JP2009226868A - サーマルプリントヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】熱硬化性樹脂の保護層の熱硬化に伴う発熱素子基板の反りを面に垂直な方向に向けて、発熱素子基板の面内方向の湾曲を緩和し、高品質の印字画像の記録を可能にする。
【解決手段】放熱基板３０上に、発熱素子１２を配置したセラミック板１１を有する発熱素子基板１０と信号線２１を配線した回路基板２０を配置し、これらの両基板のいずれかに実装したＩＣドライバ１４とこのＩＣドライバに発熱素子や信号線を接続する接続部を熱硬化性樹脂の保護層１７で被覆してなり、回路基板２０を発熱素子基板１０面上に接着し、かつ保護層１７を発熱素子基板１０および回路基板２０面上に配置する。
【選択図】図３

Description

本発明はサ−マルプリントヘッドに関する。

サーマルプリントヘッドはファクシミリ、パソコンやビデオのプリンタあるいは製版機等の各種感熱式記録装置に用いられている。

一般にサーマルヘッドは金属たとえばアルミニウムなどから作られた放熱基板上に、発熱素子を備えたセラミックス板を有する発熱素子基板と、この発熱素子に電流を供給するためのガラスエポキシやフレキシブルなポリイミド多層基板などでできた回路基板と、発熱素子基板または回路基板のいずれかの上に形成され、発熱素子と回路基板とを電気的に接続するＩＣドライバとを具備している。

ＩＣドライバと、発熱素子を備えた発熱素子基板および回路基板間のボンディングワイヤによる電気接続部は、熱硬化性樹脂系材料等からなる保護層により保護されている。

熱硬化性樹脂材料にはエポキシ樹脂等が、熱硬化後に常温で十分な機械的強度を有し、基板への接着性が高いために用いられている。
特開２００６-３３４７９１号公報

金属配線を有する樹脂製の回路基板は、セラミックの発熱素子基板に比べて熱膨張係数が大きい。従って、発熱素子基板と回路基板にまたがった状態でエポキシ樹脂を塗布し熱硬化させると、熱硬化後に回路基板が発熱素子基板より膨張した状態で固定される。

この状態から室温に戻すと、発熱素子基板と回路基板の収縮率の差により双方が基板平面内において湾曲し、発熱素子基板上に形成された発熱素子ラインも湾曲してしまう。湾曲には熱硬化性樹脂で形成した保護層の硬化後の収縮の影響が無視できない。

発熱素子が湾曲すると、発熱素子ライン方向すなわち主走査方向の端部と中央部では、プラテンロ−ラとの位置関係に差異が生じる。例えばプラテンローラのニップ幅が０．４ｍｍ程度であり、湾曲によって発熱素子が最適位置を外れてしまうと印字される画像の濃淡が不均一になり、また、かすれが生じる。このように発熱素子の湾曲に起因して画像の品質が劣化する。この湾曲を防止する構造が特許文献１で提案されている。回路基板の両面をセラミック板で挟んで回路基板の膨張を抑える構造であるが、構造、加工が複雑になる。

本発明は、上記不都合を解消するもので、発熱素子基板に対する回路基板と保護層板の熱膨張率の差による面内方向の湾曲を容易に抑制して、高精度で信頼性の高いサーマルプリントヘッドを得るものである。

本発明は、一表面に発熱素子を配置し、セラミック板を有する発熱素子基板と、
前記発熱素子基板の前記発熱素子を駆動するＩＣドライバと、
前記ＩＣドライバに電流を供給する回路を形成する回路基板と、
前記ＩＣドライバを前記発熱素子および前記回路に電気的に接続する接続部と、
前記ＩＣドライバおよび前記接続部を被覆保護する保護層と、
前記発熱素子基板および前記回路基板を載置する放熱基板とを具備するサーマルプリントヘッドにおいて、
前記回路基板は前記発熱素子基板の一表面上に接着され、
前記ＩＣドライバは前記発熱素子基板の一表面または前記回路基板に実装され、
前記保護層は熱硬化性樹脂からなり前記発熱素子基板の一表面から前記回路基板にまたがって形成されていることを特徴とするサーマルプリントヘッドを得るものである。

保護層および回路基板の接着部分が発熱素子基板の側面でなく、一表面すなわち上面に配置されていることから、発熱素子の面内方向の湾曲が緩和される。このためプラテンローラのニップ幅が狭くても発熱素子ラインの一部がこの幅から逸脱することがなく、高品質の印字画像の記録が可能になる。

本発明を以下の実施形態に基づいて説明する。図１ないし図３および図５に、本発明に係るサーマルプリントヘッドの第１の実施形態を示す。図に示されるように、放熱基板３０に発熱素子基板１０および回路基板２０がゲル接着層３１ａおよび両面接着テープ３１ｂからなる接着層３１を介して接着されている。

発熱素子基板１０は短冊状のセラミック板１１と、この表面上にライン状に配置された複数の発熱素子１２、それぞれの発熱素子１２に接続された個別電極１３が形成されている。

この発熱素子基板の表面上に、発熱素子１２に電流を供給し発熱させるための、ＩＣドライバ１４および回路基板２０が形成されている。

個別電極１３とＩＣドライバ１４とは、ボンディングワイヤ１５により電気的に接続されている。また、ＩＣドライバ１４と回路基板２０上の信号線２１とはボンディングワイヤ１６により電気的に接続されている。

ＩＣドライバ１４およびボンディングワイヤ１５、１６は、保護層１７によって被覆されている。保護層１７はたとえばエポキシの熱硬化性樹脂からなり、発熱素子基板１０と回路基板２０との境界領域を含めた接続部領域にわたって施されている。以上のように本実施形態では、ＩＣドライバ１４および回路基板２０を発熱素子基板１０面上に搭載接着し、保護層１７で被覆している。符号２６は回路基板２０の補強板である。

発熱素子基板１０に対して熱膨張係数が大きな回路基板２０および保護層１７を、発熱素子基板１０面上に配置していることから、保護層１７硬化時の加熱処理に起因する発熱素子１２ラインの湾曲が生じても湾曲方向は面方向とならずほぼ面上方になる。この方向はプラテン４０が押圧する方向であるから、発熱素子のラインがニップ幅から外れることがない。その結果、印字された画像の品質の向上が可能になる。

以下、上記構成要素についてさらに述べる。

放熱基板３０は、熱伝導性の良いアルミニウム等の金属から形成されている。この放熱基板としては、熱伝導性に優れ、かつ発熱素子基板１０と回路基板２０とを保持することのできる材料であればよくアルミニウムやアルミニウム合金等が好ましい。

放熱基板３０と発熱素子基板１０を接着する接着層３１ａ，３１ｂは、発熱素子を含む領域１８直下に熱伝導性の良好なゲル状接着剤３１ａが用いられ、ＩＣドライバ１４および回路基板２０が接着されている領域１９直下に両面接着テープ３１ｂが用いられる。これらの接着層は柔軟性があり、基板間の膨張差を吸収することができる。

発熱素子基板１０のセラミック板１１は通常アルミナセラミックス等の材料が用いられるがこれに限られるものではない。このセラミック板１１上には、サーマルプリントヘッドの蓄熱性を高め、基板の表面を円滑にして発熱素子ラインを均質に形成するためにガラスグレーズ層（図示しない）を形成している。層の材料は、ＳｉＯ_２を主体とするガラス層である。ガラスグレーズ層の膜厚は、４０〜３００μｍ程度である。

発熱素子１２は電気抵抗膜で形成され、その材料としてはＴａ−ＳｉＯ_２などのサーメット材料を適宜用いることができる。

発熱素子１２に接続される個別電極１３としては、ＡｌやＣｕ等が用いられる。さらに発熱素子１２および個別電極１３上にＳｉ−Ｏ−Ｎなどの保護膜が形成される。

回路基板２０は、例えばポリイミドのフレキシブル多層配線基板であり、表裏面を含み３層以上の良導電性金属例えば銅箔の導電体を積層している。層間導体や表面導体は信号線２１としてパターン化されている。ポリイミド層間絶縁層の厚みは２５〜８０μｍ、導電体の厚みは１８〜２５μｍ、回路基板厚みは１５０〜５００μｍである。

さらに最下層の導電体２２は発熱素子基板面上に接着する領域２５を任意の間隔例えば等間隔に切りかけ２３を設けた櫛歯状パターン２４に形成されている。これは導電体を構成する金属の熱膨張率が発熱素子基板や回路基板よりも大きいので、発熱素子基板との接着面で応力ひずみが発生するのを、櫛歯にすることによって緩和するためである。なお、符号２６の領域には補強版２６を接着する。

保護層１７を構成する熱硬化性樹脂は、エポキシ系、不飽和ポリエステル系などの種々のものが用いられ得るが、代表的にはエポキシ系樹脂が好ましく、熱硬化後の常温で十分な機械的強度を有し、基板への接着性が高い。

以下、本実施形態の製造方法について述べる。

発熱素子基板１０は厚みが６００〜９００μｍ程度のアルミナなどの長尺のセラミック板１１を有し、上面にガラスグレーズ層、発熱抵抗体の発熱素子１２、各発熱素子の個別電極１３、ＩＣドライバ１４の実装領域、回路基板２０の接着領域を形成している。発熱素子１２およびその近傍の個別電極１３の位置する領域を第１の領域１８、ＩＣドライバ１４および回路基板２０の位置する領域を第２の領域１９とする。

放熱基板３０はアルミニウムの押出し成形で形成されて長尺の平板状をなし、発熱素子基板１０を搭載する上面の長手方向のエッジの一方の近傍に沿って溝３２を加工形成している。この溝３２により上面は２分されて、発熱素子基板１０の第１、第２の領域１８，１９に対応している。

本実施形態の第１ステップは、放熱基板３０に発熱素子基板１０を接着する。まず放熱基板３０の上面の第１の領域１８側に良熱伝導性のゲル状接着剤３１ａを塗布し、第２の領域１９側に両面接着テープ３１ｂを貼付する。続いて発熱素子基板１０の下面を接着層側にして第１、第２の領域を合わせて押圧する。押圧によりゲル状接着剤３１ａは基板間で展延し、放熱基板３０の第１の領域側の上面に行渡る。余剰の接着剤は溝３２に一部がはみ出すが、溝がその展延を規制し、両面接着テープ３１ｂ側にはみ出すことがない。放熱基板３０の第２の領域１９側の上面は両面接着テープ３１ｂにより発熱素子基板１０の裏面と確実に接着される。

第２ステップは、ＩＣドライバ１４のチップと回路基板２０を発熱素子基板１０に接着する。ＩＣドライバ１４は複数のチップからなり、これらのチップを発熱素子基板の長手方向に等間隔に並べて接着・実装しアレイ配列とする。さらにその外側すなわち発熱素子とは反対側のエッジ側近くに配置した領域に、回路基板２０の一部領域２５を接着する。回路基板の裏面の櫛歯パターン２４部分を発熱素子基板面に合わせ、シリコン樹脂などの熱可塑性樹脂の接着剤により接着する。接着剤は種々の材料を用いることができ、両面接着テープなどでもよい。

なお、第２ステップの発熱素子基板１０へのＩＣドライバ１４と回路基板２０の実装は、第１ステップの前にあらかじめ実施することも可能である。

第３ステップにおいて、ＩＣドライバ１４と個別電極１３、信号線２１の電気的接続を行う。接続はワイヤボンディングとし、ＩＣドライバ１４の出力パッドと個別電極１３間をボンディングワイヤで電気的接続し、ＩＣドライバ１４の入力パッドと回路基板２０の信号線２１を同様にボンディングワイヤで電気的に接続する。この接続領域を接続部とする。

第４ステップで、ＩＣドライバ１４および接続部をエポキシの液状熱硬化性樹脂でシリンジなどを用いて塗布し、加熱処理により熱硬化させて硬性の保護層１７として封止する。エポキシ樹脂は一例として１５０℃程度まで加熱して３０分程度で硬化させる。

得られたサーマルプリントヘッドは、熱硬化性樹脂の保護層１７および回路基板２０の一部領域２５が発熱素子基板１０の発熱素子１２を配列した同じ面上に形成、配置される。このため保護層１７の硬化後に室温に戻したときに、保護層１７および回路基板２０が発熱素子基板１０に対して、より収縮するが、発熱素子基板１０が受ける応力は面に実質的に垂直な方向になる。一方、金属製の放熱基板３０の収縮がセラミックの発熱素子基板のそれよりも大きく収縮差が発熱素子基板に対して上記応力を相殺する方向に働くために、発熱素子基板の反りは大きくならない。しかも、反りが生じてもプラテンが圧接する方向なので、発熱素子ラインがニップ幅からずれることがなく、品質の良好な記録を維持できる。

第２の実施形態を図４により説明する。本実施形態においては、発熱素子基板１０を構成するセラミック板１１を２分し、主に発熱素子ライン領域１８を担う第１セラミック板１１ａとＩＣドライバ１４および回路基板２０を接着する第２セラミック板１１ｂに分離したこと以外は第１の実施形態と同様で、同符号は同様部分を示す。

第１セラミック板１１ａは上面にグレーズ層を形成し、グレーズ層上に複数の発熱素子１２を板長手方向にライン状に配列し、各発熱素子から個別電極１３が引出され、各電極端子にパッドが形成されている。第２のセラミック板１１ｂは上面の長手方向に複数のＩＣドライバ１４をアレイ配列し、アレイ配列に並行して回路基板２０の領域２５を接着している。回路基板２０はＩＣドライバ１４を駆動する信号源および電源をＩＣドライバおよび発熱素子に供給する信号線を有するフレキシブル回路基板であり、ポリイミド樹脂や液晶ポリマーを層間絶縁体とする多層配線基板である。回路基板２０の構造は第１の実施形態で説明した構造と同様である。

第１および第２セラミック板１１ａ，１１ｂを放熱基板３０上に接着層３１ａ，３１ｂにより接着する。第１セラミック板１１ａは一部を両面接着テープ３１ｂで接着される。ワイヤボンディングは第１セラミック板１１ａ上の個別電極１３のパッドとＩＣドライバ１４の端子、そして回路基板２０の信号線２１のパッドとＩＣドライバの端子間に施される。ボンディングワイヤとＩＣドライバの設置領域すなわち接続部上を熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂で被覆封止し保護層１７とする。第１、第２セラミック板１１ａ，１１ｂの組合わせ構造により、それぞれの板を各別に製造することができ、さらに素材を別材料に選定することが可能になる。

以上、本発明を実施形態により説明したが、ＩＣドライバ１４と発熱素子基板１０および回路基板２０との間の電気的接続はワイヤボンディングの他、一部をフリップチップボンディングなどによって行うことができる。

また、本発明では、ＩＣドライバを回路基板側に実装することも可能である。

また、実施形態の回路基板をガラスエポキシなどのリジッド回路基板とすることもできる。

本発明の一実施形態の斜視図である。 本発明の一実施形態の平図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。 本発明の他の実施形態の断面図である。 本発明の一実施形態の回路基板の裏面を説明する平面図である。

符号の説明

１０：発熱素子基板
１１：セラミック板
１２：発熱素子
１３：個別電極
１４：ＩＣドライバ
１５，１６：ボンディングワイヤ
１７：保護層
１８：第１の領域
１９：第２の領域
２０：回路基板
２１：信号線
３０：放熱基板
３１（３１ａ，３１ｂ）：接着層

Claims (5)

1. 一表面に発熱素子を配置し、セラミック板を有する発熱素子基板と、
   前記発熱素子基板の前記発熱素子を駆動するＩＣドライバと、
   前記ＩＣドライバに電流を供給する回路を形成する回路基板と、
   前記ＩＣドライバを前記発熱素子および前記回路に電気的に接続する接続部と、
   前記ＩＣドライバおよび前記接続部を被覆保護する保護層と、
   前記発熱素子基板および前記回路基板を載置する放熱基板とを具備するサーマルプリントヘッドにおいて、
   前記回路基板は前記発熱素子基板の一表面上に接着され、
   前記ＩＣドライバは前記発熱素子基板の一表面または前記回路基板に実装され、
   前記保護層は熱硬化性樹脂からなり前記発熱素子基板の一表面から前記回路基板にまたがって形成されていることを特徴とするサーマルプリントヘッド。
2. 前記発熱素子基板の前記セラミック板が前記発熱素子を配置する第１セラミック板と前記ＩＣドライバおよび前記回路基板を実装する第２セラミック板に分割されていることを特徴とする請求項１に記載のサーマルプリントヘッド。
3. 前記回路基板はフレキシブル多層基板で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のサーマルプリントヘッド。
4. 前記回路基板が前記発熱素子基板に接着される領域に金属の櫛歯パターンが形成されていることを特徴とする請求項３記載のサーマルプリントヘッド。
5. 前記接続部にボンディングワイヤが用いられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のサーマルプリントヘッド。

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