Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung von Tintenflüssigkeit in Schreibwerken von Tintenschreibeinrichtungen

Abstract

 Anhand der Änderung des elektrischen Stromes durch das elektrothermische Wandlerelement (RH) (Heizelement) bei einem nach dem Bubble-Jet-Prinzip arbeitenden Tintenschreibwerk wird gemäß einer Widerstands-Temperaturmeßmethode aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Heizelementwiderstandes erkannt, ob sich Tintenflüssigkeit über dem Heizelement (RH) befindet oder nicht. Dabei wird das Heizelement (RH) nicht nur als Aktor, sondern auch als Sensor benutzt. Mit Hilfe einer Strommessung an den Heizelementanschlüssen und anschließender Auswertung des Stromänderungssignals läßt sich eine Aussage über das Vorhandensen von Tintenflüssigkeit gewinnen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von Tintenflüssigkeit in Schreibwerken von Tintenschreibeinrichtungen gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8.

[0002] Für den praktischen Einsatz von Tintenschreibeinrichtungen spielt die Überwachung des Tintenvorrats, vor allem ein rechtzeitiges Erkennen des Tintenendes eine große Rolle. Ist der Tintenvorrat erschöpft oder befindet sich, verursacht durch einen Stoß, Luft in den Schreibkanälen, fällt ein Teil der Düsen oder das komplette Schreibwerk aus. Zur Steigerung der Zuverlässigkeit solcher Druckeinrichtungen sind mechanische und optische Überwachungssysteme (z.B. DE-A-35 29 805), aber auch Überwachungsmaßnahmen bekannt geworden, die auf der Messung und Auswertung elektrischer Größen beruhen. Zu letzteren gehören Tintenüberwachungssysteme, die eine Änderung des Füllstandes im Tintenreservoir über die Veränderung der Kapazität ( IBM, TDB, Vol. 16, Nr. 3, Aug. 1973, S. 775 ) oder des Widerstandes erfassen. Nach diesem Stand der Technik kann das Tintenende optisch und/oder akustisch angezeigt werden und die Bedienungsperson zum Austausch des Tintenbehälters bzw., wenn der Tintenbehälter und der Schreibkopf eine Einheit bilden, zum Austausch dieser Einheit zu veranlassen.

[0003] So ist aus der EP-B1-0244 559 eine Vorrichtung zur Überwachung des Tintenvorrats in Tintenschreibeinrichtungen bekannt, bei der mit Hilfe von drei in einem Tintenvorratsbehälter angeordneten Elektroden ein tintenspezifischer Vergleichswiderstand und ein sich in Abhängigkeit vom Flüssigkeitspegel ändernder Widerstand erfaßt wird. An zwei der drei Elektroden werden dabei Gleichspannungsimpulse mit invertiertem Vorzeichen angelegt. An der dritten Elektrode ist eine dem Füllstand des Tintenvorratsbehälters entsprechende Spannung abgreifbar, die als Kriterium zur Aktivierung einer das Tintenvorratsende anzeigenden Anzeigevorrichtung und/oder zur Abschaltung der Tintenschreibeinrichtung herangezogen wird.

[0004] Weiterhin ist aus der WO 90/00 974 eine Anordnung für Druckeinrichtungen zur Überwachung von Druckmedium enthaltenden Vorratsbehältern bekannt. Dieser Vorratsbehälter weist eine elektronische Speichereinrichtung in Form eines Chip auf, in dem Informationen über den aktuellen Füllzustand des Vorratsbehälters und/oder anderer für den Druckbetrieb relevanter Zustandsdaten, z.B. Verfallsdaten des Druckmediums (z.B. Tintenflüssigkeit) gespeichert sind. Über eine Zentralsteuerung der Druckeinrichtung wird der Verbrauchszustand am Druckmedium erfaßt und dem Chip mitgeteilt. Das Chip am Vorratsbehälter zählt den Verbrauch, bis der Vorrat am Druckmedium so weit erschöpft ist, daß der Vorratsbehälter ausgetauscht werden muß.

[0005] Mit Hilfe solcher bekannten Einrichtungen können zwar Fehldrucke aufgrund mangelnder Tintenflüssigkeit im Vorratsbehälter vermieden und entsprechende Fehlersignale an die Bedienperson abgegeben werden, Störungen im Tintenversorgungssystem bis hin zu den tintenführenden Bereichen im Schreibkopf, z.B. den Tintenkanälen bleiben aber dabei unberücksichtigt.

[0006] Bei Schreibwerken, die nach dem Thermalwandler-Prinzip (Bubble-Jet) arbeiten, und beispielsweise in der DE-OS 30 12 698 beschrieben werden, ist eine Überwachung des Vorhandenseins von Tintenflüssigkeit nicht nur im Vorratsbehälter, sondern auch am Wandlerelement von großer Bedeutung. Diese Bubble-Jet-Tintenschreibköpfe weisen eine Vielzahl von Einzeldüsen auf, aus denen unter Einwirkung einer elektronischen Steuerung definiert Einzeltröpfchen ausgestoßen werden. Charakteristisches Merkmal dieser Technologie ist, daß sich in einer mit Tintenflüssigkeit gefüllten Kapillaren, und zwar in der Nähe ihrer als Düse bezeichneten Öffnung, ein als Heizelement ausgebildeter elektrischer Widerstand befindet. Wird diesem Heizelement bei Bedarf mittels eines kurzen Stromimpulses eine bestimmte Wärmeenergie zugeführt, entsteht durch äußerst schnelle Wärmeübertragung auf die Tintenflüssigkeit (Filmsieden) zuerst eine sich rasch expandierende Tintendampfblase, die dann nach Wegfall der Energiezuführung durch Abkühlung der Tintenflüssigkeit relativ schnell in sich zusammenfällt. Die durch diese Dampfblase im Inneren der Kapillaren entstehende Druckwelle läßt einen Tintenstrahl begrenzter Masse aus der Düsenöffnung auf die Oberfläche eines nahen Aufzeichnungsträgers austreten. Werden die Heizelemente dieser Bubble-Jet-Schreibwerke betrieben, ohne daß sich Tintenflüssigkeit in der Kapillare befindet, so tritt am Heizelement eine erhöhte Betriebstemperatur auf, die wiederum eine verkürzte Lebensdauer der elektrothermischen Wandlerelemente aufgrund von Diffusion oder Oxidation zur Folge hat. Durch einen Stoß kann beispielsweise Luft in die Düse gesaugt werden und die Tintenflüssigkeit über dem Heizelement verdrängen. Wollte man dies über zwei Meßkontakte erkennen, so müßte für jedes Heizelement mindestens eine zusätzliche Leitung vorgesehen werden. Die Kontakte sind dort erheblichem chemischen und thermischen Streß (typische Temperaturen ca. 300 ° C) ausgesetzt, daß sie direkt mit der heißen Tintenflüssigkeit in Berührung kommen. Außerdem müßten bei der Herstellung des Schreibwerkes die zusätzlichen Leitungen auch kontaktiert und mit der Steuerelektronik verbunden werden, was einen erhöhten Aufwand bedeuten würde.

[0007] Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, für Tintenschreibeinrichtungen der eingangs genannten Art eine Tintenüberwachung anzugeben, mit der das Vorhandensein von Tintenflüssigkeit unmittelbar an den Aktoren des Tintenschreibwerkes überwachbar ist und die ohne zusätzliche elektrische Leitungen am Aktor auskommt.

[0008] Die Lösung der Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8 ermöglicht. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0009] Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß anhand der Änderung des elektrischen Stromes durch ein elektrothermisches Wandlerelement (Bubble-Jet Heizelement) gemäß einer Widerstands-Temperaturmeßmethode aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Heizelementwiderstandes erkannt werden kann, ob sich Tintenflüssigkeit über dem Heizelement befindet oder nicht. Wird das Tintenschreibwerk ohne Tintenflüssigkeit betrieben, so erfolgt der Aufheizvorgang schneller, da weniger thermische Masse zu heizen ist. Dieser Effekt wiederum kann an einer erhöhten Stromänderungsrate entsprechend der höheren Aufheizrate erkannt werden. Andererseits tritt beim Betrieb mit Tintenflüssigkeit eine Verdampfung auf, die eine Unterbrechung des Wärmetransports in die Tintenflüssigkeit zur Folge hat. Das Heizelement erwärmt sich ab diesem Zeitpunkt schneller, welches als Änderung der Stromänderungsrate im Heizelement sensiert werden kann. Durch Anwendung einer solchen Widerstands-Temperaturmeßmethode für die elektrothermischen Wandlerelementen ergibt sich eine Tintenüberwachung, mit der auf zuverlässige Weise festgestellt werden kann, ob sich Tintenflüssigkeit im Tintenkanal befindet oder nicht. Dadurch können die Heizelemente vor Betrieb mit Luft geschützt, sowie eine Tintenüberwachung direkt am Aktor ohne zusätzliche elektrische Leitungen realisiert werden. Darüber hinaus ist diese Art der Tintenüberwachung unabhängig von der elektrischen Leitfähigkeit der verwendeten Tintenflüssigkeit.

[0010] Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme der Zeichnungen beschrieben.

[0011] Dort zeigen

Figur 1 und Figur 3 zeitliche Verläufe des Stromänderungssignals während eines Aufheizvorganges des elektrothermischen Wandlerelementes und

Figur 2 ein Prinzipschaltbild einer Tintenüberwachungsschaltung durch Auswertung des Stromänderungssignals.

[0012] Gemäß der Erfindung werden die elektrothermischen Wandlerelemente nicht nur als Aktoren, sondern zugleich als Sensoren benutzt. Entsprechend einem Widerstandstemperatur-Sensor ändert sich auch aufgrund der Widerstandstemperaturkoeffizienten der elektrische Widerstand der Wandlerelemente mit der Temperatur. Je nach Art der für die Wandlerelemente eingesetzten Materialien steigt oder fällt der elektrische Widerstand. Gebräuchliche Wandlerelemente aus einer dünnen Schicht Hafniumdiborid weisen einen negativen Temperaturkoeffizienten auf. Anhand der Änderung des elektrischen Stromes durch das Wandlerelement kann gemäß einer Widerstands-Temperaturmeßmethode aufgrund dieser Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes der Wandlerelemente erkannt werden, ob sich Tintenflüssigkeit auf dem Wandlerelement befindet oder nicht. Ist im Tintenkanal oberhalb des Wandlerelementes keine Tintenflüssigkeit vorhanden, so erfolgt der Aufheizvorgang des Wandlerelementes schneller, da weniger thermische Masse zu heizen ist. Dieser Effekt kann an einer erhöhten Stromänderungsrate erkannt werden.

[0013] In Figur 1 ist in qualitativer Darstellung anhand eines Meßdiagramms das Stromänderungssignal am elektrothermischen Wandlerelement für zwei mögliche Betriebsfälle des Tintenschreibwerkes gezeigt. Mit durchgezogener Linie L ist der zeitliche Verlauf des Stromsignals durch das elektrothermische Wandlerelement bei Betrieb des Tintenschreibwerkes ohne Tintenflüssigkeit über dem Wandlerelement gezeigt. Mit strichlierter Linie T ist derjenige Verlauf des Stromsignals dargestellt, wenn Tintenflüssigkeit im Tintenkanal, d.h. über dem Wandlerelement vorhanden ist. Als Ansteuerimpuls für das Wandlerelement liegt dabei ein Stromimpuls von 7 us zugrunde.

[0014] Aus der Steigung des Stromsignals läßt sich nun das Vorhandensein von Tintenflüssigkeit im Tintenkanal detektieren. Hierzu wird die Steigung in einem kritischen Bereich, d.h. in einem sog. Zeitfenster F betrachtet. Hier ist in der Stromänderungskurve ein schwach ausgeprägter Knick zu erkennen. Eine Differentiationsschaltung wandelt die unterschiedlichen Änderungen des Stromsignales in unterschiedliche Pegel, welche als Tintenflüssigkeit vorhanden oder nicht vorhanden von der Steuerelektronik der Tintenschreibeinrichtung gedeutet werden.

[0015] Ein Prinzipschaltbild einer solchen Überwachungs- und Auswerteschaltung zeigt die Figur 2. Die Ansteuerimpulse für die elektrothermischen Wandlerelemente werden aus einer Versorgungsgleichspannung UB mittels einer elektronischen Schalteinrichtung S erzeugt. Mit dem Bezugszeichen RH ist der elektrische Widerstand eines Wandlerelementes, mit RM ein Meßwiderstand bezeichnet. Eine aus einem im Längszweig angeordneten Kapazität und einem im Querzweig angeordneten elektrischen Widerstand bestehende Differentiationsstufe D wandelt die unterschiedlichen Änderungen des Stromsignals in unterschiedliche Pegel um, die über ein Verstärkerelement V einer Bewertungseinrichtung K mit Schwellwertverhalten zugeführt werden. An dessen Ausgang steht somit ein Auswertesignal zur Verfügung, das in hier nicht dargestellter Weise in der zentralen Steuerungseinrichtung der Tintenschreibeinrichtung zur Abgabe einer entsprechenden Meldung mittels einer akustischen und/oder optischen Anzeigevorrichtung für die Bedienperson und/oder zur Abschaltung der Tintenschreibeinrichtung führt.

[0016] Beim beschriebenen Verfahren zur Überwachung der Tintenflüssigkeit im Schreibwerk ist das Ergebnis der Stromsignal-Auswertung abhängig von dem Absolutwert des Temperaturkoeffizienten des Wandlerelementmaterials. Da dieser Temperaturkoeffizient unter Umständen im Verlauf der Lebensdauer der Wandlerelemente schwanken kann, ist es im Sinne einer unempfindlicheren Meßmethode vorteilhaft, die Änderung des Stromänderungssignals auszuwerten.

[0017] Der in dem Meßdiagramm nach Figur 1 in strichlierter Linie eingezeichnete Verlauf T des Stromänderungssignals entspricht dem Verlauf T in Figur 1 und zeigt die Verhältnisse bei Betrieb des Tintenschreibwerkes mit Tintenflüssigkeit. Ist in der Stromänderungskurve T ein schwach ausgeprägter Knick zu erkennen (im Zeitfenster F), so stellt sich dieser im hochpaßgefilterten Signal als deutlich ausgeprägtes Minimum dar. Während des Aufheizvorganges wird nämlich der Wärmestrom in die Tintenflüssigkeit unterbrochen, wenn das elektrothermische Wandlerelement mit Dampf bedeckt ist. Dadurch steigt die Temperatur des Wandlerelementes und damit der Strom ab diesem Zeitpunkt schneller an. Fehlt nun durch eine Störung die Tintenflüssigkeit auf dem Wandlerelement, so fehlt auch dieses deutlich ausgeprägte Minimum im gefilterten Stromänderungssignal. Eine nachfolgende Differentiationsstufe kann leicht erkennen, ob die Steigung an dem Minimum wechselt oder ob es wie die Tintenflüssigkeit fehlt. Dies ist weitgehend unabhängig vom absoluten Wert des Temperaturkoeffizienten des für das Wandlerelement verwendeten Materials.

Ansprüche

1. Verfahren zur Überwachung von Tintenflüssigkeit in Schreibwerken von Tintenschreibeinrichtungen mit einer Vielzahl von jeweils in Austrittsöffnungen mündenden Tintenkanälen, denen als Aktoren für die Erzeugung von Tintendampfblasen und damit bewirkenden Ausstoß von Tintentröpfchen individuell ansteuerbare, elektrothermische Wandlerelemente zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrothermischen Wandlerelemente im Sinne einer Widerstands-Temperaturmessung als Sensoren für das Vorhandensein von Tintenflüssigkeit in den einzelnen Tintenkanälen herangezogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der elektrothermischen Wandlerelemente über deren Widerstandstemperaturkoeffizienten sensiert und aus der Änderungsrate der Temperatur auf das Vorhandensein von Tintenflüssigkeit geschlossen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsänderung mit Hilfe einer Strom- oder Spannungsmessung in ein elektrisches Signal (T) gewandelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das so erhaltene elektrische Signal (T) elektronisch differenziert und mit Hilfe einer Schwellwertschaltungseinrichtung (K) ein Signal über das Vorhandensein von Tintenflüssigkeit generiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Änderung der Signaländerungsrate (T) (Widerstand- bzw. Stromänderung) ein Vorhandensein von Tintenflüssigkeit detektiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein auftretender Knick in der Signaländerungsrate (T) als Anzeichen für das Auftreten einer Verdampfung der Tintenflüssigkeit interpretiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Knick in der Signaländerungsrate (T) durch eine Filterung zu einem Extrema geformt wird, und mit Hilfe einer elektronischen Differenziereinrichtung der Steigungswechsel als das Vorhandensein von Tintenflüssigkeit gedeutet wird.

8. Vorrichtung zur Überwachung von Tintenflüssigkeit in Schreibwerken von Tintenschreibeinrichtungen mit einer Vielzahl von jeweils in Austrittsöffnungen mündenden Tintenkanälen, denen als Aktoren für die Erzeugung von Tintendampfblasen und damit bewirkenden Ausstoß von Tintentröpfchen individuell ansteuerbare elektrothermische Wandlerelemente zugeordnet sind, gekennzeichnet durch eine Auswerteschaltung mit Schwellwertverhalten (RM, D, V, K), an deren Eingang die Temperatur der elektrothermischen Wandlerelemente (RH) über ihren Widerstandstemperaturkoeffizienten mit Hilfe einer Strom- oder Spannungsmessung erfaßt wird und an deren Ausgang ein Signal über das Vorhandensein/Nichtvorhandensein von Tintenflüssigkeit im Tintenkanal für die Steuereinrichtung der Tintenschreibeinrichtung gewonnen wird und diese bei Nichtvorhandensein von Tintenflüssigkeit eine akustisch und/oder optische Anzeigevorrichtung (A) aktiviert und/oder den Schreibbetrieb unterbricht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung eine aus einem Kondensator und einem Widerstand bestehende Differentiationsstufe (D), eine dieser Differentiationsstufe (D) nachgeschaltete Verstärkerstufe (V) und eine Komparatorschaltung (K) enthält.

Zeichnung