JP2825280B2 - サーマルヘッドおよび熱記録装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、例えば感熱記録装置に適用されるサーマル
ヘッドおよび熱記録装置に関し、特に中間調画像の記録
を行うのに適したものに関する。

（従来の技術） 第34図は従来の一般的なサーマルヘッドの１画素分を
示す平面図である。同図において341は発熱抵抗体であ
り、長方形をなしている。この長方形の発熱抵抗体の一
片および当該一片の対辺には、一対のリード電極342,34
3が接続されている。そして、同図に示す構成のもの
が、例えばセラミックスまたはアルミナなどからなる絶
縁基板上に一次元的あるいは二次元的に複数配列されて
サーマルヘッドが形成されている。かくして上記一対の
リード電極342,343に電圧を印加することによって発熱
抵抗体341が発熱する。

ところで近頃、感熱記録装置などで写真のように階調
を有した画像（中間調画像）を記録する機会が多くなっ
ている。

ところが前述した構成のサーマルヘッドでは、画点毎
で階調を変化させることができず、従って中間調画像の
記録を直接行うことは出来ない。そこで、前述したサー
マルヘッドで中間調記録を行う場合には、例えばディザ
法等を用いて擬似的に中間調を表現している。しかし、
この擬似中間調表現方法はピクセル当りの画点分布を工
夫することで擬似的に階調を得る方法であり、例えばデ
ィザ法ではｎ階調を得るためにｎ個の画点を必要とし、
解像度が低下してしまう。

そこで近年、１画点ごとに中間調記録を行うことがで
きるサーマルヘッドが盛んに開発されている。第35図は
このようなサーマルヘッドの構成を示す平面図である。
これらの第35図に示される各サーマルヘッドは、いずれ
も発熱抵抗体351,352,353,354の一部分の幅を狭くして
ある。これにより、発熱抵抗体351〜354中の幅が狭めら
れた部分においては電流（エネルギー）が集中すること
になり、発熱抵抗体351〜354中のエネルギー分布が局部
的となる。そして、エネルギーが集中する局部（以下、
集中加熱部と称する）において発熱抵抗体351〜354が発
熱する。なお、第35図示の各サーマルヘッドにおいて
は、351a,352a,353a,354aでそれぞれ示される部分が集
中加熱部である。

このようなサーマルヘッドでは、比較的低い電圧を発
熱抵抗体351〜354に印加した場合には集中加熱部からの
発熱によってのみ記録が行われる。そして、発熱抵抗体
351〜354への印加電圧を上昇させるにつれて、集中加熱
部の周辺からも発熱するようになり、画点のサイズが大
きくなる。かくして、発熱抵抗体351〜354に印加する電
圧を変化させることにより画点のサイズを変化させるこ
とができ、画点毎で階調を変化させることができる。

ところが、以上のような第35図示のサーマルヘッド
は、発熱抵抗体351〜354がいずれも複雑な形状をしてお
り、製造に手間がかかる上、同一特性を得ることが難し
い。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように従来のサーマルヘッドでは、発熱抵抗体
の一部の幅を狭く設定することによって集中加熱部を形
成しているため、製造に手間がかかったり、同一特性を
得ることが難しいといった不具合があった。

また上述のようなサーマルヘッドを用いた熱記録装置
では、画点毎での階調の調整を良好に行うことができ
ず、良好な中間調記録を行うことができないという不具
合があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであ
り、その目的とするところは、簡易な構造でありながら
局部的な発熱を生じさせることができ、かつ良好な中間
調記録を行うことができるサーマルヘッドおよび熱記録
装置を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明のサーマルヘッドは、第１図に示すように発熱
抵抗体１を、第１の辺1aの長さLaとこの第１の辺1aと交
わる第２の辺1bの長さLbとの比であるLb/Laが１以下で
あり、かつ上記第１の辺1aと上記第２の辺1bとがなす鋭
角の角度θが45度以下である平行四辺形状とし、この発
熱抵抗体１の第１の辺1aと、この第１の辺1aの対辺であ
る第３の辺1cとにそれぞれリード電極2,3を接続した。

また本発明の熱記録装置は、上記の構成のサーマルヘ
ッドと、前記一対のリード電極に印加する電圧を、その
リード電極が接続された前記発熱抵抗体の発熱により形
成すべき画点の大きさに応じて変化させる印加電圧制御
手段とを備えた。

（作用） このような手段を講じたことにより、リード電極2,3
に電圧を印加した際の発熱抵抗体１中での電流経路に注
目すると、例えば第１図に示すように点Ａ−Ｃ間および
点Ｂ−Ｄ間の距離に比べて点Ａ−Ｄ間の距離のほうが短
い。従って、点Ａ−Ｄ間の抵抗値のほうが低く、多くの
電流が流れ、電流が発熱抵抗体１の中央部に集中するこ
とになる。

また、第１の辺1aの長さLaとこの第１の辺1aと交わる
第２の辺1bの長さLbとの比であるLb/Laを１以下、かつ
上記第１の辺1aと上記第２の辺1bとがなす鋭角の角度θ
を45度以下としてあるため、発熱抵抗体１の中央部への
電流の集中が大きい。

また、前記一対のリード電極に印加する電圧を、その
リード電極が接続された前記発熱抵抗体の発熱により形
成すべき画点の大きさに応じて変化させることにより、
電流が集中する領域を変化させ発熱面積、すなわち画点
の大きさを良好に変化させることができる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の一実施例に係るサーマ
ルヘッドに付き説明する。

第２図は本サーマルヘッドの構成を示す平面図であ
る。10は例えばセラミックスまたはアルミナからなる絶
縁基板である。この絶縁基板10上には、平行四辺形状を
なした複数の発熱抵抗体１が所定の間隔で平行に一次元
配列されている。さらに絶縁基板10上には、各発熱抵抗
体１の両端部に接続した状態で複数のリード電極2,3が
一次元配列されている。なお、複数のリード電極２どう
しはともに接続されており、共通電極となっている。

このようなサーマルヘッドであると、リード電極2,3
に電圧を印加した際に、発熱抵抗体１中の電流分布は第
３図に示すものとなる。なお、同図において、黒点は測
定点、線の向きはその測定点における電流の向き、線の
長さはその測定点での電流の大きさをそれぞれ示してい
る。

以下、発熱抵抗体１中の電流分布が第３図示のように
なることを説明する。なお、発熱抵抗体１の抵抗値は、
発熱により変化しないと仮定する。また、発熱抵抗体は
例えば薄膜であり、若干の厚みを有しているが、微少で
あるために発熱抵抗体１の厚みを無視して二次元とみな
す。

まず、上記仮定に基づくと、発熱抵抗体１内の電流分
布は定常電流場となる。定常電流場は磁束密度Ｂ（Bx,B
y）が変化しないから、マクスウエルの方程式より、 となる。また電荷保存の法則より、電流密度ｉ（ix,i
y）は、 divi＝０ …（２） となる。またオームの法則より伝導率σ、電界Ｅ（Ex,E
y）とすると、 ｉ＝σＥ …（３） が成り立つ。

式（３）を式（２）へ代入すると、 divE＝０ …（４） となり、式（１）と式（２）からスカラー関数Ｖが存
在して、 Ｅ＝−gradV …（５） という関数がある。なお、このＶは電位である。

そして、式（５）を式（４）へ代入すると、 のラプラス方程式になる。またエネルギー密度enは、 en＝iE＝σE² …（７） となる。よって式（６）を解き、式（５）より電界Ｅを
求め、式（７）より発熱エネルギー分布を求めることが
できる。

次に境界要素法を用いて式（６）を数値解析する。こ
こで境界要素法は、第４図に示すように、閉じた系の境
界を要素に分割し、予め決まっている境界条件を用いて
計算し、全ての要素の解を得る。そして、系内部の状態
を求める。

これにより、第３図示の電流分布が得られる。

第３図から分かるように、電流は発熱抵抗体１の中央
部分に向かうに従って大きくなっている。ここで、発熱
抵抗体１内のある点での発熱量は、当該位置での電流量
の２乗と発熱抵抗体１の抵抗値との積で表される。すな
わち、発熱量は電流の２乗に比例する。従って、発熱抵
抗体１の中心部分において発熱量が大きい。

ところで、画点の記録を行うには一定量以上の熱量が
必要である。従って、発熱抵抗体１への印加電圧が小さ
い場合には第３図中に31aで示す範囲の発熱によって画
点が記録される。また印加電圧を増加するにしたがい、
同図に31b,31cで示す範囲の発熱で画点が記録される。

しかして、発熱抵抗体１に印加する電圧を変化させる
ことにより実質的な発熱面積を例えば第３図に31a,31b,
31cで示すように可変させることができ、画点の大きさ
を変調することができる。

ところで、発熱抵抗体１中における電流分布は、発熱
抵抗体１の形状によって異なり、最適な階調記録を行え
る形状がある。これは、発熱の集中がある程度以上に生
じる形状である。ここで、平行四辺形の形状を表す数値
としては第５図に示すように、一辺1aの長さLaと辺1aと
交わる辺1bの長さLbとの比ｇおよび、辺1aと辺1bとがな
す角（ここでは鋭角）の角度θとがある。そして上記最
適な形状は、 比ｇ（Lb/La）≦1,角度θ≦45度 である。

以下、発熱抵抗体１の最適な形状が以上のようになる
ことを説明する。なおここでは、G3ファクシミリ装置に
適用されるサーマルヘッドを例示して説明する。

G3ファクシミリ装置では、主走査方向（発熱抵抗体１
の配列方向）の解像度が８ドット/mmと規定されている
から、発熱抵抗体１の幅、すなわち長さLaは、 La≦125μｍ となり、発熱抵抗体１どうしのギャップを25μｍ取り、
かつ発熱抵抗体をできるかぎり大きくするとすれば、 La＝100μｍとなる。

ここで、 角度θが30度で、比ｇが「１」，「1.5」，「２」。

角度θが45度で、比ｇが「１」，「1.5」，「２」。

角度θが60度で、比ｇが「１」，「1.5」，「２」。

角度θが75度で、比ｇが「１」，「1.5」，「２」。

の12種類の形状について、La＝100μｍ、リード電極
２の電位を24V、リード電極３の電位を0Vとし、第５図
に示すように発熱抵抗体１の輪郭を境界として前述した
方法により電流分布を求めた結果を第６図に示す。

ここで、第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）は上述ののそれ
ぞれを、第６図（ｄ）（ｅ）（ｆ）は上述ののそれぞ
れを、第６図（ｇ）（ｈ）（ｉ）は上述ののそれぞれ
を、第６図（ｊ）（ｋ）（ｌ）は上述ののそれぞれを
示してている。

また、発熱抵抗体１の水平方向（第５図参照）および
対角線方向（第５図参照）の電界Ｅを求め、それをもと
に前述した式（７）により計算したエネルギー密度enを
伝導率σで割ったen/σを第７図乃至第12図に示す。

ここで、第７図および第８図は、比ｇが「１」の場合
の水平方向および対角線方向、第９図および第10図は、
比ｇが「1.5」の場合の水平方向および対角線方向、第1
1図および第12図は、比ｇが「２」の場合の水平方向お
よび対角線方向をそれぞれ示している。

この第６図および、第７図乃至第12図より、角度θお
よび比ｇはともに小さいほど電流の中央集中が大きくな
ることが分かる。また、第７図乃至第12図において比ｇ
に注目すると、比ｇ＝「２」のとき（第11図および第12
図）エネルギー分布はほぼ均一であり、エネルギー集中
がほとんど生じていないことが分かる。さらに、比ｇ＝
「1.5」では若干エネルギー集中が生じ、比ｇ＝「１」
では顕著にエネルギー集中が生じることが分かる。ま
た、比ｇ＝「１」において角度θに注目すると、第７図
および第８図から分かるように、角度θが45度以下のと
きにエネルギー集中が顕著となる。

これらの結果より、発熱抵抗体２の最適な形状が、比
ｇ≦1,角度θ≦45度であることが推測される。

以上理論的に発熱抵抗体１の最適な形状に付き説明し
たが、次に実験データを参照しながら説明する。

まず、サーマルヘッドを実際に作成する場合、実現す
べき解像度によって１つの発熱抵抗体の幅（主走査方
向）および高さ（副走査方向）が決まってしまう。すな
わち、例えばG3ファクシミリ装置では高い再現性を期待
して、主走査方向８ドット/mm、副走査方向15.4ドット/
mmなる解像度が採用されている。従って、G3ファクシミ
リ装置に適用されるサーマルヘッドの発熱抵抗体１の高
さｈは、 ｈ≧1/15.4 …（８） となる。すなわち、高さｈはおよそ65μｍ以上必要であ
る。なお、発熱抵抗体１の幅、すなわち長さLaは、前述
したように100μｍである。

このように発熱抵抗体１の幅および高さが規定される
と、角度θによって記録性能が決定されることになる。
ここで、発熱抵抗体１の幅および高さが規定された場
合、第13図（ａ）に示すように角度θが比較的大きい
と、熱集中が小さく、その記録特性が第13図（ｂ）に示
すように立ち上がりが急峻なものとなることが予測され
る。また、第14図（ａ）に示すように角度θが比較的中
程度であると、熱集中が顕著となり、その記録特性が第
14図（ｂ）に示すように立ち上がりが緩やかなものとな
ることが予測される。さらに、第15図（ａ）に示すよう
に角度θが比較的小さいと、発熱抵抗体１が細長くなっ
てしまうため熱集中が小さく、その記録特性が第15図
（ｂ）に示すように立ち上がりが急峻なものとなること
が予測される。

中間調の記録においては、立ち上がりが緩やかな記録
特性であることが望ましく、従って、発熱抵抗体１の幅
および高さが規定されている場合には、上記予測より、
最適な角度θが存在することが予測される。

ところで、記録特性が立ち上がりが緩やかなものとな
る場合、第16図（ａ），第17図（ａ），第18図（ａ）に
それぞれ示すように、記録開始エネルギーEpから急峻に
立ち上がる従来のサーマルヘッド（発熱抵抗体が方形
状）の記録特性に比べて、効率が悪くなるタイプ、同じ
タイプ、良くなるタイプの３つのタイプが考えられる。
これらの３つのタイプのそれぞれでは、第16図（ｂ），
第17図（ｂ），第18図（ｂ）にそれぞれ示す等濃度線が
得られることが知られている。

なお、第16図（ｂ），第17図（ｂ），第18図（ｂ）に
それぞれ示す等濃度線は、第16図（ａ），第17図
（ａ），第18図（ａ）にそれぞれ示す記録濃度Ｄを、記
録エネルギーＥと角度θとの関係で示した、 Ｄ＝ｆ（E,θ） …（９） なる式を、 Ｅ＝ｇ（D,θ） …（10） なる式に変換したものである。

この第16図（ｂ），第17図（ｂ），第18図（ｂ）にそ
れぞれ示す等濃度線から、最適な角度Anを読み取ること
ができる。すなわち、最適な角度Anが、等濃度線の間隔
が広いところであり、第16図（ｂ）では曲線の谷の部
分、第17図（ｂ）では曲線の一番膨らんでいる部分、第
18図（ｂ）では曲線の山の部分となる。

そこで、以上の事項に基づいて実際のサーマルヘッド
における最適な角度を判定するために、La＝100μｍ、
ｈ＝70μｍとし、角度θが「35度」，「38度」,41
度」，「45度」，「49度」，「54度」のそれぞれである
サーマルヘッドを試作し、感熱記録方式および熱転写記
録方式の双方での記録特性を測定した。

この測定における評価条件を表１に、また測定結果を
第19図乃至第32図に示す。

第19図乃至第24図は感熱記録方式を用いた場合におけ
る記録特性を示す図であり、第19図は角度θを「35
度」、第20図は角度θを「38度」、第21図は角度θを
「41度」、第22図は角度θを「45度」、第23図は角度θ
を「49度」、第24図は角度θを「54度」としたサーマル
ヘッドの記録特性をそれぞれ示している。

第25図乃至第30図は熱転写記録方式を用いた場合にお
ける記録特性を示す図であり、第25図は角度θを「35
度」、第26図は角度θを「38度」、第27図は角度θを
「41度」、第28図は角度θを「45度」、第29図は角度θ
を「49度」、第30図は角度θを「54度」としたサーマル
ヘッドの記録特性をそれぞれ示している。

なお、第19図乃至第30図には、発熱抵抗体の形状が方
形状（角度θ＝90度）である従来のサーマルヘッドの同
一条件での記録特性を併記してある。

第31図および第32図は第19図乃至第30図に示す記録特
性に基づき、濃度Ｄを0.1乃至0.9の範囲で0.1刻みでパ
ラメータとして、記録エネルギーおよび角度θとの関係
を示した等濃度線であり、第31図は感熱記録方式による
もの、第32図は熱転写記録方式によるものを示す。

第19図乃至第30図に示した記録特性から分かるよう
に、本サーマルヘッドは発熱抵抗体が方形状である従来
のサーマルヘッドよりも記録効率が悪くなるタイプ（第
16図（ａ）に示されるタイプ）である。従って前述した
ように、第31図および第32図示の曲線のうちの山の部分
に対応する角度θが最適な角度Anである。これに基づ
き、第31図より角度Anを読み取ると、45度である。

一方、熱転写記録方式においては、データをばらつか
せる要因（例えば、押し付け圧力、発熱抵抗体のニップ
幅内の位置など）の影響が大きい。このことと、本サー
マルヘッドが前述した第16図（ａ）に示されるタイプで
あることを考慮すると、第32図示の等濃度線は同図に破
線で示す特性になると考えられる。これによれば、第32
図より、角度Anが45度であることが分かる。

また、第31図および第32図から、記録エネルギーが低
いほど各線の間隔が広くなっていることが分かる。これ
は、低い濃度において多くの階調を割り振ることができ
ることを示しており、良好な中間調記録が行えることを
示す。

以上のように、発熱抵抗体１の最適な形状は、比ｇ≦
1,角度θ≦45度となる。ここで本サーマルヘッドでは、
発熱抵抗体１の角度θおよび高さｈ、比ｇ、辺1a,1bの
長さLa,Lbの間には、 ｇ＝Lb/La …（９） の関係がある。式（９）を式（10）に代入し、かつ長さ
Laを前述した通り「100」としてLbを消去すると、 となる。この式（11）を、横軸に角度θ、縦軸に比ｇ、
パラメータに高さｈを取ると、第33図が得られる。この
図では、高さｈが大きくなるにつれてその高さｈにおけ
る曲線は図中の右の方向に移動する。

ここで、本サーマルヘッドにおける発熱抵抗体１の最
適な形状の条件（比ｇ≦1,角度θ≦45度）および、G3フ
ァクシミリ装置における規格より決定される条件（高さ
ｈ≦65μｍ）をすべて満足させるには、第33図中に斜線
で示される部分となる。

従って、G3ファクシミリ装置に適用されるサーマルヘ
ッドにおける発熱抵抗体１の最適な形状は、高さｈ＝70
μｍ、角度θ＝45度、比ｇ＝１となる。

かくして以上詳述したサーマルヘッドであれば、発熱
抵抗体の中央付近において集中発熱が生じ、階調記録を
行うことができる。また、発熱抵抗体１は平行四辺形状
となっているのでその作製は容易である。また発熱抵抗
体１の形状を、比ｇ≦1,角度θ≦45度としているので、
エネルギー集中が確実に生じ、良好な中間調記録を行え
る。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではな
い。例えば、上記実施例においては発熱抵抗体を一次元
配列するものとしているが、二次元配列としても良い。
また、上記実施例ではG3ファクシミリ装置に適用される
サーマルヘッドを例示し、幅＝100μｍ、高さｈ＝70μ
ｍ、角度θ＝45度、比ｇ＝１としているが、本サーマル
ヘッドが適用されるのはG3ファクシミリ装置には限定さ
れず、従って上記各数値も他の値とすることが可能であ
る。このほか、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
変形実施が可能である。

〔発明の効果〕

本発明のサーマルヘッドによれば、発熱抵抗体を、第
１の辺の長さLaとこの第１の辺と交わる第２の辺の長さ
Lbとの比であるLb/Laが１以下であり、かつ上記第１の
辺と上記第２の辺とがなす鋭角の角度θが45度以下であ
る平行四辺形状とし、この発熱抵抗体の第１の辺と、こ
の第１の辺の対辺である第３の辺とにそれぞれリード電
極を接続するようにしたので、簡易な構造でありながら
局部的な発熱を生じさせることができ、かつ良好な中間
調記録を行うことができるサーマルヘッドとなる。

また本発明の熱記録装置によれば、上記のような構成
のサーマルヘッドを用い、印加電圧制御手段によって、
前記一対のリード電極に印加する電圧を、そのリード電
極が接続された前記発熱抵抗体の発熱により形成すべき
画点の大きさに応じて変化させるようにしたので、良好
な中間調記録を行うことができる熱記録装置となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるサーマルヘッドの概略構成を示す
図、第２図乃至第33図は本発明の一実施例に係るサーマ
ルヘッドを説明する図であり、第２図は構成を示す平面
図、第３図は１つの発熱抵抗体における電流分布および
発熱状況を説明する図、第４図は境界要素法を説明する
図、第５図は発熱抵抗体の形状を特定する種々の情報を
表す図、第６図は境界要素法により得た発熱抵抗体中の
電流分布を示す図、第７図乃至第12図は計算により算出
されたエネルギー分布を示す図、第13図乃至第15図は発
熱抵抗体の高さを一定としたときの角度による特性の変
化を説明する図、第16図乃至第18図は予測される記録特
性および等濃度線を示す図、第19図乃至第30図は記録特
性の測定結果を示す図、第31図および第32図は第19図乃
至第30図に示される特性をもとに得た等濃度線を示す
図、第33図はサーマルヘッド作製の最適条件を説明する
図、第34図および第35図は従来技術を説明する図であ
る。 １……発熱抵抗体、2,3……リード電極。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−73862（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−85435（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−6481（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−208076（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−116838（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B41J 2/345

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の辺の長さLaとこの第１の辺と交わる
   第２の辺の長さLbとの比であるLb/Laが１以下であり、
   かつ上記第１の辺と上記第２の辺とがなす鋭角の角度が
   45度以下である平行四辺形状をなした発熱抵抗体と、 この発熱抵抗体の上記第１の辺と、この第１の辺の対辺
   である第３の辺とにそれぞれ接続された一対のリード電
   極とを具備したことを特徴とするサーマルヘッド。
2. 【請求項２】第１の辺の長さLaとこの第１の辺と交わる
   第２の辺の長さLbとの比であるLb/Laが１以下であり、
   かつ上記第１の辺と上記第２の辺とがなす鋭角の角度が
   45度以下である平行四辺形状をなした発熱抵抗体と、 この発熱抵抗体の上記第１の辺と、この第１の辺の対辺
   である第３の辺とにそれぞれ接続された一対のリード電
   極とを具備したサーマルヘッドと、 前記一対のリード電極に印加する電圧を、そのリード電
   極が接続された前記発熱抵抗体の発熱により形成すべき
   画点の大きさに応じて変化させる印加電圧制御手段とを
   具備したことを特徴とする熱記録装置。