JP4398766B2 - サーマルヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば熱転写型プリンタに搭載されるサーマルヘッド及びその製造方法に関する。

サーマルヘッドは、通電により発熱する複数の発熱抵抗体を備え、この複数の発熱抵抗体が発生した熱エネルギーを印刷媒体に与えることにより、印刷動作する。従来では、上記複数の発熱抵抗体、これら複数の発熱抵抗体の一端部に共通に接続された共通電極、及び各発熱抵抗体の他端部にそれぞれ接続された複数の個別電極を有するヘッド基板と、このヘッド基板の複数の個別電極を介して複数の発熱抵抗体を通電制御する複数の駆動素子を備えたプリント回路基板とが別々に備えられ、このヘッド基板及びプリント回路基板の底面に放熱用のアルミ放熱板が接着されている。ヘッド基板とプリント回路基板は互いの一端面を接しさせてアルミ放熱板上に配置されており、ヘッド基板の複数の個別電極とプリント回路基板の複数の駆動素子は、ヘッド基板とプリント回路基板の間を越えて各々がワイヤーボンディングされている。ワイヤーボンディング部は樹脂材料により封止されており、封止樹脂材料としては、ワイヤーボンディング部を隙間なく埋めるため、例えばエポキシ系樹脂材料のような加熱によって粘度が低下する樹脂材料が用いられている。

上記構造のサーマルヘッドでは、実際にはプリント回路基板のヘッド基板に接する側の一端面を厳密な平坦面とすることが難しく、ヘッド基板とプリント回路基板の間には僅かながら隙間が生じてしまっている。このため、加熱によって粘度が低下した封止樹脂材料がヘッド基板とプリント回路基板の間の隙間に侵入し、この封止樹脂材料によって該隙間に閉じ込められた空気が膨張して該封止樹脂材料中に気泡を発生させるという現象が生じている。気泡が発生すると、硬化後の封止樹脂材料に凹凸が残ったり孔が開いたりするなどの不具合が発生するため、これを解消すべく従来では、特許文献１に示されるように、ヘッド基板とプリント回路基板の間の隙間の封止部の下部にあたる部分の放熱板に溝を設け、この溝から外方に空気を逃すことが提案されている。

特開平７−３２３５９２号公報

しかしながら、放熱板に溝を設けると、加熱によって粘度の低下した封止樹脂材料が、ヘッド基板とプリント回路基板の間の隙間からさらに放熱板の溝内まで侵入し、ヘッド基板と放熱板とを接着する弾性接着剤に付着してしまうことが判明した。この弾性接着剤と封止樹脂材料が接着した状態では、ヘッド基板と放熱板が完全に結合され、ヘッド基板と放熱板の間の剛性が高くなる（弾性がなくなる）。よって、熱膨張により放熱板が伸びている状態で封止樹脂材料が硬化すると、放熱板の熱膨張を弾性接着剤で吸収できず、ヘッド基板の平面方向（上面、底面）に大きな反りが生じてしまう。歩留まりの向上を図るため、ヘッド基板は極力フラットであることが望ましい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、封止部における気泡の発生を防止すると共に、熱膨張による基板の反りを抑制可能なサーマルヘッド及びその製造方法を得ることを目的とする。

本発明は、プリント回路基板と放熱板とを接着固定する接着剤層を部分的に設ければ、ヘッド基板とプリント回路基板の接面の下方位置に、該接面に生じる隙間とヘッド外方とを連通する開放空間を形成できることに着目したものである。

すなわち、本発明は、通電により発熱する複数の発熱抵抗体、これら複数の発熱抵抗体の一端部に共通に接続された共通電極、及び、各発熱抵抗体の他端部にそれぞれ接続された複数の個別電極を有するヘッド基板と、このヘッド基板の複数の発熱抵抗体への通電制御を行なう複数の駆動素子を備えたプリント回路基板とが接して放熱板上に接着固定されており、複数の個別電極と複数の駆動素子がヘッド基板とプリント回路基板の接面に生じた隙間を越えてワイヤーボンディングされ、このワイヤーボンディング部が樹脂材料により封止されたサーマルヘッドにおいて、プリント回路基板と放熱板の接着面に、外部に連通する開放空間を形成し、且つ、該開放空間をヘッド基板とプリント回路基板の接面に生じた隙間に連通させる態様で、接着剤層を部分的に介在させたことを特徴としている。

開放空間は、ヘッド基板とプリント回路基板の接面の下方位置に、該接面に直交する方向に関して対称に形成されていることが好ましい。開放空間を対称に形成すれば、プリント回路基板と放熱板との間に部分的に介在させた接着剤層が硬化するときにその収縮バランスを良好にとることができ、プリント回路基板を放熱板に対して水平にバランスよく接着させることができる。このように開放空間を対称に形成するためには、接着剤層が、ヘッド基板とプリント回路基板の接面に対して平行な方向の中心部で同方向の両端部よりも、該接面に直交する方向で幅広に形成されていることが好ましい。

放熱板とヘッド基板及びプリント回路基板との接着面は、平坦面とすることができる。

また本発明は、製造方法の態様によれば、通電により発熱する複数の発熱抵抗体、これら複数の発熱抵抗体の一端部に共通に接続された共通電極、及び、各発熱抵抗体の他端部にそれぞれ接続された複数の個別電極を有するヘッド基板と、このヘッド基板の複数の発熱抵抗体への通電制御を行なう複数の駆動素子を備えたプリント回路基板とが接して放熱板上に接着固定され、複数の個別電極と複数の駆動素子がヘッド基板とプリント回路基板の接面に生じた隙間を越えてワイヤーボンディングされ、このワイヤーボンディング部が樹脂材料により封止されるサーマルヘッドにおいて、プリント回路基板と放熱板の接着面に、外部に連通する開放空間を形成し、且つ、該開放空間をヘッド基板とプリント回路基板の接面に生じた隙間に連通させる態様で、接着剤層を部分的に介在させることを特徴としている。

具体的には次の工程を有していることが好ましい。すなわち、放熱板上にヘッド基板を接着固定する工程と、ヘッド基板を接着固定した放熱板上に、該ヘッド基板のプリント回路基板に接する側の端面に対して平行に第１の接着剤を略均一の幅寸法で塗布する工程と、この第１の接着剤の中央部の上に、略球形状をなす第２の接着剤を塗布する工程と、第１の接着剤及び第２の接着剤をヘッド基板側に向かってならし、該ヘッド基板のプリント回路基板に接する側の端面に対して平行な方向の中心部が同方向の両端部よりも、該端面に直交する方向で幅広になる接着剤層を形成する工程と、この接着剤層により、プリント回路基板をヘッド基板に接しさせた状態で放熱板上に接着固定する工程とを有しているとよい。

上記製造方法では、ヘッド基板とプリント回路基板を接しさせて放熱板に接着固定した後に、ヘッド基板の複数の個別電極とプリント回路基板の複数の個別電極とをワイヤーボンディングし、さらに、このワイヤーボンディング部を封止することが好ましい。この態様によれば、ヘッド基板の小型化によりヘッド基板の接着面積が小さくなっても、予め放熱板に接着固定しておくことでヘッド基板の曲げに対する耐性を高めることができ、熱膨張によるヘッド基板の反りを抑えることができる。

本発明によれば、封止部における気泡の発生を防止すると共に、熱膨張による基板の反りを抑制可能なサーマルヘッド及びその製造方法を得ることができる。

図１は、本発明の一実施形態によるサーマルヘッドの構造を示す断面図である。サーマルヘッドＨ１は、アルミ放熱板１上に接着固定された、図２に示すヘッド基板１０とプリント回路基板３０とを備えている。ヘッド基板１０とプリント回路基板３０は、互いの一端面１０ａ、３０ａを接しさせてアルミ放熱板１の表面１ａ上に配置されているが、厳密には、ヘッド基板１０とプリント回路基板３０の接面には隙間４０が生じている。図１では、図示都合上、隙間４０を誇張して描いてあるが、実際には僅かな隙間である。

ヘッド基板１０には、図１及び図２に示されるように、アルミナやセラミック材料からなる基板１１の上に、基板一端側に形成された凸形状部と該凸形状部から基板他端側へ延出された均一膜厚の平坦部とを有するグレーズ層１２と、グレーズ層１２の凸形状部上に形成された複数の発熱抵抗体１３と、各発熱抵抗体１３の表面を覆って該各発熱抵抗体１３の平面的な大きさ（抵抗長Ｌ、抵抗幅Ｗ）を規定する絶縁バリア層１４と、複数の発熱抵抗体１３に通電する電極層１５と、絶縁バリア層１４及び電極層１５をプラテン等との接触から保護する耐磨耗保護層１７とが備えられている。複数の発熱抵抗体１３は、グレーズ層１２上に形成された抵抗層１３’の一部であり、図示Ｙ方向に所定間隔をあけて配列されている。電極層１５は、抵抗層１３’及び絶縁バリア層１４の上に全面的に成膜した後に、絶縁バリア層１４の表面を露出させる開放部１５ｃをあけて形成されている。この電極層１５は、開放部１５ｃを介して、全発熱抵抗体１３の抵抗長方向の一端に接続する共通電極１５ａと、各発熱抵抗体１３の抵抗長方向の他端に接続する複数の個別電極１５ｂとに分離されている。各個別電極１５ｂには、ワイヤーボンディング用の電極パッド１６がそれぞれ形成されている。本実施形態の電極層１５及び電極パッド１６は、Ａｌにより形成されている。このヘッド基板１０は、熱歪吸収能を発揮する弾性を備えた接着剤層２３を介してアルミ放熱板１に接着固定されている。

プリント回路基板３０は、上記ヘッド基板１０とは別個に設けられており、複数の発熱抵抗体１３への通電を制御する複数の駆動素子３１、及び、該駆動素子３１を含む回路系と外部を接続するための外部接続用コネクタ３２などを有している。駆動素子３１は各発熱抵抗体１３毎に備えられていて、プリント回路基板３０のヘッド基板１０に接する側の一端部に配列されている。複数の駆動素子３１とヘッド基板１０の複数の個別電極１５ｂの電極パッド１６は、ヘッド基板１０とプリント回路基板３０の間の隙間４０を越えて、Ａｕ接合ワイヤー３３によりボンディングされている。この個別電極１５ｂ、電極パッド１６、駆動素子３１及びＡｕ接合ワイヤー３３を含むボンディング部は、例えばエポキシ系樹脂等からなる封止樹脂３４により封止されている。封止樹脂３４は、ヘッド基板１０とプリント回路基板３０の間の隙間４０にも入り込んでおり、この隙間４０の上部を塞いでいる。また各駆動素子３１は、Ａｕ接合ワイヤー３３により、プリント回路基板３０の回路系にも接続されている。

上記プリント回路基板３０とアルミ放熱板１の接着面には、ヘッド外部に連通する開放空間αを形成し、且つ、該開放空間αをヘッド基板１０とプリント回路基板３０の間の隙間４０に連通させる態様で、接着剤層２０が部分的に介在している。プリント回路基板３０及びアルミ放熱板１の接着面は巨視的な凹凸のない平坦面であり、接着剤層２０の介在領域及び厚みによって、開放空間αが規定されている。具体的に接着剤層２０の平面形状は、図３に示すように略平面五角形状をなし、ヘッド基板１０とプリント回路基板３０の接面１０ａ、３０ａに平行な方向（図示Ｙ方向）の中心位置Ｃで、同方向の両端部よりも該接面１０ａ、３０ａに直交する方向（図示Ｘ方向）に幅広に成されている。この接着剤層２０は、図示Ｙ方向の中心位置Ｃに関して対称である。プリント回路基板３０とアルミ放熱板１の間であって、且つ、この接着剤層２０の介在していない領域が、開放空間αとなる。開放空間αは、ヘッド基板１０とプリント回路基板３０の接面１０ａ、３０ａの下方位置に、該接面１０ａ、３０ａに直交する方向に関して対称に形成されており、図示Ｙ方向の中心位置Ｃで最も狭く、該中心位置Ｃから両端側へ向かうにつれて徐々に広がっている。開放空間αは、図示Ｙ方向の両端部でヘッド外方に連通している。この開放空間αが存在することにより、ヘッド基板１０とプリント回路基板３０の間の隙間４０とヘッド外方とが連通し、空気抜き用の通路が確保される。

次に、上記サーマルヘッドＨ１の製造方法の一実施形態について説明する。

先ず、図１に示すヘッド基板１０、プリント回路基板３０及びアルミ放熱板１をそれぞれ準備する。次に、アルミ放熱板１の表面１ａ上のヘッド基板接着用領域に接着剤層２３を塗布し、この接着剤層２３を介してヘッド基板１０を接着固定する。このとき、ヘッド基板１０は、複数の個別電極１５ｂが配置されている側の端面１０ａを、アルミ放熱板１の表面１ａ上のプリント回路基板接着用領域に隣接させる。接着剤層２３には、アルミ放熱板１の熱膨張を吸収可能な弾性を有する、例えばシリコン樹脂材料を用いる。

続いて、図４に示すように、ヘッド基板１０が接着固定されたアルミ放熱板１の表面１ａ上に、プリント回路基板接着用領域に位置させて、ヘッド基板１０のプリント回路基板３０に接する側の端面１０ａに対して平行（図示Ｙ方向）に、第１の接着剤２１を略均一の幅寸法で塗布する。第１の接着剤２１を塗布したら、同図４に示すように、第１の接着剤２１の中央部に、略球形状をなす第２の接着剤２２を塗布する。そして、これら第１の接着剤２１及び第２の接着剤２２をヘッド基板１０側に向かって、すなわち図示Ｘ方向に向かってならし、図３に示す接着剤層２０を形成する。接着剤層２０は、上述したように、ヘッド基板１０の端面１０ａに平行な方向の中心位置Ｃで同方向の両端部よりも幅広（図示Ｘ方向で長く）となり、プリント回路基板３０のヘッド基板１０に接する側の端面３０ａを位置させる範囲には形成されていない。第１の接着剤２１及び第２の接着剤２２は、例えばシリコン系樹脂材料を用いる。

接着剤層２０を形成したら、該接着剤層２０により、ヘッド基板１０の端面１０ａとプリント回路基板３０の端面３０ａとを接しさせた状態で、プリント回路基板３０をアルミ放熱板１の上に接着固定する。このとき、プリント回路基板３０の端面３０ａの下方位置には、接着剤層２０が存在しておらず、ヘッド外方に連通する開放空間αが形成されている。プリント回路基板３０の端面３０ａは現状では厳密な平坦面とすることが難しく、このプリント回路基板３０とヘッド基板１０の接面１０ａ、３０ａには僅かな隙間４０が生じる。開放空間αは、プリント回路基板３０とヘッド基板１０の間の隙間４０に連通している。

ヘッド基板１０及びプリント回路基板３０をアルミ放熱板１に接着固定した後は、ヘッド基板１０の複数の個別電極１５ｂの電極パッド１６とプリント回路基板３０の複数の駆動素子３１とを、ヘッド基板１０及びプリント回路基板３０の隙間４０を越えて、Ａｕ接合ワイヤー３３によりワイヤーボンディングする。具体的には、各個別電極１５ｂの電極パッド１６の表面に超音波振動を与えて表面酸化膜を破壊し、該電極パッド１６上にＡｌとＡｕの合金層を形成することにより、電極パッド１６とＡｕ接合ワイヤー３３を接続する。同様にして、各駆動素子３１の電極パッド（不図示）とＡｕ接合ワイヤー３３を接続する。

そして、Ａｕ接合ワイヤー３３で接続された電極パッド１６、個別電極１５ｂ及び駆動素子３１等を含むワイヤーボンディング部を、例えば、加熱により粘度が低下する特性を有するエポキシ系樹脂やシリコン系樹脂等の封止樹脂３４で覆い、封止する。この封止樹脂３４は、加熱により粘度が低くなった状態で上記ワイヤーボンディング部を隙間なく埋め、さらにヘッド基板１０とプリント回路基板３０の間の隙間４０にも侵入して該隙間４０の上部を埋める。このとき、ヘッド基板１０とプリント回路基板３０の間の隙間４０に閉じ込められた空気は、該隙間４０に連通する開放空間αに押し出され、開放空間αからヘッド外方へ逃がされるので、ヘッド基板１０とプリント回路基板３０との間の隙間４０から封止樹脂３４内に気泡が発生することはない。よって、封止樹脂３４には孔があくことも凹凸が生じることもなく、確実にワイヤーボンディング部を封止することができる。

以上の工程により、図１のサーマルヘッドＨ１が得られる。

以上の本実施形態では、ヘッド基板１０とプリント回路基板３０の間の隙間４０に侵入した封止樹脂３４はさらに隙間４０の深部に侵入する虞があるが、該隙間４０には接着剤層２０、２３の介在しない開放空間αが連通しているので、封止樹脂３４がこの開放空間αから接着剤層２０、２３まで到達する可能性は低い。よって、アルミ放熱板１とプリント回路基板３０との間に介在する接着剤層２０及びアルミ放熱板１とヘッド基板１０との間に介在する接着剤層２３は、アルミ放熱板１の熱膨張を吸収可能な弾性を保持することができ、アルミ放熱板１が熱膨張により伸びている状態で封止樹脂３４が硬化した場合にも、接着剤層２０、２３の弾性により、ヘッド基板１及びプリント回路基板３０の反りを抑えることができる。

また本実施形態では、ヘッド基板１０及びプリント回路基板３０とアルミ放熱板１を予め接着してからワイヤーボンディング工程及び封止工程を実行しているので、接着剤層２０、２３によりヘッド基板１０及びプリント回路基板３０は曲がりにくくなっており、アルミ放熱板１が熱膨張した状態で封止樹脂３４が硬化した場合にも、ヘッド基板１０及びプリント回路基板３０の反りは良好に抑えられる。ヘッド小型化に伴ってヘッド基板１０の面積が小さくなるほど、ヘッド基板１０の曲げに対する耐性が小さくなるため、特に有効である。

以上の本実施形態ではリアルエッジタイプのヘッド基板１０を用いているが、本発明は、部分グレーズタイプや全面グレーズタイプのヘッド基板を用いたサーマルヘッドにも、また、シリコンヘッド基板を用いたサーマルヘッドにも適用可能である。

本発明の一実施形態によるサーマルヘッドの構造を示す断面図ある。 図１のヘッド基板（耐磨耗保護層を除く）を示す平面図である。 図１の接着剤層２３を説明する平面図である。 図１のサーマルヘッドの製造方法の一工程を示す平面図である。

符号の説明

１ アルミ放熱板
１０ ヘッド基板
１０ａ 端面（接面）
１１ 基板
１２ グレーズ層
１３ 発熱抵抗体
１３’ 抵抗層
１４ 絶縁バリア層
１５ 電極層
１５ａ 共通電極
１５ｂ 個別電極
１５ｃ 開放部
１６ 電極パッド
１７ 耐磨耗保護層
２０ 接着剤層
２１ 第１の接着剤
２２ 第２の接着剤
２３ 接着剤層
３０ プリント回路基板
３０ａ 端面（接面）
３１ 駆動素子
３２ 外部接続用コネクタ
３３ Ａｕ接合ワイヤー
３４ 封止樹脂
４０ 隙間
α 開放空間
Ｈ１ サーマルヘッド

Claims (7)

1. 通電により発熱する複数の発熱抵抗体、これら複数の発熱抵抗体の一端部に共通に接続された共通電極、及び、各発熱抵抗体の他端部にそれぞれ接続された複数の個別電極を有するヘッド基板と、このヘッド基板の複数の発熱抵抗体への通電制御を行なう複数の駆動素子を備えたプリント回路基板とが接して放熱板上に接着固定されており、前記複数の個別電極と前記複数の駆動素子が前記ヘッド基板と前記プリント回路基板の接面に生じた隙間を越えてワイヤーボンディングされ、このワイヤーボンディング部が樹脂材料により封止されたサーマルヘッドにおいて、
   前記プリント回路基板と放熱板の接着面に、外部に連通する開放空間を形成し、且つ、該開放空間を前記ヘッド基板とプリント回路基板の接面に生じた隙間に連通させる態様で、接着剤層を部分的に介在させたことを特徴とするサーマルヘッド。
2. 請求項１記載のサーマルヘッドにおいて、前記開放空間は、前記ヘッド基板と前記プリント回路基板の接面の下方位置に、該接面に直交する方向に関して対称に形成されているサーマルヘッド。
3. 請求項１又は２記載のサーマルヘッドにおいて、前記接着剤層は、前記ヘッド基板と前記プリント回路基板の接面に平行な方向の中心部が同方向の両端部よりも、前記接面に直交する方向で幅広に形成されているサーマルヘッド。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載のサーマルヘッドにおいて、前記放熱板と前記ヘッド基板及び前記プリント回路基板との接着面は、平坦面であるサーマルヘッド。
5. 通電により発熱する複数の発熱抵抗体、これら複数の発熱抵抗体の一端部に共通に接続された共通電極、及び、各発熱抵抗体の他端部にそれぞれ接続された複数の個別電極を有するヘッド基板と、このヘッド基板の複数の発熱抵抗体への通電制御を行なう複数の駆動素子を備えたプリント回路基板とが接して放熱板上に接着固定され、前記複数の個別電極と前記複数の駆動素子が前記ヘッド基板と前記プリント回路基板の接面に生じた隙間を越えてワイヤーボンディングされ、このワイヤーボンディング部が樹脂材料により封止されるサーマルヘッドにおいて、
   前記プリント回路基板と前記放熱板の接着面に、外部に連通する開放空間を形成し、且つ、該開放空間を前記ヘッド基板とプリント回路基板の接面に生じた隙間に連通させる態様で、接着剤層を部分的に介在させることを特徴とするサーマルヘッドの製造方法。
6. 請求項５記載のサーマルヘッドの製造方法において、
   前記放熱板上に前記ヘッド基板を接着固定する工程と、
   前記ヘッド基板を接着固定した放熱板上に、該ヘッド基板のプリント回路基板に接する側の端面に対して平行に第１の接着剤を略均一の幅寸法で塗布する工程と、
   この第１の接着剤の中央部の上に、略球形状をなす第２の接着剤を塗布する工程と、
   前記第１の接着剤及び第２の接着剤を前記ヘッド基板側に向かってならし、該ヘッド基板のプリント回路基板に接する側の端面に対して平行な方向の中心部が同方向の両端部よりも、前記接面に直交する方向で幅広になる接着剤層を形成する工程と、
   この接着剤層により、前記プリント回路基板を前記ヘッド基板に接しさせた状態で前記放熱板上に接着固定する工程と、
   を有するサーマルヘッドの製造方法。
7. 請求項５又は６記載のサーマルヘッドの製造方法において、前記ヘッド基板と前記プリント回路基板を接しさせて前記放熱板に接着固定した後に、該ヘッド基板の複数の個別電極と前記プリント回路基板の複数の個別電極とをワイヤーボンディングし、さらに、このワイヤーボンディング部を封止するサーマルヘッドの製造方法。

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