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Diese Anmeldung ist eine Fortsetzungsanmeldung
(Continuation-in-part) der US-Anmeldung
Nr. 08/903 016, welche am 31. Juli 1997 eingereicht wurde und deren
Offenbarung hierdurch durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen
wird.
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Tintenstrahldrucker und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zur
Verhinderung des Verstopfens der Tinte in solchen Vorrichtungen.
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Aus der US-A-5 667 571 ist eine Tintenzusammensetzung
bekannt, welche ein basisches Diazo-Farbstoffsalz , einen Alkohol
oder Glykolether als Lösungsmittel,
und ein Phenol-, Acryl- oder Ketonharz enthält.
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Die EP-A-0 688 835 offenbart eine
Strahldrucktinte, welche ein nicht-wässriges Lösungsmittel und ein Pigment
enthält,
zu welchen ein Dispergiermittel und ein Harz hinzugefügt werden.
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Die GB-A-2 148 316 beschreibt eine
Tintenzusammensetzung zur Verwendung beim Tintenstrahldrucken, welche
ein Copolymer, denen Farbstoff und ein Lösungsmittelsystem enthält, welches
ein niederes Alkanol und ein niederes aliphatisches Keton enthält.
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Hintergrund der Erfindung
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Tintenstrahldrucken wird durchgeführt durch
Abgabe von Tintentröpfchen
von einem Druckkopf zu einem Substrat. Die Tröpfchen werden durch Öffnungen
oder Düsen
im Druckkopf ausgestoßen
und werden auf das Substrat gerichtet, um darauf ein Bild zu bilden.
Im Gegensatz zu vielen anderen Arten des Druckens gibt es beim Tintenstrahldrucken
vorzugsweise keinen Kontakt zwischen dem Drucker und dem Substrat.
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Die meisten der Tintenstrahldrucker,
welche im Stand der Technik bekannt sind, können als kontinuierliche oder
Impulsvorrichtungen charakterisiert werden, in Abhängigkeit
vom Mechanismus, durch welchen die Tintentröpfchen auf das Substrat gerichtet
werden. Bei kontinuierlichen Tintestrahlsystemen wird ein im wesentlichen
ununterbrochener Strom von Tinte aus einer Düse ausgestoßen und bricht in Tröpfchen auf.
Die Tröpfchen
tragen eine elektrische Ladung, so dass sie durch ein angelegtes
elektrisches Feld abgelenkt werden können, welches gemäß dem besonderen
aufzuzeichnenden Bild moduliert wird. Das elektrische Feld richtet
die Tröpfchen
entweder in Richtung zum Substrat oder zu einem Tintenrezirkulationsbehälter hin.
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Bei sogenannten „Impuls"- oder „Tropfen nach Bedarf"-Tintenstrahldruckern
wird die Bildbildung eher durch selektives Beaufschlagen mit Energie
oder Abschalten von Energie, zum Beispiel eines piezoelektrischen
Wandlers oder Solenoids, gesteuert als durch Modulation eines angelegten
elektrischen Feldes. Die Tinte wird im Druckkopf oder der Düse gespeichert
bis es notwendig ist, ein Bild auf dem Substrat zu bilden. Der Drucker
wird dann durch Drucksignale aktiviert, um Druck an die Tinte anzulegen
und eine ausgewählte
Anzahl von einzelnen Tintentröpfchen
in Richtung zum Substrat hin abzugeben.
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Da die Tinte aus Impuls-Typ-Druckern
nur periodisch ausgestoßen
wird, liefern diese Vorrichtungen eine Anzahl von Problemen, welche
man typischerweise bei kontinuierlichen Tintenstrahlsystemen nicht
antrifft. Diese Probleme, welche während relativ kurzer Intervalle
zwischen den einzelnen Drucksignalen während eines einzelnen Druckzyklus
auftreten, enthalten unregelmäßig geformte
Tropfen und/oder einen unrichtigen Abstand der Tropfen. Die Grundursache
dieser Probleme kann der Bewegung des Tintenmeniskus zur Zeit, wenn
ein Drucksignal erzeugt wird, zugeschrieben werden, insbesondere
wo Anstrengungen gemacht werden, bei einer Frequenz von über 3 kHz
zu drucken. Ein Lösungsansatz
dieser Probleme ist im US-Patent 4 266 232, im Namen von Juliana,
Jr. et al dargestellt, welches einen Impulsdrucker offenbart, bei
welchem Tintentropfen von im wesentlichen einheitlicher Größe und Abstand
durch Anlegen von Antriebsimpulsen in einer gegenseitig synchronen
Art bei jedem von vorbestimmten gleichen Intervallen erzeugt werden.
Die Amplitude der Antriebsimpulse wird so gesteuert, dass die Amplitude
der Antriebsimpulse unter der eines Drucksignals ist, wenn kein
Tropfen geformt werden soll. Ein noch besserer Lösungsweg ist durch das US-Patent
4 459 601 im Namen von Howkins gegeben, wobei eine Füllen-vor-Abschuss-Betriebsweise
offenbart ist, d. h. ein Impuls vorbestimmter Länge wird verwendet, um das
Füllen
der Strahlkammer zu initiieren, und das Abfeuern eines Tröpfchens
geschieht an der hinteren Kante des Impulses.
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Gewisse andere Probleme, welche mit
Impulstintenstrahldruckern zusammenhängen, betreffen die beträchtlich
längeren
Intervalle zwischen den Druckzyklen. Im Gegensatz zu kontinuierlichen
Tintenstrahldruckern werden Impulsvorrichtungen typischerweise während relativ
langer Intervalle im Stand-by- oder
Ruhemodus gehalten, manchmal in der Größenordnung von Sekunden, Minuten
oder selbst Stunden. Während
dieser Intervalle lässt
man die Tinte stehen, sich verdicken aufgrund von Verdunstung von
Tintenkomponenten, und möglicherweise
die Düsen
des Druckkopfes verstopfen. Impulsdrucker können einen Druckzyklus mit solch
verdicktem Material darin beginnen. Viele der Anfahrprobleme, welche
bei Impulsdruckern auftreten, sind der Tinte zuzuschreiben, welche
man die Düsen
während
der Ruheperioden verstopfen ließ.
Verstopfung durch Tinte ist in kontinuierlichen Systemen weniger
bedeutend, da dort typischerweise weniger Unterbrechungen im Tintenstrom
sind und jede solch einer Unterbrechung eine beträchtlich
kürzere
Dauer hat. Selbst wenn man Tinte in einem kontinuierlichen Tintenstrahldrucker
stehen und sich verfestigen lässt,
ist er leichter zu reinigen aufgrund der beträchtlich höheren Drücke, bei welchen diese Vorrichtungen
arbeiten.
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Eine Anzahl von Verfahren und Vorrichtungen
sind im Stand der Technik bekannt um ein Verstopfen in Tintenstrahldruckern
während
Ruheperioden zu verhindern.
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Das US-Patent 4 970 527 im Namen
von Gatten offenbart zum Beispiel einen Tintenstrahldrucker, welcher
das Verstopfen durch Drucken einiger weniger Tintenpunkte verhindert,
wenn der Drucker im Leerlauf ist. Das Verfahren von Gatten verschwendet
jedoch Tinte und Drucksubstrat.
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Das US-Patent 3 925 789 im Namen
von Kashio offenbart eine Tintenstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung, welche einen
Zeitmesser enthält
zur Bestimmung der Länge
einer Ruheperiode und ein Mittel zum vorbereitenden Ausstoßen von
Tinte aus einer Düse,
wenn die Ruheperiode eine vorbestimmte Zeitmenge übersteigt.
Die ausgestoßene
Tinte wird nicht auf ein Drucksubstrat gerichtet, sondern vielmehr
auf eine Tintensammelvorrichtung.
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Das US-Patent 4 540 997 im Namen
von Biggs u. a. offenbart einen Tintenstrahldrucker, bei welchem das
Verstopfen minimiert wird durch Transportieren der Düsen während Ruheperioden,
um mit einer Waschstation zu kommunizieren und dann Ausstoßen von
Tinte aus den Düsen
in die Waschstation, wenn der Drucker einen vorbestimmten Zeitraum
nicht gearbeitet hat.
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Das US-Patent 5 329 293 im Namen
von Liker offenbart eine Tintenstrahldruckvorrichtung, bei welcher das
Verstopfen minimiert wird durch Pulsieren der Tinte in der Düse während Ruheperioden.
Das gelieferte Pulsierungssignal ist geringer als die Größe eines
Impulssignals, welches bewirken würde, dass Tinte aus der Düse ausgestoßen wird.
Diese Technik wird als Subpulsieren (sub-pulsing) bezeichnet. Das
Subpulsierungsverfahren und die Vorrichtung sind wirksam und effizient
beim Verhindern, dass Tinte die Düse verstopft. Jedoch bei einigen
extrem schnell trocknenden Tinten führt das Subpulsieren zu einer
konstanten Verdunstung von Lösungsmittel
aus der Tinte. Als Folge kann die ganze Tinte in der Düse an einer
Erhöhung
der Viskosität während des
Subpulsierungszeitraums leiden. Die Viskosität kann unter Umständen zu
stark ansteigen und den Betrieb des Druckers ungünstig beeinflussen.
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Es besteht deshalb ein Bedarf an
relativ einfachen Verfahren und Vorrichtungen zum Verhindern von Verstopfen
des Tintenstrahles bei schneller trocknenden Tinten, welche keine
Tinte oder Drucksubstrat verschwenden und welche keine zusätzlichen
Vorrichtungen benötigen
wie Tintensammelvorrichtungen und Waschstationen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung liefert
schnell trocknende Tintenstrahl-Tintenzusammensetzungen
zur Verwendung bei einem Impulstintenstrahldrucker. Die schnell
trocknenden Tintenzusammensetzungen enthalten ungefähr 20 bis
ungefähr
95 Gewichtsprozent eines Lösungsmittels,
welches vorzugsweise entweder ein Glykolalkylether mit ungefähr 3 bis
20 Kohlenstoffatomen, ein Ketonalkohol, 1,4-Butandiol, denaturiertes
Ethanol, Benzylalkohol, Alkyllactate oder Mischungen davon sind.
Die schnell trocknenden Tintenstrahl-Tintenzusammensetzungen enthalten auch
ungefähr
1 bis ungefähr
20 Gewichtsprozent eines polymeren Harzes. Das polymere Harz ist
vorzugsweise entweder ein Polyesterharz, ein Polyvinylbuterolharz,
ein Phenolharz, ein Acrylharz oder Mischungen davon. Die schnell
trocknenden Tintenstrahl-Tintenzusammensetzungen
enthalten auch ungefähr
1 bis ungefähr
20 Gewichtsprozent eines Farbstoffes.
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Es wurde gemäß der Erfindung herausgefunden,
dass das Verstopfen von Tinte während
Ruheperioden verhindert werden kann durch Vorsehen einer Tinte,
welche die Eigenschaft hat, eine Barriere höher viskoser Tinte zu bilden,
wo die Tinte die Umgebungsluft kontaktiert. Als Ergebnis schirmt
diese Viskositätsbarriere
die übrige
Tinte von den Wirkungen der Luftexposition während der Ruheperiode ab. Danach
wird die Barriere durch eine Reihe von Subimpulsen entfernt, welche
die Viskositätsbarriere
homogenisieren und dadurch die Düse
freimachen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die zahlreichen Ziele und Vorteile
der vorliegenden Erfindung können
von einem Fachmann durch Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren
besser verstanden werden, bei welchen
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1 eine
schematische Darstellung ist, welche eine Impulstintenstrahldruckvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt,
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2 eine
schematische Darstellung ist, welche ein Auslösesignal zeigt, welches an
eine Druckkopfdüse
angelegt wird, und die Bewegung von Tinte innerhalb der Düse als Antwort
auf das Signal,
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3 eine
schematische Darstellung ist, welche ein Sub-Auslösesignal
(sub-firing signal) zeigt, welches an eine Druckkopfdüse angelegt
wird, und die Bewegung von Tinte innerhalb der Düse als Antwort auf das Signal,
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4 eine
schematische Darstellung der Barriere ist, welche am Meniskus der
Tinte innerhalb der Düse
gebildet ist;
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5 ein
Flussdiagramm der Sequenz der Auslöse- und Subauslösesignale
ist.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Die Verfahren und Vorrichtungen der
vorliegenden Erfindung können
in Verbindung mit praktisch jedem Impuls- oder „Tropfen-nach-Bedarf"-Tintenstrahldrucker verwendet werden,
welcher Stand-by- oder Ruheperioden unterworfen ist. Mit Bezug auf 1 ist eine repräsentative
Druckvorrichtung gemäß der vorliegenden
Endung dargestellt, welche einen Druckkopf 10 mit einer
Vielzahl von Düsen 12 und
Steuermittel 16 enthält,
welche mit dem Druckkopf elektrisch gekuppelt sind.
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Jeder einer großen Vielzahl von Druckköpfen, welche
im Stand der Technik bekannt sind, können bei der vorliegenden Erfindung
angewendet werden, so lange er mindestens eine Düse enthält, welche Tintentröpfchen als
Antwort auf Steuersignale ausstößt. Es wird
bevorzugt, dass der Druckkopf ein piezoelektrischer Typ ist, bevorzugter
ein MICROCODER 32/16, oder ein ULTRAJET II 192/32-Flüssigkeitstintenstrahl-Bilddruckkopf
sein kann, welche beide im Handel erhältlich sind von Trident, Inc.
aus Brookfield, CT.
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Das Steuermittel 16 kann
irgendeines der im Stand der Technik bekannten sein, welches in
der Lage ist, Steuersignale zu erzeugen. Wie in 1 dargestellt enthält das Steuermittel 16 vorzugsweise
eine Energiequelle 16a, einen Spannungs- oder Stromregler 16b,
eine Signalerzeuger 16c, und eine Zeitsteuerungsschaltung 16d zur
Bestimmung des Intervalls zwischen Auslösesignalen. Es wird bevorzugt,
dass ein Spannungsregler verwendet wird und dass der Signalerzeuger
Signale erzeugt, welche unter Softwaresteuerung initiiert werden.
Steuermittel, welche der Praxis dieser Erfindung zugänglich sind,
enthalten Rechnervorrichtungen, wie z. B. Mikroprozessoren, Mikrosteuereinrichtungen,
Kondensatoren, Schalter, Schaltkreise, logische Gates, oder äquivalente
logische Vorrichtungen. Bevorzugte Steuermittel 16 enthalten
einen Personalcomputer, welcher mit einer Trident-16-Kanal-Analog-Treiberplatte, Teile-Nummer
016-7008-01 gekuppelt ist, welche im Handel von Trident, Inc. erhältlich ist.
Die bevorzugte Treiberplatte erzeugt ein Steuersignal in Form einer
RC-Zeitkonstanten-gesteuerten Wellenform mit einem 14,5 μs Anfangsimpuls,
welchem eine 1,5 μs
Auszeit, und ein 3,5 μs
Folge-Impuls folgt. Die US-Patentanmeldung Nr. 08/823 718, eingereicht
am 25. März
1997 mit dem Titel „Impulstintenstrahlverfahren
mit hoher Leistungsfähigkeit
und Vorrichtung" (High
Performance Impulse Ink Jet Method and Apparatus), welche hier durch
Bezugnahme eingeschlossen wird, offenbart Auslösewellenformen zum Ausstoßen von
Tinte aus einer Tintenstrahldüse
und enthält
die bevorzugten Auslöseimpulse
der vorliegenden Erfindung.
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Wie in den 1 und 2A–2E dargestellt können ein
oder mehr Tintentröpfchen 14c aus
den Düsen 12 in
Richtung zum Substrat 20 hin ausgestoßen werden durch selektives
Beaufschlagen piezoelektrischer Wandler 13 mit Energie
und Abschalten von Energie. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist jeder Wandler 13 an
einer Membran, einem Dichtungsmittel oder einem anderen flexiblen
Element 15a in physischem Kontakt mit einem Tintenvolumen 14a,
welches innerhalb der Kammer 15 enthalten ist, befestigt.
Die Wandler werden durch die Anwendung von Steuersignalen mit Energie
versorgt oder abgeschaltet. Obwohl die Steuersignalwellenform aus
vielen bekannten Tintentröpfchen-Auslösesignalen ausgewählt werden
könnte,
ist zwecks Kürze
und Einfachheit des Verständnisses
das Auslösesignal
in 2A in Form einer
Rechteckwelle dargestellt.
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Wie im Hintergrundsabschnitt oben
erörtert,
sind Subpulsierungstechniken im Stand der Technik bekannt, wobei
ein Signal mit geringerer Amplitude während Ruheperioden vorgesehen
wird, um zu verhindern, dass die Düse verstopft. 3A–3E zeigten, wie die Tinte
innerhalb einer Düse
auf ein Subimpuls-Signal reagieren kann. Wie in 3A dargestellt hat das Subimpuls-Signal
typischerweise eine kleinere Amplitude und eine kürzere Dauer
als ein voller Tropfenaustoß-Impuls.
Als solches ist der Impuls ausreichend, um die Tinte innerhalb der
Düse zu
bewegen, ohne sie daraus auszustoßen. Solch eine Technik wurde
verwendet, wenn ein Drucker in einem Ruhezustand ist, um zu verhindern,
dass schnell trocknende, auf Lösungsmittel
basierende Tinten austrocknen und die Düse verstopfen. (Siehe zum Beispiel
US-Patent Nr. 4 459 601, welches hier durch Bezugnahme eingeschlossen
wird, wegen eines Subpulsierungsschemas, welches Impulse an die
Düse anlegt,
welche ausreichend sind, die Tinte in der Düse zu bewegen und ein Verstopfen
zu verhindern, aber welche nicht ausreichend sind, um Tintentröpfchen auszustoßen). Die
Erfinder glauben, dass das Subpulsieren durch konstantes Mischen
der Tinte innerhalb der Düse,
um eine gleich bleibende Viskosität aufrechtzuerhalten, funktioniert.
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Bei bestimmten Druckanwendungen ist
es vorteilhaft, eine Tinte zu haben, welche eine extrem schnelle
Trocknungszeit hat. Bei einigen der schneller trocknenden Tinten
würde die
bloße
Anwendung von Subimpulsen eventuell die Viskosität der Tinte innerhalb der Düse zu einem
dicken, unbrauchbaren Zustand erhöhen. Die vorliegende Erfindung
erkennt, dass wenn man einer schnell trocknenden Tinte erlaubt,
in der Düse zu
trocken, dies eine Barriere aus suspendierten Feststoffen mit höherer Viskosität zwischen
der Düsenöffnung und
der in der Kammer 15 enthaltenen Tinte bildet. Die Tintenstrahlindustrie
hat im allgemeinen versucht, solch eine Wirkung zu verhindern, da
solch eine Barriere ein dicker Pfropfen werden würde, welcher ein Verstopfen
der Düse
und einen unzureichenden Betrieb verursachen würde. Im Gegensatz dazu verwendet
die vorliegende Erfindung diese früher unerwünschte Eigenschaft schnell
trocknender Tinten und verwendet sie zu einem deutlichen Vorteil.
Durch eine richtige Tintenzusammensetzung bildet sich die Barriere
im wesentlichen in so einer Weise, dass sie die Verdunstung von
Lösungsmitteln
in der Tinte vorteilhaft steuert. Das Ergebnis ist Tinte in der
Kammer, welche eine relativ konstante Viskosität aufrechterhält. Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird eine Tinte hergestellt, welche extrem
schnell trocknende Eigenschaften hat, so dass während der Ruheperiode sich
schnell eine Viskositätsbarriere
an der Öffnung
der Düse
bildet. Auf Lösungsmittel und
Harz basierende Tinten, wie vollständiger unten beschrieben, haben
die gewünschten
Eigenschaften gezeigt.
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Wie hier verwendet sollten numerische
Bereiche, welchen der Ausdruck „ungefähr" vorausgeht, nicht als auf den genannten
Bereich beschränkt
betrachtet werden. Vielmehr sollten die numerischen Bereiche, welchen
der Ausdruck „ungefähr" vorausgeht, so verstanden
werden, dass sie einen Bereich einschließen, welcher von einem Fachmann
für irgendein
gegebenes Element in Impulstintenstrahl-Tintenzusammensetzungen gemäß der vorliegenden
Erfindung akzeptiert wird.
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Bevorzugte schnell trocknende Tintenzusammensetzungen
enthalten ein Lösungsmittel
oder eine Kombination von Lösungsmitteln
zu ungefähr
20 bis ungefähr
95 Gewichtsprozent, ein polymeres Harzsystem zu ungefähr 1 bis
ungefähr
20 Gewichtsprozent und einen Farbstoff zu ungefähr 1 bis ungefähr 20 Gewichtsprozent.
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Die bevorzugten schnell trocknenden
Tintenzusammensetzungen enthalten niedrig siedende Lösungsmittel.
Die ausgewählten
Lösungsmittel
haben im allgemeinen einen Siedepunkt unter 150°C. Bevorzugte niedrig siedende
Lösungsmittel
enthalten Glykolalkylether mit ungefähr 3 bis 20 Kohlenstoffatomen,
bevorzugter ungefähr
3 bis 7 Kohlenstoffatome, und am bevorzugtesten 4 Kohlenstoffatome,
einen Ketonalkohol, wie z. B. Diacetonalkohol, 1,4-Butandiol, denaturiertes
Ethanol, Benzylalkohol und Alkyllactate. Glykolalkylether sind besonders
bevorzugt. Der bevorzugte Glykolalkylether ist Propylenglykolmethylether.
Die Tintenzusammensetzungen gemäß dieser
Erfindung können
irgendeines der oben genannten Lösungsmittel
oder Mischungen davon enthalten. Solch ein Lösungsmittel oder Kombinationen
von Lösungsmitteln
sind vorzugsweise in der Tintenstrahl-Tintenzusammensetzung zu ungefähr 20 bis
ungefähr
95 Gewichtsprozent vorhanden, bevorzugter zu ungefähr 50 bis
ungefähr
90 Gewichtsprozent, und am bevorzugtesten zu ungefähr 70 bis
ungefähr
88 Gewichtsprozent.
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Die bevorzugten schnell trocknenden
Tintenzusammensetzungen dieser Erfindung enthalten ferner zu ungefähr 1 bis
ungefähr
20% eines polymeren Harzes. Bevorzugte polymere Harze enthalten
Polyesterharze, Polyvinylbuterolharze, wie z. B. MOWIFOL B3020H
(im Handel erhältlich
von Hoechst, Großbritannien),
Phenolharze wie z. B. ALNOVOL PN 320 (im Handel erhältlich von
Hoechst, Großbritannien),
und Acrylharze, wie z. B. Styrolacrylharz. Das polymere Harzsystem
der Tintenzusammensetzungen gemäß dieser
Erfindung kann irgendeines der obigen polymeren Harze oder Mischungen
davon enthalten und enthält
vorzugsweise nur die genannten Harze als die polymere Harzkomponente.
Die Tintenzusammensetzung enthält
vorzugsweise ungefähr
1 bis ungefähr
20 Gewichtsprozent eines alkohollöslichen auf Polyester basierenden
Harzes und ungefähr
1 bis ungefähr
10 Gewichtsprozent eines Styrol-Acrylpolymer-Harzes. Bevorzugter
ungefähr
5 bis 15% des alkohollöslichen
auf Polyester basierenden Harzes und ungefähr 3 bis ungefähr 6 Gewichtsprozent
des Styrol-Acrylpolymerharzes,
und am bevorzugtesten ungefähr
9 Gewichtsprozent des alkohollöslichen
auf Polyester basierenden Harzes und ungefähr 4,5 Gewichtsprozent des
Styrol-Acrylpolymerharzes. Ein bevorzugter alkohollöslicher
Polyester ist Prince 5180, hergestellt von Lawter International,
Northbrook, III. Ein bevorzugtes Styrol-Acrylpolymer is Joncryl
678, erhältlich
von S. C. Johnson & Son,
Inc.
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Bevorzugte Tintenzusammensetzungen
enthalten auch einen Farbstoff. Die Wahl des Farbstoffes und seine
Konzentration hängt
prinzipiell von der Löslichkeit
des Farbstoffes und der Intensität
seiner Farbe bei einer besonderen Anwendung ab. Der Farbstoff wird
vorzugsweise ausgewählt,
um die Tintenzusammensetzung dem menschlichen Auge oder einer mechanischen
Datensammelvorrichtung, wie z. B. einem Strichcodescanner oder einer
anderen Art von optischem Zahlenleser, sichtbar zu machen. Ein bevorzugter
Farbstoff enthält
ein Farbmittel wie z. B.
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Orasol Black RLI, welcher von Ciba-Geigy
Co. aus Ardsley, N. Y. erhältlich
ist. Der Farbstoff enthält vorzugsweise
von ungefähr
1 bis ungefähr
20 Gewichtsprozent der Tintenzusammensetzung.
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Die schnell trocknenden Impulstintenstrahl-Tintenzusammensetzungen
zum Gebrauch bei der vorliegenden Erfindung wurden gemischt, um
typischerweise in ungefähr
3 bis ungefähr
35 Sekunden zu trocknen, wenn sie verwendet werden, um Text mit
150 Punkte pro Inch (DPI, dots per Inch) zu drucken, und ungefähr 5 bis
ungefähr
100 Sekunden bei Blockbuchstaben mit 150 DPI. Alle Drucktests wurden
mit einem Microcoder 321/16-Druckkopf (im Handel erhältlich von
Trident International, Inc., Brookfield CT) durchgeführt. Als
eine Basislinie wurden die Trocknungszeiten auf einem Glassubstrat
bei Raumtemperatur ohne eine extra angewendete Heizung gemessen.
Das Messen der Trocknungszeiten ist typischerweise eine ungenaue
Kunst. Wie hier später
erwähnt
wurden die Trocknungszeiten erhalten durch Messen der Zeit, welche
benötigt
wird, um kein sichtbares Schmieren der gedruckten Buchstaben oder
Blöcke
zu beobachten, wenn sie mit einem Substrat, wie z. B. einem Papier
oder einem Baumwolllappen gerieben werden. Ein Fachmann wird erkennen, dass
die Trocknungszeiten der schnell trocknenden Impulstintenstrahl-Tintenzusammensetzungen
der vorliegenden Erfindung variieren, basierend auf der Zusammensetzung
des oder der ausgewählten
Lösungsmittel und
den besonderen Mengen jedes Lösungsmittels.
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Eine bevorzugte Tintenstrahl-Tintenzusammensetzung,
welche die gewünschten
schnell trocknenden Eigenschaften zeigt, wurde zum Beispiel wie
folgt hergestellt:
Propylenglykolmethylether
(Lösungsmittel) | ungefähr 44,0% |
Diacetonalkohol
(Lösungsmittel) | ungefähr 40,6% |
Prince
5180 (Harz) | ungefähr 6,3% |
Joncryl
678 (Harz) | ungefähr 1,7% |
Orasol
Black RLI (Farbstoff) | ungefähr 7,4% |
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Diese Zusammensetzung zeigt typischerweise
eine Trocknungszeit auf einem Glassubstrat von ungefähr 50 Sekunden
bei Blockbuchstaben mit 150 DPI und ungefähr 19 Sekunden bei Text mit
150 DPI bei Raumtemperatur. Diese Tintenstrahl-Tintenzusammensetzung
trocknet, wenn man 150 DPI Text auf ein hochdichtes Polyethylensubstrat
druckt, in ungefähr
7 bis 9 Sekunden bei Raumtemperatur. Auf mattiert beschichtetem, nicht
glänzendem
Stapelpapier trocknet die Tintenstrahl-Tintenzusammensetzung in
ungefähr
3 bis 4 Sekunden bei Raumtemperatur, wenn man Text mit 150 DPI druckt.
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Im Vergleich dazu wurde eine bevorzugtere
Tintenstrahl-Tintenzusammensetzung, welche die gewünschten
schnell trocknenden Eigenschaften zeigt, wie folgt hergestellt:
Propylenglykolmethylether
(Lösungsmittel) | ungefähr 22,5% |
denaturiertes
Ethanol (Lösungsmittel) | ungefähr 55,0% |
Benzylalkohol
(Lösungsmittel) | ungefähr 5,0 |
Prince
5180 (Harz) | ungefähr 9,0% |
Joncryl
678 (Harz) | ungefähr 4,5% |
Orasol
Black RLI (Farbstoff) | ungefähr 5,0% |
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Diese Zusammensetzung zeigt typischerweise
eine Trocknungszeit auf einem Glassubstrat von ungefähr 6 Sekunden
bei 150 DPI Blockbuchstaben und ungefähr 3 Sekunden bei 150 DPI Text
bei Raumtemperatur. Diese Tintenstrahl-Tintenzusammensetzung trocknet, wenn
man einen 150 DPI Text auf einem hochdichten Polyethylensubstrat
druckt, in ungefähr
4 Sekunden bei Raumtemperatur. Auf mattiert beschichtetem, nicht-glänzendem
Stapelpapier trocknet die Tintenstrahl-Tintenzusammensetzung in
ungefähr
2 Sekunden bei Raumtemperatur, wenn man 150 DPI Text druckt.
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Eine bevorzugteste Tintenstrahl-Tintenzusammensetzung,
welche die gewünschten
schnell trocknenden Eigenschaften zeigt, wurde noch wie folgt hergestellt:
Propylenglykolmethylether
(Lösungsmittel) | ungefähr 80,0% |
Diacetonalkohol
(Lösungsmittel) | ungefähr 5,0% |
Prince
5180 (Harz) | ungefähr 6,3% |
Joncryl
678 (Harz) | ungefähr 1,7% |
Orasol
Black RLI (Farbstoff) | ungefähr 7,4% |
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Diese Zusammensetzung zeigt typischerweise
eine Trocknungszeit auf einem Glassubstrat von ungefähr 20 Sekunden
bei 150 DPI Blockbuchstaben und von ungefähr 8 Sekunden bei 150 DPI Text
bei Raumtemperatur.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung kann den schnell trocknenden Tintenstrahl-Tintenzusammensetzungen
Wasser als Zusatzstoff zugesetzt werden, um die Trocknungszeit einer
Tintenzusammensetzung zu steuern, d. h. die Trocknungsrate zu verringern,
wo spezielle schnell trocknende Lösungsmittel verwendet werden,
wie z. B. denaturiertes Ethanol. Das Wasser kann von ungefähr 1 bis
40 Gewichtsprozent vorhanden sein. Die besondere Menge Wasser, welche
verwendet wird, hängt
ab von der Flüchtigkeit
der verwendeten Lösungsmittel.
Die folgende schnell trocknende Tintenstrahl-Tintenzusammensetzung zeigt eine andere
bevorzugte schnell trocknende Tintenzusammensetzung, wobei Wasser
zugefügt
wurde, um eine Trocknungszeit zu steuern, welche sonst zu schnell
war, um eine Steuerung der Druckqualität zu erlauben:
Denaturiertes
Ethanol (Lösungsmittel) | ungefähr 67,0% |
Destilliertes
Wasser (Zusatzstoff) | ungefähr 10,0% |
1,4-Butandiol
(Lösungsmittel) | ungefähr 3,0% |
Mowifol
B3020H (Harz) | ungefähr 1,0% |
Alnovol
PN 320 (Harz) | ungefähr 14,0% |
Valifast
3806 (Farbstoff) | ungefähr 5,0% |
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Diese Zusammensetzung zeigt typischerweise
auf einem Glassubstrat eine Trocknungszeit von ungefähr 6,0 Sekunden
bei 150 DPI Blockbuchstaben und von ungefähr 3,0 Sekunden bei einem 150
DPI Text bei Raumtemperatur. Im Vergleich dazu würde diese Zusammensetzung ohne
das zugefügte
Wasser fast augenblicklich trocknen und die Druckqualität wäre schwer
aufrechtzuerhalten.
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Ein Fachmann wird erkennen, dass
die schnell trocknenden Impulstintenstrahl-Tintenzusammensetzungen gemäß der vorliegenden
Erfindung nicht nur schnell ein Viskositätsbarriere an der Öffnung der
Düse bilden,
wie oben beschrieben, sondern auch das Bedürfnis nach extra Heizvorrichtungen,
wie z. B. Mikrowellenheizvorrichtungen, Gebläseluft-Heizvorrichtungen, Konvektionsheizvorrichtungen
und ähnliches
beseitigen, welche typischerweise angewendet werden, um die Rate
zu erhöhen,
bei welcher die Tinte auf einem Substrat trocknet.
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Die Tintenzusammensetzung dieser
Erfindung kann ferner zusätzliche
Additive enthalten, so lange der Zusatz der Additive nicht die Schlüsseltrocknungseigenschaften
wie unten detaillierter beschrieben ändert.
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Bei einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthalten die Tintenzuammensetzungen
der vorliegenden Erfindung ferner ungefähr 0,01 bis ungefähr 2, bevorzugter
zwischen 0,01 und 0,2 Gewichtsprozent eines Antioxidationsmittels.
Am bevorzugtesten stellt das Antioxidationsmittel ungefähr 0,2 Gewichtsprozent
der Tintenzusammensetzung dar.
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Das Antioxidationsmittel wird ausgewählt wegen
seiner Fähigkeit
die dynamische Durchsatzleistung im Druckkopf zu verbessern. Kavitation
ist die Bildung von Gasblasen in einer Flüssigkeit und wird durch das Vorhandensein
von gelösten
Gasen in der Flüssigkeit
verursacht. Innerhalb eines Druckkopfes des Impulstyps ist ein Piezoelement
an einer Wand einer Flüssigkeitskammer
befestigt, welche expandiert und kontrahiert und dadurch ein oszillierendes
Druckfeld innerhalb der Kammer erzeugt. Die Bildung von Blasen und
die Wahrscheinlichkeit ihres anfänglichen
Wachsens und nachfolgenden Schrumpfens im oszillierenden Druckfeld
verringert die Strahlleistung des Druckkopfes wesentlich.
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Es ist aus mindestens zwei Gründen besonders
wichtig, die Kavitation zu steuern, wenn piezoelektrische Tintenstrahl-Druckköpfe verwendet
werden, welche eine größere Anzahl
von Öffnungen
haben, wie z. B. der ULTRAJET II 192/32-Druckkopf (im Handel erhältlich von
Trident International, Brookfield, Connecticut). Erstens haben solche
größeren Druckköpfe einen
größeren Oberflächenbereich,
welcher typischerweise eine größere Gelegenheit
zur Verdunstung erlaubt. Zweitens erhöht die größere Anzahl von Öffnungen
typischerweise die Gelegenheit für
einen Lufteintrag als ein Ergebnis des Betriebes des Piezoelements,
wie oben beschrieben.
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Geeignete Antioxidationsmittel zur
Verwendung bei schnell trocknenden Tintenstrahl-Tintenzusammensetzungen
sind in der gleichzeitig anhängigen
US-Patentanmeldung
Nr. 09/328 652, angemeldet am 9. Juni 1999, Anwalts-Zeichen Nr.
TRID-0156, offenbart, welche hier durch Bezugnahme eingeschlossen
wird. Beispiele solcher Antioxidationsmittel schließen z. B.
Eugenol, Hydrochinon, Pyrocatechol, Guaiacol (Methylcatechol), butyliertes
Hydroxytoluol, butyliertes Hydroxyanisol, Methylethylketoxim, Butylaldoxim
und Cyclohexanonoxim ein.
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Gemäß der Erfindung ist die Tintenzusammensetzung
so gewählt,
dass man eine Viskositätsbarriere aus
suspendierten Feststoffen, welche tatsächlich ein fester Körper werden
können,
sich über
der Öffnung
der Düse
während
Ruheperioden bilden lässt,
welche eine vorbestimmte Zeitdauer überschreiten, welche basierend
auf der Tintenzusammensetzung und anderen Faktoren gewählt wird.
Danach, wenn Drucken gefordert wird, wird ein Subpulsieren ausgelöst, bevor
das Drucken aufgenommen werden kann, um die Viskositätsbarriere
zu entfernen durch Rehomogenisierung der Barriere mit frischer Tinte.
Während
man nicht wünscht
durch irgendeine besondere Theorie gebunden zu sein, wird angenommen,
dass die theoretische Erklärung
der Funktion der Viskositätsbarriere
wie weiter unten detailliert beschrieben wird ist.
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Ohne Subpulsieren wird schnell ein
Lösungsmittel-Konzentrationsgradient
an der Oberfläche
der Tinte in der Düsenöffnung gebildet,
wenn das flüchtige
Lösungsmittel
verdunstet (siehe 4A).
Die Bildung dieses Viskositätsgradienten oder
Barriere 18 verlangsamt dramatisch die Rate des Lösungsmittelverlusts
aus der Düse 12.
Im Gegensatz zu vielen Tinten geschieht bei einer richtig gewählten Tinte,
wie z. B. der oben beschriebenen Zusammensetzung, die Rehomogenisierung
schnell unter der Störwirkung
der Subimpulse. Daher kann, indem eine Düse, welche die schnell trocknende
Tinte enthält,
zuerst subpulsiert wird, eine Düse 12, welche
eine Stunde oder mehr im Ruhezustand war, erfolgreich nach wenigen
Sekunden Subpulsieren wieder ausgelöst werden.
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Im Gegensatz dazu kann, wenn ein
konstantes Subpulsierungssystem bei solch einer schnell trocknenden
Tinte, wie der bevorzugten oben beschriebenen Tinte, angewendet
wird, die Tintenviskosität
innerhalb der Düse 12 zu
stark steigen und eine schlechte Druckleistung erzeugen. Bei solch
einem System wird angenommen, dass das Subpulsieren Wirbelströme erzeugt,
welche die Tinte in der Düse 12 umrühren und
ihre Homogenität
aufrechterhalten. Als ein Ergebnis wird frisches Lösungsmittel
kontinuierlich an der Düsenöffnung präsentiert,
und es wird kein Viskositätsgradient
gebildet. Über
ausgedehnte Subpulsierungszeiträume
wird das Lösungsmittelniveau
in der Düse 12 extrem
verringert und bewirkt, dass die Viskosität der Tinte beträchtlich
steigt, insbesondere an den Kanten der Düse 12, wo das Subpulsieren
die geringste Wirkung hat (siehe 4B).
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Die bevorzugte Schrittsequenz, um
die Viskositätsbarriere
und das Subpulsieren anzuwenden, sind im Flussdiagramm von 5 dargestellt. Die Anfahrsequenz
beginnt, wenn immer eine Düse
während
eines ausgedehnten Zeitraums im Leerlauf war (Schritt 20).
Nach dem Anfahren wird die Düse 12 eine
vorbestimmte Zeitdauer subpulsiert. Die Subimpulse haben vorzugsweise
eine Pulsbreite von ungefähr
1,5 μs und
eine Frequenz von ungefähr
5 kHz (Schritt 22). Die Subimpulsamplitude wird so gewählt, dass
sie die Tinte bewegt, doch unzureichend, um die Tinte aus der Düse 12 auszustoßen. Die
besonderen Subimpulsparameter wurden gewählt, um wirkungsvoll bei der
bevorzugten Tinte zu arbeiten. Andere Parameter können ersetzt
werden und ähnliche
Ergebnisse erzeugen, insbesondere wo die Tintenzusammensetzung von
der bevorzugten hier offenbarten Tinte unterschiedlich ist. Die
vorbestimmte Dauer der Subpulsierungszeit ist die Zeit, welche benötigt wird,
um sicherzustellen, dass die Tinte in der Düse mit frischer Tinte aus der
Kammer rehomogenisiert wird. Es wurde festgestellt, dass 5 Sekunden
eine ausreichende Zeit sind, um die Viskositätsbarriere aufzubrechen, welche
durch die bevorzugte oben beschriebene Tintenzusammensetzung gebildet
wurde. Natürlich
könnten andere
Rehomogenisierungsperioden verwendet werden, in Abhängigkeit
von den besonderen Eigenschaften der ausgewählten Tinte und der gewünschten
Betriebsqualität.
Nach dem 5-Sekunden-Zeitraum (Schritt 24) wird die Druckfunktion
der Düse
aktiviert (Schritt 26). Die Düse ist dann bereit, um Tröpfchen nach
Bedarf auszustoßen,
bis der Druckvorgang vollendet ist, und kehrt dann zu einem Ruhezustand
zurück
(Schritt 28).
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Während
der Drucker aktiv ist und ein Zeitraum danach kann das Subpulsieren
der Tinte weitergehen, um eine konstante Viskosität der Tinte
aufrechtzuerhalten, wie bei einem konstanten Subpulsierungssystem. D.
h. genau wie bei konstanten Subpulsierungssystemen zieht das hier
offenbarte System in Erwägung,
dass der Drucker aktiviert bleiben kann bei konstantem Weitersubpulsieren
während
eines vorbestimmten Zeitraumes, ohne die Düse zu verstopfen oder die Tintenviskosität auf ein
unbrauchbares Niveau zu heben. Wenn jedoch der Drucker während eines
ausgedehnten Zeitraumes (ungefähr
15 Minuten im vorliegenden Beispiel) im Leerlauf bleibt, sollte
das Subpulsieren aufhören
und es erlauben, dass sich die Viskositätsbarriere 18 über der Öffnung bildet
(siehe auch 4A). Folglich
ist ein Zeitmesser auf ungefähr
15 Minuten gesetzt, während welcher
Zeit das Drucken nach Bedarf wieder beginnen kann (Schritte 30, 32).
Nachdem diese Zeit abgelaufen ist, wird das Subpulsieren gestoppt
und das Wiederstarten erfordert die Vollendung der Anfahrsequenz,
um die Viskositätsbarriere
zu rehomogenisieren (Schritte 34, 36).