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Die
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des kontinuierlichen Tintenstrahldrucks
und insbesondere auf ein Verfahren zum Verbessern der Ladungsspannungsdruckbereiche
für Tintenstrahldrucker,
die mit Anordnungen von Ladungselektroden und Anordnungen von Ausstoßöffnungen
arbeiten.
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Tintenstrahltropfen
werden mittels in planarer Anordnung vorgesehenen Hochspannungs-Elektroden
gesteuert. Die Planare Anordnung ist mit einer Anordnung von Ausstoßöffnungen
ausgerichtet, und die Tropfen werden auf eine parallel zur Ladungsanordnung
vorgesehene Auffangfläche
umgelenkt. Die aufgefangenen Tropfen fließen an der Auffangfläche entlang
abwärts
und werden zur Wiederverwendung in einen Flüssigkeitstank zurückgeführt. Drucktropfen werden
durch Abschalten der Spannung an bestimmten Elektroden ausgewählt. Die
Drucktropfen müssen
sich von dem Flüssigkeitsfilm,
der von den vorgenannten aufgefangenen Tropfen erzeugt wird, absondern,
wobei der Flüssigkeitsfilm
seine Eigenschaften in Abhängigkeit
von den zur Erzeugung der Bilder ausgewählten Tropfenmustern verändert.
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JP 58212964 A beschreibt
ein Tintenstrahl-Aufzeichnungsgerät mit Umlenksteuerung, das
eine Anordnung von Ausstoßöffnungen
für den Ausstoß von Tintentropfen
aufweist.
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Mittels
einer Reihe von Druckmustern wird eine Ladungsspannung oder ein
Druckbereich, nämlich
der Bereich der Spannungen, die an die Ladungselektroden angelegt
werden können
und immer noch einen perfekten Druck ergeben, bestimmt. Dabei ist
es erwünscht,
einen möglichst
großen Druckbereich
zu erhalten, um den Drucker unter den unterschiedlichsten Betriebsbedingungen,
etwa Umgebungstemperaturen, Druckgeschwindigkeiten und entsprechenden
Druckeigenschaften, betreiben zu können.
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Zum
präzisen
Positionieren des Tropfenerzeugungspunkts in einem elektrischen
Feld sind flache und parallele Teile (Auffangeinrichtungen, Ladungsplatten
und Anordnungen von Ausstoßöffnungen)
mit Toleranzen erforderlich, die nur mit neuesten Herstellungstechniken
eingehalten werden können. Die
zum n und Umlenken der aufzufangenden Tropfen erforderliche Spannung
wird an alle Elektroden angelegt. Bei idealen flachen und parallel
montierten Teilen trifft die Flüssigkeit
gleichmäßig auf
die Auffangflächen
auf. Schwankungen in den Toleranzen der Teile führen zu unterschiedlichen Auftreffhöhen auf
der Auffangfläche,
wobei diese Ungleichmäßigkeit
den Druckbereich verkleinert. Bei übermäßigem Streubereich kann keine
Spannung angelegt werden, um einen befriedigenden Betrieb zu gewährleisten. Bei
höherer
Dichte und längeren
Anordnungen gestaltet sich die Herstellung der Komponenten mit den gewünschten
Toleranzen immer schwieriger.
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Aus
Vorstehendem ergibt sich, dass ein Bedarf an einem alternativen
Verfahren zur Vergrößerung des
Druckbereichs besteht.
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Diesem
Bedarf entspricht die erfindungsgemäße segmentierte Ladungstechnik.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung werden Mittel zum Einstellen der Ladungsspannung
in einem bestimmten Abschnitt der Anordnung bereitgestellt, wodurch
der Betriebsbereich des Druckkopfs vergrößert wird. Die Anordnung der
Ladungselektroden ist in Segmente unterteilt, wobei für jedes
Segment Mittel zur relativen Spannungsanpassung vorgesehen sind.
Durch diskrete Hochspannungs-Treiberchips wird dann die den Ladungsplattenelektroden
zugeführte
Spannung in schaltbarer Weise gesteuert, was die Auswahl der zum
Drucken bestimmten Tropfen erlaubt. Die in jedem Chip enthaltene
integrierte Schaltung wandelt serielle Eingangsdaten mit niedrigen
Spannungen (typischerweise 5V) in parallel Ausgaben bei hoher Spannung
(~170) um. Zum Ausgleich von Schwankungen
des Auftreffpunkts auf der Auffangfläche, die durch ungleichmäßig Teile
verursacht werden, wird die den einzelnen Chips zugeführte hohe
Spannung variiert. Die für
eine bestimmte Gruppe ausgerichteter Teile benötigten Ausgleichspegel werden
im Druckerspeicher gespeichert. Der Druckkopf wird so in jedem System,
in dem er installiert wird, immer mit den korrekten Ausgleichpegeln arbeiten.
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Die
Erfindung und ihre Aufgaben und Vorteile werden aus der nachfolgenden
Beschreibung, den beiliegenden Zeichnung und den Ansprüchen klarer ersichtlich.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines ausgerichteten Druckkopfs mit den wichtigsten,
für einen
kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker erforderlichen Komponenten;
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2 eine
Vorderansicht des Druckkopfs gemäß 1;
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3 eine
Vorderansicht eines Druckkopfs ähnlich
dem der 2, wobei jedoch die Tropfenumlenkung
durch Veränderung
der an den Segmenten der Ladungselektroden anliegenden Spannung
modifiziert ist;
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4 ein
Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit
einer Haupt-Stromversorgung und einzelnen Segment-Steuereinrichtungen;
und
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5 eine
Ausführungsform
einer einzelnen Segment-Steuereinrichtung gemäß der Erfindung.
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Bei
den derzeit gebräuchlichen
Tintenstrahlgeräten
wird normalerweise an alle Elektroden nur ein Spannungspegel angelegt,
um die zum Umlenken der aufzufangenden Tropfen erforderliche Tropfenladung
zu erzeugen. Bei Anlegen nur einer Spannung und gleichmäßig ausgebildeten
Teilen wird auch die Flüssigkeit
gleichmäßig auf
der Auffangfläche
auftreffen. Aufgrund von Schwankungen der Teiletoleranzen variiert
jedoch der Auftreffpunkt auf der Auffangfläche, und die Schwankung oder
Ungleichmäßigkeit
reduziert den Druckbereich. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Ausgleich
dieser Schwankungen der Teiletoleranzen bereitgestellt, indem an
verschiedene Bereiche der Elektrodenanordnung unterschiedliche Spannungen
angelegt werden.
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Daraus
ergibt sich ein durchschnittlich gleichmäßigeres Auftreffen und eine
Vergrößerung des
Druckbereichs.
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines ausgerichteten Druckkopfs 14 mit
den wichtigsten Komponenten eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckers.
Ein Tropfengenerator 10 ist mit einer Ladungsplattenanordnung 20 derart
ausgerichtet, dass sich innerhalb der durch Hochspannungs-Elektroden 22 erzeugten
elektrischen Felder Tropfen 12 ausbilden. Die geladenen
Tropfen werden dann von einer nahe gelegenen Auffangfläche 30 angezogen.
Die auf die Auffangeinrichtung auftreffenden Tropfen bilden eine
Flüssigkeitsschicht 32 aus,
die an der Auffangfläche 28 entlang
abwärts
in eine Auffangöffnung fließt.
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Auf
dem Wege entlang der Auffangfläche 28 verlangsamt
sich die Fließgeschwindigkeit
der Flüssigkeit,
und die Flüssigkeitsschicht 32 wird
dicker. Wird die Flüssigkeitsschicht
zu dick, kann sie die nicht umgelenkten druckenden Tropfen stören. Dies kann
dazu führen,
dass der Druck stellenweise fehlt. Andererseits kann eine zu dünne Schicht
dazu führen,
dass einige der aufzufangenden Tropfen drucken, wodurch ein dunkler
Druckfehler entsteht. Da die Dicke der Flüssigkeitsschicht von der Höhe abhängt, in
der die Tropfen auf die Auffangfläche auftreffen, gibt es auf
der Auffangfläche
einen Bereich von Auftreffhöhen,
die einen fehlerfreien Druck ergeben.
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Die
Auftreffhöhe
der Tropfen auf der Auffangfläche
ist abhängig
von dem Grad der Ladung und der durch die Ladungsplatten erzeugten
Umlenkung. Ladung und Umlenkung sind abhängig von der Ladungsspannung
und dem Abstand zwischen der Ladungsplatte und den Tintenstrahlen.
Außerdem hängt die
Auftreffhöhe
davon ab, wieweit die Auffangeinrichtung hinter die Ladungsplatte
zurückversetzt ist.
Abweichungen in der Strahlausrichtung, der Ebenheit der Ladungsplatte,
der Ebenheit der Auffangeinrichtung oder der Parallelität der Komponenten
führen
in jedem Fall zu Schwankungen in der Auftreffhöhe.
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In 2 ist
eine Vorderansicht des Druckkopfs 14 dargestellt. Wie zu
erkennen ist, fließt
Tinte unterhalb der Auftrefflinie 35 der Tropfen auf der
Auffangeinrichtung an der Auffangfläche entlang abwärts. Wie
bereits besprochen wurde, bewegt sich die Auftrefflinie 35 auf
der Auffangfläche
nach oben und unten. Außerdem
zeigt 2 die Grenzen der akzeptablen Tropfen auffangpunkte,
wobei die Tintentropfen in den Bereichen, in denen die Auftrefflinie weit
oben auf der Auffangfläche
liegt, ausgesondert und aufzufangende Tropfen in den Bereichen,
in denen die Auftrefflinie auf der Auffangfläche weit unten liegt, etwa
bei 36, gedruckt werden.
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Um
maximale Zuverlässigkeit
zu erreichen, ist es wünschenswert,
die Schwankungen in der Auftreffhöhe innerhalb eines akzeptablen
Auftreffbereichs zu halten. Dadurch wird der Drucker für Schwankungen
des Druckes, der Tinteneigenschaften oder anderer variabler Umgebungsbedingungen weniger
empfindlich.
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Erfindungsgemäß ist es
möglich,
die Auftreff-Schwankungen dadurch zu minimieren, dass man für verschiedene
Abschnitte der Tintenstrahlanordnung unterschiedliche Ladungsspannungspegel verwendet.
In 3 ist dieselbe Auftreffsituation auf der Auffangfläche wie
in 2 dargestellt, wobei jedoch die Tropfenumlenkung
durch Veränderung
der an die Ladungselektroden angelegten Spannung modifiziert wurde.
Die Spannung im Segment D wurde gegenüber den Segmenten C und E erhöht, um die Tiefe
des eine tiefe Auftreffhöhe
aufweisenden Mittelabschnitts so gering wie möglich zu halten. Desgleichen
wurden die Segmente B und F relativ zu den Segmenten C und E erhöht. An den
Spannungsstufen zeigt die Auftrefflinie 35 diskrete Sprünge oder Abrisspunkte.
Bei verringerter Gesamtschwankung der Auftreffhöhen verbessert sich der Druckspielraum
entsprechend.
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Anzahl
und Breite der einzelnen Segmente fester Spannung können beliebig
variieren. Zwar würde
man den besten Druckbereich dadurch erreichen, dass man die Ladungsspannung
der einzelnen Elektrodensegmente Elektrode für Elektrode anpasst, eine solche
Ausführung
würde die
Elektronik aber erheblich verteuern. Eine kosteneffektivere Lösung, die
gleichzeitig die meisten Vorteile der Unterteilung in einzelne Segmente
realisiert, besteht darin, die Segmente so zu wählen, dass sie der Anzahl der von
einer Ladungsspannungs-Treiberschaltung gesteuerten Elektroden entspricht.
Bei einer solchen Ausführungsform
der Erfindung beträgt
die Segmentgröße 64 Strahlen
oder Ladungsleiter, da die Ladungsspannungs-Schaltelektronik Supertex
HV34, die die erforderlichen Druckspannungsimpulse erzeugt, für die Steuerung
von 64 Ladungselektroden ausgelegt ist. Bei einer noch
kostengünstigeren
Ausführungsform
wird das typische Auftreffprofil berücksichtigt, so dass die Segmentbreite
entsprechend der Anzahl von Ladungstreiberschaltungen je Segment über die
Anordnung hinweg variiert wird. In Bereichen, in denen die Auftreffprofile
eher flach verlaufen, sind die Segmente breiter, d.h. das Segment
umfasst eine größere Anzahl
von Ladungstreiberschaltungen. In Bereichen, in denen die Auftreffhöhe sich
eher schnell ändert,
ist das Segment schmaler, d.h. die Anzahl der Ladungstreiberschaltungen
ist kleiner. Bei dieser besonderen Ausführungsform werden zweiundvierzig
Ladungstreiberschaltungen ungleichmäßig in 18 Segmente unterteilt.
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Die
Versorgung der einzelnen Segmente mit hoher Spannung kann entweder
durch einzelne Hochspannungs-Versorgungsleitungen oder durch eine
Hauptversorgung mit einzelnen Segment-Steuereinrichtungen erfolgen.
Bei Einsatz der einzelnen Segment-Steuereinrichtungen kann die Spannung der
Hauptversorgung entweder erhöht
oder verringert werden. Bei der hier beschriebenen besonderen Ausführungsform
wird die Spannung der Hauptversorgung durch die einzelnen Segment-Steuereinrichtungen
verringert. Um Beschädigungen
der Ladungs-Treiberschaltungen durch zu hohen Rückstrom zu vermeiden, ist es
wichtig, den Rückstrom von
einem Hochspannungssegment zum nächsten zu
blockieren. Dies kann durch Einsatz geeigneter Mittel, etwa die
Verwendung einer Diode in der zu den einzelnen Ladungs-Treiberschaltungen
führenden
Hochspannungs-Versorgungsleitung, erreicht werden.
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4 zeigt
ein Blockdiagramm 50 der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung für
die Versorgung der einzelnen Segmente mit hoher Spannung. Die in 4 dargestellte
Ausführungsform
arbeitet mit einer Haupt-Stromversorgung 56 und einzelnen
Segment-Steuereinrichtungen 54. Den einzelnen Segment-Steuereinrichtungen 54 wird über die Hochspannungs-Hauptversorgung 56 eine
hohe Spannung zugeführt.
Im Block 58 misst eine Stromsensorelektronik den von den
einzelnen Segmenten aufgenommenen Strom. Dadurch können Kurzschlüsse erkannt
werden. Außerdem
können
die Kurzschlüsse
den einzelnen Ladungssegmenten zugeordnet werden. Anschließend leiten
die Segment-Steuereinrichtungen 54 die Spannung zu den Ladungstreibern – siehe
Block 60.
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Betrachtet
man nun 4 unter nochmaliger Bezugnahme
auf 5, so ist in 5 eine Ausführungsform
einer einzelnen Segment-Steuereinrichtung zu sehen. Diese Segment-Steuereinrichtung 54 stellt
die am Kondensator 82 anliegende Spannung ein. Aufgrund
der Polarität
der am Kondensator anliegenden Spannung wird die von der Hochspannungs-Versorgung 56 gelieferte
Spannung gesenkt. Die sich so ergebende Spannung – von der
Quelle 56 zugeführte
hohe Spannung, reduziert um den Spannungsabfall am Kondensator 56 – wird der
Ladungsspannungsschaltung 60 über die Rückstromblockierdiode 96 zugeführt. Durch
Absenken der Spannung der Hauptversorgung um diese Spannung sorgt
diese Ausführungsform
dafür,
dass bei Absinken der Spannung der Hauptversorgung auf null Volt
alle Segmente ebenfalls auf null Volt fallen. Dies ist von Bedeutung
für die
Behebung von Ladungsplattenkurzschlüssen.
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Im
Betrieb führt
der durch die HV34-Ladungstreiberschaltungen 60 aufgenommene
Laststrom dazu, dass die Spannung am Kondensator 82 steigt
und die Spannung am Kondensator 84 sinkt. Um den Spannungsanstieg
am Kondensator 82 zu verringern, wird der Schalter 72 eingeschaltet.
Dadurch wird der Kondensator 82 über den Widerstand 80 entladen,
der die Entladungszeitkonstante steuert. Die Einschaltzeit des Schalters 72 wird
durch die analoge Steuerschaltung 62 so geregelt, dass
die am Kondensator 82 anliegende Spannung auf dem gewünschten
Pegel gehalten wird.
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Die
am Kondensator 82 anliegende Spannung wird mittels des
Differentialverstärkers 90 und zwei
Widerstands-Spannungsteilern erfasst. Ein aus Widerständen 86 und 88 bestehender
Spannungsteiler versorgt den Differentialverstärker mit einer zur Ausgangspannung
der Steuereinrichtung proportionalen Spannung, während der andere, aus Widerstanden 92 und 94 bestehende
Widerstands-Spannungsteiler den anderen Eingang des Differentialverstärkers mit
einer zur Eingangsspannung der Steuereinrichtung proportionalen
Spannung versorgt. Die so erhaltene, zu der am Kondensator 82 anliegenden Spannung
proportionale Ausgangsspannung des Differentialverstärkers wird
einem analogen Steuerteil 62 zugeführt. Auf diese Weise kann die
Ausgangsspannung einer jeden Segment-Steuereinrichtung durch ihre
analoge Steuerschaltung geregelt werden. Dabei wird der Sollwert
für jedes
Segment von einer gemeinsamen digitalen Steuerschaltung 66 vorgegeben.
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Zweckmäßigerweise
können
die von der digitalen Steuerschaltung 66 benötigten Spannungsdaten
für die
Segment- und Haupt-Stromversorgung in einem nichtflüchtigen
Speicher gespeichert werden, der Teil des Druckkopfs ist. Auf diese
Weise können
für jede
digitale Steuerschaltung die druckkopfspezifischen Daten für jedes
Segment bereitgestellt werden, die während der Herstellung des Druckkopfs als
jene Daten ermittelt wurden, die dem Druckkopf den größten Druckspielraum
geben.
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Im
Betrieb liest die digitale Steuerelektronik 66 die im Druckkopf
gespeicherten Konfigurationsdaten aus und stellt die Segmentspannung
entsprechend ein. Falls Änderungen
der Tinteneigenschaften eine Änderung
der Ladungsspannung erforderlich machen, wird gegebenenfalls der
Grund-Hochspannungswert verändert.
Auf diese Weise werden die relativen Spannungen zwischen den Segmenten aufrechterhalten.
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Für Diagnosezwecke
werden die Segmentspannungspegel und Strompegel durch die analoge Messschaltung 64 überwacht,
die die Daten zur digitalen Steuerschaltung 66 weiterleitet.
Auf diese Weise kann die digitale Steuerung Diagnoseprüfungen im
Zusammenhang mit dem Druckkopf und der Segment-Ladungselektronik
durchführen.
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Die
Erfindung wurde vorstehend im Einzelnen unter besonderer Bezugnahme
auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben; es versteht sich jedoch, dass Änderungen und Abweichungen
möglich
sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.