JP2012066400A - サーマルプリントヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】サーマルプリントヘッドの発熱体板から放熱板への放熱の均一性を高める。
【解決手段】サーマルプリントヘッド１０は、放熱基板２０と熱伝導性シリコーン接着材２２と発熱体板３０とを備える。放熱基板２０には、直線状に延びる接着材埋め込み溝２１が形成されている。熱伝導性シリコーン接着材２２は、熱硬化性のシリコーン樹脂に、シリコーン樹脂よりも熱伝導率が高い窒化アルミニウムなどの粉末を混合したものであり、接着材埋め込み溝２１に充填されている。発熱体板３０は、セラミック板３８の表面に硝子の保温層３９を形成した絶縁基板と、この絶縁基板の表面に間隔をおいて配列された複数の発熱抵抗体３２とを備える。発熱体板３０は、発熱抵抗体３２が配列された領域の裏面が熱伝導性シリコーン接着材２２と接するように放熱基板２０に載置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーマルプリントヘッドに関する。

サーマルプリントヘッドは、発熱部に配列された複数の発熱体を発熱させ、その熱により感熱記録紙などの媒体に文字や図形などの画像を形成する出力用デバイスである。このサーマルプリントヘッドは、バーコードプリンタ、デジタル製版機、ビデオプリンター、イメージャー、シールプリンターなどの記録機器に広く利用されている。

一般的なサーマルプリントヘッドは、放熱板と、放熱板に取り付けられた発熱体板と、発熱体板と同じ側で放熱板に取り付けられた回路基板とを備えている。この発熱体板の放熱板と相対する表面の反対側の表面の帯状に延びる発熱領域には、複数の発熱抵抗体が所定の間隔で直線状に配列されている。また、回路基板には、発熱抵抗体を駆動する駆動回路の一部となる駆動ＩＣなどの電気部品が搭載されている。発熱抵抗体に接続された電極と駆動ＩＣとの間は、ワイヤーボンディングで結線されている。結線に持ちいれられたボンディングワイヤーは、樹脂で封止される。

このようなサーマルプリントヘッドを用いたプリンタは、一般的に、所定の弾性を持つ材料で円筒状に形成されたプラテンローラを備えている。このプラテンローラは、発熱抵抗体が配列された主走査方向を軸として、その側面が支持基板上の発熱領域に接するように配置され、その軸を中心に回転可能に設けられる。プラテンローラの回転によって、プラテンローラと発熱領域の間に挿入された媒体は、主走査方向に垂直な副走査方向に移動する。プラテンローラによって媒体を発熱領域に押し付けつつ、その媒体を副走査方向に移動させ、発熱抵抗の発熱パターンを媒体の移動とともに変化させることにより、所望の画像を媒体上に形成する。

サーマルプリントヘッドでは、発熱体板と回路基板とが放熱板上で合体される。ここで、発熱体板からの放熱性を向上させるため、熱伝導性シリコーン接着材を発熱体板と放熱板との間の中間層に用いることがある。このとき、熱伝導性シリコーン接着材は、放熱板の平面部にディスペンサーなどを用いて塗布することがある。近年、サーマルプリントヘッドに対する高速印字および小型化の要求に伴い、発熱体板から効率よく放熱するとともに、発熱体板の位置によらない均一な蓄熱量を確保することが要求されている。

特開２００１−９６７８０号公報 特開２００４−２６８２５６号公報 特開２００４−３５１８００号公報

サーマルプリントヘッドの発熱体板を放熱板に接着する際、ディスペンサーなどを用いて接着剤を塗布すると、塗布量が場所によって変化する可能性がある。また、発熱体板と放熱板とに挟まれた接着材の形状が場所によって異なってしまう可能性がある。これらの結果、発熱体板から放熱板への放熱性が場所によって異なってしまう可能性がある。

そこで、本発明は、サーマルプリントヘッドの発熱体板から放熱板への放熱の均一性を高めることを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、サーマルプリントヘッドにおいて、直線状に延びる接着材埋め込み溝が形成された放熱基板と、シリコーン樹脂に窒化アルミニウム粉末を混合して前記接着材埋め込み溝に充填された熱伝導性シリコーン接着材と、絶縁基板とこの絶縁基板の表面に間隔をおいて配列された複数の発熱抵抗体とを備えて前記発熱抵抗体が配列された領域の裏面が前記接着材と接するように前記放熱基板に載置された発熱体板と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、熱導電性シリコーン接着材を用いることにより、さらに好ましくは放熱板に所定の形状の溝を形成することにより、サーマルプリントヘッドの発熱体板から放熱板への放熱の均一性を高めることができる。

本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態の断面図である。 本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態の一部切り欠き上面図である。 本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態を用いたサーマルプリンタの断面図である。 本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態において、窒化アルミニウム混合比率に対するサーマルプリントヘッドの各部の温度の変化を示すグラフである。

本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。

図１は、本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態の断面図である。図２は、本実施の形態のサーマルプリントヘッドの一部切り欠き上面図である。

本実施の形態のサーマルプリントヘッド１０は放熱基板２０と発熱体板３０と回路基板４１とを有している。発熱体板３０は、絶縁基板３１と、その絶縁基板の表面に形成された発熱抵抗体３２とを有している。絶縁基板３１は、セラミック板３８などの表面に硝子で保温層３９が形成されたものである。保温層３９には、突条を設けてもよい。

発熱抵抗体３２は、絶縁基板３１の表面に間隔をおいて、絶縁基板３１の長手方向（主走査方向）に配列され、ほぼ直線状に延びる帯状の発熱領域を形成している。それぞれの発熱抵抗体３２は、主走査方向に垂直な副走査方向に延びている。

それぞれの発熱抵抗体３２には、ボンディングパッド３３まで延びる電極３４が接続されている。発熱抵抗体３２のボンディングパッド３３と接続されている側と反対側の端部は、折り返し電極３５に接続されている。発熱抵抗体３２および電極３４，３５は、絶縁基板３１の表面に積層して設けられる。電極３４，３５は、たとえばアルミニウムで形成される。電極３４，３５で覆われない発熱抵抗体３２の長さは、たとえば１００μｍである。

発熱体板３０の表面の一部は、保護層３６で覆われている。発熱体板３０のボンディングパッド３３が形成されている領域は、保護層３６で覆われず、露出している。

回路基板４１は、たとえばガラスエポキシ樹脂などを絶縁体基材として用いた柔軟性のない（リジッドな）プリント基板である。回路基板４１の表面には配線パターンが形成され、その配線パターンは外部との接続部分を除き絶縁被膜で覆われている。回路基板４１上には、駆動素子４２が搭載されている。駆動素子４２とは、半導体集積回路（ＩＣ）であって、所定のタイミングで所定の電流を流してそれぞれの発熱抵抗体３２に発熱させる。

放熱基板２０は、たとえばアルミニウムなどの熱伝導率の高い材料で形成された板である。発熱体板３０および回路基板４１は、放熱基板２０の表面に載置されている。発熱体板３０と回路基板４１とは、発熱体板３０のボンディングパッド３３近傍の長辺と回路基板４１の駆動素子４２が配置されている側の長辺とが近接して対向するように配置されている。

回路基板４１に搭載された駆動素子４２と発熱体板３０のボンディングパッド３３との間には、たとえば金などの金属で形成されたボンディングワイヤー５１が架け渡され、電気的に接続されている。

ボンディングワイヤー５１は、封止樹脂５２で封止されている。封止樹脂５２は、発熱体板３０の保護層３６で覆われずに露出した領域、ボンディングワイヤー５１および駆動素子４２を覆っている。封止樹脂５２は、熱硬化性のエポキシ系樹脂である。この封止は、エポキシ系樹脂を塗布し、１００℃程度で数時間加熱して硬化させることにより行う。

発熱体板３０および回路基板４１は、放熱基板２０の表面と両面テープ２３で接着されている。この両面テープ２３は、発熱体板３０の発熱抵抗体３２の裏側の部分には存在していない。両面テープ２３の厚さ、すなわち、発熱体板３０および回路基板４１と放熱基板の表面との距離は、たとえば１５０μｍである。

放熱基板２０の表面には、発熱抵抗体３２の配列方向すなわち主走査方向に直線状に延びる接着材埋め込み溝２１が形成されている。この接着材埋め込み溝２１には、熱伝導性シリコーン接着材２２が充填されている。接着材埋め込み溝２１に埋め込まれた熱伝導性シリコーン接着材２２は、発熱体板３０の発熱抵抗体３２の裏側近傍と接着している。熱伝導性シリコーン接着材２２とは、熱硬化性のシリコーン樹脂に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末を混合したものである。シリコーン樹脂の熱伝導率は、０．８〜１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。窒化アルミニウムの熱伝導率は、１７０〜１８０Ｗ／（ｍ・ｋ）である。

この接着材埋め込み溝２１は、発熱体板３０からの熱が熱伝導性シリコーン接着材２２に効率的に伝達されるように、発熱抵抗体３２の下方に、発熱抵抗体３２の副走査方向の長さよりも広い幅で形成されている。本実施の形態では、発熱抵抗体３２の副走査方向の長さの１５０μｍに対して、接着材埋め込み溝２１の幅はたとえば２ｍｍとする。

隙間なく熱伝導性シリコーン接着材２２が充填されるように、接着材埋め込み溝２１の断面形状は、角部がないなめらかな形状であることが好ましい。たとえば接着材埋め込み溝２１の底は、断面が円弧を描くように形成する。

接着材埋め込み溝２１と両面テープ２３の発熱体板３０側の長辺との間に溝２４を形成してもよい。この溝２４を形成しておくことにより、両面テープ２３が配置される領域まで熱伝導性シリコーン接着材２２が流れ出す可能性を小さくすることができる。

このサーマルプリントヘッド１０を製造する場合には、まず、放熱基板２０、発熱体板３０および回路基板４１を製造する。その後、放熱基板２０の接着材埋め込み溝２１に熱伝導性シリコーン接着材２２を充填する。また、両面テープ２３を放熱板２０に貼り付ける。その後、発熱体板３０および回路基板４１を放熱基板２０上に載置する。

このようにして、発熱体板３０が放熱基板２０上に載置された後、たとえば１２０℃で３時間の熱処理を施して、熱伝導性シリコーン接着材２２を硬化させる。その後、駆動素子４２を回路基板４１に搭載し、ワイヤーボンディングで結線し、ボンディングワイヤー５１などを封止樹脂５２で封止する。

図３は、本実施の形態のサーマルプリントヘッドを用いたサーマルプリンタの断面図である。

このサーマルプリンタは、サーマルプリントヘッド１０と、プラテンローラ６０を有している。プラテンローラ６０は、発熱抵抗体３２が並んだ線に平行な軸６１を持つ所定の弾性を持つ材料で形成された円柱である。プラテンローラ６０の側面は、発熱体板３０の発熱抵抗体３２が並んだ部分に押しつけられている。プラテンローラ６０と発熱体板３０との間には、感熱記録媒体６２が挟まれる。

駆動素子４２によって発熱抵抗体３２が所定のパターンで発熱されることによって、その所定のパターンに応じて感熱記録媒体６２が発色する。また、感熱記録媒体６２が所定のパターンに対応して発色した後、プラテンローラ６０によって、副走査方向に送りだされる。この操作を順次行うことにより、感熱記録媒体上に所定の画像が形成される。

本実施の形態のサーマルプリントヘッド１０において、発熱体板３０は接着材埋め込み溝２１に充填された熱伝導性シリコーン接着材２２などで放熱基板２０と接着されている。このような接着材埋め込み溝２１がない場合には、放熱基板２０と発熱体板３０との間の接着材の厚さや幅などの断面形状が、塗布量の変動などによって大きく変化する可能性がある。

しかし、本実施の形態において、熱伝導性シリコーン接着材２２の量は、接着材埋め込み溝２１がない場合に比べて非常に大きくなる。このため、熱伝導性シリコーン接着材２２の塗布量が変動したとしても、その変動の熱伝導性シリコーン接着材２２の全体に対する割合は、接着材埋め込み溝２１がない場合に比べて非常に小さくなる。

つまり、接着材埋め込み溝２１に熱伝導性シリコーン接着材２２を充填することによって、放熱基板２０と発熱体板３０とを接着する接着材の容量および断面形状を一定に保つことが容易になる。その結果、製品ごとあるいは製品中の場所ごとの発熱体板３０から放熱基板２０への放熱性を均一にそろえることが容易になる。

このように熱伝導性シリコーン接着材２２の充填量は、接着材埋め込み溝２１がない場合に比べて十分大きい必要がある。そこで、接着材埋め込み溝２１の深さは、発熱体板３０の裏面と放熱基板の上面との距離以上であることが好ましい。

一方、シリコーン樹脂などの接着材は、アルミニウムなどで形成される放熱基板２０に比べて熱伝導率が低い。このため、接着材埋め込み溝２１に単なるシリコーン樹脂を充填すると、発熱体板３０から十分に放熱することができない可能性がある。

しかし、本実施の形態のサーマルプリントヘッド１０では、接着材として熱伝導性シリコーン接着材２２を用いている。熱伝導性シリコーン接着材２２は、シリコーン樹脂に、シリコーン樹脂よりも熱伝導が高い窒化アルミニウムの粉末を混合しているため、熱伝導率がシリコーン樹脂に比べて高い。このため、混合する粉末の割合を適切に設定することにより、放熱性を高めることができる。

図４は、本実施の形態において、窒化アルミニウム混合比率に対するサーマルプリントヘッドの各部の温度の変化を示すグラフである。このグラフは、発熱体板３０の保護層３６側の表面の温度を２５０℃、発熱体板３０の板厚方向中央部の温度を２００℃とした場合の、発熱体板３０の底面（熱伝導性シリコーン接着材２２との接触部）の温度、熱伝導性シリコーン接着材２２の中心部の温度、放熱基板２０の底面（発熱体板３０の載置面に対して反対側の表面）の温度を示したものである。

図４から、窒化アルミニウムの混合比率を高めることによって、発熱体板３０から放熱基板２０への放熱性が向上することがわかる。さらに、窒化アルミニウムの混合比が重量比で約２％以上となると、放熱基板２０底面の温度の上昇が飽和する、すなわち、放熱性の向上が飽和していくことがわかる。このため、窒化アルミニウムの混合比を重量割合で２％以上とすることが好ましい。

このように、本実施の形態によれば、熱導電性シリコーン接着材を用いることにより、さらに好ましくは放熱板に所定の形状の溝を形成することにより、サーマルプリントヘッドの発熱体板から放熱板への放熱の均一性を高めることができる。この際、発熱体板と放熱基板２０との間に位置する接着材に窒化アルミニウムなどの熱伝導率が高い粉末を混合することによって、十分な放熱性を確保することができる。

１０…サーマルプリントヘッド、２０…放熱基板、２１…接着材埋め込み溝、２２…熱伝導性シリコーン接着材、２３…両面テープ、２４…溝、３０…発熱体板、３１…絶縁基板、３２…発熱抵抗体、３３…ボンディングパッド、３４…電極、３５…折り返し電極、３６…保護層、３７…発熱領域、３８…セラミック板、３９…保温層、４１…回路基板、４２…駆動素子、５１…ボンディングワイヤー、５２…封止樹脂、６０…プラテンローラ、６２…感熱記録媒体

Claims (3)

1. 直線状に延びる接着材埋め込み溝が形成された放熱基板と、
   シリコーン樹脂に窒化アルミニウム粉末を混合して前記接着材埋め込み溝に充填された熱伝導性シリコーン接着材と、
   絶縁基板とこの絶縁基板の表面に間隔をおいて配列された複数の発熱抵抗体とを備えて前記発熱抵抗体が配列された領域の裏面が前記接着材と接するように前記放熱基板に載置された発熱体板と、
   を具備することを特徴とするサーマルプリントヘッド。
2. 前記熱伝導性シリコーン中の前記窒化アルミニウム粉末の混合比は重量割合で２％以上であることを特徴とする請求項１に記載のサーマルプリントヘッド。
3. 前記接着材埋め込み溝の底部は断面形状が弧を描いていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のサーマルプリントヘッド。

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