JP5670130B2 - サーマルヘッド - Google Patents

Description

本発明は折返し電極型サーマルヘッドに関する。

サーマルヘッドはファクシミリ、ビデオプリンタなどの熱印刷、イメージャ、孔版印刷、インクジェットプリンタなどに用いられ、絶縁基板上に複数の発熱抵抗素子をライン状に配列させ、感熱紙、製版フィルム、メディアなど印刷媒体に記録をおこなうものであり、低雑音、低ランニングコストなどの利点をもつ。最近ではさらなる高精細度、高速度印刷化が要望されている。

サーマルヘッドはセラミック基板上に蓄熱層となるグレーズ層を形成し、グレーズ層上に発熱抵抗体層と電極層を積層して、さらに発熱抵抗体層上に保護膜を形成した構造を有する。

サーマルヘッドとプラテンの間にたとえばインクシートと被転写紙の印刷媒体を挟み、発熱抵抗素子を選択的に加熱しつつ印刷媒体をヘッド上に摺動させて印画を形成する。摺動により、保護膜の損傷が生じるので、インクシート面に潤滑層を形成して摩擦抵抗を下げるようにしているが、保護膜の損傷を避けることができない。対策の一つとして保護膜上に耐摩耗性膜を形成することが提案されている。

また潤滑層の効果を高めることが考えられる。特許文献２では印刷媒体を搬送する入り口側に予熱用の発熱部を形成して熱印刷する直前で印刷媒体に影響を与えない程度に予熱部を加熱して主発熱部が小電力で所定の温度に達することができるようにして高速度化を得ている。この予熱は結果的にインクシートの潤滑層を滑らかにして摺動抵抗を下げることができると考えられる。

一方、熱印刷画像の高精細化においては、画素の密度を高めるために発熱抵抗素子を微細化し、また熱応答の迅速性が求められる。このために例えば発熱抵抗素子で発生した熱を速やかに放散するために蓄熱層であるグレーズ層を薄くする対策が取られる。しかし蓄熱効果を減らした分、駆動電力を増加する必要がある。また熱拡散はグレーズ層や保護膜よりもアルミニウムなどの電極リードによる影響が大きく、その形状が熱拡散の程度を左右する。

例えば発熱抵抗素子の２素子で１画素を形成する折返し電極型のサーマルヘッドは個別電極リードと共通電極リードが印刷媒体の搬送入り口側に配置されている駆動ＩＣ側に延びており、共通電極リードは発熱抵抗素子の搬送出口側の端部に接続された折返しリードに直接または他の発熱抵抗素子を介して接続される。しかしこの構造は発熱抵抗素子の搬送出口側の折返しリード部分に熱が溜まり放熱しにくく、発熱抵抗素子の入口と出口で熱分布の偏りができて熱応答性に不利である。

特開２００８−１３２６３５号公報 特開２００５―２０５８２１号公報

保護膜上に耐摩耗性膜を設けることは保護膜の長寿命化に寄与するが限度がある。

保護膜の入口側に予熱用発熱抵抗素子を配置する構造は駆動電力を増大させるので熱放散に不利になる。

折返し電極型ヘッドは印刷媒体の搬送の入口側と出口側で熱拡散に偏りが生じ入口側が低温になりやすく、印刷媒体に潤滑層が形成されている場合に潤滑層の加熱が十分でなく、さらなる摩擦抵抗の低下を改善できない。

本発明はこのような課題を解決することを目的とするものである。

本発明は、絶縁基板の表面に記録媒体の搬送方向を副走査方向とするとき主走査方向に間隔をおいて配列される複数の発熱抵抗素子であって副走査方向の両端を第１端および第２端とし、一対で１画素を構成しており、これらの発熱抵抗素子の第２端同士が折返しリードに接続されている発熱抵抗素子と、発熱抵抗素子の第１端に接続され副走査方向に延びる電極リードと、折返しリードに接続され発熱抵抗素子に隣接して電極リード側に延びる導熱体と、発熱抵抗素子の電極リード側に配置され導熱体よりも幅広に形成され導熱体に接続されるヒートダムとを具備し、導熱体は折返しリード部の熱をヒートダムに導きヒートダムに蓄熱するようにしたことを特徴とするサーマルヘッドを得るものである。

本発明により、折返し電極型ヘッドは印刷媒体の搬送の入口側と出口側で熱拡散の偏りを緩和し、入口側の表面温度を高めて印刷媒体に潤滑層が形成されている場合に潤滑層の加熱を容易にし、摩擦抵抗の低下を改善できる。さらに、出力側にある折返しリード部の熱溜まりを入力側に吸引するので、熱拡散させやすく熱応答性を改善することができる。

本発明の実施形態１を説明する略断面図。 図１のサーマルヘッドの一部平面図。 図２のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図。 図２のＢ−Ｂ線に沿う矢視断面図。 本発明の実施形態２の一部平面図。 本発明の実施形態１を説明する曲線図。

以下、実施形態により本発明を説明する。

（実施形態１）
図１ないし図４は実施形態１を説明するもので、図１は本実施形態のサーマルヘッドをプリンタとして使用する場合の配置を示す略図、図２はサーマルヘッドの要部の一部拡大平面図、図３は図２の発熱抵抗素子を通るＡ−Ａ線に沿う断面図、図４は図２のヒートダムを通るＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

図１において、サーマルヘッド１０はプラテンローラ１００との間に印刷媒体１０１を挟み、プラテンローラの回転により印刷媒体をサーマルヘッド１０上を摺動させる。印刷媒体１０１は例えばインクシート１０２と被転写紙１０３とからなり、サーマルヘッドの発熱抵抗素子による加熱によりインクシート１０２のインクを被転写紙１０３に選択的に転写して印字、印画する。被転写面に対して、印刷媒体の移動する方向が副走査方向Ｌｓでありプラテンローラの回転軸１００ａに平行な方向が主走査方向Ｌｍになる。

サーマルヘッド１０は放熱板１１上に発熱基板１２と回路基板１３をシリコーン樹脂や両面接着テープで接着して搭載している。この発熱基板１２に発熱抵抗素子２４が形成され、一方、回路基板１３に発熱抵抗素子を電流駆動する半導体集積回路チップでなる駆動ＩＣ１５がマウントされている。駆動ＩＣ１５は発熱基板上に形成された発熱抵抗素子の個別電極および共通電極リードに形成したボンディングパッドとワイヤ１６によりボンディング接続され、保護樹脂層１７で被覆される。なお符号１９の部分は回路基板の端子コネクタを示す。印刷媒体１０１は回路基板１３側を搬入側ｃｉすなわち搬送入口としてプラテンローラによりサーマルヘッドに導入され、熱印刷後に搬出される。搬出側ｃｏを搬送出口とする。

図２ないし図４に示すように、アルミニウムの放熱板１１上に発熱基板１２の裏面１８が導熱性のシリコーングリースで接着されている。

発熱基板１２はアルミナなどのセラミックでできた絶縁基板２０を有しその表面２０ａにガラスのグレーズ層２１が被覆され、その絶縁基板２０の一側縁２０１に断面が一部円弧状の凸部グレーズ層２１ａが基板の一側縁２０１に沿って主走査方向Ｌｍに延びている。

グレーズ層の表面にＴａ−ＳｉＯ_２などの発熱抵抗体層２２の薄膜がスパッタにより形成され、さらにその上に電極となるアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）の金属層２３の薄膜がスパッタにより積層される。

図２に示すように、フォトリソグラフィにより発熱抵抗体層２２および金属層２３がエッチングされて所定の電極形状にパターニングされる。さらに発熱抵抗素子２４が形成される位置の金属層がエッチングされて発熱抵抗体層のみを残し、発熱抵抗素子２４となる。

本実施形態のサーマルヘッド１０は２発熱抵抗素子−１画素の折返し電極型のサーマルヘッドであり、絶縁基板２０の一側縁２０１側に複数の発熱抵抗素子２４が主走査方向Ｌｍにライン状に間隔をおいて配列され、他側縁２０２に向かって第１の電極リード例えば個別電極リード２５と第２の電極リード例えば共通電極リード２６が延び、他側縁２０２に接するように配置された回路基板１３にマウントされた駆動ＩＣ１５に電気的に接続される構造になっている。

１画素を構成する発熱抵抗素子対２４のうち第１素子２４１の第１端２４１ａは個別電極リード２５に接続され、第２端２４１ｂは折返しリード２７に接続される。また第２素子２４２は第１端２４２ａが共通電極リード２６に接続され、第２端２４２ｂが折返しリード２７に接続される。隣接する画素の発熱抵抗素子対も前記発熱抵抗素子対と同様の構成を有し、相互に線対称配置とされ、共通電極リード２６を共有する。

各発熱抵抗素子対２４に折返しリード２７の熱を引き出し蓄熱するヒートダム３０が配置される。ヒートダム３０はフォトリソグラフィによる電極リードの形成と同時に形成され、電極リードと同じ層構成を有している。ヒートダム３０は絶縁基板の他端縁２０２側で発熱抵抗素子２４の第１端２４１ａ，２４２ａ近傍に個別電極リード２５と共通電極リード２６に割り込む中間の位置に配置される。

発熱抵抗素子対２４の第１素子２４１と第２素子２４２間を折返しリード２７に熱的に接続された導熱体３１が延びヒートダム３０に熱的に結合される。導熱体３１はヒートダム３０、電極リード２５，２６、折返しリード２７と同じ金属層をもつ層構成であり、電極のパターニングと同時形成される。

ヒートダム３０は方形でよく、また楕円など他の形状にすることもできる。ヒートダム３０の主走査方向Ｌｍ幅はヒートダムの側縁が副走査方向Ｌｓに延長した線上で発熱抵抗素子２４１，２４２の一部に重なるようにする。発熱抵抗素子の副走査方向長さＬ１と発熱抵抗素子２４１，２４２の第１端２４１ａ，２４２ａとの距離Ｌ２の関係は、本実施形態の場合
Ｌ２＝０．５Ｌ１〜Ｌ１，Ｗ＝一対の発熱抵抗素子の主走査方向幅とするとき、
Ｌ１最大＝２Ｗで、
Ｌ１最大＝２３８μｍ、Ｌ２＝１１９〜２３８μｍ
Ｌ２＝０．５Ｌ１で入り口側〜排出側のＬ２端までの距離＝０．３５７ｍｍ、
ニップ幅０．４ｍｍの場合、予熱部の長さが２１．５μｍになる。

Ｌ１最小＝Ｗで、
Ｌ１＝１１９μｍの場合、Ｌ２＝５９．５〜１２０μｍ、
Ｌ２＝Ｌ１で入り口側〜排出側のＬ２端までの距離＝０．２３９ｍｍ、ニップ幅０．４ｍｍの場合、予熱部の長さが８０．５μｍになる。

上記より、Ｌ２は長すぎるとニップ幅を超えてしまい予熱効果が期待できなくなるので、使用するメディアの硬さやグレーズ凸の曲率，プラテンローラの外径やゴム硬度などによって変化するニップ幅を考慮してＬ１およびＬ２を調整すると良い。一般的なニップ幅は０．２〜０．４ｍｍ程度である。

発熱抵抗素子２４や電極リード２５，２６、ヒートダム３０などが配置された発熱抵抗基板の最表面に個別電極リードと共通電極リードのボンディングパッド３２部分を除き、ＳｉＯＮなどの耐摩耗絶縁材からなる保護層２８が被覆される。

駆動ＩＣ１５から発熱抵抗素子２４の対に個別電極リード２５から共通電極リード２６にいたる回路でパルス電流が給電されると、発熱抵抗素子２４１，２４２が加熱される。発熱抵抗素子で発生した熱はその上面の保護層２８を加熱するとともに凸部グレーズ層２１ａや電極リード２５，２６，折返しリード２７を経て放熱される。電極リードを経由する放熱は、発熱抵抗素子の第１端２４１ａ，２４２ａに接続された電極リード２５，２６からは速やかに放熱されるが、第２端２４１ｂ，２４２ｂからの熱は、折返しリード２７が電極リードに比べて小容量であるため放熱が低く熱だまりができる。この熱は導熱体３１を経由してヒートダム３０に吸引される。これにより導熱体３１およびヒートダム３０は折返しリード２７の温度上昇を抑え、ヒートダム３０の温度を上げる。ヒートダムの幅により電極リード２５，２６幅が狭まりネック部が形成されると、この部分の電極リードの熱抵抗が増え、電極リードからの放熱を抑えることができ、発熱抵抗素子の第１端側の急速な冷却を緩和することができる。

このようにヒートダムおよび導熱体により、発熱抵抗素子の発熱後の副走査方向の熱分布が緩やかになり、同時に印刷媒体の搬送入口側でヒートダムの温度が上がるので、ヒートダムが印刷媒体に対して予熱手段として機能する。したがって印刷媒体のインクシートに潤滑層が形成されている場合、潤滑層を軟化させやすくして発熱基板の保護層２８の摩擦抵抗を低下させることができる。

さらに放熱のバランスがとれることにより駆動後の発熱抵抗素子の副走査方向の温度分布のピークを抑え、次の駆動時の発熱分布を副走査方向に広げることができる。

一例として解像度２００ｄｐｉの場合の具体例を説明する。発熱抵抗素子の層厚は０．０５μｍ、金属層の膜厚は０．７５μｍにしている。発熱抵抗素子の面積は副走査方向の長さ１６０μｍとして１６０μｍ×４４．５μｍ、一対の発熱抵抗素子の主走査方向幅は１１９μｍ、は発熱抵抗素子の中心から折返しリード端まで２００μｍ、折返しリードから延びる導熱体の幅は１４μｍで両発熱抵抗素子との間に８μｍの間隙を設けている。ヒートダムは６０μｍ×５９μｍの面積で、発熱抵抗素子の中心から２００μｍに搬入側の端を配置している。なおグレーズ層の凸部の厚みは５０μｍとした。

図６は本実施例の発熱抵抗素子および周辺の駆動時の表面温度分布を、ヒートダムを設けない場合を比較例として表示したものである。本実施形態の発熱基板の表面温度特性Ｔ１が比較例の搬出側に高い片寄った表面温度特性Ｔ３に比べて、搬入側で高くなっていることがわかる。特性Ｔ２は導熱体の温度分布を示している。

発熱抵抗素子中心から折返しリード端の距離Ａと発熱抵抗素子の中心からヒートダム端の距離Ｂが等距離になる場合、最も熱分布的な等しい熱量が得られる。

（実施形態２）
図５で折返し電極型のサーマルヘッドの実施形態２を説明する。図１ないし図４と同一符号の部分は同様部分を示している。

発熱抵抗素子対４０は第１素子４０１と第２素子４０２からなり、第１素子４０１は第１端４０１ａが個別電極リード２５１に接続され、第２端４０１ｂが折返しリード２７に接続されている。また第２素子４０２の第１端４０２ａは個別電極リード２５２に接続され、第２端４０２ｂは折返しリード２７に接続されている。個別電極リード２５１，２５２は発熱基板の他側縁の方向に延び、他側縁近傍でボンディングパッド４３により、駆動ＩＣに接続される。

第１素子４０１および第２素子４０２は平行に配列され、副走査方向Ｌｓに対して所定の角度θだけ傾けて形成される。折返しリード２７から第１素子と第２素子間を通りぬけて共通電極リード４４が発熱抵抗素子対の第１端４０１ａ，４０２ａを越えて駆動ＩＣ側に延びて共通電極４６に接続される。

共通電極リード４４は個別電極リード２５１，２５２よりも狭く形成されている。共通電極リード４４の中間部すなわち、発熱抵抗素子対４０と共通電極４６間に幅広部を形成し、ヒートダム３０を配置している。折返しリード２７とヒートダム３０間の共通電極リードが導熱体４４１になる。

発熱抵抗素子および電極リードを角度θ傾けて配置するのは、基板面に対して副走査方向に印刷媒体が摺接搬送されるときに、ヒートダム３０の位置を第１素子４０１と第２素子４０２に対して同一線上に重なりほぼ等しく熱分配可能にするためである。

発熱抵抗素子にパルス電流が印加されると、発熱抵抗素子は加熱されて所定の温度に昇温する。発生した熱エネルギーは保護膜を介して印刷媒体に達するとともに、電極リード、グレーズ層に熱拡散する。電極リードはアルミニウムなどの良熱伝導金属で形成されるため、熱は個別電極リードと折返しリードに速やかに伝わる。折返しリードの熱は共通電極リードの導熱体４４１によって引き出され、共通電極リードの中間に形成されたヒートダム３０に達して加熱する。これにより発熱抵抗素子の搬入側ｃｉ、搬出側ｃｏの温度分布がほぼ均衡し、印刷媒体の熱印刷において、潤滑層の加温を容易にする。さらに熱拡散をさせやすく熱応答性を改善することが可能である。

以上本発明を実施形態により説明したが、これらの実施形態に限られることなく種々の変形が可能なことは言うまでもない。たとえば印刷媒体として潤滑層を有する場合について述べたが、潤滑層のない印刷媒体に適用しても発熱分布の面から効果がある。

１０：サーマルヘッド、１１：放熱板、１２：発熱基板、１３：回路基板、１５：駆動ＩＣ、１６：ワイヤ、１７：保護樹脂層、２１：グレーズ層、２１ａ：凸部グレーズ層、２２：発熱抵抗体層、２３：金属層、２４：発熱抵抗素子、２４１：第１素子、２４２：第２素子、２４１ａ，２４２ａ：第１端、２４１ｂ，２４２ｂ：第２端、２５：個別電極リード、２６：共通電極リード、２７：折返しリード、２８：保護層、３０：ヒートダム、３１：導熱体、３２：ボンディングパッド、４０：発熱抵抗素子対、１００：プラテンローラ、１０１：印刷媒体、４０１：第１素子、４０２：第２素子、４０１ａ，４０２ａ：第１端、４０１ｂ，４０２ｂ：第２端、４３：ボンディングパッド、４４：共通電極リード、４４１：導熱体、Ｌｍ：主走査方向、Ｌｓ：副走査方向

Claims (5)

1. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板の表面に記録媒体の搬送方向を副走査方向とするとき主走査方向に間隔をおいて配列される複数の発熱抵抗素子であって前記副走査方向の両端を第１端および第２端とし、一対で１画素を構成しており、これらの発熱抵抗素子の第２端同士が折返しリードに接続されている発熱抵抗素子と、
   前記発熱抵抗素子の前記第１端に接続され副走査方向に延びる電極リードと、
   前記折返しリードに接続され前記発熱抵抗素子に隣接して前記電極リード側に延びる導熱体と、
   前記発熱抵抗素子の前記電極リード側に配置され前記導熱体よりも幅広に形成され前記導熱体に接続されるヒートダムとを具備し、
   前記導熱体は前記折返しリード部の熱を前記ヒートダムに導き前記ヒートダムに蓄熱するようにしたことを特徴とするサーマルヘッド。
2. 前記導熱体が前記発熱抵抗素子間を通って前記第１の電極リード側に延び前記ヒートダムに接続されている請求項１に記載のサーマルヘッド。
3. 前記電極リードが個別電極または共通電極である請求項１または２に記載のサーマルヘッド。
4. 前記ヒートダムは同じ副走査方向の線上で前記発熱抵抗素子と少なくとも一部が重なる位置に配置されている請求項１ないし３のうちのいずれかに記載のサーマルヘッド。
5. 前記導熱体およびヒートダムがアルミニウム膜でできている請求項１ないし４のうちのいずれかに記載のサーマルヘッド。

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