(57)【要約】【課題】従来のサーマルプリントヘッド装置では、多数の発熱素子は直接、個々の配線で発熱駆動用集積回路に結ばれていた。この配線は駆動用集積回路の昇温を避けるため、発熱素子から十分離す必要があり、長さ数ミリ以上である。このような長い配線を数十ミクロン以下のピッチで高密度に形成することは困難であった。【解決手段】本発明では、発熱素子への電流供給制御を、高温動作が可能なワイドギャップ半導体の多結晶材料を用いた三端子スイッチング素子により行う。各々の発熱素子と隣接して直列に形成されたスイッチング素子でペアを構成し、その数組を１ブロックとすることで電流供給線をブロック毎に１本にまとめる。ブロック内の異なるスイッチング素子の制御電極には時間分割した制御信号を与えて発熱駆動電流を制御し、発熱を順次行う。これにより、長距離配線の本数の低減化が図れ、高精細サーマルプリントヘッドの製作が可能となる。【選択図】図１
2006150924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス等の電気的絶縁性基板の表面に、一つの抵抗素子と一つの電流制御用三端子スイッチング素子とが直列接続された素子ペアを構成し、このペアを最小構成単位として多数のペアがアレー状に並置され、これらの発熱素子側の端子は一つの共通配線に接続され、発熱素子に電流を供給する直流電源に接続され、スイッチング素子側の他端は、一定数の素子ペアを１ブロックとして、ブロック毎に共通配線に接続され、更に、この配線は発熱部から離れて位置する発熱素子駆動用集積回路に接続され、また、ブロック内の各々のスイッチング素子の電流制御端子は、時間分割信号発生回路の異なる電極に接続されていることを特徴とするサーマルプリントヘッド装置。
【請求項２】
請求項１記載の構造のサーマルプリントヘッド装置に於いて、各ブロック内の電流制御用三端子スイッチング素子の電流制御端子に、時間分割された制御信号を順次伝達することにより、発熱駆動用集積回路からブロック毎に伝達された印字用パラレル信号を時間分割処理することを特徴とする発熱素子の駆動制御方法。
【請求項３】
請求項１記載の構造のサーマルプリントヘッド装置に於いて、電流制御用三端子スイッチング素子を、３００℃以上の高温で動作の可能な窒化ガリウム、炭化珪素、ダイヤモンド、あるいは窒化ガリウムと窒化アルミニウムや窒化インジュウムの混晶材料など、ガラス基板上に形成可能なワイドギャップ半導体の多結晶材料を用いて構成することを特徴とするサーマルプリントヘッド装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、サーマルプリンタ等に実装される高精細印字が可能なサーマルプリントヘッド装置およびそれに用いられる印字用発熱素子の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  サーマルプリント方式は、その印字機構が簡単であるとともに、記録素子である発熱素子を多数有するサーマルプリントヘッドが容易に製造できることから広範な産業分野で用いられている。従来の６００ｄｐｉ程度の印字精細度のサーマルプリントヘッドにおいても、数百から数千という多数の発熱素子が基板上に４０ミクロン程度のピッチで１列に配置され、それぞれの素子がおよそ１０ｍｍ以上の長い配線によって、後付で実装された発熱素子駆動用集積回路に接続されている。入力される印字データに応じて、この集積回路に含まれる出力トランジスタが導通状態になり、各発熱素子に電流を供給することで発熱を起こさせる。このような多数の発熱素子を有するサーマルプリントヘッドでは、発熱駆動用集積回路を用いることにより部品点数や部品間の配線を少なくする工夫を施している。
【非特許文献１】岩本明人、小寺宏嘩  編集「デジタルハードコピー技術」共立出版、２０００年
【０００３】  近年は、携帯ＩＴ機器の普及にともない携帯可能なプリンタの需要が創出され、これに適する小型・低消費電力のサーマルプリントヘッドの開発が求められている。小型のサーマルプリントヘッドでは、発熱素子と駆動用集積回路の距離を短くする必要があるが、発熱素子で発生した熱が配線を伝導し、温度上昇した集積回路が誤動作を起こすという問題があった。これを解決するために、ガラス基板とその上に形成された発熱素子との間に空隙を設けることにより発熱素子で発生した熱がガラス基板の中に伝わることを抑え、熱が有効に印字媒体で消費されるようにした構造が発明された。これにより、印加エネルギーはおよそ１／３に押さえられ、配線を経て駆動用集積回路に伝わる熱量が減し、集積回路の昇温が抑えられる。この結果、発熱素子と駆動用集積回路との距離をおよそ４ｍｍに短縮することを実現している。
【特許文献１】特開２００４−１７５０８５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  しかしながら、このような従来のサーマルプリントヘッドでは、多数の発熱素子は直接、個々の配線により発熱駆動用集積回路内の出力トランジスタに結ばれている。そして、駆動用集積回路は、３００℃程度以上の高温になる発熱素子群から十分離れたところに設置させる必要性から、この配線はおよそ４ｍｍ以上と長くならざるを得ない。このような長距離配線を数十ミクロン以下のピッチで高密度に形成することは、製造プロセス技術上困難であり、完成品の歩留まりが悪いという問題があった。【０００５】  例えば、従来の６００ｄｐｉ程度の精細度の製品では、配線間のピッチ（発熱素子間のピッチに等しい）は４０ミクロン程度であり、このレベルでは、配線形成プロセス技術の改良により、実用上問題ない製品歩留まりは実現可能である。しかしながら、１０００ｄｐｉを超す次世代の高精細サーマルプリントヘッドの製作においては、一層の高密度配線となるため、従来技術の延長では製造歩留まりは著しく低下する。【０００６】  また１０００ｄｐｉを超す高精細サーマルヘッドでは、長さおよそ４ｍｍ以上の配線の多端は駆動用集積回路に接続されるが、従来のワイヤボンディングあるいはフェースダウンボンディング技術では４０ミクロン程度の電極ピッチが限度で、それ以上細かいとショート、断線が多発し、生産に足る技術が確立されていない。【０００７】  さらに、印字を行うために各発熱素子に負荷された熱は、その近傍の基材に蓄積されるため、隣接する素子がその影響を受け、所定の温度より高くなり、正規の信号によるものより濃く印字されてしまう問題がある。この問題も精細度が上がるにつれて顕著になるため、１０００ｄｐｉを超す高精細サーマルプリントヘッドの開発には新たな対策が求められていた。【０００８】  本発明の第１の目的は、１０００ｄｐｉを超す高精細な印字が可能なサーマルヘッドを歩留まり良く作製する手段を提供することである。本発明の第２の目的は、各発熱素子に蓄積された熱が隣接する素子の印字に影響を及ぼさず、高精細な印字が高速で可能なサーマルヘッドを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明のかかるサーマルヘッドでは、ガラス等の電気絶縁性基材の表面に、１個の抵抗式発熱素子と、１個の高温動作可能な電流制御用三端子スイッチング素子とが隣接して直列接続された素子ペアを構成し、このペアを最小構成単位として多数のペアが、精細度に応じたピッチでアレー状に並置される。このスイッチング素子は、３００℃以上の高温になる発熱素子に隣接しているため、高温動作の可能な窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、ダイヤモンド等のワイドギャップ半導体の多結晶材料からなるトランジスタで構成される。これらの素子ペアに於ける発熱素子側の電極は１つの共通配線に接続される一方、スイッチング素子側の他端は、一定数（２から１０程度）のペアを１ブロックにまとめ、１本の共通配線に接続される。これらは、発熱部から十分に離れて設置された発熱駆動用集積回路の電流出力端子に繋がれ、ブロック毎にパラレルな発熱駆動電流を伝達する。ブロック内のスイッチング素子の電流制御端子の各々は、時間分割信号発生回路の異なる信号線に接続される。ここからの制御信号により、ブロック毎に伝達された発熱駆動電流は時間分割され、各々の発熱素子には所定の期間、印字電流が供給される。このような方式を採ることにより配線のブロック化が可能となり、長距離配線の本数の低減化が図れ、高精細で高速なサーマルヘッドが製作できる。
【発明の効果】
【００１０】  本発明によれば、スイッチング素子と発熱素子駆動用集積回路との長距離の接続は、ブロック毎にまとめて１本の配線で形成できるため、従来よりも配線数を少なくできる。このため、配線間隔の拡大と同時に配線幅も太くでき、サーマルヘッド製造プロセスにおける歩留まりを改善できる。また、発熱素子を１０００ｄｐｉ以上に高密度にしても、スイッチング素子と発熱素子駆動用集積回路との長距離の接続は、ブロック毎にまとめて１本の配線で形成できるため、駆動用集積回路の電極ピッチは高密度にならず、従来の接続技術で生産が可能となる。更に、各発熱素子への印字は時間分割された信号により順次行われるため、印字の際に蓄積された熱が隣接する素子の印字に影響せず、高精細な印字が高速で可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】  以下に添付の図面を参照して、本発明の実施例を示す。図１は本発明にかかるサーマルプリンタヘッド装置の平面図、図２は断面図である。【００１２】  このサーマルヘッドでは、ガラス等の電気絶縁性基材２０の表面上に、１２個の発熱素子Ｒ１〜Ｒ１２、同数の電界効果トランジスタ（ＦＦＴ）などの電流制御用三端子スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２の他、発熱駆動用集積回路１０等が搭載されている。印字は、一列に並置された、これら多数の抵抗式発熱素子に電流を供給することにより行われる。【００１３】  この発熱素子には、電流制御用三端子スイッチング素子が隣接して直列接続されている（百ミクロン程度以内）。このような発熱素子とスイッチング素子のペアが多数（４ｎ組、本実施例では、ｎ＝３とした）、一般に、数百から数千組、例えば６００ｄｐｉ程度の精細度の場合、４０ミクロン程度、１２００ｄｐｉ程度の高精細度の場合、２０ミクロン程度のピッチでアレー状に並置されている。さらに将来の２０００ｄｐｉ程度の超高精細製品の場合、１５ミクロン程度のピッチの超高密度で配置される。【００１４】  これらの電流制御用三端子スイッチング素子は、３００℃以上の高温になる発熱素子の近傍にあるため、このような高温でも動作可能な、窒化ガリウム、炭化珪素、ダイヤモンド等のワイドギャップ半導体材料によるトランジスタで構成する必要がある。これらの材料はバンドギャップがそれぞれ、３．４３ｅＶ、２．８６ｅＶ、５．４５ｅＶであり、従来のトランジスタに用いられてきた材料であるシリコン（Ｓｉ）の１．１ｅＶ，ガリウム砒素（ＧａＡｓ）の１．４３ｅＶに比べてかなり大きい。それゆえ、従来の材料系とは異なり、３００℃程度の高温でも真性キャリア濃度増大によるトランジスタ特性の変動は無視できる。また、材料の分解、変性等も起こらないことが知られている。
【非特許文献２】赤崎勇  著  「ＩＩＩ族窒化物半導体」培風館、１９９９年、ｐ２８５
【００１５】  これらのワイドギャプ半導体材料の場合、単結晶の電子移動度は、室温で１０００〜２０００ｃｍ２／Ｖ・ｓであり、シリコンの１３００ｃｍ２／Ｖ・ｓに比べて遜色ない。また本発明のサーマルヘッドでは、トランジスタを硝子などの電気絶縁性の基板上に形成する必要があるが、この場合は、いわゆる多結晶が形成されるが、その場合でも例えば、窒化ガリウムの電子移動度は室温で５０〜１００ｃｍ２／Ｖ・ｓ程度が得られている。現在、広く実用化されている液晶表示素子の駆動用トランジスタに用いられている多結晶シリコンでは、電子移動度が１００ｃｍ２／Ｖ・ｓ程度の品質のものが用いられていることから、発熱駆動のスイッチング素子用の半導体材料として、多結晶の窒化ガリウムは実用上、十分に高品質なものが得られることが明らかになってきている。また、これらのワイドギャプ半導体材料は、化学結合が強く電子の格子散乱が起こりにくいことから、高温においてさえも高い電子移動度を保持できるという特徴を持ち、トランジスタのスイッチング時間を十分に早く保てる。
【非特許文献３】Ｈ．Ａｓａｈｉ，Ｋ．Ｉｗａｔａ，Ｈ．Ｔａｍｐｏ，Ｒ．Ｋｕｒｏｉｗａ，Ｍ．Ｈｉｒｏｋｉ，Ｋ．Ａｓａｍｉ，Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｓ．Ｇｏｎｄａ著「Ｖｅｒｙ  ｓｔｒｏｎｇ  ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｆｒｏｍ  ＧａＮ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｓｉｌｉｃａ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｂｙ  ｇａｓ  ｓｏｕｒｃｅ  ＭＢＥ」Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  ２０１／２０２、１９９９年、ｐ３７１〜３７５
【非特許文献４】西久保靖彦  著  「よく分る最新ディスプレイ技術の基本と仕組み」秀和システム、２００３年、  ｐ４５
【００１６】  上記の発熱素子Ｒ１〜Ｒ１２の共通端子２５は、サーマルヘッド駆動用の直流電源電圧端子４４０Ｔに接続されている。一方、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２の駆動回路側は、４組のペアを１ブロックとして、ブロック毎に共通の長距離配線Ｃ１〜Ｃ３で発熱駆動用集積回路１０の出力端子に接続されている。この回路は、従来のＳｉ系のＭＯＳトランジスタにより構成されているため、誤動作を避けるため発熱部から数ミリ程度以上、離して配置する。このように、長距離配線部を４素子で１本にまとめることで、配線の高密度化を回避する。【００１７】  各ブロック内の４個のスイッチング素子の電流制御端子は、異なる配線Ｇ１〜Ｇ４で時間分割信号の供給端子に接続されている。また、この４本の時間分割信号線は、各ブロック間で共通化する。このような構成を採用することで、ブロック内の４個の発熱素子には電流が順次供給され、隣接素子どうしが同時に発熱することを避けられる効果もある。なお、この時間分割信号発生のための回路（図には示さず）も発熱部から数ミリ以上離す必要があることは発熱駆動用集積回路１０と同様である。【００１８】  図２は、本発明にかかるサーマルヘッド上の５番目の発熱素子Ｒ５および制御素子Ｓ５を含む面（Ａ−Ａ’）での断面図である。硝子などの電気絶縁性の基板２０の上に、空隙部３３を持ち、数十ミクロン程度、上方に盛り上がった形状の発熱素子Ｒ５がタンタル（Ｔａ）系の抵抗材料３０で形成されている。また、それと隣接して電流制御素子として、上記の窒化ガリウム、炭化珪素、ダイヤモンド等のワイドギャップ半導体の多結晶材料からなる高温動作の可能なトランジスタＳ５が形成されている。これらは低抵抗かつ熱伝導率の低い配線金属Ｃ２で発熱駆動用集積回路１０に接続されている。また、これらの素子は絶縁保護膜５０で覆われているが、トランジスタの電流制御電極（ゲート）形成部５５は開口され、更にそれらは上部電極配線Ｇ１〜Ｇ４で時間分割信号端子に接続されている。【００１９】  本発明の回路システム構成を図３、入力信号波形を図４に示す。印字データはシリアル信号４００としてシリアル信号入力端子４００Ｔより、サーマルヘッドに搭載された発熱駆動用集積回路１０に入力される。タイミング信号としてのクロック信号４１０、およびラッチ信号４２０、ストローブ信号４３０も各端子から入力される。ストローブ信号は、所定の期間に印字を行う信号であり、発熱駆動用集積回路１０以外、時間分割信号発生のための回路にも入力される。シリアルデータ信号は、クロック信号と同期して発熱駆動用集積回路１０内のシフトレジスタによりパラレル信号化される。これらの信号は、ラッチ信号とストローブ信号との論理積でオン（共にＬレベル）になり、出力に転送され、発熱素子と制御素子のペアからなるブロック群毎にパラレル信号を伝達し発熱電流を流す。一方、ブロック内の異なるスイッチング素子の制御電極には、ストローブ信号４３０を４分割した制御信号４３１〜４３４（Ｌレベルでオン）が時間分割信号入力端子４３１Ｔ〜４３４Ｔから電極配線Ｇ１〜Ｇ４を通じて順次伝達される。これにより、発熱駆動用集積回路１０から送られてきたパラレルな印字信号は時間分割処理され、���字データに応じた発熱印字が完了する。【００２０】  なお、本実施例では説明の便宜上、１ブロック内の発熱素子数を４個、全素子数を１２個としたが、実際に使用されるサーマルヘッドでは全素子数は数十から数百、時には数千に及ぶ。また、１ブロック内の発熱素子数は、２から１０個程度まで、必要に応じて任意の数を選択することができる。高精細化が進むに従い配線密度が高くなるため、配線数を減少させる工夫が必要である。また、近隣の発熱素子に蓄積された熱の影響も深刻となるため、これを避けるためにも、より多くの発熱素子数をブロック内にまとめた方が有利である。【００２１】  また本実施例では、高温動作可能なトランジスタの作製材料として、窒化ガリウム、炭化珪素、ダイヤモンド等のワイドギャップ半導体の多結晶材料を挙げたが、その他、窒化ガリウムと窒化アルミニウムや窒化インジュウムとの混晶材料など、硝子基板上に形成可能なワイドギャップ半導体多結晶材料であれば本発明に応用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２２】  本発明の技術を用いれば、４０００ｄｐｉ程度の高精細な印刷が要求されるレントゲン、ＣＴ等の出力用プリンタを可能とし、しかも高速に印刷ができるため診断の迅速化、低価格化が実現できる。【００２３】  また、本発明の技術を用いれば数ミクロンピッチの発熱素子を持ったサーマルプリントヘッドができるため、この高精細なサーマルプリントヘッドを搭載したプリンタにてレジストを回路基板に直接描画することができ、高価な回路原版を準備することなく、数量が少なくても、短納期で、低価格の回路基板を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明にかかるサーマルプリンタヘッド装置の平面図
【図２】本発明にかかるサーマルプリンタヘッド装置の発熱素子および制御素子を含む面での断面図
【図３】本発明にかかるサーマルプリンタヘッド装置の回路システム構成
【図４】本発明にかかるサーマルプリンタヘッド装置の回路システムへの入力波形
【符号の説明】
【００２５】１０    発熱素子駆動用集積回路
２０    硝子基板
２５    直流電圧共通端子
３０    抵抗発熱体
３３    空隙部、またはグレーズドガラス
５０    絶縁保護膜
５５    ゲート用開口部
４００    シリアル信号入力波形
４００Ｔ    シリアル信号入力端子
４１０    クロック信号入力波形
４１０Ｔ    クロック信号端子
４２０    ラッチ信号入力波形
４２０Ｔ    ラッチ信号入力端子
４３０    ストローブ信号入力波形
４３０Ｔ    ストローブ信号入力端子
４３１〜４３４    時間分割信号入力波形
４３１Ｔ〜４３４Ｔ    時間分割信号入力端子
Ｒ１〜Ｒ１２    発熱素子
Ｓ１〜Ｓ１２    電流制御用三端子スイッチング素子
Ｃ１〜Ｃ３    長距離配線
Ｇ１〜Ｇ４    時間分割信号電極配線
【図１】
2006150924.tif 000003
【図２】
2006150924.tif 000004
【図３】
2006150924.tif 000005
【図４】
2006150924.tif 000006