(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
共通電極及び複数の個別電極を有するように上記基板上に形成された電極パターンと、
上記電極パターンに接続された複数の発熱ドットと、
上記電極パターン及び発熱ドットを覆うように複数の層が上記基板上に積層されてなる保護コーティングと、を含むサーマルプリントヘッドであって、
上記保護コーティングのうちの最外層は、ＳｉＣを主成分とし、添加成分として炭素が含まれている、サーマルプリントヘッド。
【請求項２】
上記最外層における炭素の割合が６０モル％以上とされている、請求項１に記載のサーマルプリントヘッド。
【請求項３】
上記最外層における炭素の割合が６０〜８０モル％とされている、請求項２に記載のサーマルプリントヘッド。
【請求項４】
上記保護コーティングは、上記最外層に加えて、上記発熱ドット及び上記電極パターンを覆う厚膜ガラス層と、この厚膜ガラス層上に形成された薄膜ガラス層と、この薄膜ガラス層及び上記最外層の間に形成された接着層と、を含んでいる、請求項１に記載のサーマルプリントヘッド。
【請求項５】
上記発熱ドットは、直線状の厚膜抵抗体によって構成されている、請求項１に記載のサーマルプリントヘッド。
【請求項６】
基板と、共通電極及び複数の個別電極を有するように上記基板上に形成された電極パターンと、上記電極パターンに接続された複数の発熱ドットと、上記電極パターン及び発熱ドットを覆うように複数の層が上記基板上に積層されてなる保護コーティングと、を含むサーマルプリントヘッドの製造方法であって、
上記保護コーティングのうちの最外層は、ＳｉＣを主成分とし、添加成分として炭素が含まれているターゲットを用いたスパッタリングにより形成される、サーマルプリントヘッドの製造方法。
【請求項７】
上記ターゲットにおける炭素の割合が６０モル％以上である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
上記ターゲットにおける炭素の割合が６０〜８０モル％である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
上記ターゲットにおける炭素成分の割合を調整することで、得られる最外層の膜特性を制御する、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
上記スパッタリングは、反応性スパッタリングである、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、サーマルプリントヘッド及びその製造方法に関する。
背景技術
従来より採用されている一般的なサーマルプリントヘッドでは、共通電極及び個別電極を含む電極パターンと、この電極パターンに接続された発熱抵抗体とが基板上に形成され、さらに電極パターン及び発熱抵抗体を覆うように多層構造の保護コーティングが形成された構成となっている。
使用時においては、保護コーティングのうちの最外層は、用紙に対して直接当たるため、用紙との接触を繰り返すうちに摩耗されることになる。例えば１００ｋｍもの距離を越えて印字を続けた場合、最外層のみならず、内部層までが摩耗によって次第にすり減り、最終的には発熱抵抗体や電極が露出してしまうこともある。そうすると、印字結果に白スジや黒スジなどが発生してしまうといった不具合が生じる。
一方、最外層の厚みを相当厚くすれば、保護コーティングの耐久性を向上できる。しかしながら、この場合には、発熱抵抗体から用紙に至るまでの厚みが増すことで熱応答性に劣り、印字品質としては低調なレベルのものしか得られない。
そうした支障が生じないように最外層の材質としては、種々の膜特性に優れた非酸化物系セラミックスが利用され、そのなかでも炭化ケイ素（ＳｉＣ）、あるいは窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）が多く採用されている。こうしたセラミック系材質の一般的な特性は、高硬度であって耐摩耗性に優れた点にあるとされ、その分最外層を４μｍ程度の薄膜に形成して熱応答性を高めることが可能とされている。
しかしながら、最外層にＳｉＣ、あるいはＳｉ３Ｎ４といった硬質材を用いても、依然最外層に要求される膜特性の全てを改善するには及ばない。特に最近においては、そのような硬質材でもそれほどの耐摩耗性を得られないことが試験結果により検証された。例えば、ＳｉＣについて摩耗試験を行った結果では、所定条件（詳細は後述）下でＳｉＣ膜を金属ボールとの繰り返し摩擦により摩耗せた場合、図３に示すように、摩擦サイクル回数が約１０００回以降から次第に摩擦係数が増すこととなって、最終的に１．１μｍもの摩耗量が生じた。これは、被膜表面がアグレッシブ摩耗などにより原子・分子レベルで化学反応を起こし、もともとＳｉＣであった表面が二酸化珪素（ＳｉＯ２）に変化したことによる。また、Ｓｉ３Ｎ４については、図３を見て明らかなように、当初から摩擦係数が高めの値として計測された。
以上のように、図３のグラフから、摩擦係数が耐摩耗性及び摺動性を決定付ける因子の一つであり、摩擦係数が総じて高いと耐摩耗性ならびに摺動性を向上することができないことが分かる。従って、ＳｉＣあるいはＳｉ３Ｎ４といった材質で保護コーティングの最外層を構成したとしても、耐摩耗性ならびに摺動性を格段に向上するには至らず、これらの改善策についてさらなる研究・開発の余地がある。
一方、最外層とその下地層との密着性に関しては、最外層が一般的な酸化物系セラミックからなる場合には、下地層との良好な密着状態が得られない。また、非酸化物系のＳｉＣやＳｉ３Ｎ４といった硬質材からなる最外層では、外部からの衝撃でスクラッチが入った場合、硬質であるがゆえにその箇所を起点として剥離されやすいという難点があった。
さらに、静電破壊に対する耐性については、酸化物系セラミック、ＳｉＣ及びＳｉ３Ｎ４はほとんど導電性が無いことから、用紙との摺動時に摩擦によって最外層が帯電して静電破壊を起こすおそれがある。それを防止するために、導電性物質を添加すると、静電破壊を起こすおそれが解消されるが、水滴などが表面に付着することでイオン化により溶け出すといった電気腐食の問題が背反的に生じてしまっていた。
発明の開示
そこで、本発明は、最外層の材料組成を変更することにより、各種の膜特性を全般的に改善することができ、特に用紙に対する摺動性を良好なものとして耐摩耗性を高めることができるサーマルプリントヘッドを提供することを目的とする
本発明の別の目的は、このようなサーマルプリントヘッドの製造方法を提供することにある。
本発明の第１の側面によれば、基板と、共通電極及び複数の個別電極を有するように上記基板上に形成された電極パターンと、上記電極パターンに接続された複数の発熱ドットと、上記電極パターン及び発熱ドットを覆うように複数の層が上記基板上に積層されてなる保護コーティングと、を含むサーマルプリントヘッドであって、上記保護コーティングのうちの最外層は、ＳｉＣを主成分とし、添加成分として炭素が含まれている、サーマルプリントヘッドが提供される。
好ましくは、上記最外層における炭素の割合が６０〜８０モル％とされている。
本発明の好適な実施形態によれば、上記保護コーティングは、上記最外層に加えて、上記発熱ドット及び上記電極パターンを覆う厚膜ガラス層と、この厚膜ガラス層上に形成された薄膜ガラス層と、この薄膜ガラス層及び上記最外層の間に形成された接着層と、を含んでいる。また、上記発熱ドットは、直線状の厚膜抵抗体によって構成されている。
以上の構成のサーマルプリントヘッドにおいては、上記最外層は、主成分としてのＳｉＣに加えて炭素が添加成分として含まれている。その結果、炭素の添加量に応じて摺動性（耐摩耗性）及び下地層との密着性を向上させることができる。
本発明の第２の側面によれば、基板と、共通電極及び複数の個別電極を有するように上記基板上に形成された電極パターンと、上記電極パターンに接続された複数の発熱ドットと、上記電極パターン及び発熱ドットを覆うように複数の層が上記基板上に積層されてなる保護コーティングと、を含むサーマルプリントヘッドの製造方法であって、上記保護コーティングのうちの最外層は、ＳｉＣを主成分とし、添加成分として炭素が含まれているターゲットを用いたスパッタリングにより形成される、サーマルプリントヘッドの製造方法が提供される。
好ましくは、上記ターゲットにおける炭素の割合が６０〜８０モル％である。この範囲内で、炭素成分の割合を調整することにより、得られる最外層の膜特性が制御できる。
本発明の好適な実施形態では、上記スパッタリングは、反応性スパッタリングである。
以上の製造方法によれば、最外層は、ＳｉＣを主成分としつつも、その他に添加成分として炭素を含むことになる。こうして形成された最外層では、その構成原子全体に対する炭素成分のモル分率が純粋なＳｉＣの平衡状態よりも幾分高めとされ、その結果として最外層の膜特性にいろんな変化が現れる。具体的に言えば、純粋なＳｉＣに追加的に炭素が含有された最外層では、長距離にわたって用紙が摺動する場合であっても、著しく低い摩擦係数が長期わたって保たれる。また、炭素が添加成分として含まれた最外層では、純粋なＳｉＣのみとした構造よりも膜応力が減じて緻密化されることから、下地層との密着性及び硬質性について改善が見られ、機械的強度に関して向上したものとされる。さらに、上記構成を有する最外層では、微弱な導電性を有して用紙との摺動摩擦によっても帯電現象を起こすことはなく、その一方では、微弱な導電性であるがゆえに電気腐食もほとんど生じることはない。
上記した作用・効果は、特に最外層を構成する炭素の割合が６０〜８０モル％とした場合に顕著に発揮されることとなる。
また、最外層における炭素の割合を調整するには、反応性スパッタリングにより最外層に取り込まれる炭素を原子レベルで制御すれば良い。これにより、最外層の形成に際して、その組成を最適となるように可変制御することができる。
本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
図１及び図２は、本発明の好適な実施形態に係る厚膜型サーマルプリントヘッド１を示している。サーマルプリントヘッド１は、セラミック基板２の上面に蓄熱グレーズ層６と、このグレーズ層６の表面に形成された電極パターン３とを含んでいる。電極パターン３は、単一の共通電極３０及び複数の個別電極３１を含んでいる。共通電極３０は、複数の櫛歯状延出部３０ａを有しており、各延出部３０ａが隣り合う個別電極３１間に突入するように形成されている。同様に、各個別電極３１の一端部３１ａは、共通電極３０の隣り合う延出部３０ａ間に突入している。各個別電極３１の他端部３１ｂは、接続用パッドとされており、このパッド３１ｂは、図示しないそれぞれの駆動ＩＣの対応するパッドにワイヤを介して導通接続されている。電極パターン３は、レジネート金を印刷・焼成した後、フォトリソ法によるエッチングにより形成される。
共通電極３０の延出部３０ａ及び個別電極３１の上を交差するように、直線状に延びる厚膜発熱抵抗体５が形成されている。この発熱抵抗体５において、隣接する延出部３０ａにより区画された部分（図１にクロスハッチングを施した部分）が単位発熱ドット５０として作用し、図示しない対応する駆動ＩＣからの電流によりその発熱ドット５０が発熱する。発熱抵抗体５は、例えば酸化ルテニウムを含む抵抗体ペーストを印刷・焼成することにより形成される。
さらに、上記サーマルプリントヘッド１は、図２に示すように、電極パターン３及び発熱抵抗体５を覆うようにして保護コーティング８が形成されている。この保護コーティング８は、厚膜ガラス層８１、薄膜ガラス層８２、接着層としての下地層８３、及び用紙に対して直接当たる最外層８４の４層により多層化構造とされている。
厚膜ガラス層８１は、ガラスペーストを用いた印刷・焼成によって、例えばその厚みが１０μｍ程度、ビッカース硬度が５００〜６００ｋｇ／ｍ２の非晶質ガラス厚膜に形成されている。この厚膜ガラス層８１の形成に用いるガラスペーストは、例えば樹脂成分を約２６．５重量％及びガラス成分を約７３．５重量％含む。
薄膜ガラス層８２は、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法などの適宜の手段によって、例えばその厚みが０．６μｍ程度、ビッカース硬度が５００〜７００ｋｇ／ｍ２の二酸化珪素（ＳｉＯ２）の薄膜として形成されている。
下地層８３は、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法などの適宜の手段によって、例えばその厚みが２．０μｍ程度、ビッカース硬度が１６００〜１８００ｋｇ／ｍ２の炭化ケイ素（ＳｉＣ）の薄膜として形成されている。これに代えて、下地層８３は、チタンやタングステンなどの金属によって、あるいは炭化チタン（ＴｉＣ）によって形成しても良い。
最外層８４は、例えばスパッタリング法によってその厚みが４μｍ程度、ビッカース硬度が１２００ｋｇ／ｍ２程度とした膜形成素材により薄膜形成されている。具体的には、その膜形成素材としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を主成分として含み、その他に添加成分として炭素（Ｃ）を含むセラミックス系材料（以下、これを単に「Ｃ−ＳｉＣ」と記す）が採用されている。さらに具体的に言うと、最外層８４を構成するＣ−ＳｉＣは、全体に対する炭素（Ｃ）の割合が６０〜８０モル％となるように調整されている。このように炭素（Ｃ）を添加成分として含むＣ−ＳｉＣは、純粋な炭化ケイ素（ＳｉＣ）に対して機能的に優れた緻密化構造となり、それにより各種の膜特性（特に、耐摩耗性及び摺動性）が他の材質のものに比べて改善される。この膜特性改善については後述する。
上記組成のＣ−ＳｉＣからなる最外層８４は、それと同じ組成のＣ−ＳｉＣターゲットを用いて反応性スパッタリングを行うことで成膜される。スパッタリングに際しては、ターゲット・の組成を変更したり、あるいは雰囲気中の水素やメタンなどといった活性ガス濃度を調整することにより、所望の膜特性を得ることが可能となる。
次に、Ｃ−ＳｉＣ膜（最外層８４）の膜特性について説明する。
図３は、Ｃ−ＳｉＣ膜（最外層８４）について摩耗試験により得られた摩擦係数の変化を、従来例と対比して示すグラフである。摩耗試験は、市販されている摩擦摩耗試験機（神鋼造機社製）を用いて、下記の条件下にて行った。
温度：２４℃
ボール：炭素鋼球
荷重：５００ｇ
ストローク：６ｍｍ
周波数：２Ｈｚ
摺動サイクル数：１５００（１２ｍｍ／サイクル）
上記試験条件について簡単に説明すると、２４℃の温度条件下で、ボールを試料（膜）に５００ｇの荷重で押しつけた状態でボールを動かすことにより、試料を摩擦摩耗させるのである。その際、ボールのストローク（前進又は後退時の移動距離）は６ｍｍ（すなわち、１サイクルの往復距離は１２ｍｍ）とし、周波数（１秒間の往復サイクル数）は２Ｈｚとして、合計１５００サイクルまで試料を摩擦摩耗させた。
同グラフに示すように、本実施形態において最外層８４として用いられるＣ−ＳｉＣ膜では、摺動サイクルが約２００回となった時点で摩擦係数が急激に低下し、それ以降では摩擦係数が０．０５といった極めて低い値を永続的に保つことが計測された。また、最終的にＣ−ＳｉＣ膜では、従来のＳｉＣ膜やＳｉ３Ｎ４膜に比べて半分以下の摩耗量（０．４μｍ）とした測定結果が得られている。これは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）に炭素（Ｃ）が添加されていることで摺動面となる被膜表面が耐酸化性に強い性質とされ、アグレッシブ摩耗によっても酸化シリコン（ＳｉＯ２）に形質変化しにくい緻密化構造とされたことによると思われる。
要するに、本実施形態にかかるＣ−ＳｉＣ膜は、異なる組成を有する従来の膜に比べて摩擦係数が極めて低いことから摩耗量が低減される。従って、Ｃ−ＳｉＣ膜では摺動性及び耐摩耗性が十分に改善されるのである。
また、Ｃ−ＳｉＣ膜は、従来例のＳｉ３Ｎ４膜などに比べて引掻硬さが倍以上に優れている。従って、Ｃ−ＳｉＣ膜を最外層８４とすることで下地層８３との密着性に優れるとともに、外部からの衝撃によってもスクラッチが生じ難くて剥離されにくいものとすることができる。
さらに、Ｃ−ＳｉＣ膜では、炭素（Ｃ）のモル分率を８０モル％以下（逆にケイ素（Ｓｉ）のモル分率を２０モル％以上）とすることで、膜の比抵抗が１０６Ω／ｃｍ程度以上とすることが可能である。そうすると、膜自体の導電性は極めて低いため、水滴などが膜表面に付着してイオン化により溶け出すといった電気腐食の問題を防ぐことができる。その一方、Ｃ−ＳｉＣ膜は僅かな導電性を有するため、この膜で構成された最外層８４が共通電極３０などに接触している場合、用紙との摺動時に摩擦によって生じた静電気を逃がすことができ、静電破壊といった問題も防ぐことができる。
また、Ｃ−ＳｉＣ膜による最外層８４を４μｍ程度の薄膜として構成する場合には、保護コーティング３全体としての厚みを小さくでき、発熱抵抗体５から用紙への熱応答性に優れたものに維持して高い印字品質を確保できる。さらに、Ｃ−ＳｉＣ膜はセラミック系であることから、耐熱性の問題もない。
図４は、最外層８４をＣ−ＳｉＣ膜（Ｃ成分のモル分率が８０モル％で、Ｓｉ成分のモル分率が２０モル％）で構成した本実施形態に係るサーマルプリントヘッドの実走行評価試験の結果を最外層をＳｉＣ膜とした従来品との比較で示すグラフである。実走行評価試験は、サーマルプリントヘッドを１００％デューティ（全発熱ドットを駆動して黒ベタ印字する状態）の条件下で駆動しつつ、用紙を最外層に摺動させつつ走行させたものである。この試験評価は、所定印字距離ごとに最外層の摩耗量を測定することにより行った。
図４のグラフから分かるように、従来のサーマルプリントヘッド（ＳｉＣ膜）では、はじめに約４μｍあった最外層の厚みが７０ｋｍの印字距離に達すると、３．５μｍも摩耗してしまった。一方、本実施形態に係るサーマルプリントヘッド（Ｃ−ＳｉＣ膜）では、印字距離が７０ｋｍに達しても、最外層の摩耗量はその初期厚み（約４μｍ）の１／４にも満たなかった。このことは、本実施形態に係るサーマルプリントヘッドが従来のものに比べて３倍以上の耐久寿命があることを示している。従って、本実施形態に係るサーマルプリントヘッドは、相当の耐久性が要求される印字機器（例えばバーコード用印字機器）などに組み込んで使用するのに適している。
上記実施形態は、厚膜型サーマルプリントヘッドであったが、本発明は薄膜型サーマルプリントヘッドについても適用できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に実施形態に係るサーマルプリントヘッドを示した要部概略平面図である。
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
図３は、Ｃ−ＳｉＣ膜について摩耗試験により得られた摩擦係数を、従来例と比較しながら示すグラフである。
図４は、本発明のサーマルプリントヘッドについての実走行評価試験の結果を従来品との比較で示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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