DE69612330T2

DE69612330T2 - Stabilisierungsverfahren des thermischen Betriebszustandes eines Tintenstrahldruckkopfes

Info

Publication number: DE69612330T2
Application number: DE69612330T
Authority: DE
Inventors: Vitantonio D'amico; Alessandro Scardovi
Original assignee: Olivetti Lexikon SpA
Current assignee: Olivetti Tecnost SpA
Priority date: 1995-07-04
Filing date: 1996-06-17
Publication date: 2001-11-22
Anticipated expiration: 2016-06-18
Also published as: JP3732895B2; EP0752313B1; IT1276469B1; US5767872A; EP0752313A2; EP0752313A3; DE69612330D1; ITTO950561A1; ITTO950561A0; JPH0911473A

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf, der bei Geräten zum Bilden von schwarzen und farbigen Abbildungen auf einem Druckmedium, im allgemeinen, jedoch nicht ausschließlich, ein Papierblatt, mit der Thermotintenstrahltechnologie verwendet wird, und ein Verfahren zum Stabilisieren seiner thermischen Betriebszustände.
Geräte des oben beschriebenen Typs sind dem Fachmann bekannt, wie z. B. Drucker, Fotokopierer, Faxmaschinen usw., und insbesondere zum Drucken von Dokumenten verwendete Drucker, die Druckvorrichtungen verwenden, die im allgemeinen aus festen oder austauschbaren Druckköpfen bestehen.
Der Aufbau und die allgemeine Arbeitsweise eines Tintenstrahldruckers, wie auch des dazugehörigen Tintenstrahldruckkopfs, sind nach dem Stand der Technik bereits bekannt, so daß hier keine detaillierte Beschreibung, sondern nur eine ausführlichere Beschreibung einiger Eigenschaften der Köpfe vorgesehen ist, die für das Verständnis der Erfindung wichtig sind.
Ein typischer Tintenstrahldrucker weist schematisch auf:
- ein System, das wahlweise von einem Motor angetrieben wird, zum Vorschieben eines Papierblatts, auf das die Abbildung gedruckt werden soll, derart, daß das Vorschieben in einer gegebenen Richtung, in diskreten Schritten (Zeilenvorschub) ausgeführt wird,
- einen bewegbaren Schlitten, der sich auf Bahnen in einer Richtung senkrecht zur Papier-Vorschubrichtung bewegt und wahlweise von einem Motor angetrieben wird, um eine Vorwärtsbewegung und eine Rückwärtsbewegung längs der gesamten Breite des Blattes auszuführen,
- eine Druckvorrichtung, im allgemeinen z. B. einen Druckkopf, der abnehmbar am Schlitten befestigt ist und mehrere Ausstoßwiderstände aufweist, die auf ein Substrat (üblicherweise eine Siliziumscheibe) abgeschieden sind und in mit Tinte gefüllten Zellen angeordnet sind, wobei jeder mit einer entsprechenden Mehrzahl von Düsen verbunden ist, durch die der Kopf Tröpfchen einer in einem Behälter befindlichen Tinte ausstoßen kann,
- eine elektronische Steuerung, die basierend auf die von einem "Computer", mit dem sie verbunden ist, empfangene Information und auf vom Benutzer festgelegten Voreinstellungen wahlweise sowohl den obigen Motor als auch den Druckkopf steuert, wodurch Letzterer dazu veranlasst wird, Tintentröpfchen auf die Oberfläche des Blattes auszustoßen, wobei durch wahlweise Erhitzen der Widerstände eine sichtbare Abbildung gebildet wird.
Gemäß einer kürzlichen Weiterentwicklung der bekannten Technologie, haben die Druckköpfe zusätzlich zu den Ausstoßwiderständen auch auf dem selben Substrat integrierte Komponenten zum Steuern der Widerstände. Typischerweise sind diese Komponenten integrierte MOS Transistoren, die z. B. mittels der bekannten Halbleitertechnologie bei integrierten Schaltungen auf dem selben Substrat gebildet sind und wahlweise die Energie zum Erhitzen der Ausstoßwiderstände zuführen.
Vom elektrischen Standpunkt aus gesehen sind diese integrierten Steuerkomponenten, die alle im wesentlichen die selben geometrischen und elektrischen Eigenschaften haben, und die jeweils an ihnen angeschlossenen Ausstoßwiderstände typischerweise in einer Matrix aus Reihen und Spalten gemäß einem bekannten Herstellungsverfahren angeordnet, um die Anzahl der Verbindungen und Kontakte zwischen dem Druckkopf und der elektronischen Steuerung auf ein Minimum zu reduzieren.
Die Energie wird den Ausstoßwiderständen durch die MOS Transistoren dadurch zugeführt, daß sie das Fließen eines Stromes durch die Widerstände selbst ermöglichen, der von einer Energieversorgung eingespeist wird, an der alle Ausstoßwiderstände angeschlossen sind. Dieser Strom wird im Ausstoßwiderstand durch Joule-Effekt in Wärmeenergie umgewandelt, wodurch der Letztere sehr schnell auf eine Temperatur im Bereich von 300ºC erhitzt wird.
Ein erster Teil dieser Wärmeenergie wird an die umgebende Tinte, die mit dem Widerstand in Kontakt ist, abgegeben, wodurch sie verdampft und somit das Ausstoßen eines Tropfens mit einem gegebenen Volumen durch die Düse, die mit der Zelle verbunden ist, die den Ausstoßwiderstand enthält, veranlasst wird. Ein zweiter Teil der Wärmeenergie geht durch Konduktion durch das gemeinsame Substrat (die Siliziumscheibe), auf dem die Ausstoßwiderstände abgeschieden sind, verloren, so daß die Temperatur TS des Substrats, des Kopfes als Ganzes und der in ihm enthaltenen Tinte bezüglich der Umgebungstemperatur zunimmt.
Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß sich der Anstieg der Temperatur auf den Umgebungsbereich nur einiger der Ausstoßwiderstände des Kopfes beschränken kann, was auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß der gegenwärtige Druckvorgang nur das bevorzugte Aktivieren einiger Düsen erfordern kann und die Diffusion der Hitze durch Konduktion im Substrat nicht schnell genug ist, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erhalten.
Das Phänomen des Ausstoßens eines Tintentröpfchens kann besser verstanden werden, wenn es anhand des Diagramms in Fig. 1 untersucht wird, das den experimentell ermittelten und durch die Kennlinie 3 dargestellten Verlauf des Volumen VOL des durch eine Düse ausgestoßenen Tintentröpfchens als Funktion der Wärmeenergie E, die dem Ausstoßwiderstand, der in der mit der Düse verbundenen Zelle angeordnet ist, zugeführt wird, für eine gegebene, konstante Substrattemperatur TS, zeigt.
Wie durch das Diagramm gezeigt, wird der Tropfen unterhalb eines Wertes ES (Schwellenenergie) nicht gebildet, da der Widerstand nicht eine Temperatur erreicht, die groß genug ist, um die umgebende Tinte zu verdampfen. Durch das Erhöhen der dem Widerstand zugeführten Energie E von dem Wert Es auf den Wert Eg (Knieenergie), nimmt das Volumen VOL der ausgestoßenen Tröpfchen in einer Art und Weise im wesentlichen proportional der Zunahme der dem Widerstand zugeführten Energie E zu. Umgekehrt bleibt das Volumen VOL oberhalb des Eg-Wertes bei einer Zunahme der dem Widerstand zugeführten Energie E im wesentlichen unverändert.
Dieser asymptotische Verlauf der Kennlinie des Tröpfchenvolumens VOL ist sehr vorteilhaft und wird zum Bestimmen des typischen Betriebswertes El für die dem Ausstoßwiderstand zuzuführenden Energie E herangezogen (energetischer Arbeitspunkt). Konkret bedeutet ein konstantes Tropfenvolumen, daß der Durchmesser des elementaren Punktes auf dem Papier, wie auch die Dichte und die Gleichmäßigkeit der Abbildungen, ob schwarz oder farbig, konstant ist. Mit anderen Worten, die Druckqualität ist konstant, ein sehr wichtiges Merkmal, daß von den Benutzern von Druckern sehr geschätzt wird.
Bei gegenwärtigen Praktiken wird z. B. ein Kompromißwert für den Wert für El angenommen, der viel größer ist als Eg. Dadurch ist gewährleistet, daß begrenzte Schwankungen der dem Ausstoßwiderstand zugeführten Wärmeenergie E infolge unterschiedlicher Faktoren, wie z. B. durch den Herstellungsprozess hervorgerufene Abweichungen oder Veränderungen der realen Arbeitsbedingungen, keine bedeutenden Veränderungen des Volumen VOL der ausgestoßenen Tröpfchen hervorrufen. Dies ist durch die Tatsache begründet, daß sich der energetische Arbeitspunkt des Ausstoßwiderstandes in jedem Fall innerhalb des asymptotischen Abschnitts der Kennlinie 3 befindet und somit die Bildung von instabilen Arbeitsbedingungen vermieden werden, die entstehen könnten, wenn El unterhalb Eg abfallen würde und das Tropfenvolumen veränderlich würde.
Es ist daher offensichtlich, daß die Temperatur eines Druckkopfes während des Betriebs nicht konstant ist, sondern vielmehr beginnt, zuzunehmen, wenn der Druckvorgang beginnt, wobei sie zu diesem Zeitpunkt im wesentlichen gleich der Umgebungstemperatur ist. Später schwankt sie in Abhängigkeit des gewählten Druckmodus (z. B. "Entwurf" oder "Briefqualität"), der zu druckenden Originale und des Arbeitszyklus.
Es ist auch offensichtlich, daß, je geringer der Anteil der durch das Substrat dispergierten Wärmeenergie ist, um so geringer der Anstieg der Temperatur während des Druckenvorgangs ist.
Der Fachmann auf diesem Gebiet weiß, daß die folgenden Probleme bei Veränderung der Kopftemperatur auftreten:
- das Volumen der durch die Düsen ausgestoßenen Tintentröpfchen nimmt bei gleichen Werten der Betriebsenergie El mit dem Anstieg der Temperatur zu und hat, wie vorher beschrieben, eine entsprechende Veränderung des Durchmessers der auf dem Papier gedruckten Elementarpunkte und eine sich daraus ergebende Verschlechterung der Druckgleichmäßigkeit zur Folge. Dieses Phänomen kann so deutlich sein, daß infolge der Zunahme der Kopftemperatur, die durch das Drucken auf die Seite selbst hervorgerufen wird, merkliche Unterschiede zwischen der optischen Dichte der Schriftzeichen, die am Beginn einer Seite gedruckt werden und derer, die unten auf der selben Seite gedruckt werden, entstehen.
- wenn die Temperatur des Kopfes sehr hoch ist, kann weiterhin ein Phänomen der Ablagerung von Karbonrückständen an einigen speziellen Ausstoßwiderständen, die häufig während des Druckens aktiviert werden, infolge des Zersetzens der Tinte am Widerstand auftreten. Folglich würde sich die Lebensdauer des Druckkopfes verringern, möglicherweise sogar beträchtlich, und Störungen des Betriebs des Druckkopfes würden infolge von Störungen der Düsen betreffend des Tintenausstoßes auftreten.
Um das Problem der Veränderung des Tropfenvolumen mit der Veränderung der Druckkopftemperatur zu lösen, wurden Verfahren und Vorrichtungen nach dem Stand der Technik vorgeschlagen, mit dem Hauptziel des Stabilisieren der Temperatur TS des Substrats, mit anderen Worten, des Beitreiben des Kopfes bei einer im wesentlichen konstanten Substrattemperatur TS.
Zum Beispiel wurden Systeme zum Konstanthalten der Substrattemperatur TS durch das Verlangsamen der Druckgeschwindigkeit (und somit durch Reduzieren der Häufigkeit, mit der die Tröpfchen ausgestoßen werden) vorgeschlagen, wenn die Temperatur TS dazu tendiert, einen definierten Grenzwert zu übersteigen, um die Zeit zu verlängern, die dem Kopf zur Verfügung steht, um natürlich abzukühlen und sich auf einen niedrigeren Temperaturwert einzustellen, oder auch durch Anhalten des Druckvorgangs, wenn die Temperatur des Substrats eine vorgegebene Höhe übersteigt. Dies ist jedoch der Arbeitsgeschwindigkeit (oder dem "Durchsatz") abträglich, eine Forderung, die bei den Benutzern von Tintenstrahldruckern zunehmend im Vordergrund steht.
Weiterhin wurden Systeme zum Konstanthalten der Substrattemperatur TS vorgeschlagen, so daß der Kopf z. B. durch das Verwenden von entweder zusätzlichen Widerständen sowie Ausstoßwiderständen zum Erhitzen des Kopfes, wenn es notwendig ist, oder Ausstoßwiderständen selbst, um den Kopf zu erhitzen, permanent bei einer maximalen vorbestimmten Temperaturhöhe arbeitet. Im letzteren Fall werden die Ausstoßwiderstände derjenigen Düsen, die nicht zum Ausstoßen von Tintentröpfchen erforderlich sind, noch erhitzt, jedoch mit Energieimpulsen einer Frequenz, die zu hoch ist, um das Ausstoßen eines Tröpfchens herbeizuführen. Beide Lösungen erfordern jedoch, daß der Kopf mit einem Temperatursensor versehen ist, z. B. einem Thermistor, der am Kopf befestigt ist, wodurch der Aufbau des Kopfes komplizierter wird, und die damit verbundenen Kosten steigen.
Alle vorgeschlagenen Lösungen nach dem Stand der Technik, wie oben zu sehen, haben Nachteile, so daß das Problem des einfachen, wirksamen und günstigen Stabilisierens der thermischen Betriebszustände des Tintenstrahldruckkopfes noch nicht zufriedenstellend gelöst wurden.
Sie lösen zudem auch nicht das Problem der Karbonablagerungen an bestimmten Ausstoßwiderständen, da das Stabilisieren bei sehr hohen Temperaturwerten durchgeführt wird.
Aus Dokument US-A-5208611 ist ein Tintenstrahldruckkopf mit einem Heizwiderstand bekannt, der einen Teil einer Widerstandsmeßbrücke bildet und vorgesehen ist, um gleichzeitig als Wärmequelle und als Temperatursensor verwendet zu werden. Insbesondere beruht die Verwendung des Heizwiderstandes als Temperatursensor auf der Verarbeitung und Berechnung seines elektrischen Widerstandswertes zu verschiedenen Zeitpunkten.
Darüber hinaus ist aus Dokument EP-A-0641656 ein Verfahren zum Steuern eines Tintenstrahldruckkopfes mit Aussstoßwiderstandselementen zum Ausstoßen von Tröpfchen bekannt, wobei dieses Verfahren einen Schritt zum elektrischen Messen eines Widerstandswertes eines Meßwiderstandselementes, das in dem Druckkopf angeordnet ist, einen folgenden Schritt des Einstellens eines Steuersignals, das den Ausstoßwiderstandselementen aufgrund des gemessenen Widerstandswertes zugeführt werden soll, und einen weiteren Schritt des Anlegens des eingestellten Steuersignals an den Ausstoßwiderstandselementen aufweist.
Auch die in den oben genannten Dokumenten offenbarten Lösungen sind nicht ohne Nachteile und insbesondere sind sie offensichtlich nicht speziell zum automatischen Einstellen der thermischen Betriebszustände eines Tintenstrahldruckers vorgesehen, in der Art, um in jedem Fall ein sicheres Ausstoßen von Tröpfchen des Druckkopfes sicherzustellen.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Tintenstrahldruckkopf zu schaffen, der auf einem Halbleitersubstrat integrierte Ausstoßwiderstände hat und mit Temperaturstabilisierungsmittel versehen ist, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Stabilisierungsmittel einen zusätzlichen Widerstand zum Erhitzen des Substrats umfassen, der gleichzeitig als Substrattemperatur-Meßelement dient.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Stabilisieren der thermischen Betriebszustände eines Tintenstrahldruckkopfes, der ein Halbleitersubstrat aufweist, auf dem Ausstoßwiderstände und ein zusätzlicher Widerstand zum Stabilisieren der Substrattemperatur integriert sind, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der zusätzliche Widerstand auch als Substrattemperatur-Meßelement verwendet wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Schaffen eines Verfahrens zum Stabilisieren der thermischen Betriebszustände eines Tintenstrahldruckkopfes, der Widerstände zum Ausstoßen von Tintentröpfchen aufweist, die auf einem Halbleitersubstrat integriert sind, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Substrattemperatur auf verschiedenen vorbestimmten Werten stabilisiert werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Schaffen eines Verfahrens zum Stabilisieren der thermischen Betriebszustände eines Tintenstrahldruckkopfes, der Widerstände zum Ausstoßen von Tintentröpfchen aufweist, die auf einem Halbleitersubstrat integriert sind, das dadurch gekennzeichnet ist, daß sich die Abweichung der Substrattemperatur vom Stabilisierungswert innerhalb vorbestimmter Werte bewegt.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Schaffen eines Verfahrens zum Stabilisieren der thermischen Betriebszustände eines Tintenstrahldruckkopfes, der ein Halbleitersubstrat aufweist, auf dem Ausstoßwiderstände und ein zusätzlicher Widerstand zum Stabilisieren der Substrattemperatur integriert sind, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Temperaturwert, bei dem der Kopf stabilisiert werden soll, trotz der Veränderlichkeit der spezifischen Eigenschaften des verwendeten Kopfes konstant bleibt.
Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist das Schaffen eines Verfahrens zum Stabilisieren der thermischen Betriebszustände eines Tintenstrahldruckkopfes, der ein Halbleitersubstrat aufweist, auf dem Ausstoßwiderstände und ein zusätzlicher Widerstand zum Stabilisieren der Substrattemperatur integriert sind, das dadurch gekennzeichnet ist, daß sich der energetische Arbeitspunkt der Ausstoßwiderstände als Funktion der Substrattemperatur verändert, um das Erhitzen des Substrats selbst zu minimieren.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Schaffen eines Verfahrens zum Stabilisieren der thermischen Betriebszustände eines Tintenstrahldruckkopfes, der ein Halbleitersubstrat aufweist, auf dem Ausstoßwiderstände und ein zusätzlicher Widerstand zum Stabilisieren der Substrattemperatur integriert sind, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der energetische Arbeitspunkt der Ausstoßwiderstände bezüglich des thermischen Gleichgewichts und der Arbeitskonsistenz in Abhängigkeit der spezifischen Eigenschaften des verwendeten Kopfes optimiert wird.
Die obigen Aufgaben werden mittels eines Verfahrens zum Stabilisieren der thermischen Betriebszustände eines Tintenstrahldruckkopfes und des dazugehörigen Druckkopfes, wie durch die Hauptansprüche gekennzeichnet, gelöst.
Diese und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform durch ein nicht einschränkendes Beispiel anhand der dazugehörigen Zeichnungen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Kennlinie des Verlaufs des Tropfenvolumen als Funktion der dem entsprechenden Ausstoßwiderstand zugeführten Energie.
Fig. 2 zeigt ein elektrisches Schaltbild der Druckkopftemperatur- Stabilisierungsschaltung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 3a zeigt eine Kennlinie des Verlaufs der Spannungen Vi und Vu der Schaltung in Fig. 1 als Funktion der Zeit während einer Nichtdruck-Periode des Kopfes für die Schaltung in Fig. 2.
Fig. 3b zeigt eine Kennlinie des Verlaufs der Spannungen Vi und Vu der Schaltung in Fig. 1 als Funktion der Zeit während einer Druckperiode des Kopfes für die Schaltung in Fig. 2.
Fig. 4 zeigt ein elektrisches Schaltbild der Druckkopftemperatur- Stabilisierungsschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 5 zeigt eine Kennlinie des Verlaufs der Spannungen Vi und Vu der Schaltung in Fig. 3 als Funktion der Zeit während einer Nichtdruck-Periode des Kopfes für die Schaltung in Fig. 4.
Fig. 6 zeigt ein elektrisches Schaltbild der Druckkopftemperatur- Stabilisierungsschaltung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 7 zeigt ein elektrisches Schaltbild der Druckkopftemperatur- Stabilisierungsschaltung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 8 zeigt ein elektrisches Schaltbild der Druckkopftemperatur- Stabilisierungsschaltung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 9 zeigt eine Kennlinie des Verlaufs der Zeit ton, in der dem zusätzlichen Widerstand zum Erhitzen des Substrats Energie zugeführt wird, als Funktion der Betriebsenergie, die den Ausstoßwiderständen zugeführt wird, für die Schaltung in Fig. 8.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Der Tintenstrahldruckkopf gemäß der vorliegenden Erfindung hat zusätzlich zu den Ausstoßwiderständen einen zusätzlichen Widerstand 11 (in Fig. 2 zu sehen), der auf demselben Halbleitersubstrat durch Ablagerung eines Films, im allgemeinen aus Aluminium (aber möglicherweise auch aus einer Kupfer/Aluminium- Legierung), hergestellt wird, wobei zu diesem Zweck einer der Schritte des üblichen Druckkopfherstellungsprozesses angewendet wird. Nach dem Stand der Technik sind die Leiter, die die Ausstoßwiderstände verbinden, im allgemeinen aus Aluminium, Kupfer oder einer Aluminium/Kupfer-Legierung hergestellt, wohingegen die Ausstoßwiderstände selbst üblicherweise aus Tantalum/Aluminium oder aus Hafniumboriden hergestellt sind.
Der zusätzliche Widerstand 11 kann als Streifen einer vorbestimmten konstanten Dicke und Breite ausgebildet sein, der entlang des Umfangs des Substrats angeordnet ist, und möglicherweise nach bekannten Methoden mit Serpentinenbereichen versehen sein, um seine Gesamtlänge zu vergrößern, um so an seinen Enden, die mit zwei Elektroden verbunden sind, einen Widerstandswert aufzuweisen, der, wenn er entsprechend versorgt wird, in der Lage ist, eine elektrische Leistung von zwischen z. B. 1 und 10 Watt, vorzugsweise von in etwa 5 Watt, zu verbrauchen.
Wie bekannt ist, ist der Koeffizient der Veränderung des Widerstands von Aluminium, Kupfer oder Kupfer/Aluminium-Legierungen mit der Temperatur positiv und vergleichsweise hoch, z. B. zwischen 0,3 und 1,0%/ºC. Andererseits hat Tantalum/Aluminium einen Koeffizienten der Veränderung des Widerstandes mit der Temperatur, der negativ und vergleichsweise niedrig ist, z. B. in etwa 0,017%/ºC, wohingegen der Koeffizient von Hafniumboriden im wesentlichen Null ist.
Das Wählen von Aluminium, Kupfer oder Kupfer/Aluminiumlegierungen als Material für den zusätzlichen Widerstand 11 erklärt sich durch die Tatsache, daß er so, wie er ist, sowohl zum Erhitzen des Substrats durch Joule-Effekt infolge eines Stroms, der veranlasst wird, durch den Widerstand selbst zu fließen, als auch als ein Mittel zum Feststellen der Substrattemperatur TS unter Ausnutzung der Veränderungen seines Widerstandswertes entsprechend der Veränderung der Temperatur verwendet werden kann. Er wird geometrisch derart angeordnet, daß er in der Lage ist, die Durchschnittstemperatur für das gesamte Substrat mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu messen.
Fig. 2 zeigt die elektrische Schaltung, die gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um die Substrattemperatur TS zu stabilisieren. Man beachte, daß, während der zusätzliche Widerstand 11 notwendigerweise einen Teil des Kopfes bildet (oder besser, der auf dem Substrat integrierten Schaltung), alle anderen in Fig. 2 gezeigten Einrichtungen oder elektronische Komponenten entweder einen Teil desselben Kopfes bilden oder einen Teil der Elektroniksteuerung des Druckers bilden können, ohne in irgendeiner Weise den Betrieb der Schaltung zu beeinträchtigen, sondern einfach die günstigste Option aufgrund von technologischen und ökonomischen Betrachtungen darstellt.
Mit der Bezugsziffer 10 ist in der Schaltung in Fig. 2 eine Konstantstromquelle I mit einem Wert ic bezeichnet. In der selben Figur bezeichnet RA den Widerstandswert des zusätzlichen Widerstands 11, S bezeichnet einen Schalter 12 (elektronisch, elektromechanisch oder mechanisch), 13 einen Differenzialverstärker und 14 einen Univibrator. Alle diese elektronischen Komponenten und Einrichtungen sind dem Fachmann bekannt und eine detaillierte Beschreibung ist hierin nicht vorgesehen.
Die Funktionsweise der in Fig. 2 gezeigten Schaltung in dem Zustand, in dem der Druckkopf in Betrieb ist, jedoch nicht druckt, wird im folgenden in Bezug auf Fig. 3a beschrieben. Zuerst ist die Spannung Vu (durch Kennlinie 23 angegeben) an einem Ausgang 17 des Univibrators 14 "high", folglich bleibt der Schalter 12 geschlossen (die Ausdrücke "high" und "low" werden hier im Sinne der üblichen Beschreibung von Logikschaltungen verwendet) und der konstante Strom ic kann durch den zusätzlichen Widerstand 11 fließen. Der durch den zusätzlichen Widerstand 11 fließende Strom ic erzeugt an seinen Anschlüssen einen Spannungsabfall Vi (durch die Kennlinie 22 angegeben) und erhitzt durch den Joule-Effekt auch das Substrat, so daß die Temperatur TS steigt.
Der Differenzialverstärker 13 vergleicht den Wert Vi des Spannungsabfalls an den Anschlüssen des Widerstands 11, der an einem seiner negativen Eingänge 15 anliegt, mit einer Referenzspannung Vref an einem seiner positiven Eingänge 16 (durch die durchgezogene Linie 1 angegeben), die in Abhängigkeit der Hitzestabilisierungs-Solltemperatur gewählt wurde. Zuerst ist Vi niedriger als Vref und der Differenzialverstärker 13 hält den Univibrator 14 gesperrt, so daß sein Ausgang 17 "high" bleibt. Wenn jedoch die Substrattemperatur TS infolge der durch den zusätzlichen Widerstand 11 erzeugten Hitze zunimmt, nimmt der Widerstandswert RA des Widerstands 11 zu, und entsprechend nimmt auch Vi zu, bis Vi = Vref ist und der Differenzialverstärker 13 den Univibrator 14 triggert.
Auf diese Weise wird der Ausgang des Univibrators 14 "low", so daß der Schalter 12 veranlasst wird, für eine bestimmte Zeit toff 28, die für den Univibrator 14 charakteristisch ist, zu öffnen, und das Fließen des Stroms ic durch den zusätzlichen Widerstand 11 und den resultierenden Substrat-Heizeffekt zu unterbrechen.
Am Ende der Zeit toff 28, wenn der Wert Vi des Spannungsabfalls an den Anschlüssen des Widerstands 11 in der Zwischenzeit infolge der natürlichen Abkühlung des Substrats und des zusätzlichen Widerstands 11 mit der resultierenden Verringerung des Widerstandswerts RA wieder niedriger als der Referenzspannungswert Vref geworden ist, deaktiviert der Differenzialverstärker 13 wieder den Univibrator 14, so daß sich der Schalter 12 wieder schließt und ein neuer Substrat-Heizzyklus für eine Zeit ton 29 beginnt. In Fig. 3a sind die Kennlinien 22 und 23 der Spannungen Vi und Vu jeweils als Funktion der Zeit dargestellt, die die wiederholten Sequenzen der Öffnungs- und Schließzyklen des Schalters S darstellen, durch die die Temperatur TS des Substrats und dadurch die des Druckkopfes bei gleichbleibenden Betriebsbedingungen im wesentlichen konstant gehalten wird, und die im wesentlichen konstant übereinstimmende Zeiten ton 29 und toff 28 haben.
Der Stabilisierungswert der Substrattemperatur TS wird durch den Referenzspannungswert Vref festgelegt, wobei dieser Wert so dimmensioniert ist, daß ein sauberes Betreiben des Druckkopfes sowohl hinsichtlich der Druckqualität als auch der Zuverlässigkeit gewährleistet ist.
Es wird die Situation untersucht, bei der, nachdem sich entsprechend der vorher beschriebenen Arbeitsweise gleichbleibende Temperaturbedingungen eingestellt haben, wenn nicht gedruckt wird, der Druckvorgang durch Betreiben des Druckkopfes ausgeführt wird, d. h. durch Ausstoßen von Tintentropfen von den Düsen infolge des wahlweise Erhitzen des Ausstoßwiderstandes. Unter diesen Bedingungen wird die Funktionsweise der in Fig. 2 gezeigten Schaltung nachfolgend auch in Bezug auf Fig. 3b beschrieben.
Die den Widerständen zugeführte Energie, die die Menge übersteigt, die erforderlich ist, um einen Tropfen zu bilden und auszustoßen, hat wiederum ein Erhitzen des Substrats zur Folge, das sich mit dem durch den zusätzlichen Widerstand 11 verursachten Erhitzen summiert. Dadurch verkürzt sich die Zeit ton 29, während der der Strom ic durch den Widerstand 11 fließt, wodurch jedoch nicht die Zeit toff 28 verändert wird, die einzig durch die Eigenschaften des Univibrators 14 festgelegt ist und in Abhängigkeit der maximal zulässigen Veränderung (bekannt als "ripple") des Substrattemperaturwertes TS bei gleichbleibenden Bedingungen ausgewählt ist, wobei die thermische Zeitkonstante des Druckkopfes in Betracht gezogen wird. Die maximal zulässige Veränderung der Temperatur TS bei gleichbleibenden Bedingungen kann sich in einem Bereich hinreichend niedriger Werte bewegen, da geringfügige Auswirkungen auf das gesamte thermische Verhalten des Druckkopfes in Betracht gezogen werden müssen. Zum Beispiel kann die Schaltung in Fig. 2 so dimensioniert sein, daß sich eine maximale Veränderung der Temperatur TS von in etwa 1ºC ergibt.
Mit anderen Worten, während des Druckvorgangs versorgt der zusätzliche Widerstand 11 das Substrat mit der Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur bei gleichbleibenden Bedingungen zu erreichen, zusätzlich zur Menge, die den Ausstoßwiderständen zugeführt wird. In Fig. 3b sind die Wellenformen 24 und 25 der Spannungen Vi und Vu jeweils als Funktion der Zeit, in der der Druckvorgang stattfindet, dargestellt, die die wiederholten Sequenzen der Öffnungs- und Schließzyklen des Schalter 12 darstellen, die es ermöglichen, daß die Substrattemperatur TS unter gleichbleibenden Bedingungen während des Druckvorgangs im wesentlichen konstant bleibt.
Fig. 4 zeigt die elektrische Schaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die verwendet wird, um die Substrattemperatur TS zu stabilisieren, wobei für gleiche Vorrichtungen dieselben Bezugsziffern wie in Fig. 2 verwendet werden. Die Spannung Vi am positiven Eingang 16 des Differenzialverstärkers 13 wird von einer Versorgungsspannung V über einen Spannungsteiler zugeführt, der von dem zusätzlichen Widerstand 11 und einem zweiten Widerstand 19 gebildet wird, der über einen Transistor 18, z. B. des MOS Typs, der von der Spannung Vu am Ausgang 17 des Univibrators 14 gesteuert wird, mit Erde verbunden ist. Der Transistor 18 hat dieselbe Funktion wie der Schalter 12 in Fig. 2, durch den es möglich ist, daß der Strom in dem zusätzlichen Widerstand 11 nur dann fließt, wenn die Spannung Vu am Ausgang 17 des Univibrators 14 "high" ist.
Der zweite Widerstand 19 mit einem Widerstandswert R umfasst einen auf dem Substrat abgeschiedenen Widerstand, der unabhängig vom Ausstoßwiderstand ist, jedoch die selbe Zusammensetzung wie der Letztere hat, d. h. sie sind durch Ablagern eines Films aus Aluminium/Tantalum oder Hafniumborid hergestellt. Folglich weist er in Bezug auf Temperaturschwankungen eine beträchtliche Stabilität auf. Wenn der Transistor 18 leitet, trägt auch der zweite Widerstand 19 zum Erhitzen des Substrats bei, so daß die Reaktionsgeschwindigkeit des Systems zunimmt und die Stabilisierungszeit der Temperatur TS abnimmt.
Die Funktionsweise der Schaltung in Fig. 4 ist im wesentlichen der, im vorangegangenen beschriebenen der Schaltung in Fig. 2 ähnlich. Der Kürze halber ist eine detaillierte Beschreibung nur für den Fall, daß der Druckvorgang nicht stattfindet, in Bezug auf Fig. 5 vorgesehen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Wellenformen der Spannungen Vi und Vu jeweils durch die Kennlinien 26 und 27 dargestellt sind.
Zuerst, wenn der Transistor 18 leitend ist, fließt durch den zusätzlichen Widerstand 11 mit einem Widerstandswert RA ein Strom von
i = V/(RA + R) (1)
(der Leitungskanal-Widerstandswert des Transistors 18 wird vernachlässigt), und der Wert der Spannung Vi am Eingang 16 des Differenzialverstärkers 13 ist gegeben durch
Vi = V R/(RA + R) (2);
wenn der Transistor 18 nicht leitend ist, entspricht Vi im wesentlichen V.
Da die Temperatur TS des Substrats infolge des Erhitzens durch den Strom i, der sowohl durch den Widerstand 11 als auch durch den Widerstand 19 fließt, ansteigt, nimmt der Widerstandswert RA des zusätzlichen Widerstands 11 zu und die Spannung Vi nimmt folglich ab.
Wenn der Wert der Spannung Vi einen Punkt erreicht, an dem er gleich der Referenzspannung Vref (angegeben durch die durchgezogene Linie 2) am Eingang 15 des Differenzialverstärkers 13 ist, triggert der Differenzialverstärker 13 den Univibrator 14. Dadurch wird der Ausgang 17 des Univibrators 14 "low", wodurch der Transistor 18 angewiesen wird, das Leiten für eine vorbestimmte Zeit toff 28, die für den Univibrator charakteristisch ist, zu unterbrechen, und das Fließen des Stromes i durch den zusätzlichen Widerstand 11 und den zweiten Widerstand 19 und den resultierenden Substrat-Aufheizeffekt zu unterbrechen.
Am Ende der Zeit toff 28, wenn der Wert der Spannung Vi infolge der natürlichen Abkühlung des Substrats und der Widerstände 11 und 19 mit der resultierenden Abnahme des Widerstandswerts RA des Widerstands 11 wieder größer als der Referenzspannungswert Vref geworden ist, deaktiviert der Differenzialverstärker 13 wieder den Univibrator 14, wodurch der Transistor 18 leitend wird und ein neuer Substraterwärmungs-Zyklus für eine Zeit ton 29 beginnt. In Fig. 4 sind die Wellenformen 26 und 27 der Spannungen Vi und Vu jeweils als Funktion der Zeit gezeigt, die die wiederholte Sequenz dieser Leit- und Unterbrechungszyklen des Transistors 18 darstellen, durch die die Temperatur TS des Substrats und folglich die des Druckkopfes bei gleichbleibenden Betriebsbedingungen im wesentlichen konstant gehalten wird, und für die die entsprechenden Zeiten ton 29 und toff 28 im wesentlichen konstant sind.
Fig. 6 zeigt die elektrische Schaltung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die verwendet wird, um die Substrattemperatur TS zu stabilisieren. Sie unterscheidet sich von der oben beschriebenen dadurch, daß die Referenzspannung Vref am Eingang 15 des Differenzialverstärkers 13 nicht konstant ist, sondern von einem Mikroprozessor 20 ermittelt wird, der sich vorzugsweise außerhalb des Druckkopfes befindet und einen Teil der elektronischen Steuerung des Druckers bildet.
Diese dritte Ausführungsform kann verwendet werden, um den Anforderungen beim Bestimmen von verschiedenen Druckkopf-Betriebstemperaturen gerecht zu werden, die durch bestimmte Druckkopf-Betriebsbedingungen vorgegeben sind, z. B.: Veränderungen der Tropfenausstoßfrequenz und somit der Druckgeschwindigkeit, oder Veränderungen der Druckdichte der Elementarpunkte mit der resultierenden Notwendigkeit, das Tropfenvolumen und somit den Durchmesser der Elementarpunkte zu verändern. Die Funktionsweise der Schaltung in Fig. 6 ist mit der bereits beschriebenen der Schaltung in Fig. 4 identisch und eine ausführliche Erläuterung ist deshalb nicht erforderlich.
Fig. 7 zeigt die elektrische Schaltung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung, die verwendet wird, um die Substrattemperatur TS zu stabilisieren. Sie unterscheidet sich von denen, die im Vorangegangenen beschrieben wurden, dadurch, daß alle Funktionen, die durch den Differenzialverstärker 13 und durch den Univibrator 14 ausgeführt werden, hier von dem Mikroprozessor 20 ausgeführt werden, der seine eigenen internen Funktionen entsprechend bekannter Verfahren auf diesem Gebiet verwendet. Die allgemeine Funktionsweise der Schaltung in Fig. 7 ist im Hinblick auf die schon beschriebene der Schaltung in Fig. 4 unverändert, so daß hier auf eine spezielle Betrachtung verzichtet wird.
Um nun auf die Schaltung in Fig. 4 zurückzukommen (aber ähnliche Betrachtungen sind auch auf die anderen, schon beschriebenen Schaltungen in Fig. 6 und 7 anwendbar), muß ein spezieller Aspekt der Widerstände 11 und 19 herausgestellt werden: Ihre Widerstandswerte RA und R sind das Ergebnis einer Reihe von Faktoren, die mit dem verwendeten Material und dem Herstellungsprozess, der angewendet wird, um sie herzustellen, in Verbindung stehen, so daß möglicherweise auch nicht unerhebliche Veränderungen der Widerstandswerte RA und R, die auf die Herstellungstoleranzen und die verwendeten Materialien zurückzuführen sind, in der industriellen Praxis entstehen können.
Die Streuung der Widerstandswerte RA und R in unterschiedlichen Druckköpfen hat bei gleichen Substrattemperaturbedingungen unterschiedliche Werte für Vi zur Folge, wenn der Transistor 18 leitend ist, wie in der obigen Funktionsgleichung (2) zu sehen ist. Dieser Unterschied bei den Werten der Spannung Vi würde ein Stabilisieren der Substrattemperatur TS zur Folge haben, bei Werten, die sich möglicherweise von Kopf zu Kopf sogar beträchtlich unterscheiden. Das Selektieren der hergestellten Köpfe wäre dann unvermeidbar, wobei ein Teil von ihnen ausgemustert werden müßte, und somit Probleme bei den Kosten und der Produktivität entstehen würden.
Dieses Selektieren kann vermieden werden, wenn von der Überlegung ausgegangen wird, daß, wenn die Referenzspannung Vref von Kopf zu Kopf dem eigentlichen spezifischen Wert der Widerstände RA und R angepasst wird, es dann möglich ist, die Streuung im Bereich der Vi-Werte automatisch zu kompensieren und somit einen im wesentlichen gleichen Stabilisierungswert für die Temperatur TS für jeden Kopf zu erhalten, ungeachtet des Streubereichs der Widerstandswerte RA und R. Die Schaltungen in Fig. 6 und 7 sind geeignet, mit einer geringfügigen Veränderung, ein Verfahren zu schaffen, welches diese Anpassung ermöglicht.
Das Anpassen der Werte Vref an die spezifischen Eigenschaften des Druckkopfes, der in dem Drucker eingesetzt ist, kann durch eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie durch die Schaltung in Fig. 8 gezeigt, erreicht werden, in der der Mikroprozessor 20 auch einen Wert Va des Ausgangs 9 des Differenzialverstärkers 13 steuert. Durch diese Schaltung ist es möglich, den Mikroprozessor 20 zu verwenden, um automatisch das Einstellen des Referenzspannungswertes Vref als Funktion der eigentlichen Werte von RA und R Kopf für Kopf durchzuführen, wobei die Arbeitsschritte wie folgt sind:
- wenn der Drucker eingeschaltet wird, oder wenn der Kopf, der in den Drucker eingesetzt ist, ausgetauscht wird, stellt der Mikroprozessor 20 einen Wert Vref0 für die Referenzspannung ein, der höher als der maximale Wert ist, den die Spannung Vi erreichen kann, wenn der Transistor 18 leitend ist, der jedoch niedriger ist als V. Der maximale Wert für Vi ist durch die maximal zulässige Betriebstemperatur des Druckkopfs und durch den größten Herstellungstoleranzbereich der Widerstandswerte RA und R, und durch die Spannung V, die den Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 11 und 19, versorgt, festgelegt. Unter diesen Bedingungen (nämlich mit einer Spannung Vi am positiven Eingang 16 des Differenzialverstärkers 13, die noch niedriger ist als die Spannung Vref0 am negativen Eingang 15, wenn der Univibrator 14 deaktiviert ist und der Transistor 18 leitend ist), ist die Schaltung in Fig. 8 instabil und der Univibrator 14 erzeugt eine Sequenz von Pulsen einer Dauer toff ohne Unterbrechung, jedoch mit einer Periodendauer von ton/min, die der Zeit entspricht, die für das elektrische Signal erforderlich ist, sich durch die Kette, bestehend aus Diffenzialverstärker 13, Univibrator 14 und Transistor 18, auszubreiten.
- anschließend wird die Referenzspannung Vref nach und nach verringert, bis ein Wert Vref1 erreicht ist, bei dem die Zeit ton beginnt, hinsichtlich des vorher beschriebenen minimalen Wertes ton/min zuzunehmen, und das genau an der Stelle, an der der spezifische Wert Vi für den Kopf größer als Vref1 ist, wenn der Transistor 18 leitend ist.
Der Wert Vref wird von dem Mikroprozessor uP als die Referenzspannungs- Einstellung für diesen bestimmten Kopf angenommen. Wenn der Drucker zusätzlich mit einer Umgebungstemperatur-Meßvorrichtung 21 versehen ist, kann der Einstellwert Vref bezüglich zur Umgebungstemperatur eingestellt werden, so daß der Mikroprozessor 20 mit einer dem Fachmann bekannten internen Prozedur in der Lage ist, die spezifischen Einstellwerte Vref1, die für jeden Druckkopf angenommen werden sollen, ungeachtet der Umgebungstemperatur zu berechnen.
Praktische Anwendungen erfordern es, den Wert Vref1 oder vorzugsweise einen etwas niedrigeren Wert als diesen, der aber dennoch von dem Mikroprozessor 20 ermittelt wurde, als den eigentlichen Wert für Vref zu verwenden, so daß das System gezwungen ist, auf einen Solltemperaturwert zu stabilisieren.
Die in Fig. 8 gezeigte Schaltung ist auch geeignet, wieder durch Ausnutzen der Arbeitskapazität des Mikroprozessors 20, einen weiteren positiven Effekt zu liefern, durch den es möglich ist, das bereits erwähnte Problem des Versorgens der Ausstoßwiderstände mit der für das Ausstoßen von Tropfen mit einem unveränderlichen Volumen benötigten minimalen Energie zu lösen.
Mit anderen Worten, die Schaltung in Fig. 8 kann verwendet werden, um ein Verfahren zum Bestimmen eines im wesentlichen geschätzten Wertes für die Knieenergie Eg (Fig. 1), die für jeden Druckkopf charakteristisch ist, und folglich zum Ermitteln eines Wertes für die Energie El (energetischer Arbeitspunkt), größer als Eg, um eine Menge, die einerseits notwendig ist, um zu gewährleisten, daß den Ausstoßwiderständen nicht zuviel Energie zugeführt wird, um nicht zu einem übermäßigen Erhitzen des Substrats beizutragen und um nicht gezwungen zu sein, die Kopftemperatur auf einen zu hohen Wert zu stabilisieren, mit dem Risiko des Verkürzen der Haltbarkeit der Ausstoßwiderstände, zu definieren. Andererseits beseitigt diese Menge auch das Risiko, im Bereich der Kennlinie 3 in Fig. 1 arbeiten zu müssen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß sich das Volumen der ausgestoßenen Tropfen mit der Energie verändert und das Ausstoßen selbst dem Zufall überlassen sein kann.
Diese positive Wirkung wird durch das folgende Betriebsverfahren erreicht, das auf Fig. 8 angewendet wird, und in Bezug auf die in Fig. 9 dargestellte Kurve 4 dargestellt ist, die annähernd und in graphischer Darstellung den Verlauf der Zeit ton des Leitens des Transistors 18 zeigt, wenn sie über der den Ausstoßwiderständen zugeführten Energie E aufgezeichnet ist:
- wenn die thermische Stabilisierung des Kopfes einmal erreicht wurde, wenn nicht gedruckt wird, wird der Druckvorgang durch Versorgen aller Ausstoßwiderstände mit einer Energie E, die Eg (Fig. 1) weit übersteigt, simuliert: Dies kann z. B. durch Verändern der Zeit, während der an ihren Anschlüssen über die Steuertransistoren Spannung anliegt, durchgeführt werden. Als Folge der beträchtlichen Menge an Hitze, die von den Ausstoßwiderständen im Substrat erzeugt wurde, wird die Zeit ton, während der der Transistor 18 leitend ist, beträchtlich abnehmen. Dieser Wert wird als der Referenzwert tonr (Punkt 30 in Fig. 9) angenommen.
- die Menge an Energie E, die den Ausstoßwiderständen zugeführt wird, wird dann nach und nach reduziert, z. B. durch Einwirken auf die Steuertransistoren, um die Zeit zu reduzieren, während der an den Widerständen Spannung anliegt: Die Temperatur-Stabilisierungsschaltung reagiert auf die reduzierte Menge an Hitze, die von den Ausstoßwiderständen im Substrat erzeugt wurde, mit einer allmählichen Zunahme der Leitzeit ton des Transistors 18 ab dem Referenzwert tonr.
- wenn die Energiemenge E, die den Ausstoßwiderständen zugeführt wird, weiterhin verringert wird, wird ein Punkt erreicht, an dem die Energie niedriger ist als die Knieenergie Eg (Fig. 1). Unter diesen Bedingungen verursacht bei Erreichen des instabilen Tropfenausstoß-Arbeitsbereichs das reduzierte Volumen der ausgestoßenen Tropfen und die Zufälligkeit des Ausstoßens einen erneuten Anstieg der Hitzemenge, die von den Ausstoßwiderständen im Substrat infolge der Zunahme in dem Bereich der den Widerständen zugeführten Energie, der kein Ausstoßen von Tropfen erzeugt, jedoch statt dessen die Temperatur des Substrats erhöht. Folglich nimmt die Leitzeit ton des Transistors 18 nicht mehr zu und beginnt abzunehmen, da ein geringerer Beitrag der Schaltung in Fig. 8 zum Halten der Kopftemperatur auf einem konstanten Wert erforderlich ist. Diese Umkehrung wegen der Veränderung der Zeit ton ergibt einen maximalen Wert tong, durch Punkt 31 in Kurve 4 angegeben.
Der den Ausstoßwiderständen zugeführte Wert der Arbeitsenergie, der dem Wert tong der Zeit entspricht, in der durch das Wirken der Steuertransistoren an den Anschlüssen der Ausstoßwiderstände Spannung anliegt, entspricht wiederum diesem maximalen Punkt 31, der im wesentlichen den Wert der Knieenergie Eg darstellt. Wenn der Wert Eg einmal für einen bestimmten Kopf und eine bestimmte Umgebungstemperatur bestimmt wurde, ist der Mikroprozessor 20 der Schaltung in Fig. 8 in der Lage, den optimalen Wert El und einen Wert Vref (durch dem Fachmann bekannte interne Prozeduren) einzustellen, die zum Stabilisieren der Temperatur des Kopfes auf einer minimal zulässigen Höhe geeignet sind.
Der optimale Wert von El kann um eine bestimmte Menge größer sein als Eg, entsprechend einem vorgegebenem Prozentsatz von Eg selbst, z. B. einer Menge von zwischen 2 und 50% des Wertes, der für Eg festgesetzt wurde, und vorzugsweise 5% von Eg ist.
Natürlich kann das im Vorangegangen beschriebene Verfahren zum Bestimmen des Eg-Wertes (und des resultierenden Festlegens des optimalen Wertes für El) jedes Mal durchgeführt werden, wenn der Druckkopf ausgetauscht wird oder auch jedesmal, wenn der Drucker, in dem der Kopf sitzt, eingeschaltet wird oder zu jedem anderen Zeitpunkt, an dem der Mikroprozessor 20 programmiert ist, es durchzuführen.
Der Fachmann auf diesem Gebiet kann einfach Varianten oder Veränderungen am oben beschriebenen Tintenstrahldruckknopf und dem Arbeitsverfahren vornehmen, ohne den Schutzumfang dieser Erfindung zu verlassen.
Zum Beispiel kann ein Druckknopf mit einer unterschiedlichen Reihe von integrierten Komponenten verwendet werden, z. B. umfaßt einer nicht nur die MOS Steuertransistoren, sondern auch Schaltungen des logischen Typs (Schieberegister, Decoder usw.).
Darüber hinaus kann der Druckknopf des austauschbaren Typs sein, der auf einem Schlitten sitzt, der über die gesamte Breite des Papierblatts fährt, auf dem gedruckt wird, oder des starren Typs sein, der Tintentropfen entlang der gesamten Breite des Blattes (Zeilenkopf) ausstoßen kann.
Es ist auch möglich, z. B. Druckknöpfe für Schwarz- und Farbdruck zu verwenden, bei denen die Tintenbehälter anstatt im Kopf integriert (dieser Typ von Druckkopf ist bekannt als "monoblock") bewegbar und austauschbar sind, so daß, wenn sie einmal leer sind, nur der Behälter und nicht der gesamte Druckkopf ausgetauscht werden muß ("wiederauffüllbare" Köpfe). Kurzum können, solange am Prinzip der Erfindung festgehalten wird, Details und die Art der im Vorangegangen beschriebenen und dargestellten Ausführungsform weitgehend modifiziert werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Stabilisieren der thermischen Betriebszustände eines Tintenstrahldruckkopfes, nach der Art umfassend:

wenigstens einen Ausstoßwiderstand, der auf einem Halbleitersubstrat zum Ausstoßen von Tintentröpfchen integriert ist;

wenigstens einen zweiten Widerstand (11), der auf dem Substrat zum Erhitzen des Substrats integriert ist, wobei der zweite Widerstand einen bestimmten Widerstandswert (RA) hat, der entsprechend der Temperatur (TS) des Substrats variabel ist;

erste Energieversorgungsmittel (18), die wahlweise zum Versorgen mit Energie wenigstens des zweiten Widerstands (11) des Druckkopfes steuerbar sind;

eine elektronische Vorrichtung mit einer Differentialverstärker-Schaltung (13) und einer Univibrator-Schaltung (14), wobei der Differentialverstärker einen ersten Eingang (15), der mit einer Referenzspannung (Vref) eines bestimmten Werts zwischen einer minimalen Spannung und einer maximalen Spannung verbunden ist, und einen zweiten Eingang (16), der mit einer zweiten Spannung (Vi) eines variablen Werts verbunden ist, wobei der variable Wert proportional zum elektrischen Widerstandswert (RA) wenigstens des zweiten Widerstands (11) ist, hat;

wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist, um den bestimmten Wert der Referenzspannung (Vref) zu bestimmen:

- wahlweises Steuern der ersten Energieversorgungsmittel gemäß einer Folge von Zyklen, aufweisend einen ersten Schritt zum Zuführen der Energie für einen ersten Zeitabschnitt (29) von variabler Dauer, gefolgt von einem zweiten Schritt zum Nicht-Zuführen der Energie für einen zweiten Zeitabschnitt (28) von konstanter, bestimmter Dauer;

- Bringen des Wertes der Referenzspannung (Vref) auf die maximale Spannung, so daß der erste Zeitabschnitt (29) von variabler Dauer im wesentlichen Null ist;

- allmähliches Reduzieren des Wertes der Referenzspannung hinsichtlich der maximalen Spannung auf einen ersten Spannungswert, bei dem der erste Zeitabschnitt von variabler Dauer (29) nicht mehr im wesentlichen Null ist; und

- Annehmen des ersten Spannungswertes als den bestimmten Wert der Referenzspannung (Vref).

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend die Schritte:

- Messen eines Wertes der Umgebungstemperatur;

- Korrelieren des ersten Spannungswertes der Referenzspannung (Vref) mit dem Wert der Umgebungstemperatur zum Bestimmen des bestimmten Wertes der Referenzspannung.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin den Schritt des automatischen Einstellens des energetischen Arbeitspunktes (El) des wenigstens einen Ausstoßwiderstandes aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellschritt die Schritte aufweist:

- Vorsehen von zweiten Energieversorgungsmitteln zum wahlweise Versorgen wenigstens des Ausstoßwiderstands mit einer Betriebsenergie (E), die zwischen einem maximalen Energiewert und Null variabel ist;

- Versorgen des wenigstens einen Ausstoßwiderstandes mit der Betriebsenergie eines Wertes, der dem maximalen Energiewert entspricht, so daß sich der Wert des ersten Zeitabschnitts (29) von variabler Dauer bis zu einem minimalen Zeitwert (30) verringert;

- allmähliches Verringern der Betriebsenergie (E), mit der der wenigstens eine Ausstoßwiderstand hinsichtlich des maximalen Energiewertes versorgt wird, so daß der Wert des ersten Zeitabschnitts (29) variabler Dauer hinsichtlich des minimalen Zeitwertes (30) zunimmt;

- allmähliches weiteres Verringern der Betriebsenergie, mit der der wenigstens eine Ausstoßwiderstand versorgt wird, bis ein erster Energiewert (Eg) erreicht ist, derart daß der Wert des ersten Zeitabschnitts (29) variabler Dauer nicht mehr zunimmt und statt dessen beginnt abzunehmen; und

- Annehmen des um eine bestimmte Höhe angestiegenen ersten Energiewertes (Eg) als den Wert (El) der Betriebsenergie, mit der wenigstens der Ausstoßwiderstand versorgt werden muß.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Höhe zwischen 2% und 50% des ersten Energiewertes (Eg) beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der zweite Widerstand (11) aus einem Material mit einem positiven Koeffizienten der Veränderung des Widerstandes mit der Temperatur mit einem Wert zwischen 0.3 und 1.0%/º hergestellt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens zweite Widerstand (11) aus einem Material hergestellt ist, das aus einer Gruppe, bestehend aus Kupfer, Aluminium, und Aluminium/Kupfer- Legierungen, ausgewählt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens zweite Widerstand (11) das Substrat durch Verbrauch an elektrischer Energie zwischen 1 und 10 Watt erhitzt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Energieversorgungsmittel wenigstens einen auf dem Halbleitersubstrat integrierten MOS Transistor (18) aufweisen.

10. Verfahren zum automatischen Einstellen des energetischen Arbeitspunktes (El) eines Tintenstrahldruckkopfes, umfassend:

- Ausstoßwiderstände, die auf einem Halbleitersubstrat integriert sind;

- wenigstens einen Heizwiderstand (11) mit einem bestimmten elektrischen Widerstandswert (RA), der zum Erhitzen des Substrats auf dem Substrat integriert ist;

- erste Energieversorgungsmittel (18) zum wahlweise Versorgen des Heizwiderstandes mit der Energie (E),

- Steuermittel (20) zum Steuern der ersten Energieversorgungsmittel (18) gemäß einer Folge von Zyklen, aufweisend einen ersten Schritt zum Versorgen mit Energie für einen ersten Zeitabschnitt (29) von variabler Dauer, gefolgt von einem zweiten Schritt des Nicht-Versorgens mit Energie für einen zweiten Zeitabschnitt (28) von konstanter, bestimmter Dauer; und

- zweite Energieversorgungsmittel zum wahlweise Versorgen des Ausstoßwiderstandes mit einer Betriebsenergie (E), die variabel zwischen einem maximalen Energiewert und Null ist;

das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

- Stabilisieren der Temperatur (TS) des Druckkopfes mittels der Steuermittel;

- Versorgen der Ausstoßwiderstände mit der Betriebsenergie eines Wertes, der dem maximalen Energiewert entspricht, so daß sich der Wert des ersten Zeitabschnitts (29) variabler Dauer auf einen minimalen Zeitwert (30) verringert;

- allmähliches Verringern der Betriebsenergie (E), mit der die Ausstoßwiderstände hinsichtlich des maximalen Energiewertes versorgt werden, so daß der erste Zeitabschnitt (29) variabler Dauer zum Versorgen des Heizwiderstandes mit Energie (E) hinsichtlich des minimalen Zeitabschnitt-Wertes (30) zunimmt;

- allmähliches weiteres Verringern der Betriebsenergie, mit der die Ausstoßwiderstände versorgt werden, bis eine erster Energiewert (Eg) erreicht ist, so daß erste Zeitabschnitt variabler Dauer nicht mehr zunimmt und statt dessen beginnt, abzunehmen; und

- Annehmen des um eine bestimmte Höhe angestiegenen ersten Energiewertes (Eg) als den Wert (El) der Betriebsenergie (E), mit der die Ausstoßwiderstände versorgt werden müssen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Höhe zwischen 2% und 50% des ersten Energiewertes beträgt.