DE60003192T2 - Integrierter druckkopf - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen integrierten Druckkopf, aufweisend mehrere Gruppen von Tintenstrahlelementen in M Reihen und L Spalten, wobei jede Gruppe eine eigene Reihen- und Spaltenadresse hat, erste Adressiereinrichtungen PJ, die mit den mehreren Gruppen verbunden sind, um eine der M Reihen der mehreren Gruppen von Tintenstrahlelementen in M Reihen und L Spalten auszuwählen, zweite Adressiereinrichtungen XK, die mit den mehreren Gruppen verbunden sind, um eine der L Spalten der mehreren Gruppen von Tintenstrahlelementen in M Reihen und L Spalten auszuwählen, und dritte Adressiereinrichtungen AI die mit den mehreren Gruppen verbunden sind, um ein Tintenstrahlelement in jeder Gruppe von Tintenstrahlelementen auszuwählen.
  • Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Tintenstrahldruckkopf des IDH-Typs (Integrated Drive Head), bei dem mehrere Wärmewiderstände oder ohmsche Widerstandselemente wahlweise durch einen externen Steuerschaltkreis aktiviert werden, um das Ausstoßen von Tintentröpfchen durch Düsen, die entsprechend den Widerständen angeordnet sind, zu erzeugen.
  • STAND DER TECHNIK
  • Ein integrierter Druckkopf des IDH-Typs ist bereits aus der US-Patentschrift 5,644,342 bekannt, bei dem die Adressierung der verschiedenen Widerstände durch eine dreidimensionale (oder 3-D) Adressierung erfolgt.
  • Der bekannte Kopf 10 (1) umfasst mehrere Widerstände 11, die jeweils an einen Leistungstransistor 12 angeschlossen sind. Das Aktivieren der Widerstände 11 wird mittels eines externen Steuerschaltkreises, der am Kopf 10 selbst angeschlossen ist, über zwei entsprechende flexible Schaltkreise (Kopf-Flachkabel und Drucker-Flachkabel) mit mehreren Kontaktpunkten AI=1–N, PJ=1–M, GNDK =1–L gesteuert, wobei:
    • – N die Anzahl der Widerstände 11 oder Adressen AI ist, die innerhalb einer Aktivierungsgruppe 14 ausgewählt werden kann;
    • – M die Anzahl der Grundelementepaare PJ ist, die ausgewählt werden kann; und
    • – L die Anzahl der Massekontakte GNDK oder Spalten ist, die ausgewählt werden kann.
  • Z. B. kann gemäß dem Stand der Technik aus einem integrierten Schaltkreis, aufweisend 24 Paare (M) von Aktivierungsgruppen 14 mit 13 (N) Widerständen 11 und den zugeordneten Transistoren 12, ein Kopf mit 624 Düsen hergestellt werden.
  • Daraus folgt, dass
    durch M + N + L = 39 Kontakte der externe Schaltkreis die selektive Aktivierung von 24*13*2 = 624 Düsen
    • – durch das Aktivieren der Masseverbindung einer Spalte von Grundelementen über einen Massekontakt GNDK =1–L (Masseauswahl);
    • – durch das Aktivieren für eine bestimmte Zeit und mittels der Transistoren 12 einer ersten Adresse AI (Adresszeilenauswahl);
    • – durch das Zuführen von elektrischer Energie innerhalb der aktivierten Spalte durch bestimmte Stromimpulse und mittels der Kontakte PJ (Grundelementeauswahl) einer bestimmten Konfiguration von Grundelementen entsprechend der ersten Adresse AI;
    • – durch das anschließende Aktivieren einer zweiten Adresse AI (Adresszeilenauswahl) und der dazugehörigen Transistoren 12;
    • – durch das Zuführen von elektrischer Energie innerhalb der aktivierten Spalte durch bestimmte Stromimpulse und mittels der Kontakte PJ (Grundelementeauswahl) einer zweiten bestimmten Konfiguration von Grundelementen entsprechend der zweiten Adresse AI und so weiter, in aufeinander folgenden Schritten, bis das Aktivieren der N Adressen beendet ist, und nach dem Deaktivieren der Masseverbindung der ersten Spalte von Grundelementen und dem Aktivieren der zweiten Spalte von Grundelementen, durch das Fortsetzen des Vorgangs in der gleichen Weise, steuern kann.
  • Wie bereits bekannt, ist es bei der 3-D-Adressierung möglich, die Anzahl von Kontaktstellen zwischen Kopf und Steuerschaltkreis zu begrenzen, wenn die Anzahl von Düsen sehr groß ist. Dies ist von großer Bedeutung, da, wie bereits bekannt, integrierte Köpfe nur dann wirtschaftlich und zuverlässig sind, wenn die Anzahl der Kontakte auf 50 bis 60 begrenzt ist. Es ist tatsächlich nur durch die Begrenzung der Anzahl von Kontakten möglich, die Oberfläche des integrierten Schaltkreises, der den Kopf bildet, die Oberfläche des Kopf-Flachkabel- und/oder des Kopf-Flachkabel/Drucker-Flachkabel-Kontaktbereiches zu begrenzen.
  • Beispielsweise ist es für den Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, dass der Kopf mit 624 Düsen in 1, wenn er in der 2-D-Adressierung ausgeführt wäre, nicht so wirtschaftlich wie erforderlich arbeiten würde: 2*24 (M) + 13 (N) + 24 (GND) = 85 Kontakte.
  • Jedoch ergibt sich bei der 3-D-Adressierung, die in der in 1 angegebenen Weise erfolgt, eine bestimmte Anzahl von technischen Problemen betreffend die Zuverlässigkeit und Anwendungsmöglichkeiten.
  • Ein erstes Problem besteht darin, dass die Stromstärke an den Kontaktstellen GNDK=1–L zwischen Kopf-Flachkabel und Drucker-Flachkabel, die direkt proportional der gleichzeitig in Betrieb befindlichen Grundelemente PJ ist, extrem veränderliche Werte annehmen kann, z. B. zwischen 250 mA und 6 Ampere (24*250mA), natürlich unter der Annahme, dass der minimale Aktivierungsstrom eines Widerstands 11 250mA beträgt. Es ist für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich, dass Druckkontakte von Kopf-Flachkabel und Drucker-Flachkabel bei derartigen Stromwerten nicht zuverlässig und von kurzer Lebensdauer sind.
  • Ein zweites technisches Problem besteht darin, dass die Schalter im externen Steuerschaltkreis für die Massekontakte GNDK überdimensioniert sein müssen, um z. B. Spritzenstromwerten mit einem Betrag von 6 Ampere mit sehr niedrigen Widerstandswerten zum Schließen der besagten Schalter standhalten zu können.
  • Ein drittes technisches Problem besteht darin, dass das Layout des integrierten Kopfes des 3-D-Typs kritisch in Bezug auf die Masseleiter ist, die veränderlichen Strömen und sehr hohen Spitzenströmen in den Kopfflachkabel/Druckerflachkabel-Kontakten standhalten müssen und hohe parasitäre Widerstände mit veränderlichen Bahnen und hohen und veränderlichen Spannungsabfällen haben.
  • Ein viertes technisches Problem besteht darin, dass die Kopfflachkabel/Druckflachkabel-Druckkontakte, insbesondere in Bezug auf die Kontaktstellen GND K=1–L,Funken und elektrische Entladungen beim Auftreten eines hohen Spitzenstroms hervorrufen können.
  • D. h., dass bei den bekannten integrierten Köpfen des 3-D-Typs infolge der Gruppierung der Masseverbindungen technische Probleme entstehen, die schwer zu lösen sind und bezeichnend für eine geringe Zuverlässigkeit, Herstellungsprobleme und für die Veränderlichkeit der den Widerständen 11 zugeführten Energie zur Aktivierung des Ausstoßens von Tinte durch die Düsen sind.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben angegebenen technischen Probleme durch ein innovatives Layout für einen integrierten Kopf zu lösen, das die Vorteile der 3-D-Adressierung hat und gleichzeitig im Gegensatz zum Stand der Technik einfach herzustellen und zuverlässig ist.
  • Diese Aufgabe wird durch einen integrierten Druckkopf gelöst, der gekennzeichnet ist durch Logikeinrichtungen, die mit jeder Gruppe von Tintenstrahlelementen und den zweiten Adressiereinrichtungen XK verbunden sind und mit Logiksignalen zum Auswählen einer der L Spalten der mehreren Gruppen von Tintenstrahlelementen betätigt werden können.
  • Gemäß einer weiteren Charakteristik der vorliegenden Erfindung kann der integrierte Druckkopf in vorteilhafter Weise von dem Steuerschaltkreis über eine vierdimensionale oder 4-D-Adressierung gesteuert werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden durch die Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform durch ein nicht einschränkendes Beispiel anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, in denen:
  • 1 ein Funktionsschaltbild eines integrierten Druckkopfs des 3-D-Typs nach dem Stand der Technik ist;
  • 2 eine Gesamtansicht eines integrierten Druckkopfes ist; und
  • 3 ein Funktionsschaltbild der Schaltkreiselemente eines integrierten Druckkopfes gemäß der Erfindung ist.
  • BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
  • In Bezug auf 2 umfasst ein integrierter Druckkopf (Kopf) 20 gemäß der Erfindung eine bestimmte Anzahl von Düsen 31, z. B. 624 Düsen, die auf dem Kopf 20 gemäß einer bestimmten Ordnung angeordnet sind und Tinte auf ein Medium, üblicherweise Papier, schleudern können, und eine bestimmte Anzahl von Kontakten 23, durch die der Kopf 20 an einen nicht in den Figuren gezeigten Antriebs- oder Steuerschaltkreis angeschlossen werden kann, der die Steuerung der selektiven Aktivierung der Düsen 31 durchführen kann.
  • Der Kopf 20, der auf einem integrierten Schaltkreis gebildet ist, z. B. des NMOS- oder Bipolartyps, umfasst auch eine bestimmte Anzahl von Aktivierungsgruppen 24 (2, 3) des bekannten Typs, wie z. B. 24 Paare (M) von Aktivierungsgruppen 24, und, gemäß einer der Hauptcharakteristiken der vorliegenden Erfindung, eine gleiche Anzahl von Transistoren (SWAND -Transistoren) 25, die jeweils einer Aktivierungsgruppe 24 zugeordnet sind.
  • Jede Aktivierungsgruppe 24 des bekannten Typs umfasst eine bestimmte Anzahl N von Transistoren (Gruppentransistoren) 22 und eine gleiche Anzahl von thermischen Widerständen (ohmsche Widerstände) 21, die in einer bekannten Weise das Ausstoßen von Tinte durch die Düsen 31 erzeugen können.
  • Z. B. entspricht bei einem Kopf mit 624 Düsen 31, der 48 Aktivierungsgruppen hat, N gleich 13 (48*13=624).
  • Jeder Gruppentransistor 22 des bekannten Typs ist mit seinem Drain-Anschluss an einen der beiden Anschlüsse des Widerstands 21 angeschlossen, mit seinem Source-Anschluss mit den Source-Anschlüssen der Gruppentransistoren 22, die der selben Aktivierungsgruppe 24 angehören, zusammengeschlossen, und mit seinem Gate-Anschluss mit den Kontakten 23 entsprechend der Adressauswahlleitungen (Adressleitungsauswahl oder Adressen) AI=1– N verbunden.
  • Durch Logiksignale kann folglich der Steuerschaltkreis in bekannter Weise der Reihe nach die Adressen A, und folglich die N Gates der Gruppentransistoren 22 aller Aktivierungsgruppen 24 aktivieren.
  • Die Widerstände 21, die einem Paar von in verschiedenen Spalten angeordneten Aktivierungsgruppen 24 angehören, sind mit dem zweiten Anschluss zusammen an einen Kotakt 23 entsprechend einer Energiezufuhrleitung der Grundelemente (Grundelementeauswahl oder Grundelemente) PJ=1– M angeschlossen.
  • Durch diese Kontakte PJ kann der Antriebsschaltkreis in einer bekannten Weise durch das Verändern der Adressen A, bestimmte Grundelemente-Konfigurationen derart mit elektrischer Energie versorgen, um das Ausstoßen von Tinte durch die Düsen entsprechend der aktiven Adresse A, und der mit Energie versorgten Grundelemente-Konfiguration aktivieren.
  • Jeder SWAND-Transistor 25 des bekannten Typs ist mit seinem Drain-Anschluss an den Source-Anschluss des Transistors 22, der einer Aktivierungsgruppe 24 angehört, angeschlossen, und mit dem Gate-Anschluss mit allen SWAND-Transistoren 25, die der selben Spalte (geradzahlig oder ungeradzahlig) angehören, und mit einem Kontakt 23 entsprechend einer Spalten-Auswahlleitung (Spaltenauswahl oder Spalte) XK=1–L angeschlossen.
  • Folglich kann gemäß einer Charakteristik der vorliegenden Erfindung der Antriebsschaltkreis durch die Kontakte Xk der Reihe nach und lediglich mit Logiksignalen die M Gates der SWAND-Transistoren 25 aktivieren und folglich z. B. das Ausstoßen von Tinte durch die geradzahlige Spalte oder durch die ungeradzahlige Spalte von Düsen 31 aktivieren.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Source-Anschluss des SWAND-Transistors 25 einer bestimmten Aktivierungsgruppe 24 mit dem Source-Anschluss des SWAND-Transistors 25, der dem selben Grundelement PJ, jedoch einer unterschiedlichen Spalte angehört, mit dem Source-Anschlußpaar der SWAND-Transistoren 25, die der benachbarten Grundelementegruppe PJ+1 angehören, und mit einem Kontakt 23 entsprechend einer Masseverbindung GNDG=1–M/2 verbunden.
  • Durch jede Masseverbindung GNDG=1–M/2 kann der Antriebsschaltkreis gemäß einer weiteren Charakteristik der vorliegenden Erfindung einen Aktivierungsstrom ableiten, der, wie dem Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich ist, höchstens zweimal dem einfachen Aktivierungsstrom, z. B. 500 mA (250mA*2), entspricht.
  • Folglich kann durch den Kopf 20 gemäß der vorliegenden Erfindung der Antriebsschaltkreis das selektive Aktivieren von z. B. 624 Düsen dreidimensional steuern:
    • – bei einer begrenzten Anzahl von Kontakten, d. h. mit 24 (M) + 13 (N) + 2 (L) + 12 (M/2) = 51 Kontakten, wobei M die Anzahl der Grundelemente ist; N die Anzahl der Adressen pro Grundelement ist; L die Anzahl der Spalten ist; und M/2 die Anzahl der Massekontakte ist; und
    • – bei niedrigen Masseströmen in den einzelnen Massekontakten GNDG.
  • Die Betriebsweise des Druckkopfes 20, der bisher beschrieben wurde, ist abhängig von der Art der Programmierung des Antriebsschaltkreises und wird folglich in Bezug auf letzteres beschrieben.
  • Der Antriebsschaltkreis aktiviert durch die Verbindungen XK und mittels eines Logiksignals an den Gate-Anschlüssen der SWAND-Transistoren 25 eine Spalte von Grundelementen, z. B. Spalte X1,und hält es aktiv, bis in der selben, bereits für die bekannten 3-D-Köpfe beschriebenen Weise, das Abtasten der Adressen AI und das Zuführen von Energie für die entsprechenden Konfigurationen von Grundelementen erfolgt.
  • Wenn das Abtasten der Adressen der ersten Spalte X1 einmal beendet ist, deaktiviert der Antriebsschaltkreis der Reihe nach die erste Spalte und aktiviert durch die Verbindungen XK und mittels eines Logiksignals an den Gate-Anschlüssen des SWAND-Transistors 25 eine zweite Spalte von Grundelementen, wie z. B. Spalte X2, so dass das Abtasten der Adressen AI und das Zuführen von Energie für die entsprechenden Konfigurationen von Grundelementen bezüglich der zweiten Spalte erfolgt.
  • Der Antriebsschaltkreis aktiviert fortlaufend der Reihe nach abwechselnd die XK Spalten von Grundelementen, so dass das Ausstoßen von Tinte durch die entsprechenden Düsen 31 des Kopfes aktiviert wird.
  • Selbstverständlich kann das Aktivieren der Düsen 31 durch den Antriebsschaltkreis auf verschiedene Arten erfolgen, wie z. B. durch das abwechselnd Aktivieren und Deaktivieren der Spalten XK von Düsen für gleiche ausgewählte Adressen A, und durch das Verändern der entsprechenden Konfiguration von Grundelementen, ohne irgendeinen Einfluss auf den Aufbau des oben beschriebenen Druckkopfes.
  • Durch den oben beschriebenen Aufbau kann der Druckkopf 20 z. B. auch dadurch, dass der Antriebsschaltkreis durch die Massekontakte GNDG=1–M/2 (Masseauswahl) die Masseverbindung der Gruppen von Grundelementen mit einer gemeinsamen Masse wahlweise steuert, im 4-D-Modus gesteuert werden.
  • Darüber hinaus kann die Anzahl L von Verbindungen XK, die bei der bevorzugten Ausführungsform 2 entspricht, erhöht werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
  • Z. B. kann bei dem oben beschriebenen Aufbau ein Druckkopf mit 600 Düsen hergestellt werden, bei dem die Anzahl M von Grundelementen 24 ist, die Anzahl N von Adressen pro Grundelement 5 ist, und die Anzahl L der Spalten 5 ist, wobei: 24 (M) + 5 (N) + 5 (L) + 12 (M/2) = 46 Kontakte verwendet werden, um (24*5*5) 600 Düsen zu erhalten.
  • Der Druckkopf 20 gemäß der Erfindung hat wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, die durch eine nicht-einschränkende Liste wie folgt zusammengefasst werden können:
    • – das Layout des Kopfes ist insbesondere in Bezug auf die Masseleiter unkritisch;
    • – ein einzelner elementarer Spitzenstrom fließt durch jedes Transistorpaar, d. h. Gruppentransistor 22 und SWAND-Transistor 25, so dass folglich die Spannungsabfälle an den Zwischenverbindungen konstant sind und der Energieverlust alleine vom Gesamtwiderstand während des Leitens (RON) des Gruppentransistors 22 und des SWAND -Transistors 25, die in Reihe geschaltet sind, abhängig ist;
    • – der maximale Strom an jedem Massekontakt GNDG entspricht, wenn er wie bei der bevorzugten Ausführungsform für eine Masseleitung für alle vier Grundelemente ausgelegt ist, zweimal dem Aktivierungsstrom des Widerstands 21;
    • – die 3-D-Adressierung des Kopfes wird mittels eines logischen Pegels am Gate des SWAND-Transistors durchgeführt, so dass folglich die Kontakte XK, durch welche die zu aktivierenden Spalten von Grundelementen ausgewählt werden, nicht wie beim Stand der Technik einem Funkenrisiko ausgesetzt sind.

Claims (5)

  1. Integrierter Druckkopf, aufweisend – mehrere Gruppen (24) von Tintenstrahlelementen (21, 22) in M Reihen und L Spalten, wobei jede Gruppe (24) eine eigene Reihen- und Spaltenadresse hat, – erste Adressiereinrichtungen (PJ), die mit den mehreren Gruppen (24) verbunden sind, um eine der M Reihen der mehreren Gruppen (24) von Tintenstrahlelementen (21, 22) in M Reihen und L Spalten auszuwählen, – zweite Adressiereinrichtungen (XK), die mit den mehreren Gruppen (24) verbunden sind, um eine der L Spalten der mehreren Gruppen (24) von Tintenstrahlelementen (21, 22) in M Reihen und L Spalten auszuwählen, und – dritte Adressiereinrichtungen (AI), die mit den mehreren Gruppen (24) verbunden sind, um ein Tintenstrahlelement (21, 22) in jeder Gruppe (24) von Tintenstrahlelementen (21, 22) auszuwählen, dadurch gekennzeichnet, dass Logikeinrichtungen (25) vorgesehen sind, die mit jeder Gruppe (24) von Tintenstrahlelementen (21, 22) und den zweiten Adressiereinrichtungen (XK) verbunden sind und mit Logiksignalen zum Auswählen einer der L Spalten der mehreren Gruppen (24) von Tintenstrahlelementen (21, 22) betätigt werden können.
  2. Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinrichtung (25) wenigstens einen Transistor mit einem Anschluss, der mit einer Gruppe (24) von Tintenstrahlelementen (21, 22) verbunden ist, einem Anschluss, der mit Masse verbunden ist, und einem Steueranschluss, der mit der zweiten Adressiereinrichtung (XK) verbunden ist, aufweist.
  3. Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vierte Adressiereinrichtungen (GNDG) vorgesehen sind, die mit den mehreren Gruppen (24) von Tintenstrahlelementen (21, 22) verbunden sind, um eine oder mehrere Gruppen G der M Reihen der mehreren Gruppen (24) von Tintenstrahlelementen (21, 22) auszuwählen.
  4. Druckkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gruppe (G) zwei Reihen und L Spalten der M Reihen der mehreren Gruppen (24) von Tintenstrahlelementen (21, 22) aufweist.
  5. Druckkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinrichtung (25) einen Anschluß, der mit einer Gruppe (24) von Tintenstrahlelementen (21, 22) verbunden ist, einen Anschluß, der mit der zweiten Adressiereinrichtung (XK) verbunden ist, und einen Anschluß, der mit der vierten Adressiereinrichtung verbunden ist (GNDG), hat.
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