DE2526725C2

DE2526725C2 - Ladekopf und sein Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE2526725C2
Application number: DE19752526725
Authority: DE
Inventors: Lawrence Ossining N.J. Kuhn
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-07-01
Filing date: 1975-06-14
Publication date: 1983-03-31
Also published as: FR2276935A1; DE2526725A1; JPS5816379B2; JPS5119451A; GB1453571A; FR2276935B1

Description

Die Erfindung betrifft eine im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebene Art eines Ladekopfes und sein Herstellungsverfahren.

Es sind Tintenstrahldrucker (USA-Patente 33 73 437 und 36 18 858) bekannt, die eine Vielzahl von Tintenströmen unter Druck erzeugen. Jeder dieser Ströme passiert eine separate Ladeelektrode, welche die einzelnen Tintentropfen, aus denen der Tintenstrom sich zusammensetzt, wahlweise auflädt, um zu bestimmen, ob der einzelne Tropfen auf dem Aufzeichnungsträger auftreffen soll oder nicht. Um jede dieser Ladeelektroden zu steuern, ist es notwendig, zu jeder Elektrode von einer Steuereinrichtung aus einen separaten Leitungsdraht zu führen. Somit ist bei einem vieldüsigen Tintenstrahldrucker mit 50 bis 100 Ladeelektroden die Anzahl der genannten Zuleitungsdrähte übermäßig groß.

Wegen der relativ kleinen Größe d"s Durchganges, den die den Tintenstrom bildenden Tintentröpfchen passieren müssen, ist es sehr schwierig, die Oberfläche dieses Durchganges zu plattieren. Dieses Plattieren ist jedoch für die Herstellung der Ladeelektrode notwendig.

Es ist die Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung, einen die Ladeelektroden und ihre Λ jswahlschaltung enthaltenden Ladekopf zu schaffen, bei dein die Anzahl der die Elektroden mit einer Steuereinrichtung verbindenden Drähte gegenüber bekannten Anordnungen wesentlich herabgesetzt ist, und der einfach und sicher herstellbar ist.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von den in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Ausschnitt eines Tintenstrahldruckers in schaubildlicher Darstellung für das wahlweise Aufladen von Tintentropfen mehrerer Tintenströme,

Fig. 2 eine Vorderansicht des die Ladeelektroden aufweisenden Steuerkopfes nach Fig. 1,

Fig.3 einen Schnitt durch den Steuerkopf nach F i g. 2 entlang der Linie 3-3,

Fig. 4 einen Teilschnitt durch den Steuerkopf nach F i g. 2 entlang der Linie 4-4 zur Veranschaulichung der Feldeffekttransistor-Verriegelungsschaltung und der Ladeelektroden und

Fig. 5 einen Teil des Steuerkopfes mit einer Elektrode von unterschiedlicher Form, in schaubildlicher Darstellung.

Der Tintenspritzkopf 10 ist mit einem Tintenreservoir (nicht gezeigt) durch das Zuführungsrohr 11 verbunden. Die verwendete Tinte ist elektrisch leitend. Dem Tintenspritzkopf 10 wird die Tinte unter Druck zugeführt, so daß die Tinte aus Düsen 12 einer Düsenplatte 14 in Form einer Vielzahl von Tintenströmen 15 ausschießt.

Der Tintenspritzkopf 10 wird durch einen geeigneten Schwinger, beispielsweise einen piezoelektrischen Wandler, in Schwingungen versetzt. Die genannten

Schwingungen rufen ein Auflösen des Tintenstromes 15 in voneinander gleich beabstandete Tropfen 18 hervor. Der Abstandhalter 19 hält den Ladekopf 20, der das Substrat 21 aus einem geeigneten Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, aufweist, im Abstand von der ■> Düsenplatte 14, so daß jeder der in demselben angeordneten Ausflußkanäle 22 seineri Tintenstrom 15 in einzelne Tropfen 18 auflöst Das Substrat 21 weist dotierte Bereiche 23 auf, welche die Ausflußkanäle 22 umgeben und ungefähr die Leitfähigkeit wie «.!as ¹⁽⁾ Substrat 21 aufweisen.

Deshalb wird, wenn der dotierte Bereich 23 mit einer Spannung beaufschlagt wird, durch die Wirkung dieses Bereiches als Ladeelektrode der Tropfen 18, der sich im Tintenstrom 15 ablöst, jedoch noch mit demselben η verbunden und innerhalb des Ausflußkanals 22 angeordnet ist, aufgelader.. Das Laden der Tropfen 18 durch den dotierten Bereich 23 ergibt Tropfen 18, die für ein Aufschlagen auf den Aufzeichnungsträger 24, der sich in vertikaler Richtung, wie durch den Pfeil 25 angezeigt ist, -^(l bewegt, nicht vorgesehen sind.

Wenn der Tropfen 18 durch den dotierten Bereich 23 aufgeladen ist, wird er in die Auffangrinne 26 abgelenkt, die über das Rohr 27 mit dem Tintenreservoir in Verbindung steht. Die Ablenkung der geladenen -' Tropfen 18 erfolgt durch den Ablenker 28.

Der Ablenker 28 weist ein Paar zueinander parallel angeordnete Elektroden 29, 30 auf, von denen die Elektrode 29 mit der Ablenksignalquelle 31 und die Elektrode 30, welche die Auffangrinne 26 trägt, mit Erde «> verbunden ist. Folglich werden alle geladenen Tropfen 18 durch den Ablenker 28 gegen die Auffangrinne 26 abgelenkt. Somit wird das Druckmuster auf dem Aufzeichnungsträger 24 durch die Tropfen bestimmt, die innerhalb der Ausflußkanäle 22 nicht aufgeladen π werden.

Jeder der dotierten Bereiche 23 ist mit einem in der Vorderfläche 33 des Substrates 21 angeordneten, als Steg 32 ausgebildeten dotierten Bereich verbunden. Jeder der dotierten Stege 32, welche die gleiche ^4U Leitfähigkeit, wie die dotierten Bereiche 23 aufweisen, ist mit einer von mehreren Verriegelungsschaltungen 34 verbunden, die ebenfalls in der Vorderfläche 33 des Substrats 21 angeordnet sind. Jede dieser Verriegelungsschaltungen 34 ist vorzugsweise aus einer Vielzahl ⁴~> von Feldeffekttransistoren aufgebaut.

Das von dem dotierten Bereich 23 entfernte Ende des Steges 32 wirkt als Anschlußbereich 35 (Fig.4) für einen der Feldeffekttransistoren der Verricgelungsschaltung 34 für den dotierten Bereich 23. Somit verbindet der Steg 32 den dotierten Bereich 23, der den Ausflußkanal 22 umgibt, mit einem der Feldeffekttransistoren, welche die Verriegelungsschaltung 34 des dotierten Bereiches 23 bilden.

Der den Anschlußbereich 35 enthaltende Felceffekt- ^ transistor weist an seiner Steuerelektrode 36 ein Potential auf, das abhängig ist von dem Zustand der Verriegelungsschaltung 34. Somit bestimmt der Zustand der Verriegelungsschaltung 34, ob der die Steuerelektrode 36 besitzende Feldeffekttransistor leitend oder ^b0 nichtleitend ist.

Wenn der mit der Verriegelungsschaltung 34 verbundene dotierte Bereich 23 ein Laden des noch mit dem Tintenstrom 15 verbundenen Tropfens 18 innerhalb des dotierten Bereiches 23 nicht gestatten soll, muß ^b' der Zustand der Verriegelungsschaltung 34 den die Steuerelektrode 36 aufweisenden Feldeffekttransistor in seinen leitenden Zustand bringen. Wenn der dotierte Bereich 23 dagegen ein Aufladen des Tropfens 18 verursacht, ergibt der Zustand der Verriegelungsschaltung 34 einen nichtleitenden Zustand des Feldeffekttransistors.

Der S;eg 32 ist mittels der Leäung 38 (Fig.4) mit einer nicht gezeigten Ladevorrichtung verbunden, welche ein anderer Feldeffekttransistor der Verriegelungsschaltung 34 darstellen kann. Die Gleichspannungsversorgungsleitung 39 ist mit der Ladevorrichtung der Verriegelungsschaltung 34 verbunden.

Somit fließt immer dann, wenn der Zustand der Verriegelungsschaltung 34 ein Aufladen des Tropfens 18 innerhalb des dotierten Bereiches 23 erlaubt, im wesentlichen kein Strom durch die Ladevorrichtung der Verriegelungsschaltung 34, da der den Anschlußbereich 35 aufweisende Feldeffekttransistor in seinem nichtleitenden Zustand sich befindet. Dadurch ergibt sich ein Potential des dotierten Bereiches 23, das ausreicht, um den innerhalb des dotierten Bereiches 23 und mit dem Tintenstrom 15 noch verbundenen Tropfen 18 aufzuladen.

Immer dann, wenn die Verriegelungsschaltung 34 in einem Zustand sich befindet, in welchem der dotierte Bereich 23 ein Aufladen des Tropfens 18 verhindert, fließt Strom über die Leitung 38 und durch den den Anschlußbereich 35 aufweisenden Feldeffekttransistor nach Erde, d? der Feldeffekttransistor leitend ist. Dies verursacht, daß der dotierte Bereich 23 im wesentlichen auf Erdpotential sich befindet, wobei kein Aufladen des innerhalb des dotierten Bereiches 23 und mit dem Tintenstrom 15 noch verbundenen Tropfens 18 stattfindet.

Der Zustand der Verriegelungsschaltung 34 für den dotierten Bereich 23 hängt von einem Signal ab, das über die Leitung 40 (Fig. 1 und 2) von einem Signalspeicher, den vorzugsweise das Schieberegister 41 bildet, dem dotierten Bereich 23 zugeführt wird, immer dann, wenn ein Taktimpuls über die Leitung 37 jeder der Verriegelungsschaltungen 34 zugeführt wird. Das Schieberegister 41 ist vorzugsweise ein Feldeffekttransistor-Schieberegister, deren einzelne Stufen mehrere Feldeffekttransistoren besitzen. Das Schieberegister 41 hat die Feldeffekttransistoren vorzugsweise in der Vorderfläche 33 des Substrates 21 angeordnet. Das Schieberegister 41 ist mittels der Gleichspannungsversorgungsleitung 39 mit einer Ladevorrichtung verbunden, die ein Feldeffekttransistor darstellen kann, der mit jeder Stufe des Schieberegisters 41 verbunden ist.

Der Dateneingang zum Schieberegister 41 erfolgt über die Leitung 42 zur ersten Stufe des Schieberegisters 41. Die Daten werden von einer zur nächsten Stufe des Schieberegisters 41 geschoben, durch Zuführung von Taktimpulsen über die Leitung 43 zu einer Elektrode, vorzugsweise der Steuerelektrode eines Feldeffekttransistors, bis alle Stufen die notwendigen Daten besitzen. Jede Stufe des Schieberegisters 41 wird aus derartigen Feldeffekttransistoren gebildet.

Der Dateneingang zum Schieberegister 41 erfolgt über die Leitung 42, nachdem die im Schieberegister 41 gespeicherte Information auf die Verriegelungsschaltungen 34 übertragen wurde, um die wahlweise Aufladung der Tropfen 18 innerhalb der Ausflußkanäle 22 im Substrat 21 zu besonderen Zeitpunkten zu steuern. Wenn der Tropfen 18 aufzuladen ist, ergibt das vom Schieberegister 41 der Verriegelungsschaltung 34 zugeführte Signal eine Spannung, die von der Gleichspannungsversorgungsleitung 39 über die Leitung 38 und den Steg 32, dem dotierten Bereich 23

zugeführt wird. Die Tuktiinpulse auf der Leitung 37 werden in Übereinstimmung mit der Vibrationsfrequenz des Schwingers 16 gesteuert, so daß der dotierte Bereich 23 eine Anfangsspannung erhält, wenn sie für ein Aufladen des Tropfens 18 z. Zt. seines Ablösens vom Tintenstrom 15, jedoch vor seinem vollständigen Abbrechen vom letzteren zu liefern ist. Der Zustand einer jeden Verriegelungsschaltung 34 verbleibt bis ein nächstes Mal vom Schieberegister 41 der Vernegelungsschaltung 34 ein Signal zu liefern ist. so daß der dotierte Bereich 23 eine Spannung aufweist, bis ein weiteres Mal ein Taktimpuls über die Leitung 37 geliefert wird, um der Verriegelungssclialtung 34 einen Empfang von Eingangssignalen von dem Schieberegister 41 zu ermöglichen, wobei jede der Verriegelungsschaitungcn 34 in ihrem Schwebezustand verbleibt.

Nachdem das Schieberegister 41 die gespeicherten Signale jeder der Verriegelungsschaltungen 34 zur Steuerung der Lieferung von Spannung zu den verbundenen dotierten Bereichen 23 übermittelt hat, werden neue Daten dem Schieberegister 41 geliefert. Somit ist das Schieberegister 41 bereit für die Überführung der neuen Daten zu den Verriegelungsschaltungen 34. wenn ein weiterer Taktimpuls über die Leitung 37 geliefert wird, um alle Verriegelungsschaltungen 34 gleichzeitig zu aktivieren für den Erhalt von Daten aus dem Schieberegister 41.

Folglich sind nur vier Leitungen für die Steuerung des Ladekopfes 20 erforderlich. Dies sind die Gleichspannungs-Versorgungsleitung 39. die Leitung 37 für die Verriegelungsschaltungen 34 und die Leitungen 42, 43 für das Schieberegister 41. Bei den bekannten Vorrichtungen hat jede der Ladeelektroden, die in der Erfindung die dotierten Bereiche 23 darstellen, eine separate Leitung zur Verbindung derselben mit der Energiequelle.

Das Substrat 21 bildet ein P- oder N-Material von hohem spezifischen Widerstand. Das Substrat 21 enthält die Ausiiußkanäle 22. die durch Ätzen oder Bohren mittels Elektrodenstrahl oder Laserstrahl hergestellt ■ sind; der Durchmesser der Ausflußkanäle 22 ist beispielsweise 0.12 mm.

Thermische Oxide läßt man dann über der gasamten Oberfläche des Substrates 21. einschließlich der Wandungen der Ausflußkanäle 22. wachsen. Danach ' werden die thermischen Oxide von den Wandungen der Ausflußkanäle 22 und Teilen der Vorderfläche 33 durch geeignete Mittel, beispielsweise durch Ätzen, entfernt. Dann wird ein Dotierungsmittel von einer Leitfähigkeit, entgegengesetzt, zu der des Substrates 21, in bekannter Weise diffundiert, um die Stege 32 und die uoiicricfi Bereiche 23 zu bilden, welche die Aiisfl'jßk«- näle 22 umgeben. Das Dotierungsmittel bildet auch den dotierten Quellbereich 44 (Fig. 4), für den. den Anschlußbereich 35 aufweisenden Feldeffekttransistor. ' eier von dem Ende des Steges 32 einer jeden Verriegelungsschaltung 34 gebildet wird.

Es ist klar, daß von allen anderen Feldeffekttransistoi en der Verriegelungsschaltungen 34 ihre Anschlußbereiche 35 und dotierten Quellbereiche 44 zur selben Zeit ^k hergestellt werden könnten und von allen Feldeffekttransistoren des Schieberegisters 31 ihre Anschlußbereiche und Quellbereiche ebenfalls zur gleichen Zeit hergestellt werden könnten. Natürlich könnte es gewünscht sein, die Quellbereiche und Anschlußberei- ⁿ ehe für die verschiedenen Feldeffekttransistoren zu verschiedenen Zeiten herzusiellcn, um beispielsweise verschiedene Diffusionstiefen zu erhalten. Dies würde ein zusätzliches Wachsen thermischer Oxide über den zuvor entstandenen Diffusionen erforderlich machen und dann ein erneutes Dotieren in bekannter Weise.

Nachdem alle Dotierungen durchgeführt sind, gleichgüllig ob eine oder eine Mehrzahl von Dotierungen, weist das gesamte Substrat 21 die Schicht 45 (Fig. 3) eines gewachsenen thermischen Oxides auf. Danach wird an der Vorderfläche 33 des Substrates 21 über der Schicht 45 eine Schicht aus Metall abgelagert. Nach dieser Ablagerung werden Teile der Metallschicht zur Bildung der Elektroden eines jeden der die Verriegelungsschaltungen 34 bildenden Feldeffekttransistoren, der Elektroden eines jeden der das Schieberegister 41 bildenden Feldeffekttransistoren, der das Schieberegister 41 mit den Verriegelungsschaltungen 34 verbindenden Leitung 40 und von Teilen der Eingangsleitungen 37,39,42 und 43 auf dem Substrat 21 weggeätzt.

Schließlich wird der Ladekopf 20 durch Ablagerung der Schicht 46, beispielsweise aus Siliziumdioxid, geschützt. Dieser Schutz verhindert eine Korrosion des l.adekopfe<;20.

Der Ladekopf 20 ist in Abstand zur Düsenplatte 14 (Fig. 1) angeordnet, so daß die Ablösestelle des sich vom Tintenstrom 15 ablösenden Tropfens 18 innerhalb des Ausflußkanals 22 zu liegen kommt. Wenn der dotierte Bereich 23 über die Leitung 39 und die Verriegelungsschaltung 34 eine Spannung erhält, wird der noch mit dem Tintenstrom 15 verbundene Tropfen 18 aufgeladen. Dieser aufgeladene Tropfen 18 wird beim Passieren des Ablenkers 28 durch denselben in die Auffangrinne 26 abgelenkt.

Wenn jedoch der dotierte Bereich 23 von der Leitung 39 über die Verriegelungsschaltung 34 beim Auftreten eines Taktimpulses auf der Leitung 37 keine Spannung erhält, wird der Tropfen 18 nicht geladen. Ein derartiger Tropfen erreicht den Aufzeichnungsträger 24 und bildet einen Teil des abzubildenden Druckmusters.

Anstatt jeden Ausflußkanal 22 so auszubilden, daß er den Tintenstrom 15 vollständig umgibt, kann das Substrat 21 einen Ausflußkanal 47 von U-förmigem Querschnitt (Fig. 5) aufweisen, der durch Ätzen oder Sägen herstellbar ist. Der dotierte Bereich 48 umgibt jeden der U-förmigen Ausflußkanäle 47 und wirkt als Ladeelektrode in der gleichen Weise wie der dotierte Bereich 23. Der dotierte Bereich 48 ist mit dem Steg 32 in der gleichen Weise wie der dotierte Bereich 23 zum Zwecke der Verbindung des dotierten Bereiches 48 mit einem der Feldeffekttransistoren einer jeden der Vat-i-ioiToiiirKjQQrhaltiinpen 34 verbunden.

Statt die Leitungen 40 aus Metall herzustellen, ist es auch möglich, dieselben durch dotierte Regionen zu bilden. Somit könnte ein dotierter Bereich, der als Quellenbereich für einen der Feldeffekttransistoren einer jeden der Verriegelungsschaltungen 34 wirkt, sich innerhalb des Substrates 21 erstrecken und könnte auch als Anschlußbereich des verbundenen Feldeffekttransistors wirken, der Teil einer der Stufen des Schieberegisters 41 ist. Es sind somit die metallische Quellenelektrode eines der Feldeffekttransistoren einer jeden der Verriegelungsschaltungen 34 und die metallische Anschlußelektrode eines der Feldeffekttransistoren einer jeden der Stufen des Schieberegisters 41 vermeidbar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ladekopf für einen Tintenstrahlschreiber mit einer Vielzahl von Düsen, aus denen unter Druck stehende Tinte ausgestoßen wird und durch Schwingungen innerhalb der Ladeelektrode in einzelne Tintentröpfchen aufgelöst wird, die entweder nicht oder nur mit einem vorgegebenen Potential aufgeladen werden und in einem konstanten Ablenkfeld entweder in eine Auffangvorrichtung ι ο abgelenkt werden oder auf das zu bedruckende Papier auftreffen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat (21) aus einem Halbleitermaterial Kanäle (22) aufweist, von denen je einer mit je einer Düse (12) fluchtet, daß jeder Kanal (22) von je einem die Ladeelektrode verkörpernden, dotierten Bereich (23) im genannten Substrat (21) umgeben ist, wobei der Leitungstyp des dotierten Bereiches (23) gegenüber dem des Substrates (21) von entgegengesetzter Art ist und daß das Substrat (21) ein zur λ> Speicherung eines Signals für jeden dotierten Bereich (23) vorgesehenes Schieberegister (41) mit nur einer einzigen Leitung (42) für die Zuführung aller zu speichernden Signale zum Schieberegister (41) und pro dotierten Bereich (23) je eine Verriegelungsschaltung (34) mit nur einer einzigen Zuleitung (37) für die gleichzeitige Aktivierung aller Verriegelungsschaltungen (34) enthält, die auf die in diesem Schieberegister (41) gespeicherten Signale ansprechen, zur Bestimmung der dotierten Bereiche (23), die gleichzeitig Tintentröpfchen aufladen.

2. Ladekopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (22) zylinderförmig sind und an ihrem gesamten Umfang von den dotierten Bereichen (23) umgeben sind. )ϊ

3. Ladekopf nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (47) einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen und an ihrer gesamten Oberfläche von den dotierten Bereichen (48) bedeckt sind.

4. Ladekopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (21) aus Silizium besteht.

5. Verfahren zur Herstellung eines Ladekopfes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Substrat (21) die Kanäle (22) gebildet werden, danach das Wachsen eines thermischen Oxides innerhalb der Kanäle (22) und an der Vorderfläche

(33) vorgenommen wird, dann das Oxid aus den Kanälen (22) und Teilen der Vorderfläche (33) des Substrates (21) entfernt wird und in die Teile des Substrates (21), von denen das Oxid entfernt wurde, ein Dotiermittel von einer Leitfähigkeit entgegengesetzt zu der des Substrates (21) eindiffundiert wird, um die jeden der Kanäle (22) über seine ganze Länge umgebenden und bis in die Vorderfläche (33) des Substrates (21) ragenden dotierten Bereiche (23), die Anschlußbereiche (35) und Quellenbereiche (44) der Feldeffekttransistoren und der die beiden zuletzt genannten Bereiche (35 und 34) mit den die Kanäle umgebenden Bereichen (23) verbindenden Stege (32) bO zu bilden, und daß auf der Oxidschicht der Vorderfläche (33) eine Schicht (45) aus Metall abgelagert wird und Teile dieser Schicht zur Bildung der Elektroden der die Verriegelungsschaltungen

(34) und das Schieberegisier (41) bildenden Feldef- ^fe5 fekttransistoren und zur Bildung von Vcrbindungsleitungen (40) zwischen den Verriegelungsschaltungen (34) und dem Schieberegister (41) als auch von Eingangsleitungen (37, 39, 42, 43) zu den Verriegelungsschaltungen (34) und dem Schieberegister (4!) weggeätzt werden und hierauf auf dem gesamten Ladekopf eine Schutzschicht (46) au; Siliziumdioxid abgelagert wird.