EP0382741B1

EP0382741B1 - Anordnung zur überwachung des tröpfchenausstosses aus austrittsdüsen eines tintenschreibkopfes

Info

Publication number: EP0382741B1
Application number: EP88907604A
Authority: EP
Inventors: Ernst Goepel; Hans Kusmierz; Wilfried Houben
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-09-25
Filing date: 1988-09-09
Publication date: 1993-11-24
Anticipated expiration: 2008-09-09
Also published as: JPH03500271A; EP0382741A1; EP0389481B1; WO1989002827A1; EP0380526A1; WO1989002826A1; JPH03500270A; DE3888363D1; EP0389481A1; DE3885904D1; WO1989002828A1; JPH03500272A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überwachung des Tröpfchenausstoßes aus Austrittsdüsen eines Tintenschreibkopfes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Die Darstellung von Zeichen oder von grafischen Mustern mit Tintenschreibeinrichtungen beruhen bekanntlich darauf, daß einzelne Tröpfchen in gesteuerter Weise aus Austrittsdüsen eines Tintenschreibkopfes ausgestoßen werden. Man bezeichnet derartige Anordnungen als sog. Drop-on-Demand-(DOD-)Anordnungen. Aufgrund einer Relativbewegung zwischen einem Aufzeichnungsträger und dem Tintenschreibkopf werden somit Zeichen oder grafische Muster in Form einer Vielzahl von Einzelpunkten rasterförmig auf dem Aufzeichnungsträger aufgebaut. Man spricht deshalb von einer sog. Matrixdarstellung bzw. von einem Matrixdruckverfahren. Die Qualität von auf diese Weise gebildeten Aufzeichnungen, die sog. Schriftqualität, hängt wesentlich von der Anzahl der Tröpfchen ab, durch die ein Zeichen gebildet wird. Das hat zu Tintenschreibköpfen mit einer größeren Anzahl von Austrittsöffnungen oder Düsen geführt, die z.B. in mehreren Reihen angeordnet sind. Damit ist es erreichbar, daß auf dem Aufzeichnungsträger die einzelnen aufgebrachten Tröpfchen so nahe beieinander liegen, daß sie sich überlappen und sowohl in senkrechter als auch in waagerechter Richtung optisch durchgehend geschlossen erscheinende Linien bilden. In einem sog. DOD-System ist jeder Austrittsdüse ein eigenes Antriebselement, z.B. in Form eines elektrisch ansteuerbaren Piezoelements zugeordnet. Dieses muß für einen fehlerfreien Betrieb zusammen mit dem Tintenkanal und einer Tintenzufuhr ein in sich abgestimmtes Verhalten aufweisen. Zieht man noch in Betracht, daß jedes dieser Einzelsysteme mit einer Tropfenfolgefrequenz bis etwa 4 kHz arbeitet, eine Tintenschreibeinrichtung während einer Dauer von Jahren nahezu ständig im Einsatz sein muß und eine Austrittsdüse einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als 100 µm, so erkennt man die Bedeutung einer Überwachung auf die volle Funktionsfähigkeit. Insbesondere äußere Einflüsse, wie etwa Staub, kleinste Papierabreibungen, eingetrocknete Tinte in den Austrittsdüsen oder Gas- bzw. Lufteinschlüsse im Tintenkanal können bereits zum Ausfall einer Austrittsdüse und somit zur Reduzierung der Schriftqualität führen. Es ist deshalb ein besonderes Anliegen, solche Störungen im Betrieb rechtzeitig zu erkennen, um darauf rechtzeitig reagieren zu können.
Im allgemeinen wird die ordnungsgemäße Funktion des Schreibkopfes vom Anwender selbst durch eine visuelle Prüfung spezieller Druckmuster geprüft. Das ist nicht einfach, erfordert wegen der relativ kleinen Tröpfchendurchmesser, die in der Größenordnung von etwa 60 µm liegen, eine sehr anstrengende Beobachtung, wozu häufig noch eine Lupe erforderlich ist. Insbesondere wenn der Ausfall zwei relativ weit voneinander beabstandete Austrittsdüsen betrifft, ist das menschliche Auge überfordert. Insgesamt ist also eine solche Überprüfung unbefriedigend.
Es ist bereits bekannt (DE-OS 33 10 365), Betriebsstörungen der genannten Art mit einem Tintentröpfchensensor festzustellen. Dabei ist eine Fangelektrode für Tintentröpfchen vorgesehen und die Tintentröpfchen werden bei ihrer Bewegung zur Fangelektrode elektrisch aufgeladen. Beim Auftreffen der aufgeladenen Tintentröpfchen auf der Fangelektrode wird ein elektrisches Signal gebildet, das als Meß- und Meldesignal für Störungen ausgewertet werden kann.
Dieses bekannte Verfahren erfordert besondere Ladeelektroden, an denen zur Aufladung der Tintentröpfchen eine relativ hohe Spannung (bis zu 300 V) angelegt werden muß. Daraus resultiert nicht nur ein zusätzlicher konstruktiver Aufwand, sondern es müssen wegen der hohen Spannungen auch Schutzmaßnahmen gegen eine Berührung mit den spannungsführenden Teilen vorgesehen werden.
In der DE-36 34 034 A1 ist ein Tintentropfendetektor für einen Tintenstrahldrucker mit einer Tinte ausstoßenden Düse beschrieben, der mehrere Elektroden umfaßt, von denen wenigstens eine erste Elektrode in eine Lage bringbar ist, in der sie der Düse im vorgegebenen Abstand gegenüberliegt. Die Änderung des Widerstandes zwischen der ersten Elektrode und einer weiteren Elektrode wird festgestellt, wenn von der Düse angestoßene leitende Tinte die erste Elektrode erreicht. Nach jedem aus der Düse ausgestoßenen und auf dem Detektor aufgetroffenen Tintentröpfchen wird die Oberfläche des Tintentropfensensors mechanisch mittels eines Gummiwischers gereinigt, wodurch die Frequenz für die Tintentropfendetektion begrenzt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zur Überwachung des Tröpfchenausstoßes anzugeben, mit denen die Funktion eines Tintenschreibkopfes mit einer Vielzahl von Austrittsdüsen durch Feststellung des Auftreffens von Tintentröpfchen ohne eine visuelle Überprüfung von Druckmustern festgestellt wird, die ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen eine sichere und eindeutige Auswertung der Meßergebnisse mit geringem schaltungstechnischen Aufwand ermöglichen und die lediglich relativ einfache konstruktive Mittel erfordern, wobei insbesondere die Fertigung der Sensorplatte, der Zusammenbau des Tintentröpfchensensors und der Einbau in den Tintenschreibkopf, aber auch der Einsatz als Test- bzw. Prüfeinrichtung in der Fertigung, z.B. als Abgleichvorrichtung vorteilhaft verbessert wird.
Diese Aufgabe wird gemäß den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Mitteln gelöst. Weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Dort zeigen

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Erfindung,
Fig. 2 und Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für den als Tintentröpfchensensor vorgesehenen Elektrodenkamm,
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für den Elektrodenkamm,
Fig. 5, Fig. 6 und Fig.7 jeweils Beispiele für eine Auswerteschaltung,
Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau und die Herstellung einer Sensorplatte,
Fig. 9 und Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel für den praktischen Einsatz der Sensoranordnung.

In Fig. 1 ist rechts ein an sich bekannter Tintenschreibkopf 1 dargestellt, der im Beispiel aus einer Düsenplatte 2 mit neun Austrittsdüsen 3, einem Kopfteil 4 mit neun Tintenkanälen 5 und diesen zugeordneten Antriebselementen 6 sowie einem Tintenversorgungsteil 7 besteht. Dieses ist über eine Tintenzuführung 8 mit einem hier nicht dargestellten Tintenvorratsbehälter verbunden. Durch individuelle Ansteuerung der Antriebselemente 6 wird aus der zugeordneten Düse 3 ein einzelnes Tintentröpfchen 9 ausgestoßen. Die Düsen 3 in der Schnittdarstellung nach Fig. 1 können auch mehrfach und zwar in mehreren Reihen senkrecht zur Zeichnungsebene angeordnet sein. Vier derartige Reihen würden dann einen Schreibkopf mit 32 Düsen bilden, wobei die Düsen der einzelnen Reihen gegeneinander versetzt sein können. Der erfindungsgemäße Tintentröpfchensensor 11 ist in einem Abstand 10 gegenüber dem Schreibkopf 1 angeordnet. Er besteht im wesentlichen aus einer als Elektrodenkamm ausgebildeten Sensorplatte 12 mit zwei nach außen geführten Anschlußelektroden 13 und 14 sowie aus einer dahinter oder darunter befindlichen Schicht,die im folgenden als Saugblock 17 bezeichnet wird und die zur Aufnahme und zur Abführung von Flüssigkeit dient. Der Elektrodenkamm weist zumindest im Bereich des Auftreffpunktes der Tintentröpfchen eine Vielzahl von im Austrittsbereich der Tintentröpfchen parallel verlaufenden Leiterbahnen 18 und 19 auf. Die Vorrichtung zur Abführung der durch das Auftreffen von Tintentröpfchen zugeführten Flüssigkeit besteht aus nichtleitendem porösen Material; sie kann einschichtig oder vorzugsweise aus mehreren Teilschichten aufgebaut sein. Die Anschlußelektroden 13 und 14 sind mit einer Auswerteschaltung 20 verbunden, die, worauf später näher eingegangen wird, abhängig vom Auftreffen eines oder mehrerer Tintentröpfchen auf den Elektrodenkamm 12 ein entsprechendes Signal, das Sensorsignal SM abgibt.
Die Wirkungsweise der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 beschrieben, die ein Ausführungsbeispiel für den Elektrodenkamm 12 des Tintentröpfchensensors in Aufsicht (Fig.2) und in einer Schnittdarstellung (Fig.3) zeigen. Im Beispiel ist der Elektrodenkamm durch zwei Kammteile 121 und 122 gebildet, deren zungenförmige Leiterbahnen 18,19 im Bereich der Auftreffpunkte für die Tintentröpfchen nebeneinanderliegen und die Kammstruktur bilden. Die Kammteile 121 und 122 mit den Leiterbahnen 18 und 19 sind hier auf dem aus der porösen, nichtleitenden Schicht bestehenden Saugblock 17 aufgebracht. Jeder dieser Kammteile 121 und 122 ist elektrisch von außen her über die Anschlußelektroden 13 und 14 zugänglich.
Figur 3 zeigt den Aufbau im Detail. Der Saugblock 17 besteht im Beispiel aus zwei Teilschichten 15 und 16 saugfähigen Materials mit den Dicken S1 und S2. Auf die oberste Teilschicht 15 ist eine isolierende Schicht in Form einer oberseitig goldbeschichteten Isolierfolie 21 auflaminiert, die anschließend entsprechend dem Teilungsverhältnis T des Elektrodenkamms strukturiert und dabei mit den Leiterbahnen 18 und 19 versehen wird. Dadurch entsteht die in Fig. 2 und 3 gezeigte Struktur. Die Kammteile 121, 122 mit den Leiterbahnen 18 und 19 weisen eine Höhe L auf; die Leiterbahnen 18 und 19 haben jeweils eine Breite A und verlaufen im Abstand B zueinander. Damit ist ein Teilungsverhältnis $T=A+B$
festgelegt. Soll der Tintentröpfchensensor bereits einen einzigen Tintentropfen des Durchmessers D detektieren, so muß T ≦ D sein, um eine elektrische Widerstandsbrücke zwischen benachbarten Leiterbahnen 18 und 19 und damit zwischen den Kammteilen 121 und 122 zu bilden. Am Beispiel nach Fig. 3 erkennt man, daß ein Tintentropfen 9 beim Auftreffen auf die Oberfläche des Tintentröpfchensensors diese Bedingung erfüllt, also zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen eine deutliche Widerstandsreduzierung herbeiführt, die an den Anschlußelektroden 13 und 14 durch die Auswerteschaltung bewertet werden kann. Nach dem Auftreffen des Tintentröpfchens 9 wird die Flüssigkeitsmenge zunächst von der oberen porösen Teilschicht 15 aufgenommen, nach unten transportiert und dringt schließlich in die zweite Teilschicht 16 ein. Die nichtleitenden porösen Teilschichten 15 und 16 wirken als eine Art Saugpumpe mit kapillarischem Effekt. Der Wirkungsgrad dieser Saugpumpe kann durch die Wahl der Porosität und/oder der Anzahl bzw. der Dicke S1, S2 der Teilschichten auf bestimmte Einsatzfälle eingestellt werden. Für das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel haben sich folgende Dimensionierungen als besonders vorteilhaft erwiesen:

$A=B=40 µm$

$H (Goldelektrode)=1 µm$

$L=50 µm$

$S1=5 mm$

$S2=1,5 mm$

Die Porosität P1 und P2 der beiden Schichten 15 und 16 ist unterschiedlich. Es ist vorteilhaft, wenn die Porosität der einzelnen Schichten mit zunehmendem Abstand vom Elektrodenkamm zunimmt ( P2 > P1). Dadurch wird gewährleistet, daß ein Flüssigkeitstransport bevorzugt von der oberen Teilschicht 15 zur unteren Teilschicht 16 stattfindet. Das hat den Vorteil, daß der Raum in der Nähe des Elektrodenkamms relativ rasch von Tinte entleert wird und daß damit eine in kurzen Zeitabständen eintreffende Folge von Einzeltröpfchen sicher detektiert werden kann. Als Materialien für die einzelnen Teilschichten 15 und 16 mit unterschiedlichen Porositäten eignet sich vorzugsweise Duran-Filterglas für die obere Teilschicht 15 und sog. Millipore-Filterpapier für die untere Teilschicht 16. Die Porenweiten der oberen porösen Teilschicht 15 können dabei zwischen 0,01 und 0,02, die Porenweiten der unteren porösen Teilschicht 16 zwischen 0,005 und 0,01 mm liegen. Die beschriebenen Kammstrukturen können vorteilhaft nach der an sich bekannten Dünnfilm- bzw. Dickschichttechnik hergestellt werden.
Beim Auftreffen eines Tintentröpfchens mit vorgegebener elektrischer Leitfähigkeit auf einer derartigen Kammstruktur verändert sich sprunghaft der elektrische Widerstand zwischen den Leiterbahnen der beiden Kammteile. Durch das Entfernen des Tintentröpfchens durch kapillarisches Absaugen der Flüssigkeit in das Innere der beiden Schichten nimmt der zwischen den galvanisch nicht miteinander verbundenen Kammteilen 121 und 122 meßbare Widerstand zeitlich wieder zu, so daß nach einer von der Porosität P1, P2 der Teilschichten 15 und 16 und von den Eigenschaften der Tinte abhängigen Absaugzeit ein erneuter, z.B. aus einer anderen Düse des Schreibkopfes ausgestoßener Tintentropfen in der gleichen Weise detektiert werden kann. Mit den im vorhergehenden angegebenen Dimensionierungswerten ist es möglich, das Auftreffen einzelner Tintentröpfchen im Abstand von etwa 20 ms sicher zu erkennen.
Mit der im vorhergehenden beschriebenen Anordnung, bei der zwischen dem Teilungsverhältnis T und dem Durchmesser D eines Tintentröpfchens die Beziehung T ≦ D besteht, ist bereits das Auftreffen eines einzelnen Tröpfchens sicher meßbar. Es liegt im Rahmen der Erfindung, ein Teilungsverhältnis T vorzusehen, das größer ist als der Durchmesser D eines Einzeltröpfchens (T ≦ D). Damit ist es möglich, das Eintreffen mehrerer kurz nacheinander, aus einer Düse des Schreibkopfs ausgestoßener Einzeltröpfchen sicher zu erkennen. Treffen nämlich die einzelnen Tintentröpfchen innerhalb einer Zeitdauer auf dem Elektrodenkamm auf, noch bevor die mit einem vorher eingetroffenen Tintentröpfchen aufgebrachte Flüssigkeit abgesaugt wurde, so vergrößert sich mit jedem neu auftreffenden Tintentröpfchen die Flüssigkeitsmenge zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen, bis die Flüssigkeitsmenge eine elektrische Verbindung zwischen diesen beiden Leiterbahnen herstellt. Auf diese Weise ist es möglich, daß beispielsweise erst mit dem dritten eintreffenden Tröpfchen eine deutliche sprunghafte Widerstandsänderung hervorgerufen wird. Es liegt im Rahmen der Erfindung, für diesen Fall auch die Porosität der einzelnen Schichten, die ein kapillarisches Absaugen der Tintenflüssigkeit bewirken, entsprechend einzustellen. Praktisch bedeutet das also, daß bei einem Teilungsverhältnis T > D und einem aus mehreren Teilschichten bestehenden Saugblock die Porosität der einzelnen Teilschichten von oben nach unten größer gewählt wird wie in Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben wurde.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel sind die Strukturen der Elektrodenkammanordnung als bifilar angeordnete Leiterbahnen ausgestaltet, wodurch sich der Vorteil ergibt, daß die Leiterbahnen der Kammstruktur steuerbar z.B. während einzelner Meßpausen miteinander verbunden werden können. Ein Beispiel dafür zeigt Fig. 4.
Die Leiterbahnen 181 und 191 der beiden Kammteile 123 und 124 sind hier mäanderförmig auf dem Saugblock 17 aufgebracht. Dessen Aufbau sowie die Ausbildung der Leiterbahnen 181 und 191 kann in der anhand von Fig. 3 beschriebenen Weise geschehen. Ebenso wie vorher verlaufen die Leiterbahnen im Bereich des Auftreffpunktes der Tintentröpfchen parallel nebeneinander. Im Unterschied zur vorher beschriebenen Ausführungsform ergibt sich mit der hier angegebenen Ausführungsform die Möglichkeit, neben den nach außen geführten Anschlußelektroden 13 und 14 ein zweites Paar von Anschlußelektroden 23 und 24 vorzusehen, über die die Leiterbahnen 181 und 191 galvanisch miteinander verbunden werden können. Für die Dauer eines Meßvorganges, also für die Dauer, während der das Auftreffen von Tintentröpfchen detektiert wird, sind die Anschlußelektroden 23 und 24 nicht miteinander verbunden. Die Wirkungsweise der Detektion für das Auftreffen von Tintentröpfchen geschieht dann, wie anhand von Figur 2 und Figur 3 beschrieben. Über einen hier nicht dargestellten Schalter, der in den Meßpausen betätigt wird, also dann, wenn keine Tintentröpfchen detektiert werden, können die Anschlüsse 23 und 24 nun miteinander verbunden werden. Damit besteht die Möglichkeit, mit Hilfe einer hier nicht dargestellten, an die Anschlüsse 13 und 14 anschaltbaren Stromquelle in den Meßpausen die Leiterbahnen 181 und 191 zum Aufheizen und damit zum Verdampfen der Tintentröpfchen zu benutzen. Damit ist der Vorteil verbunden, daß zusätzlich zur kapillarischen Wirkung des Saugblockes noch eine Flüssigkeitsbeseitigung durch Verdampfen hinzukommt.
Zur Auswertung des Auftreffens von Tintentröpfchen, die mit einer plötzlichen Widerstandsreduzierung im Verlauf der Leiterbahnen des Elektrodenkamms verbunden ist, wird eine Schaltungsanordnung vorgesehen, die mit jedem Auftreffen eines Tintentröpfchens das Sensorsignal SM abgibt. Ein Ausführungsbeispiel dafür zeigt Figur 5. Die dort gezeigte Schaltung besteht im wesentlichen aus einem Spannungsteiler, der aus einem Festwiderstand 30 und dem veränderlichen Meßwiderstand 31 besteht. Dieser repräsentiert den jeweils aktuellen Widerstandswert zwischen den Leiterbahnen 18 und 19 (Fig.2) bzw. 181,191 (Fig.4) des Elektrodenkamms, d.h. die gezeigte Schaltung ist an dieser Stelle mit den Anschlußelektroden 13 und 14 des Elektrodenkamms verbunden. Der Abgriff zwischen den Widerständen 30,31 des Spannungsteilers ist mit den Eingängen eines Komparators 32 verbunden. Diese Verbindung geschieht derart, daß der sich am Abgriffpunkt der Spannungsteilerschaltung 30,31 einstellende Spannungswert Um als jeweiliger Momentanwert über einen Widerstand 39 unmittelbar dem einen Eingang und über ein Integrierglied 35,36 als Mittelwert Umm dem anderen Eingang des Komparators 32 zugeführt wird. Ein weiterer Widerstand 34 dient zur Erzeugung einer Vorspannung an dem einen der beiden Komparatoreingänge, welche den zur Funktion des Komparators 32 notwendigen Störspannungsabstand herstellt. Eine dem Komparator 32 nachgeschaltete bistabile Schaltung 37 bildet aus dem Ausgangssignal des Komparators 32 das Sensorsignal SM für eine nachfolgende, hier nicht mehr dargestellte Druckersteuerung. Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende. Trifft aufgrund eines durch die Druckersteuerung im Schreibkopf angeregten Ausstoßes eines Tintentröpfchens ein Tintentröpfchen auf dem Elektrodenkamm auf, so ist damit eine plötzliche Widerstandsreduzierung verbunden. Der Meßwiderstand 31 wird somit kleiner, was dazu führt, daß kurzzeitig der Momentanwert Um kleiner wird als der zeitliche Mittelwert Umm. Im Beispiel nach Fig. 5 tritt am Ausgang des Komparators 32 eine kurzzeitige Pegeländerung von 1 auf 0 auf. Dieser Übergang wird in der bistabilen Schaltung 37 zwischengespeichert und von der Druckersteuerung weiterverarbeitet. Nach einer Tröpfchenerkennung wird die bistabile Schaltung 37 über ihren Reset-Eingang mit dem Resetsignal R zurückgesetzt und der Sensor somit für das Auftreffen und die Bewertung eines nächsten Tintentröpfchens aus einer anderen Düse des Schreibkopfes aktiviert.
Durch Überwachung der Zeitdauer zwischen der Anregung für einen Tröpfchenausstoß durch die Druckersteuerung und dem Auftreten des Sensorsignals ist es möglich, die Funktionsfähigkeit der einzelnen Düsen zu überprüfen. Findet nach Ablauf einer bestimmten Zeitdauer, die abhängig von vorgegebenen Parametern, wie Druckeraufbau, Flugzeit der Tröpfchen, Tintenzusammensetzung usw. einstellbar ist, keine sprunghafte Widerstandsänderung statt, so erkennt die Druckersteuerung, daß die angeregte Düse nicht arbeitet.
Die beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet mit Gleichstrom, d.h. die Spannungsteilerschaltung ist zwischen einer positiven Spannungsquelle und Masse geschaltet. Das kann bei Verwendung bestimmter Tintenflüssigkeiten zu einer Zersetzung der Tintenflüssigkeit vor allem dann führen, wenn zur Bewertung von Tintentröpfchen mehrere, kurz nacheinander eintreffende Tintentröpfchen notwendig sind. Um eine meßbare Widerstandsreduzierung herbeizuführen, ist die Tintenflüssigkeit in diesem Fall für eine Zeitdauer von t ≧ 100 ms einem Stromdurchfluß ausgesetzt, was elektrolytische Änderungen verursachen kann. So kann z.B. der Farbstoff aus dem Lösungsmittel ausfällen, was zu einer Verfestigung führt, wodurch ein kapillarisches Absaugen nicht mehr möglich ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, daß der Tintentröpfchensensor mit Wechselspannung betrieben wird. Ein Ausführungsbeispiel dafür zeigt Figur 6.
Auch die dort gezeigte Auswerteschaltung weist die Spannungsteilerschaltung, bestehend aus dem Festwiderstand 30 und einem den aktuellen Widerstandswert zwischen den Leiterbahnen repräsentierenden Widerstand 31 auf. Die Spannungsteilerschaltung 30,31 ist hier jedoch an einen Wechselspannungsgenerator 38 angeschlossen. Außerdem ist zwischen dem Teilerpunkt der Spannungsteilerschaltung 30,31 und dem Komparator 32 ein Demodulator 33 geschaltet, der in der in Fig. 7 gewählten Schaltungsausführung als sog. Spitzenwertgleichrichter arbeitet. An seinem Ausgang steht somit ein Spannungswert zur Verfügung, der dem momentanen Spitzenwert der Spannung am Teilerpunkt entspricht.
Dieser wird dem einen Eingang des Komparators 32 über den Widerstand 39 direkt und dem anderen Eingang über das Integrierglied 35,36 als zeitlicher Mittelwert zugeführt. Der Vergleich im Komparator 32, die Umsteuerung der bistabilen Schaltung 37 sowie die Abgabe des Sensorsignals SM in der nicht dargestellten Druckersteuerung geschieht dann, wie anhand von Fig. 5 beschrieben.
Einen detaillierten Schaltungsaufbau als Beispiel einer Ausführung für die Auswerteschaltung nach Fig. 6 zeigt Fig. 7.
Ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Aufbau der Sensorplatte wird anhand von Fig. 8 erläutert. Diesem Beispiel liegt eine Anordnung der Leiterbahnen gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel zugrunde. Zur Herstellung der Sensorplatte 25 wird eine elektrisch isolierende Trägerplatte 26 mit einer Metallschicht versehen. Vorzugsweise geschieht das durch Bedampfen einer Glasplatte der Dicke 0,1 bis 0,8 mm mit einer Grundmetallisierung aus Ti, Cu.
Hierauf wird beidseitig eine Fotolackschicht aufgebracht. Anschließend wird einseitig fototechnisch das Muster der später auf der Sensorplatte 25 gewünschten Elektrodenkammstruktur mit den Leiterbahnen 18,19 erzeugt und dieses galvanisch auf 10...20 µm Ni verstärkt. In einem nachfolgenden fototechnischen Schritt wird der Bereich eines Spritzfensters 28 beidseitig freibelichtet und nach dem Abätzen der Grundmetallisierung in diesem Bereich das Glas weggeätzt, so daß die Leiterbahnen 18,19 das nun glasfreie Spritzfenster 28 überspannen. Zusätzlich werden bei diesem Glasätzprozeß sog. Kontaktierungsfenster 27 freigeätzt.
Die Sensorplatte 25 kann nach diesen Maßnahmen in einem großen Nutzen hergestellt und in einfacher Weise mit dem Saugblock verbunden und kontaktiert werden. Einzelheiten werden unter Bezugnahme auf Fig. 9 und Fig. 10 beschrieben.
Das in Fig. 9 (in Aufsicht) und Fig. 10 (in einer Schnittdarstellung) gezeigte Ausführungsbeispiel besteht lediglich aus vier verschiedenen Teilen, nämlich aus einem Gehäuse 29, aus dem Saugblock 17, aus der Sensorplatte 25 und aus beiseitig angeordneten Kontaktfedern 42. Das als elektrisch nichtleitendes Kunststoff-Spritzteil ausgeführte Gehäuse 29 dient zur Aufnahme dieser Teile und wird seinerseits mit Hilfe der zum Gehäuse gehörenden Rastzungen 40 im Druckerchassis 41 befestigt. An die Oberflächenbeschaffenheit des aus nichtleitendem, offenporösen Material, wie beispielsweise Saugkeramik, Filterglas oder Schaumstoff bestehenden Saugblocks 17 werden lediglich bezüglich der dem Tintenschreibkopf 1 zugewandten Seite bestimmte Anforderungen gestellt. Die Ebenheit dieser Fläche soll in der Größenordnung der Porenweite des porösen Saugblocks 17 liegen, um eine gute Auflage der ebenen Sensorplatte 25 auf ihr zu gewährleisten. Die Sensorplatte 25 weist, wie anhand von Fig. 8 beschrieben, die Kammteile 121,122, die Leiterbahnen 18,19, das Spritzfenster 28 und zwei Kontaktierungsfenster 27 auf.
Die mechanische Zuordnung der Sensorplatte 25 zum Saugblock 17, deren mit den Leiterbahnen 18,19 versehene Seite dem Saugblock 17 zugewandt ist, geschieht durch die beidseitig angeordneten multifunktionalen Kontaktfedern 42. Bei der Montage der Vorrichtung werden nach Einsetzen des Saugblocks 17 in das Gehäuse 29 und nach folgendem Auflegen der Sensorplatte 25 auf den Saugblock 17 diese metallenen Kontaktfedern 42 in entsprechende Einführungsöffnungen 43 des Gehäuses 29 gedrückt. Die Kontaktfedern 42 weisen Rastnasen 44 auf, die beim Einführen in das Gehäuse 29 in eine Ausnehmung 45 sicher einrasten. Dadurch wird gewährleistet, daß die drei am einen Ende der Kontaktfedern 42 ausgebildeten Federzungen 46 federnd auf der Sensorplatte 25 zur Auflage kommen. Im Beispiel drücken jeweils die beiden äußeren Federzungen 46 auf den Träger der Sensorplatte 25 und garantieren eine spaltenfreie Auflage der Sensorplatte 25 auf dem Saugblock 17. Die jeweils mittlere Federzunge 46 liegt im Bereich der Kontaktierungsfenster 27, drückt dabei direkt auf die jeweilige Kontaktfläche der Elektrodenkammstruktur 18,19 und stellt damit den elektrischen Kontakt her. Das jeweils andere Ende der Kontaktfedern 42 bildet die Anschlußelektrode 13 bzw. 14. Über einen als Flachstecker 47 für genormte Steckhülsen ausgeführten Anschluß wird die elektrische Verbindung von der Elektrodenkammstruktur zur hier nicht gezeigten elektronischen Auswerteschaltung hergestellt.
Wie beschrieben, wird die auf die Leiterbahnen 18,19 gespritzte Tinte kapillarisch in den Saugblock 17 gezogen. Die Saugfähigkeit des Saugblocks 17 hängt von seinem Saugvolumen und seinem Material, von der Tinte und von der Häufigkeit des Spritztests ab. Um das Saugvolumen zu erhöhen und die Zeitdauer für das Absaugen zu verkürzen, kann im Gehäuse der Vorrichtung eine Öffnung 48 für eine zusätzliche Tintenentsorgung vorgesehen werden, welche mit einem Saugmaterial höherer Porosität als die des Saugblocks 17 gefüllt wird.
Die Auswertung des Auftreffens von Tintentröpfchen, die mit einer plötzlichen Widerstandsreduzierung im Verlauf der Leiterbahnen des Elektrodenkamms verbunden ist, erfolgt in einer Schaltungsanordnung (20 in Fig. 1), die mit jedem Auftreffen eines oder mehrerer Tintentröpfchen das Sensorsignal SM abgibt.
Die Höhe des Spritzfensters 28 ist dem vertikalen Abstand der äußeren Düsen des Tintenschreibkopfs angepaßt. Die Breite des Spritzfensters 28 richtet sich nach der horizontalen Ausdehnung des Düsenaustrittsbereiches des Tintenschreibkopfes. Bei einer einreihigen Düsenanordnung wird ein nur schmales, bei mehrreihigen ein entsprechend breiteres Spritzfenster 28 benötigt. Es ist auch möglich, die örtlich getrennten Düsenreihen zeitlich nacheinander zum Spritzfenster 28 zu orientieren. Das ist vorteilhafter, da auch der Spritztest der einzelnen Düsen nur zeitlich nach- und nicht nebeneinander erfolgt und ein schmales Spritzfenster 28 eine schmale Bauform der Vorrichtung und damit eine geringere Gesamtverbreiterung des Druckerchassis ermöglicht.
Für die Anwendung und den Einsatz der gemäß der Erfindung aufgebauten Anordnung des Tintentröpfchensenors ist es vorteilhaft, diese außerhalb des eigentlichen Druckbereiches einer Tintenschreibeinrichtung vorzusehen, beispielsweise am linken oder rechten Zeilenrand. Zur Überwachung des Tröpfchenausstoßes bzw. zur Feststellung des Auftreffens von Tröpfchen wird der Schreibkopf in diese Position bewegt, in der er dem beschriebenen Tintentröpfchensensor in einem konstanten Abstand gegenüberliegt. Es ist möglich und vorteilhaft, daß der Schreibkopf diese Position z.B. im Ruhezustand oder vor jedem Schreib- oder Druckbeginn einnimmt und daß einem Betriebsbeginn ein Überwachungsvorgang vorausgeht. Wird dabei ein Ausfall einer oder mehrerer Austrittsdüsen festgestellt, so kann durch eine, bei vielen derzeit bekannten Tintenschreibköpfen vorgesehene manuell oder automatisch durchführbare Druckerhöhung rechtzeitig ein kurzzeitiges Durchspülen mit Reinigungseffekt vorgenommen werden.
Die Erfindung wurde im Vorhergehenden vor allem im Hinblick auf einen Einsatz im Drucker zur Überwachung des Tröpfchenausstoßes beschrieben. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, die erfindungsgemäße Anordnung auch zur Messung und Einstellung der Fluggeschwindigkeit einzelner Tintentröpfchen einzusetzen. Da der Abstand zwischen den Austrittsdüsen und der Oberflächen des Tintentröpfchensensors bekannt ist, erfordert das lediglich, daß die Zeitpunkte des Ausstoßes und des Auftreffens erfaßt werden, was z.B. in der Druckersteuerung ohne erheblichen elektronischen Aufwand möglich ist. Diese Möglichkeit bietet vor allem bei der Fertigung von Tintenschreibköpfen mit einer größeren Anzahl von Austrittsdüsen erhebliche Vorteile, da in diesem Fall wegen der nie ganz vermeidbaren Toleranz der einzelnen elektrischen und keramischen (z.B. Piezoelemente) Bauteile jedes einzelne aus Ansteuerschaltung, Antriebselement, Tintenkanal und Austrittsdüsen bestehende System abgeglichen werden muß.
Die beschriebene Vorrichtung zum Erkennen von Tintentropfen zeichnet sich durch eine kompakte kleine Bauform aus, die im Drucker leicht einsetz- bzw. austauschbar ist; sie bietet weiterhin die Möglichkeit für eine vollautomatische Montage und erfordert nur vier verschiedene Bauteile, die mit kostengünstiger Technologie erstellt werden können.
Die Anordnung ist nicht nur sehr vorteilhaft in Tintenstrahldruckern, die mit Multidüsen-Schreibköpfen arbeiten, einsetzbar, sondern eignet sich auch zur wirtschaftlichen Qualitätssicherung, da sie vorteilhaft bei der Fertigung und Dauererprobung von Multidüsen-Schreibköpfen eingesetzt werden kann.

Bezugszeichenliste

1 =: Tintenschreibkopf
2 =: Düsenplatte
3 =: Austrittsdüsen
4 =: Kopfteil
5 =: Tintenkanäle
6 =: Antriebselemente
7 =: Tintenversorgungsteil
8 =: Tintenzuführung
9 =: Tintentröpfchen
10 =: Abstand
11 =: Tintentröpfchensensor
12,25 =: Sensorplatte
13,14,23,24 =: Anschlußelektroden
15,16 =: Teilschichten
17 =: Saugblock
18,19,181,191 =: Leiterbahnen
20 =: Auswerteschaltung
121,122,123,124 =: Kammteile
21 =: Isolierfolie
26 =: Trägerplatte
27 =: Kontaktierungsfenster
28 =: Spritzfenster
29 =: Gehäuse
30 =: Festwiderstand
31 =: Meßwiderstand
32 =: Komparator
33 =: Demodulator
34,39 =: Widerstand
35,36 =: Integrierglied
37 =: bistabile Schaltung
38 =: Wechselspannungsgenerator
40 =: Rastzungen
41 =: Druckerchassis
42 =: Kontaktelement, Kontaktfeder
43 =: Einführungsöffnung
44 =: Rastnasen
45 =: Ausnehmung
46 =: Federzungen
47 =: Flachstecker
48 =: Entsorgungsöffnung
A =: Breite Leiterbahn
B =: Abstand Leiterbahn
D =: Durchmesser Tintentröpfchen
L =: Höhe, Kammteile und Leiterbahnen
P1,P2 =: Porosität der Teilschichten
R =: Reseteingang
S1,S2 =: Dicke
SM =: Sensorsignal
T =: Teilungsverhältnis
t =: Zeit
Um =: Spannungsmittelwert momentan
Umm =: Spannungsmittelwert zeitlich

Claims

Anordnung zur Überwachung des Tröpfchenausstoßes aus Austrittsdüsen (3) eines Tintenschreibkopfes (1) mittels eines das Auftreffen von Tintentröpfchen (9) bewertenden und vor den Austrittsdüsen (3) angeordneten Tintentröpfchensensors (11) mit in einem bestimmten Teilungsverhältnis (T) angeordneten, kammartig strukturierten Elektroden (18,19; 181,191), wobei die durch das Auftreffen mindestens eines Tintentröpfchens (9) auf die Elektroden (18,19;181,191) auftretende Widerstandsänderung zwischen zwei benachbarten Elektroden (18,19;181,191) in einer Auswerteschaltung (20) erfaßt und bewertet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der Tintentröpfchensensor (11) eine Sensorplatte (12,25) aufweist, auf deren den Austrittsdüsen (3) zugewandten Oberfläche bifilar angeordnete Leiterbahnen (181,191) gebildet sind, die mäanderförmig verlaufen und im Auftreffbereich der Tröpfchen die Kammstruktur mit dem Teilungsverhältnis (T) bilden, und daß an jeweils zwei Anschlüssen (13,14) der bifilaren Leiterbahnen (181,191) die Auswerteschaltung (29) anschaltbar, und die beiden anderen Anschlüsse (23,24) nicht miteinander verbunden sind und daß anschließend an die Sensorplatte (12,25) ein durch mindestens eine nichtleitende poröse Schicht gebildeter Saugblock (17) zum kapillarischen Abführen von Flüssigkeit vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß an jeweils zwei Anschlüssen (13,14) der bifilaren Leiterbahnen (181,191) während Meßpausen der Auswerteschaltung (20) eine Stromquelle anschaltbar ist und die beiden anderen Anschlüsse (23,24) in diesem Fall miteinander verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Überwachung des Auftreffens von einzelnen Tröpfchen das Teilungsverhältnis (T) der Kammstruktur kleiner oder gleich dem Durchmesser (D) eines einzelnen Tintentröpfchens ist (T ≦ D).
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Überwachung des Auftreffens mehrerer nacheinander aus jeweils einer Austrittsdüse (3) ausgestoßenen Einzeltröpfchen das Teilungsverhältnis (T) der Kammstruktur größer ist als der Durchmesser (D) eines einzelnen Tintentröpfchens (T > D).
Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Saugblock (17) aus saugfähigem, nichtleitendem Material besteht.
Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Saugblock (17) aus mindestens zwei Teilschichten (15,16) saugfähigen, nichtleitenden Materials unterschiedlicher Porosität und gleicher oder unterschiedlicher Dicke besteht, und daß die Porosität der einzelnen Schichten (15,16) mit zunehmendem Abstand vom Elektrodenkamm zunimmt (P2 > P1).
Anordnung nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daµ die Leiterbahnen (18,19;181,191) und die Kammteile (121, 122) durch Elektroden auf einer auf den Saugblock (17;15,16) auflaminierten und entsprechend dem Teilungsverhältnis (T) strukturierten Isolierfolie (21) gebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (18,19) und die Kammteile (121,122) der Sensorplatte (12,25) auf einer Trägerplatte (26) ausgebildet sind, wobei auf den Kammteilen (121,122) jeweils mindestens ein Kontaktierungsfenster (27) und im Auftreffbereich der Tröpfchen ein Spritzfenster (28) vorgesehen ist,
daß ein Gehäuse (29) zur Aufnahme des Saugblockes (17) und der den Saugblock (17) abdeckenden Sensorplatte (12,25) vorgesehen ist,
und daµ Befestigungselemente (42) vorgesehen sind, die die Sensorplatte (12,25) sowohl mit dem Saugblock (17) mechanisch sicher verbinden als auch über die Kontaktierungsfenster (27) die Sensorplatte (12,25) elektrisch kontaktieren.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (29) seitlich angeordnete federnde Rastzungen (40) besitzt, mit denen es lösbar am Druckerchassis (41) befestigt ist.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (29) außerhalb des Druckbereiches, vorzugsweise am linken oder am rechten Zeilenrand des Druckbereiches, am Druckerchassis (41) befestigt ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (29) unterhalb des Saugblockes (17) ein Aufnahmebereich (48) für eine zusätzliche Tintenentsorgung vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungselemente (42) beidseitig des Gehäuses (29) angeordnete Kontaktfedern sind, deren Rastnasen (44) beim Einführen der Kontaktfedern (42) in das Gehäuse (29) in eine Ausnehmung (45) des Gehäuses (29) einrasten und deren federnde Zungen (46) unter Druck die Oberfläche der Sensorplatte (12,25) erfassen, wobei sich mindestens eine Kontaktfeder auf jeder Seite des Gehäuses (29) im Bereich des Kontaktierungsfensters (27) befindet.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die nach außen geführten Teile der Kontaktfedern (42) als Steckeranschluß ausgeführt sind.
Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteschaltung (20) eine aus einem Festwiderstand (30) und dem Widerstand (31) zwischen den Anschlüssen (13,14) der Leiterbahnen (18,19;181,191) bestehende und an eine Gleichspannungsquelle (+U) angeschlossene Spannungsteilerschaltung, einen an den Teilerpunkt der Spannungsteilerschaltung angeschalteten Komparator (32) und eine über den Ausgang des Komparators steuerbare bistable Schaltung (37) enthält, wobei der sich am Teilerpunkt der Spannungsteilerschaltung (30,31) einstellende Spannungswert (Um) einmal direkt an den einen Eingang und einem über ein Integrierglied (35,36) als zeitlicher Mittelwert (Umm) an den anderen Eingang des Komparators (32) angeschaltet ist, über dessen Ausgang abhängig von einer Widerstandsänderung zwischen den Anschlüssen (13,14) die bistabile Schaltung (37) umgesteuert wird und das Sensorsignal (SM) abgibt, und daß nach Auswertung des Sensorsignals (SM) die bistabile Schaltung (37) wieder zurückgesetzt wird.
Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteschaltung (20) eine aus einem Festwiderstand (30) und dem Widerstand (31) zwischen den Anschlüssen (13,14) der Leiterbahnen (18,19;181,191) bestehende und an einen Wechselspannungsgenerator (38) angeschlossene Spannungsteilerschaltung, eine an den Teilerpunkt der Spannungsteilerschaltung (30,31) angeschaltete Demodulatorschaltung (33) enthält, daß der Ausgang der Demodulatorschaltung (33) einmal direkt an den einen Eingang und einmal über ein Integrierglied (35,36) an den anderen Eingang des Komparators (32) angeschaltet ist, über dessen Ausgang abhängig von einer Widerstandsänderung zwischen den Anschlüssen (13,14) die bistabile Schaltung (37) umgesteuert wird und das Sensorsignal (SM) abgibt, und daß nach Auswertung des Sensorsignals (SM) die bistabile Schaltung (37) wieder zurückgesetzt wird.