DE69935694T2

DE69935694T2 - Ballistische Aerosolmarkiervorrichtung

Info

Publication number: DE69935694T2
Application number: DE69935694T
Authority: DE
Inventors: Eric Fremont Peeters; Jaan Mountain View Noolandi; Raj B. Palo Alto Apte; Philip D. Sunnyvale Floyd; Los Altos Small Jonathan A.; Gregory J. Mississauga Kovacs; Meng H. Briarcliff Manor Lean; Armin R. Palo Alto Volkel; Steven B. Rochester Bolte; An-Chang Hamilton Ontario Shi; Frederick J. San Carlos Endicott; Gregory B. Woodside Anderson; Dan A. Fairport Hays; Joel A. Rochester Kubby; Warren B. San Francisco Jackson; Karen A. Ontario Moffat; Brian T. Burlington McAneney; Richard P.N. Ontario Veregin; Maria N.V. Burlington McDougall; Danielle C. Mississauga Ontario Boils
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1999-09-29
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2019-09-30
Also published as: EP0990523A2; KR100839002B1; BR9904416A; EP0990523B1; JP2000108400A; JP4294812B2; DE69935694D1; KR20000023390A; EP0990523A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen das Gebiet einer Markiervorrichtung und speziell Komponenten für eine Vorrichtung, die in der Lage ist, Markierungs-Material auf ein Substrat aufzubringen durch Einbringen des Markierungs-Materials in einen Hochgeschwindigkeits-Treibgasstrom.
Tintenstrahldrucken ist eine derzeit häufig eingesetzte Drucktechnologie. Es gibt eine Vielzahl von Typen von Tintenstrahldruckern, einschließend Thermal Ink Jet (TIJ), piezoelectric ink Jet, etc.). Im allgemeinen werden flüssige Tintentropfen aus einer Öffnung ausgeschleudert, die an einem Terminus eines Kanals lokalisiert ist. In einem TIJ-Drucker wird beispielsweise ein Tropfen ausgeschleudert, durch die explosive Ausbildung von Gasblasen innerhalb eines tintenbeladenen Kanals. Die Gasblase wird ausgebildet mit Hilfe eines Erhitzungsgerätes, in der Form eines Widerstandes, lokalisiert auf einer Oberfläche des Kanals.
Wir haben verschiedene Nachteile für TIJ-(u.a. Tintenstrahldruck)-Systeme, die dem Stand der Technik bekannt sind, identifiziert. Für ein 300 spot-per-inch (spi) TIJ-System ist die Austrittsöffnung, aus welcher ein Tintentropfen ausgeschleudert wird, typischerweise der Größenordnung von ungefähr 64 μm breite, wobei der Kanal-zu-Kanal-Abstand (pitch) ungefähr 84 μm ist; des weiteren ist für ein 600 dpi-System die Breite ungefähr 35 μm und der Pitch ungefähr 42 μm. Eine Grenze der Größe der Austrittsöffnung bestimmt sich durch die Viskosität der Flüssigtinte, die in diesen Systemen verwendet wird. Es ist möglich, die Viskosität der Tinte abzusenken durch ihr Verdünnen in zunehmenden Mengen an Flüssigkeit (beispielsweise Wasser) mit dem Ziel, die Austrittsöffnungsbreite zu reduzieren. Jedoch führt der erhöhte Flüssigkeitsgehalt der Tinte zu erhöhtem Verschmieren, Papieraufwellen und einer langsameren Trocknungszeit des ausgeschleuderten Tintentropfens, was negativ die Auflösung, Bildqualität (minimale Spotgröße, Zwischen-Farben-Mischung, Spot-Form), etc. beeinträchtigt. Der Effekt dieser Öffnungsbreitenbegrenzung ist, dass die Auflösung des PIJ-Druckens limitiert ist auf beispielsweise gut unterhalb von 900 spi, da die Spotgröße eine Funktion der Austrittsöffnung ist und die Auflösung eine Funktion der Spotgröße eine Funktion der Breite der Austrittsöffnung ist und die Auflösung eine Funktion der Spotgröße.
Andere Nachteile von bekannten Tintenstrahldruck-Technologie bestehen in der Schwierigkeit des Herstellens von Graustufen-Gruppen. Das heißt, es ist sehr schwierig für ein Tintenstrahlsystem variierende Größen an Spots auf einem gedruckten Substrat zu erzeugen. Falls man die propulsive Kraft (Kopf in einem TIJ-System) absenkt, um weniger Tinte auszuschleudern in einem Versuch, einen kleineren Dot zu erzeugen, oder anderweitig die propulsive Kraft erhöht, um mehr Tinte auszuschleudern und dadurch einen größeren Dot zu erzeugen, wird die Trajektorie des ausgeschleuderten Tropfens beeinträchtigt. Dies wiederum macht die exakte Platzierung des Tropfens schwierig oder unmöglich und macht nicht nur das monochrome Graustufendrucken problematisch, sondern auch das multiple Farb-Graustufen-Tintenstrahldrucken impraktikabel. Darüber hinaus wird bevorzugtes Graustufendrucken nicht erhalten, durch Variieren der Dot-Größe, wie dies der Fall ist für TIJ, sonder durch Variieren der Dot-Dichte, während eine Dot-Größe konstant gehalten wird.
Ein weiterer Nachteil für herkömmliche Tintenstrahldrucksysteme besteht in der Rate der erhaltenen Markierung. 80% der Zeit, die benötigt wird, um einen Spot zu drucken, vergeht damit, dass auf dem Tintenstrahlkanal gewartet werden muss, dass er sich mit Tinte durch Kapillarkraft wiederbefüllt. In gewissem Maße fließt eine verdünntere Tinte schneller, führt aber zu dem Problem des Verschmierens, Substrataufwellens, mit der Trocknungszeit etc., wie sie oben diskutiert werden.
Ein Problem, dass den Ausschleuderdrucksystemen gemeinsam ist, ist, dass die Kanäle verstopft werden können. Systeme, wie z.B. TIJ, welche Tintenfarbstoffe auf wässriger Basis einsetzen, sind häufig sensitiv gegen dieses Problem und setzen routinemäßig Nicht-Druck-Zyklen zur Kanalreinigung während des Betriebes ein. Dies ist vonnöten, da die Tinte typischerweise in einer Ausschleudereinheit sitzt, und darauf wartet, ausgeschleudert zu werden, während des Betsiebs und während dieser Wartezeit zu trocknen beginnt, was zu Verklumpungen führt.
Andere Technologien, welche als Hintergrund für die vorliegende Erfindung relevant sein können, schließen ein elektrostatische Steuerelektroden, elektrostatisches Ausschleudern (sogenanntes tone jet) akustisches Tintendrucken und bestimmte Aerosol- und Atomisierungssysteme, wie z. B. Farbstoffsublimation.
US-A-5,113,198 beschreibt einen Druckkopf, welcher sublimierbare Farbstoffe einsetzt.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Ausschleudern eines Markierungs-Materials eine Struktur, welche zumindest zwei benachbarte Kanäle darin aufweist, wobei jeder Kanal eine Austrittsöffnung aufweist; eine Zeichenerzeugungsmaterial-Dosiereinrichtung; und eine Treibmittelquelle, die mit jedem der Kanäle verbunden ist, so dass durch die Treibmittelquelle bereitgestelltes Treibmittel durch die Kanäle strömen kann, um Treibmittelströme dann zu bilden, wobei die Treibmittelströme kinetische Energie haben und jeder der Kanäle den Treibmittelstrom durch die Austrittsöffnung auf den Träger zu leitet und die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass sie teilchenförmiges Zeichenerzeugungsmaterial ausstößt; dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung eine Breite von nicht mehr als 250 μm hat, dass eine Vielzahl von Zeichenerzeugungsmaterial-Behältern kommunizierend mit dem Kanal verbunden sind und dass die Dosiereinrichtung zwischen wenigstens einem der Kanäle und dem Zeichenerzeugungsmaterial-Behälter angeordnet und kommunizierend damit verbunden ist und in der Lage ist, selektiv das teilchenförmige Zeichenerzeugungsmaterial aus dem Behälter in den wenigstens einen Kanal einzuleiten, wobei jeder Behälter kommunizierend mit dem Kanal an beabstandeten Positionen entlang des Kanals verbunden ist, so dass Zeichenerzeugungsmaterial aus jedem der Behälter durch den Kanal gesteuert in die Treibmittelströme eingeleitet werden kann.
In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Abscheiden von Markierungs-Material auf einem Substrat unter Verwendung des Apparates entsprechend des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung das Bewirken, dass Treibmittel in jeden Kanal (46) strömt, wobei das durch die Kanäle strömende Treibmittel so einen Treibmittelstrom mit kinetischer Energie bildet und die Kanäle den Treibmittelstrom auf den Träger zu leiten; und gesteuertes Einleiten von teilchenförmigem Zeichenerzeugungsmaterial in die Treibmittelströme in den Kanälen aus einem oder mehreren der Behälter, die mit den Kanälen verbunden sind; wobei die kinetische Energie des Treibmittelstroms bewirkt, dass das teilchenförmige Zeichenerzeugungsmaterial auf den Träger aufschlägt.
Die vorliegende Erfindung ist ein Teil eines neuen Systems zum Aufbringen eines Markierungs-Materials auf ein Substrat direkt oder indirekt, welches die Nachteile ausräumt, die oben erläutert wurden, wie auch andere Nachteile, welche im weiteren hier diskutiert werden. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung ein System eines Typs dar, welcher ein Treibgas einschließt, welches durch einen Kanal wandert sowie ein Markierungs-Material, welches steuerbar (d.h. modifizierbar bei der Verwendung) eingebracht oder dosiert werden kann in dem Kanal, so dass die Energie des Treibgases das Markierungs-Material auf das Substrat vorwärtstreibt. Das Treibgas ist üblicherweise ein trockenes Gas, welches kontinuierlich durch den Kanal fließt, während die Markierungs-Vorrichtung sich in einer operativen Konfiguration befindet (d.h. in einem Zustand mit "Power On" oder einem ähnlichen Zustand bereit zur Markierung). Das System wird als "ballistische Aerosolmarkiervorrichtung" bezeichnet, in dem Sinn, dass das Markieren realisiert wird dadurch, dass im wesentlichen das Markieren durch Abschießen eines nicht kolloidalen, festen oder halbfesten Teilchens realisiert wird bzw. alternativ eines flüssigen Markierungs-Materials auf ein Substrat. Die Form des Kanals kann in einem gebündelten (oder fokussierten) Flug des Treibgases und Markierungs-Materials auf das Substrat hin resultieren.
Die folgende Zusammenfassung und detaillierte Beschreibung erläutert viele der allgemeinen Merkmale einer ballistischen Aerosolmarkiervorrichtung sowie Verfahren, welche selbige einsetzen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch ein Teilaspekt der hier enthaltenen vollständigen Beschreibung, wie aus den Ansprüchen, die hier vorliegen, offensichtlich wird.
In unserem System kann das Treibgas eingebracht werden in einem Treibgaseinlass in den Kanal, um einen Treibgasstrom auszubilden. Ein Markierungs-Material kann dann in den Treibgasstrom eingebracht werden von einem oder mehreren Markierungs-Material-Einlaßstutzen. Das Treibgas kann in den Kanal bei einer hohen Geschwindigkeit eindringen. Alternativ kann das Treibgas in den Kanal bei einem hohen Druck eingebracht werden und der Kanal kann eine Verengung (beispielsweise de Laval oder eine ähnliche konvergierende/divergierende Düse) enthalten zum Umwandeln des hohen Drucks des Treibgases in eine hohe Geschwindigkeit. In solch einem Fall wird das Treibgas eingebracht in einen Stutzen lokalisiert am proximalen Ende des Kanals (der konvergierenden Region) und die Markierungs-Materialstutzen werden in der Nähe des distalen Endes des Kanals bereitgestellt (am Abschnitt oder weiter stromabwärts gelegen der divergierenden Region), was das Einbringen von Markierungs-Material in den Treibgasstrom ermöglicht.
In dem Fall, wo multiple Stutzen bereitgestellt werden, wobei jeder Stutzen eine eigene unterschiedliche Farbe bereitstellten kann (beispielsweise Zyan, Magenta, Gelb bzw. Schwarz) Prä-Markierungs-Behandlungs-Material (wie z.B. Markierungs-Material-Kleber) Post-Markierungs-Behandlungs-Material (wie z.B. ein Substrat-Oberflächen-Abschluss-Material, beispielsweise Matt- oder Glanzüberzug, etc.) Markierungs-Material, das ansonsten nicht auf dem anderweitig unterstützten Auge sichtbar ist (beispielsweise Material, welche magnetische Partikel trägt, Ultraviolett-fluoreszierendes Material etc.), oder andere Markierungs-Materialien, welche auf das Substrat aufgebracht werden sollen. Das Markierungs-Material wird mit kinetischer Energie durch einen Treibgasstrom ballistisch aufgebracht und aus dem Kanal durch eine Austrittsöffnung lokalisiert am distalen Ende des Kanals in eine Richtung des Substrats gerichtet, ausgeschleudert.
Die Breite der Austritts- (oder Ausschleuder-)Öffnung eines Kanals ist in der Größenordnung von 250 μm oder weniger, vorzugsweise in der Größenordnung von 100 μm oder weniger. Der Pitch bzw. der Abstand von Kante zu Kante (oder Zentrum zu Zentrum) zwischen benachbarten Kanälen kann auch in der Größenordnung von 250 μm oder kleiner sein, vorzugsweise in der Größenordnung von 100 μm oder kleiner. Alternativ können die Kanäle gestapelt sein, was einen reduzierten Kanten-zu-Kanten-Abstand ermöglicht. Die Austrittsöffnung und/oder eine oder alle von allen Kanälen können eine kreisrunde, halbkreisrunde, ovale, quadratische, rechtwinklige, dreieckige oder anderweitige Querschnittsform aufweisen, wenn sie entlang der Richtung des Flusses des Treibgasstromes betrachtet werden (der Längsachse des Kanals).
Das Material, welches auf das Substrat aufgebracht werden soll, kann zu einem Stutzen transportiert werden durch einen durch eine Vielzahl einer weiten Bandbreite an Wegen, einschließend einfache Schwerkraftbefüllung, hydrodynamischen, elektrostatischen oder Ultraschalltransport etc.. Das Material kann dosiert werden aus dem Stutzen heraus in dem Treibgasstrom auch in einer Vielzahl von Weisen, einschließend Steuern des Transportmechanismus, oder eines separaten Systems, wie z.B. Druckbalance-, elektrostatische, akustische Energie, Tintenstrahldruck, etc..
Das Material, welches auf das Substrat angewandt werden soll, kann ein Feststoff sein, oder ein halbfestes partikuläres Material, wie z.B. ein Toner oder eine Vielzahl von Toner in unterschiedlichen Farben, eine Suspension eines solchen Markierungs-Materials in einem Träger, eine Suspension eines solchen Markierungs-Materials in einen Träger mit einem Ladungsvermittler, ein Phasenveränderungsmaterial, etc.. Eine bevorzugte Ausführungsform setzt ein Markierungs-Material ein, welche partikulär ist, fest oder halbfest und trocken oder suspendiert ist in einem flüssigen Träger. Solch ein Markierungs-Material wird hier als partikuläres Markierungs-Material bezeichnet. Dieses soll von einem flüssigen Markierungs-Material unterschieden werden, von aufgelöstem Markierungs-Material, atomisierten Markierungs-Material oder ähnlichen, nicht partikulären Materialien, welche hier im allgemeinen als ein flüssiges Markierungs-Material bezeichnet werden.
Darüber hinaus ermöglicht die Fähigkeit eine Vielzahl von Markierungs-Materialien zu verwenden (beispielsweise frei von der Begrenzung auf wässrige Markierungs-Materialien), dass die vorliegende Erfindung eine Markierung auf einer großen Vielzahl von Substraten zulässt. Beispielsweise ermöglicht die vorliegende Erfindung das direkte Markieren auf nicht porösen Substraten, wie z.B. Polymeren, Plastiken, Metallen, Glas-behandelten- und Glanzoberflächen etc.. Die Reduktion des Verschmierens sowie die Eliminierung der Trocknungszeit leistet auch kein verbessertes Drucken bei porösen Substraten, wie z.B. Papier, Textilien, Keramiken etc.. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung konfiguriert werden zur indirekten Markierung, beispielsweise Markierung auf einem intermediären Transferroller oder Riemen, Markierung auf einen viskosen Bindefilm und ein Walzentransfersystem etc..
Das auf dem Substrat abzuscheidende Material kann einer Post-Ausschleuder-Modifizierung unterzogen werden, beispielsweise Fixieren oder Trocknen, oder Überziehen, Vernetzen etc.. In dem Fall des Fixierens kann die kinetische Energie des Materials, welches abgeschieden werden soll, selbst hinreichend sein, um effizient das Markierungs-Material nach Kontakt mit dem Substrat zu verschmelzen und es an das Substrat zu fixieren. Das Substrat kann erhitzt werden, um diesen Prozess zu verstärken. Druckwalzen können verwendet werden, um das Markierungs-Material kalt mit dem Substrat zu fusionieren. Anflug-Phasen-Veränderung (fest-flüssig-fest) können alternativ eingesetzt werden. Ein erhitzter Draht in dem Partikelweg ist ein Weg, um die Phase der ursprünglichen Phasenveränderung zu realisieren. Alternativ kann die Treibertemperatur dieses Ergebnis herbeiführen. in einer Ausführungsform kann ein Laser eingesetzt werden, um das partikuläre Material zu erhitzen und zu schmelzen, während des Anfluges, um die ursprüngliche Phasenveränderung zu realisieren. Das Schmelzen und Fixieren kann auch elektrostatisch unterstützt werden (d.h. Rückhalten des partikulären Materials an einer gewünschten Position, damit genügend Zeit zur Verfügung steht zum Schmelzen und Fixieren in eine letztendlich gewünschte Position).
Der Typ des Partikulars kann auch die Nach-Ausschleuder-Modifikation bestimmen. Beispielsweise können UV-vernetzbare Materialien durch Anwendung von UV-Strahlung vernetzt werden, entweder im Flug oder beim Lokalisieren auf dem Material-tragenden Substrat.
Da das Treibgas kontinuierlich durch einen Kanal fließen kann, ist das Verklumpen des Kanals beim Aufbau des Materials reduziert oder eliminiert (das Treibgas reinigt effizient und kontinuierlich den Kanal). Darüber hinaus kann ein Abschluss bereitgestellt werden, welcher die Kanäle gegen die Umgebung isoliert, wenn das System nicht in Gebrauch ist. Alternativ können Druckkopf-Substrat-Unterlagen (beispielsweise Platten) in physikalischem Kontakt gebracht werden, um ein Schließen des Kanals zu bewirken. Ursprüngliches und abschließendes Reinigen in Zyklen kann so konzipiert werden, dass in der Operation des Drucksystems das Reinigen des Kanals (der Kanäle) optimiert wird. Abfallmaterial, gereinigt aus dem System, kann in eine Reinigungsstation abgeschieden werden. Es ist jedoch auch möglich, das Schließen gegen eine Öffnung einzustellen, um den Treibgasstrom durch den Stutzen umzulenken und in das Reservoir, und gleichzeitig den Stutzen zu spülen.
Folglich stellt die vorliegenden Erfindung ihre verschiedenen Ausführungsformen, wie oben diskutiert, zur Verfügung, sowie weitere Vorteile, welche im weiteren Detail unten beschrieben werden. Eine vollständigere Würdigung der Erfindung und viele der einhergehenden Vorteile werden vollständig erhalten und verstanden unter Bezugnahme auf die folgenden detaillierten Beschreibungsabschnitte und die beigefügten Zeichnungen, in welchen gleiche Referenznummern gleiche Elemente zwischen den verschiedenen Zeichnungen bezeichnen. Die Zeichnungen sind nicht skalierbar, so wie sie unten kurz beschrieben werden.
1 ist eine schematische Darstellung eines Systems zum Erstellen eines Substrats entsprechend der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Querschnittsillustrierung einer Markierungs-Vorrichtung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine weitere Querschnittsillustrierung der Markierungs-Vorrichtung entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine ebene Ansicht eines Kanals mit der Düse der Markierungs-Vorrichtung, die in 3 dargestellt ist.
5A bis 5C, sowie 6A bis 6C sind Querschnitts-Ansichten, orientiert in der Längs-Orientierung, verschiedener Beispiele von Kanälen entsprechend der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine weitere ebene Ansicht eines Kanals einer Markierungs-Vorrichtung, ohne eine Düse entsprechend der vorliegenden Erfindung.
8A bis 8D sind Querschnitts-Ansichten entsprechend der Längachse von verschiedenen zusätzlichen Beispielen von Kanälen entsprechend der vorliegenden Erfindung.
9A und 96 sind Endansichten von nicht gestapelten und zweidimensional gestapelten Arrays von Kanälen entsprechend der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine ebene Ansicht eines Arrays von Kanälen eines Apparats entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11A und 11B sind ebene Ansichten eines Abschnitts des Arrays von Kanälen, dargestellt in 9, welche zwei Ausführungsformen von Stutzen entsprechend der vorliegenden Erfindung illustriert.
12A und 12B sind Querschnitts-Ansichts-Illustrationen einer Markierungs-Vorrichtung mit entfernbarem Körper entsprechend zweier unterschiedlicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
13 ist ein Verfahrensflussdiagramm für das Markieren eines Substrates entsprechend der vorliegenden Erfindung.
14A ist eine Querschnittsseitenansicht und 148 ist eine Ansicht von oben, beide zu einer Dosiervorrichtung eines Markierungs-Materials entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche eine ringförmige Elektrode einsetzt.
15 ist eine Querschnitts-Ansicht von der Seite einer Vorrichtung zum Dosieren von Markierungs-Material entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche zwei Elektroden einsetzt.
16 ist eine Querschnitts-Ansicht von der Seite einer Dosiervorrichtung eines Markierungs-Materials entsprechend eines Vergleichsbeispiels, welches einen akustischen Tintenausschleuderer einsetzt.
17 ist eine Querschnitts-Ansicht von der Seite einer Dosiervorrichtung für Markierungs-Material eines weiteren Vergleichsbeispiels, welches einen TIJ-Ausschleuderer einsetzt.
18 ist eine Querschnitts-Ansicht von der Seite einer Dosiervorrichtung für Markierungs-Material entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welcher einen piezoelektrischen Transducer/ein Diaphragma einsetzt.
19 ist eine schematische Darstellung eines Array von Dosiervorrichtungen für Markierungs-Material, verbunden zur Matrixadressierung.
20 ist eine weitere schematische Darstellung eines Arrays von Dosiervorrichtungen für Markierungs-Material, verbunden zur Matrixadressierung.
21 ist eine Querschnitts-Ansicht einer Ausführungsform zum Erzeugen eines verflüssigten Betts an Markierungs-Material in einer Kavität.
22 ist ein Plot von Druck-gegen-Zeit für eine Ausführungsform einer druckbalancierten Kavität.
23 illustriert eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche ein alternatives Markierungs-Material-Zufuhrsystem einsetzt.
24 ist eine Querschnitts-Ansicht von der Seite einer Transportvorrichtung für Markiermaterial entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche ein Elektrodenraster einsetzt sowie eine elektrostatische wandernde Welle.
25 ist eine Illustration im Querschnitt einer kombinierten Anordnung für Markierungs-Material-Transport und Dosierung entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
26A und 26B illustrieren eine Ausführungsform zum Auffüllen eines verflüssigten Betts an Markmaterial entsprechend der vorliegenden Erfindung.
27 ist eine ebene Ansicht eines Arrays von Kanälen und adressiert den Kreis entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
28 ist eine Illustration der Verteilung von Farnen pro Spotgröße oder (Spotdichte), erhalten durch eine Ausführungsform einer ballistischen Aerosol-Markierungs-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
29 ist eine Illustration eines Beispiels der Treibgas-Flussmuster nach deren Wechselwirkung mit einem Substrat, betrachtet senkrecht zum Substrat.
30 ist eine Seitenansicht von einem der Treibgas-Flussmuster von 29 und ebenso eine Illustration der Markierungs-Material-Partikelverteilung als eine Funktion der Position innerhalb des Treibgasstroms.
31 ist ein Modell, das verwendet wird für den Erhalt eines Worst-Case-Szenarios für den Markierungs-Material-Lateral-Offset aus einem Spot-Zentroid.
32 ist ein Modell, das verwendet wird zum Erhalt eines Beispiels an Laserleistung, die benötigt wird für eine laserassistierte Markierungs-Material-Modifikation nach dem Ausschleudern, wie z.B. unterstütztes Fixieren.
33 ist eine Illustration einer ballistischen Aerosol-Markier-Vorrichtung mit einer elektrostatisch unterstützten Markierungs-Material-Extraktion und/oder Pre-Fixierungsretention.
34 ist eine Querschnitts-Ansicht-Illustration einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche feste Markierungs-Material-Partikel einschließt, die in einem flüssigen Trägermedium suspendiert sind.
35 ist ein Plot der Anzahl von Partikeln aufgetragen gegen die kinetische Energie, welche die kinetische Fixierschwelle für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
36 ist ein Plot der Treibgasgeschwindigkeit bei einer Austrittsöffnung, aufgetragen gegen den Treibgasdruck für Kanäle mit und ohne Konvergierungs-/Divergierungsregionen entsprechend der vorliegenden Erfindung.
37 ist eine Ausschnittsebenenansicht eines Kanals und eines Lichtstrahls, so angeordnet, um die lichtunterstützte Markierungs-Material-Modifikation nach Ausschleudern bereitzustellen.
38 ist ein Plot einer Lichtquellenleistung aufgetragen gegen die Partikelgröße des Markierungs-Materials, welcher die Leistungsfähigkeit demonstriert des Einsatzes von lichtunterstützter Markierungs-Material-Modifikationen nach dem Ausschleudern.
39 ist eine Illustration einer ballistischen Aerosol-Markierungs-Vorrichtung, welche eine Schließstruktur einsetzt zum Reduzieren oder Verhindern von Verklumpung, Feuchtigkeitseffekten etc. entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
40 ist eine Illustration eines Kanalverschlusses, erhalten durch Bewegen einer Schreibwalze in Kontakt mit einer Austrittsöffnung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
41A-C und 42A-C sind Illustrationen eines Prozesses zum Erzeugen eines Druckkopfes entsprechend der vorliegenden Erfindung.
43 ist eine Illustration eines ausgewählten Abschnitts einer weiteren Ausführungsform einer ballistischen Aerosolmarkiervorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Es wird nun auf 1 verwiesen, in welcher eine schematische Illustration einer ballistischen AerosolMarkierungs-Vorrichtung 10 entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. Wie darin gezeigt, besteht die Vorrichtung 10 aus einer oder mehreren Ausschleudereinheiten 12, in welche ein Treibgas 14 befüllt wird. Ein Markierungs-Material 16, welches durch einen Transport 18 transportiert werden kann, unter der Steuerung einer Steuerung 20, wird in eine Ausschleudereinheit 12 eingebracht (optionale Elemente werden durch die unterbrochenen Linien angezeigt). Das Markierungs-Material wird dosiert (d.h. gesteuert eingebracht) in die Ausschleudereinheit mit Hilfe von Dosiermittel 21 unter der Kontrolle der Steuerung 22. Das Markierungs-Material, ausgeschleudert durch die Ausschleudereinheit 12, kann einer Modifikation nach dem Ausschleudern 23 unterzogen werden, optional auch im Rahmen der Vorrichtung 10. Alle diese Elemente werden im weiteren Detail unten beschrieben. Es wird eingesehen werden, dass die Vorrichtung 10 einen Teil eines Druckers ausbilden kann, beispielsweise eines Typs, der gewöhnlicherweise an ein Computernetzwerk angebunden ist, beispielsweise einen Personal-Computer od. dgl., an Teile einer Faxmaschine, Teile eines Dokument-Duplikators, Teile eines Labeling-Apparates, oder Teil sein kann von einer Vielzahl von Markierungs-Vorrichtungen.
Die Ausführungsform, dargestellt in 1 kann realisiert werden, durch eine ballistische Aerosol-Markierungs-Vorrichtung 24 des Typus, wie er in der Ausschnittsseitenansicht von 2 gezeigt ist. Entsprechend dieser Ausführungsform werden die Materialien, welche abgeschieden werden sollen, vierfarbige Toner sein, beispielsweise Zyan (C), Magenta (M), Gelb (Y), und Schwarz (K) von einem Typus, wie im weiteren hier beschrieben wird, welche gemeinsam abgeschieden werden können, entweder vermischt oder unvermischt, nachfolgend oder in einer anderen Art und Weise. Während die Illustration von 2 und die damit verbundenen Beschreibung eine Vorrichtung ins Auge fasst, zum Markieren mit vier Farben (entweder eine Farbe zu einer Zeit oder in Form von Mischungen aus den Farben), ist selbstverständlich eine Vorrichtung zum Markieren mit einer kleineren oder größeren Anzahl von Farben oder anderen oder weiteren Materialien, beispielsweise Materialien, welche eine Oberfläche zum Anbinden von Markierungs-Material-Partikeln erzeugen, (oder andere Substrate hoher Flächenvorbehandlungen), eine gewünschte Substratoberflächenqualität (beispielsweise eine matte, Satin- oder Glanzoberfläche oder andere Substratoberflächen-Nachbehandlung), ein Material, das nicht unterstützten Auge nicht sichtbar ist (beispielsweise Magnetpartikel, ultraviolett-fluoreszierende Partikel etc.) oder ein anderes Material, assoziiert mit einem markierten Substrat, hier eingeschlossen.
Die Vorrichtung 24 besteht aus einem Körper 26, in welchem eine Vielzahl von Kavitäten 28C, 28M, 28Y und 28K (kollektiv bezeichnet als Kavität(en) 28) zur Aufnahme von Materialien, welche abgeschieden werden sollen, ausgebildet wird. Auch ausgebildet im Körper 26 kann eine Treibgaskavität 30 sein. Ein Anschlussstück 32 kann zum Verknüpfen der Treibgaskavität 30 mit einer Treibgasquelle 33, beispielsweise einem Kompressor, einem Treibgasreservoir und/oder dergleichen bereitgestellt werden. Der Körper 26 kann mit einem Druckkopf 34 verbunden sein, welcher unter anderem Schichten das Substrat 36 und die Kanalschicht 37 umfasst.
Nun wird auf 3 verwiesen, worin eine aufgeschnittene Querschnitts-Ansicht der Vorrichtung 24 gezeigt ist. Eine jede der Kavitäten 28 schließt einen Stutzen 42C, 42M, 42Y bzw. 42K (kollektiv bezeichnet als Stutzen 42) ein mit kreisrundem, ovalem, rechtwinkligem oder anderweitigem Querschnitt, wodurch eine Kommunikation zwischen besagten Kavitäten und einem Kanal 46 hergestellt wird, welche die Verbindung zum Körper 26 herstellt. Die Stutzen 42 sind so dargestellt, dass sie eine Längsachse aufweisen, die nahezu senkrecht zur Längsachse des Kanals 46 steht. Jedoch kann der zwischen der Längsachse der Stutzen 42 und des Kanals 46 ein Winkel verschieden von 90° sein, je nach Bedarf für die spezielle Anwendung des vorliegenden Systems.
Desweiteren schließt die Treibgaskavität 30 einen Stutzen 44 ein, von kreisrundem, ovalem, rechtwinkligem oder anderweitigem Querschnitt, zwischen besagter Kavität und im Kanal 46, durch welchem das Treibgas laufen kann. Alternativ kann der Druckkopf 34 mit einem Stutzen 44' in dem Substrat 36 oder einem Stutzen 44'' in der Kanalschicht 37 bestückt werden oder mit Kombinationen aus beiden, zum Einbringen des Treibgases in den Kanal 46. Wie im weiteren unten beschrieben werden wird, wird das Markierungs-Material in Fluss aus den Kavitäten 28 durch die Stutzen 42 und in einen Strom an Treibgas, welcher durch den Kanal 46 fließt, versetzt. Das Markierungs-Material und das Treibgas befinden sich in der Orientierung in Richtung des Pfeils A auf das Substrat 38 hin, beispielsweise aus Papier, unterstützt durch eine Walze 40, wie sie in 2 gezeigt ist.
Nun wird experimentell ein Treibgas-Markierungs-Material-Fluss-Muster von einem Druckkopf demonstriert, welcher eine Vielzahl der Eigenschaften, wie sie hier beschrieben werden, einsetzt, welcher relativ kollimiert über einen Abstand von bis zu 10 mm bleibt, mit einem optimalen Druckabstand in der Größenordnung von zwischen einem und mehreren Millimetern. Beispielsweise erzeugt der Druckkopf einen Markierungs-Materialstrom, welcher nicht um mehr als 20% abweicht und vorzugsweise um nicht mehr als 10%, von der Breite der Austrittsöffnung für einen Abstand von mindestens dem Vierfachen der Austrittsöffnungsbreite. Jedoch ist der geeignete Abstand zwischen dem Druckkopf und dem Substrat eine Funktion vieler Parameter und bildet per se nicht einen Teil der vorliegenden Erfindung.
Entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht der Druckkopf 34 aus einem Substrat 36 und einer Kanalschicht 37, in welcher der Kanal 46 ausgebildet wird. Weitere Schichten, wie z.B. eine Isolatorschicht, eine Abdeckschicht etc. (nicht gezeigt) können auch einen Teil des Druckkopfes 34 ausbilden. Das Substrat 36 wird aus einem geeigneten Material ausgebildet, beispielsweise aus Glas, Keramik, etc., auf welchem (direkt oder indirekt) ein relativ dickes Material ausgebildet wird, beispielsweise ein dicker permanenter Fotolack (beispielsweise ein flüssiges fotosensitives Expoxid und/oder ein Fotolack auf trockener Filmbasis), welcher geätzt werden kann, maschinell bearbeitet werden kann oder ansonsten bearbeitet werden kann, in welchem ein Kanal mit den Merkmalen, wie unten beschrieben, ausgebildet werden kann.
Nun wird auf 4 Bezug genommen, welche eine aufgeschnittene ebene Ansicht eines Druckkopfes 34 darstellt; in einer Ausführungsform ist der Kanal 46 so ausgebildet, dass er in einem ersten proximal gelegenen Ende eine Treibgas aufnehmende Region 47 aufweist, eine benachbarte konvergierende Region 48, eine divergierende Region 50 und eine Markierungs-Material-Injektions-Region 52. Der Punkt des Übergangs zwischen der konvergierenden Region 48 und der divergierenden Region 50 wird als Drossel 53 bezeichnet und die konvergierende Region 48, die divergierende Region 50 und die Drossel 53 werden kollektiv als Düse bezeichnet. Die allgemeine Form eines solchen Kanals wird manchmal als eine Laval-Expansionspfeife bezeichnet. Eine Austrittsöffnung 56 ist an dem distalen Ende des Kanals 46 lokalisiert.
In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in den 3 und 4 dargestellt ist, konvergiert die Region 48 in der Ebene von 4, jedoch nicht in der Ebene von 3 und der gleichen divergiert die Region 50 in der Ebene von 4, jedoch nicht in der Ebene von 3. Typischerweise bestimmt dies die Querschnittsform der Austrittsöffnung 56. Beispielsweise korrespondiert die Form der Öffnung 56, wie sie in 5A illustriert wird, mit der Vorrichtung, dargestellt in den 3 und 4. Jedoch kann der Kanal so hergestellt werden, dass diese Regionen in der Ebene von 3 konvergieren/divergieren, jedoch nicht in der Ebene von 4 (illustriert in 5B) oder in beiden der Ebenen von 3 und 4 (illustriert in 5C), oder in irgendeiner anderen Ebene oder einem Satz von Ebenen oder in allen Ebenen (Beispiele sind in den 6A-6C illustriert), wie durch die Herstellung und die Anwendung der vorliegenden Erfindung bestimmt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform, wie in 7 dargestellt wird, ist der Kanal 46 nicht mit einer konvergierenden bzw. divergierenden Region bestückt, sondern weist stattdessen einen einheitlichen Querschnittsabschnitt entlang seiner Achse auf. Dieser Querschnitt kann rechtwinklig oder quadratisch (wie in 8A illustriert), oval oder kreisrund (wie in 8B illustriert) oder von einem anderweitigen Querschnitt sein (Beispiele sind in den 8C-8D illustriert), wie durch die Herstellung und Anwendung der vorliegenden Erfindung bestimmt werden kann.
Es wird nun erneut auf 3 Bezug genommen; das Treibgas dringt in den Kanal 46 durch den Stutzen 44 von der Treibgaskavität 30 annähernd rechtwinklig durch die longitudinalen Achsen des Kanals 46. Entsprechend einer weiteren Ausführungsform dringt das Treibgas in den Kanal parallel (oder in einem anderen Winkel) zur Längsachse des Kanals beispielsweise durch die Stutzen 44' oder 44'' oder in irgendeiner anderen nicht dargestellten Art und Weise. Das Treibgas kann kontinuierlich durch den Kanal fließen, während die Markierungs-Vorrichtung sich in einer operativen Konfiguration (beispielsweise einer "Energie" oder irgendeinem anderen Zustand, bereit zur Markierung) befindet, oder kann so moduliert sein, dass das Treibgas durch den Kanal nur dann dringt, wenn das Markierungs-Material ausgeschleudert werden soll, wie durch die spezielle Anwendung der vorliegenden Erfindung diktiert wird. Solche Treibgasmodulation kann realisiert werden, durch ein Ventil 31, zwischengeschaltet zwischen der Treibgasquelle 33 und dem Kanal 46, durch Modulieren der Erzeugung des Treibgases, beispielsweise durch Ein- und Ausschalten eines Kompressors oder durch selektives Auslösen einer chemischen Reaktion, welche so konzipiert ist, dass ein Treibgas erzeugt wird, oder mit Hilfe von anderen Mitteln, welche nicht gezeigt sind.
Markierungs-Material kann gesteuert in den Kanal durch einen oder mehrere Stutzen 42 eindringen, welche in der Markierungs-Material-Injektionsregion 52 lokalisiert sind. Das heißt, dass während der Verwendung die Menge an Markierungs-Material, eingebracht in den Treibgasstrom gesteuert werden kann von Null bis zu einem Maximum pro Spot. Das Treibgas und das Markierungs-Material wandern von dem proximalen Ende zum distalen Ende des Kanals 46, wo die Austrittsöffnung 56 lokalisiert ist.
Der Druckkopf 34 kann durch eine Vielzahl von Verfahren ausgebildet werden. Als ein Beispiel und unter Verweis auf 41A-C und 42A-C kann der Druckkopf wie folgt hergestellt werden. Ursprünglich wird ein Substrat 38, beispielsweise ein Isolatorsubstrat, wie z.B. Glas oder ein halbisolierendes Substrat, wie z.B. Silizium oder alternativ ein zufälliges Substrat, überzogen mit einer Isolatorschicht, gereinigt oder anderweitig hergestellt zur Eignung für Lithographie. Eine oder mehrere Metallelektroden 54 können ausgebildet werden (beispielsweise fotolithographisch) oder angewandt werden auf eine (r) erste Oberfläche eines Substrates 38, welches den Boden des Kanals 46 ausbilden soll. Dies wird in 41a illustriert.
Als nächstes wird ein dicker Fotolack über substantiell das gesamte Substrat gezogen, typischerweise durch einen spin-on-process, obwohl die Schicht 310 alternativ laminiert sein kann. Die Schicht 310 wird relativ dick sein, beispielsweise in der Größenordnung von 100 μm oder dicker. Dies wird in 41B illustriert. Gut bekannte Prozesse, wie z.B. Lithographie, Ionenwalzen etc. werden als nächstes eingesetzt, um einen Kanal 46 in der Schicht 310 auszubilden, vorzugsweise mit einer konvergierenden Region 48, einer divergierenden Region 50 und der Drossel 53. Die Struktur in diesem Punkt ist in einer ebenen Ansicht in 41C gezeigt.
An diesem Punkt ist eine Alternative, einen Einlass 44' (gezeigt in 3) für das Treibgas durch das Substrat in der Treibgasaufnahmeregion 47 zu erstellen. Dies kann realisiert werden durch Diamantenbohren, Ultraschallbohren, oder andere Techniken, die im Stand der Technik als eine Funktion des ausgewählten Substratmateriales bekannt sind. Alternativ kann ein Treibgaseinlass 44'' (dargestellt in 3) in der Schicht 310 ausgebildet werden. Jedoch kann ein Treibgaseinlass 44 in einer nachfolgend ausgebrachten Schicht ausgebildet werden, wie in im weiteren beschrieben wird.
Direkt oben auf der Schicht 310 wird eine weitere relativ dicke Schicht an Fotolack 312 oder ein ähnliches Material aufgebracht. Die Schicht 312 ist vorzugsweise in der Größenordnung von 100 μm dick oder dicker und wird vorzugsweise aufgebracht durch Laminieren, obwohl sie alternativ durch Spin-Coating oder anderweitige Ablagerung abgeschieden werden kann. Die Schicht 312 kann alternativ Glas oder irgendein geeignetes Material sein, gebunden an die Schicht 310. Die Struktur in diesem Punkt wird in 42A illustriert.
Die Schicht 312 wird dann mit einem Muster überzogen, beispielsweise mit Hilfe von Fotolithographie, Ionenfräsen (ion milling) etc., um die Stutzen 42 und 44 auszubilden. Die Schicht 312 kann auch maschinell erzeugt werden, oder anderweitig strukturiert werden durch Verfahren, die im Stand der Technik bekannt sind. Die Struktur an diesem Punkt wird in 42B gezeigt.
Eine Alternative zur oben genannten Ausführungsform ist es, den Kanal 46 direkt im Substrat auszubilden, beispielsweise durch Fotolithographie, Ionenfräsen (ion milling) etc. Die Schicht 312 kann dann immer noch aufgebracht werden, wie oben beschrieben wurde. In noch einer weiteren Alternative wird der Druckkopf aus Acryl ausgebildet, oder einem ähnlichen gießbaren und/oder maschinell bearbeitbaren Material, wobei der Kanal 46 gegossen oder maschinell darin erzeugt wird. Zusätzlich zu den oben genannten Erläuterungen kann die Schicht 312 auch ein ähnliches Material in dieser Ausführungsform sein, gebunden mit geeigneten Mitteln an den Rest der Struktur.
Ein Ergänzung zur obigen Beschreibung ist es, Elektroden 314 und 315 vorab zu formen, welche rechtwinklig, rund (dargestellt) oder von einer anderen Form in ebener Form sein können und zwar auf der Schicht 312 vor dem Aufbringen der Schicht 312 über der Schicht 310. In dieser Ausführungsform werden der Stutzen 42 und der mögliche Stutzen 44 auch vor der Anwendung der Schicht 312 im Vorhinein ausgebildet. Die Elektroden 314 können durch Sputtern ausgebildet werden, Lift-Off oder andere Techniken und können aus irgendeinem geeigneten Metall sein, wie z.B. Aluminium ad. dgl. Eine dielektrische Schicht 316 kann aufgebracht werden, um die Elektroden 314 zu schützen und eine planarisierte obere Oberfläche 318 bereitzustellen. Eine zweite dielektrische Schicht (nicht gezeigt) kann ähnlich aufgebracht werden auf eine untere Oberfläche 319 der Schicht 312, um in ähnlicher Art und Weise die Elektrode 315 zu schützen und eine planarisierte untere Oberfläche zur Verfügung zu stellen. Die Struktur dieser Ausführungsform ist in 42C gezeigt.
Während die 4 bis 8 einen Druckkopf 34 illustrieren, mit einem Kanal darin, wird eingesehen werden, dass ein Druckkopf entsprechend der vorliegenden Erfindung eine zufällige Anzahl von Kanälen aufweisen kann und einen Bereich von mehreren 100 μm darüber, mit einem oder mehreren Kanälen, mit einer Seitenbreite (beispielsweise über 8,5 oder mehr inch) mit Tausenden von Kanälen. Die Breite W einer jeden Austrittsöffnung 56 kann in der Größenordnung von 250 μm oder kleiner sein, vorzugsweise in der Größenordnung von 100 μm oder kleiner. Der Pitch P oder der Abstand von Kante zu Kante (oder von Mittelpunkt zu Mittelpunkt) zwischen benachbarten Austrittsöffnungen 56 kann auch in der Größenordnung von 250 μm oder kleiner, vorzugsweise in der Größenordnung von 100 μm oder kleiner in einem nicht gestapelten Array, illustriert in der Endansicht in 9A, sein. In einem zweidimensional gestapelten Array eines Typs, wie er in 9B gezeigt wird, kann der Pitch weiter reduziert werden. Beispielsweise illustriert die Tabelle 1 einen typischen Pitch und Breiten-Dimensionen für unterschiedliche Auflösungen eines nicht gestapelten Arrays.
Tabelle 1
Wie in 10 dargestellt wird, kann ein breites Array von Kanälen in einem Druckkopf bereitgestellt werden mit einem Markierungs-Material durch kontinuierliche Kavitäten 28 mit Stutzen 42, die mit jedem Kanal 46 assoziiert sind. Dergleichen kann eine kontinuierliche Treibgaskavität 30 jedem Kanal 46 durch einen assoziierten Stutzen 44 dienen. Die Stutzen 42 können diskrete Öffnungen in den Kavitäten aufweisen, wie in 11A illustriert, oder können durch eine kontinuierliche Öffnung 43 (illustriert durch eine derartige Öffnung 43C) ausgebildet werden, welche sich über das gesamte Array erstreckt, wie in 11B illustriert wird.
In einem Array der Kanäle 46 kann jeder Kanal ähnliche Dimensionen und Querschnittsprofile aufweisen, um identische oder nahezu identische Treibgasgeschwindigkeiten dadurch zu erhalten. Alternativ kann ein ausgewählter oder können mehrere der Kanäle so konzipiert werden, dass er/sie unterschiedliche Dimensionen aufweis[t]/(en) und/oder Querschnittsprofile, um (oder durch andere Mittel, wie z.B. selektiv aufgebrachte Überzüge oder dergleichen) Kanäle zur Verfügung zu stellen, welche unterschiedliche Treibgasgeschwindigkeiten aufweisen. Dies kann von Vorteil sein, wenn danach getrachtet wird, unterschiedliche Markierungs-Materialien einzusetzen, welches signifikant unterschiedliche Massen aufweisen, wenn man beabsichtigt, unterschiedliche Markierungseffekte zu erzielen, bei der gleichzeitigen Anwendung von Markierungs-Materialien und anderer Substratbehandlung oder kann sich anderweitig als geeignet in einer speziellen Anwendung der vorliegenden Erfindung erweisen.
Entsprechend den Ausführungsformen, die in den 12A und 12B gezeigt werden, schließt die Vorrichtung 24 einen ersetzbar entfernbaren Körper 60 ein, der in der Vorrichtung 24 mit betriebsbereiten Mitteln, wie z.B. Clips, Klammem, Arretierungen oder anderen Haltemitteln, die im Stand der Technik gut bekannt sind (nicht gezeigt) befestigt werden kann. In der Ausführungsform, die in 12A gezeigt wird, ist der Körper 60 entfernbar vom Druckkopf 34 und den anderen Komponenten der Vorrichtung 24. In der Ausführungsform, die in der 12B gezeigt ist, bilden der Körper 60 und der Druckkopf 34 eine Einheit, welche ersetzbar entfernbar ist von einer Montageregion 64 der Vorrichtung 24. In jeder Ausführungsform der 12A oder 12B können elektrische Kontakte bereitgestellt werden, zwischen Körper 60 und Vorrichtung 24 zur Steuerung der Elektroden und anderer Apparate, welche getragen werden durch oder assoziiert sind mit dem Körper 60.
In jedem Fall kann der Körper 60 eine wegwerfbare Kassette darstellen, welche Markierungs-Material und Treibgas trägt. Alternativ kann das Markierungs-Material und/oder die Treibgaskavitäten 28 bzw. 30 wieder befüllbar sein. Beispielsweise können die Öffnungen 29C, 29M, 29Y und 29K (hier kollektiv als Öffnungen 29 bezeichnet) bereitgestellt werden zum Einbringen von Markierungs-Material in entsprechende Kavitäten. Desweiteren kann die Kavität 30 eine Treibgasquelle 62 tragen, beispielsweise festes Kohlendioxid (CO₂), eine komprimierte Gaskartusche (erneut beispielsweise CO₂), chemische Reaktionsmittel etc. und zwar permanent, ersetzbar, entfernbar oder wiederbefüllbar im Körper 60. Alternativ kann die Kavität 30 einen kompakten Kompressor oder ähnliches Mittel (nicht gezeigt) zum Erzeugen eines unter Druck stehenden Treibgases tragen. Als noch eine weitere Alternative kann die Treibgasquelle entfernbar und ersetzbar sein, separat und unabhängig vom Körper 60. Desweiteren kann die Vorrichtung mit einem Mittel zum Erzeugen von Treibgas bestückt sein, beispielsweise einem Kompressor, einem chemischen Recktanten etc., wobei in diesem Fall der Körper 60 nur Kavitäten 28 und verwandte Komponenten trägt.
Der Prozess 70, involviert in die Markierung eines Substrates mit Markierungs-Material entsprechend der vorliegenden Erfindung wird durch die Schritte, dargestellt in 13, illustriert. Entsprechend dem Schritt 72 wird ein Treibgas einem Kanal zur Verfügung gestellt. Ein Markierungs-Material wird als nächstes dosiert in den Kanal am Schritt 74. In dem Fall, dass der Kanal multiple Markierungs-Materialien für das Substrat bereitstellt, können die Markierungs-Materialien in den Kanal am Schnitt 76 vermischt werden, um eine Markierungs-Materialmischung bereitzustellen für das Substrat. Durch diesen Prozess kann eine one-pass-Farbmarkierung ohne die Notwendigkeit der Farbregistration erhalten werden. Eine Alternative für eine one-pass-Farbmarkierung ist das sequentielle Einbringen von multiplen Markierungs-Materialien, während eine konstante Registration zwischen dem Druckkopf 34 und dem Substrat 38 erhalten wird. Da nicht jede Markierung aus multiplen Markierungs-Materialien bestehen wird, ist dieser Schritt optional, wie durch den unterbrochenen Pfeil 78 repräsentiert wird. Am Schritt 80 wird das Markierungs-Material aus einer Austrittsöffnung am distalen Ende des Kanals ausgeschleudert, in eine Richtung gerichtet auf das Substrat und mit hinreichender Energie, um ein Substrat zu erreichen. Der Prozess kann wiederholt werden durch Re-Registrierung des Druckkopfes, wie durch den Pfeil 83 gezeigt ist. Eine geeignete Behandlung nach dem Ausschleudern, wie z.B. Fixieren, Trockenen etc. des Markierungs-Materials wird im Schritt 82 durchgeführt, wiederum optional, wie durch den unterbrochenen Pfeil 84 gezeigt ist. Ein jeder dieser Schritte wird im Detail unten diskutiert werden.
Wie zuvor erwähnt, ist die Rolle des Treibgases, dem Markierungs-Material hinreichend kinetische Energie zu verleihen, so dass das Markierungs-Material zumindest auf dem Substrat auftrifft. Das Treibgas kann mit einem Kompressor bereitgestellt werden, durch ein wieder befüllbares oder nicht wieder befüllbares Reservoir, durch Material-Phasen-Umwandlung (beispielsweise von festem in gasförmiges CO₂), chemische Reaktion etc., assoziiert mit oder separat vom Druckkopf, der Kartusche oder anderen Elementen der Markierungs-Vorrichtung 24. In jedem Fall muss das Treibgas trocken und frei von Verunreinigungen sein, um prinzipiell nicht mit der Markierung des Substrates durch das Markierungs-Material wechselzuwirken und, nicht das Klumpen des Kanals zu verursachen oder zu induzieren. Folglich kann ein geeignetes Trocknungsmittel und/oder ein geeigneter Filter (nicht gezeigt) zwischen der Treibgasquelle und dem Kanal bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsform wird das Treibgas durch einen Kompressor bereitgestellt von einem Typ, der wohl bekannt ist. Dieser Kompressor schaltet idealerweise schnell ein, um einen Gleichgewichtsdruck oder Treibgas bereitzustellen. Es kann jedoch von Vorteil sein, ein Ventil zwischen dem Kompressor und dem Kanal bereitzustellen, um dadurch einzig dem Treibgas zu erlauben, bei Betriebsdruck und Geschwindigkeit in dem Kanal 46 einzudringen.
Während solch eine Ausführungsform in Erwägung zieht, dass der Kanal mit einem externen Kompressor oder ähnlicher externer Treibgasquelle verbunden wird, kann ein Bedürfnis existieren, dass das Treibgas durch die Vorrichtung 24 selbst erzeugt wird.
Tatsächlich muss für eine kompakte Vorrichtung vom Desktoptyp eine kompakte Treibgasquelle eingesetzt werden. Ein Ansatz würde das Einsetzen von kommerziell verfügbarem ersetzbarem CO₂-Patronen in der Vorrichtung darstellen. Jedoch stellen solche Patronen ein vergleichbares kleines Volumen an Treibgas zur Verfügung und würden ein häufiges Austauschen erforderlich machen. Während es auch möglich sein kann, größere unter Druck stehende Treibgascontainer zur Verfügung zu stellen, kann die Größe der Vorrichtung (beispielsweise ein kompakter, Desktop-Drucker) die Containergröße des Treibgases limitieren. Folglich würde eine eigenständige, physikalisch kleine Treibgaserzeugungseinheit eingesetzt werden. Entsprechend dieser Ausführungsform wäre es dann möglich, eine austauschbare kombinierte Treibgas- und Markierungs-Material-Patrone bereitzustellen.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Treibgas mit Hilfe einer Reaktion bereitgestellt. Ein Ziel dieser Ausführungsform ist es, eine kompakte Treibgasquelle zur Verfügung zu stellen eines Typus, welcher beispielsweise innerhalb einer Treibgaskavität 30 eingeschlossen sein kann. Es gibt eine große Vielzahl von spontanen und nicht spontanen Reaktionen von flüssigen oder festen Chemikalien oder Verbindungen, welche folglich relativ kompakt sind, welche Gase erzeugen. Am einfachsten wird ein Reaktant erhitzt, bis etwa in die Nähe seines Kochpunktes, wodurch ein Gasphasenmaterial erzeugt wird. Wenn die Reaktion oder eine Veränderung in einem begrenztem Volumen auftritt, ergibt sich innerhalb des Volumens eine Druckveränderung. Folglich ist für ein geschlossenes Volumen eine Spezies die Reaktion:
wobei R ein Reaktant ist, P1 und P2 Drücke sind und P2 viel größer ist als P1. Um dies zu realisieren, kann ein Erhitzungselement 87 (beispielsweise ein Filament, wie in 3 gezeigt) bereitgestellt werden innerhalb der Treibgaskavität 30 (oder eines anderen Reaktanten-enthaltendes Volumen).
Eine Variante davon ist ein nicht spontanes multiples Reaktantensystem, welches durch Hitze aktiviert werden kann, beispielsweise:
wobei R₁-R... Recktanten sind und P2 wiederum viel größer ist als P1.
Um jedoch die Effekte mit dem Bereitstellen eines erhitzten Treibgases und dessen Wirkung auf das Markierungs-Material (beispielsweise Schmelzen innerhalb des Kanals, was zum Verklumpen des Kanals führen kann) zu vermeiden, kann es wünschenswerter sein, eine Reaktion einzusetzen, welcher weniger von der zugefügten Hitze abhängig ist (und nicht über alle Maßen exotherm ist), beispielsweise: (R)P1 – (R)P2 wie dies bei einer Phasenveränderung bei Raumtemperatur auftreten könnte (beispielsweise fest zu gasförmig bei CO₂), oder (R1 + R2 + ...)P1 – (R3 + R4 + ...)P2.
Es gibt eine Reihe solcher Reaktionen, die dem Stand der Technik bekannt sind, welche eingesetzt werden können, um ein gasförmiges Treibgas zu erzeugen.
Im allgemeinen kann die Reaktion moderierbar sein, dahingehend, dass es möglich sein kann, die Reaktion in Gang zu setzen und zu beenden zu zufälligen Zeitpunkten als ein Mittel, welches der Vorrichtung erlaubt, an- bzw. abgeschaltet zu werden. Alternativ kann die Reaktion in einer Treibgaskavität in Kommunikation mit dem Kanal 46 über ein Ventil erfolgen zum Modulieren des Flusses des Treibgases. Im allgemeinen kann es in dieser Ausführungsform auch notwendig sein, ein Ventil zur Verfügung zu stellen, zum Regulieren des Treibgases auf einen ausgewählten Betriebsdruck.
Die Geschwindigkeit und der Druck, bei welchem das Treibgas bereitgestellt werden muss, hängen von der Ausführungsform der Markierungs-Vorrichtung ab, wie oben beschrieben wird. Im allgemeinen schließen Beispiele von geeigneten Treibgasen CO₂, trockene und saubere Luft, N₂, gasförmige Reaktionsprodukte etc. ein. Vorzugsweise sollte das Treibgas nicht toxisch sein (obwohl in bestimmten Ausführungsformen, wie z. B. Vorrichtungen, welche in einer speziellen Kammer od. dgl. eingeschlossen sind, ein breiterer Bereich an Treibgas tolerierbar wäre). Vorzugsweise sollte das Treibgas gasförmig bei Raumtemperatur sein, jedoch können in geeigneten Ausführungsformen auch Gase bei höheren Temperaturen eingesetzt werden.
Einmal erzeugt oder bereitgestellt, dringt das Treibgas in den Kanal 46 ein und wandert entlang der Längsachse durch den Kanal, um an der Austrittsöffnung 56 auszutreten.
Der Kanal 46 ist so orientiert, dass der Treibgasstrom aus der Austrittsöffnung 56 austritt und direkt auf das Substrat gerichtet ist.
Entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein festes partikuläres Markierungs-Material eingesetzt, um ein Substrat zu markieren. Die Markierungs-Material-Partikel können in der Größenordnung von 0,5 bis 10,0 μm sein, vorzugsweise in der Größenordnung von 1 bis 5 μm, obwohl Größen außerhalb dieses Bereiches in spezifischen Anwendungen funktionieren können (beispielsweise größere oder kleinere Stutzen und Kanäle, durch welche die Partikel wandern müssen).
Es gibt verschiedene Vorteile, welche bereitgestellt werden durch die Verwendung von festen, partikulären Markierungs-Materialien. Zunächst wird das Verklumpen des Kanals minimiert, beispielsweise im Vergleich zu flüssigen Tinten. Zunächst wird das Verlaufen und Auslaufen des Markierungs-Materials (oder seines Trägers) auf dem Substrat reduziert oder eliminiert, wie dies auch für die Wechselwirkung von Markierungs-Material/Substrat der Fall sein kann. Zum Dritten werden Spot-Positionsprobleme, welche mit flüssigem Markierungs-Material einhergehen, verursacht durch Oberflächenspannungseffekte, an der Austrittsöffnung eliminiert. Zum Vierten werden Kanäle, blockiert durch Gasblasen, zurückgehalten durch Oberflächenspannungen eliminiert. Zum Fünften können multiple Markierungs-Materialien, (beispielsweise multiple farbige Toner) nach Eindringen in einen Kanal vermischt werden zum Single-Pass-Markieren mit multiplem Material (beispielsweise Multi-Color), ohne dass das Risiko auftritt, der Verunreinigung des Kanals durch nachfolgende Markierungen (beispielsweise Pixel). Der Registrationsaufwand (Ausstattung, Zeit, damit einhergehende Druckartefakte etc.) wird auf diese Weise eliminiert. Zum Sechsten wird der Kanalwiederbefüllabschnitt des Arbeitszyklus (bis zu 80% eines TIJ-Arbeitszyklus) eliminiert. Zum Siebten gibt es keine Notwendigkeit, die Substratdurchtrittsrate einzuschränken, basierend auf der Notwendigkeit, dass ein flüssiges Markierungs-Material trocknen soll.
In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann es wünschenswert sein, eine Substrat-Oberflächen-Vorab-Markierungs-Behandlung anzuwenden. Beispielsweise kann es bei der Unterstützung mit der Fixierung von partikulärem Markierungs-Material an den gewünschten Spot-Lokalisierungen, wünschenswert sein, zunächst die Substratoberfläche mit einer anhaftenden Schicht zu überziehen, die für das Rückhalten des partikulären Markierungs-Materials maßgeschneidert ist. Beispiele eines solche Material schließen klare und/oder farblose polymere Materialien ein, wie z.B. Homopolymere, zufällige Copolymere oder Blockcopolymere, welches als Substrat angewandt werden als eine polymere Lösung, wobei das Polymer aufgelöst wird in einem Lösungsmittel, welches einen niedrigen Siedepunkt aufweist. Die anhaftende Schicht wird auf das Substrat aufgebracht in einem Bereich von 1 bis 10 μm an Dicke oder vorzugsweise von ungefähr 5 bis 10 μm an Dicke. Beispiele solcher Materialien sind Polyesterharze, welche entweder linear oder verzweigt sind, Poly(styrol)-Homopolymere, Poly(acrylat)- und Poly(methacrylat)-Homopolymere sowie Mischungen davon oder Zufallscopolymere aus Styrol-Monomeren mit Acrylat, Methacrylat oder Butadien-Monomere und Mischungen davon, Polyvinylacetate, Poly(vinylalkohol), Vinylalkohol-Vinylacetal-Copolymere, Polycarbonate) und Mischungen davon und dergleichen. Diese Oberflächenvorbehandlung kann angewandt werden von Kanälen des hier beschriebenen Typus lokalisiert an der Hauptkante des Druckkopfes und kann dadurch sowohl die Vorbehandlung als auch das Markierungs-Material in einem einzigen Durchgang aufbringen. Alternativ kann das ganze Substrat überzogen werden mit dem vorbehandelten Material und anschließend markiert werden, wie an anderer Stelle hier erläutert wird. Desweiteren kann es in bestimmten Anwendungen wünschenswert sein, Markierungs-Material anzuwenden, und gleichzeitig Vorbehandlungsmaterial, beispielsweise durch Vermischen der Materialien im Flug, wie des weiteren hier beschrieben wird.
Dergleichen mag es in bestimmten Anwendungen der vorliegenden Erfindung wünschenswert sein, eine Substratoberfläche nach der Markierungsbehandlung aufzubringen. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, einen Teil oder die Gesamtmenge des markierten Substrates mit einem Glanzüberzug zu versehen. In einem Beispiel wird ein Substrat bereitgestellt, mit einer Markierung, welche sowohl Text als auch Illustration umfasst, wie er an anderer Stelle hier beschrieben wird, und es ist wünschenswert, selektiv einen Glanzüberzug zur Illustrationsregion des markierten Substrates anzubringen, jedoch nicht in der Textregion. Dies kann realisiert werden durch Aufbringen der Postmarkierungs-Behandlung aus Kanälen an der hinteren Kante des Druckkopfes, und dadurch eine One-Pass-Markierung und eine Postmarkierungs-Behandlung zu ermöglichen. Alternativ kann das ganze Substrat je nach Wunsch markiert werden, dann durch eine Markierungs-Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung passiert werden, um die Postmarkierungsbehandlung aufzubringen. Desweiteren kann es in bestimmten Anwendungen wünschenswert sein, Markierungs-Material und Postbehandlungsmaterial gleichzeitig aufzubringen, beispielsweise durch Vermischen der Materialien im Flug, wie des weiteren hier beschrieben wird. Beispiele von Materialien zum Erhalt einer gewünschten Oberflächenbeschichtung schließen Polyesterhaze, entweder linear oder verzweigt, Poly(styrol)-Homopolymere, Poly(acrylat)- und Poly(methacrylat)-Homopolymere sowohl Mischungen davon ein sowie zufällige Copolymere von Styrolmonomeren mit Acrylat, Methacrylat oder Butadien-Monomeren sowie Mischungen davon, Polyvinylacetale, Poly(vinylakohol), Vinylalkohol-Vinylacetalcopolymere, Polycarbonate sowie Mischungen davon und dergleichen.
Andere Vor- und Nachmarkierungsbehandlungen schließen das Unter-/Überschreiben von Markierungen mit Markierungs-Material ein, das nicht sichtbar ist für das ununterstützte Auge, Dokument-Schutzüberzüge gegen Manipulation, Sicherheitskodierungen, beispielsweise mit Wellenlängenspezifischen Farbstoffen oder Pigmenten, welche nur bei der spezifischen Wellenlänge nachgewiesen werden können (beispielsweise im infraroten oder ultravioletten Bereich) durch einen speziellen Dekoder und dergleichen. Darüber hinaus schließen Prä- und Post-Markierungsbehandlungen Substrat- oder Oberflächentextur-Überzüge (beispielsweise zum Erzeugen von Glanzeffekten, um ein zufällig raues oder glattes Substrat zu simulieren) ein, Materialien, welche geeignet sind, dass sie eine physikalische oder chemische Reaktion mit dem Substrat aufweisen (beispielsweise zwei Materialien, welche, wenn mit dem Substrat kombiniert sich vernetzen oder eine anderweitige Reaktion verursachen, um das Markierungs-Material auf das Substrat zu fixieren) etc., ein. Es sollte jedoch festgehalten werden, dass Verweise hierin auf Apparate und Verfahren zum Transport, Dosieren, Enthalten etc. von Markierungs-Material in gleicher Weise anwendbar sein sollte auf Prä- und Post-Markierungs-Behandlungs-Material (und im allgemeinen auf andere Nicht-Markierungs-Materialien) solange nichts anderes erwähnt wird, oder dem Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich sein kann.
Das Markierungs-Material ist ein festes partikuläres Material. Jedoch gibt es innerhalb dieses Satzes verschiedene Alternativen. Beispielsweise kann abgesehen von einer eher aus Feststoffpartikel bestehenden Kollektion auch ein festes Markierungs-Material in einem gasförmigen (beispielsweise Aerosol) oder flüssigem Träger suspendiert sein. Andere Beispiele schließen Multiphasenmaterialien ein. Unter Verweis auf 34 werden in solch einem Material feste Markierungs-Material-Partikel 286 in diskreten Agglomerationen eines flüssigen Trägermediums 288 suspendiert. Die vereinigten Partikel und Umhüllungsträger können in einem Pool 290 des Trägermediums lokalisiert sein. Das Trägermedium kann ein farbloses Dielektrikum sein, welches flüssige Fließeigenschaften dem Markierungs-Material verleiht. Die festen Markierungs-Material-Partikel 286 können in der Größenordnung von 1 bis 2 μm sein und können bestückt sein mit einer Nettoladung. Mit Hilfe von einem Prozess, wie unten des weiteren diskutiert, können die geladenen Markierungs-Material-Partikel 286 angezogen werden durch das Gebiet, erzeugt durch die geeigneten Elektroden 292, lokalisiert in der Nähe des Stutzens 294 und gerichtet sein in den Kanal 296. Eine ergänzende Elektrode 298 kann unterstützend bei der Extraktion der Markierungs-Material-Partikel 286 sein. Ein Meniskus 300 bildet sich an der Kanalseite des Stutzens 294. Wenn die Partikel 286/Träger 288-Kombination durch den Meniskus 300 gezogen wird, verursacht die Oberflächenspannung, dass die Partikel 286 aus dem Trägermedium 288 gezogen werden, was nur einen dünnen Film an Trägermedium auf der Oberfläche des Partikels zurücklässt. Dieser dünne Film kann günstig eingesetzt werden dahingehend, dass er eine Adhäsion des Partikels 286 an die meisten Substrattypen auslöst, speziell bei geringer Geschwindigkeit, was ermöglicht, dass die Partikelposition beibehalten wird vor der Modifikation nach dem Ausschleudern (beispielsweise der Fixierung).
Der nächste Schritt in den Markierungsprozess ist typischerweise das Dosieren des Markierungs-Materials in dem Treibgasstrom. Während im folgenden spezifisch das Dosieren von Markierungs-Material diskutiert wird, wird eingesehen werden, dass das Dosieren von anderen Materialien, wie z.B. dem oben erwähnten Prä- und Post-Markierungs-Materialien auch in dieser Diskussion eingeschlossen ist und Verweise, welche folgen, welche exklusiv das Markierungs-Material diskutieren, bewerkstelligen dies nur aus Gründen der Einfachheit der Diskussion. Das Dosieren kann dann durch eine Vielzahl von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung realisiert werden.
Entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Dosieren des Markierungs-Materials schließt das Markierungs-Material ein Material ein, welches mit einer elektrischen Ladung versehen werden kann. Beispielsweise kann das Markierungs-Material ein Pigment umfassen, suspendiert in eine Bindemittel zusammen mit Ladungsvermittlern. Die Ladungsvermittler können beispielsweise mit Hilfe einer Corona 66C, 66M, 66Y und 66K (kollektiv als Coronas 66 bezeichnet) beladen werden, lokalisiert in den Kavitäten 28, wie in 3 gezeigt wird. Eine weitere Alternative ist es, das Treibgas ursprünglich zu beladen, beispielsweise mit Hilfe einer Corona 45 in der Kavität 30 (oder irgendeine andere geeignete Stelle, wie z.B. den Stutzen 44 etc.). Das beladende Treibgas kann veranlasst werden, in die Kavitäten 28 durch die Stutzen 42 zu dringen aus zweierlei Gründen, nämlich zur Erzeugung eines verflüssigten Betts 86C, 86M, 86Y und 86K (kollektiv bezeichnet als verflüssigtes Bett 86 und des weiteren, hier unten diskutiert) und zum Verleihen einer Ladung an das Markierungs-Material. Andere Alternativen schließen Tribo-Beladung mit Mitteln, die außerhalb der Kavitäten 28 liegen, oder andere Mechanismen ein.
Nun wird nochmals auf 3 verwiesen; auf einer Oberfläche des Kanals 46, gegenüberliegend eines jeden der Stutzen 42 liegen Elektroden 54C, 54M, 54Y und 54K (welche hier kollektiv als Elektroden 54 bezeichnet werden). Ausgebildet innerhalb der Kavitäten 28 (oder einem anderen Ort, wie z. B. an oder innerhalb der Stutzen 44) sind korrespondierende Gegenelektroden 55C, 55M, 55Y und 55K (welche kollektiv als Gegenelektroden 55 bezeichnet werden). Wenn ein elektrisches Feld durch Elektroden 54 und Gegenelektroden 55 ausgebildet wird, kann das geladene Markierungs-Material durch das Feld angezogen werden und öffnet Kavitäten 28 durch die Stutzen 42 in einer Richtung, in etwa senkrecht zum Treibgasstrom im Kanal 46. Die Form und Positionierung der Elektroden und die daran angelegte Ladung bestimmen die Stärke des elektrischen Feldes und folglich die Kraft der Injektion des Markierungs-Materials in dem Treibgasstrom. Im allgemeinen wird die Kraft, welche das Markierungs-Material in den Treibgasstrom injiziert, so ausgewählt, dass das Momentum, bereitgestellt durch die Kraft des Treibgasstromes auf das Markierungs-Material die Injektionskraft übersteigt und das Markierungs-Material, sobald es in den Treibgasstrom im Kanal 46 ist, mit dem Treibgasstrom aus der Austrittsöffnung 46 in eine Richtung auf das Substrat hin wandert.
Als eine Alternative oder Ergänzung zu den Elektroden 54 und den Gegenelektroden 55 kann jeder Stutzen 42 bestückt werden mit einem elektrostatischen Ausgang (gate). Es wird nun auf die 14A und 14B verwiesen; dieses Gate kann die Form einer zweiteiligen Ring- oder Bandelektrode 90A, 90B am inneren Durchmesser der Stutzen 42 einnehmen, verbunden über die Kontaktschichten 91A und 91B an eine steuerschaltbare Energieversorgung. Das Feld, erzeugt durch die Ringelektrode, kann das beladene Markierungs-Material anziehen oder abstoßen. Schichten 91A und 91B können fotolithographisch, mechanisch oder anderweitig strukturiert sein, um das Matrixadressieren von individuellen Elektroden 90A, 90B zu ermöglichen.
Eine alternative Ausführungsform zum Bereitstellen von Markierungs-Material-Dosierung wird in 15 gezeigt. Diese Ausführungsform besteht aus einer oder mehreren Durchtrittsregionen 136, welche sich nahezu parallel in die Richtung des Treibgasflusses im Kanal 46 erstrecken. Jede Durchtrittsregion 136 wird zwischen den Körper 26 (oder einer geeigneten oberen Schicht) und der Schicht 138 ausgebildet, wobei die Schicht 140 als eine Abstandsschicht dazwischen dient. Jede Schicht kann eine geeignete, dicke, geätzte Fotolack-, Maschinenplastik- oder Metallschicht sein, oder ein anderes Material, wie durch die spezielle Anwendung der vorliegenden Erfindung diktiert wird. Die Passierregion 136 kann bis zu 100 μm groß an Länge sein (in der Richtung, in der das Markierungs-Material wandert). Einander gegenüberliegend und ausgebildet in der Passierregion 136 auf der Oberfläche des Körpers 26 und der Schicht 138 sind die nahezu parallelen Plattenelektroden 142 bzw. 144.
In dem Fall eines Arrays solcher Öffnungen werden die verschiedenen Elektroden adressiert durch entweder eine Reihen- oder Säulenspalte, was ermöglicht, dass Matrix-Adressschema passend eingesetzt werden. Die Elektroden bilden eine Ausführungsform eines elektrostatischen Gates zur Dosierung von Markierungs-Material.
Im allgemeinen und speziell in dem Fall von parallelen Plattenelektroden, wie sie in 15 illustriert werden, kann das verwendete Markierungs-Material ungeladen oder geladen sein. In dem Fall von ungeladenem Markierungs-Material sollte das Markierungs-Material eine Durchlässigkeit aufweisen, die merklich höher ist, als die von Luft und dem Treibgas. In solch einem Fall werden die Elektrodenpaare mit gegenüberliegenden (in entgegengesetzten) (+/–)Ladungen bestückt. Das ungeladene Markierungs-Material wird durch das Feld zwischen den parallelen Plattenelektroden polarisiert, welche zusammenwirken, um essentiell einen Kondensator auszubilden. Mit einem derart etablierten Feld zwischen den Elektroden bleibt das Markierungs-Material präferentiell in diesem Feld (d.h. der energetisch günstigere Ort liegt zwischen Elektroden). Das Markierungs-Material wird folglich davon abgehalten, durch den Stutzen zu wandern. Wenn keine Ladung auf die Elektroden übertragen wird, kann das Markierungs-Material durch den Stutzen wandern und in dem Treibgasstrom, typischerweise mit Hilfe von Hinterdruck, einem Druckstoß, etc. Ein Wechselstrom kann die Elektroden angelegt werden, um das Abscheiden von Markierungs-Material zu vermeiden.
In dem Fall von beladenem Markierungs-Material, wo in dem "An"-Zustand eine der Elektroden das Markierungs-Material anzieht (die andere es abstößt), wird das Material gegen den Eintritt in den Treibgasstrom zurückgehalten. Im "Aus"-Zustand ermöglichen die Elektroden, dass das Markierungs-Material sie passieren kann und in den Treibgasstrom eindringen kann, beispielsweise mit Hilfe von Hinterdruck, Druckspitzen oder mit Hilfe einer dritten Elektrode, wie z.B. der Elektrode 54, bestückt mit einer Ladungspolarität, entgegengesetzt zu der des Markierungs-Materials. Jede Polaritätsladung (positiv oder negativ) auf dem Markierungs-Material kann eingestellt werden.
16 zeigt eine abgekürzte Illustration eines Vergleichsbeispiels unter Verwendung eines flüssigen Markierungs-Materials. Entsprechend dem Vergleichsbeispiel 154, gezeigt in 16 ist der Kanal 46 oberhalb einer oberen Oberfläche eines Pools von Markierungs-Material 156, beispielsweise eines flüssigen Markierungs-Materials, wie z.B. flüssiger Tinte gelegen. Beispiel 154 umfasst einen planaren piezoelektrischer Transduktor 158, beispielsweise einen Dünnfilm-ZnO-Transduktor, welcher abgeschieden auf oder anderweitig gebunden ist an die rückwärtige Fläche eines geeigneten Akusto-leitfähigen Substrates, wie z.B. einem akustischen Planteller aus Quartz, Glas, Silizium etc. Die gegenüberliegende oder Frontfläche des Substrates 160 weist darauf ausgebildet oder darin ein konzentrisches Phasenprofil von Fresnel-Linsen oder sphärisch akustischen Linsen auf oder irgendein anderes fokussierendes Mittel 162. Durch Anlegen einer Rf-Spannung über den Transduktor 158 wird ein akustischer Strahl erzeugt und an der Oberfläche des Pools 156 fokussiert, wodurch ein Tropfen 164 von dem Pool in dem Treibgasstrom ausgeschleudert wird. Die Menge an Markierungs-Material, injiziert in dem Treibgasstrom, für den Zweck der Graustufensteuerung kann gesteuert werden durch Steuern der Größe des Tropfens 164 (durch Steuern der Intensität des akustischen Strahls), die Anzahl der Tropfen injiziert in kurzer Abfolge, etc.
In noch einem weiteren Vergleichsbeispiel 166 zum Dosieren eines flüssigen Markierungs-Materials in dem Treibgasstrom wird ein Tintenstrahlapparat, wie z.B. ein TIJ-Apparat 168 eingesetzt. Die 17 zeigt eine verkürzte Illustration dieses Vergleichsbeispiels. Entsprechend der Ausführungsform 166 ist der TIJ-Ausschleuderer 168 in der Nähe des Kanals 46, lokalisiert, so dass das Ausschleudern von Markierungs-Material 170 von dem Ausschleuderer 168 mit einem Stutzen 172, lokalisert in Kanal 46 justiert wird. Markierungs-Material 170 ist wiederum ein flüssiges Material, wie z.B. flüssige Tinte, zurückgehalten in einer Kavität 174. Markierungs-Material wird in Kontakt gebracht mit einem Erhitzungselement 176. Beim Erhitzen wird aus dem Erhitzungselement eine Blase 177 erzeugt, welche aus dem Kanal 179 herausgezwungen wird, wobei der Kanal innerhalb des TIJ-Apparates 168 lokalisiert wird. Die Bewegung der Blase 177 verursacht eine kontrollierte Menge an Markierungs-Material, welche aus dem Kanal gezwungen wird (wie anderweitig gut bekannt ist) und in dem Treibgasstrom in der Form eines Tropfens 181 an Markierungs-Material. Eine Vielzahl solcher TIJ-Ausschleudereinheiten kann eingesetzt werden im Zusammenhang mit einem einzelnen ballistischen Aerosol-Markierungskanal entsprechend der vorliegenden Erfindung, um eine Vorrichtung bereitzustellen und ein Verfahren zum Markierung eines Substrates mit verbesserter Geschwindigkeit, Graustufenskala oder anderen Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik.
Während es viele andere mögliche Ausführungsformen zum Ausschleudern des flüssigen Markierungs-Materials gibt (wie z.B. unter Druck erfolgende Injektionen, mechanisches Ventil, etc.), sollte eingesehen werden, dass zuvor beschriebene Ausführungsformen auch gut funktionieren können von solchen Markierungs-Materialien. Beispielsweise kann der Apparat, der in 3 gezeigt wird, gut funktionieren, wobei die Stutzen 42 als eine Funktion der Viskosität des Markierungs-Materials in ihrer Größe dimensioniert sind, so dass ein flüssiger Meniskus sich an den Stutzen 42 ausbildet. Dieser Meniskus und die korrespondierende Elektrode 54 bilden im wesentlichen die Platten eines parallelen Kondensators aus. Sobald die geeignete Ladung auf die Elektrode 54 gegeben wird, kann ein Tropfen von dem Meniskus in den Kanal 46 gezogen werden. Dieser Ansatz arbeitet gut für leitfähige (und mit einem gewissen Grad nicht leitfähige Flüssigkeiten, wie z.B. Tinten, Substratvorbehandlung- und Nachbehandlungsmaterialien etc.). Dies erfolgt in ähnlicher Art und Weise zu einer Technologie als Tone-Jet bekannt ist, wobei die Technologie auch eingesetzt werden kann als eine Dosiervorrichtung bzw. ein Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Als eine weitere Verstärkung gegenüber den Ausführungsformen, die hier beschrieben werden, kann es wünschenswert sein, einen Druckstoß bereitzustellen, um das Markierungs-Material aus den Kavitäten 28 heraus zu befördern, bzw. zu zwingen und selbige in den Treibgasstrom zu injizieren. Dieser Druckstoß kann bereitgestellt werden durch eine eine Vielzahl von Vorrichtungen wie z.B. piezoelektrischen Transduktoren/Diaphragmen 68C, 68M, 68Y uns 68K (kollektiv bezeichnet als Transduktor/Diaphragma 68), die innerhalb einer jeden Kavität 28 lokalisiert sind, wie in
18 gezeigt wird. Eine oder mehrere von Transduktor/Diaphragma 68 können separat adressierbar sein, entweder im Zusammenhang mit einer Zusatzdosiervorrichtung, oder unabhängig durch Adressmittel 69C, 69M, 6Y und 69K (kollektiv Adressmittel 69). Verschiedene Alternativen können eingesetzt werden, einschließend gesteuerter Druck von der Treibgasquelle etc.
Darüber hinaus können weitere Mechanismen eingesetzt werden zum Dosieren von Markierungs-Material in den Treibgasstrom entsprechend der vorliegenden Erfindung beispielsweise kann die Technik, die zuvor als Toner-Jet bezeichnet wurde, eingesetzt werden, wobei diese Technik beispielsweise beschrieben wird in der offengelegten Patentanmeldung, WO 97 27 058 (A1). Alternativ kann ein Mikroverneblungsapparat eingesetzt werden.
In verschiedenen Ausführungsformen zur Dosierung des Markierungs-Materials entsprechend der vorliegenden Erfindung sind keine bewegenden Teile involviert. Das Dosieren kann folglich bei sehr hohen Schaltraten operieren, beispielsweise mehr als 10 kHz. Darüber hinaus wird das Dosiersystem verlässlicher gemacht durch das Vermeiden von mechanisch beweglichen Teilen.
Eines von vielen einfachen Adressierschematas können eingesetzt werden, um das Dosiersystem der Wahl zu steuern. Ein solches Schema wird in 19 illustriert, gemäß welchem jede "Reihe" eines Arrays 200 von Dosiervorrichtungen 202C, 202M, 202Y, 202K etc. (kollektiv bezeichnet als Dosiervorrichtungen 202) zum Dosieren von Markierungs-Material in Kanäle 46 verbunden werden über die allgemeine Leitung 206, beispielsweise verbunden mit einer Erdung. Jede "Spalte" umfasst Dosiervorrichtungen 202, welche zusammen das Einbringen von Markierungs-Material in einen einzelnen Kanal 46 steuern. Jede Dosiervorrichtung einer jeden Spalte wird individuell adressiert, beispielsweise mit Hilfe von Leitungen 208, welche eine assoziierte Dosiervorrichtung mit einem Steuermechanismus verbinden, beispielsweise einem Multiplexer 210. Es sollte festgehalten werden, dass jede "Spalte" beispielsweise in der Größenordnung von 84 μm Breite liegt, was genügend Fläche zur Verfügung stellt, um Linien 208 auszubilden, welche beispielsweise in der Größenordnung einer Breite von 5 μm liegen können. Eine alternative Ausführungsform ist in 20 gezeigt, in welcher eine allgemeine Leitung 206 ersetzt wird durch individuelles Adressieren einer jeden "Reihe" von Dosiervorrichtungen 202, beispielsweise durch Multiplexer 212, um reines Matrix-Adressieren der Dosiervorrichtungen zu ermöglichen.
Verschiedene Mechanismen können Vorteile demonstrieren, oder notwendig sein zur Realisierung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Kehrt man beispielsweise zu 3 zurück, besteht ein Bedürfnis, einen gleichmäßigen Flug an Markierungs-Material aus den Kavitäten 28 in den Kanal 46 zu realisieren sowie ein Bedürfnis, das Verklumpen der Stutzen 42 zu vermeiden. Diese Bedürfnisse können adressiert werden, durch Ablenken einer kleinen Menge an Treibgas an die Kavitäten 28. Dies kann realisiert werden durch Balancieren des Druckes in dem Kanal und des Drucks in der Kavität, so dass der Druck in der Kavität gerade unterhalb desjenigen des Kanals ist. 21 illustriert eine Anordnung zum Realisieren der Druckbalance. Eine Ausführungsform 214 der Kavität 28 wird in 21 illustriert, wobei ein assoziierter Stutzen 42 in der Wand davon lokalisiert ist, welche in Kommunikation mit dem Kanal 46 steht, um damit zu ermöglichen, das Markierungs-Material, enthalten in der Kavität 214, in den Kanal 46 eindringt (unter der Steuerung einer Dosiervorrichtung, die nicht gezeigt ist). In einer Wand der Kavität 214 wird eine Öffnung bereitgestellt, mit einem Filter 220 von einer Grobkörnigkeit, die hinreichend ist, um zu verhindern, dass Markierungs-Material durch ihn hindurch dringt. Der Filter 220 steht in Verbindung über die Pfeife 222 mit einem Ventil 224, welches durch eine Schaltung 226 gesteuert wird. Auch verbunden mit der Schaltung 226 ist ein Drucksensor 228, lokalisiert in der Kavität 214 sowie ein Drucksensor 230, lokalisiert innerhalb des Kanals 46, beispielsweise unmittelbar vor der Konversionsregion davon (nicht gezeigt). Der Druck innerhalb der Kavität 114 wird überwacht durch den Drucksensor 228 und vergleichen mit dem Druck in dem Kanal, überwacht durch den Drucksensor 230. Am Beginn des Systems wird das Ventil 224 geschlossen, während der Druck im Kanal 46 zunimmt. Nach Erreichen eines Gleichgewichts-Betriebs-Druckes wird dann das Ventil 224 steuerbar geöffnet. Die Schaltung 226 erhält den Druck in der Kavität 214 aufrecht, gerade unterhalb desjenigen des Kanals 46 durch das steuerbare Modulationsventils 224. Dieser Druckunterschied resultiert darin, dass eine Menge an Treibgas von dem Kanal in die Kavität abgezweigt wird.
Nun wird erneut 3 betrachtet; das Treibgas dringt in die Kavitäten 28 durch die Stutzen 42, wie oben beschreiben, ein (oder mit Hilfe von anderen Mitteln) und verursacht eine lokale Zerstörung an Markierungs-Material in der Nähe der Stutzen 42. Wenn ein Markierungs-Material mit einer geeigneten Größe und geeignet geformten Partikeln eingesetzt wird, mit geeigneter Plastizität, Packungsdichte, Magnetisierung, etc., können die friktionalen und anderen Bindungskräfte zwischen den Partikeln hinreichend reduziert werden durch Zerstörung (d.h. durch die Tatsache, dass Treibgas durch Markierungs-Mateial hindurchfließt), so dass das Markierungs-Material eine bestimmte flüssigkeitsartige Eigenschaft in dem Gebiet der Zerstörung einnimmt. Unter diesen Bedingungen können die Regionen 86C, 86M, 86Y und 86K an verflüssigtem Markierungs-Material erzeugt werden (sie werden kollektiv als verflüssigte Betten 86 bezeichnet). Durch Bereitstellen eines verflüssigten Betts 86, in hier beschriebenen Art und Weise, wird verursacht, dass das Markierungs-Material gleichmäßig sowohl durch Erzeugen eines flüssigkeitsähnlichen Materials mit reduzierter Viskosität als auch durch effizient kontinuierliches Reinigen der Stutzen 42 mit dem darin abgezweigten Treibgas fließt. Akkurate Sportgröße, Position, Farbe etc. werden hierbei erhalten.
Nun wird auf 22 verwiesen; die Zeile 240 repräsentiert einen Plot des Drucks gegen die Zeit an einem Punkt in dem Kanal in der Umgebung des Stutzens 42 von 21. Die Zeile 242 repräsentiert den Druck (P₂₃₀) am Sensor 230 von 21 (d.h. der Druck vor den Düsenabständen des Kanals 46). Die Zeile 244 repräsentiert den eingestellten Punkt (P_SET), an welchem der Druck innerhalb der Kavität 214 beibehalten wird. Da es einen gewissen Zeitraum benötigt, den Gleichgewichtsdruck in dem Kanal einzustellen und damit die gewünschte Druckbalance zwischen dem Kanal 46 und der Kavität 214, kann es wünschenswert sein, die Druckbalance zu beschleunigen, und das Verklumpen zu vermeiden, den Verlust von Markierungs-Material. Dies kann realisiert werden durch Einbringen von unter Druck stehendem Treibgas in die Kavität (oder eine anderweitig unter Druck gesetzte Kavität 214), beispielsweise aus der Treibgasquelle mit Hilfe einer Öffnung 232, lokalisiert in der Kavität 214, dargestellt in 21.
Eine alternative Anordnung 260 zur Bereitstellung eines verflüssigten Betts wird illustriert in 23. In dieser Ausführungsform wird einem System von Elektroden und Spannungen eingesetzt, um nicht nur ein verflüssigtes Bett zur Verfügung zu stellen, sondern auch eine Dosierfunktion. Konzeptionell kann diese Ausführungsform in drei separate und komplementäre Funktionen unterteilt werden: Markierungs-Material-"Abprallen", Markierungs-Materialdosierung und Markierungs-Material-Projektion". Ein Markierungs-Material-Träger 262, wie z.B. eine Donor-Walze, ein Riemen, Trommel od. dgl. (welcher mit Markierungs-Material mit Hilfe einer konventionellen Magnetbürste 283 bestückt wird) wird im kleinen Abstand entfernt von einer Ausführungsform 264 der Kavität 28, ausgebildet im Körper 266 gehalten. Der Stutzen 268 wird in der Basis des Körpers 266 gehalten, beispielsweise als eine zylindrische Öffnung, welche kommunikativ die Kavität 264 und den Kanal 46 verbindet. Der Körper 266 kann eine monolithische Struktur oder eine laminierte Struktur aufweisen, beispielsweise ausgebildet aus eienr Halbleiterschicht 272 (beispielsweise aus Silizium) oder einer Isolatorschicht 274 (beispielsweise aus Plexiglas). Die Wände der Kavität 264 können optional überzogen sein mit einem Dielektrikum (wie z.B. Teflon), um eine moderat ebene (glatte) Isolatorgrenze bereitzustellen. Selbstverständlich kann dieses Coating auch auf irgendwelche anderen Ausführungsformen, die hier beschrieben werden, angewandt werden.
Ausgebildet auf der Seite der Kavität des Stutzens 268 ist die erste Elektrode 276, welche eine kontinuierlichen Metallschicht sein kann, abgeschieden innerhalb der Struktur oder welche strukturiert sein kann, um mit jedem Stutzen 268 eines Arrays eines solchen Stutzens zu korrespondieren. Ausgebildet auf der Kanalseite des Stutzens 268 ist eine zweite Elektrode 278, welche typischerweise in einer ringförmigen ebenen Form strukturiert ist, konzentrisch um den Stutzen 268. Eine optionale ergänzende Elektrode 54 kann ausgebildet werden, um innerhalb des Kanals bei der Extraktion von Markierungs-Material aus der Kavität 264 zu assistieren. Durch geeignete Auswahl der Spannungen bei jedem der verschiedenen Punkte in der Anordnung 260 können die gewünschten drei Funktionen erreicht werden. Beispielsweise illustriert die Tabelle 2 eine mögliche Auswahl von Spannungen.
Tabelle 2
In der Anordnung 260 wird das Markierungs-Material 282 beladen, beispielsweise durch Tribo-Beladung oder Ionen-Beladung und wird dadurch durch den Träger 262 zurückgehalten. Die AC-Spannung innerhalb der Kavität 264 verursacht, dass der beladene Toner zwischen dem Träger und der ersten Elektrode 276 "prallt". Die DC-Vorspannung ist die Spannungsdifferenz, welche beibehalten wird zwischen dem Träger 262 und den Markierungs-Material-Transportwalzen 284, um eine kontinuierliche Markierungs-Materialversorgung von dem Markierungs-Material-Reservoir 287 aufrechtzuerhalten. Für Markierungs-Material mit engen Größen- und Ladungsdurchmesser-Verhältnis (Q/d)-Verteilungen, wird das Abprallen synchronisiert mit der AC-Frequenz. Die optimale A/C-Frequenz wird bestimmt durch die Übergangszeit des Markierungs-Materials zwischen dem Träger 262 und der ersten Elektrode 276. Genauer gesagt, sollte die Periode T doppelt so lang sein wie die Übergangszeit τ.
Die Gating-Spannung dient dazu, um den Stutzen 268 zu öffnen (schalte ihn "ein") bzw. zu schließen (schalte ihn "ab"). Für den "An"-Zustand liegt die Polarität der Spannung direkt entgegengesetzt zur Polarität des beladenen Markierungs-Materials, wodurch das Markierungs-Material in das Feld zwischen die ersten und zweiten Elektroden 276 bzw. 278 angezogen wird. Schließlich kann eine Projektionsspannung etabliert werden durch eine ergänzende Elektrode 54, um des weiteren die beladenen Markierungs-Material-Partikel in den Kanal 46 zu ziehen, wo der Treibgasstrom verursacht, dass sie in Richtung eines Substrates wandern.
Es kann wünschenswert sein, in kontrollierter Art und Weise Markierungs-Material in Richtung der Stutzen 42 zu bewegen, speziell mit Geschwindigkeit, Präzision und Korrekturzeit. Dieser Prozess wird als Markierungs-Material-Transport bezeichnet und kann realisiert werden durch eine einer Vielzahl von Techniken.
Eine solche Technik verwendet eine elektrostatische wandernde Welle, um individuelle Markierungs-Material-Partikel bewegen. Unter Verweis auf 24 wird entsprechend dieser Technik eine DC-Hochspannungsphasen-Wellenform, auf ein Gitter 148 von gleich weit entfernten Elektroden 88 angelegt, wobei die Elektroden in der Nähe eines jeden Stutzens 42 ausgebildet sind. Das Gitter 148 kann fotolithografisch ausgebildet werden aus Aluminium innerhalb der Kavitäten oder kann auf einem abhebbaren Träger ausgebildet sein, welcher innerhalb der Kavitäten angebracht ist.
25 illustriert eine Ausführungsform, in welcher die Elektroden 88 für eine elektrostatische wandernde Welle bereitgestellt werden in Verbindung mit den Elektroden 142 (nicht gezeigt) bzw. 144 zur Dosierung des Markierungs-Materials. Es wird sich jedoch verstehen, dass verschiedene andere Transport- und Dosierkombinationen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Ansprüche liegen.
Eine Schutz- und Relaxationsschicht können über die Elektroden 88 abgeschieden werden, um ihre Oberflächen zu schützen und auch eine schnelle Ladungsumpolung zu einer bekannten Zeitkonstante bereitzustellen, um das Markierungs-Material entlang des Gitters 148 zu bewegen. Desweiteren wird ein geeigneter Überzug bei der Steuerung der Richtung der Markierungs-Materialbewegung assistieren, vermindern, das Markierungs-Material zwischen den Elektroden gefangen wird, die Oxidation und Korrosion der Elektroden minimieren und einen Lichtbogenüberschlag zwischen den Elektroden vermindern.
Es sollte eingesehen werden, dass die Transport- und Dosierfunktionen, die hier gelehrt werden, durch eine einzelne Vorrichtung realisiert werden können und in einem Einzelschritt kombiniert werden können. Jedoch adressiert der Transport und/oder die Dosierung von Markierungs-Material entsprechend der vorliegenden Erfindung, sei es separat oder kombiniert, viele der Probleme, die im Stand der Technik identifiziert wurden. Beispielsweise ist Markierungs-Material verfügbar zur Injektion in den Treibgasstrom in nahezu instantaner (unverzögerter) Form. Dies löst das Problem eines Bedürfnisses, auf ein Wiederbefüllen eins Kanals zu warten, wie dies in herkömmlichen Ink-Jet-Systemen der Fall ist. Desweiteren kann die Rate, mit welchem Markierungs-Material in dem Treibgasstrom bewegt werden kann und anschließend auf ein Substrat abgeschieden wird, signifikant höher sein, als dies aus dem Stand der Technik verfügbar ist; in der Tat kann sie in einigen Ausführungsformen kontinuierlich bereitgestellt werden.
Um ein Beispiel zu nehmen, sei ein seitenbreiter (0,85 Inch) Arraydruckkopf mit Kanälen, entfernt bei 600 spi betrachtet. Man nehme an, dass eine Spotgröße gleich dem 1,5fachen des Durchgangs der Austrittsöffnung sei (man nehme aus Gründen der Einfachheit an, dass die Austrittsöffnung einen runden Querschnitt aufweist). Folglich ist die Spotfläche 2,25fach die Austrittsöffnungsfläche. Es sei auch angenommen, dass das Markierungs-Material ein fester partikulärer Toner mit 1,5 μm an Durchmesser ist, den man auch einem Papiersubstrat mit monochromen voll abdeckenden (monochrome full coverage) 5 Partikeln dick beschichten will. Dies bedeutet, dass eine Befüllungslänge von 2,25 × 10 Partikel × 1 μm oder 22,5 μm benötigt wird, um in den Treibgasstrom eingefüllt zu werden. Um auf der sicheren Seite zu sein, werden wir eine Länge von 15 μm annehmen.
Um Klumpen zu vermeiden, sei des weiteren angenommen, dass die Markierungs-Material-Befüllgeschwindigkeit größer ist als eine Größenordnung unterhalb der Treibgasgeschwindigkeit. Mit einer Treibgasgeschwindigkeit von ungefähr 300 Meter pro Sekunde (m/s) nehmen wir an, dass eine Markierungs-Material-Befüllgeschwindigkeit von 1 m/s (10 m/s ist ungefähr die Geschwindigkeit eines TIJ Tropfenausschleuderns) sei. Bei einem m/s dauert es 25 ms, um eine 15 μm Länge an Markierungs-Material zu befüllen. Mit anderen Worten ist die Spot-Abscheidungszeit ungefähr 25 ms pro Spot.
Für dieses Array dauert es 11 Inch × 600 spi × 25 ms pro Spot, oder 165 Millisekunden (ms), um eine Seite von 8,5 × 11 inch vollständig zu markieren. Absolut genommen, korrespondiert dies mit ungefähr 360 Seiten pro Minute. Dies muss verglichen werden mit einem Maximum von ungefähr 20 Seiten pro Minuten aus einem TIJ-System. Ein Grund für diese Verbesserung im Durchsatz ist die Fähigkeit, eine kontinuierliche Befüllung an Markierungs-Material zur Verfügung zu stellen. Das heißt, der Anteil an Druckzeit für den Arbeitszyklus ist ungefähr 100 % im Vergleich zu einem TIJ-System, wo die Druckzeit (Ausschleuderzeit des Markierungs-Materials) gerade einmal 20% des Arbeitszyklus ist (bis zu 80% des TIJ-Arbeitszyklus werden damit verbracht, auf das Wiederbefüllen des Kanals mit Tine zu warten).
In bestimmten Ausführungsformen ist es möglich, dass trotz des Erzeugens eines verflüssigen Betts innerhalb der Kavität Markierungs-Material dazu tendieren kann, in stagnierenden Regionen innerhalb der Kavität sich zusammenzuballen, beispielsweise in den entsprechenden Ecken, was das verflüssigte Bett vor allem und die Injektion des Markierungs-Materials in den Kanal negativ beeinträchtigt. Ein Beispiel dafür wird in 26A illustriert. Um dieses Problem zu adressieren und des weiteren beim Transport des Markierungs-Material innerhalb der Kavität zu assistieren, kann das Bulk-Markierungs-Material innerhalb der Kavität gerührt werden. 26B illustriert eine Ausführungsform 250 zum Erzeugen eines solchen Rührens. Bei zumindest einer Wand 254, der die Kavität 228 ausbildet, ist ein piezoelektrisches Material 256, welches mechanisches und durch Druck ausgeübtes Rühren innerhalb der Kavität 28 verursacht. Dieses Rühren hält das Markierungs-Material, lokalisiert in der Kavität 28 in einem dynamischen Zustand aufrecht, was Stagnationspunkte innerhalb der Kavität 252 vermeidet.
In einem multiplen Markierungs-Materialansatz, beispielsweise von einem vollen Farbdrucker, können zwei oder mehr Markierungs-Materialien im Kanal vor dem Abscheiden auf dem Substrat vermischt werden (wiederum ist die folgende Diskussion auch relevant für andere Materialien, wie z.B. Prä- und Post-Markierungsbehandlungsmaterialien etc.). In solch einem Fall werden alle Markierungs- Materialien individuell in einen Kanal dosiert. Dies erfordert die unabhängige Steuerung des Dosierens eines jeden Markierungs-Materials und setzt Grenzen für die Durchtrittsraten durch das benötigte Adressieren und andere Aspekte der Dosierung. Beispielsweise wird mit Blick auf 27 darin ein multiples Farbmarkierungssystem gezeigt, in welchem jeder Kanal 46 mit einer oder mehreren Farben an Markierungs-Materialien bestückt sein kann. Um den Fluss an Markierungs-Material in einen Kanal 46 zu steuern, wird eine Dosiervorrichtung 104, beispielsweise von einem der zuvor beschriebenen Typen, in der Art einer Matrix adressiert über Spaltenadressanschlüsse 106 bzw. Reihen-Adressanschlüsse 108 in einer Art und Weise, wie sie oben diskutiert wurde. Die RC-Zeitkonstante, assoziiert mit einem 8-Inch langen Satz an passiv adressierten Spaltenadressenkontakten 106 wird die minimal erreichbare Signalanstiegszeit in diesen Zeilen auf einige Mikrosekunden begrenzen – wir nehmen hier 2 ms bei 500 kHz an. Die minimale Dosiervorrichtungs-"an"-Zeit liegt folglich in der Größenordnung von ungefähr 5 ms. Für n-Bit-Graustufendrucken nimmt die vollständige Abdeckung für jede Farbe 2 × 5ⁿ ms pro Spot. Es benötigt daher 11 × 600 spi × (2 × 5ⁿ) ms/Spot oder ungefähr 33 × 2ⁿ ms um die vollständige Abdeckung einer 600 spi-Seite zu drucken. Dies korrespondiert mit ungefähr 1800 × 2^–n Seite pro Minute. Für 5-Bit-Graustufen pro Kanal (n = 5) kann das System bis zu 56 vollständige Farbseiten pro Minuten realisieren, wobei vollständiger Farbdruck (unter Verwendung der CMYK-Spektren) verfügbar ist für jeden Spot ein einem einzelnen Durchgang (es sollte festgehalten werden, dass es ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, eine relativ hohe Spot-Dichte zur Verfügung zu stellen, beispielsweise 300 spi oder mehr bei 2 oder mehr Bits an Graustufen und das verschiedene Niveaus an Graustufen erhalten werden können, ohne signifikant den Durchmesser des Spots zu verändern. Das heißt, die Spotgröße wird konstant gehalten, beispielsweise 120 μm, während die Dichte an Markierungs-Material variiert wird, um unterschiedliche Niveaus an Grau oder Farbe für einen Spot zu erzielen.
Weitere Adressierschematas sind bekannt, welche ein schnelleres Adressieren und folglich ein schnelleres mögliches Drucken ermöglichen. Beispielsweise durch Einsetzen eines parallelen Adressierschematas (d.h. keine Spaltenadressierenden Zeilen) kann die Signalerzeugungszeit um eine Größenordnung verkürzt werden. Ein System mit einer 1 ms Minimum-Dosierungsvorrichtung-"an"-Zeit ist daher in der Lage, eine vollständige Farb-Graustufenmarkierung bei ungefähr 280 Seiten pro Minute zu realisieren.
Da es eine Austauschbeziehung zwischen dem Durchsatz und der Farbtiefe/Graustufe gibt, ist es möglich, ein System maßzuschneidern, um eine oder beide dieser Merkmale zu optimieren. Die Tabelle 3 fasst eine Durchsatz- und Farbtiefen/Graustufen-Matrix, basierend auf den oben genannten Annahmen zusammen sowie die erforderlichen Markierungs-Material-Befüllungsgeschwindigkeiten.
Tabelle 3
Es sollte festgehalten werden, dass die Farbtiefe und der Durchsatz nicht für ein System fixiert sein müssen. Diese Werte können eingestellt werden durch einen Anwender während des Setup-Prozesses für die Markierungs-Vorrichtung.
Es sollte auch festgehalten werden, dass die Markierung von zunehmenden Anzahlen von Farben nahezu in einer Gaus'schen Verteilung über die Spotgröße/-Dichte verteilt wird. Dies wird illustriert in 28 für ein System mit vier Farben und einer 2 Bit-Graustufen-Skala.
Die Fähigkeit, in akkurater Art und Weise die Platzierung eines Spots am Markierungs-Material zu platzieren, ist ein Teil einer Funktion der Geschwindigkeit des Treibgases. Die Spotgröße und Form sind auch eine Funktion dieser Geschwindigkeit. Das Auswählen der Treibgasgeschwindigkeit wiederum ist ein Teil einer Funktion der Größe und Masse der Markierungs-Material-Partikel. Darüber hinaus sind Spotposition-, -Größe und -Form eine Funktion, wie gut (d.h. über wie viele Austrittsöffnungsdurchmesser) das vollständig expandierte Treibgas kollimiert bleibt. 29 zeigte einen idealisierten Fall einer Treibgas/Substrat-Wechselwirkung, betrachtet ungefähr senkrecht zum Substrat. Die Stromlinien 110 zeigen, dass der zylindrische Treibgasstrom ein Flussmuster an der Substratoberfläche weg von der runden Scheibe des Markierungs-Materialspots 112 ausbildet.
Typischerweise werden die Markierungs-Material-Partikel auf dem Substrat abgeschieden aufgrund ihrer Massenträgheit (normales Moment), verliehen durch das Treibgas. Jedoch wird ihre Position auf dem Substrat abgelenkt vom Schwerpunkt durch die laterale hydrodynamische Kraftkomponente, welche an der Treibgassubstrat-Grenzfläche, illustriert in 30, auftreten. Je kleiner die Masse der Partikel (relativ zur Treibgasgeschwindigkeit), und je mehr solche Partikel vom Zentrum des Treibgasstromes entfernt, um so mehr werden sie vom Spotschwerpunkt abgelenkt. Das Ergebnis ist ein Spot mit einer Gaus'schen Dichteverteilung 114, wie er auch in 30 illustriert wird.
Nun wird auf 31 verwiesen; hier wird ein Beispiel einer Worst-Case-Abschätzung der Markierungs-Material-Partikel-Abweichung aufgrund der Treibgas/Substrat-Grenzflächen-Effekte gezeigt (insbesondere lateraler Zug an der Substrat-Grenzfläche), wobei angenommen sei, dass ein Partikel 116 mit einer Dichte r_p auf ein perfekt ebenes Substrat 38 gerichtet ist mit einer Geschwindigkeit v, senkrecht auf das Substrat, und in einem Treibgasstrom 118 der Breite L/2 (d.h. die Austrittsöffnung 56, wie sie in 3 gezeigt wird, ist in einer Breite von L/2) vorliegt. Es sei angenommen, dass an der Oberfläche des Substrates ein lateraler Treibgasfluss 120 eine Dicke L hat, ebenfalls mit einer Geschwindigkeit v, verursacht durch das Treibgas, das auf das Substrat trifft.
Das heißt, bei der Worst-Case-Abschätzung, dass die Treibgasgeschwindigkeit vollständig in einen lateralen Fluss nach Wechselwirkung mit dem Substrat gilt folgendes konvertiert wird.
Die laterale Abweichung x des Markierungs-Material-Partikels 116 aufgrund der lateralen Zugkraft wird berechnet für unterschiedliche Partikeldurchmesser D aus der Reynolds-Zahl-Gleichung,
wobei r_g = 1,3 kg/m³, und m_g = 1,7 × 10^–5 kg –s/m². Für eine Partikelgröße von 3 μm und eine Fließgeschwindigkeit von v = 300 ms ist die Reynolds-Zahl 70. Dies korrespondiert mit einem Zug-Koeffizienten (CD) von 2,8. Die Zugkraft FD wird dann gegeben durch
Diese laterale Zugkraft lenkt die normale Einfalls-Trajektorie des Partikels 116 und sendet sie auf eine Trajektorie mit einem Radius der Krümmung R, bestimmt aus der Gleichung für die Massenträgheits-Zentripetalkraft F_i
wobei R gegeben sei als
Die resultierende Abweichung x wird gegeben durch x = R·[1 – cos(arcsin(L/R))).
Alternativ, falls der normale Treibgasstrom-Durchmesser L/2 so gewählt wird, dass er eine Hälfte des Array-Pitch auch ausmacht, gilt x = R [–cos(arcsin(pitch/R))).
Für eine Fließgeschwindigkeit v, eine Partikelgröße D, eine gegebene Arraydichte und eine Partikeldichte von 1000 kg/m³ ist die resultierende Abweichung X in Tabelle 4 für verschiedene Bedingungen gezeigt.
Tabelle 4
Folglich würde für ein Worst-Case-Szenario einer 300 m/s Fließgeschwindigkeit, einer 1 mm Markierungs-Material-Partikelgröße und einer 600 spi-Auflösung ein Treibgasstrom (d.h. Austrittsöffnungsgröße) von 21 μm einen Spot einer Größe 21 μm + (2 × 2,5 μm) = 26 μm,erzeugen, wobei die Größenausdehnung des Spots aufgrund des lateralen Zuges an der Treibgasstrom/Substratgrenzfläche auftritt. Es sollte festgehalten werden, dass dies mit einem Worst-Case-Szenario für jede Bedingung gilt, d.h. (1) kein Stagnationspunkt und voll entwickelten Querfluss, (2) Querfließgeschwindigkeit gleich der Volltreibgasstrom-Geschwindigkeit, wodurch der friktionale Verlust der Substrattopologie ignoriert wird, (3) die vollständige Zugkraft wird abrupt angewandt und liegt zwei Jet-Durchmesser entfernt vom Substrat. Es sollte auch festgehalten werden, dass die Reynolds-Zahl sehr niedrig ist aufgrund der Skala der charakteristischen Länge und sich keine Turbulenz entwickeln kann gemäß der Mikroflüssigkeitsfließtheorie. Schließlich sollte festgehalten werden, dass mit Abnahme der Partikelgröße R zunimmt, so dass an einem gewissen Punkt R den lateralen Treibgasfluss der Dicke 2L erreicht. Wenn dies passiert, werden die Markierungs-Material-Partikel signifikant vom Spotschwerpunkt abgelenkt und kontaktieren im Extremfall nie das Substrat. Es kann aus dem oben Erläuterten gezeigt werden, dass dies auftritt (basierend auf den hier gemachten Angaben) für Markierungs-Material-Partikelgrößen in der Größenordnung von 100 nm oder weniger.
Dies demonstriert nicht nur akzeptable Spotgröße- und Positionskontrolle, sondern illustriert, dass unter den angenommenen Bedingungen kein spezifischer Mechanismus benötigt wird, um die Markierungs-Material-Partikel aus dem Treibgasstrom zu extrahieren und sie auf dem Substrat abzuscheiden.
Jedoch in dem Fall, dass es wünschenswert ist, die Extraktion der Markierungs-Material-Partikel aus dem Treibgasstrom an der Substratoberfläche weiter zu vergrößern (beispielsweise bei geringen Flussgeschwindigkeiten/Partikelgrößen etc.) kann elektrostatisch verstärkte Partikelextraktion eingesetzt werden. Durch Beladen des Substrates oder der Walze (wo eingesetzt) mit der entgegengesetzten Ladung der Markierungs-Material-Partikel wird die Anziehung zwischen Partikel und dem Substrat/der Walze die Partikelextraktion verstärken. Solch eine Ausführungsform 178 wird illustriert in 33, in welcher der Körper 26 in der Nähe einer Walze 180 lokalisiert ist, die in der Lage ist, eine Nettoladung aufzunehmen und zu konservieren. Die Ladung auf der Platte 180 kann angelegt werden mit einer Donor-Walze 182, bewegt in Verbindung mit der Walze 180 durch einen Riemen 184 oder ein anderes Mittel, oder durch andere Verfahren, die im Stand der Technik bekannt sind (wie z.B. durch eine Tribo-Bürste, piezoelektrischen Überzug etc.).
In einem Beispiel wird die Walze 180 mit einer positiven Nettoladung durch die Donor-Walze 182 bestückt. Markierungs-Material-Partikel 188 können mit einer negativen Nettoladung versehen werden, beispielsweise durch die Corona, die in 3 illustriert ist oder mit Hilfe eines anderen Mittels. Ein Markierungs-Material-aufnehmendes Substrat (beispielsweise Papier) wird zwischen der Markierungs-Material-Quelle und der Walze in der Nähe der Walze platziert. Die Anziehung zwischen dem Markierungs-Material 188 und der Walze beschleunigt das Markierungs-Material in Richtung der Walze und falls solch eine Anziehung hinreichend stark ist, speziell in der Ausführungsform mit einer relativ langsamen Treibgasgeschwindigkeit, kann dies die Tendenz des Treibgases, vom Spot-Schwerpunkt durch lateralen Zug des Treibgases abgelenkt zu werden, kompensieren. Darüber hinaus kann diese Anziehung helfen, das Problem von Markierungs-Materialien zu eliminieren, die vom Substrat abprallen und entweder in einen Ruhezustand in einer ungewünschten Position auf dem Substrat gelangen, oder in einer Position entfernt von dem Substrat vor der Nachausschleudermodifikation (beispielsweise Fixierung durch Hitze- und/oder Druckwalze 186), ein Problem, das als "bounce back" bezeichnet wird. Dies ist insbesondere hilfreich, wenn kinetisches Fixieren (wie unten diskutiert), nicht eingesetzt werden kann.
Sobald das Markierungs-Material auf das Substrat geliefert worden ist, muss es angehaftet werden oder fixiert werden auf dem Substrat. Während es viele Ansätze gibt, zum Fixieren entsprechend der vorliegenden Erfindung, ist ein einfacher Ansatz, die kinetische Energie des Markierungs-Material-Partikels einzusetzen. Für diesen Ansatz muss das Markierungs-Material-Partikel eine Geschwindigkeit v beim Auftreffen auf dem Substrat aufweisen, welche hinreichend ist, um kinetisch das Partikel durch plastische Deformation von der Kollision mit dem Substrat zu verschmelzen (wobei angenommen wird, dass das Substrat unbegrenzt steif ist). Nach dem Schmelzen (vollständiger Übergang in eine flüssige oder Glasphase oder einen ähnlichen reversiblen temporären Phasenübergang) verfestigt sich das Partikel erneut (oder kehrt anderweitig in seine ursprüngliche Phase zurück) und wird dadurch auf das Substrat fixiert.
Um das kinetische Fixieren zu realisieren, ist vonnöten, dass: (1) die kinetische Energie des Partikels groß genug ist, um das Partikel jenseits seiner elastischen Grenze zu bringen; und (2) die kinetische Energie größer ist als die Hitze, die benötigt wird, um das Partikel jenseits seiner Erweichungstemperatur zu bringen, um eine Phasenänderung auszulösen. 35 ist ein Plot 190 der Anzahl an Markierungs-Material-Partikel vs kinetische Energie für eine typische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und zeigt die generellen Bedingungen, bei welchen kinetisches Fixieren auftreten kann. Unterhalb eines bestimmten kinetischen Energiewertes weisen die Partikel unzureichende Energie auf, um mit einem Substrat zu fusionieren, während oberhalb dieses speziellen kinetischen Energiewertes die Partikel hinreichend kinetische Energie aufweisen werden, um zu fusionieren. Dieser spezielle kinetische Energiewert wird als die kinetische Fixierungs-Energie-Schranke bezeichnet und wird durch die Grenze 192, die in 35 gezeigt wird, illustriert. Im wesentlichen werden Partikel, deren kinetische Energie in die Region 194 fällt, nicht fixieren aufgrund einer unzureichenden Erwärmung, wohingegen Partikel mit Energien in der Region 196 fixieren werden. Es gibt essentiell zwei Wege, um den Prozentsatz der fixierten Markierungs-Material-Partikel zu erhöhen.
Zum einen kann die kinetische Fixierungs-Energie-Schranke nach unten verschoben werden. Dies ist essentiell eine Funktion der Qualität des Markierungs-Materials. Zum Zweiten kann die gesamte kinetische Energiekurve verschoben werden beispielsweise durch Erhöhen der Treibgasgeschwindigkeit.
Die kinetische Energie E_k eines sphärischen Partikels mit der Geschwindigkeit v, der Dichte ρ und dem Durchmesser d wird gegeben durch
Die Energie E_m, benötigt um ein kreisrundes Partikel mit einem Durchmesser d der Hitzekapazität C_ρ und der Dichte r von Raumtemperatur T₀ bis jenseits seiner Erweichungstemperatur T_s zu erwärmen, wird gegeben durch
Die Energie E benötigt, um ein Partikel mit dem Durchmesser D und dem Young'schen Modul E jenseits seine Elastizitätsschwelle se zu deformieren und in den plastischen Deformationsbereich wird gegeben durch
Die kritische Geschwindigkeit v_cp zum Erhalten einer plastischen Deformation wird dann gegeben durch
Schließlich wird die kritische Geschwindigkeit vom, um kinetisches Schmelzen zu erhalten, gegeben durch
Für einen Thermoplasten mit C_p = 1000 J/kg K, T_s = 60°C und T₀ = 20°C ist die kritische Geschwindigkeit, benötigt um kinetisches Schmelzen zu erhalten 280 m/s. Dies ist konsistent mit den Annahmen, die oben gemacht wurden. Es sollte festgehalten werden, dass dieses Ergebnis unabhängig von der Partikelgröße und -dichte ist.
Man kann einen solchen Treibgasfluss von 280 m/s oder höher erreichen auf verschiedenen Wegen. Ein Verfahren ist es, ein Treibgas zur Verfügung zu stellen bei relativ hohem Druck, abhangend von der Vorrichtungsgeometrie, (beispielsweise in der Größenordnung mehrer Atmosphären in einem Beispiel) an der konvergierenden Region eines Kanals mit einer konvergierenden Region 48 und einer divergierenden Region 50, beispielsweise einer sogenannten de Laval-Düse, illustriert in 4, wobei der Treibgasdruck in Geschwindigkeit umgewandelt wird. In einem Beispiel ist das Treibgas Unterschallgeschwindigkeit (beispielsweise weniger als 331 m/s) in allen Regionen des Kanals. In einem anderen Beispiel wird das Treibgas unter Schallgeschwindigkeit in der konvergierenden Region 48 sein und über Schallgeschwindigkeit in der divergierenden Region 50 und an oder stark in der Nähe der Geschwindigkeit des Schalls an der Drossel 53 zwischen den konvergierenden und divergierenden Regionen.
36 ist eine Darstellung der Treibgasgeschwindigkeit V bei der Austrittsöffnung 56 gegen den Treibgasdruck für einen Kanal 46 bei einem Querschnittsabschnitt von 84 μm auf jeder Seite (korrespondierend mit ungefähr 300 Spots pro inch). Wie zu sehen ist, sind 280 m/s leicht erhältlich bei moderaten Drücken für Kanäle, sowohl mit als auch ohne eine Düse.
Oben wurde angenommen, dass das Substrat von einer unbegrenzten Steifheit ist, was in den meisten Fällen nicht der Fall ist. Der Effekt der Elastizität des Substrates ist es, den offensichtlichen E-Modulus des Materials zu vermindern, ohne die Ausbeutestärke zu vermindern (d.h. mehr Energie ist nötig, um den Ausbeutezug in dem Material zu erreichen, mehr Energie ist nötig, um plastische Deformation zu erreichen und v nimmt zu). Das heißt, obwohl sogar die kinetische Energie größer sein kann, als sie Energie benötigt, um das Partikel zu schmelzen, wird die Kollision elastisch sein, was den Aufprall des Partikels und eine potentiell unzureichende Erhitzung verursacht. Folglich müssen in einigen Systemen (abhängend von der Elastizität des Substrates) die Markierungs-Material-Partikel eine höhere Vorabgeschwindigkeit erreichen, oder eine Fusionsunterstützung muss durch das System bereitgestellt werden.
In dem Fall, dass eine Fusionsunterstützung benötigt wird (d.h. ein elastisches Substrat, geringe Markierungs-Material-Partikel-Geschwindigkeit etc.) kann eine Vielzahl von Ansätzen eingesetzt werden. Beispielsweise können ein oder mehrere erhitzte Filamente 122 bereitgestellt werden in der Nähe des Ausschleuderstutzens 56 (dargestellt in 4), was entweder die kinetische Energie reduziert, die benötigt wird, um die Markierungs-Material-Partikel zu schmelzen, oder tatsächlich zumindest teilweise die Markierungs-Material-Partikel im Flug schmilzt. Alternativ oder zusätzlich zum Filament 122 kann ein erhitztes Filament 124 in der Nähe des Substrates 38 lokalisiert sein (wie auch in 4 gezeigt wird), was zu einem ähnlichen Effekt führt.
Noch ein weiterer Ansatz, um den Fusionsprozess zu unterstützen, ist es, die Markierungs-Material-Partikel durch einen intensiven, gebündelten Lichtstrahl zu leiten, beispielsweise einen Laserstrahl, wodurch Energie auf die Partikel übertragen wird, die entweder hinreichend ist, um die kinetische Energie zu vermindern, welche benötigt wird, um die Markierungs-Material-Partikel zu schmelzen, oder zumindest teilweise die Partikel im Flug schmilzt. Diese Ausführungsform wird in 37 gezeigt, wo ein Strom 130 an Partikeln von Markierungs-Material durch eine intensive gebündelte Lichtquelle 132 geleitet wird, beispielsweise einen Laserstrahl, erzeugt durch einen Laser 134 auf seinem Weg in Richtung Substrat 38. Selbstverständlich kann eine Lichtquelle verschieden von dem Laser 134 zu ähnlichen Ergebnissen führen.
Man nehme an, dass ein Partikel mit Dichte r, Masse m, Durchmesser d, Hitzekapazität C_p und Erweichungstemperatur T_s mit einer Geschwindigkeit v durch einen Laserstrahl mit einer Breite L₁ und einer Höhe L₂ wandert, wie in 32 gezeigt wird. Die Temperaturveränderung DT für ein solches Partikel, so dass es eine Hitzeausgabe ΔQ ergibt, wird gegeben durch
Die Laserenergiedichte p wird gegeben durch die Laserleistung P dividiert durch die Fläche der Ellipse, wie folgt:
Die Energie, absorbiert durch die Partikel pro Zeiteinheit ist gegeben durch die Laserleistungsdichte, multipliziert mit der projizierten Fläche des Partikels (pd²/4) multipliziert durch die Absorptionsfraktion α:
Die Energie, absorbiert durch das Partikel, während es durch den Strahl wandert, wird folglich gegeben durch
Die Temperaturveränderung ist folglich gegeben durch
Wenn die ursprüngliche Temperatur des Partikels gleich T₀ ist, ist die Laserleistung, benötigt, um das Partikel über seine Glasübergangstemperatur zu erhitzen, folglich gegeben.
Als ein Beispiel nehmen wir die folgenden Werte an:

Tabelle 5
Dementsprechend beträgt die Laserleistung, benötigt um die Markierungs-Material-Partikel dieses Beispiels zu schmelzen, 1,9 Watt. Dies liegt gut innerhalb des Bereichs von kommerziell verfügbaren Lasersystemen, wie z.B. einem kontinuierlichen Strahl bzw. fasergekoppelten Laserdiodenarrays.
38 ist ein Plot der Lichtquellenenergie, benötigt zum Schmelzen des Partikels gegen die Partikelgröße für verschiedene Partikelgeschwindigkeit und zeigt, dass das Schmelzen im Flug, beispielsweise mit Laserdioden möglich sein sollte für die Partikelgrößen und Geschwindigkeiten, die von Interesse sind. Der Vorteil, der sich durch das Im-Flug-Schmelzen ergibt, ist, dass kein Bulk-Material erhitzt wird (weder das Bulk-Markierungs-Material, noch das Substrat). Folglich kann das im-Flug-Schmelzen eine große Vielzahl von Markierungs-Material-Zufuhrpaketen ermöglichen (beispielsweise sowohl starr montierte als auch entfernbare Markierungs-Material-Reservoirs etc.) und kann eine große Vielzahl von Substraten bedienen aufgrund des niedrigen Markierungs-Materialhitzegehalts, trotz einer relativ hohen Partikeltemperatur (d.h. geringe thermale Masse).
Schließlich können andere Systeme eingesetzt werden, welche beim Fusionsprozess unterstützend wirken, abhängend von der speziellen Anwendung der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise kann das Treibgas selbst erhitzt werden. Während dies nicht wünschenswert sein kann, in dem Fall, dass die Hitze des Treibgases die Markierungs-Material-Partikel schmilzt, da dies zur Kontamination und Verklumpen der Kanäle führt, kann hinreichende Hitze auf die Partikel übertragen werden, kurz vor dem Schmelzen, um die kinetische Energie, benötigt zum Erreichen des Fusionierens, zu reduzieren. Das Substrat (oder der Substratträger, wie z.B. eine Walze) kann erhitzt werden in hinreichendem Maße, um bei der kinetischen Fusion unterstützend zu wirken, oder tatsächlich hinreichend die Markierungs-Material-Partikel zu schmelzen. Anderweitig kann das Fusionieren an einem separaten Ort der Vorrichtung stattfinden durch Hitze, Druck oder eine Kombination der beiden, ähnlich zu dem Fusionsprozess, eingesetzt bei einem modernen xerografischen Equipment. UV-vernetzbare Materialien, verwendet als Markierungs-Material können verwendet werden, oder vernetzt werden durch Anwenden von UV-Strahlen, entweder im Flug, oder auf dem materialtragenden Substrat.
Es sollte jedoch festgehalten werden, dass ein bedeutsamer Aspekt der vorliegenden Erfindung in der Fähigkeit liegt, eine Phasenveränderung und eine Fusion auf einer Pixel-per-Pixel-Basis bereitzustellen. Das heißt, ein großer Teil des Standes der Technik ist limitiert auf ein Flüssigphasenbulk-Druckmaterial, wie z.B. eine flüssige Tinte oder einen Toner in einem flüssigen Träger. Folglich kann die vorliegende Erfindung hinreichende Auflösungsverbesserungen ermöglichen sowie Pixel-Niveau-Multiple-Materialien oder ein Einzeldurchlauf-Markierungsverfahren mit multiplen Farben.
Während des Betriebs einer Ausführungsform des Markierungsapparates der vorliegenden Erfindung kann das Treibgas kontinuierlich durch den Kanal (die Kanäle) fließen. Dies dient für verschiedene Zwecke, einschließend dem Maximieren der Geschwindigkeit, bei welcher das System ein Substrat markieren kann (einen konstanten fertigen Zustand), das kontinuierliche Versorgen der Kanäle mit Anreicherungen an Markierungs-Material sowie das Verhindern des Eintritts von kontaminierenden Materialien (wie z.B. Papierfasern, Staub, Feuchtigkeit aus der Umgebungsfeuchtigkeit etc.) in die Kanäle.
In einem Nicht-Betriebszustand, wie z.B. dem Zustand, in dem das System ausgeschaltet ist, fließt kein Treibgas durch die Kanäle. Um den Eintritt von kontaminierenden Substanzen in diesem Zustand zu vermeiden, kann eine Verschlussstruktur 146, illustriert in 39, in Kontakt gebracht werden mit einer Grenzfläche des Druckkopfes 34, speziell an den Austrittsöffnungen 56. Die Verschlussstruktur 146 kann eine Gummiplatte oder ein anderes Material sein, welches in der Lage ist, impermeabel den Kanal von der Umgebung abzuschirmen. Als eine Alternative ist er in dem Fall, wo der Druckkopf 34 beweglich ist, innerhalb des Markierungssystems, so beschaffen, dass er bewegt werden kann in einer Aufrichtungserhalt-Position innerhalb des Markierungssystems, wie das üblicherweise eingesetzt wird bei TIJ und in anderen Drucksystemen. Als eine weitere Alternative, in dem Fall, wo das Markierungssystem konzipiert ist, um blattartige Medien zu markieren, unterstützt durch eine Walze, eine Trommel oder dergleichen wird additiv, wo die Trommel, die Walze etc. aus einem geeigneten Material, wie z.B. Gummi ausgebildet werden, der Druckkopf 34 in Kontakt mit der Trommel, der Walze etc. sein, um die Kanäle abzuschirmen. Alternativ können die Trommel, Walze etc. in Kontakt mit dem Druckkopf 34 bewegt werden, wie in 40 gezeigt wird.
Das Reinigen der Stutzen 42 und jegliche assoziierte Öffnungen 136 sowie der Elektroden 142, 144 kann realisiert werden durch den Treibgasfluss, verwendet um das verflüssigte Bett, wie oben diskutiert, oder eine anderweitige Steuerung der Druckbalance zwischen dem Kanal und den Markierungs-Material-Kavitäten, so dass, wenn Markierungs-Material nicht in den Kanal injiziert wird, ein Fluss von Treibgas durch besagte Stutzen und andere fließt.
Eine alternative Ausführungsform 320 wird in 43 illustriert. In der Ausführungsform 320 ist der Druckkopf 322 essentiell invertiert. Ein Großteil der Beschreibung hier wird in gleicher Weise, für diese Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass ein verflüssigtes Bett 324 durch ein geeignetes Gas etabliert wird, wie z.B. eintn Treibgasstrom aus einer Treibgasquelle unter Steuerung einer Düse 326 oder ähnlicher Mittel. Eine Aerosolregion 328 wird Ober dem verflüssigten Bett 324 etabliert, erneut durch das Gas oder andere Mittel, welche ein verflüssigtes Bett 324 erzeugen. Markierungs-Material aus der Aerosolregion 328 kann dann in den Treibgasstrom eindosiert werden. Es wird nun eingesehen werden, dass verschiedene Ausführungsformen eines ballistischen Aerosol-Markierapparates sowie von Komponenten davon hier offenbart wurden. Diese Ausführungsformen umfassen großskalierte Systeme, welche integrierte Reservoire und Kompressoren einschließen zum Bereitstellen von unter Druck stehendem Treibgas, wieder befüllbar sind, oder sogar externe Markierungs-Material-Reservoire, hohe Treibgasgeschwindigkeit (sogar Überschall) zur kinetischen Fusion, konzipiert für sehr großen Durchsatz, oder schnelle sehr großflächige Markierung zum Markieren auf einem oder mehreren einer großen Vielzahl von Substraten, bis zu klein skalierten Systemen (beispielsweise Desktop, Homeoffice etc.) mit ersetzbaren Kartuschen, welche sowohl Markierungs-Material, als auch Treibgas tragen, konzipiert für verbesserte Qualität, sowie verbessertes Durchtrittsdrucken (Farbe oder monochrom) auf Papier. Die Ausführungsformen in dieser Beschreibung sind in der Lage, ein einzelnes Markierungs-Material, ein One-Pass Full-Color-Markierungs-Material aufzubringen, ein Material aufzubringen, welches für ein nicht unterstütztes Auge unsichtbar ist, ein Prä-Markierungs-Behandlungs-Material aufzubringen, ein Post-Markierungs-Behandlungs-Material aufzubringen, etc. mit der Fähigkeit, praktisch jegliche Art von Markierungs-Material innerhalb des Kanals der Vorrichtung vor dem Aufbringen des Markierungs- Materials auf ein Substrat zu vermischen, oder auf einem Substrat ohne erneute Registration.

Claims

Vorrichtung zum Ausstoßen eines Zeichenerzeugungsmaterials auf ein Substrat, die umfasst: eine Struktur (34), die wenigstens zwei benachbarte Kanäle (46) darin aufweist, wobei jeder Kanal eine Austrittsöffnung (56) hat; eine Zeichenerzeugungsmaterial-Dosiereinrichtung (21); und eine Treibmittelquelle (33), die mit jedem der Kanäle (46) verbunden ist, so dass durch die Treibmittelquelle bereitgestelltes Treibmittel durch die Kanäle strömen kann, um Treibmittelströme darin zu bilden, wobei die Treibmittelströme kinetische Energie haben und jeder der Kanäle den Treibmittelstrom durch die Austrittsöffnung (56) auf den Träger zu leitet und die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass sie teilchenförmiges Zeichenerzeugungsmaterial ausstößt; dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (56) eine Breite von nicht mehr als 250 μm hat, dass eine Vielzahl von Zeichenerzeugungsmaterial-Behältern (28) kommunizierend mit dem Kanal verbunden sind und dass die Dosiereinrichtung (21) zwischen wenigstens einem der Kanäle (46) und dem Zeichenerzeugungsmaterial-Behälter (29) angeordnet und kommunizierend damit verbunden ist und in der Lage ist, selektiv das teilchenförmige Zeichenerzeugungsmaterial aus dem Behälter (29) in den wenigstens einen Kanal (46) einzuleiten, wobei jeder Behälter kommunizierend mit dem Kanal (46) an beabstandeten Positionen entlang des Kanals verbunden ist, so dass Zeichenerzeugungsmaterial aus jedem der Behälter durch den Kanal gesteuert in die Treibmittelströme eingeleitet werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der wenigstens zwei benachbarten Kanäle (46) nicht weiter als 250 μm von jedem beliebigen anderen benachbarten Kanal entfernt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kanal (46) in einer Richtung von der Treibmittelquelle (22) weg zusammen läuft, und dann auseinander läuft.
Verfahren zum Auftragen von teilchenförmigen Zeichenerzeugungsmaterial auf ein Substrat unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, das die folgenden Schritte umfasst: Bewirken, dass Treibmittel in jedem Kanal (46) strömt, wobei das durch die Kanäle strömende Treibmittel so einen Treibmittelstrom mit kinetischer Energie bildet und die Kanäle den Treibmittelstrom auf den Träger zu leiten; und gesteuertes Einleiten von teilchenförmigem Zeichenerzeugungsmaterial in die Treibmittelströme in den Kanälen aus einem oder mehreren der Behälter, die mit den Kanälen verbunden sind; wobei die kinetische Energie des Treibmittelstroms bewirkt, dass das teilchenförmige Zeichenerzeugungsmaterial auf den Träger aufschlägt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die kinetische Energie des Treibmittelstroms den Schwellenwert kinetischer Schmelzenergie des Substrats übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, das in einer Zeichenerzeugungsvorrichtung eingesetzt wird und des Weiteren den Schritt des kontinuierlichen Leitens des Treibmittelstroms durch die Kanäle (46) umfasst, während sich die Zeichenerzeugungsvorrichtung in einem Funktionszustand befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, das des Weiteren den Schritt des gesteuerten Einleitens mehrerer verschiedener Zeichenerzeugungsmaterialien in den Treibmittelstrom umfasst, so dass die Energie des Treibmittelstroms bewirkt, dass die mehreren verschiedenen Zeichenerzeugungsmaterialien auf den Träger aufschlagen, wobei wenigstens eines der Zeichenerzeugungsmaterialien ein teilchenförmiges Zeichenerzeugungsmaterial ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, das des Weiteren den Schritt des Mischens der mehreren Zeichenerzeugungsmaterialien in dem Kanal vor dem Aufschlagen auf dem Substrat umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die als eine Kartusche ausgeführt ist, die auswechselbar an einem Drucker angebracht werden kann.