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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren der Ausrichtung von
Druckköpfen
relativ zueinander in einem Tintenstrahldrucker, der mehrere in
einer ersten Richtung Seite an Seite auf einem Wagen angeordnete
Druckköpfe
aufweist, wobei jeder Druckkopf eine leitfähige Düsenplatte hat, die eine Kante
bildet, die sich in der genannten ersten Richtung erstreckt, und
wobei ein Sensor dazu benutzt wird, die Position einer auf dem Druckkopf
gebildeten Referenzmarke zu detektieren. Die Erfindung bezieht sich
auch auf einen Drucker, der zur Anwendung dieses Verfahrens geeignet
ist.
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Ein
Drucker, z. B. ein Tintenstrahldrucker, weist einen oder mehrere
Druckköpfe
auf, von denen jeder ein Feld von Druckelementen, z. B. Düsen trägt, zum
Drucken von Pixeln auf einen Bogen eines Drucksubstrats, das auf
einer vorbestimmten Bahn relativ zu dem Druckkopf bewegt wird. Typischerweise
sind die Druckköpfe
auf einem Wagen montiert, der sich in einer Hauptabtastrichtung
Y über
die Bahn des Substrats bewegt, während
das Substrat in einer Unterabtastrichtung X vorgerückt wird.
Die Druckelemente oder Düsen
bilden tpyischerweise eine Reihe, die in X-Richtung verläuft.
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Um
eine hohe Qualität
des gedruckten Bildes zu erreichen, müssen die Düsen auf den Druckköpfen mit
hoher Genauigkeit relativ zu dem Substrat positioniert oder positionierbar
sein. In dem typischen Aufbau, der oben beschrieben wurde, sollte
z. B. die Reihe der Düsen
einen bestimmten Winkel mit der Hauptabtastrichtung Y bilden, typischerweise
einen Winkel von genau 90°.
Wenn mehrere Druckköpfe verwendet
werden, beispielsweise Druckköpfe
für verschiedene
Farben, so müssen
außerdem
die Druckköpfe
in wenigstens einer Richtung, typischerweise der Unterabtastrichtung
X, genau relativ zueinander ausgerichtet sein. In der anderen Richtung
Y ist zumindest erforderlich, daß die Relativpositionen der
Druckköpfe
und damit der Düsen
mit hoher Genauigkeit bekannt sind, so daß die einzelnen Druckelemente
in Abhängigkeit
von der Bildinformation zu den richtigen Zeiten erregt werden können.
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Ein
herkömmliches
Verfahren zum Detektieren der Ausrichtung der Druckköpfe besteht
darin, daß ein
Testmuster gedruckt wird, das dann visuell untersucht wird.
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US 6 371 591 B1 und
US 6 508 530 B1 beschreiben
automatische Detektionsverfahren der oben genannten Art, bei denen
optoelektronische Sensoren verwendet werden.
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US-A-4 941 405 beschreibt
eine kapazitive Messung der Position des Wagens in der Hauptabtastrichtung,
zur Steuerung der Zeitpunkte, zu denen die Druckelemente aktiviert
werden.
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US-A-6 498 685 beschreibt
ein kapazitives System zur Detektion der zweidimensionalen Ausrichtung
eines Druckkopfes (eines optischen Belichtungssystems) in einem
lithographischen System. Hier werden die einzelnen Druckköpfe relativ
zu dem Wafer ausgerichtet, der das Gegenstück des Drucksubstrats bildet.
Das kapazitive Detektionsverfahren beruht auf einem periodischen
Muster, das auf dem Wafer ausgebildet ist.
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US-A-2003 0 0085 938 beschreibt
ein kapazitives Meißsystem
zur Messung einer Ausrichtung von zwei Substraten, die zusammen
den Druckkopf bilden. Das System wird nur beim Zusammenbau des Druckkopfes
benutzt.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das es
erlaubt, die Ausrichtung von zwei Druckköpfen mit hoher Genauigkeit
zu detektieren, und das nur eine einfache und robuste Hardware benötigt.
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Gemäß der Erfindung
wird der Sensor dazu benutzt, eine Kapazität zwischen der als Referenzmarke
dienenden Düsenplatte
und dem Sensor zu messen, und die Detektion der Ausrichtung umfaßt die folgenden
Schritte: Bewegen des Wagens relativ zu dem Sensor in der genannten
ersten Richtung in eine erste Position, in der sich der Sensor über die genannte
Kante eines Druckkopfes erstreckt, und eine zweite Position, in
der dieser Sensor sich über die
Kante eines anderen Druckkopfes erstreckt, Messen der Kapazitäten in den
ersten und zweiten Positionen, und Vergleichen der gemessenen Kapazitäten, um
dadurch eine Relativposition der Druckköpfe in einer zweiten, zu der
ersten Richtung senkrechten Richtung zu bestimmen.
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Es
hat sich herausgestellt, daß eine
kapazitive Positionsmessung eine bemerkenswert hohe Detektionsgenauigkeit
ermöglicht,
bei der die Meßfehler in
im Submikrometerbereich liegen, wie es für moderne hochauflösende Drucker verlangt
wird. Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß die Referenzmarke
auf dem Druckkopf, der gewöhnlich
auf einen sich bewegenden Wagen installiert ist, einfach durch die leitfähige Düsenplatte
gebildet werden kann, bei der nur eine geringe Gefahr besteht, daß sie mechanisch beschädigt wird,
und die einfach mit hoher Präzision bearbeitet
werden kann, damit sie die richtige Positionsbeziehung zu den Druckelementen
aufweist. Die Düsenplatte
hat eine gerade Kante, die sich rechtwinklig zu der Richtung erstreckt,
in der die Positionsmessung ausgeführt werden soll, und hat auch
eine wohldefinierte Positionsbeziehung zu den Druckelementen. Der
Sensor kann einfach durch eine weitere leitfähige Platte gebildet werden,
die zusammen mit der Düsenplatte
auf dem Druckkopf einen Kondensator bildet. Die Kapazität dieses
Kondensators ist proportional zu dem Ausmaß der Überlappung zwischen den beiden
Platten und hängt
somit kritisch von der Relativposition des Sensors und des Druckkopfes ab.
Die Kapazitätsmessung
kann mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden, z. B. mit Hilfe
einer Oszillatorschaltung, deren Frequenz durch die Kapazität bestimmt
wird, wie es bei kapazitiven Sensoren allgemein bekannt ist.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Die
Düsenplatte
kann eine rechteckige Ausnehmung haben, die die genannte gerade
Kante definiert, und die leitfähige
Platte des Sensors kann eine rechteckige Gestalt und eine Größe haben,
die mit derjenigen der Ausnehmung vergleichbar ist, und kann so
angeordnet sein, daß sie
mit der Ausnehmung überlappt,
wenn sich der Druckkopf in einer vorbestimmten Position befindet.
Vorzugsweise ist der Sensor stationär in einer vorbestimmten Position in
einem Bereich der Bewegungsbahn des Wagens angeordnet, wo der Wagen
anhält
oder sich mit relativ niedriger Geschwindigkeit bewegt, beispielsweise in
einer Reinigungsstation, wo die Düsenplatten der Druckköpfe von
Zeit zu Zeit gereinigt werden. So wird ausreichend Zeit zur Ausführung der
hochpräzisen Kapazitätsmessungen
zur Verfügung
stehen.
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Einige
Tintenstrahldrucker haben zwei oder mehr Druckköpfe für dieselbe Farbe, z. B. Schwarz, und
diese Druckköpfe
sind so angeordnet, daß ihre Düsen in der
Unterabtastrichtung X gegeneinander versetzt oder gestaffelt sind.
Die Referenzmarke hat dann vorzugsweise zwei gerade Kanten, die
um den gleichen Betrag wie die Düsen
gegeneinander versetzt sind und eine nach der anderen an dem Sensor vorbei
bewegt werden, so daß beide
versetzten Positionen unabhängig
voneinander gemessen werden können.
Somit kann der Versatz zwischen den beiden Druckköpfen auf
eine einfache und verläßliche Weise überprüft werden,
wenn beide Druckköpfe
mit identischen Düsenplatten
ausgerüstet
sind.
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Wenn
ein leitfähiger
Teil der Düsenplatte
sich an dem Sensor vorbei bewegt, so wird die Kapazität als eine
Funktion der Position des Druckkopfes in der Hauptabtastrichtung
Y variieren. Die leitfähigen
Platten können
so angeordnet und konfiguriert werden, daß die Kapazitätsfunktionen
wenigstens einen wohldefinierten Scheitel zeigen, was es erlaubt,
die Position des Druckkopfes in der Hauptabtastrichtung Y relativ
zu dem Wagen zu detektieren, dessen Position mit einem unabhängigen Detektionssystem überwacht
wird. Ein solches Detektionssystem wird ohnehin zur Steuerung der
Zeiten benötigt,
an denen die Druckelemente erregt werden. Somit bietet die Erfindung
einen einfachen Weg zur Messung der Position des Druckkopfes sowohl
in der Hauptabtastrichtung als auch in der Unterabtastrichtung.
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Die
Neigung der beiden Reihen von Druckelementen relativ zu der Unterabtastrichtung
Y kann z. B. dadurch detektiert werden, daß zwei Sätze von Referenzmarken und
Sensoren in der Nähe
der entgegengesetzten Enden jedes Druckkopfes verwandt werden.
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Ein
Drucker, der zur Ausführung
des oben beschriebenen Verfahrens geeignet ist, wird im unabhängigen Anspruch
7 definiert. Die Referenzmarken und der Sensor oder die Sensoren
können
permanent in den Drucker integriert sein, wohingegen die elektronische
Schaltung, die für
die Kapazitätsmessungen
benötigt
wird, entweder in den Drucker integriert sein kann oder durch eine
separate Einheit gebildet werden kann, die nur dann, wenn der Drucker getestet
wird, z. B. in dem Herstellungsprozeß oder während der Wartung oder Reparatur,
elektrisch mit den Sensoren und den leitfähigen Platten der Druckköpfe verbunden
wird.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben,
in denen zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht wesentlicher Teile eines Druckers, der zur
Ausführung
des Verfahrens gemäß der Erfindung
ausgebildet ist;
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2 ein
Kapazitäts/Positions-Diagramm für den in 1 gezeigten
Drucker;
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3 einen
Drucker gemäß einer
abgewandelten Ausführungsform;
und
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4 ein
Kapazitäts/Positions-Diagramm für den in 3 gezeigten
Drucker.
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Wie
in 1 gezeigt ist, umfaßt ein Tintenstrahldrucker
einen Wagen 10, der in einer Hauptabtastrichtung Y hin-
und hergehend längs
eines stationären
Rahmens 12 beweglich ist. In dem gezeigten Beispiel trägt der Wagen 10 fünf Druckköpfe 14, 16 18, 20 und 22,
von denen die Druckköpfe 14 und 22 mit
schwarzer Tinte drucken, während
die anderen Druckköpfe
für die
Farben Cyan, Magenta und Gelb vorgesehen sind. Alle fünf Druckköpfe haben
Düsenplatten 24,
die alle dieselbe äußere Gestalt
haben und jeweils eine Reihe von Düsen 26 bilden, die
als Druckelemente dienen. Die Reihen der Düsen 26 verlaufen in
einer Unterabtastrichtung X, in der ein Bogen eines Drucksubstrats
(nicht gezeigt) schrittweise relativ zu dem Rahmen 12 und
dem Wagen vorgerückt
wird. Die Druckköpfe 14, 16, 18 und 20 sind
in der Hauptabtastrichtung Y präzise
ausgerichtet, so daß ihre
Düsen 26 in
der Unterabtastrichtung X wohldefinierte Positionsbeziehungen haben,
wie es für
das Farbdrucken erforderlich ist.
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Der
Druckkopf 22 ist in der Unterabtastrichtung Y etwas gegenüber den
anderen Druckköpfen versetzt,
so daß die
Düsen 26 der
Druckköpfe 24 und 22 gestaffelt
sind, was es erlaubt, schwarze Bilder mit höherer Auflösung zu drucken.
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Die
Düsenplatten 24 sind
elektrisch leitfähig und
dienen zur Bildung von Referenzmarken für die Detektion oder Überprüfung der
Ausrichtung der Druckköpfe.
Zu diesem Zweck hat die Düsenplatte 24 jedes
der Druckköpfe 16, 18 und 20 eine
rechteckigen Ausnehmung 28, die eine Kante 30 bildet,
die in der Hauptabtastrichtung Y verläuft und so bearbeitet ist,
daß sie
in der Unterabtastrichtung X eine wohldefinierte Positionsbeziehung
zu den Düsen 26 aufweist.
Die Druckköpfe 14 und 22 haben ähnliche
Ausnehmungen 28, die jedoch eine stufenförmige Gestalt
haben, so daß sie
jeweils eine erste Kante 32 und eine zweite Kante 34 bilden.
Der Versatz zwischen diesen Kanten entspricht genau dem Versatz zwischen
den Druckköpfen 14 und 22 in
X-Richtung.
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Ein
Sensor 36 ist relativ zu dem Rahmen 12 fixiert
und hat die Form einer elektrisch leitfähigen rechteckigen Platte,
die parallel zu den Düsenplatten 24 angeordnet
ist, und damit einen schmalen Zwischenraum bildet, wenn sich der
Wagen 10 und die Druckköpfe
an dem Sensor vorbei bewegen. Etliche mögliche Positionen des Sensors 36 relativ
zu den Düsenplatten 24 sind
in 1 in gestrichelten Linien angegeben. Der Sensor 36 ist
so angeordnet, daß er sich über die
Kanten 30, 32 und 34 erstreckt, so daß ein Teil
der Sensorplatte mit den Ausnehmungen 28 überlappen
kann, während
ein anderer Teil, der in 1 schraffiert dargestellt ist,
mit der Düsenplatte 24 überlappt
und damit eine Kapazität
bildet. Die Kapazität
dieses Kombensators wird mit einer bekannten Meßschaltung 38 gemessen,
die im gezeigten Beispiel so ausgebildet ist, daß sie durch einen Stecker 40 mit
dem Drucker verbunden werden kann, so daß sie mit dem Sensor 36 einerseits
und jeder der Düsenplatten 24 andererseits
elektrisch verbunden ist. Obgleich dies in der Zeichnung nicht im
Detail gezeigt ist, läßt sich
die Schaltung 38 selektiv mit jeder der Düsenplatten 24 verbinden.
Zum Beispiel kann die Anordnung so sein, daß eine bestimmte Düsenplatte 24 nur
in dem Zustand mit der Schaltung 38 verbunden ist, in dem
sich diese Düsenplatte
in der Nähe
des Sensors 36 befindet.
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In
der Praxis ist der Rahmen 12 in einen Arbeitsbereich unterteilt,
in dem sich der Wagen 10 vor und zurück bewegt, wenn ein Bild gedruckt
wird, und eine Reinigungsstation 42, die sich an ein Ende
des Arbeitsbereiches anschließt
und in welcher der Sensor 36 installiert ist. Somit kann
die Kapazitätsmessung
ausgeführt
werden, wenn der Wagen 10 in der Reinigungsstation anhält oder
sich langsam durch sie hindurch bewegt.
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Wie
bei Tintenstrahldruckern allgemein bekannt ist, ist ein (nicht gezeigtes)
Positionsmeßsystem
dazu vorgesehen, die Position des Wagens 10 relativ zu
dem Rahmen 12 in der Hauptabtastrichtung Y zu messen und
zu überwa chen.
Die wesentliche Funktion dieses Positionsmeßsystems besteht darin, die
Zeitpunkte zu bestimmen, an denen die Düsen 26 der einzelnen
Druckköpfe
feuern müssen,
damit ein mit der zu druckenden Bildinformation übereinstimmendes Bild erzeugt
wird. In der vorliegenden Ausführungsform überwacht
dieses Positionsmeßsystem auch
die Position des Wagens 10, wenn dieser sich in der Reinigungsstation 42 befindet,
und die Resultate der mit der Schaltung 38 ausgeführten Kapazitätsmessungen
werden als Funktion der Position des Wagens aufgezeichnet und können in
der Form eines Diagramms, wie es in 2 gezeigt
ist, geplottet oder angezeigt werden.
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Wenn
sich der Wagen in 1 langsam nach links bewegt,
wird der Sensor 36 relativ zu dem Wagen 10 zunächst die
Position "a" erreichen, die in 1 angegeben
ist. In dieser Position überlappt
die Platte des Sensors 36 vollständig mit dem Rand der Düsenplatte 24,
der die Ausnehmung 28 umgibt, so daß die durch eine Kurve 44 in 2 angegebene Kapazität ein Maximum
erreicht und einen ausgeprägten
Scheitel bildet. Wenn dann die Ausnehmung 28 beginnt, mit
dem Sensor 36 zu überlappen,
so nimmt die Kapazität
ab und bleibt dann auf einem stationären Niveau, während die
Kante 32 (Position b) sich über den Sensor bewegt. Wenn
sich die Kante 34 über
den Sensor bewegt, nimmt die Kapazität wieder ab und bleibt dann
für gewisse
Zeit auf einem niedrigeren Niveau stationär, weil das Ausmaß der Überlappung
mit der Düsenplatte 24 abgenommen hat
(Position c). Wenn sich der Wagen weiterbewegt, findet man einen
weiteren Scheitel in der Kapazitätskurve,
wenn die Ausnehmung 28 den Sensor verläßt, und die Kapazität fällt auf
nahezu null, wenn sich der Sensor zwischen den Druckköpfen 14 und 15 befindet.
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Ein ähnliches
Muster ergibt sich, wenn die Druckköpfe 16, 18 und 20 an
dem Sensor 36 vorbeibewegt werden. Da jedoch die Ausnehmungen 28 dieser
Druckköpfe
nur eine einzige gerade Kante 30 haben, bleibt die Kapazität auf konstantem
Niveau, während
sich diese Kante über
den Sensor bewegt (Position d). Wenn die Druckköpfe 14 und 16 präzise ausgerichtet
sind, so wird die Kante 32 genau mit der Kante 30 des
Druckkopfes 16 ausgerichtet sein, und dies kann überprüft werden,
indem man sich vergewissert, daß sich
die Kapazitätskurve 44 für die Positionen "b" und "d" genau
auf demselben Niveau "r" befindet, wie in 2 gezeigt
ist.
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Wenn
sich die Druckköpfe 18 und 20 über den
Sensor 36 hinweg bewegen, so kann die Ausrichtung dieser
Druckköpfe
auf die gleiche Weise geprüft
werden.
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Wenn
der Druckkopf 22 die Position "e" über dem
Sensor 36 erreicht, bleibt die Kapazität auf einem etwas höheren Niveau,
weil der Druckkopf 22 gegenüber den anderen Druckköpfen versetzt
ist. Wenn jedoch die Position "f" erreicht wird, wird
dieser Versatz durch den Versatz zwischen den Kanten 32 und 34 der
Ausnehmung 28 des Druckkopfes 22 kompensiert,
so daß die
Kapazitätskurve 44 wieder das
Niveau "r" erreicht, was bestätigt, daß die versetzte
Position des Druckkopfes 22 korrekt eingestellt ist.
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So
kann man sich durch eine Meßreihe
vergewissern, daß alle
Druckköpfe
in der Unterabtastrichtung X ausgerichtet sind. Dank der abgestuften Form
der Ausnehmungen 28 der Düsenplatten der Druckköpfe 14 und 22 können für diese
Druckköpfe identische
Druckplatten verwendet werden, und es schadet nicht, wenn die Montagepositionen
der Druckköpfe 14 und 22 ausgetauscht
werden.
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Natürlich könnten in
einer modifizierten Ausführungsform
die Düsenplatten 24 der
Druckköpfe 16, 18 und 20 die
gleiche Gestalt haben wie die der Druckköpfe 14 und 22,
d. h. mit einer abgestuften Ausnehmung, so daß die Düsenplatten effizienter hergestellt
werden könnten.
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In 2 ist
längs der
Y-Achse eine Anzahl von Referenzpositionen y1–y10 eingezeichnet. Durch Überprüfung, ob
die Scheitel der Kapazitätätskurve 44 mit
diesen Referenzpositionen zusammenfallen, läßt sich überprüfen, daß die Druckköpfe 14–22 auch
in der Hauptabtastrichtung Y korrekt ausgerichtet sind. Wenn irgendwelche
Abweichungen gefunden werden sollten, ist es nicht notwendig, die Positionen
der Druckköpfe
mechanisch zu korrigieren, sondern es genügt, die Zeiten, zu denen die
Düsen 26 feuern,
geeignet anzupassen. Eine genaue Detektion der Positionen der Druckköpfe in Y-Richtung
wird dadurch erleichtert, daß die
Breite des plattenförmigen
Sensors 36 gleich der Breite des Randes der Düsenplatte 24 ist,
der die Ausnehmungen 28 umgibt, so daß ein scharfer Kapazitätsscheitel
gebildet wird.
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3 und 4 illustrieren
eine modifizierte Ausführungsform,
bei der die Düsenplatten
aller Druckköpfe 14–22 Ausnehmungen 28 und 46 an
beiden En den der Düsenreihen
haben. Zusätzlich
zu dem Sensor 36 ist ein weiterer ähnlicher Sensor 48 den
Ausnehmungen 46 zugeordnet.
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Im
Fall der Druckköpfe 14 und 22 bilden
die Ausnehmungen 28 an einem Ende der Düsenreihe gerade Kanten 34,
doch ist die Höhe
dieser Ausnehmungen größer als
die Höhe
der übrigen
Ausnehmungen 28 und 46 mit den geraden Kanten 30 und 32.
Diese Höhendifferenz
entspricht genau dem Ausmaß des
Versatzes des Druckkopfes 22 relativ zu den übrigen Druckköpfen. Somit
ist die Kante 34 des Druckkopfes 22 mit den Kanten 30 der
Ausnehmungen 28 der Druckköpfe 16, 18 und 20 ausgerichtet, und
bei den Ausnehmungen 46 am anderen Ende der Druckköpfe ist
die Kante 32 des Druckkopfes 14 mit den Kanten 30 der
Druckköpfe 16, 18 und 20 ausgerichtet.
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4 zeigt
in durchgezogenen Linien eine Kapazitätskurve 50, die mit
dem Sensor 36 aufgezeichnet wurde, und in gestrichelten
fetten Linien eine weitere Kapazitätskurve 52, die mit
dem Sensor 48 aufgezeichnet wurde. In der Position "g" hat die Kapazitätskurve 52 das gleiche
Niveau "r" wie für die Druckköpfe 16, 18 und 20,
was zeigt, daß der
Druckkopf 14 korrekt mit den Druckköpfen 16–20 ausgerichtet
ist. Andererseits hat in der in 4 gezeigten Position "h" die Kapazitätskurve 50 das Niveau "r", was zeigt, daß der Druckkopf 22 den
korrekten Versatz aufweist.
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Wie
weiterhin übertrieben
in 3 dargestellt ist, weist der Druckkopf 18 relativ
zu der korrekten Position eine etwas geneigte Position auf. Diese Art
der Fehlausrichtung wird ebenfalls durch die Kapazitätskurven 50 und 51 angezeigt,
weil die entsprechenden Scheitel der Kapazitätskurve 50 nach rechts verschoben
sind, während
die Scheitel der Kapazitätskurve 52 relativ
zu ihren jeweiligen Sollpositionen nach links verschoben sind. Somit
erlaubt es die Ausführungsform
nach 3 und 4 auch, eine mögliche Fehlausrichtung
der Düsenreihe
eines Druckkopfes relativ zu der Unterabtastrichtung zu detektieren.