JP2012171289A - サーマルヘッドおよびその製造方法、並びにプリンタ - Google Patents

サーマルヘッドおよびその製造方法、並びにプリンタ Download PDF

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Abstract

【課題】押圧力に耐える強度を確保しつつ、熱効率を向上することができるサーマルヘッドを提供する。
【解決手段】表面に凹部２を有する支持基板３と、支持基板３の表面に積層状態に接合され、凹部２に対応する位置に凸部２０が形成された上板基板５と、上板基板５の表面において凸部２０を跨ぐ位置に設けられた発熱抵抗体７と、発熱抵抗体７の両側に設けられた一対の電極８とを備え、一対の電極８の少なくとも一方が、凹部２に対応する領域内における凸部２０の先端面２１において発熱抵抗体７に接続される薄肉部１８と、発熱抵抗体７に接続され薄肉部１８よりも厚く形成された厚肉部１６とを有するサーマルヘッド１を採用する。
【選択図】図３

Description

本発明は、サーマルヘッドおよびその製造方法、並びにプリンタに関するものである。
従来、サーマルプリンタに用いられ、印刷データに基づいて複数の発熱素子を選択的に駆動することによって紙等の感熱記録媒体に印刷を行うサーマルヘッドが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に開示されているサーマルヘッドは、凹部が形成された支持基板に上板基板を接合し、上板基板に発熱抵抗体を設けることで、上板基板と支持基板との間の発熱抵抗体に対応する領域に空洞部が形成されている。このサーマルヘッドは、空洞部を熱伝導率の低い断熱層として機能させ、発熱抵抗体から支持基板側に伝わる熱量を低減することで、熱効率を向上して消費電力の低減を図っている。
特開２００９−１１９８５０号公報
上記のサーマルヘッドを搭載するプリンタは、プラテンローラに感熱紙を挟んで押し付けられる加圧機構を有しており、サーマルヘッド表面の熱を効果的に感熱紙に伝達させるため、サーマルヘッドを適度な押圧力で感熱紙に押し付けている。そのため、サーマルヘッドには、加圧機構による押圧力に耐える強度が求められる。
また、プラテンローラにより感熱紙をサーマルヘッド表面に押し付けた際、発熱抵抗体とその両側に設けられた電極との段差によって、感熱紙とサーマルヘッド表面との間に空気層が生じる。この空気層は、発熱抵抗体により発生させた熱を感熱紙へ伝達する際の妨げとなり、サーマルヘッドの熱効率を低下させてしまうという不都合がある。
また、発熱抵抗体において発生した熱は、電極を介して上板基板の平面方向へも拡散する。特に、電極の厚さを厚くすると、電極の電気抵抗値を小さくすることができる一方で、電極を介して拡散する熱量が増大してしまう。そのため、従来のサーマルヘッドにおいては、発熱抵抗体から電極を介して上板基板の平面方向へ熱が逃げることにより、空洞部による高い断熱性能を活かしきれていないという問題があった。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、押圧力に耐える強度を確保しつつ、熱効率を向上することができるサーマルヘッドおよびその製造方法、並びにプリンタを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様は、表面に凹部を有する支持基板と、該支持基板の表面に積層状態に接合され、前記凹部に対応する位置に凸部が形成された上板基板と、該上板基板の表面において前記凸部を跨ぐ位置に設けられた発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の両側に設けられた一対の電極とを備え、前記一対の電極の少なくとも一方が、前記凹部に対応する領域内における前記凸部の側面または頂面において前記発熱抵抗体に接続される薄肉部と、前記発熱抵抗体に接続され前記薄肉部よりも厚く形成された厚肉部とを有するサーマルヘッドである。
本発明の第１の態様によれば、発熱抵抗体が設けられた上板基板が、発熱抵抗体から発生した熱を蓄える蓄熱層として機能する。また、表面に凹部が形成された支持基板と上板基板とが積層状態に接合されることで、支持基板と上板基板との間に空洞部が形成される。この空洞部は、発熱抵抗体に対応する領域に形成されており、発熱抵抗体から発生した熱を遮断する断熱層として機能する。したがって、本発明の第１の態様によれば、発熱抵抗体から発生した熱が、上板基板を介して支持基板へ伝わって放散してしまうことを抑制することができ、発熱抵抗体から発生した熱の利用率、すなわちサーマルヘッドの熱効率を向上することができる。
また、上板基板の電極側の表面において、発熱抵抗体の両側の一対の電極間に形成された凸部により、凸部の表面上に形成された発熱抵抗体と、発熱抵抗体の両端に設けられた電極との段差を小さくすることができ、発熱抵抗体表面と感熱紙との間の空気層を小さくすることができる。したがって、本発明の第１の態様によれば、発熱抵抗体により発生させた熱を感熱紙に効率的に伝達することができ、サーマルヘッドの熱効率を向上して印刷に必要なエネルギー量を低減することができる。
ここで、発熱抵抗体において発生した熱は、電極を介して上板基板の平面方向へも拡散する。本発明に係るサーマルヘッドは、空洞部上に配置される少なくとも一方の電極の薄肉部において、電極の他の領域（厚肉部）よりも熱伝導率が低くなる。したがって、空洞部（凹部）に対応する領域内において薄肉部を設けることで、発熱抵抗体からの熱を空洞部に対応する領域より外側に伝わり難くすることができる。これにより、空洞部により支持基板側への伝熱を抑制された熱に対して、電極を介する上板基板の平面方向への拡散を抑制し、支持基板側とは反対側に伝熱させて印字効率の向上を図ることができる。
さらに、電極の薄肉部を凸部の側面または頂面において発熱抵抗体に接続することで、一対の電極（薄肉部）の間の領域、すなわち、凸部の頂面（および側面の一部）のみを発熱部として利用することができる。感熱紙に接触させられるのは凸部の頂面のみであるため、この頂面のみを発熱部として利用することで、発熱部において発生した熱の大部分を感熱紙に伝えることができ、サーマルヘッドの熱効率を向上することができる。
また、印字の際に上板基板に荷重が加わった場合には、上板基板の凹部に対応する領域が変形し、該領域において上板基板の裏面に引張応力が発生する。この場合において、上板基板の凹部に対応する領域に形成された凸部により、均一な厚さの上板基板に比べて、上板基板の強度を向上することができる。
上記のサーマルヘッドにおいて、前記凸部が、前記凹部に対応する領域内に形成されていることとしてもよい。
このようにすることで、上板基板の表面の空洞部（凹部）に対応する領域内において、凸部が形成されていない領域、すなわち、上板基板の厚さが薄い領域を設けることができる。これにより、上板基板の平面方向への熱の拡散を低減することができ、サーマルヘッドの熱効率を向上することができる。
上記のサーマルヘッドにおいて、前記凸部が、前記凹部に対応する領域よりも外側まで広がるように形成されていることとしてもよい。
凸部を凹部（空洞部）に対応する領域よりも外側まで広がるように形成することで、空洞部上の上板基板の強度を向上することができ、高い印字効率と強度を両立させることができる。また、凸部を大きく形成することができるため、電極のパターニング時において、発熱部（発熱抵抗体上における電極の薄肉部の間の領域）と凸部との位置合わせが容易となる。
上記のサーマルヘッドにおいて、前記凸部が、平坦な先端面と、該先端面の両端に該先端面に向かって漸次先細となるように傾斜して形成された側面とを有していることとしてもよい。
凸部が平坦な先端面を有することで、プラテンローラの荷重を凸部の先端面全体で受けることができ、凸部の一部に集中荷重が発生してしまうことを防止することができる。また、凸部が平坦な先端面を有することで、凸部の先端面に発熱抵抗体を形成しやすくすることができる。
上記のサーマルヘッドにおいて、前記薄肉部が、前記凹部に対応する領域よりも外側まで広がるように形成されていることとしてもよい。
このように構成することで、電極における熱伝導率の低い領域（薄肉部）が、空洞部に対応する領域よりも外側まで広がるので、電極を介する発熱抵抗体から上板基板の平面方向への熱の拡散をより低減することができる。これにより、サーマルヘッドの熱効率を向上することができる。
上記のサーマルヘッドにおいて、前記一対の電極の両方が前記薄肉部を有していることとしてもよい。
このように構成することで、いずれの電極においても、発熱抵抗体からの熱が空洞部に対応する領域より外側に伝わり難くなる。したがって、電極を介する上板基板の平面方向への熱の拡散をより効果的に抑制することができる。
本発明の第２の態様は、上記のサーマルヘッドと、該サーマルヘッドの前記発熱抵抗体に感熱記録媒体を押し付けながら送り出す加圧機構とを備えるプリンタである。
このようなプリンタによれば、上記のサーマルヘッドを備えているため、上板基板の強度を確保しつつ、サーマルヘッドの熱効率を向上して印刷に必要なエネルギー量を低減することができる。これにより、少ない電力で感熱記録媒体に印刷することができ、バッテリーの持続時間を長期化させることができる。また、上板基板の破損による故障を防止して装置としての信頼性を向上させることができる。
本発明の第３の態様は、支持基板の表面に開口部を形成する開口部形成工程と、該開口部形成工程により前記開口部が形成された前記支持基板の表面に上板基板の裏面を積層状態に接合する接合工程と、該接合工程により前記支持基板に接合された前記上板基板を薄板化する薄板化工程と、前記接合工程により前記支持基板に接合された前記上板基板の表面に凸部を形成する凸部形成工程と、前記上板基板の表面において、前記開口部に対応する領域に発熱抵抗体を形成する抵抗体形成工程と、該抵抗体形成工程により形成された発熱抵抗体の両端に、前記凹部に対応する領域内における前記凸部の側面または頂面において前記発熱抵抗体に接続される薄肉部と、前記発熱抵抗体に接続され前記薄肉部よりも厚く形成された厚肉部とを有する電極層を形成する電極層形成工程とを備えるサーマルヘッドの製造方法である。
このようなサーマルヘッドの製造方法によれば、支持基板と上板基板との間に空洞部が形成されるとともに、発熱抵抗体の両端に形成された電極層の間に凸部が形成されたサーマルヘッドを製造することができる。また、発熱抵抗体の両端に、凹部に対応する領域内における凸部の側面または頂面において発熱抵抗体に接続される薄肉部と、発熱抵抗体に接続され薄肉部よりも厚く形成された厚肉部とを有する電極層を形成することができる。これにより、上記のように、上板基板の強度を確保しつつ、サーマルヘッドの熱効率を向上して印刷に必要なエネルギー量を低減することができる。
本発明によれば、押圧力に耐える強度を確保しつつ、熱効率を向上することができるという効果を奏する。
本発明の第１の実施形態に係るサーマルプリンタの概略構成図である。 図１のサーマルヘッドを保護膜側から見た平面図である。 図２のサーマルヘッドのＡ−Ａ矢視断面図である。 図３のサーマルヘッドに集中荷重がかかった場合の状態を説明する図であり、（ａ）は荷重がかかる前の断面図、（ｂ）は荷重がかかった状態の断面図、（ｃ）は平面図である。 図３の変形例に係るサーマルヘッドを保護膜側から見た平面図である。 図５のサーマルヘッドのＢ−Ｂ矢視断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るサーマルヘッドの製造方法を説明する図であり、（ａ）は開口部形成工程、（ｂ）は接合工程、（ｃ）は薄板化工程、（ｄ）は凸部形成工程、（ｅ）は抵抗体形成工程、（ｆ）は電極層形成工程（第１層形成工程）、（ｇ）は電極層形成工程（第２層形成工程）、（ｈ）は保護膜形成工程である。 図７の変形例に係るサーマルヘッドの製造方法を説明する図であり、（ａ）は開口部形成工程、（ｂ）は接合工程、（ｃ）は薄板化工程、（ｄ）は凸部形成工程、（ｅ）は抵抗体形成工程、（ｆ）は電極層形成工程（厚肉電極層形成工程）、（ｇ）は電極層形成工程（電極層除去工程）、（ｈ）は保護膜形成工程である。 従来のサーマルヘッドの断面図である。 図９のサーマルヘッドに集中荷重がかかった場合の状態を説明する図であり、（ａ）は荷重がかかる前の断面図、（ｂ）は荷重がかかった状態の断面図、（ｃ）は平面図である。
［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態に係るサーマルヘッド１およびサーマルプリンタ１０について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係るサーマルヘッド１は、例えば図１に示すようなサーマルプリンタ１０に用いられており、印刷データに基づいて複数の発熱素子を選択的に駆動することによって感熱紙１２等の印刷対象物に印刷を行うものである。
サーマルプリンタ１０は、本体フレーム１１と、中心軸が水平に配置されるプラテンローラ１３と、プラテンローラ１３の外周面に対向して配置されるサーマルヘッド１と、サーマルヘッド１を支持している放熱板（図示略）と、プラテンローラ１３とサーマルヘッド１との間に感熱紙１２を送り出す紙送り機構１７と、サーマルヘッド１を感熱紙１２に対して所定の押圧力で押し付ける加圧機構１９とを備えている。
プラテンローラ１３には、加圧機構１９の作動により、サーマルヘッド１を介して感熱紙１２が押し付けられるようになっている。これにより、プラテンローラ１３からの反力が感熱紙１２を介してサーマルヘッド１に加えられるようになっている。
放熱板は、例えば、アルミ等の金属、樹脂、セラミックスまたはガラス等からなる板状部材であり、サーマルヘッド１の固定および放熱を目的とするものである。
サーマルヘッド１は、図２に示すように、発熱抵抗体７および電極８が、矩形状の支持基板３の長手方向に複数配列されている。矢印Ｙは、紙送り機構１７による感熱紙１２の送り方向を示している。また、支持基板３の表面には、支持基板３の長手方向に延びる矩形状の凹部２が形成されている。ここで、符号Ｌｒ，Ｌｍ，Ｌｃ，Ｌｅはそれぞれ、後述する発熱部７Ａの幅方向の寸法、凸部２０の幅方向の寸法、凹部２の幅方向の寸法、薄肉部１８の長手方向の寸法を示している。
図２のＡ−Ａ矢視断面図が、図３に示されている。
サーマルヘッド１は、図３に示すように、支持基板３と、支持基板３の上端面（表面）に接合された上板基板５と、上板基板５上に設けられた発熱抵抗体７と、発熱抵抗体７の両側に設けられた一対の電極８と、発熱抵抗体７および電極８を覆い、これらを磨耗や腐食から保護する保護膜９とを有している。
支持基板３は、例えば、３００μｍ〜１ｍｍ程度の厚さを有するガラス基板やシリコン基板等の絶縁性の基板である。支持基板３の上端面（表面）、すなわち上板基板５との境界面には、支持基板３の長手方向に延びる矩形状の凹部２が形成されている。この凹部２は、例えば、深さ１μｍ〜１００μｍ、幅５０μｍ〜３００μｍ程度の溝である。
上板基板５は、例えば、厚さ１０μｍ〜１００μｍ±５μｍ程度のガラス材質によって構成されており、発熱抵抗体７から発生した熱を蓄える蓄熱層として機能する。この上板基板５は、凹部２を密閉するように支持基板３の表面に積層状態に接合されている。上板基板５によって凹部２が覆われることにより、上板基板５と支持基板３との間には空洞部４が形成されている。
空洞部４は、全ての発熱抵抗体７に対向する連通構造を有しており、発熱抵抗体７から発生した熱が、上板基板５から支持基板３へ伝わることを抑制する中空断熱層として機能する。空洞部４を中空断熱層として機能させることで、発熱抵抗体７の下方の上板基板５を介して支持基板３に伝わる熱量よりも、発熱抵抗体７の上方へ伝わって印字等に利用される熱量を大きくすることができ、サーマルヘッド１の熱効率の向上することができる。
発熱抵抗体７は、上板基板５の上端面において、それぞれ凹部２を幅方向に跨ぐように設けられ、図２に示すように、凹部２の長手方向に所定の間隔をあけて複数配列されている。すなわち、各発熱抵抗体７は、上板基板５を介して空洞部４に対向して設けられ、空洞部４上に位置するように配置されている。
一対の電極８は、発熱抵抗体７に電流を供給して発熱させるためのものであり、各発熱抵抗体７の配列方向に直交する方向の一端に接続される共通電極８Ａと、各発熱抵抗体７の他端に接続される個別電極８Ｂとから構成されている。図２に示すように、共通電極８Ａは、全ての発熱抵抗体７に一体的に接続され、個別電極８Ｂは個々の発熱抵抗体７にそれぞれ接続されている。
個別電極８Ｂに選択的に電圧を印加すると、選択された個別電極８Ｂとこれに対向する共通電極８Ａとが接続されている発熱抵抗体７に電流が流れ、発熱抵抗体７が発熱するようになっている。この状態で、加圧機構１９の作動により、発熱抵抗体７の発熱部分を覆う保護膜９の表面部分（印字部分）に感熱紙１２を押し付けることで、感熱紙１２が発色して印字されるようになっている。
なお、各発熱抵抗体７のうち実際に発熱する部分（図３に示す発熱部７Ａ）は、発熱抵抗体７に電極８Ａ，８Ｂが重なっていない部分、すなわち、発熱抵抗体７のうち共通電極８Ａの接続面と個別電極８Ｂの接続面との間の領域であって、空洞部４のほぼ真上に位置する部分である。具体的には、発熱部７Ａは、後述するように、凸部２０の先端面（頂面）２１上における、共通電極８Ａの薄肉部１８と個別電極８Ｂの薄肉部１８との間の領域である。
また、一対の電極８Ａ，８Ｂは、図２に示すように、発熱部７Ａにおける発熱抵抗体７の長手方向に延びる長さ（ヒータ長）Ｌｒが、隣接する発熱抵抗体７どうしの中心位置間の距離（ドット間距離あるいはドットピッチ）Ｗｄより短くなるように配置することが望ましい。
また、各電極８Ａ，８Ｂは、図３に示すように、発熱抵抗体７の表面上に配置される接続部分に、他の領域（後述する厚肉部１６）よりも厚さが薄い薄肉部１８を有している。すなわち、電極８Ａ，８Ｂは、上板基板５上に配置される部分と発熱抵抗体７上に配置される接続部分の一部が厚肉に形成され、発熱抵抗体７上の接続部分の残りが薄肉に形成されている。
厚肉部１６は、例えば、１〜３μｍの膜厚ｔｅ１を有している。厚肉部１６の膜厚ｔｅ１は、電気抵抗値を十分に確保することができる程度、例えば、発熱抵抗体７の電気抵抗値に対して１／１０以下程度にすることが望ましい。
薄肉部１８は、発熱抵抗体７上における凹部２に対応する領域の外側から内側にわたって形成されており、その端部が後述する凸部２０の先端面（頂面）２１まで延ばされている。薄肉部１８の膜厚ｔｅ２は、例えば５０〜３００ｎｍ程度であり、厚肉部１６の膜厚ｔｅ１および熱伝導率（Ａｌの熱伝導率は約２００Ｗ／（ｍ・℃））と、上板基板５の厚さおよび熱伝導率（一般的なガラスの熱伝導率は約１Ｗ／（ｍ・℃））とを考慮して設計される。
薄肉部１８の膜厚ｔｅ２を厚肉部１６の膜厚ｔｅ１より小さくすることにより、電極８Ａ，８Ｂの熱伝導率が部分的に小さくなり、断熱効率が向上する。しかしながら、薄肉部１８の膜厚ｔｅ２が小さすぎると（例えば、薄肉部１８の膜厚ｔｅ２＜１０ｎｍ）、電極８Ａ，８Ｂの電気抵抗値が部分的に大きくなるため、薄肉部１８での電力ロスが断熱効率の向上分を超えてしまう。また、薄肉部１８の膜厚ｔｅ２は、スパッタ等で薄膜として得られる厚さであることも考慮する必要がある。そこで、薄肉部１８の膜厚ｔｅ２は、例えば、５０〜３００ｎｍ程度とすることが望ましい。
また、各薄肉部１８における発熱抵抗体７の長手方向に延びる長さＬｅを長くすることにより、電極８Ａ，８Ｂの熱伝導率が部分的に小さくなり、断熱効率が向上する。しかしながら、薄肉部１８の長さＬｅが長すぎると、電極８Ａ，８Ｂの電気抵抗値が部分的に大きくなるため、薄肉部１８での電力ロスが断熱効率の向上分を超えてしまう。したがって、各薄肉部１８の電気抵抗値が、発熱部７Ａの電気抵抗値の１／１０以下となるように、薄肉部１８の長さＬｅを決定することが望ましい。
また、薄肉部１８は、プラテンローラ４とヘッド部分９Ａとが感熱紙３を挟んで接触する範囲の幅（ニップ幅）内に配置されていることが望ましい。ニップ幅はプラテンローラ４の直径や材質によって変化するが、一般的には、図３に示すように、ニップ幅は発熱抵抗体７の長手方向の長さＬと一致すると考えられる。例えば、電極８Ａの薄肉部１８から電極８Ｂの薄肉部１８までの幅寸法（Ｌｒ＋２Ｌｅ）は、約２ｍｍ以内（発熱部７Ａの中心位置から約１ｍｍ以内）とする。また、発熱抵抗体７上の厚肉部１６もニップ幅内に配置する。
このような形状の電極８Ａ，８Ｂは、発熱抵抗体７上に厚肉部１６の一部と薄肉部１８の全体が配置される二段構造となっている。電極８Ａ，８Ｂにおける発熱抵抗体７と上板基板５との段差部分に配置される領域を厚肉（厚肉部１６）にすることで、段差による電極８Ａ，８Ｂの断切れおよび異常な電気抵抗値の上昇を防ぎ、断熱効率の向上およびサーマルヘッド１０の信頼性の向上を図ることができる。
上板基板５には、図３に示すように、発熱抵抗体７が設けられる上面（表面）において、共通電極８Ａと個別電極８Ｂとの間に凸部２０が形成されている。凸部２０は、平坦な先端面２１と、先端面２１の両端において先端面２１に向かって漸次先細となるように傾斜して形成された側面２２とを有している。すなわち、凸部２０は、先端面２１の幅方向の寸法が、凸部２０の幅方向の寸法Ｌｍよりも小さく形成されており、台形の縦断面形状を有している。
また、凸部２０は、その幅方向の寸法Ｌｍが、凹部２の幅方向の寸法Ｌｃよりも小さく形成されている。すなわち、凸部２０は、上板基板５の上端側（表面）において、支持基板３に形成された凹部２に対応する領域内に形成されている。なお、凸部２０の高さｈｍは、例えば０．５μｍ〜３μｍ程度であり、電極８の厚さ以上の高さに形成されている。
ここで、比較例として、従来のサーマルヘッド１００の構成について以下に説明する。
従来のサーマルヘッド１００は、図９に示すように、上板基板５０の上端側（表面）に凸部が設けられていないため、発熱抵抗体７と電極８との間に電極８の厚さ分だけ段差が生じる。これにより、発熱抵抗体７および電極８の上に形成された保護膜９の表面においても、上記の段差に対応する位置（図９に示す領域Ａ）に段差が生じる。
その結果、プラテンローラ１３により感熱紙１２をサーマルヘッド１００表面に押し付けた際、発熱抵抗体７と電極８との段差によって、感熱紙１２とサーマルヘッド１００表面の間に空気層１０１が生じる。この空気層１０１は、発熱抵抗体７により発生させた熱を感熱紙１２へ伝達する際の妨げとなり、サーマルヘッド１００の熱効率を低下させてしまうという不都合がある。
これに対して、本実施形態に係るサーマルヘッド１によれば、図３に示すように、表面に凹部２が形成された支持基板３と上板基板５とが積層状態に接合されることで、支持基板３と上板基板５との間に空洞部４が形成される。この空洞部４は、発熱抵抗体７に対応する領域に形成されており、発熱抵抗体７から発生した熱を遮断する断熱層として機能する。したがって、本実施形態に係るサーマルヘッド１によれば、発熱抵抗体７から発生した熱が、上板基板５を介して支持基板３へ伝わって放散してしまうことを抑制することができ、発熱抵抗体７から発生した熱の利用率、すなわちサーマルヘッド１の熱効率を向上することができる。
さらに、上板基板５の電極８側の表面において、発熱抵抗体７の両側の一対の電極８の間に形成された凸部２０により、凸部２０の表面上に形成された発熱抵抗体７と、発熱抵抗体７の両端に設けられた電極８との段差を小さくすることができ、発熱抵抗体７（保護膜９）表面と感熱紙との間の空気層を小さくすることができる。したがって、本実施形態に係るサーマルヘッド１によれば、発熱抵抗体７により発生させた熱を感熱紙１２に効率的に伝達することができ、サーマルヘッド１の熱効率を向上して印刷に必要なエネルギー量を低減することができる。
特に、凸部２０の高さを電極８の高さ以上とすることで、サーマルヘッド１表面と感熱紙１２との間の空気層を電極８の薄肉部１８の厚さのみとすることができ、発熱抵抗体７（保護膜９）表面と感熱紙との間の空気層をより小さくすることができる。これにより、発熱抵抗体７により発生させた熱を感熱紙１２に効率的に伝達することができ、サーマルヘッド１の熱効率を向上して印刷に必要なエネルギー量を低減することができる。
ここで、発熱抵抗体７において発生した熱は、電極８を介して上板基板５の平面方向へも拡散する。本実施形態に係るサーマルヘッド１は、空洞部４上に配置される電極８の薄肉部１８において、電極８の他の領域（厚肉部１６）よりも熱伝導率が低くなる。したがって、空洞部４（凹部２）に対応する領域内において薄肉部１８を設けることで、発熱抵抗体７からの熱を空洞部４に対応する領域より外側に伝わり難くすることができる。これにより、空洞部４により支持基板３側への伝熱を抑制された熱に対して、電極８を介する上板基板５の平面方向への拡散を抑制し、支持基板３側とは反対側に伝熱させて印字効率の向上を図ることができる。
さらに、電極８の薄肉部１８を凸部２０の先端面２１において発熱抵抗体７に接続することで、一対の電極８（薄肉部１８）の間の領域、すなわち、凸部２０の先端面２１のみを発熱部７Ａとして利用することができる。感熱紙１２に接触させられるのは凸部２０の先端面２１のみであるため、この先端面２１のみを発熱部７Ａとして利用することで、発熱部７Ａにおいて発生した熱の大部分を感熱紙１２に伝えることができ、サーマルヘッド１の熱効率を向上することができる。
次に、従来のサーマルヘッド１００と本実施形態に係るサーマルヘッド１との強度の違いについて以下に説明する。
図４および図１０は、強度の違いを説明するために、サーマルヘッドの上板基板と支持基板のみを簡略化して示した図であり、図４は本実施形態に係るサーマルヘッド１、図１０は従来のサーマルヘッド１００を示している。
図１０（ａ）に示すように、従来のサーマルヘッド１００は、上板基板５の上端側（表面）が平坦な形状とされている。このような従来のサーマルヘッド１００において、図１０（ｂ）に示すように、上板基板５０の空洞部４上に集中荷重（矢印５１）が加えられると、上板基板５０の空洞部４に対向する部分は、下側に沈み込むように変形する。これにより、図１０（ｂ）の矢印５２に示すように、上板基板５０の下端面（裏面）、特に荷重のかかる中心位置において大きな引張応力が発生する。この場合、図１０（ｃ）に示すように、荷重位置Ｓと最大応力位置Ｔがほぼ一致することとなり、上板基板５０が破損しやすくなる。
これに対して、本実施形態に係るサーマルヘッド１は、図４（ａ）に示すように、上板基板５の上端側（表面）に凸部２０が形成されている。このような構造とすることで、図４（ｂ）に示すように、上板基板５の空洞部４上に集中荷重（矢印５１）を加えた場合に、上板基板５０の下端面（裏面）において、荷重のかかる中心位置および凸部２０の麓部分に大きな引張応力が発生する（矢印３１，３２，３３）。したがって、図４（ｃ）に示すように、大きな応力がかかる位置は、領域Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に分散される。
以上のように、本実施形態に係るサーマルヘッド１によれば、図１０（ａ）に示すような均一な厚さの上板基板５０に比べ、上板基板５の空洞部４（凹部２）に対応する位置（凸部２０）が厚いため、上板基板５の強度を向上させることができる。また、上板基板５表面に集中荷重がかかった際、上板基板５表面にかかる引張応力を分散させることができる。その結果、例えばプラテンローラ１３と感熱紙１２との間に数μｍ〜数十μｍの微小な異物が混入して上板基板５に集中荷重がかかった場合にも、割れにくく、信頼性の高いサーマルヘッド１を提供できる。
ここで、サーマルヘッド１の保護膜９に使用される材料は、非常に内部応力が大きい。例えば、スパッタ法で成膜されたＳｉＡｌＯＮは５００〜２０００ＭＰａの内部応力を有する。そのため、空洞部４（凹部２）の直上において、上板基板５表面に凸部２０を設けて上板基板５の板厚を増やすことで、上板基板５の強度を向上させ、保護膜９の内部応力による上板基板５の変形や破壊を防ぐことができる。
また、凸部２０が上板基板５の表面と略平行な先端面２１を有することで、プラテンローラ１３の荷重を凸部２０の先端面２１全体で受けることができ、凸部２０の一部に集中荷重が発生してしまうことを防止することができる。
したがって、上記のようなサーマルヘッド１を備えたサーマルプリンタ１０によれば、上板基板５の強度を確保しつつ、サーマルヘッド１の熱効率を向上して印刷に必要なエネルギー量を低減することができる。これにより、少ない電力で感熱紙１２に印刷することができ、バッテリーの持続時間を長期化させることができる。また、上板基板５の破損による故障を防止して装置としての信頼性を向上させることができる。
［変形例］
以下に、本実施形態に係るサーマルヘッド１の変形例について説明する。なお、以降では、前述した第１の実施形態に係るサーマルヘッド１と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
第１の実施形態に係るサーマルヘッド１では、図３に示すように、凸部２０は、凹部２（空洞部４）に対応する領域内に形成されている。これに対して、本変形例に係るサーマルヘッド１では、図５および図６に示すように、凸部２０は、凹部２（空洞部４）に対応する領域よりも外側に広がるように形成されている。
凸部２０を凹部２（空洞部４）に対応する領域よりも外側まで広がるように形成することで、空洞部４上の上板基板５の強度を向上することができ、高い印字効率と強度を両立させることができる。また、凸部２０を大きく形成することができるため、電極８のパターニング時において、発熱部７Ａ（発熱抵抗体７上における電極８の薄肉部１８の間の領域）と凸部２０との位置合わせが容易となる。
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態として、前述した第１の実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法について以下に説明する。
本実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法は、図７（ａ）から図７（ｈ）に示すように、支持基板３の表面に開口部（凹部２）を形成する開口部形成工程と、凹部２が形成された支持基板３の表面に上板基板５の裏面を積層状態に接合する接合工程と、支持基板３に接合された上板基板５を薄板化する薄板化工程と、支持基板３に接合された上板基板５の表面に凸部２０を形成する凸部形成工程と、上板基板５の表面において空洞部４に対応する領域に発熱抵抗体７を形成する抵抗体形成工程と、発熱抵抗体７の両端に電極８を形成する電極層形成工程と、電極８の上に保護膜９を形成する保護膜形成工程とを備えている。以下、上記の各工程について具体的に説明する。
開口部形成工程では、図７（ａ）に示すように、支持基板３の上端面（表面）において、上板基板５の発熱抵抗体７を設ける領域に対応する位置に凹部２を形成する。凹部２は、例えば、支持基板３の表面に、サンドブラスト、ドライエッチング、ウェットエッチング、レーザ加工等を施すことによって形成する。
支持基板３にサンドブラストによる加工を施す場合には、支持基板３の表面にフォトレジスト材を被覆し、フォトレジスト材を所定パターンのフォトマスクを用いて露光して、凹部２を形成する領域以外の部分を固化させる。その後、支持基板３の表面を洗浄して固化していないフォトレジスト材を除去することで、凹部２を形成する領域にエッチング窓が形成されたエッチングマスク（図示略）が得られる。この状態で、支持基板３の表面にサンドブラストを施し、１〜１００μｍの深さの凹部２を形成する。凹部２の深さは、例えば、１０μｍ以上で、支持基板３の厚さの半分以下とするのが好ましい。
また、ドライエッチングやウェットエッチング等のエッチングによる加工を施す場合には、上記サンドブラストによる加工と同様に、支持基板３の表面の凹部２を形成する領域にエッチング窓が形成されたエッチングマスクを形成する。そして、この状態で支持基板３の表面にエッチングを施すことで、１〜１００μｍの深さの凹部２を形成する。
このエッチング処理には、例えば、フッ酸系のエッチング液等を用いたウェットエッチングのほか、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）やプラズマエッチング等のドライエッチングが用いられる。なお、参考例として、支持基板が単結晶シリコンの場合には、水酸化テトラメチルアンモニウム溶液、ＫＯＨ溶液、または、フッ酸と硝酸の混合液等のエッチング液等によるウェットエッチングが行われる。
次に、接合工程では、図７（ｂ）に示すように、例えば厚さ約５００〜７００μｍのガラス基板である上板基板５の下端面（裏面）と、凹部２が形成された支持基板３の上端面（表面）とを、高温融着や陽極接合によって接合する。この際、支持基板３と上板基板５とは乾燥状態で接合され、この接合された接合基板は、例えば２００℃以上軟化点以下の温度で熱処理が行われる。
支持基板３と上板基板５とを接合することで、支持基板３に形成された凹部２が上板基板５によって覆われ、支持基板３と上板基板５との間に空洞部４が形成される。
ここで、上板基板として１００μｍ以下の厚さのものは、製造やハンドリングが困難であり、また、高価である。そこで、当初から薄い上板基板５を直接支持基板３に接合する代わりに、接合工程において製造やハンドリングが容易な厚さの上板基板５を支持基板３に接合した後、薄板化工程において上板基板５を所望の厚さに加工する。
次に、薄板化工程では、図７（ｃ）に示すように、上板基板５の上端面（表面）側を、機械研磨することで薄板加工を行うことで、上板基板５を例えば約１〜１００μｍの厚さに加工する。なお、薄板化加工は、ドライエッチングやウェットエッチング等を施すことによって行うこととしてもよい。
次に、凸部形成工程では、図７（ｄ）に示すように、ドライエッチングやウェットエッチング等を施すことによって、上板基板５の上端面（表面）において支持基板３に形成された凹部２に対応する領域に、凸部２０を形成する。なお、この凸部形成工程は、薄板化工程と同時に行うこととしてもよい。すなわち、前述の薄板化工程において、凸部２０を形成する領域をレジスト材で被覆し、ドライエッチングやウェットエッチング等によって、上板基板５の薄板化と同時に凸部２０を形成することとしてもよい。
次に、上板基板５上に発熱抵抗体７、共通電極８Ａ、個別電極８Ｂ、および、保護膜９が順次形成される。
具体的には、抵抗体形成工程では、図７（ｅ）に示すように、スパッタリングやＣＶＤ（化学気相成長法）、または、蒸着等の薄膜形成法を用いて上板基板５上にＴａ系やシリサイド系等の発熱抵抗体材料の薄膜を成膜する。発熱抵抗体材料の薄膜をリフトオフ法やエッチング法等を用いて成形することにより、所望の形状の発熱抵抗体７が形成される。
次に、電極層形成工程では、図７（ｆ）に示すように、電極８の厚肉部１６の下層（以下、第１層１６ａという。）を形成する第１層形成工程と、図７（ｇ）に示すように、第１層１６ａの上から第２層１６ｂを形成する第２層形成工程とを含んでいる。
第１形成工程では、図７（ｆ）に示すように、発熱抵抗体７の両端部における、空洞部４に対応する領域の外側において第１層１６ａを形成する。第１層１６ａは、スパッタリングや蒸着法等によりＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕまたはＰｔ等の配線材料を成膜し、この膜をリフトオフ法やエッチング法を用いたり、配線材料をスクリーン印刷した後に焼成したりすることにより、所望の形状に形成される。その厚みは、電極８配線での電力ロスを考慮し、例えば１〜３μｍ程度である。
続いて、第２層形成工程では、図７（ｇ）に示すように、発熱抵抗体７の両端部における空洞部４に対応する領域の内側から外側にわたって、且つ、その端部が凸部２０の先端面２１上に配置されるように、ほぼ均等な厚さで第２層１６ｂを形成する。第２層１６ｂは、スパッタリングや蒸着法等により第１層１６ａと同じ材料を成膜し、この膜をリフトオフ法やエッチング法を用いたり、配線材料をスクリーン印刷した後に焼成したりすることにより、所望のパターンに形成される。
第１層１６ａの表面と発熱抵抗体７の表面とにそれぞれ均等な厚さの第２層１６ｂを形成することで、第２層１６ｂで形成された薄肉部１８と、薄肉部１８よりも第１層１６ａの分だけ厚さが厚い厚肉部１６とを有する２段構造の電極８を形成することができる。
このように形成する薄肉部１８（第２層１６ｂ）の厚さは、厚肉部１６の厚さ、熱伝導率（Ａｌは約２００Ｗ／（ｍ・℃））、上板基板５の厚さ、熱伝導率（一般的なガラスは約１Ｗ／（ｍ・℃））を考慮し、例えば５０〜３００ｎｍ程度とすることが望ましい。
次に、保護膜形成工程では、図７（ｈ）に示すように、上板基板５上にＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＡｌＯＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ダイヤモンドライクカーボン等の保護膜材料をスパッタリング、イオンプレーティング、ＣＶＤ法等により成膜して、保護膜９を形成する。これにより、図３に示されるサーマルヘッド１が製造される。
このようなサーマルヘッド１の製造方法によれば、支持基板３と上板基板５との間に空洞部４が形成されるとともに、発熱抵抗体７の両端に形成された電極層の間に凸部２０が形成されたサーマルヘッド１を製造することができる。また、発熱抵抗体７の両端に、凹部２に対応する領域内における凸部２０の先端面２１において発熱抵抗体７に接続される薄肉部１８と、発熱抵抗体７に接続され薄肉部１８よりも厚く形成された厚肉部１６とを有する電極層を形成することができる。これにより、上述のように、上板基板５の強度を確保しつつ、サーマルヘッド１の熱効率を向上して印刷に必要なエネルギー量を低減することができる。
［変形例］
以下に、本実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法の変形例について説明する。
本変形例に係るサーマルヘッド１の製造方法が、前述した第２の実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法と異なる点は、電極８の薄肉部１８と厚肉部１６の形成方法である。以降では、第２の実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
前述の第２の実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法では、第１層形成工程および第２層形成工程により電極８を２段構造に形成したが、本変形例に係るサーマルヘッド１の製造方法では、エッチング法により電極８を２段構造に形成する。
具体的には、本変形例に係るサーマルヘッド１の製造方法において、電極層形成工程は、図８（ｆ）に示すように、厚肉部１６以上の厚さで厚肉電極層２６を形成する厚肉電極層形成工程と、図８（ｇ）に示すように、厚肉電極層２６の一部を除去する電極層除去工程とを含んでいる。
厚肉電極層形成工程では、図８（ｆ）に示すように、発熱抵抗体７の両端部における空洞部４に対応する領域の内側から外側にわたって、且つ、その端部が凸部２０の先端面２１上に配置されるように、ほぼ均等な厚さで、且つ、厚肉部１６以上の厚さで厚肉電極層２６を形成する。厚肉電極層２６は、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ等の配線材料をスパッタリングや蒸着法等により成膜する。そして、この膜をリフトオフ法やエッチング法を用いて形成したり、配線材料をスクリーン印刷した後に焼成したりするなどして、所望の形状の電極８のパターンを形成する。
電極層除去工程では、図８（ｇ）に示すように、厚肉電極層２６の空洞部４に対応する領域の内側および外側の一部（薄肉部１８を形成する領域）をエッチングにより除去する。これにより、厚肉部１６と、厚肉部１６よりもエッチングにより除去された分だけ厚さが薄い薄肉部１８とを有する２段構造の電極８を形成することができる。
以上のように、本変形に係るサーマルヘッド１の製造方法によれば、前述の第２の実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法と同様の効果に加えて、電極８の第１層１６ａと第２層１６ｂとの界面を無くすことができ、電極８の強度および電気伝導度を向上することができる。
以上、本発明の各実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、本発明を各実施形態および各変形例を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定されるものではない。
また、凸部２０は、台形の縦断面形状を有していることとして説明したが、発熱抵抗体７を形成することができればよく、例えば矩形等の縦断面形状や曲面形状としてもよい。
また、凸部２０の先端面２１において電極８の薄肉部１８を発熱抵抗体７に接続することとして説明したが、凸部２０の側面２２において電極８の薄肉部１８を発熱抵抗体７に接続することとしてもよい。なお、この場合には、凸部２０の側面２２における発熱部７Ａの面積を小さくするために、凸部２０の先端面２１に極力近い側面２２において電極８の薄肉部１８を発熱抵抗体７に接続することが望ましい。
また、支持基板３の長手方向に延びる矩形状の凹部２を形成し、空洞部４が全ての発熱抵抗体７に対向する連通構造を有することとしたが、これに代えて、支持基板３の長手方向に沿って、発熱抵抗体７に対向する位置にそれぞれ独立した凹部２を形成することとし、上板基板５によって凹部２ごとに独立した空洞部４が形成されることとしてもよい。これにより、複数の独立した中空断熱層を備えるサーマルヘッドを形成することができる。
また、一対の電極８の両方に厚肉部１６および薄肉部１８を設けることとして説明したが、一対の電極８の一方のみに厚肉部１６および薄肉部１８を設けることとしてもよい。
１ サーマルヘッド
２ 凹部
３ 支持基板
４ 空洞部
５ 上板基板
７ 発熱抵抗体
８ 電極
９ 保護膜
１０ サーマルプリンタ（プリンタ）
１６ 厚肉部
１７ 中肉部
１８ 薄肉部
２０ 凸部
２１ 先端面（頂面）
２２ 側面
２６ 厚肉電極層

Claims (8)

  1. 表面に凹部を有する支持基板と、
    該支持基板の表面に積層状態に接合され、前記凹部に対応する位置に凸部が形成された上板基板と、
    該上板基板の表面において前記凸部を跨ぐ位置に設けられた発熱抵抗体と、
    該発熱抵抗体の両側に設けられた一対の電極とを備え、
    前記一対の電極の少なくとも一方が、
    前記凹部に対応する領域内における前記凸部の側面または頂面において前記発熱抵抗体に接続される薄肉部と、
    前記発熱抵抗体に接続され前記薄肉部よりも厚く形成された厚肉部とを有するサーマルヘッド。
  2. 前記凸部が、前記凹部に対応する領域内に形成されている請求項１に記載のサーマルヘッド。
  3. 前記凸部が、前記凹部に対応する領域よりも外側まで広がるように形成されている請求項１に記載のサーマルヘッド。
  4. 前記凸部が、平坦な先端面と、該先端面の両端に該先端面に向かって漸次先細となるように傾斜して形成された側面とを有している請求項１から請求項３のいずれかに記載のサーマルヘッド。
  5. 前記薄肉部が、前記凹部に対応する領域よりも外側まで広がるように形成されている請求項１から請求項４のいずれかに記載のサーマルヘッド。
  6. 前記一対の電極の両方が前記薄肉部を有している請求項１から請求項５のいずれかに記載のサーマルヘッド。
  7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載のサーマルヘッドと、
    該サーマルヘッドの前記発熱抵抗体に感熱記録媒体を押し付けながら送り出す加圧機構とを備えるプリンタ。
  8. 支持基板の表面に開口部を形成する開口部形成工程と、
    該開口部形成工程により前記開口部が形成された前記支持基板の表面に上板基板の裏面を積層状態に接合する接合工程と、
    該接合工程により前記支持基板に接合された前記上板基板を薄板化する薄板化工程と、
    前記接合工程により前記支持基板に接合された前記上板基板の表面に凸部を形成する凸部形成工程と、
    前記上板基板の表面において、前記開口部に対応する領域に発熱抵抗体を形成する抵抗体形成工程と、
    該抵抗体形成工程により形成された発熱抵抗体の両端に、前記凹部に対応する領域内における前記凸部の側面または頂面において前記発熱抵抗体に接続される薄肉部と、前記発熱抵抗体に接続され前記薄肉部よりも厚く形成された厚肉部とを有する電極層を形成する電極層形成工程とを備えるサーマルヘッドの製造方法。
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