(57)【要約】【課題】熱伝導率の小さい保護膜の厚さを小さくすることを目的とする。【解決手段】基板１上に、絶縁層を介して形成された複数の発熱抵抗体１０と、複数の発熱抵抗体１０を発熱させる駆動回路部１００と、複数の発熱抵抗体１０と駆動回路部１００とを接続する配線１１と、複数の発熱抵抗体１０、駆動回路部１００及び配線１１を覆うように形成される保護膜１２と、が設けられるサーマルヘッドにおいて、保護膜１２の上に、複数の発熱抵抗体の各々と対向して、保護膜１２の熱伝導率よりも熱伝導率が大きい熱伝導体１３が配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発熱抵抗体と、
該複数の発熱抵抗体を発熱させる駆動回路部と、
前記複数の発熱抵抗体と前記駆動回路部とを接続する配線と、
前記複数の発熱抵抗体、前記駆動回路部及び前記配線を覆うように形成される保護膜と、が同一基板上に配されたサーマルヘッドにおいて、
前記保護膜の上に、前記複数の発熱抵抗体の各々と対向して、前記保護膜の熱伝導率よりも熱伝導率が大きい熱伝導体が配置されることを特徴とするサーマルヘッド。
【請求項２】
前記熱伝導体が形成される箇所には前記配線が形成されておらず、
前記熱伝導体の表面は前記保護膜の表面よりも突き出していることを特徴とする請求項１記載のサーマルヘッド。
【請求項３】
前記熱伝導体は、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ、Ｒｕのいずれかの金属材料、若しくはそれらのいずれかを含む金属化合物、又はＳｉＣであることを特徴とする請求項１記載のサーマルヘッド。
【請求項４】
前記熱伝導体の膜厚は、０．２μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のサーマルヘッド。
【請求項５】
前記基板は単結晶シリコンからなることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のサーマルヘッド。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のサーマルヘッドを備え、インクシートのインクを該サーマルヘッドにより記録媒体に転写して記録を行なってなるサーマルプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーマルヘッドおよびサーマルプリンタに関し、特に、単結晶シリコン基板を利用したサーマルヘッドおよびサーマルプリンタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発熱素子の選択的発熱により感熱記録を行なうサーマルヘッドというものがある。
【０００３】
特許文献１に、単結晶シリコン基板を利用したサーマルヘッドが開示されている。
【０００４】
特許文献１に開示されるサーマルヘッドは、以下の構成となっている。すなわち、単結晶シリコン基板上に絶縁膜を介して形成された発熱素子と、単結晶シリコン基板に形成された駆動回路部と、発熱素子と駆動回路部を接続する配線層と、サーマルヘッド表面を保護する保護膜とから構成されている。
【０００５】
ここで、保護膜はインクシート等の印刷メディアと接触するため耐磨耗性が求められ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮ、Ｔａ２Ｏ５等の硬質な絶縁層を数μｍ成膜して形成されている。
【特許文献１】特開平０２−１３７９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１で保護膜として用いられている絶縁膜は熱伝導率が小さく、例えば、ＳｉＯ２は０．９Ｗ／ｍ・Ｋであり、Ｓｉ３Ｎ４は１６Ｗ／ｍ・Ｋである。
【０００７】
また、耐磨耗性を持たせるために厚さが数μｍと厚いため、発熱体で発生した熱が印刷メディアに伝わるまでに時間を要してしまい印刷時間が長くなっていた。
【０００８】
一方、発熱素子とシリコン基板の間の絶縁膜は、熱伝導率は保護膜のそれと同等であるものの膜厚は１μｍ前後と保護膜よりも薄くなっている。
【０００９】
さらに、シリコン基板の熱伝導率は１５２Ｗ／ｍ・Ｋと大きいため、発熱素子で発生した熱エネルギーがヒートシンク側へ逃げ易く、熱エネルギーのロスが大きかった。
【００１０】
そこで、本発明は、熱伝導率の小さい保護膜の厚さを小さくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、複数の発熱抵抗体と、
該複数の発熱抵抗体を発熱させる駆動回路部と、
前記複数の発熱抵抗体と前記駆動回路部とを接続する配線と、
前記複数の発熱抵抗体、前記駆動回路部及び前記配線を覆うように形成される保護膜と、が同一基板上に配されたサーマルヘッドにおいて、
前記保護膜の上に、前記複数の発熱抵抗体の各々と対向して、前記保護膜の熱伝導率よりも熱伝導率が大きい熱伝導体が配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、例えば、熱伝導率の小さい保護膜の厚さを薄くすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態を説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態としてのサーマルヘッドの構成を示す断面図である。
【００１５】
図１において、１は単結晶シリコン基板、２はフィールド酸化膜、３はｐ型ウェル、４はゲート酸化膜、５はゲート電極、６はｎ型電界緩和領域、７はｎ型ソース・ドレイン領域、８は層間膜、９はコンタクトプラグである。また、１０は発熱抵抗体、１１は配線、１２は保護膜、１３は熱伝導体、１４は発熱抵抗体材料層である。発熱抵抗体１０は、発熱抵抗体材料層１４の配線１１が形成されていない部分を示す。
【００１６】
発熱抵抗体１０はＴａＳｉＮからなり、単結晶シリコン基板１上にフィールド酸化膜２とＳｉＯ２系の層間膜８を介して設けられる。
【００１７】
発熱抵抗体１０の材料はＴａＳｉＮに限らず、Ｔａ系の化合物、Ｗ系の化合物、Ｃｒ系の化合物、Ｒｕ系の化合物等の高抵抗材料が適用できる。
【００１８】
また、本実施形態では、基板には単結晶シリコン基板が用いられているが、一般の半導体デバイスが形成され得る基板なら使用可能である。具体的には、薄膜プロセスでポリシリコンＴＦＴを形成する絶縁体基板や、ＧａＡｓ基板を用いることができる。
【００１９】
発熱抵抗体１０に所望の電圧、電流を印加する駆動回路部１００は、単結晶シリコン基板１表面に形成される。駆動回路部１００はＭＯＳトランジスタを含んでいる。ＭＯＳトランジスタは、イオン注入と熱処理で形成されたｐ型ウェル３、ゲート酸化膜４、ゲート電極５、ｎ型の電界緩和領域６、ｎ型ソース・ドレイン領域７で構成される。
【００２０】
ここでは、駆動回路部１００がｎ型ＭＯＳトランジスタである場合を示しているが、ｐ型ＭＯＳトランジスタで構成することも可能であり、さらにＣＭＯＳトランジスタ構成とすることも可能である。また、ここではオフセットＭＯＳトランジスタ構成の例を示してあるが、ＤＭＯＳ(Double Diffused MOS)トランジスタ構成とすることも可能である。なおオフセットＭＯＳトランジスタとは、ソース、ドレイン領域のゲート電極近傍に低濃度の半導体領域（図１では電界緩和領域６）が配された構成をいう。
【００２１】
発熱抵抗体１０と、駆動回路部１００を構成するＭＯＳトランジスタのソースもしくはドレイン領域とは、Ａｌ合金の配線１１と、コンタクトホールに配されたコンタクトプラグ９とにより接続される。
【００２２】
ここでは配線１１が１層の例を示したが、複数層の配線を適用することも可能である。
【００２３】
発熱抵抗体１０の形成方法は、以下の方法で行なう。
【００２４】
すなわち、発熱抵抗体１０を構成する発熱抵抗体材料層と、配線１１を構成する配線材料層とを積層成膜した後、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより配線材料層と発熱抵抗体材料層を同時にパターニングして所望のパターンを形成する。
【００２５】
再度、フォトリソグラフィーにより、発熱箇所となる部分（発熱抵抗体形成部）以外の配線材料層の領域をフォトレジストで覆い、例えば、リン酸系のエッチング液を用いて配線材料層を選択的にエッチング除去し、発熱抵抗体材料層を露出させる。
【００２６】
保護膜１２は発熱抵抗体１０、配線１１及び駆動回路部１００を含めサーマルヘッド表面全体を覆うよう形成される。保護膜１２には絶縁性、耐湿性等の信頼性に関わる耐久性が求められるため、Ｓｉ３Ｎ４等の硬質な絶縁膜が好適である。配線材料層が除去された発熱抵抗体材料層の部分が発熱抵抗体１０となる。
【００２７】
発熱抵抗体１０、駆動回路部１００、発熱抵抗体と駆動回路部とを接続する配線１１、保護膜１２とは同一基板１上に配されている。
【００２８】
本実施形態においては、保護膜１２上に、複数の発熱抵抗体１０の各々と対向して、保護膜１２の熱伝導率よりも熱伝導率が大きい熱伝導体１３を配置した。
【００２９】
熱伝導体１３は、発熱抵抗体１０で発生した熱エネルギーを速やかにインクシート等の印刷メディアへ伝えることが求められるため、熱伝導率の大きい材料が好ましい。その熱伝導率の目安としては、発熱抵抗体１０で発生した熱が印刷メディアへ伝熱する際に熱伝導体１３における熱伝導が律速しないよう、保護膜１２の熱伝導率よりも大きい方が好適である。さらに熱伝導体１３は印刷メディアと直接接するため耐磨耗性も求められる。
【００３０】
以上の観点から熱伝導率が５２Ｗ／ｍ・ＫのＴａ、熱伝導率が１３８Ｗ／ｍ・ＫのＭｏ、熱伝導率が１５４Ｗ／ｍ・ＫのＷ等のような熱伝導率が大きく、かつ機械的強度の大きい金属材料及びその合金材料が好適である。また、熱伝導率が９８Ｗ／ｍ・ＫのＳｉＣ等のような熱伝導率が大きく、耐磨耗性の大きい非金属材料を適用することも可能である。
【００３１】
熱伝導体１３はフォトリソグラフィーを用いたエッチング技術で形成できるため、その形状は任意のパターンとすることが可能である。
【００３２】
図２及び図３は、本実施形態のサーマルヘッドの発熱素子２００を上面から見た平面図である。
【００３３】
図２又は図３に示すように、熱伝導体は１３ａ又は１３ｂに示すように印刷特性に合わせて適切な形状とすることができる。図２では矩形状にしており、図３では楕円形状としている。ここでは図示していないが、熱伝導体は全て同じ形状、大きさである必要はない。また発熱抵抗体１０の寸法よりも小さくても大きくても構わなく、要求される印刷特性に合わせて所望のパターンに形成できるものである。
【００３４】
隣接する熱伝導体同士は、お互いの熱エネルギーが混じり合わないように分離して形成することが望ましい。
【００３５】
図４は、図１の発熱素子２００の拡大断面図である。
【００３６】
図４に示すように、熱伝導体１３の厚さｈは、熱伝導体材料の成膜の厚さでコントロールすることができる。例えば、スパッタリング技術を用いることにより、任意の厚さに成膜することが可能である。
【００３７】
熱伝導体１３の材料は、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ、Ｒｕのいずれかの金属材料、若しくはそれらのいずれかを含む金属化合物、又はＳｉＣであることが望ましい。
【００３８】
サーマルヘッドの耐久性として求められる４ｋｍ走行以上の耐磨耗性を満たすために、Ｔａ系、Ｍｏ系、Ｗ系の材料においては、機械的強度の点から０．２μｍ以上の膜厚が好適である。
【００３９】
熱伝導体１３は印刷メディアと直接接触するため、その最表面を配線１１上の保護膜１２よりも突き出すことにより、印刷メディアとの接触が良好となり印刷品質を向上することができる。この熱伝導体１３の突き出し量（保護膜の表面と熱伝導体の上表面との距離）ｈ’は上記の熱伝導体材料の成膜厚さでコントロールでき、求められる印刷特性に合わせて設定することができる。
【００４０】
以上のような構成とすることにより、熱伝導率の小さな保護膜１２を薄くすることが可能となり、印刷速度の高速化が実現できる。同時に、発熱抵抗体１０で発生した熱エネルギーのロスが小さくなり、低消費電力のサーマルヘッドが実現できる。また、発熱抵抗体で発生した熱エネルギーを薄い保護膜と熱伝導率の大きい熱伝導体を通して速やかに印刷メディアへ伝えることにより、印刷速度を高速化することが可能になる。さらに、印刷速度の高速化により、発熱抵抗体で発生した熱エネルギーのヒートシンク側へ逃げる量が小さくなり、消費電力を小さくすることができる。
【００４１】
次に、上述したサーマルヘッドを用いたサーマルプリンタについて説明する。
【００４２】
本実施形態のサーマルプリンタは、そのプリンタ部に昇華型の熱転写記録方式を採用し、電子的な画像情報が表す画像を、任意枚数、プリントするものである。かかるサーマルプリンタは特開２００２−２５４６８６号公報に記載されている。
【００４３】
図５は本発明の一実施形態のサーマルプリンタの断面図である。
【００４４】
サーマルプリンタの本体２１の制御回路３８は、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどから構成され、後述する本体２１の各構成を制御して、後述する処理および動作などを実行する。
【００４５】
用紙カセット２２に積載された記録媒体となる記録紙Ｐは、バネ３９によって付勢された押上げ板４０によって給紙ローラ２３に当接されていて、給紙ローラ２３により一枚ずつ分離され、ガイド３５を経て、記録部へ供給される。記録部に配置されたローラ対であるグリップローラ５１およびピンチローラ５２は、供給される記録紙Ｐを挟持し搬送して、記録紙Ｐが記録部を往復することを可能にする。
【００４６】
記録部においては、記録紙の搬送経路を挟むように、プラテンローラ２５とサーマルヘッド２６とが対向配置されている。カセット２７にはインクシート２８が収納されている。インクシート２８は、熱溶融性または熱昇華性インクが塗布されたインク層、および、印画面を保護するために印画面上にオーバコートされるオーバコート層を有する。サーマルヘッド２６によりインクシート２８を記録紙Ｐに押圧し、サーマルヘッド２６の発熱体を選択的に発熱させることで、記録紙Ｐにインクが転写され、画像が転写記録される。なお、転写画像には保護層がオーバコートされる。
【００４７】
インクシート２８の幅は記録紙Ｐの印画領域（搬送方向に直交する方向の領域）に略等しい。インクシート２８の長手方向には印画領域（搬送方向の領域）に略等しいサイズのイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）およびシアン（Ｃ）の各インク層、並びに、オーバコート（ＯＰ）層が順次、交互に配置されている。従って、一層ずつ熱転写しては記録紙Ｐを記録開始位置に戻し、次の層を熱転写することで、記録紙Ｐ上に四つの層が順次転写（重畳）される。言い替えれば、記録紙Ｐは、ローラ対５１および５２によって、インクの色およびオーバコート層の数だけ転写位置を往復されることになる。
【００４８】
印画後の記録紙Ｐは、本体２１の前方（図５の左側）のガイド３５および用紙カセット２２の前方かつ下部に設けられた用紙搬送ガイド４５により、その搬送方向が反転されて本体２１の後方へ導かれる。印画後の記録紙Ｐは本体２１の前方で反転されるため、印画途中の記録紙Ｐが本体２１の外部に出ることはなく、スペースの無駄を省いて装置を設置する場所の省スペース化を図り、かつ、記録紙Ｐに意図せず触ってしまう、といった問題を防いでいる。しかも、用紙カセット２２の下部をガイドの一部として直接利用する構造によって、本体２１の厚さを抑えることが可能になる。さらに、記録紙Ｐをカセット２７と用紙カセット２２に挟まれた空間を通すことで、本体２１の高さを最小限に留めることができ、装置の小型化が可能になる。
【００４９】
印画が終了し、本体２１の後方へ搬送された記録紙Ｐは、排出ローラ対２９−１および排出ローラ２９−２に案内されて本体２１の後方から前方へ向かって、排紙トレイ４６へ排出される。排出ローラ対２９−１は、記録紙Ｐの排出動作時にのみ圧接するように構成されていて、印画中に記録紙Ｐにストレスを与えないように構成されている。また、用紙カセット２２の上面は、印画後に排出される記録紙Ｐのトレイを兼ね、これも装置の小型化に寄与する。
【００５０】
なお、搬送路切替シート３６は、記録紙Ｐが記録部へ供給された後、記録紙Ｐを排出経路に導くように搬送路を切り替える。
【００５１】
サーマルヘッド２６は、ヘッドアーム４２に一体化されていて、カセット２７を交換する場合はカセット２７の脱着に支障のない位置まで退避する。カセット２７の交換は、用紙カセット２２を引き抜くことで可能になる。つまり、ヘッドアーム４２は用紙カセット２２のカム部によって押え付けられているが、用紙カセット２２の引き抜きによるカム部の退避に連動して、ヘッドアーム４２が上方へ退避し、カセット２７の交換が可能になる。３０は用紙の先端を検出する先端検出センサである。４３，４４はサーマルヘッドをカバーするヘッドカバーである。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、昇華型プリンター等のサーマルヘッドを用いたサーマルプリンタに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施形態としてのサーマルヘッドの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態のサーマルヘッドの発熱素子２００を上面から見た平面図である。
【図３】本発明の一実施形態のサーマルヘッドの発熱素子２００を上面から見た平面図である。
【図４】図１の発熱素子２００の拡大断面図である。
【図５】本発明の一実施形態のサーマルプリンタの断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  単結晶シリコン基板
２  フィールド酸化膜
３  ｐ型ウェル
４  ゲート酸化膜
５  ゲート電極
６  ｎ型電界緩和領域
７  ｎ型ソース・ドレイン領域
８  層間膜
９  コンタクトホール
１０  発熱抵抗体
１１  配線
１２  保護膜
１３  熱伝導体
１４  発熱抵抗体材料層
１００  駆動回路部
２００  発熱素子
【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図２】
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【図３】
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