EP0013918B1 - Schaltungsanordnung zur temperaturabhängigen Spannungsregelung für piezoelektrische Schreibdüsen in Tintenmosaikschreibeinrichtungen - Google Patents

Schaltungsanordnung zur temperaturabhängigen Spannungsregelung für piezoelektrische Schreibdüsen in Tintenmosaikschreibeinrichtungen Download PDF

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EP0013918B1
EP0013918B1 EP80100141A EP80100141A EP0013918B1 EP 0013918 B1 EP0013918 B1 EP 0013918B1 EP 80100141 A EP80100141 A EP 80100141A EP 80100141 A EP80100141 A EP 80100141A EP 0013918 B1 EP0013918 B1 EP 0013918B1
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Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for temperature-dependent voltage regulation of the control voltages required for the operation of piezoelectric writing nozzles in ink mosaic writing devices with a control circuit assigned to each writing nozzle, in which a voltage converter circuit is provided, the secondary-side inductance of which forms an oscillating circuit together with the capacitance of the writing nozzle and which also has a voltage divider contains an adjustable resistor for setting the control voltage.
  • Ink nozzles that use the piezoelectric principle are used in ink mosaic writing devices.
  • tubular drive elements made of polarized ceramic containing writing fluid are used, the diameter of which narrows in the direction of the polarization voltage when an electrical voltage is applied, and widens against the polarity voltage when an electrical voltage is applied.
  • a circuit arrangement for generating the voltages required to control the writing nozzles (DE-OS 2 548 691), with which the writing nozzles in the idle state are expanded by applying a voltage opposite to the polarity voltage, and this extended state is maintained for a defined time, and that for ejecting the ink droplet, the writing nozzle is brought from an expanded to a narrowed state by changing the polarity of a control voltage which causes the expanded state.
  • the known circuit arrangement contains a voltage converter circuit whose inductance on the secondary side, in conjunction with the capacitance of the writing nozzle, forms an oscillating circuit damped by an attenuator.
  • a device for adjusting the control voltage is provided, with which the primary current in the voltage converter circuit can be limited.
  • This known control of the writing nozzles has the advantage that a very large stroke can be generated with relatively small changes in voltage on the ceramic tube of the writing nozzle.
  • the control voltage for the writing nozzles can be set individually for each writing nozzle, which is particularly advantageous for ink mosaic writing devices in which the writing head each contains several writing nozzles. In this case, a separate control circuit is provided for each writing nozzle.
  • the mode of operation of the writing nozzles necessary for normal and trouble-free operation depends not only on the supply with a very specific, individually adjustable control voltage; of equal importance is also the dependence on the viscosity of the writing fluid.
  • the viscosity of the ink used as a writing fluid is now largely temperature-dependent. It changes even with slight changes in the ambient temperature.
  • ink jet recorder in which ink is fed to a single nozzle under constant pressure and ejected from it in the form of ink droplets and then accelerated on the output side under the action of an electrostatic field generated between the nozzle and electrodes with the aid of a high-voltage generator, it has therefore already become known using a temperature sensor to record the ink temperature and to change the output voltage of the high-voltage generator as a function of this, in order to keep the temperature-dependent discharge frequency of the droplets at a constant value by means of the output voltage of the high-voltage generator, which also influences the discharge frequency, which also keeps the droplet size constant (DE-A-2 353 525).
  • this arrangement is not suitable for ink mosaic writing devices with writing nozzles operating according to the piezoelectric principle, since here the ejection frequency is predetermined by the pulse frequency of the control voltage pulses driving the writing nozzles.
  • the use of this known arrangement must be ruled out.
  • the temperature compensation is carried out in such a way that either the charging or the deflection voltage of a downstream charging or deflection electrode is changed accordingly (US Pat. No. 3,971,039). A change in the control voltage pulses is not provided here.
  • the object of the invention is to provide a control device with which the control voltage values for the individual piezoelectric writing nozzles of an ink mosaic writing device set at a predetermined temperature can be changed jointly depending on temperature changes.
  • control circuits provided for generating the control voltages required for the individual writing nozzles can only be changed very slightly, but the principle of their mode of operation, in particular the possibility of individually setting the parameters for the required control voltages can be maintained, and that a change in the control voltages caused by temperature changes detects all control circuits together.
  • each of the, for example, 12 writing nozzles 1 is assigned a control circuit 2, via which each writing nozzle is supplied with the control voltage required for it.
  • the structure of a control circuit 2 is known per se.
  • the pulses present at a pulse input 3 pass through a driver stage 4 for adaptation to the voltage conditions of the circuit arrangement to an amplifier stage 5, which is constructed from integrated transistors in a Darlington circuit.
  • the amplifier stage 5 is followed by the primary winding of a voltage converter circuit 6, via which the writing nozzle 1 is decoupled from the amplifier stage 5.
  • the secondary inductance of the voltage converter circuit 6 forms, together with the capacitance of the writing nozzle 1, an oscillating circuit which is damped on one side by the series connection of a resistor 7 with a diode 8.
  • the voltage supply to the control circuit 2 takes place via the connections 9 and 10 of a common voltage supply.
  • the operation of the control circuit 2 is as follows.
  • the amplifier stage 5 becomes conductive through a pulse arriving via the pulse input 3, so that the primary winding of the voltage converter circuit 6 is flowed through by the current, which induces a voltage surge in the secondary winding.
  • the resonant circuit formed from the secondary inductance of the voltage converter circuit 6 and the capacitance of the writing nozzle 1 is triggered. If the current is switched off at the end of the pulse, a voltage is induced in the opposite direction.
  • the control circuit contains a device for adjusting the base voltage for the amplifier stage 5. This is done using a voltage divider circuit consisting of resistors 11 and 12 and a limiter diode 13. At the dividing point of the voltage divider circuit the base voltage for the amplifier circuit 5 can be set in such a way that a current limitation in the voltage converter circuit 6 is achieved in connection with the emitter resistor 14, whereby a simple adaptation to the individual voltage requirement of the writing nozzle 1 is possible.
  • the adjustable resistors of the voltage divider are each connected to a constant voltage.
  • the controllable resistors 12 of the voltage dividers of all control circuits 2 are jointly connected to the output 15 of a control circuit 16, which supplies an output voltage which is dependent on the ambient temperature.
  • the control circuit 16 contains a temperature-dependent resistor 20, which is preferably a thermistor, and as a control device an operational amplifier 24 with a downstream transistor 25.
  • the non-inverting input of the operational amplifier 24 is connected to a first voltage divider 17, 18, 19, which also has the temperature-dependent resistor 20 contains.
  • the inverting input of the operational amplifier 24 is connected to a second voltage divider 21, 22.
  • negative feedback is provided via an adjustable resistor 26 bridged by a diode 27.
  • the mode of operation of the arrangement according to the invention is as follows.
  • the control device 24 and 25 is set in such a way that at room temperature at the output 15 of the control circuit 16 a sufficient voltage for operating the writing nozzles is emitted.
  • the individual target voltages for the individual writing nozzles 1 are then set via the adjustable resistors 12.
  • the resistance value of the temperature-dependent resistor 20 and thus the output voltage of the control circuit 16 also change. This is available via the controllable resistors 12 to the inputs of the control circuits 2 connected in parallel and leads to the control voltages for the individual writing nozzles 1 being proportional the change in the output voltage at output 15 can be changed.
  • the adjustable resistor 26 is provided in the negative feedback branch of the control device 24 and 25.
  • the voltage present at the non-inverting input of the operational amplifier 24 is set via the adjustable resistor 18 of the first voltage divider in such a way that the voltage at the inverting input of the operational amplifier 24 corresponds to the output voltage at output 15 at room temperature.
  • controllable resistor 26 arranged in the negative feedback branch is bridged by a diode 27, which becomes conductive at high temperatures and thus at a low control voltage and amplifies the negative feedback. This reduces the control steepness at high temperatures and the control steepness set via the adjustable resistor 26 is only fully effective at low temperatures.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur temperaturabhängigen Spannungsregelung der zum Betrieb von piezoelektrischen Schreibdüsen erforderlichen Steuerspannungen in Tintenmosaikschreibeinrichtungen mit einer jeder Schreibdüse zugeordneten Steuerschaltung, in der eine Spannungswandlerschaltung vorgesehen ist, deren sekundärseitige Induktivität zusammen mit der Kapazität der Schreibdüse einen Schwingkreis bildet und die weiterhin einen Spannungsteiler mit einem einstellbaren Widerstand zur Einstellung der Steuerspannung enthält.
  • In Tintenmosaikschreibeinrichtungen finden Schreibdüsen Verwendung, die nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeiten. Dazu werden röhrenförmige, Schreibflüssigkeit enthaltende Antriebselemente aus polarisierter Keramik verwendet, deren Durchmesser sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung in Richtung der Polarisationsspannung verengt, bei Anlegen einer elektrischen Spannung entgegen der Polaritätsspannung erweitert.
  • Zur Erzeugung der zur Steuerung der Schreibdüsen erforderlichen Spannungen ist eine Schaltungsanordnung bekannt (DE-OS 2 548 691), mit der die im Ruhezustand befindlichen Schreibdüsen durch Anlegen einer der Polaritätsspannung entgegengerichteten Spannung erweitert, und dieser erweiterte Zustand eine definierte Zeit aufrechterhalten wird, und dass zum Ausstossen des Tintentröpfchens die Schreibdüse aus einem erweiterten in einen verengten Zustand durch Polaritätswechsel einer, den erweiterten Zustand hervorrufenden Steuerspannung gebracht wird. Die bekannte Schaltungsanordnung enthält dazu eine Spannungswandlerschaltung, deren sekundärseitige Induktivität in Verbindung mit der Kapazität der Schreibdüse einen über ein Dämpfungsglied gedämpften Schwingkreis bildet. Zur Einstellung der Höhe der an den Schreibdüsen anliegenden Steuerspannung ist eine Einrichtung zur Einstellung der Steuerspannung vorgesehen, mit der der Primärstrom in der Spannungswandlerschaltung begrenzbar ist. Diese bekannte Ansteuerung der Schreibdüsen hat den Vorteil, dass damit ein sehr grosser Hub bei relativ kleinen Spannungsänderungen am Keramikröhrchen der Schreibdüse erzeugt werden kann. Weiterhin kann die Steuerspannung für die Schreibdüsen individuell für jede Schreibdüse eingestellt werden, was insbesondere für Tintenmosaikschreibeinrichtungen von Vorteil ist, bei denen der Schreibkopf jeweils mehrere Schreibdüsen enthält. In diesem Falle ist für jede Schreibdüse eine eigene Steuerschaltung vorgesehen.
  • Die für einen normalen und störungsfreien Betrieb notwendige Arbeitsweise der Schreibdüsen hängt jedoch nicht nur von der Versorgung mit einer ganz bestimmten individuell einstellbaren Steuerspannung ab; von ebenso grosser Bedeutung ist daneben auch die Abhängigkeit von der Viskosität der Schreibflüssigkeit. Die Viskosität der als Schreibflüssigkeit verwendeten Tinte ist nun aber in starkem Masse temperaturabhängig. Sie ändert sich bereits bei geringen Änderungen der Umgebungstemperatur.
  • Bei einem Tintenstrahlschreiber, bei dem Tinte unter gleichbleibendem Druck einer einzelnen Düse zugeführt und von dieser in Form von Tintentröpfchen ausgestossen und dann ausgangsseitig unter Wirkung eines zwischen der Düse und Elektroden mit Hilfe eines Hochspannungsgenerators erzeugten elektrostatischen Feldes beschleunigt wird, ist es deshalb bereits bekannt geworden, mit Hilfe eines Temperaturfühlers die Tintentemperatur zu erfassen und in Abhängigkeit davon die Ausgangsspannung des Hochspannungsgenerators zu verändern, um die temperaturabhängige Ausstossfrequenz der Tröpfchen mittels der Ausgangsspannung des Hochspannungsgenerators, welche gleichfalls die Ausstossfrequenz beeinflusst, auf einen konstanten Wert zu halten, womit auch die Tröpfchengrösse konstant bleibt (DE-A-2 353 525). Diese Anordnung ist jedoch für Tintenmosaikschreibeinrichtungen mit nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeitenden Schreibdüsen nicht geeignet, da hier die Ausstossfrequenz durch die Impulsfrequenz der die Schreibdüsen ansteuernden Steuerspannungsimpulse vorgegeben ist. Insbesondere in Vorrichtungen, in denen eine Vielzahl von Düsen des Schreibkopfes mit individuellen Steuerspannungen versorgt werden müssen, und in denen die Steuerschaltungen zur Erzeugung der individuell einstellbaren Steuerspannungen den einzelnen Schreibdüsen jeweils zugeordnet sind, muss der Einsatz dieser bekannten Anordnung ausscheiden.
  • In einer anderen Steuerschaltung für eine piezoelektrisch betriebene Schreibdüse wird die Temperaturkompensation in der Weise durchgeführt, dass entweder die Auflade- oder die Ablenkspannung einer nachgeschalteten Auflade- bzw. Ablenkelektrode entsprechend verändert wird, (US-A-3 971 039). Eine Änderung der Steuerspannungsimpulse ist hier nicht vorgesehen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regeleinrichtung zu schaffen, mit der die bei einer vorgegebenen Temperatur eingestellten Steuerspannungswerte für die einzelnen piezoelektrischen Schreibdüsen einer Tintenmosaikschreibeinrichtung abhängig von Temperaturänderungen gemeinsam geändert werden können.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den einzelnen Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Es ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass die zur Erzeugung der für die einzelnen Schreibdüsen notwendigen Steuerspannungen vorgesehenen Steuerschaltungen nur ganz geringfügig zu ändern sind, wobei jedoch das Prinzip ihrer Wirkungsweise, insbesondere die Möglichkeit der individuellen Einstellung der für die einzelnen Schreibdüsen erforderlichen Steuerspannungen beibehalten werden kann, und dass eine durch Temperaturänderungen bedingte Änderung der Steuerspannungen alle Steuerschaltungen gemeinsam erfasst.
  • Weitere Einzelheiten der .Erfindung werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.
  • Dort ist jeder der beispielsweise 12 Schreibdüsen 1 eine Steuerschaltung 2 zugeordnet, über die jede Schreibdüse mit der für sie erforderlichen Steuerspannung versorgt wird. Der Aufbau einer Steuerschaltung 2 ist an sich bekannt. Die an einem Impulseingang 3 anliegenden Impulse gelangen über eine Treiberstufe 4 zur Anpassung an die Spannungsverhältnisse der Schaltungsanordnung an eine Verstärkerstufe 5, die aus integrierten Transistoren in Darlington-Schaltung aufgebaut ist. Der Verstärkerstufe 5 ist die Primärwicklung einer Spannungswandlerschaltung 6 nachgeschaltet, über die die Schreibdüse 1 von der Verstärkerstufe 5 entkoppelt wird. Die Sekundärinduktivität der Spannungswandlerschaltung 6 bildet zusammen mit der Kapazität der Schreibdüse 1 einen Schwingkreis, der einseitig durch die Serienschaltung eines Widerstandes 7 mit einer Diode 8 bedämpft ist. Die Spannungsversorgung der Steuerschaltung 2 geschieht über die Anschlüsse 9 und 10 einer gemeinsamen Spannungsversorgung. Die Arbeitsweise der Steuerschaltung 2 ist folgende. Durch einen über den Impulseingang 3 eintreffenden Impuls wird die Verstärkerstufe 5 leitend, so dass die Primärwicklung der Spannungswandlerschaltung 6 vom Strom durchflossen wird, der in der Sekundärwicklung einen Spannungsstoss induziert. Dadurch wird der aus der Sekundärinduktivität der Spannungswandlerschaltung 6 und der Kapazität der Schreibdüse 1 gebildete Schwingkreis angestossen. Wird am Ende des Impulses der Strom abgeschaltet, so wird eine Spannung in entgegengesetzter Richtung induziert. Durch eine geeignete Dimensionierung der Dämpfungsmittel 7 und 8 und durch eine Anpassung der Induktivität der Sekundärwicklung der Spannungswandlerschaltung 6 an die Kapazität der Schreibdüse 1 kann ein optimaler Spannungsverlauf für den Betrieb der Schreibdüse erreicht werden. Zur Einstellung der zum Betrieb notwendigen Spannungen für die einzelnen Schreibdüsen 1 enthält die Steuerschaltung eine Einrichtung zur Einstellung der Basisspannung für die Verstärkerstufe 5. Dazu dient eine Spannungsteilerschaltung, die aus den Widerständen 11 und 12 besteht und eine Begrenzerdiode 13. Am Teilerpunkt der Spannungsteilerschaltung kann damit die Basisspannung für die Verstärkerschaltung 5 derart eingestellt werden, dass in Verbindung mit dem Emitterwiderstand 14 eine Strombegrenzung in der Spannungswandlerschaltung 6 zustande kommt, wodurch eine einfache Anpassung an den individuellen Spannungsbedarf der Schreibdüse 1 möglich ist. In der bekannten Steuerschaltung sind die regelbaren Widerstände des Spannungsteilers jeweils an eine konstante Spannung angeschaltet. Bei der erfindungsgemässen Anordnung dagegen sind die regelbaren Widerstände 12 der Spannungsteiler aller Steuerschaltungen 2 gemeinsam an den Ausgang 15 einer Regelschaltung 16 angeschlossen, die eine von der Umgebungstemperatur abhängige Ausgangsspannung liefert. Die Regelschaltung 16 enthält einen temperaturabhängigen Widerstand 20, der vorzugsweise ein Heissleiter ist, und als Regeleinrichtung einen Operationsverstärker 24 mit einem nachgeschalteten Transistor 25. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 24 ist an einen ersten Spannungsteiler 17, 18, 19 angeschlossen, der auch den temperaturabhängigen Widerstand 20 enthält. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 24 ist an einen zweiten Spannungsteiler 21, 22 angeschlossen. Weiterhin ist eine Gegenkopplung über einen durch eine Diode 27 überbrückten einstellbaren Widerstand 26 vorgesehen.
  • Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Anordnung ist dabei folgende.
  • Mit Hilfe des im ersten Spannungsteiler enthaltenen einstellbaren Widerstandes 18, der beispielsweise ein Potentiometer sein kann, wird die Regeleinrichtung 24 und 25 derart eingestellt, dass bei Raumtemperatur am Ausgang 15 der Regelschaltung 16 eine zum Betrieb der Schreibdüsen ausreichende Spannung abgegeben wird. Über die regelbaren Widerstände 12 werden dann die individuellen Sollspannungen für die einzelnen Schreibdüsen 1 eingestellt. Mit Änderung der Umgebungstemperatur ändert sich auch der Widerstandswert des temperaturabhängigen Widerstandes 20 und damit die Ausgangsspannung der Regelschaltung 16. Diese steht aüber die regelbaren Widerstände 12 den parallelgeschalteten Eingängen der Steuerschaltungen 2 zur Verfügung und führt dazu, dass die Steuerspannungen für die einzelnen Schreibdüsen 1 proportional zu der Änderung der Ausgangsspannung am Ausgang 15 geändert werden.
  • Zur Einstellung der Regelsteilheit ist im Gegenkopplungszweig der Regeleinrichtung 24 und 25 der einstellbare Widerstand 26 vorgesehen. Um zu vermeiden, dass eine möglicherweise notwendige Korrektur der Steilheit einen Einfluss auf die Ausgangsspannung bei Raumtemperatur hat, wird die am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 24 anliegende Spannung über den regelbaren Widerstand 18 des ersten Spannungsteilers derart eingestellt, dass die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 24 der Ausgangsspannung am Ausgang 15 bei Raumtemperatur entspricht.
  • Um zu vermeiden, dass die Regelspannung bei hohen Temperaturen nicht zu stark abfällt, ist der im Gegenkopplungszweig angeordnete regelbare Widerstand 26 durch eine Diode 27 überbrückt, die bei hohen Temperaturen und damit bei einer kleinen Regelspannung leitend wird und die Gegenkopplung verstärkt. Damit wird die Regelsteilheit bei hohen Temperaturen verkleinert und die über den regelbaren Widerstand 26 eingestellte Regelsteilheit wird nur bei tiefen Temperaturen voll wirksam.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur temperaturabhängigen Spannungsregelung der zum Betrieb von piezoelektrischen Schreibdüsen erforderlichen Steuerspannungen in Tintenmosaikschreibeinrichtungen mit einer jeder Schreibdüse zugeordneten Steuerschaltung, in der eine Spannungswandlerschaltung vorgesehen ist, deren sekundärseitige Induktivität zusammen mit der Kapazität der Schreibdüse einen Schwingkreis bildet, und die weiterhin einen Spannungsteiler mit einem einstellbaren Widerstand zur Einstellung der Steuerspannung enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der einstellbare Widerstand (12) jeweils mit dem Ausgang (15) einer für alle Steuerschaltungen (2) gemeinsamen Regelschaltung (16) verbunden ist, die eine über einen temperaturabhängigen Widerstand (20) steuerbare Regeleinrichtung (24, 25, 26, 27) enthält und über diese ausgangsseitig eine sich mit der Umgebungstemperatur ändernde Ausgangsspannung an die Widerstände (12) abgibt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als temperaturabhängiger Widerstand (20) ein in einer ersten Spannungsteilerschaltung (17, 18, 19) angeordneter Heissleiter verwendet wird, dass die Regeleinrichtung einen Operationsverstärker (24), einen diesem nachgeschalteten Transistor (25) und eine Gegenkopplung (26, 27) enthält, und dass der Operationsverstärker (24) an seinem invertierenden Eingang an eine Vorspannung (über 21, 22, 23) angeschaltet ist und an seinem nichtinvertierenden Eingang mit der an der ersten Spannungsteilerschaltung (17, 18, 19, 20) abgegriffen und entsprechend der sich durch Änderung des Widerstandswertes des temperaturabhängigen Widerstandes (20) ändernden Spannung steuerbar ist.
3. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers (24) mit dem Abgriff eines regelbaren Widerstandes (18) der ersten Spannungsteilerschaltung (17, 18, 19, 20) verbunden ist, und dass der regelbare Widerstand (18) derart eingestellt ist, dass bei Raumtemperatur die Spannung am Ausgang (15) der Regelschaltung (16) der am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (24) anliegenden Spannung entspricht.
4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gegenkopplung zwischen dem Ausgang und dem Eingang der Regeleinrichtung (24, 25) ein regelbarer Widerstand (26) vorgesehen ist.
5 Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der regelbare Widerstand (26) der Gegenkopplung durch eine Diode (27) überbrückt ist.
EP80100141A 1979-01-29 1980-01-11 Schaltungsanordnung zur temperaturabhängigen Spannungsregelung für piezoelektrische Schreibdüsen in Tintenmosaikschreibeinrichtungen Expired EP0013918B1 (de)

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