| 【発明の名称】 |
サーマルヘッド |
| 【発明者】 |
【氏名】白川 享志
【住所又は居所】東京都大田区雪谷大塚町１番７号 アルプス電気株式会社内
【氏名】十文字 雅久
【住所又は居所】東京都大田区雪谷大塚町１番７号 アルプス電気株式会社内
【氏名】久保 敏
【住所又は居所】東京都大田区雪谷大塚町１番７号 アルプス電気株式会社内
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| 【要約】 |
【課題】本発明は、材質の異なる複数層の絶縁層を保温層上に形成することにより、リーク不良をなくすると共に、熱拡散による熱効率の低下を防止して省電力で高速印刷に適したサーマルヘッドを提供すること。
【解決手段】Ｓｉと複数の遷移金属と酸素との化合物からなる低熱伝導性の導電性多元低酸化物セラミックス層からなる保温層１２の上に、少なくともＳｉと複数の遷移金属と窒素との化合物からなる低熱伝導性の絶縁性多元高窒化物セラミックス層からなり第１の絶縁層１３と、この第１の絶縁層１３の上に高絶縁性のＳｉＯ２層、またはＡｌ２Ｏ３層からなる第２の絶縁層１４を積層形成した。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 基板の上面に形成した保温層と、この保温層の上面に複数の発熱抵抗体と給電体とにより形成した複数の発熱素子と、少なくとも前記発熱抵抗体および前記給電体の表面を被覆する保護層とを備え、前記保温層は、Ｓｉと複数の遷移金属と酸素との化合物からなる低熱伝導性の導電性多元低酸化物セラミックス層からなり、前記保温層の上に、材質の異なる複数層の絶縁層を形成したことを特徴とするサーマルヘッド。
【請求項２】 前記絶縁層は、少なくともＳｉと複数の遷移金属と窒素との化合物の低熱伝導性の絶縁性多元高窒化物セラミックス層からなる第１の絶縁層と、この第１の絶縁層の上に高絶縁性のＳｉＯ２層、またはＡｌ２Ｏ３層からなる第２の絶縁層を積層形成したことを特徴とする請求項１記載のサーマルヘッド。
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【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サーマルヘッドに係わり、特に電流のリーク不良をなくして省電力で高速熱応答性のサーマルヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、サーマルヘッドは、各種情報機器の記録装置に多用されるようになってきている。そして、これらの情報機器の高速化、低価格化、省電力化、小型化等のため、サーマルヘッドにも、省電力で高速熱応答性のものが望まれている。このような高速熱応答性のサーマルヘッドとするためには、保温層材料に熱伝導率の低減したものを用い、保温層の厚みを薄くして熱容量を小さくすれば良いが、従来から用いているグレーズ保温層材料の熱伝導率を低減することは、技術的に難しく、グレーズ保温層を用いる場合は、単純に厚みを薄く形成して、グレーズ保温層の熱容量を低減して蓄熱を小さくしていた。そのために、省電力を犠牲にしながら、所望の熱応答性を得て高速印刷を行うことが一般的に行われていた。
【０００３】ところが、近年、省電力を犠牲にすることなく、且つ熱応答性に優れ、省電力を犠牲にしなくても良い新規保温層材料が開示されている。このような新規保温層材料は、低熱伝導性の低酸化物セラミックスを、酸素リアクティブスパッタ蒸着により形成している。
【０００４】前述のような新規保温層材料を用いた従来のサーマルヘッドを図３に基づいて説明すると、シリコン等からなる放熱性に優れた基板１の表面には、フォトリソ技術により所定の高さの凸条部１ａが形成され、この凸条部１ａの上に新規保温層材料からなる保温層２が積層形成されている。前記保温層２は、Ｓｉと複数の遷移金属と酸素とからなり、熱伝導率が略０．８ｗ／ｍ．ｋで、抵抗率が略１００Ω−ｃｍの低熱伝導性で導電性を有し、酸素リアクティブスパッタ蒸着により、基板１の上に１０〜３０μｍの厚みに形成されている。
【０００５】また、保温層２の上面には、表面に絶縁性と耐エッチング性を付与するために、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の絶縁性セラミックからなる絶縁層３が、スパッタ蒸着等により略２μｍの厚みで、単層に積層形成されている。また、単層の絶縁層３の上面には、Ｔａ−ＳｉＯ２やＴｉ−ＳｉＯ２等からなる発熱抵抗体４がスパッタ蒸着等により積層され、フォトリソ技術によって、発熱抵抗体４のパターンが形成されている。
【０００６】前記発熱抵抗体４の上面には、ＡｌやＣｕ等からなる共通給電体５および個別給電体６が形成され、この共通給電体５と個別給電体６とに挟まれた部分に発熱素子４ａが形成されている。これらの上には、サイアロン等のセラミックからなる保護層７が被覆されて、発熱素子４ａ、および共通給電体５、個別給電体６等の酸化や摩耗を防止するようになっている。
【０００７】このような構成の従来のサーマルヘッドは、高熱伝導性のシリコン基板１上に、新規保温層材料からなる低熱伝導性の保温層２を形成しているので、単発駆動の単発パルス通電による発熱素子４ａの発熱温度が高く得られ、印刷開始時における基板１の温度が低い行頭での印字カスレを低減することができる。また、電源のピーク電流が低減され、省電力化および電源の小型化を図ることができる。また、連続駆動の連続パルス通電による、放熱性に優れた基板１と断熱性に優れ低熱容量の保温層２との組み合わせであるため、連続通電であっても、蓄熱による基板１の温度上昇が緩やかにでき、省電力で高速印刷に優れたサーマルヘッドとすることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前述したような、新規保温層材料を用いた従来のサーマルヘッドは、導電性の保温層２上に単層の絶縁性セラミックスからなる絶縁層３を介して発熱抵抗体４や給電体５、６を積層しても、蒸着特有のピンホール欠陥により、各パターン間に保温層２を介して電流のリーク不良が発生する問題があった。このような電流のリーク不良が発生すると、サーマルヘッドを正常に動作させることができなくなることがある。また、絶縁層３の厚みを略２μｍに厚くしても、リーク不良を皆無にはできなかった。また、絶縁層３の膜厚を厚くすると、絶縁層３は保温層２に比べて熱伝導率が大きいため、絶縁層３中の熱の拡散が増大して、熱効率が低下する問題があった。
【０００９】また、スパッタ速度の遅いＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の材料を用いて、単層成膜の絶縁層３を略２μｍに厚くするには、製造時間が長くなり生産性が低下するという問題があった。また、蒸着特有のピンホール欠陥を解消する手段としては、分割成膜して中間に機械的な洗浄工程を介することが有効であるが、このような洗浄工程を追加することは、工数が増大し生産性が低下するという問題があった。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、材質の異なる複数層の絶縁層を保温層上に形成することにより、リーク不良をなくすると共に、熱拡散による熱効率の低下を防止して省電力で高速印刷に適したサーマルヘッドを提供することを目的とする。
【００１０】
【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、基板の上面に形成した保温層と、この保温層の上面に複数の発熱抵抗体と給電体とにより形成した複数の発熱素子と、少なくとも前記発熱抵抗体および前記給電体の表面を被覆する保護層とを備え、前記保温層は、Ｓｉと複数の遷移金属と酸素との化合物からなる低熱伝導性の導電性多元低酸化物セラミックス層からなり、前記保温層の上に、材質の異なる複数層の絶縁層を形成した構成とした。
【００１１】また、前記課題を解決するための第２の解決手段として、前記絶縁層は、少なくともＳｉと複数の遷移金属と窒素との化合物の低熱伝導性の絶縁性多元高窒化物セラミックス層からなる第１の絶縁層と、この第１の絶縁層の上に高絶縁性のＳｉＯ２層、またはＡｌ２Ｏ３層からなる第２の絶縁層を積層形成した構成とした。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下に、本発明のサーマルヘッド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に関する要部断面図であり、図２は本発明と従来のサーマルヘッドの熱応答性を比較したグラフである。
【００１３】まず、本発明のサーマルヘッドは、図１に示すように、シリコン等からなる放熱性に優れた基板１１の表面に、断面が略台形状の凸条部１１ａを２〜２０μｍの高さに滑らかに突出させて形成している。前記基板１１の上面には、機械的強度、および断熱性に優れた、メタルを含み導電性を有する黒色で低密度の保温層１２を形成している。この保温層１２は、熱伝導率が略０．８ｗ／ｍ．ｋと小さく、複数の遷移金属と酸素からなり、酸素リアクティブスパッタ蒸着により、厚みが１０〜３０μｍに積層形成されている。前記保温層２は、抵抗率が略１００Ω−ｃｍの導電性に成膜されている。
【００１４】また、保温層１２の上面には、材質の異なる複数層の絶縁層が形成されている。この絶縁層は、下層に、主材料のＳｉを高絶縁性のＳｉ３Ｎ４として、０．２〜１．０μｍの厚みの低熱伝導性の絶縁性多元高窒化物セラミックスからなる第１の絶縁層１３を形成している。また、上層には、高絶縁性ＳｉＯ２層、またはＡｌ２Ｏ３層からなり、略０．３μｍの厚みの第２の絶縁層１４が積層されて、複数層の絶縁層が形成されている。即ち、絶縁層は、少なくとも第１と第２の絶縁層１３、１４を積層形成したものである。
【００１５】また、第２の絶縁層１４の上には、Ｔａ−ＳｉＯ２等からなる発熱抵抗体１５のパターンが、略０．１μｍの厚みに積層されている。前記発熱抵抗体１５の上には、ＡｌやＣｕ等からなる共通給電体１６および個別給電体１７が形成され、共通給電体１６と個別給電体１７とに挟まれた部分の発熱抵抗体１５上に発熱素子１５ａが形成されている。また、少なくとも発熱抵抗体１５や共通給電体１６、および個別給電体１７の酸化や摩耗を防止するために、これらの上に、サイアロン等のセラミックからなる保護層１８が、略５μｍの厚みに積層被覆されている。
【００１６】このような構成からなる本発明のサーマルヘッドの製造方法は、高放熱性の基板１１の表面に、フォトリソ技術により高さが２〜２０μｍの凸条部１１ａを突出形成する。次に、基板１１の上面に、酸素リアクティブスパッタ蒸着により、黒色の保温層１２を形成する。即ち、保温層１２は、酸化度を制御して黒色で低密度の低酸化物セラミックス膜にスパッタ成膜され、熱伝導率が非常に小さくなっている。前記保温層１２の酸素リアクティブスパッタ蒸着が終わった後、装置内の真空を保持したまま、同じ装置内で酸素ガスを窒素ガスに切り替えて、高窒素雰囲気の窒素リアクティブスパッタ蒸着を行って、低熱伝導性の絶縁性多元高窒化物セラミックスからなる第１の絶縁層１３を連続的に形成する。
【００１７】この第１の絶縁層１３の上に、スパッタ蒸着により高絶縁性ＳｉＯ２層、またはＡｌ２Ｏ３層からなる第２の絶縁層１４を積層形成する。この第２の絶縁層１４の形成は、第１の絶縁層１３を形成後に、第１の絶縁層１３の表面のポリッシングにより、表面の突起欠陥を除去してから行っても良い。 このようなポリッシングした第１の絶縁層１３の表面の第２の絶縁層１４を形成することにより、リーク不良を確実になくすることができる。次に、第２の絶縁層１４の上に、スパッタ蒸着により発熱抵抗体１５を積層形成し、フォトリソ技術により発熱抵抗体１５のパターンを形成する。次に、発熱抵抗体１５の上に、スパッタ蒸着により給電体材料を積層し、フォトリソ技術により共通給電体１６および個別給電体１７を形成する。次に、少なくとも発熱抵抗体１５や共通給電体１６、および個別給電体１７の上に、スパッタ蒸着により保護層１８を積層被覆する。
【００１８】以上のような本発明のサーマルヘッドは、保温層１２の成膜に連続して、第１の絶縁層１３を形成しているので、第１の絶縁層１３の上にＳｉＯ２、またはＡｌ２Ｏ３からなる第２の絶縁層１４を厚みが略０．３μｍに薄く積層形成しても、絶縁性の信頼度を高めることができる。また、本発明のサーマルヘッドは、保温層１２に比べて材料の熱伝導率が大きい、第２の絶縁層１４を形成し、その膜厚を薄く形成することによって、熱拡散による熱効率の低下を防止することができる。そのために、図２の熱応答性のグラフに示すように、破線で示す従来のサーマルヘッドよりも、実線で示す本発明のサーマルヘッドの方が、単位時間当たりの発熱温度を高くすることができ、省電力で高速印刷に適している。
【００１９】
【発明の効果】本発明のサーマルヘッドは、Ｓｉと複数の遷移金属と酸素との化合物からなる低熱伝導性の導電性多元低酸化物セラミックス層からなる保温層の上に、材質の異なる複数層の絶縁層を形成したので、蒸着特有のピンホール欠陥をなくすることができ、電流のリーク不良をなくすることができる。
【００２０】また、絶縁層は、少なくともＳｉと複数の遷移金属と窒素との化合物の低熱伝導性の絶縁性多元高窒化物セラミックス層からなる第１の絶縁層と、この第１の絶縁層の上に高絶縁性のＳｉＯ２層、またはＡｌ２Ｏ３層からなる第２の絶縁層を積層形成したので、電流のリーク不良をなくして、省電力で高速熱応答性に優れたサーマルヘッドを提供できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】００００１００９８
【氏名又は名称】アルプス電気株式会社
【住所又は居所】東京都大田区雪谷大塚町１番７号
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| 【出願日】 |
平成１３年１２月２０日（２００１．１２．２０） |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開２００３−１８２１２７（Ｐ２００３−１８２１２７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１５年７月３日（２００３．７．３） |
| 【出願番号】 |
特願２００１−３８７４６８（Ｐ２００１−３８７４６８） |
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