DE69311095T2

DE69311095T2 - Elektronisches schreibgerät

Info

Publication number: DE69311095T2
Application number: DE69311095T
Authority: DE
Inventors: Graham Scott Harston Cambridge Cb5 5Qt Gutsell; Nicholas James Cottenham Cambridge Cb4 4Lu Hastings; Peter John Cambridge Cb1 4Ty Taylor
Original assignee: Technology Partnership PLC
Current assignee: TTP Group Ltd
Priority date: 1992-03-03
Filing date: 1993-03-03
Publication date: 1997-09-18
Anticipated expiration: 2013-03-04
Also published as: EP0629156B1; CA2131095A1; ATE153600T1; RU94044448A; DE69311095D1; EP0629156A1; KR100261943B1; AU684457B2; KR950700175A; JP3294613B2; AU3640493A; CA2131095C; US5501535A; RU2135367C1; JPH07504369A; WO1993017872A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein handhaltbares elektronisch gesteuertes Zeichen- und Schreibgerät, das eine elektronische Steuerung der Breite und der Muster der von dem Gerät erstellten Zeichen bzw. Markierungen bereitstellt. Insbesondere bezieht sie sich auf ein solches Gerät, das die Tintenstrahltechnologie zum Schaffen eines Schreibgeräts anwendet.
Es existieren verschiedene Schreibgeräte, einschließlich Kugelschreiber, Faserspitzenstifte, Stifte, Füllfedern etc., die es ermöglichen, Linien zum Erstellen von Buchstaben und Bildern zu zeichnen. Wenn eine unterschiedliche Linienbreite benötigt wird, muß ein unterschiedlicher Stift verwendet werden. Wenn die Helligkeit der Linie geändert werden soll, muß ein unterschiedlicher Stift oder eine unterschiedliche Tinte verwendet werden. Der Benutzer benötigt Handfertigkeit zum Erstellen von Mustern, Buchstaben oder Texturen. Zusätzlich verlassen sich herkömmliche Geräte auf einen Kontakt zwischen dem Tintenversorgungsgerät und dem Substrat für die Übertragung der Tinte zu dem Substrat. Bringt man das Tintenversorgungsgerät dazu, das Substrat zu berühren, so werden eine Anzahl an Eigenschaften und der Ausführungsgrad beeinträchtigt.
Die US-A-4 746 936 beschreibt einen eine Tintenstrahldüse verwendenden Stift, um ein Markieren bzw. Bezeichnen ohne jeglichen Kontakt mit Oberflächen zu ermöglichen, wo die Rauhigkeit oder die Weichheit der Oberfläche herkömmliches Markieren mit Kontakt schwierig macht. Die Tintenversorgung wird von einem fingerbedienbaren Schalter gesteuert, der an der Seite des Stifts angebracht ist. Dieser nimmt das Schreibproblem auf schwierigen Oberflächen in Angriff, schafft jedoch kein Mittel zum Erzeugen eines hochqualitativen Schreibens und Zeichnens mit der natürlichen Tätigkeit, ein Schreibgerät über eine Oberfläche zu gleiten. Die US-A-4 168 533 beschreibt eine Miniaturfrankiermaschine, die ein Tintenstrahldruckgerät beinhaltet, das zum Drucken vordefinierter Postzeichen ausgelegt ist. Das Gerät wird in einer einzigen Richtung bewegt, um die Postzeichen sauber zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die Nachteile der existierenden Markierungsgeräte zu beheben und Eigenschaften und Vorteile zu schaffen, die unter Verwendung herkömmlicher Techniken nicht möglich gewesen sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine handhalbare Markierungsvorrichtung geschaffen mit einem länglichen Gehäuse; einem elektrisch betätigten Schreibkopf zum Erstellen von Markierungen auf einer Schreiboberfläche; einem Sensor zum Erfassen einer Bewegung des Schreibkopfes in irgendeiner Richtung in einer Ebene parallel zu der Oberfläche ohne Rotation des Gerätes um dessen longitudinale Achse; und Mittel zum Bewirken, daß der Kopf betätigt wird, um das Schreiben zu veranlassen, wenn der Sensor die Bewegung des Schreibkopfes relativ zu der Oberfläche erfaßt.
Vorzugsweise ist der Schreibkopf derart ausgelegt, eine Vielzahl an verschiedenen Typen oder Größen von Markierungen auf einer Schreiboberfläche zu erstellen; und das Gerät weist Mittel auf zum Auswählen, welcher der verschiedenen Markierungstypen oder -größen erstellt werden soll.
Vorzugsweise werden die Markierungen von einem Mehrdüsen- Tintenstrahlschreibkopf geschaffen, der zum Erzeugen verschiedener Markierungsmuster, Markierungsdichten, Markierungen verschiedener Breite etc. ausgelegt sein kann, jedoch in einem Gerät, das einen Tintenstrahlkopf mit einer einzelnen Düse beinhaltet, soll insbesondere die Größe des erzeugten Tröpfchens von den Auswahlmitteln eingestellt werden können, beispielsweise zum Variieren der Breite einer zu zeichnenden Linie.
Die Vorrichtung weist vorzugsweise eine Batterie (die wiederaufladbar sein kann) auf, um einen elektronischen Schaltkreis zum Überwachen von Schaltern für die Auswahl, welcher der unterschiedlichen Markierungstypen oder -größen erstellt werden soll, und den Sensor und zum Erzeugen geeigneter Signale zur Steuerung des Schreibkopfes und einen elektronischen Stromversorgungsschaltkreis zum Treiben des Kopfes und der Elektronik mit den erforderlichen elektrischen Versorgungen mit elektrischer Leistung zu versorgen.
Ein Vorrat an Markierungsflüssigkeit kann in einer austauschbaren Patrone vorgesehen sein.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung weist als Markierungsmechanismus eine Tintenstrahlpatrone mit Mehrfachdüsen auf, die von einem Mikroprozessor, ASIC (anwendungsspezifisch integrierte Schaltung), diskreten elektronischen Bauteilen oder einer Kombination aus diesen zum Schreiben von Linien variabler Breite, Dichte und Mustern, wie von dem Bediener ausgewählt, gesteuert wird. Der bevorzugte Sensor, siehe EP-A-0 629 155, ist ein piezoelektrischer Vibrationssensor, der die Vibration eines Stiftes erfaßt, während er sich über die Schreiboberfläche bewegt.
Dem Bediener wird damit ermöglicht, die Breite der geschriebenen Linie durch Auswahl verschiedener Anzahlen an Düsen zu variieren; mit einer Auswahl elektrisch erzeugter, auswählbarer Muster zu zeichnen und zu schattieren; und die Dichte der Markierungen durch Auswahl verschiedener Tintenversorgungsraten zu variieren.
Die Vorrichtung kann ein Druckerfassungsmittel zum Bestimmen des vom Bediener auf das Schreibgerät ausgeübten Druckes beinhalten, wobei Signale von dem Druckerfassungsmittel beispielsweise zur Auswahl verwendet werden, welche aus einer Vielzahl unterschiedlicher Linienbreiten die Vorrichtung erzeugt. Das Druckerfassungsmittel ist vorzugsweise integral mit dem Bewegungssensor, um die Anzahl an Bauteilen zu reduzieren.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nunmehr anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung ist;
Figur 2 ein Blockdiagramm der Steuerelektronik für diese Ausführungsform ist;
Figur 3 eine graphische Darstellung ist, die verschiedene Muster zeigt, welche von der Vorrichtung erzeugt werden können;
Figur 4 eine Bit-Map typischer Muster ist, die von der Vorrichtung markiert werden können;
Die verbleibenden Figuren beziehen sich auf eine zweite, modifizierte Ausführungsform;
Figur 5A ist eine auseinandergezogene schematische Ansicht der modifizierten Ausführungsform;
Figur 5B ist eine schematische Seitenansicht des zusammengesetzten Instrumentes;
Figur 5C ist eine Teilansicht des zusammengesetzten Instrumentes;
Figur 6 ist eine Aufsicht auf die Düsenplatte und das Substrat der zweiten Ausführungsform;
Figuren 7A bis 7G sind Ansichten verschiedener Bauteile der Tintenpatronen-Komponenten, Figur 7G zeigt die zusammengesetzte Patrone in Teilansicht;
Figuren 8A bis 8C zeigen Einführungsstufen der Patrone in das Schreibinstrument;
Figur 9 ist eine Aufsicht auf die Sensoranordnung;
Figur 10 ist eine schematische Teilseitenansicht der Sensoranordnung;
Figuren 11A und 11B sind schematische Seitenansichten eines Teils des Sensors, der in Eingriff mit einem Blatt Papier gezeigt ist, Figur 11B in einem sehr stark vergrößerten Maßstab;
Figuren 12A und 12B sind Blockschaltkreis-Diagramme der elektronischen Bauteile;
Figur 13 ist ein Wellenform-Diagramm, das das Filtern des Sensorsignals zeigt;
Figur 14 ist eine Aufsicht auf eine flexible Verbindungsplatine, die zum Verbinden des Düsensubstrats mit den elektronischen Bauteilen in dem Stift verwendet wird; und
Figuren 15A und 15B sind Ansichten, die ein weiteres Detail des Anbringens der Tintenpatrone in dem Stift zeigen.
Das erste Gerät besteht aus einem Gehäuse 1, in dem eine austauschbare Tintenstrahlpatrone 2 angeordnet ist, einem Patronenhalter 3, einem Vibrationssensor 4, zwei elektronischen Schaltkreiskarten 5, 6, einer Flüssigkeitskristallanzeige 7, Schaltern 8-11, einer Batterie 12, einer Buchse 13 zur Verbindung mit externen Stromversorgungen und einer Buchse 14 für Computer oder Datenterminals, und Zwischenverbindungen und Kontakten 15, 16 zum Verbinden der Steuerelektronik mit der Tintenstrahlpatrone. Das Gehäuse hält und trägt die Arbeitsbauteile und weist eine Kappe 17 zum Bedecken des Sensors und des Tintenstrahlbetätigers oder der Patronenspitze 18 auf, wenn diese nicht in Benutzung ist.
Der Tintenstrahlbetätiger kann vom Typ her wie der in der US-A-4 500 895 gezeigte sein. Seine Betriebsweise und Benutzung sind in dem Hewlett Packard (HP) Designer's Guide 5954-8535 (11/86), dem HP Journal Mai 1985 und den HP Datenblättern beschrieben. Zum Erhalt einer mit einem handhaltbaren Gerät kompatibler Größe ist es wünschenswert, den Betätiger mit einem schaumstoffbasiertem Tintentank zu verwenden, so wie von dem in der US-A-4 771 295 gezeigten Typ. Das Ergebnis ist eine kleine Kunststoffpatrone 2, auf der der Betätiger 18 angebracht ist und in der eine Tintenmenge in einem Schaumstofftank gespeichert ist.
Zum Betreiben des Markierungsgerätes wird die Patrone 2 in den Patronenhalterabschnitt 3 des Gehäuses 1 eingeführt. Merkmale an der Patrone und dem Gehäuse stellen sicher, daß die Kontakte 16 auf dem Betätiger korrekt bezüglich der Kontakte 15 innerhalb des Gehäuses positioniert sind. Die Gehäusekontakte sind vorzugsweise als Flächen auf einer flexiblen gedruckten Schaltung ausgebildet, die nachgebend bzw. federnd in dem Patronenhalter angebracht ist. Eine Klammer bzw. ein Clip können verwendet werden, um die Patrone in dem Halter mit einem guten Kontakt mit den Gehäusekontakten zu befestigen.
Der Tintenstrahlbetätiger 18 besteht aus einem Glassubstrat, auf dem ein Feld dünnfilmiger resistiver Heizelemente ausgebildet ist, das unterhalb eines Anpassungsfeldes von Öffnungen und Tintenkammern angeordnet ist, das in einer elektrogeformten Platte ausgebildet ist, die mit der Stirnfläche des Tintenstrahlbetätigungssubstrates verbunden ist. Die Tintenkammern kommunizieren über einen Auslaßverteiler in der Platte und einem Loch in dem Substrat mit dem Tintenbehälter hinter dem Substrat.
Dünnfilmleiter auf dem Substrat des Betätigers bilden die Kontakte des Betätigers aus und sind mit den Heizelementen verbunden. Wenn ein elektrisches Pulssignal an die Kontakte eines Heizelementes angelegt wird, erzeugt das Heizelement eine Dampfblase in der Tinte, die einen Tintentropfen aus der entsprechenden Öffnung ausstößt.
In dem Patronenhalter 3 ist ein Vibrationssensor 4 ausgebildet. Dieser besteht aus einem metallischen Auslegerbalken (siehe unsere EP-A-0 629 153) mit einen an dem freien Ende angebrachten Stift. Ein piezo-elektrischer Keramikwandler ist auf den Balken geklebt. Wenn der Stift über eine Oberfläche bewegt wird, vibriert der Balken, und der Wandler erzeugt aus diesen Vibrationen ein elektrisches Signal. Dieses Signal kann verwendet werden, der Steuerelektronik anzuzeigen, daß der Tintenstrahlkopf betätigt werden soll.
Figur 2 ist ein Blockdiagramm der Steuerelektroniken. Zum Erhalt einer kompakten Größe wird sie vorzugsweise unter Verwendung zweier kleiner gedruckter Schaltungsplatinen 5, 6 ausgebildet. Es wird ebenso ein anwendungsspezifisch integrierter Schaltkreis verwendet, um viele der erforderlichen Funktionseinheiten in einem so klein wie möglichen Volumen unterzubringen.
Die Schalter 8-11 und die Anzeige 7 ermöglichen dem Bediener, die gewünschten Betriebsparameter auszuwählen. Die Anzeige kann eine Anzahl an Icons oder Nachrichten darstellen, um anzuzeigen, welcher Betriebsmodus ausgewählt wurde. Eine numerische Anzeige, wie ein Sieben-Segment- Zeichen, zeigt, welche aus einer Anzahl an Möglichkeiten ausgewählt wurde.
Der Bediener kann zwischen drei Parameter-Einstellmodi wählen: Linie, Muster und Dichte. Wenn der Linien-Modus ausgewählt ist, kann der Benutzer die Anzahl der Düsen spezifizieren, die betätigt werden sollen. In der beschriebenen Ausführungsform kann sie von einer bis zwölf Düsen reichen. Wenn der Tintenstrahlkopf über das Schreibsubstrat gescanned wird, würde die ausgewählte Anzahl an Düsen wiederholt so lange betätigt, wie ein Sensorsignal erzeugt wird, und erzeugt dabei Linienmarkierungen der Breiten von ungefähr 0,25 mm bis 3 mm.
Ein Mikroprozessor 19 betätigt die geeigneten Düsen durch Aussendung von Steuerpulsen an den Tintenstrahlkopf. Der Tintenstrahlkopf benötigt Pulse einer geeigneten Spannung, die höher als diejenige ist, die der Mikroprozessor verwendet. Die Kopfpulse müssen auch eine genaue Pulslänge haben, und wenn Mehrfachdüsen betätigt werden sollen, sollten sie zu leicht unterschiedlichen Zeiten betätigt werden, um unerwünschte Wechselwirkungen zu vermeiden. Die grundsätzlichen logischen Signale des Mikroprozessors werden von dem Treiberschaltkreis in die von dem Tintenstrahlkopf benötigte Form umgewandelt.
Ein Sensorschaltkreis filtert unerwünschtes Rauschen und Signale aus der Ausgabe des Vibrationssensors aus. Er verwendet einen Komparator zum Erzeugen eines logischen Signals, wenn eine ausreichende Vibration vorliegt, um dem Mikroprozessor 19 anzuzeigen, daß sich das Instrument über die Schreiboberfläche bewegt, und daß der Tintenstrahlkopf betätigt werden sollte.
Wenn der Mustermodus ausgewählt ist, kann der Bediener Druckschalter für die Auswahl eines speziellen durchnummerierten Musters aus einer Auswahl verfügbarer Muster verwenden, siehe beispielsweise Figur 3. Ein Muster wird durch selektives Betätigen von Düsen in einer von dem speziellen Muster definierten Zeitabfolge erzeugt. Die Abfolge kann auf vielfältige Art erzeugt werden. Sie kann über eine Gleichung oder einen Algorithmus erzeugt werden, z.B. zum Erzeugen eines regulären Schachbrettmusters oder eines Pseudo-Zufallmusters. Sie kann ebenfalls unter Bezug auf eine Nachschlagetabelle oder eine Bit-Map-Darstellung des benötigten Musters erzeugt werden.
Die Länge der Mustersequenz ist eine Frage technischer Implementationen, wie den zum Speichern der Sequenz benötigten Speicherbedarf, und künstlerische Erwägungen.
In der beschriebenen Ausführungsform wird die Länge der Mustersequenz für Bit-Map-Muster zu 48 Bildelementen, d.h. Punkten, gewählt. Die Höhe der Muster wird durch die Anzahl der Düsen auf 12 festgelegt. Figur 4 zeigt eine typische Bit-Map eines Musters.
Der elektronische Schaltkreis benötigt Speicher für die Software und die Muster. In der beschriebenen Ausführungsform enthält der verwendete Mikroprozessor 19 aus Gründen der Kompaktheit und der Ökonomie chip-integriertes ROM und RAM, was das Abspeichern einer Summe von ungefähr 40 Bit- Map-Mustern ermöglicht.
Normalerweise wird der Mikroprozessor 19 wiederholt durch ein Bit-Map-Muster durchfahren, um eine kontinuierliche gemusterte Linie so lange zu erzeugen, wie der Benutzer das Instrument bewegt. Es ist denkbar, die Möglichkeit zu schaffen, die Einrichtung in einen Einzelschuß-Modus zu schalten, in dem lediglich eine Sequenz des Musters betätigt wird.
Die Frequenz, mit der der Mikroprozessor 19 die Tintenstrahldüsen betätigt, wird im wesentlichen aus der Taktfrequenz des Systems abgeleitet. Die Tintenstrahlköpfe der beschriebenen Art können bei Frequenzen von 0 bis ungefähr 2kHz betätigt werden. Beim Zeichnen der Linien wird mehr Tinte pro Einheitslänge der Linie abgelagert, je höher die Düsenbetätigungsrate ist, und desto dunkler und dichter wird die Linie. Ähnlich wird im Muster-Modus die Distanz umso kleiner, in die eine Mustersequenz komprimiert wird, je höher die Betätigungsrate ist, und erhöht dessen Dichte. Im Dichteeinstell-Modus kann der Bediener eine Zahl auswählen, die sich auf die Rate bezieht, mit der der Tintenstrahlkopf betätigt wird.
Der Bediener kann ebenfalls die Verwendung der Steuerungen wünschen, die Betriebsrate zum Anpassen an verschiedene Schreibgeschwindigkeiten manuell einzustellen. Darauf bezogen erzeugt der Vibrationssensor Signale, die mit der Schreibgeschwindigkeit variieren. Es ist möglich, einen Schaltkreis zu dem Sensor hinzuzufügen, z.B. zum Messen der mittleren Vibrationsfrequenz, um ein Schreibgeschwindigkeitssignal zu erzeugen, das der Mikroprozessor 19 zum automatischen Einstellen der Betätigungsrate von seinem Nennwert aus verwenden kann.
Der Mikroprozessor 19 kann über eine serielle Verbindung, über die vorgesehene Buchse 14, mit einem Computer oder anderen elektronischen Geräten kommunizieren. In einer Anwendung dieser Verbindung ist eine Geschwindigkeitssteuerung über einen Joystick vorgesehen. In einer anderen Verwendung wird ein Schreibgeschwindigkeitssignal zu dem Mikroprozessor 19 von einem Graphiktablett unterhalb des Schreibmediums gesandt, auf dem das Gerät schreibt. In einer weiteren Anwendung werden Muster von einem Computer oder anderen Terminal-Einrichtungen, auf denen sie erzeugt werden, in den Mikroprozessor 19 und den Speicher heruntergeladen.
Eine wiederaufladbare Batterie 12 wird für die elektrische Energieversorgung des Gerätes verwendet. Ein Batterieladegerät oder eine externe Energieversorgung können über die Buchse 13 angeschlossen werden. Nicht-wiederaufladbare Batterien könnten verwendet werden, jedoch müßte die Möglichkeit zu ihrem Auswechseln geschaffen werden.
Ein Gleichstrom-zu-Gleichstrom-Wandler (PSU, Stromversorgungsgerät) 20 ist zum Erzeugen der von dem Tintenstrahlkopf benötigten Spannung vorgesehen, da diese für die Versorgung von einer kleinen Batterie ungeeignet ist. Der Energieversorgungsschaltkreis überwacht den Ausgang des Wandlers und steuert diesen mit einer hohen Genauigkeit an den erforderlichen Pegel.
Die Erfindung ist mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen, Anwendungen und Technologien beschrieben worden. Es sind viele Änderungen innerhalb des Rahmens der Erfindung möglich. Beispielsweise muß die Flüssigkeit nicht Tinte zur visuellen Betrachtung sein; sie kann klebend sein oder eine Kosmetik oder eine leitende Flüssigkeit zum Ausbilden gedruckter Schaltungsleiterbahnen. Der Sensor kann jegliche omni-direktionale Ausführungsform sein, so wie das beschriebene Graphiktablett. Der Markierungsmechanismus muß kein Austropfen-auf-Verlangen-Tintenstrahlkopf sein, sondern kann beispielsweise ein Druckmechanismus zum Drucken auf einem thermo-empfindlichen Papier sein.
Es wird nunmehr auf Figuren 5 bis 13 in Verbindung mit der modifizierten Ausführungsform Bezug genommen. Viele Bauteile sind im allgemeinen ähnlich, jedoch ist die zweite Auführungsform die bevorzugte Ausführungsform und ist detaillierter gezeigt und beschrieben.
Das Schreibgerät des zweiten Ausführungsbeispiels ist weitestgehend ähnlich zu dem ersten und basiert auf einem Mehrdüsen-Tintenstrahlkopf. Seine Haupteigenschaften sind die, daß es ist/hat:
Kompakt, ergonomisch, und in sich geschlossen bzw. unabhängig, handhaltbar
batteriebetrieben
einen erneuerbaren Tintenvorrat und Tintenstrahlkopf sensorgesteuert zum Vermitteln einer natürlichen Schreibwirkung
geeignet zum Schreiben einer Anzahl an Linien und Mustern
an zahlreiche andere elektronische Einrichtungen anschließbar
eine Bedienerauswahl und/oder eine Programmierung von Mustern
geeignet für eine kostengünstige, zahlenmäßig große Herstellung
Die Hauptelemente des Stiftes sind:
Das Gehäuse
die Tintenpatrone (inklusive Kopf und Tinte)
der Schreibsensor
das elektronische Subsystem
Die funktionellen Erfordernisse des Stiftes legen fest, was der Stift leisten sollte. Die technischen Daten des Stiftes legen fest, welche Eigenschaften der Stift haben sollte, um die Erfordernisse zu erfüllen. Für jeden Teil des Stiftes gibt es spezielle Erfordernisse und technische Daten, die wichtig sind. Die folgenden Abschnitte dokumentieren die Erfordernisse und technischen Daten für die Hauptelemente des Stiftes.

GEHÄUSE (Figuren 5A bis 5C)

Das Gehäuse 1 des Stiftes ist am besten in den Figuren 5A bis 5C gezeigt. Das Gehäuse liegt in zwei Hauptteilen 100, 101 vor, die gemeinsam die anderen Bauteile des Schreibinstrumentes (oder Stiftes) umschließen und tragen. Eine Taschenklammer bzw. -clip 102 ist vorgesehen und, abgesehen von dem Zugang zum Austausch einer Tintenpatrone, ist dem Bediener das Innere bei normaler Verwendung nicht zugänglich. Der Stift hat einen keilförmigen Querschnitt zwecks Komfort und das Unterbringen der wiederaufladbaren Batterie (nachfolgend beschrieben). Eine Trennwand 103 trennt die elektronischen Bauteile von dem Tintenpatronenraum und ein hinterer Verschluß 104 befestigt die Klammer 102 und hilft, die beiden Hälften aneinanderzuhalten.

TINTENSTRAHLKOPF (Figur 6)

Der Kopf 20 ist zum Erzeugen unterschiedlicher Muster, Linien und unterbrochener Linien, schnell genug zum Hochgeschwindigkeitsschreiben geeignet und weist Leistungsanforderungen auf, die für eine handhaltbaren Batteriebetrieb geeignet sind, während er ein hochqualitatives Schreiben auf zahlreichen Haushalts- und Büropapieren bietet. Der Kopf ist klein in der Größe, um eine stiftähnliche Erscheinung und eine gute Schreibvorführung zu bieten, und ist ein herkömmlicher Blasenstrahl-Schreibkopf.
Der Kopf weist ein Glassubstrat 21 auf mit 12 Düsen 22 auf einer Düsenplatte 23 in einem Abstand zum Bereitstellen von 38 Punkten pro cm (96 Punkte pro Inch) bei einer Linienbreite von 0,2 bis 3,2 mm und einer maximalen Tropfrate von 1250 Punkten pro Sekunde.

TINTENPATRONE (Figuren 7A-7G)

Die Tintenpatrone 30 muß in allen Orientierungen arbeiten, darf nicht während der Benutzung, dem Transport oder der Lagerung lecken und muß genügend Tinte zum Rechtfertigen ihrer Kosten und für die Kundenbequemlichkeit enthalten. Die Patrone muß leicht für den Austausch oder den Farbenwechsel entfernbar sein und elektrische Verbindungen zu dem Stiftkörper vorsehen.
Die Tinte wird mit > 2ccs mit 50mg/100 m zum Aufbringen einer 0,2 mm breiten Linie geliefert. Ein Kapillarschaumstoffmaterial 31 wird als Eindämmungsmedium des Behälters 34 verwendet. Die meisten Tintenstrahldruckköpfe sind so ausgelegt, daß sie auf eine nahe vertikale Papieroberfläche drucken, aber die der vorliegenden Erfindung sollten arbeiten, wenn sie nach oben, nach unten oder dazwischen zeigen. Dies legt strengere Erfordernisse an den Behälter als normalerweise, da dieser geeignet sein muß, erfolgreich zu drucken, wenn sich der Behälter bis zu 3cm unterhalb oder oberhalb der Tintenstrahlöffnungen befindet. Folglich kompensiert der Aufbau die Schwerkraft in Köpfen mit ±30mm an Tinte.
Ein ordentlich gelüfteter Behälter ist erforderlich und ein Gegendruck von einigen Zentimetern an Tinte wird ebenfalls benötigt, um das Austreten von Tinte aus der Patrone (sabbern) unter normalen Bedingungen zu stoppen, sei die Patrone belüftet oder ein abgedichteter Aufbau.
Die Patrone muß fertig austauschbar sein und sollte für eine lösbare Einschnapppassung in den Stiftkörper sorgen und kein falsches Einführen erlauben, und gleichzeitig robust sein, damit sie nicht leicht bricht.
Das Substrat 21 benötigt 13 Flächen-Kontaktverbindungen 32, die unter einem leichten Federdruck hergestellt werden. Der Aufbau des gefederten Verbindungsstückes, um dieses zu erreichen, ist überall beschrieben.
Das Vorspannen bzw. Anfüllen und das Reinigen bzw. Durchblasen sind wichtige Gesichtspunkte bei der Fertigung. Das Vorspannen ist der Vorgang, einen durchgehenden Tintenweg von dem Behälter zu den Tintenstrahldüsen aufrechtzuerhalten. Dies kann erreicht werden durch Ausüben eines Luftdruckes an den Aufbau der Entlüftung 33 oder durch Ansaugen an der Tintenstrahldüsenplatte. Von den beiden Verfahren ist das Ausüben eines Druckes an die Entlüftung 33 bevorzugt, da sie die Möglichkeit eines Ausgasens der gelösten Luft in der Tinte ausschließt und mechanischen Kontakt mit der heiklen Düsenplatte 21 des Tintenstrahlkopfes vermeidet. Das Reinigen ist der Vorgang, die Düsen 22 zu entstopfen oder Luftblasen aus den Tintenstrahlkammern zu entfernen. Auf ähnliche Weise wird dies am besten durch Ausüben eines Luftdrucks an das Entlüftungsloch 33 erreicht. Eine kleine Rohrleitung (nicht gezeigt), die in das Entlüftungsloch paßt und dieses abdichtet, wird für den Vorspann- und den Reinigungsvorgang verwendet. Einfaches leichtes Einblasen in den Schlauch reicht für die Vorgänge aus. Es ist angebracht, die Patrone für diese Vorgänge umzudrehen, damit die Düsenplatte während des Einblasens beobachtet werden kann. Das Vorspannen und das Reinigen ist beendet, wenn keine weiteren Luftblasen aus den Tintenstrahldüsen austreten. Der Tropfen geschäumter Tinte, der sich durch diese Vorgänge auf der Düsenplatte ausgebildet hat, kann sofort mit einem Tuch weggewischt werden, oder kann zum Reabsorbieren in die Patrone einige Sekunden lang vor dem Sauberwischen der Düsenplatte auf der Düsenplatte belassen werden. Die auf diese Art und Weise reabsorbierte Tinte wird keine Luft enthalten. Als Ausführungsform kann eine kleine elastomerische Balgeinrichtung als Zubehörteil vorgesehen werden, die ein leichteres Vorspannen und Reinigen ermöglicht. Bei der Benutzung ist herausgefunden worden, daß das Vorspannen bei der großen Mehrzahl an Patronen während ihrer erstmaligen Benutzung nicht erforderlich ist, bevor ein Nachfüllen notwendig wird.
Die Tinte innerhalb der Patrone 30 muß zum Verhindern eines Leckens (sabbern) aus den Tintenstrahldüsen oder aus dem Entlüftungsloch in der Patrone unter einem subatmosphärischen Druck gehalten werden. Der gewünschte Betriebsbereich negativen Druckes ist zu 60-120mm an Tinte herausgefunden worden. Dies gibt einen 100% Sicherheitsspielraum gegen Lecken, wenn geschüttelt oder fallengelassen wird, hält den Gegendruck unterhalb des Gegendruckpegels, bei dem sich die Schreibqualität verschlechtert, und gibt einen genügend breiten Betriebsbereich, wesentliche Variationen in dem Tintenspeichermaterial (d.h. Porengrößenvariationen) zuzulassen.
Zum Bereitstellen eines geringen Fließwiderstandes, einer geringen Dichte, eines maximalen Porenvolumens, minimaler Trümmerstücke in einem gegen Tinte inerten Material wird ein netzförmig angelegter Schaumstofftank 34 bereitgestellt. Ein derartiger Aufbau kann einen Gegendruck von 60-120mm an Tinte aushalten und ist flexibel in der Form, niedrig in den Kosten sowie leicht fertigbar, leicht in die Patrone 30 einsetzbar, und geeignet, schnell mit Tinte aufgefüllt zu werden.
Beispiele derartiger Materialien sind Polyester P.U., Polyether P.U. und Melaminformaldehyd. Maximal nutzbare Tintenspeicherung liegt in offenzelligen Schaumstoffen vor, die verbunden sind mit:
einer niedrigen Schaumstoffdichte
einem Vernetzungsgrad in dem Schaumstoff
einer niedrigen Zellgrößenverteilung
der Reinheit des Schaumstoffs.
In P.U.-Schaumstoffen ist die Vernetzung der Prozeß, mit dem die dünnen Zellwände eines Schaumstoffs weggebrannt, aufgelöst oder vernichtet werden, um einen offeneren Porenaufbau mit niedrigerem Widerstand für den Flüssigkeitsfluß übrigzulassen

Patronenfilter

Zwischen dem Schaumstofftank 34 und dem Düsensubstrat 21 ist ein Abschirmfilter 35 zum Schutz der Tintenstrahlkammern vor Trümmerstücken und Luftblasen erforderlich. Trümmerstücke verstopfen die Düsen oder verursachen Ablenkungen des Tintenstrahls, und Luftblasen oberhalb einer sehr kleinen Größe hindern die Tintendüse am Ausstoßen von Tinte, indem die Federkonstante der Tintenstrahlkammer erhöht wird. Für eine spezielle Lochgröße der Filtermaschen und ein spezielles Material existiert ein Blasenpunktdruck, unterhalb dessen keine Luftblasen größer als die Lochgröße durch den Filter gelangen können. Es ist wichtig, sicherzustellen, daß dieser Blasenpunktdruck oberhalb des Betriebsbereichs des Gegendruckes ist, jedoch nicht so groß, daß Luftblasen während des Vorspann- und des Renigungsvorgangs durch den Filter und aus der Patrone heraus gespült werden können. Experimente und Berechnungen zeigten, daß eine Lochgröße von bis zu 20µm Durchmesser zulässig waren, wir jedoch eine 5µm Filtergröße ohne Kompromisse beim Vorspannen oder Reinigen verwenden konnten.
Die körperliche Größe des Filters 35 ist ebenfalls wichtig, da größere Filterflächen dem Fluß weniger Widerstand bieten und mehr Luftblasen an ihrer Oberfläche tolerieren, bevor die Tintenversorgung zu dem Tintenstrahlkopf abbricht.
Die offene Fläche des Filters 35 ist maximiert, um große dynamische Gegendrücke während des Betriebes der Tintendüsen zu vermeiden. Der Filter kann ebenfalls verwendet werden, um lokale hohe Kompressionen des Schaumstofftankes zu bewirken, was bei der Effektivität des Tintenextrahierens helfen kann. Ein gesintertes rostfreies Stahlfaser-Filtermaterial von Bekaert Fasertechnologien (ST20BL3) ist das optimale Material für den Filter 35.
Wir berechneten den von einem Fluß bei maximaler Rate hervorgerufenen Druckabfall (12 Düsen feuern mit 1250Hz) für diesen Filter, der unterhalb 10mm an Tinte für eine 7mm² Filterfläche ist. Dies ist die Fläche, die als ein minimaler Wert angesehen werden kann. Spätere Experimente zeigten, daß wir erfolgreich die 5µm (ST6BL3) und 10µm (ST10BL3) Bekaert Materialien als Tintenpatronenfilter verwenden konnten. Der Blasenpunktdruck dieser Filter ist jeweils 70 und 37 mbar.
Anfangs wurden diese Filtermaterialien in Metallhalter unter Verwendung schnell härtender Epoxidkleber (Devcon 5-Minuten Epoxid) geklebt. Kleine Quadrate des Bekaert Materials wurden leicht unter Verwendung von Devcon auf die Rückseite des Glassubstrates geklebt.
Die ersten Patronen verwendeten flache 5mm x 5mm Quadrate eines mit Devcon geklebten Bekaert ST20BL3, um das Tinteneinlaßloches des Tintenstrahlsubstrats 21 abzudecken. Die Verwendung eines 1mm Saumes an Devcon verminderte die effektive Filterfläche auf 9mm². Dies arbeitete adäquat, zeigte jedoch in den Experimenten einen bemerkbaren dynamischen Druckabfall. Spätere Patronen verwendeten einen ST10BL3 Filter mit 5 x 22mm Fläche, mit einem erhöhten 2mm hohen Zentralbereich von 2 x 20mm, der mit einem Druckwerkzeug hergestellt wurde. Dies vergrößerte die effektive Filterfläche auf 40mm², was einen besseren Wirkungsgrad der Tintenextraktion ergab, indem eine größere Kontaktfläche mit dem Schaumstofftank ermöglicht wurde und ebenfalls einen geringeren dynamischen Flußwiderstand bot.
Ein alternatives Befestigungsverfahren lag darin, den Filter unter Wärme bei 250ºC fest an die perforierte Basis der Außenschale 36 der Patrone einzubauen. Diese Änderung wurde vorgenommen, um bei der Fertigung einen leichteren Einbau des Filters und des Schaumstoffs zu ermöglichen, und das Erfordernis einer klebenden Verbindung zu beseitigen. Die Metallfasern des Filters ermöglichen eine gute Wärmeleitung und das Fließen von geschmolzenem Kunststoff des Gehäusematerials in den Filter, und stellen damit eine luftdichte Verbindung zwischen Filter und äußerem Gehäuse 36 sicher.
Die Entlüftung 35 (ein Loch in dem Außengehäuse des Tanks) ist erforderlich, um die ausgestossene Tinte schrittweise mit Luft austauschen zu lassen, damit das Aufbauen eines negativen Druckes unterdrückt wird, wenn Tinte aus dem Schaumstoffmaterial entfernt wird, sowie um eine Eingangsstelle für das Einfüllen von Tinte in den Schaumstofftank bereitzustellen und das Lecken von Tinte zu verhindern, wenn die Patrone fallengelassen oder geschüttelt wird. Sie ermöglicht ebenfalls das Ausüben eines externen Druckes auf den Tank für die Vorspann- oder Reinigungsvorgänge, wie oben erwähnt, um sicherzustellen, daß das Entlüftungsloch nicht mit freier Tinte ausgefüllt wird.
Die Form des Schaumstoffzuschnittes ist derart, daß der Schaum in der Nähe des HP-Substrates um 5mm in seiner Dicke komprimiert wird, jedoch überhaupt nicht in der Nähe der Entlüftung in seiner Dicke komprimiert wird, wenn er in das Patronengehäuse eingeführt wird.
Der Aufbau der Patrone ist in den folgenden auseinandergezogenen Figuren 7A-7F und Figur 7G gezeigt.
Das Gehäuse liegt in zwei Teilen vor: eine Patronenschale 36 und ein Patronendeckel 37. Der Filter wird in das Gehäuse eingepaßt, indem er unter Wärme fest eingebaut wird, was besser ist, als ihn mit einem Kleber an das Substrat zu verbinden. Der Schaumstoff 31 wird mittels eines Spezialmanteis 38 eingeführt. Dies ist eine Produktionslösung für das Problem hoher Reibung zwischen dem Schaumstoff 31 und dem Patronengehäuse 36.
Die Patronenschale 36 ist das Hauptgehäusebauteil. Sie beinhaltet den Filter 35, den Schaumstoff 31 und einen Schaumstoffmantel 38, wobei das Substrat 21 mit ihrer Stirnfläche verbunden ist. Ein Schlitz in ihrer Stirnfläche schafft einen Weg für die Tinte von dem Schaumstoff 31 durch das Filter 35 zu dem Substrat 21. Das Material der Schale 36 ist entweder ABS oder SAN, beides sind kostengünstige, harte und abriebfeste Polymere, die häufig für Gehäusebauteile in elektronischen Bauteilen und Haushaltswaren verwendet werden. Die Schale ist so geformt, daß sie über eine einfache Zwei-Stück-Form- bzw. Gießfertigung hergestellt werden kann.
Der Deckel 37 bildet einen Abschluß für die Schale aus, an die er durch Ultraschallschweißen befestigt wird. Er weist ebenfalls die Luftentlüftung 33 für die Patrone auf, die zusätzlich zu ihrer Funktion als Druckausgleichentlüftung noch für das Tinteneinfüllen verwendet wird. Wie die Schale wird er aus ABS oder SAN hergestellt und ist ebenfalls so ausgeformt, daß er über eine einfache Zwei-Stück-Form- bzw. Gießfertigung hergestellt werden kann.
Der Schaumstoffmantel 38 ist eine Montagehilfe. Der Reibungskoeffizient des Schaumstoffs 31 (mit Kunststoffoberflächen) ist hoch, was das Einschieben des Schaumstoffs in die Schale sehr schwierig macht. Der Schaumstoff wird in dem Schaumstoffmantel aufgenommen, der dann leicht in die Patronenschale hineingleitet. Dieser wird aus einem 0,2mm Polyesterstück herausgestanzt.
Die geometrische Anordung der Patrone 30 in dem Gehäuse des Stiftes ist von äußerster Wichtigkeit, nicht nur zum Erreichen des korrekten Aussehens nach dem Einbau, sondern auch zum Sicherstellen der elektrischen Verbindungen zu dem Substrat. Das letztere erfordert, daß das Substrat parallel zu der erhabenen Fläche der flexiblen Schaltung ist, die erhabenen Kontakte mit den Substratkontakten ausgerichtet sind und ein Federdruck größer als 300g konstant ausgeübt wird um die Kontaktkraft auf jeden erhabenen Kontakt aufrechtzuerhalten. Die Kraft von 300g über der erhabenen Fläche verursacht eine Biegung um ungefähr 0,4mm. In dem Stift wird die Bewegung der Patrone über die 0,4mm Kompression mittels einer Zusatzeinrichtung in der Aufnahmetasche verhindert.
Die in dem Gehäuse oberhalb der Patrone angeordnete Rückhaltefeder 39 (siehe Figuren 15A & 15B) hat drei Funktionen:
das Schaffen einer "Klick"-Eigenschaft, wenn die Patrone vollständig eingeführt ist;
das Ausüben der 300g-Kraft zum Komprimieren der Kontakte und zum Halten der Patronenschale gegen den Endanschlag;
das Zusammenhalten der Gehäusehälften zu unterstützen.
Der Einführvorgang der Patrone muß einfach zu handhaben sein, damit selbst ziemlich junge Kinder diesen auch ausführen können. Es darf daher nicht von dem Bediener abhängen, irgendwelche speziellen Tätigkeiten auszuführen, sondern es müssen all die Kriterien zum Ausrichten etc. von dem Gehäuse abgeleitet werden.
Zusätzlich ist es unerwünscht, daß irgendeine Gleitbewegung stattfindet, wenn die Kontaktflächen 32, 92 aufeinander treffen, was eine Zerstörungswirkung für diese haben könnte.
Zum Erfüllen dieser Erfordernisse besteht der Einführungvorgang aus drei sehr einfachen Bewegungen, wie in Figuren 7A bis 7C gezeigt.
Während der Anfangsphase wird das Düsenplattenende der Patrone in das Ende des Gehäuses eingeführt; während der zweiten Bewegungsphase wird der Bereich der Patrone um das Substrat herum in eine Tasche innerhalb des Gehäuses auf eine rotatorische Art geführt und greift dort ein und stellt damit die Ausrichtung sicher. Die letzte Phase liegt darin, die Patrone vollständig auf ihren Platz hineinzudrücken, was die Rückhaltefeder 39 (siehe Figuren 15A & 15B) zusammendrückt und damit die Kontaktkraft aufbaut. Das Entfernen der Patrone läuft umgekehrt wie das Einführen.
Das Substrat 21 wird mit dem Gehäuse durch einen UV-härtenden Kleber verbunden. Seine Anordnung und Ausrichtung bezüglich der Schale vor dem Verkleben ist kritisch, um eine zuverlässige elektrische Verbindung sicherzustellen, wenn es in einen Stift eingepaßt wird. Es gibt keine Vorkehrung auf der Schale zum Erzielen der Ausrichtung, da dort nur ungenügend Raum zum Einbau irgendwelcher Zusatzeinrichtungen ist; die Ausrichtung hängt daher völlig von der Fertigung ab, die für seine Anordnung angewandt wird. Die Fertigung muß die Patrone und das Substrat genau ausrichten, bevor diese in Kontakt gebracht werden und während der Kleber aushärtet, um sicherzustellen, daß keine Bewegung stattfinden kann.
Während der Herstellung der Substrate bleiben üblicherweise kleine Auskragungen an den Ecken des Glasrechteckes zurück. Folglich sollte es während der Ausrichtung von den Ecken entfernt angeordnet werden.
Zum erfolgreichen Auffüllen der Patronen mit Tinte wird es bei der Produktion erforderlich sein, diese aus zwei hauptsächlichen Gründen erst zu evakuieren:
um die Luft auszuschließen und die Möglichkeit zurückgebliebener Luftblasen in dem Schaumstoff nach dem Auffüllen zu beseitigen;
der Schaumstoff ist hydrophob, d.h. daß er sich dem Kontakt mit auf Wasser basierenden Flüssigkeiten wiedersetzt. Das Auffüllen unter Vakuum drückt die Tinte gegen die Schaumstoffoberflächen und überwindet dessen Hydrophobizität.
Wenn die Tinte eingefüllt wird, sollte sie durch eine Injektionsnadel zu einem Punkt direkt hinter dem Filter gelangen, so daß die Tintenfront durch den Schaumstoff von unten nach oben gelangt. Die Nadel wird durch die Luftentlüftung 33 in den Patronendeckel 37 eingeführt.

SENSOR (Figuren 9 bis 11B)

Die Theorie des Sensors ist detailliert in unserer EP-A-0 629 155 beschrieben.
Der detaillierte Aufbau des Sensors wird nun mit Bezug auf Figuren 9 bis 11B diskutiert.
Der Sensor 40 schafft eine natürliche Steuerung der Tintenversorgung während des Schreibens und bewirkt ein Fließen der Tinte, wenn der Bediener schreiben möchte. Dies gibt folglich ein akzeptables "Gefühl" beim Schreiben. Der Sensor muß ausreichend robust gegen Schäden sein, beispielsweise wenn das Instrument versehentlich fallengelassen wird, und muß geeignet sein, über einen breiten Bereich an Papieren, Handandrücken, Schreibgeschwindigkeiten, Schreibwinkel, etc. zu arbeiten. Weitere kommerzielle Erfordernisse sind: Geringe Kosten, geringe Größe, Immunität gegen elektrische und mechanische Störung und geringer Leistungsverbrauch.
Eine Schreibgeschwindigkeit von 30-150 mm/sec ist ein typischer Geschwindigkeitsbereich, der zusammen mit einer Schreibkraft von 30-300 g abgestimmt werden muß. Der Sensor sollte für eine spürbare Steifigkeit sorgen, die mit einem Kugelschreiber vergleichbar ist. Die wesentliche Funktion des Sensors liegt darin, der Steuerelektronik des Stiftes ein Signal bereitzustellen, um den Tintenstrahlmechanismus einzuschalten, wenn das "Schreiben" stattfindet. Das "Schreiben" besteht aus verschiedenen spezifischen Bedingungen, und daher darf der Tintenstrahl nur dann eingeschaltet werden, wenn diese folgendes erfüllen:
Der Stift ist in Kontakt mit dem Papier und bewegt sich in irgendeiner Richtung darüber;
der Stift gelangt in Kontakt mit dem Papier, ohne sich darüber zu bewegen (wie an einem Satzpunkt).
Wenn der Stift in Kontakt mit dem Papier ist, sich jedoch nicht bewegt, muß der Tintenstrahl ausgeschaltet sein, andernfalls würde das Ergebnis eine kontinuierliche Tintenversorgung zu einem einzelnen Punkt sein.
Ein Vibrationssensor wurde als die beste Methode zum Erfüllen dieser Erfordernisse in einer Einheit mit relativ einfacher Signalverarbeitung festgestellt.
Wenn ein Stift über ein Papier gezogen wird (das auf einer mikroskopischen Skala eine rauhe Oberfläche ist), wird eine Vibration in drei zueinander senkrechten Richtungen erzeugt, zwei von diesen sind parallel zu dem Papier und um 90º versetzt, die dritte ist die vertikale Komponente, senkrecht auf dem Papier. Der Sensor dieser Erfindung reagiert auf die Vibrationskomponente in der vertikalen Richtung, was zwei spezielle Vorteile hat:
Er reagiert gleich auf Vibrationen, die durch ein Führen in irgendeiner Richtung über das Papier erzeugt werden;
er erlaubt einen sehr kompakten Sensoraufbau.
Der Sensor 40 wurde derart ausgebildet, den andernfalls ungenutzen Raum unterhalb des Substrates 21 und zwischen den Kontaktflächen zu besetzen.
Der Sensormechanismus besteht aus einem Metallbalken 41 (an einem Ende getragen, mit einer Nadel bzw. einem Stift oder einer Spitze 42 an dem anderen Ende) mit einem piezoelektrischen Streifen 43, der mit diesem verbunden bzw. gebondet ist. Der Balken und der piezoelektrische Streifen biegen sich infolge der Vibrationssignale von dem Papier.
Die Größe und die Form der Bauelemente des Sensors werden durch folgendes bestimmt:
Durch den Raum in dem verfügbaren Volumen, wie oben beschrieben;
durch die Anforderung, dem elektronischen Steuersystem zu dessen Verarbeitung eine ausreichende Signalstärke bereitzustellen, ohne übertriebene Notwendigkeit einer sehr hohen Empfindlichkeit;
ausreichend steif zu sein, um dem Stift das richtige "Gefühl" zu geben. Dies sollte sich nicht irgendwie weich anfühlen und somit eine unpraktische Schreibaktion erfordern. Die folgende Grafik zeigt die gemessene Last/Biegungs-Eigenschaft des Balken/- Piezos;
ausreichend robust zu sein, um einem starken Schreibdruck oder einem unabsichtlichen Stoß (innerhalb vernünftiger Grenzen) zu widerstehen.
Wenn auf die Nadel 42 eine Kraft ausgeübt wird, wird ein Biegemoment in dem Balken 41 erzeugt und steigt linear entlang dessen Länge an. Das Biegemoment erzeugt eine (Zug)- Spannung in dem Balken und dem piezoelektrischen Streifen. Der Piezo 43 wird mit solchen Eigenschaften hergestellt, daß über seinen Stirnflächen ein elektrisches Signal (Spannung) erzeugt wird, wenn er einer solchen (zug)-Spannung ausgesetzt wird. Diese beiden Stirnflächen weisen Elektroden auf sich auf, die eine elektrische Verbindung, über ein Koaxialkabel, zu der Steuerelektronik ermöglichen.
Der Stahlbalken 41 ist ein integraler Bestandteil einer größeren Stahlplatte 44, um das Anbringen in dem Stift und das Herstellen elektrischer Verbindungen zu erleichtern. Die Platte 44 weist eine rechteckförrnige Öffnung 45 auf, durch welche die Tintenstrahlen von den sich in Benutzung befindlichen Düsen gelangen. Die Details des Sensoraufbaus und der elektrischen Verbindung werden nachstehend beschrieben.
Die Nadel oder die Spitze 42 ist der Teil des Stiftes, der einen Kontakt mit der Schreiboberfläche des Papiers schafft und die folgenden Eigenschaften aufweisen muß:
Form und Oberflächentextur zum Bereitstellen der besten Kombination aus elektrischem Signal (Stärke und Frequenzbereich) und der Qualität des Gefühls für den Benutzer (d.h., es ist nachteilig, wenn der Sensor übermäßig laut oder kratzend ist).
Haltbarkeit zum Aushalten der sehr hohen Entfernung, die er während seiner gesamten Lebenszeit zurücklegen muß, ohne übermäßige Abnutzung.
Die Materialwahl für die Nadel 42 wird durch Aussuchen eines Materials mit guten Abnutzungseigenschaften ohne hohe Bauteilkosten bestimmt.
Es wurde Aluminium ausgewählt, um eine Nadel zu schaffen, die sehr kostengünstig hergestellt werden kann.
Es wurde durch Tests festgestellt, daß die menschliche Hand empfindlich auf Vibrationen von weniger als 1000 Hz ist, und daher ein Ziel bei der Arbeit der Nadelausführung darin lag, die Energie oberhalb 1000 Hz zu maximieren, um die Schreibhandhabung des Stiftes sich so glatt wie möglich anfühlen zu lassen. Ein Vorteil von Keramikspitzen liegt darin, daß sie dazu neigen, mehr Energie oberhalb 1000 Hz aufzuweisen, als es beispielsweise eine Stahlnadel könnte.
Die Sensoranordnungsplatte 44, auf der sich der Sensor befindet, ist eine kleine rechteckförmige Platte, die sich zwischen den beiden Hälften des Gehäuses (siehe auch nachstehender Abschnitt über das Gehäuse) befindet. Der piezoelektrische Wandler ist eine einfache Anordnung mit Elektroden an beiden Stirnflächen. Eine Stirnfläche des piezoelektrischen Streifens ist mit dem Balken mittels eines niederviskosen Epoxids derart verbunden, daß durch die Klebeschicht hindurch ein elektrischer Kontakt über die Unebenheiten in der Oberflächenrauhigkeit der Platte und dem piezoelektrischen Material besteht. Mit dieser Anordnung bildet die Platte einen Teil des elektrischen Schaltkreises für den piezoelektrischen Streifen aus.
Die Nadel oder die Spitze 42 besteht aus einer Aluminiumspitze 42', die mit einem Messingkörper 42" verbunden ist, der in das eine Ende des Balkens genietet ist (siehe Figuren 6a und 6b).
Der piezoelektrische Streifen ist von den Abmessungen und der Anordnung wie zuvor in Fig. 4 gezeigt und aus einer Blei-Zirkonat-Titanat-Sorte ähnlich zu PZT5A hergestellt. Der Sensorbalken ist durch Ausschneiden aus einem Stück Metall hergestellt, wie aus mit Nickel platiertem Federstahl (400-450 VPN). Die Nadel oder die Sensorspitze weist einen Grundkörper auf, der ein kleines gedrehtes Bauteil ist und aus einer Vielzahl an Materialien hergestellt werden kann. Messing wird wegen seiner geringen Kosten, der leichten Bearbeitbarkeit und der Geeignetheit zum Nieten bevorzugt. Die Nadel oder die Sensorspitze weist ein aus Aluminium ausgebildetes Ende auf, um die erforderlichen vorstehend beschriebenen Haltbarkeitseigenschaften zu schaffen. Es sollte möglich sein, diese durch Pressen bzw. Stanzen und durch Brennen derart herzustellen, daß ihre Form und Oberflächenrauhigkeit so wie erforderlich ist.

ELEKTRONISCHES SUBSYSTEM (siehe Figuren 12A, 12B, 13 & 14)

Das elektronische Subsystem 50 schafft eine Steuerung für das Ein/Aus-Schalten der Hauptstromversorgung, für die Auswahl der Muster, für die Änderungen von Mustern und externe optionale Eigenschaften, für die Speicherung von Mustern, für das Verarbeiten von Sensorsignalen, für das Kommunizieren mit externen Optionen, für den Energieverbrauch und die Batteriebeanspruchung, für die Feuersteuerung der Tintenstrahlköpfe. Die Elektronik muß klein und niedrig in den Kosten sein.
Eine 12-Segment-Anzeige 51 zeigt den Stiftstatus an: Anzeige der 0 bis 9 auf einer einzelnen Ziffer plus 1 bis 4 auf festgelegten Mustersegmenten und ein Segment zum Anzeigen des "Linien-Modus". Das Ein/Aus-Schalten der Stromversorgung wird durch einen manuell bedienbaren Schalter 52 vorgenommen, der die Hauptbatterieverbindung steuert. Die gesamte Elektronik ist so ausgelegt, daß sie bei einem Einschalten auf vorgegebene Zustände zurückgesetzt wird (außer dem zuletzt benutzten Muster und der Geschwindigkeitseinstellung, das/die in einem nicht-flüchtigen Speicher gespeichert ist), und ein Modus für einen niedrigen Energieverbrauch durch eine vorausgewählte Inaktivitätsperiode getriggert wird. Eine Anzeige (auf der LCD) niedriger Energie ist bei 3,3V vorgesehen, um das Ende der Batterielebenszeit anzukündigen. Eine Auswahl des Modus, unter Verwendung eines Tasters 53 zum Durchschalten durch die Optionen, schafft einen Betrieb des Instrumentes in dem Linien-Modus, dem Muster-Modus oder dem Dichte-(Grauwert)-Modus.
Der Muster-Modus ermöglicht dem einen Taster 53 die Auswahl von vier Mustergruppen; und zwei weiteren Tastern 54, 55 die Auswahl einer Musternummer von 1 bis 10 innerhalb einer Gruppe. Der Linien-Modus ermöglicht dem Taster 53 die Auswahl des Linienstus; Auf/Ab-Taster 54, 55 wählen eine von 10 Linienbreiten aus. Der Dichte-Modus wird von den Auf/Ab-Taster 54, 55 geschaffen, wodurch eine von 10 Druckdichteeinstel lungen ausgewählt wird. Eventuelle Linienmuster lassen variable Linienbreiten, unterbrochene Linien, Punktmatrixgraphiken zu.
Die Elektronik des Ausführungsbeispiels weist einen Texas Instruments TMS 70C42/82 Mikroprozessor 57 und einen anwendungsspezifisch integrierten Schaltkreis (ASIC) 58 auf. Kopftreiberstufen 59 sind zum Treiben der Tintenstrahldruckköpfe vorgesehen, in Form von 2 diskreten Hochstrom-Treiberanordnungen. Ein nicht-flüchtiger Speicher 60 wird vorzugsweise zum Speichern von benutzerdefinierten Musterspeichern verwendet.
Auswahlschalter 54-55 umfassen geformte Gummidrucktaster, die direkt auf die Platinenelektroden des gedruckten Schaltkreises wirken und der Ein/Aus-Schalter 52 ist ein manuell betätigbarer Einpol-Schalter. Eine Platine 61 des gedruckten Schaltkreises wird zur Verbindung der Hardware-Bauteile verwendet. Eine Kombination aus Oberflächenbefestigung und COB oder TAB-Technologien werden bei der Montage der elektronischen Bauteile angewendet.
Der Strom wird von Nicad wiederaufladbaren Batterien 62 an einen Spannungswandler 63 geliefert, der ASIC-gesteuert zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung von 24V (±2%) bei einer maximalen Ausgangsleistung von 0,6W ist.
Die Betriebsfunktionen beinhalten: multiple Linienbreiten, multiple Muster, Einzelschuß und "Reverse-Video" (Bildinversion), und Icon-Drucken. Ein Text-Drucken kann vorgesehen sein, obwohl die Vorrichtung primär als freihändiges Schreibinstrument und nicht als Drucker vorgesehen ist. Beispielsweise können einfache Etiketten- oder Adreß- Informationen gedruckt werden. Informationen können von einem Personalcomputer oder einem elektronischen Organizer heruntergeladen werden. Es ist ein Nachrichtenpuffer von bis zu 72 Zeichen mit relativ niedrigen Kosten vorgesehen, innerhalb der vorliegenden Austattung wird eine ASCII- Datenübertragung angewandt und der Schrifttyp ist festgelegt.
Der Mikrocontroller 57 ist das Element, das den gesamten Betriebsprozess des Gerätes unter Verwendung einer Software steuert, die sich innerhalb des Mikrocontrollers befindet. Die Benutzereingabetasten und der Vibrationssensor werden überwacht, um zu erfassen, falls ein neuer Betriebsmodus benötigt wird, oder Tinte ausgestrahlt werden muß. Die LCD 51 wird zum Zurückmelden der laufenden Betriebsbedingungen eingesetzt. Wenn der Bediener ein neues Muster auswählt, wird zum Ausbilden des Musters auf Daten entweder aus dem intern festgelegten Musterspeicher oder aus dem externen Speicher im Falle eines benutzerdefinierten Musters zurückgegriffen. Wenn der Vibrationssensor dann aktiv wird, werden die 12 Datenbits (entsprechend den 12 Tintendüsen) in der Tintenfeuerlogik gesetzt. Eine kundenspezifische Logik wandelt die 12 parallelen Bits zum Bereitstellen der korrekten Pulssequenz an das Substrat um. Zum Treiben der Düsen bei den speziellen 24V werden Treiberstufen eingesetzt, um der hohen Spannung und den zum Ausstrahlen eines Tintenpunktes notwendigen Strömen zu widerstehen.
Die 24V-Versorgung wird von dem Rücklaufwandler 63 erzeugt, der die Batteriespannung (ungefähr 3,0V bis 4,8V) auf konstante 24V umwandelt.
Die gezeigte serielle Schnittstelle 64 ermöglicht dem Bediener das Herunterladen seiner eigenen Muster in den Stift, die dann in dem nicht-flüchtigen Speicher 60 gespeichert werden. Dies stellt sicher, daß Musterdaten nicht verlorengehen, wenn die Energieversorgung unterbrochen ist.
Die ASIC-Funktionen beinhalten:

Signalkonditionierschaltkreis

Fig. 12B zeigt, daß dieser Signalkonditionierschaltkreis 70 aus einer Eingangspufferstufe 71, einem Verstärker 72 mit externen Bauteilen 73, einem Vergleicher 74 und einem monostabilen Block 75 besteht.
Eine Eingangspufferstufe hoher Impedanz 71 ist erforderlich, da der Vibrationssensor seinerseits eine kapazitive Quelle hoher Impedanz in der Größenordnung von lnf ist. Wenn der Sensor mit der Einganzimpedanz von 480 kΩ kombiniert wird, gibt er einen Hochpaßfilter mit einer 3dB-Frequenz von 330 kHz. Das von dem Vibrationssensor erzeugte relevante Signal liegt zwischen 1 kHz und 5 kHz, mit einer ungefähr 1.5 V Spitze zu Spitze Amplitude.
Das gepufferte und auf einen Referenzwert bezogene Signal wird dann um einen Faktor von ungefähr 3 verstärkt. Der Verstärker 72 weist ein weiteres Tiefpaßfiltern und einen Hochpaßfilter zum Begrenzen der Signalbandbreite auf die relevante Frequenz auf. Die niedrige 3 dB-Frequenz liegt bei 1 kHz, was das Phänomen des "Prellens" zu Beginn und am Ende einer Linie oder eines Musters unterdrückt. Es wird angenommen, daß das Prellen durch die sehr große Offset-Spannung verursacht wird, die erzeugt wird, wenn der Bediener erstmals das Papier kontaktiert und schließlich wieder abhebt. Diese Spannung besteht aus niederfrequenten Komponenten und kann durch das oben genannte Hochpaßfiltern gedämpft werden. Die hochfrequente Abschneide-Frequenz von 5 kHz ist vorgesehen, die Effekte irgendwelcher Störsignale oder Störungen aus dem elektrischen Rauschen zu minimieren, was den Stift zum unbeabsichtigten Ausstoßen von Tinte veranlassen könnte. Die Filtereigenschaften des Verstärkers 72 sind in Fig. 13 gezeigt.
Der Ausgang des Verstärkers 72 ist an einen Vergleicher 74 mit einer Hysterese von 100mV geführt. Diese relativ hohe Hysterese wird eingesetzt, um die Möglichkeit eines falschen Triggerns zu vermindern. Das Signal, das nunmehr digital vorliegt, wird an einen monostabilen Block 75 gegeben, der digital implementiert ist. Der monostabile Bock 75 ist retriggerbar und hält einen aktiven Ausgang für 10 ms bei jedem Triggern aufrecht, was das Ausgangssignal am "Abfallen" hindert, wenn das Signal des Vibrationssensors für kurze Zeiten nicht vorliegt. Dieses tritt gewöhnlich auf, wenn sich die Nadel langsam über die Schreiboberfläche bewegt. Die Zeit darf nicht zu lang sein, da andernfalls der Stift weiter Tinte ausstößt, nachdem die Nadel aufgehört hat, sich zu bewegen oder nicht länger in Kontakt mit der Oberfläche ist. Wird die monostabile Zeitverzögerung zu lang gesetzt, so treten "Schwänze" auf, die beim Schreiben am Ende von Wörtern erscheinen. Der Ausgang des monostabilen Blocks ist direkt mit dem Mikrocontroller 57 verbunden.

Feuerlogik für die Tintendüsen

Die 12 parallelen Bits der von dem Mikrocontroller 57 gesetzten Düsendaten müssen durch den Adreßspeicher 77 und die Dekoderlogik 78, die die Zwischenspeicher 65, 66 steuern, in den ASIC 58 zwischengespeichert werden. Die Sequenzerlogik 79 für die Tintendüsen löst dann die geeignete Düse nach strengen Zeitkriterien aus. Die ASIC-Logik ist derart ausgelegt worden, daß das Verschieben von Düsenstrahldaten zu dem zweiten Zwischenspeicher automatisch eine Feuersequenz auslöst. Es ist nicht für alle Düsen gleichzeitig möglich, auszulösen, was mit hydraulischen Problemen bei der Tintenversorgung und sehr hohen Spitzenströmen von der Stromquelle zusammenhängt. Daher ist zu einer bestimmten Zeit lediglich eine Düse für die speziellen 4,5µs aktiv. Jede Düse wird einzeln ausgelöst und von dem vorhergehenden Puls um 32µs getrennt. Eine Trennung um 32µs ermöglicht den Tintenhydrauliken korrekt zu funktionieren und die Spitzenlast für die Stromquelle zu vermindern. Unter diesen Bedingungen benötigt eine Sequenz von 12 Strahlen ungefähr 356µs.
Es ist wichtig, daß die Strahlpulsbreite von 4,5 µs genau eingehalten wird, um ein zufriedenstellendes und wiederholbares Drucken unter all den speziellen Betriebsbedingungen zu schaffen. Dies wird durch Verwendung des Mikrocontrollertaktes 57' von 1,0MHz erreicht, der wiederum von einem genauen Keramikresonator geliefert wird. Das 1,0MHz-Signal wird durch 9 geteilt, um die benötigte Pulsbreite von 4,5µs zu erreichen. Es ist wichtig, daß die 4,5 µs Pulsbreite nicht überschritten wird, da andernfalls die thermischen Widerstände der Düsen zerstört werden. Es ist insbesondere während der Zeit, während die Leistung angelegt ist, schwierig sicherzustellen, daß die Düsen nicht zu langen Pulsen ausgesetzt werden. Um eine korrekte Betriebsweise sicherzustellen, ist ein Leistungsrücksetzschaltkreis 81 (POR) ausgebildet worden, der sofort alle Ausgänge in den inaktiven Zustand zurücksetzt und den Takt für eine Zeit von ungefähr 5ms nicht berücksichtigt. Dies sollte ausreichend Zeit sein, dem ASIC eine korrekte Funktionsweise zu ermöglichen.
Zwölf digitale Düsenausgänge 82 sind vorgesehen, die an die Düsentreiber 59 angeschlossen sind. Die ASIC-Ausgänge sind fähig, 2,4mA bei 2,4V bereitzustellen, bei der minimalen Versorgungsspannung von 3,0V. Dies ist erforderlich, um sicherzustellen, daß die Düsentreiber ihrerseits ein ausreichendes Signal zum korrekten Treiben der Düsen haben.

LCD-Treiber

Zum Verbessern der Bedienerschnittstelle ist beschlossen worden, eine kleine kundenspezifische LCD 51 vorzusehen, um eine Rückkopplung des ausgewählten Betriebsmodus zu geben. Ein 12-Bit-LCD-Treiber 83 wurde daher in die Ausstattung des ASIC eingefügt.
Wie die Düsendaten werden die LCD-Daten in zwei Zwischenspeichern 84, 85 zwischengespeichert. Der LCD-Treiber 83 wandelt dann diese Daten in die Signale zum Treiben einer 12-Segment, Duplex-LCD um. Unter Verwendung zweier Rückwandplatinen bzw. Verdrahtungsplatten und durch Ansteuern der LCD 51 in einem Duplex-Modus wird die Anzahl an Verbindungen von dem ASIC zu der LCD reduziert, was die Ausbildung eines kleineren und kostengünstigeren ASIC ermöglicht und die Fertigungseigenschaften des Produktes verbessert.

µp-Wandlerschaltkreis 63

Der verwendete Tintenstrahlkopf ist so ausgeführt, daß er mit 24,3V Spannungspulsen arbeitet. Dies ist keine geeignete Spannung für ein kleines batteriebetriebenes Produkt. Es ist daher erforderlich, eine Niederspannungsbatterie (im Bereich von 5V zu einer Endspannung von 3,0V) zu verwenden, und die Spannung durch Anwenden einer Rücklauftechnik auf konstante 24,3V hinauf zu konvertieren.
Der µp-Wandlerschaltkreis benötigt eine absolute Spannungsreferenz 86, mit der ein Komparator 87 die Ausgangsspannung 88 (geeignet mittels einer Potentiometer-Widerstandsanordnung geteilt) vergleicht. Wenn die erforderliche Ausgangsspannung unterhalb einer Schwelle liegt, ermöglicht der Komparator einer Frequenzquelle, von ungefähr 50kHz, einen MOSFET-Transistor zu schalten, der seinerseits eine Spule zum Bereitstellen von Pulsspitzen hoher positiver Spannung schaltet. Die Spitzen werden durch eine verlustarme (Schottky)-Diode in einen Vorratskondensator entladen. Wenn die Ausgangsspannung den erforderlichen Pegel erreicht, stoppt die Potentiometer-Rückkopplung die Frequenzquelle. Auf diese Weise wird die Ausgangsspannung gleichbleibend aufrechterhalten, selbst wenn die Batteriespannung von 5,0V auf 3,0V abfällt.
Der in dem µp-Wandlerschaltkreis 63 verwendete Komparator 87 wendet eine Hysteresis an, um zu verhindern, daß Rauschen aus der Stromversorgung den µp-Wandler ständig an- und ausschaltet. Die Hysteresis ist zu 10mV ausgewählt worden. Dieser Wert ist der minimale Wert, um sicherzustellen daß die Düsenversorgung genau beibehalten wird, während sie im allgemeinen unempfindlich auf ein Rauschen der Stromversorgung ist.

Schaltkreis zum Erfassen einer Batterie-Unterspannung

Der ASIC weist einen Schaltkreis 1 auf, der die Versorgungsspannung von der Batterie 62 überwacht. Wenn die Batteriespannung gegen das Ende ihrer verfügbaren Ladung abfällt, fällt die Spannung ab. Wenn die Spannung 3,28V erreicht, schaltet der ASIC einen Ausgang, der von der Software des Mikrocontrollers abgefragt wird. Auf diese Art kann der Bediener gewarnt werden, wenn die Batterie Unterspannung bekommt, und kann dann Schritte zum Wiederaufladen der Batterie vornehmen.

Musterspeicher

Das Ausführungsbeispiel ist derart ausgelegt worden, daß die Muster von dem Bediener erstellt werden können oder zur Entwurfszeit festgelegt werden. Die Ausführungsform verwendet einen Mikrocontroller 57, der geeignet ist, bis zu 28 festgelegte Muster in seinem internen Speicher zu speichern. Für benutzerdefinierte Muster ist entschieden worden, daß es wesentlich ist, daß die Muster gespeichert bleiben, selbst wenn die Energieversorgung abgestellt wird. Es muß daher eine Art nicht-flüchtiger Speicher 60 verwendet werden; entweder EEPROM oder batteriegepufferter RAM. EEPROM wurde ausgewählt, da der Steuerschaltkreis für batteriegepuffertes RAM teuer sein würde und einen Mikrocontroller mit viel mehr Steuerlinien zum Anschließen dieser Speicherart benötigen würde. EEPROM wurde ursprünglich ausgewählt, da es wirklich nicht-flüchtig ist und keine zusätzlichen Hardware-Steuerschaltungen benötigt. Die Software muß sorgfältig erstellt werden, um sicherzustellen, daß Daten nicht beeinträchtigt werden, wenn die Stromversorgung im Begriff ist, unterbrochen zu werden. Eine Reihe von Schaltkreisen mit integriertem EEPROM, die unsere Erfordernisse erfüllen, stehen mit einem einfachen seriellen Interface aus zwei Drähten zur Verfügung und sind ideal für unsere Anwendung geeignet. Diese Einrichtungen werden häufig in Produkten verwendet, bei denen Daten nur gelegentlich gesetzt werden, wie die Information über die Abstimmfrequenz in Fernsehgeräten. EEPROM ist jedoch erheblich teurer als RAM. Die gewählte EEPROM-Einrichtung war die 24LC04 aus der Mikrochip-Technologie, die bis zu 7 benutzerdefinierte Muster speichern kann.
Mit dem vorliegenden nicht-flüchtigen Speicher ist es möglich, die Betriebsparameter des Stiftes zu speichern, so daß der Stift in seinen letzten Betriebsstatus zurückkehrt, wenn er eingeschaltet wird. Dies wäre vorteilhaft, da der Benutzer die Vorgabeeinstellungen nicht jedesmal in seine bevorzugten Einstellungen ändern müßte, jedesmal wenn der Stift eingeschaltet wird.
Wenn die Option nicht vorliegt, dem Bediener das Erstellen von Mustern zu ermöglichen, sollten mehr vorgegebene Muster verfügbar sein. Daher wird es erforderlich sein, einen größeren Mikrocontroller mit ausreichend internem Speicher für bis zu 40 vorgegebene Muster einzusetzen, wenn eine Ausführungsform keinen externen Musterspeicher aufweist. In einem solchen Fall können mehr vorgegebene Muster enthalten sein, da die Software zum Verarbeiten der Tasks für die Kommunikation mit den externen Einrichtungen, wie ein Personalcomputer oder ein Organizer-Produkt, und das Aufrechterhalten der benutzerdefinierten Musterspeicher nicht länger erforderlich ist.

Stromquelle 62

Der Stift ist notwendigerweise ein batteriebetriebenes Produkt. Jedoch sind die Energieerfordernisse zum Treiben des Tintenstrahlkopfes zusammen mit dem Mikrocontroller und dem ASIC sehr streng, unter der Voraussetzung, daß das Produkt auch so klein wie möglich hergestellt werden muß. Die Stromquelle muß geeignet sein, 0,9A-Pulse in einem Volumen von weniger als 15cm³ zu liefern. Eine Endspannung von 3,0V ist erforderlich und von dem Mikrocontroller oder dem ASIC kann keine Spannung oberhalb von 7,0 V toleriert werden. Obwohl eine Anzahl an Batterietechnologien und Konfigurationen zum Erfüllen dieser strengen Kriterien in Erwägung gezogen wurden, sind alkalische Braunsteinzellen nicht fähig, die momentane Stromlast geeignet zu liefern, und erfordern wenigstens 3 Zellen, um eine Batterie mit der richtigen Anschlußspannung auszubilden. Lithiumzellen, wie sie in modernen automatischen Kameras verwendet werden, wurden ebenfalls in Erwägung gezogen, da die Batterietechnologie eine hohe Energiedichte aufweist. Diese Zellen arbeiteten gut, es wurden jedoch zum Erreichen der notwendigen Anschlußspannung zwei Zellen benötigt, und die Batterie war dann unakzeptabel groß. Lithiumzellen wurden daher wegen ihrer Größe verworfen. Zusätzlich kann erwähnt werden, daß Lithiumzellen von dieser Art sehr teuer sind. NiCad-Batterien sind daher die bevorzugte Stromquelle.

Software

Die Software umfaßt die folgenden Hauptverarbeitungselemente:
Bedienerschnittstellen-Modul
Musterwiedergewinnungs-Modul
Programm zum Kopieren von Daten an den ASIC.

Benutzerschnittstellen-Modul

In einem Produkt dieser Art muß die Bedienung einfach zu folgen und zu verstehen sein. Daher wurden beträchtliche Anstrengungen für den Entwurf einer Bedienerschnittstelle unternommen, die die komplexen inneren Prozesse des Produktes vereinfacht. Komplizierte graphische LCD-Anzeigen und viele Auswahltaster sind ebenfalls aufgrund der Kosten und der Produktgrößenbeschränkungen nicht möglich. Die Bedienerschnittstelle muß daher ein Minimum an Hardware zum Bereitstellen einer einfachen intuitiven Bedienerschnittstelle verwenden. Beim Entwurf der Bedienerschnittstelle kann es notwendig sein, einige der weniger brauchbaren Eigenschaften zu verwerten, so wie die reverse Videooption, um die Einfachheit der Benutzerschnittstelle zu verbessern.
Es gibt viele Optionen, die ein Benutzer beim Bedienen des Stiftes anwählen kann, die in drei Hauptbedienmodi aufgeteilt wurden:
Linien-Modus - 4 Linienstile können ausgewählt werden (z.B. durchgehend, gepunktet etc.), wobei jeder Stil in bis zu 10 Breiten verfügbar ist.
Muster-Modus - bis zu 40 Muster in 4 Gruppen zu je 10. Ein Muster wird durch Auswahl der Gruppe von 10 Mustern und dann durch die einzelne Musternummer innerhalb der Gruppe ausgewählt.
Dichte-Modus - zur Steuerung der Dichte der Linie oder des Musters, entsprechend dem Wunsch des Bedieners. Ein Geschwindigkeitsindex von 1 bis 10 kann ausgewählt werden.
Es ist wichtig, daß die Verwendung von Tastern und die sich daraus ergebende Anzeige während der Bedienung des Produktes konsistent bleiben. Daher wird ein Taster 53 dazu bestimmt, den Modus zyklisch von dem Linien-Modus zu dem Muster-Modus zu dem Dichte-Modus und zurück zu dem Linien-Modus, etc. durchzuschalten. Die Anzeige zeigt Icons an, die den Bediener über den vorliegenden Bedien-Modus informieren. Zwei Taster 54, 55 (Ansteigen und Absteigen) sind zugeteilt, die größere (1 bis 10) Ziffer zu ändern und ein anderer, die kleinere Ziffer zu ändern (was von der Anzeige entweder als der Linienstil oder die Mustergruppe angezeigt wird). Auf diese Weise wird eine Konsistenz in der Benutzung erreicht.
Die Leichtigkeit der Bedienung, als Gegensatz zu der Leichtigkeit des Erlernens, wurde ebenfalls für die Betriebsweise der Benutzerschnittstelle in Betracht gezogen. Aus diesem Grund werden zwei Taster verwendet, um die größere Ziffer auszuwählen; einer zum Erhöhen und einer zum Erniedrigen. Ein "Überrollen" der 10 oder ein "Unterrollen" der 1 ist jeweils als Merkmal für den Erhöh- und den Erniedrig-Taster vorgesehen. Diese Merkmale ermöglichen dem Bediener, die Betriebsbedingungen schnell festzusetzen, wenn er mit den Steuerungen der Bedienerschnittstelle vertraut geworden ist.

Musterwiedergewinnungs-Modul

Dieses Modul wird zum Vorbereiten bzw. Aufstellen der Muster- oder Liniendaten aus dem Speicher eingesetzt, zum Drucken vorbereitet. Muster- und Linienpixeldaten werden von der Software aus einem RAM-Speicherbereich kopiert bzw. gedruckt, der lokal zu dem Mikrocontroller ist. In diesem lokalen Bereich kann auf die Daten schnell und vorteilhaft Zugriff genommen werden. Jedoch ist es für die Muster- oder Linieninformation erforderlich, entweder aus dem internen vorgegebenen Speicher für den Fall vorgegebener Muster, oder aus dem nicht-flüchtigen Speicher für die benutzerdefinierten Muster (wenn benutzerdefinierbare Muster erforderlich sind) in diesen lokalen Speicher kopiert zu werden. Wenn ein Muster benötigt wird, wird ein Duplikat der Pixeldaten für das ausgewählte Muster in das lokale RAM kopiert. Für Linienmuster (durchgehend oder gepunktet) werden die Pixelmuster algorithmisch erzeugt. Die Breite der Linie wird zusammen mit einem Code für den Linienstil kombiniert, um das erforderliche Pixelmuster zu erzeugen. Es wird ein Algorithmus zum Erstellen von Linien in unterschiedlichen Stilen und Breiten eingesetzt, um Speicherplatz für weitere Muster zu sparen. Das Pixelmuster wird erzeugt, wenn der Bediener die geeigneten Einstellungen an der Benutzerschnittstelle auswählt, unabhängig davon, welcher Modus ausgewählt ist.

Druckroutine

Das Verfahren zum Drucken von Daten wird durch das Erfordernis bestimmt, Tinte genau zu einer vorgegebenen Zeit auszustoßen. Wenn kein genaues Timing eingehalten wird, weisen die Muster Streifen und Inkonsistenzen in dem gedruckten Muster oder der Linie auf. Es ist akzeptabel, daß der Bediener die Ausstoßdichte durch schnelleres oder langsameres Bewegen des Stiftes über die Schreiboberfläche verändern kann, was sicher interessante Wirkungen haben kann, jedoch muß die Software die Wiederholrate genau beibehalten. Daher wird die Drucksteuerung von dem Hardware-Zeitgeber des Mikrocontrollers 57 bestimmt. Mit dem vorliegenden Aufbau kann die Wiederholbarkeit bis im Bereich von 50µs beibehalten werden, was ausreichend klein ist, daß ihre Auswirkung auf die Druckqualität vernachlässigt werden kann.
Die Druckroutine gewinnt das nächste zu druckende Tintenstrahlmuster aus dem lokalen RAM-Speicher, wählt die erforderlichen 12 Datenbits und schreibt diese Pixelinformation an die Düsenzwischenspeicher 65, 66 des ASIC. Das Schreiben von Daten an den zweiten Düsenzwischenspeicher 66 des ASIC löst einen Tintenausstoß aus den Düsen aus. Nach einem ausführlichen Testen auf einer Testeinrichtung wird die Software durch den Vertreiber fest in dem Mikrocontrol ler 57 über ein Verfahren erstellt, das "Maskieren" genannt wird. Dies erzeugt eine kundenspezifische Variante des Mikrocontrollers, die bei der Siliziumverarbeitungsstufe der Produktion hergestellt wird.

Aufbau der elektronischen Hardware

Das Erfordernis für ein Produkt, so klein und stiftähnlich wie möglich zu sein, hat für das Produkt wiederholte Aufmerksamkeit auf den Hardwareaufbau gelenkt. Bei dem Aufbau der elektronischen Hardware besagen diese Beschränkungen, daß die elektronischen Bauteile nicht alle kommerzielle Standardbauteile sein können. Es ist notwendig geworden, den Einsatz von Verfahren der Chipmontage auf der Platine (COB) zu untersuchen. Andere allgemeiner verfügbare Verfahren zum Miniaturisieren der Elektronik, wie Technologien für die Oberflächenmontage von Baugruppen, sind überall im Aufbau angewandt worden.
Zusätzlich zu den Beschränkungen auf ein kleines Produkt wurden ebenfalls die Kosten sorgfältig untersucht. Daher wurden bereits verfügbare Bauteile während des Aufbaus überall dort eingesetzt, wo es möglich war. Große Anstrengungen wurden unternommen, um sicherzustellen, daß der PCB 90, mit dem all die elektronischen Bauteile verbunden sind, ein einfacher, häufig benutzter Typ ist, der folglich kostengünstig ist. Kommerzielle Gütebauteile sind als Bauteile verwendet worden.
Die Chipmontage auf der Platine wurde als das geeignetste Verfahren beim Verbinden von integrierten Schaltungen mit vielen Verbindungen ausgewählt. Der Mikrocontroller und der ASIC weisen jeweils 31 und 43 Verbindungen auf und sind daher für eine COB-Montage geeignet. Integrierte Schaltkreise mit weniger als 20 Verbindungen führen nicht zu wesentlichen Einsparungen des Platinenraums, aufgrund der mit dem Epoxidbeschichtungsspielraum verbundenen Freifläche. Das automatische Filmbondverfahren (TAB) wurde ebenfalls als Alternative zu dem COB für eine Bestückung mit hoher Dichte in Erwägung gezogen. Die Hauptgründe für die Wahl des COB liegen darin, daß diese Technik breiter verfügbar ist, obwohl TAB Vorteile hat gegenüber COB in dem Bereich des individuellen Gerätetestens vor der Bestückung.

Taster 53-55

Die Art der für den Stift ausgewählten Taster ist der Gummischaltermattentyp, wie er in vielen Rechnern und Kameras aus folgenden Gründen gefunden wird:
einfaches zweiteiliges Schaltersystem
sehr geringe Kosten
sehr einfache Zusammenbauerfordernisse
sehr geringes belegtes Volumen
hochqualitativer Mechanismus und Erscheinung
Die Taster bestehen aus einer Gummimatte mit einem leitenden Gummi-"Segment" in jeder Schalterposition. Wenn der Taster gedrückt wird, erzeugt das Segment einen elektrischen Pfad zwischen zwei zwischenliegenden Reihen an "Fingern", die auf dem PCB aufgedruckt sind.
Diese Schalter sind nicht für Anwendungen geeignet, bei denen irgendein größerer Strom geleitet werden muß, sondern lediglich für Schwachstromsignalqualitätsanwendungen. Sie haben keine Kippfähigkeit und können daher lediglich als einfache Drucktaster verwendet werden.

LCD 51

Die Ausführungsform der ausgewählten LCD 51 schafft einen Kontakt mit dem PCB 90 über "Zebra-Streifen". Es gibt verschiedene Methoden zum Befestigen der LCD an dem PCB, jedoch liegt die Lösung mit dem kleinsten Volumen in der Verwendung eines Klebers wie Epoxid. Es ist ein einfaches Fertigen während der Montagestufe erforderlich, um die korrekte Ausrichtung sicherzustellen.

Ladungsverbindungsstück 91

Die Funktion des Ladungsverbindungsstücks 91 setzt nicht voraus, daß es an einer speziellen Stelle angeordnet werden muß, obwohl es nur einige wenige Positionen gibt, wo es infolge seiner Größe und Form passen würde. Die ausgewählte Stelle direkt hinter der Patronenfläche ist ein Bereich mit passender Breite, da diese sich von der Patrone zu dem schmalen Bereich um den PCB verjüngt. Es ist an das untere Ende des PCB 90 angepaßt und bildet als solches einen Teil der PCB-Batterie-Unteranordnung aus.

Ein/Aus-Schalter 52

Der Ein/Aus-Schalter muß den Hauptstromversorgungsschaltkreis von der Batterie schließen und als solcher eine Belastungsgrenze für Spitzenströme um 1A aufweisen. Es ist für ihn wünschenswert, an dem PCB angebracht zu sein, um ihn in dem Modul der PCB/Batterie-Unteranordnung aufzunehmen. Die Figuren 5A-5C zeigen die Anordnung des Schalters 52.

Flexibler Schaltkreis 93 des Substrates (Figur 14)

Das Tintendüsensubstrat 21 weist 13 Flächen 32 auf, an die Strom von Kontaktflächen 92 angelegt werden muß, um diese anzusteuern. Es sind zwölf Düsen vorgesehen, wobei jede von ihnen eine zugewiesene Kontaktfläche aufweist; die dreizehnte Fläche ist eine "gemeinsame" Fläche.
Die in der Tintenstrahlpatrone zum Herstellen der Verbindung verwendete Technik besteht aus einem flexiblen Schaltkreis 93 mit profilierten Punkten, entsprechend jeder Fläche, und einem Gummiträgerstück 95 zum Bereitstellen des Kontakt druckes. Die gemessene Kontaktkraft an jeder Fläche ist ungefähr 20g, was eine totale Kraft von ungefähr 300g ausmacht. Die Ausrichtung und Kompression der Flächen ist offensichtlich kritisch, um einen zuverlässigen Kontakt sicherzustellen.
Alternative Kontaktsysteme wurden in Betracht gezogen, jedoch zeigt der angewendete Ansatz all die für den Stift erforderlichen Qualitäten, beispielsweise; sehr kompakt, wenige Bauteile, einfach, sehr zuverlässig, relativ kostengünstig.
Flexible Schaltkreise sind in zwei grundsätzlichen Materialformaten verfügbar:
Polyamid, das erforderlich ist, wenn die Herstellung gelöteter Kontakte für den Schaltkreis notwendig wird, da es ausreichend hohe Temperaturen aushalten kann.
Polyester - eine wesentlich kostengünstigere Version, die jedoch keine gelöteten Verbindungen erlaubt. Ungefähr der halbe Preis von Polyamid.
Die Kontaktflächen 92 sind in zwei dem Substrat 21 entsprechenden Linien angeordnet und die Verbindungen von jeder Kontaktlinie reichen die zwei Arme 95 des flexiblen Schaltkreises hinauf. Die Verbindungen sind an den Enden jedes Armes in zwei "Rosetten"-Anordnungen 94 ausgebildet. Diese werden an den PCB mittels einer Schraube durch das zentrale Loch festgeklemmt. Gegenüberliegende Unterlegscheiben auf jeder Seite werden aus einem Hartgummi oder einem ähnlichen Material hergestellt und halten den Kontaktdruck während der Lebenszeit des Stiftes aufrecht.

Claims

1. Handhaltbare Schreibvorrichtung mit einem länglichen Gehäuse (1),

einem elektrisch betätigten Schreibkopf (18/20) zum Erstellen von Markierungen auf einer Schreiboberfläche;

einem Sensor (4) zum Erfassen einer Bewegung des Schreibkopfes in irgendeiner Richtung in einer Ebene parallel zu der Oberfläche ohne Rotation der Vorrichtung um ihre longitudinale Achse; und

Mittel zum Veranlassen, daß der Kopf (18/20) betätigt wird, um ein Schreiben zu bewirken, wenn der Sensor (4) die Bewegung des Schreibkopfes relativ zu der Oberfläche erfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Schreibkopf (18/20) derart ausgelegt ist, daß er geeignet ist, eine Vielzahl unterschiedlicher Typen oder Größen von Markierungen auf einer Schreiboberfläche zu erstellen; und ferner mit Mitteln (8-11, 19) zum Auswählen, welcher der unterschiedlichen Markierungstypen oder -größen erstellt werden soll.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der Bewegungssensor ein Vibrationssensor (4) ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher der Schreibkopf einen Mehrdüsen-Tintenstrahl- Schreibkopf (18/20) aufweist, der derart ausgelegt sein kann, unterschiedliche Markierungsmuster, Markierungsdichten, Markierungen verschiedener Breite zu erstellen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die einen Eindüsen-Tintenstrahl-Schreibkopf (22) enthält, und bei welcher die Größe des erzeugten Tröpfchens durch die Auswahlmittel (8-11) eingestellt werden kann, beispielsweise zum Variieren der Breite einer Linie, die gezeichnet wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die eine Batterie (12/62) aufweist, um einen elektronischen Schaltkreis zum Überwachen einer Vielzahl an Schaltern (8-11), für die Auswahl, welcher/welche aus einer Anzahl unterschiedlicher Markierungstypen oder -größen erstellt werden soll, und den Sensor (4) und zum Erzeugen der geeigneten Signale zur Steuerung des Schreibkopfes (18/20) mit elektrischem Strom zu versorgen, und um einen elektronischen Stromversorgungsschaltkreis (63) zum Ansteuern der Köpfe und der Elektronik mit den notwendigen elektrischen Versorgungen mit elektrischem Strom zu versorgen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die einen Vorrat an Markierungsflüssigkeit aufweist, der in einer austauschbaren Patrone (30) vorgesehen ist, wobei die Patrone auch mit dem Schreibkopf (20) bestückt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Patrone (30) rotierbar in der Vorrichtung angebracht ist gegen die Vorspannwirkung einer Feder (39) und in Position gehalten wird, der Schreibkopf (20) eine Vielzahl an Kontakten (32) aufweist, durch dem Kopf Signale von einem Verbindungsstück zugeführt werden und die mittels einer Feder gegen das Verbindungsstück gehalten werden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher der Sensor (4) ein piezo-elektrischer Vibrationssensor ist, der die Vibration eines Stiftes bzw. einer Nadel erfaßt, wenn dieser sich über die Schreiboberfläche bewegt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die ein Druckerfassungsmittel (40) zum Bestimmen des von dem Bediener auf das Schreibgerät ausgeübten Druckes enthält, wobei Signale von dem Druckerfassungsmittel verwendet werden, beispielsweise für die Auswahl, welche aus einer Vielzahl unterschiedlicher Linienbreiten die Vorrichtung erzeugt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher das Druckerfassungsmittel (40) einstückig mit dem Bewegungssensor (40) ist zum Reduzieren der Bauteilanzahl.