(57)【要約】【課題】  複雑な製造工程を必要とすることもなく、高い断熱性が得られ、低エネルギでも良好に動作する発熱抵抗素子から成る電子部品を提供する。  【解決手段】  基板上に蓄熱層を形成し、この蓄熱層上に発熱抵抗体層を形成し、この発熱抵抗体層の上に個別電極及び共通電極を形成し、この発熱抵抗体層と前記個別電極及び共通電極とを保護膜層で被覆してなる発熱抵抗素子において、前記蓄熱層は、有機溶剤に溶解された二酸化珪素化合物材料またはポリイミド樹脂に、中空または細孔を有する球体状の二酸化珪素を加えて混合した後、これを基板上塗布し、その後加熱処理によって、溶媒成分を除去して、膜状に形成することにより作成した。【選択図】    図１
2006321123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板と、
前記絶縁性基板上に設けられた蓄熱層と、
前記蓄熱層上に設けられた発熱抵抗体層と、
前記発熱抵抗体層上に形成された個別電極及び共通電極と、
前記発熱抵抗体層と前記個別電極及び共通電極とを被覆する保護膜層からなる発熱抵抗素子において、
前記蓄熱層は、中空または細孔を有する球体状の二酸化珪素を含むことを特徴とする発熱抵抗素子。
【請求項２】
前記球体状の二酸化珪素は、その径が1〜20μメートルであることを特徴とする請求項１記載の発熱抵抗素子。
【請求項３】
前記中空を有する球体状の二酸化珪素は、その殻の厚みが球径の1/200〜1/10であることを特徴とする請求項１記載の発熱抵抗素子。
【請求項４】
前記細孔を有する球体状の二酸化珪素は、その細孔の径が5〜100ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の発熱抵抗素子。
【請求項５】
前記蓄熱層は、二酸化珪素化合物に前記中空または細孔を有する球体状の二酸化珪素を混合したものから成る請求項１記載の発熱抵抗素子。
【請求項６】
前記蓄熱層は、ポリイミド樹脂材料に前記中空または細孔を有する球体状の二酸化珪素を混合したものから成る請求項１記載の発熱抵抗素子。
【請求項７】
前記蓄熱層の厚みは、前記球体状の二酸化珪素の径の3〜50倍の厚さであることを特徴とする請求項５または６記載の発熱抵抗素子。
【請求項８】
前記蓄熱層の上層に、前記二酸化珪素から成る球体を含まない、二酸化珪素化合物材料のみが塗布された平坦化層が設けられていることを特徴とする請求項７記載の発熱抵抗素子。
【請求項９】
前記蓄熱層の上層に、前記二酸化珪素から成る球体を含まない、ポリイミド樹脂材料のみが塗布された平坦化層が設けられていることを特徴とする請求項７記載の発熱抵抗素子。
【請求項１０】
前記平坦化層は、その表面粗さＲａが、１μメートル以下であることを特徴とする請求項８または９記載の発熱抵抗素子。
【請求項１１】
請求項８〜１０のうちいずれか一項記載の発熱抵抗素子を備えたサーマルヘッド。
【請求項１２】
請求項８〜１０のうちいずれか一項記載の発熱抵抗素子から成るサーマル式またはバブル式のインクジェットヘッド。
【請求項１３】
有機溶剤に溶解された二酸化珪素化合物に、中空または細孔を有する球体状の二酸化珪素を混合する工程と、
前記混合物を絶縁基板上に塗布する工程と、
加熱処理により前記有機溶剤を除去し蓄熱層を形成する工程と、
前記蓄熱層上に発熱抵抗体層を形成する工程と、
前記発熱抵抗体層上に個別電極及び共通電極を形成する工程と、
前記発熱抵抗体層と前記個別電極及び共通電極とを被覆する保護膜層を形成する工程と
からなる発熱抵抗素子の製造方法。
【請求項１４】
有機溶剤に溶解されたポリイミド樹脂材料に、中空または細孔を有する球体状の二酸化珪素を混合する工程と、
前記混合物を絶縁基板上に塗布する工程と、
加熱処理により前記有機溶剤を除去し蓄熱層を形成する工程と、
前記蓄熱層上に発熱抵抗体層を形成する工程と、
前記発熱抵抗体層上に個別電極及び共通電極を形成する工程と、
前記発熱抵抗体層と前記個別電極及び共通電極とを被覆する保護膜層を形成する工程と
からなる発熱抵抗素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱抵抗素子に係り、特に電池駆動する携帯型電子機器に使用するものなど、高効率の仕様が要求されるものに関する。たとえば、サーマルプリンタに使用されるサーマルヘッドや、熱によってインクを吐出するサーマル式とバブル式のインクジェットプリンタに使用されるインクジェットヘッドなど、発熱抵抗素子を保有する電子部品において、省電力化を図る用途に有効なものである。
【背景技術】
【０００２】
発熱抵抗素子を駆動する電子部品として代表的なものに、サーマルヘッドおよび熱によってインクを吐出するサーマル式とバブル式のインクジェットヘッドがある。
【０００３】
一般にサーマルプリンタに用いられるサーマルヘッドは、感熱紙や熱転写インクリボンなどの記録媒体に対して選択的に熱を付与して、必要な画像情報を形成するものであり、通電されることにより発熱する発熱抵抗素子の形成方法により、厚膜型サーマルヘッドと薄膜型サーマルヘッドとに大別される。ここで、従来より用いられている薄膜型サーマルヘッドの構成を図３に示す。
【０００４】
サーマルヘッドは、アルミナセラミックスなどからなる基板１上にガラスなどからなる蓄熱層２を敷設したもの（たとえばグレーズ基板）に、複数の発熱抵抗体層４を列状に形成し、各発熱抵抗体層４には、アルミニウム、銅、金、銀などからなる個別電極５ならびに共通電極６をそれぞれ接続し、発熱抵抗体層４およびその周辺に位置する電極を保護膜層７により被覆して構成される。
【０００５】
一方、インクジェット方式によるプリンタには、気泡に発生する力でインク滴を飛ばすサーマルジェット方式や、膜沸騰をインクに対して生じさせ、インク滴を吐出させるバブルジェット方式が知られている。
【０００６】
これらの方式でインクを吐出させるインクジェットヘッドに用いる発熱抵抗素子は、図４に示すように、シリコンなどからなる基板1上に二酸化珪素系の被覆塗布膜などからなる蓄熱層２を敷設したものに、サーマルヘッドと同様に、複数の発熱抵抗体層４を列状に形成し、各発熱抵抗体層４には、アルミニウム、銅などからなる個別電極５と共通電極６をそれぞれ接続し、発熱抵抗体層４およびその周辺に位置する電極を保護膜層７により被覆して構成される。そして、この発熱抵抗体層４を選択的に発熱させることにより、インクに発生する泡による弾ける力やインクを押し出す力によって、インクを受像体に着弾させ記録を行うようになっている。
【０００７】
このようなサーマルヘッドやインクジェットヘッドなどを使用する機器において、近年携帯用途を中心とした、電池による駆動を行うようにした省電力型のものが普及しつつある。また、昨今、環境配慮という観点によるエネルギ事情から、電池を使用しない据え置き型の電子機器においても、省電力化が非常に重要になってきている。
【０００８】
このような省電力を目的とした発熱抵抗素子部品においては、蓄熱層や基板などを通しての放熱をできるだけ抑制して、発熱抵抗素子を構成する発熱抵抗体層への印加電圧が、電池などの低い電圧でも駆動でき、また、低消費電力でも良好な記録ができるようにしている。このような発熱抵抗素子は、従来のガラスや二酸化珪素系の材料より熱伝導率の小さい材料を蓄熱層として選択するのが良い。実際にその有効な手段として、発熱抵抗体層の下部に空間層を形成して、発熱抵抗体層の発熱が蓄熱層や基板方向に伝達されにくくしたものが知られている。
【特許文献１】特開平2004-188872号公報（第５頁、第１図）
【特許文献２】特開平7-227968号公報（第５頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
サーマルヘッドやインクジェットヘッドなどを構成する発熱抵抗素子への印加電圧が低電圧であっても駆動でき、低電力でも良好な動作ができるようにする方法として、製造工程における発熱抵抗素子構造の形成プロセスにおいて、発熱抵抗体層の下に熱伝導を抑制する空間層を形成することが非常に有効であるが、空間層を形成するために製造工程が非常に複雑なものとなっており、その結果、製造コストの増大を招いていた。また、構造上、空間層が存在することによるこの部分の強度不足の問題や発熱抵抗体層下の空間層に残留するガスによる発熱抵抗体層の酸化等の問題など、信頼性上の問題点も指摘されていた。
【００１０】
一方、空間層を配した場合に近い熱伝導率の固体層を選択しようとした場合、それらは材料の性質上、柔らかい樹脂や多孔質状の材質であったり、繊維状または粉末状であったりと、発熱抵抗素子で構成されるサーマルヘッドやインクジェットヘッドなどの電子部品として、膜構造を構成するに十分な硬度を有する状態に形成することは困難であり、これまで使用することができなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、本発明の発熱抵抗素子は、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に設けられた蓄熱層と、前記蓄熱層上に設けられた発熱抵抗体層と、前記発熱抵抗体層上に形成された個別電極及び共通電極と、前記発熱抵抗体層と前記個別電極及び共通電極とを被覆する保護膜層からなる発熱抵抗素子であって、前記蓄熱層は、中空または細孔を有する球体状の二酸化珪素を含むことを特徴とする。このため、本発明の発熱抵抗素子の蓄熱層は空気成分を多く含み、基板への熱伝導を著しく抑制することができる。
【００１２】
また本発明の発熱抵抗素子は、蓄熱層の上層に、前記二酸化珪素から成る球体を含まない、有機溶剤に溶解された二酸化珪素化合物材料またはポリイミド樹脂材料のみを再塗布した。この結果、表面張力によって平坦になり、加熱処理によって溶媒成分が除去されたとき、平坦化層３が形成される。これにより、蓄熱層の表面に球体状の粒子を含む二酸化珪素の球体成分の直径の大きさに依存した凹凸が現れるのを防ぐことが出来る。よって、この後、発熱抵抗体や電極を形成するプロセスにおいて、断線等の不具合が発生を防ぐことが出来る。
【００１３】
また、本発明の発熱抵抗素子は、有機溶剤に溶解された二酸化珪素化合物又はポリイミド樹脂材料に、中空または細孔を有する球体状の二酸化珪素を混合する工程と、前記混合物を絶縁基板上に塗布する工程と、加熱処理により溶媒成分を除去し膜状の蓄熱層を形成する工程と、前記蓄熱層上に発熱抵抗体層を形成する工程と、前記発熱抵抗体層上に個別電極及び共通電極を形成する工程と、前記発熱抵抗体層と前記個別電極及び共通電極とを被覆する保護膜層を形成する工程とから製造される。
【００１４】
この製造方法は、従来の発熱抵抗素子の製造工程とほぼ同じであるため、発熱抵抗体層の下に空間層を形成する方法と比べて、製造コストを大幅に押さえることが出来る。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、蓄熱層が中空または細孔を有する球体状の二酸化珪素によって構成され、この部分は空気成分を多く含み、熱伝導を著しく抑制できる構造となる。このため、基板への熱伝達を効果的に妨げることができ、従来の発熱抵抗素子への印加エネルギよりも非常に小さなエネルギ印加量でも、従来と同等の発熱温度が得られることになり、大変効率の良い発熱抵抗素子を提供することができる。
【００１６】
しかも、従来の発熱抵抗素子と比べて製造工程がほぼ同じであるため、空間層を形成するという複雑な構造によって高効率化を図った発熱抵抗素子と比べて、製造コストを大幅に抑えることができる。また、構造上、本発明の発熱抵抗体層の下部は機械的強度が十分であり、また発熱抵抗体層の酸化の問題も回避できるため、信頼性上の問題が発生することはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
【実施例１】
【００１８】
以下、本発明による発熱抵抗素子の作成例として、サーマルヘッドの製造方法を例にとって詳述する。
【００１９】
図３は、従来のサーマルヘッドの発熱抵抗素子部分の断面図である。図３において、基板１は、サーマルヘッドで一般的に用いられるアルミナセラミックス基板またはガラス基板等の絶縁性基板である。アルミナセラミックス基板を使用する場合、基板上には発熱した発熱抵抗体の熱量を基板に放出させにくくするためのガラス等の蓄熱層２が形成されなければならないが、基板１にガラス等を使用する場合は、蓄熱層を兼ねるので必要としない。
【００２０】
以下、薄膜プロセスを用いたサーマルヘッドを例に詳述する。蓄熱層２上には、スパッタリングやＣＶＤ（化学気相成長法）、蒸着等の薄膜形成法によって、窒化タンタル、ニクロムをはじめとする金属化合物等による発熱抵抗体層４を積層し、フォトレジスト材料を用いたフォトリソグラフィ工程によりパターニングを行った後、非フォトレジスト被覆部分を除去するエッチング工程を経て、発熱抵抗体パターンを形成する。同様にアルミニウム、銅、金、銀などからなる個別電極５の配線パターンを積層し、発熱抵抗素子部を形成する。
【００２１】
共通電極６は、個別電極５のみの１〜２[μｍ]の配線のみでは電圧降下等の問題があるため、必要に応じて蒸着等によりアルミニム等を厚く成膜したり、銀やパラジウム、白金等を印刷で厚く形成する工程等を追加することによって、配線抵抗値の低減を図る。なお、本工程は、発熱体抵抗体層４および個別電極５のパターン形成前に工程設定を行なっても良い。
【００２２】
さらに、上層には発熱抵抗体層４、個別電極５や共通電極６を摩耗や腐食から保護するための保護膜層７が被覆される。この材料としては、五酸化タンタルや、サイアロン、炭化シリコン、ダイヤモンドライクカーボンなどが知られている。
【００２３】
これに対して、本発明による発熱抵抗素子においては、図１で示すように蓄熱層２を中空または細孔を有する球体状の二酸化珪素を主成分とする材料により形成する。この蓄熱層２は、有機溶剤に溶解された二酸化珪素化合物材料またはポリイミド樹脂に、中空または細孔を有する球体状の二酸化珪素を加えて混合した後、これを基板1上塗布し、その後加熱処理によって、溶媒成分を除去して、膜状に形成することにより作成した。
【００２４】
ここで使用される、中空または細孔を有する球体状の二酸化珪素は、近年様々な用途を目的として製造されている、真球状の微細な二酸化珪素の粒子である。軽量効果、断熱効果、防音効果等を目的とされる材料の充填材として、幅広く使用されるようになっており、完全に中空のものと、無数の細孔を有する多孔質のものが存在する。
【００２５】
前記二酸化珪素から成る中空の球体は、その殻の厚みは、強度と熱伝導を考慮して、球径の1/200〜1/10であることが望ましい。前記二酸化珪素から成る細孔を有する球体は、その細孔の径が、同じく強度と熱伝導を考慮して、5〜100ｎｍであることが望ましい。
【００２６】
また、有機溶剤に溶解された二酸化珪素化合物材料またはポリイミド樹脂は、半導体プロセスにおける層間絶縁膜や平坦化層として使用されており、スピンコート等の簡単な方法によって形成することが可能な被服塗布膜である。
【００２７】
蓄熱層２の厚みは、球状の二酸化珪素が均一な膜状に配列されるためには、直径の3〜50倍の厚さであることが望ましい。しかしながら、球体状の粒子を含んでいるので、膜状に形成された状態では、直径の大きさに依存した表面の凹凸が存在するため、表面を平坦にする必要がある。一般に発熱抵抗体や電極を形成するプロセスにおいて、安定した品質を得るためには、表面粗さＲａが、１μメートル以下であることが望ましい。
【００２８】
本発明においては、蓄熱層２の上層に、前記二酸化珪素から成る球体を含まない、有機溶剤に溶解された二酸化珪素化合物材料またはポリイミド樹脂材料のみを再塗布すると、表面張力効果によって平坦になり、加熱処理によって溶媒成分が除去されたとき、平坦化層３が形成される。
【００２９】
蓄熱層２と平坦化層３で使用される有機溶剤に溶解された二酸化珪素化合物材料とポリイミド樹脂は、双方を組み合わせて使用することが可能である。二酸化珪素化合物材料は、硬度が高いという利点がある。また、球体状の二酸化珪素と同様な元素構成であるため、応力や熱ストレスに対して有利である。一方、ポリイミド樹脂は、熱伝導率が二酸化珪素よりも低いので、効率上はこちらが有利である。
【実施例２】
【００３０】
次ぎに、本発明による発熱抵抗素子として、サーマル式とバブル式のインクジェットヘッドの製造方法を例にとって詳述する。
【００３１】
図４は、従来のインクジェットヘッドの発熱抵抗素子部分の断面図である。図４において、基板１は、近年はドライバ回路である半導体素子を同じ基板に形成するため、シリコン基板を使用されることが多い。シリコン基板を使用する場合、基板上には発熱した発熱抵抗体の熱量を基板に放出させにくくするための二酸化珪素系材料の被覆塗布膜等の蓄熱層２が形成されなければならない。
【００３２】
蓄熱層２上には、スパッタリングやＣＶＤ（化学気相成長法）、蒸着等の薄膜形成法によって、窒化タンタル、ニクロムをはじめとする金属化合物等の発熱抵抗体層４を積層し、フォトレジスト材料を用いたフォトリソグラフィ工程によりパターニングを行った後、非フォトレジスト被覆部分を除去するエッチング工程を経て、発熱抵抗体パターンを形成する。同様にアルミニウム、銅などからなる個別電極５と共通電極６の配線パターンを積層し、発熱抵抗素子部を形成する。
【００３３】
さらに、上層には発熱抵抗体層４、個別電極５や共通電極６を大気やインクによる腐食から保護するための保護膜７が被覆される。この材料としては、二酸化珪素、窒化珪素や金属と絶縁物の混合材料が知られている。
【００３４】
本発明による発熱抵抗素子においては、図２に示すとおり、蓄熱層２を基板１の上に形成し、さらにその上に平坦化層３を形成するが、その形成方法は、サーマルヘッドの場合と同様である。
【００３５】
その後、基板裏面からの異方性エッチング技術を用いてインク経路８を形成し、さらに犠牲層エッチング技術を用いて、感光性樹脂等によるインクのノズルパターン層９を形成する工程を経て、発熱抵抗体素子を搭載した基板工程が完了する。基板工程が完了したものは、チップ状に切り出された後、インク流路壁１０または直接インクタンクが貼り付けられてインクジェットヘッドが完成する。
【００３６】
以上のように、サーマルヘッドなど、従来の発熱抵抗素子で相当量の熱が基板１に逃げてしまっていたものが、本発明によるサーマルヘッドなどの発熱抵抗素子は、蓄熱層が中空または細孔を有する球体状の二酸化珪素によって構成され、この部分は空気成分を多く含み熱伝導を著しく抑制できる構造となるため、基板への熱伝達を妨いで、従来の発熱抵抗素子の印加エネルギよりも非常に小さな印加量によっても、従来と同等の発熱温度が得られることになり、大変効率の良い発熱抵抗素子を提供することができる。
【００３７】
しかも、従来の発熱抵抗素子と比べて製造工程がほぼ同じであるため、空間層を形成するという複雑な構造によって高効率化を図った発熱抵抗素子と比べて、製造コストを大幅に抑えることができる。また、構造上、本発明の発熱抵抗体層の下部は機械的強度が十分であり、また発熱抵抗体層の酸化の問題も回避できるため、信頼性上の問題が発生することはない。
【００３８】
尚、本実施例では、薄膜プロセスを用いたサーマルヘッドについて説明を行なったが、個別電極および発熱抵抗体を、それぞれレジネート金や酸化ルテニウム等を使用する厚膜プロセスを用いたサーマルヘッドについても同様の効果が得られる。
【００３９】
サーマルヘッドは、その構造によって、全面グレーズ型や部分グレーズ型、端面型などがある。また、使用形態によっても、直接感熱型、熱転写型、再転写型などが存在するが、本発明は、すべてのサーマルヘッドに応用可能なものである。
【００４０】
また、本実施例においては、サーマルヘッドの他に、熱によってインクを吐出するサーマル式またはバブル式のインクジェットヘッドに対して説明を行なったが、他の発熱抵抗体素子を使用した用途についても応用が可能である。たとえば、サーマルヘッドとほぼ同様の構造である熱消去ヘッドや、熱定着を必要とするプリンタなどの定着ヒータ、光導波路型光部品の薄膜発熱抵抗素子等、他の膜状の発熱抵抗素子を保有する電子部品でも同様の効果が得られる。
【００４１】
よって、本発明の効果は、本実施例に挙げたものに限定されるものではなく、様々な発熱抵抗素子およびこれを用いた部品や装置に応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係るサーマルヘッドの例（断面図）である。
【図２】本発明に係るインクジェットヘッドの例（断面図）である。
【図３】従来のサーマルヘッドの例（断面図）である。
【図４】従来のインクジェットヘッドの例（断面図）である。
【符号の説明】
【００４３】
１    基板
２    蓄熱層
３    平坦化層
４    発熱抵抗体層
５    個別電極
６    共通電極
７    保護膜層
８    インク流路
９    ノズルパターン層
１０  インク流路壁
【図１】
2006321123.tif 000003
【図２】
2006321123.tif 000004
【図３】
2006321123.tif 000005
【図４】
2006321123.tif 000006