DE69401573T2

DE69401573T2 - Thermodrucker mit Temperaturabschätzung in Echtzeit

Info

Publication number: DE69401573T2
Application number: DE69401573T
Authority: DE
Inventors: Eric Kaerts; Dirk Meeussen
Original assignee: Agfa Gevaert NV
Current assignee: Agfa Gevaert NV
Priority date: 1994-03-09
Filing date: 1994-03-09
Publication date: 1997-06-26
Anticipated expiration: 2014-03-10
Also published as: JPH07314764A; EP0671276A1; DE69401573D1; EP0671276B1; US5664893A

Description

1. TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft den thermischen Farbstoffdiffusionsdruck, der im weiteren allgemein als thermischer Sublimationsdruck bezeichnet wird, und insbesondere ein Verfahren zum Abschätzen der Temperatur eines Heizelements eines Thermokopfes.

2. ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Beim thermischen Sublimationsdruck wird ein Farbstoffübertragungsverfahren verwendet, bei dem ein Träger, der einen Farbstoff enthält, zwischen einem Empfänger, wie zum Beispiel einem Papier oder einem Transparent, und einem Druckkopf, der aus mehreren einzelnen wärmeerzeugenden Elementen gebildet ist, die als Heizelemente bezeichnet werden, angeordnet ist. Der Empfänger ist auf einer drehbaren Trommel montiert. Der Träger und der Empfänger werden im allgemeinen bezüglich des Druckkopfes, der stationär ist, bewegt. Wenn ein bestimmtes Heizelement bestromt wird, wird es erwärmt und bewirkt die Übertragung von Farbstoff zum Beispiel durch Diffusion oder Sublimation vom Träger zu einem Bildpunkt im Empfänger. Die Dichte des gedruckten Farbstoffs ist eine Funktion der Temperatur des Heizelements und der Zeit, über die der Träger erwärmt wird. Mit anderen Worten bewirkt die vom Heizelement an den Träger gelieferte Wärme die übertragung von Farbstoff an ein Bild in Relation zur Menge von auf den Träger übertragener Wärme.
Thermofarbstoffübertragungs-Druckgeräte weisen den Vorteil einer echten "Halbton"-Farbstoffdichteübertragung auf. Durch Verändern der Wärme, mit der der Träger von jedem Heizelement beauf schlagt wird, wird im Empfänger ein Bildpunkt mit veränderlicher Dichte gebildet.
Bei Systemen allerdings, die diese Art von Thermodruckkopf verwenden, wird beobachtet, daß bei gleichzeitiger und gleicher Bestromung von Heizelementen mit unterschiedlichen Temperaturen das resultierende Bild eine ungleichmäßige Dichte aufweisen kann.
Da der Farbstoffübertragungsprozeß in hohem Grade temperaturempfindlich ist (im schlimmsten Fall verändert sich die optische Dichte mit 0,03 D/ºC), ist es für eine gute Tonwertwiedergabe von großer Wichtigkeit, die Isttemperatur der Heizelemente zu steuern.
Ein erstes wegen seiner Lehre relevantes Patent ist US 4 391 535 mit dem Titel "Method and apparatus for controlling the area of a thermal print medium that is exposed by a thermal printer" (Verfahren und Vorrichtung zum Steuern des Bereichs eines Thermodruckmediums, das von einem Thermodrucker belichtet wird] von R. Palmer. Das System dieses Patentes stellt ein Verfahren bereit, das die Isttemperatur des Thermodruckelements abschätzt.
Ein weiteres relevantes Patent ist US 5 066 961 mit dem Titel "Tonal printer utilizing heat prediction and temperature detection means" [Tonwertdrucker mit Wärmevoraussage und Temperaturerfassungsmitteln] von H. Yamashita. Dieses Patent offenbart, daß es bei einem Dünnfilm-Thermokopf um folgendes geht: einen ersten, dominanten Wärmestau in der Kopfhalterung, der aus der Wärmekapazität der Kopfhalterung und ihrem Wärmezerstreuungswiderstand bezüglich der Umgebung bestimmt wird, einen zweiten Wärmestau im Heizelementsubstrat und einen dritten Wärmestau in den Heizelementen selber, und daß sie unterschiedliche thermische Zeitkonstanten in der Größenordnung einiger Minuten, einiger Sekunden bzw. einiger Millisekunden aufweisen.
Keine der obengenannten Techniken nach dem Stand der Technik berücksichtigt den Wärmestau in der Trommel, weshalb keine von ihnen in der Lage ist, eine präzise Abschätzung der Temperatur (Te) der Heizelemente durchzuführen.
Außerdem stellt keine der obengenannten Techniken nach dem Stand der Technik ein Verfahren bereit, das eine schnelle Abschätzung der Temperatur Te der Heizelemente gestattet, die hinsichtlich Veränderungen der besagten Temperatur in Echtzeit nachgeregelt werden müssen.
Aus dem Obengesagten ist ersichtlich, daß die Abschätzung der Temperatur der Heizelemente in Thermodruckern ein Problem ist, das auf verschiedene Weisen angegangen worden ist. Die vorliegende Erfindung strebt eine verbesserte Lösung dieses Problems an.

3. AUFGABEN DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Thermodrucksystem mit einer präzisen Abschätzung der Temperatur des Thermodruckelements bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein verbessertes Verfahren zum prazisen Abschätzen der Temperatur des Thermodruckelements bereitzustellen.
Weitere Aufgaben und Vorteile gehen aus der untenstehenden Beschreibung hervor.

4. KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es hat sich nun herausgestellt, daß obige Aufgaben erreicht werden können durch Bereitstellen eines Thermodrucksystems, das folgendes enthält: einen Drucker, der ein Farbstoffgeberelement mit einem oder mehreren Farbstoffrahmen und ein Nehmerelement auf einem an einer drehbaren Drucktrommel befestigten Aufnahmeblatt verwendet, wobei der Nehmer Farbstoffe von den Farbstoffrahmen aufnimmt; wobei der Drucker einen Thermokopf mit mindestens mehreren Heizelementen, einen Heizelementsubstrat und einer Kühlkörperhalterung enthält; erste Steuermittel zum Antreiben synchronisierter Bewegungen des Geberelements und des Nehmerelements entlang jeweiliger Wege bezüglich des Thermokopfes derart, daß bei Aktivierung des Thermokopfes gemäß Bilddaten Farbstoff von einem Farbstoffrahmen auf den Aufnehmer übertragen wird, um darauf ein Bild zu erzeugen; zweite Steuermittel zum zeilenweisen Liefern eines aktivierenden Signals, das den Bilddaten entspricht, um die Heizelemente zu aktivieren; Mittel zum Zählen der Zahl (Nh) aktivierter Heizelemente zu periodischen Beobachtungszeitpunkten; Mittel zum Messen der Temperatur (Td) der Trommel und der Temperatur (Th) des Kühlkörpers zu periodischen Beobachtungszeitpunkten; Mittel zum Digitalisieren der gemessenen Temperatur (Td) der Trommel und der gemessenen Temperatur (Th) des Kühlkörpers; Mittel zum Übertragen der Zahl (Nh) aktivierter Heizelemente und der digitalisierten Temperaturwerte Td und Th; eine Vorrichtung zum Abschätzen der Temperatur (Te) der Heizelemente auf der Basis der Werte von Nh, Td und Th; Speichermittel zum Speichern der Abschätzung der Temperatur (Te) der Heizelemente; wobei der Drucker dahingehend wirkt, daß er die Energie, mit der die Heizelemente des Thermokopfes beaufschlagt sind, als Funktion der Abschätzung der Temperatur der Heiz elemente und der Solltemperatur der Heizelemente nachregelt.

5. AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wird unten ausführlich unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen verdeutlicht, ohne daß dabei die Erfindung darauf begrenzt werden soll:
Figur 1 ist ein Grundschema eines Thermosublimationsdruckers;
Figur 2 ist ein erstes Blockschaltbild der Aktivierung der Heizelemente;
Figur 3 ist ein zweites Blockschaltbild einer Aktivierung der Heizelemente im Zusammenhang mit einer erfindungsgemäßen Temperaturabschätzung;
Figur 4 ist ein Grundschema einer erfindungsgemäßen Temperaturabschätzungsvorrichtung;
Figur 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Multiplexiervorrichtung;
Figur 6 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Temperaturabschätzungsvorrichtung;
Figur 7 ist ein Querschnitt durch einen Thermokopf;
Figur 8 ist ein Wärmemodell des Aufbaus eines Thermokopfes;
Figur 9 ist eine Basiszelle einer Ersatzschaltung für einen Thermokopf;
Figur 10 ist ein erfindungsgemäßes glöbales Ersatzmodell für einen Thermokopf;
Figur 11 ist ein Ersatzverfahren für den Aktualisierungsschritt des Aufwärmens des Substrats durch Aktivierung der Heizelemente;
Figur 12 ist ein Ersatzverfahren für den Aktualisierungsschritt des Abkühlens des Substrats durch Kontakt mit der Kühlkörperhalterung;
Figur 13 ist ein Ersatzverfahren für den Aktualisierungsschritt des Abfragens des Temperaturwerts Te, wie er aus den Temperaturwerten Td und Ts resultiert;
Figur 14 ist ein Überblick über einige unterschiedliche Temperaturprofile Te;
Figur 15 ist ein Diagramm, das die aktivierenden Strobe- Impulse eines Heizelementes mit einem beispielhaften Tastverhältnis grundlegend darstellt;
Figur 16 ist ein globales Blockschaltbild einer Aktivierung der Heizelemente im Zusammenhang mit einer erfindungsgemäßen Temperaturabschätzung.
Bezug nehmend auf Figur 1 wird dort ein globales Grundschema einer Thermodruckapparatur gezeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann und die aus von einem Träger oder Farbstoffgeberelement 12 übertragenen Farbstoffen gleichzeitig eine Zeile von Bildpunkten auf einen Aufnehmer oder ein Nehmerelement 11 drucken kann&sub5; Der Aufnehmer 11 liegt in Form eines Blattes vor; der Träger 12 liegt in Form einer Bahn vor und wird von einer Vorratsspule 13 auf eine Aufwickelspule 14 getrieben. Der Aufnehmer 11 ist an einer drehbaren Trommel oder Schreibwalze 15 befestigt, die von einem (nicht gezeigten) Antriebsmechanismus angetrieben wird, der die Trommel 15 und das Aufnehmerblatt 11 kontinuierlich an einem stationären Thermokopf 16 vorbei vorschiebt. Dieser Kopf 16 drückt den Träger 12 gegen den Aufnehmer 11 und empfängt das Ausgangssignal der Ansteuerschaltungen. Normalerweise enthält der Thermokopf 16 mehrere Heizelemente (die im weiteren mit Ne bezeichnet sind), die zahlenmäßig der Zahl von Bildpunkten in den in einem Zeilenspeicher vorliegenden Bilddaten gleich sind. Das bildweise Heizen des Farbstoffgeberelements wird auf der Basis Zeile für Zeile durchgeführt, wobei die Heizwiderstände geometrisch aneinander entlang und nebeneinander gesetzt sind und mit einem allmählichen Aufbau der abgegebenen Dichte. Jeder dieser Widerstände kann durch Heizimpulse bestromt werden, wobei die Energie jedes Heizimpulses gemäß der Solidichte des entsprechenden Bildpunktes gesteuert wird. Da die eingegebenen Bilddaten einen höheren Wert aufweisen, steigt die abgegebene Energie und somit die optische Dichte des Ausdruckbildes 17 auf dem Aufnahmeblatt. Im Gegenteil bewirken Buddaten mit einem niedrigeren Wert eine Abnahme der Heizenergie, was zu einem helleren Bild 17 führt.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Aktivierung der Heizelemente vorzugsweise impulsweise und vorzugsweise durch digitale Elektronik durchgeführt. Figur 2 ist ein erstes Blockschaltbild der Aktivierung der Heizelemente; Figur 3 ist ein zweites Blockschaltbild der Aktivierung im Zusammenhang mit einer erfindungsgemäßen Temperaturabschätzung; Figur 16 ist ein globales Blockschaltbild einer Aktivierung der Heizelemente im Zusammenhang mit einer erfindungsgemäßen Temperaturabschätzung.
Zuerst wird in einem Bilderfassungsapparat 21 eine digitale Signaldarstellung erhalten. Das Bildsignal wird danach über eine digitale Schnittstelle (in Figur 2 mit INT bezeichnet) und ein erstes Speichermittel (in Figur 2 mit MEMORY bezeichnet) an eine Aufzeichnungseinheit 20 eines Thermosublimationsdruckers angelegt. In der Aufzeichnungseinheit 20 wird das digitale Bildsignal zuerst in einer Verarbeitungseinheit 22 verarbeitet. Als nächstes wird der Aufzeichnungskopf so gesteuert, daß er in jedem Bildpunkt den Dichtewert erzeugt, der dem Wert der verarbeiteten digitalen Bildsignals 23 entspricht.
Nach der Verarbeitung (in 22) und der Pufferung (in 24) und einer Parallel-Seriell-Wandlung (in 25) der digitalen Bildsignale wird ein Strom serieller Bitdaten in ein weiteres Speichermittel, z&sub5;8. ein Schieberegister 26, verschoben, das die nächste zu druckende Zeile von Daten darstellt. Danach werden unter gesteuerten Bedingungen diese Bit parallel den zugeordneten Eingängen eines Halteregisters 27 zugeführt. Nächdem die Datenbit vom Schieberegister 26 im Halteregister 27 gespeichert sind, kann eine weitere Zeile von Bit seguentiell in das Schieberegister 26 eingetaktet werden. Was die Heizelemente 28 betrifft, sind die oberen Anschlüsse mit einer positiven Spannungsguelle (in Figuren 2 und 16 mit VTH bezeichnet) verbunden, während die unteren Anschlüsse der Elemente jeweils mit den Kollektoren der Treibertransistoren 29 verbunden sind, deren Emitter geerdet sind. Diese Transistoren 29 werden von einem H-Zustandssignal (in Figuren 2 und 16 mit STROBE bezeichnet), das an ihrer Basis angelegt wird, selektiv eingeschaltet und gestatten Stromfluß durch ihre zugeordneten Heizelemente 28. Auf diese Weise wird ein Thermosublimations-Ausdruck der elektrischen Bilddaten aufgezeichnet.
Da die Temperaturabschätzung für die weitere Offenbarung der vorliegenden Erfindung sehr wichtig ist, wird sie nun besonders behandelt. In Figur 3 wird eine erfindungsgemäße Temperaturabschätzeinheit 30 schematisch dargestellt, die folgendes umfaßt: ein Treiber-Steuermittel 31 zum Ansteuern der synchronisierten Bewegungen des Geber- und des Nehmerelements; ein Mittel 32 zum Zählen der Zahl (Nh) aktivierter Heizelemente; Mittel zum Übertragen der Zahl (Nh) aktivierter Heizelemente; Mittel 33 zum Messen der Temperatur (Td) der Trommel und der Temperatur (Th) des Kühlkörpers und zum Digitalisieren der gemessenen Temperatur (Td) der Trommel und der Temperatur (Th) des Kühlkörpers; Mittel zum Übertragen der digitalisierten Temperaturwerte Td und Th; eine digitale Vorrichtung 34 zum Abschätzen der Temperatur (Te) der Heizelemente; ein Speichermittel 35 (MEM_Te) zum Speichern der Temperatur eines Heizelements; ein Steuermittel 36 zum Liefern eines dem eingegebenen Bild entsprechenden Ansteuersignals zum Aktivieren der Heizelemente.
Zum Erhalt eines allgemeinen Überblicks über die resultierende Aktivierung wird auf Figur 16 Bezug genommen. Die identifizierten Bauteile von Figur 16 sind hinsichtlich Aufbau und Funktion denen der entsprechend numerierten Bauteile, die bezüglich Figuren 2 und 3 beschrieben werden, ähnlich und erfordern somit keine weitere Beschreibung.
Erfindungsgemäß bereitgestellt ist nun ein Thermodrucksystem, das folgendes enthält: einen Drucker, der ein Farbstoffgeberelement mit einem oder mehreren Farbstoffrahmen und ein Nehmerelement auf einem an einer drehbaren Drucktrommel befestigten Aufnahmeblatt verwendet, wobei der Nehmer Farbstoffe von den Farbstoffrahmen aufnimmt; wobei der Drucker einen Thermokopf mit mindestens mehreren Heizelementen, einem Heizelementsubstrat und einer Kühlkörperhalterung enthält; erste Steuermittel zum Antreiben der synchronisierten Bewegungen des Geberelements und des Nehmerelements entlang jeweiliger Wege bezüglich des Thermokopfes derart, daß bei Aktivierung des Thermokopfs gemäß Bilddaten Farbstoff von einem Farbstoffrahmen auf den Aufnehmer übertragen wird, um darauf ein Bild zu erzeugen; zweite Steuermittel zum zeilenweisen Liefern eines aktivierenden Signals, das den Bilddaten entspricht, um die Heizelemente zu aktivieren; Mittel zum Zählen der Zahl (Nh) aktivierter Heizelemente zu periodischen Beobachtungszeitpunkten; Mittel zum Messen der Temperatur (Td) der Trommel und der Temperatur (Th) des Kühlkörpers zu periodischen Beobachtungszeitpunkten; Mittel zum Digitalisieren der gemessenen Temperatur (Td) der Trommel und der gemessenen Temperatur (Th) des Kühlkörpers; Mittel zum Übertragen der Zahl (Nh) aktivierter Heizelemente und der digitalisierten Temperaturwerte Td und Th; eine Vorrichtung zum Abschätzen der Temperatur (Te) der Heizelemente auf der Basis der Werte von Nh, Td und Th; Speichermittel MEM_Te zum Speichern der Abschätzung der Temperatur (Te) der Heizelemente; wobei der Drucker dahingehend wirkt, daß er die Energie, mit der die Heizelemente des Thermokopfes beauf schlagt sind, als Funktion der Abschätzung der Temperatur der Heizelemente und der Solltemperatur der Heizelemente nachregelt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Thermodrucksystems arbeitet bzw. zählt das Mittel zum Zählen der Zahl (Nh) von aktivierten Heizelementen zu periodischen Beobachtungszeitpunkten und arbeitet bzw. überträgt das Mittel zum Übertragen der Zahl (Nh) aktivierter Heizelemente und der digitalisierten Temperaturwerte Td und Th innerhalb periodischer Beobachtung sintervalle, die nicht länger sind als die Zeit, die zum Drucken einer Zeile auf dem Nehmerelement erforderlich ist.
In Figur 4 wird ein Grundschema einer erfindungsgemäßen Temperaturabschätzungsvorrichtung 34 zum Abschätzen der Temperatur (Te) der Heizelemente getrennt aufgeführt. Hauptsächlich umfaßt sie folgendes: ein Wärmemodell 41 (das unter Bezug auf die spätere Figur 10 weiter unten noch beschrieben werden wird); ein Mittel 32 zum Zählen der Zahl (Nh) aktivierter Heizelemente; ein Mittel 42 zum Übertragen der Zahl (Nh) aktivierter Heizelemente; Mittel 43 und 44 zum Einfangen der digitalisierten Werte der Temperatur (Td) der Trommel und der Temperatur (Th) des Kühlkörpers; Mittel 45 zum Einfangen und Digitalisieren der an den Thermokopf gelieferten Spannung VTH; Initialisierungs- bzw. Aktualisierungsmittel (47) zum Einstellen der Wärmekennlinie des Thermokopfs und des Verbrauchsmaterials, zum Einstellen eines Wertes für die von einer Stromversorgung in ein Heizelement aufgenommene Leistung (Pe) und zum Einstellen eines Anfangswerts (Ts0) für die Temperatur (Ts) des Substrats; und eine abgegebene Abschätzung 46 der Temperatur Tes Alle diese erwähnten Bauteile der Abschätzungsvorrichtung 34 werden in der weiteren Beschreibung getrennt beschrieben.
Figur 5 zeigt ausführlicher eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Multiplexiervorrichtung 50, wie sie im Zusammenhang mit der gerade beschriebenen Temperaturabschätzungsvorrichtung 34 (siehe Figuren 3 und 4) verwendet worden ist. Die Multiplexiervorrichtung 50 umfaßt vorzugsweise folgendes: ein Mittel 51 zum Messen der Temperatur (Td) der Trommel, ein Mittel 52 zum Messen der Temperatur (Th) des Kühlkörpers, Mittel 53 zum Einfangen der an den Thermokopf gelieferten Spannung VTH, einen Multiplexer 54, einen Analog-Digital- Wandler 55, einen oder mehrere Prozessoren 56 und Mittel zum Übertragen aller Signale. Dieser mindestens eine Prozessor 56 weist zwei Arten abgegebener signale auf, wobei er als erstes skalierte Signale 57 für Td, Th und VTH überträgt, und zweitens ein Rückkoppelsignal 58, das den Multiplexer 54 steuert, damit er sequentiell die korrekten Signale Td von 51, Th von 52 und VTH von 53 durchläßt. Es ist anzumerken, daß bei der vorliegenden Anmeldung sowohl die Analogsignale als auch die digitalisierten (entweder unskalierten oder neuskalierten) Werte einer Wärmekennlinie das gleiche Symbol aus dem Alphabet aufweisen, z.B. Td gibt sowohl das Analogsignal der Temperatur der Drucktrommel (mit einer speziellen Bezugszahl 51) als auch den digitalisierten, aber unskalierten Wert der Temperatur der Drucktrommel (mit einer speziellen Bezugszahl 43) als auch den digitalisierten, aber neuskalierten Wert der Temperatur der Drucktrommel (mit einer gemeinsamen Bezugszahl 57 oder mit einer speziellen Bezugszahl 57-43) wieder.
Während weiter oben ein Grundschema einer (durch Bezugszahl 34 angezeigten) Temperaturabschätzungsvorrichtung angegeben worden ist, zeigt Figur 6 nun ausführlicher eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Temperaturabschätzungsvorrichtung 60, die LUT (d.h. "look up tables" = Nachschlagetabellen) zum Verwenden des Wärmemodells enthält. Es wird festgestellt, daß das Wärmemodell selbst schon in Figuren 4 und 5 durch die Bezugszahl 41 angedeutet worden war, und daß die Temperatur-LUT z.B. durch eine EEPROM- oder eine RAM- Vorrichtung realisiert werden können. Diese Ausführungs form enthält eine erste Nachschlagetabelle oder LUT 61 (auch als LUT 1 bezeichnet), eine zweite LUT 62 (auch als LUT_2 bezeichnet), eine dritte LUT 63 (auch als LUT_3 bezeichnet), ein Addiermittel 64, einen Registerspeicher 65 (als REG_Ts bezeichnet) und die notwendigen Mittel zum Übertragen aller Signale. Die Eingangssignale der LUT_1 sind die digitalisierten Werte (siehe Figur 5) von Td, Ts und Nh; die Eingangssignale der LUT_2 sind Ts und Th; die Eingangssignale der LUT_3 sind Ts und Td. Ein Initialisierungemittel 47 dient zum Einstellen eines Anfangswertes für die Temperatur des Substrats im Register 65 und zur Initialisierung der obengenannten Temperatur-LUT für den Fall, daß sie in einer RAM- Vorrichtung realisiert sind. Schließlich führt der Betrieb der bevorzugten Ausführungsform von Figur 6 zu einer abgegebenen Abschätzung 68 von Te, oder genauer gesagt zu Te,min, die einem (in Figuren 3 und 6 durch Bezugszahl 35 dargestellten) Speicher MEM_Te zugeführt wird. (Der Ausdruck Te,min wird später unter Bezugnahme auf Figur 14 erläutert und umfaßt die Temperatur der Heizelemente unmittelbar vor dem Start einer Druckzeile, was im weiteren als "die Minimaltemperatur" bezeichnet wird.)
Entsprechend wird bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Drucker offenbart, bei dem die Vorrichtung zum Abschätzen der Minimaltemperatur (Te,min) der Heizelemente folgendes umfaßt: Initialisierungsmittel (47) zum Einstellen eines Anfangswertes (Ts0) für die Temperatur (Ts) des Substrats; eine erste LUT-Tabelle (61) zum Speichern einer ersten Beziehung, die eine erste Veränderung (ΔTs1) der Temperatur des Substrats als Funktion der Temperaturwerte Td und Ts und der Zahl (Nh) aktivierter Heizelemente darstellt; eine zweite LUT-Tabelle (62) zum Speichern einer zweiten Beziehung, die eine zweite Veränderung (ΔTs2) der Temperatur des Substrats als Funktion der Temperaturwerte Ts und Th darstellt; Addiermittel (64) zum Addieren der ersten Veränderung (ΔTs1) und der zweiten Veränderung (ΔTs2) der Temperatur des Substrats mit dem vorangegangenen Wert (Ts0) der Temperatur des Substrats, wie sie während der vorausgegangenen Zeile geschätzt wurde; ein Registermittel (65) zum vorübergehenden Speichern des Additionsergebnisses (Ts); eine Rückkoppelschaltung (66) zum Rückkoppeln des Additionsergebnisses (Ts) an einen Eingang der ersten LUT-Tabelle und an einen Eingang der zweiten LUT-Tabelle; eine dritte LUT-Tabelle (63) zum Speichern einer dritten Beziehung, die die Minimaltemperatur der Heizelemente (Te,min) eines Thermokopfes als Funktion der Temperaturwerte Ts und Td darstellt; Mittel (50) zum periodischen Aktualisieren des Inhalts aller obengenannten Mittel.
Um die Funktionsweise der bevorzugten Ausführungsform nach Figur 6 zu erläutern, muß das zugrundeliegende Ersatzmodell beschrieben werden. Dies kann damit beginnen, daß als erstes Figur 7 genauer betrachtet wird, bei der es sich um einen ausführlichen Querschnitt eines Thermokopfes handelt, der in Figur 1 als Teil 16 bezeichnet ist und eine Kühlkörperhalterung 71, einen Temperaturfühler 72, eine Bondschicht 73, ein Keramiksubstrat 74, einen Glaskolben 75, ein Heizelement 76 und eine verschleißfeste Schicht 77 enthält.
Figur 8 illustriert ein Wärmemodell der Struktur von Figuren 1 und 7, wobei das Wärmemodell schematische Darstellungen der jeweiligen Wärmemassen eines Heizelements 76, des Substrats 74 und des Kühlkörpers 71 sowie eine Darstellung der Drucktrommel 15 enthält. Es ist ersichtlich, daß die von einer Stromversorgung 81 in ein Heizelement 76 empfangene Leistung Wärme erzeugt, die durch die Wärmemasse des Heizelements hindurch geleitet wird. Die Wärme kann weiterhin durch die Verbrauchsmaterialien hindurch zur Trommel 15 und durch den Wärmewiderstand zwischen Heizelement 76 und Substrat 74 hindurch zur Wärmemasse des Substrats geleitet werden. Die durch die Wärmemasse des Substrats 74 hindurchgeleitete Wärme wird durch den Wärmewiderstand zwischen Substrat 74 und Kühlkörper 71 hindurch zur Wärmemasse des Kühlkörpers geleitet. Die durch die Wärmemasse des Kühlkörpers 71 hindurchgeleitete Wärme geht dann an die Umgebung verloren.
Während des Druckens strömt Wärme von den einzelnen Heizelementen zum Substrat und bewirkt einen lokalen Wärmestau im Substrat. Wegen des hohen Wärmewiderstands von Element zu Substrat (siehe Glaskolben 75) und des niedrigen Wärmewiderstands des Substrates selber kann die Substrattemperatur als gleichförmig betrachtet werden.
Wegen der Notwendigkeit fur einen schnellen Temperaturfühler und der Unzugänglichkeit der Substratoberfläche jedoch ist es schwierig, eine präzise Messung der Substrattemperatur durchzuführen.
Die Substrattemperatur wird deshalb während des Druckens mit Hilfe eines Ersatzmodells des Druckkopfs, der Verbrauchsmaterialien und der Trommel berechnet.
Mit dem in Figur 8 gegebenen Wärmemodell kann ein elektrisches Ersatzmodell entwickelt werden, dessen Grundlage zuerst unter Verwendung eines sogenannten "Modells des konzentrierten Kapazitäten" kurz eingeführt wird. Es handelt sich hierbei um ein bevorzugtes Modell zum Lösen vorübergehender Wärmeleitungsprobleme, und es ist in einem Buch von Incropero und DeWitt mit dem Titel "Fundamentals of heat and mass transfer" (Grundlagen der Wärme- und Massenübertragung], dritte Auflage, John Wiley & sons, Seite 226 usw., behandelt worden. Wenn zum Beispiel die Oberflächentemperatur eines Systems verändert wird, verändert sich auch die Temperatur an jedem Punkt in dem System, und diese Veränderung wird so lange ständig auftreten, bis eine gleichbleibende Temperatur erreicht ist. Dem Verfahren der konzentrierten Kapazitäten liegt nun die Annahme zugrunde, daß die Temperatur eines festen Körpers während des Übergangsprozesses zu jedem Zeitpunkt räumlich gleichförmig ist, was somit impliziert, daß Temperaturgradienten innerhalb des festen Körpers vernachlässigt werden können. Die Wärmeleitung bei Abwesenheit eines Temperaturgradienten impliziert das Vorhandensein einer unendlich hohen Wärmeleitfähigkeit, eine Bedingung, die eindeutig unmöglich ist. Obwohl der Bedingung niemals präzise genügt wird, wird sich ihr jedoch ziemlich stark angenähert, wenn der Leitungswiderstand innerhalb des festen Körpers im Vergleich mit dem Wärmeübertragungswiderstand zwischen dem festen Körper und seiner Umgebung klein ist, und da angenommen wird, daß das Geberband, das Nehmerblatt und die Druckzeile auf der Trommel eine gleichförmige und gleiche Temperatur aufweisen.
Wenn Temperaturgradienten innerhalb des festen Körpers vernachlässigt werden, wird die Reaktion der Übergangstemperatur durch Formulierung einer Gesamtenergiebilanz am festen Körper bestimmt. Diese Bilanz setzt die Geschwindigkeit der durch Aktivierung erzeugten Wärme mit der Geschwindigkeit des Wärmeverlustes in Beziehung. Die entsprechenden Temperaturveränderungen entwickeln sich im allgemeinen exponentiell fort. Während der Aktivierung durch eine externe Stromversorgung 81 wird der Thermokopf zuerst auf eine Temperatur θi geladen. Wenn die Stromversorgung entfernt wird, wird die im festen Körper gespeicherte Energie abgeführt, und die Temperatur des festen Körpers klingt mit der Zeit ab. Dieses Verhalten kann als eine Wärme-Zeit-Konstante τ ausgelegt und als τ = R C ausgedrückt werden, wobei R der Wärmeübertragungswiderstand und C die Wärmekapazität des festen Körpers ist. Jede Erhöhung von R oder C führt dazu, daß ein fester Körper auf Veränderungen seiner Wärmeumgebung langsamer reagiert, und vergrßert die Zeit, die zum Erreichen des Wärmegleichgewichtes (Δθ = 0) erforderlich ist.
Mit dem in Figur 8 gegebenen Wärmemodell und nach Erläuterung der Grundlage eines Modells der konzentrierten Kapazitäten kann nun eine Basiszelle einer Wärme- Ersatzschaltung für einen Thermokopf entwickelt werden. Unter diesem Blickpunkt ist die Bemerkung angebracht, daß elektrische RC-Schaltungen dazu verwendet werden können, das Einschwingverhalten von Wärmesystemen zu bestimmen. Figur 9, die immer noch unvollständig ist, jedoch für eine übersichtliche Einführung didaktisch ausreicht, zeigt eine derartige Basiszelle einer Wärme-Ersatzschaltung, bei der ein Wärmewiderstand R, und ein Wärmekondensator C&sub1; in Serie geschaltet sind und ein Wärmewiderstand R&sub2; zu den beiden Enden des Kondensators C&sub1; parallel geschaltet ist.
Da das obenerwähnte Wärmeverhalten analog ist zum Spannungsabfall, der auftritt, wenn bei einer elektrischen RC-Schaltung ein Kondensator durch einen Widerstand entladen wird, können die in einem Ladezyklus am Kondensator anliegende Spannung V&sub1; und die in einem Entladezyklus am Kondensator anliegende Spannung V&sub2; wie folgt berechnet werden:
V&sub1; = V&sub1;&sub0; × (1 - e-αt) [1]
V&sub2; = V&sub2;&sub0; × e-αt [2]
wobei V&sub1;&sub0; und V&sub2;&sub0; Anfangswerte sind und wobei
α = (R&sub1; + R&sub2;) / (R&sub1;R&sub2;C).
Mit dem obenerwähnten gegebenen, in Figur 8 gezeigten Wärmemodell und mit den Grundelementen eines in Figur 9 gezeigten elektrischen Ersatzmodells kann nun ein entsprechendes globales elektrisches Ersatzmodell konstruiert werden. Da die Erfinder der vorliegenden Anmeldung entdeckt haben, daß ungefähr 20% bis 30% der erzeugten Gesamtwärmemenge durch die Verbrauchsmaterialien und/oder die Trommel gehen und daß 80% bis 70% über den Kühlkörper verlorengehen, wird auch der Wärmewiderstand Red im wesentlichen in das Ersatzmodell mit einbezogen.
Da die Kühlkörpertemperatur Th mit einem Temperaturerfassungsmittel wie zum Beispiel einem am Kühlkörper 71 befestigten Thermistor 72 mit beträchtlicher Genauigkeit gemessen werden kann, und da es relativ leicht ist, die Temperatur der Trommel direkt zu messen, ist es von großem Vorteil, die Temperatur Ts des Heizelementsubstrats unter Bezugnahme auf den gemessenen Temperaturwert Th des Kühlkörpers zusätzlich zum Anfangswert jeder Temperatur und der angelegten Energie Pe vorauszusagen. Das elektrische Modell in Figur 10 kann wie illustriert angenähert werden. Ein erster Temperaturfühler (siehe auch Bezugszahl 51 in Figur 5) ist zum Messen der Trommeltemperatur Td vorgesehen und korreliert mit einer Ersatzspannung Van Gleichermaßen ist ein zweiter Temperaturfühler zum Messen der Temperatur Th des Kühlkörpers 71 vorgesehen und liefert eine Spannung Vh.
Ein von einer Stromquelle abgegebener Strom wird in eine erste Seite des Kondensators Ce eingekoppelt, dessen zweite Seite mit Erde oder Bezugspotential verbunden ist. Erste Seiten der Widerstände Red und Res sind mit der ersten Seite des Kondensators Ce verbunden. Eine zweite Seite der Widerstände Res ist mit der ersten Seite sowohl des Kondensators Cs und eines Widerstandes Rsh verbunden. Eine zweite Seite des Widerstandes Red ist mit der ersten Seite der Drucktrommel verbunden.
Aus einem Vergleich der Figuren 8 und 10 ist zu sehen, daß die Bauteile in Figur 10 die elektrischen Äquivalente der Wärmeelemente in Figur 8 sind. In Figur 10 bezeichnen die Bezugszeichen C und R Wärmeeigenschaften des Heizelements 76, des Substrats 74 bzw. des Kühlkörpers 71. Genauer gesagt ist Ce die Wärmemasse des Heizelements 76, Cs ist die Wärmemasse des Substrats 74, Red ist der Wärmewiderstand zwischen dem Heizelement 76 und der Drucktrommel 15, Res ist der Wärmewiderstand zwischen dem Heizelement 76 und dem Substrat 74 durch die Glasschicht 75, Rsh ist der Wärmewiderstand zwischen dem Substrat 74 und dem Kühlkörper 71, Pe ist die an den gesamten Kopf angelegte elektrische Leistung, Td ist die Temperatur der Trommel.
In diesem Text steht Vd (Bezugszahl 82) für die gemessene Temperatur der Trommel 15. Die zweite Seite der Drucktrommel ist mit Erde oder Bezugspotential verbunden. Am gemeinsamen Knotenpunkt von Kondensator Ce, Widerstand Red und Widerstand Res erscheint eine Spannung Ve (Bezugszahl 83), die gleich der abgeschätzten Temperatur eines Heizelements 76 ist. Eine Spannung Vs (Bezugszahl 84) wird dem gemeinsamen Knotenpunkt der Widerstände Res und Rsh zugeführt und ist gleich der abgeschätzten Temperatur von Substrat 74. Am Widerstand Rsh erscheint eine Spannung Vh (Bezugszahl 85) und ist gleich der gemessenen Temperatur des Kühlkörpers 71.
Unter der Voraussetzung, daß die Werte der Bauteile entsprechend ausgewählt sind und daß die dem elektrischen Modell zugeführten Spannungen (z.B. Spannungen Vd und Vh) entsprechend skaliert sind, ist ersichtlich, daß es sich bei der Spannung Ve in Figur 10 um eine präzise Abschätzung der Temperatur des Heizelements 76 handelt, wobei diese Abschätzung zur präzisen Steuerung der Erwärmung des Thermodruckers verwendet werden kann.
Das in Figur 6 eingebaute vereinfachte elektrische Modell von Figur 10 kann weiterhin von einer praktischen Schaltung verwendet werden, die die Steuerung der Erwärmung gemäß der abgeschätzten Temperatur Te des Heizelements oder der Ersatzspannung Ve bewirkt.
Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit des Wärme-Ersatzmodells werden im folgenden einige numerische Beispiele angegeben, wobei W für Watt steht, J für Joule, ºC für Grad Celsius, ohne jedoch den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken: z.B.
Pe 0,065 W; Ce = 1,17 × 10&supmin;&sup6; J/ºC; Res = 2703 ºC/W; Red 6500 ºC/W; Cs = 221 J/ºC; Rsh = 0,008 ºC/W; Vh 45ºC; Vd 30ºC.
Entsprechend stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Drucken eines Bilds unter Verwendung eines Drucksystems wie oben beschrieben bereit, das einen Schritt des Abschätzens der Minimaltemperatur (Te,min) der Heizelemente eines Thermokopfes auf der Basis eines elektrischen Ersatzmodells (80) für die Wärmeübertragungsbeziehung zwischen den Heizelementen und der Umgebung umfaßt, wobei das Modell durch ein als "Schema der konzentrierten Kapazitäten" bezeichnetes elektrisches Schema dargestellt wird, das elektrische Kondensatoren und elektrische Widerstände, die jeweils Wärmekapazitäten und Wärmewiderstände der Heizelemente, des Substrats, der Kühlkörperhalterung, der Umgebungsluft und der Drucktrommel darstellen, umfaßt und die in der Trommel und in dem Geberelement und/oder in den Nehmerelement verlorengegangene Wärme berücksichtigt; und wobei das Modell in diskreten Schritten periodisch aktualisiert wird.
Erfindungsgemäß schätzt das Verfahren zum Abschätzen der Temperatur eines Heizelements die Wärmemenge ab, die im Thermokopf gespeichert wird, nachdem ein aktivierender Strobe-Impuls dem Thermokopf zugeführt worden ist und schätzt insbesondere ab, wieviel Wärme im Thermokopf zum Zeitpunkt des nächsten Druckens gespeichert bleiben wird. [Um eine mögliche gedankliche Verwirrung auszuräumen, wird die physikalische Beziehung zwischen den verschiedenen Ausdrücken "Temperatur" und "Wärmewert" weiter unten in den die Formel 5 betreffenden Absätzen erläutert.] Bei jedem Druckzyklus wird der abgeschätzte Wärmewert in einem Speicher gespeichert; dieser Speicher enthält somit eine Wärme-Vorgeschichte des Thermokopfes.
Als nächstes wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Temperatur (Ts) des Substrats erhalten, indem die Temperaturen der Trommel (Td) und des Kühlkörpers (Th) gemessen und zu periodischen Beobachtungszeitpunkten die Temperaturänderungen des Substrats (ΔTs), wie aus dem Unterschied zwischen (erstens) der von allen aktivierten Heizelementen erzeugten und während der sequentiellen Heizzeiten kumulativ im Thermokopf gespeicherten Gesamtwärme und (zweitens) der während der Beobachtungsintervalle infolge der vom Substrat an den Kühlkörper und an die Trommel abgeführten Energie verlorengegangenen Gesamtwärme berechnet, addiert werden.
Alle diese Wärmeabschätzungen werden unter Verwendung des Modells von Figur 10 erhalten, dessen Funktionsweise nun in diskreten sequentiellen Schritten unter Bezugnahme auf die Figuren 11, 12 und 13 erläutert wird. In diesem Text ist Figur 11 eine Ersatzschema für den (Aktualisierungs-)Schritt des Aufwärmens des Substrats durch Aktivieren der Heizelemente; Figur 12 ist eine Ersatzschema für den (Aktualisierungs-)Schritt des Abkühlens des Substrats durch Kontakt mit der Kühlkörperhalterung; Figur 13 ist eine Ersatzschema für den Aktualisierungsschritt des Abfragens von Te, wie es sich aus Td und Ts ergibt.
Anfänglich beginnt das Verfahren der vorliegenden Erfindung vor dem Beginn des ersten Druckzyklus eines Bildes mit einer Messung der Temperatur des Kühlkörpers (Th0) und einer Messung der Temperatur entweder der Umgebungsluft oder vorzugsweise der Temperatur der Trommel (Td). Tatsächlich verändern sich die Temperatur des Kühlkörpers und der Trommel so langsam, daß sie leicht gemessen werden können.
Nachdem der Druckapparat schon (mindestens eine Zeile lang) gedruckt hat, wird jeder nächste Druckzyklus damit begonnen, daß die Temperaturen Td, über einen Multiplexer (Figur 5) eingefangen, und Ts, von einem vorausgegangenen Zyklus erfaßt und in einem Speichermittel REG_Ts gespeichert (siehe Bezugszahl 65 in Figur 6), abgefragt und sie einer LUT_1 zugeführt werden (siehe Figur 6).
Unter Verwendung der gemessenen Temperaturen und der Menge an Wärme, die von vorangegangenen Druckzyklen zurückgeblieben ist und in einem Speicher gespeichert ist; schätzt das erfindungsgemäße Verfahren die zu Beginn des nächsten Druckzyklus gespeicherte Wärmemenge ab.
Weiterhin wird die Substrattemperatur (Ts) zu periodischen Beobachtungszeitpunkten erhalten, indem die Temperaturänderungen des Substrats (ΔTs), wie sie aus dem Unterschied zwischen (erstens) der von allen aktivierten Heizelementen erzeugten und im Thermokopf während der sequentiellen Strobe-Zeiten (als tson abgekürzt und in der späteren Figur 15 angedeutet) kumulativ gespeicherten Gesamtwärme und der an die Trommel verlorengegangenen Wärme und (zweitens) der während des Beobachtungsintervalls verlorengegangenen Gesamtwärme berechnet worden sind, addiert werden. In diesem Text wird erfindungsgemäß die zeitliche Entwicklung der erzeugten Gesamtwärme und der verlorengegangenen Gesamtwärme vorzugsweise linear angenähert.
Ein erster Schritt bei der Abschätzung der Temperaturveränderungen des Substrats (ΔTs) umfaßt die Berechnung des Anstiegs der Substrattemperatur (ΔTs1) infolge der von den Heizelementen erzeugten Energie und bezieht sich auf Figur 11, die eine Ersatzschema für den (Aktualisierungs-)Schritt des Aufwärmens des Substrats durch Aktivierung der Heizelemente ist. In diesem Zusammenhang besitzt der Wärmewiderstand R&sbplus; die Gleichung
R&sbplus; = (Red + Res) / Ne
Wenn sich der Druckkopfin Kontakt mit der Drucktrommel befindet, gilt für die Trommel Formel [3]
Td+ = Td + (Nh/Ne) . Pe . Red [3]
Zum besseren Verständnis wird angemerkt, daß eine Rechenschaltung eine Temperatur an einem Thermokopf durch Dividieren der abgeschätzten Wärmemenge durch die Wärmekapazität des Thermokopfes abschätzen kann. In der Elektrizitätslehre sind tatsächlich die Formeln [4 & 5] gut bekannt
ΔV = ΔQ / C [4]
wobei ΔQ = i . Δt [5],
so daß durch Äquivalenz und auch in Kenntnis der Analogie, daß eine elektrische Spannung V thermisch einer Temperatur T entspricht, und unter der Annahme, daß für kurze Zeitintervalle Δt die an sich exponentielle zeitliche Entwicklung durch eine lineare Entwicklung angenähert werden kann, Formel [6] auf Figur 11 zutrifft
Aus Gründen größerer Zweckmäßigkeit ist Formel [6] in LUT_1 enthalten (siehe Figur 6).
Der zweite Schritt berechnet am Ende jeder Beobachtungsperiode, vorzugsweise nach jeder Zeilenzeit, das Abklingen der Substrattemperatur (ΔTs2) infolge der vom Substrat an den Kühlkörper abgeführten Energie. Es kann auf Figur 12 Bezug genommen werden, bei der es sich um eine Ersatzschaltung für den (Aktualisierungs-)Schritt des Abkühlens des Substrats durch physischen Kontakt mit der Kühlkörperhalterung handelt.
Daraus ergibt sich, und wiederum unter der Annahme, daß bei kurzen Zeitintervallen Δt die an sich exponentielle zeitliche Entwicklung durch eine lineare Entwicklung angenähert werden kann, daß das Entladen des Substrats gemäß Formel [7] gilt, die vorzugsweise in LUT_2 realisiert wird (siehe Figur 6):
Der dritte Schritt der vorliegenden Erfindung berechnet (algebraisch) die resultierende Te gemäß Formel [8], die in LUT_3 realisiert ist (siehe Figur 6):
Ts = Ts0 + ΔTs1 + ΔTs2 [8]
Schließlich wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Abschätzen der Minimaltemperatur eines Heizelements (Te,min) von der Abschätzung der Substrattemperatur (Ts) und von der Messung der Temperatur der Trommel (Td) durch ohmsche Potentiometer-Teilung, wie in Figur 13 illustriert, erhalten, bei der es sich genau um eine Ersatzschaltung für das Aktualisieren von Te aus den Temperaturen Ts und Td handelt.
Daraus ergibt sich Formel [9]
Te = [(Ts - Td) × (Red) / (Red + Res)] + Td [9]
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Modell vorzugsweise zu Beginn jedes Druckdurchgangs (durch Aktualisieren der Temperatur der Trommel, des Substrats und des Kühlkörpers) "synchronisiert", wodurch eine Anhäufung von Fehlern aufgrund möglicher Unvollkommenheiten des Modells vermieden wird.
Unter Bezugnahme auf Figur 14, bei der es sich über einen Überblick über einige unterschiedliche Temperaturprofile Te handelt, muß hervorgehoben werden, daß sich die erfindungsgemäße Lösung insbesondere mit der Temperatur der Heizelemente unmittelbar vor Beginn einer Druckzeile befaßt, was mit Te,min bezeichnet ist (Bezugszahl 88).
Das Abschätzen der Minimaltemperatur der Heizelemente (Te,min) wird aus der Abschätzung der Substrattemperatur (Ts) und aus der Messung der Temperatur der Trommel (Td) durch ohmsche Potentiometer- Teilung gemäß der Formel
Te,min = p.[(Ts - Td) × (Red) / (Red + Res) + Td] [10]
erhalten, wobei Red der Wärmewiderstand zwischen dem Heizelement und der Drucktrommel, Res der Wärmewiderstand zwischen dem Heizelement und dem Substrat und p ein Proportionalitätsfaktor ist.
Als Ergebnis der oben, bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, gegebenen Beschreibung ist ein Verfahren zum Drucken eines Bildes unter Verwendung einers Thermodrucksystems bereitgestellt, das einen Schritt des Abschätzens der Temperatur der Heizelemente eines Thermokopfs umfaßt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt: Messen der Thermokopf spannung (VTH) vor Beginn eines Bildes; Einleiten eines Anfangswerts (Ts0) für die Temperatur des Substrats; Zählen der Zahl (Nh) aktivierter Heizelemente; Messen der Temperatur (Td) der Trommel und der Temperatur (Th) des Kühlkörpers; Übertragen der Zahl (Nh) aktivierter Heizelemente und der gemessenen Temperaturwerte Td und Th auf eine Temperaturabschätzungsvorrichtung; Abfragen einer ersten Veränderung (ΔTs1) der Temperatur des Substrats als Funktion der Temperaturwerte Td und Ts und der Zahl (Nh) aktivierter Heizelemente aus einer ersten LUT-Tabelle; Abfragen einer zweiten Veränderung (ΔTs2) der Temperatur des Substrats als Funktion der Temperaturwerte Ts und Th aus einer zweiten LUT-Tabelle; Addieren der ersten Veränderung (ΔTs1) und der zweiten Veränderung (ΔTs2) der Temperatur des Substrats und des Anfangswerts der Temperatur des Substrats (Ts0); vorübergehende Speicherung des Additionsergebnisses (Ts) in einem Registermittel; Rückkoppeln des Additionsergebnisses (Ts) zu einem Eingang der ersten LUT-Tabelle und zu einem Eingang der zweiten LUT-Tabelle; Abfragen der Minimaltemperatur der Heizelemente (Te,min) eines Thermokopfes als Funktion der Temperaturwerte Ts und Td von einer dritten, eine geeignete lineare Beziehung speichernden LUT-Tabelle; Speichern der Minimaltemperatur der Heizelemente (Te,min) in einem Speichermittel (MEM_Te); Aktualisieren des Inhalts aller oben erwähnten Mittel bei jeder Aufzeichnung einer Zeile; den Wert Te,min einem beliebigen Druckkorrektursystem verfügbar machen.
Um einen der Vorzüge der vorliegenden Erfindung zu illustrieren, muß zuerst hervorgehoben werden, daß hinsichtlich der Abschätzung von Te herkömmliche Berechnungen recht umfangreich ausfallen können. Selbst bei einer sehr einfachen Schaltung, wie z.B. in Figur 9, müssen die zeitabhängigen Einschwingvorgänge exponentiell ausgedrückt werden und erfordern eine ziemlich lange Berechnungszeit.
Die resultierende Temperatur T wird als Ergebnis erstens einer Wärmespeicherung und zweitens eines Wärmeverlustes berechnet, wobei die Wärmespeicherung einen Temperaturanstieg bewirkt, der der Spannung V&sub1; im Ladezyklus für die in Figur 9 gezeigte Ersatzschaltung äquivalent ist und der Wärmeverlust einen Temperaturabfall bewirkt, der der Spannung V&sub2; in dem Entladezyklus für die gleiche, in Figur 9 gezeigte, Ersatzschaltung äquivalent ist.
T V&sub1; - V&sub2; = V&sub1;&sub0; × (1 - eαt) - V&sub2;&sub0; × e-αt [11]
wobei α eine Funktion von R&sub1;, R&sub2; und C&sub1; ist, genauer gesagt
α = (R&sub1; + R&sub2;) / (R&sub1;R&sub2;C).
Eine mit T' bezeichnete quadratische ungefähre Expansionsgleichung von T kann wie folgt eingeführt werden:
T T' = a(Δt)² ÷ b(Δt) + c [12]
wobei a, b und c Koeffizienten sind, die unter Berücksichtigung der Anfangsbedingungen bestimmt werden, und Δt eine unendlich kurze Zeit ist, die durch die Strobe- Impulsbreite angenähert ist, da die Strobe-Impulsbreite in der Größenordnung von µs liegt, während die Zeit, um die Temperatur zu messen, mehr als eine Sekunde beträgt.
Dieses Verfahren der annähernden Berechnung verringert zwar die Berechnungszeit, erfordert aber immer noch einen großen Aufwand.
Die Verwendung einer speziellen, erfindungsgemäßen LUT-Ausführungsform (siehe Figur 6) bringt allerdings einen großen zusätzlichen Vorteil mit sich. Eine derartige Tabelle besteht zwar aus einem geordneten Paar von Eingabe- und Ausgabewerten, doch ist die LUT bei der Durchführung sich wiederholender Operationen sehr wirksam und kann eine beträchtliche Menge an Zeit einsparen. Dadurch stellt die vorliegende Erfindung eine schnelle und prazise Abschätzung der Temperatur bereit.
Bei einem Thermosublimationsdrucker oder einem Thermosublimationsdruckverfahren gemäß der vorhergehenden Beschreibung wird die Aktivierung der Heizelemente vorteilhafterweise auf besondere Weise mit einem impulsmäßigen Tastverhältnis durchgeführt, das im weiteren Text als "Tastverhältnis-Impulsbetrieb" bezeichnet wird. Dies wird in Figur 15 illustriert, die die an ein Heizelement angelegten Stromimpulse zeigt und mit dem Bezugszahl 89 bezeichnet ist. Die Wiederholungs-Strobeperiode (ts) besteht aus einem Heizzyklus (tson) und einem Kühlzyklus (ts - tson), wie in der gleichen Figur 15 angedeutet ist. Die Strobeimpulsbreite (tson) ist die Zeit, während der ein Freigabe-Strobesignal eingeschaltet ist. Das Tastverhältnis eines Heizelementes ist das Verhältnis der Impulsbreite (tson) zur Wiederholungs-Strobeperiode (ts). Unter der Annahme, daß die Maximalzahl an erhältlichen Dichtewerten bei L Pegeln liegt, wird die Zeilenzeit (t&sub1;) in eine Zahl (L) von Strobeimpulsen unterteilt, die, wie gezeigt, jeweils eine Wiederholungs-Strobeperiode ts aufweisen. Im Fall von z.B. 1024 Dichtewerten (gemäß einem 10-Bit-Format der entsprechenden elektrischen Bildsignalwerte) würde die maximale Diffusionszeit nach 1024 sequentiellen Strobeperioden erreicht werden.
Im Fall einer Aktivierung durch Tastverhältnis- Impulsbetrieb ist möglicherweise klar, daß die Leistungsmenge, die so weit durch das Symbole Pe (z.B. in Formel 6) bezeichnet wurde, als eine über die Zeit gemittelte Leistung Pe,ave interpretiert werden muß, die durch
Pe,ave Pe . (tsdon/ts) [13]
definiert ist.
Die Erfindung ist zwar unter Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden, doch soll vom Fachmann klar zu verstehen sein, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. So zum Beispiel können die Wärmemassen durch Induktanzen dargestellt sein, die Temperaturen durch Ströme und die an das Thermodruckelement angelegte Leitung kann durch eine Spannung dargestellt sein. Als weiteres Beispiel kann das Wärmemodell (oder ein elektrisches Ersatzmodell) in Software dargestellt sein (wobei die verschiedenen Wärmeparameter die Temperaturen, Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten durch entsprechende Prozeßvariablen dargestellt und in entsprechenden Registern gespeichert sein können). Der Schutzumfang der Erfindung soll daher im Zusammenhang mit den beiliegenden Ansprüchen interpretiert werden.
Die vorliegende Erfindung kann eindeutig im Fall des Thermosublimationsdrucks (TSP), des Farbstoffdiffusionsthermotransfers (D2T2), des Thermofarbstofftransfers, des Thermotransferdrucks, des Direktthermodrucks, usw. angewendet werden.

Claims

1. Thermodrucksystem, das folgendes enthält: einen Drucker, der ein Farbstoffgeberelement mit einem oder mehreren Farbstoffrahmen und ein Nehmerelement auf einem an einer drehbaren Drucktrommel befestigten Aufnahmeblatt verwendet, wobei der Nehmer Farbstoffe von den Farbstoffrahmen aufnimmt; wobei der Drucker einen Thermokopf mit mindestens mehreren Heizelementen, einem Heizelementsubstrat und einer Kühlkörperhalterung enthält; erste Steuermittel zum Antreiben synchronisierter Bewegungen des Geberelements und des Nehmerelements entlang jeweiliger Wege bezüglich des Thermokopfes derart, daß bei Aktivierung des Thermokopfs gemäß Bilddaten Farbstoff von einem Farbstoffrahmen auf den Aufnehmer übertragen wird, um darauf ein Bild zu erzeugen; zweite Steuermittel zum zeilenweisen Liefern eines aktivierenden Signals, das den Bilddaten entspricht, um die Heizelemente zu aktivieren; Mittel zum Zählen der Zahl Nh aktivierter Heizelemente zu periodischen Beobachtungszeitpunkten; Mittel zum Messen der Temperatur Td der Trommel und der Temperatur Th des Kühlkörpers zu periodischen Beobachtungszeitpunkten; Mittel zum Digitalisieren der gemessenen Temperatur Td der Trommel und der gemessenen Temperatur Th des Kühlkörpers; Mittel zum Übertragen der Zahl Nh aktivierter Heizelemente und der digitalisierten Temperaturwerte Td und Th; eine Vorrichtung zum Abschätzen der Temperatur Te der Heizelemente auf der Basis der Werte von Nh, Td und Th; Speichermittel MEM_Te zum Speichern der Abschätzung der Temperatur Te der Heizelemente; wobei der Drucker dahingehend wirkt, daß er die Energie, mit der die Heizelemente des Thermokopfes beaufschlagt sind, als Funktion der Abschätzung der Temperatur der Heizelemente und der Solltemperatur der Heizelemente nachregelt.

2. Thermodrucksystem nach Anspruch 1, wöbei das Mittel zum Zählen der Zahl Nh von aktivierten Heizelementen zu periodischen Beobachtungszeitpunkten und das Mittel zur Übertragung der Zahl NH aktivierter Heizelemente und der digitalisierten Temperaturwerte Td und Th innerhalb periodischer Beobachtungsintervalle, die nicht länger sind als die Zeit, die zum Drucken einer Zeile auf dem Nehmerelement erforderlich ist, arbeiten, bzw. zählen und übertragen.

3. Thermodrucksystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abschätzung der Temperatur der Heizelemente die Temperatur der Heizelemente unmittelbar vor dem Beginn (88) einer Druckzeile umfaßt, was im weiteren als "die Minimaltemperatur" Te,min bezeichnet ist.

4. Thermodrucksystem nach Anspruch 3, bei dem die Vorrichtung zum Abschätzen der Minimaltemperatur Te,min der Heizelemente folgendes umfaßt: Initialisierungsmittel (47) zum Einstellen mindestens eines Anfangswertes Ts0 für die Temperatur Ts des Substrats; eine erste LUT-Tabelle (61) zum Speichern einer ersten Beziehung, die eine erste Veränderung ΔTs1 der Temperatur des Substrats als Funktion der Temperaturwerte Td und Ts und der Zahl Nh aktivierter Heizelemente darstellt; eine zweite LUT-Tabelle (62) zum Speichern einer zweiten Beziehung, die eine zweite Veränderung ΔTs2 der Temperatur des Substrats als Funktion der Temperaturwerte Ts und Th darstellt; Addiermittel (64) zum Addieren der ersten Veränderung ΔTs1 und der zweiten Veränderung ΔTs2 der Temperatur des Substrats mit dem vorangegangenen Wert Ts0 der Temperatur des Substrats, wie sie während der vorausgegangenen Zeile geschätzt wurde; ein Registermittel (65) zum vorübergehenden Speichern des Additionsergebnisses Ts; eine Rückkoppelschaltung (66) zum Rückkoppeln des Additionsergebnisses Ts an einen Eingang der ersten LUT-Tabelle und an einen Eingang der zweiten LUT-Tabelle; eine dritte LUT-Tabelle (63) zum Speichern einer dritten Beziehung, die die Minimaltemperatur der Heizelemente Te,min eines Thermokopfes als Funktion der Temperaturwerte Ts und Td darstellt; Mittel (50) zum Aktualisieren des Inhalts aller obengenannten Mittel.

5. Verfahren zum Drucken eines Bildes unter Verwendung eines Drucksystems wie im Anspruch 3 definiert, das einen Schritt des Abschätzens der Minimaltemperatur Te,min der Heizelemente eines Thermokopfes auf der Basis eines elektrischen Ersatzmodells (80) für die Wärmeübertragungsbeziehung zwischen den Heizelementen und der Umgebung umfaßt, wobei das Modell durch ein als "Schema der konzentrierten Kapazitäten" bezeichnetes elektrisches Schema dargestellt wird, das elektrische Kondensatoren und elektrische Widerstände, die jeweils Wärmekapazitäten und Wärmewiderstände der Heizelemente, des Substrats, der Kühlkörperhalterung, der Umgebungsluft und der Drucktrommel darstellen, umfaßt und die in der Trommel und in dem Geberelement und/oder in dem Nehmerelement und über den Kühlkörper an die Ungebung verlorengegangene Wärme berücksichtigt; und wobei das Modell in diskreten Schritten periodisch aktualisiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Temperatur Ts des Substrats erhalten wird, indem die Temperaturen der Trommel Td und des Kühlkörpers Th gemessen und zu periodischen Beobachtungszeitpunkten die Temperaturänderungen des Substrats ΔTs, wie aus dem Unterschied zwischen der von allen aktivierten Heizelementen erzeugten und während der sequentiellen Heizzeiten kumulativ im Thermokopf gespeicherten Gesamtwärme und der während der Beobachtungsintervalle infolge der vom Substrat an den Kühlkörper und an die Trommel abgeführten Energie verlorengegangenen Gesamtwärme berechnet, addiert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zeitliche Entwicklung der erzeugten Gesamtwärme und der verlorengegangenen Gesamtwärme linear approximiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Abschätzen der Minimaltemperatur der Heizelemente Te,min aus der Abschätzung der Substrattemperatur T, und aus der Messung der Temperatur der Trommel Td durch ohmsches Potentiometer-Teilen gemäß der Formel

Te,min = p.[(Ts - Td) × (Red) / (Red + Res) + Td]

erhalten wird, wobei Red der Wärmewiderstand zwischen dem Heizelement und der Drucktrommel, Red der Wärmewiderstand zwischen dem Heizelement und dem Subtrat und p ein Proportionalitätsfaktor ist.

9. Verfahren zum Drucken eines Bildes unter Verwendung eines Systems wie in Anspruch 4 definiert, das einen Schritt des Abschätzens der Temperatur der Heizelemente eines Thermokopfs umfaßt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt: Messen der Thermokopf spannung VTH vor Beginn eines Bildes; Einleiten eines Anfangswerts Ts0 für die Temperatur des Substrats; Zählen der Zahl Nh aktivierter Heizelemente; Messen der Temperatur Td der Trommel und der Temperatur Th des Kühlkörpers; Übertragen der Zahl Nh aktivierter Heizelemente und der gemessenen Temperaturwerte Td und Th auf eine Temperaturabschätzungsvorrichtung; Abfragen einer ersten Veränderung ΔTs1 der Temperatur des Substrats als Funktion der Temperaturwerte Td und Ts und der Zahl Nh aktivierter Heizelemente aus einer ersten LUT-Tabelle; Abfragen einer zweiten Veränderung ΔTs2 der Temperatur des Substrats als Funktion der Temperaturwerte Ts und Th aus einer zweiten LUT-Tabelle; Addieren der ersten Veränderung ΔTs1 und der zweiten Veränderung ΔTs2 der Temperatur des Substrats und des Anfangswerts der Temperatur des Substrats Ts0; vorübergehende Speicherung des Additionsergebnisses Ts in einem Registermittel; Rückkoppeln des Additionsergebnisses Ts zu einem Eingang der ersten LUT-Tabelle und zu einem Eingang der zweiten LUT-Tabelle; Abfragen der Minimaltemperatur der Heizelemente Te,min eines Thermokopfes als Funktion der Temperaturwerte Ts und Td von einer dritten, eine geeignete lineare Beziehung speichernden LUT-Tabelle; Speichern der Minimaltemperatur der Heizelemente Te,min in einem Speichermittel MEM_Te; Aktualisieren des Inhalts aller oben erwähnten Mittel bei jeder Aufzeichnung einer Zeile; den Wert Te,min einem beliebigen Druckkorrektursystem verfügbar machen.

10. Thermosublimationsdrucker oder Thermosublimationsdruckverfahren gemäß einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierung der Heizelemente mit einem impulsmäßigen Tastverhältnis (89) durchgeführt wird.