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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Tintenstrahl-Druckkopf, eine diesen Tintenstrahl-Druckkopf aufweisende
Tintenstrahl-Druckvorrichtung sowie auf ein Tintenstrahl-Druckverfahren und
betrifft insbesondere die Ansteuerung von Energieerzeugungselementen,
die in jeweiligen Tintenausstoßdüsen bzw.
Tintenausstoßöffnungen
des Tintenstrahl-Druckkopfes angeordnet sind.
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Ein
im bedarfsabhängigen
Bereitschaftsbetrieb betreibbares Tintenstrahl-Drucksystem erfreut sich
zunehmender Beliebtheit. Hierbei haben insbesondere mit Dampfblasenerzeugung
arbeitende Tintenstrahl-Drucksysteme in einem weiten Anwendungsbereich
auf Grund von Vorteilen Verwendung gefunden, die z.B. darin bestehen,
dass der Druckkopf einen einfachen Aufbau aufweisen und eine sehr
dichte Düsenanordnung
mit einer hohen Anzahl von Ausstoßdüsen oder Ausstoßöffnungen
erhalten werden können.
Bei einem mit diesem Tintenstrahl-Drucksystem arbeitenden Druckkopf
finden Heizelemente als Energieerzeugungselemente zum Ausstoßen von
Tinte Verwendung, die die Tinte zur Erzeugung von Dampfblasen und
Ausstoßen
der Tinte durch die Dampfblasenenergie erwärmen.
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Zur
Erzielung eines Hochgeschwindigkeitsdruckens unter Verwendung eines
Tintenstrahl-Drucksystems erweist sich eine Vergrößerung der
Anzahl von Düsen
bzw. Ausstoßöffnungen
als sehr effektiv. Die gleichzeitige Ansteuerung vieler Ausstoßdüsen bedingt
jedoch, dass diesen Ausstoßdüsen gleichzeitig
eine erhebliche Leistung zugeführt wird,
was zu einem Abfall der Versorgungsspannung führen kann. Zur zuverlässigen Betätigung einer
großen Anzahl
von Ausstoßdüsen muss
daher eine Energie- oder Stromversorgung mit einer entsprechend hohen
Kapazität
vorgesehen werden. Bei einem Tintenstrahl-Drucksystem wird eine
Dampfblase in der Tinte durch einen elektrischen Strom- oder Spannungsimpuls
erzeugt, der eine sehr kurze Dauer in der Größenordnung von nur wenigen
Mikrosekunden aufweist. Wenn somit eine große Anzahl von Düsen oder
Ausstoßöffnungen
gleichzeitig angesteuert wird, fließt zum Zeitpunkt der Düsenansteuerung
ein hoher Strom, der einen erheblichen Abfall der Versorgungsspannung
zur Folge hat. Dies führt
wiederum zu einer Abnahme der für
die Düsenbetätigung erforderlichen
Energie mit der Folge eines instabilen Tintenausstoßes über die
Düsen bzw.
Ausstoßöffnungen,
wodurch die Qualität
eines gedruckten Bildes in erheblichem Maße beeinträchtigt wird.
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Zur
Vermeidung dieses Problems ist es bereits bekannt, eine große Anzahl
von Düsen
bzw. Ausstoßöffnungen
in eine Vielzahl von Blöcken
zu unterteilen und dann diese Blöcke
zu unterschiedlichen Zeiten in einem Zeitmultiplexverfahren anzusteuern.
Wenn hierbei jedoch der Druckkopf eine hohe Gesamtzahl an Ausstoßdüsen aufweist,
sodass jeder Block viele Ausstoßdüsen umfasst,
tritt auch in diesem Falle bei der Ansteuerung eines jeweiligen Blocks
ein erheblicher Spannungsabfall auf. Wird dagegen die Anzahl von
Blöcken
zur Verringerung der Anzahl von gleichzeitig anzusteuernden Ausstoßdüsen erhöht, verlängert sich
die zur Ansteuerung sämtlicher
Blöcke
erforderliche Zeitdauer, sodass die Ansteuerfrequenz herabgesetzt
werden muss, was wiederum eine verringerte Betriebsgeschwindigkeit zur
Folge hat, die sich direkt auf die Druckleistung auswirkt und damit
ein weiteres schwerwiegendes Problem darstellt.
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Als übliche Gegenmaßnahme zur
Unterdrückung
eines solchen Spannungsabfalls ist auf einem anderen technischen
Gebiet als der Drucktechnik bereits ein Istwert-Fernerfassungssystem bekannt, das die
Spannung zwischen den Anschlüssen
eines elektrische Leistung aufnehmenden jeweiligen Verbrauchers
erfasst und die gemessene Spannung auf eine Konstantspannungsschaltung
einer Spannungsversorgungseinrichtung rückkoppelt, um die Spannung am
Verbraucher konstant zu halten und hierdurch die Arbeitsweise des
Verbrauchers zu stabilisieren. Bei Anwendung dieser Technik auf
ein Tintenstrahl-Drucksystem kann sich ein solches Istwert-Fernerfassungssystem
jedoch als uneffizient erweisen, da der Ansteuerimpuls sehr kurz
ist und für die
Rückkopplung
eines Impulsstroms mit einer sehr kurzen Impulsdauer eine Hochgeschwindigkeits-Rückkopplungsschaltung erforderlich
ist. Da jedoch die Istwert-Fernerfassungsschaltung eine längere Leitungsführung aufweist,
wird die Stromzuführungsphase
verzögert
und damit die Arbeitsweise der Hochgeschwindigkeits-Rückkopplungsschaltung
instabil, was zu einem Schwingungsproblem führt.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 10-181 017 (1998)
der Anmelderin bereits ein Ansteuerverfahren vorgeschlagen worden,
bei dem die Anzahl der gleichzeitig anzusteuernden Ausstoßdüsen gezählt und
die Impulsdauer eines Spannungsimpulses auf der Basis des erhaltenen
Zählwertes
festgelegt werden. Da bei diesem Ansteuerverfahren der Spannungsabfall
der an die Heizelemente der Ausstoßdüsen angelegten Spannung ermittelt
und auf der Basis des erhaltenen Ergebnisses die Ansteuerimpulsdauer
korrigiert werden, ist eine stabile Ansteuerung ohne Anlegen einer übermäßigen Spannung
erzielbar. Bei dem Ansteuersystem gemäß der japanischen Patent-Offenlegungsschrift
10-181 017 (1998) führen
jedoch Schwankungen der Widerstandswerte von Versorgungsleiterbahnen
für den
Druckkopf und Schwankungen der Widerstandswerte von elektrothermischen
Wandlern in ihrer Gesamtheit ebenfalls zu Abweichungen. Wenn ferner
die Versorgungsleiterbahnen eine hohe Kapazität aufweisen, kann der Spannungsabfall
nicht nur in Abhängigkeit
von dem momentanen Stromverbrauch sondern auch in Abhängigkeit
von dem unmittelbar vorhergehenden Stromverbrauch erheblich schwanken,
was eine Korrektur weiter erschwert. Auch dieses Ansteuersystem ermöglicht somit
derzeit keine perfekte Korrektur.
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Wie
vorstehend beschrieben, muss bei einer üblichen Tintenstrahl-Druckvorrichtung
auf Grund des Auftretens von Versorgungsspannungsschwankungen üblicherweise
die Impulsdauer ausreichend groß eingestellt
werden, damit auch bei einem Versorgungsspannungsabfall die Ansteuerung
der Ausstoßdüsen mit
einer ausreichenden Leistung erfolgen kann. Eine große Impulsdauer
führt jedoch
wiederum zu verschiedenen Problemen wie einem höheren Stromverbrauch, einem
erheblichen Temperaturanstieg in dem Druckkopf, einer verkürzten Betriebslebensdauer
des Druckkopfes sowie verbrennungsbedingten Ablagerungen an den
Heizelementen, durch die die Ausstoßleistung und damit die Qualität von ausgedruckten
Bildern herabgesetzt werden.
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Aus
der EP-A-0 913 255 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erregungssteuerung
eines thermischen Tintenstrahl-Druckkopfes bekannt, bei denen ein
Spannungserfassungsnetzwerk einen hochohmigen Widerstand umfasst,
der den zehnfachen Widerstandswert der zum Ausstoßen von
Tinte verwendeten jeweiligen Erregungswiderstände von elektrothermischen
Wandlern aufweist. Dieser hochohmige Widerstand ist über einen
LDMOS-Schalter mit einem an Masse liegenden niederohmigen Messwiderstand
gekoppelt. Eine Strom-Spannungs-Umsetzerschaltung
umfasst eine zwischen den Schalter und den Messwiderstand geschaltete
Primäreingangsleitung
und einen mit einer Triggersignal-Eingangsleitung verbundenen Triggereingang,
sodass die Umsetzerschaltung über
einen an der Triggersignal-Eingangsleitung anstehenden Impuls getriggert wird.
Die Umsetzerschaltung umfasst einen Ruhestromgenerator und einen
Integrationskondensator. Eine der Umsetzerschaltung zugeführte Spannung wird
in ein Leistungssignal umgesetzt, das zur Erzeugung eines Ruhestroms
dient, sodass der Integrationskondensator eine energieproportionale
Ausgangsspannung erzeugt. Diese Ausgangsspannung wird mit einer
Spannung verglichen, die über
einen Digital/Analog-Umsetzer von einem Impulsdauer-Steuerblock zugeführt wird,
der einen Impuls abgibt, der bei Triggerung durch einen an einer
Triggersignalleitung anstehenden Impuls ausgelöst und beendet wird, wenn die
Ausgangsspannung der Strom-Spannungs-Umsetzerschaltung gleich der Ausgangsspannung
des Digital/Analog-Umsetzers wird oder der Triggerimpuls endet,
wodurch den Erregungswiderständen
ein Ansteuer- oder Triggerimpuls mit einer auf der von der Strom-Spannungs-Umsetzerschaltung
gebildeten Integrationsspannung beruhenden Dauer zugeführt wird.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
umfasst die Erfindung einen Tintenstrahl-Druckkopf, mit
einer
Vielzahl von Ausstoßdüsen oder
Ausstoßöffnungen,
denen jeweils ein elektrothermischer Wandler zugeordnet ist, durch
dessen Erregung das Ausstoßen
von Tinte aus der jeweiligen Ausstoßdüse oder Ausstoßöffnung herbeigeführt wird,
einer
Erregungs-Starteinrichtung zum Einleiten der Erregung der elektrothermischen
Wandler,
einer Spannungs-Detektoreinrichtung zur direkten Erfassung
einer nach dem Beginn der Erregung der elektrothermischen Wandler
an die elektrothermischen Wandler angelegten Spannung,
einer
Vergleichereinrichtung zum Vergleichen der von der Spannungs-Detektoreinrichtung
direkt erfassten Spannung mit einer Bezugsspannung, und
einer
Erregungs-Stoppeinrichtung zur Beendigung der Erregung der elektrothermischen
Wandler in Abhängigkeit
von dem von der Vergleichereinrichtung erhaltenen Vergleichsergebnis.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
umfasst die Erfindung eine Tintenstrahl-Druckvorrichtung zum Drucken
auf einem Druckmaterial, mit
einem Tintenstrahl-Druckkopf mit
einer Vielzahl von Ausstoßdüsen oder
Ausstoßöffnungen,
denen jeweils ein elektrothermischer Wandler zugeordnet ist, durch
dessen Erregung das Ausstoßen
von Tinte aus der jeweiligen Ausstoßdüse oder Ausstoßöffnung herbeigeführt wird,
einer
Erregungs-Starteinrichtung zum Einleiten der Erregung der elektrothermischen
Wandler,
einer Spannungs-Detektoreinrichtung zur direkten Erfassung
einer nach dem Beginn der Erregung der elektrothermischen Wandler
an die elektrothermischen Wandler angelegten Spannung,
einer
Vergleichereinrichtung zum Vergleichen der von der Spannungs-Detektoreinrichtung
direkt erfassten Spannung mit einer Bezugsspannung, und
einer
Erregungs-Stoppeinrichtung zur Beendigung der Erregung der elektrothermischen
Wandler in Abhängigkeit
von dem von der Vergleichereinrichtung erhaltenen Vergleichsergebnis.
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Gemäß einer
dritten Ausführungsform
umfasst die Erfindung ein Tintenstrahl-Druckverfahren zur Durchführung von Druckvorgängen durch
Ausstoßen
von Tinte, mit den Schritten:
Einleiten der Erregung von elektrothermischen Wandlern,
die Wärmeenergie
zum Ausstoßen
von Tinte erzeugen,
direktes Erfassen einer an die elektrothermischen Wandler
angelegten Spannung nach dem Beginn der Erregung der elektrothermischen
Wandler,
Vergleichen der direkt erfassten Spannung mit einer Bezugsspannung,
und
Beendigung der Erregung der elektrothermischen Wandler
in Abhängigkeit
von dem in dem Vergleichsschritt erhaltenen Vergleichsergebnis.
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Gemäß diesen
Ausführungsbeispielen
der Erfindung wird ein Tintenstrahl-Druckkopf, durch den stets eine
stabile und zuverlässige
Ansteuerung einer Energieerzeugungseinrichtung wie eines Heizelements
erzielbar ist, sowie eine mit diesem Tintenstrahl-Druckkopf ausgestattete
Tintenstrahl-Druckvorrichtung
und ein Tintenstrahl-Druckverfahren erhalten.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Tintenstrahl-Druckkopf
und der erfindungsgemäßen Tintenstrahl-Druckvorrichtung
wird die Zeitdauer der Erregung der Energieerzeugungseinrichtung
in Abhängigkeit
von der tatsächlich
an den Tintenstrahl-Druckkopf
angelegten Istspannung bestimmt, d.h., wenn die an einen elektrothermischen
Wandler angelegte Spannung hoch ist, wird die Zeitdauer vom Beginn bis
zum Ende der Erregung kurz eingestellt, während bei einer an den elektrothermischen
Wandler angelegten niedrigen Spannung die Zeit vom Beginn bis zum
Ende der Erregung länger
eingestellt wird. Auf diese Weise kann dem elektrothermischen Wandler stets
eine angemessene Leistung zugeführt
und ein stabiler Tintenausstoß gewährleistet
werden.
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Da
die gemessene anliegende Spannung nicht zu der Stromversorgungseinrichtung
rückgekoppelt
wird, kann die Vorrichtung mit einer Ansteuerschaltung ausgestattet
werden, die im Vergleich zur zusätzlichen
Einbeziehung einer Rückkopplungsschaltung
eine kleinere Zeitkonstante aufweist, sodass das Auftreten von Problemen
wie Schwingungserscheinungen im Betrieb vermieden wird.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, die in Verbindung
mit den zugehörigen
Zeichnungen erfolgt. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht, die in schematischer Darstellung den Aufbau
einer Tintenstrahl-Druckvorrichtung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung veranschaulicht,
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2 eine
perspektivische Ansicht, die in schematischer Darstellung den Aufbau
von Ausstoßöffnungen
und Heizelementen in einem Tintenstrahl-Druckkopf gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
veranschaulicht,
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3 ein
Schaltbild einer Ansteuerschaltung für den Tintenstrahl-Druckkopf
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
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4 zeitabhängige Signalverläufe, die
die Arbeitsweise verschiedener Bereiche der Schaltungsanordnung
gemäß 3 veranschaulichen, und
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5 ein
Schaltbild eines wesentlichen Teils einer Ansteuerschaltung für einen
Tintenstrahl-Druckkopf gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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In
den 1 bis 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung veranschaulicht.
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Gemäß 1 umfasst
eine Druckereinheit, die Druckvorgänge auf einem Druckmaterial
ausführt,
eine Anzahl von (bei diesem Beispiel 4) Kopfpatronen 1A, 1B, 1C, 1D sowie
einen Schlitten 2, an dem diese Kopfpatronen austauschbar
angebracht sind. Die Kopfpatronen 1A bis 1D umfassen
jeweils einen Tintenstrahl-Druckkopf 13 (siehe 2)
sowie einen Tintenbehälter.
Der Druckkopf 13 weist ein Anschlusselement für die Zuführung eines
Ansteuersignals auf. Im Rahmen der nachstehenden Beschreibung wird
die Gesamtheit der Kopfpatronen 1A bis 1D oder
eine beliebige Kopfpatrone zur Vereinfachung als Kopfpatrone 1 bezeichnet.
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Bei
den verschiedenen Kopfpatronen 1 wird Tinte unterschiedlicher
Farbe zum Drucken verwendet. Die an den jeweiligen Tintenpatronen 1 angebrachten
Tintenbehälter 1A bis 1D umfassen
Tinte in verschiedenen Farben wie z.B. Schwarz, Blaugrün (Cyan),
Purpurrot (Magenta) und Gelb. Die Kopfpatronen 1 sind jeweils
an dem Schlitten 2 in ihren vorgegebenen Positionen austauschbar
angebracht. Der Schlitten 2 besitzt eine Anschlusshalterung
(einen elektrischen Schnittstellenabschnitt) zur Übertragung
von Ansteuersignalen zu den Kopfpatronen 1 über entsprechende
Verbindungselemente.
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Der
Schlitten 2 ist beweglich an einer Führungsachse 3 angebracht,
die in dem Gerätegehäuse in einer
Hauptabtastrichtung verläuft,
sodass sie in dieser Hauptabtastrichtung vorwärts und rückwärts bewegt werden kann. Der
Schlitten 2 wird hierbei von einem Hauptabtastmotor 4 über einen
eine Motorriemenscheibe 5, eine mitlaufende Riemenscheibe 6 und
einen Steuer- oder Zahnriemen 7 umfassenden Antriebsmechanismus
hin- und herbewegt, wobei die jeweilige Position und Bewegung des
Schlittens 2 von einem nachstehend noch näher beschriebenen Steuersystem
gesteuert werden.
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Ein
Druckmaterial 8 wie Druckpapier oder eine dünne Kunststofffolie
wird durch die Drehbewegung von zwei Paaren von Transportwalzen 9, 10 und 11, 12 an
einer einer Düsenseite 21 (siehe 2)
der Kopfpatronen 1 gegenüberliegenden Position (einem
Druckbereich) vorbeigeführt.
Die Rückseite
des Druckmaterials 8 wird von einer (nicht dargestellten)
Auflagewalze gehalten, sodass das Druckmaterial 8 in dem
Druckbereich eine ebene Aufzeichnungsfläche bildet. Die Düsenseite 21 der an
dem Schlitten 2 angebrachten jeweiligen Kopfpatronen 1 verläuft in der
Abwärtsrichtung
des Schlittens 2 und wird parallel zu dem zwischen den
beiden Paaren der Transportwalzen geführten Druckmaterial 8 gehalten.
Außerdem
umfasst der Schlitten 2 einen Reflexionslicht aufnehmenden
optischen Sensor 15 als Dichtesensor.
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Die
Kopfpatronen 1 werden von Tintenstrahl-Kopfpatronen gebildet,
die zum Ausstoßen
von Tinte über
eine Vielzahl von Düsen
bzw. Ausstoßöffnungen
unter Verwendung von Wärmeenergie
ausgestaltet sind und entsprechend den Düsen angeordnete elektrothermische
Wandler (Heizelemente) aufweisen, d.h., in den Aufzeichnungsabschnitten
der Kopfpatronen 1 wird durch die in den jeweiligen Düsen angeordneten
Heizelemente elektrische Energie in Wärmeenergie umgesetzt, wobei
in der Tinte durch die erzeugte Wärmeenergie ein Schichtsieden
zur Erzeugung von Dampfblasen herbeigeführt wird, deren Energie dann
zum Ausstoßen
der Tinte aus den Ausstoßöffnungen
dient.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht, die in schematischer Darstellung einen
Teil des Tintenstrahl-Druckkopfs 13 einer
Kopfpatrone 1 veranschaulicht.
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Die
Düsenseite 21,
die dem in dem Druckbereich in der vorstehend beschriebenen Weise
geführten
Druckmaterial 8 in einem vorgegebenen Abstand (von z.B.
ungefähr
0,5 bis 2 mm) gegenüberliegt, weist
eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen 22 auf,
die in einem vorgegebenen Raster ausgebildet sind. Die Ausstoßöffnungen 22 stehen
hierbei über
jeweilige Flüssigkeitskanäle 24 mit
einer gemeinsamen Flüssigkeitskammer 23 in
Verbindung. Entlang den Wandflächen
der jeweiligen Flüssigkeitskanäle 24 sind
Heizelemente 25 zur Erzeugung von Wärmeenergie für den Tintenausstoß angeordnet.
Die Wandflächen
der jeweiligen Flüssigkeitskanäle 24 werden von
der Oberfläche
eines Substrats aus z.B. Silicium gebildet. Die Flüssigkeitskanäle 24 und
die an ihren Enden angeordneten Ausstoßöffnungen 22 bilden zusammen
eine Vielzahl von Düsen.
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Hierbei
verlaufen die Anordnungsrichtung der Tintenbehälter 1A bis 1D an
dem Schlitten 2 und die Anordnungsrichtung der Ausstoßöffnungen 22 in den
Kopfpatronen 1 quer zu der Abtastrichtung des Schlittens 2.
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Wenn
bei dem in dieser Form aufgebauten Tintenstrahlkopf ein ein Bildsignal
oder Ausstoßsignal
darstellender Treiberstrom einem Heizelement 25 zugeführt wird,
führt das
erregte Heizelement 25 ein Schichtsieden in der in dem
Flüssigkeitskanal 24 befindlichen
Tinte herbei, sodass die Tinte durch den bei dem Schichtsiedevorgang
entstehenden Druck aus der zugehörigen
Ausstoßöffnung 22 ausgestoßen wird.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Ansteuerschaltung für
den Tintenstrahl-Druckkopf 13 des ersten Ausführungsbeispiels.
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Über eine
Datenleitung DATA werden Daten zur Ansteuerung bzw. Betätigung der
Heizelemente 25 in den jeweiligen Düsen des Tintenstrahl-Druckkopfs 13 einem
seriellen Schieberegister 31 zugeführt, woraufhin sie von einer
Zwischenspeicherschaltung 32 vor ihrer Zuführung zu
einer Verknüpfungsgliederanordnung 33 zwischengespeichert
werden. In Abhängigkeit
von den erhaltenen Ansteuerdaten gibt die Verknüpfungsgliederanordnung 33 Ausgangssignale
zum Durchschalten einer Transistoranordnung 34 ab, wodurch
den Heizelementen 25 von einer Stromversorgungseinrichtung
Strom zugeführt
wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist eine große
Anzahl von Heizelementen 25 in vier Blöcke 25A bis 25D unterteilt,
die jeweils einzeln angesteuert werden. Durch die blockweise erfolgende
Ansteuerung der Heizelemente wird die Stärke des gleichzeitig fließenden Stroms
reduziert. Mit BL0 und BL1 sind Steuersignale für diesen Vorgang bezeichnet. Diese
Steuersignale werden über
einen Decodierer 35 Verknüpfungsgliedern 36A bis 36D für die Blockwahl
zugeführt.
Die Verknüpfungsglieder 36A bis 36D steuern
hierbei die Heizelemente 25 in dem zugeordneten Block in
Abhängigkeit
von dem Empfang eines Signals GO an. Die Zeitdauer, während der
die Heizelemente 25 erregt werden, wird von einem Erregungsstartsignal
(Signal GO) bestimmt, das von einer Erregungsstartsignalgeneratorschaltung
(Erregungs-Starteinrichtung) 40 gemäß 3 erzeugt wird.
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4 zeigt
Signalverläufe
in jeweiligen Bereichen der Schaltungsanordnung gemäß 3.
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Wie
in 4 veranschaulicht ist, setzt die Stromversorgung
der Heizelemente 25 ein, wenn das Signal GO bei der Vorderflanke
eines Signals ENB auf einen hohen Pegel übergeht. Hierbei werden einem
Digital/Analog-Umsetzer 37 3-Bit-Daten
DA0, DA1 und DA2 zugeführt,
die sich nach dem Übergang
des Signals ENB auf einen hohen Pegel aufeinanderfolgend verändern. Hierdurch
geht das Ausgangssignal des Digital/Analog-Umsetzers 37 aufeinanderfolgend
von einem über
dem Maximalwert einer an die Heizelemente 25 angelegten
Spannung Vh liegenden Maximalwert Vmax auf einen unter dem Minimalwert
der angelegten Spannung Vh liegenden Minimalwert Vmin über.
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Das
Ausgangssignal des Digital/Analog-Umsetzers 37 wird von
einem Vergleicher (einer Erregungs-Stoppeinrichtung) 39 mit
dem Ausgangssignal eines Differenzverstärkers (einer Spannungs-Detektoreinrichtung) 38 verglichen,
der die Spannung Vh an einer zur Ansteuerung der Heizelemente 25 dienenden
Strom- bzw. Spannungsversorgungsleitung erfasst. Wenn hierbei das
Ausgangssignal (Signal Vref) des Digital/Analog-Umsetzers 37 unter
das Ausgangssignal Vh des Differenzverstärkers 38 abfällt, führt der
Vergleicher 39 der Erregungsstartsignalgeneratorschaltung 40 ein
Erregungs-Stoppsignal (Signal COMP) zu. Beim Empfang des Erregungs-Stoppsignals
schaltet die Schaltungsanordnung 40 das von ihr in Form
des Signals GO abgegebene Erregungs-Startsignal ab. Dies hat zur Folge, dass
die Verknüpfungsglieder 36 Ausgangssignale niedrigen
Pegels (L-Signale)
abgeben, sodass die Verknüpfungsgliederanordnung 33,
der diese L-Signale zugeführt
werden, ebenfalls L-Signale
abgibt und damit die Transistoranordnung 34 sperrt, sodass die
Heizelemente 25 abgeschaltet werden.
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Durch
Festlegung der zeitlichen Steuerung, mit der die dem Digital/Analog-Umsetzer
zugeführten 3-Bit-Daten
DA0, DA1, DA2 verändert
werden, kann somit die Zeitdauer, während der die Heizelemente 25 mit
Strom versorgt werden, in Abhängigkeit
von dem Wert der angelegten Spannung Vh bestimmt werden.
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Es
sei nun ein Fall betrachtet, bei dem die an die Heizelemente 25 angelegte
Spannung Vh relativ hoch ist, wie dies bei Vh1 gemäß 4 der
Fall ist. Der Spannungswert Vh1 wird gleich Vref, bevor der Ausgangswert
Vref des Digital/Analog-Umsetzers 37 in erheblichem Maße abgefallen
ist, d.h., bevor eine beträchtliche
Zeitdauer vergangen ist. Vor diesem Zeitpunkt liegt der Spannungswert
Vh1 unter dem Ausgangswert Vref. Die Impulsdauer T1 des Signals GO
ist daher relativ gering. Wenn jedoch die angelegte Spannung relativ
niedrig ist, wie dies bei Vh2 der Fall ist, stimmt der Spannungswert
Vh2 mit Vref erst überein,
nachdem der Ausgangswert Vref des Digital/Analog-Umsetzers 37 erheblich
abgefallen ist, d.h., nachdem eine relativ lange Zeitdauer vergangen
ist. Vor diesem Zeitpunkt liegt der Spannungswert Vh2 unter dem
Ausgangswert Vref. Die Impulsdauer T2 des Signals GO ist somit in
diesem Fall relativ lang. Die Heizelemente 25 können daher
auch bei einem Abfallen der angelegten Spannung Vh mit ausreichender
Leistung versorgt werden. Die zeitliche Steuerung, mit der die Daten
von dem Digital/Analog-Umsetzer 37 abgegeben werden, sollte vorzugsweise
nicht nur unter Berücksichtigung
von Werten der Auslegungscharakteristik des Kopfes sondern auch
unter Berücksichtigung
von Herstellungstoleranzen, der Kopftemperatur und dergleichen eingestellt
werden.
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Die
Abschaltung des Signals ENB erfolgt zur Bildung einer Zeitdauer,
für die
die Heizelemente 25 bei dem niedrigsten Wert der angelegten
Spannung eingeschaltet bleiben sollten. Hierdurch wird verhindert,
dass die Heizelemente 25 während einer übermäßig langen
Zeitdauer mit Strom versorgt werden, wodurch auch bei ungewöhnlichen
Spannungsschwankungen die Sicherheit des Gerätes gewährleistet ist.
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Weiterhin
werden bei diesem Ausführungsbeispiel
die 3-Bit-Daten
DA0, DA1, DA2 nicht in einem üblichen
Binärcode,
sondern in einem Gray-Binärcode
zugeführt.
Hierdurch ist gewährleistet,
dass bei Auftreten einer Änderung
der Daten jeweils nur ein Bit sich gleichzeitig ändern kann, wodurch bei geringfügigen Schwankungen
der zeitlichen Übertragungssteuerung
verhindert wird, dass sich die Daten beträchtlich verändern. Auf diese Weise ergeben
sich keine fehlerhaften Operationen.
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Die
Schaltungsanordnung gemäß 3 kann
vollständig
innerhalb des Tintenstrahl-Druckkopfs angeordnet sein, wobei jedoch
auch die Möglichkeit
besteht, dass ein Teil der Schaltungsanordnung in dem Tintenstrahl-Druckkopf
angeordnet ist, während
der verbleibende Teil außerhalb
des Druckkopfes in der Tintenstrahl-Druckvorrichtung angeordnet
wird.
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Wenn
die gesamte Schaltungsanordnung oder ein Teil der Schaltungsanordnung
in dem Tintenstrahl-Druckkopf angeordnet wird, kann sie unter Verwendung
von Halbleiterchip-Herstellungsvorgängen oder dergleichen in das
den Tintenstrahl-Druckkopf bildende Substrat integriert werden.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Nachstehend
wird ein zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Tintenstrahl-Druckvorrichtung
näher beschrieben.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird die Erregungsstoppsignalgeneratorschaltung (COMP-Signal) nicht
von dem Differenzverstärker 38 und
dem Digital/Analog-Umsetzer 37 gemäß 3, sondern
von einer in 5 veranschaulichten Schaltungsanordnung
gebildet. In anderer Hinsicht entspricht der Schaltungsaufbau der
Schaltungsanordnung gemäß 3.
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Bei
der Schaltungsanordnung gemäß 5 werden
das Ausgangssignal eines die Spannung an einer Heizelemente-Stromversorgungsleitung
erfassenden Differenzverstärkers 48 und
ein über
einen Pufferverstärker 49 zugeführtes Gleichspannungssignal
(Signal PW) addiert und von einer Integratorschaltung 50 integriert.
Wenn das Integrationsergebnis einen vorgegebenen Wert Vref erreicht,
wird das Signal COMP als Erregungs-Stoppsignal von einem Vergleicher 52 abgegeben,
wodurch das das Erregungs-Startsignal
darstellende Signal GO auf einen niedrigen Pegel überführt und
auf diese Weise die Stromversorgung der Heizelemente 25 beendet
werden. Die Integratorschaltung 50 und der Vergleicher 52 bilden
hierbei eine Erregungs-Stoppeinrichtung. Wenn
das Signal ENB einen niedrigen Pegel aufweist, wird bei der Integratorschaltung 50 ein
Schalter 51 zur Rückstellung
der Integratorschaltung 50 geschlossen, während bei
einem hohen Pegel des Signals ENB der Schalter 51 zur erneuten
Einleitung der Integration geöffnet
wird.
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Der
Wert des Signals PW sollte vorzugsweise in Abhängigkeit von der Temperatur
des Tintenstrahl-Druckkopfes eingestellt werden. Da das Signal PW
kein Signal darstellt, das sich mit hoher Geschwindigkeit verändert, ist
es nicht erforderlich, etwaige zeitliche Steuerprobleme zu berücksichtigen.
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Bei
dem zweiten Ausführungsbeispiel
kann ebenfalls wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels die gesamte
Schaltungsanordnung gemäß 5 in
dem Tintenstrahl-Druckkopf
angeordnet sein, wobei jedoch alternativ auch nur ein Teil der Schaltungsanordnung
gemäß 5 in
dem Druckkopf angeordnet sein kann, während der verbleibende Teil
außerhalb
des Druckkopfes in der Tintenstrahl-Druckvorrichtung angeordnet ist.
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Da
sich bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel
die Anzahl von Kontakten zu außerhalb
des Druckkopfes angeordneten externen Schaltungsanordnungen verringern
lässt,
ergeben sich Vorteile in Bezug auf eine einfachere Herstellung,
eine höhere Haltbarkeit
und eine größere Zuverlässigkeit.
Außerdem
lässt sich
durch die Spannungsintegration eine weitgehende Unempfindlichkeit
in Bezug auf störungsbedingte
rasche Spannungsschwankungen sowie der Vorteil erzielen, dass eine
geeignete zeitliche Steuerung durchgeführt werden kann.
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Bei
der im Rahmen der Analogschaltung gemäß 5 verwendeten
Integratorschaltung ist in Bezug auf Bauelemente wie Kondensatoren
eine hohe Präzision
erforderlich, sodass die Einfügung dieser
Bauelemente in einen üblichen
integrierten Schaltkreis mit Schwierigkeiten verbunden sein kann.
Wenn jedoch bei der Einfügung
der Schaltungsanordnung gemäß diesem
Ausführungsbeispiel in
den Druckkopf ein Herstellungsverfahren in Betracht gezogen wird,
bei dem zunächst
die Ausbildung eines Verstärkers,
einer logischen Schaltungsanordnung und von Heizelementen in einem
Siliciumsubstrat erfolgt und sodann Widerstände und Kondensatoren des integrierten
Schaltkreises an seiner Peripherie angeordnet werden, kann eine
hochpräzise
Schaltungsanordnung auf relativ einfache Weise bei verringerten
Gesamtkosten des gesamten Gerätes
hergestellt werden.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird als Spannung
der Versorgungsleitung für
die Stromversorgung der Heizelemente eine Leitungsspannung zwischen
positiven und negativen Versorgungsleitungen durch einen Differenzverstärker erfasst.
Dies kann jedoch auch durch die Erfassung des Potentials nur einer
einzigen Polarität
ersetzt werden, d.h., da sich im allgemeinen die Potentiale auf
der positiven und der negativen Seite kaum individuell sondern in
den meisten Fällen
in ähnlicher Weise
verändern,
können
die Spannungsschwankungen gleichermaßen auch durch einfache Messung
nur einer Polarität
erfasst und auf diese Weise die Schaltungsanordnung vereinfacht
werden.
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Bei
der Ansteuerung und Erregung der Heizelemente lassen sich zwei Verfahren
unterscheiden, nämlich
ein Verfahren, bei dem ein einziger Ansteuerimpuls für einen
Ausstoßvorgang
verwendet wird, sowie ein Verfahren, bei dem eine Vielzahl von Ansteuerimpulsen
für einen
Ausstoßvorgang
Verwendung findet. Die Erfindung ist gleichermaßen bei beiden Ansteuerverfahren
anwendbar.
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Falls
die Erregung der Heizelemente durch Zuführung einer Vielzahl von Ansteuerimpulsen
erfolgt, kann eine zeitliche Steuerung von Einschaltung und Abschaltung
durch zwei Impulse in der erfindungsgemäßen Weise durchgeführt werden
oder im Rahmen der Erfindung kann nur ein einziger Ansteuerimpuls
zur tatsächlichen
Erzeugung einer Dampfblase eingesetzt werden.
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Mit
Hilfe der Erfindung ist eine deutliche Wirkung in Verbindung mit
ihrer Verwendung bei einem Aufzeichnungskopf oder einer Aufzeichnungsvorrichtung
erzielbar, die Einrichtungen zur Erzeugung von Wärmeenergie wie elektrothermische
Wandler oder Laserlicht aufweisen und Zustandsänderungen in einer Tinte durch
die erzeugte Wärmeenergie
zum Ausstoßen
der Tinte herbeiführen.
Dies beruht im wesentlichen darauf, dass bei einem solchen System eine
Aufzeichnung mit hoher Dichte und einem hohen Auflösungsvermögen erzielbar
ist.
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Ein
typischer Aufbau sowie das Funktionsprinzip eines solchen Systems
ist aus den US-Patentschriften 4 723 129 und 4 740 796 bekannt,
wobei vorzugsweise dieses grundlegende Funktionsprinzip zur Implementierung
eines solchen Systems Verwendung finden sollte. Obwohl dieses System
sowohl bei einem im Rahmen eines bedarfsabhängigen Bereitschaftsbetriebs
als auch im Rahmen eines kontinuierlichen Betriebs verwendeten Tintenstrahl-Aufzeichnungssystem
einsetzbar ist, eignet es sich insbesondere für einen bedarfsabhängigen Bereitschaftsbetrieb,
da hierbei elektrothermische Wandler, die jeweils an einer Flüssigkeit
(Tinte) aufnehmenden bzw. führenden
Fläche
oder einem Flüssigkeitskanal angeordnet
sind, folgendermaßen
betrieben werden Durch Anlegen von einem Ansteuersignal oder mehreren
Ansteuersignalen an die elektrothermischen Wandler wird Wärmeenergie
entsprechend einer Aufzeichnungsinformation erzeugt, durch die ein
den Siedepunkt überschreitender
plötzlicher
Temperaturanstieg und damit ein Schichtsieden in den Heizbereichen
des Aufzeichnungskopfes herbeigeführt wird, sodass in der Flüssigkeit
(Tinte) Dampfblasen entsprechend den Ansteuersignalen erzeugt werden. Durch
den auf Grund der Ausdehnung und Schrumpfung dieser Dampfblasen
hervorgerufenen Ausstoß der
Tinte über
zumindest eine der Tintenausstoßöffnungen
des Druckkopfes werden ein oder mehrere Tintentröpfchen gebildet. Vorzugsweise
wird ein Ansteuersignal in Form eines Impulses verwendet, da durch
diese Form des Ansteuersignals ein sofortiger und geeigneter Ausdehnungs-
und Schrumpfvorgang der Dampfblasen erzielbar ist. In Bezug auf
ein solches Ansteuersignal in Form eines Impulses sind Signale geeignet,
wie sie aus den US-Patentschriften 4 463 359 und 4 345 262 bekannt
sind. Ferner sollte zur Erzielung besserer Aufzeichnungsergebnisse vorzugsweise
eine Temperaturanstiegsrate in den Heizbereichen in Betracht gezogen
werden, wie sie aus der US-Patentschrift 4 313 124 bekannt ist.
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Aus
den US-Patentschriften 4 558 333 und 4 459 600 ist der nachstehend
näher beschriebene Aufbau
eines Aufzeichnungskopfes bekannt, der auch im Rahmen der Erfindung
Verwendung finden kann. Dieser Aufbau umfasst in gewundenen Bereichen
angeordnete Heizabschnitte, die zusätzlich zu der aus den vorstehend
genannten Patentschriften bekannten Kombination der Ausstoßöffnungen,
Flüssigkeitskanäle und elektrothermischen
Wandlern vorgesehen sind. Darüber
hinaus kann die Erfindung zur Erzielung einer ähnlichen Wirkung auch im Rahmen eines
Aufbaus Verwendung finden, wie er aus den japanischen Patent-Offenlegungsschriften
59-123 670 (1984) und 59-138 461 (1984) bekannt ist. Aus der ersteren
Druckschrift ist ein Aufbau bekannt, bei der ein gemeinsamer Schlitz
für sämtliche
elektrothermischen Wandler als Ausstoßöffnung der elektrothermischen
Wandler dient, während
aus der letzteren Druckschrift ein Aufbau bekannt ist, bei dem Öffnungen
zur Aufnahme von durch die Wärmeenergie
hervorgerufenen Druckwellen entsprechend den Ausstoßöffnungen
vorgesehen sind. Unabhängig
von der Art des Aufzeichnungskopfes kann somit mit Hilfe der Erfindung
eine hervorragende effektive Aufzeichnung erhalten werden.
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Die
Erfindung kann auch bei einem sogenannten Vollzeilen-Druckkopf Verwendung
finden, dessen Länge
der maximalen Breite eines Aufzeichnungsmaterials entspricht. Ein
solcher Aufzeichnungskopf kann aus einer Kombination einer Anzahl von
Aufzeichnungsköpfen
oder aus einem in integrierter Bauweise ausgeführten Aufzeichnungskopf bestehen.
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Darüber hinaus
kann die Erfindung bei verschiedenen serienmäßigen Aufzeichnungsköpfen Verwendung
finden, wie z.B. bei einem an der Haupteinheit eines Aufzeichnungsgerätes angebrachten Aufzeichnungskopf,
einem in zweckmäßiger Weise austauschbaren
Aufzeichnungskopf eines Chiptyps, der bei Anbringung an der Haupteinheit
eines Aufzeichnungsgerätes
mit der Haupteinheit elektrisch verbunden und von dieser mit Tinte
versorgt wird, sowie einem Aufzeichnungskopf des Patronentyps, der in
integrierter Bauweise einen Tintenbehälter aufweist.
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Außerdem sollte
vorzugsweise ein Regeneriersystem oder ein vorab wirkendes Zusatzsystem für den Aufzeichnungskopf
als Zusatzeinrichtung der Aufzeichnungsvorrichtung Verwendung finden,
da hierdurch die Erfindung noch effektiver genutzt werden kann.
Beispiele für
ein Regeneriersystem stellen z.B. eine Abdeckeinrichtung und eine
Reinigungseinrichtung für
den Aufzeichnungskopf sowie eine Druckbeaufschlagungs- oder Absaugeinrichtung
für den
Aufzeichnungskopf dar. Beispiele für ein vorab wirkendes Zusatzsystem
stellen eine vorab wirkende Heizeinrichtung unter Verwendung der elektrothermischen
Wandler oder einer Kombination von anderen Heizelementen und der
elektrothermischen Wandler sowie eine Einrichtung zur Durchführung eines
Vorabausstoßes
von Tinte unabhängig
von dem bei der Aufzeichnung erfolgenden Tintenausstoß dar. Diese Systeme
sind in Bezug auf eine zuverlässige
Aufzeichnung sehr effektiv.
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Außerdem können Anzahl
und Typ der an einer Aufzeichnungsvorrichtung anzubringenden Aufzeichnungsköpfe verändert werden.
So kann z.B. nur ein einer einzigen Farbtinte entsprechender Aufzeichnungskopf
oder eine Vielzahl von Aufzeichnungsköpfen Verwendung finden, die
einer Vielzahl von Tinten mit unterschiedlichen Farben oder Konzentrationen
entsprechen, d.h., die Erfindung kann effektiv bei einer Vorrichtung
Anwendung finden, die in einem Einfarben-Aufzeichnungsbetrieb, einem Mehrfarben-Aufzeichnungsbetrieb
und/oder einem Vollfarben-Aufzeichnungsbetrieb
betreibbar ist. Hierbei erfolgt der Einfarben-Aufzeichnungsbetrieb
unter Verwendung nur einer Hauptfarbe wie z.B. Schwarz, während der
Mehrfarben-Aufzeichnungsbetrieb
unter Verwendung von verschiedenen Farbtinten und der Vollfarben-Aufzeichnungsbetrieb
durch Farbmischung erfolgen.
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Obwohl
bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen flüssige Tinte
Verwendung findet, kann auch eine Tinte verwendet werden, die sich
erst bei Zuführung
des Aufzeichnungssignals verflüssigt.
So kann z.B. eine Tinte Verwendung finden, die sich bei einer unter
der Raumtemperatur liegenden Temperatur verfestigt und sich erst
bei Raumtemperatur verflüssigt
bzw. aufweicht. Bei einem Tintenstrahlsystem wird nämlich im
allgemeinen in einem Bereich von 30°C bis 70°C eine derartige Temperatureinstellung
der Tinte vorgenommen, dass die Tintenviskosität auf einem Wert gehalten wird,
der einen zuverlässigen
Tintenausstoß gewährleistet.
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Außerdem kann
die Erfindung bei einer Vorrichtung Anwendung finden, bei der sich
die Tinte erst direkt vor dem Tintenausstoß durch die zugeführte Wärmeenergie
verflüssigt,
sodass die Tinte über
die Ausstoßöffnungen
im flüssigen
Zustand ausgestoßen
wird und sich sodann beim Auftreffen auf das Aufzeichnungsmaterial
zu verfestigen beginnt, wodurch ein Verdampfen der Tinte verhindert
wird. Hierbei wird die Tinte vom festen in den flüssigen Zustand durch
Ausnutzung der Wärmeenergie überführt, die andernfalls
zu einem Temperaturanstieg führen
würde,
oder die Tinte, die sich bei Verbleib in Luft im trockenen Zustand
befindet, wird durch die über
das Aufzeichnungssignal zugeführte
Wärmeenergie
verflüssigt.
In diesen Fällen
kann die Tinte in Ausnehmungen oder Durchgangslöchern eines porösen Blattmaterials
in fester oder flüssiger
Form den elektrothermischen Wandlerelementen gegenüberliegend
festgehalten werden, wie dies aus den japanischen Patent-Offenlegungsschriften
54-56 847 (1979) oder 60-71 260 (1985) bekannt ist. Hierbei erweist
sich die Erfindung als höchst
effektiv, wenn der Schichtsiedevorgang zum Tintenausstoß eingesetzt wird.
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Darüber hinaus
kann die erfindungsgemäße Tintenstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung
nicht nur als Bildausgabeeinheit einer Bildverarbeitungseinrichtung
wie eines Computers sondern auch als Ausgabeeinrichtung eines Kopiergerätes mit
einem Lesegerät
sowie als Ausgabeeinrichtung eines Faksimilegerätes mit einer Sende- und Empfangsfunktion
Verwendung finden.
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Wie
vorstehend beschrieben, wird erfindungsgemäß somit unabhängig von
dem vor der Ansteuerung der Energieerzeugungselemente vorliegenden
Zustand die Dauer eines Ansteuerimpulses in Abhängigkeit von dem Spannungsabfall
bestimmt, der bei der Ansteuerung der Energieerzeugungselemente
auftritt. Auf diese Weise kann ein minimal erforderlicher Ansteuerimpuls
zugeführt
werden, ohne dass Beeinträchtigungen
durch die Stabilität
der Stromversorgungsschaltung, Widerstandsveränderungen der Leiterbahnen
und Schwankungen der Kontaktwiderstände von Leiterbahnen auftreten,
wodurch eine zuverlässige
Ansteuerung der elektrothermischen Wandler gewährleistet ist.
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Da
außerdem
keine Rückkopplungsschaltung
Verwendung findet, tritt auch bei einer mit hoher Geschwindigkeit
erfolgenden Ansteuerung der elektrothermischen Wandler kein Schwingungsproblem auf.
Hierdurch wird eine sehr stabile Steuerung ermöglicht, durch die sich wiederum
Vorteile wie die Verhinderung einer übermäßigen Energiezufuhr zu den
Energieerzeugungselementen, eine Verringerung des Stromverbrauchs,
eine Verhinderung eines übermäßigen Temperaturanstiegs
bei den elektrothermischen Wandlern, eine Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung
sowie eine erhebliche Verlängerung der
Betriebslebensdauer der elektrothermischen Wandler erzielen lassen.
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Außerdem lässt sich
erfindungsgemäß eine erhebliche
Verringerung des Schaltungsumfangs im Vergleich zu einem üblichen
System erzielen, wenn die Anzahl der gleichzeitig anzusteuernden
elektrothermischen Wandler in Betracht gezogen wird.
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Obwohl
die Erfindung vorstehend im einzelnen unter Bezugnahme auf bevorzugte
Ausführungsbeispiele
beschrieben worden ist, ist für
den Fachmann ersichtlich, dass im Rahmen der Erfindung weitere Änderungen
und Modifikationen möglich
sind und dass die Erfindung daher auch sämtliche derartigen Änderungen
und Modifikationen im Rahmen des Schutzumfangs der Patentansprüche umfasst.