DE3876844T2

DE3876844T2 - Waerme-tintenstrahldruckkopf.

Info

Publication number: DE3876844T2
Application number: DE8888303925T
Authority: DE
Inventors: Jerome E Eldridge; Gary S Keller; Francis C Lee; George N Nelson; Graham Olive
Original assignee: Lexmark International Inc
Current assignee: Lexmark International Inc
Priority date: 1987-05-01
Filing date: 1988-04-29
Publication date: 1993-05-19
Anticipated expiration: 2008-04-30
Also published as: JPS63274556A; US4791440A; DE3876844D1; EP0289347B1; CA1310227C; EP0289347A3; EP0289347A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Tintenstrahl-Drucksystem und speziell einen Druckkopf für ein thermisches Tropfen-bei- Bedarf Tintenstrahl-Drucksystem.
Ein thermisches Tropfen-bei-Bedarf Tintenstrahl-Drucksystem ist bekannt, bei welchem der Druckkopf eine Heizeinrichtung enthält, die selektiv erregbar ist, um eine "Blase" in einer benachbarten Tintenmasse zu bilden. Das plötzliche Wachstum der Blase bewirkt, daß ein Tintentropfen aus der benachbarten Düse ausgestoßen wird. Das Drucken wird dadurch erreicht, indem die Heizeinrichtung jedes Mal dann erregt wird, wenn ein Tropfen bei dieser Düsenposition gefordert wird, um ein gewünschtes gedrucktes Bild zu erzeugen.
Ein thermisches Tropfen-bei-Bedarf Tintenstrahl-Drucksystem ist in der US-A-4 520 373 beschrieben. Der Druckkopf in diesem System verwendet ein Heizsubstrat, bei welchem die Tintentropfen in eine Richtung parallel zu der Ebene des Heizelements ausgestoßen werden. Das System umfaßt eine Vielzahl von Chips, von denen jedes die Heizelemente, die Leiterelemente und eine Steuertransistor- Anordnung alle auf einer Seite eines Chips besitzt, wobei eine Wärmesenke auf der anderen Seite des Chips vorgesehen ist.
Ein weiteres thermisches Tropfen-bei-Bedarf Tintenstrahl- Drucksystem ist in der US-A-4 601 777 beschrieben, bei welchem die Tintentropfen in eine Richtung senkrecht zur Ebene des Heizelements ausgestoßen werden. Dieses Drucksystem umfaßt ein Chip, welches eine Anordnung von Heizelementen und Adressierungselektroden enthält, ferner ein Siliciumsubstrat, in welchem eine Anordnung von Nuten anisotropisch eingeätzt ist und welches eine festmontierte Elektrodenplatte enthält. Das Siliciumsubstrat ist an das Heizchip gebunden, so daß ein Ende jeder der Nuten so ausgerichtet ist, um als eine Düse zu dienen und eine zweite Ausnehmung als ein Tintenkrümmer dient. Elektrische Leitungen von dem Heizchip sind drahtmäßig mit entsprechenden Leiterfüßen auf der Elektrodenplatte gebunden.
Die thermischen Tropfen-bei-Bedarf Tintenstrahl-Drucksysteme, die zuvor angesprochen wurden, sind für eine hochauflösende Anordnung mit einer großen Zahl von Kanälen ungeeignet, da deren Auslegung oder Design es nicht zuläßt, daß die erforderlichen elektrischen Verbindungen in einem kompakt ausgelegten Druckkopf hergestellt werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen thermischen Tintenstrahldruckkopf mit einer großen Anzahl von Kanälen für ein thermisches Tropfen-bei-Bedarf Tintenstrahl-Drucksystem zu schaffen, welches die Möglichkeit bietet, mit hoher Auflösung zu drucken.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Tintenstrahldruckkopf mit einem elektrisch isolierenden Substratteil, einer Anordnung von Heizelementen, die auf dem Substratteil ausgebildet sind, einer ersten Anordnung von elektrischen Verbindungsteilen, die auf dem Substratteil ausgebildet sind und in elektrischer Verbindung mit der Anordnung der Heizelemente stehen, und mit einer zweiten Anordnung von elektrischen Verbindungsteilen, die auf dem Substratteil ausgebildet sind.
Eine Düsenplatte ist nahe dem Substratteil montiert und ist mit einer Tintenquelle verbunden und es ist eine Vielzahl von Düsen in der Düsenplatte ausgebildet, wobei jede nahe bei einem entsprechenden einen der Heizelemente angeordnet ist, so daß bei Anschluß eines elektrischen Signals an eine ausgewählte erste der ersten Anordnung der elektrischen Verbindungsteile ein Tintentropfen aus der entsprechenden Düse ausgestoßen wird.
Gemäß der Erfindung ist der Druckkopf dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Heizelemente und die erste Anordnung der elektrischen Verbindungsteile alle auf einer ersten Fläche des Substratteils ausgebildet sind, und daß die zweite Anordnung der elektrischen Verbindungsteile auf einer zweiten Fläche des Substratteils ausgebildet ist und daß der Druckkopf ferner eine dritte Anordnung von elektrischen Verbindungsteilen aufweist, die sich durch das Substratteil hindurch erstrecken, un elektrische Verbindungen zwischen der ersten und der zweiten Anordnung der elektrischen Verbindungsteile vorzusehen.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung soll im folgenden ein Ausführungsbeispiel unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in welchen
Fig. 1 eine Draufsicht ist, die einen thermischen Tintenstrahldruckkopf nach der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 2 eine Seitenansicht des Druckkopfes ist, der in Fig. 1 veranschaulicht ist und zwar geschnitten entlang dert Linien 2-2,
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Mehrfachdüsen-thermische-Tintenstrahldruckkopf-Anordnung, bei der die vorliegende Erfindung verwirklicht ist,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Tintenstrahldruckkopfes,
Fig. 4a einen Teilgrundriß der Düsenplatte des Druckkopfes, der in Fig. 4 veranschaulicht ist, geschnitten entlang den Linien a-a,
Fig. 5 eine Draufsicht auf ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Heizanordnung eines thermischen Tintenstrahldruckkopfes, der für eine Multiplex-Operation ausgelegt ist,
Fig. 6 eine Hintenansicht der Heizanordnung der Fig.5,
Fig. 7 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Heizanordnung für eine thermische Tintenstrahldruckkopf-Anordnung, die für eine Multiplex-Operation ausgelegt ist,
Fig. 8 einen Grundriß eines Zwischenschicht-Verbindungsmusters für die Heizanordnung der Fig. 7,
Fig. 9 einen Grundriß der Kontaktfüße des hinteren Teils der Heizanordnung der Fig. 7,
Fig. 10 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Heizanordnung für eine thermische Tintenstrahldruckkopf-Anordnung, die für einen Multiplex-Betrieb ausgelegt ist, und
Fig. 11 ein schematisches Schaltungsdiagramm zum Treiben eines Multiplex-thermischen Tintenstrahldruckkopfes.
Gemäß den Fig. 1 und 2 enthält ein thermischer Tropfen- bei-Bedarf Tintenstrahldruckkopf nach der vorliegenden Erfindung ein elektrisch isolierendes Substratteil 10, auf dessen einer Fläche 11 eine Anordnung von Widerstandsheizelementen 12 ausgebildet ist, wobei nur eines dieser Elemente in den Fig. 1 und 2 der Zeichnungen gezeigt ist. Eine gemeinsame Elektrode 13 und eine von einer Anordnung von Steuerelektroden 14 sind in elektrischem Kontakt mit jedem Widerstandsheizelement 12 vorgesehen. Die Steuerelektroden 18 erstrecken sich jeweils zu einem elektrischen Kontakt mit einer leitenden Durchführung durch das Element 15, die durch das Substrat 10 hindurchläuft und einen elektrischen Kontakt mit einem Lötfuß 16 auf der anderen Fläche 17 des Substrats 10 hat. Das Substratteil 10 sollte auch geeignete thermische Eigenschaften haben. Diese Eigenschaften umfassen das zwingende Einführen von Hitze in die Markierungsflüssigkeit wie beispielsweise Tinte zu Beginn eines Heizzyklusses und das Zulassen, daß die Hitze später im Heizzyklus in das Substrat abgeführt werden kann, um ein Aufheizen des Druckkopfes zu verhindern. Eine geeignete Struktur des Substratteils 10 umfaßt eine thermische Verzögerungsschicht wie beispielsweise eine SiO&sub2;-Schicht mit 2 bis 3 um Dicke auf einem geeigneten keramischen Substratmaterial.
Die obere Fläche 11 des Substratteils 10 für eine spezifische Ausführungsform einer Anordnung von Widerstandsheizelementen 12 ist in Fig. 3 gezeigt. Die Widerstandsheizelemente 12 sind in zwei beabstandeten Reihen 20, 22 ausgerichtet und die Heizelemente 12 in einer Reihe 20 können gegenüber den Heizelementen 12 in der anderen Reihe 22 gegeneinander versetzt angeordnet sein, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, wenn dies gewünscht wird. Die gemeinsame Elektrode 13 hat Kontakt mit jedem der Widerstandsheizelemente 12 und eine der Vielzahl der Steuerelektroden 14 hat Kontakt mit jedem der Widerstandsheizelemente 12. Die Durchführungselemente 15 sind vorgesehen, um einen Kontakt zwischen jeder der Steuerelektroden und einem entsprechenden Lötfuß 16 auf der gegenüberliegenden Fläche des Substrats 10 vorzusehen. Die Lötfüße 16 auf der gegenüberliegenden Fläche des Substrats 10 sind mit gestrichelten Linien in Fig. 3 gezeigt. Ein großer Lötfuß 18 ist für die gemeinsame Elektrode vorgesehen und in diesem Fall sind mehrere Durchführelemente 15 vorgesehen, um die Stromdichte jedes Elements 15 zu reduzieren. Es sei darauf hingewiesen, daß die Lötfüße 16 vorgesehen sind in vier beabstandeten Reihen 24, 25, 26, 27, so daß die elektrischen Verbindungen vorgesehen werden können innerhalb des gleichen physikalischen Abstands wie die Widerstandsheizelemente. Die großen Löcher 28 zwischen den zwei Reihen 20, 22 der Widerstandsheizelemente 12 sind Tinteneinlässe.
Fig. 4 ist eine Explosionsansicht eines thermischen Tropfen-bei-Bedarf Tintenstahldruckkopfes, der ein Heizchip 30 des in Fig. 3 gezeigten Typs verwenden kann. Der Heizchip 30 und eine Düsenplatte 32 sind mit einer Chipbefestigung 34 kombiniert oder verbunden, um eine steckbare Einheit zu erzeugen, die sowohl Flüssigkeits- als auch elektrische Anschlüsse hat. Wie in Fig. 4a gezeigt ist umfaßt die Düsenplatte 32 eine Vielzahl von Düsen oder Öffnungen 36, von denen jede einen Kanal 38 hat, der zu einem Krümmer 37 führt, welcher so angeordnet ist, um Tinte von Tintenversorgungsöffnungen 28 zu empfangen. Die Düsenplatte ist in Lage gebunden, so daß eine Düse sich gegenüber jedem der Widerstandsheizelemente 12 befindet, so daß ein Erregen eines ausgewählten Widerstandsheizelements 12 bewirkt, daß ein Tintentropfen von der entsprechenden Düse 36 ausgestoßen wird.
Das Chipmontageteil 34 umfaßt eine Anordnung von elektrischen Verbindungsstiften 40, die beabstandet sind, um an entsprechende Öffnungen in dem elektrischen Verbinder 42 angepaßt zu sein. Zusätzlich sieht der Tintenverbinder 44 eine Flüssigkeitsdichte-Bahn für die Tinte von dem Tintenreservoir 46 vor, so daß diese durch die Öffnungen 28 und die Kanäle 38 zu jeder der Düsen 36 bewegt werden kann.
Der in Fig. 4 gezeigte Druckkopf ist zur vertikalen Mittellinie symmetrisch (ausgenommen der Versatz der Düsen in den zwei Reihen 20, 22) und ist daher vollständig modular. Irgendeine Anzahl dieser Module kann vertikal gestapelt werden, um irgendeinen Drucker von einer Niedrigende- Druckeranwendung bis zu einem Seitendrucker und Farbdruckanwendungen vorzusehen.
Mit zunehmender Zahl der Düsen werden jedoch das fächerförmige Ausbreiten der Elektroden und die elektrischen Verbindungen zu den abstützenden elektronischen Schaltungen zunehmend komplex. Darüber hinaus nehmen die Kosten zum Antreiben des Druckers merklich zu, da eine große Zahl von parallelen elektronischen Treiberschaltkreisen ebenfalls erforderlich ist. Es ist daher wünschenswert, die Zahl der elektrischen Verbindungen und elektrischen Treiber zu vermindern. Die niedrigere Betriebsfrequenz, schmälere Treiberimpulse und eine nicht-lineare (Schwellenwert) Blasenbildung des Blasenstrahls ermöglichen eine Multiplex-Bildung, um einen effektiven Weg zu erhalten, um diese Reduzierung der elektrischen Verbindungen und elektronischen Treiber zu erreichen.
Das Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in Fig. 5 gezeigt ist, veranschaulicht die Frontfläche des Substrats 47 für einen Multiplex-Designs-Druckkopf. Der Druckkopf umfaßt vier parallele beabstandete Reihen 48, 49, 50, 51 von Widerstandsheizelementen 12, von denen jedes eine elektrische Verbindung zu einer gemeinsamen Elektrode 52 hat und zu einer eines Satzes von Multiplex-Stabelektroden 53. Eine Vielzahl von Durchführungselementen 15 ist vorgesehen, um elektrischen Kontakt von jeder Stabelektrode 53 zu einer sekundären Multiplex-Stabelektrode 54 (Fig. 6) auf der anderen Seite des Substrats herzustellen und es ist eine Vielzahl von Öffnungen 55 vorgesehen, um die Tinte aus dem Tintenreservoir zu verteilen. Jede der sekundären Multiplex-Stabelektroden 54 ist elektrisch mit zwei der Durchführelementen 15 verbunden, so daß dieses Design eine Multiplex-Ausführung um einen Faktor von 4 wiedergibt, was zu einem Drucken der gleichen Druckdaten mit der gleichen Auflösung führt unter Verwendung von nur ein Viertel der Zahl der elektronischen Treiber. Es ist offensichtlich, daß andere Multiplex-Faktoren ebenso gewählt werden können.
Bei einigen Druckanwendungen kann die erforderliche Anordnung von Leiterzeilen nicht zuverlässig innerhalb der Raumgrenzen erzeugt werden, welche durch die erforderliche Druckauflösung diktiert sind. In diesem Fall kann die Oberfläche, die Zwischenfläche und die Bodenfläche eines Vielschicht-Keramiksubstrats dazu verwendet werden, ein Netzwerk von elektrischen Verbindungen zu erzeugen. Ein Beispiel eines solchen Druckkopfes ist in den Fig. 7, 8 und 9 gezeigt.
Eine Ansicht des Musters der oberen Fläche des Vielschicht-Substrats 60 ist in Fig. 7 gezeigt. Eine Anordnung von vier parallelen beabstandeten Reihen 61, 62, 63 und 64 von Widerstandsheizelementen 12 ist vorgesehen und jedes der Heizelemente ist mit einem elektrischen Kontakt mit einer der gemeinsamen Elektroden 65 und mit einer der Datenelektroden 66 vorgesehen, wobei jede von diesen zweien der Widerstandsheizelemente 12 gemeinsam ist. Eine Anordnung von leitenden Durchführungselementen 15 ist vorgesehen, wobei eines der Elemente Kontakt mit einer der Datenelektroden 66 und einem Leitermuster auf einer Zwischenschicht 67 des Substrats 60 (Fig. 8) hat. Wie aus Fig. 8 hervorgeht ist jedes der Leitermuster 68 für zwei der Durchführungselemente 15 gemeinsam vorgesehen, die in elektrischem Kontakt mit den Datenelektroden 66 stehen. Jedes der Leitermuster 68 erstreckt sich nahe dem Rand oder Kante des Substrats 60 und steht in elektrischem Kontakt mit einer leitenden Durchführung durch eines der Elemente 15b, die sich durch andere Zwischenschichten hindurch erstrecken, ohne dabei elektrischen Kontakt mit dem Leitungsmuster auf den Zwischenschichten zu haben, zur hinteren Fläche des Substrats 60, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist. Jedes der leitenden Durchführungselemente 15b hat elektrischen Kontakt mit einem der Kontaktfüße 69 auf der hinteren Fläche des Substrats, so daß also geeignete elektrische Verbindungen zum Druckkopf hergestellt werden können, ohne eine Störung der Frontseite des Substrats 60, wo die Widerstandsheizelement-Anordnung 12 vorgesehen ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines thermischen Tropfen-bei-Bedarf Tintenstrahldruckkopfes ist in Fig. 10 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine einzelne Öffnung ausgebildet, um nicht nur den elektrischen Kontakt sondern auch die Öffnung für die Verteilung der Tinte an die verschiedenen Öffnungen vorzusehen. Bei diesem Druckkopf sind vier parallele beabstandete Reihen 70, 71, 72, 73 der Widerstandsheizelemente 12 zusammen mit einem elektrischen Kontakt mit gemeinsamen Elektroden 74 und mit hohlen leitenden Durchführungselementen 75 vorgesehen, die auch als Röhren bzw. Leitungen zum Verteilen der Tinte aus dem Tintenreservoir am hinteren Teil des Substrats zum Frontabschnitt des Substrats zur Anordnung der Düsen dienen.
Eine Multiplex-Treiberschaltung ist in Fig. 11 gezeigt. Bei dieser Schaltung werden vier vertikale gemeinsame Stäbe 80, 81, 82, 83 mit angemessenen Spannungsimpulsen in einer Folge versorgt, das heißt der Stab 80 wird mit dem ersten Impuls zum Zeitpunkt t1 versorgt, der Stab 81 wird mit dem zweiten Impuls zum Zeitpunkt t2 versorgt usw. Es existiert keine zeitliche Überlappung dieser Impulse und die Frequenz des Auftretens ist sehr viel höher als die Wiederholfolge des Drucktaktes. Jeder der Datentreiber 84a, 84b, 84c....84n wird synchron mit den vier Treiberimpulsen eingeschaltet, wenn Datensignale, die jeder Spalte entsprechen, diesem Datentreiber angeboten werden. Auf diese Weise kann ein bestimmtes Widerstandsheizelement 12 durch ein Vollspannungsdifferential eingeschaltet werden und dieses Vollspannungsdifferential ist nur dann vorhanden, wenn ein Versorgungsspannungsimpuls (über die Stäbe 80, 81, 82 oder 83) und ein Datensignal über die Datentreiber (84a, 84b, 84c...84n) fortlaufend an seinen Elektroden vorhanden sind. Alle anderen Widerstandsheizelemente 12 (das heißt die "inaktiven") sehen auch die Treiberspannungen über den vertikalen Stäben 80, 81, 82 und 83. Das Spannungsdifferential an jedem "inaktiven" Element 12 ist jedoch ausreichend niedrig, so daß keine Tintenverdampfung erreicht werden kann.
Das Substratteil ist so beschrieben worden, daß es eine Vielzahl von Schichten für Schaltung und Tintenversorgungsanschlüssen aufweist. Es können jedoch zusätzliche Schichten vorgesehen werden, wenn dies gewünscht wird, um ein Kühlen für den Druckkopf während des Betriebes vorzusehen. Diese Schichten können die Form von Kühlmittelkanälen haben, um eine thermische Kühlung des Druckkopfes vorzusehen. Eine Kühlflüssigkeit wird durch die Kanäle während des Betriebes des Druckkopfes hindurch zirkuliert, um Hitze zu absorbieren und zwar von dem Substrat, um sie an irgendeiner Stelle außerhalb des Substrats abzuführen.

Claims

1. Thermischer Tintenstrahldruckkopf, mit einem elektrisch isolierenden Substratteil (10), einer Anordnung von Heizelementen (12), die auf dem Substratteil ausgebildet sind, mit einer ersten Anordnung von elektrischen Verbindungsteilen (14), die auf dem Substratteil ausgebildet sind und in elektrischer Verbindung mit der Anordnung der Heizelemente stehen, einer zweiten Anordnung von elektrischen Verbindungsteilen (16), die auf dem Substratteil ausgebildet sind,

einer Düsenplatte (32), die neben dem Substratteil montiert ist und mit einer Tintenquelle (46) verbunden ist, und mit einer Vielzahl von Düsen (36) in der Düsenplatte, wobei jede benachbart oder nahe bei jeweils einem der Heizelemente (12) angeordnet ist, wobei nach dem Anschluß eines elektrischen Signals an ein ausgewähltes der ersten Anordnung der elektrischen Verbindungsteile, ein Tintentropfen aus der entsprechenden Düse ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Heizelemente (12) und die erste Anordnung der elektrischen Verbindungsteile (14) alle auf einer ersten Fläche (11) des Substratteils ausgebildet sind, und daß die zweite Anordnung (16) der elektrischen Verbindungsteile auf einer zweiten Fläche des Substratteils ausgebildet ist, und daß der Druckkopf ferner eine dritte Anordnung von elektrischen Verbindungsteilen (15) aufweist, welche sich durch das Substratteil (10) hindurch erstrecken, um eine elektrische Verbindung zwischen der ersten und zweiten Anordnung der elektrischen Verbindungsteile (14, 15) vorzusehen.

2. Thermischer Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der dritten Anordnung der elektrischen Verbindungsteile mit einer zentralen Öffnung (75) ausgebildet ist, um Tinte von der genannten Quelle zur Düsenplatte zu fördern.

3. Thermischer Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Heizelemente in einer Vielzahl von Reihen ausgebildet ist.

4. Thermischer Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente in einer der Vielzahl der Reihen gegenüber den Heizelementen in einer anderen der Vielzahl der Reihen zueinander versetzt angeordnet sind.