DE3840412A1 - Anordnung fuer einen in duennschichttechnik aufgebauten tintendruckkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für einen in Dünn­ schichttechnik aufgebauten Tintendruckkopf gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruches 1.

In hochauflösenden Tintendruckeinrichtungen, die nach dem sog. Bubble-Jet-Prinzip arbeiten, erfolgt der Ausstoß einzel­ ner Tintentröpfchen dadurch, daß im Bereich von im Tinten­ kanal angeordneten und individuell ansteuerbaren elektro­ thermischen Wandlerelementen im betreffenden Tintenkanal eine Tintendampfblase (bubble) erzeugt wird, die ein be­ stimmtes Tintenvolumen als Tröpfchen aus einer den Tinten­ kanal abschließenden Düsenöffnung ausstößt. Als Aktoren zur Druckerzeugung dienen dabei Heizelemente in Form von kleinen Dünnfilmwiderständen, die mit einem Spannungsrechteckim­ puls angeregt werden.

Bei den bekannten Bubble-Jet-Dünnfilmlayouts weist jedes einzelne Heizelement eine eigene elektrische Hin- und Rück­ leitung in Form von metallischen Leiterbahnen, vorzugsweise aus Aluminium auf. Bei einer Anzahl von n Heizelementen be­ dingt dies eine Anzahl von 2×n Leiterbahnen, die zwecks externer elektrischer Kontaktierung, beispielsweise an ein Anschlußkabel über die Fläche des Dünnfilmsubstrats verteilt zu einem Anschlußfeld führen. Die hohe Leiterbahndichte auf dem Dünnfilmsubstrat führt dabei für Druckköpfe mit hoher Auflösung (300 dots per inch (dpi) und mehr) zu einigen gravierenden Problemen.

Neben einem hohen Zuleitungswiderstand und damit verbunden hohen Leistungsverlusten in den Zuleitungen ergibt sich auch eine relativ geringe Ausbeute durch auftretende Kurzschlüsse, Unterbrechungen der Leiterbahnen etc. aufgrund der kleinen Strukturbreiten. Darüber hinaus ist aufgrund der großen Leiteranzahl eine aufwendige elektrische Kontaktierung des Dünnfilmsubstrates an z.B. ein breites und kostenintensives Anschlußkabel erforderlich.

Eine weitere Erhöhung des Auflösungsvermögens von solchen Tintendruckköpfen von 300 dpi mit 50 Heizelementen auf z.B. 600 dpi und eine damit verbundene Verdoppelung der Heiz­ elemente ist sowohl in bezug auf die Funktion der Druck­ köpfe als auch fertigungstechnisch nur dann sinnvoll, wenn es gelingt, die oben angeführten Probleme zu reduzieren.

Erschwert wird dies dadurch, daß die in den verschiedenen Heizelementen eines Druckkopfes pro Druckimpuls freigesetzte Wärmemenge in engen Grenzen gleich groß sein muß. Andernfalls kann kein sicherer Druckbetrieb gewährleistet werden und es besteht die Gefahr der Zerstörung einzelner Heizelemente durch Überhitzung. Dies läßt sich nur durch eine hohe Gleichheit der Widerstandsbeiträge der Heizele­ mentzuleitungen und der Heizelemente selbst innerhalb eines Druckkopfes erreichen. Eine typische Toleranzforderung lautet dabei |Δ R_DOT/R_DOT|1%. Da die Zuleitungen einen nicht vernachlässigbaren Anteil (20%) am gesamten Dot- Widerstand (Widerstand des Heizelementes und der beiden Zu­ leitungen) aufweisen, müssen sie deshalb trotz unterschied­ licher geometrischer Abmessungen so dimensioniert werden, daß alle den gleichen Zuleitungswiderstand aufweisen. Es ist darüber hinaus auch nicht ohne weiteres möglich, die Leiterbahnanzahl durch Verwendung eines gemeinsamen Leiters, z.B. für die Masseleitung, zu verringern, da in diesem Fall ein von der Anzahl gleichzeitig betätigter Heizelemente ab­ hängiger Spannungsabfall über dem gemeinsamen Leiter zu einer eben solchen Abhängigkeit der in den Heizelementen freigesetzten Wärmemengen führt.

Bei einem Leiterbahnlayout, das für jedes Heizelement auf dem Dünnfilmsubstrat je eine individuelle Hin- und Rück­ leitung vorsieht, ist es prinzipiell möglich, alle Heiz­ elemente simultan zu betreiben. Die Ansteuerung der einzel­ nen Heizelemente erfolgt aber zwecks Reduzierung des Strom­ bedarfs (ca. 300 Milliampere pro Heizelement) üblicherweise in Gruppen mit einem zeitlichen Versatz, der in etwa der Dauer des Heizimpulses entspricht (typisch ca. 7 µs).

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, für einen Tintenschreibkopf der eingangs genannten Art eine Anordnung anzugeben, welche durch ein geeignetes Leiterbahn­ layout für die Heizelemente auch bei Erhöhung des Auflö­ sungsvermögens des Schreibkopfes eine Verminderung der Leiteranzahl auf dem Dünnfilmsubstrat erlaubt.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch die Zusammenfassung von mehreren Heizelementen des Tintendruckkopfes zu einer Gruppe, die nur noch einen gemeinsamen Rückleiter für die Heizelemente aufweist, läßt sich auf einfache Weise die Leiteranzahl auf dem Dünnfilm­ substrat verringern. Bei einer Anzahl von m Heizelementen pro Gruppe läßt sich so eine Verminderung der Leiterbahnen für den gesamten Tintendruckkopf um den Faktor (m-1)/2m er­ reichen. Weiterhin weist jedes Heizelement einer Gruppe einen individuellen Leiter auf, die wie die gemeinsamen Rückleiter zu einem Anschlußfeld führen, wo die entsprechen­ den individuellen Leiter der jeweiligen Gruppen nach dem Ein­ fügen der Dekodierdioden zu sog. Dotleitungen zusammengefaßt werden, so daß eine Matrix aus diesen Dotleitungen und den gemeinsamen Rückleitern gebildet wird. Dadurch kann einer­ seits ein kostengünstigeres, weil weniger Einzelleiter ent­ haltendes Anschlußkabel für die Kontaktierung der Leiter­ bahnen verwendet werden und andererseits ist die selektive Ansteuerung der Einzelleiter weiterhin über diese an sich bekannte Diodendecodiermatrix gewährleistet.

Der durch die Verringerung der Leiterzahl auf dem Dünnfilm­ substrat entstehende Raum kann auf verschiedene Weise vor­ teilhaft genutzt werden. So ist es bei Beibehaltung der Leiterbreiten und der Isolationsabstände möglich, ein kleineres Kopfsubstrat zu verwenden und damit einen höheren Nutzen zu erzielen. Eine andere Möglichkeit ist die Ver­ breiterung der Isolationsabstände bei Beibehaltung der Leiterbreiten. Dies ergibt eine erhebliche Ausbeuteerhöhung. Außerdem führt eine Verbreiterung der verbliebenen Leiterbahnen bei Beibehaltung der Isolationsabstände sowohl zu einer Verminderung des Zuleitungswiderstandes als auch zu einer leichten Ausbeuteverbesserung. Darüber hinaus sind auch Kombinationen der oben angeführten Nutzungsmöglichkeiten des frei werdenden Raumes auf dem Dünnfilmsubstrat denkbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert, wozu auf die Zeichnungen verwie­ sen wird.

Dort zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Leiterbahnlayout (schematisch) mit im Anschlußbereich gruppenweise verbundenen Leiterbahnen,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem Leiterbahnlayout (schematisch) für einen Tintendruckkopf mit redu­ zierter Leiteranzahl auf dem Dünnfilmsubstrat und

Fig. 3 und Fig. 4 elektrische Ersatzschaltbilder von Heiz­ elementen, Leiterbahnen, Diodenmatrix und Anschluß­ kabel bei verminderter Leiteranzahl.

Bei dem in Fig. 1 nur ausschnittsweise dargestellten Lei­ terbahnlayout ist mit dem Bezugszeichen DS ein Dünnfilm­ substrat bezeichnet, auf dem die einzelnen Heizelemente RH und die als individuelle Leitungen IL ausgeführten Zulei­ tungen für diese Heizelemente RH strukturiert sind. Die in­ dividuellen Leiter IL - je eine Hin- und Rückleitung pro Heizelement RH - führen als zueinander parallel verlaufende Leiterbahnen zu einem anhand der Fig. 3 und 4 noch näher zu beschreibenden Anschlußfeld. Jeweils sechs Heizelemente RH sind anschlußseitig zu einer Gruppe G zusammengefaßt, denen eine gemeinsame Kontaktleiste zugeordnet sind. Je ein in­ dividueller Leiter IL der in der jeweiligen Gruppe G zu­ sammengefaßten Heizelemente RH ist mit dieser gemeinsamen Kontaktleiste KL verbunden. Die Kontaktleiste KL, sowie die weiteren individuellen Leiter IL der Heizelemente RH dieser Gruppe G sind mit Konaktfahnen KF versehen, an denen ein hier nicht dargestelltes Anschlußkabel kontaktiert wird. Die Ansteuerung der einzelnen Heizelemente RH erfolgt über eine an sich bekannte Diodendecodiermatrix. Durch eine solche Zusammenfassung von individuellen Leitungen IL im Anschluß­ feld läßt sich eine deutliche Reduzierung des Verdrahtungs­ aufwandes im Anschlußbereich erreichen und ein kostengünsti­ geres Anschlußkabel mit weniger Einzelleitern einsetzen. Die eingangs erwähnten Probleme auf dem Dünnfilmsubstrat selbst lassen sich durch diese Maßnahme nicht beheben, da weiterhin jedes Heizelement RH eine eigene Hin- und Rückleitung auf­ weist.

Gemäß Fig. 2 läßt sich im Vergleich zu der Ausführung nach Fig. 1 bei einer Anzahl n Heizelementen RH eine Verminderung der Leiteranzahl 2×n auf dem Dünnfilmsubstrat DS um den Faktor (m-1)/2m dadurch erreichen, daß m Heizelemente RH von einem gemeinsamen Leiter (z.B. einem gemeinsamen Hin­ oder Rückleiter) elektrisch versorgt werden, so daß jedes Heizelement RH nur noch einen individuellen Leiter IL auf­ weist. Im folgenden wird der Einfachheit halber der gemeinsame Leiter als gemeinsamer Rückleiter GR bezeichnet. Abhängig von der Polarität der Ansteuerspannung kann es sich bei dem gemeinsamen Rückleiter GR sowohl um den Masse­ leiter als auch um den spannungsführenden Leiter handeln. Die sich hieraus ergebenden Gruppen, also diejenigen Heiz­ elemente RH, die elektrisch mit demselben Rückleiter GR verbunden sind, werden im folgenden als Rückleitergruppen RG bezeichnet.

Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, werden eine Anzahl m=8 Heizelemente RH zu der Rückleitergruppe RG mittels einer auf dem Dünnfilmsubstrat DS strukturierten Kontaktbrücke KB zusammengefaßt. Der mit der Kontaktbrücke KB verbundene ge­ meinsame Rückleiter GR verläuft bezüglich der Reihenanord­ nung der Heizelemente RH symmetrisch, so daß beiderseits des gemeinsamen Rückleiters GR jeweils vier Heizelemente RH zu liegen kommen. Die weiteren Anschlüsse der so zu einer Rückleitergruppe RG zusammengefaßten Heizelemente RH sind mit individuellen Leitungen IL kontaktiert, die ebenso wie die gemeinsamen Rückleiter GR zu dem Anschlußfeld führen. In diesem Anschlußfeld sind analog dem Beispiel nach Fig. 1 sowohl der gemeinsame Rückleiter GR als auch die individu­ ellen Leiter IL mit Kontaktfahnen KF versehen, mit deren Hilfe sie mit einer Diodenmatrix und mit den Einzelleitern eines hier nicht dargestellten Anschlußkabels kontaktiert werden.

Durch Zusammenfassen von beispielsweise m=8 Heizelementen RH zu einer Rückleitergruppe RG mit einem gemeinsamen Rück­ leiter GR wird eine Verminderung der Leiteranzahl auf dem Dünnfilmsubstrat DS um ca. 44% erreicht. Da die gemeinsamen Rückleiter GR auch weiterhin aufgrund der auf den Dünnfilm­ substrat zur Verfügung stehenden Fläche und der maximal zu­ lässigen Leiterdicke einen im Verhältnis zu den Heizele­ menten RG nicht vernachlässigbaren elektrischen Widerstand besitzen, darf, um lastabhängige Einflüsse zu vermeiden, innerhalb einer Rückleitergruppe RG zu keinem Zeitpunkt mehr als ein Heizelement RH gleichzeitig angesteuert wer­ den. Es läßt sich jedoch durch geeignete elektrische Ver­ bindungen, - im folgenden DOT-Leitungen DL genannt -, der individuellen Leitungen IL verschiedener Rückleitergruppen RG außerhalb des Dünnfilmsubstrates DS in Verbindung mit den Dioden D einer Dekodiermatrix DM erreichen, daß entsprechend der Anzahl n/m der Rückleitergruppen RG genausoviele Heizele­ mente RH gleichzeitig und voneinander elektrisch unbeein­ flußt angesteuert werden können. Mit n ist dabei die Anzahl der gesamten Heizelemente RH auf dem Dünnfilmsubstrat DS, mit m die Anzahl der zu einer Rückleitergruppe RG zusammen­ gefaßten Heizelementen RH bezeichnet. Hierzu werden gemäß Fig. 3, die ein um die Diodendekodiermatrix DM erweitertes elektrisches Ersatzschaltbild der in Fig. 2 gezeigten Leiterbahnanordnung darstellt, alle individuellen Leitungen IL 1 der verschiedenen Rückleitergruppen R G _i über seriell ge­ schaltete Dioden D miteinander zu einer gemeinsamen Dotlei­ tung DL 1 verbunden; ebenso werden alle individuellen Leitun­ gen IL 2 über seriell geschaltete Dioden D zu einer gemein­ samen DOT-Leitung DL 2 verbunden und so fort. Auf diese Weise erhält man eine Matrix, gebildet von Dotleitungen D L _i und gemeinsamen Rückleitern G R _i , welche durch die eingefügten Fehlerstromschutzdioden D zur selektiven Ansteuerung der Heizelemente RH verwendet werden kann. Bei der eingezeichne­ ten Polung der Dioden D ergibt sich an den Dotleitungen D L _i "+Polarität" und an den gemeinsamen Rückleitern GR "-Polari­ tät".

Die in Fig. 3 dargestellte elektrische Anordnung eines Tin­ tendruckkopfes weist 48 Heizelemente RH auf, für die ursprüng­ lich 48 Hin- und 48 Rückleiter, also insgesamt 96 Leiter­ bahnen nötig wären. Diese werden unterteilt in 6 Rückleiter­ gruppen RG 1 bis RG 6, wobei jede Rückleitergruppe R G _i aus 8 Heizdots mit einem gemeinsamen Rückleiter GR 1 bis GR 6 und 8 individuellen Leitungen IL 1 bis IL 8 besteht. Damit ergeben sich auf dem Dünnfilmsubstrat DS 48 individuelle Leitungen IL und 6 gemeinsame Rückleitungen GR=54 Leiterbahnen. Faßt man weiterhin die 48 individuellen Leitungen IL, wie oben beschrieben, zu 8 Dotleitungen DL 1 bis DL 8 zusammen, reduziert sich die Leiterzahl des Anschlußkabels auf 8 Dotleitungen und 6 gemeinsame Rückleitungen = 14 Leiter. Die Ansteuerung der 14 Leiter des Anschlußkabels erfolgt unver­ ändert über eine Diodendecodiermatrix. Es können dabei wei­ terhin entsprechend den 6 Rückleitergruppen R G _i maximal 6 Heizelemente RH gleichzeitig und unabhängig voneinander angesteuert werden. Im obigen Beispiel muß zur Ansteuerung aller Heizelemente RH 8mal getaktet werden. Der zeitliche Versatz zwischen den Ansteuerungsimpulsen der ersten Dot­ leitung DL 1 und denjenigen der achten Dotleitung DL 8 beträgt dabei 7×7 µs = 49 µs. Dieser Versatz kann durch Ver­ größerung der Anzahl gleichzeitig betätigbarer Heizelemente RH verringert werden, indem die Anzahl der Dotleitungen reduziert und die Anzahl der gemeinsamen Rückleiter ent­ sprechend erhöht wird. Dabei vergrößert sich der Spitzen­ strombedarf proportional zur Anzahl der gemeinsamen Rück­ leiter.

In Fig. 4 sind die Zuleitungen des Druckkopfes mit 48 Heiz­ elementen in 8 Rückleitergruppen RG unterteilt, wobei jede Rückleitergruppe RG nun aus 6 Heizdots mit einem gemeinsamen Rückleiter und 6 individuellen Leitern besteht. Damit ergeben sich auf dem Dünnfilmsubstrat DS 48 individuelle Leiter plus 8 gemeinsame Rückleiter = 56 Leiterbahnen. Durch Bündelung der 48 individuellen Leitungen zu 6 Dotleitungen beträgt die Leiterzahl des Anschlußkabels wiederum 14 Leiter. Die Ansteuerung dieser 14 Leiter erfolgt weiterhin codiert über eine Diodenmatrix. Zur Aktivierung aller Heizelemente RH muß in diesem Fall nur 6mal getaktet werden.

Die zahlenmäßige Aufteilung der Leiter auf dem Dünnfilmsub­ strat DS in individuelle Leiter IL und gemeinsame Rückleiter GR kann natürlich auch anders vorgenommen werden. Sie hängt im konkreten Fall von der Anzahl der Heizelemente RH und dem Ansteuerungskonzept ab und kann an den jeweiligen Anwendungs­ fall angepaßt werden.

Allgemein gilt für die Anzahl der Leiter l _D auf dem Dünn­ filmsubstrat DS

l _D = n + n/m,

mit n = Anzahl aller Heizelemente, m = Anzahl der Heizele­ mente einer Rückleitergruppe
und für die Anzahl der Leiter des Anschlußkabels l _A

l _A = m + n/m.

Claims (4)

1. Anordnung zur Erhöhung des Auflösungsvermögens von in Dünnschichttechnik aufgebauten Tintendruckköpfen, bei denen eine Anzahl von Heizelementen (RH) über individuelle, als Leiterbahnen ausgeführte Zuleitungen (IL) selektiv ange­ steuert werden, dadurch gekennzeich­ net, daß jeweils eine Anzahl m Heizelemente (RH) zu Rückleitergruppen (R G _i ) zusammengefaßt sind, die je einen für alle Heizelemente (RH) einer Rückleitergruppe (R G _i ) ge­ meinsamen Rückleiter (G R _i ) und m individuelle Leiter (I L _i ) aufweisen, die alle zu einem gemeinsamen Anschlußfeld (AF) führen, wo die entsprechenden individuellen Leiter (I L _i ) jeder einzelnen Rückleitergruppe (R G _i ) über seriell geschal­ tete Dioden (D) zu Dotleitungen (D L _i ) derart zusammengefaßt sind, daß eine Matrix aus Dotleitungen (D L _i ) und gemeinsamen Rückleitern (G R _i ) gebildet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die gemeinsamen Rückleiter (G R _i ) als auch die individuellen Leiter (I L _i ) an ihren freien Enden Kontaktfahnen (KF) aufweisen, an denen sie im Anschlußfeld (AF) mit Einzelleitern eines Anschluß­ kabels kontaktierbar sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die selektive Ansteuerung der Einzel­ leiter des Anschlußkabels mittels einer Diodendecodiermatrix (DM) erfolgt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sowohl die individuellen Leiter (I L _i ) einer Rückleitergruppe (R G _i ) als auch die gemeinsamen Rück­ leiter (G R _i ) parallel zueinander auf dem Dünnfilmsubstrat (DS) verlaufen.