JP5815964B2

JP5815964B2 - サーマルヘッドおよびその製造方法

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Publication number: JP5815964B2
Application number: JP2011071330A
Authority: JP
Inventors: 義憲撫養
Original assignee: Toshiba Hokuto Electronics Corp
Current assignee: Toshiba Hokuto Electronics Corp
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2031-03-29
Also published as: JP2012206257A

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１１を参照して説明する。

支持基板２０上面に、複数の発熱抵抗体を構成する発熱抵抗体層２１が設けられ、複数の電極２２が発熱抵抗体層２１上面に設けられている。電極２２は、発熱抵抗体層２１上面に設けられた個別電極２２ａおよび共通電極２２ｂから構成される。個別電極２２ａと共通電極２２ｂとの間に所定長さの間隙が設けられ、共通電極２２ｂを流れてきた電流が間隙部分で発熱抵抗体層２１を通り個別電極２２ａへ流れることにより、その間隙部分の発熱抵抗体層２１が発熱部２１ｂとして機能する。発熱部２１ｂ上面には、発熱部２１ｂを保護する絶縁体材料から成る保護層２３が形成されている（たとえば特許文献１参照）。なお、図１１（ａ）において保護層２３は省略している。

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部２１ｂ近傍の保護層２３上面に沿って被印刷体を移動させる。これと同時に、サーマルヘッドは発熱部２１ｂ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

共通電極を電流が流れる際、共通電極の電気抵抗により電力損失が発生する。特にこの電力損失は、複数の発熱抵抗体のうちの発熱させる発熱抵抗体の数に依存するため、発熱させる発熱抵抗体の数に応じて印画濃度がばらつき、印画品質が低下してしまう場合がある。

そこで、本発明は、サーマルヘッドの印画品質を高め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、サーマルヘッドにおいて、支持基板の上部において副走査方向に延在し主走査方向に所定間隔で複数配列される個別電極と、共通電極と、前記個別電極と前記共通電極とに厚み方向に挟まれ、前記個別電極の幅よりも大きい開口が複数の前記個別電極に対して設けられた絶縁層と、前記開口に形成され前記共通電極と前記個別電極とにより挟まれ厚み方向に電流が供給され発熱部とされる発熱抵抗体と、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、支持基板の上部に個別電極を形成する第１工程と、前記第１工程の後に、前記個別電極の上面に当接して発熱抵抗体を形成する第２工程と、前記第２工程の後に、前記発熱抵抗体の上面に前記個別電極ごとに前記個別電極の幅よりも大きい開口を有する絶縁層を積層する第３工程と、前記絶縁層上を覆い前記開口に形成された前記発熱抵抗体に当接して厚み方向に電流を供給する共通電極を形成する第４工程と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、サーマルヘッドの印画品質を高めることができる。

本発明の第１の実施の形態に係るサーマルヘッドの発熱体板を説明するための図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ’矢視断面図である。本発明の第１の実施の形態に係るサーマルヘッドの発熱体板を説明するための図であって、図１（ａ）のＡ−Ａ'矢視断面図である。本発明の第１の実施の形態に係るサーマルヘッドの発熱体板を説明するための図であって、（ａ）はその部分上面図、（ｂ）はそのＹ−Ｙ’矢視断面図、（ｃ）はそのＺ−Ｚ’矢視断面図である。本発明の第１の実施の形態に係るサーマルヘッドの発熱体板の製造途中の状態１を表す部分上面図および部分断面図である。本発明の第１の実施の形態に係るサーマルヘッドの発熱体板の製造途中の状態２を表す部分上面図および部分断面図である。本発明の第１の実施の形態に係るサーマルヘッドの製造方法のフローチャートである。本発明の第２の実施の形態に係るサーマルヘッドの発熱体板を説明するための図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ’矢視断面図である。本発明の第２の実施の形態に係るサーマルヘッドの発熱体板を説明するための図であって、図８（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図である。本発明の他の実施の形態に係るサーマルヘッドの発熱体板の部分断面図である。本発明の他の実施の形態に係るサーマルヘッドの発熱体板の部分断面図である。従来のサーマルヘッドの発熱体板を説明するための図であって、（ａ）は部分上面図、（ｂ）はそのＹ−Ｙ’矢視断面図である。

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。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施の形態に係るサーマルヘッドは、たとえば発熱体板、回路基板および放熱板を有している。発熱体板には、帯状に延びる発熱領域が形成されている。この発熱体板は、放熱板に載置されている。放熱板は、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、回路基板に入力され、さらに回路基板と電気的に接続された発熱体板に入力される。

図１、図２および図３に示すように、発熱体板１は、支持基板１０と、発熱抵抗体層１１と、個別電極１２ａと、共通電極１２ｂと、絶縁層１３とを有している。なお図１および図３においては、図における右側が被印刷体の搬送方向の下流側を、左側が被印刷体の搬送方向の上流側を示している。以下では、これらをそれぞれ搬送方向下流側、搬送方向上流側と呼ぶ。

支持基板１０は、たとえばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などのセラミックの絶縁板１０ａと、グレーズ層と称される保温層１０ｂとを有している。保温層１０ｂは、絶縁板１０ａの上面に層状に、たとえば酸化珪素（ＳｉＯ_２）で形成される。

個別電極１２ａは、保温層１０ｂの上面の一部に層状に、たとえばアルミニウム（Ａｌ）で形成される。個別電極１２ａは、副走査方向ｄｓに延在し、主走査方向ｄｍに間隔をおいて複数配列される。

発熱抵抗体層１１は、個別電極１２ａ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１１は、それぞれの個別電極１２ａの上面に形成された発熱抵抗体１１ａが主走査方向ｄｍに間隔をおいて複数配列されることにより構成される。

個別電極１２ａと発熱抵抗体層１１とは、絶縁層１３で覆われている。絶縁層１３は、たとえば酸化珪素（ＳｉＯ_２）で形成される。絶縁層１３は、発熱抵抗体層１１の上部において、発熱抵抗体層１１の面積よりもやや小さい面積で絶縁層１３が除かれた開口部Ａを有している。

個別電極１２ａ一部の表面には、絶縁層１３に覆われていないパッド１５が設けられており、このパッド１５に図示しないボンディングワイヤが接続される。このボンディングワイヤを介して、個別電極１２ａは、図示しない回路基板上のドライバＩＣと接続される。ドライバＩＣおよびボンディングワイヤは、樹脂で封止される。

絶縁層１３と発熱抵抗体層１１とは、共通電極１２ｂで覆われている。共通電極１２ｂは、たとえばＴｉＮまたはＣｒＮなどの高融点金属の窒化物で構成され、導電性を有するとともに、被印刷体との摺接に対する耐摩耗性、耐酸化性を有する保護層として機能する。共通電極１２ｂは、発熱体板１における主走査方向ｄｍの両端部に設けられたパッド１６にボンディングワイヤが接続される。このボンディングワイヤを介して、共通電極１２ｂは所定の電圧が与えられる。

図３（ｂ）に示す矢印のように、共通電極１２ｂから流れてきた電流は、開口部Ａにおける共通電極１２ｂを流れ、発熱抵抗体層１１を通過して個別電極１２ａへ流れるため、発熱抵抗体層１１において開口部Ａに対応する部分が発熱部１１ｂとなる。この発熱部１１ｂは、主走査方向ｄｍに間隔をおいて配列されて、主走査方向ｄｍに延びる発熱領域を形成する。

また発熱体板１には、図３（ｃ）に示すように、隣接する発熱抵抗体１１ａの間において主走査方向ｄｍと直交する副走査方向ｄｓに延び、個別電極１２ａ、共通電極１２ｂおよび絶縁層１３が除かれて保温層１０ｂが露出したスリット１７が形成される。

ここで、本実施の形態のサーマルヘッドの製造方法について図４、図５および図６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１０ａを形成する（Ｓ１）。

次に、Ｓ１で形成された絶縁板１０ａ上面に、酸化珪素（ＳｉＯ_２）でなるガラスペーストを３０〜１００μｍの膜厚で印刷する（Ｓ２）。

次に、ガラスペーストが印刷された絶縁板１０ａを焼成する（Ｓ３）。これにより、印刷されたガラスが溶融して保温層１０ｂとして絶縁板１０ａに固着し、支持基板１０が形成される。

次に、図４（ａ）に示すように保温層１０ｂの表面に個別電極１２ａとなるアルミニウム（Ａｌ）などの導電性材料をスパッタリングなどにより０．８μｍの膜厚で固着させる（Ｓ４）。

次に、図４（ｂ）に示すように導電性材料の表面の一部にＴａＳｉＯ_２などのサーメットでなる発熱抵抗体層１１をスパッタリングなどにより０．０３μｍ〜０．１μｍ例えば０．０５μｍ程度の膜厚で固着させる（Ｓ５）。

次に、図４（ｃ）に示すように、主走査方向ｄｍに間隔をおいて個別電極１２ａおよび発熱抵抗体１１ａが配列するように、エッチングにより導電性材料および発熱抵抗体層１１をパターニングして、保温層１０ｂの表面に個別電極１２ａを形成し、この個別電極１２ａの表面の一部に発熱抵抗体１１ａを形成する（Ｓ６）。

次に、酸化珪素（ＳｉＯ_２）などの絶縁層１３をスパッタリングなどにより全面に１μｍ〜１０μｍ程度の膜厚で固着させる（Ｓ７）。その後、図５（ａ）に示すように、パッド１５部分と、開口部Ａになる部分と、スリット１７部分とを除去するように、エッチングにより絶縁層１３をパターニングする（Ｓ８）。

次に、共通電極１２ｂとなるＴｉＮまたはＣｒＮなどの高融点金属の窒化物でなる導電性材料をスパッタリングなどにより全面に５〜１０μｍの膜厚で固着させる（Ｓ９）。その後、図５（ｂ）に示すように、個別電極１２ａのパッド１５部分と、スリット１７部分とを除去しかつパッド１６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（Ｓ１０）。

このようにして形成された発熱体板１を、回路基板とともに放熱板に載置する（Ｓ１１）。また、発熱体板１と回路基板とをボンディングワイヤで結線し（Ｓ１２）、さらにボンディングワイヤによる結線部を樹脂で封止する（Ｓ１３）ことなどにより、サーマルヘッドが製造される。

このように、サーマルヘッドの発熱体板１は、絶縁層１３を挟んで個別電極１２ａの反対側に共通電極１２ｂを設けることにより、共通電極１２ｂの面積を増大させることができるため、共通電極１２ｂを流れる電流の電力損失を低減することができる。

また発熱体板１は、厚み方向に共通電極１２ｂ、発熱抵抗体層１１および個別電極１２ａが並ぶように構成されるため、面方向に並ぶよう構成されている場合と比べて、そのサイズを縮小することができ、製造原価を低減させることができる。

ここで、共通電極における電力損失を低減させる方法としては、図１１に示した従来のサーマルヘッドの発熱体板の構成において、共通電極２２ｂの面積を広げる、または厚みを厚くするなどが考えられる。

しかしながらその場合、発熱抵抗体層２１の上面の同一面上に共通電極２２ｂと個別電極２２ａとが形成されているため、限られた支持基板２１の面積の中では共通電極２２ｂの面積を広げることが困難である。また、共通電極２２ｂの厚みを厚くすると、発熱抵抗体層２１の発熱部２１ｂが被印刷体から遠ざかってしまい、印画品質が低下してしまう。

これに対し本実施の形態のサーマルヘッドでは、共通電極の厚みを厚くすることなく、面積を広くすることにより電力損失を低減させることができるため、発熱抵抗体層１１の発熱部１１ｂが被印刷体から遠ざかるのを防ぐことができ、印画品質を保つことができる。

また、電力損失を低減するために、隣接する一対の発熱抵抗体を導通接続する、いわゆる折り返し電極が考えられるが、その場合、電極の密度が増えてしまい、高解像度化が困難になってしまう。

これに対し本実施の形態のサーマルヘッドでは、電極の密度を増やすことなく共通電極の電気抵抗を低減させることができるため、高解像度化が容易となる。

また、本実施の形態におけるサーマルヘッドの共通電極１２ｂは、隣接する発熱抵抗体１１ａの上面において分割されることなく一面に形成されている。また共通電極１２ｂは金属であり熱伝導性が大きいため、発熱部１１ｂの熱を周囲に拡散する。

ここで、本実施の形態においては、スリット１７により、所定の発熱抵抗体１１ａの発熱部１１ｂに発生した熱を、隣接する発熱抵抗体１１ａに伝搬しにくくすることができる。

このため本実施の形態のサーマルヘッドは、各発熱抵抗体１１ａの駆動が他の発熱抵抗体１１ａに影響することを抑制し、印画結果ににじみが発生することを低減することができ、印画品質を向上させることができる。

なおスリット１７は、個別電極１２ａ、共通電極１２ｂおよび絶縁層１３を除いて保温層１０ｂを露出させるよう設けられたが、これに限らず、たとえば共通電極１２ｂのみを除いて絶縁層１３を露出させても良い。これにより、熱を伝搬しやすい金属でなる共通電極１２ｂにスリットを設けることで、隣接する発熱抵抗体１１ａに熱を伝搬しにくくすることができる。

また発熱体板１は、スリット１７により、隣接する発熱抵抗体１１ａへ熱を伝搬しにくくしたが、スリット１７の副走査方向ｄｓの長さが長すぎると、共通電極１２ｂを流れる電流の流れが阻害され、電力損失が増加してしまう可能性がある。

このため発熱体板１においては、良好な印画品質となるように、電力損失と、隣接する発熱抵抗体１１ａへの熱の伝搬とのバランスを保つようにスリット１７の長さを設計することが望ましい。

また本実施の形態のサーマルヘッドでは、共通電極１２ｂが保護層としての機能も兼用するため、共通電極１２ｂ上面にさらに保護層を形成する場合と比べて、発熱体板１の厚みを抑えることができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係るサーマルプリントヘッドについて図７および図８を参照して説明する。

第２の実施の形態に係るサーマルプリントヘッドは、第１の実施の形態に係るサーマルプリントヘッドと比べて、発熱抵抗体層１１１および絶縁層１１３が異なっている。

発熱抵抗体層１１１は、全ての個別電極１２ａの一部の上面に層状に、主走査方向ｄｍに延びて形成される。また発熱抵抗体層１１１は、個別電極１２ａよりも搬送方向下流側における保温層１０ｂの上面まで延びている。

絶縁層１１３は、個別電極１２ａと発熱抵抗体層１１１とを覆っており、発熱抵抗体層１１１の上面において、発熱抵抗体層１１１の面積よりもやや小さい面積で、全ての個別電極１２ａの搬送方向下流側端部の上面を露出させるよう絶縁層１１３が除かれた開口部Ａを有している。

共通電極１２ｂから流れてきた電流は、開口部Ａにおける共通電極１２ｂを流れ、発熱抵抗体層１１１を通過して個別電極１２ａへ流れるため、個別電極１２ａそれぞれの上部における発熱抵抗体層１１において開口部Ａに対応する部分が発熱部１１１ｂとなる。

ここで、発熱抵抗体層１１１は薄膜状に構成されているため、共通電極１２ｂから流れてきた電流は、そのほぼ全てが発熱抵抗体層１１１を厚み方向に流れて個別電極１２ａに達し、発熱抵抗体層１１１において面方向へはほとんど流れない。

このため、印画を行うドットに対応した所定の個別電極１２ａに共通電極１２ｂから電流が流れた際、その個別電極１２ａに隣接する個別電極１２ａが仮に印画を行わないドットに対応していたとしても、発熱抵抗体層１１１を面方向に流れて電流が漏れこむことはほとんどない。

このように、サーマルヘッドの発熱体板１０１は、絶縁層１１３を挟んで個別電極１２ａの反対側に共通電極１２ｂを設けることにより、共通電極１２ｂの面積を増大させることができるため、共通電極１２ｂを流れる電流の電力損失を低減することができる。

また、上述した第１の実施の形態に係るサーマルヘッドの発熱体板１は、主走査方向ｄｍに間隔をおいて配列された発熱抵抗体１１ａの上面にそれぞれ絶縁層１３の開口部Ａが設けられている。このため、そのような発熱抵抗体１１ａと絶縁層１３とを覆うように形成された共通電極１２ｂは、図２に示したように、個別電極１２ａの上部において凹形状となり、個別電極１２ａと個別電極１２ａとの間の上部においては凸形状となる。

このため、サーマルプリンタが発熱体板１を図示しないプラテンロータに押し付ける際、個別電極１２ａ間の上部における凸形状部分に特に力が加わってしまい、発熱領域全域に均一に力を加えられない可能性がある。

これに対し本実施の形態に係るサーマルヘッドの発熱体板１０１は、全ての個別電極１２ａにおける一部の上面に主走査方向ｄｍに延びて形成され、発熱抵抗体層１１１の面積よりもやや小さい面積で、全ての個別電極１２ａにおける搬送方向下流側端部の上面を露出させる絶縁層１１３の開口部Ａが設けられている。

このため、そのような発熱抵抗体層１１１と絶縁層１１３を覆うように形成された共通電極１２ｂは、図８に示したように、全ての個別電極１２ａの上部においてほぼ平坦となる。

これによりサーマルヘッドは、発熱体板１０１をプラテンロータに押し付ける際、発熱領域全域に渡って均一な力を十分に加えることができ、印画品質を向上させることができる。

また、第１の実施の形態に係るサーマルヘッドの発熱体板１は、図１に示したように、発熱抵抗体１１ａが個別電極１２ａにおける搬送方向下流側端部までしか形成されていない。よって発熱体板１においては、発熱抵抗体１１ａよりも小さい面積が除かれた開口部Ａの上部の共通電極１２ｂは、凹形状となるため、発熱領域とプラテンローラとが接する際、そのような凹みにたとえばインクリボンのゴミなどが溜まってしまう可能性がある。

これに対し発熱体板１０１においては、発熱抵抗体層１１１が、個別電極１２ａよりも搬送方向下流側における保温層１０ｂの上面まで延びている。よって発熱体板１０１においは、発熱抵抗体層１１１よりも小さい面積が除かれた開口部Ａの上部の共通電極１２ｂの凹形状部分を、個別電極１２ａの上部から搬送方向下流側へ延びるよう配置させ、発熱部１１１ｂ上部を平坦にできるため、発熱領域とプラテンローラとが接する際、凹形状部分にゴミなどを溜まりづらくさせることができる。

また発熱体板１０１においては、発熱体板１と比べて、個別電極１２ａの搬送方向下流側端部の上部において発熱領域がプラテンローラと接する部分に共通電極１２ｂの凸部がなくなる。このためサーマルヘッドが被印刷体を搬送する際に凸部に接触しにくくすることができ、円滑に搬送を行うことができる。

（他の実施の形態）
なお、上述した発熱体板１においては、図３（ｂ）に示したように、個別電極１２ａを支持基板１０の上面における搬送方向下流側の端部まで構成せずに、かつ個別電極１２ａの上面の一部に発熱抵抗体層１１を形成したが、図９に示すように、図３（ｂ）と比べて個別電極１２ａを支持基板１０における搬送方向下流側端部へ向かって伸ばすよう構成するとともに、発熱抵抗体層１１を支持基板１０における搬送方向下流側および上流側の端部に向かって伸ばすように形成しても良い。

また上述した発熱体板１においては、共通電極１２ｂが保護層としての機能も兼用するようにしたが、図１０に示すように共通電極１２ｂの上に耐摩耗性のある保護層として酸窒化珪素（ＳｉＯＮ）などの耐摩耗層１８を積層しても良い。

また発熱体板１は、支持基板１０の上面に、個別電極１２ａ、発熱抵抗体層１１、共通電極１２ｂの順番に積層するよう構成されたが、これに限らず、支持基板１０の上面に、共通電極１２ｂ、発熱抵抗体層１１、個別電極１２ａの順番に積層するよう構成しても良い。

要は、厚み方向に共通電極１２ｂ、発熱抵抗体層１１および個別電極１２ａが並ぶように構成され、共通電極１２ｂと個別電極１２ａとの電位差により発熱抵抗体層１１に電流を流すことができれば良い。

１……発熱体板、１０、２０……支持基板、１０ａ……絶縁板、１０ｂ……保温層、１１、２１、１１１……発熱抵抗体層、１１ａ……発熱抵抗体、１１ｂ、２１ｂ、１１１ｂ……発熱部、１２ａ、２２ａ……個別電極、１２ｂ、２２ｂ……共通電極、１３、１１３……絶縁層、１５、１６……パッド、１７……スリット、１８……耐摩耗層、２３……保護層、Ａ……開口部、ｄｍ……主走査方向、ｄｓ……副走査方向。

Claims

支持基板の上部において副走査方向に延在し主走査方向に所定間隔で複数配列される個別電極と、
共通電極と、
前記個別電極と前記共通電極とに厚み方向に挟まれ、前記個別電極の幅よりも大きい開口が複数の前記個別電極に対して設けられた絶縁層と、
前記開口に形成され前記共通電極と前記個別電極とにより挟まれ厚み方向に電流が供給され発熱部とされる発熱抵抗体と、
を具備することを特徴とするサーマルヘッド。
前記共通電極は、前記発熱抵抗体の上面に当接して形成され、前記個別電極は、前記発熱抵抗体の下面に当接して形成されることを特徴とする請求項１に記載のサーマルヘッド。
前記共通電極は、前記発熱抵抗体において電流が流され発熱する発熱部を覆うことにより、前記発熱部を外部から保護することを特徴とする請求項２に記載のサーマルヘッド。
前記共通電極は、前記主走査方向に隣接する前記発熱抵抗体の間においてスリットを具備することを特徴とする請求項１に記載のサーマルヘッド。
支持基板の上部に個別電極を形成する第１工程と、
前記第１工程の後に、前記個別電極の上面に当接して発熱抵抗体を形成する第２工程と、
前記第２工程の後に、前記発熱抵抗体の上面に前記個別電極ごとに前記個別電極の幅より大きい開口を有する絶縁層を積層する第３工程と、
前記絶縁層上を覆い前記開口の前記発熱抵抗体に当接して厚み方向に電流を供給する共通電極を形成する第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。