DE3422502A1 - Thermal print head - Google Patents

Abstract

In thermal print heads for high printing capacity, the residual heat which is not transmitted to the recording medium must be conducted away by the time the heating element is energised again. The invention provides a substrate (1) made of a highly heat-conductive material with a heat conductivity lambda which is greater than 140 (W/m.K). The thickness of the substrate (1) is dimensioned such that the heat to be conducted away is distributed over a wide area at the junction face between the substrate (1) and a heat sink (7). In order to improve the conductance of heat, a heat-conducting adhesive layer (6) or a heat-conducting film is arranged between the substrate (1) and the heat sink (7). <IMAGE>

Description

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ThermoschreibkopfThermal print head

Die Erfindung geht aus von einem Thermoschreibkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a thermal writing head according to the preamble of claim 1.

Eine derartige Anordnung ist durch die DE-OS 31 17 445 bekannt. Bei einem Thermoschreibkopf müssen zwei sich im Grunde widersprechende Forderungen möglichst optimal, ei— füLLt sein. Das Heizelement soll möglichst schnell aufheizbar sein, d.h., während der Bestromung des Heizelements soll möglichst wenig Wärme in das Substrat abfliessen. Andererseits soll das Heizelement unmittelbar nach der Bestromung möglichst schnell abkühlen, d.h., die Restwärme muß so schnell wie möglich abgeführt werden. Das heutzutage gebräuchlichste Substrat für Thermoschreibköpfe ist Al-,0-, (Aluminiumoxid). Mit einer Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemeperatur von ca. 30(W/m-K)ist es nur für Thermoschreibköpfe mit einer relativ geringen Schreibleistung geeignet.Such an arrangement is described in DE-OS 31 17 445 known. With a thermal write head, two must be in the Fundamentally contradicting requirements as optimally as possible, be full. The heating element should be able to be heated up as quickly as possible, i.e. while the heating element is energized should as little heat as possible flow into the substrate. On the other hand, the heating element should immediately after cool down as quickly as possible, i.e. the residual heat must be dissipated as quickly as possible. That Nowadays the most common substrate for thermal writing heads is Al-, 0-, (aluminum oxide). With a thermal conductivity at room temperature of approx. 30 (W / m-K) it is only suitable for thermal write heads with a relatively low write performance.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen Thermoschreibkopf zu schaffen, der sich für eine hohe Schreib-Leistung eignet.The object of the invention is therefore to provide a thermal writing head to create that is suitable for high writing performance.

ZT/P-vHy/föZT / P-vHy / fö

24.05.1984 ⁴ "05/24/1984 ⁴ "

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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes auf.This object is achieved by the features specified in claim 1. The subclaims show advantageous Refinements of the subject matter of the invention.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Verwendung von Substraten mit hoher Wärmeleitfähigkeit, eine schnelle Wärmeabfuhr gewährleistet ist, daß zusätzliche Kühlkörper die Ableitung der Wärme unterstützen und daß durch die gewählte Dicke des Substrats eine breitflächige Verteilung der abzuführenden Wärme am übergang zum Kühlkörper auftritt, wodurch ein unerwünschter Wärmestau vermieden wird.The advantages achieved by the invention exist in particular in that, through the use of substrates with high thermal conductivity, rapid heat dissipation it is guaranteed that additional heat sinks the dissipation support the heat and that, due to the selected thickness of the substrate, a wide-area distribution of the dissipated Heat occurs at the transition to the heat sink, which prevents undesirable heat build-up.

Anhand von zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen nachfolgend näher erläutert . Es zeigt:The invention is based on two exemplary embodiments explained in more detail below in conjunction with the drawings. It shows:

Figur 1 die schematische Darstellung einer ersten Ausführung eines Thermoschreibkopfes gemäß der Erfindung mit einem Substrat aus elektrisch leitendem Material in Seitenansicht.Figure 1 shows the schematic representation of a first embodiment of a thermal write head according to of the invention with a substrate made of electrically conductive material in side view.

Figur 2 die schematische Darstellung einer zweiten Ausführung eines Thermoschreibkopfes gemäßFIG. 2 shows the schematic representation of a second embodiment of a thermal writing head according to FIG

der Erfindung mit einem Substrat aus elektrisch nicht leitendem Material in Seitenansicht. of the invention with a substrate made of electrically non-conductive material in side view.

Figur 1 und 2 zeigen zwei Ausführungen eines Thermoschreibkopfes in vergrößerter, schematischer Darstellung, die sich im wesentlichen durch das jeweils verwendete Material für das Substrat 1 bzw. 11 unterscheiden. Während bei der Ausführung gemäß Figur 1 das Substrat 1 aus siliziumge-Figures 1 and 2 show two designs of a thermal writing head in an enlarged, schematic representation, the essentially depends on the material used in each case for the substrate 1 and 11 differ. While at the Execution according to Figure 1, the substrate 1 made of silicon

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tränktem Siliziumkarbid besteht, ist bei der Ausführung gemäß Figur 2 das Substrat 11 aus Aluminiumnitrid. Beide Substratmaterialien haben eine Wärmeleitfähigkeit Lambda, die bei Raumtemperatur größer als 140" CW/rn'K) i st. Diese gegenüber bisher üblichen Keramiken hohe Wärmeleitfähigkeit gestattet es, das Substratmaterial relativ dick zu wählen, ohne daß die Wärmeableitung vermindert wird.impregnated silicon carbide is part of the execution according to FIG. 2, the substrate 11 made of aluminum nitride. Both Substrate materials have a thermal conductivity lambda, which is greater than 140 "CW / rn'K) at room temperature. This High thermal conductivity compared to the ceramics customary up to now allows the substrate material to be relatively thick without reducing the heat dissipation.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 besteht das Substrat 1 aus siliziumgetränktem Siliziumkarbid, das z.B.In the exemplary embodiment according to FIG. 1, there is the substrate 1 made of silicon-impregnated silicon carbide, e.g.

von der FirmaSIGRI ELEKTROGRAPHIT GMBH, 89C1 Meitingen für andere Anwendungen hergestellt wird. Dieses Material ist elektrisch leitend und hat bei Raumtemperatur eine Wärmeleitfähigkeit Lambda größer 160 (W/m'K). Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit dieses Materials ist es erforderlich, daß die Oberfläche 1a des Substrats 1 vor dem Aufbringen eines Heizelements 3 und der zugehörigen elektrischen Anschlußleitungen 4 mit einer Isolationsschicht versehen wird. Zur Drosselung des Wärmeabflusses ist aus den genannten Gründen ohnehin eine Wärmebarriere im Bereich des Heizelementes 3 vorzusehen, die üblicher Weise aus einer Glasurschicht entsprechender Dicke besteht. Es bietet sich daher an, die gesamte Substratoberfläche 1a mit einer dünnen Glasurschicht 2 zu versehen, die lediglich im Bereich des Heizelementes 3 als Wärmebarriere entsprechend dem erforderlichen thermischen Widerstand verstärkt ist. Diese kann gemäß Figur 1 einen plankonvexen Querschnitt haben. Auf die glatte Glasurschicht 2 sind in bekannter Dick- bzw. Dünnfi Imtechni k das Heizelement 3 und die Anschlußleitungen 4 aufgebracht. Eine Abriebfeste Schutzschicht 5 deckt die Gesamtanordnung ab. An der Unterseite 1b des Substrats 1 ist ein Kühlkörper 7 mit Kühlrippen 7a angebracht. Dieser besteht vornehm-from SIGRI ELEKTROGRAPHIT GMBH, 89C1 Meitingen for other applications. This material is electrically conductive and has a at room temperature Thermal conductivity lambda greater than 160 (W / m'K). Because of the electrical conductivity of this material is it required that the surface 1a of the substrate 1 before the application of a heating element 3 and the associated electrical connection lines 4 with an insulation layer is provided. For the reasons mentioned, there is anyway a heat barrier to throttle the heat flow to be provided in the area of the heating element 3, the more usual Way consists of a glaze layer of appropriate thickness. It is therefore advisable to cover the entire substrate surface 1a to be provided with a thin layer of glaze 2, which only in the area of the heating element 3 as a thermal barrier according to the required thermal resistance is reinforced. According to FIG. 1, this can have a plano-convex cross section. On the smooth glaze layer 2 the heating element 3 and the connecting lines 4 are applied in known thick or thin imtechni k. An abrasion-resistant one Protective layer 5 covers the entire arrangement. A heat sink is located on the underside 1b of the substrate 1 7 attached with cooling fins 7a. This consists of

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Lieh aus Aluminium. Der Kühlkörper 7 und das Substrat 1 sind durch eine wärmeleitende Klebschicht 6 oder durch eine wärmeleitende Folie fest miteinander verbunden.Borrowed from aluminum. The heat sink 7 and the substrate 1 are firmly connected to one another by a thermally conductive adhesive layer 6 or by a thermally conductive film.

Die bisher als wärmeleitende Zwischenlage verwendeten Werkstoffe haben eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit im Verhältnis zur Wärmeleitfähigkeit der Substrat- und Kühlkörpermaterialien. Aus dem Gebiet der Dichtungswerkstoffe ist ein in Folienform angebotenes flexibles Grafit der Firma SIGRI ELEKTROGRAPHIT GmbH, 8901 Meitingen bekannt. Diese Grafitfolie ist aufgrund ihrer besonders guten Wärmeleitfähigkeit als wärmeleitende Zwischenlage zwischen Substrat und Kühlkörper besonders geeignet.Previously used as a thermally conductive intermediate layer Materials have a relatively low thermal conductivity in relation to the thermal conductivity of the substrate and Heat sink materials. From the field of sealing materials a flexible graphite offered in film form from SIGRI ELEKTROGRAPHIT GmbH, 8901 Meitingen, is known. This graphite foil is due to its particularly good thermal conductivity as a thermally conductive intermediate layer between Substrate and heat sink are particularly suitable.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 besteht das Substrat 11 aus Aluminiumnitrid, daß z.B. von der Firma Heraeus GmbH, 6450 Hanau 1 für andere Anwendungen hergestellt wird. Dieses Material ist elektrisch nicht leitend und hat bei Raumtemperatur eine Wärmeleitfähigkeit Lambda um 170 (W/m-K).Bei einem Substrat aus diesem Material ist daher nur im Bereich des Heizelementes 13 eine Glasurschicht mit z.B. plankonvexem Querschnitt als Wärmebarriere vorzusehen. Die Dicke der Schicht wird durch den geforderten thermischen Widerstand bestimmt. Das Heizelement 13 und die elektrischen Anschlußleitungen 14 werden in bekannter Dick- bzw. Dünnfilmtechnik auf die Glasurschicht bzw. direkt auf die Oberfläche des Substrats 11 aufgebracht.In the exemplary embodiment according to FIG. 2, the substrate is made 11 made of aluminum nitride, that e.g. from Heraeus GmbH, 6450 Hanau 1 for other applications. This material is electrically non-conductive and has at room temperature a thermal conductivity lambda around 170 (W / m-K). A substrate made of this material is therefore a glaze layer only in the area of the heating element 13 to be provided as a thermal barrier, e.g. with a plano-convex cross-section. The thickness of the layer is determined by the required thermal resistance. The heating element 13 and the electrical connection lines 14 are known Thick or thin film technology on the glaze layer or directly applied to the surface of the substrate 11.

Eine abriebfeste Schutzschicht 15 deckt die gesamte Anordnung einschließlich der verbleibenden Oberfläche 11a des Substrats 11 ab. An der Unterseite 11b des Substrats 11 ist ein Kühlkörper 17, vornehmlich aus Aluminium,mittels einer wärmeleitenden Klebschicht 16 oder unter Zwischenlage der vorerwähnten Grafitfolie befestigt.An abrasion-resistant protective layer 15 covers the entire arrangement including the remaining surface 11a of the Substrate 11 from. On the underside 11b of the substrate 11 is a heat sink 17, primarily made of aluminum, by means of a thermally conductive adhesive layer 16 or with an intermediate layer attached to the aforementioned graphite foil.

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Trotz der Verwendung einer wärmeleitenden KLebschicht 6 bzw. 16 oder Grafitfolie treten wegen ihres relativ niedrigen Wärmeleitwertes WärmeübergangsprobLeme auf. Der dadurch bedingte hohe Wärmewiderstand am übergang vom Substrat zum Kühlkörper bewirkt einen Wärmestau im Substrat. Dieses Problem ließe sich in einfacher Weise dadurch lösen, daß man das Substrat und den Kühlkörper als ein Teil aus dem Substratmaterial herstellt. Dieses verbietet sich aber aus Kostengründen.Despite the use of a thermally conductive adhesive layer 6 or 16 or graphite foil occur because of their relatively low thermal conductivity problems with heat transfer. The thereby conditional high thermal resistance at the transition from the substrate to the heat sink causes heat to build up in the substrate. This problem could be solved in a simple way by that you have the substrate and the heat sink as one part made from the substrate material. This is forbidden but for cost reasons.

Ausgehend von dieser Gegebenheit, besteht das Substrat 1 bzw. 11 wie vorbeschrieben aus einer hochwärmeleitenden Keramik . Die Dicke des Substrats 1 bzw. 11 ist dabei wesentlich größer als bisher üblich. Sie wird durch mehrere Parameter bestimmt, die vor allem durch die Schreibgeschwindigkeit, die Heizleistung, die Barrierenwirkung der Glasurschicht und die Wärmeleitfähigkeit des Klebers bzw. der Grafitfolie gegeben sind.Based on this fact, the substrate 1 or 11, as described above, consists of a highly thermally conductive one Ceramics. The thickness of the substrate 1 or 11 is significantly greater than previously usual. She is going through several Parameters determined mainly by the writing speed, the heating power, the barrier effect of the Glaze layer and the thermal conductivity of the adhesive or the graphite foil are given.

In Figur 1 sind Wärmeflußlinien 8 eingezeichnet, die in schematischer Darstellung eine breitflächige Verteilung der vom Heizelement 3 abgeführten Wärme im Substrat 1 zeigen. Erst durch die Verwendung eines Substrats aus einem hochwärmeleitenden Material ist es möglich, die Dicke des Substrats derart zu erhöhen, daß die dargestellte breitflächige Wärmeverteilung erzielt wird. Dadurch wird die an der Grenzschicht zum Kühlkörper 7 pro Flächeneinheit auftretende Wärmemenge so reduziert, daß der auftretende Wärmerückstau sich in zulässigen Grenzen hält.In Figure 1, heat flow lines 8 are drawn in schematic representation of a wide-area distribution show the heat dissipated by the heating element 3 in the substrate 1. Only through the use of a substrate made of one highly thermally conductive material, it is possible to increase the thickness of the To increase the substrate so that the illustrated wide-area heat distribution is achieved. This will make the at the boundary layer to the heat sink 7 per unit area The amount of heat that occurs is reduced so that the accumulation of heat remains within permissible limits.

Bei einer zeilenweisen Anordnung von Thermoschreibköpfen ist das Substrat in bekannter Weise als Trägerplatte ausgebildet, auf der die Heizelemente mit ihren elektrischen Anschlußleitungen dicht benachbart angeordnet sind.With a line-by-line arrangement of thermal writing heads the substrate is designed in a known manner as a carrier plate on which the heating elements with their electrical Connection lines are arranged closely adjacent.

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Bei Rasterlinienschreibwerken für Blattschreiber haben die SubstratpLatten eine Größe von ca. 250x60 mm und eine Dicke von ca. 1 mm. Derartig dünne Platten lassen sich schwierig herstellen. Wegen ihrer geringen Dicke sind sie in der Weiterverarbeitung nicht sonderlich gut handhabbar. Sie werden daher auf einem Stützkörper befestigt.In the case of raster line recorders for chart recorders, the Substrate plates a size of approx. 250x60 mm and a thickness of approx. 1 mm. Such thin plates are difficult to manufacture. Because of their small thickness, they are in the Further processing not particularly easy to handle. she are therefore attached to a support body.

Gemäß den Ausführungen nach Figur 1 und 2 ist die Substratplatte 1 bzw. 11 dagegen wesentlich dicker/ z.B. 5mm stark. Platten dieser Dicke lassen sich problemloser herstellen und sind so stabil, daß sie ohne Stützmaßnahmen während ihrer Bearbeitung handhabbar sind.According to the embodiments according to FIGS. 1 and 2, the substrate plate 1 or 11, on the other hand, is considerably thicker / e.g. 5 mm thick. Plates of this thickness can be produced more easily and are so stable that they can be used without any support during their processing are manageable.

1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (6)

W.-H.Rein - J.Springer - T.Russ 11-8-1 PatentansprücheW.-H.Rein - J.Springer - T.Russ 11-8-1 claims 1. Thermoschreibkopf bestehend aus einem keramischen Substrat, einer Glasurschicht, die auf dem keramischen Substrat aufgebracht ist/ einem Heizelement, das auf der Glasurschicht aufgebracht ist, elektrischen Anschlüssen für das Heizelement und einer Schutzschicht, die das Heizelement abdeckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitfähigkeit Lambda (W/m'K) des Substrats (1, 11) bei Raumtemperatur größer 140 ist und daß das Substrat (1, 11) durch wärmeleitende Mittel mit einem Kühlkörper verbunden ist.1.Thermal writing head consisting of a ceramic substrate, a glaze layer applied to the ceramic substrate / a heating element placed on the glaze layer is applied, electrical connections for the heating element and a protective layer, which the heating element covers, characterized that the thermal conductivity lambda (W / m'K) of the substrate (1, 11) is greater than 140 at room temperature and that the substrate (1, 11) is provided with a heat sink by heat-conducting means connected is. 2. Thermoschreibkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) siliziumgetränktes Siliziumkarbid ist.2. Thermal writing head according to claim 1, characterized in that that the substrate (1) is silicon-impregnated silicon carbide is. 3. Thermoschreibkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (11) Aluminiumnitrid ist.3. Thermal writing head according to claim 1, characterized in that that the substrate (11) is aluminum nitride. 4. Thermoschreibkopf nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Substrats (1, 11) so bemessen ist, daß eine breitflächige Verteilung der abzuführenden Wärme an der Übergangsfläche zwischen dem Substrat (1, 11) und dem Kühlkörper (7, 17) auftritt.4. Thermal writing head according to claim 2 or 3, characterized in that that the thickness of the substrate (1, 11) is dimensioned so that a wide-area distribution of the Heat occurs at the interface between the substrate (1, 11) and the heat sink (7, 17). ZT/P-vHy/föZT / P-vHy / fö 24.05.1984 - 2 -May 24, 1984 - 2 - W.-H.Rein 11-8-1W.-H. Rein 11-8-1 5. Thermoschreibkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Mittel eine dünne Klebschicht (6, 16) oder eine Folie aus wärmeleitendem Material ist.5. Thermal writing head according to claim 1, characterized in that the thermally conductive agent is a thin adhesive layer (6, 16) or a film made of thermally conductive material. 6. Thermoschreibkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie eine flexible Grafitfolie ist.6. Thermal writing head according to claim 5, characterized in that the film is a flexible graphite film.