(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱抵抗体の表面を覆う保護層と、発熱抵抗体に接して発熱抵抗体と共に発熱部を形成する電極とを備えたサーマルヘッドにおいて、
保護層の表面でなる印字面が凸状に盛り上がって形成され、かつ発熱部の裏面には発熱部の裏面に充填し溶融再固化されたガラスからなる補強体が設けられ、補強体が、樹脂または無機材質粉を混入した樹脂でなる支持体により覆われている
ことを特徴とするサーマルヘッド。
【請求項２】
請求項１において、
前記補強体として、前記ガラスの代わりに発熱部の裏面に充填し固定された棒状体を用いた
ことを特徴とするサーマルヘッド。
【請求項３】
請求項１または２において、
発熱部と補強体との間または補強体と支持体との間に蓄熱層を設けた
ことを特徴とするサーマルヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーマルヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーマルヘッドは、インク等の補充が不要である感熱紙あるいは転写紙の利便性を活かし、低廉で簡易なプリンターに広く用いられている。これらのサーマルヘッドに用いるプリンターも、最近では高画質プリントと高速プリントが要請されている。また、熱転写方式によるカラープリンター方式や、高画質を重視する写真プリントの自動化ミニラボのインデックスプリンター等に用いるまでに微細化し、６００ｄｐｉないし１２００ｄｐｉのような高密度なサーマルヘッドも要求されてきている。
【０００３】
しかしながら、サーマルヘッドにおいては、発熱抵抗体の発熱部を急速に加熱して瞬時に昇温させ、素早く放熱して滲みを起こさせないという昇温・放熱の配慮が必要になる。急速な昇温には、熱が発熱部に集中して回りに逃げず、急速な放熱には、発熱部の熱が素早く逃げるという、相反する熱応答特性が要求される。
【０００４】
すなわち、サーマルヘッドには、基本的に次のような事項が要請される。
１）軽薄短小化
２）低廉化
３）Ａ３等への大画面化
４）低消費電力化
５）高速化
６）高密度で鮮明な、いわゆる高精細な画像プリント
７）色むらのない均質な画面
８）汚れが残らないメンテナンスフリー
このようなサーマルヘッドの例として、特開平５−６４９０５号公報においては、図６に示すように、表面を平坦に形成した基体３０上に剥離のための剥離層３１を介して耐摩耗層３２、保護層３３、発熱抵抗体３４、電極３５、ポリイミド樹脂でなる蓄熱層３６を順に形成し、その後、接着剤３７により基板３８を接着し、基体３０と剥離層３１との界面で両者を剥離するサーマルヘッドの製造方法により、印字面４０を平坦に形成したものが開示されている。
【０００５】
このサーマルヘッドは、耐摩耗層３２が基体３０の平面上に形成されるので、感熱紙等の記録紙に接触する面が平滑となり、記録紙との間に空間が生じないため、熱効率が向上する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記公報に記載のように、ポリイミド樹脂等の樹脂を蓄熱層３２に用い、かつ耐摩耗層３２の表面（印字面）を平坦に形成したサーマルヘッドには次のような問題がある。
（１）記録紙はヘッド上にローラによって強く押し付けられるが、発熱部がその周囲も含めて平面状であると、ヘッドの当接面が相対的に拡がり、ヘッドに対する押し付け圧が低下する。その結果、ローラの変形や摩耗の影響を受け易い。
（２）このような問題点を解決するため、もし、発熱部を凸状に盛り上げて形成したとすると、ローラの押し付け力が発熱部に集中する。発熱部における発熱により樹脂が高温にさらされるため、軟化し、長時間使用しているとヘッドの表面が凹んで変形する。その結果印字が不鮮明となる。
（３）印字品質を高精度化するためには、機械的変形応力に対して強靭なサーマルヘッドが必要であるが、従来技術によれば、印字効率を高めようとして発熱部を凸状にすると、機械的応力による変形を生じて寿命の長いサーマルヘッドを提供することができなかった。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑み、長期間にわたって印字品質を損なうことがなく、保守が不要であるというサーマルヘッド本来の特徴を発揮でき、しかも画素の微細化や印字の大画面化、高速化と低消費電力化も達成できるサーマルヘッドを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明のサーマルヘッドは、発熱抵抗体の表面を覆う保護層と、発熱抵抗体に接して発熱抵抗体と共に発熱部を形成する電極とを備えたサーマルヘッドにおいて、
保護層の表面でなる印字面が凸状に盛り上がって形成され、かつ発熱部の裏面には発熱部の裏面に充填し溶融再固化されたガラスからなる補強体が設けられ、補強体が、樹脂または無機材質粉を混入した樹脂でなる支持体により覆われている
ことを特徴とする（請求項１）。
【０００９】
本発明においては、前記ガラスの他、発熱部の裏面に充填し固定された棒状体（請求項２）等が用いられる。また、発熱部と補強体との間または補強体と支持体との間に蓄熱層を設ける構造（請求項３）も採用される。
【００１０】
【作用】
本発明のサーマルヘッドは、盛り上がった凸状に形成される発熱部の裏面に補強体が埋め込まれるため、印字の際のローラの押圧により発熱部が変形することがない。また、発熱部と樹脂でなる支持体との間に補強体が介在するため、樹脂の温度上昇の度合も低減でき、かつ支持体が補強体により補強されるため、ヘッドが発熱とローラ押圧により変形することが防止される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）は本発明によるサーマルヘッドの一実施例を発熱積層部について示す断面図である。図１（Ａ）に示すように、発熱積層部は、耐摩耗層として作用する保護層１と、発熱抵抗体２と、発熱抵抗体２上に間隔をおいて重ねて設けられる共通電極３ａおよび個別電極３ｂと、支持体４と、前記電極３ａ、３ｂと発熱抵抗体２により形成される発熱部５と前記支持体４との間に介在させて支持体４からの物質の拡散を防止するバリア層８と、発熱部５の裏面において、バリア層８と支持体４との間に埋込まれてなる補強体９とからなる。
【００１２】
前記保護層１としては、ＳｉＣ系化合物、ＳｉＢ系化合物、ＳｉＮ系化合物、ＡｌＮ系化合物、ＢＮ系化合物等が用いられる。特に表面層を、摩擦係数が小さく、硬度が高く、化学的に安定なＳｉＢとし、発熱抵抗体２側の裏面層を電気抵抗が高いＳｉＯ２とすることが、発熱抵抗体２との間の電気絶縁性を確保する意味で好ましい。この保護層１の成膜方法としては、プラズマＣＶＤ等、従来より用いられている各方法を採用することができる。
【００１３】
前記発熱抵抗体２としては、Ｎｂ−ＳｉＯ２、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔａ、あるいはＴｉＯ２、ＢＮ等を用いることができる。発熱抵抗体２の成膜方法としては、ＬＰＣＶＤ（低圧ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ、スパッタリング等を用いることができる。
【００１４】
また、各発熱抵抗体２は、発熱ドット毎に形成されるようにエッチングする必要がある。このエッチング方法としては、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等のドライエッチングを用いることが好ましいが、ウェットエッチングを用いることも可能である。また、ドライエッチングのエッチャー（反応性ガス）としては、ＳＦ６、ＣＦ４、Ｃｌ２、Ｏ２等が一般的であり、これらを混合して用いることもできる。
【００１５】
前記電極３ａ、３ｂとしては、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ等の金属の一種または複数種を重ねて用いることができる。中でも、Ａｌは廉価であって、他の層との密着性を、特別の層を介在させる必要なく、容易に得ることができ、プロセスが簡単になり、さらに電気抵抗が低いので、微細パターンを得やすいという点において好ましい。また、成膜方法としては、蒸着やスパッタリング等が用いられる。
【００１６】
これらの電極３ａ、３ｂのパターンを得るためのエッチング方法としては、ドライエッチングを用いることもできるが、ウェットエッチングを用いることが好ましい。ウェットエッチングのエッチャント（エッチング溶液）としては、Ｈ２ＳＯ４、ＨＮＯ３等が一般的である。特にＡｌのエッチングに際しては、Ｈ３ＰＯ４、Ｃ２Ｈ４Ｏ２、ＨＮＯ３を混合した混合液を用いることもある。
【００１７】
前記バリア層８にはＳｉＯ２やＳｉＮ等を用いる。成膜方法としては、ＬＰＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、スパッタリング等を用いることができる。エッチング方法としては、ドライエッチング、ウェットエッチングのいずれを用いてもよく、ウェットエッチングを行う場合は、エッチャントとしてＨＦあるいＨＦとＮＨ４Ｆとの混合液を用いるのが一般的である。
【００１８】
前記補強体９として、ガラスを用いる。補強体９にガラスを用いる場合、ガラスとして、軟化点が４５０℃以下（より好ましくは軟化点が４００℃以下）の低融点ガラスを用いれば、電極３ａ、３ｂとして安価かつ形成容易で低抵抗のＡｌを用いた場合、電極の酸化や変質を防止することができ、電極３ａ、３ｂを用いることが可能となる。また、低融点ガラスを補強体９に用いる場合、補強体９の形成後の製造工程での加熱による補強体９の軟化を防止する意味で、補強体９に用いるガラスの軟化点が３００℃以上、さらに好ましくは３５０℃である。
【００１９】
この低融点ガラスを補強体９に用いる場合、その塗布方法としては、スクリーン印刷法やディスペンサを用い、これを３５０℃〜４００℃で焼成する。また、この鉛ガラスの組成としては、例えばＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３系あるいはＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ系のものを用いることが好ましい。
【００２０】
また、補強体９として、セラミックあるいはガラスからなる棒状体をエポキシ樹脂やアクリル樹脂等により固着する構造も採用できる。
【００２１】
支持体４に用いる樹脂としては、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等の耐熱性樹脂を用いることができる。また、これらの樹脂に、アルミナ、シリカ等のセラミック粉や、金属粉等の無機質粉を分散含有させることにより、機械的強度や、熱伝導率を調整することも可能である。該支持体４はサーマルヘッドの基板とすることが可能であり、樹脂でなる支持体４を設ければ、セラミック基板やグレーズ基板を用いる場合に比較し、低廉である。必要に応じて、このサーマルヘッドをＡｌやＣｕ等のヒートシンクに接着することもできる。
【００２２】
図２は本発明のサーマルヘッドの製造方法の参考例を示す工程図である。この例においては、まず図２（Ａ）に示すように、基体７の表面に研削およびウェットエッチングにより溝７ａを形成する。なお、溝７ａの幅は７００μｍ、深さは３００μｍとした。溝形状は丸みを帯びた台形状または円弧状にする。
【００２３】
次に、図２（Ｂ）に示すように、基体７上に、溝７ａの部分を含めて保護層１を形成する。基体７としては、安価で入手が容易な０．７ｍｍ厚のホウケイ酸ガラス板（日本電気ガラス社製、商品名ＢＬＣ）を用いた。また、保護層１として、ＳｉＢ層およびＳｉＯ２層をプラズマＣＶＤにより約４００℃の雰囲気で順に形成した。ＳｉＢ層の厚みは７μｍとし、ＳｉＯ２層の厚みは３μｍとした。
【００２４】
保護層１を形成後、図２（Ｃ）に示すように、発熱抵抗体２となるＮｂ−ＳｉＯ２層を、３００℃〜３５０℃の温度において、スパッタリングにより０．１μｍの厚みに形成し、ＲＩＥにより、個々の発熱抵抗体２に分離形成した。発熱抵抗体２のピッチは１６７μｍとし、発熱抵抗体２同士の間隔を１０μｍとした。なお、Ｎｂ−ＳｉＯ２層とは、アモルファスのＳｉＯ２層の中に金属ＮｂやＮｂの珪化物、酸化物が混在したものである。このように発熱抵抗体２を設けた後、発熱部５のＴＣＲを改善するために、４００℃程度で熱処理を行ってもよい。
【００２５】
次に図２（Ｄ）に示すように、電極３ａ、３ｂとしてのＡｌ層を１００℃の温度において蒸着により０．５μｍの厚みに形成し、Ｈ３ＰＯ４、Ｃ２Ｈ４Ｏ２、ＨＮＯ３を混合した混合液をエッチャントとして用い、共通電極３ａと個別電極３ｂとを、これらの一部を発熱抵抗体２上に重ねて形成した。
【００２６】
次に図２（Ｅ）に示すように、バリア層８としてのＳｉＯ２層をＬＰＣＶＤにより０．３μｍの厚みに成膜した。そして成膜したＳｉＯ２層を、ＨＦをエッチャントとしてエッチングすることによりバリア層８を形成した。
【００２７】
次に図２（Ｆ）に示すように、補強体９を形成するため、シリカの粒子をバインダに混合したペーストを発熱部５の裏面の凹部に沿って塗布し、１５０℃で２時間焼成することにより、粒子同士が固結された補強体９を得た。
【００２８】
次に図２（Ｇ）に示すように、ポリイミド樹脂を含むペーストの塗布と３５０℃、２時間の加熱により硬化させ、支持体４を形成した。
【００２９】
その後、基体７より下の部分をエッチングレジストにより覆い、ＨＦ液に浸漬して基体７を溶解させた。これにより、図２（Ｈ）に示すように、基体７上に形成された平滑な面の保護層１を露出させることができる。なお、該基体７の除去を行う場合、基体７の保護層１に至る前の途中の深さまで機械的研削により除去し、その後保護層１に達する深さないし全部の基体７を除去するまでＨＦ液等によるウェットエッチングを行うことにより、能率良く基体７の除去を行うことができる。
【００３０】
また、基体７の除去を図１（Ｂ）のように保護層１の発熱部５の対応部分の印字面１が露出するように行ってもよい。このように基体７を残留させると、サーマルヘッドの強度を高めることができる。
【００３１】
図３は前記補強体９を有するサーマルヘッドをローラ１０および記録紙１１と共に示す斜視図であり、発熱部５が横一列に並んだ領域の下に補強体９が細長い形状で配置される。盛り上がった発熱部５の裏面の溝状のくぼみにセラミックやガラスからなる補強体９として備えることにより、ローラ１０による押し圧が補強体９の長手方向に分散される。これにより、発熱積層部の強度を向上させることができ、砂等の硬質粒子を噛み込んだ場合においても損傷を免れることができる。また、ローラの押し圧で変形することがない。従って、鮮明なプリントができる。発熱部が昇温して樹脂が支持体４が軟化しても補強体９が補強する。
【００３２】
また、発熱部５は凸状に盛り上がって形成されているので、記録紙に発熱部が集中的に押し付けられ、無駄な押し付け圧を加える必要がなく、ローラの加圧構造を簡単にすることができる。また、発熱部５が凸状に形成されることにより、凸状部がリブの役目をしてサーマルヘッドの強度があがり、長手方向についての撓みを減少させることができる。また、図１（Ｂ）のように基体７を残留させればサーマルヘッドの強度がさらに上がる。
【００３３】
図４（Ａ）は本発明のサーマルヘッドにおける駆動ＩＣ１２の搭載構造例であり、本例においては、保護層１の裏面に形成される個別電極３ｂと接続用電極１３間に駆動ＩＣをフリップチップボンディングによって接続して樹脂でなる支持体４内に埋設することにより、印字面６の裏面に駆動ＩＣ１２を配置している。接続用電極１３は外部接続部１４に接続される。
【００３４】
このように、駆動ＩＣ１２を印字面の反対側に配しているので、印字面６と同面に駆動ＩＣを設ける従来構造のように、記録紙１１との接触防止のために印字面６と駆動ＩＣ１２との間を離す必要がなくなり、これによりサーマルヘッドの小型化が可能となる。また、駆動ＩＣ１２およびその外部接続用電極１３と記録紙１１等との接触がなくなり、電気系の断線や短絡等の不具合が発生する危険性を無くすることが可能となる。また、樹脂でなる支持体４を駆動ＩＣ９の固定に兼用できるため、部品点数、工程数が低減されるという効果が得られる。
【００３５】
また、この小型化により、１枚の集合基板から得られるサーマルヘッドの個数を増加させることができ、その結果、一度に多数分の成膜が可能となり、サーマルヘッドの製造効率の向上が達成でき、サーマルヘッドの低コスト化が可能となる。
【００３６】
また、図２の参考例においては、基体７として安価なガラス板を使用し、仮の基板上に保護層１を直接成膜し、基体７上に各層の成膜や駆動ＩＣ１２の搭載後、基体７を溶解させることにより除去したが、基体７として高価な板材を使用する場合には、基体７上にＭｇＯ等の犠牲層を成膜し、前述のように各層の成膜、駆動ＩＣの固定後、前記犠牲層をりん酸等により溶解して基体７を発熱積層部２か剥離し、基体７を再使用するようにしてもよい。
【００３７】
また、電極３ａ、３ｂ、１３は、発熱抵抗体２を形成した後に形成するのではなく、発熱抵抗体２の形成前に形成してもよい。
【００３８】
図４（Ｂ）は本発明のサーマルヘッドの他の実施例を発熱積層部について示す断面図であり、本実施例は、発熱部５の真下の部分の限定された領域に、バリア層８を介して低融点ガラスからなる部分グレーズ層としての蓄熱層１５を設けると共に、その下に前記補強体９を設けたものである。このように、補強体９に好適な材質、厚みの蓄熱層１５を組み合わせることにより、蓄熱性能を適宜なものに選択することができる。蓄熱層１５は補強体９の裏面側に設けてもよい。
【００３９】
図５（Ａ）は本発明の他の実施例を示す断面図であり、本実施例は、図５（Ｂ）に示すような棒状の補強体９を用い、これを接着剤１６により発熱部５に溝状部に固定したものである。本実施例によっても同様の効果をあげることが可能である。
【００４０】
【発明の効果】
請求項１、２によれば、発熱部の裏面に補強体を埋込んだため、発熱部が凸状に盛り上がって形成されることともあいまって、サーマルヘッドの強度を向上させることができ、小型で強度の大きなるサーマルヘッドを提供できる。
【００４１】
また、ローラに押圧による印字面の変形が防止されるため、長期間にわたって印字品質を損なうことがなく、しかも印字面が盛り上がって強く押圧しても変形することなく、狭い面積で記録紙と接触するので、画素の微細化が可能となり、や印字の大画面化、高速化と低消費電力化も達成できる。
【００４２】
請求項３によれば、請求項１、２の効果に加え、さらに、蓄熱層を補強体に組み合わせることにより、製品に対応した蓄熱作用を持つサーマルヘッドが得易いという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （Ａ）は本発明によるサーマルヘッドの一実施例を示す断面図、（Ｂ）は本発明のサーマルヘッドの他の実施例を示す断面図である。
【図２】  （Ａ）〜（Ｈ）は本発明のサーマルヘッドの製造工程の参考例を示す図である。
【図３】  （Ａ）は図１（Ａ）の実施例のサーマルヘッドの斜視図である。
【図４】  （Ａ）は図１（Ａ）の実施例における駆動ＩＣの配置例を示す断面図、（Ｂ）は本発明のサーマルヘッドの他の実施例を示す断面図である。
【図５】  （Ａ）は本発明によるサーマルヘッドの他の実施例を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）のサーマルヘッドに用いる補強体の一例を示す斜視図である。
【図６】  従来のサーマルヘッドの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１：保護層、２：発熱抵抗体、３ａ：共通電極、３ｂ：個別電極、４：支持体、５：発熱部、６：印字面、７：基体、７ａ：溝、８：バリア層、９：補強体、１０：ローラ、１１：記録紙、１２：駆動ＩＣ、１３：電極、１４：外部接続部、１５：蓄熱層、１６：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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【図６】
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