JPH0679899A

JPH0679899A - サーマルヘッド

Info

Publication number: JPH0679899A
Application number: JP23658092A
Authority: JP
Inventors: Katsuhisa Honma; 克久本間; Katsumi Yanagibashi; 勝美柳橋; Narimitsu Aramaki; 成光荒牧
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-09-04
Filing date: 1992-09-04
Publication date: 1994-03-22

Abstract

(57)【要約】【目的】発熱抵抗体に投入されるエネルギー密度が大
きい場合でも、発熱抵抗体部に膨れが生じない耐熱樹脂
層を用いたサーマルヘッドを提供する。【構成】サーマルヘッドが動作している時に、耐熱樹
脂層２が到達する最高の温度とほぼ等しいか、あるいは
それ以上の温度で、耐熱樹脂層２を焼成する。また、サ
ーマルヘッドが動作している時に、発熱抵抗体４が到達
する最高の温度とほぼ等しいか、あるいはそれ以上の温
度で、発熱抵抗体４をアニールし、そして、耐熱樹脂層
２を、発熱抵抗体４がアニールされる温度とほぼ等しい
か、あるいはそれ以上の温度で焼成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、保温層を形成する材料
にポリイミド等の耐熱樹脂を用いた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、音が小さく、また、
保守が容易で、ランニングコストも低いなどの利点があ
り、ファクシミリやワープロのプリンタ等、各種の記録
装置に使用されている。

【０００３】これらの記録装置は、小型化、低電力化、
低価格化が要請され、これらに使用されるサーマルヘッ
ドも、安価で高効率のものが望まれる。

【０００４】この条件を満たすものとして、サーマルヘ
ッドの保温層を、グレーズガラスに代えて、ポリイミド
樹脂やエポキシ樹脂などの耐熱樹脂を用いるサーマルヘ
ッドが提案されている（特開昭５２−１００２４５公報
参照）。

【０００５】サーマルヘッドの保温層に耐熱樹脂を用い
ると、通常のグレーズ基板を用いたものに比べ、熱効率
がアップし、また、熱応答性も改善される等、優れた特
長が得られる。

【０００６】ここで、従来のサーマルヘッドについて、
耐熱樹脂材料にポリイミド樹脂を使用した場合を例にと
り、図３で説明する。

【０００７】図３は、従来のサーマルヘッドの要部を分
解して示した斜視図である。

【０００８】３１は、例えばＳＵＳからなる支持基体
で、この支持基体３１上にポリイミド樹脂からなる耐熱
樹脂層３２が形成される。そして、耐熱樹脂層３２の上
に、例えばＳｉ、Ｎ，Ｏを主成分とする下地膜３３が形
成される。

【０００９】また、下地膜３３の上に、ある間隔で複数
個の発熱抵抗体３４が設けられる。発熱抵抗体３４は、
Ｎｂ、Ｓｉ、Ｏを主成分にしている。

【００１０】また、個別電極３５が個々の発熱抵抗体３
４に、そして、共通電極３６が複数個の発熱抵抗体３４
に共通に設けられる。

【００１１】個別電極３５や共通電極３６は、Ａｌ等で
構成され、個々の発熱抵抗体３４に電流を供給する機能
を持っている。

【００１２】また、個別電極３５や共通電極３６、発熱
抵抗体３４は、Ｓｉ、Ｎ，Ｏを主成分とする保護膜３７
で覆われ、保護される。

【００１３】ところで、支持基体３１上にポリイミド樹
脂を焼成して耐熱樹脂層３２を形成する場合、ポリイミ
ド樹脂の焼成は温度を高めながら３段階で行われる。

【００１４】例えば、９０℃で６０分、次に１８０℃で
６０分、そして、３００℃で６０分、焼成する。

【００１５】このようにして焼成されたポリイミド樹脂
は、赤外線を使用した測定等から、イミド化率が実質的
に１００％に達していることが確認できる。

【００１６】この方法で形成されたポリイミド樹脂は、
熱伝導率（０．２〜０．３Ｗ／Ｋ・ｍ）がガラスの熱伝
導率（１．１〜１．４Ｗ／Ｋ・ｍ）に較べて十分小さ
い。

【００１７】したがって、サーマルヘッドの保温層にポ
リイミド樹脂を使用すると、ガラスグレーズを使用した
ものに較べて、印加エネルギーの利用効率が向上する。

【００１８】また、ポリイミド樹脂を耐熱樹脂層にした
サーマルヘッドは、ガラスグレーズ層を用いたものに較
べて、発熱抵抗体下部の熱容量が小さくなる。

【００１９】したがって、発熱抵抗体３４から下方の支
持基体３１側での蓄熱量が小さくなり熱応答性も優れ
る。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】サーマルヘッドの保温
層を耐熱樹脂で構成した場合、上記したいくつかの利点
が得られる。

【００２１】しかし、耐熱樹脂を用いたサーマルヘッド
を、高速あるいは高精細のファックスや印刷機に用いる
と、発熱抵抗体の発熱部分が膨れ、その上下に位置する
下地膜や保護膜にクラックが発生し、発熱抵抗体が酸化
したり、あるいは発熱抵抗体が断線したりする等の問題
がある。

【００２２】発熱抵抗体の膨れは、サーマルヘッドの動
作中に、発熱抵抗体部への投入エネルギー密度が高くな
ることが、その原因と考えられる。

【００２３】発熱抵抗体への投入エネルギー密度が高く
なると、発熱抵抗体の温度が上がり、これに伴いポリイ
ミド等の耐熱樹脂からなる保温層の温度も上昇する。

【００２４】この結果、保温層である耐熱樹脂から分解
ガスが放出され、発熱抵抗体に膨れを起こす。

【００２５】また、サーマルヘッドが動作すると、発熱
抵抗体に電流が流れ、加熱する。発熱抵抗体が加熱する
と、発熱抵抗体の抵抗膜の欠陥がアニ−ル効果で減少
し、抵抗値が低下する。

【００２６】このため、発熱抵抗体への実質的な投入エ
ネルギーが高くなり、発熱抵抗体の膨れがより発生しや
すくなる。

【００２７】例えば、高速ファックス用として設計され
たサーマルヘッドでは、その発熱抵抗体は、長さが約９
０μ、幅が約１１０μである。また、動作条件はパルス
周期が１．２５ｍｓｅｃである。

【００２８】そして、耐熱樹脂層の焼成温度を、従来の
サーマルヘッドの場合の焼成条件（最高３００℃）にし
てサーマルヘッドを試作し、必要濃度を得る為の印加エ
ネルギーの条件（０．０９ｍｊ／ｄｏｔ）を求めた。

【００２９】上記の条件で動作させると、発熱抵抗体部
が到達する温度は、顕微温度計による温度測定や熱解析
によると、約４５０℃と推定される。また耐熱樹脂層の
到達温度は約４３０℃と推定される。

【００３０】そして、上記焼成条件（最高３００℃）の
サーマルヘッドは、短時間のうちに発熱抵抗体部が膨
れ、断線した。

【００３１】本発明は、上記の欠点を解決し、保温層を
耐熱樹脂で構成しても、発熱抵抗体部に膨れのないサー
マルヘッドを提供することを目的とする。

【００３２】

【課題を解決するための手段】本発明は、支持基体と、
この支持基体上に順に形成された耐熱樹脂層、下地膜お
よび発熱抵抗体と、少なくとも前記発熱抵抗体を覆うよ
うに形成された保護膜とを具備するサーマルヘッドにお
いて、前記サーマルヘッドが動作している時の前記耐熱
樹脂層が到達する最高の温度とほぼ等しいか、それ以上
の温度で前記耐熱樹脂層を焼成して形成する。

【００３３】また、前記サーマルヘッドが動作している
時の前記発熱抵抗体が到達する最高の温度とほぼ等しい
か、それ以上の温度で前記発熱抵抗体をアニールして形
成し、かつ、前記耐熱樹脂層を前記発熱抵抗体がアニー
ルされる温度とほぼ等しいか、それ以上の温度で焼成し
て形成する。

【００３４】

【作用】本発明者は、保温層となる耐熱樹脂層をポリイ
ミドで形成し、耐熱樹脂層を焼成する温度のピーク値
と、焼成された後の耐熱樹脂層のガス放出特性（真空中
で一定の昇温速度で加熱したときの、ガス放出量の温度
依存性）との関係を調べた。

【００３５】そのとき、マススペクトル測定装置によ
り、放出ガスのガス分析も、併せて行った。

【００３６】なお、赤外線を使用した測定では、焼成温
度が３００℃でもイミド化率は実質的に１００％に達し
ている。

【００３７】ここで、ガス放出特性の一例として、ポリ
イミドを４５０℃の温度で、１時間焼成した場合を、図
２に示す。

【００３８】図２の横軸は、加熱温度（単位℃、）で、
縦軸はガス放出量（単位Ｔｏｒｒ・ｃｃ／ｇ・ｓｅｃ）
である。また、そのときの加熱速度は１０℃／分であ
る。

【００３９】図２のガス放出特性において、加熱温度が
１００〜３００℃の範囲で１つの山が現れる。この山は
大部分がＨ₂Ｏガスである。

【００４０】加熱温度がそれ以上になると、ガス放出の
低い山が１〜２か所見られ、そして、４５０℃前後から
ガス放出が再び立上がり、それより高温で急激に立上が
っている。

【００４１】また、ポリイミド層を形成する焼成温度の
ピーク値を、３００〜５００℃の範囲でいろいろ変え
て、上記のガス放出特性を調べた。

【００４２】この場合、ポリイミド層を加熱する温度
が、ポリイミドを焼成したときの温度付近からガス放出
に急激な立上がりが見られた。

【００４３】また、一定時間、同一の温度に保持する
と、ガス放出は次第に減少する。焼成温度付近からの放
出ガスはＣＯ₂、ＣＨ₄が主成分である。

【００４４】上記のことから、ガスの放出は、ポリイミ
ド樹脂の構造上から、あるいは添加成分から、先ず、結
合の弱い部分が分解を開始し、ガス化するものと考えら
れる。

【００４５】なお、加熱温度が低い領域で発生するＨ₂
Ｏガスは、ポリイミド樹脂を焼成する温度が相違しても
ほとんど差が見られなかった。

【００４６】また、加熱温度が低い領域で発生するＨ₂
Ｏガスは、真空中または乾燥雰囲気中で、ほぼ１００℃
以上の温度で保持すれば、脱ガスが可能であることが確
かめられた。

【００４７】また、耐熱性樹脂層を焼成した後、下地膜
を成膜するまでの間、真空中や低露点雰囲気のデシケー
タ中など、水分を避けて保管すると、低い温度領域域で
のＨ₂Ｏのガス放出は殆ど見られなかった。

【００４８】以上の結果から、ポリイミド樹脂を焼成す
る温度を高めれば、ポリイミド樹脂中の不安定成分や添
加成分が、選択的に分解あるいはガス化され、イミド化
が完了した時点では、それらの不安定成分や添加成分を
除去できるものと考えられる。

【００４９】したがって、ポリイミド樹脂を焼成する温
度を、樹脂の骨格成分が実質的に分解しない範囲で高く
すれば、ポリイミド樹脂の部分分解などによるガス放出
の急激な立ち上がりを、その焼成温度付近の温度領域ま
で抑制できる。

【００５０】このため、ポリイミド樹脂層を焼成する温
度を、サーマルヘッドの動作中にポリイミド樹脂層が到
達する最高温度とほぼ等しいか、またはそれ以上にすれ
ば、ガス放出の急激な立ち上がりがなくなり、発熱抵抗
体の膨れが防止できる。

【００５１】また、サーマルヘッドが長時間動作して
も、発熱抵抗体の抵抗値が低下しないように、発熱抵抗
体膜をアニールしたり、また、組立て後に通電エージン
グしたりする場合がある。このように発熱抵抗体膜にア
ニールや通電エージングを行う場合は、その際に耐熱樹
脂層が到達する最高温度とほぼ等しいかあるいはそれ以
上の温度で、耐熱樹脂層を焼成する。

【００５２】なお、低い温度領域におけるＨ₂Ｏガスの
放出は、耐熱樹脂層を焼成してから下地膜を成膜するま
での間、水分を避けて保管すれば、特に問題は生じな
い。

【００５３】また、耐熱樹脂層が例え水分を吸蔵して
も、下地膜を成膜するスパッタリング工程や、プラズマ
ＣＶＤなどの工程で、耐熱樹脂層の形成された支持基体
の温度を予め１００℃以上に加熱し、一定時間保持し、
その後下地膜を成膜するようにすれば、耐熱樹脂層中に
含まれた水分の脱ガスは可能である。

【００５４】また、水分の脱ガスは、下地膜を成膜する
直前に、乾燥雰囲気中に置き、加熱することによっても
可能である。

【００５５】なお、耐熱樹脂層の焼成は、通常、非酸化
性の雰囲気中で行っている。

【００５６】これは、ポリイミド樹脂中の不安定成分や
添加成分を、選択的に分解あるいはガス化し、除去する
ことが目的のためで、酸化性の雰囲気中で耐熱樹脂を高
温にすると、耐熱樹脂が酸化してしまい、樹脂の骨格成
分を含めた分解が急速に進行してしまう。

【００５７】

【実施例】本発明の一実施例について、図１を参照して
説明する。

【００５８】１は金属製の支持基体で、Fe-Cr 合金から
なっている。支持基体１上に耐熱樹脂層２が形成され
る。耐熱樹脂層２は、シロキサン結合を有する芳香族ポ
リイミド樹脂で、厚さは約２０μである。

【００５９】なお、支持基体１は、Fe-Cr 合金以外の金
属や、非金属を用いることもできる。また、耐熱樹脂と
しても他の耐熱樹脂材料が使用できる。

【００６０】なお、耐熱樹脂層２の膜厚は、通常１０μ
〜４０μの範囲が用いられる。しかし、特性によって
は、この範囲以外の膜厚でもよい。また、耐熱樹脂層２
の形成は、ポリアミック酸を有機溶剤に溶かしたポリア
ミック酸ワニスを支持基体１に塗布し、その後、焼成し
ている。

【００６１】ポリアミック酸ワニスを塗布する方法も、
いくつか種類があるが、この実施例ではスピンコート法
を用いた。

【００６２】また、耐熱樹脂層２の焼成は、乾燥窒素ガ
ス雰囲気中で、９０℃で６０分、１８０℃で６０分、そ
して、４５０℃で６０分の３段階で行った。

【００６３】耐熱樹脂層２の焼成温度は最高４５０℃に
している。これは、後の工程である発熱抵抗体膜をアニ
ールする温度を４５０℃にしているためである。なお、
この温度は、発熱抵抗体が到達する最高温度に相当す
る。

【００６４】次に、耐熱樹脂層２の上に、Ｓｉ、Ｏ、Ｎ
を主成分とする下地膜３が、スパッタリング法で形成さ
れる。なお、そのときの条件は以下の通りである。

【００６５】ターゲットとしては、Ｓｉ₃Ｎ₄とＳｉＯ
₂の粉末を４：１のmol 比で混合し、ホットプレスで固
め、その後、焼結したものを使用した。

【００６６】また、下地膜３の成膜前に、耐熱樹脂層２
が形成された支持基体１を、チャンバー内で２５０℃に
保持し、１時間の脱ガスを行った。この時のチャンバー
内真空度は、５〜８×１０^-4Ｐａであった。

【００６７】そして、下地膜３の膜厚は約３μとし、下
層２μはＡｒ雰囲気中で、上層１μは１０％Ｏ₂−Ａｒ
雰囲気中で形成し、その時のガス圧は２×１０^-1Ｐａで
ある。

【００６８】なお、下地膜の材料や成膜方法は上記のも
のに限られるものではない。

【００６９】また、下地膜３を成膜する前に、耐熱樹脂
層中から水分を取り除く脱ガス工程を入れている。

【００７０】また、下地膜３の上に、スパッタリング法
でＮｂ−ＳｉＯ₂系の発熱抵抗体４用の抵抗膜を成膜し
た。抵抗膜を形成した後、真空加熱炉内で抵抗膜のアニ
ールを行った。

【００７１】アニールは、室温から４５０℃まで１時間
で昇温し、そして４５０℃のまま３０分保持し、炉冷し
た。この間、加熱炉内の真空度は１０^-4Ｐａ台であっ
た。

【００７２】次に、個別電極５用のＡｌ膜ををスパッタ
リング法で、また、共通電極６用のＡｌ膜を真空蒸着法
で順次形成した。個別電極５や共通電極６用のＡｌ膜を
成膜した後、フォトエッチングを行い、発熱抵抗体４、
個別電極５及び共通電極６を形成した。

【００７３】なお、発熱抵抗体４や電極５、６の材料に
は、上記のものに限らず他の材料を用いることができ、
また、成膜方法やパターニング方法も他の方法を用いる
ことができる。

【００７４】次に、個別電極５や共通電極６の大部分、
そして、発熱抵抗体４を被覆するように、保護膜７を形
成した。

【００７５】保護膜７の被覆は、下地膜３と同様のスパ
ッタリング法で行った。また、ターゲットも下地膜３を
成膜するときと同じものを用いた。

【００７６】また、チャンバー内で２５０℃に保持し、
１時間の脱ガスを行った後、保護膜７の成膜を行った。
その膜厚は約３μで、下層２μは１０％Ｏ₂−Ａｒ雰囲
気中で、上層１μはＡｒ雰囲気中で、それぞれ２×１０
^-1Ｐａのガス圧でスパッタリングした。

【００７７】上記の方法で保護膜７を形成した後、実装
工程を経てサーマルヘッドを完成させた。

【００７８】このサーマルヘッドを、従来技術で説明し
たサーマルヘッドと同じ条件（発熱抵抗体の長さ約９０
μ、幅約１１０μ、パルス周期１．２５ｍｓｅｃ、印加
エネルギー０．０９ｍｊ／ｄｏｔ）で通電動作させ、耐
パルス評価を行った。

【００７９】その結果、１×１０⁸パルスの動作後も発
熱抵抗体部に膨れは生じなかった。また、抵抗値も初期
状態に較べ−２〜０％程度の変化にとどまり、極めて安
定であった。

【００８０】また、耐熱樹脂層を焼成するときの最高温
度を変えて、サーマルヘッドを試作し、評価を行った。

【００８１】この場合、発熱抵抗体膜のアニール温度
（４５０℃）や、他の試作条件は上記の実施例と同一に
した。

【００８２】この結果、耐熱樹脂層の焼成温度が、抵抗
体膜のアニール温度（４５０℃）とほぼ同じか、それ以
上の範囲では特に問題はなく、サーマルヘッドとしての
評価も上記の例と同様に良好であった。

【００８３】一方、耐熱性樹脂層の焼成温度が、発熱抵
抗体膜のアニール温度を下回ると、それにつれて、発熱
抵抗体膜をアニールするときの下地膜の膨れが顕著にな
り、サーマルヘッドとして良好な製品が得にくくなる。

【００８４】なお、上記の実施例では、耐熱樹脂層にポ
リイミドを用いているが、他の種類の耐熱樹脂を用いる
こともできる。

【００８５】次に、サーマルヘッドの製造工程で、発熱
抵抗体膜をアニールしない本発明の他の実施例について
説明する。

【００８６】この実施例では、サーマルヘッドを動作さ
せた場合に、耐熱樹脂層が到達すると推定される温度、
例えば４３０℃近辺で、耐熱樹脂層を焼成する温度のピ
ーク値を上下させ、サーマルヘッドを試作した。なお、
試作した他の条件は、前記の実施例と同様である。

【００８７】試作したサーマルヘッドに、先の実施例で
説明した場合と同一の所定のエネルギーを印加した。

【００８８】このとき、耐熱樹脂層の焼成温度がほぼ４
３０℃以上の場合、発熱抵抗体部の膨れは生じなかっ
た。

【００８９】しかし、焼成温度が４３０℃を大きく下回
ると、発熱抵抗体部に膨れが顕著に見られた。

【００９０】なお、発熱抵抗体がアニールされていない
ため、パルスを印加し続けると抵抗値が低下した。この
ため、実質的な投入エネルギーが増大し、発熱抵抗体の
膨れが発生し易くなる。

【００９１】したがって、サーマルヘッドを長時間動作
させる場合には、予め発熱抵抗体に対し通電エージング
を行い、抵抗値を安定化しておくことが望ましい。

【００９２】上記の実施例は、高速ファックス用として
設計されたサーマルヘッドの場合である。しかし、高精
細の印刷機用に試作したサーマルヘッドについても、同
様な評価を行ったところ、上記の実施例と同様に良好な
結果が得られた。

【００９３】

【発明の効果】本発明によれば、発熱抵抗体に投入され
るエネルギー密度が大きい場合でも、発熱抵抗体部に膨
れが生じない耐熱樹脂層を用いたサーマルヘッドが実現
できる。

【００９４】

【図面の簡単な説明】

【００９５】

【図１】本発明の一実施例のサーマルヘッドの要部を示
す部分分解斜視図である。

【００９６】

【図２】耐熱樹脂層のガス放出特性を説明する図であ
る。

【００９７】

【図３】従来のサーマルヘッドの要部を示す部分分解斜
視図である。

【００９８】

【符号の説明】

１…支持基体２…耐熱樹脂層３…下地膜４…発熱抵抗体５…個別電極６…共通電極７…保護膜

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成５年８月５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】このようにして焼成されたポリイミド樹脂
は、赤外吸収分光法の測定等から、イミド化率が実質的
に１００％に達していることが確認できる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】しかし、耐熱樹脂を用いたサーマルヘッド
を、高速あるいは高精細のファックスや印刷機に用いる
と、動作時に発熱抵抗体の発熱部分が膨れ、その上下に
位置する下地膜や保護膜にクラックが発生し、発熱抵抗
体が酸化したり、あるいは発熱抵抗体が断線したりする
等の問題がある。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２６】このため、定電圧駆動による発熱抵抗体へ
の実質的な投入エネルギーが高くなり、発熱抵抗体の膨
れがより発生しやすくなる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３６】なお、赤外吸収分光法による測定では、焼
成温度が３００℃でもイミド化率は実質的に１００％に
達している。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４４】上記のことから、後者のピークに相当する
ガスの放出は、ポリイミド樹脂の構造上から、あるいは
添加成分から、先ず、結合の弱い部分が分解を開始し、
ガス化するものと考えられる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持基体と、この支持基体上に順に形成
された耐熱樹脂層、下地膜および発熱抵抗体と、少なく
とも前記発熱抵抗体を覆うように形成された保護膜とを
具備するサーマルヘッドにおいて、前記サーマルヘッド
が動作している時の前記耐熱樹脂層が到達する最高の温
度とほぼ等しいか、それ以上の温度で前記耐熱樹脂層が
焼成されて形成されてなることを特徴とするサーマルヘ
ッド。
【請求項２】支持基体と、この支持基体上に順に形成
された耐熱樹脂層、下地膜および発熱抵抗体と、少なく
とも前記発熱抵抗体を覆うように形成された保護膜とを
具備するサーマルヘッドにおいて、前記サーマルヘッド
が動作している時の前記発熱抵抗体が到達する最高の温
度とほぼ等しいか、それ以上の温度で前記発熱抵抗体が
アニールされて形成され、かつ、前記耐熱樹脂層は、前
記発熱抵抗体がアニールされる温度とほぼ等しいか、そ
れ以上の温度で焼成されて形成されてなることを特徴と
するサーマルヘッド。