JP4369723B2 - サーマルヘッド、及びそれを用いたサーマルプリンタ - Google Patents

Description

本発明は発熱素子の発する熱を利用して記録動作を行うサーマルヘッド、及びそれを用いたサーマルプリンタに関するものである。

従来、ワードプロセッサ等のプリンタ機構としてサーマルヘッドが用いられている。かかる従来のサーマルヘッドは、例えば、上面に複数個の発熱素子及び回路導体が形成された四角形状のヘッド基板と、該ヘッド基板の回路導体に電気的に接続されている複数個の配線導体を有したフレキシブル配線基板（以下、ＦＰＣと略記する）とで構成されている。

ＦＰＣは、外部からの電源電力等をヘッド基板上の発熱素子等に供給するためのものであり、このようなＦＰＣを介してヘッド基板上の発熱素子に電源電力が供給されると、発熱素子がジュール発熱を起こし、記録媒体に所定の印画を形成するようになっている。

尚、ヘッド基板とＦＰＣとの電気的接続は、ＦＰＣの一端をヘッド基板の上面の１つの辺の端部に沿って重畳させた上で、この重畳部でＦＰＣの配線導体と、ヘッド基板上の回路導体とを半田を介して接合させることによって行なわれる。

ところで、この従来のサーマルヘッドは、図６に示す如く、ヘッド基板２１とＦＰＣ２４との重畳部において両者間の間隙が極めて狭くなっているため、ヘッド基板２１上の回路導体２２と、ＦＰＣ２４の配線導体２５とを接合する半田２３の余剰分が両導体間２２−２５の領域より外にはみ出すと、該はみ出した半田２３は、多くが横方向（図５の紙面に対し垂直な方向）に広がり、その結果、隣り合う半田同士のショートが発生するおそれがあった。

このような問題点を解消すべく、特許文献１には、半田接合部よりも外側に位置するセラミック基体に切り欠きを設け、該切り欠きとＦＰＣとの間に半田溜まりを形成することが提案されている。
特開２００１−１００９６号公報

この特許文献１に示すサーマルヘッドにおいては、半田を収容するスペースを形成するための切り欠きがセラミック基体自体に設けられていることから、切り欠き部でセラミック基体の表面が露出している。セラミック基体の表面は、比較的表面粗さが大きいため、特許文献１に示すサーマルヘッドにおいて、回路導体と配線導体との間からはみ出した半田がセラミック基体の表面に接触すると、該接触した半田がセラミック基体の表面に形成される細かな凹凸に引き寄せられてしまい、半田がセラミック基体上で流動してしまう。その結果、回路導体と配線導体との間からはみ出した半田の量が特に多い場合、結局、隣接する半田同士がショートを起こすおそれがあった。

本発明は、上記問題点に鑑み案出されたもので、その目的は、ヘッド基板と外部配線基板とを接続する導電材同士のショートを良好に抑制することが可能な高性能のサーマルヘッド、及びそれを用いたサーマルプリンタを提供することにある。

本発明のサーマルヘッドは、基体上にグレーズ層を介して複数個の発熱素子及び回路導体が形成されているヘッド基板と、前記回路導体に電気的に接続されている配線導体を有している外部配線基板とを備え、前記ヘッド基板上の端部に沿って前記外部配線基板の一部を重畳し、該重畳部で前記回路導体と前記配線導体とを、半田からなる導電材を介して接合して成るサーマルヘッドにおいて、前記グレーズ層は、前記回路導体及び前記配線導体の接合部とヘッド基板端部との間の領域に、他の領域よりも厚みの薄い薄層部を有しており、該薄層部は、当該グレーズ層の他の領域よりも前記外部配線基板との間隙を広く確保できるように構成されていることを特徴とする。

また、本発明のサーマルヘッドにおいて、前記導電材の余剰分が前記外部配線基板と前記グレーズ層の薄層部との前記間隙に収容されることが好ましい。

更に、本発明のサーマルヘッドにおいて、前記回路導体は、前記重畳部に併設されている複数の回路端子を有しており、前記グレーズ層は、前記複数の回路端子の配列の両端よりも外側の領域にも設けられていることが好ましい。

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、該サーマルヘッド上に記録媒体を搬送する搬送手段と、前記サーマルヘッドを駆動する駆動手段とを備えたことを特徴とする。

本発明のサーマルヘッドによれば、基体上に形成されるグレーズ層は、ヘッド基板上の回路導体及び外部配線基板の配線導体の接合部とヘッド基板端部との間の領域に、他の領域よりも厚みの薄い薄層部を有していることから、接合部とヘッド基板端部との間の領域でヘッド基板と外部配線基板との間隙を広くできる。従って、回路導体と配線導体との間に介在される導電材の余剰分がはみ出したとしても、該はみ出した導電材が上記間隙に良好に収容されるため、導電材が導体の並設方向に広がることが抑制され、隣り合う導電材同士のショートを有効に防止することができる。

しかも、接合部とヘッド基板端部との間の領域において、基体の表面がグレーズ層で覆われていることから、導体間よりはみ出した導電材が基体に直接接触することが防止される。それ故、ヘッド基板の表面に接触した導電材が大きく流動し、隣接する導電材同士がショートすることを良好に抑制でき、サーマルヘッド、サーマルプリンタの歩留まり向上に供することが可能となる。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明のサーマルヘッドの一形態に係るサーマルヘッドの平面図であり、図２は図１のサーマルヘッドのＸ−Ｘ’線断面図であり、１はヘッド基板であり、２は基体であり、４は発熱素子であり、５は回路導体であり、７は外部配線基板としてのＦＰＣ（フレキシブル配線基板）であり、８は配線導体であり、１０は導電材である。

ヘッド基板１は、四角形状をなす基体２の上面に、該基体２の一辺に沿って複数個の発熱素子４と、該発熱素子４に電気的に接続される複数個の回路導体５とをそれぞれ被着させるとともに、これら回路導体５の一端を基体２の上面の他辺に導出し、該導出部に複数個の回路端子６を並設した構造を有している。

基体２は、ヘッド基板１のベースとなるものであり、例えばアルミナセラミックス等のセラミック材料、他の絶縁材料から成り、上面で複数個の発熱素子４、複数個の回路導体５、複数個の回路端子６等を支持するようになっている。

尚、基体２は、アルミナセラミックスから成る場合、アルミナ、シリカ、マグネシア等のセラミック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、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て、これを所定の四角形状に打ち抜いた上で、高温で焼成することによって製造される。

また、基体２上には、グレーズ層３を介して複数の発熱素子４、回路導体５等が設けられている。

グレーズ層３は、基体２の上面全体にわたり略均一な厚みに形成されている基層部３ａと、断面で山状に形成されている帯状の凸状部３ｂとを備えた構造を有している。基層部３ａの厚みは、例えば８０μｍ〜２５０μｍに、凸状部３ｂの厚みは、例えば１０μｍ〜８５μｍにそれぞれ設定され、また、凸状部３ｂの幅は、２００μｍ〜２０００μｍに設定されている。グレーズ層３の材料としては、主にガラスが採用され、例えば、酸化珪素（ＳｉＯ_２）が４０質量％〜６０質量％、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）が５質量％〜１０質量％、酸化カルシウム（ＣａＯ）が１０質量％〜１５質量％、酸化バリウム（ＢａＯ）が２０質量％〜３０質量％含有されたガラスが好適に使用される。

このグレーズ層３は、その上に発熱素子４、回路導体５等を被着させてサーマルヘッドを製作した際、発熱素子４の発する熱を内部で蓄熱してサーマルヘッドの熱応答性を良好に維持する蓄熱層としての作用と、発熱素子４を凸状部３ｂ上に被着させることでこれを上方に突出せしめ、感熱紙、インクリボン等の記録媒体に対するサーマルヘッドの紙当たり（印圧）を有効に高める作用とを併せ持っている。なお、高い印圧が不要な場合、グレーズ層３の凸状部３ｂは、必ずしも必要なものではなく、無くてもよい。

このようなグレーズ層３は、グレーズ層３が基層部３ａと凸状部３ｂとで構成される場合、ガラス粉末に適当な有機溶剤、有機バインダー等を添加、混合して得たガラスペーストを従来周知のスクリーン印刷法などによって、基体２の上面の所定領域に印刷、塗布するとともに、これを従来周知のフォトリソグラフィー技術、エッチング技術を採用することにより、凸状部３ｂに相当する領域以外を厚み方向に一部除去して一部を突出させ、しかる後に、これを８５０℃〜９５０℃の高温で所定時間加熱して突出部の表面を曲面状に成すことにより形成される。

また、グレーズ層３に凸状部３ｂが存在しない場合、ガラス粉末に適当な有機溶剤、有機バインダー等を添加、混合して得たガラスペーストを従来周知のスクリーン印刷法などによって、基体２の上面の所定領域に印刷、塗布するとともに、これを８５０℃〜９５０℃の高温で所定時間加熱することにより形成される。

一方、グレーズ層３上に設けられる複数個の発熱素子４は、例えば３００ｄｐｉのドット密度で基体２の一辺に沿って直線状に配列されており、各々がＴａ−Ｓｉ−Ｏ系、Ｔｉ−Ｓｉ−Ｏ系、Ｔｉ−Ｃ−Ｓｉ−Ｏ系等の電気抵抗材料から成っているため、回路導体５、ＦＰＣ７を介して外部からの電源電力が供給されるとジュール発熱を起こし、記録媒体に印画を形成するのに必要な所定の温度となる。

また、回路導体５は、外部からの電源電力等を発熱素子４に供給するための給電配線、或いは、図示しないドライバーＩＣに印画信号等を供給するための信号配線として機能するものであり、例えばＡｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）等の加工性の良好な金属によって、基体２の上面に所定パターンをなすように形成される。

更に、回路導体５は、上述した如く、一端を基体上面の他辺に導出させるとともに該導出部の上面に回路端子６を被着させてあり、これによって、複数個の回路端子６が基体上面の他辺に沿って並設された形となっている。

回路端子６は、ヘッド基板１の回路導体５を後述するＦＰＣ７の配線端子９に導電材１０を介して接合させるためのヘッド基板１側の接続端子として機能するものである。回路端子６の材料としては、例えば回路端子６と配線端子９とを接合する導電材１０が半田からなる場合、半田濡れ性が良好な材料、例えば、Ａｕ（金）、Ｎｉ（ニッケル）により形成されるか、或いはこれらを組み合わせた構成が採用される。

尚、上記のような発熱素子４及び回路導体５は、従来周知の薄膜手法、具体的にはスパッタリング、フォトリソグラフィー、及びエッチング等を採用することによって基体２の上面にそれぞれ所定パターンをなすように被着される。

また、回路端子６は、Ａｕ、Ｎｉから成る場合、従来周知の無電界めっき法等を採用し、回路導体５の一部上面に半田濡れ性の良好な金属を例えば２μｍ〜３μｍの厚みに被着させることによって形成される。

そして、グレーズ層３は、複数個の回路端子６が並設されている他辺に沿って他の領域よりも厚みの薄い薄層部３ｃを有している。

この薄層部３ｃは、基体２の上面の回路端子６のエッジ付近から他辺に沿った端面にかけて、すなわち、回路端子６及び配線端子９の接合部（回路導体５及び配線導体８の接合部）とヘッド基板１の端部との間の領域に設けられている。薄層部３ｃはグレーズ層３の他の領域よりも厚みが薄く設定されているため、この領域でヘッド基板１の上面とＦＰＣ７の下面との間に形成される間隙を広く確保できる。従って、回路導体５と配線導体８との間に介在される導電材１０の余剰分がはみ出したとしても、該はみ出した導電材１０が上記間隙に良好に収容されるため、導電材１０が端子の並設方向に広がることが抑制され、隣り合う導電材同士のショートを有効に防止することができる。

しかも、回路導体５及び配線導体８の接合部と、ヘッド基板１の端部との間の領域において、基体２の表面はグレーズ層３で覆われていることから、端子間よりはみ出した導電材１０がヘッド基板１の表面に接触したとしても、導電材１０が基体２に直接接触することはなく、本実施形態においては、表面が平滑なグレーズ層３の表面に導電材１０が接触することとなる。それ故、ヘッド基板１の表面に接触した導電材１０は、グレーズ層３の表面で良好に弾かれ、はみ出した導電材１０が端子に向かって復元しようとする力が働くこととなり、導電材１０がヘッド基板１上で流れ出して隣接する導電材１０同士がショートするのを良好に抑制できる。従って、サーマルヘッド、サーマルプリンタの歩留まり向上に供することができる。

なお、本実施形態の場合、導電材１０に直接接触する可能性のある薄層部３ｃの表面の表面粗さを算術平均粗さＲａで０．１μｍ〜０．５μｍに設定しておくことが好ましい。その理由は、表面粗さがＲａで０．５μｍよりも大きいと、導電材１０を薄層部３ｃの表面で弾いてはみ出した導電材１０を端子に向かって復元させる力が不足気味になり、一方、表面粗さをＲａで０．１μｍよりも小さくしようとすると、グレーズ層３の表面加工に手間がかかり、サーマルヘッドの生産性が低下するおそれがあるからである。

薄層部３ｃの形状は、薄層部３ｃ内で略均一な厚みとなるようにしても良いし（図３（ａ）参照）、厚みがヘッド基板１の端部に向かうにつれて漸次小さくなるように傾斜状に成してもよいし（図３（ｂ）参照）、階段状になしても良い（図３（ｃ）参照）。いずれの形状においても、薄層部３ｃ以外の領域よりも厚みが薄いことが重要である。

なお、薄層部３ｃの厚みは、薄層部３ｃを図３（ａ）のように略一定厚みとする場合、グレーズ層３の基層部３ａの厚みの１０％〜４０％に設定することが好ましい。また、薄層部３ｃを図３（ｂ）のように傾斜状にする場合、薄層部３ｃの最小厚みがグレーズ層３の基層部３ａの厚みの５％〜３０％で、且つ、薄層部３ｃの表面と基体２の上面との間の成す角度を２５°〜５５°に設定することが好ましい。薄層部３ｃの厚みを上述の値に設定することが好適な理由は、一般的に薄層部３ｃの厚みが小さければ小さいほど導電材の余剰分を収容するスペースが広くなるが、薄層部３ｃの厚みが小さすぎると、回路端子６の配列方向に沿って薄層部３ｃの厚みを略均一に制御することが困難となるため、薄層部３ｃとＦＰＣ７とのスペースの大きさが領域毎にばらつき、端子間に介在される導電材１０の形状が個々に大きく異なることとなり、その結果、ヘッド基板１とＦＰＣ７との接着強度が領域毎にばらつくおそれがあるからである。

なお、薄層部３ｃは、図３（ａ）、図３（ｃ）のような形状の場合、グレーズ層３を形成する際に、従来周知のフォトリソグラフィー技術、エッチング技術を採用することで形成される。また薄層部３ｃが図３（ｂ）のような形状の場合、グレーズ層３を形成した後、粗さ＃１００〜＃１０００のＡｌ_２Ｏ_３ 、ＳｉＣからなる研磨材で基板２の他辺に沿ってグレーズ層３を研磨することにより形成される。

一方、ヘッド基板１の隣には、ＦＰＣ７が、一端部を基体２の他辺に沿って重畳させた状態で並設されている。

ＦＰＣ７は、銅等の金属から成る配線導体８をポリイミド樹脂製のフィルム７ａ上に支持させた構造、あるいは、上述の配線導体８をフィルム７ａで挟持した構造を有しており、前述した重畳部には複数個の配線端子９が並設されている。

このＦＰＣ７は、ヘッド基板１をプリンタ本体に接続して外部からの電源電力等をヘッド基板１上の発熱素子４等に供給するためのものであり、その一端部に並設されている複数個の配線端子９をヘッド基板１の対応する回路端子６に導電材１０を介して接合させることによって、ヘッド基板１と電気的、機械的に接続され、また、その他端側に取着されるコネクタ（図示せず）を介して外部のプリンタ本体に電気的に接続される。

また、ＦＰＣ７の配線端子９は、配線導体８をヘッド基板１の回路端子６に導電材１０を介して接合させるためのＦＰＣ７側の接続端子として機能するものである。配線端子９の材料としては、例えば回路端子６と配線端子９とを接合する導電材１０が半田からなる場合、半田濡れ性が良好な材料、例えば、Ａｕ（金）、Ｎｉ（ニッケル）により形成されるか、あるいはこれらを組み合わせた構成が採用される。

尚、ＦＰＣ７のヘッド基板１に対する接合は、導電材１０が半田からなる場合、回路端子６−配線端子９間に半田を介在させた状態でＦＰＣ７の一端をヘッド基板１の端部に重畳させ、しかる後、この重畳部をＦＰＣ７の上からヒーターバー等で加熱し、前記半田を溶融させることによって行なわれる。

このとき、回路端子６及び配線端子９の接合部と、ヘッド基板１の端部との間の領域に位置するグレーズ層３には、前述した如く、薄層部３ｃが設けられており、ヘッド基板１の上面とＦＰＣ７の下面との間隙は、薄層部３ｃを設けた分だけ広くなっているため、導電材１０の余剰分が両端子６，９の間の領域より外にはみ出しても、該はみ出した導電材１０は縦方向にのみ大きく広がり、隣り合う導電材同士のショートを有効に防止することができる。

しかも、前記接合部と、ヘッド基板１の端部との間の領域において、基体２の表面は、グレーズ層３で覆われていることから、端子間よりはみ出した導電材１０がヘッド基板１の表面に接触したとしても、導電材１０が基体２に直接接触することはなく、本実施形態においては、表面が平滑なグレーズ層３の表面に導電材１０が接触することとなる。それ故、ヘッド基板１の表面に接触した導電材１０は、グレーズ層３の表面で良好にはじかれ、はみ出した導電材１０が端子に向かって復元しようとする力が働くこととなり、これによっても、隣接する導電材１０同士がショートするのを更に良好に抑制できる。

そして、ヘッド基板１とＦＰＣ７とを接合する導電材１０は、ヘッド基板１上の回路導体５と、ＦＰＣ７の配線導体８とを電気的に接続するためのものであり、半田等のように硬化前に流動性を有する導電材料により形成されている。例えば導電材１０が半田からなる場合、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｇを所定の比率で混合したものが好適に使用される。

かくして、上述したサーマルヘッドは、外部からの電源電力をＦＰＣ７、ヘッド基板１の回路導体５を介して発熱素子４に供給し、発熱素子４を外部からの画像データに基づいて個々に選択的にジュール発熱させるとともに、該発熱した熱を感熱紙等の記録媒体に伝導させ、記録媒体に所定の印画を形成することによってサーマルヘッドとして機能する。

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４に示す如く、サーマルヘッドＴを駆動する駆動手段Ｃと、記録媒体をサーマルヘッドＴの発熱素子４上に搬送する搬送手段としてのプラテンローラ１１、搬送ローラ１２等が配設される。

駆動手段Ｃは、シフトレジスタ、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、該ドライバーＩＣにストローブ信号、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４の発熱を制御するようにしている。

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４上に回転可能に支持され、記録媒体を発熱素子４に対して押圧しつつ記録媒体を発熱素子４の配列と直交する方向（図中の矢印方向）に搬送する。

また、搬送ローラ１２は、外周部が金属、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の上流側と下流側とに分かれて配設され、これらの搬送ローラ１２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。

そして、これと同時に複数個の発熱素子４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。

尚、本発明は、上述の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、改良等が可能である。

例えば、上述の形態においては、薄層部３ｃを基体２の他辺に沿って設けるようにしたが、これに代えて回路端子６が配設されている領域にのみ設けるようにしても構わない。

また、上述の形態において、図５に示すごとく、薄層部３ｃの表面をＳｉＯＮ系膜１３で被覆するようにしてもよい。

更に、上述の形態においてヘッド基板１、ＦＰＣ７をアルミニウム、ＳＵＳの良熱伝導性の金属から成る放熱板上に載置させても良いことは勿論である。

また、図２に示すように回路端子６の配列の両端に位置する回路端子６の面積が他の回路端子６よりも大きい場合、配列の両端に位置する回路端子６上に塗布された導電材１０の量が多くなることから、回路端子６の配列の両端よりも外側の領域にも上述の薄層部３ｃを設けるようにしても良く（図６参照）、この場合、配列の両端の回路端子６上の導電材１０の余剰分を収容するスペースが広くなり、隣接する導電材１０とのショートをより一層防止できる。

本発明の一形態に係るサーマルヘッドの平面図である。 図１のサーマルヘッドのＸ−Ｘ’線断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は薄層部の形状を示す図である。 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構成図である。 本発明の他の形態に係るサーマルヘッドのＸ−Ｘ’線断面図である。 本発明の他の形態に係るサーマルヘッドの断面図（ＦＰＣと導電材不図示）である。 従来のサーマルヘッドにおけるヘッド基板とＦＰＣとの接続部を示す断面図である。

１・・・ヘッド基板
２・・・基体
３・・・グレーズ層
３ａ・・・基層部
３ｂ・・・凸状部
３ｃ・・・薄層部
４・・・発熱素子
５・・・回路導体
６・・・回路端子
７・・・外部配線基板としてのフレキシブル配線基板（ＦＰＣ）
７ａ・・・フィルム
８・・・配線導体
９・・・配線端子
１０・・・導電材
１１・・・プラテンローラ
１２・・・搬送ローラ
１３・・・ＳｉＯＮ系膜
Ｔ・・・サーマルヘッド
Ｃ・・・駆動手段

Claims (4)

1. 基体上にグレーズ層を介して複数個の発熱素子及び回路導体が形成されているヘッド基板と、前記回路導体に電気的に接続されている配線導体を有している外部配線基板とを備え、前記ヘッド基板上の端部に沿って前記外部配線基板の一部を重畳し、該重畳部で前記回路導体と前記配線導体とを、半田からなる導電材を介して接合して成るサーマルヘッドにおいて、
   前記グレーズ層は、前記回路導体及び前記配線導体の接合部と前記ヘッド基板の端部との間の領域に、他の領域よりも厚みの薄い薄層部を有しており、
   該薄層部は、当該グレーズ層の他の領域よりも前記外部配線基板との間隙を広く確保できるように構成されていることを特徴とするサーマルヘッド。
2. 前記導電材の余剰分が前記外部配線基板と、前記グレーズ層の薄層部との前記間隙に収容され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。
3. 前記回路導体は、前記重畳部に併設されている複数の回路端子を有しており、
   前記グレーズ層は、前記複数の回路端子の配列の両端よりも外側の領域にも設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のサーマルヘッド。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のサーマルヘッドと、該サーマルヘッド上に記録媒体を搬送する搬送手段と、前記サーマルヘッドを駆動する駆動手段とを備えたことを特徴とするサーマルプリンタ。

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