DE69818719T2

DE69818719T2 - Tintenstrahldruckkopf für die Modulation der Tröpfchengrösse

Info

Publication number: DE69818719T2
Application number: DE69818719T
Authority: DE
Inventors: Robert Wilson Lexington Cornell; Jack william Lexington Morris; Lawrence Russell Lexington Steward; Steven Robert Lexington Komplin; James Harold Lexington Powers
Original assignee: Lexmark International Inc
Current assignee: Lexmark International Inc
Priority date: 1997-01-24
Filing date: 1998-01-26
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2018-01-27
Also published as: EP0855277A2; EP0855277A3; EP0855277B1; US6020905A; KR100504973B1; DE69818719D1; TW419424B; CN1190620A; US6079811A; KR19980070728A; JPH10315475A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Tintenstrahldruckvorrichtungen und spezieller Tintenstrahldruckkopfvorrichtungen zur Tropfengrößenmodulation, wobei eine Tintentropfengröße selektiv variiert wird.
Standardmäßige thermische Tintenstrahldruckköpfe, die auf eine herkömmliche Weise betrieben werden, stoßen eine im Wesentlichen feste Tintenmasse aus jeder Düse aus.
Tropfenmassenmodulation, der Prozess, wo ausgestoßene Tintenmasse auf Verlangen variiert wird, kann die Qualität einer gedruckten Ausgabe wesentlich verbessern. Tintenstrahl- und andere anschlagsfreie Drucker sind wegen des Vermögens, an jeglicher Stelle auf einem Bogen von Papier einen Fleck zu erzeugen, zur Produktion von Halbton- und Rasterbildern lange als besonders gut geeignet betrachtet worden. Jedoch ist das Vermögen von Tintenstrahldruckern, Halbton- und Rasterbilder zu erzeugen, ziemlich begrenzt gewesen, was auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass die meisten Tintenstrahldruckköpfe nur Tröpfchen erzeugen können, die ein festes Volumen aufweisen. Infolgedessen sind durch solche Tröpfchen erzeugte Tintenflecken von einer festen Größe. Weiter verwenden Tintenstrahldruckköpfe typischerweise eine feste Auflösung, typischerweise 300–400 Punkte pro Inch oder niedriger, um Tröpfchen auf einem Bogen von Papier zu platzieren. Dies reicht nicht aus, um Rasterbilder zu erzeugen, die eine höhere Druckqualität erfordern.
Die Qualität von gedruckter Ausgabe kann auch durch erhöhte Druckauflösung verbessert werden, wobei die Anzahl von Tröpfchen pro Quadratinch erhöht wird, z. B. von einer 300 × 300 Punkte-pro-Inch-Matrix zu einer 600 × 600 Punkte-pro-Inch-Matrix. Eine Tropfenmassenmodulation wird häufig gegenüber erhöhter Druckauflösung bevorzugt. Dies ist deshalb der Fall, weil eine Tropfengrößenmodulation eine Druckkopfkompliziertheit nicht signifikant erhöht und weil sie eine kleinere Zunahme im Datenhandhabungsvermögen erfordert, als es eine vergleichbare Zunahme in der Druckauflösung erfordert. Dieser Unterschied im Datenhandhabungsvermögen wird häufig nicht entsprechend gewürdigt, und deshalb wird unten eine kurze theoretische Erörterung bereitgestellt, wobei die theoretischen Vorteile einer Tropfengrößenmodulation gegenüber erhöhter Druckauflösung hervorgehoben werden.
In ihrer einfachsten Form arbeiten digitale Druckmechanismen, indem sie ein Muster von Punktpositionen auf einem quadratischen Gitter auf der gedruckten Seite füllen. Information wird dargestellt, indem jeder Punktposition in einem R × R-Gitter ein einziges Byte dediziert wird. Das Symbol R bezeichnet Druckauflösung, die herkömmlicherweise durch die Anzahl von Punkten pro Inch auf einer Seite des Gitters beschrieben wird. Jedes Byte besteht aus einer ganzzahligen Anzahl von Bits. Jedes Bit b vermittelt einen von zwei möglichen Zuständen; folglich der Terminus binärer Zustand: b = 0 oder 1.
Jedes Byte B_k besteht aus k Bits, wobei k jegliche positive Ganzzahl sein kann: Bk = (b1, b2, ..., bk).
Ein Byte B_k weist zwei relevante Eigenschaften auf: die Anzahl N_k von Bits aus denen es besteht: Nk = N(Bk) = k,und die Anzahl S_k von möglichen Zuständen, die vermittelt werden: Sk = S(Bk) = 2k.
Folglich enthält ein Byte B₁ ein einziges Bit und vermittelt zwei Zustände; ein Byte B₂ enthält zwei Bits und vermittelt vier Zustände; und ein Byte B₃ enthält drei Bits und vermittelt acht Zustände und so weiter für größere Werte von k, wobei: B1 = (0) oder (1), B2 = (0,0) oder (0,1) oder (1,0) oder (1,1), B3 = (0,0,0) oder (0,0,1) oder (0,1,0) oder (0,1,1) oder (1,0,0) oder (1,0,1) oder (1,1,0) oder (1,1,1).
Standardmäßiges Schwarzweißdrucken (ohne Punktgrößenmodulation) erfordert ein B₁-großes Byte für jeden Punkt in dem Druckgitter. Folglich wird ein Volumen V₀ von Daten erfordert, um eine Gittereinheit zu drucken, wobei: V0 = N1 × R2 = R2
Wenn die Druckauflösung R um einen Faktor F erhöht wird, dann wird das erforderliche Datenvolumen pro Druckgittereinheit V1 = N1 × (FR)2, = F2R2, = F2V0
Folglich erhöht sich das Datenvolumen um einen multiplikativen Faktor F², wenn sich die Druckauflösung um einen Faktor F erhöht.
Angenommenen, dass sich als eine Alternative zu einer erhöhten Druckauflösung die Anzahl von druckbaren Punktzuständen M von zwei (Punkt oder Leerstelle) auf eine gewisse größere ganzzahlige Anzahl erhöht. Die zusätzliche Information wird dargestellt, indem die Größe des Byte erhöht wird, das jeder Position des Druckgitters zugeordnet ist. Das kleinste Byte, das M Punktzustände vermittelt, ist eines mit k Bits, wobei k die kleinste positive Ganzzahl ist, die die Ungleichung erfüllt M ≤ Sk = 2k.
Folglich, während die möglichen Zustände eines einfachen Punkts ohne Größenmodulation mit einem Byte B₁ (mit zwei Zuständen) vermittelt werden kann, kann der Zustand eines Punkts mit zwei oder drei möglichen Größen mit einem Byte B₂ (mit vier Zuständen) vermittelt werden. Das Datenvolumenerfordernis für Punktgrößenmodulation kann mit demjenigen eines standardmäßigen Schwarzweißdruckens verglichen werden. Das Datenvolumen V₂ pro Gittereinheit, das erforderlich ist, um Punkte mit M möglichen Zuständen zu drucken, ist gegeben durch V2 = Nk × R2, = kR2, = kV0,wobei k die kleinste positive Ganzzahl ist, die die obige Ungleichung erfüllt.
Folglich erhöht sich das Datenvolumen um einen multiplikativen Faktor k, wenn sich die Anzahl von Punktzuständen von zwei auf M bei fester Druckauflösung erhöht. Es ist lehrreich, das Datenvolumen V₂ direkt in Termini des Parameters M auszudrücken. Man erinnere sich, dass die Anzahl von Bits k die kleinste positive Ganzzahl ist, die die Ungleichung M ≤ 2^k erfüllt. Wenn wir den natürlichen Logarithmus von beiden Seiten der Ungleichung nehmen, erhalten wir log M ≤ k log 2.
Folglich können wir eine Substitution in der Formel für V₂ vornehmen: V2 = kV0 ≥ (log M/log 2) V0
Folglich kann gesagt werden, dass das Datenvolumen V₂, das die Hinzufügung von Punktzuständen M kennzeichnet, grob wie der natürliche Logarithmus von M ansteigt. Folglich wird in Termini eines Erhöhens von Druckqualität die Punktgrößenmodulation gegenüber einem Erhöhen von Druckauflösung vorgezogen, da die Logarithmusfunktion dramatisch langsamer anwächst als die Quadratfunktion, die die Beziehung zwischen Datenvolumen und Druckauflösung kennzeichnet.
Selbst wenn man die hauptsächlichen theoretischen Vorteile einer Tropfengrößenmodulation bedenkt, ist bisher kein brauchbares System entwickelt worden, obwohl verschiedene Strategien versucht worden sind, die Größe eines Tintentropfens, der ausgestoßen wird, zu modulieren. Viele Patente haben sich auf Einstellen der Amplitude des Spannungsimpulses und/oder der Zeitsteuerung von jedem der Spannungsimpulse konzentriert. Siehe z. B. Tsuzuki et al. US-Patent No. 4,281,333; Lee et al. US-Patent No. 4,513,299; DeBonte et al. US-Patent No. 5,202,659. Diese Patente leiden unter dem Nachteil, dass jedes eine komplizierte Steuerschaltung und ein großes Datenhandhabungsvermögen erfordert.
Chip-Temperatursteuerschemata sind auch mit begrenztem Erfolg versucht worden, siehe Wysocki et al. US-Patent No. 5,223,853. Andere Verfahren konzentrieren sich auf Fluiddynamik des Meniskus des ausgestoßenen Tröpfchens, siehe Burr et al. US-Patent No. 5,495,270.
Die EP-A-0124312 offenbart einen widerstandsbehafteten Heizerbetätiger für einen Tintenstrahldrucker, der zwei widerstandsbehaftete Schenkel und einen offenen Teil dazwischen aufweist, der verwendet wird, um die Blase zu erzeugen, um eine Beschädigung an dem widerstandsbehafteten Material beim Kollabieren der Blase zu verhindern.
Ein unterschiedlicher Lösungsweg, der vereinfachte Steuerschaltungen verwendet, ist im US-Patent No. 4,499,479 offenbart. Das '479-Patent offenbart ein Tropfen-auf-Verlangen-Tintenstrahldrucksystem, das einen Wandler mit einer Mehrzahl von separat betätigbaren Abschnitten umfasst. Dieses Patent ist auf einen Druckkopf vom Seitenfeuerertyp gerichtet. Druckdaten werden bereitgestellt, die ein ausgewähltes Tropfenvolumen definieren, und eine Steuereinrichtung wird bereitgestellt, die ansprechend auf Druckdaten betreibbar ist, um Signale zum selektiven Betätigen einer speziellen Kombination der separat betätigbaren Abschnitte des Wandlers zu erzeugen, um einen Tropfen von einem Volumen zu erzeugen, das durch die Druckdaten spezifiziert ist. Um eine weitere Steuerung über das Tropfenvolumen bereitzustellen, kann in einer zweiten Ausführungsform, während der Geschwindigkeitsabfall in ausgewählten Grenzen gehalten wird, die Amplitude der Treibsignale auch variiert werden. In einer ersten Ausführungsform sind die piezoelektrischen Wandlerabschnitte von einer gleichen Länge, wohingegen in der zweiten Ausführungsform die Wandlerabschnitte von ungleicher Länge sind. Unvorteilhafterweise erfordert diese patentierte Konstruktion eine verhältnismäßig komplizierte Struktur zur Erregung der Tinte im Tintenhohlraum. Weiter ist es schwierig, die Variation von Tropfenvolumen mit Amplitude und Pulsbreite bei konstanter Tropfengeschwindigkeit vorherzusagen, wie in diesem Patent beschrieben. Das '479-Patent erkennt, dass eine Erzeugung einer Tropfengrößen-Nachschlagtabelle wegen der großen Anzahl von untereinander zusammenhängenden Faktoren, die den Druckkopfbetrieb beeinträchtigen, schwierig sein würde. Die große Anzahl von Faktoren umfasst die unterschiedlichen Abstände, die jeder von den separat betätigbaren Abschnitten von der Düse angeordnet ist, sowie die Wechselbeziehung zwischen jedem von den separat betätigbaren Abschnitten. Siehe das US-Patent No. 4,730,197, das zahlreiche Wechselwirkungen zwischen geometrischen Tintenstrahlmerkmalen, Treibwellenformen, Meniskusresonanz, Druckkammerresonanz und Tintenstrahlausstoßmerkmalen beschreibt und kennzeichnet.
Die EP-A-0707963 und EP-A-0707964 offenbaren einen Tintenstrahldruckkopfchip zur Verwendung in einem Tintenstrahldruckkopf mit einem Hohlraum in Verbindung mit einem Tintennachschub und einer Düse, wobei der Chip umfasst:
mindestens drei Leiter;
Betätigerelemente, die der Düse entsprechen und die mit der Mehrzahl von mindestens drei Leitern verbunden sind;
wobei sich die Betätigerelemente in einem im Wesentlichen gleichen Abstand von der Düse befinden.
Die US-A-5,172,139 offenbart ein System, in dem vier Heizelemente für jede einzelne Öffnung vorgesehen sind, wobei die Heizelemente imstande sind, unabhängig getrieben zu werden.
Demgemäß existiert noch ein Bedarf im Stand der Technik an einem Druckkopf, der eine Tropfengröße modulieren kann, der vereinfachte geometrische Merkmale aufweist, wobei vereinfachte Steuerschaltungen verwendet werden, und der das Datenhandhabungserfordernis des digitalen Druckkontrollers verringert.
Es ist deshalb ein Ziel dieser Erfindung, in einem hohen Maße die oben erwähnten Probleme zu überwinden und den oben erwähnten Erfordernissen zu entsprechen.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die ausgestoßene Tropfenmasse unter Verwendung eines Druckkopfs mit vereinfachten geometrischen Merkmalen zu modulieren.
Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden erzielt, indem ein Tintenstrahldruckkopfchip zur Verwendung in einem Tintenstrahldruckkopf mit einem Hohlraum in Verbindung mit einem Tintennachschub und einer Düse bereitgestellt werden, wobei der Chip umfasst:
mindestens drei Leiter;
ein Betätigerelement, das der Düse entspricht und das mit der Mehrzahl von mindestens drei Leitern verbunden ist, wobei das Betätigerelement in einen ersten aktiven Abschnitt und einen zweiten aktiven Abschnitt eingeteilt ist, wobei der erste aktive Abschnitt und der zweite aktive Abschnitt durch eine Stelle einer Anbringung von jedem der Leiter an das Betätigerelement definiert sind;
wobei sich der erste aktive Abschnitt und der zweite aktive Abschnitt in einem im Wesentlichen gleichem Abstand von der Düse befinden. Der Betätiger kann auch einen dritten aktiven Abschnitt aufweisen.
Der Druckkopfchip kann mit Einrichtungen zum selektiven Anlegen eines separaten Treiberimpulses mit einer ersten Spannung an einen ersten Leiter, um den ersten Abschnitt des Betätigers zu aktivieren, und zum selektiven Anlegen eines separaten Treiberimpulses mit einer zweiten Spannung an einen zweiten Leiter, um einen zweiten Abschnitt des Betätigers zu aktivieren, verbunden sein.
Noch andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten aus der folgenden ausführlichen Beschreibung leicht ersichtlich, wobei nur die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung einfach durch Veranschaulichung dargestellt und beschrieben worden sind.
1 ist eine Seitenschnittaufrissansicht eines typischen Stand-der-Technik-Kopffeuerer-Tintenstrahldruckkopfs;
2 ist eine Draufsicht von oben auf eine erste Ausführungsform der Druckkopfheizerstruktur der vorliegenden Erfindung;
2A stellt ein Beispiel dar, das zum Verstehen der Erfindung nützlich ist und eine Seitenschnittaufrissansicht ist, aufgenommen entlang der Linie 2A-2A von 2, die nur as widerstandsbehaftete Element und zugeordnete Leiter wiedergibt;
2B ist eine Alternative zur Seitenschnittansicht von 2A;
3 ist eine Draufsicht von oben auf eine zweite Ausführungsform der Druckkopfheizerstruktur der vorliegenden Erfindung;
3A ist eine Seitenschnittaufrissansicht, aufgenommen entlang der Linie 3A-3A von 3, die nur das widerstandsbehaftete Element und zugehörige Leiter wiedergibt;
3B ist eine Draufsicht von oben auf die Druckkopfheizerstruktur der 3 und 3A, wobei eine Blasenbildung über einer gleichförmigen elektrischen Feldverteilung dargestellt ist;
3C ist eine Draufsicht von oben auf die Heizerstruktur der 3 und 3B, die eine Blasenbildung über einem nichtgleichförmigen elektrischen Feld darstellt;
4 ist eine Draufsicht von oben auf eine dritte Ausführungsform der Druckkopfheizerstruktur der vorliegenden Erfindung;
4A ist eine Seitenschnittaufrissansicht, aufgenommen entlang der Linie 4A-4A von 4, die nur das widerstandsbehaftete Element und zugeordnete Leiter wiedergibt.
Mit Bezug zuerst auf 1 ist ein typischer Tropfen-auf-Verlangen-Ausstoßer eines Tintenstrahldruckkopfs wiedergegeben. Dieser Typ von Druckkopf ist typisch für diejenigen, die mit den Heizerstrukturen verwendet werden, die unten in Bezug auf die Ausführungsformen 1–5 erörtert sind. Die kurze Beschreibung, die unten von dem Tropfen-auf-Verlangen-Druckkopf geliefert wird, gibt die Betriebsumgebung der vorliegenden Erfindung wieder und soll keine volle Beschreibung von jedem der Elemente sein, die Fachleuten wohlbekannt sind.
Mit Bezug nun auf 1 ist eine Mehrzahl von Tropfenausstoßelementen 20 typischerweise in einem linearen Array in parallelen Reihen ausgerichtet. Die Tropfenausstoßelemente 20 sind auf einer Barrierenplatte 22 gebildet, die auf einem Chip 23 montiert ist, und sind unter einer Düsenplatte 24 zentriert. Zur Bequemlichkeit wird die Erfindung in Bezug zur in 1 wiedergegebenen Orientierung beschrieben, und als Folge sind Termini, wie z. B. "über", "unter" und "links", wie hierin verwendet, in dem relativen Sinn auszulegen. In der Barrierenplatte 22 und dem Chip 23 ist ein offener Weg 26 gebildet. Die Düsenplatte 24 umfasst ein Tintenzufuhrgebiet 28, das über dem offenen Weg 26 angeordnet ist. Von gegenüberliegenden Seiten des Tintenzufuhrgebiets 28 erstreckt sich ein Paar von Tintenzufuhrkanälen 30, jeder in Verbindung mit einer respektiven Feuerkammer 32. In jeder Feuerkammer 32 ist ein respektives Feuerelement 34 montiert, das der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Eine Düse 36 ist in der Düseplatte 24 gebildet und erstreckt sich von der Feuerkammer 32 nach oben. Tinte wird von dem offenen Weg 26 durch die Tintenzufuhrgebiete 28 in die Feuerkammern 32 zugeführt. Eine Betätigung des Feuerelements 34 bewirkt, dass Tinte durch eine respektive Düse 36 ausgestoßen wird. Die Feuerelemente 34 sind einen festen Abstand h von einer Oberseite 38 der Düsenplatte 24 positioniert, wie in 1 wiedergegeben, so dass sich die ganze Oberseite des Feuerelements 34 denselben vertikalen Abstand vom Auslass der Düse 36 befindet.
Tinte vom offenen Weg wird in jedem Tintenzufuhrkanal 30 zurückgehalten, bis sie als Reaktion auf einen Treiberimpuls von einer Steuereinrichtung durch das Feuerelement 34, das in der Feuerkammer 32 angeordnet ist, schnell erwärmt und verdampft wird. Diese schnelle Verdampfung der Tinte erzeugt eine Blase, die bewirkt, dass eine Menge an Tinte durch die Düse 36 zu einem Kopierbogen 40 ausgestoßen wird. Das Tröpfchen trifft die spezifizierte Stelle des Papiers, die mit dem Bild in Beziehung steht, das erzeugt wird, und bildet einen Tintenfleck mit einem Durchmesser, der direkt mit dem Volumen des ausgestoßenen Tröpfchens in Beziehung steht.
Mit Bezug auf die 2–6 ist eine Heizerstruktur veranschaulicht, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Hinsichtlich der 1–3 sind nur die wirksamen Dünnfilmschichten beschrieben. Es wird angenommen, dass die nicht beschrieben Schichten ähnlich zu denjenigen sind, die in standardmäßigen thermischen Tintenstrahl anwendungen gefunden werden, und sie sollten Fachleuten ohne weiteres bekannt sein.
Man nehme nun Bezug auf die 2 und 2A, wo eine Druckkopfheizerstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergegeben ist. Ein Feuerelement 50 ist vorzugsweise aus einem widerstandsbehafteten Heizerelement gebildet, das typischerweise in Tintenstrahldruckeranwendungen verwendet wird. Das Feuerelement 50 umfasst ein widerstandsbehaftetes Element 52, das in einen ersten aktiven Abschnitt 54 und einen zweiten aktiven Abschnitt 56 eingeteilt ist, die beide eine rechteckige Form aufweisen. Der erste aktive Abschnitt 54 weist einen linken Rand 58 und einen rechten Rand 60, einen oberen Rand 62 und einen unteren Rand 64 auf. Der linke Rand 58 stößt an einen Leiter C_1a an, die beide eine Breite w aufweisen. Der obere Rand 62 und der untere Rand 64 weisen jeweils eine Länge a auf.
Der zweite aktive Abschnitt 56 weist einen linken Rand 70, einen rechten Rand 72, einen oberen Rand 74 und einen unteren Rand 76 auf. Der rechte Rand 72 grenzt an einen zweiten Leiter C_2a an, die beide eine Breite w aufweisen. Der obere Rand 74 und der untere Rand 76 weisen jeweils eine Länge b auf. Ein dritter Leiter C_3a ist zwischen dem ersten aktiven Abschnitt 54 und dem zweiten aktiven Abschnitt 56 angeordnet. Der Leiter C_3a weist einen linken Rand 80 angrenzend an und in Kontakt mit dem rechten Rand 60 des ersten aktiven Abschnitts 54 und einen rechten Rand 82 angrenzend an und in Kontakt mit dem linken Rand 70 des zweiten aktiven Abschnitts 56 auf. Der Leiter C_3a weist einen oberen Rand 83 auf, der mit den oberen Rändern 62 und 74 ausgerichtet ist. Der elektrische Widerstand der Elemente 54 und 56 kann variiert werden, indem die Breiten der Leiter C_1a und C_2a variiert werden. Der Leiter C_3a, wie in 2 wiedergegeben, erstreckt sich vom widerstandsbehafteten Element 52 nach außen.
Die Leiter C_1a, C_2a und C_3a sind elektrisch mit einer Steuer einrichtung verbunden. Die Steuereinrichtung ist mit einer ersten Konstantspannungsquelle V₁, einer zweiten Konstantspannungsquelle V₂ und einer gemeinsamen Leitung, wie z. B. einer Masse, verbunden. Im Betrieb wirkt die Steuereinrichtung als ein Schalter zum Verbinden des Leiters C_1a mit V₁, des Leiters C_2a mit V₂ und des Leiters C_3a mit der gemeinsamen Leitung, um die aktiven Abschnitte 54 und 56 zu aktivieren. Alternativ kann der Leiter C_3a direkt mit der gemeinsamen Leitung verbunden werden.
Man nehme nun Bezug auf 2A. Die Heizerstruktur 50 weist eine ebene Oberseite 88 und eine ebene Unterseite 90 auf, die von den Leitern C_1a, C_2a, C_3a und dem ersten aktiven Abschnitt 54 bzw. zweiten aktiven Abschnitt 56 gebildet sind. In der Ausführungsform von 2A sind alle drei Leiter in demselben optischen Maskenschritt gebildet, so dass sie in derselben Dünnfilmschicht liegen. Wenn die zwei Heizerabschnitte 54 und 56 von den Längen a und b sind, dann bestimmt im Betrieb das Verhältnis von Längen die Verhältnisse von ausgestoßener Tintenmasse, die durch Aktivieren der zwei Abschnitte entweder einzeln oder in Kombination erhalten wird. Wenn z. B. die Heizerlängen so gewählt sind, dass a = 2b, dann wird das Feuerelement 50 ein trimodaler Tropfenausstoßer, wobei ausgestoßene Tintenmasse in den annähernden Verhältnissen 1 : 2 : 3 variiert. Ein Ausstoßen des kleinsten Tropfens wird erzielt, indem der Abschnitt zwischen den Leitern C_2a und C_3a aktiviert wird. Ein Tropfen von Zwischengröße wird durch Aktivieren des Abschnitts 54 zwischen den Leitern C_1a und C_3a ausgestoßen, und der größte Tropfen wird durch gleichzeitiges Aktivieren sowohl des Abschnitts 54 als auch 56 ausgestoßen. In dieser Ausführungsform wie in sämtlichen Ausführungsformen, die in diesem Patent beschrieben sind, werden Einrichtungen zum selektiven Anlegen eines separaten Treiberimpulses bei einer ersten Spannung durch einen ersten Leiter und zum Anlegen eines separaten Treiberimpulses bei einer zweiten Spannung durch einen zweiten Leiter bereitgestellt. In dieser ersten Ausführungsform aktiviert ein Anlegen einer Spannung an den Leiter C_2a den Abschnitt 56. Wie Fachleuten bekannt ist, kann die Zeitsteuerung und Dauer der Impulse variiert werden, um unterschiedliche Tropfengrößen zu erzielen.
Die Gesamtstruktur von 2 kann auch wie in 2B dargestellt ausgeführt sein. In 2B dargestellte Komponenten, die die Funktionen ausführen, die ähnlich zu denjenigen der Komponenten sind, die in 2A dargestellt sind, teilen gemeinsame Bezugszeichen. Wie in 2B dargestellt, bildet ein widerstandsbehaftetes Element 52' eine Substratschicht, auf der Leiter C_1a', C_2a' und C_3a' angebracht sind. Mit dieser Anordnung wird ein erstes aktives Gebiet 54' eines widerstandsbehafteten Elements 52' im Wesentlichen zwischen den Leitern C_1a' und C_3a' definiert, und ein zweites aktives Gebiet 56' des widerstandsbehafteten Elements 52' wird im wesentlichen zwischen den Leitern C_2a' und C_3a' definiert.
Die Ausführungsformen der 2, 2A und 2B können in entweder einem Tintenstrahldruckkopf vom Kopffeuerer- oder Seitenfeuerertyp ausgeführt sein. Wenn sie in einem Tintenstrahldruckkopf vom Kopffeuerertyp ausgeführt sind, wird entweder eine einzige Düse über den kombinierten Heizer ausgerichtet, oder sonst werden zwei Düsen, eine über jedem Heizerabschnitt, verwendet.
Man nehme nun Bezug auf die 3 und 3A, wo eine Druckkopfheizerstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergegeben ist. Ein Feuerelement 100 umfasst ein ebenes rechteckiges widerstandsbehaftetes Element 102, einen ersten Leiter C_1b, der mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, einen zweiten Leiter C_2b, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist, und einen dritten Leiter C_3b, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist. Die Steuereinrichtung ist mit einer ersten Konstantspannungsquelle V₁, einer zweiten Konstantspannungsquelle V₂ und einer gemeinsamen Leitung, wie z.B, einer Masse, elektrisch verbunden. Die Steuereinrichtung wirkt als ein Schalter zum Verbinden des Leiters C_1b mit V₁, des Leiters C_2b mit V₂ und des Leiters C_3b mit der gemeinsamen Leitung. Alternativ kann der Leiter C_2b direkt mit der gemeinsamen Leitung und der Leiter C_3b mit V₂ verbunden sein. Das widerstandsbehaftete Element 102 weist einen oberen Rand 104, einen unteren Rand 106, einen linken Rand 108, einen rechten Rand 110 und eine Oberseite 112 auf. Der Leiter C_1b weist einen oberen Rand 114, einen unteren Rand 116, einen rechten Rand 118 und eine ebene Unterseite (nicht dargestellt) auf. Der Leiter C_3b weist einen oberen Rand 122, einen unteren Rand 124, einen rechten Rand 126 und eine ebene Unterseite 128 auf. Die Leiter C_1b und C_3b weisen eine Breite von a bzw. b auf. Die Leiter C_1b und C_3B sind an der Oberseite 112 des widerstandsbehafteten Elements 102 angebracht. Der rechte Rand 118 des Leiters C_1b und der rechte Rand 126 des Leiters C_3b überlagern geringfügig den linken Rand 108 des widerstandsbehafteten Elements 102. Der obere Rand 114 des Leiters C_1b und der obere Rand 104 sind so ausgerichtet, wie es der untere Rand 106 bzw. der untere Rand 124 des Leiters C_3B sind. Der untere Rand 116 des Leiters C_1b und der obere Rand 122 des Leiters C_3B sind voneinander beabstandet, wobei ein Spalt dazwischen gebildet ist.
Der Leiter C_2b weist einen oberen Rand 130 auf, der mit dem oberen Rand 104 ausgerichtet ist, einen unteren Rand 132, der mit dem unteren Rand 106 des widerstandsbehafteten Elements 102 ausgerichtet ist, und einen linken Rand 134, der den rechten Rand 110 des widerstandsbehafteten Elements 102 geringfügig überlagert. Das Verhältnis der Breiten des ersten und zweiten Leiters bestimmt die relative Größe der kleinsten Zwischengrößetropfen. Die zweite Ausführungsform arbeitet auch als ein trimodaler Ausstoßer wie in Bezug zur ersten Ausführungsform oben beschrieben.
Man nehme nun Bezug auf die 3B und 3C, die eine zusätzliche Struktur zum Variieren von Tropfenmasse wiedergeben. Die Steuereinrichtung ist mit einer Quelle variabler Spannung V₁, einer Konstantspannungsquelle V₂ und mit einer gemeinsamen Leitung verbunden.
Wenn sich V₁ an Massepotenzial befindet, wie in 3B wiedergegeben, wird das elektrische Feld im Heizer gleichförmig verteilt, wobei ermöglicht wird, dass der ganze Heizeroberflächenbereich am Keimbildungs/Blasenwachstums-Prozess teilnimmt, wie z. B. dass eine gleichförmige Blasengröße gebildet wird, wodurch eine gleichförmige Tröpfchenmasse ausgestoßen wird.
Wenn V₁ erhöht wird, wird das elektrische Feld in der Nähe von C_1b verringert, wie in 3C wiedergegeben. Dies bewirkt direkt Verlustleistung in diesem Gebiet und die resultierende Blasengröße. Wenn V₁ in Bezug zu V₂ erhöht wird, verringert sich die Blasengröße, obwohl die so gebildete Blase nicht gleichförmig in der Form ist, wie in 3C dargestellt.
Man nehme nun Bezug auf die 4 und 4A, wo eine Druckkopfheizerstruktur gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist. Ein Feuerelement 150 umfasst ein ebenes rechteckiges widerstandsbehaftetes Element 152, einen ersten Leiter (der in zwei symmetrische aktive Abschnitte C_1c1 bzw. C_1c2 eingeteilt ist), einen zweiten Leiter C_2c, einen dritten Leiter C_3c und einen Isolator I. Das widerstandsbehaftete Element 152 weist einen oberen Rand 154, einen unteren Rand 156, einen linken Rand 158 und einen rechten Rand 160 auf. Der erste Leiter C_1c1 weist einen oberen Rand 162 auf, der mit dem oberen Rand 154 des widerstandsbehafteten Elements ausgerichtet ist, einen unteren Rand 164 und einen rechten Rand 166 in elektrischem Kontakt mit einem Teil des linken Randes 158 des widerstandsbehafteten Elements 152. Ein anderer Teil des ersten Leiters C_1c2 weist einen oberen Rand 168, einen unteren Rand 170, der mit dem unteren Rand 156 des widerstandsbehafteten Elements 152 ausgerichtet ist, und einen rechten Rand 172 auf. Eine gemusterte Isolatorschicht I isoliert elektrisch die Leiter C_1c und C_3c. Der Isolator I weist auf: einen oberen Rand 174, der mit dem unteren Rand 164 des Leiters C_1c1 in Kontakt steht, einen unteren Rand 176, der mit dem oberen Rand 168 des Leiters C_1c2 in Kontakt steht, und einen rechten Rand 178, der sich über den linken Rand 158 des widerstandsbehafteten Elements 152 hinaus nach innen erstreckt.
Der dritte Leiter C_3c weist einen langgestreckten Teil 180 und einen sich nach unten erstreckenden Teil 182 auf. Eine Unterseite 184 des Leiters C_3c befindet sich in Kontakt mit dem Isolator I. Eine Unterseite 186 eines sich nach unten erstreckenden Teils 182 befindet sich in Kontakt mit einer Oberseite 188 des widerstandsbehafteten Elements 152. Der zweite Leiter C_2c weist auf: einen oberen Rand 190, der mit dem oberen Rand 154 des widerstandsbehafteten Elements 152 ausgerichtet ist, einen unteren Rand 192, der mit dem unteren Rand 156 des widerstandsbehafteten Elements 152 ausgerichtet ist, und einen linken Rand 194, der geringfügig den rechten Rand 160 des widerstandsbehafteten Elements 152 überlagert.
Eine Steuereinrichtung ist mit einer ersten Konstantspannungsquelle V₁ und mit einer zweiten Konstantspannungsquelle V₂ und mit einer gemeinsamen Leitung verbunden. Die Leiter C_1c1, C_1c2 und der Leiter C_2c werden in einem Maskenschritt gefertigt. Der Leiter C_3c wird in einem späteren Maskenschritt gefertigt. Diese dritte Ausführungsform kann als ein trimodaler Tropfenausstoßer betrieben werden, indem die Leiter in Paaren aktiviert werden. Um einen kleinen Tropfen zu erzielen, wird der Leiter C_3c aktiviert. Um einen mittleren Tropfen zu erzielen, werden die Leiter C_1c1 und C_1c2 aktiviert. Um einen großen Tropfen zu erzielen, werden sämtliche Leiter aktiviert. Die Steuereinrichtung wirkt als ein Schalter zum Verbinden der Leiter C_1c1 und C_1c2 mit V₁, des Leiters C_2c mit V₂ und des Leiters C_2c mit der gemeinsamen Leitung. Alternativ kann der Leiter C_2c direkt mit der gemeinsamen Leitung verbunden werden.
Alternativ können die Leiter C_1c1 und C_1c2 von einem einzigen Leiter, der unter dem Leiter I liegt, gebildet sein.
In dieser dritten Ausführungsform kann die Tropfenmasse auch auf dieselbe Weise, wie oben in Bezug auf die 3B und 3C beschrieben, variiert werden. Die Leiter C_1c1 und C_1c2 können mit einer Quelle variabler Spannung V₁ durch die Steuereinrichtung verbunden sein. Der Leiter C_2c kann mit einer gemeinsamen Leitung oder Masse verbunden sein. Der Leiter C_3c kann mit einer Konstantspannungsquelle V₂ verbunden sein.

Claims

Tintenstrahldruckkopfchip zur Verwendung in einem Tintenstrahldruckkopf mit einem Hohlraum in Verbindung mit einem Tintennachschub und einer Düse (36), wobei der Chip umfasst: mindestens drei Leiter (C_1a', C_2a', C_3a', C_1b, C_2b, C_3b, C_1c1, C_1c2, C_2c, C_3c); ein Betätigerelement (52', 102, 152), das der Düse (36) entspricht und das mit der Mehrzahl von mindestens drei Leitern verbunden ist, wobei das Betätigerelement in einen ersten aktiven Abschnitt (54, 54') und einen zweiten aktiven Abschnitt (56, 56') eingeteilt ist, wobei der erste aktive Abschnitt und der zweite aktive Abschnitt durch eine Stelle einer Anbringung von jedem der Leiter an das Betätigerelement definiert sind; wobei sich der erste aktive Abschnitt und der zweite aktive Abschnitt in einem im Wesentlichen gleichen Abstand von der Düse (36) befinden.
Tintenstrahldruckkopfchip nach Anspruch 1, bei dem die mindestens drei Leiter umfassen: einen ersten Leiter (C_1a', C_1b, C_1c1, C_1c2,), der mit einem ersten Gebiet des Betätigerelements (52', 102, 152) verbunden ist, um den ersten aktiven Abschnitt zu definieren; einen zweiten Leiter (C_2a', C_3b, C_3c), der mit einem zweiten Gebiet des Betätigerelements verbunden ist, um den zweiten aktiven Abschnitt zu definieren; und einen dritten Leiter (C_3a', C_2b, C_2c), der mit einem dritten Gebiet des Betätigerelements verbunden ist, um eine gemeinsame Verbindung zu liefern, um den ersten aktiven Abschnitt und den zweiten aktiven Abschnitt zu definieren.
Tintenstrahldruckkopfchip nach Anspruch 2, bei dem der Chip mit einem Drucker verbunden ist, der Einrichtungen aufweist, um einen separaten Treiberimpuls mit einer ersten Spannung selektiv an den ersten Leiter (C_1a', C_1b, C_1c1, C_1c2) anzulegen, um den ersten Abschnitt des Betätigerelements zu aktivieren, und um einen separaten Treiberimpuls mit einer zweiten Spannung selektiv an den zweiten Leiter (C_2a', C_3b, C_3c) anzulegen, um den zweiten Abschnitt des Betätigerelements zu aktivieren.
Tintenstrahldruckkopfchip nach Anspruch 3, bei dem die Einrichtung zum selektiven Anlegen separate Treiberimpulse simultan an den ersten Leiter (C_1a', C_1b, C_1c1, C_1c2) und den zweiten Leiter (C_2a', C_3b, C_3c) anlegt.
Tintenstrahldruckkopfchip nach Anspruch 3, bei dem die Einrichtung zum selektiven Anlegen separate Treiberimpulse zu unterschiedlichen Zeiten an den ersten Leiter (C_1a', C_1b, C_1c1, C_1c2) und den zweiten Leiter (C_2a', C_3b, C_3c) anlegt.
Tintenstrahldruckkopfchip nach Anspruch 2, bei dem der erste Leiter (C_1a', C_1b), zweite (C_2a', C_3b) und dritte Leiter (C_3a', C_2b) in derselben Ebene liegen.
Tintenstrahldruckkopfchip nach Anspruch 2, bei dem der erste Leiter (C_1b) eine Querschnittsfläche aufweist, die größer ist als diejenige des zweiten Leiters (C_3b).
Tintenstrahldruckkopfchip nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem das Betätigerelement (102, 152) einen ersten Rand (108, 158) und einen zweiten Rand (110, 160) aufweist, wobei der erste Rand eine Länge aufweist, wobei der erste Leiter (C_1b, C_1c1, C_1c2) entlang einem Teil der Länge an dem ersten Rand angebracht ist und der zweite Leiter (C_3b, C_3c) von dem ersten Leiter beabstandet ist und entlang einem unterschiedlichen Teil der Länge an dem ersten Rand angebracht ist, wobei der dritte Leiter (C_2b, C_2c) entlang der ganzen Länge des zweiten Rands elektrisch mit dem Rand verbunden ist.
Tintenstrahldruckkopfchip nach Anspruch 8, bei dem der Teil der Länge, den der erste Leiter (C_1b, C_1c1, C_1c2) an dem ersten Rand angebracht ist, anders ist als der Teil der Länge, den der zweite Leiter (C_3b, C_3c) an dem ersten Rand angebracht ist.
Tintenstrahldruckkopfchip nach einem vorangehenden Anspruch, weiter umfassend einen dritten aktiven Abschnitt.
Tintenstrahldruckkopfchip nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem das Betätigerelement (52', 102, 152) eben ist.
Tintenstrahldruckkopfchip nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem das Betätigerelement (52', 102, 152) ein widerstandsbehaftetes Element ist.
Tintenstrahldruckkopfchip nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Betätigerelement (52', 102, 152) ein piezoelektrisches Element ist.
Tintenstrahldruckkopfchip nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem das Betätigerelement unter der Düse (36) angeordnet ist.
Tintenstrahldruckkopfchip nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem der Tintenstrahldruckkopf ein Druckkopf vom Kopffeuerertyp ist.
Tintenstrahldruckkopfchip nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem der Tintenstrahldruckkopf ein Druckkopf vom Seitenfeuerertyp ist.
Tintenstrahldrucksystem mit einem Druckkopf mit einem Tintenstrahldruckkopfchip nach einem vorangehenden Anspruch, wobei der Druckkopf einen Hohlraum in Verbindung mit einem Tintennachschub und einer Düse (36) aufweist.
Tintenstrahldrucksystem, umfassend einen Druckkopf mit einem Tintenstrahldruckkopfchip nach einem der Ansprüche 1 bis 16 und eine Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung eine einstellbare erste Spannung selektiv an den ersten Leiter anlegt, um den ersten aktiven Abschnitt des Betätigerelements zu aktivieren, und eine zweite konstante Spannung selektiv an den zweiten Leiter anlegt, um den zweiten aktiven Abschnitt des Betätigerelements zu aktivieren.