(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度伝導率ａ１で厚みｄ１の電気絶縁性基板上に、温度伝導率ａ２で厚みｄ２の蓄熱層を形成し、その上に少なくとも抵抗体層、１対の電極層および保護層を順次被着して構成されたサーマルヘッドの前記電極層に印加される電力パルス幅をｔとし、該電力パルスの周期をＴとしたとき、下記の２式
【数１】
0003669597.tif 000006
という関係を具備することを特徴とする記録装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、インクを局所的に加熱してインク粒子を発生して媒体に記録を行うサーマルインクジェットプリンタなどの記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、本発明が適用可能な記録装置を構成するサーマルヘッドの印字部分を示す部分断面図である。厚み０．５〜１．０ｍｍのＳｉ基板１の上に、ＳｉＯ2 から成る蓄熱層２を厚み１μｍ程度に形成した後、Ｔａ−Ａｌやポリシリコン（多結晶Ｓｉ）等から成る抵抗体層３を厚み１０００〜２０００Å程度被着し、さらにＡｌ等から成る１対の電極層４を厚み１μｍ程度に形成し、その上にＳｉＮ等から成る保護層５を厚み１〜２μｍ程度に被着する。こうして電極層４の間の抵抗体層３の部分が発熱部として形成される。さらに保護層５上の発熱部周辺に水溶性インクを導入するための流路材６をシリコーンやエポキシ樹脂等の合成樹脂で形成し、その上にインクドロップレットを排出するための排出口８が開けられたＮｉやポリイミド樹脂等から成るオリフィスプレート７が発熱部およびインク流路に対応して形成されている。
【０００３】
オリフィスプレート７のインク排出口８は、たとえば直径５０μｍでピッチ３００ＤＰＩ（１インチ当りのドット数）の間隔であり、４０〜６０ドット分の素子が形成されている。こうしたインクジェット式のサーマルヘッドは、通常の感熱記録を行うシリアル型のサーマルヘッドと同様に、記録媒体の主走査方向に移動しながら所望のインクドットを吐出することによって印画が行われる。
【０００４】
こうした先行技術として、米国特許第４５１３２９８号、第４６８０８５９号、第４９３１８１３号などがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
こうしたインクジェット式のサーマルヘッドでは、一般に、印画周期が１００μｓｅｃ（周波数１０ｋＨｚ）〜１５０μｓｅｃ（周波数６．７ｋＨｚ）で駆動している。現状の構造において周波数１０ｋＨｚ以上の高速駆動を行おうとすると、基板１の放熱が間に合わず熱の蓄積が問題となり、吐出するインクドロップレットのサイズが変化してドットにじみの原因になったり、発熱部の早期破壊をもたらすことがある。
【０００６】
本発明の目的は、発熱部での蓄熱の影響を少なくして高速駆動を実現できる記録装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、温度伝導率ａ１で厚みｄ１の電気絶縁性基板上に、温度伝導率ａ２で厚みｄ２の蓄熱層を形成し、その上に少なくとも抵抗体層、１対の電極層および保護層を順次被着して構成されたサーマルヘッドの前記電極層に印加される電力パルス幅をｔとし、該電力パルスの周期をＴとしたとき、下記の２式
【０００８】
【数２】
0003669597.tif 000002
【０００９】
という関係を具備することを特徴とする記録装置である。
【００１０】
【作用】
本発明に従えば、式（２）のように蓄熱層の厚みｄ２を決定することによって、蓄熱層での蓄熱を防止できる。さらに、式（１）のように電気絶縁性基板の厚みｄ１を決定することによって、基板での蓄熱を防止できる。したがって、発熱部の放熱が効率的に行われ、高速駆動が可能になる。
【００１１】
【実施例】
本発明に係る記録装置を構成するサーマルヘッドは、図１に示した構造と同様であるが、従来と比べて電気絶縁性基板１の温度伝導率ａ１および厚みｄ１と、蓄熱層２の温度伝導率ａ２および厚みｄ２と、電極層４に印加される電力パルス幅ｔおよび周期Ｔとの間に一定の関係が成立するように構成されている。さらに、基板１は、Ｓｉよりも高い温度伝導率を有する材料で形成されることが好ましい。
【００１２】
高速駆動における蓄熱層２および基板１の最適条件を見いだすために、本願発明者は次のような２つの実験を行った。
【００１３】
第１の実験は、蓄熱層での熱残留状態を調べるため、基板１の厚みｄ１を一定とし、蓄熱層２の厚みｄ２を可変として、発熱部における最高温度および電力パルス印加から１００μｓｅｃ経過後の温度を測定した。
【００１４】
図２は、第１の実験結果を示すグラフである。基板１としてＳｉ基板とＡｌＮ基板の２種類を使用し、その厚みは両方とも５００μｍである。蓄熱層２はＳｉＯ2 で形成し、その厚みｄ２を１μｍから７μｍの範囲で変化させている。発熱部の寸法は６０μｍ×６０μｍであり、電力パルス幅ｔは３μｓｅｃ、印加エネルギーは１素子当り１３μＪである。横軸は蓄熱層２の厚みｄ２であり、縦軸は発熱部の温度である。グラフ中、「●」は最高温度を示し、「■」は電力パルス印加から１００μｓｅｃ経過後の温度を示す。
【００１５】
グラフを見ると、Ｓｉ基板、ＡｌＮ基板ともに同じ傾向を示し、最高温度は厚みｄ２が２μｍ前後で最大となり（約７５０℃）、一方、１００μｓｅｃ経過後の温度は厚みｄ２が１μｍから３μｍの範囲でほぼ室温（２５℃）であった。この結果から、蓄熱層２の厚みｄ２として２μｍから３μｍの範囲が好ましいことが判る。
【００１６】
こうした結果を温度伝導の観点から考察する。一般に、物体の温度表面を一定温度に加熱した際、物体内への温度の伝導距離Ｌは、下記の式（３）で表される。ここで、ａは物体の温度伝導率、Ｔは加熱時間である。
【００１７】
【数３】
0003669597.tif 000003
【００１８】
発熱が終了して冷却時間内に効率良く放熱するには、蓄熱層２表面の発熱部でで発生した熱が電力パルス時間の間に蓄熱層２および基板１へ伝導していることが必要である。この場合、温度伝導を単純化すると、発熱の時間的中心である電力パルス幅ｔの半分の期間内に、平均温度が蓄熱層２から基板１へ伝導することに相当するので、蓄熱層２の厚みｄ２は式（２）を満たすことが必要である。ここで、ａ２は蓄熱層２の温度伝導率である。
【００１９】
【数４】
0003669597.tif 000004
【００２０】
この式（２）を第１の実験に当てはめると、蓄熱層２の温度伝導率ａ２は０．５５６μｍ2 ／μｓｅｃであり、電力パルス幅ｔは３μｓｅｃである場合、厚みｄ２≦３．１６μｍと計算され、実験結果とほぼ合致する。
【００２１】
第２の実験は、基板の温度伝導と蓄熱の状態を調べるため、蓄熱層２の厚みｄ２を一定（１μｍ）とし、基板１の厚みｄ１を可変として、発熱部における最高温度を測定した。
【００２２】
図３および図４は第２の実験結果を示すグラフであり、図３ではＳｉ基板を使用し、図４ではＡｌＮ基板を使用している。また、基板１の厚みｄ１を２００μｍ〜５００μｍの範囲を１００μｍ単位で変化させている。他の条件は第１の実験と同様であり、発熱部の寸法は６０μｍ×６０μｍであり、電力パルス幅ｔは３μｓｅｃ、印加エネルギーは１素子当り１３μＪである。横軸は電力パルス印加後の経過時間であり、縦軸は発熱部の温度である。
【００２３】
図３および図４の各グラフを見ると、発熱時の最高温度はほぼ一定（約７００℃）であり、温度低下の速度はＳｉ基板よりＡｌＮ基板の方が大きく、ＡｌＮ基板の放熱性が優れていることが判る。また、両基板ともに厚みｄ１を薄くするほど放熱性が向上している。
【００２４】
こうした結果から、駆動時の最高温度は上述のように蓄熱層２内での温度伝導に関係し、電力パルス終了後の放熱特性は基板１の温度伝導率ａ１および厚みｄ１に関係することが判る。
【００２５】
第１および第２の実験結果に基づいて、基板厚みｄ１と室温程度に低下するまでに要する放熱時間との関係をグラフ化したのが図５の実線である。
【００２６】
基板厚みｄ１と放熱時間との関係を温度伝導の観点から検討する。電力パルスが終了した時点で蓄熱層２との境界にある基板１の温度が、非駆動時間（Ｔ−ｔ）の間に基板１の厚み以上の距離を伝導することによって、駆動周期Ｔにおいて熱が基板１に残留しなくなる。したがって、基板１の厚みｄ１は下記の式（１）を満たすことが必要となる。
【００２７】
【数５】
0003669597.tif 000005
【００２８】
たとえば、電力パルス幅ｔが３μｓｅｃである場合、Ｓｉ基板の温度伝導率が８３．１μｍ2 ／μｓｅｃのとき、基板１の厚みｄ１と駆動周期Ｔとの関係を図５の破線Ｔ（Ｓｉ）で示す。また、電力パルス幅ｔが３μｓｅｃである場合、ＡｌＮ基板の温度伝導率が１０４．８μｍ2 ／μｓｅｃのとき、基板１の厚みｄ１と駆動周期Ｔとの関係を図５の破線Ｔ（ＡｌＮ）で示す。こうした結果から、パルスの駆動周期Ｔは１００μｓｅｃ以下となる高速駆動の条件では、式（１）の関係が良い近似式であることが判る。
【００２９】
具体例として、たとえば基板１をＡｌＮで厚みｄ１＝２００μｍに形成し、蓄熱層２を厚みｄ２＝１μｍに形成したサーマルヘッドにおいて、上記と同様な電力パルス幅および印加エネルギーで駆動した場合、駆動周期Ｔ＝５０μｓｅｃであっても蓄熱の影響が現われなかった。
【００３０】
図６は、本発明の第２の実施例に係るサーマルヘッドの印字部分を示す部分断面図である。本実施例は、図１に示した構造と同様であるが、基板１と蓄熱層２との間に平坦化層１１が介在している点が相違する。
【００３１】
平坦化層１１を形成する材料として、Ａｌ2Ｏ3（温度伝導率９．８７μｍ2 ／μｓｅｃ。以下単位は同じ）等のセラミック材料、ＴｉＯ2 （温度伝導率２．２２）等の金属酸化物、Ａｇ（温度伝導率１０４．８）やＡｕ（温度伝導率１１７．１）等の金属、アルミナフィラーを含有したガラス（７０％フィラーで温度伝導率６．９）等を使用することができ、その中でもＳｉの温度伝導率より高いものは放熱性に優れるため蓄熱の影響を解消できる。
【００３２】
特に、平坦化層１１の温度伝導率は、蓄熱層２の５倍以上が好ましい。また、平坦化層１１の厚みは５μｍ程度が好ましい。
【００３３】
こうした平坦化層１１は、基板１の表面粗さを均して、蓄熱層２が被着される表面を滑らかにする機能を有する。そのため、蓄熱層２の被着強度が増加するとともに、発熱部の微細加工の製造歩留まりを格段に向上できる。
【００３４】
なお、平坦化層１１の製造方法に関して、アルミナ等のセラミック材料では基板表面にゾルを塗布して焼成するゾル−ゲル法、金属ではＡｇペーストやＡｕペーストを基板表面に塗布して焼成する方法、ガラスではガラスペーストを基板に塗布して焼成する方法などがある。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、蓄熱層および基板での蓄熱を防止できるため、発熱部の放熱が効率的に行われ、高速駆動が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な記録装置を構成するサーマルヘッドの印字部分を示す部分断面図である。
【図２】第１の実験結果を示すグラフである。
【図３】Ｓｉ基板を使用した第２の実験結果を示すグラフである。
【図４】ＡｌＮ基板を使用した第２の実験結果を示すグラフである。
【図５】基板厚みｄ１と放熱時間および駆動時間との関係を示すグラフである。
【図６】第２の実施例に係る記録装置を構成するサーマルヘッドの印字部分を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１  基板
２  蓄熱層
３  抵抗体層
４  電極層
５  保護層
６  流路材
７  オリフィスプレート
８  排出口
１１  平坦化層
【図１】
0003669597.tif 000007
【図２】
0003669597.tif 000008
【図３】
0003669597.tif 000009
【図４】
0003669597.tif 000010
【図５】
0003669597.tif 000011
【図６】
0003669597.tif 000012