DE3917136A1 - Thermodruckkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Thermodruckkopf zur Verwendung für Thermodrucker und Faksimilegeräte.

Thermodruckköpfe mit einem Aufbau, wie er in den Fig. 5(a) und (b) gezeigt ist, sind sowohl für Seriendrucker als auch für Zeilendrucker bekannt.

In den Fig. 5(a) und 5(b) bezeichnen 11 ein Substrat, 12 eine Glasurschicht, 13 eine Thermoelement- oder Wider­ standsschicht, 14 eine gemeinsame Elektrode, 15 eine unab­ hängige Elektrode und 16 einen Passivierungsfilm.

In den Fig. 5(b) umfaßt die gemeinsame Elektrode zusätzlich einen Elektrodenteil 14 a an der Seitenfläche des Substrats 11 und einen Elektrodenteil 14 b an dessen Unterseite.

Die Widerstandsschicht 13 und damit das Wärmeerzeugungsele­ ment befinden sich auf der Glasurschicht 12. Die gemeinsame Elektrode 14 erstreckt sich in Fig. 5(a) über den mit E be­ zeichneten Bereich und in Fig. 5(b) mit den zusätzlichen Elektrodenteilen 14 a und 14 b bis zur Rückseite des Sub­ strats 11.

In der letzten Zeit wurde noch ein Thermokopf mit dem in Fig. 6 gezeigten Aufbau vorgeschlagen. Ziel dieses Aufbaus ist es, die Stromleitungskapazität der gemeinsamen Elek­ trode 14 dadurch möglichst groß zu machen, daß sie sich un­ ter die Glasurschicht 12 erstreckt.

Bei Thermodruckköpfen ist man in letzter Zeit dazu überge­ gangen, die Glasurschicht, auf der sich das Wärmeerzeu­ gungselement befindet, am Rand des Kopfes anzuordnen, um dadurch sowohl bei Seriendruckern als auch bei Zeilendruc­ kern die Druckqualität zu verbessern. Dies beruht darauf, daß gemäß Darstellung in Fig. 7 unter diesen Voraussetzun­ gen bei Neigung des Thermokopfes 21 um einen gewissen Win­ kel α in bezug auf die Papieroberfläche 23 das Farbband 22 unter einem großen Winkel abgezogen werden kann. Dadurch, daß die Druckkraft des Thermokopfes 21 auf einen Punkt konzentriert wird kann, wie sich gezeigt hat, die Druckqua­ lität verbessert werden.

Eine Verlagerung der Glasurschicht zum Rand des Substrats des Thermokopfes zieht aber notwendigerweise auch eine An­ näherung des Wärmeerzeugungselements zur Seitenfläche des Substrats nach sich. Dadurch wird der verbleibende Raum zur Befestigung der gemeinsamen Elektrode schmaler, was die nachfolgend erläuterten Probleme mit sich bringt.

• (1) Die Stromkapazität der gemeinsamen Elektrode wird ge­ ringer. Wenn viele Punkte auf einmal angeschaltet werden, tritt ein Spannungsabfall auf, der die Druckdichte beein­ trächtigt.
• (2) Will man die Beeinträchtigung der Druckqualität vermeiden, muß man zu einer Zeitmultiplexansteuerung Zu­ flucht nehmen, was die Geschwindigkeit senkt und infolge der komplizierten Steuerung die Druckerkosten erhöht.
• (3) Wird die gemeinsame Elektrode 14 an der Seitenfläche und der Rückfläche des Substrats 11 gemäß Darstellung in Fig. 5(b) vorgesehen, bedeutet auch dies eine erhebliche Verteuerung der Herstellung des Thermodruckkopfes.
• (4) Bei den in den Fig. 5(a) und (b) gezeigten Anordnungen ist ein Abstand von 200 bis 300 µm zwischen dem Rand des Thermokopfes und dem Rand der Glasurschicht 12 erforder­ lich. Wenn der Kopf viele Punkte aufweist, bereitet es Schwierigkeiten, die Glasurschicht 12 näher zum Rand des Substrats zu bringen. Eine Lösung dieses Problems ist in der JP-A-1 32 580/86 offenbart. Fig. 6 zeigt eine Schnittan­ sicht dieser bekannten Anordnung, die bezüglich der oben erwähnten Probleme (1) bis (4) erhebliche Verbesserungen bringt. Im Hinblick auf die Druckgeschwindigkeit und die Stromkapazität der gemeinsamen Elektrode ist jedoch auch diese Lösung noch nicht zufriedenstellend.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Thermodruckkopf der an­ gegebenen Art zu schaffen, der mit geringen Kosten her­ stellbar ist und eine gute Druckqualität liefert, wobei insbesondere ein Spannungsabfall und eine dadurch bedingte Beeinträchtigung der Druckdichte bei gleichzeitiger An­ schaltung mehrerer Punkte des Druckkopfes vermieden werden sollen und der Druckkopf somit auch bei hoher Druckge­ schwindigkeit gute Druckergebnisse liefern soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Druckkopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. des Pa­ tentanspruchs 4 gelöst.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine der Elektroden unter der Glasurschicht angeordnet, und die Glasurschicht weist aufgrund der Verwendung verschiedener Gläser mit un­ terschiedlichen Erweichungspunkten eine vielstufige Struk­ tur auf. Die unter der Glasurschicht angeordnete Elektrode wird mittels der Dickschichttechnologie, also durch Drucken und Einbrennen einer Paste, ausgebildet und dann in dem von der Glasurschicht freigelassenen Bereich mit einer Dünn­ schichtelektrode verbunden. Die Glasurschicht besteht aus einem Zweischichtenaufbau mit einer Schicht aus kristalli­ siertem Glas und einer anderen Schicht aus nicht kristalli­ siertem Glas, wobei das Wärmeerzeugungselement auf dem nicht kristallisierten Glas ausgebildet ist.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist eine der Elek­ troden unter der Glasurschicht angeordnet und mit einem Stufenaufbau versehen, wobei gerade unterhalb des Wär­ meerzeugungselements ein sich über den Rest der Elektrode erhebender Elektrodenteil vorgesehen ist. Die Elektrode un­ ter der Glasurschicht wird mittels der Dickschichttechno­ logie hergestellt und dabei der Stufenaufbau durch mehrere Durckvorgänge erzielt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an­ hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Bereichs eines Thermo­ druckkopfes in der Umgebung eines Wärmeerzeugungs­ elements gemäß einer ersten Ausführungsform der Er­ findung,

Fig. 2 Ansichten nach dem Einbrennen der Glasurschicht bei der Ausführungsform nach Fig. 1, wobei Fig. 2(a) den Zustand nach Einbrennen der ersten Glasur­ schicht und Fig. 2(b) die Druckposition der zweiten Glasurschicht als vergrößerte Darstellung des Ab­ schnitts B in Fig. 2(a) zeigen,

Fig. 3 eine Schnittansicht entsprechend Fig. 1 von einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4(a) den Zustand nach Einbrennen der Glasurschicht der Ausführungsform nach Fig. 3,

Fig. 4(b) die Druckposition der zweiten Schicht der ge­ meinsamen Elektrode als vergrößerte Darstellung des Abschnitts B in Fig. 4(a),

Fig. 5(a) und (b) Schnittansichten entsprechend Fig. 1 und 3 von herkömmlichen Thermodruckköpfen,

Fig. 6 eine ähnliche Schnittansicht eines weiteren bekann­ ten Thermodruckkopfes und

Fig. 7 eine Darstellung der Benutzungslage des Thermo­ druckkopfes.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform der Er­ findung, die nachfolgend beschrieben werden soll.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Teiles des Thermo­ druckkopfes, nämlich in der Umgebung eines Wärmeerzeugungs­ elements. In Fig. 1 ist mit 1 ein wärmebeständiges, isolie­ rendes Substrat bezeichnet. 2 a und 2 b sind Glasurteil­ schichten aus zwei verschiedenen Glasarten mit unterschied­ lichen Erweichungspunkten, die zusammen eine sich über einen Teil der Substratfläche erstreckende Glasurschicht 2 bilden. Die Wärmeerzeugungsschicht 3 ist auf der Glasur­ schicht 2 ausgebildet. Die gemeinsame Elektrode 4 ist unter der Glasurschicht 2 ausgebildet und steht innerhalb eines mit A markierten Bereichs mit einer oberen Dünnschichtelek­ trode 4 a in Kontakt, die sich über einen Teil der Wider­ standsschicht 3 erstreckt. 5 ist eine unabhängige Elek­ trode, die sich auf der entgegengesetzten Seite über einen Teil der Widerstandsschicht 3 erstreckt (s. Fig. 1). 6 ein Passivierungsfilm. Der in Fig. 1 gezeigt Thermodruckkopf wird auf folgende Weise hergestellt.

Zuerst wird eine Metallpaste auf der Basis Au oder Pt auf das Substrat 1 gedruckt, das beispielsweise aus Aluminium­ oxid-Keramik hergestellt sein kann. Die Einbrenntemperatur dieser Metallpaste soll möglichst hoch liegen. Bisher be­ reitete es Schwierigkeiten, daß die Einbrenntemperatur der Glasurschicht höher als die der Metallpaste war. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde eine Au Paste mit einer Einbrenntemperatur von 870 bis 880°C verwendet.

Nachdem dem Au Paste eingebrannt wurde, wie in Fig. 2 ge­ zeigt, wird die erste Glasurteilschicht 2 a gedruckt. Diese Glasurteilschicht 2 a ist so beschaffen, daß sie nach dem Einbrennen zu kristallisiertem Glas wird. Die Metallpaste und das im allgemeinen nicht kristallisierte Glas sind schlecht benetzbar, so daß sie beim Einbrennen sich leicht voneinander trennen. Dies ist ein anderer Grund, warum diese Herstellung bislang nicht realisiert werden konnte. Dieses Problem kann jedoch dadurch, daß kristallisiertes Glas zwischengesetzt wird, gelöst werden. Das kristalli­ sierte Glas weist jedoch eine starke Oberflächenrauheit auf und eignet sich daher nicht zur Bildung des Wärmeerzeu­ gungselements. Wenn ferner die gemeinsame Elektrode 4 eine große Breite aufweist, muß die Breite der Glasurteilschicht 2 a notwendigerweise ebenfalls groß sein. Dies aber würde bedeuten, daß das eigentliche Ziel eines guten Papierkon­ takts nicht erreicht werden kann. Erfindungsgemäß wird des­ halb das nicht kristallisierte Glas mit einer Breite von weniger als 1,0 mm auf das kristallisierte Glas gedruckt, wodurch einerseits die gewünschte Oberflächenglätte und andererseits der angestrebte gute Papierkontakt gewährleistet werden.

Die Glasurschicht 2 wird durch gleichzeitiges Einbrennen der ersten Glasurteilschicht 2 a und der zweiten Glasurteil­ schicht 2 b hergestellt, und zwar bei einer Einbrenntempera­ tur von 850°C ±10°C, die etwas niedriger als diejenige für die Metallpaste ist. Mit diesen Maßnahmen kann die der Er­ findung zugrunde liegende Aufgabe zufriedenstellend gelöst werden, wobei eine gute Haftung zwischen der Metallpaste und der Glasurschicht 2 (der ersten Glasurteilschicht 2 a und der zweiten Glasurteilschicht 2 b) erzielt wird.

Auf dem auf die vorbeschriebene Weise ausgebildeten Sub­ strat 1 werden die Wärmeerzeugungsschicht und die Elektro­ denschicht unter Anwendung einer Vakuumdünnschichttechnik, etwa der Zerstäubungstechnik, ausgebildet. Mit Hilfe der Fotolithographie werden dann das Wärmeerzeugungselement und die Elektroden in die gewünschte Form gebracht, und schließlich wird ebenfalls durch eine Vakuumdünnschicht­ technik ein wärmebeständiger, isolierender Passivierungs­ film aufgebracht.

Die Breite und die Dicke der gemeinsamen Elektrode 4 werden nach Maßgabe der Punktdichte und Punktanzahl des Thermo­ druckkopfes festgelegt. Bei einem Kopf mit den Standardwer­ ten von 48 Punkten und 240 dpi (Punkten pro Zoll) für Seri­ endrucker erhält die gemeinsame Elektrode 4 beispielsweise ein Dicke von 10 µm und eine Breite von 1,0 mm. Bei diesen Werten tritt selbst dann kein Spannungsabfall aufgrund des Elektrodenwiderstands auf, wenn alle Punkte gleichzeitig zum Druck angeschaltet werden. Bei einem anderen Beispiel wurde für einen Druckkopf mit den Standardwerten von 960 Punkten und 240 dpi für einen 4-Zoll Zeilendrucker die Dicke der gemeinsamen Elektrode 4 zu 15 µm und ihre Breite zu 5,0 mm gewählt. Auch in diesem Fall wurde keine Vermin­ derung der Druckdichte infolge eines Spannungsabfalls beob­ achtet.

Zur Verbesserung der Wirkung des Rand- oder Kanteneffekts ist es wichtig, daß sich die Glasurschicht 2 möglichst nah an dem Rand des Substrats 1 befindet. Es hat sich als wir­ kungsvoll erwiesen, den Abstand zwischen diesem Rand und der Glasurschicht 1 geringer als 0,1 mm zu machen. Wenn die Dicke der Glasurschicht 2 50 µm beträgt und der Abstand zwischen dem Flächenrand der Glasurschicht 2 und dem des Substrats 1 0,1 mm beträgt, kann der Druckkopf um etwa 10° gegenüber dem Papier geneigt werden. Dadurch kann die Druckqualität auf rauhem Papier wesentlich verbessert wer­ den. Wenn der Neigungswinkel weniger als 6° beträgt, ergibt sich beim Druck auf rauhem Papier im Vergleich zu herkömm­ lichen Druckköpfen keine Verbesserung. Es hat sich schließ­ lich herausgestellt, daß die Kosten zur Herstellung des er­ findungsgemäßen Druckkopfes um etwa 10% unter denen übli­ cher Thermodruckköpfe lagen.

Unter Bezug auf die Fig. 3 und 4 soll nun eine zweite Aus­ führungsform der Erfindung beschrieben werden.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht eines Teiles des Thermo­ druckkopfes der zweiten Ausführungsform, und zwar wiederum in der Umgebung eines wärmeerzeugenden Elements. In Fig. 3 ist mit 1 ein wärmebeständiges, isolierendes Substrat be­ zeichnet, während 2 eine sich über einen Teil der Substrat­ fläche erstreckende Glasurschicht ist. Auf der Glasur­ schicht 2 ist die Wärmeerzeugungsschicht 3 ausgebildet. Die gemeinsame Elektrode 4 befindet sich unter der Glasur­ schicht 2 und steht im Bereich A mit einer oberen gemeinsa­ men Dünnschichtelektrode 7 in Kontakt. Die gemeinsame Elek­ trode 4 wird durch Drucken und nachfolgendes Einbrennen hergestellt und ist stufenförmig mit einem unteren Elektro­ denteil 4 a und einem darauf aufgesetzten Elektrodenteil 4 b ausgestaltet. Im Bereich des Elektrodenteils 4 b ist die ge­ meinsame Elektrode 4 damit dicker als im übrigen Bereich des Elektrodenteils 4 a. Der Elektrodenteil 4 b befindet sich unmittelbar unterhalb des eigentlichen Wärmeerzeugungsele­ ments (zwischen den Elektroden 5 und 7). Das Wärmeerzeu­ gungselement 3 ist auf einem kuppelförmigen Teil der Gla­ surschicht 2 angeordnet.

Der Thermodruckkopf dieses Ausführungsbeispiels wird wie folgt hergestellt.

Die gemeinsame Elektrode 4 wird wie beim vorangegangenen Ausführungsbeispiel durch Drucken und nachfolgendes Ein­ brennen einer Metallpaste hergestellt. Diese basiert auch in diesem Fall auf Au oder Pt, während das Substrat 1 aus Aluminiumoxid-Keramik bestehen kann. Die Einbrenntemperatur liegt wie vorher bei 870 bis 880°C.

Nachdem der Elektrodenteil 4 a der gemeinsamen Elektrode mit der aus den Fig. 3 und 4 erkennbaren größeren Breite ge­ druckt wurde, wird der Elektrodenteil 4 b auf den Elektro­ denteil 4 a gedruckt, so daß er mit der Lage des Wärmeerzeu­ gungselements ausgerichtet ist. Dabei ist es im Hinblick auf den erwünschten Papierkontakt günstig, wenn die Breite des Elektrodenteils 4 b weniger als 0,6 mm beträgt. Die Breite und die Dicke des Elektrodenteils 4 a muß abhängig von der Punktdichte und der Punktanzahl des Thermodruck­ kopfes festgelegt werden.

Beispielsweise beträgt bei einem Druckkopf mit den Stan­ dardwerten von 48 Punkten und 240 dpi für Seriendrucker die Dicke der gemeinsamen Elektrode 4 10 µm und ihre Breite 1,0 mm. Bei diesen Werten tritt ein Spannungsabfall infolge des Elektrodenwiderstands selbst dann nicht auf, wenn alle Punkte gleichzeitig angeschaltet werden. Bei einem anderen Beispiel, nämlich einem Druckkopf mit den Standardwerten von 960 Punkten und 240 dpi für einen 4-Zoll Zeilendrucker betrug die Dicke der gemeinsamen Elektrode 15 µm und ihre Breite 5,0 mm. In diesem Fall war eine Verminderung der Druckdichte infolge eines Spannungsabfalls nicht zu beob­ achten. Die Glasurschicht 2 wird bei einer Temperatur im Bereich von 850°C ±10°C gebrannt, die etwas geringer als die Einbrenntemperatur der Metallpaste ist.

Auf dem so geschaffenen Substrat 1 werden die Wärmeerzeu­ gungsschicht, die Elektrodenschicht und der Passivierungs­ film in gleicher Weise wie beim vorangegangenen Ausfüh­ rungsbeispiel hergestellt und geformt.

Unter Verwendung eines auf erfindungsgemäße Weise herge­ stellten Druckkopfes wurde ein Experiment ausgeführt. Der Druckkopf besaß 48 Punkte und eine Punktdichte von 240 dpi. Insbesondere wurde die Entwicklung der Schweif- oder Schat­ tenbildung untersucht. Die Ergebnisse sind in der nachfol­ genden Tabelle zusammengestellt und einem herkömmlichen Druckkopf mit dem Aufbau gemäß Fig. 6 gegenübergestellt.

Wie aus dem Prüfpunkt 4 obiger Tabelle ersichtlich läßt sich die Mindestimpulspause zur Vermeidung einer Schweif­ bildung gegenüber dem Stand der Technik um 15% verringern, was bedeutet, daß die Druckgeschwindigkeit bei der Erfin­ dung um 15% höher liegt. Es hat sich herausgestellt, daß die Kosten der gemäß Fig. 3 stufenförmig ausgebildeten ge­ meinsamen Elektrode 4 gegenüber denen einer stufenlosen Elektrode nur um 2% erhöht sind. Die vorliegende Erfindung schafft somit einen verbesserten Druckkopf, bei dem die Druckqualität mit extrem niedrigen Kosten verbessert werden kann. Da ein merklicher Spannungsabfall auch dann nicht auftritt, wenn viele Punkte gleichzeitig angeschaltet wer­ den, wird auch das bislang drückende Problem einer Verrin­ gerung der Druckdichte vollständig gelöst. Die Beschränkun­ gen hinsichtlich der Druckgeschwindigkeit, die bisher be­ standen, werden verringert, was für die Funktion der Druc­ ker eine große Rolle spielt.

Claims (5)

1. Thermodruckkopf mit wenigstens einem Wärmeer­ zeugungselement, Elektroden (4, 4 a, 5) und einem Passivie­ rungsfilm (6), bei dem auf einem Teil eines wärmebeständi­ gen, isolierenden Substrats (1) eine Glasurschicht (2) aus­ gebildet ist, auf der sich das Wärmeerzeugungselement be­ findet, ein Teil einer der Elektroden (4) unter der Glasur­ schicht (2) liegt und die Glasurschicht in der Form einer Vielzahl von Stufen durch verschiedene Arten von Gläsern mit unterschiedlichen Erweichungspunkten ausgebildet ist.

2. Thermodruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die sich unter der Glasurschicht (2) befin­ dende Elektrode (4) durch Drucken und nachfolgendes Brennen einer Dickschicht hergestellt ist und in einem Bereich, wo die Dickschichtelektrode unter der Glasurschicht (2) her­ vorragt, mit einer Dünnschichtelektrode (4 a) verbunden ist.

3. Thermodruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Glasurschicht (2) einen Zweischich­ tenaufbau aus kristallisiertem Glas (2 a) und nicht kristal­ lisiertem Glas (2 b) aufweist.

4. Thermodruckkopf mit wenigstens einem Wärmeerzeu­ gungselement, Elektroden (4, 5, 7) und einem Passivierungs­ film (6), bei dem auf einem Teil eins wärmebeständigen, isolierenden Substrats (1) eine Glasurschicht (2) vorgese­ hen ist, auf der sich das Wärmeerzeugungselement befindet und eine der Elektroden (4) unter der Glasurschicht (2) an­ geordnet ist und mit einer Vielzahl von Stufen versehen ist.

5. Thermodruckkopf nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektrode (4) unter der Glasurschicht (2) durch Aufdrucken und Brennen einer Dickschicht hergestellt ist und durch mehrfaches Aufdrucken einen mehrstufigen Aufbau (4 a, 4 b) erhalten hat.