JP2019031058A - サーマルプリントヘッド及びサーマルプリンタ - Google Patents

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恵 山内
Megumi Yamauchi
恵 山内
山本 剛
Takeshi Yamamoto
剛 山本
好英 阿部
Yoshihide Abe
好英 阿部
智法 鈴木
Tomonori Suzuki
智法 鈴木
優樹 小森
Masaki Komori
優樹 小森
隆司 宇佐
Takashi Usa
隆司 宇佐
敦規 安藤
Atsunori Ando
敦規 安藤
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Abstract

【課題】耐久性を向上することができるサーマルプリントヘッドを提供する。【解決手段】サーマルプリントヘッドは、印画媒体に対向する第1面9a、第1面に接続し第1面に対して傾いた面を有する斜面9d、を有する基板9と、基板の斜面の上に形成されている第1蓄熱層10aと、基板の第1面の上に形成されている第2蓄熱層10bと、基板の第1面と斜面との境界をなす角部9eを覆うように形成されている第3蓄熱層10cと、第1蓄熱層の上に形成されている発熱部14と、第1蓄熱層、第2蓄熱層及び第3蓄熱層の上に形成され、発熱部に電気的に接続されている電極と、を備える。【選択図】図2

Description

本発明の実施形態は、サーマルプリントヘッド及びサーマルプリンタに関する。
サーマルプリントヘッドは、発熱領域に配列された複数の抵抗体を発熱させ、その熱により感熱印画媒体等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、イメージャ、シールプリンタ等の記録機器に広く使用されている。
近年、印画媒体の硬質化と印刷速度の高速化が進んでいる。印画媒体の硬質化に伴い、サーマルプリントヘッドに印画媒体が接触する際の衝撃が増大している。また、印画速度の高速化に伴い、プラテンローラが印画媒体を介してサーマルプリントヘッドを押圧する押圧力が高くなっている。この衝撃と押圧力の高まりに伴い、サーマルプリントヘッドのさらなる耐久性の向上が望まれている。
特開2013−202968号公報
本発明は、上述の事情の下になされたもので、サーマルプリントヘッドの耐久性を向上することを課題とする。
上記課題を解決するため、本実施形態に係るサーマルプリントヘッドは、印画媒体に対向する第1面、前記第1面に接続し前記第1面に対して傾いた面を有する斜面、を有する基板と、前記基板の前記斜面の上に形成されている第1蓄熱層と、前記基板の前記第1面の上に形成されている第2蓄熱層と、前記基板の前記第1面と前記斜面との境界をなす角部を覆うように形成されている第3蓄熱層と、前記第1蓄熱層の上に形成されている発熱部と、前記第1蓄熱層、前記第2蓄熱層及び前記第3蓄熱層の上に形成され、前記発熱部に電気的に接続されている電極と、を備える。
また、本実施形態に係るサーマルプリンタは、本実施形態に係るサーマルプリントヘッドと、前記サーマルプリントヘッドが備える発熱部上に印画媒体を搬送する搬送機構と、前記発熱部に前記印画媒体を押圧するプラテンローラと、を備える。
第1の実施形態に係るサーマルプリントヘッドの上面図である。 第1の実施形態に係るヘッド基板の断面図である。 第1の実施形態に係るヘッド基板の上面図である。 第1の実施形態に係る回路基板の断面図である。 第1の実施形態に係るヘッド基板と回路基板との接続について説明するための図である。 第1の実施形態に係るサーマルプリンタの断面図である。 変形例1に係るサーマルプリントヘッドの断面図である。 変形例2に係るサーマルプリントヘッドの断面図である。
《第1の実施形態》
以下、本発明の第1の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態は例示であり、本発明の技術的範囲はこれに限定されない。また、図面は模式的なものであり、寸法等は現実のものとは異なる。
図1は、第1の実施形態に係るサーマルプリントヘッド100の上面図である。図1に示すように、サーマルプリントヘッド100は、放熱板20、ヘッド基板30、回路基板40を備える。ヘッド基板30及び回路基板40は、放熱板20の主面上に、互いに隣接して接着剤で固定される。接着剤には、両面接着テープ、軟性のあるシリコン樹脂等の熱硬化性樹脂接着剤を使用することができる。ここで、図1に示す方向Xは主走査方向であり、方向Yは印画媒体の移動方向である副走査方向である。
放熱板20は、例えば、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属で形成された平板である。
ヘッド基板30は、印画媒体70に印字する機能を有する。ヘッド基板30は、図1に示すように、主走査方向Xを長手方向とする部材である。ヘッド基板30は、図2に示すように、支持基板9およびグレーズ層を形成する第1蓄熱層10a、第2蓄熱層10b、第3蓄熱層10cを備える。支持基板9は、耐熱性を有する絶縁体材料からなり、例えば、アルミナ等のセラミックスにより構成されている。支持基板9は、SiN,SiC,石英、AlN、あるいは、Si,Al,O,N等を含むファインセラミックスであってもよい。グレーズ層を形成する第1蓄熱層10a、第2蓄熱層10b、第3蓄熱層10cは、例えばSiOからなるガラス膜あるいは樹脂膜等からなり、支持基板9に積層している。グレーズ層を形成する第1蓄熱層10a、第2蓄熱層10b、第3蓄熱層10cは、例えば、ガラスの粉末を有機溶剤で混合したガラスペーストを支持基板9上に印刷した後、焼成して形成することができる。
支持基板9は、図2に示すように、第1面9a,第1面9aに対向する第2面9b、側面9c、第1面9aに接続し第1面9aに対して傾いた斜面9dを有している。第1面9aと斜面9dとの境界をなす角部を第1角部9eとする。側面9cと斜面9dとの境界をなす角部を第2角部9fとする。
斜面9d上に第1蓄熱層10aが形成されている。第1蓄熱層10aは、支持基板9の側面9cと斜面9dとにより形成される第2角部9fを覆わないように形成されている。第1蓄熱層10aが、支持基板9の側面9cと斜面9dとの境界を形成する第2角部9fから連続して斜面9dに渡り形成されていてもよい。第1蓄熱層10aは、熱伝導性の低いガラスで形成されており、発熱部14(発熱抵抗体)で発生する熱が支持基板9側に放熱されることを抑制する。第1蓄熱層10aは、斜面9d上にのみ設けられているため、第1蓄熱層10aの体積は小さく、その熱容量も小さいので、第1蓄熱層10aに蓄積される熱量は少ない。
また、第1角部9eを覆うように第3蓄熱層10cが形成されている。また、第3蓄熱層10cは、支持基板9の第1面9aから斜面9d上に伸ばした第1仮想面よりも上方まで盛り上がって形成されている。また、第1面9aを覆うように第2蓄熱層10bが形成されている。
第1蓄熱層10aと第3蓄熱層10cとは、第2角部9fから第1角部9eに向かう方向に離間して形成されている。第1蓄熱層10aと第3蓄熱層10cとを離間することにより、第1蓄熱層10aの熱容量を小さくしている。また、第3蓄熱層10cと第2蓄熱層10bとは、Y軸方向に離間して形成されている。
ここで、ヘッド基板30の作成方法について説明する。支持基板9は、例えばアルミナセラミックスからなる板厚が0.5mm〜1.0mm程度の長方形の平板である。図2に示すように、支持基板9の一端は斜めにカットされ、斜面9dとなっている。支持基板9の上にガラスからなるグレーズ層を形成する第1蓄熱層10a、第2蓄熱層10b、第3蓄熱層10cを形成する。具体的には、ガラスの粉末を有機溶剤で混合したガラスペーストを支持基板9上に印刷した後、焼成して第1蓄熱層10a、第2蓄熱層10b、第3蓄熱層10cを形成する。また、支持基板9上にガラスペーストを印刷し焼成した後に、フォトエングレービングプロセスにより第1蓄熱層10a、第2蓄熱層10b、第3蓄熱層10cの離間する部分をエッチング除去し、再度焼成してもよい。
次に、第1蓄熱層10a、第2蓄熱層10b、第3蓄熱層10cの上に、スパッタ装置等の薄膜形成装置により、抵抗体層11及び導電体層12を順に積層する。抵抗体層11と導電体層12とは、電気的に接続されている。その後、フォトエングレービングプロセスにより、抵抗体層11及び導電体層12を形成する。導電体層12が、個別電極15、共通電極16及び接続部17となる。個別電極15及び共通電極16は、幅がGであり、ピッチがPで配列している。続いて、導電体層12の図3に斜線で示す部分(幅G、長さL)をエッチング除去する。この導電体層12をエッチング除去した部分の抵抗体層11が発熱部14となる。発熱部14は、図3に示すように、主走査方向Xに向かってピッチPでアレイ状に形成されている。この発熱部14の面積とピッチPにより、印画媒体に印画される画素の密度(ドット/インチ)が決まる。発熱部14の一端には、個別電極15もしくは共通電極16が接続されている。発熱部14の他端は、他の発熱部14の他端と接続部17を介して接続されている。
更に、個別電極15及び共通電極16及び発熱部14を覆う保護膜13を形成する。個別電極15及び共通電極16と後述する回路基板40とをボンディングワイヤ42で接続するために、個別電極15及び共通電極16の該当箇所の保護膜13には開口部を設けておく。
抵抗体層11は、例えば、TaSiO,NbSiO,TaSiNO,TiSiCO系の電気抵抗体材料からなる。導電体層12は、例えば、Al,Cu,AlCu合金等の金属を主材料として形成される。保護膜13は、SiO膜、SiN膜、SiON膜、SiC膜等の硬質で緻密な熱伝導率の高い絶縁体材料から形成される。保護膜13の表面材料に少なくともSiと炭素が含まれていると熱伝導率が高くなるので好適である。この保護膜13は、少なくとも発熱部14、個別電極15、共通電極16を被覆し、プラテンローラ50による印画媒体の圧接、あるいは摺接による摩耗、並びに大気中の水分等の接触による腐食からサーマルプリントヘッド100を保護する機能を有する。以上のようにしてヘッド基板30が作成される。
回路基板40は、制御装置80の制御に基づいて、ヘッド基板30に電流を供給する機能を有する。回路基板40は、図4に示すように、放熱板20の主面上にヘッド基板30と隣り合うように配置される。
図5は、ヘッド基板30と回路基板40との接続について説明するための図である。回路基板40のヘッド基板30寄り上面には、所定数の駆動用IC41が実装されている。他端にはコネクタ44が実装されている。駆動用IC41とコネクタ44とは、プリント配線等により接続されている。ヘッド基板30の発熱部14の数に応じて、回路基板40には複数の駆動用IC41が実装されるが、図5は駆動用IC41が1個の場合を示しいている。駆動用IC41は、発熱部14に供給する電流を制御可能なスイッチング機能を有する制御素子である。具体的には、駆動用IC41は、コネクタ44を介して制御装置80から受信した制御信号に基づいて、電源装置90から電流を供給するか否かをヘッド基板30の発熱部14ごとに制御する。駆動用IC41の出力は、ボンディングワイヤ42を介してヘッド基板30の個別電極15及び共通電極16に電気的に接続されている。
図4に示すように、駆動用IC41及びボンディングワイヤ42は、エポキシ系樹脂からなる封止材43によって封止されている。封止材43によって、ヘッド基板30と回路基板40とを接続するボンディングワイヤ42及び駆動用IC41が保護される。熱硬化性樹脂であるエポキシ系樹脂塗料を封止材43として塗布し、100℃程度における数時間の加熱処理により熱硬化させる。封止材43で、ヘッド基板30の個別電極15及び共通電極16、回路基板40の配線部分も保護するようにしてもよい。封止材43には、熱硬化性樹脂であるエポキシ系樹脂塗料を主に用いるが、熱硬化後にある程度の柔軟性を有するシリコン系樹脂を用いることもある。
次に、ヘッド基板30の動作について説明する。ヘッド基板30には、回路基板40による制御に基づいて、個別電極15と共通電極16間に電流が供給される。抵抗体層11と導電体層12とが接触している部分では、回路基板40から供給された電流は抵抗が低い導電体層12を流れるので、抵抗体層11は発熱しない。しかし、導電体層12をエッチング除去した部分では、電流は抵抗が高い抵抗体層11を流れるので、抵抗体層11が発熱する。この導電体層12がエッチング除去されている部分の抵抗体層11が発熱部14として機能する。
次に、上記で説明したサーマルプリントヘッド100を備えるサーマルプリンタ200について、図6を参照して説明する。図6は、サーマルプリンタ200の概略断面図である。図6に示すように、サーマルプリンタ200は、上述したサーマルプリントヘッド100、プラテンローラ50、搬送機構60を備える。
搬送機構60は、印画媒体70と印画媒体70に粘着されているインクリボン71とを搬送媒体61によって副走査方向Yに搬送する。プラテンローラ50は、搬送媒体61とともに印画媒体70とインクリボン71をヘッド基板30の発熱部14付近に押し付ける。回路基板40の駆動用IC41は、制御装置80から制御信号を受け、印刷する画像の画素に対応する発熱部14を発熱するように、電源装置90から該当する発熱部14に電流を供給する。駆動用IC41は、搬送機構60による印画媒体70の移動速度に対応して、発熱部14への通電のオン・オフを高速制御する。発熱部14は、電流が供給されている間発熱する。プラテンローラ50によりヘッド基板30に押圧されたインクリボン71のインクは、発熱している発熱部14の上に位置する部分のインクのみが溶け、印画媒体70に付着する。
インクリボン71のインクを溶融した残余の熱は、熱容量の小さい第1蓄熱層10a、支持基板9、放熱板20を介して放熱される。第1蓄熱層10aは、熱容量が小さいので発熱部14の高速な温度変化に追随して高速に温度変化する。発熱部14への電流供給が停止した後、第1蓄熱層10aが高温状態を長時間維持していると、電流が供給されていない発熱部14の周辺も高温状態が継続することになる。その結果、印画媒体70にはボケた画像が形成されることになる。本実施形態に係るサーマルプリントヘッド100では、発熱部14の高速な温度変化に追随して第1蓄熱層10aの温度も高速に変化するので、サーマルプリンタ200は、印画媒体70の高速移動とともに印画媒体70に鮮明な画像を形成することができる。
以上説明したように、本実施形態に係るサーマルプリントヘッド100では、斜面9d上の第1蓄熱層10a上に発熱部14が形成され、第1角部9eには第3蓄熱層10cが形成されている。
第3蓄熱層10cが第1角部9eに形成されない場合、第1角部9eに形成される電極及び保護膜13が剥離しやすく耐久性が低下する。しかし、第1角部9eを覆うように第3蓄熱層10cを形成することにより、電極及び保護膜13等が破損して第1角部9eから剥離することを低減することができ、サーマルプリントヘッド100の耐久性を向上させることができる。
また、支持基板9の第1面9aは、第2蓄熱層10bで覆われている。これにより、第1面9a上に形成されている電極(個別電極15及び共通電極16)を保護し、サーマルプリントヘッド100の耐久性を向上させることができる。
さらに、第1蓄熱層10aと第3蓄熱層10cとが分離して形成されている。したがって、第1蓄熱層10aの体積は小さく、その熱容量は小さい。したがって、発熱部14を高速にオン・オフしても、第1蓄熱層10aは、そのオン・オフに対応して高速に温度変化することができ、発熱部14近傍の温度も、発熱部14の制御速度に対応して高速に変化する。これにより、サーマルプリントヘッド100の熱応答性を向上させることができる。
また、第1蓄熱層10aと第3蓄熱層10cとを厚いグレーズ層によって接続した場合、グレーズ層を焼成する際に、焼成の温度等により、第1蓄熱層10aにグレーズが引き寄せられて、第1角部9eに所望の厚さで第3蓄熱層10cを形成できない場合がある。逆に、第3蓄熱層10cが厚くなりすぎて、印画媒体70の搬送の妨げになる場合がある。本実施形態に係るサーマルプリントヘッド100では、第1蓄熱層10aと第3蓄熱層10cとを離間して形成することにより、また、第2蓄熱層10bと第3蓄熱層10cとを離間して形成することにより、想定外のグレーズの移動を無くすことができ、第1角部9eに所望の厚さのグレーズ層(第3蓄熱層10c)を安定して形成することができる。第1角部9eを覆うように第3蓄熱層10cを形成することにより、第3蓄熱層10cが、支持基板9の第1面9aから斜面9d上に伸ばした第1仮想面よりも上方まで形成される。これにより、第1蓄熱層10aと第3蓄熱層10cとを覆う保護膜13で形成される面、及び、第1蓄熱層10aと第3蓄熱層10cとを覆う保護膜13で形成される面により、直線的な印画媒体70の搬送経路を確保することができ、硬質の印画媒体70でも高速に搬送することができる。
なお、上記の説明では、インクリボン71を用いて印画媒体70に印刷する場合について説明したが、印刷方法はこれに限定する必要はない。例えば、印画媒体70が感熱紙であってもよい。印画媒体70が感熱紙の場合、通電により発熱している発熱部14の上に位置する印画媒体70の画素が感熱して着色する。
また、図5は、駆動用IC41が全ての配線をスイッチングする図になっているが、図5に示した配線パターンは一例であり、これに限定する必要はない。例えば、駆動用IC41を介さないで共通電極16を直接コネクタ44に接続するようにしてもよい。
また、図6では、印画媒体70が連続した状態で搬送される図になっているが、印画媒体70は分離した複数の印画媒体で構成されていてもよい。また、印画媒体70の材質は、紙、プラスチック、フィルム、金属など様々であり、材質を限定する必要はない。
《変形例1》
変形例1に係るサーマルプリントヘッド100は、図7に示すように、第1蓄熱層10aが、支持基板9の側面9cから斜面9d側に伸ばした第2仮想面をはみ出して形成されている点で、第1の実施形態と異なる。
第1蓄熱層10aの第2仮想面からのはみ出す程度を調整することにより、第1蓄熱層10aと第3蓄熱層10cにより形成される稜線の傾きを調整することができる。
《変形例2》
変形例2に係るサーマルプリントヘッド100は、図8に示すように、第1蓄熱層10aと第3蓄熱層10cとが、第3蓄熱層10cの厚さよりも薄い蓄熱層10dで連続的に接続されている点で、第1の実施形態と異なる。また、第3蓄熱層10cと第2蓄熱層10bとが、第3蓄熱層10cの厚さよりも薄い蓄熱層10eで連続的に接続されている点で、第1の実施形態と異なる。
第1蓄熱層10aと第3蓄熱層10cとを蓄熱層10dで接続し、第3蓄熱層10cと第2蓄熱層10bとを蓄熱層10eで接続することにより、支持基板9全体を連続した硬質のグレーズ層で覆うことができる。プラテンローラ50によって押圧された硬質の印画媒体70は、サーマルプリントヘッド100の斜面9d、第1角部9e、第1面9aなどの様々な位置に衝突する可能性がある。どの位置に衝撃が加わっても、支持基板9全体を硬質のグレーズ層で連続的に覆うことにより、その衝撃をグレーズ層の全体に分散することができる。したがって、衝撃が直接加わった個所の電極の損傷を低減でき、サーマルプリントヘッド100の耐久性を向上させることができる。
なお、蓄熱層10dは、薄いのでその断面積は狭く、熱伝導率は低い。つまり、第1蓄熱層10aから第3蓄熱層10cへの熱伝導は抑制される。したがって、第1蓄熱層10aと第3蓄熱層10cとを蓄熱層10dで接続しても、第1蓄熱層10aの熱容量を小さく保つことができる。したがって、サーマルプリントヘッド100の熱応答性を維持することができる。また、蓄熱層10d、10eを第3蓄熱層10cの厚さよりも薄く形成するので、グレーズ焼成時における想定外のグレーズの移動を抑制でき、第1角部9eに所望の厚さのグレーズ層(第3蓄熱層10c)を安定して形成することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
9…支持基板
9a…第1面
9b…第2面
9c…側面
9d…斜面
9e…第1角部
9f…第2角部
10a…第1蓄熱層
10b…第2蓄熱層
10c…第3蓄熱層
10d、10e…蓄熱層
11…抵抗体層
12…導電体層
13…保護膜
14…発熱部
15…個別電極
16…共通電極
17…接続部
20…放熱板
30…ヘッド基板
40…回路基板
41…駆動用IC
42…ボンディングワイヤ
43…保護膜
44…コネクタ
50…プラテンローラ
60…搬送機構
61…搬送媒体
70…印画媒体
71…インクリボン
80…制御装置
90…電源装置
100…サーマルプリントヘッド
200…サーマルプリンタ

Claims (7)

  1. 印画媒体に対向する第1面、前記第1面に接続し前記第1面に対して傾いた面を有する斜面、を有する基板と、
    前記基板の前記斜面の上に形成されている第1蓄熱層と、
    前記基板の前記第1面の上に形成されている第2蓄熱層と、
    前記基板の前記第1面と前記斜面との境界をなす角部を覆うように形成されている第3蓄熱層と、
    前記第1蓄熱層の上に形成されている発熱部と、
    前記第1蓄熱層、前記第2蓄熱層及び前記第3蓄熱層の上に形成され、前記発熱部に電気的に接続されている電極と、
    を備えるサーマルプリントヘッド。
  2. 前記第3蓄熱層が、前記基板の前記第1面から前記斜面上に伸ばした第1仮想面よりも上方まで形成されている、
    請求項1に記載のサーマルプリントヘッド。
  3. 前記第1蓄熱層が、前記基板の側面と前記斜面の境界から連続して前記斜面に渡り形成されている、
    請求項1または2に記載のサーマルプリントヘッド。
  4. 前記第1蓄熱層と前記第3蓄熱層とは隔離して形成されている、
    請求項1から3の何れか一項に記載のサーマルプリントヘッド。
  5. 前記第1蓄熱層と前記第3蓄熱層とが、前記第3蓄熱層の厚さよりも薄い蓄熱層で接続されて連続的に形成されている、
    請求項1から3の何れか一項に記載のサーマルプリントヘッド。
  6. 前記第3蓄熱層と前記第2蓄熱層とが、前記第3蓄熱層の厚さよりも薄い蓄熱層で接続されて連続的に形成されている、
    請求項1から3の何れか一項に記載のサーマルプリントヘッド。
  7. 請求項1から6の何れか一項に記載のサーマルプリントヘッドと、
    前記サーマルプリントヘッドが備える発熱部上に印画媒体を搬送する搬送機構と、
    前記発熱部に前記印画媒体を押圧するプラテンローラと、
    を備えるサーマルプリンタ。
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