DE2537142A1

DE2537142A1 - Duennfilm-thermodruckkopf

Info

Publication number: DE2537142A1
Application number: DE19752537142
Authority: DE
Inventors: Frank Ura
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1974-11-15
Filing date: 1975-08-21
Publication date: 1976-05-26
Also published as: FR2291032A1; NL162014B; JPS6046030B2; CA1059208A; IT1052295B; DE2537142C3; JPS5169639A; JPS59224372A; NL7510038A; HK26979A; DE2537142B2; FR2291032B1; GB1503969A; JPS5523550B2; NL162014C

Description

Die Erfindung betrifft einen Dünnfilm-Thermodruckkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Dünnfilm-Thermodruckköpfe mit Widerstandsheizelementen sind bekannt aus US-PS 3 609 294. Dabei werden ebene Widerstandsheizelemente durch eine Schutzschicht aus einem Material bedeckt, welches gut wärmeleitend ist und einen wesentlichen elektrischen Widerstand hat. Die Schutzschicht ist derart ausgebildet, daß über jedem der Heizelemente ein erhöhter Bereich entsteht. Diese erhöhten, mesaförmigen Bereiche sind lediglich dickere Abschnitte der Deckschicht, welche die ganze Anordnung schützt. Die mesaartigen Bereiche ergeben Wärmekonzentrationen in dichter Nachbarschaft zu dem wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterial, Da das Material bezüglich einer guten thermischen Leitfähigkeit ausgewählt ist, wird die Weiterleitung der durch die Widerstandsheizelemente erzeugten Wärme an die Oberfläche des Aufzeichnungsmateriales durch die Übertragung eines Teiles dieser Wärme in die inneren Abschnitte der Schutzschicht beeinträchtigt. Deshalb ist der thermische Wirkungsgrad dieser Anordnung notwendigerweise niedrig.

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Aus US-PS 3 598 956 sind weiterhin Sperrschichten für Ionen bekannt. Die Ionensperrschicht umfaßt einen elektrisch leitenden Schirm, der die Widerstandsheizelemente von Ionen isoliert, die vorher die Lebensdauer der Heizelemente verkürzten. Die Ionensperrschicht ist von den Heizelementen und von dem thermisch leitfähigen Aufzeichnungsmaterial durch Glasschichten isoliert und ist am wirksamsten, wenn sie elektrisch vorgespannt oder geerdet wird.

Der Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, einen Dünnfilm-Thermodruckkopf der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Ionenisolation der Widerstandsheizelemente vereinfacht, die Erwärmung der Widerstandselemente gefördert und die Wärmezufuhr im übrigen Teil der Anordnung vermindert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Anspruch 1. Demgemäß sind die Widerstandselemente über einen Mesabereich aus Glas-Lasur ausgebildet, welcher die Wärmequelle selbst in dichte Nachbarschaft zu dem wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterial bringt und die durch die Schutzschicht verteilte Wärme herabsetzt. Die Ionensperrschicht ist wirksam ohne das Erfordernis einer elektrischen Vorspannung oder Erdung und benötigt auch keine Isolationsschicht aus Glas gegenüber den Heizelementen. Zusätzlich verbessert die Ionensperrschicht gemäß der Erfindung das Haftvermögen der verschleißfesten Schicht an den Heizelementen.

Vorzugsweise wird die Oxidschicht des Widerstandsmateriales durch einen durch Erhitzung oxidierten Abschnitt der Heizelemente gebildet und deren spezifischer Widerstand wird durch die Erhitzung erhöht. Die Ionensperrschicht wird daher während einer Wärmebehandlung hergestellt, die auch dazu dient, den Wert der Widerstandselemente einzustellen. Durch Steuerung der Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung

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können die Widerstandswerte auf einen Wert erhöht werden, der für die elektronischen Treiberschaltungen günstig ist. Da die Ablagerungen des Widerstandsmateriales in Dünnfilmtechnik gleichförmiger als bei anderen Herstellungsverfahren sind, werden in der Regel keine externen Trimmwiderstände benötigt. Durch die Wärmebehandlung wird der Widerstandswert aller Heizelemente gleichförmig erhöht.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar: Fig. 1 einen Querschnitt eines Substrates mit Glas-Lasur zur Erläuterung des darauf ausgebildeten Mesabereiches

für ein Heizelement;
Fig. 2 einen Querschnitt des Substrates gemäß Fig. 1 mit

den Schichten der Widerstands- und Leitermaterialien; Fig. 3 die Änderung des spezifischen Widerstandes über der

Zeit bei verschiedenen Temperaturen für Tantalnitrid; Fig. 4 einen Querschnitt des Substrates gemäß Fig. 2 mit der schützenden Oxidschicht und der verschleißfesten Schicht und

Fig. 5 eine Aufsicht eines Thermodruckkopfes mit einer Vielzahl von Heizelementen.

Gemäß Fig. 1 ist ein Substrat 10 mit einer dicken Schicht aus einer bei hohen Temperaturen beständigen Glas-Lasur 12 beschichtet. Die Lasur wird dann mit einem Photo-Widerstandsmaterial beschichtet, erhitzt, belichtet und entwickelt, so daß ein gegen Ätzmittel beständiges Muster aus Photowiderstandsmaterial an den Stellen verbleibt, an denen der Mesabereich ausgebildet werden SoIl₁ Die verbleibende ungeschützte Lasur wird dann mit Flußsäure zu einer dünneren Schicht geätzt als der Mesabereich 14. Das Substrat 10 kann 94 % bis 99 % Aluminiumoxyd oder dgl. aufweisen.

Nachdem der Mesabereich für jedes Widerstandsheizelement gemäß Fig. 1 gebildet worden ist, wird eine Schicht aus Wider-

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standsxnaterial über der gesamten Glas-Lasur durch Dünnfilmtechnik, beispielsweise durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung aufgebracht. Danach wird durch eine ähnliche Dünnfilmtechnik eine Schicht aus leitendem Material auf dem gleichen Bereich aufgebracht. Vorzugsweise besteht das Widerstandsmaterial entweder aus Tantalnitrid oder Tantalaluminiumlegierung oder dgl. und das Leitermaterial aus Gold oder Aluminium oder dgl.

Gemäß Fig. 2 bedeckt das Widerstandsmaterial 20 den Mesabereich 14. Nach der Zufuhr, Erhitzung, Belichtung und Entwicklung des Photo-Widerstandsmateriales zur Begrenzung des Musters aus elektrischen Leitern für die Heizelemente wird das Leitermaterial 22 chemisch geätzt, um die einzelnen Leiter für jedes Widerstandsheizelement auszubilden. Da das Widerstandsmaterial 20 von den Bereichen zwischen den Leitern entfernt werden muß, wird dieses Material durch ein geeignetes chemisches Ätzverfahren oder dgl. entfernt. Das Photo-Widerstandsmaterial wird dann wieder auf die ganze Fläche aufgebracht mit Ausnahme derjenigen Stellen, an denen das Widerstandsheizelement über dem Mesabereich ausgebildet werden soll, so daß das Widerstandsheizelement abgegrenzt wird. Nach dem Erhitzen, Belichten und Entwickeln der Photo-Widerstandsschicht wird das Leitermaterial dann chemisch von der Oberseite des den Mesabereich 14 bedeckenden Widerstandes geätzt.

Bevor auf die Heizelemente Verschleißmaterial aufgebracht wird, wird das gesamte Substrat erwärmt. Gemäß Fig. 3 kann die Widerstandsänderung in jedem Widerstandsheizelement über die Temperatur und die Dauer von deren Einwirkung bei der Wärmebehandlung gesteuert werden. Die Widerstandsänderung ist im wesentlichen für alle Widerstandsheizelemente auf dem Substrat gleichförmig, und diese Wärmebe-

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handlung ergibt ein Verfahren, durch welches der Widerstandswert der Heizelemente zur Anpassung an spezielle elektronische Treiberschaltungen erhöht werden kann.

Während der Wärmebehandlung wächst über jedem einzelnen Widerstandsheizelement eine schützende Oxidschicht. Dieses Schutzoxid dient als Sperrschicht gegen das Wandern von Ionen aus allgemein bekannten Quellen, wie dem wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterial selbst. Diese zu und von den Heizelementen wandernden Ionen neigen dazu, diese Elemente zu verunreinigen, wodurch deren Zuverlässigkeit und Lebensdauer beeinträchtigt wird. Zusätzlich ergibt dieses Oxid ein besseres Haftvermögen der verschleißfesten Schicht, die auf jedes Widerstandsheizelement nach der Wärmebehandlung aufgebracht wird.

Gemäß Fig. 4 wird die verschleißfeste Schicht 30 über dem Bereich jedes Heizelementes aufgebracht. Es wird verschleißfestes, wärmeleitendes Material, beispielsweise Aluminiumoxid verwendet. Dadurch wird ein Widerstandsheizelement über den Mesabereichen aus Glas-Lasur ausgebildet, welche eine chemische Ionen-Sperrschicht enthält und durch eine abriebfeste Schicht geschützt ist, wodurch wärmeempfindliches Aufzeichnungsmaterial wirksam entwickelt wird. Aus Fig. 3 geht der Druckabschnitt 34 des Widerstandsheizelementes hervor. Die schützende Oxidschicht 32 verbessert die Zuverlässigkeit in einer ionisierten Umgebung etwa um den Faktor sechs zu eins. Es läßt sich zeigen, daß die Zahl der Heizelementausfälle nach dem Bedrucken von mehr als 10 000 m Papier 6 mal höher ohne schützende Oxidschicht war als mit der schützenden Oxidschicht.

Gemäß Fig. 5 umfaßt der Dünnfilm-Thermodruckkopf 40 sieben Widerstandsheizelemente 41, einen gemeinsamen Leiter 42 und einzelne Leiter 44. Jedes der Widerstandsheizelemente

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und die Leiter wurden derart ausgebildet, wie es vorstehend für eines der Heizelemente erläutert wurde. Der Druckkopf 40 kann beispielsweise zur Herstellung von alpha-numerischen Schriftzeichen in einer Matrix mit 5 mal 7 Elementen zusammen mit einem wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterial verwendet werden.

Zusammengefaßt ergibt sich also folgendes: Der Thermodruckkopf umfaßt Widerstandsheizelemente auf Mesabereichen aus Glas-Lasur über einem Substrat aus Aluminiumoxid zur wirksameren Markierung von wärmeempfindlichem Aufzeichnungsmaterial. Nachdem die Mesabereiche in der Glas-Lasur durch Ätzen ausgebildet worden sind, werden Widerstandsund Leitermaterialien über den Mesabereichen durch Dünnfilmtechnik aufgebracht. Danach werden die erhöhten Heizelemente und Leiter chemisch begrenzt. Dann wird der Widerstandswert der Widerstandselemente erhöht und eine schützende Oxidschicht über den einzelnen Heizelementen erzeugt. Da der Widerstandswert der Heizelemente steuerbar als Funktion der Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung erhöht werden kann, sind keine externen Trimmwiderstände erforderlich. Die schützende Oxidschicht, welche sich über den Widerständen während der Wärmebehandlung ausbildet, ergibt ein besseres Haftvermögen für die abriebfesten Materialien und eine wirksame Sperrschicht gegen Ionenbewegungen von dem Aufzeichnungsmaterial in die Heizelemente, welche zu einer Beeinträchtigung der Funktion und der Lebensdauer des Druckkopfes führen würden.

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Claims

2537H2 Hewlett-Packard Company Int. Az.: Case 920 13. Aug. 1975 KS/gl Patentansprüche

1.jDünnfilm-Thermodruckkopf mit einem Substrat, Heizelementen \_/ aus Widerstandsmaterial, mehreren elektrischen Leitern, die mit den Heizelementen zur Zufuhr von elektrischer Leistung verbunden sind und einer Deckschicht aus verschleißfestem Material mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat (10) aus Aluminiumoxid besteht, eine Schicht aus Glas-Lasur (12) das Substrat bedeckt und mehrere Mesabereiche aufweist, die auf deren Oberfläche ausgebildet sind, die Schicht (2O) aus Widerstandsmaterial die Mesabereiche bedeckt und die Widerstandsheizelemente auf diesen ausbildet, eine Oxidschicht (32) aus Widerstandsmaterial jedes der Heizelemente bedeckt und gegenüber Ionen isoliert und die Schicht (30) aus verschleißfestem Material die Oxydschicht bedeckt.

2. Dünnfilm-Thermodruckkopf nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das Widerstandsmaterial Tantalnitrid oder eine Tantalaluminiumlegierung ist.

3. Dünnfilm-Thermodruckkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das verschleißfeste Material Aluminiumoxid ist.

4. Dünnfilm-Thermodruckkopf nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Oxidschicht (32) des Widerstandsmaterials durch einen mittels Wärme oxidierten Abschnitt der Heizelemente gebildet ist.

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5. Dünnfilm-Thermodruckkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Heizelemente (20) aus einem Material mit einem Widerstandswert bestehen, der durch Erhitzen änderbar ist.

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