EP0401216B1 - Heizvorrichtung zur erwärmung der tinte im schreibkopf einer tintendruckeinrichtung - Google Patents

Heizvorrichtung zur erwärmung der tinte im schreibkopf einer tintendruckeinrichtung Download PDF

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EP0401216B1
EP0401216B1 EP88905666A EP88905666A EP0401216B1 EP 0401216 B1 EP0401216 B1 EP 0401216B1 EP 88905666 A EP88905666 A EP 88905666A EP 88905666 A EP88905666 A EP 88905666A EP 0401216 B1 EP0401216 B1 EP 0401216B1
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EP
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • 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
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/17—Ink jet characterised by ink handling
    • B41J2/195—Ink jet characterised by ink handling for monitoring ink quality

Definitions

  • the invention relates to a heating device for heating the ink in the print head of an ink printing device according to the preamble of patent claim 1.
  • a known principle for the representation of characters on a recording medium is based on the fact that under the action of a control individual ink droplets are ejected from nozzles of a writing head which is part of an ink printing device. By coordinating the ejection of individual droplets and the relative movement between the recording medium and the writing head, characters and / or graphic patterns are thereby built up in a grid pattern on the recording medium.
  • the operational reliability and the quality of the recording depend to a large extent on the uniformity of the droplet ejection, ie the individual droplets ejected by a drive pulse must have a defined size and leave the nozzle of the print head at the same speed in each case.
  • the temperature of the ink in the print head can be brought to a certain value and maintained.
  • relatively long heating-up times result, in particular in the case of writing heads with electrothermal transducers, since the heating elements are arranged on the surface of a writing head carrier which is relatively voluminous or has a large area.
  • the write head is usually arranged on an aluminum plate, which serves as a heat sink. If the ink has to be heated when switching on, when operating with a few nozzles or after a long writing operation of the ink printing device, then the heat sink must also be heated up.
  • the object of the invention is to provide an arrangement for heating or heating the ink for a print head in ink printing devices according to the preamble, with which the heating time is reduced, with which a reliable control is ensured, which furthermore only takes up little space for heating and if necessary requires sensor elements and can be assembled with little effort.
  • FIG. 1 shows only the details necessary for understanding the invention, namely a write head 1 with outlet nozzles 2, from which by individual control of electrothermal transducer elements, each of which acts on the ink in the ink channels 3, individual ink droplets are expelled.
  • the now generally known principle for this is based on the fact that a controlled heating of the electrothermal transducer element in the ink channel in question results in an ink vapor bubble (so-called bubble) which causes droplet ejection. This principle has therefore become known as the bubble jet process.
  • the individual ink channels 3 are connected to a common ink chamber 4.
  • Such write heads can be constructed using what is known as thin-film technology, the electrothermal transducer, generally a heating resistor, and the contacts for this heating resistor being built up in layers on a substrate carrier, with the ink chamber 4 and the ink channels 3 being formed at the same time.
  • the writing head 1 is arranged on a relatively large-area writing head carrier 5 which acts as a heat sink. This is usually made of aluminum.
  • the heating element 6 provided for heating the ink, like the sensor element 7, is arranged on the print head carrier 5.
  • a so-called voltage regulator is used as the heating element 6 and its power loss is used as heating power for heating the write head carrier 5.
  • Voltage regulators are known per se.
  • an integrated circuit is preferred, in which a thermal overload protection is included, which protects the circuit, like the overall arrangement, from destruction or erosion.
  • a sensor element 7 is also advantageously used as such known PTC thermistor use.
  • the application of the heating element and the sensor element on the print head carrier 5 does not present any design problems.
  • a control circuit 8 which is connected to the heating element 6 and the sensor element 7 via the connections 9, the heating-up times for the ink are significantly shorter than with PTC heating elements according to the prior art.
  • the control circuit 8 given as an example essentially consists of a first voltage divider with the fixed resistors 10 and 11, a second voltage divider which, in addition to a fixed resistor 12, contains the sensor element 7 as a further resistor, a differential amplifier 13, the inputs of which are tapped with the first and the second voltage divider are connected and from a transistor output stage 14 and a variable resistor 15, with which the load current IL of the heating element 6 is set.
  • Other components (resistors and capacitances) of the control circuit 8 are not identified in detail.
  • the response threshold of the control circuit 8 is adjustable via the resistor 12 in cooperation with the sensor element 7. When the predetermined operating temperature Tb is reached, the output transistor is switched off via the output of the differential amplifier 13.
  • the voltage regulator as the heating element 6 a heating power of up to 25 W can be achieved.
  • the housing of such a voltage regulator has a very low heat transfer resistance, which also has a very favorable effect on reducing the heating-up time.
  • Line 1 shows the course of the load current IL and row 2 shows the course of the temperature T as a function of the time t.
  • the arrangement can advantageously be used in ink writing devices with a plurality of writing heads, for example in so-called multicolor writing devices. Since the heating element used according to the invention can deliver a large heating power and itself has only a low thermal resistance, it can be on the common one together with the sensor element Print head carriers for the print heads can be arranged. This has the advantage that a single heating element is sufficient to heat the ink of a large number of writing heads and that only a single control circuit has to be provided.
  • FIG. 3 An example of this embodiment is shown in FIG. 3.
  • the writing device consists of four writing heads 16 to 19, for which a common writing head support 20, which in turn can be an aluminum support, is provided as a heat sink.
  • the heating element 6 and the sensor element 7 are arranged on this.
  • FIG. 3 shows a sectional illustration, ie the ink channels 21 in each of the write heads 16 to 19 lie here in the plane of the drawing.
  • the control circuit 8 described with reference to FIG. 1 is used, for example.

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Abstract

Die Heizvorrichtung weist ein Temperatursensorelement (7) und als Heizelement (6) einen Spannungsregler auf, der auf dem Schreibkopfträger (5) angeordnet ist; das Heizelement (6) wird bis zum Erreichen einer einstellbaren Betriebstemperatur (Tb) über eine Regelschaltung (8) mit einem konstanten Laststrom (IL) versorgt; die Heizenergie zur Erwärmung der Tinte wird über die Verlustwärme des Heizelementes (6) bereitgestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung zur Erwärmung der Tinte im Schreibkopf einer Tintendruckeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Ein bekanntes Prinzip zur Darstellung von Zeichen auf einem Aufzeichnungsträger beruht darauf, daß unter der Einwirkung einer Steuerung einzelne Tintentröpfchen aus Düsen eines Schreibkopfes, der Bestandteil einer Tintendruckeinrichtung ist, ausgestoßen werden. Durch Abstimmung zwischen dem Ausstoß von Einzeltröpfchen und der Relativbewegung zwischen dem Aufzeichnungsträger und dem Schreibkopf werden dadurch Zeichen und/oder grafische Muster auf dem Aufzeichnungsträger rasterförmig aufgebaut. Die Betriebssicherheit und die Qualität der Aufzeichnung hängen in hohem Maße von der Gleichmäßigkeit des Tröpfchenausstosses ab, d.h. die durch einen Ansteuerimpuls ausgestoßenen einzelnen Tröpfchen müssen eine definierte Größe besitzen und mit jeweils gleicher Geschwindigkeit die Düse des Schreibkopfes verlassen. Ganz wesentlich ist für einen gleichmäßigen Tröpfchenausstoß der Einfluß der Viskosität der Tinte. Diese ist in großem Maße von der Temperatur abhängig. Es ist deshalb bereits bekannt, die Temperatur der Tinte in einem Tintenschreibkopf auf einem konstanten Wert zu halten. Für einen Schreibkopf, bei dem einzelne Tintenkanäle vorgesehen sind, die an Austrittsdüsen einer Düsenplatte enden, ist es bekannt, in der Düsenplatte ein Heizelement vorzusehen (DE-OS 26 59 398). Weiterhin ist es für derartige Schreibköpfe bekannt, im Bereich der Düsenplatte eine Induktionsspule vorzusehen und die Düsenplatte durch Wirbelströme und Ummagnetisierungsverluste aufzuheizen (DE-OS 35 00 820).
  • Neuerdings ist es bekannt geworden, den Ausstoß einzelner Tintentröpfchen dadurch zu erreichen, daß im Bereich eines im Tintenkanal angeordneten elektrothermischen Energiewandlers eine Tintendampfblase erzeugt wird, die ein bestimmtes Tintenvolumen als Tröpfchen aus dem Tintenkanal ausstößt. Derartige Schreibköpfe können nach der sog. Dünnschichttechnik aufgebaut werden. Auch für Schreibköpfe dieser Art ist die Temperaturabhängigkeit der Viskosität der Tinte ein sehr wesentlicher Faktor. Es ist deshalb auch für Schreibköpfe der genannten Art bekannt, die Ausstoßbedingungen durch eine Erwärmung der Tintenflüssigkeit zu verbessern. Das kann durch zusätzliche von außen auf die Tinte einwirkende Heizelemente geschehen (beispielsweise DE-OS 29 43 164; DE-OS 35 45 689). Als Heizelemente finden dafür Kaltleiter Verwendung. In Verbindung mit einer Regelschaltung und einem Temperatur-Sensorelement, für das z.B. ein Heißleiter oder ein Kaltleiter eingesetzt wird, kann damit die Temperatur der Tinte im Schreibkopf auf einem bestimmten Wert gebracht und gehalten werden. Allerdings ergeben sich insbesondere bei Schreibköpfen mit elektrothermischen Wandlern relativ lange Aufheizzeiten, da die Heizelemente oberflächig auf einem Schreibkopfträger angeordnet sind, der relativ voluminös bzw. großflächig ausgestaltet ist. Der Grund dafür ist, daß für Schreibköpfe mit elektrothermischen Wandlern wegen der im laufenden Schreibbetrieb auftretenden Erwärmung der linte unter gewissen Umständen Maßnahmen zur Kühlung vorgesehen sein müssen. Dazu ist der Schreibkopf üblicherweise auf einer Aluminiumplatte angeordnet, die als Kühlkörper dient. Wenn bei der Einschaltung, beim Betrieb mit wenigen Düsen oder nach längerem Schreibbetrieb der Tintendruckeinrichtung die Tinte aufgeheizt werden muß, dann muß stets auch der Kühlkörper mit aufgeheizt werden.
  • Es ist zwar bereits bekannt (DE-OS 29 43 164), im Inneren des Tintenraumes eine Heizspule anzuordnen, doch ist damit ein erheblicher konstruktiver Aufwand verbunden. Darüber hinaus ergeben sich wegen auftretender chemischer Prozesse zwischen dem Spulenmaterial und der Tintenflüssigkeit zusätzliche Probleme.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, für einen Schreibkopf in Tintendruckeinrichtungen gemäß dem Oberbegriff eine Anordnung zur Erwärmung bzw. zur Aufheizung der Tinte anzugeben, mit der die Aufheizzeit reduziert wird, mit der eine zuverlässige Regelung gewährleistet ist, die weiterhin nur geringen Platzbedarf für Heiz- und bedarfsweise Sensorelemente erfordert und die aufwandsarm montierbar ist.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Dort zeigt
    • Fig. 1 die Anordnung des erfindungsgemäß verwendeten Heizelementes und des Sensorelements auf dem Träger für den Schreibkopf zusammen mit einer Regelschaltung,
    • Fig. 2 den Verlauf des Laststromes eines erfindungsgemäß verwendeten Heizelementes sowie den Verlauf der Temperatur abhängig von der Zeit,
    • Fig. 3 ein Beispiel für die Anordnung des erfindungsgemäß verwendeten Heizelements sowie eines Sensorelements in einer Schreibeinrichtung mit mehreren Schreibköpfen.
  • Das in Fig. 1 dargestellte Beispiel zeigt lediglich die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Einzelheiten, nämlich einen Schreibkopf 1 mit Austrittsdüsen 2, aus denen durch individuelle Ansteuerung von elektrothermischen Wandlerelementen, die jeweils auf die Tinte in den Tintenkänälen 3 einwirken, einzelne Tintentröpfchen ausgestoßen werden. Das inzwischen allgemein bekannte Prinzip dafür beruht darauf, daß durch eine gesteuerte Aufheizung des elektrothermischen Wandlerelementes im betreffenden Tintenkanal eine Tintendampfblase (sog. bubble) entsteht, die einen Tröpfchenausstoß bewirkt. Dieses Prinzip ist deshalb unter dem Namen Bubble-Jet-Verfahren bekanntgeworden. Die individuellen Tintenkanäle 3 stehen mit einer gemeinsamen Tintenkammer 4 in Verbindung. Derartige Schreibköpfe können in sog. Dünnschichttechnik aufgebaut werden, wobei auf einem Substratträger schichtweise der elektrothermische Wandler, in der Regel ein Heizwiderstand, die Kontaktierung für diesen Heizwiderstand unter gleichzeitiger Ausbildung der Tintenkammer 4 und der Tintenkanäle 3 aufgebaut werden.
  • Entsprechend der eingangs erwähnten Forderung, wonach bei Verwendung von elektrothermischen Wandlern als Antriebselemente für den Tröpfchenausstoß für eine ausreichende Kühlung während des Schreibbetriebes Vorsorge getroffen werden muß, ist der Schreibkopf 1 auf einem relativ großflächigen, als Kühlkörper wirkenden Schreibkopfträger 5 angeordnet. Dieser besteht in der Regel aus Aluminium.
  • Das zur Erwärmung der Tinte vorgesehene Heizelement 6 ist ebenso wie das Sensorelement 7 auf dem Schreibkopfträger 5 angeordnet. Erfindungsgemäß wird als Heizelement 6 ein sog. Spannungsregler verwendet und dessen Verlustleistung als Heizleistung zum Erwärmen des Schreibkopfträgers 5 ausgenützt. Spannungsregler sind an sich bekannt. Bevorzugt wird hierfür eine integrierte Schaltung, in welcher ein thermischer Überlastungsschutz enthalten ist, der die Schaltung wie die Gesamtanordnung vor Zerstörung bzw. Abbrand schützt. Als Sensorelement 7 findet mit Vorteil ein ebenfalls an sich bekannter Kaltleiter Verwendung. Das Aufbringen des Heiz- und des Sensorelementes auf dem Schreibkopfträger 5 bietet keine konstruktiven Probleme. In Zusammenarbeit mit einer Regelschaltung 8, die über die Anschlüsse 9 mit dem Heizelement 6 und dem Sensorelement 7 verbunden ist, ergeben sich deutlich kürzere Aufheizzeiten für die Tinte als mit Kaltleiter-Heizelementen nach dem Stande der Technik.
  • Die als Beispiel angeführte Regelschaltung 8 besteht im wesentlichen aus einem ersten Spannungsteiler mit den Festwiderständen 10 und 11, einem zweiten Spannungsteiler, der neben einem Festwiderstand 12 als weiteren Widerstand das Sensorelement 7 enthält, einem Differenzverstärker 13, dessen Eingänge mit den Abgriffen des ersten und des zweiten Spannungsteilers verbunden sind sowie aus einer Transistor-Ausgangsstufe 14 und einem Regelwiderstand 15, mit dem der Laststrom IL des Heizelementes 6 eingestellt wird. Weitere Bauteile (Widerstände und Kapazitäten) der Regelschaltung 8 sind nicht im einzelnen bezeichnet.
  • Die Wirkungsweise der Anordnung ist im wesentlichen folgende. Unterhalb einer bestimmten Tintentemperatur, die im folgenden als Betriebstemperatur Tb bezeichnet wird und die üblicherweise 35° C beträgt, ist über den Ausgang des Differenzverstärkers 13 der Ausgangstransistor 14 leitend und das Heizelement 6 wird mit dem vollen Laststrom IL versorgt. Die Einstellung des Stromes IL und damit auch die Einstellung der Heizenergie erfolgt über den Widerstand 15. Im praktischen Betrieb tritt ein Laststrom IL=0,8 A auf. Die Ansprechschwelle der Regelschaltung 8 ist über den Widerstand 12 in Zusammenwirkung mit dem Sensorelement 7 einstellbar. Ist die vorbestimmte Betriebstemperatur Tb erreicht, so wird über den Ausgang des Differenzverstärkers 13 der Ausgangstransistor abgeschaltet. Die während der aktiven Phase des Spannungsreglers 6 entstehende Verlustwärme, die während dieser Phase aufgrund der Reglereigenschaften des Spannungsreglers 6 konstant ist, führt zu einem schnellen Aufheizen des Aluminiumträgers 5 und damit auch der Tinte in der Tintenkammer 4 und in den Tintenkanälen 3. Mit dem Spannungsregler als Heizelement 6 ist eine Heizleistung bis zu 25 W erreichbar. Außerdem weist das Gehäuse eines derartigen Spannungsreglers einen sehr niedrigen Wärmeübergangswiderstand auf, was sich auf die Reduzierung der Aufheizzeit ebenfalls sehr günstig auswirkt.
  • Der mit der Verwendung eines Spannungsreglers als Heizelement 6 verbundene Vorteil ist aus Fig. 2 ersichtlich. Dort ist in Zeile 1 der Verlauf des Lastsstromes IL und in Zeile 2 der Verlauf der Temperatur T in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Zum Vergleich ist in Fig. 2 strichpunktiert der Stromverlauf und der Temperaturverlauf bei Verwendung von Heizelementen nach dem Stande der Technik (Kaltleiter) eingetragen. Man erkennt, daß bei Verwendung eines Kaltleiters beim Einschalten zunächst ein hoher Strom fließt (IL=1A), der jedoch schon kurz danach bei Erreichen der Bezugstemperatur für den Kaltleiter auf einen niedrigen Wert absinkt (Zeile 1). Damit ergibt sich, ausgehend von einer Anfangstemperatur Ta (z.B. Ta=10° C) bis zum Erreichen der Betriebstemperatur Tb (z.B. Tb=35° C) eine Aufheizzeit th2 (Zeile 2). Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Heizelementes bleibt der Laststrom IL (IL=0,8A) bis zum Erreichen der geforderten Betriebstemperatur Tb konstant auf einem hohen Wert (Zeile 1). Die Aufheizzeit ist dadurch erheblich kürzer und bereits zum Zeitpunkt th1 ist die Betriebstemperatur Tb erreicht (Zeile 2).
  • Mit Vorteil ist die Anordnung in Tintenschreibeinrichtungen mit mehreren Schreibköpfen einsetzbar, beispielsweise in sog. Mehrfarbenschreibeinrichtungen. Da das erfindungsgemäß verwendete Heizelement eine große Heizleistung abgeben kann und selbst nur einen geringen Wärmewiderstand aufweist, kann es zusammen mit dem Sensorelement auf dem gemeinsamen Schreibkopfträger für die Schreibköpfe angeordnet werden. Das hat den Vorteil, daß ein einziges Heizelement zur Aufheizung der Tinte einer Vielzahl von Schreibköpfen ausreichend ist und daß auch nur eine einzige Regelschaltung vorgesehen werden muß.
  • Ein Beispiel für diese Ausgestaltung zeigt Fig. 3. Die Schreibeinrichtung besteht in diesem Beispiel aus vier Schreibköpfen 16 bis 19, für die ein gemeinsamer Schreibkopfträger 20, der wiederum ein Aluminiumträger sein kann, als Kühlkörper vorgesehen ist. Auf diesem sind das Heizelement 6 und das Sensorelement 7 angeordnet. Im Unterschied zur Darstellung nach Fig. 1, bei der eine Anordnung in Aufsicht gezeigt ist, stellt Fig. 3 eine Schnittdarstellung dar, d.h. die Tintenkanäle 21 in jedem der Schreibköpfe 16 bis 19 liegen hier in der Zeichnungsebene. Auch bei dieser Ausgestaltung wird beispielsweise die anhand von Fig. 1 beschriebene Regelschaltung 8 eingesetzt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Schreibkopf
    2
    Austrittsdüsen
    3
    Tintenkanäle
    4
    Tintenkammer
    5
    Schreibkopfträger
    6
    Heizelement, Spannungsregler
    7
    Sensorelement
    8
    Regelschaltung
    9
    Anschlüsse
    10, 11, 12
    Widerstände
    13
    Differenzverstärker
    14
    Ausgangsstufe, Ausgangstransistor
    15
    Regelwiderstand
    16 bis 19
    Schreibköpfe
    20
    Schreibkopfträger
    21
    Tintenkanäle
    T
    Temperatur
    Ta
    Ausgangstemperatur
    Tb
    Betriebstemperatur
    t
    Zeit
    th1, th2
    Aufheizzeiten
    Il
    Laststrom

Claims (3)

  1. Vorrichtung zur Erwärmung der Tinte im Schreibkopf einer Tintenschreibeinrichtung mit mehreren, in Austrittsöffnungen (2) endenden Tintenkanälen (3) und mit individuell ansteuerbaren, jedem Tintenkanal zugeordneten elektrothermischen Wandlerelementen, unter deren Einwirkung die Tinte im Bereich eines Wandlerelements im Tintenkanal plötzlich bis zur Bildung einer Tintendampfblase erwärmt wird, wobei der Schreibkopf (1, 16-19) auf einem im Vergleich zum Schreibkopf großflächigen Schreibkopfträger (5,20) angeordnet ist, mit einem zusätzlichen Heizelement (6), dessen Verlustleistung den Schreibkopfträger (5,20) und die Tinte im Schreibkopf auf die Betriebstemperatur (Tb) aufheizt, einem Temperatursensorelement (7) und einer Regelschaltung (8), dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Heizelement (6) ein Spannungsregler ist, der zusammen mit dem Temperatursensorelement (7) thermisch leitend auf dem Schreibkopfträger (5,20) angeordnet ist, und daß über die Regelschaltung (8) das Heizelement (6) bis zum Erreichen der Betriebstemperatur (Tb) mit einem konstanten Laststrom (IL) versorgt wird.
  2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (6) in einem Gehäuse mit einem kleinen Wärmeübertragungswiderstandswert angeordnet ist.
  3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1 und 2 für eine Tintendruckeinrichtung mit mehreren Schreibköpfen, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (6) und das Temperatursensorelement (7) auf dem für alle Schreibköpfe (16 bis 19) gemeinsamen Schreibkopfträger (20) angeordnet sind und mit der gemeinsamen Regelschaltung (8) verbunden sind.
EP88905666A 1988-06-29 1988-06-29 Heizvorrichtung zur erwärmung der tinte im schreibkopf einer tintendruckeinrichtung Expired - Lifetime EP0401216B1 (de)

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