JP5670076B2 - サーマルプリントヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、サーマルプリントヘッドおよびその製造方法に関する。

サーマルプリントヘッドは、主走査方向に配列された複数の抵抗体を発熱させ、その熱により感熱記録紙などの被印刷媒体に文字や図形などの画像を形成する出力用デバイスである。このサーマルプリントヘッドは、バーコードプリンタ、デジタル製版機、ビデオプリンター、イメージャー、シールプリンターなどの記録機器に広く利用されている。

一般的なサーマルプリントヘッドは、放熱板と、放熱板に取り付けられた発熱体板と、発熱体板と同じ側で放熱板に取り付けられた回路基板とを備えている。発熱体板は、絶縁基板の表面に抵抗体と電極とを積層して、発熱部を形成している。抵抗体は、主走査方向に間隔を置いて絶縁基板の表面に延びている。また、電極は、抵抗体の表面に間隙を挟んで延びている。電極を流れてきた電流は、この間隙の部分では抵抗体を流れることになるため、その部分の抵抗体が発熱することになる。抵抗体および電極の表面は、保護膜で覆われる。

このようなサーマルプリントヘッドを用いたプリンタは、一般的に、所定の弾性を持つ材料で円筒状に形成されたプラテンローラを備えている。このプラテンローラは、主走査方向を軸として、その側面が支持基板上の発熱領域に接するように配置され、その軸を中心に回転可能に設けられる。プラテンローラの回転によって、プラテンローラと発熱領域の間に挿入された媒体は、主走査方向に垂直な副走査方向に移動する。プラテンローラによって媒体を発熱領域に押し付けつつ、その媒体を副走査方向に移動させ、発熱領域の発熱パターンを媒体の移動とともに変化させることにより、所望の画像を被印刷媒体上に形成する。

特開平５−１６２３５３号公報

サーマルプリントヘッドの発熱部では、抵抗体の表面に電極が存在しない間隙が形成されている。この間隙により、電極などを保護する保護膜の表面にも窪みが形成されてしまう場合がある。保護膜の表面に窪みが形成されていた場合、サーマルプリントヘッドと被印刷媒体との密着性が低下し、被印刷媒体への熱伝達係数が小さくなり、その結果、熱効率が低下してしまう。

たとえば特許文献１には、このような保護膜表面の窪みに起因する段差を研磨によってなくすことが記載されている。しかし、保護膜に確実に段差をなくそうとすると、段差の高さ以上を研磨する必要がある。その結果、保護膜の厚さが小さくなりすぎる可能性がある。また、被印刷媒体との接触による摩耗を低減するために硬い材料を用いて保護膜を形成すると、研磨に要する時間を長くなる。

そこで、本発明は、保護膜の厚さを薄くすることなく、サーマルプリントヘッドの発熱部の表面に窪みが生じないようにすることを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、サーマルプリントヘッドの製造方法において、絶縁基板上に発熱抵抗体とこの発熱抵抗体の表面に間隙を挟んで延びる電極とを形成する第１工程と、前記第１工程の後に、前記発熱抵抗体および前記電極を覆い前記間隙の上の表面が窪んだ保護膜を形成する第２工程と、
前記第２工程の後に、前記保護膜を覆い前記保護膜の表面の窪みの上の表面が窪んだ高硬度層を形成する第３工程と、前記第３工程の後に、前記間隙の上に形成された前記高硬度層の表面の窪みを含む領域に前記高硬度層よりも硬度が低い低硬度層を前記窪みの深さよりも厚く形成する第４工程と、前記第４工程の後に、前記高硬度層を研磨することなく前記低硬度層を機械研磨し前記高硬度層の表面の前記窪みに前記低硬度層を形成する第５工程と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、保護膜の厚さを薄くすることなく、サーマルプリントヘッドの発熱部の表面に窪みが生じないようにできる。

本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態における一部拡大断面図である。 本実施の形態のサーマルプリントヘッドを用いたサーマルプリンタの一部の断面図である。 本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態における製造方法のフローチャートである。 本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態における製造途中の発熱体板の断面図である。

本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。

図１は、本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態における断面図である。

本実施の形態のサーマルプリントヘッド１０は、発熱体板２０、回路基板１１および放熱板３０を有している。発熱体板２０および回路基板１１は、放熱板３０に載置されている。放熱板３０は、たとえばアルミニウムなどの金属で形成された板である。

発熱体板２０は、基板２２とグレーズ層２３と抵抗体２４と電極２５と保護膜２６と駆動ＩＣを有している。基板２２は、たとえばたとえばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などの絶縁体で長方形の板状に形成されている。グレーズ層２３は、基板２２の一方の表面に、たとえば酸化珪素（ＳｉＯ_２）で層状に形成されている。基板２２および基板２２の表面に形成されたグレーズ層２３をまとめて、絶縁基板と呼ぶ。

抵抗体２４は、グレーズ層２３の表面に層状に、たとえばサーメットで形成されている。抵抗体２４は、基板２２の長手方向、すなわち主走査方向に間隔を置いて複数設けられている。また、抵抗体２４は、主走査方向に垂直な副走査方向に延びている。

電極２５は、抵抗体２４の表面に層状に、たとえばアルミニウムで形成される。電極２５は、間隙を挟んで幅走査方向に延びている。電極２５を流れてきた電流は、抵抗体２４上の間隙の部分では抵抗体２４を通ることとなるため、抵抗体２４の間隙に対応する部分が発熱部となる。この発熱部は、基板２２の長手方向、すなわち主走査方向に間隔をおいて配列されて、主走査方向に延びる発熱領域を形成している。

電極２５の一部および抵抗体２４は、電気絶縁性の材料で形成された保護膜２６で覆われている。電極２５および抵抗体２４が形成されていない部分では、グレーズ層２３の表面に保護膜２６が形成されている。保護膜２６は、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の材料などの絶縁体で形成される。また、電極２５の一方の端部の近傍には、保護膜２６で覆われていない部分がある。

保護膜２６の表面には、高硬度層４１が形成される。抵抗体２４の上の電極２５が存在しない間隙部分では、保護膜２６には、電極２５の厚さ程度の深さの窪みが形成されている。この保護膜２６の窪み部分には、高硬度層４１の表面にも電極２５の厚さ程度の深さの窪みが形成されている。高硬度層４１は、硬度が比較的高い、たとえばＭｏ、ＴｉＮあるいはＴｉＯＮなどの材料で形成されている。

この高硬度層４１の表面に形成された窪みには、低硬度材料が埋め込まれた低硬度部４２が形成されている。低硬度部４２に用いられる低硬度材料は、高硬度層４１よりも硬度が低い。低硬度部４２は、たとえばＳｉ、ＳｉＯあるいはＡｌなどの材料で形成される。低硬度部４２は、高硬度層４１の表面の窪みの深さと同じ厚さを持っている。低硬度部４２の表面は、高硬度層４１の窪みの周囲と滑らかに接続している。

電極２５に電流を供給し抵抗体２４に発熱させる半導体集積回路である駆動ＩＣ１７は、保護膜２６で覆われていない電極２５の端部近傍のグレーズ層２３の表面に搭載されている。

回路基板１１は、たとえば長方形の板状に形成され、その表面に電気回路が形成されている。回路基板１１上の端子と駆動ＩＣとの間、および、駆動ＩＣ１７と電極２５の保護膜２６で覆われていない端部との間には、ボンディングワイヤ１８が架け渡されている。駆動ＩＣ１７、ボンディングワイヤ１８およびこれらの近傍は、封止樹脂２８で封止されている。

図２は、本実施の形態のサーマルプリントヘッドを用いたサーマルプリンタの一部の断面図である。

このサーマルプリントヘッド１０を用いたサーマルプリンタは、所定の弾性を持つ材料で円筒状に形成されたプラテンローラ５０を有している。このプラテンローラ５０は、主走査方向に平行な直線上に軸５２を持ち、この軸５２を中心に回転可能に設けられる。また、プラテンローラ５０は、その側面が抵抗体２４の発熱部に対応する発熱体板２０の表面、すなわち低硬度部４２の近傍と接するように配置される。サーマルプリントヘッド１０の発熱部に所定の発熱パターンを形成するための制御信号や駆動電力は、回路基板１１に入力され、さらに回路基板１１と電気的に接続された発熱体板２０に入力される。

プラテンローラ５０の回転によって、プラテンローラ５０とサーマルプリントヘッド１０の発熱部との間に挿入された被印刷媒体６０は、主走査方向に対して垂直な副走査方向に移動する。被印刷媒体６０は、発色温度以上に加熱されると発色する、たとえば感熱紙である。プラテンローラ５０によって被印刷媒体６０を発熱部に押し付けつつ、その被印刷媒体６０を副走査方向に移動させ、発熱領域の発熱パターンを被印刷媒体６０の移動とともに変化させることにより、所望の画像を被印刷媒体６０上に形成する。

このようなサーマルプリントヘッド１０では、発熱部の表面に低硬度部４２が埋め込まれているため、表面に窪みや段差がない。このため、被印刷媒体６０とサーマルプリントヘッド１０の表面との間に隙間は生じず、被印刷媒体６０とサーマルプリントヘッド１０の発熱部近傍の表面との密着性が向上する。その結果、サーマルプリントヘッド１０から被印刷媒体６０への熱伝達係数が向上し、熱効率が向上する。

また、低硬度部４２に熱伝導率が高硬度層４１よりも高い材料を用いると、抵抗体２４での発熱が低硬度部４２により集中して伝達され、熱効率が向上する。さらに、被印刷媒体６０との接触部の中心である低硬度部４２の温度とその周囲との温度差が大きくなり、より精細な像を被印刷媒体６０に形成することができるようになる。

低硬度部４２が高硬度層４１の窪みに埋め込まれているため、発熱体板２０の表面に段差がなくなる。このため、被印刷媒体６０が発熱体板２０の表面で引っ掛かって被印刷媒体６０の搬送を阻害されるおそれが低下する。

次に、本実施の形態のサーマルプリントヘッドの製造方法について説明する。

図３は、本実施の形態における発熱体板の製造方法のフローチャートである。図４は、本実施の形態の発熱体板の製造過程での断面図であって、製造工程の進行に伴って（ａ）から（ｄ）に進む。

まず、絶縁基板上に抵抗体２４および電極２５を所定の形状に形成する（Ｓ１）。この工程Ｓ１では、基板２２となる絶縁板を形成し、この絶縁板の表面にガラスペーストを印刷する。次に、ガラスペーストが印刷された絶縁板を焼成する。これにより、パターン印刷されたガラスが溶融し、絶縁板に固着してグレーズ層２３が形成される。

その後、グレーズ層２３の表面に、サーメットなどの抵抗材料をスパッタリングなどで固着させる。その後、所定の形状の抵抗体２４を形成するように、エッチングにより抵抗材料をパターニングする。さらに、抵抗体２４が形成された板に、アルミニウムなどの導電性材料をスパッタリングなどで固着させる。その後、所定の形状の電極２５を形成するように、エッチングにより導電性材料をパターニングする。

絶縁基板上に所定の形状の抵抗体２４および電極２５を形成した時点での発熱体板２０の製造途中の断面は、図４（ａ）のようになる。抵抗体２４上には、電極２５が存在しない間隙９１が形成されている。この間隙９１の下の抵抗体２４の部分９０が、発熱部になる。抵抗体２４の厚さは、たとえば０．０５μｍ程度である。電極２５の厚さは、たとえば０．５μｍ〜１μｍ程度である。つまり、抵抗体２４上の電極２５が存在しない間隙９１の深さは、たとえば０．５μｍ〜１μｍ程度となる。

絶縁基板上に所定の形状の抵抗体２４および電極２５が形成されたら、抵抗体２４および電極２５を覆う保護膜２６を形成する（Ｓ２）。保護膜２６の厚さは、一様にたとえば２〜５μｍ程度である。保護膜２６を形成した時点での発熱体板２０の製造途中の断面は、図４（ｂ）のようになる。抵抗体２４上の間隙９１は保護膜２６で埋められているが、保護膜２６の表面には、電極２５と抵抗体２４との段差に起因する窪み９２が形成されてしまう。

保護膜２６が形成された後、保護膜２６を覆う高硬度層４１を形成する（Ｓ３）。高硬度層４１は、たとえば蒸着あるいはスパッタリングにより形成する。高硬度層４１の厚さは、一様にたとえば２μｍ程度である。高硬度層４１を形成した時点での発熱体板２０の製造途中の断面は、図４（ｃ）のようになる。保護膜２６の表面の窪み９２は高硬度層４１で埋められているが、高硬度層４１の表面には、保護膜２６の表面の窪み９２に起因した、すなわち電極２５と抵抗体２４との段差に起因した窪み９３が形成される。

高硬度層４１が形成された後、高硬度層４１を覆う低硬度層９５を形成する（Ｓ４）。低硬度層９５の一部が最終的に低硬度部４２となるため、低硬度層９５は、低硬度部４２となる材料で形成する。低硬度層９５は、たとえば蒸着、イオンプレーティングあるいはスパッタリングにより形成する。低硬度層９５を形成した時点での発熱体板２０の製造途中の断面は、図４（ｄ）のようになる。低硬度層９５の厚さｄは、一様に、高硬度層４１の表面に形成された窪み９３の深さよりも大きくなるようにする。高硬度層４１の表面の窪み９３は保護膜２６で埋められている。なお、低硬度層９５の表面には、高硬度層４１の表面の窪み９３に起因した、すなわち電極２５と抵抗体２４との段差に起因した窪み９４が形成される。

低硬度層９５が形成された後、低硬度層９５を機械研磨する（Ｓ５）。低硬度層９５を表面から厚さｄだけ研磨することにより、発熱体板２０の表面には、高硬度層４１と高硬度層４１の表面の窪み９３を埋める低硬度部４２が現れる。

低硬度層９５の機械研磨は、低硬度層９５を形成する低硬度材よりも硬く、高硬度層４１を形成する高硬度材よりも柔らかい中硬度材を用いる。この中硬度材を平板状の部材に形成して、その平板状の部材を低硬度層９５に押しつけて研磨することにより、低硬度増９５のみが研磨され、高硬度層４１は研磨されない。その結果、高硬度層４１と、高硬度層４１の表面の窪み９３に埋め込まれた低硬度材料のみが研磨されずに残ることになる。

このようにして、高硬度層４１の表面の窪み９３に埋め込まれた低硬度部４２が形成される。高硬度層４１と低硬度層９５とを積層して、低硬度層９５表面を機械研磨することにより、研磨剤として高硬度層４１よりも柔らかく低硬度層９５よりも硬い材料を用いることにより、高硬度層４１が研磨されることがないため、抵抗体２４および電極２５を保護する保護層が薄くなることがない。また、低硬度部４２は、被印刷媒体６０の先端が衝突する部分ではないため、比較的やわらかい材料であっても、摩耗はしにくい。つまり、低硬度材料と高硬度材料を用いることにより、製造時の研磨による表面の段差の低減しやすさと、使用時の接触による摩耗のしにくさを両立させている。

また、低硬度層９５は、高硬度層４１の表面に形成された窪み９３の近傍にのみ形成してもよい。低硬度層９５を形成する部分以外をマスキングしてから蒸着などをすることにより、高硬度層４１の表面に形成された窪み９３の近傍にのみ低硬度層９５を形成することができる。高硬度層４１の表面に形成された窪み９３の近傍にのみ低硬度層９５を形成しておくと、研磨量が低減されるため、研磨に要する時間が短くなる。また、研磨によって廃棄される材料が減少する。

なお、ここでは、発熱体板２０の表面が平面である場合について説明したが、発熱部が突条に盛り上がっているような発熱体板の場合であっても、同様の方法により高硬度層４１の表面の窪み９３に埋め込まれた低硬度部４２を形成することができる。

このようにして本実施の形態の発熱体板２０を製造することができる。なお、１つの発熱体板２０よりも大きな絶縁板上に、複数の発熱体板２０に対応するグレーズ層２３、抵抗体２４、電極２５および保護膜２６を形成した後、ダイシングなどによって複数の発熱体板２０に分割してもよい。また、グレーズ層２３の形成後、電極２５の形成後、あるいは、保護膜２６の形成後などに、複数の発熱体板２０に対応する部分に分割してもよい。

このようにして形成された発熱体板２０を、回路基板１１とともに放熱板３０に載置する。その後、発熱体板２０と回路基板１１をボンディングワイヤ１８で結線し、さらにボンディングワイヤ１８による結線部を封止樹脂２８で封止する。

１０…サーマルプリントヘッド、１１…回路基板、１７…駆動ＩＣ、１８…ボンディングワイヤ、２０…発熱体板、２２…基板、２３…グレーズ層、２４…抵抗体、２５…電極、２６…保護膜、２８…封止樹脂、３０…放熱板、５０…プラテンローラ、５２…軸、６０…被印刷媒体、４１…高硬度層、４２…低硬度部、９１…間隙、９２…窪み、９３…窪み、９４…窪み、９５…低硬度層

Claims (6)

1. 絶縁基板上に発熱抵抗体とこの発熱抵抗体の表面に間隙を挟んで延びる電極とを形成する第１工程と、
   前記第１工程の後に、前記発熱抵抗体および前記電極を覆い前記間隙の上の表面が窪んだ保護膜を形成する第２工程と、
   前記第２工程の後に、前記保護膜を覆い前記保護膜の表面の窪みの上の表面が窪んだ高硬度層を形成する第３工程と、
   前記第３工程の後に、前記間隙の上に形成された前記高硬度層の表面の窪みを含む領域に前記高硬度層よりも硬度が低い低硬度層を前記窪みの深さよりも厚く形成する第４工程と、
   前記第４工程の後に、前記高硬度層を研磨することなく前記低硬度層を機械研磨し前記高硬度層の表面の前記窪みに前記低硬度層を形成する第５工程と、
   を具備することを特徴とするサーマルプリントヘッドの製造方法。
2. 第５工程は、硬度が前記高硬度層よりも低く前記低硬度層よりも高い中硬度研磨剤で前記低硬度層を機械研磨する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のサーマルプリントヘッドの製造方法。
3. 前記第４工程で形成される前記低硬度層の厚さは前記窪みの深さよりも大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のサーマルプリントヘッドの製造方法。
4. 前記高硬度層はＭｏとＴｉＮとＴｉＯＮとから選択される材料で形成され、前記低硬度層はＳｉとＳｉＯとＡｌとから選択される材料で形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のサーマルプリントヘッドの製造方法。
5. 前記第４工程で形成された前記低硬度層は、前記窪みに形成されたものを除いて前記第５工程で除去されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のサーマルプリントヘッドの製造方法。
6. 前記低硬度層は前記高硬度層よりも熱伝導率が高いことを特徴とする請求項５に記載のサーマルプリントヘッドの製造方法。

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