JP2013001121A - サーマルプリントヘッドおよびサーマルプリンタ - Google Patents

Abstract

【課題】 高速かつ鮮明な印刷を可能とするサーマルプリントヘッドを提供すること。
【解決手段】 サーマルプリントヘッドＡ１は、基板１と、基板１の一面に形成された抵抗体層２と、制御部７と、基板１の抵抗体層２とは反対側に位置する他方の面に形成された熱電変換素子４と、を備え、制御部７は、熱電変換素子４を用いて抵抗体層２を冷却するように構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、サーマルプリントヘッドおよびサーマルプリンタに関する。

サーマルプリントヘッドおよびサーマルプリンタは、携帯デバイス、小売業、娯楽用途および医療業などにおいて、インクジェット方式やレーザープリント方式、あるいはインクリボン方式に対して優れた手法として広く用いられている。その利点としては、たとえば、素早い動作、複雑でない構造に起因して軽量化が可能であること、インク、トナー、リボンの交換が不要であること、などが挙げられる。これらの利点により、サーマルプリンタおよびサーマルプリントヘッドは、様々な分野において多種多様なデバイスに用いられるに至っている。特に、サーマルプリンタは、他の方式のプリンタと比べて、事務所や家庭においてより広い範囲の温度にさらされる可能性がある。サーマルプリンタは、熱によって感熱紙に画像を印刷するものであるため、サーマルプリンタに備えられるサーマルプリントヘッドは、環境温度が顕著に変化するような状況下であっても、印刷品質を劣化させることなく信頼性が高く素早い印刷を達成することが求められる。

図２５は、従来のサーマルプリントヘッドの一例を示している（たとえば、特許文献１参照）。同図に示されたサーマルプリントヘッドＸ１は、基板１０１、抵抗体層１０２、ヒートシンク１０５、ドライバＩＣ１０６およびプラテンローラ１２０を備えている。サーマルプリントヘッドＸ１を用いた画像印刷においては、抵抗体層１０２の一部が発熱要素を構成し、この一部に電力が供給されることによって熱が生じ、この発熱によって印刷画像を構成するドットが印刷される。複数の連続するドットが印刷される場合、抵抗体層１０２の上記発熱要素には、電力がオンタイムとオフタイムとが交互に生じるように繰り返し供給され、このオンタイムの間に感熱紙１２１にドットの印刷がなされる。連続するドットが長い場合、抵抗体層１０２に熱が篭る可能性がある。特に、電力を供給するオンタイムとオフタイムの切替速度が増速されると、抵抗体層１０２は、熱が篭る度合いに対抗しうる程度に熱を放散することが成し得ないため、抵抗体層１０２が増速された切替速度に追従することが困難となる。

抵抗体層１０２の上記発熱要素を電力によって強制的に発熱させることとは対照的に、抵抗体層１０２の上記発熱要素の冷却は、ここからの熱を基板１０１に伝え、ヒートシンク１０５から大気へと放熱することによってなされる。言い換えると、抵抗体層１０２の発熱要素の冷却に要する時間は、抵抗体層１０２の熱容量や、基板１０１およびヒートシンク１０５の熱容量および熱伝導率、さらに大気の温度といった要因に左右される自然冷却に依存する。たとえば、抵抗体層１０２と基板１０１との熱容量が、上述した切替速度に追従可能な程度に放熱するには大きすぎる場合、印刷ドットに尾引きやぼやけなどが生じるおそれがある。抵抗体層１０２と基板１０１との熱容量が小さいとしても、ヒートシンク１０５が抵抗体層１０２や基板１０１からの熱を十分に早く放散できないと、同じ問題が生じうる。また、放散された熱を生じさせるために使われた電力は、浪費となってしまう。

図２６は、抵抗体層１０２の平面図である。抵抗体層１０２の抵抗体部分１０３は、感熱紙に一つのドットを印刷するために用いられる一つの発熱要素を構成している。抵抗体部分１０３は、矩形状とされている。一つのドットを印刷するにあたり、ひとつのピークを持つパルス電流が対応する個別電極１０４ａからこの抵抗体部分１０３を通して共通電極１０４ｂへと送られ、電流は紙面右方から左方へと向かうＸ方向に流れる。この方向Ｘは、印刷中に感熱紙が送られる方向である。Ｙ方向は、抵抗体層１０２の複数の抵抗体部分１０３が基板１０１上において並べられた方向である。Ｙ方向は、主走査方向に相当し、Ｘ方向は、副走査方向に相当する。電流が流れると、抵抗体部分１０３が加熱し、感熱紙に濃いドットを印刷する。抵抗体部分１０３のＹ方向両端部分は、隣り合う抵抗体部分１０３どうしの隙間に面しているため、Ｙ方向中央部分よりも熱がより早く放散する。このため、抵抗体部分１０３の中央部分は、温度蓄積がその他の部分よりも生じやすい。

図２７は、抵抗体部分１０３が加熱した場合の典型的な温度分布を示している。横軸は温度であり、縦軸は抵抗体部分１０３のＹ方向位置である。感熱紙がＸ方向に送られることによって温度蓄積がもっとも大となる中央部分は、抵抗体部分１０３のその他の部分と比べてより濃い像を印刷することとなる。

図２８は、上述した状態の抵抗体部分１０３によって印刷されたドットの一例を示している。印刷された像の後縁は、いわゆる尾引きあるいはぼやけと称される状態となっている。これは、抵抗体部分１０３の中央部分が図２７に示した温度分布であることにより、電力供給が停止した後に冷却されるまでにより長い時間を要することに起因する。これらの尾引きやぼやけは、印刷品質を劣化させうる。一般的な対策としては、尾引きやぼやけが無視できる程度まで、印刷速度を遅くすることが挙げられる。

特開２００５−２０５８２２号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、高速かつ鮮明な印刷を可能とするサーマルプリントヘッドおよびサーマルプリンタを提供することをその課題とする。また、電力の浪費を抑制することが可能なサーマルプリンタを提供することをその課題とする。

本発明の第１の側面によって提供されるサーマルプリントヘッドは、基板と、上記基板の一面に形成された抵抗体層と、制御部と、上記基板の上記抵抗体層とは反対側に位置する他方の面に形成された熱電変換素子と、を備え、上記制御部は、上記熱電変換素子を用いて上記抵抗体層を冷却するように構成されている。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記熱電変換素子は、上記基板の上記他方の面に直接接し、半導体の一方側が電気的および機械的に接続された上部電極、および下部基板に直接接し、上記半導体の他方側が電気的および機械的に接続された下部電極、を有し、上記上部電極および上記下部電極は、印刷、スパッタリング、デポジッティングおよびめっきのいずれかによって上記基板および上記下部基板に形成された厚さ２μｍ以下の金属薄膜からなる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記抵抗体層に隣接して配置されたセンサを備え、上記制御部は、上記センサによって計測された上記抵抗体層の温度に基づいて、上記熱電変換素子を用いて上記抵抗体層を加熱または冷却することにより、上記抵抗体層の温度をあらかじめ設定された温度範囲内に維持するように構成されている。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記熱電変換素子が、ヒートシンクに取り付けられている。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記制御部は、上記抵抗体層に対する電力に基づいて上記熱電変換素子を用いて上記抵抗体層を冷却する。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記制御部は、単位時間あたりに上記抵抗体層に供給された電力量があらかじめ定められた電力量を超えたときに、上記熱電変換素子を用いて上記抵抗体層を冷却する。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記制御部は、上記熱電変換素子を用いて上記抵抗体層を事前に冷却する。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記制御部は、上記熱電変換素子を用いて上記抵抗体層を冷却するに際し、上記熱電変換素子に与える電圧を、上記抵抗体層に供給される電力に基づいて連続的に変化させる構成とされている。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記抵抗体層に隣接して配置されたセンサを備え、上記制御部は、上記センサによって計測された上記抵抗体層の温度に基づいて、上記熱電変換素子を用いて上記抵抗体層を加熱または冷却することにより、上記抵抗体層の温度をあらかじめ設定された温度範囲内に維持するように構成されている。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記熱電変換素子は、ヒートシンク上に配置されている。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記制御部は、上記熱電変換素子の上記抵抗体層側と反対側との温度差が十分な大きさとなったときに上記熱電変換素子によって生成される、あらかじめ定められた量の電流を検知すると、上記抵抗体層を冷却する状態へと上記熱電変換素子を切り替える。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記制御部は、単位時間あたりに上記抵抗体層に供給された電力量があらかじめ定められた電力量を超えたときに、上記熱電変換素子を用いて上記抵抗体層を冷却する。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記熱電変換素子の上記反対側に配置されたセンサをさらに備え、上記制御部は、上記センサによって計測された上記熱電変換素子の上記反対側の温度があらかじめ定められた第１温度を下回り、かつ上記熱電変換素子が発電していないときに、上記熱電変換素子によって上記抵抗体層を加熱するとともに、上記温度があらかじめ定められた第２温度を超え、かつ上記熱電変換素子によってあらかじめ定められた量の電流が生じているときに、上記熱電変換素子によって上記抵抗体層を冷却することにより、上記抵抗体層の温度をあらかじめ定められた温度範囲内に維持する。

本発明の第２の側面によって提供されるサーマルプリントヘッドは、基板と、上記基板の一面に形成され、かつ複数の抵抗体層領域に分割された抵抗体層であって、上記各抵抗体層領域がさらに、各々が発熱要素を構成する複数の抵抗体部分に分割されている、抵抗体層と、上記基板の上記抵抗体層とは反対側に位置する他方の面に形成された複数の熱電変換素子と、制御部と、を備え、上記複数の熱電変換素子は、各々が上記基板の上記他方の面のうち上記複数の抵抗体層領域のいずれかに対応する位置に形成されており、上記制御部は、上記複数の熱電変換素子のうち対応するものによって上記各抵抗体層領域を冷却するように構成されている。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記複数の熱電変換素子の各々は、上記基板の上記他方の面に直接接し、半導体の一方側が電気的および機械的に接続された上部電極、および下部基板に直接接し、上記半導体の他方側が電気的および機械的に接続された下部電極、を有し、上記上部電極および上記下部電極は、印刷、スパッタリング、デポジッティングおよびめっきのいずれかによって上記基板および上記下部基板に形成された厚さ２μｍ以下の金属薄膜からなる。

本発明の好ましい実施の形態においては、各々が上記複数の抵抗体層領域のいずれかに隣接して上記基板上に配置された複数のセンサを備え、上記各センサは、上記複数の抵抗体層領域のうち対応するものの温度を計測し、上記各センサによって計測された計測温度が、あらかじめ定められた温度範囲から外れたときに、上記複数の熱電変換素子のうち対応するものが、上記計測温度を上記温度範囲内に維持するように上記複数の熱電変換素子のうち対応するものを加熱または冷却する。

本発明の好ましい実施の形態においては、複数の熱電変換素子は、ヒートシンクに取り付けられている。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記制御部は、上記各抵抗体層領域に対する電力に基づいて、上記複数の熱電変換素子のうち対応する熱電変換素子を用いて当該抵抗体層領域を冷却する。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記制御部は、単位時間あたりに上記複数の抵抗体層領域のいずれかに供給された電力量があらかじめ設定された量を超えたときに、この抵抗体層領域に対応する上記熱電変換素子を用いてこの抵抗体層領域を冷却する。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記制御部は、上記複数の抵抗体層領域のいずれかに対応する上記熱電変換素子を用いて、この抵抗体層領域を事前に冷却する。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記制御部は、上記複数の熱電変換素子のうち対応する熱電変換素子を用いて上記各抵抗体層領域を冷却するに際し、当該対応する熱電変換素子に与える電圧を、上記抵抗体層領域に対する電力に基づいて連続的に変化させる構成とされている。

本発明の好ましい実施の形態においては、各々が上記複数の抵抗体層領域のいずれかに隣接して上記基板上に配置された複数のセンサを備え、上記各センサは、上記複数の抵抗体層領域のうち対応するものの温度を計測し、上記各センサによって計測された計測温度が、あらかじめ定められた温度範囲から外れたときに、上記複数の熱電変換素子のうち対応するものが、上記計測温度を上記温度範囲内に維持するように、上記複数の抵抗体層領域のうち対応するものを加熱または冷却する。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記複数の熱電変換素子は、ヒートシンク上に配置されている。

本発明の第３の側面によって提供されるサーマルプリンタは、本発明の第１の側面によって提供されるサーマルプリントヘッドと、エネルギー蓄積装置と、を備え、上記熱電変換素子は、上記抵抗体層と上記熱電変換素子のうち上記抵抗体層が配置された側とは反対側との温度差が十分に大きい場合に、上記抵抗体層によって生成された熱を電力に変換し、この変換された電力は、上記エネルギー蓄積装置に蓄えられる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記抵抗体層に隣接して配置され、上記抵抗体層の温度を計測するセンサをさらに備え、上記制御部は、上記センサによって計測された計測温度に基づいて上記エネルギー蓄積装置に上記電力を蓄えるように構成されている。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記熱電変換素子は、加熱モード、中立モード、変換モード、および冷却モード、のいずれかの状態で動作し、上記加熱モードは、上記計測温度があらかじめ定められた第１温度よりも低いときに上記抵抗体層を加熱するために用いられ、上記中立モードは、上記計測温度が上記第１温度とあらかじめ定められた第２温度との間にあり、上記熱電変換素子が熱を電力に変換しうる臨界温度差よりも上記温度差が小さいときに用いられ、上記変換モードは、上記計測温度が上記第１温度と上記第２温度の間にあり、かつ上記温度差が上記臨界温度差以上であるときに、熱を電力に変換するため、および電力を上記エネルギー蓄積装置に蓄えるために用いられ、上記冷却モードは、上記計測温度が上記第２温度よりも高いときに上記抵抗体層を冷却するために用いられる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記第１温度および上記第２温度は、雰囲気温度に依存する。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記エネルギー蓄積装置があらかじめ定められた蓄積レベルに達したときに、上記電力が、このサーマルプリンタの駆動を補助するために使用される。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記サーマルプリントヘッドにヒートシンクが取り付けられている。

本発明の第４の側面によって提供されるサーマルプリンタは、本発明の第２の側面によって提供されるサーマルプリントヘッドと、エネルギー蓄積装置と、を備え、上記複数の熱電変換素子は、対応する上記抵抗体層領域と対応する上記熱電変換素子の反対側との温度差が熱を電力に変換するのに十分な大きさとなったときに、対応する上記抵抗体層領域によって生成された熱を電力に変換し、上記変換された電力は、上記エネルギー蓄積装置に蓄えられる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記各抵抗体層領域に隣接して配置され、対応する抵抗体層領域の温度を計測するセンサを備え、上記制御部は、上記センサによって計測された計測温度に基づいて上記エネルギー蓄積装置に上記電力を蓄えるように構成されている。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記熱電変換素子は、加熱モード、中立モード、変換モード、および冷却モード、のいずれかの状態で動作し、上記加熱モードは、上記計測温度があらかじめ定められた第１温度よりも低いときに上記抵抗体層を加熱するために用いられ、上記中立モードは、上記計測温度が上記第１温度とあらかじめ定められた第２温度との間にあり、上記熱電変換素子が熱を電力に変換しうる臨界温度差よりも上記温度差が小さいときに用いられ、上記変換モードは、上記計測温度が上記第１温度と上記第２温度の間にあり、かつ上記温度差が上記臨界温度差以上であるときに、熱を電力に変換するため、および電力を上記エネルギー蓄積装置に蓄えるために用いられ、上記冷却モードは、上記計測温度が上記第２温度よりも高いときに上記抵抗体層を冷却するために用いられる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記第１温度および上記第２温度は、雰囲気温度に依存する。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記電力は、上記エネルギー蓄積装置があらかじめ定められた蓄積レベルに達したときに、このサーマルプリンタの駆動を補助するために使用される。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記サーマルプリントヘッドにヒートシンクが取り付けられている。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記抵抗体層は、各々が印刷において印刷対象物にドットを形成するための熱を発する発熱要素を構成する複数の抵抗体部分を有しており、上記各抵抗体部分は、上記印刷対象物が送られる方向である副走査方向における長さが、この副走査方向に対して直角である主走査方向において中央部分が両側部分よりも小となっている。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記各抵抗体部分は、副走査方向において離間する２つの端縁の少なくともいずれかが内方に凹む撓み形状とされている。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記撓み形状とされた上記端縁は、副走査方向において上記印刷対象物が送られる上流側に位置する。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記各抵抗体部分は、開口を有する。

このような構成によれば、上記熱電変換素子によって上記基板からの放熱を促進することができる。したがって、上記サーマルプリントヘッドを用いてより高速かつより鮮明な印刷を行うことができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明の第１実施形態に基づくサーマルプリントヘッドを示す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う要部断面図である。 他の構成例についての図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う要部断面図である。 他の構成例についての図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う要部断面図である。 図１のサーマルプリントヘッドを示す要部断面図である。 図１のサーマルプリントヘッドを示す要部断面図である。 図１のサーマルプリントヘッドを示す要部断面図である。 図１のサーマルプリントヘッドを示すシステムブロック図である。 図１のサーマルプリントヘッドの他の構成例を示すシステムブロック図である。 本発明の第２実施形態に基づくサーマルプリントヘッドを示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に基づくサーマルプリンタを示す斜視図である。 図１１のサーマルプリンタを示すシステムブロック図である。 図１１のサーマルプリンタを示すシステムブロック図である。 図１１のサーマルプリンタを示すシステムブロック図である。 図１１のサーマルプリンタの動作モードを示す表である。 本発明の第４実施形態に基づくサーマルプリンタを示す斜視図である。 本発明の第５実施形態に基づくサーマルプリントヘッドを示す要部平面図である。 抵抗体部分の複数の構成例を示す要部平面図である。 図１７のサーマルプリントヘッドを示す要部拡大平面図である。 本発明の第６実施形態に基づくサーマルプリントヘッドを示す要部平面図である。 抵抗体部分の開口の複数の構成例を示す要部平面図である。 サーマルプリントヘッドＡ３の他の構成例を示す要部平面図である。 サーマルプリントヘッドＡ４の他の構成例を示す要部平面図である。 本発明の第７実施形態に基づくサーマルプリントヘッドを示す要部平面図である。 従来のサーマルプリントヘッドの一例を示す断面図である。 図２５のサーマルプリントヘッドを示す要部平面図である。 図２５のサーマルプリントヘッドの抵抗体部分を示す平面図およびその温度分布を示すグラフである。 図２５のサーマルプリントヘッドによる印刷ドットの一例を示す要部平面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に基づくサーマルプリントヘッドを示している。本実施形態のサーマルプリントヘッドＡ１は、基板１、抵抗体層２、制御部７、熱電変換素子４およびヒートシンク５を備えている。

図２は、基板１の表面に形成されたグレーズ層７６と、抵抗体層２および電極とを示している。同図に示された構成は、いわゆる薄膜タイプのサーマルプリントヘッドとして形成されたものである。基板１は、セラミックス、樹脂、金属、ガラスなどからなる。上記グレーズ層７６は、基板１の表面において、主走査方向に延びるように形成されており、断面形状が上方に膨らんでいる。なお、このグレーズ層７６は、基板１の全面を覆うように形成されていてもよい。この場合、たとえば、図２に図示された部分が断面膨出状であり、これ以外の部分は平坦な層とされる。抵抗体層２は、グレーズ層７６および基板１上に形成されており、たとえば抵抗体材料を用いたスパッタリングによって形成される。スパッタリングの手法によれば、抵抗体層２の厚さは、たとえば０．０５〜０．２μｍ程度とされる。上記電極は、抵抗体層２の両側から延びる部分を有している。上記電極は、たとえば抵抗体層２を構成するための抵抗体薄膜が形成された後に、この抵抗体薄膜を覆うようにスパッタリングなどによって金属薄膜が形成され、さらにエッチングなどを用いたパターニングを経ることによって形成される。このほかに、たとえばＣＶＤなどが抵抗体層２を形成するために用いられる。図３は、抵抗体層２の他の例を示している。本例は、いわゆる厚膜タイプのサーマルプリントヘッドと称される構成である。抵抗体層２は、グレーズ層７６上において、上記電極を跨ぐように主走査方向に延びた形状とされている。このような抵抗体層２は、たとえば抵抗体材料を含むペーストを印刷した後に、これを焼成することによって形成される。図４は、抵抗体層２のさらに他の例を示している。本例においては、副走査方向両側から延びる電極が、グレーズ層７６に対して沈降しており、上記電極の上面とグレーズ層７６の上面とがほぼ面一となっている。この電極は、たとえばＡｕなどの金属材料を含むペーストを印刷した後に、これを焼成することによって得られる。抵抗体層２は、副走査方向量側から延びる２つの電極の双方の先端に重なり、かつグレーズ層７６の一部を覆っている。この抵抗体層２は、たとえばスパッタリングなどの薄膜形成手法とエッチングなどのパターニングによって形成される。抵抗体層２が薄いほど、抵抗体層２の熱容量が小さくなる。これは、抵抗体層２の加熱および冷却をより迅速に行うのに都合がよい。

図５に示すように、熱電変換素子４は、基板１のうち抵抗体層２が形成された面とは反対側の面に、直接接触するように形成されている。熱電変換素子４としては、電熱装置、ヒートポンプ、ペルティエ素子、熱電変換器などを採用できる。図５に示すように、本実施形態においては、熱電変換素子４は、ペルティエ効果に基づくペルティエ素子によって構成されている。

図６は、熱電変換素子４の動作を説明するための要部概略断面図である。本図は、ペルティエ素子としての熱電変換素子４の一部分を示しており、Ｎ型半導体１０、Ｐ型半導体１１を備えている。Ｎ型半導体１０の図中上端は、上部電極８の一方側部分に接続されている。上部電極８の他方側部分には、Ｐ型半導体１１が接続されている。上部電極８は、基板１の図中下面に直接接触するように形成されている。Ｎ型半導体１０およびＰ型半導体１１の図中下端は、下部基板１２の上面に直接接触するように形成された、対応する下部電極９に接続されている。なお、下部基板１２は、熱伝導率が高い材質によって形成されることが好ましく、ヒートシンク５に接触させられてもよい。上部電極８および下部電極９は、たとえば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどの金属薄膜からなり、その厚さがたとえば２μｍ未満とされており、印刷、スパッタリング、堆積法、めっきなどの手法によって形成される。同図に示された直流電源の正極が図中左側の対応する下部電極９を介してＮ型半導体１０に接続され、上記直流電源の負極が図中右側の対応する下部電極９を介してＰ型半導体１１に接続されると、Ｎ型半導体１０およびＰ型半導体１１の双方を図示された方向に流れる電流が生じる。互いに異なる材質からなるＮ型半導体１０および上部電極８の接合部を電流が流れることにより、上部電極８からＮ型半導体１０および下部電極９を通して下部基板１２へと電子が熱エネルギーを移動させるペルティエ効果が生じ、上部電極８から熱が奪われる。同様に、互いに異なる材質からなるＰ型半導体１１および上部電極８の接合部を電流が流れることにより、上部電極８からＰ型半導体１１および下部電極９を通して下部基板１２へと正孔が熱エネルギーを移動させるペルティエ効果が生じ、上部電極８から熱が奪われる。このように、Ｎ型半導体１０およびＰ型半導体１１それぞれの電子と正孔の双方が、ペルティエ効果による熱移動に寄与している。上記電源の極性を反対とした場合、ペルティエ効果によって下部基板１２から奪われた熱が基板１へと移動される。図７に示すように、基板１の温度が下部基板１２の温度よりも高い場合、この温度差によって上部電極８の電子および正孔のそれぞれが、基板１の熱を上部電極８を介してＮ型半導体１０およびＰ型半導体１１へと移動させ、これにより同図に示す方向に電流が生じる。この電流は、サーマルプリントヘッドＡ１の駆動、あるいはコンデンサ、ニッケルカドミウムバッテリー、ニッケル水素バッテリー、リチウムイオンバッテリー、リチウムイオンポリマーバッテリーなどの充電式電源の蓄電などに用いることができる。

図１および図５に示したように、熱電変換素子４は、複数の上部電極８、複数の下部電極９、複数のＮ型半導体１０および複数のＰ型半導体１１を備えている。このような構成は、本発明で言う熱電変換素子の一例にすぎない。

図５に示すように、上部電極８および下部電極９は、金属薄膜によって形成可能であり、Ｎ型半導体１０およびＰ型半導体１１と機械的および電気的に接合され、サーマルプリントヘッドＡ１の熱伝導率を高め、熱容量を縮小するのに寄与する。Ｎ型半導体１０は、ある下部電極９とある上部電極８との間に接続され、この上部電極８はＰ型半導体１１に接続され、このＰ型半導体１１の他端は他の下部電極９に接続されている。Ｎ型半導体１０およびＰ型半導体１１は、対応する上部電極８および下部電極９に対して、たとえばはんだによって接合される。図５に示された方式で配置されたＮ型半導体１０およびＰ型半導体１１は、ペルティエ素子を形成しうる。これらの半導体を他の方式に基づいて配置することによりペルティエ素子を形成可能であることはもちろんである。下部基板１２の図中下面は、ヒートシンク５の一方側に接続されてもよい。ヒートシンク５の他方側は、サーマルプリンタの筐体に接続されてもよい。このような構成によれば、放熱効果をより高めることができる。このような構成の他に、Ｎ型半導体１０およびＰ型半導体１１は、上部電極８および下部電極９に対して、直接ボンディングされてもよいし、導電接着剤を介して接合されてもよい。

本実施形態においては、サーマルプリントヘッドＡ１は、センサ３をさらに備えている。センサ３は、たとえば基板１の図中上面のうち抵抗体層２に隣接した領域に配置される。センサ３は、たとえばサーミスタ、熱電対、ＩＣなどからなる。センサ３は、抵抗体層２とドライバＩＣ６とを接続し電力を供給するための電極の一部が延長された部位である金属層上に配置されてもよい。このような金属層は、セラミックス、樹脂、ガラスなどの基板１を形成する材質よりも熱伝導率が高いため、上記金属層上にセンサ３を配置することにより、抵抗体層２の温度をより早く計測することが可能である。

図８は、サーマルプリントヘッドＡ１のシステムブロック図である。センサ３は、制御部７に接続されている。センサ３によって計測された抵抗体層２の温度は、制御部７にフィードバックされ、制御部７は、この温度があらかじめ定められた温度範囲内にあるかを判断する。計測された温度が上記温度範囲を超えている場合、制御部７は、熱電変換素子４によって抵抗体層２を冷却する。これにより、たとえば、大気温度が高すぎるために、後述する事前冷却を行なってもサーマルプリントヘッドＡ１に熱がこもりやすいような場合であっても、抵抗体層２の温度を上記温度範囲に維持することができる。熱電変換素子４に与えられる電圧は、より強力な冷却を得ようとすると、それに応じて増加する。

制御部７は、単位時間あたりに抵抗体層２に供給された電力量があらかじめ定められた量を超えると、基板１のうち抵抗体層２付近の領域を熱電変換素子４によって事前に冷却するように構成されている。単位時間あたりに抵抗体層２に供給された電力量は、制御部７、ＣＰＵなどによって監視することができる。

図８は、制御部７のブロックダイアグラムの一例を示しており、単位時間あたりに抵抗体層２に供給された電力量の監視、言い換えると抵抗体層２に供給される電力の監視が可能に構成されている。制御部７は、ドライバＩＣ６に接続されている。ドライバＩＣ６は、抵抗体層２に印刷ドットを形成しうる電力を供給する。制御部７は、熱電変換素子４に接続されている。制御部７は、コントローラ７０、計数器７１および比較器７２を具備している。コントローラ７０は、センサ３、熱電変換素子４などの外部素子との信号送受信や、計数器７１および比較器７２との信号授受、さらにサーマルプリントヘッドＡ１全体を駆動制御するための制御処理を行う。計数器７１は、単位時間あたりにドライバＩＣ６に送られたドット生成信号の数を計数する。単位時間あたりにドライバＩＣ６に送られたドット生成信号の数があらかじめ定められた数を超えると、制御部７は、熱電変換素子４によって抵抗体層２を事前に冷却する。この事前冷却は、抵抗体層２の温度が印刷を阻害しうるほどの温度に至る前であっても、抵抗体層２に熱が篭ることを抑制するのに寄与し、従来の自然放熱あるいは従来の強制冷却に依存する構成と比べて印刷速度を向上させることができる。計数器７１および比較器７２は、制御部７の外部に設けられていてもよい。また、制御部７は、基板１の外部に配置されていてもよい。

図９は、単位時間あたりの電力量を監視する場合の構成例を示している。制御部７は、上述した計数器７１および比較器７２に代えて、電荷蓄積器７３および電圧比較器７４を備えている。電荷蓄積器７３は、コンデンサなどであり、ドライバＩＣ６にドット生成信号が送られる毎に電荷が蓄積されるものである。電荷蓄積器７３の電圧は、電荷蓄積器７３に蓄積される電荷量に応じて増加する。この電圧は、電圧比較器７４によって定められた頻度で定期的に監視される。この電圧があらかじめ定められた電圧を超えると、制御部７は、熱電変換素子４によって抵抗体層２を事前に冷却する。電荷蓄積器７３および電圧比較器７４は、制御部７の外部に設けられてもよいことはもちろんである。図８および図９に示された双方の構成例において、熱電変換素子４を作動または停止させることは、徐々に状態を変更させる方法、段階的に変更させる方法など、種々の適切な方法によってなされる。熱電変換素子４に印加される電圧は、継続的に変化し、たとえば、抵抗体層２に供給される電力に基づいて変化する。

次に、サーマルプリントヘッドＡ１の作用について説明する。

本実施形態によれば、基板１の図中下面に熱電変換素子４が直接接している。これにより、熱電変換素子４によって基板１からの放熱を促進することができる。したがって、サーマルプリントヘッドＡ１を用いてより高速かつより鮮明な印刷を行うことができる。

上部電極８は、基板１に直接接触しており、比較的厚さが薄い金属薄膜からなる。これにより、基板１からの熱をより効果的に上部電極８からＮ型半導体１０およびＰ型半導体１１に伝えることができる。センサ３を備え、このセンサ３による計測温度を制御部７にフィードバックすることにより、抵抗体層２の温度を所定の温度範囲内に維持することが可能であり、サーマルプリントヘッドＡ１をより安定して駆動させることができる。

熱電変換素子４をヒートシンク５上に配置することは、熱電変換素子４からヒートシンク５を経由して、抵抗体層２からの熱を大気に放散するのに適している。

制御部７によって抵抗体層２に供給された電力量または電力を監視し、これに基づいて抵抗体層２を冷却することにより、不当な温度蓄積がサーマルプリントヘッドＡ１に生じることをより確実に回避することができる。

図１０〜図２４は、本発明の他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。

図１０は、本発明の第２実施形態に基づくサーマルプリントヘッドを示している。本実施形態のサーマルプリントヘッドＡ２は、複数の熱電変換素子４を備えている。基板１は、セラミックス、樹脂、金属、ガラスなどからなる。グレーズ層７６は、基板１の表面において、主走査方向に延びるように形成されており、断面形状が上方に膨らんでいる。なお、このグレーズ層７６は、基板１の全面を覆うように形成されていてもよい。この場合、たとえば、図示された部分が断面膨出状であり、これ以外の部分は平坦な層とされる。抵抗体層２は、複数の抵抗体層領域２１に分割されている。各抵抗体層領域２１は、複数の抵抗体部分２２にさらに分割されている。各抵抗体部分２２は、感熱紙にドットを印刷するための発熱要素を構成している。抵抗体層２は、上述した第１実施形態と同様の手法によって形成される。

各熱電変換素子４は、上述した実施形態と同様に、基板１に直接接触するように形成されている。各熱電変換素子４は、複数の上部電極８、複数の下部電極９、複数のＮ型半導体１０および複数のＰ型半導体１１を備えている。上部電極８は、基板１に直接接触するように形成された金属薄膜によって形成されている。上部電極８は、基板１の図中下面に金属物質を印刷することによって形成可能であり、また、これ以外に、スパッタリング、ＣＶＤ、めっきなどによって形成することができる。下部電極９は、下部基板１２の図中上面に、印刷、スパッタリング、ＣＶＤ、めっきなどによって金属薄膜を形成することによって構成されている。好ましくは、下部基板１２は、熱伝導率が高い材質によって形成される。図１０に示すように、複数の熱電変換素子４は、基板１の図中下面のうち各々が対応する抵抗体層領域２１に対応する位置に取り付けられている。本実施形態においては、複数の抵抗体層領域２１が主走査方向に並べられているため、複数の熱電変換素子４も主走査方向に並べられている。

図５に示された構成例と同様に、上部電極８および下部電極９は、金属薄膜によって形成可能であり、Ｎ型半導体１０およびＰ型半導体１１と機械的および電気的に接合され、サーマルプリントヘッドＡ２の熱伝導率を高め、熱容量を縮小するのに寄与する。Ｎ型半導体１０は、ある下部電極９とある上部電極８との間に接続され、この上部電極８はＰ型半導体１１に接続され、このＰ型半導体１１の他端は他の下部電極９に接続されている。Ｎ型半導体１０およびＰ型半導体１１は、対応する上部電極８および下部電極９に対して、たとえばはんだによって接合される。図５に示された方式で配置されたＮ型半導体１０およびＰ型半導体１１は、ペルティエ素子を形成しうる。これらの半導体を他の方式に基づいて配置することによりペルティエ素子を形成可能であることはもちろんである。下部基板１２の図中下面は、ヒートシンク５の一方側に接続されてもよい。ヒートシンク５の他方側は、サーマルプリンタの筐体に接続されてもよい。このような構成によれば、放熱効果をより高めることができる。このような構成の他に、Ｎ型半導体１０およびＰ型半導体１１は、上部電極８および下部電極９に対して、直接ボンディングされてもよいし、導電接着剤を介して接合されてもよい。

本実施形態においては、サーマルプリントヘッドＡ２は、複数のセンサ３をさらに備えている。各センサ３は、たとえば基板１の図中上面のうち対応する抵抗体層領域２１に隣接した領域に配置される。本実施形態においては、複数の抵抗体層領域２１の配置に対応して、複数のセンサ３は、主走査方向に沿って配列されている。各センサ３は、たとえば基板１の表面に形成されたサーミスタからなる。各センサ３は、対応する抵抗体層領域２１とドライバＩＣ６とを接続し電力を供給するための電極の一部が延長された部位である金属層上に配置されてもよい。このような金属層は、セラミックス、樹脂、ガラスなどの基板１を形成する材質よりも熱伝導率が高いため、上記金属層上にセンサ３を配置することにより、対応する抵抗体層領域２１の温度をより早く計測することが可能である。センサ３は、制御部７に接続されている。センサ３によって計測された抵抗体層領域２１の温度は、制御部７にフィードバックされ、制御部７は、この温度があらかじめ定められた温度範囲内にあるかを判断する。計測された温度が上記温度範囲を超えている場合、制御部７は、この抵抗体層領域２１に対応する熱電変換素子４によってこの抵抗体層領域２１を冷却する。これにより、たとえば、大気温度が高すぎるために、後述する事前冷却を行なってもサーマルプリントヘッドＡ２に熱がこもりやすいような場合であっても、抵抗体層領域２１の温度を上記温度範囲に維持することができる。熱電変換素子４に与えられる電圧は、より強力な冷却を得ようとすると、それに応じて増加する。

制御部７は、単位時間あたりにある抵抗体層領域２１に供給された電力量があらかじめ定められた量を超えると、基板１のうちこの抵抗体層領域２１付近の領域をこれに対応する熱電変換素子４によって事前に冷却するように構成されている。単位時間あたりに各抵抗体層領域２１に供給された電力量は、上述した実施形態と同様に、制御部７、ＣＰＵなどによって監視することができる。

このような実施形態によれば、主走査方向に並ぶ複数の抵抗体層領域２１に対して、個別に冷却あるいは加熱操作を行うことができる。これにより、たとえば抵抗体層２の発熱に起因する温度蓄積に主走査方向におけるばらつきがあっても、冷却を必要な部位のみに対してより集中して行うことができる。

図１１は、本発明の第３実施形態に基づくサーマルプリンタを示している。同図に示されたサーマルプリンタＢ１は、サーマルプリントヘッドＡ１を備えている。サーマルプリントヘッドＡ１の各部の構成は、たとえば上述した実施形態において説明した構成とされている。さらに、サーマルプリンタＢ１は、蓄電コントローラ７７および蓄電デバイス１３を備えている。

図１２は、サーマルプリンタＢ１のシステムブロック図である。センサ３、熱電変換素子４、ドライバＩＣ６および蓄電コントローラ７７が、制御部７に接続されている。蓄電デバイス１３は、蓄電コントローラ７７に接続されている。

蓄電デバイス１３としては、電力を蓄積可能なあらゆるデバイスを用いることができる。蓄電デバイス１３の例としては、コンデンサ、ニッケルカドミウムバッテリー、ニッケル水素バッテリー、リチウムイオンバッテリー、リチウムイオンポリマーバッテリーなどの充電式バッテリーやこれらの組み合わせが挙げられる。リチウムイオンバッテリーとリチウムイオンポリマーバッテリーとは、携帯型電子デバイスに広く用いられ始めている。これらのタイプのバッテリーは、軽量かつ高容量という利点がある一方、効率的かつ安全な使用のために特定の方式に従って充電することが求められる。たとえば、典型的なリチウムイオンバッテリーは、３．０〜４．２Ｖ程度の電圧で用いられる。一度使用した後に電圧が定められた低レベルとなると、蓄電コントローラ７７は、バッテリーの容量に応じた一定の大きさの電流を与えることにより、バッテリーに充電することができる。たとえば、リチウムイオンバッテリーは、一時間で充電が完了する程度の大きさの電流が一定して供給されることにより充電される。この電流は、充電完了に近づくとゼロに向かって減少する。この減少を蓄電コントローラ７７によって検出することにより、充電を停止することが必要とされる。過充電は、バッテリーを破損するおそれがある。さらに、ニッケルカドミウムバッテリーやニッケル水素バッテリーに一般的に用いられるトリクル充電をリチウムイオンバッテリーやリチウムイオンポリマーバッテリーに適用する場合、過充電を回避するために充電の電流を注意深く監視する必要がある。バッテリーの過充電は、バッテリーを充電不可能な状態としてしまうおそれもある。他の条件として、大気温度や湿度も考慮に入れられるべきである。これらのタイプのバッテリーの充電には、多くのシステムや手法が提案され、商業的に使用されている。単純な保護回路を用いたものもあれば、マイコンを用いた洗練されたシステムもある。これらのシステムは、たとえば本実施形態の蓄電コントローラ７７の一部として実装されうる。

リチウムイオンバッテリーは、携帯型電子デバイスに適しているが、本実施形態においては、蓄電デバイス１３として、たとえばコンデンサを用いている。熱電変換素子４からは、比較的低電圧で一定しない電流が生成されることがその理由である。生成された電流と電圧がそれほど高くない場合、複数のコンデンサを互いに並列に接続することにより、所定の電圧となるまでの間、充電が可能となる。この所定の電圧は、熱電変換素子４によって生成される電圧とコンデンサの容量から決定される。蓄電されたコンデンサは、互いに直列に接続されることにより、メモリの記憶保持や停止モードあるいはスリープモードにおけるＣＰＵの状態保持などといったサーマルプリンタＢ１の駆動が可能な程度に電圧を高めることができる。

図１３は、蓄電デバイス１３としての複数のコンデンサに充電するための蓄電コントローラ７７の一例を示している。本例においては、各々が４つのコンデンサを具備する２組のコンデンサ群が、蓄電コントローラ７７によって生成されるモード制御信号８５により、互いに並列にあるいは直列に接続された状態をとる。一方の組の４つのコンデンサが蓄電コントローラ７７によって所定の電圧レベルまで蓄電されると、モード制御信号８５がこの組の４つのコンデンサを、オペレーションモードに切り替える。このオペレーションモードにおいては、４つのコンデンサは、サーマルプリンタＢ１の駆動を補助するために用いられる。これと同時に、他方の組の４つのコンデンサは、モード制御信号８５によって蓄電モードに切り替えられる。他方の組の４つのコンデンサには、所定の電圧レベルに達するまで蓄電がなされる。この間、一方の組の４つのコンデンサは、サーマルプリンタＢ１の駆動補助を継続する。この手法によれば、少なくともいずれかの組の４つのコンデンサが、蓄電モードにおかれる。同図に示された構成は、あくまで一例に過ぎず、様々な類似の構成やこれらが改変された構成が適宜採用される。

図１４は、蓄電コントローラ７７の他の例を示している。本例における蓄電コントローラ７７は、蓄電回路７７２、電圧モニタ７７３、電流モニタ７７４および温度モニタ７７５を具備している。蓄電回路７７２は、蓄電デバイス１３の電圧から蓄電デバイス１３がどれほど蓄電されているかを判断し、蓄電デバイス１３への蓄電の開始または停止を決定する。蓄電が開始されると、蓄電デバイス１３の電流、電圧および温度が電圧モニタ７７３、電流モニタ７７４および温度モニタ７５によって定期的に監視され、得られたデータは、蓄電回路７７２にフィードバックされる。蓄電回路７７２は、蓄電の電流の大きさを決定するとともに、所定の基準に基づいて蓄電を継続すべきか停止すべきかを判断する。この所定の基準は、監視された温度に依存しうる。

図１２に示すように、ドライバＩＣ６は、パルス電力を抵抗体層２に供給することにより、感熱紙にドットを印刷する。一連のドットによって、印刷されるべき画像が形成される。印刷中においては、制御部７は、センサ３によって計測された抵抗体層２の温度と、抵抗体層２と熱電変換素子４との温度差とに基づいて、熱電変換素子４を加熱モード、中立モード、変換モード、冷却モードの４つの異なるモードで駆動する。図１５は、熱電変換素子４を駆動する４つのモードの一例を示す表である。この表は、センサ３によって計測された温度と、抵抗体層２と熱電変換素子４との温度差とによってその条件が構成されている。左から一つ目の列は、４つのモードを示している。上から一つ目の行は、４つの異なる範囲を示しており、これらの範囲は、計測された温度および上述した温度差によって区画されている。第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２は、あらかじめ定められた温度である。第１温度Ｔ１および第２温度Ｔ２は、センサ３によって計測された計測温度Ｔｓと比較されるものである。基準温度差Ｔｃは、熱電変換素子４が発電を開始しうる温度差である。計測温度Ｔｓは、センサ３によって計測された温度である。温度Ｔｔは、熱電変換素子４のうち抵抗体層２の反対側に位置する部分の温度である。計測温度Ｔｓが第１温度Ｔ１よりも低い場合、制御部７は、熱電変換素子４を加熱モードに切り替える。これは、たとえば大気温度が相対的に低い時に起こりうる。加熱モードは、計測温度Ｔｓが第１温度Ｔ１に到達するまで継続される。計測温度Ｔｓが第１温度Ｔ１に達すると、熱電変換素子４は、中立モードに切り替えられる。なお、このときは、抵抗体層２と熱電変換素子４との温度差である温度差Ｔｓ−Ｔｔが基準温度差Ｔｃよりも小であることが条件とされている。中立モードにおいては、熱電変換素子４は、加熱、発電、冷却のいずれも行わず、電力の生成も消費も行わない。計測温度Ｔｓが第１温度Ｔ１および第２温度Ｔ２の間にあり、かつ抵抗体層２と熱電変換素子４との温度差である温度差Ｔｓ−Ｔｔが基準温度差Ｔｃ以上になると、熱電変換素子４は、変換モードに切り替えられ、上記温度差に起因する熱が電力に変換される。これは、熱電変換素子４における基板１の上部電極８と下部基板１２の下部電極９との温度差が、熱電変換効果（ペルティエ効果）によって発電可能な程度の大きさとなるほどに、温度蓄積が大きい場合に特に生じやすい。計測温度Ｔｓが第２温度Ｔ２より高くなると、制御部７は、熱電変換素子４を冷却モードに切り替える。この冷却モードにおいては、抵抗体層２が熱電変換素子４によって冷却される。これは、抵抗体層２の温度を所定の温度範囲内に維持することに寄与する。この所定の温度範囲内においては、大気温度が相対的に高い状態であっても、適切な印刷速度と印字品質とが維持される。熱電変換素子４に与えられる電圧は、適切な冷却および加熱を許容すべく、大気温度に依存して変化しうる。

本実施形態によれば、抵抗体層２によって生じた熱のうち印刷に寄与しない熱を熱電変換素子４によって電力に変換することができる。この電力を蓄電デバイス１３に蓄え、さらにサーマルプリンタＢ１の駆動補助に使用することにより、省電力化を図ることができる。

計測温度Ｔｓが第１温度Ｔ１より低いときに熱電変換素子４によって加熱することにより、抵抗体層２を印刷可能な温度に到達させる時間が不当に長くなってしまうことを抑制することができる。また計測温度Ｔｓが第２温度Ｔ２よりも高いときに熱電変換素子４によって冷却することにより、あるドットを印刷した後にドットの形成がもはや必要とされない時点において、抵抗体層２の温度を望ましい温度に下げることができる。

温度差Ｔｓ−Ｔ１が基準温度差Ｔｃ以上であるときに熱電変換素子４によって発電することにより、抵抗体層２に供給された電力のうち印刷に用いられなかった電力の少なくとも一部を電力として回収することができる。

図１６は、本発明の第４実施形態に基づくサーマルプリンタを示している。本実施形態のサーマルプリンタＢ２は、上述したサーマルプリントヘッドＡ２と蓄電コントローラ７７および蓄電デバイス１３とを備えている。

制御部７は、前述した計測温度Ｔｓおよび温度差Ｔｓ−Ｔｔに基づいて、複数の熱電変換素子４のそれぞれを前述した加熱モード、中立モード、変換モード、冷却モードに切り替えるように構成されている。これらのモードの切り替えについては、図１５を参照して説明した通りである。変換モードにおいては、各熱電変換素子４から得られた電力は、サーマルプリンタＢ１の駆動補助に用いられるか、あるいは蓄電デバイス１３に蓄電される。ある熱電変換素子４が冷却モード切り替えられることは、この熱電変換素子４に対応する抵抗体層領域２１の温度を所定の温度範囲内に維持することに寄与する。この所定の温度範囲内においては、大気温度が相対的に高い状態であっても、適切な印刷速度と印字品質とが維持される。

本実施形態によれば、抵抗体層２の温度状況が抵抗体層領域２１ごとに異なる場合であっても、それぞれの抵抗体層領域２１に適したモードで熱電変換素子４を駆動させることが可能であり、より効率的に印刷速度の向上や省電力化を図ることができる。

図１７は、本発明の第５実施形態に基づくサーマルプリントヘッドを示している。本実施形態のサーマルプリントヘッドＡ３は、上述したサーマルプリントヘッドＡ１，Ａ２と基本的構成が共通しており、さらに本実施形態においては、抵抗体層２に相当する抵抗体層５２、複数の個別電極５４、共通電極５５を備えているものとして構成されている。抵抗体層５２、個別電極５４および共通電極５５の断面構成は、たとえば図２に示した構成とされる。あるいは、これらの断面構成は、図４に示される構成であってもよい。複数の個別電極５４は、すべてがドライバＩＣ６に接続されている。共通電極５５は、複数の櫛歯状部分を有している。これらの櫛歯状部分は、それぞれがＸ方向に延びており、Ｙ方向に配列されている。抵抗体層５２は、複数の抵抗体部分５３を有している。抵抗体部分５３は、抵抗体層５２のうちＸ方向において対向する個別電極５４と共通電極５５の対応する櫛歯状部分とに挟まれた部分である。複数の抵抗体部分５３は、Ｙ方向において隙間をおいて配列されている。所望の抵抗体部分５３によってドットの印刷を行うときには、ドライバＩＣ６から個別電極５４および抵抗体部分５３を通して共通電極５５の上記複数の櫛歯状部分のうちこの抵抗体部分５３に繋がるものへと電流が流れる。これにより、抵抗体部分５３が発熱し印刷がなされる。抵抗体部分５３のうちＸ方向上流側にある端縁５３１は、Ｙ方向中央が凹んだ撓み形状とされており、抵抗体部分５３のＹ方向中央部分のＸ方向寸法が減じられている。撓み形状とされたこの端縁５３１は、Ｘ方向において感熱紙のドットの後縁に対応する。この撓み形状により、抵抗体部分５３の中央部分が周辺部分よりも高い温度であっても、この中央部分による印刷は、周辺部分による印刷よりも早く終了することとなる。これにより、ドットの印刷における不鮮明を効果的に回避することができる。図１７において、撓み形状は、円弧形状とされている。しかしながら、この円弧形状は撓み形状の一例にすぎない。

本実施形態によれば、抵抗体部分５３のＹ方向における温度分布が中央部分において不当に高くなってしまうことを回避することが可能であり、この温度分布を均一化することができる。したがって、サーマルプリントヘッドＡ３による印刷において、ドットの尾引きや不鮮明、かすれ、しみなどを抑制することができる。

図１８は、撓み形状の他の形態を示している。抵抗体部分５３の撓み形状としては、上述した円弧形状（同図最上段）に加えて、三角形状（同図上から２番目）、台形状（同図上から３番目）や、Ｙ方向両端にＹ方向に沿って延びる部分を有した上で、これらの部分に挟まれた矩形状（同図上から４番目）および半円形状（同図上から５番目）などの形態を適宜採用できる。

上述した不鮮明の回避効果をより適切に奏するには、基板１および抵抗体層５２の熱容量を最小化することが好ましく、このためには抵抗体層５２を抵抗体の薄膜によって構成することが好適である。

図２を参照して説明した製造方法は、抵抗体層５２、複数の個別電極５４および共通電極５５を形成する際にも採用される。抵抗体層５２となる抵抗体材料から成る薄膜と複数の個別電極５４および共通電極５５となる金属薄膜とを形成した後になされるパターニングには、フォトリソグラフィの手法によってマスクを形成することが適している。このような手法によれば、抵抗体部分５３の撓み形状を所望の形状に正確に仕上げることができる。より具体的には、抵抗体部分５３の撓み形状は、各個別電極５４の先端縁が撓み形状とされることによって実現される。

抵抗体層５２、複数の個別電極５４および共通電極５５が、図４に示した断面構成とされる場合、複数の個別電極５４および共通電極５５の上記複数の櫛歯状部分それぞれの先端部分が、グレーズ層７６に対して沈降する。そして、複数の個別電極５４および共通電極５５の上記複数の櫛歯状部分それぞれの先端部分の上面とグレーズ層７６の上面とがほぼ面一とされる。抵抗体部分５３は抵抗体層５２のうち対向する個別電極５４と共通電極５５の上記櫛歯状部分とに挟まれた部分によって構成される。本構成においては、抵抗体部分５３の撓み形状は、抵抗体層５２をパターニングすることによって、抵抗体層５２に上述した撓み形状を有する部分を形成することによって実現される。さらに好ましくは、図１９に示すように、個別電極５４の先端縁５４ａを同様の撓み形状とすることが好ましい。

図２０は、本発明の第６実施形態に基づくサーマルプリントヘッドを示している。本実施形態のサーマルプリントヘッドＡ４は、抵抗体部分５３の構成が上述したサーマルプリントヘッドＡ３と異なっている。本実施形態においては、抵抗体部分５３には、開口５６が形成されている。本実施形態においては、開口５６は、Ｙ方向を長軸とする楕円形状とされている。サーマルプリントヘッドＡ４の断面構造が、図２に示された構造である場合、このような開口５６は、たとえば上述したフォトリソグラフィの手法を用いたパターニングによって形成することができる。サーマルプリントヘッドＡ４の断面構造が図４に示された構造である場合、抵抗体材料を含むペーストを印刷する際に、開口５６に相当する空隙部を形成してもよいし、抵抗体材料からなる膜を形成した後に、パターニングによって開口５６を形成してもよい。開口５６は、図２７に示した温度分布をより均一化するのに寄与する。開口５６を形成しないと仮定した場合に温度分布がピークとなる位置に開口５６を形成することは、温度分布の均一化に好適である。また、温度分布の均一化を図ることは、印刷速度を低下させることなく印刷品質を向上させるのに資する。

本実施形態によれば、開口５６を設けることにより、より効果的に抵抗体部分５３のＹ方向における温度分布の均一化を図ることができる。

開口５６の形状は、楕円形状に限定されない。図２１は、開口５６の様々な形状を例示している。同図に示されたように、開口５６の形状は、楕円形状（同図最上段）のほかに、矩形状（同図上から２番目）、三角形状（同図上から３番目）、台形状（同図上から４番目）、半円形状（同図上から５番目）およびＸ方向を長軸とする楕円形状（同図上から６番目）などがある。

図２２は、サーマルプリントヘッドＡ３の他の構成例を示している。本例においても、その断面構造は、図２または図４に示された構成とされる。本例においては、サーマルプリントヘッドＡ３は、複数の個別電極５４、複数の共通電極５５および複数の中継電極５７を備えている。また、抵抗体層５２は、複数の抵抗体部分５３ａ，５３ｂを有している。複数の個別電極５４と複数の共通電極５５は、グレーズ層７６に対してＸ方向上流側に配置されており、互いに交互になるようにＹ方向に配列されている。複数の個別電極５４と複数の共通電極５５は、各々がＸ方向に延びる帯状とされている。抵抗体部分５３ａは、個別電極５４のＸ方向下流側に配置されており、抵抗体部分５３ｂは、共通電極５５のＸ方向下流側に配置されている。複数の抵抗体部分５３ａと複数の抵抗体部分５３ｂとは、互いに交互となるようにＹ方向に配列されている。複数の中継電極５７は、本実施形態においては２つの帯状端部を有するコの字状とされており、複数の抵抗体部分５３ａ，５３ｂに対してＸ方向下流側に配置されている。各中継電極５７の一方の帯状端部は、抵抗体部分５３ａに繋がっており、他方の帯状端部は、抵抗体部分５３ｂに繋がっている。ドライバＩＣ６からの電流は、個別電極５４から、抵抗体部分５３ａ、中継電極５７、抵抗体部分５３ｂを経由して、共通電極５５へと流れる。このため、互いに隣接する抵抗体部分５３ａ，５３ｂが１つのドットを印刷するための発熱要素を構成している。抵抗体部分５３ａ，５３ｂのＸ方向上流側の端縁５３１ａ，５３１ｂが撓み形状となっている点は、図１７および図１９に示された構成と同様であり、その形成手法も同様である。抵抗体部分５３ａ，５３ｂの撓み形状は、図１８に例示されたように様々な形状を採用しうる。このような実施形態によっても、印刷におけるドットの尾引きや不鮮明、かすれ、しみなどを抑制することができる。

図２３は、サーマルプリントヘッドＡ４の他の構成例を示している。本例においても、その断面構造は、図２または図４に示された構成とされる。本例においては、サーマルプリントヘッドＡ４は、図２２に示された構成と同様に、複数の個別電極５４、複数の共通電極５５および複数の中継電極５７を備えている。これらの構成要素は、図２２を参照して説明したとおりである。言い換えると、図２３に示された構成は、図２２に示された構成に対して、各抵抗体部分５３ａ，５３ｂに開口５６が形成されている点が異なる。図２１に示されたように、本例においても抵抗体部分５３ａ，５３ｂの開口５６は、様々な形状を採用しうる。このような実施形態によっても、印刷におけるドットの尾引きや不鮮明、かすれ、しみなどを抑制することができる。

図２４は、本発明に係る第７実施形態に基づくサーマルプリントヘッドを示している。本実施形態のサーマルプリントヘッドＡ５は、断面構造が図３に示された構成とされている。複数の個別電極５４は、グレーズ層７６に対してＸ方向上流側から延びており、Ｙ方向に配列されている。共通電極５５は、Ｙ方向に延びる太い帯状部分と、この太い帯状部分からＸ方向上流側に延びる複数の櫛歯状部分とを有している。共通電極５５の複数の櫛歯状部分と複数の個別電極５４とは、グレーズ層７６上においてＹ方向に互いに交互に配置されている。抵抗体層５２は、Ｙ方向に長く延びる帯状であり、共通電極５５の複数の櫛歯状部分と複数の個別電極５４とを跨ぐようにして、グレーズ層７６上に形成されている。

ドライバＩＣ６からある個別電極５４に電流が流されると、この電流は抵抗体層５２を経由して共通電極５５の複数の櫛歯状部分のうちこの個別電極５４を挟んで位置する２つの櫛歯状部分へと流れる。このため、抵抗体層５２のうち、ある個別電極５４を跨いで両側の上記櫛歯状部分に挟まれた部分が、抵抗体部分５３となっている。印刷の際には、各抵抗体部分５３がドットを印刷するための熱を発する発熱要素を構成する。

抵抗体部分５３のＸ方向上流側の端縁５３１は、撓み形状の部分を有している。より詳しくは、端縁５３１のうち、個別電極５４と共通電極５５の櫛歯状部分とに挟まれた部分が撓み形状とされている。このため、１つの抵抗体部分５３の端縁５３１に２つの撓み形状部分が形成されている。この撓み形状としては、図１８に例示された形状を採用しうる。このような撓み形状の形成は、たとえば抵抗体層５２を形成するための印刷において撓み形状に相当する形状を印刷によって実現する手法が採用できる。あるいは、抵抗体層５２となるべき抵抗体材料からなる層を形成した後に、この層に対してパターニングを施すことにより撓み形状を形成してもよい。さらに、図２０および図２１に示した開口５６を本実施形態の抵抗体部分５３に形成してもよい。

このような実施形態によっても、印刷におけるドットの尾引きや不鮮明、かすれ、しみなどを抑制することができる。

本発明に係るサーマルプリントヘッドおよびサーマルプリンタは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るサーマルプリントヘッドおよびサーマルプリンタの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ１〜Ａ５ サーマルプリントヘッド
Ｂ１，Ｂ２ サーマルプリンタ
Ｂ２ サーマルプリンタ
１ 基板
２ 抵抗体層
３ センサ
４ 熱電変換素子
５ ヒートシンク
６ ドライバＩＣ
７ 制御部
８ 上部電極
９ 下部電極
１０ Ｎ型半導体
１１ Ｐ型半導体
１２ 下部基板
１３ 蓄電デバイス
２１ 抵抗体層領域
２２ 抵抗体部分
５２ 抵抗体層
５３ 抵抗体部分
５３ａ 抵抗体部分
５３ｂ 抵抗体部分
５４ 個別電極
５４ａ 先端縁
５５ 共通電極
５６ 開口
５７ 中継電極
７１ 計数器
７２ 比較器
７３ 電荷蓄積器
７４ 電圧比較器
７５ 温度モニタ
７６ グレーズ層
７７ 蓄電コントローラ
８５ モード制御信号
１０２ 抵抗体層
５３１ 端縁
５３１ａ，５３１ｂ 端縁
７７２ 蓄電回路
７７３ 電圧モニタ
７７４ 電流モニタ
Ｔ１ 第１温度
Ｔ２ 第２温度
Ｔｃ 基準温度差
Ｔｓ 計測温度
Ｔｔ 温度

Claims (39)

1. 基板と、
   上記基板の一面に形成された抵抗体層と、
   制御部と、
   上記基板の上記抵抗体層とは反対側に位置する他方の面に形成された熱電変換素子と、を備え、
   上記制御部は、上記熱電変換素子を用いて上記抵抗体層を冷却するように構成されている、サーマルプリントヘッド。
2. 上記熱電変換素子は、上記基板の上記他方の面に直接接し、半導体の一方側が電気的および機械的に接続された上部電極、および下部基板に直接接し、上記半導体の他方側が電気的および機械的に接続された下部電極、を有し、
   上記上部電極および上記下部電極は、印刷、スパッタリング、デポジッティングおよびめっきのいずれかによって上記基板および上記下部基板に形成された厚さ２μｍ以下の金属薄膜からなる、請求項１に記載のサーマルプリントヘッド。
3. 上記抵抗体層に隣接して配置されたセンサを備え、
   上記制御部は、上記センサによって計測された上記抵抗体層の温度に基づいて、上記熱電変換素子を用いて上記抵抗体層を加熱または冷却することにより、上記抵抗体層の温度をあらかじめ設定された温度範囲内に維持するように構成されている、請求項２に記載のサーマルプリントヘッド。
4. 上記熱電変換素子が、ヒートシンクに取り付けられている、請求項３に記載のサーマルプリントヘッド。
5. 上記制御部は、上記抵抗体層に対する電力に基づいて上記熱電変換素子を用いて上記抵抗体層を冷却する、請求項１に記載のサーマルプリントヘッド。
6. 上記制御部は、単位時間あたりに上記抵抗体層に供給された電力量があらかじめ定められた電力量を超えたときに、上記熱電変換素子を用いて上記抵抗体層を冷却する、請求項１に記載のサーマルプリントヘッド。
7. 上記制御部は、上記熱電変換素子を用いて上記抵抗体層を事前に冷却する、請求項１に記載のサーマルプリントヘッド。
8. 上記制御部は、上記熱電変換素子を用いて上記抵抗体層を冷却するに際し、上記熱電変換素子に与える電圧を、上記抵抗体層に供給される電力に基づいて連続的に変化させる構成とされている、請求項１に記載のサーマルプリントヘッド。
9. 上記抵抗体層に隣接して配置されたセンサを備え、
   上記制御部は、上記センサによって計測された上記抵抗体層の温度に基づいて、上記熱電変換素子を用いて上記抵抗体層を加熱または冷却することにより、上記抵抗体層の温度をあらかじめ設定された温度範囲内に維持するように構成されている、請求項６に記載のサーマルプリントヘッド。
10. 上記熱電変換素子は、ヒートシンク上に配置されている、請求項９に記載のサーマルプリントヘッド。
11. 上記制御部は、上記熱電変換素子の上記抵抗体層側と反対側との温度差が十分な大きさとなったときに上記熱電変換素子によって生成される、あらかじめ定められた量の電流を検知すると、上記抵抗体層を冷却する状態へと上記熱電変換素子を切り替える、請求項１に記載のサーマルプリントヘッド。
12. 上記制御部は、単位時間あたりに上記抵抗体層に供給された電力量があらかじめ定められた電力量を超えたときに、上記熱電変換素子を用いて上記抵抗体層を冷却する、請求項１１に記載のサーマルプリントヘッド。
13. 上記熱電変換素子の上記反対側に配置されたセンサをさらに備え、
    上記制御部は、上記センサによって計測された上記熱電変換素子の上記反対側の温度があらかじめ定められた第１温度を下回り、かつ上記熱電変換素子が発電していないときに、上記熱電変換素子によって上記抵抗体層を加熱するとともに、上記温度があらかじめ定められた第２温度を超え、かつ上記熱電変換素子によってあらかじめ定められた量の電流が生じているときに、上記熱電変換素子によって上記抵抗体層を冷却することにより、上記抵抗体層の温度をあらかじめ定められた温度範囲内に維持する、請求項１２に記載のサーマルプリントヘッド。
14. 基板と、
    上記基板の一面に形成され、かつ複数の抵抗体層領域に分割された抵抗体層であって、上記各抵抗体層領域がさらに、各々が発熱要素を構成する複数の抵抗体部分に分割されている、抵抗体層と、
    上記基板の上記抵抗体層とは反対側に位置する他方の面に形成された複数の熱電変換素子と、
    制御部と、
    を備え、
    上記複数の熱電変換素子は、各々が上記基板の上記他方の面のうち上記複数の抵抗体層領域のいずれかに対応する位置に形成されており、
    上記制御部は、上記複数の熱電変換素子のうち対応するものによって上記各抵抗体層領域を冷却するように構成されている、サーマルプリントヘッド。
15. 上記複数の熱電変換素子の各々は、上記基板の上記他方の面に直接接し、半導体の一方側が電気的および機械的に接続された上部電極、および下部基板に直接接し、上記半導体の他方側が電気的および機械的に接続された下部電極、を有し、
    上記上部電極および上記下部電極は、印刷、スパッタリング、デポジッティングおよびめっきのいずれかによって上記基板および上記下部基板に形成された厚さ２μｍ以下の金属薄膜からなる、請求項１４に記載のサーマルプリントヘッド。
16. 各々が上記複数の抵抗体層領域のいずれかに隣接して上記基板上に配置された複数のセンサを備え、
    上記各センサは、上記複数の抵抗体層領域のうち対応するものの温度を計測し、
    上記各センサによって計測された計測温度が、あらかじめ定められた温度範囲から外れたときに、上記複数の熱電変換素子のうち対応するものが、上記計測温度を上記温度範囲内に維持するように上記複数の熱電変換素子のうち対応するものを加熱または冷却する、請求項１５に記載のサーマルプリントヘッド。
17. 複数の熱電変換素子は、ヒートシンクに取り付けられている、請求項１６に記載のサーマルプリントヘッド。
18. 上記制御部は、上記各抵抗体層領域に対する電力に基づいて、上記複数の熱電変換素子のうち対応する熱電変換素子を用いて当該抵抗体層領域を冷却する、請求項１４に記載のサーマルプリントヘッド。
19. 上記制御部は、単位時間あたりに上記複数の抵抗体層領域のいずれかに供給された電力量があらかじめ設定された量を超えたときに、この抵抗体層領域に対応する上記熱電変換素子を用いてこの抵抗体層領域を冷却する、請求項１４に記載のサーマルプリントヘッド。
20. 上記制御部は、上記複数の抵抗体層領域のいずれかに対応する上記熱電変換素子を用いて、この抵抗体層領域を事前に冷却する、請求項１４に記載のサーマルプリントヘッド。
21. 上記制御部は、上記複数の熱電変換素子のうち対応する熱電変換素子を用いて上記各抵抗体層領域を冷却するに際し、当該対応する熱電変換素子に与える電圧を、上記抵抗体層領域に対する電力に基づいて連続的に変化させる構成とされている、請求項１４に記載のサーマルプリントヘッド。
22. 各々が上記複数の抵抗体層領域のいずれかに隣接して上記基板上に配置された複数のセンサを備え、
    上記各センサは、上記複数の抵抗体層領域のうち対応するものの温度を計測し、
    上記各センサによって計測された計測温度が、あらかじめ定められた温度範囲から外れたときに、上記複数の熱電変換素子のうち対応するものが、上記計測温度を上記温度範囲内に維持するように、上記複数の抵抗体層領域のうち対応するものを加熱または冷却する、請求項１９に記載のサーマルプリントヘッド。
23. 上記複数の熱電変換素子は、ヒートシンク上に配置されている、請求項２２に記載のサーマルプリントヘッド。
24. 請求項１に記載のサーマルプリントヘッドと、
    エネルギー蓄積装置と、
    を備え、
    上記熱電変換素子は、上記抵抗体層と上記熱電変換素子のうち上記抵抗体層が配置された側とは反対側との温度差が十分に大きい場合に、上記抵抗体層によって生成された熱を電力に変換し、この変換された電力は、上記エネルギー蓄積装置に蓄えられる、サーマルプリンタ。
25. 上記抵抗体層に隣接して配置され、上記抵抗体層の温度を計測するセンサをさらに備え、
    上記制御部は、上記センサによって計測された計測温度に基づいて上記エネルギー蓄積装置に上記電力を蓄えるように構成されている、請求項２４に記載のサーマルプリンタ。
26. 上記熱電変換素子は、加熱モード、中立モード、変換モード、および冷却モード、のいずれかの状態で動作し、
    上記加熱モードは、上記計測温度があらかじめ定められた第１温度よりも低いときに上記抵抗体層を加熱するために用いられ、
    上記中立モードは、上記計測温度が上記第１温度とあらかじめ定められた第２温度との間にあり、上記熱電変換素子が熱を電力に変換しうる臨界温度差よりも上記温度差が小さいときに用いられ、
    上記変換モードは、上記計測温度が上記第１温度と上記第２温度の間にあり、かつ上記温度差が上記臨界温度差以上であるときに、熱を電力に変換するため、および電力を上記エネルギー蓄積装置に蓄えるために用いられ、
    上記冷却モードは、上記計測温度が上記第２温度よりも高いときに上記抵抗体層を冷却するために用いられる、請求項２５に記載のサーマルプリンタ。
27. 上記第１温度および上記第２温度は、雰囲気温度に依存する、請求項２６に記載のサーマルプリンタ。
28. 上記エネルギー蓄積装置があらかじめ定められた蓄積レベルに達したときに、上記電力が、このサーマルプリンタの駆動を補助するために使用される、請求項２４ないし２７のいずれかに記載のサーマルプリンタ。
29. 上記サーマルプリントヘッドにヒートシンクが取り付けられている、請求項２４ないし２８のいずれかに記載のサーマルプリンタ。
30. 請求項１４に記載のサーマルプリントヘッドと、
    エネルギー蓄積装置と、
    を備え、
    上記複数の熱電変換素子は、対応する上記抵抗体層領域と対応する上記熱電変換素子の反対側との温度差が熱を電力に変換するのに十分な大きさとなったときに、対応する上記抵抗体層領域によって生成された熱を電力に変換し、
    上記変換された電力は、上記エネルギー蓄積装置に蓄えられる、サーマルプリンタ。
31. 上記各抵抗体層領域に隣接して配置され、対応する抵抗体層領域の温度を計測するセンサを備え、
    上記制御部は、上記センサによって計測された計測温度に基づいて上記エネルギー蓄積装置に上記電力を蓄えるように構成されている、請求項３０に記載のサーマルプリンタ。
32. 上記熱電変換素子は、加熱モード、中立モード、変換モード、および冷却モード、のいずれかの状態で動作し、
    上記加熱モードは、上記計測温度があらかじめ定められた第１温度よりも低いときに上記抵抗体層を加熱するために用いられ、
    上記中立モードは、上記計測温度が上記第１温度とあらかじめ定められた第２温度との間にあり、上記熱電変換素子が熱を電力に変換しうる臨界温度差よりも上記温度差が小さいときに用いられ、
    上記変換モードは、上記計測温度が上記第１温度と上記第２温度の間にあり、かつ上記温度差が上記臨界温度差以上であるときに、熱を電力に変換するため、および電力を上記エネルギー蓄積装置に蓄えるために用いられ、
    上記冷却モードは、上記計測温度が上記第２温度よりも高いときに上記抵抗体層を冷却するために用いられる、請求項３１に記載のサーマルプリンタ。
33. 上記第１温度および上記第２温度は、雰囲気温度に依存する、請求項３２に記載のサーマルプリンタ。
34. 上記電力は、上記エネルギー蓄積装置があらかじめ定められた蓄積レベルに達したときに、このサーマルプリンタの駆動を補助するために使用される、請求項３０ないし３３のいずれかに記載のサーマルプリンタ。
35. 上記サーマルプリントヘッドにヒートシンクが取り付けられている、請求項３０ないし３４のいずれかに記載のサーマルプリンタ。
36. 上記抵抗体層は、各々が印刷において印刷対象物にドットを形成するための熱を発する発熱要素を構成する複数の抵抗体部分を有しており、
    上記各抵抗体部分は、上記印刷対象物が送られる方向である副走査方向における長さが、この副走査方向に対して直角である主走査方向において中央部分が両側部分よりも小となっている、請求項１に記載のサーマルプリントヘッド。
37. 上記各抵抗体部分は、副走査方向において離間する２つの端縁の少なくともいずれかが内方に凹む撓み形状とされている、請求項３６に記載のサーマルプリントヘッド。
38. 上記撓み形状とされた上記端縁は、副走査方向において上記印刷対象物が送られる上流側に位置する、請求項３７に記載のサーマルプリントヘッド。
39. 上記各抵抗体部分は、開口を有する、請求項３６ないし３８のいずれかに記載のサーマルプリントヘッド。

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