(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱性基板の上面にガラスからなる保温層が形成され、前記保温層の上面にはブリッジ層が形成され、前記保温層の表面と前記ブリッジ層との間に空洞部が形成され、前記ブリッジ層には複数のスリット部が所定のピッチ寸法で形成されており、
前記スリット部とスリット部の間の前記ブリッジ層の上部には、セラミックからなる無機保温層が形成され、この無機保温層の上面に、ＳｉまたはＡｌの酸化物、窒化物、炭化物から選ばれた無機保護層が積層形成され、前記無機保護層の上面には発熱抵抗体が積層形成され、前記発熱抵抗体からなる複数の発熱素子は前記空洞部上に整列されて形成されており、
給電体である共通給電体及び個別給電体がそれぞれ前記発熱素子を挟んで形成され、前記発熱抵抗体及び前記各給電体のそれぞれの上面には耐摩耗層が積層被覆されてなることを特徴とするサーマルヘッド。
【請求項２】
前記保温層の表面には、断面が略台形状の凸部が形成され、前記凸部を含む前記保温層の上面に前記ブリッジ層が形成され、前記凸部の表面と前記ブリッジ層との間に空洞部が形成されてな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】
前記ブリッジ層は、高融点金属とＳｉＯ２のサーメット、またはＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｓｉ−Ｏ−Ｎのセラミックからなることを特徴とする請求項１、または２記載のサーマルヘッド。
【請求項４】
前記無機保温層は、Ｓｉと遷移金属と酸素、または窒素の複合酸化物、複合窒化物のいずれかからなり、厚みが５〜２０μｍに積層され、その熱拡散率が０．３〜０．４ｍｍ2 ／ｓｅｃの断熱性を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のサーマルヘッド。
【請求項５】
前記無機保護層は、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮの絶縁性セラミックのいずれかからなり、厚みが０．１〜１μｍに積層されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のサーマルヘッド
【請求項６】
放熱性基板の上面にガラスからなる保温層を形成し、この保温層の上に易選択エッチング性を有する犠牲層を積層形成し、次に、前記犠牲層を含む前記保温層の上面にブリッジ層を積層形成し、前記犠牲層上の前記ブリッジ層にフォトリソ技術によって、所定のピッチ寸法からなる複数のスリット部を形成し、このスリット部から下地の前記犠牲層を露出させ、その後、前記スリット部からエッチング液を注入することにより、前記犠牲層を溶解除去し、前記犠牲層を形成した部分の前記保温層の表面と前記ブリッジ層と間に空洞部を形成し、
次に、前記ブリッジ層の上面にセラミックからなる無機保温層を形成し、この無機保温層の上面に、ＳｉまたはＡｌの酸化物、窒化物、炭化物から選ばれた無機保護層を積層し、この無機保護層の上に発熱抵抗体を積層形成し、
該発熱抵抗体の上面には、共通給電体及び個別給電体からなる給電体を形成し、前記共通給電体及び個別給電体とに挟まれた位置で、前記空洞部上の前記発熱抵抗体からなる複数の発熱素子を整列して形成し、前記発熱抵抗体及び前記共通給電体、前記個別給電体のそれぞれの上面に、耐摩耗層を積層被覆したことを特徴とするサーマルヘッドの製造方法。
【請求項７】
前記犠牲層は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏから選ばれ、厚さを０．１〜２μｍに形成したことを特徴とする請求項６記載のサーマルヘッドの製造方法。
【請求項８】
前記無機保温層は、スパッタ蒸着により前記スリット部を含む前記ブリッジ層の上面に積層形成したことを特徴とする請求項６、または７記載のサーマルヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーマルプリンタに使用される高効率なサーマルヘッド及びその製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のサーマルヘッドは、一般に、図５に示すように、アルミナ等からなる放熱性基板１の端部に、グレーズ保温層２を略８０μｍの厚みに、全面または部分形成する。
このグレーズ保温層２の表面に、フォトリソ技術により、凸部２ａが略５μｍの高さで形成されている。
また、凸条部２ａを含むグレーズ保温層２の上面に、Ｔａ２ＮやＴａ−ＳｉＯ２等からなる発熱抵抗体３をスパッタリング等により積層し、その後、フォトリソ技術により発熱抵抗体３のパターンを形成している。
【０００３】
また、発熱抵抗体３の上面には、発熱抵抗体３に電力エネルギーを供給するための給電体が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ等をスパッタリング等で、略２μの厚みに積層されている。
そして、フォトリソ技術により給電体をエッチングして、共通給電体４、及び個別給電体５、及び各給電体４、５の外部接続端子（図示せず）も同時に形成している。
また、発熱抵抗体３、及び各給電体４、５のそれぞれの上面に、発熱抵抗体３や、各給電体４、５の酸化や摩耗を防止するために、Ｓｉ−Ｏ−Ｎや、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ等の硬質セラミックからなる、耐酸化性及び耐摩耗性の耐摩耗層６を、スパッタリング等により５〜１０μｍの厚みに積層被覆して、印刷時の耐久性を得るようにしている。
【０００４】
このような従来のサーマルヘッドは、アルミニウム等の部材からなるヒートシンク７に、樹脂接着剤８により接着され、印刷時に放熱性基板１に蓄熱される熱を外部に放熱する構造に組み立てられて、サーマルプリンタ等に搭載されている。
このような、従来のサーマルヘッドにおいて、発熱抵抗体３にジュール熱を発生させ、耐摩耗層６の表面に密着させた、感熱紙や熱転写インクリボン等（図示せず）を加熱することにより、感熱紙の発色、または普通紙等の記録紙にインクリボンのインクを転写して、文字や画像を印刷するようになっている。
【０００５】
前述したような従来のサーマルヘッドを搭載したサーマルプリンタは、近年、小型・軽量が進み、携帯可能でバッテリー駆動が可能なものが開発されている。このような携帯可能でバッテリー駆動可能なサーマルプリンタにおいて、消費電力が最も大きなものは、多数の発熱抵抗体３を有するサーマルヘッドであった。
そして、従来のサーマルヘッドを省電力化するために、過去よりグレーズ保温層２の膜厚を厚くして、蓄熱を大きくする手段を用いていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来のサーマルヘッドは、グレーズ保温層２の膜厚を単に厚くする手段だけでは、連続駆動時に蓄熱が過大になって、例えばサーマルヘッドを熱転写プリンタに使用していると、印刷範囲内だけでなく、印刷範囲外にも、インクリボン等のインクが転写されて、印刷画像に尾引き現象が発生して印刷不良になるおそれがあった。
本発明は前述したような問題点に鑑みてなされたもので、連続印刷等でも印刷不良が発生せず、且つ、低消費電力化が可能なサーマルヘッド、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の解決手段として本発明のサーマルヘッドは、放熱性基板の上面にガラスからなる保温層が形成され、前記保温層の上面にはブリッジ層が形成され、前記保温層の表面と前記ブリッジ層との間に空洞部が形成され、前記ブリッジ層には複数のスリット部が所定のピッチ寸法で形成されており、
前記スリット部とスリット部の間の前記ブリッジ層の上部には、セラミックからなる無機保温層が形成され、この無機保温層の上面に、ＳｉまたはＡｌの酸化物、窒化物、炭化物から選ばれた無機保護層が積層形成され、前記無機保護層の上面には発熱抵抗体が積層形成され、前記発熱抵抗体からなる複数の発熱素子は前記空洞部上に整列されて形成されており、給電体である共通給電体及び個別給電体がそれぞれ前記発熱素子を挟んで形成され、前記発熱抵抗体及び前記各給電体のそれぞれの上面には耐摩耗層が積層被覆されてなる構成とした。
【０００８】
また、前記課題を解決するための第２の解決手段として、前記保温層の表面には、断面が略台形状の凸部が形成され、前記凸部を含む前記保温層の上面に前記ブリッジ層が形成され、前記凸部の表面と前記ブリッジ層との間に空洞部が形成されてなる構成とした。
【０００９】
また、前記課題を解決するための第３の解決手段として、前記ブリッジ層は、高融点金属とＳｉＯ２のサーメット、またはＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｓｉ−Ｏ−Ｎのセラミックからなる構成とした。
【００１０】
また、前記課題を解決するための第４の解決手段として、前記無機保温層は、Ｓｉと遷移金属と酸素、または窒素の複合酸化物、複合窒化物のいずれかからなり、厚みが５〜２０μｍに積層され、その熱拡散率が０．３〜０．４ｍｍ2 ／ｓｅｃの断熱性を有する構成とした。
【００１１】
また、前記課題を解決するための第５の解決手段として、前記無機保護層は、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮの絶縁性セラミックのいずれかからなり、厚みが０．１〜１μｍに積層されている構成とした。
【００１２】
また、前記課題を解決するための第６の解決手段として、放熱性基板の上面にガラスからなる保温層を形成し、この保温層の上に易選択エッチング性を有する犠牲層を積層形成し、次に、前記犠牲層を含む前記保温層の上面にブリッジ層を積層形成し、前記犠牲層上の前記ブリッジ層にフォトリソ技術によって、所定のピッチ寸法からなる複数のスリット部を形成し、このスリット部から下地の前記犠牲層を露出させ、その後、前記スリット部からエッチング液を注入することにより、前記犠牲層を溶解除去し、前記犠牲層を形成した部分の前記保温層の表面と前記ブリッジ層と間に空洞部を形成し、次に、前記ブリッジ層の上面にセラミックからなる無機保温層を形成し、この無機保温層の上面に、ＳｉまたはＡｌの酸化物、窒化物、炭化物から選ばれた無機保護層を積層し、この無機保護層の上に発熱抵抗体を積層形成し、該発熱抵抗体の上面には、共通給電体及び個別給電体からなる給電体を形成し、前記共通給電体及び個別給電体とに挟まれた位置で、前記空洞部上の前記発熱抵抗体からなる複数の発熱素子を整列して形成し、前記発熱抵抗体及び前記共通給電体、前記個別給電体のそれぞれの上面に、耐摩耗層を積層被覆した製造方法とした。
【００１３】
また、前記課題を解決するための第７の解決手段として、前記犠牲層は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏから選ばれ、厚さを０．１〜２μｍに形成した製造方法とした。
【００１４】
また、前記課題を解決するための第８の解決手段として、前記無機保温層は、スパッタ蒸着により前記スリット部を含む前記ブリッジ層の上面に積層形成した製造方法とした。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のサーマルヘッド及びその製造方法を図面に基づいて説明する。図１は本発明のサーマルヘッドを示す要部断面図であり、図２は本発明のその他の実施形態を示す要部断面図であり、図３は本発明に係わる空洞部の製造方法を説明する説明図であり、図４は本発明と従来のサーマルヘッドの熱応答特性を比較したグラフである。
【００１６】
まず、本発明のサーマルヘッドは、図１に示すように、アルミナ等からなる放熱性基板１１の上面には、ガラスからなる保温層１２が、略８０μｍの厚さで形成されている。
前記保温層１２の表面には、断面が略台形状の凸部１２ａが、略５μｍの高さに凸条として形成されている。
前記凸部１２ａを含む保温層１２の上面には、ＴａＳｉＯ２等の後述する発熱抵抗体１８のサーメット材料、またはＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ等のセラミック材料により、厚みが略１μｍのブリッジ層１４が形成されている。
【００１７】
前記凸部１２ａの頂部には、凸部１２ａ表面とブリッジ層１４との間に、高さ（隙間）が０．１〜２μｍの空洞部１５が形成されている。この空洞部１５が形成された部分のブリッジ層１４には、図３に示すような複数のスリット部Ｓが所定のピッチ寸法で形成されて、スリット部Ｓから空洞部１５内が露出している。前記スリット部Ｓとスリット部Ｓの間の上部には、後述する無機保温層１６及び無機保護層１７を介して発熱抵抗体１８ａが形成されている。
【００１８】
また、スリット部Ｓを含むブリッジ層１４の上面には、高断熱性、高密着性のセラミックからなる無機保温層１６が形成されている。
この無機保温層１６は、Ｓｉと遷移金属と酸素、または窒素の化合物からなる高断熱性、高密着性のセラミックからなり、厚みが５〜２０μｍ形成されている。
即ち、無機保温層１６は、Ｓｉ−高融点金属−Ｏ、またはＳｉ−高融点金属−Ｎ、またはＳｉ−高融点金属−Ｏ−Ｎのセラミックからなり、その熱拡散率が０．３〜０．４ｍｍ2 ／ｓｅｃの断熱性を有するようになっている。
【００１９】
また、無機保温層１６の上面には、無機保温層１６を電気的、化学的、機械的に保護するための、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等からなる、高絶縁性の無機保護層１７が、０．１〜１μｍの厚みに形成されている。この無機保護層１７は、空洞部１５によって上方に突出形成された凸部１７ａが設けられている。
また、無機保護層１７の上面には、Ｔａ−ＳｉＯ２等からなる、高融点金属サーメットの発熱抵抗体１８が積層形成されている。前記発熱抵抗体１８は、無機保護層１７の凸部１７ａ上に発熱素子１８ａがドット状に整列されて形成されている。
【００２０】
また、発熱素子１８ａの左右で発熱抵抗体１８の上面には、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ等からなる給電体材料が、１〜２μｍの厚みに積層され、給電体である共通給電体１９、及び個別給電体２０がそれぞれ発熱素子１８ａを挟んで形成されている。
また、それぞれの給電体１９、２０は、発熱素子１８ａの高さと同等以下の高さに形成されている。
また、発熱素子１８ａは、無機保温層１６及び無機保護層１７を介してスリット部Ｓとスリット部Ｓとの間の上部に形成されている。
【００２１】
また、発熱抵抗体１８及び、各給電体１９、２０のそれぞれの上面には、Ｓｉ−Ｏ−ＮやＳｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ等からなる耐摩耗層２１が、略５μｍの厚みに積層被覆されている。
そして、本発明のサーマルヘッドは、金属製のヒートシンク２２に、接着剤２３で接着されて、バッテリー駆動用フォトプリンタや、携帯可能なモバイルプリンタ等の印刷装置に搭載されている。
【００２２】
また、本発明のその他の実施の形態として、図２に示すように、放熱性基板１１をシリコンまたは金属で形成し、この放熱性基板１１の表面に、フォトリソ技術やプレス技術により、凸条部１１ａを形成し、放熱性基板１１の上面に直接ブリッジ層１４を形成したものでも良い。
【００２３】
また、本発明のサーマルヘッドの熱応答特性を、図４に基づいて説明すると、縦軸がサーマルヘッドに通電したときの発熱温度の変化であり、横軸が通電時間であり、Ｆの縦線が通電を停止した時である。
そして、グラフＤは従来のサーマルヘッドの熱応答特性を示すグラフであり、グラフＥは本発明のサーマルヘッドの熱応答特性を示すグラフである。
【００２４】
まず、従来と本発明のそれぞれのサーマルヘッドに、一定の電力を供給すると、通電時間の経過と共に発熱抵素子１８ａの発熱温度は、空洞部１５を形成したグラフＥの方が、グラフＤの従来のものより早く立ち上がると共に、その発熱温度も従来より高くなる。
また、通電時間が所定時間経過後、Ｆのところでサーマルヘッドへの通電を停止すると、Ｄ、Ｅのそれぞれのサーマルヘッドは、温度低下するが、Ｅの本発明の方が通電時の温度上昇が高かった分、温度低下が緩やかとなることがわかる。
【００２５】
このような、本発明のサーマルヘッドは、それぞれの発熱素子１８ａの背部に無機保温層１６及び無機保護層１７を介して、高断熱性の空洞部１５を形成しているので、発熱抵抗体１８から放熱性基板１１への熱拡散が著しく低減されて蓄熱性に優れている。
また、蓄熱が所定温度以上になると、この蓄熱を効率よく放熱性基板１１に放熱することができる。
そのために、印刷開始時の発熱素子１８ａを、短時間で印刷可能温度まで立ち上げることができると共に、連続印刷を行う場合も、無機保温層１６及び保温層１２の蓄熱を効率よく放熱することができる。
また、本発明のサーマルヘッドは、発熱部１８ａを印刷可能範囲まで発熱させるときの、発熱抵抗体１８に供給する電力エネルギーを従来より小さくすることができる。
即ち、本発明のサーマルヘッドは、熱効率を高めると共に、低消費電力とすることができ、携帯型サーマルプリンタ等を省電力化することができる。
【００２６】
このような高効率のサ−マルヘッドの製造方法を、空洞部１５の製造を中心に説明すると、まず、真空蒸着装置（図示せず）の真空雰囲気のチャンバー内において、グレーズからなる保温層１２の凸部１２ａ上に、易選択エッチング性を有する犠牲層１３を、図３に示すように、帯状に積層形成する。
次に、図３に示すように、犠牲層１３を含む保温層１２の上面にブリッジ層１４を積層形成し、犠牲層１３上のブリッジ層１４をフォトリソ技術によって、任意形状で所定のピッチ寸法からなる複数のスリット部Ｓを形成し、このスリット部Ｓから下地の犠牲層１３を露出させる。
【００２７】
そして、スリット部Ｓとスリット部Ｓの間のブリッジ層１４上部には、無機保温層１６及び無機保護層１７を介して発熱素子１８ａが形成されるようになっている。
次に、スリット部Ｓの部分から、選択性のエッチング液を注入することにより、犠牲層１３が溶解除去される。すると、犠牲層１３を形成した部分の保温層１２の凸部１２ａ表面と、ブリッジ層１４と間に、図１に示すような空洞部１５が形成される。
【００２８】
次に、スリット部Ｓを含むブリッジ層１４の上面に、複合酸化物、または複合窒化物からなる高断熱性、高密着性の無機保温層１６を形成する。
この無機保温層１６は、高ガス圧の反応性スパッタ蒸着を行うことにより、酸素、または窒素不足の低密度な黒色膜となり、熱拡散率が０．３〜０．４ｍｍ2 ／ｓｅｃと、特に断熱性に優れていると共に、遊離した活性な遷移金属を含むため、密着性にも優れた特性を有している。
【００２９】
そして、厚みが５〜２０μｍの無機保温層１６により、下部に空洞部１５があったとしても、印刷時に発熱素子１８ａに加わる繰り返しの剪断応力に耐える機械的強度が発揮することができるようになっている。
次に、無機保温層１６を保護するための無機保護層１７を積層し、この無機保護層１７の上に、高融点サーメットの発熱抵抗体１８を積層形成する。
この発熱抵抗体１８は、少なくとも４００℃以上の安定化アニールがなされている。また、発熱抵抗体１８の上面には、共通給電体１９、及び個別給電体２０からなる給電体を形成し、共通給電体１９、及び個別給電体２０とに挟まれた位置で、空洞部１５により突出する部分の発熱抵抗体１８に、発熱素子１８ａがドット状に整列して形成されている。
【００３０】
前記それぞれの給電体１９、２０の厚みは、発熱素子１８ａの高さと同等以下に形成されている。
また、発熱抵抗体１８及び、共通給電体１９、個別給電体２０のそれぞれの上面に、耐摩耗層２１を積層被覆することにより、本発明の製造方法によるサーマルヘッドを製造できる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のサーマルヘッドは、無機保温層の上面に、Ｓｉ、またはＡｌの酸化物、窒化物、炭化物から選ばれた無機保護層が積層され、発熱素子は、無機保温層及び無機保護層を介して空洞部を露出するスリット部とスリット部の間の上部に形成したので、発熱素子から放熱性基板への熱拡散が著しく低減されて、印刷に必要な適正な温度で効率よく蓄熱することができるサーマルヘッドを提供できる。
また、連続印刷時には、蓄熱を適正に放熱することができ、従来のような過大に蓄熱される障害をなくすることができる。
また、スリット部とスリット部の間の上部に、発熱素子を形成しているので、印刷時に発熱素子に加わる負荷を、スリット部とスリット部の間の無機保温層及び無機保護層で受け止めることができ、高熱効率で、且つ機械的強度が強いサーマルヘッドを提供できる。
【００３２】
また、発熱素子は、互いに対向する個別給電体と共通給電体との間で空洞部によって上方に突出する部分のブリッジ層上に形成し、給電体の厚みを発熱素子の高さと同等以下としたので、印刷時に加わる給電体への負荷を小さくすることができる。
そのために、給電体は比較的軟らかい材料で形成されているが、給電体の寿命を長くすることができる。
【００３３】
また、ブリッジ層は、高融点金属とＳｉＯ２のサーメット、またはＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｓｉ−Ｏ−Ｎのセラミックからなるので、ガラスからなる保温層と無機保温層とを強固に密着させることができ、長寿命のサーマルヘッドを提供できる。
【００３４】
また、無機保温層は、複合酸化物、複合窒化物のいずれかからなり、厚みが５〜２０μｍに積層され、その熱拡散率が０．３〜０．４ｍｍ2 ／ｓｅｃと断熱性に優れているので、高熱効率化と長寿命化との両立が可能なサーマルヘッドを提供できる。
【００３５】
また、前記無機保護層は、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮの絶縁性セラミックのいずれかからなり、厚みが０．１〜１μｍに積層されているので、発熱抵抗体のフォトリソ工程や熱処理による、耐薬品性、対応力性、拡散防止性、及び絶縁性を持たせることができる。
そのために、フォトリソ技術により発熱抵抗体を高精度に加工することができ、印刷中における発熱抵抗体の抵抗値の変動を小さくできる。
【００３６】
また、本発明のサーマルヘッドの製造方法は、無機保温層の上面に、無機保護層を積層し、この無機保護層の上面に、前記発熱抵抗体と前記給電体とによる前記発熱素子を形成したので、高熱効率と高耐久性とを両立させたサーマルヘッドを、低価格で提供できる。
また省電力化が可能となり、バッテリー駆動等のモバイルプリンタ等に用いて好適なサーマルヘッドの製造方法を提供できる。
【００３７】
また、犠牲層は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏから選ばれ、高さを０．１〜２μｍに形成したので、犠牲層を容易にフォトリソ技術で除去して空洞部を形成することができ、製造が容易なサーマルヘッドの製造方法を提供できる。
【００３８】
また、無機保温層は、スパッタ蒸着によりスリット部を含むブリッジ層の上面に積層形成したので、製造が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関する要部断面図である。
【図２】本発明のその他の実施の形態を示す要部断面図である。
【図３】本発明の係わる部分拡大図である。
【図４】本発明のサーマルヘッドの対異物耐性を示すグラフである。
【図５】従来のサーマルヘッドの要部断面図である。
【符号の説明】
１１  放熱性基板
１２  グレーズ層
１２ａ  凸部
１３  犠牲層
１４  ブリッジ層
Ｓ  スリット部
１５  空洞部
１６  無機保温層
１７  無機保護層
１８  発熱抵抗体
１８ａ  発熱素子
１９  共通給電体
２０  個別給電体
２１  耐摩耗層
２２  ヒートシンク
２３  接着剤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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