JP5670130B2 - サーマルヘッド - Google Patents

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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、
    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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