WO2019064826A1

WO2019064826A1 - サーマルヘッド

Info

Publication number: WO2019064826A1
Application number: PCT/JP2018/026365
Authority: WO
Inventors: 三千大宮繁; 範明大西; 範男山地
Original assignee: アオイ電子株式会社
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2018-07-12
Publication date: 2019-04-04
Also published as: CN111107999A; US20200122477A1; CN111107999B; US10953663B2; JP2019059164A; JP6499251B1

Abstract

サーマルヘッドは、絶縁基板上に設けられたアンダーグレーズ層と、前記アンダーグレーズ層上に設けられた電極と、前記電極上に設けられた発熱体と、少なくとも前記発熱体を被覆する、ガラス材料を含む第１保護層と、前記第１保護層上に設けられ、前記第１保護層よりも高融点であり、１０００℃以下の熱膨張係数が温度に対して概略一定の材料で形成された第２保護層と、を備える。

Description

サーマルヘッド

　本発明は、サーマルヘッドに関する。

　従来、サーマルヘッドを保護する耐摩耗性保護膜が知られている（特許文献１参照）。

日本国特開平５－１７７８５７号公報

　従来技術には、特に高速印刷時に十分な寿命が得られないという問題があった。

　本発明の第１の態様によると、サーマルヘッドは、絶縁基板上に設けられたアンダーグレーズ層と、前記アンダーグレーズ層上に設けられた電極と、前記電極上に設けられた発熱体と、少なくとも前記発熱体を被覆する、ガラス材料を含む第１保護層と、前記第１保護層上に設けられ、前記第１保護層よりも高融点であり、１０００℃以下の熱膨張係数が温度に対して概略一定の材料で形成された第２保護層と、を備える。
　本発明の第２の態様によると、第１の態様によるサーマルヘッドにおいて、前記第２保護層は、少なくとも１０００℃以上の融点を有することが好ましい。
　本発明の第３の態様によると、第２の態様によるサーマルヘッドにおいて、前記第１保護層の熱膨張係数および前記第２保護層の熱膨張係数は、６．０～７．０ｐｐｍ／℃であることが好ましい。
　本発明の第４の態様によると、第３の態様によるサーマルヘッドにおいて、前記第２保護層の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。
　本発明の第５の態様によると、第４の態様によるサーマルヘッドにおいて、前記第２保護層の比抵抗は、１００μΩ・ｃｍ以下であることが好ましい。
　本発明の第６の態様によると、第５の態様によるサーマルヘッドにおいて、前記第２保護層は、チタンおよびタングステンを含む材料で構成されることが好ましい。
　本発明の第７の態様によると、第６の態様によるサーマルヘッドにおいて、前記第１保護層の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍＫよりも大きいことが好ましい。
　本発明の第８の態様によると、第１の態様から第７の態様までのいずれかによるサーマルヘッドにおいて、前記第１保護層と前記第２保護層との間に設けられ、前記第１保護層および前記第２保護層よりも高い延性を有する第３保護層を更に備えることが好ましい。
　本発明の第９の態様によると、第８の態様によるサーマルヘッドにおいて、前記第３保護層は、チタンを含む材料により形成されることが好ましい。
　本発明の第１０の態様によると、第８の態様または第９の態様によるサーマルヘッドにおいて、前記サーマルヘッドの印字面において、前記第２保護層および前記第３保護層は、副走査方向の幅が前記第１保護層よりも狭いことが好ましい。
　本発明の第１１の態様によると、第８の態様から第１０の態様までのいずれかによるサーマルヘッドにおいて、前記第２保護層および前記第３保護層は、スパッタリングにより薄膜形成されることが好ましい。

　本発明によれば、長寿命なサーマルヘッドを提供することができる。

第１の実施の形態に係るサーマルヘッドの構成を示す平面図図１のＩ－Ｉ線断面を模式的に示す図保護膜の断面構造を詳細に示す模式図保護膜の断面構造を詳細に示す模式図

（第１の実施の形態）
　図１は、本発明の第１の実施の形態に係るサーマルヘッドの構成を示す平面図である。図２は、図１のＩ－Ｉ線断面を模式的に示す図である。サーマルヘッド１００は、支持板５上に固定された絶縁基板４および回路基板９を備える。絶縁基板４および回路基板９は、粘着層１１によって支持板５上に固定されている。

　絶縁基板４は、セラミックなどの絶縁体によって形成される。本実施の形態では、絶縁基板４は、セラミック基板４ａの上にアンダーグレーズ層４ｂを設けて構成されている。絶縁基板４上には、例えば金などの導体をフォトリソグラフィ法を用いて、不要な部分をエッチングにより除去することで、共通電極基部２１および複数の個別電極３が形成されている。共通電極基部２１および複数の個別電極３の上方（図２の紙面上方向）には、例えば厚膜印刷により、帯状の発熱体１が形成されている。本実施の形態では、ある曲率を有するアンダーグレーズ層４ｂは、発熱体１の下部に設けられている。

　プリント配線板等である回路基板９には、ドライバＩＣ６ａ、ドライバＩＣ６ｂ、および接続端子１０が設けられている。ドライバＩＣ６ａ、ドライバＩＣ６ｂはそれぞれ、複数の個別電極３に接続されて各発熱体１に流れる電流の通電、非通電を制御する駆動ＩＣである。以下の説明において、ドライバＩＣ６ａおよびドライバＩＣ６ｂをドライバＩＣ６と総称する。

　接続端子１０は、印字制御等を行う外部機器にサーマルヘッド１００を接続するための接続部材である。接続端子１０は、回路基板９の図１における下部に、すなわち回路基板９の絶縁基板４側とは逆側の縁に、一列に並べて複数配置されている。各々の個別電極３の一端は、ドライバＩＣ６にワイヤ７ｃで接続されている。ワイヤ７ｃは、個別電極３とドライバＩＣ６とを電気的に接続する、金線等の金属線である。

　共通電極２は、共通電極基部２１および複数の共通電極延在部２０を有する。共通電極基部２１は、矩形の絶縁基板４が有する４辺のうち、回路基板９に面した１辺を除く３つの辺に沿って、発熱体１を取り囲むように形成されている。複数の共通電極延在部２０は、図１において発熱体１と平行に延在する共通電極基部２１の一領域から副走査方向４２（図１の紙面上下方向）に沿って延在する。後述するように、発熱体１の延在方向は主走査方向４１である。

　共通電極基部２１の一方の端部２１ａは、複数のワイヤ７ａにより、回路基板９に設けられた配線パターン１３ａと電気的に接続される。配線パターン１３ａは、複数の接続端子１０のうちのいずれかと電気的に接続されている。共通電極基部２１の他方の端部２１ｂは、複数のワイヤ７ｂにより、回路基板９に設けられた配線パターン１３ｂと電気的に接続される。配線パターン１３ｂは、複数の接続端子１０のうちのいずれかと電気的に接続されている。

　複数の個別電極３はそれぞれ、接続部３２、個別電極延在部３０、および接続パッド３１を有する。個別電極延在部３０は、共通電極２の一対の共通電極延在部２０の間に位置し副走査方向４２に沿って延在する。接続部３２は、個別電極延在部３０の端部から副走査方向４２に延在する。

　接続パッド３１は、接続部３２の他端、すなわち個別電極延在部３０とは反対側の接続部３２の端部に設けられている。つまり、接続部３２の一端には個別電極延在部３０が設けられ、他端には接続パッド３１が設けられている。換言すると、個別電極延在部３０と接続パッド３１は接続部３２で接続されている。

　複数の共通電極延在部２０と複数の個別電極延在部３０は、交互に対向してかみ合うように形成されている。発熱体１は、複数の共通電極延在部２０と複数の個別電極延在部３０に跨がって、言い換えると横断して形成され、共通電極延在部２０と個別電極延在部３０の配列方向である主走査方向４１（図１の紙面左右方向）に延設されている。

　複数の接続パッド３１は、絶縁基板４の回路基板９側の縁部４ｘ（図１，図２）に沿って、すなわち主走査方向４１に沿って、所定ピッチで一列に配列されている。ドライバＩＣ６は、上面視が細長い矩形形状（全体として細長い四角柱）であり、長手方向を回路基板９側の縁部４ｘの延在方向に整列させて回路基板９にダイボンディングされている。ドライバＩＣ６の上面には、絶縁基板４に対向する縁部に沿って、すなわち主走査方向４１に沿って、複数のＩＣ電極パッド６０が形成されている。複数の接続パッド３１は、複数のＩＣ電極パッド６０と同一のピッチで配列されている。１つのＩＣ電極パッド６０には、１つの接続パッド３１が対応する。各々の接続パッド３１は、ワイヤ７ｃによって、対応するＩＣ電極パッド６０と電気的に接続されている。

　ドライバＩＣ６は、共通電極２から発熱体１を介して各々の個別電極３に流す電流を制御する。これにより、共通電極延在部２０と個別電極延在部３０とが交互に対向してかみ合う様に形成された部分の間にある発熱体１の微小領域に電流が流れ、その部分が発熱する。この熱を感熱紙などの印字媒体に与えることで印字が行われる。

　なお、図１では、作図の都合上、個別電極３を実際よりも少なく簡略化して図示している。そのため、共通電極延在部２０の個数、個別電極延在部３０の個数、接続パッド３１の個数、ＩＣ電極パッド６０の個数なども、実際よりも少なく図示している。

　絶縁基板４の全体のうち、縁部４ｘを除く部分は、図１および図２に斜線で示す厚膜保護膜１２により被覆される。厚膜保護膜１２は、例えばガラス材料を主材料として構成され、その厚みは４～１０μｍ程度、熱膨張係数は６．０～６．７ｐｐｍ／℃程度、熱伝導率は１０ｗ／ｍ・Ｋ未満である。厚膜保護膜１２には、表面に一定の粗さを設け、薄膜保護膜１４との密着を高めている。実験的には、Ｒａが０．１～０．２μｍの範囲がよい。

　厚膜保護膜１２の全体のうち、発熱体１を含む紙面上方向の一部分は、図１および図２に網掛けで示す薄膜保護膜１４により被覆される。薄膜保護膜１４は、例えば１０重量パーセントのチタンと９０重量パーセントのタングステンを含む合金により構成され、その厚みは４μｍ程度、熱膨張係数は６．０ｐｐｍ／℃程度、熱伝導率は１３．６ｗ／ｍ・Ｋ程度で、１０００℃以下の熱膨張係数が温度に対して概略一定でかつ、融点が１０００℃以上である。薄膜保護膜１４は、例えばスパッタ等の薄膜装置により形成される。

　封止樹脂８は、絶縁基板４と回路基板９に跨がり、ドライバＩＣ６、ワイヤ７ａ、ワイヤ７ｂ、ワイヤ７ｃを含む、絶縁基板４と回路基板９との境界の領域を封止する。封止樹脂８は、ワイヤ７ａ、ワイヤ７ｂ、ワイヤ７ｃなどが、外部からの接触や衝撃により破断ないし剥離することを防止する。

　図３は、発熱体１近傍の断面を模式的に示す図である。絶縁基板４の基部であるセラミック基板４ａの一部の上には、ある曲率を有するアンダーグレーズ層４ｂが形成される。アンダーグレーズ層４ｂの上およびアンダーグレーズ層４ｂが形成されていないセラミック基板４ａ部分の上には、共通電極基部２１や個別電極３が形成され、その上に発熱体１が形成される。発熱体１、共通電極２、共通電極基部２１、および個別電極３の上には、それらを被覆する厚膜保護膜１２が形成される。厚膜保護膜１２の上には、スパッタ等により薄膜保護膜１４が形成される。

　印字動作は、一般的に発熱体１の素子列単位で行われる、各発熱体１に通電する時間と非通電の時間の組み合わせで構成される印字周期が基本単位となる。通電期間中は発熱体１の上部に形成された厚膜保護膜１２と薄膜保護膜１４の温度が上昇し、非通電の期間中は逆に降下することになるが、この時、温度上昇時のピーク温度は約３００℃を超え、且つ、温度上昇時のピーク温度と降下時のボトム温度差は約２５０℃に及ぶ場合がある。本発明では、最上層の保護膜を、１０００℃以下の熱膨張係数が温度に対して概略一定でかつ、融点が１０００℃以上の薄膜保護膜１４で構成したことで、薄膜保護膜１４に伝達される熱量に対して起こりうる薄膜保護膜１４の機械的な変形に対して十分な余裕度が確保できる。
　さらに、印字周期単位で行われる発熱体１の上部の厚膜保護膜１２と薄膜保護膜１４の前記ピーク温度とボトム温度の間で上下する熱量による膨張、収縮のストレスに対し、本発明では、熱膨張係数を厚膜保護膜１２と薄膜保護膜１４と概略合わせることで、前記熱量に対する膨張および収縮が厚膜保護膜１２と薄膜保護膜１４と概略同じ挙動となるため、厚膜保護膜１２と薄膜保護膜１４との間の熱膨張の違いによるストレスを抑制でき、より強固な接着力が確保できる。
　さらに薄膜保護膜１４が高融点であり、かつ高熱伝導であることで、印加されるエネルギーに対する耐性が向上する。実験的には薄膜保護膜１４を厚膜材料で構成する場合と比較し、５０％以上のエネルギー耐性の向上を確認している。
　また、本発明の薄膜保護膜１４は、比抵抗が５３．６μΩ・ｃｍの性質を有しており、外乱的に印加される静電気耐性についても耐性が向上している。実験的には、３３０Ω、１５０ｐＦの放電定数で接触放電を発熱体上の薄膜保護膜１４に行った場合、１５ｋＶ以上の耐性を確認している。

　プラテンローラーでサーマルヘッド１００を押圧した状態で印刷用紙を摺動させる際、外乱として砂塵等の異物がサーマルヘッド１００上に侵入する可能性がある。このような異物は、薄膜保護膜１４を損傷させる恐れがある。
　本実施の形態では、薄膜保護膜１４を靱性のあるチタン・タングステンにより構成したので、砂塵等の異物が侵入した場合であっても、印刷に支障が生じるほど傷が深さ方向に侵攻することを遅らせることができ、長寿命でかつ高信頼性を有するサーマルヘッド１００を提供することができる。

　すなわち、上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）ガラス材料を含む厚膜保護膜１２が発熱体１を被覆し、チタンおよびタングステンを含む高融点の薄膜保護膜１４が厚膜保護膜１２上に設けられる。このようにしたので、信頼性の高いサーマルヘッド１００を提供することができる。
（２）薄膜保護膜１４が高融点でかつ高熱伝導率であるので、印加されるエネルギーに対しても耐性が向上でき、感度の悪い印刷用紙にも適正な印字を提供することができる。
（３）薄膜保護膜１４を金属の性質を有するチタン・タングステンとしたので、静電気に対して耐性のある、高信頼性のサーマルヘッド１００を提供することができる。

（第２の実施の形態）
　以下、本実施の形態に係るサーマルヘッド１００の、第１の実施の形態に係るサーマルヘッド１００との違いについて述べる。
　第２の実施の形態に係るサーマルヘッド１００は、厚膜保護膜１２の熱伝導率を高くした点において、第１の実施の形態とは異なる。具体的には、厚膜保護膜１２の熱伝導率を、例えば１０ｗ／ｍ・Ｋ以上にする。好ましくは、厚膜保護膜１２の熱伝導率を、例えば１６ｗ／ｍ・Ｋ以上にする。

　近年のプリンターの高速印字の動向にあっては、３５０ｍｍ／秒以上の印字速度となる場合がある。この場合、印字周期が短くなるために（３５０ｍｍ／秒の印字速度で、副走査方向の印字密度が８ライン／ｍｍの場合、３５７μ秒／印字周期）、発熱体１の各素子のピーク温度は時間に対して急峻なカーブを描き、温度降下時のボトム温度は室温まで下がりきらずに熱が蓄積されていく傾向が強くなる。実験的には、発熱体１の各素子単位に印字周期毎で連続的にエネルギーを印加し続けると、印加されたエネルギーで蓄積された熱により、発熱体１の上部に相当する薄膜保護膜１４上のピーク温度が４００～５００℃以上に達することが確認されている。ここで、薄膜保護膜１４は、スパッタ等によりチタン・タングステンを薄膜形成しており、その内部には比較的大きな内部応力が存在する。また、薄膜保護膜１４との接着面である厚膜保護膜１２の表面は、薄膜保護膜１４の内部応力に対して下層の厚膜保護膜１２との間の接着力を確保するために表面粗さ、Ｒａが０．１～０．２μｍ程度となるように調整しアンカー効果を持たせている。この表面粗さにより静的には十分な接合が得られることが実験的に確認できているが、印字動作中に熱が印加されると、厚膜保護膜１２の表面粗さの存在により薄膜保護膜１４にアンカーを打ち込んだ状態になっているため、薄膜保護膜１４の厚膜保護膜１２との界面付近のアンカーの箇所では、熱の膨張、収縮による局部的な内部応力の乱れが生じ、接着力の低下を招く恐れがある。本実施の形態では、厚膜保護膜１２に１６Ｗ／ｍ・Ｋの高い熱伝導率を持たせたことにより、発熱体１から伝達される熱が厚膜保護膜１２内で蓄積されにくくなるため、厚膜保護膜１２の膨張または収縮が起こりにくくなり、薄膜保護膜１４と厚膜保護膜１２との十分な接着力が確保できる。
　さらに前記したように、薄膜保護膜１４は、５００～６００℃のガラス転移点を有する厚膜材料とは異なり、１０００℃以下の熱膨張係数が温度に対して概略一定でかつ１０００℃以上の融点を有する材料であることから、プラテンローラーで印刷用紙をサーマルヘッド１００に押圧した状態で印刷用紙を摺動させた場合であっても、前記のような高速印字による４００～５００℃のピーク温度による熱ストレスで薄膜保護膜１４の熱的な変形が起こりにくくなるため、磨耗が抑制でき長寿命なサーマルヘッド１００が提供できる。
　また、前記したように、薄膜保護膜１４に１３．６Ｗ／ｍＫ程度の高い熱伝導率を持たせたことにより、高速印刷を行った場合であっても、薄膜保護膜１４の、発熱体１の熱を印加した箇所に相当する領域において熱がすばやく均一に広がり、蓄が蓄積することなく帯引き等の弊害のない高画質の印字を提供することができる。

（第３の実施の形態）
　以下、本実施の形態に係るサーマルヘッド１００の、第１の実施の形態に係るサーマルヘッド１００との違いについて述べる。
　図４は、発熱体１近傍の断面を模式的に示す図である。第３の実施の形態に係るサーマルヘッド１００は、厚膜保護膜１２と薄膜保護膜１４の間に、中間層１５を有する。中間層１５は、少なくとも薄膜保護膜１４が被覆する領域と同じ領域を被覆する。中間層１５は、例えばチタン等を主材料として構成され、その厚みは０．０５～０．５μｍ程度である。

　第２の実施の形態で説明したように、薄膜保護膜１４において生じる局部的な内部応力の増大により、薄膜保護膜１４が剥がれてしまう恐れがある。
　本実施の形態では、薄膜保護膜１４と厚膜保護膜１２との間に、延性のあるチタンで構成した中間層１５を設けたので、薄膜保護膜１４の内部応力を中間層１５が緩和し、薄膜保護膜１４との接着力の向上が期待できる。その結果、より長寿命なサーマルヘッド１００を提供することができる。

　次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
（変形例１）
　第３の実施の形態において、薄膜保護膜１４と中間層１５は厚膜保護膜１２よりも副走査方向に対し形成領域が狭くなっている。そこで、厚膜保護膜１２上で薄膜保護膜１４および中間層１５が形成されていない領域にアライメントマークを配置してもよい。このようにすることで、発熱体１が形成された絶縁基板４を支持板５上に精度よく位置決めすることができる。

　上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれら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。

　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願２０１７年１８６６７３号（２０１７年９月２７日出願）

１００…サーマルヘッド、１…発熱体、２…共通電極、３…個別電極、４…絶縁基板、６、６ａ、６ｂ…ドライバＩＣ、７ａ、７ｂ、７ｃ…ワイヤ、８…封止樹脂、９…回路基板、１２…厚膜保護膜、１４…薄膜保護膜

Claims

　絶縁基板上に設けられたアンダーグレーズ層と、
　前記アンダーグレーズ層上に設けられた電極と、
　前記電極上に設けられた発熱体と、
　少なくとも前記発熱体を被覆する、ガラス材料を含む第１保護層と、
　前記第１保護層上に設けられ、前記第１保護層よりも高融点であり、１０００℃以下の熱膨張係数が温度に対して概略一定の材料で形成された第２保護層と、
を備えるサーマルヘッド。
　請求項１に記載のサーマルヘッドにおいて、
　前記第２保護層は、少なくとも１０００℃以上の融点を有するサーマルヘッド。
　請求項２に記載のサーマルヘッドにおいて、
　前記第１保護層の熱膨張係数および前記第２保護層の熱膨張係数は、６．０～７．０ｐｐｍ／℃であるサーマルヘッド。
　請求項３に記載のサーマルヘッドにおいて、
　前記第２保護層の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍＫ以上であるサーマルヘッド。
　請求項４に記載のサーマルヘッドにおいて、
　前記第２保護層の比抵抗は、１００μΩ・ｃｍ以下であるサーマルヘッド。
　請求項５に記載のサーマルヘッドにおいて、
　前記第２保護層は、チタンおよびタングステンを含む材料で構成されるサーマルヘッド。
　請求項６に記載のサーマルヘッドにおいて、
　前記第１保護層の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍＫよりも大きいサーマルヘッド。
　請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載のサーマルヘッドにおいて、
　前記第１保護層と前記第２保護層との間に設けられ、前記第１保護層および前記第２保護層よりも高い延性を有する第３保護層を更に備えるサーマルヘッド。
　請求項８に記載のサーマルヘッドにおいて、
　前記第３保護層は、チタンを含む材料により形成されるサーマルヘッド。
　請求項８または請求項９に記載のサーマルヘッドにおいて、
　前記サーマルヘッドの印字面において、前記第２保護層および前記第３保護層は、副走査方向の幅が前記第１保護層よりも狭いサーマルヘッド。
　請求項８から請求項１０までのいずれか一項に記載のサーマルヘッドにおいて、
　前記第２保護層および前記第３保護層は、スパッタリングにより薄膜形成されるサーマルヘッド。