DE69617153T2 - Integrierte fehlertoleranz in druckmechanismen - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet computergesteuerter Druckvorrichtungen.
• Insbesondere betrifft die Erfindung das Gebiet der Fehlertoleranz bei "Drop-ondemand"-Drucksystemen (DOD-Drucksystemen).
• Es wurden bereits die unterschiedlichsten digital gesteuerten Drucksysteme erfunden, und viele von ihnen werden derzeit auch hergestellt. Diese Drucksysteme arbeiten mit den unterschiedlichsten Betätigungsmechanismen, Tintenarten und Aufzeichnungsmedien. Beispiele heute in Benutzung befindlicher Drucksysteme sind unter anderem: Elektrografische Laser-Drucker, elektrografische LED-Drucker, Punktmatrix-Impact- Drucker, Thermopapierdrucker, Filmaufzeichnungsgeräte, Thermowachsdrucker, Farbdiffusions-Thermotransferdrucker und Tintenstrahldrucker. Bisher haben diese elektronischen Drucksysteme die mechanischen Druckmaschinen jedoch nicht in wesentlichem Umfang verdrängt, obwohl dieses herkömmliche Verfahren aufwendige Einrichtarbeiten erfordert und selten wirtschaftlich durchführbar ist, wenn nicht einige tausend Kopien einer gegebenen Seite zu drucken sind. Es besteht daher ein Bedarf an verbesserten digital gesteuerten Drucksystemen, die zum Beispiel in der Lage sind, Farbbilder hoher Qualität mit hoher Geschwindigkeit, kostengünstig und unter Verwendung von Normalpapier herzustellen.
• Heute ist der Tintenstrahldruck zum Beispiel wegen seiner berührungsfreien Arbeitsweise, geringen Geräuschentwicklung, der Verwendung von Normalpapier und auch weil keine Tonerübertragung und keine Fixierung stattfinden, als herausragende Option im Bereich des digital gesteuerten elektronischen Drucks anerkannt.
• Es wurden bereits viele Arten von Tintenstrahldruckmechanismen entwickelt. Diese lassen sich unterteilen in solche, die mit einem kontinuierlichen Tintenstrahl arbeiten (CIJ) und solche, bei denen Tintentropfen nach Bedarf abgegeben werden (DOD). Das CIJ-Tintenstrahldruckverfahren ist bereits mindestens seit 1929 bekannt: US-A- 1,941,001.
• US-A-3,373,437 beschreibt eine Anordnung von CIJ-Tintenstrahldüsen, bei der die aufzubringenden Tintentropfen selektiv geladen und in Richtung des Aufzeichnungsmediums abgelenkt werden. Diese Technik ist als CIJ-Verfahren mit binärer Ablenkung bekannt und wird von mehreren Herstellern, darunter Elmjet und Scitex, eingesetzt.
• US-A-3,416,153 beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen von in variabler optischer Dichte gedruckten Punkten beim CIJ-Druckverfahren, wobei durch elektrostatische Dispersion eines geladenen Tropfenstromes die Anzahl der durch eine kleine Öffnung passierenden Tropfen moduliert wird. Diese Technik wird in den von Iris Graphics hergestellten Tintenstrahldruckern eingesetzt.
• US-A-3,946,398 beschreibt einen DOD-Tintenstrahldrucker, der eine hohe Spannung an einen piezoelektrischen Kristall anlegt und dadurch den Kristall veranlasst, sich zu biegen und damit Druck auf einen Tintenvorrat anzulegen und Tropfen nach Bedarf auszustoßen. Inzwischen wurden viele unterschiedliche piezoelektrische Drop-on- demand-Drucker erfunden, die die Biege-, Schiebe-, Scher- und Quetschwirkung piezoelektrischer Kristalle ausnutzen. Piezoelektrische DOD-Drucker haben mit heißschmelzenden Tinten (z. B. Tektronix- und Dataproducts-Drucker) und bei Bildgeschwindigkeiten bis zu 720 dpi bei Heim- und Bürodruckern (Seiko Epson) wirtschaftliche Erfolge erzielt. Piezoelektrische DOD-Drucker weisen den Vorteil auf, dass sie mit unterschiedlichsten Tinten arbeiten können. Allerdings erfordern piezoelektrische Druckwerke normalerweise komplexe Treiberschaltungen hoher Spannung und große piezoelektrische Kristallanordnungen, und dies ist bezüglich der Produktionseigenschaften und der Leistung von Nachteil.
• GB-A-2.007.162 beschreibt einen elektrothermischen DOD-Tintenstrahldrucker, der einen Stromimpuls an einen mit Tinte in einer Düse in thermischem Kontakt stehenden elektrothermischen Wandler (Heizelement) anlegt. Das Heizelement heizt die Tinte auf Wasserbasis rasch stark auf, woraufhin eine kleine Menge Tinte schnell verdampft und sich eine Blase bildet. Diese Blasenbildung führt zu einer Druckwelle, wodurch die Tintentropfen durch kleine, entlang der Kante des Trägers der Heizelemente angeordnete Öffnungen ausgestoßen werden. Diese Technologie ist als BubblejetTM-Verfahren (Warenzeichen der Canon K. K., Japan) bekannt und findet in zahlreichen Drucksystemen der Firmen Canon, Xerox und anderer Hersteller Anwendung.
• US-AA,490,728 beschreibt ein elektrothermisches Tropfenausstoßsystem, das ebenfalls mit Blasenbildung arbeitet. Bei diesem System werden die Tropfen in einer zur Ebene des Trägers der Heizelemente senkrechten Richtung durch Düsen ausgestoßen, die in einer oberhalb des Heizelements positionierten Düsenplatte ausgebildet sind. Dieses System ist als Thermotintenstrahl-System bekannt und wird von Hewlett- Packard hergestellt. Im folgenden wird der Begriff Thermotintenstrahl-System sowohl für das Hewlett-Packard-System als auch für die üblicherweise unter der Bezeichnung BubblejetTM bekannten Systeme verwendet.
• Beim Thermotintenstrahl-Drucken werden normalerweise zum Ausstoßen eines Tropfens etwa 20 uJ während eines Zeitraums von etwa 2 us benötigt. Die aktive Stromaufnahme von 10 W jedes Heizelements ist an sich schon nachteilig; darüber hinaus erfordert sie spezielle Tinten, kompliziert die Treiberelektronik und beschleunigt die Verschlechterung der Heizelemente.
• Weitere Tintenstrahl-Drucksysteme wurden zwar in der technischen Literatur beschrieben, sind aber derzeit nicht kommerziell im Einsatz. Zum Beispiel beschreibt US-A- 4,275,290 ein System, bei dem durch das gleichzeitige Anlegen von Wärmeimpulsen und hydrostatischem Druck an vorbestimmte Druckkopfdüsen die Tinte frei auf das unterhalb des Druckkopfs gerade hindurchgeführte, durch Abstandshalter in einem Abstand gehaltene Papier fließen kann. US-A-4,737,803 und 4,748,458 beschreiben Tintenstrahl-Aufzeichnungssysteme, bei denen das gleichzeitige Anlegen von Wärmeimpulsen und eines elektrostatischen Anziehungsfeldes an Tinte in Druckkopfdüsen das Ausstoßen der Tintentropfen auf ein zu bedruckendes Blatt bewirkt.
• Die vorstehend beschriebenen Tintenstrahldrucksysteme haben sämtlich Vorteile und Nachteile. Es besteht jedoch weiterhin ein allgemein anerkannter Bedarf an einer verbesserten Lösung für ein Tintenstrahldrucksystem, die zum Beispiel Vorteile bezüglich Kosten, Schnelligkeit, Qualität, Zuverlässigkeit, Stromverbrauch, Einfachheit der Bauweise und des Betriebes, Dauerhaftigkeit und der Verbrauchsmaterialien bietet.
• Die Druckvorrichtung basiert auf einem neuen Prinzip, dem sogenannten "fehlertoleranten Flüssigtinten-DOD-Druck" (LIFT). In diesem Dokument wird unter "optischer Dichte" eine vom Menschen wahrgenommene sichtbare Dunkelheit des Bildes, nicht die spektroskopische optische Dichte OD = A = log&sub1;&sub0;(IoI) verstanden.
• EP-A-0 498 291, die die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 behandelt, beschreibt einen integrierten Druckkopf mit eingebauter Fehlertoleranz. Die Schaltung erkennt und korrigiert drei Hardwarefehler: Ein offenes Heinzelement, einen offenen Treiber-Transistor und einen kurzgeschlossenen Treiber-Transistor.
• US-A-4,326,813 und US-A-4,096,578 erwähnen eine Majoritätserkennung bei einem Matrixdrucker.
• Die vom selben Anmelder angemeldete WO-A-96/32272 richtet sich auf einen ähnlichen Gegenstand.
• Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Sie betrifft die Verwendung von Fehlertoleranzschaltungen in großen DOD-Druckköpfen zur Steigerung der Produktionsausbeute und der Lebensdauer. Insbesondere werden die in einem integrierten Druckkopf vorhandenen Schieberegister auf das Dreifache erhöht, und es ist ein Schaltkreis vorgesehen (der Wahlschaltkreis), der die Druckheizeinrichtung nur aktiviert, wenn mindestens zwei der drei Ausgänge der Schieberegister anzeigen, dass die Druckdüse betätigt werden soll. Auf diese Weise können Fehler an beliebiger Stelle in einem der drei Schieberegister auftreten, ohne dass sie sich auf das gedruckte Bild auswirken.
• Fehler dieser Art können infolge einer Verunreinigung mit Schmutzpartikeln während des Fertigungsverfahrens entstehen, in welchem Fall das Vorsehen der hierin beschriebenen Fehlertoleranzschaltkreise zu einer Verbesserung der Fertigungsausbeute führen kann.
• Umgekehrt kann der Fehler auch infolge eines Ausfalls der integrierten elektronischen Komponenten im Einsatz auftreten. In diesem Fall kann das Vorsehen der Fehlertoleranz-Schaltkreise die Lebensdauer des Druckkopfs verlängern.
• Die Schaltkreise sind derart angeordnet, dass bei einem Fehler im Wahlschaltkreis Punkte nicht an Stellen gedruckt werden, wo sie nicht erscheinen sollen. Dies ist wichtig, weil durch zusätzliche Fehlertoleranzmaßnahmen fehlende Punkte zwar gedruckt, falsch gedruckte Punkte aber nicht gelöscht werden können.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• Es zeigen:
• Fig. 1 ein Blockdiagramm der Druckkopftreiberschaltung zur Ausführung der Erfindung;
• Fig. 2 ein verallgemeinertes Blockdiagramm eines Drucksystems mit einem Druckkopf;
• Fig. 3 ein Blockdiagramm eines großen Druckkopfs mit integrierten Treiberschaltungen;
• Fig. 4 einen logischen Schaltplan eines einzelnen Treibermoduls mit Fehlertoleranz und einem "Wahl"-Schaltkreis;
• Fig. 5 ein Schaltbild eines einzelnen Treibermoduls mit Fehlertoleranz und einem "Wahl"-Schaltkreis;
• Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der elektronischen Funktion eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Druckkopf-Treiberschaltung. Diese Steuerschaltung verwendet zur Modulation des an das Heizelement angelegten Stromes die analoge Modulation der an den Druckkopf angelegten Spannung der Stromversorgung;
• eine Einzelsteuerung des an die einzelnen Düsen angelegten Stroms ist nicht vorgesehen. Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems mit einem seitenbreiten 800 dpi- Druckkopf für den Farbdruck mittels des CC'mm'YK-Farbmodells. Der Druckkopf 50 besitzt insgesamt 79.488 Düsen mit 39.744 Hauptdüsen und 39.744 redundanten Düsen. Die Hauptdüsen und die redundanten Düsen sind in sechs Farben unterteilt, wobei jede Farbe in acht Treiberphasen unterteilt ist. Jede Treiberphase besitzt ein Schieberegister, das die von einer ASIC 400 der Kopfsteuerung kommenden seriellen Daten in parallele Daten zur Aktivierung der Treiberschaltungen des Heizelements umwandelt. Insgesamt sind 96 Schieberegister vorhanden, die jeweils 828 Düsen mit Daten versorgen. Jedes Schieberegister besteht aus 828 Schieberegisterstufen 217, deren Ausgaben logisch über ein NAND-Gate 215 mit dem Phasenaktiviersignal nach UND verknüpft sind. Die Ausgabe des NAND-Gates 215 steuert einen Inverterpuffer 216 an, der seinerseits den Ansteuerungstransistor 201 steuert. Der Ansteuerungstransistor 201 aktiviert das elektrothermische Heizelement 200. Um die Gültigkeit der verschobenen Daten während des Aktivierungsimpulses aufrechtzuerhalten, wird der Taktgeber des Schieberegisters mittels einer Taktgebersperre 218, die der Klarheit halber als einfaches Gate dargestellt ist, vorzugsweise aber aus einer beliebigen glitchfreien Taktgeber-Steuerschaltung aus einer bekannten Gruppe solcher Schaltungen bestehen kann, angehalten und der Aktivierungsimpuls aktiv gehalten. Durch das Anhalten des Taktgebers des Schieberegisters wird ein paralleler Datenspeicher im Druckkopf überflüssig, wobei allerdings die Steuerschaltungen für die ASIC 400 der Kopfsteuerung etwas komplizierter werden. Die Daten werden je nach dem Zustand des entsprechenden Signals auf dem Fehlerstatus-Bus über den Datenrouter 219 entweder den Hauptdüsen oder den redundanten Düsen zugeführt.
• In Fig. 1 ist der Druckkopf vereinfacht dargestellt; die verschiedenen Mittel zur Verbesserung der Produktionsausbeute, etwa die Blockfehlertoleranz, sind nicht dargestellt. Treiberschaltungen für unterschiedliche Druckkopfausbildungen können ohne weiteres von der hierin beschriebenen Vorrichtung abgeleitet werden.
• Die digitalen, auf dem Aufzeichnungsmedium zu druckende Punktemuster repräsentierenden Informationen werden im Seiten- oder Streifenspeicher 1513 gespeichert, Die in 32 Bitwörtern, die Punkte einer Farbe repräsentieren, enthaltenen Daten werden mittels Adressen, die vom Adreß-MUX 417 und mittels von der Speicherschnittstelle 418 erzeugter Steuersignale ausgewählt werden, aus dem Seiten- oder Streifenspeicher 1513 ausgelesen. Die Adressen werden von Adreßgeneratoren 411 erzeugt, die Bestandteil der "Einzelfarbenschaltungen" 410 sind, von denen es für jede der sechs Farbkomponenten eine gibt. Die Adressen werden auf der Basis der Positionen der Düsen relativ zum Druckmedium erzeugt. Da die relative Position der Düsen bei verschiedenen Druckköpfen unterschiedlich sein kann, sind die Adreßgeneratoren 411 vorzugsweise programmierbar. Die Adreßgeneratoren 411 erzeugen normalerweise die Adressen entsprechend der Position der Hauptdüsen. Wenn jedoch fehlerhafte Düsen vorliegen, können die Positionen von Fehler enthaltenden Düsenblöcken im Fehlermap-RAM 412 markiert werden. Der Fehlermap-RAM 412 wird während des Druckens der Seite ausgelesen. Wenn der Speicher einen Fehler im Düsenblock anzeigt, wird die Adresse verändert, und die Adreßgeneratoren 411 erzeugen die Adresse entsprechend der Position der redundanten Düsen. Die aus dem Seiten- oder Streifenspeicher 1513 ausgelesenen Daten werden im Zwischenspeicher 413 zwischengespeichert und vom Multiplexer 414 in vier fortlaufende Bytes umgewandelt. Das Timing dieser Bytes wird im FIFO 415 dem Timing der andere Farben repräsentierenden Daten angepaßt.
• Anschließend werden die Daten im Puffer 430 zur Ausbildung des 48-Bit-Hauptdatenbus zum Druckkopf 50 gepuffert. Das Puffern der Daten geschieht deshalb, weil der Druckkopf relativ weit von der ASIC der Druckkopfisteuerung entfernt angeordnet sein kann. Auch die vom Fehlermap-RAM 412 kommenden Daten werden in den FIFO 416 eingegeben. Das Timing dieser Daten wird der Datenausgabe des FIFO 415 angepaßt, und die Daten werden zur Ausbildung des Fehlerstatus-Bus im Puffer 431 gepuffert. Der Druckkopf 50 wird von der programmierbaren Stromversorgung 320 mit Strom versorgt. Die Spannung der Stromversorgung 320 wird vom DAC 313 gesteuert, der Bestandteil einer RAM- und DAC-Kombination (RAMDAC) 316 ist. Der RAMDAC 316 enthält einen Zweiweg-RAM 317. Der Inhalt des Zweiweg-RAMs 317 wird über die Mikrosteuerung 315 programmiert. Die Temperatur wird in der Weise ausgeglichen, daß man den Inhalt des Zweiweg-RAMs 317 verändert. Die Werte werden von der Mikrosteuerung 315 anhand der vom Wärmesensor 300 erfaßten Temperatur errechnet. Das Signal des Wärmesensors 300 wird dem Analog/Digital-Wandler (ADC) 311 zugeführt. Der ADC 311 ist vorzugsweise in die Mikrosteuerung 315 integriert.
• Die ASIC 400 der Kopfsteuerung enthält Steuerschaltungen für den Ausgleich der Wärmeträgheit und Druckdichte. Für den Ausgleich der Wärmeträgheit ist es erforderlich, daß die Spannung der Stromversorgung des Kopfs 50 eine sich zeitlich verändernde und mit dem Aktivierungsimpuls für das Heizelement synchronisierte Spannung ist. Dies wird dadurch erreicht, daß man die programmierbare Stromversorgung 320 entsprechend programmiert, um diese Spannung zu erhalten. Der DAC 313 erzeugt aus den aus dem Zweiweg-RAM 317 ausgelesenen Daten eine analoge, sich zeitlich verändernde Programmierspannung. Dabei werden die Daten entsprechend einer vom Zähler 403 erzeugten Adresse ausgelesen. Der Zähler 403 erzeugt während der Dauer eines Aktivierungsimpulses einen vollständigen Adressenzyklus. Diese Synchronisierung ist dadurch sichergestellt, daß der Zähler 403 von dem Systemtaktgeber 408 getaktet wird und der oberste Zählimpuls des Zählers 403 dazu dient, den Aktivierungszähler 404 zu schalten. Der Wert des Aktivierungszählers 404 wird dann durch den Decoder 405 decodiert und im Puffer 432 gepuffert, um die Aktivierungsimpulse für den Kopf 50 zu erzeugen. Wenn die Anzahl der Zustände im Zählwert geringer ist als die Anzahl der Taktperioden in einem Aktivierungsimpuls, kann der Zähler 403 einen Vorteiler aufweisen. Für den präzisen Ausgleich der Wärmeträgheit des Heizelements sind sechzehn Spannungszustände ausreichend. Diese sechzehn Zustände können durch Verwendung einer Vier-Bit-Verbindung zwischen dem Zähler 403 und dem Zweiweg-RAM 317 vorgegeben werden. Allerdings dürfen diese sechzehn Zustände zeitlich nicht gleichmäßig beabstandet sein. Um ein nichtlineares Timing dieser Zustände zu ermöglichen, kann der Zähler 403 auch einen ROM oder eine andere Vorrichtung umfassen, die den Zähler 403 veranlaßt, nichtlinear zu zählen. Alternativ können auch weniger als sechzehn Zustände verwendet werden.
• Zum Ausgleich der Druckdichte wird die Druckdichte dadurch erfaßt, daß man die Anzahl der Pixel zählt, für die in jeder Aktivierungsperiode ein Tropfen zu drucken ist ("aktive Pixel"). Die "aktiven Pixel" werden durch den Zähler 402 für aktive Pixel gezählt. Für jede der acht Aktivierungsphasen ist ein Zähler 402 für aktive Pixel vorhanden. Die Anzahl der Aktivierungsphasen in einem erfindungsgemäßen Druckkopf ist abhängig von der jeweiligen Konstruktion. Zweckmäßig sind vier, acht und sechzehn, aber die Anzahl der Aktivierungsphasen muß nicht einer Potenz von zwei entsprechen. Bei den Zählern 402 für aktive Pixel kann es sich um kombinatorische logische Pixelzähler 420 handeln, die feststellen, wie viele Bits in einem Daten-Halbbyte aktiv sind. Die Anzahl wird dann im Addierer 421 und im Akkumulator 422 akkumuliert. Ein Zwischenspeicher 423 hält den akkumulierten Wert während der Dauer des Aktivierungsimpulses aktiv. Der Multiplexer 401 wählt den Ausgang des Zwischenspeichers 423, der der vom Aktivierungszähler 404 bestimmten aktuellen Aktivierungsphase entspricht. Die Ausgabe des Multiplexers 401 bildet einen Teil der Adresse des Zweiweg-RAMs 317. Eine exakte Zählung der Anzahl der aktiven Pixel ist nicht nötig; ausreichend sind die vier höchstwertigen Bits des Zählwerts.
• Die Kombination der vier Bits der Adresse für den Wärmeträgheitsausgleich und der vier Bits der Adresse für den Druckdichteausgleich bedeutet, daß der Zweiweg-RAM 317 eine Acht-Bit-Adresse haben muß. Dies bedeutet, daß der Zweiweg-RAM 317 256 Zahlen in einer zweidimensionalen Anordnung enthält. Die zwei Dimensionen sind Zeit (für den Wärmeträgheitsausgleich) und Druckdichte. Außerdem kann eine dritte Dimension - Temperatur - vorgesehen werden. Da die Umgebungstemperatur des Kopfs sich nur langsam verändert, hat die Mikrosteuerung 315 ausreichend Zeit, eine Matrix von 256 Zahlen zum Ausgleich der Wärmeträgheit und der Druckdichte bei der aktuellen Temperatur zu berechnen. In periodischen Abständen (zum Beispiel einige Male pro Sekunde) erfaßt die Mikrosteuerung die aktuelle Druckkopftemperatur und berechnet diese Matrix.
• Der Takt des Druckkopfs 50 wird, ausgehend vom Systemtaktgeber 408, vom Druckkopf-Taktgenerator 407 erzeugt und im Puffer 406 gepuffert. Zum leichteren Testen der ASIC der Druckkopfsteuerung können auch JTAG-Testschaltungen 499 vorgesehen sein.
• Fig. 2 zeigt ein Diagramm eines digitalen elektronischen Drucksystems mit einem erfindungsgemäßen Druckkopf. Dabei druckt ein monolithischer Druckkopf 50 ein aus einer Vielzahl von Tintentröpfchen bestehendes Bild 60 auf ein Aufzeichnungsmedium 51. Das Medium besteht normalerweise aus Papier, es kann sich aber auch um Overhead- Folien, Stoff oder zahlreiche andere, im wesentliche flache Oberflächen handeln, die Tintentropfen aufnehmen können. Das zu druckende Bild wird von einer Bildquelle 52 geliefert; dabei kann es sich um ein Bild beliebiger Art handeln, das in eine zweidimensionale Pixelanordnung umwandelbar ist. Typische Bildquellen sind Bildscanner, digital gespeichert Bilder, in einer Seitenbeschreibungssprache (PDL) wie Adobe PostscriptTM, Adobe PostscriptiM Level 2 oder Hewlett-Packard PCL 5TM die mittels eines Rastergerätes auf Prozedurabrufbasis, wie AppleTM QuickDraw, AppleTM Quickdraw GX oder MicrosoftTM GDI, erzeugte Bilder oder Text in elektronischer Form, etwa ASCII, erzeugt wurden. Die Bilddaten werden dann von einem Bildverarbeitungssystem 53 in eine für das jeweilige Drucksystem geeignete zweidimensionale Pixelanordnung umgewandelt. Das Drucksystem kann ein Farb- oder Monochrom-Drucksystem sein, und die Daten haben normalerweise in Abhängigkeit von der Bildquelle und den Spezifikationen des Drucksystems zwischen 1 und 32 Bit je Pixel. Wenn es sich bei der Bildquelle um eine Seitenbeschreibung handelt, kann das Bildverarbeitungssystem ein Rasterbildprozessor (RIP) sein oder aber, wenn das Bild von einem Scanner kommt, ein zweidimensionales Bildverarbeitungssystem.
• Wenn Halbtonbilder gewünscht werden, ist ein Rastersystem 54 erforderlich. Geeignete Rasterarten basieren auf der geordneten Streupunkt-Zitterbewegung oder Fehlerstreuung. Geeignet sind Abwandlungen dieser Systeme, die allgemein als stochastische Rasterung oder Frequenzmodulations-Rasferung bekannt sind. Das üblicherweise für den Offset-Druck verwendete Rastersystem - die geordnete Punktcluster-Zifterbewegung - wird nicht empfohlen, da bei dieser Technik unnötig effektive Bildauflösung verlorengeht. Die Ausgabe des Rastersystems ist ein binäres Monochrom- oder Farbbild mit der Auflösung des erfindungsgemäßen Drucksystems.
• Das binäre Bild wird von einer Datensynchronisierschaltung 55 verarbeitet (die gemäß Fig. 1 in die ASIC 400 der Kopfsteuerung integriert werden kann), die die Pixeldaten den Datenschieberegistern 56 in der korrekten Folge zuführt. Das Bilden von Datenfolgen ist zum Ausgleich für die Düsenanordnung und die Papierbewegung nötig. Wenn die Daten in die Schieberegister 56 geladen sind, werden sie den Treiberschaltungen 57 der Heizelemente parallel zugeführt. Die Treiberschaltungen 57 verbinden dann die entsprechenden Heizelemente 58 zum richtigen Zeitpunkt elektronisch mit dem von der Impulsformerschaltung 61 und dem Spannungsregler 62 erzeugten Spannungsimpuls. Die Heizelemente 58 heizen die Spitze der Düsen 59 auf, wodurch die physikalischen Eigenschaften der Tinte verändert werden. Aus den Düsen treten Tintentropfen 60 in einem Muster aus, das den an die Treiberschaltungen der Heizelemente angelegten digitalen Impulsen entspricht. Der Druck der Tinte im Tintenbehälter 64 wird durch die Druckregelung 63 geregelt. Ausgewählte Tintentropfen 60 lösen sich durch die gewählten Tropfenablösemittel von der Masse der Tinte und gelangen mit dem Aufzeichnungsmedium 51 in Berührung. Während des Druckens wird das Aufzeichnungsmedium 51 kontinuierlich durch das Papiertransportsystem 65 relativ zum Druckkopf 50 bewegt. Wenn der Druckkopf 50 sich über die gesamte Breite des Druckbereichs des Aufzeichnungsmediums 51 erstreckt, braucht das Aufzeichnungsmedium 51 nur in einer Richtung bewegt zu werden, und der Druckkopf 50 kann feststehen. Bei Verwendung eines kleineren Druckkopfs 50 muß ein Rasterabtastsystem realisiert werden. Dies geschieht normalerweise in der Weise, daß der Druckkopf 50 eine Abtastbewegung entlang der kürzeren Abmessung des Aufzeichnungsmediums 51 vollführt, während das Aufzeichnungsmedium 51 in Richtung seiner längeren Dimension bewegt wird.
Integrierte Treiberschaltungen
• In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einem Druckkopf mit integrierten Treiberschaltungen dargestellt. Der Druckkopf hat 19.840 Düsen, die mittels acht Schieberegistern verbunden sind, welche jeweils 2.480 Treibermodule 220 enthalten. Der einfacheren Darstellung halber sind nur acht der 2.480 Treibermodule 220 jedes Schieberegisters dargestellt. Desgleichen sind nur vier der acht Schieberegister dargestellt. Bevorzugt für integrierte Düsentreiber bei großen Druckköpfen sind Schaltungen mit eingebauter Fehlertoleranz. Dies ist aus Gründen der Einfachheit in diesem Diagramm jedoch nicht dargestellt.
• Das Taktgenerator-Modul 230 erzeugt einen durch ein Gate verknüpften zweiphasigen Takt für die Schieberegister. Dieser durch das Gate verknüpfte zweiphasige Takt ermöglicht es, auf die Parallelregister, die sonst erforderlich wären, um die Daten während des Aktivierungsimpulses für die Heizeinrichtung konstant zu halten, zu verzichten. Aufgrund der beiden Taktphasen können an Stelle statischer Schieberegister dynamische Schieberegister verwendet werden, und außerdem wird die Anzahl der für jeden Düsentreiber erforderlichen integrierten Transistoren verringert.
• Die drei EnPhase-Signale dienen als Eingabe für einen Drei-Zeilen- bis Acht-Zeilen- Decoder 260. Die acht Ausgänge des Decoders 260 sind mit den Freigabe-Treibern der Treibermodule 220 verbunden. Da jeder Ausgang des Decoders 260 2.480 über die Länge des Druckkopfs verteilte Abnehmer ansteuert, müssen die Ausgabe-Transistoren des Decoders entweder sehr groß oder mehrfach gepuffert sein, um schnelles Schalten zu ermöglichen.
• Durch den Decoder 260 wird die Anzahl der externen Verbindungen, die für die Steuerung benötigt werden, welche der acht Gruppen freigegeben wird, von acht auf vier verringert.
• Der Druckkopf weist nur wenige Anschlüsse auf, nämlich:
• 1) V+; dies ist der positive Stromanschluss für die Heizeinrichtungen.
• 2) V; dies ist die Rückleitung (Masseanschluss) zu den Heizelemente-Treibertransistoren;
• 3) Vdd; dies ist der positive Stromanschluss zu den Schieberegistern und Datenfreigabeschaltungen.
• 4) Ver; dies ist die Rückleitung (Masseanschluss) für die Schieberegister und die Datenfreigabeschaltungen.
• 5) Clock; hierbei handelt es sich um den Haupt-Systemtaktgeber für die Schieberegister;
• 6) EnPhase für die Heizphasen-Freigabeauswahl;
• 7) Enable; dies ist ein globales Aktiviersignal. Ohne Aktivierung dieses Signals kann nicht gedruckt werden.
• 8) Data< 0-7> ; dies sind die acht seriellen Dateneingabesignale, die steuern, welche Düsen zu aktivieren sind.
• 9) Test; dies ist eine ODER-Funktion der Daten am Ausgang der Schieberegister. Die acht Ausgänge sind mit den Eingängen eines ODER-Gates 270 mit acht Eingängen verdrahtet. Diese Ausgabe kann dazu genutzt werden, die Integrität der Schieberegister im Druckkopf zu testen. Es kann jeweils nur ein Schieberegister gleichzeitig getestet werden. Allerdings können mittels bekannter Techniken höher entwickelte Testschaltungen im Druckkopf vorgesehen werden.
• Wie bei den meisten produzierten Erzeugnissen sind auch hier die Kosten der Herstellung wichtig. Wenn die Vorrichtung in der Herstellung zu teuer ist, wird sie wirtschaftlich nicht erfolgreich sein.
Fehlertoleranz in integrierten Druckköpfen
• Gemäß einer Ausführungsform sieht die Erfindung einen integrierten Druckkopf mit Fehlertoleranz-Schaltungen vor. Dabei können unter anderem folgende Schaltungen vorgesehen sein:
• 1) Eine Vielzahl von Datenübertragungseinrichtungen, die bei Nichtauftreten von Fehlern identische Daten zu Wahlschaltkreisen übertragen,
• 2) ein Wahlschaltkreis je Düsentreiberschaltung, wobei der Wahlschaltkreis den Status der Mehrzahl der Datenübertragungseinrichtungen bestimmt,
• 3) eine Vielzahl von Treiberschaltungen, die in Abhängigkeit vom Ausgang der jeweiligen Wahlschaltkreise ein Markierungsmittel aktivieren, und
• 4) eine Vielzahl von Markierungsmitteln zum Markieren eines Punktes auf einem Markierungsmedium.
• Die Erfindung ist auf viele Arten von Druckvorrichtungen anwendbar, die aus einer Vielzahl von in einer einzigen Struktur integrierten Punktmarkierungsmitteln bestehen. Beispiele derartiger Druckvorrichtungen sind unter anderem Koinzidenz-DOD-Druckköpfe für Flüssigtinte, Thermotintenstrahl-Druckköpfe, Thermowachs-Druckköpfe, Farbsublimations-Druckköpfe und Termopapier-Druckköpfe.
Fehlertoleranz für Einzeldüsen-Treiberschaltungen mit Wahlschaltkreisen
• Fig. 4 zeigt die logische Darstellung eines Treibermoduls 220 mit Redundanz- und Wahlschaltkreisen je Düse. Die Schieberegister sind jeweils als drei eigenständige Schieberegister 217 mit jeweils unabhängigen, aber synchron arbeitenden Taktgebern ausgebildet. Die Dateneingabe Data[a,b,c] für die drei Schieberegister ist normalerweise identisch und nur bei Vorliegen eines Fehlers unterschiedlich. Die Daten werden entsprechend dem jeweiligen Taktsignal Clock[a,b,c] in die Schieberegisterstufe 217 eingegeben. Während der Aktivierung des entsprechenden Freigabeimpulses setzt die Taktgabe an das Schieberegister aus. Dadurch wird sichergestellt, dass die am Ausgang der Schieberegisterstufe 217 anliegenden Daten während der Dauer des Freigabeimpulses stabil sind. Die Ausgänge der drei Schieberegister sind mit einem UND-ODER-INVERTER-Gate 218 (dem Wahlschaltkreis) verbunden. Die drei UND- Funktionen des Gates 218 sind mit zweien der Schieberegisterausgänge in den drei einzig möglichen Kombinationen verbunden. Außerdem ist jedes der Gates mit einem Freigabesignal verbunden. Die Ausgabe des UND-ODER-INVERTER-Gates ist daher aktiv (tief), wenn zwei beliebige Schieberegisterausgänge und der Freigabeimpuls aktiv (hoch) sind. Ein invertierender Puffer 216 verstärkt das Signal, so dass es schnell die hohe Kapazität des Gates des Treibertransistors 201 ansteuern kann. Wenn das Gate des Treibertransistors 201 eine ausreichende Spannung aufweist, schaltet der Transistor ein und stellt einen Stromleitungsweg zur Heizeinrichtung 200 her, so dass diese aktiviert wird.
• Fig. 5 zeigt ein Schaltbild eines Treibermoduls 220 der Art, wie es in einem nMOS- Verfahren realisiert werden kann. Bei diesem Beispiel werden für die Fehlertoleranz drei redundante dynamische Schieberegister verwendet. Diese Schieberegister dienen zum Verschieben der normalerweise identischen Datenströme Data[a], Data[b] und Data[c]. Die dynamischen Schieberegister sind von normaler nMOS-Bauart und bestehen aus zwei durch Durchlasstransistoren verbundenen Inverter-Stufen. Die dynamischen Schieberegister erfordern einen zweiphasigen Takt, nämlich Clock&Phi;[1,2,3] und Clock&Phi;[1,2,3]. Die Ausgänge der drei Schieberegister sind mit dem UND-ODER- INVERTER-Gate 218 verbunden. Dieses Gate besteht aus drei MOS FETs 218a, 218b und 218c mit drei Gates und n Kanälen. Zwei der Gates dieser drei MOS FETs sind jeweils mit den Ausgängen der Schieberegister in den drei einzig möglichen Kombinationen verbunden. Am anderen Gate der MOS FETs liegt jeweils ein Freigabesignal Enable an.
• Bei Aktivierung des Freigabeimpulses für die Düsengruppe werden die Daten im Schieberegister durch die Transistoren 218a, 218b und 218c aktiviert. Die ODER- Verbindung dieser drei Transistoren bedeutet, dass wenn die Daten in zwei beliebigen der Schieberegister aktiv sind, auch der Ausgang des UND-ODER-INVERTER-Gates 218 aktiv ist. Das Signal wird vom Inverter 216 invertiert und gepuffert und zur Ansteuerung des Treibertransistors 201 verwendet. Bei aktivem Freigabeimpuls sind die beiden Taktphasen Clock&Phi;1 und Clock&Phi;2 deaktiviert. Die Stabilität der Daten ist dadurch gewahrt, dass die Durchlasstransistoren 220 mit dem Freigabesignal eingeschaltet werden. Diese Durchlasstransistoren verbinden den Ausgang des UND-ODER- INVERTER-Gates 218 mit den Gates des zweiten Inverters 221 in jedem der Schieberegister, wodurch eine stabile Datenschleife hergestellt wird.
• Zunächst mag diese Art von Fehlertoleranz übertrieben erscheinen, da die Anzahl kleiner Signaltransistoren fast verdreifacht wird. Die kleinste gesamte Chipfläche wird jedoch durch mechanische Zwänge bestimmt. Die Länge des Chips wird bestimmt durch die erforderliche gleichzeitige Druckbreite, zuzüglich eines kleinen Bereichs für Steuerschaltungen und Verdrahtung. In diesem Fall beträgt die Chiplänge 210 mm. Die Breite des Chips wird hauptsächlich bestimmt durch die Notwendigkeit, dem Chip mechanische Festigkeit zu geben, und kann etwa 4 mm betragen. Dies ist eine sehr große Chipfläche, von der ein großer Teil für die Realisierung von Fehlertoleranzschaltkreisen zur Verbesserung der Fertigungsausbeute zur Verfügung steht. In den meisten Fällen wird die Realisierung einer eingebauten Fehlertoleranz ein Kompromiss sein zwischen der durch die Reduzierung der Anzahl fehlerhafter Chips erzielten Steigerung der Fertigungsausbeute und der Verringerung der Fertigungsausbeute durch die größere Chipgröße. Im vorliegenden Fall kann eine bestimmte Anzahl von Fehlertoleranzschaltkreisen ohne Vergrößerung der Chipgröße realisiert werden.
• Die Schaltkreise sind derart angeordnet, dass ein Fehler im Wahischaltkreis nicht dazu führt, dass Punkte an Stellen gedruckt werden, an denen sie nicht erscheinen sollen. Dies ist wichtig, da durch zusätzliche Fehlertoleranzmaßnahmen fehlende Punkte zwar gedruckt, irrtümlich gedruckte Punkte aber nicht gelöscht werden können. Erreicht wird dies dadurch, dass die Freigabeschaltung mit den Eingängen des UND-ODER- INVERTER-Gates 218 verbunden und nicht als separate UND-Funktion nach dem Gate 218 vorgesehen wird. Bei einem Fehler im Gate 218 wird der Ausgang wahrscheinlich entweder oben oder unten festhängen. Wenn der Ausgang des Gates 218 oben festhängt, wird der Treibertransistor 201 gar nicht eingeschaltet, die Heizeinrichtung wird nicht aktiviert, und infolgedessen wird auch kein Tropfen aus der betreffenden Düse ausgestoßen. Wenn der Ausgang des Gates 218 unten festhängt, bleibt der Treibertransistor 201 immer eingeschaltet. Dadurch wird dem Heizelement 200 die achtfache durchschnittliche maximale Nenn-Leistung zugeführt. Wenn das Heizelement 200 so ausgelegt ist, dass es bereits bei einer geringeren als dieser Überlastung schmilzt, wird es schmelzen, so dass ein "offener" Schaltkreis entsteht. Es werden dann keine Tropfen mehr aus der Düse ausgestoßen. Alternativ kann die Treiberschaltung so ausgelegt werden, dass sie bei kontinuierlicher statt pulsierender Betätigung ausfällt.
• Es ist in einfacher Weise ersichtlich, dass bei Anordnung der Freigabefunktion nach dem Wahlschaltkreis 218 dieser Effekt nicht erzielt wird. Wenn der Ausgang des Wahlschaltkreises 218 unten festhängt, schaltet das Freigabegate den Treibertransistor 201 nur während der korrekten Freigabephase der Düse ein, d. h. für ein Achtel der verfügbaren Zeit. Daher wird das Heizelement in diesem Fall nicht über seine maximale Nennleistung hinaus belastet und fällt nicht aus. Infolgedessen wird eine Reihe von Punkten gedruckt, die durch nachfolgendes Überdrucken mittels redundanter Düsen und Fehlertoleranzschaltungen nicht gelöscht werden können.
• Vorstehend sind eine Reihe bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Für den Fachmann ersichtliche Modifikationen sind möglich, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen.

Claims (11)

1. Integrierter Druckkopf (50) mit einer Vielzahl von Markierungsmitteln (59, 200), von denen jedes eine ihm zugeordnete Treiberschaltung (57, 201, 216) aufweist, gekennzeichnet durch mindestens drei Datenübertragungseinrichtungen (217), die bei Nichtauftreten von Fehlern identische Daten zu entsprechenden Wahlschaltkreisen (218a, b, c) übertragen, die an jeweilige Treiberschaltungen (57, 201, 216) gekoppelt sind, um den Status der Mehrzahl der Datenübertragungseinrichtungen (217) zu bestimmen, wobei die Treiberschaltungen (57, 201, 216) die ihnen jeweils zugeordneten Markierungsmittel (59, 200) in Abhängigkeit vom Ausgang der jeweiligen Wahlschaltkreise (218a, b, c) aktivieren.

2. Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahlschaltkreise, die jeweiligen Treiberschaltungen und ihre Markierungsmittel sicherstellen, dass keine Punkte markiert sind, wenn der Ausgang eines Wahlschaltkreises entweder oben oder unten festhängt.

3. Druckkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Datenübertragungseinrichtung ein Schieberegister ist.

4. Druckkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wahlschaltkreis ein UND-Gate, ein ODER-Gate und einen Inverter aufweist, mit einem Freigabesignal, das an die Eingänge des UND-Gates angeschlossen ist.

5. Druckkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Markierungsmitteln um eine Thermo-Tintenstrahldüse handelt.

6. Druckkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Markierungsmitteln um eine Betätigungsvorrichtung für einen Thermowachsdrucker handelt.

7. Druckkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Markierungsmitteln um eine Betätigungsvorrichtung für einen Farbsublimationsdrucker handelt.

8. Druckkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Markierungsmitteln um ein Heizelement handelt, das Teil eines Heizstabes eines Thermodruckers ist.

9. Druckkopf nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

(a) eine Vielzahl Tropfen abgebender Düsen,

(b) einen den Düsen zugeordneten Tintenbehälter,

(c) eine Druckvorrichtung, welche die Tinte im Tintenbehälter zumindest während der Tropfenauswahl und -ablösung einem Druck aussetzt, der mindestens 2% über dem Umgebungsdruck liegt,

(d) eine Tropfenauswahlvorrichtung zum Auswählen vorbestimmter Düsen und Erzeugen eines Unterschiedes in der Meniskusstellung zwischen Tinte in ausgewählten und Tinte in nicht ausgewählten Düsen, und

(e) eine Tropfenablösevorrichtung, die bewirkt, dass sich Tinte in ausgewählten Düsen als Tropfen aus dem Tintenbehälter ablöst, während Tinte in nicht ausgewählten Düsen zurückhaltbar ist.

10. Druckkopf nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

(a) eine Vielzahl Tropfen abgebender Düsen,

(b) einen den Düsen zugeordneten Tintenbehälter,

(c) eine Tropfenauswahlvorrichtung zum Auswählen vorbestimmter Düsen und Erzeugen eines Unterschiedes in der Meniskusstellung zwischen Tinte in ausgewählten und nicht ausgewählten Düsen, und

(d) eine Tropfenablösevorrichtung, die bewirkt, dass sich Tinte in ausgewählten Düsen als Tropfen aus dem Tintenbehälter ablöst, während Tinte in nicht ausgewählten Düsen zurückhaltbar ist, wobei die Tropfenauswahlvorrichtung den Unterschied in der Meniskusstellung in Abwesenheit der Tropfenablösevorrichtung erzeugt.

11. Druckkopf nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

(a) eine Vielzahl Tropfen abgebender Düsen,

(b) einen den Düsen zugeordneten Tintenbehälter, wobei die Tinte eine Reduktion ihrer Oberflächenspannung von mindestens 10 mN/m über einen Temperaturbereich von 30ºC aufweist,

(c) eine Tropfenauswahlvorrichtung zum Auswählen vorbestimmter Düsen und Erzeugen eines Unterschiedes in der Meniskusstellung zwischen Tinte in ausgewählten und nicht ausgewählten Düsen, und

(d) eine Tropfenablösevorrichtung, die bewirkt, dass sich Tinte in ausgewählten Düsen als Tropfen aus dem Tintenbehälter ablöst, während Tinte in nicht ausgewählten Düsen zurückhaltbar ist.