JP2012096459A - サーマルヘッド及びこれを用いたサーマルプリンタ - Google Patents

Abstract

【課題】ベースプレート上に複数のヘッドチップが搭載されてなるサーマルヘッドにおいて、温度変化によるヘッドチップの破損を防止する。
【解決手段】ベースプレート１と、ベースプレート１上に主走査方向に並べて固定され、それぞれ基板３ａ及び基板３ａの表面に設けられた複数の発熱体３ｂを有する複数のヘッドチップと、複数のヘッドチップ３の間に設けられた緩衝材４とを備える。隣接するヘッドチップ３の間に緩衝材４が設けられていることから、温度変化によってこれらヘッドチップ間の間隔が狭くなる場合であっても、両者が直接接触することがない。これにより、ヘッドチップ３の破損を防止することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明はサーマルヘッド及びこれを用いたサーマルプリンタに関し、特に、ベースプレート上に複数のヘッドチップが搭載されてなるサーマルヘッド及びこれを用いたサーマルプリンタに関する。

サーマルプリンタに用いられるサーマルヘッドは、通常、ベースプレート上にヘッド部が固定された構造を有している。ヘッド部とは、放熱板及びこれに固定されたヘッドチップからなる部品である。ヘッドチップは、アルミナなどからなる絶縁基板上に複数の発熱体が形成された構成を有しており、各発熱体に電流を流すことによって、対応するドットを被印画物等に印字することができる。ヘッドチップによる発熱は、放熱板を介してベースプレートに放熱される。このため、放熱板やベースプレートの材料としては、熱伝導性の高い金属材料、例えばアルミニウムなどが選択される。

通常、１つのヘッドチップの主走査方向におけるサイズは２５０ｍｍ程度までである。このため、より広い印画幅が必要な場合には複数のヘッドチップを主走査方向に繋げ、これによって長尺化を図る必要がある。このようなサーマルヘッドは、例えば特許文献１に記載されている。

特許第２８０１７５２号公報

しかしながら、ヘッドチップを構成するアルミナと、ベースプレートを構成するアルミニウムとは熱膨張係数が大きく異なるため、温度変化によってヘッドチップ間の間隔が変化する。具体的には、アルミナの熱膨張係数よりもアルミニウムの熱膨張係数の方が数倍大きいため、実使用時においてヘッドチップ及びベースプレートの温度が上昇すると、隣接するヘッドチップ間の間隔が広くなる。このため印字されない領域が広がってしまい、印刷品質が低下するという問題があった。

このような問題を解決するためには、隣接するヘッドチップ間の間隔をあらかじめ狭く設定しておく必要がある。しかしながら、この場合には、使用開始直後において隣接するヘッドチップ間の間隔が不使用時よりも逆に狭くなり、場合によっては両者が接触することによってヘッドチップが破損するおそれが生じる。この現象につき、図９及び図１０を用いて説明する。

図９に示すような、ベースプレート１００上に複数の放熱板２００が隣接して固定され、それぞれの放熱板２００の表面に基板３００ａ及び複数の発熱体３００ｂからなるヘッドチップ３００が隣接するヘッドチップ３００と間隔Ｐを空けて設けられたサーマルヘッドに対し電流を流した場合、通電時間と間隔Ｐの変化（初期値を０としている）との関係は、図１０に示すようになる。なお、基板３００ａはアルミナからなり、ベースプレート１００及び放熱板２００はアルミニウムからなる。

すなわち、発熱体３００ｂへの通電を開始すると、発熱体３００ｂから発生した熱はまず基板３００ａに伝わっていく。これにより、基板３００ａが膨張するため、間隔Ｐは狭くなっていく。その後、基板３００ａの熱が放熱板２００を介してベースプレート１００へ伝わっていくことから、通電時間が１００秒を超えた辺りから、今度はベースプレート１００が膨張していくこととなる。放熱板２００及びヘッドチップ３００はベースプレート１００に固定されており、また、上述のとおりアルミニウムの熱膨張係数はアルミナの熱膨張係数よりも大幅に大きいことから、ベースプレート１００が膨張するのにしたがい、間隔Ｐは広がっていくこととなる。

このように、サーマルヘッドの使用開始直後は、隣接するヘッドチップ３００の間隔が不使用時の状態よりも狭くなる現象が生じるため、隣接するヘッドチップ同士が接触して破損してしまう場合がある。

したがって、本発明は、ベースプレート上に複数のヘッドチップが搭載されてなるサーマルヘッドにおいて、温度変化によるヘッドチップの破損を防止することを目的とする。

また、本発明はこのようなサーマルヘッドを用いたサーマルプリンタを提供することを目的とする。

本発明によるサーマルヘッドは、ベースプレートと、前記ベースプレート上に主走査方向に並べて固定され、それぞれ基板及び前記基板の表面に設けられた複数の発熱体を有する複数のヘッドチップと、前記複数のヘッドチップ間に設けられた緩衝材と、を備えることを特徴とする。また、本発明によるサーマルプリンタは、上記のサーマルヘッドを備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数のヘッドチップ間に緩衝材が設けられていることから、温度変化によってこれらヘッドチップ間の間隔が狭くなる場合であっても、両者が直接接触することがない。これにより、ヘッドチップの破損を防止することが可能となる。

本発明においては、前記複数のヘッドチップの前記主走査方向におけるそれぞれの長さをＬとし、前記ベースプレートの熱膨張係数をα１とし、前記ヘッドチップの前記基板の熱膨張係数をα２とした場合、前記複数のヘッドチップ間の前記主走査方向における間隔及び前記緩衝材の前記主走査方向における厚さがいずれもＬ×６０（α１−α２）以下であることが好ましい。これによれば、サーマルヘッドの使用環境温度が６０℃程度の範囲で変化した場合であっても、ヘッドチップの破損を防止することが可能となる。

本発明においては、前記緩衝材のビッカース硬さが４００ｋｇｆ／ｍｍ^２以下であることが好ましい。これによれば、ヘッドチップの破損を効果的に防止することが可能となる。

本発明においては、前記複数のヘッドチップは、基板と、前記基板と前記複数の発熱体との間に設けられた蓄熱層とをそれぞれ備えており、前記複数のヘッドチップのうち互いに隣接する一対のヘッドチップに設けられた前記蓄熱層は、互いに前記主走査方向に対向する側面をそれぞれ有しており、前記側面の少なくとも一方は、該ヘッドチップの前記発熱体側に近づくほど他方のヘッドチップから遠ざかる傾斜面を有していることが好ましい。これによれば、特に破損しやすい蓄熱層の破損を効果的に防止することが可能となる。

このように、本発明によれば、温度変化によるヘッドチップの破損が防止されたサーマルヘッド及びこれを用いたサーマルプリンタを提供することが可能となる。

本発明の好ましい第１の実施形態によるサーマルヘッド１０の構造を説明するための略断面図である。 本発明の好ましい第２の実施形態によるサーマルヘッド２０の構造を説明するための略断面図である。 本発明の好ましい実施形態によるサーマルプリンタ４００の構造を説明するための略断面図である。 実施例１の結果を示すグラフである。 実施例２の結果を示す表である。 比較例１の結果を示す表である。 実施例３の結果を示す表である。 比較例２の結果を示す表である。 複数のヘッドチップを主走査方向に繋げて構成されたサーマルヘッドの構造を説明するための略断面図である。 図９に示すサーマルヘッドに対し加熱を行った場合の加熱時間と間隔Ｐの変化との関係は示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の好ましい第１の実施形態によるサーマルヘッド１０の構成を説明するための略断面図である。

図１に示すように、本発明の好ましい第１の実施形態によるサーマルヘッド１０は、ベースプレート（支持板）１と、ベースプレート１上にＸ方向（主走査方向）に固定された複数（本実施形態においては２つ）の放熱板２と、放熱板２上に固定されたヘッドチップ３とを備えて構成され、ヘッドチップ３は、基板３ａとその表面に形成された複数の発熱体３ｂを有している。ここで、ベースプレート１及び放熱板２はアルミニウムからなり、ヘッドチップ３の基板３ａはアルミナからなる。そして、隣接するヘッドチップ３の間に緩衝材４が設けられている。緩衝材４は、少なくとも隣接するヘッドチップ３の一方に接着固定されている。

緩衝材４の厚さは、サーマルヘッド１０を寒冷な環境において使用する場合でも温暖な環境において使用する場合でも隣接するヘッドチップ３同士の接触による破損を防止できる厚さに設定される。すなわち、複数のヘッドチップ３の主走査方向におけるそれぞれの長さをＬとし、ベースプレート１の熱膨張係数をα１とし、ヘッドチップ３の基板３ａの熱膨張係数をα２とした場合、隣接するヘッドチップ３間の主走査方向における間隔及び緩衝材４の主走査方向における厚さＡがＬ×６０（α１−α２）以下であることが好ましい。これによれば、サーマルヘッド１０の使用環境が６０℃程度の範囲（例えば−４０℃から２０℃）で変化した場合であっても、ヘッドチップ３の破損を防止することが可能となる。

緩衝材４の材料としては、例えば、ポリイミドが好適である。しかしながら、緩衝材は樹脂に限らず、金属やあるいはフィラー入りの樹脂等の複合材を用いることも可能である。緩衝材４の硬さは、ビッカース硬さ（Ｈｖ）で４００ｋｇｆ／ｍｍ^２以下であることが好ましい。これは、緩衝材４のビッカース硬さが４００ｋｇｆ／ｍｍ^２を超えると、ヘッドチップ３に破損が生じる可能性が高くなるからである。

また、緩衝材４の硬さは、ロックウェル硬さ（Ｒスケール）で２０以上であることが好ましい。これは、ロックウェル硬さ（Ｒスケール）が２０未満である材料（例えばシリコーン樹脂）を緩衝材４として用いると、隣接するヘッドチップ３の間の間隔が縮小したときに、シリコーン樹脂がヘッドチップ間の隙間の上にはみ出してしまうという問題が生じるためである。ロックウェル硬さ（Ｒスケール）が２０以上の材料としては、上記のポリイミドの他に、例えばポリエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、フッ素樹脂などが挙げられる。

このように、本実施形態によれば、複数のヘッドチップ３の間に緩衝材４が設けられていることから、温度変化によってこれらヘッドチップ３の間の間隔が狭くなっても、ヘッドチップ３同士が直接接触することがない。これにより、ヘッドチップ３の破損を防止することが可能となる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態では、ヘッドチップに蓄熱層を備えたサーマルヘッドにおいて好適な構成につき説明する。

図２は、本発明の好ましい第２の実施形態によるサーマルヘッド２０の構成を説明するための略断面図である。図２において、図１に示すサーマルヘッド１０と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図２に示すように、本発明の好ましい第２の実施形態によるサーマルヘッド２０は、ベースプレート１上にＸ方向（主走査方向）に固定された複数（本実施形態においては３つ）の放熱板２と、複数の放熱板２上にそれぞれ固定された複数のヘッドチップ３とを備えて構成されている。

ヘッドチップ３は、基板３ａと複数の発熱体３ｂと、基板３ａと発熱体３ｂとの間に設けられた蓄熱層３ｃとをそれぞれ備えている。隣接するヘッドチップ３の間には第１の実施形態と同様、緩衝材４が設けられている。さらに、本実施形態では、複数のヘッドチップ３のうち互いに隣接する一対のヘッドチップ３に設けられた蓄熱層３ｃが互いにＸ方向（主走査方向）に対向する側面３ｃｓをそれぞれ有しており、側面３ｃｓの少なくとも一方がヘッドチップ３の発熱体３ｂ側に近づくほど他方のヘッドチップ３から遠ざかる傾斜面を有している。

蓄熱層３ｃは、塗りガラスや真空装置内で形成されるＳｉＯ_２層で形成されており、アルミナで形成されている基板３ａと比べ非常に破損しやすい。しかしながら、上記構成によれば、隣接するヘッドチップ３の間に緩衝材４が設けられていることに加え、隣接する蓄熱層３ｃの側面３ｃｓの少なくとも一方がヘッドチップ３の発熱体３ｂ側に近づくほど（Ｙ方向へ向かって）他方のヘッドチップ３から遠ざかる傾斜面を有していることから、隣接する蓄熱層３ｃ同士が接触し押しつけ合うことが抑制され、蓄熱層３ｃの破損を効果的に防止することが可能となる。なお、本実施形態では、発熱体３ｂにおいても隣接する側面の一方がＹ方向に向かって他方のヘッドチップ３から遠ざかる傾斜面を有している構成となっており、これにより、発熱体３ａの破損もより効果的に防止することが可能となる。しかしながら、本発明においてこれは必須の構成ではなく、少なくとも特に割れやすい材質である蓄熱層３ｃにおいて、上記の構成となっていればよい。

次に、本発明の好ましい実施形態によるサーマルプリンタについて説明する。

図３は本発明の好ましい実施形態によるサーマルプリンタ４００の構造を説明するための略断面図である。

図３に示すように、サーマルプリンタ４００は、被印画物４０１と、搬送ローラ４０２ａ及び４０２ｂと、プラテンローラ４０３と、インクリボン４０４と、サーマルヘッド１０（または２０）とを備えて構成されている。

サーマルプリンタ４００は、幅の広い被印画物４０１に印刷を行うものであり、これに対応すべく、複数のヘッドチップを主走査方向に繋げることにより長尺化された構成のサーマルヘッド１０（または２０）が用いられている。そして、上記実施形態において説明したとおり、サーマルヘッド１０（または２０）においては、複数のヘッドチップ間に緩衝材４が設けられている（図１（または図２）参照）。

被印画物４０１はロール状に収容されており、搬送ローラ４０２ａ及び４０２ｂによって挟持されている。搬送ローラ４０２ａ及び４０２ｂに挟まれた被印画物４０１は、さらにプラテンローラ４０３の上に載置されている。そして、搬送ローラ４０２ａ、４０２ｂ及びプラテンローラ４０３を回転させることにより、被印画物４０１が搬送される。また、プラテンローラ４０３は、インクリボン４０４及び被印画物４０１を介してサーマルヘッド１０（または２０）の下部に位置するように設けられている。

このようなサーマルプリンタ４００による印刷は、搬送ローラ４０２ａ、４０２ｂ及びプラテンローラ４０３により被印画物４０１を搬送し、サーマルヘッド１０（または２０）とプラテンローラ４０３とによってインクリボン４０４及び被印画物４０１が挟まれるようにサーマルヘッド１０（または２０）を被印画物４０１に押圧し、サーマルヘッド１０を発熱させてインクリボン４０４のインクを溶融させることにより行われる。

このように、上記実施形態によるサーマルヘッド１０（または２０）を用いたサーマルプリンタ４００によれば、サーマルプリンタ４００を使用環境温度が大きく異なる場所で使用しても、ヘッドチップ３の破損（割れ）を防止することができ、発熱体３ｂの損傷がなくなり、また、割れた欠片による基板３ａへの損傷も防ぐことができることから、良質な印刷を行うことが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

たとえば、図２の側面３ｃｓは曲面であってもよく、また、この傾斜は基板３ａの上部まで及んでいてもかまわない。また、側面３ｃｓは各ヘッドチップ３の両側にあってもかまわない。

図１においては、ヘッドチップ３は放熱板２上に固定され、その放熱板２がベースプレート１上に固定されているが、ヘッドチップ３は直接ベースプレート１上に固定されていてもかまわない。また、図１において、１つの放熱板２上に複数のヘッドチップ３が固定されていてもかまわない。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこの実施例に何ら限定されるものではない。

［実施例１］
図２に示した構造を有するサーマルヘッド２０において、緩衝材４としてステンレス鋼ＳＵＳ３０３を用いたものを−４０℃の環境温度下に置いて蓄熱層３ｃに破損（割れ）が発生するか否かにつき試験を行った。ステンレス鋼ＳＵＳ３０３は、Ｃを０．１５％以下、Ｓｉを１．０％以下、Ｍｎを２．０％以下、Ｎｉを８．０〜１０．０％、Ｃｒを１７．０〜１９．０％含むものであり、そのビッカース硬さは２００ｋｇｆ／ｍｍ^２である。ヘッドチップ３の長さ（幅）は２５６ｍｍとした。また、緩衝材４のＸ方向における厚さは、ヘッドチップ３の長さ（幅）×使用環境温度の温度差（例えば−４０℃〜２０℃）×（ベースプレート１の熱膨張係数−ヘッドチップ３の基板３ａの熱膨張係数）＝２５６×６０×１．５×１０^−５≒２３０μｍとした。

上記試験の結果、図４に示すように、緩衝材４としてステンレス鋼ＳＵＳ３０３を用いた上記構成のサーマルヘッド２０では、蓄熱層３ｃに破損は発生しないことが確認された。

［実施例２］
図２に示した構造を有するサーマルヘッド２０において、緩衝材４としてクロムモリブデン鋼ＳＣＭ４４０を用いたものを−４０℃の環境温度下に置いて蓄熱層３ｃに破損（割れ）が発生するか否かにつき試験を行った。クロムモリブデン鋼ＳＣＭ４４０は、モリブデンにＦｅを０．４％、Ｃを０．７％、Ｍｎを１．０％、Ｃｒを０．２５％添加したものであり、そのビッカース硬さは３３０ｋｇｆ／ｍｍ^２である。ヘッドチップ３の長さ（幅）及び緩衝材４のＸ方向における厚さは、実施例１と同様、それぞれ２５６ｍｍ及び２３０μｍとした。

上記試験の結果、図５に示すように、緩衝材４としてクロムモリブデン鋼ＳＣＭ４４０を用いた上記構成のサーマルヘッド２０では、蓄熱層３ｃに破損は発生しないことが確認された。

［比較例１］
図２に示した構造を有するサーマルヘッド２０において、緩衝材４として銅合金Ｃ６７８２を用いたものを−４０℃の環境温度下に置いて蓄熱層３ｃに破損（割れ）が発生するか否かにつき試験を行った。銅合金Ｃ６７８２は、Ｃｕが５５．０〜６０．５％の黄銅にＡｌを２．０％以下、Ｍｎを３．０％以下、Ｆｅを１．５％以下添加したものであり、そのビッカース硬さは４６０ｋｇｆ／ｍｍ^２である。ヘッドチップ３の長さ（幅）及び緩衝材４のＸ方向における厚さは、実施例１と同様、それぞれ２５６ｍｍ及び２３０μｍとした。

上記試験の結果、図６に示すように、緩衝材４として銅合金Ｃ６７８２を用いた上記構成のサーマルヘッド２０では、蓄熱層３ｃに破損が発生することが確認された。

［実施例３］
緩衝材４としてクロムモリブデン鋼ＳＣＭ４４０（実施例２参照）を用いて、図２に示した構造を有するサーマルヘッド２０を作製した。そして、隣接するヘッドチップ３間のＸ方向における間隔及び緩衝材４の主走査方向における厚さをＡを基準として種々に設定した場合に、蓄熱層３ｃに破損（割れ）が発生するか否かにつき試験を行った。ここで、Ａは、ヘッドチップの長さ（幅）をＬ、ベースプレート１の熱膨張係数をα１、ヘッドチップの基板３ａ熱膨張係数をα２とした場合に、Ａ＝Ｌ×６０（α１−α２）で定義される。なお、本式における定数６０は、サーマルヘッド２０の使用環境が６０℃程度の範囲（例えば−４０℃から２０℃）で変化した場合を想定して設定されている。

上記試験の結果、図７に示すように、ヘッドチップ３間の間隔及び緩衝材４の厚さをそれぞれ、Ａ／４、Ａ／２、Ａ、５／４・Ａ、３／２・Ａ、２Ａとした場合のいずれにおいても、蓄熱層３ｃに破損は発生しないことが確認された。

［比較例２］
図２に示した構造を有するサーマルヘッド２０から緩衝材４を無くしたものを作製した。そして、隣接するヘッドチップ３間のＸ方向における間隔をＡを基準として種々に設定した場合に、蓄熱層３ｃに破損（割れ）が発生するか否かにつき試験を行った。ここで、Ａは、上記実施例３と同様、Ａ＝Ｌ×６０（α１−α２）で定義される。

上記試験の結果、図８に示すように、ヘッドチップ３間の間隔をそれぞれ、Ａ／４、Ａ／２、Ａ、５／４・Ａ、３／２・Ａ、２Ａとした場合、間隔をＡより大きくした場合には蓄熱層３ｃに破損が発生しないことが確認された。一方、間隔がＡ以下の場合、蓄熱層３ｃに破損が発生することが確認された。

１，１００ ベースプレート
２，２００ 放熱板
３，３００ ヘッドチップ
３ａ，３００ａ 基板
３ｂ，３００ｂ 発熱体
３ｃ 蓄熱層
４ 緩衝材
６，６ａ，６ｂ 熱伝導性樹脂
１０，２０ サーマルヘッド
４００ サーマルプリンタ
４０１ 被印画物
４０１ａ 被印画面
４０２ａ，４０２ｂ 搬送ローラ
４０３ プラテンローラ
４０４ インクリボン

Claims (5)

1. ベースプレートと、
   前記ベースプレート上に主走査方向に並べて固定され、それぞれ基板及び前記基板の表面に設けられた複数の発熱体を有する複数のヘッドチップと、
   前記複数のヘッドチップ間に設けられた緩衝材と、を備えることを特徴とするサーマルヘッド。
2. 前記複数のヘッドチップの前記主走査方向におけるそれぞれの長さをＬとし、前記ベースプレートの熱膨張係数をα１とし、前記ヘッドチップの前記基板の熱膨張係数をα２とした場合、前記複数のヘッドチップ間の前記主走査方向における間隔及び前記緩衝材の前記主走査方向における厚さがいずれもＬ×６０（α１−α２）以下であることを特徴とする請求項１に記載のサーマルヘッド。
3. 前記緩衝材のビッカース硬さが４００ｋｇｆ／ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のサーマルヘッド。
4. 前記複数のヘッドチップは、前記基板と前記複数の発熱体との間に設けられた蓄熱層をそれぞれ備えており、
   前記複数のヘッドチップのうち互いに隣接する一対のヘッドチップに設けられた前記蓄熱層は、互いに前記主走査方向に対向する側面をそれぞれ有しており、
   前記側面の少なくとも一方は、該ヘッドチップの前記発熱体側に近づくほど他方のヘッドチップから遠ざかる傾斜面を有している、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のサーマルヘッド。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のサーマルヘッドを備えるサーマルプリンタ。

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