DE69619609T2 - Compressible liquid ink cartridge for coincidence printing systems - Google Patents

Compressible liquid ink cartridge for coincidence printing systems

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

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der computergesteuerten Druckvorrichtungen. Insbesondere den Bereich auswechselbarer Tintenpatronen für Drop-on- Demand-Flüssigtintendrucker, die einen Tintenüberdruck benötigen.The present invention relates to the field of computer-controlled printing devices. In particular, the field of replaceable ink cartridges for drop-on-demand liquid ink printers that require ink overprint.

Es sind bereits viele verschiedene Arten digital gesteuerter Drucksysteme erfunden worden, wovon sich zahlreiche Arten derzeit auch in Produktion befinden. Diese Drucksysteme verwenden unterschiedliche Betätigungsvorrichtungen, unterschiedliche Markierungsmaterialien und unterschiedliche Empfangsmedien. Zu den derzeit verwendeten digitalen Drucksystemen zählen unter anderem: elektrofotografische Laserdrucker, elektrofotografische LED-Drucker, Matrixdrucker, Thermopapierdrucker, Filmbelichter, Thermowachsdrucker, Farbdiffusions-Thermotransferdrucker und Tintenstrahldrucker. Die elektronischen Drucksysteme konnten allerdings die mechanischen Druckmaschinen bislang nicht in nennenswertem Maße ersetzen, obwohl das herkömmliche Druckverfahren eine sehr aufwendige Einrichtung voraussetzt und erst bei mehreren tausend Exemplaren einer bestimmten zu druckenden Seite wirtschaftlich rentabel ist. Es besteht daher Bedarf nach verbesserten digital gesteuerten Drucksystemen, beispielsweise zur Anfertigung hochwertiger Farbbilder mit hoher Geschwindigkeit und niedrigen Kosten unter Verwendung von Normalpapier.Many different types of digitally controlled printing systems have been invented, and many types are currently in production. These printing systems use different actuators, different marking materials, and different receiving media. Digital printing systems currently in use include: electrophotographic laser printers, electrophotographic LED printers, dot matrix printers, thermal paper printers, film imagesetters, thermal wax printers, dye diffusion thermal transfer printers, and ink jet printers. However, electronic printing systems have not yet been able to replace mechanical printing machines to any significant extent, even though the conventional printing process requires very complex setup and is only economically viable when several thousand copies of a given page are to be printed. There is therefore a need for improved digitally controlled printing systems, for example for producing high quality color images at high speed and at low cost using plain paper.

Das Tintenstrahldrucken ist im Bereich der digital gesteuerten elektronischen Drucksysteme weit verbreitet, unter anderem wegen der berührungslosen, leisen Arbeitsweise, der Verwendung von Normalpapier und des Verzichts auf Tonerübertragung und Tonerfixierung.Inkjet printing is widely used in the field of digitally controlled electronic printing systems, among other things because of its contactless, quiet operation, the use of plain paper and the absence of toner transfer and toner fixing.

Es sind bereits viele Arten von Tintenstrahl-Druckmechanismen erfunden worden. Diese lassen sich in zwei Kategorien einteilen, nämlich in kontinuierliche Tintenstrahldrucksysteme (CIJ) und in Drop-on-demand Drucksysteme (DOD). Kontinuierliche Tintenstrahldrucksysteme gehen mindestens auf das Jahr 1929 zurück, siehe US-A-1,941,001.Many types of inkjet printing mechanisms have been invented. These can be divided into two categories, namely continuous inkjet printing systems (CIJ) and drop-on-demand printing systems (DOD). Continuous inkjet printing systems date back to at least 1929, see US-A-1,941,001.

US-A-3,373,437 beschreibt eine Anordnung aus kontinuierlichen Tintenstrahldüsen, bei denen die zu druckenden Tintenstrahlen wahlweise geladen und in Richtung des Empfangsmediums abgelenkt werden. Diese Technik wird als binäre Ablenkung kontinuierlicher Tintenstrahldüsen bezeichnet und findet bei mehreren Herstellern Verwendung, u. a. Elmjet und Scitex.US-A-3,373,437 describes an arrangement of continuous inkjet nozzles, in which the ink jets to be printed are selectively charged and deflected towards the receiving medium. This technique is called binary deflection of continuous inkjet nozzles and is used by several manufacturers, including Elmjet and Scitex.

US-A-3,416,153 beschreibt ein Verfahren zur Erzielung einer veränderbaren optischen Dichte von gedruckten Punkten im kontinuierlichen Tintenstrahldruckverfahren unter Verwendung der elektrostatischen Dispersion eines geladenen Tropfenstroms zur Modulierung der Anzahl von Tropfen, die durch eine kleine Öffnung hindurchtreten. Diese Technik wird in den von Iris Graphics hergestellten Tintenstrahldruckern verwendet.US-A-3,416,153 describes a method for achieving a variable optical density of printed dots in continuous ink jet printing using electrostatic dispersion of a charged drop stream to modulate the number of drops passing through a small orifice. This technique is used in the ink jet printers manufactured by Iris Graphics.

US-A-3,946,398 beschreibt einen Drop-on-demand Tintenstrahldrucker, der ein piezoelektrisches Kristall mit einer hohen Spannung beaufschlagt und dadurch das Kristall biegt, wodurch Druck auf einen Tintenbehälter ausgeübt wird und Tropfen bedarfsweise herausgespritzt werden. Es sind viele Arten piezoelektrischer Drop-on- demand Drucker erfunden worden, welche piezoelektrische Kristalle im Biegeverfahren, Druckverfahren, Scherverfahren und Quetschverfahren verwenden. Piezoelektrische Drop-on-demand Drucker unter Verwendung von Warmschmelztinten (z. B. Drucker von Tektronix und Dataproducts) werden im gewerblichen Bereich erfolgreich eingesetzt und bei Bildauflösungen von bis zu 720 dpi auch für Heim- und Bürodrucker (Seiko Epson). Piezoelektrische Drop-on-demand Drucker haben den Vorteil, dass sie mit einer breiten Palette von Tinten verwendbar sind. Piezoelektrische Druckmechanismen erfordern jedoch eine komplexe Hochspannungs-Treiberschaltung und piezoelektrische Kristallanordnungen, was in Hinsicht auf Herstellung und Leistung nachteilig ist.US-A-3,946,398 describes a drop-on-demand inkjet printer that applies a high voltage to a piezoelectric crystal, thereby bending the crystal, exerting pressure on an ink container and ejecting drops as needed. Many types of piezoelectric drop-on-demand printers have been invented that use piezoelectric crystals in bending, printing, shearing and squeezing processes. Piezoelectric drop-on-demand printers using hot melt inks (e.g. printers from Tektronix and Dataproducts) are successfully used in the commercial sector and, with image resolutions of up to 720 dpi, also for home and office printers (Seiko Epson). Piezoelectric drop-on-demand printers have the advantage that they can be used with a wide range of inks. However, piezoelectric printing mechanisms require complex high-voltage drive circuitry and piezoelectric crystal arrays, which is disadvantageous in terms of manufacturing and performance.

GB-A-2,007,162 beschreibt einen elektrothermischen Drop-on-demand Tintenstrahldrucker, der einen elektrothermischen Wandler (Heizelement) mit einem Energieimpuls beaufschlagt, der in thermischem Kontakt mit der Tinte in einer Düse steht.GB-A-2,007,162 describes an electrothermal drop-on-demand inkjet printer that applies an energy pulse to an electrothermal transducer (heating element) that is in thermal contact with the ink in a nozzle.

Das Heizelement erwärmt die wasserbasierende Tinte schnell auf eine hohe Temperatur, wodurch eine kleine Menge an Tinte schnell verdunstet und eine Blase bildet. Diese Blasenbildung lässt eine Druckwelle entstehen, die wiederum bewirkt, dass Tintentropfen von kleinen Öffnungen am Rand des Heizelementträgers ausgeworfen werden. Diese Technik ist unter dem Namen BubblejetTM bekannt (Warenzeichen der japanischen Canon K.K.) und kommt in einer Vielzahl von Drucksystemen von Canon, Xerox und anderen Herstellern zum Einsatz.The heater rapidly heats the water-based ink to a high temperature, causing a small amount of ink to quickly evaporate and form a bubble. This bubble formation creates a pressure wave, which in turn causes ink drops to be ejected from small openings on the edge of the heater carrier. This technology is known as BubblejetTM (trademark of the Japanese Canon K.K.) and is used in a variety of printing systems from Canon, Xerox and other manufacturers.

US-A-4,490,728 beschreibt ein elektrothermisches Tropfenauswurfsystem, welches ebenfalls mit Blasenbildung arbeitet. In diesem System werden Tropfen in einer Richtung senkrecht zur Ebene des Heizelementträgers ausgeworfen, und zwar durch Düsen, die in einer über dem Heizelement angeordneten Aperturplatte ausgebildet sind. Dieses System ist als Thermal Ink Jet bekannt und wird von Hewlett-Packard hergestellt. In dem vorliegenden Dokument wird die Bezeichnung Thermal Ink Jet sowohl für das Hewlett-Packard-System als auch für die unter der Bezeichnung BubblejetrM bekannten Systeme verwendet.US-A-4,490,728 describes an electrothermal drop ejection system which also works by forming bubbles. In this system, drops are ejected in a direction perpendicular to the plane of the heating element carrier, through nozzles formed in an aperture plate arranged above the heating element. This system is known as Thermal Ink Jet and is manufactured by Hewlett-Packard. In this document, the term Thermal Ink Jet is used for both the Hewlett-Packard system and the systems known as BubblejetrM.

Das Thermal Ink Jet Druckverfahren setzt ca. 20 uJ über eine Periode von ca. 2 us voraus, um jeweils einen Tropfen auszuwerfen. Die Leistungsaufnahme in Aktivität von 10 Watt jedes Heizelements ist als solche nachteilig und setzt spezielle Tinten voraus, erfordert eine komplizierte Treiberelektronik und beschleunigt die Verschlechterung der Heizelemente.The thermal ink jet printing process requires approximately 20 uJ over a period of approximately 2 us to eject one drop at a time. The power consumption in activity of 10 watts of each heating element is disadvantageous in itself and requires special inks, requires complicated driver electronics and accelerates the deterioration of the heating elements.

In der technischen Literatur wurden auch andere Tintenstrahl-Drucksysteme beschrieben, welche jedoch derzeit nicht kommerziell genutzt werden. Beispielsweise beschreibt US-A-4,275,290 ein System, bei dem es das gleichzeitige Beaufschlagen vorbestimmter Druckkopfdüsen mit Wärmeimpulsen und hydrostatischem Druck ermöglicht, dass Tinte frei auf durch Distanzelemente beabstandetes Papier fließt, welches an dem Druckkopf vorbeiführbar ist. US-A-4,737,803, US-A-4,737,803 und US-A-4,748,458 beschreiben Tintenstrahl-Aufzeichnungssysteme, bei welchen das gleichzeitige Beaufschlagen von Tinte in Wärme-Druckdüsen mit einem Wärmeimpuls und einem elektrostatischen Anziehungsfeld das Auswerfen von Tintentropfen auf ein Druckblatt bewirkt.Other inkjet printing systems have also been described in the technical literature, but these are not currently in commercial use. For example, US-A-4,275,290 describes a system in which the simultaneous application of heat pulses and hydrostatic pressure to predetermined printhead nozzles allows ink to flow freely onto paper spaced apart by spacers that can be guided past the printhead. US-A-4,737,803, US-A-4,737,803 and US-A-4,748,458 describe inkjet recording systems in which the simultaneous application of a heat pulse and an electrostatic attraction field to ink in thermal print nozzles causes ink drops to be ejected onto a print sheet.

Jedes der zuvor beschriebenen Tintenstrahl-Drucksysteme hat Vor- und Nachteile. Es besteht weiterhin der unbestrittene Bedarf nach einer verbesserten Tintenstrahltechnik, welche Vorteile in Bezug auf beispielsweise Kosten, Geschwindigkeit, Qualität, Zuverlässigkeit, Stromverbrauch, Einfachheit der Konstruktion und des Betriebs, Haltbarkeit und hinsichtlich der Verbrauchsmaterialien bietet.Each of the inkjet printing systems described above has advantages and disadvantages. There remains an undeniable need for improved inkjet technology that offers advantages in terms of, for example, cost, speed, quality, reliability, power consumption, simplicity of design and operation, durability and consumables.

Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch die kennzeichnenden Merkmale nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele können den Unteransprüchen entnommen werden.These and other objects of the present invention are achieved by the characterizing features of claim 1. Preferred embodiments can be found in the subclaims.

Der Druckmechanismus basiert auf einem neuen Druckprinzip, das als "Liquid lnk Fault Tolerant" (LIFT) Drop-on-Demand-Drucken bezeichnet wird.The printing mechanism is based on a new printing principle called "Liquid lnk Fault Tolerant" (LIFT) drop-on-demand printing.

Die Parallelanmeldungen mit dem Titel "A Liquid Ink Printing Apparatus and System" sowie "Coincident Drop-Selection, Drop-Separation Printing Method and System" beschreiben neue Verfahren und Vorrichtungen zur Erzielung wesentlicher Verbesserungen zur Überwindung der zuvor besprochenen, dem Stand der Technik entsprechenden Probleme. Diese Erfindungen bieten wichtige Vorteile, z. B. in Bezug auf die Tropfengröße und die Positioniergenauigkeit, in Bezug auf die erzielbaren Druckgeschwindigkeiten, auf den Stromverbrauch, die Haltbarkeit und die thermischen Spannungen während des Betriebs sowie mit Blick auf andere Druckerleistungsmerkmale und die Herstellung und die Eigenschaften der verwendbaren Tinten. Eine wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Erweiterung der in den Patentanmeldungen beschriebenen Strukturen und Verfahren zur Weiterentwicklung der Drucktechnologie.The copending applications entitled "A Liquid Ink Printing Apparatus and System" and "Coincident Drop-Selection, Drop-Separation Printing Method and System" describe new methods and devices for achieving significant improvements to overcome the prior art problems discussed above. These inventions offer important advantages, e.g. with respect to drop size and positioning accuracy, with respect to achievable printing speeds, with respect to power consumption, durability and thermal stresses during operation, as well as with respect to other printer performance characteristics and the manufacture and properties of the inks that can be used. An important object of the present invention is to extend the structures and methods described in the patent applications to further advance printing technology.

Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention is explained in more detail below using embodiments shown in the drawing.

Es zeigenShow it

Fig. 1(a) ein vereinfachtes, schematisches Blockdiagramm einer beispielhaften, erfindungsgemäßen Druckvorrichtung.Fig. 1(a) is a simplified schematic block diagram of an exemplary printing apparatus according to the invention.

Fig. 1(b) einen Schnitt durch verschiedene, erfindungsgemäße Düsenspitzen.Fig. 1(b) a section through various nozzle tips according to the invention.

Fig. 2(a) bis 2(f) Simulationen zur Strömungsdynamik der Tropenauswahl.Fig. 2(a) to 2(f) Simulations of the flow dynamics of tropical selection.

Fig. 3(a) eine Finite-Elemente-Strömungsdynamiksimulation einer in Betrieb befindlichen Düse nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.Fig. 3(a) is a finite element fluid dynamics simulation of an operating nozzle according to an embodiment of the invention.

Fig. 3(b) aufeinanderfolgende Meniskuspositionen während eines Tropfenauswahl- und Trennungszyklus.Fig. 3(b) successive meniscus positions during a droplet selection and separation cycle.

Fig. 3(c) die Temperaturen bei verschiedenen Punkten während eines Tropfenauswahlzyklus.Fig. 3(c) the temperatures at different points during a drop selection cycle.

Fig. 3(d) die gegen die Temperatur abgetragene, gemessene Oberflächenspannung für verschiedene Tintenadditive.Fig. 3(d) the measured surface tension plotted against temperature for different ink additives.

Fig. 3(e) die Energieimpulse, mit denen die Düsenheizung beaufschlagt wird, um die Temperaturkurven aus Fig. 3(c) zu erzeugen.Fig. 3(e) shows the energy pulses applied to the nozzle heater to produce the temperature curves shown in Fig. 3(c).

Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm einer Druckkopftreiberschaltung für die Verwertung der Erfindung.Fig. 4 is a schematic block diagram of a printhead driver circuit for practicing the invention.

Fig. 5 prognostizierte Fertigungserträge für einen Farbdruckkopf für A4- Seitenbreite mit Merkmalen der Erfindung, und zwar mit und ohne Fehlertoleranz.Fig. 5 predicted manufacturing yields for an A4 page width color printhead incorporating features of the invention, with and without error tolerance.

Fig. 6 ein allgemeines Blockdiagramm eines Drucksystems mit einem Druckkopf.Fig. 6 is a general block diagram of a printing system with a print head.

Fig. 7 eine schematische Ansicht einer Tintenpatrone und einer Patronenaufnahme.Fig. 7 is a schematic view of an ink cartridge and a cartridge holder.

Fig. 8 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer Vierfarben-Tintenpatrone.Fig. 8 is an exploded perspective view of a four-color ink cartridge.

Fig. 9 eine auseinandergezogene Darstellung einer Tintenkanalbaugruppe für einen Vierfarben-Druckkopf.Fig. 9 is an exploded view of an ink channel assembly for a four-color printhead.

Fig. 10 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer Vierfarben-Tinten- und Papierpatrone.Fig. 10 is an exploded perspective view of a four-color ink and paper cartridge.

Unter einem allgemeinen Aspekt stellt die Erfindung ein Drop-on-demand Drucksystem bereit, wobei die Vorrichtungen zur Auswahl der zu druckenden Tropfen einen Positionsunterschied zwischen ausgewählten Tropfen und nicht ausgewählten Tropfen erzeugen, welcher aber nicht ausreicht, um zu bewirken, dass die Tintentropfen die Tintenoberflächenspannung überwinden und sich von dem Tintenkörper trennen, und wobei ein alternatives Mittel bereitgestellt wird, um eine Trennung der ausgewählten Tropfen von dem Tintenkörper zu bewirken.In a general aspect, the invention provides a drop-on-demand printing system wherein means for selecting the drops to be printed create a positional difference between selected drops and non-selected drops, but not sufficient to cause the ink drops to overcome the ink surface tension and separate from the ink body, and wherein an alternative means is provided for causing separation of the selected drops from the ink body.

Die Trennung der Tropfenauswahlvorrichtungen von den Tropfentrennvorrichtungen reduziert die Energie erheblich, die erforderlich ist, um die zu druckenden Tintentropfen auszuwählen. Es müssen nur die Tropfenauswahlvorrichtungen mit an jeder Düse anliegenden einzelnen Signalen angesteuert werden. Bei den Tropfentrennvorrichtungen kann es sich um ein Feld oder um einen Zustand handeln, das bzw. der gleichzeitig an alle Düsen angelegt wird.Separating the drop selectors from the drop separators significantly reduces the energy required to select the ink drops to be printed. Only the drop selectors need to be controlled with individual signals applied to each nozzle. The drop separators can be a field or a state applied to all nozzles simultaneously.

Die Tropfenauswahlvorrichtungen sind aus folgender Liste auswählbar, ohne dass die Liste einschränkend zu verstehen ist:The drop selection devices can be selected from the following list, without the list being understood as limiting:

1) Elektrothermische Verringerung der Oberflächenspannung von mit Druck beaufschlagter Tinte.1) Electrothermal reduction of the surface tension of pressurized ink.

2) Elektrothermische Blasenerzeugung, wobei das Blasenvolumen nicht ausreicht, um einen Tropfenauswurf zu erzeugen.2) Electrothermal bubble generation, where the bubble volume is not sufficient to generate droplet ejection.

3) Piezoelektrisch, wobei die Volumenänderung nicht ausreicht, um einen Tropfenauswurf zu erzeugen.3) Piezoelectric, where the volume change is not sufficient to generate droplet ejection.

4) Elektrostatisches Anziehen mit einer Elektrode pro Düse.4) Electrostatic attraction with one electrode per nozzle.

Die Tropfentrennvorrichtungen sind aus folgender Liste auswählbar, ohne dass die Liste einschränkend zu verstehen ist:The droplet separators can be selected from the following list, without the list being understood as limiting:

1) Nähe (Empfangsmedium ist zum Druckkopf eng benachbart).1) Proximity (receiving medium is close to the print head).

2) Nähe mit oszillierendem Tintendruck.2) Proximity with oscillating ink pressure.

3) Elektrostatisches Anziehen3) Electrostatic attraction

4) Magnetisches Anziehen4) Magnetic attraction

Die Tabelle "Drop-on-demand Drucktechnik-Messstreifen" zeigt einige wünschenswerte Eigenschaften der Drop-on-demand Drucktechnik. Die Tabelle zeigt zudem einige Verfahren, mit denen einige hier oder in den anderen Bezugsanmeldungen beschriebenen Ausführungsbeispiele Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik erzielen.The table "Drop-on-demand printing technology measuring strips" shows some desirable properties of the drop-on-demand printing technology. The table also shows some methods by which some embodiments described here or in the other reference applications achieve improvements over the prior art.

Drop-on-demand Drucktechnik-MessstreifenDrop-on-demand printing technology measuring strips

Messstreifen Verfahren zur Erzielung einer Verbesserung gegenüber dem Stand der TechnikMeasuring strip method for achieving an improvement over the state of the art

Hochgeschwindigkeitsbetrieb Preisgünstige, seitenbreite Druckköpfe mit mehr als 10.000 Düsen. Monolithische A4-Seitendruckköpfe können unter Verwendung von 300 mm Standardsilizium-Wafern (12 Zoll) hergestellt werden.High-speed operation Affordable, page-wide printheads with more than 10,000 nozzles. Monolithic A4-page printheads can be manufactured using standard 300 mm (12 in.) silicon wafers.

Hohe Bildqualität Hohe Auflösung (800 dpi reicht für die meisten Anwendungen), Sechsfarbprozess zur Reduzierung des Bildrauschens.High image quality High resolution (800 dpi is sufficient for most applications), Six-color process to reduce image noise.

Vollfarbbetrieb Rasterprozessfarben bei 800 dpi mit stochastischer RasterungFull-color operation Raster process colors at 800 dpi with stochastic screening

Vielseitigkeit der Tinten Niedrige Tintenbetriebstemperatur und keine Notwendigkeit zur BlasenbildungInk versatility Low ink operating temperature and no need for bubble formation

Niedrige Stromaufnahme Energiesparender Betrieb, da die Tropfenauswahlvorrichtungen den Tropfen nicht vollständig auszuwerfen brauchen.Low power consumption Energy-saving operation because the drop selection devices do not need to eject the drop completely.

Niedrige Kosten Monolithischer Druckkopf mit Aperturplatte, geringem Ausschuss, geringer Zahl von elektrischen Verbindungen, Verwendung modifizierter, vorhandener CMOS-Fertigungseinrichtungen.Low cost Monolithic printhead with aperture plate, low waste, few electrical connections, use of modified existing CMOS manufacturing equipment.

Geringer Fertigungsausschuss Fehlertoleranz im Druckkopf integriert.Low production waste. Error tolerance integrated in the print head.

Hohe Zuverlässigkeit Fehlertoleranz im Druckkopf integriert. Keine Kavitation, Kogation (Ablagerung von Tintenrückständen auf dem Kopf). Reduzierte Wärmeschocks.High reliability Fault tolerance built into the printhead. No cavitation, kogation (deposition of ink residue on the head). Reduced thermal shocks.

Kleine Anzahl elektrischer Verbindungen Schieberegister, Steuerschaltung und Treiberschaltung sind in einen monolithischen Druckkopf unter Verwendung üblicher CMOS-Prozesse integrierbar.Small number of electrical connections Shift register, control circuit and driver circuit can be integrated into a monolithic print head using common CMOS processes.

Verwendung vorhandener VLSI-Fertigungseinrichtungen CMOS-Kompatibilität. Diese ist erzielbar, weil die Wärmetreiberenergie unter 1% der Heiztreiberleistung von Thermal Ink Jet Systemen beträgt.Use of existing VLSI manufacturing facilities CMOS compatibility. This is achievable because the heat driver energy is less than 1% of the heater driver power of thermal ink jet systems.

Elektronisches ZusammentragenEin neues Seitenkomprimierungssystem, das eine Komprimierung von 100 : 1 ohne nennenswerte Bildverschlechterung erreicht, führt zu einer komprimierten Datenmenge, die klein genug ist, um eine beliebige Kombination von tausenden von Seiten, die auf preisgünstigen Magnetplattenlaufwerken gespeichert sind, in Echtzeit zu drucken.Electronic collationA new page compression system that achieves 100:1 compression without significant image degradation results in a compressed data set small enough to print any combination of thousands of pages stored on inexpensive magnetic disk drives in real time.

Bei Thermo-Tintenstrahlsystemen und piezoelektrischen Tintenstrahlsystemen wird eine Tropfengeschwindigkeit von ca. 10 m/s bevorzugt, um sicherzustellen, dass die ausgewählten Tintentropfen die Tintenoberflächenspannung überwinden, sich von dem Tintenkörper trennen und auf das Empfangsmedium auftreffen. Diese Systeme wandeln die elektrische Energie nur mit sehr niedrigem Wirkungsgrad in kinetische Energie um. Der Wirkungsgrad der Thermo-Tintenstrahlsysteme beträgt ca. 0,02%. Das bedeutet, dass die Treiberschaltungen für Thermotintenstrahldruckköpfe hohe Ströme schalten müssen. Die Treiberschaltungen für piezoelektrische Tintenstrahlköpfe müssen entweder hohe Spannungen schalten oder hohe kapazitive Lasten treiben. Der gesamte Stromverbrauch der Ganzseiten-Thermotintenstrahldruckköpfe ist also sehr hoch. Ein Thermotintenstrahldruckkopf im A4-Ganzseitenformat für eine Auflösung von 800 dpi, der ein schwarzes Vierfarbenbild in einer Sekunde druckt, verbraucht ca. 6 kW elektrischer Energie, wovon der Großteil als Verlustwärme abgeführt wird. Die mit der Abfuhr dieser Wärmemengen verbundenen Probleme schließen die Herstellung preiswerter, schneller und kompakter Ganzseiten- Thermotintenstrahlsysteme mit hoher Auflösung aus.For thermal inkjet systems and piezoelectric inkjet systems, a drop velocity of about 10 m/s is preferred to ensure that the selected ink drops overcome the ink surface tension, separate from the ink body and impact the receiving medium. These systems convert electrical energy into kinetic energy only with very low efficiency. The efficiency of thermal inkjet systems is about 0.02%. This means that the driver circuits for thermal inkjet printheads must switch high currents. The driver circuits for piezoelectric inkjet heads must either switch high voltages or drive high capacitive loads. The total power consumption of full-page thermal inkjet printheads is therefore very high. An A4 full-page thermal inkjet print head for 800 dpi resolution, printing a black four-colour image in one second, consumes approximately 6 kW of electrical energy, most of which is dissipated as waste heat. The problems associated with dissipating this amount of heat preclude the manufacture of low-cost, fast and compact full-page thermal inkjet systems with high resolution.

Ein wichtiges Merkmal der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele ist ein Mittel zur wesentlichen Reduzierung der Energie, die erforderlich ist, um auszuwählen, welche Tintentropfen gedruckt werden sollen. Dies wird dadurch erreicht, indem man die Mittel zum Auswählen der Tintentropfen von den Vorrichtungen trennt, die gewährleisten, dass sich die ausgewählten Tropfen von dem Tintenkörper trennen und auf dem Empfangsmedium Punkte bilden. Es müssen nur die Tropfenauswahlvorrichtungen durch Beaufschlagen jeder Düse mit einzelnen Signalen angesteuert werden. Bei den Tropfentrennvorrichtungen kann es sich um ein Feld oder um einen Zustand handeln, mit dem alle Düsen gleichzeitig beaufschlagt werden.An important feature of embodiments of the invention is a means for substantially reducing the energy required to select which ink drops are to be printed. This is achieved by separating the means for selecting the ink drops from the means for ensuring that the selected drops separate from the ink body and form dots on the receiving medium. It is only necessary to control the drop selection means by applying individual signals to each nozzle. The drop separation means may be an array or a state applied to all nozzles simultaneously.

Die Tabelle "Tropfenauswahlvorrichtungen" zeigt einige der möglichen erfindungsgemäßen Mittel zum Auswählen von Tropfen. Die Tropfenauswahlvorrichtung braucht nur eine ausreichende Positionsänderung der ausgewählten Tropfen zu bewirken, damit die Tropfenauswahlvorrichtung zwischen ausgewählten und nicht ausgewählten Tropfen unterscheiden kann. Tropfenauswahlvorrichtungen The table "Drop Selection Devices" shows some of the possible means for selecting drops according to the invention. The drop selection device only needs to cause a sufficient change in position of the selected drops to enable the drop selection device to distinguish between selected and non-selected drops. Drop selection devices

Weitere Tropfenauswahlvorrichtungen sind ebenfalls verwendbar.Other drop selection devices can also be used.

Die bevorzugte Tropfenauswahlvorrichtung für wasserbasierende Tinten ist das 1. Verfahren, nämlich "Elektrothermische Verringerung der Oberflächenspannung der mit Druck beaufschlagten Tinte". Diese Tropfenauswahlvorrichtung bietet gegenüber anderen Systemen viele Vorteile, u. a. energiesparender Betrieb (ca. 1% der Thermo- Tintenstrahlsysteme), Kompatibilität mit der CMOS VLSI-Chip-Herstellung, Betrieb mit niedriger Spannung (ca. 10 V), hohe Düsendichte, Betrieb mit niedriger Temperatur und ein weiter Bereich geeigneter Tintenrezepturen. Die Oberflächenspannung der Tinte muss sich bei steigender Temperatur deutlich verringern.The preferred drop selection device for water-based inks is the 1st method, namely "Electrothermal reduction of the surface tension of the pressurized ink". This drop selection device offers many advantages over other systems, including energy-saving operation (approximately 1% of thermal inkjet systems), compatibility with CMOS VLSI chip manufacturing, low voltage operation (approximately 10 V), high nozzle density, low temperature operation, and a wide range of suitable ink formulations. The surface tension of the ink must decrease significantly as the temperature increases.

Die bevorzugte Tropfenauswahlvorrichtung für unter Wärme schmelzende und ölbasierende Tinten ist das 2. Verfahren, nämlich: "Elektrothermische Verringerung der Tintenviskosität, kombiniert mit einem oszillierenden Tintendruck". Diese Tropfenauswahlvorrichtung ist insbesondere für die Verwendung von Tinten geeignet, die bei steigender Temperatur eine starke Verringerung ihrer Viskosität aufweisen, jedoch nur eine kleine Verringerung ihrer Oberflächenspannung. Dies tritt insbesondere bei nicht polaren Tintenträgern mit relativ hohem Molekulargewicht auf und gilt insbesondere für unter Wärme schmelzende und ölbasierende Tinten.The preferred drop selection device for heat-melting and oil-based inks is the 2nd method, namely: "Electrothermal reduction of the ink viscosity, combined with an oscillating ink pressure". This drop selection device is particularly suitable for the use of inks which show a large reduction in their viscosity with increasing temperature, but only a small reduction in their surface tension. This occurs particularly with non-polar ink carriers with a relatively high molecular weight and is particularly true for heat-melting and oil-based inks.

Die Tabelle "Tropfentrennvorrichtungen" zeigt mögliche Verfahren zum Trennen ausgewählter Tropfen vom Tintenkörper, die gewährleisten, dass die ausgewählten Tropfen Punkte auf dem Druckmedium bilden. Die Tropfentrennvorrichtungen unterscheiden zwischen ausgewählten Tropfen und nicht ausgewählten Tropfen, um sicherzustellen, dass nicht ausgewählte Tropfen auf dem Druckmedium keine Punkte bilden. Tropfentrennvorrichtungen The Drop Separators table shows possible methods for separating selected drops from the ink body, ensuring that the selected drops form dots on the print media. The drop separators distinguish between selected drops and unselected drops to ensure that unselected drops do not form dots on the print media. Droplet separators

Weitere Tropfentrennvorrichtungen sind ebenfalls verwendbar.Other droplet separation devices can also be used.

Die bevorzugte Tropfentrennvorrichtung hängt von der vorgesehenen Nutzung ab. Für die meisten Anwendungen ist das 1. Verfahren, "Elektrothermische Anziehung", oder das 2. Verfahren, "Wechselstromfeld", am besten geeignet. Für Anwendungen, bei denen glattes beschichtetes Papier oder Film verwendet wird, und bei denen es nicht auf eine sehr hohe Geschwindigkeit ankommt, ist das 3. Verfahren, "Nähe", am besten geeignet. Für Systeme mit hoher Geschwindigkeit und hoher Qualität kann das 4. Verfahren, "Übertragungsnähe", zum Einsatz kommen. Das 6. Verfahren, "Magnetische Anziehung", ist für portable Drucksysteme geeignet, bei denen das Druckmittel für das Näheverfahren zu rau ist, und wo die für die elektrostatische Tropfentrennung erforderlichen hohen Spannungen unerwünscht sind. Es gibt keine eindeutig "besten" Tropfentrennvorrichtungen, die auf alle Umstände anwendbar sind. Weitere Details der verschiedenen Arten von erfindungsgemäßen Drucksystemen werden in der folgenden, am 12. April 1995 eingereichten, australischen Patentanmeldung beschrieben:The preferred droplet separation device depends on the intended use. For most applications, the 1st method, "Electrothermal Attraction", or the 2nd method, "AC Field", is best. For applications where smooth coated paper or film is used and very high speed is not important, the 3rd method, "Proximity", is best. For high speed, high quality systems, the 4th method, "Transfer Proximity", can be used. The 6th method, "Magnetic Attraction", is suitable for portable printing systems where the printing medium is too rough for the proximity method and where the pressure required for electrostatic The high voltages required for drop separation are undesirable. There is no clear "best" drop separation device applicable to all circumstances. Further details of the various types of printing systems according to the invention are described in the following Australian patent application filed on 12 April 1995:

"A liquid ink fault tolerant (LIFT) printing mechanism" (Aktenzeichen: PN2308);"A liquid ink fault tolerant (LIFT) printing mechanism" (reference number: PN2308);

"Electrothermal drop selection in LIFT printing" (Aktenzeichen: PN2309);"Electrothermal drop selection in LIFT printing" (reference number: PN2309);

"Drop separation in LIFT printing by print media proximity" (Aktenzeichen: PN2310);"Drop separation in LIFT printing by print media proximity" (reference number: PN2310);

"Drop size adjustment in proximity LIFT printing by varying head to media distance" (Aktenzeichen: PN2311);"Drop size adjustment in proximity LIFT printing by varying head to media distance" (reference number: PN2311);

"Augmenting proximity LIFT printing with acoustic ink waves" (Aktenzeichen: PN2312);“Augmenting proximity LIFT printing with acoustic ink waves” (reference number: PN2312);

"Electrostatic drop separation in LIFT printing" (Aktenzeichen: PN2313);"Electrostatic drop separation in LIFT printing" (reference number: PN2313);

"Multiple simultaneous drop sizes in proximity LIFT printing" (Aktenzeichen: PN2321);"Multiple simultaneous drop sizes in proximity LIFT printing" (reference number: PN2321);

"Self cooling operation in thermally activated print heads" (Aktenzeichen: PN2322); und"Self cooling operation in thermally activated print heads" (reference number: PN2322); and

"Thermal viscosity reducing LIFT printing" (Aktenzeichen: PN2323)."Thermal viscosity reducing LIFT printing" (reference number: PN2323).

Fig. 1(a) zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines bevorzugten, erfindungsgemäßen Drucksystems.Fig. 1(a) shows a simplified schematic representation of a preferred printing system according to the invention.

Bei der Bildquelle 52 kann es sich um Rasterbilddaten von einem Scanner oder einem Computer handeln, um Layoutdaten in Form einer Seitenbeschreibungssprache (PDL / Page Description Language) oder um andere Formen der Digitalbilddarstellung. Diese Bilddaten werden von dem Bildverarbeitungssystem 53 in ein aus Pixeln bestehendes Seitenbild umgesetzt. Das Bildverarbeitungssystem 53 kann im Falle von PDL-Bilddaten ein Rasterbildprozessor (RIP) sein oder im Falle von Rasterbilddaten eine Pixel-Bildverarbeitungseinrichtung. Von dem Bildverarbeitungssystem 53 erzeugte Halbtondaten werden gerastert. Die Rasterung erfolgt durch die digitale Rastereinheit 54. Die gerasterten Bitmap-Bilddaten werden in dem Bildspeicher 72 gespeichert. Je nach Drucker- und Systemkonfiguration kann es sich bei dem Bildspeicher 72 um einen Ganzseitenspeicher oder um einen Bandspeicher handeln. Die Heizungssteuerschaltungen 71 lesen Daten aus dem Bildspeicher 72 aus und beaufschlagen die Düsenheizungen (siehe 103 in Fig. 1 (b)), die Bestandteil des Druckkopfes 50 sind, mit zeitlich veränderlichen elektrischen Impulsen. Diese Impulse sind zur entsprechenden Zeit an die entsprechenden Düsen derart anlegbar, dass die ausgewählten Tropfen an den durch die Daten im Bildspeicher 72 vorgesehenen Positionen Punkte auf dem Empfangsmedium 51 bilden.The image source 52 may be raster image data from a scanner or a computer, layout data in the form of a page description language (PDL), or other forms of digital image representation. This image data is converted into a page image consisting of pixels by the image processing system 53. The image processing system 53 may be a raster image processor (RIP) in the case of PDL image data or a pixel image processing device in the case of raster image data. Halftone data generated by the image processing system 53 is rasterized. The rasterization is carried out by the digital raster unit 54. The rasterized bitmap image data is stored in the image memory 72. Depending on the printer and system configuration, the image memory 72 may be a full-page memory or a band memory. The heater control circuits 71 read data from the image memory 72 and apply time-varying electrical pulses to the nozzle heaters (see 103 in Fig. 1 (b)), which are part of the print head 50. These pulses can be applied to the corresponding nozzles at the appropriate time in such a way that the selected drops form dots on the receiving medium 51 at the positions provided by the data in the image memory 72.

Das Empfangsmedium 51 ist von einem Papiertransportsystem 65, welches durch eine Papiertransport-Steuerung 66 angesteuert wird, die ihrerseits durch eine Mikrosteuerung 315 angesteuert wird, relativ zum Druckkopf 50 bewegbar. Das Papiertransportsystem 65 kann viele verschiedene mechanische Ausprägungen annehmen und wird in Fig. 1 (a) nur schematisch dargestellt. In Falle von Ganzseiten-Druccköpfen ist es üblich, das Empfangsmedium 51 an einem stationären Druckkopf 50 vorbeizuführen. Im Falle von abtastenden Drucksystemen ist es üblich, den Druckkopf 50 entlang einer Achse (der Nebenabtastrichtung) und das Empfangsmedium 51 entlang der orthogonalen Achse (der Hauptabtastrichtung) rasterförmig zu bewegen. Die Mikrosteuerung 315 ist zudem durch den Tintendruckregler 63 und die Heizungssteuerschaltungen 71 ansteuerbar.The receiving medium 51 is movable relative to the print head 50 by a paper transport system 65, which is controlled by a paper transport controller 66, which in turn is controlled by a microcontroller 315. The paper transport system 65 can take on many different mechanical forms and is only shown schematically in Fig. 1 (a). In the case of full-page print heads, it is common to move the receiving medium 51 past a stationary print head 50. In the case of scanning printing systems, it is common to move the print head 50 in a raster pattern along one axis (the secondary scanning direction) and the receiving medium 51 along the orthogonal axis (the main scanning direction). The microcontroller 315 is also controllable by the ink pressure regulator 63 and the heater control circuits 71.

Für das Drucken unter Einsatz von Oberflächenspannungsreduzierung befindet sich die Tinte in einem unter Druck stehenden Tintenbehälter 64. In dem Ruhezustand (bei dem kein Tintentropfen ausgeworfen wird), reicht der Tintendruck nicht aus, um die Tintenoberflächenspannung zu überwinden und einen Tropfen auszuwerfen. Ein konstanter Tintendruck ist dadurch erzielbar, dass der Tintenbehälter 64 unter Steuerung eines Tintendruckreglers 63 mit Druck beaufschlagt wird. Für größere Drucksysteme ist der Tintendruck sehr genau erzeugbar und steuerbar, indem die Oberfläche der Tinte in dem Tintenbehälter 64 um einen genauen Abstand oberhalb des Druckkopfes 50 angeordnet wird. Dieser Tintenpegel ist durch ein (nicht gezeigtes) einfaches Schwimmerventil regulierbar.For printing using surface tension reduction, the ink is contained in a pressurized ink reservoir 64. In the idle state (where no ink drop is ejected), the ink pressure is insufficient to overcome the ink surface tension and eject a drop. A constant ink pressure can be achieved by pressurizing the ink reservoir 64 under the control of an ink pressure regulator 63. For larger printing systems, the ink pressure can be generated and controlled very precisely by locating the surface of the ink in the ink reservoir 64 a precise distance above the print head 50. This ink level can be regulated by a simple float valve (not shown).

Um mit Viskositätsminderung zu drucken, befindet sich Tinte in einem Tintenbehälter 64 unter Druck, wobei der Tintendruck einer Oszillation unterworfen wird. Bei den Vorrichtungen zum Erzeugen dieser Oszillation kann es sich um ein piezoelektrisches Betätigungsmittel handeln, das in den (nicht gezeigten) Tintenkanälen eingebaut ist.To print with viscosity reduction, ink is pressurized in an ink reservoir 64, with the ink pressure being subjected to oscillation. The means for generating this oscillation may be a piezoelectric actuator installed in the ink channels (not shown).

Bei einwandfreier Anordnung mit den Tropfentrennvorrichtungen bilden die ausgewählten Tropfen Punkte auf dem Empfangsmedium 51, während nicht ausgewählte Tropfen Teil des Tintenkörpers bleiben.When properly aligned with the drop separation devices, the selected drops form dots on the receiving medium 51, while unselected drops remain part of the ink body.

Die Tinte wird über eine Tintenkanaleinrichtung 75 zur Rückseite des Druckkopfes 50 verteilt. Die Tinte strömt vorzugsweise durch Schlitze und/oder Löcher, die durch den Siliciumträger des Druckkopfes 50 zur Vorderseite geätzt sind, wo sich die Düsen und Betätigungsmittel befinden. Bei dem thermischen Auswahlverfahren sind die Tintenbetätigungsmittel elektrothermische Heizungen.The ink is distributed to the rear of the printhead 50 via an ink channel device 75. The ink preferably flows through slots and/or holes etched through the silicon substrate of the printhead 50 to the front where the nozzles and actuators are located. In the thermal selection method, the ink actuators are electrothermal heaters.

Bei einigen Arten von erfindungsgemäßen Druckern ist ein äußeres Feld 74 erforderlich, um sicherzustellen, dass sich der ausgewählte Tropfen von dem Tintenkörper trennt und sich zum Empfangsmedium 51 bewegt. Ein geeignetes äußeres Feld 74 ist ein konstantes elektrisches Feld, weil die Tinte leicht elektrisch leitfähig zu machen ist. In diesem Fall ist die Papierführung 67 aus elektrisch leitendem Material herstellbar und als eine Elektrode zum Erzeugen des elektrischen Feldes verwendbar. Die andere Elektrode kann der Druckkopf 50 selbst sein. Ein weiteres Ausführungsbeispiel verwendet die Nähe des Druckmediums als Mittel zum Unterscheiden zwischen ausgewählten Tropfen und nicht ausgewählten Tropfen.In some types of printers according to the invention, an external field 74 is required to ensure that the selected drop separates from the ink body and moves to the receiving medium 51. A suitable external field 74 is a constant electric field because the ink is easy to make electrically conductive. In this case, the paper guide 67 can be made of electrically conductive material and used as one electrode for generating the electric field. The other electrode can be the print head 50 itself. Another embodiment uses the proximity of the print medium as a means of distinguishing between selected drops and non-selected drops.

Bei kleinen Tropfengrößen ist die Gravitationskraft des Tintentropfens sehr klein, nämlich ca. 10&supmin;&sup4; der Oberflächenspannungskräfte, so dass die Gravitation in den meisten Fällen ignorierbar ist. Dies macht es möglich, den Druckkopf 50 und das Empfangsmedium 51 in einer Richtung in Beziehung zum lokalen Gravitationsfeld auszurichten. Dies ist für portable Drucker eine wichtige Anforderung.For small drop sizes, the gravitational force of the ink drop is very small, about 10-4 of the surface tension forces, so gravity is ignorable in most cases. This makes it possible to align the print head 50 and the receiving medium 51 in one direction in relation to the local gravitational field. This is an important requirement for portable printers.

Fig. 1 (b) zeigt eine detaillierte Vergrößerung eines Schnitts durch ein mikroskopisches Düsenspitzenausführungsbeispiel der Erfindung, das mit einem modifizierten CMOS- Prozess hergestellt ist. Die Düse ist in einen Träger 101 eingeätzt, der aus Silicium, Glas, Metall oder einem anderen, geeigneten Werkstoff bestehen kann. Wenn Träger verwendet werden, die nicht aus Halbleiterwerkstoffen bestehen, kann ein Halbleiterwerkstoff (z. B. amorphes Silicium) auf dem Träger aufgetragen werden, und es können integrierte Treibertransistoren sowie eine Datenverteilungsschaltung in der Oberflächenhalbleiterschicht ausgebildet werden. Einkristall-Siliciumträger (SCS- Träger) weisen mehrere Vorteile auf, u. a.:Figure 1(b) shows a detailed enlargement of a section through a microscopic nozzle tip embodiment of the invention made using a modified CMOS process. The nozzle is etched into a carrier 101, which may be made of silicon, glass, metal, or other suitable material. When non-semiconductor carriers are used, a semiconductor material (e.g., amorphous silicon) may be deposited on the carrier and integrated driver transistors and data distribution circuitry may be formed in the surface semiconductor layer. Single crystal silicon (SCS) carriers have several advantages, including:

1) Hochleistungs-Treibertransistoren und andere Schaltungen können als Einkristallsilizium ausgebildet sein;1) High-performance driver transistors and other circuits can be made of single crystal silicon;

2) Druckköpfe können in vorhandenen Einrichtungen (Fertigungseinrichtungen) unter Einsatz üblicher VLSI-Verarbeitungssysteme hergestellt werden;2) Printheads can be manufactured in existing facilities (manufacturing facilities) using common VLSI processing systems;

3) Einkristallsilizium hat eine hohe mechanische Festigkeit und Stärke; und3) Single crystal silicon has high mechanical strength and strength; and

4) Einkristallsilizium hat eine hohe thermische Leitfähigkeit.4) Single crystal silicon has a high thermal conductivity.

In diesem Beispiel weist die Düse eine zylindrische Form auf, wobei das Heizelement 103 einen Kreisring bildet. Die Düsenspitze 104 ist aus Siliciumdioxidschichten 102 ausgebildet, die während der Fertigung der CMOS-Treiberschaltung aufgetragen werden. Die Düsenspitze ist mit Siliciumnitrid passiviert. Die vorstehende Düsenspitze steuert den Kontaktpunkt der mit Druck beaufschlagten Tinte 100 auf der Druckkopffläche. Die Druckkopffläche ist zudem hydrophobiert, um eine irrtümliche Streuung der Tinte über den Druckkopf zu verhindern.In this example, the nozzle has a cylindrical shape with the heating element 103 forming an annulus. The nozzle tip 104 is formed from silicon dioxide layers 102 deposited during the fabrication of the CMOS driver circuit. The nozzle tip is passivated with silicon nitride. The protruding nozzle tip controls the point of contact of the pressurized ink 100 on the printhead surface. The printhead surface is also hydrophobized to prevent ink from accidentally scattering across the printhead.

Es sind viele andere Düsenkonfigurationen möglich, und die erfindungsgemäßen Düsenausführungsbeispiele können sich in Form, Abmessung und verwendeten Werkstoffen unterscheiden. Monolithische Düsen, die aus dem Träger geätzt sind, auf welchem das Heizelement und die Elektronik ausgebildet sind, weisen den Vorteil auf, dass sie keine Lochplatte benötigen. Der Wegfall der Lochplatte wirkt sich auf die Fertigung und Montage in Form erheblicher Kosteneinsparungen aus. Jüngste Verfahren zum Verzicht auf Lochplatten umfassen die Verwendung von "Vortex"- Betätigungselementen, etwa den in US-A-4,580,158 und US-A-5,371,527 beschriebenen. Die Betätigung dieser Elemente ist jedoch komplex, und die Herstellung der Elemente ist schwierig. Das bevorzugte Verfahren zum Verzicht auf Lochplatten für erfindungsgemäße Druckköpfe besteht darin, die Löcher in den Betätigungsträger zu integrieren.Many other nozzle configurations are possible, and nozzle embodiments of the present invention may vary in shape, size, and materials used. Monolithic nozzles, etched from the substrate on which the heating element and electronics are formed, have the advantage of not requiring a hole plate. Elimination of the hole plate has a significant cost saving effect on manufacturing and assembly. Recent methods of eliminating hole plates include the use of "vortex" actuators, such as those described in US-A-4,580,158 and US-A-5,371,527. However, the actuation of these elements is complex and the elements are difficult to manufacture. The preferred method of eliminating hole plates for printheads of the present invention is to integrate the holes into the actuator substrate.

Diese Art Düse ist für Druckköpfe verwendbar, die für die Tropfentrennung verschiedene Techniken einsetzen.This type of nozzle can be used with printheads that use different droplet separation techniques.

Betrieb mit elektrostatischer TropfentrennungOperation with electrostatic droplet separation

Als ein erstes Beispiel zeigt Fig. 2 den Betrieb unter Einsatz von thermischer Reduzierung der Oberflächenspannung und elektrostatischer Tropfentrennung.As a first example, Fig. 2 shows the operation using thermal reduction of surface tension and electrostatic droplet separation.

Fig. 2 zeigt die Ergebnisse des Energietransports und Simulationen zur Strömungsdynamik der Tropfenauswahl unter Einsatz von FIDAP, eines kommerziellen Strömungsdynamik-Softwarepakets von Fluid Dynamics, Inc. aus Illinois, USA. Diese Simulation wird an einem thermischen Tropfenauswahl-Düsenausführungsbeispiel mit einem Durchmesser von 8 um und einer Umgebungstemperatur von 30ºC vorgenommen. Das Heizelement wird mit einer Gesamtenergie von 276 nJ mit 69 Impulsen von je 4 nJ beaufschlagt. Der Tintendruck beträgt 10 kPa oberhalb des Umgebungsluftdrucks, die Tintenviskosität beträgt bei 30ºC 1,84 cPs. Es wird wasserbasierende Tinte mit einer Sol aus 0,1% Palmitinsäure verwendet, um eine verbesserte Verringerung der Oberflächenspannung bei steigender Temperatur zu erzielen. Es wird ein Schnitt durch die Düsenspitze von der Mittelachse der Düse bis zu einem Radialabstand von 40 um gezeigt. Der Wärmestrom in den verschiedenen Werkstoffen der Düse, u. a. Silicium, Siliciumnitrid, amorphes Siliciumdioxid, kristallines Siliciumdioxid und wasserbasierende Tinte wird unter Verwendung der jeweiligen Werte für Dichte, Wärmekapazität und thermischer Leitfähigkeit der Werkstoffe simuliert. Für die Simulation wird ein Zeitschritt von 0,1 us benutzt.Fig. 2 shows the results of energy transport and drop selection fluid dynamics simulations using FIDAP, a commercial fluid dynamics software package from Fluid Dynamics, Inc. of Illinois, USA. This simulation is performed on a thermal drop selection nozzle embodiment with a diameter of 8 µm and an ambient temperature of 30ºC. The heater is applied with a total energy of 276 nJ with 69 pulses of 4 nJ each. The ink pressure is 10 kPa above ambient air pressure, and the ink viscosity is 1.84 cPs at 30ºC. Water-based ink with a sol of 0.1% palmitic acid is used to achieve improved surface tension reduction with increasing temperature. A section through the nozzle tip from the central axis of the nozzle to a radial distance of 40 µm is shown. The heat flow in the different nozzle materials, including silicon, silicon nitride, amorphous silicon dioxide, crystalline silicon dioxide and water-based ink, is simulated using the respective values for density, heat capacity and thermal conductivity of the materials. A time step of 0.1 us is used for the simulation.

Fig. 2(a) zeigt einen Ruhezustand unmittelbar vor Aktivieren der Heizung. Hierbei ist ein Gleichgewichtszustand erreicht, wobei im Ruhezustand keine Tinte aus der Düse tritt, indem sichergestellt wird, dass der Tintendruck plus externem elektrostatischen Feld nicht ausreicht, um die Oberflächenspannung der Tinte bei Umgebungstemperatur zu überwinden. In dem Ruhezustand steht der Meniskus der Tinte nicht aus der Druckkopffläche hervor, so dass keine wesentliche Konzentration des elektrostatischen Feldes an dem Meniskus auftritt.Fig. 2(a) shows a resting state immediately before the heater is activated. Here, an equilibrium state is achieved with no ink coming out of the nozzle in the resting state by ensuring that the ink pressure plus external electrostatic field is not sufficient to overcome the surface tension of the ink at ambient temperature. In the resting state, the meniscus of the ink does not protrude from the printhead surface, so no significant concentration of the electrostatic field occurs at the meniscus.

Fig. 2(b) zeigt thermische Konturen bei 5ºC Intervallen 5 us nach Start des Heizungserregungsimpulses. Wenn die Heizung aktiviert wird, erwärmt sich die in Kontakt mit der Düsenspitze befindliche Tinte schnell. Die Verringerung der Oberflächenspannung bewirkt, dass sich der erwärmte Abschnitt des Meniskus schnell in Bezug zu dem Meniskus bei kühler Tinte ausdehnt. Dies bewirkt eine konvektive Wärmeströmung, die die Wärme über einen Teil der freien Oberfläche der Tinte an der Düsenspitze transportiert. Die Wärme muss über die Tintenoberfläche verteilt werden und nicht nur dort entstehen, wo die Tinte sich in Berührung mit der Heizung befindet, da der viskose Zug gegen das feste Heizungselement die mit der Heizung unmittelbar in Berührung stehende Tinte daran hindert, sich zu bewegen.Fig. 2(b) shows thermal contours at 5ºC intervals 5 us after the start of the heater excitation pulse. When the heater is activated, the ink in contact with the nozzle tip heats up rapidly. The reduction in surface tension causes the heated portion of the meniscus to expand rapidly relative to the cool ink meniscus. This causes a convective heat flow that carries the heat over part of the free surface of the ink at the nozzle tip. The heat must be distributed over the ink surface and not just where the ink is in contact with the heater, because the viscous drag against the solid heater element prevents the ink in immediate contact with the heater from moving.

Fig. 2(c) zeigt die thermischen Konturen bei 5ºC Intervallen 10 us nach Start des Heizungserregungsimpulses. Der Temperaturanstieg bewirkt eine Verringerung der Oberflächenspannung und eine Störung des Kräftegleichgewichtes. Da der gesamte Meniskus erwärmt worden ist, setzt eine Strömungsbewegung der Tinte ein.Fig. 2(c) shows the thermal contours at 5ºC intervals 10 µs after the start of the heater excitation pulse. The temperature increase causes a reduction in the surface tension and a disruption of the force equilibrium. Since the entire meniscus has been heated, a flow motion of the ink starts.

Fig. 2(d) zeigt die thermischen Konturen bei 5ºC Intervallen 20 us nach Start des Heizungserregungsimpulses. Der Tintendruck hat eine Strömung der Tinte in eine neue Meniskusposition verursacht, wobei die Tinte aus dem Druckkopf herausragt. Das elektrostatische Feld konzentriert sich durch den vorstehenden leitenden Tintentropfen.Fig. 2(d) shows the thermal contours at 5ºC intervals 20 us after the start of the heater excitation pulse. The ink pressure has caused a flow of the ink to a new meniscus position, with the ink protruding from the printhead. The electrostatic field is concentrated by the protruding conductive ink drop.

Fig. 2(e) zeigt die thermischen Konturen bei 5ºC Intervallen 30 us nach Start des Heizungserregungsimpulses, einem Zeitpunkt, der gleichzeitig 6 us nach Ende des Heizungserregungsimpulses liegt, da der Heizungserregungsimpuls 24 us andauert. Die Düsenspitze hat sich aufgrund der Ableitung durch die Oxidschichten und durch die Ableitung in die strömende Tinte schnell abgekühlt. Die Düsenspitze wird durch die Tinte sozusagen "wassergekühlt". Die elektrostatische Anziehung bewirkt, dass sich der Tintentropfen in Richtung des Empfangsmediums beschleunigt. Wäre der Heizungserregungsimpuls wesentlich kürzer (in diesem Fall kleiner als 16 us), würde die Tinte sich nicht in Richtung des Druckmediums beschleunigen, sondern statt dessen in die Düse zurückströmen.Fig. 2(e) shows the thermal contours at 5ºC intervals 30 us after the start of the heater excitation pulse, a time which is also 6 us after the end of the heater excitation pulse, since the heater excitation pulse lasts 24 us. The nozzle tip has cooled rapidly due to dissipation through the oxide layers and by dissipation into the flowing ink. The nozzle tip is "water cooled" by the ink, so to speak. The electrostatic attraction causes the ink drop to accelerate towards the receiving medium. If the heater excitation pulse were much shorter (in this case less than 16 us), the ink would not accelerate towards the print medium, but would instead flow back into the nozzle.

Fig. 2(f) zeigt die thermischen Konturen bei 5ºC Intervallen 26 us nach Start des Heizungserregungsimpulses. Die Temperatur an der Düsenspitze liegt jetzt niedriger als 5ºC über der Umgebungstemperatur. Dies bewirkt ein Ansteigen der Oberflächenspannung um die Düsenspitze herum. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit, mit der die Tinte aus der Düse herausgezogen wird, die viskositätsbedingte Geschwindigkeit der Tintenströmung durch die Düse überschreitet, kommt es im Bereich der Düsenspitze zu einer Verengung der Tinte, und der ausgewählte Tropfen trennt sich von dem Tintenkörper. Der ausgewählte Tropfen wandert dann unter Einfluss des äußeren elektrostatischen Feldes zum Empfangsmedium. Der Meniskus der Tinte an der Düsenspitze kehrt in seine Ruheposition zurück und ist für den nächsten Heizungserregungsimpuls zur Auswahl des nächsten Tintentropfens bereit. Für jeden Heizungserregungsimpuls bildet ein ausgewählter und getrennter Tintentropfen einen Punkt auf dem Empfangsmedium. Unter elektrischer Steuerung der Heizungserregungsimpulse kann ein Drop-on-demand Tintenstrahlbetrieb erzielt werden.Fig. 2(f) shows the thermal contours at 5ºC intervals 26 us after the start of the heater excitation pulse. The temperature at the nozzle tip is now less than 5ºC above ambient temperature. This causes an increase in the surface tension around the nozzle tip. When the flow rate at which the ink is drawn out of the nozzle exceeds the viscosity-induced rate of ink flow through the nozzle, a constriction of the ink occurs in the nozzle tip region and the selected droplet separates from the ink body. The selected droplet then migrates to the receiving medium under the influence of the external electrostatic field. The meniscus of ink at the nozzle tip returns to its rest position ready for the next heater excitation pulse to select the next ink droplet. For each heater excitation pulse, a selected and separated ink droplet forms a dot on the receiving medium. Under electrical control of the Heater excitation pulses can be used to achieve drop-on-demand inkjet operation.

Fig. 3(a) zeigt aufeinanderfolgende Meniskuspositionen während des Tropfenauswahlzyklus in Intervallen von 5 us, beginnend mit dem Start des Heizungserregungsimpulses.Fig. 3(a) shows successive meniscus positions during the drop selection cycle at 5 µs intervals starting with the start of the heater excitation pulse.

Fig. 3(b) zeigt eine gegen die Zeitachse abgetragene Kurve der Meniskusposition mit Darstellung der Bewegung an dem Mittelpunkt des Meniskus. Der Heizungserregungsimpuls beginnt 10 us nach Beginn der Simulation.Fig. 3(b) shows a meniscus position versus time plot showing the motion at the center of the meniscus. The heater excitation pulse begins 10 us after the start of the simulation.

Fig. 3(c) zeigt die resultierende Temperaturkurve in Bezug auf verschiedene Punkte in der Düse. Auf der vertikalen Achse der Kurve ist die Temperatur in Einheiten von 100ºC abgetragen. Auf der horizontalen Achse der Kurve ist die Zeit in Einheiten von 10 us abgetragen. Die in Fig. 3(b) gezeigte Temperaturkurve wurde von dem FIDAP- Programm in Zeitschritten zu 0,1 us berechnet. Die lokale Umgebungstemperatur beträgt 30ºC. Es werden Temperaturwerte an drei Punkten gezeigt:Fig. 3(c) shows the resulting temperature curve with respect to various points in the nozzle. The vertical axis of the curve represents temperature in units of 100ºC. The horizontal axis of the curve represents time in units of 10 µs. The temperature curve shown in Fig. 3(b) was calculated by the FIDAP program in time steps of 0.1 µs. The local ambient temperature is 30ºC. Temperature values at three points are shown:

A - Düsenspitze: Dies sind die Temperaturwerte am Berührungskreis zwischen der Passivierungsschicht, der Tinte und der Luft.A - Nozzle tip: These are the temperature values at the contact circle between the passivation layer, the ink and the air.

B - Meniskusmittelpunkt: Diese Temperaturwerte an einem Kreis des Tintenmeniskus auf halbem Wege zwischen Düsenspitze und dem Meniskusmittelpunkt.B - Meniscus Center: These temperature values are taken at a circle of the ink meniscus halfway between the nozzle tip and the meniscus center.

C - Trägeroberfläche: Dies ist ein Punkt auf der Druckkopfoberfläche, 20 um vom Düsenmittelpunkt entfernt. Die Temperatur steigt nur um wenige Grad an. Dies weist darauf hin, dass die aktive Schaltung sehr dicht an den Düsen angeordnet sein kann, ohne Einbußen an Leistung oder Lebensdauer aufgrund erhöhter Temperaturen zu erleiden.C - Carrier surface: This is a point on the printhead surface 20um from the nozzle center. The temperature increases by only a few degrees. This indicates that the active circuitry can be located very close to the nozzles without suffering any loss of performance or lifetime due to increased temperatures.

Fig. 3(e) zeigt die an die Heizung angelegte Leistung. Ein optimaler Betrieb erfordert einen scharfen Temperaturanstieg zu Beginn des Heizungsimpulses, für die Impulsdauer ein Halten der Temperatur bei einem Wert, der geringfügig unter dem Siedepunkt der Tinte liegt, und einen schnellen Temperaturabfall zum Ende des Impulses. Um dies zu erreichen, wird die an die Heizung angelegte mittlere Energie während der Impulsdauer verändert. In diesem Fall wird eine Veränderung durch eine Impulsfrequenzmodulation von Unterimpulsen zu 0,1 us erreicht, von denen jeder eine Energie von 4 nJ aufweist. Die an die Heizung angelegte Spitzenleistung beträgt 40 mW, die mittlere Leistung während der Dauer des Heizungsimpulses beträgt 11,5 mW. Die Frequenz des Unterimpulses beträgt in diesem Fall 5 MHz. Diese ist veränderbar, ohne den Betrieb des Druckkopfes wesentlich zu beeinträchtigen. Eine höhere Unterimpulsfrequenz ermöglicht eine feinere Steuerung der an die Heizung angelegten Leistung. Eine Unterimpulsfrequenz von 13,5 MHz ist geeignet, da diese Frequenz eine Minimierung der Hochfrequenzinterferenzen bewirkt.Fig. 3(e) shows the power applied to the heater. Optimum operation requires a sharp rise in temperature at the beginning of the heating pulse, a maintenance of the temperature at a value slightly below the boiling point of the ink for the duration of the pulse, and a rapid drop in temperature towards the end of the pulse. To achieve this, the average power applied to the heater during the Pulse duration is changed. In this case, the change is achieved by pulse frequency modulation of sub-pulses of 0.1 us, each of which has an energy of 4 nJ. The peak power applied to the heater is 40 mW, the average power during the duration of the heater pulse is 11.5 mW. The frequency of the sub-pulse in this case is 5 MHz. This can be changed without significantly affecting the operation of the print head. A higher sub-pulse frequency allows finer control of the power applied to the heater. A sub-pulse frequency of 13.5 MHz is suitable because this frequency has the effect of minimizing radio frequency interference.

Tinten mit einem negativen Temperaturkoeffizienten der OberflächenspannungInks with a negative temperature coefficient of surface tension

Dass die Oberflächenspannung der Tinte mit steigender Temperatur abnehmen muss, ist keine wesentliche Einschränkung, da die meisten reinen Flüssigkeiten und viele Mischungen diese Eigenschaft aufweisen. Es gibt keine genauen Gleichungen, die die Beziehung zwischen Oberflächenspannung und Temperatur für beliebige Flüssigkeiten ausdrücken. Die folgende empirische Gleichung, die von Ramsay und Shields abgeleitet wurde, ergibt jedoch für viele Flüssigkeiten zufriedenstellende Ergebnisse: The fact that the surface tension of the ink must decrease with increasing temperature is not a significant limitation, since most pure liquids and many mixtures exhibit this property. There are no precise equations expressing the relationship between surface tension and temperature for any liquid. However, the following empirical equation, derived by Ramsay and Shields, gives satisfactory results for many liquids:

Wobei γT die Oberflächenspannung bei einer Temperatur T ist, k eine Konstante, Tc ist die kritische Temperatur der Flüssigkeit, M ist die Molmasse der Flüssigkeit, x ist der Assoziationsgrad der Flüssigkeit, und p ist die Dichte der Flüssigkeit. Diese Gleichung zeigt, dass die Oberflächenspannung der meisten Flüssigkeiten auf null fällt, wenn die Temperatur die kritische Temperatur der Flüssigkeit erreicht. Für die meisten Flüssigkeiten liegt die kritische Temperatur wesentlich über dem Siedepunkt bei atmosphärischem Druck. Um eine Tinte mit einer großen Veränderung der Oberflächenspannung bei einer kleinen Temperaturänderung im Bereich einer Auswurftemperatur zu erzielen, wird das Beimischen von grenzflächenaktiven Stoffen empfohlen.Where γT is the surface tension at a temperature T, k is a constant, Tc is the critical temperature of the liquid, M is the molar mass of the liquid, x is the degree of association of the liquid, and p is the density of the liquid. This equation shows that the surface tension of most liquids drops to zero when the temperature reaches the critical temperature of the liquid. For most liquids, the critical temperature is significantly above the boiling point at atmospheric pressure. To obtain an ink with a large change in surface tension for a small change in temperature in the range of an ejection temperature, the addition of surfactants is recommended.

Die Wahl der grenzflächenaktiven Stoffe ist wichtig. Beispielsweise enthalten wasserbasierende Tinten für Thermotintenstrahldrucker häufig Isopropylalkohol (2- Propanol), um die Oberflächenspannung zu verringern und ein schnelles Trocknen zu fördern. Isopropylalkohol hat einen Siedepunkt von 82,4ºC, also niedriger als Wasser. Während die Temperatur ansteigt, verdunstet der Alkohol schneller als das Wasser, so dass die Alkoholkonzentration abnimmt und ein Ansteigen der Oberflächenspannung bewirkt. Ein grenzflächenaktiver Stoff, wie z. B. 1-Hexanol (Siedepunkt 158ºC) ist für diesen Effekt verwendbar. Dieser Stoff erzielt eine Oberflächenspannung, die mit steigender Temperatur langsam abnimmt. Ein relativ großer Abfall der Oberflächenspannung mit steigender Temperatur ist aber wünschenswert, um den Betriebsbereich zu maximieren. Ein Abnehmen der Oberflächenspannung von 20 mN/m über einen Temperaturbereich von 30ºC wird bevorzugt, um große Betriebsbereiche zu erzielen, wobei ein Wert von 10 mN/m verwendbar ist, um den Betrieb des erfindungsgemäßen Druckkopfes zu erzielen.The choice of surfactants is important. For example, water-based inks for thermal inkjet printers often contain isopropyl alcohol (2-propanol) to reduce surface tension and promote rapid drying. Isopropyl alcohol has a boiling point of 82.4ºC, lower than water. As the temperature increases, the alcohol evaporates faster than the water, so the alcohol concentration decreases, causing an increase in surface tension. A surfactant such as 1-hexanol (boiling point 158ºC) can be used to achieve this effect. This agent provides a surface tension that decreases slowly with increasing temperature. However, a relatively large drop in surface tension with increasing temperature is desirable to maximize the operating range. A decrease in surface tension of 20 mN/m over a temperature range of 30°C is preferred to achieve wide operating ranges, with a value of 10 mN/m being usable to achieve the operation of the printhead according to the invention.

Tinten mit großer negativer Veränderung der Oberflächenspannung in Bezug zur Temperatur (-ΔYT)Inks with large negative change in surface tension with respect to temperature (-ΔYT)

Es sind verschiedene Verfahren verwendbar, um eine große negative Veränderung der Oberflächenspannung bei steigender Temperatur zu erreichen. Zwei dieser Verfahren sind:Various methods can be used to achieve a large negative change in surface tension with increasing temperature. Two of these methods are:

1) Die Tinte kann ein niedrig konzentriertes Sol eines grenzflächenaktiven Stoffes enthalten, das bei Umgebungstemperatur fest ist, jedoch bei einer Schwellentemperatur schmilzt. Es sind Partikelgrößen von kleiner als 100 nm wünschenswert. Die geeigneten Schmelzpunkte grenzflächenaktiver Stoffe für wasserbasierende Tinten liegen zwischen 50ºC und 90ºC, vorzugsweise zwischen 60ºC und 80ºC.1) The ink may contain a low concentration sol of surfactant that is solid at ambient temperature but melts at a threshold temperature. Particle sizes of less than 100 nm are desirable. Suitable melting points of surfactants for water-based inks are between 50ºC and 90ºC, preferably between 60ºC and 80ºC.

2) Die Tinte kann eine Öl-/Wasser-Mikroemulsion mit einer Phasenumkehrtemperatur beinhalten, welche über der maximalen Umgebungstemperatur liegt, jedoch unter dem Siedepunkt der Tinte. Aus Stabilitätsgründen liegt die Phasenumkehrtemperatur der Mikroemulsion vorzugsweise um 20ºC oder mehr über der maximalen Nichtbetriebstemperatur der Tinte. Geeignet ist eine Phasenumkehrtemperatur von ca. 80ºC.2) The ink may comprise an oil/water microemulsion having a phase inversion temperature above the maximum ambient temperature but below the boiling point of the ink. For stability reasons, the phase inversion temperature of the microemulsion is preferably 20ºC or more above the maximum non-operating temperature of the ink. A phase inversion temperature of approximately 80ºC is suitable.

Tinten mit Solen aus grenzflächenaktiven StoffenInks with surfactant sols

Tinten können als ein Sol aus kleinen Partikeln eines grenzflächenaktiven Stoffes angesetzt werden, der in dem gewünschten Betriebstemperaturbereich schmilzt. Beispiele derartiger grenzflächenaktiver Stoffe sind u. a. Carboxylsäuren mit 14 bis 30 Kohlenstoffatomen, etwa: Inks can be formulated as a sol of small particles of a surfactant that melts in the desired operating temperature range. Examples of such surfactants include carboxylic acids containing 14 to 30 carbon atoms, such as:

Da der Schmelzpunkt von Solen mit einer kleinen Partikelgröße normalerweise kleiner als der des Massenmaterials ist, ist es vorteilhaft, eine Carboxylsäure zu wählen, deren Schmelzpunkt geringfügig über der gewünschten Tropfenauswahltemperatur liegt. Ein gutes Beispiel hierfür ist Arachinsäure.Since the melting point of sols with a small particle size is usually lower than that of the bulk material, it is advantageous to choose a carboxylic acid with a melting point slightly above the desired drop selection temperature. A good example of this is arachidic acid.

Die Carboxylsäuren stehen in hoher Reinheit und zu geringen Kosten zur Verfügung. Der Anteil der erforderlichen grenzflächenaktiven Stoffe ist sehr klein, so dass die Kosten eines derartigen Zusatzes zur Tinte unerheblich sind. Eine Mischung aus Carboxylsäuren mit geringfügig wechselnden Kettenlängen ist verwendbar, um die Schmelzpunkte über einen Temperaturbereich zu streuen. Derartige Mischungen kosten normalerweise weniger als die reine Säure.The carboxylic acids are available in high purity and at low cost. The amount of surfactants required is very small, so the cost of adding such an additive to the ink is negligible. A mixture of carboxylic acids with slightly varying chain lengths can be used to spread the melting points over a temperature range. Such mixtures normally cost less than the pure acid.

Es ist nicht notwendig, die Wahl der grenzflächenaktiven Stoffe auf einfache, unverzweigte Carboxylsäuren zu beschränken. Grenzflächenaktive Stoffe mit verzweigten Ketten oder Phenylgruppen oder anderen hydrophoben Anteilen sind ebenfalls verwendbar. Die Verwendung einer Carboxylsäure ist nicht erforderlich. Viele hochpolare Zusätze sind für das hydrophile Ende des grenzflächenaktiven Stoffes geeignet. Das polare Ende sollte wünschenswerterweise in Wasser ionisierbar sein, so dass die Oberfläche der grenzflächenaktiven Partikel ladbar ist, um ein Dispergieren zu fördern und eine Ausflockung zu vermeiden. Im Falle der Carboxylsäuren lässt sich dies durch Hinzufügen eines Alkali erreichen, beispielsweise Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid.It is not necessary to restrict the choice of surfactants to simple, unbranched carboxylic acids. Surfactants with branched chains or phenyl groups or other hydrophobic moieties can also be used. The use of a carboxylic acid is not necessary. Many highly polar additives are suitable for the hydrophilic end of the surfactant. The polar end should desirably be ionizable in water so that the surface of the surfactant particles is chargeable to promote dispersion and avoid flocculation. In the case of carboxylic acids, This can be achieved by adding an alkali, such as sodium hydroxide or potassium hydroxide.

Ansetzen von Tinten mit Solen aus grenzflächenaktiven StoffenPreparation of inks with sols from surfactants

Das Sol aus grenzflächenaktiven Stoffen kann getrennt mit hoher Konzentration angesetzt und der Tinte in der erforderlichen Konzentration zugesetzt werden.The surfactant sol can be prepared separately at high concentration and added to the ink at the required concentration.

Ein Beispiel für die Herstellung eines Sols aus grenzflächenaktiven Stoffen wird nachfolgend aufgeführt:An example of the preparation of a surfactant sol is given below:

1) Die Carboxylsäure unter Sauerstoffausschluss dem geklärten Wasser zusetzen.1) Add the carboxylic acid to the clarified water under exclusion of oxygen.

2) Die Mischung über den Schmelzpunkt der Carboxylsäure erwärmen. Das Wasser kann zum Sieden gebracht werden.2) Heat the mixture above the melting point of the carboxylic acid. The water can be brought to the boil.

3) Die Mischung mit Ultraschall behandeln, bis die typische Größe der Carboxylsäuretröpfchen zwischen 10 und 100 nm liegt.3) Sonicate the mixture until the typical size of the carboxylic acid droplets is between 10 and 100 nm.

4) Die Mischung abkühlen lassen.4) Allow the mixture to cool.

5) Die größeren Partikel vom oberen Teil der Mischung dekantieren.5) Decant the larger particles from the top of the mixture.

6) Ein Alkali zusetzen, z. B. NaOH, um die Carboxylsäuremoleküle auf der Oberfläche der Partikel zu ionisieren. Ein pH-Wert von ca. 8 ist geeignet. Dieser Schritt ist zwar nicht zwingend erforderlich, trägt aber zur Stabilisierung des Sols bei.6) Add an alkali, e.g. NaOH, to ionize the carboxylic acid molecules on the surface of the particles. A pH of about 8 is suitable. This step is not mandatory, but helps to stabilize the sol.

7) Das Sol zentrifugieren. Da die Dichte der Carboxylsäure niedriger als die des Wassers ist, sammeln sich die kleineren Partikel an der Außenseite der Zentrifuge und die größeren Partikel in der Mitte der Zentrifuge an.7) Centrifuge the sol. Since the density of carboxylic acid is lower than that of water, the smaller particles will collect on the outside of the centrifuge and the larger particles will collect in the center of the centrifuge.

8) Das Sol mit einem mikroporösen Filter filtern, um Partikel von über 500 nm zu entfernen.8) Filter the sol with a microporous filter to remove particles larger than 500 nm.

9) Der Tinte das Sol aus grenzflächenaktiven Stoffen zusetzen. Das Sol wird nur in sehr verdünnter Konzentration benötigt.9) Add the surfactant sol to the ink. The sol is only needed in a very diluted concentration.

Der Tintenansatz enthält entweder Farbstoffe oder Pigmente, bakterizide Mittel, Mittel zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der Tinte, soweit eine elektrostatische Tropfentrennung zum Einsatz kommt, Netzmittel und weitere Mittel nach Erfordernis.The ink formulation contains either dyes or pigments, bactericidal agents, agents to improve the electrical conductivity of the ink if electrostatic droplet separation is used, wetting agents and other agents as required.

Schaumhemmer werden normalerweise nicht benötigt, da es während des Tropfenauswurfprozesses nicht zur Blasenbildung kommt.Antifoaming agents are normally not required since bubble formation does not occur during the drop ejection process.

Sole aus kationischen, grenzflächenaktiven StoffenSole made from cationic surfactants

Tinten mit anionischen, grenzflächenaktiven Stoffen sind zur Verwendung mit kationischen Farbstoffen oder Pigmenten im Allgemeinen ungeeignet, weil die kationischen Farbstoffe oder Pigmente sich niederschlagen oder mit dem anionischen, grenzflächenaktiven Stoff ausflocken. Um kationische Farbstoffe oder Pigmente verwenden zu können, ist ein Sol aus kationischen, grenzflächenaktiven Stoffen erforderlich. Hierzu ist die Familie der Alkylamine geeignet.Inks containing anionic surfactants are generally unsuitable for use with cationic dyes or pigments because the cationic dyes or pigments precipitate or coagulate with the anionic surfactant. In order to use cationic dyes or pigments, a sol of cationic surfactants is required. The alkylamine family is suitable for this purpose.

Die folgende Tabelle zeigt geeignete Alkylamine: The following table shows suitable alkylamines:

Das Verfahren zur Herstellung von Solen aus kationischen, grenzflächenaktiven Stoffen ist im wesentlichen gleich dem für anionische, grenzflächenaktive Stoffe, mit dem Unterschied, dass statt eines Alkali eine Säure verwendet wird, um den pH-Wert einzustellen und die Ladung auf den grenzflächenaktiven Partikeln zu erhöhen.The process for preparing sols from cationic surfactants is essentially the same as that for anionic surfactants, with the difference that an acid is used instead of an alkali to adjust the pH and increase the charge on the surfactant particles.

Geeignet ist normalerweise ein pH-Wert von 6 unter Verwendung von HCl.A pH of 6 using HCl is usually suitable.

Mikroemulsionsbasierende TintenMicroemulsion-based inks

Ein alternatives Mittel zur Erzielung einer starken Verminderung der Oberflächenspannung an einem Temperaturschwellenwert besteht darin, die Tinte auf einer Mikroemulsion aufzubauen. Es wird eine Mikroemulsion mit einer Phasenumkehrtemperatur im Bereich der gewünschten Auswurf-Schwellenwerttemperatur gewählt. Unterhalb der Phasenumkehrtemperatur ist die Mikroemulsion eine Öl-in-Wasser- Emulsion, oberhalb der Phasenumkehrtemperatur ist die Mikroemulsion eine Wasserin-Öl-Emulsion. Bei niedrigen Temperaturen bevorzugt der die Mikroemulsion bildende grenzflächenaktive Stoff eine starke Krümmungsfläche um das Öl, bei Temperaturen deutlich unterhalb der Phasenumkehrtemperatur bevorzugt der grenzflächenaktive Stoff eine starke Krümmungsfläche um das Wasser. Bei Temperaturen nahe der Phasenumkehr bildet die Mikroemulsion einen kontinuierlichen "Schwamm" aus topologisch verbundenem Wasser und Öl.An alternative means of achieving a strong reduction in surface tension at a temperature threshold is to base the ink on a microemulsion. A microemulsion with a phase inversion temperature in the range of the desired ejection threshold temperature is selected. Below the phase inversion temperature, the microemulsion is an oil-in-water emulsion, above the phase inversion temperature, the microemulsion is a water-in-oil emulsion. At low temperatures, the microemulsion prefers At temperatures well below the phase inversion temperature, the surfactant prefers a strong curvature around the water. At temperatures close to the phase inversion, the microemulsion forms a continuous "sponge" of topologically connected water and oil.

Es gibt zwei Mechanismen, wodurch sich hier die Oberflächenspannung verringert. Im Bereich der Phasenumkehrtemperatur bevorzugt der grenzflächenaktive Stoff Oberflächen mit sehr schwacher Krümmung. Dadurch bedingt wandern die Moleküle der grenzflächenaktiven Stoffe zur Kontaktfläche zwischen Tinte und Luft, die eine wesentlich schwächere Krümmung als die Ölemulsion aufweist. Dies verkleinert die Oberflächenspannung des Wassers. Oberhalb der Phasenumkehrtemperatur wechselt die Mikroemulsion von einer Öl-in-Wasser- zu einer Wasserin-Öl-Emulsion, wodurch sich die Kontaktfläche von Wasser/Luft zu Öl/Luft ändert. Die Öl-/Luft- Kontaktfläche hat eine niedrigere Oberflächenspannung.There are two mechanisms by which the surface tension is reduced here. In the range of the phase inversion temperature, the surfactant prefers surfaces with very little curvature. As a result, the molecules of the surfactant migrate to the contact surface between the ink and air, which has a much weaker curvature than the oil emulsion. This reduces the surface tension of the water. Above the phase inversion temperature, the microemulsion changes from an oil-in-water to a water-in-oil emulsion, changing the contact surface from water/air to oil/air. The oil/air contact surface has a lower surface tension.

Zur Herstellung mikroemulsionsbasierender Tinten gibt es viele Möglichkeiten.There are many ways to produce microemulsion-based inks.

Für den schnellen Tropfenauswurf eignet sich vorzugsweise ein Öl mit niedriger Viskosität.For rapid drop ejection, an oil with low viscosity is preferred.

In vielen Fällen ist Wasser ein geeignetes polares Lösungsmittel. In einigen Fällen sind möglicherweise aber Lösungsmittel mit verschiedener Polarität erforderlich. In diesen Fällen sollten polare Lösungsmittel mit einer hohen Oberflächenspannung gewählt werden, so dass ein starker Abfall der Oberflächenspannung erzielbar ist.In many cases, water is a suitable polar solvent. However, in some cases, solvents with different polarities may be required. In these cases, polar solvents with a high surface tension should be chosen so that a large drop in surface tension can be achieved.

Der grenzflächenaktive Stoff ist derart auswählbar, dass er in dem gewünschten Temperaturbereich eine Phasenumkehr aufweist. Beispielsweise sind grenzflächenaktive Stoffe der Gruppe Poly(oxyethylen)alkylphenylether (ethoxylierte Alkylphenole, allgemeine Formel: CH2n+1C&sub4;H&sub6;(CH&sub2;CH&sub2;O)mOH) verwendbar. Die Hydrophilität der grenzflächenaktiven Stoffe lässt sich durch Erhöhen von m steigern, und die Hydrophobität ist durch Erhöhen von n steigerbar. Geeignet sind Werte für m von ca. 10 und für n von ca. 8.The surfactant can be selected in such a way that it exhibits a phase inversion in the desired temperature range. For example, surfactants from the group of poly(oxyethylene)alkylphenyl ethers (ethoxylated alkylphenols, general formula: CH2n+1C₄H₆(CH₂CH₂O)mOH) can be used. The hydrophilicity of the surfactants can be increased by increasing m, and the hydrophobicity can be increased by increasing n. Values for m of approximately 10 and for n of approximately 8 are suitable.

Preisgünstige kommerzielle Ansätze sind das Ergebnis einer Polymerisierung verschiedener Molverhältnisse von Ethylenoxid und Alkylphenolen, wobei die genaue Zahl der Oxyethylengruppen um den gewählten Mittelwert variiert. Diese kommerziellen Ansätze sind geeignet, wobei hochreine grenzflächenaktive Stoffe mit einer bestimmten Anzahl von Oxyethylengruppen nicht erforderlich sind.Low-cost commercial approaches are the result of polymerizing different molar ratios of ethylene oxide and alkylphenols, with the exact number of oxyethylene groups varying around the chosen mean. These commercial approaches are suitable, but high-purity surfactants with a specific number of oxyethylene groups are not required.

Die Formel für diesen grenzflächenaktiven Stoff lautet C&sub8;H&sub1;&sub7;C&sub4;H&sub6;(CH&sub2;CH&sub2;O&sub2;)nOH (Mittelwert n = 10).The formula for this surfactant is C₈H₁₇C₄H₆(CH₂CH₂O₂)nOH (average n = 10).

Zu den Synonymen zählen Octoxynol-10, PEG-10 und Octylphenylether sowie POE(10) Octylphenylether.Synonyms include octoxynol-10, PEG-10 and octylphenyl ether as well as POE(10) octylphenyl ether.

Der HLB beträgt 13,6, der Schmelzpunkt 7ºC, der Trübungspunkt 65ºC.The HLB is 13.6, the melting point is 7ºC, the cloud point is 65ºC.

Kommerzielle Ansätze für diesen grenzflächenaktiven Stoff sind unter verschiedenen Markennamen erhältlich. Die folgende Tabelle zeigt die Anbieter und die entsprechenden Markennamen:Commercial formulations of this surfactant are available under various brand names. The following table shows the suppliers and the corresponding brand names:

Markenname AnbieterBrand Name Provider

Akyporox OP100 Chem-Y GmbHAkyporox OP100 Chem-Y GmbH

Alkasurf OP-10 Rhone-Poulenc Surfactants and SpecialtiesAlkasurf OP-10 Rhone-Poulenc Surfactants and Specialties

Dehydrophen POP 10 Pulcra SADehydrophen POP 10 Pulcra SA

Hyonic OP-10 HenkelHyonic OP-10 Handle

Iconol OP-10 BASFIconol OP-10 BASF

Igepal O Rhone-Poulenc FranceIgepal O Rhone-Poulenc France

Macol OP-10 PPG IndustriesMacol OP-10 PPG Industries

Malorphen 810 Hüls AGMalorphen 810 Hüls AG

Nikkol OP-10 Nikko Chem. Co. Ltd.Nikkol OP-10 Nikko Chem. Co. Ltd.

Renex 750 ICI Americas Inc.Renex 750 ICI Americas Inc.

Rexol 45/10 Hart Chemical Ltd.Rexol 45/10 Hart Chemical Ltd.

Synperonic OP10 ICI PLCSynperonic OP10 ICI PLC

Teric X10 ICI AustraliaTeric X10 ICI Australia

Diese Produkte stehen in großen Mengen zu niedrigen Kosten zur Verfügung (weniger als DM 3,00 pro kg) und tragen somit mit weniger als DM 0,15 pro Liter zu der angesetzten Mikroemulsionstinte bei einer 5%igen Konzentration der grenzflächenaktiven Stoffe bei.These products are available in large quantities at low cost (less than DM 3.00 per kg) and thus contribute less than DM 0.15 per liter to the prepared microemulsion ink at a 5% concentration of surfactants.

Weitere geeignete ethoxylierte Alkylphenole sind in der folgenden Tabelle aufgeführt: Other suitable ethoxylated alkylphenols are listed in the following table:

Mikroemulsionsbasierende Tinten haben noch weitere Vorteile in Bezug auf die Steuerung der Oberflächenspannung:Microemulsion-based inks have further advantages in terms of surface tension control:

1) Mikroemulsionen sind thermodynamisch stabil und trennen sich nicht. Die Lagerzeit kann daher sehr lange sein. Dies ist insbesondere für Bürodrucker und portable Drucker wichtig, die eventuell nur sporadisch benutzt werden.1) Microemulsions are thermodynamically stable and do not separate. The storage time can therefore be very long. This is particularly important for office printers and portable printers that may only be used sporadically.

2) Die Mikroemulsion bildet spontan eine bestimmte Tropfengröße. Ein ausgiebiges Rühren, Zentrifugieren oder Filtern ist nicht erforderlich, um einen bestimmten Bereich emulgierter Öltropfengrößen sicherzustellen.2) The microemulsion spontaneously forms a specific droplet size. Extensive stirring, centrifugation or filtering is not required to ensure a specific range of emulsified oil droplet sizes.

3) Die Menge des in der Tinte enthaltenen Öls kann recht groß sein, so dass Farbstoffe, die in Öl oder in Wasser oder in beidem löslich sind, verwendbar sind. Auch eine Mischung von Farbstoffen, also eine in Wasser lösliche und eine in Öl lösliche, ist zur Erzielung bestimmter Farben möglich.3) The amount of oil contained in the ink can be quite large, so that dyes that are soluble in oil or water or both can be used. A mixture of dyes, one soluble in water and one soluble in oil, is also possible to achieve certain colors.

4) In Öl mischbare Pigmente flocken nicht aus, da sie in den Öl-Mikrotröpfchen eingebunden sind.4) Oil-miscible pigments do not flocculate because they are embedded in the oil microdroplets.

5) Die Verwendung einer Mikroemulsion kann die Mischung verschiedenfarbiger Farbstoffe auf der Fläche des Druckmediums verringern.5) The use of a microemulsion can reduce the mixing of different colored dyes on the surface of the printing medium.

6) Die Viskosität der Mikroemulsionen ist sehr niedrig.6) The viscosity of the microemulsions is very low.

7) Netzmittel können in geringerer Menge eingesetzt werden oder ganz entfallen.7) Wetting agents can be used in smaller quantities or omitted altogether.

Farbstoffe und Picimente in mikroemulsionsbasierenden TintenDyes and picimens in microemulsion-based inks

Öl-in-Wasser-Mischungen können einen hohen Ölanteil aufweisen, und zwar bis zu 40%, und weiterhin Öl-in-Wasser-Mikroemulsionen bilden. Dies ermöglicht eine hohe Farbstoff- oder Pigmentbeschickung.Oil-in-water mixtures can have a high oil content, up to 40%, and still form oil-in-water microemulsions. This allows for high dye or pigment loading.

Es sind Mischungen von Farbstoffen und Pigmenten verwendbar. Eine mikroemulsionsbasierende Tintenmischung mit Farbstoffen und Pigmenten kann sich beispielsweise folgendermaßen zusammensetzen:Mixtures of dyes and pigments can be used. A microemulsion-based ink mixture with dyes and pigments can, for example, be composed as follows:

1) 70% Wasser1) 70% water

2) 5% wasserlöslicher Farbstoff2) 5% water-soluble dye

3) 5% grenzflächenaktive Stoffe3) 5% surfactants

4) 10% Öl4) 10% oil

5) 10% in Öl mischbare Pigmente5) 10% oil miscible pigments

Die folgende Tabelle zeigt die neun verwendbaren Grundkombinationen von Farbstoffen in Öl- und Wasserphasen der Mikroemulsion. The following table shows the nine basic combinations of dyes that can be used in the oil and water phases of the microemulsion.

Die neunte Kombination ohne Farbstoffe ist für das Bedrucken von Transparentbeschichtungen, UV-Tinten und selektiven Glanzlichtern verwendbar.The ninth combination without dyes can be used for printing on transparent coatings, UV inks and selective highlights.

Da viele Farbstoffe amphiphil sind, sind große Mengen von Farbstoffen auch in der Öl-Wasser-Grenzschicht lösbar, da diese Schicht einen sehr großen Oberflächenbereich hat.Since many dyes are amphiphilic, large amounts of dyes are also soluble in the oil-water interface, since this layer has a very large surface area.

Es ist auch möglich, mehrere Farbstoffe oder Pigmente in jeder Phase zu haben und eine Mischung von Farbstoffen und Pigmenten in jeder Phase.It is also possible to have several dyes or pigments in each phase and a mixture of dyes and pigments in each phase.

Wenn mehrere Farbstoffe oder Pigmente verwendet werden, ist das Absorptionsspektrum der resultierenden Tinte das gewichtete Mittel der Absorptionsspektren der verschiedenen verwendeten Farbstoffe. Dies stellt zwei Probleme dar:When multiple dyes or pigments are used, the absorption spectrum of the resulting ink is the weighted average of the absorption spectra of the different dyes used. This presents two problems:

1) Das Absorptionsspektrum wird breiter, da die Absorptionsspitzen beider Farbstoffe gemittelt sind. Dies führt tendenziell zu "verwaschenen" Farben. Um brillante Farben zu erhalten, müssen die Farbstoffe und Pigmente in Bezug auf ihre Absorptionsspektren und nicht nur in Bezug auf die vom Auge wahrnehmbare Farbe sorgfältig ausgewählt werden.1) The absorption spectrum becomes broader because the absorption peaks of both dyes are averaged. This tends to result in "washed out" colors. To obtain brilliant colors, the dyes and pigments must be carefully selected in relation to their absorption spectra and not just in relation to the color perceived by the eye.

2) Die Farbe der Tinte kann auf verschiedenen Trägern unterschiedlich sein. Wenn ein Farbstoff und ein Pigment in Kombination verwendet wird, weist der Farbstoff auf stärker absorbierenden Papieren tendenziell einen kleineren Beitrag zur gedruckten Farbe auf, da der Farbstoff in dem Papier absorbiert wird, während das Pigment tendenziell dazu neigt, auf dem Papier zu "sitzen". Dies ist unter bestimmten Umständen als Vorteil nutzbar.2) The colour of the ink may vary on different substrates. When a dye and a pigment are used in combination, the dye tends to have a smaller contribution to the colour on more absorbent papers. printed color because the dye is absorbed into the paper, while the pigment tends to "sit" on the paper. This can be used as an advantage in certain circumstances.

Grenzflächenaktive Stoffe mit einem Krafft-Punkt im Tropfenauswahl-TemperaturbereichSurfactants with a Krafft point in the drop selection temperature range

Für ionische grenzflächenaktive Stoffe gibt es eine Temperatur (den Krafft-Punkt), unter der die Löslichkeit recht gering ist, und die Lösung enthält im wesentlichen keine Mizellen. Oberhalb der Krafft-Temperatur wird die Mizellenbildung möglich, und es kommt zu einem schnellen Anstieg der Löslichkeit des grenzflächenaktiven Stoffes. Wenn die kritische Mizellenkonzentration (CMC / critical micelle concentration) die Löslichkeit eines grenzflächenaktiven Stoffes bei einer bestimmten Temperatur überschreitet, dann wird die kleinste Oberflächenspannung nicht an der kritischen Mizellenkonzentration erreicht, sondern an dem Punkt der maximalen Löslichkeit. Grenzflächenaktive Stoffe sind unterhalb des Krafft-Punktes normalerweise sehr viel weniger wirksam.For ionic surfactants, there is a temperature (the Krafft point) below which solubility is quite low and the solution contains essentially no micelles. Above the Krafft temperature, micelle formation becomes possible and there is a rapid increase in the solubility of the surfactant. If the critical micelle concentration (CMC) exceeds the solubility of a surfactant at a certain temperature, then the minimum surface tension is not reached at the critical micelle concentration but at the point of maximum solubility. Surfactants are usually much less effective below the Krafft point.

Dieser Faktor ist verwendbar, um eine stärkere Verminderung der Oberflächenspannung bei steigender Temperatur zu erzielen. Bei Umgebungstemperaturen befindet sich nur ein Teil des grenzflächenaktiven Stoffes in der Lösung. Wenn die Düsenheizung eingeschaltet wird, steigt die Temperatur an, und mehr grenzflächenaktive Stoffe gehen in die Lösung ein, wodurch die Oberflächenspannung sinkt.This factor can be used to achieve a greater reduction in surface tension as the temperature increases. At ambient temperatures, only a portion of the surfactant is in the solution. When the nozzle heater is turned on, the temperature increases and more surfactant enters the solution, reducing the surface tension.

Es sollte ein grenzflächenaktiver Stoff ausgewählt werden, der einen Krafft-Punkt in Nähe des Maximus des Temperaturbereichs aufweist, auf den die Tinte erwärmt wird. Dies ergibt eine maximale Grenze zwischen der Konzentration des grenzflächenaktiven Stoffes in der Lösung bei Umgebungstemperatur und der Konzentration des grenzflächenaktiven Stoffes in der Lösung bei der Tropfenauswahltemperatur.A surfactant should be selected that has a Krafft point near the maximum of the temperature range to which the ink is heated. This provides a maximum limit between the concentration of the surfactant in the solution at ambient temperature and the concentration of the surfactant in the solution at the drop selection temperature.

Die Konzentration des grenzflächenaktiven Stoffes sollte ungefähr gleich der kritischen Mizellenkonzentration an dem Krafft-Punkt sein. Auf diese Weise wird die Oberflächenspannung bei erhöhten Temperaturen auf das Maximum reduziert und bei Umgebungstemperaturen auf das Minimum.The concentration of the surfactant should be approximately equal to the critical micelle concentration at the Krafft point. In this way, the surface tension is reduced to the maximum at elevated temperatures and to the minimum at ambient temperatures.

Die folgende Tabelle zeigt einige kommerziell verfügbare grenzflächenaktive Stoffe mit Krafft-Punkten im gewünschten Bereich.The following table shows some commercially available surfactants with Krafft points in the desired range.

Formel Krafft-PunktKrafft point formula

C&sub1;&sub6;H&sub3;&sub3;SO&sub3;&supmin;Na&spplus; 57ºCC16 H33 SO3 -Na+ 57ºC

C&sub1;&sub8;H&sub3;&sub7;SO&sub3;&supmin;Na&spplus; 70ºCC18 H37 SO3-Na+ 70ºC

C&sub1;&sub6;H&sub3;&sub3;SO&sub4;&supmin;Na&spplus; 45ºCC16 H33 SO4 -Na+ 45ºC

Na←O&sub4;S(CH&sub2;)&sub1;&sub6;SO&sub4;&supmin;Na&spplus; 44,9ºCNa?O4 S(CH2 )16 SO4 -Na+ 44.9ºC

K←O&sub4;S(CH&sub2;)&sub1;&sub6;SO&sub4;&supmin;K&spplus; 55ºCK?O4 S(CH2 )16 SO4 -K+ 55ºC

C&sub1;&sub6;H&sub3;&sub3;CH(CH&sub3;)C&sub4;H&sub6;SO&sub3;&supmin;Na&spplus; 60,8ºCC16 H33 CH(CH3 )C4 H6 SO3 -Na+ 60.8ºC

Grenzflächenaktive Stoffe mit einem Trübungspunkt im Bereich der TropfenauswahltemperaturSurfactants with a cloud point in the range of the drop selection temperature

Nicht ionische grenzflächenaktive Stoffe mit Polyoxyethylenketten (POE) sind verwendbar, um eine Tinte herzustellen, deren Oberflächenspannung mit steigender Temperatur abfällt. Bei niedrigen Temperaturen ist die Polyoxyethylenkette hydrophil und hält den grenzflächenaktiven Stoff in der Lösung. Mit steigender Temperatur wird das strukturierte Wasser im Polyoxyethylenabschnitt des Moleküls unterbrochen, und der Polyoxyethylenabschnitt wird hydrophob. Der grenzflächenaktive Stoff wird bei höheren Temperaturen zunehmend vom Wasser abgestoßen, was zu einer steigenden Konzentration des grenzflächenaktiven Stoffes an der Nahtstelle von Luft und Tinte führt, wodurch sich die Oberflächenspannung verringert. Die Temperatur, bei der der Polyoxyethylenabschnitt eines nicht ionischen grenzflächenaktiven Stoffes hydrophil wird, bezieht sich auf den Trübungspunkt dieses grenzflächenaktiven Stoffes. Die Polyoxyethylenketten selbst sind nicht besonders geeignet, da der Trübungspunkt allgemein über 100ºC liegt.Non-ionic surfactants with polyoxyethylene (POE) chains can be used to produce an ink whose surface tension drops as the temperature increases. At low temperatures, the polyoxyethylene chain is hydrophilic and keeps the surfactant in solution. As the temperature increases, the structured water in the polyoxyethylene portion of the molecule is disrupted and the polyoxyethylene portion becomes hydrophobic. The surfactant is increasingly repelled by water at higher temperatures, resulting in an increasing concentration of the surfactant at the air-ink interface, thereby reducing the surface tension. The temperature at which the polyoxyethylene portion of a non-ionic surfactant becomes hydrophilic relates to the cloud point of that surfactant. The polyoxyethylene chains themselves are not particularly suitable as the cloud point is generally above 100ºC.

Polyoxypropylen (POP) ist mit POE in POE/POP-Blockpolymeren kombinierbar, um den Trübungspunkt der POE-Ketten ohne Aufbau einer starken Hydrophobität bei niedrigen Temperaturen zu senken.Polyoxypropylene (POP) can be combined with POE in POE/POP block polymers to lower the cloud point of the POE chains without building up strong hydrophobicity at low temperatures.

Es stehen zwei Hauptkonfigurationen von symmetrischen POE/POP-Block-Copolymeren zur Verfügung, nämlich:Two main configurations of symmetric POE/POP block copolymers are available, namely:

1) Grenzflächenaktive Stoffe mit POE-Segmenten an den Enden der Moleküle, und ein POP-Segment im Mittelpunkt, etwa die Poloxamer-Klasse der grenzflächenaktiven Stoffe (CAS 9003-11-6).1) Surfactants with POE segments at the ends of the molecules, and a POP segment in the center, such as the poloxamer class of surfactants (CAS 9003-11-6).

2) Grenzflächenaktive Stoffe mit POP-Segmenten an den Enden der Moleküle und ein POE-Segment im Mittelpunkt, etwa die Meroxapol-Klasse der grenzflächenaktiven Stoffe (ebenfalls CAS 9003-11-6).2) Surfactants with POP segments at the ends of the molecules and a POE segment in the center, such as the Meroxapol class of surfactants (also CAS 9003-11-6).

Einige kommerziell verfügbare Abwandlungen von Poloxamer und Meroxapol mit einer hohen Oberflächenspannung bei Raumtemperatur, kombiniert mit einem Trübungspunkt oberhalb von 40ºC und unterhalb von 100ºC werden in der folgenden Tabelle aufgeführt: Some commercially available variants of poloxamer and meroxapol with a high surface tension at room temperature combined with a cloud point above 40ºC and below 100ºC are listed in the following table:

Weitere Abwandlungen von Poloxamer und Meroxapol lassen sich anhand bekannter Techniken leicht synthetisieren. Wünschenswerte Eigenschaften sind eine Oberflächenspannung bei Raumtemperatur, die so hoch wie möglich ist, und ein Trübungspunkt zwischen 40ºC und 100ºC und vorzugsweise zwischen 60ºC und 80ºC.Further variations of poloxamer and meroxapol can be easily synthesized using known techniques. Desirable properties are a surface tension at room temperature that is as high as possible and a cloud point between 40ºC and 100ºC and preferably between 60ºC and 80ºC.

Es sind Meroxapol-Abwandlungen [HO(CHCH&sub3;CH&sub2;O)x(CH&sub2;CH&sub2;O)y(CHCH&sub3;CH&sub2;O)zOH] geeignet, bei denen der Mittelwert von x und z ca. 4 beträgt, und bei denen der Mittelwert von y ca. 15 beträgt.Meroxapol variants [HO(CHCH₃CH₂O)x(CH₂CH₂O)y(CHCH₃CH₂O)zOH] are suitable, in which the average value of x and z is about 4 and in which the average value of y is about 15.

Wenn Salze zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Tinte verwendet werden, dann sollte die Wirkung dieses Salzes auf den Trübungspunkt des grenzflächenaktiven Stoffes berücksichtigt werden.If salts are used to increase the electrical conductivity of the ink, then the effect of this salt on the cloud point of the surfactant should be considered.

Der Trübungspunkt von POE grenzflächenaktiven Stoffen wird durch Ionen erhöht, die die Wasserstruktur unterbrechen (etwa F), da dies mehr Wassermoleküle zur Verfügung stellt, um Wasserstoffbindungen mit POE-Sauerstoffionenpaaren zu bilden. Der Trübungspunkt von POE grenzflächenaktiven Stoffen wird durch Ionen herabgesetzt, die eine Wasserstruktur bilden (z. B. CL 0 V), da weniger Wassermoleküle zur Bildung von Wasserstoffbindungen zur Verfügung stehen. Bromidionen haben eine relativ geringe Wirkung. Die Tintenzusammensetzung ist auf einen gewünschten Temperaturbereich "einstellbar", indem die Länge der POE- und POP- Ketten in einem grenzflächenaktiven Block-Copolymer verändert wird, und indem die Auswahl der Salze (z. B. GE zu B(zu F) geändert wird, die zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit zugesetzt werden. NaCl ist wahrscheinlich die beste Wahl zur Erhöhung der Leitfähigkeit der Tinte, und zwar aufgrund der geringen Kosten und der Ungiftigkeit. NaCl senkt den Trübungspunkt der nicht ionischen grenzflächenaktiven Stoffe geringfügig.The cloud point of POE surfactants is increased by ions that disrupt the water structure (e.g. F) as this provides more water molecules available to form hydrogen bonds with POE oxygen ion pairs. The cloud point of POE surfactants is decreased by ions that form a water structure (e.g. CL 0 V) as there are fewer water molecules available to form hydrogen bonds. Bromide ions have a relatively small effect. The ink composition is "tunable" to a desired temperature range by changing the length of the POE and POP chains in a block copolymer surfactant and by changing the selection of salts (e.g. GE to B(to F)) added to increase electrical conductivity. NaCl is probably the best choice for increasing the conductivity of the ink due to its low cost and non-toxicity. NaCl slightly lowers the cloud point of the non-ionic surfactants.

Oberflächenspannungsminderung verschiedener LösungenReduction of surface tension of various solutions

Fig. 3(d) zeigt die gemessene Wirkung der Temperatur auf die Oberflächenspannung verschiedener wässriger Ansätze, die folgende Zusatzstoffe enthalten:Fig. 3(d) shows the measured effect of temperature on the surface tension of different aqueous batches containing the following additives:

1) 0,1% Sol aus Stearinsäure1) 0.1% sol from stearic acid

2) 0,1% Sol aus Palmitinsäure2) 0.1% sol from palmitic acid

3) 0,1% Lösung aus Pluronic 10R5 (Markenname der BASF)3) 0.1% solution of Pluronic 10R5 (brand name of BASF)

4) 0,1% Lösung aus Pluronic L35 (Markenname der BASF)4) 0.1% solution of Pluronic L35 (brand name of BASF)

5) 0,1% Lösung aus Pluronic L44 (Markenname der BASF)5) 0.1% solution of Pluronic L44 (brand name of BASF)

Für erfindungsgemäße Drucksysteme geeignete Tinten werden in den folgenden australischen Patenten beschrieben:Inks suitable for printing systems according to the invention are described in the following Australian patents:

"Ink composition based an a microemulsion" [Tintenmischung auf Grundlage einer Mikroemulsion] (Aktenzeichen: PN5223, eingereicht am 6. September 1995);"Ink composition based on a microemulsion" (Case No. PN5223, filed September 6, 1995);

"Ink composition containing surfactant sol" [Tintenmischung mit Sol aus grenzflächenaktiven Stoffen] (Aktenzeichen: PN5224, eingereicht am 6. September 1995);"Ink composition containing surfactant sol" (Case No. PN5224, filed September 6, 1995);

"Ink composition for DOD printers with Krafft point near the drop selection temperatur sol" [Tintenmischung für Drop-on-demand Drucker mit einem Krafft-Punkt in Nähe der Tropfenauswahltemperatur (Aktenzeichen: PN6240, eingereicht am 30. Oktober 1995); und"Ink composition for DOD printers with Krafft point near the drop selection temperature sol" (Case No. PN6240, filed October 30, 1995); and

"Dye and pigment in a microemulsion based ink" [Farbstoffe und Pigmente in einer mikroemulsionsbasierenden Tinte] (Aktenzeichen: PN6241, eingereicht am 30. Oktober 1995)."Dye and pigment in a microemulsion based ink" (Case No. PN6241, filed October 30, 1995).

Betrieb unter Einsatz von ViskositätsminderungOperation using viscosity reduction

Ein zweites Beispiel, nämlich der Betrieb eines Ausführungsbeispiels unter Einsatz von Viskositätsminderung und Näherungstropfentrennung in Verbindung mit unter Wärme schmelzender Tinte wird nachfolgend beschrieben. Vor dem Betrieb des Druckers wird die feste Tinte in dem Tintenbehälter 64 geschmolzen. Der Behälter, der Tintenkanal zum Druckkopf, die Tintenkanäle 75 und der Druckkopf 50 werden bei einer Temperatur gehalten, bei der die Tinte 100 flüssig ist, jedoch eine relativ hohe Viskosität aufweist (beispielsweise 100 cP), Die Tinte 100 wird durch die Oberflächenspannung der Tinte in der Düse zurückgehalten. Die Tinte 100 ist derart angesetzt, dass die Viskosität der Tinte mit steigender Temperatur abnimmt. Der Tintendruck oszilliert bei einer Frequenz, die ein integriertes Mehrfaches der Tropfenauswurffrequenz von der Düse ist. Die Oszillation des Tintendrucks bewirkt Oszillationen des Tintenmeniskus an den Düsenspitzen, jedoch ist diese Oszillation aufgrund der hohen Viskosität der Tinte klein. Bei der normalen Betriebstemperatur weisen diese Oszillationen eine Amplitude auf, die zu keiner Tropfentrennung führt. Wenn das Heizelement 103 aktiviert wird, erwärmt sich die den ausgewählten Tropfen bildende Tinte, was eine Viskositätsminderung auf einen Wert bewirkt, der vorzugsweise kleiner als 5 cP ist. Die verminderte Viskosität führt dazu, dass sich der Tintenmeniskus während der Hochdruckphase des Tintendruckzyklus weiterbewegt. Das Empfangsmedium 51 ist ausreichend dicht zum Druckkopf 50 beabstandet, so dass die ausgewählten Tropfen das Empfangsmedium 51 berühren. Das Empfangsmedium 51 ist jedoch weit genug beabstandet, dass die nicht ausgewählten Tropfen das Empfangsmedium 51 nicht berühren. Bei Kontakt mit dem Empfangsmedium 51 friert ein Teil der ausgewählten Tropfen ein und legt sich an das Empfangsmedium an. Wenn der Tintendruck abfällt, läuft die Tinte zurück in die Düse. Der Tintenkörper trennt sich von der auf dem Empfangsmedium eingefrorenen Tinte. Der Meniskus der Tinte 100 an der Düsenspitze kehrt zu einer Oszillation mit niedriger Amplitude zurück. Die Viskosität der Tinte steigt auf deren Ruhewert an, während die verbleibende Wärme an die Tintenmasse und an den Druckkopf abgegeben wird. Ein Tintentropfen wird ausgewählt, trennt sich und bildet für jeden Wärmeimpuls einen Punkt auf dem Empfangsmedium 51. Wenn die Wärmeimpulse elektrisch gesteuert werden, ist ein Drop-on-demand Tintenstrahlbetrieb erzielbar.A second example, namely the operation of an embodiment using viscosity reduction and proximity drop separation in conjunction with heat-melting ink, is described below. Prior to operation of the printer, the solid ink in the ink container 64 is melted. The container, the ink channel to the printhead, the ink channels 75 and the printhead 50 are maintained at a temperature at which the ink 100 is liquid but has a relatively high viscosity (e.g., 100 cP). The ink 100 is retained in the nozzle by the surface tension of the ink. The ink 100 is formulated such that the viscosity of the ink decreases with increasing temperature. The ink pressure oscillates at a frequency that is an integrated multiple of the drop ejection frequency from the nozzle. The oscillation of the ink pressure causes oscillations of the ink meniscus at the nozzle tips, but this oscillation is small due to the high viscosity of the ink. At normal operating temperature, these oscillations have an amplitude that does not result in drop separation. When the heater 103 is activated, the ink forming the selected drop heats up, causing a reduction in viscosity to a value that is preferably less than 5 cP. The reduced viscosity causes the ink meniscus to continue to move during the high pressure phase of the ink printing cycle. The receiving medium 51 is spaced sufficiently close to the printhead 50 so that the selected drops contact the receiving medium 51. However, the receiving medium 51 is spaced far enough that the unselected drops do not contact the receiving medium 51. Upon contact with the receiving medium 51, a portion of the selected drops freeze and adhere to the receiving medium. When the ink pressure drops, the ink flows back into the nozzle. The ink body separates from the ink frozen on the receiving medium. The meniscus of the ink 100 at the nozzle tip returns to a low amplitude oscillation. The viscosity of the ink increases to its resting value while the remaining heat is dissipated to the ink mass and to the printhead. An ink drop is selected, separates, and forms a dot on the receiving medium 51 for each heat pulse. If the heat pulses are controlled electrically, drop-on-demand inkjet operation is achievable.

Herstellung von DruckköpfenManufacturing of print heads

Die Herstellungsverfahren für monolithische Druckköpfe nach der vorliegenden Erfindung werden in folgenden, am 12. April 1995 eingereichten australischen Patentanmeldungen beschrieben:The manufacturing processes for monolithic printheads according to the present invention are described in the following Australian patent applications filed on 12 April 1995:

"A monolithic LIFT printing head" (Aktenzeichen: PN2301);"A monolithic LIFT printing head" (reference number: PN2301);

"A manufacturing process for monolithic LIFT printing heads" (Aktenzeichen: PN2302);"A manufacturing process for monolithic LIFT printing heads" (reference number: PN2302);

"A self-aligned heater design for LIFT print heads" (Aktenzeichen: PN2303);"A self-aligned heater design for LIFT print heads" (reference number: PN2303);

"Integrated four color LIFT print heads" (Aktenzeichen: PN2304);"Integrated four color LIFT print heads" (reference number: PN2304);

"Power requirement reduction in monolithic LIFT printing heads" (Aktenzeichen: PN2305);"Power requirement reduction in monolithic LIFT printing heads" (reference number: PN2305);

"A manufacturing process for monolithic LIFT printing heads using anisotropic wet etching" (Aktenzeichen: PN2306);"A manufacturing process for monolithic LIFT printing heads using anisotropic wet etching" (reference number: PN2306);

"Nozzle placement in monolithic drop-on-demand print heads" (Aktenzeichen PN2307);“Nozzle placement in monolithic drop-on-demand print heads” (reference number PN2307);

"Heater structure for monolithic LIFT print heads" (Aktenzeichen: PN2346);"Heater structure for monolithic LIFT print heads" (reference number: PN2346);

"Power supply connection for monolithic LIFT print heads" (Aktenzeichen: PN2347);"Power supply connection for monolithic LIFT print heads" (reference number: PN2347);

"External connections for proximity LIFT print heads" (Aktenzeichen: PN2348); und"External connections for proximity LIFT print heads" (reference number: PN2348); and

"A self-aligned manufacturing process for monolithic LIFT print heads" (Aktenzeichen: PN2349); und"A self-aligned manufacturing process for monolithic LIFT print heads" (reference number: PN2349); and

"CMOS process compatible fabrication of LIFT print heads" (Aktenzeichen: PN5222, 6. September 1995);"CMOS process compatible fabrication of LIFT print heads" (reference number: PN5222, September 6, 1995);

"A manufacturing process for LIFT print heads with nozzle rim heaters" (Aktenzeichen: PN6238, 30. Oktober 1995);"A manufacturing process for LIFT print heads with nozzle rim heaters" (reference number: PN6238, October 30, 1995);

"A modular LIFT print head" (AktenzeichenPN6237, 30. Oktober 1995);"A modular LIFT print head" (Case number PN6237, October 30, 1995);

"Method of increasing packing density of printing nozzles" (Aktenzeichen: PN6236, 30. Oktober 1995); und"Method of increasing packing density of printing nozzles" (reference number: PN6236, 30 October 1995); and

"Nozzle dispersion for reduced electrostatic interaction between simultaneously printed droplets (Aktenzeichen: PN6239, 30. Oktober 1995)."Nozzle dispersion for reduced electrostatic interaction between simultaneously printed droplets (reference number: PN6239, October 30, 1995).

Steuerung von DruckköpfenControl of print heads

Mittel zur Bereitstellung von Seitenbilddaten und zur Steuerung von Heiztemperaturen in Druckköpfen nach der vorliegenden Erfindung werden in folgenden, am 12. April 1995 eingereichten australischen Patentanmeldungen beschrieben:Means for providing page image data and controlling heater temperatures in printheads according to the present invention are described in the following Australian patent applications filed on 12 April 1995:

"Integrated drive circuitry in LIFT print heads" (Aktenzeichen: PN2295);"Integrated drive circuitry in LIFT print heads" (reference number: PN2295);

"A nozzle clearing procedure for liquid ink fault tolerant (LIFT) printing" (Aktenzeichen: PN2294);"A nozzle clearing procedure for liquid ink fault tolerant (LIFT) printing" (reference number: PN2294);

"Heater power compensation for temperature in LIFT printing systems" (Aktenzeichen: PN2314);"Heater power compensation for temperature in LIFT printing systems" (reference number: PN2314);

"Heater power compensation for thermal lag in LIFT printing systems" (Aktenzeichen: PN2315);"Heater power compensation for thermal lag in LIFT printing systems" (reference number: PN2315);

"Heater power compensation for print density in LIFT printing systems" (Aktenzeichen: PN2316);"Heater power compensation for print density in LIFT printing systems" (reference number: PN2316);

"Accurate control of temperature pulses in printing heads" (Aktenzeichen: PN2317);“Accurate control of temperature pulses in printing heads” (reference number: PN2317);

"Data distribution in monolithic LIFT printing heads" (Aktenzeichen: PN2318);"Data distribution in monolithic LIFT printing heads" (reference number: PN2318);

"Page image and fault tolerance routing device for LIFT printing systems" (Aktenzeichen: PN2319); und"Page image and fault tolerance routing device for LIFT printing systems" (reference number: PN2319); and

"A removable pressurized liquid ink cartridge for LIFT printers" (Aktenzeichen: PN2320)."A removable pressurized liquid ink cartridge for LIFT printers" (reference number: PN2320).

Bildverarbeitung für DruckköpfeImage processing for print heads

Eine Aufgabe der erfindungsgemäßen Drucksysteme ist es, eine Druckqualität zu erzielen, die derjenigen vergleichbar ist, an die die Benutzer in den mittels Offset- Druck gedruckten Publikationen gewöhnt sind. Dies ist anhand einer Druckauflösung von ca. 1.600 erreichbar. Das Drucken mit 1.600 dpi ist jedoch schwierig und kostspielig. Ähnliche Ergebnisse sind bereits mit 800 dpi erzielbar, und zwar mit jeweils 2 Bit pro Pixel für cyan und magenta und ein Bit pro Pixel für gelb (yellow) und schwarz (black). Dieses Farbmodell wird als CC'MM'YK' bezeichnet. Wenn monochrome Bilder in hoher Qualität gedruckt werden müssen, können zwei Bit pro Pixel für schwarz benutzt werden. Dieses Modell wird hier als CC'MM'YKK' bezeichnet. Farbmodelle, Raster, Datenkomprimierungs- und Echtzeit-Erweiterungssysteme, die zur Verwendung in erfindungsgemäßen Systemen und in anderen Drucksystemen geeignet sind, werden in folgenden, am 12. April 1995 eingereichten, australischen Patentanmeldungen beschrieben:One object of the printing systems according to the invention is to achieve a print quality comparable to that to which users are accustomed in publications printed by offset printing. This can be achieved using a print resolution of approximately 1,600. However, printing at 1,600 dpi is difficult and expensive. Similar results can be achieved with 800 dpi, with 2 bits per pixel for cyan and magenta and one bit per pixel for yellow and black. This color model is referred to as CC'MM'YK'. When monochrome images have to be printed in high quality, two bits per pixel for black can be used. This model is referred to here as CC'MM'YKK'. Color models, halftones, data compression and real-time enhancement systems suitable for use in systems according to the invention and in other printing systems are described in the following Australian patent applications filed on 12 April 1995:

"Four level ink set for bi-level color printing" (Aktenzeichen: PN2339);"Four level ink set for bi-level color printing" (reference number: PN2339);

"Compression system for page images" (Aktenzeichen: PN2340);"Compression system for page images" (reference number: PN2340);

"Real-time expansion apparatus for compressed page images" (Aktenzeichen: PN2341); und"Real-time expansion apparatus for compressed page images" (reference number: PN2341); and

"High capacity compressed document image storage for digital color printers" (Aktenzeichen: PN2342);"High capacity compressed document image storage for digital color printers" (reference number: PN2342);

"Improving JPEG compression in the presence of text" (Aktenzeichen: PN2343);"Improving JPEG compression in the presence of text" (case number: PN2343);

"An expansion and halftoning device for compressed page images" (Aktenzeichen: PN2344); und"An expansion and halftoning device for compressed page images" (reference number: PN2344); and

"Improvements in image halftoning" (Aktenzeichen: PN2345)."Improvements in image halftoning" (case number: PN2345).

Anwendungen zur Verwendung von erfindungsgemäßen DruckköpfenApplications for using printheads according to the invention

Die erfindungsgemäßen Druckvorrichtungen und Verfahren sind für einen großen Bereich von Anwendungen geeignet, einschließlich (ohne darauf beschränkt zu sein) folgender Anwendungen: farbiges und monochromes Drucken im Bürobereich, digitales Drucken mit niedriger Auflage, digitales Drucken mit hoher Geschwindigkeit, Prozessfarbendrucken, Sonderfarbendrucken, Offset-Beilagendrucken, preisgünstiges Drucken mit Abtast-Druckköpfen, Hochgeschwindigkeitsdrucken mit Seitendruccköpfen, portable farbige und monochrome Farbdrucker, Farb- und Monochromkopierer, Farb- und Monochrom-Faxgeräte, kombinierte Papier-, Fax- und Kopiergeräte, Etikettendruck, Großformat-Plotter, fotografische Vervielfältigung, Drucker für digitale, fotografische Verarbeitung, portable Drucker integriert in digitale "Sofortbild"-Kameras, Videodruck, Drucken von Foto-CD-Bildern, portable Drucker für "Persönliche Digitale Assistenten", Tapetendruck, Plakatdruck für Innenräume, Schautafeldruck und Gewebedruck.The printing devices and methods of the present invention are suitable for a wide range of applications including (but not limited to) color and monochrome office printing, low volume digital printing, high speed digital printing, process color printing, spot color printing, offset insert printing, low cost scanning printhead printing, high speed page printhead printing, portable color and monochrome color printers, color and monochrome copiers, color and monochrome fax machines, combined paper, fax and copier machines, label printing, large format plotters, photographic reproduction, digital photographic processing printers, portable printers integrated with digital "instant" cameras, video printing, photo CD image printing, portable "personal digital assistant" printers, wallpaper printing, indoor poster printing, display board printing, and fabric printing.

Auf dieser Erfindung basierende Drucksysteme werden in folgenden, am 12. April 1995 eingereichten, australischen Patentanmeldungen beschrieben:Printing systems based on this invention are described in the following Australian patent applications filed on 12 April 1995:

"A high speed color office printer with a high capacity digital page image store" (Aktenzeichen: PN2329);"A high speed color office printer with a high capacity digital page image store" (reference number: PN2329);

"A short run digital color printer with a high capacity digital page image store" (Aktenzeichen: PN2330);"A short run digital color printer with a high capacity digital page image store" (reference number: PN2330);

"A digital color printing press using LIFT printing technology" (Aktenzeichen: PN2331);"A digital color printing press using LIFT printing technology" (reference number: PN2331);

"A modular digital printing press" (Aktenzeichen: PN2332);"A modular digital printing press" (reference number: PN2332);

"A high speed digital fabric printer" (Aktenzeichen: PN2333);"A high speed digital fabric printer" (reference number: PN2333);

"A color photograph copying system" (Aktenzeichen: PN2334);"A color photograph copying system" (reference number: PN2334);

"A high speed color photocopier using a LIFT printing system" (Aktenzeichen: PN2335),"A high speed color photocopier using a LIFT printing system" (reference number: PN2335),

"A portable color photocopier using LIFT printing technology" (Aktenzeichen: PN2336);"A portable color photocopier using LIFT printing technology" (reference number: PN2336);

"A photopgraph processing system using LIFT printing technology" (Aktenzeichen: PN 2337);"A photopgraph processing system using LIFT printing technology" (reference number: PN 2337);

"A plain papier facsimile machine using a LIFT printing system" (Aktenzeichen: PN2338);"A plain paper facsimile machine using a LIFT printing system" (reference number: PN2338);

"A PhotoCD system with integrated printer" (Aktenzeichen: PN2393);"A PhotoCD system with integrated printer" (reference number: PN2393);

"A color plotter using LIFT printing technology" (Aktenzeichen: PN2291);"A color plotter using LIFT printing technology" (reference number: PN2291);

"A notebook computer with integrated LIFT color printing system" (Aktenzeichen: PN2292);"A notebook computer with integrated LIFT color printing system" (reference number: PN2292);

"A portable printer using a LIFT printing system" (Aktenzeichen: PN2300);"A portable printer using a LIFT printing system" (reference number: PN2300);

"Fax machine with online database interrogation and customized magazine printing" (Aktenzeichen: PN2299);"Fax machine with online database interrogation and customized magazine printing" (reference number: PN2299);

"Miniature portable color printer" (Aktenzeichen: PN2298);"Miniature portable color printer" (reference number: PN2298);

"A color video printer using a LIFT printing system" (Aktenzeichen: PN2296),"A color video printer using a LIFT printing system" (reference number: PN2296),

"An integrated printer, copier, scanner, and facsimile using a LIFT printing system" (Aktenzeichen: PN2297)."An integrated printer, copier, scanner, and facsimile using a LIFT printing system" (reference number: PN2297).

Zusammensetzung der Druckköpfe für UmgebungsbedingungenComposition of printheads for environmental conditions

Es ist wünschenswert, dass Drop-on-demand Drucksysteme eine durchgängige und vorbestimmbare Größe und Position der Tintentropfen aufweisen. Unerwünschte Abweichungen in Größe und Position der Tintentropfen verursachen Abweichungen in der optischen Dichte und dem resultierenden Print, wodurch sich die wahrgenommene Druckqualität verschlechtert. Diese Abweichungen sollten auf einen kleinen Bereich des Tintentropfen-Nennvolumens bzw. des Pixelabstands beschränkt sein.It is desirable for drop-on-demand printing systems to have a consistent and predeterminable size and position of the ink drops. Undesirable variations in the size and position of the ink drops cause variations in the optical density and the resulting print, which degrades the perceived print quality. These variations should be limited to a small range of the nominal ink drop volume or pixel pitch.

Es gibt viele Faktoren, die das Tropfenvolumen und die Tropfenposition beeinflussen können. In einigen Fällen lässt sich die Veränderung durch eine entsprechende Kopfkonstruktion minimieren. In anderen Fällen lässt sich die Veränderung durch aktive Schaltungen kompensieren.There are many factors that can affect drop volume and drop position. In some cases, the change can be minimized by an appropriate head design. In other cases, the change can be compensated by active circuits.

1) Umgebungstemperatur: Änderungen der Umgebungstemperatur können die Meniskusruhelage betreffen sowie die von dem Heizimpuls erzielte Temperatur. Änderungen der Meniskusruhelage lassen sich durch Änderung des Tintendrucks oder der Stärke des externen elektrischen oder magnetischen Feldes kompensieren. Änderungen der durch den Heizimpuls erzielten Temperatur lassen sich durch Änderung des Heizspeisestroms kompensieren.1) Ambient temperature: Changes in ambient temperature can affect the meniscus rest position and the temperature achieved by the heating pulse. Changes in the meniscus rest position can be compensated by changing the ink pressure or the strength of the external electric or magnetic field. Changes in the temperature achieved by the heating pulse can be compensated by changing the heating supply current.

2) Düsentemperatur: Es ist nicht praktisch, die Temperatur unabhängig für jede Düse zu kompensieren. Ein zuverlässiger Betrieb der Köpfe erfordert, dass die Differenz zwischen der am Substrat gemessenen Düsentemperatur und der Umgebungstemperatur klein ist. Dies lässt sich durch Verwendung eines Substrats mit hoher thermischer Leitfähigkeit erreichen (wie Silizium) und indem man eine angemessene Zeit zwischen den Impulsen vorsieht, damit die Abwärme abstrahlen kann.2) Nozzle temperature: It is not practical to compensate the temperature independently for each nozzle. Reliable operation of the heads requires that the The difference between the nozzle temperature measured at the substrate and the ambient temperature is small. This can be achieved by using a substrate with high thermal conductivity (such as silicon) and by allowing adequate time between pulses to allow the waste heat to dissipate.

3) Die Abweichung des Düsenradius für Düsen, die aus einem einzigen Tintenbehälter gespeist werden, sollte klein bleiben, da es schwierig ist, unterschiedliche elektrische Feldstärken oder Tintendrücke düsenweise vorzusehen. Glücklicherweise lässt sich die Schwankungsbreite des Düsenradius mit modernen Halbleiterfertigungsmaschinen ohne weiteres unter 0,5 um halten.3) The nozzle radius variation for nozzles fed from a single ink reservoir should be kept small, since it is difficult to provide different electric field strengths or ink pressures on a nozzle-by-nozzle basis. Fortunately, the nozzle radius variation can easily be kept below 0.5 µm with modern semiconductor manufacturing machines.

4) Druckdichte: In jedem Zyklus können unterschiedlich viele Tintentropfen ausgeworfen werden. Der Ladungswiderstand des Kopfes kann daher stark und schnell abweichen, was Spannungsschwankungen aufgrund des Endwiderstands des Netzteils und der Verdrahtung bewirkt. Dies lässt sich durch digitale Schaltungen genau kompensieren, die die Anzahl der in jedem Zyklus auszuwerfenden Tropfen bestimmen und die Versorgungsspannung zur Kompensation der Ladungswiderstandsänderungen entsprechend einstellen.4) Print density: Different numbers of ink drops can be ejected in each cycle. The charge resistance of the head can therefore vary widely and rapidly, causing voltage fluctuations due to the power supply’s final resistance and wiring. This can be precisely compensated for by digital circuits that determine the number of drops to be ejected in each cycle and adjust the supply voltage accordingly to compensate for the charge resistance changes.

5) Tintenverunreinigungen: Die Tinte muss frei von Verunreinigungen sein, die größer als ca. 5 um sind, die sich aneinander anlagern und die Düse verstopfen können. Hierzu ist es möglich, ein Filter mit einer Maschenweite von 5 um absolut zwischen Tintenbehälter und Druckkopf zu platzieren.5) Ink contamination: The ink must be free of contamination that is larger than approximately 5 µm, which can accumulate and clog the nozzle. To do this, it is possible to place a filter with a mesh size of 5 µm absolute between the ink tank and the print head.

6) Charakteristik der Tintenoberflächenspannung: Die wichtigste Anforderung an die Tinte betrifft die Charakteristik der Oberflächenspannung. Die Tinte muss derart formuliert sein, dass die Oberflächenspannung hoch genug ist, damit die Tinte bei Raumtemperaturen innerhalb der Auslegungsgrenzen in der Düse bleibt und bei Temperaturen, die durch das Heizelement erzielbar sind, unter die Auswurfschwelle fällt. Viele Tintenformulierungen können diese Kriterien erfüllen, wobei allerdings darauf zu achten ist, dass Verunreinigungen, die die Oberflächenspannung beeinträchtigen, vermieden werden.6) Ink surface tension characteristics: The most important requirement for the ink is the surface tension characteristics. The ink must be formulated to have a surface tension high enough to keep the ink in the nozzle within design limits at room temperatures and to drop below the ejection threshold at temperatures achievable by the heater. Many ink formulations can meet these criteria, but care must be taken to avoid contaminants that affect surface tension.

7) Tintentrocknung: Wenn der Zeitraum zwischen den Tropfenauswürfen aus einer Düse zu lang wird, kann die Tinte an dem exponierten Meniskus derart austrocknen, dass der Tropfenauswurf beeinträchtigt oder gar verhindert wird. Dies lässt sich durch Auswerfen eines oder mehrerer Tropfen aus jeder Düse zwischen jeder gedruckten Seite und durch Abdecken des Druckkopfes während der Leerlaufzeiten kompensieren.7) Ink drying: If the time between drop ejections from a nozzle becomes too long, the ink on the exposed meniscus can dry to the point that drop ejection is impaired or even prevented. This can be compensated for by ejecting one or more drops from each nozzle between each printed page and by covering the print head during idle times.

8) Impulsbreite: Die Heizimpulsbreite lässt sich genau steuern und kann sehr nahe auf die Mindestimpulsbreite eingestellt werden. Eine höhere Zuverlässigkeit ist erzielbar, indem die Impulsbreite erheblich länger als die Mindestbreite gewählt wird. Für eine 7 um Düse die eine hier beschriebene wasserbasierende Tinte verwendet, beträgt die Mindestimpulsbreite ca. 10 um. Die Nennimpulsbreite ist auf 18 us eingestellt, um einen breiten Betriebsraum zu gewährleisten. Die Impulsbreite hat praktisch keine Auswirkung auf die Tropfengröße.8) Pulse width: The heating pulse width is precisely controlled and can be set very close to the minimum pulse width. Greater reliability can be achieved by setting the pulse width significantly longer than the minimum width. For a 7 um nozzle using a water-based ink as described here, the minimum pulse width is approximately 10 um. The nominal pulse width is set to 18 us to ensure a wide operating envelope. The pulse width has virtually no effect on the droplet size.

9) Verstopfte oder fehlerhafte Düsen: In vielen Fällen lassen sich verstopfte Düsen säubern, indem man das Heizelement mit einer schnellen Impulsfolge beaufschlagt, wodurch die Tinte über den Siedepunkt hinaus erhitzt wird. Die dabei gebildeten Dampfblasen können die "Kruste" an getrockneter Tinte aufbrechen. Oft verstopfte Düsen lassen sich von Zeit zu Zeit mit einem Lösemittel säubern. Düsen, die defekt oder dauerhaft verstopft sind, können automatisch im Zuge einer integrierten Fehlertoleranz durch redundante Düsen ersetzt werden.9) Clogged or faulty nozzles: In many cases, clogged nozzles can be cleared by applying a rapid series of pulses to the heating element, which heats the ink above boiling point. The vapor bubbles that are formed can break up the "crust" of dried ink. Frequently clogged nozzles can be cleaned from time to time with a solvent. Nozzles that are defective or permanently clogged can be automatically replaced with redundant nozzles as part of built-in fault tolerance.

10) Rauheit der Druckmedien: Dies betrifft besonders den Näherungsdruck, bei dem die Medienrauheit ein wesentlicher Teil des Abstands zwischen Kopf und Medium ausmachen kann. Vorstehende Fasern in einem Papiermedium können bewirken, dass der Tintentropfen schneller als vorgesehen in das Papier einsickert, wodurch weniger Tinte auf das Papier übertragen wird und ein kleinerer Tropfen entsteht. Dies lässt sich durch Verwendung beschichteten Papiers kompensieren, durch Verdichten der Papierfasern mit Walzen vor dem Bedrucken und/oder durch Beschichten oder Benetzen des Papiers unmittelbar vor dem Drucken.10) Media roughness: This is particularly relevant to proximity printing, where media roughness can be a significant part of the head-to-media clearance. Protruding fibers in a paper media can cause the ink drop to soak into the paper faster than intended, resulting in less ink being transferred to the paper and a smaller drop. This can be compensated for by using coated paper, by compacting the paper fibers with rollers before printing, and/or by coating or wetting the paper immediately before printing.

Steuerung der DüsentemperaturControl of nozzle temperature

Das Verhalten der Düsen ist abhängig von der Temperatur und der Dauer der thermischen Impulse, mit denen die Düsenspitze beaufschlagt wird.The behavior of the nozzles depends on the temperature and the duration of the thermal pulses applied to the nozzle tip.

Wenn das Heizelement mit zu wenig Energie beaufschlagt wird, steigt die Temperatur an der Düsenspitze nicht schnell genug, als dass ein Tropfen in der vorgesehenen Zeit ausgeworfen werden könnte, oder der ausgeworfene Tropfen ist möglicherweise kleiner als erforderlich. Wenn das Heizelement mit zuviel Energie beaufschlagt wird, wird möglicherweise zu viel Tinte ausgeworfen, oder die Tinte fängt an zu sieden, und die von dem Druckkopf verbrauchte Energie ist größer als erforderlich. Diese Energie kann dann die Grenze überschreiten, in der ein selbstkühlender Betrieb möglich ist. Die Menge der Energie, die erforderlich ist, um eine Düse zu aktivieren, lässt sich durch eine dynamische Finite-Elemente-Analyse der Düse bestimmen. Dieses Verfahren kann die erforderliche Auswurfenergie der Düse unter verschiedenen statischen und dynamischen Umgebungsbedingungen ermitteln.If too little energy is applied to the heater, the temperature at the nozzle tip will not rise fast enough to eject a drop in the allotted time, or the ejected drop may be smaller than required. If too much energy is applied to the heater, too much ink may be ejected, or the ink may begin to boil, and the energy consumed by the printhead may be greater than required. This energy may then exceed the limit at which self-cooling operation is possible. The amount of energy required to activate a nozzle can be determined by performing a dynamic finite element analysis of the nozzle. This method can determine the required ejection energy of the nozzle under various static and dynamic environmental conditions.

Ein optimales Temperaturprofil für einen Druckkopf umfasst eine spontane Anhebung des aktiven Bereichs der Düsenspitze auf Auswurftemperatur, die Wahrung dieses Bereichs bei Auswurftemperatur für die Dauer des Impulses und das spontane Abkühlen des Bereichs auf Umgebungstemperatur.An optimal temperature profile for a printhead includes spontaneously raising the active area of the nozzle tip to ejection temperature, maintaining this area at ejection temperature for the duration of the pulse, and spontaneously cooling the area to ambient temperature.

Dieses Optimum ist aufgrund der gespeicherten Wärmekapazität und der thermischen Leitfähigkeit der verschiedenen, zur Herstellung der Düsen verwendeten Materialien nicht erzielbar. Eine verbesserte Leistung lässt sich jedoch durch Ausbilden des Energieimpulses unter Verwendung von Kurven erzielen, die durch schrittweises Verfeinern von Finite-Elemente-Simulationen des Druckkopfes abgeleitet werden können. Um genaue Ergebnisse zu erzielen, ist eine Transienten- Strömungsdynamiksimulation mit freier Oberflächemodellierung erforderlich, da Konvektion in der Tinte und im Tintenstrom die mit einer bestimmten Energiekurve erzielbare Temperatur erheblich beeinträchtigen kann.This optimum is not achievable due to the stored heat capacity and thermal conductivity of the various materials used to make the nozzles. However, improved performance can be achieved by shaping the energy pulse using curves that can be derived by gradually refining finite element simulations of the printhead. To achieve accurate results, a transient fluid dynamics simulation with free surface modeling is required, since convection in the ink and ink stream can significantly affect the temperature achievable with a given energy curve.

KompensationstechnikenCompensation techniques

Viele Umgebungsvariablen lassen sich derart kompensieren, dass ihre Auswirkung auf einen zu vernachlässigenden Anteil reduziert ist. Eine aktive Kompensierung einiger Faktoren lässt sich erreichen, indem man die an die Düsenheizelemente angelegte Leistung variiert.Many environmental variables can be compensated for so that their impact is reduced to a negligible level. Active compensation for some factors can be achieved by varying the power applied to the nozzle heating elements.

Ein optimales Temperaturprofil für einen Druckkopf umfasst ein sofortiges Anheben des aktiven Bereichs der Düsenspitze auf die Auswurftemperatur, das Halten dieses Bereichs bei der Auswurftemperatur für die Dauer des Impulses und das sofortige Kühlen des Bereichs auf die Umgebungstemperatur.An optimal temperature profile for a printhead involves immediately raising the active area of the nozzle tip to the ejection temperature, holding that area at the ejection temperature for the duration of the pulse, and immediately cooling the area to ambient temperature.

Dieses Optimum ist jedoch aufgrund der gespeicherten Wärmekapazitäten und der thermischen Leitfähigkeiten für die verschiedenen, in der Herstellung der erfindungsgemäßen Düsen verwendeten Materialien nicht erzielbar. Es lässt sich jedoch eine verbesserte Leistung erreichen, indem man den Leistungsimpuls anhand von Kurven formt, die sich durch schrittweises Verfeinern der Finite-Elemente-Simulation des Druckkopfes ableiten lassen. Die an das Heizelement angelegte Leistung lässt sich im zeitlichen Verlauf durch verschiedene Techniken abwandeln, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein:However, this optimum is not achievable due to the stored heat capacities and thermal conductivities of the various materials used in the manufacture of the nozzles of the invention. However, improved performance can be achieved by shaping the power pulse using curves derived by gradually refining the finite element simulation of the printhead. The power applied to the heater can be varied over time by various techniques, including, but not limited to:

1) Abwandeln der an das Heizelement angelegten Spannung1) Modifying the voltage applied to the heating element

2) Modulieren der Breite einer Reihe kurzer Impulse (PWM / Pulsbreitenmodulation)2) Modulating the width of a series of short pulses (PWM / Pulse Width Modulation)

3) Modulieren der Frequenz einer Reihe kurzer Impulse (PFM / Pulsfrequenzmodulation)3) Modulating the frequency of a series of short pulses (PFM / Pulse Frequency Modulation)

Um genaue Ergebnisse zu erzielen, ist eine Simulation der Übergangsströmungsdynamik mit Freiflächenmodellierung erforderlich, da die Konvektion in der Tinte und im Tintenstrom die mit einer bestimmten Leistungskurve erzielte Temperatur wesentlich beeinflusst.To obtain accurate results, a simulation of the transitional flow dynamics with free-surface modeling is required, since the convection in the ink and in the ink stream significantly influences the temperature achieved with a given power curve.

Durch Einbeziehen einer entsprechenden digitalen Schaltung auf dem Druckkopfträger lässt sich eine individuelle Steuerung der an jede Düse angelegten Leistung erzielen. Eine Möglichkeit hierzu ist das "Broadcasting", also das sammelweise Ansprechen einer Vielzahl unterschiedlicher digitaler Impulsbahnen über dem Druckkopf-Chip und das Auswählen der entsprechenden Impulsbahn für jede Düse unter Einsatz von Multiplex-Schaltungen.By incorporating a corresponding digital circuit on the print head carrier, individual control of the power applied to each nozzle can be achieved. One possibility for this is "broadcasting", i.e. collectively addressing a large number of different digital pulse paths over the printhead chip and selecting the appropriate pulse path for each nozzle using multiplexing circuits.

Ein Beispiel für die kompensierbaren Umgebungsfaktoren wird in der Tabelle "Kompensation von Umgebungsfaktoren" aufgeführt. Diese Tabelle zeigt, welche Umgebungsfaktoren sich am besten global (für den gesamten Druckkopf), pro Chip (für jeden Chip in einem zusammengesetzten Multi-Chip-Druckkopf) und pro Düse kompensieren lassen. Kompensation von Umgebungsfaktoren An example of the environmental factors that can be compensated is shown in the "Environmental Factor Compensation" table. This table shows which environmental factors can best be compensated globally (for the entire printhead), per chip (for each chip in a composite multi-chip printhead), and per nozzle. Environmental Factor Compensation

Die meisten Anwendungen benötigen keine Kompensation aller dieser Variablen. Einige Variablen haben nur eine geringfügige Wirkung, und die Kompensation ist nur dort erforderlich, wo es auf eine hohe Bildqualität ankommt.Most applications do not require compensation for all of these variables. Some variables have only a minor effect and compensation is only needed where high image quality is important.

Druckkopf-TreiberschaltungenPrinthead driver circuits

Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm des elektronischen Betriebs der Druckkopf-Treiberschaltungen. Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm für ein System mit einem Ganzseiten-Druckkopf für 800 dpi, der Vierfarben im CC'MM'YK Farbmodell druckt. Der Druckkopf 50 umfasst insgesamt 79.488 Düsen mit 39.744 Hauptdüsen und 39.744 redundanten Düsen. Die Hauptdüsen und die redundanten Düsen sind in sechs Farben unterteilt, wobei jede Farbe in 8 Treiberphasen unterteilt ist. Jede Treiberphase besitzt ein Schieberegister, das die seriellen Daten aus einem ASIC 400 für die Druckkopfsteuerung in parallele Daten zur Aktivierung der Heizelement- Treiberschaltungen umsetzt. Insgesamt gibt es 96 Schieberegister, jedes mit 828 Düsen. Jedes Schieberegister setzt sich aus 828 Schieberegisterstufen 217 zusammen, deren Ausgänge durch ein NAND-Gatter 215 logisch mit dem Phasenaktivierungssignal verknüpft sind. Der Ausgang des NAND-Gatters 215 steuert einen Umkehrpuffer 216 an, der wiederum den Treibertransistor 201 ansteuert. Der Treibertransistor 201 aktiviert die elektrothermische Heizung 200, bei der es sich um ein Heizelement 103 handeln kann, wie in Fig. 1 (b) gezeigt. Damit die gespeicherten Daten während des Aktivierungsimpulses gültig bleiben, wird die Taktung in das Schieberegister gestoppt. Der Aktivierungsimpuls wird durch einen Taktstopper 218 aktiviert, der zur Verdeutlichung als einzelnes Gatter dargestellt wird, vorzugsweise jedoch in einem Bereich bekannter störimpulsfreier Taktsteuerschaltungen liegt. Durch Stoppen der Taktung in das Schieberegister entfällt die Notwendigkeit, einen parallelen Datenzwischenspeicher in dem Druckkopf vorzusehen, wobei allerdings die Steuerschaltungen in der Kopfsteuerung ASIC 400 komplexer werden. Die Daten werden durch den Datenrouter 219 entweder zu den Hauptdüsen oder zu den redundanten Düsen geleitet, je nach Status des für den Fehlerstatusbus entsprechenden Signals.Fig. 4 shows a schematic block diagram of the electronic operation of the printhead driver circuits. Fig. 4 shows a block diagram for a system with a full-page 800 dpi printhead printing four colors in the CC'MM'YK color model. The printhead 50 includes a total of 79,488 nozzles with 39,744 main nozzles and 39,744 redundant nozzles. The main nozzles and redundant nozzles are divided into six colors, with each color divided into 8 drive phases. Each drive phase has a shift register that converts the serial data from an ASIC 400 for printhead control into parallel data for activating the heater driver circuits. There are a total of 96 shift registers, each with 828 nozzles. Each shift register is comprised of 828 shift register stages 217, the outputs of which are logically linked to the phase enable signal by a NAND gate 215. The output of the NAND gate 215 drives an inverting buffer 216, which in turn drives the driver transistor 201. The driver transistor 201 activates the electrothermal heater 200, which may be a heating element 103, as shown in Fig. 1(b). To ensure that the stored data remains valid during the enable pulse, the clocking into the shift register is stopped. The enable pulse is activated by a clock stopper 218, which is shown as a single gate for clarity, but preferably is within the range of known glitch-free clock control circuits. Stopping the clocking into the shift register eliminates the need to provide a parallel data buffer in the print head, but it does add complexity to the control circuitry in the head controller ASIC 400. The data is routed by the data router 219 to either the main nozzles or the redundant nozzles, depending on the status of the signal corresponding to the error status bus.

Der Druckkopf wird in Fig. 4 vereinfacht dargestellt und zeigt nicht die verschiedenen Mittel, die notwendig sind, um die Ausschussquote in der Fertigung zu mindern, beispielweise die Block-Fehlertoleranz. Die Treiberschaltungen für verschiedene Konfigurationen von Druckköpfen lassen sich leicht von der hier beschriebenen Vorrichtung ableiten.The print head is shown in a simplified manner in Fig. 4 and does not show the various means necessary to reduce the reject rate in production, for example the block fault tolerance. The driver circuits for various Printhead configurations can be easily derived from the device described here.

Die digitalen Daten, die die auf dem Empfangsmedium zu druckenden Punktmuster darstellen, sind in dem Seiten- oder Bandspeicher 1513 gespeichert, welcher mit dem Bildspeicher 72 in Fig. 1 (a) identisch sein kann. Die Daten in 32 Bit großen Wörtern, die die Punkte einer Farbe darstellen, werden aus dem Seiten- oder Bandspeicher 1513 unter Verwendung der Adressen ausgelesen, die durch den Adressen- Multiplexer 417 ausgewählt werden, und die von der Speicherschnittstelle 418 erzeugt werden. Diese Adressen werden durch die Adressengeneratoren 411 erzeugt, die wiederum Teil der "Pro-Farbe-Schaltungen" 410 bilden, für die es jeweils eine für die insgesamt sechs Farbkomponenten gibt. Die Adressen werden anhand der Positionen der Düsen in Bezug zu dem Druckmedium erzeugt. Da die relative Position der Düsen für verschiedene Druckköpfe verschieden sein kann, sind die Adressgeneratoren 411 vorzugsweise programmierbar. Die Adressgeneratoren 411 erzeugen normalerweise die der Position der Hauptdüsen entsprechende Adresse. Wenn allerdings defekte Düsen vorhanden sind, lässt sich die Lage der Blöcke, die defekte Düsen beinhalten, in dem Fehlertabellen-Schreiblesespeicher 412 kennzeichnen. Der Fehlertabellen-Schreiblesespeicher 412 wird ausgelesen, während die Seite gedruckt wird. Wenn der Speicher einen Fehler in dem Düsenblock anzeigt, wird die Adresse derart geändert, dass die Adressgeneratoren 411 die Adresse erzeugen, die der Position der redundanten Düsen entspricht. Die aus dem Seiten- oder Bandspeicher 1513 ausgelesenen Daten werden von dem Zwischenspeicher 413 zwischengespeichert und von dem Multiplexer 414 in vier aufeinanderfolgende Bytes umgewandelt. Die zeitliche Steuerung dieser Bytes wird an die die anderen Farben darstellenden Daten von dem FIFO-Speicher 415 angepasst. Diese Daten werden dann von dem Puffer 430 zur Bildung des 48-Bit-Hauptdatenbusses zum Druckkopf 50 gepuffert. Die Daten werden gepuffert, da der Druckkopf relativ weit zum ASIC für die Kopfsteuerung entfernt sein kann. Die Daten aus dem Fehlertabellen-Schreiblesespeicher 412 bilden zudem die Eingabe für den FIFO- Speicher 416. Die zeitliche Steuerung dieser Daten ist an den Datenausgang des FIFO-Speichers 415 angepasst und wird von dem Puffer 431 zur Bildung des Fehlerstatus-Busses gepuffert.The digital data representing the dot patterns to be printed on the receiving medium is stored in the page or band memory 1513, which may be identical to the image memory 72 in Fig. 1(a). The data in 32-bit words representing the dots of one color are read from the page or band memory 1513 using the addresses selected by the address multiplexer 417 and generated by the memory interface 418. These addresses are generated by the address generators 411, which in turn form part of the "per color circuits" 410, one for each of the six color components. The addresses are generated based on the positions of the nozzles with respect to the print medium. Since the relative position of the nozzles may be different for different print heads, the address generators 411 are preferably programmable. The address generators 411 normally generate the address corresponding to the position of the main nozzles. However, if defective nozzles are present, the location of the blocks containing defective nozzles can be identified in the error table read-write memory 412. The error table read-write memory 412 is read while the page is being printed. If the memory indicates an error in the nozzle block, the address is changed so that the address generators 411 generate the address corresponding to the position of the redundant nozzles. The data read from the page or band memory 1513 is latched by the latch 413 and converted into four consecutive bytes by the multiplexer 414. The timing of these bytes is adjusted to the data representing the other colors from the FIFO memory 415. This data is then buffered by buffer 430 to form the 48-bit main data bus to printhead 50. The data is buffered because the printhead may be relatively far from the head control ASIC. The data from error table random access memory 412 also forms the input to FIFO memory 416. The timing of this data is matched to the data output of FIFO memory 415 and is buffered by buffer 431 to form the error status bus.

Das programmierbare Netzteil 320 versorgt den Druckkopf 50 mit Spannung. Die Spannung des Netzteils 320 wird durch den Digital-Analog-Umsetzer 313 gesteuert, der wiederum Teil einer Kombination aus einem Schreib-/Lesespeicher und einem Digital-Analog-Umsetzer (RAMDAC) 316 ist. Der Inhalt des Dual-Port-RAMs 317 wird von der Mikrosteuerung 315 programmiert. Die Temperatur wird durch Änderung des Inhalts des Dual-Port-RAMs 317 kompensiert. Diese Werte werden von der Mikrosteuerung 315 auf Grundlage der von einem Thermosensor 300 ermittelten Temperatur berechnet. Das Signal des Thermosensors 300 liegt an dem Analog- Digital-Wandler (ADC) 311 an. Der Analog-Digital-Wandler 311 ist vorzugsweise in die Mikrosteuerung 315 integriert.The programmable power supply 320 supplies power to the print head 50. The voltage of the power supply 320 is controlled by the digital-to-analog converter 313, which in turn is part of a combination of a random access memory and a digital-to-analog converter (RAMDAC) 316. The contents of the dual-port RAM 317 are programmed by the microcontroller 315. The temperature is compensated by changing the contents of the dual-port RAM 317. These values are calculated by the microcontroller 315 based on the temperature determined by a thermal sensor 300. The signal from the thermal sensor 300 is applied to the analog-to-digital converter (ADC) 311. The analog-to-digital converter 311 is preferably integrated into the microcontroller 315.

Der Kopfsteuerungs-ASIC 400 umfasst Steuerschaltungen zur Kompensation der thermischen Verschiebung und der Druckdichte. Die Kompensation der thermischen Verschiebung macht es erforderlich, dass die Spannungsversorgung des Druckkopfes 50 eine schnell veränderbare Spannung ist, die mit dem Aktivierungsimpuls für die Heizung synchronisiert wird. Dies wird dadurch erreicht, indem das programmierbare Netzteil 320 zur Erzeugung dieser Spannung programmiert wird. Der Digital-Analog- Wandler 313 erzeugt auf der Grundlage der von dem Dual-Port-RAM 317 ausgelesenen Daten eine analoge, zeitvariable Programmierspannung. Die Daten werden gemäss der Adresse ausgelesen, die von dem Zähler 403 erzeugt wird. Der Zähler 403 erzeugt während der Periode eines Aktivierungsimpulses einen vollständigen Adressenzyklus. Die Synchronisierung wird dadurch gewährleistet, dass der Zähler 403 von dem Systemtakt 408 getaktet wird, und der obere Zählstand des Zählers 403 wird benutzt, um den Aktivierungszähler 404 zu takten. Der Zählstand von dem Aktivierungszähler 404 wird dann von dem Dekodierer 405 dekodiert und von dem Puffer 432 gepuffert, um die Aktivierungsimpulse für den Druckkopf 50 zu erzeugen. Der Zähler 403 kann einen vorgeschalteten Frequenzteiler umfassen, wenn die Anzahl der Stati in dem Zählstand kleiner ist als die Anzahl der Taktimpulse in einem Aktivierungsimpuls. Es sind sechzehn Stati erforderlich, um die thermische Verzögerung des Heizelements zu kompensieren. Diese sechzehn Stati lassen sich derart angeben, dass zwischen dem Zähler 403 und dem Dual-Port-RAM 317 eine Vier-Bit-Verbindung verwendet wird. Diese sechzehn Stati sind aber möglicherweise zeitlich nicht linear beabstandet. Um eine nicht lineare zeitliche Beabstandung dieser Stati zu ermöglichen, kann der Zähler 403 auch einen Lesespeicher oder eine andere Vorrichtung umfassen, die veranlasst, dass der Zähler 403 auf nicht lineare Weise zählt. Alternativ hierzu sind weniger als sechzehn Stati verwendbar.The head control ASIC 400 includes control circuits for compensating for thermal shift and print density. Compensating for thermal shift requires that the power supply to the print head 50 be a rapidly changing voltage that is synchronized with the heater activation pulse. This is accomplished by programming the programmable power supply 320 to generate this voltage. The digital-to-analog converter 313 generates an analog, time-varying programming voltage based on the data read from the dual port RAM 317. The data is read according to the address generated by the counter 403. The counter 403 generates a complete address cycle during the period of an activation pulse. Synchronization is ensured by clocking the counter 403 from the system clock 408, and the upper count of the counter 403 is used to clock the activation counter 404. The count from the activation counter 404 is then decoded by the decoder 405 and buffered by the buffer 432 to generate the activation pulses for the print head 50. The counter 403 may include a frequency divider upstream if the number of states in the count is less than the number of clock pulses in an activation pulse. Sixteen states are required to compensate for the thermal delay of the heater. These sixteen states may be specified by using a four-bit connection between the counter 403 and the dual port RAM 317. However, these sixteen states may not be spaced linearly in time. To allow for non-linear spacing of these states in time, the counter 403 may also include a read only memory or other Means for causing the counter 403 to count in a non-linear manner. Alternatively, fewer than sixteen states may be used.

Zur Kompensation der Druckdichte wird die Druckdichte durch Zählen der Anzahl von Pixeln ermittelt, für die ein Tropfen in jeder Aktivierungsperiode zu drucken ist ("eingeschaltete" Pixel). Die "eingeschalteten" Pixel werden von den Zählern 402 für eingeschaltete Pixel gezählt. Es ist ein Zähler 402 für jede der acht Aktivierungsphasen vorhanden. Die Anzahl der Phasen in einem erfindungsgemässen Druckkopf hängt von der jeweiligen Konstruktion ab. Vier, acht und sechzehn Phasen sind geeignet, obwohl die Anzahl der Phasen nicht notwendigerweise durch zwei teilbar sein muss. Die Zähler 402 für eingeschaltete Pixel können kombinatorische Logik- Pixel-Zähler 420 umfassen, die wiederum bestimmen, wie viele Bits in einem Datenpaket eingeschaltet sind. Diese Zahl wird dann von dem Addierer 421 und dem Akkumulator 422 akkumuliert. Ein Zwischenspeicher 423 hält den akkumulierten Wert für die Dauer des Aktivierungsimpulses gültig. Der Multiplexer 401 wählt die Ausgabe des Zwischenspeichers 423, der der aktuellen Aktivierungsphase entspricht, wie durch den Aktivierungszähler 404 bestimmt. Die Ausgabe des Multiplexers 401 bildet den Teil der Adresse des Dual-Port-RAMs 317. Eine genaue Zählung der Anzahl "eingeschalteter" Pixel ist nicht erforderlich, wobei die höchstwertigen vier Bits dieser Zählung ausreichen.To compensate for print density, print density is determined by counting the number of pixels for which a drop is to be printed in each activation period ("on" pixels). The "on" pixels are counted by the on-pixel counters 402. There is one counter 402 for each of the eight activation phases. The number of phases in a printhead according to the invention depends on the particular design. Four, eight and sixteen phases are suitable, although the number of phases need not necessarily be divisible by two. The on-pixel counters 402 may comprise combinational logic pixel counters 420, which in turn determine how many bits in a data packet are on. This number is then accumulated by the adder 421 and the accumulator 422. A latch 423 holds the accumulated value valid for the duration of the activation pulse. The multiplexer 401 selects the output of the latch 423 corresponding to the current activation phase as determined by the activation counter 404. The output of the multiplexer 401 forms part of the address of the dual port RAM 317. An exact count of the number of pixels "on" is not required, the most significant four bits of this count being sufficient.

Die Kombination der vier Bits der Adresse zur Kompensation der thermischen Verschiebung und der vier Bits zur Kompensation der Druckdichte bedeutet, dass der Dual-Port-RAM 317 eine 8-Bit-Adresse hat. Dies bedingt, dass der Dual-Port-RAM 317 256 Ziffern in einem zweidimensionalen Array umfasst. Diese zwei Dimensionen sind Zeit (zur Kompensation der thermischen Verschiebung) und Druckdichte. Eine dritte Dimension, nämlich Temperatur, ist ebenfalls einbeziehbar. Da sich die Umgebungstemperatur des Kopfes nur langsam verändert, hat die Mikrosteuerung 315 genügend Zeit, eine Matrix aus 256 Ziffern zur Kompensation der thermischen Verschiebung und Druckdichte bei der aktuellen Temperatur zu berechnen. Die Mikrosteuerung misst periodisch (z. B. zweimal in der Sekunde) die Kopftemperatur und berechnet diese Matrix.The combination of the four bits of the thermal shift compensation address and the four bits of print density compensation means that the dual port RAM 317 has an 8-bit address. This requires that the dual port RAM 317 contains 256 digits in a two-dimensional array. These two dimensions are time (for thermal shift compensation) and print density. A third dimension, temperature, can also be included. Since the ambient temperature of the head changes slowly, the microcontroller 315 has enough time to calculate a matrix of 256 digits for thermal shift compensation and print density at the current temperature. The microcontroller periodically (e.g., twice a second) measures the head temperature and calculates this matrix.

Die folgende Gleichung ist verwendbar, um die Matrix der in dem Dual-Port-RAM 317 zu speichernden Zahlen zu berechnen: The following equation can be used to calculate the matrix of numbers to be stored in the dual-port RAM 317:

wobei:where:

VPS die Spannung des programmierbaren Netzteils 320 ist;VPS is the voltage of the programmable power supply 320;

RouT der Ausgangswiderstand des programmierbaren Netzteils 320 ist, einschließlich der Verbindungen mit dem Druckkopf 50;RouT is the output resistance of the programmable power supply 320, including the connections to the printhead 50;

RH der Widerstand eines einzelnen Heizelements ist;RH is the resistance of a single heating element;

p die Anzahl der Heizelemente ist, die in der Stromaktivierungszeit eingeschaltet werden, wie durch den Multiplexer 401 vorgesehen;p is the number of heaters turned on in the power activation time as provided by the multiplexer 401;

n eine Konstante ist, die der Anzahl der Heizelemente entspricht, dargestellt durch ein niedrigstwertiges Bit von p;n is a constant equal to the number of heating elements, represented by a least significant bit of p;

f die Zeit geteilt durch die Anzahl von Schritten über die Dauer eines einzigen Aktivierungsimpulses ist;f is the time divided by the number of steps over the duration of a single activation pulse;

P(t) eine Funktion zur Definition der an ein einzelnes Heizelement angelegten Leistung ist, um einen verbesserten Tropfenauswurf zu erzielen. Diese Funktion hängt von der jeweiligen Geometrie und den Materialien der Düse ab sowie von verschiedenen Charakteristika der Tinte. Sie lässt sich am besten durch vergleichende Computersimulation in Verbindung mit Versuchen bestimmen;P(t) is a function defining the power applied to a single heater to achieve improved drop ejection. This function depends on the specific geometry and materials of the nozzle as well as on various characteristics of the ink. It is best determined by comparative computer simulation combined with experiments;

TE die für den Tropfenauswurf erforderliche Temperatur in ºC ist; undTE is the temperature required for droplet ejection in ºC; and

TA die "Umgebungstemperatur" des Kopfes in ºC ist, wie von dem Temperatursensor gemessen.TA is the "ambient temperature" of the head in ºC as measured by the temperature sensor.

Um die Ausführungszeit zu reduzieren und die Programmierung der Mikrosteuerung zu vereinfachen, lassen sich die meisten oder alle Faktoren vorab berechnen und können in einer Tabelle nachgeschlagen werden, die im ROM der Mikrosteuerung hinterlegt wird.To reduce execution time and simplify programming of the microcontroller, most or all of the factors can be calculated in advance and looked up in a table stored in the microcontroller's ROM.

Vergleich mit der thermischen TintenstrahltechnikComparison with thermal inkjet technology

In der Tabelle "Vergleich zwischen thermischer Tintenstrahltechnik und der vorliegenden Erfindung" wird das erfindungsgemäße Drucken mit der thermischen Tintenstrahltechnik verglichen.In the table "Comparison between thermal inkjet technology and the present invention" the printing according to the invention is compared with the thermal inkjet technology.

Es erfolgt ein direkter Vergleich zwischen der vorliegenden Erfindung und der thermischen Tintenstrahltechnik, weil beides Drop-on-demand Systeme sind, die unter Verwendung thermischer Elemente und flüssiger Tinte arbeiten. Obwohl beide Systeme Ähnlichkeiten aufzuweisen scheinen, arbeiten sie nach verschiedenen Grundsätzen.A direct comparison is made between the present invention and thermal inkjet technology because both are drop-on-demand systems that operate using thermal elements and liquid ink. Although both systems appear to have similarities, they operate on different principles.

Thermische Tintenstrahldrucker arbeiten nach dem folgenden Grundprinzip. Ein thermischer Impuls, der durch einen elektrischen Widerstand erzeugt wird, bewirkt eine explosive Bildung einer Blase in einer flüssigen Tinte. Eine schnelle und konsistente Blasenbildung ist dadurch erreichbar, indem die Tinte stark erwärmt wird, so dass ausreichend Wärme auf die Tinte übertragen wird, bevor die Blasennukleierung abgeschlossen ist. Für wasserbasierende Tinten sind Tintentemperaturen von ca. 280ºC bis 400ºC erforderlich. Die Blasenbildung erzeugt eine Druckwelle, die einen Tintentropfen mit hoher Geschwindigkeit aus der Öffnung auswirft. Die Blase kollabiert dann und bewirkt, dass Tinte aus dem Tintenbehälter zum erneuten Auffüllen der Düse entzogen wird. Das thermische Tintenstrahldrucken ist kommerziell wegen der hohen Düsenpackungsdichte und der Verwendung bewährter Techniken zur Fertigung integrierter Schaltungen sehr erfolgreich. Die thermische Tintenstrahltechnik weist aber auch erhebliche technische Probleme auf, wie die Fertigung mehrteiliger Präzisionsbauteile, Fertigungsausschuss, Bildauflösung, Rauschen, Druckgeschwindigkeit, Steuertransistor-Leistung, Verlustwärme-Abfuhr, Bildung von Satellitentropfen, thermische Spannungen, thermische Ausdehnungsdifferenzen, Kogation, Kavitation, geradlinige Diffusion und Schwierigkeiten bei der Tintenrezeptur.Thermal inkjet printers work on the following basic principle. A thermal pulse generated by an electrical resistance causes an explosive formation of a bubble in a liquid ink. Rapid and consistent bubble formation is achievable by heating the ink to a high degree so that sufficient heat is transferred to the ink before bubble nucleation is complete. For water-based inks, ink temperatures of approximately 280ºC to 400ºC are required. The bubble formation creates a pressure wave that ejects an ink droplet from the orifice at high velocity. The bubble then collapses, causing ink to be drawn from the ink reservoir to refill the nozzle. Thermal inkjet printing is very successful commercially because of the high nozzle packing density and the use of proven integrated circuit manufacturing techniques. However, thermal inkjet technology also presents significant technical problems, such as the production of multi-part precision components, production waste, image resolution, noise, print speed, control transistor performance, waste heat dissipation, satellite droplet formation, thermal stresses, thermal expansion differences, kogation, cavitation, linear diffusion and difficulties in ink formulation.

Das erfindungsgemäße Drucken weist viele Vorteile des thermischen Tintenstrahldruckens auf, wobei die mit der thermischen Tintenstrahltechnologie verbundenen Probleme völlig oder weitestgehend entfallen. Vergleich zwischen thermischer Tintenstrahltechnik und der vorliegenden Erfindung Printing according to the invention has many of the advantages of thermal inkjet printing while completely or largely eliminating the problems associated with thermal inkjet technology. Comparison between thermal inkjet technology and the present invention

Fertigungsausschuss und FehlertoleranzProduction waste and fault tolerance

In den meisten Fällen lassen sich monolithische Schaltungen nicht reparieren, wenn sie in der Herstellung Fehler aufweisen. Der Prozentsatz der funktionsfähigen Vorrichtungen, die aus einem Wafer-Lauf produziert werden, wird als Ertrag bezeichnet. Der Ertrag hat einen direkten Einfluss auf die Fertigungskosten. Eine Vorrichtung mit einem Ertrag von 5% ist ca. zehn Mal so teuer in der Herstellung wie eine identische Vorrichtung mit einem Ertrag von 50%.In most cases, monolithic circuits are irreparable if they are defective during manufacture. The percentage of functional devices produced from a wafer run is called yield. Yield has a direct impact on manufacturing costs. A device with a 5% yield is approximately ten times more expensive to manufacture than an identical device with a 50% yield.

Es gibt drei grundlegende Verfahren zur Ertragsmessung:There are three basic methods for measuring yield:

1) Fertigungsertrag1) Manufacturing yield

2) Wafersorten-Ertrag2) Wafer grade yield

3) Abschlussprüfungsertrag3) Audit income

Für große Werkzeuge ist es normalerweise der Wafersorten-Ertrag, der den Gesamtertrag am stärksten einschränkt. Erfindungsgemäße Ganzseiten-Farbköpfe sind im Vergleich zu typischen VLSI-Schaltungen sehr groß. Ein guter Wafersorten- Ertrag ist für die kostengünstige Fertigung derartiger Köpfe wichtig.For large tools, it is usually the wafer grade yield that most limits the overall yield. Inventive full-page color heads are very large compared to typical VLSI circuits. A good wafer yield is important for the cost-effective production of such heads.

Fig. 5 zeigt eine Kurve, auf der für ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines monolithischen Ganzseiten-Farbdruckkopfs im A4-Format der Wafersorten-Ertrag gegen die Fehlerdichte abgetragen ist. Der Kopf ist 215 mm lang und 5 mm breit. Der nicht fehlertolerante Ertrag 198 wird gemäß dem Murphy-Verfahren berechnet, das als Verfahren zur Ertragsvoraussage weit verbreitet ist. Bei einer Fehlerdichte von einem Fehler pro cm² ergibt sich nach dem Murphy-Verfahren ein Ertrag von weniger als 1%. Dies bedeutet, dass über 99% der gefertigten Köpfe entsorgt werden müssten. Dieser niedrige Ertrag ist nicht wünschenswert, da die Druckkopf- Fertigungskosten unangemessen hoch würden.Fig. 5 shows a curve plotting wafer yield against defect density for an embodiment of the invention of a monolithic full-page color print head in A4 format. The head is 215 mm long and 5 mm wide. The non-defect tolerant yield 198 is calculated according to the Murphy method, which is widely used as a method for predicting yield. With a defect density of one defect per cm², the Murphy method results in a yield of less than 1%. This means that over 99% of the heads manufactured would have to be disposed of. This low yield is undesirable because the print head manufacturing costs would be unreasonably high.

Das Murphy-Verfahren ermittelt die Wirkung einer ungleichmäßigen Fehlerverteilung. Fig. 5 zeigt eine Kurve für einen nicht fehlertoleranten Ertrag 197, die die Fehlergruppenbildung durch Einbeziehen eines Fehlergruppierungs-Faktors explizit modelliert. Der Fehlergruppierungs-Faktor ist in der Fertigung ein nicht kontrollierbarer Parameter, stellt jedoch für diesen Prozess ein charakteristisches Merkmal dar. Der Fehlergruppierungs-Faktor für Fertigungsprozesse kann den Wert von ca. 2 annehmen, wobei in diesem Fall die Ertragsvorhersagen eng mit dem Murphy- Verfahren übereinstimmen.The Murphy method determines the effect of an uneven distribution of defects. Fig. 5 shows a curve for a non-fault-tolerant yield 197 that explicitly models the defect grouping by including a defect grouping factor. The defect grouping factor is an uncontrollable parameter in manufacturing, but is a characteristic feature of this process. The defect grouping factor for manufacturing processes can take on a value of about 2, in which case the yield predictions closely match the Murphy method.

Eine Lösung des durch den niedrigen Ertrag verursachten Problems besteht darin, eine Fehlertoleranz vorzusehen, indem Funktionseinheiten auf dem Chip redundant angelegt werden, die die fehlerhaften Funktionseinheiten ersetzen können.One solution to the problem caused by low yield is to provide fault tolerance by adding redundant functional units on the chip that can replace the faulty functional units.

In Speicher-Chips und in den meisten Waferintegrations-Vorrichtungen ist die physische Lage redundanter Untereinheiten auf dem Chip ohne Bedeutung. In Druccköpfen kann die redundante Untereinheit jedoch ein oder mehrere Druck-Betätigungselemente umfassen. Diese müssen ein festes räumliches Verhältnis zu der zu druckenden Seite aufweisen. Um einen Punkt in derselben Position zu drucken, die das fehlerhafte Betätigungselement einnimmt, dürfen die redundanten Betätigungselemente nicht in der Richtung angeordnet werden, in der keine Abtastung erfolgt. Fehlerhafte Betätigungselemente sind jedoch durch redundante Betätigungselemente ersetzbar, die in der Abtastrichtung angeordnet sind. Um sicherzustellen, dass das redundante Betätigungselement den Punkt in derselben Position wie das fehlerhafte Betätigungselement druckt, ist die zeitliche Steuerung der an das redundante Betätigungselement übertragenen Daten derart veränderbar, dass die Verschiebung in Abtastrichtung kompensiert wird.In memory chips and in most wafer integration devices, the physical location of redundant subunits on the chip is not important. In printheads, however, the redundant subunit may comprise one or more print actuators. These must have a fixed spatial relationship to the page to be printed. In order to print a dot in the same position as the faulty actuator, the redundant actuators must not be arranged in the direction in which no scanning takes place. Faulty actuators, however, can be replaced by redundant actuators arranged in the scanning direction. To ensure that the If the redundant actuator prints the dot in the same position as the faulty actuator, the timing of the data transmitted to the redundant actuator can be changed to compensate for the shift in the scanning direction.

Um alle Düsen ersetzen zu können, muss ein vollständiger Satz von Ersatzdüsen vorgesehen werden, was einer Redundanz von 100% entspricht. Eine 100%ige Redundanz würde normalerweise die Chip-Fläche verdoppeln, wodurch sich der primäre Ertrag drastisch reduzierte, bevor redundante Einheiten ersetzt würden, und womit ein Großteil der Vorteile der Fehlertoleranz beseitigt würde.To replace all nozzles, a full set of spare nozzles must be provided, providing 100% redundancy. 100% redundancy would typically double the chip area, dramatically reducing primary yield before redundant units are replaced, and eliminating much of the benefit of fault tolerance.

Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden die kleinsten physischen Abmessungen des Druckkopf-Chips jedoch durch die Breite der zu druckenden Seite bestimmt, durch die Empfindlichkeit des Druckkopf-Chips und durch Einschränkungen in der Fertigung der Tintenkanäle, die Tinte zur Rückseite des Chips transportieren. Die kleinste praktikable Größe für einen Ganzseiten-Farbdruckkopf für den Druck im A4-Format beträgt ca. 215 mm · 5 mm. Diese Größe ermöglicht eine 100% Redundanz, ohne die Chip-Fläche wesentlich zu vergrößern, wenn eine 1,5 um CMOS-Fertigungstechnik eingesetzt wird. Somit ist ein hoher Grad an Fehlertoleranz möglich, ohne den primären Ertrag wesentlich einzuschränken.However, in embodiments of the invention, the smallest physical dimensions of the printhead chip are determined by the width of the page to be printed, the sensitivity of the printhead chip, and limitations in the manufacturing of the ink channels that transport ink to the back of the chip. The smallest practical size for a full-page color printhead for A4-format printing is approximately 215 mm x 5 mm. This size allows 100% redundancy without significantly increasing the chip area when using a 1.5 um CMOS manufacturing technique. Thus, a high degree of fault tolerance is possible without significantly limiting the primary yield.

Wenn in eine Vorrichtung Fehlertoleranz integriert wird, sind die Standard-Ertragsgleichungen nicht verwendbar. Statt dessen müssen die Mechanismen und das Maß der Fehlertoleranz speziell analysiert und in die Ertragsgleichung einbezogen werden. Fig. 5 zeigt den fehlertoleranten Wafersorten-Ertrag 199 für einen Ganzseiten- Farbdruckkopf für den Druck im A4-Format, der verschiedene Formen der Fehlertoleranz umfasst, deren Modellierung in die Ertragsgleichung eingeflossen ist. Diese Kurve zeigt den projizierten Ertrag als Funktion der Fehlerdichte und Fehlergruppierung. Die Ertragsprojektion in Fig. 5 zeigt, dass eine gründlich implementierte Fehlertoleranz den Wafersorten-Ertrag unter gleichen Fertigungsbedingungen von unter 1% auf über 90% steigen lassen kann. Dies kann die Fertigungskosten um den Faktor 100 verringern.When fault tolerance is built into a device, the standard yield equations are not applicable. Instead, the mechanisms and degree of fault tolerance must be specifically analyzed and incorporated into the yield equation. Fig. 5 shows the fault-tolerant wafer sort yield 199 for a full-page color printhead for A4-size printing, which includes various forms of fault tolerance, the modeling of which has been incorporated into the yield equation. This curve shows the projected yield as a function of defect density and defect grouping. The yield projection in Fig. 5 shows that a thoroughly implemented fault tolerance can increase the wafer sort yield from less than 1% to over 90% under the same manufacturing conditions. This can reduce manufacturing costs by a factor of 100.

Fehlertoleranz empfiehlt sich zur Verbesserung des Ertrags und der Zuverlässigkeit von Druckköpfen mit Tausenden von Druckdüsen, wodurch Druckköpfe für das Ganzseitenformat möglich werden. Die Fehlertoleranz bildet jedoch keinen wesentlichen Teil der vorliegenden Erfindung.Fault tolerance is recommended to improve the yield and reliability of printheads with thousands of print nozzles, making printheads suitable for Full page format may be possible. However, error tolerance does not form an essential part of the present invention.

Fehlertolerante Drop-on-Demand-Drucksysteme werden in den folgenden, am 12. April 1995 eingereichten australischen Patentanmeldungen beschrieben:Fault-tolerant drop-on-demand printing systems are described in the following Australian patent applications filed on 12 April 1995:

"Integrated fault tolerance in printing mechanisms" (Aktenzeichen: PN2324);"Integrated fault tolerance in printing mechanisms" (reference number: PN2324);

"Block fault tolerance in integrated printing heads" (Aktenzeichen: PN2325);"Block fault tolerance in integrated printing heads" (reference number: PN2325);

"Nozzle duplication for fault tolerance in integrated printing heads" (Aktenzeichen: PN2326);"Nozzle duplication for fault tolerance in integrated printing heads" (reference number: PN2326);

"Detection of faulty nozzles in printing heads" (Aktenzeichen: PN2327); und"Detection of faulty nozzles in printing heads" (reference number: PN2327); and

"Fault tolerance in high volume printing presses" (Aktenzeichen: PN2328)."Fault tolerance in high volume printing presses" (reference number: PN2328).

Drucksystem-AusführungsbeispielePrinting system examples

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines digitalen, elektronischen Drucksystems mit einem erfindungsgemäßen Druckkopf. Der monolithische Druckkopf 50 druckt ein Bild 60, das aus einer Vielzahl von Tintentropfen auf einem Empfangsmedium 51 zusammengesetzt ist. Dieses Medium ist typischerweise Papier, kann jedoch auch Transparentfolie, Tuch oder eine andere im wesentlichen flache Oberfläche sein, die Tintentropfen aufnehmen kann. Das zu druckende Bild wird über eine Bildquelle 52 bereitgestellt, bei der es sich um jeden Bildtyp handeln kann, der in ein zweidimensionales Pixel-Array umwandelbar ist. Typische Bildquellen sind Bildscanner, digital gespeicherte Bilder, Bilder, die in einer Seitenbeschreibungssprache (PDL / Page Description Language) codiert sind, beispielsweise in Adobe Postscript, Adobe Postscript Level 2 oder Hewlett-Packard PCL 5, Seitenbilder, die von einer Rastervorrichtung auf Basis von Prozedurenaufrufen erzeugt worden sind, etwa Apple QuickDraw, Apple Quickdraw GX oder Microsoft GDI, oder ein Text in einer elektronischen Form, wie beispielsweise ASCII. Diese Bilddaten werden dann von einem Bildverarbeitungssystem 53 in ein zweidimensionales Array von Pixeln umgewandelt, die für das jeweilige Drucksystem geeignet sind. Hierbei kann es sich um ein einfarbiges oder um ein mehrfarbiges Drucksystem handeln, wobei die Daten typischerweise 1 bis 32 Bit pro Pixel aufweisen, je nach Bildquelle und technischen Daten des Drucksystems. Das Bildverarbeitungssystem kann ein Rasterbildprozessor (RIP) sein, wenn das Quellenbild eine Seitenbeschreibung ist, oder es kann sich um ein zweidimensionales Bildverarbeitungssystem handeln, wenn das Quellenbild von einem Scanner stammt.Fig. 6 shows a schematic representation of a digital, electronic printing system with a print head according to the invention. The monolithic print head 50 prints an image 60 composed of a plurality of ink drops on a receiving medium 51. This medium is typically paper, but can also be transparency film, cloth or another substantially flat surface that can receive ink drops. The image to be printed is provided by an image source 52, which can be any type of image that can be converted into a two-dimensional pixel array. Typical image sources are image scanners, digitally stored images, images encoded in a page description language (PDL) such as Adobe Postscript, Adobe Postscript Level 2 or Hewlett-Packard PCL 5, page images generated by a raster device based on procedure calls such as Apple QuickDraw, Apple Quickdraw GX or Microsoft GDI, or text in an electronic form such as ASCII. This image data is then converted by an image processing system 53 into a two-dimensional array of pixels suitable for the particular printing system. This may be a monochrome or a multi-color printing system, with the data typically comprising 1 to 32 bits per pixel, depending on the image source and specifications of the printing system. The image processing system may be a raster image processor (RIP) if the source image is a page description, or it may be a two-dimensional image processing system if the source image comes from a scanner.

Wenn Halbtonbilder erforderlich sind, dann wird ein Rastersystem 54 benötigt. Geeignete Rasterverfahren basieren auf dem Dispersed Dot Ordered Dither-Veriahren oder auf der Fehlerdiffusion. Auch deren Varianten sind geeignet, die als stochastische Rasterung oder Frequenzmodulationsrasterung bekannt sind. Das häufig für den Offset-Druck verwendete Rastersystem - Clustered Dot Ordered Dither - ist nicht empfehlenswert, da bei dieser Technik die effektive Bildauflösung unnötigerweise verloren geht. Als Ausgabe erzeugt das Rastersystem ein binäres einfarbiges oder mehrfarbiges Bild mit der Auflösung des erfindungsgemäßen Drucksystems.If halftone images are required, then a screening system 54 is needed. Suitable screening methods are based on the dispersed dot ordered dither method or on error diffusion. Variants of these are also suitable, which are known as stochastic screening or frequency modulation screening. The screening system often used for offset printing - clustered dot ordered dither - is not recommended because the effective image resolution is unnecessarily lost with this technique. As an output, the screening system produces a binary single-color or multi-color image with the resolution of the printing system according to the invention.

Das Binärbild wird von einer Datenphasenlagen-Schaltung 55 verarbeitet (die, wie in Fig. 4 gezeigt, in einen Kopfsteuerungs-ASIC 400 integriert sein kann), welche die Pixeldaten in der richtigen Reihenfolge an die Datenschieberegister 56 übergibt. Die Folgesteuerung der Daten ist erforderlich, um die Düsenanordnung und die Papierbewegung zu kompensieren. Wenn die Daten in die Schieberegister 56 geladen worden sind, werden sie parallel an die Heizungstreiberschaltungen 57 übergeben. Zum richtigen Zeitpunkt verbinden die Treiberschaltungen 57 die entsprechenden Heizungen 58 elektronisch mit dem von der Impulsgeberschaltung 61 und dem Spannungsregler 62 erzeugten Spannungsimpuls. Die Heizungen 58 erwärmen die Spitze der Düsen 59, was sich auf die physischen Eigenschaften der Tinte auswirkt. Die Tintentropfen 60 treten aus den Düsen in einem Muster aus, das den digitalen Impulsen entspricht, die an die Heizungstreiberschaltungen angelegt wurden. Der Druck der Tinte in dem Tintenbehälter 64 wird durch den Druckregler 63 reguliert. Die ausgewählten Tropfen der Tintentropfen 60 werden von dem Tintenkörper durch die gewählten Trennvorrichtungen getrennt und berühren das Empfangsmedium 51. Während des Druckvorgangs wird das Empfangsmedium 51 von dem Papiertransportsystem 65 fortlaufend relativ zum Druckkopf 50 bewegt. Wenn der Druckkopf 50 die volle Breite des Druckbereichs des Empfangsmediums 51 umfasst, braucht das Empfangsmedium 51 nur in einer Richtung bewegt zu werden, und der Druckkopf 50 kann in seiner Position verbleiben. Wenn ein kleinerer Druckkopf 50 verwendet wird, muss ein Rasterabtastsystem implementiert werden. Dies wird typischerweise dadurch erreicht, indem der Druckkopf 50 sich in Richtung der kurzen Seite des Empfangsmediums 51 bewegt, während das Empfangsmedium 51 sich in Richtung der langen Seite bewegt.The binary image is processed by a data phasing circuit 55 (which may be incorporated into a head control ASIC 400 as shown in Figure 4) which passes the pixel data in the correct order to the data shift registers 56. Sequencing of the data is necessary to compensate for nozzle placement and paper movement. Once the data has been loaded into the shift registers 56, it is passed in parallel to the heater driver circuits 57. At the appropriate time, the driver circuits 57 electronically connect the appropriate heaters 58 to the voltage pulse generated by the pulser circuit 61 and the voltage regulator 62. The heaters 58 heat the tip of the nozzles 59, which affects the physical properties of the ink. The ink drops 60 emerge from the nozzles in a pattern corresponding to the digital pulses applied to the heater driver circuits. The pressure of the ink in the ink reservoir 64 is regulated by the pressure regulator 63. The selected drops of ink drops 60 are separated from the ink body by the selected separators and contact the receiving medium 51. During the printing process, the receiving medium 51 is continuously moved relative to the print head 50 by the paper transport system 65. If the print head 50 encompasses the full width of the print area of the receiving medium 51, the receiving medium 51 only needs to be moved in one direction and the print head 50 can remain in position. If a smaller print head 50 is used, a raster scanning system must be implemented. This is typically achieved by having the print head 50 move toward the short side of the receiving medium 51, while the receiving medium 51 moves toward the long side.

Tintenpatrone für den DruckInk cartridge for printing

Die aktuelle Erfindung ist eine auswechselbare Tintenpatrone und ein Patronenverbindungssystem, das zur Verwendung mit Vollfarben-Druckköpfen geeignet ist, die mit Tinten unter Druck arbeiten. Die Tintenpatrone umfasst einen festen Behälter, der Tintegefäße beinhaltet, die mindestens eine flexible Fläche umfassen. Für eine monochrome Tintenpatrone reicht ein Tintengefäß aus. Für einen Vollfarben- Prozessdruckkopf werden vier Tintengefäße verwendet. Diese Gefäße enthalten Tinte in der Farbe cyan (blaugrün), magenta (purpur), gelb und schwarz. Die Tintengefäße brauchen nicht dieselbe Größe zu haben. Da normalerweise mehr schwarze Tinte als farbige Tinte verbraucht wird, kann das schwarze Tintengefäß größer sein als die anderen Gefäße. Die Tintengefäße umfassen ein Mittel, durch das Tinte aus den Gefäßen zum Druckkopf fließen kann, wenn die Tintenpatrone in der Druckvorrichtung installiert ist. Koinzidenzkraft-Drucksysteme benötigten Tinte, die unter Druck steht. Die vorliegende Erfindung verwendet ein einzelnes Drucksystem, um einen identischen Druck an alle vier Tintenfarben zu liefern. Dies wird dadurch erreicht, dass die die Tintengefäße in der Tintenpatrone umgebende Flüssigkeit mit Druck beaufschlagt wird. Da die Tintengefäße eine flexible Membrane umfassen, wird der Druck in der Tintenpatrone auf die Tinte übertragen. Eine Vierfarben-Tintenpatrone hat fünf Flüssigkeitsöffnungen in dem festen Behälter. Es gibt eine Auslassöffnung für Tinte für jede der vier Farben und eine Auslassöffnung für die unter Druck stehende Flüssigkeit. Der Tintendruck kann durch eine Pumpe aufgebaut werden, die mit der Einlassöffnung für die Druckflüssigkeit verbunden ist.The current invention is a replaceable ink cartridge and cartridge connection system suitable for use with full-color printheads that use inks under pressure. The ink cartridge includes a rigid container containing ink wells that include at least one flexible surface. For a monochrome ink cartridge, one ink well is sufficient. For a full-color process printhead, four ink wells are used. These wells contain ink in the colors cyan (blue-green), magenta (purple), yellow and black. The ink wells do not need to be the same size. Since more black ink is typically used than colored ink, the black ink well can be larger than the other wells. The ink wells include a means by which ink can flow from the wells to the printhead when the ink cartridge is installed in the printing device. Coincidence force printing systems required ink that was under pressure. The present invention uses a single printing system to provide identical pressure to all four ink colors. This is achieved by applying pressure to the fluid surrounding the ink vessels in the ink cartridge. Since the ink vessels comprise a flexible membrane, the pressure in the ink cartridge is transferred to the ink. A four-color ink cartridge has five fluid ports in the rigid container. There is an ink outlet port for each of the four colors and an outlet port for the pressurized fluid. Ink pressure can be built up by a pump connected to the printing fluid inlet port.

Die Tropfengröße in den Koinzidenzkraft-Druckköpfen kann durch den Tintendruck beeinflusst werden. Um eine durchgängige Tintentropfengröße zu wahren, sollte der Druck geregelt werden. Dies lässt sich durch ein beliebiges Mittel nach dem Stand der Technik erzielen, etwa eine mechanische Regelung, eine analoge elektronische Regelung oder eine digitale, elektronische Regelung.The drop size in the coincidence force printheads can be influenced by the ink pressure. To maintain a consistent ink drop size, the pressure should be controlled. This can be achieved by any state-of-the-art means, such as mechanical control, analog electronic control, or digital electronic control.

Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer auswechselbaren Tintenpatrone 770. Diese Tintenpatrone ist in eine Aufnahme 782 "eingesteckt" dargestellt. Die Patrone ist für einen Vierfarbendrucker dargestellt, so dass vier Tintengefäße vorhanden sind. Die Patrone enthält ein blaugrünes Tintengefäß 772, ein purpurfarbenes Tintengefäß 773, ein gelbes Tintengefäß 774 und ein schwarzes Tintengefäß 775. Jedes Tintengefäß kann eine völlig flexible "Tasche" sein, die aus einer dünnen Kunststoff- oder Gummimembrane hergestellt ist, oder es kann sich um ein festes Gefäß mit einer oder mehreren flexiblen oder beweglichen Flächen handeln. Die Tintengefäße sind in einem festen Behälter 771 enthalten. Der Behälter 771 kann aus Spritzgießkunststoff, Metall oder anderen Materialien bestehen. Der Behälter 771 muss vollständig abgedichtet sein, mit Ausnahme der vier Tintenaustrittsöffnungen 776 und der Einlassöffnung 783 für die Druckflüssigkeit.Fig. 8 shows a schematic representation of a replaceable ink cartridge 770. This ink cartridge is shown "inserted" into a receptacle 782. The cartridge is shown for a four-color printer so that there are four ink wells. The cartridge contains a teal ink well 772, a purple ink well 773, a yellow ink well 774 and a black ink well 775. Each ink well may be a completely flexible "pocket" made from a thin plastic or rubber membrane, or it may be a solid well with one or more flexible or movable surfaces. The ink wells are contained in a solid container 771. The container 771 may be made of injection molded plastic, metal or other materials. The container 771 must be completely sealed except for the four ink outlet ports 776 and the printing fluid inlet port 783.

Die Eigenschaften der Druckflüssigkeit, die die Tintengefäße umgibt, sind nicht von wesentlicher Bedeutung. Geeignete Flüssigkeiten umfassen Luft, Wasser und Öl. Wenn voll flexible Tintengefäße verwendet werden, ist es empfehlenswert, diese Gefäße durch geeignete Mittel zu haltern, um eine Beschädigung während der Handhabung der Tintenpatrone zu vermeiden. Dies lässt sich dadurch erreichen, indem man die Tintengefäße in ein festes oder halbfestes "schwammartiges" Material 781 einbettet, durch das die Druckflüssigkeit strömen kann. Geeignet sind beispielsweise expandierte Kunststoffschäume, wie Polyurethanschaum. Alternativ hierzu können getrennte Abteilungen für jede Tintenfarbe spritzgegossen werden, wie in Fig. 9 gezeigt.The properties of the printing fluid surrounding the ink vessels are not of essential importance. Suitable fluids include air, water and oil. When fully flexible ink vessels are used, it is recommended that these vessels be supported by suitable means to avoid damage during handling of the ink cartridge. This can be achieved by embedding the ink vessels in a solid or semi-solid "sponge-like" material 781 through which the printing fluid can flow. For example, expanded plastic foams such as polyurethane foam are suitable. Alternatively, separate compartments for each ink color can be injection molded, as shown in Fig. 9.

Die Aufnahme 782 umfasst fünf Flüssiganschlüsse. Vier Flüssiganschlüsse 786 sind für den Tintenauslass bestimmt, ein Flüssiganschluss 787 für den Druckflüssigkeitseinlass. Diese Flüssiganschlüsse können als einfache Metallröhrchen mit kegelförmigen Enden ausgebildet sein. Wenn die Tintenpatrone in die Aufnahme gesteckt wird, durchstechen die Tintenauslass-Flüssiganschlüsse eine Dichtung (die wiederverschließbar ausgebildet sein kann), um einen Weg für die Tinte von den Tintengefäßen zu dem Druckkopf zu öffnen. Die Tinte kann über Schläuche zum Druckkopf fließen. Für eine Vollfarben-Prozessdruck-Tintenpatrone mit vier Tintenfarben werden vier Schläuche benötigt. Dies sind ein blaugrüner Tintenschlauch 777, ein purpurfarbener Tintenschlauch 778, ein gelber Tintenschlauch 779 und ein schwarzer Tintenschlauch 780.The receptacle 782 includes five fluid connectors. Four fluid connectors 786 are for the ink outlet, one fluid connector 787 for the printing fluid inlet. These fluid connectors can be designed as simple metal tubes with tapered ends. When the ink cartridge is inserted into the receptacle, the ink outlet fluid connectors pierce a seal (which can be designed to be resealable) to open a path for the ink from the ink wells to the print head. The ink can flow to the print head via tubes. For a full-color process printing ink cartridge with four ink colors, four tubes are required. These are a teal ink tube 777, a purple ink tube 778, a yellow ink tube 779 and a black ink tube 780.

Die Einlassöffnung 783 für die Druckflüssigkeit ist mit der Pumpe 784 durch den Flüssiganschluss 787 verbunden, wenn die Tintenpatrone in die Aufnahme 782 eingesteckt wird. Der Druck wird durch den Druckregler 785 reguliert. Der Druckregler ist durch mechanische oder elektronische Mittel betreibbar. Es gibt zahlreiche Mittel nach dem Stand der Technik, um den Druck von Flüssigkeiten zu regulieren.The inlet port 783 for the printing fluid is connected to the pump 784 through the fluid connector 787 when the ink cartridge is inserted into the receptacle 782. The pressure is regulated by the pressure regulator 785. The pressure regulator is operable by mechanical or electronic means. There are numerous means in the art for regulating the pressure of fluids.

Fig. 9 zeigt eine auseinandergezogene, perspektivische Darstellung einer möglichen physischen Konfiguration einer auswechselbaren Tintenpatrone 770. Die gezeigte Patrone ist für einen Vierfarbendrucker ausgelegt und umfasst daher vier Tintengefäße. Die Patrone enthält ein blaugrünes Tintengefäß 772, ein purpurfarbenes Tintengefäß 773, ein gelbes Tintengefäß 774 und ein schwarzes Tintengefäß 775. Die bewegliche Fläche des Tintengefäßes ist eine Membran 765, die aus einem dünnen, flexiblen Kunststoff- oder Latexmaterial vakuumgeformt ist. Die Tintengefäße sind in einem festen, durch Spritzgießen geformten Kunststoffbehälter angeordnet, der in zwei Teilen ausgebildet ist, einem Gehäuse 760 und einem Deckel 761. Während der Fertigung wird die flexible Membran in dem Gehäuse des Behälters angeordnet und mit Tinte aus einer der vier Farben befüllt. Der Deckel 761 wird dann mit dem Gehäuse 760 per Ultraschall verschweißt. Das Gehäuse wird bis auf die vier Tintenauslassöffnungen 776 und die Druckflüssigkeits-Einlassöffnung 783 abgedichtet. Ein Kanal 766 verbindet alle vier Behälter mit einer Druckflüssigkeits- Einlassöffnung. Die Rippen 763 dienen beide dazu, die flexible Membran 765 genau zu platzieren und einen Kontakt zwischen dem Behältergehäuse 760 und dem Behälterdeckel 761 für das Ultraschallschweißen herzustellen. Der Behälter kann auch "polarisierende" Rippen 762 besitzen, um zu verhindern, dass er in falscher Richtung eingeschoben wird. Die vier Tintenauslassöffnungen 776 können poröse Einsätze besitzen, um zu verhindern, dass Tinte während der Handhabung austritt. Für die Einlassöffnung 783 für die Druckflüssigkeit ist dieser poröse Einsatz nicht erforderlich.Figure 9 shows an exploded perspective view of one possible physical configuration of a replaceable ink cartridge 770. The cartridge shown is designed for a four-color printer and therefore includes four ink wells. The cartridge contains a teal ink well 772, a purple ink well 773, a yellow ink well 774, and a black ink well 775. The movable surface of the ink well is a membrane 765 which is vacuum formed from a thin, flexible plastic or latex material. The ink wells are arranged in a rigid, injection molded plastic container which is formed in two parts, a housing 760 and a lid 761. During manufacturing, the flexible membrane is arranged in the housing of the container and filled with ink of one of the four colors. The lid 761 is then ultrasonically welded to the housing 760. The housing is sealed except for the four ink outlet ports 776 and the printing fluid inlet port 783. A channel 766 connects all four containers to a printing fluid inlet port. The ribs 763 both serve to precisely place the flexible membrane 765 and to provide contact between the container housing 760 and the container lid 761 for ultrasonic welding. The container may also have "polarizing" ribs 762 to prevent it from being inserted in the wrong direction. The four ink outlet ports 776 may have porous inserts to prevent ink from leaking out during handling. The printing fluid inlet port 783 does not require this porous insert.

Diese Konfiguration lässt sich zu niedrigen Kosten mit Spritzgießkomponenten herstellen. Die Konstruktion der Maschinen zur Herstellung dieser Tintenpatronen in hoher Stückzahl stellt kein Problem dar.This configuration can be manufactured at low cost using injection molded components. Designing the machines to produce these ink cartridges in high volume is not a problem.

Tintenverteilung in VollfarbendruckköpfenInk distribution in full-color printheads

Wenn ein Vollfarbendruckkopf in einem Drucksystem vorgesehen wird, ist es notwendig, die vier Tintenfarben dem einzelnen Kopf bereitzustellen, während ein Vermischen der Farben vermieden wird. Dies lässt sich durch Verwendung von Teilen erreichen, die mit üblichen Kunststoff-Spritzgießtechniken hergestellt werden.When a full-color print head is included in a printing system, it is necessary to provide the four ink colors to the single head while avoiding color mixing. This can be achieved by using parts manufactured using common plastic injection molding techniques.

Fig. 9 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung eines mechanischen Diagramms einer möglichen Konfiguration einer Tinteneinspeisung für einen Vollfarbendruckkopf. Der Vollfarbendruckkopf 740 enthält vier Düsenbänder, die Tinte der vier Prozessdruckfarben drucken. In diesem Diagramm zeigt der Kopf 740 nach unten, und die Rückseite des Kopfes ist sichtbar. Das empfohlene Verfahren zur Herstellung großer monolithischer Köpfe umfasst einen Prozess zum direkten Ätzen von "Tintendüsenzylindern" in das Siliziumsubstrat, um zugespitzte zylindrische Löcher auszubilden. In diesem Fall kann die Tinte von der Rückseite des Kopfes eingespeist werden. Der Kopf umfasst zudem ein Band von "blaugrünen Düsen" 741, um blaugrüne Tinte zu drucken. Ein weiteres Band von "purpurfarbenen Düsen" 742 dient zum Drucken purpurfarbener Tinte. Ein weiteres Band von "gelben Düsen" 743 dient zum Drucken gelber Tinte. Ein weiteres Band von "schwarzen Düsen" 744 dient zum Drucken schwarzer Tinte.Figure 9 shows an exploded view of a mechanical diagram of one possible ink delivery configuration for a full-color printhead. The full-color printhead 740 includes four nozzle bands that print ink of the four process colors. In this diagram, the head 740 is facing down, and the back of the head is visible. The recommended method for manufacturing large monolithic heads includes a process for directly etching "ink nozzle cylinders" into the silicon substrate to form tapered cylindrical holes. In this case, the ink can be fed from the back of the head. The head also includes a band of "blue-green nozzles" 741 to print blue-green ink. Another band of "purple nozzles" 742 is for printing purple ink. Another band of "yellow nozzles" 743 is for printing yellow ink. Another band of "black nozzles" 744 is used for printing black ink.

Die Tinte muss gefiltert werden, um zu verhindern, dass Teilchenverunreinigungen in den Druckkopf eintreten. Wenn Teilchen, die größer als der Durchmesser der Düsenspitze sind, in den Druckkopf eintreten, kann eine Düse verstopfen. Ein geeigneter Filtertyp ist ein Membranfilter mit einer Maschenweite von 10 um absolut, das auf der Rückseite des monolithischen Druckkopfs 740 montiert werden kann.The ink must be filtered to prevent particle contamination from entering the printhead. If particles larger than the nozzle tip diameter enter the printhead, a nozzle may become clogged. A suitable type of filter is a membrane filter with a mesh size of 10 µm absolute, which can be mounted on the back of the 740 monolithic printhead.

Ein Tintenzufuhrverteiler 750 führt Tinte der entsprechenden Farbe zu allen Düsen. Der Abstand zwischen den Düsen der verschiedenen Farben beträgt ca. 1 mm, so dass der Tintenzufuhrverteiler 750 unter Verwendung eines Präzisionsspritzgießverfahrens für Kunststoffmaterialien herstellbar ist. Eine Kunststoffinnenwand von 0,5 mm Dicke und einer Maßtoleranz von 0,1 mm ist für diese Konstruktion geeignet und lässt sich mit aktuell verfügbaren Spritzgießverfahren erreichen. Der Tintenzufuhrverteiler 750 hat vier Kanäle für den Tintenstrom. Der Kanal 751 speist die blaugrünen Düsen 741 mit blaugrüner Tinte. Der Kanal 752 speist die purpurfarbenen Düsen 742 mit purpurfarbener Tinte. Der Kanal 753 speist die gelben Düsen 743 mit gelber Tinte. Der Kanal 754 speist die schwarzen Düsen 744 mit schwarzer Tinte. Der Tintenzufuhrverteiler 750 ist mit einer einfachen, zweiteiligen Spritzgießform mit vertikalem Zug herstellbar.An ink supply manifold 750 supplies ink of the corresponding color to all nozzles. The distance between the nozzles of the different colors is approximately 1 mm, so that the ink supply manifold 750 can be manufactured using a precision injection molding process for plastic materials. A plastic inner wall of 0.5 mm thickness and a dimensional tolerance of 0.1 mm is suitable for this design and can be achieved with currently available injection molding processes. The ink supply manifold 750 has four channels for the ink flow. Channel 751 supplies the teal nozzles 741 with teal ink. Channel 752 supplies the magenta Nozzles 742 with purple ink. Channel 753 feeds yellow nozzles 743 with yellow ink. Channel 754 feeds black nozzles 744 with black ink. Ink supply manifold 750 can be manufactured with a simple, two-part, vertical pull injection mold.

Ein Tintenschlauchbefestigungselement 760 ist vorgesehen, um Tintenschläuche, die Tinte der entsprechenden Farbe enthalten, mit dem Tintenzufuhrverteiler 750 zu verbinden. Das Tintenschlauchbefestigungselement 760 hat vier Kanäle für den Flüssigtintenstrom. Die Schlauchbefestigung 761 speist blaugrüne Tinte in den Kanal 751 für blaugrüne Tinte. Die Schlauchbefestigung 762 speist purpurfarbene Tinte in den Kanal 752 für purpurfarbene Tinte. Die Schlauchbefestigung 763 speist gelbe Tinte in den Kanal 753 für gelbe Tinte. Die Schlauchbefestigung 764 speist schwarze Tinte in den Kanal 754 für schwarze Tinte. Das Tintenschlauchbefestigungselement 760 lässt sich mit einer einfachen, dreiteiligen Spritzgießform mit horizontalem Zug (in diesem Diagramm nicht dargestellt) und einem vertikalen Antrieb herstellen.An ink tube attachment 760 is provided to connect ink tubes containing ink of the appropriate color to the ink supply manifold 750. The ink tube attachment 760 has four channels for the liquid ink flow. The tube attachment 761 feeds cyan ink into the cyan ink channel 751. The tube attachment 762 feeds magenta ink into the magenta ink channel 752. The tube attachment 763 feeds yellow ink into the yellow ink channel 753. The tube attachment 764 feeds black ink into the black ink channel 754. The ink tube attachment 760 can be manufactured using a simple three-part injection mold with a horizontal pull (not shown in this diagram) and a vertical drive.

Die zweiteilige Tintenkanalbaugruppe ist auf eine problemlose Fertigung mithilfe standardmäßiger Spritzgießtechniken ausgelegt. Der Zweck der Tintenkanalbaugruppe besteht darin, eine einfache Verbindung aus "makroskopischen" Tintenschläuchen mit den "mikroskopischen" Tintendüsen herzustellen.The two-piece ink channel assembly is designed to be easily manufactured using standard injection molding techniques. The purpose of the ink channel assembly is to provide a simple connection from "macroscopic" ink tubes to the "microscopic" ink nozzles.

Kombinierte Tintenpatrone und PapierkassetteCombined ink cartridge and paper cassette

In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Tintenpatrone mit einer Papierkassette zu kombinieren. Dies ist insbesondere für Drucker der Fall, die kein "Normalpapier" im Standardformat oder im A4-Format verwenden. Ein Beispiel sind Foto- oder Videodrucker, die ggf. darauf ausgelegt sind, glänzendes Papier zu bedrucken, das das Format von "Fotografien" aufweist (ca. 100 mm · 150 mm).In some cases, it may be advantageous to combine the ink cartridge with a paper cassette. This is particularly the case for printers that do not use "plain" paper in standard or A4 format. An example is photo or video printers, which may be designed to print on glossy paper that is the format of "photographs" (approximately 100 mm x 150 mm).

Fig. 10 zeigt ein Beispiel der physischen Konfiguration einer Tintenpatrone und Papierkassette für das Drucken von Fotos. Die Kassette enthält eine Vielzahl von Papierbogen (beispielsweise 24) sowie vier Tintenbehälter. Die Tintenbehälter nehmen ausreichend viel Tinte jeder Farbe auf, um die Bogen zu bedrucken.Fig. 10 shows an example of the physical configuration of an ink cartridge and paper cassette for printing photos. The cassette contains a plurality of paper sheets (for example, 24) and four ink tanks. The ink tanks hold enough ink of each color to print on the sheets.

Dies ist eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer möglichen physischen Konfiguration einer auswechselbaren Tintenpatrone 770, die Papier 768 umfasst. Die gezeigte Kassette ist für einen Vierfarbendrucker ausgelegt, daher sind vier Tintengefäße vorhanden. Die bewegliche Gefäßoberfläche ist eine Membran 765, die aus einem dünnen, flexiblen Kunststoff- oder Latexmaterial ausgebildet ist. Die Tintengefäße sind in einem starren Spritzgießkunststoffbehälter angeordnet, der aus zwei Teilen besteht, einem Gehäuse 760 und einem Deckel 761. Während der Fertigung wird die flexible Membran in dem Gehäuse des Behälters platziert und mit Tinte von einer der vier Farben gefüllt. Der Deckel wird mit dem Gehäuse 760 per Ultraschall verschweißt.This is an exploded perspective view of one possible physical configuration of a replaceable ink cartridge 770 that includes paper 768. The cartridge shown is designed for a four-color printer, so there are four ink wells. The movable well surface is a membrane 765 that is formed from a thin, flexible plastic or latex material. The ink wells are arranged in a rigid injection molded plastic container that consists of two parts, a housing 760 and a lid 761. During manufacturing, the flexible membrane is placed in the housing of the container and filled with ink of one of the four colors. The lid is ultrasonically welded to the housing 760.

Das Kombinieren von Papier- und Tintenverbrauchsmaterialien in einer Kassette oder Patrone reduziert die Komplexität, die die Handhabung von Verbrauchsmaterialien für den Benutzer darstellt.Combining paper and ink supplies in a cassette or cartridge reduces the complexity of handling supplies for the user.

Einige weitere Konfigurationen der Tintenpatrone umfassen:Some other ink cartridge configurations include:

1) Eine einfarbige Tintenpatrone für das monochrome Drucken.1) A single-color ink cartridge for monochrome printing.

2) Eine einfarbige Patrone zum Auswechseln der Tinte in den Fällen, in denen die relative Verwendung der verschiedenen Farben stark voneinander abweicht.2) A single-colour cartridge for replacing ink in cases where the relative use of the different colours differs significantly.

3) Zweifarbige Patronen zum Drucken von Sonderfarben, beispielsweise schwarzer Text mit roten Hervorhebungen.3) Two-color cartridges for printing special colors, such as black text with red highlights.

4) Siebenfarbige Patronen für das Drucken im Verfahren CC'MM'YKK'.4) Seven-colour cartridges for printing using the CC'MM'YKK' method.

5) Für batteriebetriebene Geräte kann eine Batterie auch als Teil der Patrone/Kassette vorgesehen werden.5) For battery-operated devices, a battery can also be provided as part of the cartridge/cassette.

Viele weitere physische Konfigurationen dieser Erfindung lassen sich ohne weiteres ableiten, ohne vom Gegenstand der Erfindung abzuweichen.Many other physical configurations of this invention can be readily devised without departing from the scope of the invention.

Obwohl die Erfindung mit besonderem Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern kann innerhalb des Geltungsbereichs Änderungen und Abwandlungen unterzogen werden.Although the invention has been described with particular reference to preferred embodiments, the invention is not limited thereto, but may be subject to changes and modifications within the scope thereof.

Claims (4)

1. Mit Flüssigtinte arbeitendes Drop-on-Demand Koinzidenzkraft-Drucksystem mit folgenden Komponenten:1. Liquid ink drop-on-demand coincidence force printing system with the following components: - einem Druckkopf (50) mit einer Vielzahl von Tropfen emittierender Düsen (59);- a print head (50) having a plurality of droplet emitting nozzles (59); - einem Tintenzufuhrverteiler (750) mit einer Tintenzuflussöffnung und einer mit den Düsen verbundenen Tintenauslassöffnung;- an ink supply manifold (750) having an ink inlet opening and an ink outlet opening connected to the nozzles; - einer Druckerzeugungsvorrichtung (784, 785), welche einen Überdruck erzeugt;- a pressure generating device (784, 785) which generates an overpressure; - einem gegenüber der Atmosphäre luftdicht verschlossenen Tintenbehälter mit einer mit dem Tintenzufuhrverteiler (750) verbundenen Tintenauslassöffnung und einer mit der Druckerzeugungsvorrichtung (784, 785) verbundenen Einlassöffnung für den Steuerungsdruck;- an ink container hermetically sealed against the atmosphere with an ink outlet opening connected to the ink supply distributor (750) and an inlet opening for the control pressure connected to the pressure generating device (784, 785); - einem Tintenvorrat innerhalb des Behälters;- an ink supply inside the container; - wobei über den Tintenbehälter die Tinte im Verteiler und an den Tropfen emittierenden Düsen mit Steuerungsdruck beaufschlagt werden kann; und- whereby the ink in the distributor and at the droplet-emitting nozzles can be subjected to control pressure via the ink container; and - einer Tropfenauswahlvorrichtung, durch welche die Tinte in den Düsen zur Meniskusverschiebung mit einer Selektionskraft beaufschlagt wird;- a drop selection device by which the ink in the nozzles is subjected to a selection force for moving the meniscus; gekennzeichnet durchmarked by - eine Tropfentrennvorrichtung, die bewirkt, dass verschobene Meniskustintenmengen sich als Tropfen trennen und zu einem Druckbereich bewegen.- a drop separation device that causes displaced meniscus ink volumes to separate as drops and move to a printing area. 2. Drucksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerzeugungsvorrichtung die im Verteiler befindliche Tinte mit einem Druck von mindestens 2% über dem Umgebungsdruck beaufschlagt und wenigstens während der Auswahl und Trennung der Tropfen einen Meniskus mit einer Luft/Tinte-Grenzschicht bildet, und dass die Tropfenauswahlvorrichtung über die Luft/Tinte- Grenzschicht arbeitet, um vorbestimmte Düsen auszuwählen und eine Differenz in der Meniskusposition zwischen Tinte in ausgewählten und nicht ausgewählten Düsen zu erzeugen.2. Printing system according to claim 1, characterized in that the pressure generating device applies a pressure of at least 2% above ambient pressure to the ink in the manifold and forms a meniscus with an air/ink interface at least during the selection and separation of the drops, and that the drop selection device operates across the air/ink interface to select predetermined nozzles and create a difference in meniscus position between ink in selected and non-selected nozzles. 3. Drucksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Düsen zugeordneter Tintenkörper vorgesehen ist, der eine Luft/Tinte-Grenzschicht an jeder Düse bildet; dass die Tropfenauswahlvorrichtung über die Luft/Tinte-Grenzschicht arbeitet, um vorbestimmte Düsen auszuwählen und eine Differenz in der Meniskusposition zwischen Tinte in ausgewählten und nicht ausgewählten Düsen zu erzeugen; und dass die Tropfentrennvorrichtung Tinte von ausgewählten Düsen als Tropfen vom Tintenkörper trennt, während sie ermöglicht, dass Tinte in nicht ausgewählten Düsen zurückgehalten wird, wobei die Tropfenauswahlvorrichtung in der Lage ist, bei nicht vorhandener Tropfentrennvorrichtung die Differenz in der Meniskusposition zu erzeugen.3. A printing system according to claim 1, characterized in that an ink body is provided associated with the nozzles, which forms an air/ink interface at each nozzle; that the drop selection device operates across the air/ink interface to select predetermined nozzles and to create a difference in meniscus position between ink in selected and non-selected nozzles; and that the drop separation device separates ink from selected nozzles as drops from the ink body while allowing ink to be retained in non-selected nozzles, the drop selection device being capable of creating the difference in meniscus position in the absence of the drop separation device. 4. Drucksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Verteiler befindliche Tinte über einen Temperaturbereich von 30ºC einen Abfall in der Oberflächenspannung von mindestens 10 mN/m zeigt, und dass die Tropfenauswahlvorrichtung über die Luft/Tinte-Grenzschicht arbeitet, um vorbestimmte Düsen auszuwählen und eine Differenz in der Meniskusposition zwischen Tinte in ausgewählten und nicht ausgewählten Düsen zu erzeugen.4. A printing system according to claim 1, characterized in that the ink in the manifold exhibits a drop in surface tension of at least 10 mN/m over a temperature range of 30°C, and in that the drop selection device operates across the air/ink interface to select predetermined nozzles and create a difference in meniscus position between ink in selected and non-selected nozzles.
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