DE69213542T2

DE69213542T2 - Verfahren und Apparat zur Steuerung der Temperatur von Wärmetintenstrahl- und Wärmedruckköpfen mittels Anwendung von nicht druckerzeugenden Impulsen

Info

Publication number: DE69213542T2
Application number: DE69213542T
Authority: DE
Inventors: King-Wah W Yeung
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1991-05-01
Filing date: 1992-04-24
Publication date: 1997-03-27
Anticipated expiration: 2012-04-25
Also published as: HK60997A; EP0511602A1; EP0511602B1; US5168284A; DE69213542D1; JPH05124195A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein thermische Tintenstrahldrucksysteme und thermische Drucksysteme, und sie betrifft spezieller die Regelung der Temperatur von thermischen Tintenstrahldruckköpfen und thermischen Druckköpfen.
Thermische Tintenstrahldrucker sind im Stand der Technik gut bekannt, sie sind z. B. in den US-Patenten US-A-4 490 728 und US-A-4 313 684 gezeigt. Der thermische Tintenstrahldruckkopf weist eine Anordnung aus präzise geformten Düsen auf, von denen jede eine Kammer umfaßt, welche Tinte von einem Tintenreservoir empfängt. Jede Kammer hat einen Dünnfilmwiderstand, der als Heiz- oder Abfeuerwiderstand (firing resistor) bekannt ist, welcher der Düse gegenüberliegt, so daß sich Tinte zwischen der Düse und dem Abfeuerwiderstand sammeln kann. Wenn Druckimpulse den Abfeuerwiderstand aufheizen, verdampft ein kleiner Teil der Tinte unmittelbar angrenzend an den Abfeuerwiderstand. Der sich schnell ausdehnende Tintendampf drückt Tinte aus einer Düse, so daß ein Tropfen ausgestoßen wird. Die ausgestoßenen Tropfen sammeln sich auf einem Druckmedium, um gedruckte Zeichen und Bilder zu bilden.
Schwankungen der Druckkopftemperatur verhinderten daß das ganze Potential thermischer Tintenstrahldrucker ausgenutzt werden konnte, weil diese Schwankungen Veränderungen der Größe der ausgestoßenen Tropfen bewirken, wodurch die Druckqualität verschlechtert wird. Die Größe der ausgestoßenen Tropfen variiert mit der Druckkopftemperatur, weil sich zwei Eigenschaften, welche die Größe der Tropfen bestimmen, mit der Druckkopftemperatur ändern: die Viskosität der Tinte und die von einem Abfeuerwiderstand verdampfte Tintenmenge, wenn dieser mit einem Druckimpuls angesteuert wird. Schwankungen der Druckkopftemperatur treten üblicherweise beim Starten des Druckers und bei Änderungen der Umgebungstemperatur auf, sowie dann, wenn sich der Ausstoß des Druckers verändert. Temperaturschwankungen treten z. B. auf, wenn sich der Ausdruck von einem normalen Druck zu einem vollständig schwarzen Druck ändert (d. h., wenn der Drucker die Seite mit Punkten überdeckt).
Wenn Text schwarz und weiß gedruckt wird, ändert sich die Dunkelheit des Ausdrucks mit der Druckkopftemperatur, weil die Dunkelheit von der Größe der ausgestößenen Tropfen abhängig ist. Wenn Grauskalenbilder gedruckt werden, ändert sich der Kontrast des Bildes mit der Druckkopftemperatur, weil der Kontrast von der Größe der ausgestoßenen Tropfen abhängig ist.
Wenn Farbbilder gedruckt werden, ändert sich die gedruckte Farbe mit der Druckkopftemperatur, weil die gedruckte Farbe von der Größe aller Primärfarbtropfen abhänig ist, welche die gedruckte Farbe erzeugen. Wenn sich die Druckkopftemperatur von einer Primärfarbendüse zu einer anderen ändert, unterscheidet sich die Größe der von einer Primärfarbendüse ausgestoßenen Tropfen gegenüber der Größe der von einer anderen Primärfarbendüse ausgestoßenen Tropfen. Die resultierende gedruckte Farbe weicht von der beabsichtigten Farbe ab. Wenn alle Düsen des Druckkopfes dieselbe Temperatur haben, die Druckkopftemperatur jeoch zunimmt oder abnimmt, während die Seite gedruckt wird, unterscheiden sich die Farben im oberen Teil der Seite von den Farben im unteren Teil der Seite. Um Text, Graphik oder Bilder mit der höchsten Qualität zu drukken, muß die Druckkopftemperatur konstant bleiben.
Thermische Drucker sind im Stand der Technik gut bekannt. Die Druckköpfe haben eine Anordnung aus Heizelementen, welche entweder thermisches Papier beheizen, um einen Punkt auf dem thermischen Papier zu erzeugen, oder ein Band beheizen (welches Bänder mit den Primärfarbentinten sowie mit schwarzer Tinte umfassen kann), um einen Punkt auf die Seite zu übertragen. In jedem Fall erzeugen Schwankungen in der Druckkopftemperatur Schwankungen in der Größe des gedruckten Punktes, was die Dunkelheit des Ausdrucks beeinflußt, wenn schwarz-weiß gedruckt wird, den Grauton beeinflußt, wenn mit einer Grauskala gedruckt wird, und die sich ergebende gedruckte Farbe beeinflußt, wenn in Farbe gedruckt wird.
Aus der DE-A-35 46 138 sind einevorrichtung und ein Verfahren zum Steuern der Temperatur und Viskosität der Tinte, welche in einem Tintenstrahldrucker verwendet wird, bekannt. Gemäß dieser Druckschrift werden Heizimpulse vor dem Druckbetrieb vorgesehen, um nach einer Unterbrechung des Druckers einen gewünschten Viskositätsbereich für die Tinte zu erreichen.
Aus den oben erörterten Gründen wäre es vorteilhaft, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Temperatur von thermischen Tintenstrahldruckköpfen und von thermischen Druckköpfen zur Verfügung zu haben. Die vorstehenden und weitere Vorteile werden von der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Echtzeit-Steuerung (d. h. während des Druckzyklus des Druckers) der Temperatur eines thermischen Tintenstrahldruckkopfes oder eines thermischen Druckkopfes erreicht, indem Nichtdruck-Impulse vorgesehen werden (d. h. Impulse, welche keine ausreichende Energie haben, um ein Abfeuern des Druckkopfes zu bewirken). Die Erfindung sieht sowohl ein Energie-Ausgleichssystem mit offener Schleife, ein Temperaturregelsystem mit geschlossener Schleife oder eine Kombination aus beidem vor.
Das Energie-Ausgleichssystem mit offener Schleife hat drei Hauptkomponenten: einen thermischen Tintenstrahldruckkopf, einen Impulsgenerator mit offener Schleife und einen Datenübersetzer. Der thermische Tintenstrahldruckkopf weist Heizwiderstände auf, welche den Ausstoß von Tropfen bewirken, wenn sie abhängig von Druckbefehlen mit Druckimpulsen angesteuert werden. Der Druckkopf hat ferner eine bekannte Energie-Übertragungscharakteristik, so daß X der Prozentsatz der Energie eines Druckimpulses ist, welcher auf einen ausgestoßenen Tropfen übertragen wird, und (100-X) ist der Prozentsatz der Energie des Druckimpulses, der von dem Druckkopf absorbiert wird. Der Impulsgenerator mit offener Schleife, oder gesteuerte Impulsgenerator, erzeugt entweder einen Druckimpuls mit einer Energie Ep, der an den Abfeuerwiderstand angelegt wird, um einen Tintentropfen auszustoßen, der die Energie Ep(X/100) mit sich führt, und um den Druckkopf mit der verbleibenden Energie Ep[(100-X)/100] zu heizen, oder er erzeugt einen oder mehrere gesteuerte Nichtdruck-Impulse mit einer Gesamtenergie Ep[(100-X)/100], welche nur den Druckkopf aufheizen. Der Datenübersetzer übersetzt die Druckdaten und weist den Impulsgenerator an, den Druckimpuls zu übertragen, wenn die Druckdaten einen Druckbefehl enthalten, und einen oder mehrere gesteuerte Nichtdruck-Impulse anstelle eines Druckimpulses zu übertragen, wenn die Daten keinen Druckbefehl enthalten, so daß der Druckkopf unabhängig von dem Inhalt der Druckdaten dieselbe Menge Energie verbraucht.
Die Temperatureinstellschaltung mit geschlossener Schleife, oder Temperaturregelschaltung, weist einen Temperatursensor, einen Fehlererfassungs-Verstärker und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Regelkreis-Nichtdruck-Impulsen auf. Der Temperatursensor erfaßt die Drucktemperatur und erzeugt Echtzeit- Druckkopftemperatursignale. Der Fehlerfassungs-Verstärker hat einen Eingang, der mit einem Bezugstemperatursignal verbunden ist, und einen Eingang, der mit dem Druckkopftemperatursignal verbunden ist, und er erzeugt ein Echtzeit-Fehlerausgangssignal, das eine Funktion der Differenz zwischen dem Bezugstemperatursignal und dem Druckkopftemperatursignal ist. Die Vorrichtung zum Erzeugen der Regelkreis-Nichtdruck-Impulse verwendet das Fehlerausgangssignal zum Steuern der Zeitpunkte der Regelkreis-Nichtdruck-Impulse und der auf den Druckkopf übertragenen Energie mittels der Regelkreis-Nichtdruck-Impulse, um eine Echtzeit-Regelung der Druckkopftemperatur zu erreichen.
Fig. 1A zeigt ein Blockdiagramm des Temperaturregelsystems mit geschlossener Schleife zum Aufrechterhalten der konstanten Druckkopftemperatur;
Fig. 1B zeigt ein Zeitablaufdiagramm der Impulse, welche das Temperaturregelsystem, das in Fig. 1A gezeigt ist, an den Abfeuerwiderstand anlegt;
Fig. 2A zeigt ein Blockdiagramm des Energieausgleichssystems mit offener Schleife, oder gesteuerten Energieausgleichssystems, zum Aufrechterhalten der konstanten Druckkopftemperatur;
Fig. 2B zeigt ein Zeitablaufdiagramm von Impulsen, welche das gesteuerte Energieausgleichssystem, welches in Fig. 2A gezeigt ist, an den Abfeuerwiderstand anlegt;
Fig. 3A zeigt ein Blockdiagramm eines hybriden Systems, das das Temperaturregelsystem von Fig. 1A und das gesteuerte Energieausgleichssystem von Fig. 2A kombiniert;
Fig. 3B zeigt ein Zeitablaufdiagramm von Impulsen, welche das hybride System, welches in Fig. 3A gezeigt ist, an den Abfeuerwiderstand anlegt.
Der Fachmann auf diesem Gebiet wird die Vorteile und Merkmale der offenbarten Erfindung nach der Lektüre der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen leicht erkennen.
Fig. 1A zeigt ein Blockdiagramm eines Temperatureinstellsystems mit geschlossener Regelschleife 20. Dieses Regelkreissy- stem hat den Vorteil, daß es die Temperatur des Druckkopfes schnell und präzise einstellt und unabhängig von Änderungen der Betriebsbedingungen des Druckers aufrechterhält, wie im Anfahrbetrieb, bei großen oder kleinen Änderungen der Umgebungstemperatur oder bei Änderungen bei der Druckausgabe. Das Regelkreissystem hat den zusätzlichen Vorteil, daß es in kommerziellen thermischen Tintenstrahldruckern und Thermodruckern einfach und kostengünstig eingebaut werden kann, weil es mit der vorhandenen Energieversorgung sowie den vorhandenen Verbindern und Heizwiderständen arbeitet.
Bei der bevorzugten Ausführungsform des Regelkreissystems empfängt ein Abfeuerwiderstand 30 Druckimpulse von einem Druckimpulsgenerator 28. Ein Temperatursensor 32 erfaßt die Temperatur des Druckkopfes 26 und erzeugt ein Echtzeit-Druckkopftemperatursignal 25, welches ein Puffer-Verstärker/Datenwandler 34 verstärkt und in eine Form konvertiert, welche für den Fehlererfassungs-Verstärker 22 geeignet ist. Der Fehlererfassungs-Verstärker 22 vergleicht dieses Signal mit einem Bezugstemperatursignal 36, erzeugt ein Echtzeit-Fehlerausgangssignal und schaltet dieses zu einem Regelkreis-Impulsgenerator 24 weiter, der während des Druckzyklus Regelkreis- Nichtdruck-Impulse an den Abfeuerwiderstand 30 überträgt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform liegen die Heizwiderstände 30 auf demselben Substrat wie der Temperatursensor 32. Der Temperatursensor 32 ist eine Alluminiumbahn mit einem hohen Widerstandswert ähnlich den Aluminiumbahnen, welche die Verbindungen zwischen den Heizwiderständen und den Impulsgeneratoren bilden, mit dem Unterschied, daß die Temperatursensorbahn einen hohen Widerstandswert hat, der eine große Widerstandsänderung erfährt, wenn sich die Temperatur ändert. Der Temperaturkoeffizient des Aluminiums konvertiert die Widerstandsänderungen in eine Temperaturänderung und erlaubt die Berechnung der Temperatur, wenn ein Eichpunkt bekannt ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung liegen einer oder mehrere Heizwiderstände auf demselben Substrat wie die Abfeuerwiderstände und der Temperatursensor. Alle Impulsgeneratoren übertragen ihre Nichtdruck-Impulse zu diesen Heizwiderständen anstatt zu den Abfeuerwiderständen, wie bei der bevorzugten Ausführungsform. Diese Ausführungsform hat den Nachteil, daß die Anzahl der Verbindungen und der Umfang der Ansteuerschaltung größer sind. Bei einer Softwarerealisierung dieser Ausführungsform kann die Software die Nichtdruck-Impulse von den Generatoren zu einem oder mehreren Impulsen zusammenfassen und diese zu einem oder mehreren Heizwiderständen übertragen.
Fig. 1B zeigt ein Zeitablaufdiagramm der Impulse, welche zu dem Abfeuerwiderstand 30 übertragen werden. Druckimpulse 44 können so häufig wie die Druckintervalle 46 auftreten. Bei einem bestimmten thermischen Tintenstrahldrucker hat das Druckintervall z. B. eine Dauer von 278 µSekunden, und die Druckimpulse haben eine Dauer von etwa 3,25 µSekunden.
Wenn die durch das Bezugstemperatursignal 36 angegebene Temperatur die Temperatur des Druckkopfes 26 überschreitet, weist der Fehlererfassungs-Verstärker 22 den Regelkreis-Impulsgenerator 24 an, die Energie der Regelkreis-Nichtdruck-Impulse 42 zu erhöhen, die in Fig. 1B gezeigt sind. Diese Impulse gehen über einen Summierknoten 38 zu dem Widerstand 30 und heizen den Druckkopf 26 auf. Der Summierknoten 38 kombiniert die Ausgangssignale des Druckimpulsgenerators 28 und des Nichtdruck- Impulsgenerators 24.
Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, daß sie Nichtdruck- Impulse geringer Energie verwendet, welche den Druckkopf aufheizen, ohne die Tinte in der Nähe des Abfeuerwiderstandes zu verdampfen. Eine dampfförmige Tintenblase wirkt als ein Wärmeisolator und zwingt den Abfeuerwiderstand, alle zusätzliche Energie unabhängig davon zu absorbieren, ob sie von einem Druckimpuls oder einem Nichtdruck-Impuls stammt. Die überschüssige Wärme kann bewirken, daß der Abfeuerwiderstand hohe Temperaturen erreicht und verfrüht ausfällt. Die Nichtdruck- Impulse der vorliegenden Erfindung haben somit den Vorteil, daß sie den Druckkopf erwärmen, ohne den Abfeuerwiderstand zu beschädigen.
Wenn die Druckkopftemperatur die durch das Bezugstemperatursignal 36 angegebene Temperatur überschreitet, vermindert das Regelkreissystem 20 die Energie, welche von den Regelkreis- Nichtdruck-Impulsen übertragen wird. Um zu verhindern, daß die Druckkopftemperatur die Bezugstemperatur überschreitet, nachdem das Regelkreissystem 20 die Enegie der Regelkreis-Nichtdruck-Impulse auf null gesenkt hat, wird bei der bevorzugten Ausführungsform die Bezugstemperatur irgendwo zwischen 10 ºC bis 100 ºC über der Raumtemperatur eingestellt.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet einen handelsüblichen thermischen Tintenstrahldruckkopf, wobei die Aluminiumbahn, welche in der Nähe des Abfeuerwiderstandes liegt, als ein Temperatursensor verwendet wird. Zukünftige Ausführungsformen der Erfindung könnten jedoch auch einen speziell für den Hochtemperaturbetrieb entworfenen Druckkopf einsetzen. Ein solcher Druckkopf würde Tinte, Klebemittel, Abfeuerwiderstände und eine Tintenkammer haben, welche speziell für den Hochtemperaturbetrieb ausgelegt sind.
Die Fachleute auf dem Gebiet der Gestaltung von thermischen Tintenstrahldruckern betreiben Druckköpfe bei einer Temperatur, die so niedrig wie möglich ist, weil sie glauben, daß dies die thermische Beanspruchung des Druckkopfes minimiert.
Diese Fachleute werden die vorliegende Erfindung skeptisch betrachten, weil hier die Druckköpfe bei einer erhöhten Temperatur betrieben werden. Der Betrieb des Druckkopfes bei einer konstanten erhöhten Temperatur, wie bei der vorliegenden Erfindung, kann jedoch erreichen, daß der Druckkopf einer geringeren thermischen Belastung ausgesetzt ist, als wenn sich die Temperatur ändert.
Bei der bevorzugten Ausführungsform variiert die Breite der Regelkreis-Nichtdruck-Impulse 42 zwischen 0 µs und 1,125 µs abhängig von der Energiemenge, welche sie übertragen. Alternative Ausführungsformen könnten die Impulsbreite konstant halten und die Spannung variieren, die Anzahl der Regelkreis- Nichtdruck-Impulse in einem Druckintervall 26 variieren, oder eine Kombination von Impulsbreite, Spannung, und der Anzahl von Regelkreis-Nichtdruck-Impulsen in einem Intervall variieren. Der wichtige Parameter ist die Energie, welche von dem Impuls übertragen wird. Die Energie sollte groß genug sein, um die Druckkopftemperatur einzustellen, ohne den ungewollten Ausstoß eines Tintentropfens durch den Drucker zu verursachen.
Regelkreis-Nichtdruck-Impulse 42 können zu jedem Zeitpunkt während des Druckintervalls 64 auftreten, solange sie nicht mit den Druckimpulsen in Konflikt kommen. Wenn ein Nichtdruck- Impuls vor dem Druckimpuls auftritt und diesen stört, ändert der Nichtdruck-Impuls die Größe des resultierenden ausgestoßenen Tropfens auf eine Art, wie sie in dem US-Patent US-A- 4 982 199 offenbart ist, dessen Erfinder Dunn ist und das auf die Hewlett-Packard Company übertragen wurde. Wenn der Nichtdruck-Impuls zu früh nach dem Druckimpuls auftritt, wenn die Blase noch vorhanden ist, erhöht der Nichtdruck-Impuls die Temperatur des Abfeuerwiderstandes und trägt zu dem verfrühten Ausfall des Abfeuerwiderstands bei. Es können auch mehr als ein Regelkreis-Nichtdruck-Impuls 42 innerhalb eines Druckintervalls auftreten, wie in Fig. 1B gezeigt.
Alternative Ausführungsformen des Regelkreissystems 20 können mehrere Rückführschleifen mit unterschiedlichen Ansprechzeiten haben. Fig. 3A zeigt ein hybrides System 90, welches mehrere geschlossene Schleifen aufweist. Eine Schleife 94 hat eine langsame Ansprechzeit, z. B. 1 bis 10 Sekunden, und stellt die Energie ein, welche die Regelkreis-Nichtdruck-Impulse 148 mit sich führen, um eine Drift bei Umgebungstemperatur auszugleichen. Eine andere Schleife 92 hat eine schnelle Ansprechzeit im Millisekundenbereich und stellt die Energie ein, welche von den Regelkreis-Nichtdruck-Impulsen 142 übertragen wird, um die Druckkopftemperatur so schnell wie möglich auf die Bezugstemperatur zu bringen. Alternative Ausführungsformen haben eine dritte geschlossene Schleife, welche das offene Schleifensystern, oder gesteuerte System 96 ersetzt. Diese Schleife gleicht Änderungen in der Leistungsaufnahme eines Druckkopfes aus, welche durch Änderungen bei den Ausdrucken verursacht werden, indem es die Energie einstellt, welche von den Regelkreis-Nichtdruck-Impulsen übertragen wird.
Wenn die Umgebungstemperatur stabil ist und die thermischen Einschwingvorgänge abgeklungen sind, welche während des Warmlaufbetriebs auftreten, variiert die Temperatur der Druckköpfe nach dem Stand der Technik mit der Anzahl der Druckimpulse, weil die ausgestoßenen Tropfen nur einen Teil der Energie der Druckimpulse absorbieren und der Druckkopf den Rest der Energie absorbieren muß. Die Druckkopftemperatur steigt also mit einer erhöhten Tätigkeit des Druckers, und sie fällt mit einer Abnahme der Drucktätigkeit.
Wenn die Energieübertragungseigenschaften eines Druckkopfes bekannt sind, wie der Prozentsatz der Energie des Druckimpulses, welcher auf einen ausgestoßenen Tropfen übertragen wird (X), und der Prozentsatz der Energie des Druckimpulses, welcher von dem Druckkopf absorbiert wird (100-X), kann das in Fig. 2A gezeigte offene Schleifensystem, oder gesteuerte Systern 60 dazu verwendet werden, einen konstanten Wärmestrom zu dem Druckkopf unabhängig vom Inhalt der Druckdaten 62 aufrechtzuerhalten. Fig. 2B zeigt ein zeitablaufdiagramm 80 der Impulse, welche das gesteuerte System 60 an den Abfeuerwiderstand 68 anlegt. Während jedes Intervalls legt der gesteuerte Impulsgenerator 66 entweder einen Druckimpuls 82 oder einen oder mehrere gesteuerte Nichtdruck-Impulse 84 an den Abfeuerwiderstand 68 an. Der Datenübersetzer 64 liest die Druckdaten 62. Wenn diese einen Druckbefehl in einem Druckintervall 86 enthalten, weist der Datenübersetzer 64 den gesteuerten Impulsgenerator 66 an, einen Druckimpuls 82 zu erzeugen. Andernfalls weist der Datenübersetzer 64 den gesteuerten Impulsgenerator 66 an, einen oder mehrere gesteuerte Nichtdruck-Impulse 84 zu erzeugen.
Dieses gesteuerte System 60 gleicht Änderungen im Energiestrom zu dem Druckkopf aus, welche durch Anderungen der Druckertätigkeit verursacht werden. Schwankungen der Druckkopftemperatur aufgrund anderer Faktoren, wie Änderungen der Umgebungstemperatur und thermische Einschwingvorgänge, welche während der Anlaufphase auftreten, kann dieses System nicht ausgleichen. Das geschlossene Schleifensystem oder Regelkreis-System gleicht diese Schwankungen aus.
Eine Vorrichtung ähnlich der in Fig. 2A gezeigten kann die Energieübertragungscharakteristik eines Druckkopfes messen, insbesondere die Energiemenge, welche auf einen ausgestoßenen Tropfen übertragen wird, und die Energiemenge, die von dem Druckkopf absorbiert wird, wenn er einen Tropfen ausstößt. Diese Messung umfaßt die folgenden Schritte. Zunächst sendet eine Druckersteuereinrichtung für jeden Abfeuerwiderstand, der an dieser Messung teilnimmt (jede Anzahl Abfeuerwiderstände größer als eins kann eingesetzt werden), Druckdaten 62, welche einen Druckbefehl pro Druckintervall 86 enthalten, zu dem Datenübersetzer 64. Der Datenübersetzer 64 reagiert, indem er einem gesteuerten Impulsgenerator 66 signalisiert, daß dieser in jedem Druckintervall einen Druckimpuls mit einer Energie Ep zu dem Abfeuerwiderstand sendet. Wenn der Druckkopf das "thermische Gleichgewicht" erreicht (d. h. wenn die Druckkopftemperatur stabil ist), mißt ein Temperatursensor, der auf demselben Substrat wie der Abfeuerwiderstand liegt, die thermische Gleichgewichtstemperatur des Druckkopfes. Dann sendet die Druckersteuereinrichtung in einem beliebigen Druckintervall Druckdaten 62, welche keinen Druckbefehl enthalten, zu dem Datenübersetzer 64. Der Datenübersetzer 64 weist den gesteuerten Impulsgenerator 66 an, Nichtdruck-Impulse zu dem Abfeuerwiderstand zu senden. Die von den Nichtdruck-Impulsen in einem Druckintervall übertragene Energie wird eingestellt, bis die Druckkopfternperatur sich bei derselben thermischen Gleichgewichtstemperatur stabilisiert hat, welche in dem ersten Schritt gemessen wurde. In einem dritten Schritt wird die Energiemenge gemessen, welche von den Nichtdruck-Impulsen in einem Druckintervall übertragen wird und die eine Stabilisierung des Druckkopfes bei der thermischen Gleichgewichtstemperatur bewirkt. Im vierten Schritt wird diese Energie von der Energie eines Druckimpulses subtrahiert, um die Energiemenge zu erhalten, welche von einem ausgestoßenen Tropfen mitgeführt wird. Die von den Nichtdruck-Impulsen übertragene Energie ist gleich der Energie, welche von dem Druckkopf absorbiert wird, wenn er einen Tropfen ausstößt.
Die bevorzugte Ausführungsforrn der Erfindung ist ein hybrides System 90, wie in Fig. 3A gezeigt, welches eine geschlossene Warmlaufschleife 92, eine geschlossene Schleife für den stationären Betrieb 94 und ein offenes Schleifensystem oder gesteuertes System 96 aufweist. Dieses System gleicht alle Schwankungen der Druckkopftemperatur aus: Solche, die durch Änderungen der Ausgabe des Druckers verursacht werden, sowie Schwankungen, die durch den Warmlaufbetrieb und Änderungen der Umgebungstemperatur verursacht werden. Das gesteuerte System 96 ist gleich dem in Fig. 2A gezeigten gesteuerten System, und die geschlossenen Schleifensysteme oder Regelkreis-Systeme 92 und 94 sind ähnlich den in Fig. 1A gezeigten. Alternative Ausführungsformen der Erfindung können weitere Regelkreis-Systeme erfordern.
Mehrere geschlossene Schleifen haben den Vorteil, daß komplexe nichtlineare Reaktionen auf Temperaturschwankungen erzielt werden können. Die geschlossene Warmlaufschleife 92 hat eine schnelle Ansprechzeit zum Aufheizen des Druckkopfes während dessen Anlaufphase, sie reagiert schnell auf eine Abweichung zwischen dem Druckkopf-Temperatursignal 100 und dem Warmlauf- Bezugstemperatursignal 102. Die geschlossene stationäre Schleife 94 hat eine langsame Ansprechzeit zum Nachführen von Änderungen der Druckkopftemperatur aufgrund von Änderungen in der Umgebungstemperatur und anderen, sich langsam ändernden Faktoren. Da diese Schleife langsam auf Änderungen anspricht, wird die geschlossene stationäre Schleife 94 tendenziell Regelkreis-Impulse 148 für den stationären Zustand regelmäßig erzeugen, wie in Fig. 3B gezeigt.
Dieses hybride System hat den Vorteil, daß es leicht zu realisieren ist, weil es die freie Zeit des Prozesses in der Drukkersteuereinrichtung verwendet. Die geschlossene Warmlaufschleife arbeitet, wenn der Prozessor nicht viel zu tun hat, so daß die Schleife einen großen Prozentsatz der Zeit des Prozessors verwenden kann und dadurch eine schnelle Ansprechzeit erreicht. Die geschlossene stationäre Schleife benötigt keinen großen Teil der Prozessorzeit, und sie kann in der freien Zeit des Prozessors arbeiten, während er Druckvorgänge steuert.
Um zu verhindern, daß die Nichtdruck-Impulse den Druckkopf mit zuviel Energie zu bald überhitzen und eine Fehlzündung des Druckkopfes bewirken, können die Systeme mit geschlossener und offener Schleife mehrere Nichtdruck-Impulse in einem Druckintervall erzeugen, welche die Energie aufteilen, die andernfalls von einem einzigen Nichtdruck-Impuls übertragen wurde. Fig. 3B zeigt zwei der Warmlaufregelkreis-Nichtdruck-Impulse 142, die von der geschlossenen Warmlaufschleife oder dem Warmlauf-Regelkreis 92 in Fig. 3A erzeugt werden, und sie zeigt ferner, daß das gesteuerte System 96 zwei gesteuerte Nichtdruck-Impulse 144 in einem Druckintervall erzeugt. Das Warmlauf-Regelkreissystem kann ferner ein fehlerhaftes Abfeuern verhindern, indem es den Druckkopf aus dem Bereich des Druckmediums entfernt, wenn es die Nichtdruck-Impulse ausgibt.
Der Warmlauf-Regelkreis 92 und der Regelkreis 94 für den stationären Zustand arbeiten wie das in Fig. 1A gezeigte Regelkreissystem 20. Der Temperatursensor 124 erzeugt ein Druckkopftemperatursignal 100, das zu einem Puffer-Verstärker-Datenwandler 108 geht, der dieses Signal verstärkt und in eine Form konventiert, die für die Fehlererfassungs-Verstärker 104, 112 brauchar ist. Die Fehlererfassungs-Verstärker 104 und 112 vergleichen dieses Signal mit dem Warmlauf-Bezugstemperatursignal 102 bzw. dem Bezugstemperatursignal 110 für den stationären Zustand. Die Ausgangssignale dieser Fehlererfassungs- Verstärker gehen zu dem Warmlauf-Regelkreis-Impulsgenerator 106, um Warmlauf-Regelkreis-Nichtdruck-Impulse 142 zu erzeugen, bzw. zu dem Regelkreis-Impulsgenerator 114 für den stationären Zustand, um Regelkreis-Nichtdruck-Impulse 148 für den stationären Zustand zu erzeugen. Bei der bevorzugten Ausführungsform steuern die Regelkreissysteme die Energie der Regelkreis-Nichtdruck-Impulse 142 und 148 durch Einstellung ihrer Breiten.
Bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann das Warmlauf-Bezugstemperatursignal 102 geringer sein als das Bezugstemperatursignal 110 für den stationären Zustand. Wenn die Druckkopftemperatur die durch das Warmlauf-Bezugstemperatursignal 102 angegebene Temperatur überschreitet, schaltet der Warmlauf-Regelkreis 92 ab, und der Regelkreis 94 für den stationären Zustand übernimmt die gesamte Temperaturregelung. Bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann das Warmlauf-Bezugstemperatursignal 102 ein bißchen oder sehr viel größer sein als das Bezugstemperatursignal 110 für den stationären Zustand, so daß der Warmlaufregelkreis 92 den Druckkopf schneller aufheizt. Wenn der Druckkopf eine voreingestellte Temperatur erreicht, schaltet die Software oder Elektronik den Warmlaufregelkreis 92 ab, und der Regelkreis 94 für den stationären Zustand übernimmt die Temperaturregelung.
Fig. 3A zeigt die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit zwei physisch getrennten Regelkreisen. Eine Softwarerealisierung dieser Erfindung könnte die beiden Schleifen in eine Schleife mit zwei unterschiedlichen Ansprechzeiten verschmelzen. Wenn ein komplexeres, nichtlineares Ansprechverhalten erforderlich ist, können zusätzliche Schleifen hinzugefügt werden, von denen manche vielleicht eine variable Ansprechzeit haben. Eine Softwarerealisierung könnte auch das Ausgangssignal des Regelkreissystems mit dem gesteuerten System verschmelzen, solange es nicht einen Druckimpuls mit einem Nichtdruck-Impuls vermischt und solange die Energie der resultierenden Nichtdruck-Impulse kein Fehlzünden des Druckkopfes bewirken kann.
Der Energieausgleichsabschnitt 96 des hybriden Systems 90 besteht aus Druckdaten 118, einem Datenübersetzer 120 und einem gesteuerten Impulsgenerator 126. Der Datenübersetzer 120 entscheidet, ob der gesteuerte Impulsgenerator 126 einen Druckimpuls oder einen oder mehrere gesteuerte Nichtdruck-Impulse erzeugen soll, und der gesteuerte Impulsgenerator 126 legt diese Impulse an den Abfeuerwiderstand 122 an. Der Summierknoten 116 verschmilzt die Ausgangssignale der verschiedenen Impulsgeneratoren auf einer einzigen Bahn, die zu dem Abfeuerwiderstand 122 führt.
Die Ansprüche definieren die Erfindung. Die Figuren und die vorstehende Beschreibung zeigen daher einige Beispiele für Systeme, welche mit der beanspruchten Erfindung möglich sind. Es sind jedoch die folgenden Ansprüche, welche sowohl (a) die Erfindung definieren, als auch (b) den Bereich der Erfindung bestimmen.

Claims

1. Vorrichtung zur Echtzeit-Regelung der Temperatur eines Tintenstrahldruckkopfes oder eines thermischen Druckkopfes (26; 128) mit geschlossenem Regelkreis, mit

a) einem Temperatursensor (32), der

1) die Temperatur des Druckkopfes (26) erfaßt und

ii) ein Echtzeit-Druckkopftemperatursignal (25; 100) erzeugt,

b) einem Fehlererfassungs-Verstärker (22), der

i) einen Eingang aufweist, der mit einem Bezugstemperatursignal (36) verbunden ist,

ii) einen Eingang aufweist, der mit dem Druckkopftemperatursignal (25) verbunden ist, und

iii) ein Echtzeit-Fehlerausgangssignal erzeugt, das eine Funktion der Differenz zwischen dem Bezugstemperatursignal (36) und dem Druckkopftemperatursignal (25) ist, und

c) einer Vorrichtung zum Erzeugen von Regelkreis- Nichtdruck-Impulsen (24) während ausgewählter Druckintervalle, welche das Fehlerausgangssignal verwendet, um die Zeitpunkte der Regelkreis- Nichtdruck-Impulse (42; 142) und die von den Regelkreis-Nichtdruck-Impulsen (42) an den Druckkopf (26) abgegebene Energie zu steuern, um eine Echtzeit-Regelung der Temperatur des Druckkopfes (26) zu erreichen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit weiterhin:

a) einem zweiten Fehlererfassungs-Verstärker (104), der

i) einen Eingang aufweist, der mit einem zweiten Bezugstemperatursignal (102) verbunden ist,

ii) einen Eingang aufweist, der mit dem Druckkopftemperatursignal (100) verbunden ist, und

iii) ein Fehlerausgangssignal erzeugt, das eine Funktion der Differenz zwischen dem zweiten Bezugstemperatursignal (102) und dem Druckkopftemperatursignal (100) ist, und

b) einer zweiten Vorrichtung zum Erzeugen von Regelkreis-Nichtdruck-Impulsen (106) in Echtzeit, welche das Fehlerausgangssignal verwendet, um den Zeitpunkt des Regelkreis-Nichtdruck-Impulses (142) und die von dem Regelkreis-Nichtdruck-Impuls (142) an den Druckkopf (128) abgegebene Energie zu steuern, um eine Echtzeit-Regelung der Druckkopftemperatur zu erreichen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Vorrichtung zum Erzeugen der Regelkreis-Nichtdruck-Impulse (24) ferner Mittel zum Variieren der Energie, die von den Regelkreis-Nichtdruck-Impulsen (42) übertragen wird, durch Variieren der Breite der Regelkreis-Nichtdruck-Impulse (42) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung zum Erzeugen der Regelkreis- Nichtdruck-Impulse (24) ferner Mittel zum Variieren der Energie, die von den Regelkreis-Nichtdruck-Impulsen (42) übertragen wird, durch Variieren der Spannung der Regelkreis-Nichtdruck-Impulse (42) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung zum Erzeugen der Regelkreis- Nichtdruck-Impulse (24) ferner Mittel zum Variieren der Energie, die von den Regelkreis-Nichtdruck-Impulsen (42) übertragen wird, durch Variieren der Anzahl der Regelkreis-Nichtdruck-Impulse (42) in einem Druckintervall (46) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Regelkreis-Nichtdruck-Impulse (42) an einen Abfeuerwiderstand (30) angelegt werden.

7. Verfahren zur Echtzeit-Regelung der Temperatur eines thermischen Tintenstrahldruckkopfes oder eines thermischen Druckkopfes (26) mit geschlossenem Regelkreis, mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Erfassen der Temperatur des Druckkopfes (26),

b) Erzeugen eines Echtzeit-Druckkopftemperatursignals (25),

c) Vergleichen des Druckkopftemperatursignals (25) mit einem Bezugstemperatursignal (36),

d) Erzeugen eines Echtzeit-Fehlerausgangssignals, das eine Funktion der Differenz zwischen dem Bezugstemperatursignal (36) und dem Druckkopftemperatursignal (25) ist, und

e) Verwenden des Fehlerausgangssignals zum Steuern der Zeitpunkte von Regelkreis-Nichtdruck-Impulsen (42) und den von den Regelkreis-Nichdruck- Impulsen (42) an den Druckkopf (26) übertragenen Energie, um eine Echtzeit-Regelung der Druckkopftemperatur zu erreichen, wobei die Regelkreis-Nichtdruck-Impulse während ausgewählter Druckintervalle erzeugt werden.

8. Vorrichtung zum Steuern der Temperatur eines thermischen Tintenstrahldruckkopfes, mit einem thermischen Tintenstrahldruckkopf (70; 128), der Tinten-Abfeuerwiderstände (68; 122) aufweist, und einer Impulserzeugungsvorrichtung (66; 126) zum Ansteuern jedes der Tinten-Abfeuerwiderstände mit einem Druckimpuls während ausgewählter Druckintervalle und zum Ansteuern jedes Tinten-Abfeuerwiderstands mit einem oder mehreren Nichtdruck-Impulsen während ausgewählter Druckintervalle, wenn ein Tinten-Abfeuerwiderstand nicht mit einem Druckimpuls angesteuert wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der thermische Tintenstrahldruckkopf eine bekannte Energieübertragungscharakteristik hat, so daß X der Prozentsatz der Energie eines Druckimpulses ist, welcher auf einen ausgestoßenen Tintentropfen übertragen wird, und (100- X) der Prozentsatz der Energie des Druckimpulses ist, welcher von dem Druckkopf absorbiert wird, wobei ein Druckimpuls eine Energie Ep(X/100) hat, die an einen Tinten-Abfeuerwiderstand abgegeben wird, so daß der Tintentropfen eine Energie Ep(X-100) trägt und der Druckkopf mit der verbleibender Energie Ep [(100- X)/100] erhitzt wird, und wobei einer oder mehrere Nichtdruck-Impulse eine Gesamtenergie von Ep [(100-X)/100] haben.

10. Verfahren zum Steuern der Temperatur eines thermischen Tintenstrahldruckkopfes (70), welcher einen Abfeuerwiderstand (68) aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten:

Ansteuern des Tinten-Abfeuerwiderstands mit einem Druckimpuls während ausgewählter Druckintervalle, und Ansteuern des Tinten-Abfeuerwiderstands mit mindestens einem Nichtdruck-Impuls während ausgewählter Druckintervalle, wenn der Tinten-Abfeuerwiderstand nicht mit einem Druckimpuls angesteuert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der thermische Tintenstrahldruckkopf eine bekannte Energieübertragungscharakteristik hat, so daß X der Prozentsatz der Energie eines Druckimpulses ist, welcher auf einen ausgestoßenen Tintentropfen übertragen wird, und (100- X) der Prozentsatz der Energie des Druckimpulses ist, welcher von dem Druckkopf absorbiert wird, wobei ein Druckimpuls eine Energie Ep(X/100) hat, die an einen Tinten-Abfeuerwiderstand abgegeben wird, so daß der Tintentropfen eine Energie Ep(X-100) trägt und der Druckkopf mit der verbleibender Energie Ep [(100-X)/ 100] erhitzt wird, und wobei einer oder mehrere Nichtdruck-Impulse eine Gesamtenergie von Ep [(100-X)/100] haben.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9 für die Echtzeit- Steuerung der Temperatur des thermischen Tintenstrahldruckkopfes (128) mit

einem offenen Schleifensystem (96), welches die Impulserzeugungsvorrichtung (126) zum Ansteuern jedes Tinten-Abfeuerwiderstand (122) umfaßt, und einem geschlossenem Schleifensystem (94), mit

a) einem Temperatursensor (124) zum Erfassen der Temperatur des Druckkopfes und zum Erzeugen eines Echtzeit-Druckkopftemperatursignals (100),

b) einem Fehlererfassungsverstärker, der auf ein Bezugstemperatursignal (110) und das Druckkopftemperatursignal anspricht, um ein Echtzeit-Fehlerausgangssignal zu erzeugen, und

c) Mitteln zum Erzeugen von Regelkreis-Nichtdruck- Impulsen (114) während ausgewählter Druckintervalle, welche das Fehlerausgangssignal verwenden, um die Zeitpunkte der Regelkreis-Nichtdruck-Impulse und die von den Regelkreis-Nichtdruck-Impulsen (148) an den Druckkopf (128) abgegebene Energie zu steuern, um eine Echtzeit- Regelung der Druckkopftemperatur zu erreichen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Nichtdruck- Impulse (144) der offenen Schleife und die Regelkreis- Nichtdruck-Impulse (148) zu dem Abfeuerwiderstand (122) übertragen werden, wodurch eine Steuerung der Druckkopftemperatur erreicht wird und keine zusätzlichen Widerstände notwendig sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, mit weiterhin einem Summierknoten (116), der

i) einen Anschluß aufweist, der mit dem Ausgang des geschlossenen Schleifensystems (94) verbunden ist, und

ii) einen zweiten Anschluß aufweist, der mit dem Ausgang des offenen Schleifen-Energiesystems (96) verbunden ist, und

iii) die Regelkreis-Nichtdruck-Impulse, welche von dem geschlossenen Schleifensystem (94) erzeugt werden, und die Nichtdruck-Impulse, welche von dem offenen Schleifensystem erzeugt werden, kombiniert und die sich ergebenen Impulse an den Heizwiderstand (122) überträgt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, 13 oder 14 mit einem weiteren geschlossenen Schleifensystem (92), das

a) einen zweiten Fehlererfassungsverstärker (104) aufweist, der

iii) ein Fehlerausgangssignal erzeugt, das eine Funktion der Differenz zwischen dem zweiten Temperatursignal (102) und dem Druckkopftemperatursignal (100) ist, und

b) eine zweite Vorrichtung zum Erzeugen von Regelkreis-Nichtdruck-Impulsen (106) aufweist, welche das Fehlerausgangssignal zum Steuern des Zeitpunkts eines Regelkreis-Nichtdruck-Impulses (142) und der von dem Regelkreis-Nichtdruck-Impuls (142) an den Druckkopf (128) abgegebenen Energie verwendet, um eine Echtzeit-Regelung der Druckkopftemperatur zu erreichen.