JP2006142586A - サーマルヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】長尺のサーマルヘッドを製造すると、内部層の熱膨張による歪みが累積され、放熱層や絶縁基盤に剥がれや亀裂が生じ易くなる。
【解決手段】（ａ）絶縁基板と、（ｂ）絶縁基板上に形成された金属膜からなる放熱層と、（ｃ）放熱層を被覆する蓄熱層と、（ｄ）蓄熱層上に形成され、主走査方向に規定のドットピッチで配列された複数個の発熱抵抗体と、（ｅ）各発熱抵抗体と電気的に接続される配線電極群とでサーマルヘッドを形成する。この際、放熱層が、主走査方向の少なくとも１カ所に形成されたスリットにより複数の放熱体に分断されるように形成する。
【選択図】図３

Description

この発明は、発熱抵抗体が主走査方向に規定のドットピッチで配列されたサーマルヘッドに関する。

サーマルヘッドに関する技術文献の一つに特許文献１がある。特許文献１には、サーマルヘッドの低消費電力化と高速印字の両立を目的として開発された構造が開示されている。すなわち、絶縁基板上に放熱層、蓄熱層、発熱抵抗体を積層した構造を有するサーマルヘッドが開示されている。
このサーマルヘッドは、蓄熱層と絶縁基板との間に放熱層を配置して、印字終了後の余熱を蓄熱層から絶縁基板へ逃がし、印加パルス周期の短縮を実現する。すなわち、印刷スピードの向上を実現する。
特開平５−５０６２７号公報

ところで、放熱層を形成する銅やアルミニウムの線熱膨張係数は、絶縁基板を形成するガラスや蓄熱層を形成するポリイミド樹脂の線熱膨張係数に比べ一桁も大きい。
このため、長尺のサーマルヘッドを同構造で製造すると、熱膨張による歪みが累積され、放熱層や絶縁基盤に剥がれや亀裂が生じ易くなる問題がある。

そこで、発明者は、以下の構造を有するサーマルヘッドを提案する。すなわち、主走査方向の少なくとも１カ所に形成されたスリットにより、放熱層が複数の放熱体に分断された構造のサーマルヘッドを提案する。

発明に係る構造の採用により、放熱層を構成する個々の放熱体を、サーマルヘッド長の数分の１の長さで形成できる。
これにより、長尺のサーマルヘッドでも、消費電力の低減と高速印字とを両立できるサーマルヘッドを実現できる。勿論、短尺のサーマルヘッドにも効果的である。

以下、発明に係る技術手法を採用するサーマルヘッドの実施形態例を説明する。
なお、本明細書で特に図示又は記載されない部分には、当該技術分野の周知又は公知技術を適用する。
また以下に説明する実施形態は、発明の一つの実施形態であって、これらに限定されるものではない。

（Ａ）形態例１
（ａ）サーマルヘッドの構造
図１に、サーマルヘッド１のヘッド面を示す。サーマルヘッド１には、複数個の発熱体（抵抗体）が長手方向に沿って配列されている。このサーマルヘッド１の長手方向が主走査方向に対応する。実際の印刷は、主走査方向と直交する方向（副走査方向）にサーマルヘッド１と被記録媒体（例えば、印刷用紙）を相対移動させることで印刷イメージが被記録媒体上に記録される。
なお、図１の縮尺では、個々の発熱体を表現できない。このため、図１では、サーマルヘッド１上に形成された一群の発熱体を太線３で示す。ここで、個々の発熱体は、個々のドットに対応する。なお、個々の発熱体は、主走査方向の印刷解像度に応じたドット密度で配列されている。

図２に、サーマルヘッド１の部分断面構造を示す。この部分断面構造は、図１のＡ−Ａ部分の断面構造に対応する。従って、紙面に垂直の方向が主走査方向である。
サーマルヘッド１は、絶縁基板１１の上層に放熱層１３、蓄熱層１５、抵抗体膜１７、配線電極１９を順に積層した構造を有している。
絶縁基板１１は、ガラス、アルミナセラミックその他で構成する。なお、ガラスは反りが少なく、大面積化が容易である。このため、１枚のガラスから多数のヘッド用基板を取り出すことができる。また、ガラスは安価であるため、製造コストの低減を図る上で有利である。

放熱層１３は、銅、アルミニウムその他の熱導電性の高い金属材料で構成する。なお、放熱層１３には、下地層（絶縁基板１）よりも熱伝伝導性が高い材料を使用する。また、放熱層１３は、蓄熱層１５に蓄えられた熱を効率的に逃がすのに必要な厚みで形成する。
ここで、放熱層１３の主走査方向の長さは、少なくともサーマルヘッド長と同じかそれ以上に形成する。また、放熱層１３の副走査方向の長さ（幅）Ｌ２は、発熱体の幅（抵抗体長）Ｌ１よりも幅広に形成する。Ｌ２＞Ｌ１であるため、上層の熱を効率よく下層に逃がすことができる。

この構造が可能であるのは、放熱層１３が複数個の放熱体１３Ａで構成されるためである。すなわち、放熱層１３を単体の放熱体で形成する場合に比して、個々の放熱体１３Ａの長さが格段に短縮されるためである。
図３に、絶縁基板１１上に形成した放熱層１３のパターン例を示す。図３の場合、放熱層１３は、主走査方向に等間隔で配置された５つのスリット１３Ｂで分割された６つの放熱体１３Ａで形成する。
この形態例の場合、個々のスリット１３Ｂは、発熱体と発熱体の間に配置する。図４に、スリット１３Ｂと発熱体（抵抗体）の位置関係を示す。なお、スリット１３Ｂは、個々の放熱体１３Ａが応力を吸収できる範囲内に配置する。
この放熱層１３の分割パターンは、フォトリソグラフィー処理で形成する。

蓄熱層１５は、ガラス、ポリイミド樹脂その他で構成する。蓄熱層１５は、上層に位置する抵抗体膜１７で発生するジュール熱を蓄積し、固体インクが塗布されたシートや感熱紙に伝わる熱量を増やすために用いられる。
抵抗体膜１７は、その両端に電気的に接続された配線電極１９を通じて電流が流れることで発熱する導電性材料である。例えば、ＴａＳｉＯ₂ で形成される。
図５に、発熱体部分を上面から見た図を示す。抵抗体膜１７のうち配線電極１９で挟まれた領域が発熱体（抵抗体）に当たる。なお、図５は、抵抗体の下層に位置する放熱体１３Ｂに網掛けを付して表している。図５より、放熱体１３Ｂの副走査方向の長さ（幅）Ｌ２が、発熱体（抵抗体）の長さＬ１よりも広いことが分かる。

（ｂ）印刷動作
印刷動作時の内部動作を簡単に説明する。
まず、通電時、個々の発熱体（抵抗体）には、対応するドットの描画に必要なエネルギーが印加される。すなわち、個々のドットの描画に必要な電流が配線電極１９を通じて流される。これにより、個々の発熱体（抵抗体）は、各電流値に応じた熱を発生する。なお、個々の発熱体（抵抗体）に印加されるエネルギーの供給時間は、描画するドットに応じて異なる。
発生した熱は、発熱体（抵抗体）の下層に形成された蓄熱層１５に蓄積される。このため、少ない電流でも発熱体（抵抗体）のジュール熱を効率よく固体インクが塗布されたシートや感熱紙に伝えることができる。すなわち、低消費電力化を実現できる。

一方、通電終了後、個々の発熱体（抵抗体）の発熱は停止する。通電が終了するタイミングは、発熱体（抵抗体）毎に制御される。
一方、蓄熱層１５に蓄えられた熱は、発熱体（抵抗体）の発熱が停止した後も保持される。このため、蓄積された熱を速やかに逃がすことができないと、発熱体（抵抗体）による記録が継続される。すなわち、尾引現象が発生してしまう。
ただし、このサーマルヘッド１の場合、蓄熱層１５に蓄えられた熱は放熱層１３を通じて絶縁基板１１へと速やかに拡散される。この際、放熱層１３の幅Ｌ２は発熱体の幅（抵抗体長）Ｌ１よりも広いため、蓄熱層１５の熱は広範囲に速やかに拡散される。
結果的に印加サイクルの短縮が可能となり、高速印字を実現できる。

なお、放熱層１３は、蓄熱層１５や絶縁基板１１に比して線熱膨張係数が一桁大きい。ただし、この形態例の場合、放熱層１３を構成する個々の放熱体１３Ａの主走査方向の長さは、サーマルヘッド長の１／６である。すなわち、従来構造の場合の１／６である。
従って、個々の放熱体１３Ａに作用する主走査方向の応力は、少なくとも数分の１に低減される。結果的に、熱膨張を原因とした剥がれや亀裂が発生する可能性は格段に低減される。すなわち、サーマルヘッドの信頼性が向上し、製品寿命も延びる。

（ｃ）効果
放熱層１３を複数の放熱体１３Ａで形成する構成の採用により、蓄熱層１５を有するサーマルヘッドの場合にも、通電終了後の冷却効果を向上して高速印字を実現できる。
また、放熱層１３を複数の放熱体１３Ａに分割したことにより、放熱層と上下層との線熱膨張係数の違いによるバイメタル効果の応力を緩和し、長期の信頼性を確保できる。
また、放熱層１３を複数の放熱体１３Ａに分割したことにより、熱膨張の影響を低減でき、長尺のサーマルヘッドに放熱層１３を埋め込むことが可能になる。

（Ｂ）形態例２
（ａ）サーマルヘッドの構造
ここでは、放熱層１３の他の形態例を説明する。形態例１の場合、スリット１３Ｂは、発熱体（抵抗体）と平行に形成した。ただし、スリット１３Ｂの部分で蓄熱層１５の温度分布に乱れが生じ、放熱ムラが記録結果を通じて知覚される可能性がある。
そこで、この形態例では、複数の発熱体（抵抗体）を横切るように主走査方向に対して斜めにスリット１３Ｂを形成する。なお、形成するスリット１３Ｂの傾き以外は、形態例１の構造と同じである。

図６に、絶縁基板１１上に形成した放熱層１３のパターン例を示す。図６の場合も、放熱層１３は、主走査方向に等間隔で配置された５つのスリット１３Ｂで分割された６つの放熱体１３Ａで形成される。
図７に、発熱体（抵抗体）と放熱層１３に形成されたスリット１３Ｂとの位置関係を示す。この場合、スリット１３Ｂは、２つの発熱体（抵抗体）を斜めに横切るように形成される。なお、電極部分も含めると、スリット１３Ｂは、４つの抵抗体膜１７を斜めに横切るように形成される。

（ｂ）印刷動作及び効果
この場合も、蓄熱層１５に蓄えられた熱は、通電終了後、放熱層１３を通じて絶縁基板１１へと拡散される。この際、放熱層１３の幅Ｌ２は発熱体の幅（抵抗体長）Ｌ１よりも広いため、蓄熱層１５の熱は広範囲に速やかに拡散される。
この場合も、スリット１３Ｂの部分で蓄熱層１５の温度分布に乱れが生じる可能性がある。ただし、この場合は、放熱ムラの影響が少なくとも２つの放熱体（抵抗体）に分散される。従って、特定ドットの階調が周辺ドットの階調に対して目立つ現象を有効に回避できる。

（Ｃ）他の形態例
（ａ）前述の形態例１では、スリット１３Ｂを発熱体（抵抗体）と発熱体の隙間に位置するように配置した。しかし、図８に示すように、スリット１３Ｂは発熱体（抵抗体）の配置位置と重なるように配置しても良い。因みに、図８の場合、スリット１３Ｂは、発熱体（抵抗体）をほぼ２分する位置に配置されている。
（ｂ）前述の形態例２では、２つの発熱体（抵抗体）を横切るようにスリット１３Ｂを斜めに形成した。しかし、スリット１３Ｂが横切る発熱体（抵抗体）の数は２つに限らず、３つ以上でも良い。

（ｃ）前述の形態例では、放熱層１３の幅Ｌ２を蓄熱層１５の幅Ｌ１よりも広く形成したが、好ましくはＬ２をＬ１の１．５〜２程度とするのが望ましい。
（ｄ）前述の形態例では、１つの放熱層１３に対して５つのスリットを形成する場合について説明した。しかし、スリットの数は、サーマルヘッド長、材料、膜厚その他の構造上の条件に応じて１つ以上あれば良い。
（ｅ）前述の形態例では、スリット１３Ｂを等間隔で配置する場合について説明した。しかし、熱膨張による応力の吸収が可能な範囲であれば、スリット１３Ｂの配置間隔を等間隔に限る必要はない。
（ｆ）前述の形態例には、発明の趣旨の範囲内で様々な変形例が考えられる。また、本明細書の記載に基づいて創作される各種の変形例及び応用例も考えられる。

サーマルヘッドのヘッド面を示す図である。 サーマルヘッドの部分断面図である。 絶縁基板上に形成した放熱層のパターン例を示す図である。 スリットと発熱体の位置関係を示す図である。 発熱体の部分拡大図である。 絶縁基板上に形成した放熱層の他のパターン例を示す図である。 スリットと発熱体の他の位置関係を示す図である。 スリットと発熱体の他の位置関係を示す図である。

符号の説明

１ サーマルヘッド
１１ 絶縁基板
１３ 放熱層
１３Ａ 放熱体
１３Ｂ スリット
１５ 蓄熱層
１７ 抵抗体膜
１９ 配線電極

Claims (5)

1. 絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成された金属膜からなる放熱層と、前記放熱層を被覆する蓄熱層と、前記蓄熱層上に形成され、主走査方向に規定のドットピッチで配列された複数個の発熱抵抗体と、各発熱抵抗体と電気的に接続される配線電極群とを有するサーマルヘッドにおいて、
   前記放熱層は、主走査方向の少なくとも１カ所に形成されたスリットにより複数の放熱体に分断されている
   ことを特徴とするサーマルヘッド。
2. 請求項１に記載のサーマルヘッドにおいて、
   前記放熱層の幅Ｌ２を、各発熱抵抗体の抵抗体長Ｌ１よりも幅広に形成した
   ことを特徴とするサーマルヘッド。
3. 請求項１に記載のサーマルヘッドにおいて、
   前記スリットは、個々の放熱体が線熱膨張による応力を吸収できる範囲で配置する
   ことを特徴とするサーマルヘッド。
4. 請求項１に記載のサーマルヘッドにおいて、
   前記スリットは、発熱抵抗体と発熱抵抗体の間に配置する
   ことを特徴とするサーマルヘッド。
5. 請求項１に記載のサーマルヘッドにおいて、
   前記スリットは、複数の発熱抵抗体を横切るように主走査方向に対して斜めに形成される
   ことを特徴とするサーマルヘッド。
   

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