(57)【要約】【課題】水素を含有する保護膜を強固に被着させておくことが可能なサーマルヘッド及びその製造方法、並びに、サーマルプリンタを提供すること。【解決手段】発熱素子３と、該発熱素子３に接続される一対の電極４と、前記発熱素子３及び一対の電極４を被覆する保護膜５とを備え、該保護膜５が水素を含む無機質材料を主成分とするサーマルヘッドにおいて、前記保護膜５の下部領域中の水素含有量を皆無に設定する、もしくは、前記保護膜５の下部領域中の水素含有量をその他の領域よりも少なくなるように設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱素子と、該発熱素子に接続される一対の電極と、前記発熱素子及び一対の電極を被覆する保護膜とを備え、該保護膜が水素を含む無機質材料を主成分とするサーマルヘッドにおいて、
前記保護膜の下部領域中の水素含有量をその他の領域よりも少なくなるように設定することを特徴とするサーマルヘッド。
【請求項２】
前記保護膜は炭素及び珪素を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載のサーマルヘッド。
【請求項３】
前記炭素同士の結合がｓｐ２混成軌道にかかる共有結合を主成分とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のサーマルヘッド。
【請求項４】
前記保護膜と発熱素子との間に絶縁材料からなる中間層が介在されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のサーマルヘッド。
【請求項５】
発熱素子と、該発熱素子に接続される一対の電極と、前記発熱素子及び一対の電極を被覆し、水素を含有する材料により形成された保護膜とを備えたサーマルヘッドの製造方法において、
前記保護膜の形成にあたり、水素を含んだガスを使用し、且つ該水素使用量を保護膜形成の初期段階以降よりも初期段階で小さくする工程、を備えたことを特徴とするサーマルヘッドの製造方法。
【請求項６】
前記保護膜が前記水素を含んだガスを反応ガスとする反応性スパッタリングにより形成されることを特徴とする請求項５に記載のサーマルヘッドの製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のサーマルヘッドと、前記発熱素子上に記録媒体を搬送する搬送手段と、サーマルヘッドを駆動する駆動手段とを備えたことを特徴とするサーマルプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発熱素子の発する熱を利用して印画を形成するサーマルヘッド並びにサーマルプリンタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ワードプロセッサ等のプリンタ機構として組み込まれるサーマルヘッドは、アルミナセラミックス等から成る絶縁基板上にガラスグレーズ層を介して複数個の発熱素子及び一対の電極を設け、これら発熱素子及び一対の電極を保護膜によって被覆した構造を有しており、かかるサーマルヘッドは、外部からの画像データに基づいて前記発熱素子に電極を介して所定の電力を印加し、発熱素子を個々に選択的にジュール発熱させるとともに、該発熱した熱を感熱紙等の記録媒体に伝導させ、記録媒体に所定の印画を形成することによってサーマルヘッドとして機能するようになっている。
【０００３】
尚、前記保護膜は記録媒体の摺接による磨耗や大気中に含まれる水分等の接触による腐食から発熱素子等を保護するためのものであり、例えばＳｉＣ系やＳｉＯＮ系、ＳｉＯ系の無機質材料により形成されている。
【０００４】
ところで、サーマルヘッドの保護膜においては、一対の電極間の短絡を防止する十分な絶縁性と、静電気による保護膜の絶縁破壊を有効に防止するために適度な導電性とを備えた特性が求められており、かかる特性を満足するために保護膜中に水素を含有させるとともに、該水素の含有量を調整することによって保護膜の抵抗値を微調整する方法が知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
この特許文献１では、保護膜を従来周知の反応性スパッタリングを採用することによって形成しており、具体的には、チャンバー内に保護膜の構成材料を焼結してなるターゲット材と基板とを配置した状態で前記チャンバー内に水素ガスを反応ガスとして導入するとともに、前記ターゲット材と基板との間に水素を用いることで保護膜中に水素を含有させるようにしている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１５３６３０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この特許文献１をはじめとする従来のサーマルヘッドの製造方法においては、反応性スパッタリングの初期段階より水素を反応ガスとして使用していることから、保護膜の下地に水素が多量に付着した状態で保護膜の素材となる無機質材料が順次被着されることとなる。保護膜の下地に水素が多量に存在すると、保護膜の密着性が著しく低下し、保護膜が剥がれ易くなるおそれがある。
【０００８】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたものであり、その目的は水素を含有する保護膜を強固に被着させておくことが可能なサーマルヘッド及びその製造方法、並びに、サーマルプリンタを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のサーマルヘッドは、発熱素子と、該発熱素子に接続される一対の電極と、前記発熱素子及び一対の電極を被覆する保護膜とを備え、該保護膜が水素を含む無機質材料を主成分とするサーマルヘッドにおいて、前記保護膜の下部領域中の水素含有量をその他の領域よりも少なくなるように設定することを特徴とするものである。
【００１０】
また本発明のサーマルヘッドは、前記保護膜が炭素及び珪素を主成分とすることを特徴とするものである。
【００１１】
更に本発明のサーマルヘッドは、前記炭素同士の結合がｓｐ２混成軌道にかかる共有結合を主成分とすることを特徴とするものである。
【００１２】
また更に本発明のサーマルヘッドは、前記保護膜と発熱素子との間に絶縁材料からなる中間層が介在されていることを特徴とするものである。
【００１３】
一方、本発明のサーマルヘッドの製造方法は、発熱素子と、該発熱素子に接続される一対の電極と、前記発熱素子及び一対の電極を被覆し、水素を含有する材料により形成された保護膜とを備えたサーマルヘッドの製造方法において、前記保護膜の形成にあたり、水素を含んだガスを使用し、且つ水素使用量を保護膜形成の初期段階以降よりも初期段階で小さくする工程、を備えたことを特徴とするものである。
【００１４】
また本発明のサーマルヘッドの製造方法は、前記保護膜が前記水素を含んだガスを反応ガスとする反応性スパッタリングにより形成されることを特徴とするものである。
【００１５】
そして、本発明のサーマルプリンタは、上述のサーマルヘッドと、前記発熱素子上に記録媒体を搬送する搬送手段と、サーマルヘッドを駆動する駆動手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１６】
本発明によれば、水素を含んだガスを使用して保護膜を形成する際、水素使用量を保護膜形成の初期段階以降よりも初期段階で小さくすることにより、保護膜の下地に多量の水素が付着することを有効に防止でき、水素を含んだ保護膜を強固に被着させておくことが可能なサーマルヘッドを得ることができる。従って、保護膜に対して記録媒体を強く搬送させたとしても、保護膜に剥離が生じるのを有効に防止でき、信頼性の高いサーマルプリンタが実現される。
【００１７】
また保護膜中の炭素同士の結合がｓｐ２混成軌道にかかる共有結合を主成分とする場合、保護膜中に含まれる水素によって保護膜中に多数存在する自由電子が良好に捕獲されるため、保護膜の絶縁性を効果的に高めることができるという利点がある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明のサーマルヘッドの一実施形態を示す断面図であり、同図に示すサーマルヘッドは基板１上にグレーズ層２、発熱素子３、一対の電極４及び保護膜５を備えた構造を有している。
【００１９】
基板１はアルミナセラミックスやガラス等の電気絶縁性材料や表面に絶縁膜が形成された単結晶シリコン等の半導体材料など、種々の材料から成り、その上面でグレーズ層２や発熱素子３，一対の電極４，保護膜５等を支持するための支持母材として機能する。
【００２０】
尚、基板１は、アルミナセラミックスから成る場合、まずアルミナ、シリカ、マグネシア等のセラミックス原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿状と成すとともにこれを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等を採用することによってセラミックグリーンシートを形成し、しかる後、前記セラミックグリーンシートを所定形状に打ち抜いた上、高温で焼成することによって製作される。
【００２１】
また基板１の上面にはグレーズ層２が２０μｍ〜６０μｍの厚みに被着・形成されている。
【００２２】
グレーズ層２はガラスやポリイミド樹脂等の低熱伝導性材料により形成されており、発熱素子３の発する熱が適当な温度となるようにその内部で熱を蓄積し、これによってサーマルヘッドの熱応答特性を良好に維持する作用を為す。
【００２３】
尚、グレーズ層２は、ガラスにより形成する場合、ガラス粉末に適当な有機溶媒、溶剤を添加混合して得たガラスペーストを基板上面の全体もしくは所定領域に従来周知のスクリーン印刷法を採用することによって所定厚みに印刷・塗布し、しかる後、これを高温（約９００℃）で焼成することによって基板１の上面に被着・形成される。
【００２４】
またグレーズ層２の上面には、複数個の発熱素子３が例えば３００ｄｐｉ（ｄｏｔ  ｐｅｒ  ｉｎｃｈ）の密度で直線状に被着・配列されており、各発熱素子３の両端には一対の電極４が電気的に接続されている。
【００２５】
発熱素子３は、ＴａＳｉＯやＴａＳｉＮＯ，ＴｉＳｉＯ，ＴｉＳｉＣＯ，ＮｂＳｉＯ，ＴｉＳｉＮｉ等の電気抵抗材料から成り、それ自体が所定の電気抵抗率を有しているため、一対の電極４を介して電源電力が印加されると、ジュール発熱を起こし、記録媒体に印画を形成するのに必要な所定温度、例えば２５０℃〜４００℃の温度となる。
【００２６】
また一方、発熱素子３の両端に接続されている一対の電極４はアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の金属から成り、発熱素子３にジュール発熱を起こさせるのに必要な所定の電力を印加する作用を為す。
【００２７】
尚、複数個の発熱素子３及び一対の電極４は、従来周知の薄膜手法、具体的にはスパッタリング法やフォトリソグラフィー技術，エッチング技術等を採用し、例えばＴａＳｉＯ及びＡｌをグレーズ層２の上面に所定厚み、所定パターンに被着させることにより形成される。
【００２８】
そして発熱素子３及び一対の電極４の上面には保護膜５が被着されており、該保護膜５で発熱素子３や一対の電極４を被覆している。
【００２９】
保護膜５は発熱素子３や一対の電極４を大気中に含まれている水分等の接触による腐食や記録媒体の摺接による磨耗から保護するためのものであり、ＳｉＣやＳｉＮ系、ＳｉＯ系等の無機質材料を主成分とし、その内部に水素を５原子％〜４５原子％含んで構成されている。
【００３０】
また保護膜５は、その下部領域（保護膜５の底面より０．０１μｍ〜０．６μｍの領域）中の水素含有量がその他の領域よりも小さくなるように設定されており（下部領域中の水素含有量が０の場合を含む）、具体的には、下部領域中の水素含有量が０原子％〜１０原子％、その他の領域の水素含有量が５原子％〜４５原子％に設定されている（ただし、水素含有量は下部領域の方が小さい）。従って、保護膜５の下地に対する密着性を強固なものになすことができる。
【００３１】
このような保護膜５の形成方法としては、水素を含むガスを利用した薄膜形成技術、例えばスパッタリング法やＣＶＤ法等が考えられる。
【００３２】
例えばＳｉＣを主成分とする保護膜５を反応性スパッタリングにより形成する場合、まず図３に示す如く、スパッタリング装置のチャンバー内に、炭素（Ｃ）及び珪素（Ｓｉ）が混在する焼結体から成るターゲット材と、発熱素子３及び電極４が被着された基板１とをそれぞれ配置させる。
【００３３】
次に、前記チャンバー内にアルゴンガス及び水素ガスを導入しながら前記ターゲット材と基板１との間に所定の電力を印加し、ターゲット材の構成材料をアルゴンでスパッタリングすることによってターゲット材の一部を基板１に対して被着させる。このとき、水素ガスの使用量を保護膜５の形成の初期段階（ターゲット材の構成材料を基板１上に０．０１μｍ〜０．６μｍ被着させた段階）において小さく、その後の段階で大きくすることが重要である。例えば水素ガスの使用量は保護膜形成の初期段階で導入ガス全体に対して水素分圧０％〜１０％、初期段階以降の段階で水素分圧１０％〜５０％に設定される。
【００３４】
このように水素ガスの使用量を制御することにより、保護膜５の形成にあたり、保護膜５の下地（本実施形態においては発熱素子３や一対の電極４）に対して多量の水素が付着することはなく、それ故、水素を含有した保護膜５を下地に対して強固に被着させることができる。
【００３５】
かくして上述したサーマルヘッドは、一対の電極４間に外部からの画像データに基づいて所定の電力を印加し、発熱素子３を個々に選択的にジュール発熱させるとともに、該発熱した熱を感熱紙等の記録媒体に伝導させ、記録媒体に所定の印画を形成することによってサーマルヘッドとして機能する。
【００３６】
そして、上述のようなサーマルヘッドが組み込まれるサーマルプリンタには、図３に示す如く、サーマルヘッドＴを駆動する駆動手段Ｃと、記録媒体をサーマルヘッドＴの発熱素子３上に搬送する搬送手段としてのプラテンローラ１０や搬送ローラ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ等が配設される。
【００３７】
前記駆動手段Ｃは、シフトレジスタやラッチ、スイッチングトランジスタ等を高密度に集積したドライバーＩＣや該ドライバーＩＣにストローブ信号やラッチ信号等の制御信号を供給する制御回路等を備えており、制御回路からの制御信号に基づいてドライバーＩＣ内のスイッチングトランジスタのオン・オフを切り換えることにより、発熱素子３の発熱を制御するようにしている。
【００３８】
一方、搬送手段としてのプラテンローラ１０は、ＳＵＳ等の金属から成る軸芯の外周にブタジエンゴム等を３ｍｍ〜１５ｍｍ程度の厚みに巻きつけた円柱状の部材であり、サーマルヘッドＴの発熱素子３上に回転可能に支持され、記録媒体を発熱素子３に対して押圧しつつ記録媒体を発熱素子３の配列と直交する方向（図中の矢印方向）に搬送する。
【００３９】
また前記搬送ローラ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、その外周部が金属やゴム等によって形成されており、サーマルヘッドＴに対し記録媒体の搬送方向上流側と下流側に分かれて配設され、これらの搬送ローラ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄと前述のプラテンローラ１０とで記録媒体の走行を支持している。
【００４０】
そして、これと同時に多数の発熱素子３を駆動手段Ｃの駆動に伴い選択的にジュール発熱させ、これらの熱を記録媒体に伝導させることによって所定の印画が形成される。
【００４１】
尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
【００４２】
例えば上述の実施形態では保護膜５を発熱素子３や一対の電極４上に直接被着させるようにしたが、これに代えて、保護膜５と発熱素子３及び電極４との間にＳｉＯＮ系やＳｉＮ系、ＳｉＯ系、ＳｉＣ系の無機質材料からなる中間膜を介在させるようにしても本発明を適用できることは勿論である。
【００４３】
また上述の実施形態においてはグレーズ層２を基板１の上面全体にわたってほぼ一定の厚みに形成するようにしたが、これに代えて図３に示す如く、グレーズ層２ａを断面円弧状になし、これを基板１の上面に部分的に形成するようにしても構わないし、他の形状を有するグレーズ層に本発明を適用可能であることは言うまでもない。
【００４４】
更に上述の実施形態において、保護膜５中の炭素同士の結合がｓｐ２混成軌道にかかる共有結合を主成分とする場合、保護膜５中に含まれる水素によって保護膜中に多数存在する自由電子が良好に捕獲されるため、保護膜の絶縁性を効果的に高めることができるという利点がある。
【００４５】
【実験例】
次に本発明の作用効果を実験例に基づき説明する。
【００４６】
（第１実験）
第１実験は、反応性スパッタリングによって保護膜を形成した場合の基板に対する保護膜の密着性を測定するというものであり、ターゲット材として炭素（Ｃ）及び珪素（Ｓｉ）を８０：２０の割合で混合した焼結体を用い、またチャンバー内に導入するガスをアルゴンガス及び水素ガスとし、水素ガスの割合を少しずつ変化させながら６つの保護膜（サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．６）を形成した。なお、保護膜の厚みは３μｍに設定し、また保護膜の密着強度の測定は、スクラッチ試験機（フルスケール９８０ｍＮ）を使用した。具体的には、スクラッチ試験機を構成するダイヤモンド針（圧子針）を保護膜に対して押し付けた状態で、ダイヤモンド針を所定の周波数（３０Ｈｚ）で振動させながら、ダイヤモンド針を移動させ、保護膜が剥離する荷重を測定した。以上の実験結果を表１に示す。
【００４７】
【表１】
2004351797.tif 000003
【００４８】
この表１によれば、水素分圧が１０％以下であるサンプルＮｏ．１，２では良好な結果が得られている。一方、水素分圧が１５％以上であるサンプルＮｏ．３〜Ｎｏ．６では保護膜が剥がれ易くなっていることがわかる。
【００４９】
（第２実験）
次に、下部領域の水素含有量を０原子％、１０原子％に、上部領域の水素含有量を３０原子％に設定した状態で下部領域の厚みを少しずつ異ならせた保護膜（サンプルＮｏ．８〜１３）と、全体の水素含有量を３０原子％に略揃えた保護膜（サンプルＮｏ．７）とを準備し、かかる保護膜の密着強度を第１実験と同様の方法で測定した。尚、保護膜の厚みは３μｍとした。
【００５０】
【表２】
2004351797.tif 000004
【００５１】
表２によれば、下部領域を０．０１μｍ〜０．６μｍに設定したサンプルＮｏ．８〜１３においては５５ｋｇｆ以上の比較的大きな荷重まで保護膜を被着させることができた。一方、保護膜全体の水素含有量が略均一なサンプルＮｏ．７では小さな荷重で保護膜が剥がれた。
【００５２】
従って、保護膜を形成する際、下部領域の厚みを０．０１μｍ〜０．６μｍとし、且つ初期段階の水素ガスの使用量を水素分圧で０％〜１０％とすれば保護膜を良好に基板に対して密着させておくことができる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、水素を含んだガスを使用して保護膜を形成する際、水素使用量を保護膜形成の初期段階において皆無となすか、もしくは初期段階以降の段階よりも初期段階で小さくすることにより、保護膜の下地に多量の水素が付着することを有効に防止でき、水素を含んだ保護膜を強固に被着させておくことが可能なサーマルヘッドを得ることができる。従って、保護膜に対して記録媒体を強く搬送させたとしても、保護膜に剥離が生じるのを有効に防止でき、信頼性の高いサーマルプリンタが実現される。
【００５４】
また保護膜中の炭素同士の結合がｓｐ２混成軌道にかかる共有結合を主成分とする場合、保護膜中に含まれる水素によって保護膜中に多数存在する自由電子が良好に捕獲されるため、保護膜の絶縁性を効果的に高めることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るサーマルヘッドの断面図である。
【図２】図１の保護膜を製造する際に使用されるスパッタリング装置の概略構成図である。
【図３】図１のサーマルヘッドを組み込んで構成されたサーマルプリンタの概略構成図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係るサーマルヘッドの断面図である。
【符号の説明】
１・・・基板
２，２ａ・・・グレーズ層
３・・・発熱素子
４・・・電極
５・・・保護膜
１０・・・プラテンローラ（搬送手段）
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ・・・搬送ローラ（搬送手段）
Ｔ・・・サーマルヘッド
Ｃ・・・駆動手段
【図１】
2004351797.tif 000005
【図２】
2004351797.tif 000006
【図３】
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【図４】
2004351797.tif 000008