EP0377599A1 - Druckeinrichtung mit einem elektrothermisch betriebenen druckkopf. - Google Patents

Druckeinrichtung mit einem elektrothermisch betriebenen druckkopf.

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EP0377599A1
EP0377599A1 EP88907115A EP88907115A EP0377599A1 EP 0377599 A1 EP0377599 A1 EP 0377599A1 EP 88907115 A EP88907115 A EP 88907115A EP 88907115 A EP88907115 A EP 88907115A EP 0377599 A1 EP0377599 A1 EP 0377599A1
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EP
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heating
change
state
time
printing device
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • B41J2202/01—Embodiments of or processes related to ink-jet heads
    • B41J2202/17—Readable information on the head

Definitions

  • Printing device with an electrothermally operated print head
  • the invention relates to a printing device according to the preamble of claim 1 and a method for its operation.
  • Printing devices of the type mentioned at the outset are known either as thermal transfer printing devices or as bubble jet printing devices. They are commonly referred to as electrothermal or thermoelectric printers.
  • an ink ribbon containing a solid color is locally heated depending on the character by means of a thermocouple having heating elements, and the ink is thus liquefied point by character and transferred to a recording medium arranged behind the ink ribbon.
  • Heating elements of electrothermally operated printers generally consist of semiconductor resistance elements which are driven in pulses by means of a heating current.
  • the writing speed that can be achieved with such printers is essentially limited by the size of the residual heat of a writing process and by its removal. Er ⁇ at high frequencies write the write head until its function is no longer guaranteed • heated.
  • the basic factors dependent on environmental influences The temperature of the print head has a significant influence.
  • thermoelectric print heads In order to ensure the safe operation of thermoelectric print heads, it has previously been customary to design the level of the write frequency for continuous operation of all write or heating elements and to adapt the heating time of the heating elements to the most unfavorable operating conditions and writing unit tolerances.
  • German published patent application 36 12469 describes an electrothermally operated printing device in which the operating frequency of the ink print head is changed in accordance with the temperature.
  • the temperature of the ink print head is detected by a temperature sensor mounted in the head.
  • Such a temperature measurement is inaccurate because it only records the average temperature of all heating elements in principle, but not the temperature behavior of an individual heating element. Furthermore, such a temperature measurement has a large time lag compared to the heat emission of the individual heating elements. E.g. If a single heating element is operated in continuous operation, this quickly leads to local overheating, but the total heat transfer to the head is low.
  • the object of the invention is therefore to provide, in a printing device of the type mentioned at the outset, a device which makes it possible to record the temperature behavior of each individual heating element even during printing operation.
  • the : Acquisition of the state change via the master value acquisition corresponds to a selective heating element temperature measurement.
  • the writing speed can thereby be dynamically adapted to the thermal load, the other temperature components, such as ambient temperature, temperature of the writing fluid, etc., being automatically taken into account during operation ...
  • the operating frequency of the print head can be controlled as a function of the element which is most thermally loaded.
  • the determination of the change in state can also be used to measure the heating-up time at a predetermined voltage during manufacture of the printhead and as a comparison value for one use static as well as the initial value for a dynamic adjustment of the heating time.
  • the thermal load can be calculated from the determined sequence of actuation of the heating elements and the heating duration can be dynamically adjusted.
  • this heating-up time of the heating elements becomes shorter and shorter until the state changes with increasing temperature, this heating-up time can be used in a simple manner according to one embodiment of the invention for controlling the writing speed and for function monitoring.
  • the specified minimum heating-up time is not reached due to excessive heating, which can be done by a simple comparison with a stored minimum value, this comparison process can be used immediately to control the operating frequency.
  • the minimum heating-up time which should not be undercut, can be easily determined during a test run at a defined head temperature. If necessary, a limit value used and stored in an evaluation circuit arrangement can be derived from this.
  • the invention is of particular importance for determining the change in state in ink printing devices (so-called bubble jet printing devices).
  • the determination of the change of state from gas to liquid, i.e. the dew point or the time the gas bubble collapses conveys the time for controlling the next heating cycle.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of the change in the conductance of the heating elements as a function of the time during droplet generation, represented by the change in current over time.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the dependence of the evaporation and condensation parameters on the spray frequency.
  • FIG. 3 shows a block diagram of an embodiment of the invention for a bubble jet printer
  • 4 and 5 are schematic representations of the detection of the changes in state in production by a printer-independent sensor device and the detection of the adjustment values stored in the print head in the printer.
  • the ink drops are expelled by steam bubbles.
  • Ink is evaporated on a very small heating surface to create a drop.
  • the resulting vapor bubble enlarges and pushes the liquid ink out of the nozzle.
  • the bladder then condenses and collapses.
  • the heating elements consist of ink-resistant resistance elements, preferably of semiconductor material, which are controlled via a height defined in a square-wave voltage pulse. This can be done, for example, by connecting to a supply voltage. It can be observed that the size of the ejected Drops or their speed is dependent on the heating power, ie essentially on the level of the voltage pulse.
  • the transition ie the change of state from liquid to gaseous causes a faster " change in the resistance or conductance value on the heating element.
  • FIG. 1 shows in principle the standardized representation of the changes in the conductance of the heating element, expressed by the change in current A.J in the heating element as a function of the time T when a constant excitation pulse of defined length is applied.
  • the current change ⁇ 3 is based on the initial current value at the start of heating.
  • a rectangular pulse with a pulse voltage level of 22.5 V and a duration of 6 ⁇ s is applied to a semiconductor heating element of a commercially available bubble jet print head. From the standardized representation it can be seen that the change in current and thus the change in the conductance up to the point in time of the formation of vapor bubbles TV due to the heating shows approximately a T course. At the time of the vapor bubble formation TV, a kink in the curve can be observed, since due to the reduced heat dissipation at the heating element, the heating element now heats up more and thus the conductance changes faster.
  • the evaporation time is defined by the evaporation time TV and the evaporation conductance measured via the current change ⁇ OV.
  • the heating element cools down again and at time TK the vapor bubble condenses. This changes the rate of change in the conductance value and thus causes a new kink in the conductance curve.
  • the time of condensation is defined by the change in current ⁇ JK at the time of condensation TK.
  • the dependence of the evaporation and condensation parameters as a function of the spray frequency F is now shown in FIG.
  • the ordinate denotes the current change values .DELTA.I and the evaporation time TV on the one hand through the value scale 1-10 and the condensation time TK on the other hand through the value scale 27-35.
  • the abscissa shows the operating frequency F in a logarithmic representation.
  • the continuous operating frequency of the ink print head described here is 1.2 kHz (FD).
  • the print head temperature increases with increasing spray frequency F.
  • the evaporation and condensation temperatures behave like fixed points. Therefore the distance of the
  • Base temperature to the evaporation and condensation temperatures is lower at high frequencies, which is shown in the falling current or conductance changes ⁇ iv, ⁇ IK of the evaporation points or the condensation points.
  • the time TV decreases until the evaporation occurs.
  • the time until complete condensation TK increases with increasing base temperature.
  • the change in the conductance or resistance to be determined at the time of evaporation and the time of condensation and thus the change in state of the writing medium is detected by a sensor
  • the evaporation time TV determined from the start of heating to the time of evaporation or the time of condensation TK is a measure for the degree of heating of the heating elements and, in principle, a temperature measurement by time measurement takes place when the change of state is detected. 1
  • the change in state of the writing medium is described using a bubble jet printer.
  • the invention can also be used to detect the change of state in thermal transfer printing devices.
  • the heating energy can be limited in a simple manner.
  • the heating pulse can be switched off immediately after evaporation.
  • Frequencies avoided In the example shown in FIG. 1, e.g. shorten the heating time by 2 ⁇ s. At high 20 frequencies, it is 3 ⁇ s. This means a reduction in the thermal load on the print head to up to 40% of the original ones.
  • the same write head can be achieved by dynamically switching off the heating pulse 25, a double write speed compared to the prior art. If one assumes normal printing of alphanumeric characters in which less than 5% of the area is actually printed, the increase in speed which can be achieved by the invention is approximately a factor of 10. The different loads on the individual elements are already included here .
  • a functional test of the individual heating elements during operation is possible with the invention. If, for example, there is no 35 kink in the current change curve " ⁇ 10 (FIG. 1) representing the conductance during heating, this is a sign that no vapor bubble has been generated. Such a functional failure can then be displayed. Furthermore, it is possible with the invention to adapt the writing speed to the thermal load. This can be done, for example, by measuring the time until the change of state and controlling the printing speed after comparison with a limit value. The limit value can be recorded during a test run and optimized accordingly. Moreover, since the 'thermal load of the heating elements is measured individually for each heating element, the frequency can Schreibfre ⁇ after the thermally stressed the most heating element control.
  • the total thermal load on the print head can also be calculated from the sequence of actuations of the heating elements and the result used for speed control.
  • the invention enables dynamic adaptation of the writing speed.
  • a bubble jet printer which is not shown in detail here, contains a writing head 10 with a number of heating elements 11 corresponding to the number of nozzles.
  • the ink printing head 10 is moved line by line along a recording medium 12 by a mechanism, not shown, in writing operation and is dependent of which are controlled from a data source D - which can be, for example, a computer - via a central control ZS contained in the printer.
  • the central control ZS is constructed in the usual manner, for example in accordance with that described in German Offenlegungsschrift 36 12 469, and controls the activation of the heating elements 11 by issuing activation pulses 13. In addition, it controls the movement of the printer carriage and the paper feed via the Motor control MS.
  • a sensor device S is provided for recognizing the time of evaporation on the heating elements.
  • an evaluation arrangement AA which evaluates the determined thermal state of the individual heating elements and feeds a link arrangement VA.
  • the linkage arrangement VA brings together the evaluation results of all the heating elements 11 and generates a signal which controls the printing speed (operating frequency) and which is fed to the central control ZS.
  • the function of the individual assemblies is as follows:
  • the control pulse 13 emanating from the central control is fed to a counting device 14 in the evaluation arrangement AA and thus a counter 14 is reset.
  • the control pulse 13 continues to reset an RS flip-flop 15 dynamically via the reset input R.
  • the output of the flip-flop 15 is present at the input of an AND gate 16, the other input of which is in turn acted upon by the control pulse 13.
  • a logic signal generated in this way is supplied to the counter 14 via a quartz 17 * clocked AND gate 18 and puts it into operation, and on the other hand it reaches a differential transformer 20 via a driver stage 19, as a result of which a heating current is supplied via a voltage source 21 is generated in the heating element 11 and in a comparison resistor 22.
  • the comparative resistor 22 has approximately the size of the resistance of the heating element 11 and can e.g. for reasons of compensation in the ink print head 10 but be arranged separately from the heating elements 11.
  • the resulting current in the heating element 11 is subtracted from the current through the comparison resistor 22 in the differential transformer 20 and the signal thus generated is filtered via a filter network 23.
  • the comparator signal is only connected through the AND gate 29 after the time t from the triggering of the heating pulse via pulse 13 to the RS flip-flop 15, a comparator signal occurring at the time of evaporation ("high" signal).
  • the RS flip-flop 15 is reset and the counter 14 is stopped.
  • the meter reading thus corresponds to the heating time.
  • the driver 19 is switched off at the same time, and thus the heating element 11. The heating energy is thus limited to the necessary amount.
  • an error signal can be derived from the not yet reset state of the flip-flop 15, specifically via a corresponding error detection arrangement 30 by comparing the pulse 13 with the output of the RS Flip-flops 15.
  • This error signal can be used to indicate errors, for example can be used on a display 31.
  • the counter reading 14 resulting from the heating duration is compared via a comparator 32 with a limit value stored in a memory 33.
  • This limit value stored in the memory 33 represents a minimum permissible value of the heating time. It is determined before the printing operation in a test run from the heating time in the cold state and is e.g. 90% of this heating time. This test run is e.g. performed in the manufacture of the ink print head.
  • the digital comparator 32 supplies a signal to the linkage arrangement VA, which in this case consists of a multiple OR gate and which contains the individual channels, ie the brings together individual evaluation arrangements of the various heating elements.
  • the digital comparator 32 supplies a signal to the multiple-OR gate VA, which switches the printing speed more slowly via the central control.
  • the remaining inputs of the OR gate are connected to the comparator outputs of the other heating elements. The most heavily loaded heating element determines the printing speed.
  • a signal corresponding to the change in conductance was generated in sensor S with the aid of a comparative resistor of a differential transformer.
  • a comparative resistor of a differential transformer instead of such analog elements, however, other elements can also be used, e.g. a digital curve comparison or the like, so that there is no need for transformers.
  • the sensor means' is integrated in the printer S.
  • a printer-independent sensor device to detect the change in state of the heating elements during manufacture of the printhead and to assign it to each individual printhead as a comparison value. This can be done, for example, according to FIG.
  • Manufacture of the change in state of the writing medium on the heating element is detected in the manner described with the aid of a standard pulse by current measurement and the heating time of the heating elements is measured until the state changes.
  • This heating time is then stored in a coded form as a calibration value in some form on the ink print head, for example in a memory M or as a calibration element whose value can be changed (a potentiometer or the like).
  • a corresponding sensing device FE (FIG. 5), which can consist, for example, of a conventional memory reading device, takes this adjustment value and, in decoded form, the evaluation device AA im Printer P too.
  • a corresponding sensing device FE which can consist, for example, of a conventional memory reading device, takes this adjustment value and, in decoded form, the evaluation device AA im Printer P too.
  • ⁇ IV current change as a measure of the evaporation conductance
  • TK condensation time or time
  • T3 switch-off time of the heating element
  • Control pulses MS motor control

Landscapes

  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Ink Jet (AREA)

Description

Druckeinrichtung mit einem elektrothermisch betriebenen Druckkopf
Die Erfindung betrifft eine Druckeinrichtung gemäß dem Oberbe¬ griff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zu deren Be¬ trieb.
Druckeinrichtungen der eingangs genannten Art sind entweder als Thermotransfer-Druckeinrichtungen oder als Bubble-Jet-Druckein- einrichtungen bekannt. Sie werden allgemein als elektrothermi- sche oder ther oelektrische Drucker bezeichnet.
Bei Thermotransfer-Druckeinrichtungen wird über einen Heizele¬ mente aufweisenden Thermoka m eine feste Farbe enthaltendes Farbband zeichenabhängig lokal erhitzt und so die Farbe zei- chenpunktweise verflüssigt und auf einen hinter dem Farbband angeordneten Aufzeichnungsträger übertragen.
Bei Bubble-Jet-Tintendruckeinrichtungen, wie sie zum Beispiel in der deutschen Offenlegungsschrift 30 12 946 beschrieben wer¬ den sind in einem Tintendruckkopf in Tintenkanälen eine Viel¬ zahl von einzelnen, impulsweise aπsteuerbaren Heizelementen enthalten. Diese Heizelemente werden von einer Schreibflüssig¬ keit umspült und im Schreibbetrieb lokal erhitzt. Die Heizele¬ mente erzeugen lokale Dampfblasen in der Schreibflüssigkeit, die den Ausstoß von Tintentröpfchen aus den Tintenkanälen be¬ wirken.
Heizelemente von elektrothermisch betriebenen Druckern bestehen im allgemeinen aus Halbleiterwiderstandselementen, die impuls¬ weise über einen Heizstrom angesteuert werden. Die mit derar¬ tigen Druckern erzielbare Schreibgeschwindigkeit ist im wesent- liehen begrenzt von der Größe der Restwärme eines Schreibvor¬ ganges und durch deren Abfuhr. Bei hohen Schreibfrequenzen er¬ wärmt sich der Schreibkopf, bis seine Funktion nicht mehr •gewährleistet ist. Die von Umwelteinflüssen abhängige Grund- temperatur des Schreibkopfes hat dabei einen wesentlichen Ein¬ fluß.
Um eine sichere Betriebsweise von thermoelektrischen Druck- köpfen sicherzustellen, war es bisher üblich, die Höhe der Schreibfrequenz auf Dauerbetrieb aller Schreib- bzw. Heizele¬ mente auszulegen und die Heizdauer der Heizelemente den un¬ günstigsten Betriebsbedingungen sowie Schreibwerkstoleranzen anzupassen.
So wird in der deutschen Offenlegungsschrift 36 12469 eine elektrothermisch betriebene Druckeinrichtung beschrieben, bei der die Betriebsfrequenz des Tintendruckkopfes entsprechend der Temperatur verändert wird. Die Temperatur des Tintendruckkopfes wird dabei über einen im Kopf angebrachten Temperatursensor er¬ faßt.
Eine derartige Temperaturmessung ist ungenau, weil sie im Prin¬ zip nur die Durchschnittstemperatur aller Heizelemente erfaßt, nicht jedoch das Temperaturverhalten eines einzelnen Heizele¬ mentes. Weiterhin hat eine derartige Temperaturmessung einen großen zeitlichen Nachlauf gegenüber der Wärmeabgabe der ein¬ zelnen Heizelemente. Wird z.B. ein einzelnes Heizelement im Dauerbetrieb betrieben, so führt dies schnell zu einer lokalen Überhitzung, die Gesamtwärmeabgabe an den Kopf ist jedoch ge¬ ring.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, bei einer Druckeinrich¬ tung der eingangs genannten Art eine Einrichtung bereitzu- stellen, die es ermöglicht, auch während des Druckbetriebes das Temperaturverhalten jedes einzelnen Heizelementes zu erfassen.
Diese Aufgabe wird bei einer Druckeinrichtung der eingangs ge¬ nannten Art gemäß dem kennzeichnenden Teil des ersten Patentan- Spruches gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unter¬ ansprüchen gekennzeichnet. .. Dadurch, daß eine den Zustandswechsel des Schreibmediums an jedem Heizelement erfassende Sensoreinrichtung vorgesehen ist, die die beim Zustandswechsel auftretende Leitwertänderung der Heizelemente durch Strommessung erfaßt und abhängig davon ein Sensorsignal generiert, läßt sich ein Schreibkopf mit mehreren derartigen Heizelementen optimal ansteuern.
Die: Erfassung des Zustandwechsels über die Leitwerterfassung entspricht einer selektiven Heizelementetemperaturmessung.
Kennt man aber den Erhitzungsgrad der einzelnen Heizelemente, so kann man entsprechend der momentanen thermischen Belastung erheblich höhere Schreibfrequenzen* zulassen, ohne an Zuverlässigkeit zu verlieren.
Deaktiviert man die Heizelemente abhängig vom festgestellten Zustandswechsel dadurch, daß man den Heizstrom rechtzeitig ab¬ schaltet, so ergibt sich eine geringere thermische Belastung und damit eine höhere Schreibgeschwindigkeit bei gleichzeitigem Betrieb aller Heizelemente.
Die Schreibgeschwindigkeit läßt sich dadurch dynamisch der thermischen Belastung anpassen, wobei auch die anderen Tempera¬ turkomponenten, wie Umgebungstemperatur, Temperatur der : Schrei-bflüssigkeit etc. automatisch im Betrieb berücksichtigt werden...
Da gemäß der Erfindung das Temperaturverhalten jedes einzelnen Heizelementes erfaßt wird, läßt sich die Betriebsfrequenz des Druckkopfes in Abhängigkeit von dem thermisch am stärksten belasteten Element steuern.
Es ist außerdem über den Zustandswechsel möglich, die Funktionsfähigkeit des einzelnen Heizelementes zu überwachen.
Über die Feststellung des Zustandswechsels läßt sich außerdem bei der Herstellung des Druckkopfes die Aufheizzeit bei einer vorgegebenen Spannung messen und als Abgleichwert für eine statische, sowie als Ausgangswert für eine dynamische Anpassung der Heizdauer verwenden.
Aus der festgestellten Betätigungsfolge der Heizelemente läßt sich die thermische Belastung errechnen und die Heizdauer dynamisch anpassen.
Da bei steigender Temperatur die Aufheizzeit der Heizelemente bis zum Zustandswechsel immer geringer wird, läßt sich gemäß einer Ausführungsform, der Erfindung diese Aufheizzeit in ein¬ facher Weise zum Steuern der Schreibgeschwindigkeit und zur Funktionsüberwachung verwenden.
Wird z.B. die festgelegte Mindestaufheizzeit infolge zu starker Erwärmung unterschritten, wobei dies durch einfachen Vergleich mit einem gespeicherten Mindestwert geschehen kann, so kann dieser Vergleichsvorgang sofort zur Steuerung der Betriebsfre¬ quenz verwendet werden.
Die nicht zu unterschreitende Mindestaufheizzeit läßt sich in einfacher Weise bei einem Testlauf bei definierter Kopftemperatur feststellen. Daraus läßt sich gegebenenfalls ein in einer Auswerteschaltungsanordnung verwendeter und gespeicherter Grenzwert ableiten.
Von besonderer Bedeutung ist die Erfindung für die Feststellung des Zustandswechsels in Tintendruckeinrichtungen (sog. Bubble- Jet-Druckeinrichtungen). Die Feststellung des Zustandswechsels Gas-flüssig, d.h. des Taupunktes bzw. des Zeitpunktes des Zu- sa menfallens der Gasblase vermittelt den Zeitpunkt für die Steuerung des nächsten Heizzyklus.
Damit können Totzeiten vermieden und das Betriebsverhalten exakt erfaßt und optimiert werden.
Werden in derartigen Tintendruckköpfen Tinten unterschiedlicher Konsistenz und unterschiedlichem Verdampfungs- und Kondensa- tionsverhalten verwendet, so läßt sich deren unterschiedliches Temperaturverhalten über die Feststellung des Zustands des Zeitpunktes des Zustandswechsels feststellen und über entspre¬ chend ausgebildete Kompensationseinrichtungen ausgleichen.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dar¬ gestellt und wird im folgenden beispielsweise näher beschrie¬ ben. Es zeigen
FIG 1 ein schematisches Diagramm der Veränderung des Leit¬ wertes der Heizelemente in Abhängigkeit von der Zeit bei der Tröpfchenerzeugung, dargestellt durch die Stromänderung über die Zeit.
FIG 2 ein schematisches Diagramm der Abhängigkeit der Ver¬ dampfungs- und Kondensationsparameter von der Spritzfrequenz.
FIG 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfin¬ dung für "einen Bubble-Jet-Drucker und
FIG 4 und 5 schematische Darstellungen der Erfassung der Zu¬ standswechsel in der Fertigung durch eine druckerunabhängige Sensoreinrichtung sowie das Erfassen der im Druckkopf gespei¬ cherte Abgleichwerte im Drucker.
Bei Bubble-Jet-Tintenschreibwerken, wie sie z.B. in der deutschen Offenlegungsschrift 30 12 946 beschrieben sind, wer¬ den Tintentropfen durch Dampfblasen ausgestoßen. Zur Erzeugung eines Tropfens verdampft man Tinte auf einer sehr kleinen Heizfläche. Die entstehende Dampfblase vergrößert sich und drückt die noch flüssige Tinte aus der Düse. Anschließend kon¬ densiert die Blase und fällt zusammen. Die Heizelemente be¬ stehen dabei aus tintenresistenten Widerstandselementen, vor¬ zugsweise aus Halbleitermaterial, die über einen in Rechteck- spannungsimpuls definierter Höhe angesteuert werden. Dies kann z.B. durch Anschalten an eine Versorgungsspannung geschehen. Dabei ist zu beobachten, daß die Größe der ausgestoßenen Tropfen bzw. deren Geschwindigkeit abhängig ist von der Heiz¬ leistung, d.h. im wesentlichen von der Höhe des Spannungsim¬ pulses. Bei konstantem Spannungsimpuls ist die Dauer des an¬ gelegten Impulses insoweit ohne Einfluß auf die Größe des Tröpfchens, als bei Erreichen der Siedetemperatur der Tinte am Heizelement die Dampfblasenbildung automatisch abläuft, da aufgrund der"Gasbildung am Heizelement eine weitere Wärme¬ zufuhr im Prinzip unterbrochen wird.
Der Übergang, d.h. die Zustandsänderung von flüssig in gas¬ förmig bewirkt eine schnellere "Änderung des Widerstands- bzw. Leitwertes am Heizelement. Dasselbe gilt für den Kondensa¬ tionszeitpunkt der Dampfblase, einem Zeitpunkt, in dem die Dampfblase zusammenfällt und erneut Tinte die Heizelemente umhüllt.
Diese Dampfblasenbildung und Kondensation und die damit zu¬ sammenhängende Leitwertänderung am Heizelement ist in der Fi¬ gur 1 dargestellt. Die Figur 1 zeigt im Prinzip die normierte Darstellung der Veränderungen des Leitwertes des Heizelementes, ausgedrückt durch die Stromänderung A.J im Heizelement in Ab¬ hängigkeit von der Zeit T, wenn man einen konstanten Erreger¬ puls definierter Länge anlegt. Die Stromänderung Δ 3 ist bezogen auf den Anfangsstromwert bei Heizbeginn.
An ein Halbleiterheizelement eines handelsüblichen Bubble-Jet- Druckkopfes wird zum Zeitpunkt Tl ein Rechteckimpuls von einer Impulsspannungshöhe von 22,5 V und einer Dauer von 6 μs ange¬ legt. Aus der normierten Darstellung erkennt man, daß die Stromänderung und damit die Leitwertänderung bis zum Zeitpunkt der Dampfblasenbildung TV infolge der Erhitzung etwa einen T-Verlauf zeigt. Zum Zeitpunkt der Dampfblasenbildung TV ist ein Knick in der Kurve zu beobachten, da infolge der verringer¬ ten Wärmeabfuhr am Heizelement dieses sich jetzt stärker er- hitzt und damit der Leitwert sich schneller verändert. Der Ver¬ dampfungszeitpunkt ist dabei definiert durch die Verdampfungs¬ zeit TV und den Verdampfungsleitwert gemessen über die Strom¬ änderung Δ OV. Zum Zeitpunkt T3 ist der Impuls abgeschaltet, das Heizelement kühlt sich wieder ab und zum Zeitpunkt TK kondensiert die Dampfblase. Dies verändert die Leitwertänderungsgeschwindigkeit und verursacht damit einen erneuten Knick in der Leitwertkurve. Der Kondensationszeitpunkt ist dabei definiert durch die Strom¬ änderung ΔJK zum Kondensationszeitpunkt TK.
In der Figur 2 ist nun die Abhängigkeit der Verdampfungs¬ und Kondensationsparameter in Abhängigkeit von der Spritzfre- quenz F dargestellt. Die Ordinate bezeichnet die einerseits durch die Werteskala 1 - 10 die Stromänderungswerte ΔI und den Verdampfungszeitpunkt TV sowie andererseits durch die Werte¬ skala 27 - 35 die Kondensationszeit TK. Die Abszisse die Be¬ triebsfrequenz F in logarithmischer Darstellung. Die Dauerbe- triebsfrequenz des hier beschriebenen Tintendruckkopfes liegt bei 1,2 kHz (FD).
Mit steigender Spritzfrequenz F nimmt die Schreibkopftemperatur zu. Die Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen verhalten sich dagegen wie Fixpunkte. Deswegen wird der Abstand der
Grundtemperatur zu den Verda pfungs- und Kondensationstempera¬ turen bei hohen Frequenzen geringer, was sich in den fallenden Strom- bzw. Leitwertänderungen Δiv, ΔIK der Verdampfungs¬ punkte bzw. der Kondensationspunkte zeigt. Darüber hinaus ver- ringert sich die Zeit TV, bis die Verdampfung eintritt. Die Zeit bis zur vollständigen Kondensation TK verlängert sich da¬ gegen mit zunehmender Grundtemperatur.
Erfaßt man nun gemäß der Erfindung die am Verdampfungszeitpunkt und dem Kondensationszeitpunkt festzustellende Leitwert- bzw. Widerstandsänderung und damit den Zustandswechsel des Schreib¬ mediums über einen Sensor, so ist die festgestellte Verdampfungs^ zeit TV vom Heizbeginn bis zum Verdampfungszeitpunkt bzw. die Kondensationszeit TK ein Maß für den Erhitzungsgrad der Heiz- elemente und es findet mit Erfassung des Zustandswechsels im Prinzip eine Temperaturmessung durch Zeitmessung statt. 1 Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Zustandswechsel des Schreibmediums anhand eines Bubble-Jet- Druckers beschrieben. Die Erfindung läßt sich jedoch auch zur Erfassung des Zustandswechsels bei Thermotransfer-Druckeinrich-
5 tαngen verwenden, um damit z.B. den Erhitzungsgrad und den Betriebs-zustand der einzelnen Heizelemente des Thermokammes erfassen zu k-öπnen.
DierErfassung: der Zustandswechsel und damit im Prinzip die IGE- Erfassung der Temperatur bzw. des Temperaturverhaltens der einzelnen Heizelemente läßt sich nun für verschiedene Steue¬ rungsund Regelungszwecke am Drucker ausnutzen.
Durch Feststellung der Verdampfungszeit während des Betriebes 15 läßt sich die Heizenergie in einfacher Weise begrenzen. Der
Heizimpuls kann sofort nach dem Verdampfen abgeschaltet werden.
Eine unnötige Erwärmung des Schreibkopfes wird gerade bei hohen
Frequenzen vermieden. Bei dem dargestellten Beispiel der Figur - 1 läßt sich z.B. die Heizdauer um 2 μs verkürzen. Bei hohen 20 Frequenzen sind es 3 μs. Das bedeutet eine Verringerung der thermischen Belastung des Schreibkopfes auf bis zu 40% der sich original: Einstellenden.
Bei. gleichem Schreibkopf ist durch dynamisches Abschalten 25 des Heizimpulses eine über 2-fache Dauerschreibgeschwindigkeit gegenüber deπr Stand der Technik erreichbar. Geht man von einem normalen Ausdruck von alphanumerischen Zeichen aus, bei denen weniger als 5% der Fläche tatsächlich bedruckt werden, beträgt die durch die Erfindung erreichbare Steigerung der Geschwin- 30 digkeit etwa den Faktor 10. Die unterschiedliche Belastung der einzelnen Element ist hier schon enthalten.
Weiterhin ist mit der Erfindung eine Funktionsprüfung der einzelnen Heizelemente im Betrieb möglich. Tritt z.B. kein 35 Knick in der den Leitwert repräsentierenden Stromänderungs- kurve" ΔlO (FIG 1) bei Erhitzung auf, so ist dies ein Zeichen, daß keine Dampfblase erzeugt wurde. Ein derartiger Funktions- ausfal . kann dann angezeigt werden. Weiterhin ist es mit der Erfindung möglich, die Schreibge¬ schwindigkeit der thermischen Belastung anzupassen. Dies kann z.B. dadurch geschehen, daß die Zeit bis zum Zustandswechsel gemessen wird und nach dem Vergleich mit einem Grenzwert die Druckgeschwindigkeit gesteuert wird. Der Grenzwert läßt sich bei einem Testlauf erfassen und entsprechend optimieren. Da außerdem die'Temperaturbelastung der Heizelemente für jedes Heizelement einzeln gemessen wird, läßt sich die Schreibfre¬ quenz nach dem thermisch am stärksten belasteten Heizelement steuern.
Es läßt sich außerdem aus der festgestellten Folge der Betäti¬ gungen der Heizelemente die thermische Gesamtbelastuπg des Druckkopfes berechnen und das Ergebnis zur Geschwindigkeits- Steuerung verwenden.
Insgesamt gesehen ist mit der Erfindung eine dynamische Anpas¬ sung der Schreibgeschwindigkeit möglich.
Diese dynamische Anpassung der Schreibgeschwindigkeit wird nun im folgenden anhand dem Blockschaltbild der Figur 3 beschrie¬ ben.
Ein hier nicht im einzelnen dargestellter Bubble-Jet-Drucker enthält einen Schreibkopf 10 mit einer der Düsenzahl ent¬ sprechenden Anzahl von Heizelementen 11. Der Tintendruckkopf 10 wird über eine hier nicht dargestellte Mechanik im Schreibbe¬ trieb zeilenweise entlang von einem Aufzeichnungsträger 12 bewegt und abhängig von den aus einer Datenquelle D - die z.B. ein Rechner sein kann- über eine im Drucker enthaltene Zentral¬ steuerung ZS angesteuert. Die Zentralsteuerung ZS ist in üb¬ licher Weise aufgebaut, z.B. entsprechend der in der deutschen Offenlegungsschrift 36 12 469 beschriebenen, und steuert die Ansteuerung der Heizelemente 11 durch Abgabe von Ansteuerim- pulsen 13. Außerdem steuert sie die Bewegung des Druckerwagens und den Papiervorschub über die Motorsteuerung MS. Zum Erkennen des Verdampfungszeitpunktes an den Heizelementen ist erfindungsgemäß eine Sensoreinrichtung S vorgesehen.
Weiterhin eine Auswerteanordnung AA, die den festgestellten thermischen Zustand der einzelnen Heizelemente auswertet und einer Verknüpfungsanordnung VA zuleitet. Die Verknüpfungsan¬ ordnung VA führt die Auswerteergebnisse sämtlicher Heizelemente 11 zusammen und generiert ein die Druckgeschwindigkeit (Be¬ triebsfrequenz) steuerndes Signal, das der Zentralsteuerung ZS zugeleitet wird.
Die Funktion der einzelnen Baugruppen ist dabei wie folgt: Der von der Zentralsteuerung ausgehende Ansteuerimpuls 13 wird einer Zähleinrichtung 14 in der Auswerteanordnung AA zugeführt und damit ein Zähler 14 zurückgesetzt. Der Ansteuerimpuls 13 setzt weiterhin ein RS-Flip-Flop 15 über den Rücksetzeingang R dynamisch zurück. Der Ausgang des Flip-Flops 15 liegt am Ein¬ gang eines UND-Gliedes 16 an, dessen anderer Eingang wiederum durch -den Ansteuerimpuls 13 beaufschlagt ist. Ein so generier- tes Verknüpfungssignal wird einerseits über ein Quarz 17*ge- taktetes UND-Glied 18 dem Zähler 14 zugeführt und setzt diesen in Betrieb, andererseits gelangt es über eine Treiberstufe 19 verstärkt an einen Differentialtransformator 20, wodurch über eine Spannungsquelle 21 ein Heizstrom im Heizelement 11 und in einem Vergleichswiderstands 22 erzeugt wird. Der Vergleichswi¬ derstand 22 hat etwa die Größe des Widerstandes des Heizelemen¬ tes 11 und kann z.B. aus Kompensationsgründen im Tintendruck¬ kopf 10 aber getrennt von den Heizelementen 11 angeordnet sein. Der entstehende Strom im Heizelement 11 wird von dem Strom durch den Vergleichswiderstand 22 in dem Differentialtransfor¬ mator 20 subtrahiert und das so entstandene Signal über ein Filternetzwerk 23 gefiltert.
Da sich der Leitwert des Heizwiderstandes 11 beim Erwärmen ändert, entsteht ein entsprechend gefiltertes Wechselsignal am Eingang eines Verstärkers 24. Dieses verstärkte und über einen Hochpaß 25 gefilterte Signal wird einem Analogkomparator 26 zugeführt. Zwischen Komparator 26 und Flip-Flop 15 ist ein Zeitfilter 27 angeordnet, das ein Zeitglied 28 und ein Ver¬ knüpfungsglied 29 enthält.
Das Komparatorsignal wird erst nach der Zeit t ab Auslösung des Heizimpulses über den Impuls 13 an das RS-Flip-Flop 15 verknüpft durch das UND-Glied 29 durchgeschaltet, wobei ein Komparatorsignal zum Zeitpunkt der Verdampfung auftritt ("High"-Signal).
Zum Verdampfungszeitpunkt wird das RS-Flip-Flop 15 rückgesetzt und so der Zähler 14 gestoppt. Der Zählerstand entspricht damit der Heizzeit. Durch das Setzen des RS-Flip-Flops 15 über das Komparatorsignal wird gleichzeitig der Treiber 19 abgeschaltet und damit das Heizelement 11. Die Heizenergie wird damit auf das notwendige Maß begrenzt.
Tritt ein Komparatorsignal nicht auf, so ist das Heizelement 11 defekt und es kann aus dem noch nicht zurückgesetzten Zustand des Flip-Flop 15 ein Fehlersignal abgeleitet werden und zwar über eine entsprechende Fehlererkennungsanordnung 30 durch Ver¬ gleich des Impulses 13 mit dem Ausgang des RS-Flip-Flops 15. Dieses Fehlersignal kann zur Fehleranzeige z.B. auf einem Dis¬ play 31 verwendet werden.
In der Auswerteanordnung AA wird der der Heizdauer resultie¬ rende Zählerstand 14 über einen Komparator 32 mit einem in ei¬ nem Speicher 33 gespeicherten Grenzwert verglichen. Dieser im Speicher 33 gespeicherte Grenzwert stellt einen minimal zu¬ lässigen Wert der Heizdauer dar. Er wird vor dem Druckbetrieb in einem Testlauf aus der Heizdauer im kalten Zustand bestimmt und beträgt z.B. 90% dieser Heizdauer. Dieser Testlauf wird z.B. bei der Fertigung des Tintendruckkopfes durchgeführt.
Wird der im Speicher 33 gespeicherte Grenzwert unterschritten, so liefert der Digitalkomparator 32 ein Signal an die Ver¬ knüpfungsanordnung VA, die in diesem Fall aus einem Mehrfach- ODER-Gatter besteht und die die einzelnen Kanäle, d.h. die einzelnen Auswerteanordnungen der verschiedenen Heizelemente zusammenführt.
Wird der Grenzwert in einem Kanal unterschritten, so liefert der Digitalkomparator 32 ein Signal an das Mehrfach-ODER-Gatter VA, das die Druckgeschwindigkeit über die Zentralsteuerung langsamer schaltet. Die übrigen Eingänge des ODER-Gatters sind mit den Komparatorausgängen der weiteren Heizelemente verbunden. Das jeweils am stärksten belastete Heizelement bestimmt so die Druckgeschwindigkeit.
In dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wurde im Sensor S ein der Leitwertänderung entsprechendes Signal mit Hilfe eines Ve - gleichswiderstandes eines Differentialtransformators erzeugt. Anstelle derartiger Analogelemente lassen sich jedoch auch andere Elemente verwenden, z.B. ein digitaler Kurvenvergleich o.a., so daß auf Transformatoren verzichtet werden kann.
Bei dem .dargestellten Ausführungsbeispiel der FIG 3 is't die Sensoreinrichtung' S im Drucker integriert. Es ist jedoch auch möglich mit Hilfe einer druckerunabhängigen Sensoreinrichtung bei der Herstellung des Druckkopfes den Zustandswechsel der Heizelemente zu erfassen und als Abgleichwert jedem einzelnen Druckkopf zuzuordnen. Dies kann z.B. entsprechend der FIG 4 dadurch geschehen, daß in einem Test-Schreibbetrieb in der
Fertigung der Zustandswechsel des Schreibmediums am Heizelement in der beschriebenen Weise mit Hilfe eines Normimpulses durch Strommessung erfaßt und dabei die Heizdauer der Heizelemente bis zum Zustandswechsel gemessen wird. Diese Heizdauer wird dann als Abgleichwert in irgendeiner Form auf dem Tintendruck¬ kopf codiert gespeichert, z.B. in einen Speicher M oder als ein in seinem Wert veränderbares Abgleichelement (ein Potentiometer oder ähnliches). Nach dem Einbau dieses so codierten Tinten¬ druckkopfes in den Drucker faßt eine entsprechende Fühleinrich- tung FE (FIG 5), die z.B. aus einer üblichen Speicher-Leseein¬ richtung bestehen kann, diesen Abgleichwert und führt in deco¬ dierter Form der Auswerteinrichtung AA im Drucker P zu. Wird 1 nun der Drucker mit dem entsprechenden Normimpuls betrieben, entspricht dies den Test-Schreibbetriebsbedingungen und die festgestellten Werte des Zustandswechsel können in der be¬ schriebenen Weise zur Steuerung des Druckers, z.B. hinsicht-
5 lieh Heizdauerbegrenzung und Schreibgeschwindigkeit verwen¬ det werden. Dabei wird davon ausgegangen, daß sich das Be¬ triebsverhalten des Schreibkopfes im Betrieb über die Zeit nicht wesentlich verändert.
ιo;.
15
20
25:
0
5 Bezugszeichenliste
T = Zeit
Tl = Heizstart, Erregungsbeginn
TV = Verdampfungszeit bzw. Zeitpunkt, Heizzeit
ΔJK = Stromänderung als Maß für den Kondensations¬ leitwert
ΛIV = Stromänderung als Maß für den Verdampfungs¬ leitwert
TK = Kondensationszeit bzw. Zeitpunkt
T3 = Abschaltzeitpunkt des Heizelementes
FD = Betriebsfrequenz (Dauer)
F = Betrieb-sfrequenz
10 = Schreibkopf
11 = Heizelemente
12 = Aufzeichnungsträger
D = Datenquelle, Terminal, Rechner
ZS = Zentralsteuerung
13 = . Ansteuerimpulse MS = Motorsteuerung
S = Sensoreinrichtung
AA = Auswerteanordnung
VA = Verknüpfungsanordnung
14 = Zähleinrichtung
15 = R-S Flip-Flop
R = Rücksetzeingang
SE = Setzeingang
16 = UND-Glied
17 = Quarz
18 = UND-Glied
19 = Treiberstufe
20 = Differentialtransformator
21 = Spannungsquelle
22 = Vergleichswiderstand
23 = Filternetzwerk
24 = Verstärker
25 = Hochpaß

Claims

Patentansprüche
1. Druckeinrichtung mit einem elektrothermisch betrie¬ benen Druckkopf (10), der eine Vielzahl von einzeln impuls- weise ansteuerbare Heizelemente (11) aufweist, wobei im
Schreibbetrieb über die Heizelemente (11) ein Schreibmedium zeichenabhängig lokal erhitzt und durch Auslösen eines Aggregatzustandswechsels auf einen Aufzeichnungsträger (12) übertragen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß eine den Zustandswechsel des Schreibmediums an den
Heizelementen (11) erfassende Sensoreinrichtung (S) vorgesehen ist.
2. Druckeinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Sensoreinrichtung (S) jeder Druckeinrichtung zugeordnet ist.
3. Druckeinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Sensoreinrichtung (S) als separate druckerunabhängige Einrichtung ausgebildet ist.
4. Druckeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Sen¬ soreinrichtung (S) zur Bestimmung des Zeitpunktes des Zu- Standwechsels die beim Zustandswechsel auftretende Leitwert¬ änderung (IV) der Heizelemente (11) durch Strommessung erfaßt und ein dem Zeitpunkt des Zustandswechsels zugeordnetes Sen¬ sorsignal generiert.
5. Druckeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von dem durch die Sensoreinrichtung (S) erfaßten Zeitpunkt des Zu¬ standswechsels die Heizelemente (11) deaktiviert.
6. Druckeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Meß- einrichtung vorgesehen ist, die die zwischen Heizbeginn und Zustandswechsel liegende Zeit erfaßt.
7. Druckeinrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Meßeinrichtung einen über die Heizimpulse und die Sensorimpulse ansteuerbaren Zähler (14) aufweist.
8. Druckeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Aus¬ werteeinrichtung (AA) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von einem festgestellten Zustandswechsel des Schreibmediums und damit dem Temperaturverhalten der Heizelemente (11) die Be¬ triebsfrequenz des Druckkopfes (10) steuert.
9. Druckeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Auswerteeinrichtung (AA) einen Grenzwertspeicher (33) zur Aufnahme eines Heizzeit-Grenzwertes aufweist und daß ein Vergleicher (32) vorgesehen ist, der die von der Meßeinrichtung bereitgestellte aktuelle Heizzeit mit dem zugeordneten Heiz¬ zeitgrenzwert vergleicht und in Abhängigkeit davon die Betriebs¬ frequenz der Druckeinrichtung steuert.
10. Druckeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Auswerteeinrichtung (AA) derart ausgestaltet ist, daß sie das Temperaturverhalten sämtlicher Heizelemente (11) er¬ faßt und in Abhängigkeit von dem thermisch am stärksten belasteten Heizelement die Betriebsfrequenz der Druckeinrich¬ tung steuert.
11. Druckeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Druck- köpf (10) als Tiπtendruckkopf ausgebildet ist und die Sensor¬ einrichtung (S) den Zustandswechsel der Schreibflüssigkeit bei der Dampfblasenerzeugung und/oder der Dampfblasenkondensation erfaßt.
12. Verfahren zum Betrieb einer elektrothermischen Druckein¬ richtung gemäß Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die folgenden Verfahrensschritte: - über eine Sensoreinrichtung (S) wird der Zustandswechsel des Schreibmediums durch Strommessung am Heizelement (11) im Schreibbetrieb erfaßt, --die- Zeit (TV)ä von der Erregung des Heizelementes (11) bis zα Zustandswechsel wird gemessen - -in-Abhängigkeit von der gemessenen Zeit (TV) wird der Drucker irisbesondere hinsichtlich Fehlererkennung Heizdauerbegrenzung und Schreibgeschwindigkeit gesteuert
13. Verfahren zum Betrieb einer elektrothermischen Druckeinrichtung gemäß Anspruch 3 g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die folgenden Verfahrensschritte:
- über eine druckerunabhängige Sensoreinrichtung (S) wird der Zustandswechsel des Schreibmediums am Heizelement (11) unter Normbedingungen erfaßt und die Heizzeit gemessen. - die Heizzeit wird in codierter Form auf dem Tintendruck¬ kopf" gespeichert (M).
- eine: dem- Drucker zugeordnete Fühleinrichtung (FE) erfaßt die codier.te; Heizzeit jedes Tintendruckkopfes.
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