JPH06143637A

JPH06143637A - サーマルヘッド

Info

Publication number: JPH06143637A
Application number: JP29938192A
Authority: JP
Inventors: Tokuhito Mochizuki; 徳人望月
Original assignee: Tokyo Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Tec Corp
Priority date: 1992-11-10
Filing date: 1992-11-10
Publication date: 1994-05-24

Abstract

(57)【要約】【目的】基板上に発熱抵抗体層と電極層と保護層とを
形成したサーマルヘッドにおいて、発熱抵抗体層の特性
を改善して省電力化と高画質化とを実現する。【構成】バリウムとルテニウムとチタンとを含有した
酸化物で発熱抵抗体層１０を形成し、この発熱抵抗体層
１０の比抵抗を上昇させて発熱素子１５の抵抗値を増加
させ、発熱抵抗体層１０の抵抗温度係数を±０に近接さ
せて発熱時の抵抗値の変化を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、サーマルプリンタ等に
利用するサーマルヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、サーマルヘッドを利用したサーマ
ルプリンタ、カラープリンタ、バーコードプリンタ、フ
ァクシミリ、電子キャッシュレジスタのＲ／Ｊ(Receipt
／Journal)プリンタなどに利用している。そして、この
ようなサーマルプリンタには、省電力化、高速化、高画
質化、長寿命化等が必要であるが、これらを達成するた
めにはサーマルヘッドの発熱素子を形成する発熱抵抗体
層の特性を改善する必要がある。

【０００３】つまり、サーマルヘッドの省電力化を達成
するには、駆動電流を低減するために発熱素子を高抵抗
化する必要がある。また、サーマルヘッドの高速化を達
成するには、短時間で発熱素子の表面温度を上昇させる
ために発熱抵抗体層の耐熱性を向上させる必要がある。
さらに、サーマルヘッドの高画質化を達成するには、印
刷画像が一画素毎に明瞭であると共に連続印刷でも尾引
きを発生しないように、発熱抵抗体層のＴＣＲ(Tempera
ture Coefficient of Resistance）を適正値とする必要
がある。また、サーマルヘッドの長寿命化を達成するに
は、発熱抵抗体層を遮蔽する保護層の耐摩耗性なども必
要であるが、この場合は経時的な劣化を防止するために
発熱抵抗体層に耐蝕性が必要である。

【０００４】そして、前述のようにサーマルヘッドの省
電力化のために発熱素子を高抵抗化するには、この発熱
素子を形成する発熱抵抗体層の材料の比抵抗を上昇させ
る必要がある。例えば、材料の比抵抗が低い発熱抵抗体
層で高抵抗の発熱素子を形成するためには、発熱抵抗体
層の膜厚を薄型化する必要があるので、これは部分的な
抵抗値の誤差が増大することになると共に生産性や耐久
性を阻害することになる。そこで、このような課題を有
することなく発熱素子を高抵抗化するには、上述のよう
に比抵抗が高い材料で発熱抵抗体層を形成する必要があ
る。

【０００５】そして、このようなサーマルヘッドとして
は、酸化ルテニウムを主成分とする材料で発熱抵抗体層
を形成したサーマルヘッドが特開昭60-157884 号公報に
提案されている。そこで、ここでは上記公報に開示され
たサーマルヘッドを従来例として図６に基づいて説明す
る。まず、このサーマルヘッド１では、セラミック基板
２の表面の略全域にガラスグレーズ層３を一様に積層形
成し、このガラスグレーズ層３上に所定形状の発熱抵抗
体層４を部分的に形成している。そして、この発熱抵抗
体層４の両側部上から前記ガラスグレーズ層３上に至る
位置にＴi-Ａｕ等からなる所定形状の電極層５，６を形
成することで、これらの電極層５，６間に位置する前記
発熱抵抗体層４で発熱素子７を形成している。なお、こ
のようなサーマルヘッド１は、実際には上述のような発
熱素子７と電極層５，６との表面上に、耐蝕性や耐摩耗
性を向上させる保護層（図示せず）を形成することにな
る。

【０００６】そして、このサーマルヘッド１では、酸化
ルテニウム（ＲｕＯ₂)を主成分とし、Ｍ（このＭはＣa,
Ｓr,Ｂa,Ｐb,Ｂi,Ｔl から選定した少なくとも一つ）の
酸化物を、Ｍ／Ｒｕ＝0.6 〜2.0(at％）だけ含有した金
属酸化物で前記発熱抵抗体層４を形成している。そこ
で、ここではサーマルヘッド１の発熱抵抗体層４のＭと
してＢａを選定し、このＢａ／Ｒｕが1.0(at％）となる
ＢａＲｕＯ₃ で発熱抵抗体層４を形成した場合に付いて
以下に詳述する。

【０００７】まず、このようなＢａＲｕＯ₃ で発熱抵抗
体層４を形成する場合は、その原材料をスパッタリング
法でガラスグレーズ層３上に成膜し、この後に600 〜70
0(℃）の雰囲気中でアニールを行なって結晶化させる。
このようにすることで、この発熱抵抗体層４の抵抗値は
所定値となるので、このアニールの温度以下で使用する
限りは発熱抵抗体層４の劣化は微少である。さらに、こ
の発熱抵抗体層４は、元々が酸化物であるので耐蝕性は
良好で経時的な劣化も微少である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のようにＢａＲｕ
Ｏ₃ で発熱抵抗体層４を形成したサーマルヘッド１は、
高速化や長寿命化に有効である。

【０００９】しかし、このようなサーマルヘッド１は、
実際には高画質化や省電力化には劣性である。つまり、
上述したＢａＲｕＯ₃ 等からなる発熱抵抗体層４は、Ｔ
ＣＲが800(ppm/K)程度と極めて高いため、発熱温度が上
昇すると抵抗値が増加して駆動電力が減少することにな
り、印刷濃度の立上がりの応答性が低下して画像品質を
阻害している。特に、このようなサーマルヘッド１で
は、連続的な画像印刷で印刷濃度が所定値となる駆動電
力で一画素だけを印刷するような場合、極短時間だけ駆
動する発熱素子７の発熱温度が画像印刷に必要な温度ま
で到達しにくいので印刷不良が発生しやすい。

【００１０】また、上述したＢａＲｕＯ₃ 等からなる発
熱抵抗体層４は、比抵抗が2500（μΩcm）程度と極めて
低いため、発熱素子７の抵抗値を増加させることが困難
でサーマルヘッド１の消費電力が増大することになる。
つまり、このような発熱抵抗体層４で平面形状が正方形
の発熱素子７を形成する場合、その抵抗値を1.0(ＫΩ）
とするためには膜厚を250(Å）程度まで薄型化する必要
があるが、このような膜厚の薄膜層はスパッタリング法
等の既存の薄膜技術では実施困難である。

【００１１】本発明は、省電力化と高画質化とが可能な
サーマルヘッドを得るものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】基板上に発熱抵抗体層と
電極層と保護層とを形成したサーマルヘッドにおいて、
バリウムとルテニウムとチタンとを含有した酸化物で前
記発熱抵抗体層を形成した。

【００１３】

【作用】発熱抵抗体層の比抵抗を上昇させて発熱素子の
抵抗値を増加させることができ、さらに、発熱抵抗体層
のＴＣＲを±０に近接させて発熱時の抵抗値の変化を防
止することができるので、省電力化と高画質化とが可能
なサーマルヘッドを得ることができる。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例を図１ないし図５に基づいて
説明する。まず、このサーマルヘッド８では、図１に例
示するように、グレーズドアルミナ基板９の表面上の略
全域に、バリウムとルテニウムとチタンとを含有した酸
化物で発熱抵抗体層１０を積層形成している。そして、
この発熱抵抗体層１０上にチタン等からなる第一電極層
１１とアルミニウム等からなる第二電極層１２とを順次
積層してパターニングすることで、前記発熱抵抗体層１
０上に所定形状の個別電極層１３と共通電極層１４とを
形成している。そこで、これらの電極層１３，１４間に
位置する前記発熱抵抗体層１０が発熱素子１５を形成し
ている。さらに、このサーマルヘッド８では、前記発熱
素子１５や前記電極層１３，１４の表面の略全域に、ム
ライト等からなる第一保護層１６と炭化珪素等からなる
第二保護層１７とを順次積層している。

【００１５】なお、このサーマルヘッド８では、実際に
は多数の発熱素子１５を副走査方向や主走査方向にライ
ン状に連設することで、シリアル形式やライン形式のサ
ーマルヘッド８となっている。

【００１６】このような構成において、このサーマルヘ
ッド８では、電極層１３，１４間に所定の駆動電圧を印
加して所望の発熱素子１５を選択的に発熱駆動すること
で、感熱紙（図示せず）などにドットマトリクス形式の
画像印刷を行なうようになっている。

【００１７】ここで、本出願人が実際に試作したサーマ
ルヘッド８の製作方法を以下に説明する。まず、グレー
ズドアルミナ基板９の表面に発熱抵抗体層１０をＲＦ
(Ｒadio−Ｆrequency)スパッタリングで成膜する。この
時、このＲＦスパッタリングで使用するターゲット１８
は、図２に例示するように、ＢａＲｕＯ₃ からなる円盤
状の焼結体１９上にＴｉからなる10×10×2.0(mm）の複
数個のチップ２０を、磁界が集中する円周上に配列した
形態となっている。そこで、上述のようなターゲット１
８を使用して1.0(Pa）のＡｒガス-50(％）Ｏ₂ ガス内で
グレーズドアルミナ基板９上に発熱抵抗体層１０をＲＦ
スパッタリングで成膜し、この発熱抵抗体層１０を700
(℃）で1.0(Ｈ）の熱処理で安定させた。

【００１８】つぎに、上述のようにして形成した発熱抵
抗体層１０上にスパッタリングで膜厚1000（Å）のＴi
(チタン）層と膜厚9000（Å）のＡl(アルミニウム）層
とを順次成膜し、これをフォトリソグラフィーでパター
ニングすることで電極層１３，１４と発熱素子１５とを
形成した。この時、本出願人が試作したサーマルヘッド
８では、形状が132 ×120(μm)の矩形の発熱素子１５を
7.6(Dot／mm)の密度で配列した。さらに、この上に３Ａ
l₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂(ムライト）からなる膜厚3.0(μm)の第
一保護層１６と、ＳｉＣ（炭化珪素）からなる膜厚2.0
(μm)の第二保護層１７とを、ＲＦスパッタリングで順
次成膜することでサーマルヘッド８を製作した。

【００１９】上述のようにすることで、このサーマルヘ
ッド８では、バリウムとルテニウムとチタンとを含有し
た酸化物で発熱抵抗体層１０を形成することになるの
で、これはバリウムとルテニウムとを含有した酸化物か
らなる従来のサーマルヘッド１の発熱抵抗体層４とは異
なる特性を有する。そこで、本出願人は上述のようなＲ
Ｆスパッタリングのターゲット１８のチップ２０の個数
を増減することなどで発熱抵抗体層４の組成を可変させ
て特性を評価した。なお、このような評価においては、
実際にはグレーズドアルミナ基板９上に発熱抵抗体層１
０のみを成膜したものや、保護層１６，１７を成膜しな
いものなどもサンプルとした。

【００２０】まず、本出願人はＢａＲｕＯ₃ の焼結体１
９上に積載するＴｉのチップ２０の個数を６個、１２
個、１８個としてグレーズドアルミナ基板９上に本案の
発熱抵抗体層１０を成膜すると共に、チップ２０の個数
を０個として従来例に相当する発熱抵抗体層４も成膜し
た。そして、このようにして成膜した発熱抵抗体層４，
１０の比抵抗とＴＣＲとを測定したところ、図３に例示
するように、チップ２０の個数を増加する毎に比抵抗が
上昇してＴＣＲは低下することが判明した。

【００２１】より具体的には、ターゲット１８内のＴｉ
のチップ２０の個数を０個としてチタンを含有しない従
来の発熱抵抗体層４では、比抵抗は2300（μΩcm)程度
と極めて低くなり、ＴＣＲは＋800(ppm／Ｋ）程度と極
めて高くなった。しかし、チップ２０の個数を増加する
毎に比抵抗は上昇してＴＣＲは低下し、例えば、Ｔｉの
チップ２０の個数を１８個としてチタンを含有した本案
の発熱抵抗体層１０では、比抵抗は10000（μΩcm)程度
と極めて高く、ＴＣＲは−100( ppm／Ｋ）程度と極めて
±０に近接している。

【００２２】特に、このＴＣＲに関しては、上述のよう
にＴｉのチップ２０の個数が１８個の発熱抵抗体層１０
では−100(ppm／Ｋ）程度で、Ｔｉのチップ２０の個数
が１２個の発熱抵抗体層１０では＋350(ppm ／Ｋ）程度
となったので、例えば、Ｔｉのチップ２０の個数を１６
〜１７個などとすることでＴＣＲを略±０にできること
が類推できる。

【００２３】つまり、上述のようにターゲット１８中に
所定数のＴｉのチップ２０を配列してチタンを含有した
発熱抵抗体層１０を成膜することで、発熱抵抗体層１０
の比抵抗を上昇させて発熱素子１５の抵抗値を増加させ
ることができるので、サーマルヘッド８の省電力化に寄
与することができる。さらに、上述のように発熱抵抗体
層１０のＴＣＲを±０に近接させることで、発熱温度の
上昇時の抵抗値の変化による駆動電力の変動を防止する
ことができるので、作動中のサーマルヘッド８の印刷濃
度の変化を防止して高画質化に寄与することができる。

【００２４】また、本出願人は上述のようにして試作し
た四種類の発熱抵抗体層４，１０の組成をＲＢＳ(Ruthe
rford Back Scattering)法で調査したところ、下記の表
１に例示するように、ターゲット１８のチップ２０の個
数を増加させると、発熱抵抗体層１０内のＴi(チタン）
の含有率が増大すると共にＲu(ルテニウム）の含有率が
低下することが判明した。

【００２５】

【表１】

【００２６】なお、ここではターゲット１８のチップ２
０の個数を０個〜１８個として発熱抵抗体層１０を成膜
した四種類のサンプルを〜として表記している。

【００２７】つぎに、本出願人は上述のように試作した
サンプルの電極層１３，１４にドライバＩＣ(Integrate
d Circuit)等の回路部品（図示せず）を接続し、発熱抵
抗体層１０に駆動電力を印加して印刷濃度の変化をＯＤ
(Optical Density）法で測定した。なお、この実験で
は、パルス幅が0.7(ms）で周期が2.0(ms）の駆動電力を
連続する32ドットに5000パルスずつ印加し、このように
印加する駆動電力を0.3(Ｗ）から0.1(Ｗ）ずつ上昇させ
た。そして、このようにして印刷した濃度を、印刷の開
始位置から10(mm)の位置でマクベス濃度計で測定した。

【００２８】すると、図４に例示するように、発熱抵抗
体層１０の成膜時のチップ２０の個数が多いサーマルヘ
ッド８ほど、小さな駆動電力でも所定の印刷濃度が得ら
れることが判明した。例えば、チップ２０の個数を０個
としてチタンを含有しない従来の発熱抵抗体層４では、
印刷濃度が飽和する駆動電力は0.6(Ｗ）程度と極めて高
いが、チップ２０の個数を１８個として多量のチタンを
含有した本案の発熱抵抗体層１０では、印刷濃度が飽和
する駆動電力は0.4(Ｗ）程度と極めて低くなっている。
つまり、発熱抵抗体層１０のＴＣＲが低いサーマルヘッ
ド８ほど発熱温度の立上がりが良好で駆動電力を低減で
き、サーマルヘッド８の省電力化に寄与することができ
る。

【００２９】さらに、本出願人は実際に試作した〜
のサーマルヘッド１，８の一つの発熱素子７，１５に同
一の駆動電力を印加して１ドット分の幅の罫線を印刷
し、これを目視して印刷品質を評価した。すると、発熱
抵抗体層４のＴＣＲが高い従来のサーマルヘッド１では
印刷不良が発生し、発熱抵抗体層１０のＴＣＲが低い本
案のサーマルヘッド８では印刷品質が良好であることを
確認できた。

【００３０】また、本出願人は本案のサーマルヘッド８
の耐熱性と耐蝕性とを評価するため、保護層１６，１７
を成膜せずに発熱素子７，１５を露出させた，のサ
ーマルヘッド１，８を試作してランニングテストを実行
した。なお、この実験では、各サーマルヘッド１，８の
駆動電力を、印刷濃度が各々飽和する0.60(Ｗ）と0.42
(Ｗ）とし、そのパルス幅は0.7(ms）で周期は2.0(ms）
とした。そして、このようにして印加した駆動電力のパ
ルス数をカウントし、発熱素子７，１５の抵抗値の変化
率を経時的に測定した。

【００３１】すると、図５に例示するように、従来と本
案とのサーマルヘッド１，８は、何れも発熱素子７，１
５の中心部の発熱温度は約400(℃）となるが、駆動電力
のパルス数が10⁸ 回に到達しても抵抗変化率はマイナス
値を安定的に維持していた。特に、本案のサーマルヘッ
ド８は、従来のサーマルヘッド１と比較して抵抗変化率
が微少で、耐熱性と耐蝕性とを極めて良好に維持するこ
とが確認できた。

【００３２】

【発明の効果】本発明は上述のように、バリウムとルテ
ニウムとチタンとを含有した酸化物で発熱抵抗体層を形
成したことにより、発熱抵抗体層の比抵抗を上昇させて
発熱素子の抵抗値を増加させることができ、さらに、発
熱抵抗体層のＴＣＲを±０に近接させて発熱時の抵抗値
の変化を防止することができるので、省電力化と高画質
化とが可能なサーマルヘッドを得ることができる等の効
果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す縦断正面図である。

【図２】製作過程を示す平面図である。

【図３】スパッタリング時のチタンチップの個数と発熱
抵抗体層の比抵抗との関係を示す特性図である。

【図４】画像印刷時の駆動電力と印刷濃度との関係を示
す特性図である。

【図５】駆動電力のパルス数と発熱抵抗体層の抵抗変化
率との関係を示す特性図である。

【図６】従来例を示す縦断正面図である。

【符号の説明】

８サーマルヘッド９基板１０発熱抵抗体層１３，１４電極層１６，１７保護層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に発熱抵抗体層と電極層と保護層
とを形成したサーマルヘッドにおいて、バリウムとルテ
ニウムとチタンとを含有した酸化物で前記発熱抵抗体層
を形成したことを特徴とするサーマルヘッド。