DE2362415A1 - Tintenstrahldrucker - Google Patents

Description

Böblingen, 10. Dezember 1973 heb-oh

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 972 070

Tintenstrahldrucker

Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahldrucker mit einer aus einem Tintenbehälter unter Druck gespeisten Düse und Einrichtungen zum Bilden, Aufladen, Ablenken und Auffangen von Tintentröpfchen auf einem Aufzeichnungsträger.

Der Bedarf an verbesserten, kleinen, sehr schnell arbeitenden Druckern hat sich in den letzten Jahren drastisch erhöht. Ein besonderes Anwendungsgebiet für solche Drucker ist die Ausgabe von Datenverarbeitungsanlagen, bei denen die tatsächliche Druckausgabe seit langem Schwierigkeiten bereitete, so daß die auszugebenden Daten oft vorübergehend auf Magnetbändern,, Magnetplatten oder Trommeln manchmal für Stunden gespeichert werden mußten, bevor die angeschlossenen Druckvorrichtungen die Daten ausdrucken konnten. Die meisten heute auf diesem Anwendungsgebiet erhältlichen Drucker arbeiten mit Drucktypen oder Druckhämmern, wobei das einzelne Druckelement zur Erzeugung eines sichtbaren Buchstabens oder Zeichens mit Kraft gegen einen Aufzeichnungsträger bewegt werden muß. In den letzten Jahren wurden Tintenstrahldrucker entwickelt (, bei denen Tinte unter Druck einer geeigneten Düse zugeführt wird.. Der Tintenstrom wird dann in eine Anzahl Tröpfchen aufgelöst. Die Tröpfchenbildung wird auf verschiedene Weise gesteuert, beispielsweise durch Vibrieren der Düse, oder durch in die Tintenzufuhr nach der Düse eingeführte Drucksto-

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rungen usw. Die von außen an das Tintenstrahlsystem zugeführten Störungen bewirken, daß der von der Düse austretende Tintenstrahl in eine Anzahl.gleichförmiger Tröpfchen mit vorbestimmter Frequenz und nicht ganz gleichmäßigem Abstand von der Spitze der Düse unterbrochen wird. Es ist jedoch zwingend notwendig, daß die Erzeugung der Tröpfchen und die Zufuhr der Video-Aufladesignale an den Strom der Tintentröpfchen untereinander synchronisiert sind. Die Frequenz der Tröpfchenbildung wird in solchen Systemen durch das zur Erzeugung der Störung angelegte Signal bestimmt, z.B. durch das Vibrieren der Düse. Anschließend an den Punkt, wo der Tintenstrom sich in einzelne Tintentröpfchen auflöst, ist eine Aufladestation vorgesehen, in der jedem Tröpfchen eine elektrostatische Ladung erteilt wird, üblicherweise wird dazu eine rohrförmige Elektrode oder eine den austretenden Tröpfchenstrom umgebende Elektrode verwendet, die an einer geeigneten Aufladeschaltung angeschlossen ist. Die Video-Signale werden zwischen Düse und Aufladeelektrode angelegt, worauf das Tröpfchen eine Ladung annimmt, die der Amplitude des an der Aufladeelektrode zu dem Zeitpunkt liegenden bestimmten Signals entspricht, an welchem sich das Tröpfchen von dem Tintenstrahl ablöst.

Das Tröpfchen durchläuft anschließend ein festes elektrostatisches Feld und der Betrag der Ablenkung wird durch die Größe der Aufladung des Tröpfchens zu dem Zeitpunkt bestimmt, an dem es durch das Ablenkfeld hindurchläuft. Eine geeignete Aufzeichnungsfläche ist hinter den Ablenkplatten oder Ablenkeinrichtungen angeordnet, so daß das Tröpfchen auf dieser Aufzeichnungsoberfläche auftrifft und einen kleinen Fleck oder Punkt bildet. Die Position des Tröpfchens auf der Aufzeichnungsfläche wird durch die Ablenkung des Tröpfchens bestimmt, die wiederum durch die Aufladung des Tröpfchens bestimmt ist. Wenn man also die Aufladung eines Tröpfchens in geeigneter Weise ändert, dann läßt sich auch der Ort, an dem das Tröpfchen auf der Aufzeichnungsoberfläche auftrifft, entsprechend steuern, so daß man durch Anlegen geeigneter Video-Signale an ein solches System eine sichtbare und lesbare gedruckte Aufzeichnung auf der Aufzeichnungsfläche erzeugen kann. Die US-

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Patentschrift 3 596 275 offenbart ein solches Aufzeichnungssystem.

Wie sich weiterhin ergibt, ist in einem solchen System der Zeitpunkt, zu dem sich das Tröpfchen von dem von der Düse kommenden Flüssigkeitsstrom ablöst, ziemlich kritisch, da die von dem Tröpfchen mitgeführte elektrostatische Ladung durch elektrostatische Induktion erzeugt wird. Das durch das Aufladesignal erzeugte Feld wird aufrechterhalten, während sich das Tröpfchen ablöst. Das Tröpfchen führt dann eine Ladung mit sich, die durch dieses Signal bestimmt und dessen Amplitude proportional ist. Wenn jedoch zum Zeitpunkt der Ablösung des Tröpfchens das Aufladesignal entweder ansteigt oder abfällt, oder aber überhaupt zum Zeitpunkt der Tröpfchenablösung nicht vorhanden ist, dann wird die exakte von dem Tröpfchen mitgeführte Ladung eine zeitliche Funktion des maximalen Signals sein und nicht proportional dazu gemäß einer vorbestimmten festen Beziehung. Will man daher den einzelnen Tröpfchen entsprechend den aufeinanderfolgenden Video-Signalen exakte und vorbestimmte Aufladungen erteilen, so ist es zwingend notwendig, den genauen Zeitpunkt der Ablösung des Tröpfchens in bezug auf die zeitliche Lage des Video-Signals zu erkennen. Mit anderen Worten, müssen der Zeitpunkt der Tröpfchenablösung und das Anlegen eines Video-Signals exakt miteinander synchronisiert sein. Fehlerhafte Synchronisation zwischen der Tröpfchenbildung und den Video-Signalen gibt eine ungenaue Steuerung des Druckvorganges mit einer entsprechenden Verschlechterung der Gleichförmigkeit, Klarheit und Qualität des sich dabei ergebenden Druckes.

In der US-Patentschrift 3 465 351 ist ein System beschrieben, in dem festgestellt werden kann, ob der das Tröpfchen erzeugende Wandler und die Aufladesignale miteinander synchron betrieben werden und in dem ein Korrektursignal in das System eingeführt wird.

Die US-Patentschrift 3 596 276 offenbart ein weiteres System zur Feststellung der Synchronisierung und zum Einführen einer Phasenverschiebung oder Phasenkorrektur zur Aufrechterhaltung dieser

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Synchronisierung. Die erstgenannte Patentschrift verwendet eine recht grobe Steuerung der den Wandler vibrierenden Einrichtung und die letztgenannte Patentschrift offenbart ein wesentlich komplizierteres, analoges Steuersystem zur Steuerung der Phase der Aufladesignale.

Beide in diesen Patentschriften offenbarten Tintenstrahldrucker verwenden jedoch eine einzige Aufladeelektrode endlicher Länge, die den Tintenstrom von dem Punkt an, an dem die Tröpfchen frühestens sich ablösen können, bis zu dem Punkt umgeben, an dem sich maximal die Tröpfchen ablösen können. Diese Länge macht die Taktgabe ziemlich kritisch, wenn nicht das angelegte Signal ein falsches Tröpfchen beeinflussen soll. Mit einem solchen System muß die Synchronisation außergewöhnlich genau sein, um eine gute Druckqualität zu erzielen. Weiterhin müssen dabei Abfühleinrichtungen vorgesehen sein, mit denen sich feststellen läßt, ob die Synchronisation noch vorhanden ist oder nicht und es muß eine Steuerung über eine Rückkopplungsschleife vorgesehen sein, damit die korrekte und richtige Phasenlage zwischen der Tröpfchenbildung und der Aufladung ständig eingehalten werden kann.

Auf diesem Gebiet der Technik besteht daher eine Notwendigkeit für eine Einrichtung zum Bilden und Aufladen von Tintentröpfchen, bei dem die bisher außergewöhnlichen Schwierigkeiten einer genauen Synchronisation zwischen der Tröpfchenbildung und deren Aufladung fast völlig beseitigt sind, wobei gleichzeitig nicht nur eine verbesserte Druckqualität erzielbar ist, sondern auch noch die gesamte Synchronisierschaltung weggelassen werden kann.

Es wurde festgestellt, daß die Synchronisierung des Ablösezeitpunkts der einzelnen Tröpfchen mit dem angelegten Aufladesignal dadurch wesentlich vereinfacht werden kann, daß man das Aufladesignal längs des von der Düse ausgehenden Tintenstrahls in Form einer Wanderwelle zuführt. Wählt man die Geschwindigkeit der Wanderwelle so, daß sie mit der Geschwindigkeit des Tintenstrahls zusammenfällt, dann wird die besonders kritische Feststellung,

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wann genau das Tintentröpfchen sich vom Tintenstrahl ablöst, beseitigt, da der in Form einer Wanderwelle vorliegende Aufladeimpuls per Definition in der unmittelbaren Nachbarschaft eines vorgegebenen Tintenvolumens sich befindet, wenn dieses ein Tröpfchen bildet. Das an der Aufladevorrichtung und damit an dem Tropfchenstrom angelegte Signal kann entweder binär sein, d.h. aus zwei vorbestimmten festen Potentialen bestehen, oder aber ein Analogsignal sein, dessen Amplitude zwischen einem Minimal- und Maximalwert schwankt, was sich durch geeignete Auswahl der Schaltung zur Erzeugung der Wanderwelle verwirklichen läßt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Äufladesignals nach Art einer Wänderwelle zum Aufladen der einzelnen Tintentröpfchen in einem Tintenstrahldrucker zu schaffen, durch welches die Schwierigkeiten bei der Synchronisierung beseitigt oder doch wesentlich herabgesetzt werden.

Insbesondere soll das nach Art einer Wanderwelle vorliegende Äüfladesignal im wesentlichen einem vorgegebenen Tintenvolumen folgen, das entsprechend aufgeladen werden soll, und zwar vor der Ablösung des Tröpfchens und nach der Ablösung des Tröpfchens.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Äusführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, wobei die einzelnen Merkmale der Erfindung, die unter Schütz gestellt werden sollen und durch die die Erfindung sich in bevorzugter Weise verwirklichen läßt, in den beigefügten Patentansprüchen im einzelnen angegeben sind.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Tintenstrahl

druckers mit einer Aufladevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

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Fig. 2 schematisch eine Darstellung einer angezapften

Verzögerungsleitung, unter Verwendung aktiver oder geschalteter Bauelemente zur Verwendung mit einem binären, serialen Bitstrom;

Fig. 3A eine weitere Ausführungsform der Erfindung, unter

Verwendung einer aktiven Verzögerungsschaltung, bei der die Ablenkdaten in digitaler Form vorliegen und eine analoge Ablenkung bedeuten;

Fig. 3B schematisch eine Teildarstellung einer der Stufen

der Verzögerungsschaltung in Figur 3A;

Fig. 4A eine schematische Darstellung eines Tintenstrahl-

stroms vor und nach der Ablösung der Tintentröpfchen zu einem gegebenen Zeitpunkt sowie den relativen Ort der Wanderwelle der Aufladeimpulse und der einzelnen Tintentröpfchen für ein binäres System;

Fig. 4B eine ähnliche Darstellung wie Figur 4A mit dem

Unterschied, daß die bestimmte Wanderwelle in diesem Fall die Anwendung analoger Ablenkdaten zeigt, die den Ablenkelektroden zugeführt werden;

Fig. 5A eine Querschnittsansicht eines Segmentes der

Aufladeelektrode mit der angeschlossenen Schaltung für eine unmittelbare Digital-Analogumwandlung und

Fig. 5B eine ähnliche Darstellung wie Fig. 5A gemäß

einer weiteren Ausführungsform für eine Digital-Analogumwandlüng.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Tintenstrahl erzeugt wird, der unter dem gemeinsamen Ein-

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fluß von Oberflächenspannungen und zugeführten oszillierenden Störungen in einzelne Tröpfchen umgeformt wird. Einzelne Ladungen werden den einzelnen Tröpfchen dadurch erteilt, daß der Tintenstrahl oder der Tröpfchenstroru einem veränderlichen elektrosta- ' tischen Feld an dem Punkt ausgesetzt wird, an dem die Tröpfchen sich ablösen. Dieses elektrostatische Feld wird als ein sich bewegendes Ladungsfeldmuster entsprechend den Aufladungen mehrerer aufeinanderfolgender Tröpfchen gebildet, wobei sich dieses Muster über einen ausgedehnten Zeit- und Raumbereich ändert und so über diesen Bereich, eine im wesentlichen konstante Form darstellt, die sich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die im wesentlichen gleich der Geschwindigkeit des Tintenstrahls ist. Dieser Bereich beginnt an einem Punkt vor dem frühestmöglichen Ablösepunkt der einzelnen Tintentröpfchen und erstreckt sich bis hinter den letztmöglichen Ablösepunkt für Tintentröpfchen. Dieses Muster kann bequemerweise beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß eine aus mehreren Elementen oder Segmenten bestehende Aufladeelektrode in Verbindung mit einer Verzögerungsschaltung benutzt wircu Die aus mehreren Elementen bestehende Aufladeelektrode ist mit den aufeinanderfolgenden Anzapfungen einer angezapften Verzögerungsleitung verbunden, der an einem Ende ein Aufladeimpuls zugeführt wird und die 'eine Wanderwelle eines elektrischen Feldes entlang der Bahn der Tintentröpfchen bildet, die sich mit im wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit wie der Tintentröpfchenstrom bewegt.

Die Verzögerungsschaltung kann dabei beispielsweise eine übliche Verzögerungsleitung sein, die im wesentlichen aus diskreten Schaltelementen, wie Induktivitäten, Kapazitäten, den entsprechenden Anzapfungspunkten und einem Abschlußwiderstand, besteht, oder sie kann auch eine aktive Verzögerungsleitung sein. Eine aktive Verzögerungsschaltung kann beispielsweise ein einfaches Schieberegister sein, wobei jede Schieberegisterstufe einen Anschluß oder Anzapfpunkt aufweist, der mit einem entsprechenden Segment der aus mehreren Elementen bestehenden Aufladeelektrode besteht, wobei ein in einer gegebenen Stufe des Schieberegisters eingespeicherter Impuls auf seinem zugeordneten Elektrodensegment auftritt. Ab-

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hängig von der Art des verwendeten Schieberegisters oder der verwendeten Schieberegisterstufen erhält man offenbar ein Speichersignal, das entweder binär oder analog ist.

In einer weiteren Ausführungsform können die einzelnen Schieberegisterstufen beispielsweise in der Lage sein, mehrere binäre Ziffern, beispielsweise eine binär codierte Zahl, einzuspeichern, wenn beispielsweise die Aufladesignale sich schrittweise von Null bis auf einen festgelegten Maximalwert ändern können. Das Ausgangssignal einer jeden solchen Schieberegisterstufe würde dann über einen Analog-Digitalwandler und von dort nach der entsprechenden zugeordneten Aufladelektrode übertragen. Andererseits könnte die Digital-Analogumwandlung auch an der einzelnen Aufladeelektrode stattfinden, wobei jede dieser Elektroden in einzelne Teile unterteilt ist, und jeder dieser Teile dem Tintenstrom, entsprechend der Gewichtung des einzelnen binären Bits, eine Aufladung erteilt.

Die vorangegangene allgemeine Beschreibung des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips, das ein nach Art einer Wanderwelle sich fortbewegenden Aufladeimpuls in einem solchen Tintenstrahldrucker verwendet, zeigt auch die allgemeinen funktionellen Beziehungen der verschiedenen Teile des Tintendruckers, die zur Aufladung der einzelnen Tintentröpfchen erforderlich sind. Bevor im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 4 in eine Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen eingetreten werden soll, soll eine allgemeine Beschreibung des Erfindungsgedankens, des Aufbaus und der Arbeitsweise eines Tintenstrahldruckers gemäß der Vorliegenden Erfindung gegeben werden.

In Tintenstrahldruckern mit elektrostatischer Ablenkung und mit der Tröpfchenbildung synchronisierter Aufladung der Tröpfchen, wird zunächst der Tintenstrahl in einzelne Tröpfchen aufgelöst,. deren jedes eine elektrostatische Ladung trägt, die bewirkt, daß das Tröpfchen um einen vorgeschriebenen Betrag abgelenkt wird, während es, durch ein festes, querverlaufendes, elektrostatisches

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Feld hindurchtritt. Die Ablenkung wird durch Veränderung der dem Tröpfchen erteilten Ladung erzielt, die wiederum durch die Oberflächenladungsdichte am Tintenstrahl zum Zeitpunkt der Tröpfchenablösung bestimmt ist. Diese Oberflächenladung wird gemäß dem Stand der Technik über das Potential einer einzigen Aufladeelektrode gesteuert, die ein elektrostatisches Feld und damit auf der Oberfläche des Strahls eine induzierte Ladung erzeugt. Schwierigkeiten ergeben sich dadurch, daß Änderungen in der Steuerspannung zwischen dem Ablösen der einzelnen Tröpfchen stattfinden müssen, und das zeitliche Auftreten des Ablösezeitpunkts der einzelnen Tröpfchen ist nicht genau bestimmt. Daraus ergibt sich aber eine Schwierigkeit in der genauen Steuerung der Tröpfchenladung. Die Anzahl der in der Zeiteinheit gebildeten Tröpfchen und ihre Ankunftszeiten in einer gegebenen Position sind mit guter Näherung voraussehbar, wenn der Tröpfchenstrom mechanisch erregt wird.

Die Oberfläche eines eine öffnung verlassenden Flüssigkeitsstroms ist an sich nicht stabil und der Strahl löst sich letztlich in einzelne Tröpfchen auf. Dieser Prozeß kann durch eine Oberflächenwelle beschrieben werden, deren Amplitude längs des Strahls exponentiell zunimmt, bis die Spitzenamplituden mit den Strahlabmessungen vergleichbare Werte erreichen. Dann nehmen die engen Abschnitte zwischen den Spitzenwerten auf die Dicke Null ab, der Strahl bricht auseinander und aus jeder Spitzenamplitude wird ein Tröpfchen. Dies ist in den Figuren im einzelnen gezeigt. Der Zeitpunkt (nach Verlassen der öffnung), an dem sich ein Tröpfchen ablöst, ist im wesentlichen die Zeit, die benötigt wird, bis eine Welle exponentiell auf eine vorbestimmte Amplitude anwächst, d.h. diese Zeit ist im wesentlichen unbestimmt. Selbst für eine sehr glatte oder polierte öffnung und einen stetigen, gleichmäßigen Flüssigkeitsstrom entsteht eine solche Welle aus einem beliebigen Geräusch und in diesem Fall ist die Unsicherheit am größten. Es ist dabei allgemein üblich, solch eine Welle künstlich einzuleiten, beispielsweise durch eine Modulation des Flüssigkeitsstroms mit einer Frequenz in der Nähe der Eigenfrequenz, d.h. derjenigen Frequenz, die selbst am schnellsten ihre Maximalamplitude erreicht.

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Dies hat zwei unmittelbare Wirkungen: Es legt die Frequenz der Tröpfchenbildung und die Größe der Tröpfchen fest und legt auch die Phase fest, mit der die Tröpfchen an einem bestimmten Punkt vorbeilaufen. Die Phase des Ablösevorganges wird jedoch nicht dadurch festgelegt. Der Ablösevorgang wird jedoch dadurch gleichmäßiger, weil die Welle weniger wachsen muß, um eine kritische Amplitude zu erreichen, so daß die dafür benötigte Zeit kürzer und weniger unsicher ist. Selbst dann bleiben jedoch die sich dabei ergebenden Schwankungen in der Zeitlage der einzelnen Tröpfchen nicht annehmbar.

Es wurde jedoch festgestellt, daß diese Schwierigkeit dadurch umgangen werden kann, daß man nun nicht mehr an dem gesamten Tintenstrahl als solchen ein einziges Steuerfeld anlegt, das zudem noch zwischen dem Ablösen eines Tröpfchens und dem Ablösen eines nächsten Tröpfchens geändert werden muß. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Muster eines elektrischen Feldes und einer sich daraus ergebenden induzierten Ladung vorgesehen, das sich längs des Tintenstrahls synchron mit der anwachsenden Welle bewegt. Somit führt dann jeder Wellenberg eine unveränderliche Ladung während der ganzen Zeit mit sich, in der dieser Wellenberg sich innerhalb dieses elektrischen Feldmusters bewegt und der exakte Zeitpunkt, an dem sich das Tröpfchen vom Strahl ablöst, wird unwichtig. In diesem Fall ist es nur erforderlich, daß das Ablösen des Tröpfchens innerhalb des Bereiches erfolgt, in dem das sich bewegende Feldmuster existiert. Selbstverständlich muß die relative Phase der sich bewegenden Ladungsverteilung und der anwachsenden Welle aufrechterhalten werden, doch läßt dies sich durch unmittelbare Erregung der Welle steuern.

Die gewünschte oder geforderte Feldverteilung des sich bewegenden Feldes kann dadurch erzielt werden, daß man sequentiell das gewünschte Aufladepotential einer Anzahl von Elektroden zuführt, wie das beispielsweise in Figur 1 dargestellt ist» Es ist dabei möglich, eine Phasenverzögerung zwischen den einzelnen Elektroden durch Verwendung einer passiven LC-Verzögerungsleitung zu erzie-

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len, doch die hier erforderliche Verzögerung ist für elektrische Verzögerungsleitungen relativ lang.

Ein besserer Weg, die erforderliche Verzögerung zu erzielen, besteht darin, eine aktive Verzögerungsleitung zu benutzen. Da bei einzelnen Druckverfahren Analog-Aufladesignale erforderlich sind, müssen entsprechende dafür geeignete Schaltungen eingesetzt werden. Andere Verfahren zum Erzielen einer Analogsteuerung, wie z.B. das zuvor erwähnte digitale Schieberegister, gekoppelt mit Digital-Analogwandlern, können benutzt werden, oder eine andere Art von Digital-Analogwandlern, wie sie beispielsweise in den Figuren 5A und 5B gezeigt sind.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Ladung für jedes Tröpfchen nicht die bereits im Tintenstrahl existierenden, sehr engen Wellentäler kurz vor dem Ablösepunkt durchströmen muß, sondern sich bereits aufbauen kann, während diese Einschnürungen noch relativ klein sind. Das verringert die Probleme, die sich aus der Wechselwirkung mit Tinten niederer Leitfähigkeit ergeben.

Nachdem nunmehr die allgemeinen Merkmale und Vorteile der Erfindung dargelegt sind, sollen nunmehr eine Beschreibung der Arbeitsweise der offenbarten besonderen Ausführungsformen folgen.

In Figur 1 ist eine Gesamtdarstellung eines Tintenstrahldruckers in vereinfachter Form gezeigt. Man sieht, daß selbst in dieser Form sich die Arbeitsweise der Erfindung ohne weiteres deutlich ergibt, soweit die einzelnen Bauelemente davon betroffen sind. In Figur 1 ist eine Tintenstrahldüse 10 gezeigt, die mit einem entsprechenden Tinteneinlauf verbunden ist.

Der tatsächlich austretende Tintenstrahl 11 tritt aus der Düse axis und die Wirkung der Tröpfchenbildung ist in dieser und in den anderen Figuren in der Weise dargestellt, daß sich aufgrund der Oberflächenspannung und anderer Einwirkungen ein allmähliches

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Einschnüren des Tintenstrahles ergibt, bis die einzelnen Tröpfchen sich tatsächlich ablösen.

Ein Wandler 12 wird, wie zuvor beschrieben, zum Einführen von Störungen in den Tintenstrahl benutzt, um die Frequenz der Tröpfchenbildung zu stabilisieren. Eine aus mehreren Segmenten bestehende Aufladeelektrode (14) ist hinter der Düse angeordnet und umgibt, wie dargestellt, den aus der Düse austretenden Tintenstrahl sowohl vor, als auch nach dem eigentlichen Ablösepunkt. Wie zuvor klar beschrieben, ist es gerade dieser Ablösepunkt, der etwas unbestimmt ist und sich in solchen Systemen immer ständig verändert, obgleich die Tintengeschwindigkeit und die Tröpfchenfrequenz im wesentlichen gleichförmig bleiben. Hinter der Aufladestation ist eine Ablenkstation 16 angeordnet, die in üblicher Weise mit einer festen Kochspannungsquelle verbunden ist, wodurch die Tintentröpfchen in geeigneter Weise abgelenkt werden, bevor sie auf einem Aufzeichnungsträger 18 auftreffen.

In der Aufladeschaltung sind die einzelnen, die Aufladeelektrode 14 bildenden Segmente mit den Ausgängen einer Verzögerungsschaltung 20 verbunden. Selbstverständlich wird das erste Ausgangssignal der Verzögerungsleitung mit der geringsten Verzögerung mit dem ersten Segment der Aufladeelektrode verbunden sein usw., so daß beim Durchlaufen eines Impulses durch die Verzögerungsleitung ein entsprechendes Aufladesignal entlang einer Reihe von einzelnen Aufladeelektroden-Segmenten läuft. Wie bereits erwähnt, ist die Wanderungsgeschwindigkeit des Signals durch die Verzögerungsleitung im wesentlichen die gleiche wie die Geschwindigkeit der einzelnen den Tintenstrahl bildenden Tintentröpfchen.

Der Oszillator 22 liefert die Impulse an den Wandler 12, der wiederum die exakte Tröpfchenfrequenz in dem System bestimmt und ein Synchronisiersignal zur Durchschaltung einer neuen Reihe von Eingangsdatenimpulsen über die Torschaltung 24, synchron mit der Tröpfchenerzeugungsfrequenz abgibt.

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Die Quelle für solche serialen Eingangsdaten wäre beispielsweise ein geeigneter Zeichengenerator, wie er z.B. in der US-Patentschrift 3 298 030 mit dem Titel "Elektrisch betriebener Zeichendrucker" offenbart ist. Bekanntlich kann das Drucken von Zeichen, beispielsweise durch eine aus Düsen bestehende Matrix durchgeführt werden, wobei den verschiedenen Düsen in einfacher Weise binäre Information zugeführt wird, so daß entweder ein Punkt gedruckt oder nicht gedruckt wird. Soll beispielsweise eine Linie gedruckt werden, dann werden alle Düsen in der Linie erregt. Andererseits kann mit einem einzigen Tintenstrahl und analoger Ablenkung des Strahls die erforderliche Bewegung des Strahls in einer der Druckrichtungen vorgenommen werden, wobei dann die Bewegung des Aufzeichnungsträgers in der anderen Richtung quer zur Bewegung des Tintenstrahles die zweite Aufzeichnungsrichtung liefert.

In Figur 2 sind die Einzelheiten einer einfachen, nach Art eines Schieberegisters aufgebauten, aktiven Verzögerungsschaltung dargestellt, wobei jede Schieberegisterstufe mit der nächstfolgenden Stufe verbunden ist und einen Ausgangsanzapfpunkt aufweist, an dem der Signalinhalt jeder einzelnen Stufe selektiv dem daran angeschlossenen Segment der Aufladeelektrode 14 zugeführt werden kann. Obgleich in dieser Ausführungsform vorzugsweise ein serialer, binärer Datenstrom dem Schieberegister zugeführt wird, sollte doch ohne weiteres klar sein, daß es auch möglich ist, ein analoges Schieberegister zu verwenden, bei dem die in Serie zugeführten Signale analoge Signale sind. Da die analogen Ablenkdaten gewöhnlich zunächst in digitaler Form erzeugt werden, stellt die in den Figuren 3A und 3B dargestellte Ausführungsform wohl eine etwas bessere Version dar«,

Figur 3A ist ähnlich aufgebaut wie Figur 2, mit der Ausnahme jedoch, daß die den einzelnen Stufen 40 des Schieberegisters in diesem Fall zugeführten Daten aus einer Anzahl von η Bits bestehen, d.h. einem Byte von je 4 Bit zur Darstellung der Zahlen, beispielsweise zwischen 0 und 15. Damit kann man, gesteuert durch

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die binär codierten Eingangsdaten, den Tintenstrahl über 16 getrennte analoge Ablenkwerte steuern. Wie in den Figuren 1 und 2, werden die Ausgangssignale der einzelnen Schieberegisterstufen 40 den daran angeschlossenen einzelnen Elementen oder Segmenten der Aufladeelektrode 14 zugeführt.

Die Einzelheiten jedes Blocks 40 der Figur 3A sind beispielsweise in Figur 3B dargestellt, wobei jeder der Blocks 40 aus einem Register zur Speicherung aller η Bits des Eingangs-Codes, einem Digital-Analogwandler zur Umwandlung der Digitalinformation in ein entsprechendes Analogsignal und schließlich eine durch die Taktschaltung 42 der Verzogerungsschaltung gesteuerte Torschaltung besteht, die den Inhalt des Registers nach der nächstfolgenden Registerstufe durchschaltet. Auf diese Weise sieht man, daß die aus η Bits bestehenden digitalen Ablenkdaten an einem Ende der Verzogerungsschaltung eingegeben werden und, gesteuert durch den Taktgenerator, in der Verzogerungsschaltung von Stufe zu Stufe weitergeschaltet werden. Die Frequenz dieses Taktgenerators muß offensichtlich so gewählt sein, daß die Fortpflanzung der Welle durch die Verzogerungsschaltung exakt der Geschwindigkeit des Tintenstrahls entspricht. Selbstverständlich leuchtet es ohne weiteres ein, daß die Frequenz dieses Taktgenerators nicht notwendigerweise die gleiche Frequenz ist wie des in Figur 1 gezeigten Oszillators 22, der die tatsächliche Tröpfchengeschwindigkeit festlegt, die wiederum von den verschiedenen physikalischen Eigenschaften der verwendeten Tinte, dem Druck an der Düse, dem Düsendurchmesser usw. abhängt. Andererseits wird die Frequenz des Taktgenerators der Verzogerungsschaltung ausschließlich durch den Abstand der einzelnen Segmente der Aufladeelektrode voneinander und der Geschwindigkeit des Tintenstrahls bestimmt. Die erforderliche Frequenz läßt sich dabei leicht durch Division der Geschwindigkeit durch den Abstand der einzelnen Elektrodensegmente ermitteln.

Ferner sollte es ohne weiteres klar sein, daß die relative Größe, der Tröpfchenabstand, der Abstand der Elektrodensegmente usw. hier

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nur der Erläuterung" halber dargestellt sind. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Tröpfchengeschwindigkeit oder Tröpfchenfrequenz oder deren Abstand nicht kritisch ist, solange die Tröpfchenbildungsgeschwindigkeit bekannt ist, so daß die entsprechenden Eingangsdaten dem System eingangsseitig mit der richtigen Frequenz zugeführt werden können, und daß außerdem die Geschwindigkeit des Tröpfchenstrahls bekannt ist, so daß bei Verwendung von aktiven Verzögerungsleitungen mit Schieberegistern die richtige Fortschaltfrequenz zugeführt werden kann. Der gegenseitige Abstand der einzelnen Elektroden untereinander und von dem Tintenstrahl ist ebenfalls nicht kritisch, solange es möglich ist, daß das elektrische Feld an dem Strahl über die Abstände in der Größenordnung des Tröpfchenabstandes gesteuert werden kann. Vorzugsweise sollten beide Abstände miteinander vergleichbar sein, oder aber kleiner als der Abstand zwischen den einzelnen Tröpfchen. Sind sie dies nicht, dann kann man die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Elektroden dadurch kompensieren, daß man die über die Verzögerungsschaltung laufenden Daten entsprechend verzerrt.

Fig. 4A und 4B dienen der Erläuterung binärer und analoger Aufladesignale für eine aus mehreren Elementen bestehende Aufladeelektrode 14. Hierbei ist in der Nachbarschaft jeder der Elektroden, ein Tröpfchen dargestellt und jeder dieser Elektroden wird ein geeignetes Aufladesignal zugeleitet, auf das das in der Nachbarschaft der Elektrode befindliche Tröpfchen aufgeladen werden soll. Fig. 4B unterscheidet sich von Fig» 4A nur dadurch, daß ein analoges Aufladesignal dargestellt ist. Man sieht aus diesen beiden Figuren, daß die eigentliche Ablösung des einzelnen Tröpfchens zwischen dem zweiten und dritten Elektrodensegment erfolgt. Unter den hier dargestellten besonderen Bedingungen würden dann nur diese drei Elektroden eine merkliche Einwirkung auf die letztendlich durch die einzelnen Tröpfchen in dem Strom mitgeführte Iiadung haben. Wie jedoch zuvor erläutert, könnte sich dieser Ablösepunkt theoretisch von dem dargestellten Punkt weiter nach rechts in Richtung auf das äußerste rechte oder letzte Elektroden-

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segment bewegen. Unabhängig davon läuft mit einem gewünschten Tröpfchen oder einem Wellenberg das erforderliche Aufladesignal über die gesamte Länge der Aufladeelektrode 14 mit. Somit ist die dargestellte Konstruktion im wesentlichen vom Ablösepunkt des Tröpfchens unabhängig, solange dieser innerhalb des Bereichs der Elektrode 14 stattfindet. Es wurde festgestellt/ daß dieser Ablösepunkt sich beträchtlich verschieben kann, während die Geschwindigkeit des Tröpfchens keine merklichen Schwankungen aufweist. Aus diesem Grund ist es nicht erforderlich/ die übertragungsgeschwindigkeit der angezapften Verzögerungsleitung, wenn sie einmal richtig eingestellt ist, wesentlich zusätzlich nachzustellen. Falls eine solche Nachstellung jedoch erforderlich ist, kann sie in zufriedenstellender Weise von Hand vorgenommen werden, indem mittels einer Prüfaufladung die Frequenz des Oszillators der Verzögerungsschaltung eingestellt wird, bis sich eine Ablenkung ergibt, die über einen begrenzten Bereich von der Erregung des Wandlers 12 unabhängig ist. Dies tritt jedoch nur ein, wenn der Aufladeimpuls mit derselben Geschwindigkeit wie der einzelne Wellenberg am Zeitpunkt des Ablösens des Tröpfchens läuft.

Zwei Ausführungsformen für Digital-Analogumwandlung sind in Fign. 5A und. 5B gezeigt. In Figur 5A ist ein einziges Segment 14 der Aufladeelektrode zusammen mit vier Positionen des Schieberegisters 40 (wie in Figur 3) dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird angenommen, daß das Ausgangssignal jeder Bitposition identisch ist und jeder der Kondensatoren 41 einen digital gewichteten Kapazitätswert, nämlich 1, 2,. 4 und 8 aufweist, wobei ein kumulatives Analogsignal aus den Augenblickswerten der angeschlossenen Schieberegisterstufen 40 an dem Elektrodensegment 14 auftritt.

In der Ausführungsform gemäß Figur 5B wird genau dieselbe Wirkung dadurch erzielt, daß jedes Elektrodensegment der aus mehreren Segmenten bestehenden Aufladeelektrode in einzelne radiale Abschnitte aufgespalten ist, deren Größe und damit Aufladewirkung auf den Tintenstrom 11 proportional zu einem bestimmten Bitspeicherplatz der Schieberegisterstufe 40 ist. Randeffekte und der-

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gleichen müssen bei der Auswahl der Größe der gewichteten radialen Abschnitte in Betracht gezogen werden, lassen sich jedoch leicht durch einfache Versuche bestimmen.

Die hier offenbarte Schaltung bedarf keiner weiteren Erläuterung, da sie einem mit der elektronischen Schaltungstechnik vertrauten Fachmann geläufig ist.

Kettenschaltungen, wie sie beispielsweise zur zeitweiligen Speicherung von Fernsehvideosignalen Verwendung finden, können beispielsweise in der analogen Schaltung gemäß Figur 2 eingesetzt werden.

Für die passive Verzögerungsschaltung gemäß Figur 1 läßt sich auch eine einfache, aus diskreten Bauelementen bestehende LC-Verzögerungsleitung benutzen.

Für die mit einem einfachen, binären Schieberegister arbeitende Ausführungsform in Figur 2 könnte jede mit Röhren- oder Halbleitervorrichtungen arbeitende Schieberegisterschaltung benutzt werden, bei der das Ausgangssignal jeder Schieberegisterstufe unmittelbar dem zugeordneten Aufladeelektrodensegment zugeführt oder aber nach geeigneter Verstärkung dem Elektrodensegment zugeführt wird.

Für die in Figur 3B dargestellte Ausführungsform könnte jedes übliche η-Bit binäre Schieberegister, wie z.B. η parallele Schieberegister, wie sie im Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben sind, zusammen mit jedem bekannten Typ eines elektronischen Digital-Analogumwandlers benutzt werden. In den Ausführungsformen gemäß Figur 5A und 5B ist offensichtlich keine weitere Digital-Analogumwandlung erforderlich.

Somit ist also in der vorangegangen Beschreibung eine neuartige Anordnung zur Aufladung der einzelnen Tintentröpfchen in einem mit elektrostatischer Ablenkung arbeitenden Tintenstrahldrucker

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aufgezeigt worden, wobei die sonst üblicherweise auftretenden Schwierigkeiten bei der Synchronisation zwischen der Tröpfchenbildung und der Aufladung der Tröpfchen vermieden sind. Der konstruktive Aufbau ist relativ einfach und ohne irgendwelche besonderen Schwierigkeiten. Obgleich in den aktiven Schaltungsteilen ein nicht unbeachtlicher Schaltungsaufwand zunächst erforderlich ist, so ist diese Anordnung doch relativ störungsfrei und würde nur sehr wenig Instandhaltung benötigen.

Die einzige kritische Dimension der in den Ausführungsbeispielen gezeigten Konstruktion besteht darin, daß die einzelnen Segmente der Aufladeelektrode 14 genügend nahe an dem Strom der Tintentröpfchen liegen müssen, so daß das auf den einzelnen Elektrodensegmenten liegende elektrische Feld sich mit dem Strom der Tintentröpfchen und nicht mit benachbarten Elektrodensegmenten koppelt. Dies ist jedoch offensichtlich so und genaue Maßangaben werden hierbei nicht gegeben, da sie mit der Größe der Tröpfchen in einer gegebenen Ausführungsform, mit der Art der dielektrischen Materialien und außerdem der Größe der zugeführten Aufladespannung beträchtlich schwanken können.

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Claims (9)

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1. / Tintenstrahldrucker mit einem Tintenvorrat, einer Düse und Mitteln zum Richten eines unter hohem Druck stehenden, von der Düse mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit austretenden Tintenstroms, der sich mit einer festen vorbestimmten Frequenz in einzelne Tintentröpfchen auflöst.,

mit einer Aufladevorrichtung zum Aufladen der einzelnen Tröpfchen nach Ablösen von dem Tintenstrom auf eine elektrische Ladung.und

mit Ablenkeinrichtungen für die' Tröpfchen und einem Aufzeichnungsmedium," auf dem die Tröpfchen zur Erzäugung ■ einer sichtbaren Aufzeichnung auftreffen, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus mehreren einzelnen Segmenten aufgebaute Aufladeelektrode (14) verwendet ist, deren Segmente sich von einem Punkt vor dem frühes'ten Ablösepunkt der Tintentröpfchen bis hinter den spätestens Ablösepunkt der Tintentröpfchen erstrecken, daß ferner eine angezapfte Verzögerungsleitung (20) mit einem Signaleingang vorgesehen ist, deren einzelne Anzapfungen mit den einzelnen Segmenten der Aufladeelektrode verbunden sind, und daß der Verzögerungsschaltung Aufladeimpulse an= einem Ende zuführbar sind, so daß das Aufladesignal nach Art einer Wanderwelle an den einzelnen Segmenten der Aufladeelektrode auftritt, und daß die Verzögerung der Verzögerungsschaltung zwischen aufeinanderfolgenden Anzapfpunkten gleich der Laufzeit eines der den Tröpfchenstrom bildenden Tröpfchen von einem Segment zum nächstfolgenden Segment entspricht, wodurch auf der Aufladeelektrode eine nach Art einer Wanderwelle sich bewegende Aufladung erzeugt wird, die sich mit im wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit wie der Tintenstrahl bewegt.

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2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsschaltung aus einer aus passiven Bauelementen aufgebauten Verzögerungsleitung mit einem Signaleingang an einem Ende und einer Abschlußschaltung am anderen Ende besteht, daß die einzelnen Anzapfpunkte zeitlich gleiche Abstände voneinander aufweisen, wobei der dem Signaleingang am nächsten liegende Anzapfpunkt mit dem der Düse am nächsten liegenden Segment der Aufladeelektrode verbunden ist, und daß benachbarte Anzapfpunkte mit benachbarten Segmenten der Aufladeelektrode hinter dem ersten Segment verbunden sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsschaltung aus einer aktiven, aus mehreren Stufen (3O) aufgebauten Schieberegisterschaltung besteht, wobei die Anzahl der Stufen der Anzahl der Segmente der Aufladeelektrode (14) entspricht und jede Stufe über eine Ausgangsleitung mit einem der Segmente der Aufladeelektrode verbunden ist, daß ein Taktgenerator (42) zum Fortschalten eines am Eingang der Verzögerungsschaltung angelegten Eingangssignals vorgesehen ist und daß die Frequenz des Taktgenerators so gewählt ist, daß ein ah einem Ende der Verzögerungsschaltung zugeführtes Eingangssignal durch diese Verzögerungsschaltung mit der gleichen Geschwindigkeit fortgeschaltet wird, wie ein Tintentröpfchen in dem Tintenstrom die Aufladeelektrode (14) durchläuft.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stufe des Schieberegisters aus einem einzigen binären Speicherelement besteht, das der Einspeicherung einer binären 1 oder 0 dient, und daß Schaltmittel vorgesehen sind, durch die binäre Eingangsdaten der Verzögerungsschaltung in binärer Form zuführbar sind.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stufe des Schieberegisters aus einer Kettenschaltung

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von Analogspeicherelementen zum Einspeichern eines Analogsignals besteht, und daß Schaltmittel vorgesehen sind, um eine seriale Folge von Analogimpulsen dem Eingang der Verzögerungsschaltung zuzuführen.

6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schieberegisterstufe (40) aus mehreren Bitspeicherschaltungen zur Speicherung einer digital codierten Bitgruppe besteht, die ein der Aufladeelektrode und ihren Segmenten zuzuführendes analoges Ablenksignal darstellt, daß ein Digital-Analogwandler zur Umwandlung der digitalen Bitfolge in ein analoges Aufladesignal an den Segmenten der Aufladeelektrode vorgesehen ist, und daß dem Eingang des Schieberegisters eine Serie von digital-codierten Analogwerten, entsprechend den den aufeinanderfolgenden Tintentröpfchen zuzuführenden Analogsignalen, zuführbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Digital-Analogwandler eine unmittelbar mit dem Ausgang jeder Multibit-Schieberegisterstufe verbundene elektronische Schaltung vorgesehen ist, die das digitale Informa-" tionssignal in ein analoges Aufladesignal decodiert.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Digital-Analogumwandlung ein Kondensator (41) zwischen jedem Bitspeicherelement der Schieberegisterstufe und dem zugeordneten Segment der Aufladeelektrode angeordnet ist, und daß die Größe jedes Kondensators so gewählt ist, daß ein Signal entsprechend dem digitalen Wert des in dem zugehörigen Schieberegisterelement eingespeicherten digitalen Wertes entspricht, wobei jede 1 oder 0 in jedem Schieberegisterelement durch ein Signal gleicher Amplitude dargestellt ist.

9. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur

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Digital-Analogumwandlung jedes Segment der Aufladeelektrode (14) in einzelne Bogenabschnitte verschiedener Größe unterteilt ist, die jeweils mit jedem Bitspeicherelement des Schieberegisters verbunden sind, und daß die Größe jedes Abschnittes so gewählt ist/ daß bei Anlegen eines gleichförmigen Signals auf jedem Bogenabschnitt die Aufladewirkung proportional der digitalen Gewichtung des einzelnen Elements der Schieberegisterstufe ist, mit dem es verbunden ist.

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