JP3117224B2 - 厚膜形サーマルヘッド - Google Patents

厚膜形サーマルヘッド

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JP3117224B2
JP3117224B2 JP583891A JP583891A JP3117224B2 JP 3117224 B2 JP3117224 B2 JP 3117224B2 JP 583891 A JP583891 A JP 583891A JP 583891 A JP583891 A JP 583891A JP 3117224 B2 JP3117224 B2 JP 3117224B2
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heating resistor
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ceramic substrate
thick film
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】〔発明の目的〕
【0002】
【産業上の利用分野】本発明はセラミック基板上に発熱
抵抗体および耐摩耗層を設け、発熱抵抗体を感熱記録紙
の移動方向と直角な方向に動作させて文字等を印字する
熱ペン形のサーマルヘッド等に使用される厚膜形サーマ
ルヘッドに係り、特に熱応答特性を改善し、高速記録を
可能とする厚膜形サーマルヘッドに関する。
【0003】
【従来の技術】計測記録計、各種プリンタやファクシミ
リなどに電気信号として送信される情報を感熱記録紙上
に文字、記号または図形画像に変換するために各種のサ
ーマルヘッドが使用されている。サーマルヘッドは加熱
によって発色する化学材料を塗布した感熱記録紙面に文
字、画像を形成するために電流加熱される発熱抵抗体を
有している。
【0004】すなわち、従来の厚膜式サーマルプリンタ
の記録部となるサーマルヘッドの基本構成は、一般に図
5に示すように、アルミナ(Al2 3 )から成るセラ
ミックス基板1と、この基板1上に形成され、電圧印加
によって発熱する発熱抵抗体2と、発熱抵抗体2の端部
に対向するように接続された電気導線(電極)3と、感
熱記録紙4の接触摩耗から上記発熱抵抗体2および電気
導線3を保護するための耐摩耗層5とから構成されてい
る。
【0005】この厚膜形サーマルヘッドに送りローラ6
を介して感熱記録紙4が圧着され、この状態で発熱抵抗
体2にパルス電圧が印加されると、感熱記録紙4に塗布
されていた発色剤が化学反応を起こし、発熱抵抗体2部
分に接触している発色層が点(ドット)状に発色する。
送りローラによって記録紙4を順次、矢印方向に移動さ
せながら、パルス状加熱を繰り返すことにより、多数の
発色ドットが得られ、この発色ドットの配列の仕方によ
り、文字、記号または画像の記録がなされる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のサ
ーマルヘッドのセラミックス基板は、熱伝導率が小さい
アルミナ(Al2 3 )を主たる構成材料として形成さ
れているため、一旦加熱されたヘッドが感熱紙の発色温
度以下の温度までに冷却されるまでの放熱時間が長くな
り、その結果、記録紙の地汚れや印字の尾引きが発生し
易くなり、高速記録プリンタ用のヘッドとしては不適な
場合が多かった。近年印字速度の高速化が求められてお
り、より印字の高速化に充分な対応ができ、信頼性が高
いサーマルヘッドが希求されている。
【0007】一方従来のセラミックス基板上に配設され
る薄膜回路の抵抗値や容量素子の特性信頼性は、セラミ
ックス基板の表面粗さによって大きな影響を受けること
が本願発明者によっても確認されている。すなわち、基
板の表面粗さが大きい場合には、基板表面と発熱抵抗体
または電気導線との化学的接合強度が低下してしまうた
め、ヘッドの信頼性および耐久性が低いという問題点が
あった。
【0008】このため、表面粗さを小さく設定すること
が可能となる純度の99.5%以上のアルミナ基板を採
用して接合強度を高めることも考慮されているが、高純
度のアルミナ原料粉末を使用するため原材料コストが上
昇する欠点があった。
【0009】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであり、熱応答特性を改善し、より高速度の
印字記録を可能とするとともに、基板上の各層との接合
強度が大きく信頼性が高いサーマルヘッドを提供するこ
とを目的とする。〔発明の構成〕
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る厚膜形サーマルヘッドは、表面粗さR
aが1μm以下であり、窒化アルミニウムを90重量%
以上含有するセラミック基板表面に、発熱抵抗体および
耐摩耗層を積層したことを特徴とする。
【0011】またセラミック基板表面に、0.2〜20
μm程度の厚さを有する酸化アルミニウム層を形成する
とよい。
【0012】
【作用】上記構成に係る厚膜形サーマルヘッドによれ
ば、従来のアルミナと比較して熱伝導性が3〜10倍も
優れた窒化アルミニウム(AlN)を主原料とするセラ
ミックス基板を使用しているため、一旦印字温度まで立
上げて発熱した抵抗体を所定温度まで冷却する立下げ時
間が大幅に短縮される。したがって発熱抵抗体の温度の
立上り時間と立下げ時間との和である印字の繰返し時間
が極めて短くなる結果、サーマルヘッドの熱応答性が大
幅に改善され、記録速度を大幅に上昇させることが可能
となる。
【0013】またセラミックス基板表面に酸化アルミニ
ウム層を形成することにより、基板材料である窒化アル
ミニウムと発熱抵抗体との濡れ性が向上し、両者間の接
合強度が増し、耐久性が優れ、高い信頼性を有するサー
マルヘッドを得ることができる。
【0014】
【実施例】次に本発明の一実施例について添付図面を参
照して説明する。図1は本発明に係る厚膜形サーマルヘ
ッドの一実施例を示す断面図である。なお図5に示す従
来例と同一要素には同一符号を付してその重複する説明
を省略する。
【0015】すなわち本実施例に係る厚膜形サーマルヘ
ッドは、表面粗さRaが1μm以下であり、窒化アルミ
ニウムを90重量%以上含有するセラミック基板1a表
面に、発熱抵抗体2および耐摩耗層5を積層して構成さ
れる。また発熱抵抗体2の両端部にはAu,Ag,Pd
−Ag,Pt−Au等の導体ペーストを転写焼成して形
成された電気導線(電極)3が接合されている。
【0016】本実施例に係るサーマルヘッドはセラミッ
クス基板として、従来のアルミナ基板と比較して3〜1
0倍の熱伝導率を有している窒化アルミニウム(Al
N)基板1aを使用することを大きな特徴としている。
このセラミックス基板1aは窒化アルミニウム原料粉末
に焼結助剤として数重量%のY2 3 などを均一に混合
したものを所定の高温度で焼結して得られる。セラミッ
クス基板1aの熱伝導率を良好な値に保持するためにA
lNの含有量は90重量%以上に設定される。90重量
%未満であると、AlN本来の良好な熱伝導性が損われ
るからである。
【0017】また窒化アルミニウム製のセラミックス基
板1aの表面粗さRa(JIS B0601に規定する
中心線平均粗さ)の大小は、基板1aと基板上に配設さ
れる発熱抵抗体2との密着性および化学的接合強度に大
きく影響するものであり、本実施例では1μm以下に設
定される。表面粗さRaが1μmを超えると、基板1a
と発熱抵抗体2や電気導線3との密着性および接合強度
が低下してサーマルヘッドの信頼性および耐久性が低下
するからである。
【0018】このような表面粗さRaが1μm以下のセ
ラミックス基板1aは、例えばAlNセラミックスの焼
結体表面を通常の鏡面研摩加工すること等によって調製
することができる。さらに表面粗さRaを1μm以下に
設定することにより、後述するアルミニウム酸化層をA
lNの酸化により形成する場合にもその酸化層の厚さお
よび表面粗さを均一に形成することが容易となる。
【0019】また発熱抵抗体2は、電気導線(電極)
3,3に印加されたパルス電圧によって発熱し、感熱記
録紙の発色剤をドット状に発色させるものであり、例え
ばTa2 N,NiCr,ネサ膜,SiO2 −Ta,Si−
Taなどの原料をペースト状にした後に、スクリーン印
刷などの製造技術を利用して形成される。
【0020】また耐摩耗層5は感熱記録紙の接触摩耗か
ら発熱抵抗体2を保護するために設けられ、例えばSi
2 −Ta2 3 ,SiC,Al2 3 ,SiO2 など
の材料から構成される。
【0021】電極3,3を経由して発熱抵抗体2にパル
ス電圧を印加すると、サーマルヘッドの抵抗体2が発熱
し、抵抗体2に押圧されている感熱記録紙に塗布された
発色剤がドット状に発色する。パルス電圧の印加時間は
通常1〜10ms程度である。
【0022】そしてパルス電圧の消失によって当該抵抗
体2の熱はAlN製のセラミックス基板1aを経て系外
に放出され、発熱抵抗体2は所定の印字下限温度まで冷
却される。そして次のパルス電圧の印加によって同様に
発熱と冷却とを繰り返し、移動する感熱記録紙上に多数
のドットを発色させ、各ドットの配列によって所定の文
字、記号または画像等が記録される。
【0023】次に本実施例に係るサーマルヘッドの優位
性を従来例と比較して述べる。図3は図1に示すAlN
セラミックス基板1aを使用した実施例の厚膜形サーマ
ルヘッドと、図5に示すようなAl2 3 セラミックス
基板1を使用した従来例の厚膜形サーマルヘッドとをプ
リンタに装着して印字試験を行なった場合における各発
熱抵抗体温度の経時変化を示すグラフである。
【0024】図3において実線で示すように、本実施例
においては熱伝導率が高いAlNをセラミックス基板1
aの構成材としているため、パルス電圧消失後における
放熱特性が優れており、発熱抵抗体が所定の印字下限温
度までに冷却されるまでの放熱時間t1 が、Al2 3
製のセラミックス基板1で構成した従来例の場合に必要
な放熱時間t0 と比較して大幅に短縮することが可能と
なった。
【0025】このことは、加熱昇温時間と放熱時間との
合計時間で表わされる印字の繰り返し時間が低減される
ことを意味し、プリンタなどの記録機器の高速化を図る
ことができる。
【0026】次に本発明の他の実施例について図2を参
照して説明する。本実施例に係る厚膜形サーマルヘッド
においては、セラミックス基板1a表面に0.2〜20
μmの厚さを有する酸化アルミニウム層7を形成してい
る。
【0027】この酸化アルミニウム層7は、窒化アルミ
ニウム焼結体を酸化性雰囲気において高温度に加熱する
ことにより得られる。ところで非酸化物系セラミックス
材である窒化アルミニウムと、発熱抵抗体2または電気
導線3とは濡れ性が悪いために密着性が悪く、また両者
間の接合強度を大きく設定することが困難であった。
【0028】しかしながら、窒化アルミニウム基板の表
面を部分的に酸化してアルミニウムの酸化物の被膜を形
成することにより両者の接合強度を大幅に高めることが
でき、耐久性に優れた厚膜形サーマルヘッドを得ること
ができる。
【0029】酸化アルミニウム層7の厚さが0.2μm
未満であると、接合強度の改善効果が少ない一方、厚さ
が20μmを超えると、接合力が低下するとともに、熱
抵抗層としてのAl2 3 被膜の割合が大きくなり、A
lN基板本来の良好な熱伝導率が損われるため、酸化ア
ルミニウム層7の厚さは0.2〜20μm、さらに好ま
しくは0.5〜5μmの範囲に設定される。
【0030】次に本発明に係るサーマルヘッドの発熱抵
抗体の形状例について説明する。従来一対の電気導線間
に配設される発熱抵抗体は各軸方向位置における断面が
等しくなるように帯状に形成されていた。
【0031】しかしながら、図4に示すようにサーマル
ヘッドの発熱抵抗体2aの電極3,3と接続する部分を
帯状に形成する一方、中央部の幅Wを端部より小さく設
定し、中央部がくびれた形状に形成してもよい。この場
合、発熱抵抗体2aの中央部が最も高い抵抗値を有する
こととなる。この発熱抵抗体2aに電極3,3を介して
電圧を印加し電流を流すと、まず中央部のみが発熱して
温度が上昇し、感熱記録紙に塗布されたインクを溶解さ
せる温度に達し、小さなドットが紙上に転写される。こ
の状態で、発熱抵抗体2aに電圧印加を継続すると、イ
ンク溶解温度に達する領域が徐々に拡大していく。この
ように発熱抵抗体2a毎に印加するエネルギを電圧印加
パルス幅によって可変に調整することによって、転写さ
れる各ドットのサイズを、画像の濃淡に対応して可変と
することができる。すなわち各ドット毎に階調を有する
こととなり、解像度の低下を招くことなく、階調性に優
れた印字記録が可能となる。
【0032】
【発明の効果】以上説明の通り本発明に係る厚膜形サー
マルヘッドによれば、従来のアルミナと比較して熱伝導
性が3〜10倍も優れた窒化アルミニウム(AlN)を
主体とするセラミックス基板を使用しているため、一旦
印字温度まで立上げて発熱した抵抗体を所定温度まで冷
却するまでの立下げ時間が大幅に短縮される。したがっ
て発熱抵抗体の温度の立上り時間と立下げ時間との和で
ある印字の繰返し時間が極めて短くなる結果、サーマル
ヘッドの熱応答性が大幅に改善され、記録速度を大幅に
上昇させることが可能となる。
【0033】またセラミックス基板表面に酸化アルミニ
ウム層を形成することにより、基板材料である窒化アル
ミニウムと発熱抵抗体や電極との接合強度が増し、耐久
性が優れ、高い信頼性を有する厚膜形サーマルヘッドを
得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る厚膜形サーマルヘッドの一実施例
を示す断面図。
【図2】本発明の他の実施例を示す断面図。
【図3】本発明に係る厚膜形サーマルヘッドの熱応答特
性を従来例と比較して示すグラフ。
【図4】発熱抵抗体の形状例を示す平面図。
【図5】従来の厚膜形サーマルヘッドの基本構造を示す
断面図。
【符号の説明】
1,1a セラミックス基板 2,2a 発熱抵抗体 3 電気導線(電極) 4 感熱記録紙 5 耐摩耗層 6 送りローラ 7 酸化アルミニウム層
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−154770(JP,A) 特開 昭60−58877(JP,A) 特開 昭61−139159(JP,A) 実開 昭56−176856(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B41J 2/335 B41J 2/345

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表面粗さRaが1μm以下であり、焼結
    助剤を含み窒化アルミニウムを90重量%以上含有する
    セラミック基板表面に、発熱抵抗体および耐摩耗層を積
    層したことを特徴とする厚膜形サーマルヘッド。
  2. 【請求項2】 セラミック基板表面に、酸化アルミニウ
    ム層を形成したことを特徴とする請求項1記載の厚膜形
    サーマルヘッド。
  3. 【請求項3】 酸化アルミニウム層の厚さが0.2〜2
    0μmであることを特徴とする請求項1記載の厚膜形サ
    ーマルヘッド。
  4. 【請求項4】 発熱抵抗体は、電極と接続する端部を帯
    状に形成する一方、中央部の幅を端部より小さく設定し
    たことを特徴とする請求項1記載の厚膜形サーマルヘッ
    ド。
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