EP0479784B1 - Anordnung zum erwärmen der tinte im schreibkopf einer tintendruckeinrichtung - Google Patents

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EP0479784B1
EP0479784B1 EP90900163A EP90900163A EP0479784B1 EP 0479784 B1 EP0479784 B1 EP 0479784B1 EP 90900163 A EP90900163 A EP 90900163A EP 90900163 A EP90900163 A EP 90900163A EP 0479784 B1 EP0479784 B1 EP 0479784B1
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EP
European Patent Office
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heating
bridge
temperature
arrangement
ink
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EP90900163A
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Andreas Kappel
Rudolf Probst
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Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to an arrangement for heating the ink in the print head of an ink printing device according to the preamble of patent claim 1.
  • a known principle for the representation of characters on a record carrier is based on the fact that under the action of an electronic control individual ink droplets are ejected from nozzles of a writing head which is part of an ink printing device.
  • characters and / or graphic patterns are thereby built up on the recording medium in a grid pattern within a character matrix.
  • the operational reliability and quality of the recording depend to a large extent on the uniformity of the droplet ejection, ie the individual droplets ejected by a drive pulse must have a defined size and leave the nozzle of the print head at the same speed in each case.
  • the boundary conditions for uniform droplet ejection are diverse.
  • the ink drop formation or the ink jet formation, the ink drop mass and the flight speed of the ink drops in such printing devices depend to a large extent on the viscosity of the ink. Since the viscosity of the ink is temperature-dependent, on the one hand to ensure that an ink ejection process is possible at all at different ambient temperatures and that on the other hand this ink ejection process is as defined and stable as possible, the ink is heated with sufficient accuracy using a heating device. It is therefore already known to keep the temperature of the ink at a constant value in an ink writing head.
  • the temperature dependence of the viscosity of the ink is also a very important factor for print heads of this type. It is therefore also known for print heads of the type mentioned to improve the ejection conditions by preheating the ink. This can be done by additional heating elements acting on the ink from the outside (for example DE-OS 29 43 164; DE-OS 35 45 689). PTC thermistors are often used as heating elements. In conjunction with a controller and a temperature sensor element, for which a thermistor is often used, the temperature of the ink in the print head can be brought to a certain value and maintained. However, surrender This means that heating-up times are relatively long, particularly with print heads with electrothermal transducers.
  • the object on which the invention is based is therefore to provide an arrangement for preheating or heating the ink for a write head in ink printing devices according to the preamble, which ensures good control behavior at low manufacturing costs with short heating times and low power consumption of the arrangement.
  • the heating resistor in the form of a heating meander directly from one of the two electrically conductive thin films deposited on the base oxide for thermal converters and conductor tracks in empty spaces present on the substrate, an arrangement for heating the ink can be easily realized. No additional process step is necessary because the layout of the heating meander can be incorporated into the corresponding exposure and etching masks for the thermal converter and the conductor tracks.
  • the heating meander is also covered at the same time by the obligatory covering of thermal converters and conductor tracks with an insulator.
  • such an arrangement has the advantage that due to the small thickness of the base oxide (typically 3 ⁇ m SiO2) there is a very good thermal coupling of the heating meander to the heat-conducting substrate (typically silicon). This means that high heating outputs can be achieved with short heating-up times without the risk of thermal overloading of the heating meander. Since in the arrangement according to the invention the heating meander and the ink are in close spatial contact over a large area, a lower heating output is sufficient to set the desired temperature, than in the case of an external heating element.
  • the base oxide typically 3 ⁇ m SiO2
  • the heat-conducting substrate typically silicon
  • the high thermal conductivity of the silicon substrate leads to a largely homogeneous heat distribution within the entire print head, even if the heating meanders cannot be distributed uniformly over the print head due to the available empty spaces.
  • the heating meander it is particularly advantageous for the heating meander to use materials with high temperature coefficients (e.g. aluminum) because then, by evaluating the electrical resistance of the heating meander, it can be used as a heat source and at the same time as a temperature sensor. This results in a very good response and control behavior, since there are no dead times between the temperature sensor and the heating element.
  • materials with high temperature coefficients e.g. aluminum
  • a temperature signal can be obtained in a simple manner, which serves as an input variable for a control circuit.
  • the temperature useful signal can also be doubled.
  • An ink printing device shown only in part in FIG. 1 works according to the thermal converter principle (bubble jet).
  • the process for building pressure in the ink is based on the creation of small microbubbles in the ink.
  • An electrothermal transducer element in the form of a thin film resistor with lateral dimensions of typically 150 ⁇ m x 30 ⁇ m and a thickness of approx. 200 nm serves as the actuator.
  • This transducer element is located directly in an ink channel at a certain distance from the outlet nozzle.
  • the converter element is loaded with a power of 6 watts for a short period of time, for example 7 microseconds. After 5 ⁇ s the heating layer of the transducer element has reached a temperature of approx.
  • FIG. 1 shows the construction and the essential components of such an ink print head.
  • a base plate 1 usually made of aluminum, on which a substrate 2 serving as a carrier is applied, for example glued.
  • a silicon wafer serves as substrate 2.
  • An approximately 3 ⁇ m thick first covering layer 3 made of silicon dioxide SiO 2 is deposited on this substrate 2 by means of a chemical process (chemical vapor deposition CVD) as a heat barrier and insulation layer.
  • This silicon dioxide layer can also be produced by thermal oxidation of the silicon wafer.
  • a resistance layer 4 acting as an electrothermal transducer element and aluminum layers 5, 6 serving as conductor tracks for these thermal transducers 4 are sputtered onto this wafer which has been pretreated in this way.
  • a further CVD process with an approximately 2 ⁇ m thick second covering layer 7 made of silicon dioxide (SiO2) for the insulation and mechanical stabilization of the thermal converter 4 follows.
  • the thermal converter 4 an approximately 0.6 ⁇ m thick tantalum layer 14 is applied as protection against cavitation.
  • An approximately 2 ⁇ m thick polyamide layer 8 additionally spun onto the second cover layer 7 as corrosion protection covers the tantalum layer 14 at its edges and forms a lower wall for both an ink chamber 13 and for the ink channels 10, which proceed from the ink chamber 13 into a Exit opening 9 open at a so-called nozzle plate and are insulated from one another by duct partitions 18.
  • An outlet opening 9 and a thermal converter 4 are each assigned to an ink channel 10.
  • the structure is completed by an adhesive layer 11 and an adjoining cover plate 12 such that a between the polyamide layer 8 and the adhesive layer 11 Row of ink channels 10 and the common to all ink channels 10 ink chamber 13 are formed, which is connected via an ink supply line 16 and an ink reservoir 17.
  • a heating device in the form of a heating resistor 15 integrated into the first metallization level of the ink print head is provided according to FIG Thin film substrate existing voids is generated.
  • the thermal transducers 4 and the corresponding feed lines are arranged symmetrically on the thin film substrate 2 with respect to the axis AA ', it is sufficient for the following considerations to show only a section (left half) of the conductor track layout for such a write head.
  • This has 50 thermal converters 4, which are supplied electrically via supply lines - one outgoing and return line per thermal converter 4. These leads lead as conductor tracks 5, 6 from the thermal transducers 4 arranged in an area near the edge of the write head to a connection field 19 on the opposite side of this level, where the conductor tracks are contacted with individual conductors of a connection cable, not shown here.
  • the conductor tracks 5, 6 are fanned out on the thin film substrate 2. Accordingly, the conductor tracks 5, 6, starting from the thermal converters 4 in conductor tracks with a narrow pitch 26 and in the region of the connection field 19 in conductor tracks are further pitch 27 broken down.
  • a transition structure 28 connects the conductor tracks of narrow pitch 26 with the conductor tracks of further pitch 27.
  • this transition structure 28 in particular the track width and the gap width, that is, the distance between two adjacent tracks, depending on the track widths and gap widths in the other two areas achieve a lead resistance that is as equal as possible and as low as possible for all thermal converters 4. This is particularly important for stable operation of the ink printing device, since the amount of heat released in the various thermal converters 4 of the writing head per print pulse must be the same within narrow limits. Otherwise there is a risk of destroying individual thermal converters 4 due to overheating.
  • the conductor tracks are combined in a total of 8 groups in the connection field 19.
  • the two groups which are located directly next to the line of symmetry AA ', seven thermal converters 4 with their 14 conductor tracks - one forward and return line per thermal converter 4- are combined, while the remaining 6 groups each have six Combine thermal converter 4 with its 12 conductor tracks.
  • the connecting line per thermal converter 4 is shown in FIG. The exact wiring of the total of 100 conductor tracks for the 50 thermal converters 4 will be explained in more detail later with reference to FIG. 4.
  • Such a combination of the individual conductor tracks into groups and the division into three areas with different divisions create empty spaces between the conductor tracks of two adjacent groups, the widths of which correspond to the group spacings 20, 21 in FIG. 2 and which are used to place an ink heater.
  • the ink heater is introduced into these empty spaces in the form of a resistance meander.
  • the two leads of the heating resistor 15 run in the edge region of the substrate surface to the connection field 19 and end at connection lugs 29, of which only one of these connection lugs 29 is shown in FIG.
  • the heating resistor 15 is divided into several sections which are connected in the connection field 19 to a contact bridge 24. The end of a section is connected to the beginning of the next section according to FIG. 4, so that there is an overall series connection of the sections and a heating voltage can be applied to the connecting tabs 29 of the heating resistor 15.
  • FIG. 4 shows an enlarged section of the connection field 19 with the conductor tracks combined into a group. While the conductor tracks 5, hereinafter referred to as individual conductor tracks, have at their free ends widened areas in the form of contact tabs 22, on which they are contacted with a single conductor of a connecting cable, the conductor tracks 6 the thermocouple 4 combined into a group together on a relatively large-area ground bridge 25. On the ground bridge 25, contact lugs 23 are also formed on their two end faces in the direction of the conductor tracks 5, 6, so that overall a geometrically uniform, comb-like structured contact strip is formed in the connection field 19 results.
  • the forward and return lines of a section of the heating resistor 15 are carried out and connected by means of a contact bridge 24.
  • the group shown in FIG. 4 is assigned six thermal converters 4 with their total of 12 conductor tracks, but only 7 connections are required to make contact with this group (6 individual lines and one ground line).
  • the targeted activation of the individual thermal transducers 4 can take place via a passive network, for example via a diode decoding matrix known per se.
  • a material with a large temperature dependence of its resistance value is used as the material for this heating resistor 15.
  • this temperature coefficient of the electrical resistance of the heating resistor 15 it is used as a heat source for the ink liquid and at the same time as a temperature sensor.
  • a resistor arrangement in the form of a bridge circuit according to FIG. 5 is used for heating and for temperature measurement, in which the temperature-sensitive resistors and the heating resistors are located on the thin film substrate.
  • R1, R2, R3 and R4 are the bridge resistances (temperature measuring and / or heating resistors) with their temperature coefficient ⁇ 1 to ⁇ 4 referred to a measuring bridge are interconnected.
  • at least one of the bridge resistors is used for heating and at least one of the bridge resistors is used for temperature measurement (heating and temperature measuring resistor / measuring resistors can also be identical).
  • An arrangement in which several / all tolerance-critical components of the resistance bridge are integrated into the first metallization level of the write head is particularly advantageous.
  • FIG. 1 Another possibility for the connection of the measuring bridge / heating bridge is shown in FIG.
  • the measuring voltage U B is applied to the bridge resistors R 1 and R 3 via a protective diode D.
  • the protective diode D ensures reaction-free heating or measuring.
  • the heating current I H is fed separately on the left branch of the bridge.
  • the temperature signal ⁇ ⁇ (T) can be removed analogously to the measuring bridges described.
  • the temperature is measured periodically first and then, depending on the measurement result, the heating resistor R2 is energized in a targeted manner.
  • a small measuring current I M flows through the bridge compared to the heating current I H. This ensures that the measuring current I M only causes an insignificant heating of the temperature sensor.
  • the temperature signal of one or both bridge branches can also be evaluated.
  • heating controllers can be used for ink heating.
  • the heating resistor is integrated in the measuring bridge.
  • FIG. 8 shows the basic circuit of an analog comparator with a floating measuring bridge. While the bridge resistors are designated by the reference symbols R1, R3, R4, the resistor R2 represents the temperature-dependent heating resistor with a positive temperature coefficient (PTC).
  • a comparator K is used to evaluate the temperature signal ⁇ (T) in the diagonal branch, the output of which is connected to the base of a switching transistor ST via a resistor (not shown).
  • a resistor R B is connected to the base to generate a base bias.
  • the measuring voltage U B is on the collector-emitter path of the switching transistor ST and a polarized in the flow direction protection diode D to the Bridge resistors R1 and R3 placed.
  • a resistor R m between the emitter of the switching transistor ST and the cathode of the protective diode D serves to ensure a defined bridge potential, ie a small bridge current always flows, for example even if the ambient temperature is higher than the control temperature.
  • FIGS 9 and 10 show two examples of clocked heating controllers, in each of which only the heating resistor R2 is energized. Both circuits have in common that they are operated with an external system clock S and have the same measuring bridge arrangement as was described with reference to FIG. Only the bridge resistors R3 and R4 are replaced by a single resistor R34 with a tap for the purpose of balancing the bridge.
  • the reference symbol V DD denotes the supply voltage for the measuring bridge and the logic modules IC1, IC2.
  • the positive pole of the heating voltage U H is connected to the left center of the bridge via the emitter-collector path of a switching transistor ST.
  • the temperature signal ⁇ ⁇ (T) tapped at the bridge diagonal is led via two resistors R Br, R7 to the input terminals of a comparator IC1, which in turn are connected to a capacitor C.
  • the supply voltage V DD is applied to both the series connection of the emitter-collector path of a transistor T1 and a protective diode D to the bridge resistors R1 and R34 and a resistor R8 to the collector of another transistor T2.
  • Another resistor R9 is connected between the collector of the transistor T2 and the base of the switching transistor T1.
  • a control input S is a clock signal, which is passed through a resistor R10 to the base of the transistor T2 and a resistor R11 to the base of a transistor T3.
  • the two emitters the transistors T2, T3 are connected to a ground potential of zero volts.
  • this clock signal S controls a memory element IC2 via an input CL.
  • the output of the comparator IC1 is connected on the one hand to a data input D 1 of this memory element IC2 and on the other hand via a resistor R5 to the supply voltage + V DD .
  • a data output Q1 is connected via a resistor R14 to the base of transistor T3 and the collector of a transistor T4. While the emitter of the transistor T4 is grounded, the collector is connected to the base of the switching transistor ST or the supply voltage + U H via a voltage divider consisting of the resistors R13 and R12.
  • those parts which form the heating circuit HK are outlined with a dash-dotted line, those parts which form the temperature measuring circuit TM with a dashed line. From the overlap of these two borders it can also be seen again that the resistor R2 is used both as a heating resistor and as a temperature sensor.
  • a dual mono flop is used as the memory element IC3. Since the heating circuit HK and the temperature measuring circuit TM are identical in both circuits, only those switching connections are described with reference to FIG. 10 which result from the use of the different memory elements.
  • the output of the comparator IC1 is connected to the terminal 11 and the base of the transistor T1 through a resistor R14 to the terminals 5 and 7 of the memory element IC3.
  • a resistor R17 there is a connection between the base of the transistor T4 via a resistor R17 with the terminals 10 and 12 of the memory element IC3.
  • the system clock S is connected to terminal 4 of the memory element IC3.
  • a capacitor C2 between the terminals 2 and 3, a capacitor C3 is connected.
  • the supply voltage V DD is on the one hand directly to the terminals 3, 12 and 16 and via adjustable resistors R 1, R 1 to the terminals 14 and 2.
  • terminals 1,8 and 15 are connected to ground potential.
  • a measuring current I M flows through the measuring bridge during the period t 1; the measured temperature t R2 of the heating resistor R2 is lower than the target temperature t target during this period of time according to line b and consequently the heating resistor R2 is energized during the period t2.
  • the temperature t R2 rises.
  • a measurement of the temperature begins again. Since this is above the target temperature t target , the heating resistor R2 is not energized during the next half period of the system clock S. Since the temperature t R2 is still greater than the temperature t target at the next measuring cycle (designated on the time axis with t i ), the heating resistor R2 is not energized even in the following half-cycle of the system cycle S.

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Abstract

Die Heizvorrichtung eines in Schichttechnik aufgebauten Schreibkopfes wird durch Erzeugen eines Heizwiderstandes (15) in Form eines Heizmäanders direkt aus einem der beiden für Thermowandler (4) und Leiterbahnen (5, 6) auf dem Grundoxyd abgeschiedenen, elektrisch leitfähigen Dünnfilme in auf dem Substrat vorhandenen Leerräumen realisiert. Die Leerräume werden dabei durch Auffächern und gruppenweiser Zusammenfassung der Leiterbahnen (5, 6) geschaffen, in denen Teilabschnitte des Heizwiderstandes (15) eingebettet sind. Der Heizwiderstand (15) ist Bestandteil einer Widerstandsmeßbrücke und durch Auswertung seines elektrischen Widerstandes wird dieser als Wärmequelle und gleichzeitig als Temperatursensor verwendet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erwärmen der Tinte im Schreibkopf einer Tintendruckeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Ein bekanntes Prinzip zur Darstellung von Zeichen auf einem Aufzeichnungsträger beruht darauf, daß unter der Einwirkung einer elektronischen Steuerung einzelne Tintentröpfchen aus Düsen eines Schreibkopfes, der Bestandteil einer Tintendruckeinrichtung ist, ausgestoßen werden. Durch Abstimmung zwischen dem Ausstoß von Einzeltröpfchen und der Relativbewegung zwischen dem Aufzeichnungsträger und dem Schreibkopf werden dadurch Zeichen und/oder grafische Muster auf dem Aufzeichnungsträger rasterförmig innerhalb einer Zeichenmatrix aufgebaut. Die Betriebssicherheit und Qualität der Aufzeichnung hängen in hohem Maße von der Gleichmäßigkeit des Tröpfchenausstoßes ab, d.h. die durch einen Ansteuerimpuls ausgestoßenen einzelnen Tröpfchen müssen eine definierte Größe besitzen und mit jeweils gleicher Geschwindigkeit die Düse des Schreibkopfes verlassen. Die Randbedingungen für einen gleichmäßigen Tröpfchenausstoß sind jedoch vielfältig. So hängen beispielsweise die Tintentropfenbildung bzw. die Tintenstrahlbildung, die Tintentropfenmasse und die Fluggeschwindigkeit der Tintentropfen in solchen Druckeinrichtungen in starkem Maße von der Viskosität der Tinte ab. Da die Viskosität der Tinte temperaturabhängig ist, muß einerseits zur Gewährleistung dafür, daß bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen überhaupt ein Tintenausstoßvorgang möglich ist und daß andererseits dieser Tintenausstoßvorgang möglichst definiert und stabil vonstatten geht, die Tinte mittels einer Heizungseinrichtung hinreichend genau temperiert werden. Es ist deshalb bereits bekannt, die Temperatur der Tinte in einem Tintenschreibkopf auf einem konstanten Wert zu halten. Für einen Schreibkopf, bei dem einzelne Tintenkanäle vorgesehen sind, die an Austrittsdüsen einer Düsenplatte enden, ist es aus der DE-OS 26 59 398 bekannt, in der Düsenplatte ein Heizelement vorzusehen. Weiterhin ist es für derartige Schreibköpfe bekannt, im Bereich der Düsenplatte eine Induktionsspule anzuordnen und die Düsenplatte durch Wirbelströme und Ummagnetisierungsverluste aufzuheizen (DE-OS 35 00 820).
  • In hochauflösenden Tintendruckeinrichtungen nach dem sog. Bubble-Jet-Prinzip, bei denen der Schreibkopf in Dünnschichttechnik aufgebaut werden kann, erfolgt der Ausstoß einzelner Tintentröpfchen dadurch, daß im Bereich von in Tintenkanälen angeordneten und individuell ansteuerbaren elektrothermischen Energiewandlern im betreffenden Tintenkanal eine Tintendampfblase (sog. bubble) erzeugt wird, die ein bestimmtes Tintenvolumen als Tröpfchen aus dem Tintenkanal ausstößt.
  • Auch für Schreibköpfe dieser Art ist die Temperaturabhängigkeit der Viskosität der Tinte ein sehr wesentlicher Faktor. Es ist deshalb auch für Schreibköpfe der genannten Art bekannt, die Ausstoßbedingungen durch eine Vorerwärmung der Tinte zu verbessern. Das kann durch zusätzliche von außen auf die Tinte einwirkende Heizelemente geschehen (beispielsweise DE-OS 29 43 164; DE-OS 35 45 689). Als Heizelemente finden dafür häufig Kaltleiter Verwendung. In Verbindung mit einer Steuerung und einem Temperatur-Sensorelement, für das häufig ein Heißleiter eingesetzt wird, kann damit die Temperatur der Tinte im Schreibkopf auf einen bestimmten Wert gebracht und gehalten werden. Allerdings ergeben sich damit insbesondere bei Schreibköpfen mit elektrothermischen Wandlern relativ lange Aufheizzeiten. Der Grund dafür ist, daß für Schreibköpfe mit elektrothermischen Wandlern wegen der im laufenden Schreibbetrieb auftretenden Erwärmung der Tinte, Maßnahmen zur Kühlung vorgesehen sein müssen. Dazu ist der Schreibkopf üblicherweise auf einer Kühlfläche, z.B. auf einer Aluminiumplatte angeordnet. Wenn nach längeren Schreibpausen oder bei der Einschaltung der Tintendruckeinrichtung die Tinte aufgeheizt werden muß, dann muß auch stets die Kühlfläche mit aufgeheizt werden. Dadurch ergeben sich relativ lange Aufheizzeiten. Außerdem ist der damit verbundene konstruktive und fertigungstechnische Aufwand nicht unerheblich, da jeweils zusätzliche Einzelelemente bereitgehalten, montiert und elektrisch angeschlossen werden müssen. Es ist zwar bereits bekannt (DE-OS 29 43 164), im Inneren des Tintenraumes eine Heizspule anzuordnen, doch ergeben sich damit neben dem konstruktiven Aufwand auch noch dadurch Probleme, daß zwischen dem Spulenmaterial und der Tintenflüssigkeit chemische Prozesse auftreten können.
  • Darüber hinaus ist es denkbar, Tintenheizung und Temperatursensor beim Bubble-Jet-Druckkopf in einer weiteren Ebene auf dem Dünnfilmsubstrat anzuordnen. Eine solche Lösung hat jedoch einige herstellungstechnische, kostenmäßig und die Zuverlässigkeit, Ausbeute und Prozeßzeiten betreffende Nachteile, da hierfür zusätzliche Prozeßschritte ( wie Abscheidung, Belackung, Belichtung, Entwicklung, Ätzung, Fotolackentschichtung, Abdeckung usw.) nötig sind. Außerdem besteht eine gewisse Ausfallwahrscheinlichkeit durch elektrische Kurzschlüsse zwischen den beiden großflächigen, nur durch ein dünnes (typisch ca. 2 µm) Oxyd getrennten Leiteranordnungen für Heizelement/Sensor und Bubble-Jet-Struktur (Aluminium-Leiterstruktur).
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, für einen Schreibkopf in Tintendruckeinrichtungen gemäß dem Oberbegriff eine Anordnung zur Vorerwärmung bzw. zur Aufheizung der Tinte anzugeben, die bei kurzen Aufheizzeiten und niedriger Leistungsaufnahme der Anordnung ein gutes Regelverhalten bei niedrigen Herstellungskosten gewährleistet.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Durch Erzeugen des Heizwiderstandes in Form eines Heizmäanders direkt aus einem der beiden für Thermowandler und Leiterbahnen auf dem Grundoxyd abgeschiedenen elektrisch leitfähigen Dünnfilme in auf dem Substrat vorhandenen Leerräumen läßt sich auf einfache Weise eine Anordnung zur Erwärmung der Tinte realisieren. Dabei ist kein zusätzlicher Prozeßschritt nötig, da das Layout des Heizmäanders in die entsprechenden Belichtungs- und Ätzmasken für die Thermowandler und die Leiterbahnen mit eingearbeitet werden kann. Durch die obligatorische Abdeckung von Thermowandlern und Leiterbahnen mit einem Isolator wird auch gleichzeitig der Heizmäander abgedeckt.
  • Weiterhin besitzt eine solche Anordnung den Vorteil, daß aufgrund der geringen Dicke des Grundoxydes (typisch 3 µm SiO₂) eine sehr gute thermische Ankopplung des Heizmäanders an das gut wärmeleitende Substrat (typisch Silizium) gegeben ist. Es lassen sich damit hohe Heizleistungen bei kurzen Aufheizzeiten ohne die Gefahr einer thermischen Überlastung des Heizmäanders erreichen. Da bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Heizmäander und die Tinte über eine große Fläche in engem räumlichen Kontakt stehen, ist eine geringere Heizleistung zum Einstellen der gewünschten Temperatur ausreichend, als im Falle eines externen Heizelementes.
  • Darüber hinaus führt die große Wärmeleitfähigkeit des Silizium-Substrates zu einer weitgehend homogenen Wärmeverteilung innerhalb des gesamten Druckkopfes, auch wenn aufgrund der zur Verfügung stehenden Leerräume der Heizmäander nicht gleichmäßig über den Druckkopf verteilt angeordnet werden kann.
  • Besonders vorteilhaft ist es für den Heizmäander, Materialien mit hohen Temperaturkoeffizienten (z.B. Aluminium) zu verwenden, weil dann durch Auswertung des elektrischen Widerstandes des Heizmäanders dieser als Wärmequelle und gleichzeitig als Temperatursensor verwendet werden kann. Dadurch ergibt sich ein sehr gutes Ansprech- und Regelverhalten, da keine Totzeiten zwischen Temperatursensor und Heizelement auftreten.
  • Durch Einbindung des Heizwiderstandes in eine Widerstands-Meßbrücke, bei der alle toleranzkritischen Bauteile der Widerstandsbrücke in die erste Metallisierungsebene integriert sind, läßt sich auf einfache Weise ein Temperatursignal gewinnen, das einer Regelschaltung als Eingangsgröße dient. Durch Ausnutzung beider Brückenzweige zur Temperaturmessung läßt sich darüber hinaus das Temperaturnutzsignal verdoppeln.
  • Weiterhin besteht die Möglichkeit eines Abgleiches der Brücke auf dem Dünnfilmsubstrat im Nutzen z.B. durch Lasertrimmen. Durch einen Abgleich der auf dem Dünnfilmsubstrat befindlichen Meß-/Heizbrücke auf die Regeltemperatur ist keine "Paarung" zwischen Heizung/Sensor und der Heizungsregelelektronik nötig. Dies hat den Vorteil, daß Schreibköpfe und Heizungsregelelektroniken beliebig kombiniert werden können (z.B. bei Austausch eines defekten Schreibkopfes), ohne daß ein erneuter Funktionsabgleich auf die Regeltemperatur erforderlich wäre.
  • Bei Verwendung von getakteten Heizungsregelelektroniken treten bedingt durch den Taktbetrieb nur geringe Verlustleistungen im Schalttransistor und bei genügend hoher Taktfrequenz auch eine sehr geringe Temperaturwelligkeit auf. Da zum Heizen nur gezielt der Heizwiderstand und nicht die gesamte Widerstandsbrücke bestromt wird, ist es möglich, die übrigen Brückenwiderstände auf dem Dünnfilmsubstrat auf wenig Raum, z.B. durch ein hochohmiges Widerstandsmaterial zu realisieren.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wozu auf die Zeichnungen verwiesen wird. Dort zeigen
    • Figur 1 in perspektivischer Teil-Darstellung einen in Dünnschichttechnologie aufgebauten Tintenstrahl-Schreibkopf (schematisch) ohne die erfindungsgemäße Heizanordnung,
    • Figur 2 einen Ausschnitt eines Leiterbahnlayouts eines solchen Schreibkopfes mit einem in die erste Metallisierungsebene integrierten Heizwiderstand,
    • Figur 3 einen vergrößerten Ausschnitt des Leiterbahnlayouts nach Figur 2,
    • Figur 4 eine Gruppe von Leiterbahnen im Anschlußbereich,
    • Figur 5 eine Widerstandsanordnung in Form einer Brückenschaltung zum Heizen und zum Temperaturmessen,
    • Figur 6 Verläufe von Temperatursignalen bei Ausnutzung von einem bzw. beiden Brückenzweigen,
    • Figur 7 eine Meß- und Heizbrücke, bei der nur der Heizwiderstand mit dem Heizstrom bestromt wird,
    • Figur 8 einen analogen Komparator/Proportionalregler mit floatender Meßbrücke,
    • Figur 9 und 10 getaktete Regler zum Heizen,
    • Figur 11 ein Impulsdiagramm eines getakteten Reglers nach Figur 9 und
    • Figur 12 den zeitlichen Verlauf der Temperatur des Heizwiderstandes.
  • Eine in der Figur 1 nur ausschnittsweise dargestellte Tintendruckeinrichtung arbeitet nach dem Thermowandlerprinzip (Bubble-Jet). Dabei beruht das Verfahren zum Druckaufbau in der Tinte auf der Erzeugung kleiner Mikrobläschen in der Tinte. Als Aktor dient ein elektrothermisches Wandlerelement in Form eines Dünnfilmwiderstandes mit Lateralabmessungen von typisch 150 µm x 30 µm und einer Dicke von ca. 200 nm. Dieses Wandlerelement befindet sich direkt in einem Tintenkanal in einem bestimmten Abstand zur Austrittsdüse. Zur Erzeugung eines Druckimpulses wird das Wandlerelement während einer kurzen Zeitspanne von beispielsweise 7 µs mit einer Leistung von 6 Watt belastet. Nach 5 µs hat die Heizschicht des Wandlerelementes eine Temperatur von ca. 250 °C erreicht und es beginnt die Verdampfungsphase. Die Eindringtiefe der Temperatur in die über dem Wandlerelement liegende Tintensäule beträgt dabei nur 10 µm. Diese transiente Aufheizung ist für die Funktionsweise des Bubble-Jet von wesentlicher Bedeutung, da für eine steilen Druckanstieg und damit stabilem Verdampfungsvorgang in einer dünnen Flüssigkeitsschicht möglichst große Übertemperaturen nahe dem kritischen Punkt der Tinte erreicht werden müssen. Die Verdampfung hat einen Druckanstieg unmittelbar über der Heizschicht von ca. 23 atm und eine Erwärmung derselben auf ca. 360 °C zur Folge. Durch die Expansion der dabei entstehenden Dampfblase wird die Tinte im Kapillarkanal beschleunigt und durch eine Düse als Tintenstrahl ausgestoßen.
  • Die perspektivische Teildarstellung gemäß Figur 1 zeigt den konstruktiven Aufbau und die wesentlichen Bestandteile eines solchen Tintendruckkopfes. Es sind dies im einzelnen eine üblicherweise aus Aluminium bestehende Grundplatte 1, auf der ein als Träger dienendes Substrat 2 aufgebracht, z.B. geklebt ist. Als Substrat 2 dient dabei ein Silizium Wafer. Auf dieses Substrat 2 ist mittels eines chemischen Prozesses (chemical vapour deposition CVD) eine ca. 3 µm dicke erste Abdeckschicht 3 aus Siliziumdioxid SiO₂ als Wärmebarriere und Isolationsschicht abgeschieden. Diese Siliziumdioxidschicht kann auch durch thermische Oxidation des Silizium Wafers erzeugt werden. Auf diesem, so vorbehandelten Wafer ist in einem einzigen Prozeßschritt eine als elektrothermisches Wandlerelement wirkende Widerstandsschicht 4 und als Leiterbahnen für diese Thermowandler 4 dienende Aluminiumschichten 5,6 aufgestäubt. Nach der fotografischen Strukturierung der Leiterbahnen 5,6 und der Thermowandler 4 folgt ein weiterer CVD-Prozeß mit einer ca. 2 µm dicken zweiten Abdeckschicht 7 aus Siliziumdioxid (SiO₂) zur Isolierung und mechanischen Stabilisierung der Thermowandler 4. Darüber hinaus ist über den Thermowandlern 4 eine ca. 0,6 µm dicke Tantalschicht 14 als Kavitationsschutz aufgebracht. Eine zusätzlich als Korrosionsschutz auf die zweite Abdeckschicht 7 aufgeschleuderte, ca. 2 µm dicke Polyamidschicht 8 bedeckt die Tantalschicht 14 an ihren Rändern und bildet eine untere Wandung sowohl für eine Tintenkammer 13 als auch für die Tintenkanäle 10, die von der Tintenkammer 13 ausgehend in eine Austrittsöffnung 9 an einer sog. Düsenplatte münden und durch Kanaltrennwände 18 voneinander isoliert sind. Dabei ist jeweils einem Tintenkanal 10 jeweils eine Austrittsöffnung 9 und jeweils ein Thermowandler 4 zugeordnet. Nach oben hin wird der Aufbau durch eine Kleberschicht 11 und eine sich daran anschließende Deckplatte 12 derart abgeschlossen, daß zwischen der Polyamidschicht 8 und der Kleberschicht 11 eine Reihe von Tintenkanälen 10 und die allen Tintenkanälen 10 gemeinsame Tintenkammer 13 ausgebildet sind, welche über eine Tintenversorgungsleitung 16 und mit einem Tintenvorratsbehälter 17 verbunden ist.
  • Erfindungsgemäß ist nach Fig. 2 zur Erwärmung der Tinte eine Heizvorrichtung in Form eines in die erste Metallisierungsebene des Tintendruckkopfes integrierten Heizwiderstandes 15 vorgesehen, der direkt aus einem der beiden für Thermowandler 4 und Leiterbahnen 5,6 auf dem Grundoxyd abgeschiedenen elektrisch leitfähigen Dünnfilme in auf dem Dünnfilmsubstrat vorhandenen Leerräumen erzeugt wird.
  • Da gemäß Figur 2 die Thermowandler 4 und die entsprechenden Zuleitungen bezüglich der Achse AA' symmetrisch auf dem Dünnfilmsubstrat 2 angeordnet sind, genügt es für die nachfolgenden Betrachtungen, nur einen Ausschnitt (linke Hälfte) des Leiterbahnlayouts für einen solchen Schreibkopf darzustellen. Dieser weist 50 Thermowandler 4 auf, die über Zuleitungen - je eine Hin- und Rückleitung pro Thermowandler 4- elektrisch versorgt werden. Diese Zuleitungen führen als Leiterbahnen 5,6 von den in einem randnahen Bereich des Schreibkopfes angeordneten Thermowandlern 4 zu einem auf der gegenüberliegenden Seite dieser Ebene liegenden Anschlußfeld 19, wo die Leiterbahnen mit Einzelleitern eines hier nicht dargestellten Anschlußkabels kontaktiert werden. Da einerseits für diese Kontaktierung ein ausreichender Platz zur Verfügung stehen muß, und andererseits die Thermowandler 4 aufgrund eines möglichst hohen Auflösungsvermögens relativ klein und dicht benachbart angeordnet sein sollen, sind die Leiterbahnen 5,6 auf dem Dünnfilmsubstrat 2 aufgefächert. Demzufolge sind die Leiterbahnen 5,6, ausgehend von den Thermowandlern 4 in Leiterbahnen enger Teilung 26 und im Bereich des Anschlußfeldes 19 in Leiterbahnen weiter Teilung 27 aufgegliedert. Eine Übergangsstruktur 28 verbindet die Leiterbahnen enger Teilung 26 mit den Leiterbahnen weiter Teilung 27. Durch geeignete Dimensionierung dieser Übergangsstruktur 28, insbesondere der Leiterbahnbreite und der Spaltbreite, d.h. dem Abstand zweier benachbarter Leiterbahnen läßt sich in Abhängigkeit von den Leiterbahnbreiten und Spaltbreiten in den beiden anderen Bereichen ein möglichst gleicher und möglichst niedriger Zuleitungswiderstand für alle Thermowandler 4 erreichen. Dies ist insbesondere für einen stabilen Betrieb der Tintendruckeinrichtung von Bedeutung, da die in den verschiedenen Thermowandlern 4 des Schreibkopfes pro Druckimpuls freigesetzte Wärmemenge in engen Grenzen gleich groß sein muß. Andernfalls besteht die Gefahr der Zerstörung einzelner Thermowandler 4 durch Überhitzung.
  • Aus den vorgegebenen Strukturgrößen der beiden zu verbindenden Leiterbahnbereiche 26,27 läßt sich mit den in Figur 3 eingeführten Bezeichnungen zweier benachbarter Leiterbahnen L1,L2, nämlich den Leiterbahnbreiten da, db und der Spaltbreiten sa, sb sowie aus der Spaltbreite sv in der Übergangsstruktur 28 die Leiterbreite in der Übergangsstruktur 28 nach folgender Beziehung dimensionieren d v = -s v /2 + S v ² /4 + c
    Figure imgb0001
    mit c= d b · d a · (d b +s b -d a -s a )/(d b -d a ).
    Figure imgb0002
  • Um die Anzahl der Einzelleiter des Anschlußkabels zu verringern, sind im Anschlußfeld 19 die Leiterbahnen in insgesamt 8 Gruppen zusammengefaßt. In den beiden Gruppen, welche unmittelbar neben der Symmetrielinie AA' liegen, sind jeweils sieben Thermowandler 4 mit ihren 14 Leiterbahnen -je eine Hin- und Rückleitung pro Thermowandler 4- zusammengefaßt, während die restlichen 6 Gruppen jeweils sechs Thermowandler 4 mit ihren 12 Leiterbahnen vereinen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist jedoch in Figur 1 lediglich eine Anschlußleitung pro Thermowandler 4 dargestellt. Die genaue Verdrahtung der insgesamt 100 Leiterbahnen für die 50 Thermowandler 4 wird später anhand der Figur 4 näher erläutert.
  • Durch eine solche Zusammenfassung der einzelnen Leiterbahnen zu Gruppen und durch die Aufgliederung in drei Bereiche mit unterschiedlichen Teilungen entstehen zwischen den Leiterbahnen zweier benachbarter Gruppen Leerräume, deren Breiten den Gruppenabständen 20,21 in Fig. 2 entsprechen und die zur Plazierung einer Tintenheizung genutzt werden. Die Tintenheizung ist dabei in Form eines Widerstandsmäanders in diese Leerräume eingebracht. Die beiden Zuleitungen des Heizwiderstandes 15 verlaufen im Randbereich der Substratoberfläche zum Anschlußfeld 19 und enden an Anschlußfahnen 29, von denen in Figur 2 nur eine dieser Anschlußfahnen 29 gezeigt ist. Entsprechend der Anzahl der durch die Auffächerung der Leiterbahnen erzeugten Leerräume ist der Heizwiderstand 15 in mehrere Teilabschnitte aufgeteilt, die im Anschlußfeld 19 mit einer Kontaktbrücke 24 verbunden sind. Dabei ist jeweils das Ende eines Teilabschnittes mit dem Anfang des nächsten Teilabschnittes gemäß Figur 4 verbunden, so daß sich insgesamt eine Reihenschaltung der Teilabschnitte ergibt und an den Anschlußfahnen 29 der Heizwiderstand 15 mit einer Heizspannung beaufschlagt werden kann.
  • Die Figur 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Anschlußfeldes 19 mit den zu einer Gruppe zusammengefaßten Leiterbahnen. Während die Leiterbahnen 5, im nachfolgenden als individuelle Leiterbahnen bezeichnet, an ihren freien Enden verbreiterte Flächen in Form von Kontaktfahnen 22 aufweisen, an denen sie mit je einem Einzelleiter eines Anschlußkabels kontaktiert werden, führen die Leiterbahnen 6 der zu einer Gruppe zusammengefaßten Thermowandler 4 gemeinsam auf eine relativ großflächige Massebrücke 25. An der Massebrücke 25 sind an ihren beiden Stirnseiten ebenfalls in Richtung der Leiterbahnen 5, 6 hineinragende Kontaktfahnen 23 ausgeformt, so daß sich insgesamt eine geometrisch einheitliche, kammartig strukturierte Kontaktleiste im Anschlußfeld 19 ergibt. Im verbleibenden Spalt der Kontaktfahnen 23 zweier benachbarter Massebrücken 25 werden die Hin- und Rückleitung eines Teilabschnittes des Heizwiderstandes 15 durchgeführt und mittels einer Kontaktbrücke 24 verbunden. Der dargestellten Gruppe in Figur 4 sind sechs Thermowandler 4 mit ihren insgesamt 12 Leiterbahnen zugeordnet, wobei zur Kontaktierung dieser Gruppe aber nur 7 Anschlüsse nötig sind (6 individuelle Leitungen und eine Masseleitung). Die gezielte Ansteuerung der einzelnen Thermowandler 4 kann dabei über ein passives Netzwerk, beispielsweise über eine an sich bekannte Diodendecodiermatrix erfolgen.
  • Erfindungsgemäß wird als Material für diesen Heizwiderstand 15 ein Material mit einer großen Temperaturabhängigkeit seines Widerstandswertes verwendet. Hierfür kommt z.B. Aluminium mit einem Temperaturkoeefizienten von +AL= + 4000 ppm/K in Betracht. Durch Auswertung dieses Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes des Heizwiderstandes 15 wird dieser als Wärmequelle für die Tintenflüssigkeit und gleichzeitig als Temperatursensor verwendet.
  • Hierzu wird eine Widerstandsanordnung in Form einer Brückenschaltung gemäß Figur 5 zum Heizen und zur Temperaturmessung verwendet, bei der sich die temperatursensitiven Widerstände und die Heizwiderstände auf dem Dünnfilmsubstrat befinden. In der Figur 5 sind mit R₁, R₂, R₃ und R₄ die Brückenwiderstände (Temperaturmeß- und/oder Heizwiderstände) mit ihrem Temperaturkoeffizienten α₁ bisα₄ bezeichnet, die zu einer Meßbrücke zusammengeschaltet sind. In jedem Fall wird mindestens einer der Brückenwiderstände zum Heizen und mindestens einer der Brückenwiderstände zur Temperaturmessung verwendet (Heiz- und Temperaturmeßwiderstand/ -meßwiderstände können auch identisch sein). Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung, bei der mehrere/alle toleranzkritischen Bauteile der Widerstandsbrücke in die erste Metallisierungsebene des Schreibkopfes integriert sind. Herstellungsbedingte Schwankungen wirken sich in diesem Falle auf alle Bauteile in gleichem Maße aus, beeinflussen aber nicht die Widerstandsverhältnisse z.B. mehrerer Brückenwiderstände (dies gilt jedoch nur jeweils innerhalb einer Widerstandsschicht). Diese Methode ist speziell bei einem Schreibkopf anwendbar, bei dem zwei Widerstandsmaterialien mit deutlich unterschiedlichem Temperaturkoeffizienten z.B. Hafniumdiborid HfB₂ mit α ⁻HfB₂ =-70 ppm/K und Aluminium mit α ⁺AL=+4000 ppm/K zur Verfügung stehen.
  • Aus einer gemeinsamen Spannungsquelle, nämlich der Meßspannung UB, werden die jeweils in Reihe geschalteten Widerstände R₁ und R₂ sowie R₃ und R₄ gespeist. Wird mit φ₁ das elektrische Potential an der rechten Brückenmitte und mit φ₂ das elektrische Potential an der linken Brückenmitte bezeichnet, so erhält man an der Brückendiagonale eine temperaturabhängige elektrische Potentialdifferenz Δ φ (T).
  • In Figur 6a ist das Temperatursignal 4 φ (T) bei Ausnutzung eines Brückenzweiges dargestellt. Dabei ist vorausgesetzt, daß der Brückenwiderstand R₃ aus Aluminium mit α ⁺AL+ 4000 ppm/K und die Brückenwiderstände R₁=R₂=R₄ aus Hafniumdiborid mit α ⁻HfB2 = - 70 ppm/K realisiert sind. Der Heizwiderstand R₃ wird also vom gesamten Heizstrom durchflossen. Dabei erhält man für das Potential φ₁ (T) proportional der Temperatur eine linear fallende Kennlinie, welche die Kennlinie für φ₂ (T)=const. in einem Punkt TC (Crossover-Temperatur) schneidet.
    Durch Ausnutzung beider Brückenzweige zur Temperaturmessung läßt sich das Temperatursignal Δ φ (T) verdoppeln (Fig. 6b). Dabei wird ebenfalls die Meßbrücke vom gesamten Heizstrom durchflossen, wobei die Widerstände R₂ und R₃ mit den Temperaturkoeffizienten α₂ = α₃ die Heizwiderstände symbolisieren.
  • Zum Beispiel R₂, R₃ mit α ⁺AL = + 4000 ppm/K, R₁, R₄ mit α ⁻HfB2 = -70 ppm/k,
    wobei α₂ = α₃ , α₂ > α₁ und α₁ = α₄ gilt.
  • Eine weitere Möglichkeit für die Beschaltung der Meßbrücke/ Heizbrücke ist in Figur 7 dargestellt. Dabei liegt über eine Schutzdiode D die Meßspannung UB an den Brückenwiderständen R₁ und R₃ an. Durch die Schutzdiode D ist ein rückwirkungsfreies Heizen bzw. Messen sichergestellt. Der Heizstrom IH wird separat am linken Brückenzweig eingespeist. An der Brückendiagonale ist analog den beschriebenen Meßbrücken das Temperatursignal Δ φ (T) abnehmbar. Bei dieser Anordnung wird periodisch zuerst die Temperatur gemessen und danach, in Abhängigkeit vom Meßergebnis, gezielt der Heizwiderstand R₂ bestromt. Zur Temperaturmessung wird die Brücke von einem gegenüber dem Heizstrom IH kleinen Meßstrom IM durchflossen. Dadurch ist sichergestellt, daß der Meßstrom IM nur eine unwesentliche Erwärmung des Temperatursensors bewirkt.
  • Es kann weiterhin das Temperatursignal eines oder beider Brückenzweige ausgewertet werden.
    Beispiel für die Ausnutzung eines Brückenzweiges:
       R₁, R₃, R₄ = Brückenwiderstände, z.B. α₁ = α₃ = α₄
       (R₁, R₃, R₄ mit α ⁻HfB₂ = -70 ppm/K
       R₂ = Heizwiderstand, z.B.α₂ (R₂ mit α ⁺AL= +4000 ppm/K.
       Beispiel für die Ausnutzung beider Brückenzweige:
       R₁, R₄ = Brückenwiderstände, z.B. α₁ = α₄
       (R₁, R₄ mit α ⁻HfB2 = -70 ppm/K
       R₂, R₃ = Heizwiderstände, z.B. α₂ = α₃ (R₂,R₃ mit
       α ⁺AL = + 4000 ppm/K.
  • Darüber hinaus besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, entweder zur Temperaturmessung einen separaten, in der ersten Metallisierungsebene des Dünnfilmsubstrates realisierten Dünnfilmtemperatursensor oder einen separaten diskreten Temperatursensor zu verwenden.
  • Entsprechend den verwendeten Temperatursensor/Heizwiderstandskonfigurationen gemäß den Figuren 5 bis 7 lassen sich verschiedene Typen von Heizungsreglern für die Tintenheizung einsetzen. Bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen von Regelschaltungen wird davon ausgegangen, daß der Heizwiderstand in die Meßbrücke integriert ist.
  • Die Figur 8 zeigt die Prinzipschaltung eines analogen Komparators mit floatender Meßbrücke. Während mit dem Bezugszeichen R₁, R₃, R₄ die Brückenwiderstände bezeichnet sind, stellt der Widerstand R₂ den temperaturabhängigen Heizwiderstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) dar.
    Ausgehend von einer Meßbrücke, wie sie in Figur 5 dargestellt ist, wird zur Auswertung des Temperatursignals Δ φ (T) im Diagonalzweig ein Komparator K verwendet, dessen Ausgang über einen nicht näher bezeichneten Widerstand mit der Basis eines Schalttransistors ST verbunden ist. Außerdem ist zur Erzeugung einer Basisvorspannung noch ein Widerstand RB an die Basis angeschaltet. Die Meßspannung UB ist über die Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors ST und über eine in Durchflußrichtung gepolte Schutzdiode D an die Brückenwiderstände R₁ und R₃ gelegt. Ein Widerstand Rm zwischen Emitter des Schalttransistors ST und der Kathode der Schutzdiode D dient zur Sicherstellung eines definierten Brückenpotentiales, d.h. es fließt immer ein kleiner Brückenstrom, z.B. auch wenn die Umgebungstemperatur höher als die Regeltemperatur ist.
  • Die Figuren 9 und 10 zeigen zwei Beispiele für getaktete Heizungsregler, bei denen jeweils nur der Heizwiderstand R₂ bestromt wird. Beiden Schaltungen ist gemeinsam, daß sie mit einem externen Systemtakt S betrieben werden und dieselbe Meßbrückenanordnung aufweisen, wie sie anhand der Figur 7 beschrieben wurde. Lediglich die Brückenwiderstände R₃ und R₄ sind dabei zum Zwecke eines Abgleiches der Brücke durch einen einzigen Widerstand R₃₄ mit einem Abgriff ersetzt.
  • Gemäß Figur 9 ist mit dem Bezugszeichen VDD die Versorgungsspannung für die Meßbrücke und die logischen Bausteine IC1, IC2 bezeichnet. Der positive Pol der Heizspannung UH ist über die Emitter-Kollektor-Strecke eines Schalttransistors ST mit der linken Brückenmitte verbunden. Das an der Brückendiagonale abgegriffene Temperatursignal Δ φ(T) wird über zwei Widerstände R₆, R₇ an die Eingangsklemmen eines Komparators IC1 geführt, die ihrerseits mit einem Kondensator C verbunden sind. Die Versorgungsspannung VDD liegt sowohl über die Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors T₁ und einer Schutzdiode D an den Brückenwiderständen R₁ und R₃₄ als auch über einen Widerstand R₈ an dem Kollektor eines weiteren Transistors T₂ an. Zwischen dem Kollektor des Transistors T₂ und der Basis des Schalttransistors T₁ ist ein weiterer Widerstand R₉ geschaltet. An einem Steuereingang S liegt ein Taktsignal an, das über einen Widerstand R₁₀ an die Basis des Transistors T₂ und über einen Widerstand R₁₁ an die Basis eines Transistors T₃ geführt wird. Die beiden Emitter der Transistoren T₂, T₃ sind an ein Massepotential Null Volt geschaltet. Außerdem steuert dieses Taktsignal S über einen Eingang CL ein Speicherglied IC2. Der Ausgang des Komparators IC1 ist einerseits mit einem Dateneingang D₁ dieses Speichergliedes IC2 und andererseits über einen Widerstand R₅ mit der Versorgungsspannung +VDD verbunden. Ein Datenausgang Q1 ist über einen Widerstand R₁₄ mit der Basis des Transistors T₃ und dem Kollektor eines Transistors T₄ verbunden. Während der Emitter des Transistors T₄ an Masse liegt, ist der Kollektor über einen Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R₁₃ und R₁₂ mit der Basis des Schalttransistors ST bzw. der Versorgungsspannung +UH verbunden.
  • Zum besseren Verständnis der Regelschaltung sind diejenigen Teile, welche den Heizungskreis HK bilden, mit einer strichpunktierten Linie, diejenigen Teile, welche die Temperaturmeßschaltung TM bilden, mit einer strichlierten Linie umrandet. Aus der Uberlappung dieser beiden Umrandungen ist auch noch einmal ersichtlich, daß der Widerstand R₂ sowohl als Heizwiderstand als auch als Temperatursensor verwendet wird.
  • Während beim Temperaturregler nach Figur 9 als Speicherglied ein getaktetes Einspeicher-Flip-Flop ("Latch") IC2 dient und mit einem definierten Taktverhältnis des Systemtaktes S betrieben wird, benutzt der Temperaturregler nach Figur 10 den Systemtakt S nur zur Triggerung. Als Speicherglied IC3 wird dabei ein Dual-Mono-Flop verwendet. Da in beiden Schaltungen der Heizungskreis HK und die Temperaturmeßschaltung TM identisch sind, werden anhand der Figur 10 nur diejenigen Schaltverbindungen beschrieben, die sich durch Verwendung der unterschiedlichen Speicherglieder ergeben.
  • So ist der Ausgang des Komparators IC1 mit der Klemme 11 und die Basis des Transistors T₁ über einen Widerstand R₁₄ an die Klemmen 5 und 7 des Speichergliedes IC3 verbunden. Außerdem besteht eine Verbindung zwischen der Basis des Transistors T₄ über einen Widerstand R₁₇ mit den Klemmen 10 und 12 des Speichergliedes IC3. Der Systemtakt S wird an die Klemme 4 des Speichergliedes IC3 angeschlossen. Zwischen den Klemmen 14 und 15 des Speichergliedes IC3 ist ein Kondensator C₂, zwischen die Klemmen 2 und 3 ein Kondensator C₃ geschaltet. Die Versorgungsspannung VDD ist einerseits unmittelbar an die Klemmen 3,12 und 16 und über einstellbare Widerstände R₁₅, R₁₆ an die Klemmen 14 und 2 geführt. Darüber hinaus sind die Klemmen 1,8 und 15 mit Massepotential verbunden. Während einer Halbperiode t1 des Systemtaktes S wird die Meßbrücke mit einem kleinen Meßstrom IM, der nur zu einer unwesentlichen Erwärmung des Heizwiderstandes führt, beaufschlagt. Das an der Brückendiagonale abgreifbare und vom Komparator IC1 ausgewertete Temperatursignal Δ φ (T) (Komparatorausgang entweder "Low" oder "High") wird in das Speicherglied eingeschrieben und während der nächsten Halbperiode t2 des Systemtaktes S, entsprechend des Speichereintrages, gezielt nur der Heizwiderstand R₂ bestromt/nicht bestromt. Dieser Vorgang wird, durch den Systemtakt S gesteuert, periodisch wiederholt. Zur weiteren Verdeutlichung der Funktionsweise der Regelschaltung nach Figur 9 ist die prinzipielle Abhängigkeit und zeitliche Entwicklung einiger Reglergrößen in Figur 11 dargestellt.
  • In Zeile a ist dabei der Systemtakt S mit einem Tastverhältnis γ = t1/t1+t2 dargestellt und in Zeile b der Temperaturverlauf des Heizwiderstandes R₂, wobei zusätzlich noch die Solltemperatur tSoll eingezeichnet ist. Die logischen Zustände des Speicherausgangs Q₁ des Speichergliedes IC2 sind in der Zeile c verdeutlicht. In Zeile d sind schließlich die Verläufe des Heizstromes IH und des Meßstromes IM dargestellt. Ausgehend vom Zeitpunkt to (mit der ansteigenden Flanke des Systemtaktes S) fließt während der Zeitspanne t₁ ein Meßstrom IM durch die Meßbrücke; die gemessene Temperatur tR2 des Heizwiderstandes R₂ ist während dieser Zeitspanne gemäß Zeile b niedriger als die Solltemperatur tSoll und folgedessen wird während der Zeitspanne t₂ der Heizwiderstand R₂ bestromt. Die Temperatur tR2 steigt an. Mit der nächstfolgenden steigenden Flanke des Systemtaktes S beginnt wieder eine Messung der Temperatur. Da diese über der Solltemperatur tSoll liegt, wird während der nächsten Halbperiode des Systemtaktes S der Heizwiderstand R₂ nicht bestromt. Da die Temperatur tR2 beim nächsten Meßzyklus (auf der Zeitachse mit ti bezeichnet) immer noch größer als die Temperatur tSoll ist, wird der Heizwiderstand R₂ auch bei der folgenden Halbperiode des Systemtaktes S noch nicht bestromt.
  • Das Temperatureinschwingverhalten und die Temperaturkonstanz des Heizwiderstandes R₂ einer solchen Regelschaltung ist in Figur 12 dargestellt. Außer dem zeitlichen Verlauf der Heizungstemperatur tR2 ist zusätzlich die Umgebungstemperatur tu eingezeichnet.
  • Bei Verwendung eines als Heizwiderstand R₂ und Temperatursensor dienenden Dünnfilmfolien-Heizelementes mit einem Temperaturkoeffizienten von α ⁺ = + 3200 ppm/K haben sich folgende Größen bzw. Typen für die einzelnen Bauteile als besonders vorteilhaft erwiesen:
    UH≦40 V, VDD≦18 V, IC1 = LM 393, IC2 = MC 14042 B, IC3 = MC 14538B, R₁ = 390 Ω , R₃₄= 25 k Ω , R6=R7=56 k Ω , R₅= 680 k Ω , R₉,R₁₃ = 6,8 k Ω , R₈,R₁₀,R₁₄,R₁₇= 10 k Ω , R₁₁=4,7 k Ω , R₁₂= 1 k Ω , C ≦ 1 nF, C2 = 4µF, C3=0,1µF, R₁₅,R₁₆= 100 k Ω , T₂, T₃, T₄= BCY 59, T₁= BC 307, ST= BC 327.

Claims (12)

  1. Anordnung zum Erwärmen der Tinte in einem in Schichttechnik aufgebauten Schreibkopf einer Tintendruckeinrichtung, mit folgenden Merkmalen:
    a) eine Vielzahl von in Tintenkanälen angeordneten elektrothermischen Wandlerelementen (4) werden über individuelle, als Leiterbahnen (5,6) ausgeführte Zuleitungen angesteuert,
    b) die elektrothermischen Wandlerelemente (4) und die Leiterbahnen (5,6) werden in einer einzigen Metallisierungsebene auf einem Substrat (2) erzeugt,
    c) jeweils eine Anzahl von Leiterbahnen (5,6) sind zu Gruppen voneinander durch Zwischenräume beabstandet,
    d) in diesen Zwischenräumen sind in der ersten Metallisierungsebene Teilabschnitte eines großflächigen Heizwiderstandes (15) eingebracht, die untereinander elektrisch verbunden sind,
    e) die Teilabschnitte des Heizwiderstandes (15) und die Leiterbahnen (5,6) sind an einen Randbereich des Schreibkopfes geführt und dort kontaktiert und
    f) die elektrothermischen Wandlerelemente (4), die Leiterbahnen (5,6) und der Heizwiderstand (15) sind gemeinsam mit einem Isolator (7) abgedeckt.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teilabschnitte des Heizwiderstandes (15) mäanderförmig strukturiert sind.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (15) aus einem Material mit einer hohen Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes besteht und daß der Heizwiderstand (15) als Wärmequelle und gleichzeitig als Temperatursensor dient.
  4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand in einen Brückenzweig einer Brückenschaltung zum Heizen und zur Temperaturmessung geschaltet ist, an der Brückendiagonalen ein Temperatursignal Δφ(T)abgreifbar ist und auch die übrigen Brückenwiderstände in der ersten Metallisierungsebene integriert sind.
  5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Brückenwiderstände zum Heizen und mindestens einer der Brückenwiderstände zur Temperaturmessung verwendet wird.
  6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Meßbrücke vom gesamten Heizstrom (IH) durchflossen wird und das Temperatursignal mindestens eines Brückenzweiges ausgewertet wird.
  7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbrücke von einem gegenüber dem Heizstrom (IH) kleinen Meßstrom (IM) durchflossen wird, wobei zum Heizen nur der Heizwiderstand (15) bestromt wird.
  8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Heiztemperatur ein separater, in die erste Metallisierungsebene integrierter Dünnfilmtemperatursensor verwendet wird.
  9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Heiztemperatur ein separater, diskreter Temperatursensor verwendet wird.
  10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung des Temperatursignals ( φ (T)) ein analoger Komparator (K) dient, dessen Ausgang über einen elektronischen Schalter (ST) die Spannungsversorgung (UB) für die Meßbrücke steuert.
  11. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Temperatur Zweipunktregelschaltungen mit einem externen Systemtakt (S) verwendet werden, die während einer Halbperiode des Systemtaktes (S) die Meßbrücke mit dem Meßstrom (IM) beaufschlagen, das an der Brückendiagonale abgegriffene Temperatursignal (Δ φ (T)) einem Komparator (IC1) zur Auswertung weiterleiten, dessen Ausgangssignal in ein Speicherglied IC2, IC3) eingeschrieben wird und während der nächsten Halbperiode des Systemtaktes (S) entsprechend des Speichereintrages entweder der Heizwiderstand (15) bestromt oder nicht bestromt wird.
  12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß das Speicherglied (IC2, IC3) als bistabile Kippstufe realisiert ist.
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