JP5467913B2

JP5467913B2 - サーマルヘッド

Info

Publication number: JP5467913B2
Application number: JP2010097855A
Authority: JP
Inventors: 進荒内
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2030-04-21
Also published as: US8384751B2; CN102233741B; JP2011224902A; CN102233741A; US20110261134A1

Description

本発明はプリンタの印刷部に用いられるサーマルヘッドに関する。

プリンタの印刷部に搭載されるサーマルヘッド１は、図７に示すように、ヘッド基板２を備えている。前記ヘッド基板２上には、ガラス等の断熱材料によって蓄熱層３ａが形成されている。この蓄熱層３ａの一部はシリンドリカル状に形成された部分グレーズ３ｂが設けられている。蓄熱層３上には、主走査方向に所定の幅で発熱抵抗体層４が積層され、前記発熱抵抗体層４と、該発熱抵抗体層４に通電するＡｌからなる電極Ｅとで発熱素子６が形成されている。また、ＳｉＡｌＯＮやＴａ₂Ｏ₅等の耐摩耗性材料からなり、発熱素子６を構成する発熱抵抗体層４及び電極層Ｅを覆って、その表面を保護する保護層１１が形成されている。前記ヘッド基板２上、又は、近接して配設されたプリント基板（図示せず）には、記録紙搬送方向と直交する主走査方向（記録紙の幅方向）に整列させて配設された複数のドライバＩＣ１２（図８参照）が配設されている。プリント基板上にドライバＩＣ１２が配設された場合は、ワイヤボンデング等によりヘッド基板２上の電極層Ｅと接続される。

ここで、蓄熱層３は、ヘッド基板２に形成されたグレーズ層であり、主走査方向に延在させて形成されている。そして、発熱抵抗体層４は、Ｔａ₂Ｎ又はＴａ−ＳｉＯ₂等のサーメット材料を用いて蓄熱層３の上に部分的に形成されており、電極層Ｅは、発熱抵抗体層４の副走査方向における一端側に接続された個別電極９、および、発熱抵抗体層４の副走査方向における他端側に接続された共通電極１０とを有している。

ここで、個別電極９は、各発熱抵抗体層４を個別に通電するための電極であり、また、共通電極１０は、複数の発熱抵抗体層４に共通電位を与える電極である。前記個別電極９は、発熱抵抗体層４の長さ方向に延びる、導体としての金属薄膜からなる帯状電極で形成され、それぞれ対応する個別電極９への通電／非通電を切り替える複数のドライバＩＣ１２の端子１２ａに接続されている。

ここで、サーマルヘッド１において、１つのドライバＩＣ１２の端子１２ａに接続される個別電極９は、端子と発熱素子の配設寸法差や抵抗値等の諸事情から、各端子１２ａから対応する発熱素子６に向かって左右対称の扇面状に拡がる配線パターンで形成されるのが一般的である。つまり、サーマルヘッド１の前記個別電極９の配線パターンは、図８に示すように、各ドライバＩＣ１２に対する配列において端部に接続された個別電極９よりも中央側に配置された個別電極９の方が引き回し寸法が短くなる放射状（扇骨状）にパターン形成される。

このようなサーマルヘッド１においては、個別の発熱素子６に接続された個別電極９の抵抗値のばらつきが発熱素子６の発熱に影響して印刷の濃度むらを発生させ、良好な印刷結果を得ることができない要因となることに着目され、種々の補正方法が提案されてきた（特許文献１および特許文献２参照）。

特開２０１０−５７９４号公報特開昭６２−２８２９５０号公報

しかしながら、発熱素子６の発熱に影響して印刷の濃度むらを発生させる要因は、前述の個別電極９の抵抗値のばらつきに限るものではなく、前記個別電極９の容量（体積）差による放熱性のばらつきもその要因の１つである。

本発明は、この点に鑑み、各個別電極の容量差を小さくして放熱性のばらつきを抑え、さらには、抵抗値のばらつきをも抑えて、発熱素子の発熱を均一なものにして印刷の濃度むらを無くし、良好な印刷結果を得ることのできるサーマルヘッドを提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明に係るサーマルヘッドは、絶縁性の基板と、１乃至複数のドライバＩＣと、前記基板上において主走査方向に配列された複数の発熱素子と、前記基板上において各発熱素子の一端側にそれぞれ設けられ、各発熱素子を前記ドライバＩＣと接続する複数の個別電極と、前記基板上において各発熱素子の他端側に共通に設けられた共通電極とを備えたサーマルヘッドにおいて、前記個別電極の配線パターンには、各個別電極の容量差が小さくなるように調整する容量調整部が形成されていることを特徴とする。

また、前記個別電極の配線パターンは、各個別電極の配線抵抗が一定に調整されて形成されていることを特徴とする。

具体的には、前記個別電極の配線パターンの前記発熱素子とドライバＩＣとを結ぶ本線に、前記本線から側方へ延出する少なくとも１本の枝線を形成して前記容量調整部とするとともに、前記容量調整部を含む各個別電極の配線抵抗を一定に調整する。

または、前記個別電極の配線パターンの前記発熱素子とドライバＩＣとを結ぶ本線をミアンダ状に形成して前記容量調整部とし、あるいは、前記個別電極の配線パターンの前記発熱素子とドライバＩＣとを結ぶ本線の導体を部分的に厚く形成して前記容量調整部とするとともに、前記容量調整部を含む各個別電極の配線抵抗を一定に調整してもよい。

このように個別電極の配線パターンに容量調整部を形成することにより、サーマルヘッドの主走査方向に配列された各発熱素子の個別電極の容量差を小さくして放熱性のばらつきを抑えることで、発熱素子の熱分布のばらつきを抑えることができる。さらに、前記容量調整部が形成された状態において、前記容量調整部で部分的に幅や厚みを狭くしたり、個別電極の配線パターンの幅や厚みなどの調整で、各個別電極の配線パターンの抵抗値を整えることで、発熱素子の発熱を均一なものにすることができる。

本発明のサーマルヘッドは、発熱素子の発熱を均一なものにして印刷の濃度むらを無くし、良好な印刷結果を得ることができるといった優れた効果を奏する。

本発明のサーマルヘッドの要部構成を示す模式図本発明の別のサーマルヘッドの要部構成を示す模式図本発明のさらに別のサーマルヘッドの要部構成を示す模式図（ａ）とＡ−Ａ断面図（ｂ）本発明において、基準となるサーマルヘッドのドライバＩＣの端部に接続された個別電極と中央側に配置された個別電極の容量差が温度差に与える影響を検証するシミュレーションの結果を表すグラフ（実線）と、基準のサーマルヘッドの個別電極を、発熱素子から１．４ｍｍの距離でカットしたサーマルヘッドのドライバＩＣの端部に接続された個別電極と中央側に配置された個別電極の容量差が温度差に与える影響を検証するシミュレーションの結果を表すグラフ（破線）本発明のサーマルヘッドの試料となる形状モデルの形状寸法の説明図試料２のサーマルヘッドの形状モデルにおいて発熱素子からの距離を異ならせて個別電極をカットした形状モデルの容量差を求めた結果を表すグラフサーマルヘッドの発熱素子の形状を示す要部断面図サーマルヘッドの発熱素子とドライバＩＣとを繋ぐ個別電極の配線パターン形状の一例を示す模式図

以下、本発明の実施形態におけるサーマルヘッドの個別電極の配線パターンについて説明する。なお、特に説明を加えない限りにおいて、本発明のサーマルヘッドは前述の従来の構成と同じ構成を有するものとする。

本実施形態において、各発熱素子６とドライバＩC１２とを電気的に接続する個別電極９の配線パターンには、各個別電極９の導体の容量（体積）差（以下、単に「容量差」という。）が小さくなるように調整するための容量調整部１３が形成されており、かつ、前記個別電極９の配線パターンは、その配線抵抗を一定にするように調整されて形成されている。

具体的には、図１に示すように、発熱素子６を構成する発熱抵抗体層４とドライバＩＣ１２の端子１２ａとを結ぶ個別電極９の配線パターンの本線９ａに、前記本線９ａから側方へ延出する枝線９ｂを形成して容量調整部１３が形成されている。そして、容量調整部１３により、容量差が小さくなるように、望ましくは均一になるように調整されているとともに、前記容量調整部１３を含む各個別電極９の太さを調整する等して、各個別電極９の配線抵抗を一定に調整するようになっている。

前記容量調整部１３は、図２に示すように、個別電極９の配線パターンの発熱素子６とドライバＩＣ１２とを結ぶ本線９ａをジグザグに折り曲げて、いわゆるミアンダ状に形成してもよい。

あるいは、図３に示すように、個別電極９の配線パターンの発熱素子６とドライバＩＣ１２とを結ぶ本線９ａの導体を部分的に厚く形成してもよい。なお、この容量調整部１３の個別電極９に対する形成位置についてはさらに後述する。

このような構成とされたサーマルヘッド１は、個別電極９の配線パターンに容量調整部１３を形成することにより、サーマルヘッド１の主走査方向に配列された各発熱素子６に接続される各個別電極９の容量差を小さくして放熱性のばらつきを抑え、さらに、容量調整部１３が形成された状態において各個別電極９の配線パターンの配線抵抗を整えることで、発熱素子６の発熱を均一なものにし、印刷の濃度むらを無くし、良好な印刷結果を得ることができるものとなる。

ここで、前述のように、１つのドライバＩＣ１２の端子１２ｃに接続される個別電極９が発熱素子６に向かって左右対称の扇面状に拡がる配線パターンに形成されたサーマルヘッド１においては、ドライバＩＣ１２の端部に形成された端子１２ａと、それに対応する発熱素子６との間の距離寸法が最も長く、ドライバＩＣ１２の中央に形成された端子１２ａと、それに対応する発熱素子６との間の距離寸法が最も短い（図８参照）。このように、個別電極９の配線パターンを引き回し形成する距離寸法に長短がある場合において、前記個別電極９の配線パターンに形成される容量調整部１３は、ドライバＩＣ１２の端部に接続された個別電極９と、中央に接続された個別電極９との容量差が３０％以下となるように設計されていることが望ましく、さらには、端部に接続された個別電極９から中央に接続された個別電極へ向かって、その容量差が漸次小さくなるように設定されていることが望ましい。

図４は、前述のように、ドライバＩＣ１２に対し、個別電極９が放射状に接続された配線パターンを有するサーマルヘッド１において、ドライバＩＣ１２の端部に接続された個別電極９と中央側に配置された個別電極９との容量差が温度差に与える影響、さらに具体的には、容量差をどの程度小さくすれば、発熱素子に生じる温度差の問題が改善されるのかを検証するためのシミュレーションの結果を表すグラフである。

このシミュレーションにおいて基準とするサーマルヘッド１は、ドライバＩＣ１２の端部に接続された１本の個別電極９の容量を１００とした場合に、中央に接続された１本の個別電極９の容量は６０である従来の仕様のサーマルヘッドである。つまり、このサーマルヘッド１のドライバＩＣ１２に対する配列における端部に接続された１本の個別電極９と中央に接続された１本の個別電極９との容量差は４０％（＝（１−中央の個別電極の容量／端部の個別電極の容量）×１００）である。

また、対比するサーマルヘッド１は、基準となるサーマルヘッド１のドライバＩＣ１２に対する配列における中央に接続された１本の個別電極９の容量を増やし、容量差を３０％とされたサーマルヘッド１（試料１）、同様に容量差が１６％とされたサーマルヘッド１（試料２）、および容量差が０％とされたサーマルヘッド１（試料３）である。

実際のシミュレーションは、前記基準、試料１、試料２、試料３の各サーマルヘッド１についてそれぞれ、ドライバＩＣ１２に対する配列における端部に接続された１本の個別電極９に見立てた形状モデルＭ１と、中央に接続された１本の個別電極９とに見立てた形状モデルＭ２を作成し、各サーマルヘッド１における発熱抵抗条件と同じ条件で通電させ、両形状モデルＭ１，Ｍ２の温度差を測定した。形状モデルＭ１，Ｍ２の形状寸法等は図５に示すとおりに、配線パターンの導体部分を発熱素子６に対し、直線状に形成している。

なお、図４の表には、基準となるサーマルヘッド１におけるドライバＩＣ１２の端部に接続された１本の個別電極９と中央に接続された１本の個別電極９との温度差（＝ドライバＩＣの中央に接続された１本の個別電極９の温度−ドライバＩＣの端部に接続された１本の個別電極９の温度）を１００％とし、温度差が全くない状態を０％と想定し、各サーマルヘッド１について測定した温度差の数値の割合を算出して、温度差に関する結果（温度差比）とした。すなわち、温度差比は、現状のサーマルヘッド１における温度差を基準とした各サーマルヘッド１における温度差の割合（％）であり、この温度差比が小さい程、従来のサーマルヘッド１の温度差の問題は改善されていることを示す。

その結果、図４に示すように、容量差が３０％とされたサーマルヘッド（試料１）においては、温度差は、基準としたサーマルヘッド１の温度差を１００％とした場合の２０％となっており、さらには、前記容量差が１６％とされたサーマルヘッド１（試料２）においては、温度差は、基準としたサーマルヘッド１の温度差を１００％とした場合の０％となった。また、容量差が０％とされたサーマルヘッド１（試料３）においては、温度差は、基準としたサーマルヘッド１の温度差を１００％とした場合の−１０％となった。この温度差のマイナス値は、基準となるサーマルヘッド１において、ドライバＩＣ１２の端部に接続された個別電極９の方が、中央に接続された個別電極９よりも高温となっていることを示す。

ところで、印刷結果に影響を与えない程度の発熱素子６の発熱のばらつきを許容するとすると、実際には、温度差が１０％以内となるサーマルヘッド１が望ましい。

そこで、図４の表に示す、前記基準、試料１および試料２の各サーマルヘッド１についての測定結果の近似曲線から、温度差０％±１０％の範囲の容量差を求めると、容量差０％〜２６％であれば現行のサーマルヘッド１の温度差のばらつきの問題は解消され、容量差３０％としても、温度差２０％であり、相当改善されることが解った。

よって、本実施形態においては、容量調整部１３を各個別電極９の容量差が３０％以下となるように設計し、発熱素子の発熱を均一なものにして印刷の濃度むらを無くし、良好な印刷結果を得るようにする。

また、前記容量調整部１３は、前記各個別電極９において発熱素子６から１．４ｍｍの範囲内に形成することが肝要である。

つまり、前述のシミュレーションでは、容量差が１６％とされた試料２のサーマルヘッド１で温度差が０％となり、容量差が０％とされた試料３のサーマルヘッド１では、ドライバ１Ｃ１２の端部に接続された個別電極９と中央に接続された個別電極９とで発熱の高低が基準のサーマルヘッド１と逆になった状態となり、温度差は１０％であった。しかしながら、理論上は、容量差を０％とすれば温度差が０％となるはずである。この結果から、個別電極９においては放熱（温度差）に影響しない範囲で容量が付加されていることが予想されたため、この範囲を特定する実験を行うこととした。

この実験においては、先ず、前述のシミュレーションで前記温度差が０％となった、前記容量比が１６％の試料２のサーマルヘッド１の形状モデルＭ１，Ｍ２を用い、その配線パターンを発熱素子６からの距離が１．８ｍｍ（試料４＝試料２）、１．５ｍｍ（試料５）、１．３５ｍｍ（試料６）、１．２５ｍｍ（試料７）および１．０ｍｍ（試料８）で、発熱素子６に接続されていない側をカットし、各試料において２つの形状モデルＭ１，Ｍ２の状モデルの容量差を求めた。

その測定結果は、図６の表に示すように、前記容量差は、試料４においては１６％、試料５においては４％、試料６においては−３％、試料７においては−６％、そして、試料８においては−１４％となった。

そして、この測定結果の近似曲線によれば、発熱素子６からの距離が１．４ｍｍで容量差は０％となることが解った。

そこで、前述の基準、試料１、試料２および試料３のサーマルヘッドのドライバＩＣ１２に対する配列における端部に接続された１本の個別電極９と中央に接続された１本の個別電極９とに見立てた形状モデルＭ１，Ｍ２について、それぞれ、発熱素子６から１．４ｍｍ以上の範囲の配線パターンをカットしたものを用意し、前述のシミュレーションと同様に、ドライバＩＣ１２の端部に接続された個別電極９と中央側に配置された個別電極９との容量差が温度差に与える影響をシミュレーションした。

その結果、図４の破線（近似曲線）で示すように、１．４ｍｍ以上の配線パターンをカットしてあるので、カット前に比べて容量差は変化するものの、温度差については殆ど変化がないことがわかり、配線パターンの発熱素子から１．４ｍｍ以上の範囲は、温度差には影響しないことが立証された。

よって、本実施形態における前記容量調整部１３は、前記各個別電極９の発熱素子６から１．４ｍｍの範囲内に形成することとし、各個別電極９における放熱差を均一化することに寄与しない容量付加を排除しバラツキを生じることなく効果を上げることができる。

なお、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。

また、各ドライバＩＣに対する発熱素子の配列は、前述のように、発熱素子の配列方向中央部に対応させてドライバＩＣが配設される場合に限らない。よって、個別電極の配線パターンの形状も、前述のような放射状に限らない。

さらに、各ドライバＩＣの配設位置はヘッド基板２上に限らず、例えば、別のプリント基板上に配設されていてもよい。

１サーマルヘッド
２ヘッド基板
３蓄熱層
４発熱抵抗体層
６発熱素子
Ｅ電極層
９個別電極
１０共通電極
１１保護層
１２ドライバＩＣ
１３容量調整部
１４容量付加部
Ｍ１ドライバＩＣの端部側に接続される個別配線の形状モデル
Ｍ２ドライバＩＣの中央に接続される個別配線の形状モデル

Claims

絶縁性の基板と、１乃至複数のドライバＩＣと、
前記基板上において主走査方向に配列された複数の発熱素子と、
前記基板上において各発熱素子の一端側にそれぞれ設けられ、各発熱素子を前記ドライバＩＣと接続する複数の個別電極と、
前記基板上において各発熱素子の他端側に共通に設けられた共通電極と
を備えたサーマルヘッドにおいて、
前記個別電極の配線パターンには、各個別電極の容量差が小さくなるように調整する容量調整部が形成されていることを特徴とするサーマルヘッド。
前記個別電極の配線パターンは、各個別電極の配線抵抗が一定に調整されて形成されていることを特徴とする請求項１に記載のサーマルヘッド。
前記個別電極の配線パターンの前記発熱素子とドライバＩＣとを結ぶ本線に、前記本線から側方へ延出する少なくとも１本の枝線形成して前記容量調整部とするとともに、各個別電極の配線抵抗を一定に調整することを特徴とする請求項２に記載のサーマルヘッド。
前記個別電極の配線パターンの前記発熱素子とドライバＩＣとを結ぶ本線をミアンダ状に形成して前記容量調整部とするとともに、各個別電極の配線抵抗を一定に調整することを特徴とする請求項２に記載のサーマルヘッド。
前記個別電極の配線パターンの前記発熱素子とドライバＩＣとを結ぶ本線の導体を部分的に厚く形成して前記容量調整部とするとともに、各個別電極の配線抵抗を一定に調整することを特徴とする請求項２に記載のサーマルヘッド。