JPH0361052A - サーマルヘッドおよび熱記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、例えば感、％記録装置に適用されるサーマル
ヘッドに関し、特に中間調画像の記録を行うのに適した
ものに関する。

（従来の技術） 第３４図はｖＬ来の一般的なサーマルヘッドの］画素分
を示す平面図である。同図において３４１は発熱抵抗体
であり、長方形をなしている。

この長方形の発熱抵抗体の一片および当該−片の対辺に
は、一対のリード電極３４２，３４３が接続されている
。そして、同図に示す構成のものが、例えばセラミック
スまたはアルミナなどからなる絶縁基板上に一次元的あ
るいは二次元的に複数配列されてサーマルヘッドか形成
されている。かくして上記一対のリード電極３４２，３
４３に電圧を印加することによって発熱抵抗体３４］が
発熱する。

ところで近頃、感卦記録装置なとて写真のように階調を
何した画像（山間誠両像）を記録する機会が多くなって
いる。

ところが前述した構成のサーマルヘッドでは、画点毎で
階調を変化させることができず、従って中間調画像の記
録を直接行うことは出来ない。そこで、前述したサーマ
ルヘッドて中間調記録を行う場合には、例えばデイサ広
′：５を用いて擬似的に中間調を表現している。しかし
、この擬似中間調表現方法はピクセル当りの画点分布を
上人することで擬似的に階調、を得る方法であり、例え
ばデイザ法ではｎ階調を得るためにｎ個の画点を必要と
し、解像度が低ドしてしまう。

そこで近年、１画点ごとに中間調記録を行うことができ
るサーマルヘッドか盛んに開発されている。第３５図は
このようなサーマルヘッドの構成を示す平面図である。

これらの第３５図に示される各サーマルヘッドは、いず
れも発熱抵抗体３５１．３５２，３５３，３５４の一部
分の幅を狭くしである。これにより、発熱抵抗体３５１
〜３５４中の幅が狭められた部分においては電流（エネ
ルギー）が集中することになり、発熱抵抗体３５１〜３
５４中のエネルギー分布が局部的となる。そして、エネ
ルギーが集中する局部（以下、集中加熱部と称する）に
おいて発熱抵抗体３５・１〜３５４が発熱する。なお、
第３５図示の各サーマルヘッドにおいては、３５１ａ、
３５２’ａ。

３５３ａ、３５４ａでそれぞれ示される部分が集中加熱
部である。

このようなサーマルヘッドては、比較的低い電圧を発熱
抵抗体３５１〜３５４に印加した場合には集中加熱部か
らの発熱によってのみ記録が行われる。そして、発熱抵
抗体３５１〜３５４への印加電比を上昇させるにつれて
、集中加熱部の周辺からも発熱するようになり、画点の
サイズが大きくなる。かくして、発熱抵抗体３５１〜３
５４に印加する電圧を変化させることにより画点のサイ
ズを変化させることができ、画点毎で階調を変化させる
ことができる。

ところが、以上のような第３５図示のサーマルヘッドは
、発熱抵抗体３５１〜３５４がいずれも複雑な形状をし
ており、製造に手間がかかる上、同一特性を得ることが
難しい。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように従来のサーマルヘッドでは、発熱抵抗体の
一部の幅を狭く設定することによって集中加熱部を形成
しているため、製造に手間がかかったり、同一特性を得
ることが難しいといった不具合があった。

本発明はこのような事情を４慮してなされたちのであり
、その目的とするところは、簡易な構造でありながら局
部的な発熱を生じさせることかでき、かつ良好な中間調
記録を行うことができるサーマルヘッドを堤供すること
にある。

［発明の構成コ （課題を角ｑ決するための手段） 本発明は、第１囚に示すように発熱抵抗体１を、第１の
辺１ａとこの第１の辺１ａと交わる第２の辺１ｂとの長
さの比が１以下であり、かっ上記第１の辺１ａと上記第
２の辺１ｂとがなす鋭角の角度θが４５度以下である平
行四辺形状とし、この発熱抵抗体１の第１の辺１ａと、
この第１の辺１ａの対辺である第３の辺１ｃとにそれぞ
れリード電極２，３を接続した。

（作　用） このような手段を講じたことにより、リード電極２．３
に電圧を印加した欣の発熱抵抗体１巾での電流経路に注
目すると、例えば第１図に示すよう□に点Ａ−Ｃ問およ
び点Ｂ−Ｄ間の距離２に比べて点Ａ−Ｄ間の距離のほう
が短い。従って、点Ａ−Ｄ間の抵抗値のほうが低く、多
くの電流が流れ、電流が発熱抵抗体１の中央部に集中す
ることになる。

また、第１の辺１ａとこの第１の辺１ａと交わる第２の
辺１ｂとの長さの比を１以下、かつ上記第１の辺１ａと
上記第２の辺１ｂとがなす鋭角の角度θを４５度以ドと
しであるため、発熱抵抗体１の中央部への電流の集中が
大きい。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の一実施例に係るサーマル
ヘッドに付き説明する。

第２図は本サーマルヘッドの構成を示す平面図である。

１０は例えばセラミックスまたはアルミナからなる絶縁
基板である。この絶縁基板１０上には、平行四辺形状を
なした複数の発熱抵抗体１が所定の間隔て平行に一次元
配列されている。さらに絶縁裁板１０上には、各発熱抵
抗体１の両端部に接続した状態で複数のリード電極２，
３が一次元配列されている。なお、複数のリード電極２
と・うしはともに接続されており、Ｊ（通車極となって
いる。

このようなサーマルヘッドであると、リード′屯極２，
３に′電圧を印加した際に、発熱抵抗体１中の電流分車
は第３図に示すものとなる。なお、同図において、黒点
は測定ｊ：：’、、Ｒ１の向きはそのａｌす疋点におけ
る電流の向き、線の長さはその測疋点での電流の大きさ
をそれぞれ示している。

以下、発熱抵抗体１中の電流分布か拓３図示のようにな
ることを説明する。なお、発熱抵抗体１の抵抗値は、発
熱により変化しないと仮定する。

また、発熱抵抗体は例えば薄膜であり、着下の厚みを有
しているが、微少であるために光熱抵抗体１の厘みを無
視して二次元とみなす。

まず、上記仮定に基づくと、発熱抵抗体１内の電流分布
は定常電流場となる。定常電流場は磁束密度ｊ（Ｂｘ、
Ｂｙ）か変化しないから、マクスウェルのｈ″程式り、 となる。また電ｒＪ保／ｊの法則より、電流密度１（ｉ
ｘ、ｉｙ）は、 ｄｉｖ　　　ノ　−　Ｏ・・・　（２）となる。またオ
ームの法ｔｉ１１より伝導率σ、電ＷＥ（Ｅ　ｘ、　　
Ｅ　ｙ）とすると、 ｊ＝ａＥ　　　　　　　　　　　　・・・（３）か成り
立つ。

式（３）を式（２）へ代入すると、 ｄ　ｉ　ｖ　Ｅ＝　０　　　　　　　　　−（４）とな
り、式（１）と式（２）からスカラー関数Ｖが存（Ｉニ
ジて、 Ｅ＝　−ｇ　ｒ　ａ　ｄ　Ｖ　　　　　　　　・（５）
という関係かある。なお、この■は電位である。

そして、式（５）を式（４）へ代入すると、のラプラス
方程式になる。またエネルギー密度ｅｎは、 ｅｎ＝　　ｊＥ＝ａＥ２　　　　　　　　　−（７）と
なる。よって式（６）を解き、式（５）より電界ｆを求
め、式（７）より発熱エネルギー分布を求めることかで
きる。

次に堝昇要素法を用いて式（６）を数値解Ｈｒする。

ここで境昇ザ素法は、第４図に示すように、閉した系の
境昇を要素に分割し、予め決まっている境Ｗ条件を用い
て計算し、全ての要素の解を得る。

そして、系１ノ・１部の状態を木める。

これにより、第３図示の電流分布か得られる。

第３図から分かるように、電流は発熱抵抗体１の中央部
分に向かうに従って大きくなっている。

ここで、発熱抵抗体１内のある点での発熱量は、当該位
置ての電流量の２乗と発熱抵抗体１の抵抗値との債て表
される。すな４〕ち、発熱量は電流の２乗に比例する。

従って、発熱抵抗体１の中心部分において発熱量が大き
い。

ところで、画点の記録を行うには一定量以上の熱量か必
要である。従って、発熱抵抗体１・＼の印加電比が小さ
い場合には第３図中に３１ａで示す範囲の発熱によって
画点が記録される。また印加電圧を１１ｆ加するにした
がい　同図に３．１　ｂ　。

３１ｃて示す範囲の発熱で画点か記録される。

し、かして、発熱抵抗体１に印加する電圧を変化させる
ことにより実質的な発貼面積を例えば第３図に３１　ａ
、：３１ｂ、　　３］、ｃで示すように可変させること
かでき、画点の大きさを変調することが−Ｃきる。

ところで、発熱抵抗体１中における電流分布は、発熱抵
抗体］の形状によって５？なり、最適な階調記録を行え
る形状がある。これは、発熱の集中がある程度以上に生
じる形状である。ここで、平行四辺形の形状を表す数値
としては第５図に示すように、−辺］ａの長さＬａと辺
１ａと交わる辺１ｂの長さＬｂとの比ｇおよび、辺］ａ
と辺１ｂとがなす角（ここでは鋭角）の角度θとかある
。

そして上記最適な形状は、 比ｇ　（ｂ／ａ）≦１．角１１θ≦４５皮である。

以下、発熱抵抗体１の最適な形状か以上のようになるこ
とを説明する。なおここでは、Ｇ３ファクシミリ装置に
適用されるサーマルヘッドを例示０ して説明する。

Ｇ３ファクシミリ装置では、主走査方向（発熱抵抗体１
の配列方向）の解像度が８ド・ソト／ｍｍと規定されて
いるから、発熱抵抗体１の幅、すなわち長さＬａは、 Ｌａ５１２５１１ｍ となり、発熱抵抗体１どうしのギャップを２５μｍ取り
、かつ発熱抵抗体をできるかぎり大きくするとすれば、 Ｌａ−１００μｍとなる。

ここで、 ■角度θが３０度で、比ｇが「１」 ｒｌ、、　５Ｊ、　　ｒ２Ｊ。

■角度θが４５度で、比ｇが「１」 ｒｌ、　５Ｊ、　　ｒ２Ｊ。

■角度０が６０１臭で、比ｇが「１」 ｒｌ、　５Ｊ、　　ｒ２Ｊ。

■角度θが７５度で、比ｇが「１」 ｒｌ、　５Ｊ、　　ｒ２Ｊ。

の１２種類の形状について、Ｌａ−１００μｍ１す１ 一ド電極２の電位を２４Ｖ、リード電極３の電位を０■
とし、第５図に示すように発？Ａ　Ｊｌｕ抗体１の輪郭
を境界として前述した方法により電流分布を求めた結果
を第６図に示す。

ここで、第６図（ａ）（ｂ）（Ｃ）は上述の■のそれぞ
れを、第６図（ｄ）（ｅ）（ｆ）は上述の■のそれぞれ
を、第６図（ｇ）（ｈ）（ｉ）は上述の■のそれぞれを
、第６図（ｊ）（ｋ）ｉ）は上述の■のそれぞれを示し
ている。

また、発熱抵抗体１の水平方向（第５図参照）および対
角線方向（第５図参照）の電界ｊを求め、それをもとに
前述した式（７）により計算したエネルギー密度ｅｎを
伝導率σで割ったｅｎ／σを第７図乃至第１２図に示す
。

ここで、第７図および第８図は、比ｇが「１」の場合の
水平方向および対角線方向、第９図および第１０図は、
比ｇがｒｌ、５Ｊの場合の水平方向および対角線方向、
第１１図および第１２図は、比ｇが「２」の場合の水平
方向および対角線方向をそれぞれ示している。

２ この第６図および、第７図乃至第１２図より、角度θお
よび比ｇはともに小さいほど電流の中央集中が大きくな
ることが分かる。また、第７図乃至第１２図において比
ｇに注目すると、比ｇ＝「２」のとき（第１１図および
第１２図）エネルギー分布はほぼ均一であり、エネルギ
ー集中がほとんど生じていないことが分かる。さらに、
比ｇ＝　ｒｌ、５Ｊでは若干エネルギー集中が生じ、ｌ
ｔｇ＝ｒ］Ｊでは顕著にエネルギー集中が／Ｌじること
か分かる。また、比ｇ＝ｒＩＪにおいて角度θに注目す
ると、第７図および第８図から分かるように、角度θが
４５度以下のときにエネルギー集中が顕著となる。

これらの結果より、発熱抵抗体２の最適な形状が、比ｇ
≦１．角度θ≦４５度であることが推測される。

以上理論的に発熱抵抗体１の最適な形状に付き説明した
が、次に実験データを参照しながら説明する。

まず、サーマルヘッドを実隙に作成する場合、３ 実現すべき解像度によって１つの発熱抵抗体の幅（主走
査方向）および高さ（副走査方向）が決まってしまう。

すなわち、例えばＧ３ファクシミリ装置では高い再現性
を期待して、主走査方向８ドツト／　１１１％副走査方
向１５．４ドツト／＋ｎｉ＋なる解像度が採用されてい
る。従って、Ｇ３ファクシミリ装置に適用されるサーマ
ルヘッドの発熱抵抗体１の高さｈは、 ｈ≧１／１５．４　　　　　　　　・・・（８）となる
。すなわち、高さｈはおよそ６５μｍ以上必要である。

なお、発熱抵抗体１の幅、すなわち長さＬａは、前述し
たように１００μｍである。

このように発熱抵抗体１の幅および高さが規定されると
、角度θによって記録性能が決定されることになる。こ
こで、発熱抵抗体１の幅および高さが規定された場合、
第１３図（ａ）に示すように角度θが比較的大きいと、
熱集中が小さく、その記録特性が第１３図（ｂ）に示す
ように立ち上がりが急峻なものとなることが予測される
。また、第１４図（ａ）に示すように角度θが比較的中
程４ 度であると、熱集中か顕著となり、その記録特性が第１
４図（ｂ）に示すように立ち上がりか緩やかなものとな
ることが予７１１１１される。さらに、第１５図（ａ）
に示すように角度θが比較的小さいと、発熱抵抗体１か
細長くなってしまうため、熱集中が小さく、その記録特
性が第１５［１（ｂ）に示すように立ち上かりが急峻な
ものとなることか予／１１りされる。

ＩＩ間調の記録においては、立ち上かりか緩やかな記録
特性であることか望ましく、従って、発熱抵抗体］の幅
および高さか規定されている場合には、上記予測より、
最適な角度θか存７１：、することが予測される。

ところで、記録特性か立ち上がりが緩やかなものとなる
場合、第１６図（ａ）、第１７図（ａ）第１８図（ａ）
にそれぞれ示すように、記録開始エネルギーＥｐから急
峻に立ち上かる従来の→ノ。

マルヘッド（発熱抵抗体が方形状）の記録特性に比べて
、効率か悪くなるタイプ、間しタイプ、良くなるタイプ
の３つのタイプか考えられる。これ５ らの３つのタイプのそれぞれでは、第１６図（ｂ）、釦
１７図（ｂ）　　第１８図（ｂ）にそれぞれ示す等濃度
線か得られることが知られている。

なお、第１６図（ｂ）、礼１７図（ｂ）筆１８図（ｂ）
にそれぞれ示す等濃度線は、第１６図（ａ）、第１７図
（ａ）、第１８図（ａ）にそれぞれ示す記録濃度りを、
記録エネルギーＥと角度θとの関係で示した、 Ｄ＝ｆ　（Ｅ、　　θ）　　　　　　　　・・・（９）
なる式を、 Ｅ＝ｇ　（Ｄ、　　θ）　　　　　　　　・・・（１０
）なる式に変換したちのである。

この第１６図（ｂ）、第１７図（ｂ）、第１８図（ｂ）
にそれぞれ示す等濃度線から、最適な角度Ａｎを読み取
ることかできる。すなわち、最適な角度Ａ　ｎは、等濃
度線の間隔が広いところであり、第１６図（ｂ）では曲
線の谷の部分、第１７図（ｂ）では曲線の一番膨らんで
いる部分、第１８図（ｂ）では曲線の山の部分となる。

そこで、以上の事項に基づいて尖際のサーマル６ ヘッドにおける最適な角度を判定するために、Ｌ　ａ　
＝　１００　ａｍ、　ｈ　＝　７０　ａｍとし、角度θ
が「３５度Ｊ、ｒ３８度」、４１度Ｊ、ｒ４５度」。

「４９度Ｊ、ｒ５４度」のそれぞれであるサーマルヘッ
ドを試作し、感熱記録方式および熱転写記録方式の双方
での記録特性を７１＋＋＋定した。

この測定における評価条件を表１に、また測定結果を第
１９図乃至第３２図に示す。

］　７ ］ ｑ５１９図乃至知２４図は感熱記録方式を用いた場合に
おける記録特性を示す図であり、第１９図は角度θを「
３５度」　第２０図は角度θを「３８度」、第２１図は
角度θを「４１度」、第２２図は角度θを「４５度」、
第２３図は角度θを「４９度」、第２４園は角度θを「
５４度」としたサーマルヘッドの記録特性をそれぞれ示
している。

第２５図乃至第３０図は熱転写記録方式を用いた場合に
おける記録特性を示す図であり、第２５図は角度θを「
３５度」、第２６図は角度θを「３８度」、第２７図は
角度θを「４１度」、第２８図は角度θを「４５度」、
第２９図は角度θを「４９度」、第３０図は角度θを「
５４度」としたサーマルヘッドの記録特性をそれぞれ示
している。

なお、第１９図乃至第３０図には、発熱抵抗体の形状が
方形状（角度θ＝９０度）である従来のサーマルヘッド
の同一条件での記録特性を併記しである。

　９ 第３１図および第３２図は第１９図乃至第３０図に示す
記録特性に基づき、濃度りを０．１乃至０．９の範囲で
（１，１刻みてパラメータとして、記録エネルギーおよ
び角度θとの関係を示した等濃度線であり、第３１図は
感熱記録方式によるもの、第３２図は熱転写記録方式に
よるものを示す。

第１９図乃至第３０図に示した記録特性から分かるよう
に、本サーマルヘッドは発熱抵抗体が方形状である従来
のサーマルヘッドよりも記録効率が悪くなるタイプ（第
１６図（ａ）に示されるタイプ）である。従って前述し
たように、第３１図および第３２図示の曲線のうちの山
の部分に対応する角度θが最適な角度Ａｎである。これ
に基づき、第３１園より角度Ａｎを読み取ると、４５度
である。

一方、熱転写記録方式においては、データをばらつかせ
る要因（例えば、押し付は圧力、発熱抵抗体のニップ仙
内の位置など）の影響か大きい。

このことと、本サーマルヘッドか前述した第１６図（ａ
）に示されるタイプであることを考慮する０ と、第３２図示の等濃度線は同図に破線で示す特性にな
ると４えられる。これによれば、第３２図より、角度Ａ
ｎが４５度であることが分かる。

また、第３１図および珀３２図から、記録エネルギーが
低いはど各線の間隔が広くなっていることが分かる。こ
れは、低い濃度において多くの階調を割り振ることがで
きることを示しており、良好な中間調記録が行えること
を示す。

以上のように、発熱抵抗体１の最適な形状は、比ｇ≦１
．角度θ≦４５度となる。　ここで本サーマルヘッドで
は、発熱抵抗体１の角度θおよび高さｈ１比ｇ１辺１ａ
、ｌｂの長さＬａ、Ｌｂの間には、 ｇ　＝　Ｌ　ｂ　／　Ｌ　ａ　　　　　　　　　・・・
（９）＝ｓｉｎ　　θ　　　　　　　　　　　　　・・
・（１０）の関係がある。式（９）を式（１０）に代入
し、かつ長さＬａを前述した通りｒ　１００　Ｊとして
Ｌｂを消去すると、 ］ となる。この式（１１）を、横軸に角度θ、縦軸に比ｇ
１パラメータに高さｈを取ると、第３３図が得られる。

この図では、高さｈが大きくなるにつれてその尚さｈに
おける曲線は図中の右の方向に移動する。

ここで、本サーマルヘッドにおける発熱抵抗体１の最適
な形状の条件（比ｇ≦１．角度θ≦４５度）および、Ｇ
３ファクシミリ装置における規格より決定される条件（
高さｈ≦６５μｍ）をすべて満足させるには、第３３図
中に斜線で示される部分となる。

従って、Ｇ３ファクシミリ装置に適用されるサーマルヘ
ッドにおける発熱抵抗体１の最適な形状は、高さｈ　＝
　７０　ｐｍ、角度θ＝４５度、比ｇ＝１となる。

かくして以上詳述したサーマルヘッドであれば、発熱抵
抗体の中央付近において集中発熱が生じ、階調記録を行
うことができる。また、発熱抵抗体２ １は゛［；行四辺形状となっているのでその作製は容易
である。また発熱抵抗体１の形状を、比ｇ≦１角度θ≦
４５度としているので、エネルギー束中が確実にｚ＋＝
じ、良好な中間調記録を↑ｊえる。

なお、本発明は上記実地例に限定されるものてはない。

例えば、上記実ｈｌＤ例においては発熱抵抗体を一次元
配列するものとしているが、二次元配列としても良い。

また、上記失施例ではＧ３ファクシミリ装置に適用され
るサーマルヘッドを例示し、幅＝　１００　ｐｍ、高さ
ｈ　＝　７０　ｌＩｍ、角度θ＝４５度、比ｇ＝１とし
ているか、本ザーマルヘッドが適用されるのはＧ３ファ
クシミリ装置には限定されず、従って上記各数値も他の
値とすることが可能である。このほか、本発明の要旨を
逸脱しない範囲で種々の変形実施が可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、発熱抵抗体を、第１の辺とこの第１の
辺と交わる第２の辺との長さの比か１以下であり、かつ
上記第１の辺と」二記第２の辺とがなす鋭角の角度θが
４５度以下である平行四辺３ 形状とし、この発熱抵抗体の第］の辺と、このコＳ１の
辺の対辺である第３の辺とにそれぞれリード電極を接続
するようにしたので、簡易な構造でありながらん部的な
光熱を生じさせることができ、かつ良好な中間調記録を
行うことができるサーマルヘッドとなる。

【図面の簡単な説明】

第１国は本発明によるサーマルヘッドの概略構成を示す
図、第２図乃至第３３図は本発明の一実施例に係るサー
マルヘッドを説明する図であり、第２図は構成を示す平
面図、第３図は１つの発熱抵抗体における電流分布およ
び発熱状況を説明する図、第４図は境界要素法を説明す
る図、第５図は発熱抵抗体の形状を特定する種々の情報
を表す図、第６図は境昇要素広により得た発熱抵抗体中
の電流分布を示す図、第７図乃至第１２図は計算により
算出されたエネルギー分布を示す図、第１３図乃至第１
５図は発熱抵抗体の高さを一定としたときの角腹による
特性の女化を説明する図、第１６図乃至第１８図は予／
Ｉｌｌ］される記録特性およ４ び等濃度線を示す図、 第１ ９図乃至掬３０図は記 録特性の測定結果を示す図、 部 １図およ び ルヘラ ド作製の剋適条件を説明する区、第３４園および第３５
図は槌来技術を説明する囚である。 ・・・発熱抵抗体、 ２゜ ３　・・・ リ ド電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　第１の辺とこの第１の辺と交わる第２の辺との長さの
   比が１以下であり、かつ上記第１の辺と上記第２の辺と
   がなす鋭角の角度が４５度以下である平行四辺形状をな
   した発熱抵抗体と、 この発熱抵抗体の上記第１の辺と、この第１の辺の対辺
   である第３の辺とにそれぞれ接続された一対のリード電
   極とを具備したことを特徴とするサーマルヘッド。