DE2725801C3

DE2725801C3 - Vorrichtung zur Bestimmung des Aufschlagpunktes von Tintentropfen

Info

Publication number: DE2725801C3
Application number: DE2725801A
Authority: DE
Inventors: John Martin Fleischer; Richard Dwight Holmes
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: Lexmark International Inc
Priority date: 1976-06-14
Filing date: 1977-06-08
Publication date: 1979-11-08
Also published as: JPS52153438A; US4067019A; DE2725801A1; BR7703545A; FR2354885B1; CA1085483A; IT1115345B; DE2725801B2; JPS557827B2; FR2354885A1; GB1545440A

Description

Es sind Tintenstrahldrucker bekannt, bei denen nur die zum Druck erforderlichen Tröpfchen erzeugt werden, andere bei denen aus einem kontinuierlichen Tintenstrahl nur diejenigen gegen das Papier gelenkt werden, die für den Druck benötigt werden, wobei das Ablenken der Tintentröpl'chen auf das Papier bzw. in eine Tintenauffangblende magnetisch oder elektrostatisch erfolgen kann. Bei jedem dieser Tintenstrahldrukker hängt die Druckqualilät, d. h. die Genauigkeit des Auftreffens der Tintentröpfchen auf die vorgegebene Druckposition von der Richtungssteuerung der TintentröDfchen ab. Bei Tintenstrahldruckern mit nur einer einzigen Düse ist eine anfängliche Abweichung der Tintenstrahlbahn durch Einstellung der Richtung der Düse oder durch Beeinflussung der Richtungssteuerung des Tintenstrahles korrigierbar. Bei Tintenstrahldrukkern mit einer Vielzahl von Düsen ist infolge des geringen zur Verfügung stehenden Raumes eine Richtungssteuerung der einzelnen Tintenstrahlen nicht möglich. Außerdem kann sich die Anfangsrichtung eines Tintenstrahles als Folge von eingetrockneter Tinte oder ίο teilweiser Verschmutzung der Düse oder durch Verschleiß der Düse verändern. Es ist deshalb notwendig, daß die Richtung des Stranles festgestellt wird, nicht nur wenn die Düse zum ersten Mal in den Drucker eingesetzt wird, sondern in periodischen Zeitabständen.

Es ist eine Detektoreinrichtung (US-PS 38 86 564) bekannt, bei der vom Abstand der vorbeifliegenden Tropfen abhängige unterschiedliche Spannungswerte über eine Auswertschaltung die Abweichungen angeben. Die Detektoreinrichtung stellt ein Induktionsfühler dar, der die Ablenkung aufgeladener Tröpfchen feststellt.

In der US-PS 34 65 350 ist zwar die Verwendung eines piezoelektrischen Kristalls als Tropfendetektor beschrieben, jedoch wird hierbei lediglich das Aufschlagen eines Tropfens an irgendeiner Stelle des Detektors angezeigt.

Es ist deshalb die Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Aufschlagpunktes von Tintentropfen zu schaffen, die präzise Ortsangaben ohne Beschränkung auf irgendeine Tropfenart (geladene oder ungeladene) liefert.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteranis Sprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Tropfenaufschlagübertrager in schaubildlicher Darstellung,

Fig. 2 ein Schaltbild für die Feststellung des Auftreffortes des Tropfens auf dem Übertrager,

Fig. 3 einen zweidimensionalen Tropfenaufschlagübertrager in schaubiidlicher Darstellung,
⁴S F i g. 4 die in dem Übertrager nach F i g. 3 verwendete Leiteranordnung in detaillierter Darstellung,

Fig. 5 eine Auflösungskurve der Aufschlagübertrager nach den F i g. 1 und 3,

F i g. 6 am Ausgang der Schaltung nach F i g. 2 infolge eines Tropfenauftreffens an verschiedenen Stellen des Übertragers nach F i g. 1 erzeugte Wellenformen,

Fig. 7 ein Diagramm der Druckerzeugung im Übertrager nach Fig. 1,

Fig.8 einen Tintenstrahldruckkopf mit einem zweireihigen Tropfenaufschlagübertrager und

Fig.9 ein Schema eines zweidimensionalen Aufschlagübertragers für viele Tintenstrahlen.

Die Richtungsgenauigkeit des Tintenstrahles ist bei elektrostatischen Tintenstrahldruckern der sogannten ^bu Binärart besonders wichtig, weil hier die geladenen und unabgelenkten Tropfen auf das zu bedruckende Papier aufschlagen und deren Aufschlaggenauigkeil die Druckqualität bestimmt. Der in F i g. 1 dargestellte Übertrager liefert Informationen über den Ort des Auftreffens des ^M Tintentropfens 10, unabhängig von seiner elektrischen Ladung, Leitfähigkeit oder seinen magnetischen Eigenschaften. Beispielsweise kann der Tropfen einen Durchmesser von 0,025 mm bis 0,05 mm aufweisen, bei

einer Tropfenteilung von 0,17 bis 0,20 mm.

Den Übertrager bildet ein dünnes, gepoltes piezoelektrisches Plättchen 11. Der Übertrager ist funktionsfähig ohne Rücksicht auf die Richtung der Polarität, jedoch ergibt sich die beste Signalamplkude bei einer Polung in der Richtung des Pfeiles 12. Beispielsweise hat das Plättchen 11 für die obenerwähnten Größen der Tintentröpfchen eine Dicke t von ungefähr 0,5 mm. Piezoelektrische Materialien wie piezoelektrische Keramik, Lithium und Quarzkristalle kommen in Betracht An der Rückseite ist das piezoelektrische Material mit einem elektrisch leitfähigen Material von einer Dicke von ungefähr 3 μ überzogen, um die Elektrode 14, die mit der Erde 15 verbunden ist, zu bilden. Zwei elektrische Leiterelektroden 16 und 17 sind auf der Vorderseite des Plättchens 11 niedergeschlagen. Diese Leiter haben beispielsweise eine Breite von 0,025 bis 0,05 mm und eine Dicke von 2 bis 3 μ. Für die oben beschriebenen Tropfengrößen ergibt sich ein vorteilhafter Teilungsabstand Svon 0,12 mm. Die Leiterlänge /ist ausreichend für das Abfühlen der Tintenstrahlen einer vollständigen Reihe von Düsen. Sollte die Tinte korrodierend sein oder andere zerstörerische Effekte auf die Leiter ausüben, sind das piezoelektrische Plättchen und die elektrischen Leiterelektroden mit einer Passivierungsschicht von 3 bis 5 μ Dicke überzogen. Als besonders vorteilhaft hat sich eine aufgesprühte Quarzschicht gezeigt, die eine geeignete Passivierung für viele Tintenarten ergibt. Die elektrischen Leiterelektroden 16 und 17 endigen in den Ausgpngsanschlüssen 21 und 22.

Der in Fig. 2 gezeigte lnipedanzanpassungsve.stärker ist an die Ausgangsanschlüsse 21 und 22 angeschlossen. Der Ausgangsanschluß 21 ist mit dem Operationsverstärker 24 verbunden, während der Ausgangsanschluß 22 an den Operationsverstärker 25 angeschlossen ist. Diese Verstärker sind mit den Eingängen 26 bzw. 27 der Vergleichsschaltung 28 verbunden. Die letztere subtrahiert vom Signal am Eingang 26 dasjenige des Eingangs 27. Das Differmzsignal tritt an der Ausgangsklemme 29 auf. Verschiedene Schaltungen sind verwendbar, jedoch wurde der Impedanzanpassungsverstärker für die Feststellung der Ladepegel als derjenige mit der besseren Empfindlichkeit festgestellt.

Der Übertrager nach Fig. 1 stellt einen Tintenstrahl aus der Reihe von Tintenstrahlen fest, in dem die Tropfen aus allen Düsen bis auf eine aufgeladen werden. All die geladenen Tropfen werden dann in die Tintenauffangblende abgelenkt, während die ungeladenen Tropfen dieser bestimmten Düsen, deren Richtungigenauigkeit zu überprüfen ist, auf den Übertrager aufschlagen. Die von einem aufschlagenden Tropfen verursachte Kraft wird durch den piezoelektrischen Wandler in eine elektrische Ladung oder Spannung verwandelt, in Abhängigkeit von dem verwendeten Meßverfahren. Die erzeugte Spannung ist proportional zur piezoelektrischen Konstanten d,_s in Coulomb/Newton mal der erzeugten Kraft in Newton. Der resultierende Druck und somit die erzeugte Ladung ist um den Aufschlagpunkt des kleinen Tintentropf'" .s herum lokalisiert. Die Ladung sammelt sich an ei^r .r der beiden elektrischen Leiterelektroden 16 und f .·, die der Überlappung des Druckfeldes mit d^r Elektrode entspricht, wodurch sich eine Signal«¹' plitude von der Aufschlagstelle ergibt.

Sollte somit der Tintentror'.n in der Mitte zwischen den beiden Leiterelektro ion 16 und 17 aufschlagen, ist die an jeder Elektrode angesammelte Ladung ungefähr gleich. Schlägt jedoch der Tintentropfen näher an der einen oder anderen Leiterelektrode auf, ist die an dieser Elektrode angesammelte Ladung wesentlich größer als die an der anderen. Die an jeder der beiden Leiterelektroden angesammelten Ladungen werden durch die Operationsverstärker 24,25 verstärkt und der Vergleichsschaltung 28 zugeführt In dem Beispiel, in dem der Tintentropfen in der Mitte zwischen den beiden

ίο Leitereiektroden aufschlägt, wird das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 28 an der Klemme 29 minimal sein. Wenn jedoch der Tintentropfen näher an einer der beiden Leiterelektroden aufschlägt, wird das Ausgangssignal an der Ausgangsklemme 29 wesentlich erhöht

is und seine Amplitude zeigt an, daß eine der beiden Leiterelektroden geringer von der Aufschlagstelle des Tintentropfens entfernt ist.

Im besonderen zeigt ein positives Signal an, daß der Tintentropfen näher an der Leiterelektrode 16 aufschlägt, wohingegen ein negatives Signal eine von der Leiterelektrode 17 geringer beabstandete Aufschlagstelle anzeigt.

In F i g. 3 ist ein zweidimensionaler Aufschlagübertrager dargestellt, der dem in F i g. 1 gezeigten ähnelt. Das piezoelektrische Material 31 ist an seiner Rückseite mit der geerdeten Rückelektrode 32 überzogen, hat jedoch vier Leiterelektroden 33 bis 36, um die Aufschlagstelle des Tintentropfens 40 zweidimensional festzustellen.

Jede der Leiterelektroden kann beispielsweise

3υ (F i g. 4) 0,025 bis 0,05 mm breit sein und die Elektroden 33, 36 und 34, 35 eines jeden Satzes sind um die Entfernung 5 =0,12 mm voneinander entfernt.Wird korrodierende Tinte verwendet, sind die Elektroden mit einer geeigneten Passivierungsschicht überzogen.

Jede der Elektroden endigt in Ausgangsanschlüssen 43 bis 46, die paarweise eine Entfernung e, die ungefähr 2,5 mm beträgt, voneinander entfernt sind. Die Ausgangsanschlüsse der Leiterelektroden sind an gegenüberliegenden Seiten des Aufschlagbereiches mit je einer Eingangsklemme eines Verstärkers, wie einer in Fig. 2 veranschaulicht ist, verbunden. Somit ist beispielsweise der Ausgangsanschluß 43 mit der Klemme 21 verbunden, während der Ausgangsanschluß 46 an die Klemme 22 (Fig. 2) angeschlossen ist. !·.

4ϊ ähnlicher Weise ist der Ausgangsanschluß 44 m^;' der anderen Klemme 21 und der Ausgangsanschlr^r, 45 mit der anderen Klemme 22 eines zweiten Ver^'arkers, der ebenfalls wie der in Fig. 2 gezeigte aufgebaut ist, verbunden. Somit würde das Ausganr »signal des ersten

so Verstärkers den horizontalen Or· des Aufschlagfeldes und das Ausgangssignal des r veiten Verstärkers die vertikale Stelle des Aufschl?_öieldes anzeigen.

Der zweidimensional Aufschlagübertrager der Fig. 3 und 4 ergibt e^;.ie orthogonale Ortsinformation.

Die Anordnung ·'uU nicht quadratisch sein, soll jedoch irgendeine ·. ielseitige Form aufweisen. Als eine Alternative kann eine dreieckige oder andere mehrseitige anordnung verwendet werden. Eine dreieckige »nordnung vermindert die Anzahl der Leiterelektrodeii

■■j und setzt den Aufwand herab. Jedoch werden die Berechnungen, die erforderlich sind, um die erhaltenen Signale in orthogonale Ortsinformationen umzuwan dein, komplex.

Für eine kontinuierlich genaue Wirkungsweise der

'■> beiden in den Fig. 1 und 3 gezeigten Übertrager muß die Passivierungsschicht von den Tintentropfen gut benetzbar sein, so daß sich auf der Oberfläche keine großen Tropfenteile bilden und dadurch den Aufschlag-

schock der ankommenden Tropfen absorbieren. Der Übertrager nach Fig. 3 erzeugt genaue zweidimensional Aufschlagortsinformationen für einen einzigen Tintenstrom. Um den Übertrager für mehrere Tintenströme zu benützen, muß entweder der Übertrager oder der Tintenstrahldruckkopf bzw. die Tintenströme von einem Tintenstrom zum nächsten weitergeschaltet werden.

In F i g. 5 ist eine beispielsweise Auflösungskurve für einen Übertrager nach Fig. 1 mit einem Teilungsabstand der Leiterelektroden von 0,12 mm veranschaulicht, wobei das Differentialausgangssignal (Spitze zu Spitze) von einer Schaltung wie in Fig.2 dargestellt gemessen wird. Dieses Ausgangssignal wird erzeugt, wenn die Tintentropfen von der Längsmilte einer Leiterelektrode zur Längsmitte der nächsten sich bewegen. Das erhaltene Ergebnis beträgt ungefähr 4 Millivolt/0,025 mm oder 40 Nanoampere/0,025 mm bei einer Entfernung von ±0,05 mm.

In F i g. 6 sind Kathodenstrahlröhrenbilder für das aufeinanderfolgende Aufschlagen eines Stromes von Tröpfchen an verschiedenen Orten von der Längsmitte der einen Elektrode (x = 0) bei verschiedenen Schritten in Größen von 0,025 mm zur Längsmitte der zweiten Elektrode (x = 5) gezeigt. Die Tintentropfen haben einen Durchmesser von ungefähr 0,04 mm und eine Geschwindigkeit von 11,5 m/sek.

In F i g. 7 ist die Druckverteilung dargestellt, die sich im Übertrager nach F i g. 1 beim Aufschlag von Tropfen 10 ergibt. Der Druck und somit die erzeugte Ladung ist am Aufschlagpunkt am höchsten und nimmt mit zunehmender Entfernung c/vom Aufschlagpunkt ab. Da die Dicke t des Übertragers 11 zunimmt, wird die Druckverteilung flacher. Dies bedeutet, daß die Spitze der Verteilung etwa die gleiche bleibt bis zu einer Entfernung d von ungefähr 0,02 mm für einen Tropfendurchmesser von 0,05 mm, jedoch infolge der Zunahme der Dicke t die Endenergie zunimmt. Die Form der Kurve ist abhängig vom Moment und Durchmesser der Tropfen. Da die Entfernung 5 zwischen den Leiterelektroden zunimmt, ist die Neigung des festgestellten Teiles der Kurve gering, wodurch sich eine verminderte Tropfenpositionsauflösung ergibt.

In F i g. 8 ist ein Druckkopf 50 mit zwei Reihen von Düsen dargestellt, denen zwei Reihen von Ladeelektroden und eine Ablenk- und Auffangeinheit zugeordnet sind. Der Druckkopf erzeugt zwei Reihen 51 und 52 von Tintentropfenströmen. Ein Tropfenaufschlagübertrager für die Feststellung des Aufschlagpunktes irgendeines der Tintentropfenströme enthält die piezokeramische Grundplatte 54. Wie bei den weiter oben beschriebenen Übertragern enthält er ferner an seiner Rückseite die bei 56 geerdete Überzugselektrode 55. Vier Leiterelektroden 61 bis 64 sind an der Vorderseite der piezoelektrischen Grundplatte niedergeschlagen und weisen eine Länge auf, um wenigstens alle Tropfenströme aufnehmen zu können. Die Leiterelektroden 61 bis 64 verlaufen parallel zur Mittellinie der Reihen der Tropfenströme und sind von denen gleich beabstandel und zueinander parallel. Jede Leiterelektrode endigt mit einem Ausgangsanschluß 66 bis 69. Die Ausgangsanschlüsse 66 und 67 sind mit den Klemmen 21 und 22 der Schaltung von Fig. 2 verbunden und die Ausgangsanschlüsse 68 und 69 sind an die Klemmen 21 und 22 einer Schaltung angeschlossen, die der in Fig. 2 gezeigten

ίο ähnelt. Der Ausgang des Verstärkers ergibt den horizontalen Aufschlagort eines Tropfenstromes aus der Reihe 51 oder 52.

Ein Tintenstrahldrucker, der einen derartigen Aufschlagübertrager verwendet, sollte denselben in einer Entfernung vom Druckkopf angeordnet haben, wie das zu bedruckende Papier von demselben entfernt ist, aber auf einer Seite der Papiertransportbahn. Dadurch wird eine Ausgangsstation gebildet, die periodisch für die Überprüfung der Tintenstrahlrichtungsgenauigkeit verwendbar sein würde.

In F i g. 9 ist eine eng gepackle vieldüsige Anordnung von zweidimensionalen Überträgern ähnlich dem nach Fig. 3 dargestellt. Die Elektroden 70 und 71 bzw. die Aufschlagflächen 72, 73 sind zu einer Ausgangsleitung 75 vereinigt. In ähnlicher Weise sind die Elektroden 76, 77 mit der Ausgangsleitung 79 verbunden. Schließlich sind die Elektroden 80, 81 mit der Ausgangsleitung 83 und die Elektroden 84, 85 mit der Ausgangsleitung 87 verbunden. Für die Aufschlagfläche 72 gibt die mit den Ausgangsleitungen 75 und 79 verbundene Vergleichsschaltung die y-Ortsinformation und die mit den Ausgangsleitungen 83 und 87 verbundene Vergleichsschaltung die x-Ortsinformation an. Für die Aufschlagfläche 73 gibt die mit den Ausgangsleitungen 83 und 87 verbundene Vergleichsschaltung noch die x-Ortsinformation an, jedoch die mit den Ausgangsleitungen 75 und 79 verbundene Vergleichsschaltung gibt jetzt die negative y-Ortsinformation an.

Das Ausgangssignal des Aufschlagübertragers am Verstärker 28 kann auch zur Feststellung der Geschwindigkeit des Tintenstromes verwendet werden, indem nur ein ausgewählter Tropfen oder Teilchen eines Tropfens ungeladen und deshalb unabgelenkt verbleibt und so auf den Übertrager aufschlägt. Durch Messung der Übergangszeit des ungeladenen Tropfens bzw. der ungeladenen Tropfen kann die Geschwindigkeit errechnet werden und auf der Basis der bekannten Entfernung zwischen den Ladeelektrodcn und dem Aufschlagübertrager.

Experimente haben ergeben, daß die mit dem Übertrager erreichbaren Ausgangspegel ungefähr lOOma! größer sind als die gegenwärtig mit der induktiven Abfühlung elektrostatischer Tintentropfer erzielten und daß auch das Signalrauschverhältnis größer als 15 ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Aufschlagpunktes von Tintentropfen eines Tintenstrahldrukkers mit Hilfe einer mit Elektroden versehenen piezoelektrischen Platte, die bei Auftreffen von Tintentropfen Spannungsimpulse an die Elektroden abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Planseite der gepolten piezoelektrischen Platte (11 bzw. 31 bzw. 54) eine gemeinsame Elektrode (14 bzw. 32 bzw. 55) und auf der anderen Seite, auf der die Tintentröpfchen auftreffen, mindestens zwei voneinander beabstandetc Leiterelektroden (16, 17 bzw. 33 bis 36 bzw. 61 bis 64 bzw. 70, 76, 80, 84 usw.) angeordnet sind, daß der Aufschlagpunkt der Tintentröpfchen (10, 40) innerhalb der von den Leiterelektroden begrenzten Fläche .liegt, und daß die Elektroden mit einer Auswertschaltung (24,25,28) verbunden sind, die aus den Signalen, deren Stärke anhängig ist von dem Abstand des Aufschiagpunktes von der jeweiligen Leiterelektrode, den genauen Aufschlagpunkt ermittelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Leiterelektrode (z. B. 16,17) eines jeden Leiterelektrodenpaares an je einem zweier parallel geschalteter Operationsverstärker (24, 25) der Auswertschaltung (F i g. 2) angeschlossen ist, die eine an die beiden Operationsverstärker angeschlossene Vergleichsschaltung (28) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Le'.crelektroden (16, 17) eine Länge gleich der Länge einer Düsenreihe aufweisen und daß nacheinander die Tintenströme jeweils einer einzigen Düse der Düsenreihe gegen die piezoelektrischen Platte (11) gerichtet werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Leiterelektroden (16,17) als auch die dieselben aufnehmende Seite der piezoelektrischen Platte (11) von einer Passivierungsschicht überzogen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß pro Düse einer Düsenreihe je zwei Leiterelektrodenpaare (70, 76 und 80, 84 bzw. 71, 77 und 81, 85) vorgesehen sind und daß die Leiterelektroden (70, 71,76, 77) sämtlicher für die Bestimmung der einen Koordinate verantwortlichen Leiterelektrodenpaare an eine gemeinsame Auswertschaltung (Fig. 2) und die für die Bestimmung der anderen Koordinate verantwortlichen (80, 81, 84, 85) an eine gemeinsame zweite Auswertschaltung (Fig. 2) angeschlossen sind.