DE60125260T2

DE60125260T2 - thermischer Glasfasertintensstrahldruckkopf

Info

Publication number: DE60125260T2
Application number: DE60125260T
Authority: DE
Inventors: Jaime S. Albany Hardisty; Jeremy H. Corvallis Donaldson; Roger J. Corvallis Kolodziej
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2021-02-24
Also published as: JP2001270122A; EP1127692A2; CN1311100A; US6565760B2; EP1127692A3; US20020075356A1; TW514596B; EP1127692B1; DE60125260D1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Tintenstrahldrucker. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf einen neuartigen Entwurf und ein Verfahren zur Herstellung eines thermischen Tintenstrahldruckkopfes.
Hintergrund der Erfindung
Thermische Tintenstrahldrucker sind heutzutage allgegenwärtig.
Diese Drucker verwenden normalerweise halbleiterbasierte Druckköpfe, die individuell gesteuerte Tintenausstoßdruckelemente aufweisen, die wasserbasierte Tinten bis zur Verdampfung erhitzen. Ein Verdampfen der Tinte bewirkt, dass dieselbe durch mikroskopische Löcher, die in einer Platte oder einer Abschirmung gebildet sind, auf ein Druckmedium getrieben wird. Thermische Energie, um Tinte zu verdampfen, wird von einem elektrischen Strom geliefert, der durch kleine Dünnfilmwiderstände getrieben wird, die sich in thermischem Kontakt mit Tinte befinden, die sonst durch einen Kapillareffekt in dem Druckkopf an ihrer Position gehalten wird.
Thermische Tintenstrahldrucker gemäß dem Stand der Technik erzeugen Bilder auf Druckmedien durch ein wiederholtes Fahren eines Druckkopfes über das Medium. Kleine Tintenmengen werden durch ein Anschalten und Ausschalten der thermischen Tintenstrahldruckelemente auf das Papier „gesprüht", wenn sich der Druckkopf über das Papier oder das Druckmedium bewegt.
Zumindest ein Problem, das bestehenden Tintenstrahldruckern zugeordnet ist, ist die Geschwindigkeit, mit der diese Drucker annehmbare Qualitätsausgabeniveaus erzeugen können. Da eine endliche Zeit dafür erforderlich ist, dass Tintentröpfchen die Entfernung zwischen dem Medium und dem Druckkopf zurücklegen, besteht eine obere Geschwindigkeitsgrenze für den Druckkopf, über die hinaus weitere Geschwindigkeitszunahmen nicht möglich sind. Anstatt des Bewegens des Druckkopfes über das Medium könnten ein Verfahren und eine Vorrichtung, durch die eine ganze Zeile einer Seite auf einmal gedruckt werden kann, eine erhebliche Gesamtdruckgeschwindigkeitszunahme liefern.
Die US 4 786 303 A beschreibt ein Verfahren zum Bilden einer Anordnung einer Anzahl von mit einem Kern versehenen Glasfasern, um eine Mehrzahl von Strahldüsen für einen Druckkopf des Typs zu erzeugen, bei dem Tinte mit einer vorbestimmten Rate durch die Düsen ausgestoßen wird und so stimuliert wird, dass gleichmäßige Tintentropfen an den Enden von Tintenfäden gebildet werden, die aus den Öffnungen austreten.
In Patentzusammenfassungen von Japan, Bd. 004, Nr. 147 (M-036) und JP 55 100168 A ist ein Flüssigkeitseinspritzaufzeichnungskopf in der Form von zumindest drei massiven Glasstäben oder Röhren, die miteinander verbunden sind, beschrieben. Der sich ergebende Interstitialleerraum wird als eine Kammer für die Aufzeichnungsflüssigkeit verwendet, und ein elektrisches Heizelement ist an der Außenoberfläche zumindest eines der Stäbe befestigt, um der Flüssigkeitskammer ausgesetzt zu sein. Ein elektrisches Signal wird an das Heizelement geliefert, um zu bewirken, dass ein kleiner Flüssigkeitstropfen ausgestoßen wird.
Die US 4 112 170 A beschreibt einen zusammengesetzten Glasartikel für die Herstellung von Glaskanalplatten, z. B. zur Verwendung bei Bildübertragungsvorrichtungen.
Die US 3 624 816 A beschreibt eine flexible Faseroptikleitung, die aus einer Menge von nebeneinander angeordneten Lichtleitungsfasern gebildet ist, zur Verwendung bei einer Licht- und/oder Bildübertragungsvorrichtung.
Die EP 0 565 421 A beschreibt ein Verfahren zum kollektiven Behandeln von Silikakapillarröhren, um Eintrittskegel für Einmodenoptikfaserverbindungen zu bilden.
Die US 5 841 452 A beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Bubble-Jet-Druckvorrichtung unter Verwendung von Halbleiterherstellungstechniken, wobei ein elektrisches Heizelement an einem Substrat derselben bereitgestellt wird.
In Patentzusammenfassungen von Japan, Bd. 014, Nr. 140 (M-0950) und JP 02 008056 A ist eine Öffnungsplatte beschrieben, die aus isolierendem Material hergestellt ist und mit einer wärmeerzeugenden Widerstandsschicht ausgestattet ist, die entlang der Randoberfläche jeder kreisförmigen Öffnung bereitgestellt ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Druckkopf zum Aufbringen von Tinte und Tintenbestandteilen auf ein Druckmedium gemäß Anspruch 1 geliefert.
Die Erfindung erstreckt sich auf einen Drucker, der einen derartigen Druckkopf umfasst, und auf eine Tintenstrahldruckerkassette, die einen derartigen Druckkopf umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Druckkopfes aus Glasfasern gemäß Anspruch 12 geliefert.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können ein seitenbreiter Druckerkopf, der aus Glasfaserdüsen gebildet ist, auf die Halbleiterheizelemente aufgebracht sind, und eine Stromtreiberschaltungsanordnung eine ganze Zeile einer einzelnen Seite gleichzeitig unter Verwendung einer thermischen Tintenstrahlaktion drucken. Schmale Glasröhrentintenleitungen werden aus hohlen Glasfasern gebildet, die zusammengesintert werden, gezogen werden, um die Durchmesser der hohlen Fasern einzuengen, und dann longitudinal geschnitten werden, um ein Array von Glasröhrendüsenanordnungen zu liefern. Unter Verwendung von Halbleiterverarbeitungstechniken werden Heizwiderstände und eine Steuerschaltungsanordnung auf die Glasoberflächen gebildet. Die Heizwiderstände werden in das Innere der hohlen Glasfasern eingebracht, wo dieselben verwendet werden, um flüssigkeitsbasierte Tinte und Tintenkomponenten bis zur Verdampfung zu erhitzen.
Die Stromtreiberschaltungsanordnung ist aus transistorgesteuerten siliziumgesteuerten Gleichrichtern („SCRs") gebildet, die auf den Druckkopf aufgebracht sind. Die SCRs treiben Strom durch die Heizwiderstände, die in die offenen Enden der Glasfasern eingebracht sind. Hunderte oder sogar Tausende von einzelnen Stromtreiberschaltungen, wobei jede Schaltung aus einem Paar von SCRs gebildet ist, das auf eine Reihenweise verdrahtet ist, werden durch Steuerpulse abgefeuert, die für jede Treiberschaltung an einen Steuertransistor geliefert werden. Die Stromtreiberschaltungen der SCRs sind in einer Totempfahl-Anordnung derart verdrahtet, dass aufeinander folgende Treiberschaltungen durch aufeinander folgende Pulse an nur zwei Steuerleitungen adressiert werden, die mit allen der in Reihe geschalteten Treiberschaltungen verdrahtet sind.
Vorbestimmte einzelne SCRs werden zuerst in Sequenz durch einen vorbestimmten Puls in einer synchronen Folge von Pulsen, die an die Treiberschaltungen angelegt werden, „an" gelatcht. Einzelne Treiberschaltungen können angeschaltet oder aus, d. h. in dem nicht leitenden Zustand des SCR, gelassen werden. Ein einziger Leistungspuls, der an alle Treiberschaltungen geliefert wird, nachdem die Schaltungen mit dem Adressierpulsstrom beliefert worden sind, liefert die elektrische Energie durch die „an"-gelatchten SCRs, um Tinte zu verdampfen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Draufsicht eines Schnitts einer einzelnen Hohlglasfaserröhre.
2 zeigt eine Seitenansicht eines hohlen Abschnitts einer Glasfaserröhre.
3 zeigt eine isometrische Ansicht von mehreren Hohlglasfaserröhrenabschnitten nach einem Sintern, Ziehen und Schneiden.
4 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines thermischen Glasfasertintenstrahldruckkopfs in einer Schnittansicht durch mehrere Glasfaserröhrenabschnitte, die mit einem Tintenreservoir gekoppelt sind.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vierfarbtintenkassette, die vier unterschiedliche Tintenreservoirs und vier unterschiedliche Druckköpfe umfasst, die unter Verwendung von gesinterten gezogenen und geschnittenen Glasfaserröhren gebildet werden.
6 zeigt eine Querschnittsansicht eines einzelnen Glasfaserröhrenabschnitts und die Halbleiterkomponenten, die an der Auslassseite der Röhre aufgebracht sind, aus der Tinte ausgestoßen wird.
7 zeigt einen Schnittabschnitt eines Endes eines Glasfaserröhrenabschnitts dessen, was in 6 genauer gezeigt ist.
8 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm der Positionierung eines gesinterten gezogenen und geschnittenen Glasdruckerkopfs und einer Quelle eines Materials, das verwendet wird, um Halbleitermaterialien in den Enden der gesinterten Glasröhren zu bilden.
9 zeigt eine vereinfachte Darstellung, wie Materialien in die inneren Abschnitte der Röhrenabschnitte unter Verwendung einer Vorrichtung, wie z. B. derjenigen, die in 8 gezeigt ist, eingebracht werden können.
10 zeigt einen Schnitt eines Glassubstratdruckkopfs.
11 zeigt, wie die mehreren Schichten, die in das Innere der Glasröhren eingebracht sind, nach der Herstellung aussehen können.
12A bis 12D zeigen die Fortbewegung eines Tintentröpfchens, wenn dasselbe aus einem der Glasröhrenabschnitte ausgestoßen wird.
13 zeigt ein schematisches Diagramm der Steuerschaltungsanordnung, durch die einzelne Heizwiderstände sequentiell adressiert werden.
14 zeigt einen Drucker, der den Glasdruckkopf, der hier offenbart ist, verwenden kann.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Glasfasertechnologie ist bekannt. 1 zeigt eine Draufsicht einer exemplarischen Hohlglasfaser 100, die einen inneren röhrenförmigen Abschnitt 102 aufweist, der durch ein Wegätzen eines anders formulierten Glasmaterials innerhalb des Glasrings 104 gebildet wird. Durch ein Bilden der Glasfaser 100 mit einem ersten Glastyp um einen zweiten Glastyp ist es möglich, das zweite Glas aus dem ersten Glas chemisch zu ätzen oder aufzulösen, wodurch eine hohle Glasröhre zurückgelassen wird, durch die Flüssigkeiten (einschließlich Gase) fließen können.
2 zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts der Glasfaser 100 und die Länge oder Erstreckung des hohlen Abschnitts 102 durch die Länge einer Glasröhre 202.
3 zeigt eine Anordnung von Hohlglasröhrenabschnitten 300, die bevorzugt durch zunächst ein Zusammenbündeln mehrerer Glasröhrenlängen, wie z. B. der Länge 202, die in 2 gezeigt ist, gebildet wird. Die gebündelten Glasfasern werden dann auf eine Temperatur erhitzt, bei der die Glasröhrenabschnitte zusammengesintert werden, wodurch eine monolithische, wabenartige Struktur zahlreicher Öffnungen irgendeines Durchmessers D gebildet wird. Die gesinterten Röhrenabschnitte werden bevorzugt gezogen, um den Innendurchmesser D jedes Röhrenabschnitts 302 wesentlich zu verengen oder zu verringern. Nach dem Sintern und Ziehen werden die Röhrenabschnitte lateral durch eine Ebene 304 geschnitten, um eine dünne Matrix von Glasröhren oder Kapillaren 306 geringen Durchmessers zu bilden, wie z. B. diejenige, die in 3B gezeigt ist. Der sich ergebende Durchmesser jeder Glasröhre muss ausreichend klein sein, um flüssigkeitsbasierte Tinte und Tintenkomponenten durch einen Kapillareffekt in den Röhren zu halten. Der größte zulässige Durchmesser der Röhren, um dies zu erreichen, wird natürlich durch die Zusammensetzung und Viskosität der zu verwendenen Tinte beeinflusst. Der Durchmesser muss auch ausreichend groß sein, um eine Menge von verdampfter Tinte zu liefern, die einen annehmbaren Tintentropfengewinn (Tropfenausbreitung auf dem Druckmedium) ohne übermäßig große Ströme, um übermäßig große Tintenvolumen zu erhitzen, liefert.
In 4 sind ein Abschnitt eines Glasfaserdruckkopfes 400 und die enthaltenen Glaskapillarabschnitte 402 mit einem Tintenreservoir 408 gekoppelt gezeigt. Wie es im Vorhergehenden dargelegt ist, ist der Durchmesser der Tintenkapillaren ausreichend klein dazu, dass Tinte 408 in einem Tintereservoir 408 durch eine Kapillaraktion in den Röhren gehalten wird, jedoch durch thermische Energie ausgestoßen werden kann, die durch Widerstände 412 geliefert wird, die in der Nähe der offenen Enden der Röhren aufgebracht sind, wobei im Folgenden beschriebene Techniken verwendet werden.
Eine elektronische Halbleitersteuerschaltungsanordnung 412, die an dem Glasdruckkopf 402 (in 4 nicht sichtbar) aufgebracht ist, ermöglicht, dass einzelne Heizwiderstände in einzelnen Kapillaren einzeln adressiert werden, um genau zu steuern, aus welchen Kapillaren Tinte ausgestoßen wird. Falls sich der Glasdruckkopf 402 über eine ganze Seite erstreckt, erfordert das Drucken einer Textzeile auf der Seite, dass Tinte selektiv aus einigen Kapillaren ausgestoßen wird und aus anderen nicht ausgestoßen wird, um selektiv Tinte aufzubringen, um ein Bild zu erzeugen. Ein Bild oder Text kann immer eine Zeile auf einmal über die ganze Seite gebildet werden, indem nur die Seite, die bedruckt wird, bewegt wird, d. h. ohne ein Bewegen des Druckkopfes 402. Die Beabstandung S zwischen benachbarten Kapillarröhren 406 bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist normalerweise gering: es wird erwartet, dass ein Mitte-zu-Mitte-Abstand von benachbarten Düsen 10-200 μm beträgt (20 μm ist für einen 1.200-dpi-Entwurf normal). Es wird davon ausgegangen, dass eine 150- bis 1.500-dpi-Vorrichtung mit diesem Entwurf erreichbar ist. Der Entwurf kann auch so gemacht werden, dass eine spezifische Adresszeile jede fünfte bis fünfzehnte Düse adressieren könnte (die genaue Auslassungsrate ist durch die Adressierschaltungsrate und die Gesamtdruckkopflänge zu bestimmen, und die Druckkopfauflösung in dpi).
5 zeigt eine vereinfachte perspektivische Zeichnung einer mehrfarbigen seitenbreiten Tintenstrahldruckkassette, die gebildet ist, um vier unterschiedliche Farbtintenreservoirs 502, 504, 506 und 508 aufzuweisen, die mit einem einzigen Glasfaserdruckkopf gekoppelt sind, der vier gesonderte Druckkopfanordnungen umfasst. (Zumindest ein alternatives Ausführungsbeispiel umfasst ein Verwenden einer Anordnung von vier einzelnen Glasfaserstrukturen 512, 514 und 516.) Jedes Reservoir enthält eine andere Tintenfarbe. Durch ein getrenntes Steuern der Tintenaufbringung durch die elektrischen Signale, die an die Glasfaseranordnungen angelegt werden, die mit den jeweiligen Farben gekoppelt sind, ist ein vollfarbiges seitenbreites Drucken hoher Auflösung erreichbar.
Jede der Glasdruckkopfstrukturen ist aus einer Ansammlung von einzelnen Glasfaserröhrenabschnitten, wie z. B. denjenigen, die in 3 gezeigt sind, gebildet, von denen jeder gesintert, gezogen und geschnitten worden ist. Nach einem derartigen Verarbeiten werden die einzelnen Glasfaserröhrenabschnitte einem weiteren Verarbeiten unterzogen, durch das Halbleiterherstellungstechniken verwendet werden, um darauf Heizwiderstände und eine Steuerschaltungsanordnung (in 5 nicht gezeigt) auf zubringen, durch die die einzelnen Öffnungen der einzelnen Röhren getrennt adressiert werden können.
Wie es in 5 gezeigt ist, gehen von jedem der Druckkopfabschnitte 510, 512, 514 und 516 drei Anschlussleitungen oder Anschlüsse aus, wobei jeder Satz durch Bezugszeichen 518, 520, 522 und 524 identifiziert ist. Elektrische Signale, die den drei Anschlusseingängen eingeprägt werden, werden verwendet, um einen Tintenausstoß aus einzelnen Kapillaren zu steuern.
Ein Tintenausstoß auf einer Röhre-für-Röhre-Basis wird bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel mittels Halbleiterstromlatchschaltungen erreicht, die durch ein Aufbringen geeigneter Schichten aus Halbleitermaterial in das Innere oder die Seite eines Endes jedes der Glasröhrenabschnitte gebildet werden. Jede Stromlatchschaltung wird getrennt adressiert und ist getrennt steuerbar.
6 zeigt eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Glasröhrenabschnitts 600. In 6 ist zu sehen, dass eine erste Halbleiterschicht 602 gefolgt von einer Reihe von anderen Schichten 604, 606 und 608 vorliegt. Jede der Halbleiterschichten wird verwendet, um das Erhitzen und den Ausstoß von flüssigkeitsbasierter Tinte und Tintenkomponenten zu steuern. Fachleute in der Halbleiterherstellungstechnik werden erkennen, dass verschiedene Schichten erforderlich sind, um sogar ein passives Bauelement zu bilden, und dass die Schichten ein Maskieren und Ätzen erfordern können. Zumindest eine Schicht ist eine leitfähige Schicht, die elektrische Signale zu Halbleiterbauelementen trägt, die im Inneren des Glasröhrenabschnitts 600 hergestellt werden, der verwendet wird, um flüssigkeitsbasierte Tinte und Tintenkomponenten bis zum Sieden zu erhitzen. Die Schichten 604, 606 und 608 können Isolationsschichten sowie Halbleiterschichten sein, die verwendet werden, um Widerstände zu entwickeln, von denen jede verwendet wird, um eine Steuerschaltungsanordnung und Widerstandsheizelemente zu bilden. Die Topologie der Schaltung, die an oder in den Glasröhren gebildet ist, ist in nachfolgenden Figuren gezeigt und im Folgenden beschrieben.
7 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines umgedrehten Abschnitts eines einzelnen Glasröhrenabschnitts 700. Tinte fließt in der Richtung, die durch den Pfeil 702 angezeigt ist, den Röhrenabschnitt hinunter (hinauf, wie es in der Figur gezeigt ist). Halbleiterschichten 704, die an den inneren Abschnitten der Röhre 700 aufgebracht sind, bilden Leiterbahnen, Halbleiterschichten, isolierende Isolationsschichten und Widerstandsschichten, die verwendet werden, um die Halbleitertreiberschaltungsanordnung zu adressieren und Strom an einen Heizwiderstand zu liefern, der auch in dem Röhrenabschnitt gebildet ist. Sowohl die Heiztreiberschaltungsanordnung als auch die Heizwiderstände können unter Verwendung von bekannten Halbleiterprozessen gebildet werden. Der Strom durch den Widerstand erhitzt die Tinte (die normalerweise durch eine Kapillaraktion an ihrer Position gehalten wird) bis zum Sieden, was bewirkt, dass die Tinte in kleinen Tröpfchen ausgestoßen wird, die auf dem Druckmedium landen. Wie es bei thermischen Tintenstrahldruckern gemäß dem Stand der Technik der Fall ist, landen die Tröpfchen auf dem Druckmedium und trocknen dann zu einem festen Zustand.
Vakuumaufbringungstechniken, Aufdampfung und Sputtern werden unter anderem verwendet, um Halbleiterschaltungselemente im Inneren der Glasröhrenabschnitte zu erzeugen. Ein Mechanismus, wie z. B. derjenige, der in 8 gezeigt ist, kann verwendet werden, um Material in die tatsächlichen inneren Abschnitte der Röhren einzubringen. Ein Glasröhrensubstrat (nach Sintern, Ziehen, Teilen und Ätzen) 802 kann auf einer Auflage 804 befestigt werden, die sich mit irgendeiner vorbestimmten Geschwindigkeit um eine Achse 806 dreht. Eine Quelle von Material 808, das in die Röhren eingebracht werden soll, wird derart bereitgestellt, dass die Bahn der Ionen oder Partikel einer Bahn mit einem Winkel Theta folgt, wodurch ein kleiner Teil von Material an dem oberen Ende eines Endes des Röhrenabschnitts oder in der Nähe desselben aufgebracht wird, wie z. B. desjenigen, der in 9 gezeigt ist. Die sich ergebende Aufbringung in den hohlen Röhren ist normalerweise eine ringförmige (ein Ring) Aufbringung von Material, obwohl alternative Ausführungsbeispiele halbmondförmige Aufbringungen umfassen.
Der Röhrenabschnitt 900 zeigt eine Menge von Material 902, die auf zumindest den oberen und obersten inneren Abschnitten der Glasröhre 900 aufgebracht ist. Durch ein geeignetes Maskieren von inneren ringförmigen Abschnitten der Glasröhren ist es möglich, ein komplettes Halbleiterbauelement, wie z. B. einen SCR, Transistor und Widerstände, im Inneren der Glasröhre zu bilden, das klein genug ist, um zu ermöglichen, dass die Tinte weiterhin individuell steuerbar von einer externen Schaltungsanordnung durchfließt.
10 zeigt einen Abschnitt eines Substrats, das aus gesinterten, gezogenen Glasfaserröhren gebildet ist, deren Durchmesser in der Größenordnung von 20 μm liegt. Jede der mehreren Röhrenöffnungen, die in 10 gezeigt sind, kann verwendet werden, um Tinte einer bestimmten Farbe zu tragen, so dass der Ausfall einer Öffnung durch Verstopfung oder ein Halbleiterversagen die Druckqualität nicht negativ beeinflussen würde, da benachbarte Röhrenabschnitte voraussichtlich weiterhin funktionieren würden.
11 zeigt, wie die mehreren Schichten nach einer Aufbringung an dem oberen Ende eines Abschnitts der Glasröhrenabschnitte aussehen können. 12A zeigt das Erscheinungsbild eines der Röhrenabschnitte vor dem Ausstoß eines Tintentröpfchens. 12B zeigt die Bildung einer Blase innerhalb des Röhrenabschnitts durch ein Erhitzen der wasserbasierten Tinte unter der Steuerung von Halbleitern, die in das Innere der Röhre 12B eingebracht sind. 12C zeigt den Ausstoß des Tröpfchens und das Zusammenbrechen des Lufteinschlusses, bis die Röhre schließlich neu gefüllt ist, wie es in 12D gezeigt ist.
Ein Problem beim Steuern der einzelnen Düsen dieser Struktur, die in 10 gezeigt ist, besteht darin, dass eine Einzeladressierungsdüsensteuerschaltungsanordnung Hunderte oder sogar Tausende von unterschiedlichen Logikadressen erfordern würde, was eine begleitende Adressdecodierlogik erfordert. Derartige zahlreiche Verbindungen können die Vorrichtung anfällig für zahlreiche Ausfälle machen. Eine alternative Lösung für dieses Steuerproblem besteht darin, jeden der Düsenköpfe mittels einer Totempfahlreihe von Stromlatchschaltungen einzeln zu adressieren, wie z. B. diejenige, die in 13 gezeigt ist.
In 13 können drei (3) einzelne Steuerleitungen 1302, 1304 und 1306 verwendet werden, um eine unbegrenzte Anzahl von Steuerschaltungen 1308, 1310, 1312 und 1314 mittels synchronisierter gepulster Folgen, die den P- und S-Steuerleitungen 1304, 1306 eingeprägt werden, die wirksam mit jeder der Steuerschaltungen 1308, 1310, 1312 und 1314 gekoppelt sind (bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel elektrisch verbunden), einzeln zu adressieren.
Jedes der Steuerschaltungsanordnungselemente 1308-1314 ist aus zwei in Reihe geschalteten SCRs gebildet. Einer der in Reihe geschalteten SCRs wird durch einen Steuerpuls abgefeuert, der durch einen Transistor 1316 zu dem Gate-Anschluss eines zweiten der zwei SCRs 1318 und 1320 geliefert wird, was bewirkt, dass beide SCRs eingeschaltet werden. Eine inhärente Charakteristik eines SCR besteht darin, dass der SCR, wenn derselbe einmal zu dem „An"-Zustand durch positive Spannungen an Gate und Anode ausgelöst worden ist, an bleibt, bis derselbe umgekehrt vorgespannt wird oder die Spannung von der Anode entfernt wird.
In 13 bewirkt ein Puls, der synchron sowohl an die P- als auch an die S-Leitung angelegt wird, dass der erste SCR 1320 vorwärts leitet und eine Spannung an das Gate des zweiten SCR 1318 anlegt. Durch ein Aufrechterhalten einer relativ kleinen Restvorspannungsspannung an der P-Leitung können beide SCR unbegrenzt in einem vorwärts vorgespannten „An"-Zustand gehalten werden. Durch ein Minimieren dieser Vorspannungsspannung fließt nur eine geringe Menge an Strom durch den Heizwiderstand 1322, der in den inneren Abschnitt eines der ringförmigen Abschnitte, die in den bereits erwähnten Figuren gezeigt sind, eingebracht ist.
Der erste Puls, der an die P- und S-Anschlüsse angelegt wird, ist nur wirksam, um die erste Stromschaltschaltung 1308 (die aus den beiden SCRs 1318 und 1320 und dem Transistor 1316 gebildet ist) anzuschalten. Die nachfolgenden Stromschaltstufen werden nicht beeinflusst, da in dem Moment des ersten Pulses und während seiner gesamten Dauer kein Signal an dem Gate des ersten SCR 1324 der zweiten Stromlatchschaltung 1310 verfügbar ist. Auf ähnliche Weise kann, da kein Potential an der Kathode des SCR 1324 verfügbar ist, der zweite SCR 1326 dieser zweiten Stromlatchschaltung 1310 ebenfalls nicht angeschaltet werden.
Wenn der erste SCR-Stromlatch 1308 angeschaltet ist, wird ein weiterer Spannungspuls an das Gate 1328 des SCR 1324 angelegt, derart, dass bei der Anlegung eines weiteren nachfolgenden Spannungspulses an den P-Anschluss der SCR 1324 ebenfalls angeschaltet wird, wobei vorwärts geleitet und eine Spannung an die Kathode des SCR 1326 angelegt wird. Falls ein Puls gleichzeitig an der S-Anschlussleitung angelegt wird, wird der Transistor 1330 ebenfalls angeschaltet, was bewirkt, dass der SCR 1326 einen Treiberstrom durch noch einen weiteren Heizwiderstand 1332 vorwärts leitet.
Während des Auftretens der ersten beiden Pulse bleibt die dritte Stromschaltstufe 1312 deaktiviert, da an das Gate des SCR 1334 keine Spannung angelegt war und an das Gate oder die Kathode des SCR 1336 auch keine Vorspannungsspannung angelegt war.
Bei der Anlegung eines dritten synchronen Pulses an sowohl die P- als auch die S-Anschlussleitung wird die dritte Stromschaltstufe 1312 ebenfalls angeschaltet, wobei ebenfalls eine kleine Menge Strom durch den dritten Heizwiderstand 1338 getrieben wird.
Auf ähnliche Weise können nachfolgende Stufen der Totempfahlanordnung, die in 13 gezeigt ist, zu einem An-Zustand gelatcht werden, wodurch die SCRs in einen vorwärts vorgespannten Leitzustand versetzt werden, der Strom durch die Heizwiderstände treibt, die mit dem Kathodenanschluss der zweiten SCR-Stufe jedes Stromlatches gekoppelt sind. Die Pulsfolge, die an die totempfahlverbundenen Stromquellen angelegt wird, kann als ein Strom von Adressierpulsen betrachtet werden, dahingehend, dass die genaue Zeitgebung, der genaue Arbeitszyklus und die genaue Frequenz der Pulse auswählen können, welche Stromtreiberschaltung angelatcht wird. Nachdem dieselben angelatcht worden sind, kann eine geringe Vorspannungsspannung die SCRs in dem An-Zustand halten, falls jedoch diese Vorspannungsspannung relativ niedrig gehalten wird, erzeugt dieselbe keine Ströme durch die Heizwiderstände, die ausreichend groß sind, um Tinte in den Kapillarröhren zu verdampfen, wo die Widerstände aufgebracht sind.
Durch ein Anlegen eines Spannungspulses großer Amplitude an alle SCRs liefern diejenigen im An-Zustand beträchtliche Strommengen an die Heizwiderstände. Fluid in Kontakt mit den Widerständen wird verdampft und aus den Kapillarröhren auf das Druckmedium ausgestoßen. Es kann sein, dass die Abfeuerspannung und der -strom um eine bis zwei Größenordnungen größer als die Steuerpulse sein müssen.
Durch ein geeignetes Auswählen der Pulsbereite und der Frequenz der Steuerpulse, die an die P- und S-Leitungen angelegt werden, ist es möglich, einzelne Stromlatchschaltungen einzeln zu adressieren, entweder zu einem An-Zustand oder um in einem Aus-Zustand zu bleiben. Verteilte Kapazität und Induktivität, die zwischen den verschiedenen Elementen jedes Stromlatches bestehen, bestimmen die Zeitkonstante, die benötigt wird, um bei der Frequenz, dem Arbeitszyklus und dem Spannungspegel der Pulsfolge zu gelten, die verwendet werden, um die einzelnen Stufen zu adressieren. Wenn die Stufen zu einem An-Zustand gelatcht sind, können die Größe und Dauer aus empirischen Daten bestimmt werden.
Durch ein einzelnes Adressieren der Stromschaltstufen 1308, 1310, 1312 und 1314 ist es möglich, einzelne Stromlatchschaltungen einzeln zu adressieren, die in die inneren Regionen oder an den Oberflächen eines Glassubstrats gebildet sein könnten, das unter Verwendung der Verfahren, die im Vorhergehenden beschrieben sind, durch Sintern, Ziehen und Schneiden und danach Vakuumaufbringen der SCRs, Transistoren und Heizwiderstände entweder auf die Oberflächen der Glasstruktur oder in die inneren Abschnitte der Düsen selbst gebildet wird.
Durch ein Verwenden von Halbleiterherstellungstechniken, die Fachleuten bekannt sind, gestatten die Geometrien, die an der Glasdruckkopfstruktur beteiligt sind, ohne Weiteres die Bildung von mehreren SCRs, Transistoren und Widerständen innerhalb der Öffnungen der Glasstrukturen selbst. Eine Aufbringung von P-Typ- und N-Typ-Halbleitermaterial, die erforderlich wäre, um die einzelnen Transistoren zu bilden, könnte durch Sputtern, Aufdampfung oder Gasaufbringungstechniken erreicht werden. Dielektrische Schichten, die zwischen den verschiedenen N- und P-Typ-Halbleiterschichten erforderlich wären, könnten auch durch eine andere Gasaufbringung oder ein Sputtern erreicht werden. Überschüssiges Material kann weggeätzt werden, um einzelne Schaltungsbahnen durch ein Reaktivionenätzsputtern oder ein Gasätzen unter Verwendung von CF₄ zu bilden. Die Struktur, die in 5 gezeigt ist, kann entweder mit einem Seitenschieß- oder einem Kantenschießdruckkopfentwurf verwendet werden, obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Verwendung als einen Druckkopf vom monolithischen Typ betrachtet.
Photolithographische Maskiertechniken würden auch die präzise Positionierung von Schaltungsbahnen ermöglichen, um Oberflächen zu kontaktieren, durch die die Anschlussleitun gen 518, 520, 522 und 524 von 5 an Verbindungsbereiche des Substrats angebracht werden können, zur Verbindung mit geeigneten Steuerschaltungsanordnungssteuerungen.
Durch ein sequentielles Adressieren jeder der Düsen der Glasdruckkopfstruktur zur Verwendung bei einem seitenbreiten Druckkopf ist es möglich, Hunderte oder vielleicht Tausende von einzelnen Düsenelementen unter Verwendung von nur drei Steuerleitungen zu adressieren, wie es in 13 gezeigt ist. Alternative Ausführungsbeispiele würden natürlich parallele und asynchrone serielle Adressierschemata umfassen, diese können jedoch individuelle Adressleitungen und/oder eine Decodierschaltungsanordnung erfordern, um Stromtreibervorrichtungen für jede Öffnung einzeln zu adressieren und zu aktivieren.
Es wird erwartet, dass das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Glasdruckkopfstruktur nur eine Dicke von 200 μm aufweist, zerbrechlich genug, um während des Herstellungsprozesses einen Träger zu erfordern. Die Mitte-zu-Mitte-Beabstandung für benachbart platzierte Tropfen könnte 10 bis 200 μm betragen, aber die Kante-zu-Kante-Beabstandung beträgt 0 μm, da die Glasfasern zusammengesintert werden. Die Matrix muss kein ganz offenes Wabenmuster sein (und ist es wahrscheinlich auch nicht). Einige Fasern werden mit dem gleichen Typ von Glas wie die äußere Hülle gefüllt und bleiben somit nach dem Ätzprozess gefüllt. Eine Beabstandung zwischen den einzelnen Glasfaseröffnungen wäre ziemlich klein und wahrscheinlich geringer als 1 μm.
Durch die Verwendung der im Vorhergehenden genannten Glasfaserstruktur und des Verfahrens zum Herstellen und des Verfahrens zur Steuerung ist es möglich, eine seitenbreite Druckkopfstruktur zu realisieren, die einzeln adressierbare Druckkopfelemente umfasst. Eine Anzahl von Vorteilen kann durch eine derartige Struktur realisiert werden. Gesamtdruckgeschwindigkeiten könnten erheblich über das hinaus erhöht werden, was derzeit unter Verwendung von bewegbaren Druckköpfen möglich ist. Selbst wenn die sequentiellen Pulsfolgen, die benötigt werden, um einzelne Druckkopfelemente zu adressieren, langsam wirksam sind, würde die Geschwindigkeitszunahme, die unter Verwendung eines seitenbreiten Druckkopfes erreicht würde, wahrscheinlich jede Zeitgebungseinschränkung beseitigen, die für das sequenzielle Adressieren der Steuerschaltungen gilt.
Der Ausfall von ein oder sogar mehr einzelnen Druckelementen bei einem Glaswabendruckkopf könnte ohne Weiteres durch erhöhte Abfeuerraten von benachbarten Druckelementen kompensiert werden. Ein Düsenausfall wird jedoch bevorzugt durch ein doppeltes Düsenarray und Schaltungsanordnung der gleichen Farbe kompensiert. Eine Feinauflösung wäre auch erreichbar aufgrund der nahen Beabstandung der Glasfaseröffnungen.
14 zeigt einen exemplarischen Drucker 1400, der den Glasdruckkopf und die Steuerschaltungsanordnung, die im Vorhergehenden offenbart sind, verwenden kann.
Eine Reihe von Rollen oder Walzen 1402 dreht sich mit der Leistung eines Walzenmotors 1404, um ein Druckmedium 1406 an einer Position unter dem Druckkopf 1408, der im Vorhergehenden beschrieben ist, zu positionieren. Wie es in 14 gezeigt ist, ist der Druckkopf 1408 bezüglich des Mediums 1406 unter der Steuerung eines Wagenmotors 1410 bewegbar, dessen Drehung wirksam ist, um einen Antriebsriemen oder ein -kabel 1414, an dem Druckkopf 1408 angebracht ist, auf- und abzuwickeln. Eine Bewegung des Riemens oder Kabels 1414 ist wirksam, um den Druckkopf 1408 entlang einem Stab 1416 zu schieben, über den der Druckkopf 1408 sich bewegt.
Elektrische Steuersignale werden an den Druckkopf und die Elektronik darauf von der Steuerschaltungsanordnung 1412, die im Vorhergehenden beschrieben ist, durch ein flexibles Bandkabel oder ein Äquivalent 1418 geliefert. Die Positionssteuerung 1420, bei der es sich bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel um einen geeignet programmierten Mikroprozessor, eine Mikrosteuerung, eine ASIC oder ein Äquivalent handelt, ist wirksam, um den Walzenmotor 1404 und den Wagenmotor zu bewegen, um den Druckkopf 1408 an dem richtigen Ort bezüglich des Mediums 1406 zu positionieren. Zumindest ein alternatives Ausführungsbeispiel des Druckers, der in 14 gezeigt ist, wäre ein fester Druckkopf, dessen Abmessungen im Wesentlichen das Medium 1406 überqueren würden, so dass praktisch die gesamte Seitenbreite bedruckt werden könnte.
Zusätzliche Vorteile und Kombinationen sind ersichtlich und liegen innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Ansprüche.

Claims

Ein Druckkopf zum Aufbringen von Tinte und Tintenbestandteilen auf ein Druckmedium, der gebildet ist aus: a. einer Mehrzahl von im Wesentlichen hohlen Glasfaserröhrenabschnitten (100), die miteinander verbunden sind (304), um im Wesentlichen parallel zueinander zu sein, wobei jeder Glasfaserröhrenabschnitt ein erstes offenes Ende (305) aufweist, das in der Lage ist, mit einem Tintenvorrat (408) gekoppelt zu werden, und ein zweites offenes Ende (307) aufweist, das ein Heizelement (704) an seiner inneren Oberfläche umfasst, das in der Lage ist, flüssige Tinte in den Glasfaserröhrenabschnitten zu erhitzen, um zu bewirken, dass die Tinte in den Glasfaserröhrenabschnitten auf ein Druckmedium (1406) geschleudert wird.
Der Druckkopf gemäß Anspruch 1, bei dem das Halbleiterheizelement gebildet ist aus: a. zumindest einem Halbleiterbauelement (704), das an dem Glasfaserröhrenabschnitt aufgebracht ist; b. einem Widerstandsmaterial (902), das an dem Glasfaserröhrenabschnitt in der Nähe des zweiten offenen Endes (307) aufgebracht ist.
Der Druckkopf gemäß Anspruch 1, bei dem das Halbleiterheizelement gebildet ist aus: a. zumindest einem Halbleiterbauelement, das an einem ringförmigen Abschnitt der inneren Oberfläche der Glasfaserröhrenabschnitte in der Nähe des zweiten offenen Endes (307) aufgebracht ist; b. einem Widerstandsmaterial, das an zumindest einem Teilring (904) der inneren Oberfläche des Glasfaserröhrenabschnitts in der Nähe des zweiten offenen Endes (307) aufgebracht ist.
Der Druckkopf gemäß Anspruch 1, bei dem das Halbleiterheizelement ein Transistor ist.
Der Druckkopf gemäß Anspruch 1, bei dem das Halbleiterheizelement ein siliziumgesteuerter Gleichrichter ist.
Der Druckkopf gemäß Anspruch 3, bei dem das Halbleiterheizelement ein siliziumgesteuerter Gleichrichter ist.
Der Druckkopf gemäß Anspruch 1, bei dem das Halbleiterheizelement aus einer Mehrschichthalbleiterstruktur (704) gebildet ist.
Der Druckkopf gemäß Anspruch 1, der ferner aus einem Tintenreservoir (408) gebildet ist, das wirksam mit dem ersten offenen Ende gekoppelt ist und aus dem flüssige Tinte in die Glasfaserröhrenabschnitte fließt.
Ein Drucker zum Aufbringen von Tinte auf ein Druckmedium, der gebildet ist aus: a. einem Druckkopf (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; b. einem Druckkopfwagen (1416), der den Druckkopf (1408) trägt; und c. einer Druckkopfpositionssteuerung (1420); d. einem Tintenreservoir (502, 504, 506, 508), das mit dem Druckkopf gekoppelt ist.
Der Drucker gemäß Anspruch 9, der ferner eine Leistungsversorgung (1412) und elektrische Kontakte (1418) zum Koppeln von elektrischer Energie in den Druckkopf von der Leistungsversorgung umfasst.
Eine Tintenstrahldruckkassette, die gebildet ist aus: a. einem Tintenreservoir (502, 504, 506, 508); b. einem Druckkopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8; und c. Verbindungsknoten zum elektrischen Koppeln des Heizelements mit einer elektrischen Leistungsversorgung.
Ein Verfahren zum Erzeugen eines Druckkopfs aus Glasfasern, das folgende Schritte aufweist: a. Sintern einer Mehrzahl von röhrenförmigen Glasfaserabschnitten miteinander, von denen jeder ein erstes offenes Ende und ein zweites offenes Ende aufweist, und wobei jeder röhrenförmige Glasfaserabschnitt aus einem ersten Typ von Glas gebildet ist und einen im Wesentlichen röhrenförmigen Abschnitt mit einer Mittelachse aufweist und einen Innendurchmesser D aufweist, wobei der röhrenförmige Abschnitt mit einem zweiten Typ von Glas gefüllt ist; b. Ziehen des gesinterten Bündels von Glasfasern; c. erneutes Sintern des gezogenen Bündels von Glasfasern; d. Schneiden eines Abschnitts des erneut gesinterten und gezogenen Bündels von Glasfasern; e. Entfernen des zweiten Typs von Glas aus dem röhrenförmigen Abschnitt; wobei nach einem Auflösen des zweiten Typs von Glas aus dem röhrenförmigen Abschnitt ein Druckerkopfsubstrat gebildet wird, das mehrere Öffnungen aufweist, die durch die Entfernung des zweiten Typs von Glas aus den röhrenförmigen Abschnitten gebildet werden; und f. Aufbringen eines Heizelements an der inneren Oberfläche des zweiten Endes jedes der Glasfaserabschnitte.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem Schritt b ferner aus folgendem Schritt gebildet ist: a. Ziehen des gesinterten Bündels von Glasfasern, um den Durchmesser D zu verringern.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem der Schritt des Schneidens eines Abschnitts des erneut gesinterten und gezogenen Bündels von Glasfasern aus dem Schritt eines Schneidens eines Abschnitts des erneut gesinterten und gezogenen Bündels von Glasfasern orthogonal zu der Mittelachse gebildet ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem der Schritt des Entfernens des zweiten Typs von Glas aus dem röhrenförmigen Abschnitt aus dem Schritt eines Auflösens des zweiten Typs von Glas gebildet ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem der Schritt des Entfernens des zweiten Typs von Glas aus dem röhrenförmigen Abschnitt aus einem Ätzen des zweiten Typs von Glas gebildet ist.