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DE69623135T2 - Device for printing with liquid ink - Google Patents

Device for printing with liquid ink

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Publication number
DE69623135T2
DE69623135T2 DE69623135T DE69623135T DE69623135T2 DE 69623135 T2 DE69623135 T2 DE 69623135T2 DE 69623135 T DE69623135 T DE 69623135T DE 69623135 T DE69623135 T DE 69623135T DE 69623135 T2 DE69623135 T2 DE 69623135T2
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DE
Germany
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ink
drop
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nozzles
printing
Prior art date
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DE69623135T
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German (de)
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Kia Silverbrook
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Eastman Kodak Co
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Priority claimed from AUPN2311A external-priority patent/AUPN231195A0/en
Priority claimed from AUPN2308A external-priority patent/AUPN230895A0/en
Priority claimed from AUPN2312A external-priority patent/AUPN231295A0/en
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Publication of DE69623135T2 publication Critical patent/DE69623135T2/en
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet computergesteuerter Druckvorrichtungen, insbesondere auf das Gebiet der "Drop-on-demand"-Tintendrucksysteme (DOD- Systeme).The invention relates to the field of computer-controlled printing devices, in particular to the field of drop-on-demand inkjet printing systems (DOD systems).

Es wurden bereits die unterschiedlichsten digital gesteuerten Drucksysteme erfunden, und viele von ihnen werden derzeit auch hergestellt. Diese Drucksysteme arbeiten mit den unterschiedlichsten Betätigungsmechanismen, Tintenarten und Aufzeichnungsmedien. Beispiele heute in Benutzung befindlicher Drucksysteme sind unter anderem: Elektrografische Laser-Drucker, elektrografische LED-Drucker, Punktmatrix-Impact- Drucker, Thermopapierdrucker, Filmaufzeichnungsgeräte, Thermowachsdrucker, Farbdiffusions-Thermotransferdrucker und Tintenstrahldrucker. Bisher haben diese elektronischen Drucksysteme die mechanischen Druckmaschinen jedoch nicht in wesentlichem Umfang verdrängt, obwohl dieses herkömmliche Verfahren aufwendige Einrichtarbeiten erfordert und selten wirtschaftlich durchführbar ist, wenn nicht einige tausend Kopien einer gegebenen Seite zu drucken sind. Es besteht daher ein Bedarf an verbesserten digital gesteuerten Drucksystemen, die zum Beispiel in der Lage sind, Farbbilder hoher Qualität mit hoher Geschwindigkeit, kostengünstig und unter Verwendung von Normalpapier herzustellen.A wide variety of digitally controlled printing systems have been invented, and many are currently in production. These printing systems use a wide variety of actuation mechanisms, ink types and recording media. Examples of printing systems in use today include: electrographic laser printers, electrographic LED printers, dot matrix impact printers, thermal paper printers, film recorders, thermal wax printers, dye diffusion thermal transfer printers and ink jet printers. However, to date these electronic printing systems have not significantly displaced mechanical printing machines, although this traditional process requires extensive set-up and is rarely economically viable unless several thousand copies of a given page are to be printed. There is therefore a need for improved digitally controlled printing systems capable, for example, of producing high quality color images at high speed, inexpensively and using plain paper.

Heute ist der Tintenstrahldruck zum Beispiel wegen seiner berührungsfreien Arbeitsweise, geringen Geräuschentwicklung, der Verwendung von Normalpapier und auch weil keine Tonerübertragung und keine Fixierung stattfinden, als herausragende Option im Bereich des digital gesteuerten elektronischen Drucks anerkannt.Today, inkjet printing is recognized as an outstanding option in the field of digitally controlled electronic printing, for example because of its non-contact operation, low noise, use of plain paper and also because there is no toner transfer and no fusing.

Es wurden bereits viele Arten von Tintenstrahldruckmechanismen entwickelt. Diese lassen sich unterteilen in solche, die mit einem kontinuierlichen Tintenstrahl arbeiten (CIJ) und solche, bei denen Tintentropfen nach Bedarf abgegeben werden (DOD). Das CIJ-Tintenstrahldruckverfahren ist bereits mindestens seit 1929 bekannt: US-A- 1,941,001.Many types of inkjet printing mechanisms have been developed. These can be divided into those that use a continuous ink jet (CIJ) and those that dispense ink drops on demand (DOD). CIJ inkjet printing has been known at least since 1929: US-A- 1,941,001.

US-A-3,373,437 von 1967 beschreibt eine Anordnung von CIJ-Tintenstrahldüsen, bei der die aufzubringenden Tintentropfen selektiv geladen und in Richtung des Aufzeichnungsmediums abgelenkt werden. Diese Technik ist als CIJ-Verfahren mit binärer Ablenkung bekannt und wird von mehreren Herstellern, darunter Elmjet und Scitex, eingesetzt.US-A-3,373,437 from 1967 describes an arrangement of CIJ inkjet nozzles in which the ink drops to be applied are selectively charged and deflected towards the recording medium. This technique is known as binary deflection CIJ and is used by several manufacturers, including Elmjet and Scitex.

US-A-3,416,153 von 1966 beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen von in variabler optischer Dichte gedruckten Punkten beim CIJ-Druckverfahren, wobei durch elektrostatische Dispersion eines geladenen Tropfenstromes die Anzahl der durch eine kleine Öffnung passierenden Tropfen moduliert wird. Diese Technik wird in den von Iris Graphics hergestellten Tintenstrahldruckern eingesetzt.US-A-3,416,153 from 1966 describes a method for producing dots printed in variable optical density in the CIJ printing process, whereby the number of drops passing through a small opening is modulated by electrostatic dispersion of a charged droplet stream. This technique is used in the inkjet printers manufactured by Iris Graphics.

US-A-3,946,398 von 1970 beschreibt einen DOD-Tintenstrahldrucker, der eine hohe Spannung an einen piezoelektrischen Kristall anlegt und dadurch der Kristall veranlasst, sich zu biegen und damit Druck auf einen Tintenvorrat anzulegen und Tropfen nach Bedarf auszustoßen. Inzwischen wurden viele unterschiedliche piezoelektrische Drop-on-demand-Drucker erfunden, die die Biege-, Schiebe-, Scher- und Quetschwirkung piezoelektrischer Kristalle ausnutzen. Piezoelektrische DOD- Drucker haben mit heißschmelzenden Tinten (z. B. Tetronix- und Dataproducts- Drucker) und bei Bildgeschwindigkeiten bis zu 720 dpi bei Heim- und Bürodruckern (Seiko Epson) wirtschaftliche Erfolge erzielt. Piezoelektrische DOD-Drucker weisen den Vorteil auf, dass sie mit unterschiedlichsten Tinten arbeiten können. Allerdings erfordern piezoelektrische Druckwerke normalerweise komplexe Treiberschaltungen hoher Spannung und große piezoelektrische Kristallanordnungen, und dies ist bezüglich der Produktionseigenschaften und der Leistung von Nachteil.US-A-3,946,398 from 1970 describes a DOD inkjet printer that applies a high voltage to a piezoelectric crystal, causing the crystal to bend and thereby apply pressure to an ink supply and eject drops as needed. Many different piezoelectric drop-on-demand printers have since been invented that utilize the bending, pushing, shearing and squeezing effects of piezoelectric crystals. Piezoelectric DOD printers have achieved commercial success with hot-melt inks (e.g. Tetronix and Dataproducts printers) and at image speeds of up to 720 dpi in home and office printers (Seiko Epson). Piezoelectric DOD printers have the advantage of being able to work with a wide variety of inks. However, piezoelectric printing devices typically require complex, high-voltage drive circuits and large piezoelectric crystal arrays, and this is disadvantageous in terms of production characteristics and performance.

GB 2 007 162 von 1979 beschreibt einen elektrothermischen DOD- Tintenstrahldrucker, der einen Stromimpuls an einen mit Tinte in einer Düse in thermischem Kontakt stehenden elektrothermischen Wandler (Heizelement) anlegt. Das Heizelement heizt die Tinte auf Wasserbasis rasch stark auf, woraufhin eine kleine Menge Tinte schnell verdampft und sich eine Blase bildet. Diese Blasenbildung führt zu einer Druckwelle, wodurch die Tintentropfen durch kleine, entlang der Kante Trägers der Heizelemente angeordnete Öffnungen ausgestoßen werden. Diese Technologie ist als BubblejetTM-Verfahren (Warenzeichen der Canon K. K., Japan) bekannt und findet in zahlreichen Drucksystemen der Firmen Canon, Xerox und anderer Hersteller Anwendung.GB 2 007 162 of 1979 describes an electrothermal DOD inkjet printer which applies a current pulse to an electrothermal transducer (heater) in thermal contact with ink in a nozzle. The heater rapidly heats the water-based ink to a high temperature, whereupon a A small amount of ink quickly evaporates and a bubble forms. This bubble formation leads to a pressure wave, which causes the ink drops to be ejected through small openings arranged along the edge of the heating element carrier. This technology is known as the BubblejetTM process (trademark of Canon KK, Japan) and is used in numerous printing systems from Canon, Xerox and other manufacturers.

US-A-4,490,728 von 1982 beschreibt ein elektrothermisches Tropfenausstoßsystem, das ebenfalls mit Blasenbildung arbeitet. Bei diesem System werden die Tropfen in einer zur Ebene des Trägers der Heizelemente senkrechten Richtung durch Düsen ausgestoßen, die in einer oberhalb des Heizelements positionierten Düsenplatte ausgebildet sind. Dieses System ist als Thermotintenstrahl-System bekannt und wird von Hewlett-Packard hergestellt. Im folgenden wird der Begriff Thermotintenstrahl- System sowohl für das Hewlett-Packard-System als auch für die üblicherweise unter der Bezeichnung BubblejetTM bekannten Systeme verwendet.US-A-4,490,728 from 1982 describes an electrothermal droplet ejection system, which also works by forming bubbles. In this system, the drops are ejected in a direction perpendicular to the plane of the heating element carrier through nozzles that are formed in a nozzle plate positioned above the heating element. This system is known as a thermal inkjet system and is manufactured by Hewlett-Packard. In the following, the term thermal inkjet system is used both for the Hewlett-Packard system and for the systems commonly known under the name BubblejetTM.

Beim Thermotintenstrahl-Drucken werden normalerweise zum Ausstoßen eines Tropfens etwa 20 uJ während eines Zeitraums von etwa 2 us benötigt. Die aktive Stromaufnahme von 10 W jedes Heizelements ist an sich schon nachteilig; darüber hinaus erfordert sie spezielle Tinten, kompliziert die Treiberelektronik und beschleunigt die Verschlechterung der Heizelemente.Thermal inkjet printing typically requires about 20 uJ to eject a drop over a period of about 2 us. The 10 W active power consumption of each heater is disadvantageous in itself; it also requires special inks, complicates the driver electronics and accelerates the deterioration of the heaters.

Weitere Tintenstrahl-Drucksysteme wurden zwar in der technischen Literatur beschrieben, sind aber derzeit nicht kommerziell im Einsatz. Zum Beispiel beschreiben US-A- 4,275,290 und 4,737,803 ein System, bei dem durch das gleichzeitige Anlegen von Wärmeimpulsen und hydrostatischem Druck an vorbestimmte Druckkopfdüsen die Tinte frei auf das unterhalb des Druckkopfs gerade hindurchgeführte, durch Abstandshalter in einem Abstand gehaltene Papier fließen kann. US-A-4,737,830, 4,752,784 und 4,748,458 beschreiben Tintenstrahl-Aufzeichnungssysteme, bei denen das gleichzeitige Anlegen von Wärmeimpulsen und eines elektrostatischen Anziehungsfeldes an Tinte in Druckkopfdüsen das Ausstoßen der Tintentropfen auf ein zu bedruckendes Blatt bewirkt.Other ink jet printing systems have been described in the technical literature but are not currently in commercial use. For example, US-A-4,275,290 and 4,737,803 describe a system in which the simultaneous application of heat pulses and hydrostatic pressure to predetermined print head nozzles allows the ink to flow freely onto paper that is being passed straight beneath the print head and is held at a distance by spacers. US-A-4,737,830, 4,752,784 and 4,748,458 describe ink jet recording systems in which the simultaneous application of heat pulses and an electrostatic attraction field to ink in print head nozzles causes the ink drops to be ejected onto a sheet to be printed on.

Die vorstehend beschriebenen Tintenstrahldrucksysteme haben sämtlich Vorteile und Nachteile. Es besteht jedoch weiterhin ein allgemein anerkannter Bedarf an einer verbesserten Lösung für ein Tintenstrahldrucksystem, die zum Beispiel Vorteile bezüglich Kosten, Schnelligkeit, Qualität, Zuverlässigkeit, Stromverbrauch, Einfachheit der Bauweise und des Betriebes, Dauerhaftigkeit und der Verbrauchsmaterialien bietet.The inkjet printing systems described above all have advantages and disadvantages. However, there remains a widely recognized need for an improved inkjet printing system solution that offers advantages such as cost, speed, quality, reliability, power consumption, simplicity of design and operation, durability and consumables.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, Tintendrucksysteme bereitzustellen, die wesentliche Fortschritte in Richtung der vorstehend genannten Vorteile bieten. Die Erfindung stellt einen Drop-on-demand-Druckmechanismus bereit, bei dem die Mittel zur Auswahl der aufzubringenden Tintentropfen eine Differenz in der Position zwischen ausgewählten Tropfen und nicht ausgewählten Tropfen erzeugen, wobei diese Differenz für die Tintentropfen jedoch nicht ausreicht, die Oberflächenspannung der Tinte zu überwinden und sich von der Masse der Tinte zu lösen, und bei dem zusätzliche Mittel vorgesehen sind, die das Ablösen der ausgewählten Tropfen von der Masse der Tinte bewirken.It is an object of the invention to provide inkjet printing systems which offer significant advances towards the above-mentioned advantages. The invention provides a drop-on-demand printing mechanism in which the means for selecting the ink drops to be deposited create a difference in position between selected drops and non-selected drops, but this difference is insufficient for the ink drops to overcome the surface tension of the ink and detach from the bulk of the ink, and in which additional means are provided which cause the selected drops to detach from the bulk of the ink.

Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung bestehen die Mittel zum Erzeugen einer Positionsdifferenz zwischen ausgewählten Tropfen und nicht ausgewählten Tropfen aus der elektrothermischen Reduzierung der Oberflächenspannung von unter Druck befindlicher Tinte.According to a preferred aspect of the invention, the means for creating a positional difference between selected drops and non-selected drops consists of electrothermally reducing the surface tension of ink under pressure.

Gemäß einem alternativen bevorzugten Aspekt der Erfindung bestehen die Mittel zum Erzeugen einer Positionsdifferenz zwischen ausgewählten Tropfen und nicht ausgewählten Tropfen aus der elektrothermischen Erzeugung von Wasserdampfblasen, wobei die Wasserdampfblase nicht ausreicht, das Ablösen der ausgewählten Tropfen von der Masse der Tinte in der Düse zu bewirken.According to an alternative preferred aspect of the invention, the means for generating a positional difference between selected drops and non-selected drops consists of the electrothermal generation of water vapor bubbles, wherein the water vapor bubble is insufficient to cause the selected drops to detach from the mass of ink in the nozzle.

Gemäß einem weiteren, alternativen bevorzugten Aspekt der Erfindung bestehen die Mittel zum Herstellen einer Positionsdifferenz zwischen ausgewählten Tropfen und nicht ausgewählten Tropfen aus der Aktivierung eines piezoelektrischen Wandlers, der in direkter oder indirekter mechanischer Berührung mit der Tinte steht und der bei Aktivierung eine Veränderung des Volumens eines Tintenbehälters bewirkt, der mit der in den Druckdüsen befindlichen Tinte in Verbindung steht, wobei die Volumenänderung nicht ausreicht, eine Ablösung der ausgewählten Tropfen von der Masse der Tinte in der Düse zu bewirken.According to a further alternative preferred aspect of the invention, the means for establishing a positional difference between selected drops and non-selected drops consist of activating a piezoelectric transducer which is in direct or indirect mechanical contact with the ink and which, when activated, causes a change in the volume of an ink container which is in communication with the ink in the printing nozzles, wherein the Volume change is not sufficient to cause the selected drops to detach from the mass of ink in the nozzle.

Gemäß einem weiteren, alternativen bevorzugten Aspekt der Erfindung bestehen die Mittel zum Erzeugen einer Positionsdifferenz zwischen ausgewählten Tropfen und nicht ausgewählten Tropfen aus elektrostatischer Anziehung elektrisch leitfähiger Tinte, wobei die elektrostatische Anziehung nicht ausreicht, eine Ablösung der ausgewählten Tropfen von der Masse der Tinte in der Düse zu bewirken.According to a further alternative preferred aspect of the invention, the means for generating a positional difference between selected drops and non-selected drops consists of electrostatic attraction of electrically conductive ink, wherein the electrostatic attraction is insufficient to cause detachment of the selected drops from the mass of ink in the nozzle.

Gemäß einem weiteren, alternativen bevorzugten Aspekt der Erfindung bestehen die Mittel zum Ablösen der ausgewählten Tropfen von der Masse der Tinte darin, dass das Druckmedium so angeordnet wird, dass die ausgewählten Tropfen mit dem Druckmedium in Berührung gelangen und nicht ausgewählte Tropfen mit dem Druckmedium nicht in Berührung gelangen.According to a further alternative preferred aspect of the invention, the means for separating the selected drops from the mass of ink consists in arranging the printing medium such that the selected drops come into contact with the printing medium and unselected drops do not come into contact with the printing medium.

Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung umfassen die Mittel zum Ablösen der ausgewählten Tropfen von der Masse der Tinte die Anordnung des Druckmediums in der Weise, dass die ausgewählten Tropfen mit dem Druckmedium in Berührung gelangen und die Geschwindigkeit, mit der die ausgewählten Tropfen von dem Druckmedium aufgesaugt werden und/oder die Oberfläche benetzen, größer ist als die Austrittsgeschwindigkeit der Tinte aus der Druckdüse.According to a preferred aspect of the invention, the means for detaching the selected drops from the mass of ink comprise arranging the printing medium in such a way that the selected drops come into contact with the printing medium and the speed at which the selected drops are absorbed by the printing medium and/or wet the surface is greater than the egress speed of the ink from the printing nozzle.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung schwingt der Tintendruck mit einer Frequenz, die gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Frequenz ist, mit der die Tropfen aus der Düse ausgestoßen werden.According to a further preferred aspect of the invention, the ink pressure oscillates at a frequency that is equal to an integer multiple of the frequency with which the drops are ejected from the nozzle.

Gemäß einem alternativen bevorzugten Aspekt der Erfindung bestehen die Mittel zum Ablösen der ausgewählten Tropfen von der Masse der Tinte aus elektrostatischer Anziehung elektrisch leitfähiger Tinte in Richtung des Aufzeichnungsmediums.According to an alternative preferred aspect of the invention, the means for detaching the selected drops from the mass of ink consists of electrostatically attracting electrically conductive ink towards the recording medium.

Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung wird das elektrische Feld, das die elektrostatische Anziehung erzeugt, im wesentlichen gleichmäßig an alle Düsen angelegt.According to a preferred aspect of the invention, the electric field that produces the electrostatic attraction is applied substantially uniformly to all nozzles.

Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung ist die unterschiedliche elektrische Kraft, die auf ausgewählte Tropfen und nicht ausgewählte Tropfen wirkt, im wesentlichen auf die Positionsdifferenz zwischen ausgewählten Tropfen und nicht ausgewählten Tropfen zurückzuführen.According to a preferred aspect of the invention, the different electrical force acting on selected drops and non-selected drops is essentially due to the position difference between selected drops and non-selected drops.

Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Mittel zum Ablösen der ausgewählten Tropfen von der Masse der Tinte aus magnetischer Anziehung von magnetisch aktive Substanzen enthaltender Tinte in Richtung zum Aufzeichnungsmedium.According to an alternative preferred embodiment of the invention, the means for detaching the selected drops from the mass of ink consist of magnetic attraction of ink containing magnetically active substances in the direction of the recording medium.

Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung wird das die magnetische Anziehung erzeugende magnetische Feld im wesentlichen gleichmäßig an alle Düsen angelegt.According to a preferred aspect of the invention, the magnetic field generating the magnetic attraction is applied substantially uniformly to all nozzles.

Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung ist die unterschiedliche Magnetkraft, die auf ausgewählte Tropfen und nicht ausgewählte Tropfen einwirkt, im wesentlichen auf die Positionsdifferenz zwischen ausgewählten Tropfen und nicht ausgewählten Tropfen zurückzuführen.According to a preferred aspect of the invention, the different magnetic force acting on selected drops and non-selected drops is essentially due to the position difference between selected drops and non-selected drops.

Bei einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwenden die Verfahren und Vorrichtungen eine akustische Welle als gleichzeitig einwirkende Kraft bei der Tropfenauswahl.In another particularly preferred embodiment of the invention, the methods and devices use an acoustic wave as a simultaneous force in drop selection.

Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verändern die Verfahren und Vorrichtungen die Tropfengröße der aufgebrachten Tinte dadurch, dass sie den Abstand zwischen den erfindungsgemäßen Druckköpfen und dem Druckbereich variieren.In other preferred embodiments of the invention, the methods and devices vary the drop size of the deposited ink by varying the distance between the printheads of the invention and the printing area.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an embodiment shown in the drawing.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1(a) ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Druckvorrichtung;Fig. 1(a) is a simplified block diagram of an example of a printing apparatus according to the invention;

Fig. 1(b) einen Querschnitt durch eine Art einer erfindungsgemäßen Düsenspitze;Fig. 1(b) is a cross-sectional view of one type of nozzle tip according to the invention;

Fig. 2(a) bis 2(f) flüssigkeitsdynamische Simulationen der Tropfenauswahl;Fig. 2(a) to 2(f) fluid dynamic simulations of droplet selection;

Fig. 3(a) eine flüssigkeitsdynamische Finitelement-Simulation einer in Betrieb befindlichen erfindungsgemäßen Düse;Fig. 3(a) is a fluid dynamic finite element simulation of an operating nozzle according to the invention;

Fig. 3(b) aufeinanderfolgende Meniskuspositionen während der Auswahl und des Ablösens eines Tropfens;Fig. 3(b) successive meniscus positions during drop selection and detachment;

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

Fig. 3(d) Kurven der Oberflächenspannung in Abhängigkeit von der Temperatur für verschiedene Tintenzusätze;Fig. 3(d) Surface tension versus temperature curves for different ink additives;

Fig. 3(e) die Stromimpulse, die zum Erzeugen der Temperaturkurven gemäß Fig. 3(c) an die Düsen-Heizelemente angelegt werden;Fig. 3(e) shows the current pulses applied to the nozzle heating elements to produce the temperature curves shown in Fig. 3(c);

Fig. 4 ein Blockdiagramm der Druckkopftreiberschaltung zur Ausführung der Erfindung;Fig. 4 is a block diagram of the print head driver circuit for carrying out the invention;

Fig. 5 geplante Produktionsausbeuten bei einem Merkmale der Erfindung enthaltenden Farbdruckkopf in der Breite einer A4-Seite mit und ohne Fehlertoleranz;Fig. 5 planned production yields for a color print head containing features of the invention in the width of an A4 page with and without error tolerance;

Fig. 6 ein verallgemeinertes Blockdiagramm eines eine Ausführungsform der Erfindung beinhaltenden Drucksystems;Fig. 6 is a generalized block diagram of a printing system incorporating an embodiment of the invention;

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine beispielhafte erfindungsgemäße Ausführungsform einer für die in Fig. 8 bis 18 dargestellten Computersimulationen verwendeten Druckkopfdüse;Fig. 7 is a cross-sectional view of an exemplary embodiment of a print head nozzle used for the computer simulations shown in Figs. 8 to 18;

Fig. 8(a) die bei einem einzelnen Aktivierungsimpuls des Heizelements an den Druckkopf angelegten Strom-Teilimpulse;Fig. 8(a) the current sub-pulses applied to the print head during a single activation pulse of the heating element;

Fig. 8(b) die Temperatur an verschiedenen Stellen der Düse während des Tropfenauswahlprozesses;Fig. 8(b) the temperature at different locations of the nozzle during the drop selection process;

Fig. 9 ein Diagramm der Meniskusposition in Abhängigkeit von der Zeit während des Tropfenauswahlprozesses;Fig. 9 is a graph of the meniscus position versus time during the drop selection process;

Fig. 10 ein Diagramm der Position und Form des Meniskus in Intervallen von 5 us während des Tropfenauswahlprozesses;Fig. 10 is a diagram of the position and shape of the meniscus at 5 µs intervals during the drop selection process;

Fig. 11 die Ruheposition des Tintenmeniskus vor dem Tropfenauswahlprozess;Fig. 11 the resting position of the ink meniscus before the drop selection process;

Fig. 12-17 die Meniskusposition und die thermischen Linien in verschiedenen Stadien während des Tropfenauswahlprozesses;Fig. 12-17 the meniscus position and the thermal lines at different stages during the drop selection process;

Fig. 18 Flüssigkeitsstromlinien 50 us nach Einsetzen des Heizelement-Impulses für die Tropfenauswahl;Fig. 18 Liquid streamlines 50 us after onset of the heater pulse for drop selection;

Fig. 19(a) bis 19(i) den Tropfenausstoßzyklus einer mit thermischer Proximity-Tropfenablösung arbeitenden Düse;Fig. 19(a) to 19(i) the droplet ejection cycle of a nozzle operating with thermal proximity droplet detachment;

Fig. 20(a) bzw. 20(b) eine an die Tinte angelegte akustische Welle und ein Raum/Zeit-Diagramm des Vorhandenseins von Tinte entlang der Düsenachse bei ausgewählten und nicht ausgewählten Tropfen; undFig. 20(a) and 20(b) respectively an acoustic wave applied to the ink and a space-time diagram of the presence of ink along the nozzle axis for selected and non-selected drops; and

Fig. 21(a) einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des Druckkopfs und der Druckplatte, wobei Fig. 21(b) bis 21(d) Querschnitte durch eine Düse, angepasst an unterschiedliche Tropfengrößen, zeigen.Fig. 21(a) shows a cross-section through an embodiment of the print head and the printing plate, with Figs. 21(b) to 21(d) showing cross-sections through a nozzle, adapted to different drop sizes.

Allgemein stellt die Erfindung einen Drop-on-demand-Druckmechanismus dar, bei dem die Mittel zur Auswahl der aufzubringenden Tropfen eine Positionsdifferenz zwischen ausgewählten Tropfen und nicht ausgewählten Tropfen erzeugen, der jedoch für die Tintentropfen nicht ausreicht, die Oberflächenspannung der Tinte zu überwinden und sich von der Masse der Tinte abzulösen, und bei der alternative Mittel vorgesehen sind, durch die die Ablösung der ausgewählten Tropfen von der Masse der Tinte bewirkt wird.In general, the invention represents a drop-on-demand printing mechanism in which the means for selecting the drops to be applied create a positional difference between selected drops and non-selected drops, but which is not sufficient for the ink drops to overcome the surface tension of the ink and detach from the bulk of the ink, and in which alternative means are provided for causing the selected drops to detach from the bulk of the ink.

Durch die Trennung der Tropfenauswahlmittel von den Tropfenablösemitteln wird die erforderliche Energie für die Auswahl der aufzubringenden Tintentropfen beträchtlich verringert, da jetzt nur die Tropfenauswahlmittel durch die den einzelnen Düsen zugeführten Signalen betätigt werden müssen.By separating the drop selection means from the drop release means, the energy required to select the ink drops to be applied is significantly reduced, since now only the drop selection means have to be actuated by the signals supplied to the individual nozzles.

Bei den Tropfenauswahlmitteln kann es sich um ein Feld oder einen Zustand handeln, das/der gleichzeitig an alle Düsen angelegt wird.The drop selection means can be a field or a state that is applied to all nozzles simultaneously.

Unter anderem können die Mittel zur Tropfenauswahl aus der folgenden Liste ausgewählt werden:Among other things, the means for selecting drops can be selected from the following list:

1) Elektrothermische Reduzierung der Oberflächenspannung von unter Druck stehender Tinte.1) Electrothermal reduction of the surface tension of ink under pressure.

2) Elektrothermische Erzeugung von Blasen, wobei das Blasenvolumen nicht ausreicht, den Tropfenausstoß zu bewirken.2) Electrothermal generation of bubbles, where the bubble volume is not sufficient to cause droplet ejection.

3) Piezoelektrische Mittel, bei denen die Volumenänderung nicht ausreicht, den Tropfenausstoß zu bewirken.3) Piezoelectric devices where the volume change is not sufficient to cause the drop ejection.

4) Elektrostatische Anziehung mit einer Elektrode je Düse.4) Electrostatic attraction with one electrode per nozzle.

Die Mittel zum Ablösen der Tropfen können unter anderem aus folgender Liste ausgewählt werden:The means for removing the drops can be selected from the following list, among others:

1) Proximity-Verfahren (Aufzeichnungsmedium befindet sich nahe am Druckkopf).1) Proximity method (recording medium is close to the print head).

2) Proximity-Verfahren mit schwingendem Tintendruck.2) Proximity method with oscillating ink pressure.

3) Elektrostatische Anziehung.3) Electrostatic attraction.

4) Magnetische Anziehung.4) Magnetic attraction.

In der Tabelle "Ziele der DOD-Drucktechnologie" sind einige wünschenswerte Merkmale der Drop-on-demand-Drucktechnologie dargestellt. Außerdem sind in der Tabelle einige Verfahren aufgeführt, mittels derer einige hierin oder in andern meiner verwandten Anwendungen beschriebene Ausführungsformen Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik ermöglichen.The table "Objectives of DOD Printing Technology" outlines some desirable features of drop-on-demand printing technology. The table also lists some methods by which some embodiments described herein or in other of my related applications enable improvements over the prior art.

Ziele der DOD-DrucktechnologieGoals of DOD printing technology

Ziel Verfahren zur Erzielung von Verbesserungen gegenüber Technik dem Stand der TechnikObjective Procedure for achieving improvements over technology the state of the art

Sehr schnelle Arbeitsweise Praktische, kostengünstige, seitenbreite Druckköpfe mit mehr als 10.000 Düsen. Monolithische Druckköpfe in der Breite einer A4-Seite können unter Verwendung von Standard-Siliconplatinen von 300 mm (12") hergestellt werden.Very fast operation Convenient, cost-effective, page-wide printheads with more than 10,000 nozzles. Monolithic printheads the width of an A4 page can be manufactured using standard 300 mm (12") silicon boards.

Hohe Bildqualität Hohe Auflösung (800 dpi sind für die meisten Anwendungen ausreichend), Sechs-Farben-Verfahren für geringeres Bildrauschen.High image quality High resolution (800 dpi is sufficient for most applications), six-color process for reduced image noise.

Vierfarbendruck Rasterfarbdruckverfahren mit 800 dpi mittels stochastischer Rasterung.Four-color printing Raster color printing process with 800 dpi using stochastic screening.

Flexibilität bei der Tinte Niedrige Betriebs-Tintentemperatur, keine Blasenbildung erforderlich.Ink flexibility Low operating ink temperature, no blistering required.

Geringer Strombedarf Dadurch, dass die Tropfenauswahlmittel die Tropfen nicht vollständig ausstoßen müssen, ergibt sich ein geringer Strombedarf.Low power consumption Because the drop selection agents do not have to completely eject the drops, the power consumption is low.

Niedrige Kosten Monolithischer Druckkopf ohne Düsenplatte, hohe Produktionsgeschwindigkeit, geringe Anzahl elektrischer Anschlüsse, Einsatz modifizierter, vorhandener CMOS- Herstellungsanlagen.Low cost Monolithic printhead without nozzle plate, high production speed, low number of electrical connections, use of modified, existing CMOS manufacturing equipment.

Hohe Produktionsausbeute Im Druckkopf integrierte Fehlertoleranz.High production yield Error tolerance integrated in the print head.

Hohe Zuverlässigkeit Im Druckkopf integrierte Fehlertoleranz. Keine Cavitation und Kogation. Verrinerung von Thermoschocks.High reliability Fault tolerance integrated in the print head. No cavitation and kogation. Reduction of thermal shocks.

Geringe Anzahl elektrischer Anschlüsse Schieberegister, Steuerlogik und Treiberschaltungen können mittels Standard-CMOS-Verfahren in einen monolithischen Druckkopf integriert werden.Small number of electrical connections Shift registers, control logic and driver circuits can be integrated into a monolithic print head using standard CMOS processes.

Einsatz vorhandener VLSI-Produktionsanlagen CMOS-Kompatibilität. Diese kann dadurch erreicht werden, dass die Antriebsleistung des Heizelements weniger als 1% der Antriebsleistung eines Thermo- Tintenstrahl-Heizelements beträgt.Use of existing VLSI production equipment CMOS compatibility. This can be achieved by making the drive power of the heater less than 1% of the drive power of a thermal inkjet heater.

Elektronische Kollationierung Ein neues Seiten-Komprimiersystem kann mit nur unbedeutender Bildverschlechterung eine 10 : 1- Komprimierung erreichen, wodurch eine komprimierte Datenrate erzielt wird, die gering genug ist, um das Drucken jeder beliebigen Kombination von Tausenden auf einer kostengünstigen Magnetplatte gespeicherter Seiten zu ermöglichen.Electronic collation A new page compression system can produce a 10:1 image with only insignificant image degradation. compression, thereby achieving a compressed data rate low enough to permit printing of any combination of thousands of pages stored on an inexpensive magnetic disk.

Bei Thermo-Tintenstrahl- (TIJ) und piezoelektrischen Tintenstrahldrucksystemen wird eine Tropfengeschwindigkeit von etwa 10 m/s bevorzugt, damit die ausgewählten Tropfen die Oberflächenspannung der Tinte überwinden, sich von der Masse der Tinte ablösen und auf das Aufzeichnungsmedium gelangen können. Viele Systeme weisen eine sehr geringe Effizienz bei der Umsetzung elektrischer Energie in kinetische Tropfenenergie auf. Die Effizienz von TIJ-Systemen liegt bei etwa 0,02%. Dies bedeutet, dass die Antriebsschaltungen der TIJ-Druckköpfe hohe Ströme schalten müssen. Die Antriebsschaltungen piezoelektrischer Tintenstrahldruckköpfe müssen entweder hohe Spannungen schalten oder stark kapazitive Lasten treiben. Auch die Gesamtstromaufnahme seitenbreiter TIJ-Druckköpfe ist sehr hoch. Ein mit 800 dpi druckender Vierfarben-TIJ-Druckkopf in der Breite einer A4-Seite, der ein Vierfarbenbild in einer Sekunde druckt, würde etwa 6 kW elektrischen Strom verbrauchen, wovon der größte Teil in überschüssige Wärme umgewandelt wird. Die Schwierigkeiten der Abführung dieser Wärmemenge verhindern die Herstellung kostengünstiger, kompakter, mit hoher Auflösung arbeitender seitenbreiter Hochleistungs-TIJ-Systeme.For thermal inkjet (TIJ) and piezoelectric inkjet printing systems, a drop velocity of about 10 m/s is preferred to allow the selected drops to overcome the surface tension of the ink, detach from the bulk of the ink and reach the recording medium. Many systems have very low efficiency in converting electrical energy into kinetic drop energy. The efficiency of TIJ systems is about 0.02%. This means that the drive circuits of the TIJ printheads must switch high currents. The drive circuits of piezoelectric inkjet printheads must either switch high voltages or drive highly capacitive loads. The total current consumption of page-wide TIJ printheads is also very high. An A4-page-wide, four-color TIJ printhead printing at 800 dpi, producing a four-color image in one second, would consume about 6 kW of electrical power, most of which is converted into excess heat. The difficulty of dissipating this amount of heat prevents the production of low-cost, compact, high-resolution, page-wide, high-performance TIJ systems.

Ein wichtiges Merkmal erfindungsgemäßer Ausführungsformen besteht in der Möglichkeit, die für die Auswahl der aufzubringenden Tintentropfen erforderliche Energie wesentlich zu verringern. Dies wird dadurch erreicht, dass die Mittel zur Auswahl der Tintentropfen von den Mitteln getrennt werden, die dafür sorgen, dass die ausgewählten Tropfen sich von der Masse der Tinte ablösen und Punkte auf dem Aufzeichnungsmedium ausbilden. Nur die Tropfenauswahlmittel müssen von den den einzelnen Düsen zugeführten Signalen angetrieben werden. Die Mittel für die Ablösung der Tropfen können aus einem gleichzeitig an alle Düsen angelegten Feld oder Zustand bestehen.An important feature of embodiments of the invention is the ability to significantly reduce the energy required to select the ink drops to be deposited. This is achieved by separating the means for selecting the ink drops from the means for causing the selected drops to detach from the mass of ink and form dots on the recording medium. Only the drop selection means need be driven by the signals applied to the individual nozzles. The means for detaching the drops may consist of a field or condition applied simultaneously to all nozzles.

In der Tabelle "Tropfenauswahlmittel" sind einige der erfindungsgemäßen Möglichkeiten zum Auswählen von Tropfen dargestellt. Die Tropfenauswahlmittel müssen nur eine Veränderung der Position der ausgewählten Tropfen derart bewirken, dass die Tropfenablösemittel zwischen ausgewählten und nicht ausgewählten Tropfen unterscheiden können. Tropfenauswahlmittel The table "Drop selection means" shows some of the possibilities for selecting drops according to the invention. The drop selection means only have to cause a change in the position of the selected drops in such a way that that the droplet separators can distinguish between selected and non-selected drops. Droplet selection agents

Außerdem können noch weitere Tropfenauswahlmittel eingesetzt werden.In addition, other drop selection agents can be used.

Bevorzugtes Mittel zur Auswahl der Tropfen ist für Tinten auf Wasserbasis das Verfahren 1: "Elektrothermische Reduzierung der Oberflächenspannung unter Druck stehender Tinte". Dieses Mittel zur Tropfenauswahl bietet gegenüber anderen System zahlreiche Vorteile, darunter: Geringer Stromverbrauch (etwa 1% des Verbrauchs von TIJ-Systemen), Kompatibilität mit der CMOS VLSI-Chipherstellung, Betrieb mit niedriger Spannung (etwa 10 V), hohe Düsendichte, Funktion bei niedriger Temperatur und Eignung zahlreicher unterschiedlicher Tintenarten. Die Tinte muss bei steigender Temperatur eine Verringerung der Oberflächenspannung aufweisen.The preferred method for selecting the drops for water-based inks is method 1: "Electrothermal reduction of the surface tension of ink under pressure". This method for selecting the drops offers advantages over other systems numerous advantages, including: low power consumption (about 1% of that of TIJ systems), compatibility with CMOS VLSI chip manufacturing, low voltage operation (about 10 V), high nozzle density, low temperature operation, and the ability to use a wide variety of inks. The ink must exhibit a reduction in surface tension as the temperature increases.

Bevorzugtes Mittel zur Tropfenauswahl bei heißschmelzenden Tinten oder Tinten auf Ölbasis ist das Verfahren 2: "Elektrothermische Reduzierung der Tintenviskosität in Kombination mit schwingendem Tintendruck". Dieses Tropfenauswahlmittel ist besonders für den Einsatz bei Tinten geeignet, die mit steigender Temperatur eine starke Abnahme der Viskosität, aber nur eine geringe Reduzierung der Oberflächenspannung aufweisen. Dies ist insbesondere bei nicht polaren Tintenträgern mit relativ hohem Molekulargewicht der Fall. Und es trifft insbesondere für heißschmelzende Tinten und Tinten auf Ölbasis zu.The preferred means of drop selection for hot-melt or oil-based inks is method 2: "Electrothermal reduction of ink viscosity in combination with oscillating ink pressure". This drop selection means is particularly suitable for use with inks that exhibit a strong decrease in viscosity with increasing temperature but only a small reduction in surface tension. This is particularly the case with non-polar ink carriers with a relatively high molecular weight. And it is particularly true for hot-melt and oil-based inks.

In der Tabelle "Mittel zum Ablösen der Tropfen" sind einige Möglichkeiten zusammengestellt, mit denen ausgewählte Tintentropfen von der Tintenmasse abgelöst werden können und sichergestellt werden kann, dass die ausgewählten Tropfen Punkte auf dem Druckmedium ausbilden. Die Tropfenablösemittel unterscheiden zwischen ausgewählten Tropfen und nicht ausgewählten Tropfen und stellen sicher, dass nicht ausgewählte Tropfen keine Punkte auf dem Druckmedium ausbilden. Mittel zum Ablösen der Tropfen The "Drop Detachment Agents" table lists some of the ways in which selected ink drops can be detached from the ink mass and it can be ensured that the selected drops form dots on the printing medium. The drop detachment agents distinguish between selected drops and non-selected drops and ensure that non-selected drops do not form dots on the printing medium. Drop Detachment Agents

Es können jedoch auch andere Mittel zum Ablösen der Tropfen eingesetzt werden.It can However, other means can also be used to remove the drops.

Welches Tropfenablösemittel bevorzugt wird, hängt von dem beabsichtigten Verwendungszweck ab. Für die meisten Anwendungen sind das Verfahren 1: "Elektrostatische Anziehung" oder das Verfahren 2: "Elektrisches Wechselfeld" am besten geeignet. Bei Anwendungen, die mit glattem beschichtetem Papier oder Film arbeiten und bei denen eine sehr hohe Geschwindigkeit nicht wichtig ist, kann auch das Verfahren 3: "Proximity-Verfahren" zweckmäßig sein. Für mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Qualitätssysteme ist das Verfahren 4: "Proximity-Übertragung" einsetzbar. Das Verfahren 6: "Magnetische Anziehung" eignet sich für tragbare Drucksysteme, bei denen das Druckmedium für das Drucken im Proximity-Verfahren zu rau ist und die für die elektrostatische Tropfenablösung erforderlichen hohen Spannungen nicht wünschenswert sind. Es gibt also kein eindeutig unter allen Umständen "bestes" Mittel zum Ablösen der Tropfen:The preferred drop release agent depends on the intended use. For most applications, Method 1: "Electrostatic Attraction" or Method 2: "Alternating Electric Field" are best. For applications that work with smooth coated paper or film and where very high speed is not important, Method 3: "Proximity Process" may also be appropriate. For high-speed quality systems, Method 4: "Proximity Transfer" can be used. Method 6: "Magnetic Attraction" is suitable for portable printing systems where the print media is too rough for proximity printing and the high voltages required for electrostatic drop release are not desirable. So there is no clear "best" means of releasing the drops under all circumstances:

Fig. 1(a) zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines bevorzugten erfindungsgemäßen Drucksystems.Fig. 1(a) shows a simplified diagram of a preferred printing system according to the invention.

Als Bildquelle 52 können von einem Scanner oder Computer gelieferte Rasterbilddaten oder Konturbilddaten in Form einer Seitenbeschreibungssprache (PDL) oder andere Formen der digitalen Bildwiedergabe dienen. Die Bilddaten werden von dem Bildverarbeitungssystem 53 in eine Pixelmap-Bildseite umgewandelt. Dabei kann es sich im Falle von PDL-Bilddaten um einen Rasterbildprozessor (RIP) oder bei Rasterbilddaten um eine Pixelbildmanipulation handeln. Die von der Bildverarbeitungseinheit 53 erzeugten Halbtondaten werden gerastert. Das Rastern erfolgt mittels der digitalen Rastereinheit 54. Die gerasterten Bitmapbilddaten werden im Bildspeicher 72 gespeichert. Je nach Konfiguration des Druckers und des Systems kann der Bildspeicher 72 ein Ganzseitenspeicher oder ein Streifenspeicher sein. Steuerschaltungen 71 für die Heizelemente lesen Daten aus dem Bildspeicher 72 aus und legen zeitlich variierende elektrische Impulse an die einen Teil des Druckkopfs 50 bildenden Düsen-Heizelemente (103 in Fig. 1(b)) an. Die Impulse werden jeweils derart zum richtigen Zeitpunkt an die richtige Düse angelegt, dass ausgewählte Tropfen Punkte an der von den Daten im Bildspeicher 72 bezeichneten richtigen Position auf dem Aufzeichnungsmedium 51 ausbilden.The image source 52 can be raster image data supplied by a scanner or computer or contour image data in the form of a page description language (PDL) or other forms of digital image reproduction. The image data is converted by the image processing system 53 into a pixel map image page. In the case of PDL image data, this can be a raster image processor (RIP) or in the case of raster image data, a pixel image manipulation. The halftone data generated by the image processing unit 53 is rasterized. The rasterization is carried out by means of the digital raster unit 54. The rasterized bitmap image data is stored in the image memory 72. Depending on the configuration of the printer and the system, the image memory 72 can be a full page memory or a strip memory. Heater control circuits 71 read data from the image buffer 72 and apply time-varying electrical pulses to the nozzle heaters (103 in Fig. 1(b)) forming part of the print head 50. The pulses are applied to the correct nozzle at the correct time such that selected drops form dots at the correct position on the recording medium 51 as designated by the data in the image buffer 72.

Das Aufzeichnungsmedium 51 wird bezüglich des Druckkopfs 50 mittels eines Papiertransportsystems 65 bewegt, das von einem Papiertransport-Steuerungssystem 66 elektrisch gesteuert wird, wobei letzteres seinerseits von einer Mikrosteuerung 315 gesteuert wird. Fig. 1(a) zeigt nur eine schematische Darstellung eines Papiertransportsystems, wobei viele verschiedene mechanische Konfigurationen möglich sind. Bei seitenbreiten Druckköpfen ist es am zweckmäßigsten, das Aufzeichnungsmedium 51 an einem stationären Druckkopf 50 vorbei zu transportieren. Bei Abtastdrucksystemen ist es jedoch üblicherweise am zweckmäßigsten, den Kopf 50 in einer relativen Rasterbewegung entlang einer Achse (in der Neben- Abtastrichtung) und das Druckmedium 51 entlang der dazu senkrecht stehenden Achse (der Haupt-Abtastrichtung) zu transportieren. Die Mikrosteuerung 315 kann auch den Tintendruckregler 53 und die Steuerschaltungen 71 der Heizeelemente steuern.The recording medium 51 is moved relative to the print head 50 by means of a paper transport system 65 which is electrically controlled by a paper transport control system 66, which in turn is controlled by a microcontroller 315. Figure 1(a) shows only a schematic representation of a paper transport system, and many different mechanical configurations are possible. For page-wide print heads, it is most convenient to transport the recording medium 51 past a stationary print head 50. However, for scanning printing systems, it is usually most convenient to transport the head 50 in a relative raster motion along one axis (the secondary scanning direction) and the print medium 51 along the perpendicular axis (the primary scanning direction). The microcontroller 315 can also control the ink pressure regulator 53 and the heater control circuits 71.

Beim Drucken mit Reduzierung der Oberflächenspannung ist die Tinte unter Druck in einem Tintenbehälter 64 aufgenommen. Im Ruhezustand (wenn kein Tintentropfen ausgestoßen wird) reicht der Tintendruck nicht aus, die Oberflächenspannung der Tinte zu überwinden und einen Tropfen auszustoßen. Ein konstanter Tintendruck kann dadurch erzielt werden, dass gesteuert von einem Tintendruckregler 63 ein Druck an den Tintenbehälter 64 angelegt wird. Alternativ kann der Tintendruck bei größeren Drucksystemen sehr präzise dadurch erzeugt und gesteuert werden, dass die Oberfläche der Tinte im Behälter 64 um einen bestimmten Stand über dem Druckkopf 50 gehalten wird. Dieser Tintenfüllstand kann durch ein einfaches (nicht dargestelltes) Schwimmersystem geregelt werden.When printing with reduced surface tension, the ink is held under pressure in an ink container 64. In the idle state (when no ink drop ejected), the ink pressure is not sufficient to overcome the surface tension of the ink and eject a drop. A constant ink pressure can be achieved by applying pressure to the ink container 64 under the control of an ink pressure regulator 63. Alternatively, in larger printing systems, the ink pressure can be generated and controlled very precisely by maintaining the surface of the ink in the container 64 at a certain level above the print head 50. This ink level can be controlled by a simple float system (not shown).

Beim Drucken mit Reduzierung der Viskosität befindet sich die Tinte unter Druck in einem Tintenbehälter 64, und der Tintendruck wird zum Schwingen gebracht. Dieses Schwingen des Drucks kann durch ein in den Tintenleitungen montiertes (nicht dargestelltes) piezoelektrisches Betätigungselement bewirkt werden.In viscosity reduction printing, the ink is under pressure in an ink tank 64 and the ink pressure is caused to oscillate. This oscillation of the pressure can be caused by a piezoelectric actuator (not shown) mounted in the ink lines.

Bei ordnungsgemäßer Anordnung in Verbindung mit den Tropfenablösemitteln bilden ausgewählte Tropfen dann Punkte auf dem Aufzeichnungsmedium 51 aus, während nicht ausgewählte Tropfen sich nicht von der Tintenmasse ablösen.When properly arranged in conjunction with the drop release means, selected drops then form dots on the recording medium 51, while unselected drops do not release from the ink mass.

Die Tinte wird der hinteren Oberfläche des Druckkopfs 50 über eine Tintenverteilereinrichtung 75 zugeführt. Die Tinte fließt vorzugsweise durch in den Siliconträger des Druckkopfs 50 geätzte Schlitze und/oder Öffnungen zur vorderen Fläche, an der sich die Düsen und Betätigungselemente befinden. Im Falle der thermischen Auswahl sind die Düsen-Betätigungselemente elektrothermische Heizelemente.The ink is supplied to the rear surface of the printhead 50 via an ink manifold 75. The ink preferably flows through slots and/or openings etched into the silicone substrate of the printhead 50 to the front surface where the nozzles and actuators are located. In the case of thermal selection, the nozzle actuators are electrothermal heating elements.

Bei manchen erfindungsgemäßen Druckertypen ist ein externes Feld 74 erforderlich, damit sich der ausgewählte Tropfen von der Masse der Tinte ablöst und sich in Richtung des Aufzeichnungsmediums 51 bewegt. Zweckmäßig als externes Feld 74 ist ein konstantes elektrisches Feld, da die Tinte in einfacher Weise elektrisch leitend gemacht werden kann. In diesem Fall kann die Papierführung oder Druckplatte 67 aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt und als das elektrische Feld erzeugende Elektrode verwendet werden. Als andere Elektrode kann der Kopf 50 selbst dienen. Bei einem anderen, nicht in den Rahmen der Erfindung fallenden Beispiel dient die Nähe des Druckmediums als Mittel zur Unterscheidung zwischen ausgewählten Tropfen und nicht ausgewählten Tropfen.In some types of printers according to the invention, an external field 74 is required so that the selected droplet detaches from the mass of ink and moves towards the recording medium 51. A constant electric field is suitable as the external field 74, since the ink can be made electrically conductive in a simple manner. In this case, the paper guide or printing plate 67 can be made of an electrically conductive material and used as the electrode generating the electric field. The head 50 itself can serve as the other electrode. In another embodiment, not falling within the scope of the invention, For example, the proximity of the printing medium serves as a means of distinguishing between selected drops and non-selected drops.

Bei kleinen Tropfengrößen ist die auf den Tintentropfen wirkende Schwerkraft sehr klein, etwa 10&supmin;&sup4; der Oberflächenspannungskräfte, so dass die Schwerkraft in den meisten Fällen außer Betracht bleiben kann. Damit ist es möglich, den Druckkopf 50 und das Aufzeichnungsmedium 51 in jeder beliebigen Richtung relativ zum örtlichen Schwerkraftfeld auszurichten. Dies ist für tragbare Drucker wichtig.For small drop sizes, the force of gravity acting on the ink drop is very small, about 10-4 of the surface tension forces, so gravity can be ignored in most cases. This makes it possible to orient the print head 50 and the recording medium 51 in any direction relative to the local gravity field. This is important for portable printers.

Fig. 1(b) zeigt eine Ausschnittsvergrößerung eines Querschnitts durch eine einzelne, mikroskopisch kleine erfindungsgemäße Düsenspitze, die mittels eines modifizierten CMOS-Verfahrens hergestellt wurde. Die Düse wird in einen Träger 101 geätzt, der aus Silicon, Glas, Metall oder jedem anderen geeigneten Material bestehen kann. Wenn Träger verwendet werden, die nicht aus Halbleitermaterial bestehen, kann ein Halbleitermaterial (zum Beispiel amorphes Silicon) auf den Träger aufgebracht werden, und die integrierten Treibertransistoren und Datenverteilerschaltungen können dann in der halbleitenden Oberschicht ausgebildet werden. Einkristall-Siliconsubstrate (SCS) bieten verschiedene Vorteile, darunter:Fig. 1(b) shows a close-up of a cross-section of a single, microscopic nozzle tip according to the invention, made using a modified CMOS process. The nozzle is etched into a carrier 101, which may be made of silicon, glass, metal, or any other suitable material. If carriers other than semiconductor material are used, a semiconductor material (e.g., amorphous silicon) may be deposited on the carrier, and the integrated driver transistors and data distribution circuits may then be formed in the semiconductive top layer. Single crystal silicon substrates (SCS) offer several advantages, including:

1) In SCS lassen sich Treibertransistoren hoher Leistung und andere Schaltungen herstellen.1) SCS can be used to manufacture high-performance driver transistors and other circuits.

2) Die Druckköpfe können in vorhandenen Anlagen unter Verwendung normaler VLSI-Verarbeitungseinrichtungen hergestellt werden.2) The printheads can be manufactured in existing facilities using standard VLSI processing equipment.

3) SCS weist hohe mechanische Festigkeit und Starrheit auf, und3) SCS has high mechanical strength and rigidity, and

4) SCS besitzt hohe Wärmeleitfähigkeit.4) SCS has high thermal conductivity.

Bei diesem Beispiel ist die Düse zylindrisch, wobei das Heizelement 103 als Ring ausgebildet ist. Die Düsenspitze 104 besteht aus Silicondioxidschichten 102, die während der Herstellung der CMOS-Treiberschaltung aufgebracht werden. Die Spitze ist mit Siliconnitrid passiviert. Die vorstehende Düsenspitze bestimmt den Berührungspunkt der unter Druck stehenden Tinte 100 auf der Druckkopfoberfläche. Außerdem ist die Druckkopfoberfläche hydrophobiert, um ein unkontrolliertes Ausbreiten der Tinte auf der Druckkopfvorderseite zu verhindern.In this example, the nozzle is cylindrical, with the heating element 103 being formed as a ring. The nozzle tip 104 consists of silicon dioxide layers 102 that are applied during the manufacture of the CMOS driver circuit. The tip is passivated with silicon nitride. The protruding nozzle tip determines the point of contact of the pressurized ink 100 on the printhead surface. In addition, the printhead surface is hydrophobized to prevent uncontrolled spreading of the ink on the front of the printhead.

Möglich sind auch viele andere Düsenausbildungen, und die erfindungsgemäßen Düsenausführungen können in Form, Abmessungen und verwendeten Materialien variieren. Monolithische Düsen, die in den Träger geätzt werden, auf dem das Heizelement und die Treiberelektronik ausgebildet werden, bieten den Vorteil, dass sie keine Düsenöffnungsplatte benötigen. Der Wegfall der Düsenöffnungsplatte führt zu beträchtlichen Kosteneinsparungen in Herstellung und Montage. Zu den jüngsten Verfahren, durch die Düsenöffnungsplatten überflüssig werden, gehören unter anderem der Einsatz von "Wirbel"-Betätigungseinrichtungen der Art, wie sie in US-A- 4,580,158 und US-A-5,371,527 beschrieben sind. Diese sind jedoch kompliziert zu betätigen und schwierig herzustellen. Die bevorzugte Möglichkeit, Düsenffnungsplatten bei erfindungsgemäßen Druckköpfen überflüssig zu machen, besteht darin, die Öffnung in den Träger des Betätigungselements zu integrieren.Many other nozzle configurations are possible and nozzle designs according to the invention can vary in shape, dimensions and materials used. Monolithic nozzles, which are etched into the carrier on which the heating element and driver electronics are formed, offer the advantage of not requiring a nozzle orifice plate. Elimination of the nozzle orifice plate results in significant cost savings in manufacturing and assembly. Recent techniques for eliminating nozzle orifice plates include the use of "whirl" actuators of the type described in US-A-4,580,158 and US-A-5,371,527. However, these are complicated to operate and difficult to manufacture. The preferred way to eliminate nozzle orifice plates in printheads according to the invention is to integrate the orifice into the actuator carrier.

Dieser Düsentyp ist bei Druckköpfen einsetzbar, die mit den unterschiedlichsten Techniken für die Ablösung des Tropfens arbeiten.This nozzle type can be used with print heads that use a variety of different droplet detachment techniques.

Arbeitsweise mit elektrostatischer TropfenablösungWorking method with electrostatic droplet detachment

Fig. 2 zeigt als erstes Beispiel die Arbeitsweise mit thermischer Reduzierung der Oberflächenspannung und elektrostatischer Tropfenablösung.Fig. 2 shows the first example of the operation with thermal reduction of the surface tension and electrostatic droplet detachment.

In Fig. 2 sind die Ergebnisse der mittels FIDAP, einem von Fluid Dynamics Inc., Illinois, USA, vertriebenen kommerziellen Flüssigkeitsdynamik-Simulationssoftwarepaket, durchgeführten Simulationen des Energietransports und der Flüssigkeitsdynamik dargestellt. Diese Simulation bezieht sich auf eine Ausführungsform einer thermischen Tropfenauswahldüse mit einem Durchmesser von 8 um und einer Umgebungstemperatur von 30ºC. Die an das Heizelement angelegte Gesamtenergie beträgt 276 nJ und wird in Form von 69 Impulsen von je 4 nJ angelegt. Der Flüssigkeitsdruck liegt um 10 kPa über dem Umgebungsluftdruck, und die Viskosität der Tinte bei 30ºC beträgt 1,84 cPs. Die Tinte auf Wasserbasis enthält ein 0,1%iges Palmitinsäuresol, wodurch eine verbesserte Abnahme der Oberflächenspannung bei steigender Temperatur erreicht wird. Dargestellt ist ein Querschnitt der Düsenspitze von der Mittelachse der Düse bis zu einem radialen Abstand von 40 um. Der Wärmefluss in den verschiedenen Düsenmaterialien, darunter Silicon, Siliconnitrid, amorphes Silicondioxid, kristallines Silicondioxid, und der Tinte auf Wasserbasis werden mittels entsprechender Dichten, Wärmekapazitäten und Wärmeleitfähigkeiten der Materialien simuliert. Der Zeitschritt der Simulation beträgt 0,1 us.Figure 2 shows the results of energy transport and fluid dynamics simulations performed using FIDAP, a commercial fluid dynamics simulation software package sold by Fluid Dynamics Inc., Illinois, USA. This simulation relates to an embodiment of a thermal drop selection nozzle with a diameter of 8 µm and an ambient temperature of 30ºC. The total energy applied to the heater is 276 nJ and is applied as 69 pulses of 4 nJ each. The fluid pressure is 10 kPa above ambient air pressure and the viscosity of the ink at 30ºC is 1.84 cPs. The water-based ink contains a 0.1% palmitic acid sol, which provides an improved decrease in surface tension with increasing temperature. A cross-section of the nozzle tip from the central axis of the nozzle to a radial distance of 40 µm is shown. The Heat flow in the different nozzle materials, including silicon, silicon nitride, amorphous silicon dioxide, crystalline silicon dioxide, and the water-based ink are simulated using the corresponding densities, heat capacities, and thermal conductivities of the materials. The time step of the simulation is 0.1 us.

In Fig. 2(a) ist der Ruhezustand unmittelbar vor Betätigung des Heizelements dargestellt. Dadurch, dass man dafür sorgt, dass der Tintendruck zuzüglich des externen elektrostatischen Feldes nicht ausreicht, die Oberflächenspannung der Tinte bei der Umgebungstemperatur zu überwinden, wird ein Gleichgewichtszustand hergestellt derart, dass im Ruhezustand keine Tinte aus der Düse austritt. Im Ruhezustand ragt der Meniskus der Tinte nicht wesentlich über die Druckkopfoberfläche hinaus, so dass das elektrostatische Feld am Meniskus nicht wesentlich konzentriert ist.Fig. 2(a) shows the resting state immediately before the heater is activated. By ensuring that the ink pressure plus the external electrostatic field is not sufficient to overcome the surface tension of the ink at the ambient temperature, an equilibrium state is established such that no ink exits the nozzle in the resting state. In the resting state, the meniscus of the ink does not protrude significantly above the printhead surface, so that the electrostatic field is not significantly concentrated at the meniscus.

In Fig. 2(b) sind die thermischen Linien in 5ºC-Schritten 5 us nach Beginn des Aktivierimpulses für das Heizelement dargestellt. Bei Aktivierung des Heizelements wird die mit der Düsenspitze in Berührung stehende Tinte rasch aufgeheizt. Die Reduzierung der Oberflächenspannung führt dazu, dass der erwärmte Bereich des Meniskus sich gegenüber dem kühleren Tintenmeniskus rasch ausdehnt. Dadurch entsteht eine konvektive Strömung, die diese Wärme schnell über einen Teil der freien Oberfläche der Tinte an der Düsenspitze transportiert. Die Wärme muss sich über die Tintenoberfläche und nicht nur in dem Bereich verteilen, in dem die Tinte mit dem Heizelement in Berührung steht. Denn die direkt mit dem Heizelement in Berührung stehende Tinte wird durch zähe Reibung in dem festen Heizelement daran gehindert, sich zu bewegen.In Fig. 2(b) the thermal lines are shown in 5ºC increments 5 us after the start of the heater activation pulse. When the heater is activated the ink in contact with the nozzle tip is heated rapidly. The reduction in surface tension causes the heated area of the meniscus to expand rapidly relative to the cooler ink meniscus. This creates a convective flow that rapidly transports this heat over part of the free surface of the ink at the nozzle tip. The heat must be distributed over the ink surface and not just in the area where the ink is in contact with the heater. This is because the ink in direct contact with the heater is prevented from moving by viscous friction in the fixed heater.

Fig. 2(c) zeigt die thermischen Linien in 5ºC-Schritten 10 us nach Beginn des Aktivierungsimpulses für das Heizelement. Die Temperaturerhöhung verursacht eine Reduzierung der Oberflächenspannung und stört damit das Kräftegleichgewicht. Wenn der gesamte Meniskus erwärmt ist, beginnt die Tinte zu fließen.Fig. 2(c) shows the thermal lines in 5ºC increments 10 us after the start of the heater activation pulse. The increase in temperature causes a reduction in surface tension, thus disturbing the force balance. When the entire meniscus is heated, the ink begins to flow.

Fig. 2(d) zeigt die thermischen Linien in 5ºC-Schritten 20 us nach Beginn des Aktivierungsimpulses für das Heizelement. Durch den Druck der Tinte hat der Meniskus eine neue Position eingenommen und ragt jetzt aus dem Druckkopf hervor. Das elektrostatische Feld wird durch den hervorragenden leitfähigen Tintentropfen konzentriert.Fig. 2(d) shows the thermal lines in 5ºC steps 20 us after the start of the activation pulse for the heater element. Due to the pressure of the ink, the meniscus has taken a new position and now protrudes from the print head. The electrostatic field is concentrated by the excellent conductive ink drop.

Fig. 2(e) zeigt die thermischen Linien in 5ºC-Schritten 30 us nach Beginn des Aktivierungsimpulses für das Heizelement, d. h. 6 us nach Ende des Impulses für das Heizelement, da die Impulsdauer für das Heizelement 24 us beträgt. Die Düsenspitze hat sich aufgrund der Wärmeableitung durch die Oxidschichten und der Wärmeleitung in die fließende Tinte rasch abgekühlt. Tatsächlich ist die Düsenspitze durch die Tinte "wassergekühlt". Durch elektrostatische Anziehung beginnt der Tintentropfen sich in Richtung des Aufzeichnungsmediums zu beschleunigen. Wäre der Impuls für das Heizelement wesentlich kürzer (in diesem Fall kürzer als 16 us), würde sich die Tinte nicht in Richtung des Druckmediums beschleunigen, sondern in die Düse zurückziehen.Fig. 2(e) shows the thermal lines in 5ºC increments 30 us after the start of the heater activation pulse, i.e. 6 us after the heater pulse ends, since the heater pulse duration is 24 us. The nozzle tip has cooled rapidly due to heat dissipation through the oxide layers and heat conduction into the flowing ink. In effect, the nozzle tip is "water cooled" by the ink. Electrostatic attraction causes the ink drop to begin to accelerate toward the recording medium. If the heater pulse were much shorter (in this case, less than 16 us), the ink would not accelerate toward the printing medium, but would retreat into the nozzle.

Fig. 2(f) zeigt die thermischen Linien in 5ºC-Schritten 26 us nach Ende des Impulses für das Heizelement. Die Temperatur an der Düsenspitze liegt jetzt weniger als 5ºC über der Umgebungstemperatur. Dadurch erhöht sich die Oberflächenspannung um die Düsenspitze herum. Wenn die Geschwindigkeit, mit der die Tinte aus der Düsenspitze herausgezogen wird, die durch die Zähigkeit begrenzte Tintenfließgeschwindigkeit durch die Düse übersteigt, schnürt sich die Tinte im Bereich der Düsenspitze ein, und der ausgewählte Tropfen löst sich von der Masse der Tinte ab. Dadurch gelangt der ausgewählte Tropfen unter dem Einfluss des externen elektrostatischen Feldes auf das Aufzeichnungsmedium. Der Meniskus der Tinte an der Düsenspitze zieht sich dann in die Ruhestellung zurück, in Erwartung des nächsten Wärmeimpulses zur Auswahl des nächsten Tintentropfens. Bei jedem Wärmeimpuls wird ein Tintentropfen ausgewählt, abgelöst und bildet einen Punkt auf dem Aufzeichnungsmedium ab. Da die Wärmeimpulse elektrisch gesteuert werden, kann so ein Drop-on-demand-Tintentenstrahldruckbetrieb erreicht werden.Fig. 2(f) shows the thermal lines in 5ºC increments 26 us after the heater pulse has ended. The temperature at the nozzle tip is now less than 5ºC above ambient temperature. This increases the surface tension around the nozzle tip. When the rate at which the ink is drawn out of the nozzle tip exceeds the viscosity-limited ink flow rate through the nozzle, the ink in the nozzle tip area constricts and the selected droplet detaches from the bulk of the ink. This causes the selected droplet to land on the recording medium under the influence of the external electrostatic field. The meniscus of ink at the nozzle tip then retracts to the rest position awaiting the next heat pulse to select the next ink droplet. With each heat pulse, an ink droplet is selected, detaches and forms a dot on the recording medium. Since the heat pulses are electrically controlled, drop-on-demand inkjet printing can be achieved.

In Fig. 3(a) sind aufeinanderfolgende Meniskusstellungen während des Tropfenauswahlzyklus in 5 us-Schritten, beginnend mit dem Einsetzen des Aktivierungsimpulses für das Heizelement, dargestellt.In Fig. 3(a), successive meniscus positions during the drop selection cycle are shown in 5 µs steps, starting with the onset of the activation pulse for the heater element.

Fig. 3(b) zeigt in einer Grafik der Meniskusstellung in Abhängigkeit von der Zeit die Bewegung des Punktes in der Mitte des Meniskus. Der Impuls für das Heizelement beginnt 10 us nach Beginn der Simulation.Fig. 3(b) shows the movement of the point in the middle of the meniscus in a graph of the meniscus position versus time. The pulse for the heating element starts 10 us after the start of the simulation.

Fig. 3(c) zeigt die resultierende Temperatur/Zeit-Kurve an verschiedenen Punkten der Düse. Dabei ist auf der vertikalen Achse die Temperatur in Einheiten von 100ºC aufgetragen. Die horizontale Achse gibt die Zeit in Einheiten von 10 us wieder. Die in Fig. 3(b) dargestellte Temperaturkurve wurde mittels FIDAP in 0,1 us-Zeitschritten berechnet. Die Umgebungstemperatur beträgt 30ºC. Dargestellt sind die Temperaturentwicklungen an drei Punkten:Fig. 3(c) shows the resulting temperature/time curve at different points on the nozzle. The vertical axis shows the temperature in units of 100ºC. The horizontal axis shows the time in units of 10 us. The temperature curve shown in Fig. 3(b) was calculated using FIDAP in 0.1 us time steps. The ambient temperature is 30ºC. The temperature developments at three points are shown:

A - Düsenspitze: Diese Kurve gibt die Temperaturentwicklung am Berührungskreis zwischen Passivierungsschicht, Tinte und Luft wieder.A - Nozzle tip: This curve shows the temperature development at the contact circle between passivation layer, ink and air.

B - Meniskus-Mitte: Hierbei handelt es sich um einen Kreis des Tintenmeniskus in der Mitte zwischen Düsenspitze und Meniskusmittelpunkt.B - Meniscus Center: This is a circle of the ink meniscus in the middle between the nozzle tip and the meniscus center.

C - Chip-Oberfläche: Diese Kurve bezieht sich auf einen Punkt auf der Druckkopfoberfläche 20 um entfernt vom Düsenmittelpunkt. Die Temperatur steigt nur um wenige Grade an. Dies weist darauf hin, dass die aktiven Schaltungen sehr nahe an den Düsen angeordnet werden können, ohne dass sich dadurch die Leistung oder Lebensdauer wegen hoher Temperaturen verschlechtert.C - Chip surface: This curve refers to a point on the printhead surface 20 um from the nozzle center. The temperature increases by only a few degrees. This indicates that the active circuits can be placed very close to the nozzles without degrading performance or lifetime due to high temperatures.

Fig. 3(e) gibt den an das Heizelement angelegten Strom wieder. Für eine optimale Funktion ist es erforderlich, dass zu Beginn des Aktivierungsimpulses für das Heizelement die Temperatur scharf ansteigt, während der Impulsdauer etwas unterhalb des Siedepunktes der Tinte gehalten wird und zum Ende des Impulses rasch wieder abfällt. Hierzu wird die an das Heizelement angelegte mittlere Energie über die Impulsdauer hinweg verändert. Im vorliegenden Fall wird diese Veränderung durch Impulsfrequenzmodulation in Teilimpulsen von 0,1 us mit einer Energie von jeweils 4 nJ erreicht. Der an das Heizelement angelegte Spitzenstrom beträgt 40 mW, der über die Dauer des Impulses für das Heizelement angelegte mittlere Strom beträgt 11,5 mW. Die Teilimpulsfrequenz beträgt in diesem Fall 5 MHz. Diese kann ohne weiteres verändert werden, ohne die Arbeitsweise des Druckkopfs wesentlich zu beeinträchtigen. Eine höhere Teilimpulsfrequenz ermöglicht eine feinere Steuerung des an das Heizelement angelegten Stromes. Geeignet ist eine Teilimpulsfrequenz von 13,5 MHz, da diese Frequenz auch geeignet ist, den Effekt von Hochfrequenzstörungen (FRI) zu minimieren.Fig. 3(e) shows the current applied to the heating element. For optimum function, the temperature must rise sharply at the beginning of the activation pulse for the heating element, be kept slightly below the boiling point of the ink during the pulse duration, and fall rapidly again at the end of the pulse. To do this, the average energy applied to the heating element is varied over the pulse duration. In the present case, this variation is achieved by pulse frequency modulation in partial pulses of 0.1 us with an energy of 4 nJ each. The peak current applied to the heating element is 40 mW, the average current applied to the heating element over the duration of the pulse is 11.5 mW. The partial pulse frequency in this case is 5 MHz. This can be easily changed without significantly affecting the operation of the print head. A higher partial pulse frequency enables finer control of the current applied to the heating element. A partial pulse frequency is suitable of 13.5 MHz, as this frequency is also suitable for minimizing the effect of radio frequency interference (FRI).

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

Die Bedingung, dass die Oberflächenspannung der Tinte mit steigender Temperatur abnehmen muss, ist keine wesentliche Einschränkung, da die meisten reinen Flüssigkeiten und viele Mischungen diese Eigenschaften aufweisen. Exakte Gleichungen, die die Oberflächenspannung für beliebige Flüssigkeiten zur Temperatur in Beziehung setzen, gibt es nicht. Für viele Flüssigkeiten ist die folgende empirische Gleichung, die von Ramsay und Shields abgeleitet wurde, jedoch ausreichend: The requirement that the surface tension of the ink must decrease with increasing temperature is not a significant limitation, since most pure liquids and many mixtures exhibit these properties. There are no exact equations relating the surface tension to temperature for any liquid. However, for many liquids, the following empirical equation derived by Ramsay and Shields is sufficient:

worin γT die Oberflächenspannung bei der Temperatur T, k eine Konstante, Tc die kritische Temperatur der Flüssigkeit, M die molare Masse der Flüssigkeit, x der Assoziationsgrad der Flüssigkeit und ρ die Dichte der Flüssigkeit ist. Aus dieser Gleichung geht hervor, dass die Oberflächenspannung der meisten Flüssigkeiten auf Null absinkt, wenn die Temperatur die kritische Temperatur der Flüssigkeit erreicht. Bei den meisten Flüssigkeiten liegt die kritische Temperatur wesentlich über dem Siedepunkt unter atmosphärischem Druck, so dass die Zugabe von oberflächenaktiven Mitteln empfohlen wird, um eine Tinte zu erhalten, die bei geringer Temperaturänderung um eine praktische Ausstoßtemperatur herum eine starke Veränderung der Oberflächenspannung aufweist.where γT is the surface tension at temperature T, k is a constant, Tc is the critical temperature of the liquid, M is the molar mass of the liquid, x is the degree of association of the liquid and ρ is the density of the liquid. From this equation it can be seen that the surface tension of most liquids drops to zero when the temperature reaches the critical temperature of the liquid. For most liquids the critical temperature is well above the boiling point under atmospheric pressure, so the addition of surfactants is recommended to obtain an ink which shows a large change in surface tension with a small change in temperature around a practical ejection temperature.

Wichtig ist die Wahl des oberflächenaktiven Mittels. Zum Beispiel enthalten Tinten auf Wasserbasis für thermische Tintenstrahldrucker oftmals Isopropylalkohol (2-Propanol) zur Reduzierung der Oberflächenspannung und Begünstigung des schnellen Trocknens. Der Siedepunkt von Isopropylalkohol liegt bei 82,4ºC, also unter dem von Wasser. Mit steigender Temperatur verdampft der Alkohol schneller als Wasser, womit sich die Alkoholkonzentration verringert und die Oberflächenspannung zunimmt. Um diesen Effekt umzukehren, kann man ein oberflächenaktives Mittel wie 1-Hexanol (Siedepunkt 158ºC) verwenden und erreichen, dass die Oberflächenspannung mit der Temperatur leicht abnimmt. Allerdings ist eine relativ starke Verringerung der Oberflächenspannung mit der Temperatur erwünscht, um die Funktionsbreite zu maximieren. Bevorzugt ist eine Abnahme der Oberflächenspannung von 20 mN/m über einen Temperaturbereich von 30ºC hinweg, um breite Funktionsbereiche zu erreichen, wobei jedoch 10 mN/m für die erfindungsgemäße Funktion des Druckkopfs ausreichen.The choice of surfactant is important. For example, water-based inks for thermal inkjet printers often contain isopropyl alcohol (2-propanol) to reduce surface tension and promote rapid drying. The boiling point of isopropyl alcohol is 82.4ºC, which is lower than that of water. As the temperature increases, the alcohol evaporates faster than water, which reduces the alcohol concentration and increases the surface tension. To reverse this effect, a surfactant such as 1-hexanol can be used. (boiling point 158ºC) and achieve a slight decrease in surface tension with temperature. However, a relatively large decrease in surface tension with temperature is desired in order to maximize the range of functions. A decrease in surface tension of 20 mN/m over a temperature range of 30ºC is preferred in order to achieve broad ranges of functions, although 10 mN/m is sufficient for the print head to function according to the invention.

Tinten mit starker negativer Veränderung der OberflächenspannungInks with strong negative change in surface tension

Um eine starke negative Veränderung der Oberflächenspannung bei steigender Temperatur zu erreichen, werden verschiedene Methoden, darunter die beiden folgenden, angewandt:To achieve a strong negative change in surface tension with increasing temperature, various methods are used, including the following two:

1) Die Tinte kann ein Sol eines oberflächenaktiven Mittels geringer Konzentration enthalten, das bei Umgebungstemperaturen fest ist, bei einer Schwellentemperatur jedoch schmilzt. Wünschenswert sind Partikelgrößen unter 1.000 Å. Geeignete Schmelzpunkte für oberflächenaktive Mittel liegen bei einer Tinte auf Wasserbasis zwischen 50ºC und 90ºC, vorzugsweise zwischen 60ºC und 80ºC.1) The ink may contain a low concentration surfactant sol that is solid at ambient temperatures but melts at a threshold temperature. Particle sizes below 1,000 Å are desirable. Suitable melting points for surfactants are between 50ºC and 90ºC for a water-based ink, preferably between 60ºC and 80ºC.

2) Die Tinte kann eine Öl/Wasser-Mikroemulsion mit einer Phasenumkehrtemperatur (PIT) enthalten, die über der höchsten Umgebungstemperatur, aber unter dem Siedepunkt der Tinte liegt. Im Sinne der Stabilität liegt die PIT der Mikroemulsion vorzugsweise mindestens 20ºC über der maximalen Nichtbetriebstemperatur, der die Tinte ausgesetzt ist. Geeignet ist eine PIT von etwa 80ºC.2) The ink may contain an oil/water microemulsion with a phase inversion temperature (PIT) above the highest ambient temperature but below the boiling point of the ink. For stability, the PIT of the microemulsion is preferably at least 20ºC above the maximum non-operating temperature to which the ink is exposed. A PIT of about 80ºC is suitable.

Tinten mit oberflächenaktivem SolInks with surfactant sol

Tinten können als Sol kleiner Partikel eines oberflächenaktiven Mittels hergestellt werden, die im gewünschten Betriebstemperaturbereich schmelzen. Beispiel derartiger oberflächenaktiver Mittel sind unter anderem Carbonsäuren mit zwischen 14 und 30 Kohlenstoffatomen wie: Inks can be prepared as a sol of small particles of a surfactant that melt in the desired operating temperature range. Examples of such surfactants include carboxylic acids with between 14 and 30 carbon atoms such as:

Da der Schmelzpunkt von Solen mit kleiner Partikelgröße üblicherweise geringfügig unter dem des entsprechenden Trockenguts liegt, wählt man vorzugsweise eine Carbonsäure, deren Schmelzpunkt geringfügig über der gewünschten Tropfenablösetemperatur liegt. Ein gutes Beispiel hierfür ist Arachinsäure.Since the melting point of sols with small particle size is usually slightly below that of the corresponding dry material, it is preferable to choose a carboxylic acid whose melting point is slightly above the desired droplet detachment temperature. A good example of this is arachidic acid.

Diese Carbonsäuren sind in hoher Reinheit und preisgünstig zu haben. Die erforderliche Menge des oberflächenaktiven Mittels ist sehr gering, so dass die Kosten der Beigabe des Mittels zur Tinte unbedeutend sind. Um die Schmelzpunkte über einen Temperaturbereich zu verteilen, kann man eine Mischung von Carbonsäuren etwas unterschiedlich Kettenlängen verwenden. Derartige Mischungen kosten normalerweise weniger als die reine Säure.These carboxylic acids are available in high purity and are inexpensive. The amount of surfactant required is very small, so the cost of adding the agent to the ink is negligible. To spread the melting points over a temperature range, a mixture of carboxylic acids with slightly different chain lengths can be used. Such mixtures usually cost less than the pure acid.

Die Auswahl des oberflächenaktiven Mittels braucht nicht auf einfache, unverzweigte Carbonsäuren beschränkt zu werden. Einsetzbar sind auch oberflächenaktive Mittel mit verzweigten Ketten oder Phenylgruppen oder anderen hydrophoben Komponenten. Es muss nicht unbedingt eine Carbonsäure verwendet werden. Für das hydrophile Ende des oberflächenaktiven Mittels sind viele hochpolare Komponenten geeignet. Das polare Ende sollte in Wasser ionisierbar sein, so dass die Oberfläche der oberflächenaktiven Partikel geladen werden können, um die Dispersion zu unterstützen und ein Ausflocken zu vermeiden. Bei Carbonsäuren kann dies durch Zugabe eines Alkali, etwa Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid erreicht werden.The choice of surfactant need not be limited to simple, unbranched carboxylic acids. Surfactants with branched chains or phenyl groups or other hydrophobic components can also be used. It is not essential to use a carboxylic acid. Many highly polar components are suitable for the hydrophilic end of the surfactant. The polar end should be ionizable in water so that the surface of the surfactant particles can be charged to aid dispersion and prevent flocculation. For carboxylic acids, this can be achieved by adding an alkali, such as sodium hydroxide or potassium hydroxide.

Herstellung von Tinten mit oberflächenaktiven SolenProduction of inks with surface-active sols

Das oberflächenaktive Sol kann getrennt in hoher Konzentration hergestellt und der Tinte in der erforderlichen Konzentration zugegeben werden.The surfactant sol can be prepared separately in high concentration and added to the ink in the required concentration.

Zum Beispiel kann bei der Herstellung eines oberflächenaktiven Sols wie folgt vorgegangen werden:For example, the preparation of a surfactant sol can be done as follows:

1) Zugeben der Carbonsäure zu gereinigtem Wasser in sauerstofffreier Atmosphäre.1) Add the carboxylic acid to purified water in an oxygen-free atmosphere.

2) Erwärmen der Mischung auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt der Carbonsäure. Das Wasser kann zum Sieden gebracht werden.2) Heat the mixture to a temperature above the melting point of the carboxylic acid. The water can be brought to boiling.

3) Behandlung der Mischung mit Ultraschall, bis die typische Größe der Carbonsäuretröpfchen zwischen 100 Å und 1.000 Å liegt.3) Ultrasonication of the mixture until the typical size of the carboxylic acid droplets is between 100 Å and 1,000 Å.

4) Abkühlenlassen der Mischung.4) Allow the mixture to cool.

5) Entfernen der größeren Partikel im oberen Bereich der Mischung durch Dekantieren.5) Remove the larger particles at the top of the mixture by decanting.

6) Zugeben eines Alkali, wie NaOH, um die Carbonsäuremoleküle an der Oberfläche der Partikel zu ionisieren. Geeignet ist ein pH-Wert von etwa 8. Dieser Schritt ist nicht unbedingt nötig, hilft aber das Sol zu stabilisieren.6) Add an alkali, such as NaOH, to ionize the carboxylic acid molecules on the surface of the particles. A pH of about 8 is suitable. This step is not absolutely necessary, but helps to stabilize the sol.

7) Zentrifugieren des Sols. Da Carbonsäure eine niedrigere Dichte hat als Wasser, sammeln sich kleinere Partikel außen an der Zentrifuge, größere Partikel in der Mitte.7) Centrifuge the sol. Since carboxylic acid has a lower density than water, smaller particles collect on the outside of the centrifuge and larger particles in the middle.

8) Filtrieren des Sols durch ein mikroporöses Filter, um Partikel über 5.000 Å zu eliminieren.8) Filter the sol through a microporous filter to eliminate particles larger than 5,000 Å.

9) Zugeben des oberflächenaktiven Sols zur vorbereiteten Tinte. Das Sol ist nur in sehr stark verdünnter Konzentration erforderlich.9) Add the surfactant sol to the prepared ink. The sol is only required in a very diluted concentration.

Die vorbereitete Tinte enthält außerdem entweder Farbstoff(e) oder Pigment(e), bakterizide Mittel, Mittel zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der Tinte im Falle der elektrostatischen Tropfenablösung, Benetzungsmittel und nach Bedarf noch weitere Stoffe.The prepared ink also contains either dye(s) or pigment(s), bactericidal agents, agents to improve the electrical conductivity of the ink in the case of electrostatic drop detachment, wetting agents and, if necessary, other substances.

Schaumverhinderungsmittel sind normalerweise nicht erforderlich, da während des Ausstoßens der Tropfen keine Bläschenbildung stattfindet.Antifoaming agents are normally not required since no bubbles are formed during the droplet ejection.

Kationische oberflächenaktive SoleCationic surfactant sols

Mit anionischen oberflächenaktiven Solen hergestellte Tinten sind im allgemeinen zur Verwendung in Verbindung mit kationischen Farbstoffen oder Pigmenten nicht geeignet, denn der kationische Farbstoff bzw. das Pigment könnten mit dem anionischen oberflächenaktiven Mittel Ausfällen oder Ausflocken. Wenn kationische Farbstoffe und Pigmente verwendet werden sollen, ist ein kationisches oberflächenaktives Mittel erforderlich. Geeignet für diesen Zweck ist die Familie der Alkylamine.Inks made with anionic surfactant sols are generally not suitable for use with cationic dyes or pigments because the cationic dye or pigment may precipitate or flocculate with the anionic surfactant. If cationic dyes and pigments are to be used, a cationic surfactant is required. The alkylamine family is suitable for this purpose.

In der folgenden Tabelle sind verschiedene geeignete Alkylamine aufgeführt: The following table lists various suitable alkylamines:

Das Verfahren der Zubereitung kationischer oberflächenaktiver Sole entspricht im wesentlichen jenem für anionische oberflächenaktive Sole mit der Ausnahme, dass zum Einstellen des pH-Gleichgewichts und zur Erhöhung der Ladung der oberflächenaktiven Partikel anstelle eines Alkali eine Säure verwendet wird. Geeignet ist ein mittels HCl eingestellter pH-Wert von 6.The process for preparing cationic surfactant sols is essentially the same as that for anionic surfactant sols, with the exception that an acid is used instead of an alkali to adjust the pH balance and increase the charge of the surfactant particles. A pH value of 6 adjusted using HCl is suitable.

Tinten auf MikroemulsionsbasisMicroemulsion-based inks

Eine andere Möglichkeit, eine starke Reduzierung der Oberflächenspannung bei einem bestimmten Temperaturschwellwert zu erreichen, besteht in der Formulierung der Tinte auf Basis einer Mikroemulsion. Dabei wählt man eine Mikroemulsion mit einer Phasenumkehrtemperatur (PIT) im Bereich der gewünschten Schwellentemperatur für den Tropfenausstoß. Unterhalb der Phasenumkehrtemperatur liegt die Mikroemulsion als Öl-in-Wasser-Emulsion (O/W), oberhalb der Phasenumkehrtemperatur als Wasser-in-Öl-Emulsion (W/O) vor. Bei niedrigen Temperaturen bevorzugt das die Mikroemulsion bildende oberflächenaktive Mittel eine stark gekrümmte Oberfläche um Öl, bei wesentlich über der Phasenumkehrtemperatur liegenden Temperaturen bevorzugt es eine stark gekrümmte Oberfläche um Wasser. Bei Temperaturen in der Nähe der Phasenumkehrtemperatur bildet die Mikroemulsion einen kontinuierlichen "Schwamm" aus topologisch verbundenem Wasser und Öl aus.Another way to achieve a strong reduction in surface tension at a certain temperature threshold is to formulate the ink on the basis of a microemulsion. A microemulsion is selected with a phase inversion temperature (PIT) in the range of the desired threshold temperature for drop ejection. Below the phase inversion temperature, the microemulsion is an oil-in-water emulsion (O/W), and above the phase inversion temperature, it is a water-in-oil emulsion (W/O). At low temperatures, the surfactant forming the microemulsion prefers a strongly curved surface around oil, and at temperatures significantly above the phase inversion temperature, it prefers a strongly curved surface around water. At temperatures close to the At the phase inversion temperature, the microemulsion forms a continuous “sponge” of topologically connected water and oil.

Die Oberflächenspannung wird dabei durch zwei Mechanismen verringert. Um die Phasenumkehrtemperatur herum bevorzugt das oberflächenaktive Mittel nur sehr gering gekrümmte Oberflächen. Infolgedessen wandern die Moleküle des oberflächenaktiven Mittels zur Grenzfläche Tinte/Luft, deren Krümmung sehr viel geringer ist als die Krümmung der Ölemulsion. Dadurch sinkt die Oberflächenspannung des Wassers. Oberhalb der Phasenumkehrtemperatur verändert sich die Mikroemulsion von O/W nach W/O, womit sich auch die Grenzfläche Tinte/Luft von Wasser/Luft zu Öl/Luft ändert. Die Grenzfläche Öl/Luft hat eine geringere Oberflächenspannung.The surface tension is reduced by two mechanisms. Around the phase inversion temperature, the surfactant prefers surfaces with only a very slight curvature. As a result, the molecules of the surfactant migrate to the ink/air interface, whose curvature is much less than the curvature of the oil emulsion. This reduces the surface tension of the water. Above the phase inversion temperature, the microemulsion changes from O/W to W/O, which also changes the ink/air interface from water/air to oil/air. The oil/air interface has a lower surface tension.

Für die Herstellung von Tinten auf Mikroemulsionsbasis gibt es vielerlei Möglichkeiten.There are many options for producing microemulsion-based inks.

Um ein schnelles Ausstoßen der Tropfen zu erreichen, wählt man vorzugsweise ein Öl geringer Viskosität.To ensure that the drops are ejected quickly, it is preferable to choose an oil with a low viscosity.

In vielen Fällen ist Wasser ein geeignetes polares Lösungsmittel. In manchen Fällen können jedoch auch andere polare Lösungsmittel nötig sein. In diesen Fällen sollten polare Lösungsmittel mit einer hohen Oberflächenspannung gewählt werden, so dass eine starke Abnahme der Oberflächenspannung erreichbar ist.In many cases, water is a suitable polar solvent. In some cases, however, other polar solvents may be necessary. In these cases, polar solvents with a high surface tension should be chosen so that a strong reduction in surface tension can be achieved.

Das oberflächenaktive Mittel kann so gewählt werden, dass man eine Phasenumkehrtemperatur im gewünschten Bereich erhält. Zum Beispiel können oberflächenaktive Mittel der Gruppe Poly(oxyethylen)alkylphenylether (ethoxylierte Alkyphenole, allgemeine Formel: CnH2n+1C&sub4;H&sub6;(CH&sub2;CH&sub2;O)mOH) verwendet werden. Durch Erhöhung von m kann die Hydrophilie, durch Erhöhung von n die Hydrophobie erhöht werden. Geeignet sind Werte für m von etwa 10 und für n von etwa 8.The surfactant can be chosen so that a phase inversion temperature is obtained in the desired range. For example, surfactants from the group of poly(oxyethylene)alkylphenyl ethers (ethoxylated alkylphenols, general formula: CnH2n+1C₄H₆(CH₂CH₂O)mOH) can be used. By increasing m, the hydrophilicity can be increased, and by increasing n, the hydrophobicity can be increased. Values for m of about 10 and for n of about 8 are suitable.

Kostengünstige handelsübliche Präparate erhält man durch Polymerisation von Ethylenoxid und Alkylphenolen in unterschiedlichen molaren Verhältnissen, wobei die exakte Zahl der Oxyethylengruppen um den gewählten Mittelwert herum schwankt.Cost-effective commercial preparations are obtained by polymerizing ethylene oxide and alkylphenols in different molar ratios, whereby the exact number of oxyethylene groups fluctuates around the chosen mean value.

Diese handelsüblichen Präparate sind ausreichend, hochreine oberflächenaktive Mittel mit einer bestimmten Anzahl von Oxyethylengruppen sind nicht erforderlich.These commercially available preparations are sufficient; high-purity surfactants with a specific number of oxyethylene groups are not required.

Die Formel für dieses oberflächenaktive Mittel lautet: C&sub8;H&sub1;&sub7;C&sub4;H&sub6;(CH&sub2;CH&sub2;O)nOH (Durchschnitt n = 10).The formula for this surfactant is: C₈H₁₇C₄H₆(CH₂CH₂O)nOH (average n = 10).

Als Synonyme können unter anderem genannt werden: Octoxynol-10, PEG-10 Octylphenylether und PEO (10) Octylphenylether.Synonyms include: Octoxynol-10, PEG-10 Octylphenyl ether and PEO (10) Octylphenyl ether.

Das hydrophile/lipophile Gleichgewicht (HLB) liegt bei 13,6, der Schmelzpunkt bei 7ºC und der Trübungspunkt bei 65ºC.The hydrophilic/lipophilic balance (HLB) is 13.6, the melting point is 7ºC and the cloud point is 65ºC.

Handelsübliche Zubereitungen dieses oberflächenaktiven Mittels sind unter verschiedenen Markennamen erhältlich. In der folgenden Tabelle sind Lieferanten und Markennamen zusammengestellt:Commercial preparations of this surfactant are available under various brand names. Suppliers and brand names are listed in the following table:

Handelsbezeichnung LieferantTrade name Supplier

Akyporox OP100 Chem-Y GmbHAkyporox OP100 Chem-Y GmbH

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

Dehydrophen POP 10 Pulcra SADehydrophen POP 10 Pulcra SA

Hyonic OP-10 Henkel Corp.Hyonic OP-10 Henkel Corp.

Iconol OP-10 BASF Corp.Iconol OP-10 BASF Corp.

Igepal O Rhone-Poulenc FranceIgepal O Rhone-Poulenc France

Macol OP-10 PPG IndustriesMacol OP-10 PPG Industries

Malorphen 810 Huls AGMalorphen 810 Huls AG

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

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

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

Synperonic OP10 ICI PLCSynperonic OP10 ICI PLC

Terric X10 ICI AustraliaTerric X10 ICI Australia

Diese Materialien sind in großen Mengen kostengünstig erhältlich (für weniger als einen Dollar pro lb.) und tragen so weniger als 10 Cent je Liter zur zubereiteten Tinte auf Mikroemulsionsbasis mit einer 5%igen Konzentration des oberflächenaktiven Mittels bei.These materials are available in bulk at low cost (less than a dollar per lb.) and thus add less than 10 cents per liter to the prepared microemulsion-based ink with a 5% surfactant concentration.

Weitere geeignete ethoxylierte Alkylphenole sind unter anderem: Other suitable ethoxylated alkylphenols include:

Tinten auf Mikroemulsionsbasis haben außer der Steuerung der Oberflächenspannung noch weitere Vorteile:In addition to controlling surface tension, microemulsion-based inks have other advantages:

1) Mikroemulsionen sind thermodynamisch stabil und entmischen sich nicht. Daher können sie sehr lange gelagert werden. Dies ist besonders wichtig bei Büro- und tragbaren Druckern, die möglicherweise nur dann und wann eingesetzt werden.1) Microemulsions are thermodynamically stable and do not segregate. Therefore, they can be stored for very long periods. This is especially important for office and portable printers that may only be used now and then.

2) Die Mikroemulsion bildet spontan eine bestimmte Tropfengröße aus und muss nicht gerührt, zentrifugiert oder gefiltert werden, um einen bestimmten Tropfengrößenbereich des emulgierten Öls zu erhalten.2) The microemulsion spontaneously forms a certain droplet size and does not need to be stirred, centrifuged or filtered to obtain a certain droplet size range of the emulsified oil.

3) Der Anteil von Öl an der Tinte kann recht hoch sein, so dass Farbstoffe, die in Öl oder in Wasser oder in beidem löslich sind, verwendet werden können. Außerdem ist es möglich, eine Mischung von Farbstoffen zu verwenden, von denen einer in Wasser, der andere in Öl löslich ist, um ganz bestimmte Farben zu erhalten.3) The proportion of oil in the ink can be quite high, so that dyes that are soluble in oil or water or both can be used. It is also possible to use a mixture of dyes, one of which is soluble in water and the other in oil, to obtain very specific colors.

4) Das Ausflocken von mit Öl mischbaren Pigmenten wird verhindert, da sie in den Öl-Mikrotröpfchen eingeschlossen sind.4) Flocculation of oil-miscible pigments is prevented because they are enclosed in the oil microdroplets.

5) Die Verwendung einer Mikroemulsion kann das Vermischen verschiedener Farben auf der Oberfläche des Druckmediums verringern.5) Using a microemulsion can reduce the mixing of different colors on the surface of the printing medium.

6) Die Viskosität von Mikroemulsionen ist sehr gering.6) The viscosity of microemulsions is very low.

7) Das Erfordernis der Zugabe von Benetzungsmitteln kann verringert werden oder ganz entfallen.7) The need to add wetting agents can be reduced or eliminated altogether.

Farbstoffe und Pigmente in Tinten auf MikroemulsionsbasisDyes and pigments in microemulsion-based inks

Öl-in-Wasser-Mischungen können sehr hohe Ölanteile - bis zu 40% - enthalten und immer noch O/W-Mikroemulsionen bilden. Dies ermöglicht einen hohen Farbstoff oder Pigmentanteil.Oil-in-water mixtures can contain very high oil contents - up to 40% - and still form O/W microemulsions. This allows for a high dye or pigment content.

Es können auch Mischungen von Farbstoffen und Pigmenten verwendet werden. Eine Tintenmischung auf Mikroemulsionsbasis, die sowohl Farbstoff als Pigmente enthält, kann zum Beispiel wie folgt zusammengesetzt sein:Mixtures of dyes and pigments can also be used. For example, a microemulsion-based ink mixture containing both dye and pigments can be composed as follows:

1) 70% Wasser1) 70% water

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

3) 5% oberflächenaktives Mittel3) 5% surfactant

4) 10% Öl4) 10% oil

5) 10% mit Öl mischbares Pigment5) 10% oil miscible pigment

In der folgenden Tabelle sind die neun Grundkombinationen von farbgebenden Mitteln in der Öl- und der Wasserphase der verwendbaren Mikroemulsion zusammengefasst: The following table summarizes the nine basic combinations of colorants in the oil and water phases of the microemulsion that can be used:

Die neunte Kombination ohne farbgebende Mittel ist zum Drucken transparenter Beschichtungen, von UV-Tinte und selektiver Glanzeffekte nützlich.The ninth combination without colorants is useful for printing transparent coatings, UV inks and selective gloss effects.

Da viele Farbstoffe amphiphil sind, können große Farbstoffmengen auch in der Öl/Wasser-Grenzschicht gelöst werden, da diese Schicht eine sehr große Oberfläche hat.Since many dyes are amphiphilic, large amounts of dye can also be dissolved in the oil/water interface, since this layer has a very large surface area.

Außerdem können mehrere Farbstoffe oder Pigmente in jeder Phase und auch eine Mischung von Farbstoffen und Pigmenten in jeder Phase vorliegen.In addition, there may be several dyes or pigments in each phase and also a mixture of dyes and pigments in each phase.

Bei Verwendung mehrerer Farbstoffe oder Pigmente stellt das Absorptionsspektrum der resultierenden Tinte den gewichteten Durchschnitt der Absorptionsspektren der verschiedenen verwendeten farbgebenden Mittel dar. Dies wirft zwei Probleme auf:When multiple dyes or pigments are used, the absorption spectrum of the resulting ink is the weighted average of the absorption spectra of the various colorants used. This raises two problems:

1) Das Absorptionsspektrum wird durch die Mittelung der Absorptionsspitzen beider farbgebenden Stoffe eher breiter, und dadurch ergibt sich eine Tendenz zu "schmutzigen" Farben. Um brillante Farben zu erhalten, müssen Farbstoffe und Pigmente sorgfältig nach ihren Absorptionsspektren, nicht nur nach ihrer vom Menschen wahrnehmbaren Farbe, ausgewählt werden.1) The absorption spectrum tends to become broader by averaging the absorption peaks of both colorants, and this results in a tendency toward "dirty" colors. To obtain brilliant colors, dyes and pigments must be carefully selected according to their absorption spectra, not just their human-perceivable color.

2) Die Farbe der Tinte kann auf verschiedenen Substraten unterschiedlich erscheinen. Wenn ein Farbstoff und ein Pigment in Kombination eingesetzt werden, wird die Farbe des Farbstoffs bei Papieren mit stärkerer Absorption in der Farbe der gedruckten Tinte eher geringer vertreten erscheinen, da der Farbstoff vom Papier absorbiert wird, während das Pigment mehr "auf dem Papier" verbleibt. Dies kann in manchen Fällen als Vorteil genutzt werden.2) The color of the ink may appear different on different substrates. When a dye and pigment are used in combination, the color of the dye will tend to appear less represented in the color of the printed ink on papers with higher absorption, as the dye is absorbed by the paper while the pigment remains more "on the paper". This can be used as an advantage in some cases.

Oberflächenaktive Mittel mit Krafft-Punkt im Tropfenauswahl-TemperaturbereichSurfactants with Krafft point in drop selection temperature range

Bei ionischen oberflächenaktiven Mitteln gibt es eine Temperatur (der Krafft-Punkt), unterhalb derer die Löslichkeit sehr gering ist und die Lösung im wesentlichen keine Mizellen enthält. Oberhalb der Krafft-Temperatur wird die Bildung von Mizellen möglich, und die Löslichkeit des oberflächenaktiven Mittels steigt rasch an. Wenn die kritische Mizellen-Konzentration (CMC) die Löslichkeit eines oberflächenaktiven Mittels bei einer bestimmten Temperatur übersteigt, wird die Mindestoberflächenspannung am Punkt der höchsten Löslichkeit und nicht bei der kritischen Mizellen-Konzentration erreicht. Unterhalb des Krafft-Punktes sind oberflächenaktive Mittel normalerweise sehr viel weniger wirksam.For ionic surfactants, there is a temperature (the Krafft point) below which solubility is very low and the solution contains essentially no micelles. Above the Krafft temperature, micelle formation becomes possible and the solubility of the surfactant increases rapidly. When the critical micelle concentration (CMC) exceeds the solubility of a surfactant at a given temperature, the minimum surface tension is reached at the point of highest solubility rather than at the critical micelle concentration. Below the Krafft point, surfactants are usually much less effective.

Man kann diesen Faktor dazu nutzen, eine verstärkte Reduzierung der Oberflächenspannung mit steigender Temperatur zu erreichen. Bei Umgebungstemperaturen befindet sich nur ein Teil des oberflächenaktiven Mittels in Lösung. Wird das Düsen- Heizelement eingeschaltet, steigt die Temperatur, und es geht ein größerer Teil des oberflächenaktiven Mittels in Lösung, womit die Oberflächenspannung abnimmt.This factor can be used to achieve an increased reduction in surface tension with increasing temperature. At ambient temperatures only a portion of the surfactant is in solution. When the nozzle heating element is switched on, the temperature rises and a larger portion of the surfactant goes into solution, which reduces the surface tension.

Das gewählte oberflächenaktive Mittel sollte einen Krafft-Punkt aufweisen, der in der Nähe des oberen Temperaturbereichs liegt, auf den die Tinte angehoben wird. Dadurch erhält man eine maximale Spanne zwischen der bei Umgebungstemperaturen vorhandenen Konzentration des oberflächenaktiven Mittels und der bei der Tropfenauswahltemperatur vorhandenen Konzentration des in Lösung befindlichen oberflächenaktiven Mittels.The surfactant selected should have a Krafft point that is close to the upper temperature range to which the ink is raised. This provides a maximum margin between the surfactant concentration present at ambient temperatures and the surfactant concentration in solution present at the drop selection temperature.

Die Konzentration des oberflächenaktiven Mittels sollte am Krafft-Punkt etwa der CMC entsprechen. Auf diese Weise wird die Oberflächenspannung bei erhöhten Temperaturen auf den maximalen Wert, bei Umgebungstemperaturen auf einen minimalen Wert reduziert.The concentration of the surfactant should be approximately equal to the CMC at the Krafft point. In this way, the surface tension is reduced to the maximum value at elevated temperatures and to a minimum value at ambient temperatures.

In der folgenden Tabelle sind einige handelsübliche oberflächenaktive Mittel zusammengefaßt, deren Krafft-Punkte in dem gewünschten Bereich liegen:The following table summarizes some commercially available surfactants whose Krafft points are in the desired range:

Formel Krafft-PunktKrafft point formula

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

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

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

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

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

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

Oberflächenaktive Mittel mit Trübungspunkt im Tropfenauswahl-TemperaturbereichSurfactants with cloud point in the drop selection temperature range

Zur Herstellung einer Tinte, bei der die Oberflächenspannung mit zunehmender Temperatur sinkt, können nichtionische oberflächenaktive Mittel mit Polyoxyethylen (POE)-Ketten verwendet werden. Bei niedrigen Temperaturen ist die POE-Kette hydrophil und hält das oberflächenaktive Mittel in Lösung. Mit steigender Temperatur wird die Wasserstruktur um den POE-Teil des Moleküls gestört, und der POE-Teil wird hydrophob. Mit weiter steigenden Temperaturen wird das oberflächenaktive Mittel zunehmend vom Wasser abgestoßen, und dies führt zu einer zunehmenden Konzentration des oberflächenaktiven Mittels an der Luft/Tinten-Grenzfläche und damit zu geringerer Oberflächenspannung. Die Temperatur, bei der der POE-Teil eines nichtionischen oberflächenaktiven Mittels hydrophil wird, steht mit dem Trübungspunkt des oberflächenaktiven Mittels in Beziehung. POE-Ketten an sich sind nicht besonders geeignet, da der Trübungspunkt im allgemeinen über 100ºC liegt.To produce an ink where the surface tension decreases with increasing temperature, non-ionic surfactants with polyoxyethylene (POE) chains can be used. At low temperatures, the POE chain is hydrophilic and keeps the surfactant in solution. As the temperature increases the water structure around the POE portion of the molecule is disrupted and the POE portion becomes hydrophobic. As temperatures continue to rise, the surfactant is increasingly repelled by the water and this leads to an increasing concentration of the surfactant at the air/ink interface and hence lower surface tension. The temperature at which the POE portion of a nonionic surfactant becomes hydrophilic is related to the cloud point of the surfactant. POE chains by themselves are not particularly suitable as the cloud point is generally above 100ºC.

Um den Trübungspunkt von POE-Ketten zu senken, ohne eine starke Hydrophobie bei geringen Temperaturen zu bewirken, kann man Polyoxypropylen (POP) mit POE zu POE/POP-Blockpolymeren kombinieren.In order to lower the cloud point of POE chains without causing strong hydrophobicity at low temperatures, polyoxypropylene (POP) can be combined with POE to form POE/POP block polymers.

Symmetrische POE/POP-Blockpolymere stehen in zwei Hauptkonfigurationen zur Verfügung, nämlich:Symmetric POE/POP block polymers are available in two main configurations, namely:

1) Oberflächenaktive Mittel mit POE-Segmenten an den Enden der Moleküle und einem POP-Segment in der Mitte, wie zum Beispiel die oberflächenaktiven Mittel der Poloxymer-Klasse (generisch CAS 9003-11-6),1) Surfactants with POE segments at the ends of the molecules and a POP segment in the middle, such as the surfactants of the Poloxymer class (generic CAS 9003-11-6),

2) oberflächenaktive Mittel mit POP-Segmenten an den Enden der Moleküle und einem POE-Segment in der Mitte, wie zum Beispiel die oberflächenaktiven Mittel der Meroxapol-Klasse (generisch CAS 9003-11-6).2) surfactants with POP segments at the ends of the molecules and a POE segment in the middle, such as the surfactants of the meroxapol class (generic CAS 9003-11-6).

In der folgenden Tabelle sind einige handelsübliche Poloxamer- und Meroxapol- Abarten mit hoher Oberflächenspannung bei Raumtemperatur in Kombination mit einem Trübungspunkt über 40º und unter 100ºC zusammengefasst: The following table summarizes some commercially available Poloxamer and Meroxapol variants with high surface tension at room temperature in combination with a cloud point above 40º and below 100ºC:

Andere Poloxamer- und Meroxapol-Abarten können mit Hilfe bekannter Techniken in einfacher Weise synthetisch hergestellt werden. Wünschenswert ist eine möglichst hohe Oberflächenspannung bei Raumtemperatur und ein Trübungspunkt zwischen 40ºC und 100ºC, vorzugsweise zwischen 60ºC und 80ºC.Other poloxamer and meroxapol variants can be easily produced synthetically using known techniques. It is desirable to have as high a surface tension as possible at room temperature and a cloud point between 40ºC and 100ºC, preferably between 60ºC and 80ºC.

Geeignet können zum Beispiel Abarten von Meroxapol [HO(CHCHaCH&sub2;O)x(CH&sub2;CH&sub2;O)y(CHCH&sub3;CH&sub2;O)&sub2;HO] sein, bei denen die durchschnittlichen x- und z-Werte etwa bei 4 und der durchschnittliche y-Wert bei etwa 15 liegen.Suitable variants of meroxapol, for example, may be [HO(CHCHaCH₂O)x(CH₂CH₂O)y(CHCH₃CH₂O)₂HO], in which the average x and z values are about 4 and the average y value is about 15.

Wenn zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Tinte Salze eingesetzt werden, muss auch die Wirkung des Salzes auf den Trübungspunkt des oberflächenaktiven Mittels berücksichtigt werden.When salts are used to increase the electrical conductivity of the ink, the effect of the salt on the cloud point of the surfactant must also be taken into account.

Der Trübungspunkt von oberflächenaktiven Mitteln des POE-Typs wird durch Ionen, die die Wasserstruktur (zum Beispiel I&supmin;) stören, erhöht, da dadurch mehr Wassermoleküle verfügbar werden, die Hydrogen-Verbindungen mit freien POE- Sauerstoffpaaren eingehen können. Der Trübungspunkt von oberflächenaktiven Mitteln des POE-Typs wird durch die Wasserstruktur bildende Ione (z. B. Cl&supmin;OH&supmin;) gesenkt, da weniger Wassermoleküle zur Verfügung stehen, um Wasserstoffverbindungen einzugehen. Bromidione haben eine relativ geringe Auswirkung. Die Zusammensetzung der Tinte kann in der Weise speziell auf einen Temperaturbereich abgestimmt werden, dass man die Längen der POE- und POP-Ketten in einem als oberflächenaktives Mittel dienenden Blockpolymer durch entsprechende Auswahl der zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit zugegebenen Salze verändert (z. B. Cl&supmin; zu Br&supmin; zu I&supmin;). Die beste Wahl von Salzen zur Erhöhung der Leitfähigkeit der Tinte ist wegen des geringen Preises und der Ungiftigkeit wahrscheinlich NaCl. NaCl senkt den Trübungspunkt nichtionischer oberflächenaktiver Mittel leicht ab:The cloud point of POE-type surfactants is increased by ions that disrupt the water structure (e.g. I⊃min;) because this makes more water molecules available to form hydrogen bonds with free POE oxygen pairs. The cloud point of POE-type surfactants is increased by ions that disrupt the water structure (e.g. Cl⊃min;OH⊃min;) because fewer water molecules are available to form hydrogen bonds. Bromide ions have a relatively small effect. The composition of the ink can be tailored to a specific temperature range by changing the lengths of the POE and POP chains in a block polymer surfactant by selecting the salts added to increase electrical conductivity (e.g. Cl⁻ to Br⁻ to I⁻). The best choice of salts to increase ink conductivity is probably NaCl because of its low cost and non-toxicity. NaCl slightly lowers the cloud point of non-ionic surfactants:

Heißschmelzende TintenHot melt inks

Die Tinte braucht bei Raumtemperatur nicht flüssig zu sein. Wenn man den Druckkopf und den Tintenbehälter über den Schmelzpunkt der Tinte aufheizt, können auch feste, heißschmelzende Tinten verwendet werden. Die heißschmelzende Tinte muss so aufgebaut sein, dass die Oberflächenspannung der geschmolzenen Tinte mit sinkender Temperatur abnimmt. Für viele Zubereitungen unter Verwendung von Wachsen und anderen Substanzen ist eine Reduzierung von etwa 2 mN/m typisch. Um in Fällen, die auf die Reduzierung der Oberflächenspannung und nicht auf die Reduzierung der Viskosität abstellen, gute Betriebsspannen zu erreichen, ist jedoch eine Reduzierung der Oberflächenspannung um etwa 20 mN/m wünschenswert.The ink need not be liquid at room temperature. If the print head and ink container are heated above the melting point of the ink, solid, hot-melt inks can also be used. The hot-melt ink must be designed so that the surface tension of the molten ink decreases as the temperature decreases. For many formulations using waxes and other substances, a reduction of about 2 mN/m is typical. However, in order to achieve good operating margins in cases where the focus is on reducing surface tension rather than reducing viscosity, a reduction in surface tension of about 20 mN/m is desirable.

Die Temperaturdifferenz zwischen der Ruhetemperatur und der Tropfenauswahltemperatur kann bei heißschmelzenden Tinten größer sein als bei Tinten auf Wasserbasis, da Tinten auf Wasserbasis eine Einschränkung durch den Siedepunkt des Wassers erfahren.The temperature difference between the resting temperature and the drop selection temperature can be larger for hot melt inks than for water-based inks because water-based inks are limited by the boiling point of water.

Die Tinte muss bei Ruhetemperatur flüssig sein. Die Ruhetemperatur muss höher sein als die höchste Umgebungstemperatur, der die gedruckte Seite voraussichtlich ausgesetzt sein kann. Außerdem muss die Ruhetemperatur auch möglichst niedrig sein, um den zum Aufheizen des Druckkopfs benötigten Strom zu reduzieren und eine größtmögliche Spanne zwischen Ruhetemperatur und Tropfenausstoßtemperatur zu erhalten. Eine Ruhetemperatur zwischen 60ºC und 90ºC ist im allgemeinen zweckmäßig, wobei jedoch auch andere Temperaturen möglich sind. Als Tropfenausstoßtemperatur ist ein Bereich zwischen 160ºC und 200ºC im allgemeinen geeignet.The ink must be liquid at rest temperature. The rest temperature must be higher than the highest ambient temperature the printed page is likely to be exposed to. In addition, the rest temperature must also be as low as possible to reduce the current required to heat the print head and to obtain the largest possible range between rest temperature and drop ejection temperature. A rest temperature between 60ºC and 90ºC is generally is appropriate, although other temperatures are also possible. A range between 160ºC and 200ºC is generally suitable as a droplet ejection temperature.

Die verstärkte Reduzierung der Oberflächenspannung bei steigender Temperatur lässt sich auf unterschiedliche Weise erreichen.The increased reduction of surface tension with increasing temperature can be achieved in different ways.

1) Zugabe einer Dispersion mikrofeiner Partikel eines oberflächenaktiven Mittels mit einem Schmelzpunkt wesentlich über der Ruhetemperatur, aber wesentlich unter der Tropfenausstoßtemperatur zur heißschmelzenden Tinte in deren flüssiger Phase.1) Addition of a dispersion of microfine particles of a surfactant having a melting point substantially above the resting temperature but substantially below the drop ejection temperature to the hot-melt ink in its liquid phase.

2) Eine polare/nichtpolare Mikroemulsion mit einer Phasenumkehrtemperatur, die vorzugsweise um mindestens 20ºC über den Schmelzpunkten der polaren und nichtpolaren Verbindungen liegt.2) A polar/non-polar microemulsion with a phase inversion temperature that is preferably at least 20ºC above the melting points of the polar and non-polar compounds.

Um eine starke Reduzierung der Oberflächenspannung mit der Temperatur zu erreichen, sollte der heißschmelzende Tintenträger vorzugsweise eine hohe Oberflächenspannung (über 30 mN/m) bei Ruhetemperatur aufweisen. Dies schließt im allgemeine Alkane, zum Beispiele Wachse, aus. Geeignete Materialien weisen im allgemeinen starke intermolekulare Anziehung auf, die durch Mehrfach-Wasserstoffbindungen erreicht werden kann, wie zum Beispiel bei Polyolen, etwa Hexantetrol, das einen Schmelzpunkt von 88ºC aufweist.In order to achieve a strong reduction in surface tension with temperature, the hot-melt ink carrier should preferably have a high surface tension (above 30 mN/m) at rest temperature. This generally excludes alkanes, for example waxes. Suitable materials generally have strong intermolecular attraction, which can be achieved by multiple hydrogen bonds, such as polyols, such as hexanetrol, which has a melting point of 88ºC.

Reduzierung der Oberflächenspannung verschiedener LösungenReduction of the surface tension of various solutions

Fig. 3(d) zeigt die gemessene Auswirkung der Temperatur auf die Oberflächenspannung verschiedener wässriger Zubereitungen mit den folgenden Zusätzen:Fig. 3(d) shows the measured effect of temperature on the surface tension of various aqueous preparations with the following additives:

1) 0,1%iges Stearinsäuresol1) 0.1% stearic acid sol

2) 0,1%iges Palmitinsäuresol2) 0.1% palmitic acid sol

3) 0,1%iges Pluoric 10R5-Lösung (BASF-Warenzeichen)3) 0.1% Pluoric 10R5 solution (BASF trademark)

4) 0,1%iges Pluoric L35-Lösung (BASF-Warenzeichen)4) 0.1% Pluoric L35 solution (BASF trademark)

5) 0,1%iges Pluoric L44-Lösung (BASF-Warenzeichen)5) 0.1% Pluoric L44 solution (BASF trademark)

Arbeitsweise mit Reduzierung der Viskosität:Working method with reduction of viscosity:

Das im folgenden beschriebene Beispiel wird nicht beansprucht.The example described below is not claimed.

Dieses Beispiel arbeitet mit thermischer Reduzierung der Viskosität und Proximity- Tropfenablösung in Kombination mit einer heißschmelzenden Tinte. Vor dem Betrieb des Druckers wird die feste Tinte im Behälter 64 geschmolzen. Der Behälter, die Tintenleitung zum Druckkopf, die Tintenkanäle 75 und der Druckkopf 50 werden auf einer Temperatur gehalten, bei der die Tinte 100 flüssig ist, aber eine relativ hohe Viskosität (z. B. etwa 100 cP) aufweist. Die Tinte 100 wird durch die Oberflächenspannung der Tinte in der Düse zurückgehalten. Die Tinte 100 ist derart aufgebaut, dass ihre Viskosität mit steigender Temperatur abnimmt. Der Tintendruck schwingt mit einer Frequenz, die gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Tropfenausstoßfrequenz aus der Düse ist. Das Schwingen des Tintendrucks führt zu einem Schwingen des Tintenmeniskus an den Düsenspitzen, wobei dieses Schwingen wegen der hohen Viskosität der Tinte jedoch gering ist. Bei normaler Betriebstemperatur sind diese Schwingungen nicht stark genug, um zu einer Ablösung des Tropfens zu führen. Wird das Heizelement 103 eingeschaltet, wird die den ausgewählten Tropfen bildende Tinte aufgeheizt, so dass sich die Viskosität auf einen Wert verringert, der vorzugsweise unter 5 cP liegt. Die verringerte Viskosität führt dazu, dass der Tintenmeniskus sich weiter durch den Hochdruckteil des Tintendruckzyklus bewegt. Das Aufzeichnungsmedium 51 befindet sich so nahe am Druckkopf 50, dass die ausgewählten Tropfen mit dem Aufzeichnungsmedium 51 in Berührung gelangen, andererseits jedoch so weit von ihm entfernt, dass die nicht ausgewählten Tropfen mit dem Aufzeichnungsmedium 51 nicht in Berührung gelangen. Bei Berührung des Aufzeichnungsmediums 51 erstarrt ein Teil des ausgewählten Tropfens und bleibt an dem Aufzeichnungsmedium haften. Mit fallendem Tintendruck beginnt die Tinte, sich wieder in die Düse zurückzuziehen. Die Masse der Tinte löst sich von der am Aufzeichnungsmedium haften gebliebenen Tinte. Der Tintenmeniskus 100 an der Düsenspitze beginnt wieder, mit geringerer Amplitude zu schwingen. Mit der Ableitung der noch vorhandenen Wärme in die Tintenmasse und den Druckkopf steigt die Viskosität der Tinte wieder auf die Viskosität im Ruhezustand an. Bei jedem Wärmeimpuls erfolgt die Auswahl eines Tintentropfens, der sich von der Masse der Tinte ablöst und einen Punkt auf dem Aufzeichnungsmedium 51 ausbildet. Da die Wärmeimpulse elektrisch gesteuert sind, kann so ein Drop-on-demand-Tintenstrahldruckbetrieb erreicht werden.This example uses thermal viscosity reduction and proximity drop detachment in combination with a hot melt ink. Before the printer is operated, the solid ink in the reservoir 64 is melted. The reservoir, the ink line to the printhead, the ink channels 75 and the printhead 50 are maintained at a temperature at which the ink 100 is liquid but has a relatively high viscosity (e.g., about 100 cP). The ink 100 is retained in the nozzle by the surface tension of the ink. The ink 100 is designed such that its viscosity decreases as the temperature increases. The ink pressure oscillates at a frequency that is an integer multiple of the drop ejection frequency from the nozzle. The oscillation of the ink pressure causes the ink meniscus at the nozzle tips to oscillate, but this oscillation is small because of the high viscosity of the ink. At normal operating temperatures, these oscillations are not strong enough to cause drop detachment. When the heater 103 is turned on, the ink forming the selected drop is heated so that the viscosity is reduced to a value that is preferably less than 5 cP. The reduced viscosity causes the ink meniscus to continue to move through the high pressure portion of the ink printing cycle. The recording medium 51 is located close enough to the print head 50 that the selected drops come into contact with the recording medium 51, but far enough away from it that the unselected drops do not come into contact with the recording medium 51. When the recording medium 51 is touched, a portion of the selected drop solidifies and adheres to the recording medium. As the ink pressure drops, the ink begins to withdraw back into the nozzle. The bulk of the ink separates from the ink that has adhered to the recording medium. The ink meniscus 100 at the nozzle tip begins to oscillate again at a lower amplitude. As the remaining heat is dissipated into the ink mass and the print head, the viscosity of the ink rises again to the viscosity at rest. With each heat pulse, an ink drop is selected, which detaches from the ink mass and forms a dot on the recording medium 51. Since the If heat pulses are electrically controlled, drop-on-demand inkjet printing can be achieved.

Bildverarbeitung für DruckköpfeImage processing for print heads

Eine Aufgabe der erfindungsgemäßen Drucksysteme besteht darin, eine Druckqualität entsprechend jener zu erreichen, an die die Menschen von Qualitäts-Farbdrucken gewöhnt sind, die mittels des Offsetverfahrens gedruckt wurden. Dies kann durch einen hochaufgelösten Druck mit etwa 1.600 dpi erreicht werden. Allerdings ist das Drucken mit 1.600 dpi schwierig und teuer. Man kann vergleichbare Ergebnisse auch beim Drucken mit 800 dpi mit 2 Bits je Pixel für Cyan und Magenta und einem Bit je Pixel für Gelb und Schwarz erreichen. Im folgenden wird dieses Farbmodell als CC'MM'YK bezeichnet. Wenn auch einfarbige Bilder hoher Qualität gedruckt werden sollen, können auch zwei Bits je Pixel für Schwarz verwendet werden. Dieses Farbmodell wird im folgenden als CC'MM'YKK' bezeichnet.One object of the printing systems according to the invention is to achieve a print quality corresponding to that to which people are accustomed from quality color prints printed by means of the offset process. This can be achieved by high-resolution printing at about 1,600 dpi. However, printing at 1,600 dpi is difficult and expensive. Comparable results can also be achieved by printing at 800 dpi with 2 bits per pixel for cyan and magenta and one bit per pixel for yellow and black. In the following, this color model is referred to as CC'MM'YK. If high-quality monochrome images are also to be printed, two bits per pixel for black can also be used. This color model is referred to as CC'MM'YKK'.

Anwendungen unter Verwendung erfindungsgemäßer DruckköpfeApplications using printheads according to the invention

Die erfindungsgemäßen Druckvorrichtungen und Verfahren eignen sich für vielerlei Anwendungen, darunter (unter anderem): Den Farb- und Einfarben-Bürodruck, den digitalen Druck mit geringer Auflage, den digitalen Hochleistungs-Druck, den Mehrfarbendruck, den Schmuckfarbendruck, Offset-Beilagendruck, kostengünstige Drucker mit Abtast-Druckköpfen, Hochleistungsdrucker mit seitenbreiten Druckköpfen, tragbare Farb- und Monochromdrucker, Farb- und Monochromkopierer, Farb- und Monochrom- Telefaxgeräte, kombinierte Druck-, Telefax- und Kopiergeräte, Etikettendrucker, großformatige Plotter, fotografische Vervielfältigungsgeräte, Drucker für die digitale Fotoverarbeitung, in digitale Sofortkameras integrierte tragbare Drucker, den Videodruck, das Drucken von Photo-CD-Bildern, tragbare Drucker für "digitale persönliche Assistenten", den Tapetendruck, den Schilder- und Plakatdruck für den Innen- und Außeneinsatz und den Stoffdruck.The printing devices and methods of the invention are useful in a wide variety of applications including (but not limited to): color and monochrome office printing, short run digital printing, high performance digital printing, multi-color printing, spot color printing, offset insert printing, low cost printers with scanning print heads, high performance printers with page-wide print heads, portable color and monochrome printers, color and monochrome copiers, color and monochrome facsimile machines, combined printer, facsimile and copier machines, label printers, large format plotters, photographic duplicators, digital photo processing printers, portable printers integrated with digital instant cameras, video printing, photo CD image printing, portable "digital personal assistant" printers, wallpaper printing, indoor and outdoor sign and poster printing, and fabric printing.

Ausgleich von Druckköpfen bezüglich der UmweltbedingungenBalancing printheads for environmental conditions

Bei Drop-on-demand-Drucksystemen sollten die Tropfen stets eine gleichbleibende und vorhersagbare Tropfengröße und Position aufweisen. Unerwünschte Schwankungen der Größe und Position der Tintentropfen führen zu Unterschieden in der optischen Dichte des erhaltenen Drucks und damit zu geringerer sichtbarer Druckqualität. Daher müssen diese Schwankungen innerhalb eines geringen Verhältnisses zum Nennvolumen des Tintentropfens bzw. zum Pixelabstand gehalten werden. Dabei können viele Umweltvariablen ausgeglichen werden, um ihre Auswirkung auf ein unbeachtliches Maß zu reduzieren. Bei einigen Faktoren kann ein aktiver Ausgleich durch Veränderung des an das Düsenheizelement angelegten Stroms erreicht werden.In drop-on-demand printing systems, the droplets should always be of a consistent and predictable drop size and position. Undesirable variations in the size and position of the ink droplets lead to differences in the optical density of the resulting print and thus to lower visible print quality. Therefore, these variations must be kept within a small ratio to the nominal volume of the ink droplet or the pixel pitch. Many environmental variables can be compensated for to reduce their impact to negligible levels. For some factors, active compensation can be achieved by changing the current applied to the nozzle heater.

Bei einem optimalen Temperaturprofil einer Ausführungsform eines Druckkopfs wird der aktive Bereich der Düsenspitze schnell auf die Ausstoßtemperatur aufgeheizt, während der Impulsdauer auf der Ausstoßtemperatur gehalten und anschließend rasch wieder auf die Umgebungstemperatur abgekühlt.In an optimal temperature profile of a print head embodiment, the active area of the nozzle tip is quickly heated to the ejection temperature, maintained at the ejection temperature during the pulse duration and then quickly cooled back to the ambient temperature.

Dieses Optimum ist wegen der gespeicherten Wärmekapazitäten und der Wärmeleitfähigkeiten der verschiedenen, für die Herstellung der erfindungsgemäßen Düsen verwendeten Materialien nicht erreichbar. Eine verbesserte Leistung kann jedoch dadurch erreicht werden, dass die Kurve des Stromimpulses durch schrittweise Verfeinerung der Finitelement-Simulation des Druckkopfs abgeleitet wird. Der an das Heizelement angelegte Strom kann zeitlich mittels verschiedener Techniken variiert werden, unter anderem durchThis optimum is not achievable due to the stored heat capacities and the thermal conductivities of the various materials used to make the nozzles of the invention. However, improved performance can be achieved by deriving the current pulse curve by gradually refining the finite element simulation of the print head. The current applied to the heating element can be varied over time using various techniques, including

1) Variieren der an das Heizelement angelegten Spannung,1) Varying the voltage applied to the heating element,

2) Modulieren der Breite einer Reihe kurzer Impulse (PWM),2) Modulating the width of a series of short pulses (PWM),

3) Modulieren der Frequenz einer Reihe kurzer Impulse (PFM).3) Modulating the frequency of a series of short pulses (PFM).

Um genaue Ergebnisse zu erhalten, ist ferner eine Kurzzeit-Simulation der Flüssigkeitsdynamik mit Abbildung der freien Oberfläche erforderlich, da die Konvektion in der Tinte und das Fließen der Tinte einen wesentlichen Einfluss auf die mit einer bestimmten Stromkurve erzielbare Temperatur haben.In order to obtain accurate results, a short-term simulation of the fluid dynamics with a free surface image is also required, since the convection in the ink and the flow of the ink have a significant influence on the temperature that can be achieved with a certain current curve.

Durch Integration entsprechender digitaler Schaltungen in den Druckkopfträger ist es möglich, den an jede Düse angelegten Strom einzeln zu steuern. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, eine Vielzahl unterschiedlicher digitaler Impulsfolgen über den gesamten Druckkopf-Chip hinweg zu senden und die entsprechende Impulsfolge für die einzelnen Düsen durch Multiplexschaltungen auszuwählen.By integrating appropriate digital circuits into the printhead carrier, it is possible to control the current applied to each nozzle individually. One way to achieve this is to send a large number of different digital pulse sequences across the entire printhead chip and to select the appropriate pulse sequence for the individual nozzles using multiplexing circuits.

Beispiele der Umweltfaktoren, die ausgeglichen werden können, sind in der Tabelle "Ausgleich für Umweltfaktoren" zusammengefasst. In dieser Tabelle ist auch angegeben, welche Umweltfaktoren am besten global (für den gesamten Druckkopf) je Chip (bei zusammengesetzten Mehrchip-Druckköpfen für jeden Chip einzeln) und je Düse ausgeglichen werden können. Ausgleich für Umweltfaktoren Examples of the environmental factors that can be compensated are summarized in the Environmental Compensation table. This table also indicates which environmental factors can best be compensated globally (for the entire printhead), per chip (for each chip individually in composite multi-chip printheads) and per nozzle. Environmental Compensation

Bei den meisten Anwendungen wird nicht der Ausgleich aller dieser Variablen erforderlich sein. Manche Variable haben nur geringere Auswirkungen, und dann wird ein Ausgleich nur nötig sein, wenn eine sehr hohe Bildqualität gefordert ist.In most applications, it will not be necessary to compensate for all of these variables. Some variables will have a smaller impact and then compensation will only be necessary if very high image quality is required.

Druckkopf-TreiberschaltungenPrinthead driver circuits

Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der elektronischen Funktion eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Druckkopf-Treiberschaltung. Diese Steuerschaltung verwendet zur Modulation des an das Heizelement angelegten Stromes die analoge Modulation der an den Druckkopf angelegten Spannung der Stromversorgung; eine Einzelsteuerung des an die einzelnen Düsen angelegten Stroms ist nicht vorgesehen. Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems mit einem seitenbreiten 800 dpi-Druckkopf für den Farbdruck mittels des CC'MM'YK- Farbmodells. Der Druckkopf 50 besitzt insgesamt 79.488 Düsen mit 39.744 Hauptdüsen und 39.744 redundanten Düsen. Die Hauptdüsen und die redundanten Düsen sind in sechs Farben unterteilt, wobei jede Farbe in acht Treiberphasen unterteilt ist. Jede Treiberphase besitzt ein Schieberegister, das die von einer ASIC 400 der Kopfsteuerung kommenden seriellen Daten in parallele Daten zur Aktivierung der Treiberschaltungen des Heizelements umwandelt. Insgesamt sind 96 Schieberegister vorhanden, die jeweils 828 Düsen mit Daten versorgen. Jedes Schieberegister besteht aus 828 Schieberegisterstufen 217, deren Ausgaben logisch über ein NAND-Gate 215 mit dem Phasenaktiviersignal nach UND verknüpft sind. Die Ausgabe des NAND-Gates 215 steuert einen Umkehrpuffer 216 an, der seinerseits den Ansteuerungstransistor 201 steuert. Der Ansteuerungstransistor 201 aktiviert das elektrothermische Heizelement 200, bei dem es sich um ein Heizelement 103 der in Fig. 1(b) dargestellten Art handeln kann. Um die Gültigkeit der verschobenen Daten während des Aktivierungsimpulses aufrechtzuerhalten, wird der Taktgeber des Schieberegisters mittels einer Taktgebersperre 218, die der Klarheit halber als einfaches Gate dargestellt ist, vorzugsweise aber aus einer beliebigen glitchfreien Taktgeber-Steuerschaltung aus einer bekannten Gruppe solcher Schaltungen bestehen kann, angehalten und der Aktivierungsimpuls aktiv gehalten. Durch das Anhalten des Taktgebers des Schieberegisters wird ein paralleler Datenspeicher im Druckkopf überflüssig, wobei allerdings die Steuerschaltungen für die ASIC 400 der Kopfsteuerung etwas komplizierter werden. Die Daten werden je nach dem Zustand des entsprechenden Signals auf dem Fehlerstatus-Bus über den Datenrouter 219 entweder den Hauptdüsen oder den redundanten Düsen zugeführt.Fig. 4 is a schematic block diagram of the electronic operation of an example of a print head driver circuit according to the invention. This control circuit uses analog modulation of the power supply voltage applied to the print head to modulate the current applied to the heater element; there is no provision for individual control of the current applied to each nozzle. Fig. 4 is a block diagram of a system having an 800 dpi page-wide print head for color printing using the CC'MM'YK color model. The print head 50 has a total of 79,488 nozzles with 39,744 main nozzles and 39,744 redundant nozzles. The main nozzles and the redundant nozzles are divided into six colors, with each color divided into eight drive phases. Each drive phase has a shift register which converts serial data from a head controller ASIC 400 into parallel data for activating the heater driver circuits. There are a total of 96 shift registers, each of which supplies 828 nozzles with data. Each shift register consists of 828 shift register stages 217, whose outputs are logically are ANDed with the phase enable signal via a NAND gate 215. The output of the NAND gate 215 drives an inverting buffer 216 which in turn drives the drive transistor 201. The drive transistor 201 activates the electrothermal heater 200 which may be a heater 103 of the type shown in Fig. 1(b). To maintain the validity of the shifted data during the enable pulse, the shift register clock is stopped and the enable pulse is kept active by means of a clock latch 218 which is shown as a simple gate for clarity but may preferably be any glitch-free clock control circuit from a known group of such circuits. Stopping the shift register clock eliminates the need for parallel data storage in the print head, but does add some complexity to the control circuitry for the head controller ASIC 400. The data is fed to either the main nozzles or the redundant nozzles via the data router 219, depending on the state of the corresponding signal on the error status bus.

In Fig. 4 ist der Druckkopf vereinfacht dargestellt; die verschiedenen Mittel zur Verbesserung der Produktionsausbeute, etwa die Blockfehlertoleranz, sind nicht dargestellt. Treiberschaltungen für unterschiedliche Druckkopfausbildungen können ohne weiteres von der hierin beschriebenen Vorrichtung abgeleitet werden.In Fig. 4, the print head is shown in a simplified form; the various means for improving production yield, such as block error tolerance, are not shown. Driver circuits for different print head designs can be easily derived from the device described here.

Die digitalen, auf dem Aufzeichnungsmedium zu druckende Punktemuster repräsentierenden Informationen werden im Seiten- oder Streifenspeicher 1513 gespeichert, der mit dem in Fig. 1(a) dargestellten Bildspeicher 72 identisch sein kann. Die in 32 Bitwörtern, die Punkte einer Farbe repräsentieren, enthaltenen Daten werden mittels Adressen, die vom Adreß-MUX 417 und mittels von der Speicherschnittstelle 418 erzeugter Steuersignale ausgewählt werden, aus dem Seiten- oder Streifenspeicher 1513 ausgelesen. Die Adressen werden von Adreßgeneratoren 411 erzeugt, die Bestandteil der "Einzelfarbenschaltungen" 410 sind, von denen es für jede der sechs Farbkomponenten eine gibt. Die Adressen werden auf der Basis der Positionen der Düsen relativ zum Druckmedium erzeugt. Da die relative Position der Düsen bei verschiedenen Druckköpfen unterschiedlich sein kann, sind die Adreßgeneratoren 411 vorzugsweise programmierbar. Die Adreßgeneratoren 411 erzeugen normalerweise die Adressen entsprechend der Position der Hauptdüsen. Wenn jedoch fehlerhafte Düsen vorliegen, können die Positionen von Fehler enthaltenden Düsenblöcken im Fehlermap-RAM 412 markiert werden. Der Fehlermap-RAM 412 wird während des Druckens der Seite ausgelesen. Wenn der Speicher einen Fehler im Düsenblock anzeigt, wird die Adresse verändert, und die Adreßgeneratoren 411 erzeugen die Adresse entsprechend der Position der redundanten Düsen. Die aus dem Seiten- oder Streifenspeicher 1513 ausgelesenen Daten werden im Zwischenspeicher 413 zwischengespeichert und vom Multiplexer 414 in vier fortlaufende Bytes umgewandelt. Das Timing dieser Bytes wird im FIFO 415 dem Timing der andere Farben repräsentierenden Daten angepasst. Anschließend werden die Daten im Puffer 430 zur Ausbildung des 48-Bit-Hauptdatenbus zum Druckkopf 50 gepuffert. Das Puffern der Daten geschieht deshalb, weil der Druckkopf relativ weit von der ASIC der Druckkopfsteuerung entfernt angeordnet sein kann. Auch die vom Fehlermap-RAM 412 kommenden Daten werden in den FIFO 416 eingegeben. Das Timing dieser Daten wird der Datenausgabe des FIFO 415 angepasst, und die Daten werden zur Ausbildung des Fehlerstatus-Bus im Puffer 431 gepuffert.The digital information representing dot patterns to be printed on the recording medium is stored in page or stripe memory 1513, which may be identical to image memory 72 shown in Fig. 1(a). The data, contained in 32 bit words representing dots of one color, is read from page or stripe memory 1513 by means of addresses selected by address MUX 417 and control signals generated by memory interface 418. The addresses are generated by address generators 411 which are part of "single color circuits" 410, one of which exists for each of the six color components. The addresses are generated based on the positions of the nozzles relative to the printing medium. Since the relative position of the nozzles may vary for different printheads, the address generators 411 are preferably programmable. The address generators 411 typically generate the addresses corresponding to the position of the main nozzles. However, if there are faulty nozzles, the positions of nozzle blocks containing faults can be marked in the fault map RAM 412. The fault map RAM 412 is read as the page is printed. If the memory indicates a fault in the nozzle block, the address is changed and the address generators 411 generate the address corresponding to the position of the redundant nozzles. The data read from the page or stripe memory 1513 is buffered in the buffer 413 and converted into four consecutive bytes by the multiplexer 414. The timing of these bytes is adjusted in the FIFO 415 to the timing of the data representing other colors. The data is then buffered in buffer 430 to form the 48-bit main data bus to the printhead 50. The buffering of the data is done because the printhead may be located relatively far from the printhead controller ASIC. Data from the error map RAM 412 is also input to the FIFO 416. The timing of this data is adjusted to the data output of the FIFO 415 and the data is buffered in buffer 431 to form the error status bus.

Der Druckkopf 50 wird von der programmierbaren Stromversorgung 320 mit Strom versorgt. Die Spannung der Stromversorgung 320 wird vom DAC 313 gesteuert, der Bestandteil einer RAM- und DAC-Kombination (RAMDAC) 316 ist. Der RAMDAC 316 enthält einen Zweiweg-RAM 317. Der Inhalt des Zweiweg-RAMs 317 wird über die Mikrosteuerung 315 programmiert. Die Temperatur wird in der Weise ausgeglichen, dass man den Inhalt des Zweiweg-RAMs 317 verändert. Die Werte werden von der Mikrosteuerung 315 anhand der vom Wärmesensor 300 erfassten Temperatur errechnet. Das Signal des Wärmesensors 300 wird dem Analog/Digital-Wandler (ADC) 311 zugeführt. Der ADC 311 ist vorzugsweise in die Mikrosteuerung 315 integriert.The print head 50 is powered by the programmable power supply 320. The voltage of the power supply 320 is controlled by the DAC 313, which is part of a RAM and DAC combination (RAMDAC) 316. The RAMDAC 316 contains a two-way RAM 317. The contents of the two-way RAM 317 are programmed by the microcontroller 315. Temperature is compensated by changing the contents of the two-way RAM 317. The values are calculated by the microcontroller 315 based on the temperature sensed by the thermal sensor 300. The signal from the thermal sensor 300 is fed to the analog-to-digital converter (ADC) 311. The ADC 311 is preferably integrated into the microcontroller 315.

Die ASIC 400 der Kopfsteuerung enthält Steuerschaltungen für den Ausgleich der Wärmeträgheit und Druckdichte. Für den Ausgleich der Wärmeträgheit ist es erforderlich, dass die Spannung der Stromversorgung des Kopfs 50 eine sich zeitlich verändernde und mit dem Aktivierungsimpuls für das Heizelement synchronisierte Spannung ist. Dies wird dadurch erreicht, dass man die programmierbare Stromversorgung 320 entsprechend programmiert, um diese Spannung zu erhalten.The head controller ASIC 400 contains control circuits for thermal inertia and print density compensation. Thermal inertia compensation requires that the head 50 power supply voltage be a time-varying voltage synchronized with the heater activation pulse. This is accomplished by programming the programmable power supply 320 to maintain this voltage.

Der DAC 313 erzeugt aus den aus dem Zweiweg-RAM 317 ausgelesenen Daten eine analoge, sich zeitlich verändernde Programmierspannung. Dabei werden die Daten entsprechend einer vom Zähler 403 erzeugten Adresse ausgelesen. Der Zähler 403 erzeugt während der Dauer eines Aktivierungsimpulses einen vollständigen Adressenzyklus. Diese Synchronisierung ist dadurch sichergestellt, dass der Zähler 403 von dem Systemtaktgeber 408 getaktet wird und der oberste Zählimpuls des Zählers 403 dazu dient, den Aktivierungszähler 404 zu schalten. Der Wert des Aktivierungszählers 404 wird dann durch den Decoder 405 decodiert und im Puffer 432 gepuffert, um die Aktivierungsimpulse für den Kopf 50 zu erzeugen. Wenn die Anzahl der Zustände im Zählwert geringer ist als die Anzahl der Taktperioden in einem Aktivierungsimpuls, kann der Zähler 403 einen Vorteiler aufweisen. Für den präzisen Ausgleich der Wärmeträgheit des Heizelements sind sechzehn Spannungszustände ausreichend. Diese sechzehn Zustände können durch Verwendung einer Vier-Bit- Verbindung zwischen dem Zähler 403 und dem Zweiweg-RAM 317 vorgegeben werden. Allerdings dürfen diese sechzehn Zustände zeitlich nicht gleichmäßig beabstandet sein. Um ein nichtlineares Timing dieser Zustände zu ermöglichen, kann der Zähler 403 auch einen ROM oder eine andere Vorrichtung umfassen, die den Zähler 403 veranlasst, nichtlinear zu zählen. Alternativ können auch weniger als sechzehn Zustände verwendet werden.The DAC 313 generates an analog time-varying programming voltage from the data read from the dual-port RAM 317. The data is read out according to an address generated by the counter 403. The counter 403 generates a complete address cycle during the duration of an activation pulse. This synchronization is ensured by the fact that the counter 403 is clocked by the system clock 408 and the top count pulse of the counter 403 is used to switch the activation counter 404. The value of the activation counter 404 is then decoded by the decoder 405 and buffered in the buffer 432 to generate the activation pulses for the head 50. If the number of states in the count value is less than the number of clock periods in an activation pulse, the counter 403 may include a prescaler. To precisely compensate for the thermal inertia of the heating element, sixteen voltage states are sufficient. These sixteen states can be specified using a four-bit connection between the counter 403 and the two-way RAM 317. However, these sixteen states must not be evenly spaced in time. To allow for non-linear timing of these states, the counter 403 can also include a ROM or other device that causes the counter 403 to count non-linearly. Alternatively, fewer than sixteen states can be used.

Zum Ausgleich der Druckdichte wird die Druckdichte dadurch erfasst, dass man die Anzahl der Pixel zählt, für die in jeder Aktivierungsperiode ein Tropfen zu drucken ist ("aktive Pixel"). Die "aktiven Pixel" werden durch den Zähler 402 für aktive Pixel gezählt. Für jede der acht Aktivierungsphasen ist ein Zähler 402 für aktive Pixel vorhanden. Die Anzahl der Aktivierungsphasen in einem erfindungsgemäßen Druckkopf ist abhängig von der jeweiligen Konstruktion. Zweckmäßig sind 4, 8 und 16, aber die Anzahl der Aktivierungsphasen muss nicht einer Potenz von zwei entsprechen. Bei den Zählern 402 für aktive Pixel kann es sich um kombinatorische logische Pixelzähler 420 handeln, die feststellen, wie viele Bits in einem Daten- Halbbyte aktiv sind. Die Anzahl wird dann im Addierer 421 und im Akkumulator 422 akkumuliert. Ein Zwischenspeicher 423 hält den akkumulierten Wert während der Dauer des Aktivierungsimpulses aktiv. Der Multiplexer 401 wählt den Ausgang des Zwischenspeichers 423, der der vom Aktivierungszähler 404 bestimmten aktuellen Aktivierungsphase entspricht. Die Ausgabe des Multiplexers 401 bildet einen Teil der Adresse des Zweiweg-RAMs 317. Eine exakte Zählung der Anzahl der aktiven Pixel ist nicht nötig, ausreichend sind die vier höchstwertigen Bits des Zählwerts.To compensate for print density, print density is determined by counting the number of pixels for which a drop is to be printed in each activation period ("active pixels"). The "active pixels" are counted by active pixel counter 402. An active pixel counter 402 is provided for each of the eight activation phases. The number of activation phases in a printhead according to the invention depends on the particular design. Four, eight and 16 are suitable, but the number of activation phases need not be a power of two. Active pixel counters 402 may be combinatorial logic pixel counters 420 which determine how many bits in a data nibble are active. The number is then accumulated in adder 421 and accumulator 422. A latch 423 holds the accumulated value active for the duration of the activation pulse. The multiplexer 401 selects the output of the latch 423 corresponding to the current value determined by the activation counter 404. The output of the multiplexer 401 forms part of the address of the dual-port RAM 317. An exact count of the number of active pixels is not necessary; the four most significant bits of the count value are sufficient.

Die Kombination der vier Bits der Adresse für den Wärmeträgheitsausgleich und der vier Bits der Adresse für den Druckdichteausgleich bedeutet, dass der Zweiweg-RAM 317 eine Acht-Bit-Adresse haben muss. Dies bedeutet, dass der Zweiweg-RAM 317 256 Zahlen in einer zweidimensionalen Anordnung enthält. Die zwei Dimensionen sind Zeit (für den Wärmeträgheitsausgleich) und Druckdichte. Außerdem kann eine dritte Dimension - Temperatur - vorgesehen werden. Da die Umgebungstemperatur des Kopfs sich nur langsam verändert, hat die Mikrosteuerung 315 ausreichend Zeit, eine Matrix von 256 Zahlen zum Ausgleich der Wärmeträgheit und der Druckdichte bei der aktuellen Temperatur zu berechnen. In periodischen Abständen (zum Beispiel einige Male pro Sekunde) erfasst die Mikrosteuerung die aktuelle Druckkopftemperatur und berechnet diese Matrix.The combination of the four bits of the thermal inertia compensation address and the four bits of the print density compensation address means that the two-way RAM 317 must have an eight-bit address. This means that the two-way RAM 317 contains 256 numbers in a two-dimensional array. The two dimensions are time (for thermal inertia compensation) and print density. A third dimension - temperature - can also be provided. Since the ambient temperature of the head changes only slowly, the microcontroller 315 has sufficient time to calculate a matrix of 256 numbers to compensate for thermal inertia and print density at the current temperature. At periodic intervals (for example, several times per second), the microcontroller senses the current print head temperature and calculates this matrix.

Der Takt des Druckkopfs 50 wird, ausgehend vom Systemtaktgeber 408, vom Druckkopf-Taktgenerator 407 erzeugt und im Puffer 406 gepuffert. Zum leichteren Testen der ASIC der Druckkopfsteuerung können auch JTAG-Testschaltungen 499 vorgesehen sein.The clock of the print head 50 is generated by the print head clock generator 407, starting from the system clock 408, and buffered in the buffer 406. To facilitate testing of the ASIC of the print head control, JTAG test circuits 499 can also be provided.

Vergleich mit der Thermotintenstrahl-TechnologieComparison with thermal inkjet technology

In der Tabelle "Vergleich zwischen der Thermotintenstrahl-Technologie und der vorliegenden Erfindung" werden die Aspekte des erfindungsgemäßen Druckens mit der Thermotintenstrahl-Technologie verglichen.The table "Comparison between Thermal Inkjet Technology and the Present Invention" compares aspects of printing according to the present invention with thermal inkjet technology.

Der direkte Vergleich zwischen der vorliegenden Erfindung und der Thermotintenstrahl-Technologie erfolgt deshalb, weil es sich bei beiden Technologien um Drop-on-demand-Systeme handelt, die mit Wärmeaktivierung und flüssiger Tinte arbeiten. Wenn diese beiden Technologien auch ähnlich erscheinen, arbeiten sie doch nach unterschiedlichen Prinzipien.The direct comparison between the present invention and thermal inkjet technology is made because both technologies are drop-on-demand systems that use heat activation and liquid ink. Although these two technologies appear similar, they operate on different principles.

Thermotintenstrahldrucker arbeiten nach dem folgenden Grund-Betriebssystem: Ein durch eine elektrische Widerstandsheizung erzeugter Wärmeimpuls führt zur plötzlichen Bildung einer Blase in der flüssigen Tinte. Die schnelle und gleichbleibende Blasenbildung kann durch Überhitzung der Tinte derart bewirkt werden, dass genügend Wärme an die Tinte übertragen wird, bevor die Blasenbildung abgeschlossen ist. Bei Tinte auf Wasserbasis sind dafür Temperaturen von etwa 280ºC bis 400ºC erforderlich. Die Blasenbildung erzeugt eine Druckwelle, die einen Tintentropfen mit hoher Geschwindigkeit durch die Düsenöffnung herausdrückt. Dann fällt die Blase in sich zusammen, wodurch Tinte zum Wiederauffüllen der Düse aus dem Behälter angesaugt wird. Der Thermotintenstrahldruck ist wegen der hohen Düsenpackungsdichte und des Einsatzes bekannter Fertigungstechniken für integrierte Schaltungen wirtschaftlich sehr erfolgreich. Allerdings sieht sich die Thermotintenstrahl-Technologie großen technischen Problemen gegenüber, zum Beispiel im Zusammenhang mit der Präzisionsfertigung der vielen Teile, der Produktionsausbeute, dem Prasselgeräusch, der Druckgeschwindigkeit, dem Treibertransistor-Strom, der Leistungsverlust-Ableitung, der Bildung von Nebentröpfchen, der Wärmebeanspruchung, unterschiedlicher Wärmedehnung, Kogitation, Cavitation, der gerichteten Diffusion und Schwierigkeiten bei der Formulierung der Tinte.Thermal inkjet printers work on the following basic operating system: A heat pulse generated by an electrical resistance heater causes a bubble to suddenly form in the liquid ink. The rapid and consistent bubble formation can be achieved by overheating the ink so that enough heat is transferred to the ink before the bubble formation is complete. For water-based ink, temperatures of around 280ºC to 400ºC are required. The bubble formation creates a pressure wave that pushes a drop of ink out of the nozzle opening at high speed. The bubble then collapses, drawing ink from the reservoir to refill the nozzle. Thermal inkjet printing is very successful commercially because of the high nozzle packing density and the use of well-known integrated circuit manufacturing techniques. However, thermal inkjet technology faces major technical problems, such as precision manufacturing of the many parts, production yield, crackling noise, printing speed, drive transistor current, power loss dissipation, formation of side droplets, thermal stress, differential thermal expansion, cogitation, cavitation, directional diffusion, and difficulties in ink formulation.

Das erfindungsgemäße Druckverfahren bietet viele der Vorteile des Thermotintenstrahl-Druckverfahrens und überwindet - vollständig oder in wesentlichem Umfang - viele der der Thermotintenstrahl-Technologie eigenen Probleme. Vergleich zwischen dem Thermotintenstrahlverfahren und der Erfindung The printing process according to the invention offers many of the advantages of the thermal ink jet printing process and overcomes - completely or to a significant extent - many of the problems inherent in thermal ink jet technology. Comparison between the thermal ink jet process and the invention

Ausbeute und FehlertoleranzYield and fault tolerance

In den meisten Fällen können monolithische integrierte Schaltungen nicht repariert werden, wenn sie bei der Herstellung nicht voll funktionsfähig sind. Als Ausbeute bezeichnet man den Prozentsatz der funktionsfähigen Vorrichtungen, die in einem Platinen-Produktionsgang hergestellt werden. Die Ausbeute hat einen direkten Einfluss auf die Herstellungskosten. Eine Vorrichtung mit einer Ausbeute von 5% ist effektiv 10mal teurer in der Herstellung als eine gleiche Vorrichtung mit einer Ausbeute von 50 %.In most cases, monolithic integrated circuits cannot be repaired if they are not fully functional during manufacture. Yield is the percentage of functional devices produced in a board production run. Yield has a direct impact on manufacturing costs. A device with a 5% yield is effectively 10 times more expensive to manufacture than an identical device with a 50% yield.

Die Ausbeute wird in drei wichtigen Schritten bemessen:The yield is measured in three important steps:

1) Fertigungsausbeute1) Production yield

2) Ausbeute der Platinensortierung2) Yield of board sorting

3) Ausbeute der Abschlussprüfung3) Results of the final examination

Bei großen Formen ist es normalerweise die Ausbeute der Platinensortierung, die die Gesamtausbeute am stärksten beeinflusst. Erfindungsgemäße seitenbreite Farbdruckköpfe sind im Vergleich zu typischen VLSI-Schaltungen sehr groß. Eine gute Ausbeute bei der Platinensortierung ist für die kosteneffektive Herstellung der Druckköpfe von entscheidender Bedeutung.For large molds, it is usually the board sort yield that has the greatest impact on overall yield. Page-wide color printheads according to the invention are very large compared to typical VLSI circuits. Good board sort yield is critical to cost-effective printhead manufacturing.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm der Ausbeute der Platinensortierung in Abhängigkeit von der Fehlerdichte für einen monolithischen, seitenbreiten A4-Farbdruckkopf gemäß der Erfindung. Der Kopf ist 215 mm lang und 5 mm breit. Die Ausbeute 198 ohne Fehlertoleranz wird nach der Murphy-Methode berechnet, die verbreitet für die Vorausberechnung der Ausbeute Anwendung findet. Bei einer Fehlerdichte von einem Fehler je cm² ergibt die Murphy-Methode eine Ausbeute von weniger als 1%. Dies bedeutet, dass mehr als 99% der hergestellten Köpfe ausgesondert werden müssten. Diese geringe Ausbeute ist höchst unerwünscht, da die Herstellungskosten des Druckkopfs dadurch unannehmbar hoch werden.Fig. 5 shows a diagram of board sorting yield versus defect density for a monolithic, A4 page-wide color print head according to the invention. The head is 215 mm long and 5 mm wide. The yield 198 without defect tolerance is calculated using the Murphy method, which is widely used for predicting yield. For a defect density of one defect per cm2, the Murphy method gives a yield of less than 1%. This means that more than 99% of the heads produced would have to be rejected. This low yield is highly undesirable because it makes the manufacturing cost of the print head unacceptably high.

Bei der Murphy-Methode wird die Auswirkung einer ungleichen Fehlerverteilung durch Näherung bestimmt. Fig. 5 enthält ferner eine Ausbeutekurve 197 ohne Fehlertoleranz, die die Ballung von Fehlern explizit dadurch abbildet, dass sie einen Fehlercluster- Faktor berücksichtigt. Der Fehlercluster-Faktor ist kein in der Herstellung steuerbarer Parameter, sondern ein Merkmal des Herstellungsverfahrens. Der Fehlercluster-Faktor für Herstellungsverfahren kann mit etwa 2 angenommen werden; in diesem Fall entsprechen die Ausbeute-Voraussagen ziemlich genau der Murphy-Methode.In the Murphy method, the effect of an uneven distribution of defects is determined by approximation. Fig. 5 also contains a yield curve 197 without defect tolerance, which explicitly depicts the concentration of defects by taking into account a defect cluster factor. The defect cluster factor is not a parameter that can be controlled in production, but rather a characteristic of the production process. The defect cluster factor for production processes can be assumed to be about 2; in this case, the yield predictions correspond quite closely to the Murphy method.

Eine Lösung des Problems der geringen Ausbeute besteht darin, durch Integration redundanter Funktionseinheiten in den Chip die fehlerhaften Funktionseinheiten ersetzen zu können und so eine Fehlertoleranz einzubauen.One solution to the problem of low yield is to be able to replace the faulty functional units by integrating redundant functional units into the chip, thus building in fault tolerance.

Bei Speicherchips und den meisten in Halbleiterplättchen integrierten Vorrichtungen (WSI-Vorrichtungen) ist die physische Position redundanter Teileinheiten auf dem Chip nicht von Bedeutung. Bei Druckköpfen kann jedoch die redundante Teileinheit ein Druckelement oder mehrere enthalten. Und diese müssen in einer festen räumlichen Beziehung zu der zu druckenden Seite stehen. Um einen Punkt an derselben Position drucken zu können wie ein fehlerhaftes Element, dürfen die redundanten Elemente nicht in einer nicht der Abtastrichtung entsprechenden Richtung versetzt sein. Dagegen können fehlerhafte Elemente durch in Abtastrichtung versetzte redundante Elemente ersetzt werden. Um sicherzustellen, dass das redundante Element den Punkt an derselben Position druckt wie das fehlerhafte Element kann durch Veränderung des Timings der dem redundanten Element zugeführten Daten der Versatz in Abtastrichtung ausgeglichen werden.For memory chips and most die-integrated devices (WSI devices), the physical location of redundant subunits on the chip is not important. However, for printheads, the redundant subunit can be a print element or several. And these must be in a fixed spatial relationship to the page to be printed. In order to be able to print a dot in the same position as a faulty element, the redundant elements must not be offset in a direction that does not correspond to the scanning direction. On the other hand, faulty elements can be replaced by redundant elements offset in the scanning direction. To ensure that the redundant element prints the dot in the same position as the faulty element, the offset in the scanning direction can be compensated by changing the timing of the data fed to the redundant element.

Damit alle Düsen ersetzt werden können, muss ein vollständiger Satz Ersatzdüsen vorhanden sein, so dass sich eine Redundanz von 100% ergibt. Das Erfordernis einer 100%igen Redundanz würde normalerweise die Chipfläche mehr als verdoppelt, wodurch sich die Ausbeute vor dem Ersatz durch die redundanten Einheiten zunächst dramatisch verringern und die Vorteile der Fehlertoleranz weitgehend zunichte gemacht würden.In order to replace all nozzles, a complete set of spare nozzles must be available, providing 100% redundancy. Requiring 100% redundancy would typically more than double the chip area, dramatically reducing yield before replacement with the redundant units and largely negating the benefits of fault tolerance.

Bei erfindungsgemäßen Druckkopf-Ausführungen werden die physischen Mindestabmessungen des Druckkopf-Chips durch die Breite der zu druckenden Seite, die Empfindlichkeit des Druckkopf-Chips und die Zwänge bei der Herstellung der Tintenkanäle, die die Tinte zur Rückseite des Chips führen, bestimmt. Die praktische Mindestgröße eines seitenbreiten Vollfarbendruckkopfs zum Drucken einer A4-Seite beträgt etwa 215 mm · 5 mm. Die Größe erlaubt bei Einsatz einer 1,5 um-CMOS- Fertigungstechnologie eine 100%ige Redundanz, ohne dass sich dadurch die Chipfläche wesentlich vergrößert. Daher kann eine hohe Fehlertoleranz vorgesehen werden, ohne dass sich die Primärausbeute wesentlich verringert.In printhead designs according to the invention, the minimum physical dimensions of the printhead chip are determined by the width of the page to be printed, the sensitivity of the printhead chip, and the constraints on manufacturing the ink channels that carry the ink to the back of the chip. The minimum practical size of a full-color, page-wide printhead for printing an A4 page is approximately 215 mm x 5 mm. This size allows 100% redundancy using 1.5 µm CMOS manufacturing technology without significantly increasing the chip area. Therefore, a high level of fault tolerance can be provided without significantly reducing the primary yield.

Bei Vorrichtungen mit Fehlertoleranz sind die üblichen Ausbeute-Gleichungen nicht anwendbar. Statt dessen müssen die Mechanismen und der Grad der Fehlertoleranz speziell analysiert und in der Ausbeute-Gleichung berücksichtigt werden. Fig. 5 zeigt die fehlertolerante Sortierungs-Ausbeute 199 für einen seitenbreiten A4-Farbdruckkopf mit unterschiedlichen Formen der Fehlertoleranz, die in die Ausbeute-Gleichung eingebaut wurden. Die Kurve gibt die vorausgesagte Ausbeute in Abhängigkeit sowohl von der Fehlerdichte als auch von der Fehlerclusterbildung wieder. Aus der in Fig. 5 dargestellten Ausbeute-Vorhersage ist ersichtlich, dass durch eine gründlich implementierte Fehlertoleranz die Platinen-Sortierausbeute von unter 1% auf mehr als 90% bei gleichen Herstellungsbedingungen angehoben werden kann. Damit lassen sich die Herstellungskosten um den Faktor 100 verringern.For fault-tolerant devices, the usual yield equations are not applicable. Instead, the mechanisms and degree of fault tolerance must be specifically analyzed and taken into account in the yield equation. Fig. 5 shows the fault-tolerant sort yield 199 for a page-wide A4 color print head with different forms of fault tolerance built into the yield equation. The curve gives the predicted yield as a function of both from the defect density as well as from the defect clustering. From the yield prediction shown in Fig. 5 it can be seen that through a thoroughly implemented defect tolerance the board sorting yield can be increased from less than 1% to more than 90% under the same manufacturing conditions. This reduces the manufacturing costs by a factor of 100.

Um die Ausbeute und Zuverlässigkeit von Druckköpfen, die Tausende von Druckdüsen enthalten, zu verbessern und damit seitenbreite Druckköpfe in der Praxis möglich zu machen, wird die Integration einer Fehlertoleranz dringend empfohlen. Allerdings ist die Fehlertoleranz kein wesentlicher Bestandteil der Erfindung.In order to improve the yield and reliability of printheads containing thousands of print nozzles, and thus make page-wide printheads feasible in practice, the integration of fault tolerance is strongly recommended. However, fault tolerance is not an essential part of the invention.

Ausführungsformen von DrucksystemenDesigns of printing systems

Fig. 6 zeigt ein Diagramm eines digitalen elektronischen Drucksystems mit einem erfindungsgemäßen Druckkopf. Dabei druckt ein monolithischer Druckkopf 50 ein aus einer Vielzahl von Tintentröpfchen bestehendes Bild 60 auf ein Aufzeichnungsmedium 51. Das Medium besteht normalerweise aus Papier, es kann sich aber auch um Overhead-Folien, Stoff oder zahlreiche andere, im wesentliche flache Oberflächen handeln, die Tintentropfen aufnehmen können. Das zu druckende Bild wird von einer Bildquelle 52 geliefert; dabei kann es sich um ein Bild beliebiger Art handeln, das in eine zweidimensionale Pixelanordnung umwandelbar ist. Typische Bildquellen sind Bildscanner, digital gespeichert Bilder, in einer Seitenbeschreibungssprache (PDL) wie Adobe Postscript, Adobe Postscript level 2 oder Hewlett-Packard PCL 5, die mittels eines Rastergerätes auf Prozedurabrufbasis, wie Apple QuickDraw, Apple Quickdraw GX oder Microsoft GDI, erzeugte Bilder oder Text in elektronischer Form, etwa ASCII. Die Bilddaten werden dann von einem Bildverarbeitungssystem 53 in eine für das jeweilige Drucksystem geeignete zweidimensionale Pixelanordnung umgewandelt. Das Drucksystem kann ein Farb- oder Monochrom-Drucksystem sein, und die Daten haben normalerweise in Abhängigkeit von der Bildquelle und den Spezifikationen des Drucksystems zwischen 1 und 32 Bit je Pixel. Wenn es sich bei der Bildquelle um eine Seitenbeschreibung handelt, kann das Bildverarbeitungssystem ein Rasterbildprozessor (RIP) sein oder aber, wenn das Bild von einem Scanner kommt, ein zweidimensionales Bildverarbeitungssystem.Fig. 6 shows a diagram of a digital electronic printing system with a printhead according to the invention. A monolithic printhead 50 prints an image 60 consisting of a plurality of ink droplets onto a recording medium 51. The medium is usually paper, but can also be overhead transparencies, cloth, or numerous other substantially flat surfaces that can receive ink drops. The image to be printed is provided by an image source 52, which can be any type of image that is convertible into a two-dimensional pixel array. Typical image sources are image scanners, digitally stored images, images in a page description language (PDL) such as Adobe Postscript, Adobe Postscript level 2 or Hewlett-Packard PCL 5, images generated by a procedure call based raster device such as Apple QuickDraw, Apple Quickdraw GX or Microsoft GDI, or text in electronic form such as ASCII. The image data is then converted by an image processing system 53 into a two-dimensional pixel arrangement suitable for the particular printing system. The printing system may be a color or monochrome printing system and the data is typically between 1 and 32 bits per pixel depending on the image source and the specifications of the printing system. If the image source is a page description, the image processing system may be a raster image processor (RIP) or, if the image comes from a scanner, a two-dimensional image processing system.

Wenn Halbtonbilder gewünscht werden, ist ein Rastersystem 54 erforderlich. Geeignete Rasterarten basieren auf der geordneten Streupunkf-Zitterbewegung oder Fehlerstreuung. Geeignet sind Abwandlungen dieser Systeme, die allgemein als stochastische Rasterung oder Frequenzmodulations-Rasterung bekannt sind. Das üblicherweise für den Offset-Druck verwendete Rastersystem - die geordnete Punktcluster-Zitterbewegung - wird nicht empfohlen, da bei dieser Technik unnötig effektive Bildauflösung verloren geht. Die Ausgabe des Rastersystems ist ein binäres Monochrom- oder Farbbild mit der Auflösung des erfindungsgemäßen Drucksystems.If halftone images are desired, a screening system 54 is required. Suitable screening types are based on ordered scattered dot dither or error scattering. Modifications of these systems are suitable, generally known as stochastic screening or frequency modulation screening. The screening system commonly used for offset printing - ordered dot cluster dither - is not recommended because this technique unnecessarily loses effective image resolution. The output of the screening system is a binary monochrome or color image at the resolution of the printing system of the invention.

Das binäre Bild wird von einer Datensynchronisierschaltung 55 verarbeitet (die gemäß Fig. 4 in die ASIC 400 der Kopfsteuerung integriert werden kann), die die Pixeldaten den Datenschieberegistern 56 in der korrekten Folge zuführt. Das Bilden von Datenfolgen ist zum Ausgleich für die Düsenanordnung und die Papierbewegung nötig. Wenn die Daten in die Schieberegister 56 geladen sind, werden sie den Treiberschaltungen 57 der Heizelemente parallel zugeführt. Die Treiberschaltungen 57 verbinden dann die entsprechenden Heizelemente 58 zum richtigen Zeitpunkt elektronisch mit dem von der Impulsformerschaltung 61 und dem Spannungsregler 62 erzeugten Spannungsimpuls. Die Heizelemente 58 heizen die Spitze der Düsen 59 auf, wodurch die physikalischen Eigenschaften der Tinte verändert werden. Aus den Düsen treten Tintentropfen 60 in einem Muster aus, das den an die Treiberschaltungen der Heizelemente angelegten digitalen Impulsen entspricht. Der Druck der Tinte im Tintenbehälter 64 wird durch die Druckregelung 63 geregelt. Ausgewählte Tintentropfen 60 lösen sich durch die gewählten Tropfenablösemittel von der Masse der Tinte und gelangen mit dem Aufzeichnungsmedium 51 in Berührung. Während des Druckens wird das Aufzeichnungsmedium 51 kontinuierlich durch das Papiertransportsystem 65 relativ zum Druckkopf 50 bewegt. Wenn der Druckkopf 50 sich über die gesamte Breite des Druckbereichs des Aufzeichnungsmediums 51 erstreckt, braucht das Aufzeichnungsmedium 51 nur in einer Richtung bewegt zu werden, und der Druckkopf 50 kann feststehen. Bei Verwendung eines kleineren Druckkopfs 50 muss ein Rasterabtastsystem realisiert werden. Dies geschieht normalerweise in der Weise, dass der Druckkopf 50 eine Abtastbewegung entlang der kürzeren Abmessung des Aufzeichnungsmediums 51 vollführt, während das Aufzeichnungsmedium 51 in Richtung seiner längeren Dimension bewegt wird.The binary image is processed by a data synchronization circuit 55 (which can be integrated into the head controller ASIC 400 as shown in Figure 4) which feeds the pixel data to the data shift registers 56 in the correct sequence. Forming data sequences is necessary to compensate for nozzle placement and paper movement. Once the data is loaded into the shift registers 56, it is fed in parallel to the heater driver circuits 57. The driver circuits 57 then electronically connect the appropriate heater elements 58 at the correct time to the voltage pulse generated by the pulse shaping circuit 61 and voltage regulator 62. The heater elements 58 heat the tip of the nozzles 59, thereby changing the physical properties of the ink. Ink drops 60 emerge from the nozzles in a pattern that corresponds to the digital pulses applied to the heater driver circuits. The pressure of the ink in the ink reservoir 64 is controlled by the pressure control 63. Selected ink drops 60 are released from the bulk of the ink by the selected drop release means and come into contact with the recording medium 51. During printing, the recording medium 51 is continuously moved relative to the print head 50 by the paper transport system 65. If the print head 50 extends across the entire width of the printing area of the recording medium 51, the recording medium 51 only needs to be moved in one direction and the print head 50 can be stationary. When using a smaller print head 50, a raster scanning system must be implemented. This is usually done by having the print head 50 scan along the shorter dimension of the recording medium 51 while the recording medium 51 is moved in the direction of its longer dimension.

Computersimulation der DüsendynamikComputer simulation of nozzle dynamics

Die Einzelheiten der Funktion der erfindungsgemäßen Druckköpfe wurden sehr weitgehend computersimuliert. Fig. 8 bis 18 zeigen einige Ergebnisse einer beispielhaften Simulation der Arbeitsweise einer bevorzugten Düsenausbildung mit elektrothermischer Tropfenauswahl durch Reduzierung der Oberflächenspannung in Kombination mit elektrostatischer Tropfenablösung.The details of the function of the print heads according to the invention have been computer simulated to a very large extent. Fig. 8 to 18 show some results of an exemplary simulation of the operation of a preferred nozzle design with electrothermal drop selection by reducing the surface tension in combination with electrostatic drop detachment.

Die Computersimulation ist für die Bestimmung der Eigenschaften von Phenomenen, die nur schwer direkt beobachtet werden können, äußerst nützlich. Die Düsenfunktion ist aus verschiedenen Gründen experimentell nur schwer zu beobachten, unter anderem weilComputer simulation is extremely useful for determining the properties of phenomena that are difficult to observe directly. The jet function is difficult to observe experimentally for several reasons, including

1) die einsetzbaren Düsen mikroskopisch klein sind, wobei wichtige Phenomene im Dimensionsbereich unter 1 um auftreten,1) the nozzles that can be used are microscopically small, with important phenomena occurring in the dimension range below 1 µm,

2) die Zeit für das Ausstoßen eines Tropfens nur wenige Mikrosekunden beträgt, was eine Hochgeschwindigkeits-Beobachtung erforderlich macht,2) the time for ejection of a drop is only a few microseconds, which requires high-speed observation,

3) wichtige Phenomene im Inneren undurchsichtiger fester Materialien stattfinden, wodurch die direkte Beobachtung unmöglich ist,3) important phenomena take place inside opaque solid materials, which makes direct observation impossible,

4) einige wichtige Parameter, wie Wärmefluss und Geschwindigkeitsvektorfelder der Flüssigkeiten in jedem Maßstab schwer zu beobachten sind,4) some important parameters, such as heat flow and velocity vector fields of the fluids are difficult to observe at any scale,

5) die Kosten der Herstellung von Versuchsdüsen hoch sind.5) the costs of manufacturing test nozzles are high.

Durch die Computersimulation werden die vorstehenden Probleme überwunden. Ein führendes Softwarepaket für Flüssigkeitsdynamik-Simulationen ist das von der Fluid Dynamics International Inc. in Illinois, USA (FDI) hergestellte FIDAP. FIDAP ist ein eingetragenes Warenzeichen der FDI. Es sind zwar noch andere Simulationsprogramme im Handel erhältlich, aber FIDAP wurde wegen seiner hohen Genauigkeit bei der Berechnung vorübergehender flüssigkeitsdynamischer Zustände, des Energietransports und der Oberflächenspannung gewählt. Verwendet wurde die FIDAP-Version 7.51.Computer simulation overcomes the above problems. A leading software package for fluid dynamics simulation is FIDAP, manufactured by Fluid Dynamics International Inc. of Illinois, USA (FDI). FIDAP is a registered trademark of FDI. Although other simulation programs are commercially available, FIDAP was chosen because of its high accuracy in calculating transient fluid dynamic states, energy transport and surface tension. FIDAP version 7.51 was used.

Die Simulationen kombinieren Aspekte des Energietransports und der Flüssigkeitsdynamik. Da die als Beispiel verwendete Düse eine zylindrische Form aufweist, wurde die achssymmetrische Simulation gewählt. Von der zylindrischen Form gibt es vier Abweichungen. Diese betreffen die Anschlüsse an die Heizelemente, die durch die Papierbewegung erzeugte laminare Luftströmung, die Schwerkraft (wenn der Druckkopf nicht vertikal ausgerichtet ist) und das Vorhandensein benachbarter Düsen im Substrat. Die Auswirkungen dieser Faktoren auf den Tropfenausstoß sind geringfügig.The simulations combine aspects of energy transport and fluid dynamics. Since the nozzle used as an example has a cylindrical shape, the axisymmetric simulation was chosen. There are four deviations from the cylindrical shape. These concern the connections to the heating elements, the laminar air flow generated by the paper movement, gravity (if the print head is not aligned vertically) and the presence of adjacent nozzles in the substrate. The effects of these factors on the drop ejection are minor.

Um bei Simulationen kurzzeitiger Vorgänge auf freien Oberflächen mit einer variablen Oberflächenspannung im Mikrometerbereich und kurzzeitigen Vorgängen im Mikrosekundenbereich mittels FIDAP 7.51 eine Konvergenz zu erreichen, muss man die Simulation dimensionslos durchführen.In order to achieve convergence in simulations of short-term processes on free surfaces with a variable surface tension in the micrometer range and short-term processes in the microsecond range using FIDAP 7.51, the simulation must be carried out dimensionlessly.

Simuliert wird nur der Bereich in der Düsenspitze, da die meisten für die Tropfenauswahl relevanten Phenomene in diesem Bereich vorkommen. Die Simulation erstreckt sich von der Symmetrieachse der Düse um 40 um auswärts.Only the area in the nozzle tip is simulated, since most of the phenomena relevant for droplet selection occur in this area. The simulation extends 40 µm outwards from the symmetry axis of the nozzle.

Zu Beginn der Simulation befinden sich die gesamte Düse und die Tinte auf Umgebungstemperatur der Vorrichtung, die in diesem Fall 30ºC beträgt. Während des Betriebes wird die Umgebungstemperatur der Vorrichtung geringfügig höher sein als die Umgebungstemperatur der Luft, da sich über den Zeitraum vieler Tropfenausstoßvorgänge hinweg eine auf der Druckdichte basierende Gleichgewichtstemperatur einstellen wird. Der größte Teil der Energie der einzelnen Tropfenauswahlvorgänge wird mit dem Tintentropfen abgeführt. Die in der Düse verbleibende Wärme verteilt sich aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Silicon und der Konvektion in der Tinte sehr gleichmäßig zwischen den Tropfenausstoßvorgängen.At the start of the simulation, the entire nozzle and ink are at the ambient temperature of the device, which in this case is 30ºC. During operation, the ambient temperature of the device will be slightly higher than the ambient temperature of the air, as an equilibrium temperature based on the print density will be established over the period of many drop ejections. Most of the energy from each drop selection is dissipated with the ink drop. The heat remaining in the nozzle is distributed very evenly between drop ejections due to the high thermal conductivity of silicon and convection in the ink.

Geometrie der simulierten DüseGeometry of the simulated nozzle

In Fig. 7 sind die Geometrie und Abmessungen der in dieser Simulation abgebildeten bevorzugten Düsenausführungsform zu erkennen.Fig. 7 shows the geometry and dimensions of the preferred nozzle embodiment depicted in this simulation.

Die Düse ist auf einem Einlkristall-Siliconsubstrat 2020 ausgebildet. Das Substrat weist eine epitaktische bordotierte Siliconschicht 2018 auf, die während der Herstellung der Düse als Ätzbegrenzung dient. Eine epitaktische Siliconschicht 2019 dient als aktives Substrat für die Herstellung, von CMOS-Treibertransistoren und Datenverteilerschaltungen. Auf diesem Substrat befinden sich verschiedene während der CMOS-Herstellung aufgebrachte Schichten. Es sind dies eine thermische Oxidschicht 2021, eine erste Oxid-Zwischenschicht 2022, eine erste Metallschicht 2023, eine zweite Oxidzwischenschicht 2024, eine zweite Metallschicht 2025 und eine Passivierungs-Oxidschicht 2026. Durch anschließendes Bearbeiten der Platinen werden die Düsen und Heizelemente ausgebildet. Diese Strukturen umfassen das aktive Heizelement 2027(a), eine aus "überschüssigem" Heizelementmaterial 2027(b) ausgebildete EDS- Abschirmung und eine Siliconnitrid-Passivierungsschicht 2028.The nozzle is formed on a single crystal silicon substrate 2020. The substrate has an epitaxial boron-doped silicon layer 2018, which serves as an etching limit during the manufacture of the nozzle. An epitaxial silicon layer 2019 serves as an active substrate for the manufacture of CMOS driver transistors and data distribution circuits. Various layers applied during CMOS manufacture are located on this substrate. These are a thermal oxide layer 2021, a first oxide intermediate layer 2022, a first metal layer 2023, a second oxide intermediate layer 2024, a second metal layer 2025 and a passivation oxide layer 2026. The nozzles and heating elements are formed by subsequent processing of the boards. These structures include the active heater element 2027(a), an EDS shield formed from "excess" heater element material 2027(b), and a silicon nitride passivation layer 2028.

Das Heizelement befindet sich auf einem schmalen, aus den verschiedenen Oxidschichten herausgeätzten "Rand". Dies dient dazu, die "thermische Masse" des Materials um das Heizelement herum zu verringern und zu verhindern, dass sich die Tinte auf der Oberfläche des Druckkopfs ausbreitet.The heating element is located on a narrow "rim" etched out of the various oxide layers. This serves to reduce the "thermal mass" of the material around the heating element and prevent the ink from spreading on the surface of the printhead.

Der Druckkopf ist mit elektrisch leitfähiger Tinte 2031 gefüllt. Mittels einer Elektrode, die mit der Tinte in elektrischem Kontakt steht, und einer weiteren, hinter dem Aufzeichnungsmedium befindlichen Elektrode wird ein elektrisches Feld an den Druckkopf angelegt.The print head is filled with electrically conductive ink 2031. An electric field is applied to the print head by means of an electrode that is in electrical contact with the ink and another electrode located behind the recording medium.

Der Düsenradius beträgt 8 um, das Diagramm ist maßstabsgetreu.The nozzle radius is 8 um, the diagram is to scale.

Theoretische BerechnungsgrundlagenTheoretical calculation basis

Die theoretische Grundlage für die Flüssigkeitsdynamik- und Energietransport-Berechnungen nach der Finitelementmethode und die Art, wie diese theoretische Grundlage im FIDAP-Computerprogramm angewendet wird, sind im einzelnen in dem von der FDI veröffentlichten FIDAP-Theoriehandbuch 7.0 (April 1993) beschrieben, dessen Inhalt hiermit als Bestandteil in diese Beschreibung aufgenommen wird.The theoretical basis for the fluid dynamics and energy transport calculations using the finite element method and the way in which this theoretical basis is applied in the FIDAP computer program are described in detail in the FIDAP Theory Manual 7.0 (April 1993) published by the FDI, the contents of which are hereby incorporated into this description.

MaterialeigenschaftenMaterial properties

In der Tabelle "Eigenschaften der für die FIDAP-Simulation verwendeten Materialien" sind die ungefähren physikalischen Eigenschaften der für die Herstellung des erfindungsgemäßen Druckkopfs verwendeten Materialien angegeben.The table "Properties of the materials used for the FIDAP simulation" gives the approximate physical properties of the materials used to manufacture the inventive printhead.

Die Eigenschaften der für diese Simulation verwendeten "Tinte" entsprechen denen einer Tinte auf Wasserbasis mit einer 25%igen Pigmentzugabe. Um eine ausgeprägte Verringerung der Oberflächenspannung mit der Temperatur zu erreichen, enthält die Tinte eine Suspension feiner Palmitinsäure-Partikel (Hexadekansäure-Partikel). Die Oberflächenspannungen wurden bei verschiedenen Temperaturen mit einem Oberflächenspannungsmesser gemessen.The properties of the "ink" used for this simulation correspond to those of a water-based ink with a 25% pigment addition. In order to achieve a pronounced reduction in surface tension with temperature, the ink contains a suspension of fine palmitic acid particles (hexadecanoic acid particles). The surface tensions were measured at different temperatures using a surface tension meter.

Die in der Beispiel-Simulation mittels des FIDAP-Programms zugrunde gelegten Werte sind in der Tabelle "Eigenschaften der für die FIDAP-Simulation verwendeten Materialien" dargestellt. Die meisten Werte wurden durch direkte Messung erhalten oder dem CRC-Handbuch für Chemie und Physik, 27. Ausgabe, oder dem Handbuch der Chemie von Lange, 14. Ausgabe, entnommen. Eigenschaften der für die FIDAP-Simulation verwendeten Materialien The values used in the example simulation using the FIDAP program are shown in the table "Properties of the materials used for the FIDAP simulation". Most of the values were obtained by direct measurement or taken from the CRC Handbook of Chemistry and Physics, 27th edition, or the Handbook of Chemistry by Lange, 14th edition. Properties of the materials used for the FIDAP simulation

Flüssigkeitsdynamische SimulationenFluid dynamic simulations

In Fig. 8(a) ist die an das Heizelement angelegte Leistung dargestellt. Die an das Heizelement angelegte maximale Leistung beträgt 40 mW. Diese Leistung wird impulsfrequenzmoduliert, um eine wünschenswerte zeitliche Verteilung der Leistungszufuhr zum Heizelement zu erhalten. Die Stromimpulse haben jeweils eine Dauer von 0,1 us und führen dem Heizelement jeweils 4 nJ Energie zu. Damit der Meniskus seine Ruheposition einnehmen kann, wird der Tropfenauswahlimpuls 10 us nach Beginn der Simulation gestartet. Die dem Heizelement während des Tropfenauswahlimpulses zugeführte Gesamtenergie beträgt 276 nJ.Fig. 8(a) shows the power applied to the heater. The maximum power applied to the heater is 40 mW. This power is pulse frequency modulated to obtain a desirable temporal distribution of the power delivered to the heater. The current pulses each have a duration of 0.1 us and each deliver 4 nJ of energy to the heater. To allow the meniscus to assume its rest position, the drop selection pulse is started 10 us after the start of the simulation. The total energy delivered to the heater during the drop selection pulse is 276 nJ.

Aus Fig. 8(b) ist die Temperatur an verschiedenen Punkten der Düse während der Simulation zu entnehmen.Fig. 8(b) shows the temperature at different points of the nozzle during the simulation.

Der Punkt A liegt am Berührungspunkt des Tintenmeniskus mit dem Düsenrand. Um eine optimale Arbeitsweise zu erhalten, ist es wünschenswert, diesen Punkt so nah wie möglich an den Siedepunkt der Tinte aufzuheizen, ohne jedoch den Siedepunkt zu überschreiten, und ihn für die Dauer des Tropfenauswahlimpulses auf dieser Temperatur zu halten. Die "zackige" Temperaturkurve ist auf die Impulsfrequenzmodulation des dem Heizelement zugeführten Stroms zurückzuführen. Die "Zackigkeit" lässt sich durch Erhöhen der Impulsfrequenz und entsprechende Verringerung der Impulsenergie vermindern.Point A is where the ink meniscus contacts the nozzle edge. To obtain optimal performance, it is desirable to heat this point as close as possible to the boiling point of the ink, but without exceeding the boiling point, and to maintain it at this temperature for the duration of the drop selection pulse. The "jagged" temperature curve is due to the pulse frequency modulation of the current supplied to the heating element. The "jaggedness" can be reduced by increasing the pulse frequency and correspondingly reducing the pulse energy.

Der Punkt B liegt auf dem Tintenmeniskus etwa in der Mitte zwischen der Meniskusmitte und der Düsenspitze.Point B is located on the ink meniscus approximately halfway between the meniscus center and the nozzle tip.

Der Punkt C liegt auf der Siliconoberfläche 20 um von der Düsenmitte entfernt. Dies zeigt, dass der Temperaturanstieg bei der Auswahl eines Tropfens bereits in geringer Entfernung von der Düse sehr gering ist. Dadurch können Vorrichtungen, zum Beispiel Treibertransistoren, sehr nahe an den Düsen angeordnet werden.Point C is located on the silicon surface 20 um from the nozzle center. This shows that the temperature rise when selecting a droplet is very small even at a short distance from the nozzle. This allows devices, such as driver transistors, to be placed very close to the nozzles.

Fig. 9 zeigt eine Positions/Zeit-Kurve eines Punktes in der Meniskusmitte.Fig. 9 shows a position/time curve of a point in the meniscus center.

Fig. 10 zeigt die Meniskusposition und -form zu verschiedenen Zeitpunkten während des Tropfenauswahlimpulses. Die dargestellten Zeitpunkte liegen am Beginn des Tropfenauswahlimpulses (10 us nach Beginn der Simulation) und dann jeweils in 5 us- Abständen bis 60 us nach Beginn des Heizelement-Impulses.Fig. 10 shows the meniscus position and shape at different times during the drop selection pulse. The times shown are at the beginning of the drop selection pulse (10 us after the start of the simulation) and then at 5 us intervals until 60 us after the start of the heater pulse.

Fig. 11 zeigt die Temperaturlinien in der Düse unmittelbar vor Beginn des Tropfenauswahlimpulses 9 us nach Beginn der Simulation. Die Oberflächenspannung gleicht die kombinierte Wirkung des Tintendrucks und des externen konstanten elektrischen Feldes aus.Fig. 11 shows the temperature lines in the nozzle immediately before the start of the drop selection pulse 9 us after the start of the simulation. The surface tension balances the combined effect of the ink pressure and the external constant electric field.

Fig. 12 zeigt Temperaturlinien der Düse 5 us nach Beginn des Tropfenauswahlimpulses, 15 us nach Beginn der Simulation. Die Reduzierung der Oberflächenspannung an der Düsenspitze führt zu einer Oberflächendehnung an diesem Punkt, wodurch sich die Wärme rasch um den Meniskus ausbreitet. Die Tinte hat bereits begonnen, sich zu bewegen, da die Oberflächenspannung nicht mehr hoch genug ist, um die kombinierte Wirkung des Tintendrucks und des externen konstanten elektrischen Feldes auszugleichen. Wegen des Reibungswiderstandes an den Düsenwandungen beginnt die Meniskusmitte, sich schneller zu bewegen als die äußeren Meniskusbereiche. Fig. 12 bis 17 sind Temperaturlinien, beginnend bei 35ºC und in 5ºC-Intervallen dargestellt.Fig. 12 shows temperature lines of the nozzle 5 us after the start of the drop selection pulse, 15 us after the start of the simulation. The reduction in surface tension at the nozzle tip causes surface stretching at this point, causing heat to spread rapidly around the meniscus. The ink has already started to move because the surface tension is no longer high enough to compensate for the combined effect of the ink pressure and the external constant electric field. Due to frictional resistance on the nozzle walls, the meniscus center begins to move faster than the outer meniscus regions. Figs. 12 to 17 are temperature lines starting at 35ºC and shown at 5ºC intervals.

Fig. 13 zeigt Temperaturlinien in der Düse 10 us nach Beginn des Tropfenauswahlimpulses, 20 us nach Beginn der Simulation.Fig. 13 shows temperature lines in the nozzle 10 us after the start of the droplet selection pulse, 20 us after the start of the simulation.

Fig. 14 zeigt Temperaturlinien in der Düse 20 us nach Beginn des Tropfenauswahlimpulses, 30 us nach Beginn der Simulation.Fig. 14 shows temperature lines in the nozzle 20 us after the start of the droplet selection pulse, 30 us after the start of the simulation.

Fig. 15 zeigt Temperaturlinien in der Düse 30 us nach Beginn des Tropfenauswahlimpulses, 40 us nach Beginn der Simulation. Dieser Zeitpunkt liegt 6 us nach dem Ende des Tropfenauswahlimpulses, und die Düse hat bereits begonnen sich abzukühlen.Fig. 15 shows temperature lines in the nozzle 30 us after the start of the droplet selection pulse, 40 us after the start of the simulation. This time is 6 us after the end of the droplet selection pulse, and the nozzle has already started to cool down.

Fig. 16 zeigt Temperaturlinien in der Düse 40 us nach Beginn des Tropfenauswahlimpulses, 50 us nach Beginn der Simulation. Aus dieser Simulation wird klar, dass der allergrößte Teil der Energie des Tropfenauswahlimpulses mit dem ausgewählten Tropfen abgeführt wird.Fig. 16 shows temperature lines in the nozzle 40 us after the start of the drop selection pulse, 50 us after the start of the simulation. From this simulation it is clear that the most of the energy of the drop selection pulse is dissipated with the selected drop.

Fig. 17 zeigt Temperaturlinien in der Düse 50 us nach Beginn des Tropfenauswahlimpulses, 60 us nach Beginn der Simulation. Zu diesem Zeitpunkt beginnt der ausgewählte Tropfen sich "einzuschnüren", und der Tropfenablöseprozess beginnt.Fig. 17 shows temperature lines in the nozzle 50 us after the start of the drop selection pulse, 60 us after the start of the simulation. At this point, the selected drop begins to "pinch" and the drop detachment process begins.

Fig. 18 zeigt Stromlinien in der Düse, die zeitlich der Fig. 17 entsprechen.Fig. 18 shows streamlines in the nozzle which correspond in time to Fig. 17.

Die ungefähre Dauer der drei aufeinanderfolgenden Phasen des Tropfenausstoßzyklus beträgt:The approximate duration of the three consecutive phases of the droplet ejection cycle is:

1) Für den Heizelemente-Aktivierungszyklus 24 us,1) For the heating element activation cycle 24 us,

2) bis zum Ablösen des Tropfens 60 us,2) until the drop detaches 60 us,

3) bis zur Rückkehr in die Ruheposition 40 us.3) until returning to the rest position 40 us.

Zusammen betragen diese Zeiten 124 us, woraus sich eine maximale Tropfenwiederholrate (Tropfenfrequenz) von etwa 8 KHz ergibt.Together, these times amount to 124 us, resulting in a maximum droplet repetition rate (droplet frequency) of about 8 KHz.

Das Proximity-Verfahren der Tropfenablösung:The proximity method of droplet detachment:

Das folgende Beispiel liegt außerhalb des Rahmens der Ansprüche.The following example is outside the scope of the claims.

Die Ablösung von Tropfen flüssiger Tinte durch Annäherung des Aufzeichnungsmediums findet vorzugsweise unter den folgenden Bedingungen statt:The detachment of drops of liquid ink by approaching the recording medium preferably takes place under the following conditions:

1) Die Differenz der Meniskuspositionen zwischen ausgewählten und nicht ausgewählten Tropfen ist größer als die Oberflächenrauhigkeit des Aufzeichnungsmediums.1) The difference in meniscus positions between selected and non-selected drops is larger than the surface roughness of the recording medium.

2) Die Oberflächenrauhigkeit des Aufzeichnungsmediums ist geringer als etwa 30 % des Durchmessers des Tintentropfens.2) The surface roughness of the recording medium is less than about 30% of the ink drop diameter.

3) Die Rate, mit der sich das Volumen des Tintentropfens durch die Benetzung der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums und/oder das Aufsaugen durch ein poröses Aufzeichnungsmedium vergrößert, ist höher als die Strömungsrate durch die Düse unter dem anliegenden Tintendruck.3) The rate at which the volume of the ink droplet increases by wetting the surface of the recording medium and/or being absorbed by a porous recording medium is higher than the flow rate through the nozzle under the applied ink pressure.

Diese Bedingungen können mit vielen verschiedenen Düsenradien, Tintenarten, Medien und Druckauflösungen erreicht werden.These conditions can be achieved with many different nozzle radii, ink types, media and print resolutions.

Bei heißschmelzenden Tinten erstarrt der geschmolzene Tintentropfen, wenn er mit dem Aufzeichnungsmedium in Berührung gelangt, und die Absorptionseigenschaften der Tinte gegenüber dem Aufzeichnungsmedium sind dann nicht so wichtig.With hot-melt inks, the molten ink drop solidifies when it comes into contact with the recording medium, and the absorption properties of the ink towards the recording medium are then not so important.

Das Funktionsprinzip des Druckens mit Tropfenablösung nach dem Proximity-System ist in Fig. 19(a) bis Fig. 19(i) dargestellt. In diesem Fall wird der Tropfen durch elektrothermische Wandler ausgewählt, die die Tinte an der Düsenspitze aufheizen und damit die Temperatur am Meniskus erhöhen. Durch die höhere Temperatur wird die Oberflächenspannung unter eine kritische Oberflächenspannung abgesenkt, so dass Tinte aus der Düsenspitze austritt.The principle of operation of droplet detachment printing using the proximity system is shown in Fig. 19(a) to Fig. 19(i). In this case, the droplet is selected by electrothermal transducers that heat the ink at the nozzle tip, thereby increasing the temperature at the meniscus. The higher temperature lowers the surface tension below a critical surface tension, causing ink to exit the nozzle tip.

In Fig. 19(a) bis 19(i) sind der ausgewählte Tropfen mit 1, die Düse, die den ausgewählten Tropfen erzeugt hat, mit 10, eine Düse, deren Heizelement 103 nicht aktiviert wurde, so dass kein Tropfen ausgewählt wurde, mit 11, und die Bewegungsrichtung des Aufzeichnungsmediums mit 5, das Aufzeichnungsmedium mit 51, die Masse der Tinte mit 100, Silicon mit 101, Silicondioxid mit 102, das elektrothermische Betätigungselement (auch "Heizelement" genannt) mit 103 und die hydrophobe Schicht des Druckkopfs mit 109 bezeichnet.In Fig. 19(a) to 19(i), the selected drop is designated by 1, the nozzle that produced the selected drop is designated by 10, a nozzle whose heater 103 was not activated so that no drop was selected is designated by 11, the direction of movement of the recording medium is designated by 5, the recording medium is designated by 51, the mass of the ink is designated by 100, silicon is designated by 101, silicon dioxide is designated by 102, the electrothermal actuator (also called "heater") is designated by 103, and the hydrophobic layer of the printhead is designated by 109.

Fig. 19(a) zeigt einen Querschnitt durch zwei benachbarte Düsen 10 und 11 im Ruhezustand. Die Düsen befinden sich nahe am Aufzeichnungsmedium 51, das sich relativ zu den Düsen in der Richtung 5 bewegt. Der Querschnitt verläuft in einem Winkel von 45º zur Bewegungsrichtung des Mediums durch die Ebene des Diagramms. Die Düsen 10 und 11 repräsentieren zwei um die Breite eines Pixels in einer Richtung senkrecht zur Ebene des Diagramms versetzte Düsen. Alle Düsenoberflächen weisen eine hydrophobe Oberflächenschicht 109 auf, die Tinte 100 ist hydrophil. Die Tinte steht unter Druck, wodurch der Tintenmeniskus sich vorwölbt.Fig. 19(a) shows a cross section through two adjacent nozzles 10 and 11 in the resting state. The nozzles are close to the recording medium 51, which moves relative to the nozzles in the direction 5. The cross section passes through the plane of the diagram at an angle of 45º to the direction of movement of the medium. The nozzles 10 and 11 represent two nozzles offset by the width of one pixel in a direction perpendicular to the plane of the diagram. All nozzle surfaces have a hydrophobic surface layer 109, the ink 100 is hydrophilic. The ink is under pressure, causing the ink meniscus to bulge.

Fig. 19(b) zeigt die Tinte in zwei Düsen kurz nachdem ein Aktivierungsimpuls an das Heizelement 103 der Düse 10, nicht aber an das Heizelement der Düse 11 angelegt wurde. Die Wärme wird zur Tintenoberfläche geleitet, wo der resultierende Temperaturanstieg zu einer lokalen Verringerung der Oberflächenspannung der Tinte führt. Die Reduzierung der Oberflächenspannung kann aus den natürlichen Eigenschaften der Tinte resultieren, wird aber vorzugsweise durch die Zugabe eines Mittels zur Tinte verstärkt, das bei der Temperatur, auf die die Tinte erhitzt wird, einen beträchtlichen Abfall der Oberflächenspannung bewirkt. Dabei kann es sich um ein oberflächenaktives Mittel handeln, das bei der Ruhetemperatur in Form suspendierter fester Partikel vorliegt, bei Aktivierung der Heizelemente aber schmilzt. In der festen Form hat das oberflächenaktive Mittel nur geringe Auswirkung auf die Oberflächenspannung. Geschmolzen wandern die Moleküle des oberflächenaktiven Mittels rasch zur Tintenoberfläche und bewirken eine wesentliche Reduzierung der Oberflächenspannung. In diesem Fall handelt es sich bei dem oberflächenaktiven Mittel um 1-Hexadecanol, ein 16-Carbon-Alkohol mit Schmelzpunkt bei 50ºC.Fig. 19(b) shows the ink in two nozzles shortly after an activation pulse is applied to the heating element 103 of the nozzle 10, but not to the heating element of the nozzle 11. The heat is conducted to the ink surface where the resulting temperature increase causes a local reduction in the surface tension of the ink. The reduction in surface tension may result from the natural properties of the ink but is preferably enhanced by the addition to the ink of an agent which causes a significant drop in surface tension at the temperature to which the ink is heated. This may be a surfactant which is in the form of suspended solid particles at rest but which melts when the heating elements are activated. In its solid form the surfactant has little effect on surface tension. When molten the surfactant molecules migrate rapidly to the ink surface causing a substantial reduction in surface tension. In this case the surfactant is 1-hexadecanol, a 16-carbon alcohol which melts at 50ºC.

In Fig. 19(c) ist die Tropfenentwicklung kurze Zeit später dargestellt. Der ausgewählte Tropfen 1 nimmt wegen eines Oberflächenspannungsgradienten von der Düsenspitze zur Meniskusmitte hin und wegen der zähen Reibung, die die Bewegung der Tinte in der Nähe der Düsenwandungen verlangsamt, eine im wesentlichen zylindrische Form an. In diesem Fall sind keine externen elektrostatischen oder magnetischen Felder angelegt, und die Schwerkraft ist in diesem Maßstab nicht von Bedeutung.Fig. 19(c) shows the drop evolution a short time later. The selected drop 1 assumes a substantially cylindrical shape due to a surface tension gradient from the nozzle tip to the meniscus center and due to viscous friction which slows the movement of the ink near the nozzle walls. In this case, no external electrostatic or magnetic fields are applied and gravity is not important at this scale.

Fig. 19(d) zeigt den ausgewählten Tropfen 1 in dem Moment, in dem er mit dem Aufzeichnungsmedium 51 in Berührung gelangt. Die "Neigung" des ausgewählten Tropfens ist durch die durch die Bewegung des Aufzeichnungsmediums hervorgerufene laminare Luftströmung zwischen dem Druckkopf und dem Aufzeichnungsmedium 51 bedingt. In vielen praktischen Fällen wird das Aufzeichnungsmedium aus Papier bestehen, das normalerweise eine im Maßstab des Abstandes zwischen Düse und Aufzeichnungsmedium raue Oberfläche aufweist. Diese Rauhigkeit führt dazu, dass der Berührungszeitpunkt zwischen dem Tropfen 1 und dem Aufzeichnungsmedium 51 variiert und sich die Fläche des gedruckten Punktes verändert. Diese Veränderung kann durch Verwendung eines beschichteten Papiers und/oder dadurch minimiert werden, dass das Aufzeichnungsmedium unmittelbar vor dem Druckvorgang durch Druckwalzen hindurchgeführt wird.Fig. 19(d) shows the selected drop 1 at the moment it comes into contact with the recording medium 51. The "tilt" of the selected drop is due to the laminar air flow between the print head and the recording medium 51 caused by the movement of the recording medium. In many practical cases, the recording medium will be paper, which normally has a rough surface in proportion to the distance between the nozzle and the recording medium. This roughness causes the contact time between the drop 1 and the recording medium 51 to vary and the area of the printed dot to change. This variation can be minimized by using a coated paper and/or by passing the recording medium through print rollers immediately before printing.

Fig. 19(e) zeigt den ausgewählten Tropfen zu dem Zeitpunkt, zu dem er beginnt, von dem Aufzeichnungsmedium 51 "aufgesaugt" zu werden.Fig. 19(e) shows the selected drop at the time it begins to be "sucked up" by the recording medium 51.

Fig. 19(f) zeigt den ausgewählten Tropfen kurze Zeit später. Die Tinte wird vom Aufzeichnungsmedium mit einer dem Sättigungsgradienten etwa entsprechenden. Geschwindigkeit absorbiert. Bei vielen faserigen Druckmedien, wie Papier, folgt der Berührungskreis zwischen dem Aufzeichnungsmedium und dem Tintenmeniskus nicht der seitlichen Absorption der Tinte in das Druckmedium hinein. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Oberflächenfasern nicht vollständig benetzt werden.Fig. 19(f) shows the selected drop a short time later. The ink is absorbed by the recording medium at a rate approximately equal to the saturation gradient. For many fibrous printing media, such as paper, the circle of contact between the recording medium and the ink meniscus does not follow the lateral absorption of the ink into the printing medium. The reason for this is that the surface fibers are not completely wetted.

Der Fluss der Tinte in das Druckmedium hinein ist in hohem Maße von der Zusammensetzung des Aufzeichnungsmediums abhängig. In vielen Fällen kann eine schnellere Aufnahme der Tinte im Aufzeichnungsmedium 51 dadurch bewirkt werden, dass das Medium vor dem Druckvorgang benetzt wird. Dies kann mittels einer Reihe von Walzen geschehen. Die Technologie des kontinuierlichen Aufbringens einer gleichmäßigen Flüssigkeitsschicht mittels Walzen ist im Offsetdruck bekannt. Die meisten Offsetdrucksysteme bringen mittels Feuchtwalzen eine dünne feuchte Schicht und mittels Farbwalzen eine dünne Tintenschicht auf die Druckplatten auf.The flow of ink into the printing medium is highly dependent on the composition of the recording medium. In many cases, faster absorption of ink into the recording medium 51 can be achieved by wetting the medium prior to printing. This can be done using a series of rollers. The technology of continuously applying a uniform layer of liquid using rollers is well known in offset printing. Most offset printing systems apply a thin wet layer to the printing plates using dampening rollers and a thin layer of ink using inking rollers.

Fig. 19(g) zeigt den ausgewählten Tropfen 1 unmittelbar nachdem er sich von der Masse der Tinte 10 gelöst hat. Das Ablösen der Tinte erfolgt, wenn die Fließgeschwindigkeit der Tinte in das poröse Aufzeichnungsmedium 51 hinein die Fließgeschwindigkeit der unter Druck stehenden Tinte aus der Düse 10 heraus übersteigt. Dies kann für eine große Gruppe von Tinten, Medien und Düsenradien erreicht werden. Es können aber auch nicht poröse Medien verwendet werden, wie Kunststoff- oder Metallfolien. In diesem Fall löst sich der Tropfen ab, wenn die Volumenanstiegsrate des Tropfens beim Benetzen des nicht porösen Mediums die Fließgeschwindigkeit der Tinte aus der Düse 10 heraus übersteigt. Bei manchen Kombinationen von Tinte und porösem Material kann es nötig sein, das Medium mit einem die Benetzung fördernden Mittel zu beschichten.Fig. 19(g) shows the selected drop 1 immediately after it has separated from the mass of ink 10. Ink separation occurs when the flow rate of ink into the porous recording medium 51 exceeds the flow rate of pressurized ink out of the nozzle 10. This can be achieved for a wide range of inks, media and nozzle radii. However, non-porous media such as plastic or metal foils can also be used. In this case, the drop separates when the rate of volume increase of the drop as it wets the non-porous medium exceeds the flow rate of ink out of the nozzle 10. For some combinations of ink and porous material, it may be necessary to coat the medium with a wetting agent.

Fig. 19(h) zeigt den ausgewählten Tropfen 1, nachdem er weitgehend von dem Aufzeichnungsmedium ausgesaugt wurde. Der Bewegungsimpuls der sich in die Düse zurückziehenden Tinte trägt den Meniskus an der Düse 10 über seine Ruheposition hinaus. Das Maß dieses "Überschießens" ist sehr gering, verglichen mit herkömmlichen Thermotintenstrahl- oder piezoelektrischen Tintenstrahlsystemen.Fig. 19(h) shows the selected drop 1 after it has been largely sucked out of the recording medium. The movement impulse that is reflected in the nozzle The receding ink carries the meniscus at the nozzle 10 beyond its resting position. The amount of this "overshoot" is very small compared to conventional thermal inkjet or piezoelectric inkjet systems.

Fig. 19(i) zeigt die Düse 10, nachdem der Meniskus in die Ruheposition zurückgekehrt ist und den nächsten Tropfenauswahlimpuls erwartet. Der ausgewählte Tropfen 1 ist in der Darstellung vom Aufzeichnungsmedium 51 völlig aufgenommen. Die Absorptionsrate ist in hohem Maße abhängig vom Aufzeichnungsmedium, und es kann vorkommen, dass der ausgewählte Tropfen 1 zu dem Zeitpunkt, an dem ein Tropfen einer anderen Farbe an derselben Position gedruckt wird, noch nicht völlig absorbiert ist. In manchen Fällen kann dies zu einer Verschlechterung der Druckqualität führen; in diesem Fall kann ein stärker absorbierendes Aufzeichnungsmedium, eine andere Tintenzusammensetzung, ein Druckkopf mit stärkerer Trennung zwischen den Farben verwendet werden, das Aufzeichnungsmedium kann zur Beschleunigung des Trocknungsvorgangs erwärmt werden, oder es können mehrere der vorstehenden Techniken kombiniert werden.Fig. 19(i) shows the nozzle 10 after the meniscus has returned to the rest position awaiting the next drop selection pulse. The selected drop 1 is shown fully absorbed by the recording medium 51. The absorption rate is highly dependent on the recording medium and it may happen that the selected drop 1 is not fully absorbed by the time a drop of a different color is printed at the same position. In some cases this may lead to a deterioration in print quality; in this case a more absorbent recording medium, a different ink composition, a printhead with greater separation between colors may be used, the recording medium may be heated to speed up the drying process, or several of the above techniques may be combined.

Anlegen von Schallwellen beim Drucken mit Tropfenablösung nach dem Proximity- System:Creating sound waves when printing with drop detachment using the proximity system:

Dieses Beispiel fällt nicht in den Rahmen der Ansprüche.This example does not fall within the scope of the claims.

Bei richtiger Anwendung können durch das Anlegen von Schallwellen an die Tinte bei Proximity-Drucksystemen verschiedene Vorteile erzielt werden:When used correctly, applying sound waves to the ink in proximity printing systems can provide several benefits:

1) Wenn die Periode der durch die Schallwelle erzeugten maximalen Vorwärtsgeschwindigkeit der Tinte mit der Periode des Tropfenwachstums zusammenfällt, kann der Tropfen sich schneller vergrößern.1) If the period of the maximum forward velocity of the ink generated by the sound wave coincides with the period of droplet growth, the droplet can grow faster.

2) Die von einem ausgewählten Tropfen auf das Aufzeichnungsmedium aufgebrachte Tintenmenge kann reduziert werden, wenn die Tropfenablösezeit mit einer Periode reduzierten Tintendrucks zusammenfällt, da dann weniger Tinte aus der Düse herausfließt und der Tropfen sich früher ablöst.2) The amount of ink deposited on the recording medium by a selected droplet can be reduced if the droplet release time coincides with a period of reduced ink pressure, as less ink will flow out of the nozzle and the droplet will release sooner.

3) Der Grad der Schwankung in der dem Aufzeichnungsmedium zugeführten Tintenmenge reduziert sich, da sowohl die Berührungszeit als auch die Ablösezeit des ausgewählten Tropfens durch die Schallwelle beeinflusst werden, die mit hochgenauer und stabiler Frequenz und Amplitude erzeugt werden kann.3) The degree of fluctuation in the amount of ink supplied to the recording medium is reduced because both the contact time and the release time of the selected droplet can be influenced by the sound wave, which can be generated with highly accurate and stable frequency and amplitude.

4) Die Verwendung von Pigmenten anstelle von Farbstoffen wird begünstigt, da die Tinte von den Schallwellen ständig bewegt wird, wodurch eines der großen Probleme von Pigmenten, nämlich das Absetzen des Pigments in der Tinte, verringert wird.4) The use of pigments instead of dyes is favored because the ink is constantly agitated by the sound waves, reducing one of the major problems of pigments, namely the settling of the pigment in the ink.

5) Das Problem des Blockierens von Düsen durch getrocknete Tinte wird reduziert, da die konstante Bewegung des Tintenmeniskus die Tinte in der Umgebung des Meniskus bewegt und trocknende Tinte durch "frische" Tinte ersetzt.5) The problem of nozzle blockage by dried ink is reduced, since the constant movement of the ink meniscus moves the ink around the meniscus and replaces drying ink with "fresh" ink.

Fig. 20(a) zeigt die an die Tinte angelegte Schallwelle 820.Fig. 20(a) shows the sound wave 820 applied to the ink.

Fig. 20(b) ist ein Raum/Zeit-Diagramm, das die Anwesenheit der Tinte entlang der Düsenachse sowohl für ausgewählte Tropfen 821 als auch für nicht ausgewählte Tropfen 822 wiedergibt. Das Diagramm illustriert die Tintenposition als Funktion der Zeit für einen kleinen Bereich der Düsenachse, der sich von einem Punkt etwas innerhalb der Masse der Tinte 100 (im Diagramm unten) bis zu einem Punkt etwas innerhalb des Papiers 51 (im Diagramm oben) erstreckt.Fig. 20(b) is a space-time diagram showing the presence of ink along the nozzle axis for both selected drops 821 and unselected drops 822. The diagram illustrates the ink position as a function of time for a small region of the nozzle axis extending from a point slightly inside the bulk of the ink 100 (in the diagram below) to a point slightly inside the paper 51 (in the diagram above).

Die beiden Diagramme sind übereinandergelegt, um einen direkten Vergleich zwischen dem ausgewählten Tropfen und dem nicht ausgewählten Tropfen zu ermöglichen.The two diagrams are superimposed to allow a direct comparison between the selected drop and the non-selected drop.

Das Diagramm der Anwesenheit von Tinte bei nicht ausgewählten Tropfen 822 zeigt eine sinusförmige Schwingung mit der Frequenz der Schallwelle 820, jedoch mit einer gewissen Phasenverschiebung ΔΦ. Das Maß der Phasenverschiebung ist abhängig von Form und Abmessungen der Tintendüsen und der Tintenbehälter und von den Fließeigenschaften der Tinte. Wenn die Schallwelle sich der Resonanzfrequenz der Tinte in der Düse nähert, nähert sich die Phasenverschiebung dem Wert von 90º. Die Phasenverschiebung lässt sich in einfacher Weise durch Veränderung der Phase der Antriebsspannung für den piezoelektrischen oder anderen Wandler, der zur Erzeugung der Schallwelle dient, verändern. Die Wellenform für den nicht ausgewählten Tropfen ist in der Zeichnung sinusförmig dargestellt. Die wirkliche Form wird eine beträchtliche harmonische Verzerrung aufweisen und hängt ab von der Geometrie der Düsenspitze und den Fließeigenschaften der Tinte.The graph of the presence of ink in non-selected drops 822 shows a sinusoidal oscillation at the frequency of the sound wave 820, but with some phase shift ΔΦ. The amount of phase shift depends on the shape and dimensions of the ink nozzles and ink containers and on the flow properties of the ink. As the sound wave approaches the resonant frequency of the ink in the nozzle, the phase shift approaches 90º. The phase shift can be easily changed by changing the phase of the drive voltage for the piezoelectric or other transducer used to generate the sound wave. The waveform for the non-selected drop is shown in the drawing as sinusoidal. The actual shape will exhibit considerable harmonic distortion and depends on the geometry of the nozzle tip and the flow characteristics of the ink.

Fig. 20(b) bezieht sich speziell auf eine Kopf-Ausführungsform mit acht Antriebsphasen und vier Tintenfarben (z. B. den Farben CMYK). Dargestellt ist nur eine Tintenfarbe. Die Phasen der Schallwellen in den anderen Tintenfarben sind um 90º, 180º und 270º gegenüber der Phase der Schallwelle 820 versetzt. Die acht Antriebsphasen des Tropfenausstoßzyklus erstrecken sich über zwei Perioden der Schallwelle 820. Jeder Tropfenausstoßzyklus umfasst zwei Antriebsphasen je Tintenfarbe. Diese sind um 360º von der Schallwelle getrennt und betreffen nicht dieselben Düsen, sondern jeweils damit abwechselnd vorgesehene Düsen. Bei den Perioden 829 und 830 handelt es sich um zwei aufeinanderfolgende Heizelement- Ansteuerungsperioden einer Düse (in diesem Fall der Düse mit dem ausgewählten Tropfen 821). In der Periode 830 können die Heizelemente der alternierenden Düsen derselben Tintenfarbe aktiviert werden.Fig. 20(b) relates specifically to a head embodiment with eight drive phases and four ink colors (e.g., CMYK colors). Only one ink color is shown. The phases of the sound waves in the other ink colors are offset by 90º, 180º, and 270º from the phase of the sound wave 820. The eight drive phases of the drop ejection cycle extend over two periods of the sound wave 820. Each drop ejection cycle includes two drive phases per ink color. These are separated by 360º from the sound wave and do not affect the same nozzles, but rather nozzles provided alternately with it. Periods 829 and 830 are two consecutive heater drive periods of a nozzle (in this case, the nozzle with the selected drop 821). In period 830, the heating elements of the alternating nozzles of the same ink color can be activated.

Beim Einschalten 823 des Heizelements beginnt eine unterschiedliche Entwicklung bezüglich des Vorhandenseins der Tinte beim ausgewählten Tropfen 821 und beim nicht ausgewählten Tropfen 822. Der Tintenfluss aus der Düse heraus wird dadurch unterstützt, dass die Tinte aufgrund der Schallwelle 820 sich in einer Periode maximaler Vorwärtsgeschwindigkeit befindet. Zum Zeitpunkt 824 ist diese abweichende Entwicklung nicht mehr umkehrbar, da das schwingende Gleichgewicht zwischen Oberflächenspannung und schwingendem Tintendruck unterbrochen ist. Die Tinte tritt weiterhin aus der Düse aus, bis die Tinte im Zeitpunkt 825 mit dem Aufzeichnungsmedium 51 in Berührung gelangt. Die Tinte benetzt die Oberfläche des Aufzeichnungsmediums 51 und wird vom Medium absorbiert, wie dies durch die Überlappung von Tinte und Aufzeichnungsmedium im Raum/Zeit-Bereich 832 dargestellt ist. Wenn die Volumenfließrate in das Aufzeichnungsmedium hinein und/oder entlang dessen Oberfläche die Fließrate aus der Düse heraus zum Ablösezeitpunkt und an der Position 826 übersteigt, löst der ausgewählte Tropfen 821 sich von der Masse der Tinte 100 ab. Nach dem Augenblick der Ablösung bei 821 zieht sich der Tintenmeniskus sowohl der Tinte, die im Aufzeichnungsmedium 51 verbleibt, als auch der Masse der Tinte 100 rasch zusammen. Das Ablösen wird dadurch unterstützt, dass es zum Zeitpunkt geringen Tintendrucks eintritt, wenn die Tinte für die ausgewählten Tropfen in die Düse zurückfließt.When the heater is turned on 823, a differential evolution begins with respect to the presence of ink at the selected drop 821 and the non-selected drop 822. The flow of ink out of the nozzle is assisted by the ink being in a period of maximum forward velocity due to the sound wave 820. At time 824, this differential evolution is no longer reversible because the oscillating equilibrium between surface tension and oscillating ink pressure is broken. Ink continues to exit the nozzle until the ink comes into contact with the recording medium 51 at time 825. The ink wets the surface of the recording medium 51 and is absorbed by the medium, as shown by the overlap of ink and recording medium in the space/time domain 832. When the volumetric flow rate into the recording medium and/or along its surface exceeds the flow rate out of the nozzle at the moment of detachment and at position 826, the selected drop 821 detaches from the bulk of ink 100. After the moment of detachment at 821, the ink meniscus of both the ink remaining in the recording medium 51 and the bulk of ink 100 rapidly contracts. Detachment is This is aided by the fact that it occurs at the time of low ink pressure, when the ink for the selected drops flows back into the nozzle.

Die vom Ablösepunkt 826 aus auf der Seite der Düse befindliche Tinte wird durch die Oberflächenspannung der Tinte rasch in die Düse zurückgezogen. Der Tintenmeniskus führt eine kurze Zeit lang eine gedämpfte Schwingung mit der Resonanzfrequenz der Tinte in der Düsenspitze aus. Diese gedämpfte Schwingung wird der durch die Schallwelle erzeugten Schwingung überlagert. In den meisten Fällen wird es weder nötig noch praktisch möglich sein, die Resonanzschwingung der Tinte in der Düse der Frequenz der Schallwelle anzupassen. Bei dem in Fig. 20(b) dargestellten Beispiel beträgt die Heizelement-Einschaltperiode 18 us, der Tropfenausstoßzyklus 144 us. Die Periode der Schallwelle beträgt 72 us, so dass die Frequenz der Schallwelle 13,8 KHz beträgt. Die Resonanzfrequenz der Tintensäule beträgt 25 KHz.The ink on the side of the nozzle from the separation point 826 is rapidly drawn back into the nozzle by the surface tension of the ink. The ink meniscus performs a damped oscillation at the resonant frequency of the ink in the nozzle tip for a short time. This damped oscillation is superimposed on the oscillation produced by the sound wave. In most cases it will not be necessary or practical to match the resonant oscillation of the ink in the nozzle to the frequency of the sound wave. In the example shown in Fig. 20(b), the heater on period is 18 µs and the drop ejection cycle is 144 µs. The period of the sound wave is 72 µs, so the frequency of the sound wave is 13.8 KHz. The resonant frequency of the ink column is 25 KHz.

Zum Zeitpunkt 827, zu dem die Schallwelle sich in derselben Phase befindet wie der Beginn der Aktivierung des Heizelements 823, ist der Tintenmeniskus noch nicht ausreichend in den Ruhe-Schwingzustand der nicht ausgewählten Tropfen 822 zurückgekehrt. Die anderen, abwechselnd vorgesehenen Düsen derselben Tintenfarbe sind jedoch zum Zeitpunkt 827 zur Aktivierung des Heizelements für die Dauer 830 bereit. Zum nächsten Zeitpunkt 828, zu dem sich die Schallwelle in derselben Phase befindet wie der Beginn der Aktivierung des Heizelements 823, kann das Heizelement derselben Düse wieder aktiviert werden, da der Meniskus bis dahin mit geringfügiger Fehlerquote in den Ruhe-Schwingzustand zurückgekehrt ist.At time 827, when the sound wave is in the same phase as the start of activation of the heating element 823, the ink meniscus has not yet sufficiently returned to the resting oscillation state of the unselected drops 822. However, the other, alternately provided nozzles of the same ink color are ready to activate the heating element for the duration 830 at time 827. At the next time 828, when the sound wave is in the same phase as the start of activation of the heating element 823, the heating element of the same nozzle can be activated again because the meniscus has returned to the resting oscillation state with a small error margin by then.

Die Fläche 832 der vom Aufzeichnungsmedium 51 absorbierten Tinte wird in der Zeichnung zunächst dicker und mit fortschreitender Zeit dünner. Die tatsächliche Tintenfläche im Aufzeichnungsmedium wird nur dünner, verlangsamt sich und stoppt bei einer bestimmten Dicke. Das Dünnerwerden der Tintenfläche rührt davon her, dass Fig. 20 ein Raum/Zeit-Diagramm der Anwesenheit der Tinte entlang der Düsenachse ist und das Aufzeichnungsmedium 51 sich relativ zur Düsenachse bewegt. Zum Zeitpunkt 833, an dem der nächste ausgewählte Tropfen der Düse das Aufzeichnungsmedium erreicht hat, wurde der Rand des vorherigen Tropfens bereits passiert. Der zweite Tintentropfen fließt im Aufzeichnungsmedium zurück, verbindet sich mit dem ersten Tintentropfen, und es entsteht so bei Auswahl späterer Tintentropfen eine fortlaufende Tintenschicht.The area 832 of ink absorbed by the recording medium 51 initially becomes thicker in the drawing and then thinner as time progresses. The actual area of ink in the recording medium only thins, slows down and stops at a certain thickness. The thinning of the ink area is because Fig. 20 is a space/time diagram of the presence of the ink along the nozzle axis and the recording medium 51 is moving relative to the nozzle axis. By the time 833 when the next selected drop from the nozzle has reached the recording medium, the edge of the previous drop has already been happens. The second ink drop flows back in the recording medium, combines with the first ink drop, and thus creates a continuous ink layer as subsequent ink drops are selected.

Ein einfaches Mittel, eine Schallwelle in der Tinte zu erzeugen, besteht darin, einen piezoelektrischen Kristall so anzuordnen, dass er die Tinte im Tintenkanal hinter den Düsen verdrängt. Der piezoelektrische Kristall muss sich über die gesamte Länge der Düsenreihe erstrecken, damit an alle Düsen eine Schallwelle derselben Amplitude und Phase angelegt wird. Die Amplitude der dem piezoelektrischen Kristall zugeführten Spannung ist abhängig von den physikalischen Eigenschaften des Kristalls, den Düsenabmessungen, der Form, Position und den Abmessungen des Tintenbehälters, der Positionierung des piezoelektrischen Kristalls relativ zu den Tintendüsen und dem Tintenbehälter, den Fließeigenschaften der Tinte und von anderen Faktoren. Weil es einfach und kostengünstig ist, unterschiedliche Spannungen, Amplituden und Phasen der Antriebsspannung auszuprobieren, ist der experimentelle Ansatz ein effizienteres Mittel, geeignete Antriebswellenformen abzuleiten, als Berechnungen.A simple means of generating a sound wave in the ink is to place a piezoelectric crystal so that it displaces the ink in the ink channel behind the nozzles. The piezoelectric crystal must extend the entire length of the nozzle row so that a sound wave of the same amplitude and phase is applied to all nozzles. The amplitude of the voltage applied to the piezoelectric crystal depends on the physical properties of the crystal, the nozzle dimensions, the shape, position and dimensions of the ink container, the positioning of the piezoelectric crystal relative to the ink nozzles and ink container, the flow characteristics of the ink and other factors. Because it is easy and inexpensive to try different voltages, amplitudes and phases of the drive voltage, the experimental approach is a more efficient means of deriving suitable drive waveforms than calculations.

Bei dem in Fig. 20 dargestellten Beispiel hat die Schallwelle eine Frequenz von 13,8 KHz. Dies liegt im normalen Hörbereich des Menschen und kann sich als störender hoher Ton bemerkbar machen, wenn die Welle in stärkerem Maß an die Luft übertragen wird und aus dem Druckergehäuse austritt. Wie stark die Störung ist, ist subjektiv und wird von Person zu Person sehr unterschiedlich sein. Zum Beispiel werden manche Menschen durch die 15,625 KHz-Zeilenfrequenz von NTSC- und PAL-Fernsehern gestört, während die meisten Menschen diesen Ton gar nicht wahrnehmen. Für das Geräuschproblem gibt es verschiedene Abhilfen. Eine besteht darin, dafür zu sorgen, dass die Frequenz der Schallhöhe über 20 KHz, der normalen maximalen hörbaren Frequenz, liegt. Eine weitere Lösung besteht darin, den Druckkopf mit schallabsorbierendem Material zu isolieren. Dieses Material braucht nur bei der Grundfrequenz der Schallwelle stark absorbierend zu wirken, da die zweite Oberwelle oberhalb von 20 KHz liegt. Eine weitere Lösung besteht darin, die akustische Kopplung zwischen Tinte und Luft (über den Tintenkanal oder andere Komponenten) bei der entsprechenden Frequenz zu minimieren.In the example shown in Fig. 20, the sound wave has a frequency of 13.8 KHz. This is within the normal range of human hearing and can be perceived as a disturbing high-pitched tone if the wave is transmitted to a greater extent into the air and exits the printer case. The level of disturbance is subjective and will vary greatly from person to person. For example, some people are disturbed by the 15.625 KHz line frequency of NTSC and PAL televisions, while most people do not notice this sound at all. There are several remedies for the noise problem. One is to ensure that the frequency of the sound pitch is above 20 KHz, the normal maximum audible frequency. Another solution is to insulate the print head with sound-absorbing material. This material only needs to be highly absorbent at the fundamental frequency of the sound wave, since the second harmonic is above 20 KHz. Another solution is to minimize the acoustic coupling between ink and air (via the ink channel or other components) at the appropriate frequency.

Tropfengrößen-Anpassung bei Druckern mit Proximity-TropfenablösungDrop size adjustment for printers with proximity drop detachment

Dieses Beispiel fällt nicht in den Rahmen der Ansprüche.This example does not fall within the scope of the claims.

Fig. 21(a) zeigt einen Querschnitt eines Druckkopfs mit Proximity-Ablösung und einer Druckplatte für ein Drucksystem mit Bahntransport.Fig. 21(a) shows a cross-section of a proximity-release printhead and a print plate for a web-transport printing system.

Der Druckkopf 50 druckt sechs Farben (CC'MM'YK) im Hochqualitäts-Vollfarbendruck mittels des digitalen Rasterverfahrens. Der Druckkopf ist etwa 8 mm breit und 600 um dick. Der Druckkopf ist in einer Entfernung DHtoP zum Aufzeichnungsmedium 51 angeordnet, das sich in der durch den Pfeil 5 bezeichneten Richtung bewegt. Das Aufzeichnungsmedium 51 liegt mit Druck an der Platte 67 an. Die Platte 67 sollte eine hochglänzend polierte und optisch ebene Oberfläche aufweisen, um die Reibung mit dem Aufzeichnungsmedium zu reduzieren und die genaue Positionierung über den gesamten Druckbereich hinweg sicherzustellen. Alternativ kann die Druckplatte auch aus zwei oder mehreren (nicht dargestellten) Walzen bestehen, um die Reibung noch weiter zu verringern. Dabei kann zur Aufrechterhaltung der Positionsgenauigkeit des Aufzeichnungsmediums 51 ein (nicht dargestelltes) Band um die Walzen herumgeführt sein. Die Platte 67 ist an einer piezoelektrischen Keramik 31 mit einer Polarisationsachse 33 befestigt. Der piezoelektrische Kristall ist an einer Platte 30 befestigt, die ihrerseits während des Druckvorgangs bezüglich des Druckkopfs 50 mechanisch festgelegt ist. An den piezoelektrischen Kristall 31 werden Elektroden 32 angelegt. Zum Ausgleich des Abstandes DHtoP ist eine Spannung an die Elektroden 32 angelegt.The print head 50 prints six colors (CC'MM'YK) in high quality full color printing using the digital halftone process. The print head is approximately 8 mm wide and 600 µm thick. The print head is located at a distance DHtoP from the recording medium 51, which moves in the direction indicated by arrow 5. The recording medium 51 presses against the platen 67. The platen 67 should have a highly polished and optically flat surface to reduce friction with the recording medium and to ensure accurate positioning over the entire printing area. Alternatively, the platen may consist of two or more rollers (not shown) to further reduce friction. A belt (not shown) may be wound around the rollers to maintain the positional accuracy of the recording medium 51. The plate 67 is attached to a piezoelectric ceramic 31 with a polarization axis 33. The piezoelectric crystal is attached to a plate 30, which in turn is mechanically fixed with respect to the print head 50 during the printing process. Electrodes 32 are applied to the piezoelectric crystal 31. A voltage is applied to the electrodes 32 to compensate for the distance DHtoP.

Die Tinte 100 wird dem Kopf über den Tintenkanal 75 zugeführt. Der Tintenkanal 75 kann auch die Aufgabe erfüllen, den Druckkopf starr in seiner Position zu halten und Verwertungen innerhalb des Druckkopfs zu korrigieren. Alternativ können diese Funktionen auch durch andere Mittel erfüllt werden. Den thermischen Heizelementen wird der Strom über die beiden Stromanschlüsse 38 und 39 zugeführt. Da diese Anschlüsse aus einem leitfähigen Material hergestellt werden können, das ohne weiteres mehrere hundert u dick sein kann, und da diese Anschlüsse sich über die gesamte Länge des Druckkopfs erstrecken können, können dem Druckkopf hohe Ströme mit geringem Spannungsabfall zugeführt werden. Dies ist wichtig, da seitenbreite Farbdruckköpfe bis zu 20 A aufnehmen können, wenn mehrere tausend Düsen gleichzeitig betätigt werden.The ink 100 is supplied to the head via the ink channel 75. The ink channel 75 may also serve the function of holding the print head rigidly in position and correcting misalignments within the print head. Alternatively, these functions may be performed by other means. The thermal heating elements are supplied with power via the two power connectors 38 and 39. Since these connectors can be made of a conductive material which can easily be several hundred microns thick and since these connectors can extend the entire length of the print head, high currents can be supplied to the print head with little voltage drop. This is important because Page-wide color print heads can handle up to 20 A when several thousand nozzles are activated simultaneously.

Eine Papierführung liegt unter leichtem Druck an dem Aufzeichnungsmedium 51 an, wobei der Druck durch ein elastisch verformbares Material 35 geliefert wird, das gegen einen feststehenden Block 34 wirkt. Die Führung 36 dient zwei Zwecken: Das Aufzeichnungsmedium zusammen mit der Papiertransportrolle 65 unter Druck an die Platte anzulegen und Fasern, die möglicherweise aus einem Aufzeichnungsmedium, etwa Papier, herausragen, vorübergehend anzudrücken. Das Andrücken hervorstehender Fasern ist zweckmäßig, um die Druckqualität durch Verringerung der Schwankungen im Abstand zwischen dem Druckkopf und der effektiven Oberfläche des Aufzeichnungsmediums zu verbessern. Vorstehende Fasern haben keinen so großen Einfluss auf die Größe des gedruckten Punktes, wie dies aufgrund des geringen Abstandes zwischen der Düse und dem geschlossenen Bereich des Aufzeichnungsmediums erwartet werden könnte. Dies liegt daran, dass der Tintentropfen nicht mit derselben Geschwindigkeit, mit der er von der eigentlichen Oberfläche aufgesaugt wird, in die Oberfläche kleiner hervorstehender Fasern eindringt oder dass er an ihrer Oberfläche entlang gesaugt wird. Daher werden die Zeit vor dem Ablösen des Tropfens und damit die Gesamtmenge der abgegebenen Tinte nicht in größerem Umfang schwanken. Je nach Druckgeschwindigkeit, der Art des Aufzeichnungsmediums und anderen Aspekten des Drucksystems ist die Führung 36 unter Umständen nicht nötig oder kann zur Reduzierung der Reibung durch Andruckrollen ersetzt werden.A paper guide rests against the recording medium 51 under light pressure, the pressure being provided by an elastically deformable material 35 acting against a fixed block 34. The guide 36 serves two purposes: to apply the recording medium to the platen under pressure together with the paper transport roller 65 and to temporarily press down any fibers that may protrude from a recording medium, such as paper. Pressing down protruding fibers is useful to improve print quality by reducing the variation in the distance between the print head and the effective surface of the recording medium. Protruding fibers do not have as great an effect on the size of the printed dot as might be expected given the small distance between the nozzle and the closed area of the recording medium. This is because the ink drop does not penetrate the surface of small protruding fibers or is sucked along their surface at the same speed as it is sucked up from the actual surface. Therefore, the time before the drop is released and hence the total amount of ink dispensed will not vary to any great extent. Depending on the printing speed, the type of recording medium and other aspects of the printing system, the guide 36 may not be necessary or may be replaced by pinch rollers to reduce friction.

Fig. 21(b) zeigt einen geringen Abstand DHtoP zwischen dem Druckkopf und dem Aufzeichnungsmedium 51. Dies führt zu einem geringen Volumen des ausgewählten Tropfens 1 im Augenblick der Berührung zwischen dem ausgewählten Tropfen und dem Aufzeichnungsmedium. Der Wert DHtoP wird durch Anlegen einer Spannung Vnom + ΔV an den piezoelektrischen Kristall erreicht.Fig. 21(b) shows a small distance DHtoP between the print head and the recording medium 51. This results in a small volume of the selected droplet 1 at the moment of contact between the selected droplet and the recording medium. The value DHtoP is achieved by applying a voltage Vnom + ΔV to the piezoelectric crystal.

Fig. 21(c) zeigt einen Nennabstand DHtop zwischen Druckkopf und Aufzeichnungsmedium 51. Dieser führt zu einem Nennvolumen des ausgewählten Tropfens 1 im Augenblick der Berührung zwischen dem ausgewählten Tropfen und dem Aufzeichnungsmedium. Der Wert DHtoP wird durch Anlagen einer Spannung Vnom an den piezoelektrischen Kristall erreicht, wobei Vnom die Nennspannung ist. Vnom kann gleich Null oder so gewählt sein, dass der volle erforderliche Einstellbereich mit einer einpoligen Einstellspannung abgedeckt werden kann. ΔV kann positiv oder negativ sein, je nach Kristallorientierung und Wahl der Elektroden.Fig. 21(c) shows a nominal distance DHtop between the print head and the recording medium 51. This results in a nominal volume of the selected drop 1 at the moment of contact between the selected drop and the recording medium. The DHtoP value is achieved by applying a voltage Vnom to the piezoelectric crystal, where Vnom is the nominal voltage. Vnom can be zero or chosen so that the full required adjustment range can be covered with a single-pole adjustment voltage. ΔV can be positive or negative, depending on the crystal orientation and choice of electrodes.

Fig. 21(d) zeigt einen relativ großen Abstand DHtop zwischen Druckkopf und Aufzeichnungsmedium 51. Dies führt zu einem relativ großen Volumen des ausgewählten Tropfens 1 im Augenblick des Kontakts zwischen ausgewähltem Tropfen und Aufzeichnungsmedium. Der Wert DHtoP wird durch Anlegen einer Spannung Vnom an den piezoelektrischen Kristall erreicht.Fig. 21(d) shows a relatively large distance DHtop between the print head and the recording medium 51. This results in a relatively large volume of the selected drop 1 at the moment of contact between the selected drop and the recording medium. The value DHtoP is achieved by applying a voltage Vnom to the piezoelectric crystal.

Das Tintenvolumen, das auf das Aufzeichnungsmedium aufgebracht wird, ist nicht gleich dem Volumen des ausgewählten Tropfens im Augenblick der Berührung mit dem Aufzeichnungsmedium, da die Tinte weiterhin aus der Düse fließt, während der ausgewählte Tropfen bereits vom Aufzeichnungsmedium absorbiert wird. Allerdings ist das auf das Aufzeichnungsmedium aufgebrachte Tintenvolumen innerhalb eines von der Tinte, dem Aufzeichnungsmedium und den Düseneigenschaften abhängigen Betriebsbereichs etwa proportional zum Volumen des ausgewählten Tropfens im Augenblick der Berührung.The volume of ink deposited on the recording medium is not equal to the volume of the selected drop at the moment of contact with the recording medium, since the ink continues to flow from the nozzle while the selected drop is already absorbed by the recording medium. However, the volume of ink deposited on the recording medium is approximately proportional to the volume of the selected drop at the moment of contact, within an operating range dependent on the ink, the recording medium and the nozzle characteristics.

Gemäß einer alternativen Ausbildung der Vorrichtung wird umgekehrt ein piezoelektrischer Kristall zur Veränderung der Position des Druckkopfs bezüglich einer feststehenden Druckplatte verwendet. Diese Anordnung ist in der Funktion gleichwertig und weist keine wesentlichen Nachteile gegenüber der Vorrichtung auf, außer dass sie in vielen Fällen schwieriger herzustellen ist.According to an alternative embodiment of the device, a piezoelectric crystal is used to change the position of the print head with respect to a fixed printing plate. This arrangement is functionally equivalent and has no significant disadvantages compared to the device, except that it is in many cases more difficult to manufacture.

Möglich sind viele verschiedene Anordnungen des piezoelektrischen Kristalls, auch solche, bei denen der Kristall im Schermodus arbeitet, und Anordnungen, die mit Mehrfach-Schichtstapeln piezoelektrischer Kristalle arbeiten, um die erforderliche Steuerspannung zu verringern.Many different arrangements of the piezoelectric crystal are possible, including those in which the crystal operates in shear mode and arrangements that use multi-layer stacks of piezoelectric crystals to reduce the required control voltage.

Vorstehend wurden verschiedene allgemeine und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Für den Fachmann sind Modifikationen der allgemeinen und besonderen Ausführungsformen möglich, ohne vom Rahmen der Ansprüche abzuweichen.Various general and preferred embodiments of the invention have been described above. Modifications to the general and specific embodiments are possible for those skilled in the art without departing from the scope of the claims.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Drucken nach dem "drop-on-demand"-Tintendruckprinzip, mit1. Device for printing according to the "drop-on-demand" ink printing principle, with - einem Druckkopf (50), der eine Vielzahl Tropfen abgebender Düsen aufweist,- a print head (50) having a plurality of droplet-emitting nozzles, - einer Masse von Tinte (100), die den Düsen (59) zugeordnet ist und an jeder Düse einen Meniskus bildet,- a mass of ink (100) associated with the nozzles (59) and forming a meniscus at each nozzle, - einem Druckmittel (63), das die Tintenmasse einem Druck aussetzt, der mindestens 2% über dem Luftdruck liegt, zumindest während der Tropfenauswahl und -ablösephase,- a pressure means (63) which subjects the ink mass to a pressure which is at least 2% above atmospheric pressure, at least during the drop selection and detachment phase, - einer Tropfenauswahlvorrichtung (71, 313, 52-58), die auf die Oberfläche des Meniskus einwirkt, indem sie die mit der Düsenspitze in Berührung stehende Tinte des Meniskus rasch erwärmt, um vorbestimmte Düsen während der Tropfenauswahlphase wahlweise zu adressieren und einen Unterschied in der Meniskusstellung zwischen Tinte in adressierten und nicht adressierten Düsen zu erzeugen, wobei die Kraft nicht ausreicht, um ein Ablösen von Tinte in adressierten Düsen zu verursachen,- a drop selection device (71, 313, 52-58) acting on the surface of the meniscus by rapidly heating the ink of the meniscus in contact with the nozzle tip to selectively address predetermined nozzles during the drop selection phase and to create a difference in meniscus position between ink in addressed and non-addressed nozzles, the force being insufficient to cause detachment of ink in addressed nozzles, gekennzeichnet durchmarked by - eine Tropfenablösevorrichtung (74), die unter Verwendung eines außen liegenden Feldes bewirkt, dass sich Tinte aus adressierten Düsen in Form von Tropfen von der Tintenmasse (100) löst und in Form von Tröpfchen abgezogen wird, während Tinte in nicht adressierten Düsen zurückhaltbar ist.- a drop detachment device (74) which, using an external field, causes ink from addressed nozzles to detach from the ink mass (100) in the form of drops and to be withdrawn in the form of droplets, while ink in non-addressed nozzles can be retained. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfenauswalhlvorrichtung (71, 313, 52-58) bewirkt, dass sich Tinte in adressierten Düsen an ausgewählte Punkte bewegt, wobei sie durch kohäsive Kräfte innerhalb der Düsen zurückhaltbar ist, dass sie jedoch weiter aus den Düsen herausragt als Tinte in nicht adressierten Düsen, und dass die Tropfenablösevorrichtung die weiter aus der Düse herausragende Tinte zum Druckbereich zieht.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the drop selection device (71, 313, 52-58) causes ink in addressed nozzles to move to selected points, being retained by cohesive forces within the nozzles, but protruding further from the nozzles than ink in non-addressed nozzles, and that the drop detachment device draws the ink protruding further from the nozzle to the printing area. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfenauswahlvorrichtung eine elektrothermische Reduzierung der Oberflächenspannung der unter Druck stehenden Tinte bewirkt.3. Device according to claim 1, characterized in that the drop selection device causes an electrothermal reduction of the surface tension of the ink under pressure. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfenablösevorrichtung Mittel zum elektrostatischen Anziehen elektrisch leitfähiger Tinte aufweist, wobei die Kraft nicht ausreicht, um eine Ablösung der Tinte von der Tintenmasse in der Düse zu bewirken.4. Device according to claim 1, characterized in that the drop detachment device has means for electrostatically attracting electrically conductive ink, wherein the force is not sufficient to cause the ink to detach from the ink mass in the nozzle. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das Druckmittel verursachte Tintendruck oszilliert.5. Device according to claim 1, characterized in that the ink pressure caused by the pressure medium oscillates. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Tintendruck mit einer Frequenz oszilliert, die ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz darstellt, mit der die Tropfen aus der Düse ausgestoßen werden.6. Device according to claim 5, characterized in that the ink pressure oscillates at a frequency that is an integer multiple of the frequency at which the drops are ejected from the nozzle. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfenablösevorrichtung elektrisch leitfähige Tinte elektrostatisch zu einem Druckbereich zieht.7. Device according to claim 1, characterized in that the drop detachment device electrostatically draws electrically conductive ink to a printing area. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfenablösevorrichtung magnetisch aktive Substanzen enthaltende Tinte magnetisch zu einem Druckbereich zieht.8. Device according to claim 1, characterized in that the drop detachment device magnetically attracts ink containing magnetically active substances to a printing area. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmittel eine Vorrichtung umfasst, die eine akustische Welle an die Tintenmasse anlegt, und dass die akustische Welle sowohl an die adressierten wie auch an die nicht adressierten Düsen anlegbar ist.9. Device according to claim 1, characterized in that the pressure means comprises a device that applies an acoustic wave to the ink mass, and that the acoustic wave can be applied to both the addressed and the non-addressed nozzles. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die die akustische Welle erzeugende Vorrichtung10. Device according to claim 9, characterized in that the device generating the acoustic wave - ein piezoelektrisches Kristall aufweist, das mit der Tintenmasse in Verbindung steht und bei elektrischer Erregung eine Verschiebung der Tinte in der Tintenmasse bewirkt, und- has a piezoelectric crystal that is connected to the ink mass and, when electrically excited, causes a displacement of the ink in the ink mass, and - Mittel umfasst, die eine Schwingungsspannung an das piezoelektrische Kristall anlegen mit einer Frequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz darstellt, mit der die Tropfen aus dem Druckkopf ausgestoßen werden.- means for applying an oscillating voltage to the piezoelectric crystal at a frequency that is an integer multiple of the frequency at which the drops are ejected from the print head.
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