DE4203294C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Betriebszustandsüberwachung von Tintendruckköpfen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betriebszustandsüberwachung von Tinten­ druckköpfen und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens in Tinten­ druckköpfen vom Bubble-Jet-Typ.

Für den praktischen Einsatz von Tintendruckeinrichtungen spielt die Überwachung des Tintenvorrates, vor allem ein rechtzeitiges Erkennen des Tintenendes eine große Rolle. Ist der Tintenvorrat erschöpft oder befindet sich, verursacht durch einen Stoß Luft in den Kanälen, fällt ein Teil der Düsen oder das komplette Schreibwerk aus. Zur Steigerung der Zuverlässigkeit solcher Druckeinrichtungen sind mechani­ sche und optische Überwachungssysteme z. B. DE 35 29 805 A1), aber auch Über­ wachungsmaßnahmen bekannt geworden, die auf der Messung und Auswertung elektrischer Größen beruhen. Zur letzteren gehören Tintenüberwachungssysteme, die eine Änderung des Füllstandes im Tintenreservoir über die Veränderung der Kapazität (IBM, TDB, Vol. 16, Nr. 3, Aug. 1973, S. 775) oder des Widerstandes erfassen. Nach diesem Stand der Technik kann das Tintenende optisch und/oder akustisch angezeigt werden um die Bedienungsperson zum Austausch des Tinten­ behälters, bzw. wenn der Tintenbehälter und der Schreibkopf eine Einheit bilden, zum Austausch dieser Einheit zu veranlassen.

So ist aus der EP 0 244 559 B1 eine Vorrichtung zur Überwachung des Tintenvor­ rates in Tintendruckeinrichtungen bekannt, bei der mit Hilfe von drei in einem Tinten­ vorratsbehälter angeordneten Elektroden ein tintenspezifischer Vergleichswiderstand und ein sich in Abhängigkeit vom Flüssigkeitspegel ändernder Widerstand erfaßt wird. An zwei der drei Elektroden werden dabei Gleichspannungsimpulse invertierten Vorzeichens angelegt. An der dritten Elektrode ist eine dem Füllstand des Tintenvor­ ratsbehälters entsprechende Spannung abgreifbar, die als Kriterium zur Aktivierung eines das Tintenvorratsende anzeigenden Anzeigevorrichtung und/oder zur Abschal­ tung der Tintendruckeinrichtung herangezogen wird.

Weiterhin ist aus der WO 90/00974 A1 eine Anordnung für Druckeinrichtungen zur Überwachung von Druckmedien enthaltenden Vorratsbehälter bekannt. Dieser Vor­ ratsbehälter weist eine elektronische Speichereinrichtung in Form eines Chips auf, in dem Informationen über den aktuellen Füllstand des Vorratsbehälters und/oder anderer für den Druckbetrieb relevanter Zustandsarten, z. B. Verfallsdaten des Druckmediums gespeichert sind. Über eine Zentralsteuerung der Druckeinrichtung wird der Verbrauchszustand am Druckmedium erfaßt und dem Chip mitgeteilt. Der Chip am Vorratsbehälter zählt den Verbrauch, bis der Vorrat an Druckmedium soweit erschöpft ist, daß der Vorratsbehälter ausgetauscht werden muß. Mit Hilfe solcher bekannten Einrichtungen können zwar Fehldrucke aufgrund mangelnder Tintenflüs­ sigkeit im Vorratsbehälter vermieden und entsprechende Fehlersignale an Bedien­ personen abgegeben werden, Störungen im Tintenversorgungssystem bis hin zu den tintenführenden Bereichen im Schreibkopf, z. B. den Tintenkanälen bleiben jedoch unentdeckt.

Bei Tintendruckeinrichtungen, die nach dem Thermalwandlerprinzip (Bubble-Jet) arbeiten, und beispielsweise in der DE 30 12 698 A1 beschrieben werden, ist eine Überwachung des Vorhandenseins von Tintenflüssigkeit nicht nur im Vorratsbehäl­ ter, sondern auch am Wandlerelement von großer Bedeutung. Diese Bubble-Jet-Tintendruckköpfe weisen eine Vielzahl von Einzeldüsen auf, aus denen unter Einwir­ kung einer elektronischen Steuerung definiert Einzeltröpfchen ausgestoßen werden. Charakteristisches Merkmal dieser Technologie ist, daß sich in einer mit Tintenflüs­ sigkeit gefüllten Kapillare, und zwar in der Nähe ihrer als Düsen bezeichneten Öff­ nungen, ein als Heizelement ausgebildeter elektrischer Widerstand befindet. Wird diesem Heizelement bei Bedarf mittels eines kurzen Stromimpulses eine bestimmte Wärmeenergie zugeführt, entsteht durch äußerst schnelle Wärmeübertragung auf die Tintenflüssigkeit zuerst eine sich rasch expandierende Tintendampfblase, die dann nach Wegfall der Energiezufuhr durch Abkühlung der Tintenflüssigkeit relativ schnell in sich zusammenfällt. Die durch diese Dampfblase im Inneren der Kapillaren entstehende Druckwelle läßt einen Tintenstrahl begrenzter Masse aus der Düsen­ öffnung auf die Oberfläche eines nahen Aufzeichnungsträgers austreten. Werden die Heizelemente dieser Bubble-Jet-Druckwerke betrieben, ohne daß sich Tintenflüssig­ keit in der Kapillare befindet, so tritt am Heizwiderstand eine erhöhte Betriebstempe­ ratur auf, die wiederum eine verkürzte Lebensdauer der elektrothermischen Wand­ lerelemente aufgrund von Diffusion oder Oxidation zur Folge hat. Durch einen Stoß kann beispielsweise Luft in die Düse eingesaugt und die Tintenflüssigkeit über dem Heizelement verdrängt werden. Wollte man dies über zwei Meßkontakte erkennen so müßte für jedes Heizelement mindestens eine zusätzliche Leitung vorgesehen werden. Die Kontakte sind dort erheblichem chemischem und thermischem Streß (typischen Temperaturen von ca. 300 Grad Celsius) ausgesetzt, wenn sie direkt mit der heißen Flüssigkeit in Berührung kommen. Außerdem müßten bei der Herstellung des Schreibwerkes die zusätzlichen Leitungen auch kontaktiert, d. h. mit der Steuer­ elektronik verbunden werden, was einen erhöhten Aufwand bedeuten würde.

Die Betriebssicherheit und Qualität der Aufzeichnung hängen in hohem Maße auch von der Gleichmäßigkeit des Tröpfchenausstoßes ab, d. h. die durch einen Ansteuerimpuls ausgestoßenen einzelnen Tröpfchen müssen eine definierte Größe besitzen und mit jeweils gleicher Geschwindigkeit die Düse des Druckkopfes verlas­ sen. Die Randbedingungen für einen gleichmäßigen Tröpfchenausstoß sind jedoch vielfältig. So hängen beispielsweise die Tintentröpfchenbildung bzw. die Tinten­ strahlbildung, die Tintentropfenmasse und die Fluggeschwindigkeit des Tintentropfen in solchen Druckeinrichtungen im starken Maße von der Viskosität der Tinte ab. Da die Viskosität der Tinte temperaturabhängig ist, muß einerseits zur Gewährleistung dafür, daß bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen überhaupt ein Tinten­ ausstoßvorgang möglich ist und daß andererseits dieser Tintenausstoßvorgang möglichst definiert und stabil vonstatten geht, die Tinte mittels einer Heizungseinrich­ tung hinreichend genau temperiert werden. Es ist deshalb bereits bekannt, die Tem­ peratur der Tinte einem Tintenschreibkopf auf einem konstanten Wert zu halten. Derartige Anordnungen zum Erwärmen der Tinte im Druckkopf einer Tintendruckein­ richtung sind beispielsweise aus der WO 90/06852 A1 bekannt.

Desweiteren ist aus der EP 0 452 116 A1 ein Verfahren zum betriebssicherstellen eines Tintendruckkopfes bekannt, bei dem das Volumen der ausgestoßenen Tinten­ tröpfchen konstant gehalten und Unregelmäßigkeiten, wie helle und dunkle Streifen beim Druck, vermieden werden sollen. Dazu dient ein Tintendruckkopf, der eine Mehrzahl von Tintenkanälen mit jeweils einem Heizelement zur Erzeugung von Wärmeenergie zum Ausstoß von Tintentröpfchen aufweist, wobei jedem Tintenkanal ein Temperatursensor zugeordnet ist. Aus den von den Temperatursensoren ermit­ telten Meßsignalen wird eine Temperaturverteilung in dem Druckkopf ermittelt. Auf der Basis der so ermittelten Temperaturverteilung wird die Aufzeichnungsgeschwin­ digkeit gesteuert.

Die DE 39 25 048 A1 beschreibt ein Verfahren zum Überprüfen von Austrittsdüsen auf Verschmutzungen oder Verstopfungen an Tintenschreibköpfen, mit dem ein frühzeitiger Ausfall der Tintentropfenbildung an den Austrittsdüsen erkennbar ist. Zu diesem Zweck wird ein Schlitten in eine außerhalb des Schreibbereichs liegende Prüfstellung gefahren, in der eine aus einem Kaltleiter bestehende Thermosonde die aus den Austrittsdüsen des Schreibkopfes ausgestoßenen Tintentröpfchen abfängt. Der Widerstand einer sich durch die Tintentröpfchen abkühlenden Sensorplatte wird mittels einer Meßeinrichtung gemessen, wobei der Widerstandwert einer Steuervor­ richtung zum Vergleichen mit einem in einem Speicher gespeicherten Widerstands­ wert zugeführt wird. Ein Überschreiten eines Grenzwertes des Widerstandes wird dann durch die Steuervorrichtung angezeigt. Weist der Grenzwert auf eine Verstop­ fung oder eine Verschmutzung der Austrittsdüsen hin, wird der Druckkopf auf ein entsprechendes Signal hin in eine Spülstellung gefahren und es wird ein Spülvor­ gang durchgeführt. Aufgrund des Platzbedarfs der zusätzlichen, außerhalb des Schreibbereichs des Druckkopfs liegenden Prüfstellung, vergrößert sich allerdings die Bau breite des Tintenstrahlaufzeichnungsgeräts.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen um den aktuellen Betriebszustand eines Tintendruckkopfes zu erfas­ sen und unzulässige Abweichungen von vorgegebenen Normbetriebszuständen selbsttätig zu korrigieren, wobei der dazu erforderliche technische Aufwand minimal sein soll und eine Erhöhung der Anzahl erforderlicher Zuleitungen zum Tintendruck­ kopf vermieden werden soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen 1 bzw. 3 angegebenen Merkmale gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestal­ tungen der Erfindung an.

Ausgehend von Tintendruckköpfen vom Bubble-Jet-Typ mit einer Mehrzahl von Tin­ tenkanälen mit jeweils mindestens einem Heizelement und Mitteln zur Erwärmung des Tintendruckkopf in einer Tintendruckeinrichtung, die Mittel zur Reinigung des Tintendruckkopfes aufweist, werden in einem ersten Verfahrensschritt drei Norm­ werte für einen sicheren Betrieb des Tintendruckkopfes vorgegeben. Aufgrund der Tatsache, daß im Tintendruckkopf befindliche Tinte allseitig vom Substratmaterial des Tintendruckkopfes umgeben ist, genügt es, die Temperatur des Substratmateri­ als lokal hinreichend genau zu bestimmen, um auf die Temperatur der Tinte in Meß­ punktnähe und damit ihre Viskosität schließen zu können. Dazu werden eine minimal und eine maximal zulässige Chiptemperatur vorgegeben.

Wird eine Düse des Tintendruckkopfes angesteuert, ohne daß sich Tinte in dem zugehörigen Tintenkanal befindet, kann die durch das Heizelement erzeugte Wär­ memenge nicht durch die Tinte abgeführt werden und führt zu einer lokalen Überhit­ zung des Substrates. Zu deren Erfassung wird eine maximale lokale Spitzentempe­ ratur vorgegeben.

In einem zweiten Schritt wird die Chiptemperatur an jedem Tintenkanal in unmittelbarer Nähe der Düsenöffnung gemessen.

Aus den Meßwerten werden in einem dritten Schritt der Spitzenwert abgeleitet und der Mittelwert gebildet.

Anschließend wird der Spitzenwert der Chiptemperatur mit der vorgegebenen, maximalen lokalen Spitzentemperatur verglichen und geprüft, ob der Mittelwert der Chiptemperatur zwischen der vorgegebenen minimalen und maximal zulässigen Chiptemperatur liegt.

Dazu ist erfindungsgemäß für jeden Tintenkanal ein separater Temperatursensor vorgesehen, der auf der düsenseitigen Membran des Tintendruckkopfes in Düsennähe angeordnet ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die dazu erforderlichen Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines für die Anwendung der Erfindung besonders geeigneten Tintendruckkopfes

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch den Chip eines solchen Tintendruckkopfes

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung von Fig. 2 in Draufsicht

Fig. 4 eine Darstellung zur Arbeitsweise der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung den Aufbau eines Tintendruckkopfes. Dieser besteht im wesentlichen aus nur zwei miteinander zu verbindenden Teilen, nämlich einem Chip 11, der sowohl die Heizelemente, die elektrischen Zuleitungen und die Kontaktstellen für den elektrischen Anschluß als auch die Ausstoßöffnungen (Düsen) beinhaltet und als Abschluß auf ein Vorratsgefäß befestigt und kontaktiert wird. Die in diesem Prinzipbild nicht dargestellten Heizelemente, die elektrischen Zuleitungen, die Kontaktstellen 3 und Auslaßöffnung 10 könnten dabei in einem einzigen, vorzugsweise aus Silizium bestehenden Chip 11 im Nutzen durch planare Bearbeitungsschritte erzeugt werden.

Das Vorratsgefäß 12 weist eine quaderförmige Gestalt auf, in das ein mit Tintenflüssigkeit getränktes Medium, z. B. ein Schwamm 13 eingebracht ist. An der, dem Chip zugewandten Oberseite des Vorratsgefäßes 12 sind mit Filtern 14 versehene Auslaßöffnungen in Form von zwei Versorgungskanälen 15 vorgesehen. Diese Versorgungskanäle 15 verlaufen parallel zueinander in Längsrichtung des Versorgungsgefäßes 12 derart, daß sie bei einem montierten Chip 11 über Tintenkanäle 16 in Fließverbindung mit den Austrittsöffnungen 10 stehen. Die Montage des Chips 11 auf das Vorratsgefäß 12 geschieht auf einfache Weise durch an den Längsseiten des Vorratsgefäßes 12 angeordneten Montageklammern 17, die sowohl die mechanische Verbindung als auch über die Kontaktstellen 9 die elektrische Kontaktierung übernehmen.

Die Fig. 2 stellt einen Schnitt durch den Chip 11 gemäß der Schnittlinie I-I in Fig. 1 dar. Insbesondere ist hier die geometrische Ausgestaltung eines Tintenkanals 16 zu erkennen, der parallele Wände mit schrägen Auslaufzonen aufweist.

Wie auch aus Fig. 2 hervorgeht, ist jeder Tintenkanal 16 düsenseitig lediglich durch eine dünne Schicht des Chipsubstratmaterials membranartig abgeschlossen. In dieser Membran 3 ist die Düsenöffnung 10 vorgesehen.

Auf der dem Tintenkanal 16 abgewandten Seite der Membran 3 sind die Heizelemente 4 angeordnet, die gemäß Fig. 3 in Draufsicht gezeigt sind. Die Heizelemente 4 eines Tintenkanals 16 sind vorteilhafterweise symmetrisch zur Düsenöffnung 10 entlang des Tintenkanals 16 angeordnet und durch eine Leiterbahn 5 miteinander verbunden. Zwischen einem der Heizelemente 4 und der Düsenöffnung 10 ist für jeden Tintenkanal 16 je ein Temperatursensor 1 vorgesehen, an den zwei separate Sensorzuleitungen 2 herangeführt sind. Somit ist der Temperatursensor 1 direkt am Entstehungsort der Wärme angeordnet und in der Lage, feinfühlig lokale Temperaturänderungen tintenkanalindividuell zu erfassen. Erst dadurch ist es möglich, für jeden Tintenkanal 16 festzustellen, ob er noch Tinte enthält.

Wird durch lokale Temperaturerhöhung an einem Tintenkanal 16 festgestellt, daß dieser tintenlos ist, so kommen als Ursachen sowohl lokale Verstopfungen im Tintenversorgungssystem als auch die Erschöpfung des Tintenvorrates in Betracht. Zur Differenzierung dieser Ursachen wird zunächst eine Reinigungsprozedur des Tintendruckkopfes 24 eingeleitet. Bei mehrfacher aufeinanderfolgend erfolgloser Reinigung wird von einem durch die Tintendruckeinrichtung selbst nicht behebbaren Defekt ausgegangen und dem Bedienpersonal das Ende des Tintenvorrates signalisiert.

Dazu werden gemäß Fig. 4 alle Meßwerte der Temperatursensoren 1 in einer Einrichtung 8 zur Erkennung des Spitzenwertes 25 und Ermittlung des Mittelwertes 26 bewertet. Der Spitzenwert 25 wird in einem Komparator 6 mit der vorgegebenen, maximalen lokalen Spitzentemperatur 21 verglichen, bei deren Überschreitung eine Tintenendemeldung 20 ausgegeben wird. Der Mittelwert 26 wird in einem Fensterdiskriminator 7 mit der vorgegebenen, minimal zulässigen Chiptemperatur 23 und der vorgegebenen, maximal zulässigen Chiptemperatur 22 verglichen. Verläßt der Mittelwert 26 der gemessenen Chiptemperatur den durch die vorgegebenen, minimal und maximal zulässigen Chiptemperaturen 23, 22 vorgegebenen Toleranzbereich, wird eine Temperaturmeldung 13 ausgegeben. Bei Überschreitung der maximal zulässigen Chiptemperatur 22 wird die Druckgeschwindigkeit reduziert und bei Unterschreitung der minimal zulässigen Chiptemperatur 23 wird der Tintendruckkopf selbst beheizt. Unter Reduzierung der Druckgeschwindigkeit sollen dabei auch Druckpausen verstanden werden.

Auf diese Weise wird sowohl eine gleichbleibend hohe Druckqualität sichergestellt als auch der zur Verfügung gestellte Tintenvorrat einschließlich der Tintenmenge im Tintenversorgungssystem nahezu vollständig verbraucht.

Vorteilhafterweise werden die zur Betriebssicherstellung der erfindungsgemäßen Art erforderlichen Mittel auf der Oberfläche des Chips 11 mit für sich bekannter Technologie als integrierte Schaltung ausgeführt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Betriebssicherstellung eines Tintendruckkopfes vom Bubble-Jet-Typ mit einer Mehrzahl von Tintenkanälen und jeweils mindestens einem Heiz­ element zur Erzeugung von Wärmeenergie zum Ausstoß von Tintentröpfchen und Einrichtungen zur Erwärmung des Tintendruckkopfes in einer Tintendruck­ einrichtung, die eine Einrichtung zur Reinigung des Tintendruckkopfes aufweist, wobei zur Betriebssicherstellung
eine minimale und eine maximale zulässige Chiptemperatur (26, 22) und eine maximale lokale Spitzentemperatur (21) vorgegeben werden,
tintenkanalindividuell die Chiptemperatur in Düsenöffnungsnähe gemessen wird,
aus den Meßwerten der Spitzenwert (25) detektiert und der Mittelwert (26) gebildet werden,
der Spitzenwert (25) der Chiptemperatur mit der vorgegebenen maximalen lokalen Spitzentemperatur (21) verglichen wird,
der Mittelwert (26) der Chiptemperatur mit der vorgegebenen minimalen und maximalen zulässigen Chiptemperatur (26, 22) verglichen wird und
bei Überschreitung der vorgegebenen, maximalen lokalen Spitzentemperatur (21) durch den Spitzenwert (25) der gemessenen Chiptemperatur eine Tinten­ endemeldung (20) ausgegeben und eine Reinigungsprozedur eingeleitet wird, bei Überschreitung der maximal zulässigen Chiptemperatur die Druckge­ schwindigkeit reduziert bzw.
bei Unterschreitung der minimal zulässigen Chiptemperatur der Tintenkopf beheizt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tintendruckein­ richtung bei mehrfachen aufeinanderfolgenden Tintenendemeldungen (20) in unmittelbarer Folge auf Reinigungsprozeduren wegen Tintenmangel außer Betrieb gesetzt wird.

3. Vorrichtung zur Betriebssicherstellung eines Tintendruckkopfes vom Bubble-Jet-Typ, der aus einem Chip besteht, in den eine Mehrzahl von Tintenkanälen ein­ gebracht sind, welche durch eine dünne Schicht Chipsubstratmaterials membranartig abgeschlossen sind, wobei in der Membran für jeden Tintenkanal eine Düsenöffnung eingebracht ist, und aus einem an dem Chip als Abschluß befestigten Vorratsgefäß, dadurch gekennzeichnet, daß
jedem Tintenkanal (16) ein separater Temperatursensor (1) zugeordnet ist, dieser Temperatursensor (1) auf der dem Tintenkanal abgewandten Seite der Membran (9) in Düsennähe angeordnet ist und
alle Temperatursensoren (1) an ein gemeinsames Mittel zur Auswertung angeschlossen sind, das auf dem Chip (11) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursen­ sor (1) durch ein dotiertes Gebiet im Chipsubstratmaterial (11) gebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Temperatursen­ soren (1) eines Tintendruckkopfes (24) an einer Einrichtung (8) zur Spitzenwert­ detektion und Mittelwertbildung angeschlossen sind, der ein Komparator (6) zur Spitzenwertüberwachung und ein Fensterdiskriminator (7) zur Mittelwertkontrolle nachgeschaltet sind.