JP2003165241A

JP2003165241A - サーマルヘッド

Info

Publication number: JP2003165241A
Application number: JP2001368736A
Authority: JP
Inventors: Kyoji Shirakawa; 享志白川; Satoshi Kubo; 敏久保
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2001-12-03
Filing date: 2001-12-03
Publication date: 2003-06-10

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、保温層の熱物性を、より断熱性の
高いものとして、低印加エネルギーで、単発駆動時の発
熱温度が高く出るようにしたサーマルヘッドを提供する
こと。【解決手段】本発明のサーマルヘッドの基板１１は、
熱処理により組成を相分離させたガラスからなると共
に、発熱素子１６ａを形成する位置に所定の高さで突出
する凸条部１１ａを形成し、この凸条部に、相分離させ
たガラスの一方の組成を選択溶出させた多孔質ガラス層
からなる第１保温層１３を部分形成し、この第１保温層
１３上に低熱伝導性のセラミックからなる第２保温層１
４を１０〜３０μｍの厚みに積層形成した。

Description

【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、特にバッテリー
駆動に適した、高熱効率で省電力が可能なサーマルヘッ
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小型化、低価格化、低電力化、
携帯化等のため、サーマルヘッドにも、小型で高熱効率
のものが望まれている。このような小型で高熱効率のサ
ーマルヘッドとするためには、ガラスからなるグレーズ
保温層材料の略１．１Ｗ／ｍ．ｋの熱伝導率を更に低減
することであるが、グレーズ材料の熱伝導率を低減する
ことは、技術的に難しいため、現状の厚みを、印字通電
制御ができる範囲内の上限まで厚く形成して、グレーズ
保温層の蓄熱を大きくする手段により、熱応答性を犠牲
にしながら、省電力のサーマルヘッドとすることが一般
的に行われている。

【０００３】このような従来のサーマルヘッドを図３に
基づいて説明すると、アルミナ等からなる放熱性基板１
の上面には、ガラスからなる熱伝導率が略１．１Ｗ／
ｍ．ｋのグレーズ保温層２が形成されている。このグレ
ーズ保温層２は、厚みが例えば２００μｍと厚く形成さ
れ、後述する発熱素子３ａが形成される部分が所定の高
さで突出する凸条部２ａが形成されている。

【０００４】また、グレーズ保温層２の上面には、Ｔａ
−ＳｉＯ２、ＴｉＯ２等からなる発熱抵抗体３が形成さ
れ、この発熱抵抗体３の上面には、共通給電体４および
個別給電体５が形成され、この共通給電体４と個別給電
体５とに挟まれた部分に発熱素子３ａ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６が被覆されて、発熱素子３ａあるいは共通給
電体４、個別給電体５等の酸化や摩耗を防止するように
なっている。このような構成の従来のサーマルヘッド
は、個別給電体５に印刷情報に基づいてパルス通電する
ことにより、発熱素子３ａが選択的に発熱可能になって
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述したよう
な、従来のサーマルヘッドは、放熱性基板１上に、厚さ
が例えば２００μｍと極端に厚くしたグレーズ保温層２
を形成しただけであったので、その熱伝導率は同じであ
る。そのために、グレーズ保温層２が冷めている時の、
単発のパルス通電による発熱温度は、グレーズ保温層２
の厚みに関係なく、低い発熱温度となる。そのために、
通電時に大きな印加エネルギーを必要とするから、印字
開始時の行頭では、全く省電力効果が得られず、バッテ
リーのピーク電流を小さくできないという問題があっ
た。

【０００６】また、連続のパルス通電を行うと、グレー
ズ保温層２の放熱性が悪いため、グレーズ保温層２は、
印字ディユーティが大きな発熱素子３ａを形成した部分
の蓄熱が著しく大きくなる。そのために、発熱素子３ａ
の発熱温度が必要以上に高くなり、通電熱制御の制御範
囲を超えて、記録用紙に印刷した画像に、にじみや尾引
き等による印字品質の低下が発生するおそれがあった。

【０００７】また、印字品質の低下を防ぐために、放熱
性基板１の温度をサーミスタ等により検出して放熱性基
板１が所定の温度になると、印字を停止させてヘッドの
冷却時間を設けていたが、このような冷却による印字の
停止で、実効印字速度であるスループットが小さくなる
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、保温層の熱物性を、より断熱性の高い
ものとして、低印加エネルギーで、単発駆動時の発熱温
度が高く出るようにした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】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、前記基板は、熱処理により
組成を相分離させたガラスからなると共に、前記発熱素
子を形成する位置に所定の高さで突出させて凸条部を形
成し、前記保温層は、前記凸条部に部分形成した前記相
分離させたガラスの一方の組成を選択溶出させた多孔質
ガラス層からなる第１保温層と、この第１保温層上に積
層形成した低熱伝導性のセラミックからなる第２保温層
との２層構造とした構成とした。

【０００９】また、前記課題を解決するための第２の解
決手段として、前記凸条部を含む前記基板の上面を覆う
マスク層を形成し、このマスク層は、前記凸条部の頂部
に前記第１保温層を部分形成するための開口部を形成
し、この開口部から前記凸部の前記頂部を露出させた構
成とした。

【００１０】また、前記課題を解決するための第３の解
決手段として、前記マスク層は、厚みが０．０１〜０．
１μｍの絶縁性のセラミックからなり、前記開口部から
前記第１保温層を部分形成し、前記第１保温層、および
前記マスク層の上面に前記第２保温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４の解
決手段として、前記第１保温層は、熱伝導率が０．３〜
０．５Ｗ／ｍ．ｋの高断熱性の多孔質シリコン層からな
る構成とした。

【００１２】また、前記課題を解決するための第５の解
決手段として、前記第２保温層は、Ｓｉと複数の遷移金
属と酸素の化合物からなる熱伝導率が、０．８〜１．０
Ｗ／ｍ．ｋの低熱伝導性セラミック層からなる構成とし
た。

【００１３】また、前記課題を解決するための第６の解
決手段として、前記第２保温層は、前記開口部の形状に
倣ってできる、前記マスク層の厚みに相当する段差をな
くして平坦化した構成とした。

【００１４】また、前記課題を解決するための第７の解
決手段として、前記第２保温層は、前記第１保温層の上
に、１０〜３０μｍの厚みに積層形成した構成とした。

【００１５】

【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
熱効率を比較したグラフである。

【００１６】まず、本発明のサーマルヘッドは、図１に
示すように、厚さが略１ｍｍのガラスからなる基板１１
が形成されている。この基板１１は、従来の技術で説明
したグレーズ保温層２と同等以上の熱拡散率を有し、熱
処理により相分離し易い組成のガラスからなっている。
そして、基板１１の表面に、フォトリソ技術等によるエ
ッチングで、断面が略台形状に突出する、高さが２〜５
０μｍの凸条部１１ａを形成している。前記凸条部１１
ａの形成後、基板１１を５００〜６００℃の温度で熱処
理し、組成を相分離させる。

【００１７】前記基板１１に、相分離熱処理を施した
後、基板１１の表面に、０．０１〜０．１μｍの厚みに
ＳｉＯ２等を積層して、フォトリソ技術により、凸条部
１１ａを含む基板１１の上面を覆うマスク層１２を形成
する。このマスク層１２は、凸条部１１ａの頂部１１ｂ
に、略５０μｍ幅のスリット状の開口部１２ａが形成さ
れている。この開口部１２ａからは、凸条部１１ａの頂
部１１ｂの一部が露出している。前記凸条部１１ａ、お
よびマスク層１２は、基板１１の相分離熱処理を施す前
に形成し、その後相分離熱処理を施しても良い。

【００１８】前記マスク層１２を形成した基板１１を塩
酸、あるいは硝酸等の加熱した酸液、または熱水に浸漬
することにより、開口部１２ａから露出する凸条部１１
ａの頂部１１ｂに、Ｎａ２Ｏ−Ｂ２Ｏ３等のガラス相を
選択溶出させた多孔質ガラス層からなる第１保温層１３
を形成することができる。前記第１保温層１３は、従来
の技術で説明したグレーズ保温層２よりも著く低熱伝導
性であり、その熱伝導率が０．３〜０．５Ｗ／ｍ．ｋに
形成されている。前記第１保温層１３は、深さが略５０
μｍで、後述する発熱素子１６ａの直下に形成される。

【００１９】また、開口部から露出する第１保温層１
３、およびマスク層１２の上面には低熱伝導性セラミッ
クからなり、機械的強度および断熱性に優れた第２保温
層１４が形成されている。この第２保温層１４は、スパ
ッタ蒸着により、厚さが１０〜３０μｍに積層形成され
ている。そして、多孔質で機械的強度に劣る第１保温層
１３を補強するようにもなっている。前記第２保温層１
４は、Ｓｉと複数の遷移金属と酸素からなり、熱伝導率
が０．８〜１．０Ｗ／ｍ．ｋとなっている。

【００２０】また、第２保温層１４の表面には、マスク
層１２の開口部１２ａに倣ってできる、マスク層１２の
厚さに相当する段差（図示せず）をなくするために、第
２保温層１４上をポリシング研磨して平坦化させてい
る。また、ポリシング研磨で平坦化させた第２保温層１
４の上面に、耐エッチング性を有するＳｉＯ２等の絶縁
性セラミックからなるアンダーコート層１５を、略０．
３μｍの厚みに積層形成している。このアンダーコート
層１５の上に、Ｔａ−ＳｉＯ２からなる発熱抵抗体１６
が、スパッタ蒸着により略０．１μｍの厚みに積層さ
れ、フォトリソ技術により発熱抵抗体のパターンが形成
されている。

【００２１】また、発熱抵抗体１６の上には、Ａｌ、Ｃ
ｕ等からなる給電体材料が、スパッタ蒸着により１〜３
μｍの厚みに積層され、フォトリソ技術により共通給電
体１７、および個別給電体１８が形成され、共通給電体
１７と個別給電体１８とに挟まれた部分に発熱素子１６
ａが形成されている。この発熱素子１６ａは、発熱素子
１６ａの直下に、第１保温層１３がくるような位置に形
成されている。そして、少なくとも発熱抵抗体１６や共
通給電体１７、および個別給電体１８の酸化や摩耗を防
ぐために、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１９が、略５μｍの厚みにスパッタ蒸着に
より積層被覆されている。

【００２２】前述のような、本発明のサーマルヘッド
は、熱伝導率が０．３〜０．５Ｗ／ｍ．ｋの高断熱性の
多孔質ＳｉＯ２層からなる第１保温層１３と、この第１
保温層１３の上に、従来の技術で説明したグレーズ保温
層２の略１．１Ｗ／ｍ．ｋの熱伝導率に対して、０．８
〜１．０Ｗ／ｍ．ｋの低熱伝導性の第２保温層１４を積
層形成したので、従来のグレーズ保温層２に対し、著し
く断熱性の大きなものとなっている。

【００２３】そして、本発明のサーマルヘッドは、第
１、第２保温層１３、１４により、高断熱性の保温層を
２層構造に形成しているので、発熱素子１６ａで発生し
た熱の流れは、第１、第２保温層１３、１４の大きな熱
抵抗によって、基板１１に流れ込む熱量が減少する。そ
の反作用によって、発熱素子１６ａが圧接する印字媒体
（図示せず）側に対する熱量が増大する。このことによ
り、特にバッテリー駆動とする携帯用プリンタ等に用い
て最適な、高熱効率の省電力サーマルヘッドとすること
ができる。

【００２４】このような本発明のサーマルヘッドは、基
板１１が熱拡散率の小さなガラス基板であるが、２層に
形成した高断熱性の第１、第２保温層１３、１４によ
り、連続印刷したとしても、図２に示すように、破線で
示す従来のサーマルヘッドと比較して、実線で示す本発
明のサーマルヘッドの温度上昇が緩やかとなり、印字濃
度過剰による、にじみや尾引き不良が発生するまでの時
間を長くすることができる。そのために、印字中の冷却
停止回数も少なくなり、実効印字速度であるスループッ
トの低下を少なくすることができる。

【００２５】

【発明の効果】本発明のサーマルヘッドは、凸条部に部
分形成した、相分離させたガラスの一方の組成を選択溶
出させた多孔質ガラス層からなる第１保温層と、この第
１保温層上に積層形成した低熱伝導性のセラミックから
なる第２保温層との２層構造としたので、高熱効率で機
械的強度に優れた、携帯用プリンタ等に用いて最適な省
電力サーマルヘッドを提供できる。

【００２６】また、凸条部を含む前記基板の上面を覆う
マスク層を形成し、このマスク層は、凸条部の頂部に第
１保温層を部分形成するための開口部を形成し、この開
口部から凸部の頂部を露出させたので、マスク層を形成
した基板を酸液または熱水に浸漬することにより、開口
部から露出する凸条部の頂部に、多孔質ガラス層からな
る第１保温層を容易に形成することができ、製造が容易
な省電力サーマルヘッドを提供できる。

【００２７】また、第１保温層は、熱伝導率が０．３〜
０．５Ｗ／ｍ．ｋの高断熱性の多孔質シリコン層からな
るので、高熱効率のサーマルヘッドを提供できる。

【００２８】また、マスク層は、厚みが０．０１〜０．
１μｍの絶縁性のセラミックからなり、開口部から前記
第１保温層を部分形成し、この第１保温層、およびマス
ク層の上面に第２保温層を形成したので、第１保温層の
補強層を兼ねる第２保温層の製造が容易である。

【００２９】また、第２保温層は、Ｓｉと複数の遷移金
属と酸素の化合物からなる熱伝導率が、０．８〜１．０
Ｗ／ｍ．ｋの低熱伝導性セラミック層からなるので、こ
の第２保温層と第１保温層との２層構造とすることによ
り、高熱効率で機械的強度に優れたサーマルヘッドを提
供できる。

【００３０】また、第２保温層は、開口部の形状に倣っ
てできる、マスク層の厚みに相当する段差をなくして平
坦化したので、開口部上の発熱素子部分を記録媒体等に
確実に密着させることができ、高品質な印字が可能なサ
ーマルヘッドを提供できる。

【００３１】また、第２保温層は、第１保温層の上に、
１０〜３０μｍの厚みに積層形成したので、第２保温層
の機械的強度をアップさせることができ、機械的強度に
劣る第１保温層を確実に補強することができ、耐寿命特
性等を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関するサーマルヘッドの要部断面図で
ある。

【図２】本発明に関するサーマルヘッドの断熱特性を説
明するグラフである。

【図３】従来のサーマルヘッドの要部断面図である。

【符号の説明】

１１基板１２マスク層１３第１保温層１４第２保温層１５アンダーコート層１６発熱抵抗体１６ａ発熱素子１７共通給電体１８個別給電体１９保護層

Claims

【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、前記基板
は、熱処理により組成を相分離させたガラスからなると
共に、前記発熱素子を形成する位置に所定の高さで突出
させて凸条部を形成し、前記保温層は、前記凸条部に部
分形成した前記相分離させたガラスの一方の組成を選択
溶出させた多孔質ガラス層からなる第１保温層と、この
第１保温層上に積層形成した低熱伝導性のセラミックか
らなる第２保温層との２層構造としたことを特徴とする
サーマルヘッド。
【請求項２】前記凸条部を含む前記基板の上面を覆う
マスク層を形成し、このマスク層は、前記凸条部の頂部
に前記第１保温層を部分形成するための開口部を形成
し、この開口部から前記凸部の前記頂部を露出させたこ
とを特徴とする請求項１記載のサーマルヘッド。
【請求項３】前記マスク層は、厚みが０．０１〜０．
１μｍの絶縁性のセラミックからなり、前記開口部から
前記第１保温層を部分形成し、前記第１保温層、および
前記マスク層の上面に前記第２保温層を形成したことを
特徴とする請求項２記載のサーマルヘッド。
【請求項４】前記第１保温層は、熱伝導率が０．３〜
０．５Ｗ／ｍ．ｋの高断熱性の多孔質シリコン層からな
ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載
のサーマルヘッド。
【請求項５】前記第２保温層は、Ｓｉと複数の遷移金
属と酸素の化合物からなる熱伝導率が、０．８〜１．０
Ｗ／ｍ．ｋの低熱伝導性セラミック層からなることを特
徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のサーマル
ヘッド。
【請求項６】前記第２保温層は、前記開口部の形状に
倣ってできる、前記マスク層の厚みに相当する段差をな
くして平坦化したことを特徴とする請求項４、又は５記
載のサーマルヘッド。
【請求項７】前記第２保温層は、前記第１保温層の上
に、１０〜３０μｍの厚みに積層形成したことを特徴と
する請求項１乃至６のいずれか１項記載のサーマルヘッ
ド。