DE69909342T2

DE69909342T2 - Hybrides Drucksystem unter Verwendung von Mehrfachströpfen und Mehrfach-Durchlauf

Info

Publication number: DE69909342T2
Application number: DE69909342T
Authority: DE
Inventors: Ronald A. Askeland; Paul E. Hunter
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1999-01-28
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2019-01-29
Also published as: EP0933218B1; DE69909342D1; US6193347B1; EP0933218A3; EP0933218A2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Tintenstrahldrucker und spezieller auf Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen von Bildern einer photographischen Qualität auf einem Farbtintenstrahldrucker.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Thermotintenstrahl-Druckkopievorrichtungen wie z. B. Drucker, Großformatplotter/-Drucker, Faxgeräte und Kopierer stoßen mittlerweile auf breite Akzeptanz. Diese Ausdruckvorrichtungen werden bei W. J. Lloyd und H. T. Taub in "Ink Jet Devices", Kapitel 13 von Output Hardcopy Devices (Ed. R. C. Durbeck und S. Sherr, San Diego: Academic Press, 1988) und in den US-Patenten 4,490,728 und 4,313,684 beschrieben. Die Grundlagen dieser Technologie sind ferner in verschiedenen Artikeln in mehreren Ausgaben des Hewlett-Packard Journal [Bd. 36, Nr. 5, (Mai 1985), Bd. 39, Nr. 4, (August 1988), Bd. 39, Nr. 5, (Oktober 1988), Bd. 43, Nr. 4 (August 1992), Bd. 43, Nr. 6 (Dezember 1992) und Bd. 45, Nr. 1 (Februar 1994)], welche unter Bezugnahme in dieses Dokument aufgenommen sind, näher offenbart. Tintenstrahl-Druckkopievorrichtungen erzeugen qualitativ hochwertige Drucke, sind kompakt und tragbar und drucken schnell und leise, da nur Tinte das Papier berührt.
Ein Tintenstrahldrucker erzeugt ein gedrucktes Bild durch Drucken eines Musters einzelner Punkte an bestimmten Stellen eines für das Druckmedium definierten Arrays. Die Stellen stellt man sich zweckmäßigerweise als kleine Punkte in einem geradlinigen Array vor. Die Stellen sind manchmal „Punktstellen", „Punktpositionen" oder „Pixel". Somit kann der Druckvorgang als das Füllen eines Musters von Punktstellen mit Tintenpunkten angesehen werden.
Tintenstrahl-Druckkopievorrichtungen drucken Punkte durch Ausstoßen sehr kleiner Tintentropfen auf das Druckmedium und umfassen in der Regel einen beweglichen Wagen, der einen oder mehrere Druckköpfe trägt, die jeweils Tintenausstoßdüsen aufweisen. Der Wagen überquert die Oberfläche des Druckmediums, und die Düsen sind gesteuert, um zu passenden Zeitpunkten gemäß einem Befehl eines Mikrocomputers oder einer anderen Steuerungseinrichtung Tintentropfen auszustoßen, wobei die Zeitsteuerung der Aufbringung der Tintentropfen dem Muster von Pixeln des Bildes, das gerade gedruckt wird, entsprechen soll.
Der typische Tintenstrahldruckkopf (d. h. das Siliziumsubstrat, auf dem Substrat aufgebaute Strukturen und Verbindungen mit dem Substrat) verwendet flüssige Tinte (d. h. aufgelöste Farbmittel oder in einem Lösungsmittel dispergierte Pigmente). Er weist ein Array von präzise gebildeten Öffnungen oder Düsen auf, die an einem Druckkopfsubstrat befestigt sind, das ein Array von Tintenausstoßkammern beinhaltet, die flüssige Tinte von dem Tintenreservoir empfangen. Jede Kammer ist gegenüber der Düse angeordnet, so daß sich Tinte zwischen ihr und der Düse sammeln kann. Der Ausstoß von Tintentröpfchen erfolgt in der Regel unter der Steuerung eines Mikroprozessors, dessen Signale durch elektrische Leitbahnen zu dem Tintenausstoßelement befördert werden. Wenn elektrische Druckpulse das Tintenausstoßelement aktivieren, verdampft ein kleiner Teil der neben demselben befindlichen Tinte und stößt einen Tropfen Tinte aus dem Druckkopf aus. Ordnungsgemäß angeordnete Düsen bilden ein Punktmatrixmuster. Ordnungsgemäßes Sequenzieren des Funktionierens jeder Düse bewirkt, daß Schriftzeichen oder Bilder auf das Papier gedruckt werden, während sich der Druckkopf an dem Papier vorbeibewegt.
Die Tintenkassette, die die Düsen enthält, wird wiederholt über die Breite des Mediums, auf dem gedruckt werden soll, bewegt. An jedem einer bezeichneten Anzahl von Inkrementen dieser Bewegung über das Medium wird jede der Düsen veranlaßt, gemäß der Programmausgabe des steuernden Mikroprozessors entweder Tinte auszustoßen oder es zu unterlassen, Tinte auszustoßen. Jede beendete Bewegung quer über das Medium kann ein Band drucken, das ungefähr so breit ist wie die Anzahl von Düsen, die in einer Säule der Tintenkassette angeordnet sind, mal dem Abstand zwischen Düsenmitten. Nach jeder derartigen beendeten Bewegung oder nach jedem derartigen Band wird das Medium um die Breite des Bandes vorwärtsbewegt, und die Tintenkassette beginnt das nächste Band. Durch die richtige Auswahl und Zeitsteuerung der Signale wird der gewünschte Druck auf dem Medium erhalten.
Bei einem Tintenstrahldruckkopf wird Tinte von einem Tintenreservoir, das in den Druckkopf integriert ist, oder von einem „außeraxialen" Tintenreservoir, das über Leitungen, die den Druckkopf und das Reservoir verbinden, dem Druckkopf Tinte zuführt, zugeführt. Anschließend wird Tinte entweder durch ein in der Mitte der Unterseite des Substrats gebildetes längliches Loch, „mittige Zufuhr" oder um die Außenkanten des Substrats herum, „Kantenzufuhr", den verschiedenen Tintenausstoßkammern zugeführt. Bei der mittigen Zufuhr fließt die Tinte dann durch einen mittigen Schlitz in dem Substrat in einen mittigen Verteilerbereich, der in einer Barriereschicht zwischen dem Substrat und einem Düsenbauglied gebildet ist, dann in eine Mehrzahl von Tintenkanälen und schließlich in die verschiedenen Tintenausstoßkammern. Bei der Kantenzufuhr fließt Tinte von dem Tintenreservoir um die Außenkanten des Substrats herum in die Tintenkanäle und schließlich in die Tintenausstoßkammern. Sowohl bei der mittigen Zufuhr als auch bei der Kantenzufuhr liefert der Strömungsweg von dem Tintenreservoir und dem Verteiler auf inhärente Weise Einschränkungen des Tintenflusses zu den Tintenausstoßkammern.
Farbtintenstrahl-Druckkopievorrichtungen verwenden in der Regel eine Mehrzahl von Druckkassetten, üblicherweise zwei bis vier, die in dem Druckerwagen angebracht sind, um ein vollständiges Spektrum an Farben zu erzeugen. Bei einem Drucker mit vier Kassetten enthält jede Druckkassette eine Tinte einer anderen Farbe, wobei die üblicherweise verwendeten Grundfarben Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz sind. Bei einem Drucker mit zwei Kassetten kann eine Kassette schwarze Tinte enthalten, wobei die andere Kassette eine Dreizellenkassette ist, die die Tinten der Grundfarben Cyan, Magenta und Gelb enthält, oder es können alternativ dazu zwei Zweizellenkassetten verwendet werden, um die vier farbigen Tinten zu enthalten. Ferner können zwei Dreizellenkassetten verwendet werden, um sechs Grundfarbentinten zu enthalten, z. B. Schwarz, Cyan, Magenta, Gelb, helles Cyan und helles Magenta. Außerdem können je nach der Anzahl von unterschiedlichen Grundfarbentinten, die verwendet werden sollen, auch andere Kombinationen eingesetzt werden.
Die Grundfarben werden durch Aufbringen eines Tropfens der erforderlichen Farbe auf eine Punktstelle auf dem Medium erzeugt, während Sekundärfarben oder schattierte Farben durch Aufbringen mehrerer Tropfen verschiedener Grundfarbentinten auf dieselbe oder eine benachbarte Punktstelle gebildet werden, wobei das Überdrucken zweier oder mehrerer Grundfarben die Sekundärfarben gemäß anerkannten optischen Prinzipien erzeugt.
Beim Farbdrucken werden die diversen farbigen Punkte, die durch jede der Druckkassetten erzeugt werden, selektiv überlappt, um scharf konturierte Bilder zu erzeugen, die aus praktisch jeder beliebigen Farbe des sichtbaren Spektrums bestehen. Um einen einzelnen Punkt auf einem Papier zu erzeugen, der eine Farbe aufweist, welche eine Mischung von zwei oder mehr der Farben erfordert, die durch verschiedene Druckkassetten geliefert werden, müssen die Düsenplatten an jeder der Kassetten genau ausgerichtet sein, so daß ein von einer ausgewählten Düse in einer Kassette ausgestoßener Punkt einen Punkt, der von einer entsprechenden Düse in einer anderen Kassette ausgestoßen wird, überlappt.
Die von einer Tintenstrahlvorrichtung erzeugte Druckqualität ist abhängig von der Zuverlässigkeit ihrer Tintenausstoßkammern. Ein Mehrfachdurchlauf-Druckmodus kann die Wirkung der defekten Tintenausstoßelemente auf die Druckqualität teilweise lindern. Das Konzept der Druckmodi ist eine nützliche und hinreichend bekannte Technik, bei jedem Durchlauf des Druckkopfes lediglich einen Bruchteil der in jedem Abschnitt des Bildes erforderlichen gesamten Tinte aufzubringen, so daß jegliche Bereiche, die bei jedem Durchlauf weiß belassen werden, durch einen oder mehrere spätere Durchläufe ausgefüllt werden. Durch ein Verringern der Flüssigkeitsmenge, die sich zu jeglichem beliebigen Zeitpunkt auf der Seite befindet, tendiert dies dazu, ein Zerfließen, Blockieren und Welligwerden zu begrenzen.
Das bei jedem Durchlauf eingesetzte spezifische Teilweise-Tinteneinfärbung-Muster sowie die Art und Weise, auf die diese verschiedenen Muster zusammen ein einziges, vollständig mit Tinte eingefärbtes Bild ergeben, ist als „Druckmodus" bekannt. Druckmodi erlauben einen Kompromiß zwischen Geschwindigkeit und Bildqualität. Beispielsweise liefert der Entwurfsmodus eines Druckers dem Benutzer so schnell wie möglich einen lesbaren Text. Präsentation, auch als bester Modus bekannt, ist langsam, aber erzeugt die höchste Bildqualität. Ein normaler Modus ist ein Kompromiß zwischen Entwurfs- und Präsentationsmodi. Druckmodi ermöglichen dem Benutzer, zwischen diesen Kompromissen zu wählen. Ferner ermöglichen sie dem Drucker, während des Druckens mehrere Faktoren, die die Bildqualität beeinflussen, zu steuern, einschließlich: 1) der Menge an Tinte, die pro Punktstelle auf dem Medium plaziert wird, 2) der Geschwindigkeit, mit der die Tinte plaziert wird und 3) der Anzahl an Durchläufen, die erforderlich sind, um das Bild zu vervollständigen. Eine Bereitstellung verschiedener Druckmodi, um ein Plazieren von Tintentropfen in mehreren Bändern zu ermöglichen, kann dazu beitragen, Düsendefekte zu vertuschen. Ver schiedene Druckmodi werden auch abhängig von dem Medientyp eingesetzt.
Für einen erhöhten Durchsatz auf einfachem Papier wird ein Einfachdurchlauf-Modus-Betrieb verwendet. Eine Verwendung dieses Modus auf anderen Papieren führt zu zu großen Punkten auf beschichteten Papieren und zu einem Zerfließen von Tinte auf Polyestermedien. Bei einem Einfachdurchlaufmodus werden alle Punkte, die auf eine gegebene Reihe von Punkten abzuschießen sind, in einem Band des Druckkopfes auf dem Medium plaziert, wonach das Druckmedium in die richtige Position für das nächste Band vorgeschoben wird.
Ein Zweifachdurchlauf-Druckmodus ist ein Druckmuster, bei dem eine Hälfte der Punkte, die für eine gegebene Reihe an verfügbaren Punkten pro Band zur Verfügung stehen, bei jedem Durchlauf des Druckkopfes gedruckt wird, so daß zwei Durchläufe benötigt werden, um den Druck für eine gegebene Reihe abzuschließen.
Dementsprechend ist ein Vierfachdurchlaufmodus ein Druckmuster, bei dem ein Viertel der Punkte für eine gegebene Reihe bei jedem Durchlauf des Druckkopfes gedruckt wird, und ein Achtfachdurchlaufmodus ist ein Druckmuster, bei dem ein Achtel der Punkte für eine gegebene Reihe bei jedem Durchlauf des Druckkopfes gedruckt wird. Ein Mehrfachdurchlauf-Thermotintenstrahldrucken ist beispielsweise in den gemeinschaftlich übertragenen US-Patentschriften Nrn. 4,963,882 und 4,965,593 beschrieben. Im allgemeinen ist es wünschenswert, pro vollständigem Bandbereich die minimale Anzahl von Durchläufen zu verwenden, um das Drucken abzuschließen, um den Druckerdurchsatz derart zu maximieren, daß unerwünschte sichtbare Druckartefakte verringert werden.
Die Fähigkeit, eine gute Tonskala zu erreichen, ist für ein Erzielen eines Bildes einer photographischen Qualität von wesentlicher Bedeutung. In der Helligkeitsregion der Tonskala sind fast unsichtbare Punkte und ein Fehlen von Kör nigkeit erforderlich. Bereiche einer vollständigen Ausfüllung erfordern gesättigte Farben, eine hohe optische Dichte und keinen Weißraum. Ferner ist die Fähigkeit, mehr als einen Tropfen von einem gegebenen Druckkopf in ein Pixel zu plazieren, für diese photographische Bildqualität wesentlich. Ein weiteres wichtiges Attribut eines Bilderzeugungssystems ist ein hoher Durchsatz.
Vorherige Methoden wie beispielsweise das vorher beschriebene Mehrdurchlauf-Drucken, geben mehr als einen Tropfen von einem gegebenen Druckkopf in ein Pixel, dies geschieht jedoch in verschiedenen Durchläufen. Die Nachteile dieses Lösungsansatzes sind: (1) der Durchsatz wird beeinträchtigt, da für jeden Tropfen, der von einem gegebenen Druckkopf auf ein Pixel plaziert wird, ein separater Durchlauf erforderlich ist, (2) in Bereichen eines Hochdichte-Druckens werden bei jedem Durchlauf Tropfen in jedes Pixel gegeben, was zu einem Punktzerfließen führt, das die Bildqualität verschlechtert, und (3) ist dies eine ineffiziente Art und Weise, Weißraum in den Mitteltonregionen der Tonskala abzudecken, wo leichte Variationen einer Tropfenplazierung erforderlich sind, um Weißraum auszufüllen, was schwierig ist, wenn mehrere Tropfen in getrennten Durchläufen auf einem Pixel plaziert werden.
Eine weitere Lösung für ein Erzielen von guten Tonskalen besteht darin, ein Sechstinten-Drucksystem zu verwenden. Dieser Lösungsansatz verwendet schwarze Tinte, gelbe Tinte, helle cyanfarbene Tinte, dunkle cyanfarbene Tinte, helle magentafarbene Tinte und dunkle magentafarbene Tinte. Eine gute Bildqualität wird in Helligkeitsregionen dadurch erreicht, daß lediglich die gelbe, helle cyanfarbene und helle magentafarbene Tinte verwendet wird. Die schwarze, dunkle cyanfarbene und dunkle magentafarbene Tinte wird in stärker gesättigten Bereichen des Bildes verwendet. Die Nachteile dieses Systems sind (1) die Komplexität, ein Sechstintensystem aufzuweisen (mehr Tinten, kompliziertere Farbtabellen, höhere Produktkosten sowie eine größere Pro duktgröße und (2) Übergänge, die die Bildqualität verschlechtern, werden in der Tonskala beobachtet, wenn dunkel-cyan und dunkel-magenta, die sehr deutlich sichtbar sind, zuerst verwendet werden.
Ein weiterer Lösungsansatz in Bezug darauf, unterschiedliche Punktgrößen zu bilden, besteht darin, Mehrtropfenvolumen auf demselben Druckkopf zu verwenden (siehe US-Patentschrift Nr. 4,746,935). Der Hauptnachteil dieses Lösungsansatzes ist das Erfordernis von Mehrtropfengeneratoren, was zusätzliche Kosten und Komplexität bedeutet.
Auch wenn die oben beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen verwendet werden, so wird die Herstellung von klaren und kraftvollen Bildern mit einem genauen Ton, die gleich denjenigen sind, die mittels herkömmlicher Silberhalogenidphotographie hergestellt wurden, noch nicht erreicht.
Aufgrund der zunehmenden Verwendung von Digitalkameras, um Digitalbilder zu erzeugen, und der Verwendung von Scannern, um herkömmliche Photographien in Personal-Computer einzugeben, nimmt die Nachfrage nach Druckern, die ausgehend von diesen Bildern Drucke einer photographischen Qualität erzeugen können, rasch zu. Dementsprechend besteht ein Bedarf an Druckern, die Drucke einer photographischen Qualität erzeugen können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Hybrid-Mehrtropfen- und -Mehrfachdurchlauf-Drucken der vorliegenden Erfindung kombiniert die besten Aspekte eines Mehrtropfen-Verschmelzen-Auf-Medium-Druckens und eines Mehrfachdurchlauf-Druckens. Beim Mehrtropfen-Drucken verschmelzen einzelne Tropfen auf dem Medium, um einen aus den einzelnen Tropfen zusammengesetzten Tropfen zu bilden. Dieses Druckverfahren ist eine effiziente Art und Weise, qualitativ hochwertige Bilder zu erzeugen. Helligkeitsregionen werden gebildet, indem einzelne Tropfen verwendet werden, um einen Punkt zu bilden. Einzelne Tropfen sind fast unsichtbar und können verwendet werden, um helle Punkte mit einer geringen Körnigkeit zu bilden. Mit zunehmender Dichte des Bildes werden Mehrtropfen-Punkte gebildet, wobei zwei oder mehr Tropfen auf dem Medium miteinander verschmelzen. Dadurch, daß ermöglicht wird, daß bei einem gegebenen Durchlauf Tropfen auf einem Medium miteinander verschmelzen, wird Weißraum auf effizientere Weise abgedeckt als bei vorherigen Lösungsansätzen. Bei einem Hybrid-Mehrtropfen- und -Mehrfachdurchlauf-Drucken der vorliegenden Erfindung werden die Vorteile eines Mehrtropfen-Verschmelzen-Auf-Medium-Druckens beibehalten, während die optische Dichte erhöht wird, ohne daß ein Verlust des Durchsatzes auftritt, wobei ein Drucken bei einer verringerten Tintenausstoßfrequenz ermöglicht wird. Ferner können mehrere Durchläufe für ein Fehlerkaschieren und ferner zum Verbessern der Wechselwirkung zwischen Tinte und Medium verwendet werden.
Das Verfahren des Druckens auf ein Medium der vorliegenden Erfindung umfaßt folgende Schritte: Anbringen eines Arrays von Tintenausstoßelementen für einen einzigen Druckkopf in einem Wagen, wobei das Array von Tintenausstoßelementen eine Bandbreite definiert. Anfängliches Entlangführen des Wagens entlang einer zu einer Medienvorschubrichtung senkrechten Wagenbewegungsachse, so daß ein Weg des Arrays von Tintenausstoßelementen einen Bandbereich auf der Medienoberfläche definiert, und anfängliches Versorgen der Tintenausstoßelemente mit Energie während des Schrittes des anfänglichen Entlangführens, wodurch bewirkt wird, daß eine vorbestimmte Anzahl von anfänglichen Tintentröpfchen an einer vorbestimmten einzelnen Pixelstelle auf dem Medium auf die Medienoberfläche ausgestoßen wird. Nachfolgendes Führen des Wagens entlang der Wagenbewegungsachse und nachfolgendes Versorgen der Tintenausstoßelemente mit Energie während des Schrittes des nachfolgenden Entlangführens, wodurch bewirkt wird, daß eine vorbestimmte Anzahl nachfolgender Tintentröpfchen an der vorbestimmten einzelnen Pixelstelle auf dem Medium auf die Medienoberfläche ausgestoßen wird. Die obigen Schritte werden durchgeführt, während die Anzahl von anfänglichen und nachfolgenden ausgestoßenen Tintentröpfchen als im wesentlichen separate Tröpfchen, bis die Tintentröpfchen auf ein Auftreffen auf dem Medium hin miteinander verschmelzen, beibehalten wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Tintenstrahldruckers, der die vorliegende Erfindung verkörpert.
2 ist eine perspektivische Draufsicht eines einzelnen Druckes.
3 ist eine perspektivische Unteransicht einer einzelnen Druckkassette.
4 ist eine schematische perspektivische Ansicht der Rückseite einer vereinfachten Druckkopfanordnung.
5 ist eine teilweise weggeschnittene perspektivische Draufsicht eines Abschnittes der TAB-Kopfanordnung, die die Beziehung einer Öffnung bezüglich einer Tintenausstoßkammer, eines Heizvorrichtungstintenausstoßelements und einer Kante des Substrats zeigt.
6 ist eine Querschnittsansicht der Druckkopfanordnung, die den Tintenfluß zu den Tintenausstoßkammern in dem Druckkopf zeigt.
7 ist eine Draufsicht eines vergrößerten Abschnitts eines Druckkopfs, die zwei Tintenausstoßkammern und die zugeordnete Barrierenstruktur und Tintenausstoßelemente zeigt.
8 ist ein Querschnittsaufriß der Druckkopfanordnung der 7, der die Dicke der Barriereschicht und des Düsenbauglieds zeigt.
9 ist eine schematische Draufsicht einer Anordnung aus Grundelementen und den zugeordneten Tintenausstoßelementen und Düsen auf einem Druckkopf, wobei die Längsachse des Arrays senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Druckkopfes ist.
10 ist eine Draufsicht eines Druckkopfdüsenarrays mit einer geraden Linie von Düsen, wobei das Array senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Druckkopfes ist.
11 ist ein vergrößertes schematisches Diagramm der Adreßauswählleitungen und eines Abschnitts der zugeordneten Tintenausstoßelemente, Grundelementauswählleitungen und Masseleitungen.
12 ist ein schematisches Diagramm eines Tintenausstoßelements der 11 und seiner bzw. seines zugeordneten Adreßleitung, Treibertransistors, Grundelementauswählleitung und Masseleitung.
13 ist ein schematisches Zeitgebungsdiagramm für das Einstellen der Adreßauswähl- und Grundelementauswählleitungen.
14 ist ein schematisches Diagramm der Abfeuerungssequenz für die Adreßauswählleitungen, wenn sich der Druckerwagen von links nach rechts bewegt.
15 zeigt die Unterspalten für 4 Tropfen und 8 Tropfen pro Spalte oder Pixel.
16 zeigt, wie die Druckkopfarchitektur der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Druckqualität ermöglicht.
17 zeigt, wie die Druckkopfarchitektur der vorliegenden Erfindung Hochfrequenz-Bursts ermöglicht, um das Tropfenvolumen zu modulieren.
18 zeigt den Unterschied beim Herstellen einer Punktabdeckung mit einem Aufbringen von Mehrtropfen beim Einfachdurchlauf-Drucken und Mehrfachdurchlauf-Drucken, bei dem Tropfen in separaten Durchläufen aufgebracht werden.
19 zeigt ein Beispiel eines Mehrtropfen- gegenüber einem Einfachtropfen-Mehrfachdurchlauf-Drucken, wobei ein bis vier Tropfen unter Verwendung desselben Druckkopfes und Mediums verwendet werden, wobei lediglich der Druckmodus geändert wird.
20 zeigt ein effizienteres Punktdurchmesserwachstum bei einem Mehrtropfen-Drucken als bei einem Mehrfachdurchlauf-Drucken.
21 zeigt den Durchmesser für Mehrtropfen-Punkte, die dadurch gebildet werden, daß ein bis acht Tropfen auf dem Medium miteinander verschmelzen, um Punkte zu bilden.
22 zeigt ein Punktgrößenwachstum von ein bis acht Tropfen für zwei unterschiedliche Tintensysteme.
23 zeigt, wie optische Dichte und der Prozentsatz an mit Punkten gefülltem Weißraum sich bei einem Zweifachdurchlauf-Druckmodus verändert, wenn ein bis vier Mehrtropfen-Einzeltropfen in jedem von zwei Durchläufen aufgebracht werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Während die vorliegende Beschreibung unten im Kontext eines außeraxialen Druckers beschrieben wird, der eine externe Tintenquelle aufweist, sollte es einleuchten, daß die vorliegende Erfindung auch bei einem Tintenstrahldrucker nützlich ist, der Tintenstrahldruckkassetten verwendet, die ein in die Druckkassette integriertes Tintenreservoir aufweisen.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Tintenstrahldruckers 10, der zum Verwenden der vorliegenden Erfindung geeignet ist, wobei seine Abdeckung entfernt ist. Allgemein umfaßt der Drucker 10 ein Fach 12 zum Halten von unbedrucktem Papier. Wenn ein Druckvorgang eingeleitet wird, wird ein Blatt Papier von dem Fach 12A unter Verwendung einer Blattzufuhrvorrichtung dem Drucker 10 zugeführt, daraufhin in einer U-Richtung herumgedreht, so daß es sich nun in die entgegengesetzte Richtung auf das Fach 12B zubewegt. Das Blatt wird in einer Druckzone 14 angehalten, und ein Bewegungswagen 16, der eine oder mehrere Druckkassetten 18 trägt, wird anschließend zum Drucken eines Tintenbandes auf dem Blatt über dasselbe bewegt. Das Drucken kann erfolgen, während sich der Wagen in eine beliebige Richtung bewegt. Dies wird als bidirektionales Drucken bezeichnet. Nach einer einzigen Wagenbewegung oder mehreren Wagenbewegungen wird das Blatt unter Verwendung eines herkömmlichen Schrittmotors und von Zufuhrrollen zu einer nächsten Position in der Druckzone 14 inkremental verschoben, und der Wagen 16 bewegt sich wiederum über das Blatt, um ein nachstes Band Tinte zu drucken. Wenn das Drucken auf dem Blatt abgeschlossen ist, wird das Medium zu einer Position oberhalb des Fachs 12B weitergeleitet, in dieser Position gehalten, um sicherzustellen, daß die Tinte trocken ist, und dann freigegeben.
Der Wagenbewegungsmechanismus des Wagens 16 kann herkömmlich sein und umfaßt allgemein einen Gleitstab 22, an dem der Wagen 16 entlanggleitet, eine flexible Schaltung (in 1 nicht gezeigt) zum Senden elektrischer Signale von dem Mikroprozessor des Druckers an den Wagen 16 und Druckkassetten 18 und einen codierten Streifen 29, der durch einen Photodetektor in dem Wagen 16 zum genauen Positionieren des Wagens 16 optisch erfaßt wird. Ein Schrittmotor (nicht gezeigt), der unter Verwendung einer herkömmlichen Anordnung aus Treibriemen und Antriebsrolle mit dem Wagen 16 verbunden ist, wird zum Transportieren des Wagens 16 über die Druckzone 14 verwendet.
Die Merkmale des Tintenstrahldruckers 10 umfassen ein Tintenzufuhrsystem zum Liefern von Tinte an die Druckkassetten 18 und letztendlich an die Tintenausstoßkammern in den Druckköpfen von einer außeraxialen Tintenvorratsstation 30, die austauschbare Tintenvorratskassetten 31, 32, 33 und 34 enthält, die mit Druck beaufschlagt sein oder einen atmosphärischen Druck aufweisen können. Bei Farbdruckern ist in der Regel eine separate Tintenvorratskassette für schwarze Tinte, gelbe Tinte, magentafarbene Tinte und cyanfarbene Tinte vorhanden. Vier Rohrleitungen 3b führen Tinte von den vier austauschbaren Tintenvorratskassetten 31–34 zu den Druckkassetten 18.
Unter Bezugnahme auf 2 und 3 ist ein flexibles Band 80, das Kontaktanschlußflächen 86 enthält, die zu (nicht gezeigten) Elektroden 87 auf dem Druckkopfsubstrat 88 führen, an der Druckkassette 18 befestigt. Diese Kontaktanschlußflächen 86 sind mit (nicht gezeigten) Elektroden auf dem Wagen 16 ausgerichtet und berühren diese elektrisch. Ein Integrierte-Schaltung-Chip oder Speicherelement 78 liefert dem Drucker in Bezug auf gewisse Parameter wie beispielsweise Düsenflugbahnen und Tropfenvolumen der Druckkassette 18 eine Rückmeldung. Das Band 80 weist ein Düsenarray bzw. ein Düsenbauglied 79 auf, das aus zwei Reihen von Düsen 82 besteht, die durch das Band 80 laserabladiert werden. Ein Tintenfülloch 81 wird verwendet, um die Druckkassette 18 anfänglich mit Tinte zu füllen. Eine (nicht gezeigte) Anschlagvorrichtung soll das Loch 81 nach dem anfänglichen Füllen permanent abdichten.
Ein (nicht gezeigtes) Regelventil in den Druckkassetten 18 regelt den Druck, indem es ein Einlaßloch zu einer in den Druckkassetten 18 gelegenen Tintenkammer öffnet und schließt. Wenn das Regelventil geöffnet ist, befindet sich eine Kanüle 60 in Fluidkommunikation mit einer (nicht gezeigten) Tintenkammer, die sich in der Kassette 18 befindet, und dem außeraxialen Tintenvorrat. Wenn sie in dem Drucker 10 in Betrieb sind, befinden sich die Druckkassetten 18 in Fluidkommunikation mit einem vom Wagen getrennten Tintenvorrat 31–34, der in einer Tintenvorratsstation 30 lösbar angebracht ist.
Unter Bezugnahme auf 3 und 4 ist eine Druckkopfanordnung 83 vorzugsweise ein flexibles Polymerband 80, das ein Düsenbaugliedarray 79 aufweist, das Düsen 82 enthält, die durch Laserablation in demselben gebildet sind. Leiter 84 sind auf der Rückseite des Bandes 80 gebildet und enden in Kontaktanschlußflächen 86 zum Kontaktieren von elektrischen Kontakten auf dem Wagen 16. Die anderen Enden der Leiter 84 sind mit Elektroden 87 des Substrats 88 verbunden, auf dem die verschiedenen Tintenausstoßkammern und Tintenausstoßelemente gebildet sind. Die Tintenausstoßelemente können Heizvorrichtungstintenausstoßelemente oder piezoelektrische Elemente sein.
Auf dem Substrat 88 kann ein (nicht gezeigter) Demultiplexer zum Demultiplexieren der ankommenden multiplexierten Signale, die an die Elektroden 87 angelegt sind, und zum Verteilen der Adreß- und Grundelementsignale an die verschiedenen Tintenausstoßelemente 96 gebildet sein, um die Anzahl von erforderlichen Kontaktanschlußflächen 86 zu verringern. Die ankommenden multiplexierten Signale umfassen Adreßleitungs- und Grundelementabfeuerungssignale. Der De multiplexer ermöglicht die Verwendung von weniger Kontaktanschlußflächen 86 und somit Elektroden 87 als Tintenausstoßelemente 96. Der Demultiplexer kann ein beliebiger Decodierer zum Decodieren von an die Elektroden 87 angelegten codierten Signalen sein. Der Demultiplexer weist Eingangsanschlußleitungen (der Einfachheit halber nicht gezeigt), die mit den Elektroden 87 verbunden sind, und Ausgangsanschlußleitungen (nicht gezeigt), die mit den verschiedenen Tintenausstoßelementen 96 verbunden sind, auf. Der Demultiplexer demultiplexiert die ankommenden elektrischen Signale, die an die Kontaktanschlußflächen 86 angelegt sind, und versorgt die verschiedenen Tintenausstoßelemente 96 selektiv mit Energie, um Tintentröpfchen aus den Düsen 82 auszustoßen, während sich das Düsenarray 79 über die Druckzone bewegt. Weitere Einzelheiten in bezug auf ein Multiplexieren finden sich in der US-Patentschrift Nr. 5,541,269 mit dem Titel „Printhead with Reduced Interconnections to a Printer", die am 30. Juli 1996 erteilt wurde und durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen ist.
Vorzugsweise sollte statt des Demultiplexers eine Integrierte-Schaltung-Logik unter Verwendung von CMOS-Technologie auf das Substrat 88 plaziert werden, um komplexere ankommende Datensignale als nur multiplexierte Adreßsignale und Grundelementsignale zu decodieren und somit die Anzahl von erforderlichen Kontaktanschlußflächen 86 weiter zu verringern. Die ankommenden Datensignale werden in den Integrierte-Logik-Schaltungen auf dem Druckkopf zu Adreßleitungs- und Grundelementabfeuerungssignalen decodiert. Ein Durchführen dieser Operation in den Integrierte-Logik-Schaltungen auf dem Druckkopf erhöht die Signalverarbeitungsgeschwindigkeit und die Burstfrequenz, die nachstehend erörtert werden. Ferner ist unter Verwendung herkömmlicher photolithographischer Techniken auf der Oberfläche des Substrats 88 die Barriereschicht 104 gebildet, die eine Schicht aus Photore sist oder einem anderen Polymer sein kann und in der die Tintenausstoßkammern 94 und Tintenkanäle 132 gebildet sind.
5 ist eine vergrößerte Ansicht einer einzelnen Tintenausstoßkammer 94, von Tintenausstoßelementen 96 und einer kegelstumpfförmigen Öffnung 82, nachdem die Substratstruktur über die dünne Haftschicht 106 an der Rückseite der flexiblen Schaltung 80 befestigt wurde. Eine Seitenkante des Substrats 88 ist als Kante 114 gezeigt. Im Betrieb fließt Tinte von dem Tintenreservoir 12 um die Seitenkante 114 des Substrats 88 und in den Tintenkanal 132 und die zugeordnete Tintenausstoßkammer 94, wie durch den Pfeil 92 gezeigt ist. Auf ein Versorgen des Tintenausstoßelements 96 mit Energie hin wird eine dünne Schicht der benachbarten Tinte überhitzt, was einen Tintenausstoß bewirkt und folglich bewirkt, daß ein Tintentröpfchen durch die Öffnung 82 ausgestoßen wird. Die Tintenausstoßkammer 94 wird anschließend durch eine Kapillarwirkung wieder aufgefüllt.
6 veranschaulicht den Fluß von Tinte 92 von der Tintenkammer 61 in der Druckkassette 18 zu Tintenausstoßkammern 94. Eine Versorgung der Tintenausstoßelemente 96 mit Energie bewirkt, daß ein Tintentröpfchen 101, 102 durch die zugeordneten Düsen 82 ausgestoßen wird. Eine Photoresist-Barriereschicht 104 definiert die Tintenkanäle und -kammern, und eine Haftschicht 106 befestigt das flexible Band 80 an der Barriereschicht 104. Ein weiteres Haftmittel 108 liefert eine Abdichtung zwischen dem Band 80 und dem Druckkassettenkörper 110 aus Kunststoff.
Die Anordnung des Druckkopfes kann ähnlich derjenigen sein, die in der US-Patentschrift Nr. 5,278,584 von Brian Keefe et al. mit dem eitel „Ink Delivery System for an Inkjet printhead", die an den vorliegenden Anmelder übertragen und durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen ist, beschrieben ist.
Die Frequenzgrenze eines Thermotintenstrahlstiftes ist durch den Widerstand in dem Tintenfluß zur Düse begrenzt. Jedoch ist ein gewisser Widerstand des Tintenflusses notwendig, um eine Meniskusoszillation zu dämpfen, ein zu großer Widerstand begrenzt jedoch die obere Frequenz, bei der eine Druckkassette arbeiten kann. Die Geometrie des Einlaßkanals, die Schichtdicke, die Schelflänge oder Einlaßkanallänge, die die Entfernung zwischen den Tintenausstoßelementen und der Kante des Substrats ist, müssen ordnungsgemäß bemessen sein, um ein rasches Wiederauffüllen von Tinte in die Tintenkammer 94 zu ermöglichen und dabei auch eine Empfindlichkeit gegenüber Herstellungsvariationen zu minimieren. Folglich ist die Fluidimpedanz verringert, was zu einer einheitlicheren Frequenzantwort für alle Düsen führt. Eine zusätzliche Komponente zu der Fluidimpedanz ist der Eingang in die Tintenausstoßkammer 94. Der Eingang weist eine dünne Region zwischen dem Düsenbauglied 80 und dem Substrat 88 auf, und seine Höhe ist im wesentlichen eine Funktion der Dicke der Barriereschicht 104. Diese Region weist eine hohe Fluidimpedanz auf, da ihre Höhe gering ist.
Um die Auflösung und die Druckqualität zu erhöhen, müssen die Druckkopfdüsen näher beieinander plaziert sein. Dies erfordert, daß sowohl Heizvorrichtungstintenausstoßelemente als auch die zugeordneten Öffnungen näher beieinander plaziert werden müssen. Um den Druckerdurchsatz zu erhöhen, muß die Abfeuerungsfrequenz der Tintenausstoßelemente erhöht werden. Wenn die Tintenausstoßelemente bei hohen Frequenzen abgefeuert werden, ermöglichen herkömmliche Tintenkanalbarriere-Entwürfe entweder nicht, daß die Tintenausstoßkammern auf geeignete Weise wiederaufgefüllt werden, oder sie ermöglichen einen extremen Rückschlag oder ein katastrophisches Überschwingen und eine Pfützenbildung außerhalb des Düsenbauglieds. Ferner verursacht die engere Beabstandung der Tintenausstoßelemente Raumprobleme und eingeschränkte mögliche Barrierelösungen aufgrund von Herstellungsüberlegungen.
7 und 8 zeigen eine Druckkopfarchitektur, die vorteilhaft ist, wenn ein Drucken einer sehr hohen Punktdichte, eines geringen Tropfenvolumens, einer hohen Tropfengeschwindigkeit und eines Hochfrequenz-Tintenausstoßes erforderlich ist. Bei hohen Punktdichten und bei hohen Tintenausstoßraten wird jedoch ein Übersprechen zwischen benachbarten Ausstoßkammern zu einem ernsthaften Problem. Während des Ausstoßes eines einzelnen Tropfens, der durch ein Tintenausstoßelement eingeleitet wurde, wird Tinte in Form eines Tropfens aus der Düse 82 heraus verschoben. Zur selben Zeit wird auch Tinte zurück in den Tintenkanal 132 verschoben. Die auf diese Weise verschobene Tintenmenge wird oft als „Rückstoßvolumen" beschrieben. Das Verhältnis von ausgestoßenem Volumen zu Rückstoßvolumen gibt einen Hinweis auf die Ausstoßeffizienz. Zusätzlich dazu, daß ein Rückstoßvolumen ein inertes Hindernis bezüglich eines Wiederauffüllens darstellt, bewirkt es Verschiebungen in den Menisken benachbarter Düsen. Wenn diese benachbarten Düsen abgefeuert werden, bewirken derartige Verschiebungen ihrer Menisken Abweichungen des Tropfenvolumens von der nominell ausgeglichenen Situation, was dazu führt, daß ungleichmäßige Punkte gedruckt werden. Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in der Architektur der Druckkopfanordnung der 7 gezeigt ist, ist entworfen, um derartige Übersprech-Effekte zu minimieren.
Die Tintenausstoßkammern 94 und Tintenkanäle 132 sind in einer Barriereschicht 104 gebildet gezeigt. Die Tintenkanäle 132 liefern einen Tintenweg zwischen der Tintenquelle und den Tintenausstoßkammern 94. Der Fluß von Tinte in die Tintenkanäle 132 und in die Tintenausstoßkammern 94 erfolgt über einen Tintenfluß um die Seitenkanten 114 des Substrats 88 und in die Tintenkanäle 132. Die Tintenausstoßkammern 94 und Tintenkanäle 132 können unter Verwendung herkömmlicher photolithographischer Techniken in der Barriereschicht 104 gebildet sein. Die Barriereschicht 104 kann einen beliebigen Photoresist einer hohen Qualität, beispielsweise Vacrel^TM oder Parad^TM, umfassen.
Tintenausstoßelemente 96 sind auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 88 gebildet. Wie zuvor erwähnt wurde, können die Tintenausstoßelemente 96 hinreichend bekannte piezoelektrische Tintenausstoßelemente vom Pumpentyp oder beliebige andere herkömmliche Tintenausstoßelemente sein. Halbinseln 149 erstrecken sich bis zur Kante des Substrats und liefern eine fluidische Isolierung der Tintenausstoßkammern 94 voneinander, um ein Übersprechen zu verhindern. Der Abstand D der Tintenausstoßkammern 94, unten in Tabelle II gezeigt, liefert ein Drucken bei 600 Punkten pro Zoll (dpi – dots per inch) unter Verwendung von zwei Reihen von Tintenausstoßkammern 94.
Während die Tintenausstoßelemente und Tintenausstoßkammern in 7 im wesentlichen quadratisch gezeigt sind, wird man erkennen, daß sie auch eine rechteckige oder kreisförmige Gestalt aufweisen können.
Die Definition der Abmessungen der in 7 und 8 gezeigten verschiedenen Elemente ist in Tabelle I geliefert.
TABELLE I DEFINITIONEN FÜR ABMESSUNGEN DER DRUCKKOPFARCHITEKTUR
Die Tabelle II führt die Nennwerte, sowie ihre bevorzugten Bandbreiten, mancher der Abmessungen der Druckkopfanordnungsstruktur der 7 und 8 auf. Man sollte erkennen, daß die bevorzugten Bandbreiten und Nennwerte eines tatsächlichen Ausführungsbeispiels von der beabsichtigten Betriebsumgebung der Druckkopfanordnung abhängen, einschließlich der Art der verwendeten Tinte, der Betriebstemperatur, der Druckgeschwindigkeit und der Punktdichte.
TABELLE II ABMESSUNGEN DER TINTENKAMMER IN MIKROMETERN
Die obigen 7 und 8 sowie die Tabelle II zeigen die Entwurfsmerkmale und Abmessungscharakteristika von Druckköpfen, die verwendet werden können, um Bilder einer photographischen Qualität bei einer sehr hohen Tropfenausstoßfrequenz und einem konstanten geringen Tropfenvolumen von weniger als 10 Pikolitern erfolgreich zu drucken. Der Druckkopfarchitekturentwurf ist ein Schlüsselfaktor der vorliegenden Erfindung. Die Dicke einer flexiblen Schaltung 80 muß auf die Abmessungen des Tintenkanals 132, der Ausstoßkammer 94, des Tintenausstoßelements 96, die Dicke und den Entwurf der Barriere 114 sowie auf die Tintenformulierung abgestimmt werden. Ein einfaches Verringern der horizontalen Abmessungen F, G, H, I, J und K der Tintenkammer 94 verringert das Volumen der ausgestoßenen Tropfen, erzeugt jedoch eine geringe Tropfenausstoßgeschwindigkeit. Unter Bezugnahme auf Tabelle III erzeugen eine standardmäßige Flex-Schaltung 80 von zwei Millizoll (50,8 Mikrometer) und ein Düsenauslaßdurchmesser von 14 Mikrometern eine lange Düse mit einem C/I von etwa 4,0. Folglich werden Tropfen bei einer Geschwindigkeit von etwa 3,5–7,5 Metern/Sekunde ausgestoßen, was zu niedrig ist. Diese Tropfen mit der geringen Geschwindigkeit können zu Düsenverstopfungen, einer Fehlleitung und einer thermischen Ineffizienz führen.
TABELLE III
Unter erneuter Bezugnahme auf Tabelle III kann die Tintenausstoßkammer 94 kleine Tropfen in Hochfrequenz-Bursts ausstoßen, wenn die Dicke des Düsenbauglieds 79 auf die Größe des Tintenausstoßelements 96, die Dicke der Barriere 104 und den Austrittsdurchmesser der Öffnung 82 abgestimmt ist. Wie in Tabelle III gezeigt ist, wird die Tropfengeschwindigkeit nahezu verdoppelt, wenn die Dicke des Düsenbauglieds 79 oder der Flex-Schaltung 80 von 50,8 Mikrometer auf 25,4 Mikrometer verringert wird. Die überraschende Konsequenz einer Verwendung einer flexiblen Schaltung 80 oder eines Düsenbauglieds 79 von 25,4 Mikrometern führt zu einem robusten, verläßlichen Entwurf, der thermisch effizient ist.
Die vorliegende Erfindung weist im Vergleich zu vorherigen Drucksystemen und -verfahren mehrere Vorteile auf. Das Tropfenvolumen und die Geschwindigkeit der einzelnen Tropfen in Hochfrequenz-Bursts im Bereich von 15 bis 60 kHz bleiben nahezu konstant bei etwa 3–5 Pikolitern (pl) bzw. Geschwindigkeiten von mehr als 10 Metern pro Sekunde (m/s). Bei bisherigen Druckkopfarchitekturen war der erste Tropfen, der aus der Tintenausstoßkammer 94 ausgestoßen wurde, der größte und langsamste Tropfen. Nachfolgende Tropfen nach dem ersten ausgestoßenen Tropfen wiesen ein beträchtlich kleineres Volumen auf. Um jedoch eine glatte Graupegelrampe zu erzeugen, ist es wünschenswert, genau den ent gegengesetzten Effekt zu haben, d. h. einen kleineren, fast nicht wahrnehmbaren ersten Tropfen, auf den nachfolgende Tropfen eines größeren kumulativen Volumens folgen. Ferner sind Tropfen mit einer geringen Geschwindigkeit nicht wünschenswert, da sie leichte Düsenverstopfungen nicht lösen können und durch Pfützen auf der Düsenbaugliedoberfläche leicht fehlgeleitet werden können.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Entwurf der Tintenausstoßkammer und des Tinteneinlaßkanals ein hochfrequentes Tintenwiederauffüllen der Tintenausstoßkammer ermöglicht. Die Wiederauffüllfrequenz der Tintenausstoßkammer muß zumindest gleich den Tintenausstoßfrequenzen von 15 bis 60 kHz sein.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind: (1) einzelne Tropfen weisen für Bursts von ein bis acht Tropfen bei hohen Frequenzen ein nahezu konstantes Volumen auf. Dies ermöglicht glatte Graupegelrampen, was ein grundlegendes Erfordernis beim qualitativ hochwertigen Bilderzeugen ist, (2) sie erfordert keine Tintenviskosität und dynamische Oberflächenspannung, die mit Bilderzeugungsmedien, Lichtechtheits-, Wasserechtheits- und Trocknungszeitzielen nicht kompatibel sind; (3) sie erfordert nicht, daß mehrere Tropfen im Flug miteinander verschmelzen, um einen einzigen größeren Tropfen zu bilden; (4) sie erfordert keine variierenden Pulsbreiten und keine variierende Zeitgebung zwischen einzelnen Tropfen.
Unter Bezugnahme auf 9 und 10 sind die Öffnungen 82 und die Tintenausstoßelemente 96 in dem Düsenbauglied 79 der Druckkopfanordnung allgemein in zwei Hauptspalten angeordnet. Die 192 Öffnungen 82 und Tintenausstoßelemente 96 sind ferner in benachbarten Gruppierungen von acht angeordnet, um 24 Grundelemente zu bilden. Jedes Tintenausstoßelement kann durch eine Adreßleitung und eine Grundelementleitung eindeutig identifiziert werden. Wenn alle 192 Düsen verwendet werden, beträgt die Bandbreite in der Richtung der Papierachse 0,320 Zoll. Andere Betriebsmodi erlauben eine Verwendung von 160 Düsen in 20 Grundelementen und eine Bandbreite von 0,267 Zoll, 128 Düsen in 16 Grundelementen und eine Bandbreite von 0,213 Zoll und 96 Düsen in 12 Grundelementen und eine Bandbreite von 0,160 Zoll. Die Verwendung dieser alternativen Betriebsmodi ermöglicht höhere Ausstoßfrequenzen. Des besseren Verständnisses halber ist den Öffnungen 82 und den Tintenausstoßelementen 96 und den Grundelementen herkömmlicherweise eine Zahl zugewiesen, wie in 9 gezeigt ist. Beginnend oben rechts an der Druckkopfanordnung, von der Außenoberfläche des Düsenbauglieds 79 betrachtet, und links unten endend, was dazu führt, daß die ungeraden Zahlen in einer Spalte und die geraden Zahlen in der zweiten Spalte angeordnet sind. Selbstverständlich können auch andere Numerierungskonventionen eingehalten werden, die Beschreibung der Abfeuerungsreihenfolge der Öffnungen 82 und Tintenausstoßelemente 96, die diesem Numerierungssystem zugeordnet ist, weist jedoch Vorteile auf. Die Öffnungen/Tintenausstoßelemente in jeder Spalte sind in der Längsrichtung des Düsenbauglieds 1/300 Zoll voneinander beabstandet. Die Öffnungen und Tintenausstoßelemente in einer Spalte sind in der Längsrichtung des Düsenbauglieds um 1/600 Zoll von der Öffnung/den Tintenausstoßelementen in der anderen Spalte versetzt, wodurch eine Druckauflösung von 600 Punkten pro Zoll (dpi) geliefert wird, wenn mit beiden Düsenspalten gedruckt wird.
Aus verschiedenen Gründen können nicht alle Düsen 82 gleichzeitig mit Energie versorgt werden. Das heißt, daß zwei benachbarte Düsen zu leicht unterschiedlichen Zeiten mit Energie versorgt werden. Das Ziel besteht darin, ein rechteckiges Array von Punkten, die auf das Druckmedium gedruckt werden, zu erhalten. Falls jedoch die Zeitgebung zweier Düsen (um die normale Verzögerung) versetzt ist, so findet ein Plazierungsfehler v*t statt, wobei v die Bewegungsgeschwindigkeit und t die Verzögerung zwischen einem Abfeuern zweier benachbarter Düsen ist. Falls v*t gleich einer Ganzzahl von Punktbeabstandungen ist, so kann dies korrigiert werden, indem ein zusätzlicher anfänglicher Punkt für die „verspätete" Düse abgefeuert wird. Jedoch ist v*t normalerweise ein Bruchteil der Punktbeabstandung. Es gibt mehrere Verfahren zum Lösen dieses Zeitgebungsproblems.
Eine Lösung des Zeitgebungsproblems besteht darin, den Druckkopf leicht zu drehen, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Diese Architektur ermöglicht, daß eine Mehrzahl von Tintenausstoßelementen 96 alle parallel zu und im wesentlichen im gleichen Abstand von der Kante 114 des Substrats 88 plaziert werden. Demgemäß ist die Schelflänge bzw. die Länge des Einlaßkanals, U, für alle Tintenausstoßelemente dieselbe. Dies bedeutet, daß die Wiederauffüllzeit für alle Tintenausstoßkammern ungefähr dieselbe ist.
Der Drehwinkel ω des Substrats 88 ist gleich dem durch die Düsenstaffelung definierten Winkel ω. Falls die Düsenbeabstandung D ist, so ist der Sinus des Winkels ω gleich (v*t)/D. Der Winkel der Kassettendrehung ist der Winkel ω, wobei ω Arkussinus (v*t)/D ist.
Es gibt zumindest zwei Möglichkeiten, diese Drehung zu liefern. Eine besteht darin, die Form 88 auf der Druckkassette 18 zu drehen. Dies hat den Nachteil, daß zum Herstellen einer Kassette mit einer gedrehten Form ein spezielles Druckkopffließband vorgesehen sein muß. Ein einfacher zu implementierendes Verfahren besteht einfach darin, die gesamte Kassette 18 zu drehen, indem der Wagen 16 umkonfiguriert wird, um die Druckkassetten 17 in der richtigen winkelmäßigen Ausrichtung zu halten, wobei die Kassetten 17 von der Seite des Wagens 16, um eine Rotationsachse gedreht werden, und zwar gleich dem Winkel ω.
Eine weitere Lösung des Zeitgebungsproblems besteht darin, zwischen Tintenausstoßkammern 94 in einem Grundelement einen kleinen Versatz oder eine kleine Staffelung zu liefern. Die Öffnungen 82, die, wie beschrieben wurde, allgemein in zwei Hauptspalten ausgerichtet sind, sind ferner in einem versetzten oder gestaffelten Muster in jeder Spalte und in jedem Grundelement angeordnet. In einer einzelnen Reihe oder Spalte von Tintenausstoßelementen ist zwischen den Tintenausstoßelementen ein kleiner Versatz vorgesehen. Die Staffelungsentfernung D zwischen zwei Düsen ist gleich v*t. Dieser kleine Versatz ermöglicht, daß benachbarte Tintenausstoßelemente 96 zu leicht unterschiedlichen Zeiten mit Energie versorgt werden, wenn die Druckkopfanordnung über das Aufzeichnungsmedium bewegt wird. Es gibt verschiedene Versatzstellen, eine für jede der nachstehend erörterten Adreßleitungen. Diese Staffelung trägt dazu bei, Strom/Leistungserfordernisse, die den abfeuernden Tintenausstoßelementen zugeordnet sind, zu minimieren, indem die Tintenausstoßelemente zu unterschiedlichen Zeiten mit Energie versorgt werden. Obwohl die Tintenausstoßelemente zu unterschiedlichen Zeiten mit Energie versorgt werden, ermöglicht es der Versatz, daß die ausgestoßenen Tintentropfen aus unterschiedlichen Düsen in derselben horizontalen Position auf dem Druckmedium plaziert werden. Bei diesem Versatz bzw. dieser Staffelung ist die Länge des Einlaßkanals, U, jedoch nicht für alle Tintenausstoßelemente dieselbe. Dies bedeutet, daß die Wiederauffüllzeit für alle Tintenausstoßkammern ebenfalls nicht dieselbe ist.
Weitere Einzelheiten bezüglich der oben beschriebenen Verfahren sind in der US-Patentanmeldung Seriennummer 08/608,376 mit dem Titel „Reliable High Performance Drop Generator For an Inkjet Printhead", die am 28. Februar 1996 eingereicht wurde und durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen ist, beschrieben.
Die vorliegende Erfindung liefert ein verbessertes Verfahren zum Lösen des Zeitgebungsproblems, indem Burst-Ausstoßfrequenzen geliefert werden, die viel höher sind als die durch die Geschwindigkeit des Druckerwagens und die Punkt- oder Pixelbeabstandung erforderliche Grundfrequenz. Wie nachstehend ausführlich erläutert wird, ist es für ein qualitativ hochwertiges Drucken unter Verwendung eines Mehrtropfen-Verschmelzen-Auf-Medium-Druckens sehr wichtig, daß jeder der in dem Burst von Pulsen ausgestoßene Tropfen dasselbe Tropfenvolumen aufweist. Der wichtigste Faktor beim Erhalten dieses gleichen Tropfenvolumens für jeden der Tropfen ist das schnelle Tintenwiederauffüllen der Ausstoßkammer und sind minimale Variationen der Tintenwiederauffüllgeschwindigkeit für die verschiedenen Tintenausstoßkammern 94 in bezug auf die Kammern untereinander. Dieses schnelle Wiederauffüllen mit minimalen Variationen kann am besten dadurch bewerkstelligt werden, daß eine gerade Linie von Tintenausstoßelementen/Düsen ohne Staffelung vorliegt. Ferner ist es nicht notwendig, das Substrat zu drehen, wie oben erläutert wurde, da der Staffelungsfehler aufgrund der raschen Zykluszeit durch die Adreßleitungen sehr klein ist. Diese hohe Abfeuerungsfrequenz ermöglicht ferner, daß die Plazierung mehrerer Tropfen auf einem Pixel und eine Einstellung der Ausstoßzeit Punktplazierungsfehler korrigiert. Weitere Einzelheiten finden sich in der US-Patentanmeldung Seriennummer 08/796,835 mit dem Titel „Fractional Dot Column Correction for Scan Axis Alignment During Printing", die am 6. Februar 1997 eingereicht wurde und durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen ist.
Unter Bezugnahme auf das elektrische Diagramm der 11 umfassen die Verbindungen zum Steuern der Druckkopfanordnung-Treiberschaltungsanordnung separate Adreßauswähl-, Grundelementauswähl- und Grundelement-Gemeinsam-Verbindungen. Die Treiberschaltungsanordnung dieses bestimmten Ausführungsbeispiels weist ein Array von 24 Grundelementleitungen, 24 Grundelement-Gemeinsam-Leitungen und acht Adreßauswählleitungen zum Steuern von 192 Tintenausstoßelementen auf. Die Tintenausstoßelemente 96 sind als vierundzwanzig Grundelemente (siehe 9) und acht Adreßleitungen organisiert. Ein Spezifizieren einer Adreßleitung und einer Grundelementleitung identifiziert eindeutig eine bestimmte Tintenausstoßkammer 94 und ein Tintenausstoßelement 96 der 192 Möglichen. In 11 sind alle acht Adreß leitungen, jedoch lediglich sechs (PS1–PS6) der 24 Grundelementauswählleitungen gezeigt. Die Anzahl von Düsen in einem Grundelement ist gleich der Anzahl von Adreßleitungen, oder, in diesem bestimmten Ausführungsbeispiel, acht. Es könnte auch jegliche andere Kombination von Adreßleitungen und Grundelementauswählleitungen verwendet werden, es ist jedoch wichtig, die Anzahl von Adreßleitungen zu minimieren, um die Zeit zu minimieren, die erforderlich ist, um die Adreßleitungen zyklisch zu durchlaufen. Ein weiteres Ausführungsbeispiel verwendet ein Array von 11 Adreßauswählleitungen, 28 Grundelementleitungen und 28 Grundelement-Gemeinsam-Leitungen, um 308 Tintenausstoßelemente zu steuern.
Jedes Tintenausstoßelement 96 wird durch seinen eigenen FET-Treibertransistor gesteuert, der seine Steuerungseingangsadreßauswahl (A1–A8) mit dreiundzwanzig anderen Tintenausstoßelementen teilt. Jedes Tintenausstoßelement ist durch eine Gemeinsam-Knoten-Grundelement-Auswahl (PS1–PS24) mit anderen Tintenausstoßelementen verknüpft. Folglich erfordert ein Abfeuern eines bestimmten Tintenausstoßelements ein Anlegen einer Steuerspannung an seinem Adreßauswählanschluß und einer elektrischen Leistungsquelle an seinem Grundelementauswählanschluß. Zu einem Zeitpunkt wird lediglich eine Adreßauswählleitung aktiviert. Dies gewährleistet, daß die Grundelementauswähl- und Gruppenwiedergabeleitungen zu einem Zeitpunkt an höchstens ein Tintenausstoßelement Strom liefern. Andernfalls wäre die einem Heizvorrichtungstintenausstoßelement zugeführte Energie eine Funktion der Anzahl von Tintenausstoßelementen 96, die zur selben Zeit mit Energie versorgt werden.
12 ist ein schematisches Diagramm eines einzelnen Tintenausstoßelements und seines FET-Treibertransistors. Wie gezeigt ist, enthalten Adreßauswähl- und Grundelementauswählleitungen ferner Transistoren zum Ableiten einer unerwünschten elektrostatischen Entladung und einen Pull-Down- Widerstand zum Plazieren aller nicht ausgewählten Adressen in einem Aus-Zustand.
Die Adreßauswählleitungen werden über eine Druckkopfanordnungsschnittstellenschaltungsanordnung gemäß einer Abfeuerungsreihenfolge-Zählvorrichtung, die in dem Drucker angeordnet ist, sequentiell eingeschaltet und (unabhängig von den Daten, die lenken, welches Tintenausstoßelement mit Energie versorgt werden soll) von A1 nach A8 sequenziert, wenn von links nach rechts gedruckt wird, und von A8 nach A1 sequenziert, wenn von rechts nach links gedruckt wird. Die aus dem Druckerspeicher wiedergewonnenen Druckdaten schalten jegliche Kombination der Grundelementauswählleitungen ein. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden zum Steuern der Pulsbreite Grundelementauswählleitungen (statt Adreßauswählleitungen) verwendet. Ein Sperren von Adreßauswählleitungen, während die Treibertransistoren einen Hochstrom führen, kann einen Lawinendurchschlag und einen daraus folgenden physischen Schaden bei MOS-Transistoren bewirken. Demgemäß werden die Adreßauswählleitungen „eingestellt", bevor an die Grundelementauswählleitungen eine Leistung angelegt wird, und umgekehrt wird die Leistung abgeschaltet, bevor die Adreßauswählleitungen gewechselt werden, wie in 13 gezeigt ist.
Ansprechend auf Druckbefehle von dem Drucker wird jedes Grundelement selektiv mit Energie versorgt, indem die zugeordnete Grundelementauswählverbindung mit Leistung versorgt wird. Um pro Heizvorrichtungstintenausstoßelement eine gleichmäßige Energie bereitzustellen, wird zu einem Zeitpunkt immer nur ein Tintenausstoßelement pro Grundelement mit Energie versorgt. Jedoch kann eine beliebige Anzahl der Grundelementauswahlen gleichzeitig freigegeben werden. Jede freigegebene Grundelementauswahl liefert somit Leistung und eines der Freigabesignale an den Treibertransistor. Das andere Freigabesignal ist ein Adreßsignal, das durch jede Adreßauswählleitung bereitgestellt wird, von denen zu einem Zeitpunkt immer nur eine aktiv ist. Jede Adreßauswähllei tung ist mit allen der Schalttransistoren verknüpft, so daß alle derartigen Schaltbauelemente leitfähig sind, wenn die Verbindung freigegeben ist. Dort, wo eine Grundelementauswählverbindung und eine Adreßauswählleitung für ein Heizvorrichtungstintenausstoßelement beide gleichzeitig aktiv sind, wird dieses bestimmte Heizvorrichtungstintenausstoßelement mit Energie versorgt. Somit erfordert ein Abfeuern eines bestimmten Tintenausstoßelements ein Anlegen einer Steuerspannung an seinen Adreßauswählanschluß und einer elektrischen Leistungsquelle an seinen Grundelementauswählanschluß. Zu einem Zeitpunkt ist immer nur eine Adreßauswählleitung freigegeben. Dies gewährleistet, daß die Grundelementauswähl- und Gruppenwiedergabeleitungen zu einem Zeitpunkt höchstens an ein Tintenausstoßelement Strom liefern. Andernfalls wäre die an ein Heizvorrichtungstintenausstoßelement gelieferte Energie eine Funktion der Anzahl von Tintenausstoßelementen 96, die zur selben Zeit mit Energie versorgt werden.
Die Fähigkeit, mehrere einzelne Tintentropfen bei einer hohen Frequenz auszustoßen, wird durch folgendes bestimmt:
(1) die minimale Zeit zum Sequenzieren durch Adreßleitungen, (2) Ausstoßkammer-Wiederauffüllzeit, (3) Tropfenstabilität und (4) maximale Datenübertragungsraten zwischen dem Drucker und der Druckkassette. Ein Entwurf des Druckkopfes mit einer geringen Anzahl von Adreßleitungen ist ein Schlüssel zu einem Tintenausstoß bei hoher Geschwindigkeit, indem die Zeit, die benötigt wird, um die Sequenz durch Adreßleitungen abzuschließen, verringert wird. Da in jedem Grundelement weniger Düsen vorhanden sind als bei früheren Druckkopfentwürfen, kann die Ausstoßfrequenz einer einzelnen Düse viel höher sein. Wie oben erläutert wurde, kann die Breite eines Bandes ferner prögrammiert sein, weniger Düsen zu verwenden und noch höhere Ausstoßraten zu ermöglichen.
Einem Mehrtropfen-Drucken sind zwei Frequenzen zugeordnet. Sie sind als Grundfrequenz (F) und als Burstfrequenz (f) definiert. Die Grundfrequenz wird durch die Bewegungswagengeschwindigkeit in Zoll pro Sekunde, multipliziert mit der Auflösung oder Pixelgröße in Punkten pro Zoll festgestellt. Die Grundfrequenz ist die Ausstoßfrequenz, die erforderlich ist, um bei der Bewegungswagengeschwindigkeit einen Tropfen pro Pixel auszustoßen. Die Grundperiode für ein Pixel ist gleich 1/F. Bei einem Drucken mit einer Wagengeschwindigkeit von 20 Zoll/Sek. und einer Auflösung von 600 Punkten pro Zoll (dpi) gilt beispielsweise: Grundfrequenz = F = (20 Zoll/Sek.) × 600 dpi = 12.000 Punkte/Sek. = 12 kHz Grundperiode = 1/F = 1/12.000 = 83,33 Mikrosekunden
Die Burstfrequenz f ist immer gleich der Grundfrequenz F oder größer als dieselbe. Die Burstfrequenz bezieht sich auf die maximale Anzahl von Tropfen, die bei einem einzigen Durchlauf des Bewegungswagens auf ein beliebiges einzelnes Pixel aufgebracht werden sollen. Die maximale Anzahl von Tropfen, die bei einem Durchlauf auf ein Pixel aufgebracht werden können (siehe nachfolgende Erläuterung von Unterspalten) ist gleich der Anzahl von Adreßleitungen. Somit ist die Burstfrequenz gleich der Grundfrequenz multipliziert mit der maximalen Anzahl von Tropfen, die bei einem einzigen Durchlauf in einem gegebenen Pixel plaziert werden sollen. Somit müßte die Burstfrequenz für die Grundfrequenz von 12 kHz bei dem obigen Beispiel, falls 4 Tropfen in einem Pixel plaziert werden sollen, ungefähr 48 kHz betragen, und für 8 Tropfen müßte sie ungefähr 96 kHz betragen. Falls die Frequenz von 96 kHz zu hoch ist, als daß die Tintenausstoßkammer bei derselben arbeiten könnte, könnte die Wagengeschwindigkeit auf 10 Zoll pro Sekunde verringert werden, was die Grundfrequenz auf 6 kHz und die Burstfrequenz für 8 Tropfen auf 48 kHz verringert. Die ungefähre maximale Burstfrequenz wird aus der folgenden Gleichung ermittelt:
Mit abnehmender Anzahl von Adreßleitungen und abnehmender Ausstoßpulsbreite nimmt die maximale Frequenz zu. Eine minimale Burstfrequenz von 50 kHz ist garantiert, wenn acht Adreßleitungen und Ausstoßpulsbreiten von weniger als 2,125 Mikrosekunden vorliegen.
14 zeigt die Abfeuerungssequenz, wenn sich der Druckwagen von links nach rechts bewegt. Die Abfeuerungssequenz ist umgekehrt, wenn sich der Druckwagen von rechts nach links bewegt. Eine Grundperiode ist die Gesamtzeit, die erforderlich ist, um alle Adreßleitungen zu aktivieren und sich darauf vorzubereiten, den Prozeß zu wiederholen. Jede Adreßperiode erfordert eine Pulsbreitenzeit und eine Verzögerungszeit, die Zeit zum Vorbereiten auf einen Empfang der Daten sowie eine variable Verzögerungszeit, die an den Datenstrom angelegt wird, umfassen kann. Das Ergebnis der Anzahl von Adreßleitungen mal der Pulsbreite plus Verzögerungszeit nimmt im allgemeinen einen Großteil der gesamten zur Verfügung stehenden Grundperiode ein. Etwaige übrige Zeit wird als die Adreßperiodenspanne bezeichnet.
Unter Bezugnahme auf 14 und 15 wird die Grundperiode (1/F) durch die Bewegungsgeschwindigkeit des Wagens und die Grundauflösung oder Pixel pro Zoll bestimmt. Die Anzahl von Unterspalten bzw. Teilpixeln pro Pixel wird durch die Gesamtanzahl von auf das Pixel ausgestoßenen Tropfen definiert. Beispielsweise bedeutet eine Wagenbewegungsgeschwindigkeit von 20 Zoll/Sekunde, daß für alle 600 dpi Pixel die Basisperiode, 1/F, (1/20 Zoll/Sek.) × (1/600 Punkte/Zoll) = 83,33 Mikrosekunden ist. Falls 4 Unterspalten bzw. Teilpixel für jede 600 dpi Pixel (d. h. die Anzahl von Tropfen pro 600 dpi Pixel) vorliegen, sind insgesamt (83,33 Mikrosekunden)/(4 Ausstoßperioden) = 20,83 Mikrosekunden für jede Burstperiode verfügbar. Wenn man diese Zeit durch die An zahl von Adreßleitungen teilt, (20,83 Mikrosekunden)/(8 Adreßleitungen) = 2,60 Sekunden/Adreßleitung, so ergibt dies die für jede der Adreßleitungen verfügbare maximale Zeit. Die Gesamtheit der Pulsbreite und Verzögerungszeiten muß geringer sein als diese Zeitperiode. Die in 14 gezeigte Adreßperiodenspanne soll verhindern, daß Adreßauswählzyklen einander überlappen, indem ein gewisses Maß an Wagengeschwindigkeitsinstabilität berücksichtigt wird. Die Adreßperiodenspanne ist auf einen akzeptablen Minimalwert eingestellt.
Unter Bezugnahme auf 15 sind die Unterspalten für vier Tropfen pro Spalte oder Pixel und 8 Tropfen/Spalte gezeigt, die virtuellen Auflösungen von 2400 bzw. 4800 dpi oder Burstfrequenzen von 48 bzw. 96 kHz für eine Wagengeschwindigkeit von 20 Zoll pro Sekunde entsprechen. Für 4 Tropfen/Spalte und 8 Tropfen/Spalte werden die 8 Adreßleitungen jeweils 4 mal durchlaufen. Andere Anzahlen von Unterspalten bzw. Teilpixeln und die entsprechenden virtuellen Auflösungen sind ebenfalls möglich, beispielsweise: 1 Tropfen/Spalte (600 dpi), 2 Tropfen/Spalte (1200 dpi), 3 Tropfen/Spalte (1800 dpi), 5 Tropfen/Spalte (3000 dpi), 6 Tropfen/Spalte (3600 dpi) und 7 Tropfen/Spalte (4200 dpi), wobei sich eine Spalte auf ein 600-dpi-Pixel bezieht. Die virtuellen Auflösungen von 1200, 1800, 2400, 3000, 3600, 4200 und 4800 dpi entsprechen für eine Grundfrequenz von 12 kHz Burstfrequenzen von 24, 36, 48, 60, 72, 84 bzw. 96 kHz. Falls die Wagenbewegungsgeschwindigkeit verringert wird, verringern sich auch die Grundfrequenz und die Burstfrequenz entsprechend. Somit wird die virtuelle Auflösung des Druckers durch die Anzahl von Tropfen bestimmt, die in jedem 600-dpi-Pixel in einem physischen Raum oder innerhalb der Grundzeitperiode (1/F) im zeitlichen Raum ausgestoßen werden.
Bei früheren Druckköpfen ist eine ganze Datenspalte in einer Druckerlogik angeordnet, und der Drucker selbst steuert die Sequenz des Abfeuerns der Druckkopfadreß- und Grundele mentleitungen, die wie oben beschrieben demultiplexiert wurden. Bei dem vorliegenden Druckkopf, der eine integrierte Logik auf dem Druckkopf aufweist, werden Daten an den Druckkopf übertragen, und der Druckkopf decodiert diese Daten zu einer Adreß- und Grundelementausstoßsteuerung. Für jede Unterspalte müssen Daten für alle 8 Adreßleitungen sequentiell an den Druckkopf gesandt werden. In der Zeitdomäne ist dies eine Ausstoßperiode, wie sie in 14 gezeigt ist. In der Domäne der physischen Position wird dies als _ eine Unterspalte, wie sie in 15 gezeigt ist, bezeichnet. Die Bandgeschwindigkeit des Druckkopfes über das Medium wird durch die Anzahl von Tintentropfen, die auf jedes Pixel aufgebracht werden sollen, bestimmt.
16 zeigt die große Verbesserung der Druckqualität aufgrund des neuartigen Druckkopfentwurfs der vorliegenden Erfindung, der ein Düsenbauglied mit verringerter Dicke verwendet. Wie in 17 gezeigt ist, erzeugt der Druckkopfentwurf der vorliegenden Erfindung ein nahezu konstantes Tropfenvolumen für jedes der Hochfrequenz-Bursts, im Gegensatz zu früheren Bemühungen, eine sinnvolle Mehrtropfen-Architektur zu entwickeln, bei der der erste Tropfen der größte Tropfen war und nachfolgende Tropfen kleiner wurden. Da das kumulative Tropfenvolumen linear mit dem Burstzählwert zunimmt, können Hochfrequenz-Bursts das kumulative Tropfenvolumen auf dem Medium modulieren, indem die Anzahl von Tropfen, die auf jegliches Pixel plaziert werden sollen, ausgewählt wird.
Frühere Verfahren wie beispielsweise ein Mehrfachdurchlauf-Drucken bringen mehr als einen Tropfen von einem gegebenen Druckkopf auf ein Pixel auf, diese Tropfen werden jedoch in getrennten Durchlaufen auf dem Pixel plaziert. Die Nachteile dieses Lösungsansatzes sind folgende: (1) der Durchsatz wird beeinträchtigt, da für jeden Tropfen, der von einem gegebenen Druckkopf auf ein Pixel plaziert wird, ein separater Durchlauf erforderlich ist, (2) in Bereichen eines Druckens hoher Dichte werden bei jedem Durchlauf Tropfen in jedes Pixel gegeben, was zu einem Zerfließen von Punkten führt, was die Bildqualität verschlechtert, und (3) er ist eine ineffiziente Art und Weise, Weißraum in den Mitteltonregionen der Tonskala abzudecken, wo zum Auffüllen von Weißraum leichte Tropfenplazierungsvariationen erforderlich sind. Dies ist schwierig, wenn in separaten Durchläufen mehrere Tropfen auf einem Pixel plaziert werden, da die durch jeden Durchlauf gebildeten Punkte aufeinander landen können.
Die Druckkopfarchitektur der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Verwendung eines Mehrtropfen-Verschmelzen-Auf-Medium-Druckens. Die Fähigkeit, eine gute Tonskala zu erzielen, ist für ein Erzielen einer photographischen Bildqualität wesentlich. In der Helligkeitsregion der Tonskala sind fast unsichtbare Punkte und ein Fehlen von Körnigkeit erforderlich. Bereiche einer vollständigen Ausfüllung erfordern größere sichtbare Punkte mit gesättigten Farben, einer hohen optischen Dichte und keinem Weißraum.
Beim Mehrtropfen-Drucken verschmelzen einzelne Tropfen auf dem Medium, um einen zusammengesetzten Tropfen der einzelnen Tropfen zu bilden. Dieses Druckverfahren ist eine effiziente Art und Weise, qualitativ hochwertige Bilder bei einem hohen Durchsatz zu erzeugen. Helligkeitsregionen werden durch Verwenden von jeweils einem einzigen Tropfen zum Bilden eines Punktes gebildet. Einzelne Tropfen sind fast unsichtbar und können verwendet, um helle Punkte mit einer niedrigen Körnigkeit zu bilden. Mit zunehmender Dichte des Bildes werden Mehrtropfen-Punkte gebildet, wobei zwei oder mehr Tropfen auf dem Medium verschmelzen. Durch ein Ermöglichen, daß Tropfen bei einem gegebenen Durchlauf auf einem Medium miteinander verschmelzen, wird Weißraum effizienter abgedeckt als bei vorherigen Lösungsansätzen. 18 zeigt den Unterschied beim Aufbauen einer Punktabdeckung durch ein Ablegen mehrerer Tropfen in einem Durchlauf und einem Mehrdurchlauf-Drucken, bei dem die Tropfen in separaten Durchläufen abgelegt werden.
Beim Mehrtropfen-Drucken wird ein Burst von Tropfen mit hoher Frequenz aus einem Druckkopf ausgestoßen. Diese Tropfen verschmelzen auf dem Medium, um einen größeren kumulativen Tropfen oder Punkt zu bilden. Die Größe eines Punktes wird durch die Anzahl von Tropfen, die in dem Burst aufgebracht werden, und durch Wechselwirkungen von Tinte und Medium bestimmt. 19 zeigt ein Beispiel des Volumens, der Größe und Gestalt des zusammengesetzten Tropfens auf dem Medium bei einem Mehrtropfen- und einem Einzeltropfen-Mehrfachdurchlauf-Drucken. Dieses Beispiel verwendete von einem bis vier Tropfen auf einem Pixel und verwendete denselben Druckkopf und dasselbe Medium, wobei lediglich der Druckmodus und die Abfeuerungsfrequenz verändert wurden. Wie in 20 zu sehen ist, wird bei einem Mehrtropfen-Drucken im Gegensatz zu einem Mehrdurchlauf-Drucken ein viel effizienteres Punktwachstum auf dem Medium erreicht. 21 zeigt ein weiteres Beispiel des Volumens, der Größe und Gestalt des zusammengesetzten Tropfens oder von Mehrtropfen-Punkten, die durch ein bis acht einzelne Tropfen, die unter Verwendung von 5,5 Pikoliter einzelner Tropfen verschmelzen, gebildet werden. 22 zeigt das Punktgrößenwachstum von einem bis acht Tropfen für zwei verschiedene Tintensysteme. Die durchgezogene obere Linie bezieht sich auf eine farbstoffbasierte Tinte mit einem Einzeltropfenvolumen von 5,5 Pikolitern. Die untere, gestrichelte Linie bezieht sich auf eine pigmentbasierte Tinte mit einem Einzeltropfenvolumen von 3,0 Pikolitern. Das wesentliche Erfordernis beim Mehrtropfen-Drucken ist eine hohe Tintenausstoßfrequenz. Helligkeitsregionen der Tonskala werden durch Verwenden eines einzelnen Tropfens zum Bilden eines Punktes gebildet. Mit zunehmender Dichte des Bildes werden Mehrtropfen-Punkte verwendet, wobei zwei oder mehr Tropfen auf dem Medium verschmelzen.
Das bei jedem Durchlauf verwendete spezifische Teiltinteneinfärbungsmuster, und die Art und Weise, auf die sich diese verschiedenen Muster ergänzen, um ein einziges vollstän dig mit Tinte eingefärbtes Bild zu ergeben, ist als „Druckmodus" bekannt. Das Konzept von Druckmodi ist eine nützliche und hinreichend bekannte Technik, in jedem Durchlauf des Druckkopfes lediglich einen Bruchteil der gesamten Tinte, die in jedem Abschnitt des Bildes erforderlich ist, abzulegen, so daß jegliche Bereiche, die bei einzelnen Durchläufen jeweils weiß belassen werden, durch einen oder mehrere spätere Durchläufe gefüllt werden. Dies neigt dazu, ein Zerfließen, Blockieren und ein Welligwerden einzudämmen, indem die Menge an Flüssigkeit, die sich zu jeglichem gegebenen Zeitpunkt auf der Seite befindet, verringert wird. Druckmodi erlauben einen Kompromiß zwischen Geschwindigkeit und Bildqualität. Beispielsweise liefert der Entwurfsmodus eines Druckers dem Benutzer so schnell wie möglich einen lesbaren Text. Eine Präsentation, auch als bester Modus bekannt, ist langsam, erzeugt jedoch die höchste Bildqualität. Ein normaler Modus ist ein Kompromiß zwischen Entwurfs- und Präsentationsmodi. Druckmodi ermöglichen dem Benutzer, zwischen diesen Kompromissen zu wählen. Ferner ermöglichen sie dem Drucker, während des Druckens mehrere Faktoren, die die Bildqualität beeinflussen, zu steuern, einschließlich: 1) der Menge an Tinte, die pro Punktstelle auf dem Medium plaziert wird, 2) der Geschwindigkeit, mit der die Tinte plaziert wird und 3) der Anzahl an Durchläufen, die erforderlich sind, um das Bild zu vervollständigen. Eine Bereitstellung verschiedener Druckmodi, um ein Plazieren von Tintentropfen in mehreren Bändern zu ermöglichen, kann dazu beitragen, Düsendefekte zu vertuschen. Verschiedene Druckmodi werden auch abhängig von dem Medientyp eingesetzt.
Für einen erhöhten Durchsatz auf einfachem Papier wird ein Einfachdurchlauf-Modus-Betrieb verendet. Bei einem Einfachdurchlaufmodus werden alle Punkte, die auf eine gegebene Reihe von Punkten abzuschießen sind, in einem Band des Druckkopfes auf dem Medium plaziert, wonach das Druckmedium in die richtige Position für das nächste Band vorgeschoben wird.
Ein Zweifachdurchlauf-Druckmodus ist ein Druckmuster, bei dem eine Hälfte der Punkte, die für eine gegebenen Reihe an verfügbaren Punkten pro Band zur Verfügung stehen, bei jedem Durchlauf des Druckkopfes gedruckt wird, so daß zwei Durchläufe benötigt werden, um den Druck für eine gegebene Reihe abzuschließen. In der Regel druckt jeder Durchlauf eine Hälfte der Punkte auf dem Bandbereich. Dementsprechend ist ein Vierfachdurchlaufmodus ein Druckmuster, bei dem ein Viertel der Punkte für eine gegebene Reihe bei jedem Durchlauf des Druckkopfes gedruckt wird, und ein Achtfachdurchlaufmodus ist ein Druckmuster, bei dem ein Achtel der Punkte für eine gegebene Reihe bei jedem Durchlauf des Druckkopfes gedruckt wird. Ein Mehrfachdurchlauf-Thermotintenstrahldrucken ist beispielsweise in den folgenden gemeinschaftlich übertragenen Schriften beschrieben: US-Patentschrift Nrn. 4,963,882 mit dem Titel „Printing of Pixel Locations by an Ink Jet Printer Using Multiple Nozzles for Each Pixel or Pixel Row"; 4,965,593 mit dem Titel „Print Quality of Dot Printers"; und 5,555,006 mit dem Titel „Inkjet Printing: Mask-rotation-only at Page Extremes; Multipass Modes for Quality and Throughput on Plastic Media" und US-Patentanmeldungen Seriennr. 08/810,747, eingereicht am 4. März 1997, mit dem Titel „Bidirectional Color Printmodes with Semistaggared Swaths to Minimize Hue Shift and Other Artifacts;" Seriennr. 08/814,949, eingereicht am 10. März 1997, mit dem Titel "Random Printmasks in a Multilevel Inkjet Printer;" Seriennr. 08/811,875, eingereicht am 4. März 1997, mit dem Titel „Bi-directional Color Printing Using Multipass Printmodes with Swath-aligned Inkjet Printheads;" Seriennr. 08/811,788, eingereicht am 4. März 1997, mit dem Titel "High Resolution Inkjet Printing Using Color Drop Placement on Every Pixel Row During a Single Pass" und Seriennr. 08/810,467, eingereicht am 4. März 1997, mit dem Titel "Dynamic Multi-pass Print Mode Corrections to Compensate for Malfunctioning Inkjet Nozzles". Die vorstehenden gemeinschaftlich übertragenen US- Patentschriften und US-Patentanmeldungen sind hiermit durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen.
Das beim Drucken jedes Düsenabschnitts verwendete Muster ist als die „Druckmodenmaske" oder „Druckmaske" oder manchmal lediglich als „Maske" bekannt. Der Begriff „Druckmodus" ist allgemeiner und umfaßt in der Regel eine Beschreibung einer Maske oder mehrerer Masken, die bei einer wiederholten Sequenz verwendet wird bzw. werden, die Anzahl von Durchläufen, die erforderlich sind, um eine „vollständige Dichte" zu erreichen, und ferner die Anzahl von Tropfen pro Pixel, die definieren, was mit vollständiger Dichte gemeint ist.
Eine Druckmaske ist ein binäres Muster, das genau bestimmt, welche Tintentropfen bei einem gegebenen Durchlauf gedruckt werden, oder anders ausgedrückt, welche Durchläufe verwendet werden, um jedes Pixel zu drucken. Bei einem Druckmodus einer bestimmten Anzahl von Durchläufen sollte jeder Durchlauf von allen zu druckenden Tintentropfen einen Bruchteil drucken, der zu der Anzahl von Durchläufen ungefähr reziprok ist. Somit definiert die Druckmaske sowohl den Durchlauf als auch die Düse, der bzw. die verwendet wird, um jede Pixelstelle, d. h. jede Reihennummer und Spaltennummer, auf dem Medium zu drucken. Die Druckmaske kann verwendet werden, um die verwendeten Düsen, beispielsweise zwischen Durchläufen, auf eine solche Weise zu „mischen", daß unerwünschte sichtbare Druckartefakte reduziert werden.
Das Hybrid-Mehrtropfen-/Mehrfachdurchlauf-Drucken der vorliegenden Erfindung kombiniert die besten Merkmale des Mehrtropfen-Verschmelzens auf einem Medium und des Mehrdurchlauf-Druckerrs. Helligkeits- und helle Mittelton-Regionen werden genauso wie beim herkömmlichen Mehrtropfen-Drucken gedruckt (ein Mehrtropfen-Punkt von einem gegebenen Druckkopf wird lediglich einmal in jedes Pixel energiemäßig übertragen). Gesättigte Bereiche und dunklere Mitteltöne werden durch Drucken eines zweiten Mehrtropfen-Punktes von einem gegebenen Druckkopf auf einem Pixel in einem anderen Durchlauf gebildet.
23 zeigt, wie sich die optische Dichte und der Prozentsatz an Weißraum, der mit Punkten gefüllt ist, ändert, während ein bis vier einzelne Mehrtropfen-Tropfen in jedem von zwei Durchläufen aufgebracht werden. Insgesamt sind acht Tropfen pro Pixel erforderlich, um eine hohe optische Dichte zu ergeben. Der gesamte Weißraum wird mit den ersten vier Tropfen, die im ersten Durchlauf aufgebracht werden, ausgefüllt.
Ein Vergleich des Mehrtropfen-Druckens gegenüber dem Hybrid-Mehrtropfen-/Mehrfachdurchlauf-Drucken für ein Acht-Pegel-Drucken mit zwei Durchläufen ist unten in der Tabelle IV gezeigt:
TABELLE IV
Wie oben beschrieben wurde, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Dateneingabe durch einen Drucker empfangen. Punktdaten, die die Position von Punkten auf einem Druckmedium angeben, werden aus der Dateneingabe erzeugt. Es werden Pulse an den Druckkopf geliefert, die dazu führen, daß Tinte durch Düsen, die sich auf dem Druckkopf befinden, ausgestoßen wird. Die zum Erzeugen der Punkte verwendeten Pulse werden aus einer Serie von Abfeuerungspulsen ausgewählt. Die Abfeuerungspulse in der Serie von Abfeuerungs pulsen wiederholen sich bei einer Frequenz, die höher ist als die Pixelfrequenz. Ein Auswählen der Anzahl unterschiedlicher Abfeuerungspulse, die verwendet werden sollen, bestimmt die Anzahl von Tropfen, die in einem Pixel auf dem Druckmedium plaziert werden sollen.
Während die vorliegende Erfindung eines Hybrid-Mehrtropfen/Mehrfachdurchlauf-Druckmodus nachstehend bezüglich eines Hybrid-Mehrtropfen-/Mehrfachdurchlauf-Druckmodus mit acht Pegeln und vier Durchläufen näher veranschaulicht wird, werden Fachleute erkennen, daß die Erfindung auf eine beliebige Anzahl von Durchläufen und andere Pegel, d. h. Anzahl von Mehrfachverschmelzens-Auf-Medien-Tropfen pro Pixel, anwendbar ist.
Die nachstehende Tabelle V zeigt eine Pegeltabelle, die verwendet wird, um einen Hybrid-Mehrtropfen/Mehrfachdurchlauf-Druckmodus mit acht Pegeln und vier Durchläufen zu implementieren. Die Tabelle V definiert, wie Tintentropfenebenen auf einer Pro-Durchlauf-Basis gedruckt werden. Gruppen A–D sind vier Pixelgruppen, die Positionen in einer 8-mal-8-Druckmaske entsprechen. Allgemein ist eine Gruppe für jeden Durchlauf definiert, und jede Gruppe weist einen definierten Pegelwert für jeden Durchlauf auf. Die Spaltenüberschriften P1 bis P4 stellen jeden der Durchläufe in einem Veerfachdurchlauf-Druckmodus dar. Bei diesem bestimmten Beispiel werden 1 bis 4 Tropfen von einem gegebenen Druckkopf bei einem jeweiligen Durchlauf in einem Pixel plaziert, und weitere 1 bis 4 Tropfen werden bei einem anderen Durchlauf in demselben Pixel plaziert.
TABELLE V
In der nachstehenden Tabelle VI ist eine entsprechende 8-mal-8-Raumverteilungsmatrix gezeigt. Diese Matrix weist lediglich so viele Gruppen auf, wie es Durchläufe gibt.
TABELLE VI
Das Hybrid-Mehrtropfen- und Mehrfachdurchlauf-Drucken der vorliegenden Erfindung kombiniert die besten Aspekte des Mehrtropfen-Versehmelzen-Auf-Medium-Druckens und Mehrdurchlauf-Druckens. Beim Mehrtropfen-Drucken verschmelzen einzelne Tropfen auf dem Medium, um einen zusammengesetzten Tropfen der einzelnen Tropfen zu bilden. Dieses Druckverfahren ist eine effiziente Art und Weise, Bilder von hoher Qualität zu erzeugen. Helligkeitsregionen werden gebildet, indem jeweils nur einzelne Tropfen zum Bilden eines Punktes verwendet werden. Einzelne Tropfen sind nahezu unsichtbar und können verwendet werden, um helle Punkte mit einer geringen Körnigkeit zu erzeugen. Mit zunehmender Dichte des Bildes werden Mehrtropfen-Punkte gebildet, wobei zwei oder mehr Tropfen auf dem Medium verschmelzen. Dadurch, daß ermöglicht wird, daß Tropfen bei einem gegebenen Durchlauf einem Medium miteinander verschmelzen, wird Weißraum effizienter bedeckt als bei früheren Lösungsansätzen. Bei dem Hybrid-Mehrtropfen- und Mehrfachdurchlauf-Drucken der vorliegenden Erfindung werden die Vorteile eines Mehrtropfen-Verschmelzen-Auf-Medium-Druckens beibehalten, während die optische Dichte erhöht wird, ohne daß sich ein Durchsatzverlust ergibt und wobei ein Drucken bei einer verringerten Tintenausstoßfrequenz ermöglicht wird. Zusätzlich können mehrere Durchläufe für ein Fehlervertuschen und außerdem zum Verbessern der Wechselwirkung zwischen Tinte und Medium verwendet werden.

Claims

Ein Verfahren zum Drucken auf eine Medienoberfläche, das folgende Schritte aufweist: Anbringen eines Arrays von Tintenausstoßelementen (96) für einen einzigen Druckkopf (79) in einem Wagen (16), wobei das Array von Tintenausstoßelementen (96) eine Bandbreite definiert; anfängliches Entlangführen des Wagens (16) entlang einer zu einer Medienvorschubrichtung senkrechten Wagenbewegungsachse, so daß ein Weg des Arrays von Tintenausstoßelementen (96) einen Bandbereich auf der Medienoberfläche definiert; anfängliches Versorgen der Tintenausstoßelemente (96) mit Energie während des Schrittes des anfänglichen Entlangführens, wodurch bewirkt wird, daß eine vorbestimmte Anzahl von anfänglichen Tintentröpfchen an einer vorbestimmten einzelnen Pixelstelle auf dem Medium auf die Medienoberfläche ausgestoßen wird; nachfolgendes Führen des Wagens (16) entlang der Wagenbewegungsachse; nachfolgendes Versorgen der Tintenausstoßelemente (96) mit Energie während des Schrittes des nachfolgenden Entlangführens, wodurch bewirkt wird, daß eine vorbestimmte Anzahl nachfolgender" Tintentröpfchen an der vorbestimmten einzelnen Pixelstelle auf dem Medium auf die Medienoberfläche ausgestoßen wird; Beibehalten der Anzahl von anfänglichen und nachfolgenden ausgestoßenen Tintentröpfchen als im wesentli chen separate Tröpfchen, bis die Tintentröpfchen auf ein Auftreffen auf dem Medium hin miteinander verschmelzen.
Ein Verfahren zum Drucken, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Bewegungswagens (16), der eine vorbestimmte Geschwindigkeit und eine vorbestimmte Pixelauflösung aufweist, wobei die Geschwindigkeit und die Pixelauflösung eine Tintenausstoßgrundfrequenz definieren; Anbringen eines Arrays von Tintenausstoßelementen (96) für eine einzelne Farbe in dem Bewegungswagen (16) zum Ausstoßen von Tintentröpfchen; anfängliches Führen der Tintenausstoßelemente (96) über eine Medienoberfläche durch ein Bewegen des Wagens (16) entlang einer Wagenbewegungsachse, während die Tintenausstoßelemente (96) bei einer Burstfrequenz, die gleich der oder größer als die Grundfrequenz ist, mit Energie versorgt werden, wodurch bewirkt wird, daß eine vorbestimmte Anzahl von anfänglichen Tintentröpfchen bei der Burstfrequenz an einer vorbestimmten einzelnen Pixelstelle von den Tintenausstoßelementen (96) auf die Medienoberfläche ausgestoßen wird; nachfolgendes Führen der Tintenausstoßelemente (96) über die Medienoberfläche durch ein Bewegen des Wagens (16) entlang der Wagenbewegungsachse, während die Tintenausstoßelemente (96) bei der Burstfrequenz mit Energie versorgt werden, um zu bewirken, daß eine vorbestimmte Anzahl von nachfolgenden Tintentröpfchen bei der Burstfrequenz an der vorbestimmten einzelnen Pixelstelle von den Tintenausstoßelementen (96) auf die Medienoberfläche ausgestoßen wird; und Beibehalten der vorbestimmten Anzahl von anfänglichen und nachfolgenden Tintentröpfchen, die bei dem Schritt des anfänglichen Führens und bei dem Schritt des nachfolgenden Führens ausgestoßen werden, als im wesentlichen separate Tröpfchen, bis die Tintentröpfchen auf ein Auftreffen auf dem Medium hin miteinander verschmelzen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schritte des anfänglichen und des nachfolgenden Führens insgesamt zwei bis vier Führungsdurchgänge umfassen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schritte des anfänglichen und des nachfolgenden Führens insgesamt vier bis acht Führungsdurchgänge umfassen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Medium vor dem Schritt des nachfolgenden Führens in der Medienvorschubrichtung vorgeschoben wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des anfänglichen Versorgens mit Energie und der Schritt des nachfolgenden Versorgens mit Energie ein Bewirken umfassen, daß die Anzahl von anfänglichen Tintentröpfchen und die Anzahl von nachfolgenden Tintentröpfchen im Bereich von null bis vier liegt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des anfänglichen Versorgens mit Energie und der Schritt des nachfolgenden Versorgens mit Energie ein Bewirken umfassen, daß die Anzahl von anfänglichen Tintentröpfchen und die Anzahl von nachfolgenden Tintentröpfchen im Bereich von null bis 8 liegt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des anfänglichen Versorgens mit Energie ein Bewirken umfaßt, daß die anfänglichen Tintentröpfchen bei einer Frequenz von mehr als 20 kHz ausgestoßen werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des anfänglichen Versorgens mit Energie ein Bewirken umfaßt, daß die anfänglichen Tintentröpfchen bei einer Frequenz von mehr als 35 kHz ausgestoßen werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des anfänglichen Versorgens mit Energie ein Bewirken umfaßt, daß die anfänglichen Tintentröpfchen bei einer Frequenz von mehr als 50 kHz ausgestoßen werden.