CN1150777A - 液体油墨打印装置和系统 - Google Patents

Abstract

用于按需投放打印的一种新式打印系统。这种打印机构把打印工作分成两步；用于选择打印墨滴的墨滴选择装置在流体油墨的选定墨滴与未选择墨滴之间产生弯液面位置的差别；而一个墨滴分离装置把上述墨滴吸引到一个基片上，其吸引力不足以克服未选择的弯液面位置上的墨滴的表面张力，但是足以克服选定的弯液面位置上的墨滴的表面张力，从而使墨滴转移到基片上。墨滴选择装置可以在没有墨滴分离装置的情况下产生弯液面位置的差别。墨滴选择装置与墨滴分离装置的分离明显地减少了在选择需要打印的油墨墨滴时所需的能量。仅有墨滴选择装置需要由提供给各个喷嘴的独立信号来驱动。墨滴分离装置可以是同时施加到所有喷嘴上的一种场或是状态。

Description

液体油墨打印装置和系统

发明领域

本发明涉及计算机控制的打印设备领域。具体的领域是按需投放(DOD)打印系统的打印头结构。

发明背景

目前已经发明了许多不同类型的数字控制打印系统，并且目前有许多种产品。这些打印系统使用各种驱动机构、各种打印材料、以及各种记录媒体。  目前使用的数字打印系统的实例包括：激光电子照相打印机；LED电子照相打印机；点阵冲击打印机；热敏纸打印机；胶片记录器；热塑性材料打印机；染料散布热传导打印机；以及喷墨打印机。然而，尽管这种惯用的方法需要昂贵的设备并且只有需要印刷数千页复制品时才具有商业上的价值，这类电子打印系统还是不能有效地代替机械印刷术。因此需要对数字控制的打印系统进行改进，例如需要使其能在高速和低成本的条件下用普通纸产生高质量的彩色图像。

喷墨打印在数字控制的电子印刷领域中被认为是一个突出的竞争者，因为它具有无冲击，低噪声的特性，使用普通的纸，并且能避免调色剂的转印和定影。

已经发明了许多种喷墨打印机构。它们可以被分类成连续喷墨(CIJ)或按需投放(DOD)喷墨。连续喷墨的打印技术至少可以追溯到1929年：Hansell的专利US1,941,001号。

Sweet等人在1967年的专利US3,373,437号中公开了一种连续喷墨喷嘴的阵列，需要印刷的墨滴被有选择地注入并且朝着记录媒体偏转。这种技术被称为二进制偏转CIJ，并且被包括Elmjet和Scitex在内的许多制造商所采用。

Herhz等人在1966年的专利US3,416,153号中公开了一种在CIJ打印中实现打印点的可变光学密度的方法，采用静电来分散注入的墨滴流，从而调制通过小孔的墨滴量。这一技术被用在Iris Graphics制造的喷墨打印机中。

Kyser等人在1970年的专利US3,946,398中公开了一种DOD喷墨打印机，它对压电晶体施加高电压，使晶体弯曲，从而在油墨容器上施加压力并且按需要喷出墨滴。随后已经发明了许多种压电式按需投放的打印机，它们利用了压电晶体的弯曲形态、推进形态、剪切形态以及挤压形态。使用热熔油墨的压电DOD打印机已经获得了商业上的成功(例如Tektronix和Dataproducts打印机)，并且使家用和办公用打印机的图像分辨率达到了720dpi(Seiko Epson)。压电DOD打印机的优点是能够使用许多种油墨。然而，压电打印机构通常需要复杂的高压驱动电路和笨重的压电晶体阵列，这种要求在制造工艺和性能方面是有缺点的。

Eodo等人在1979年的专利GB2,007,162号中公开了一种电热DOD喷墨打印机，它对与喷嘴中的油墨形成热接触的一个电热换能器(加热器)施加电脉冲。加热器把含水的油墨迅速加热到很高的温度，使少量的油墨迅速蒸发形成气泡。这些气泡的形成产生压力波，使油墨的墨滴沿着加热器基片的边沿从小孔中喷出。这种技术被称为Bubblejet^TM(日本Canon K.K.的商标)，并且被广泛地用在来自Canon，Xerox和其他厂商的打印机系统中。

Vaught等人在1982年的专利US4,490,728中公开了一种电加热墨滴喷射系统，它也是通过形成气泡来操作的。在这种系统中，墨滴在垂直于加热器基片平面的方向上通过设在位于加热器上方的开孔板中的喷嘴来喷射。这一系统被称为Thermal Ink Iet，是由Hewlett-Packard制造的。在本文中，Thermal Ink Jet这一术语被用来表示Hewlett-Packard系统和通常称为Bubblejet^TM的系统。

典型的Thermal Ink Jet打印在喷射每个墨滴的大约2μs的周期中需要大约20μJ(的热量)。每个加热器需要消耗10瓦的驱动功率，这是它的一个缺点，并且需要专用的油墨，复杂的驱动电路，并且加热器元件很容易损坏。

在技术文献中还出现过其他的喷墨打印系统，但是目前没有在市场中流行。例如美国专利US4,275,290号中公开的一种系统，当收到热脉冲的预定的打印头喷嘴与静压力的地址一致时，就使油墨从打印头下面自由地流到用垫片隔开的纸上。在美国专利US4,737,803；4,737,803和4,748,458号中公开的喷墨打印记录系统中，当收到热脉冲的打印头喷嘴中的油墨与静电引力场的地址一致时，墨滴就被喷射到打印纸上。

上述的喷墨打印系统各自有各自的优缺点。然而，在其他方面普遍还认为需要对喷墨打印技术进行改进，需要改进的问题例如有，价格、速度、质量、可靠性、耗电量、结构和操作的简化，耐久性以及消耗品等等。发明概述

本发明的一个目的是提供液体油墨的打印系统，这种系统朝着上述的改进方向具有明显的进步。本发明提供了一种按需投放的打印机构，其中用一个选择打印墨滴的装置在选定的墨滴和未选择的墨滴之间产生一个位置差，但是这一位置差不足以使墨滴克服油墨的表面张力并且从油墨主体上分离，并且其中的一个附加装置可以使上述选定的墨滴从上述油墨主体上分离。

本发明的一个优选方案是，在选定的墨滴和未选择的墨滴之间产生位置差的装置依靠电加热来降低受压油墨的表面张力。

本发明的另一个优选方案是，在选定的墨滴和未选择的墨滴之间产生位置差的装置依靠电加热来产生油墨的蒸汽气泡，上述油墨蒸汽气泡不足以使上述选定的墨滴从上述喷嘴中的油墨主体上分离。

本发明的再一个优选方案是，在选定的墨滴和未选择的墨滴之间产生位置差的装置驱动一个压电换能器，后者与上述油墨直接或间接地形成机械接触，并且当驱动造成了与打印喷嘴中的油墨连通的一个油墨腔的体积发生变化时，这种体积变化不足以使上述选定的墨滴从上述喷嘴中的油墨主体上分离。

本发明的又一优选方案是，在选定的墨滴和未选择的墨滴之间产生位置差的装置用静电吸引导电的油墨，使静电引力不足以使上述选定的墨滴从上述喷嘴中的油墨主体上分离。

本发明的另一个优选方案是，从油墨主体上分离上述选定墨滴的装置包括按照以下方法安排打印媒体，使选定的墨滴接触上述打印媒体，并且使未被选择的墨滴不接触上述的打印媒体。

在本发明的一个优选方案中，从油墨主体上分离上述选定墨滴的装置包括按照以下方法安排打印媒体，使选定的墨滴接触上述打印媒体，并且上述选定墨滴渗入和/或润湿上述打印媒体表面的速度大于从打印喷嘴中溢出油墨的速度。

本发明的另一方面是油墨的压力振荡。

本发明的另一方面是，油墨的压力振荡频率是墨滴从喷嘴中喷出的频率的整倍数。

本发明的另一方面是，从油墨主体上分离上述选定墨滴的装置包括利用静电朝着记录媒体吸引导电的油墨。

本发明的另一方面是产生上述静电吸引力的电场被大体上均匀地施加到所有喷嘴上。

本发明的另一方面是，由于上述选定墨滴和上述未选择墨滴之间的位置差，选定的墨滴与未选择墨滴受到的电引力的差别很大。

本发明的另一方面是，从油墨主体上分离上述选定墨滴的装置包括利用磁力朝着记录媒体吸引油墨，在油墨中含有磁致旋光物质。

本发明的另一方面是，产生上述磁吸引力的磁场被大体上均匀地施加到所有喷嘴上。

本发明的另一方面是，由于上述选定墨滴和上述未选择墨滴之间的位置差，选定的墨滴与未选择墨滴受到的磁力的差别很大。

在本发明的另一个特殊实施例中，在墨滴选择中采用声波作为重合的力，由此构成本发明的方法和装置。

在本发明的另一优选实施例中，本发明选定的方法和装置是改变本发明的打印头与打印区域之间的距离，从而改变打印油墨的墨滴的大小。

附图的简要说明

图1(a)表示本发明的一例打印装置的简化的示意性框图。

图1(b)表示本发明的各种喷嘴之一顶部的截面图。

图2(a)到2(f)表示墨滴选择的流体动态模型。

图3(a)表示在按照本发明的一个实施例操作的喷嘴中的一个限定元件的流体动态模型。

图3(b)表示在墨滴选择和分离过程中按顺序的弯液面位置。

图3(c)表示在墨滴选择期间的各个点上的温度。

图3(d)表示针对各种油墨添加剂测量到的表面张力与温度的关系曲线。

图3(e)表示被施加到喷嘴加热器上，从而产生图3(c)所示温度曲线的电脉冲。

图4表示用于实现本发明的打印头驱动电路的示意性框图。

图5表示体现本发明特征的用于A4页面宽度彩色打印头的具体的制造成品率，其中包括有公差和没有公差的情况。

图6表示采用本发明一个实施例的打印系统的总体框图。

图7表示本发明一个实施例的打印头喷嘴的截面图，在图8至18中将其用于计算机模拟。

图8(a)表示施加到打印头上用作单个加热器驱动脉冲的电源次脉冲。

图8(b)表示在墨滴选择过程期间在喷嘴中各个点上的温度。

图9是用于墨滴选择过程的弯液面位置与时间的关系曲线。

图10表示在5μs间隔的墨滴选择过程期间弯液面位置和形状的曲线。

图11表示油墨弯液面在墨滴选择过程之前的静止位置。

图12到17表示在墨滴选择过程期间的各个阶段中的弯液面位置和热等值线。

图18表示在墨滴选择加热脉冲开始之后50μs时的流体流线图。

图19(a)到19(i)表示一个热邻近分离喷嘴的墨滴喷射周期。

图20(a)和20(b)分别表示施加到油墨上的声波和一个空间/时间图，后者表示被选定的和未被选择的墨滴沿着喷嘴轴线上的油墨量。

图21(a)表示一个实施例的打印头和压板的截面图，而图21(b)到21(d)是单个喷嘴的截面图，用于表示不同墨滴大小的调节。

优选实施例的详细说明

总地来说，本发明构成了一种按需投放的打印系统，其中用于选择打印墨滴的装置在选定的墨滴和未选择的墨滴之间产生一个位置差，但是这一位置差不足以使墨滴克服油墨的表面张力并且从油墨主体上分离，并且在其中提供了另一个装置，用于使选定的墨滴从油墨主体上分离。

由于墨滴选择装置与墨滴分离装置是分离的，这样就明显地减少了在选择要打印的墨滴时所需要的能量。仅有墨滴选择装置需要由提供给各个喷嘴的独立信号来驱动。墨滴分离装置可以是同时施加到所有喷嘴上的一种场或是状态。

墨滴选择装置可以从以下所列的方案中选取，但是不仅限于这些方案：

1)用电加热方式来降低受压油墨的表面张力

2)用电加热产生气泡，气泡的体积不足以使墨滴喷出

3)用压电方式，体积的改变不足以使墨滴喷出

4)用静电吸引方式，为每个喷嘴配备一个电极

墨滴分离装置可以从以下所列的方案中选取，但是不仅限于这些方案：

1)接近(使记录媒体接近打印头)

2)接近，并且振荡油墨的压力

3)静电吸引

4)磁场吸引

“DOD打印技术指标”的表表示了按需投放打印技术的一些理想的特征。上述的表还列出了本发明或是本发明人的有关申请中的一些实施例所采用的优于现有技术的一些方法。<DOD打印技术指标>

指标	超越现有技术的改进实施方案
		高速操作	实用，低价格，页面宽度的打印头具有10,000个以上的喷嘴。整体的A4页面宽度打印头可以用标准的300mm(12″)硅晶片制成
高图像质量	高分辨率(800dpi对于多数用途是足够的)，六色彩处理，以便降低图像噪声
		全彩色操作	通过概率筛选对800dpi的彩色进行半半色调处理
油墨的灵活性	油墨的操作温度低，并且不需要形成气泡
		低功率需求	由于墨滴选择装置不必使墨滴完全喷出，操作功率低
低价格	整个打印头没有微孔板，生产成品率高，少量的电连接，采用经过修改的现有CMOS制造工艺
		高生产成品率	把公差集中在打印头中
高可靠性	把公差集中在打印头中。消除空隙和科尬油(kogation)。减少热冲击。
		少量的电连接	采用标准的CMOS工艺可以把移位寄存器、控制逻辑和驱动电路集中在整个打印头上
使用现有的VLSI制造工艺	由于加热器驱动功率低于热喷墨加热器驱动功率的1％，可以实现CMOS的兼容性。
		电子化的管理	可以实现100∶1压缩的新式页面压缩系统，而图像的恶化并不明显，这样就使压缩的数据量足够低，可以实时地打印存储在低价格的磁盘驱动器上的上千页的任意组合

在热喷墨(TIJ)和压电喷墨系统中，墨滴的流速最好是每秒大约10米，从而确保被选定的墨滴能克服油墨表面张力而从油墨主体上分离，并且接触到记录媒体。这些系统在把电能转换成墨滴动能时的效率很低。TIJ系统的效率大约是0.02％。这就意味着用于TIJ打印头的驱动电路需要切换大电流。压电喷墨打印头的驱动电路需要切换高电压或是驱动大的电容性负载。页面宽度TIJ打印头的总功率消耗也是很大的。一个800dpi的A4全彩色页面TIJ打印头在一秒之内打印一幅四色黑白图像需要消耗大约6KW的电功率，其中的大部分被转换成了无用的热量。要除去这些热量是很困难的，从而妨碍了低价格、高速度、高分辨率的小型页面宽度TIJ系统的制造。

本发明实施例的一个重要特征是用一个装置明显地减少了为选择需要打印的墨滴而所需的能量。这一措施是通过把选择墨滴的装置与确保把选定的墨滴从油墨主体上分离并在记录媒体上形成点的装置分开而实现的。仅有墨滴选择装置需要由提供给各个喷嘴的独立信号驱动。而墨滴分离装置可以是同时提供给所有喷嘴的一种场或是状态。

“墨滴选择装置”的表表示了按照本发明有可能用于选择墨滴的几种手段。墨滴选择装置仅需要使选定的墨滴产生足够的位置变化，使墨滴分离装置能识别出选定的墨滴和未选择的墨滴。<墨滴选择装置>

方法	优点	限制
			1.用电热降低受压油墨的表面张力	低温升和低的墨滴选择能量。可以使用多种油墨。结构简单。CMOS驱动电路可以组装在同一个基片上。	需要油墨压力调节机构。油墨表面张力随着温度的增加必须能明显地下降。
2.用电热降低油墨粘度，结合着油墨压力的振荡	墨滴选择用的能量适中，适用于热熔和油基的油墨。结构简单。CMOS驱动电路可以组装在同一个基片上。	需要油墨压力振荡机构。油墨的粘度随着温度的增加必须大幅度下降。
			3.电热发泡，令气泡的体积不足以使墨滴喷出	公知的技术，结构简单。双极驱动电路可以组装在同一个基片上。	墨滴选择能量高，需要水基油墨，存在科尬油(kogation)、空泡和热应力问题
4.压电方式，令体积的变化不足以使墨滴喷出	可以使用多种基体的油墨	制造成本高，集成电路工艺复杂，高驱动电压，结构复杂笨重
			5.静电吸引，每个喷嘴配一个电极	简化电极的制造	喷嘴间距需要相对较大。相邻电场之间有干扰。需要高压驱动电路。

其他的墨滴选择装置也可以使用。

对水基油墨的优选墨滴选择方案是方法1：“用电热降低受压油墨的表面张力”。这种墨滴选择装置与其他系统相比有许多优点，这其中包括：低功率操作(大约是TIJ的1％)，与CMOS VLSI芯片制造工艺兼容，低电压操作(大约10V)，高密度喷嘴，低温操作，并且广泛适用于各种油墨配方。油墨的表面张力必须随着温度的增加而降低。

对热熔或油基油墨的优选墨滴选择方案是方法2：“用电热降低油墨粘度，结合着油墨压力的振荡”。这种墨滴选择装置特别适用于粘度随着温度的增加而大幅度下降，但是表面张力的降低却很少的油墨。这种现象在具有相对高的分子量的非极性油墨中特别明显。这种方法特别适用于热熔或油基的油墨。

“墨滴分离装置”的表给出了几种从油墨主体上分离选定的墨滴，并且保证选定的墨滴在打印媒体上形成点的可能的方法。墨滴分离装置在选定的墨滴和未选择的墨滴之间进行识别，保证未选择的墨滴不会在打印媒体上形成点。<墨滴分离装置>

手段	优点	限制
			1.静电吸引	可在粗糙的表面上打印，容易实现	需要高压电源
2.AC电场	可获得比静电更高的场强，操作范围可以增大，油墨压力降低，并能减少尘埃的聚集	需要与墨滴喷射的相位同步的高压AC电源，在多重墨滴相位时难以操作
			3.接近(打印头接近但是不接触记录媒体)	可获得很小的点。功率消耗很低。墨滴位置的精度很高。	需要使打印媒体非常接近打印头的表面，不适用于粗糙的打印媒体，通常需要输送滚筒或皮带
4.输送接近(使打印头接近输送滚筒或皮带)	可获得很小的点。功率消耗很低。精度高，可在粗糙的纸上打印	由于输送滚筒或输送皮带的尺寸限制，不够紧凑
			5.接近，并伴随油墨压力振荡	用于采用粘度降低的墨滴选择方法的热熔油墨，减少喷嘴阻塞的可能性，可以使用颜料代替染料	要求打印媒体非常接近打印头表面，不适用于粗糙的打印媒体，需要油墨压力振荡装置
6.磁场吸引	可在粗糙表面上打印。若使用永磁体，功率很低	需要均匀的高磁场强度，需要磁性油墨

也可以使用其他墨滴分离装置。

优选的墨滴分离方案取决于所需的用途。在大多数应用中，最适合采用方法1：“静电吸引”，或方法2：“AC电场”。在使用平滑涂层的纸或膜并且采用不一般的高速度时，可以使用方法3：“接近”。对于高速，高质量的系统可以使用方法4：“输送接近”。方法6：“磁场吸引”适用于便携式打印系统，该系统使用的打印媒体太粗糙，不适合接近打印，并且不想采用静电墨滴分离所需的高电压。不存在明显地适用于所有环境的“最佳的”墨滴分离装置。

在1995年4月12日提交的以下的澳大利亚专利申请说明书中描述了本发明的各种打印系统的进一步细节，这些说明书在本文中作为参考资料：

“液体油墨公差(LIFT)打印机构”(A Liquid ink Fault Tolerant(LIFT)printing mechanism)(申请号：PN2308)；

“在LIFT打印中的电热墨滴选择”(Electrothermal drop selection inLIFT printing)(申请号：PN2309)；

“在LIFT打印中通过打印媒体接近进行墨滴分离”(Drop separation inLIFT printing by print media proximity)(申请号：PN2310)；

“在接近LIFT打印中通过改变打印头至媒体的距离调整墨滴尺寸(Drop size adjustment in Proximity LIFT printing by varying head to mediadistance)(申请号：PN2311)；

“具有声音墨波的扩大接近LIFT打印”  (Augmenting Proximity LIFTprinting with acoustic ink waves)(申请号：PN2312)；

“在LIFT打印中的静电墨滴分离”(Electrostatic drop separation inLIFT printing)(申请号：PN2313)；

“在接近LIFT打印中的多同步墨滴尺寸”  (Multiple simulaneous dropsizesin Proximity LIFT printing)(申请号：PN2321)；

“热激励打印头的自冷却操作”(Self cooling operation in thermallyactivated print heads)(申请号：PN2322)；以及

“热粘降低LIFT打印”(Thermal Viscosity Reduction LIFT printing)(申请号：PN2323)。

在图1(a)中表示了本发明一例打印系统的简化示意图。

图像源52可以是来自扫描器或计算机的屏面图像数据，或是采用页面说明语言(PDL)形式的轮廓图像数据，或是其他的数字图像形式。这种图像数据被图像处理系统53转换成象素图形的页面图像。

对于PDL图像数据可以采用屏面图像处理器(RIP)，对屏面图像数据可以采用象素图像处理。由图像处理装置53产生的连续色调数据进行半色调处理，半色调处理(Halftoning)是由数字半色调处理装置54执行的。半色调处理位变换图像数据被存储在图像存储器72中。根据打印机和系统的结构，图像存储器可以是全页面存储器或带式存储器。加热器控制电路71从图像存储器72中读出数据，并且向作为打印头50一部分的喷嘴加热器(图1(b)中的103)提供时间上变化的电脉冲。这些脉冲在适当的时间提供给适当的喷嘴，使选定的墨滴在记录媒体51上由图像存储器72中的数据指定的适当位置上形成点。

记录媒体51相对于打印头50被纸输送系统65移动，它是受纸输送控制系统66的电子控制的，而后者受一个微控制器315的控制。在图1(a)中仅是示意性的表示了纸输送系统，许多不同的机械结构都是可能的。如果使用页面宽度的打印头，一般都是在静止的打印头50下面移动记录媒体51。然而，在扫描式打印系统的情况下，通常是沿着一个轴线(次扫描方向)移动打印头50，并且沿着正交的轴线(主扫描方向)移动打印媒体51，形成屏面的相对运动。微控制器315还可以控制页面压力调节器63和加热器控制电路71。

对于采用降低表面张力的打印方式来说，油墨被装在处于压力之下的油墨储存器64中。在静止状态下(没有墨滴喷出)，油墨压力不足以克服油墨的表面张力而喷出墨滴。在油墨压力调节器63控制之下向油墨储存器64施加压力，就可以获得恒定的油墨压力。反之，对于较大的打印系统，如果使储存器64中的油墨的顶面处于打印头50上方的适当距离，就能很精确地产生和控制油墨的压力。这一油墨液面可以用浮动阀门(未示出)直接来调节。

对于采用降低粘度的打印方式来说，油墨被装在处于压力之下的油墨储存器64中，并且使油墨压力产生振荡。产生这种振荡的装置可以是安装在油墨通道(未示出)中的压电致动器。

如果能正确地设置墨滴分离装置，选定的墨滴就能在打印媒体51上形成点，而未选择的墨滴则仍被保持为油墨主体的一部分。

利用油墨通道装置75把油墨分散到打印头50的后表面。油墨最好能通过蚀刻在打印头50的硅基片上的缝和/或孔流到设有喷嘴和致动器64的前面。在热选择的情况下，喷嘴致动器是电热加热器。

在按照本发明的某些类型的打印机中，需要一个外部的场74来保证选定的墨滴从油墨主体上分离并且朝着记录媒体51运动。惯用的外部场74是恒定的电场，因为导电的油墨容易制造。在这种情况下，可以用导电材料制成纸导向器或台板67，并且将其作为产生电场的一个电极。另一个电极可以是打印头50本身。另一个实施例采用接近打印媒体的手段来识别选定的墨滴和未选择的墨滴。

由于墨滴很小，作用在墨滴上的重力是很小的；大约是表面张力的10^-4，因此在多数情况下可以忽略重力。这样就允许打印头50与记录媒体51在相对于局部重力场的任何方向上对齐。这一点是便携式打印机的一个重要的要求。

图1(b)是用改进的CMOS工艺制造的本发明实施例的一个微型喷嘴尖端的截面放大图。喷嘴是在一个基片101上蚀刻的，基片可以是硅片、玻璃、金属、或是其他适当的材料。如果使用非半导体材料的基片，可以在基片上沉积一种半导体材料(例如非晶硅)，并且可以在半导体层的表面中形成集成的驱动晶体管和数据分配电路。单晶硅(SCS)基片具有以下的几种优点：

1)在SCS中可以制作高性能的驱动晶体管和其他电路；

2)采用标准的VLSI工艺设备可以在现有的便利条件(fabs)下制作打印头；

3)SCS具有很高的机械强度和刚性；以及

4)SCS具有高导热性能。

在本例中，喷嘴是圆筒形的，加热器103形成一个环。喷嘴的尖端104是在制作CMOS驱动电路期间用沉积的二氧化硅层102形成的。喷嘴的尖端用氮化硅钝化。突出的喷嘴尖端控制受压油墨100在打印头表面上的接触点。打印头表面还是疏水的，以防处于打印头前部的油墨偶尔出现扩散。

许多其他结构的喷嘴也是可行的，并且在本发明的喷嘴的实施例中可以改变形状、尺寸和使用的材料。在形成加热器和驱动电路时用基片蚀刻成单片的喷嘴具有一个优点，那就是不需要微孔板。在制作和装配时，省去了微孔板就能使成本明显地降低。目前用于省略微孔板的方法包括使用′涡流′致动器，例如Domoto等人在1986年转让给Xerox的专利US4,580,158号中以及Miller等人在1994年转让给Hewlett-Packard的专利US5,371,527号中所述的致动器。然而，这些致动器即复杂又难以制作。而本发明则是把微孔板装入致动器基片中。

这种喷嘴可以用于采用各种技术分离墨滴的打印头。

静电墨滴分离的工作方式

作为一个例子，在图2中表示了利用加热降低表面张力并且采用静电来分离墨滴的工作方式。

 图2表示了用Fluid Dynamics Inc.，of Illinois USA提供的商用的流体动态模拟软件包FIDAP执行的能量迁移和流体动态模拟结果。这种模拟是用直径8μm的加热墨滴选择喷嘴实现的，环境温度为30℃。提供给加热器的总能量是276nJ，分别施加各占4nJ的69个脉冲。油墨压力比环境大气压高10KPa，油墨粘度在30℃时是1.84cPs。油墨是水基的，并包括0.1％的十六烷酸溶胶，用于随着温度的增加促进表面张力的下降。在图中表示了从喷嘴的中心轴到半径距离的40μm的喷嘴尖端截面。采用各种密度、热容量及导热性的材料来模拟流入喷嘴的各种材料中，包括硅片、氮化硅、非晶体二氧化硅、结晶二氧化硅和水基的油墨。模拟的时间间隔是0.1μs。

图2(a)表示了启动加热器之前的静止状态。在环境温度下保证使油墨压力加上外部的静电场不足以克服油墨的表面张力，从而产生一种平衡，使油墨在静止状态下不会从喷嘴中溢出。在静止状态下，油墨的弯液面不会从打印头的表面上明显地突出，因此，静电场不会明显地集中在弯液面上。

图2(b)表示在加热器激励脉冲启动之后间隔5μs时的5℃热等值线。在加热器受到激励时，与喷嘴尖端接触的油墨被迅速加热。表面张力的下降使弯液面的受热部分相对于冷油墨的弯液面迅速延伸。由此造成的对流使热量迅速转移到喷嘴尖端处的油墨的整个自由表面上。热量应该被分配到整个油墨表面上，而不是仅集中在与加热器接触的油墨中。这是因为相对于固体加热器的粘滞阻力阻止了与加热器直接接触的油墨的移动。

图2(c)表示了在加热器激励脉冲启动之后间隔10μs时的5℃热等值线。温度的增加使表面张力降低，扰乱了力的平衡。随着整个弯液面被加热，油墨开始流动。

图2(d)表示在加热器激励脉冲启动之后间隔20μs时的5℃热等值线。油墨的压力已经使油墨流到了一个新的弯液面位置，弯液面从打印头中突出。

图2(e)表示在加热器激励脉冲启动之后间隔30μs时的5℃热等值线，由于加热器脉冲的持续时间是24μs，此时也是加热器脉冲结束之后的6μs时刻。由于氧化层的传导，喷嘴尖端已经迅速冷却了，并且传导到流动的油墨。油墨对喷嘴尖端起到了有效的“水冷”作用。静电吸力使墨滴开始朝着记录媒体加速。如果加热器脉冲明显缩短(例如小于16μs)，油墨就不会朝着记录媒体加速，而是会缩回喷嘴内。

图2(f)表示加热器脉冲结束之后间隔26μs时的5℃热等值线。喷嘴尖端处的温度在此时比环境温度高出不足5℃。这样就会使喷嘴尖端周围的表面张力增大。当油墨从喷嘴中被抽出的速度超过了油墨流经喷嘴时受粘滞力限制的速度时，在喷嘴尖端区域内的油墨就会′收缩′，而选定的墨滴就会从油墨主体上分离。选定的墨滴随后在外部静电场的作用下流到记录媒体上。而喷嘴尖端处的油墨弯液面在此时就会恢复到其静止位置。等待下一个加热脉冲去选择下一个墨滴。每个加热脉冲选择和分离一个墨滴，并在记录媒体上形成一个点。由于加热脉冲是由电路控制的，就可以实现按需投放的喷墨打印操作。

图3(a)按照5μs间隔表示了从加热器启动脉冲开始的墨滴选择周期中顺序的弯液面位置。

图3(b)是弯液面位置相对于时间的曲线，表示了弯液面中心点的移动。在加热器脉冲开始后10μs进入模拟。

图3(c)表示在喷嘴中各个点上的温度相对于时间的关系曲线。曲线的纵轴表示温度，单位是100℃。曲线的横轴表示时间，单位是10μs。图3(b)中所示的温度曲线是利用FIDAP按照0.1μs的时间间隔计算的。局部环境温度是30℃。在图中表示了三个点上的温度记录。

A-喷嘴尖端：表示了钝化层，油墨及空气之间在接触循环中的温度记录。

B-弯液面中点：这一点是喷嘴尖端与弯液面中心之间的油墨弯液面中间的一个圆圈。

C-芯片表面：这一点处于打印头表面上距离喷嘴中心20μs处。温度只上升了几度。这表明操作电路可以非常靠近喷嘴，而不会由于温度的上升而影响性能或降低寿命。

图3(e)表示提供给加热器的功率。最佳的操作要求温度在加热器脉冲的起点急剧上升，在脉冲期间把温度维持在稍低于油墨沸点，并且在脉冲结束时使温度迅速下降。为此需要在整个脉冲期间改变提供给加热器的平均能量。在这种情况下，是通过0.1μs副脉冲的脉冲频率调制来获得这种改变的每个副脉冲的能量是4nJ。提供给加热器的峰值功率是40mW，而在加热器脉冲整个期间的平均功率是11.5mW。此时的副脉冲频率是5MHz。这一点很容易改变，而不会明显地影响打印头的操作。较高的副脉冲频率可以在向加热器提供功率的过程中实现较精确的控制。适当的副脉冲频率是13.5MHz，因为这一频率还适合最大限度地减少射频干扰(RFI)的影响。

表面张力具有负温度系数的油墨

对油墨的表面张力随着温度增加而降低的要求并不是一个主要的限制，因为大多数纯净的液体和许多混合物都具有这种性质。对于任意的液体来说，没有表面张力与温度的精确关系式。然而，由Ramsay和Shields推导出的下述经验公式可以适合许多液体：

其中的γT是温度为T时的表面张力，k是一个常数，Tc是液体的临界温度，M是液体的分子量，x是液体的缔合(association)度，而ρ是液体的密度。这一公式表明大多数液体的表面张力在温度达到液体的临界温度时会下降为零。在大气压力下，大多数液体的临界温度都明显地高于其沸点，因此，为了在实际的喷射温度附近用较小的温度变化获得油墨表面张力的较大变化，需要添加表面活性剂。

表面活性剂的选择很重要。例如，用于热喷墨打印机的水基油墨通常包含用于降低表面张力并且促使其迅速干燥的异丙醇(2-丙醇)。异丙醇的沸点是82.4℃，低于水的沸点。随着温度的增加，醇比水更快地汽化，使醇的浓度降低，并会使表面张力增大。诸如1-乙醇(b.p.158℃)的表面活性剂可以用来抵销这种效果，并且获得随温度而稍微下降的表面张力。然而，为了尽量增大操作范围，需要使表面张力随着温度有相对较大的下降。最好使表面张力在30℃的温度范围内能下降20mN/m，以便获得大的操作范围，为了满足本发明的打印头的操作需要，最少要采用10mN/m。

具有大-ΔγT的油墨

可以使用几种方法来随着温度的增加使表面张力获得较大的负变化。两种此类方法如下：

1)油墨可以包含低浓度的表面活性剂溶胶，这种溶胶在环境温度下是固体的，但是在一个门限温度下溶化。颗粒度应该小于1000。水基油墨的表面活性剂的适当溶点处于50℃到90℃之间，最好是处于60℃到80℃之间。

2)油墨可以包含一种油/水的微乳状液，其转相温度(PIT)高于最高环境温度，但是低于油墨的沸点。为了稳定，微乳状液的PIT最好处于油墨所能遇到的最高非操作温度之上的20℃以上。合适的PIT值大约是80℃。

含有表面活性剂溶胶的油墨

在制备的油墨中，可以使表面活性剂的小颗粒溶胶在指定的操作温度范围内溶化。这种表面活性剂的例子包括具有14到30个碳原子的羧酸，例如：

名称	通式	m.p.	异名
				十四烷酸	CH3(CH2)12COOH	58℃	肉豆蔻酸
十六烷酸	CH3(CH2)14COOH	63℃	棕榈酸
				十八烷酸	CH3(CH2)15COOH	71℃	硬脂酸
二十烷酸	CH3(CH2)16COOH	77℃	花生酸
				二十二烷酸	CH3(CH2)20COOH	80℃	山萮酸

由于具有小颗粒度的溶胶的溶点通常稍微低于大颗粒度的材料，最好是选择一种溶点稍微高于所需的墨滴选择温度的羧酸。一种良好的例子是二十烷酸。

可以用低价买到这类高纯度的羧酸。所需要的表面活性剂的量很少，因此，在异名中添加活性剂并不会使成本明显增加。链的长度稍有改变的混合羧酸可以用来使溶点分散到一定的温度范围内。这种混合物的价格通常比纯酸要低。

表面活性剂的选择不一定限制在简单的无分支羧酸。也可以使用带有支链或是苯基或是其他疏水成分的表面活性剂。并且也不一定要使用羧酸。许多高度极化的成分可以用于表面活性剂的亲水端。极化端应该能在水中离子化，从而使表面活性剂颗粒的表面带电，这样有助于分散并且防止絮凝。如果使用羧酸，可以通过添加诸如氢氧化钠或氢氧化钾等碱性物来实现。

带有表面活性剂溶胶的油墨的制备

可以单独制备高浓度的表面活性剂溶胶，并且按所需要的浓度添加到油墨中。

制成表面活性剂溶胶的具体方法如下：

1)在缺氧的环境中在纯水中添加羧酸。

2)把混合物加热到羧酸的溶点以上。可以使水沸腾。

3)对混合物进行超声波振荡，直到使羧酸墨滴的典型粒度处于100至1000之间。

4)使混合物冷却。

5)从混合物上面析去较大的颗粒。

6)添加例如NaOH的碱性物质，使颗粒表面上的羧酸分子离子化。适当的pH值是8。这一步骤不是必须的，但是有助于使溶胶稳定。

7)对溶胶做离心处理。由于羧酸的比重比水低，小的颗粒会集中在离心机的外侧，而大的颗粒处在中心。

8)用微孔过滤器过滤溶胶，除去任何大于5000的颗粒。

9)在制备的油墨中添加表面活性剂溶胶。溶胶仅需要很稀的浓度。

制备的油墨还可以包含染料或是颜料，杀菌添加剂，在使用静电墨滴分离时用于增加油墨导电性的添加剂，湿润剂，以及其他需要的添加剂。

通常不需要放沫剂，因为在墨滴喷射过程中不会形成气泡。

阳离子表面活性剂溶胶

用阳离子表面活性剂溶胶制成的油墨通常不适合与阳离子的染料或颜料一起使用。这是因为阳离子的染料或是颜料可能会与阳离子表面活性剂形成沉淀或絮凝。为了能使用阳离子颜料或染料，需要一种阳离子表面活性剂的溶胶。烷基胺族适用于这种用途。

各种适当的烷基胺族如下表所示：

名称	通式	异名
			十六烷基胺	CH3(CH2)14CH2NH2	棕榈胺
十八烷基胺	CH3(CH2)16CH2NH2	硬脂胺
			二十烷基胺	CH3(CH2)18CH2NH2	花生胺
二十二烷基胺	CH3(CH2)20CH2NH2	山萮胺

制备阳离子表面活性剂溶胶的方法与制备阴离子表面活性剂溶胶的方法基本相同，只是用酸代替了碱，以便用来调节pH的平衡并且增加表面活性剂颗粒上的电荷。在使用HCI时，合适的pH值是6。

微乳状液基体的油墨

便表面张力在某一温度门限处急剧下降的另一种手段是采用以微乳状液为基体的油墨。所选择的微乳状液的转相温度(PIT)处于所需的喷射门限温度附近。在PIT以下，微乳状液是水中的油(O/W)，在PIT以上，微乳状液则是油中的水(W/O)。在低温时，构成微乳状液的表面活性剂形成包住油的大曲率表面，而当温度明显高于PIT时，表面活性剂则形成包住水的大曲率表面。在靠近PIT的温度处，微乳状液形成按拓扑结构连接的水和油的连续的“海绵体”。

表面张力的这种下降现象有两种机理。在PIT附近，表面活性剂形成曲率很低的表面，它的曲率远远低于油乳状液的曲率。这样就降低了水的表面张力。在转相温度以上，微乳状液从O/W变成了W/O，因此油墨/空气的界面从水/空气变成了油/空气。而油/空气的界面具有较低的表面张力。

有许多可能的方法可用于制备微乳状液基体的油墨。

对于快速喷墨，最好是选择低粘度的油。

在许多例子中，水是一种合适的极化溶剂。然而，在某些场合可能需要不同的极化溶剂。在这些情况下，应该选择具有大的表面张力的极化溶剂，这样才能使表面张力急剧下降。

表面活性剂的选择结果可以使转相温度处于所需的范围之内。例如，可以使用聚(氧乙烯)烷基苯基醚(乙氧化烷基苯酚，通式是：

C_nH_2n＋1C₄H₆(CH₂CH₂O)～_mOH)族。如果增加m，就可以提高表面活性剂的亲水性，增加n也可以提高亲水性。值大约为10，而n的合适值在8左右。

用各种分子比例的环氧乙烷和烷基酚的聚合物可以制备出低价格的制品，而氧乙烯基的准确数量在选定的平均值附近变化。这些市场上的制品就可以满足需要，并不需要具备特定数量氧乙烯基的高度纯净的表面活性剂。

这种表面活性剂的通式是C₈H₁₇C₄H₆(CH₂CH₂O)_nOH(平均n＝10)。

Synonyms包括Octoxynol-10，PEG-10辛基苯基醚和POE(10)辛基苯基醚。

HLB是13.6，溶点为7℃，而浊点是65℃。

这种表面活性剂在市场上的制品有以下几个品牌。在以下的表中列出了供应商和商品的名称：

商业名称	供应商
		Akyporox OP100	Chem-Y GmbH
Alkasurf OP-10	Rhone-Poulenc Sufactants and Specialties
		Dehydrophen POP10	Pulcra SA
Hyonic OP-10	Henkel Crop.
		Iconol OP-10	BASF Crop.
Igepal O	Rhone-Poulenc France
		Macol OP-10	PPG Industries
Malorphen 810	Huls AG
		Nikk0l OP-10	Nikko Chem.Co.Ltd.
Renex 750	ICI Americas Inc.
		Rexol 45/10	Hart Chemical Ltd.
Synperonic OP 10	ICI PLC
		Teric X10	ICI Australia

这些产品可以用低价大量买到(每一磅不到一美元)，因此，在制备含有5％表面活性剂浓度的微乳状液油墨时，每一升只需要不到10美分。

在以下的表中包括了其他适用的乙氧化烷基苯酚：

俗名	通式	HLB	浊点
				Nonoxynol-9	C9H19C4H6(CH2CH2O)～9OH	13	54℃
Nonoxynol-10	C9H19C4H6(CH2CH2O)～10OH	13.2	62℃
				Nonoxynol-11	C9H19C4H6(CH2CH2O)～11OH	13.8	72℃
Nonoxynol-12	C9H19C4H6(CH2CH2O)～12OH	14.5	81℃
				Octoxynol-9	C8H17C4H6(CH2CH2O)～9OH	12.1	61℃
Octoxynol-10	C8H17C4H6(CH2CH2O)～10OH	13.6	65℃
				Octoxynol-12	C8H17C4H6(CH2CH2O)～12OH	14.6	88℃
Dodoxynol-10	C12H25C4H6(CH2CH2O)～10OH	12.6	42℃
				Dodoxynol-11	C12H25C4H6(CH2CH2O)～11OH	13.5	56℃
Dodoxynol-14	C12H25C4H6(CH2CH2O)～14OH	14.5	87℃

除了表面张力的控制之外，微乳状液基体的油墨还有其他优点：

1)微乳状液在热力学上是稳定的，并且不会分离。因此，储存的时间可以很长。这一点对于那些偶尔才使用的办公和便携式打印机特别有用。

2)微乳状液可以自然地形成特定大小的墨滴，并且不需要彻底的搅拌，离心或是过滤就可以保证使乳化油墨滴的大小处于特定的范围。

3)在油墨中所含的油量可以很高，因此可以使用可溶于油或是可溶于水或是可溶于二者的染料。也可以使用混合的染料，一种可溶于水，另一种可溶于油，这样就能获得特定的颜色。

4)可以阻止油混溶颜料的絮凝，因为它是被裹在油的微小墨滴中的。

5)使用微乳状液可以减少不同颜料的颜色在打印媒体表面上的混合。

6)微乳状液的粘度很低。

7)可以减少或是不使用湿润剂。

微乳状液基体油墨中的染料和颜料

水中含油的混合物可以具有很高的含油量-高达40％-并且仍能构成O/W的微乳状液。这样就可以加入很多染料或是颜料。

可以使用染料和颜料的混合物。包括染料和颜料的一例微乳状液基体的油墨混合物如下所述：

1)70％的水

2)5％的水溶染料

3)5％的表面活性剂

4)10％的油

5)10％的油混溶颜料

以下的表中表示了九种可供使用的属于微乳状液的油相和水相着色剂的基本组合。

组合	水相的着色剂	油相的着色剂
			1	无	油混溶颜料
2	无	油溶染料
			3	水溶染料	无
4	水溶染料	油混溶颜料
			5	水溶染料	油溶染料
6	分散在水中的颜料	无
			7	分散在水中的颜料	油混溶颜料
8	分散在水中的颜料	油溶染料
			9	无	无

在第九种组合中没有着色剂，它可以用于打印透明的封面，UV油墨，以及有选择地上光的显著部分。

由于许多染料都是两亲的，在油-水边界层中也可以溶解大量的染料，因为这一层的表面面积很大。

也可以使用处于各种液相的多种染料或颜料，并且得到各种液相的染料和颜料的混合物。

在使用多种染料和颜料时，合成油墨的吸收光谱是所用的不同着色剂的吸收光谱的加权平均值。这样会产生两种问题：

1)由于对两种着色剂的吸收峰值取平均值，吸收光谱会趋向于变宽。这样会造成颜色′混浊′的趋势。为了获得逼真的颜色，需要根据染料和颜料的吸收光谱进行细致的选择，而不仅是选择人眼能看到的颜色。

2)油墨的颜色在不同的基片上可能是不同的。如果在组合中用到了染料和颜料，若在吸收性较大的纸上打印，染料的颜色在打印的油墨颜色中所起的作用较小，因为染料会被吸入纸内，而颜料则会′盖′在纸上。在某些场合这是一种优点。

Krafft点处于墨滴选择温度范围之内的表面活性剂

对于离子化的表面活性剂来说，有一个温度(Krafft点)，在该温度以下，其可溶性很低，并且溶液中基本上不包含胶态离子。在Krafft温度以上有可能形成胶态离子，并且表面活性剂的可溶性会迅速增大。如果临界的胶态离子浓度(CMC)在一定温度下超过了表面活性剂的可溶性，就可以在可溶性最大的点上而不是CMC点上获得最小的表面张力。表面活性剂在Krafft点以下时的效果通常是很低的。

这种现象可以用来使表面张力随着温度的增加进一步降低。在环境温度下，溶液中只有一部分表面活性剂。当喷嘴加热器被打开时，温度上升，更多的表面活性剂就会进入溶液中，使表面张力降低。

在选择表面活性剂时，其Krafft点应该接近油墨加热的温度范围的上限。这样就能使环境温度下表面活性剂在溶液中的浓度与墨滴选择温度下表面活性剂在溶液中的浓度之间获得最大的余量。

表面活性剂的浓度在Kraft点上应该大约等于CMC。采用这种方法，在温度上升时可以最大程度地降低表面张力，而在环境温度下使表面张力的下降最小。

以下的表表示了几种Krafft点处于理想范围的商用的表面活性剂。

通式	Krafft点
		C16H33SO3 -Na+	57℃
C18H37SO3 -Na+	70℃
		C16H33SO4 -Na+	45℃
Na+O4S(CH2)16SO4 -Na+	44.9℃
		K+O4S(CH2)16SO4 -K+	55℃
C16H33CH(CH3)C4H6SO3 -Na+	60.8℃

浊点处于墨滴选择温度范围之内的表面活性剂

采用聚氧乙烯(POE)链的非离子表面活性剂可以用来制成这样的油墨，其表面张力随着温度的增加而降低。在低温时，POE链是亲水的，并且使表面活性剂保留在溶液中。当温度上升时，在POE部分的分子周围构筑的水发生破裂，POE部分就变成了疏水的。水在高温时会进一步抵制表面活性剂，使得空气/油墨界面上的表面活性剂浓度增大，这样就降低了表面张力。使非离子表面活性剂的POE部分变为亲水的具体温度与表面活性剂的浊点有关。POE链本身并不是特别合适的，因为其浊点一般在100℃以上。

聚氧丙烯(POP)可被用来与POE组合成POE/POP嵌段共聚物，从而降低POE链的浊点，而不会在低温时产生很强的亲水性。

有两种主要结构的对称的POE/POP嵌段共聚物可供使用，它们是：

1)在分子的端部具有POE段，而在中间具有POP段的表面活性剂，例如poloxamer级的表面活性剂(统称CAS 9003-11-6)。

2)在分子的端部具有POP段，而在中间具有POE段的表面活性剂，例如meroxapol级的表面活性剂(也是称为CAS 9003-11-6)。

在以下的表中列出了市场上出售的各种poloxamer和meroxapol，它们在室温下具有较高的表面张力，并且其浊点在40℃以上和100℃以下。

俗名	BASF商业名称	通式	表面张力(mN/m)	浊点
					Meroxa pol105	Pluronic10R5	HO(CHCH3CH2O)～7(CH2CH2O)～22-(CHCH3CH2O)～7OH	50.9	69℃
Meroxa pol108	Pluronic10R8	HO(CHCH3CH2O)～7(CH2CH2O)～99-(CHCH3CH2O)～7OH	54.1	99℃
					Meroxa pol178	Pluronic17R8	HO(CHCH3CH2O)～12(CH2CH2O)～136-(CHCH3CH2O)～12OH	47.3	81℃
Meroxa pol258	Pluronic25R8	HO(CHCH3CH2O)～18(CH2CH2O)～163-(CHCH3CH2O)～18OH	46.1	80℃
					Poloxamer105	PluronicL35	HO(CH2CH2O)～11(CHCH3CH2O)～16-(CH2CH2O)～11OH	48.8	77℃
Poloxamer124	PluronicL44	HO(CH2CH2O)～11(CHCH3CH2O)～21-(CH2CH2O)～11OH	45.3	65℃

采用公知的技术也可以很容易合成其他的各种poloxamer和meroxapol。理想的特性是使表面张力在室温下尽量地高，并且浊点在40℃到100℃之间，最好是60℃至80℃。

在Meroxapol[HO(CHCH₃CH₂O)_x(CH₂CH₂O)_y(CHCH₃CH₂O)₂OH]产品中，x和z的适当的平均值是4，而y的平均值是15。

如果用盐来增加油墨的导电性，就需要考虑这种盐对表面活性剂的浊点的影响。

如果用离子打破水的构造(例如1)，就可以提高表面活性剂的浊点，因为这样能使更多的水分子与POE氧孤对构成氢键。利用形成水构造的离子(例如Cl～，OH～)可以降低POE表面活性剂的浊点，这是因为可以构成氢键的水分子较少。溴化物离子的影响相对较小。通过改变嵌段共聚物表面活性剂中的POE和POP链的长度可以使油墨成分在指定的温度范围内′转变′，并且能通过改变所添加的盐(即CI～到Br～到I～)的选择来增加导电性。NaCl在增加导电性方面可能是最佳的选择，因为它很便宜并且无毒。NaCl可以使非离子表面活性剂的浊点稍稍降低。

热熔油墨

油墨在室温下不一定必须是液态的。如果把打印头和油墨储存器加热到油墨的溶点之上，就可以使用固体的′热熔′油墨。热熔油墨必须按照配方制造，使溶化油墨的表面张力随着温度而降低。许多采用蜡和其他物质的制品的典型的降低幅度大约是2mN/m。然而，在依靠降低表面张力而不是降低粘度时，为了获得理想的操作容限，理想的表面张力降低幅度应该是20mN/m左右。

对于热熔油墨来说，静止温度与墨滴选择温度之间的温度差可以比针对水基油墨时的温度差大，因为水基油墨受到水的沸点的限制。

油墨在静止温度下必须是液态的。这一静止温度应该比被打印页面可能遇到的最高环境温度更高。同时，静止温度应该尽可能低，以便降低加热打印头时所需的功率，并且在静止温度与墨滴喷射温度之间提供最大的容限。最通用的静止温度是在60℃到90℃之间，尽管也可以采用其他的温度范围。最通用的墨滴喷射温度是在160℃到200℃之间。

有以下几种方法可以实现和促进表面张力随着温度的上升而降低。

1)散布表面活性剂的精细颗粒，其溶点明显地高于静止温度，但是明显地低于墨滴喷射温度，可以在液相条件下将其加入热熔油墨。

2)一种极化/非极化的微乳状液，其PIT最好比极化和非极化化合物两者的溶点至少高20℃。

为了使表面张力随着温度而急剧降低，热熔油墨的载体在静止温度下应该具有相对较大的表面张力(在30mN/m以上)。通常是使用例如蜡的烷烃。合适的材料通常具有很强的分子间引力，这种引力可以由许多氢键获得，例如多元醇，例如，Hexanetetrol的溶点是88℃。

各种溶液的表面张力降低

图3(d)表示在包含以下添加剂的各种含水制品中针对表面张力测量的温度影响：

1)0.1％的十八烷酸溶胶

2)0.1％的十六烷酸溶胶

3)0.1％的Pluronic10R5(BASF的商标)溶液

4)O.1％的Pluronic L35(BASF的商标)溶液

5)0.1％的Pluronic L44(BASF的商标)溶液

在以下的澳大利亚专利说明书中说明了适合本发明的打印系统使用的油墨，这些说明书可作为本文中的参考资料：

“基于微乳胶的油墨组合”(Ink composition based on a microemulsion)(申请号：PN5223，1995年9月6日递交)；

“包含表面活性剂的油墨组合”(Ink composition containing surfactantsol)(申请号：PN5224，1995年9月6日递交)；

“用于在墨滴选择温度附近有Krafft点的DOD打印机的油墨组合”(Ink composition for DOD printers with Krafft point near the drop selectiontemperture sol)(申请号：PN6240，1995年10月30日递交)；以及

“在基于油墨的微乳剂中的染料和颜料”(Dye and pigment in amicroemulsion based ink)(申请号：PN6241，1995年1O月30日递交)。

采用降低粘度的操作

作为第二个例子，在以下的实施例中与热熔油墨相结合地通过加热来降低粘度并且采用接近方式来分离墨滴。在操作打印机之前，在储存器64中使固体油墨溶化。油墨从储存器中通过油墨通道75通到打印头，并将打印头50维持在使油墨100处于液态，但是粘度却相对较高(例如大约100cP)的温度。通过油墨的表面张力把油墨100限制在喷嘴之内。油墨100是按配方制作的，使其粘度随着温度的上升而降低。油墨压力在一定频率上振荡，该频率是墨滴从喷嘴中喷射的频率的整倍数。油墨的压力振荡使得处在喷嘴尖端的油墨弯液面发生振荡，但是由于油墨的粘度很高，这种振荡很小。在正常操作温度下，这种振荡的幅度不足以使墨滴分离。在加热器103被启动时，构成选定墨滴的油墨被加热，其粘度降低到一定的值，该值最好是小于5cP。粘度的降低使油墨弯液面在油墨压力循环的高压段期间进一步移动。记录媒体51被设在充分靠近打印头50的位置，使选定的墨滴接触到记录媒体51，但是又要足够远，使未选择的墨滴不会碰到记录媒体51。在接触到记录媒体51时，选定的那部分墨滴就会凝固，并且吸附在记录媒体上。随着油墨压力的下降，油墨开始回到喷嘴中。油墨的主体与凝固在记录媒体上的油墨分离。然后，在喷嘴尖端的油墨100的弯液面又恢复到小幅度的振荡。随着剩余的热量被散发到大块的油墨和打印头上，油墨的粘度上升到其静止水平。每个热脉冲选择并分离一个墨滴，并在记录媒体51上形成一个点。由于热脉冲是由电路控制的，就可以实现按需投放的喷墨操作方式。

打印头的制造

在1995年4月12日递交的以下澳大利亚专利说明书中描述了本发明的单片打印头的制造方法，这些说明书可作为本文中的参考资料：

“单片LIFT打印头”(A monolithic LIFT printing head)(申请号：PN2301)；

“单片LIFT打印头的制造方法”(A manufacturing process formonolithic LIFT printing head)(申请号：PN2302)；

“LIFT打印头的自准直设计”(A self-aligned header design for LIFTprint heads)(申请号：PN2303)；

“集成四色LIFT打印头”(Integrated four color LIFT print heads)(申请号：PN2304)；

“在单片打印头中的功率要求的降低”(Power requirement reduction inmonolithic LIFT printing heads)(申请号：PN2305)；

“采用湿蚀LIFT打印头的制造方法”(A manufacturing process formonolithic LIFT print heads using anisotropic wet etching)(申请号：PN2306)；

“在单片DOD打印头中的喷嘴位置”(Nozzle placement in monolithicdrop-on-demend print heads)(申请号：PN2307)；

“单片打印头的加热头结构”(Heater structure for monolithic LIFT printheads)(申请号：PN2346)；

“单片LIFT打印头电源连接”(Power supply connection for monolithicLIFT print heads)(申请号：PN2347)；

“接近LIFT打印头外部连接”(External connection for Proximity LIFTprint heads)(申请号：PN2348)；以及

““单片LIFT打印头的自准直制造方法”(A self-aligned manufacturingprocess for monolithic LIFT print heads)(申请号：PN2349)；以及

“LIFT打印头的CMOS兼容制造方法”(CMOS process compatiblefabrication of LIFT print heads)(申请号：PN5222，1995年9月6日递交)。

“具有喷嘴边缘加热器的LIFT打印头的制造方法”(A manufacturingprocess for LIFT print heads with nozzle rim heater)(申请号：PN6238，1995年10月30日递交)；

“模块LIFT打印头”(A modular LIFT print head)(申请号：PN6237，1995年10月30日递交)；

“增加打印喷嘴填充密度的方法”(Mothod of increasing packing densityof printing nozzle)(申请号：PN6236，1995年10月30日递交)；以及

“在同步打印墨滴间减少静电作用的喷嘴散布”(Nozzle dispersion forreduced electrostatic interaction between simultaneously printed droplets)

(申请号：PN6239，1995年10月30日递交)。

打印头的控制

在1995年4月12日递交的以下澳大利亚专利说明书中描述了在本发明中用于提供页面图像数据以及控制打印头中的加热器温度的装置，这些说明书可作为本文中的参考资料：

“在LIFT打印头中的集成驱动电路”(Integrated dive circuitry in LIFTprint heads)(申请号：PN2295)；

“用于液体油墨容量(LIFT)打印的喷嘴清洁过程”(A nozzle clearingprocedure for Liquid Ink Fault Tolerant(LIFT)printing)(申请号：PN2294)；

“用于LIFT打印系统温度的加热器功率补偿”(Heater powercompensation for temperature in LIFT printing systems)(申请号：PN2314)；

“用于LIFT打印系统热滞后的加热器功率补偿”(Heater powercompensation for thermal lag in LIFT printing systems)(申请号：PN2315)；

“用于LIFT打印系统中打印密度的加热器功率补偿”(Heater powercompensation for print density in LIFT printing systems)(申请号：PN2316)；

“打印头温度脉冲的精确控制”(Accurate control of temperature pulsesin printing heads)(申请号：PN2317)；

“单片LIFT打印头中的数据分布”(Data distrbution in monolithic LIFTprint heads)(申请号：PN2318)；

“用于LIFT打印系统的页图象及容差路由装置”(Page image and faultto1erance routing device for LIFT printing systems)(申请号：PN2319)；以及

“LIFT打印机的可移动加压液体油墨盒”(A removable pressurizedliquid ink cartridge for LIFT printers)(申请号：PN2320)。

打印头的图像处理

本发明的打印系统的目标是获得这样的打印质量，它相当于人们习以为常的使用胶版印刷技术印刷的彩色出版物的质量。用大约1600dpi的打印分辨率就可以获得这种效果。然而，1600dpi的打印即困难又昂贵。用800dpi的打印分辨率可以获得类似的效果，深蓝和深红色的每个象素用2位，而黄色和黑色的每个象素用1位。这种彩色模式在此被称为CC′MM′YK。如果还需要高质量的单色图像打印，对黑色也可以采用每个象素2位。这种彩色模式在此被称为CC′MM′YKK′。

在1995年4月12日递交的以下澳大利亚专利说明书中描述了适合用于本发明的系统和其他打印系统的彩色模式、色调处理、数据压缩以及实时扩展系统，这些说明书可作为本文中的参考资料：“用于双级彩色打印的四级油墨”(Four level ink for bi-level colorprinting)(申请号：PN2339)；

“页图像的压缩系统”(Compression system for page images)(申请号：PN2340)；

“用于压缩的页图像的实时扩展设备”(Real-time expansion apparatusfor compressed page images)(申请号：PN2341)；以及

“用于数字彩色打印机的高容量压缩的文件图像”(High capacitycompressed document image for digital color printers)(申请号：PN2342)；

“文本的改进中的JPEG压缩”(Improving JPEG compression in thepresence of text)(申请号：PN2343)；

“用于压缩的页图像的扩展和半色调装置”(An expansion andhalftoning device for compressed page images)(申请号：PN2344)；以及

“图像半色调的改进”(Improvements in image halftoning)(申请号：PN2345)。

本发明的打印头的应用

本发明的打印方法和装置适合广泛的用途，包括(但不仅限于)以下：彩色和单色的办公室打印机、短时使用的数字打印、高速数字打印、处理彩色印刷品、现场彩色打印、胶印机辅助打印、采用扫描式打印头的低价打印机、采用页面宽度打印头的高速打印机、便携式彩色和单色打印机、彩色和单色复印机、彩色和单色传真机、组合打印机、传真和复印机、标签印刷机，、大版面绘图仪、照相复制、用于数字照相处理的印刷机、装入数字′立拍′摄影机中的便携式打印机、带显示屏的打印机、PhotoCD图像的打印机、用于′Personal Digital Assistants′的便携式打印机、糊墙纸印刷机、室内符号打印机、单据印刷、以及织物印刷。

在1995年4月12日递交的以下澳大利亚专利说明书中描述了基于本发明的打印系统，这些说明书可作为本文中的参考资料：

“具有大容量数字页图像存储的高速彩色办公室打印机”(A highspeed color office printer with a high capacity digital page image store)(申请号：PN2329)；

“具有大容量数字页图像存储的短时数字彩色打印机”(A short rundigital color printer with a high capacity digital page image store)(申请号：PN2330)；

“使用LIFT打印技术的数字彩色压缩”(A digital color printing pressusing LIFT printing technology)(申请号：PN2331)；

“模数字打印压缩”(A modular digital printing press)(申请号：PN2332)；

“高速数字织物印刷”(A high speed digital fabric printer)(申请号：PN2333)；

“彩色照片处理系统”(A color photograph coping system)(申请号：PN2334)；

“使用LIFT打印系统的高速彩色照片复制机”(A high speed colorphotocopier using a LIFT printing system)(申请号：PN2335)；

“使用LIFT技术的便携式彩色照片复制机”(A protable colorphotocopier using LIFT printing technology)(申请号：PN2336)；

“使用LIFT打印技术的照片处理系统”(A photograph processingsystem using LIFT printing technology)(申请号：PN2337)；

“使用LIFT打印系统的平纸传真机”(A plain paper facsimile machineusing a LIFT printing system)(申请号：PN2338)；

“具有集成打印机的照片CD系统”(A PhotoCD system with integratedprinter)(申请号：PN2293)；

“使用LIFT打印技术的彩色绘图机”(A color plotter using LIFTprinting technology)(申请号：PN2291)；

“具有集成的LIFT彩色打印系统的笔记本计算机”(A notebookcomputer with integrated LIFT color printing system)(申请号：PN2292)；

“使用LIFT打印系统的便携式打印机”(A portable printer using a LIFTprinting system)(申请号：PN2300)；

“具有在线数据库和定制杂志打印的传真机”(Fax machine with on-line database interrogation and customized magazine printing)(申请号：PN2299)；

“缩微彩色打印机”(Miniature portable color printer)(申请号：PN2298)；

“使用LIFT打印系统的彩色视频打印机”(A color Video printer using aLIFT printing system)(申请号：PN2296)；以及

“使用LIFT打印系统的集成的打印机、复制机、扫描器和传真机”(Anintegrated printer，copier，scanner，and facsimile using a LIFT printing system)(申请号：PN2297)。

对打印头环境条件的补偿

按需投放的打印系统应该具有始终如一并且可预测的墨滴大小和位置。墨滴大小和位置的不应有的变化会使打印结果的光学密度发生变化，看到的打印质量就会降低。这些变化在额定的墨滴体积和象素间隙中应该被保持在最低的比例。可以对许多环境变量进行补偿，以便将其影响降低到不明显的水平。通过改变提供给喷嘴加热器的功率，可以对某些因素进行主动的补偿。

用于一个打印头实施例的最佳温度曲线是这样的，即在一瞬间使喷嘴尖端的有效部位上升到喷射温度，在脉冲期间将这一部位维持在喷射温度，并且在一瞬间将该部位冷却到环境温度。

由于在制造本发明的打印头时使用的各种材料的热存储容量和热传导性质，这种最佳方案是无法实现的。然而，通过对打印头的有限元件模型进行反复逼近地精选，就能获得一条曲线，利用该曲线削尖功率脉冲，这样就能改善性能。可以利用各种技术改变向加热器提供功率的时间，这其中包括，但是并不仅限于：

1)改变加在加热器上的电压

2)调制一系列短脉冲的宽度(PWM)

3)调制一系列短脉冲的频率(PFM)

为了获得精确的结果，需要一个在油墨中存在对流和油墨流动时能模拟自由表面的瞬时流体动态模型，用具体的功率曲线来获得温度的有效影响。

如果在打印头基片上安装适当的数字电路，就可以独立地控制提供给各个喷嘴的功率。做到这一点的一种方式是在整个打印头芯片上′广播′各种不同的数字脉冲串，并且通过多路复用电路为每个喷嘴选择适量的脉冲串。

在″对环境因素的补偿″的表中列出了可以得到补偿的一些环境因素。在这张表指出了对每一种环境因素的最佳补偿是整体的(针对整个打印头)，逐个芯片的(针对一个合成的多芯片打印头中的每个芯片)，还是逐个喷嘴的。<对环境因素的补偿>

比较因素	范围	检测或用户控制方法	补偿机制
				环境温度	整体	装在打印头上的温度传感器	电源电压或整个PFM图形
电源电压随着有效喷嘴的数量而变动	整体	根据打印数据预测有效喷嘴的数量	电源电压或整个PFM图形
				随着喷嘴的依次启动产生局部热量	逐个喷嘴	根据打印数据预测有效喷嘴的数量	为每个打印墨滴选择适当的PFM图形
在每个象素有多位时控制墨滴的大小	逐个喷嘴	图像数据	为每个打印墨滴选择适当的PFM图形
				晶片之间的喷嘴几何变化	逐个芯片	在工厂中测量提供给打印头的数据文件	逐个打印头芯片的整个PFM图形
晶片之间的加热器电阻变化	逐个芯片	在工厂中测量提供给打印头的数据文件	逐个打印头芯片的整个PFM图形
				用户图像密度调节	整体	用户选择	电源电压，静电加速电压，或油墨压力
降低油墨表面张力的方法和门限温度	整体	油墨盒传感器或用户选择	整个PFM图形
				油墨粘度	整体	油墨盒传感器或用户选择	整个PFM图形和/或时钟速率
油墨的染料或颜料浓度	整体	油墨盒传感器或用户选择	整个PFM图形
				油墨响应时间	整体	油墨盒传感器或用户选择	整个PFM图形

在多数应用场合不需要对所有这些因素进行补偿。有些变量具有负面的效果，并且仅在要求非常高的图像质量时才需要补偿。

打印头驱动电路

图4是按照本发明的一例打印头驱动电路的电路原理的示意性框图。这一控制电路采用模拟调制的电源电压，将其提供给打印头，从而实现加热器功率调制，并且对提供给每个喷嘴的功率没有独立的控制。图4表示了采用800dpi页面宽度打印头的系统框图，该系统采用CC′MM′YK彩色模式执行彩色打印。打印头50具有总共79,488个喷嘴，其中有39,744个主喷嘴和39,744个冗余喷嘴。主喷嘴和冗余喷嘴被分成六种颜色，而每种颜色被分成8个驱动相。每个驱动相有一个移位寄存器，用于把来自打印头控制器ASIC400的串行数据转换成用于启动加热器控制电路的并行数据。总共有96个移位寄存器，各自为828个喷嘴提供数据。每个移位寄存器由828个移位寄存器级217构成，其输出通过一个“与非”门215与相启动信号执行逻辑“与”。与非门215的输出驱动一个反相缓冲器216，后者再控制驱动晶体管201。驱动晶体管201激励电热加热器200，它可以是图1(b)中所示的加热器103。为了在启动脉冲期间维持移位数据有效，由时钟制动器218停止移位寄存器的时钟，维持启动脉冲有效，为了清楚在图中用单个门表示时钟制动器，但是可以用任何公知的无误差时钟控制电路来实现。停止移位寄存器的时钟可以不必把并行数据锁定在打印头中，但是对打印头控制器ASIC400中的电路增加了一些复杂性。根据故障状态总线上专用信号的状态，数据分路器219把数据发送给主喷嘴或冗余喷嘴。

图4中所示的打印头是经过简化的，并且没有表示用于改进制造工艺的部件(block)容错等各种装置。根据本文中所公开的装置很容易获得用于不同结构打印头的驱动电路。

代表记录媒体上的打印点图形的数字信息被存储在页或范围存储器1513中，它可以和图1(a)中的图像存储器72相同。地址多路调制器417通过地址选择从页或范围存储器1513中读出代表一种颜色点的32位数据，并且由存储器接口418产生控制信号。这些地址是由地址发生器411产生的，它是′每种颜色的电路′410的一部分，六种颜色成分各有一个这种电路410。地址是根据喷嘴相对于打印媒体的位置而产生的。由于不同打印头的喷嘴的相对位置有可能不同，地址发生器最好是可编程的。地址发生器411在正常时产生与主喷嘴位置相对应的地址。然而，当出现故障喷嘴时，在故障图RAM412中可以标出有故障的喷嘴部件的位置。在打印页面的同时读出故障图RAM412。如果这一存储器指示出在喷嘴部件中有故障，地址就被改变，使地址发生器411产生对应冗余喷嘴位置的地址。用寄存器413锁定从页或范围存储器1513中读出的数据，并由多路转换器414将其转换成顺序的四个字节。用FIFO415调节这些字节的时序，使其与代表其他颜色的数据匹配。然后由缓冲器430缓冲这些数据，从而构成打印头50的48位主数据总线。由于打印头的位置可能距离打印头控制器ASIC相对较远，数据需要缓冲。来自故障图RAM412的数据还构成了FIFO416的输入。这一数据的时序与FIFO415的输出数据相匹配，并且由缓冲器431缓冲，从而构成故障状态总线。

可编程电源320为打印头50提供电力。电源320的电压受DAC313的控制，DAC313是RAM和DAC的组合(RAMDAC)316的一部分。RAMDAC316包含一个双端口RAM317。双端口RAM317的内容由微控制器315编程。通过改变双端口RAM317的内容来补偿温度。微控制器315根据热传感器300检测到的温度计算这些值。热传感器300的信号连接到模-数转换器(ADC)311。ADC311最好是装在微控制器315之内。

打印头控制器ASIC400包含用于热滞后补偿和打印密度的控制电路。热滞后补偿要求打印头欧50的电源电压是一个在时间上迅速变化的电压，它应该与加热器的启动脉冲同步。这一电压是通过对可编程电源320编程而产生的。  DAC313根据从双端口RAM317读出的数据产生一个模拟时间变化的编程电压。数据按照由计数器403产生的地址被读出。计数器403在一个启动脉冲期间产生一个完整循环的地址。由于计数器403是由系统时钟408来定时的，从而保证了这种同步，并且计数器403的最高计数被用做启动计数器404的定时。然后由解码器405对启动计数器404的计数解码，并经过缓冲器432的缓冲而产生打印头50的启动脉冲。如果计数的状态数小于一个启动脉冲中的时钟周期数，计数器403可以包括一个预分频计数器。为了精确地补偿加热器的热滞后，采用16个电压状态。这16个状态可以用计数器403和双端口RAM317之间的四位连接线来指定。然而，这16个状态在时间上不一定采用线性的间隔。为了满足这些状态的非线性定时，计数器403还可以包括一个ROM或是其他器件，以便使计数器403按照非线性的方式计数。或是也可以采用少于16的状态数。

在打印密度补偿方面，在每个启动周期中对需要(在象素上)打印一个墨滴的象素数量进行计数，由此来检测打印密度。打印象素计数器402对′要打印的′象素计数。对八个启动脉冲各有一个打印象素计数器402。按照本发明，在打印头中的启动相数取决于具体的设计。尽管并不要求启动相数必须是二的倍数，但通常是四个、八个和十六个。打印象素计数器402可以由组合逻辑象素计数器420构成，用计数器420确定一个数据段中应该有多少个位数。然后由加法器421和累加器422累加这个位数。寄存器423在启动脉冲期间保持这一累加的数值有效。多路转换器401根据启动计数器404的决定选择对应当前启动脉冲的寄存器423的输出。多路转换器401的输出构成了双端口RAM317的一部分地址。不需要对′要打印的′象素进行精确的计数，只需要这一计数的四个最高有效位就足够了。

四位热滞后补偿地址和四位打印密度补偿地址的组合代表双端口RAM317的8位地址。这表示双端口RAM317包含排列成二维阵列的256个数值。这二维表示(用于热滞后补偿的)时间和打印密度。还可以包括第三维，也就是温度。由于打印头的环境温度变化很慢，微控制器315有足够的时间在当前的温度下计算用于补偿热滞后和打印密度的256个数值的矩阵。微控制器周期性地(例如每秒几次)检测当前的打印头温度，并且计算这一矩阵。

打印头50的时钟是由打印头时钟发生器407根据系统时钟408产生的，并且由缓冲器406缓冲。为便于测试打印头控制器ASIC，

还可以包括JTAG测试电路499。

与热喷墨技术的比较

“热喷墨和本发明之间的比较”的表对本发明和热喷墨打印技术作出了各方面的比较。

由于本发明与热喷墨技术都是采用热激励和液体油墨的按需投放系统，在二者之间可以进行直接的比较。尽管它们看起来是类似的，但这两种技术是按不同的原理工作的。

热喷墨打印技术采用以下的基本操作原理。通过电阻加热产生的热脉冲在液体油墨中迅速形成气泡。通过使油墨过热可以快速并可靠地形成气泡，从而在气泡完全集结之前向油墨传递足够的热量。对于水基油墨来说，油墨的温度需要达到280℃至400℃。气泡的形成造成的压力波压迫孔中的高粘度油墨墨滴。气泡随后消失，从油墨储存器中吸取油墨，重新装填喷嘴。由于喷嘴的组装密度很高，并且使用已经成熟的集成电路制造技术，热喷墨打印技术在商业上取得了巨大的成功。然而，热喷墨打印技术面临这样一些明显的技术问题，其中包括多部件的精确装配、器件的成品率、图像分辨率、′pepper′噪声、打印速度、驱动晶体管功率、耗电量、形成墨滴喷溅、热应力、热膨胀差、科尬油(kogation)、气穴现象、蒸馏扩散、以及油墨成分所造成的困难。

本发明的打印技术具有热喷墨打印技术的许多优点，并且完全或基本上消除了热喷墨打印技术所固有的许多问题。

<热喷墨和本发明之间的比较>

	热喷墨	本发明
			墨滴选择机制	通过热感应生成的气泡造成的压力波喷射墨滴	选择降低表面张力或粘度的机制
墨滴分离机制	与墨滴选择机制相同	选择接近，静电，磁场及其他方法
			基本油墨载体	水	水，微乳状液，醇，乙二醇，或是热熔
打印头构造	精确地组装喷嘴板，油墨通道以及基片	单片
			每件的打印费用	由于打印头的寿命有限并且油墨很贵，费用很高	由于打印头的耐久性以及适应宽范围的油墨，费用可以降低
墨滴喷溅的形成	明显地影响图像质量	不会形成墨滴喷溅
			油墨的操作温度	280℃至400℃(高温限制了染料的使用和油墨成分)	大约70℃(取决于油墨成分)
加热器峰值温度	400℃至1000℃(高温会降低器件寿命)	大约130℃
			气穴(加热器由于气泡的破裂而磨损)	限制打印头寿命的严重问题	没有(不形成气泡)
科    尬    油(kogation)(加热器被油墨灰盖住)	限制打印头寿命和油墨成分的严重问题	没有(水基油墨的温度不超过100℃)

蒸馏扩散(由于压力循环形成油墨气泡)	限制油墨成分的严重问题	由于油墨压力不会变成负值，没有这一问题
			共振	限制喷嘴结构和重复速率的严重问题	影响很小，因为压力波很小
实际分辨率	最大约为800dpi	最大约为1600dpi
			自冷却操作	没有(需要高能量)	有：打印的油墨带走了墨滴选择能量
墨滴喷射速度	高(大约10m/sec)	低(大约1m/sec)
			干扰	严重问题，需要精密的声学结构，限制喷嘴重新填充的速度	低速，并且喷射墨滴时的压力低，因此干扰很小
操作热应力	限制打印头寿命的严重问题	低：加热器中心的最高温升大约是90℃
			制造热应力	限制打印头尺寸的严重问题	与标准的CMOS制造工艺相同
墨滴选择能量	大约20μJ	大约270nJ
			加热器脉冲周期	大约2-3μs	大约15-30μs
加热器脉冲平均功率	每个加热器大约8瓦特	每个加热器大约12mW，比热喷墨低500倍以上
			加热器脉冲电压	大约40V	大约5-10V
加热器峰值脉冲电流	每个加热器通常需要200mA，需要双极或是很大的MOS驱动晶体管	每个加热器约4mA，可以使用小的MOS驱动晶体管
			容错	没有实施	容易实施，可以使成品率和可靠性提高
对油墨成分的限制	包括科尬油(kogation)，不干净等许多限制	表面张力或粘度的温度系数必须是负值

油墨压力	大气压力以下	大约1.1atm
			集成驱动电路	由于驱动电流大，通常需要双极性电路	CMOS，nMOS，或双极性电路
热膨胀差	对大型打印头是明显的问题	用单片的构造减少这一问题
			页面宽度打印头	主要问题是成品率，成本，结构精度，打印头寿命，以及功耗	通过容错获得高成品率，低成本。由于低功耗可以自身冷却。

成品率和容错

在多数情况下，如果单片集成电路在制造时功能不完善，是无法修理的。通过晶片加工产生的可供使用的器件的百分数被称为成品率。成品率对制造成本具有直接的影响。5％成品率的器件的制造成本比具有50％成品率的相同器件的制造成本要贵十倍。

这里主要有三种成品率测量指标：

1)制造成品率

2)晶片分选成品率

3)最终测试成品率

对于大模板的情况，晶片分选成品率通常是对总成品率的最严格的限制。按照本发明的全页面宽度彩色打印头与典型的VLSI电路相比是很大的。满意的晶片分选成品率对这种打印头的有效制造成本是关键的问题。

图5是针对本发明的单片全页面宽度彩色A4打印头实施例的晶片分选成品率与缺陷密度的关系曲线。打印头有215mm长和5mm宽。无容错成品率198是根据Murphy的方法计算的，这是一种广泛应用的成品率预测方法。如果缺陷密度是每平方cm一个缺陷，用Murphy的方法预测出的成品率小于1％。这意味着制成的打印头有99％以上必须被放弃。这样低的成品率是很不理想的，因为打印头的制造成本太高。

Murphy的方法近似于不均匀分布缺陷的影响。图5还包括一条无容错成品率197的曲线，它引进了一个缺陷分组系数，从而清楚地显示出了缺陷的分组。缺陷分组系数不是一个在制造时可以得到控制的参数，但是可以作为制造工艺的一个特征。在制造工艺中可以将缺陷分组系数预定为2，在这种情况下，成品率的投影图与Murphy的方法大致相符。

解决低成品率问题的一个方法是引入容错，即在芯片上包括冗余的功能单元，用来代替故障的功能单元。

在存储器芯片和大多数晶片规模的集成电路(WSI)器件中，冗余副单元在芯片上的物理位置并不重要。然而，在打印头中，冗余副单元可能包括一或多个打印启动器。它们相对于需要打印的页面必须具有固定的空间关系。为了能够象有故障的驱动器一样在同一位置上打印出一个点，冗余的驱动器决不能在非扫描方向上错位。然而，故障驱动器可以由在扫描方向上错位的冗余驱动器来代替。为了保证冗余驱动器能够象故障驱动器一样在同一位置上打印出一个点，

可以改变冗余驱动器的数据定时，从而补偿扫描方向上的错位。

为了能替换所有的喷嘴，必须有完整的一套备用喷嘴，这样就构成了100％的冗余。然而，100％冗余的要求通常需要使芯片面积加倍，在代替冗余单元之前会明显地降低初级成品率，而这样就会抵销容错所带来的大部分优点。

然而，按照本发明的打印头实施例，打印头芯片的最小物理尺寸取决于被打印的页面宽度，打印头芯片容易破碎的性质，以及在装配向芯片背后提供油墨的油墨通道时遇到的制造工艺限制。用于打印A4尺寸页面的全宽度全彩色打印头的实际最小尺寸大约是215mm^*5mm。在采用1.5μmCMOS制造技术时，这一尺寸允许容纳100％的冗余，而不会明显地增加芯片面积。因此，在不会明显降低初级成品率的条件下可以实现高水平的容错。

当器件中包括容错时，不能采用标准的成品率公式。反之在成品率公式中必须具体地体现和包括容错的机制和程度。图5表示了用于全页面彩色A4打印头的容错分选成品率，其中包括各种形式的容错，在成品率公式中已经包括了它的模型。这一曲线用缺陷密度和缺陷分组的函数来表示具体的成品率。在图5中表示的成品率投影图表明，在相同的制造条件下，充分地采用容错方案可以使晶片分选成品率从1％以下提高到90％以上。这样能使制造成本降低100倍。

对于包括上千个打印喷嘴的打印头来说，容错可以大大地改善成品率和可靠性，从而就能实际制成页面宽度的打印头。但是，容错并不是本发明的核心内容。

在1995年4月12日递交的以下澳大利亚专利说明书中描述了在按需投放打印系统中的容错技术，这些说明书可作为本文中的参考资料：

“在打印机构中的集成的容差”(Integrated fault tolerance in ptintingmechanisms)(申请号：PN2324)；

“在集成打印头中的部件容差”(Block fault tolerance in integratedprinting heads)(申请号：PN2325)；

“用于集成打印头中容差的喷嘴复制”(Nozzle duplication for faulttolerance in integrated printing heads)(申请号：PN2326)；

“打印头中故障喷嘴的检测”(Detection of faulty nozzles in printingheads)(申请号：PN2327)；以及

“大容量打印压力的容差”(Fault tolerance in high Volume printingpresses)(申请号：PN2328)。

打印系统实施例

在图6中表示了采用本发明打印头的一种数字电子打印系统的示意图。该图表示一个单片打印头50，它把由许多墨滴构成的一幅图像60打印在记录媒体51上。典型的媒体是纸，也可以是普通的透明胶片、织物或是许多其他能够接纳油墨的平面材料。被打印的图像是由一个图像源52提供的，它可以是任何能够转换成二维象素阵列的图像形式。典型的图像源有图像扫描器、数字存储的图像、用页面描述语言(PDL)编码的图像，例如AdobePostscript，Adobe Postscript level 2，或是Hewlett-Packard PCL 5，利用光栅发生器通过程序调用产生的页面图像，例如Apple QuickDraw，Apple QuickdrawGX，或是Microsoft GDI，或是电子形式的文本例如ASCII。这种图像数据由图像处理系统53转换成适合特定打印系统的二维象素阵列。图像可以是彩色或单色的，并且每个象素通常可以有1到32位之间的数据，取决于图像源和具体打印系统的格式。如果图像源是一种页面图形，图像处理系统可以采用光栅图像处理器(RIP)，如果图像源来自一个扫描器，也可以采用二维图像处理系统。

如果需要连续色调的图像，就需要一个半色调处理系统54。适当的半色调处理方式是基于“顺序颤抖或误差扩散的分散点(dispersed dot ordereddither of error diffusion)”。或者是采用公知的“随机筛选或频率调制筛选(stochastic screening or frequency modulation screening)”。在这里不推荐采用通常用于胶版印刷时的“顺序颤抖的集束点(clustered dot ordered dither)”的半色调处理系统，因为采用这种技术会不必要地浪费有效的图像分辨率。半色调处理系统的输出是适合本发明打印系统的分辨率的二进制单色或彩色图像。

二进制图像是由数据定相电路55(它可以装在图4所示的打印头控制器ASIC 400中)来处理的，数据定相电路55按照正确的顺序把象素数据提供给数据移位寄存器56。为了补偿喷嘴的排列和纸的移动，需要对数据定序。当数据被加载到移位寄存器56中之后，数据以并行的方式被提供给加热器驱动电路57。驱动器电路57按照准确的时间用电子电路把相应的加热器58连接到通过脉冲整形电路61和电压调节器62产生的电压脉冲。加热器58加热喷嘴59的尖端，影响油墨的物理特性。墨滴60按照与提供给加热器驱动电路的数字脉冲相对应的图形脱离喷嘴。油墨储存器64中的油墨压力由压力调节器63来调节。通过选定的墨滴分离装置使墨滴60中被选定的墨滴从油墨主体上分离，并且接触到记录媒体51。在打印期间，利用纸输送系统65使记录媒体51相对于打印头50连续地移动。如果打印头50覆盖了记录媒体51的打印范围的整个宽度，记录媒体51仅仅需要在一个方向上移动而打印头50则可以保持固定。如果使用较小的打印头50，就需要采用光栅扫描系统。典型的方法是沿着记录媒体51的短边扫描打印头50，同时沿着其长边移动记录媒体51。

喷嘴动态特性的计算机模拟

利用计算机对本发明的打印头的操作细节作出了全面的模拟。图8至18是一些模拟的结果，这一优选喷嘴实施例的操作是通过电加热降低表面张力来选择墨滴，并且与静电的墨滴分离方式相结合。

计算机模拟对确定难以直接观察的现象的特性是极为有用的。由于以下的几个原因，喷嘴的操作很难通过实验进行观察，这些原因包括：

1)实验的喷嘴是微型的，重要现象的特征小于1μm。

2)喷射墨滴的时间标度只有几微秒，需要极高的观察速度。

3)重要的现象发生在不透明的固体材料内部，不可能直接观察。

4)一些重要的参数例如热流量和流体速度矢量场是难以用任何标度来直接观察的。

5)制造实验喷嘴的费用很高。

计算机模拟克服了上述的问题。用于流体动态模拟的一种先进的软件包是Fluid Dynamics International Inc.of Illinois，USA

(FDI)制作的FIDAP。FIDAP是FDI的注册商标。在市场上也可以得到其他模拟软件，但是之所以选择FIDAP是因为它在瞬变的流体动态模拟，能量转移，以及表面张力计算等方面具有很高的精度。采用的FIDAP版本是FIDAP7.51。

在模拟中结合了能量转移和流体动态模型。由于本例喷嘴是圆筒形的，采用轴对称的模拟方式。圆筒的形状会产生四种偏差。这就是与加热器的连接，由于纸的移动造成的层状气流，重力(如果打印头不是垂直的)，以及基片上存在的相邻喷嘴。这些因素对墨滴喷射的影响很小。

为了利用FIDAP7.51在微秒级的瞬态过程中通过按微米级标度变化的表面张力获得收敛的瞬态自由表面模型，需要采取无量纲的模型。

仅仅需要模拟喷嘴尖端的区域，因为与墨滴选择有关的大多数现象都出现在这一区域内。模拟的范围是从喷嘴的对称轴向外延伸40μm。

在开始模拟时，整个喷嘴和器件中的油墨都处于环境温度，在这种条件下是30℃。在操作期间，器件环境温度会稍微高于大气环境温度，因为在喷射许多墨滴的整个周期中会达到一定的均衡温度，该温度取决于打印密度。每次选择墨滴的大部分能量被墨滴带走了。由于硅片的热传导性很高，以及油墨中的对流，在喷射墨滴的间隔中可以很均匀地散发喷嘴中的剩余热量。

模拟喷嘴的几何形状

图7表示在这种模拟中仿制的一个理想喷嘴的实施例。

喷嘴被构制在一个单晶硅基片2020上。基片上具有一个外延的掺硼硅层2018，它在制作喷嘴时被用于制止蚀刻。外延的硅层2019是用于制作CMOS驱动晶体管和数据分配电路的有效基片。在这一基片上有几层沉积的CMOS工艺。这其中有一个热氧化层2021、第一层间氧化层2022、第一金属层2023、第二层间金属层2024、第二金属层2025、以及钝化氧化层2026。按顺序加工晶片制成喷嘴和加热器。这些构造包括有效的加热器2027(a)、利用“剩余的”加热器材料制成的ESD屏蔽层2027(b)，以及氮化硅钝化层2028。

通过对各个氧化层的蚀刻在加热器顶上形成狭窄的“边缘”。这样做是为了减少加热器周围的材料的“热质量”，并且防止油墨在打印头的表面上扩散。

在打印头中装填导电油墨2031。用两个电极在打印头上施加一个电场，一个电极与油墨形成电接触，另一个电极设在记录媒体后面。

喷嘴的半径是8μm，而直径与其成比例。

计算的理论基础

在FDI出版的FIDAP7.0Thoery Manual(1993年四月)中详细说明了采用Finite Element Mothod进行流体动态分析和能量转换计算的理论基础，以及在FIDAP计算机程序中应用这一理论基础的方法，上述内容可作为本发明的参考资料。

材料特性

在“用于FIDAP模拟的材料特性”的表中给出了材料的近似物理特性，这些材料可被用于制作本发明的打印头。

这模拟中使用的“油墨”是加入了25％颜料的水基油墨。在油墨中含有十六烷酸的悬浮微粒，以便使表面张力随着温度而明显地降低。采用表面张力仪测量各种温度下的表面张力。

在“用于FIDAP模拟的材料特性”的表中给出了在采用FIDAP程序的模拟中使用的数值。大多数数值来自直接的测量，或是取自CRC 化学和物理手册”(Handbook of Chemistry and Physics)，72nd edition，或是Lange的 化学手册”(handbook of chemistry)，14th edition。

<用于FIDAP模拟的材料特性>

特性	材料或温度	物理数值	无量纲数值
				特征长度(L)	全部	1μm	1
特征速度(U)	油墨	1m/s	1
				特征时间	全部	1μs	1
时间段	全部	0.1μs	0.25
				环境温度	全部	30℃	30
沸点	油墨	103℃	103
				粘度(η)	在20℃	2.306cP	3.530
粘度(η)	在30℃	1.836cP	2.810
				粘度(η)	在40℃	1.503cP	2.301
粘度(η)	在50℃	1.259cP	1.927
				粘度(η)	在60℃	1.074cP	1.643
粘度(η)	在70℃	0.930cP	1.423
				粘度(η)	在80℃	0.816cP	1.249
粘度(η)	在90℃	0.724cP	1.108

粘度(η)	在100℃	0.648cP	0.993
				表面张力(γ)	28℃	59.3mN/m	90.742
表面张力(γ)	33℃	58.8mN/m	89.977
				表面张力(γ)	38℃	54.1mN/m	82.785
表面张力(γ)	43℃	49.8mN/m	76.205
				表面张力(γ)	47℃	47.3mN/m	72.379
表面张力(γ)	53℃	44.7mN/m	68.401
				表面张力(γ)	58℃	39.4mN/m	60.291
表面张力(γ)	63℃	35.6mN/m	54.476
				表面张力(γ)	68℃	33.8mN/m	51.721
表面张力(γ)	73℃	33.7mN/m	51.568
				压力(P)	油墨	10kPa	15.3
导热性(k)	油墨	0.631Wm-1k-1	1
				导热性(k)	硅	148Wm-1k-1	234.5
导热性(k)	SiO2	1.5Wm-1k-1	2.377
				导热性(k)	加热器	23Wm-1k-1	36.45
导热性(k)	Si3N4	19Wm-1k-1	30.11
				具体热量(cp)	油墨	3,727Jkg-1k-1	3.8593
具体热量(cp)	硅	711Jkg-1k-1	0.7362
				具体热量(cp)	SiO2	738Jkg-1k-1	0.7642
具体热量(cp)	加热器	250Jkg-1k-1	0.2589
				具体热量(cp)	Si3N4	712Jkg-1k-1	0.7373
密度(ρ)	油墨	1.036gcm-1	1.586
				密度(ρ)	硅	2.320gcm-1	3.551
密度(ρ)	SiO2	2.190gcm-1	3.352
				密度(ρ)	加热器	10.50gcm-1	16.07
密度(ρ)	Si3N4	3.160gcm-1	4.836

流体动力学模拟

图8(a)表示提供给加热器的功率。提供给加热器的最大功率是40mW。这一功率受到脉冲调制，从而获得瞬间提供给加热器的理想功率。各个功率脉冲的间隔是0.1μs，每个脉冲向加热器传递4nJ的能量。在墨滴选择脉冲开始后10μs进入模拟，以便使弯液面进入其静止位置。在墨滴选择脉冲期间传递到加热器上的总能量是276nJ。

图8(b)表示在模拟过程中喷嘴内各个点上的温度。

点A处于油墨弯液面与喷嘴边缘的接触点上。为了有效地操作，这一点的温度应该上升到尽量接近但是不超过油墨的沸点，并且在墨滴选择脉冲期间维持在这一温度。“带尖的”温度曲线是由施加到加热器上的脉冲频率调制功率造成的。如果增加脉冲频率并且适当降低脉冲功率，就可以使这种“尖”降低。

点B是油墨弯液面上的一个点，大约处于弯液面中心与喷嘴尖端的中间。

点C是硅片表面上距离喷嘴中心20μm处的一个点。这一点显示出距离喷嘴很近的点上在选择墨滴时的温升很小。这样就允许在很靠近喷嘴的位置上安置例如驱动晶体管等有源器件。

图9表示弯液面中心点上的位置与时间关系曲线。

图10表示墨滴选择脉冲期间的各个时刻的弯液面位置和形状。从墨滴选择脉冲的起点显示时间，(10μs时开始模拟)，并且间隔5μs，直至加热器脉冲开始之后60μs。

图11表示在墨滴选择脉冲开始之前喷嘴中温度等值线的模型，从9μs时开始模拟。表面的张力与油墨压力和外部恒定电场的合成效果形成平衡。

图12是墨滴选择脉冲开始5μs之后在喷嘴中的温度等值线，从15μs开始模拟。喷嘴尖端处表面张力的降低使得这一点上的表面延伸，迅速带走弯液面周围的热量。由于表面张力的降低，已经不能与油墨压力和外部恒定电场的合成效果形成平衡，油墨已经开始移动。由于喷嘴壁的粘滞阻力，弯液面中心的移动速度比外侧要快。在图12至17中表示了从35℃开始并且按5℃间隔增加的温度等值线。

图13表示墨滴选择脉冲开始10μs之后在喷嘴中的温度等值线，从20μs开始模拟。

图14表示墨滴选择脉冲开始20μs之后在喷嘴中的温度等值线，从30μs开始模拟。

图15表示墨滴选择脉冲开始30μs之后在喷嘴中的温度等值线，从40μs开始模拟。此时是在墨滴选择脉冲结束6μs之后，喷嘴已开始冷却。

图16表示墨滴选择脉冲开始40μs之后在喷嘴中的温度等值线，从50μs开始模拟。从这一模型可以看出墨滴选择脉冲的决大多数能量已经被选定的墨滴带走了。

图17表示墨滴选择脉冲开始50μs之后在喷嘴中的温度等值线，从60μs开始模拟。被选定的墨滴在此时开始“收缩”，并且进入墨滴分离阶段。

图18表示与图17同一时间的喷嘴中的流线。

在墨滴喷射周期的三个顺序相中，大致的时间段是：

1)24μs的加热器激励周期

2)60μs时开始墨滴分离

3)40μs后返回静止位置

总的时间是124μs，由此得到的最大投放重复速率(投放频率)大约是8KHz。

接近的墨滴分离方式

依靠接近打印媒体来分离液体油墨墨滴的最佳操作条件如下：

1)选定的和未选择的墨滴的弯液面位置差大于打印媒体的表面粗糙度。

2)打印媒体的表面粗糙度小于油墨墨滴直径的30％。

3)由于润湿打印媒体表面和/或渗入多孔打印媒体内部而增加的油墨墨滴量的增加速率大于在施加的油墨压力下从喷嘴中流出油墨的速率。

喷嘴的半径、油墨种类、媒体以及打印分辨率在很宽的范围内都可以满足这些条件。

在热熔打印技术中，溶化的墨滴在接触到打印媒体时就会凝固，因此，要求使油墨吸入打印媒体的特性就变得不重要了。

在图19(a)至19(i)中表示了接近分离打印方式的操作原理。在这种情况下，墨滴是由电热变送器来选择的，变送器加热喷嘴的尖端，使得弯液面处的温度升高。温度的升高使得表面张力降低到临界的表面张力以下，导致油墨从喷嘴尖端流出。

在图19(a)到19(i)中，1是选定的墨滴，10是产生选定墨滴的喷嘴，11是一个喷嘴，但是其中的加热器103没有启动，因此没有选定的墨滴，5是打印媒体的移动方向，100是油墨主体，101是硅，102是二氧化硅，103是电热驱动器(也被称为“加热器”)，109是打印头的疏水层。

图19(a)表示处于静止状态的两个相邻喷嘴10的截面图。喷嘴与相对于喷嘴在方向5上移动的记录媒体非常接近。从图的平面上看，喷嘴的截面与媒体移动方向成45度角。喷嘴10和11代表在垂直于图面的方向上跨越一个象素宽度的两个交错的喷嘴。喷嘴的整个表面上都有一个疏水层109，油墨100是亲水的。油墨受到压力，从而使油墨的弯液面凸出。

图19(b)表示刚刚在喷嘴10的加热器103上施加了一个激励脉冲之后，但是没有向喷嘴11提供脉冲的情况下在两个喷嘴中的油墨。热量被传导到油墨表面，由此造成的温升使油墨的局部表面张力降低。表面张力的降低可以是油墨本身的自然性质的结果，但是最好是用油墨中的一种添加剂来促进表面张力降低，以便促使表面张力在油墨的加热温度下明显地下降。这种添加剂可以是一种表面活性剂，它在静止温度下是悬浮的固体微粒状态，但是在加热器被启动时则会溶化。在固体状态下，表面活性剂对表面张力的作用很小。在溶化时，表面活性剂分子迅速流动到油墨表面，使得表面张力明显地降低。在这种场合使用的表面活性剂是1-十六烷，这是一种溶点为50℃的16碳醇(16carbon alcohol)。

图19(c)表示短时间以后的墨滴演变情况。由于从喷嘴尖端向弯液面中心的表面张力是递减的，并且因为粘滞作用减缓了喷嘴壁附近油墨的移动，选定的墨滴1大体上是圆柱形的。在这种情况下没有施加外部的静电或磁场，并且重力的作用在这样小的尺寸上并不明显。

图19(d)表示选定的墨滴1在接触记录媒体51的瞬间的情况。选定墨滴的“倾斜”是由于打印头与记录媒体51之间的层状气流造成的，这种气流是记录媒体的移动造成的。在许多实际情况下，记录媒体通常是纸，从喷嘴与记录媒体之间距离的规模来看，纸的表面是粗糙的。这样的粗糙度会使墨滴1与记录媒体51的接触在时间上发生变化，从而使打印点的面积发生变化。如果使用涂膜的纸，并且/或是在刚要打印之前使记录媒体通过压轮，就能尽量减少这种变化。

图19(e)表示选定的墨滴开始“渗入”记录媒体51时的情况。

图19(f)表示选定的墨滴在短时间之后的状态。记录媒体吸收油墨的速度大约与渗透的梯度成正比。在例如纸的许多纤维状记录媒体中，打印媒体与油墨弯液面之间接触的圆圈不会随着油墨的横向吸收渗入记录媒体。这是因为表面的纤维没有被完全润湿。

油墨流入记录媒体的程度主要取决于打印媒体的成分。在许多场合下，如果在打印之前润湿媒体，油墨就能更快地流入记录媒体51。可以通过一系列压轮来润湿媒体。在胶版印刷工业中用压轮连续提供均匀的液体表层的技术是公知的。大多数胶版印刷系统采用减震压轮向打印板上提供水溶液的薄膜，并且用油墨压轮提供一层油墨薄膜。

图19(g)表示选定的墨滴1刚刚从油墨主体100上分离时的情况。如果油墨流入多孔记录媒体51的速度超过了受压油墨从喷嘴10中流出的速度，油墨就会分离。用许多种油墨，媒体和喷嘴半径都可以获得这种结果。也可以使用例如塑料或金属膜等无孔的媒体。在这种情况下，当墨滴润湿无孔媒体时，如果其体积增加的速度超过了油墨从喷嘴10中流出的速度，墨滴就会分离。在油墨与无孔媒体的某些组合方式下，为了促使媒体湿润，可能需要在媒体上涂一层添加剂。

图19(h)表示选定墨滴1大部分已渗入记录媒体之后的情况。油墨返回喷嘴时的动量带动喷嘴10处的弯液面通过其静止位置。与惯用的热喷墨或压电喷墨系统相比，这种“过冲”的程度是很小的。

图19(i)表示弯液面已经回到静止位置之后的喷嘴10，并且可以接受下一个墨滴选择脉冲。如图中所示，选定的墨滴1已被完全吸入打印媒体51。吸收的速度主要取决于打印媒体，并且在不同颜色的墨滴被印在同一位置上时上述选定的墨滴1可能还没有被完全吸收。这种现象在某些情况下会损害打印质量，如果是这样就可以使用吸收性较强的打印媒体，或是使用不同成分的油墨，可以使用颜色之间的间隔较大的打印头，可以加热打印媒体促使其快速干燥，或是可以结合着使用上述技术。

在接近分离打印方式中用声波振荡油墨

在本发明的接近打印系统中适当地对油墨施加声波可以获得以下的效果：

1)如果使声波与墨滴生长周期相吻合，在达到最大油墨正向速度周期时，可以促进墨滴快速生长。

2)当墨滴分离时间与降低油墨压力的周期相吻合时，由于从喷嘴中流出的油墨较少，并且油墨会较早地分离，可以减少由一个选定墨滴向记录媒体输送的油墨数量。

3)向记录媒体输送的油墨数量的变化程度可以降低，因为选定墨滴的接触时间和分离时间都受到声波的影响，可以按照很高的精度和稳定的幅值产生声波。

4)可以进一步用颜料代替染料，因为油墨受到声波的均匀搅动，减少了颜料在油墨中的沉淀，这是颜料的一个主要问题。

5)减少了喷嘴被干油墨堵塞的问题，因为油墨弯液面的均匀运动搅动了弯液面附近的油墨，用“新鲜”的油墨代替了干燥的油墨。

图20(a)表示施加到油墨上的声波820。

图20(b)是一个空间/时间图，表示了选定的墨滴821和尚未被选择的墨滴822的油墨沿着喷嘴轴线所处的位置。曲线在沿着喷嘴轴线的小范围内表示了油墨与时间的关系，其范围从油墨100(在曲线的底部)主体内部的很小距离延伸到纸51(在曲线顶部)内的很小距离。

两个曲线是重叠的，以便直接比较选定的墨滴和未选择的墨滴。

未选择的墨滴822的油墨位置曲线显示出与声波820相同频率的正弦振荡，但是有一定的相位移Δφ。相位移的程度取决于油墨喷嘴和油墨储存器的形状和尺寸，还有油墨的流体动态特性。当声波频率接近喷嘴中油墨的共振频率时，相位移接近90°。通过改变用于产生声波的压电或其他换能器的驱动电压的相位，就能对相位移进行补偿。如图所示，未选择的墨滴的波形是正弦波。实际的形状会有明显的谐波畸变，并且取决于喷嘴尖端的几何形状和油墨的流体动态特性。

图20(b)具体涉及到具有八个驱动相和四种颜色(例如CMYK颜色)的打印头实施例。图中只表示了一种油墨颜色。其他油墨颜色的声波相位与声波820的相位相差90°、180°和270°。墨滴喷射循环中的八个驱动相位延伸到声波820的两个周期。在一个油墨喷射循环中，每种油墨颜色有两个驱动相。它们的声波相隔360°，并且不是提供给一个喷嘴，而是提供给交错的喷嘴。周期829和831是一个喷嘴的两个顺序的加热器驱动周期(在这种情况下，喷嘴装有选定的墨滴821)。在周期831中，同一油墨颜色的其他喷嘴的加热器可以启动。

当加热器在823处被接通时，选定墨滴821的油墨位置轨迹开始脱离未选择的墨滴822的油墨位置轨迹。在声波820的作用下，在达到最大正向速度周期时，可以帮助喷嘴中的油墨流出。随着表面张力与振荡的油墨压力之间的平衡被打破，在时间824发生不可逆转的脱离。油墨继续从喷嘴中涌出，直到油墨在时间825接触到记录媒体51。油墨润湿记录媒体51的表面并且被吸入记录媒体，如图中的空间-时间区域832所示，油墨与记录媒体重叠。在进入和/或沿着记录媒体表面的容积流量的速度超过了油墨从喷嘴中流出的速度时，在分离的时间和位置826处，选定的墨滴821从油墨100的主体上分离。在826的分离瞬时之后，留在记录媒体51中的油墨和油墨100主体的油墨弯液面都会迅速收缩。如果在一定时间，也就是在未选择的油墨墨滴流回喷嘴时降低油墨压力，可以帮助分离。

在分离点826上，喷嘴一侧的油墨在油墨表面张力作用下迅速回到喷嘴中。在喷嘴尖端处的油墨的共振频率上，油墨弯液面在短时间内受到阻尼振荡。这种阻尼振荡与声波造成的振荡是重叠的。在大多数情况下，不需要也不可能使喷嘴中油墨的共振频率与声波频率相匹配。在图20(b)所示的实施例中，加热器接通周期是18μs，墨滴喷射循环是144μs。声波的周期是72μs，因此，声波的频率是13.8 KHz。柱状油墨的共振频率是25KHz  。

在时间827，声波与加热器启动点823处于相同的相位，未选择的墨滴822的油墨弯液面尚未完全恢复静止振荡状态。然而，相同油墨颜色的另一个喷嘴在时间827已经为加热器在周期830中的启动作好了准备。在接下来的时间828，声波与加热器启动点823处于相同的相位，同一喷嘴的加热器可以再次启动，因为弯液面已经基本上恢复到了静止的振荡状态。如图所示，已被吸入记录媒体51的油墨区域832在最初比较厚，以后随着时间逐渐变薄。记录媒体中实际的油墨区域仅会变薄，减慢，最后在一定厚度上停止。油墨区域变薄是因为图20是一幅空间/时间图，油墨的位置是沿着喷嘴的轴线，并且记录媒体51相对于喷嘴轴线移动。在时间833处，该喷嘴中的下一个选定墨滴到达了上一个墨滴已经通过的记录媒体的边缘。第二个墨点流入记录媒体，与第一个墨点结合，从而在连续选择墨滴时形成连续的油墨层。

在油墨中施加声波的一种简单装置是这样放置压电晶体，利用压电晶体使喷嘴后面的油墨通道中的油墨排出。压电晶体应该达到一行喷嘴的全长，从而确保所有喷嘴接收到相同幅值和相位的声波。施加到压电晶体上的电压幅值取决于晶体的物理特性、喷嘴的尺寸、形状、位置、以及油墨储存器的尺寸，压电晶体相对于油墨喷嘴和油墨储存器的位移，油墨的流体动力特性等等各种因素。通过尝试不同驱动电压的电压幅值和相位，可以用简单和廉价的实验手段获得适当的驱动波形，这种手段比计算更加有效。

在图20所示的实施例中，声波的频率是13.8KHz。该频率处于人类的听觉范围之内，如果大量的声波被传送到空气中并且传到打印机外壳的外面，就会使人感觉到令人烦恼的高音啸声。烦恼的程度是人的主观感觉，并且因人而异。例如，仅有少数人能感觉到NTSC和PAL电视机发射的15.625KHz的行频，而大多数人听不到声音。对声波发射的问题有几种解决办法。其中之一是确保声波频率高于20KHz，也就是正常人最高的听觉频率。另一种方案是用吸声材料包装打印头组件。这种材料仅需要强烈地吸收声波的基波频率，因为二次谐波在20KHz以上。再一种方案是在适当的频率上使油墨与空气之间(通过油墨通道组件和其他元件)的声音耦合最小。

在接近分离式打印机中调节墨滴型号

图21(a)表示接近式分离打印头和用于卷筒输纸打印系统的压板部件的截面图。

打印头50采用数字色调处理印刷用于高质量全色印刷的六种颜色(CC′MM′YK)。打印头大约有8mm宽，600μm厚。打印头的位置与记录媒体51的距离是DHtoP，记录媒体朝箭头5所指的方向移动。记录媒体51被压板67拉紧。压板67应该具有高度光滑的光学平面，以便减少与记录媒体的摩擦，并且在整个打印区域内保持定位精度。压板可以改用两三个压轮(未示出)构成，以便进一步减少摩擦。可以用传送带(未示出)包住压轮，从而保持记录媒体51的定位精度。压板67被固定在具有一个极化轴33的压电陶瓷31上。压电晶体被固定在一个板30上，板30在打印期间相对于打印头50是机械固定的。在压电晶体31上设有电极32。在电极32上施加电压，用于调节距离DHtop。

油墨100由油墨通道部件75提供给打印头。油墨通道部件75还具有使打印头刚性地定位的功能，以及校正打印头中的变形。也可以由其他装置提供这些功能。驱动加热器的功率是由两个电源连接件38和39提供的。由于连接件可以用几百微米厚的金属材料制成，并且连接件可以贯穿打印头的全长，这样就能向打印头提供大电流，而电压降却很小。这一点是很重要的，因为彩色打印头在成千上万个喷嘴同时启动时可能需要高达20安培的电流。

在作用在固定块34上的塑性变形材料35提供的压力作用下，导纸板轻轻地接触记录媒体51。导板36具有两个功能：与输纸卷筒65一起在压板上拉紧记录媒体，并且暂时展平可能从纸一类的记录媒体上突出的纤维。为了改善打印质量，需要展平突出的纤维，以便减少从打印头到记录媒体有效平面的距离变化。突出的纤维对打印点的大小没有明显的影响，可以通过减小与喷嘴的距离并使其接近记录媒体来解决这一问题。这是因为油墨墨滴沿着小的突出纤维渗入或吸收的速度没有它渗入大片表面时那样快。因此，在油墨墨滴分离之前，输送的油墨总量不会有很大变化。导板36不一定是必要的，或是可以用减少摩擦的拉力卷筒代替，这取决于打印速度，记录媒体类型，以及打印系统的其他因素。

图21(b)表示打印头与记录媒体51之间的小距离DHtoP。在选定墨滴与记录媒体接触的瞬间，这一距离使得选定墨滴1的体积很小。这一距离DHtoP是通过在压电晶体上施加V_nom＋ΔV的电压获得的。

图21(c)表示打印头与记录媒体51之间的额定距离DHtoP。在选定墨滴与记录媒体接触的瞬间，这一距离产生选定墨滴1的额定体积。这一距离DHtoP是通过在压电晶体上施加电压V_nom获得的，其中的V_nom是额定电压。V_nom可以是零，或是一个偏置电压，从而可以用单极调节电压获得需要调节的整个范围。ΔV可以是正值或负值，取决于晶体的定向和电极的选择。

图21(d)表示打印头与记录媒体51之间相对较大的距离DHtoP。在选定墨滴与记录媒体接触的瞬间，这一距离使得选定墨滴1的体积相对较大。这一距离DHtoP是通过在压电晶体上施加V_nom-ΔV的电压获得的。

在接触记录媒体的瞬间，输送到记录媒体上的油墨体积不等于选定墨滴的体积，因为油墨是在选定墨滴渗入记录媒体的同时从喷嘴中连续流出的。然而，在一定的操作范围内，在接触瞬间输送到记录媒体上的油墨体积大体上正比于选定墨滴的体积，这一操作范围是由油墨，记录媒体以及喷嘴的特性来确定的。

该装置的另一种构造是采用压电晶体来代替打印头相对于固定压板的位置，反之亦然。这种结构具有等效的功能，与上述装置相比没有明显的缺点，只是在制造时可能会更加困难。

有可能采用许多种不同的压电晶体结构，其中包括使晶体按照剪切方式操作的结构，以及采用多层重叠的压电晶体结构，以便降低所需的控制电压。这些变更对本领域的技术人员是显而易见的，并且处于本发明的范围之内。

以上说明了本发明的各种总体和优选的实施例。在不脱离本发明范围的条件下，本领域的技术人员针对上述总体和特定的实施例显然可以进行修改。

Claims (47)

1.按需投放油墨墨滴的打印装置，其特征是包括：

(a)具有许多墨滴喷嘴的打印头；

(b)连接到上述喷嘴的油墨供应导管；

(c)压力装置，用于向上述导管中的油墨施加至少高于环境压力2％的压力；

(d)墨滴选择装置，用于在墨滴选择阶段中选择寻址预定的喷嘴，在被寻址喷嘴和未寻址喷嘴中的油墨之间产生弯液面的位置差，上述的力不足以使被寻址喷嘴中的油墨分离；以及

(e)墨滴分离装置，用于使被寻址喷嘴中的油墨从油墨主体上分离成墨滴，同时允许油墨保留在未寻址的喷嘴中。

2.如权利要求1所限定的装置，其特征是上述选择装置使被寻址喷嘴中的油墨移动到选定的位置，通过油墨的粘结力使油墨保留在喷嘴之内，但是比未寻址喷嘴中的油墨进一步从喷嘴中突出，并且上述的墨滴分离装置朝着打印区域吸引这部分进一步突出的油墨。

3.如权利要求1所限定的装置，其特征是上述墨滴选择装置利用电热来降低受压油墨的表面张力。

4.如权利要求1所限定的装置，其特征是上述墨滴选择装置是一个电热油墨蒸汽气泡发生器，上述油墨蒸汽气泡不足以使上述选定墨滴从上述喷嘴中的油墨主体上分离。

5.如权利要求1所限定的装置，其特征是上述墨滴选择装置包括与上述油墨有直接或间接机械接触的压电换能器，并且在被驱动时造成一个油墨空腔的体积变化，这一空腔与打印喷嘴中的油墨连通，这种体积变化不足以使上述选定墨滴从上述喷嘴中的油墨主体上分离。

6.如权利要求1所限定的装置，其特征是上述墨滴选择装置包括用静电吸引导电油墨的装置，其吸引力不足以使这种油墨从上述喷嘴中的油墨主体上分离。

7.如权利要求1所限定的装置，其特征是上述墨滴选择装置包括可以按以下方式移动通过上述打印头的打印媒体，使选定的墨滴接触上述打印媒体，并使未选择的墨滴不接触上述打印媒体。

8.如权利要求7所限定的装置，其特征是上述选定墨滴渗入和/或润湿上述打印媒体表面的速度大于油墨从被寻址喷嘴中溢出的速度。

9.如权利要求8所限定的装置，其特征是油墨压力是通过上述压力装置的振荡获得的。

10.如权利要求9所限定的装置，其特征是油墨压力的振荡频率是喷嘴中的墨滴喷射频率的整倍数。

11.如权利要求1所限定的装置，其特征是上述墨滴分离装置包括用静电朝着打印区域吸引导电油墨的装置。

12.如权利要求11所限定的装置，其特征是构成上述分离装置的电场被大体上均匀地施加到所有喷嘴上。

13.如权利要求12所限定的装置，其特征是，由于上述选定墨滴与上述未选择墨滴之间的位置差别，选定墨滴与未选择墨滴受到的电动力差别很大。

14.如权利要求1所限定的装置，其特征是上述墨滴分离装置包括用磁力朝着打印区域吸引油墨的装置，在油墨中包含磁性物质。

15.如权利要求14所限定的装置，其特征是构成上述分离装置的磁场被大体上均匀地施加到所有喷嘴上。

16.如权利要求14所限定的装置，其特征是，由于上述选定墨滴与上述未选择墨滴之间的位置差别，选定墨滴与未选择墨滴受到的磁力差别很大。

17.在打印头中从油墨主体上分离选定的墨滴的方法，上述方法包括以下步骤：

(a)使上述选定墨滴从上述打印头的一个被寻址喷嘴中突出；并且

(b)使打印媒体或输送卷筒的位置充分靠近上述打印头，使上述选定墨滴接触上述打印媒体或输送卷筒，但是与上述打印头相距足够远，使没有装在被寻址喷嘴中的油墨不会接触上述打印媒体或输送卷筒。

18.一种按需投放的打印机，其特征是包括：(i)包含油墨主体的打印头，(ii)使选定的墨滴从上述打印头表面上突出的装置；以及

(iii)使打印媒体或输送卷筒的位置充分靠近上述打印头，使上述选定墨滴接触上述打印媒体或输送卷筒，但是与上述打印头相距足够远，使并非选定墨滴的油墨不会接触上述打印媒体或输送卷筒。

19.用权利要求1限定的打印系统改变传送到记录媒体上的油墨体积的方法，其特征是包括以下步骤：(i)在靠近上述打印头的位置上沿着打印区域移动记录媒体，以及(ii)改变打印头与上述记录媒体之间的距离。

20.适用于改变打印头与记录媒体之间距离的装置，上述装置包括一个压电晶体装置，用于在上述打印头与上述媒体之间实现相对运动，以及向上述压电晶体提供电压的装置，用于改变上述晶体的尺寸，并且由此改变上述打印头与上述媒体之间的距离。

21.如权利要求7所限定的装置，其特征是包括用于改变上述打印头与一个记录媒体之间距离的装置。

22.用于改变打印头与记录媒体之间距离的装置，其特征是包括一个压电晶体，其一个表面挨着上述打印头，而另一个表面相对于一个压板被支撑在固定的位置，以及用于按以下方式向上述压电晶体提供电压的装置，该电压可以在基本上垂直于上述打印头正面的方向上改变上述晶体的尺寸从而使上述打印头靠近和远离位于上述打印头和上述压板之间的记录媒体。

23.用墨滴进行打印的方法，其中的墨滴来自权利要求1所限定的装置的打印头中的油墨主体，上述方法包括以下步骤，向打印头中的油墨主体施加声波，使声波压力传递到被寻址和未寻址的喷嘴中的油墨上，并且从上述打印头的被寻址喷嘴中分离墨滴。

24.按照权利要求23的方法，其特征是上述声波频率是上述打印头的单个喷嘴寻址频率的整倍数。

25.如权利要求1所限定的装置，其特征是上述压力装置包括一个器件，它向上述导管中的油墨主体施加声波，并且上述声波被提供给选定的墨滴和未选择的墨滴。

26.按照权利要求25的装置，其特征是上述声波发生器件包括：

(a)与上述油墨主体连通的压电晶体，从而在受到电驱动时使得上述油墨主体中的油墨产生位移；以及

(b)向上述压电晶体施加振荡电压的装置，该电压的频率是上述打印头的墨滴喷射频率的整倍数。

27.流体油墨的按需投放打印装置，上述装置包括：

(a)用于选择打印墨滴的墨滴选择装置，其特征是上述墨滴选择装置在上述流体油墨的选定墨滴和未选择墨滴之间产生弯液面位置的差别；

(b)墨滴分离装置，用于朝着一个基片吸引上述墨滴的油墨，上述吸引力不足以克服未选择的弯液面位置上的墨滴表面张力，但是足以克服选定的弯液面位置上的墨滴表面张力，从而使上述墨滴转移到上述基片上，

上述墨滴选择装置在没有上述墨滴分离装置时可以产生弯液面位置的上述差别。

28.按照权利要求27的装置，其特征是上述墨滴选择装置利用电加热降低受压油墨的表面张力。

29.按照权利要求27的装置，其特征是上述墨滴选择装置是一个电热油墨蒸汽气泡发生器，上述油墨蒸汽气泡不足以使上述选定墨滴从上述喷嘴中的油墨主体上分离。

30.如权利要求27所限定的装置，其特征是上述墨滴选择装置驱动一个与上述油墨有直接或间接机械接触的压电换能器，并且在被驱动时造成一个油墨空腔的体积变化，这一空腔与打印喷嘴中的油墨连通，这种体积变化不足以使上述选定墨滴从上述喷嘴中的油墨主体上分离。

31.如权利要求27所限定的装置，其特征是上述墨滴选择装置用静电吸引导电油墨，这种静电吸引力不足以使上述选定墨滴从上述喷嘴中的油墨主体上分离。

32.如权利要求27所限定的装置，其特征是上述墨滴选择装置按以下方式布置打印媒体，使选定的墨滴接触上述打印媒体，并使未选择的墨滴不接触上述打印媒体。

33.如权利要求32所限定的装置，其特征是上述选定墨滴渗入和/或润湿上述打印媒体表面的速度大于油墨从打印喷嘴中溢出的速度。

34.如权利要求32所限定的装置，其特征是油墨压力振荡。

35.如权利要求32所限定的装置，其特征是油墨压力的振荡频率是喷嘴中的墨滴喷射频率的整倍数。

36.如权利要求27所限定的装置，其特征是从油墨主体上分离上述选定墨滴的装置包括用静电朝着记录媒体吸引导电油墨。

37.如权利要求36所限定的装置，其特征是产生上述静电吸引力的电场被大体上均匀地施加到所有喷嘴上。

38.如权利要求36所限定的装置，其特征是，由于上述选定墨滴与上述未选择墨滴之间的位置差别，选定墨滴与未选择墨滴受到的电动力差别很大。

39.如权利要求27所限定的装置，其特征是从油墨主体上分离上述选定墨滴的装置包括用磁力朝着记录媒体吸引油墨，在油墨中包含磁性物质。

40.如权利要求39所限定的装置，其特征是产生上述磁吸引力的磁场被大体上均匀地施加到所有喷嘴上。

41.如权利要求39所限定的装置，其特征是，由于上述选定墨滴与上述未选择墨滴之间的位置差别，选定墨滴与未选择墨滴受到的磁力差别很大。

42.基本上参照附图如上所述的一种按需投放打印机构。

43.用按需投放方式打印流体油墨的装置，上述装置包括一个打印头，该打印头包括：

(a)许多墨滴喷嘴；

(b)与上述喷嘴相联系的油墨主体，上述油墨在30℃以上的温度范围呈现出的表面张力至少按10mN/m的速度降低；

(c)墨滴选择装置，用于选择预定的喷嘴，并且在选定及未选择的喷嘴中的油墨之间产生弯液面位置的差别；以及

(d)墨滴分离装置，用于使选定喷嘴中的油墨从油墨主体上分离成墨滴，同时允许油墨被保留在未选择的喷嘴中。

44.按照权利要求43的装置，其特征是上述墨滴分离装置利用电热降低受压油墨的表面张力。

45.按照权利要求43的装置，其特征是上述墨滴选择装置是一个电热油墨蒸汽气泡发生器，上述油墨蒸汽气泡不足以使上述选定墨滴从上述喷嘴中的油墨主体上分离。

46.按照权利要求43的装置，其特征是上述墨滴选择装置驱动一个与上述油墨有直接或间接机械接触的压电换能器，并且在被驱动时造成一个油墨空腔的体积变化，这一空腔与打印喷嘴中的油墨连通，这种体积变化不足以使上述选定墨滴从上述喷嘴中的油墨主体上分离。

47.按照权利要求43的装置，其特征是上述墨滴选择装置用静电吸引导电油墨，这种静电吸引力不足以使上述选定墨滴从上述喷嘴中的油墨主体上分离。

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