JP4360603B2

JP4360603B2 - サーマルヘッド及びそれを用いたサーマルプリンタ

Info

Publication number: JP4360603B2
Application number: JP2003119690A
Authority: JP
Inventors: 正明北戸; 和幸板木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2023-04-24
Also published as: JP2004322448A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱素子の発する熱を利用して感熱紙、記録紙等に印画を形成するサーマルヘッド及びサーマルプリンタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ファクシミリやビデオプリンタ等の記録デバイスとしてサーマルヘッドが用いられている。
【０００３】
かかる従来のサーマルヘッドとしては、例えば図５に示す如く、複数の発熱素子２３及び該発熱素子２３に電気的に接続される接続パッド２５を有するヘッド基板と、前記接続パッド２５に導電材２６を介して電気的に接続される配線導体２９を有した外部配線板２８と、を備えた構造のものが知られており、サーマルヘッド上に配設されるプラテンローラを用いて感熱紙やインクリボン、記録紙等の記録媒体を発熱素子２３上に搬送しながら、外部からの印画信号に基づいて複数の発熱素子２３を個々に選択的に発熱させるとともに、該発熱した熱を発熱素子２３上の記録媒体に伝導させ、該伝導させた熱によって感熱紙や記録紙に所定の印画が形成される。
【０００４】
ところで、ＦＡＸ用サーマルヘッドをはじめ種々のサーマルヘッドにおいて、サーマルヘッドの低コスト化、小型化が一層求められるようになっており、それに伴い、接続パッド２５の面積をより一層小さくすることが求められている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−２３０２２４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、接続パッド２５の面積を小さくすると、接続パッド２５と導電材２６との機械的強度が低下し、取り扱い時にわずかな力が加わっただけで導電材２６の一部が剥離することがある。それ故、電気的接続の信頼性が低下して、サーマルヘッドの動作に異常を生じるという問題が発生する。すなわち、このようなサーマルヘッドの取り扱い時には、ヘッド基板２１と外部配線板２８とを接続する導電材２６に機械的応力が加わらないように注意する必要があり、サーマルヘッドを機器に組み込む際の作業性が悪くなるという問題点を誘発する。
【０００７】
上述した問題は、線膨張係数が互いに異なるヘッド基板と外部配線板とを半田接合によって電気的に接続する場合、両者の線膨張係数の差に起因した熱応力によって導電材２６である半田と接続パッド２５との電気的接続が低下し易くなるため、特に問題であった。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、ヘッド基板と外部配線板との接続を確実かつ強固とし、信頼性の高いサーマルヘッド及びサーマルプリンタを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のサーマルヘッドは、配列されている複数の発熱素子、及び該複数の発熱素子に対して電気的に接続されている複数の接続パッドを有するヘッド基板と、前記複数の接続パッドに対して導電材を介して接続されている複数の配線パッドを有する外部配線板とを備えており、前記複数の接続パッドは、前記ヘッド基板の１つの辺に沿って配列されているとともに、厚み方向に貫通し、かつ前記ヘッド基板の前記１つの辺に略平行な溝を備えており、該溝の内部には、前記導電材の一部が充填されていることを特徴とするものである。
【００１１】
更に本発明のサーマルヘッドにおいて、前記複数の接続パッドのそれぞれは、前記溝を複数備えていることが好ましい。
【００１２】
そして、本発明のサーマルプリンタは、上述のサーマルヘッドと、該サーマルヘッドを駆動する駆動手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の一形態に係るサーマルヘッドの断面図であり、図２は図１のサーマルヘッドを構成するヘッド基板の平面図（保護膜不図示）であり、同図に示したサーマルヘッドは、大略、ヘッド基板１と外部配線板８とで構成され、両者を導電材６で電気的に接続している。
【００１８】
前記ヘッド基板１は、アルミナセラミックスや単結晶シリコン、Ｆｅ−Ｎｉ合金等の種々の材料により長方形状を成すように形成されたベースプレート１ａの上面にグレーズ層２や発熱素子３、回路導体４、接続パッド５、保護膜７等を有しており、その上面でグレーズ層２や発熱素子３、回路導体４、接続パッド５、保護膜７等を支持する支持母材として機能する。
【００１９】
前記ヘッド基板１を構成するベースプレート１ａは、アルミナセラミックスから成る場合、例えばアルミナ、シリカ、マグネシア等のセラミックス原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加、混合して泥漿状になすとともに、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等を採用することによってセラミックグリーンシートを得、しかる後、このセラミックグリーンシートを長方形状に打ち抜いた上、高温で焼成することによって製造される。
【００２０】
また、前記ベースプレート１ａの上面には、ガラス製のグレーズ層２が被着されている。
【００２１】
前記グレーズ層２は、ベースプレート１ａの上面全体にわたり略均一厚みに被着されるベース部２ｂ上に基板１の一方長辺に沿って帯状に配される突出部２ａを部分的に形成した構造をしている。
【００２２】
前記グレーズ層２は、ベース部２ｂの厚みが５０μｍ〜２５０μｍに、突出部２ａの頂部の厚みが２０μｍ〜８０μｍにそれぞれ設定されており、該突出部２ａの頂部付近には複数の発熱素子３が被着されている。
【００２３】
このグレーズ層２は、例えば、熱伝導率が０．７Ｗ／ｍ・Ｋ〜１．０Ｗ／ｍ・Ｋのガラスにより形成されているため、その内部に発熱素子３の熱の一部を蓄積してサーマルヘッドの熱応答性を良好に維持する作用、具体的には、発熱素子３の温度を短時間で印画に必要な所定の温度まで上昇させる蓄熱層としての作用を為す。
【００２４】
尚、前記グレーズ層２は、ガラス粉末に適当な有機溶剤を添加、混合して得た所定のガラスペーストを従来周知のスクリーン印刷等によって基板１の上面全体に印刷、塗布するとともに、これを従来周知のエッチング法やサンドブラスト法によって所定パターンに加工し、これを高温（８５０℃〜９５０℃）で焼き付けることによって形成される。
【００２５】
また前記発熱素子３は、例えば６００ｄｐｉ(dot per inch)の密度で直線状に配列されており、各々がＴａＳｉＯ系、ＴｉＳｉＯ系、ＴｉＣＳｉＯ系等の電気抵抗材料から成っているため、その両端に接続される回路導体４を介して外部からの電力が供給されるとジュール発熱し、感熱紙に印画を形成したり、あるいは、インクリボンのインクを溶融したりするのに必要な温度、例えば１５０℃〜４００℃の温度に発熱する。
【００２６】
また、前記各発熱素子３の両端に接続される回路導体４は、発熱素子３に所定の電力を供給する給電配線として機能するものであり、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の金属材料により所定パターンに形成され、その一端を基板１の他方長辺の近傍（基板の端部より１００μｍ〜３００μｍ離間した位置）まで導出させて該導出部を接続パッド５と成している。
【００２７】
前記複数の接続パッド５は、その上面に半田やボンディングワイヤ等の導電材６（本実施形態においては半田）を介して外部配線板８の配線導体９と電気的に接続させるためのものであり、基板１の他方長辺に沿って配列されている。
【００２８】
このような接続パッド５は、ベースとなる回路導体４の導出部に例えばＮｉ層及びＡｕ層を順次被着させた構造をしており、各々の接続パッド５には基板１の他方長辺と略平行な溝５ａが単数又は複数形成されている（本実施形態においては単数）。
【００２９】
前記溝５ａは、その幅が５μｍ〜１５０μｍに、深さが２．５μｍ〜５．０μｍにそれぞれ設定されており、溝５ａの底面よりグレーズ層２の一部が露出するように形成され、溝５ａの内部に導電材６の一部を充填して接続パッド５と導電材６との接合強度を高めている。
【００３０】
尚、上述の発熱素子３及び回路導体４は、従来周知の薄膜形成技術、例えばＴａＳｉＯ系等の抵抗膜及びＡｌ等の金属膜を従来周知のスパッタリング法や蒸着法によって順次所定厚み（抵抗膜０．０１５μｍ〜０．０２μｍ：金属膜０．９μｍ〜１．２μｍ）に積層するとともに、該積層体を従来周知のフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を採用することによって所定パターンに形成され、また前記接続パッド５は、回路導体４の所定領域に例えば従来周知の無電解メッキ法を採用することによってＮｉ層及びＡｕ層を順次積層するとともに、該積層体に従来周知のフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を採用することによって前記溝５ａを設けることで形成される。
【００３１】
そして、前記発熱素子３及び回路導体４の上面には保護膜７が被着されており、該保護膜７によって発熱素子３や回路導体４が共通に被覆されている。
【００３２】
前記保護膜７は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）や酸化珪素（ＳｉＯ_２）、サイアロン（Ｓｉ-Ａｌ-Ｏ-Ｎ）等の耐磨耗性に優れた無機質材料から成り、発熱素子３や回路導体４等を記録媒体の摺接による磨耗や大気中に含まれている水分等の接触による腐食から保護する作用を為す。
【００３３】
尚、前記保護膜７は、従来周知の薄膜形成技術、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法やスパッタリング等を採用し、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）や酸化珪素（ＳｉＯ_２）、サイアロン（Ｓｉ-Ａｌ-Ｏ-Ｎ）等の無機質材料を発熱素子３や回路導体４等の上面に５μｍ〜１０μｍの厚みに被着させることにより形成される。
【００３４】
一方、前記ヘッド基板１に電気的に接続される外部配線板８は、例えば、銅やアルミニウム等の金属材料により形成された複数の配線導体９をポリイミド樹脂等の比較的軟らかい樹脂材料からなる一対のフィルムで挟持した構造をしており、一端側をヘッド基板１に、他端側を外部電気回路にそれぞれ接続することで外部電気回路から接続パッド５や回路導体４を介して発熱素子３に所定の電力を供給する作用を為している。
【００３５】
かかる外部配線板８は、一端側の一方のフィルムに開口を設けて配線導体の一部を露出させて該露出部を配線パッド１０に成し、かかる配線パッド１０と前記接続パッド５とを導電材６を介して接合することにより、ヘッド基板１の接続パッド５と外部配線板８の配線パッド１０とを個々に電気的に接続している。
【００３６】
ここで、先に述べた如く、前記接続パッド５に溝５ａを設け、該溝５ａの内部に出来た領域に前記導電材６の一部を充填したことから、接続パッド５と導電材６との接続面積が広くなり、両者の接合強度を高くすることができる。従って、接続パッド５の面積を小さくすることによって生じる問題、すなわち、サーマルヘッドの取り扱い時に加わる機械的応力や熱応力によって導電材６が接続パッド５より剥離するといった問題を少なくすることができ、ヘッド基板１と外部配線板８との電気的信頼性を高く保つことが可能となる。
【００３７】
尚、前記外部配線板８は、フレキシブル配線板から成る場合、例えばポリイミド樹脂からなるフィルム上に銅箔を貼着するとともに、該銅箔を従来周知のフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を採用することにより所定パターンに加工し、しかる後、該加工した銅箔をポリイミド樹脂からなるフィルムで被覆することによって製造される。
【００３８】
また前記外部配線板８とヘッド基板１との接合は、導電材６が半田からなる場合、例えば、配線導体９の露出部に予め半田を設けた状態で、半田がヘッド基板１の接続パッド５上に位置するように外部配線板８の一端側をヘッド基板１に重畳させるとともに、該重畳部をヒーターバー等で圧接、加熱することによって行われる。また、導電材６がボンディングワイヤである場合、ヘッド基板１の接続パッド５と外部配線板８の配線導体９とを従来周知のワイヤボンディング法を採用することにより電気的に接続する。
【００３９】
ここで、導電材６である半田を溝５ａの内部に充填するには、半田を約２３０度の温度で１０秒以上加熱すれば良い。このとき、前記溝５ａの幅を、その底面側よりも開口部側で大きくなるように設定しておけば、溝５ａの内部に導電材６が良好に入り込み易くなり、サーマルヘッドの生産性向上に供することができる。尚、溝５ａの幅を底面側よりも開口部側で大きくするにはエッチング時間を通常よりも長くすればよい。
【００４０】
そして、上述のようなサーマルヘッドが組み込まれるサーマルプリンタには、図３に示す如く、サーマルヘッドＴを駆動する駆動手段Ｃを備えており、記録媒体をサーマルヘッドＴの発熱素子３上に搬送する搬送手段として、プラテンローラ１１や搬送ローラ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ等が配設されている。
【００４１】
前記駆動手段Ｃは、シフトレジスタやラッチ、スイッチングトランジスタ等を高密度に集積したドライバーＩＣや該ドライバーＩＣにストローブ信号やラッチ信号等の制御信号を供給する制御回路等を備えており、制御回路からの制御信号に基づいてドライバーＩＣ内のスイッチングトランジスタのオン・オフを切り換えることにより、発熱素子３の発熱を制御している。
【００４２】
一方、搬送手段としてのプラテンローラ１１は、ＳＵＳ等の金属から成る軸芯の外周にブタジエンゴム等を３ｍｍ〜１５ｍｍ程度の厚みに巻きつけた円柱状の部材であり、サーマルヘッドＴの発熱素子３上に回転可能に支持され、記録媒体を発熱素子３に対して押圧しつつ記録媒体を発熱素子３の配列と直交する方向（図中の矢印方向）に搬送する。
【００４３】
また前記搬送ローラ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは、その外周部が金属やゴム等によって形成されており、サーマルヘッドＴに対し記録媒体の搬送方向上流側と下流側に分かれて配設され、これらの搬送ローラ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと前述のプラテンローラ１１とで記録媒体の走行を支持している。
【００４４】
そして、これと同時に多数の発熱素子３を駆動手段Ｃの駆動に伴い選択的にジュール発熱させ、これらの熱を記録媒体に伝導させることによって所定の印画が形成される。
【００４５】
尚、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良が可能である。
【００４６】
例えば、上述の実施形態においては、前記グレーズ層２をベースプレート１ａの上面全体に被着させるようにしたが、これに代えて、断面山状を成す帯状のグレーズ層をベースプレート１ａの上面に部分的に被着させるようにしても良い。また上述の実施形態におけるグレーズ層２の突出部２ａを設けず、ベースプレート１ａの全面にわたり略均一な厚みのグレーズ層を形成するようにしても構わない。
【００４７】
また上述の実施形態において、前記溝５’ａを、図４に示す如く、少なくとも接続パッド５のエッジ近傍（エッジより１００μｍまでの領域内）に設けるようにしておけば、導電材６との密着強度が不足しがちな接続パッド５のエッジ付近の強度を確実に高くすることができ、サーマルヘッドの信頼性をより向上させることが可能となる。
【００４８】
更に、上述の実施形態において、前記接続パッド５を構成するＮｉ層やＡｕ層等の無電解メッキ層を溝５の内面まで導出しておけば、溝５の内部に半田などの導電材６を充填し易くなるとともに、溝５の内面と導電材６との密着性をより高めることができ、サーマルヘッドの生産性、信頼性をより向上させることが可能となる。
【００４９】
また更に上述の実施形態において、前記外部配線板８の配線パッド１０にも、接続パッド５と同様に溝を形成し、該溝内に導電材６を充填するようにしておけば、導電材６と配線パッド１０との接合強度を高めることができるという利点もある。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、ヘッド基板上の接続パッドに溝を設け、該溝の内部に、接続パッドと配線パッドとを電気的に接続する導電材の一部を充填したことから、接続パッドと導電材との接触面積を広くすることができ、両者の接合強度を高くすることができる。従って、接続パッドの面積を小さくすることによって生じる問題、すなわち、サーマルヘッドの取り扱い時に加わる機械的応力や熱応力によって導電材が接続パッドより剥離するといった問題が生じるのを少なくすることができ、ヘッド基板と外部配線板との電気的信頼性を高く保つことが可能となる。またこれによってサーマルプリンタの信頼性も高くすることができる。
【００５１】
かかる作用効果は前記溝を各接続パッドに複数設けることにより、更に高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかるサーマルヘッドの断面図である。
【図２】図１のサーマルヘッドを構成するヘッド基板の平面図である（保護膜不図示）。
【図３】図１のサーマルヘッドを組み込んで構成したサーマルプリンタの概略側面図である。
【図４】本発明の他の実施形態にかかるサーマルヘッドの断面図である。
【図５】従来のサーマルヘッドの断面図である。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・グレーズ層
３・・・発熱素子
４・・・回路導体
５・・・接続パッド
５ａ，５’ａ・・・溝
６・・・導電材
７・・・保護膜
８・・・外部配線板
９・・・配線導体
１０・・・配線パッド
１１・・・プラテンローラ
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ・・・搬送ローラ

Claims

配列されている複数の発熱素子、及び該複数の発熱素子に対して電気的に接続されている複数の接続パッドを有するヘッド基板と、
前記複数の接続パッドに対して導電材を介して接続されている複数の配線パッドを有する外部配線板とを備えており、
前記複数の接続パッドは、前記ヘッド基板の１つの辺に沿って配列されているとともに、厚み方向に貫通し、かつ前記ヘッド基板の前記１つの辺に略平行な溝を備えており、
該溝の内部には、前記導電材の一部が充填されていることを特徴とするサーマルヘッド。
前記複数の接続パッドのそれぞれは、前記溝を複数備えていることを特徴とする請求項１に記載のサーマルヘッド。
請求項１または請求項２に記載のサーマルヘッドと、該サーマルヘッドを駆動する駆動手段とを備えていることを特徴とするサーマルプリンタ。