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Thermo-Druckkopf Die Erfindung betrlfft die konstruktive Ausbildung
der Heizelemente in Thermo-Druckköpfen, die mit elektrischen Stromimpulsen angesteuert
werden und im Zusammenwirken mit einem wärmeempfindlichen Aufzeichnungsträger zur
visuell und maschinell erkennbaren Kontrasterzeugung im allgemeinen, insbesondere
zur Darstellung von Schriftzeichen und beliebigen anderen graphischen Gebilden,
dienen. Die geschlossenen LinienzUge der. Zeichen werden dabei aus einer Anzahl
diskreter Punkt- oder Linienelemente zusammengesetzt.
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Als Aufzeichnungsträger hierfür kommen z. B. mit einer wärmeempfindlichen
Schicht oder Tränkung versehene Spezialpapiere in Betracht, die oberhalb einer bestimmten
Temperatur mit einem Kontrastumschlag reagierens oder auch wärmeempfindliche Farbstoffträger,
die bei einer bestimmten Temperatur Farbstoff an ein anliegendes Normalpapier abgeben.
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Die Anwendung solcher Druckeinrichtungen ist sehr vielseitig. Infolge
der relativ hohen Druckgeschwindigkeit, der sich mit einer Mosaikdarstellung
eröffnenden
Möglichkeiten für universelle Druckfunktionen, der Geräuscharmut, Zuverläassigkeit
u. a. m, bieten sich in Ausgabeeinheiten elektronischer Rechenanlagen, in Fernschreibern,
Tischrechnern, Plottern usw. vielfältige Einsatzmöglich keiten.
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Es sind mehrere Druckeinrichtungen bekannt, die eine Reihe oder eine
Matrix von Miniatur-Heizelementen vorsehen, mit denen die einleitend beschriebene
Funktion grundsätzlich realisiert werden kann.
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Gemäß der deutschen Patentschri-ft BED-AS 1 178 241 besteht der Druckkopf
aus einer Reihe von einzeln erregbaren Heizelementen, die als bandförmige Brücken
aus einem Widerstandsmaterial zwischen zwei in einer Ebene angeordneten Metallplatten
ausgebldet sind. Bei entsprechender Werkstoffwahl lassen sich durch gute Wärmeabfuhr
über die Metallplatten relativ kleine thermische Zeitkonstanten realisieren.
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In der britischen Patentschrift 973 200 wird das Problem dadurch gelöst,
daß auf einer Stirnfläche einer elektrisch isolierenden Trägerplatte Widerstandselemente
aufgereiht werden, zu denen je ein Paar von Anschlußleitern Sührt, die parallel
zu den Seitenflächen der Träger platte verlaufen. Diese Bauform ermöglicht die Stapelung
mehrerer solcher Grundeinheiten zu einer Matrix von Heizelementen, mit der ein Zeichen
in einem Taktschritt komplett
gedruckt werden kann. Für die Herstellung
wird Dünnfilm- oder h'albleiterdiffüsionstechnik vorgeschlagen. Eine Erweiterung
dieser Erfindung sieht in ein hochohmiges Materiel eingebettete Anschlußdrähte vor,
die in ihrer gemeinsamen Austrittsfläche von Widerstandsbahnen überbrückt werden.
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Gemäß einer weiteren französischen Fatentschrift 1 495 284 erzielt
man durch die Ausbildung von Widerstandselementen in vollintegrierter Technik eine
von den bisher beschriebenen unabhängige L5-sung für eine Heizelementematrix. Durch
integrierten Einbau einer Diode pro Heizelement erreicht man damit außerdem zur
einen Verband von mehreren solchen Patrizen eine Verringerung der Zahl der äußeren
AnschlÜsse. Durch geeignete Grabenätzung des Halbleiterplättchens wird die thermische
Abgrenzung der Einzelelemente untereinander verbessert.
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Im Interesse einer hohen Lebensdauer wird eine Abriebschutzschicht
ausgebildet. Die französische Patentschrift 1 570 211 beinhaltet schließlich eine
thermische Druckeinrichtung, bestehend aus Gruppen sich kreuzender voneinander isolierter
Widerstandsbahnen, deren Wärmewirkungen sich in den Kreuzungspunkten Überlagern
und nur an diesen Stellen die fQr die Reaktion des Aufzeichnungsträgers erforderliche
Temperaturerhöhung bringen.
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Dabei können die Teilwirkungen der halbselektierten Widerstandsbahnen
sowohl einzeln, d. h. von beiden Seiten des Aufzeichnungsträgers her als auch bereits
in Vereinigung dem wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterial zugeführt werden.
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Jede der angeführten Lösungen hat gewisse Mängel und Nachteile, die
u. a. darin bestehen, daß eine dichte Packung der Heizelemente nur in einer Dimension
möglich ist, daß nur ungenügende Reserven für den Abrieb der Heizelemente vorgesehen
wurden, daß die Wärmeabfuhr vom einzelnen Heizelement und/oder vom gesamten Heizelemente-Verband
relativ schlecht ist und so nur relativ niedrige Wärmeimpulsfolgefrequenzen realisiert
werden können, daß vor allem der Aufbau von Matrixanordnungen sehr kompliziert ist
und zusätzliche aufwendige Kontaktierungen für die@äußeren Anschlüsse erforderlich
sind und daß die mechanische Stabilität gering ist.
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Zweck der Erfindung ist es, die angefUhrten Mängel und Nachteile zu
beseitigen oder wenigstens teilweise abzubauen, wobei der Thermo-Druckkopf mit möglichst
geringen Kosten und mit relativ einfachen technischen Mitteln herzustellen ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thermo-Druckkopf zu
schaffen, der eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von punktförmigen Heizelementen
bzw.
die zeichengemäße Anordnung von linienförmigen Heizelementen vorsieht, die ihrerseits
ausreichend kleine Abmessungen haben, einen genügend hohen elektrischen Widerstand
besitzen, relativ holme Druckfrequenzen ermöglichen und eine hohe Lebensdauer besitzen.
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Erfindungsgemaß wird das dadurch erreicht, daß die Heizelemente des
Thermo-Druckkopfes in koaxialer Bauform ausgeführt sind, d. h. daß der elektrische
Strom Über einen Slittelleiter in ein vorzugsweise zylindrisch ausgebildetes Gebiet
aus hochohmigem Material einmündet und durch die Mantelfläche dieses Gebietes wieder
in niederohmigeres Material austritt.
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Die freie Stirnfläche des zylindrisch susgebildeten Widerstandsgebietes
befindet sich in Kontaktberührung mit dem wärmeempfindlichen Aufzeichnungsträger.
Feine Abwandlung dieser Lösung geht von der echten koaxialen Anordnung ab und läßt
den elektrischein Strom über eine in der Mitte einer Freifläche des Widerstandsgebietes
angebrachte Kontaktierung einmünden.
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Die prinzipielle Funktion eines solchen Heizelementes ist auch dann
gewäbrleistet, wenn der Mittelleiter keinen kreisrunden Querschnitt besitzt und
auch die Form der Freiflächen des Widerstandsgebietes
von der Kreisforn
abweichen und beispielsweise quadrftisch oder rechteckig ausreführt sind. Geht man
schließlich zu einem Rechteck mit sehr unterschiedlichen Seitenlängen über, so erhält
man ein Heizelement, mit dem linienförmige Druckelemente dargestellt werden können.
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Pür einen Verband von mehreren Heizelementen ist es zweckmäßig, eine
für alle Heizelemente gemeinsam.e Stromrückführung vorzusehen, was dadurch erreicht
wird, daß die Heizelemente in entsprechende Löcher einer den elektrischen Strom
und die Wärme gut leitenden Platte eingebaut werden.
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Die Widerstandsmaterialien können dabei auf der einen der beiden Seiten
oder auf beiden Seiten geringfügig über die Dicke der Grundplatte hineusragen. Bei
einer besonderen Ausbildung des Druckkopfes bestehen die Widerstandsgebiete aus
Halbleitermaterial mit hohem elektrischem Widerstand und die übrigen Gebiete der
Grundplatte aus einem Halbleitermaterial mit niedrigem elektrischem N'id erstand,
wobei der niedrige elektrische Widerstand durch Einlagerung von Störstellen in Halbleitermaterial
mit hohem elektrischem Widerstand gewonnen wird.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß der Thermo-Druckkopf
neben seinem ein fachen Aufbau fur hohe )ruckgeschwindigkeiten geeignet ist und
eine hohe Lebensdauer besitzt.
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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel naher
erläutert werden.
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In der zugehörigen Zeichnung zeigen:: Fig. 1: in starker Vergrößerung
die perspektivische Ansicht zweier Reizelemente in koaxialer Bauform, von denen
das eine im Schnitt dargestellt ist, Fig. 2: in starker Vergrößerung die perspektivische
Ansicht zweier Heizelemente in abgewandelter koaxialer Bauform7 von denen das eine
im Schnitt dargestellt ist, Fig. 3: die vergrößerte perspektivische Darstellung
der Grundeinheit für einen Thermo-Druckkopf zum rasterspaltenweisen 5 x 7-Mosaikdruck
im Zusammenwirken mit dem Aufzeichnungsträger.
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Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel dient zur Erläuterung
des Aufbaus und der Funktion eines- einzelnen Heizelementes, wobei unschwer zu erkennen
ist, daß sich ohne Beeinträchtigung ihrer
prinzipiellen Punktion
eine Vielzahl solcher Heizelemente in dichter Packung als Reihe oder Matrix anordnen
lassen und so eine große Zahl von Anwendungsvarianten realisierbar ist. Das tragende
Teil für das Einzelelement oder den Verband ist die Grundplatte 1, die mit Löchern
2 versehen ist.
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Sie besteht aus einem harten Material guter elektrischer und Wärmeleitfähigkeit,
vorzugsweise einem Metall, wie Messing oder Stahl, und ist letztlich für die Stromrückleitung,
die Wärmesbfuhr, den Abrieb und die mechanische Pestigkeit der Heizelemente bzw.
des DruckkopSes verantwortlich, Die geometrische Ausbildung der Löcher 2 kann kreisrund,
quadratisch, rechteckig bis zur Linienform u. a. in. sein. Die Löcher 2 sind mit
einem realtiv hochohmigen Widerstandsmaterial 3, z. 3.
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entsprechend dotiertes Silizium, halbleitende Keramik oder eine Kohlenstoff-Kunstharzlack-Suspension,
ausgefüllt. In dieses Widerstandsgebiet 3 ist der vorzugsweise metallische Leiter
4 als Mittelleiter eingebettet, dessen Querschnitt der B'orm der Löcher angepaßt
ist, und der in erster Linie der Stromzufuhr und nur in geringem Maße der Wärmeabfuhr
dient. Wird über den Leiter 4 ein Stromimpuls in das Heizelement eingespeist, so
erfahren besonders die inneren Zonen des Widerstandsgebietes 3 einen hohen kurzzeitigen
Temperaturanstieg, da hier der größte elektrische
Widerstand und
die geringste Wärme abfuhr wirksam werden. Werden die freien Stirnflächen dieser
tleiselemente mit einem wärmeempfindlichen Aufzeichnungsträger in Berührung gebracht,
so überträgt sich die durch den Stromimpuls verursachte Temperaturerhöhung und führt
zum Kontrastumschlag.
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Für die Darstellung von Schriftzeichen der Cröße von 2 x 3 mm2 beispielsweise
im 5 x 7-flinktraster ist eine Dicke der Grundplatte 1 von 0,1 ... C,2 mm zu empfehlen.
Der Durchmesser der Löcher 2 bei kreisrunder Ausführung betragt etwa 0,3 ... 0,4
mm, der des Mittelleiters 4 etwa 0,1 mm. Um die Heizelemente direkt in den Kollektorzweig
eines Transistor-Schaltkreises legen zu können, ist ein spezifischer Widerstand
des Materials im Gebiet ) # mm² von 5 . 10³ ... 105 erforderlich.
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m Da infolge der zeitweiligen oder gar ständigen Berührung der Heizelemente
mit dem Aufteichnungsträger und dessen Relativbewegung zum Druckkopf ein gewisser
Abrieb unvermeidlich ist, ist der koaxiale Aufbau der Heizelements in erfindungsg;emaßer
Weise besonders dazu geeignet, einen gewissen Abrieb zuzulassen, ohne daß dabei
die Funktionstüchtigkeit der Heizelemente gefährdet wird. rus Fig. 1 wird deutlich,
daß die Grundplatte mitsamt den Heizelementen z. B. gut 50 % ihrer Dicke einbüßen
kann, wodurch sich die Eigenschaften der
Heizelemente eher verbessern
als verschlechtern.
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Im Interesse einer hohen Druckgeschwindigkeit ist es wichtig, eine
hohe Abkühlgeschwindigkeit, d. h.
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eine kleine thermische Zeitkonstante der Heizelemente anzustreben.
Die Zeitkonstante der erfindungsgemäßen Heizelemente hängt neben dem Volumen und
den spezifischen Wärmekennwerten des Widerstandsgebietes 3 vor allem davon ab, mit
welcher Intensität die Wärme aus diesem Gebiet abgefUhrt wird.
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Eine intensive Wa'rmeäbfuhr, die letztlich auch während der Dauer
des elektrischen Heizimpulses vorherrscht, erhöht zwar die zu einer bestimmten Tempersturerhöhung
erforderliche LeistungssuSnahme, stellt aber für technische Lösungen dieser Art
den entscheidenden Weg zur Erhöhung der Druckgeschwindigkeit dar.
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Das koaxiale Wärmeleitungsgebiet und der unstetige Übergang an der
Lochwandung sind sehr gute Voraussetzungen für das Erreichen kleiner Zeitkonstanten
bei guter raumlicher Abgrenzung der Einzelpunkte.
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Bei einer dichtgepackten Matrixanordnung und fortlaufender Ansteuerung
aller Heizelemente besteht die Gefahr, daß sich die in der mitte der Matrix liegenden
Heizelemente stärker erwttrmen als die Randelemente, da im Zentrum nur wenig Material
der Grundplatte í vorhanden ist. Dieser Fall tritt aber in der Praxis kaum auf,
da beim Drucken alphanumerischer Zeichen; wofür die Matrix letztlich
bestimmt
ist, bevorzugt die Randelemente, die meisten mittleren Elemente sehr selten, und
einige überhaupt nicht erregt werden.
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In Fig. 2 ist eine Abwandlung der in Fig. 1 dargestellten echt koaxialen
Bauform der Neizelemente abgebildet, die bei Vorhandensein entsprechender technologischer
Ausrüstungen Vorteile für die Herstellung bringt, ansonsten aber alle Eigenschaften
und Vorzüge des AusfUhrungsbeispiels nach Fig. 1 besitzt.
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Die Grundplatte 1 ist wiederum mit runden, quadratischen oder rechteckigen
Löchern 2 versehen, die mit einem Wid;erstandsmaterial 3, vorzugsweise entsprechend
dotiertes Silizium, ausgefüllt sind.
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Nach beiderseitigem tberschleifen und Polieren der Grundplatte 1 werden
in, der Mitte der oberen Freiflächen der Heizelemente entsprechend der Form der
Löcher 2 runde, quadratische oder rechteckige Kontaktgebiete 5 aufgebracht, an die
die Anschlußdrähte 6 kontaktiert werden. Der Durchmesser der Kontaktierung 5 ist
dabei klein gegenüber dem tochdurchmesser. Für die Technologie der gesamten Kontaktierung
kommen aus der Halble,itertechnik her bekannte Verfahren zur Anwendung, also z.
B. Maskenbedampfung - Einlegieren - Thermokompressionsbonden.
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Bezüglich der Dimensionierung, beispielsweise für die Darstellung
von Schriftzeichen, gelten ebenfalls die zu rig. t gemachten Angaben.
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In Fig. 3 ist der Grundaufbau eines Thermo-Druckkopfes mit koaxialen
Heizelementen nach Fig. 1 oder Fig. 2 für den aufgelösten, rasterspaltenweisen 5
x 7-Mosaikdruck alphanumerischer'Zeichen' dargestellt. Durch zeichengemäße Einspeisung
von Stromimpulsen über die Leiter 4 und die gemeinsame Stromrückführung werden die
Widerstandsmaterialien 5 kurzzeitig erwärmt und erzeugen auf dem Aufzeichnungsträger
7 die Kontrastpunkte 8, die bei anderer Geometrie der Heizelemente auch von der
kreisrunden Form abweichen können.
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Der Aufzeichnungsträger 7 wird in der Vorschubrichtung 9 kontinuierlich
vorwärtsbewegt,und in fünf Taktschritten entsteht ein Zeichen. Ebenso kann natürlich
der Druckkopf über den ruhenden Aufzeichnungsträger hinwegbewegt werden, Zur Erhöhung
der mechanischen Festigkeit der Einzelelemente ist es zweckmäßig, diese im Bereich
der Leiter 4 mit einem geeigneten-Kunstharz o. S.
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zu umgeben.
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Wie bereits angeführt, eignet sich die Bauform der Heizelemente für
den Aufbau von Thermo-Druckköpfen für verschiedenste Gerätekonzeptionen.
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Neben dem mit Fig. 3 näher erläuterten 7-Elemente-Druckkopf zum rasterspaltenweisen
Yosaikdruck ist es möglich, eine sehr große Zahl von Heizelementen aufßureihen und
so parallel eine ganze Druckzeile in aufeinanderfolgenden Rasterschritten zu erstellen.
Neben der Ausgabe von Zahlenkolonnen oder Klartext ist diese Anordnung auch zur
graphischen Darstellung von Kurven, Zeichnungen usw. geeignet.
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Durch Matrixanordnungen von Heizelementen kann man schließlich vom
aufgelösten Mosaikdruck züm Komplettdruck Übergehen, wobei mit der vorliegenden
Erfindung wiederum seriell oder parallel arbeitellde Drucker realisierbar sind.
Für solche Lösungen ist es zweckmäßig, von kontinuierlichen zu schrittweisen Relativbewegungen
zwischen Aufzeichnungaträger und Druckkopf überzugehen, sowie während bestimmter
Bewegungsphasen den Druckkopf vom Aufzeichnungs'tr,dger zu trennen, Soll nur ein
begrenzter Zeichenvorrat dargestellt werden, so kann insbesondere der Aufwand für
die Elektronik des Druckers und auch für die Herstellung des Druckkopfes dadurch
verringert werden, daß die nichtbenötigten Heizelemente einer Matrix weggelassen
werden, daß darüber hinaus mehrere Punktelemente elektrisch zusammengefaßt und parallel
angesteuert werden.oder daß zu linienförmigen Heizelementen
koaxialer
Bauform übergegangen wird.
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So sind z. B, die Ziffern O bis "9" in stilisierter Form auf der Grundlage
von sieben geradlinigen Heizelementen in Anordnung einer stilisierten "8" darstellbar.