DE4200892A1 - Integrierbarer ueberlastschutz fuer bubble-jet-tintendruckkoepfe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen integrierbaren Überlastschutz für Tintendruckköpfe vom Bubble-Jet-Typ.

In Tintendruckköpfen vom Bubble-Jet-Typ sind zur Erzeugung von Tintentröpfchen Widerstandselemente vorgesehen, die entsprechend vorgegebener Druckdaten kurzzeitig mit Stromstößen beaufschlagt werden. Dadurch heizen sich die Widerstandselemente auf und geben Wärme an die Tinte ab, die ihrerseits schlagartig verdampft und einen Lokalen Überdruck im Tintenkanal erzeugt, der zum Tröpfchenausstoß führt.

Die Widerstandselemente bestehen aus einer dünnen Schicht leitender oder halbleitender Partikel, die pro Tintenkanal üblicherweise mit je zwei Elektroden kontaktiert sind.

Die Forderung nach höherer Auflösung führte zu einer immer größer werdenden Anzahl von Düsen bezogen auf die Arbeitsbreite des Tintendruckkopfes. In gleichem Maße verringerte sich der Abstand benachbarter Düsen und damit die Breite der zugehörigen Tintenkanäle sowie der darin enthaltenen Widerstandselemente.

Eine weitere Forderung besteht nach immer größeren Schreibgeschwindigkeiten, in deren Folge die Impulszyklen zur ortsgenauen Erzeugung der Tintentröpfchen bereits bei gleichbleibender Auflösung immer kürzer werden.

In jedem Fall muß jedoch dem Widerstandselement soviel Energie zugeführt werden, wie zur sicheren Tröpfchenerzeugung benötigt wird.

In Tintendruckköpfen, die diese Forderung erfüllen, liegt die impulsweise Heizflächenbelastung der Widerstandselemente in den Tintendruckköpfen bereits im Bereich von Gigawatt je Quadratmeter!

In Anbetracht dieser Größenordnung wird eine weitere Forderung offensichtlich, die den Schutz der Widerstandselemente vor thermischer Überbeanspruchung beinhaltet. Mit anderen Worten, bei unzulässiger Verlängerung der Dauer der Ansteuerimpulse über einen bestimmten Grenzwert hinaus wird bei konstantem Stromfluß die Widerstandsschicht der Widerstandselemente zerstört und der Tintendruckkopf damit unbrauchbar.

Aus der JP-A 61-221670 ist eine Schutzschaltung für Heizwiderstände von Tintendruckköpfen bekannt, die die Spannung am Heizwiderstand in Abhängigkeit von einer Komparatorausgangsspannung steuert. Der Komparator vergleicht die Eingangsspannung einer Steuerschaltung mit einem festen Referenzwert. Damit wird zwar das jeweilige Heizelement vor Spannungsspitzen geschützt die ebenfalls zur thermischen Überlastung führen können, aber eine unzulässige Verlängerung der Dauer der Ansteuerimpulse kann durch diesen Vorschlag nicht ausgeschlossen werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schutz für die Widerstandselemente von Tintendruckköpfen vor thermischer Überlastung infolge unzulässiger Verlängerung der Ansteuerimpulse mit möglichst geringem Aufwand zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Schutz so zu gestalten, daß eine monolithische Integrierbarkeit auf dem Substrat des Tintendruckkopfes möglich ist.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausgehend von je einem Widerstandselement mit einem zugeordneten Leistungshalbleiterbauelement je Druckelement sind mindestens ein Zeitgeber und eine Torschaltung vorgesehen und folgendermaßen verknüpft. Jedes Leistungshalbleiterbauelement weist einen Leistungsstromzweig und einen Steuerstromzweig auf. In dem Leistungsstromzweig ist das jeweilige Widerstandselement angeordnet und in dem Steuerstromzweig ist die Torschaltung eingeschaltet. An die Torschaltung sind eingangsseitig Datenleitungen und mindestens eine Unterbrechungssignalleitung angeschlossen. Die Unterbrechungssignalleitungen sind ausgangsseitig an den Zeitgeber angeschlossen, an dem einseitig mindestens eine Synchronisiersignalleitung angeschlossen ist.

Die Datenleitungen führen druckpositionsorientierte Druckdaten, die in der Torschaltung zu druckelementindividuellen Druckdaten verarbeitet werden. Zur druckdatengemäßen Aktivierung eines Druckelementes wird dessen Widerstandselement während eines definierten Intervalls von Strom durchflossen. Wird hervorgerufen durch auftretende Störungen dieses an sich definierte Intervall nicht zeitgerecht abgeschlossen, dann wird mittels eines Unterbrechungssignals der Stromfluß trotzdem beendet. Das Unterbrechungssignal wird in dem Zeitgeber nach Ablauf einer vorgegebenen, maximalen Zeitspanne generiert. Vorzugsweise wird der Beginn dieser Zeitspanne auf den Beginn eines Druckzyklus einer Druckposition synchronisiert. Damit wird die unbeabsichtigte Zerstörung der Widerstandselemente des Tintendruckkopfes vermieden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Die dazu erforderlichen Figuren zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Überlastschutzes

Fig. 2a eine Darstellung eines zählergesteuerten Zeitgebers mit einem Zähler

Fig. 2b eine Darstellung eines zählergesteuerten Zeitgebers mit mehreren Zählern

Fig. 2c eine Darstellung eines Zeitgebers mit monostabiler Kippschaltung

Fig. 3a eine Darstellung einer Torschaltung mit druckpunktindividueller Unterbrechung

Fig. 3b eine Darstellung einer Torschaltung mit zentraler Unterbrechung

Gemäß Fig. 1 ist für jedes Druckelement eines Bubble-Jet-Tintendruckkopfes je ein Widerstandselement 4 vorgesehen. Druckelemente, die nach dem Backshooter-Prinzip aufgebaut sind, weisen gegebenenfalls auch mehrere Widerstandselemente auf, die jedoch schaltungstechnisch zusammengefaßt sind und somit für die Ansteuerung als ein Widerstandselement gelten.

Zum druckdatengemäßen Betreiben des jeweiligen Widerstandselementes 4 ist jeweils ein Leistungshalbleiterbauelement 3 mit einem Leistungsstromzweig und einem Steuerstromzweig vorgesehen. Das Widerstandselement 4 ist über den Leistungsstromzweig des Leistungshalbleiterbauelementes 3 an einer Betriebsspannungsquelle 5 angeschlossen.

Üblicherweise sind Bubble-Jet-Tintendruckköpfe mit einer Vielzahl derartiger Druckelemente ausgestattet , zu deren Ansteuerung eine Vielzahl gattungsgleicher Signale verwendet werden, deren Leitungen der Übersichtlichkeit halber in Fig. 1 gebündelt in Form sogenannter Signalbusse dargestellt sind.

Der Steuerstromzweig des Leistungshalbleiterbauelementes 3 ist an eine Leitung eines Steuersignalbusses 9 angeschlossen. Die Steuerleitungen des Steuersignalbusses 9 sind mit druckpositionsgerechten Druckdaten druckelementeindividuell belegt.

Erfindungsgemäß ist eine Torschaltung 2 mit mindestens einem Signaleingang, mindestens einem Steuereingang und für jedes Druckelement einen Signalausgang vorgesehen. Die Summe der an die Signalausgänge angeschlossenen Leitungen bildet den Steuersignalbus 9. An die Signaleingänge sind Leitungen des Datenbusses 8 angeschlossen und die Steuereingänge sind mit Leitungen des Unterbrechungssignalbusses 7 verbunden.

Darüber hinaus ist ein Zeitgeber 1 mit mindestens einem Eingang und mindestens einem Ausgang vorgesehen, an dessen Eingang mindestens eine Leitung eines Synchronisiersignalbusses 6 angeschlossen ist und dessen Ausgänge mit Leitungen des Unterbrechungssignalbusses 7 geschaltet sind.

In einer ersten Ausführungsform des Zeitgebers 1 ist eine Kettenschaltung bestehend aus einem Taktgeber 11, einem Zähler 12 und mindestens einem Dekoder 13 gemäß Fig. 2a vorgesehen. Mit dem Taktgeber 11 werden systemunabhängig Taktimpulse definierter Wiederholfrequenz erzeugt, die im Zähler 12 gezählt werden. Mit jedem ausgangsseitig angeschlossenen Dekoder wird über einen vorbestimmten Bereich von Zählerständen ein Unterbrechungssignal generiert, das auf eine Leitung des Unterbrechungssignalbusses 7 geführt wird.

Werden alle druckdatengemäß anzusteuernden Druckelemente gleichzeitig aktiviert, dann enthält der Dekoder 13 ein Decodierelement und der Unterbrechungssignalbus 7 eine Leitung. Somit wird der Stromfluß durch alle angesteuerten Widerstandselemente 4 gleichzeitig unterbrochen.

Um die Strombelastung auf den Sammelschienen zur Betriebsspannungsquelle 5 zu begrenzen, ist es üblich, die Druckelemente des Tintendruckkopfes in vorzugsweise gleichgroße Gruppen einzuteilen, die zeitversetzt angesteuert werden.

Wird dieser Zeitversatz zwischen den Ansteuerimpulsen der einzelnen Gruppen von Druckelementen fest vorgegeben, dann weist der Dekoder 13 für jede Gruppe ein Decodierelement auf, das aus einem jeweils anderen vorbestimmtem Zählerstandsbereich des Zählers 12 ein separates, gruppenindividuelles Unterbrechungssignal generiert. Jedes Unterbrechungssignal ist auf eine besondere Unterbrechungssignalleitung geführt. Alle Unterbrechungssignalleitungen zusammen sind der Unterbrechungssignalbus 7.

Zur zeitlichen Zuordnung der maximalen Betriebszeit der Widerstandselemente auf den Ablauf des jeweiligen Druckzyklus ist eine Synchronisiersignalleitung an den Zähler 12 angeschlossen, die eine definierte Voreinstellung dessen Zählerstandes auf dieser Synchronisiersignalleitung ein Synchronisierimpuls geführt ist. Im einfachsten Fall weist der Zähler einen Reset-Eingang auf, an den diese Synchronisiersignalleitung angeschlossen ist. Mit jedem Synchronisierimpuls wird der Zählerstand beispielsweise auf "0" als definierte Ausgangsstellung gesetzt.

Durch Kombination eines Zählers 12 mit einem Taktgeber 11 ist die maximale Heizdauer der Widerstandselemente 4 stufig vorgebbar. Die Größe einer Stufe ist durch den Taktimpulsabstand des Taktgebers 11 vorgegeben. Für einen großen Taktimpulsabstand genügen einige wenige Zählerstufen für den Zähler 12 um die vorgegebene, maximale Heizdauer abzuleiten. Dann ist es jedoch zweckmäßige, neben dem Zähler 12 auch den Taktgeber 11 auf den Ablauf des jeweiligen Druckzyklus zu synchronisieren. Dazu ist aus dem Synchronisiersignalbus eine weitere Synchronisiersignalleitung abgezweigt und gemäß Fig. 2a an den Taktgeber 11 angeschlossen.

In einer weiteren Ausführungsform für den Zeitgeber 1 ist gemäß Fig. 2b vorgesehen, n Zähler 121 bis 12n eingangsseitig parallel an den Ausgang des Taktgebers 11 anzuschließen. Jedem Zähler 121 bis 12n ist genau ein Dekoder 131 bis 13n nachgeschaltet, an dessen Ausgang eine von n Unterbrechungssignalleitungen angeschlossen ist, die zusammen den Unterbrechungssignalbus 7 bilden.

Jedem Zähler 121 bis 12n ist eine separate Synchronisiersignalleitung zugeordnet, die zusammen mit der Synchronisiersignalleitung für den Taktgeber 11 den Synchronisiersignalbus 6 bilden.

Diese Ausführungsform ist besonders geeignet zur gruppenweisen Ansteuerung von Widerstandselementen, bei der die einzelnen Gruppen zeitlich überlappend und in Abhängigkeit von den Druckdaten in unregelmäßigen Zeitabständen aktiviert werden.

In einer weiteren Ausführungsform des Zeitgebers 1 ist gemäß Fig. 2c vorgesehen, für jede Gruppe von Widerstandselementen eine monostabile Kippschaltung 14 einzusetzen. Jede monostabile Kippschaltung 14 weist einen Triggereingang auf, an den eine Synchronisiersignalleitung angeschlossen ist. An den Ausgang jeder monostabilen Kippschaltung 14 ist eine Unterbrechungssignalleitung angeschlossen. Alle Synchronisiersignalleitungen bilden den Synchronisiersignalbus 6 und alle Unterbrechungssignalleitungen bilden den Unterbrechungssignalbus 7. Für eine zentrale Unterbrechung des Stromflusses in allen Widerstandselementen des Tintendruckkopf es weist der Zeitgeber 1 genau eine monostabile Kippschaltung 14 auf.

In Fig. 3a ist eine Ausführungsform für eine Torschaltung 2 mit n angeschlossenen Leistungshalbleiterbauelementen 31 bis 3n und n Widerstandselementen 41 bis 4n für n Druckelemente gezeigt.

Zweckmäßigerweise werden die Druckdaten Tintendruckköpfen mit einer Vielzahl von Druckelementen kodiert zugeführt, um die Anzahl der Kontaktstellen zwischen dem gegebenenfalls austauschbaren Tintendruckkopf und den Mitteln zur Datenzwischenspeicherung und Datenaufbereitung in der Tintendruckeinrichtung zu reduzieren. Demzufolge enthalten die über den Datenbus 8 zugeführten Datensignale sowohl die druckpositionsgemäßen Druckdaten, die auf den Datenbus 81 geführt sind, als auch Adreßinformationen, die auf dem Adreßbus 82 geführt sind, welches Druckdatum welchem Druckelement zuzuführen ist.

Zweckmäßigerweise sind die Druckelemente in Gruppen eingeteilt, deren Größe so bemessen ist, daß allen Druckelementen einer Gruppe gleichzeitig Druckdaten zugeführt werden. Zur Selektierung der einzelnen Gruppen sind die, die Adreßinformationen führenden Datenleitungen des Adreßbusses 82 aus dem Datenbus 8 abgezweigt und an Eingänge eines Dekoders 21 geschaltet. Am Eingang dieses Dekoders sind eine Mehrzahl von busstrukturiert zusammengefaßten Gruppensignalleitungen 83 angeschlossen.

Für jedes Druckelement ist in der Torschaltung 2 ein Logikgatter 221 bis 22n vorgesehen, dessen Ausgang durch jeweils eine Steuerleitung 91 bis 9n mit der Steuerelektrode des jeweils zugeordneten Leistungshalbleiterbauelementes 31 bis 3n verbunden ist. Jedes Logikgatter 221 bis 22n weist drei Eingänge auf. An den ersten Eingang ist eine der Gruppensignalleitungen 83 angeschlossen. An den zweiten Eingang ist eine Leitung des Druckdatenbusses 81 geführt und der dritte Eingang ist mit einer Unterbrechungssignalleitung des Unterbrechungssignalbusses 7 verbunden.

Durch Aktivierung der entsprechenden Gruppensignalleitung 83 wird eine ausgewählte Gruppe von Druckelementen aktiv geschaltet und durch Zurücknahme des zugeordneten Unterbrechungssignals freigegeben. Gemäß den aktuellen Druckdaten werden die dieser Gruppe zugeordneten Widerstandselemente 41 bis 4n angesteuert. Bei Überschreitung der vorgegebenen Heizdauer werden mit dem im Zeitgeber 1 generierten Unterbrechungssignal die zugeordneten Logikgatter 221 bis 22n gesperrt und damit der Stromfluß in den Widerstandselementen 41 bis 4n beendet.

In einer weiteren Ausführungsform der Torschaltung 2 ist gemäß Fig. 3b ein Dekoder 21 vorgesehen, der einen Freigabeeingang aufweist an den eine Unterbrechungssignalleitung 7 angeschaltet ist. Die Aufspaltung des Datenbusses 8 in den Druckdatenbus 81 und den Adreßbus 82 ist identisch mit der Ausführungsform der Torschaltung 2 gemäß Fig. 3a.

Für jedes Druckelement ist gemäß Fig. 3b ein Logikgatter 221 bis 22n vorgesehen, an dessen Ausgang jeweils eine Steuerleitung 91 bis 9n angeschlossen ist. Die Logikgatter 221 bis 22n weisen jeweils zwei Eingänge auf. An den ersten Eingang ist jeweils eine Leitung des Druckdatenbusses 81 angeschlossen und der zweite Eingang ist mit einer Gruppensignalleitung 83 verbunden.

Die Logikgatter 221 bis 22n sind bei positiver Logik UND-Schaltungen.

Die Ausführungsform der Torschaltung gemäß Fig. 3b ist besonders einfach zur zentralen Abschaltung aller zu einer Gruppe gehörenden Druckelemente geeignet.

Tintendruckköpfe die mit dem Bubble-Jet-Prinzip arbeiten, werden vorzugsweise auf Siliziumsubstrat hergestellt. Dieses Substrat ist prinzipiell auch zur Herstellung von Halbleiterstrukturen bekannt. Mit zunehmender Anzahl der Druckelemente steigt auch die Anzahl der elektrischen Verbindungen des Tintendruckkopfes mit seiner Peripherie bei gleichzeitiger Miniaturisierung des Tintendruckkopfes selbst. Dabei sind für die Bondinseln zur Kontaktierung des Tintendruckkopfes vorgegebene Mindestflächen aus technologischen Gründen nicht unterschreitbar.

Vorteilhafterweise gestattet die erfindungsgemäße Lösung, bei Verringerung der Kontaktanzahl durch kodierte Übertragung der Druckdaten zum Tintendruckkopf und Dekodierung derselben auf dem Tintendruckkopf durch Implementierung der Dekodierungmittel auf dem Siliziumsubstrat auch ein Überlastschutz auf diesem Siliziumsubstrat zu realisieren, ohne daß zusätzliche Kontakte nötig werden.

Claims (6)

1. Integrierbarer Überlastschutz für Bubble-Jet-Tintendruckköpfe mit mindestens einem Druckelement mit je einem Widerstandselement, das durch ein Leistungshalbleiterbauelement mit einem Leistungsstromzweig und einem Steuerstromzweig druckdatengemäß angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - in den Steuerstromzweig des Leistungshalbleiterbauelementes (3) eine Torschaltung (2) eingefügt ist,
• - der Torschaltung (2) ein Zeitgeber (1) vorgeschaltet ist,
• - der Zeitgeber (1) eingangsseitig mit mindestens einer Synchronisiersignalleitung (6) geschaltet ist,
• - die Torschaltung (2) durch mindestens eine Unterbrechungssignalleitung (7) mit dem Zeitgeber (1) und durch mindestens eine Datenleitung (8) mit einer Datenquelle verbunden ist.

2. Integrierbarer Überlastschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Zeitgeber (1) eine Kettenschaltung bestehend aus einem Taktgeber (11), mindestens einem Zähler (12) und einem jedem Zähler (12) zugeordneten Dekoder (13) ist, wobei
• - mindestens an jedem Zähler (12) eine der Synchronisiersignalleitungen (6) angeschlossen ist und
• - an jedem Dekoder (13) ausgangsseitig eine der Unterbrechungssignalleitungen (7) angeschlossen ist.

3. Integrierbarer Überlastschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitgeber mindestens eine monostabile Kippschaltung (14) mit einem Triggereingang aufweist, an den eine der Synchronisiersignalleitungen (6) angeschlossen ist.

4. Integrierbarer Überlastschutz nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltung (2) für jedes Widerstandselement (41 bis 4n) ein Logikgatter (221 bis 22n) aufweist, dessen Eingänge mit Datenleitungen (8) und einer der Unterbrechungssignalleitungen (7) geschaltet sind.

5. Integrierbarer Überlastschutz nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltung (2) ein Dekoder (21) mit einem Aktivierungseingang aufweist, an den eine Unterbrechungssignalleitung (7) angeschlossen ist.

6. Integrierbarer Überlastschutz nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Zeitgeber (1) eine maximale ununterbrochene Betriebsdauer der Widerstandselemente (41 bis 4n) vorgebbar ist.