JP3667862B2 - 薄膜型サーマルプリントヘッドの発熱体抵抗値の調整方法、および、薄膜型サーマルプリントヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、薄膜型サーマルプリントヘッドの発熱体抵抗値の調整方法、および、薄膜型サーマルプリントヘッドに関するものであり、より具体的には、薄膜型サーマルプリントヘッドの発熱体抵抗値を所望のように調整するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
感熱方式または熱転写方式によって印字を行うためのサーマルプリントヘッドは、個別に発熱駆動可能な多数の発熱体が絶縁基板上に列状に配置されて構成されている。そして、発熱体の形成方式により、このサーマルプリントヘッドは、厚膜型と薄膜型とに分類することができる。厚膜型のサーマルプリントヘッドにおいては、発熱体は、厚膜印刷法によって形成される。一方、薄膜型のサーマルプリントヘッドにおいては、発熱体は、ＣＶＤまたはスパッタリングによって薄膜状に形成される。
【０００３】
厚膜型のサーマルプリントヘッドは、比較的簡便に、かつコスト安く製造することができるという利点を有する反面、各発熱体が厚膜状であるために印字ドットがぼけたり、また、印字密度を所定以上に上げることができないという欠点を有する。薄膜型サーマルプリントヘッドは、各発熱体が５００〜１５００Åの薄膜状であるため、印字ドットにぼけが少なく、また熱応答性に優れるために高速印字により適しており、厚膜型の場合よりも印字密度を上げることができる等の利点を有するが、ＣＶＤやスパッタリングによる成膜工程やフォトリソ工程を繰り返すために製造コストが高いという欠点がある。
【０００４】
たとえば、Ａ４サイズの記録紙に２００ｄｐｉの印字密度で印字を行うべくサーマルプリントヘッドを構成する場合、１７２８個の発熱体が１列に配列される。そして、これらの発熱体の各々の抵抗値は、一定であることが印字品質を高める上で望ましいが、基板上に発熱体が形成された時点では、各発熱体の抵抗値にはどうしてもバラツキが生じる。発熱体のパターンサイズと厚みにバラツキが生じるからである。
【０００５】
厚膜型のサーマルプリントヘッドの場合、上記のような各発熱体の抵抗値のバラツキを修正するために、パルストリミングと呼ばれる抵抗値調整が行われる。すなわち、測定プローブを基板の適部に接触させて各発熱体の抵抗値を監視しつつ、この発熱体の測定抵抗値が所定の範囲内に入るように、当該発熱体にパルス電流を流す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、薄膜型サーマルプリントヘッドにおいては、前述のように発熱体の膜厚が５００〜１５００Åといったきわめて薄状であるため、上記のようなパルストリミングによる抵抗値調整は不可能である。
【０００７】
ところで、近年、サーマルプリントヘッドによってカラー印字を行わせる試みが盛んであり、この場合、一定以上の印字品質を得るために、薄膜型のサーマルプリントヘッドが採用される場合が多い。サーマルプリントヘッドによるカラー印字においては、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、あるいはこれに加えてＢ（ブラック）の領域を有する昇華型のインクリボンを用いて重ね印刷が行われる。昇華型のインクリボンは、付与される熱に応じて、記録紙に転写されるインクの量を変化させることができ、したがって、各色の印刷を行うに際して発熱体に与える印字エネルギを多段階に変化させることにより、多階調のカラー印刷を行うことができる。このような多階調の印刷を行う場合、サーマルプリントヘッドの各発熱体の抵抗値のバラツキを所定の範囲内に抑制することが、より強く求められる。周知のとおり、カラー印刷を行う場合、各色の配合割合がわずかに変化しただけでも、色調が大きく変わるからである。かりにサーマルプリントヘッドを構成する複数の発熱体の抵抗値に大きなバラツキが存在すると、同一条件で各発熱体を駆動しても、発生する印字エネルギが発熱体ごとに異なってしまい、その結果として、カラー印刷の品位が著しく低下してしまう。
【０００８】
通常の製造過程によって薄膜型のサーマルプリントヘッドを形成する場合、成膜工程に改良を加えても、各発熱体間の抵抗値のバラツキを±１０％以内に抑制することは困難であるといわれている。このような発熱体間の抵抗値のバラツキは、上記のようなカラー印刷を高品位で行うためには、大きすぎる。
【０００９】
本願発明は、上記のような事情のもとで考え出されたものであって、ＣＶＤまたはスパッタリングによって形成される薄膜抵抗体の抵抗値を、上記薄膜抵抗体の形成後に容易に、かつより精度よく調整することができる新たな技術を提供することをその課題としている。
【００１０】
【発明の開示】
本願発明の第１の側面によれば、薄膜型サーマルプリントヘッドの発熱体抵抗値の調整方法が提供され、この方法は、絶縁基板上にＣＶＤまたはスパッタリングによって形成された薄膜抵抗体からなる複数の発熱体が配置された薄膜型サーマルプリントヘッドにおける上記各発熱体にエキシマレーザを照射して上記各発熱体の抵抗値を調整する方法であって、上記各発熱体の表面の長さ方向の中央部において、当該長さ方向に所定の間隔を隔て、かつ、幅方向に延びる複数の帯状領域に対してエキシマレーザを照射することに特徴づけられる。
【００１２】
好ましい実施形態においてはまた、上記エキシマレーザの照射は、超低エネルギ密度による照射であって、そのエネルギ密度および／またはパルス照射回数を選択することにより、上記各発熱体の抵抗値が所望の抵抗値となるようにする。上記エキシマレーザのエネルギ密度は、ＴａＳｉＯ₂ によって５００〜１３００Åの厚みで形成した薄膜抵抗体の場合、好ましくは、６０〜１８０mJ／cm² 、より好ましくは８０〜１５０mJ／cm² である。
【００１３】
エキシマレーザは、紫外線を発振できるレーザであり、ＹＡＧレーザやＣＯ₂ レーザ等の他のレーザに比較して、高い光子エネルギをもつとともに、短いパルス幅と高いピーク出力をもつという特性をもっている。本願の発明者は、このような特性をもつエキシマレーザのエネルギ密度および／またはパルス照射回数を選択することにより、たとえば、ＴａＳｉＯ₂ からなる薄膜型サーマルプリントヘッドの各発熱体の抵抗値を所望のように下げることができることを見出した。上記光子エネルギにより、上記各発熱体の絶縁成分であるＳｉＯ₂ が部分的に分子間結合解離を起こし、全体としての抵抗値が低下してゆくものと思われる。ただし、上記エキシマレーザの照射エネルギ密度は、上述のように、６０〜１８０mJ／cm² 、より好ましくは８０〜１５０mJ／cm² というきわめて低い範囲を選択するべきことが判っている。
【００１４】
前述のように、エキシマレーザが照射された領域は、レーザのエネルギ密度またはパルス照射回数に応じて抵抗値が低下させられるが、本願発明においては、各発熱体の表面の一部領域にエキシマレーザを照射しているので、各発熱体の抵抗値の調整を、より微小段階において精密に行うことができる。
【００１５】
このようなことから、本願発明の第１の側面による薄膜型サーマルプリントヘッドの発熱体抵抗値の調整方法によれば、従来、成膜後に抵抗値調整が不可能であった薄膜型サーマルプリントヘッドにおける各発熱体の抵抗値を所望の抵抗値に揃えることが可能となる。このようにして各発熱体の抵抗値のバラツキを所定の範囲に揃えられた薄膜型サーマルプリントヘッドは、その印字品質がより高められるとともに、昇華型のインクリボンを用いた多階調カラー印刷にも充分適したものとすることが可能となる。
【００１６】
とくに、発熱体の表面の幅方向および／または長さ方向の中央部を選択してこのように限定された領域の抵抗値をエキシマレーザ照射によって低下させるようにすると、この発熱体の駆動時に蓄熱によって中央領域が周部領域よりも高温となる傾向が緩和され、発熱体の表面各部における温度分布が平準化される。これにより、高速印字時における印字ボケ等の発生を抑制し、印字品質をより高めることができる。
【００１７】
本願発明の第２の側面によれば、薄膜型サーマルプリントヘッドが提供され、これは、絶縁基板上にＣＶＤまたはスパッタリングによって形成された薄膜抵抗体からなる複数の発熱体が形成された薄膜型サーマルプリントヘッドであって、上記各発熱体は、表面の長さ方向の中央部において、当該長さ方向に所定の間隔を隔て、かつ、幅方向に延びる複数の帯状領域の抵抗値がエキシマレーザ照射によって低下させられることにより、抵抗値が調整されていることに特徴づけられる。
【００１８】
上記したことから判るように、この薄膜型サーマルプリントヘッドは、各発熱体の成膜時に存在した抵抗値のバラツキが、所定の範囲内に抑制されているので、その印字品質がより高められるとともに、昇華型のインクリボンを用いた多階調カラー印刷にも充分適したものとなる。
【００２３】
本願発明のその他の特徴および利点は、図面を参照して以下に行う詳細な説明から、より明らかとなろう。
【００２４】
【発明の実施形態】
以下、本願発明の好ましい実施形態を、図面を参照して具体的に説明する。本願発明は、薄膜形成された抵抗体の抵抗値を簡易に調整するための新たな技術に関するものであるが、本願発明技術は、薄膜型サーマルプリントヘッドにおける発熱体の抵抗値を調整する場合に好適に適用することができる。
【００２５】
図１は、薄膜型サーマルプリントヘッド１の発熱部２の代表的な断面構造を厚み方向に強調して示している。図２は、上記発熱部の平面的な配置を示している。アルミナセラミック等の絶縁基板３の上に、記録紙に対する圧力集中を高めるとともに発熱部に蓄熱性を与えるための部分グレーズ４が形成されている。この部分グレーズ４は、ガラスペーストを用いた印刷・焼成によって形成され、焼成時におけるガラス成分の流動化に起因して、滑らかな弓形断面を呈している。
【００２６】
絶縁基板３ないし上記部分グレーズ４の表面には、薄膜状の抵抗体層５が形成される。この抵抗体層５は、たとえばＴａＳｉＯ₂ を用いたＣＶＤ法またはスパッタリングにより、５００〜１５００Åの薄膜状に形成される。この抵抗体層５の上層には、部分グレーズ４の頂部において所定範囲にわたって上記抵抗体層５を露出させるようにして導体層６ａ，６ｂが形成される。この導体層６ａ，６ｂは、たとえばＡｌを用いたスパッタリングにより、０．５〜２．０μｍの厚みに形成される。抵抗体層５のうち、上記部分グレーズ４の頂部付近において、導体層６ａ，６ｂに覆われずに露出する部分が、発熱体７として機能する。
【００２７】
上記抵抗体層５および導体層６ａ，６ｂには、図２に示すようにスリット８が入れられており、各発熱体７が独立して駆動可能とされている。各発熱体７に対して図１および図２の左方に延出していて上記スリット８によって互いに独立に分断されている導体層６ａは、それぞれ個別電極として機能し、図示しない駆動ＩＣの出力パッドにそれぞれ電気的に導通させられる。各発熱体７に対して図１および図２の右方に延出する導体層６ｂは、相互に接続されていて、共通電極として機能する。
【００２８】
図１において符号９は、たとえばＳｉＯ₂ からなる耐酸化層を、符号１０はたとえばＴａ₂ Ｏ₅ あるいはＳｉ₃ Ｎ₄ からなる保護層をそれぞれ示しており、いずれもＣＶＤあるいはスパッタリングによって形成される。なお、耐酸化層９の厚みは、たとえば０．５〜１．５μｍ、保護層１０の厚みは、たとえば３〜６μｍに設定される。
【００２９】
上記の構成において、いずれかの個別電極６ａがオン駆動されると、上記導体層６ａ，６ｂに覆われずに露出する抵抗体層５からなる発熱体７が、個別に発熱駆動される。
【００３０】
上記のような発熱部２の構成を備える薄膜型サーマルプリントヘッド１は、たとえば次のような工程を経て製造される。
【００３１】
まず、図３に示すように、絶縁基板３上に部分グレーズ４を形成した後、抵抗体層５、および導体層６を順次ＣＶＤあるいはスパッタリングによって薄膜形成する。抵抗体層５および導体層６の材質および好適な厚みは、前述したとおりである。
【００３２】
次いで、図４に示すように、第１回のフォトリソ工程により、上記抵抗体層５および上記導体層６に対し、部分グレーズ４の幅方向に延びるスリット８を形成することにより、回路パターンを形成する。
【００３３】
次いで、図５に示すように、第２回のフォトリソ工程により、上記導体層６のみがエッチングされ、その下層の抵抗体層５が露出させられる。こうして露出させられた抵抗体層５が発熱体７として機能することは、前述したとおりである。
【００３４】
次いで、耐酸化層９および保護層１０がＣＶＤあるいはスパッタリングによって形成される。これら耐酸化層９および保護層１０の材質および好適な厚みもま、前述したとおりである。
【００３５】
たとえば、２００ｄｐｉの印字密度を達成する場合、上記発熱体７は、図６(a) に示すように、その長手方向寸法Ｌが１８２μｍ、幅寸法Ｗが１１２μｍの矩形ドット状であって、その厚みはたとえば５４０Åとされ、１２５μｍピッチで部分グレーズ４の長手方向に配列される。この発熱体７の材質としては、前述したようにＴａＳｉＯ₂ が好適であり、そのシート抵抗は３５８Ω／□である。本願発明においては、このような発熱体７の抵抗値の調整を、上記耐酸化層９および保護層１０を形成する前の段階において、次のようにして行う。
【００３６】
すなわち、図６(b)(c)(d) にそれぞれ斜線で示すように、各発熱体７の表面の一部を選択して、超低エネルギ密度のエキシマレーザを照射することにより、各発熱体７の抵抗値を低下させる。図６(b) は、図６(a) に示す形態の発熱体７における長手方向寸法の１／４の中央領域が選択された場合を、図６(c) は、同じく発熱体７における長手方向の１／４および幅方向１／２の中央領域が選択された場合を示す。この場合、発熱体７の全表面の１／８の領域が選択されたことになる。そして、図６(d) は、発熱体７の長手方向中央領域において、幅方向に延びる複数の帯状領域が選択された場合を示している。
【００３７】
より具体的には、共通電極６ｂと個別電極６ａ間に図示しないプローブを接触させて、当該個別電極６ａと対応する発熱体７の抵抗値を監視しつつ、この発熱体７の上記のように選択した一部領域に対して所定のマスクを介してエキシマレーザを照射する。より好適には、エキシマレーザのエネルギ密度を一定の選択したエネルギ密度としつつ、当該発熱体の抵抗値が所望の抵抗値となるまで、照射パルス数を累増させる。このような操作をすべての発熱体７について行うことにより、複数の上記発熱体７が配列されてなる薄膜型サーマルプリントヘッドにおける上記発熱体７の抵抗値を一定の許容しうるバラツキの範囲内に収めることができる。
【００３８】
図７は、シート抵抗３５８Ω／□のＴａＳｉＯ₂ を材質として厚さ５４０Åに形成した薄膜抵抗体に対してＫｒＦエキシマレーザを照射するに当たり、照射エネルギ密度を８６mJ／cm² に、照射パルス周波数を５０Hzに設定し、照射パルス数を種々に変化させた場合の抵抗値変化率の変化を示すグラフである。このグラフから判るように、照射パルス数が多くなるにしたがって、発熱体７の抵抗値変化率（抵抗値低下率）が大きくなる。したがって、照射パルス数を選択することにより、上記薄膜抵抗体の抵抗値を所望のように低下させることができる。図７のグラフから、照射パルス数が比較的少ない領域では、抵抗値の変化が急激であるが、ある程度の照射パルス数を超えると、照射パルス数と抵抗値変化率との関係は、線型となる。したがって、この線型な関係を有する範囲を用いることにより、より正確な抵抗値調整を行うことができる。そうして、図６(b) に示すように、発熱体７の長手方向の１／４の領域を選択してその部位にエキシマレーザを照射する場合、レーザ照射に係る部分の抵抗値が１０％低下したとすると、発熱体７全体としての抵抗値は２．５％しか低下しない。同じく、図６(c) に示すように、発熱体の全表面の１／８の領域を選択してその部位にエキシマレーザを照射する場合、レーザ照射に係る部分の抵抗値が１０％低下したとすると、発熱体７全体としての抵抗値は１．２５％しか低下しない。したがって、本願発明の薄膜抵抗体の抵抗値調整方法によれば、よりきめ細かな抵抗値調整を行うことができる。
【００３９】
図８は、シート抵抗３５８Ω／□のＴａＳｉＯ₂ を材質として厚さ５４０Åに形成した薄膜抵抗体に対してＫｒＦエキシマレーザを照射するに当たり、照射パルス周波数を１０Hzに、照射パルス数を１０に、それぞれ設定し、照射エネルギ密度を種々に変化させた場合の抵抗値変化率の変化を示すグラフである。このグラフから判るように、照射エネルギ密度を６０mJ／cm² 付近から増大させるにしたがって、薄膜抵抗体の抵抗値が次第に低下する。したがって、このグラフが示す傾向にしたがってエキシマレーザの照射エネルギを選択することにより、発熱体の抵抗値を目的の抵抗値に調整することが可能である。もちろん、本願発明では、この場合においても、図６(a)(b)(c) の各図に示したように、抵抗体の表面の選択した部分領域にエキシマレーザを照射するので、この抵抗体の抵抗値調整をよりきめ細かに行うことができる。
【００４０】
図９は、ＴａＳｉＯ₂ を６５４Åの厚みに形成した抵抗体にエキシマレーザを照射するにあたり、同一の対象物に対する照射パルス数を累増させてゆく過程において、抵抗値変化率がどのように推移するかを、種々のエネルギ密度について調べた結果を表すグラフである。このグラフからも、エネルギ密度を抵抗体の材質および厚みに対して最適に設定しておけば、照射パルス数を累増させることにより、所望の抵抗値を得ることができることが判る。
【００４１】
また、薄膜型サーマルプリントヘッドにおいて、とくに図６(c) に示すように、発熱体７の長手方向および幅方向の中央領域を選択してこの領域にエキシマレーザを照射することによって抵抗値調整を行う場合、次のような利点がある。すなわち、表面の各部位において抵抗値が一定な発熱体７を駆動する場合、図１０に示すように、その温度分布は中央部ほど高くなる。発熱体の周囲ほど熱放散が多く、中央領域ほど蓄熱の影響が大きくなるからである。しかし、上記のように発熱体７の中央領域を選択してその抵抗値を周囲領域よりも低下させることによる抵抗値調整を行う場合、中央領域の発熱量が周部領域の発熱量より小さくなるため、温度分布が平準化される。このようにすることにより、とくに高速印字を行った場合における印字ドットのぼけの発生が回避され、印字品質が向上する。
【００４２】
図１１は、上記のようなエキシマレーザによる薄膜型サーマルプリントヘッドの発熱体抵抗値の調整を行うための装置２０の一例の概略構成図である。精密駆動可能なＸＹＺステージ２１上には、上記したように発熱体７が形成された段階の薄膜型サーマルプリントヘッドの中間品がワークＷとして設置される。このワークＷ上に、縮小投影レンズ２２からのエキシマレーザ光が照射される。レーザ光は、ガス供給装置２３に接続されたレーザ発振器２４によって発振される。レーザ発振器２４によって発振されるエキシマレーザの発振パルス周波数、照射パルス数等は、制御部によって制御可能である。レーザ発振器２４によって発振されたレーザ光は、整形光学系２５、可変アッテネータ２６を介して進むとともに、反射ミラー２７によって方向を変えられ、上記縮小投影レンズ２２に導入される。そして、この例では、上記整形光学系２５と反射ミラー２７との間に、マスク２８が介装されている。このマスク２８は、上記発熱体７の表面にレーザを照射するべき選択された領域と対応した窓孔、すなわち、図６(b)(c)(d) の斜線部分と対応した形状の窓孔を有するものである。上記反射ミラー２７の上方には、光源２９からの照明光によって照明されたワークＷを監視するための光学系３０が配置されている。なお、図示は省略するが、ワークＷとしての薄膜型サーマルプリントヘッド上の抵抗値調整をするべき発熱体７の抵抗値は、所定の測定プローブを個別電極および共通電極に接触させることにより、監視される。なお、上記マスク２８は、ワークＷと縮小投影レンズ２２との間の適当な位置に配置することもできる。
【００４３】
ＸＹＺステージ２１を駆動してワークＷとしての上記薄膜型サーマルプリントヘッド１を発熱体７の配列方向にステップ送りしつつ、各発熱体７にエキシマレーザを照射し、この発熱体の抵抗値を所望の値に調整する操作を順次行う。発熱体の抵抗値の調整の手法は、前述したようにレーザの照射パルス数を累増させる方法と、レーザの照射エネルギ密度を変化させる方法とがある。また、図１０に示す構成では、ワークＷをステップ送りして各発熱体７の抵抗値調整を行うが、ワークＷを固定し、縮小投影レンズ２２をステップ送りして各発熱体の抵抗値調整を行うようにすることもできる。
【００４４】
もちろん、この発明の範囲は上述した実施形態に限定されるものではない。エキシマレーザのガスとしては、上記のようにＫｒＦのほか、ＡｒＦあるいはＸｅＣｌを選択することができることはもちろんである。また、薄膜型サーマルプリントヘッドの発熱体の抵抗値の調整を行う場合において、この薄膜型サーマルプリントヘッドの発熱部の形態も、図に示したような部分グレーズを有する形式のほか、全面グレーズ上に発熱体を配列する形式のもの、あるいは、個別電極パターンとして、いわゆる折り返しパターンを有するものがあり、これらについても、同様に適正な抵抗値調整を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明方法によって抵抗値調整を行う対象としての薄膜型サーマルプリントヘッドの発熱部の構造を厚み方向に強調して示す拡大断面図である。
【図２】図１に示される薄膜型サーマルプリントヘッドの発熱部の拡大平面図である。
【図３】図１に示される薄膜型サーマルプリントヘッドの製造過程を示し、絶縁基板上に部分グレーズ、抵抗体層および導体層を形成した段階を示す。
【図４】図１に示される薄膜型サーマルプリントヘッドの製造過程を示し、上記抵抗体層および導体層にスリットをいれた段階を示す。
【図５】図１に示される薄膜型サーマルプリントヘッドの製造過程を示し、上記導体層の一部をエッチングによって除去し、抵抗体層を一部露出させて発熱体を形成した段階を示す。
【図６】 (a) は発熱体の平面形態の詳細を示す模式的平面図である。(b)(c)(d) は発熱体の表面においてレーザ照射するべき領域の例を示す模式図である。
【図７】本願発明方法の作用を説明するためのグラフである。
【図８】本願発明方法の作用を説明するためのグラフである。
【図９】本願発明方法の作用を説明するためのグラフである。
【図１０】本願発明方法の作用の説明図である。
【図１１】本願発明方法を実施するための装置の一例の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 薄膜型サーマルプリントヘッド
２ 発熱部
３ 絶縁基板
４ 部分グレーズ
５ 抵抗体層
６ 導体層
６ａ 個別電極
６ｂ 共通電極
７ 発熱体
８ スリット
９ 耐酸化層
１０ 保護層
２０ レキシマレーザ照射装置
２８ マスク

Claims (3)

1. 絶縁基板上にＣＶＤまたはスパッタリングによって形成された薄膜抵抗体からなる複数の発熱体が配置された薄膜型サーマルプリントヘッドにおける上記各発熱体にエキシマレーザを照射して上記各発熱体の抵抗値を調整する方法であって、
   上記各発熱体の表面の長さ方向の中央部において、当該長さ方向に所定の間隔を隔て、かつ、幅方向に延びる複数の帯状領域に対してエキシマレーザを照射することを特徴とする、薄膜型サーマルプリントヘッドの発熱体抵抗値の調整方法。
2. 上記エキシマレーザの照射は、超低エネルギ密度による照射であって、そのエネルギ密度および／またはパルス照射回数を選択することにより、上記各発熱体の所望の抵抗値を得ることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜型サーマルプリントヘッドの発熱体抵抗値の調整方法。
3. 絶縁基板上にＣＶＤまたはスパッタリングによって形成された薄膜抵抗体からなる複数の発熱体が配置された薄膜型サーマルプリントヘッドであって、上記各発熱体は、表面の長さ方向の中央部において、当該長さ方向に所定の間隔を隔て、かつ、幅方向に延びる複数の帯状領域がエキシマレーザ照射によって抵抗値が低下させられることにより、その抵抗値が調整されていることを特徴とする、薄膜型サーマルプリントヘッド。

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