DE3885523T2

DE3885523T2 - Thermischer Druckkopf.

Info

Publication number: DE3885523T2
Application number: DE3885523T
Authority: DE
Inventors: Yozo Kobayashi; Shinichi Mizushima; Norihito Mochizuki; Hisao Suzuki
Original assignee: Tokyo Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba TEC Corp
Priority date: 1987-07-14
Filing date: 1988-07-13
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2008-07-14
Also published as: EP0299735B1; DE3885523D1; US4905020A; EP0299735A3; EP0299735A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermischen Druckkopf, der mit mehreren Heizelementen versehen ist, die selektiv erhitzt werden, um auf ein wärmeempfindliches Aufzeichnungspapier oder aber über ein wärmeempfindliches Farbband auf ein Aufzeichnungspapier zu drucken.

Beschreibung des Standes der Technik

Ein beispielhafter, konventioneller thermischer Druckkopf 1 ist in Fig. 1 gezeigt, wobei der thermische Druckkopf 1 über ein Aufzeichnungsblatt 7 mit einer Platte 8 in Berührung steht. Dieser thermische Druckkopf 1 weist ein Substrat 2 aus Aluminiumoxid auf, eine Glasglasurschicht 3, eine Widerstandsheizschicht 4, eine Elektrodenschicht 5, und eine Schutzschicht 6, wobei die Schichten in dieser Reihenfolge übereinander angeordnet sind. Die Elektrodenschicht 5 besteht aus Aluminium. In den meisten Fällen ist die Schutzschicht 6 aus einem der nachstehend angegebenen Dünnfilme hergestellt.
(1) Laminierter Dünnfilm aus SiO&sub2;- und Ta&sub2;O&sub5;-Filmen
(2) Si&sub3;Ni&sub4;-Dünnfilm
(3) SiC-Dünnfilm
(4) Al&sub2;O&sub3;-Dünnfilm
In Fig. 1 ist nur ein einziges Heizelement des thermischen Druckkopfes 1 entsprechend einem einzigen Druckpunkt im Querschnitt gezeigt. In der Praxis wird die Elektrodenschicht 5 durch ein Ätzverfahren mit einem Muster versehen, und weist der thermische Druckkopf 1 mehrere derartige Heizelemente auf.
Wenn ein thermischer Druckkopf 1 mit einem derartigen Aufbau für den Druck eingesetzt wird, so wird ein wärmeempfindliches Aufzeichnungspapier oder ein Wärmeübertragungspapier als das Aufzeichnungsblatt 7 verwendet, und die Widerstandsheizschichten 4 werden selektiv erwärmt, nämlich durch selektives Anlegen eines Stroms durch die zugeordneten Elektrodenschichten 5, um so Druckpunkte an Positionen entsprechend den erhitzten Widerstandsheizschichten 4 auszubilden. Auf diese Weise werden die Widerstandsheizschichten 4 selektiv erhitzt, während die Platte 8 gedreht wird, um das Aufzeichnungsblatt 7 in Bezug auf den thermischen Druckkopf 1 zu bewegen, um Zeichen auf das Aufzeichnungsblatt 7 aufzudrucken.
In jüngster Zeit wurden Drucker, welche den thermischen Druckkopf 1 verwenden, in ihrer Leistung ständig weiter entwickelt, einschließlich der Fähigkeit, mit hoher Dichte Farben zu drucken, der Fähigkeit des Mehrfachdruckes, und der Fähigkeit von Halbtondrucken. In jedem Druckmodus muß der Drucker mit einer hohen Druckgeschwindigkeit arbeiten können. Allerdings nimmt mit der Druckgeschwindigkeit die Reibung zwischen der Schutzschicht 6 und dem Aufzeichnungsblatt 7 zu. Darüber hinaus muß im Hochgeschwindigkeits-Druckbetrieb jeder Druckpunkt in einer sehr kurzen Zeit gebildet werden. Um einen klaren Druckpunkt in kurzer Zeit zu erzeugen, wird daher eine erhöhte Spannung an die Widerstandsheizschicht 4 angelegt, wodurch die Temperatur des thermischen Druckkopfes 1 ansteigt.
Infolge der beim Benutzer herrschenden Situation werden darüber hinaus nicht notwendigerweise Aufzeichnungsblätter 7 mit zufriedenstellender Qualität verwendet. In manchen Fällen wird ein Aufzeichnungsblatt mit schlechterer Farbempfindlichkeit, ein Aufzeichnungsblatt mit verringerter Oberflächenglätte, oder ein spezielles wärmeempfindliches Aufzeichnungspapier verwendet, welches durch Aufbringen eines Färbematerials auf dickes Papier hergestellt wurde. Der thermische Druckkopf muß gegen die Platte 8 mit einem Druck angedrückt werden, der im wesentlichen doppelt so hoch ist wie der normale Druck, um klare, gleichmäßige Drucke in hoher Qualität zu erhalten, wenn ein derartiges Aufzeichnungsblatt 7 verwendet wird, wodurch die Reibung zwischen der Schutzschicht 6 und dem Aufzeichnungsblatt 7 weiterhin erhöht wird, und es hierbei passieren kann, daß die Schutzschicht 6 an Positionen entsprechend den Kanten der Elektrodenschicht 5 Risse zeigt. Daher muß die Schutzschicht 6 ihre anfänglichen Leistungen aufrechterhalten, also einen Hochgeschwindigkeitsdruck und auf sie durch die Platte 8 ausgeübten hohen Druck aushalten. Allerdings können die voranstehend angegebenen, konventionellen Schutzschichten (1), (2), (3) und (4) nicht mit unterschiedlichen Bedingungen fertigwerden, die sich beim Hochgeschwindigkeitsdruck und der Verwendung eines derartigen speziellen Aufzeichnungsblattes ergeben. Die Nachteile der voranstehend beschriebenen, konventionellen Schutzschichten (1) bis (4) werden nachstehend geschildert.

(1) SiO&sub2;/Ta&sub2;O&sub5;-Laminat-Dünnfilm

Dieser laminierte Dünnfilm weist eine geringe Härte auf, sowie einen schlechteren Abriebwiderstand, und daher ist der laminierte Dünnfilm nicht als Schutzschicht für Hochgeschwindigkeitsdruck und Drucken auf das spezielle Auf zeichnungsblatt geeignet.

(2) Si&sub3;Ni&sub4;-Dünnfilm

Dieser Dünnfilm neigt zu Rissen an Positionen entsprechend den Kanten-der Elektrodenschicht 5, infolge von mechanischen Spannungen, die durch auf ihn ausgeübten Druck hervorgerufen werden, und zwar weil Aluminium, welches üblicherweise zur Herstellung der Elektrodenschicht 5 verwendet wird, weich ist. Daher ist dieser Dünnfilm ungeeignet zur Verwendung als Schutzschicht eines thermischen Druckkopfes, welcher häufig mit hohem Druck gegen die Platte angedrückt wird, um auf ein spezielles Aufzeichnungsblatt zu drucken.

(3) SiC-Dünnfilm

Dieser Film ist chemisch instabil und reagiert leicht mit dem Farbmaterial des Aufzeichnungsblattes, und daher neigt dieser Dünnfilm zu einem außerordentlichen starken Abrieb. Dieser Nachteil vergrößert sich noch, wenn der thermische Druckkopf auf hohe Temperatur erwärmt wird. Weiterhin weist dieser Dünnfilm eine schlechte Rißbildungswiderstandsfähigkeit auf. Daher ist dieser Dünnfilm ungeeignet für den Hochgeschwindigkeitsdruck sowie den Druck auf ein spezielles Aufzeichnungsblatt.

(4) Al&sub2;O&sub3;-Dünnfilm

Dieser Film weist eine schlechtere Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit auf, und dieser Nachteil wird mit ansteigender Temperatur des thermischen Druckkopfes deutlicher. Daher kann bei einem thermischen Druckkopf, der diesen Dünnfilm als Schutzschicht verwendet, die Elektrodenschicht aus Aluminium elektrisch-chemisch korrodiert werden, infolge der Korrosionswirkung von Feuchtigkeit und Ionen, die in dem Aufzeichnungsblatt enthalten sind. Wurde die Elektrodenschicht auf diese Weise korrodiert, so steigt der Widerstand der Elektrodenschicht an, was zum Auslassen von Druckpunkten führt. Daher ist dieser Dünnfilm zum Einsatz als Schutzschicht für einen thermischen Druckkopf für Hochgeschwindigkeitsdruck ungeeignet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines thermischen Druckkopfes, der eine Schutzschicht aufweist, die einen hohen Abriebwiderstand aufweist, einen hohen Spaltbildungswiderstand, und hohe chemische Stabilität.
Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines thermischen Druckkopfes, der eine Schutzschicht aufweist, die zusätzlich zu einem Abriebwiderstand und einem Rißbildungswiderstand eine hohe Wärmebeständigkeit aufweist.
Ein drittes Ziel der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines thermischen Druckkopfes, der eine Schutzschicht verwendet, die einen hohen Abriebwiderstand aufweist, einen hohen Spaltbildungswiderstand, eine hohe Feuchtigkeitsbeständigkeit, und hohe chemische Stabilität.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine teilweise Längsschnittansicht eines konventionellen thermischen Druckkopfes;
Figur 2 ist eine teilweise Längsschnittansicht eines thermischen Druckkopfes gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 3 ist eine teilweise Längsschnittansicht eines thermischen Druckkopfes gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 4 ist eine teilweiwe Längsschnittansicht eines thermischen Druckkopfes gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 5 ist eine teilweise Längsschnittansicht eines thermischen Druckkopfes gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 6 ist ein Diagramm, welches die Ergebnisse von stufenweisen Belastungsversuchen zeigt; und
Figur 7 ist ein Diagramm, welches die Ergebnisse von Impulswiderstandsversuchen zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Erste Ausführungsform (Fig. 2)

Fig. 2 zeigt einen Abschnitt für einen Druckpunkt eines thermischen Druckkopfes 10, der ein Substrat 11 aus Aluminiumoxid aufweist, eine Glasglasurschicht 12, eine Widerstandsheizschicht 13, eine Elektrodenschicht 14 und eine Schutzschicht 15, die in dieser Reihenfolge übereinander angeordnet sind.
Die Heizwiderstandsschicht 13 ist ein dünner BaRuO&sub3;-Film mit einer Dicke von 1000 Angström, erzeugt durch ein Hochfrequenz-Sputterverfahren.
Die Elektrodenschicht 14 ist ein dünner Aluminiumfilm, mit einer Dicke von 1um, der durch ein Gleichspannungs-Sputterverfahren hergestellt wird. Die Elektrodenschicht 14 wird mit einem vorbestimmten Muster versehen, durch ein Präzisionsbearbeitungsverfahren wie beispielsweise ein photolithographisches Ätzverfahren. Ein Abschnitt der Heizwiderstandsschicht 13 entsprechend einem entfernten Abschnitt der Elektrodezschicht 14 dient als Heizelement 16 für einen Druckpunkt. Der thermische Druckkopf 10 ist mit einer Matrix aus mehreren Heizelementen 16 versehen. Die Größe des Heizelementes beträgt 100 x 120um², und die Dichte der Matrix beträgt 8 Elemente/mm².
Die Schutzschicht 13 ist ein Dünnfilm aus einer Mischung von Al&sub2;O&sub3; und SiO&sub2; und weist eine Dicke von 5um auf, sie wird durch ein Hochfrequenz-Sputterverfahren oder ein Elektronenstrahlverdampfungsverfahren hergestellt. Die Mischung enthält 65 Mol.-% Al&sub2;O&sub3; und 35 Mol.-% SiO&sub2;.
Der Druckbetrieb des thermischen Druckkopfes 10, der auf die beschriebene Weise aufgebaut ist, ist ebenso wie bei dem voranstehend erwähnten, konventionellen thermischen Druckkopf 1, der unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, und daher wird hier auf eine entsprechende Beschreibung verzichtet. Die Leistung der Schutzschicht 15 des thermischen Druckkopfes 10 übersteigt einen etablierten Standardpegel in Bezug auf Abriebwiderstand, Rißbildungswiderstand, chemische Stabilität und Feuchtigkeitsbeständigkeit. Daher läßt sich der thermische Druckkopf 10 in zufriedenstellender Weise beim Hochgeschwindigkeitsdruck und beim Drucken auf spezielle Aufzeichnungsblätter einsetzen. Die hervorragende Leistung der Schutzschicht 15 wird nachstehend auf der Grundlage von Meßwerten bestätigt.
Die Leistung der Schutzschicht 15 des thermischen Druckkopfes 10 wurde im Vergleich zu der Leistung der nachstehend konventionellen Schutzschichten bewertet, die jeweils auf thermischen Druckköpfen mit demselben Aufbau hergestellt wurden, zu Vergleichszwecken.
Vergleichsbeispiel 1: Laminierter Dünnfilm aus SiO&sub2; und Ta&sub2;O&sub5; (5um dick)
Vergleichsbeispiel 2: Si&sub3;N&sub4;-Dünnfilm (5um dick)
Vergleichsbeispiel 3: SiC-Dünnfilm (5um dick)
Vergleichsbeispiel 4: Al&sub2;O&sub3;-Dünnfilm (5um dick)

Vickers-Härte-Versuch:

Die Vickers-Härte der Schutzschicht 15 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wurde als Anzeigewert für den Abriebwiderstand gemessen. Die gemessenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Wie deutlich aus Tabelle 1 hervorgeht, ist die Vickers-Härte der Schutzschicht 15 nicht sehr hoch, verglichen mit jener der Vergleichsbeispiele, und ist höher als die des Vergleichsbeispiels 1. Im praktischen Druckbetrieb wird eine Schutzschicht mit einer Vickers-Härte im Bereich von 500 bis 700 kg/mm² in einem kurzen Druckbetriebszeitraum abgerieben, und daher ist eine derartige Schutzschicht nicht zum Einsatz bei dem thermischen Druckkopf geeignet, wogegen eine Schutzschicht mit einer Vickers-Härte im Bereich von 1000 bis 1200 kg/mm² mehr oder weniger zufriedenstellende Eigenschaften bezüglich des Abriebwiderstands zeigt. Die Schutzschicht 15 ist ausreichend abriebbeständig, wenn sie beim Hochgeschwindigkeitsdruck eingesetzt wird. Tabelle 1 Schutzschichten Vickers-Härte (kg/mm²) Schutzschicht 15 Vergleichsbeispiel

Feuchtigkeitsbeständigkeits-Versuch:

Dieselben thermischen Druckköpfe, die jeweils mit der Schutzschicht 15 beziehungsweise den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 versehen waren, wurden in einen Druckkocher eingebracht und einem Druck von 2 Atmosphären bei einer Temperatur von 120ºC 48 Stunden lang ausgesetzt. Streifen und Verfärbungen, die durch Chemikalien hervorgerufen wurden, tauchten nur bei dem Vergleichsbeispiel 4 auf, während die übrigen Schichten überhaupt nicht beschädigt wurden. Nur das Vergleichsbeispiel 4 ist in Bezug auf Feuchtigkeitsbeständigkeit nicht akzeptierbar.

Standfestigkeits-Versuch:

Die Standfestigkeit der Versuchs-Schutzschichten wurde auf einem thermischen Drucker durch einen versuchsweisen Hochgeschwindigkeitsdruckbetrieb untersucht, wobei ein spezielles Aufzeichnungsblatt verwendet wurde, welches eine niedrige Farbempfindlichkeit aufwies, und welches durch Beschichtung eines dicken Papiers mit einem weißen Papierformat und einem Farbbildner hergestellt wurde. Die beim Versuch eingesetzten thermischen Druckköpfe wurden gegen die Platte mit einem Druck von 900 bis 1000 g/cm² angedrückt, was etwa das Doppelte des üblichen Druckes darstellt. Die Energiezuführung zum bei den Proben verwendeten thermischen Druckkopf erfolgte mit einer Energiezuführungsrate von 50 mJ/mm². Das Aufzeichnungsblatt wurde mit einer hohen Zufuhrgeschwindigkeit von 75 mm/Sekunde zugeführt.

Vergleichsbeispiel 1:

Wenn das Aufzeichnungsblatt ungefähr 3 km lang gelaufen war, waren zahlreiche große Fehlstellen in der Oberfläche ausgebildet, was auf die Kratzwirkung harter Teilchen zurückgeführt wird, die in dem Aufzeichnungsblatt enthalten waren, sowie von in der Atmosphäre enthaltenem Staub. War das Aufzeichnungsblatt zusätzliche 18 km gelaufen, so erreichten die Fehlstellen die Heizwiderstandsschicht 12, wodurch Fehldrucke hervorgerufen wurden. Dieses Ergebnis stimmt mit den Ergebnissen der Versuche bezüglich der Vickers-Härte gut überein und zeigt, daß das Vergleichsbeispiel 1 einen schlechteren Abriebwiderstand hat.

Vergleichsbeispiel 2:

Wenn das Aufzeichnungsblatt etwa 3 km durchgelaufen war, zeigte sich eine Beule in einem Abschnitt der Schutzschicht entsprechend dem zentralen Abschnitt des Heizelements 16, und der ausgebeulte Abschnitt fiel herunter, nachdem das Aufzeichnungsblatt etwa 5 km gelaufen war, wodurch Fehldrucke hervorgerufen wurden, was auf die Ausbildung von Rissen in Abschnitten entsprechend den Kanten der Elektrodenschicht 14 zurückgeführt wird.

Vergleichsbeispiel 3:

Nachdem das Aufzeichnungsblatt etwa 3 km gelaufen war, entwickelten sich Risse, und die Heizwiderstandsschicht 13 wurde beschädigt, wodurch Fehldrucke hervorgerufen wurden.

Vergleichsbeispiel 4:

Wenn das Aufzeichnungsblatt etwa 10 km hindurchgelaufen war erhöhte sich der Widerstand der Elektrodenschicht 14 um einige Prozent. Nach einem zusätzlichen Lauf des Aufzeichnungsblattes von 16 km erhöhte sich der Widerstand der Elektrodenschicht 14 um einige zehn Prozent, und es traten Auslassungen von Druckpunkten auf. Diese Tatsache wird auf elektro-chemische Korrosion in der Elektrodenschicht 14 zurückgeführt, was gut mit den Ergebnissen des Feuchtigkeitsbeständigkeits-Versuches übereinstimmt und zeigt, daß das Vergleichsbeispiel 4 eine schlechtere Feuchtigkeitsbeständigkeit aufweist.

Schutzschicht 15:

In der Schutzschicht 15 entwickelten sich weder Risse noch Beulen, und der Widerstand der Elektrodenschicht 14 änderte sich gegenüber dem Ursprungswert nur um 1%, nachdem das Aufzeichnungsblatt 30 km hindurchgelaufen war. Dies beweist, daß die Schutzschicht 15 eine ausreichend hohe Vickers-Härte aufweist, eine zufriedenstellende Feuchtigkeitsbeständigkeit, hervorragende Rißwiderstandsfähigkeit, und eine hervorragende chemische Stabilität.
Da es kostengünstig ist, wurde Aluminium allgemein zur Herstellung der Elektrodenschicht 14 des thermischen Druckkopfes eingesetzt. Da jedoch die Aluminium-Elektrodenschicht 14 sehr flexibel ist, wird die Schutzschicht, die über der Elektrodenschicht 14 ausgebildet ist, leicht mechanisch belastet, worin eine der Ursachen für die Entwicklung von Rissen in der Schutzschicht gesehen wird. Dennoch wurde durch den versuchsweisen Druckbetrieb bestätigt, daß die Schutzschicht 15 gemäß der vorliegenden Erfindung keine Risse zeigt, selbst wenn die Elektrodenschicht 14 aus Aluminium hergestellt ist.
Es wurde weiterhin experimentell bestätigt, daß die Härte der Schutzschicht 15 verringert wird, wodurch sich der Abriebwiderstand verschlechtert, wenn der Gehalt an SiO&sub2; 60 Mol.-% oder mehr beträgt und daß die Rißbildungswiderstandsfähigkeit und chemische Stabilität verschlechtert wird, wenn dieser Anteil 5 Mol.-% oder weniger beträgt. Wenn der SiO&sub2;-Gehalt der Mischung zur Herstellung der Schutzschicht 15 60 Mol.-% oder mehr beträgt, werden nämlich die Selbstsinterungseigenschaften der Mischung verschlechtert, und daher ist es schwierig, ein gesintertes Target für das Sputtern herzustellen, und die Härte der Schutzschicht 15, die aus einer solchen Mischung hergestellt ist, ist nicht ausreichend hoch, um einen zufriedenstellend dauerhaften thermischen Druckkopf zur Verfügung zu stellen. Liegt der SiO&sub2;-Gehalt der Mischung, welche die Schutzschicht 15 bildet, im Bereich von 6 bis 19 Mol.-%, so ist die Schutzschicht 15 spröde und reißt leicht ein, und daher ist der thermische Druckkopf, der mit einer derartigen Schutzschicht 15 versehen ist, für den Hochgeschwindigkeitsdruck nicht geeignet. Daher ist es wünschenswert, die Schutzschicht 15 durch einen Dünnfilm zu bilden, der Al&sub2;O&sub3; als Hauptbestandteil aufweist, sowie einen SiO&sub2;-Gehalt im Bereich von 20 bis 45 Mol.-%.
Liegt der SiO&sub2;-Gehalt der Schutzschicht im Bereich von 6 bis 19 Mol.-%, so ist die Schutzschicht 15 bezüglich der Feuchtigkeitsbeständigkeit nicht zufriedenstellend (nämlich durchlässig). Wird die Elektrodenschicht 14 aus kostengünstigem Aluminium hergestellt, so durchdringt Wasser die Schutzschicht 15, und die Reaktion der Aluminium-Elektrodenschicht 14 mit Wasser ergibt Aluminiumhydroxid, was den Widerstand der Elektrodenschicht 14 vergrößert, und hierdurch wird die Lebensdauer des thermischen Druckkopfes verringert. Wenn die Elektrodenschicht 14 aus Aluminium hergestellt wird, muß daher der SiO&sub2;-Gehalt der Schutzschicht 15 20 Mol.-% oder mehr betragen.

Zweite Ausführungsform (Fig. 3)

Ein thermischer Druckkopf bei einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Substrat 17 aus Aluminiumoxid auf, eine Glasglasurschicht 18, eine Heizwiderstandsschicht 19, eine Aluminium-Elektrodenschicht 20, und eine Schutzschicht 21, die in dieser Reihenfolge übereinander angeordnet sind.
Nach der Herstellung über dem Substrat 17 wird die Glasglasurschicht 18 gewaschen, und dann wird BaRuO&sub3; über der Oberfläche der Glasglasurschicht 18 in einem dünnen Film mit einer Dicke von 1000 Angström durch ein Hochfrequenz-Sputterverfahren abgelagert, um die Heizwiderstandsschicht 19 zu bilden. Aluminium wird über der Heizwiderstandsschicht 19 in einem Dünnfilm mit einer Dicke von 1um durch ein Gleichspannungs-Sputterverfahren abgelagert, um die Aluminium-Elektrodenschicht 20 herzustellen. Dann wird die Aluminium-Elektrodenschicht 20 durch ein Präzisionsbearbeitungsverfahren mit einem Muster versehen, um die Heizwiderstandsschicht 19 in einem Muster mit mehreren Druckpunkten freizulegen, jeweils mit Abmessungen von 100um x 100um, die mit einer Druckpunktdichte von 8 Druckpunkten/mm angeordnet sind.
Bei der Herstellung der Schutzschicht 21 wird zuerst ein Dünnfilm aus Al&sub2;O&sub3; und SiO&sub2; mit einer Dicke von 2um durch ein Hochfrequenz-Sputterverfahren hergestellt, unter Verwendung eines Targets, welches 65 Mol.-% Al&sub2;O&sub3; und 35 Mol.-% SiO&sub2; enthält, in einer Argongasatmosphäre, und dann wird ein Dünnfilm aus Al&sub2;O&sub3; und SiO&sub2; über dem erstgenannten Dünnfilm mit einer Dicke von 3um in einer Gasmischungsatmosphäre aus Argongas und Stickstoffgas hergestellt. Stickstoff ist in der Oberfläche der Schutzschicht 21 enthalten. Bei der Entladung liegt der Stickstoffgehalt der Gasmischung im Bereich von 0 bis 10%.
Die besseren Eigenschaften der Schutzschicht 21 gemäß der vorliegenden Erfindung, verglichen mit den konventionellen Schutzfilmen (den Vergleichsbeispielen 1 bis 4) wurde theoretisch und experimentell bestätigt. Die Leistung der Schutzschicht 21 wurde im Vergleich mit denselben Vergleichsbeispielen 1 bis 4 untersucht.

Vickers-Härte-Versuch:

Die Vickers-Härte der Schutzschicht 21 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wurde als Maß für den Abriebwiderstand gemessen. Die Meßdaten sind in Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle 2 Schutzschichten Vickers-Härte (kg/mm²) Schutzschicht 21 Vergleichsbeispiel
Wie aus Tabelle 2 deutlich wird, weist die Schutzschicht 21 gemäß der vorliegenden Erfindung eine ausreichend hohe Vickers-Härte auf.

Standzeit-Versuch:

Die für die Versuche eingesetzten thermischen Druckköpfe, die mit der Schutzschicht 21 beziehungsweise den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 versehen waren, wurden Standzeit-Versuchen auf einem Thermodrucker unterworfen. Um die vergleichsweisen Vorzüge der bei den Versuchen eingesetzten thermischen Druckköpfe zu verdeutlichen, wurden diese thermischen Druckköpfe gegen die Platte mit einem Druck im Bereich von 900 bis 100 g/cm² angedrückt, also dem Doppelten des Normaldrucks, es wurde eine Energie von 50 mJ/mm² den thermischen Druckköpfen zugeführt, und das Aufzeichnungsblatt wurde mit einer Geschwindigkeit von 75 mm/Sekunde zugeführt.

Vergleichsbeispiel 1 (5um):

In dem beim Versuch eingesetzten thermischen Druckkopf, der mit dem Vergleichsbeispiel 1 ausgerüstet war, zeigten sich weder Risse noch Beulen. Allerdings bildeten sich zahlreiche große Fehlstellen in dem Vergleichsbeispiel 1, was auf die Kratzwirkung von in dem Aufzeichnungsblatt enthaltenen harten Teilchen sowie von Sand und Staub in der Atmosphäre zurückgeführt wird. Nach einer Laufstrecke des Aufzeichnungsblattes von 18 km erreichten die Fehlstellen beim Vergleichsbeispiel 1 die Heizwiderstandsschicht 19, wodurch Fehldrucke hervorgerufen wurden. Offensichtlich liegt der schnelle Abrieb des Vergleichsbeispiels 1 an dessen geringer Härte.

Vergleichsbeispiel 2 (5um):

Nachdem das Aufzeichnungsblatt 3 km gelaufen war, entwickelten sich Beulen in der Heizwiderstandsschicht 19 des thermischen Druckkopfes, der mit dem Vergleichsbeispiel 2 ausgerüstet war, was auf thermische Spannungen in der Heizwiderstandsschicht 19 zurückgeführt wird. Nach einer Laufdauer des Aufzeichnungsblattes von 15 km fielen die Beulen herunter, was Fehldrucke verursachte. Derartige Schwierigkeiten sind der schlechteren Rißwiderstandsfähigkeit des Vergleichsbeispiels 2 zuzuschreiben.

Vergleichsbeispiel 3 (5um):

Wenn das Aufzeichnungsblatt 3 km hindurchgelaufen war, bildeten sich Spalte, welche die Heizwiderstandsschicht 19 erreichten, in dem Vergleichsbeispiel 3 und riefen Fehldrucke hervor. Derartige Schwierigkeiten sind auf die schlechtere Rißbeständigkeit des SiC-Films zurückzuführen.

Vergleichsbeispiel 4 (5um):

Nach einer Laufdauer des Aufzeichnungsblattes von 10 km erhöhte sich der Widerstand der Elektrodenschicht 20 um mehrere Prozent, und um einige zehn Prozent, nachdem das Aufzeichnungsblatt 16 km gelaufen war, verbunden mit dem Auslassen von Druckpunkten. Ein derartiger Anstieg des Widerstands tritt infolge der Korrosion der Aluminium-Elektrodenschicht 20 durch die Wirkung von Feuchtigkeit und Ionen des Aufzeichnungsblattes auf, welche das Vergleichsbeispiel 4 durchdrangen.

Schutzschicht 21:

Sämtliche Versuche bewiesen, daß die Schutzschicht 21 gemäß der vorliegenden Erfindung eine hervorragende Wärmewiderstandsfähigkeit, Abriebfestigkeit und Stoßwiderstandsfähigkeit aufweist. Wurde der Schutzfilm gemäß der vorliegenden Erfindung im wesentlichen aus Al&sub2;O&sub3; und SiO&sub2; hergestellt, so betrug seine Vickers-Härte etwa 1000 kg/mm², wogegen die Vickers-Härte der Schutzschicht gemäß der vorliegenden Erfindung 1400 kg/mm² überstieg, wenn Stickstoff der Schutzschicht zugefügt wurde, so daß der Stickstoffgehalt zur Oberfläche hin zunimmt. In der Schutzschicht 21 entwickelten sich weder Risse noch Beulen, und der thermische Druckkopf konnte selbst dann noch normal arbeiten, nachdem das Aufzeichnungsblatt 50 km durchgelaufen war.

Feuchtigkeitsbeständigkeits-Versuch:

Die Schutzschicht 21 und die Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wurden demselben Widerstandsbeständigkeits-Versuch (Druckkocher-Versuch) ausgesetzt wie voranstehend erwähnt. Streifenförmige Verfärbungen zeigten sich nur bei dem Vergleichsbeispiel 4, was bewies, daß das Vergleichsbeispiel 4 eine schlechtere Feuchtigkeitsbeständigkeit aufweist.

Dritte Ausführungsform (Fig. 4)

Ein thermischer Druckkopf gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Substrat 22 aus Aluminiumoxid auf, eine Glasglasurschicht 23, eine Heizwiderstandsschicht 24, eine Elektrodenschicht 25 und eine Schutzschicht 28, die übereinander in dieser Reihenfolge angeordnet sind.
Die Heizwiderstandsschicht 24 wird dadurch hergestellt, daß BaRuO&sub3; in einem Dünnfilm von 100 nm (1000 Angström) Dicke über der Glasglasurschicht 23 durch ein Hochfrequenz-Sputterverfahren abgelagert wird. Die Elektrodenschicht 25 wird dadurch hergestellt, daß Aluminium in einem Dünnfilm mit einer Dicke von 1um über der Heizwiderstandsschicht 24 durch ein Gleichspannungs-Sputterverfahren abgelagert wird. Die Elektrodenschicht 25 wird durch eine Präzisionsbearbeitungsvorgang mit einem Muster versehen, um mehrere Heizelemente 26 auszubilden, jedes mit den Abmessungen 100um x 120um, die mit einer Druckpunktdichte von 8 Druckpunkten/mm angeordnet sind. Die Schutzschicht 28 wird dadurch hergestellt, daß ein dünner gemischter Film 27 mit einer Dicke von 5um in einer Argongasatmosphäre durch ein Hochfrequenz-Sputterverfahren abgelagert wird, unter Verwendung eines Targets, welches 40 Mol.-% Al&sub2;O&sub3;, 20 Mol.-% SiO&sub2; und 40 Mol.-% SiC enthält. Da die Mischung aus Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2; und SiC schlechtere Selbstsintereigenschaften aufweist, kann der Mischung ein geringer Anteil an Y&sub2;O&sub3; (Yttriumoxid) oder ZrO&sub2; (Zirkonoxid) zugefügt werden.

Vickers-Härte-Versuch:

Die Schutzschicht 28 und dieselben Vergleichsbeispiele 1 bis 3 wie voranstehend erwähnt wurden Vickers-Härte-Versuchen ausgesetzt. Die Meßergebnisse sind in Tabelle 3 angegeben. In diesem Fall besteht das Vergleichsbeispiel 1 aus einem dünnen SiO&sub2;-Film einer Dicke von 2um und einem dünnen Ta&sub2;O&sub5;-Film einer Dicke von 3um. Die Dicke der übrigen Schutzschicht beträgt 5um. Die Vickers-Härte der Schutzschicht 28 gemäß der vorliegenden Erfindung liegt im Bereich von 1600 bis 1900 kg/mm², beträgt also das Dreifache der Vickers-Härte des Vergleichsbeispiels 1. Tabelle 3 Schutzschichten Vickers-Härte (kg/mm²) Schutzschicht 28 Vergleichsbeispiel

Standfestigkeits-Versuch:

Bei dem Versuch eingesetzte thermische Druckköpfe, die jeweils mit der Schutzschicht 28 gemäß der Erfindung beziehungsweise mit den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 ausgerüstet waren, erfuhren Druckversuche auf einem Drucker. Als Aufzeichnungsblatt wurde ein spezielles wärmeempfindliches Papier verwendet, welches eine niedrige Farbempfindlichkeit aufwies und mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet war, welches ein Färbungsmaterial, ein Finishmaterial und harte Teilchen enthielt. Bei den Standfestigkeits-Versuchen wurden die thermischen Druckköpfe gegen die Platte mit einem Druck im Bereich von 900 bis 1000 g/cm² gedrückt, also mit dem Doppelten des Normaldrucks, eine Energie von 50 mJ/mm² wurden den thermischen Druckköpfen zugeführt und das Aufzeichnungsblatt wurde mit einer Laufgeschwindigkeit von 75 mm/Sekunde zugeführt.

Vergleichsbeispiel 1 (5um):

Obwohl sich weder Risse noch Beulen zeigten, traten zahlreiche große Fehlstellen in dem Vergleichsbeispiel 1 auf, wenn das Aufzeichnungsblatt 3 km hindurchgelaufen war, was auf die Kraftwirkung harter Teilchen zurückgeführt wird, die in dem Aufzeichnungsblatt enthalten waren, und auf die von Staub und Sand, die in der Atmosphäre enthalten sind. Nach einem Durchlauf des Aufzeichnungsblattes von 18 km erreichten die Fehlstellen die Heizwiderstandsschicht 24, was zu Fehldrucken führte.

Vergleichsbeispiel 2 (5um):

Beulen entwickelten sich in dem Vergleichsbeispiel 2 an Positionen entsprechend den Zentren der Heizelemente, wenn das Aufzeichnungsblatt 3 km hindurchgelaufen war, was auf thermische Spannungen in der Heizwiderstandsschicht 24 zurückgeführt wird. Die ausgebeulten Abschnitte fielen herunter, was zu Fehldrucken führte, wenn das Aufzeichnungsblatt 5 km hindurchgelaufen war.

Vergleichsbeispiel 3 (5um):

Nach einem Durchlauf des Aufzeichnungsblattes von 3 km bildeten sich Risse in dem Vergleichsbeispiel 3, und die Heizelemente wurden beschädigt, was zu Fehldrucken führte.

Schutzschicht 28 (5um):

Die Schutzschicht 28 stellte sich als hervorragend heraus bezüglich Wärmebeständigkeit und Stoßfestigkeit. In der Schutzschicht 28 entwickelten sich weder Risse noch Beulen, die Schutzschicht 28 zeigte kaum Fehlstellen, und der Abrieb der Schutzschicht betrug nur 0,8um, wenn das Aufzeichnungsblatt 30 km hindurchgelaufen war.
Bei einer Abänderung der Schutzschicht 28 wurde die Schutzschicht 28 durch ein Hochfrequenz-Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets hergestellt, welches 20 Mol.-% Al&sub2;O&sub3;, 10 Mol.-% SiO&sub2; und 70 Mol.-% SiC enthielt. Während des Hochfrequenz-Sputterverfahrens wurde der Partialdruck von Sauerstoff so geregelt, daß Sauerstoff in den Dünnfilm nur in der Anfangsstufe des Hochfrequenz-Sputterverfahrens eingeführt wurde, um so eine Schutzschicht auszubilden, in welcher die Härte der Oberfläche höher ist als die des inneren Abschnitts. Wird der Partialdruck von Sauerstoff erhöht, so wird der SiO&sub2;-Gehalt der Schutzschicht verringert, und hierdurch wird die Härte der Schutzschicht verringert. Diese Schutzschicht weist eine hervorragende Wärmebeständigkeit, Stoßbeständigkeit und Abriebfestigkeit auf, und eine Vickers-Härte im Bereich von 1800 bis 1200 kg/mm². Der Abrieb dieser Schutzschicht betrug 0,7um, wenn das Aufzeichnungsblatt 30 km hindurchgelaufen war.

Vierte Ausführungsform (Fig. 5 bis 7)

Ein thermischer Druckkopf gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Keramiksubstrat 29 auf, beispielsweise ein Substrat aus Aluminiumoxid, eine Glasurschicht 30, eine Heizwiderstandsschicht 31, eine Elektrodenschicht 34, die aus einer Al/Si-Leitungselektrodenschicht 32 und einer Aluminium-Leitungsschicht 33 besteht, und eine Schutzschicht 35.
Die Heizwiderstandsschicht 31 ist ein dünner RuO&sub2;-Film, der über der Glasurschicht 30 gebildet wird, nachdem diese abgewaschen wurde.
Die Schutzschicht 35 ist eine Verbundschicht, die aus zwei laminierten Schichten besteht, von denen jede aus einer ersten Schicht 36 besteht, die aus einer Mischung von Al&sub2;O&sub3; und SiO&sub2; gebildet ist, und aus einer zweiten Schicht 37 aus SiC. Die erste Schicht 36 der oberen laminierten Schicht ist dünner als die der unteren laminierten Schicht, wogegen die zweite Schicht 37 der oberen laminierten Schicht dicker ist als die der unteren laminierten Schicht.
Die Heizwiderstandsschicht 31 kann zusätzlich zu RuO&sub2; mehrere Materialien enthalten. Die Verwendung von RuO&sub2; in Kombination mit zumindest einem Oxid eines Metalls M unter den Metallen Ca, Sr und Ba erhöht die Feuchtigkeitsbeständigkeit der Heizwiderstandsschicht 31. Ist das Verhältnis M/Ru = 1, so weist die Heizwiderstandsschicht 31 einen stabilen Aufbau aus CaRuO&sub3;, SrRuO&sub3; oder BaRuO&sub3; auf. Obwohl das Verhältnis M/Ru nicht streng begrenzt ist, wird die Feuchtigkeitsbeständigkeit durch die Wirkung des RuO&sub2; beeinträchtigt, wenn das Verhältnis M/Ru kleiner als 0,6 ist, und der Widerstand nimmt zu und der Temperaturkoeffizient des Widerstands wird negativ, wenn das Verhältnis M/Ru größer als 2 ist, und die Heizwiderstandsschicht 31 weist ähnliche Eigenschaften auf wie eine Isolierschicht, wenn das Verhältnis M/Ru größer als 4 ist. Daher liegt der Wert des Verhältnisses M/Ru vorzugsweise im Bereich von 0,6 bis 2.
Die Heizwiderstandsschicht 31 wurde in einem dünnen Film mit einer Dicke von 800 Angström durch ein Hochfrequenz-Sputterverfahren unter Verwendung eines MRuO&sub3;-Targets hergestellt (M bedeutet Ca, Sr oder Ba).
Die Al/Si-Leitungselektrodenschicht 32 und die Aluminium-Leitungsschicht 33 wurden aufeinanderfolgend jeweils mit einer Dicke von 500 Angström durch ein Sputterverfahren hergestellt, und dann wurden die Leitungselektrodenschicht 32 und die Leitungsschicht 33 durch ein photolithographisches Ätzverfahren mit einem Muster versehen, um Heizelemente mit Abmessungen von jeweils 115um x 220um herzustellen.
Bei der Herstellung der Schutzschicht 35, also der Kombination der Schichten 36 und 37, wurden die erste Schicht 36' (2um) der unteren laminierten Schicht, die zweite Schicht 37' (50nm) (500 Angström) der unteren laminierten Schicht, die erste Schicht 36" (5000 Angström) der oberen laminierten Schicht, und die zweite Schicht 37" (2um) der oberen laminierten Schicht aufeinanderfolgend in dieser Reihenfolge durch ein Hochfrequenz-Sputterverfahen hergestellt.
Der auf diese Weise hergestellte thermische Druckkopf gemäß der vorliegenden Erfindung (der thermische Druckkopf für den Versuch), und ein thermischer Druckkopf, der mit einer Al&sub2;O&sub3;-Schutzschicht versehen war (Vergleichsbeispiel) wurden Stufenbelastungs-Versuchen unterzogen, in welchen das Widerstandsvariationsverhältnis, die Durchlöcherungsleistung und die Druckdichte gemessen wurden.
In den Stufenbelastungs-Versuchen wurden 500 Spannungsimpulse einer Impulsbreite von 0,95 Millisekunden und einer Impulsperiode von 2,6 Millisekunden an die thermischen Druckköpfe angelegt, während die angelegte Leistung allmählich erhöht wurde. Die Druckdichte war gesättigt, wenn die angelegte Leistung auf 0,6 W/Druckpunkt erhöht wurde. Der erfindungsgemäße thermische Druckkopf und das Vergleichsbeispiel wiesen dieselbe Anstiegsrate der Druckdichte in Bezug auf die angelegte Leistung auf. Die Durchlöcherungsleistung des erfindungsgemäßen Druckkopfes betrug 1,7 W/Druckpunkt, wogegen die des Vergleichsbeispiels 1,5 W/Druckpunkt betrug, wodurch bewiesen wurde, daß der thermische Druckkopf gemäß der vorliegenden Erfindung beim Hochgeschwindigkeitsdruck einsetzbar ist.
Zur Untersuchung der Stabilität in einem längeren Druckbetriebszeitraum wurden Spannungsimpulse einer Impulsbreite von 0,95 Millisekunden, einer Impulsperiode von 2,6 Millisekunden, und einer Leistung von 0,5 W/Druckpunkt kontinuierlich an den erfindungsgemäßen thermischen Druckkopf und das Vergleichsbeispiel angelegt. Die Ergebnisse sind in Fig. 7 gezeigt. Aus Fig. 7 wird deutlich, daß das Widerstandsvariationsverhältnis des thermischen Druckkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung über einen langen Zeitraum des Druckbetriebs stabil ist.

Claims

1. Thermischer Druckkopf mit: einem Isoliersubstrat (11), einer Heizwiderstandsschicht (13), die über dem Isoliersubstrat ausgebildet ist; einer Elektrodenschicht (14), die über der Heizwiderstandsschicht in einem vorbestimmten Muster ausgebildet ist; und einer über der Elektrodenschicht ausgebildeten Schutzschicht (15); dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (15) aus einer Mischung von Al&sub2;O&sub3; als Hauptbestandteil und SiO&sub2; in dem Bereich von 20 bis 60 Mol.-% gebildet ist.

2. Thermischer Druckkopf nach Anspruch 1, bei welchem die Elektrodenschicht (14) aus Aluminium oder einer stark aluminiumhaltigen Legierung gebildet ist.

3. Thermischer Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (15) aus einer Mischung gebildet ist, die in ihrer Oberfläche zusätzlich Stickstoff enthält.

4. Thermischer Druckkopf nach Anspruch 3, bei welchem der Stickstoffgehalt der Schutzschicht von ihrem Boden zu ihrer Oberfläche hin zunimmt.

5. Thermischer Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus einer Mischung gebildet ist, die zusätzlich SiC als Hauptbestandteil enthält.

6. Thermischer Druckkopf nach Anspruch 5, bei welchem der Sauerstoffgehalt der Schutzschicht von deren Unterseite zu deren Oberseite hin abnimmt.

7. Thermischer Druckkopf mit einem Isoliersubstrat; einer Heizwiderstandsschicht, die über dem Isoliersubstrat gebildet ist; einer Elektrodenschicht, die in einem vorbestimmten Muster über der Heizwiderstandsschicht gebildet ist; und einer Schutzschicht, die über der Elektrodenschicht gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwiderstandsschicht (13) aus einem dünnen Oxidfilm gebildet ist, der Ruthenium als Hauptbestandteil enthält, und daß die Schutzschicht eine Verbundschicht (35) aufweist, die aus einer laminierten Schicht gebildet ist, die eine erste Schicht aufweist, die aus einer Mischung aus Al&sub2;O&sub3; und SiO&sub2; gebildet ist, und eine zweite Schicht, die aus SiC gebildet ist.

8. Thermischer Druckkopf nach Anspruch 7, bei welchem die Schutzschicht aus mehreren der laminierten Schichten besteht, wobei jede der ersten Schichten aus einer Mischung von Al&sub2;O&sub3; und SiO&sub2; und einer zweiten Schicht aus SiC gebildet ist.

9. Thermischer Druckkopf nach Anspruch 8, bei welchem die Dicke der zweiten Schicht der laminierten Schicht näher an der Oberfläche der Schutzschicht größer ist als die der zweiten Schicht der laminierten Schicht weiter von der Oberfläche der Schutzschicht entfernt.