JP6947702B2

JP6947702B2 - サーマルプリントヘッド

Info

Publication number: JP6947702B2
Application number: JP2018142883A
Authority: JP
Inventors: 範明大西; 三千大宮繁; 佳浩米谷
Original assignee: Aoi Electronics Co Ltd
Current assignee: Aoi Electronics Co Ltd
Priority date: 2018-07-30
Filing date: 2018-07-30
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2038-07-30
Also published as: JP2020019164A

Description

本発明は、サーマルプリントヘッドに関する。

サーマルプリントヘッドは、例えばバーコード等のラベル紙やレシート等の記録紙を作成するための印字デバイスとして感熱プリンタに組み込まれて使用されている。サーマルプリントヘッドは、感熱紙を発色させるための発熱抵抗体および発熱抵抗体に通電して発熱させる電極を備える。発熱抵抗体および電極は、バーコード等のラベル紙やレシート等の記録紙が摺動する際の保護として、ガラス等からなる保護膜で覆われている。

現在、バーコードの印字では、これまでのＪＡＮコードに代表される一次元のバーコードから、ＱＲコード等の二次元バーコードが汎用的に使用されている。レシートの印字でも、これまでの文字と記号だけでなくイメージ画像も使用され始めている。これにより、ラベル紙やレシート等の記録紙の単位面積当たりの印字率が増加している。さらにラベル紙への印字では、フィルム状のリボンに塗布されたインクを加熱してラベル紙に転写する方式も存在する。リボンには、レジン系のように熱に対して低感度のリボンも存在する。

このように、印字率の増加や、低感度リボンのような媒体に対応した印字に必要な熱量を伝達するために、サーマルプリントヘッドは発熱抵抗体により多くの電力を供給して多くの熱を発生させなければならない。発熱量の増加は、記録紙の摺動とともに、サーマルプリントヘッドの寿命に影響を及ぼすことになる。
発熱抵抗体および電極を保護する保護膜として、非晶質ガラスから成る下層（発熱抵抗体に近い側）の保護膜と、アルミナ粒子を含むガラスから成り下層の保護膜よりも軟化点の高い上層（表面の側）の保護膜との、２層の保護膜を備えるサーマルプリントヘッドも提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１７-２２６２３１号公報

特許文献１に開示されるサーマルプリントヘッドでは、上層（表面の側）の保護膜がガラスを主成分とする膜で形成されている。そのため、高印字率での印字を行なうと、軟化点温度に至らなくても、ガラス転移温度に達して、変形、あるいは磨耗しやすくなり、長寿命化につながらないという課題がある。

本発明の第１の態様によるサーマルプリントヘッドは、基板上に配置されている発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体に電力を供給する電極と、前記基板上に配置され、前記発熱抵抗体を覆うとともに、前記電極の少なくとも一部を覆う第１保護膜と、前記第１保護膜の上に配置される第２保護膜とを備え、前記第２保護膜の融点は、前記第１保護膜のガラス転移点よりも高く、前記第１保護膜の前記第２保護膜との界面の表面粗さは、算術平均粗さＲａとして０．１２μｍ以下である。
本発明の第２の態様によるサーマルプリントヘッドは、基板上に配置されている発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体に電力を供給する電極と、前記基板上に配置され、前記発熱抵抗体および前記電極の少なくとも一部を覆う第１保護膜と、前記第１保護膜の上に配置されている中間層と、前記中間層の上に配置されている第２保護膜とを備え、前記中間層は、金または銀を主成分とする金属材料からなる。

本発明によれば、耐久性に優れたサーマルプリントヘッドを実現できる。

本発明の第１実施形態によるサーマルプリントヘッドを示す図であり、図１（ａ）は上面図を、図１（ｂ）は断面図を示す。本発明の第２実施形態によるサーマルプリントヘッドを示す図。変形例のサーマルプリントヘッドを示す図。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるサーマルプリントヘッド５０を示す図であり、図１（ａ）はサーマルプリントヘッド５０の上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。
アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックからなる支持基板１１の表面に、部分的あるいは全体的に、ガラス等からなるグレーズ層１２が配置され、グレーズ層１２の上に、櫛歯状の共通電極１４と格子状の個別電極１５とが配置されている。

本明細書では、支持基板１１とグレーズ層１２を併せて基板１０とも呼び、共通電極１４および個別電極１５を、併せて電極１３とも呼ぶ。
共通電極１４および個別電極１５は、例えば金属含有ペーストを厚膜印刷した後に、これを焼成することにより形成されている。
基板１０上には、共通電極１４および個別電極１５とを跨ぐように、発熱抵抗体１６が配置されている。
発熱抵抗体１６の下に配置されている共通電極１４および個別電極１５の、中心間隔は、一例として４０〜７０μｍ程度である。

基板１０上にはさらに、電極１３および発熱抵抗体１６を覆って、第１保護膜１７が配置されている。そして、第１保護膜１７の上には、さらに第１保護膜１７とは材質の異なる第２保護膜１９が配置されている。第１保護膜１７と第２保護膜１９との境界を界面１８と呼ぶ。第１保護膜１７は、例えばガラスペーストを厚膜印刷したのちに、これを焼成することによって形成されている。第１保護膜１７の厚さは、３〜１０μｍ程度であることが好ましい。
第１保護膜１７は、ガラス以外の材料、例えば、窒化珪素や炭化珪素、または耐熱性のシリコーンで形成しても良い。

サーマルプリントヘッド５０の使用時には、不図示の制御回路から不図示の配線を経由して、個別電極１５のうちの１つ以上と共通電極１４とに、電位差が印加される。これにより、共通電極１４と電圧が印加された個別電極１５との間の発熱抵抗体１６には電流が流れ、この部分が局所的に発熱することで感熱紙へのサーマルプリントが実行できる。
第１保護膜１７がガラス系の材質からなる場合には、そのガラス転移点は５００〜６００℃である。従って、サーマルプリントヘッド５０の動作時に、発熱抵抗体１６の発熱により第１保護膜１７の温度が５００〜６００℃程度以上になると、第１保護膜１７の熱膨張が顕著になる。

特許文献１の発明等の従来の技術においては、ガラスペーストの焼結等により形成する本第１実施形態の第１保護膜１７に相当する下層の保護膜の表面（界面１８に相当）の表面粗さが大きかった。そのため、下層の保護膜が熱膨張すると、その表面の表面粗さ（凹凸）も拡大され、その結果、本第１実施形態の第２保護膜１９に相当する上層の保護膜に下方から不均一な力が加わることとなる。そして、この力が上層の保護膜を破壊し、上層の保護膜を下層の保護膜から剥離させてしまう原因となっていた。

本第１実施形態においては、第２保護膜１９の摩耗や剥離を防止するために、第１保護膜１７の上面であり、第２保護膜１９との境界である界面１８の表面粗さを、算術平均粗さＲａとして０．１２μｍ以下としている。これにより、第１保護膜１７が熱膨張して第２保護膜１９に不均一な力を及ぼすことが防止でき、第２保護膜１９の摩耗や剥離を防止し、第２保護膜１９の耐久性を高めることができる。
一方、界面１８の表面粗さＲａが０．１２μｍより大きいと、第２保護膜１９の摩耗や剥離を十分に防止することができない。

第１保護膜１７は、一例として材質がガラス系のＳｉＯ２からなる膜とする。フィラー成分であるＡｌ２Ｏ３などの含有量を少なくする、もしくは、焼成温度をより高くすること、または焼成を複数回に分けて行うことにより、フィラーをガラス系の材料の中に沈みこませ、第１保護膜１７の界面１８の表面粗さを算術平均粗さＲａとして０．１２μｍ以下に抑えることができる。
あるいは、第１保護膜１７の形成後に第１保護膜１７の表面を平滑化する研磨処理等を行って、第１保護膜１７の界面１８の表面粗さを低減することもできる。
なお、第１保護膜１７の界面１８の表面粗さとしての算術平均粗さＲａとは、一例として、先端半径が２μｍ、円錐のテーパ角度が６０度の触針を有する接触式表面粗さ計を用いて計測した値である。この場合、界面１８の表面粗さは、第２保護膜１９を形成する前の第１保護膜１７の表面粗さを計測して求める。

第１保護膜１７の上に配置されている第２保護膜１９は、その融点が、第１保護膜１７のガラス軟化点６５０℃〜７５０℃よりも高い材料からなる。第２保護膜１９は、例えばＴｉＷ等をスパッタで成膜して形成されている。上記のＴｉＷはガラス軟化点を有せず、その融点は２０００℃以上である。第２保護膜１９として他に、ＷＣ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＡｌＯＮを用いても良い。
第１保護膜１７がガラス系の材料ではない場合であっても、第２保護膜１９は、その融点が、第１保護膜１７の転移点または融点よりも高い材料で構成する。
第２保護膜１９の厚さは、２〜６μｍ程度であることが好ましい。

なお、電極１３と発熱抵抗体１６との位置関係は、上述の発熱抵抗体１６が電極１３より上（基板１０から遠い側）に配置されるのに限らず、電極１３が発熱抵抗体１６より上（基板１０から遠い側）に配置されても良い。
また、第１保護膜１７は、発熱抵抗体１６および電極１３の全ての部分を覆う必要はない。例えば、発熱抵抗体１６および電極１３のうち、印字動作時に印字対象の感熱紙等に接触しない部分については、第１保護膜１７に覆われている必要はない。

また、グレーズ層１２は、支持基板１１の全面に渡って均一な厚さで配置されている必要はなく、例えば、発熱抵抗体１６が配置されている部分の近傍のみに配置されていても良い。あるいは、グレーズ層１２の厚さは、発熱抵抗体１６が配置されている部分の近傍のみ厚く、他の部分では薄い構成であってもよい。
なお、支持基板１１の材質によっては、グレーズ層１２は省略しても良い。

（第１実施形態の効果）
（１）以上の第１実施の形態のサーマルプリントヘッドは、基板１０上に配置されている発熱抵抗体１６と、発熱抵抗体１６に電力を供給する電極１３と、基板１０上に配置され、発熱抵抗体１６を覆うとともに、電極１３の少なくとも一部を覆う第１保護膜１７と、第１保護膜１７の上に配置される第２保護膜１９とを備え、第１保護膜１７の第２保護膜１９との界面１８の表面粗さは、算術平均粗さＲａとして０．１２μｍ以下である。
この構成により、印字動作時に発熱抵抗体１６が発熱し第１保護膜１７が所定の温度以上の高温になった状態で感熱紙が第２保護膜１９上を摺動しても、第２保護膜１９の摩耗や剥離を防止することができ、耐久性に優れたサーマルプリントヘッドを実現できる。
（２）さらに、第１保護膜１７はガラスを主成分とすることで、厚膜印刷と焼結との組合せ等の手法により、第１保護膜１７を低コストで形成することができる。
（３）さらに、第２保護膜１９の融点を第１保護膜１７のガラス転移点よりも高くすることで、さらに耐久性に優れたサーマルプリントヘッドを実現できる。

（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態によるサーマルプリントヘッド５０ａの断面図を示す図である。第２実施形態によるサーマルプリントヘッド５０ａは、その大部分が上述の第１実施形態によるサーマルプリントヘッド５０と共通している。従って、図２中でサーマルプリントヘッド５０との共通部分には、同一の符号を付して説明を省略する。また、図２は、図１（ｂ）と同様に図１（ａ）に示されているサーマルプリントヘッド５０のＡ−Ａ断面に対応する断面を示している。

第２実施形態によるサーマルプリントヘッド５０ａにおいては、第１実施形態によるサーマルプリントヘッド５０と異なり、第１保護膜１７ａの表面である界面１８ａの表面粗さは低減されていない。その代わりに、第１保護膜１７ａと第２保護膜１９との間に、中間層２０を有している。中間層２０は、ヤング率が１００ＧＰａ未満の材料で形成されている。なお、第１保護膜１７ａを構成する材料は、上述の第１実施形態と同様である。
中間層２０は、さらにサーマルプリントヘッド５０ａの動作時の温度に耐えるために、熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫ以上であって、厚膜印刷後８００℃焼成温度で形成可能な材料であることが好ましい。また、アルミナ等の支持基板１１との線膨張係数の差が大きくなり過ぎないように、その線膨張係数が、２０×１０^−６［１／Ｋ］以下であることが好ましい。
中間層２０は、例えば金属で形成されている。

第２保護膜１９の摩耗を抑制する目的で、第２保護膜１９の内部応力を上げる。内部応力を上げた第２保護膜１９の応力緩衝層として、中間層２０をバッファ層として形成している。この時、中間層２０をヤング率が１００ＧＰａ以上の材料で形成した場合には、中間層２０が第２保護膜１９の応力緩衝層として機能し難くなり、第２保護膜１９の剥離が十分に防止できない。しかし、中間層２０にヤング率が１００ＧＰａ未満の材料を用いる事により、中間層２０が応力緩衝層として機能し、第２保護膜１９を内部応力が高い状態で形成しても、第２保護膜１９の剥離を防止することが可能となり、摩耗を抑制することができる。

中間層２０を構成する材料として適しているヤング率が１００ＧＰａ未満の金属としては、例えば、アルミニウム、マグネシウム、金、銀などがある。中間層２０は、ヤング率が１００ＧＰａ未満の合金で形成しても良い。本明細書においては、金属とは合金も含むものである。
中間層２０の厚さは、０．１から１μｍ程度であることが好ましい。中間層２０の厚さがこれより薄いと、第２保護膜の内部応力を十分に緩和できない。一方、中間層２０の厚さがこれより厚いと、発熱抵抗体１６の熱が中間層２０を経由して周囲に拡散し、印字品質の低下を招く恐れがあるとともに、製造コストが上昇する恐れがある。
中間層２０は厚膜印刷し、焼成することで形成することができる。

中間層２０の材料を、金または銀を主成分とする金属とした場合、金や銀は、ともに線膨張係数が２０×１０^−６［１／Ｋ］以下であり、さらに高温においても酸化されにくいなど化学的な安定性に優れ、サーマルプリントヘッドの耐久性をさらに高めることができる。

中間層２０の上に配置されている第２保護膜１９は、上述の第１実施形態と同様である。
また、電極１３と発熱抵抗体１６との位置関係についても、上述の第１実施形態と同様に、発熱抵抗体１６が電極１３より上（基板１０から遠い側）に配置されるのに限らず、電極１３が発熱抵抗体１６より上（基板１０から遠い側）に配置されても良い。
第１保護膜１７ａについても、上述の第１実施形態と同様に、発熱抵抗体１６および電極１３の全ての部分を覆っている必要はない。

（第２実施形態の効果）
（４）以上の第２実施の形態のサーマルプリントヘッドは、発熱抵抗体１６に電力を供給する電極１３と、基板１０上に配置され、発熱抵抗体１６を覆うとともに、電極１３の少なくとも一部を覆う第１保護膜１７ａと、第１保護膜１７ａの上に配置される中間層２０と、中間層２０の上に配置されている第２保護膜１９とを備え、中間層２０は、ヤング率が１００ＧＰａ未満の材料からなっている。
この構成により、印字動作時に発熱抵抗体１６が発熱し第１保護膜１７ａが所定の温度度以上の高温になっても、第１保護膜１７ａの熱膨張により不均一な力は中間層２０が変形することにより緩和される。このため、第２保護膜１９が受ける不均一な力が低減され、第２保護膜１９の摩耗や剥離を防止することができる。
（５）さらに、中間層２０の材料を金属とすることで、厚膜印刷等の低コストの形成法により、中間層２０を形成することができる。
（６）さらに、中間層２０の材料である金属を、金または銀を主成分とすることで、中間層の化学的安定性を高めることができ、耐久性をさらに高めることができる。
（７）さらに、第１保護膜１７ａはガラスを主成分とすることで、厚膜印刷と焼結の組合せ等手法により、低コストで形成することができる。
（８）さらに、第２保護膜１９の融点を第１保護膜１７ａのガラス転移点よりも高くすることで、さらに耐久性に優れたサーマルプリントヘッドを実現できる。

（変形例１）
図３は、変形例１のサーマルプリントヘッド５０ｂの断面図を示す図である。図３（ａ）はサーマルプリントヘッド５０ｂの上面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。
変形例１のサーマルプリントヘッド５０ｂは、その多くの部分が上述の第１実施形態によるサーマルプリントヘッド５０と共通している。従って、図３中でサーマルプリントヘッド５０との共通部分には、同一の符号を付して説明を省略する。

変形例１のサーマルプリントヘッド５０ｂにおいては、発熱抵抗体１６ａの構成が第１実施形態のサーマルプリントヘッド５０とは異なっている。発熱抵抗体１６ａは、共通電極１４ａの櫛歯の１つと、格子状の個別電極１５ａの１つとを接続するように離散的に複数個形成されている。格子状の個別電極１５ａの１つと共通電極１４ａとの間に、不図示の制御回路から不図示の配線を経由して電圧が印加されると、その個別電極１５ａの１つに接続されている発熱抵抗体１６ａが発熱する。

本変形例１においても、第１保護膜１７の表面、すなわち第２保護膜１９との界面１８は、その表面粗さを、算術平均粗さＲａとして０．１２μｍ以下としている。これにより、上述の第１実施形態のサーマルプリントヘッド５０と同様に、第１保護膜１７が熱膨張しても第２保護膜１９に不均一な力を及ぼすことが防止でき、第２保護膜１９の摩耗や剥離を防止し、第２保護膜１９の耐久性を高めることができる。

（変形例２）
変形例２は、上述の変形例１の構成のサーマルプリントヘッド５０ｂにおいて、第１保護膜１７の界面１８の表面粗さを低減する代わりに、第１保護膜１７と第２保護膜１９の間に、上述の第２実施形態と同様に中間層２０を設けたものである。
この変形例２においても、第２実施形態と同様に、第１保護膜１７の熱膨張時の不均一な力を中間層２０が緩和するため、第２保護膜１９の摩耗や剥離を防止し、第２保護膜１９の耐久性を高めることができる。

なお、変形例１および変形例２においても、上述の第１実施形態および第２実施形態と同様に、電極（共通電極１４ａおよび個別電極１５ａ）と発熱抵抗体１６ａの配置は、その上下が図３（ｂ）における配置とは逆であっても良い。

本発明は以上の内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

５０，５０ａ，５０ｂ：サーマルプリントヘッド、１０：基板、１１：支持基板、１２：グレーズ層、１３：電極、１４，１４ａ：共通電極、１５，１５ａ：個別電極、１６，１６ａ：発熱抵抗体、１７，１７ａ：第１保護膜、１８，１８ａ：界面、１９：第２保護膜、２０：中間層

Claims

基板上に配置されている発熱抵抗体と、
前記発熱抵抗体に電力を供給する電極と、
前記基板上に配置され、前記発熱抵抗体を覆うとともに、前記電極の少なくとも一部を覆う第１保護膜と、
前記第１保護膜の上に配置される第２保護膜とを備え、
前記第２保護膜の融点は、前記第１保護膜のガラス転移点よりも高く、
前記第１保護膜の前記第２保護膜との界面の表面粗さは、算術平均粗さＲａとして０．１２μｍ以下である、サーマルプリントヘッド。
請求項１に記載のサーマルプリントヘッドにおいて、
前記第１保護膜は、ガラスを主成分とした絶縁性材料からなる、サーマルプリントヘッド。
基板上に配置されている発熱抵抗体と、
前記発熱抵抗体に電力を供給する電極と、
前記基板上に配置され、前記発熱抵抗体および前記電極の少なくとも一部を覆う第１保護膜と、
前記第１保護膜の上に配置されている中間層と、
前記中間層の上に配置されている第２保護膜とを備え、
前記中間層は、金または銀を主成分とする金属材料からなる、サーマルプリントヘッド。
請求項３に記載のサーマルプリントヘッドにおいて、
前記第１保護膜は、ガラスを主成分とした絶縁性材料からなる、サーマルプリントヘッド。
請求項４に記載のサーマルプリントヘッドにおいて、
前記第２保護膜の融点は、前記第１保護膜のガラス転移点よりも高い、サーマルプリントヘッド。