JP4024803B2 - サーマルヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は記録媒体に文字などを印字するサーマルヘッドおよびその製造方法に関する。

サーマルヘッドは、低騒音でランニングコストが低いなどの利点があり、感熱紙や製版フィルム、印画紙等の記録媒体に文字などを記録する印字用装置として使用されている。近年は、ビデオプリンターやイメージャー、シールプリンターなどの出力用デバイスとしても注目されている。

ここで、従来のサーマルヘッドについて、ヘッド基板部の一部を抜き出した図７の概略の断面図を参照して説明する。

支持基体７１は、絶縁基板７１ａ上に保温層７１ｂを設けた構造になっている。支持基体７１の一部、たとえば保温層７１ｂの一部に凸状に突出する突出部７２が設けられている。支持基体７１上に発熱抵抗体７３が形成され、発熱抵抗体７３上に電極７４が形成されている。電極７４は、複数の個別電極７４ａと共通電極７４ｂとを有し、個別電極７４ａと共通電極７４ｂとの間、たとえば突出部７２領域に間隙Ｇが設けられている。間隙Ｇ部分に位置する発熱抵抗体７３は発熱部７３ａを形成する。少なくとも発熱部７３ａ上、たとえば発熱部７３ａ上およびこの発熱部７３ａ近傍の個別電極７４ａ上や共通電極７４ｂ上の必要部位に保護層７５が形成されている。

上記したヘッド基板部は、発熱部７３ａに流す電流を制御する制御回路、たとえば制御信号伝送用の回路パターンなどを設けた駆動回路基板部（図示せず）とともに放熱用基板上に配置される。そして、ヘッド基板部と駆動回路基板部との間をワイヤーなどで電気的に接続してサーマルヘッドが完成する。

サーマルヘッドは、記録媒体に文字などを記録する場合、個別電極７４ａと共通電極７４ｂとの間にパルス電圧を印加して、発熱抵抗体７３の発熱部７３ａに電流を流し、発熱部７３ａを発熱させる。そして、発熱部７３ａが発生する熱を利用して、発熱部７３ａ近傍の保護層７５上を移動する記録媒体に、文字などを記録する。

従来のサーマルヘッドは、発熱抵抗体の発熱部を発熱させ、記録媒体に文字などを記録する構造となっている。したがって、発熱部の発熱状態、たとえば発熱部の熱履歴などが記録媒体の印字に影響する。

たとえば、支持基体に設ける保温層は発熱部に対する蓄熱機能を有している。保温層の蓄熱機能が大きいと、次の行を印画する際に発熱部を再度加熱する必要がなくなる。しかし、その蓄熱機能が大きくなると、発熱時のピーク温度からの温度降下が不十分になる。このため、次のステップにおける発熱部の発熱に影響し、印画濃度が高くなる傾向がある。また、保温層の蓄熱機能が大きいと、印画する際に滲みや尾引きが発生して、印画の切れが悪くなり、印画画質を劣化させる場合がある。

ここで、保温層の蓄熱機能が大きい場合の印画濃度の一例について図８を参照して説明する。図８の横軸は時間（ｔ）、縦軸は発熱部による温度（℃）、ｔ１〜ｔｎは電極にパルス電圧を印加するタイミングを示している。符号Ｔで示すように、パルス電圧を繰り返し印加すると、保温層の蓄熱機能によって発熱部の温度が上昇し、印画濃度が次第に濃くなっていく。

そのため、保温層にはある程度の放熱性も要求される。たとえば保温層を薄く形成して、蓄熱機能を低下させると放熱性が高くなる。この場合、次の行を印画する際に、高いパワーの投入が必要となる。しかし、高いパワーを連続して投入すると寿命が短くなるという問題がある。

上記したように支持基体の保温層には、蓄熱性と放熱性という相反する性質が求められる。そのため、従来のサーマルヘッドでは、蓄熱性および放熱性の両面で、良好な熱特性が得られるように、いろいろな提案がなされ、たとえば保温層の材料や厚さなどに対する見直しが行われている。

しかし、支持基体に求められる熱特性は、印画スピードや印画パワー、記録媒体の材質などの印画条件によって相違し、これら各印画条件に十分に対応できる熱特性をもつサーマルヘッドの実現は困難になっている。

そのため、従来のサーマルヘッドでは、熱特性を改善するために、たとえばペルチェ素子を用いる方法が提案されている。ヘッド基板部などを搭載する放熱基板に外部装置としてペルチェ素子を組み込む方法（特開平４−２０１４６０号公報、特開昭６３−９５６０号公報）、あるいは、保温層上にペルチェ効果を有する膜を形成する方法（特開昭５６−８９５７９号公報、実開昭６３−１６１３３号公報）、保温層と発熱抵抗体との間にぺルチェ素子を埋め込む方法（特開昭５８−２０１６７７号公報、特開昭６３−２５７６５５号公報）などがある。

しかし、これらの方法は、いずれも支持基体の外部にペルチェ素子を配置する構造であるため、保温層に求められている熱特性に十分に対応できず、印画品位を低下させる原因になっている。

本発明は、上記した欠点を解決し、良好な熱特性を有し、高印画品位のサーマルヘッドおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、絶縁基板上にグレーズ層からなる保温層を設けた支持基板と、この支持基板上に形成した発熱抵抗体と、この発熱抵抗体上に形成され、前記発熱抵抗体の発熱部に電流を供給する電極と、前記発熱部を被覆する保護層とを具備したサーマルヘッドにおいて、前記支持基板の保温層の一部に上面がなだらかな凸形状に突出する突出部が焼成で形成され、前記突出部の保温層は、グレーズ層からなる第１保温層と、この第１保温層上に位置し電流を流す向きによって発熱作用および吸熱作用を呈する温度調整層と、この温度調整層上に位置するグレーズ層からなる第２保温層とを有することを特徴とする。

本発明によれば、サーマルヘッドの支持基体を構成する保温層がペルチエ効果を有する薄膜層を含む複数の層からなる積層構造になっている。ペルチエ効果を有する薄膜層は吸熱作用および発熱作用を有し、この薄膜層の特性の利用により、蓄熱性および放熱性の両面で良好な熱特性をもつサーマルヘッドが得られる。また、ペルチエ効果を有する薄膜層が保温層の一部として組み込まれているため、保温層に求められる特性に近似した良好な熱特性が得られる。

本発明の第１実施形態について、そのヘッド基板部の一部を抜き出した図１の概略の断面図を参照して説明する。

支持基体１１は、絶縁基板１１ａ上に保温層１１ｂを設けた構造になっている。支持基体１１の一部、たとえば保温層１１ｂの一部に、凸状に突出する突出部１２が設けられている。突出部１２の保温層１１ｂは多層構造に形成され、その多層構造は、たとえば図示下方から順に、グレーズ層などからなる第１保温層１２ａおよび第１保温層１２ａ上に位置し突出部１２を横切る薄膜の温度調整層１２ｂ、温度調整層１２ｂ上に位置するグレーズ層などからなる第２保温層１２ｃの３層構造になっている。温度調整層１２ｂは、たとえば電流を流す向きによって発熱作用や吸熱作用を呈する、いわゆるペルチエ効果を有する半導体で形成されている。また、第２保温層１２ｃ上に絶縁層１３が形成されている。

絶縁層１３上に発熱抵抗体１４が形成され、発熱抵抗体１４上に電極１５が形成されている。この場合、発熱抵抗体１４が絶縁層１３上に形成されるため、温度調整層１２ｂとの電気的短絡は防止される。

電極１５は、たとえば同一方向に延びる個別電極１５ａと共通電極１５ｂの対で構成され、複数対の個別電極１５ａと共通電極１５ｂが、たとえば図面の表側から裏側方向に平行に配置されている。また、個別電極１５ａと共通電極１５ｂとの間には、たとえば突出部１２の頂点部分を跨ぐように間隙Ｇが設けられ、その間隙Ｇ部分に位置する発熱抵抗体１４は発熱部１４ａとして機能する。また、少なくとも発熱部１４ａ上、たとえば発熱部１４ａ上およびこの発熱部１４ａ近傍の個別電極１５ａ上や共通電極１５ｂ上の必要部位に保護層１６が形成されている。

上記のヘッド基板部は、発熱部１４ａに流す電流を制御する制御回路、たとえば制御信号伝送用の回路パターンなどを設けた駆動回路基板部（図示せず）とともに放熱基板上に配置される。その後、ヘッド基板部と駆動回路基板部との間をワイヤーなどで電気的に接続してサーマルヘッドが完成する。

ここで、上記したサーマルヘッドの支持基体１１の製造方法について図２を参照して説明する。図２は、図１に対応する部分に同じ符号を付し、重複する説明を一部省略する。

図２（ａ）は、たとえばセラミックからなる絶縁基板１１ａを示している。次に、図２（ｂ）に示すように、絶縁基板１１ａの図示上面に保温層１１ｂ、たとえばグレーズ層などからなる第１保温層１２ａを形成する。次に、図２（ｃ）に示すように、スパッタなどの薄膜形成法により、第１保温層１２ａの主面上を全て覆うように温度調整層１２ｂ、たとえばＺｎＳｂ膜を１〜５μｍの厚さに形成する。次に、図２（ｄ）に示すように、温度調整層１２ｂ上に、グレーズガラスなどからなる第２保温層１２ｃを形成する。次に、図２（ｅ）に示すように、エッチングなどを用いて、第１保温層１２ａおよび温度調整層１２ｂ、第２保温層１２ｃからなる積層構造部分に、断面がほぼ矩形状の突出部１２を形成する。このとき、第１保温層１２ａの一部もエッチングし、突出部１２では、第１および第２の２つの保温層１２ａ、１２ｃ間に温度調整層１２ｂを挟んだ形にする。次に、図２（ｆ）に示すように、焼成工程により突出部１２の上面が滑らかに変化する凸形状に形成し、支持基体１１を完成する。

その後、図示していないが、支持基体１１上に絶縁層１３（図１）、たとえばＳｉＯ2を１．０μｍの厚さに形成する。絶縁層１３には、同等の絶縁機能を有するものであればＳｉＯ2以外の材料を用いることもできる。

ここで、上記した構成のサーマルヘッドの印画時の熱特性について図３を参照して説明する。図３の横軸は時間ｔ、縦軸は温度（℃）、ｔ１〜ｔｎは電極にパルス電圧を印加するタイミングを示している。また、上記した発明品のサーマルヘッド（図１）の熱特性をＴ１で示す。

この場合、発明品は、ヘッド基板部の側面に露出する温度調整層１２ｂに電極を接続している。そして、ヘッド基板部の温度データを取り込み、その温度データを用いて、電極を通して温度調整層１２ｂに正逆の電流を流し、温度調整層１２ｂに吸熱作用および発熱作用を発生させている。

たとえば、印画開始時Ｐは温度が低下しているため、温度調整層１２ｂに発熱作用を持たせ、印字濃度が薄くならないように制御している。また、時間の経過とともに温度が上昇するため、蓄熱過剰となって尾引き等が発生する期間Ｑでは、温度調整層１２ｂに流れる電流の向きを印画開始時Ｐと逆にし、温度調整層１２ｂに吸熱作用をもたせ、印字濃度が濃すぎないように制御している。

上記した構成によれば、発熱部１４ａ直下に位置する支持基体１１、たとえば突出部１２の第１保温層１２ａと第２保温層１２ｃとの間に温度調整層１２を設けている。したがって、第１保温層１２ａおよび第２保温層１２ｃの蓄熱性や放熱性に、温度調整層１２の蓄熱作用や放熱作用が加わり、符号Ｔ１に示すように、支持基体１１の保温層１１ｂに求められる熱特性に近似した熱特性が得られ、高印画品位のサーマルヘッドが実現する。

上記したように、たとえば第１保温層１２ａと第２保温層１２ｃとの間に温度調整層１２を設ける３層構造にした場合、抵抗体列の直下にペルチエ効果を有する層が位置する。その結果、抵抗体で発生した熱に対する応答が早くなり、印字する際に、印字切れや尾引きなどの防止効果が高くなると考えられる。

次に、本発明の第２実施形態について、ヘッド基板部を抜き出した図４の概略断面図を参照して説明する。図４は、図１に対応する部分に同じ符号を付し重複する説明を一部省略する。

第２実施形態は、絶縁基板１１ａの主面上全体に第１保温層１２ａが形成され、また、第１保温層１２ａの主面上すべてを覆うように温度調整層１２ｂが形成されている。また、温度調整層１２ｂ上の一部に、断面が凸形状の第２保温層１２ｃが形成されている。

ここで、第２実施形態の支持基体１１の製造方法について図５を参照して説明する。図５は、図２および図４に対応する部分に同じ符号を付し、重複する説明を一部省略する。

図５（ｃ）に示すように、スパッタ等の薄膜形成法により、第１保温層１２ａの主面上全てを覆うように薄膜の温度調整層１２ｂ、たとえばＺｎＳｂ膜を１〜５μｍの厚さに形成する。次に、図５（ｄ）に示すように、スクリ一ンマスクなどを用いて温度調整層１２ｂ上の一部に断面がほぼ矩形状の第２保温層１２ｃを形成する。次に、図５（ｅ）に示すように、焼成工程により、第２保温層１２ｃの上面をなだらかな凸形状とし、支持基体１１を完成する。

この場合、その後、第２保温層１２ｃ上に形成される電極パターンと第２保温層１２ｃとの電気的な短絡を防止するために、第２保温層１２ｃ上にさらに絶縁層を設けてもよい。

第２実施形態も、温度調整層１２ｂに吸熱作用および発熱作用を持たせている。この場合、第１実施形態と同様に、図３の符号Ｔ１に示すような印画時の熱特性が得られた。

また、上記の第１実施形態および第２実施形態では、温度調整層に電流を流して蓄熱作用や放熱作用を持たせている。しかし、必ずしも温度調整層に電流を流す必要はなく、温度調整層を設けただけの構造でも、図６の実線Ｔ２に示すように、パルス印加の回数が多くなった段階において、従来品の特性（点線Ｔ）よりも発熱温度がほぼ５０℃低くなり放熱性が改善する効果が得られた。

これは、ペルチエ効果を有する層を設けたため、その層自体の効果で必要以上にヘッド温度が下がることを防止する保熱効果と、逆に、必要以上に蓄熱した場合は、その層を介して起こる放熱効果が発生し、サーマルヘッドの支持基体に求められる特性が得られるものと考える。

また、上記の実施形態は、ペルチエ効果を有する薄膜材料としてＺｎＳｂを使用しているが、ＰｂＴｅなどの材料を用いることもできる。

本発明の実施形態を説明する概略断面図である。 本発明の実施形態に係る支持基体の製造方法を説明する概略断面図である。 本発明の実施形態の熱特性を説明する特性図である。 本発明の他の実施形態を説明する概略断面図である。 本発明の他の実施形態に係る支持基体の製造方法を説明する概略断面図である。 本発明の他の実施形態の熱特性を説明する特性図である。 従来例を説明する概略断面図である。 従来例の熱特性を説明する特性図である。

符号の説明

１１…支持基板
１１ａ…絶縁基板
１１ｂ…保温層
１２…突出部
１２ａ…第１保温層
１２ｂ…温度調整層
１２ｃ…第２保温層
１３…絶縁層
１４…発熱抵抗体
１５…電極
１５ａ…個別電極
１５ｂ…共通電極
１６…保護層

Claims (2)

1. 絶縁基板上にグレーズ層からなる保温層を設けた支持基板と、この支持基板上に形成した発熱抵抗体と、この発熱抵抗体上に形成され、前記発熱抵抗体の発熱部に電流を供給する電極と、前記発熱部を被覆する保護層とを具備したサーマルヘッドにおいて、前記支持基板の保温層の一部に上面がなだらかな凸形状に突出する突出部が焼成で形成され、前記突出部の保温層は、グレーズ層からなる第１保温層と、この第１保温層上に位置し電流を流す向きによって発熱作用および吸熱作用を呈する温度調整層と、この温度調整層上に位置するグレーズ層からなる第２保温層とを有することを特徴とするサーマルヘッド。
2. 絶縁基板上にグレーズ層からなる第１保温層を形成する第１工程と、前記第１保温層上に電流を流す向きによって発熱作用および吸熱作用を呈する温度調整層を形成する第２工程と、前記温度調整層上に、グレーズガラスからなる第２保温層を形成する第３工程と、前記第１保温層および前記温度調整層、前記第２保温層を有する積層構造部分に、エッチングによって断面がほぼ矩形状の突出部を形成する第４工程と、焼成によって前記突出部の上面がなだらかに変化する凸形状に形成する第５工程と、前記突出部の前記第２保温層上に絶縁層を形成する第６工程と、前記絶縁層上に発熱抵抗体を形成する第７工程と、前記発熱抵抗体上に間隙を有する電極を形成する第８工程と、前記電極の間隙上に保護層を形成する第９工程とを有するサーマルヘッドの製造方法。

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