DE60021256T2

DE60021256T2 - Verfahren zur ausrichtung von farbtintenstrahlmehrfach-druck

Info

Publication number: DE60021256T2
Application number: DE60021256T
Authority: DE
Inventors: Renato Conta; Pierluigi Soriani
Original assignee: TELEKOM ITALIA SpA
Current assignee: TELEKOM ITALIA SpA
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2020-03-18
Also published as: US6508530B1; EP1165321B1; DE60021256D1; IT1309087B1; WO2000058101A1; ITTO990241A1; EP1165321A1

Description

Technisches Gebiet
Das Verfahren gemäß der Erfindung dient zum Erreichen der Arbeitsausrichtung zwischen zwei oder mehreren Druckköpfen, die unterschiedliche Farbtinten enthalten und an dem Abtastwagen eines Punktmatrix-Tintenstrahldruckers angebracht sind.
Hintergrund
Tintenstrahl-Farbdrucker, sowohl des thermischen als auch des piezoelektrischen Typs, die mit einer Vielzahl von (typischerweise drei oder vier) monochromatischen Köpfen versehen sind, die unterschiedliche Farbtinten (typischerweise entsprechend den Grundfarben Zyan, Gelb und Magenta und manchmal Schwarz) enthalten, sind allgemein bekannt; jeder Kopf besitzt eine große Anzahl von Düsen zum Ausstoßen der Tintentröpfchen (z.B. dreihundert, wobei jedoch der gegenwärtige technologische Trend zu einer noch größeren Anzahl führt), die in einem konstanten Abstand in einer oder mehreren parallelen Reihen mit einer gleichen Anzahl von Ausstoßelementen, zum Erzeugen der Tintentröpfchen, die wahlweise durch die Düsen entsprechend jedem ausgestoßen werden, angeordnet sind.
Wie aus dem neusten Stand der Technik bekannt, umfassen Thermo-Tintenstrahldruckköpfe ein Substrat oder einen "Chip" aus Halbleitermaterial (üblicherweise Silizium), auf dem die Ausstoßwiderstände und die Energiesteuereinrichtungen, mit denen sie betrieben werden, und auch die Logikeinrichtung zur Auswahl der einzelnen, zu steuernden Ausstoßwiderstände unter Verwendung von bekannten Technologien gebildet sind; für die erstgenannten wird normalerweise die Dünnfilmtechnologie verwendet, während für die zweitgenannten die LDMOS-Technik ("lateral double diffused MOS") und für die drittgenannten die CMOS-Technik verwendet wird.
Die Präzision der relativen Positionierung der Düsen untereinander an einem einzelnen Kopf ist sehr hoch, da die Düsen-Trägerplatte einstückig gebildet ist und der aktive Teil des Kopfes auf einem einzelnen Siliziumchip unter Verwendung von mikrolithisch-fotografischen Techniken, die eine beachtliche mechanische Präzision gewährleisten, hergestellt ist. Die Positioniergenauigkeit, mit welcher der Chip am Gehäuse des Behälters des Kopfes angeordnet wird, ist jedoch nicht allzu hoch. Der Kopf wiederum ist an dem Abtastwagen des Druckers angebracht, so dass die endgültige Ausrichtung der Düsen unter den verschiedenen monochromatischen Köpfen (die für den Hochqualitätsdruck, insbesondere bei hoher Auflösung, erforderlich ist, wie es dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist) nur mittels zusätzlicher Ausrichtoperationen für den Betriebskopf erreicht werden kann, die mehr oder weniger automatisch direkt am Drucker durchgeführt werden müssen, was zu praktischen und wirtschaftlichen Problemen führt.
Es wurden bereits verschiedene Verfahren zur automatischen Ausrichtung der unterschiedlichen monochromatischen Köpfe vorgeschlagen, wie z.B. diejenigen, die in den Patentschriften US 5,644,344 , US 5,600,350 , US 5,451,990 , US 5, 448,269 , US 5,404,020 , US 5,289,208 , US 5,250,956 und EP 0 674 993 beschrieben sind. In all diesen Fällen wird ein Testausdruck auf ein Blatt gedruckt und anschließend die Positionsfehler des Blattes erfasst.
Andere Lösungsgattungen, wie z.B. diejenigen, die in den Patentschriften US 5,499,098 , US 5,350,929 , US 5,276,467 und EP 0 734 877 beschrieben sind, umfassen die Verwendung von Masken oder Gitter, durch welche die Fehlausrichtungen zwischen den Köpfen mittels optischer Einrichtungen erfasst werden.
Die Patentschrift US 4,709,248 beschreibt eine Einrichtung bestehend aus einer Leuchteinrichtung, einem optischen Detektor, der eine bekannte Charakteristik der Köpfe erfassen kann, und einer linearen Codiereinrichtung, mittels welcher die Position des Druckwagens in dessen Bewegungsrichtung präzise messbar ist. Die Fehlausrichtungen zwischen den Köpfen werden aus der Messung der Wagenposition erhalten, während das optische System die bekannte Charakteristik jedes einzelnen Kopfes beim Überqueren abtastet.
In der Italienischen Patentanmeldung TO 97 A 000844 ist ein Verfahren zur Ausrichtung von mehreren Tintenstrahlfarbdruckköpfen zusammen mit einem dazugehörigen Druckkopf und einem integrierten optischen Positionsdetektor beschrieben, wobei jedoch praktische Herstellungsprobleme aufgrund der Nichtlinearität der elektrooptischen Positionssensoren bestehen.
Die Patentschrift US 5,751,305 offenbart einen Referenziermechanismus, der am Drucker angeordnet ist, und einen Detektor, der am Druckkopf angeordnet ist. Der Druckkopf wird mit einer bekannten Geschwindigkeit an zwei beabstandeten Referenzmarken des Referenziermechanismus vorbeibewegt. Das Passieren einer ersten der beabstandeten Referenzmarken wird detektiert und das Passieren einer zweiten der beabstandeten Referenzmarken wird detektiert. Die Zeit zwischen der Detektion des Passierens der ersten Referenzmarke und der Detektion des Passierens der zweiten Referenzmarke wird gemessen und eine Verzögerungszeit bezüglich der gemessen Zeitdauer gebildet. Das Ausstoßen eines Tintentropfens wird für die Dauer der Verzögerungszeit verzögert.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erreichen der betriebsmäßigen Ausrichtung sowohl horizontal (Abtastrichtung) als auch vertikal (Zeilenvorschubrichtung) der Druckköpfe eines Tintenstrahlfarbdruckers, der mit mehreren monochromatischen Köpfen versehen ist, mit der für das Hochqualitäts-Farbddrucken bei hoher Auflösung erforderlichen Präzision und Linearität zu schaffen.
Das Verfahren der Erfindung basiert auf der Verfügbarkeit von Druckköpfen mit wenigstens einer optoelektronischen Einrichtung, die als ein optischer Positionssensor fungiert, der aus einer Spalte aus Fototransistoren, die in dem selben Chip wie der Kopf integriert sind, besteht, d.h. der im Verlauf des selben Herstellungsprozesses mit den selben Arbeitsschritten und mit den selben Masken wie sie bei der Herstellung eines integrierten Thermo-Tintenstrahlkopfes ohnehin erforderlich sind und folglich ohne eine Zunahme der Kosten und Probleme bezüglich der bekannten Köpfe hergestellt wurde.
Auf diese Art und Weise fungiert die integrierte optoelektronische Einrichtung als ein optischer Positionssensor, der mit den Düsen mit photolithographischer Präzision ausgerichtet ist, durch die es möglich ist, mit dem im Folgenden beschriebenen Verfahren sowohl die horizontale als auch die vertikale Position jedes einzelnen monochromatischen Kopfes, der am Abtastwagen angebracht ist, automatisch zu erfassen; das Verfahren der Erfindung verwendet die somit erfassten Positionswerte, um durch die elektronische Steuerung des Druckers die geeigneten Korrekturen durchzuführen, mit denen die geometrischen Ausrichtfehler beseitigt werden.
Die horizontalen Ausrichtfehler werden durch entsprechendes Verzögern oder Vorziehen des Ausstoßens der Tintentröpfchen durch die verschiedenen monochromatischen Druckköpfe in Bezug auf die Differenz zwischen der theoretischen Position und der tatsächlichen Position des Kopfes selbst korrigiert; die vertikalen Ausrichtfehler werden andererseits durch geeignetes Versetzen der elektronischen Steuerung der Düsen um eine oder mehrere Positionen korrigiert, wobei eine Maximum-Fehlausrichtung gleich einer Hälfte des Abstandes zwischen den Düsen zulässig ist und die Düsen jedes Kopfes, die sich außerhalb eines gemeinsamen Ausrichtbandes befinden, nicht verwendet werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein schnelles und präzises Verfahren zur Ausrichtung der Düsen-Trägerplatte bezüglich des Siliziumsubstrats während des Herstellungsprozesses des Kopfes zu schaffen, bei dem Risikofaktoren aufgrund der Veränderungen des optischen Kontrasts zwischen unterschiedlichen Filmchargen vermeidbar sind, die bei anderen Verfahren unter Verwendung von Überwachungssystemen für die Ausrichtung vorhanden sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein schnelles und präzises Verfahren zur Ausrichtung der Teilanordnung bestehend aus der Düsen-Trägerplatte und dem Siliziumsubstrat am Kunststoffgehäuse des Kopfes zu schaffen.
Die zuvor angegebenen Aufgaben werden mittels eines Verfahrens zur Ausrichtung von mehreren Tintenstrahl-Farbbdruckköpfen mit integriertem optoelektronischen Positionsdetektor gelöst, welches durch die Merkmale des Kennzeichens des Hauptanspruchs festgelegt ist.
Diese und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform durch ein veranschaulichendes, nicht-einschränkendes Beispiel anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt die axonometrische Projektion eines Tintenstrahldruckers.
2 zeigt das schematische Schaltbild einer Spalte aus Fototransistoren, die eine optoelektronische Einrichtung bilden.
3 zeigt den physikalischen Aufbau eines Fototransistors der Spalte in 2.
4 zeigt die geometrischen Dimensionen der Fototransistorspalte und des Lichtpunktes.
4a und 4b zeigen einen Videoausgang der durch zwei verschiedene Abtastungen der Signale gebildet wurde, die durch die Fototransistorspalte erzeugt werden, wenn sie den Lichtfleck passiert.
5a–5e zeigen verschiedene Videoausgänge, die während aufeinander folgender Abtastungen der Fototransistorspalte gebildet werden.
6 zeigt das schematische Schaltbild einer Spalte aus Fotodioden, die eine optoelektronische Einrichtung bilden.
7 zeigt den physikalischen Aufbau einer Fotodiode der Spalte in 6.
8 zeigt eine schematische Ansicht im Schnitt eines linearen PSD.
9 zeigt eine Draufsicht des linearen PSD in 8.
10 zeigt eine axonometrische Projektion des linearen PSD in 8.
11 zeigt das schematische Schaltbild des linearen PSD in 8.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt einen Tintenstrahlfarbdrucker, wobei die für die Erfindung relevanten Teile gezeigt sind. In der Figur sind ein fester Rahmen 41, ein Abtastwagen 42, vier monochromatische Druckköpfe 40, eine feste Leuchteinrichtung 43, eine Codiereinrichtung 44 und ein Messblock 45 zu sehen.
Der Drucker kann ein selbststehendes Produkt oder ein Teil eines Fotokopierers, eines Plotters, eines Faxgeräts, eines Geräts zur Reproduktion von Fotographien und dergleichen sein. Das Bedrucken erfolgt auf einem körperlichen Medium 46, das in der Regel aus einem Papierblatt oder einer Plastikfolie, einem Stoffmaterial oder dergleichen besteht.
Darüber hinaus sind in 1 die Referenzachsen gezeigt:
x-Achse: horizontal, d.h. parallel zur Abtastrichtung des Wagens 42;
y-Achse: vertikal, d.h. parallel zur Zeilenvorschubrichtung;
z-Achse: senkrecht zur x- und y-Achse.
Das Ausrichtverfahren gemäß der Erfindung zum betriebsmäßigen Ausrichten sowohl horizontal als auch vertikal der an dem Abtastwagen 42 angebrachten monochromatischen Köpfe 40, mit der für das Farbdrucken mit hoher Auflösung erforderlichen Präzision, erfordert, zusätzlich zu den üblicherweise bei ähnlichen Druckern nach dem Stand der Technik vorhandenen Einrichtung, das Vorhandensein von:

a) Druckköpfen, die mit einer integrierten Fototransistorspalte versehen sind, d.h. die im Verlauf desselben Herstellungsprozesses mit denselben Verfahrungsschritten, wie sie bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen erforderlich sind und mit denen die anderen Komponenten, die zum Betrieb des Kopfes selbst benötigt werden, wie z.B. die Ausstoßwiderstände, die Auswahl- und Steuereinrichtungen, und die Leiter zum Verbinden, in dem gemeinsamen Siliziumsubstrat gebildet werden;
b) eine feste Leuchteinrichtung 43 am Drucker;
c) eine elektronische Steuerung, die in einem ersten Modus die durch die Fototransistorspalte erzeugten Signale verarbeiten und die Steueranweisungen and die Tintenanstoßdüsen um eine oder mehrere Positionen in beiden vertikalen Richtungen versetzen kann;
d) eine elektronische Steuerung, die in einem zweiten Modus die durch die Fototransistorspalte erzeugten Signale verarbeiten und das Ausstoßen der Tintentröpfchen bezüglich der somit verarbeiteten Signale zum Zwecke der Korrektur der Ausrichtfehler in der horizontalen Richtung verzögern oder vorziehen kann.

Druckkopf mit integrierter Fototransistorspalte – Der Druckkopf 40 gemäß der Erfindung ist ein Mehrfachdüsen-Tintenstrahlkopf vom Thermotyp mit Auswahl- und Steuereinrichtungen, die in CMOS- und LDMOS-Technologie hergestellt werden, und Komponenten zum Erzeugen der Tintentröpfchen, die in Dünnfilmtechnologie auf einen einzigen nach dem Stand der Technik bekannten Träger (Halbleitersubstrat oder Chip) integriert sind.
Das Halbleitersubstrat umfasst darüber hinaus eine Spalte 50 aus Fototransistoren, deren Schaltschema in 2 gezeigt ist und die im selben Träger und mit denselben Verfahrensschritten, wie sie zur Herstellung der zuvor angegebenen integrierten Halbleitereinrichtungen erforderlich sind, gebildet wird. Die Fototransistoren der Spalte 50 sind vertikal angeordnet, d.h. in Richtung der y-Achse parallel zu den Linien der Düsen, und werden durch ein Schieberegister 60 adressiert, das während derselben Verfahrensschritte, wie sie bei der Herstellung der anderen Komponenten des Kopfes erforderlich sind, gebildet ist.
Vom elektrischen Standpunkt aus betrachtet besteht die Spalte 50 aus M Fototransistoren 51-i, wobei i von 1 bis M variabel ist, mit offenen Basisanschlüssen 52-i, gemeinsamen Kollektoranschlüssen 53-i, die elektrisch zusammen an einem gemeinsamen Knotenpunkt 54 angeschlossen sind, von dem sie eine Versorgungsspannung V+ erhalten, und unabhängigen Emitteranschlüssen 56-i. Beispielsweise könnte M den Wert 16 haben.
Die Fototransistoren 51-i verstärken durch die Emitteranschlüsse 56-i Fotoströme I-i im Wesentlichen proportional zum belichteten Bereich und zur Intensität des Lichtes, welches auf jeden der Basisanschlüsse 52-i einwirkt, wenn letztere in geeigneter Weise durch einen Lichtstrahl 66 beleuchtet werden.
Der Kopf umfasst darüber hinaus ein Schieberegister 60, welches M Spannungen U-i an einer dementsprechenden Anzahl von Ausgabepositionen zur Verfügung stellt; mehrere MOSFET-Transistoren 55-i, die die Funktion eines elektronischen Schalters für die Ströme I-i haben und diese einzeln und hintereinander mittels einer geeigneten Abfolge der Spannungen U-i, die an den Gate-Elektroden 58-i angelegt wird, leiten können; einen gemeinsamen Bus 62, der die Ströme I-i, die jeweils ausgewählt wurden, aufnimmt; und einen Ladeverstärker 64, der den Strom I-i als Eingangssignal erhält, der durch den gemeinsamen Bus 62 fließt, und der am Ausgang 57 eine Spannung V-i abgibt, die im Wesentlichen proportional zum Strom I-i ist.
Die Erzeugung der Analogsignale der Spannung V-i, die von dem Ladeverstärker 64 durch das Zusammenwirken der spezifizierten Komponenten abgegeben werden, wird im Folgenden näher beschrieben.
Der physikalische Aufbau der Spalte 50 aus Fototransistoren ist schematisch in 3 durch eine Ansicht im Schnitt parallel zur y-z-Ebene dargestellt, in der nur einer der Fototransistoren 51-i gezeigt ist, bestehend aus einer N-"well"-Zone, die durch Diffusion an einem p-Typ-Siliziumsubstrat 63 hergestellt wurde und den Kollektoranschluss 53-i bildet, der an dem gemeinsamen Knotenpunkt 54 durch einen N+-Kontakt 68-i angeschlossen ist; aus einem P-Typ-"body", der den offenen Basisanschluss 52-i bildet; und aus der Schicht des Typs N+, die den Emitteranschluss 56-i bildet. Die Spalte 50 aus Fototransistoren wird anschließend durch eine passivierende Schutzschicht 65 geschützt, mit Ausnahme der Bereiche, auf denen die Metallisierungen aufgebracht werden, die die Kontakte mit den Ausgangsleitern für die Kollektoranschlüsse und für die Emitteranschlüsse 54 bzw. 67-i bilden.
Der geometrische Aufbau der lichtempfindlichen Bereiche entsprechend den offenen Basisanschlüssen 52-i der Fototransistoren 51-i, die die Spalte 50 bilden, ist in 4 dargestellt. Jeder der lichtempfindlichen Bereiche 52-i hat, verdeutlichendes und nicht-einschränkendes Beispiel, eine quadratische Form mit Seiten von vorzugsweise zwischen 10 und 50 μm, oder eine rechtwinklige Form mit den Abmessungen A und B, die vorzugsweise innerhalb der folgenden Grenzen liegen:

A Höhe, parallel zur y-Achse 10–50 μm

B Breite, parallel zur y-Achse 10–150 μm
Zusätzlich sind diese lichtempfindlichen Bereiche 52-i benachbart und spaltenförmig angeordnet, um die Spalte 50 aus Fototransistoren als Ganzes in Form eines einzelnen Rechtecks der Höhe H parallel zur y-Achse zu bilden.
Das zuvor beschriebene Verfahren ermöglicht eine optimale Reproduzierbarkeit, die durch die fotoelektrischen Eigenschaften der Fototransistoren 51-i erreicht wird, da diese im Wesentlichen von der Dotierung des P-"body" 52-i und von dem Übergangsbereich P-"body"-N"-well" abhängig ist, so dass die Abweichung der Emitter-Fotoströme der verschiedenen im selben "Chip" integrierten Fototransistoren geringer als ±2% ist, wohingegen die Abweichung der Emitter-Fotoströme zwischen den Fototransistorspalten 50 auf unterschiedlichen Chips in der Größenordnung von ±10% liegt, wobei die Dotierung der N- und P-Gebiete durch Ionenimplantation erfolgt, bei der die Dotierungssteuerung besser als ±5% ist.
Der Hauptvorteil, der durch das Integrieren der Spalte 50 in den Chip des Kopfes erreicht werden kann, liegt jedoch in der extremen Präzision, mit der die Spalte 50 selbst bezüglich der Düsen positioniert wird, da sie in demselben Siliziumsubstrat, welches die anderen Komponenten enthält, und unter Verwendung von mikrolithisch-fotografischen Techniken, die eine hohe mechanische Präzision sicherstellen, hergestellt ist.
Leuchteinrichtung – Die Leuchteinrichtung 43 besteht aus einer Lichtquelle, typischerweise eine lichtemittierende Diode (LED) oder eine Laserdiode, die an sich bekannt sind, und ist an einem Element angebracht, welches bezüglich des Rahmens 41 des Druckers fixiert ist. Unter Verwendung eines bekannten optischen Systems fokusiert (oder richtet) die Einrichtung den Lichtstrahl 66 in einer solchen Weise, um einen runden Licht-"Fleck" 70 auf der Ebene der lichtempfindlichen Bereiche 52-i der Spalte 50 parallel zur x-y-Ebene zu bilden, wie in den 4, 4a und 4b gezeigt.
Elektronische Steuerung – Die elektronische Steuerung umfasst typischerweise einen per se bekannten Mikroprozessor und komplette standardisierte elektronische Einrichtungen des bekannten Typs.
Erzeugung von Signalen – Das Verfahren, bei dem die Spalte 50 aus Fototransistoren zur Erzeugung der Signale verwendet wird, die zur Ausrichtung eines Kopfes gemäß der vorliegenden Erfindung benötigt werden, wird im Folgenden in Bezug auf 2 beschrieben. Jeder Fototransistor 51-i bewirkt durch die Emitteranschlüsse 56-i einen Fotostrom I-i, der im Wesentlichen proportional dem beleuchteten Bereich und der Intensität des Lichtes ist, das auf den entsprechenden Basisanschluss 52-i einwirkt, wenn letzterer entsprechend vom Lichtstrahl 66 beleuchtet wird.
Zunächst wird das Rücksetzsignal 71 des Schieberegisters 60 aktiviert und anschließend für eine bestimmte Zeitdauer deaktiviert. Während der ersten Taktperiode 61, die auf die Deaktivierung des Rücksetzen 71 folgt, schaltet das Schieberegister 60 das Ausgangssignal U-1 lediglich auf den logischen Wert "1", während sämtliche verbleibende Ausgänge von U-2 bis U-M auf logisch "0" bleiben. Folglich leitet nur der MOSFET 55-1, so dass der Strom I-1 auf dem gemeinsamen Bus 62 fließt. Dieser fließt in den Ladeverstärker 64, der an dem Videoausgang 57 eine Spannung V-1 bildet, die im Wesentlichen proportional zu I-1 ist und dementsprechend für nachfolgende Verarbeitungszwecke zur Verfügung steht.
Als eine Alternative zum Ladeverstärker 64 kann ein Wandler verwendet werden, der eine Impulsreihe, einen Binärcode oder andere ähnliche Signale am Ausgang 57 bereitstellt, ohne in irgendeiner Weise den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bei Ablauf einer Taktperiode 61 der Dauer T schaltet das Schieberegister 60 den Ausgang U-1 auf den logischen Wert "0", schaltet nur den Ausgang U-2 auf den logischen Wert "1 ", und lässt alle verbleibenden Ausgänge von U-3 bis U-M auf dem logischen Wert "0". Dies hat zur Folge, dass der MOSFET 55-2 leitend ist, so dass der Strom I-2 auf dem gemeinsamen Bus 62 fließt. Der Ladeverstärker 64 liefert am Ausgang 57 eine Spannung V-2, die im Wesentlichen proportional zu I-2 ist.
In ähnlicher Weise schaltet in den darauf folgenden Taktperioden 61 das Schieberegister 60 die Ausgänge U-i hintereinander und einzeln auf den logischen Wert "1", so dass die Ströme I-i auf dem gemeinsamen Bus 62 einzeln und hintereinander fließen. Folglich liefert der Ladeverstärker 64 am Ausgang 57 einzeln und hintereinander die Spannungen V-i, die im Wesentlichen proportional zu I-i sind.
Nach dem Aktivieren des Ausgangs U-M und dem Zuführen der Spannung V-M am Ausgang 57 beginnt der zuvor beschriebene Zyklus mit dem Aktivieren des Ausgangs U-1 von vorne.
In der folgenden Beschreibung wird auf die 4 Bezug genommen. Zusätzlich zu den Abmessungen A, B, H, der Dauer T einer Taktperiode und der Anzahl M, die bereits definiert wurden, werden die folgenden Größen definiert:

D: Durchmesser des Lichtflecks
K: Anzahl der Abtastungen, die während des Beleuchtens der Spalte 50 erfolgt sind
Q: Dauer der Hindurchbewegung
S: Dauer einer Abtastung
W: Geschwindigkeit des Wagens während der Messung

– die vertikale Fehlausrichtung des Kopfes bezüglich der theoretischen Position liegt innerhalb ±150 μm;
– jeder der lichtempfindlichen Bereiche 52-i hat eine quadratische Form mit den Abmessungen A × B = 20 × 20 μm;
– die Anzahl M der Fototransistoren beträgt 16, so dass die Gesamthöhe der Spalte 50 aus Fototransistoren H = M × A = 16 × 20 μm = 320 μm beträgt;
– die Frequenz des Taktgebers 61 des Schieberegister 60 beträgt 0,5 MHz, so dass die Dauer der Periode T = 2 μs ist und folglich die Gesamtdauer S einer Abtastung S = M × T = 16 × 2 μs = 32 μs beträgt; und
– der Durchmesser D des Flecks 70 beträgt D = 100 μm.

Während der Messung der Fehlausrichtung wird der Wagen 42, an dem sich der Kopf 40 mit der Spalte 50 aus Fototransistoren befindet, mit einer geringen Geschwindigkeit W, z.B. 1 cm/s, parallel zur x-Achse in einer solchen Weise bewegt, dass sich die Spalte 50 aus Fototransistoren durch den Fleck 70 in der durch den Vektor W angegebenen Richtung hindurchbewegt.
Die Zeit Q, die zwischen einem ersten Zeitpunkt, bei dem die Spalte 50 aus Fototransistoren zuerst von dem Fleck 70 gestreift wird, und einem zweiten Punkt, bei dem die Spalte 50 aus Fototransistoren den Fleck 70 vollständig verlassen hat, verstreicht, ist für das Schieberegister 60 ausreichend, um eine Vielzahl von vollständigen Abtastungen der Ströme I-i zu veranlassen. In Zahlen ausgedrückt muss bei diesem Beispiel während der Zeit Q die Spalte 50 eine Distanz gleich (20 μm + 100 μm) = 120 μm zurücklegen, was bei der angenommenen Geschwindigkeit W von 1 cm/s eine Zeit Q = 12 ms erfordert, wohingegen das komplette Abtasten der 16 Signale V-i eine Dauer S von 32 μs hat. Zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt kann daher eine Anzahl von K Abtastungen durchgeführt werden, die gegeben ist durch K = Q/S = 375.
4a zeigt die Spalte 50, wenn sie unter dem Fleck 70 eintritt. Bei dieser ersten Konfiguration beleuchtet der Fleck 70 den lichtempfindlichen Bereich 52-7 teilweise und in einem geringeren Ausmaß die Bereiche 52-6 und 52-8.
Auf der Zeitachse t des kartesischen Diagramms in 4a sind die Zeitpunkte t-i entsprechend den aufeinander folgenden Aktivierungen der Ausgänge U-1 während einer Abtastung aufgetragen, die voneinander durch das Intervall T getrennt sind, welches der Taktperiode 61 entspricht. Auf den Ordinaten sind die Signale V-i aufgetragen, die am Videoausgang 57 zu den Zeitpunkten t-i anliegen. Bei diesem Diagramm, welches einem Abtastvorgang entspricht, der bei dieser ersten Konfiguration erfolgt, sind nur die Signale V-6, V-7 und V-8, die am Videoausgang 57 zu den Zeitpunkten t-6, t-7 und t-8 anliegen, ungleich Null. Das Signal V-7 ist geringer als der Wert V-max, da der Bereich 52-7 teilweise beleuchtet wird. Die Signale V-6 und V-8 sind sogar noch geringer, da die Bereiche 52-6 und 52-8 geringfügig beleuchtet werden.
4b zeigt die Spalte 50 aus Fototransistoren zu einem späteren Zeitpunkt, wenn sie den Fleck 70 in einem größeren Ausmaß überlagert. Bei dieser zweiten Konfiguration beleuchtet der Fleck 70 die lichtempfindlichen Bereiche 52-6, 52-7 und 52-8 vollständig und die Bereiche 52-5 und 52-9 geringfügig. In dem kartesischen Diagramm, das einem Abtastvorgang entspricht, der während dieser zweiten Konfiguration erfolgt, sind die Signale V-5, V-6, V-7, V-8 und V-9 ungleich Null. Das Signal V-7 ist gleich dem Wert V-max, da der Bereich 52-7 vollständig beleuchtet wird. Die Signale V-6 und V-8 sind etwas niedriger, da sich die Bereiche 52-6 und 52-8, obgleich sie sich vollständig innerhalb des Flecks 7b befinden, in der Nähe der Ränder befinden; schließlich sind die Signale V-5 und V-9 noch niedriger, da die Bereiche 52-5 und 52-9 geringfügig beleuchtet werden.
Die 5a bis 5e zeigen beispielhaft fünf der möglichen Relativpositionen zwischen dem Fleck 70 und den lichtempfindlichen Bereichen 52-i während sich der Kopf 40, der von dem Wagen 52 mit der Geschwindigkeit W getragen wird, durch den Fleck 70 hindurchbewegt. In jeder Figur sind die Signale V-i am Videoausgang 57 gezeigt, die dem Abtastvorgang folgen, der in jeder Position erfolgt.
In dem in 5c gezeigten Zustand stimmt der Mittelpunkt des Flecks 70 mit der vertikalen Linie L, die die Mittellinie der Spalte 50 aus Fototransistoren entspricht, überein, wobei die Summe der Breiten der Signale V-i maximal ist.
Es ist nun möglich, das Ausrichtsystem für Mehrfachtintenstrahl-Farbdruckköpfe gemäß der Erfindung zu beschreiben, die jeweils z.B. eine schwarze Tinte, eine zyanfarbene Tinte, eine gelbe Tinte und eine magentafarbene Tinte enthalten, und am Abtastwagen 42 eines Druckers angebracht sind, der wiederum mit der Leuchteinrichtung 43 und der elektronischen Steuerung, wie zuvor beschrieben, versehen ist. Das Ausrichtverfahren umfasst im Wesentlichen die folgenden Schritte:

– Erfassen der vertikalen Fehlausrichtung jedes Kopfes 40,
– Versetzen der Anweisungen an die Düsen jedes Kopfes 40, um die vertikale Fehlausrichtung jedes einzelnen Kopfes zu kompensieren,
– Erfassen der horizontalen Fehlausrichtung jedes Kopfes 40,
– Korrigieren der Zeitsteuerung des Ausstoßens der Tröpfchen durch jeden einzelnen Kopf 40, um die horizontale Fehlausrichtung zu kompensieren.

Erfassung der vertikalen Ausrichtung – Diese wird in Bezug auf einen einzelnen monochromatischen Kopf 40 beschrieben, da sie für alle Köpfe identisch ist.
Die Signale V-i am Videoausgang 57 werden nacheinander unter Verwendung von Elektronikeinrichtungen des bekannten Typs verarbeitet, um einen Wert für die vertikale Position des Kopfes 40 bezüglich des Flecks 70 zu erhalten.
Die vertikale Position wird im Allgemeinen durch Identifizieren, welcher der Bereiche 52-i den horizontalen Durchmesser des Flecks 70 zurückgelegt hat, erhalten.
In einem ersten Verarbeitungsmodus werden M Summen gebildet, eine für jeden Wert von i, der Werte V-i, die bei sämtlichen Abtastungen erfasst wurden. Für i = 1 werden alle Werte von V-1, die bei den aufeinander folgenden Abtastungen erhalten wurden, miteinander addiert und eine Gesamtzahl-1 erhalten und gespeichert; für i = 2 werden alle Werte von V-2, die in den aufeinander folgenden Abtastungen erhalten wurden, miteinander addiert und eine Gesamtzahl-2 erhalten und gespeichert; durch Fortfahren in dieser Weise werden die Summenwerte-i bis zum Summenwert-M berechnet. Es erfolgt eine Suche nach der größten aller Summenwerte-I, wobei deren Index, der mit i(m) bezeichnet wird, den Bereich 52-i angibt, der insgesamt das meiste Licht erhalten hat und folglich den horizontalen Durchmesser des Flecks 70 zurückgelegt hat.
In einem zweiten Verarbeitungsmodus werden die M Summenwerte-i wiederum durch das in Bezug auf den ersten Modus beschriebe Verfahren erhalten. Anschließend werden die einzelnen M Summenwerte-i verwendet, um eine kontinuierliche mathematische Interpolationsfunktion mittels bekannter Algorithmen zu erhalten, aus der die Position des Maximumwerts i(m) berrechnet wird. Letzterer nimmt üblicherweise einen nicht ganzzahligen und bezüglich der ganzzahligen Werte des Index i dazwischenliegenden Wert an und entspricht einer dazwischenliegenden vertikalen Position bezüglich der einzelnen Positionen der lichtempfindlichen Bereiche 52-i.
Der zweite Verfahrensmodus ist präziser als der erste, da durch das Interpolieren der erfassten Werte die Auswirkungen der Unstetigkeit zwischen den lichtempfindlichen Bereichen eliminiert werden und darüber hinaus die Zufallsfehler unter den verschiedenen Signalen V-i verringert werden.
Korrektur der vertikalen Position jedes einzelnen Kopfes – Gemäß einer Technologie, die dem Fachmann bekannt ist, werden die Tintenausstoßdüsen am Kopf 40 in zwei vertikalen Spalten, d.h. parallel zur y-Achse, und in einem konstanten Abstand voneinander beabstandet, der nach dem gegenwertigen Stand der Technik den Wert 1/600 Inch (≈ 42 μm) oder 1/1200 Inch (≈ 21 μm) annehmen kann, angeordnet.
Die Korrektur der vertikalen Position erfolgt gemäß der vorliegenden Erfindung durch die elektronische Steuerung des Druckers für diejenigen Köpfe, die basierend auf der Erfassung der vertikalen Ausrichtung vertikal fehlausgerichtet sind, durch das Versetzen der Anweisungen an die Düsen um eine oder mehrere Positionen in Richtung nach oben oder in Richtung nach unten.
Da die Höhe der Korrektur einer ganzen Anzahl von Abständen entspricht, wird bei der Ausrichtung zwischen den Köpfen 40 ein Restfehler von zwischen ± die Hälfte eines Abstandes (±21 μm bei einem Abstand von 1/600 Inch, ±10,5 μm bei einem Abstand von 1/1200 Inch) toleriert. Beim ersten Verfahrensmodus wird ein Diskretisierungsfehler zu diesem Fehler aufgrund der endlichen Abmessung der empfindlichen Bereiche 52-i und innerhalb ±A/2 (z.B. ±10 μm bei A = 20 μm) hinzuaddiert. Der Diskretisierungsfehler ist beim zweiten Verfahrensmodus nicht vorhanden.
Zusätzlich muss jede Spalte eine größere Anzahl von Düsen besitzen als die, die tatsächlich zum Schreiben verwendet wird, da einige Düsen benachbart zu den Rändern nicht verwendet werden, um ein Versetzen zu ermöglichen. Z.B. könnte man im Falle eines Abstandes zwischen den Düsen von 1/600 inch (≈ 42 μm) und weiterhin unter der Annahme, dass die maximale vertikale Fehlausrichtung zwischen den Köpfen innerhalb von ±150 μm liegt, im ungünstigsten Fall sieben Düsen benachbart zu einem der Ränder nicht verwenden.
Die genaue Höhe der durchzuführenden Versetzung wird durch die elektronische Steuerung des Druckers auf Grundlage einer Umrechnungstabelle zwischen dem Wert i(m) oder i(max) und der Mikrometer der Fehlausrichtung, die sie repräsentieren, berechnet und die beispielsweise in einem ROM gespeichert ist und durch die bekannten geometrischen Positionen der Spalte 50 und des Lichtstrahls 66 vorgegeben ist.
Erfassung der horizontalen Ausrichtung – Der Abtastwagen 42, an dem sich die Köpfe 40 befinden, wird in Richtung der x-Achse mit einer Geschwindigkeit W bewegt. Die Position des Wagens 42 entlang der x-Achse wird mittels einer Decodiereinrichtung 44 erfasst, die die Positionsinformation in Form von periodischen Signalen (Abtastimpulse) mit einem vorgegebenen Abstand zuführt. Elektronische Einrichtungen, die zur Steuerung des Druckers gehören, zählen diese Abtastimpulse und bestimmen die Position X entlang der x-Achse eines Messblocks 45 am Wagen 42 unter Verwendung von dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannten Mitteln.
Darüber hinaus können dieselben elektronischen Einrichtungen Zeitpunkte entsprechend den Abtastimpulsfraktionen unter Verwendung von in gleicher Weise bekannten Interpolationsverfahren berechnen.
Es wird Bezug genommen auf einen Punkt X₁, der von dem Messblock 45 am Wagen erreicht wird, wenn sich die Mittellinie L der ersten Spalte 50, die zu einem mit "erster" bezeichneten Druckkopf 40 gehört, durch die Mitte des Flecks 70 hindurchbewegt.
Der theoretische Punkt X₂, den der Messblock 45 erreichen sollte, wenn sich die Mittellinie L einer zweiten Spalte 50, die einem mit "zweiter" bezeichneten Kopf 40 gehört, durch die Mitte des Flecks 70 hindurchbewegt, ist gegeben durch die Beziehung X2 = X1 + E2,wobei E₂ den theoretischen Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Kopf darstellt.
In ähnlicher Weise ist der theoretische Punkt X_n, den der Messblock 45 erreichen sollte, wenn sich die Mittellinie L einer n-ten Spalte 50, die einem n-ten Kopf 40 zugeordnet ist, durch die Mitte des Fflecks 70 hindurchbewegt, gegeben durch die Beziehung Xn = X1 + En,wobei E_n den theoretischen Abstand zwischen dem ersten und dem n-ten Kopf darstellt.
Die übrige Beschreibung beschränkt sich auf die Erfassung der Fehlausrichtung des zweiten Kopfes 40, da das Verfahren bezüglich der weiteren Köpfe 40 identisch ist und von dem Fachmann auf diesem Gebiet ohne weiteres weitergeführt werden kann.
Die Erfassung der horizontalen Fehlausrichtung des zweiten Kopfes 40 bezüglich der theoretischen Position umfasst die Messung der Abweichung ΔX₂ zwischen dem Punkt X_2p, der tatsächlich von dem Messblock 45 erreicht wird, wenn die Mittellinie L der Spalte 50 mit dem Mittelpunkt des Flecks 70 übereinstimmt, und dem theoretischen Punkt X₂, bei dem diese Übereinstimmung auftreten sollte.
Die Abweichung entspricht ΔX2 = X2p – X2 und hat ein negatives Vorzeichen, wenn der Kopf 40 in derselben Richtung wie die Abtastung des Wagens 42 bezüglich der theoretischen Position, in der er sich befinden sollte, horizontal verschoben wird (d.h. er eilt während der Bewegung voraus), und hat ein positives Vorzeichen, wenn der Kopf 40 in der Richtung entgegengesetzt zur Abtastung des Wagens 42 bezüglich der theoretischen Position, in der er sich befinden sollte, horizontal verschoben wird (d.h., er eilt nach).
Das Berechnungsverfahren zum Erhalten von X_2p verwendet dieselben Werte V-i, die bei den Abtastungen durch die Erfassung der vertikalen Ausrichtung erhalten wurden.
In einem ersten Verfahrensmodus werden K Summen, nämlich eine für jede der K Abtastungen, die während der Beleuchtung der Spalte 50 erfolgt sind, aller Werte V-i, die während der Abtastungen erfasst wurden, gebildet. Mittels bekannter Algorithmen wird die größte der somit erhaltenen K Summenwerte gesucht, wodurch eine Abtastung S(m) ermittelt wird, bei der die Spalte 50 im Durchschnitt mehr beleuchtet wurde.
Der Punkt X_2p liegt innerhalb eines Ungenauigkeitsintervalls, dessen Grenzen wie im Folgenden berechnet werden, wobei der Anfangspunkt der Abtastung S(m) mit dem Symbol X_sm angegeben ist, während die Symbole S, i(m), W und M jeweils angeben: die Dauer der Abtastung, die Kennzahl des Bereichs 52-i, der das meiste Licht erhalten hat, die Geschwindigkeit des Wagens 42 und die Anzahl der lichtempfindlichen Bereiche 52-i:
Unterer Extremwert:X2inf = Xsm + W·(S·i(m)/M – S/2)Oberer Extremwert:X2up = Xsm + W·(S·i(m)/M + S/2)
Der Durchschnittswert dieser Extremwerte wird als der Wert von X_2p genommen, der dem Ausdruck entspricht: X2p = Xsm + W·(S·i(m)/M)wohingegen das Ungenauigkeitsintervall X_2p gleich ±S/2 ist.
In einem zweiten Verfahrensmodus wird eine Ebene (x – i) festgelegt, die als die Abszisse die bereits festgelegte x-Achse hat und als die Ordinate die Variable (i) vom Typ Integer hat. Alle V-i-Werte, die bei all diesen Abtastungen erhalten werden, sind als ein Punkt über der Ebene (x – i) gegeben und entsprechen jeweils einer eigenen Kennzahl i und dem Punkt X, bei dem sie erfasst wurden.
Anschließend wird unter Verwendung bekannter Algorithmen eine kontinuierliche Interpolationsfunktion V = f(x, i) erhalten, aus der unter Verwendung bekannter Algorithmen die Position des Maximums berrechnet wird, dessen Koordinaten mit dem gesuchten Punkt X_2p und mit i(max) übereinstimmen, der üblicherweise nicht ganzzahlig ist, bereits definiert und zur Erfassung der vertikalen Ausrichtung verwendet wurde.
Der zweite Verfahrensmodus ist genauer als der erste, da durch das Interpolieren der erfassten Werte das Ungenauigkeitsintervall des Wertes von X_2p eliminiert wird und darüber hinaus die Zufallsfehler in den verschiedenen Signalen V-i verringert werden.
Korrektur der horizontalen Position des Kopfes – Die horizontale Fehlausrichtung des n-ten Kopfes 40 wird durch die elektronische Steuerung des Druckers durch das Ändern der Zeitsteuerung des Ausstoßes der Tintentröpfchen bezüglich eines theoretischen Zeitpunktes t_n um ein Intervall Δtn = (ΔXn)/WL korrigiert, wobei W_L eine übliche Betriebsgeschwindigkeit ist, die nicht notwendigerweise gleich W ist.
Der tatsächliche Zeitpunkt t_np des Tintenausstoßes ist: tnp = tn + (Δtn).
Insbesondere ist, wenn der n-te Kopf 40 zu früh ankommt, Δt_n negativ, so dass folglich das Ausstoßen der Tintentröpfchen im Voraus erfolgt, wohingegen, wenn der n-te Kopf verspätet ankommt, Δt_n positiv ist, so dass folglich das Ausstoßen der Tintentröpfchen verzögert wird.
Zweite Ausführungsform
Die Spalte 50 aus Fototransistoren kann durch eine Spalte 150 aus Fotodioden ersetzt werden, deren Schaltschema in 6 gezeigt ist, welches sich jedoch auf die beiden Fotodioden i-th und M-th beschränkt. Die Spalte 150 ist darüber hinaus im selben Träger integriert und wurde durch dieselben Verfahrensschritte hergestellt, wie sie für die Herstellung der integrierten Halbleitereinrichtungen, die die anderen Funktionen des Kopfes 40 ausführen, erforderlich sind.
Vom elektrischen Standpunkt aus betrachtet besteht die Spalte 150 aus M Fotodioden 151-i, wobei i zwischen 1 und M variiert, und wobei die Kathoden 153-i an einem gemeinsamen Knotenpunkt 54, dem eine positive Spannung V+ zugeführt wird, miteinander verbunden sind und die Anoden 152-i unabhängig sind.
Der physikalische Aufbau der Spalte 150 aus Fotodioden ist schematisch in 7 in einer Ansicht im Schnitt parallel zur Ebene y-z dargestellt, in der nur eine der Fotodioden 151-i gezeigt ist, die aus einer N "well"-Zone, die durch Diffusion an einem Siliziumsubstrat des P-Typs gebildet wurde und die Kathode 153-I bildet, die mit dem gemensamen Knotenpunkt 54 durch einen Kontakt 168-i des N+-Typs verbunden ist, und aus einer "Zone" des P-Typs, die die Anode 152-i bildet, besteht. Die Spalte 150 aus Fotodioden wird dann durch eine schützende Passivierungsschicht 165 geschützt, mit Ausnahme der Bereiche, in denen die Metallisierungen aufgebracht werden, die die Kontakte 54 bzw. 167-i mit den Ausgangsleitern für die Kathoden und für die Anoden bilden.
Der lichtempfindliche Bereich besteht aus dem Übergangsbereich 154-i zwischen der Anode 152-i und der Kathode 153-i.
Die Fotodioden 151-i sind umgekehrt polarisiert, ermöglichen jedoch das Durchfließen der Fotoströme I-i, die im Wesentlichen proportional dem beleuchteten Bereich und der Intensität des Lichts, welches auf jede der Übergangsbereiche 154-i einwirkt, sind, wenn letztere entsprechend durch einen Lichtstrahl 166 beleuchtet werden.
Bei den Fotodioden ist das Verhältnis des Stromes I-i zur Lichtstärke, die auf den entsprechenden Übergangsbereich 154-i auftrifft, normalerweise geringer als das entsprechende Verhältnis bei den Fototransistoren.
Die MOSFET-Transistoren 55-i, der gemeinsame Bus 62, das Schieberegister 60 und der Ladeverstärker 64 sind im Wesentlichen den bereits für die erste Ausführungsform beschriebenen identisch. Die geometrischen Konfiguration der lichtempfindlichen Bereiche 154-i und der Spalte 150 ist im Wesentlichen ähnlich der bereits beschriebenen lichtempfindlichen Bereiche 52-i und der Spalte 50.
Darüber hinaus erfolgen die Erzeugung der Signale V-i am Ausgang 57, die Verwendung dieser Signale V-i zur Erfassung der vertikalen und horizontalen Ausrichtungen, und die Korrekturen der vertikalen und horizontalen Positionen des Kopfes 40 unter Verwendung von Verfahren, die mit den bereits für die erste Ausführungsform beschriebenen identisch sind.
Dritte Ausführungsform
Der optoelektronische Positionsdetektor kann unter Verwendung einer linearen Fotodiode des PSD-Typs ("Position Sensitive Detector") aufgebaut sein, dessen Betrieb auf dem lateralen fotoelektrischen Effekt basiert, der dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der PSD unter Verwendung der CMOS/LDMOS-Technologie im selben Chip wie der Kopf 40 integriert, d.h. er wird im Verlauf desselben Herstellungsprozesses, mit denselben Verfahrensschritten und mit denselben Masken, wie sie ohnehin zur Herstellung eines integrierten Thermo-Tintenstrahldruckkopf erforderlich sind und folglich ohne eine Kostenzunahme und ohne die Probleme bezüglich der bekannten Köpfe hergestellt.
Der im Kopf 40 integrierte lineare PSD besteht aus kristallinem Silizium und ist schematisch in 8 in einer Schnittansicht gezeigt. Der PSD besteht aus:

– einem Substrat 80 aus Silizium des P-Typs mit einem Widerstandswert von vorzugsweise zwischen 10 und 20 Ω·cm;
– einer N-"well"-Zone 77 mit einer Dicke von vorzugsweise zwischen 3 und 8 μm und mit einem Substratwiderstandswert, der im Folgenden als "R-sheet" bezeichnet wird, von vorzugsweise 1200 und 1800 Ω/⎕;
– einem "body" 76 des P-Typs mit einer Dicke von vorzugsweise zwischen 1 und 2 μm und mit einem R-sheet von vorzugsweise zwischen 800 und 1200 Ω/⎕;
– zwei Anoden 74, die mit dem "body" 76 über zwei Diffusionen des P+-Typs verbunden sind;
– zwei Kathoden 75, die mit der "well"-Zone 77 über zwei Diffusionen des N+-Typs verbunden sind.

Der "Body" 76 ist durch eine schützende Passivierungsschicht 81 geschützt, mit Ausnahme der Bereiche, auf denen die Metallisierungen aufgebracht werden, die die Ausgangsleiter für die Katoden und für die Anoden bilden.
Die geometrische Konfiguration des PSD ist in 9 dargestellt, in der darüber hinaus die x-Achse parallel zur Abtastrichtung und die y-Achse parallel zur Richtung des Zeilenvorschubs und zu den Düsenreihen angegeben ist.
Der lichtempfindliche Bereich hat beispielsweise die Form eines rechtwinkeligen Fensters 83, dessen Abmessungen F und G vorzugsweise innerhalb der folgenden Grenzen liegen:

F Höhe, parallel zur y-Achse 300 bis 2000 μm

G Breite, parallel zur x-Achse 50 bis 200 μm
Wenn sich der Kopf 40, der von dem Wagen 52 getragen wird, der mit einer Geschwindigkeit W parallel zur x-Achse bewegt wird, durch einen Lichtstrahl 266 bewegt, bildet letzterer einen Lichtfleck 270 auf dem Fenster 83.
Die Arbeitsweise des linearen PSD, der im Kopf 40 integriert ist, wird im Folgenden anhand der axonometrischen Projektion in 10 und dem Diagramm in 11 beschrieben.
Der Lichtfleck 270 erzeugt einen Strom I-ph, der durch einen Stromgenerator 82 angegeben ist, entsprechend dem P/N-Übergang zwischen dem "Body" 76 und der well-Zone 77, die umgekehrt polarisiert sind.
Der Strom I-ph wird in zwei Ströme I-ph1 und I-ph2 aufgeteilt, die an den beiden Anoden 74 gesammelt werden und die umgekehrt proportional zu den Abständen Y1 und (F-Y1) zwischen dem Schwerpunkt, d.h. dem Punkt der größten Intensität des Lichtflecks 270, und den Anoden 74 sind. Tatsächlich fungiert der PSD, der eigentlich ein Fotowiderstand ist, in der Praxis als ein optoelektronisches Potentiometer.
Bei der Messung der Fehlausrichtung wird der Wagen 42, an dem sich der Kopf 40 mit dem PSD befindet, mit geringer Geschwindigkeit W, z.B. 1 cm/s, in der durch den Vektor W angegebenen Richtung parallel zur x-Achse in einer solchen Art und Weise bewegt, dass der PSD den Fleck 270 passiert.
Wenn sich der Strom I-ph in der Nähe seines Maximumwertes befindet, werden die beiden Ströme I-ph1 und I-ph2 mit an sich bekannten integrierten elektronischen Messeinrichtungen gemessen.
Die Erfassung der vertikalen Ausrichtung erfolgt durch das Erhalten des vertikalen Abstandes Y1 des Mittelpunkts des Flecks 270 von einer der Seiten der Länge G des Fensters 83 durch den Ausdruck Y1 = F·I-ph2/(I-ph1 + I-ph2).
Die Erfassung der horizontalen Ausrichtung des n-ten Kopfes bezüglich des ersten, der als Referenz dient, erfolgt durch die Messung der Abweichung (ΔXn) = Xn – Xnp zwischen dem Punkt X_np, wobei die Mittellinie L1 des PSD, der sich am Kopf befindet, der von dem Abtastwagen getragen wird, mit dem Mittelpunkt des Flecks 270 übereinstimmt, und dem theoretischen Punkt Xn = X1 + En,bei dem diese Übereinstimmung auftreten sollte.
Der Punkt X_np wird entsprechend dem Zeitpunkt erfasst, bei dem der Strom I-ph seinen Maximalwert erreicht, wenn der Durchmesser des Flecks 270 größer als G ist, oder entsprechend dem Zeitpunkt, bei dem der Strom I-ph einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, wenn der Durchmesser des Flecks 270 geringer als G ist.
Die Ströme des PSD können einen Nullpunktfehler aufgrund eines "offset"-Phänomens, Kriechströme, niedriges Frequenzrauschen, Umgebungslicht, etc. haben. Um diese Nachteile zu beseitigen, kann der Lichtstrahl 266 bei einer Frequenz von einigen wenigen kHz zerhackt oder es können die Ausgangsströme des PSD mittels eines DC/AC-Wandlers gemäß bekannter Techniken moduliert werden.
Der PSD hat den Vorteil, dass ein einfallender Strahl mit genauer Fokussierung und gleichmäßiger Verteilung nicht erforderlich ist. Darüber hinaus wird die Linearität des PSD durch den Durchmesser des Lichtflecks 270 kaum beeinflusst, vorausgesetzt, dass dieser Durchmesser wesentlich geringer als die Längsseite F des Fensters 83 ist. Die Erfahrung bei der Verwendung des PSD hat gezeigt, dass die Genauigkeit der Positionserfassung des Flecks entlang der y-Achse höher ist als 0,5% von F. Um jedoch diese Genauigkeit zu erreichen muss "R-sheet" eine hohe Gleichmäßigkeit bei der Diffusion P aufweisen, die in einfacher Weise unter Verwendung der als Ionenimplantation bezeichneten und dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannten Technologie erreicht wird.
Diese Korrekturen der vertikalen und horizontalen Positionen des Kopfes erfolgen mit denselben Verfahren wie bereits in Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben.

Claims

Verfahren zur Ausrichtung von mehreren Tintenstrahldruckköpfen (40) in einem Punktmatrixdrucker, wobei der Drucker einen starren Rahmen (41); einen Wagen (42) zum Halten der Druckköpfe, der bezüglich des starren Rahmens gemäß einer ersten Richtung bewegbar ist; und eine in dem starren Rahmen integrierte Leuchteinrichtung (43) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (66) aufweist, wobei die Druckköpfe (40) weiterhin mehrere Düsen aufweisen, die in einem konstanten Abstand in wenigstens einer Spalte parallel zu einer zweiten Richtung im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung angeordnet sind, wobei wenigstens zwei Druckköpfe der Druckköpfe (40) jeweils mit einer integrierten optoelektronischen Einrichtung versehen sind, wobei der Drucker weiterhin eine elektronische Steuerung zum zeitlichen Steuern des Ausstoßens der Tintentröpfchen durch die Düsen aufweist, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Versehen der integrierten optoelektronischen Einrichtung mit einer Spalte (50), die aus mehreren integrierten Phototransistoren (51-i) besteht und parallel zur zweiten Richtung angeordnet ist; – Kompensieren einer ersten Fehlausrichtung eines jeden der wenigstens zwei Druckköpfe (40) gemäß der ersten Richtung durch eine Veränderung der zeitlichen Steuerung des Ausstoßens von Tintentröpfchen; und – Kompensieren einer zweiten Fehlausrichtung eines jeden der wenigstens zwei Druckköpfe (40) gemäß der zweiten Richtung durch das Versetzen der Steueranweisungen an die Düsen um eine oder mehrere Positionen in Richtung nach oben oder in Richtung nach unten, um die Tintentröpfchen auszustoßen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Versehen der integrierten Phototransistoren (51-i) mit offenen Basisanschlüssen (52-i), unabhängigen Emitteranschlüssen (56-i) und Kollektoranschlüssen (53-i), die mit einem gemeinsamen Knotenpunkt (54) verbunden sind, wobei jeder der unabhängigen Emitteranschlüsse (56-i) einen Strom (I-i) führt; – Bewegen des Wagens (42) gemäß der ersten Richtung; – Beleuchten der integrierten optoelektronischen Einrichtung durch den Lichtstrahl (66); – Schalten der Ströme (I-i) K mal in Folge, um ein Signal (V-i) an einem Ausgang (57) zu erzeugen; – Berechnen der ersten Fehlausrichtung gemäß der ersten Richtung und der zweiten Fehlausrichtung gemäß der zweiten Richtung eines jeden der wenigstens zwei Druckköpfe (40) durch das Verarbeiten des Signals (V-i) am Ausgang (57).
Ausrichtverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt des Erzeugens für jeden der M Werte des Index (i) der Summe der K Werte (V-i), die während der K Abtastungen erzeugt werden, wodurch eine Mehrzahl von M Werten (Summenwerte-i) erhalten wird, umfasst.
Ausrichtverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt des Ermittelns des größten der M Werte (Summenwerte-i) umfasst.
Ausrichtverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt des Erhaltens einer mathematischen Interpolationsfunktion der M Werte (Summenwerte-i) als Funktion des Index (i) und Berechnens der Maximumsposition (i(max)) der Funktion umfasst.
Ausrichtverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt des Erzeugens für jede der K Abtastungen der Summe der M Werte (V-i) umfasst, so dass mehrere K-Summenwerte erhalten werden.
Ausrichtverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt des Ermittelns des größten der K Summenwerte umfasst.
Ausrichtverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt des Erhaltens einer mathematischen Interpolationsfunktion der M × K Summenwerte als Funktion des Index (i) und der horizontalen Position (x) und Berechnens der Maximumposition (i(max)), (X_np) der Funktion umfasst.
Ausrichtverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Versehens der integrierten optoelektronischen Einrichtung mit einer Spalte (50), die aus mehreren integrierten Phototransistoren (51-i) besteht und parallel zur zweiten Richtung angeordnet ist, ersetzt wird durch den Schritt des Versehens der integrierten optoelektronischen Einrichtung mit einer Spalte (150), die aus mehreren integrierten Photodioden (151-i) mit Katodenanschlüssen (153-i), die mit einem gemeinsamen Knotenpunkten (54) verbunden sind, und jeweils einem unabhängigen Anodenanschluss (152-i), besteht, wobei die Spalte parallel zur zweiten Richtung angeordnet ist.
Ausrichtverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend den Anodenanschlüssen (152-i) der integrierten Photodioden (151-i) Ströme (I-i) vorhanden sind, wobei das Verfahren den Schritt des Schaltens der Ströme (I-i) K mal in Folge umfasst, um das Signal (V-i) am Ausgang (57) zu erzeugen.
Ausrichtverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Versehens der integrierten optoelektronischen Einrichtung mit einer Spalte (50), die aus mehreren integrierten Phototransistoren (51-i) besteht und parallel zur zweiten Richtung angeordnet ist; und des Abtastens der integrierten Phototransistoren (51-i), um ein Signal (V-i) am Ausgang (57) zu erzeugen, ersetzt werden durch die Schritte des – Versehens der integrierten optoelektronischen Einrichtung mit einem linearen Positionsdetektor (PSD) aufweisend ein rechteckförmiges, lichtempfindliches Fenster (83) mit einer horizontalen Seite parallel zur ersten Richtung und mit einer vertikalen Seite parallel zur zweiten Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung ist; und des – Erzeugens eines ersten Stroms (I-ph1) und eines zweiten Stroms (I-ph2) mittels des lichtempfindlichen Fensters (83).
Ausrichtverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Seite eine Abmessung F zwischen 300 und 2000 μm und die horizontale Seite eine Abmessung G zwischen 50 und 200 μm beträgt.
Ausrichtverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt des Erhaltens eines vertikalen Abstands (Y1) mittels des Ausdrucks F × I-ph2/(I-ph1 + I-p2) umfasst.
Ausrichtverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt des Erhaltens eines Punktes (X_np) entsprechend dem Maximum der Größe (I-ph1 + I-ph2) als Funktion der Verschiebung entlang der x-Achse umfasst.
Ausrichtverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt des Erhaltens eines Punktes (X_np) entsprechend dem Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes um die Größe (I-ph1 + I-ph2) umfasst.
Punktmatrix-Tintenstrahldruckkopf, der entlang einer ersten Richtung in einem Drucker verschiebbar ist, aufweisend: – ein Substrat; – mehrere erste Austoßelemente, die auf dem Substrat integriert sind, um Tintentröpfchen durch eine entsprechende Anzahl von Düsen zu erzeugen, wobei die Austoßelemente in einem konstanten Abstand in wenigstens einer Spalte parallel zu einer zweiten Richtung im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung angeordnet sind; – mehrere zweite elektronische Komponenten, die auf dem Substrat zur Auswahl und zur Steuerung der mehreren ersten Austoßelemente integriert sind; – eine Spalte (50), die parallel zur zweiten Richtung ist und mehrere Phototransistoren (51-i), die auf dem Substrat integriert sind und durch einen externen Lichtstrahl (66) beleuchtbar sind aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierten Phototransistoren (51-i) offene Basisanschlüsse (52-i), Kollektoranschlüsse (53-i), die mit einem gemeinsamen Knotenpunkt (54) verbunden sind, und jeweils einen unabhängigen Emitteranschluss (56-i) haben, so dass, wenn die integrierten Phototransistoren (51-i) durch den externen Lichtstrahl (66) beleuchtet werden und Ströme (I-i) K mal in Folge abgetastet werden, ein Signal (V-i) an einem Ausgang (57) entsprechend den unabhängigen Emitteranschlüssen (56-i) erzeugt wird.
Druckkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die offenen Basisanschlüsse (52-i) jeweils eine rechteckförmige, lichtempfindliche Oberfläche mit einer vertikalen Seite parallel zur ersten vertikalen Richtung und mit einer horizontalen Seite parallel zu einer zweiten horizontalen Richtung senkrecht zur ersten vertikalen Richtung haben.
Druckkopf nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Seite eine Abmessung (A) von zwischen 10 und 50 μm und die horizontale Seite eine Abmessung (B) von zwischen 10 und 200 μm hat.
Druckkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte (50) durch eine Spalte (150) bestehend aus mehreren integrierten Photodioden (151-i) mit Katodenanschlüssen (153-i), die mit einem gemeinsamen Knotenpunkt (54) verbunden sind, und jeweils einem unabhängigen Anodenanschluss (152-i), ersetzt wird, so dass, wenn die integrierten Photodioden (151-i) durch den externen Lichtstrahl (66) beleuchtet werden und Ströme (I-i) K mal in Folge abgetastet werden, ein Signal (V-i) an einem Ausgang (57) entsprechend den unabhängigen Anodenanschlüssen (152-i) erzeugt wird.
Punktmatrix-Tintenstrahldruckkopf aufweisend: – ein Halbleitersubstrat; – mehrere erste Austoßelemente, die auf dem Substrat integriert sind, um Tintentröpfchen durch eine entsprechende Anzahl von Düsen zu erzeugen, die in einem konstanten Abstand in wenigstens einer Reihe gemäß einer ersten vertikalen Richtung angeordnet sind; – mehrere zweite elektronische Komponenten, die auf dem Substrat mittels einer C-MOS-Technologie integriert sind, um die mehreren ersten Aufstoßelemente auszuwählen und zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin einen linearen Positionsdetektor (PSD) aufweist, der auf dem Substrat mittels der C-MOS-Technologie integriert ist, wobei der Positionsdetektor (PSD) ein rechteckförmiges, lichtempfindliches Fenster (83) mit einer vertikalen Seite parallel zur zweiten Richtung und mit einer horizontalen Seite parallel zur ersten Richtung aufweist.
Druckkopf nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Seite eine Abmessung F von zwischen 300 und 2000 μm und die horizontale Seite eine Abmessung G von zwischen 50 und 200 μm hat.
Druckkopf nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtempfindliche Fenster (83) des Positionsdetektors (PSD) einen ersten Strom (I-ph1) und einen zweiten Strom (I-ph2) erzeugen kann.
Drucker mit einem Druckkopf nach Anspruch 15, aufweisend einen starren Rahmen (41); einen Wagen (42) zum Halten mehrerer Druckköpfe (40), die bezüglich des starren Rahmens (41) gemäß einer ersten Richtung beweggbar sind; eine Leuchteinrichtung (43), die im starren Rahmen (41) integriert ist, um einen Lichtstrahl (66) zu erzeugen; eine elektronische Steuerung zum zeitlichen Steuern des Ausstoßens von Tintentröpfchen durch die Druckköpfe (40); eine Einrichtung zum Kompensieren einer ersten Fehlausrichtung der Druckköpfe (40) gemäß der ersten Richtung durch eine Veränderung der zeitlichen Steuerung des Ausstoßens der Tintentröpfchen; und eine Einrichtung zum Kompensieren einer zweiten Fehlausrichtung der Druckköpfe (40) gemäß einer zweiten Richtung durch das Versetzen der Steueranweisungen an die Düsen um eine oder mehrere Positionen in Richtung nach oben oder in Richtung nach unten, um die Tintentröpfchen auszustoßen, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin aufweist: – eine Einrichtung zum Abtasten der Spalte von integrierten Phototransistoren (51-i), die von dem Lichtstrahl (66) beleuchtet werden, um ein Signal (V-i) an einem Ausgang (57) zu erzeugen, wobei die integrierten Phototransistoren (51-i) offene Basisanschlüsse (52-i) und Kollektoranschlüsse (53-i), die mit einem gemeinsamen Knotenpunkt (54) verbunden sind, und jeweils einen unabhängigen Emitteranschluss (56-i) haben; und – eine Einrichtung zum Berechnen einer ersten Fehlausrichtung gemäß der ersten Richtung und einer zweiten Fehlausrichtung gemäß der zweiten Richtung eines jeden der wenigstens zwei Druckköpfe (40) durch das Verarbeiten des Signals (V-i) am Ausgang (57).
Drucker nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte (50) bestehend aus mehreren Phototransistoren (51-i) durch eine Spalte (150) bestehend aus mehreren integrierten Photodioden (151-i) mit Katodenanschlüssen (153-i), die mit einem gemeinsamen Knotenpunkt (54) verbunden sind, und jeweils einen unabhängigen Anodenanschluss (152-i) haben, ersetzt wird.
Drucker mit einem Druckkopf nach Anspruch 19, aufweisend einen starren Rahmen (41); einen Wagen (42) zum Halten von mehreren Druckköpfen (40), die bezüglich des starren Rahmens (41) gemäß einer ersten Richtung bewegbar sind; eine Leuchteinrichtung (43), die in dem starren Rahmen (41) integriert ist, um einen Lichtstrahl (266) zu erzeugen, der einen Punkt (270) auf dem lichtempfindlichen Fenster (83) bildet, so dass ein erster Strom (I-ph1) und ein zweiter Strom (I-ph2) im Positionsdetektor (PSD) erzeugt werden; eine elektronische Steuerung zum zeitlichen Steuern des Ausstoßens der Tintentröpfchen durch die Druckköpfe (40); eine Einrichtung zum Kompensieren einer ersten Fehlausrichtung der Druckköpfe (40) gemäß der ersten Richtung durch ein Verändern der zeitlichen Steuerung des Ausstoßens der Tintentröpfchen; und eine Einrichtung zum Kompensieren einer zweiten Fehlausrichtung der Druckköpfe (40) gemäß der zweiten Richtung durch das Versetzen der Steueranweisungen an die Düsen um eine oder mehrere Positionen in Richtung nach oben oder in Richtung nach unten, um die Tintentröpfchen auszustoßen, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin aufweist: – eine Einrichtung zum Berechnen einer ersten Fehlausrichtung gemäß der ersten Richtung durch das Identifizieren eines Punktes (X_np) in Übereinstimmung mit dem Maximum der Größe (I-ph1 + I-ph2) als Funktion der Verschiebung entlang der x-Achse; – eine Einrichtung zum Berechnen einer zweiten Fehlausrichtung gemäß der zweiten Richtung der Druckköpfe (40), um einen vertikalen Abstand (Y1) mit Hilfe des Ausdrucks F × I-ph2/(I-ph1 + I-ph2) zu berechnen.