ITTO990280A1 - Circuito di pilotaggio per testina di stampa termica a gettod'inchiostro. - Google Patents

Circuito di pilotaggio per testina di stampa termica a gettod'inchiostro. Download PDF

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Description

Descrizione dell'invenzione industriale avente per titolo: "CIRCUITO DI PILOTAGGIO PER TESTINA DI STAMPA TERMICA A GETTO D’INCHIOSTRO"
TESTO DELLA DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un circuito di pilotaggio per testina di stampa termica a getto d'inchiostro, comprendente una resistenza termica atta a provocare l'eiezione di una goccia d'inchiostro a fronte di una corrente predeterminata, un transistor di potenza collegato alla resistenza termica ed atto ad assumere una condizione ON per attivare la corrente predeterminata, un circuito logico collegato al transìstor di potenza per controllare selettivamente il transistor ad assumere la condizione ON.
E' noto dalla domanda di brevetto Europeo N. 97110413.8 un circuito integrato di pilotaggio per testina di stampa termica a getto d'inchiostro realizzato in tecnologia MOS (Metal Oxide Semiconductor).
Il circuito noto comprende una resistenza termica per generare una bolla di vapore ed eiettare una goccia d'inchiostro, un transistor di potenza avente il "drain" collegato alla resistenza termica ed il "source" a massa, un circuito logico di pilotaggio per comandare selettivamente il transistor di potenza ed un circuito elevatore di tensione interposto fra il circuito logico di pilotaggio ed il transistor di potenza per elevare il livello della tensione in uscita dal circuito logico di pilotaggio ed applicare tale livello convertito come tensione di "gate" (VG o gate voltage) al "gate" del transistor di potenza per portarlo in condizione ON ed attivare di conseguenza il riscaldamento della resistenza termica.
In accordo all'arte nota il circuito elevatore di tensione si rende necessario per comandare il transistor di potenza in una regione delle caratteristiche RON -> VG in cui la resistenza totale del transistor nella condizione ON (RON O Resistenza ON totale), che è costituita dalla somma della Resistenza dovuta alle sole caratteristiche fisiche del transistor (RONC O Resistenza ON di canale) e della resistenza parassita dovuta alle interconnessioni (RP), sia bassa, in sostanza dell'ordine di 3,5÷4,5 Ω.
Infatti con RON totale bassa, data una certa corrente di attraversamento del transistor (IDS o drain current) necessaria a fornire energia alla resistenza termica, si ha una potenza media dispersa nel circuito bassa (IDS<2>*RON) con evidenti vantaggi nel controllo della temperatura della testina di stampa nel suo funzionamento. ;In particolare, in accordo con la seguente formula semplificata: ;;; ;; in cui W: larghézza del transistor; L: lunghezza del canale del transistor; μn: mobilità superficiale di canale degli elettroni; Cox: capacità di gate del transistor che è inversamente proporzionale allo spessore Τox dello strato di ossido relativo al gate del transistor; VTH: tensione di soglia del transistor e VG: tensione di segnale applicato al gate. ;Se si ipotizza: ;una L/W=1 , 5μm / 4000μm ; ;una μn ≡ 400 cm<2 >/ (Volt* sec) ;
una Τox ≡ 500 Å (angstrom) ; ed
una VTH = 1, 5 V
occorre un segnale VG = 10 Volt per ottenere una RONC = 2 Ω, che corrisponde allaRON di 3,5÷4,5 Ω (Fig. 3, curva a). Di conseguenza, volendo realizzare con i parametri precedentemente citati il circuito di pilotaggio della testina di stampa, è necessario, nell'arte nota, che per ciascuna resistenza termica venga inserito un circuito elevatore di tensione fra il circuito logico di pilotaggio, che come noto normalmente "lavora" a ≡ 5 V, per semplicità di progetto, ed il transistor di potenza, che in base alla formula (1) deve "lavorare" invece con una VG di ~ 10 V per avere una RON totale compresa fra 3,5 e 4,5 Ω.
Considerando che la tendenza attuale delle testine di stampa è di avere un numero sempre maggiore di ugelli ad alta densità e quindi di corrispondenti resistenze termiche associate a transistor di potenza, risulta evidente che le attuali soluzioni comportano un elevato spreco di circuiteria proprio per la necessità di inserire circuiti elevatori di tensione che in genere sono costituiti da almeno due transistor alimentati a tensione 10 Volt e quindi con tecnologia più complessa della circuiteria logica a 5 Volt.
In sintesi, la necessità di inserire circuiti elevatori di tensione nei circuiti integrati che costituiscono le attuali testine di stampa aumenta la superficie del circuito integrato da realizzare, aumenta il rischio di difetti e guasti ed in definitiva i costi di realizzazione del circuito integrato stesso.
Scopo della presente invenzione è la realizzazione di un circuito integrato a tecnologia MOS che non richieda l'inserimento di circuiti elevatori di tensione per pilotare i transistor che forniscono energia alle resistenze termiche della testina di stampa.
Risolve tale problema tecnico il circuito di pilotaggio per testina di stampa termica a getto d'inchiostro caratterizzato da ciò che il transistor di potenza è realizzato in tecnologia MOS ed è atto ad assumere la condizione ON con una tensione di gate VG compresa fra 4.5 e 5.5 V (volt).
Questa ed altre caratteristiche della presente invenzione risulteranno chiare dalla seguente descrizione di una forma preferita di esecuzione, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo con l'ausilio degli annessi disegni, in cui:
Fig. 1 Rappresenta uno schema a blocchi di una testina di stampa;
Fig. 2 rappresenta una sezione del transistor di potenza di Fig.l; e
Fig.3 rappresenta curve tipiche RON → VG di transistor di potenza secondo l'arte nota e secondo l'invenzione. Con riferimento alla Fig. 1 un circuito di pilotaggio 10 di una testina di stampa, secondo la presente invenzione, comprende un numero predefinito di resistenze termiche (resistenze) 11, corrispondenti al numero di ugelli della testina di stampa, un numero equivalente di transistor di potenza (transistor) 12, un numero equivalente di circuiti logici di controllo (circuiti logici) 14 ed uno o più registri a scorrimento (shift register) 15 di ampiezza in numero di bit almeno pari al numero delle resistenze 11.
Ciascuna resistenza 11, di tipo noto, ha il primo terminale collegato ad una tensione di riferimento (tensione VCC), compresa ad esempio fra 6,5 e 12,5 Volt, ed il secondo terminale collegato ad un corrispondente transistor, in particolare al drain 12b del transistor 12 ed è atta a generare l'energia termica necessaria all'attivazione di un getto d'inchiostro da parte di un corrispondente ugello ad essa associato nella testina di stampa, quando il transistor 12 è attivo (ON).
Ciascun circuito logico 14, a due ingressi ed un uscita, ha il primo ingresso collegato ad un circuito di temporizzazione (strobe), non evidenziato in figura, per mezzo di un collegamento 18, il secondo ingresso ad un uscita del registro 15, e l'uscita al corrispondente transistor 12, in particolare al suo elettrodo di controllo (gate) 12a.
Ciascun circuito logico 14 è atto ad attivare la conduzione del transistor 12 in funzione della presenza di un bit con valore 1 in uscita dal registro 15 e per un tempo determinato dal circuito di temporizzazione per mezzo di un segnale di strobe sul collegamento 18.
Il registro 15, di tipo noto, è atto a memorizzare una mappa temporanea di bit con valore 0 o 1 rappresentativa degli ugelli da attivare per mezzo delle rispettive resistenze 11 ed a comandare simultaneamente l'attivazione selettiva delle resistenze 11, per mezzo dei corrispondenti circuiti logici 14 e transistor 12.
Ciascun transistor 12 ha il source 12c collegato a massa, e, come già descritto, il gate 12a all'uscita del rispettivo circuito logico 14, ed il drain 12b al secondo terminale della rispettiva resistenza 11 ed è atto a commutare da una condizione OFF (non conduzione) alla condizione ON in funzione della tensione VG applicata al gate 12a.
Ciascun transistor 12, elemento caratterizzante della presente invenzione, è realizzato in tecnologia MOS così come tutto il circuito di pilotaggio 10.
In accordo ad una forma preferita di realizzazione la logica di pilotaggio è di tipo CMOS ed il transistor 12 è di tipo LDMOS (Lateral Double-diffusion Metal Oxide Semiconductor) e comprende, in accordo ad una sua sezione, un substrato 21 (Fig. 2) di tipo P, noto in sé, una regione a drogaggio N- (Nwell) 22, nota in sé, che si estende all'intera area degli elettrodi.
Il transistor 12 comprende, in corrispondenza del source 12c, una regione a drogaggio P+ 23 contigua ad una regione a drogaggio N+ 24, di tipo noto, e, interposta fra la regione Nwell 22 e le regioni P+ e N+, 23 e 24 rispettivamente, una regione a drogaggio P- 25, di tipo noto, che si estende, per diffusione, sotto l'area dell'elettrodo del gate 12a e determina il valore di L riportato nella formula (1), come verrà più avanti descritto in dettaglio.
Il transistor 12 comprende, in corrispondenza del drain 12b, una regione a drogaggio N+, di tipo noto.
Il transistor 12 comprende, infine, in corrispondenza del gate 12a, uno strato di ossido 27 avente uno spessore Tox il cui valore, come noto, è inversamente proporzionale al valore della capacità Cox riportata nella formula (1).
In accordo alla presente invenzione è stato accertato nell'ambito del pilotaggio delle testine termiche a getto d'inchiostro o ink jet che, utilizzando come transistor 12 un transistor di tipo LDMOS, si ottiene il vantaggio di poter controllare il valore di L indipendentemente dalla larghezza dell'elettrodo del gate 12a.
Inoltre è anche stato accertato che, riducendo lo spessore Tox dello strato di ossido 27 dallo spessore di ≡ 500÷600 Å (angstrom), usato nei circuiti di pilotaggio per testine di stampa noti, ad uno spessore compreso fra ≡ 150 e 350 Å, si ottiene il risultato di poter comandare la commutazione del transistor 12 dalla condizione OFF alla condizione ON con una tensione VG di ≡ 5 Volt e nel contempo di avere una RONC bassa (≃ 2 Ω) ed una RON totale compresa fra 3,5 e 4,5 Ω (Fig. 3, curva b) che corrisponde allo scopo della presente invenzione.
Riducendo lo spessore Tox dello strato di ossido 27 ad uno spessore compreso fra ≡ 150 e 350 Å, si ottiene anche il vantaggio di contenere la tensione di soglia VTH in valori compresi fra 0,6 e 1,0 V e di conseguenza ottenere un'ulteriore diminuzione della RONC del transistor 12.
Prendendo, infatti, a riferimento la formula (1):
a parità di tutti gli altri parametri con:
si ottiene una RONC ≡ 2 Ω e quindi della stessa entità ottenuta nell'arte nota con Τox = 500 Å, VTH = 1,5 Volt e VG = 10 Volt.
Si avrà, pertanto, a parità di corrente nella resistenza termica 11 (180÷300 mA), la stessa caduta di tensione sul transistor di potenza 12 e la stessa dispersione di potenza
Il funzionamento del circuito di pilotaggio 10 non presenta differenze rispetto a quello dei circuiti di pilotaggio noti, ma risulta vantaggioso in quanto il transistor di potenza 12, ad esempio di tipo LDMOS, può essere pilotato con la stessa tensione usata in generale nei circuito logico 14, ad esempio di tipo CMOS, e nel registro a scorrimento 15, ovvero 5 Volt.
Inoltre il circuito di pilotaggio 10, in accordo alla presente invenzione, presenta gli ulteriori vantaggi di non richiedere per ogni transistor di potenza un circuito elevatore di tensione e di essere tecnologicamente fattibile senza speciali accorgimenti.
Naturalmente il transistor 12 può essere realizzato con altre tecnologie di tipo MOS che permettano di controllare il valore di L ed in particolare lo spessore Tox dello strato di ossido 27 per ottenere i valori della tensione di gate VG e della RON totale desiderati, senza uscire dallo spirito dell'invenzione.
Ad esempio il transistor 12 può essere del tipo NMOS o NDDD-NMOS (Doublé Diffusion Drain NMOS).
Eventuali cambiamenti nelle dimensioni, forme, materiali, componenti, elementi circuitali, collegamenti e contatti, così come nei dettagli della circuiteria e della costruzione illustrata e del metodo di operare possono essere apportati senza allontanarsi dallo spirito dell 'invenzione

Claims (7)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito di pilotaggio per testina di stampa termica a getto d'inchiostro, comprendente una resistenza termica atta a generare un getto d'inchiostro a fronte di una corrente predeterminata; - un transistor di potenza collegato a detta resistenza termica ed atto ad assumere una condizione ON per attivare detta corrente predeterminata; - un circuito logico collegato a detto transistor di potenza per controllare selettivamente detto transistor ad assumere la condizione ON; caratterizzato da ciò che - detto transistor di potenza è realizzato in tecnologia MOS ed è atto ad assumere la condizione ON con una tensione di gate VG compresa fra 4.5 e 5.5 Volt.
  2. 2. Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato da ciò che detto transistor di potenza è di tipo LDMOS.
  3. 3. Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato da ciò che detto transistor di potenza è di tipo NMOS o NDDD-NMOS.
  4. 4. Circuito secondo la rivendicazione 1, 2 o 3 caratterizzato da ciò che il gate di detto transistor di potenza ha un corrispondente ossido di gate con spessore compreso fra 150 e 350 Å (angstrom).
  5. 5. Circuito secondo la rivendicazione 1 2 o 3 caratterizzato da ciò che detto transistor di potenza in condizione ON ha una resistenza RON totale compresa fra 3,5 e 4,5 Ω (ohm).
  6. 6. Circuito secondo la rivendicazione 1, 2 o 3 caratterizzato da ciò che detto transistor di potenza in condizione ON controlla una corrente IDs compresa fra 180 e 300 mA (milli-ampere).
  7. 7. Circuito secondo la rivendicazione 1, 2 o 3 caratterizzato da ciò che detto transistor di potenza ha una tensione di soglia VTH compresa fra 0,6 e 1,0 V (volt).
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