DE60037348T2

DE60037348T2 - Druckkopf mit zwei tröpfchengrössen

Info

Publication number: DE60037348T2
Application number: DE60037348T
Authority: DE
Inventors: Frank Edward Sadieville Anderson; Robert Wilson Lexington Cornell; John Philip Lexington Bolash; George Keith Winchester Parish
Original assignee: Lexmark International Inc
Current assignee: Lexmark International Inc
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 2000-08-24
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2020-08-25
Also published as: EP1520712A3; EP1520712A2; KR20020067494A; CN1192895C; DE60037348D1; JP4041914B2; EP1214199A4; JP2003508257A; DE60035280T2; EP1214199B1; HK1048969A1; KR100743989B1; WO2001015904A1; EP1214199A1; DE60035280D1; JP2006327208A; EP1520712B1; AU7070000A; US6137502A; CN1376114A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung zielt allgemein auf einen Tintenstrahldruckkopf zum Drucken von Tintentröpfchen von mehreren Größen ab. Spezieller zielt die Erfindung auf einen Tintenstrahldruckkopf mit Heizelementen und Schalttransistoren von mehreren Größen zum Drucken von Tintentröpfchen von mehreren Größen ab.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aufgrund ihres Hochqualitätsausdrucks und ihrer annehmbaren Kosten expandiert zur Zeit der Markt für Tintenstrahldrucker. Während das Bedürfnis des Marktes nach Tintenstrahldruckern wächst, wächst auch seine Erwartung von verbesserter Bildqualität. Ein Ziel einer Tintenstrahldruckerkonstruktion besteht darin, eine Bildqualität zu erzielen, die sich derjenigen von Halbtonbildern, wie z. B. Fotografien, annähert. Ein Lösungsansatz zur Erzielung von Fotoqualitätsbildern besteht darin, die Anzahl von Graustufenniveaus zu erhöhen, die der Tintenstrahldrucker erzeugen kann.
Tintenstrahldrucker erzeugen Bilder auf Papier, indem Tintentröpfchen aus Düsen in einem Druckkopf ausgeschleudert werden. Heizelemente im Druckkopf erwärmen die Tinte, wobei bewirkt wird, dass sich Blasen bilden, die die Tinte aus den Düsen treibt. Indem Bildelemente unter Verwendung von Kombinationen von Tintentröpfchen von mehreren Größen gedruckt werden, kann die Anzahl von Graustufenniveaus, die durch einen Tintenstrahldrucker erzeugt werden, erhöht werden.
Ein Lösungsansatz zur Erzeugung von Tintentröpfchen von mehreren Größen besteht darin, die Tröpfchen aus Düsen von mehreren Größen auszuschleudern. Jedoch ist eine Verwendung von mehreren Düsengrößen ohne eine entsprechende Einstellung in einer Heizerwiderstandsgröße nicht energieeffizient. Mehrgrößentröpfchen können auf eine energieeffizientere Weise erzielt werden, indem die Größe der Heizelemente in Bezug zur Größe der aus den Düsen auszuschleudernden Tintentröpfchen eingestellt wird.
Die EP 0 867 285 und EP 0 785 072 offenbaren beide Druckköpfe mit Heizelementen von unterschiedlicher Größe.
Jedoch kann ein Variieren von Heizelementgrößen in einem Tintenstrahldruckkopf unerwünschte Variationen bei der zur Tinte abgegebenen Energie verursachen. Diese Energievariationen verringern die Gesamtqualität des Druckbilds.
Deshalb wird ein Tintenstrahldruckkopf benötigt, der Tintentröpfchen von mehreren Größen ohne unerwünschte Variationen beim von zur Tinte abgegebenen Energiebetrag drucken kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Den vorhergehenden und anderen Erfordernissen wird durch einen Tintenstrahldruckkopf mit einer Mehrzahl von Düsen entsprochen, durch die Tröpfchen von Tinte in Richtung auf ein Druckmedium ausgeschleudert werden, wobei die Mehrzahl von Düsen erste Düsen mit einem ersten Durchmesser zum Ausschleudern von Tröpfchen von Tinte mit einer ersten Masse und zweite Düsen mit einem zweiten Durchmesser zum Ausschleudern von Tröpfchen von Tinte mit einer zweiten Masse umfasst, wobei der erste Durchmesser größer als der zweite Durchmesser ist und die erste Masse größer als die zweite Masse ist, wobei der Druckkopf umfasst:
eine Düsenplatte, die die Mehrzahl von Düsen enthält;
ein Substrat, das benachbart zur Düsenplatte angeordnet ist;
erste Heizer, die auf dem Substrat benachbart zu den ersten Düsen angeordnet sind, wobei jeder der ersten Heizer einer entsprechenden ersten Düse zugeordnet ist, wobei jeder der ersten Heizer elektrisch widerstandsbehaftetes Material umfasst und einen ersten elektrischen Heizerwiderstand aufweist, wobei jeder der ersten Heizer Wärme erzeugt, während ein erster elektrischer Strom im Wesentlichen in einer ersten Richtung durch das elektrisch widerstandsbehaftete Material fließt;
erste Schaltbauelemente, die auf dem Substrat benachbart zu den ersten Heizern angeordnet sind, wobei jedes der ersten Schaltbauelemente mit einem entsprechenden ersten Heizer elektrisch hintereinandergeschaltet ist, wobei die ersten Schaltbauelemente jeweils einen ersten elektrischen Schaltwiderstand aufweisen;
zweite Heizer, die auf dem Substrat benachbart zu den zweiten Düsen angeordnet sind, wobei jeder der zweiten Heizer einer entsprechenden zweiten Düse zugeordnet ist, wobei jeder der zweiten Heizer elektrisch widerstandsbehaftetes Material umfasst und einen zweiten elektrischen Heizerwiderstand aufweist, wobei jeder der zweiten Heizer Wärme erzeugt, während ein zweiter elektrischer Strom im Wesentlichen in der ersten Richtung durch das elektrisch widerstandsbehaftete Material fließt; und
zweite Schaltbauelemente, die auf dem Substrat benachbart zu den zweiten Heizern angeordnet sind, wobei jedes der zweiten Schaltbauelemente mit einem entsprechenden zweiten Heizer elektrisch hintereinandergeschaltet ist, wobei die zweiten Schaltbauelemente jeweils einen zweiten elektrischen Schaltwiderstand aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, dass der zweite elektrische Schaltwiderstand größer als der erste elektrische Schaltwiderstand ist.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der erste elektrische Heizerwiderstand kleiner als der zweite elektrische Heizerwiderstand, und der erste elektrische Schaltwiderstand ist kleiner als der zweite elektrische Schaltwiderstand.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der Spannungsabfall über jedes erste Schaltbauelement im Wesentlichen gleich dem Spannungsabfall über jedes zweite Schaltbauelement. Dieses Merkmal der Erfindung verringert unerwünschte Düse-zu-Düse-Variationen im von zur Tinte abgegebenen Energiebetrag. Indem die Düse-zu-Düse-Variationen in der Energie, die abgegeben wird, um Tinte aus den Düsen auszustoßen, verringert wird, verbessert die Erfindung signifikant eine Druckqualität.
Die ersten Heizer nehmen jeweils einen ersten Heizerbereich auf dem Substrat ein, der durch eine erste Heizerlänge in der ersten Richtung und eine erste Heizerbreite in einer zweiten Richtung festgelegt ist, die orthogonal zur ersten Richtung ist. Die zweiten Heizer nehmen jeweils einen zweiten Heizerbereich auf dem Substrat ein, der durch eine zweite Heizerlänge in der ersten Richtung und eine zweite Heizerbreite in der zweiten Richtung festgelegt ist. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die zweite Heizerbreite kleiner als die erste Heizerbreite, die zweite Heizerlänge ist größer als die erste Heizerlänge, und der zweite Heizerbereich ist kleiner als der erste Heizerbereich. Da ein Heizerbereich zur thermischen Energie, die durch den Heizer erzeugt wird, um Tinte aus seiner zugeordneten Düse auszustoßen, im Verhältnis steht, sorgt die Erfindung für eine effizientere Übertragung von thermischer Energie zur Tinte, indem der Heizerbereich zum Düsendurchmesser in Beziehung gesetzt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile der Erfindung werden durch Bezug auf die ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen bei Betrachtung in Verbindung mit den Zeichnungen, die nicht maßstabsgerecht sind, ersichtlich, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente überall in den mehreren Zeichnungen bezeichnen.
1 gibt einen Tintenstrahldruckkopf gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wieder;
2 gibt ein Array von Düsen in einer Düsenplatte des Druckkopfs wieder, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
3 gibt eine Anordnung von Heizern und Schaltbauelementen auf einem Substrat des Druckkopfs wieder, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
4 ist eine Querschnittsansicht einer Düsenplatte und einer Substratstruktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
5a ist ein schematisches Schaltbild eines Schaltkrei ses zum selektiven Energiebeaufschlagen von Heizern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
5b ist ein schematisches Schaltbild von Widerständen, die durch den Schaltkreis eingeführt sind, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
6 gibt Strukturen von benachbarten ersten und zweiten MOSFET-Schaltbauelementen auf dem Druckkopfsubstrat wieder, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
7 ist eine grafische Darstellung auf Grundlage einer MOSFET-Bauelementsimulation erster Ordnung, wobei ein Bauelementwiderstand gegen eine Bauelementlänge für zwei Bauelementleitungsbreiten dargestellt ist;
die 8a und 8b sind schematische Schaltbilder von alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
9 gibt eine alternative Ausführungsform eines beispielhaften Teils der Heizerverdrahtungsgeometrie wieder.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist ein Tintenstrahldruckkopf 1 mit einer Düsenplatte 2 mit einem Array von Düsen dargestellt, die in einer linken Säule 6 und einer rechten Säule 8 angeordnet sind. 2 stellt eine vergrößerte Ansicht des Array von Düsen in der Düsenplatte 2 dar. Das Array von Düsen umfasst erste Düsen 10 und zweite Düsen 12, wobei die Positionen der ersten Düsen 10 mit den Positionen der zweiten Düsen 12 in jeder der Säulen 6 und 8 alternieren. Jede erste Düse 10 in der linken Säule 6 befindet sich in horizontaler Ausrichtung mit einer zweiten Düse 12 in der rechten Säule 8, und jede erste Düse 10 in der rechten Säule 8 befindet sich in horizontaler Ausrichtung mit einer zweiten Düse 12 in der linken Säule 6. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der vertikale Zwischenraum zwischen Nachbardüsen in jeder Säule 0,042 mm (1/600 Inch).
Wie in 2 wiedergegeben, weisen die ersten Düsen 10 einen Durchmesser D₁ auf, der größer als der Durchmesser D₂ der zweiten Düsen 12 ist. Nachstehend werden die ersten Düsen 10 und die zweiten Düsen 12 auch als die großen Düsen 10 und die kleinen Düsen 12 bezeichnet. Wie in größerer Einzelheit unten erörtert, sind die Durchmesser D₁ und D₂ auf Grundlage der Masse der aus den Düsen auszuschleudernden Tintentröpfchen bestimmt.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schleudern die großen Düsen 10 Tintentröpfchen aus, die jeweils eine Masse von ungefähr 6 Nanogramm (ng) aufweisen, und die kleinen Düsen 12 schleudern Tintentröpfchen aus, die jeweils eine Masse von ungefähr 2 ng aufweisen. Unter Verwendung von Kombinationen der großen und kleinen Tröpfchen, wie in Tabelle I dargestellt, druckt die Erfindung Bildelemente mit acht unterschiedlichen Punktdichten. Da sich eine große und eine kleine Düse in horizontaler Ausrichtung in jeder vertikalen Position befinden, kann ein großes und ein kleines Tröpfchen an einer einzigen Bildelementstelle während einer einzelnen Überstreichung des Druckkopfs 1 über das Papier gedruckt werden, ohne dass das Papier in Bezug zum Druckkopf 1 vertikal bewegt werden muss. Tabelle I

Zustand	Bei erster Überstreichung ausgeschleuderte Tintenmasse (ng)	Bei zweiter Überstreichung ausgeschleuderte Tintenmasse (ng)	Gesamtmasse (ng)
1	0	0	0
2	2	0	2
3	2	2	4
4	6	0	6
5	6 + 2	0	8
6	6 + 2	2	10
7	6	6	12
8	6 + 2	6	14

Wie in Tabelle I angezeigt, beschreiben drei Bits pro Bildelement die acht Punktdichteniveaus (2³ = 8). Zustand 1 ist ein leeres Bildelement, wo keine Tinte ausgeschleudert wird. Zustand 2, das hellste gedruckte Graustufenniveau wird erzielt, indem ein einziges 2 ng-Tröpfchen an einer Bildelementstelle ausgeschleudert wird. Zustand 3 wird erzielt, indem zwei 2 ng-Tröpfchen an derselben Bildelementstelle gedruckt werden, was zu einem Bildelement führt, das durch 4 ng von Tinte gebildet wird. Für Zustand 3 wird ein erstes Tröpfchen während einer ersten Überstreichung des Druckkopfs 1 über das Papier gedruckt, und ein zweites Tröpfchen wird während einer zweiten Überstreichung gedruckt. Zustand 4 wird erzielt, indem ein einziges 6 ng-Tröpfchen an einer Bildelementstelle gedruckt wird. Ein Zustand 5-Bildelement wird durch 8 ng von Tinte gebildet, das gedruckt wird, indem ein 2 ng-Tröpfchen und ein 6 ng-Tröpfchen während einer einzelnen Überstreichung des Druckkopfs 1 ausgeschleudert werden. Mit fortgesetztem Bezug auf Tabelle I, beschreiben die Zustände 6, 7 und 8 Bildelemente, die durch 10, 12 bzw. 14 ng von Tinte gebildet werden, die während zwei Überstreichungen des Druckers 1 gedruckt werden.
In 3 dargestellt sind Merkmale, die auf einem Halbleitersubstrat 4 des Tintenstrahldruckkopfs 1 ausgebildet sind. Wie in Querschnittsansicht von 4 angezeigt, ist das Substrat 4 unter der Düsenplatte 2 angeordnet. Auf dem Substrat befinden sich erste Heizer 14 und zweite Heizer 16, die aus rechteckigen Flecken von elektrisch widerstandsbehaftetem Material bestehen. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die ersten und zweiten Heizer 14 und 16 aus TaAl-Dünnfilm gebildet, das einen Schichtwiderstand von ungefähr 28 Ohm pro Quadrat aufweist. Während ein elektrischer Strom durch die Heizer 14 und 16 fließt, erzeugen sie Wärme. Tinte wird durch einen Tintenweg 22 zu einer Kammer unmittelbar über den Heizern 14 und 16 zugeführt. Während die Tinte durch einen Heizer 14 oder 16 erwärmt wird, bildet sich eine Tintenblase, die Tinte durch die Düse 10 oder 12 ausstößt.
Da die kleinen Düsen 12 kleinere Tintentröpfchen ausstoßen, wird eine kleinere Blase benötigt, um die Tinte auszustoßen. Wenn man eine spezielle Energiedichte auf der Oberfläche eines Heizers voraussetzt, ist die Größe einer durch den Heizer gebildeten Tintenblase proportional zur Größe des Heizers. Folglich sind wie in 3 dargestellt, die zweiten Heizer 16 der vorliegenden Erfindung in Fläche kleiner als die ersten Heizer 14. Die ersten Heizer 14 weisen eine Länge L_H1 und eine Breite W_H1 auf, die in der bevorzugten Ausführungsform eine Fläche von ungefähr 441 Quadratmikrometern festlegen. Die zweiten Heizer 16 weisen eine durch eine Länge L_H2 und eine Breite W_H2 festgelegte Fläche von ungefähr 276 Quadratmikrometern auf. Nachstehend werden die ersten und zweiten Heizer 14 und 16 auch als die großen und kleinen Heizer 14 und 16 bezeichnet. Wenn man dieselbe Energiedichte voraussetzt, bilden die großen Heizer 14 größere Tintenblasen als die kleinen Heizer 16. Diese Konstruktion ist energieeffizienter als eine Konstruktion, die eine einzige Heizergröße für beide Düsengrößen verwendet.
Damit die großen und kleinen Heizer 14 und 16 elektrisch und thermodynamisch kompatibel sind, sollten sie bei derselben Energiedichte und Leistungsdichte arbeiten. Auch ist es, wie in größerer Einzelheit unten erörtert, wünschenswert, die großen und kleinen Heizer 14 und 16 mit dieselben Spannungsquelle zu verbinden. Allgemein wird die Leistungsdichte, die durch einen großen Heizer 14 erzeugt wird, durch:
festgelegt, wobei I₁ der Strom durch den großen Heizer 14 in Ampere ist, R_H1 der Widerstand des großen Heizers 14 in Ohm ist und A₁ die Fläche des großen Heizers 14 ist. Ähnlich wird die Leistungsdichte, die durch einen kleinen Heizer 14 erzeugt wird, durch:
festgelegt, wobei I₂ der Strom durch den kleinen Heizer 16 in Ampere ist, R_H2 der Widerstand des kleinen Heizers 16 in Ohm ist und A₂ die Fläche des kleinen Heizers 16 ist. Folglich sollten, um PD₁ und PD₂ ungefähr gleich zu machen, die folgen den Beziehungen erfüllt sein:
Wie zuvor erörtert, wird das Verhältnis der Heizerflächen A₂/A₁ durch die relativen Energien bestimmt, die benötigt werden, um die großen und kleinen Blasen zu bilden.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Beziehung von Gleichung (4) erfüllt, indem der elektrische Widerstand R_H2 der kleinen Heizer 16 in Bezug zu dem elektrischen Widerstand R_H1 der großen Heizer 14 eingestellt wird. Diese Einstellung wird vorgenommen, indem man sich die Tatsache zunutze macht, dass:
für einen Schichtwiderstand. Folglich kann R_H2 erhöht werden, indem man: WH2 < LH2 (6)verwirklicht, während die gewünschte Fläche A₂ des kleinen Heizers 16 noch beibehalten wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist W_H2 11,75 Mikrometer und L_H2 23,5 Mikrometer, was zu einer Fläche A₂ von 276 Quadratmikrometern führt. Vorzugsweise sind für jeden großen Heizer 14 W_H1 und L_H1 21 Mikrometer, was zu einer Fläche A₁ von 441 Quadratmikrometern führt. Folglich ist der Widerstand R_H2 durch:
bestimmt. Da die großen Heizer quadratisch sind, ist R_H1 einfach 28 Ohm.
In 5a ist ein schematisches Schaltbild eines Schaltkreises zur selektiven Energiebeaufschlagung der Heizer 14 und 16 auf dem Druckkopf 1 dargestellt. Erste Heizerschaltpaare 17 sind mit zweiten Heizerschaltpaaren 19 parallelgeschaltet. Jedes erste Heizerschaltpaar 17 umfasst einen von den ersten Heizern 14, der mit einem ersten Schaltbauelement 18 hintereinandergeschaltet ist. Jedes zweite Heizerschaltpaar 19 umfasst einen von den zweiten Heizern 16, der mit einem zweiten Schaltbauelement 20 hintereinandergeschaltet ist. In der bevorzugten Ausführungsform sind die ersten und zweiten Schaltbauelemente 18 und 20 MOSFET-Bauelemente, die auf dem Substrat 4 gebildet sind. Wie in 5a dargestellt, sind die Heizerschaltpaare 17 und 19 mit derselben Spannungsquelle V_dd verbunden.
Wenn eine Spannung V_gs von 10–12 Volt an ein Gate 24 von einem von den MOSFET-Schaltbauelementen 18 angelegt wird, wird das Bauelement 18 aktiviert. Wenn es aktiviert ist, ermöglicht das Bauelement 18, dass ein Strom I₁ durch das Bauelement 18 und den Heizer 14 fließt. Es ist der Widerstand R_H1 des ersten Heizers zum Fluss des Stroms I₁, der die Wärme erzeugt, um das große Tintentröpfchen auszuschleudern. Folglich wirkt, wenn das Bauelement 18 aktiviert ist, dieses wie ein geschlossener Schalter, durch den Strom fließen kann, um den Heizer 14 zu aktivieren. Jedoch weist, wie in 5b dargestellt, das Bauelement 18 einen endlichen Widerstand R_S1 auf, wenn es aktiviert ist. Während der Strom I₁ fließt, entwickelt sich ein Spannungsabfall V_H1 über den großen Heizer 14, und ein Spannungsabfall V_S1 entwickelt sich über den Widerstand R_S1.
Ähnlich, wenn V_gs an ein Gate 26 von einem von den MOSFET-Schaltbauelementen 20 angelegt wird, wird das Bauelement 20 aktiviert. Wenn es aktiviert ist, ermöglicht das Bauelement 20, dass ein Strom I₂ durch das Bauelement 20 und den Heizer 16 fließt. Folglich wird, wenn das Bauelement 20 aktiviert ist, der Heizer 16 aktiviert. Der Spannungsabfall über den kleinen Heizer 16 ist V_H2. Das Bauelement 20 weist einen endlichen Widerstand R_S2 auf, über den sich der Spannungsabfall V_S2 entwickelt.
Es ist ersichtlich, dass die in den 5a und 5b dargestellten Schaltungen zwecks Veranschaulichung der Erfindung vereinfacht sind. Ein Druckkopf, der die vorliegende Erfindung enthält, würde typischerweise auch andere Schaltbauelemente umfassen, als diejenigen, die in 5a dargestellt sind. Z. B. können andere Schaltbauelemente in einer logischen Schaltung zum Dekodieren von Multiplexdruckersignalen enthalten sein. Solche Schaltungen werden typischerweise einverleibt, um die Anzahl von I/O-Signalleitungen zu verringern, die erforderlich sind, um Drucksignale von einem Druckercontroller zu einem Druckkopf weiterzuleiten. Jedoch beeinträchtigen diese anderen Schaltkreise den Betrieb der vorliegenden Erfindung, wie hierin beschrieben, nicht signifikant. Folglich ist eine ausführliche Beschreibung von solchen Schaltungen für ein Verstehen der vorliegenden Erfindung nicht notwendig.
Ein Ziel bei einer Tintenstrahldruckkopfkonstruktion besteht darin, Heizer-zu-Heizer-Leistungsvariationen zu minimieren. Damit die Größe der Tintenblasen, die durch gleichgroße Heizer erzeugt werden, konsistent über das Array ist, sollte jeder große Heizer 14 dieselbe Leistung wie jeder andere große Heizer 14 dissipieren, und jeder kleine Heizer 16 sollte dieselbe Leistung wie jeder andere kleine Heizer 16 dissipieren. Wenn gleichgroße Heizer unterschiedliche Leistungsbeträge beim Erzeugen von Wärme dissipieren, um Tintenblasen zu erzeugen, entstehen unerwünschte Variationen in Tintentröpfchengröße. Solche Variationen in Tintentropfengröße führen zu verschlechterter Druckqualität.
Die vorliegende Erfindung minimiert Variationen in dissipierter Leistung von Heizer zu Heizer, indem die Spannungs abfälle über sämtliche Heizer 14 und 16, sowohl große als auch kleine, ungefähr gleich gemacht werden. Da die Heizerschaltpaare 17 und 19 parallelgeschaltet sind, erfordert ein Gleichmachen der Spannungsabfälle über die Heizer 14 und 16 ein Gleichmachen der Spannungsabfälle über die Schaltbauelemente 18 und 20. Dieses Konstruktionsziel wird in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erzielt, indem die Schaltwiderstände R_S1 und R_S2 gemäß der folgenden Beziehung gesetzt werden:
Da zuvor bestimmt wurde, dass beispielhafte Werte von R_H1 und R_H2 28 Ohm bzw. 56 Ohm sind, wird die Beziehung von Gleichung (7):
Allgemein ist der Widerstand eines MOSFET-Bauelements, wie z. B. des Schaltbauelements 18 und 20, die Summe seines Sourcewiderstands, Drainwiderstands und Channelwiderstands. Der Source- und Drainwiderstand eines MOSFET-Bauelements werden mindestens zum Teil durch die Source-Drain-Leitungsbreiten des Bauelements bestimmt. Wie unten in Einzelheit beschrieben, erzielt die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung die Beziehung von Gleichung (9), indem die Source-Drain-Leitungsbreiten der ersten und zweiten Schaltbauelemente 18 und 20 eingestellt werden.
In 6 ist die Struktur von benachbarten ersten und zweiten MOSFET-Schaltbauelementen 18 und 20 auf dem Substrat 4 dargestellt, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das erste Schaltbauelement 18 umfasst ein Sourcegebiet 28, das von einem Draingebiet 30 durch einen Channel 32 mit einer Breite C getrennt ist. Die Source-Drain-Leitungsbreite des ersten Schaltbauelements 18 wird durch W_L1 darge stellt, und die Channellänge des ersten Schaltbauelements 18 wird durch L_S1 dargestellt. Das zweite Schaltbauelement 20 umfasst ein Sourcegebiet 34, das von einem Draingebiet 36 durch den Channel 32 getrennt ist. Die Source-Drain-Leitungsbreite und die Channellänge des zweiten Schaltbauelements 20 werden durch W_L2 bzw. L_S2 dargestellt.
Vorzugsweise sind, wie in den 2 und 3 dargestellt, benachbarte Düsen und Heizer um 0,042 mm (1/600 Inch) vertikal beabstandet. Folglich ist, wie in 6 dargestellt, die Gesamtbreite, die ein benachbartes Paar von Schaltbauelementen 18 und 20 einnehmen kann, 2/600 Inch oder ungefähr 84,7 μm. Diese Gesamtbreite wird gemäß: WS1 + WS2 = 84,7 μm, (10)wobei WS1 = 4(WL1) + 4(C) (11)und WS2 = 4(WL2) + 4(C), (12)zugewiesen. Auf Grundlage der Gleichungen (10), (11) und (12) wird, wenn C 2,5 μm ist, die gewünschte Beziehung zwischen W_L1 und W_L2 als: WL1 + WL2 = 16,2 μm. (13)ausgedrückt.
7 stellt eine summarische Lösung für eine Simulation erster Ordnung der bevorzugten MOSFET-Bauelemente 18 und 20 dar, die die Bedingungen der Gleichungen (9) und (13) erfüllt. Gemäß den Simulationsergebnissen sind die bevorzugten Werte für W_L1 und W_L2 13,1 bzw. 3,1 μm. Auch ergibt sich, wie 7 anzeigt, ein minimaler Wert von R_S1, 4,3 Ω, wenn L_S1 ungefähr gleich 800 μm ist. Wenn R_S1 gleich 4,3 Ω ist, wird die Beziehung von Gleichung (9) erfüllt, wenn R_S2 gleich 8,6 Ω ist. Mit fortgesetztem Bezug auf 7, wenn R_S2 gleich 8,6 Ω ist, ist L_S2 ungefähr gleich 570 μm. Folglich sind gemäß den Gleichungen (11) und (12) W_S1 und W_S2 ungefähr 62,3 μm bzw. 22,4 μm. Deshalb sind die Abmessungswerte für eine bevorzugte Ausführungsform der Schaltbauelemente 18 und 20 wie folgt zusammengefasst: W_L1 13,1 μm, W_L2 ≌ 3,1 μm, W_S1 ≅ 62,3 μm, W_S2 ≅ 22,4 μm, L_S1 ≅ 800 μm, L_S2 ≅ 570 μm und C ≅ 2,5 μm.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, die in 8a dargestellt ist, sind eine erste und zweite Spannungsquelle V_dd1 und V_dd2 vorgesehen, um die ersten und zweiten Heizerschaltpaare 17 und 19 zu treiben. In dieser Ausführungsform sind die ersten Heizerschaltpaare 17 über der ersten Spannungsquelle V_dd1 parallelgeschaltet, und die zweiten Heizerschaltpaare 19 sind über der zweiten Spannungsquelle V_dd2 parallelgeschaltet. Mit getrennten Spannungsquellen kann die durch die Heizer 14 und 16 erzeugte Wärmeenergie der Tintentröpfchengröße angepasst werden, indem die Spannung V_dd1 in Bezug zur Spannung V_dd2 eingestellt wird, statt dass der Widerstand R_H1 in Bezug zu R_H2 eingestellt wird. Vorzugsweise ist die Spannung V_dd2 kleiner als die Spannung V_dd1, so dass die zweiten Heizer 16 weniger Wärmeenergie erzeugen, wenn sie aktiviert sind, als die ersten Heizer 14.
Gemäß dieser zweiten Ausführungsform können die Heizer 14 und 16 beide quadratisch sein und folglich gleiche Widerstände (R_H1 = R_H2) aufweisen. Jedoch werden wie bei der ersten Ausführungsform die Flächen der Heizer 14 und 16 in der zweiten Ausführungsform vorzugsweise bei 441 bzw. 276 Quadratmikrometern gehalten. Wie oben erörtert, sorgt dies für den effizientesten Energieübertrag zur Erzeugung von Tintentröpfchen von zwei unterschiedlichen Größen. Vorzugsweise sind für jeden großen Heizer 14 der zweiten Ausführungsform W_H1 und L_H1 ungefähr 21 Mikrometer. Für jeden kleinen Heizer 16 der zweiten Ausführungsform sind W_H2 und L_H2 vorzugsweise etwa 16,6 Mikrometer.
Eine Verdrahtungskonfiguration gemäß der zweiten Ausführungsform, die die vertikal alternierenden Heizer 14 und 16 mit den zwei verschiedenen Spannungsquellen V_dd1 und V_dd2 verbindet, ist in 9 dargestellt. Ein erster Metallbus 38, der mit der Spannungsquelle V_dd1 verbunden ist, befindet sich vorzugsweise an derselben Chipschicht wie die Heizer 14 und 16. Der Bus 38 ist mit Metallbahnen 38a verbunden, die die Spannung V_dd1 zu einer Seite der großen Heizer 14 zuführen. Die anderen Seiten der großen Heizer 14 sind mit Metallbahnen 38b in derselben Schicht verbunden. Die Metallbahnen 38b sind mittels Wegen 40 mit Drains 42 der ersten Schaltbauelemente 18 verbunden, die sich in einer Schicht unter den großen Heizern 14 befinden.
Ein zweiter Metallbus 44 ist mit der Spannungsquelle V_dd2 verbunden. Der Bus 44 befindet sich vorzugsweise an der Chipschicht unter der Schicht, die die Heizer 14 und 16 enthält, wie z. B. der Schicht, die die Schaltbauelemente 18 und 20 enthält. Der Bus 44 ist mittels Wegen 45 mit Metallbahnen 46a verbunden, die sich an derselben Schicht wie die Heizer 14 und 16 befinden. Die Bahnen 46a sind mit einer Seite der kleinen Heizer 16 verbunden. Folglich wird die Spannung V_dd2 zu einer Seite der kleinen Heizer 16 mittels des Buses 44, der Wege 45 und der Bahnen 46a zugeführt. Metallbahnen 46b, die sich auch in derselben Schicht wie die Heizer 14 und 16 befinden, sind mit der anderen Seite der kleinen Heizer 16 verbunden. Die Metallbahnen 46b sind mittels Wegen 48 mit Drains 50 der zweiten Schaltbauelemente 20 verbunden, die sich vorzugsweise in derselben Schicht wie die ersten Schaltbauelemente 18 befinden. Auch in 9 dargestellt sind Sources 52 und Gates 54 der ersten Schaltbauelemente 18 und Sourcen 56 und Gates 58 der zweiten Schaltbauelemente 20.
Folglich liefert die Verdrahtungskonfiguration von 9 unter Verwendung von nur zwei Metallschichten zwei getrennte Spannungsschienen V_dd1 und V_dd2 zu den vertikal alternierenden großen und kleinen Heizern 14 und 16. 9 gibt einen beispielhaften Teil der Heizerverdrahtungsgeometrie wieder, und es ist ersichtlich, dass sich das in 9 dargestellte Muster in der vertikalen Abmessung wiederholt, um den Rest des Heizerarray zu bilden.
Es wird erwogen und ist für Fachleute aus der vorangehenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, dass Modifikationen und/oder Änderungen in den Ausführungs formen der Erfindung vorgenommen werden können. Z. B. ist die Erfindung nicht auf die Beziehung von Gleichung (9) beschränkt. Die Vorteile der Erfindung können unter Verwendung von anderen Verhältniswerten von Schaltbauelementwiderständen verwirklicht werden. Auch ist die Erfindung nicht auf die im obigen Beispiel bestimmten Abmessungen beschränkt. Die Erfindung kann skaliert werden, um sich anderen Tintentröpfchengrößen, Düsendurchmessern, Düse-zu-Düse-Zwischenräumen, Heizerabmessungen und Schaltbauelementabmessungen anzupassen.

Claims

Tintenstrahldruckkopf (1) mit einer Mehrzahl von Düsen (6, 8), durch die Tröpfchen von Tinte in Richtung auf ein Druckmedium ausgeschleudert werden, wobei die Mehrzahl von Düsen erste Düsen (10) mit einem ersten Durchmesser (D₁) zum Ausschleudern von Tröpfchen von Tinte mit einer ersten Masse und zweite Düsen (12) mit einem zweiten Durchmesser (D₂) zum Ausschleudern von Tröpfchen von Tinte mit einer zweiten Masse umfasst, wobei der erste Durchmesser größer als der zweite Durchmesser ist und die erste Masse größer als die zweite Masse ist, wobei der Druckkopf umfasst: eine Düsenplatte (2), die die Mehrzahl von Düsen enthält; ein Substrat (4), das benachbart zur Düsenplatte angeordnet ist; erste Heizer (14), die auf dem Substrat benachbart zu den ersten Düsen angeordnet sind, wobei jeder der ersten Heizer einer entsprechenden ersten Düse zugeordnet ist, wobei jeder der ersten Heizer elektrisch widerstandsbehaftetes Material umfasst und einen ersten elektrischen Heizerwiderstand aufweist, wobei jeder der ersten Heizer Wärme erzeugt, während ein erster elektrischer Strom im Wesentlichen in einer ersten Richtung durch das elektrisch widerstandsbehaftete Material fließt; erste Schaltbauelemente (18), die auf dem Substrat benachbart zu den ersten Heizern angeordnet sind, wobei jedes der ersten Schaltbauelemente mit einem entsprechenden ersten Heizer elektrisch hintereinandergeschaltet ist, wobei die ersten Schaltbauelemente jeweils einen ersten elektrischen Schaltwiderstand aufweisen; zweite Heizer (16), die auf dem Substrat benachbart zu den zweiten Düsen angeordnet sind, wobei jeder der zweiten Heizer einer entsprechenden zweiten Düse zugeordnet ist, wobei jeder der zweiten Heizer elektrisch widerstandsbehaftetes Material umfasst und einen zweiten elektrischen Heizerwiderstand aufweist, wobei jeder der zweiten Heizer Wärme erzeugt, während ein zweiter elektrischer Strom im Wesentlichen in der ersten Richtung durch das elektrisch widerstandsbehaftete Material fließt; und zweite Schaltbauelemente (20), die auf dem Substrat benachbart zu den zweiten Heizern angeordnet sind, wobei jedes der zweiten Schaltbauelemente mit einem entsprechenden zweiten Heizer elektrisch hintereinandergeschaltet ist, wobei die zweiten Schaltbauelemente jeweils einen zweiten elektrischen Schaltwiderstand aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite elektrische Schaltwiderstand größer als der erste elektrische Schaltwiderstand ist.
Druckkopf nach Anspruch 1, bei dem der erste Heizerwiderstand kleiner als der zweite Heizerwiderstand ist.
Druckkopf nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend: die ersten Heizer, die jeweils einen ersten Heizerbereich auf dem Substrat einnehmen, der durch eine erste Heizerlänge (L_H1) in der ersten Richtung und eine erste Heizerbreite (W_H1) in einer zweiten Richtung festgelegt ist, die zur ersten Richtung orthogonal ist, und die zweiten Heizer, die jeweils einen zweiten Heizerbereich auf dem Substrat einnehmen, der durch eine zweite Heizerlänge (L_H2) in der ersten Richtung und eine zweite Heizerbreite (W_H2) in der zweiten Richtung festgelegt ist, wobei die zweite Heizerbreite kleiner als die erste Heizerbreite ist.
Druckkopf nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend: die ersten Heizer, die jeweils einen ersten Heizerbereich auf dem Substrat einnehmen, der durch eine erste Heizerlänge (L_H1) in der ersten Richtung und eine erste Heizerbreite (W_H1) in einer zweiten Richtung festgelegt ist, die zur ersten Richtung orthogonal ist, und die zweiten Heizer, die jeweils einen zweiten Heizerbereich auf dem Substrat einnehmen, der durch eine zweite Heizerlänge (L_H2) in der ersten Richtung und eine zweite Heizerbreite (W_H2) in der zweiten Richtung festgelegt ist, wobei die zweite Heizerlänge größer als die erste Heizerlänge ist.
Druckkopf nach einem vorangehenden Anspruch, weiter umfassend: die ersten Heizer, die jeweils einen ersten Heizerbereich auf dem Substrat einnehmen; und die zweiten Heizer, die jeweils einen zweiten Heizerbereich auf dem Substrat einnehmen, wobei der zweite Heizerbereich kleiner als der erste Heizerbereich ist.
Druckkopf nach einem vorangehenden Anspruch, weiter umfassend: die ersten Schaltbauelemente, die jeweils einen ersten Schaltbereich auf dem Substrat einnehmen, wobei der erste Schaltbereich durch eine erste Schaltlänge (L_S1) in der ersten Richtung und eine erste Schaltbreite (W_S1) in einer zweiten Richtung festgelegt ist, die zur ersten Richtung orthogonal ist, und die zweiten Schaltbauelemente, die jeweils einen zweiten Schaltbereich auf dem Substrat einnehmen, wobei der zweite Schaltbereich durch eine zweite Schaltlänge (L_S2) in der ersten Richtung und eine zweite Schaltbreite (W_S2) in der zweiten Richtung festgelegt ist, wobei die erste Schaltbreite größer als die zweite Schaltbreite ist.
Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter umfassend: die ersten Schaltbauelemente, die jeweils einen ersten Schaltbereich auf dem Substrat einnehmen, wobei der erste Schaltbereich durch eine erste Schaltlänge (L_S1) in der ersten Richtung und eine erste Schaltbreite (W_S1) in einer zweiten Richtung festgelegt ist, die zur ersten Richtung orthogonal ist, und die zweiten Schaltbauelemente, die jeweils einen zweiten Schaltbereich auf dem Substrat einnehmen, wobei der zweite Schaltbereich durch eine zweite Schaltlänge (L_S2) in der ersten Richtung und eine zweite Schaltbreite (W_S2) in der zweiten Richtung festgelegt ist, wobei die erste Schaltlänge größer als die zweite Schaltlänge ist.
Druckkopf nach einem vorangehenden Anspruch, weiter umfassend: die ersten Schaltbauelemente, die jeweils einen ersten Schaltbereich auf dem Substrat einnehmen, und die zweiten Schaltbauelemente, die jeweils einen zweiten Schaltbereich auf dem Substrat einnehmen, wobei der erste Schaltbereich größer als der zweite Schaltbereich ist.
Druckkopf nach einem vorangehenden Anspruch, weiter umfassend: die ersten Schaltbauelemente, die in ersten Positionen angeordnet sind, die in der zweiten Richtung ausgerichtet sind; und die zweiten Schaltbauelemente, die in zweiten Positionen angeordnet sind, die in der zweiten Richtung ausgerichtet sind, wobei die ersten Positionen mit den zweiten Positionen alternieren.