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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Tintenstrahldruckgeräte und insbesondere auf
einen Tintenstrahldruckkopf für
thermische Tintenstrahldruckgeräte,
der die Anzahl von Verbindungen reduziert, die eine elektrische
Verbindung zu den Tropfenauswurfvorrichtung-Heizwiderständen bereitstellen,
ohne eine Zuverlässigkeit
zu opfern.
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Das
Gebiet einer Tintenstrahldrucktechnologie ist relativ gut entwickelt.
Kommerzielle Produkte, wie beispielsweise Computerdrucker, Graphikplotter, Kopierer
und Faksimilemaschinen setzen erfolgreich eine Tintenstrahltechnologie
zum Erzeugen einer gedruckten Druckkopie-Ausgabe ein. Die Grundlagen der
Technologie wurden zum Beispiel in verschiedenen Artikeln in dem
Hewlett-Packard Journal, Ausgaben Bd. 36, Nr. 5 (Mai 1985), Bd.
39, Nr. 4 (August 1988), Bd. 39, Nr. 5 (Oktober 1988), Bd. 43, Nr.
4 (August 1992), Bd. 43, Nr. 6 (Dezember 1992) und Bd. 45, Nr. 1
(Februar 1994) offenbart. Tintenstrahlgeräte wurden ferner durch W.J.
Lloyd und H.T. Taub in Output Hardcopy Devices (R.C. Durbeck und
S. Sherr, Hrsg., Academic Press, San Diego, 1988, Kapitel 13) beschrieben.
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Ein
thermischer Tintenstrahldrucker zum Tintenstrahldrucken umfasst
typischerweise eine oder mehrere sich translatorisch hin und her
bewegende Druckkassetten, in denen kleine Tintentropfen durch einen
Tropfengenerator zu einem Medium hin ausgestoßen werden, auf dem es erwünscht ist,
alphanumerische Schriftzeichen, Graphiken oder Bilder zu platzieren.
Derartige Kassetten umfassen typischerweise einen Druckkopf, der
ein Öffnungsbauglied oder
eine -platte aufweist, das oder die eine Mehrzahl von kleinen Düsen aufweist,
durch die die Tintentropfen ausgestoßen werden. Unter den Düsen befinden sich
Tintenabfeuerungskammern, Um hüllungen,
in denen sich Tinte vor einem Ausstoß durch eine Tintenauswurfvorrichtung
durch eine Düse
befindet. Tinte wird zu den Tintenabfeuerungskammern durch Tintenkanäle geliefert,
die sich in einer Fluidkommunikation mit einem Tintenreservoir befinden,
das in einem Reservoirabschnitt der Tintenkassette oder in einem
getrennten Tintenbehälter,
der von dem Druckkopf beabstandet ist, enthalten sein kann.
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Ein
Ausstoß eines
Tintentropfens durch eine Düse,
die bei einem thermischen Tintenstrahldrucker eingesetzt wird, wird
durch ein schnelles Erwärmen des
Tintenvolumens, das innerhalb der Tintenabfeuerungskammer gelegen
ist, mit einem selektiv mit Energie versorgenden elektrischen Puls
zu einer Heizwiderstand-Tintenauswurfvorrichtung erzielt, die in der
Tintenabfeuerungskammer positioniert ist. Bei dem Beginn der Wärmeenergieausgabe
von dem Heizwiderstand bildet sich eine Tintendampfblase an Stellen
auf der Oberfläche
des Heizwiderstands oder von Schutzschichten desselben. Die schnelle
Ausdehnung der Tintendampfblase zwingt die flüssige Tinte durch die Düse. Wenn
der elektrische Puls einmal endet und ein Tintentropfen ausgestoßen ist,
füllt sich
die Tintenabfeuerungskammer wieder mit Tinte aus dem Tintenkanal
und dem Tintenreservoir.
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Auf
eine Entfernung einer elektrischen Leistung von dem Heizwiderstand
folgend fällt
die Dampfblase in der Abfeuerungskammer geringfügig aber heftig zusammen. Komponenten
innerhalb des Druckkopfs in der Nähe des Gasblasenzusammenfalls
sind für
fluidmechanische Belastungen (Kavitation) empfindlich, wenn die
Gasblase zusammenfällt, wodurch
ermöglicht
wird, dass Tinte in die Tintenabfeuerungskammerkomponenten stürzt. Der
Heizwiderstand ist besonders empfindlich für eine Beschädigung aus
einer Kavitation. Eine oder mehrere Schutzschichten sind typischerweise über dem
Widerstand und benachbarten Strukturen aufgebracht, um den Widerstand
vor einer Kavitation und vor einem chemischen Angriff durch die
Tinte zu schützen. Eine
Schutzschicht in Kontakt mit der Tinte ist eine mechanisch harte
Kavitati onsschicht, die einen Schutz vor der Kavitationsabnutzung
der zusammenfallenden Tinte bereitstellt. Eine andere Schicht, eine Passivierungsschicht,
ist typischerweise zwischen der Kavitationsschicht und dem Heizwiderstand
und zugeordneten Strukturen desselben platziert, um einen Schutz
vor einem chemischen Angriff bereitzustellen. Thermische Tintenstrahltinte
ist chemisch reaktiv und eine verlängerte Aussetzung des Heizwiderstands
und elektrischer Verbindungen desselben der Tinte resultiert in
einer Verschlechterung und einem Ausfall des Heizwiderstands und
von elektrischen Leitern.
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Die
Heizwiderstände
eines herkömmlichen Tintenstrahldruckkopfs
weisen ein Dünnfilmwiderstandmaterial
auf, das auf einer Oxidschicht eines Halbleitersubstrats aufgebracht
ist. Elektrische Leiter sind auf die Oxidschicht strukturiert und
stellen einen elektrischen Weg zu und von jedem Dünnfilmheizwiderstand
bereit. Da die Anzahl von elektrischen Leitern groß werden
kann, wenn eine große
Anzahl von Heizwiderständen
bei einem Druckkopf mit hoher Dichte (vielen DPI – Bildpunkten
pro Zoll) eingesetzt wird, wurden verschiedene Multiplextechniken
eingebracht, um die Anzahl von Leitern zu reduzieren, die benötigt wird,
um die Heizwiderstände
mit einer Schaltungsanordnung zu verbinden, die in dem Drucker angeordnet
ist. Siehe zum Beispiel das US-Patent
Nr. 5,541,629 „Printhead
with Reduced Interconnections to a Printer" und das US-Patent Nr. 5,134,425, „Ohmic
Heating Matrix".
Jeder elektrische Leiter überträgt trotz
der guten Leitfähigkeit
desselben eine unerwünschte
Größe eines
Widerstands in dem Weg des Heizwiderstands. Dieser unerwünschte parasitäre Widerstand
dissipiert nutzlos einen Teil der elektrischen Energie, der andernfalls
für den Heizwiderstand
verfügbar
wäre, wodurch
Energie verschwendet wird, die andernfalls bei einem effizienteren
Ausstoßen
von Tintentropfen eingesetzt werden könnte. Falls der Heizwiderstandswert
niedrig ist, ist der Betrag des Stroms, der gezogen wird, um die
Tintendampfblase zu erzeugen, relativ groß, was darin resultiert, dass
die Größe einer
Energie, die bei dem parasitären
Widerstandswert der elektrischen Leiter verschwendet wird, relativ
zu derselben erheblich ist, die zu dem Heizwiderstand geliefert
wird. Das heißt
falls das Verhältnis
von Widerstandswerten zwischen demselben des Heizwiderstands und
dem parasitären
Widerstandswert der elektrischen Leiter (und anderer Komponenten)
zu klein ist, leidet die Effizienz (und die Temperatur) des Druckkopfs
mit der verschwendeten Energie.
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Die
meisten thermischen Tintenstrahldrucker, die heute verfügbar sind,
verwenden quadratische Heizwiderstände, die einen Widerstandswert von
35 bis 40Ω aufweisen.
Falls es möglich
wäre, Widerstände mit
höheren
Widerstandswerten zu verwenden, würde die Energie, die benötigt wird,
um eine Tintendampfblase zu erzeugen, zu dem Dünnfilmheizwiderstand mit einer
höheren
Spannung und einem niedrigeren Strom übertragen. Die Energie, die
bei den parasitären
Widerstandswerten verschwendet wird, wäre reduziert und die Leistungsversorgung,
die die Leistung zu den Heizwiderständen liefert, könnte kleiner
und kostengünstiger
hergestellt werden.
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Da
Benutzer von Tintenstrahldruckern begonnen haben, feinere Details
bei der gedruckten Ausgabe von einem Drucker zu wünschen,
wurde die Technologie in eine höhere
Auflösung
einer Tintentropfenplatzierung auf dem Medium getrieben. Eine der
gewöhnlichen
Weisen eines Messens der Auflösung
ist die Messung der maximalen Anzahl von Tintenpunkten, die in einer
ausgewählten
Abmessung des bedruckten Mediums aufgebracht werden, gewöhnlich als
Bildpunkte pro Zoll (DPI = dots per inch) ausgedrückt. Die
Erzeugung von DPI erfordert kleinere Tropfen. Kleinere Tintentropfen
bedeuten ein gesenktes Tropfengewicht und ein gesenktes Tropfenvolumen
für jeden
Tropfen. Eine Erzeugung von Tintentropfen mit niedrigem Tropfengewicht
erfordert kleinere Strukturen in dem Druckkopf. Also stehen Entwickler
von Tintenstrahldruckköpfen
dem Problem von Mehrtropfengeneratoren (mit den zugeordneten Heizwiderständen derselben)
gegenüber,
die über einer
kleineren Fläche
eines Druckkopfs angeordnet sind, der mit einer erhöhten Frequenz
betrieben wird. Um die größere Anzahl
von kleineren Tropfengeneratoren mit Energie zu versorgen ist eine
erhöhte
Anzahl von elektrischen Leitern auf einer kleineren Fläche auf
einer nutzbaren Druckkopfsubstratfläche erforderlich.
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Diese
vorerwähnten
Multiplextechniken haben geholfen, die Gesamtanzahl von Leitern
zu reduzieren, die notwendig sind, um die Heizwiderstände mit
Energie zu versorgen. Es wird jedoch mehr Verbesserung benötigt, um
die hohen Tropfengeneratordichten zu erreichen, die für moderne
Druckoperationen erforderlich sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
Druckkopf für
einen Tintenstrahldrucker umfasst ein Substrat, auf dem eine Mehrzahl
von Heizwiderständen
angeordnet ist. Die Heizwiderstände
sind elektrisch in eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe angeordnet.
Ein erster elektrischer Leiter ist auf dem Substrat angeordnet,
mit jedem Heizwiderstand in der ersten Gruppe gekoppelt und in einem
ersten Anschluss abgeschlossen, der auf dem Substrat angeordnet
ist. Dies ermöglicht,
dass ein elektrischer Strom jedem Heizwiderstand in der ersten Gruppe
bereitgestellt wird. Ein zweiter elektrischer Leiter ist auf dem
Substrat angeordnet, mit jedem Heizwiderstand in der zweiten Gruppe
gekoppelt und in einem zweiten Anschluss abgeschlossen, der auf
dem Substrat angeordnet ist. Dies ermöglicht, dass ein elektrischer
Strom jedem Heizwiderstand in der zweiten Gruppe bereitgestellt
wird. Ein dritter elektrischer Leiter ist auf dem Substrat angeordnet, mit
jedem Heizwiderstand in sowohl der ersten Gruppe als auch der zweiten
Gruppe gekoppelt und in einem dritten und einem vierten Anschluss
abgeschlossen, die voneinander beabstandet auf dem Substrat angeordnet
sind, um einen elektrischen Strom zurückzuführen und eine elektrische Schaltung
zu vervollständigen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1A ist
eine isometrische Zeichnung einer exemplarischen Druckvorrichtung,
die die vorliegende Erfindung einsetzen kann.
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1B ist
eine isometrische Zeichnung einer Druckkassettenwagenvorrichtung,
die bei der Druckvorrichtung von 1A eingesetzt
werden kann.
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2 ist
eine schematische Darstellung der Funktionselemente des Druckers
von 1A.
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3 ist
ein vergrößerter isometrischer Querschnitt
eines Tropfengenerators, der bei dem Druckkassettendruckkopf des
Druckers von 1A eingesetzt werden kann.
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4 ist
eine Querschnittsaufrissansicht des Tropfengenerators des Druckkopfs
von 3 und stellt die Materialschichten dar, die einen
Tropfengenerator bilden, der bei der vorliegenden Erfindung nützlich ist.
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5 ist
ein elektrisches Schema eines Druckkopfgrundelements, das bei der
vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann.
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6 ist
eine schematische Draufsichtdarstellung einer Acht-Grundelement-Anordnung,
die auf einem Teil eines Druckkopfsubstrats angeordnet ist.
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7 ist
eine Draufsicht eines Druckkopfsubstrats, die ein exemplarisches
Layout von Heizwiderständen darstellt,
die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können.
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8 ist
eine Draufsicht der äußeren Oberfläche einer
Druckkopföffnungsplatte,
die die vorliegende Erfindung einsetzen kann.
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Detaillierte Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Um
eine reduzierte Anzahl von Leiterbahnen zu realisieren und eine
Zuverlässigkeit
beizubehalten, wird der Heizwiderstandversorgungsstrom, der jedem
Grundelement bereitgestellt wird, über einen gemeinsamen Masserückführungsleiter
zurückgeführt, der
mehrere Verbindungsanschlüsse
auf dem Halbleiterdruckkopfsubstrat verwendet.
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Eine
exemplarische Tintenstrahldruckvorrichtung, ein Drucker 101,
die die vorliegende Erfindung einsetzen kann, ist in Umrissform
in der isometrischen Zeichnung von 1A gezeigt.
Druckgeräte,
wie beispielsweise Graphikplotter, Kopierer und Faksimilemaschinen
können
die vorliegende Erfindung ebenfalls vorteilhaft einsetzen. Ein Druckergehäuse 103 enthält eine
Druckauflageplatte, zu der ein eingegebenes Druckmedium 105,
wie beispielsweise Papier, durch Mechanismen transportiert wird,
die auf dem Gebiet bekannt sind. Ein Wagen innerhalb des Druckers 101 hält eine
oder einen Satz von einzelnen Druckkassetten, die zum Ausstoßen von
Tintentropfen schwarzer oder farbiger Tinte in der Lage sind. Alternative
Ausführungsbeispiele
können
einen semipermanenten Druckkopfmechanismus umfassen, der sporadisch
aus einem oder mehreren fluidisch gekoppelten außeraxialen Tintenreservoirs nachgefüllt wird,
oder eine einzige Druckkassette, die zwei oder mehr verfügbare Tintenfarben
innerhalb der Druckkassetten und Tintenausstoßdüsen aufweist, die für jede Farbe
bezeichnet sind, oder eine Einfarbendruckkassette oder einen Einfarbendruckmechanismus;
die vorliegende Erfindung ist auf einen Druckkopf anwendbar, der
durch zumindest diese Alternativen verwendet wird. Ein Wagen 109,
der bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann und zwei
Druckkassetten 110 und 111 befestigt, ist in 1B dargestellt.
Der Wagen 109 ist typischerweise durch einen Gleitstab
oder einen ähnlichen
Mechanismus innerhalb des Druckers getragen und wird physisch entlang
dem Gleitstab getrieben, um zu ermöglichen, dass der Wagen 109 über das Druckmedium 105 translatorisch
hin und her bewegt oder geführt
wird. Die Bewegungsachse, X, ist in 1B durch
einen Pfeil angegeben. Wenn sich der Wagen 109 hin und
her bewegt, werden Tintentropfen selektiv aus den Druckköpfen des
Satzes von Druckkassetten 110 und 111 in vorbestimmten Druckbandmustern
auf das Medium 105 ausgestoßen, wobei Bilder oder alphanumerische
Schriftzeichen unter Verwendung einer Punktmatrixmanipulation gebildet
werden. Herkömmlicherweise
ist die Punktmatrixmanipulation durch einen Computer eines Benutzers
(nicht gezeigt) bestimmt und Anweisungen werden zu einer mikroprozessorbasierten elektronischen
Steuerung innerhalb des Druckers 110 übertragen. Andere Techniken
einer Punktmatrixmanipulation werden durch das Rasterisieren der Daten
durch den Computer, ein anschließendes Senden der rasterisierten
Daten sowie von Druckanweisungen zu dem Drucker erzielt. Der Drucker
interpretiert die Befehle und rasterisierten Informationen, um zu
bestimmen, welche Tropfengeneratoren abgefeuert werden sollen. Die
Tintentropfenbahnachse, Z, ist durch einen Pfeil angegeben. Wenn
ein Druckband abgeschlossen wurde, wird das Medium 105 einen geeigneten
Abstand entlang der Druckmedienachse, Y, die durch einen Pfeil angegeben
ist, in der Vorbereitung auf das Drucken des nächsten Bands bewegt. Diese
Erfindung ist auch auf eine Tintenstrahldruckvorrichtung anwendbar,
die eine alternative Einrichtung eines Übertragens einer relativen
Bewegung zwischen einem Druckkopf und Medien einsetzt, wie beispielsweise
dieselben, die feste Druckköpfe
(wie beispielsweise seitenbreite Arrays) und die Medien in eine
oder mehr Richtungen bewegen, und dieselben, die feste Medien aufweisen
und den Druckkopf in eine oder mehr Richtungen bewegen (wie beispielsweise
Flachbettplotter). Zusätzlich
ist diese Erfindung auf eine Vielfalt von Drucksystemen anwendbar,
einschließlich
großformatiger
Geräte,
Kopierer, Faxmaschinen, Fotodrucker und dergleichen.
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Der
Tintenstrahlwagen 109 und die Druckkassetten 110, 111 sind
aus der -Z-Richtung innerhalb des Druckers 101 in 1B gezeigt.
Die Druckköpfe 113, 115 jeder
Kassette können
beobachtet werden, wenn der Wagen und die Druckkassetten aus dieser
Richtung betrachtet werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird Tinte in dem Körperabschnitt
jedes Druckkopfs 110, 115 gespeichert und durch
interne Durchgänge
zu dem jeweiligen Druckkopf geführt
bzw. geleitet. Bei einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, das für ein Mehrfarbendrucken angepasst
ist, sind drei Gruppierungen von Öffnungen, eine für jede Farbe
(Zyan, Magenta und Gelb) auf der Foraminöffnungsplattenoberfläche des
Druckkopfs 115 angeordnet. Tinte wird selektiv für jede Farbe
unter einer Steuerung von Befehlen von dem Drucker ausgestoßen, die
durch elektrische Verbindungen und zugeordnete leitfähige Bahnen
(nicht gezeigt) auf einem flexiblen Polymerband 117 zu
dem Druckkopf 115 kommuniziert werden. Bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
ist das Band 117 typischerweise um eine Kante der Druckkassette
gebogen, wie es gezeigt ist, und gesichert. Auf eine ähnliche
Weise ist eine Einfarbentinte, Schwarz, in dem Tintenbeinhaltungsabschnitt der
Kassette 110 gespeichert und wird zu einer einzigen Gruppierung
von Öffnungen
in dem Druckkopf 113 geführt. Steuersignale werden von
dem Drucker auf leitfähigen
Bahnen, die auf einem Polymerband 119 angeordnet sind,
zu dem Druckkopf gekoppelt.
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Wie
es aus 2 ersichtlich ist, wird ein einziges Medienblatt
von einer Eingabeablage in einen Druckerdruckbereich unter den Druckköpfen durch einen
Medienvorschubmechanismus vorgeschoben, der eine Rolle 207,
einen Auflageplattenmotor 209 und Traktionsgeräte (nicht
gezeigt) um fasst. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Tintenstrahldruckkassetten 110, 111 durch
einen Wagenmotor 211 inkremental über das Medium 105 auf der
Auflageplatte in die ± X-Richtung
senkrecht zu der Y-Richtung eines Eintritts des Mediums gezogen. Der
Auflageplattenmotor 209 und der Wagenmotor 211 sind
typischerweise unter der Steuerung einer Medien- und Kassettenpositionssteuerung 213.
Ein Beispiel einer derartigen Positionierungs- und Steuervorrichtung
ist in dem US-Patent Nr. 5,070,410 „Apparatus and Method Using
a Combined Read/Write Head for Processing and Storing Read Signals
and for Providing Firing Signals to Thermally Actuated Ink Ejection
Elements" beschrieben
zu finden. Somit ist das Medium 105 bei einer Position
positioniert, so dass die Druckkassetten 110 und 111 Tintentropfen ausstoßen können, um
Punkte auf dem Medium zu platzieren, wie es durch die Daten erfordert
wird, die zu einer Tropfenabfeuerungssteuerung 115 und
einer Leistungsversorgung 217 des Druckers eingegeben werden.
Diese Tintenpunkte sind aus den Tintentropfen gebildet, die aus
ausgewählten Öffnungen
in dem Druckkopf in einem Band parallel zu der Bewegungsrichtung
ausgestoßen
werden, wenn die Druckkassetten 110 und 111 durch
den Wagenmotor 211 über das
Medium verschoben werden. Wenn die Druckkassetten 110 und 111 das
Ende der Bewegung derselben bei einem Ende eines Druckbands auf
dem Medium 105 erreichen, wird das Medium herkömmlicherweise
durch die Positionssteuerung 213 und den Auflageplattenmotor 209 inkremental
vorgeschoben. Wenn die Druckkassetten einmal das Ende der Querbewegung
derselben in die X-Richtung an dem Gleitstab erreicht haben, werden
dieselben entweder entlang dem Trägermechanismus zurückgeführt, während dieselben
weiter drucken, oder ohne ein Drucken zurückgeführt. Das Medium kann um eine
inkrementale Größe vorgeschoben
werden, die äquivalent zu
der Breite des Tintenausstoßabschnitts
des Druckkopfs oder einem gewissen Bruchteil desselben ist, der
auf die Beabstandung zwischen den Düsen bezogen ist. Eine Steuerung
des Mediums, eine Positionierung der Druckkassette und eine Auswahl der
korrekten Tintenauswurfvorrichthungern für eine Erzeugung eines Tintenbilds
oder eines Schriftzeichens ist durch die Positionssteuerung 213 bestimmt.
Die Steuerung kann in einer herkömmlichen elektronischen
Hardwarekonfiguration implementiert sein und mit Betriebsanweisungen
aus einem herkömmlichen
Speicher 216 versehen sein. Wenn ein Drucken des Mediums
vollständig
ist, wird das Medium für
eine Entfernung durch einen Benutzer in eine Ausgabeablage des Druckers
ausgestoßen.
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Ein
einziges Beispiel eines Tintentropfengenerators, der innerhalb eines
Druckkopfs zu finden ist, ist in dem vergrößerten isometrischen Querschnitt
von 3 dargestellt. Wie es gezeigt ist, weist der Tropfengenerator
eine Düse,
eine Abfeuerungskammer und eine Tintenauswurfvorrichtung auf. Alternative
Ausführungsbeispiele
eines Tropfengenerators setzen mehr als eine koordinierte Düse, eine Abfeuerungskammer
und/oder Tintenauswurfvorrichtungen ein. Der Tropfengenerator ist
fluidisch mit einer Tintenquelle gekoppelt. Der Tropfengenerator, der
in 3 gezeigt ist, umfasst einen Heizwiderstand 309.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist der Heizwiderstand 309 einen Widerstandswert von
zumindest 70 Ohm auf, um parasitäre Leistungsverluste
durch Anschlussleitungen zu reduzieren, die eine Leistung zu dem
Widerstand liefern. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Heizwiderstand
einen Widerstandswert von in etwa 140 Ohm auf, gemessen von Zwischenanschlussflächen an
der Druckkassette 110 oder 111, die den Heizwiderstand 309 verwendet.
Dieser unkonventionell hohe Widerstandswert, im Gegensatz zu den
30 bis 40 Ohm, die bei den meisten herkömmlichen Druckkassetten verwendet
werden, kann durch ein Reduzieren einer Dicke oder ein Erhöhen eines
spezifischen Widerstands einer Dünnfilmschicht
erzielt werden, die zum Fertigen des Widerstands 309 verwendet
wird. Alternativ kann ein segmentierter Entwurf verwendet werden,
wie es in 3 und 5 gezeigt
und unten erörtert
ist.
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In 3 ist
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer Tintenabfeuerungskammer 301 in Entsprechung mit einer
Düse 303 und
einem segmentierten Heizwiderstand 309 gezeigt. Vier unabhängige Düsen sind
typischerweise in einem vorbestimmten Muster an der Öffnungsplatte 305 angeordnet,
so dass die Tintentropfen in einem gesteuerten Muster ausgestoßen werden.
Im Allgemeinen wird das Medium bei einer Position beibehalten, die
parallel zu der Ebene der äußeren Oberfläche der Öffnungsplatte ist.
Die Heizwiderstände
werden für
eine Aktivierung in einem Prozess ausgewählt, der die Daten betrifft, die
von einem externen Computer oder einer anderen Datenquelle, die
mit dem Drucker gekoppelt ist, eingegeben werden, in Zuordnung mit
der Tropfenabfeuerungssteuerung 215 und der Leistungsversorgung 217.
Tinte wird über
eine Öffnung 307 zu
der Abfeuerungskammer 301 geliefert, um Tinte nachzufüllen, die
aus der Öffnung 303 nach
der Erzeugung einer Tintendampfblase durch Wärmeenergie ausgestoßen wurde,
die von dem segmentierten Heizwiderstand 309 freigegeben
wird. Die Tintenabfeuerungskammer 301 ist durch Wände begrenzt,
die durch die Öffnungsplatte 305,
ein Halbleiterschichtsubstrat 313 und eine Barriereschicht 315 erzeugt werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel fließt flüssige Tinte,
die in einem Reservoir des Kassettengehäuses gespeichert ist, durch
eine Kapillarkraft, um die Abfeuerungskammer 301 zu füllen.
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In 4 ist
ein Querschnitt der Abfeuerungskammer 301 und der zugeordneten
Strukturen gezeigt. Das Substrat 313 weist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
eine Halbleiterbasis 401 aus Silizium auf, die unter Verwendung
entweder einer thermischen Oxidations- oder einer Dampfaufbringungstechnik
behandelt ist, um eine dünne
Schicht 403 aus Siliziumdioxid und eine dünne Schicht 405 aus
Phosphorsilikatglas (PSG) auf derselben zu bilden. Das Siliziumdioxid
und das PSG bilden eine elektrisch isolierende Schicht mit näherungsweise
17000 Å Dicke,
auf der eine nachfolgende Schicht 407 aus Tantalaluminium-
(TaA1-) Widerstandsmaterial aufgebracht ist. Die Tantalaluminiumschicht
ist zu einer Dicke von näherungsweise
900 Å aufgebracht,
um einen spezifischen Widerstand von näherungsweise 30 Ω pro Quadrat
zu ergeben. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Widerstandsschicht
unter Verwendung einer Magnetronsputtertechnik herkömmlich aufgebracht
und dann maskiert und geätzt, um
diskontinuierliche und elektrisch unabhängige Bereiche eines Widerstandsmaterials
zu erzeugen, wie beispielsweise Bereiche 409 und 411.
Als nächstes
wird eine Schicht 413 aus einem Aluminium-Silizium-Kupfer-Legierung-Leiter (Al-Si-Cu-Legierung-Leiter)
auf herkömmliche
Weise zu einer Dicke von näherungsweise
5000 Å auf
den Tantalaluminiumschichtbereichen 409, 411 Magnetron-Sputter-aufgebracht
und geätzt,
um diskontinuierliche und unabhängige
elektrische Leiter (wie beispielsweise Leiter 415 und 417)
und Verbindungsbereiche bereitzustellen. Um einen Schutz für die Heizwiderstände und
die Verbindungsleiter bereitzustellen, wird eine zusammengesetzte
Materialschicht über
der oberen Oberfläche
der Leiterschicht und der Widerstandsschicht aufgebracht. Eine Doppelschicht
aus Passivierungsmaterialien umfasst eine erste Schicht 419 aus
Siliziumnitrid (Si3N4)
zwischen 2350 Å und
2800 Å Dicke,
die durch eine zweite Schicht 421 aus inertem Siliziumkarbid
(SiC) zwischen 1000 Å und
1550 Å Dicke
bedeckt wird. Diese Passivierungsschicht (419, 421)
stellt sowohl eine gute Haftung an den zu Grunde liegenden Materialien
als auch einen guten Schutz gegen eine Tintenkorrosion bereit. Dieselbe stellt
ferner eine elektrische Isolation bereit. Ein Bereich über dem
Heizwiderstand 309 und der zugeordneten elektrischen Verbindung
desselben wird nachfolgend maskiert und eine Kavitationsschicht 423 aus Tantal
zwischen 2500 Å und
3500 Å Dicke
wird auf herkömmliche
Weise Sputteraufgebracht. Eine Goldschicht 425 kann selektiv
zu der Kavitationsschicht in Bereichen hinzugefügt werden, bei denen eine elektrische
Verbindung mit dem flexiblen leitfähigen Band 119 (oder 117) erwünscht ist.
Ein Beispiel einer Halbleiterverarbeitung für thermische Tintenstrahlanwendungen
ist in dem US-Patent Nr. 4,862,197 „Process for Manufacturing
Thermal Inkjet Printhead and Integrated Circuit (IC) Structures
Produced Thereby" zu finden.
Ein alternativer Thermischer-Tintenstrahl-Halbleiterprozess ist
in dem US-Patent
Nr. 5,883,650, „Thin-Film
Printhead Device for an Ink-Jet Printer" zu finden.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
die Seiten der Abfeuerungskammer 301 und des Tintenzufuhrkanals
durch eine Polymerbarriereschicht 315 definiert. Diese
Barriereschicht ist vorzugsweise aus einem organischen Polymerkunststoff hergestellt,
der im Wesentlichen inert für
die Korrosionswirkung von Tinte ist und unter Verwendung von herkömmlichen
Techniken auf das Substrat 313 und die verschiedenen Schichten
desselben aufgebracht wird. Um eine Struktur zu realisieren, die
für Druckkopfanwendungen
nützlich
ist, wird die Barriereschicht nachfolgend photolithographisch in
erwünschte
Formen definiert und dann geätzt.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen
weist die Barriereschicht 315 eine Dicke von etwa 15 μm auf, nachdem der
Druckkopf mit der Öffnungsplatte 315 zusammengefügt ist.
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Die Öffnungsplatte 305 ist
durch die Barriereschicht 315 an dem Substrat 313 gesichert.
Bei einigen Druckkassetten ist die Öffnungsplatte 305 aus Nickel
mit einer Goldplattierung aufgebaut, um den Korrosionswirkungen
der Tinte zu widerstehen. Bei anderen Druckkassetten ist die Öffnungsplatte
aus einem Polyamidmaterial gebildet, das als eine gemeinsame elektrische
Verbindungsstruktur verwendet werden kann. Bei einem alternativen
Ausführungsbeispiel
sind die Öffnungsplatte
und die Barriereschicht integriert auf dem Substrat gebildet.
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Gewöhnlich werden
die vielen Heizwiderstände,
die auf dem Druckkopfsubstrat angeordnet sind, elektrisch in Gruppen
angeordnet, die allgemein Grundelemente genannt werden. Diesen Grundelementen
wird einzeln ein elektrischer Strom sequentiell von der elektrischen
Leistungsversorgung zugeführt,
die in dem Drucker positioniert ist. Um die elektrische Schaltung
zu vervollständigen,
führt ein
Masse- oder gemeinsamer Rückführungsleiter
den elektrischen Strom zu der Leistungsversorgung zurück. Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist jeder Heizwiderstand innerhalb eines Grundelements eine eigene
zugeordnete Schaltschaltung desselben auf, wie beispielsweise einen
Feldeffekttransistor. Jede Schaltschaltung ist mit einer Adressanschlussfläche verbunden,
die Signale von dem Drucker zum Aktivieren der Schaltschaltung in
einen leitfähigen Zustand
empfängt,
um zu ermöglichen,
dass der Heizwiderstand, der der Schaltschaltung zugeordnet ist,
abgefeuert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist
jede Adressanschlussfläche
mit der Schaltschaltung eines Widerstands in jedem Grundelement
verbunden. Wenn der Druckkopf betrieben wird, durchläuft der
Drucker zyklisch die Adressen, derart, dass lediglich ein Heizwiderstand
zu einer Zeit für
ein spezielles Grundelement mit Energie versorgt wird. Es können jedoch
mehrere Grundelemente simultan abgefeuert werden. Für maximale
Druckdichten können alle
Grundelemente simultan angefeuert werden (wobei aber für jedes
Grundelement ein einziger Abfeuerungswiderstand zu einer Zeit mit
Energie versorgt wird). Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel
ist jede Adressleitung mit allen Grundelementen an dem Druckkopf
verbunden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist jede Adressleitung
lediglich mit einigen der Grundelemente verbunden. Bei einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
ist jedes Grundelement mit einer getrennten Grundelementauswahlleitung
verbunden, die Leistung für
jedes Grundelement liefert. Jede Grundelementauswahlleitung weist
eine eigene getrennte Anschlussfläche derselben auf dem Substrat
für eine
selektive Energieversorgung auf. Somit entspricht die Anzahl von
Grundelementauswahlleitungen der Anzahl von Grundelementen. Wenn
ein spezieller Heizwiderstand mit Energie versorgt wird, wird die
Adresse, die diesem Widerstand zugeordnet ist, aktiviert, um die
Schaltschaltung, die diesem speziellen Widerstand zugeordnet ist,
in einen leitenden Zustand zu versetzen, der einen Niedrigwiderstandsweg
für einen
Strom bereitstellt, der durch die Schaltschaltung und durch den
Heizwiderstand fließen
würde.
Während
der Schal ter leitet, wird dann ein Abfeuerungspuls mit hohem Strom
an die Grundelementauswahlleitung angelegt, um den speziellen Heizwiderstand
mit Energie zu versorgen. Nach einem Abfeuern wird die Adressleitung
deaktiviert, um die Schaltschaltung in einen nichtleitenden Zustand
zu versetzen.
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Bei
vorhergehenden Druckkopfentwürfen war
eine getrennte Masseanschlussleitung für jedes Grundelement vorgesehen.
Ein Aspekt dieser Erfindung besteht darin, dass eine einzige Masseanschlussleitung
mit mehreren Grundelementen verbunden ist, um die Anzahl von erforderlichen
Verbindungen mit dem Substrat zu reduzieren. Bei einem Ausführungsbeispiel
sind zumindest vier Grundelemente mit der gleichen Masseanschlussleitung
verbunden. Jede Masseanschlussleitung weist zumindest eine Masseanschlussfläche auf.
Wenn ein spezieller Heizwiderstand abgefeuert wird, bewegt sich ein
Strom von der Grundelementauswahlanschlussfläche durch die Schaltschaltung
und den Widerstand und zurück
zu der Masseanschlussfläche.
Falls jedoch viele oder alle der Grundelemente simultan betrieben
werden, kann die parasitäre
Leistungsdissipation in einer einzigen Masseanschlussleitung groß sein.
Um diese Wirkung zu reduzieren, ist der Heizwiderstandswert von
einem herkömmlichen
Wert von etwa 30 bis 40 Ω auf
etwa 140 Ω erhöht, gemessen zwischen
der Grundelementauswahl- und der Masseanschlussfläche.
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Um
eine parasitäre
Leistungsdissipation weiter zu reduzieren, sind mehrere Masseanschlussflächen gemeinsam
mit der einzigen Masseanschlussleitung verbunden, um den Widerstandswert
zwischen Massen und Grundelementen zu reduzieren. Diese Anschlussleitungen
sind vorzugsweise auf dem Substrat beabstandet, um den Widerstandswert von
Widerständen,
die in der Mitte des Chips positioniert sind, gegenüber Widerständen mehr
zu der Kante des Chips hin ausgleichen zu helfen, wo die Masseanschlussflächen typischerweise
positioniert sind.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht
ein Grundelement aus 18 Tintenausstoßheizwiderständen. Ein
elektrisches Schema eines Grundelements 501 ist in 5 gezeigt.
18 Heizwiderstände,
R, sind jeweils mit einem Leiter 503 verbunden, der ein
leitfähiger
Metallfilm ist, der auf dem Substrat aufgebracht ist, wie es vorhergehend
für 4 gezeigt
ist. Der Leiter 503 ist physisch weg von den Heizwiderständen geführt und
in einem Verbindungsanschluss, PSn, abgeschlossen,
der herkömmlicherweise
mit dem flexiblen Band 117 zum Koppeln mit der Leistungsversorgung 217 des
Druckers verbunden ist. Die Heizwiderstände, R, sind einzeln mit dem Drain-Anschluss
eines MOS-Transistorschalters (zum Beispiel eines Transistors 507)
gekoppelt, wie es in 5 gezeigt ist. Die Sources der
Transistorschalter des Grundelements 501 sind mit dem Masserückführungsleiter 509 verbunden.
Um einen Heizwiderstand zu aktivieren (mit Energie zu versorgen), muss
der zugeordnete Transistorschalter in einen leitenden Modus versetzt
werden. Dies wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch ein Anlegen eines
Aktivierungssignals an die Signalleitung des Adressbus erzielt,
der dem Heizwiderstand zugeordnet ist, der mit Energie versorgt
werden soll. Das Aktivierungssignal spannt den Gate-Anschluss des Transistorschalters
vor, um den Transistor in einen leitenden (Ein-) Zustand zu versetzen.
Jede Signalleitung des Adressbus wird sequentiell für eine Zeitdauer
aktiviert (zum Beispiel näherungsweise
1,4 μ sec
bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel),
um zu ermöglichen,
dass sich eine Tintendampfblase bildet und einen Tintentropfen von
der Düse
ausstößt, die
dem mit Energie versorgten Heizwiderstand zugeordnet ist. Falls
natürlich
das Schriftzeichen oder das Bild, das gedruckt wird, keinen Tintenpunkt
bei der vorliegenden Position des Mediums und der Druckkassette
erfordert, wird das Aktivierungssignal zu dem Heizwiderstand durch
die Druckertropfenabfeuerungssteuerung 215 unterdrückt.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
acht Grundelemente an jeder Seite einer länglichen Öffnung, oder ei nes Schlitzes, 601 in
dem Druckkopfsubstrat angeordnet. Diese Anordnung kann aus der schematischen
Draufsichtdarstellung der oberen Oberfläche des Druckkopfsubstrats,
die in 6 gezeigt ist, ersehen werden. Die Öffnungsplatte
und die Barriereschicht sind nicht gezeigt, was andernfalls die
Oberfläche
des Substrats undeutlich machen würde. Die längliche Öffnung 601 erstreckt sich
von der oberen Oberfläche
des Substrats, auf der die Heizwiderstände aufgebracht sind, zu der
unteren Oberfläche
des Substrats, die typischerweise an dem Körper der Druckkassette befestigt
ist und die mit dem Tintenvorrat gekoppelt ist, der für die Druckkassette
verfügbar
ist. Tinte tritt in den Druckkopf über die längliche Öffnung ein und wird zu jeder Abfeuerungskammer
verteilt.
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Vier
Grundelemente sind bei einer linearen Kante 603 der länglichen Öffnung 601 angeordnet, zum
Beispiel Grundelemente mit den Nummern 1, 3, 5 und 7,
und weisen eine elektrische Schaltung 501 wie dieselbe
auf, die in 5 gezeigt ist. Vier andere Grundelemente
mit den Nummern 2, 4, 6 und 8 sind bei
der anderen linearen Kante 605 der länglichen Öffnung 601 angeordnet.
Für eine
Klarheit sind einzelne Heizwiderstände (zum Beispiel Heizwiderstand 701,
ein Mitglied des Grundelements Nummer 1) um die längliche Öffnung 601 in
der Ansicht von 7 des Druckkopfsubstrats angeordnet
dargestellt. Heizwiderstandsmitglieder des Grundelements Nummer 2 und
einige der Heizwiderstände
der Grundelemente 3 und 4 sind ebenfalls gezeigt.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 6 ist zu sehen, dass der Adressbus 607 mit
18 Signalleitungen elektrisch parallel mit jedem Grundelement gekoppelt
ist, so dass jedes Grundelement simultan mit den sequenzierten Aktivierungssignalen
aktiviert wird, die durch die Druckertropfenabfeuerungssteuerung 215 an
den Adressbus angelegt werden. Die physische Anordnung der Adressbusleiter
an dem Substrat ist auf eine verallgemeinerte Weise gezeigt; die
tatsächliche
physische Ausrichtung der Leiter kann variiert werden, wie es die
Layoutanforderungen des Druckkopfs fordern. Die Elektrischer-Strom-Grundelement-Versorgungsleiter
(zum Beispiel ein Leiter 609, der mit dem Grundelement Nummer 1, 501,
und einem Eingangsanschluss PS1 gekoppelt ist) sind unabhängig mit
jedem Grundelement gekoppelt, um eine elektrische Leistung mit hohem
Strom von der Druckerleistungsversorgung 217 (die über das
flexible Band 117 gekoppelt ist) zu jedem der Grundelemente
zu koppeln. Abhängig
von der Druckkassettenposition relativ zu dem Medium, auf dem Tintenpunkte
aufgebracht werden sollen, dem Schriftzeichen oder Bild, das gedruckt
werden soll, dem speziellen Farbton und der Farbintensität, die erforderlich
sind, und der Ausrichtung des speziellen Tropfengenerators (der
eine spezielle Positionsbeziehung mit anderen Tropfengeneratoren
aufweisen wird) können
kein Grundelement bis alle Grundelemente die elektrische Leistung
mit hohem Strom aufweisen, die von der Leistungsversorgung zugeführt wird.
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Es
ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass der Masserückführungsleiter
mit allen acht Grundelementen gekoppelt ist und zwei breit beabstandete
Ausgangsanschlüsse
verwendet, um die elektrische Schaltung zu der Leistungsversorgung
zu vervollständigen.
Dieser Masserückführungsleiter 611 ist
mit jedem der Grundelemente gekoppelt, die als Vier bei einer Kante
der länglichen Öffnung 601 und
Vier bei der anderen angeordnet sind. Zwei Anschlüsse, G1
und G2, sind bei gegenüberliegenden Enden
der länglichen Öffnung positioniert,
wobei die Enden durch die schmalen Endkanten 613 und 615 definiert
sind, die die langen parallelen Kanten 603 und 605 verbinden.
Somit ist die Oberflächenumfangskante
der länglichen Öffnung durch
die zwei langen parallelen Kanten 603 und 605 und
die Endkanten 613 und 615 definiert. Mehrere Vorteile
werden durch ein Beabstanden der zwei Rückführungsleiteranschlüsse voneinander
und bei gegenüberliegenden
Enden der länglichen Öffnung gewonnen. Ein
Reduzieren der Anzahl von Masserückführungsleitern
von einem pro Grundelement auf ein elektrisch gemeinschaftlich verwendetes
Paar für
alle Grundelemente ermöglicht
ei ne innere Beabstandung von Tropfenauswurfvorrichtungen- und mehr DPI. Ein
gemeinschaftliches Verwenden der zwei Anschlüsse stellt eine Redundanz für die Masserückführung für alle Grundelemente
bereit. Vorhergehend deaktivierte der Verlust eines Masserückführungsanschlusses für ein Grundelement
das ganze Grundelement und machte eine Druckkassette praktisch wertlos;
18 nicht funktionsfähige
Tropfenauswurfvorrichtungen ergeben eine sehr schlechte Qualität von gedruckten Schriftzeichen
oder Bildern. Ein Verlust eines der gemeinschaftlich verwendeten
Masserückführungsanschlüsse in einem
Druckkopf, der die vorliegende Erfindung einsetzt, deaktiviert kein
ganzes Grundelement.
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Ein
besseres Ausgleichen von parasitären Widerstandswerten
zwischen Grundelementen ist ebenfalls erreicht, wenn zwei Masserückführungsanschlüsse gemeinschaftlich
verwendet werden. Der parasitäre
Widerstandswert in Abschnitten des Masserückführungsleiters 611 ist
schematisch durch rP dargestellt und ist
physisch als der finite Widerstandswert in einem leitfähigen Material
manifestiert, das kein perfekter Leiter ist. Ein gemeinschaftlich
verwendeter Masserückführungsleiter
kann in Abschnitten idealisiert sein, wie es in 6 gezeigt
ist. Man betrachte den parasitären
Masserückführungsleiterwiderstandswert,
der durch die Grundelemente 1, 2, 7 und 8 erfahren
wird: RP1 = (4rP 2) / (5rP) – (4/5)
rP Dann betrachte man den parasitären Masserückführungsleiterwiderstandswert,
der durch die Grundelemente 3, 4, 5 und 6 erfahren
wird: RP2 = (6rP 2) / (5rP) – (6/5)
rP Wenn bei vorherigen Implementierungen
keine anderen Maßnahmen
unternommen wurden, konnten die Schwankungen eines parasitären Widerstandswerts bei
unabhängigen
Masserückführungsleitern
Widerstandswertschwankungen von bis zu 4:1 bei einem Acht-Grundelement-Entwurf
erfahren. Diese Schwankung steht im Gegensatz zu der harmloseren 2:3-Schwankung,
die bei einem Einsetzen der vorliegenden Erfindung zu finden ist.
Es ist natürlich
zu erkennen, dass der tatsächliche
parasitäre
Widerstandswert von einem Substratlayout und anderen Faktoren abhängig ist.
Außerdem
ist es innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung,
dass mehr als zwei Masserückführungsanschlüsse durch alle
Grundelemente gemeinschaftlich verwendet werden können. Ferner
ist es wahrscheinlich, dass mehr als acht Grundelemente für größere Druckkopfanwendungen
verwendet werden.
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Bei
einer Dreifarbendruckkassette (z.B. Cyan, Gelb und Magenta) werden
drei längliche Öffnungen
verwendet, um jede der drei Farben zuzuführen. Drei unabhängige Sätze von
acht Grundelementen, jeweils eines für jede Farbe, sind an dem Druckkopf angeordnet.
Jedes Grundelement verwendet bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
den oben beschriebenen Entwurf eines Grundelements und einer länglichen Öffnung.
Eine bevorzugte Anordnung ist in der Draufsicht einer Öffnungsplatte
von 8 dargestellt. Die Öffnungsplattenaußenoberfläche 801 weist einen
Cyan-Düsensatz 803,
einen Gelb-Düsensatz 805 und
einen Magenta-Düsensatz 807 auf.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
zu erwarten, dass bis zu 432 Tropfengeneratoren an einem Druckkopf
in den drei Farbgruppen von jeweils 144 Tropfengeneratoren angeordnet
sind, obwohl mehr oder weniger verwendet werden können. Die
Anordnung ist derart, dass in die Abtastrichtung, X, eine Auflösung von
1200 DPI erreicht ist. Die Abmessungen des Halbleitersubstrats,
an dem die Öffnungsplatte
gesichert ist, sind als eine Breitenabmessung, a, von nominal 7,9
mm (entlang der X-, Bewegungs-, Richtung) und eine Höhenabmessung,
b, von nominal 8,7 mm gezeigt. Ein Einfarbendruckkopf, z.B. Schwarz,
kann die vorliegende Erfindung einsetzen, aber mit unterschiedlichen
Abmessungen, einer unterschiedlichen Anzahl von Grundelementen und
einer unterschiedlichen Anzahl von Tintenauswurfvorrichtungen.
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Somit
ist die Anzahl von Leitern, die bei einem Hochauflösungsdruckkopf
eingesetzt werden, durch ein gemeinschaftliches Verwenden eines
Masserückführungsleiters
mit redundanten Ausgangsanschlüssen
reduziert, ohne eine Zuverlässigkeit
zu opfern.