JP5697929B2 - サーマルヘッド - Google Patents

Description

本発明は画像記録デバイスとして用いられるサーマルヘッドに関する。

サーマルヘッドは、その基板上に配置された発熱抵抗体を発熱させ、感熱紙、製版フィルム、印画紙等の記録媒体に文字や図形などから成る画像等を形成する。そして、バーコードプリンタや計量機、デジタル製版機、ビデオプリンター、イメージャー、シールプリンター等の各記録機器の出力用デバイスとして広く利用されている。通常、サーマルヘッドは、上記発熱抵抗体を設けた抵抗体基板部および駆動ＩＣを搭載した駆動回路基板部などを、放熱基板の一主面上に載置した構造になっている。

ここで、従来のサーマルヘッドの一例について図４および図５を参照して説明する。図４はその上面説明図である。図５は、図４におけるＹ−Ｙ矢視の記録媒体が搬送される方向（副走査方向）における拡大断面図であり、記録媒体、プラテンローラを併せて示す。従来のサーマルヘッドは、上記副走査方向に直交する方向（主走査方向）に沿い所要の長さに延在し、発熱抵抗体からなる多数の発熱部がその主走査方向に配列される構造になっている。

図４，５に示すように、サーマルヘッドでは、例えば放熱基板１０１の主面上に抵抗体基板部１０２Ａおよび駆動回路基板部１０２Ｂが隣接して設けられる。抵抗体基板部１０２Ａでは、放熱基板１０１の主面上に支持基板１０３が貼着され、支持基板１０３上に保温層となるグレーズ層１０４がヘッドの主走査方向に延在して設けられている。そして、グレーズ層１０４表面を被覆して発熱抵抗体１０５が形成され、この発熱抵抗体１０５上に、共通電極１０６ａおよび個別電極１０６ｂが間隙Ｇを挟んで対向して配置されている。ここで、共通電極１０６ａおよび個別電極１０６ｂからなる一対の電極１０６が発熱抵抗体１０５に重層して電気接続している。そして、これ等の間隙Ｇで露出する発熱抵抗体が発熱部１０７となる。

図に示されるように、発熱部１０７の通電用電極である一対の電極１０６と上記発熱部１０７が１つの発熱素子となり、サーマルヘッドの主走査方向に所要ピッチ（ｄｐｉ：ドット／インチ）の発熱素子アレイとして１列に形成される。更に、後述するボンディングワイヤー接続のために個別電極１０６ｂの縁端部が露出され全体が保護層１０８により被覆される。

駆動回路基板部１０２Ｂは、放熱基板１０１に貼着した駆動回路基板１０９等から構成され、その基板表面に回路パターン（不図示）等が形成され、また駆動ＩＣ１１０等が搭載されている。そして、抵抗体基板部１０２Ａの上記通電用電極と駆動回路基板部１０２Ｂの駆動ＩＣ１１０との間、および、駆動ＩＣ１１０と駆動回路基板部１０２Ｂの回路パターンとの間などがボンディングワイヤーＷで電気的に接続されている。そして、これ等のボンディングワイヤーＷおよび駆動ＩＣ１１０は、機械的強度の大きな例えばエポキシ樹脂から成る封止部材１１１によって気密封止され保護されている。

上記サーマルヘッドを用いた記録媒体への画像形成では、例えば印画紙１１２やインクリボン１１３の記録媒体が保護層１０８といわゆるプラテンローラ１１４との間で挟圧され、矢印Ｒ方向の回転により副走査方向に所定の速度でステップ搬送される。そして、矩形のパルス電圧が通電されて発熱した発熱部１０７によって、印画紙１１２およびインクリボン１１３が加熱され、その熱により印画あるいはオーバーコート処理等がなされる。

上述したような構造のサーマルヘッドの動作においては、上記駆動ＩＣ１１０およびボンディングワイヤーＷを樹脂封止する封止部材１１１が記録媒体の摺接を受ける。そして、この記録媒体との摩擦によって静電気（電荷）が封止部材１１１の表面に帯電して蓄積されるようになる。このような静電気帯電は駆動ＩＣ１１０の誤動作を引き起こし、場合によっては駆動ＩＣ１１０の電気的な破損につながる虞がある。また、前記電荷と異符号の電荷が帯電する上記記録媒体は、プラテンローラ１１４の矢印Ｒ方向の回転によりサーマルヘッドの発熱部１０７を通過するとき、その放電現象により発熱抵抗体１０５を破壊する虞がある。あるいは、上記記録媒体の静電気帯電は印画あるいはオーバーコート処理に影響し、画像形成の高画質化に支障をきたすようにもなる。

上述したような静電気帯電に伴う不具合は、サーマルヘッドが小型化し駆動ＩＣ１１０の搭載される位置と発熱部１０７の離間距離が短くなると共に顕在化する。また、サーマルヘッドの動作の高速化に伴って顕著になってくる。

一方、従来のサーマルヘッドにおいては、図６に示すように駆動ＩＣ１１０の上方を例えばステンレス、アルミニウム等の金属製のカバー体１１５で覆う構造のものが提示され一部で使用されてきた（例えば、特許文献１，２参照）。このカバー体１１５付設のサーマルヘッドの場合では、上述した記録媒体はプラテンローラ１１４とカバー体１１５の間を通るようになり、記録媒体と封止部材１１１との摺接は防止される。ここで、記録媒体はカバー体１１５と摺接することになるが、金属製のカバー体１１５との摩擦による静電気帯電はほとんど起こらない。そして、上述したような問題は生じない。

しかしながら、図６に示したようなカバー体１１５の付設は、サーマルヘッド全体を厚くすると共にその重量を増大させることから、サーマルヘッドの小型化、軽量化にとって不都合になる。

実開平２−８９４８号公報 特開２００６−３３４７９１号公報

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、簡便に封止部材および記録媒体の静電気帯電を抑制してサーマルヘッドの小型化、軽量化を図り高速動作を容易にするサーマルヘッドを提供することを目的とする。また、サーマルヘッドの低コスト化を可能にする。

本発明者は、これまでにサーマルヘッドの動作時に生じる静電気発生について検討を行ってきた。その中で、サーマルヘッドの小型化に伴い、記録媒体はサーマルヘッドの保護層１０８との摺接により静電気帯電する以外に、上記封止部材１１１との摺接による静電気帯電が大きくなることを見出した。また、封止部材１１１の材質を変えることによりその帯電量が異なってくることを見出した。本発明はこのような知見に基づいてなされている。

すなわち、上記目的を達成するために、本発明にかかるサーマルヘッドは、一表面に発熱素子が配置された支持基板と、前記発熱素子を駆動する駆動ＩＣと、該駆動ＩＣに電流を供給する回路が形成された回路基板と、前記駆動ＩＣを前記発熱素子および前記回路に電気的に接続する接続部と、前記駆動ＩＣおよび前記接続部を樹脂の封止する封止部材と、前記支持基板および前記回路基板が載置された放熱基板と、を具備するサーマルヘッドであって、
前記封止部材では、エポキシ基をもつ有機高分子材料からなる第１の封止部分上で記録媒体が摺接する位置に、前記第１の封止部分よりも摺接による静電気帯電量が小さいシロキサン結合をもつ有機珪素高分子材料からなる第２の封止部分が形成されている構成になっている。

本発明の構成により、簡便に封止部材および記録媒体の静電気帯電が抑制されてサーマルヘッドの小型化、軽量化が容易になる。そして、サーマルヘッドの高速動作が容易になると共にサーマルヘッドの低コスト化が可能になる。

本発明の実施形態にかかるサーマルヘッドの一例を示す上面説明図。 図１のＸ−Ｘ矢視の拡大断面図。 本発明の実施形態にかかるサーマルヘッドの変形例を示す拡大断面図。 従来技術におけるサーマルヘッドの上面説明図。 図４のＹ−Ｙ矢視の拡大断面図。 図４のサーマルヘッドの駆動ＩＣに保護カバーが取り付けられる場合の拡大断面図。

本発明の実施形態にかかるサーマルヘッドについて図１乃至３を参照して説明する。図１は本実施形態にかかるサーマルヘッドの一例を示す上面説明図であり、図２は図１のＸ−Ｘ矢視の拡大断面図である。そして、図３は本実施形態にかかるサーマルヘッドの変形例を示す拡大断面図である。以下、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なる。

本実施形態におけるサーマルヘッドでは、その要部は、一表面に発熱素子が配置された支持基板、この発熱素子を駆動する駆動ＩＣ、この駆動ＩＣに電流を供給する回路が形成された回路基板から構成される。ここで、発熱素子基板および回路基板は放熱基板上に載置される。そして、上記発熱素子および回路に駆動ＩＣを電気的に接続する接続部と上記駆動ＩＣとを樹脂封止する封止部材は、第１の封止部分と、この第１の封止部分上に形成された第２の封止部分から成る。ここで、第１の封止部分はエポキシ基をもつ有機高分子樹脂材料からなり、第２に封止部分はシロキサン結合をもつ有機珪素高分子樹脂材料からなる。

例えば、図１，２に示されるサーマルヘッド１０において、放熱基板１１上に抵抗体基板部１２Ａおよび駆動回路基板部１２Ｂが設けられる。そして、抵抗体基板部１２Ａにおいて、放熱基板１１の主面上に耐熱性および熱伝導性のよい支持基板１３が貼着されている。この支持基板１３上の主走査方向に沿って、保温層となるグレーズ層１４が形成され、このグレーズ層１４表面を被覆して発熱抵抗体１５が形成される。更に発熱抵抗体１５上に重層して電気接続する共通電極１６ａおよび個別電極１６ｂが間隙Ｇを挟んで対向して配置されている。この間隙Ｇで露出する発熱抵抗体１５が発熱部１７になる。この共通電極１６ａと個別電極１６ｂから成る一対の電極１６および発熱部１７が１つの発熱素子である。

その複数の発熱素子はサーマルヘッドの主走査方向に発熱素子アレイとして所定ピッチで一列に配置される。ここで、１つの発熱素子はいわゆる１ビット構成の発熱部１７を有する。そして、後述するボンディングワイヤー接続のために個別電極１６ｂの縁端部が露出され全体が熱伝導性のよい保護層１８により被覆される。

上記駆動回路基板部１２Ｂにおいて、回路基板である駆動回路基板１９が放熱基板１１に貼着され、その基板表面に回路パターン等が形成され、さらに駆動ＩＣ２０が搭載されている。この駆動ＩＣ２０と上記個別電極１６ｂおよび回路パターンとの間はボンディングワイヤーＷで電気的に接続される。

そして、上記ボンディングワイヤーＷを含む接続部および駆動ＩＣ２０が、第１の封止部分２１ａおよび第２の封止部分２１ｂの２層構造の封止部材２１により樹脂封止されている。上記接続部は、ボンディングワイヤーＷが個別電極１６ｂおよび回路パターンに接続する領域も含んでいる。この封止部材２１は、上記接続部および駆動ＩＣ２０の防水、外力による破損防止等の機能を有するものである。

ここで、第１の封止部分２１ａは、駆動回路基板１９への接着性が高く、充分な機械的強度を有する硬質のモールド樹脂からなる。そして、熱ストレスや外圧による例えばボンディングワイヤーＷの切断等を防止するようになっている。しかも、優れた耐水性を有している。

そこで、第１の封止部分２１ａは、エポキシ基をもつ有機高分子樹脂材料からなっている。例えばエポキシ系樹脂のようなモールド樹脂が好適である。

そして、第２の封止部分２１ｂは、背景技術において説明したような記録媒体との摺接において、第１の封止部分２１ａに較べ静電気が発生し難い絶縁性樹脂からなり、記録媒体等の静電気帯電を抑制するようになっている。しかも、この第２の封止部分２１ｂも耐水性を有するようになっているのが好ましい。

そこで、第２の封止部分２１ｂは、シロキサン結合をもつ有機珪素高分子樹脂材料からなっている。例えばシリコン系樹脂のようなモールド樹脂が好適である。

上記封止部材２１は、第１の封止部分２１ａと第２の封止部分２１ｂの２層構造になっているが、第１の封止部分２１ａと第２の封止部分２１ｂの間に他の樹脂からなる中間層が存在する構造になっていてもよい。更に、第１の封止部分２１ａの下層に別の樹脂層が形成されていても構わない。いずれにしても、封止部材２１では、上述したような第１の封止部分２１ａの上方に上述したような第２の封止部分２１ｂが形成され、この第２の封止部分２１ｂが記録媒体と摺接する構造になっている。

一般に、２つの物質間の摩擦では、電子を放ち易い物質が正に帯電し、電子を受け取り易い物質が負に帯電するという帯電列が知られている。しかし、この帯電列は、物質の温度、物質の硬度、物質表面の粗さ等の他の条件により同一物質であっても異なってくる。現在、記録媒体（紙あるいはインクリボン等）の静電気帯電量が第１の封止部分２１ａとの摺接の場合より第２の封止部分２１ｂとの摺接で低減する確かな理由は明らかになっていない。しかし、これまでの検討から、上記有機珪素高分子樹脂材料からなる第２の封止部分２１ｂの方が、上記有機高分子樹脂材料からなる第１の封止部分２１よりも電子を放ち易くなっているように思われる。

上記サーマルヘッド１０においては、その他に、放熱基板１１は例えばＡｌ（アルミニウム）金属から成る。支持基板１３は、通常、耐熱性を有する絶縁体材料から成る支持基板であり、アルミナセラミックスの他に、シリコン、石英、炭化珪素等により構成される。また、駆動回路基板１９は、例えばガラスエポキシ系製のＰＣＢ（Printed Circuit Board）、あるいは例えばポリイミド系製のＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）からなる。

グレーズ層１４は、発熱部１７の発する熱の適度な蓄熱および熱放散の作用を有し、表面平滑性のある絶縁体材料から成る絶縁体膜である。このような絶縁体膜としては、例えばＳｉＯ_２膜（シリコン酸化膜）、ＳｉＯＮ膜（シリコン酸窒化膜）あるいはＳｉＮ膜（シリコン窒化膜）が挙げられる。発熱抵抗体１５は、例えばＴａＳｉＯ、ＮｂＳｉＯ、ＴａＳｉＮＯ、ＴｉＳｉＣＯ系の電気抵抗体材料からなる。そして、共通電極１６ａおよび個別電極１６ｂの通電用電極となる一対の電極１６は低抵抗になるほど好ましく、例えば、Ａｌ、Ｃｕ（銅）あるいはＡｌＣｕ合金等の金属を主材料に構成される。

そして、保護層１８は、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜あるいはＳｉＣ膜（炭化ケイ素膜）等の硬質で緻密な熱伝導性のある絶縁体材料から成る。ここで、保護層１８の最表面に少なくともＳｉ（シリコン）と炭素（Ｃ）が含まれていると熱伝導性が高くなり好適である。この保護層１８は、発熱素子アレイの一対の電極１６ａ、１６ｂおよび発熱部１７を被覆し記録媒体の圧接あるいは摺接による磨耗、並びに大気中に含まれている水分等の接触による腐食から保護する機能を有する。

次に、上記サーマルヘッド１０の製造における組み立て工程について概略説明する。この組立工程では、成膜プロセス、そのエッチング加工のプロセス等を経て形成した所要数の上記発熱素子を有する支持基板１３を熱伝導性のよい両面テープ等により放熱基板１１表面に貼着する。同様に、例えばベアチップの駆動ＩＣ２０が予め組み込まれている駆動回路基板１９を上記放熱基板１１上に例えばシリコン樹脂等の接着剤を介して載置し固着する。

そして、発熱素子アレイの全ての通電用電極を駆動ＩＣ２０の出力側のボンディンブパッドに例えばＡｌ線あるいはＡｕ（金）線から成るボンディングワイヤーＷで電気接続する。また、駆動ＩＣ２０の入力側のボンディンブパッドを駆動回路基板１９の回路パターンにボンディングワイヤーＷで電気接続する。

そして、例えばエポキシの液状熱硬化性樹脂をシリンジなどにより駆動ＩＣ２０およびボンディングワイヤーＷ等の接続部に塗布し、加熱処理により熱硬化させて硬質のエポキシ系樹脂からなる第１の封止部分２１ａを形成する。ここで、エポキシ系樹脂は一例として１５０℃程度まで加熱して３０分程度で硬化させる。

その後、更に例えばシリコンの液状熱硬化性樹脂をシリンジなどにより上記第１の封止部分２１ａを覆うように塗布し、加熱処理により熱硬化させて軟質のシリコン系樹脂からなる第２の封止部分２１ｂを形成する。ここで、シリコン系樹脂は一例として８０℃〜１５０℃程度まで加熱して３０分〜２時間程度で熱硬化させる。このようにして、本実施形態のサーマルヘッド１０は出来上がる。

上記サーマルヘッド１０を用いた記録媒体への画像形成では、その記録媒体が、発熱部１７領域上の保護層１８といわゆるプラテンローラとの間で挟圧され、副走査方向に所定の速度で搬送される。ここで、特定の発熱素子の個別電極１６ｂが選択されて接地電位にされ、例えば数十Ｖに印加されている共通電極１６ａとの間で通電が行われて、その発熱部１７が発熱する。そして、上記搬送において、例えば感熱記録媒体が発熱部１７により加熱され、その熱により記録媒体が印画される。このような画像形成あるいはオーバーコート処理において、記録媒体は封止部材２１の最上層である第２の封止部分２１ｂと摺接するようになる。

次に、本実施形態の変形例について図３を参照して説明する。図３は図１と同様にサーマルヘッドの副走査方向における拡大断面図である。以下、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。この変形例では、図２の場合と異なり、第２の封止部分２１ｂが第１の封止部分２１ａの一部を覆うように形成される。すなわち、第２の封止部分２１ｂは、第１の封止部分２１ａの上部にあって、記録媒体が摺接し易いヘッドの副走査方向の下流側を主に覆うようになっている。

本実施形態では、例えばサーマルヘッド１０において、発熱素子アレイを駆動する駆動ＩＣ２０、この駆動ＩＣ２０を発熱素子および回路に電気的に接続するボンディングワイヤーＷ等のような接続部が、例えば２層構造の封止部材２１により極めて簡便にモールドされる。ここで、封止部材２１では、エポキシ基をもつ有機高分子材料からなる第１の封止部分２１ａ上にシロキサン結合をもつ有機珪素高分子材料からなる第２の封止部分２１ｂが形成される。ここで、例えば第１の封止部分２１ａはエポキシ系樹脂からなり、第２の封止部材２１ｂはシリコン系樹脂からなる。

このような構造であると、サーマルヘッドによる印画あるいはオーバーコートにおいて、その記録媒体の封止部材２１との摺接による記録媒体および封止部材２１表面の静電気帯電は低減しその影響がほとんどみられなくなる。そして、従来技術で説明したような封止部材の静電気帯電による駆動ＩＣ２０の誤動作、損傷等が抑制される。また、封止部材２１との摺接による記録媒体の静電気帯電が抑制されることから、印画の高速化と高画質化が容易になると共に、その放電現象による発熱抵抗体１５の破損が低減する。このような効果はサーマルヘッドの小型化において顕著になる。

以上のようにして、本実施形態のサーマルヘッドは、簡便に封止部材および記録媒体の静電気帯電が抑制され、その小型化、軽量化を容易にする。そして、サーマルヘッドの高速動作が容易になりサーマルヘッドの低コスト化が可能になる。

更に、第１の封止部分２１ａが硬質のエポキシ系樹脂からなり、第２の封止部分２１ｂがシリコン系樹脂からなる場合、エポキシ系樹脂の硬化の過程で生じ易い支持基板１３の熱歪み変形が軽減される。これは、第２の封止部分２１ｂを形成する軟質のシリコン系樹脂が上記熱歪みを吸収し、上記歪み変形を抑制するようになるからである。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

上述した実施形態のサーマルヘッド１０では、グレーズ層１４が平坦になったいわゆるＦＧ（Flat Glaze）構造の場合について説明している。ここで、グレーズ層１４がパーシャルエッチング（ＰＥ）され、発熱部１７の形成される領域が部分的に盛り上る構造のいわゆるＰＥＧ構造になっていてもよい。あるいは、グレーズ層１４がその盛り上がり部分のみからなるいわゆるＰＧ構造になっていても構わない。

また、サーマルヘッドにおいて、駆動ＩＣ２０が駆動回路基板１９でなく、支持基板１３上に搭載されるようになっていてもよい。

また、駆動ＩＣ２０の発熱素子あるいは回路基板の回路との電気的な接続は、ワイヤーボンディングの他に、例えばボールバンプを用いたフリップチップボンディング等で行われるようになっていてもよい。

また、放熱基板１１への支持基板１３および駆動回路基板１９の貼着は、それぞれ同じ材質の接着剤を用いて行うようにしてもよい。

最後に、本発明は、上述した第１の封止部分２１ａがポリイミド系樹脂からなる場合にも同様に適用できることに言及しておく。

１１…放熱基板，１２Ａ…抵抗体基板部，１２Ｂ…駆動回路基板部，１３…支持基板，１４…グレーズ層，１５…発熱抵抗体，１６ａ…共通電極，１６ｂ…個別電極，１７…発熱部，１８…保護層，１９…駆動回路基板，２０…駆動ＩＣ，２１…封止部材，２１ａ…第１の封止部分，２１ｂ…第２の封止部分，Ｇ…間隙，Ｗ…ボンディングワイヤー

Claims (3)

1. 一表面に発熱素子が配置された支持基板と、前記発熱素子を駆動する駆動ＩＣと、該駆動ＩＣに電流を供給する回路が形成された回路基板と、前記駆動ＩＣを前記発熱素子および前記回路に電気的に接続する接続部と、前記駆動ＩＣおよび前記接続部を樹脂の封止する封止部材と、前記支持基板および前記回路基板が載置された放熱基板と、を具備するサーマルヘッドであって、
   前記封止部材では、エポキシ基をもつ有機高分子材料からなる第１の封止部分上で記録媒体が摺接する位置に、前記第１の封止部分よりも摺接による静電気帯電量が小さいシロキサン結合をもつ有機珪素高分子材料からなる第２の封止部分が形成されていることを特徴とするサーマルヘッド。
2. 前記第１の封止部分はエポキシ系樹脂材料からなることを特徴とする請求項１に記載のサーマルヘッド。
3. 前記第２の封止部分はシリコン系樹脂材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のサーマルヘッド。

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