EP0377599B1 - Druckeinrichtung mit einem elektrothermisch betriebenen druckkopf - Google Patents

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EP0377599B1
EP0377599B1 EP88907115A EP88907115A EP0377599B1 EP 0377599 B1 EP0377599 B1 EP 0377599B1 EP 88907115 A EP88907115 A EP 88907115A EP 88907115 A EP88907115 A EP 88907115A EP 0377599 B1 EP0377599 B1 EP 0377599B1
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EP
European Patent Office
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change
heating
state
printing
heating elements
Prior art date
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EP88907115A
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French (fr)
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Josef Pöppel
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
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    • B41J2202/00—Embodiments of or processes related to ink-jet or thermal heads
    • B41J2202/01—Embodiments of or processes related to ink-jet heads
    • B41J2202/17—Readable information on the head

Definitions

  • the invention relates to a printing device according to the preamble of claim 1 and a method for its operation.
  • Printing devices of the type mentioned at the outset are known either as thermal transfer printing devices or as bubble jet printing devices. They are commonly referred to as electrothermal or thermoelectric printers.
  • a ribbon containing solid color is locally heated depending on the character using a thermal comb and thus liquefies the ink point by character and transferred to a recording medium arranged behind the ribbon.
  • Heating elements of electrothermally operated printers generally consist of semiconductor resistance elements which are driven in pulses by means of a heating current.
  • the writing speed that can be achieved with such printers is essentially limited by the size of the residual heat of a writing process and by its dissipation. At high write frequencies, the print head heats up until its function can no longer be guaranteed.
  • the basic temperature dependent on environmental influences the print head has a significant influence.
  • thermoelectric printheads In order to ensure the safe operation of thermoelectric printheads, it has previously been customary to design the level of the write frequency for continuous operation of all writing or heating elements and to adapt the heating time of the heating elements to the most unfavorable operating conditions and to the tolerances of the writing mechanism.
  • German Patent Application 36 12 469 describes an electrothermally operated printing device in which the operating frequency of the ink print head is changed in accordance with the temperature.
  • the temperature of the ink print head is detected by a temperature sensor attached to the head.
  • Such a temperature measurement is inaccurate because in principle it only records the average temperature of all heating elements, but not the temperature behavior of an individual heating element. Furthermore, such a temperature measurement has a large lag in relation to the heat emission of the individual heating elements. E.g. if a single heating element is operated in continuous operation, this quickly leads to local overheating, but the total heat transfer to the head is low.
  • a device for ejecting liquid droplets using thermal energy is also known.
  • a conductive sensor element is arranged at a distance from the heating element of a nozzle.
  • the object of the invention is therefore to provide a device in a printing device of the type mentioned at the outset which makes it possible to record the temperature behavior of each individual heating element even during printing operation.
  • a sensor device that detects the change in state of the writing medium on each heating element is provided, which detects the change in the conductance of the heating elements that occurs when the state changes, and generates a sensor signal as a function thereof, enables a write head with several such heating elements to be optimally controlled.
  • the detection of the change of state via the master value detection corresponds to a selective heating element temperature measurement.
  • the writing speed can thereby be dynamically adapted to the thermal load, the other temperature components, such as ambient temperature, temperature of the writing fluid, etc., being automatically taken into account during operation.
  • the operating frequency of the printhead can be controlled as a function of the element which is most thermally loaded.
  • the determination of the change in state can also be used to measure the heating-up time at a predetermined voltage during manufacture of the printhead and as a comparison value for one use static as well as the initial value for a dynamic adjustment of the heating time.
  • the thermal load can be calculated from the determined sequence of actuation of the heating elements and the heating duration can be dynamically adjusted.
  • this heating-up time of the heating elements becomes shorter and shorter until the change of state as the temperature rises, this heating-up time can be used in a simple manner for controlling the writing speed and for function monitoring according to one embodiment of the invention.
  • the minimum heating-up time which should not be undercut, can easily be determined during a test run at a defined head temperature.
  • a limit value used and stored in an evaluation circuit arrangement can optionally be derived from this.
  • the invention is of particular importance for the determination of the change of state in ink printing devices (so-called bubble jet printing devices).
  • the determination of the change of state from gas to liquid, i.e. of the dew point or the time of the gas bubble collapse conveys the time for controlling the next heating cycle.
  • Dead times can thus be avoided and the operating behavior can be precisely recorded and optimized.
  • Inks of such consistency and evaporation and condensation behavior are found in such ink printheads used, their different temperature behavior can be determined by determining the state of the time of the change of state and compensated for by appropriately trained compensation devices.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of the change in the conductance of the heating elements as a function of the time during droplet generation, represented by the change in current over time.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the dependence of the evaporation and condensation parameters on the spray frequency.
  • FIG. 3 shows a block diagram of an embodiment of the invention for a bubble jet printer
  • 4 and 5 are schematic representations of the detection of the change of state in production by a printer-independent sensor device and the detection of the adjustment values stored in the print head in the printer.
  • ink drops are expelled by steam bubbles.
  • Ink is evaporated on a very small heating surface to create a drop.
  • the resulting vapor bubble enlarges and pushes the still liquid ink out of the nozzle.
  • the bubble then condenses and collapses.
  • the heating elements consist of ink-resistant resistance elements, preferably of semiconductor material, which are controlled via a height defined in a square-wave voltage pulse. This can be done, for example, by switching on a supply voltage. It can be observed that the size of the ejected Drops or their speed depends on the heating power, ie essentially on the level of the voltage pulse.
  • the duration of the applied pulse has no effect on the size of the droplet, as when the boiling point of the ink on the heating element reaches the vapor bubbles, the formation of vapor bubbles takes place automatically, since in principle further heat supply is interrupted due to the gas formation on the heating element.
  • the transition i.e. the change of state from liquid to gase causes a faster change in the resistance or conductance on the heating element.
  • FIG. 1 shows in principle the standardized representation of the changes in the conductance of the heating element, expressed by the change in current ⁇ J in the heating element as a function of the time T when a constant excitation pulse of defined length is applied.
  • the current change ⁇ J is based on the initial current value at the start of heating.
  • a rectangular pulse with a pulse voltage level of 22.5 V and a duration of 6 microseconds is applied to a semiconductor heating element of a commercially available bubble jet print head. From the standardized representation it can be seen that the change in current and thus the change in conductance up to the point in time of the formation of vapor bubbles TV as a result of the heating is approximately one T - History shows. At the time of the formation of vapor bubbles TV, a kink in the curve can be observed, since due to the reduced heat dissipation at the heating element, the latter now heats up more and thus the conductivity changes faster.
  • the evaporation time is defined by the evaporation time TV and the evaporation conductance measured via the current change ⁇ JV.
  • the heating element cools down again and at time TK the vapor bubble condenses. This changes the rate of change in the conductance value and thus causes a new kink in the conductance curve.
  • the time of condensation is defined by the change in current ⁇ JK at the time of condensation TK.
  • the dependence of the evaporation and condensation parameters as a function of the spray frequency F is now shown in FIG.
  • the ordinate denotes the current change values ⁇ I and the evaporation time TV on the one hand through the value scale 1-10 and the condensation time TK on the other hand through the value scale 27-35.
  • the abscissa shows the operating frequency F in a logarithmic representation.
  • the continuous operating frequency of the ink print head described here is 1.2 kHz (FD).
  • the print head temperature increases with increasing spray frequency F.
  • the evaporation and condensation temperatures behave like fixed points. For this reason, the distance between the base temperature and the evaporation and condensation temperatures at high frequencies becomes smaller, which can be seen in the falling current and conductance changes ⁇ IV, ⁇ IK of the evaporation points and the condensation points.
  • the time TV decreases until the evaporation occurs.
  • the time to complete condensation TK increases with increasing basic temperature.
  • the evaporation time TV determined from the start of heating to the time of evaporation or the condensation time TK is a measure of the degree of heating Heating elements and, in principle, a temperature measurement by time measurement takes place when the change of state is detected.
  • the change in state of the writing medium is described using a bubble jet printer.
  • the invention can also be used to detect the change of state in thermal transfer printing devices, e.g. to be able to record the degree of heating and the operating state of the individual heating elements of the thermal comb.
  • the detection of the change of state and thus, in principle, the detection of the temperature or the temperature behavior of the individual heating elements can now be used for various control and regulation purposes on the printer.
  • the heating energy can be limited in a simple manner.
  • the heating pulse can be switched off immediately after evaporation. Unnecessary heating of the print head is avoided, especially at high frequencies. In the example shown in FIG. 1, e.g. shorten the heating time by 2 ⁇ s. At high frequencies, it is 3 ⁇ s. This means that the thermal load on the print head is reduced to up to 40% of the original settings.
  • the invention can adapt the writing speed to the thermal load. This can e.g. by measuring the time until the change of state and controlling the printing speed after comparison with a limit value.
  • the limit value can be recorded during a test run and optimized accordingly.
  • the writing frequency can be controlled according to the heating element which is most thermally loaded.
  • the total thermal load on the print head can also be calculated from the sequence of actuations of the heating elements and the result used for speed control.
  • the invention enables dynamic adaptation of the writing speed.
  • a bubble jet printer (not shown in detail here) contains a writing head 10 with a number of heating elements 11 corresponding to the number of nozzles.
  • the ink printing head 10 is moved line by line along a recording medium 12 in writing operation by means of a mechanism (not shown here) and depending on the one Data source D - which can be, for example, a computer - is controlled via a central control ZS contained in the printer.
  • the central control ZS is constructed in the usual way, for example in accordance with that described in German Offenlegungsschrift 36 12 469, and controls the activation of the heating elements 11 by emitting control pulses 13. In addition, it controls the movement of the printer carriage and the paper feed via the motor control MS.
  • a sensor device S is provided for recognizing the time of evaporation on the heating elements.
  • an evaluation arrangement AA which evaluates the determined thermal state of the individual heating elements and feeds a link arrangement VA.
  • the link arrangement VA brings together the evaluation results of all the heating elements 11 and generates a signal which controls the printing speed (operating frequency) and which is fed to the central control ZS.
  • the function of the individual modules is as follows:
  • the control pulse 13 emanating from the central control is fed to a counting device 14 in the evaluation arrangement AA and thus a counter 14 is reset.
  • the control pulse 13 continues to reset an RS flip-flop 15 dynamically via the reset input R.
  • the output of the flip-flop 15 is present at the input of an AND gate 16, the other input of which is in turn acted upon by the control pulse 13.
  • a logic signal generated in this way is fed to the counter 14 via a quartz 17-clocked AND gate 18 and sets it in operation, on the other hand it is supplied via a driver stage 19 to a differential transformer 20, which means that a heating current in the heating element 11 and in is transmitted via a voltage source 21 a comparison resistor 22 is generated.
  • the comparison resistor 22 has approximately the size of the resistance of the heating element 11 and can be arranged separately from the heating elements 11 in the ink print head 10, for example for reasons of compensation.
  • the resulting current in the heating element 11 is subtracted from the current through the comparison resistor 22 in the differential transformer 20 and the signal thus generated is filtered via a filter network 23. Since the conductance of the heating resistor 11 changes during heating, a correspondingly filtered alternating signal is produced at the input of an amplifier 24.
  • This amplified signal which is filtered via a high-pass filter 25, is fed to an analog comparator 26.
  • the comparator signal is only connected through the AND gate 29 after the time t from the triggering of the heating pulse via pulse 13 to the RS flip-flop 15, with a comparator signal occurring at the time of evaporation ("high" signal).
  • the RS flip-flop 15 is reset and the counter 14 is stopped.
  • the meter reading thus corresponds to the heating time.
  • the driver 19 is switched off at the same time and thus the heating element 11. The heating energy is thus limited to the necessary amount.
  • an error signal can be derived from the not yet reset state of the flip-flop 15, specifically via a corresponding error detection arrangement 30 by comparing the pulse 13 with the output of the RS flip-flop.
  • Flops 15. This error signal can be used to indicate errors, for example can be used on a display 31.
  • the counter reading 14 resulting from the heating duration is compared via a comparator 32 with a limit value stored in a memory 33.
  • This limit value stored in the memory 33 represents a minimum permissible value of the heating time. It is determined before the printing operation in a test run from the heating time in the cold state and is e.g. 90% of this heating time. This test run is e.g. performed in the manufacture of the ink print head.
  • the digital comparator 32 supplies a signal to the logic arrangement VA, which in this case consists of a multiple OR gate and which comprises the individual channels, ie individual evaluation arrangements of the various heating elements.
  • the digital comparator 32 supplies a signal to the multiple-OR gate VA, which switches the printing speed more slowly via the central control.
  • the remaining inputs of the OR gate are connected to the comparator outputs of the other heating elements. The most heavily loaded heating element determines the printing speed.
  • a signal corresponding to the change in conductance was generated in sensor S with the aid of a comparison resistor of a differential transformer.
  • a comparison resistor of a differential transformer instead of such analog elements, however, other elements can also be used, e.g. a digital curve comparison or the like, so that there is no need for transformers.
  • the sensor device S is integrated in the printer.
  • a printer-independent sensor device to record the change in state of the screaming medium on the heating elements during manufacture of the print head and to assign it to each individual print head as a comparison value. This can be done, for example, in accordance with FIG. 4, in that in a test write operation in production, the change in state of the writing medium on the heating element is detected in the manner described using a standard pulse by current measurement, and the heating time of the heating elements is measured until the state changes.
  • This heating period is then stored in a coded form as a calibration value in some form on the ink print head, for example in a memory M or as a calibration element whose value can be changed (a potentiometer or the like).
  • a corresponding sensing device FE FIG. 5
  • the printer is operated with the appropriate standard pulse, this corresponds to the test write operating conditions and the determined values of the change of state can be used in the manner described to control the printer, for example with regard to heating duration limitation and write speed. It is assumed that the operating behavior of the write head does not change significantly over time during operation.

Landscapes

  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Ink Jet (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Druckeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.
  • Druckeinrichtungen der eingangs genannten Art sind entweder als Thermotransfer-Druckeinrichtungen oder als Bubble-Jet-Druckeineinrichtungen bekannt. Sie werden allgemein als elektrothermische oder thermoelektrische Drucker bezeichnet.
  • Bei Thermotransfer-Druckeinrichtungen wird über einen Heizelemente aufweisenden Thermokamm eine feste Farbe enthaltendes Farbband zeichenabhängig lokal erhitzt und so die Farbe zeichenpunktweise verflüssigt und auf einen hinter dem Farbband angeordneten Aufzeichnungsträger übertragen.
  • Bei Bubble-Jet-Tintendruckeinrichtungen, wie sie zum Beispiel in der deutschen Offenlegungsschrift 30 12 946 beschrieben werden sind in einem Tintendruckkopf in Tintenkanälen eine Vielzahl von einzelnen, impulsweise ansteuerbaren Heizelementen enthalten. Diese Heizelemente werden von einer Schreibflüssigkeit umspült und im Schreibbetrieb lokal erhitzt. Die Heizelemente erzeugen lokale Dampfblasen in der Schreibflüssigkeit, die den Ausstoß von Tintentröpfchen aus den Tintenkanälen bewirken.
  • Heizelemente von elektrothermisch betriebenen Druckern bestehen im allgemeinen aus Halbleiterwiderstandselementen, die impulsweise über einen Heizstrom angesteuert werden. Die mit derartigen Druckern erzielbare Schreibgeschwindigkeit ist im wesentlichen begrenzt von der Größe der Restwärme eines Schreibvorganges und durch deren Abfuhr. Bei hohen Schreibfrequenzen erwärmt sich der Schreibkopf, bis seine Funktion nicht mehr gewährleistet ist. Die von Umwelteinflüssen abhängige Grundtemperatur des Schreibkopfes hat dabei einen wesentlichen Einfluß.
  • Um eine sichere Betriebsweise von thermoelektrischen Druckköpfen sicherzustellen, war es bisher üblich, die Höhe der Schreibfrequenz auf Dauerbetrieb aller Schreib- bzw. Heizelemente auszulegen und die Heizdauer der Heizelemente den ungünstigsten Betriebsbedingungen sowie Schreibwerkstoleranzen anzupassen.
  • So wird in der deutschen Offenlegungsschrift 36 12 469 eine elektrothermisch betriebene Druckeinrichtung beschrieben, bei der die Betriebsfrequenz des Tintendruckkopfes entsprechend der Temperatur verändert wird. Die Temperatur des Tintendruckkopfes wird dabei über einen im Kopf angebrachten Temperatursensor erfaßt.
  • Eine derartige Temperaturmessung ist ungenau, weil sie im Prinzip nur die Durchschnittstemperatur aller Heizelemente erfaßt, nicht jedoch das Temperaturverhalten eines einzelnen Heizelementes. Weiterhin hat eine derartige Temperaturmessung einen großen zeitlichen Nachlauf gegenüber der Wärmeabgabe der einzelnen Heizelemente. Wird z.B. ein einzelnes Heizelement im Dauerbetrieb betrieben, so führt dies schnell zu einer lokalen Überhitzung, die Gesamtwärmeabgabe an den Kopf ist jedoch gering.
  • Es ist weiterhin aus der DE-A-33 00 395 eine Vorrichtung zum Ausstoßen flüssiger Tröpfchen unter Verwendung thermischer Energie bekannt. Um festzustellen, ob an einer Düse Flüssigkeit vorhanden ist, ist im Abstand getrennt von dem Heizelement einer Düse ein leitendes Sensorelement angeordnet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, bei einer Druckeinrichtung der eingangs genannten Art eine Einrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht, auch während des Druckbetriebes das Temperaturverhalten jedes einzelnen Heizelementes zu erfassen.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Druckeinrichtung der eingangs genannten Art gemäß dem kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruches gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Dadurch, daß eine den Zustandswechsel des Schreibmediums an jedem Heizelement erfassende Sensoreinrichtung vorgesehen ist, die die beim Zustandswechsel auftretende Leitwertänderung der Heizelemente durch Strommessung erfaßt und abhängig davon ein Sensorsignal generiert, läßt sich ein Schreibkopf mit mehreren derartigen Heizelementen optimal ansteuern.
  • Die Erfassung des Zustandwechsels über die Leitwerterfassung entspricht einer selektiven Heizelementetemperaturmessung.
  • Kennt man aber den Erhitzungsgrad der einzelnen Heizelemente, so kann man entsprechend der momentanen thermischen Belastung erheblich höhere Schreibfrequenzen zulassen, ohne an Zuverlässigkeit zu verlieren.
  • Deaktiviert man die Heizelemente abhängig vom festgestellten Zustandswechsel dadurch, daß man den Heizstrom rechtzeitig abschaltet, so ergibt sich eine geringere thermische Belastung und damit eine höhere Schreibgeschwindigkeit bei gleichzeitigem Betrieb aller Heizelemente.
  • Die Schreibgeschwindigkeit läßt sich dadurch dynamisch der thermischen Belastung anpassen, wobei auch die anderen Temperaturkomponenten, wie Umgebungstemperatur, Temperatur der Schreibflüssigkeit etc. automatisch im Betrieb berücksichtigt werden.
  • Da gemäß der Erfindung das Temperaturverhalten jedes einzelnen Heizelementes erfaßt wird, läßt sich die Betriebsfrequenz des Druckkopfes in Abhängigkeit von dem thermisch am stärksten belasteten Element steuern.
  • Es ist außerdem über den Zustandswechsel möglich, die Funktionsfähigkeit des einzelnen Heizelementes zu überwachen.
  • Über die Feststellung des Zustandswechsels läßt sich außerdem bei der Herstellung des Druckkopfes die Aufheizzeit bei einer vorgegebenen Spannung messen und als Abgleichwert für eine statische, sowie als Ausgangswert für eine dynamische Anpassung der Heizdauer verwenden.
  • Aus der festgestellten Betätigungsfolge der Heizelemente läßt sich die thermische Belastung errechnen und die Heizdauer dynamisch anpassen.
  • Da bei steigender Temperatur die Aufheizzeit der Heizelemente bis zum Zustandswechsel immer geringer wird, läßt sich gemäß einer Ausführungsform der Erfindung diese Aufheizzeit in einfacher Weise zum Steuern der Schreibgeschwindigkeit und zur Funktionsüberwachung verwenden.
  • Wird z.B. die festgelegte Mindestaufheizzeit infolge zu starker Erwärmung unterschritten, wobei dies durch einfachen Vergleich mit einem gespeicherten Mindestwert geschehen kann, so kann dieser Vergleichsvorgang sofort zur Steuerung der Betriebsfrequenz verwendet werden.
  • Die nicht zu unterschreitende Mindestaufheizzeit läßt sich in einfacher Weise bei einem Testlauf bei definierter Kopftemperatur feststellen. Daraus läßt sich gegebenenfalls ein in einer Auswerteschaltungsanordnung verwendeter und gespeicherter Grenzwert ableiten.
  • Von besonderer Bedeutung ist die Erfindung für die Feststellung des Zustandswechsels in Tintendruckeinrichtungen (sog. Bubble-Jet-Druckeinrichtungen). Die Feststellung des Zustandswechsels Gas-flüssig, d.h. des Taupunktes bzw. des Zeitpunktes des Zusammenfallens der Gasblase vermittelt den Zeitpunkt für die Steuerung des nächsten Heizzyklus.
  • Damit können Totzeiten vermieden und das Betriebsverhalten exakt erfaßt und optimiert werden.
  • Werden in derartigen Tintendruckköpfen Tinten unterschiedlicher Konsistenz und unterschiedlichem Verdampfungs- und Kondensationsverhalten verwendet, so läßt sich deren unterschiedliches Temperaturverhalten über die Feststellung des Zustands des Zeitpunktes des Zustandswechsels feststellen und über entsprechend ausgebildete Kompensationseinrichtungen ausgleichen.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen
  • FIG 1 ein schematisches Diagramm der Veränderung des Leitwertes der Heizelemente in Abhängigkeit von der Zeit bei der Tröpfchenerzeugung, dargestellt durch die Stromänderung über die Zeit.
  • FIG 2 ein schematisches Diagramm der Abhängigkeit der Verdampfungs- und Kondensationsparameter von der Spritzfrequenz.
  • FIG 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung für einen Bubble-Jet-Drucker und
  • FIG 4 und 5 schematische Darstellungen der Erfassung der Zustandswechsel in der Fertigung durch eine druckerunabhängige Sensoreinrichtung sowie das Erfassen der im Druckkopf gespeicherte Abgleichwerte im Drucker.
  • Bei Bubble-Jet-Tintenschreibwerken, wie sie z.B. in der deutschen Offenlegungsschrift 30 12 946 beschrieben sind, werden Tintentropfen durch Dampfblasen ausgestoßen. Zur Erzeugung eines Tropfens verdampft man Tinte auf einer sehr kleinen Heizfläche. Die entstehende Dampfblase vergrößert sich und drückt die noch flüssige Tinte aus der Düse. Anschließend kondensiert die Blase und fällt zusammen. Die Heizelemente bestehen dabei aus tintenresistenten Widerstandselementen, vorzugsweise aus Halbleitermaterial, die über einen in Rechteckspannungsimpuls definierter Höhe angesteuert werden. Dies kann z.B. durch Anschalten an eine Versorgungsspannung geschehen. Dabei ist zu beobachten, daß die Größe der ausgestoßenen Tropfen bzw. deren Geschwindigkeit abhängig ist von der Heizleistung, d.h. im wesentlichen von der Höhe des Spannungsimpulses. Bei konstantem Spannungsimpuls ist die Dauer des angelegten Impulses insoweit ohne Einfluß auf die Größe des Tröpfchens, als bei Erreichen der Siedetemperatur der Tinte am Heizelement die Dampfblasenbildung automatisch abläuft, da aufgrund der Gasbildung am Heizelement eine weitere Wärmezufuhr im Prinzip unterbrochen wird.
  • Der Übergang, d.h. die Zustandsänderung von flüssig in gasförmig bewirkt eine schnellere Änderung des Widerstands- bzw. Leitwertes am Heizelement. Dasselbe gilt für den Kondensationszeitpunkt der Dampfblase, einem Zeitpunkt, in dem die Dampfblase zusammenfällt und erneut Tinte die Heizelemente umhüllt.
  • Diese Dampfblasenbildung und Kondensation und die damit zusammenhängende Leitwertänderung am Heizelement ist in der Figur 1 dargestellt. Die Figur 1 zeigt im Prinzip die normierte Darstellung der Veränderungen des Leitwertes des Heizelementes, ausgedrückt durch die Stromänderung Δ J im Heizelement in Abhängigkeit von der Zeit T, wenn man einen konstanten Erregerpuls definierter Länge anlegt. Die Stromänderung Δ J ist bezogen auf den Anfangsstromwert bei Heizbeginn.
  • An ein Halbleiterheizelement eines handelsüblichen Bubble-Jet-Druckkopfes wird zum Zeitpunkt T1 ein Rechteckimpuls von einer Impulsspannungshöhe von 22,5 V und einer Dauer von 6 µs angelegt. Aus der normierten Darstellung erkennt man, daß die Stromänderung und damit die Leitwertänderung bis zum Zeitpunkt der Dampfblasenbildung TV infolge der Erhitzung etwa einen T
    Figure imgb0001
     -Verlauf zeigt. Zum Zeitpunkt der Dampfblasenbildung TV ist ein Knick in der Kurve zu beobachten, da infolge der verringerten Wärmeabfuhr am Heizelement dieses sich jetzt stärker erhitzt und damit der Leitwert sich schneller verändert. Der Verdampfungszeitpunkt ist dabei definiert durch die Verdampfungszeit TV und den Verdampfungsleitwert gemessen über die Stromänderung Δ JV.
  • Zum Zeitpunkt T3 ist der Impuls abgeschaltet, das Heizelement kühlt sich wieder ab und zum Zeitpunkt TK kondensiert die Dampfblase. Dies verändert die Leitwertänderungsgeschwindigkeit und verursacht damit einen erneuten Knick in der Leitwertkurve. Der Kondensationszeitpunkt ist dabei definiert durch die Stromänderung Δ JK zum Kondensationszeitpunkt TK.
  • In der Figur 2 ist nun die Abhängigkeit der Verdampfungsund Kondensationsparameter in Abhängigkeit von der Spritzfrequenz F dargestellt. Die Ordinate bezeichnet die einerseits durch die Werteskala 1 - 10 die Stromänderungswerte ΔI und den Verdampfungszeitpunkt TV sowie andererseits durch die Werteskala 27 - 35 die Kondensationszeit TK. Die Abszisse die Betriebsfrequenz F in logarithmischer Darstellung. Die Dauerbetriebsfrequenz des hier beschriebenen Tintendruckkopfes liegt bei 1,2 kHz (FD).
  • Mit steigender Spritzfrequenz F nimmt die Schreibkopftemperatur zu. Die Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen verhalten sich dagegen wie Fixpunkte. Deswegen wird der Abstand der Grundtemperatur zu den Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen bei hohen Frequenzen geringer, was sich in den fallenden Strom- bzw. Leitwertänderungen Δ IV, Δ IK der Verdampfungspunkte bzw. der Kondensationspunkte zeigt. Darüber hinaus verringert sich die Zeit TV, bis die Verdampfung eintritt. Die Zeit bis zur vollständigen Kondensation TK verlängert sich dagegen mit zunehmender Grundtemperatur.
  • Erfaßt man nun gemäß der Erfindung die am Verdampfungszeitpunkt und dem Kondensationszeitpunkt festzustellende Leitwert- bzw. Widerstandsänderung und damit den Zustandswechsel des Schreibmediums über einen Sensor, so ist die festgestellte Verdampfungszeit TV vom Heizbeginn bis zum Verdampfungszeitpunkt bzw. die Kondensationszeit TK ein Maß für den Erhitzungsgrad der Heizelemente und es findet mit Erfassung des Zustandswechsels im Prinzip eine Temperaturmessung durch Zeitmessung statt.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Zustandswechsel des Schreibmediums anhand eines Bubble-Jet-Druckers beschrieben. Die Erfindung läßt sich jedoch auch zur Erfassung des Zustandswechsels bei Thermotransfer-Druckeinrichtungen verwenden, um damit z.B. den Erhitzungsgrad und den Betriebszustand der einzelnen Heizelemente des Thermokammes erfassen zu können.
  • Die Erfassung der Zustandswechsel und damit im Prinzip die Erfassung der Temperatur bzw. des Temperaturverhaltens der einzelnen Heizelemente läßt sich nun für verschiedene Steuerungsund Regelungszwecke am Drucker ausnutzen.
  • Durch Feststellung der Verdampfungszeit während des Betriebes läßt sich die Heizenergie in einfacher Weise begrenzen. Der Heizimpuls kann sofort nach dem Verdampfen abgeschaltet werden. Eine unnötige Erwärmung des Schreibkopfes wird gerade bei hohen Frequenzen vermieden. Bei dem dargestellten Beispiel der Figur 1 läßt sich z.B. die Heizdauer um 2 µs verkürzen. Bei hohen Frequenzen sind es 3 µs. Das bedeutet eine Verringerung der thermischen Belastung des Schreibkopfes auf bis zu 40% der sich original Einstellenden.
  • Bei gleichem Schreibkopf ist durch dynamisches Abschalten des Heizimpulses eine über 2-fache Dauerschreibgeschwindigkeit gegenüber dem Stand der Technik erreichbar. Geht man von einem normalen Ausdruck von alphanumerischen Zeichen aus, bei denen weniger als 5% der Fläche tatsächlich bedruckt werden, beträgt die durch die Erfindung erreichbare Steigerung der Geschwindigkeit etwa den Faktor 10. Die unterschiedliche Belastung der einzelnen Element ist hier schon enthalten.
  • Weiterhin ist mit der Erfindung eine Funktionsprüfung der einzelnen Heizelemente im Betrieb möglich. Tritt z.B. kein Knick in der den Leitwert repräsentierenden Stromänderungskurve Δ J (FIG 1) bei Erhitzung auf, so ist dies ein Zeichen, daß keine Dampfblase erzeugt wurde. Ein derartiger Funktionsausfall kann dann angezeigt werden.
  • Weiterhin ist es mit der Erfindung möglich, die Schreibgeschwindigkeit der thermischen Belastung anzupassen. Dies kann z.B. dadurch geschehen, daß die Zeit bis zum Zustandswechsel gemessen wird und nach dem Vergleich mit einem Grenzwert die Druckgeschwindigkeit gesteuert wird. Der Grenzwert läßt sich bei einem Testlauf erfassen und entsprechend optimieren. Da außerdem die Temperaturbelastung der Heizelemente für jedes Heizelement einzeln gemessen wird, läßt sich die Schreibfrequenz nach dem thermisch am stärksten belasteten Heizelement steuern.
  • Es läßt sich außerdem aus der festgestellten Folge der Betätigungen der Heizelemente die thermische Gesamtbelastung des Druckkopfes berechnen und das Ergebnis zur Geschwindigkeitssteuerung verwenden.
  • Insgesamt gesehen ist mit der Erfindung eine dynamische Anpassung der Schreibgeschwindigkeit möglich.
  • Diese dynamische Anpassung der Schreibgeschwindigkeit wird nun im folgenden anhand dem Blockschaltbild der Figur 3 beschrieben.
  • Ein hier nicht im einzelnen dargestellter Bubble-Jet-Drucker enthält einen Schreibkopf 10 mit einer der Düsenzahl entsprechenden Anzahl von Heizelementen 11. Der Tintendruckkopf 10 wird über eine hier nicht dargestellte Mechanik im Schreibbetrieb zeilenweise entlang von einem Aufzeichnungsträger 12 bewegt und abhängig von den aus einer Datenquelle D - die z.B. ein Rechner sein kann- über eine im Drucker enthaltene Zentralsteuerung ZS angesteuert. Die Zentralsteuerung ZS ist in üblicher Weise aufgebaut, z.B. entsprechend der in der deutschen Offenlegungsschrift 36 12 469 beschriebenen, und steuert die Ansteuerung der Heizelemente 11 durch Abgabe von Ansteuerimpulsen 13. Außerdem steuert sie die Bewegung des Druckerwagens und den Papiervorschub über die Motorsteuerung MS.
  • Zum Erkennen des Verdampfungszeitpunktes an den Heizelementen ist erfindungsgemäß eine Sensoreinrichtung S vorgesehen.
  • Weiterhin eine Auswerteanordnung AA, die den festgestellten thermischen Zustand der einzelnen Heizelemente auswertet und einer Verknüpfungsanordnung VA zuleitet. Die Verknüpfungsanordnung VA führt die Auswerteergebnisse sämtlicher Heizelemente 11 zusammen und generiert ein die Druckgeschwindigkeit (Betriebsfrequenz) steuerndes Signal, das der Zentralsteuerung ZS zugeleitet wird.
  • Die Funktion der einzelnen Baugruppen ist dabei wie folgt: Der von der Zentralsteuerung ausgehende Ansteuerimpuls 13 wird einer Zähleinrichtung 14 in der Auswerteanordnung AA zugeführt und damit ein Zähler 14 zurückgesetzt. Der Ansteuerimpuls 13 setzt weiterhin ein RS-Flip-Flop 15 über den Rücksetzeingang R dynamisch zurück. Der Ausgang des Flip-Flops 15 liegt am Eingang eines UND-Gliedes 16 an, dessen anderer Eingang wiederum durch den Ansteuerimpuls 13 beaufschlagt ist. Ein so generiertes Verknüpfungssignal wird einerseits über ein Quarz 17 getaktetes UND-Glied 18 dem Zähler 14 zugeführt und setzt diesen in Betrieb, andererseits gelangt es über eine Treiberstufe 19 verstärkt an einen Differentialtransformator 20, wodurch über eine Spannungsquelle 21 ein Heizstrom im Heizelement 11 und in einem Vergleichswiderstands 22 erzeugt wird. Der Vergleichswiderstand 22 hat etwa die Größe des Widerstandes des Heizelementes 11 und kann z.B. aus Kompensationsgründen im Tintendruckkopf 10 aber getrennt von den Heizelementen 11 angeordnet sein. Der entstehende Strom im Heizelement 11 wird von dem Strom durch den Vergleichswiderstand 22 in dem Differentialtransformator 20 subtrahiert und das so entstandeng Signal über ein Filternetzwerk 23 gefiltert.
    Da sich der Leitwert des Heizwiderstandes 11 beim Erwärmen ändert, entsteht ein entsprechend gefiltertes Wechselsignal am Eingang eines Verstärkers 24. Dieses verstärkte und über einen Hochpaß 25 gefilterte Signal wird einem Analogkomparator 26 zugeführt. Zwischen Komparator 26 und Flip-Flop 15 ist ein Zeitfilter 27 angeordnet, das ein Zeitglied 28 und ein Verknüpfungsglied 29 enthält.
  • Das Komparatorsignal wird erst nach der Zeit t ab Auslösung des Heizimpulses über den Impuls 13 an das RS-Flip-Flop 15 verknüpft durch das UND-Glied 29 durchgeschaltet, wobei ein Komparatorsignal zum Zeitpunkt der Verdampfung auftritt , ("High"-Signal).
  • Zum Verdampfungszeitpunkt wird das RS-Flip-Flop 15 rückgesetzt und so der Zähler 14 gestoppt. Der Zählerstand entspricht damit der Heizzeit. Durch das Setzen des RS-Flip-Flops 15 über das Komparatorsignal wird gleichzeitig der Treiber 19 abgeschaltet und damit das Heizelement 11. Die Heizenergie wird damit auf das notwendige Maß begrenzt.
  • Tritt ein Komparatorsignal nicht auf, so ist das Heizelement 11 defekt und es kann aus dem noch nicht zurückgesetzten Zustand des Flip-Flop 15 ein Fehlersignal abgeleitet werden und zwar über eine entsprechende Fehlererkennungsanordnung 30 durch Vergleich des Impulses 13 mit dem Ausgang des RS-Flip-Flops 15. Dieses Fehlersignal kann zur Fehleranzeige z.B. auf einem Display 31 verwendet werden.
  • In der Auswerteanordnung AA wird der der Heizdauer resultierende Zählerstand 14 über einen Komparator 32 mit einem in einem Speicher 33 gespeicherten Grenzwert verglichen. Dieser im Speicher 33 gespeicherte Grenzwert stellt einen minimal zulässigen Wert der Heizdauer dar. Er wird vor dem Druckbetrieb in einem Testlauf aus der Heizdauer im kalten Zustand bestimmt und beträgt z.B. 90% dieser Heizdauer. Dieser Testlauf wird z.B. bei der Fertigung des Tintendruckkopfes durchgeführt.
  • Wird der im Speicher 33 gespeicherte Grenzwert unterschritten, so liefert der Digitalkomparator 32 ein Signal an die Verknüpfungsanordnung VA, die in diesem Fall aus einem Mehrfach-ODER-Gatter besteht und die die einzelnen Kanäle, d.h. die einzelnen Auswertearordnungen der verschiedenen Heizelemente zusammenführt.
  • Wird der Grenzwert in einem Kanal unterschritten, so liefert der Digitalkomparator 32 ein Signal an das Mehrfach-ODER-Gatter VA, das die Druckgeschwindigkeit über die Zentralsteuerung langsamer schaltet. Die übrigen Eingänge des ODER-Gatters sind mit den Komparatorausgängen der weiteren Heizelemente verbunden. Das jeweils am stärksten belastete Heizelement bestimmt so die Druckgeschwindigkeit.
  • In dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wurde im Sensor S ein der Leitwertänderung entsprechendes Signal mit Hilfe eines Vergleichswiderstandes eines Differentialtransformators erzeugt. Anstelle derartiger Analogelemente lassen sich jedoch auch andere Elemente verwenden, z.B. ein digitaler Kurvenvergleich o.ä., so daß auf Transformatoren verzichtet werden kann.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der FIG 3 ist die Sensoreinrichtung S im Drucker integriert. Es ist jedoch auch möglich mit Hilfe einer druckerunabhängigen Sensoreinrichtung bei der Herstellung des Druckkopfes den Zustandswechsel des Schreigmediums an den Heizelementen zu erfassen und als Abgleichwert jedem einzelnen Druckkopf zuzuordnen. Dies kann z.B. entsprechend der FIG 4 dadurch geschehen, daß in einem Test-Schreibbetrieb in der Fertigung der Zustandswechsel des Schreibmediums am Heizelement in der beschriebenen Weise mit Hilfe eines Normimpulses durch Strommessung erfaßt und dabei die Heizdauer der Heizelemente bis zum Zustandswechsel gemessen wird. Diese Heizdauer wird dann als Abgleichwert in irgendeiner Form auf dem Tintendruckkopf codiert gespeichert, z.B. in einen Speicher M oder als ein in seinem Wert veränderbares Abgleichelement (ein Potentiometer oder ähnliches). Nach dem Einbau dieses so codierten Tintendruckkopfes in den Drucker faßt eine entsprechende Fühleinrichtung FE (FIG 5), die z.B. aus einer üblichen Speicher-Leseeinrichtung bestehen kann, diesen Abgleichwert und führt in decodierter Form der Auswerteinrichtung AA im Drucker P zu. Wird nun der Drucker mit dem entsprechenden Normimpuls betrieben, entspricht dies den Test-Schreibbetriebsbedingungen und die festgestellten Werte des Zustandswechsel können in der beschriebenen Weise zur Steuerung des Druckers, z.B. hinsichtlich Heizdauerbegrenzung und Schreibgeschwindigkeit verwendet werden. Dabei wird davon ausgegangen, daß sich das Betriebsverhalten des Schreibkopfes im Betrieb über die Zeit nicht wesentlich verändert.
    • Bezugszeichenliste
    • T
    = Zeit
    T1
    = Heizstart, Erregungsbeginn
    TV
    = Verdampfungszeit bzw. Zeitpunkt, Heizzeit
    ΔJK
    = Stromänderung als Maß für den Kondensationsleitwert
    ΔIV
    = Stromänderung als Maß für den Verdampfungsleitwert
    TK
    = Kondensationszeit bzw. Zeitpunkt
    T3
    = Abschaltzeitpunkt des Heizelementes
    FD
    = Betriebsfrequenz (Dauer)
    F
    = Betriebsfrequenz
    10
    = Schreibkopf
    11
    = Heizelemente
    12
    = Aufzeichnungsträger
    D
    = Datenquelle, Terminal, Rechner
    ZS
    = Zentralsteuerung
    13
    = Ansteuerimpulse
    MS
    = Motorsteuerung
    S
    = Sensoreinrichtung
    AA
    = Auswerteanordnung
    VA
    = Verknüpfungsanordnung
    14
    = Zähleinrichtung
    15
    = R-S Flip-Flop
    R
    = Rücksetzeingang
    SE
    = Setzeingang
    16
    = UND-Glied
    17
    = Quarz
    18
    = UND-Glied
    19
    = Treiberstufe
    20
    = Differentialtransformator
    21
    = Spannungsquelle
    22
    = Vergleichswiderstand
    23
    = Filternetzwerk
    24
    = Verstärker
    25
    = Hochpaß
    26
    = Analogkomparator
    27
    = Zeitfilter
    28
    = Zeitglied
    29
    = Verknüpfungsglied (UND-Glied)
    30
    = Fehlererkennungsanordnung
    31
    = Display, Anzeige
    32
    = Komparator (digital)
    33
    = Speicher
    M
    = Speicher
    P
    = Drucker
    FE
    = Fühleinrichtung

Claims (11)

  1. Druckeinrichtung mit einem elektrothermisch betriebenen Druckkopf (10), der eine Vielzahl von einzeln impulsweise ansteuerbaren Heizelementen (11) aufweist, wobei im Schreibbetrieb über die Heizelemente (11) ein Schreibmedium zeichenabhängig lokal erhitzt und durch Auslösen eines Aggregatzustandswechsels auf einen Aufzeichnungsträger (12) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sensoreinrichtung (S) vorgesehen ist, die über die Heizelemente (11) selbst den Zustandswechsel des Schreibmediums anhand der sich beim Zustandswechsel ändernden elektrischen Werte erfaßt.
  2. Druckeinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (S) zur Bestimmung des Zeitpunktes des Zustandwechsels die beim Zustandswechsel auftretende Leitwertänderung (IV) der Heizelemente (11) durch Strommessung erfaßt und ein dem Zeitpunkt des Zustandswechsels zugeordnetes Sensorsignal generiert.
  3. Druckeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von dem durch die Sensoreinrichtung (S) erfaßten Zeitpunkt des Zustandswechsels die Heizelemente (11) deaktiviert.
  4. Druckeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßeinrichtung vorgesehen ist, die die zwischen Heizbeginn und Zustandswechsel liegende Zeit erfaßt.
  5. Druckeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen über die Heizimpulse und die Sensorimpulse ansteuerbaren Zähler (14) aufweist.
  6. Druckeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinrichtung (AA) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von einem festgestellten Zustandswechsel des Schreibmediums und damit dem Temperaturverhalten der Heizelemente (11) die Betriebsfrequenz des Druckkopfes (10) steuert.
  7. Druckeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinrichtung (AA) einen Grenzwertspeicher (33) zur Aufnahme eines Heizzeit-Grenzwertes aufweist und daß ein Vergleicher (32) vorgesehen ist, der die von der Meßeinrichtung bereitgestellte aktuelle Heizzeit mit dem zugeordneten Heizzeitgrenzwert vergleicht und in Abhängigkeit davon die Betriebsfrequenz der Druckeinrichtung steuert.
  8. Druckeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinrichtung (AA) derart ausgestaltet ist, daß sie das Temperaturverhalten sämtlicher Heizelemente (11) erfaßt und in Abhängigkeit von dem thermisch am stärksten belasteten Heizelement die Betriebsfrequenz der Druckeinrichtung steuert.
  9. Druckeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkopf (10) als Tintendruckkopf ausgebildet ist und die Sensoreinrichtung (S) den Zustandswechsel der Schreibflüssigkeit bei der Dampfblasenerzeugung und/oder der Dampfblasenkondensation erfaßt.
  10. Verfahren zum betrieb einer elektrothermischen Druckeinrichtung gemäß Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
    - über eine Sensoreinrichtung (S) wird der Zustandswechsel des Schreibmediums durch Messen des durch das Heizelement (11) fließenden Stroms im Schreibbetrieb erfaßt,
    - die Zeit (TV) von der Erregung des Heizelementes (11) bis zum Zustandswechsel wird gemessen
    - in Abhängigkeit von der gemessenen Zeit (TV) wird der Drucker insbesondere hinsichtlich Fehlererkennung Heizdauerbegrenzung und Schreibgeschwindigkeit gesteuert
  11. Verfahren zum betrieb einer elektrothermischen Druckeinrichtung gemäß Anspruch 10 gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
    - über eine druckerunabhängige Sensoreinrichtung (S) wird der Zustandswechsel des Schreibmediums am Heizelement (11) unter Normbedingungen erfaßt und die Heizzeit gemessen.
    - die Heizzeit wird in codierter Form auf dem Tintendruckkopf gespeichert (M).
    - eine dem Drucker zugeordnete Fühleinrichtung (FE) erfaßt die codierte Heizzeit jedes Tintendruckkopfes.
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