JP5990017B2 - サーマルプリントヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、サーマルプリントヘッドおよびその製造方法に関する。

サーマルプリントヘッドは、主走査方向に配列された複数の抵抗体を発熱させ、その熱により感熱記録紙などの被印刷媒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。このサーマルプリントヘッドは、バーコードプリンタ、デジタル製版機、ビデオプリンター、イメージャー、シールプリンターなどの記録機器に広く利用されている。

一般的なサーマルプリントヘッドは、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。ドライバＩＣを保護するために、カバーを設ける場合もある（たとえば特許文献１参照）。

このようなサーマルプリントヘッドを用いたプリンタは、一般的に、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を備えている。このプラテンローラは、主走査方向を軸として、その側面が発熱体板上の発熱領域に接するように配置され、その軸を中心に回転可能に設けられる。プラテンローラの回転によって、プラテンローラと発熱領域の間に挿入された媒体は、主走査方向に垂直な副走査方向に移動する。プラテンローラによって媒体を発熱領域に押し付けつつ、その媒体を副走査方向に移動させ、発熱領域の発熱パターンを媒体の移動とともに変化させることにより、所望の画像を被印刷媒体上に形成する。

被印刷媒体は、サーマルプリントヘッドの表面と接触しながら移動するため、静電気が帯電する場合がある。静電気の帯電は、被印刷媒体の搬送を阻害したり、サーマルプリントヘッド表面の保護膜の絶縁を破壊する場合がある。そこで、たとえば特許文献２には、発熱体板の絶縁性の保護膜の表面に、さらに導電性保護膜を設ける方法が開示されている。保護膜の材料としては、たとえばＳｉＮが用いられる。除電膜の材料としては、たとえばＴａ−Ｓｉ−Ｏが用いられる。

特願平５−１６９６９９号公報 特願２００１−４７６５２号公報

サーマルプリントヘッドの除電膜は、その下層の保護膜に比べて耐摩耗性が低い。たとえば除電膜の摩耗は、保護膜に比べて５〜２０倍速い。

サーマルプリントヘッドは、絶縁基板の表面に抵抗体層および電極層を積層し、その表面に保護膜を形成している。このため、保護膜の表面には、抵抗体層および電極層の厚さに対応した凹凸が形成される。除電膜は、保護膜の表面にほぼ一様の厚さで形成され、表面には保護膜と同様の凹凸が生じる。

このため、除電膜は、サーマル使用開始後の初期に、抵抗体層および電極層に対応する位置の突部で消失する。その後、比較的ゆっくりと、抵抗体層および電極層の厚さに対応した突部の保護膜が消失していく。突部の保護膜の消失に伴って、保護膜の突部の間の除電膜も消失していく。保護膜の抵抗体層および電極層の厚さに対応した突部が摩耗した時点で、保護膜表面に存在していた除電膜が全て消失し、除電膜の静電気除去効果が喪失される。

そこで、本発明は、サーマルプリントヘッドの表面の除電効果を長期間維持させ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、サーマルプリントヘッドにおいて、絶縁基板と、間隔を置いて配列された複数の発熱抵抗体とそれぞれの前記発熱抵抗体の両端に接続された複数の電極とを含み前記絶縁基板の表面に設けられた発熱配線と、前記絶縁基板および前記発熱配線を覆い隣り合う前記発熱配線の間に対応する部分に前記絶縁基板からの距離が最も遠い部分からの深さが前記発熱配線の厚さを超える溝が形成された保護膜と、前記保護膜の表面に設けられた電気導電性の除電膜と、を具備することを特徴とする。

また、本発明は、サーマルプリントヘッドの製造方法において、絶縁基板の表面に間隔を置いて配列された複数の発熱抵抗体とそれぞれの前記発熱抵抗体の両端に接続された複数の電極とを含む発熱配線を形成するパターニング工程と、前記パターニング工程の後に前記絶縁基板および前記発熱配線を覆う保護膜を形成する保護膜形成工程と、前記保護膜形成工程の後に前記保護膜の前記発熱配線を覆い隣り合う前記発熱配線の間に対応する部分に前記絶縁基板からの距離が最も遠い部分からの深さが前記発熱配線の厚さを超える溝を形成する溝形成工程と、前記溝形成工程の後に前記保護膜の表面に電気導電性の除電膜を形成する工程と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、サーマルプリントヘッドの表面の除電効果を長期間維持させることができる。

本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態におけるヘッド基板の図２および図３におけるＩ−Ｉ矢視断面図である。 図１および図３のII−II矢視断面図である。 図１および図２のIII−III矢視断面図である。 本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態の一部切欠き平面図である。 本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態の発熱体板の製造方法を示すフローチャートである。 本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態を用いたサーマルプリンタの断面図である。 本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態のヘッド基板の摩耗が進んだ状態を示す断面図である。 本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態のヘッド基板の摩耗が進んだ状態を示す平面図である。

本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。

図１は、本発明に係るサーマルプリントヘッドの一実施の形態におけるヘッド基板の図２および図３におけるＩ−Ｉ矢視断面図である。図２は、図１および図３のII−II矢視断面図である。図３は、図１および図２のIII−III矢視断面図である。図４は、本実施の形態におけるサーマルプリントヘッドの一部切欠き平面図である。

本実施の形態のサーマルプリントヘッド１１は、放熱板３０と回路基板４０とヘッド基板２０とを有している。放熱板３０は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）製の板である。回路基板４０は、ヘッド基板２０を駆動するための駆動回路の一部が搭載された板である。回路基板４０には、ＩＣ（Integrated Circuit）である駆動素子４２が搭載される。駆動素子４２とヘッド基板２０との間は、ボンディングワイヤー４４で接続されている。ボンディングワイヤー４４および駆動素子４２などは、樹脂４８で封止されている。

ヘッド基板２０は、セラミック基板２２およびグレーズ層２５からなる絶縁基板と、その絶縁基板の表面に積層された抵抗体層２７および電極層２８からなる配線と、保護膜２３と、除電膜２９とを有している。セラミック基板２２は、たとえばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）製の長方形の板である。グレーズ層２５は、セラミック基板２２の一方の表面に融着した、ガラスの層である。

グレーズ層２５の表面には、抵抗体層２７と抵抗体層２７よりも電気抵抗が小さい電極層２８とが積層されている。抵抗体層２７および電極層２８は、それぞれ所定のパターンにパターニングされる。このパターニングにより、抵抗体層２７には、発熱抵抗体２６が形成される。発熱抵抗体２６は、ヘッド基板２０の長手方向（主走査方向）に間隔を置いて配列され、主走査方向に延びる発熱領域２４を形成する。電極層２８には、折返し電極７２および電極７１が形成される。折返し電極７２は、隣り合う２つの発熱抵抗体２６のヘッド基板２０の長辺に隣接する端部同士を接続している。電極７１は、ヘッド基板２０の長辺から遠い方の発熱抵抗体２６の端部からヘッド基板２０の短手方向（副走査方向）に互いに平行に延びている。

発熱抵抗体２６、折返し電極７２および電極７１以外の部分では、抵抗体層２７および電極層２８は除去されており、グレーズ層２５が露出していることとなる。この露出したグレーズ層２５並びに発熱抵抗体２６、折返し電極７２および電極７１を覆うように保護膜２３が形成される。電極７１の端部は、回路基板４０あるいは駆動素子４２との接続のために保護膜２３で覆われずに露出している。

保護膜２３の表面には、抵抗体層２７および電極層２８に対応した形状の突部８１が形成されている。つまり、保護膜２３の表面の突部８１は、発熱抵抗体２６、折返し電極７２および電極７１を覆う部分に形成されている。発熱抵抗体２６の部分には、電極層２８が存在しないため、保護膜２３の表面の突部８１の発熱抵抗体２６を覆う部分は、折返し電極７２および電極７１が存在する部分より突出高さが低くなっている。

保護膜２３の表面の突部８１の間には、窪み部８２が形成されている。窪み部８２の深さは、抵抗体層２７および電極層２８からなる発熱配線の厚さと実質的に同じである。この窪み部８２の底には、電極７１と平行に延びる溝８３が形成されている。したがって、保護膜２３のグレーズ層２５の表面からの距離が最も遠い部分からの溝８３の深さは、発熱配線の厚さを超える。

折返し電極７２が存在しない部分では、溝８３は、隣り合う折返し電極７２の間を通過してヘッド基板２０の長辺まで延びている。溝８３の深さは、たとえば保護膜２３の厚さと同等であり、溝８３の底はグレーズ層２５の表面に達している。保護膜２３の表面には、窪み部８２に形成された溝８３部分を含め、除電膜２９が形成されている。

除電膜２９は、たとえば回路基板４０の接地電位となる部分とボンディングワイヤーで電気的に接続される。

図５は、本実施の形態のサーマルプリントヘッドの発熱体板の製造方法を示すフローチャートである。

まず、たとえば厚さが約１ｍｍのセラミック基板２２の表面に厚さが約４０μｍのグレーズ層２５を被着させる。セラミック基板２２は、たとえばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、マグネシア（ＭｇＯ）などで形成される。グレーズ層２５は、たとえば耐熱ガラスなどで形成される。グレーズ層２５は、たとえばガラスペーストをセラミック基板２２の表面にスクリーン印刷などによって塗布し、その後、焼成することによって形成される。

このようにして形成された絶縁基板の表面に、タンタル（Ｔａ）などがドーピングされたＳｉＯ_２の抵抗体層２７がスパッタリング法などによって形成される（Ｓ１）。さらに、抵抗体層２３の表面にアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、あるいはこれらを主成分とする合金、あるいはこれらの金属または合金の積層体である電極層２８をスパッタリング法などによって積層する（Ｓ２）。抵抗体層２７および電極層２８を積層した厚さは、たとえば１μｍ程度である。

次に、抵抗体層２７および電極層２８をパターニングする（Ｓ３）。パターニングでは、まず、電極層２８の全面にフォトレジスト膜を塗布した後、そのフォトレジスト膜上に第１のマスクパターンを配置する。その状態で、フォトレジスト膜を露光し、現像することによって、第１のマスクパターンをフォトレジスト膜に転写する。第１のマスクパターンが転写されたフォトレジスト膜をエッチングマスクとし電極層２８をリン酸などによってウェットエッチングしてパターニングする。これにより、電極層２８が所定の形状にパターニングされる。

その後、残存した電極層２８および抵抗体層２７の表面に、第２のマスクパターンを配置する。この第２のマスクパターンは、発熱抵抗体２６の形状を決めるためのパターンである。第２のマスクパターンには、発熱抵抗体２６およびその両端部に接続された電極７１，７２の間の副走査方向に延びる空隙と、発熱抵抗体２６の中央部のスリット７４とに対応する形状が規定されている。

第２のマスクパターンを配置した状態で、フォトレジスト膜を露光し、現像することによって、第２のマスクパターンがフォトレジスト膜に転写される。その後、第２のマスクパターンが転写されたフォトレジスト膜をエッチングマスクとして、抵抗体層２３をケミカルドライエッチング（ＣＤＥ）や反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などによりドライエッチングする。これにより、抵抗体層２７が所定の形状にパターニングされる。発熱抵抗体２６および電極７１の幅は、たとえば１０μｍ程度である。電極７１間の距離は、たとえば１０μｍ程度である。

このようにして、電極層２８および抵抗体層２７が所定の形状にパターニングされた後、電極層２８、抵抗体層２３および露出したグレーズ層２５を覆うように、除電膜２９に比べて高い耐酸化性および耐摩耗性を有する保護膜２３を積層する（Ｓ４）。保護膜２３は、たとえばＳｉＯ_２やＳｉＯＮなどで形成される。保護膜２３の厚さは、たとえば１０μｍ程度である。

次に、保護膜２３の窪み部８２に溝８３を形成する（Ｓ５）。溝８３の形成では、まず、保護膜２３の表面にフォトレジスト膜を塗布した後、そのフォトレジスト膜上に第３のマスクパターンを配置する。その状態で、フォトレジスト膜を露光し、現像することによって、第３のマスクパターンをフォトレジスト膜に転写する。第３のマスクパターンは、保護膜２３の窪み部８２に形成される溝８３に対応した形状である。

その後、第３のマスクパターンが転写されたフォトレジスト膜をエッチングマスクとして、保護膜２３をケミカルドライエッチング（ＣＤＥ）や反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などによりドライエッチングする。これにより、保護膜２３の窪み部８２に溝８３が形成される。溝８３の幅は、たとえば５μｍである。

窪み部８２に溝８３が形成された保護膜２３の表面に、抵抗体層２７と同じ材料で除電膜２９がスパッタリング法などによって形成される（Ｓ６）。除電膜２９として、抵抗体層２７と同じ材料を用いると、スパッタリングターゲット、スパッタリング条件などを抵抗体層２７の形成とあまり変更することなく形成することができるが、他の導電性材料を用いてもよい。また、塗布により除電膜２９を形成してもよい。

このようにして、ヘッド基板２０が完成する。このヘッド基板２０および別途製造した回路基板４０を、別途製造した放熱板３０上で合体する。その後、駆動素子４２を回路基板４０上に配置し、駆動素子４２と電極７１との間や、回路基板４０上の接地電位となる部分と除電膜２９との間に、ボンディングワイヤー４４を架け渡す。さらに、ボンディングワイヤー４４などを樹脂４８で封止することによって、サーマルプリントヘッド１１が完成する。

図６は、本実施の形態のサーマルプリントヘッドを用いたサーマルプリンタの断面図である。

このサーマルプリンタは、サーマルプリントヘッド１０と、プラテンローラ５０を有している。プラテンローラ５０は、発熱領域２４に平行な軸を持つ所定の弾性を持つ材料で形成された円柱である。プラテンローラ５０の側面は、ヘッド基板２０の発熱領域２４に押しつけられている。プラテンローラ５０とヘッド基板２０との間には、感熱記録媒体６０が挟まれる。

駆動素子４２によって発熱抵抗体２６が所定のパターンで発熱されることによって、その所定のパターンに応じて感熱記録媒体６０が発色する。また、感熱記録媒体６０が所定のパターンに対応して発色した後、プラテンローラ５０によって、副走査方向に送りだされる。この操作を順次行うことにより、感熱記録媒体６０上に所定の画像が形成される。

感熱記録媒体６０が発熱領域２４の近傍でヘッド基板２０に押し付けながら移動することにより、ヘッド基板２０の最表層が摩耗していく。まず、使用開始直後は、保護膜２３の表面の突部８１上に形成された除電膜２９が最も突出した状態であるので、その部分の除電膜２９が摩耗により消失する。

さらにサーマルプリントヘッド１１を使用することにより、除電膜２９の消失により最表層に現れた保護膜２３の突部８１も、その速度はゆっくりであるが、摩耗により消失していく。保護膜２３の突部８１の消失に伴い、窪み部８２に形成された除電膜２９も、グレーズ層２５表面からの距離が保護膜２３と同じになるように摩耗して消失していく。この摩耗による消失が進むと、保護膜２３の突部８１が完全に消失し、保護膜２３の最表面のグレーズ層２５表面からの距離が、窪み部８２と同じになる。

図７は、本実施の形態のサーマルプリントヘッドのヘッド基板の摩耗が進んだ状態を示す断面図である。図８は、本実施の形態のサーマルプリントヘッドのヘッド基板の摩耗が進んだ状態を示す平面図である。

保護膜２３の摩耗による消失が進み突部８１が完全に消失した場合、保護膜２３に溝８３が形成されていない場合には、除電膜が完全に消失することになる。しかし、本実施の形態では、保護膜２３の窪み部８２に溝８３が形成されており、その溝８３の内部に除電膜２９が埋め込まれた状態となっている。また、この溝８３に埋め込まれた状態の除電膜２９は、その両側の保護膜２３によって、被印刷媒体６０との接触が抑制される。このため、保護膜２３の摩耗による消失が進み突部８１が完全に消失したとしても、除電膜２９が残存することになる。

この残存する除電膜２９は、それぞれの電極７１の間に副走査方向に延びていることになる。特に、プラテンローラ５０との接触圧が最も高く、摩耗が最も顕著な発熱領域２４近傍においても、発熱抵抗体２６と同じピッチで除電膜２９が残存することになるため、十分な除電性能が得られる。

除電膜２９が埋め込まれる保護膜２３の溝８３の深さが深いほど、除電効果が長期間にわたって持続することになる。但し、保護膜２３の摩耗が進み、電極７１が露出するようになると、もはやサーマルプリントヘッド１１としては用いることができなくなる。したがって、保護膜２３の溝８３の底とグレーズ層２５の表面との距離が、抵抗体層２７および電極層２８の厚さより小さければ、除電膜２９の消失がサーマルプリントヘッド１１の寿命を決定する因子とはならなくなる。

しかし、溝８３の深さが深いほど、つまり、その溝８３により厚く除電膜２９を形成するほど製造が困難になるため、製造上の観点からは、保護膜２３の溝８３の底とグレーズ層２５の表面との距離は大きい方が好ましい。よって、保護膜２３の溝８３の底とグレーズ層２５の表面との距離は、抵抗体層２７および電極層２８の厚さ以下であることが好ましい。

このように本実施の形態によれば、サーマルプリントヘッドの表面の除電効果を長期間維持させることができる。その結果、サーマルプリントヘッド１１の表面に帯電した静電気によって発生する発熱抵抗体２６や電極７１などの破壊が抑制される。このため、サーマルプリントヘッド１１の健全性を長期間維持することができる。

また、除電効果の維持期間は、除電膜２９の耐摩耗性ではなく、保護膜２３の耐摩耗性に依存することとなるため、除電膜２９として耐摩耗性が低い材料を用いることができる。たとえば除電膜２９として、抵抗体層２７よりも耐摩耗性が低い、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、炭素（Ｃ）などの抵抗体層２７よりも電気抵抗が小さい材料を用いることができる。電気抵抗がより小さい材料を除電膜２９に用いることにより、除電性能が向上する。

除電膜２９に純金属や単一元素材料を用いるとスパッタリングなどが容易になる。さらに、除電膜２９に電極層２８と同じ材料を用いると、スパッタリングターゲット、スパッタリング条件などを電極層２８の形成とあまり変更することなく形成することができる。

１１…サーマルプリントヘッド、２０…ヘッド基板、２２…セラミック基板、２３…保護膜、２４…発熱領域、２５…グレーズ層、２６…発熱抵抗体、２７…抵抗体層、２８…電極層、２９…除電膜、３０…放熱板、４０…回路基板、４２…駆動素子、４４…ボンディングワイヤー、４８…樹脂、６０…プラテンローラ、６２…感熱記録媒体、７１…電極、７２…折返し電極、８１…突部、８２…窪み部、８３…溝

Claims (7)

1. 絶縁基板と、
   間隔を置いて配列された複数の発熱抵抗体とそれぞれの前記発熱抵抗体の両端に接続された複数の電極とを含み前記絶縁基板の表面に設けられた発熱配線と、
   前記絶縁基板および前記発熱配線を覆い隣り合う前記発熱配線の間に対応する部分に前記絶縁基板からの距離が最も遠い部分からの深さが前記発熱配線の厚さを超える溝が形成された保護膜と、
   前記保護膜の表面に設けられた電気導電性の除電膜と、
   を具備することを特徴とするサーマルプリントヘッド。
2. 前記保護膜の表面の前記絶縁基板および前記発熱配線を覆い隣り合う前記発熱配線の間に対応する部分に窪み部が形成されており、前記溝は前記窪み部の底部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のサーマルプリントヘッド。
3. 前記溝の底と前記絶縁基板の表面との距離は前記発熱配線の厚さ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のサーマルプリントヘッド。
4. 前記除電膜は前記発熱抵抗体よりも電気抵抗が小さい材料で形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のサーマルプリントヘッド。
5. 前記除電膜は前記電極と同じ材料で形成されていることを特徴とする請求項４に記載のサーマルプリントヘッド。
6. 前記除電膜は純金属および単一元素材料で形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のサーマルプリントヘッド。
7. 絶縁基板の表面に間隔を置いて配列された複数の発熱抵抗体とそれぞれの前記発熱抵抗体の両端に接続された複数の電極とを含む発熱配線を形成するパターニング工程と、
   前記パターニング工程の後に前記絶縁基板および前記発熱配線を覆う保護膜を形成する保護膜形成工程と、
   前記保護膜形成工程の後に前記保護膜の前記発熱配線を覆い隣り合う前記発熱配線の間に対応する部分に前記絶縁基板からの距離が最も遠い部分からの深さが前記発熱配線の厚さを超える溝を形成する溝形成工程と、
   前記溝形成工程の後に前記保護膜の表面に電気導電性の除電膜を形成する工程と、
   を具備することを特徴とするサーマルプリントヘッドの製造方法。

Images