JP5774342B2

JP5774342B2 - サーマルヘッドおよびその製造方法

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Publication number: JP5774342B2
Application number: JP2011071906A
Authority: JP
Inventors: 眞人大庭
Original assignee: Toshiba Hokuto Electronics Corp
Current assignee: Toshiba Hokuto Electronics Corp
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2031-03-29
Also published as: JP2012206298A

Description

本発明は、サーマルヘッドおよびその製造方法に関する。

サーマルヘッドは、感熱記録紙などの被印刷体が搬送される方向に直交する方向（主走査方向）に配列された複数の発熱抵抗体の発熱部を発熱させ、その熱により被印刷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、イメージャ、シールプリンタ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。この発熱体板の放熱板と相対する表面の反対側の表面の帯状に延びる発熱領域には、発熱抵抗体が所定の間隔で直線状に配列されている。また、発熱抵抗体を駆動する駆動回路の一部となるドライバＩＣ（Integrated Circuit）は、たとえば発熱体板に搭載されている。

従来のサーマルヘッドの発熱体板について、その一部を抜き出した図６を参照して説明する。

支持基板１２２は、絶縁板１２２ａと、この絶縁板１２２ａの上面に層状に形成された保温層１２２ｂとを有している。支持基板１２２上面に、複数の発熱抵抗体を構成する発熱抵抗体層２３が設けられ、複数の電極２８が発熱抵抗体層２３上面に設けられている。電極２８は、個別電極２８ａおよび共通電極２８ｂから構成される。個別電極２８ａと共通電極２８ｂとの間に所定長さの間隙が形成され、共通電極２８ｂを流れてきた電流が間隙部分で発熱抵抗体層２３を通り個別電極２８ａへ流れることにより、その間隙部分の発熱抵抗体層２３が発熱部２３ｂとして機能する。発熱部２３ｂ上面には、発熱部２３ｂを保護する絶縁体材料から成る保護層２９が形成されている（たとえば特許文献１参照）。

このような構成において、被印刷体に印画する場合、サーマルプリンタは発熱領域２４に沿って被印刷体を主走査方向に直交する副走査方向に移動させる。これと同時に、サーマルヘッドは発熱部２３ｂに電流を流して発熱させ、その熱により被印刷体への印画を行う。

特開２００８−１３２６３５号公報

このようにサーマルヘッドは、発熱部２３ｂを発熱させ、被印刷体に印画を行う構造となっている。したがって、発熱部２３ｂの発熱状態、たとえば発熱部２３ｂの熱履歴などが被印刷体への印画に影響する。

たとえば、支持基板１２２に設ける保温層１２２ｂは発熱部２３ｂに対する蓄熱機能を有している。保温層１２２ｂの蓄熱機能が高いと、次の行を印画する際に発熱部２３ｂを加熱するパワーが少なくて済むため、エネルギー効率が良く、消費電力を抑えることができる。

しかしながら、その蓄熱機能が高くなると、発熱時のピーク温度からの温度降下が不十分になる。このため、印画する際に滲みや尾引きが発生して、印画の切れが悪くなり、印画画質を劣化させる場合がある。

そのため、保温層１２２ｂにはある程度の放熱機能も要求される。たとえば保温層１２２ｂを薄く形成して蓄熱機能を低下させると放熱機能が高くなるため、熱応答は良好となる。しかしながらこの場合、次の行を印画する際に高いパワーの投入が必要となり、消費電力は増加する。

このように保温層１２２ｂには、蓄熱機能と放熱機能という相反する機能が求められており、このような機能をバランス良く保つことにより、サーマルヘッドにおける印画品質を高めつつ、消費電力を抑えることが望ましい。

そこで、本発明は、サーマルヘッドにおける印画品質を高めつつ、消費電力を抑え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、絶縁板と、前記絶縁板の表面に設けられた保温層と、前記保温層の表面に形成されて電流が流れることにより発熱する発熱部と、を備えたサーマルヘッドにおいて、前記発熱部と前記絶縁板との間に空洞が形成され、前記空洞の内部に常温状態では前記発熱部と前記絶縁板との間に隙間を形成し、高温状態においては熱で膨張することにより前記絶縁板と前記保温層との両方に接触するように配置された熱伝導体を具備することを特徴とする。

また本発明は、サーマルヘッドの製造方法において、被印刷体が搬送される方向と直交する主走査方向に帯状に延びる熱伝導体を絶縁板の表面に付着させる第１工程と、前記第１工程の後に、前記熱伝導体の融点よりも軟化点が高い物質からなる保温層を、前記絶縁板および前記熱伝導体の表面に付着させる第２工程と、前記第２工程の後に、前記保温層の軟化点を上回るよう前記絶縁板および前記熱伝導体を加熱する第３工程と、前記第３工程の後に、前記絶縁板の融点を下回るよう前記絶縁板および前記熱伝導体を冷却する第４工程と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、サーマルヘッドにおける印画品質を高めつつ、消費電力を抑えることができる。

本発明に係るサーマルヘッドの一実施の形態における発熱体板の部分断面図である。本発明に係るサーマルヘッドの一実施の形態における一部切欠き上面図である。本発明に係るサーマルヘッドの一実施の形態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ヘッドの一実施の形態における発熱体板の高温状態の部分断面図である。本発明に係るサーマル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。従来のサーマルヘッドの発熱体板の部分断面図である。

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

図１、図２および図３に示すように、本実施の形態のサーマルヘッド１０は、たとえば発熱体板２０、回路基板４０および放熱板３０を有している。発熱体板２０には、帯状に延びる発熱領域２４が形成されている。この発熱体板２０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。発熱領域２４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４０に入力され、さらに回路基板４０と電気的に接続された発熱体板２０に入力される。

このサーマルヘッド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ｄｍに平行な直線上に軸５２を持つ。また、プラテンローラ５０の側面が発熱領域２４に接するように配置され、軸５２を中心に回転可能に設けられる。

プラテンローラ５０の回転によって、プラテンローラ５０と発熱領域２４との間に挿入された感熱記録媒体６０は副走査方向ｄｓに移動する。感熱記録媒体６０は、発色温度以上に加熱されると発色する、たとえば感熱記録紙である。

サーマルプリンタは、駆動モータにより構成された図示しないヘッド押圧部によりサーマルヘッド１０をプラテンローラ５０に押し付ける方向へ押圧することにより、発熱領域２４を感熱記録媒体６０に押し付けてニップ圧を加える。

それとともにサーマルプリンタは、その感熱記録媒体６０を副走査方向ｄｓに移動させ、発熱領域２４の発熱パターンを感熱記録媒体６０の移動とともに変化させることにより、所望の画像を感熱記録媒体６０上に形成する。

発熱体板２０は、支持基板２２と、発熱抵抗体層２３と、電極２８と、保護層２９とを有している。

支持基板２２は、たとえばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などのセラミックの絶縁板２２ａと、この絶縁板２２ａの上面に２５μｍの厚みで層状に形成されたグレーズ層と称される保温層２２ｂとを有している。保温層２２ｂは、たとえば酸化珪素（ＳｉＯ_２）で形成される。また保温層２２ｂには、２ｍｍ幅で主走査方向ｄｍに延びる突条２１が形成されている。

発熱抵抗体層２３は、保温層２２ｂの上面の一部に層状に、たとえばＴａＳｉＯ_２などのサーメットで形成される。発熱抵抗体層２３は、発熱抵抗体２３ａが主走査方向ｄｍに間隔をおいて複数配列される。また発熱抵抗体２３ａは、それぞれ突条２１を跨いで副走査方向ｄｓに延設している。

電極２８ａおよび電極２８ｂは、発熱抵抗体層２３の上面に層状に、たとえばアルミニウム（Ａｌ）で形成される。電極２８ａと電極２８ｂとは、所定長さの間隙を副走査方向ｄｓから挟むよう対向して配置される。

電極２８ａは、回路基板４０上のドライバＩＣ４２とボンディングワイヤ４４を介して接続される。電極２８ｂは、ボンディングワイヤ４４を介して所定の電圧が与えられる。ドライバＩＣ４２およびボンディングワイヤ４４は、樹脂４８で封止されている。

電極２８ｂを流れてきた電流は、電極２８ａと電極２８ｂとの間に位置する間隙部分では発熱抵抗体２３ａを通ることとなるため、間隙部分の発熱抵抗体２３ａが発熱部２３ｂとして機能する。この発熱部２３ｂは、主走査方向ｄｍに間隔をおいて配列されて、副走査方向ｄｓに延びる発熱領域２４を形成する。

電極２８と発熱抵抗体層２３とは、保護層２９で覆われている。保護層２９は、たとえば酸窒化珪素（ＳｉＯＮ）で形成される。

保温層２２ｂは、発熱領域２４の直下の突条２１部分において、絶縁板２２ａと当接する部分が主走査方向ｄｍに延びるよう除かれた、所定の容積を有する空洞Ａが形成されている。空洞Ａは、保温層２２ｂの内壁と絶縁板２２ａの上面とに囲まれている。

この空洞Ａの内部には、保温層２２ｂよりも熱膨張係数および熱伝導係数が高く、保温層２２ｂを形成するガラスの軟化点よりも融点が低いアルミニウムから成る熱伝導体２５が、１ｍｍの幅で主走査方向ｄｍに延びるよう１５μｍの厚みに形成されている。

熱伝導体２５は絶縁板２２ａの上面に当接するとともに、発熱部２３ｂが発熱するよう制御されておらず高温でない常温状態においては、その体積が空洞Ａの容積よりも小さく形成されることにより、その上面が保温層２２ｂの内壁に対し非接触となっている。このように熱伝導体２５は、常温状態においては発熱部２３ｂと絶縁板２２ａとの間に隙間を形成する。

また、熱伝導体２５と保温層２２ｂの内壁との間には、保温層２２ｂよりも熱伝導係数が低い、たとえば空気から成る気体が充満している。

ここで、常温状態においては、熱伝導体２５が保温層２２ｂの内壁と直接接触していない。このため、主走査方向ｄｍに配列された複数の発熱部２３ｂのうち、常温状態における発熱部２３ｂの熱は、直下の保温層２２ｂから熱伝導体２５へ伝導しにくい。

すなわち保温層２２ｂから空洞Ａにおける空気への熱インピーダンスが高く、保温層２２ｂを厚くした場合と同様に保温層２２ｂにおいて多くの熱が蓄熱される。このため常温状態においては、保温層２２ｂにおける蓄熱機能が高まり、エネルギー効率（濃度効率）が高くなる。

一方、発熱部２３ｂが発熱するよう制御され高温状態になると、その発熱部２３ｂの直下に位置する熱伝導体２５は、保温層２２ｂや絶縁板２２ａなどを介して熱が伝導され高温になる。このため熱伝導体２５が膨張していき、図４に示すように発熱している発熱部２３ｂの直下に位置する空洞Ａが熱伝導体２５で満たされる。すなわち、熱伝導体２５が保温層２２ｂと絶縁板２２ａとに接触する。このとき、保温層２２ｂの内壁と熱伝導体２５との隙間に充満していた空気は絶縁板２２ａ内部に形成された孔などに移動する。なお高温状態とは、発熱部２３ｂがたとえば最高濃度の７０％の濃度を印画する温度以上の状態のことをいう。

この場合、発熱部２３ｂにおいて発生した熱は、保温層２２ｂから熱伝導体２５へ直接伝導し、その後絶縁板２２ａへ伝導する。

ここで、アルミニウムにより構成された熱伝導体２５は、酸化珪素により構成された保温層２２ｂよりも熱伝導係数が高いため、保温層２２ｂから熱伝導体２５へ熱が伝導しやすい。すなわち保温層２２ｂから熱伝導体２５への熱インピーダンスが低く、熱が保温層２２ｂ、熱伝導体２５および絶縁板２２ａを伝導して放熱板３０により速やかに放熱される。このため、発熱体板２０は、保温層２２ｂを薄くした場合と同様に高い熱応答性を示し、放熱機能が高くなる。

また、その後発熱部２３ｂの温度が低下していくと、その発熱部２３ｂの直下に位置する熱伝導体２５が収縮していき常温状態の断面積へ戻るため、空洞Ａ内部においては熱伝導体２５と保温層２２ｂとの間に隙間が存在する状態になる。

このとき、上述したように保温層２２ｂを厚くした場合と同様に保温層２２ｂにおいて多くの熱が蓄熱され蓄熱機能が高くなる。

ここで、本実施の形態におけるサーマルヘッドの製造方法について図５を参照して説明する。

本実施の形態におけるサーマルヘッドの製造方法では、まず、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などの絶縁板２２ａを形成する（Ｓ１）。

次に、Ｓ１で形成された絶縁板２２ａ上面に、アルミニウム（Ａｌ）から成る熱伝導体２５を、発熱領域２４の直下となる位置において副走査方向ｄｓの幅が１ｍｍとなるよう、主走査方向ｄｍに伸びる帯状に１５μｍの膜厚で印刷する（Ｓ２）。

次に、絶縁板２２ａおよび熱伝導体２５の上面に、酸化珪素（ＳｉＯ_２）から成るガラスペーストを２５μｍの膜厚で印刷する（Ｓ３）。

次に、ガラスペーストが印刷された絶縁板２２ａを焼成し、ガラスの軟化点よりも高温の状態にする。（Ｓ４）。このとき、ガラスの軟化点よりも融点が低いアルミニウムにより構成された熱伝導体２５が溶解し、加熱され流動性が高まったガラスペースト内部においてその体積が熱膨張により増加する。

ここで、ガラスの軟化点は、アルミニウムの融点よりも高い。このため焼成後の冷却時において、温度が低下していく際、まずガラスペーストが固体化することにより、所定の容積を有する空洞Ａが形成される。

その後温度がさらに低下すると、アルミニウムから成る熱伝導体２５が収縮していき、アルミニウムの融点を下回ると固体化し、体積が大幅に減少する。この時固体化した熱伝導体２５の体積は、ガラスペーストにおける空洞Ａの容積よりも小さくなっている。

また、熱伝導体２５と保温層２２ｂとの間の空間には、ガラスペーストが固体化した後に熱導電体２６が収縮していく際に、絶縁板２２ａを介して流入した空気が充満する。

これにより、印刷されたガラスペーストが溶融して保温層２２ｂとして絶縁板２２ａに固着し支持基板２２が形成されるとともに、保温層２２ｂの内部に空隙Ａが形成される。また空洞Ａ内部には、絶縁板２２ａと当接するとともに保温層２２ｂの内壁とは非接触となることにより、発熱部２３ｂと絶縁板２２ａとの間に隙間を設ける熱伝導体２５が形成される。

その後、保温層２２ｂの表面に発熱抵抗体層２３および電極２８を形成する（Ｓ５）。より具体的には、まず、保温層２２ｂ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、主走査方向ｄｍに間隔を置いて配列した発熱抵抗体２３ａを形成するように、エッチングにより発熱抵抗体層２３をパターニングする。

さらに、発熱抵抗体２３ａ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、発熱部２３ｂに対応する間隙を挟んで発熱抵抗体２３ａに沿って延びるように、エッチングにより電極２８をパターニングする。

工程Ｓ５の後に、保温層２２ｂと発熱抵抗体層２３と電極２８とを覆う保護層２９を形成する（Ｓ６）。

このようにして形成された発熱体板２０を、回路基板４０とともに放熱板３０に載置する（Ｓ７）。また、発熱体板２０と回路基板４０とをボンディングワイヤ４４で結線し（Ｓ８）、さらにボンディングワイヤ４４による結線部を樹脂４８で封止する（Ｓ９）ことなどにより、サーマルヘッド１０が製造される。

このように本実施の形態の発熱体板２０は、発熱部２３ｂが発熱して高温状態になっていく場合、保温層２２ｂよりも熱膨張係数が高い材質から成る熱伝導体２５が、熱伝導体２５と保温層２２ｂの内壁との間の隙間を埋めるように膨張する。これにより、保温層２２ｂよりも熱伝導係数の高い熱伝導体２５が保温層２２ｂと絶縁板２２ａとの両方に接触する。

このため発熱体板２０は、発熱部２３ｂからの熱を保温層２２ｂ、熱伝導体２５および絶縁板２２ａを介して放熱板３０に伝導させ、速やかに放熱させることができる。

これにより発熱体板２０は、保温層２２ｂを薄くしたときのように、熱応答が向上し良好な放熱機能が得られ、印画品質を向上させることができる。

また発熱体板２０は、発熱部２３ｂが高温の際は熱伝導性が高くなり速やかに熱が放熱されるが、この状態では、既にサーマルヘッド１０全体が温まっているため、濃度効率は悪化しない。

また、発熱部２３ｂの温度が低下して常温状態に近づいてくると、熱伝導体２５が保温層２２ｂの内壁から離れるように収縮し、保温層２２ｂと非接触となる。このため発熱体板２０は、発熱部２３ｂの熱を絶縁板２２ａに伝導しにくくすることができる。これにより発熱体板２０は、保温層２２ｂを厚くしたときのように蓄熱機能が向上し、消費電力を抑えることができる。

このように本実施の形態の発熱体板２０は、酸化珪素で形成された保温層２２ｂと、アルミニウムで形成された熱伝導体２５との熱膨張係数および熱伝導係数の違いを利用することにより、発熱部２３ｂが高温となった場合は放熱機能を高めるとともに、発熱部２３ｂが常温となった場合は蓄熱機能を高めることができる。これによりサーマルヘッド１０は、印画品質を高めつつ、消費電力を抑えることができる。

ところで、保温層２２ｂを薄くすれば熱応答性は向上するが、その場合、厚い保温層２２ｂの場合と比べて突条２１の高さが低くなるため、発熱領域２４の高さも低くなる。

このため、感熱記録媒体６０とプラテンローラ５０とが発熱領域２４以外に接触し、ヘッド押圧部によりサーマルヘッド１０に印加されているヘッド圧が発熱領域２４以外にも分散されてしまい、ヘッド圧が十分なニップ圧へ変換されない可能性がある。

そのような状態に対処するために、ヘッド圧を高めることによりニップ圧を高める必要があるが、その場合、ヘッド押圧部における駆動モータのトルクを高くしなければならなく、消費電力が増加してしまう。

それ以外にも、サーマルプリンタ自体の電源を強化して感熱記録媒体６０の搬送を安定化させる必要があり、サーマルプリンタのコストが増加してしまう。

これに対し本実施の形態の発熱体板２０は、保温層２２ｂを薄くすることなく、熱応答性を向上させることができるので、消費電力およびサーマルプリンタのコストの増加を抑えることができる。

ここで、サーマルプリンタにおいては、印画速度や被印刷体の種類に応じて、発熱部２３ｂの使用温度域が異なるため、それぞれ最適な空洞Ａの断面積と熱伝導体２５の断面積との比率が存在する。

このため、発熱部２３ｂの使用温度域に応じて、蓄熱機能と放熱機能とのバランスが取れるように、熱伝導体２５と保温層２２ｂとの熱膨張係数、軟化点および材料と、空洞Ａおよび熱伝導体２５の大きさを設定することが望ましい。

また、サーマルヘッドが感熱記録媒体６０に対し最高濃度で印画する際は、発熱部２３ｂには最も大きな電流が流れ、発熱部２３ｂは最も高い温度で発熱する状態となる。

本実施の形態においては、最高濃度の７０％の濃度を印画する温度以上の際に、空洞Ａの断面積と熱伝導体２５の断面積とが等しくなるように、保温層２２ｂの材質、空洞Ａの大きさ、熱伝導体２５の材質および大きさが設定されている。

なお、上述した発熱体板２０においては、常温において熱伝導体２５が保温層２２ｂに接触せずに絶縁板２２ａに付着していたが、これに限らず、熱伝導体２５が絶縁板２２ａに接触せずに保温層２２ｂに付着しても良い。

要は、熱伝導体２５は、常温状態においては発熱部２３ｂと絶縁板２２ａとの間に隙間を形成することにより、発熱部２３ｂにおける熱を絶縁層２２ａへ伝導しにくくするとともに、高温状態においては、絶縁板２２ａと保温層２２ｂとの両方に接触することにより、発熱部２３ｂにおける熱を絶縁板２２ａへ伝導しやすくすれば良い。

また上述した発熱体板２０においては、熱伝導体２５を絶縁板２２ａ表面に形成する際、アルミニウムを帯状に印刷したが、これに限らず、たとえばアルミニウムのワイヤーを主走査方向ｄｍに伸びるよう絶縁板２２ａ表面に付着させても良い。

また上述した発熱体板２０においては、熱伝導体２５としてアルミニウムを用いたが、これに限らず、他の物質でも良く、保温層２２ｂよりも熱伝導係数および熱膨張係数が高い物質であれば良い。

また上述した発熱体板２０は、常温状態において、熱伝導体２５と保温層２２ｂの内壁との間を空気で充満させるようにしたが、これに限らず、種々の気体などの物質で充満させれば良く、保温層２２ｂよりも熱伝導係数が低い物質で充満させれば良い。また真空であっても良い。

１０…サーマルヘッド、２０，１２０…発熱体板、２１……突条、２２，１２２……支持基板、２２ａ，１２２ａ……絶縁板、２２ｂ，１２２ｂ……保温層、２３……発熱抵抗体層、２３ａ……発熱抵抗体、２３ｂ……発熱部、２４……発熱領域、２５……熱伝導体、２８ａ，２８ｂ……電極、２９……保護層、３０…放熱板、４０…回路基板、４２…ドライバＩＣ、４４…ボンディングワイヤ、４８…樹脂、５０…プラテンローラ、５２…軸、６０……感熱記録媒体、Ａ……空洞、ｄｍ……主走査方向、ｄｓ……副走査方向

Claims

絶縁板と、前記絶縁板の表面に設けられた保温層と、前記保温層の表面に形成されて電流が流れることにより発熱する発熱部と、を備えたサーマルヘッドにおいて、
前記発熱部と前記絶縁板との間に空洞が形成され、
前記空洞の内部に常温状態では前記発熱部と前記絶縁板との間に隙間を形成し、高温状態においては熱で膨張することにより前記絶縁板と前記保温層との両方に接触するように配置された熱伝導体を具備することを特徴とするサーマルヘッド。
前記熱伝導体は、前記保温層よりも熱膨張係数が高いことを特徴とする請求項１に記載のサーマルヘッド。
前記熱伝導体は、前記保温層よりも熱伝導係数が高いことを特徴とする請求項１に記載のサーマルヘッド。
被印刷体が搬送される方向と直交する主走査方向に帯状に延びる熱伝導体を絶縁板の表面に付着させる第１工程と、
前記第１工程の後に、前記熱伝導体の融点よりも軟化点が高い物質からなる保温層を、前記絶縁板および前記熱伝導体の表面に付着させる第２工程と、
前記第２工程の後に、前記保温層の軟化点を上回るよう前記絶縁板および前記熱伝導体を加熱する第３工程と、
前記第３工程の後に、前記絶縁板の融点を下回るよう前記絶縁板および前記熱伝導体を冷却する第４工程と、
を具備することを特徴とするサーマルヘッドの製造方法。