DE3881010T2

DE3881010T2 - Verfahren und vorrichtung zum tintenstrahldrucken.

Info

Publication number: DE3881010T2
Application number: DE88905825T
Authority: DE
Inventors: Bo Samuelsson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-07-20
Filing date: 1988-07-11
Publication date: 1993-12-02
Anticipated expiration: 2008-07-12
Also published as: WO1989000504A1; JPH02500098A; EP0323991B1; DE3881010D1; EP0323991A1; US4839665A; CA1315595C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Tintenstrahldrucken, insbesondere die Steuerung der Menge elektrischer Ladung, die den Tropfen eines zerstäubten Tintenstrahls zugeführt wird, wenn ein elektrisches Potential zwischen die Tinte und eine Steuerelektrode angelegt wird, welche den Bereich umgibt, in dem der Strahl in Tropfen erfällt.
US-A-3, 916,421 beschreibt eine Tintelstrahldruckvorrichtung, bei der ein Tintenstrahl unter hohem Druck von einer Düse ausgeht und an einem Punkt der Tropfenbildung innerhalb einer Steuerelektrode in eine Reihe von Tropfen zerfällt. Diese Reihe normalerweise ungeladener Tropfen bewegt sich in einer Linie oder entlang einer Ausgangsachse hin zu einer Tinte-aufnehmenden Oberfläche wie ein Aufzeichnungsmedium, z. B. ein Bogen Papier, die an einem in Bezug auf die Düse beweglichen Träger, z. B. einer drehenden Trommel eines Trommelschreibers, angebracht oder anderweitig befestigt ist. Auf dem Weg von der Düse zu der tinteaufnehmenden Oberfläche treten die Tropfen durch ein quer verlaufendes elektrisches Feld durch, das zwischen einer negativ geladenen Hochspannungselektrode und einem unteren Teil der Steuerelektrode erzeugt wird. Wenn nun eine positive Steuerspannung an die Steuerelektrode angelegt wird, während die Tinte in der Düse geerdet ist, wird ein elektrisches Feld an dem Punkt der Tropfenbildung ausgebildet, das jeden der an dem Punkt der Tropfenbildung ausgebildeten Tropfen veranlaßt, negativ geladen zu werden. Wegen der Ladung werden diese Tropfen in einen Auffänger oder in eine Abflußrinne abgelenkt, wobei sie nicht die tinteaufnehmende Oberfläche erreichen können. Die Zeitdauer, während der die Signalspannung oder der "Druckimpuls", die der Steuerelektrode zugeführt wird, Null oder geringer als eine Grenzsteuerspannung ist, bestimmt die Anzahl der Tropfen, die eine Elementarfläche (Pixelfläche) der tinteaufnehmenden Oberfläche erreichen, die mit der Tintenstrahlachse ausgerichtet ist. Somit steuern die Druckimpulse die Menge der auf die einzelnen Pixelflächen aufgebrachten Tinte und daher die Dichten der Pixel, die wiederum ein Halbtonbild bilden können. Eine Verbesserung der oben erwähnten Tintenstrahlanordnung wird in US-A-4,620,196 beschrieben. Bei dieser verbesserten Tintenstrahlanordnung wird die Rate und Position der Tropfenbildung durch eine Ultraschallanregung des Tintenstrahls gesteuert. Weiterhin wird die Länge der elektrischen Druckimpulse, die die Anzahl der Tropfen bestimmen, welche die aufnehmende Oberfläche erreichen, so eingestellt, daß sie gleich n/f ist, wobei f die Tropfenbildungsrate, die gleich der Ultraschallanregungsfrequenz (z. B. 1 MHz) ist, und n eine ganze Zahl darstellt, die derart ausgewählt ist, daß das Verhältnis n/f nahe bei der Länge des Originaldrucksignals liegt. Zusätzlich wird der Start des Druckimpulses mit einer geeigneten Phase der Ultraschallanregung synchronisiert. Das stellt sicher, daß der Start des Druckimpulses immer mit der gleichen Phase des Tropfenbildungsprozesses zusammenfällt. Die Wirkung dieser Maßnahmen ist eine merkliche Verringerung der Körnigkeit des Halbtonbildes, das von den gedruckten Pixeln gebildet wird.
Es wurde weiterhin vorgeschlagen, die Tropfenbildungsrate und somit die Druckimpulse mit der Pixelrate zu synchronisieren, die in Abhängigkeit von der relativen Bewegung zwischen der Düse und der tinteaufnehmenden Oberfläche, d. h. im Fall eines Trommelschreibers mittels eines Wellencodierers, gesteuert wird. Dies verringert die Körnigkeit des gedruckten Bildes.
Die elektrische Ladung, die ein einzelner Tropfen aufnimmt, wenn eine gegebene Potentialdifferenz zwischen den Tintenstrahl und die Steuerelektrode angelegt wird, hängt in großem Maße von der Beziehung zwischen der Zeit der Bildung des betrachteten Tropfens und der Zeit der Anlegung der Potentialdifferenz ab. In dem Fall eines angeregten Strahls, bei dem die Tropfenbildungsrate durch ein Ultraschallanregungssignal vorbestimmter Frequenz gesteuert wird, ist die Menge der elektrischen Ladung, die auf den ersten Tropfen aufgebracht wird, welcher nach dem Auftreten der Vorderflanke eines Druckimpulses von dem durchgehenden Bereich des Strahls abgetrennt wird, letztendlich eine Funktion des Phasenwinkels der Anregungssignalperiode, bei dem die Vorderflanke des Druckimpulses auftritt.
US-A-4,288,796 offenbart einen Tintenstrahldrucker des Vielpegelladungs-Amplitudensteuerungstyps, bei dem eine gewünschte Beziehung zwischen der Phase des Tropfenbildungsprozesses und der Zeitabstimmung der Druckimpulse durch Anlegen von Abtastimpulsen zwischen die Tinte und eine Steuerelektrode erhalten wird, die eine ununterbrochen schwankende Phasenbeziehung in Bezug auf ein Ultraschallanregungssignal besitzen, das die Tropfenbildungsrate und -phase steuert. Der von dem Tintenstrahl bezogene Strom wird gemessen und die Phase zwischen dem Ultraschallanregungssignal und den Druckimpulsen beibehalten, wenn ein gewünschter Strompegel erhalten ist.
Es wird festgestellt werden, daß der von dem Tintenstrahl bezogene Strom ziemlich gering und daher schwer zuverlässig erfaßbar ist.
Die vorliegende Erfindung löst das Problem, die Erfassung des von dem Tintenstrahl während des Phaseneinstellprozesses bezogenen Stroms zuverlässiger zu gestalten, in dem elektrische Abtastimpulse verwendet werden, die zwei aneinander anschließende Impulskomponenten entgegengesetzter Polaritäten umfassen und/oder moduliert sind. Dies macht die Stromerfassung weniger empfindlich gegenüber Rauschen und somit zuverlässiger.
Der Schritt der Modulation der Abtastimpulse umfaßt bevorzugterweise eine Amplitudenmodulation.
In dem Fall von Abtastimpulsen, die zwei aneinander anschließende Impulskomponenten entgegengesetzter Polaritäten umfassen, umfaßt der Strommeßschritt vorzugsweise eine Nulldurchgangserfassung.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Tintenstrahlvorrichtung, die umfaßt:
a) Mittel zur Erzeugung eines Tintenstrahls, der sich an einem Punkt der Tropfenbildung in eine Reihe von Tropfen auflöst,
b) Mittel zur Steuerung des Zeitpunkts der Tropfenbildung,
c) erste Elektrodenmittel, die an den Punkt der Tropfenbildung angrenzend angeordnet sind,
d) zweite Elektrodenmittel, die leitend mit dem Tintenstrahl verbunden sind,
e) Mittel zur Erzeugung von elektrischen Impulsen und zum Anlegen dieser Impulse über den ersten und zweiten Elektrodenmitteln zur selektiven Aufladung der Tropfen,
f) Mittel zum Tragen eines Aufzeichnungsempfangsmediums auf dem Weg von passend geladenen Tropfen,
g) Mittel zur Veranlassung einer Relativbewegung zwischen dem Tintenstrahlerzeugungsmittel und dem Tragemittel,
h) Mittel zur Erfassung der Größe eines elektrischen Stromes, der während des Aufladens der Tropfen in dem Strahl fließt,
i) Mittel, die auf die Größe des Stromes zur Erzeugung eines Steuersignals ansprechen,
j) Verzögerungsmittel, die durch das Steuersignal zur Variation der Zeitbeziehung zwischen dem Tropfenbildungsprozeß und dem Anlegen der Ladeimpulse in Reaktion auf das Steuersignal gesteuert werden.
Erfindungsgemäß enthält die Vorrichtung Mittel zur Erzeugung von Abtastimpulsen, die jeweils zwei aneinander anschließende Impulskomponenten entgegengesetzter Polaritäten umfassen, und/oder Mittel zur Modulation der Abtastimpulse.
Die Impulse entgegengesetzter Polaritäten können beabstandet sein und das Stromansprechmittel kann einen Nulldurchgangsdetektor umfassen. Das Modulationsmittel kann einen Amplitudenmodulator umfassen.
Das vorliegende Verfahren und die Vorrichtung stellen eine zuverlässigere Stromerfassung und somit Phaseneinstellung bereit.
Es wurde weiterhin herausgefunden, daß der spezifische elektrische Widerstand der Tinte so gering wie möglich, allgemein unterhalb 150 Ohm cm, vorzugsweise unterhalb ungefähr 120 oder 100 Ohm cm, sein sollte, um die Aufladung der Tropfen zu beschleunigen. Tinten zum Tintenstrahldrucken umfassen im allgemeinen Wasser und/oder einen Alkohol (z. B. ungefähr 80 Vol.%), eine Flüssigkeit niedrigen Dampfdruckes wie Glycerin oder Glykol (z. B. 20 Vol.%), einen in der Flüssigkeit niedrigen Dampfdruckes löslichen Farbstoff und wahlweise geringe Mengen weiterer Zusätze wie Konservierungsmittel. Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der spezifische Widerstand der Tinte durch Hinzufügen eines ionischen Zusatzes wie z. B. eines Alkalimetallhalogenids (wie Lithiumchlorid oder Natriumchlorid) erniedrigt.
Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele leichter verständlich, die unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gezeigt und erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte, teilweise geschnittene Seitenansicht eines Teils eines Tintenstrahldruckers und ein Blockschaltbild einer angeschlossenen elektrischen Schaltung, die eine Ausführungsform der Erfindung umfaßt;
Fig. 2 eine Folge vergrößerter Ansichten des Bereiches eines Tintenstrahls, wo dieser sich in eine Reihe einzelner Tropfen auflöst, zu Zeitpunkten, die verschiedenen Phasen des Tropfenbildungsprozesses entsprechen;
Fig. 3 eine Darstellung des Widerstandes R(t) des ununterbrochenen Teils des Strahls als Funktion der Phase des Tropfenbildungsprozesses für drei verschiedene spezifische Widerstände der Tinte;
Fig. 4 eine gegenüber Fig. 3 ähnliche Darstellung und darauf bezogene Signal-Schwingungsformen;
Fig. 5 eine Darstellung der Größe eines elektrischen Stromes I, der durch Abtastimpulse erzeugt wird, als Funktion der Phasenbeziehung zwischen den Probenimpulsen und dem Tropfenbildungsprozeß;
Fig. 6 einen Abtastimpuls bevorzugter Schwingungsform;
Fig. 7 in ähnlicher Weise wie Fig. 5 die Größe des Stromes I gegenüber der relativen Phase, wenn die Abtastimpuls- Schwingungsform gemäß Fig. 6 verwendet wird;
Fig. 8 eine detailliertere Blockdarstellung einer bevorzugten Phaseneinstellschaltung; und
Fig. 9 ein Blockschaltbild einer beispielsweisen Schaltung zur Erzeugung der in Fig. 6 gezeigten Abtastimpulse.
Die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtung können mit verschiedenen Arten von Tintenstrahlvorrichtungen, wie einfarbige oder mehrfarbige Tintenstrahldrucker, und Verwendung verschiedener Elektrodensysteme und Steuerschemata verwirklicht werden. Der Einfachheit halber wird jedoch die Erfindung unter Bezug auf eine Tintenstrahlvorrichtung beschrieben, die einen einzelnen Strahl umfaßt, wie sie in der oben erwähnten US-A-3,916,421 beschrieben wird.
Gemäß Fig. 1 umfaßt der gezeigte Tintenstrahldrucker ein Tropfenbildungsmittel 10, das eine Düse 12 enthält, die einen Durchmesser von z. B. 10 um besitzt und über eine Tintenleitung 14 mit einer unter Druck stehenden (nicht gezeigten) Tintenquelle verbunden ist. Beim Betrieb wird ein Tintenstrahl 16 hoher Geschwindigkeit von der Düse 12 ausgestoßen und an einem Tropfenbildungspunkt in eine Reihe von feinen Tintentropfen 18 aufgebrochen, die entlang einer Achse auf ein Aufzeichnungsmedium 20 gerichtet sind, das auf einer drehenden Welle 21 oder irgend einem anderen geeigneten Träger gehaltert ist, der in Bezug auf die Düse 12 beweglich ist.
Zwischen der Düse 12 und dem Aufzeichnungsmedium 20 ist ein Elektrodensystem 22 angeordnet. Das Elektrodensystem 22 ist von bekannter Art und umfaßt eine Steuerelektrode 24, die einen röhrenförmigen Bereich, welcher den Tropfenbildungspunkt umgibt, und einen länglichen Bereich besitzt, der sich hin zu dem Aufzeichnungsmedium 20 erstreckt und eine Messerklinge 26 bildet, die als Tropfenauffangmittel wirkt. Das Elektrodensystem umfaßt weiterhin eine Hochspannungs-Ablenkelektrode 28, die mit dem länglichen Bereich der Steuerelektrode zusammenwirkt. Die Tinte in der Tintenleitung 14 ist elektrisch über eine Elektrode 30 mit Masse verbunden. Ein Ultraschallwandler 32 ist mit der Düse 12 zur Steuerung der Tropfenbildungsrate verbunden, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Der Wandler 32 wird von einer Hochfrequenz-(z. B. 1 MHz)-Signalquelle wie einem Oszillator 34 gespeist. Das Oszillatorsignal wird auch verwendet, um ein Taktsignal für die elektronische Schaltung zu erzeugen, die das Drucken steuert. Die Information, die die Tinten- oder (Farbauszug-) Farbdichte in jedem Pixel bestimmt, wird durch eine Datenquelle 36 bereitgestellt, die in diesem Fall als ein Pufferspeicher angenommen wird. Der Pufferspeicher 36 besitzt einen Lesebefehlseingang 36, welcher an den Ausgang eines Wellencodierers 40 angeschlossen ist, der mit einer Welle der Trommel 21 verbunden ist, die das Aufzeichnungsmedium 20 trägt. Der Wellencodierer 40 gibt einen Indeximpuls für jede Trommelumdrehung und einen Pixelimpuls für jede Pixelstellung ab, die mit der Achse des Tintenstrahls und dem Tropfenweg ausgerichtet ist. Die Datenquelle 36 besitzt einen digitalen Dichtesignalausgang, der an einen Informationseingang eines Abwärtszählers 44 angeschlossen ist, und spricht auf jeden Pixelimpuls, der an ihren Lesebefehlseingang 38 angelegt wird, durch Übergabe des entsprechenden Dichtewertes an den Abwärtszähler an. Der Abwärtszähler 44 besitzt einen Ladebefehlseingang 46 und speichert den momentanen Dichtewert, welcher von der Datenquelle 36 empfangen wird, wenn ein LADE-Signal an den Eingang 46 angelegt wird. Das Dichtesignal bestimmt die Anzahl der Tintentropfen, die auf den vorliegenden Pixelort aufgebracht werden sollen. Der Abwärtszähler 44 wird mit einem Signal DCLK abwärts getaktet, welches von dem Ausgangssignal des Oszillators 34 über einen Schmitt Trigger-Schaltkreis 48, einen einstellbaren Verzögerungsschaltkreis 50 und einen einpoligen, elektronischen Umschalter 101 abgeleitet wird, wenn der Schalter 101 sich in seinem normalen oder Aufzeichnungsbetriebszustand befindet, der mit einer durchgezogenen Linie gezeigt ist. Der Abwärtszähler 44 besitzt einen Druckimpulsausgang 52, an dem ein Druckimpuls erscheint, der beginnt, wenn der erste DCLK-Impuls nach dem Laden des Dichtewertes empfangen wird, und der endet, wenn der Zähler durch die DCLK-Impulse auf Null hinabgetaktet worden ist. Der Druckimpuls wird über einen Umkehrverstärker 53 an die Steuerelektrode 24 angelegt, um die Strahlsperrspannung von z. B. 200 Volt an dieser Elektrode bis unterhalb des Grenzwertes zu verringern, solange der Druckimpuls andauert, um den Tropfen 18 zu erlauben, das Aufzeichnungsmedium 20 zu erreichen. Ein Synchronisationsschaltkreis 54 ist in dem Signalweg zwischen dem Wellencodierer 40 und dem Ladebefehlseingang 46 des Abwärtszählers 44 angeschlossen.
Soweit sie beschrieben ist und mit weiteren Bezügen kann die Vorrichtung mit Ausnahme eines Schaltkreises 100 zur Steuerung der Ladung der Tropfen, der unten beschrieben wird, derjenigen entsprechen, die in der obenerwähnten US-A-4,620,196 beschrieben ist.
Im folgenden wird zur Erklärung des Problems, auf dem die Erfindung basiert, auf die Fig. 2, 3 und 4 Bezug genommen. Fig. 2 zeigt vergrößerte Photographien des Bereiches eines Tintenstrahls, in dem dieser sich in eine Reihe von Tropfen auflöst, zu Zeitpunkten, die acht verschiedenen Werten des Phasenwinkels des Anregungssignals vom Oszillator 34 entsprechen, der die Tropfenbildungsrate steuert. Entgegen der 1878 von Rayleigh publizierten Theorie weichen die exponentiell wachsenden, axial symmetrischen Variationen des Strahldurchmessers beträchtlich von der Form einer Sinuswelle ab. Tatsächlich entwickelt der Strahl ungefähr kugelförmige Bereiche, die später zu den einzelnen Tropfen werden und die durch dünne, stabförmige Zwischenbereiche (die sogenannte Satellitentropfen geringer Abmessung werden können) getrennt sind. Aus Fig. 2 kann leicht eingesehen werden, daß der Strom, der elektrische Ladungen auf die kugelförmigen Bereiche und letztendlich auf die Tropfen auf bringt, einem wachsenden elektrischen Widerstand begegnen wird, wenn der stabförmige Bereich dünner und dünner wird, welcher den ununterbrochenen Bereich des Strahls mit dem äußersten, kugelförmig vergrößerten Bereich verbindet, welcher der nächste Tropfen werden wird.
Fig. 3 zeigt den elektrischen Widerstand R des ununterbrochenen Teils eines Strahls, der von einer Düse mit einem Durchmesser von 10 um ausgestoßen wird, als Funktion der Phase R des Tropfenbildungsprozesses für drei verschiedene spezifische Widerstände der Tinte. Wenn angenommen wird, daß die Tropfenbildungsrate 1 MHz beträgt, so beträgt der Zeitbereich, der zum Beladen oder Entladen eines einzelnen Tropfens verfügbar ist, einen Bruchteil von 10&supmin;&sup6; Sekunden. Die Kapazität eines Tropfens, der innerhalb dieses Zeitbereiches geladen werden soll, beträgt ungefähr 5·10&supmin;¹&sup6; Farad (F). Die Lade- oder Entladezeitkonstante ist das Produkt des zeitabhängigen Widerstandes R(t) der Tinte zwischen der Elektrode 30 (Fig. 1) und dem fernen Ende des Strahls, das den nächsten Tropfen bilden wird, multipliziert mit der Tropfenkapazität. Eine einfache Rechnung zeigt, daß unter den obigen Annahmen der Widerstand der Tintensäule zwischen der Elektrode 30 und dem abtrennenden Tropfen gut weniger als 100·10&sup6; Ohm, vorzugsweise unterhalb 50·10&sup6; Ohm, oder sogar weniger betragen sollte. Das bedeutet, daß der Lade- oder Entladeprozeß vor dem steilen Anstieg des Widerstandes, d. h. gemäß Fig. 3 vor ungefähr 3π/2, abgeschlossen sein muß. Fig. 3 zeigt auch, daß ein zufriedenstellendes Beladen des Tropfens überhaupt nicht möglich ist, wenn der spezifische Widerstand der Tinte 1000 Ohm cm beträgt (obere Kurve in Fig. 3). Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß es einen verbotenen Phasenwinkelbereich Z gibt, in dem keinerlei Schalten des Druckimpulssignales stattfinden sollte. Nähere Untersuchungen zeigen, daß der verbotene Bereich ein wenig vor dem Zeitpunkt endet, bei dem sich der Tropfen tatsächlich von der Spitze des Strahls ablöst. Es ist auch bekannt, daß die Druckimpuls- oder Signal-Spannung nicht streng rechteckig sein sollte, sondern ein wenig abgerundete Kanten besitzen sollte, um den sogenannten Nachwirkungseffekt zu kompensieren. Um jedoch die folgende Erklärung zu vereinfachen, wird von der Druckimpuls- oder Signal-Spannung angenommen, daß diese eine rechteckige Form besitzt.
Wenn nun der Druckimpuls im verbotenen Bereich beginnt oder endet, so ergibt sich ein Tropfen, der eine mittlere Ladung trägt, welche zu gering sein kann, um zu veranlassen, daß der Tropfen genügend abgelenkt wird, so daß er aufgefangen und vom Erreichen des Aufzeichnungsmediums gehindert wird, welche jedoch genügend groß sein kann, um den Tropfen aus der im wesentlichen geraden Bahn zu dem Aufzeichnungsmedium abzulenken. Der Tropfen kann daher das Aufzeichnungsmedium außerhalb der gegenwärtigen Pixelstellung erreichen, wobei das aufgezeichnete Bild eine bestimmte Körnigkeit zeigen wird. Dies gilt sowohl für die Vorder- als auch für die Rückflanken des Druckimpulses.
Der verbotene Bereich Z wird mittels Abtastimpulsen variierender Phasenbeziehung in Bezug auf das Anregungssignal und durch Messung des Tropfen-Ladestroms ermittelt, der bei den verschiedenen Phasenwinkeln fließt, wie es im folgenden unter Bezug auf die Darstellungen in Fig. 4 erklärt wird, welche mit einer üblichen Zeitskala (X-Achse) gezeichnet sind. Die obere Darstellung in Fig. 4 zeigt den zeitabhängigen Widerstand R(t) des ununterbrochenen Teils des Strahls bei einem gegebenen spezifischen Widerstand der Tinte als Funktion des Phasenwinkels des Tropfenbildungsprozesses gemäß Fig. 2. Der verbotene Bereich Z ist schraffiert. Die zweite Darstellung in Fig. 4 zeigt die Wellenform des Anregungssignals des Oszillators 34 (Fig. 1). Die Beziehung zwischen der Phase R und der Phase Φ sind willkürlich ausgewählt. Die dritte Darstellung in Fig. 4 zeigt zwei Abtastimpulse, die verschiedene Phasenbeziehungen in Bezug auf R und Φ besitzen. Die vierte Darstellung zeigt die Ladung, die auf den vergrößerten Endbereich des Strahls aufgebracht wird, der der nächste Tropfen werden wird. Die Dauer der Abtastimpulse P1 und P2 ist vorzugsweise kurz, z. B. ein Viertel oder weniger der Periode 2π des Tropfenbildungsprozesses, wobei sie jedoch irgendeine Dauer besitzen können, die von einer ganzzahligen Anzahl (einschließlich eins) derartiger Perioden abweicht.
Der Abtastimpuls P1 beginnt und endet innerhalb des erlaubten Bereiches. Während des Anlegens der Impulsspannung zwischen der Tintenelektrode 30 und der Steuerelektrode 24 (Fig. 1) wird der vergrößerte Endbereich des Strahls, der der nächste Tropfen werden wird, zu einer maximalen Ladung Qm1 aufgeladen, wie es in dem Bereich zwischen den Zeiten t1 und t2 in der vierten Darstellung von Fig. 4 gezeigt ist. Da der Widerstand des Ladestromweges relativ gering ist, wird Qm1 einen relativ großen Wert besitzen. In dem Zeitbereich, der nach t2 folgt, ist die Abtastimpulsspannung V Null, wobei dadurch die Ladung auf dem Tropfenbereich durch die Tintensäule mit ungefähr derselben Entladezeitkonstante wie während des Ladens abgeleitet wird, da der Widerstand der Tintensäule noch gering ist. Somit wird die Nettoladung des Tropfens, der sich schließlich von der Tintensäule ablösen wird, im wesentlichen Null betragen.
Der Abtastimpuls P2 beginnt zum Zeitpunkt t&sub3;, der noch in dem erlaubten Bereich liegt. Während der Dauer des Abtastimpulses P2 beginnt der Widerstand R(t) jedoch anzusteigen. Somit wird am Ende des Abtastimpulses P2 zum Zeitpunkt t4 der Endbereich des Strahls, der der nächste Tropfen werden wird, eine Ladung Qm2 empfangen haben, die ein wenig geringer als Qm1 ist. Wichtiger ist, daß sich der Widerstand der Tintensäule nach t4 vergrößert, so daß eine bei weitem größere Entladungszeitkonstante wirksam werden wird. Somit wird am Ende dieses Bereiches eine bestimmte, endliche Restladung Qr auf dem abgetrennten Tropfen verbleiben. So wird die Situation, die unter Bezug auf den Abtastimpuls P1 erklärt wurde, einen Wert des Nettoladestromes ergeben, der Null oder nahezu Null ist, während die Situation, die unter Bezug auf den Abtastimpuls P2 erklärt wurde, einen bestimmten, von Null verschiedenen Nettoladestrom erzeugen wird, der gemessen und als ein Zeichen dafür verwendet werden kann, daß der verbotene Bereich Z durch den Abtastimpuls getroffen wurde.
Wenn der Abtastimpuls wie der Puls P2 in Fig. 4 in Phase angeordnet wird, so werden die Tropfen negativ geladen, da sie nicht vollständig am Ende des entsprechenden Abtastimpulses P2 vollständig entladen werden, weil seine Rückflanke in dem verbotenen Bereich Z liegt. Somit fließt ein Strom I = N·Qm von der Elektrode 30 in der Tintenleitung 14 über den Widerstand 130 zur Masse, wobei N die Zahl der pro Sekunde erzeugten Tropfen und Qm die Restladung auf jedem Tropfen darstellen. Das Maximum von I beträgt normalerweise in Abhängigkeit von der Amplitude und der Breite des Impulses P 10 bis 100 nA. Da jedoch die Restladung Qm, die auf dem Tropfen nach seiner Bildung zurückbleibt, wie oben beschrieben von der Phasenlage des Abtastimpulses P in Bezug auf den Tropfenbildungsprozeß abhängt, wird der Strom I durch den Widerstand 130 von der Phase des Probenabtastimpulses abhängen. Fig. 4 zeigt, daß dieser Strom ungefähr Null sein wird, wenn der Abtastimpuls gut außerhalb des verbotenen Bereiches Z liegt, und zu seinem Maximalwert ansteigen wird, wenn die Abtastimpulsphase in Z verschoben wird, wie es in Fig. 5 angezeigt ist. In Fig. 5 wird der Strom I als Funktion der Phase R der ansteigenden Flanke des Abtastimpulses in Bezug auf die Phase des Tropfenbildungsprozesses gezeigt, der in Fig. 2 dargestellt ist. Obwohl diese Abhängigkeit ein wenig mit der Gestalt des Abtastimpulses schwankt, ist es offenkundig, daß die Position des verbotenen Bereiches Z in dem Tropfenbildungsphasenbereich aufrund der Größe von I erfaßt werden kann.
Es sollte klar sein, daß die in Fig. 5 gezeigte Funktion von der Breite und Amplitude des Abtastimpulses abhängt, die innerhalb breiter Grenzen variiert werden können. Die Länge des Impulses kann sogar länger als die Periode des Signals, das von dem Oszillator 34 erzeugt wird, sollte jedoch nicht ein genaues Vielfaches dieser Periode sein.
Der Abtastimpuls kann verschiedene und komplexe Formen aufweisen. Eine bevorzugte Form des Abtastimpulses ist in Fig. 6 gezeigt. Dieser Abtastimpuls besteht aus zwei beabstandeten Impulsen gleicher Breite und Amplitude, jedoch entgegengesetzter Polaritäten, wobei jede Impulsbreite höchstens gleich der Hälfte der Signalperiode des Oszillators 34 ist. Wenn die Phase von diesem zusammengesetzten Abtastimpuls in Bezug auf den Tropfenbildungsprozeß verschoben wird, so verändert sich der Strom durch den Widerstand 130 ungefähr so, wie es in Fig. 7 gezeigt ist. Die Strom-Phasen-Abhängigkeit gemäß Fig. 7 besitzt zwei Nulldurchgänge, die einfach mit elektronischen Mitteln erfaßt werden können. Daher wird der zusammengesetzte Abtastimpuls bevorzugt, der in Fig. 6 gezeigt wird. Der zusammengesetzte Abtastimpuls gemäß Fig. 6 kann mit einem speziellen Impulsgenerator nach Empfang eines Triggerimpulses erzeugt werden. Ein Beispiel eines derartigen Abtastimpulserzeugungsschaltkreises ist in Fig. 9 gezeigt. Es ist natürlich nicht notwendig, daß die zwei Impulse des komplexen Abtastimpulses, der in Fig. 6 gezeigt ist, dieselbe Breite und Amplitude besitzen, sie können sogar dieselbe Polarität besitzen und die einzelnen Impulse entgegengesetzter Polarität können ohne Abstand aufeinanderfolgen. Ersatzweise können sogar komplexere Formen von Abtastimpulsen verwendet werden. Daher ist das in Fig. 6 gezeigte Beispiel nur als bevorzugte Ausführungsform und in keiner Weise als die möglichen Abtastimpulsgestalten begrenzend gemeint.
Es wurde oben hervorgehoben, daß der durch den Widerstand 130 fließende Strom I verhältnismäßig gering, im allgemeinen kleiner als 100 nA, ist. Es kann daher schwierig sein, ihn zu erfassen. Dieses Problem kann stark durch Modulation der Amplitude des Abtastimpulses mit einer Sinuswelle oder einem ähnlich periodischen Signal erleichtert werden, dessen Frequenz fm konstant und wesentlich geringer als die von dem Oszillator 34 gesteuerte Tropfenbildungsfrequenz (z. B. 1/10 bis 1/100 dieser Frequenz) ist. In diesem Fall wird der Strom I eine starke Wechselstromkomponente bekannter Frequenz fm besitzen, die einfach mit einem Schmalbandverstärker verstärkt werden kann. Dieses Verfahren trennt auch mögliche Offset-Gleichströme in dem Widerstand 130 ab. Dieses Abtastmodulationsverfahren kann offensichtlich auch mit den vorher beschriebenen komplexen Abtastimpulsen verwendet werden.
Es wurde darauf hingewiesen, daß es wichtig ist, daß der Druckimpuls außerhalb des verbotenen Bereiches Z ein- und ausgeschaltet wird, d. h. daß das Schalten während solcher Phasen des Tropfenbildungsprozesses auftreten sollte, in denen der Widerstand R(t) des ununterbrochenen Teils des Strahls verhältnismäßig gering ist. Um dieses zu erreichen, ist es notwendig, den Phasenbereich des verbotenen Bereiches Z in Bezug auf das von dem Oszillator 34 erzeugte Signal zu kennen. Da dieser Phasenbereich der Strahlgeschwindigkeit von der Amplitude der Ultraschallschwingung an der Düse 12 und anderen variablen Parametern abhängt, muß sie gemessen und das Ergebnis der Messung dazu verwendet werden, die Vorderflanke des Druckimpulses mit dem Verzögerungsschaltkreis 50 zu verzögern, so daß diese Flanke nicht in den verbotenen Bereich Z fällt. Im folgenden wird gezeigt, wie dies erreicht werden kann.
Die Erfahrung zeigt, daß die Strahlparameter während einer Druckoperation ziemlich konstant bleiben. Daher ist es ausreichend, die Druckimpulsphase unmittelbar vor Start des Drückens eines Bildes auf einen Trommelschreiber einzustellen. Dies kann mit einem elektronischen Einstellschaltkreis 100 erreicht werden, der in Blockgestalt in Fig. 1 und im einzelnen in Fig. 8 gezeigt ist. In diesem Schaltkreis 100 wird der Betrag des von der Tintenleitungselektrode 30 durch den Widerstand 130 zur Masse fließenden Stromes I mit einem Verstärker 131 erfaßt, der den Spannungsabfall verstärkt, der durch diesen Strom über dem Widerstand 130 erzeugt wird. Das Verstärkerausgangssignal wird dann an einen Vergleicher oder Nulldurchgangs-Detektor 132 angelegt. Immer wenn die Eingangsspannung an den Komparator eine vorbestimmte Bezugsspannung durchläuft, die durch einen Spannungsteiler 133 gesetzt ist, legt der Vergleicher einen Impuls an einen Sägezahngenerator 149 an. Dieser Impuls stoppt unmittelbar den Sägezahngenerator, so daß dessen Ausgangsspannung nach diesem Ereignis konstant bleibt. Diese Funktion könnte auch mit einem analogen Abtast-Halte-Schaltkreis erhalten werden. Das Ausgangssignal wird dann an den spannungsgesteuerten Verzögerungsschaltkreis 50 angelegt, um dessen variable Verzögerung zu steuern.
Der Schaltkreis 100 enthält weiterhin einen Abtastimpulsgenerator 151, der jedesmal einen Abtastimpuls vorbestimmter Gestalt erzeugt, wenn er durch ein Impulssignal von dem elektronischen Schalter 101 getriggert wird.
Ein Trommelschreiber, der die in Fig. 1 gezeigte Schaltung enthält, wird normalerweise durch einen Mikroprozessor gesteuert. Um den Phaseneinstellschaltkreis 100 bei Beginn einer Druckoperation zu aktivieren, setzt der Mikroprozessor den elektronischen Schalter 101 in den Fig. 1 und 8 in seine "obere" Stellung, um den Ausgang des Verzögerungsschaltkreises 50 mit einem Triggereingang T des Abtastimpulsgenerators 151 zu verbinden. Daher sind die Impulse, die von dem Oszillator 34 und dem Schmitt-Trigger 48 (nach Hindurchtritt durch den Verzögerungsschaltkreis 50) erzeugt wurden, in der Lage, den Abtastimpulsgenerator 151 zu triggern. Auf diesem Wege wird in jeder Periode des Oszillatorsignals ein Abtastimpuls durch den Verstärker 152 an die Elektrode 24 angelegt. Die Phase dieser Abtastimpulse wird durch die Verzögerung bestimmt, die das Oszillatorsignal erleidet, wenn es durch den Verzögerungsschaltkreis 50 hindurchtritt, der seinerseits durch die Verzögerungssteuerspannung gesteuert wird, die an diesen von dem Sägezahngenerator 149 angelegt wird. Sobald der Schalter 101 in die obere oder "Phaseneinstellungs"-Stellung gesetzt ist, wird der Sägezahngenerator von dem Mikroprozessor gestartet. Dieser Generator steigert innerhalb ungefahr 1 Sekunde seine Ausgangsspannung linear bis zu einem Maximalwert. Die Verzögerung des Oszillatorsignals in dem Verzögerungsschaltkreis 50 wird entsprechend gesteigert, was die Phase des von dem Schaltkreis 151 erzeugten Abtastimpulses in Bezug auf das Oszillatorsignal und den Tropfenbildungsprozeß ändert. Dies verändert wiederum den Strom I durch den Widerstand 130, wie es oben beschrieben wurde.
Wenn der Spannungsabfall über dem Widerstand 130, der von dem Verstärker 131 verstärkt wird, eine vorbestimmte Bezugsspannung erreicht hat, die durch den Spannungsteiler 133 eingestellt wird, so wird der Komparator 132 einen Impuls erzeugen, der den Sägezahngenerator 149 stoppt. Die Bezugsspannung ist derart ausgewählt, daß dies nur stattfindet, wenn der Abtastimpuls gut außerhalb des verbotenen Bereiches Z liegt. Das Ausgangssignal des Komparators 132 veranlaßt den Mikroprozessor, den elektronischen Schalter 101 zurück in seinen "unteren" oder normalen Druckbetriebszustand zu schalten, wie er in Fig. 8 mit einer durchgezogenen Linie gezeigt ist. Danach wird die Ausgangsspannung des Sägezahngenerators und somit auch die mit dem Verzögerungsschaltkreis 50 eingeführte Verzögerung bis zu dem Ende der Druckoperation beibehalten.
Als Ergebnis des oben beschriebenen Verzögerungseinstellablaufes werden die von dem Oszillator 34 erzeugten Impulse, nachdem sie durch den Verzögerungsschaltkreis 50 hindurchgetreten sind, außerhalb des verbotenen Bereiches Z liegen. Somit kann, wenn der Mikroprozessor den Schalter 101 in seine normale Stellung zurückgeschaltet hat, die Druckoperation selbst beginnen. Dann werden die von dem Oszillator 34 und dem Schmitt-Trigger erzeugten Impulse durch den Verzögerungsschaltkreis und den Schalter 101 zum Abwärtszähler 44 hindurchlaufen, wo sie die Druckimpulse erzeugen, wie es in dem europaischen Patent Nr. 293 496 (angemeldet: 14.4.1987) beschrieben ist. Da die Oszillatorsignalimpulse in der Verzögerung 50 verzögert werden, so daß sie gut außerhalb des verbotenen Bereiches Z fallen, gilt dasselbe für die Anstiegsflanke der Druckimpulse, was gefordert wurde, wenn eine perfekte Bildqualität während der Druckoperation erzeugt werden sollte.
Es wurde erwähnt, daß die Erfassung des Stromes I durch den Widerstand 130 durch Modulation der Abtastimpulsamplitude mit einem geeigneten Signal mit der Frequenz fm erleichtert werden kann. Dieses Merkmal kann einfach in der Einstellschaltung gemäß Fig. 8 unter Verwendung eines Ausgangsverstärkers 152 verwendet werden, dessen Verstärkung durch eine externe Signalspannung gesteuert werden kann. Dieses Signal kann durch einen Signalgenerator 153 zugeführt werden, der z. B. ein Sinuswellensignal der Frequenz fm erzeugt. Dieses Signal moduliert die Abtastimpulsamplitude und somit den Strom I mit der Frequenz fm. Um die Wechselstromkomponente des Stromes I zu erfassen, wird an der Stelle des Eingangsverstärkers 131 ein Schmalbandverstärker, dem ein Gleichrichter oder ein Phasendetektorschaltkreis nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal an den Komparator 132 angelegt wird, oder irgendein anderer bekannter Typ eines Synchrondetektors oder einer Korrelationsschaltung verwendet.
Im allgemeinen kann der Strom I auf verschiedenen anderen Wegen erfaßt werden. So wird, wenn der Strahl von einem leitfähigen, jedoch isolierten Auffänger (Abflußrinne) vor dem Elektrodensystem 22 aufgefangen wird und dieser Auffänger über einen Widerstand, der ähnlich zu dem Widerstand 130 ist, mit Masse verbunden wird, jegliche Ladung auf dem Tropfen einem Strom Ic von dem Auffänger zu der Masse ergeben. Wenn dieser Strom mittels des Eingangsverstärkers 131 gemaß Fig. 8 erfaßt wird, so kann der Einstellablauf in genau derselben Weise ausgeführt werden, wie es oben beschrieben wurde.
Ersatzweise kann die Ablenkung des Flugweges der Tropfen in dem Ablenkungsquerfeld zwischen den Elektroden 28 und 28 in Fig. 1 erfaßt werden, da diese Ablenkung ein Maß für die Ladung der Tropfen ist. Eine derartige Messung kann am einfachsten erreicht werden, indem erfaßt wird, wenn sich der Strahl oberhalb oder unterhalb der Auffängerklinge oder -kante 26 in Fig. 1 bewegt. Ersatzweise kann eine Anordnung aus Draht-Zielaufnehmern verwendet werden, wie es in WO 89/00108 (Titel: "Electronic Method and Device for Adjustment of Jet Direction in an Ink Jet Apparatus"), was hier durch Bezugnahme eingeschlossen werden soll.
Bei der obigen Beschreibung des Einstellablaufes unter Verwendung der Schaltung, die in Fig. 8 gezeigt ist, wurde angenommen, daß die Einstellung unmittelbar vor dem Start einer jeden Druckoperation durchgeführt wird. Dies wird bevorzugt, ist jedoch nicht notwendig. Statt dessen kann die Einstellung zu jeder geeigneten Zeit der Druckoperation selbst bewirkt werden, z. B. einmal während jeder Umdrehung der Trommel 21, wenn beispielsweise der aufzeichnungsmediumsfreie Bereich der Trommel die Düsenachse durchläuft.
Der in Fig. 9 gezeigte, beispielhafte Abtastimpulsgeneratorschaltkreis 151 umfaßt erste, zweite und dritte monostabile Flip-Flops 210, 212, 214, einen invertierenden Verstärker 216, einen integrierenden Differenzenverstärker 218 und Widerstände 220, 222, 224.
Der Eingang des ersten monostabilen Flip-Flops 210 empfängt das Triggerimpulssignal von dem spannungsgesteuerten Verzögerungsschaltkreis 50, wenn der Schalter 101 sich in seinem Einstellungszustand befindet. Der Ausgang des ersten monostabilen Flips-Flops 210 ist mit dem Eingang des zweiten monostabilen Flip-Flops 212 und über den Widerstand 222 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 218 verbunden. Der Ausgang des zweiten monostabilen Flip-Flops 212 ist mit dem Eingang des dritten monostabilen Flip-Flops 214 verbunden, dessen Ausgang über den invertierenden Verstärker 216 und den Widerstand 220 an den invertierenden Eingang des Verstärkers 218 angeschlossen ist. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 218 ist mit Masse verbunden und der Ausgang des Verstärkers 218 ist an den Eingang des Verstärkers 152 (siehe Fig. 8) sowie über den Widerstand 224, der eine negative Rückkopplung bereitstellt, mit dem invertierenden Eingang verbunden.
Die Zeit- oder Phasenbeziehung zwischen den Druckimpulsen und dem Tropfenbildungsprozeß kann auch durch Variation von anderen Parametern als dem relativen Zeitablauf des Oszillators 34 und des DLCK-Signal gesteuert werden. So können Parameter, die den Zeitablauf des Tropfenbildungsprozesses in Bezug auf das Anregungssignal beeinflussen, welches dem Ultraschallwandler 32 zugeführt wird, durch das Ausgangssignal des Sägezahngenerators 149, wobei diese Parameter z. B. die Amplitude des Anregungssignals enthalten, und den Druck der Tinte gesteuert werden, die durch die Düse 12 zugeführt wird. Die Amplitude des Anregungssignals kann durch einen elektronisch gesteuerten Spannungsteiler (nicht gezeigt) in der Leitung vom Oszillator 34 zu dem Wandler variiert werden. Der Tintendruck kann durch Veränderung eines Bezugsdrucksignals in einem Druckregelschaltkreis variiert werden, wie er normalerweise verwendet wird, um die Pumpe zu steuern, die die unter Druck stehende Tinte an der Düse zuführt.
Nachdem bestimmte Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben wurden, ist es dem Fachmann klar, daß verschiedene Veränderungen und Modifikationen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche möglich sind.

Claims

1. Verfahren zum Steuern der zeitlichen Lage von elektrischen Impulsen bezuglich eines Tropfenbildungsprozesses bei einem Tintenstrahldruckverfahren, bei welchem - ein Tintenstrahl (16) auf ein Aufzeichnungsmedium (20) gerichtet wird und im Verlaufe eines Tropfenbildungsprozesses an einem Tropfenbildungspunkt in einen Zug aus individuellen Tropfen (18) zerfällt, - die Tropfen (18) durch Anlegen der elektrischen Impulse zwischen den Tintenstrahl und eine Ladeelektrode (24) nahe beim Tropfenbildungspunkt selektiv aufgeladen werden, - die Tropfen (18) anschließend durch ein elektrisches Ablenkfeld geführt werden, um auf der Basis der Ladung, die der Tropfen erhalten hat, zu bestimmen, ob der betreffende Tropfen zum Aufzeichnungsmedium gelangt oder abgefangen wird, und - eine Relativbewegung zwischen dem Tintenstrahl (16) und dem Aufzeichnungsmedium (20) erzeugt wird,

wobei im Zuge des Verfahrens - elektrische Meßimpulse mit einer vorgegebenen Phasenbeziehung zwischen dem Anlegen der Meßimpulse und dem Tropfenbildungsprozeß zwischen den Tintenstrahl und die Ladeelektrode gelegt werden, - die Phasenbeziehung geändert wird, - der elektrische Strom gemessen wird, der in den Tintenstrahl fließt, um die elektrischen Ladungen zu liefern, die den Tropfen durch das Anlegen der Meßimpulse erteilt werden, - der in den Tintenstrahl fließende Strom überwacht wird, um einen vorgegebenen Stromwert festzustellen, und - die zeitliche Beziehung während eines nachfolgenden Aufzeichnungsprozesses aufrechterhalten wird, nachdem der genannte Stromwert aufgetreten ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Meßimpulse jeweils zwei aufeinanderfolgende Teilimpulse entgegengesetzter Polaritäten (Fig. 6) enthalten und/oder moduliert sind, um die Stromwertfeststellung weniger empfindlich gegen Störungen zu machen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Modulation der Meßimpulse eine Amplitudenmodulation umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Strommeßschritt eine Nulldurchgangserfassung (Fig. 7) umfaßt.

4. Tintenstrahlgerät mit

a) einer Einrichtung (10, 12) zum Erzeugen eines Tintenstrahls (16), der an einem Tropfenbildungspunkt in einen Zug von Tropfen (18) zerfällt,

b) einer Einrichtung (32) zum Steuern des Zeitpunktes der Tropfenbildung

c) einer ersten Elektrodenanordnung (24) , die bei dem Tropfenbildungspunkt angeordnet ist;

d) einer zweiten Elektrodenanordnung (30), die mit dem Tintenstrahl (16) leitend gekoppelt ist;

e) einer Einrichtung (36, 44, 46, 151) zum Erzeugen von elektrischen Impulsen und zum Anlegen dieser Impulse zwischen die erste und die zweite Elektrodenanordnung (24, 30) , um die Tropfen (18) selektiv aufzuladen;

f) einer Einrichtung (21) zur Halterung eines Aufzeichnungsempfangsmediums (20) im Weg von geeignet geladenen Tropfen;

g) einer Einrichtung zur Bewirkung einer Relativbewegung zwischen der Tintenstrahlerzeugungseinrichtung (10, 12) und der Halterungseinrichtung (21);

h) einer Einrichtung (130) zum Feststellen der Größe eines elektrischen Stromes, der während der Aufladung der Tropfen in den Strahl (16) fließt,

i) einer Einrichtung (100), die auf die Größe des genannten Stromes anspricht, um ein Steuersignal zu erzeugen;

j) einer durch das Steuersignal gesteuerten Verzögerungseinrichtung (50) zur Änderung der zeitlichen Beziehung zwischen dem Tropfenbildungsprozeß und dem Anlegen der Ladeimpulse als Reaktion auf das Steuersignal;

gekennzeichnet durch

k) eine Einrichtung (151, Fig. 9) zum Erzeugen von Meßimpulsen, die jeweils zwei aufeinanderfolgende Teilimpulse entgegengesetzter Polaritäten enthalten und/oder eine Einrichtung zum Modulieren der Meßimpulse.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, bei der die Impulserzeugungseinrichtung für die Erzeugung von beabstandeten Impulsen entgegengesetzter Polaritäten ausgebildet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5' bei der die auf den Strom ansprechende Einrichtung einen Nulldurchgangsdetektor enthält.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, bei der die Modulationseinrichtung einen Amplitudenmodulator enthält.