DE2725801B2 - Vorrichtung zur Bestimmung des Aufschlagpunktes von Tintentropfen - Google Patents
Vorrichtung zur Bestimmung des Aufschlagpunktes von TintentropfenInfo
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Description
Es sind Tintenstrahldrucker bekannt, bei denen nur
die zum Druck erforderlichen Tröpfchen erzeugt werden, andere bei denen aus einem kontinuierlichen
Tintenstrahl nur diejenigen gegen das Papier gelenkt werden, die für den Druck benötigt werden, wobei das
Ablenken der Tintentröpfchen auf das Papier bzw. in eine Tintenauffangblende magnetisch oder elektrostatisch erfolgen kann. Bei jedem dieser Tintenstrahldrukker hingt die Druckqualität, d. h. die Genauigkeit des
Auftreffeni der Tintentröpfchen auf die vorgegebene Druckposition von der Richtungssteuerung der Tintentröofchen ab. Bei Tintenstrahldruckern mit nur einer
einzigen Düse ist eine anfängliche Abweichung der Tintenstrahlbahn durch Einstellung der Richtung der
Düse oder durch Beeinflussung der Richtungssteuerung des Tintenstrahles korrigierbar. Bei Tintenstrahldrukkern
mit einer Vielzahl von Düsen ist infolge des geringen zur Verfügung stehenden Raumes eine
Richtungssteuerung der einzelnen Tintenstrahlen nicht möglich. Außerdem kann sich die Anfangsrichtung eines
Tinienstrahles als Folge von eingetrockneter Tinte oder
teilweiser Verschmutzung der Düse odt,: durch Verschleiß der Düse verändern. Es ist deshalb
notwendig, daß die Richtung des Strahles festgestellt wird, nicht nur wenn die Düse zum ersten Mal in den
Drucker eingesetzt wird, sondern in periodischen Zeitabständen.
Es ist eine Detektoreinrichtung (US-PS 38 86 564) bekannt, bei der vom Abstand der vorbeifliegenden
Tropfen abhängige unterschiedliche Spannungswerte über eine Auswertschaltung die Abweichungen angeben.
Die Detektoreinrichtung stellt ein Induktionsfühler dar, der die Ablenkung aufgeladener Tröpfchen
feststellt
In der US-PS 34 65 350 ist zwar die Verwendung eines piezoelektrischen Kristalls als Tropfendetektor
beschrieben, jedoch wird hierbei lediglich das Aufschlagen eines Tropfens an irgendeiner Stelle des Detektors
angezeigt.
Es ist deshalb die Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestim-JO
mung des Aufschlagpunktes von Tintentropfen zu schaffen, die präzise Ortsangaben ohne Beschränkung
auf irgendeine Tropfenart (geladene oder ungeladene)
liefert
Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteran-Sprüchen
zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 einen Tropfenaufschlagübertrager in schaubildlicher Darstellung,
Fig.2 ein Schaltbild für die Feststellung des Auf tref fortes des Tropfens auf dem Übertrager,
Fig.3 einen zweidimensionalen Tropfenaufschlagübertrager
in schaubildlicher Darstellung,
F i g. 4 die in dem Übertrager nach F i g. 3 verwendete
Leiteranordnung in detaillierter Darstellung,
Fig.5 eine Auflösungskurve der Aufschlagübertrager
nach den F i g. 1 und 3,
F i g. 6 am Ausgang der Schaltung nach F i g. 2 infolge eines Tropfenauftreffens an verschiedenen Stellen des
Übertragers nach F i g. 1 erzeugte Wellenformen,
F i g. 7 ein Diagramm der Druckerzeugung im Übertrager nach Fig. I1
Fig.8 einen Tintenstrahldruckkopf mit einem zweireihigen
Tropfenaufschlagübertrager und
Fig.9 ein Schema eines zweidimensionalen Aufschlagübertragers
für viele Tintenstrahlen.
Die Richtungsgenauigkeit des Tintenstrahles ist bei elektrostatischen Tintenstrahldruckern der sogannten
Binärart besonders wichtig, weil hier die geladenen und unabgelenkten Tropfen auf das zu bedruckende Papier
aufschlagen und deren Aufschlaggenauigkeit die Druckqualität bestimmt Der in F i g. 1 dargestellte Übertrager
liefert Informationen über den Ort des Auftreffens des Tintentropfens 10, unabhängig von seiner elektrischen
Ladung, Leitfähigkeit oder seinen magnetischen Eigenschaften. Beispielsweise kann der Tropfen einen
Durchmesser von 0.025 mm bis 0.05 mm aufweisen, bei
einer Tropfenteilung von 0,17 bis 0,20 mm.
Den Übertrager bildet ein dünnes, gepoltes piezoelektrisches Plättchen 11. Der Übertrager ist funktionsfähig ohne Rücksicht auf die Richtung der Polarität,
jedoch ergibt sich die beste Signalamplitude bei einer Polung in der Richtung des Pfeiles 12. Beispielsweise hat
das Plättchen 11 für die obenerwähnten Größen der Tintentröpfchen eine Dicke t von ungefähr 0,5 mm.
Piezoelektrische Materialien wie piezoelektrische Keramik, Lithium und Quarzkristalle kommen in Betracht.
An der Rückseite ist das piezoelektrische Material mit einem elektrisch leitfähigen Material von einer Dicke
von ungefähr 3 μ überzogen, um die Elektrode 14, die mit der Erde 15 verbunden ist, zu bilden. Zwei
elektrische Leiterelektrcden 16 und 17 sind auf der Vorderseite des Plättchens 11 niedergeschlagen. Diese
Leiter haben beispielsweise eine Breite von 0,025 bis 0,05 mm und eine Dicke von 2 bis 3 μ. Für die oben
beschriebenen Tropfengrößen ergibt sich ein vorteilhafter Teilungsabstand .Svon 0,12 mm. Die Leiterlänge /ist
ausreichend für das Abfühlen der Tintenstrahlen einer
vollständigen Reihe von Düsen. Sollte die Tinte korrodierend sein oder andere zerstörerisch Effekte
auf die Leiter ausüben, sind das piezoelektrische Plättchen und die elektrischen Leiterelektroden mit
einer Passivierungsschicht von 3 bis 5 μ Dicke überzogen. Als besonder» vorteilhaft hat sich eine
aufgesprühte Quarzschicht gezeigt, die eine geeignete Passivierung für viele Tintenarten ergibt. Die elektrischen Leiterelektroden Hi und 17 endigen in den
Ausgangsanschlüssen 21 und 22.
Der in Fig.2 gezeigte Impedanzanpassungsverstärker ist an die Ausgangsanschlüsse 21 und 22
angeschlossen. Der Ausgangsanschluß 21 ist mit dem Operationsverstärker 24 verbunden, während der
Ausgangsanschluß 22 an den Operationsverstärker 25 angeschlossen ist Diese Verstärker sind mit den
Eingängen 26 bzw. 27 der Vergleichsschaltung 28 verbunden. Die letztere subtrahiert vom Signal am
Eingang 26 dasjenige des Eingangs 27. Das Differenzsignal tritt an ler Ausgangsklemme 29 auf. Verschiedene
Schaltungen sind verwendbar, jedoch wurde der Impedanzanpassungsverstärker für die Feststellung der
Ladepegel als derjenige mit der besseren Empfindlichkeit festgestellt
Der Übertrager nach Fig. 1 stellt einen Tintenstrahl
aus der Reihe voit Tintenstrahl fest, in dem die
Tropfen aus allen Düsen bis auf eine aufgeladen werden. All die geladenen Tropfen werden dann in die
Tintenauffangblende abgelenkt, während die ungeladenen Tropfen dieser bestimmten Düsen, deren Richtungsgenauigkeit zu überprüfen ist, auf den Übertrager
aufschlagen. Die von einem aufschlagenden Tropfen verursachte Kraft wird durch den piezoelektrischen
Wandler in eine elektrische Ladung oder Spannung verwandelt, in Abhängigkeit von dem verwendeten
Meßverfahren. Die erzeugte Spannung ist proportional zur piezoelektrischen Konstanten d,, in Coulomb/Newton mal der erzeugten Kraft in Newton. Der
resultierende Druck und somit die erzeugte Ladung ist um den Aufschlagpunkt des kleinen Tintentropfens
herum lokalisiert Die Ladung sammelt sich an einer der beiden elektrischen Leiterelektroden 16 und 17, die der
Überlappung des Druckfeldes mit der Elektrode entspricht, wodurch sich eine Signalamplitude von der
Aufschlagstelle ergibt
Sollte somit der Tintentropfen in der Mitte zwischen den beiden Leiterelektirien 16 und 17 aufschlagen, ist
die an jeder Elektrode angesammelte Ladung ungefähr gleich. Schlägt jedoch der Tintentropfen näher an der
einen oder anderen Leiterelektrode auf, ist die an dieser Elektrode angesammelte Ladung wesentlich größer als
die an der anderen. Die an jeder der beiden Leiterelektroden angesammelten Ladungen werden
durch die Operationsverstärker 24,25 verstärkt und der Vergleichsschaltung 28 zugeführt In dem Beispiel, in
dem der Tintentropfen in der Mitte zwischen den beiden
ίο Leiterelektroden aufschlägt, wird das Ausgangssignal
der Vergleichsschaltung 28 an der Klemme 29 minimal sein. Wenn jedoch der Tintentropfen näher an einer der
beiden Leiterelektroden aufschlägt, wird das Ausgangssignal an der Ausgangsklemme 29 wesentlich erhöht
und seine Amplitude zeigt an, daß eine der beiden Leiterelektroden geringer von der Aufschlagstelle des
Tintentropfens entfernt ist
Im besonderen zeigt ein positives Signal an, daß der
Tintentropfen näher an der Leiterelektrode 16 auf
schlägt, wohingegen ein negatives Signal eine von der
Leiterelefctrode 17 geringer beabs^ndete Aufschlagstelle anzeigt.
In F i g. 3 ist ein zweidimensionaler Aufschlagübertrager dargestellt, der dem in F i g. 1 gezeigten ähnelt Das
piezoelektrische Material 31 ist an seiner Rückseiie mit
der geerdeten Rückelektrode 32 überzogen, hat jedoch
vier Leiterelektroden 33 bis 36, um die Aufschlagstelle
des Tintentropfens 40 zweidimensional festzustellen.
(F i g. 4) 0,025 bis 0,05 mm breit sein und die Elektroden
33, 36 und 34, 35 eines jeden Satzes sind um die Entfernung S =0,12 mm voneinander entferntWird
korrodierende Tinte verwendet, sind die Elektroden mit einer geeigneten Passivierungsschicht überzogen.
Jede der Elektroden endigt in Ausgangsanschlüssen 43 bis 46, die paarweise eine Entfernung e, die ungefähr
2,5 mm beträgt, voneinander entfernt sind Die Ausgangsanschlüsse der Leiterelektroden sind an gegenüberliegenden Seiten des Aufschlagbereiches mit je
einer Eingangsklemme eines Verstärkers, wie einer in F i g. 2 veranschaulicht ist, verbunden. Somit ist
beispielsweise der Ausgangsanschluß 43 mit der Klemme 21 verbunden, während der Ausgangsanschluß
46 an die Klemme 22 (Fig.2) angeschlossen ist In
ähnlicher Weise ist der Ausgangsanschluß 44 mit der
anderen Klemme 21 und der Ausgangsanschluß 45 mit der anderen Klemme 22 eines zweiten Verstärkers, der
ebenfalls wie der in F i g. 2 gezeigte aufgebaut ist, verbunden. Somit würde das Ausgangssignal des ersten
so Verstärkers den horizontalen Ort des Aufschlagfeldes und das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers die
vertikale Stelle des Aufschlagfeldes anzeigen.
Der zweidimensionale Aufschlagübertrager der
F i g. 3 und 4 ergibt eine orthogonale Ortsinformation.
Die Anordnung muß nicht quadratisch sein, soll jedoch irgendeine vielseitige Form aufweisen Als eine
Alternative kann eine dreieckige oder andere mehrseitige Anordnung verwendet werden. Eine dreieckige
Anordnung vermindert die Anzahl der Leiterelektroden
und setzt den A ,fwand herab, jedoch werden die
Berechnungen, die erforderlich sind, um die erhaltenen
Signale in orthogonale Ortsinformationen umzuwandeln, komplex.
Für eine kontinuierlich genaue Wirkungsweise der
beiden in den F i g. 1 und 3 gezeigten Übertrager muß die Passivierungsschicht von den Tintentropfen gut
benetzbar sein, so daß sich auf der Oberfläche keine großen Tropfenteile bilden und dadurch den Aufschlag-
schock der ankommenden Tropfen absorbieren. Der Übertrager nach Fig.3 erzeugt genaue zweidimensio-
nale Aufschlagortsinformationen für einen einzigen Tintenstrom. Um den Übertrager für mehrere Tintenströme
zu benützen, muO entweder der Übertrager oder der Tintenstrahldruckkopf bzw. die Tintenströme von
einem Tintenstrom zum nächsten weitergeschaltet werden.
In Fig.5 ist eine beispielsweise Auflösungskurve für
einen Übertrager nach F i g. 1 mit einem Teilungsabstand der Leiterelektroden von 0,12 mm veranschaulicht,
wobei das Differentialausgangssignal (Spitze zu Spitze) von einer Schaltung wie in Fig. 2 dargestellt
gemessen wird. Dieses Ausgangssignal wird erzeugt, wenn die Tintentropfen von der Längsmitte einer
Leiterelektrode zur Längsmitte der nächsten sich bewegen. Das erhaltene Ergebnis beträgt ungefähr
4 Millivolt/0,025 mm oder 40 Nanoampere/0,025 mm bei einer Entfernung von ± 0,05 mm.
in Fig. b sind Kathodenstrahlröhrenbilder für das
aufeinanderfolgende Aufschlagen eines Stromes von Tröpfchen an verschiedenen Orten von der Längsmitte
dereinen Elektrode f* = 0)bei verschiedenen Schritten
in Größen von 0,025 mm zur Längsmitte der zweiten Elektrode (x — 5) gezeigt. Die Tintentropfen haben
einen Durchmesser von ungefähr 0,04 mm und eine Geschwindigkeit von 11,5 m/sek.
In Fig. 7 ist die Druckverteilung dargestellt, die sich
im Übertrager nach Fi g. 1 beim Aufschlag von Tropfen 10 ergibt. Der Druck und somit die erzeugte Ladung ist
am Aufschlagpunkt am höchsten und nimmt mit zunehmender Entfernung rfvom Aufschlagpunkt ab. Da
die Dicke / des Übertragers 11 zunimmt, wird die Druckverteilung flacher. Dies bedeutet, daß die Spitze
der Verteilung etwa die gleiche bleibt bis zu einer Entfernung d von ungefähr 0,02 mm für einen
Tropfendurchrnesser von 0,05 mm, jedoch infolge der Zunahme der Dicke / die Endenergie zunimmt. Die
Form der Kurve ist abhängig vom Moment und Durchmesser der Tropfen. Da die Entfernung 5
zwischen den Leiterelektroden zunimmt, ist die Neigung des festgestellten Teiles der Kurve gering, wodurch sich
eine verminderte Tropfenpositionsauflösung ergibt.
In Fig. 8 ist ein Druckkopf 50 mit zwei Reihen von
Düsen dargestellt, denen zwei Reihen von Ladeelektroden und eine Ablenk- und Auffangeinheit zugeordnet
sind. Der Druckkopf erzeugt zwei Reihen 51 und 52 von Tintentropfenströmen. Ein Tropfenaufschlagübertrager
für die Feststellung des Aufschlagpunktes irgendeines der Tiiitentropfenströme enthält die piezokeramische
Grundplatte 54. Wie bei den weiter oben beschriebenen Übertragern entiült er ferner an seiner Rückseite die
bei 56 geerdete Überzugselektrode 35. Vier Leiterelektroden 61 bis 64 sind an der Vorderseite der
piezoelektrischen Grundplatte niedergeschlagen und weisen eine Länge auf, um wenigstens alle Tropfenströme
aufnehmen zu können. Die Leiterelektroden 61 bi 64 verlaufen parallel zur Mittellinie der Reihen de
Tropfenströme und sind von denen gleich beabstande und zueinander parallel. Jede Leiterelektrode endigt mi
einem Ausgangsanschluß 66 bis 69. Die Ausgangsan Schlüsse 66 und 67 sind mit den Klemmen 21 und 22 de
Schaltung von F i g. 2 verbunden und die Ausgangsan Schlüsse 68 und 69 sind an die Klemmen 21 und 22 eine
Schaltung angeschlossen, die der in Fig.2 gezeigter
ίο ähnelt. Der Ausgang des Verstärkers ergibt der
horizontalen Aufschlagort eines Tropfenstromes au der Reihe 51 oder 52.
Ein Tintenstrahldrucker, der einen derartigen Auf Schlagübertrager verwendet, sollte denselben in einei
iri Entfernung vom Druckkopf angeordnet haben, wie da
zu bedruckende Papier von demselben entfernt ist, aber auf einer Seite der Papiertransportbahn. Dadurch wire
cine Ausgangsstation gebildet, die periodisch für die Überprüfung der Tintenstrahlrichtungsgenauigkeit ver
wendbar sein würde.
In F i g. 9 ist eine eng gepackte vieldüsige Anordnung
von zweidimensionalen Überträgern ähnlich dem nacl· Fig. 3 dargestellt. Die Elektroden 70 und 71 bzw. die
Aufschlagflächen 72, 73 sind zu einer Ausgangsleitung 75 vereinigt. In ähnlicher Weise sind die Elektroden 76
77 mit der Ausgangsleitung 79 verbunden. Schließlich sind die Elektroden 80, 81 mit der Ausgangsleitung 83
und die Elektroden 84, 85 mit der Ausgangsleitung 87 verbunusn. Für die Aufschlagfläche 72 gibt die mit den
Ausgangsleitungen 75 und 79 verbundene Vergleichsschaltung die y-Ortsinformation und die mit den
Ausgangsleitungen 83 und 87 verbundene Vergleichs schaltung die x-Ortsinformation an. Für die Aufschlag
fläche 73 gibt die mit den Ausgangsleitungen 83 und 87
r> verbundene Vergleichsschaltung noch die x-Ortsinfor
mation an, jedoch die mit den Ausgangsleitungen 75 unc 79 verbundene Vergleichsschaltung gibt jetzt die
negative y-Ortsinformation an.
Das Ausgangssignal des Aufschlagübertragers am Verstärker 28 kann auch zur Feststellung der Geschwindigkeit
des Tintenstromes verwendet werden, indem nui ein ausgewählter Tropfen oder Teilchen eines Tropfens
ungeladen und deshalb unabgelenkt verbleibt und so auf den Übertrager aufschlägt. Durch Messung der
•»i Übergangszeit des ungeladenen Tropfens bzw. der
ungeladenen Tropfen kann die Geschwindigkeit errechnet werden und auf der Basis der bekannten Entfernung
zwischen den Ladeelektroden und dem Aufschlagübertrager.
in Experimente haben ergeben, daß die mit dem
Übertrager erreichbaren Ausgangspegel ungpfähr lOOmal größer sind als die gegenwärtig mit der
induktiven Abfühlung elektrostatischer Tintentropfen erzielten und daß auch das Signalrauschverhältnis
größer als 15 ist.
Claims (5)
1. Vorrichtung zur Bestimmung des Aufschlagpunktes
von Tintentropfen eines Tintenstrahldrukkers mit Hilfe einer mit Elektroden versehenen
piezoelektrischen Platte, die bei Auftreffen von Tintentropfen Spannungsimpulse an die Elektroden
abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Planseite der gepolten piezoelektrischen
Platte (11 bzw. 31 bzw. 34) eine gemeinsame Elektrode (14 bzw. 32 bzw. 55) und auf der anderen
Seite, auf der die Tintentröpfchen auftreffen, mindestens zwei voneinander beabstandete Leiterelektroden
(16, 17 bzw. 33 bis 36 bzw. 61 bis 64 bzw. 70, 76, 80, 84 usw.) angeordnet sind, daß der
Aufschlagpunkt der Tintentröpfchen (10, 40) innerhalb der von den Leiterelektroden begrenzten
Fläche liegt, und daß die Elektroden mit einer Auswertschaltung (24,25,28) verbunden sind, die aus
den Signalen, deren Stärke anhängig ist von dem Abstand des Aufschlagpunktes von der jeweiligen
LeitereleLirode, den genauen Aufschlagpunkt ermittelt
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Leiterelektrode (z. B. 16,17) eines
jeden Leiterelektrodenpaares an je einem zweier parallel geschalteter Operationsverstärker (24, 25)
der Auswertschaltung (F i g. 2} angeschlossen ist, die eine an die beiden Operationsverstärker angeschlossene
Vergleichsschaltung (28) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leiterelektroden (16, 17)
eine Länge gleich der Länge einer Düsenreihe aufweisen und daß nfcheina- Jer die Tintenströme
jeweils einer einzigen Düse der Düsenreihe gegen die piezoelektrischen Platte (11} ;erichtet werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Leiterelektroden (16,17) als
auch die dieselben aufnehmende Seite der piezoelektrischen Platte (11) von einer Passivierungsschicht
überzogen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß pro Düse einer Düsenreihe je zwei
Leiterelektrodenpaare (70,76 und 80,84 bzw. 71,77
und 81, 85) vorgesehen sind und daß die Leiterelektroden (70,71,76,77) sämtlicher für die Bestimmung
der einen Koordinate verantwortlichen Leiterelektrodenpaare an eine gemeinsame Auswertschaltung
(Fig.2) und die für die Bestimmung der anderen Koordinate verantwortlichen (80,81,84,85) an eine
gemeinsame zweite Auswertschaltung (Fig.2) angeschlossen
sind.
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