DE3139106A1 - Integrierte wellenleiter-tropfensensoranordnung fuer ein farbtroepfchenstrahl-drucksystem - Google Patents

Description

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XEROX CORPORATION
Rochester, N. Y. /USA
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Integrierte Wellenleiter-Tropfensensoranordnung für ein Farbtröpfchenstrahl-Drucksystem

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Die Erfindung bezieht sich auf Farbtröpfchenstrahl-Drucksysteme. Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung für die.optische Genauigkeitsüberwachung der Tröpfchenplacierung auf einem Ziel oder für andere Tropfchenüberwachungszwecke.

In der US-Patentanmeldung Ser. No. 21 420 aus 1979 ist ein Tröpfchensensor beschrieben, der optische Faserpaare verwendet, um die Tröpfchen während des Fluges zu ihrem Zielpunkt hin zu überwachen. Dieser Sensor weist eine Eingabefaser auf, die mit ihrem abgewandten Ende mit einer Lichtquelle verbunden ist. Das lichtabgebende Ende ist im allgemeinen von den freien oder lichtaufnehmenden Enden eines Abgabefaserpaares (sogenannte A- und B-Fasern) beabstandet und "auf diese zentriert. Die äbgewandten Enden der Abgabeoder Ausgangsfasern sind jeweils getrennt mit Photodetektoren verbunden. Die Phötodetektoren sind ihrerseits wieder an einen Differentialverstärker angeschlossen.

Die iichtaufnehmenden Enden der A- und B-Fasern sind entlang der X-Achse "in einem orthogonalen Koordinatensystem mit Xr/ Y-und Z-Achse ausgerichtet. Die Tröpfchen fliegen im we-

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sentüjichen in Z-Richtung. Die zu bedruckende Zielfläche liegt in der X-Y-Ebene und wird im allgemeinen.in Y-Richtung bewegt. Der Schatten eines zwischen der Eingabefaser und der A- und B-Ausgangsfaser fliegenden Tröpfchens erzeugt ein elektrisches Positionssignal am Ausgang des Differentialverst'ärkers. Wenn der Schatten des Tropfens gleichmäßig (oder in irgendeinem anderen Bezugsverhältnis) auf die Sammelflächen der A- und B-Faser fällt, ist der Tropfen auf die Mitte oder Halbierende zwischen den beiden Pasern ausgerichtet. Dies entspricht in der beschriebenen Ausrichtung einem genauen Punkt,'d.h. χ auf der X-Achse des Koordinatensystems. Wenn der Schatten des Tropfens ungleichmäßig auf die A- oder B-Faser fällt, wird ein Plüs- oder Minus-Positionssignal vom Differentialverstärker er-· zeugt. Die Größe dieses Positionssignals zeigt eine genaue Links- oder Rechtsposition auf der X-Achse von χ an. Im allgemeinen wird das Positionssignal auf den Tropfenauf ladungs- und -ablenkmechanismus rückgekoppelt, um die Tropfen direkt auf die χ -Position zu steuern.

In der genannten US Patentanmeldung 21 420 wird' die Verwendung optischer Fasersensoren für die Kalibrierung der Tröpfchenaufladungspegel für eine Mehrzahl von Tröpfchenströmen beschrieben. Dieses Verfahren ermöglicht es, Tröpfchen von jedem Strom genau auf eine Vielzahl von Bildpunkt- oder Rasterpunkt-Positionen innerhalb eines Abschnitts oder Segmentes einer Drucklinie auszurichten, die quer über die Zielfläche verläuft. Die Druckliniensegmente benachbarter Tröpfchenströme werden deshalb als "gesteppfbezeichnet.

Andere Flüssigkeitstropfensystem mit Mehrfachtröpfchenströmen brauchen ebenfalls Einrichtungen, um die Position eines Tropfens in bezug auf einen Referenzpunkt oder eine

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Linie festzustellen.' Ein Beispiel dafür ist das binäre Tröpfchendrucksystem gemäß US-PS 3 373 437. Systeme dieser Art bringen kontinuierlich eine Vielzahl von' Tröpfchen hervor, die in Richtung auf eine Zielfläche fliegen. Die Tröpfchen eines .jeden Stroms können nur einen einzigen Bild- oder Rasterpunkt auf einer Schreiblinie auf der Zielfläche erreichen. Die Tröpfchen, die' nicht auf die Zielfläche' gelangen sollen, werden in einer Fangrinne gesammelt. Das Binäre dieser Einrichtung besteht also in der Auswahl für jeden Tropfen eines Tröpfchenstroms, ob er auf den entsprechenden Rasterpunkt auf der Zielfläche gelangen oder in einer Fangrinne aufgefangen werden soll.

Die Tropfchenposxtxonsermittlüng bei den beschriebenen und bei anderen Flüssigkeitströpfchensystemen ist wichtig für die Überprüfung der Tröpfchengeschwindigkeit und der Ladung wie auch für die räumliche Position der Tröpfchen. Ganz allgemein ist es nützlicher, aufgeladene als nichtaufgeladene Tröpfchen festzustellen, denn ihre Flugbahnen können, durch Verändern der Ladung auf dem Tröpfchen, bevor er durch ein elektrostatisches Ablenkfeld -fliegt, korrigiert werden. Man kann jedoch auch den Flüssigkeitsdruck des Tröpfchengenerators variieren, um die Flugbahn nicht aufgeladener Tröpfchen zu beeinflussen. -

Die optischen Fasersensoren nach der US-Anmeldung 21 420 weisen eine große Anzahl von Fasern auf, wobei die A- und B-Fasern in zwei Gruppen aufgeteilt sind, die an einem ersten bzw. zweiten Photodetektor enden. Sämtliche (oder eine große Anzahl von) A'-Fasern haben Teil an denselben ersten Photodetektoren und sämtliche (oder eine große- Zahl von) B-Fasern haben Teil an denselben zweiten Photodetektoren. - Da die das Licht aufnehmenden Enden der zahlreichen • Gruppen von A- und B-Fasern in derselben X-Y-Ebene liegen,

müösen'die Α-Fasern über die B-Fasern für die zwei Typen, die zu Gruppen zusammengefaßt sind, kreuzen. D.h.,' die Fasern sind zu Gruppen zusammengefaßt, die einander • schneiden, was es erforderlich macht, daß die A-Fasern über die B-Fasern hinwegkreuzen oder umgekehrt. Dies kanimit individuellen Fasern geschehen, was es jedoch schwierig macht, eine große Anzahl von Sensoren zusammenzufassen. Das Überkreuzungsproblem hat deshalb bisher integrierte Wellenleiterstrukturen in der Praxis für Sensoranordnungen nicht entstehen lassen.

Es liegt deshalb der Erfindung im wesentlichen die Aufgabe zugrunde, die Einschränkungen für Zusammenfassungen von Vielfachfasertropfensensoren, wie sie iil Flüssigkeitströpf-15. chen-Drucksystemen verwendet werden, zu beseitigen.

Genauer gesagt liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die "optischen A- und B-Fasern der US-Anmeldung 21 420 einer Sensoranordnung in einander nicht überscheidende Gruppen von A- und B-Fasern zu organisieren, damit solche Anordnungen hergestellt werden können, während die Sensorfunktion der einzelnen Fasern erhalten bleibt.

Ferner wird angestrebt, laminare optische Faserstrukturen in Sensoranordnungen gemäß der US-PS 21 420 zu verwenden.

Die Lösung der Aufgäbe wird dadurch erhalten,, daß die lichtaufnehmenden Enden jeder einzelnen A- und B-Faser in parallelen, getrennten Ebenen versetzt werden, und zwar wenigstens in der Sensorzone. Gemäß einer Ausführungsform sind die Α-Fasern zahlreicher Faserpaare auf einer Trägerfläche eines einzigen Substratelementes ausgebildet. Die Α-Fasern sind mit einem geeigneten Trennmaterial überzogen,

das eine zweite Trägerfläche erzeugt. Die B-Fasern sind auf dieser zweiten Trägerfläche ausgebildet. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die A-, B- und Eingabe-(Lichtzuführungs-)Fasern auf jeweils getrennten Substraten ausgebildet. Die. A- und B-Fasern sLnd dann in der Sensorzone der obigen Erläuterung gemäß orientiert.'

Detektorschaltungen, die mit den entfernten oder rückwärtigen Enden der A- und B-Fasern verbunden sind, speichern die Signale, die durch das Auftreffen der Tröpfchenschatten auf die A- und B-Fasern erzeugt werden. Das Speichern geschieht,weil die zwei Signale in unterschiedlichen Zeitpunkten erzeugt werden. Die Verzögerung ist durch die Tren-■ nung zwischen den A- und B-Fasern entlang der Z-Achse, d.h.

in Flugrichtung, bedingt.

In der US-Anmeldung 21 420 ist eine Trägerplatte für eine Vielzahl von optischen Tropfchensensoren beschrieben. Jeder dieser in Fig. 5 der Anmeldungsbeschreibung gezeigten Sen-. soren weist vier optische Fasern 80, 81, 5 und 6 auf, die in einer V-förmigen Rille oder Nut an den Hiinmelsrichtungspunkten Nord-Süd und Ost-West angeordnet sind. Das. O-W-Paar der- Fasern 5 und 6 sind die oben erwähnten Fasern A und B. Das N-S-Paar der Fasern 80 und 81 dienen .zum Erkennen der Tropfenposition in Flugrichtung. Die Fasern O und W werden auf gemeinsame Photodetektoren geleitet, indem die Fasern einfach übereinander gekreuzt werden, um das Schneiden der einen durch die andere zu vermeiden.

Die N-Faser 81 und die O-Faser 6 sind wenigstens in der Sensorzone so orientiert, wie in der vorliegenden Anmeldung beschrieben. Die N- und O-Fasern bilden jedoch kein Sensorfaserpaar, wie bereits oben ausgeführt". Außerdem sind die N- und O-Fasern über andere Fasern hinweg gekreuzt, um einen Photodetektor zu erreichen, was gerade bei der Er-

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findung zu vermeiden ist. Die Fasern bei der Erfindung wcr- ^:den gerade in einander nicht schneidenden Flächen gehalten. Dies bedeutet, daß die Fasern im Raum über oder unter anceren Fasern hindurchlaufen können, wodurch Knicke an Stellen, wo eine Faser über eine andere gefaltet ist, vermieden werden .

Die US-PS 3 950 074 zeigt optische Fasern, die zu Anordnungen ausgebildet sind. Die einzelnen Fasern sind in Reihen zwischen einem obecen und einem unteren Substrat ausgelegt. Die Fasern verlaufen alle parallel, so daß-diese Patentschrift keinen Bezug zur Erfindung hat. Die sich so ergebende Anorndung ist entweder eine Schranke für ein optisches Bild oder einen.Wellenleiter.

Integrierte optische Vorrichtungen sind in einem Artikel von Weber, Tomlinson und Chandross mit dem Titel "Organic Materials for Integrated Optics" auf den S. 465 bis 473 der Zeitschrift Optical and Quantum Electronics, Vol. 7, 1975, beschrieben. Es werden darin auf den S. 469 bis 471 verschiedene Techniken für die Herstellung optischer Wellenleiter behandelt. Die auf diesen Seiten aufgeführten Figuren 4, 5, 6 und 7 sind von Interesse. Die Ausführungen beziehen sich jedoch nicht auf die Anwendung von Wellenleiterstrukturen bei Flüssigkeitströpfchen-Detektorsystemen;.

Aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung wird die Erfindung im einzelnen offenbart. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Seitenansicht ei

nes Flüssigkeitströpfchen-Druckers, in welchem eine Tröpfchensensoranordnung nach der Erfindung verwendet wird;

Fig. 2 die Draufsicht eines Teilbereichs des Systems aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, die die räumliche Anordnung der Tröpfchensensoranordnung gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 3 die Ansicht eines Flüssigkeitströpf-

chens während des Fluges auf der Z-Achse innerhalb der Sensorzone zwischen einer einzelnen optischen Eingabefaser

und den optischen A- und B-Ausgangsfasern in herkömmlicher Anordnung;

Fig. 4 das Schemabild einer Tropfchensensoranordnung mit optischen Fasern"und

der Mittel zum Erzeugen elektrischer Signale durch die auf die Ausgangsfasern des optischen Fasersensors geworfenen Schatten;

Fig. 5 das Schemabild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Tröpfchensensoranordnung mit optischen Fasern gemäß der Erfindung;"

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Fig. 6 eine Schemaansicht einer Tröpfchensensoranordnung nach der Erfindung, die die optischen A- und B-Fasern zweier benachbarter Sensoren und Tröpfchenflugbahnen, die auf diese

Sensoren ausgerichtet sind, zeigt;

Fig. 7 eine Seitenansicht der Anordnung aus

Fig. 6 nach der Linie 7 - 7 in Fig.6,

bei der die Eingangslichtfaser mit den A- und B-Fasern ausgerichtet iit;

Fig. 8a bis 8e verschiedene Sensor aus führungen., V< r-. fahren zur Bildung eines optischen

Wellenleiters oder einer optischen Faser auf einem Substrat und Verfahren zur Bildung eines Sensors gemäß der Erfindung, wobei die Photowider-Standsmethode, die in der Zeichnung

■ ■ dargestellt ist, nur eine der mögli

chen Herstellungsmethoden ist;

Fig. 9 . eine weitere Sensoranordnung und eine Photosperrmethode zur Herstellung ei

nes Sensors nach der Erfindung;

Fig. 10a bis' 10c verschiedene Sensorausführungen und die Einsenkmethode für das Herstellen von Sensoren nach der Erfindung;

Fig. 1V ' Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser auf einem Substrat, das eine Beschichtung hat, die das Plattie-

. rungsmaterial für die Faser oder den

Wellenleiterkern ist;

Fig. 12 ein wiederum anderes Ausführungsbeir

spiel eines Sensors und ein Herstel--' längsverfahren für diesen Sensor nach

der Erfindung;

Fig. 13 das Schaltbild für Speichermittel, r.it . denen die durch die Photodetektoren,

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welche mit den A- und B-Fasern eines Tröpfchensensors verbunden sind,, erzeugten Ausgangssignale gespeichert werden;
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Fig. 14 ein das Ausgangssignal eines Differentialverstärkers, dem die Ausgangssignale der mit den A- und B-Fasern verbundenen Photodetektoren zugeführt werden, zeigendes Diagramm.

Die Begriffe "Faser" und "Wellenleiter" werden untereinander austauschbar verwendet. Beide Begriffe bezeichnen Elemente, die elektromagnetische Strahlungsenergie entlang einer gewünschten Bahn übertragen können, und können Kernmaterial und auch Beschichtungs- oder Mantelmaterial bedeuten.

Fig. 1 zeigt einen Flüssigkeitstxöpfchendrucker, in dem eine integrierte Wellenleiter- oder Optikfaseranordnung gemaß der Erfindung verwendet wird. Die Wellenleiteranordnung ist eine Vorrichtung, mit der die Position von fliegenden Tröpfchen in Bezug auf die Koordinaten eines orthogonalen X-, Y- und Z-Koordinatensystems festgestellt werden können. • Bei der hier vorkommenden Verwendung fliegen die Tröpfchen parallel zur Z-Achse. Es sind viele Tröpfchenströme vorhanden, die praktisch innerhalb derselben X-Z-Ebene liegen. Das Drucken erfolgt in einem Rastermuster, das eine Vielzahl von Schreiblinien oder Drucklinien aus einzelnen Bild- oder Rasterpunkten enthält. Ein einzelner Tropfen wird auf einen einzigen Rasterpunkt aufgebracht. Die Rolle des Sensors besteht darin, sicherzustellen, daß das Tröpfchen innerhalb einer Schreib- oder Rasterlinie genau auf den vorgesehenen Rasterpunkt trifft. D.h., jeder Auftreff-Fehler, der vom Sensor festgestellt wird, wird korrigiert.

* A O

H * α λ e

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Wie erwähnt, können von den Sensoren auch die Geschwindigkeit und weitere Parameter ermittelt werden.

Die Schreib- oder Drucklinien befinden sich auf einer Ζΐε·1-fläche entlang· der X-Achse, während die Zielfläche und die Tröpfchenströme sich relativ zueinander entlang der Y-AcI se bewegen. Diese Relativbewegung ermöglicht ein zweidimensionales Rasterbild aus einer Vielzahl paralleler Drucklini< n. Vorhandensein oder Fehlen eines Flüssigkeitströpfchens auf jedem einzelnen Rasterbildpunkt ist das Mittel, durch das das Bild erzeugt wird.

Bei dem beschriebenen System wird nur die X-Achsenpositicnsinformation ermittelt. Es versteht sich, daß auch eine Y-Achsen-information erhalten werden kann, wenn der Sensor im Raum um 90 ° gedreht wird. Auch der Y-Achsensensor muß an einer Stelle.angebracht sein, wo die Flugbahn der Tröpfchen zur Zielfläche nicht gestört oder beeinflußt wird.

Das System nach Fig.' 1 wird durch die Erfindung besonders verbessert. Es ist von der Art, wie es- in.der US-Patentanmeldung Ser. No. 16 256 aus 1979 beschrieben worden ist. · Gemäß dieser Anmeldung, werden durch zahlreiche Tröpfchenströme gemeinsam Tröpfchen auf alle Rasterpunkte innerhalb einer Schreiblinie aufgebracht. Jeder Tröpfchenstrom· steuert alle Rasterpunkte innerhalb eines Segmentes einer Schreiblinie an. Die Segmente müssen miteinander in einer Linie liegen, so daß sie über die Zielfläche hinweg eine durchgehende Schreiblinie bilden. Die genannte Anmeldung beschreibt die Verwendung einer Anordnung von Tröpfchenpositionssensoren in einer solchen Weise, daß. sichergestellt ist, daß die Segmente unmittelbar aneinander anschließen, was mit "Steppen" bezeichnet ist. Es werden dazu kapazitive Tröpfchensensoren beschrieben. In der ebenfalls obengenann-

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ten US-Patentanmeldung 21 420 ist die Verwendung von Optikfasersensoren in einer Druckeinrichtung gemäß der US-Anmeldung 16 256 erläutert. Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Verbesserung dieser älteren Einrichtungen erzielt.

Die Erfindung läßt sich auch bei anderen Arten von Tropfche-Drucksystemen einsetzen, z. B. bei einem Drucksystem gemäß US-PS 3.373 437. Auch profitieren Einzeltröpfchenstromeinrichtungen von der Erfindung, denn es sind die verschiedenen Tröpfchenparämeter von Bedeutung.

Eine Karte oder Platte 1 in den Figuren 1 und 2 enthält eine Tropfensensoranordnung gemäß der Erfindung. Sie befindet sich, nahe vor einer Drucklinie oder -zeile 2 auf einer Zielfläche 3. Plussigkeitströpfchen 4 in einem Tropf-. chenstrom, der durch die gestrichelten Linien 5.angedeutet ist, fliegen in Richtung auf die Zielfläche, um innerhalb der Drucklinie 2 auf einen vorgegebenen Rasterpunkt aufzu-. treffen oder in eine Pangrinne 6 abgelenkt zu werden.

Eine Testfangrinne 7 befindet sich hinter der Druckfläche, während die Druckfc'ingrinnen 6 (von diesen sind zahlreiche vorhanden, wie aus der Fig. 2 hervorgeht) in Flugbahnrich-" tung vor der Zielfläche angeordnet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird die Sensoranordnung Ί normalerweise nur dann benützt, wenn die Zielfläche aus dem Bereich der Testfangrinne entfernt ist. Die Sensoren dienen dazu, die verschiedenen Systemparameter, die auf die Tröpfchen 4 Einfluß nehmen, zu kalibrieren oder einzustellen.·

Die Tröpfchen 4 werden aus einer Flüssigkeitssäule 8 kontinuierlich abgegeben, wie dies von Lord Rayleigh entwikkelt wurde, Die Flüssigkeitssäule wird aus Düsen 9 eines

Tröpfchengenerators 10 ausgestoßen. Der Generator enthält eine Kammer 13, die mit einem Farbreservoir 14 über die Leitung 15 und die Pumpe 16 in Verbindung steht. Die Pumpe führt Flüssigkeit in die Kammer 13 unter Druck ein, der zur Erzeugung der Flüssigkeitssäule 8 geeignet ist, aus der dann die Tröpfchen gebildet werden. Typische Flüssigkeitsdrücke liegen im Bereich zwischen 0,5 bis über 7 bar.

Der Generator enthält weiterhin einen piezoelektrischen Wandler 17, der mit der Flüssigkeit in der Kammer 13 in Verbindung steht. Dieser piezoelektrische'Wandler erzeugt Druckschwankungen in der Flüssigkeit von einer vorgegebenen Frequenz. Diese Druckschwankungen haben zur Folge, daß sich die Tröpfchen 4 mit derselben Rate in einem festen Abstand von der Düse 9 und mit gleichförmiger Größe und räumlichem Abstand bilden.

Aufladeelektroden 18 (eine für jeden Tröpfchenstrom) befinden sich im Bereich der Tröpfchenentstehung nahe dem·Ende der Säule 8. Diesen Elektroden 18 wird eine Spannung zugeführt, die der Tröpfchensäule 8 eine Ladung zuführt, welche in jedem Tröpfchen 4 gefangen wird, wenn er sich von der Säule löst. Die. Flüssigkeit ist über den Körper-des Generators 10 im allgemeinen geerdet (Erde nicht gezeigt). Die Aufladespannungen liegen üblicherweise im Bereich von + 150 V. ' ·

Die aufgeladenen Tröpfchen lassen sich durch ein elektrostatisches Feld zwischen einander gegenüberstehenden Ablenkelektroden 19a und 19b in der X-Z-Ebene ablenken. Die . Tröpfchen im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 werden entweder in die Druckauffangrinne 6 oder auf einen Rasterpunkt in der Schreiblinie 2 auf der Zielfläche 3 ablenken. Das Ablenkfeld wird zwischen den Ablenkelektroden 19a und 19b

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durch einerseits Erdpotential· 20 und andererseits ein Potential +B, welche den Elektroden zugeführt werden, erzeugt. Typische Ablenkpotentialdifferenzen zwischen den Elektroden 19a und 19b liegen zwischen 1500 und etwa 4000 V. 5

Wie aus Fig. 2 besonders deutlich zu erkennen ist, liegt zwischen der Sensoranordnung 1 und der Drucklinie oder Zeile auf der Zielfläche 3 nur ein kleiner Abstand. (Die Zielfläche selbst ist in Fig. 2 nicht gezeigt'.) Während eines Druckvorganges erhalten die Aüfladeelektroden Spannung zugeführt, damit der Tropfchenstrora über die Länge des Segmentes 21 innerhalb der Schreiblinie 2 abgelenkt werden kann. D.ie Punkte 22 und 23 deuten benachbarte Rasterpunkte auf der Schreiblinie innerhalb benachbarter Segmente 21 an. Der Rasterpunkt 23 wird von einem Tropfen erreicht, der eine Flugbahn 25 des am weitesten rechts gelegenen Tropfchenstronts hat, während der Rasterpunkt 22 durch einen Tropfen erreicht wird, der auf einer Flugbahn 24 des links benachbarten Tröpfchenstroms fliegt. In einem Reaterbilddrucksystem wie dem der Figuren 1 und 2 ist es wesentlich, daß die Tröpfchen von benachbarten Strömen wie "gesteppt" auftreffen, d.h., genau an den idealen Rasterpunktstellen innerhalb der Schreiblinie 2 auftreffen. Tröpfchen, die während eines Schreibvorganges· nicht auf die Zielfläehe auftreffen sollen, werden auf einen Pegel aufgeladen, der es ihnen ermöglicht, auf einer Bahn zu fliegen, die auf eine Druckfangrinne 6 trifft. Die Flugbahnen 30 und 31 stellen derartige Wege dar, auf denen in den beiden links gelegenen Tröpfchenströmen die Tröpfchen in die Auffangrinnen fliegen, was gleichermaßen für die übrigen Tröpfchenströme 5 gilt. Eine Auffangrinne dient jeweils für zwei Tröpfchenströme. Das der Flugbahn 30 folgende Tröpfchen ist mit einer Spannung von - 150 V beispielsweise auf-

geladen, die der benachbarten Aufladeelektrode zugeführt wird. Tröpfchen mit Null Ladung fliegen auf der durch die Ablenkfelder zwischen den Platten 19a und 19b unbeeinflußten Flugbahn. Null Aufladung wird jedoch nur dann verwendet, wenn sie dazu führt, daß ein Tröpfchen genau auf einen der untereinander gleich beabstandeten Rasterpunkte innerhalb der Schreibzeile 2 auftrifft.

Die Sensoranordnung 1 dient für das Tröpfchen Steppen.Die Anordnung ist eine Ansammlung aus mehreren Tropfensensoren 32, die in einem bestimmten Abstand 27 voneinander entfernt sind. Der Sensorabstand 27 ist genau gleich dem Abstand 3 zwischen zwei Düsen. Der Sensorabstand ist so gewählt, daß jeder Tröpfchenstrom Tröpfchen haben kann, die in Flugbahnen über wenigstens zwei Sensoren abgelenkt werden können. Dies ist für den Steppvorgang wichtig. Ein Tröpfchen wird mit einer Spannung, die der Aufladeelektrode 18 zugeführt wird, aufgeladen, damit es auf der Flugbahn 36 über dem Sensor 32n (Fig. 2) fliegt. Das nächste Tröpfchen wird mit einer solchen Spannung aufgeladen, daß es auf der Flugbahn 37 über den Sensor 32n + 1 fliegt. Der elektrostatische Ablenkvorgang ist praktisch linear. Somit bedeutet die Kenntnis der beiden Spannungen, mit denen die Tröpfchen genau auf den definierten Flugbahnen 36 und 37 fliegen, daß alle Rasterpunkte innerhalb eines Segmentes 21 exakt durch Aufladung und Ablenkungsvorgänge angesteuert werden können. Jeder Tröpfchenstrom ist auf diese Weise kalibriert, damit die Tröpfchen innerhalb des Liniensegmentes im Bereich des Tröpfchenstromreichweite exakt auf die idealen Rasterpunktplätze auftreffen. Die Tropfchenablagerung ist dann "gesteppt", weil die Endrasterpunktplätze .in benachbarten Segmenten jeweils von Tröpfchen erreicht werden können.

Die Anzahl der Sensoren 32 ist um Eins größer als die Zahl

ο ιοα ι uü

5. Benachbarte Tröpfchenströme teilen sich in einen Sensor, doch ist ein Sensor mehr erforderlich, um für einen außenliegenden Tröpfchenstrom zwei Sensoren bereitzustellen.

Der Step- oder Kalibrierprozeß braucht nicht fortwährend vorgenommen zu werden. Die Aufladespannungen, die die Flugbahn hervorbringen, die über die Sensoren führt, bleiben über Zeiträume von Sekunden bis einige 10 Minuten konstant. Es ist deshalb angemessen, die Überprüfung der Aufladespannungen in gewissen Zeitabständen durchzuführen. Ein brauchbares Intervall ist durch die Beendigung eines Druckvorganges auf einer Zielfläche und den Beginn eines Druckvorganges auf einer anderen Zielfläche vorgegeben.

Die Testauffangrinne 7 sammelt aus sämtlichen Düsen 9 während des Stepprozesses und auch während sonstiger druck-. freier Zeiten abgegebene Tröpfchen. Bei diesem Beispiel liegt die Testauffangrinne 7 hinter der Zielflächenebene, da die Überprüfung während einer Zeitspanne vorgenommen ' wird, wo keine Zielfläche vorhanden ist. Es ist aber auch möglich, für jeden Tröpfchenstrom eine eigene Druckauffangrinne 6 vorzusehen anstatt für nur jeden zweiten Tröpfchenstrom, wie in Fig. 2.Für den Fall würde man die Sensoren 32 dann vor den Druckauffangrinnen 6 anordnen. Die Testauffangrinne kann auch vor der Zielfläche angeordnet sein. Sie muß dann jedoch hochgestellt und abgesenkt werden, damit sie im/normalen Druckvorgang den Tröpfchenstrom nicht stört.' Eine weitere Positioniermöglichkeit für die Sensoranordnung 1 besteht hinter der Zielfläche nahe der Testauffangrinne.

Es wird derzeit bevorzugt, die Sensoranordnung 1 so nahe wie möglich an die Druckzeile 2 auf der Zielflache heranzurücken, um die höchste Genauigkeit beim Kalibriervor-

gang zu erzielen. Es wird außerdem derzeit vorgezogen, den Sensor vor der Zielfläche anzuordnen, um den Bereich dahinter möglichst frei zu halten. Eine- sehr nahe Anbringung der Anordnung 1 zur Druckzeile hinter der Zielfläche bereitet Schwierigkeiten bei der Auslegung des Zielflächentransports. Die Testauffangrinne 7 bereitet weniger mechanische Probleme bezüglich des Zielflächentransports, weil sie weiter gegenüber der Druckzeile 2 zurückversetzt werden kann,.ohne daß dadurch die exakte Ausrichtung beeinflußt wird. Das Prinzip mit zwei Auffangrinnen (Druckauffangrinne -6 und Testauf fangrinne 7) ist-sehr vorteilhaft. Maßgebend ist unter anderem, daß der Raum zwischen den Ablenkelektroden 19a und 19b und der Zielfläche 3 sehr günstig genutzt wird.

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Ein einzelner Sensor 40 der augenblicklieh üblichen Type ist in Fig. 3 gezeigt. Hierdurch wird der Stand der Technik repräsentiert. In der Figur ist das kartesische Koordinatensystem (X-, Y-, Z-Achsen) angedeutet. Ein Tröpfchen 41 fliegt in X-Achsenrichtung in der Blattebene. Zwei optische Ausgangsfasern 42 und 43 sind entlang der X-Achse und, einer optischen Eingangsfaser 44 gegenüber, angeordnet. Die Ausgangsfasern sind hier mit A-(Faser 42) und B-(Faser 43)Ausgangsfasern bezeichnet. Mit der Eingangsfaser ist am entfernten Ende eine (nicht gezeigte) Lichtquelle gekoppelt. Die freie Endfläche 45 der Eingangsfaser gibt einen Lichtstrahl ab, der die freien Endflächen 46 und 47 der Ausgangsfasern A und B beleuchtet. Die TrÖpfchensensorzone ist der Raum zwischen den freien Enden der Eingangsfasers und der Ausgangsfasern. Ist kein Tröpfchen in diesem Raum, so beleuchtet, die Eingangsfaser die A und B-Faser gleich oder zumindest konstant, so daß damit der Ruhezustand bestimmt ist. Ein durch den gestrichelten Kreis 41a dargestellter Tropfen befindet sich genau auf der Mittel-

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linie oder Winkelhalbierenden 48 des Raums zwischen den A- und B-Fasern und verringert das auffallende Licht.(d.h. die elektromagnetische Strahlung), das die Fasern während des Ruhezustands erreicht, um gleichgroße Werte, wenn angenommen wird, daß die Fasern A und B gleich "bestrahlt werden. Die gestrichelten Linien 49 und 50 stellen die Schat-

.. tenumrißlinien dar, die durch den Tropfen 41a auf den Fasern A und B hervorgerufen werden.

Der Tropfen 41 ist gegenüber der Mittellinie verschoben. Die Schattengrenze auf den Fasern A und B ist durch die ausgezogenen Linien 51 und 52 angedeutet. Die Faser A erhält weniger Licht als die Faser B. Das Ungleichgewicht des auftreffenden Lichtes stellt ein Maß für den Abstand 53 entlang der X-Achse dar, um den der Tropfen 41. gegenüber der Mittellinie 48 verschoben ist. Die Feststellung erfolgt mit Photodetektoren, die an den rückwärtigen Enden der Fasern A und B angekoppelt sind. Fehler in der* Y-Position werden durch Drehen der Fasern des Sensors 40 um die Z-Achse um 90 ° festgestellt.

Fig. 4'zeigt die Photodetektoren und Schaltungen, die für die Verarbeitung der Lichtsignale an den rückwärtigen Enden der Fasern A und B erforderlich sind. Die Sensoranordnung 57 in Fig. 4 weist ein Substrat 58 und eine Vielzahl von Fasern, die auf dem Substrat gemäß der Erfindung ausgebildet sind, auf, was noch genauer in Verbindung mit den Figuren 5 bis 12 erläutert wird. Eine Vielzahl von Tröpfchenströmen 59 ist im Flug durch eine öffnung 60 dargestellt, die im Substrat 58 ausgebildet ist, die Fasern A und B der Vielzahl von Sensoren im Bereich jedes Tröpfchenstroms sind durch Linien 61 und 62 wiedergegeben. Die Eingangsfasern dieser Sensoren sind durch die Linien 63 dargestellt. Gruppen von Eingangsleitungen sind mit einer gewöhnlichen

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Lichtquelle 117, ζ. B. einer Laserdiode oder einer Leuchtdiode, verbunden. Die Lichtquelle erzeugt Strahlung, die auf die Frontflächen der Fasern A und B trifft. Die Gruppen der Fasern A 61 sind mit ihren entfernten Enden mit dem · Photodetektor 64 und die Gruppen der B-Fasern 62 sind mit ihren entfernten Enden mit dem Photodetektor 65 verbunden. Die Photodetektoren erzeugen Ströme oder Spannungen in Abhängigkeit von dem von der Eingangsfaser kommenden Licht. Befinden sich keine Tröpfchen in der Sensorzone .oder ist ein in der Zone befindliches Tröpfchen genau auf die.Mittellinie 48 (Fig. 3) ausgerichtet, dann' sind die Signale der beiden Photodetektoren gleich groß. Ist ein Tröpfchen dagegen gegenüber der Mittellinie 48 verschoben, unterscheiden sich die Ausgangssignale der beiden Photodetektoren.

Der Unterschied ist proportional dem Abstand 53 (Fig. 3). Die Ausgangssignale werden auf Differentialverstärker 66 gegeben. Der Verstärker 66 hat das Ausgangssignal Null, wenn das Tröpfchen auf die Mittellinie 48 ausgerichtet ist, hat dagegen ein positives oder negatives Ausgangssignal bei Abweichung des Tröpfchens von der Mittellinie nach links oder rechts.

In der Fig. 14 ist eine Kurve des Ausgangssignal des Verstärkers 66 dargestellt. An der vertikalen Achse ist die Spannung, an der horizontalen Achse' die Verlagerung des Tröpfchens im Richtung der X-Achse angetragen. Für das Steppen wird die Aufladespannung durch eine Servoschleife derart variiert, bis die Tröpfchen auf die Mittellinie/48 genau ausgerichtet sind. Dieser exakt ausgerichtete Zustand gilt für den Null-Kreuzungspunkt 68 der Kurve 67. Die .den nachfolgenden Tröpfchen im Tröpfchenstrom·'zugeleiteten Spannungen werden geändert, bis der Punkt 68 auf der Kurve 67 erreicht ist. Um weitere Einzelheiten wird auf die US-Anmeldung 21 420 verwiesen.

O ι ο α ι. υυ

Wenn die Fasern A und B entlang der Z-Achse ausgerichtet sind, kann vom Sensor eine Geschwindigkeitsinformation abgeleitet werden. Auch hierzu wird auf die US-Anmeldung 21 420 verwiesen.
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Die Tröpfchenservoschleife und die weitere elektrische Steuerschaltung für den Drucker der Fig. 1 wird durch die Steuereinrichtung 71 versorgt bzw. bewerkstelligt. Die Steuerschaltung enthält einen Mikroprozessor und zugehörige HilfsSpeicher sowie Schnittstellenschaltungen. Dadurch wird der gesamte Ablauf des Drucksystems der Fig. 1 abge-• stimmt gesteuert. Der Zielflächentransport, der durch das Antriebsrad 72 dargestellt ist, greift als Reibrad auf der Rückseite der Zielfläche 3 an. Die Steuerung betätigt einen Motor 73, der das Reibrad antreibt, mit Hilfe eines Digital/Analog-Wandlers 74 und eines Verstärkers 75.

Die Steuerung betätigt auch den Tröpfchengenerator\ indem dem piezoelektrische Wandler 17 über einen D/A-Wandler 77

Ϊ0 und einen Verstärker 78 und die Pumpe 16 über einen D/A-Wandler 79 und den Verstärker 80 angetrieben wird. Sie empfängt und speichert Digitalbilder oder Videodaten an ihrem Eingang 81. Die Videodaten werden verarbeitet und der Vielzahl von Aufladeelektroden zur richtigen Zeit über D/A-Wandler 82- und Verstärker 83 zugeleitet, die mit jedereinzelnen Aufladeelektrode 18 in Verbindung stehen.

Die X-Achsen-Tröpfchenpositionsinformation von der Sensoranordnung 1 wird der- Steuerschaltung 71 über die Photodetektoren 64 und 65 und ihre Differentialverstärker 66

(s. Fig. 4) eingespeist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 66 wird mittels eines A/D-Wandlers 84 in Digitalform umgesetzt. Geschwindigkeits- und sonstige Informationen werden von den Z- oder Y-Achsendetektoren 85 bzw. 86, ihren Diffe-

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rentialverstärkern 87 und dem A/D-Wandler 88 eingegeben. Bei diesem dargestellten Beispiel werden für alle Tröpfchenströme nur zwei Photodetektoren verwendet. Die Steuerung sorgt für den Stepvorgang. Sie testet die einzelnen Düser der Reihe nach, wobei immer nur zwei Photodetektoren im Einsatz sind. Die Steuerung berechnet Zahlenwerte, welche Spannungen darstellen, und die benötigt werden, um jeweils einen Tropfen auf sämtliche Rasterpunkte innerhalb eines Segmentes zu placieren. Die Berechnung basiert auf den Sp annungen, die dafür erforderlich sind, um die Tröpfchen genau über dem linken und rechten Sensor' auszurichten, welcher durch den jeweiligen Tröpfchenstrom angesteuert werden kann. Diese Zahlen können für jeden Tropfchenstrom gleich angenommen werden.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung geht aus der Fig. hervor. Dieses Merkmal besteht darin, daß die Fasern A und B eines Sensors im Raum einander passieren, ohne sich zu schneiden. Das Problem zeigt die Fig. 4. Damit eine Faser 61 den A-Photodetektor 64 erreicht, muß die Α-Faser über die B-Fasern 62 hinwegkreuzen. Bei einem Sensor 40 nach herkömmlicher Art gemäß Fig. 3 sind die Fasern A und B 42 und 43.innerhalb derselben X-Y-Ebene angeordnet. Eine Faser muß gebogen oder ausgelenkt oder über die andere hinweggeführt werden, um den Photodetektor an ihrem abgelegenen Ende zu erreichen. Dies ist im Herstellungsgang integrierter Wellenleiter nicht leicht zu bewerkstelligen.

Die Erfindung löst dieses Überschneidungsproblem dadurch,. daß die Fasern A und B in unterschiedlichen X-Y-Ebenen angebracht werden. Dies wird dadurch erreicht, daß die A- und B-Ausgangsfasern eines Sensors sowohl in Richtung der Z-Achse als auch in Richtung der Y-Achse zueinander verschoben sind. Eine Verschiebung in der X-Richtung ist nötig, um

O I OO [UU

ein X-Achsenpositionssignal zu erzeugen. Die Verschiebung in der Z-Achsenrichtung ist erforderlich, um die beiden Fasern in'getrennten X-Y-Ebenen anordnen zu können, wenigstens im Bereich nahe der Sensorzone. 5

Die Empfindlichkeit eines optischen Fasersensors der vorliegenden Art wird durch Verschieben der Fasern A und B in Z-Achsenrichtung und auch in X-Achsenrichtung verbessert. Der Grund ist der, daß eine Z-Verschiebung es erlaubt, die"Fasern A und B entlang der X-Achse in geringerem Maß gegeneinander zu versetzen. Die Empfindlichkeit eines optischen Sensors wird größer, wenn der Abstand von A nach B in Richtung der X-Achse kleiner wird. Die Steigung der Kurve 67 (Fig. 14) im Bereich um den Null-Schnittpunkt 68 wird grös-. ser, wenn der X-Achsenabstand abnimmt.

Wenn zwischen den Fasern A und B keine Z-Achsenverschiebung auftritt, können die beiden Fasern entlang der X-Achse nur bis zu einer aneinanderstoßenden Position zusammengebracht werden. Es muß noch etwas äußeres Umhüllungs- oder Beschichtungsmaterial vorhanden sein," um die leitenden Kerne der Fasern A und B voneinander zu trennen. Wenn die Fasern außerdem in Z-Richtung gegeneinander versetzt sind, dann kann die X-Achsenversetzung zwischen den Fasern wesentlich kleiner sein als die gegenseitige Berührungsstellung es erlaubt.

Fig. 6 zeigt die Kanten der Fasern A und B, die in X-Achsenrichtung miteinander fluchten. Tatsächlich können die A- und B-Fasern 90 und 92 entlang der X-Achse bis zu überlappender Anordnung näher zusammengerückt werden. Die Grenze dieser Überlappung ist natürlich dann erreicht, wenn die A-Faser 90 direkt über der B-Faser 92 liegt. In diesem Fall ist eine. Null-Verschiebung zwischen den Fasern A und B ent-

lang der X-Achse erreicht, und die. Fasern können dann nicht mehr als X-Positionssensoren, sondern nur noch als Z-Positionssensoren dienen.

In der Fig. 6 ist eine Sensoranordnung 89 dargestellt, in der die A-Fasern 90 mit einem Substrat 91 und die B-Faso η 92 mit einem Substrat 93 verbunden sind. Das gestrichelte Kästchen 94 zeigt die Anordnung einer Α-Faser gemäß der Lehre des Standes der Technik, d.h. mit einer Null-Ver-Schiebung zwischen den Fasern A und B in Richtung der Z-?chse. Es wird deutlich, daß die mit dem Kästchen 94 gezeigte Anordnung sich nicht eignet, die Ableitungen der Fasern in der Richtung der X-Y-Ebene anzuordnen, in der sie sich schneiden müssen.

Das gestrichelte Kästchen 95 stellt die ideale Position für die Eingabefaserfläche in bezug auf die A- und B-Fasern 90 und 92 dar. Diese Idealanordnung ist eine Position, bei der bezüglich der Flächen der Fasern A und B optische Symmetrie erzielt wird.

Die Tröpfchen 4 in Fig. 6 folgen den Flugbahnen 36 und 37, wie in Verbindung mit Fig. 2 besprochen. Es handelt sich hierbei um die Flugbahnen, auf denen die Tröpfchenströme genau auf einen Sensor 32 ausgerichtet sind.

Die gegenseitige Verschiebung der Fasern A und B entlang der Z-Achse macht es erforderlich, daß die Ausgangssignale der Photodetektoren 64 und 65 gespeichert werden. Dieses Speichern ist nötig, damit der Verstärker 66 eine der Kurve 67 in Fig. 14 gleiche Kurve erzeugen kann. Die Ausgangssignale der Detektoren 64 und 65 bei der in Fig. 6 gezeigten Anordnung erscheinen nämlich nicht im selben Zeitpunkt, wie dies bei herkömmlichen Sensoren 40 in Fig. 3 geschieht. Die

Tröpfchen passieren die Stirnfläche der B-Faser 92 früher als die Stirnfläche der A-Faser 90 in Fig. 6. Eine elektrische Speicherung ist möglach durch Verwendung der Schaltung in Fig. 13 anstelle des Verstärkers 96, der in Fig. 4 als Teil des Differentialverstärkers 6'6 gezeigt ist. Die Ausgangssignale der Photodetektoren 64 und 66, genauer gesagt, die Ausgangssignale der Strom/Spannungs-Wandlerverstärker 97 und 98, werden auf Eingänge 99 und 100 und nicht auf die Plus/Minus-Eingänge des Verstärkers 96 gegeben. Die Photodetektorsignale an den Eingängen. 99 und werden über Dioden 101 und 102 auf den Plus- bzw. Minus-Eingang des Verstärkers 103 gegeben (der den Verstärker 96' in Fig. 4 entspricht). Außerdem werden die Ausgangssignale der Photodetektoren 64 und 65 über die Dioden 101 und 102 auf Kondensatoren 104 und 105 gegeben. Die Kondensatoren speichern diese Ausgangssignale.

Die FET's 106 und 107 sind parallel zu den Speicherkondensatoren geschaltet und entladen diese, wenn ein Tröpfchen festgestellt-wird. Die FET's sind normalerweise nicht leitend. Wenn die Steuerelektroden 108 und'109 der FET's in einen Zustand versetzt werden, durch den die FET's leitend werden, werden die Kondensatoren 104 und 105 schnell auf Erdpotential entladen, das durch die Erdungsklemme 20 dargestellt ist. Die Steuereinrichtung 71 betätigt die Steuerelektroden der FET's,um die Kondensatoren zu entladen und die Schaltung für Aufspüren des nächsten Tröpfchens innerhalb des Stroms bereitzumachen.

Da der Sensor 89 in Fig. 6 A-und B-Fasern 90 und 92 hat, die in Richtung der Z-Achse versetzt sind, kann durch Ermitteln der Zeitdifferenz zwischen den Ausgangsimpulsen der Detektoren 64 und 65 auch ein Geschwindigkeitssignal abgeleitet werden. Für eine Geschwindigkeitsmessung von hoher Güte ist

O ο

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es normalerweise ausreichend, das Ausgangssignal entweder des A- oder des B-Detektors 64 oder 65 als Zeitmarke zu verwenden. Diese Zeitmarke wird mit der Zeit verglichen, in der die Lade spannung irit der Ladeelektrode 18 für den in Rede stehenden Strom verbunden ist. Der Abstand zwischen der Ladeelektrode 18 und dem Sensor 32 ist bekannt, so de.ß daraus die Durchschnittsgeschwindigkeit der Tröpfchen im Strom bekannt wird. Wie bereits an früherer Stelle erwähnt, kann die Tropfendurchschnittsgeschwindigkeit durch Verändern des mit der Pumpe 16 in der Tröpfchengeneratorkammer 13 erzeugten Druckes variiert werden.

Die Sensoranordnung 110 in Fig. 5 zeigt die Vorzüge der Erfindung. Die Anordnung 110 weist ein Substrat 111 mit ■ Eingabefasern der Wellenleiter 112 und Ausgangsfasern A und B der Wellenleiter 113 und 114 auf. Eine öffnung 115 ist in das Substrat 111 geschnitten, durch die die Tröpfchenströme 116 in Richtung der X-Achse auf. eine Zielfläche 3 fliegen können. Von den äbgewandten Enden der Eingangs-

20. fasern wird von einer Leuchtdiode 117 Licht zugeführt.

Die Steuerung 71 aktiviert die Leuchtdiode für vorgeschriebene Perioden über einen Verstärker 118 und einen D/A-Wandler 119.

Die A-Fasern' 118 sind als ausgezogene Linien, die B-Fasern 114 als gestrichelte Linien in Fig. 5 gezeigt, um deutlich zu machen, daß die A- und B-Fasern in verschiedenen X-Y-Linien liegen. Dadurch können die A- und B-Fasern leicht aneinander vorbei von links nach rechts oder von rechts nach links geführt werden. Die gezeigte Anordnung ist nur beispielhaft zu verstehen. Die Anordnung der Fasern A und B in Fig. 5 hat den Vorteil, daß die Fasern unter Verwendung Y-förmiger Verzweigungen wie etwa den Verzweigungen 120 zu den Photodetektoren 64 und 65. geleitet sind. Hier-

bei ist angenommen, daß die Fasern als integrierte Wellen- · leiter auf einem Substrat ausgebildet sind, wie an späterer Stelle noch genauer beschrieben wird. Die Y-Verzweigungen entstehen dadurch, daß zwei getrennte Wellenleiter sich zu einem Wellenleiter vereinigen.

Ein Herstellungsverfahren der Sensöranordnung gemäß der Erfindung bei Verwendung getrennter Substrate besteht darin, zu verfahren, wie in den Figuren 6 und 7 gezeigt. Nach einem anderen Verfahren wird ein gemeinsames Substrat benützt, was in Verbindung mit den Figuren 8a, 9, 10c und 12 beschrieben wird. Fig. 7 zeigt die Seitenansicht der Fig. 6 gemäß den in dieser Figur eingezeichneten Richtungspfeilen 7 - 7. Die Eingangsfasern 95 befinden sich auf dem Substrat 121 gegenüber den Ausgangsfasern A und B 90 und 92. Alle drei Substrate sind so angeordnet, daß die Fasern oder Wellenleiter 90, 92 und 95 ausgerichtet sind, wie gezeigt und erläutert. Eine (nicht gezeichnete) Basis ist erforderlich, um die drei Substrate abzustützen, was jedoch keiner weiteren Erklärung bedarf. Die Fasern oder Wellenleiter sowohl für die getrennten als auch die gemeinsamen Substratanordnungen werden auf den Substraten unter Verwendung bekannter Techniken wie Photowiderstandstechnik, Photoblockiertechnik, Einsenktechnik oder dergleichen, ausgebildet, von denen einige noch genauer behandelt werden.

Ein. Wellenleiter oder eine optische Faser weist ein Kernmaterial aufr das mit einem Mantelmaterial beschichtet ist. Der Brechungsindex Nc des Kerns muß größer als das des Mantelmaterials NcI sein. Unterschiedliche Mantelmaterialien können verschiedene Oberflächen des Kernmaterials umgeben. Das Mantelmaterial mit dem höchsten Brechungsindex ist maßgebend. Umgebende Luft kann auf drei Seiten eines vierseitigen Kerns das Mantelmaterial darstel-

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9 β Ο

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len, wenn die vierte Seite ein Mantelmaterial mit einem geeigneten Brechungsindex hat. Natürlich können die Wellenleiter Querschnittsformen haben, die von der gezeigten Rechtecksform abweichen.

■ .

Nach den vorangehenden Definitionen wird nun anhand der Figuren 8a bis e das Photowiderstandsverfahren für die Herstellung von Sensoranordnungen auf getrennten Substraten oder mit gemeinsamem Substrat beschrieben. In der Fig. 8a ist auf dem Substrat 123 eine dünne Photowiderstandsschicht von etwa 50'bis 75 μ durch geeignete Mittel aufgebracht. Diese Photowiderstandsschicht 124 wird einer Bestrahlung 125, auf die Schicht 124 reagiert, ausgesetzt. Die Bestrahlung erfolgt nach einem Bestrahlungsmuster, das einer gewünschten Wellenleiterform entspricht. Z. B. ist das Bestrahlungsmuster der Strahlung 125 so ausgebildet, daß die A-Fasern 113 in Fig. 5 mit Y-förmigen Verzweigungen 120 enthalten sind. Nach der Belichtung wird der Bereich 126 in einem chemischen Bad weggelöst. Das Substrat und der Photowiderstand werden in das Bad getaucht, und der Bereich 126 der Schicht 124 wird weggewaschen, so daß eine Rille oder Nut 126a gemäß Fig. 8b entsteht.

Als nächstes werden die in der Schicht 124 entstandenen RiI-len mit dem Kernmaterial 127 in flüssigem Zustand ausgefüllt. Das Kernmaterial wird dann ausgehärtet, so daß ein Aufbau gemäß Fig. 8c entsteht. Das Material 127 stellt die Α-Faser des Sensors dar. Das Kernmaterial 127 besitzt einen höheren Brechungsindex als die Photowiderstandsschicht 124, die das Mantelmaterial an den beiden Seiten des Kerns darstellt. Das Substrat selbst ist Mantelmaterial an der Bodenfläche., die Luft das Mantelmaterial auf der Oberseite.

Die B-Fasern werden - für eine Einzelträgeranordnung - durch Wiederholung der Schritte 8a bis 8c auf der Oberseite der Oberfläche 128 des Aufbaus nach-Fig. 8c gebildet, so daß eine Struktur gemäß Fig. 8e entsteht. Die Strukturen entsprechend der Fig. 8c können auch als die drei getrennten Elemente der Ausführung nach Fig. 6 dienen. Der Unterschied besteht darin, daß eine Schicht 124 sowohl die A-Faser als auch die B-Faser 92 der Fig. 6 umgibt.

Eine weitere Abwandlung besteht darin, das Element nach Fig. 8c so'weiterzubehandeln, daß genau der Aufbau entsteht, der in Fig. 6 gezeigt ist. Zu dem Zweck wird das Photowiderstandsmaterial um das gesamte Kernmaterial· herum weggelöst. Es entsteht dann eine Struktur gemäß Fig. 8d.

Die Struktur nach Fig. 8e ist die derzeit bevorzugte. Wie gesagt, erhält man diese Struktur durch Wiederholen der Schritte nach den Figuren 8a bis c auf der Oberfläche 128. Die Photowxderstandsschicht 124a (Fig. 8e) wird auf die Oberfläche 128 aufgetragen. Der Bereich 129 wird in-der Form der B-Fasern, z. B. der Fasern 114 in Fig. 5, be-■ strahlt. Die belichtete Zone wird.chemisch entfernt und mit Kernmaterial 129 gefüllt. Dieses'Kernmaterial 129 stellt die B-Faser des Sensors dar.

Eine Definition, die für die Einzelsubstrat- und Getrenntsubstratausführung zutrifft, kann auf den Oberflächen gegründet werden, die die Kerne der A- und B-Fasern tragen. Wenn zunächst die Einzelträgerstruktur der FIg. 8e betrachtet wird, so wird die Α-Faser T27 auf der ersten Trägeroberfläche 128a ausgebildet. Die Trägeroberfläche 128a ist Deckfläche des Substrats 123, auf die die Photowiderstandsschicht 124 aufgetragen ist. Die B-Faser 129

wird auf der zweiten Trägeroberfläche 128 getragen oder mit ihr verbunden. Die Oberfläche 128 ist die Deckfläche der Schicht 124, die eine mechanische Trennschicht darstellt. Die Schicht 124 versetzt also die B-Faser 129 gegenüber der A-Faser 127 in Z-Achsenrichtung.

Gemäß Fig. 6 sitzt die A-Faser 90 auf einer ersten Träger-, fläche, d.h. auf der Unterseite des oberen Substrats 91. Die B-Faser 92 sitzt an einer zweiten Trägerfläche,· d.h. der Oberseite des unteren Substrats 93.

Geeignetes Photowiderstandsmaterial für die Schichten und 124a' sind Photopolymermaterialien der Fa. DuPont de NeMours unter der Bezeichnung Riston. Riston ist transparent mit einem Brechungsindex von etwa 1,5. Ein geeignetes Kernmaterial 127 ist ein bie UV-Bestrahlung aushärtendes Polymer der Fa". Norland Products unter der Bezeichnung NOA61. Sein Brechungsindex ist 1,56. Als geeignetes Substrat für alle Ausfuhrungsformen eignet sich Zellstoffacetat mit einem Brechungsindex von weniger als 1,5.

Fig. 9 zeigt für die Herstellung von Sensoranordnungen gemäß der wiedergegebenen Lehre ein Photoblockierverfahren. Entweder getrennte oder Einzelsubstratanordnungen können mit dem Photoblockierverfahren hergestellt werden. Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Einzelsubstratanordnung. Das Substrat 131 ist mit zwei Schichten 132 und

133 eines Photoblockiermaterials bedeckt. Die Schichten liegen der Reihe nach übereinander. Die erste Schicht wird unmittelbar auf dem Substrat durch Beschichten mit dem Photoblockiermaterial ausgebildet. Das Kernmaterial

134 der A-Faser wird durch Belichten des Photoblockiermaterials 132 in einem Muster mittels actinischer Bestrahlung in Gestalt der Α-Fasern, z. B. der Fasern 113 in Fig. 5,

ο ι ο ο ιυο

• β · «

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erzeugt. Die Photoblockxerschichten sind Polymere, dotiert mit einer lichtempfindlichen, abgewandelt flüchtigen Spezies. Die belichteten Bereiche machen eine photochemische Reaktion durch, wobei entweder eine Dimerisation des Zusatzstöffes oder eine Anlagerung des Zusatzstoffes an das Polymer erfolgt. Auf jeden Fall hat die neu entstehende Spezies eine wesentlich geringere Mobilität. Danach wird die belichtete Schicht erhitzt, um den Zusatzstoff, der nicht reagiert hat, auszutreiben. Ein Dickeprofil 135 wird durch diesen Schritt erreicht, und da der Zusatzstoff einen höheren Brechungsindex hat,' ist auf diese Weise aus der Schicht 132 ein Kernbereich 134 gebildet.

Die B-Fasern 136 der Struktur nach Fig. 9 werden durch Wiederholen der vorstehend genannten Schritte gewonnen, indem.abermals eine Photoblockiermaterialschicht über der Schicht 132 ausgebreitet und diese neue Schicht 133 gehärtet wird. Der Kern 136 wird durch Belichten der Schicht 133 mit einer actinischen Strahlung 137 in Form der B-Fasern erzeugt, z. B. der B-Fasern 114 der Fig. 5. Der erhabene Abschnitt 138 bildet sich aus, wenn durch Erwärmen der Zusatz aus der Schicht 133 ausgetrieben worden ist.

Die Figuren 1Ga bis-c verdeutlichen einen Eintiefungs- oder Prägeprozeß bei der Herstellung einer Sensoranordnung, wobei der Prägpevorgang in Kombination mit einer Photowider-• stands- oder Photoblockiertechnik angewandt wird. Ein Metallstempel 141 wird in bekannter Weise mit einem erhabe-. nen Muster 142 in der Form der A-Fasern 130 der Fig ^ 5 beispielsweise hergestellt. Der Prägestempel wird dann gegen eine verformbare Thermopolymerschicht 143 gepreßt. Die Schicht 143, 2. B. Polymethylmethacrylat, ist transparent und hat einen Brechungsindex von etwa 1,49. Die Schicht stellt sowohl das Substrat als auch das Umhüllungsmaterial

für den Kern dar, der in der Prägevertiefung 144 der Schicht 143 gebildet wird. Die Vertiefung hat natürlich die Gestalt des Prägestempels. Sie wird mit einem flüssigen Polymer angefüllt, das einen höheren Brechungsindex als des Substrat 143 hat; das eingefüllte Polymer wird in situ ausgehärtet. Die sich so ergebende Struktur eignet sich für die Anordnung der Fig. 6 als: Eingabewellenleiter, bestehend aus Kern 95 und umgebendem Substrat 121; A-WeI-lenleiter, bestehend aus Kern 90 um umschließendem Substrat "91; B-Wellenleiter ,bestehend aus Kern 92 und .umhüllendem Substrat 91.'

Es können auch Einzelsubstratsensoranordnungen hergestellt werden, wie in den Figuren 10b und 10cbeispielsweise dar-■ gestellt. Die Fig. 10b zeigt ein Substrat 143 mit einer Vertiefung 144, in die ein A-Kernmaterial 145 eingefüllt ist. Auf dieser Struktur ist dann das B-Kernmaterial 146 mit den anschließenden Schritten, wie sie in-den Figuren 8a bis d und zugehöriger Erläuterung dargestellt sind, aufgebaut. Die Anordnung nach Fig. 10c hat wiederum.dLe A-Fasern beispielsweise im Substrat 143 mit dem Kernmaterial 145 ausgebildet. Die B-Fasern sind mit einer Photoblockierschicht 148 hergestellt, die einer actinischen Bestrahlung ausgesetzt und erhitzt worden ist, um die 'B-Kernbereiche 147 zu erzeugen. Eine Struktur ähnlich der in Fig. 10c gezeigten kann auch mit der Photowiderstandsmethode 8a bis c oder 8a bis d erzeugt werden anstelle des Photoblockierprozesses.

Fig. 11 zeigt eine weitere mögliche Variation aller der obengenannten Prozesse, bei der das Substrat nicht als WeI-lenleiterumhüllungsraaterial geeignet ist. Ein trübes Substrat 150 ist mit einem geeigneten flüssigen Polymer beschichtet, dap zur Bildung einer Abdeckschicht 151 gehär-

ό ι

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wird. Die Abdeckschicht wird ihrerseits mit einer Photo-■ blockierschicht 152 beschichtet. Ein Wellenleiterkern 153 wird" durch Belichten der Schicht 152 mit einer actinischen Strahlung 154 und Erhitzen der belichteten Schicht erzeugt. Andere ähnliche Strukturen werden für die Herstellung separater Substratanordnungen wie in den Figuren 6 und 7 erzeugt. Alternativ wird die Struktur der Fig. 11 dazu verwendet, eine Einzelsubstratsensoranordnung durch Überschichten der Schicht 152, Belichten und Aushärten der neuen Schicht in Form des zweiten Kerns herzustellen.

Die Struktur in Fig. 12 ist eine andere Variante der Strukturen aus den Figuren 8 bis 11. Ein als Umhüllungsmaterial dienendes Substrat 157 besitzt eine A-Faser 158 z. B., die darauf - oder darin, wenn es sich um das Einprägebeispiel der Fig. 10a handelt - an der Oberseite hergestellt ist. Die zweite oder B-Faser befindet sich auf oder in der unterseitigen Fläche des Substrats 157. A- und B-Fasern können auch auf entgegengesetzten Seiten desselben Trägers unter Verwendung des Photowiderstands oder Photoblockierverfahrens nach . den Figuren 8e und 9 hergestellt sein.

Gießformtechniken ähnlich dem Prägeprozeß· können ebenfalls verwendet werden.

Immer wenn über die Einzelträgersensoranordnungsstrukturen gesprochen wird, ist darunter zu verstehen, daß die Eingangsfasern, z. B. die Wellenleiter 112 in Fig. 5, in separaten oder gleichzeitigen Schritten mit der Bildung.

entweder der A-Fasern 113 oder der B-Fasern 114 hergestellt sind. Die öffnung 115 trennt die Eingangswellenleiter von den Ausgangswellenleitern und ermöglicht es,-.· daß die Regionen zu beiden Seiten der öffnung 115 unterschiedlich behandelt werden. Die Eingangswellenleiter 116 sind auf dem

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Substrat 111 in einem Niveau angeordnet, das ihre freien Enden die freien Enden der A- und B-Fasern symmetrische beleuchten. Dies bedeutet, daß das Niveau der Eingangsfasern aus der Mitte zwischen den A- und B-Fasern angesiedelt ist, was eine entsprechende Substratdicke erfordert. Die oben beschriebenen Sensoranordnungen können auf komplexen geometrischen Flächen angebracht sein. Sie müssen nicht eben sein. Die A- und B-Fasern befinden sich in der Sensorzone in parallelen X-Y-Ebenen, können jedoch mit Abstand von der Sensorzone eine beliebige Konfiguration haben.

Die Dickenabmessungen der Wellenleiter' werden etwa im Größenordnungsbereich des Tröpfchendurchmessers gewählt. Typische Tröpfchendurchmesser in derzeit gebräuchlichen Drucksystemen liegen im Bereich von 15 bis 75 μ. Die beschriebene integrierte Wellenleitertechnik kann mit wesentlich kleineren Abmessungen auskommen. So sind z.B. Wellenleiter mit Querschnittsbreiten von 2,5 μ bekannt. Die Substratabmessungen liegen im Bereich von 0,5 bis 1,6 mm, um die benötigten mechanischen Eigenschaften zu erreichen.

Claims (1)

1. a tt ο e # » · · *

   ·· α * ο a · e β <* «9 ο α λ

   35 587

   XEROX CORPORATION
   Rochester, N. Y. /OSA

   Integrierte Wellenleiter-Tropfensensoranordnung für ein Farbtröpfchenstrahl-Drucksystem

   Patentansprüche

   1. Flüssigkeitströpfchen-Drucker, mit dem Tröpfchen auf einer Zielfläche im allgemeinen parallel zur X- oder Y-Achse in einem kartesischen. Koordinatensystem mit X-, Y- und Z-Achse aufgebracht werden, mit Tröpfc.henerzeugungsmitteln zum Erzeugen einer Vielzahl von Tröpfchenströmen, die in einer X-Z-Ebene im wesentlichen in Z-Richtung auf die Zielfläche hin fliegen, eine der Vielzahl von Tröpfchenströmen " zugeordnete Vielzahl von Tröpfchensensoreinrxchtungen, um die Position der Tröpfchen in Bezug auf eine Achse des Koordinatensystems festzustellen, welche Tröpfchensensoren optische A- und B-Fasern mit lichtaufnehmenden Enden nahe dem Tröpfchenstrom aufweisen, mit denen sie Licht von einer Lichtzuführeinrichtung aufnehmen, um in Abhängigkeit vom Flug eines Tropfens zwischen den lichtzuführenden Mitteln und den lichtaufnehmenden Enden der A- und B-Fasern die Tröpfchenposition festzustellen, ».

   dadurch gekennzeichnet, daß die lichtaufnehmenden Enden der optischen A- und B-Fasern (90, 92) gegeneinander entlang der Z-Achse und wenigstens der X- oder der Y-Achse versetzt sind, damit mehrere A- und B-Fasern in einander nicht überschneidenden Gruppen angeordnet werden können.

   .:313 91 O

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß erste, und zweite Photodetektormittel (64, 65) mit den abgewandten Enden der Gruppen von A- und B-Fasern (90, 92) verbunden sind.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, . ·

   daß die Gruppen von A- und B-Fasern (90, 92) auf einer ersten bzw. zweiten Trägerfläche·angeordnet sind.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 3,

   dadurch gekennzeichnet,

   daß die erste und zweite Trägerfläche Oberflächen eines oberen bzw. eines unteren Substrates (91/ 93y sind, die zueinander im wesentlichen parallel verlaufen, während die A- und B-Fasern (90, 92) zwischen den Substraten (91,

   93) in einander nicht schneidenden Gruppen angeordnet sind.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 3_T

   dadurch gekennzeichnet, ' - .

   daß die erste Oberfläche eine Abschirmfläche auf einem Basiselement (123) und die zweite Oberfläche eine Abschirmfläche auf einer getrennten Schicht (124), die mit dem Basiselement (123) verbunden ist, darstellen.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß die A-Fasern (127) in einer Trennschicht (124), an das Basiselement (123) angrenzend, und die B—Fasern (1-29) in-

   » O C β O e

   ♦ ο · t» ρ ■*

   nerhalb einer Außenschicht (124a), an die Trennschicht (124) angrenzend, angeordnet sind.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß die A-Fasern (127.) mit einem Photowiderstandsverfahren auf dem Basiselement (123) ausgebildet sind, und daß die Trennschicht (124) auf dem Basiselement (123) in den von den A-Fasern (127) nicht eingenommenen Zonen hinzugefügt ist.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 6, ·

   dadurch gekennzeichnet,

   daß die Trennschicht (132) ein photoblockierendes Material enthält, das als Schicht auf das Basiselement (131) aufgebracht ist, und daß die A-Fasern (134). durch optische Belichtung der Trennschicht (132) mit einer Strahlung, die den Brechungsindex der Trennschicht so ändert, daß der Bereich höheren.Brechungsindex die A-Fasern (134) darstellen, ausgebildet sind.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß die Außenschicht (133) ein photoblockierendes Material. als Schicht auf der Trennschicht (132) enthält und daß die B-Fasern (136) innerhalb der Außenschicht ausgebildet sind durch optisches Belichten der Außenschicht (133) mit einer Strahlung, die den Brechungsindex der Außenschicht derart ändert, daß die Bereiche höheren Brechungsindex der B-Fasern (136) entstehen.

   ·· β · β

   1O. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die A-Fasern (145) in Nuten (144) in einer freien Fläche eines Basiselementes (143) angeordnet und die B-Fasern (1-46) auf der freien Fläche des Basiselementes (143) aufgebracht sind.

   '11, Vorrichtung nach Anspruch·1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtzuführmittel "(95) eine optische Faser-aufweisen, deren emittierende Endfläche parallel zu den lichtaufnehmenden Endflächen der A- und B-Fasern (90, 92) liegt und von diesen einen Abstand hat.

   12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteingabemittel (63) und die A- und B-Fasern (61, 62) auf einem gemeinsamen Basiselement (58) angeordnet sind.

   13. Vorrichtung nach Anspruch 1 _r

   dadurch gekennzeichnet, · '

   daß die Tröpfchen auf einer Drucklinie (2) auf einer Zielfläche (3) im wesentlichen parallel zur X-Achse placiert werden und daß die Sensoreinrichtung (32) die Position der Tröpfchen (4) innerhalb der Tröpfchenströme (5) relativ zur X-Achse feststellen.

   14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

   ♦ * »■ ι

   daß die Tröpfchenerzeugungseinrichtungen eine lineare Anordnung von Düsen (9) für das Ausstoßen von Flüssigkeitssäulen (8) unter Druck, aus denen die Tröpfchenströme (5) gebildet werden, sowie Tropfchenaufladeeinrichtungen (18) für jeden Tröpfchenstrom (5) und Tröpfchenablenkeinrichtungen (19a, 19b) zum elektrostatischen Ablenken aufgeladener Tröpfchen im wesentlichen in X-Richtung derart aufweisen, daß die Tröpfchen eines einzelnen Tropfchenstrqmes an zwei oder mehr Rasterpunktpositionen innerhalb eines Segmentes der Drucklinie (2) placierbar sind.

   15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Sensoreinrichtungen (32) gegenüber den Tröpfchenströmen (5) so angeordnet sind, daß die Tröpfchen jedes Tröpfchenstromes zwischen zwei getrennten Sensoreinrichtungen hindurchfliegen können.

   16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Vielzahl von Sensoreinrichtungen (32) in einer ebenen Anordnung mit Abständen (27) liegen, die gleich den Düsenzwischenabständen (34) sind.

   17.. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch
   Steuermittel (71, 82), die mit den Aufladeeinrichtungen

   (18) und den Sensoren (32) für die Kalibrierung der Aufladepegel,, die zur Ausrichtung der Tröpfchen vom selben Tropfchenstrom zu den zwei Sensoren (32) innerhalb der Flugbahn der Tröpfchen im Strom erforderlich sind.

   18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Vielzahl von Serisoren (32) nahe der Drucklinie (2) auf der Zielfläche (3) angeordnet ist. . ·

   19. Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch

   eine Testauffangrinne (7) hinter der Zielflache (3) zum Auffangen von Tröpfchen aller Tropfchenströme, wenn sich keine Zielfläche in der Flugbahn'wenigstens einiger Tröpfchen befindet.

   20. Vorrichtung nach Anspruch 19, • gekennzeichnet durch

   eine Anzahl von Druckauffangrinnen (6) vor der Zielfläche (3) zum Auffangen .der einer Fahgrinnenflugbahn folgenden Tröpfchen, wenn sich.die Zielfläche (3) in der Flugbahn

   IiO wenigstens einiger Tröpfchen der Tröpfchenströme befindet.

   21. Verfahren zum Placieren von Flussigkeitströpfchen auf einer Zielfläche im wesentlichen parallel zur X- oder Y-Achse eines kartesischen Koordinatensystems, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Tröpfchenströmen, die sich im Flug im wesentlichen in einer X-Z-Ebene befinden, in Z-Richtung gegen eine Zielfläche fliegt, daß lichtaufnehmende Enden von optischen A- und B-Fasern nahe jedem Tröpfchenstrom angeordnet werden, um den Ort eines Tröpfchens entweder gegenüber der X- oder der Y-Achse aufgrund seiner Flugbahn zwischen den lichtaufnehmenden Enden und einer Lichtquelle festzustellen, daß die A- und B-Fasern wenigstens nahe ih-

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   ren lichtaufnehmenden Enden in einer ersten b2w. einer zweiten X-Y-Ebene angeordnet werden und daß die abgewandten Enden der A- und B-Fasern zu Gruppen zusammengefaßt mit einem ersten und einem zweiten Photodetektor verbunden werden, ohne daß die A- und B-Fasern einander überschneidende Pfade einnehmen.