JP2002307732A

JP2002307732A - サーマルヘッド

Info

Publication number: JP2002307732A
Application number: JP2001117205A
Authority: JP
Inventors: Kyoji Shirakawa; 享志白川; Satoru Sasaki; 悟佐々木
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2001-04-16
Filing date: 2001-04-16
Publication date: 2002-10-23

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、発熱抵抗体に供給する電力エネル
ギーを小さくすることにより省電力化しても、高品質の
印刷を行うことができるサーマルヘッド、及びその製造
方法を提供すること。【解決手段】放熱性基板１１の上面に形成した樹脂保
温層と、この樹脂保温層の上面に無機保温層１４を介し
て、複数の発熱抵抗体１６と給電体１７とにより形成し
た複数の発熱素子１６ａと、少なくとも発熱抵抗体１６
及び給電体１７の表面を被覆する耐摩耗層１８とを備
え、樹脂保温層は、ポリイミド樹脂からなる有機保温層
１３からなり、この有機保温層１３の上面に、Ｓｉと遷
移金属と酸素または窒素の化合物からなる断熱性の無機
保温層１４を積層し、この無機保温層１４の上面に、Ｓ
ｉまたはＡｌの酸化物、窒化物、炭化物から選ばれた無
機保護層１５を形成し、この無機保護層１５の上面に発
熱素子１６を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サーマルプリンタ
に使用される、高効率なサーマルヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来提案されているサーマルヘッドは、
図４に示すように、アルミナ等からなる放熱性基板１の
上面に、グレーズ保温層２が形成され、このグレーズ保
温層２の表面には、凸部２ａが突出形成されている。前
記グレーズ保温層２は、凸部２ａを含む上面に、耐熱性
がありポリイミド樹脂からなる樹脂保温層３が形成され
ている。また、樹脂保温層３の上面には、樹脂保温層３
を熱的、機械的弱点に補強するための無機保護層４が数
μｍの厚みで形成されている。この無機保護層４は、後
述する耐摩耗層７と同材質で、絶縁性のセラミックス膜
からなり、その熱拡散率が１〜１０ｍｍ² ／ｓｅｃと比
較的大きいセラミック材料で形成されている。

【０００３】また、無機保護層４の上には、Ｔａ−Ｓｉ
Ｏ２等からなる発熱抵抗体５がパターン状に形成され、
この発熱抵抗体５の上面には、発熱抵抗体５に電力エネ
ルギーを供給するための共通給電体６ａ及び個別給電体
６ｂからなる給電体６が形成されている。前記発熱抵抗
体５は、共通給電体６ａと個別給電体６ｂとに挟まれた
間の凸部２ａ上には、発熱素子５ａがドット状に形成さ
れている。また、給電体６及び発熱抵抗体５のそれぞれ
の上面には、硬質セラミックからなる耐酸化性および耐
摩耗性の耐摩耗層７が積層被覆され、印刷時の耐久寿命
特性を向上させるようにしている。

【０００４】このような従来提案されているサーマルヘ
ッドは、アルミニウム等からなるヒートシンク８に、樹
脂接着剤９により接着され、印刷時に放熱性基板１に蓄
熱される熱をヒートシンク８から放熱するようになって
いる。前記樹脂接着剤９は、高熱伝導性のシリコーン系
樹脂接着剤からなり、放熱性基板１に蓄熱される熱を短
時間でヒートシンク８側に放熱して、放熱性基板１の蓄
熱を極力少なくするように設計されている。

【０００５】このような、従来提案されているサーマル
ヘッドを用いた、例えばサーマルプリンタで記録用紙に
印刷するには、まず、印刷情報に基づいて各発熱抵抗体
５に通電することにより、複数の発熱素子５ａがジュー
ル熱を発生する。そして、耐摩耗層７の表面に密着した
感熱紙、または熱転写インクリボン（図示せず）を加熱
することにより、感熱紙の発色、または記録用紙へのイ
ンク転写が行われて、所望の文字、あるいは画像等が印
刷可能になっている。

【０００６】このような、サーマルプリンタは、近年バ
ッテリー駆動が可能で、容易に持ち運び可能な携帯性の
あるもののニーズが高まっている。そして、サーマルプ
リンタを携帯可能とするためには、バッテリー寿命を長
くしなければならなかったが、複数の発熱素子を有する
サーマルヘッドが最も消費電力が大きく、サーマルヘッ
ドに対して省電力化要求が強くなっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述したよう
な従来提案されているサーマルヘッドは、熱拡散率の小
さなポリイミド樹脂からなる樹脂保温層３上に、無機保
護層４を形成しているが、無機保護層４は、熱拡散率が
１〜１０ｍｍ² ／ｓｅｃと比較的大きなセラミック材料
であったために、印刷時に発熱させた発熱素子５ａの熱
が、無機保護層４から放熱されて、発熱素子５ａの温度
が低下し、印字濃度や印字熱効率が悪くなる問題があっ
た。その対策として、無機保護層４の厚みを薄くして、
印字熱効率を高める方法もあるが、このような無機保護
層４を薄くすると、印字中の機械的強度が著しく低下し
て、実用性が得られないという問題があった。

【０００８】そのために、無機保護層４への放熱分を見
込んで、発熱抵抗体５に大きな電力エネルギーを供給
し、発熱素子５ａの発熱温度を高くしていたので、サー
マルプリンタの消費電力が大きくなり、バッテリー寿命
が短くなる問題があった。本発明は前述したような問題
点に鑑みてなされたもので、発熱抵抗体に供給する電力
エネルギーを小さくすることにより省電力化しても、高
品質の印刷を行うことができるサーマルヘッド、及びそ
の製造方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の解決手段として本発明のサーマルヘッドは、放
熱性基板の上面に形成した樹脂保温層と、この樹脂保温
層の上面に無機保温層を介して、複数の発熱抵抗体と給
電体とにより形成した複数の発熱素子と、少なくとも前
記発熱抵抗体及び前記給電体の表面を被覆する耐摩耗層
とを備え、前記樹脂保温層は、ポリイミド樹脂からなる
有機保温層からなり、この有機保温層の上面に、Ｓｉと
遷移金属と酸素または窒素の化合物からなる断熱性の無
機保温層を積層し、この無機保温層の上面に、Ｓｉまた
はＡｌの酸化物、窒化物、炭化物から選ばれた無機保護
層を形成し、この無機保護層の上面に前記発熱素子を形
成した構成とした。

【００１０】また、前記課題を解決するための第２の解
決手段として、前記放熱性基板と前記発熱抵抗体との間
には、下層より順番に前記有機保温層、前記無機保温
層、前記無機保護層の３層に形成、または下層より順番
にグレーズからなる無機保温層と、前記有機保温層、前
記無機保温層、前記無機保護層の４層に形成した構成と
した。

【００１１】また、前記課題を解決するための第３の解
決手段として、前記有機保温層は、厚みが１０〜４０μ
ｍに形成された構成とした。

【００１２】また、前記課題を解決するための第４の解
決手段として、前記無機保温層は、Ｓｉ−遷移金属−
Ｏ、またはＳｉ−遷移金属−Ｎ、またはＳｉ−遷移金属
−Ｏ−Ｎの熱断熱性セラミック層からなり、その熱拡散
率が０．３〜０．５ｍｍ² ／ｓｅｃであり、厚みが５〜
２０μｍに積層形成された構成とした。

【００１３】前記無機保護層は、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、
Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮの絶縁性セラミッ
クから選ばれた一種からなり、厚みが０．１〜１μｍに
形成された構成とした。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明のサーマルヘッド
及びその製造方法を図面に基づいて説明する。図１は本
発明に関する要部断面図であり、図２は本発明に関する
その他の実施の形態の要部断面図であり、図３は本発明
のサーマルヘッドの熱特性図である。

【００１５】まず、本発明のサーマルヘッドは、図１に
示すように、アルミナ等からなる放熱性基板１１の上面
の全面、または一部分に、ガラスからなるグレーズ保温
層１２が、３０〜８０μｍの厚みで形成されている。こ
のグレーズ保温層１２の表面には、断面が略台形状の凸
部１２ａが、５〜１５μｍの高さに凸条として突出形成
されている。前記放熱性基板１１およびグレーズ保温層
１２の凸条部１２ａを含む上面全面に、耐熱性のあるポ
リイミド樹脂からなる保温層である有機保温層１３が、
１０〜４０μｍの厚さに形成されている。

【００１６】この有機保温層１３は、真空蒸着重合法に
より形成され、例えば真空チャンバーを排気しながら、
放熱性基板１１を略２００℃に加熱保持した後、ガス化
させた２種のポリイミド樹脂の原料モノマーを導入し
て、真空チャンバー内で化学反応させる。これにより放
熱性基板１１の表面形状に忠実に、有機保温層１３を、
ほぼ同じ厚みで積層形成することができる。そして、こ
の積層膜を４００〜６００℃の熱処理を施して、未反応
成分を反応させ、または除去することで、脱ガス量の少
ない高耐熱性の有機保温層１３を形成することができ
る。

【００１７】また、有機保温層１３を蒸着重合法で形成
することにより、数十グラムの原料モノマーで、１０〜
４０μｍの厚みのポリイミド膜を形成することができ、
有機保温層１３の材料費を安価にすることができる。ま
た、有機保温層１３は、熱拡散率が略０．１１ｍｍ² ／
ｓｅｃと、グレーズ保温層１２の熱拡散率が略０．４５
ｍｍ² ／ｓｅｃに対して略１／４と飛躍的に小さい材料
である。そのために、後述する発熱素子１６ａの発熱
を、有機保温層１３で蓄熱して、放熱性基板１１への放
熱を抑えることができ、印刷中の発熱素子１５ａの温度
低下を小さくして、高品質の印刷を行うことができる。

【００１８】また、有機保温層１３の上面には、ポリイ
ミド樹脂を熱的に補強するための、Ｓｉと遷移金属と酸
素、または窒素の複合酸化物、窒化物セラミックス等か
らなる無機保温層１４が５〜２０μｍの厚みに形成され
ている。前記無機保温層１４は、高ガス圧の反応性スパ
ッタリングで酸素、または窒素不足の低密度な黒色膜に
形成することにより、その熱拡散率が０．３〜０．５ｍ
ｍ² ／ｓｅｃと断熱性に優れ、遊離した活性な遷移金属
を含む、密着性に優れたセラミック層となっている。前
記無機保温層１４の上面には、無機保温層１４を機械的
および化学的に保護するための、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、Ｓ
ｉ−Ａｌ−Ｏ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等からなる、高絶縁
性の無機保護層１５が０．１〜１μｍの厚みに形成され
ている。

【００１９】また、無機保護層１５の上には、Ｔａ−Ｓ
ｉＯ２等の高融点サーメットからなる複数の発熱抵抗体
１６がパターン状に形成されている。この発熱抵抗体１
６は、少なくとも４００℃以上の温度で安定化アニール
処理がなされている。この発熱抵抗体１６の上面には、
発熱抵抗体１６に電力エネルギーを供給するためのＡ
ｌ、Ｃｕ、Ａｕ等の金属からなる給電体１７が、略１〜
２μｍの厚さに積層されて、共通給電体１７ａ、及び個
別給電体１７ｂが形成されている。

【００２０】そして、共通給電体１７ａと個別給電体１
７ｂとに挟まれた間の凸部１２ａ上には、発熱素子１６
ａがドット状に形成されている。また、発熱抵抗体１６
及び、共通給電体１７ａ、個別給電体１７ｂのそれぞれ
の上面には、Ｓｉ−Ｏ−ＮやＳｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ等から
なる耐摩耗層１８が略５μｍの厚みに積層被覆されて、
高効率サーマルヘッドが構成されている。

【００２１】そして、本発明のサーマルヘッドは、アル
ミニウム等からなるヒートシンク１９に、高熱伝導性の
シリコーン系樹脂からなる接着剤２０により接着されて
いる。このような構成の本発明のサーマルヘッドは、放
熱性基板１１と発熱抵抗体１６との間が、下層より順番
に、グレーズ保温層１２からなる無機保温層と、ポリイ
ミド樹脂からなる有機保温層１３、無機保温層１４、無
機保護層１５の４層に積層形成されているので、蓄熱性
能を良くすることができる。

【００２２】そのために、印刷時に発熱した発熱素子１
６ａの熱は、グレーズ保温層１２、無機保温層１４、有
機保温層１３、およびグレーズ保温層とにそれぞれ蓄熱
されるので、放熱性基板１１を介してのヒートシンク１
９への放熱はゆるやかとなり、印刷時の発熱素子１６ａ
の温度低下を小さくすることができ、高品質の印刷がで
きる。また、発熱抵抗体１６に供給する電力エネルギー
を小さくすることができ、本発明のサーマルヘッドを搭
載した、例えば携帯型サーマルプリンタ等の省電力化が
可能となり、バッテリー寿命を長くすることができる。

【００２３】また、図３に示すグラフは、従来と本発明
のサーマルヘッドの熱特性を比較したもので、グラフＤ
は従来のサーマルヘッドであり、グラフＥは本発明のサ
ーマルヘッドである。そして、グラフＤ、Ｅのサーマル
ヘッドに、それぞれ一定の電力を通電（ＯＮ）すると、
時間の経過と共に発熱抵抗体１６の発熱温度は、グラフ
Ｅの本発明のサーマルヘッドの方が高温になる。

【００２４】また、発熱抵抗体１６への通電を停止線Ｆ
で停止（ＯＦＦ）すると、グラフＤ、Ｅ共に発熱温度が
低下するが、蓄熱性能の良い本発明のサーマルヘッドの
方が緩やかに温度低下する。このような本発明のサーマ
ルヘッドは、発熱素子１６ａの発熱温度を印刷可能範囲
まで上げるのに、発熱抵抗体１６に供給する電力エネル
ギーを従来より小さくすることができる。

【００２５】また、本発明の実施の形態の説明では、放
熱性基板１１をアルミナ等からなるもので説明したが、
本発明のその他の実施の形態として、放熱性基板１１
を、放熱性の高い単結晶Ｓｉ、または金属板で形成し、
グレーズ保温層１２を形成してないものでも良い。この
ような放熱性基板１１を、単結晶Ｓｉ、または金属板で
形成することで、フォトリソ技術、研磨技術、あるいは
プレス技術等により、図２に示すように、放熱性基板１
１に直接凸部１１ａを形成することができる。そのため
に、本発明のその他の実施の形態のサーマルヘッドは、
製造が容易となり、製造時間を短縮することができる。

【００２６】このような、本発明のその他の実施の形態
のサーマルヘッドは、放熱性基板１１と発熱抵抗体１６
との間が、下層より順番に有機保温層１３からなる有機
保温層、無機保温層１４、無機保護層１５の３層に形成
されているので、蓄熱性能が良い。

【００２７】

【発明の効果】本発明のサーマルヘッドは、有機保温層
の上面に、Ｓｉと遷移金属と酸素または窒素の化合物か
らなる断熱性の無機保温層を積層し、この無機保温層の
上面に、ＳｉまたはＡｌの酸化物、窒化物、炭化物から
選ばれた無機保護層を薄く形成し、この無機保護層の上
面に発熱素子を形成したので、発熱素子の発熱を効率よ
く蓄熱することができ、発熱素子に供給する電力エネル
ギーが従来より小さくても、発熱素子を印刷可能範囲ま
で適正に発熱させることができる。そのために省電力化
が可能となり、携帯型のサーマルプリンタ等のバッテリ
ー寿命を長くすることができる。

【００２８】また、放熱性基板と発熱抵抗体との間に
は、下層より順番に有機保温層、無機保温層、無機保護
層の３層に形成、または下層より順番にグレーズからな
る無機保温層と、有機保温層、無機保温層、無機保護層
の４層に形成したので、蓄熱性能を向上させることがで
き、省電力化が可能なサーマルヘッドを提供できる。

【００２９】また、有機保温層は、厚みが１０〜４０μ
ｍに形成されているので、蓄熱性能を更に向上させるこ
とができる。

【００３０】また、無機保温層は、断熱性セラミック層
からなり、その熱拡散率が０．３〜０．５ｍｍ² ／ｓｅ
ｃであり、厚みを５〜２０μｍに積層形成したので、下
層のポリイミド樹脂からなる有機保温層を、機械的に保
護すると共に印字熱効率を向上させることができる。そ
のために、高熱効率で長寿命なサーマルヘッドを提供で
きる。

【００３１】また、無機保護層は、絶縁性セラミックか
らなり、厚みが０．１〜１μｍに形成されているので、
上層の発熱素子を確実に絶縁することができると共に、
厚みが薄いために、発熱抵抗体の発熱を下層の無機保温
層に瞬時に伝達することができる。そのために、無機保
護層での放熱が小さくて発熱抵抗体の発熱を効率よく蓄
熱することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関する要部断面図である。

【図２】本発明に関するその他の実施の形態の曜日断面
図である。

【図３】本発明のサーマルヘッドの熱特性図である。

【図４】従来のサーマルヘッドの要部断面図である。

【符号の説明】１１放熱性基板１２グレーズ保温層１３有機保温層１４無機保護層１５無機保護層１６発熱抵抗体１６ａ発熱素子１７給電体１７ａ共通給電体１７ｂ個別給電体１８耐摩耗層１９ヒートシンク２０接着剤

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放熱性基板の上面に形成した樹脂保温層
と、この樹脂保温層の上面に無機保温層を介して、複数
の発熱抵抗体と給電体とにより形成した複数の発熱素子
と、少なくとも前記発熱抵抗体及び前記給電体の表面を
被覆する耐摩耗層とを備え、前記樹脂保温層は、ポリイ
ミド樹脂からなる有機保温層からなり、この有機保温層
の上面に、Ｓｉと遷移金属と酸素または窒素の化合物か
らなる断熱性の無機保温層を積層し、この無機保温層の
上面に、ＳｉまたはＡｌの酸化物、窒化物、炭化物から
選ばれた無機保護層を形成し、この無機保護層の上面に
前記発熱素子を形成したことを特徴とするサーマルヘッ
ド。
【請求項２】前記放熱性基板と前記発熱抵抗体との間
には、下層より順番に前記有機保温層、前記無機保温
層、前記無機保護層の３層に形成、または下層より順番
にグレーズからなる無機保温層と、前記有機保温層、前
記無機保温層、前記無機保護層の４層に形成したことを
特徴とする請求項１記載のサーマルヘッド。
【請求項３】前記有機保温層は、厚みが１０〜４０μ
ｍに形成されていることを特徴とする請求項１、または
２記載のサーマルヘッド。
【請求項４】前記無機保温層は、Ｓｉ−遷移金属−
Ｏ、またはＳｉ−遷移金属−Ｎ、またはＳｉ−遷移金属
−Ｏ−Ｎの断熱性セラミック層からなり、その熱拡散率
が０．３〜０．５ｍｍ² ／ｓｅｃであり、厚みを５〜２
０μｍに積層形成したことを特徴とする請求項１乃至３
記載のサーマルヘッド。
【請求項５】前記無機保護層は、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、
Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮの絶縁性セラミッ
クから選ばれた一種からなり、厚みが０．１〜１μｍに
形成されていることを特徴とする請求項１乃至４記載の
サーマルヘッド。