JP5477741B2 - サーマルヘッドおよびその製造方法、並びにプリンタ - Google Patents
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Description
本発明は、サーマルヘッドおよびその製造方法、並びにプリンタに関するものである。
従来、サーマルプリンタに用いられ、印刷データに基づいて複数の発熱素子を選択的に駆動することによって紙等の感熱記録媒体に印刷を行うサーマルヘッドが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に開示されているサーマルヘッドは、凹部が形成された支持基板に上板基板を接合し、上板基板に発熱抵抗体を設けることで、上板基板と支持基板との間の発熱抵抗体に対応する領域に空洞部が形成されている。このサーマルヘッドは、空洞部を熱伝導率の低い断熱層として機能させ、発熱抵抗体から支持基板側に伝わる熱量を低減することで、熱効率を向上して消費電力の低減を図っている。
上記のサーマルヘッドを搭載するプリンタは、プラテンローラに感熱紙を挟んで押し付けられる加圧機構を有しており、サーマルヘッド表面の熱を効果的に感熱紙に伝達させるため、サーマルヘッドを適度な押圧力で感熱紙に押し付けている。そのため、サーマルヘッドには、加圧機構による押圧力に耐える強度が求められる。
また、プラテンローラにより感熱紙をサーマルヘッド表面に押し付けた際、発熱抵抗体とその両側に設けられた電極との段差によって、感熱紙とサーマルヘッド表面との間に空気層が生じる。この空気層は、発熱抵抗体により発生させた熱を感熱紙へ伝達する際の妨げとなり、サーマルヘッドの熱効率を低下させてしまうという不都合がある。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、発熱抵抗体に対応する位置に空洞部を有するサーマルヘッドにおいて、強度および熱効率を向上することができるサーマルヘッドを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様は、表面に凹部を有する支持基板と、該支持基板の表面に積層状態に接合された上板基板と、該上板基板の表面に前記凹部を跨ぐように設けられた発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の両側に設けられた一対の電極とを備え、該一対の電極の間に配置される前記上板基板の前記電極側の表面に凸部が形成され、前記電極からの電流の供給により発熱する前記発熱抵抗体の発熱部が、前記一対の電極の間から前記凸部に沿ってこれら電極よりも上方にまたは該電極と同一の高さまで突出するサーマルヘッドである。
本発明の第１の態様は、表面に凹部を有する支持基板と、該支持基板の表面に積層状態に接合された上板基板と、該上板基板の表面に前記凹部を跨ぐように設けられた発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の両側に設けられた一対の電極とを備え、該一対の電極の間に配置される前記上板基板の前記電極側の表面に凸部が形成され、前記電極からの電流の供給により発熱する前記発熱抵抗体の発熱部が、前記一対の電極の間から前記凸部に沿ってこれら電極よりも上方にまたは該電極と同一の高さまで突出するサーマルヘッドである。
本発明の第１の態様によれば、発熱抵抗体が設けられた上板基板が、発熱抵抗体から発生した熱を蓄える蓄熱層として機能する。また、表面に凹部が形成された支持基板と上板基板とが積層状態に接合されることで、支持基板と上板基板との間に空洞部が形成される。この空洞部は、発熱抵抗体に対応する領域に形成されており、発熱抵抗体から発生した熱を遮断する断熱層として機能する。したがって、本発明の第１の態様によれば、発熱抵抗体から発生した熱が、上板基板を介して支持基板へ伝わって放散してしまうことを抑制することができ、発熱抵抗体から発生した熱の利用率、すなわちサーマルヘッドの熱効率を向上することができる。
さらに、上板基板の電極側の表面において、発熱抵抗体の両側の一対の電極間に形成された凸部により、凸部の表面上に形成された発熱抵抗体と、発熱抵抗体の両端に設けられた電極との段差を小さくすることができ、発熱抵抗体表面と感熱紙との間の空気層を小さくすることができる。したがって、本発明の第１の態様によれば、発熱抵抗体により発生させた熱を感熱紙に効率的に伝達することができ、サーマルヘッドの熱効率を向上して印刷に必要なエネルギー量を低減することができる。
また、印字の際に上板基板に荷重が加わった場合には、上板基板の凹部に対応する領域が変形し、該領域において上板基板の裏面に引張応力が発生する。この場合において、上板基板の凹部に対応する領域に形成された凸部により、均一な厚さの上板基板に比べて、上板基板の強度を向上することができる。
上記態様において、前記凸部が、前記凹部に対応する領域内に形成されていることとしてもよい。
このようにすることで、上板基板の表面の凹部（空洞部）に対応する領域内において、凸部が形成されていない領域、すなわち上板基板の厚さが薄い領域を設けることができる。これにより、上板基板に奪われてしまう熱量を低減することができ、サーマルヘッドの熱効率を向上することができる。
このようにすることで、上板基板の表面の凹部（空洞部）に対応する領域内において、凸部が形成されていない領域、すなわち上板基板の厚さが薄い領域を設けることができる。これにより、上板基板に奪われてしまう熱量を低減することができ、サーマルヘッドの熱効率を向上することができる。
上記態様において、前記凸部が、前記凹部に対応する領域を越えて外側の領域まで延びていることとしてもよい。
このようにすることで、凹部（空洞部）が形成された領域内において、上板基板を厚くすることができ、上板基板の強度を向上することができる。
このようにすることで、凹部（空洞部）が形成された領域内において、上板基板を厚くすることができ、上板基板の強度を向上することができる。
上記態様において、前記凸部が、平坦な先端面と、該先端面の両端に該先端面に向かって漸次先細となるように傾斜して形成された側面とを有していることとしてもよい。
凸部が平坦な先端面を有することで、プラテンローラの荷重を凸部の先端面全体で受けることができ、凸部の一部に集中荷重が発生してしまうことを防止することができる。また、先端面の両端に、該先端面に向かって漸次先細となるように傾斜して形成された側面を形成することで、凸部の側面に発熱抵抗体を形成しやすくすることができる。
凸部が平坦な先端面を有することで、プラテンローラの荷重を凸部の先端面全体で受けることができ、凸部の一部に集中荷重が発生してしまうことを防止することができる。また、先端面の両端に、該先端面に向かって漸次先細となるように傾斜して形成された側面を形成することで、凸部の側面に発熱抵抗体を形成しやすくすることができる。
上記態様において、前記凸部の高さが、前記電極の厚さ以上に形成されていることとしてもよい。
凸部の高さを電極の高さ以上とすることで、サーマルヘッド表面と感熱紙との間の空気層を無くすことができ、サーマルヘッド表面と感熱紙とを密着させることができる。これにより、発熱抵抗体により発生させた熱を感熱紙に効率的に伝達することができ、サーマルヘッドの熱効率を向上して印刷に必要なエネルギー量を低減することができる。
凸部の高さを電極の高さ以上とすることで、サーマルヘッド表面と感熱紙との間の空気層を無くすことができ、サーマルヘッド表面と感熱紙とを密着させることができる。これにより、発熱抵抗体により発生させた熱を感熱紙に効率的に伝達することができ、サーマルヘッドの熱効率を向上して印刷に必要なエネルギー量を低減することができる。
本発明の第２の態様は、上記のいずれかのサーマルヘッドを備えるプリンタである。
このようなプリンタによれば、上記のサーマルヘッドを備えているため、上板基板の強度を確保しつつ、サーマルヘッドの熱効率を向上して印刷に必要なエネルギー量を低減することができる。これにより、少ない電力で感熱紙に印刷することができ、バッテリーの持続時間を長期化させることができる。また、上板基板の破損による故障を防止して装置としての信頼性を向上させることができる。
このようなプリンタによれば、上記のサーマルヘッドを備えているため、上板基板の強度を確保しつつ、サーマルヘッドの熱効率を向上して印刷に必要なエネルギー量を低減することができる。これにより、少ない電力で感熱紙に印刷することができ、バッテリーの持続時間を長期化させることができる。また、上板基板の破損による故障を防止して装置としての信頼性を向上させることができる。
本発明の第３の態様は、支持基板の表面に開口部を形成する開口部形成工程と、該開口部形成工程により前記開口部が形成された前記支持基板の表面に上板基板の裏面を積層状態に接合する接合工程と、該接合工程により前記支持基板に接合された前記上板基板を薄板化する薄板化工程と、前記接合工程により前記支持基板に接合された前記上板基板の表面に凸部を形成する凸部形成工程と、前記上板基板の表面において、前記開口部を跨ぐように発熱抵抗体を形成する抵抗体形成工程と、該抵抗体形成工程により形成された発熱抵抗体の両端に電極層を形成する電極層形成工程とを備え、前記抵抗体形成工程が、前記電極層からの電流の供給により発熱する前記発熱抵抗体の発熱部を前記電極層の間から前記凸部に沿ってこれら電極層よりも上方にまたは該電極層と同一の高さまで突出させるサーマルヘッドの製造方法である。
このようなサーマルヘッドの製造方法によれば、支持基板と上板基板との間に空洞部が形成されるとともに、発熱抵抗体の両端に形成された電極層の間に凸部が形成されたサーマルヘッドを製造することができる。これにより、上記のように、上板基板の強度を確保しつつ、サーマルヘッドの熱効率を向上して印刷に必要なエネルギー量を低減することができる。
本発明によれば、発熱抵抗体に対応する位置に空洞部を有するサーマルヘッドにおいて、強度および熱効率を向上することができるという効果を奏する。
［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態に係るサーマルヘッド１およびサーマルプリンタ１０について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係るサーマルヘッド１は、例えば図１に示すようなサーマルプリンタ１０に用いられており、印刷データに基づいて複数の発熱素子を選択的に駆動することによって感熱紙１２等の印刷対象物に印刷を行うものである。
以下、本発明の第１の実施形態に係るサーマルヘッド１およびサーマルプリンタ１０について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係るサーマルヘッド１は、例えば図１に示すようなサーマルプリンタ１０に用いられており、印刷データに基づいて複数の発熱素子を選択的に駆動することによって感熱紙１２等の印刷対象物に印刷を行うものである。
サーマルプリンタ１０は、本体フレーム１１と、中心軸が水平に配置されるプラテンローラ１３と、プラテンローラ１３の外周面に対向して配置されるサーマルヘッド１と、サーマルヘッド１を支持している放熱板（図示略）と、プラテンローラ１３とサーマルヘッド１との間に感熱紙１２を送り出す紙送り機構１７と、サーマルヘッド１を感熱紙１２に対して所定の押圧力で押し付ける加圧機構１９とを備えている。
プラテンローラ１３には、加圧機構１９の作動により、サーマルヘッド１および感熱紙１２が押し付けられるようになっている。これにより、プラテンローラ１３からの反力が感熱紙１２を介してサーマルヘッド１に加えられるようになっている。
放熱板は、例えば、アルミ等の金属、樹脂、セラミックスまたはガラス等からなる板状部材であり、サーマルヘッド１の固定および放熱を目的とするものである。
放熱板は、例えば、アルミ等の金属、樹脂、セラミックスまたはガラス等からなる板状部材であり、サーマルヘッド１の固定および放熱を目的とするものである。
サーマルヘッド１は、図２に示すように、発熱抵抗体７および電極部８が、矩形状の支持基板３の長手方向に複数配列されている。矢印Ｙは、紙送り機構１７による感熱紙１２の送り方向を示している。また、支持基板３の表面には、支持基板３の長手方向に延びる矩形状の凹部２が形成されている。ここで、符号Ｌｒ，Ｌｍ１，Ｌｍ２，Ｌｃはそれぞれ、後述する発熱部の幅方向の寸法、凸部２０の幅方向の寸法、凸部２０の先端面２１の幅方向の寸法、凹部２の幅方向の寸法を示している。
図２のＡ−Ａ矢視断面図が、図３に示されている。
サーマルヘッド１は、図３に示すように、支持基板３と、支持基板３の上端面（表面）に接合された上板基板５と、上板基板５上に設けられた発熱抵抗体７と、発熱抵抗体７の両側に設けられた一対の電極部８と、発熱抵抗体７および電極部８を覆い、これらを磨耗や腐食から保護する保護膜９とを有している。
サーマルヘッド１は、図３に示すように、支持基板３と、支持基板３の上端面（表面）に接合された上板基板５と、上板基板５上に設けられた発熱抵抗体７と、発熱抵抗体７の両側に設けられた一対の電極部８と、発熱抵抗体７および電極部８を覆い、これらを磨耗や腐食から保護する保護膜９とを有している。
支持基板３は、例えば、３００μｍ〜１ｍｍ程度の厚さを有するガラス基板やシリコン基板等の絶縁性の基板である。支持基板３の上端面（表面）、すなわち上板基板５との境界面には、支持基板３の長手方向に延びる矩形状の凹部２が形成されている。この凹部２は、例えば、深さ１μｍ〜１００μｍ、幅５０μｍ〜３００μｍ程度の溝である。
上板基板５は、例えば、厚さ１０μｍ〜１００μｍ±５μｍ程度のガラス材質によって構成されており、発熱抵抗体７から発生した熱を蓄える蓄熱層として機能する。この上板基板５は、凹部２を密閉するように支持基板３の表面に積層状態に接合されている。上板基板５によって凹部２が覆われることにより、上板基板５と支持基板３との間には空洞部４が形成されている。
空洞部４は、全ての発熱抵抗体７に対向する連通構造を有しており、発熱抵抗体７から発生した熱が、上板基板５から支持基板３へ伝わることを抑制する中空断熱層として機能する。空洞部４を中空断熱層として機能させることで、発熱抵抗体７の下方の上板基板５を介して支持基板３に伝わる熱量よりも、発熱抵抗体７の上方へ伝わって印字等に利用される熱量を大きくすることができ、サーマルヘッド１の熱効率の向上することができる。
発熱抵抗体７は、上板基板５の上端面において、それぞれ凹部２を幅方向に跨ぐように設けられ、凹部２の長手方向に所定の間隔をあけて配列されている。すなわち、各発熱抵抗体７は、上板基板５を介して空洞部４に対向して設けられ、空洞部４上に位置するように配置されている。
電極部８は、発熱抵抗体７に電流を供給して発熱させるためのものであり、各発熱抵抗体７の配列方向に直交する方向の一端に接続される共通電極８Ａと、各発熱抵抗体７の他端に接続される個別電極８Ｂとから構成されている。共通電極８Ａは、全ての発熱抵抗体７に一体的に接続され、個別電極８Ｂは個々の発熱抵抗体７にそれぞれ接続されている。
個別電極８Ｂに選択的に電圧を印加すると、選択された個別電極８Ｂとこれに対向する共通電極８Ａとが接続されている発熱抵抗体７に電流が流れ、発熱抵抗体７が発熱するようになっている。この状態で、加圧機構１９の作動により、発熱抵抗体７の発熱部分を覆う保護膜９の表面部分（印字部分）に感熱紙１２を押し付けることで、感熱紙１２が発色して印字されるようになっている。
なお、各発熱抵抗体７のうち実際に発熱する部分（発熱部）は、発熱抵抗体７に電極部８Ａ，８Ｂが重なっていない部分、すなわち、発熱抵抗体７のうち共通電極８Ａの接続面と個別電極８Ｂの接続面との間の領域であって、空洞部４のほぼ真上に位置する部分である。
また、上板基板５には、図３に示すように、発熱抵抗体７が設けられる上端面（表面）において、共通電極８Ａと個別電極８Ｂとの間に凸部２０が形成されている。凸部２０は、平坦な先端面２１と、先端面２１の両端において先端面２１に向かって漸次先細となるように傾斜して形成された側面２２とを有している。すなわち、凸部２０は、先端面２１の幅方向の寸法Ｌｍ２が、凸部２０の幅方向の寸法Ｌｍ１よりも小さく形成されている。これにより、凸部２０は台形の縦断面形状を有している。
また、凸部２０は、その幅方向の寸法Ｌｍ２が、凹部２の幅方向の寸法Ｌｃよりも小さく形成されている。すなわち、凸部２０は、上板基板５の上端側（表面）において、支持基板３に形成された凹部２に対応する領域内に形成されている。なお、凸部２０の高さは、例えば０．５μｍ〜３μｍ程度であり、電極部８の厚さ以上の高さに形成されている。
ここで、比較例として、従来のサーマルヘッド１００の構成について以下に説明する。
従来のサーマルヘッド１００は、図１４に示すように、上板基板５０の上端側（表面）に凸部が設けられていないため、発熱抵抗体７と電極部８との間に電極部８の厚さ分だけ段差が生じる。これにより、発熱抵抗体７および電極部８の上に形成された保護膜９の表面においても、上記の段差に対応する位置（図１４に示す領域Ａ）に段差が生じる。
従来のサーマルヘッド１００は、図１４に示すように、上板基板５０の上端側（表面）に凸部が設けられていないため、発熱抵抗体７と電極部８との間に電極部８の厚さ分だけ段差が生じる。これにより、発熱抵抗体７および電極部８の上に形成された保護膜９の表面においても、上記の段差に対応する位置（図１４に示す領域Ａ）に段差が生じる。
その結果、プラテンローラ１３により感熱紙１２をサーマルヘッド１００表面に押し付けた際、発熱抵抗体７と電極部８との段差によって、感熱紙１２とサーマルヘッド１００表面の間に空気層１０１が生じる。この空気層１０１は、発熱抵抗体７により発生させた熱を感熱紙１２へ伝達する際の妨げとなり、サーマルヘッド１００の熱効率を低下させてしまうという不都合がある。
これに対して、本実施形態に係るサーマルヘッド１は、図３に示すように、上板基板５の電極部８側の表面において、発熱抵抗体７の両側の一対の電極部８の間に凸部２０が形成されている。これにより、凸部２０の上に形成された発熱抵抗体７と、発熱抵抗体７の両端に設けられた電極部８との段差を小さくすることができ、サーマルヘッド１（保護膜９）表面と感熱紙１２との間の空気層を小さくすることができる。したがって、本実施形態に係るサーマルヘッド１によれば、発熱抵抗体７により発生させた熱を感熱紙１２に効率的に伝達することができ、サーマルヘッド１の熱効率を向上して印刷に必要なエネルギー量を低減することができる。
また、図３に示すように、凸部２０を凹部２に対応する領域内に形成することで、上板基板５の表面の凹部２（空洞部４）に対応する領域内において、凸部２０が形成されていない領域、すなわち上板基板５の厚さが薄い領域を設けることができる。これにより、上板基板５に奪われてしまう熱量を低減することができ、サーマルヘッド１の熱効率を向上することができる。
また、図３に示すように、凸部２０の高さを電極部８の高さ以上とすることで、サーマルヘッド１表面と感熱紙１２との間の空気層を無くすことができ、サーマルヘッド１表面と感熱紙１２とを密着させることができる。これにより、発熱抵抗体７により発生させた熱を感熱紙１２に効率的に伝達することができ、サーマルヘッド１の熱効率を向上して印刷に必要なエネルギー量を低減することができる。
次に、従来のサーマルヘッド１００と本実施形態に係るサーマルヘッド１との強度の違いについて以下に説明する。
図４および図１５は、強度の違いを説明するために、サーマルヘッドの上板基板と支持基板のみを簡略化して示した図であり、図４は本実施形態に係るサーマルヘッド１、図１５は従来のサーマルヘッド１００を示している。
図４および図１５は、強度の違いを説明するために、サーマルヘッドの上板基板と支持基板のみを簡略化して示した図であり、図４は本実施形態に係るサーマルヘッド１、図１５は従来のサーマルヘッド１００を示している。
図１５（ｂ）に示すように、従来のサーマルヘッド１００において、上板基板５０の空洞部４上に集中荷重（矢印５１）が加えられると、上板基板５０の空洞部４に対向する部分は、下側に沈み込むように変形する。これにより、図１５（ｂ）の矢印５２に示すように、上板基板５０の下端面（裏面）、特に荷重のかかる中心位置において大きな引張応力が発生する。この場合、図１５（ｃ）に示すように、荷重位置Ｓと最大応力位置Ｔがほぼ一致することとなり、上板基板５０が破損しやすくなる。
これに対して、本実施形態に係るサーマルヘッド１は、図４（ａ）に示すように、上板基板５の上端側（表面）に凸部２０が形成されている。このような構造とすることで、図４（ｂ）に示すように、上板基板５の空洞部４上に集中荷重（矢印５１）を加えた場合に、上板基板５０の下端面（裏面）において、荷重のかかる中心位置および凸部２０の麓部分に大きな引張応力が発生する（矢印３１，３２，３３）。したがって、図４（ｃ）に示すように、大きな応力がかかる位置は、領域Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に分散される。
以上のように、本実施形態に係るサーマルヘッド１によれば、図１５（ａ）に示すような均一な厚さの上板基板５０に比べ、上板基板５の空洞部４（凹部２）に対応する位置（凸部２０）が厚いため、上板基板５の強度を向上させることができる。また、上板基板５表面に集中荷重がかかった際、上板基板５表面にかかる引張応力を分散させることができる。その結果、例えばプラテンローラ１３と感熱紙１２との間に数μｍ〜数十μｍの微小な異物が混入して上板基板５に集中荷重がかかった場合にも、割れにくく、信頼性の高いサーマルヘッド１を提供できる。
また、サーマルヘッド１の保護膜９に使用される材料は、非常に内部応力が大きい。例えば、スパッタ法で成膜されたＳｉＡｌＯＮは５００〜２０００ＭＰａの内部応力を有する。そのため、空洞部４（凹部２）の直上において、上板基板５表面に凸部２０を設けて上板基板５の板厚を増やすことで、上板基板５の強度を向上させ、保護膜９の内部応力による上板基板５の変形や破壊を防ぐことができる。
また、凸部２０が上板基板５の表面と略平行な先端面２１を有することで、プラテンローラ１３の荷重を凸部２０の先端面２１全体で受けることができ、凸部２０の一部に集中荷重が発生してしまうことを防止することができる。また、先端面２１の両端に、該先端面２１に向かって漸次先細となるように傾斜して形成された側面２２を形成することで、凸部２０の側面２２に発熱抵抗体７を形成しやすくすることができる。
したがって、上記のようなサーマルヘッド１を備えたサーマルプリンタ１０によれば、サーマルヘッド１の熱効率を向上して印刷に必要なエネルギー量を低減することができる。これにより、少ない電力で感熱紙１２に印刷することができ、バッテリーの持続時間を長期化させることができる。また、上板基板５の破損による故障を防止して装置としての信頼性を向上させることができる。
［第１の変形例］
以下に、本実施形態に係るサーマルヘッド１の第１の変形例について説明する。なお、以降では、前述した第１の実施形態に係るサーマルヘッド１と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
以下に、本実施形態に係るサーマルヘッド１の第１の変形例について説明する。なお、以降では、前述した第１の実施形態に係るサーマルヘッド１と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
本変形例に係るサーマルヘッド３１は、図５に示すように、凸部２０は、その幅方向の寸法Ｌｍ２が、凹部２の幅方向の寸法Ｌｃよりも大きく形成されている。すなわち、凸部２０は、上板基板５の上端側（表面）において、支持基板３に形成された凹部２に対応する領域を超えて外側の領域まで延びるように形成されている。
このようにすることで、凹部２（空洞部４）が形成された領域内において、上板基板５を厚くすることができ、上板基板５の強度を向上することができる。
［第２の変形例］
以下に、本実施形態に係るサーマルヘッド１の第２の変形例について説明する。
本変形例に係るサーマルヘッド３２は、図６に示すように、凸部２０は、上板基板５の上端側（表面）において、支持基板３に形成された凹部２に対応する領域を超えた位置に配置されている。
以下に、本実施形態に係るサーマルヘッド１の第２の変形例について説明する。
本変形例に係るサーマルヘッド３２は、図６に示すように、凸部２０は、上板基板５の上端側（表面）において、支持基板３に形成された凹部２に対応する領域を超えた位置に配置されている。
このようにすることで、凹部２（空洞部４）が形成された領域内において、上板基板５を部分的に厚くして強度の向上を図るとともに、上板基板５を部分的に薄くして熱効率を向上することができる。
［第３の変形例］
以下に、本実施形態に係るサーマルヘッド１の第３の変形例について説明する。
図７に示すように、発熱抵抗体７および電極部８が、矩形状の支持基板３の長手方向に複数配列されている。矢印Ｙは、紙送り機構１７による感熱紙１２の送り方向を示している。また、支持基板３の表面には、支持基板３の長手方向に延びる矩形状の凹部２が形成されている。ここで、符号Ｌｒ，Ｌｍ１，Ｌｍ２，Ｌｃはそれぞれ、発熱部の幅方向の寸法、凸部２０の幅方向の寸法、凸部２０の先端面２１の幅方向の寸法、凹部２の幅方向の寸法を示している。
以下に、本実施形態に係るサーマルヘッド１の第３の変形例について説明する。
図７に示すように、発熱抵抗体７および電極部８が、矩形状の支持基板３の長手方向に複数配列されている。矢印Ｙは、紙送り機構１７による感熱紙１２の送り方向を示している。また、支持基板３の表面には、支持基板３の長手方向に延びる矩形状の凹部２が形成されている。ここで、符号Ｌｒ，Ｌｍ１，Ｌｍ２，Ｌｃはそれぞれ、発熱部の幅方向の寸法、凸部２０の幅方向の寸法、凸部２０の先端面２１の幅方向の寸法、凹部２の幅方向の寸法を示している。
凸部は、その幅方向の寸法Ｌｍ１が、凹部２の幅方向の寸法Ｌｃよりも小さく形成されている。すなわち、凸部２０は、上板基板５の上端側（表面）において、支持基板３に形成された凹部２に対応する領域内に形成されている。
一方、支持基板３の長手方向の寸法に関しては、凸部２０の長手方向の寸法Ｗｍが、凹部２の長手方向の寸法Ｗｃよりも大きく形成されている。すなわち、凸部２０の長手方向の寸法は、上板基板５の上端側（表面）において、支持基板３に形成された凹部２に対応する領域を超えて外側の領域まで延びるように形成されている。
上板基板５の支持基板２の長手方向における端部を、部分的に厚くすることで、強度の向上を図るとともに、上板基板５を部分的に薄くして熱効率を向上することができる。
［第４の変形例］
以下に、本実施形態に係るサーマルヘッド１の第４の変形例について説明する。
本変形例に係るサーマルヘッド３３は、図８に示すように、凸部２０を蒲鉾型またはお椀型の形状としてもよい。
凸部２０をこのような形状としても、従来のサーマルヘッド１００に比べて、強度および熱効率を向上することができる。
以下に、本実施形態に係るサーマルヘッド１の第４の変形例について説明する。
本変形例に係るサーマルヘッド３３は、図８に示すように、凸部２０を蒲鉾型またはお椀型の形状としてもよい。
凸部２０をこのような形状としても、従来のサーマルヘッド１００に比べて、強度および熱効率を向上することができる。
［一参考実施形態］
以下に、本発明の参考例としての一参考実施形態に係るサーマルヘッド１について説明する。
本参考実施形態に係るサーマルヘッド３４は、図９に示すように、凸部２０の高さは、電極部８の高さよりも低く形成されている。具体的には、凸部２０の高さと電極部８の厚さとの差Ｌｈが、例えば０．５μｍ以下となるように、凸部２０の高さを決定する。
以下に、本発明の参考例としての一参考実施形態に係るサーマルヘッド１について説明する。
本参考実施形態に係るサーマルヘッド３４は、図９に示すように、凸部２０の高さは、電極部８の高さよりも低く形成されている。具体的には、凸部２０の高さと電極部８の厚さとの差Ｌｈが、例えば０．５μｍ以下となるように、凸部２０の高さを決定する。
このようにすることで、従来のサーマルヘッド１００に比べて、サーマルヘッド１表面と感熱紙１２との間の空気層を小さくするとともに、プラテンローラ１３からの荷重を凸部２０が形成されていない領域、すなわち凹部２（空洞部４）が形成されていない領域で受けることができる。これにより、高い熱効率を維持しつつ、上板基板５の破損を防止することができる。
［第５の変形例］
以下に、本実施形態に係るサーマルヘッド１の第５の変形例について説明する。
本変形例に係るサーマルヘッド３４は、図１０に示すように、凸部２０の高さは、電極部８の厚さと同じになるように形成されている。
以下に、本実施形態に係るサーマルヘッド１の第５の変形例について説明する。
本変形例に係るサーマルヘッド３４は、図１０に示すように、凸部２０の高さは、電極部８の厚さと同じになるように形成されている。
このようにすることで、サーマルヘッド１表面と感熱紙１２との間の空気層を無くして、サーマルヘッド１表面と感熱紙１２とを密着させることができる。これにより、発熱抵抗体７により発生させた熱を感熱紙１２に効率的に伝達することができ、サーマルヘッド１の熱効率を向上して印刷に必要なエネルギー量を低減することができる。また、プラテンローラ１３からの荷重を上板基板５の全面で受けることができ、プラテンローラ１３から凸部２０にかかる応力を低減して上板基板５の破損を防止することができる。
［第２の実施形態］
以下に、本発明の第２の実施形態として、前述した第１の実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法について図１１（ａ）から図１１（ｇ）を用いて説明する。
本実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法は、図１１（ａ）から図１１（ｇ）に示すように、支持基板３の表面に開口部（凹部２）を形成する開口部形成工程と、凹部２が形成された支持基板３の表面に上板基板５の裏面を積層状態に接合する接合工程と、支持基板３に接合された上板基板５を薄板化する薄板化工程と、支持基板３に接合された上板基板５の表面に凸部２０を形成する凸部形成工程と、上板基板５の表面において空洞部４に対応する領域に発熱抵抗体７を形成する抵抗体形成工程と、発熱抵抗体７の両端に電極部８を形成する電極層形成工程と、電極部８の上に保護膜９を形成する保護膜形成工程とを備えている。以下、上記の各工程について具体的に説明する。
以下に、本発明の第２の実施形態として、前述した第１の実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法について図１１（ａ）から図１１（ｇ）を用いて説明する。
本実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法は、図１１（ａ）から図１１（ｇ）に示すように、支持基板３の表面に開口部（凹部２）を形成する開口部形成工程と、凹部２が形成された支持基板３の表面に上板基板５の裏面を積層状態に接合する接合工程と、支持基板３に接合された上板基板５を薄板化する薄板化工程と、支持基板３に接合された上板基板５の表面に凸部２０を形成する凸部形成工程と、上板基板５の表面において空洞部４に対応する領域に発熱抵抗体７を形成する抵抗体形成工程と、発熱抵抗体７の両端に電極部８を形成する電極層形成工程と、電極部８の上に保護膜９を形成する保護膜形成工程とを備えている。以下、上記の各工程について具体的に説明する。
開口部形成工程では、図１１（ａ）に示すように、支持基板３の上端面（表面）において、上板基板５の発熱抵抗体７を設ける領域に対応する位置に凹部２を形成する。凹部２は、例えば、支持基板３の表面に、サンドブラスト、ドライエッチング、ウェットエッチング、レーザ加工等を施すことによって形成する。
支持基板３にサンドブラストによる加工を施す場合には、支持基板３の表面にフォトレジスト材を被覆し、フォトレジスト材を所定パターンのフォトマスクを用いて露光して、凹部２を形成する領域以外の部分を固化させる。その後、支持基板３の表面を洗浄して固化していないフォトレジスト材を除去することで、凹部２を形成する領域にエッチング窓が形成されたエッチングマスク（図示略）が得られる。この状態で、支持基板３の表面にサンドブラストを施し、１〜１００μｍの深さの凹部２を形成する。凹部２の深さは、例えば、１０μｍ以上で、支持基板３の厚さの半分以下とするのが好ましい。
また、ドライエッチングやウェットエッチング等のエッチングによる加工を施す場合には、上記サンドブラストによる加工と同様に、支持基板３の表面の凹部２を形成する領域にエッチング窓が形成されたエッチングマスクを形成する。そして、この状態で支持基板３の表面にエッチングを施すことで、１〜１００μｍの深さの凹部２を形成する。
このエッチング処理には、例えば、フッ酸系のエッチング液等を用いたウェットエッチングのほか、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）やプラズマエッチング等のドライエッチングが用いられる。なお、参考例として、支持基板が単結晶シリコンの場合には、水酸化テトラメチルアンモニウム溶液、ＫＯＨ溶液、または、フッ酸と硝酸の混合液等のエッチング液等によるウェットエッチングが行われる。
次に、接合工程では、図１１（ｂ）に示すように、例えば厚さ約５００μｍ〜７００μｍのガラス基板である上板基板５の下端面（裏面）と、凹部２が形成された支持基板３の上端面（表面）とを、高温融着や陽極接合によって接合する。この際、支持基板３と上板基板５とは乾燥状態で接合され、この接合された接合基板は、例えば２００℃以上軟化点以下の温度で熱処理が行われる。
支持基板３と上板基板５とを接合することで、支持基板３に形成された凹部２が上板基板５によって覆われ、支持基板３と上板基板５との間に空洞部４が形成される。
支持基板３と上板基板５とを接合することで、支持基板３に形成された凹部２が上板基板５によって覆われ、支持基板３と上板基板５との間に空洞部４が形成される。
ここで、上板基板として１００μｍ以下の厚さのものは、製造やハンドリングが困難であり、また、高価である。そこで、当初から薄い上板基板５を直接支持基板３に接合する代わりに、接合工程において製造やハンドリングが容易な厚さの上板基板５を支持基板３に接合した後、薄板化工程において上板基板５を所望の厚さに加工する。
次に、薄板化工程では、図１１（ｃ）に示すように、上板基板５の上端面（表面）側を、機械研磨することで薄板加工を行うことで、上板基板５を例えば約１μｍ〜１００μｍの厚さに加工する。なお、薄板化加工は、ドライエッチングやウェットエッチング等を施すことによって行うこととしてもよい。
次に、凸部形成工程では、図１１（ｄ）に示すように、ドライエッチングやウェットエッチング等を施すことによって、上板基板５の上端面（表面）において支持基板３に形成された凹部２に対応する領域に、凸部２０を形成する。なお、この凸部形成工程は、薄板化工程と同時に行うこととしてもよい。すなわち、前述の薄板化工程において、凸部２０を形成する領域をレジスト材で被覆し、ドライエッチングやウェットエッチング等によって、上板基板５の薄板化と同時に凸部２０を形成することとしてもよい。
次に、上板基板５上に発熱抵抗体７、共通電極８Ａ、個別電極８Ｂ、および、保護膜９が順次形成される。
具体的には、抵抗体形成工程では、図１１（ｅ）に示すように、スパッタリングやＣＶＤ（化学気相成長法）、または、蒸着等の薄膜形成法を用いて上板基板５上にＴａ系やシリサイド系等の発熱抵抗体材料の薄膜を成膜する。発熱抵抗体材料の薄膜をリフトオフ法やエッチング法等を用いて成形することにより、所望の形状の発熱抵抗体７が形成される。
具体的には、抵抗体形成工程では、図１１（ｅ）に示すように、スパッタリングやＣＶＤ（化学気相成長法）、または、蒸着等の薄膜形成法を用いて上板基板５上にＴａ系やシリサイド系等の発熱抵抗体材料の薄膜を成膜する。発熱抵抗体材料の薄膜をリフトオフ法やエッチング法等を用いて成形することにより、所望の形状の発熱抵抗体７が形成される。
次に、電極層形成工程では、図１１（ｆ）に示すように、上板基板５上にＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ等の配線材料をスパッタリングや蒸着法等により成膜する。そして、この膜をリフトオフ法やエッチング法を用いて形成したり、配線材料をスクリーン印刷した後に焼成したりするなどして、所望の形状の共通電極８Ａおよび個別電極８Ｂを形成する。なお、発熱抵抗体７および電極部８Ａ，８Ｂにおけるリフトオフもしくはエッチングのためのレジスト材のパターニングでは、フォトマスクを用いて、フォトレジスト材をパターンニングする。
次に、保護膜形成工程では、図１１（ｇ）に示すように、上板基板５上にＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＡｌＯＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ダイヤモンドライクカーボン等の保護膜材料をスパッタリング、イオンプレーティング、ＣＶＤ法等により成膜して、保護膜９を形成する。これにより、図３に示されるサーマルヘッド１が製造される。
このようなサーマルヘッド１の製造方法によれば、支持基板３と上板基板５との間に空洞部４が形成されるとともに、発熱抵抗体７の両端に形成された電極部８層の間に凸部２０が形成されたサーマルヘッド１を製造することができる。これにより、上記のように、上板基板５の強度を確保しつつ、サーマルヘッド１の熱効率を向上して印刷に必要なエネルギー量を低減することができる。
［第１の変形例］
以下に、本実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法の第１の変形例について説明する。
本変形例に係るサーマルヘッド１の製造方法が、前述した第２の実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法と異なる点は、凸部形成工程において凸部２０を積層して形成する点である。以降では、第２の実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
以下に、本実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法の第１の変形例について説明する。
本変形例に係るサーマルヘッド１の製造方法が、前述した第２の実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法と異なる点は、凸部形成工程において凸部２０を積層して形成する点である。以降では、第２の実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
薄板化工程では、図１２（ｃ）に示すように、上板基板５の上端面（表面）側を、ドライエッチングやウェットエッチングを施すことで、十分な断熱性能が得られるように、上板基板５を例えば約１μｍ〜１００μｍの厚さに加工する。
凸部形成工程では、図１２（ｄ）に示すように、薄板化工程において薄板化された上板基板５に、エッチングストップ層４１とＳｉＯ２、ガラスなどの凸部２０を形成する材料を成膜する。そして、凸部２０以外の部分をドライエッチング、ウェットエッチング等により除去することで、上板基板５の上端面（表面）に凸部２０を形成する。このようにすることで、薄板化工程で決められた上板基板５の厚さを保持したまま（変化させずに）、凸部２０を形成することができる。
この工程においては、エッチングストップ層４１と凸部２０となる材料を連続成膜しておくことで、凸部２０のパターニングにおいてオーバーエッチングを防ぐことができ、正確に凸部２０の高さを形成することができる。エッチングストップ層４１としては、ＳｉＯ２、ガラスに比べ、エッチングレートが遅い材料が選ばれる。ＣＦ系のガスを使ったドライエッチングではＭｇＯ、Ｔａ２Ｏ５などを用いることができる。
［第２の変形例］
以下に、本実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法の第２の変形例について説明する。
本変形例に係るサーマルヘッド１の製造方法が、前述した第２の実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法と異なる点は、薄板化工程と凸部形成工程との順番が異なる点である。
以下に、本実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法の第２の変形例について説明する。
本変形例に係るサーマルヘッド１の製造方法が、前述した第２の実施形態に係るサーマルヘッド１の製造方法と異なる点は、薄板化工程と凸部形成工程との順番が異なる点である。
凸部形成工程では、図１３（ｄ）に示すように、ドライエッチングやウェットエッチング等を施すことによって、上板基板５の上端面（表面）において、支持基板３に形成された凹部２に対応する領域に凸部２０を形成する。
薄板化工程では、図１３（ｃ）に示すように、上板基板５の上端面（表面）側を、ドライエッチングやウェットエッチングを施すことで、上板基板５を例えば約１μｍ〜１００μｍの厚さに加工する。このように薄板化を行うことで、凸部形成工程において形成された凸部２０の形状をそのまま残しつつ、上板基板５を薄板化することができる。
以上、本発明の各実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、凸部２０は、台形またはお椀型の縦断面形状を有していることとして説明したが、発熱抵抗体７を形成することができればよく、例えば矩形等の縦断面形状としてもよい。
例えば、凸部２０は、台形またはお椀型の縦断面形状を有していることとして説明したが、発熱抵抗体７を形成することができればよく、例えば矩形等の縦断面形状としてもよい。
また、支持基板３の長手方向に延びる矩形状の凹部２を形成し、空洞部４が全ての発熱抵抗体７に対向する連通構造を有することとしたが、これに代えて、支持基板３の長手方向に沿って、発熱抵抗体７に対向する位置にそれぞれ独立した凹部を形成することとし、上板基板５によって凹部ごとに独立した空洞部が形成されることとしてもよい。これにより、複数の独立した中空断熱層を備えるサーマルヘッドを形成することができる。
１，３１，３２，３３，３４，３５ サーマルヘッド
２ 凹部
３ 支持基板
４ 空洞部
５ 上板基板
７ 発熱抵抗体
８ 電極部
９ 保護膜
１０ サーマルプリンタ（プリンタ）
２０ 凸部
２１ 先端面
２２ 側面
２ 凹部
３ 支持基板
４ 空洞部
５ 上板基板
７ 発熱抵抗体
８ 電極部
９ 保護膜
１０ サーマルプリンタ（プリンタ）
２０ 凸部
２１ 先端面
２２ 側面
Claims (7)
- 表面に凹部を有する支持基板と、
該支持基板の表面に積層状態に接合された上板基板と、
該上板基板の表面に前記凹部を跨ぐように設けられた発熱抵抗体と、
該発熱抵抗体の両側に設けられた一対の電極とを備え、
該一対の電極の間に配置される前記上板基板の前記電極側の表面に凸部が形成され、前記電極からの電流の供給により発熱する前記発熱抵抗体の発熱部が、前記一対の電極の間から前記凸部に沿ってこれら電極よりも上方にまたは該電極と同一の高さまで突出するサーマルヘッド。 - 前記凸部が、前記凹部に対応する領域内に形成されている請求項１に記載のサーマルヘッド。
- 前記凸部が、前記凹部に対応する領域を越えて外側の領域まで延びている請求項１に記載のサーマルヘッド。
- 前記凸部が、平坦な先端面と、該先端面の両端に該先端面に向かって漸次先細となるように傾斜して形成された側面とを有している請求項１から請求項３のいずれかに記載のサーマルヘッド。
- 前記凸部の高さが、前記電極の高さ以上に形成されている請求項１から請求項４のいずれかに記載のサーマルヘッド。
- 請求項１から請求項５のいずれかに記載のサーマルヘッドを備えるプリンタ。
- 支持基板の表面に開口部を形成する開口部形成工程と、
該開口部形成工程により前記開口部が形成された前記支持基板の表面に上板基板の裏面を積層状態に接合する接合工程と、
該接合工程により前記支持基板に接合された前記上板基板を薄板化する薄板化工程と、
前記接合工程により前記支持基板に接合された前記上板基板の表面に凸部を形成する凸部形成工程と、
前記上板基板の表面において、前記開口部を跨ぐように発熱抵抗体を形成する抵抗体形成工程と、
該抵抗体形成工程により形成された発熱抵抗体の両端に電極層を形成する電極層形成工程とを備え、
前記抵抗体形成工程が、前記電極層からの電流の供給により発熱する前記発熱抵抗体の発熱部を前記電極層の間から前記凸部に沿ってこれら電極層よりも上方にまたは該電極層と同一の高さまで突出させるサーマルヘッドの製造方法。
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