DE3810529A1 - Tintenstrahl-aufzeichnungskopf und treiberschaltung hierfuer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tintenstrahl-Aufzeich­ nungskopf zur Bildaufzeichnung durch Flüssigkeitsausstoß sowie auf eine Treiberschaltung hierfür, und insbesondere auf einen Aufzeichnungskopf und eine zugehörige Treiberschaltung für den Flüssigkeits- bzw. Tintenausstoß durch Wärmeenergie.

Ein derartiger Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf wird herkömmli­ cherweise gemäß Fig. 1 dadurch hergestellt, daß auf einem mit elektrothermischen Wandlerelementen versehenen Substrat 1 Elemente zum Bilden von Flüssigkeits- bzw. Tintenkanälen, eine Deckplatte und dergleichen ausgebildet werden, wie es beispielsweise in den US-PS 44 10 899, 47 23 129, 44 17 251 und 45 09 063 beschrieben ist. Ein solcher Tintenstrahl- Aufzeichnungskopf hat mehrere Flüssigkeits- bzw. Tintenkanäle 3 mit Düsenöffnungen 2 an ihren Enden, elektrothermische Wandlerelemente 4 und eine die Tintenkanäle verbindende ge­ meinsame Tintenkammer 5.

Die Fig. 2 zeigt eine Treiberschaltung für einen derartigen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, in welcher die elektrothermi­ schen Wandlerelemente 4 jeweils mit Schaltkreisen 6 verbunden sind, welche selektiv durch ein jeweiliges Signal S _ON einge­ schaltet werden, um dem erwünschten elektrothermischen Wand­ lerelement 4 Strom zuzuführen, wodurch die Flüssigkeit bzw. Tinte aus den Düsenöffnungen 2 ausgestoßen wird, wie es in den US-PS 43 45 262 und 44 29 321 beschrieben ist.

Bei einem derartigen herkömmlichen Tintenstrahl-Aufzeich­ nungskopf und der Treiberschaltung hierfür können jedoch Probleme entstehen, wenn das elektrothermische Wandlerelement an irgendeinem der Tintenkanäle 3 zerstört bzw. unterbrochen wird. Bei einer derartigen Unterbrechung hat das zerstörte elektrothermische Wandlerelement 4 häufig Kontakt mit der Tinte in dem Tintenkanal, wodurch in dieser Tinte ein Strom hervorgerufen wird, so daß daher der unterbrochene Heizwider­ stand eine kapazitive Komponente bzw. einen Kondensator dar­ stellt.

Bei einer derartigen Unterbrechung wird infolgedessen eine im Normalzustand gemäß Fig. 3 angelegte Rechteckwelle zu einer Welle gemäß Fig. 4 verformt.

Aus der Fig. 4 ist ersichtlich, daß das unterbrochene elek­ trothermische Wandlerelement eine Spannung erhält, die nahezu einer Gleichspannung entspricht, durch welche eine Reaktion an den Elektroden hervorgerufen wird. Auf diese Weise entste­ hen bei der Unterbrechung selbst eines einzigen elektrother­ mischen Wandlerelements 4 durch die nahezu einer Gleichspan­ nung entsprechende Spannung in der Tinte Reaktionsprodukte, so daß derartige Verunreinigungen hinsichtlich der Tintenzu­ sammensetzung über die gemeinsame Tintenkammer in andere Tintenkanäle strömen können, wodurch die Düsenöffnungen und die Tintenkanäle verstopft werden und letztlich die Lei­ stungsfähigkeit des ganzen Aufzeichnungskopfes verschlechtert oder der Aufzeichnungskopf völlig blockiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zum Vermeiden der vorstehend beschriebenen Mängel einen Tintenstrahl-Aufzeich­ nungskopf und eine Treiberschaltung hierfür zu schaffen, mit denen eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit verhindert ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Treiberschaltung gemäß Patentanspruch 1 bzw. einem Tintenstrahl-Aufzeichnungs­ kopf gemäß Patentanspruch 2 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Tinten­ strahl-Aufzeichnungskopfes sind in den Unteransprüchen aufge­ führt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Tintenstrahl- Aufzeichnungskopfes.

Fig. 2 ist ein Schaltbild einer Treiberschaltung für den herkömmlichen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf.

Fig. 3 ist eine grafische Darstellung der Steuer­ spannung für die Treiberschaltung.

Fig. 4 ist eine grafische Darstellung einer an ein unterbrochenes Heizelement angelegten Spannung.

Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines Tintenstrahl- Aufzeichnungskopfes gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 6 ist eine Draufsicht auf Leitermuster von Heizwiderständen eines Aufzeichnungskopfes gemäß einem Aus­ führungsbeispiel.

Fig. 7 ist ein Schaltbild einer Treiberschaltung für den Aufzeichnungskopf gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Die Fig. 5 ist eine schematische Schnittansicht eines Tinten­ strahl-Aufzeichnungskopfes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es ist jedoch ersichtlich, daß der in Fig. 5 gezeigte Aufbau lediglich ein Beispiel für die Erläuterung darstellt und gleichermaßen andere Gestaltungen des Aufzeich­ nungskopfes anwendbar sind. Die Fig. 5 zeigt ein Siliciumsub­ strat 10, eine Substratdeckschicht 20 aus Siliciumoxid (SiO₂), einen aus Hafniumborid (HfB ₂) gebildeten Heizwider­ stand 30, der auf der Substratdeckschicht 20 in Form eines Leitermusters ausgebildet ist, und elektrisch an den Heizwi­ derstand 30 angeschlossene Elektroden 40 und 45 aus einem leitenden Material wie Aluminium.

Ferner zeigt die Fig. 5 eine isolierende Schutzschicht 50, die auf den Heizwiderstand 30 und die Elektroden 40 und 45 aufgebracht ist und die gegebenenfalls wegfallen kann, eine Flüssigkeits- bzw. Tintenkanalwand 60, die beispielsweise aus einem Harzmaterial derart geformt ist, daß sie einen Flüssig­ keits- bzw. Tintenkanal 62 und eine Ausstoß- bzw. Düsenöff­ nung 64 an dessen Ende begrenzt, und eine Deckplatte 70 aus Glas.

Wenn in diesem Aufzeichnungskopf über einen nachfolgend be­ schriebenen Schaltkreis 36 Strom über die Elektroden 40 und 45 geleitet wird, wird in einem Heizabschnitt 32 des Heizwi­ derstands 30 zwischen den Elektroden 40 und 45 Wärme erzeugt, wodurch in der Tinte Bläschen erzeugt werden, durch die die Tinte ausgestoßen wird.

Die Fig. 6 ist eine Draufsicht auf den Tintenstrahl-Aufzeich­ nungskopf gemäß einem Ausführungsbeispiel in der Ebene des Heizwiderstands 30 gesehen.

Nach Fig. 6 ist die Schicht des Heizwiderstands 30 nach einem Ätzverfahren zu einem rechteckigen Rahmen geformt, auf dem die Elektroden 40 und 45 derart ausgebildet sind, daß zwi­ schen ihnen der Heizabschnitt 32 gebildet ist, der an dem vorangehend genannten Tintenkanal angeordnet ist. Gemäß Fig. 7 ist die Elektrode 40 über einen nicht dargestellten Leiter an eine Speisespannung V _H angeschlossen, während die Elek­ trode 45 über einen nicht gezeigten Leiter und den Schalt­ kreis 36 mit Masse verbunden wird. Parallel zu dem Heizab­ schnitt 32 des Heizwiderstands 30 ist ein Parallelwiderstand 34 gebildet (der ein sog. "echter" Widerstand ist).

Der Widerstandswert des Heizabschnitts 32 wird in der Größen­ ordnung von 100 Ohm gewählt, während derjenige des Parallel­ widerstands 34 ausreichend höher, nämlich in der Größenord­ nung von 1 bis 100 kOhm gewählt wird, um bei der normalen Funktion des Heizabschnitts 32 nicht die Bläschenerzeugung zu behindern und nicht den Widerstandswert des zerstörten bzw. unterbrochenen Heizabschnitts 32 zu übersteigen, der in der Größenordnung von 10 bis 100 kOhm liegt. Falls jedoch durch den Parallelwiderstand die Bläschenerzeugung nicht behindert wird, braucht dessen Widerstandswert nicht größer als der Widerstandswert des elektrothermischen Wandlerelements sein. Der Widerstandswert des unterbrochenen Heizelements ändert sich infolge von verschiedenerlei Faktoren wie entsprechend der Tinte, jedoch sollte ein Parallelwiderstand mit einem Widerstandswert verwendet werden, der kleiner als dieser Widerstandswert bei der Unterbrechung ist. Bei dem Ausfüh­ rungsbeispiel besteht der Heizwiderstand 30 aus Hafniumborid, während der Parallelwiderstand 34 mit einer Breite von 10 µm und einer Länge von 500 µm gebildet wird, um den vorangehend genannten Widerstandswert zu erhalten. Bei dem Ausführungs­ beispiel kann der den Parallelwiderstand 34 enthaltende Heiz­ widerstand 30 aus dem gleichen Material in einem einfachen rechteckigen Leitermuster gebildet werden, ohne daß dadurch die Herstellungskosten erhöht werden und ohne daß der Düsen­ teilungsabstand beeinträchtigt bzw. vergrößert wird.

Falls hinsichtlich des Düsenteilungsabstands Spielraum be­ steht, kann der Parallelwiderstand natürlich statt an der Stelle des vorangehend beschriebenen Parallelwiderstands 34 näher an dem Heizabschnitt 32 ausgebildet werden, wie es in Fig. 6 durch gestrichelte Linien 34′ dargestellt ist. Ferner kann statt des Bildens des Parallelwiderstands durch die Heizwiderstandsschicht der Parallelwiderstand durch das Bil­ den eines Leitermusters aus der Elektrodenschicht geformt werden, falls diese ausreichend dünn zum Erhalten des voran­ gehend genannten Widerstandswerts gestaltet werden kann. Es ist weiterhin möglich, für den Parallelwiderstand eine wei­ tere Schicht aufzubringen und diese mit einem Leitermuster zum Erzeugen eines elektrisch zu dem Heizabschnitt 32 paral­ lelen Widerstands zu formen, obwohl ein derartiges Vorgehen einen zusätzlichen Herstellungsschritt erforderlich macht. Ferner besteht hinsichtlich des Materials für den Parallelwi­ derstand keine Einschränkung auf das Material gemäß dem Aus­ führungsbeispiel; vielmehr kann irgendein Material mit hohem spezifischen Widerstand wie ein Metalloxid, z.B. Titanoxid (TiO) oder Vanadiumoxid (VO) verwendet werden. Weiterhin können für diesen Zweck auch andere Materialien wie Metalle, Metall-Keramik-Verbundstoffe (Cermet), Legierungen und Me­ tallverbindungen verwendet werden.

Wenn der Heizabschnitt 32 zerstört bzw. unterbrochen wird, wird infolge des Parallelwiderstands 34 die vorangehend be­ schriebene Treiberschaltung für den Tintenstrahl-Aufzeich­ nungskopf nicht durch die kapazitive Komponente des Heizab­ schnitts 32 beeinträchtigt, so daß daher der über die Tinte fließende Strom verringert bzw. unterdrückt ist. Beispiels­ weise konnte bei Impulsen mit einer Dauer von 10 µs und einer Wiederkehrperiode von 1 ms der Strom auf ungefähr 1/100 verringert werden.

Gemäß der vorstehenden Erläuterung ist es bei dem beschriebe­ nen Ausführungsbeispiel infolge des Parallelschaltens eines Widerstandselements zu dem Heizabschnitt des elektrothermi­ schen Wandlerelements möglich, bei einer Zerstörung bzw. Unterbrechung irgendeines der elektrothermischen Wandlerele­ mente den Einfluß der kapazitiven Komponente des elektrother­ mischen Wandlerelements auf einen vernachlässigbaren Wert herabzusetzen, wodurch der über die Tinte fließende Strom verringert wird.

Dadurch ist es möglich, das Entstehen von Reaktionsprodukten und dadurch das Blockieren anderer Tintenkanäle und Düsenöff­ nungen zu verhindern.

Aus der vorstehenden Erläuterung ist ersichtlich, daß in dem Aufzeichnungskopf selbst bei einer Zerstörung bzw. Unterbre­ chung eines von mehreren Heizwiderständen die Verringerung der Erzeugung von Reaktionsprodukten in der Tinte ermöglicht ist, so daß dadurch die Verschlechterung der Leistungsfähig­ keit des ganzen Aufzeichnungskopfes vermieden ist. Falls die Zerstörung bzw. Unterbrechung oder Beschädigung eines Heizwi­ derstands den Aufzeichnungsvorgang nicht wesentlich beein­ trächtigt oder falls der Aufzeichnungsvorgang nicht abgebro­ chen werden kann, ist es folglich möglich, den Aufzeichnungs­ vorgang ohne unerwünschte Auswirkungen auf den ganzen Auf­ zeichnungskopf fortzusetzen.

Eine Treiberschaltung für einen Tintenstrahl-Aufzeichnungs­ kopf enthält elektrothermische Wandlerelemente für den Tin­ tenausstoß durch Wärmeenergie, jeweils zu den elektrother­ mischen Wandlerelementen parallel geschaltete Widerstandsele­ mente und Leitungsverbindungen für das Zuführen elektrischer Energie zu den elektrothermischen Wandlerelementen.

Claims (10)

1. Treiberschaltung für einen Tintenstrahl-Aufzeich­ nungskopf gekennzeichnet durch elektrothermische Wandlerele­ mente (30, 32) für den Tintenausstoß durch Wärmeenergie, jeweils zu den elektrothermischen Wandlerelementen parallel geschaltete Widerstandselemente (34, 34′) und Leiterverbin­ dungen (40, 45) zum Zuführen elektrischer Energie zu den elektrothermischen Wandlerelementen.

2. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, gekennzeichnet durch Ausstoßöffnungen (64) für den Tintenausstoß, jeweils den Ausstoßöffnungen entsprechend angeordnete elektrothermische Wandlerelemente (30, 32) zum Erzeugen von Wärmeenergie für den Tintenausstoß und jeweils zu den elektrothermischen Wand­ lerelementen elektrisch parallel geschaltete Widerstandsele­ mente (34, 34′).

3. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente (34, 34′) auf dem gleichen Substrat (10, 20) wie die elektrothermischen Wandlerelemente (30, 32) gebildet sind.

4. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente (34, 34′) jeweils Widerstandsabschnitte aus dem gleichen Material wie ein Heizwiderstand (32) der elektrothermischen Wandler­ elemente (30, 32) haben.

5. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente (34, 34′) durch Leitermuster aus dem gleichen Material wie die Elektroden (40, 45) der elektrothermischen Wandlerelemente (30, 32) gebildet sind.

6. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach einem der Ansprü­ che 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsele­ mente (34) in der Nähe eines Heizabschnitts (32) der elektro­ thermischen Wandlerelemente (30, 32) angeordnet sind.

7. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach einem der Ansprü­ che 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsele­ mente (34, 34′) aus einer Metallverbindung bestehen.

8. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Metallverbindung ein Metalloxid oder eine Metallegierung ist.

9. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach einem der Ansprü­ che 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsele­ mente (34, 34′) aus einem Metall-Keramik-Verbundstoff beste­ hen.

10. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach einem der An­ sprüche 2 bis 9, gekennzeichnet durch eine über den elektro­ thermischen Wandlerelementen (30, 32) und den Widerstandsele­ menten (34, 34′) ausgebildete Schutzschicht (50).