[論文レビュー] Reduced 30% scanning time 3D multiplexer integrated circuit applied to large array format 20KHZ frequency inkjet print heads

Jing-Chiou Liou, Fan‐Gang Tseng|ArXiv.org|Feb 21, 2008

CCD and CMOS Imaging Sensors参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、選択信号（S）、アドレス信号（A）、電源供給信号（P）の3つの信号を用いて、高密度インクジェットプロンタヘッドにおけるデータアクセスポイント数とスキャン時間の削減を図る3次元マルチプレクサ統合回路を提案する。各発射抵抗素子ごとにゲーティングトランジスタを採用し、3次元データ登録アーキテクチャを実装することで、1000本を超えるノズルに対してスキャン速度が30%高速化され、データアクセスポイントは31にまで削減され、0.35 µm CMOSプロセスを用いた2500×500 µm²のチップ面積を実現した。

ABSTRACT

Enhancement of the number and array density of nozzles within an inkjet head chip is one of the keys to raise the printing speed and printing resolutions. However, traditional 2D architecture of driving circuits can not meet the requirement for high scanning speed and low data accessing points when nozzle numbers greater than 1000. This paper proposes a novel architecture of high-selection-speed three-dimensional data registration for inkjet applications. With the configuration of three-dimensional data registration, the number of data accessing points as well as the scanning lines can be greatly reduced for large array inkjet printheads with nozzles numbering more than 1000. This IC (Integrated Circuit) architecture involves three-dimensional multiplexing with the provision of a gating transistor for each ink firing resistor, where ink firing resistors are triggered only by the selection of their associated gating transistors. Three signals: selection (S), address (A), and power supply (P), are employed together to activate a nozzle for droplet ejection. The smart printhead controller has been designed by a 0.35 um CMOS process with a total circuit area, 2500 x 500 microm2, which is 80% of the cirucuit area by 2D configuration for 1000 nozzles. Experiment results demonstrate the functionality of the fabricated IC in operation, signal transmission and a potential to control more than 1000 nozzles with only 31 data access points and reduced 30% scanning time.

研究の動機と目的

• 高ノズル数インクジェットプロンタヘッドにおける2次元駆動アーキテクチャの制限を解決すること。
• 1000本を超えるノズルを有する大規模アレイインクジェットヘッドに必要なデータアクセスポイント数およびスキャンライン数を削減すること。
• 高周波数（20 kHz）インクジェット印刷において、高解像度および信頼性を維持したまま、より高速なスキャン速度を実現すること。
• 高密度ノズルアレイに適したスケーラブルで低面積の統合回路アーキテクチャを開発すること。

提案手法

• 選択（S）、アドレス（A）、電源供給（P）の3つの制御信号を用いた3次元マルチプレクシングアーキテクチャの実装。
• 各インク発射抵抗素子が、S、A、Pの3信号がすべて論理1に設定された場合にのみ、専用のゲーティングトランジスタによって駆動される。
• 0.35 µm CMOSプロセスを用いた小型化された2500×500 µm²の回路面積を有するスマートプロンタコントローラの設計。
• 3次元データ登録を活用して、データアクセスポイント数およびスキャンライン数を最小限に抑える。
• 各ノズルごとにゲーティングトランジスタを統合し、正確かつ独立したドロップ噴射制御を実現。
• 20 kHz印刷周波数をサポートする信号伝送およびタイミング最適化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元マルチプレクサアーキテクチャは、大規模アレイインクジェットプロンタヘッドにおけるデータアクセスポイント数とスキャン時間を削減できるか？
• RQ2 従来の2次元アーキテクチャと比較して、S/A/P信号トリオは制御効率をどのように向上させるか？
• RQ3 本3次元マルチプレクシング方式を用いて、31個のデータアクセスポイントでのみ効果的に制御可能なノズル数の上限は何か？
• RQ4 従来の2次元構成と比較して、3次元マルチプレクサはスキャン時間をどの程度短縮できるか？
• RQ5 1000ノズル用に設計された本提案ICの面積効率は、標準的な2次元構成と比較してどの程度か？

主な発見

• プロトタイプICでは、従来の2次元アーキテクチャと比較してスキャン時間が30%短縮された。
• 1000本を超えるノズルを制御するためのデータアクセスポイントはわずか31であった。
• 回路面積は、1000ノズル用に従来の2次元構成に比べて80%にまで削減された。
• 3次元マルチプレクサ設計により、20 kHz周波数での安定した信号伝送を伴う動作が実現した。
• 機能検証により、ICが正確なタイミング制御と低消費電力で高密度ノズルアレイを制御可能であることが確認された。
• S/A/P信号トリオにより、クロストークを最小限に抑えつつ、個々のノズルの選択的活性化が可能となり、高い信頼性が達成された。