(57)【要約】      （修正有）【課題】サーマルヘッドの蓄熱を減少、完全吸収することにより、高速印字、高印字品質、階調印字の高速化等を実現する。【解決手段】サーマルヘッドのヒートシンク上面にサーマルヘッド用水冷ヘッドを取り付け、プリンターの外に、ペルチェ素子を使用した強制冷却装置であり、熱吸収側に、サーマルヘッド用水冷ヘッドとチューブで水を循環させ、サーマルヘッドの温度上昇した水をここで冷却する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーマルヘッドとプラテンローラーとの間に印字媒体を挟んで移動するとともに、この印字媒体に印字を行うサーマルプリンターであって、印字に伴うサーマルヘッドの蓄熱を抑えるためにサーマルヘッドに強制冷却装置を具備したサーマルプリンター
【請求項２】
上記請求項１の強制冷却装置として、プリンター外に冷却装置、ポンプ、温度制御装置をもち、それで冷却した水、油、気化／液化物質を循環させる装置、サーマルヘッド温度センサーをサーマルヘッドに取り付けたもの。
【請求項３】
上記請求項２の冷却用の水、油、気化／液化物質を冷却するために、ペルチェ素子を使用した強制冷却装置。
【請求項４】
上記請求項１のサーマルプリンターで、サーマルヘッド印字時に発熱する最大発熱量より、サーマルヘッドに具備した強制冷却装置の吸入熱量が大きな冷却装置と、サーマルヘッドの温度を検地する装置を持ち、サーマルヘッドの温度を適時に適温に制御可能なサーマルプリンター
【請求項５】
上記請求項１のサーマルプリンターで、サーマルヘッド温度を周囲温度から影響されないため、サーマルヘッドを遮熱材でカバーしたサーマルプリンター
【請求項６】
上記請求項５の遮熱品に関して、霜、水滴発生防止のため、遮熱品の外観面を常温程度にするために遮熱材表面にヒータを具備したもの
【請求項７】
上記請求項１のサーマルプリンターで、サーマルヘッドの各発熱体部分の温度変化を抑えるため、各発熱体の熱履歴制御と、サーマルヘッドの温度変化をこれからの印加エネルギーに反映させる装置を具備したサーマルプリンター
【請求項８】
上記請求項１のサーマルプリンターの強制冷却装置として、サーマルヘッドにベルチェ素子使用装置を使用したもの。
【請求項９】
上記請求項８の装置に関して、サーマルプリンターのサーマルヘッド周りの狭い中に冷却装置を収めるため、ペルチェ素子の発熱側の発熱を吸収し、プリンター機外に熱搬送する機能を具備したサーマルプリンター。
【請求項１０】
上記請求項１のサーマルヘッド強制冷却系で、サーマルヘッドの発熱体の印字状況で各発熱体の温度は微妙に変化する。それを速やかに、サーマルヘッドの温度に落とすために、サーマルヘッドの発熱体からヒートシンクまでの温度抵抗値を低く抑える必要がある。そのために、発熱体を具備したセラミック板とヒートシンクの接合を熱抵抗値の低い、銀ペースト等を使用したもの。
【請求項１１】
上記請求項１で、サーマルヘッドの蓄熱を強制冷却系で、可能な限り瞬時に取り去るためにサーマルヘッドのヒートシンクを熱抵抗が最も低い銅材で構成し、また強度補強材（鉄等）を具備したサーマルプリンター
【請求項１２】
上記請求項目１の蓄熱対策をより効率的に行うため、印字媒体（受像紙）と転写印字の場合にはリボンを印字直前にプレヒート（受像紙の印字表面の温度を高温にする）し、発熱エネルギーを低く抑えることが可能としたサーマルプリンター
【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ーにかかわるもので、特に、発熱にともなうサーマルヘッドの蓄熱による障害対策に関するものである。
【背景技術】
【０００２】サーマルプリンターの市場規模、応用範囲は拡大している。
業務用プリンターとしてのサーマルプリンターの優位性は
・メンテナイスフリー
定期点検は必要無く、交換部品は無く、寿命部品は、サーマルヘッドに限定（印字距離５０ｋｍ、１００ｋｍと非常に長い寿命）
・オンデマンド印字可能
電源オン、即印字可能。セットアップ時間無し、また、インクジェットプリンターで必須なセルフクリーニングのための、印字途中での印字不可時間が全く必要なし。
・耐環境性
振動ある場所での印字、粉塵ある場所での印等劣悪環境での印字はサーマルプリターのみ可能である。
又、耐薬品性、耐溶剤性、耐ガソリン性、耐こすれ性など要求に応じた印刷が可能なのはサーマルプリンターのみである。
・金、銀、箔、フォログラム等特殊印刷が可能
これらの印刷は従来印刷でしかできなかった特殊印刷であり。
サーマルプリンターでの印字は、印刷業界への応用が期待できる。
これらは、業務用印刷の代替の可能性を意味している。
上記の優位性に加えて本提案技術で新分野への応用が可能である。
・サーマルプリンターは近年、ますます、新分野への応用が検討されている。
オンサイト（その場所）で、プロと同じプリンター−印刷したい要望・必要性が、高まっている。それは、本来プロの印刷屋が行っていたものであり、数時間の連続印刷でも、印字品質の定常的な確保は必須である。しかし、現状のサーマルプリンターの技術では、連続印字は可能であるが、印字品質の定常的な保証までは考慮されていなかった。
従来のサーマルヘッドの蓄熱対策として、熱履歴制御（過去の印字履歴から印加エネルギーを制御）とサーマルヘッドの温度から印加えエネルギーを調整する事と蓄熱したサーマルヘッドのヒートシンクで熱を空中に発散していた。しかし、現状は、ある限定された蓄熱対策で、上記産業上の利用分野で述べた如く、カラープリンターの印字スピードの限界、日付けプリンターの高速性、等々の限界があった。
サーマルプリンター方式では、発熱で印字を行うため、サーマルヘッドの蓄熱は、熱量の大小はあるが、発生し、印字の限界になっている。（図６に蓄熱発生のメカニズム示す）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】・上記［産業上の利用分野］で述べた本技術を活用したサーマルプリンターの応用が、課題と解決である。
サーマルプリンターハサーマルヘッドの発熱で印字を行うが、その熱は、蓄熱となり、サーマルヘッドに溜まり、いろいろの問題を引き起こす。
・印字品質劣化
印字を連続的に実施していくと、サーマルヘッド（セラミック基板、ヒートシンク）が蓄熱し、熱が想定以上に発生し、印字が濃くなりすぎ、クリアな印字ができなくなる。
これは、バーコード印字では、バーコードを機械が読み取れなくなる要因となる。
また、カラープリンターでは階調印字が要求されるがサーマルヘッドが蓄熱し、想定以上の発熱量となり、階調が保てなくなる。
蓄熱を減らすかなくすことが解決策である。
・印字スピードの上限
印字スピードを上げれば上げるほど印字の為の熱エネルギーは必要になる。
これは、印字のための、受像紙への引加エネルギーは単位面積当り高速、低速にかかわらず一定値以上必要である。その為、高速印字の場合、高い熱エネルギーを発生させる為、引加エネルギーをかける。引加エネルギーの１／３以上は、蓄熱となってセラミック、ヒートシンクに蓄えられ、印字劣化、寿命に悪影響を与える。
・サーマルヘッド寿命短命は避けられない状況にある
サーマルヘッドの温度が蓄熱の為、上がればサーマルヘッドの寿命に悪影響を与える。
これはサーマルヘッドの発熱体の酸化による破損が促進されるからである。
酸化促進要因として、温度、イオンがあり、温度が高くなれば、酸化が促進される。
本件はその解決策である。蓄熱を押さえ、上記３点の改善を行う。
【課題を解決するための手段】
【０００４】本発明はサーマルプリンターの上述した従来の問題点をかんがみ、サーマルヘッドの蓄熱をおさえるものである。
本発明の請求項１は通常のサーマルヘッド（図−１）のヒートシンクでの放熱では蓄熱を抑える事は限界があり、ヒートシンクに強制冷却装置をつけ、蓄熱を抑えるものである。
請求項２は強制冷却装置として、水冷（油冷、気化／液化装置）装置をヒートシンクに取り付け強制冷却するものである。サーマルプリンターのサーマルヘッド周りは、非常に狭い空間しかないので、強制冷却装置自体でなく、強制冷却装置で冷却された水をヒートシンクと取り付けられた銅製の装置を流し吸熱するものである。
図１に示す。
強制冷却装置はプリンター外に設置し、強制冷却器、水流用ポンプをぐびしたものである。
図２に示す。
請求項３は、強制冷却装置として、ペルチェ素子を使用するものである。
ペルチェ素子は、安価で、かつ、冷却能力が高く、取り扱いしやすく、設置場所空間を小さくできる点から本プリンターの冷却装置として最適である。
ペルチェ素子は、吸熱と同時に発熱を行うため、発熱を放熱する装置が必要である、放熱装置として、ヒートシンク、フィン、強制冷却としてのファン等で冷却している。
これらをプリンター内部に納める事は非常に難しく、プリンター外に設置し、冷却水をプリンター内のサーマルヘッド冷却に使用するものである。
請求項４は強制冷却装置の吸熱力に関してのものである。
サーマルヘッドの発熱量の最大時でも、チャント吸熱でき、発熱量が少ないときには吸熱力を弱めることができることで、サーマルヘッドが一定の温度に保つことができる
そのために、サーマルヘッドの温度感知装置を取り付け、サーマルヘッドの温度を一定にすべく、フィードバック制御を行う。
請求項５は冷却の効率的運用のためのものである。
元来サーマルヘッドのヒートシンクは、周囲空気中へ熱発散させるもので、いかに、発散させるかが課題であったが、本件の場合、ヒートシンク内で熱を吸収し、プリンター外の強制冷却装置で、熱を放出させるものである。つまり、本ヒートシンクは外温より低温になっているので、ヒートシンクを開放していると、ヒートシンクの温度が上がって冷却効果が下がってしまう。
また、ヒートシンクが外温より低温であり、ヒートシンク表面に水滴が発生する危険性があり、その防止にもなるものである。
請求項６は請求項５で述べたヒートシンク表面の水滴発生防止を完全にするため、遮熱材表面にヒーターを設けたものである。外温程度に遮熱材の表面を加熱することで、水滴防止になるものである。
請求項７は印字状況つまり印字率の加減により、瞬間的に発熱体周りの温度があがる対策である。
従来は、熱履歴制御とヒートシンクの温度変化で補正（これから印字するエネルギを調整）していた。
より一層の高精度制御（印字濃度諧調制御）が要求されるフォトプリンター等のカラープリンターではさらに精密な制御が要求される。
熱履歴制御はその発熱体の温度予測は可能であるが、周辺発熱体の履歴等を加味できなく実情とは異なっている。また、サーマルヘッドの温度はヘッドのある部分の温度（蓄熱温度）の測定であり、発熱体各自近傍の瞬間的な温度上昇は感知できない。
これは、一列に並んだ発熱体（例４“幅３００ｄｐｉのサーマルヘッドなら１２００個の発熱体）と温度感知用サーミスターとは物理的にある距離を持たざるをえないためである。
ゆえに、サーミスターが感知する温度特性と、発熱体の温度特性では、
・サーミスターは少し遅れて、発熱体の温度特性を感知
・サーミスターに届くまでに、ある程度平滑されて、瞬間的な温度上昇は検地不可になる
それらを補正する方式としては、各発熱体の温度を検地し、その値から印字条件を予想する事も報告されている。この場合も蓄熱は避けられず、高速化、印字率の高い印字で問題は残る。現状の解決策としてはサーマルヘッドを強制冷却する方式しかない。
まさに本件の提案するものである。
請求項８、９はサーマルヘッドを直接強制冷却するものである。（図４）
直接ヒートシンクにペルチェ素子（図３に説明書）を取り付ける事は、効率的には最高であるが、課題は、発熱側の処理である。
ペルチェ素子は、片側では、冷えて熱を吸収するが、片側は熱くなり熱を放熱しなければならない。放熱をプリンター内部、サーマルヘッド近辺ではできないので、プリンター外部まで熱を移動させる必要がある。
ヒートパイプ、水ホース等を使用するものである。
請求項１０はサーマルヘッドの発熱体の温度上昇をいかに早く抑えるかの対策である。
従来サーマルヘッドのセラミックとヒートシンクの間は熱抵抗値の低い両面テープでくっついている。
この間の熱抵抗値を抑え、ヒートシンクの強制冷却の温度にセラミックならび、セラミック上の発熱体温度を安定化させるものである。
請求項１１も請求項１０と同じ強制冷却の即効性向上のための対策である。
ヒートシンクの強制冷却部の安定している低温が発熱体の熱を奪うために、ヒートシンクの熱抵抗を下げるものである。図１に示す。
手に入る金属では銅が最適であり使用する。ただし銅の問題として、強度不足があり、ヒートシンクの上面の鉄板等を設けて強度を保つようにしたものである
請求１２は蓄熱そのものを減らすものである。
そのために、印字媒体、リボンの温度を上げることで、サーマルヘッドの引加エネルギーを抑えることができる。また、この効果として特にカラープリンターでの階調印字を高速で行う場合有効なものである。
階調印字に対して悪影響を及ぼすものとして外温、サーマルヘッドの蓄熱、印字媒体表面温度、リボン温度、他、がある。本発明で、これらがそれぞれある値に管理可能となり、より一層の印字品質が確保可能となる。
【発明の効果】
【０００５】・サーマルヘッドの蓄熱を減少、完全吸収することが可能になり、高速印字、高印字品質、階調印字の高速化等が実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】図８にサーマルプリンターの概略図を示す。
本件に関する熱転写プリンターのもっとも一般的なタイプは，インクが塗布されたプラスチックのフィルムを加熱し、インクを溶かして転写する方式である。
・サーマルヘッドと印字制御  ・サーマルリボンと駆動系  ・印刷用紙と搬送系とプリンター制御装置で構成されている。
サーマルヘッドに流される電流量に応じてヘッドの温度が上昇→その熱でサーマルリボンの顔料が（溶けて）→印刷用紙に転写される。ことで印刷動作が行われる。
このとき図６で示す如く発熱の一部はサーマルヘッドに蓄熱される。
【実施例】実施例１【０００７】図２の水冷強制冷却装置案で説明する。本件使用のサーマルプリンターは
・６００ｄｐｉ、２“／Ｓのサーマルプリンター
・サーマルヘッドのヒートシンク上面にサーマルヘッド用水冷ヘッドを取り付け
・プリンターの外に、ペルチェ素子を使用した強制冷却装置
熱吸収側に、サーマルヘッド用水冷ヘッドとチューブで水を循環させ、サーマルヘッドの温度上昇した水をここで冷却している。
・ペルチェ素子は、１２Ｖｘ８Ａ、６０Ｗ吸引タイプ使用。
ペルチェ素子は、要求吸熱量から選択可能である。
（５７Ｗタイプ、８０Ｗタイプ、ｅｔｃ）
・ペルチェ素子の発熱側には、銅製のヒートシンクとファンを取り付けている。
・サーマルヘッドの温度をフィードバック制御用に温度検知用サーミスターを使用した。
設置場所は可能な限り発熱体に近い場所に取り付けた。本件の場合は、ヒートシンクに穴を掘り埋めた。（Ｉ発熱体の裏）制御方法として、サーミスターで検知したサーマルヘッドの温度から、規定温度より、高い場合、ペルチェ素子を動作させ、規定温度以下であれば、ペルチェ素子を非動作させて制御した。
（ペルチェ素子への印加はパルス方式が一般的）
・水の循環用にポンプ使用
・上記の水冷強制冷却と同時に熱履歴制御、サーマルヘッドの温度変化対応制御を行った。
熱履歴制御は、従来から実施されている各発熱体の過去の印字経過から、これから印字するエネルギーを制御するもので、図５で一定の効果が示されている。
本装置の効果は図６に示す通り、絶大なものであった。
本強制冷却装置を使用しない場合には、サーマルヘッドの蓄熱のために温度上昇はある値まで一直線に上昇していく。これは、サーマルヘッドのサーミスターの検知温度は発熱体の温度と時間差があり、熱制御が利かないためである。
それ以上に、サーマルプリンターは、印字率３０％以下でしか熱制御の保障ができてないのが現状であり、それ以上の印字率では、制御不可能のなり、温度は上昇し、最後には、サーマルヘッドの破損保護温度（サーミスター温度で７５度程度）で印字が停止するものである。本実施では、印字率が９０％以上の印字（図８）での印字評価で、強制熱制御装置の効果で、サーマルヘッドの温度がある範囲に収まり（常温２７度時にサーマルヘッド３０度以下）、熱制御が効果し、連続印字が可能となった。
（リボン１巻（３００ｍ〜６００ｍ）での連続印字が可能であった）
実施時、サーマルヘッドに水滴が発生した。その対策で、サーマルヘッド特にヒートシンク周辺に２ｍｍ厚の耐熱テープを貼った。水滴は非常に減った。
本対応は、冷却したサーマルヘッドの温度上昇を抑える効果もある。
強制冷却の冷却時間短縮、冷却用の電力量減少（ペルチェ素子引加電力減少）又、請求項６にあるように、面ヒータを上記耐熱テープ表面に貼った。
温度は環境温度に設定した。ヒートシンクからの水滴は発生しなかった。
又請求項１２のプレヒート機構をサーマルヘッドの直前に設けた。
プレヒート器として、セラミックに発熱体を一直線に設けたものを使用した。
（リライタブルプリンター用消去ヘッド使用）
温度を８０度に設定し、リボンと受像紙をプレヒートした。
実際にリボン、受像紙表面温度に反映されるのは、リボン、紙の特質に依存し、実使用では、リボン、紙の表面の特性を考慮して、プレヒート温度を設定する必要がある。
本実施例では、サーマルヘッドへの引加エネルギーを減少させても同じ印字濃度を得た。
又これは、外温の影響  特に受像紙の温度で、印字感度が大きく変化（低温だと印字ののりが悪い）
実施例２【０００８】図４で示す如くサーマルヘッドに直接強制冷却装置（ペルチェ素子）を載せた。
サーマルヘッドの温度変化に応じて直接サーマルヘッドを強制冷却する機構は非常に効率的なシステムである。問題は、ペルチェ素子で発生した熱をプリンターの外ににがすかである。実施例２では、ペルチェ素子の発熱側に銅製の水流器を設けそれにシリコンゴム製のホースをつなぎ、外にある、冷却機構に接続した。
【産業上の利用可能性】
【０００９】プリンターの高速化
写真用プリンター、ＥＤＰ用カラープリンター等の応用。
銀塩写真のカラープリンター化は必須であり、業務用を精査した場合、サーマルプリンター方式が最適である。（メンテナンスフリー、安全性から）
この分野の市場性規模、市場性は天文学的なものである。
現状の課題は印字スピードで、１ヘッド方式で、１“／Ｓまでいたってない。
本件技術活用で、で２倍以上の高速化が可能となる。
（２）印字率９５％以上の印字を連続で印字可能となる。
通常の印字は５０％以下の印字率（１枚の受像紙への印字が面積のどれくらい印字するか）である。それ以上の印字率を連続で行うと、サーマルヘッドが蓄熱し、印字品質が劣化していく。本技術で、それが解決される。
（３）印字ののりの悪い材質（和紙、布等）へのサーマルプリンターで印字する場合、転写しにくい金箔、銀箔、フォログラム等の印刷が可能になる。
又、今後使用量が大いに期待されているＲＦＩＤインレイ用アンテナの印刷が可能になる。
この場合、サーマルヘッド印加エネルギーを高くする必要ある。しかし、サーマルヘッドの寿命が著しく短くなる。本技術はその対策となる。
（４）超高速印字が可能
１０”／Ｓが市場では、最大スピードであるが、本技術で、２倍、３倍の高速化が可能となる。
高速印字は、商品パッケージへの日付で要求されている。
食品関連等市場は大きなものである
【図面の簡単な説明】
【００１０】図１  サーマルヘッド構造図
図２  強制水冷冷却装置
図３  ペルチェ素子とは
図４  サーマルヘッドを直接強制冷却
図５  熱履歴の効果
図６  蓄熱対策効果
図７  制御フロー
図８  サーマルプリンター概略図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年1月30日(2007.1.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007331357.tif 000016
【図６】
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【図７】
2007331357.tif 000018
【図８】
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