レート等）の観点からχ−１０〜５０が好ましく、χ−
１θ〜８０が最も好ましい。

Ｓｔ、ＡＩｌ、Ｎ、０系から威名非晶質物質は。

従来のサーマルヘッドにおいて耐摩耗層に用いられてい
るＴａ２０５よりも硬度が高く、耐摩耗性に優れている
。しかも耐剥離性においてもＴａ２０５よりも優れてお
り、ヘッド表面の保護の完全を図ることができる。前記
Ｓｉ、Ａｊｊ、Ｎ。

Ｏ１系物質は、熱膨張率が絶縁基板に用いられるアルミ
ナ等の熱膨張率と近似しているとともに。

耐熱衝撃性にも優れているため、基材との熱膨張差によ
る亀裂の発生を防止し、短時間で発熱、冷却が繰り返さ
れるヘッドの使用時における熱衝撃にも十分に耐え得る
ものであり、ヘッドの耐久性の向上に効果がある。

さらに１本発明による耐摩耗層は緻密な構造から成り、
気孔率も小さいため、従来から用いられているＴａ　　
Ｏよりも０２の透過性も少とすることができ２発熱抵抗
体層の酸化を防止し、耐摩耗層自体の耐久性の向−１−
と相俟って、内層への影響を軽減する効果がある。

また１本発明におけるＳｔ、Ａで、Ｎ、Ｏ系薄膜は、ス
パッタリング等の気相折着において、硬度が高く耐摩耗
性に優れていることから、従来のＴ　ａ　２０６等を用
いた耐摩耗薄膜よりも厚さを減少させることができ、ヘ
ッドの熱応答性を向上させ、印字速度の高速化が得られ
るという効果がある。

耐摩耗層の厚さの減少は本発明の耐摩耗層が緻密な構造
から成るとともに耐摩耗性、耐剥離性等が優れているた
め、耐久性等に悪影響を何ら及ぼすことなく、前記の飛
躍的な効果が得られる。

尚、スパッタリング等の気相析着を、不活性ガスを主と
しＮ　　、０　　ガスを含む混合ガスの雰囲気中で行な
うことによりＮ１０比を制御することが可能であり、そ
の結果耐摩耗層の特性をより向上させることができる。

気相折着法としてはスパッタリングの他にイオンブレー
ティング、プラス７　ＣＶ　Ｄ　（Ｐ　ＣＶ　Ｄ　）　
、　　ＣＶ　Ｄ等を用イルコとができる。

〈実施例〉 本発明を実施例及び実験結果を示す図面を参照して説明
する。第１図は１本発明の一実施例の断面図である。１
はアルミナ等から成る絶縁基板である。基板１の上層に
は熱抵抗のためのグレーズ−７一 層２が設けられている。３はＴａＮから成る発熱抵抗体
層であり１反応性スパッタを用い１０００人の厚さで形
成されている。４，５は７００人の厚さのＣｒと１μｍ
の厚さのＡ℃から夫々成る導体層で。

スパッタリングにより前記抵抗体層３の上層として発熱
部３ａの表面を除いて形成されている。６は２μｍの厚
さの５ｉ０２から成る熱応力吸収層であり、前記抵抗体
層３の発熱部３ａおよび導体層４゜５を覆うように、ス
パッタリングで形成されており、該吸収層６の中央部は
下方に凹陥されてい・る。

最外層７は５．ｃｚｍの厚さでありｒ　’Ｓ’　ｌ　＊
　Ａ　、ｅ　＋　’Ｎ　＊０系薄膜からなる耐摩耗層で
あり、前記熱応力吸収層６を覆うように、Ａｒを主とし
、Ｎ２．Ｏ□を含む混合ガスの雰囲気中のスバ・ツタリ
ングで形成されている。

次に、該耐摩耗層７のスパッタリングによる実験経過に
ついて説明する。（Ｓ　ｉａ　Ｎ４）−ＡｉＮ）系反応
焼結体をヌープ・ソトとして用い、Ａｒを主とし、Ｎ、
０２を所定比で含む混合ガス雰囲気中で例えばＲ，Ｆ、
マグネトロンスパッタで膜形成する。混合ガスは１分圧
比Ｎ　　：Ｏ−９：１とし１両分圧の合計が０〜４．２
ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒ　（以下「混合ガス分圧」という
）であるＮ、０２混合ガスを導入した後にＡｒを導入し
てさらに全圧を６　Ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒ龜したガス雰囲
気を用いた。

基板加熱は２５０℃とし、投入電力は３００Ｗを用いた
。

ここで、ターゲットに４種類の試料を用い、混合ガス中
のＮ　　、０　　の分圧を変化させたときの実験につい
て以下に示す。

ターゲットの試料としては、　　Ｓ　ｌａ　Ｎ　４゜（
Ｓｉ　　Ｎ　　）　　　（／ＩＮ）　　、（Ｓｉ２Ｎ３
）７ｏ゛３　　４　　９０　　　　　　　　１Ｇ（Ａｊ
！Ｎ）　　　　（Ｓ　ｉ　　　Ｎ　　）　　　（ＡＪＮ
’）　５ｏを３０’　　　　　　　３　　　４　　　５
０用い、混合ガス分圧は０　、　１．８Ｘ　１０−５Ｔ
ｏｒｒ。

３　Ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒ、　　４．２Ｘ　１Ｏ−３Ｔ
ｏｒｒ、全圧を６　Ｘ　１０”’Ｔｏｒｒとし、スパッ
タリングで５μｍの厚さの耐摩耗層を形成させ、ヌープ
硬度を測定した。

実験結果は第２図に示す。横軸は混合ガス分圧を示し、
縦軸はヌープ硬度を示す。

比較材料としてのＴａ　　Ｏ膜は６　Ｘ　１０”’Ｔｏ
ｒｒのガス圧から成るＡｒガス雰囲気中で、基板加熱２
５０℃でスパッタリングにより５μｍの厚さで形成した
ものである。第２図から、Ｓｉ、Ａｊ？。

Ｎ、Ｏ系薄膜は、試験範囲のＳｉ３Ｎ４とＡ、ｄＮの重
量％からなる比率において、混合ガス分圧３　Ｘ　１０
　　Ｔｏｒｒ以下のスパッタ条件で、Ｔａ２０５の値で
ある約７００ｋｇ／ｌｌｌ１１１２以上の硬度を持って
いることが判明した。また母材として５ｔ３Ｎ４１１体
に対しこれにＡｊ！Ｎを添加した場合の硬度の低下も微
少であることが判かる。

次に、前記４種類のターゲット試料を用い、全圧が６　
Ｘ　１Ｏ−３ＴｏｒｒであるＡｒガス雰囲気中でスパッ
タを行った。ヘッド試料は長さが２３０μｍ１幅が２３
０μｍである発熱抵抗体層を７ケ並べたヘッド上に５ｉ
０２を２μｍの厚さで形成し、さらに上層に前記の耐摩
耗・層を形成したものであり、比較例としてはＳ　ｉｏ
　２　ｌ二に５μｍの厚さでＴ　ａ　２０、を形成した
ものを用いた。

これらのヘッド試料を通電時間２ｍ５ｅｃ、パルス周期
４ｍ５ｅｃ、印加電力０．７Ｗａｔｔの条件で印字しな
がら５０　ｋｍの印字走行試験を行い、耐摩耗層の摩耗
量を調べた。その結果、摩耗量はヌープ硬度と相関関係
を有しており、Ｎ　、０　混合ガス分圧３　Ｘ　１０　
　Ｔｏｒｒ、全圧６　Ｘ　１０＝Ｔｏｒｒでスパッタを
行った試料では、Ｔ２Ｏ，よりも摩耗量がやや少ない値
を示した。

また、Ｎ　、０　混合ガス分圧１　、８　ｘ　１０−３
Ｔｏｒ’ｒ。

全圧６　ｘ　１０　”Ｔｏｒｒでスパッタを行った試料
では。

Ｔａ２０５よりは全て摩耗量が少な（＋　Ｔ　ａ　２０
、のｌ／２〜２／３の摩耗量を示しており２本発明によ
る耐摩耗層は従来のＴａ２０５より成る耐摩耗層よりも
耐摩耗性において優れている。

さらに耐摩耗層の特性に基づく２発熱抵抗体層の寿命特
性の評価を行うために、以下の試料を用いた。

長さが２３０μｍ、幅が２３０μｍでＴａＮから成る発
熱抵抗体層上で、厚さ２μｍでＳｉＯ２層を形成し、そ
の」二層には、前記４種類のターゲット試料を用い、混
合ガス分圧！、８Ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒと３　Ｘ　１Ｏ
−３Ｔｏｒｒ　（いずれも全圧６　Ｘ　１０−”Ｔｏｒ
ｒ）の混合ガス雰囲気中でスパッタリングを行い、膜厚
５μｍの耐摩耗層を形成す・る。発熱抵抗体の寿命特性
は、ヘッド表面を感熱紙に接触した状態で通電時間２ｍ
５ｅｅ＋パルス周期４ｍ５ｅｃ＋印加電力０．９５Ｗａ
ｔｔの条件で１億回の通電を行い、抵抗値の通電前後の
抵抗値変化率を測定した。

なお、比較試料は、ＳｉＯ３層の上層にＴａ２Ｏ，から
成る耐摩耗層をＡｒガス雰囲気中でスパッタリングして
、５μｍの厚さで形成したものを用いた。当該試験結果
は第３図に示しており、横軸は混合ガス分圧、縦軸は抵
抗値変化率を示す。抵抗値変化率△Ｒは１通電前抵抗値
をＲｏ。

通電後抵抗値をＲ１として。

ΔＲ−ＲＴ−Ｒ０ｘ　　１０（１（％）Ｒ〇 一　　　１２　− で示される。

比較試料は同様の試験において、　　＋　　２．１％の
抵抗変化率が生じ、他のヘッド試料と同じく、第３図に
示す。

試験範囲内において、Ｓｉ、Ａｊｉ、Ｎ、０系薄膜で混
合ガス分圧３　Ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒでスパッタリング
したものは、ターゲット母材の全てにおいて。

Ｔａ２Ｏ，膜を用いたものよりも、抵抗体の抵抗変化率
が小となる。つまりＳｔ、Ａｊｊ、Ｎ、０系薄膜から成
る耐摩耗層はＴａ２Ｏ，から成る耐摩耗層よりも抵抗体
の寿命特性を顕著に改善する。

・また混合ガス分圧１．８ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒでスパ
ッタリングしたものでは、（ｓ　ｔ　３Ｎ４）　’ｙｏ
　（Ａ　ＡＮ３ｏ）　。

（Ｓｉ３Ｎ４）５ｏ（Ａ（Ｎ）５ｏのターゲットとした
場合に得られる耐摩耗層がＴａ２０５より成る耐摩耗層
よりも抵抗体の寿命特性に良好な結果を与える好ましい
範囲である。したがって、抵抗体の寿命特性において、
Ａｊ：Ｎの添加量の増加に従い、寿命特性が向上する。

以上の結果から、Ｓｔ、Ａｊｊ、Ｎ、Ｏ系薄膜を耐摩耗
層に用いることにより、抵抗体、つまりはヘッド自体の
寿命特性を改善することができ、更には耐摩耗層膜厚を
従来のｌ／２〜１／３に減少させることが可能となる。

これによりヘッドの熱応答性が向上し、印字速度の高速
化を図ることができる。

これらの実験結果ないし実施例では、Ｓｔ。

Ａｊ？、Ｎ、０系薄膜から成る耐摩耗層は５μｍの厚さ
としたがこれに限定されるものではなく好ましくは２〜
７μｍであり、さらに好ましくは約３μｍである。

さらに、これらの実験例ではスパッタリングをＡｒを主
とし、Ｎ、０２を含む混合ガス雰囲気中で行ったが、他
の不活性ガス雰囲気中でスパッタリングを行うものであ
ってもよい。但し膜質をコントロールするためＮ　　、
０　　混合ガスを用いるのが好ましい。

またさらに、Ｎ、０２を含む混合ガスを用いま た場合に、これらの実施例では混合ガス分圧を０〜４．
２Ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒとしたが、これに限定されるも
のではない。Ｎ　　、Ｏの分圧比は好ましくはＮ２：　
０　　＝５０：　５０〜９５：５である。このＮ　２　
／０゜比と混合ガスの全圧に応じて生成膜のＮ１０比は
制御可能である。ターゲラＩ・母材としてはＳ　ｉ、　
ｓ　Ｎ　４　　（Ａ　ｊ’　Ｎ　）の反応焼結体が好ま
しいが。

その他常圧焼結体（Ｓｔ８Ｎ４’＋Ａ℃Ｎ＋Ａ　Ｉｔ２
ｏ　　＋　ｙ　２０　ａ　）も用いることができる。

また、この実施例では２発熱抵抗体層とＳｔ。

Ａ、ｅ、Ｎ、０系から成る耐摩耗層間にＳ　ｔ　Ｏ２か
ら成る熱応力吸収層を用いたが１本発明の効果を得るた
めには必ずしも必要としない場合がある。

しかし、ヘッド使用時における急熱、急冷に対応した熱
衝撃から抵抗体を十分に保護するため、該層を設けて、
熱応力を吸収するのが好ましい。

この熱応力吸収層の材質としては５ＩＯ２に限定される
ものではない。しかし５１０２はスパッタリングにおい
てピンホールの発生が少なく５．良好な膜質が得られる
とともに、熱応力吸収のために適当な靭性を有している
ので熱応力吸収層どしてＳｉＯを用いるのが好ましい。

Ｓ　ｔ　０２は抵抗体を覆い、しかも緻密な構造とする
ことが容易であるため、緻密層とすることにより抵抗体
層を保護し１例えば酸化を防止する効果も補助的に改良
しつる。

これらの実施例では絶縁基板としてアルミナ。

導体としてＣｒ　ｔ　Ａ　Ｉ！を用いたが、これに限定
されるものではなく、公知の材料に置換えることができ
る。絶縁基板としてはサーメ′ット類１例えばＴａ５ｉ
Ｏ、Ｃｒ５ｉＯ、Ｔｉｍ１ｄ２゜ＴａＳｉ等を用いるこ
とができ、導体としてもＡｕ、Ｃｕ等の良導性金属を用
いることができる。

、第４図は他の実施例の平面図である。

８はＣｒ−Ａｊ！導体層で一部のみが図示しである。９
は熱応力吸収層（下層）及びＳｉ、ＡＩ！、。

Ｎ、Ｏ系薄膜から成る耐摩耗層（上層）から成る。

第５図はヘッドの電路に対する等価回路図であり、Ｒは
発熱抵抗体層３の発熱部３ａに対応する。

１０はコモン端子、　１１は取出し端子である。

−１７−、凸 第６図はさらに別の実施例の平面図である。

ヘッドにおいてドツト数が多い場合（つまり発熱抵抗体
層の数が多くなる場合）において抵抗体層を並列に接続
するときは、全体の抵抗値が小となり、印字ムラの原因
となる。また抵抗体層は正方形あるいはそれに近い長方
形であるため、中心部と周辺部間での温度ムラが生ずる
という問題点があった。

第６図はこの発熱体層を幅の狭い帯状としかつ蛇行させ
たちのである。これにより全体の抵抗値、を大として、
印字ムラを軽減するとともに、抵抗体層の中心部と周１
辺部間での温度ムラの発生を防止する効果がある。

なお第１図において熱抵抗層２は発熱部３ａの基部にの
み設けることも好ましい。

〈発明の効果〉 即ち本発明は、最上層に薄膜耐摩耗層を設けたサーマル
ヘッドにおいて、該耐摩耗層をスパッタリングにより形
成されたＳｉ、Ａβ、Ｎ、Ｏ系薄膜としたので、硬度が
十分で、化学的に安定でしかも内部応力の少ない耐摩耗
層を得ることができる。

該耐摩耗層は耐摩耗性、耐剥離性、耐熱ｉｉ撃性、耐ス
ティック性、さらに熱伝導性等に優れ。

しかも従来の耐摩耗層よりも薄膜とすることができるの
で熱応答性を改善し、印字速度の高速化及び長寿命化を
図ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の断面図、第２図は耐摩耗層
のヌープ硬度を示すグラフ、第３図は発熱抵抗体層の寿
命特性を示すグラフ、第４図は他の実施例の平面図、第
５図は同じく等価回路図。 第６図はさらに他の実施例の平面図である。 １・・・絶縁基板　　　　３・・・発熱抵抗体層４．５
・・・導体層　　　６・・・熱応力吸収層７・・・耐摩
耗層 出願人　　株式会社ノリタケカンパニーリミテド代　　
理　　人　　　弁理士　　加　　藤　　朝　　道　（他
１名）鵠ノ　μＪ　＼［ 第４図 第６図 手続軸１正書（自発） 昭和６０年９月１７日

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁基板と、この基板上に設けられた薄膜発熱抵
   抗体層と最上層に薄膜耐摩耗層とを有する耐摩耗性薄膜
   サーマルヘッドにおいて、前記耐摩耗層は、（Ｓｉ＿３
   Ｎ＿４）＿１＿０＿０＿−＿ｘ（ＡｌＮ）＿ｘ（但し５
   ≦ｘ≦６０ｗｔ％）を母材として気相析着法により形成
   されたＳｉ、Ａｌ、Ｎ、Ｏ系薄膜であることを特徴とす
   る耐摩耗性薄膜サーマルヘッド。
2. （２）前記スパッタリングは不活性ガスを主としＮ＿２
   、Ｏ＿２ガスを含む混合ガスの雰囲気中で行なったこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の耐摩耗性薄膜
   サーマルヘッド。