DE2744622A1 - Verfahren und anordnung zum steuern der bildung und der form von troepfchen in einem tintenstrahl - Google Patents

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504 heb-pi

Verfahren und Anordnung zum Steuern der Bildung und der Form von Tröpfchen in einem Tintenstrahl

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine neuartige Anordnung für die Steuerung der Tröpfchenbildung und der Form der Tröpfchen in einem Tintenstrahl. In den letzten Jahren hat man bei der Entwicklung von Tintenstrahldruckern beachtliche Fortschritte erzielt. Bei einer Art von Tintenstrahldruckern wird eine unter Druck stehende elektrostatische Tinte zur Erzeugung eines Tintenstrahls unter Druck einer Düse zugeführt. Dieser von der Düse ausgehende Tintenstrahl wird dann in einzelne Tröpfchen umgewandelt, die selektiv aufgeladen und steuerbar für eine Aufzeichnung oder nach einem Ablauf abgelenkt werden. Die Tröpfchenbildung kann dabei durch eine Anzahl verschiedener Verfahren gesteuert und synchronisiert werden, wie z.B. ein körperliches Vibrieren an der Düse, oder an der Düse in die Tinte selbst eingeführte Druckschwankungen usw. Das Einführen solcher Störungen in den Tintenstrahl hat \ zur Folge, daß der an der Düse austretende Tintenstrahl bei einem vorgegebenen Abstand von der Bohrung der Düse sich der Störungefrequenz in gleichförmige Tröpfchen aufteilt, die oft von kleineren Satellitentröpfchen begleitet sind. Bei man- ! chen dieser Störungen ist es möglich, daß die Tröpfchenbildung ohne die Bildung von Satellitentropfchen stattfindet. Es ist bei solchen Systemen außerordentlich wichtig, das An- ^: legen eines geeigneten Aufladesignals an den Strom der Tintentröpfchen mit dem genauen Zeitpunkt der Tröpfchenbildung und des Abreißens des Tröpfchens vom Tintenstrahl zu synchronisieren. Für das Anlegen einer ausgewählten elektrostatischen Ladung an jedem durch die Düse erzeugten Tröpfchen verwendet man normalerweise eine Ladeschaltung und eine den Tintenstrahl

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umgebende oder in ihrer Nachbarschaft liegende Elektrode an dem Ort, an dem der Strom Tröpfchen zu bilden beginnt. Ladesignale werden zwischen einem Punkt in Berührung mit der Tinte und der Aufladeelektrode angelegt. Ein Tröpfchen nimmt damit eine Ladung Q an, die durch die Amplitude V des an der Ladeelektrode zu dem Zeitpunkt anliegenden Signals bestimmt ist, an dem sich das Tröpfchen von dem Tintenstrahl löst, sowie der Kapazität C zwischen dem Tintenstrahl und der Ladeelektrode, so daß Q = CV ist. Die Kapazität C kann durch Veränderung der Abmessungen an der Spitze des Tintenstrahls beeinflußt werden. Anschließend durchläuft das Tröpfchen ein feststehendes elektrisches Feld, und der Betrag der Ablenkung wird durch die Amplitude oder Größe der Ladung des Tröpfchens zu dem Zeitpunkt bestimmt, an dem es das Ablenkfeld durchläuft. Hinter der Ablenkeinrichtung ist eine Aufzeichnungsfläche vorgesehen, so daß ein zur Aufzeichnung bestimmtes Tröpfchen die Aufzeichnungsfläche trifft und einen kleinen Punkt bildet. Die Position des auf der Aufzeichnungsfläche auftreffenden Tröpfchens wird durch die Ablenkung des Tröpfchens bestimmt, was wiederum durch die dem Tröpfchen erteilte Aufladung bestimmt ist. Man kann also den Punkt, an dem das Tröpfchen auf der Aufzeichnungsfläche auftrifft, durch entsprechende Veränderung der Ladung jedes einzelnen Tröpfchens steuern, so daß eine sichtbare, lesbare Aufzeichnung auf der Aufzeichnungsfläche erzeugt wird. Ein derartiger Tintenstrahldrucker ist beispielsweise in der US-Patentschrift 3 596 275 offenbart.

Der Zeitpunkt, an dem sich das Tröpfchen von dem aus der Düse austretenden Flüssigkeitsstrom ablöst, ist ziemlich kritisch, da die von dem Tröpfchen mitgeführte Ladung zu diesem Zeitpunkt durch elektrostatische Induktion erzeugt wird. Man erkennt daraus, daß die Bildung von Satellitentröpfchen S Fehler in der Aufladefolge und damit eine falsche Ausrich- j

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tung der Tröpfchen auf dem Aufzeichnungsträger verursacht. Das durch das Aufladesignal bewirkte Feld wird während der Ablösung des Tröpfchens beibehalten, und das Tröpfchen führt eine Ladung mit sich, die durch den Augenblickswert des Signals beim Ablösen des Tröpfchens und der geometrischen Form der Spitze des Tintenstrahls zum Zeitpunkt der Tröpfchenbildung bestimmt ist, woraus sich die Kapazität zwischen Tintenstrahl und Aufladeelektrode ergibt. Zum Anlegen genau vorbestimmter Ladungen an einzelne Tröpfchen, entsprechend aufeinanderfolgender Videosignale, ist es zwingend erforderlich, genau den Zeitpunkt des Ablösens eines Tröpfchens in Beziehung zur Taktgabe des Aufladesignals und die Form des Tröpfchens beim Ablösen zu kennen. Mit anderen Worten müssen der Ablösezeitpunkt und das Anlegen des Aufladesignals genau miteinander synchronisiert sein. Wenn das Ablösen des Tintentröpfchens und das Aufladesignal nicht sauber miteinander synchronisiert sind, dann ergibt sich eine sehr ungenaue Steuerung des Druckverfahrens mit einer entsprechenden davon begleiteten Verschlechterung der Druckqualität. Ferner muß eine genau vorbestiramte geometrische Form des sich ablösenden Tintentröpfchens aufrechterhalten werden, damit ein konstanter Aufladewirkungsgrad eingehalten werden kann. Die Synchronisierung kann auch bei einer binären Art eines elektrostatischen Druckvorganges wichtig sein, bei dem ungeladene Tröpfchen nicht abgelenkt werden und unmittelbar auf einem ^l Aufzeichnungsmedium auftreffen, während aufgeladene Tröpfchen nach einem Ablauf abgelenkt werden. Ein derartiges Druck-j system ist in der US-Patentschrift 3 373 437 offenbart.

Bei dieser Art von System wird bei fehlerhafter Synchronisation, d.h. dann, wenn das Aufladesignal zum Ablösezeitpunkt des Tröpfchens entweder gerade ansteigt oder gerade abfällt, die exakte Tröpfchenladung eine Zeitfunktion des maximalen Aufladesignals sein und nicht die volle Ladung darstellen.

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Solche Tröpfchen können dann zu wenig abgelenkt werden, so daß sie nicht auf dem Ablauf, sondern an einer unbeabsichtigten Stelle auf dem Aufzeichnungsmedium auftreffen werden. Im Stand der Technik hat man dabei die Wichtigkeit einer sauberen Synchronisation zwischen dem Aufladesignal und dem Ablösezeitpunkt des Tröpfchens vom Tintenstrahl klar erkannt, und es sind viele Verfahren vorgeschlagen worden, durch die die Tröpfchenladung überprüft und die Synchronisation zwischen den Aufladesignalen und den die Störung verursachenden Schaltungen nachgestellt werden kann. Die nachfolgend genannten Patentschriften sind für diesen Stand der Technik erwähnenswert :

üS-Patentschrift 3 298 030, US-Patentschrift 3 465 350, US-Patentschrift 3 465 351, US-Patentschrift 3 596 276, US-Patentschrift 3 769 630 gleich DT-OS 2 331 803.8, US-Patentschrift 3 769 632 gleich DT-OS 2 360 013.7 und US-Patentschrift 3 386 912 gleich DT-OS 2 348 724.3.

Die US-Patentschrift 3 298 030 beschreibt eine Tröpfchensynchronisierung mit einem Phasenschieber, wodurch die richtige Aufladung der Tröpfchen zum richtigen Zeitpunkt sichergestellt wird. Die US-Patentschrift 3 46 5 350 beschreibt die Verwendung eines aus schmalen Impulsen bestehenden Impuls-Zuges mit einer Frequenz von 33 kHz zur Aufladung der Tröpfchen für eine Ablenkung nach einer Prüfelektrode, die nur von voll aufgeladenen Tröpfchen getroffen wird. Der Detektor liefert nur dann ein Ausgangssignal, wenn die Phasenlage richtig ist. Die US-Patentschrift 3 465 351 beschreibt eine ähnliche Aufladung der Tröpfchen und die Anordnung einer langgestreckten Elektrode, so daß alle Tröpfchen die Elektrode treffen, zusammen mit einer integrierten Messung des durch die Tröpfchen erzeugten Stromes zur Ermittlung, ob die Phasenlage richtig oder falsch ist. In beiden Patentschriften ist die Aufladefrequenz von 33 kHz für die Prüfsignale auch die normale Aufladefrequenz für die Videosignale. Die US-Patenschrift

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3 596 276 offenbart die Aufladung eines jeden Tröpfchens in dem Tintenstrahl zum Auftreffen auf einem Ablauf und vergleicht unmittelbar die sich an dem Ablauf einstellende Spannung gegen eine Bezugsspannung und stellt damit fest, ob die richtige Phasenbeziehung besteht oder nicht. In der DT-OS 2 331 8O3.8 der Anmelderin ist eine doppelte Ablaufanordnung offenbart, bei der die Tröpfchen jeweils bei der maximalen Ablenkung eine Spannung erzeugen, mit deren Hilfe die richtige Phasenlage feststellbar ist. Die DT-OS 2 360 013.7 offenbart die Verwendung eines relativ schmalen selektiven Phasenaufladesignals für die Überprüfung der PhasenJustierung einer jeden Reihe von Tröpfchen und eine induktive Abfühlelektrode mit einer digitalen Phasendetektorschaltung zur Bestimmung, ob die Tröpfchen richtig synchronisiert sind. Die DT-OS

2 348 724.3 ist auf ein besonderes induktives Abfühlelement gerichtet, das in der Nähe der Ladeelektrode vor der Ablenkeinrichtung angeordnet ist und für die Synchronisierung benutzt wird.

Mit Ausnahme des in der US-Patentschrift 3 465 350 und in der US-Patentschrift 3 836 912 offenbarten Standes der Technik ^! liefern alle anderen bekannten Anordnungen relativ wenig brauchbare Signale mit einem hohen Störanteil der gleichgerichteten Signale und damit mit hoher Wahrscheinlichkeit eine entsprechende Ungenauigkeit oder erfordern aber eine komplizierte Anordnung von Abschirmungen, um damit das Signal-zu-Rauschverhältnis auf brauchbare Werte herabzusetzen. Die DT-OS 23 48 724.3 beschreibt ein induktives Abfühlelement, das beispielsweise bei der Anordnung gemäß DT-OS 23 60 013.7 eingesetzt werden kann. Die US-Patentschrift

3 465 350 zeigt vor allem eine Art von Richtungsüberprüfung, ;

die auch durch andere Parameter dargestellt werden kann. I

In der DT-OS 2 555 463.6 der Anmelderin ist eine subharmonische Aufladung und Feststellung der Synchronisation der Auf-

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ladephase in einem Tintenstrahldrucker mit elektrostatischer Ablenkung der einzelnen Tintenstrahltröpfchen offenbart. Zur Phasensteuerung wird die subharmonische Frequenz aus der normalen Tropfchenwiederholungsfrequenz ausgefiltert und in einem Schmalbandverstärker verstärkt, so daß das Rauschen und äußere, der Tröpfchenfrequenz entsprechende Maschinensignale ausgefiltert sind. Die Abfühlung erfolgt durch eine induktive Ladungssonde, die mit dem Ablauf zusammenwirkt, und das Gleichgerichtete ausgefilterte Abfühlsignal wird nach Integration und Amplitudenselektion dann einer Steuerschaltung zugeleitet, die dann anschließend die Steuerung der Aufladung der Tintentröpfchen übernimmt.

Jede der oben zum Stand der Technik genannten Patentschriften oder Patentanmeldungen befaßt sich mit der Wirksamkeit der Tröpfchenbildung. Der Wirkungsgrad der Tröfpchenbildung wird nicht nur durch die Bildung der Tröpfchen selbst, sondern auch durch die Bildung von Satellitentröpfchen beeinflußt. Der Grund dafür liegt darin, daß Satellitentröpfchen sich entweder nach vorwärts oder nach rückwärts mit normalen Tröpfchen vereinigen, so daß sich insgesamt Tröpfchen unterschiedlicher Größe ergeben, die nicht zum richtigen Zeitpunkt am Aufladepunkt ankommen. Somit werden auf dem Aufzeichnungsträger Punkte unterschiedlicher Größe an ungenauen Orten aufgezeichnet.

In einem Aufsatz in "The Physics of Fluids", Band 19, Nr. 8, vom August 1976 von Howard H. Taub mit dem Titel ;

"Investigation of Nonlinear Waves on Liquid Jets" ist die ;

Spektralanalyse eines Flüssigkeitsstrahls mittels einer op- | tischen Sonde beschrieben. Dieser Aufsatz enthält jedoch keine Lehre dafür, wie die Ergebnisse der Spektralanalyse in einem rückgekoppelten Steuersystem für die Steuerung oder Unterdrückung der Bildung von Satellitentröpfchen in einem Tintenstrahldrucker einsetzbar ist.

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Die Deutsche Patentanmeldung P 25 52 952.6 offenbart ein Verfahren und eine Anordnung für die Steuerung der Bildung von Satellitentröpfchen in einem mit magnetischer Tinte arbeitenden Tintenstrahldrucker durch Verwendung eines asymmetrischen Störsignals. Das asymmetrische Störsignal, das beispielsweise sägezahnförmig sein kann, hat einen wesentlichen Gehalt am ; zweiten und/oder dritten Harmonischen, so daß dieses Störsignal unterschiedliche Anstiegs- und Abfallszeiten besitzt, so daß der dadurch gebildete Tintentröpfchenstrahl frei von Satellitentröpfchen ist. Diese Patentanmeldung enthält jedoch keinen Hinweis darauf, dieses zur Ansteuerung der Aufladeelektrode benutzte asymmetrische Signal als Funktion eines rückgekoppelten Steuersignals einzusetzen, das sich aus dem Oberflächenprofil des Tintenstrahls vor dem Ablösen des Tintentröpfchens ableiten läßt.

Das Auftreten von Satellitentröpfchen ist in einem Tintenstrahldrucker aus den obengenannten Gründen unerwünscht. Bisher gab es zwei Verfahren zur Beseitigung oder Vermeidung von Satellitentröpfchen, nämlich die Verwendung einer besonders guten Konstruktion des Schreibkopfes, bei dem die Bildung von Satellitentröpfchen dadurch vermieden wurde, daß der piezoelektrische Wandler innerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereiches angesteuert wurde, oder durch Verwendung von Harmon i sehen. !

Ein besonderes gut konstruierter Schreibkopf wäre wohl die

i beste Lösung, doch weiß man bis heute noch zu wenig über die j

Konstruktion dieser Köpfe, und die Eigenschaften von "Druckfenf stern" sind relativ unvorhersehbar, selbst wenn man zwei Köpfe von angeblich gleicher Konstruktion miteinander ver- I gleicht. Ferner erfordert die Beseitigung von Satellitentröpfchen häufig, daß der piezoelektrische Treiber mit relativ ho-

i her Leistung angesteuert wird, so daß der Ablöseabstand klei- j

! ner als erwünscht ist, wenn man dabei die Gesamtkonstruktion I yo 976 013 809820/0618

des Kopfes betrachtet. Beispielsweise reicht oft der Platz nicht für einen Luftkanal oder eine Aufladeelektrode aus. Dies trifft insbesondere für sehr kleine Düsen mit einem Bohrungsdurchmesser von 0,015 mm oder weniger zu. Es ist dabei meistens möglich, Satellitentröpfchenbildung zu vermeiden, jedoch ist es außerordentlich schwierig, wenn nicht unmöglich, die geometrische Form der sich ablösenden Tröpfchen genau zu steuern.

Die Einführung von harmonischen Schwingungen in den piezoelektrischen Treiber eignet sich gut für die Überwindung dieser Schwierigkeit, da dafür geeignete Harmonische im Prinzip für die Steuerung der geometrischen Form eines Tröpfchens für eine vorbestimmte Tröpfchenfrequenz eingeführt werden können. Dieses Verfahren ist jedoch im täglichen Betrieb mit An- und Abschalten oder bei über längere Dauer von mehreren Stunden andauerendem Betrieb, bei dem der Druckkopf ständig arbeitet, etwas unstabil. Das kann beispielsweise auf die Bildung oder Bewegung von Luftblasen in dem Druckkopf oder durch strukturelle Veränderungen des Kopfes durch Temperaturschwankungen zurückzuführen sein.

In manchen Systemen werden die charakteristischen Eigenschaften eines Tröpfchens dadurch bestimmt, daß die Tröpfchen hinter der Aufladeelektrode abgefühlt werden. Demgemäß werden dann die Tröfpchen einzeln durch eine Verzögerung aufgrund iaerodynamischer Wirkungen und durch gegenseitige Abstoßung auf· grund ihrer Ladungen beeinflußt. An diesem Abfühlpunkt hinter der Aufladeelektrode sind jedoch alle oder fast alle spezifischen Eigenschaften des Tröpfchens zum Abreißzeitpunkt nicht mehr vorhanden.

,Jede Veränderung der geometrischen Form des Druckkopfes beeinflußt den Wirkungsgrad, mit dem das zugeführte elektrische Störsignal durch den piezoelektrischen Wandler in der Tinten- i ιstrahlleitung in eine mechanische Störung umgesetzt wird. Dem-'

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gemäß wird die mechanische Störung durch die verschiedenen harmonischen Komponenten des steuernden Signals auf verschiedene Weise beeinflußt. Das kann dabei zu einer Änderung in der geometrischen Form der Tröpfchen führen, so daß sich nunmehr plötzlich Satellitentröpfchen bilden, die vorher nicht vorhanden waren oder kann ganz allgemein einer Änderung der Form des Tröpfchens am Abreißpunkt entsprechen. Da der Aufladewirkungsgrad der sich ablösenden Tröpfchen innerhalb der Aufladeelektrode von der Form der Tröpfchen am Abreißpunkt abhängt, kann der VTirkungsgrad nachteilig beeinflußt werden.

Der ideale Zeitpunkt zum Abfühlen der Frequenz, der Phase und der Amplitude des Tintenstrahls zur Bestimmung der Eigenschaften am Ablösepunkt der Tröpfchen ist der genaue Zeitpunkt, an dem die Tröpfchen sich tatsächlich lösen. Das ist jedoch normalerweise unmöglich erzielbar, da die Tröpfchen normalerweise innerhalb der Aufladeelektrode gebildet werden. Deshalb werden gemäß der vorliegenden Erfindung die Eigenschaften der Tröpfchen beim Ablösen dadurch bestimmt, daß man vor dem Ablösezeitpunkt statt hiner dem Ablösezeitpunkt den Tintenstrahl abfühlt. Der kontinuierliche zusammenhängende Tintenstrahl, d.h. der Abschnitt des Tintenstrahls kurz vor dem Abreißen eines Tröpfchens von dem Strahl wird damit zur Bestimmung der Eigenschaften eines Tröpfchens beim Ablösen herangezogen. In Abhängigkeit von den dort abgefühlten Eigenschaften wird ein piezoelektrisches Steuersignal abgegeben, das die Tröpfchenbildung steuert, und damit entsprechend den Wirkungsgrad der Tröpfchenaufladung erhöht.

Zusammenfassung der Erfindung ι

Durch die Erfindung werden ein Verfahren und eine Anordnung für die Steuerung der Bildung der Tröpfchen in einem Tintenstrahl geschaffen. Der Strahl wird dabei in einem Bereich,

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in dem der Tintenstrahl vor der Bildung von Tröpfchen noch zusammenhängt, angestrahlt. Das durch das Anstrahlen des Tintenstrahls erzeugte Oberflächenv/ellenprofil wird abgefühlt und
liefert ein erstes Signal bei einer Frequenz F und mindestens ein zweites Signal bei einer Frequens nF, v/obei η eine ganze Zahl _>_ 2 ist. Das erste und das zweite Signal v/erden niteinander kombiniert und liefern ein Steuersignal zur Ansteuerung
und Erregung des Tintenstrahls, und durch diese Erregung wird die Bildung der Tröfpchen gesteuert.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden, als schutzwürdig erachteten Merkmale der Erfindung sind den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen int einzelnen zu entnehmen.

In den Zeichnungen zeigt:

Fign. 1A bis 1C Darstellungen, v/ie ein Tintenstrahl bei der

Bildung von Tröpfchen sich auflöst, einschließlich der Bildung von Satellitentröpfchen, wie dies durch eine optische Abfühleinrichtung bestimmt wird,

Fig. 2 schematisch ein Blockschaltbild einer Synchronisationsschaltung für einen Tintenstrahldrucker gemäß der Erfindung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der in Fig. 2 enthaltenen

Steuer- und Treiberschaltung für die Frequenz F,

Fig. 4 ein ins einzelne gehendes Blockschaltbild der

allgemein in Fig. 2 angedeuteten Steuer- und Treiberschaltung für die Frequenz nF, und

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Fign. 5A bis 5N Wellenforaien zur Darstellung der in den Fign.

2 bis 4 auftretenden Signale.

Einzelbeschreibung der Erfindung

In einem Tintenstrahl wird eine ursprünglich sinusförmige Störung in der Nähe des Punktes der Tröpfchenbildung nichtsinusförmig, d.h. der Punkt, an dem die Amplitude der Oberflächenwelle des Tintenstrahls gleich dem Radius des Strahles wird, wobei sich dann ein dünner zylindrischer Flüssigkeitsfaden bildet, der die benachbarten V7ellenberge miteinander verbindet. Dieser Flüssigkeitsfaden löst sich normalerweise selbständig ab und bildet ein Satellitentröpfchen, das sich dann entweder nach vorwärts oder nach rückwärts mit einem Haupttröpfchen vereinigt. Dies ist beispielsweise aus den Fign. 1A bis 1C zu ersehen. In Fig. 1A wird die Oberfl eichenwelle des Tintenstrahls 2 bereits nichtsinusförmig, wenn der Tintenstrahl in die Nähe des Punktes der Tröpfchenbildung kommt, wobei die Haupttröpfchen 4 und 6 gebildet werden, die durch einen dünnen zylindrischen Flüssigkeitsfaden 8 miteinander verbunden sind. Aus Fig. 1B ersieht man, daß sich der dünne Faden 8 in ein Satellitentröpfchen 10 zu verformen beginnt, während die Tröpfchen 4 und 6 mehr und mehr Zylinderform annehmen. In Fig. 1C sieht man, daß die Form des Satellitentröpfchens sich vor dem Ablösen der Haupttröpfchen 4 und 6 mehr der Zylinderform nähert. Wie bereits erwähnt, wird sich das Satellitentröpfchen 10 entweder nach rückwärts oder nach vorwärts mit den Tröpfchen 4 bzw. 6 vereinigen.

Die Steuerung der Form eines gegebenen Tröpfchen am Abreißpunkt von dem Tintenstrahl und demgemäß Kontrolle über die I Bildung eines Satellitentröpfchens 10 ermöglicht es, die Tröpfchen 4 und 6 genauer aufzuladen und damit ebenso genau i den Punkt zu bestimmen, an dem die Tröpfchen 4 und 6 auf dem Aufzeichnungsträger auftreffen. i

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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Abreißpunkt des Tintenstrahls unter Verwendung eines sehr empfindlichen optischen Systems hoher Auflösung auf sein Spektrum analysiert, und es wird ein dem Durchmesser des Tintenstrahls proportionales elektrisches Signal erzeugt. Durch optische Umwandlung des Oberflächenwellenpofils des Tintenstrahls in ein periodisches elektrisches Signal können Verschiebungen oder Veränderungen des Strahls von weniger als 1000 ^.gemessen werden. Dieses periodische elektrische Signal kann dabei in üblicher Weise verarbeitet werden, wobei eines dieser Verfahren darin besteht, das Signal in seine harmonischen Bestandteile aufzulösen, um anschließend die Amplitude und die relativen Phasenlagen zwischen Grundwelle und Harmonischen zu bestimmen. Kin Laser oder optischer Sender liefert eine nach dem Tintenstrahl gerichtete Strahlung, wobei die durch den Tintenstrahl nicht ausgeblendete Strahlung durch einen Schlitz in einem Substrat hindurch geleitet wird. Eine Fotovervielfacherröhre, beispielsweise ein Diodendetektor, fühlt das den Schlitz durchsetzende Licht ab, wobei das Licht in ein elektrisches Signal umgesetzt wird, dessen Spektrum analysiert wird. Die den Tintenstrahl bildende Tintenflüssigkeit ist eine wässrige Tintenlösung, die für den Laserstrahl in hohem Maße undurchlässig ist, so daß das Abbild des Tintenstrahls ein genau definierter Schatten ist, der die die Fotovervielfacherröhre erreichende Lichtintensität verringert. Die so gemessene Intensität des auffallenden Lichtes steht zur Höhe H des Schlitzes und dem Durchmesser des Strahlschattens D über die Beziehung I=I (1-D/H) in Beziehung, wobei I die gemessene Intensität darstellt, wenn kein Schatten den Schlitz verdeckt. Weist der Tintenstrahl eine axsynmetrische Störung auf, dann ändert sich der Durchmesser örtlich sowohl als Funktion der Position längs der Z-Achse des Strahls und als eine Funktion der Zeit t, d.h., daß D=D (Z,t) ist. Die Höhe des Schlitzes ist dabei etwas größer als der größte zu messende

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Durchmesser, wodurch Streuwirkungen klein gehalten und eine Ariplitudenbegrenzung des elektrischen Signals verhindert wird.

Eine Anordnung zum Messen der Eigenschaften des Tintenstrahls am Abreißpunkt und zur Erzeugung eines Steuersignals zum Einführen von Störungen in den Tintenstrahl und demgemäß zur Steuerung der Tröpfchenbildung und der Form eines gegebenen Tröpfchens am Abreißpunkt von dem Tintenstrahl ist in Fig. 2 gezeigt. Ein Tintenstrahlverteiler 12 weist eine Einrichtung zum Einführen von Störungen, wie z.B. einem piezoelektrischen Kristall 14, auf, der durch ein über Leitung 16 ankommendes Steuersignal angesteuert wird. Der Verteiler 12 gibt eine Anzahl von Tintenstrahlen 18, 20 und 22 ab, die sich in den Ladelektroden 24, 26 bzw. 28 in einzelne Tintentröpfchen auflösen. Die Aufladeelektroden werden in bekannter Weise zum selektiven Anlegen einer Aufladung an die Tröpfchen impulsförmig angesteuert, worauf die Tröpfchen dann Ablenkplatten 30 und 32 durchlaufen, die den Flug der Tröpfchen nach einem Auflauf 34 oder nach einem Aufzeichnungsträger 36 steuern, je nachdem ob die Tröpfchen geladen sind, oder nicht. Eine Strahlungsquelle 38, beispielsweise ein He-Ne-Laser gibt einen Lichtstrahl ab, der auf den noch zusammenhängenden Teil des Tintenstrahls 18 fokussiert ist, kurz bevor dieser in die Aufladeelektrode 24 einläuft. Da die Tinte lichtundurchlässig ist, wird ein Schatten gebildet, der durch eine Linse 40 auf ein Substrat 42 abgebildet wird, in dem ein Schlitz 44 vorgesehen ist. Dieser Schlitz kann dabei 0,08 χ 0,005 mm groß sein. Das Substrat kann dabei aus Silizium bestehen, und der Schlitz 44 kann durch bekannte Ätzverfahren hergestellt sein. Der Schlitz kann wesentlich größere Abmessungen aufweisen, wenn die Linse 40 eine Vergrößerungslinse ist. Der Schatten 46 stellt dabei das Profil der Oberflächenwelle des Tintenstrahls 18 dar und damit die jeweiligen Amplituden und Phasenlagen der Grundfrequenz und der

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- 17 harmonischen Frequenzen, in bezug aufeinander.

Das den Schlitz 44 durchlaufende Licht wird durch die an einen bestimmten Punkt am Umfang des Tintenstrahls vorbeilaufendc Welle beeinflußt und stellt damit die Frequenzkomponenten des Strahls an diesem bestimmten Punkt dar und liefert auch eine Anzeige für die Form eines vorgegebenen Tröpfchens, v/enn es weiter vorne sich von dem Strahl löst. Es ist dabei erforderlich, den Schlitz etwas größer zu inachen, als den größten zu messenden Durchmesser, typischerweise den Tröpfchendurchmesr.er, so daß eine Amplitudenbegrenzung der Welle nicht stattfindet. Außerdem wird das Auftreten von Brechungsv.'irkungen verhindert. Ein schmalbandiges Bandpaßfilter 48 mit einem Durchlaßbereich von etwa 1OO R, zentriert auf die Wellenlänge des Lasers, wird hier verwendet, so daß die Messungen bei Zimmerbeleuchtung durchgeführt v/erden können. Das durch das Filter 48 durchgelassene Licht gelangt dann an eine Fotovervielfacherrohre 50, die die Lichtintensität mißt. Daher ist das Ausgangssignal der Fotovervielfacherrohre 50 proportional dem Durchmesser des den Schlitz verdeckenden Tintenstrahls, d.h. des augenblicklichen örtlichen Durchmessers des Tintenstrahls an dem untersuchten Punkt. Dieser Durchmesser verändert sich periodisch, v/enn die Wanderwelle an dem Schlitz vorbeiläuft. Das von der Fotovervielfacherrohre 50 kommende elektrische Ausgangssignal durchläuft dann einen Verstärker 52, dessen Ausgangssignal (Fig. 5A) den Signaleingängen 54, 56, 58 von Torschaltungen 60, 62 und 64 zugeleitet wird. Ein Impulsgenerator 66 liefert die Auftastimpulse über Leitungen 68, 70 und 72 nach den entsprechenden Eingangsklemmen 74, 76 bzw. 78 der Torschaltungen 60, 62 bzw. 64. Somit wird das vom Verstärker 52 kommende Signal durch die Torschaltungen 60, 62 und 64 in zeitlicher Folge nach einem Frequenzanalysator 80 durchgelassen, der aus Steuer- und Treiberstufen 82, 84 bzw. 86 besteht. Selbstverständlich kann das vom Verstärker 52 kommende Ausgangssignal dem Analysator 80 durch '

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andere taktgesteuerte Ilittel, wie z.B. einen Schrittschaltmotor, zugeleitet verden, oder kann statt in zeitlicher Aufeinanderfolge den Steuer- und Treiberschaltungen 82, 84 und 86 gleichzeitig zugeleitet werden.

Die Steuer- und Treiberschaltung 32 spricht auf den Grundfrequenzanteil F des Eingangssignals ab und liefert ein Ausgangssignal mit der festen Frequenz F und mit einer zu der Differenz zwischen der Amplitude des Eingangssignals und eines Bezugssignals proportionale Spannung. Das Ausgangssignal durchläuft einen Summenwiderstand 88 nach einem Summenknotenpunkt 90 (Fig. 5N) für eine Aufsummierung mit den Ausgangsspannungen der Steuer- und Treiberschaltungen 84 und 86. Die Steuer- und Treiberschaltung 84 spricht auf die zweite Harmonische des durch die Torschaltung 62 durchgelassenen Signals an, d.h. auf die Signalkomponente 2F, wobei das Ausgangssignal dann eine festliegende Frequenz 2F aufweist, deren Amplitude und relative Phasenlage in bezug auf das Eingangssignal und die Grundfrequenzkomponente der Steuer- und Treiberschaltung 82 bestimmt wird. Das dann dabei entstehende Ausgangssignal wird über den Summenwiderstand 92 dem Summenknotenpunkt 90 zugeleitet. Eine Anzahl weiterer Steuer- und Treiberschaltungen 86 kann für die Analyse der harmonischen Komponenten höherer Ordnung η eingesetzt v/erden, v/obei das Ausgangssignal der Steuer- und Treiberschaltung 86 eine Frequenz nF aufweist, dessen Amplitude und Phase bestimmt wird durch das daran angelegte Eingangssignal in bezug auf die Grundfrequenzkomponente aus der Steuer- und Treiberschaltung 82, wobei das so gebildete Ausgangssignal über den Summenwiderstand 94 dem Summenknotenpunkt 9O zugeleitet wird. j Das am Summenknotenpunkt 90 auftretende Signal (Fig. 5N) wird einem Trennverstärker 96 zugeleitet, der dieses Signal j als Steuersignal über die Leitung 16 dem piezoelektrischen Kristall 14 für die Steuerung der Bildung der Tröpfchen und deren Form bei der Ablösung und demgemäß die Bildung oder ι

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- 19 Unterdrückung von Satellitentröpfchen in dem System zuführt.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der Steuer- und Treiberschaltung 82 für die Frequenz F gemäß Fig. 2. Ein periodisches Eingangssignal (Fig. 5A) wird, vom Verstärker 52 (Fig. 2) kommend, der Eingangsklemme 98 zugeführt. Dieses Signal durchläuft ein kompensiertes Bandfaßfilter 100 für die Frequenz F und liefert ein periodisches Signal (Fig. 5B) an einen Gleichrichter 102 und an eine Ausgangsklemme 104. Das an der Ausgangsklemme 104 auftretende periodische Signal wird den Steuer- und Treiberschaltungen 84 und 86 als Bezugssignal mit der Grundfrequenz zugeführt, dessen Funktion noch erläutert wird. Der Gleichrichter 102 ist ein Einwegleichrichter und liefert ein gleichgerichtetes Signal (Fig. 5C) an eine Integrierstufe 106, die eine Ausgangsgleichspannung (Fig. 5D) an einen ersten Eingang einer Gleichspannungvergleichsstufe 108 liefert. Das Ausgangssignal der Integrierstufe 106 ist ein der Amplitude des am Ausgang des Filters 100 auftretenden sinusförmigen Signals proportionales Gleichspannungssignal. Dieses Potential wird in der Vergleichsstufe 108 mit einem gewünschten Bezugspotential verglichen, daß der Eingangsklemme 110 der Vergleichsstufe zugeleitet wird. Sind die beiden Eingangssignale unterschiedlich groß, dann weicht das Ausgangssignal der Vergleichsstufe von 0 ab und betätigt damit die variable Amplitudensteuerung 112. Die variable Anplitudensteuerung 112 kann beispielsweise aus einem Servomotor bestehen, der einen Regelwiderstand antreibt. Das Ausgangssignal der variablen Amplitudensteuerung 112 wird dann einem Funktionsgenerator 114 für die Frequenz F zugeleitet, der an der Ausgangsklemme 116 ein Ausgangssignal mit der Grundfrequenz F liefert, dessen Amplitude proportional dem an der Amplitudensteuerung 114 liegenden Eingangssignals ist. Die Amplitude des an der Klemme 116 auftretenden Signals mit der Frequenz F liefert daher eine Anzeige für die Amplituden-

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differenz zwischen dem abgefühlten Eingangssignal mit der Frequenz F und dem an der Klemme 110 anliegenden Bezugssignal. Das Ausgangssignal an der Klemme 116 wird dann über den Summenwiderstand 88 (Fig. 2) der Klemme 119 für eine Summenbildung mit den Ausgangssignalen der Steuer- und Treiberschaltungen \ 84 und 86 zugeführt. Es liegt außerdem als Bezugssignal am Kippeingang eines Funktionsgenerators 134 für die Frequenz nF, dargestellt in Fig. 4.

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer Steuer- und Treiberschal-, tung für die verschiedenen η harrionischen Frequenzkomponenten und in diesen Fall für die Frequenz nF und ist ein Beispiel

der Steuer- und Treiberschaltung 84, wenn η = 2 und der Steuerr und Treiberschaltung 86 für alle anderen Werte von n. Das vom Verstärker 52, Fig. 2, kommende Ausgangssignal (Fig. 5A) wird der Eingangsklemme 118 zugeführt und gelangt von dort an ein kompensiertes Bandpaßfilter 120 für die Frequenz nF und das an der Ausgangsklemme 122 auftretende Ausgangssignal (Fig. 5E) ist ein periodisches Signal bei der harmonischen Frequenz nF ι und ist hier für die zweite harmonische Komponente mit η = 2 ; dargestellt. Dieses Signal wird einem Einweggleichrichter | 123 und dann einem nichtsättigenden Verstärker 124 mit hohem ; Verstärkungsgrad zugeleitet. Der Gleichrichter 123 liefert ein gleichgerichtetes Signal (Fig. 5F), das einer Integrierstufe 126 zugeführt wird, deren Ausgangssignal (Fig. 5G) einen Gleichstrompegel aufweist, der proportional der Amplitude der Sinuswelle mit der Frequenz nF ist. Dieses Signal wird in einer Gleichspannungsvergleichsstufe 128 mit einer an einer Eingangsklemme 130 zugeführten Bezugsspannung verglichen. Sind die beiden Gleichspannungspotentiale verschieden, dann weicht das Ausgangssignal der Vergleichsstufe 128 von 0 ab und betätigt eine Steuerung 132, die beispielsweise aus einem Servomotor bestehen kann, der einen Regelwiderstand antreibt. Das von der Steuerung kommende Ausgangssignal wird dem Ein gang eines Funktionsgenerators für die Frequenz nF zugelei-

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tet und ausgangsseitig tritt dann ein Ausgangssignal mit der Frequenz nF auf. Dem Funktionsgenerator 134 wird außerdem das Ausgangssignal des Funktionsgenerators für F an der Klemme 116 und das Ausgangssignal einer variablen Phasensteuerung 138 über eine Klemme 136 augeführt.

Die relative Phasenlage der harmonischen Komponente nF in bezug auf die grundfrequente Komponente F wird dadurch bestimmt, daß das an der Klemme 122 auftretende Signal über einen nichtsättigenden Verstärker 124 mit hohem Verstärkungsgrad und eine Begrenzerstufe 140 geleitet wird, die ein periodisches Rechtecksignal mit der Frequenz nF (Fig. 5H) liefert. Dieses Signal wird dann einer Frequenzteilerstufe 142 zur Teilung durch η zugeleitet, welche ein Signal mit der Grundfrequenz F an den Einstelleingang einer bistabilen Kippschaltung 144 abgibt. Das an der Ausgangsklemme 104 (Fig. 3) liegende sinusförmige Bezugssignal mit der Frequenz F wird dem Eingang eines nichtsättigenden Verstärkers 146 mit hohem Verstärkungsgrad zugeleitet, dessen Ausgangssignal einer Begrenzerstufe 148 zugeführt wird, die ein Ausgangssignal in Form eines Rechteck· impulszüges (Fig. 5J) bei der Grundfrequenz an den Rückstelleingang der Kippschaltung 144 abgibt. Die beiden Eingangssignale der Kippschaltung 144 haben die gleiche Frequenz, da die harmonische Frequenzkomponente in dem Frequenzteiler 142 durch η geteilt worden ist. Sind die beiden Signale um 180° phasenverschoben, dann ist das entsprechende Ausgangssignal (Fig. 5K) der Kippschaltung 144 ein Rechteckimpulszug mit einem Tastverhältnis von 50%. Das Tastverhältnis weicht dann von 50% ab, wenn der Phasenwinkel zwischen den am Einstelleingang und am Rückstelleingang der Kippschaltung liegenden Signale von 180 abweicht. Das Ausgangssignal (Fig. 5K) wird dann einer Integrierstufe 150 zugeleitet, die ein der Phasendifferenz proportionales Gleichspannungspotential (Fig. 5L) erzeugt, das mit einer an einer Klemme 152

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einer Gleichspannungsvergleichsstufe 154 zugeführten Vergleichsspannung verglichen wird. Das Ausgangssignal der Vergleichsstufe 154 wird der variablen Phasensteuerung 138 zugeleitet, die beispielsweise ein Servomotor für die Steuerung eines Regelwiderstandes sein kann, und ein Gleichspannungspotential als Ausgangssignal der Eingangsklemme 136 des Funktionsgenerators 134 zuführt. Dieses Gleichspannungspotential ist proportional dem relativen Phasenunterschied zwischen der Grundfrequenzkomponente F und der harmonischen Frequenzkomponente nF. Das Ausgangssignal des Funktionsgenerators nF wird dann an einer Ausgangsklemme 155 angelegt und von dort dem Summenwiderstand 94 (Fig. 2) und dann dem Summenpunkt 90 für die Aufsummierung der Grundfrequenzkomponente F und der anderen harmonischen Komponenten zugeführt. Das an der Klemme 155 auftretende Signal (Fig. 5H) ist ein Signal bei der harmonischen Frequenz nF nit einer Amplitude und einer relativen Phasenlage, die durch die Amplitude der abgefühlten harmonischen Frequenzkomponente und durch den relativen Phasenunterschied der abgefühlten harmonischen Frequenzkomponente in bezug auf die Grundfrequenzkomponente entspricht.

Das in Fig. 2 an der Summenklemme 90 auftretende Signal (Fig. 5N) hat die feste Frequenz nF einschließlich deren harmonischen Komponenten, und dieses Signal wird, wie bereits erläuter, zum Steuern der Störung über den piezoelektrischen Kristall 14 und damit zur Steuerung der Eigenschaften des jeweiligen Tintenstrahls am Abreißpunkt eingesetzt.

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Leerseitp

Claims (1)

1. 274AÜ22

   PATENTA N SPRÜCHE

   Verfahren zum Steuern der Form der Tintentröpfchen bei der Tropfchenbildung in einem Tintenstrahldrucker, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Bestrahlen des aus einer Düse austretenden Tintenstrahls in einem Bereich vor der eigentlichen Tröpfchenbildung; Abfühlen des Oberflächen-V/ellenprofils des so angestrahlten, noch zusammenhängenden Tintenstrahls zur Erzeugung eines ersten Signals mit der Frequenz F und zur Erzeugung mindestens eines zweiten Signals mit der Frequenz nF, v/obei η ganzzahlig und > 2 ist; Kombinieren des ersten und zweiten Signals zur Erregung des Tintenstrahls für die Eildung der Tintentröpfeben.

   Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der noch zusammenhängende Tintenstrahl mit einein Laserstrahl angestrahlt wird und daß dadurch eine den Umrissen des Tintenstrahls entsprechende Abschattung des Laserstrahls von einen strahlungseripf indlichen Detektor erfaßt wird.

   Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 und 2 mit einem Tintenstrahldrucker, mit einer zur Erzeugung von Tintentröpfchen mit der Frequenz F erregbaren, mit einem Wandler gekoppelten Düsenanordnung, mit Aufladeelektroden, Ablenkmitteln, einem Ablauf und einer Aufzeichnungsfläche sowie mit Steuerschaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß eine den noch zusammenhängenden Tintenstrahl (18, 20, 22) bestrahlende Strahlungsquelle (38) und eine das Oberflächenprofil (46) des angestrahlten Tintenstrahls abfühlende Abfüllvorrichtung (40, 42, 44, 48, 50) vorgesehen ist, daß fer-

   YO 976 0T3 809820/0619

   ner für jede Frequenzkomponente des abgefühlten Profils der Oberflächenwelle des Tintenstrahls eine nur auf diese Komponente ansprechende Schaltung (82, 84, 86) zur Erzeugung eines Signals mit der Frequenz F und mindestens eines weiteren Signals mit der Frequenz nF vorgesehen ist, wobei η ganzzahlig und ,> 2 ist, und daß eine Kombinationsschaltung (88, 9O, 92, 94) zur Erzeugung eines kombinierten Ausgangssignals als Steuersignal für die Erregung des Tintenstrahls für eine Steuerung der Form der Tintentröpfchen bei ihrer Ablösung vom Tintenstrahl vorgesehen ist.

   4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Signalkomponentr der Frequenz F ansprechende Schaltung (82; Fig. 3) ein kompensiertes Bandpaßfilter (100) für ein sinusförmiges Signal der Grundfrequenz F, eine Gleichrichterschaltung (102), eine Integrierstufe (104) für das gleichgerichtete sinusförmige Signal zur Erzeugung eines der Amplitude des sinusförmigen Signals proportionalen Gleichstromsignals und eine Vergleichsschaltung (108) für einen Vergleich dieses Gleichstromsignals mit einem Bezugssignal enthält und daß ein durch das Vergleichssignal ansteuerbarer Funktionsgenerator (114) zur Erzeugung des ersten Signals mit der Grundfrequenz F vorgesehen ist.

   5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein kompensiertes Bandpaßfilter (120) für das sinusförmige Signal mit der Frequenz nF, eine Gleichrichterschaltung (123), eine erste Integriertstufe (126) für das sinusförmige Signal der Frequenz nF zur Erzeugung eines ersten der Amplitude des sinusförmigen Signals

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   der Frequenz nF proportionalen Gleichstromsignals und eine Schaltung (124, 146, 140, 148, 142, 144) zur Erzeugung eines periodischen Signals vorgesehen sind,dessen Frequenz eine Funktion der sinusförmigen Signale der Frequenzen F und nF ict, daß ferner eine zweite Integrierstufe (150) für eine Integration dieses periodischen Signals zur Erzeugung eines zv;eiten Gleichstromsignals vorgesehen ist und daß aus diesen beiden Gleichstromsignalen in einen Funktionsgenerator (134) das zweite Signal ableitbar ist.

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