【発明の詳細な説明】
熱印刷システムにおける熱的遅れのヒータ電力補償発明の分野
本発明は、コンピュータ制御の印刷装置の分野に係り、より詳細には、熱励起
式ドロップオンデマンド(DOD)型印刷システムの分野に関する。発明の背景
様々な多くの方式のディジタル制御型印刷システムが発明され、そして多くの
方式のものが現在生産されている。これらの印刷システムでは、各種の作動機構
、種々のマーキング剤、及び種々の記録媒体が使われる。現に使われているディ
ジタル印刷システムの例としては、次の種類がある:レーザ電子写真プリンタ;
LED電子写真プリンタ;ドットマトリックス・インパクトプリンタ;感熱紙プ
リンタ;フィルムレコーダ;サーマルワックスプリンタ;染料拡散熱転送プリン
タ(dye diffusion thermal transfer printer);及びインクジェットプリンタ
。しかし、従来の方式では据え付けに膨大な費用がかかり、しかも特定ページに
ついて数千枚のコピーが印刷されない限りほとんど商業ベースに乗らないとはい
え、前述の電子式印刷システムは、現時点で、それらの従来方法に顕著には取っ
て代わっていない。従って、例えば、普通紙を使って、高速且つ低コストで高品
質のカラーイメージを作り出すことができる改良型のディジタル制御印刷システ
ムの必要性が存在するのである。
インクジェット印刷は、例えば、インパクト型ではなく、騒音が少なく、普通
紙に印刷でき、トナーの転写や定着を行う必要がないため、ディジタル制御の電
子式印刷の分野における際立った競合手段として認められるに至ったのである。
多くの方式のインクジェット印刷のメカニズムが発明されている。それらは、
連続式インクジェット(CIJ)か又はドロップオンデマンド(DOD)型インクジェット
の何れかに分類することができる。連続式インクジェット印刷は、少なくとも19
29年に時代が遡る:Hansell,US Pat.No.1,941,001。
Sweet等のUS Pat.No.3,373,437,1967では、印刷されるべきインクドロップ(
インク液滴)が選択的にそこに充填されて且つ記録媒体の方へ偏向される連続
インクジェット用ノズルのアレーが開示されている。この技術は二進法偏向CIJ
として知られており、ElmjetとScitexを含む、数社で用いられている。
Hertz等のUS Pat.No.3,416,153,1966では、充填したドロップ流の静電分散を
使って小アパチャ(開口)を通過する液滴数を調節してCIJ印刷において様々な
光学密度をもつ印刷スポットを得る方法を開示している。この技術は、Iris Gra
phics社製のインクジェット式プリンタに用いられている。
Kyser等のUS Pat.No.3,946,398,1970では、ピエゾ(圧電)結晶に高電圧を印
加して、その結晶を曲げ、インク容器に圧力をかけそして要求に応じて(オンデ
マンド)ドロップを噴射するDODインクジェット式印刷機を開示している。その
後、曲げモード、押しモード、せん断モード、及び絞りモードでピエゾ結晶を利
用する多くの方式の圧電式ドロップオンデマンド型印刷機が発明された。圧電式
DOD印刷機は、ホットメルトインク(例えば、Tektronix及びDataproductsのプリ
ンタ)を用い、且つホーム及びオフィスプリンタ(Seiko Epson)に使える720 d
pi未満のイメージ分解能で、商業上の成功を収めている。圧電式DOD印刷機は、
広範囲のインクが使えるという利点がある。しかし、圧電式印刷メカニズムは、
通常、生産性及び性能の点で不利となる複雑な高電圧駆動回路と大きいピエゾ結
晶の配列を必要とする。
Endo等のGB Pat.No.2,007,162,1979では、ノズル中のインクと熱接触してい
る電熱変換器(ヒータ)に電力パルスをかける電熱DODインクジェット式印刷機
を開示している。ヒータは、水をベースとしたインクを急速に高温に加熱し、そ
の結果、少量のインクが急速に蒸発し、バブルを生成する。これらのバブル生成
は、圧力波となり、インクドロップをヒータ基板の端に沿って設けられている小
アパチャから射出させる。この技術は、BubblejetTM(日本のキャノン社の登録
商標)として知られており、キャノン、ゼロックス、及びその他のメーカから市
販されている広範囲の印刷システムに用いられている。
Vaught等のUS Pat.No.4,490,728,1982では、これもバブル生成で作動する電
熱式ドロップ射出システムを開示している。このシステムでは、ドロップは、ヒ
ータ上方のアパチャ板に作り込まれているノズルを通して、ヒータ基板の面に垂
直な方向に射出される。このシステムは、Thermal Ink Jet(熱インクジェット
)と
して知られており、ヒューレット・パッカード社で製造されている。本明細書に
おいては、用語"Thermal Ink Jet"は、ヒューレット・パッカード社のシステム
及び一般にBubblejetTMとして知られているシステムの両方を指すものとする。
Thermal Ink Jet印刷は、通常、各ドロップを射出する約2μsの間に約20μJを
要する。各ヒータについて10ワットの実質的電力消費はそれ自体不利である上、
さらに特殊なインクを必要とし、駆動電気回路を複雑にし且つヒータ素子の劣化
を引き起こす。
他のインクジェット式印刷システムも技術文献に記載されているが、現在、商
業的規模では使われていない。例えば、US Pat.No.4,275,290は、熱パルスと水
圧で、所定の印刷ヘッドノズルのアドレスを一致させることにより、印刷ヘッド
下方を通して、スペーサで間隔をあけた紙の方へインクを自由に流すことができ
るシステムを開示している。US Pat.Nos.4,737,803; 4,737,803及び4,748,458は
、熱パルス及び静電的引力場と一致した印刷ヘッドノズルのインクのアドレスに
より、印刷シートへのインクドロップの射出を生じさせるインクジェット記録シ
ステムを開示している。
上述の各インクジェット式印刷システムは、利点と欠点をもっている。しかし
、例えば、コスト、速度、品質、信頼性、電力使用、構造及び操作の簡単さ、耐
久性及び消耗品に関して、諸利点をもたらす改良型インクジェット印刷方法が依
然として求められていることは広く知られている。発明の概要
筆者の同時提出出願、表題"Liquid Ink Printing Apparatus and System"及び
"Coincident Drop-Selection,Drop-Separation Printing Method and System"で
は、上述の従来技術の諸問題を克服することに対して顕著な改善をもたらす新し
い方法と装置が記述されている。これらの発明は、例えば、ドロップサイズと布
置(placement)精度に関して、達成可能な印刷速度に関して、電力使用に関して
、耐久性と遭遇する稼働中の熱ストレスに関して及びその他のプリンタの性能特
性、並びに生産性及び有用なインクの諸特性に関して、重要な諸利点を提供する
ものである。本願発明の1つの重要な目的は、上述の出願に記述された構造と方
法を
さらに向上させ、よって、印刷技術の進展に寄与することである。
従って、本願発明の重要な目的は、より調和した印刷出力をもたらす熱ドロッ
プオンデマンド型印刷システムについての諸改良点を提供することにある。
一態様において、本願発明は、熱印刷ヘッドと励起電力に応答して熱を生ずる
ヒータ装置とを有する種類の印刷装置に関連し、改良された電力制御システムは
次のものから成る:(a)前記のヒータ装置を励起するためのプログラム可能な電
源;(b)前記電源を前もって決めたように制御して前記ヒータ装置に印加される
電源を、その励起パルス期間中、前もって決めたように可変するための制御装置
。
発明のさらに好ましい態様は、電源の所要電圧が印刷ヘッドの作動前に計算さ
れ、ディジタル情報として電子メモリに記憶されることである。
発明のさらに好ましい態様は、電源の電圧測定ユニットが、全パルス持続時間
の比としてヒータ励起パルス中の経過時間量を表す数を与える計数装置から成り
、その出力は、そのデータ出力がディジタル・アナログ変換器に接続されている
ディジタル電子ルックアップテーブルのアドレスの一部又は全部を形成するもの
である。
発明のさらに好ましい態様は、カウンタ機能が経過時間の非線形表示を作り出
す回路を包含することである。
発明のさらに好ましい態様は、ヒータ電源の電圧が次式によって決められるこ
とである:
k(t)≒p(t)
発明のさらに好ましい態様は、電源電圧が印刷濃度も補償することである。
発明のさらに好ましい態様は、電源電圧が周囲温度も補償することである。
発明のさらに好ましい態様は、電源電圧が印刷濃度と周囲温度の両方とも補償
することである。
発明のさらに好ましい態様は、ヒータ電源の電圧が次式によって決められるこ
とである:
図面の簡単な説明
図1(a)は、本願発明による1つの代表的印刷装置の簡略化したブロック線図で
ある。
図1(b)は、発明に従うノズル先端の1変形の断面図である。
図2(a)〜2(f)は、ドロップ選択の流体力学的シミュレーションを示す。
図3(a)は、発明の具体例による、動作状態にあるノズルの限定要素の流体力学
的シミュレーションを示す。
図3(b)は、ドロップ選択及び分離中の連続的メニスカス位置を示す。
図3(c)は、ドロップ選択サイクル中の種々の点における温度を示す。
図3(d)は、様々なインク添加剤に関する測定表面張力対温度の曲線を示す。
図3(e)は、図3(c)の温度曲線を作るため、ノズルのヒータに加えられる電力パ
ルスを示す。
図4は、発明を実施するための印刷ヘッド駆動回路のブロック線図を示す。
図5は、発明の諸特性を具体化するA4ページ幅のカラー印刷ヘッドについて、
フォールトトレランス(故障許容方式)がある場合と無い場合に関する、予想製
造歩留りを示す。
図6(a)及び6(b)は、発明による電力関数p(t)に関連して印刷ヘッドの電力を制
御する方法の簡略化ブロック線図を示す。
図7は、発明による電力関数補償に関する4相の印刷ヘッドのタイミング線図
を示す。好ましい具体例の詳細な説明
1つの一般的態様では、本発明は、ドロップオンデマンド型印刷メカニズムを
構成するものであり、この場合、印刷すべきドロップを選択する手段は、選択し
たドロップと選択されないドロップとの間に位置の差を生成するが、それはイン
クドロップがインクの表面張力に打ち勝ち、そしてインク溜まりから分離するよ
うにさせるには不十分であり、且つもう一方の手段は、選択したドロップをイン
ク溜まりから分離させるために設けられる。
ドロップ分離手段からのドロップ選択手段の分離によって、どちらのインクド
ロップが印刷されるべきかを選択するのに要するエネルギーが、顕著に低減され
る。ドロップ選択手段だけは、各ノズルへの個別信号で駆動されなければならな
い。ドロップ分離手段は、全てのノズルに同時に適用される場又は状態であって
よい。
ドロップ選択手段は、限定されるものではないが、下記リストから選択してよ
い:
1) 加圧インクの表面張力の電熱的減少
2) ドロップ噴出を生ずるには不十分なバブル体積の、電熱的バブルの発生
3) ドロップ噴出を生ずるには不十分な容積変化を伴う、圧電的手段
4) ノズル当り1電極を用いる静電引力
ドロップ分離手段は、限定されるものではないが、下記リストから選択してよ
い:
1) 近接(記録媒体が印刷ヘッドに極めて近接)
2) 振動インク圧力による近接
3) 静電引力
4) 磁気引力
表"DOD印刷技術の目標"は、ドロップオンデマンド印刷技術についての望まし
い特性を示すものである。同表はまた、ここに、又は筆者の他の関連出願におい
て、記述したいくつかの具体例が、それによって従来技術を越える改良を実現す
るいくつかの方法も列挙する。
"DOD印刷技術の目標"
熱インクジェット(TIJ)式及び圧電インクジェット式システムにおいては、選
択されたインクドロップがインクの表面張力に打ち勝ち、インク溜まりから分離
し、そして記録媒体に当たることを保証するのに、約10メートル/秒のドロップ
速度が望まれる。これらのシステムでは、電気エネルギーのドロップ運動エネル
ギーへの変換効率が非常に低い。TIJシステムの効率は、ほぼ0.02%)である。こ
れは、TIJの印刷ヘッドの駆動回路で高電流が切り換えられなければならないこ
とを意味する。圧電式インクジェットヘッドの駆動回路は、高電圧を切り換える
か、もし
くは高容量性負荷を駆動しなければならない。ページ幅TIJ印刷ヘッドの全電力
消費も極めて高い。1秒で1つの4カラー黒イメージを印刷する800 dpi A4フル
カラーページ幅TIJ印刷ヘッドは、約6kWの電力を消費し、そのほとんどは不用
な熱に変換されるものである。この熱量除去の困難さのため、低コスト、高速、
高解像度のコンパクトなページ幅TIJシステムの製造が阻まれるのである。
本発明の実施形態の1つの重要な特徴は、どのインクドロップを印刷すべきか
を選択するのに要するエネルギーを顕著に低減する手段である。これは、選択さ
れたドロップがインク溜まりから分離して記録媒体上にドットを形成することを
保証する手段からインクドロップを選択する手段を分離することにより達成され
る。ドロップ選択手段だけは、各ノズルへの個別信号で駆動されなければならな
い。ドロップ分離手段は、全てのノズルに同時に適用される場又は状態であって
よい。
表"ドロップ選択手段"は、本発明によるいくつかの可能なドロップ選択手段を
示すものである。ドロップ選択手段は、ドロップ分離手段が、選択されたドロッ
プと選択されないものとの間で区別できるよう、選択したドロップの位置に十分
な変化を作り出すのに必要とされるに過ぎない。
"ドロップ選択手段"
その他のドロップ選択手段も用いてよい。
水素地にインクの好ましいドロップ選択手段は、方法1:"加圧インクの表面
張力の電熱的減少"である。このドロップ選択手段は、他のシステムより優れた
、次の特徴を含む多くの利点をもたらす:低電力運転(TIJの約%1)、CMOS VLSI
チップ組立てとの互換性、低電圧運転(約10V)、高いノズル密度、低温度運転
、及び広範囲に適合するインク調合。インクは、温度上昇につれて表面張力の減
少を示さなければならない。
ホットメルト又はオイル素地のインクに対する好ましいドロップ選択手段は、
方法2:"振動インク圧力に関連した、インク粘性の電熱的減少"である。このド
ロップ選択手段は、温度上昇につれて粘性の大きい減少を示すが、表面張力の減
少は少ししか示さないインクと併用するのに特に適しているものである。これは
、特に、比較的高分子量を有する無極性インクキャリヤーで生ずる。これは、特
に、
ホットメルト及びオイル素地のインクに適用できる。
表"ドロップ分離手段"は、選択したドロップをインク溜まりから分離し、且つ
その選択したドロップが印刷媒体上にドットを形成することを保証するための、
いくつかの可能な方法を示す。ドロップ分離手段は、非選択ドロップが印刷媒体
上でドットを形成しないことを保証するべく選択ドロップと非選択ドロップとを
区別するものである。
"ドロップ分離手段"
他のドロップ分離手段も用いてよい。
好ましいドロップ分離手段は、用途によって変わる。ほとんどの用途では、方
法1:"静電引力"、又は方法2:"AC電界"が最も適している。平滑なコーティン
グが行われた紙又はフィルムが使われ、且つ超高速が不可欠でない用途では、方
法3:"近接"が適することもある。高速、高品質システムに対しては、方法4:
"転送近接"を用いてよい。方法6:"磁気引力"は、印刷媒体が近接印刷には粗す
ぎ、且つ静電ドロップ分離に要する高電圧が望ましくない携帯印刷システムに適
している。全ての情況に適用できる明確な"ベストの"ドロップ分離手段はない。
本願発明による様々な方式の印刷システムについてのより詳しい詳細は、1995
年4月12日提出の下記のオーストラリア特許出願に記述されており、その開示は
ここに参考として引用する:
"液体インクフォールトトレラント(故障許容)(LIFT)印刷メカニズム"(出願
番号:PN2308);
"LIFT印刷における電熱ドロップ選択"(出願番号:PN2309);
"印刷媒体近接によるLIFT印刷のドロップ分離"(出願番号:PN2310);
"媒体距離に合うようヘッド変更による近接LIFT印刷のドロップサイズ調節"(
出願番号:PN2311);
"音響インク波に関する増大近接LIFT印刷"(出願番号:PN2312);
"LIFT印刷における静電ドロップ分離"(出願番号:PN2313);
"近接LIFT印刷における多重同時的ドロップサイズ"(出願番号:PN2321);
"熱的に活性化された印刷ヘッドの自己冷却動作"(出願番号:PN2322);
"熱粘性減少LIFT印刷"(出願番号:PN2323);
発明による1つの好ましい印刷システムの簡略化した略図を図1(a)に示す。
イメージ源52は、スキャナもしくはコンピュータからのラスタイメージデータ
、又はページ記述言語(PDL)の形のアウトラインイメージデータ、又は他の形の
ディ
ジタルイメージ表示であってよい。このイメージデータは、イメージ処理システ
ム53によりピクセルーマップ・ページイメージに変換される。これは、PDLイメ
ージデータの場合はラスタイメージプロセッサ(RIP)、ラスタイメージデータの
場合はピクセルイメージマニプレーションであってよい。イメージ処理システム
53により作られる連続トーンデータは、ハーフトーン化される。ハーフトーン化
は、ディジタルハーフトーン化ユニット54で実施する。ハーフトーン化したビッ
トマップイメージデータは、イメージメモリ72に記憶する。印刷機及びシステム
の構成に依存して、イメージメモリ72は、フルページメモリ、又はバンドメモリ
であってよい。ヒータ制御回路71は、イメージメモリ72からのデータを読み込み
、印刷ヘッド50の一部であるノズルヒータ(図1(b)の103)に時間変更(time-var
ying)電気パルスを印加する。これらのパルスは、適当な時間に、適当なノズル
へ印加され、その結果、選択されたドロップは、記録媒体51上のイメージメモリ
72のデータで指定された適当な位置にスポットを形成する。
記録媒体51は、紙移送制御システム66によって電気的に制御されるところの、
紙移送システム65によってヘッド50に相対的に移動させられるもので、この搬送
制御システムは、今度は、マイクロコントローラ315によって制御されることに
なる。図1(a)に示した紙移送システムは概要に過ぎず、従って、様々な多くの機
械的構成も可能である。ページ幅印刷ヘッドの場合、停止ヘッド50を通過させて
記録媒体51を移動させるのが最も便利である。しかし、走査型印刷システムの場
合、1つの軸に沿って(副走査方向)ヘッド50をそしてその直交軸に沿って(主
走査方向)記録媒体51を、相対的ラスタ運動で移動させるのが、通常、最も便利
である。マイクロコントローラ315はまた、インク圧レギュレータ63とヒータ制
御回路71も制御してよい。
表面張力減少を用いる印刷では、インクは、インクタンク64に圧力下で容れる
。(インクドロップが噴射されない)静止状態では、インク圧力は、表面張力に
打ち勝ってドロップを噴射するには不十分である。一定のインク圧力は、インク
圧レギュレータ63の制御下でインクタンク64に圧力をかけることにより得ること
ができる。あるいは、大き目の印刷システムに関しては、インク圧力は、インク
タンク64におけるインクの最上面をヘッド50の上方の適当な距離に位置させるこ
と
によって極めて精密に発生させ且つ制御することができる。このインクレベルは
、簡単なフロートバルブ(非表示)で調整可能である。
粘性減少を用いる印刷では、インクは、インクタンク64に圧力下で容れ、その
インク圧力が振動するようにする。この振動を生ずる装置は、インクチャンネル
(非表示)に取り付けた圧電式アクチュエータであってよい。
ドロップ分離手段を使って適切に処理されると、選択されたドロップは、記録
媒体51上にスポットを形成し始め、一方、非選択ドロップは、インク溜まりの部
分に留まる。
インクは、インクチャンネル装置75によってヘッド50の裏面に分布される。イ
ンクは、好ましくは、ヘッド50のシリコン基板を貫通して、ノズルとアクチュエ
ータがそこに配置されているところの、前面までエッチングしたスロット及び/
又は穴を通して流れる。熱選択の場合、ノズルアクチュエータは、電熱ヒータで
ある。
本発明によるある種の印刷機では、選択したドロップがインク溜まりから分離
して記録媒体51の方へ移動することを保証するために外部場74を必要とする。在
来の外部場74では、インクは容易に電導性になるよう作られるので、一定の電場
である。この場合、用紙ガイド即ちプラテン67は、電導性材料から作って、電場
を発生させる1つの電極として用いてよい。他の電極は、ヘッド50そのものであ
ってよい。別の具体例は、選択されたドロップと非選択ドロップを区別する手段
として印刷媒体の近接を使う。
小さいドロップサイズでは、インクドロップにかかる重力は極めて小さく;表
面張力のほぼ10-4、それ故、重力は、ほとんどの場合、無視してよい。このため
、印刷ヘッド50と記録媒体51は、局部重力場に対して任意の方向に配置できる。
これは、携帯型プリンターにとって重要な要件である。
図1(b)は、改良CMOSプロセスを使って組み立てられた、発明の単一の微視的ノ
ズルチップ実施例の断面の詳細拡大図である。ノズルは、シリコン、ガラス、金
属、又は他の任意の適当な材料であってよい基板101にエッチングする。半導体
材料でない基板が使われる場合、(アモルファスシリコンのような)半電導性材
料をその基板上に堆積させてよく、且つ、集積化駆動トランジスタ及びデータ分
布
回路を表面半電導性層に形成してよい。単結晶シリコン(SCS)基板は、下記を含
むいくつかの利点を持っている:
1) 高性能駆動トランジスタ及びその他の回路をSCSに組み込むことが可能;
2) 印刷ヘッドは、標準のVLSI製造装置を用いて現存の設備(工場)で組み立て
ることが可能;
3) SCSは、高い機械的強度と剛性をもっており;そして
4) SCSは、高い熱伝導性をもっている。
この実施形態では、ノズルは、環状ヒータ103を有する、円筒形である。ノズ
ルチップ104は、CMOSドライブ回路の組立中に堆積させた二酸化シリコンの層102
から形成する。ノズルチップは、窒化シリコンで不動態化する。突き出たノズル
チップで加圧インク100の印刷ヘッド表面上への接触点が制御される。印刷ヘッ
ド表面はまた、疎水性にされ、印刷ヘッドの前面にわたるインクの不慮の広がり
を防止する。
ノズルに関するその他の多くの構成は可能であり、発明のノズルの具体例は、
形状、ディメンション、及び使用材料が変更されてよい。ヒータと駆動用回路が
その上に形成される基板からエッチングされた一体構造のノズルは、オリフィス
板を必要としない利点がある。オリフィス板を排除すれば、製造上及び組立にお
いて顕著なコスト節約となる。オリフィス板を排除する最近の方法は、Domoto等
のUS Pat.No.4,580,158,1986(Xeroxに譲渡)、及びMiller等のUS Pat.No.5,37
1,527,1994(Hewlett-Packardに譲渡)に記載されているような"vortex"アクチ
ュエータの使用が含まれる。しかし、これらは作動させるのが複雑であり、組立
が困難である。発明の印刷ヘッドのオリフィス板を排除する好ましい方法は、ア
クチュエータの基板中にオリフィスを組込むことである。
この方式のノズルは、ドロップ分離に種々の技術を用いる印刷ヘッドに使って
よい。静電的ドロップ分離を使う操作
最初の例として、表面張力の熱的減少並びに静電的ドロップ分離を利用する操
作を図2に示す。
図2は、FIDAP、米国イリノイ州のFluid Dynamics社から市販されている業務用
流体力学的シミュレーションソフトウェアパッケージ、を使って実行されたエネ
ルギー搬送及び流体力学的シミュレーションの結果を示す。このシミュレーショ
ンは、周囲温度30℃で直径8μmの熱ドロップ選択ノズルの態様についてのもので
ある。ヒータに加える全エネルギーは276 nJであり、これは4 nJ毎の69のパルス
として加えられたものである。インク圧力は、周囲の空気圧力を越える10 kPaで
あり、30℃でのインクの粘性は、1.84 cPsである。インクは、水ベースであり、
0.1%のパルミチン酸のゾルを含み、温度上昇につれて表面張力の大幅の減少を実
現するものである。ノズルの中心軸から半径方向で40μmの距離までのノズルチ
ップの断面を示す。ケイ素(シリコン)、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、非晶質の
二酸化ケイ素、結晶性二酸化ケイ素を含む様々な材料のノズルにおける熱の流れ
、及び水ベースのインクが、材料の各密度、熱容量、及び熱伝導率を使ってシミ
ュレートされている。シミュレーションの時間ステップは、0.1μsである。
図2(a)は、ヒータが作動される直前の静止状態を示す。インク圧力と外部の静
電場をプラスしたものが、周囲温度のインクの表面張力に打ち勝つには不十分で
あることを保証することにより、インクが静止状態にあるノズルから漏れない平
衡状態が作られる。静止状態では、インクのメニスカスは、印刷ヘッドの表面か
ら顕著に突き出ず、従って、静電場は、メニスカスに顕著に集中されない。
図2(b)は、ヒータ加熱パルスの供給開始後の間隔5μsの5℃間隔の等温線を示
す。ヒータが加熱すると、ノズルチップと接触しているインクが急速に加熱する
。表面張力の減少によって、メニスカスの加熱部分が冷たいインクのメニスカス
に較べ急速に拡大される。これが対流を起こし、ノズルチップにあるインクの自
由表面の部分にわたってこの熱を急速に搬送する。熱は、インクがヒータと接触
しているところだけではなく、インク表面全域に分布されることが必要である。
これは、固形ヒータに対する粘性抵抗がヒータと直接接触しているインクを移動
させないからである。
図2(c)は、ヒータ加熱パルスの供給が開始してから、10μs後の5℃間隔の等温
線を示す。温度の上昇によって、表面張力の減少が生じ、力の平衡が乱される。
メニスカス全体が加熱されてしまうと、インクが流れ始める。
図2(d)は、ヒータ加熱パルスの供給が開始してから、20μs後の5℃間隔の等温
線を示す。インク圧力でインクが新しいメニスカス位置へ流されてしまい印刷ヘ
ッドから突き出る。静電場は突き出る伝導性インクドロップによって高密になる
。
図2(e)は、ヒータ加熱パルスの供給が開始してから、30μs後の5℃間隔の等温
線を示し、これは、ヒータパルスの持続時間が24μs故、ヒータパルス終了後6μ
sでもある。ノズルチップは、酸化物の層を通しての伝導、並びに流動するイン
ク中への伝導により急速に冷却している。ノズルチップは、効果的に、インクで
"水冷"される。静電引力によって、インクドロップは記録媒体の方へ加速され始
める。ヒータパルスが著しく短ければ(この場合、16μs未満)、インクは記録
媒体の方へ加速されず、その代わりにノズルへ戻ることになる。
図2(f)は、ヒータ加熱パルスの供給が終了してから、26μs後の5℃間隔の等温
線を示す。ノズルチップの温度は、今度は、周囲温度を超えて5℃未満である。
これがノズルチップの周りで表面張力の増加を生ずる。インクがノズルから引き
出される速度が、ノズルを通るインク流の粘性によって限定された速度を超える
時、ノズルチップの領域にあるインクは"細くなり"、選択されたドロップがイン
ク溜まりから分離する。その後、選択されたドロップは、外部静電場の影響下で
記録媒体へ進む。次いで、ノズルチップにおけるインクのメニスカスは、その静
止位置に戻り、次のインクドロップを選択すべく次のヒートパルスを待機する。
1つのインクドロップが選択され、分離され、そして各ヒートパルスに対して記
録媒体上にスポットを形成する。ヒートパルスは電気的に制御されるので、ドロ
ップオンデマンド型のインクジェット動作が達成され得るのである。
図3(a)は、ヒータ加熱パルスの供給が開始されてから、5μs間隔のドロップ選
択サイクル中の継続的なメニスカス位置を示す。
図3(b)はメニスカス位置対時間のグラフであり、メニスカスの中心の点の移動
を示す。ヒータパルスはシミュレーションが開始してから10μs後にスタートす
る。
図3(c)は、ノズルの様々な点での時間に関する温度の合成曲線を示す。グラフ
の縦軸は、100℃単位の温度である。グラフの横軸は、10μs単位の時間である。
図3(b)に示す温度曲線は、0.1μsの時間ステップを使い、FIDAPによって計算し
た。その場所の周囲温度は30℃である。3点での温度履歴を示す:
A - ノズルチップ:これは、不動態層、インク、及び空気の間の接触範囲の温
度履歴を示す。
B - メニスカス中間点:これは、ノズルチップとメニスカスの中心の間の中程
のインクメニスカス上の範囲にある。
C - チップ表面:これは、ノズル中心から20μmの印刷ヘッド表面上の点にあ
る。温度は数度上昇するに過ぎない。このことは、活回路が、高温度による性能
又は寿命の低下を被らないで、ノズルに最近接して配置できることを示すもので
ある。
図3(e)は、ヒータに印加された電力を示す。最適の動作では、ヒータパルスの
スタート時は温度の急上昇を必要とし、パルスが持続している間はインクの沸点
より多少低い温度が維持され、パルス終了時は温度の急速な降下が必要である。
これを達成するには、ヒータに加える平均エネルギーをパルスの持続時間にわた
り変化させる。この場合、その変化は、それぞれ4 nJのエネルギーを有する、0.
1μsサブパルスのパルス周波数変調により達成されるものである。ヒータに加え
るビーク電力は40 mWであり、ヒータパルスの持続時間にわたる平均電力は11.5m
Wである。この場合の副パルス周波数は5 Mhzである。これは、印刷ヘッドの動作
に顕著な影響を与えずに容易に変更することができる。比較的高い副パルス周波
数を用いれば、ヒータに加えられる電力にわたりより微細な制御が可能となる。
13.5 Mhzという副パルス周波数は、この周波数が無線周波数の干渉(RFI)の影響
を最小にするのにも適している故、適切である。負の温度係数の表面張力を有するインク
温度上昇につれて減少するインクの表面張力に対しての要件は、ほとんどの純
粋な液体及び多くの混合物がこの属性を有する故、主要な制約ではない。任意の
液体に対する温度対表面張力に関する正確な方程式は利用できない。しかし、Ra
msayとShieldsによって導出された次の実験式は、多くの液体に関して成り立つ
:
ここで、γTは温度Tでの表面張力、kは定数、Tcは液体の臨界温度、Mは液体の
分子量、xは液体の結合の度合、及びρは液体の密度である。この式は、ほとん
どの液体の表面張力は、その温度が臨界温度に到達するとゼロに落ちることを示
す。ほとんどの液体に関しては、その臨界温度は、本質的に、周囲圧力において
沸点以上であり、それ故、実用的噴射温度の付近の小さい温度変化で表面張力が
大きく変化するインクを得るには、界面活性剤の添加が推奨される。
界面活性剤の選択は重要である。例えば、熱インクジェット式印刷機用の水ベ
ースのインクには、しばしば、表面張力を減らして急速な乾燥を促進するのに、
イソプロビルアルコール(2-プロパノール)が含有される。イソプロビルアルコー
ルの沸点は82.4℃であり、水の沸点より低い。温度が上昇するにつれ、アルコー
ルは水より速く蒸発し、アルコールの濃度を下げて表面張力を増加させる。1-He
xanol(b.p.158℃)のような界面活性剤は、この効果を逆転させ、温度につれ多少
減少する表面張力を得るのに使うことができる。しかし、温度による表面張力の
比較的大きい減少は、作動範囲を最大にするためには望ましい。30℃の温度レン
ジにわたり20 mN/mの表面張力の減少は、大きい動作マージンを達成するのに好
ましく、一方、10 mN/m程度の減少は、本願発明による印刷ヘッドの動作を達成
するのに使うことができる。大きい-△γTを有するインク
温度上昇につれ大きい負の変化をする表面張力を得るのにいくつかの方法を用
いることができる。その2つの方法は:
1) インクは、周囲温度で固体であるが、しきい温度で溶融する低濃度の界面活
性剤のゾルを含有してよい。1,000Å未満の粒子サイズが望ましい。水ベースの
インクにとって適当な界面活性剤の融点は、50℃と90℃の間であり、好ましくは
、60℃と80℃の間である。
2) インクは、最大の周囲温度以上であるが、インクの沸点以下である転相温度(
PIT)を有するオイル/水のマイクロエマルジョンを含有してよい。安定度に関し
ては、マイクロエマルジョンのPITは、好ましくは、20℃又はインクが遭遇する
最大の非動作温度以上である。ほぼ80℃のPITが適当である。界面活性剤のゾルを有するインク
インクは、所望の動作温度範囲で溶融する界面活性剤の小粒子のゾルとして作
製してよい。この界面活性剤の例としては、下表のような、14個と30個の間の炭
素原子を有するカルボン酸が含まれる:
小さい粒子サイズを持つゾルの融点は、通常、バルク材料のそれより多少低い
ので、所望のドロップ選択温度を多少上回る融点を持つカルボン酸を選択するの
が望ましい。
これらのカルボン酸は、高純度で利用でき且つ低コストである。界面活性剤の
所要量は極めて少量であり、それ故それらをインクに添加するコストは、微々た
るものである。多少異なった鎖長をもつカルボン酸の混合物を用いてその融点を
温度範囲いっぱいに拡げてよい。これらの混合物は、典型的に、純粋な酸よりコ
スト安となろう。
単純な非分枝カルボン酸に界面活性剤の選択を限定する必要はない。分枝鎖又
はフェニル基を有する界面活性剤、もしくは他の疎水性半分部分(moiety)を用い
てよい。また、カルボン酸を使う必要はない。高極性の多くの半分部分は、界面
活性剤の親水性端に適している。極性端は水中でイオン化できることが望ましく
、その結果、界面活性剤の粒子の表面は荷電して、分散を促進し凝集を妨げるこ
とができる。カルボン酸の場合、これは、水酸化ナトリウム又は水酸化カリウム
のようなアルカリを添加することにより達成することができる。界面活性剤ゾルを有するインクの作製
界面活性剤ゾルは、高濃度で別に作製し、所要濃度でインクに添加してよい。
界面活性剤ゾルを作る典型的プロセスは次の通りである:
1) 無酸素雰囲気で精製水にカルボン酸を加える。
2) その混合物をカルボン酸の融点以上まで加熱する。水は、沸騰状態にしてよ
い。
3) カルボン酸の液滴の代表的サイズが100Åと1,000Åの間になるまで、その混
合物を超音波処理する。
4) その混合物を冷却させる。
5) 混合物の頂上部から大き目の粒子をデカントする。
6) NaOHのようなアルカリを加えて粒子の表面上でカルボン酸の分子をイオン化
する。ほぼ8のpHが適当。この処理は必ずしも必要ではないが、ゾルの安定化を
促進する。
7) ゾルを遠心分離する。カルボン酸の濃度は水より低い故、比較的小さい粒子
が遠心機の外側に、そして大き目の粒子がその中央部に積もる。
8) 細孔フィルターを使ってゾルをろ過して5000Å以上の粒子はどれも除去する
。
9) インク調合液に界面活性剤ゾルを付加する。ゾルは、よく希釈した濃度のも
のだけが必要。
インク調合液はまた、染料(群)又は顔料(群)の何れか、殺菌剤、静電ドロ
ップ分離が用いられる場合のインクの電導度を高める薬剤、潤滑剤、及びその他
必要な薬剤を含有する。
ドロップ噴射過程中泡が形成されない故、泡止め剤は、一般に、必要とされな
いであろう。カチオン界面活性剤ゾル
アニオン界面活性剤ゾルを使って作ったインクは、一般に、カチオン染料又は
顔料との使用には向いていない。これは、カチオン染料又は顔料は、アニオン界
面活性剤により沈殿するか凝集することがあるからである。カチオン染料及び顔
料を使えるようにするには、カチオン界面活性剤ゾルが必要である。アルカリア
ミンの系列はこの目的に向いている。
種々の適切なアルカリアミンを下表に示す:
カチオン表面活性剤ゾルの作製法は、pHバランスを調節し且つ界面活性剤粒子
上に電荷を増やすのにアルカリの代わりに酸を使う以外は、本質的に、アニオン
界面活性剤ゾルのそれと同様である。HClを使う際にpH 6は適当である。マイクロエマルジョン素地のインク
ある温度しきい値につれて表面張力の大きい減少を達成する代替手段は、マイ
クロエマルジョンをインクのベースにすることである。マイクロエマルジョンは
、所望の噴射しきい温度近辺の転相温度(PIT)に関して選択する。PIT以下では、
マイクロエマルジョンは水中のオイル(O/W)となり、そしてPIT以上では、マイク
ロエマルジョンはオイル中の水(W/O)となる。低温では、マイクロエマルジョン
を生成する界面活性剤は、オイルの周りに高い屈曲表面を選び、PITを著しく越
える温度では、界面活性剤は、水の周りに高い屈曲表面を選ぶ。PITに近い温度
では、マイクロエマルジョンは、位相幾何学的に連結された水とオイルの連続し
た"スポンジ"を形成する。
これがそれによって表面張力を減少させる2つのメカニズムがある。PIT近辺
では、界面活性剤は、極めて低い曲率をもつ表面を好む。結果として、界面活性
剤分子は、オイルエマルジョンの曲率よりはるかに小さい曲率を有するところの
、インク/空気の界面へ移動する。これが水の表面張力を下げるのである。転相
温度以上では、マイクロエマルジョンは、O/WからW/Oへ変化し、従ってインク/
空気の界面は、水/空気からオイル/空気へ変化する。オイル/空気の界面は、
より低い表面張力をもつ。
マイクロエマルジョン素地のインクの作製には広範囲の可能性がある。
速いドロップ噴射では、低粘性のオイルを選択するのが望ましい。
多くの場合、水は適切な極性溶媒である。しかし、ある場合には、別の極性溶
媒を必要としてよい。これらの場合、表面張力の大きい減少が達成されるよう、
高表面張力を有する極性溶媒を選択すべきである。
界面活性剤は、所望の範囲の転相温度になるよう選択してよい。例えば、ポリ
(オキシエチレン)アルキルフェニル・エーテル(エトキシル化アルキルフェノ
ール、一般式:CnH2n+1C4H6(CH2CH2O)mOH)の群の界面活性剤を用いてよい。界
面活性剤の親水性は、mを増やせば増え、疎水性は、nを増やせば増やすことがで
きる。mの値約10、及びnの値約8が適当である。
低コストの商用調合液は、種々のモル比のエチレンオキシドとアルキルフェノ
ールの重合の結果であり、オキシエチレン基の正確な数は、選択された平均値の
周りで変化する。これらの商用調合液は適しており、特定の数のオキシエチレン
基を有する高純度の界面活性剤は要らない。
この界面活性剤の式は、C8H17C4H6(CH2CH2O)nOH(平均 n=10)である。
別名は、オクトキシノール-10、PEG-10オクチルフェニルエーテル及びPOE(10)
オクチルフェニルエーテルである。
HLBは13.6、融点は7℃、及び曇り点は65℃である。
この界面活性剤の商用調合液は、様々なブランド名を付けて市販されている。
供給元とブランド名を下表に挙げる:
これらは、低コストで大量が使え(1ポンド当り1ドル以下)、5%の界面活性
剤濃度で調合したマイクロエマルジョンインクに対しリットル当り10セント未満
である。
他の適当なエトキシル化アルキルフェノールには、下表に挙げたものが含まれ
る:
マイクロエマルジョン素地のインクは、表面張力の制御以外に諸利点をもって
いる:
1) マイクロエマルジョンは、熱力学的に安定であり、且つ分離しないであろう
。それ故、保管時間は十分長くてよい。このことは、散発的に用いてよいオフィ
ス用及び携帯型プリンタには特に重要である。
2) マイクロエマルジョンは、特定のドロップサイズをもって自然に生成し、特
定範囲の乳化オイルのドロップサイズを確保するのに長大な撹拌、遠心分離、又
はろ過を必要としない。
3) インクに含有されるオイルの量は、十分高くてよく、それ故、オイルに溶け
るか又は水に溶けるか、その両方に溶ける染料を用いることができる。また、特
殊なカラーを得るために、1つは水に溶け、他はオイルに溶ける染料群の混合液
を使うこともできる。
4) オイル混和性の顔料は、オイルのマイクロドロップに捕獲されるので、凝集
することはない。
5) マイクロエマルジョンを用いれば、印刷媒体の表面上での様々な染料カラー
の混合を軽減できる。
6) マイクロエマルジョンの粘性は極めて低い。
7) 潤滑剤の必要性を軽減もしくは排除できる。マイクロエマルジョン素地のインク中の染料と顔料
水中のオイルの混合液は、40%程の高さの高オイル含量を有し、しかもO/Wマイ
クロエマルジョンを形成する。このため、染料又は顔料の高い充填ができる。
染料と顔料の混合物を用いてよい。染料と顔料の両方を有するマイクロエマル
ジョン素地のインクの一例は次の通り:
1) 70%水
2) 5%水溶性染料
3) 5%界面活性剤
4) 10%オイル
5) 10%オイル混和性顔料
次の表は、使用可能なマイクロエマルジョンのオイル相及び水相の着色剤の9
通りの基本的組合せを示す。
着色剤を入れない9番目の組合せは、透明コーティング、UVインク、及び選択
性光沢ハイライトを印刷するのに有用である。
多くの染料は両親媒性なので、オイル−水の境界層が非常に大きい表面積を有
するとき、大量の染料をその層において可溶化することもできる。
また、各相に多数の染料又は顔料を入れること、及び各相に染料と顔料の混合
物を入れることも可能である。
多数の染料又は顔料を使う時、得られるインクの吸収スペクトルは、様々な使
用着色剤の吸収スペクトルの重み付けした平均となろう。これは2つの問題を提
起する:
1) 両着色剤の吸収ビークが平均化されるので、吸収スペクトルがより広くなり
易いであろう。これは、カラーを曇らす傾向がある。光沢色を得るためには、人
間が知覚可能な色だけではなく、それらの吸収スペクトルに基づく染料と顔料の
注意深い選択を実施する必要がある。
2) インクのカラーは、個々の基板で異なってよい。もし染料と顔料を組合せて
用いる場合、染料のカラーは、染料が紙に吸収されるであろうから、より吸収性
の大きい用紙に印刷されるインクのカラーにはそれほど寄与しそうにないが、一
方、顔料は用紙の"頂上面に留まり"易い。これは、いくつかの状況では利点
として利用できるものである。ドロップ選択温度範囲においてクラフト(Krafft)点を有する界面活性剤
イオン性界面活性剤に関しては、それ以下では溶解度が極めて低いく、且つそ
の溶液は、本質的に、ミセルを含有しない温度(クラフト点)がある。クラフト
温度以上では、ミセル形成は可能となり、界面活性剤の溶解度の急速な上昇が起
こる。もし、臨界ミセル濃度(CMC)が特定の温度で界面活性剤の溶解度を超える
なら、その時、最小の表面張力が、CHCの所ではなくて、最大溶解度の点で得ら
れるであろう。界面活性剤は、通常、クラフト点以下ではその効率が大きく落ち
る。
この因子は、温度上昇につれ表面張力の著しい減少を達成するのに用いてよい
。周囲温度では、界面活性剤の一部分だけが溶液中にある。ノズルヒータの電源
がオンされると、温度が上昇し、そしてほとんどの界面活性剤が溶液中へ入り、
その表面張力を減少させるのである。
界面活性剤は、そこまでインクが上げられる温度範囲の頂上に近いクラフト点
に関して選択すべきである。これは、周囲温度で溶液にある界面活性剤の濃度と
、ドロップ選択温度で溶液にある界面活性剤の濃度との間で最大の余地を与える
。
界面活性剤の濃度は、クラフト点でのCHCにほぼ等しいものでなければならな
い。この方法において、表面張力は、高温で最大量まで減らされ、且つ周囲温度
で最小量まで減らされる。
下表は、所望範囲のクラフト点を有するいくつかの市販の界面活性剤を示す。
ドロップ選択温度範囲において曇り点を有する界面活性剤
ポリオキシエチレン(POE)鎖を使う非イオン性界面活性剤は、温度上昇につれ
て表面張力が落ちるインクを作るのに用いてよい。低温では、POEの鎖は親水性
であり、溶液中に界面活性剤を保持する。温度が上昇すると、その分子のPOE部
分の周りの構造水は乱され、そしてPOE部分は疎水性になる。界面活性剤は、よ
り高温の水によってますます排斥され、空気/インクの界面で界面活性剤の濃度
増大を生じ、それによって表面張力を下げることになる。非イオン性界面活性剤
のPOE部分が親水性になる温度は、界面活性剤の曇り点に関係する。POE鎖は、曇
り点が一般に100℃以上故、それら自体では、特に適してはいない。
ポリオキシプロピレン(POP)は、POE/POPブロック共重合体の形でPOEと結合さ
れ、低温で強力な疎水性を招来しないで、POE鎖の曇り点を下げることができる
。
対称的POE/POPブロック共重合体の2つの主要な立体配置を利用できる。それ
らは次の通り:
1) poloxamerクラスの界面活性剤のような、分子の端部にPOEセグメントを、そ
して中心にPOPセグメントもつ界面活性剤(総称的にCAS 9003-11-6)
2) meroxapolクラスの界面活性剤のような、分子の端部にPOPセグメントを、そ
して中心にPOEセグメントもつ界面活性剤(これも総称的にCAS 9003-11-6)
室温で高表面張力を有し、40℃以上100℃以下の曇り点を併有する、いくつか
の市販poloxamerとmeroxapolの種類を下表に示す:
他種類のpoloxamerとmeroxapolは、周知の技術を使って容易に合成することが
できる。所望の特性は、可及的高い室温の表面張力であり、且つ、40℃と100℃
間、好ましくは、60℃と80℃間の曇り点である。
Meroxapol[HO(CHCH3CH2O)x(CH2CH2O)y(CHCH3CH2O)zOH]の種類は、平均値xとz
が約4、平均値yが約15である場合が最適であろう。
インクの電導度を上げるのに塩を用いる場合、界面活性剤の曇り点に及ぼすこ
の塩の効果を考慮しなければならない。
POE界面活性剤の曇り点は、水の構造を乱す(I-のような)イオンによって高
くなる:何故なら、これは、POEの酸素の孤立対との水素結合を形成するのによ
り多くの水分子を使えるようにするからである。POE界面活性剤の曇り点は、比
較的少ない水分子が水素結合を形成するのに利用できるので、水構造を形成する
(Cl-、OH-のような)イオンによって減少する。臭化物イオンは、比較的効果が
小さい。インク調合液は、ブロック共重合界面活性剤におけるPOE及びPOP鎖の長
さを変えることにより、及び電導度を上げるのに添加する塩の選択を変えること
により(例えば、Cl-、Br-、I-のような)、所望温度範囲に"合わせる"ことがで
きる。NaClは、低コストと非毒性から、インクの伝導性を上げる塩の最良の選択
と思われる。NaClは、非イオン性界面活性剤の曇り点を多少下げる。ホットメルトインク
インクは、室温で液体状体である必要はない。固体の"ホットメルト"インクは
、印刷ヘッドとインクタンクをインクの融点以上に加熱することで使用できる。
ホットメルトインクは、融解インクの表面張力が温度につれて減少するように調
合しなければならない。ワックス及びその他の物質を使う多くのそのような調合
については、約2 mN/mの減少が典型である。しかし、粘性の減少よりもむしろ表
面張力の減少に基づく時に良好な動作マージンを得るためには、約20 mN/mの表
面張力の減少が望ましい。
静止温度とドロップ選択温度との間の温度差は、水ベースのインクに対するよ
りホットメルトインクに対する方が大きいことがある:何故なら、水ベースのイ
ンクは、水の沸点まで抑えられるからである。
インクは静止温度で液体でなければならない。静止温度は、印刷されるページ
が遭遇しそうな最高の周囲温度より高くなければならない。静止温度はまた、印
刷ヘッドを加熱するのに要する電力を減少させるため、及び静止温度とドロップ
噴射温度間で最大のマージンを与えるためには、実用できるほど低くなければな
らない。60℃〜90℃間の静止温度は、他の温度も用いてよいとはいえ、概して適
している。160℃〜200℃間のドロップ噴射温度は概して適している。
温度上昇につれ高い表面張力減少を達成する方法がいくつかある。
1) 実質的に静止温度以上の、しかし実質的にドロップ噴射温度以下の融点を有
する界面活性剤の微細粒子の分散を、液相にある間に、ホットメルトインクに添
加できる。
2) 好ましくは、極性及び非極性化合物の両方の融点より少なくとも20℃高いPIT
を有する極性/非極性マイクロエマルジョン。
温度につれ大きい表面張力減少を達成するには、ホットメルトインクキャリヤ
ーは、静止温度にある時、比較的大きい表面張力(30 mN/m以上)を持っているこ
とが望まれる。これは、一般に、ワックスのようなアルカンは除外する。適当な
材料は、一般に、強力な分子間引力をもつもので、これは、多重水素結合、例え
ば、(88℃の融点を有する)Hexanetetrolのような多価アルコールによって得る
ことができる。種々の溶液の表面張力
図3(d)は、下記の添加物を含有する種々の水性配合液の表面張力に及ぼす計算
された温度効果を示す:
1) ステアリン酸の0.1%ゾル
2) パルミチン酸の0.1%ゾル
3) Pluronic 10R5(商標:BASF)の0.1%溶液
4) Pluronic L35(商標:BASF)の0.1%溶液
5) Pluronic L44(商標:BASF)の0.1%溶液
本願発明の印刷システムに適するインクは、その開示をここに参考として引用
している、次のオーストラリア特許出願に記載されている:
"Ink composition based on a microemulsion"(出願番号:PN5223,1995年9月6
日出願);
"Ink composition containing surfactant sol"(出願番号:PN5224,1995年9月
6日出願);
"Ink composition for DOD printers with Krafft point near the drop sele
ction temperature sol"(出願番号:PN6240,1995年10月30日出願);及び
"Dye and pigment in a microemulsion based ink"(出願番号:PN6241,1995年
10月30日出願).粘性の減少を使う動作
第二の例として、ホットメルトインクと組み合わせて、粘性の熱的減少と近接
ドロップ分離とを使う具体例の動作は次の通りである。印刷機の運転に先立ち、
固形インクをインクタンク64で融解する。インクタンク、印刷ヘッドへのインク
通路、インクチャンネル75、及び印刷ヘッド50は、インク100がその温度で液体
であるが、比較的高い粘性(例えば、約100 cP)を示す温度に維持する。インク
100は、インクの表面張力でノズルに保たれる。インク100は、インクの粘性が温
度上昇につれ減少するように調合する。インクの圧力は、ノズルからのドロップ
噴射回数の整数倍である度数で振動する。インク圧力の振動は、ノズルチップの
インクのメニスカスの振動を起こすが、この振動は、インクの高い粘性のため小
さ
いものである。通常の動作温度では、これらの振動は、ドロップ分離を生ずるに
は不十分な振幅である。ヒータ103が付勢されると、選択ドロップを形成してい
るインクが加熱され、好ましくは、5 cPより低い値まで粘性の減少を来す。減少
した粘性により、インク圧力サイクルの高圧力部分の間、インクメニスカスがさ
らに動かされることになる。印刷媒体51は、選択ドロップが印刷媒体51に接触す
るよう印刷ヘッド50に十分近接して、但し、非選択ドロップが印刷媒体51に接触
しないよう十分離して配置する。印刷媒体51に接触すると、選択ドロップの部分
は凝固し、印刷媒体に付着する。インク圧力が下がるにつれ、インクはノズル中
へ後方移動し始める。インク本体は、印刷媒体上に凝固されるインクから分離す
る。その後、ノズルチップのところのインク100のメニスカスは、低振幅の振動
に戻る。インクの粘性は、残留熱がインク本体と印刷ヘッドへ消散されるにつれ
、その静止レベルまで増加する。1つのインクドロップが、各熱パルスに関して
選択され、分離されそして印刷媒体51上に1つのスポットを形成する。熱パルス
は電気的に制御されるので、ドロップオンデマンド型のインクジェット動作を実
現できるのである。印刷ヘッドの製造
本願発明による一体化印刷ヘッドの製造プロセスは、その開示をここに参考と
して引用している、1995年4月12日付の次のオーストラリア特許出願に記載され
ている:
"A monolithic LIFT printing head"(出願番号:PN2301);
"A manufacturing process for monolithic LIFT printing heads"(出願番号:
PN2302);
"A self-aligned heater design for LIFT print heads"(出願番号:PN2303);
"Integrated four color LIFT print heads"(出願番号:PN2304);
"Power requirement reduction in monolithic LIFT printing heads"(出願番
号:PN2305);
"A manufacturing process for monolithic LIFT print heads using anisotr
opic wet etching"(出願番号:PN2306);
"Nozzle placement in monolithic drop-on-demand print heads"(出願番号:P
N2307);
"Heater structure for monolithic LIFT print heads"(出願番号:PN2346);
"Power supply connection for monolithic LIFT print heads"(出願番号:PN2
347);
"External connection for Proximity LIFT print heads"(出願番号:PN2348);
及び
"A self-aligned manufacturing process for monolithic LIFT print heads"
(出願番号:PN2349);及び
"CMOS process compatible fabrication of LIFT print heads"(出願番号:PN5
222,1995年9月6日出願).
"A manufacturing process for LIFT print heads with nozzle rim heaters"
(出願番号:PN6238,1995年10月30日出願);
"A modular LIFT print heads"(出願番号:PN6237,1995年10月30日出願);
"Method of incrreasing packing density of printing nozzles"(出願番号:P
N6236,1995年10月30日出願);
"Nozzle dispersion for reduced electrostatic interaction between simul
taneously printed droplets"(出願番号:PN6239,1995年10月30日出願).印刷ヘッドの制御
本願発明の印刷ヘッドにおいてページイメージデータを与え且つヒータ温度を
制御する装置は、その開示をここに参考として引用している、1995年4月12日付
の次のオーストラリア特許出願に記載されている:
"Integrated drive circuitry in LIFT print heads"(出願番号:PN2295);
"A nozzle clearing procedure for Liquid Ink Fault Tolerant(LIFT)printi
ng"(出願番号:PN2294);
"Heater power compensation for temperature in LIFT printing systems"(
出願番号:PN2314);
"Heater power compensation for thermal lag in LIFT printing systems"
(出願番号:PN2315);
"Heater power compensation for print density in LIFT printing systems"
(出願番号:PN2316);
"Accurate control of temperature pulses in printing heads"(出願番号:PN
2317);
"Data distribution in monolithic LIFT print heads"(出願番号:PN2318);
"Page image and fault tolerance routing device for LIFT printing syste
ms"(出願番号:PN2319);
"A removable pressurized liquid ink cartridge for LIFT printers"(出願
番号:PN2320).印刷ヘッドのイメージ処理
発明による印刷システムの目的は、オフセット印刷を使って印刷されたカラー
印刷物に品質上慣らされているそれと同等である印刷品質を獲得することである
。これは、ほぼ1,600 dpiの印刷分解能を用いて達成できる。しかし、1,600 dpi
の印刷は、達成するのが困難な上、高価である。それと類似の結果は、シアンと
マゼンタに画素当り2ビット、及び黄色とブラックに画素当り1ビットを使う、
800 dpi印刷を用いて達成することが可能である。このカラーモデルを、ここで
は、CC'HM'YKと呼ぶ。高品質のモノクロ像の印刷も必要とされるところでは、ブ
ラックに画素当り2ビットを使ってもよい。このカラーモデルを、ここでは、CC
'MM'YKK'と呼ぶ。本発明のシステム及び他の印刷システムでの使用に適するカラ
ーモデル、ハーフトーン化、データ圧縮、及び実時間拡張システムは、その開示
をここに参考として引用している、1995年4月12日付の次のオーストラリア特許
出願に記載されている:
"Four level ink set for bi-level colorprinting"(出願番号:PN2339);
"Compression system for page images"(出願番号:PN2340);
"Real-time expansion apparatus for compressed page images"(出願番号:PN
2341);及び
"High capacity compressed document image storage for digital dolor pri
nters"(出願番号:PN2342);
"Improving JPEG compression in the presence of text"(出願番号:PN2343);
"An expansion and halftoning device for compressed page images"(出願番
号:PN2344);及び
"Improvements in image halftoning"(出願番号:PN2345).本発明による印刷ヘッドを用いる用途
本発明の印刷装置と方法は、(限定はされないが)下記を含む、広範囲の用途
に適している:カラー及びモノクロ事務用印刷、短時間運転ディジタル印刷、高
速ディジタル印刷、プロセスカラー印刷、スポットカラー印刷、オフセットプレ
ス付加印刷、走査型印刷ヘッドを用いる低コスト印刷機、パージ幅印刷ヘッドを
用いる高速印刷機、携帯型カラー・モノクロ印刷機、カラー・モノクロ複写機、
カラー・モノクロファクシミリ装置、複合印刷機、ファクシミリ・複写装置、ラ
ベル印刷、大型形式プロッタ、写真複写、ディジタル写真処理用印刷機、ディジ
タル"インスタント"カメラに組み込まれた携帯型印刷機、ビデオ印刷、ホトCD像
の印刷、"Personal Digital Assistants"用携帯型印刷機、壁紙印刷、屋内サイ
ン印刷、ビルボード印刷、及び織物印刷。
本発明に基づく印刷システムは、その開示をここに参考として引用している、
1995年4月12日付の次のオーストラリア特許出願に記載されている:
"A high speed color office printer with a high capacity digital page i
mage store"(出願番号:PN2329);
"A short run digital color printer with a high capacity digital page i
mage store"(出願番号:PN2330);
"A digital color printing press using LIFT printing technology"(出願番
号:PN2331);
"A modular digital printing press"(出願番号:PN2332);
"A high speed digital fabric printer"(出願番号:PN2333);
"A color photograph copying system"(出願番号:PN2334);
"A high speed color photocopier using a LIFT printing system"(出願番号
:PN2335);
"A portable color photocopier using LIFT printing technology"(出願番号
:PN2336);
"A photograph processing system using LIFT printing technology"(出願番
号:PN2337);
"A plain paper facsimile machine using a LIFT printing system"(出願番
号:PN2338);
"A Photo CD system with integrated printer"(出願番号:PN2293);
"A color plotter using LIFT printing technology"(出願番号:PN2291);
"A notebook computer with integrated LIFT color printing system"(出願
番号:PN2292);
"A portable printer using LIFT printing system"(出願番号:PN2300);
"Fax machine with on-line database interrogation and custoomized magaz
ine printing"(出願番号:PN2299);
"Miniature portable color printer"(出願番号:PN2298);
"A color video printer using a LIFT printing system"(出願番号:PN2296);
及び
"An integrated printer,copier,scanner,and facsimile using a LIFT pri
nting system"(出願番号:PN2297).環境条件に対する印刷ヘッドの補償
ドロップオンデマンド型印刷システムは、一貫性があり予測可能なインクドロ
ップのサイズと位置をもっていることが望ましい。インクドロップのサイズと位
置の不必要な変化によって、得られる印刷の光学濃度が変化し、感覚印刷品質を
低下させることになる。これらの変化は、それぞれ、公称インクドロップ容積及
び画素間隔の小部分に留めるべきである。
ドロップ容積と位置に影響し得る因子は多い。いくつかの場合、その変化は、
適切なヘッドの設計によって最小にすることができる。その他の場合、その変化
は、能動回路で補うことができる。
1) 周囲温度:周囲温度の変化は、静止メニスカス位置、及びヒータパルスで得
られる温度に影響する可能性がある。静止メニスカス位置の変化は、インク圧力
もしくは外部の電場又は磁場の強度を変更することにより補償することができる
。ヒータパルスで得られる温度の変化は、ヒータに供給される電力を変えること
によって補償できる。
2) ノズル温度:各ノズル毎に別々に温度を補償するのは実用的ではない。信頼
できるヘッド動作には、ノズル温度と基板のところで測った周囲温度との差が小
さいことが必要である。これは、高熱伝導度を有する基板を用い、且つ無駄な熱
が消散するようパルス間で適当な時間をとることにより達成できる。
3) ノズル半径:ノズルを基礎として、様々な電場の強さ又はインク圧力をノズ
ルに与えることは困難なので、単一のインクタンクからもたらされるノズルにつ
いてノズル半径の変化は最小にすべきである。幸いにも、ノズル半径の変化は、
現代の半導体製造機器を使って、0.5μm以下に容易に維持することができる。
4) 印刷密度:様々な数のインクドロップは、各サイクルで噴射してよい。結果
として、ヘッドの負荷抵抗は、広範に且つ急速に変化することもあり、電源と配
線の有限抵抗に起因して電圧変動を引き起こすことになる。これは、各サイクル
で噴射すべきドロップ数を決定し、且つ負荷抵抗変化を補償するために電源電圧
を変更するディジタル回路によって精密に補償できる。
5) インク汚染物:インクは、互いに対して入り込み且つノズルを詰まらせるか
も知れない、ほぼ5μmより大きい汚染物があってはならない。これは、インク容
器とヘッドの間に5μm絶対フィルターを設けることにより達成してよい。
6) インクの表面張力特性:インクの最も重要な要件は、表面張力特性である。
インクは、その表面張力が、設計リミット内で周囲温度のノズルにインクを保持
できるほど十分高く、且つヒータによって到達される温度で噴射しきい値以下に
落ちるよう調合しなければならない。多くのインク調合はこれらの基準を満足で
きるが、表面張力に影響する汚染物を制御するよう注意しなければならない。
7) インクの乾燥:ノズルからのドロップ噴射間の時間が長すぎると、露出メニ
ス
カスのところのインクは、ドロップ噴射が影響を受けるか又は妨げられる程度ま
で完全に乾燥することがある。これは、各印刷ページ間で各ノズルから1つ以上
のドロップを噴射し、且つ使用しない期間中印刷ヘッドにキャップをかけること
により補償できる。
8) パルス幅:ヒータのパルス幅は、正確に制御でき、且つ最小パルス幅に極め
て接近して設定することができる。より高い信頼性は、パルス幅を最小より相当
長くすることにより達成できる。ここに記述するような水をベースとしたインク
を使う7μmのノズルに関しては、最小パルス幅はほぼ10μsである。見掛けのパ
ルス幅は、広い動作マージンを与えるよう18μsに設定する。パルス幅は、ドロ
ップサイズにほとんど影響しない。
9) 詰まっているか又は欠陥のあるノズル:多くの場合、詰まったノズルは、ヒ
ータに速いパルスシーケンスを与え、沸点以上にインクを上げることによりその
詰まりを除くことができる。このように生成させた蒸気泡は、乾燥したインクか
ら"クラスト"を追い出すことができる。しつこい閉塞ノズルは、溶剤を使って周
期的に掃除してよい。欠陥があるか又は永久的に詰まっているノズルは、作り付
けのフォルトトレランスを使って余分のノズルと自動的に取り換えることができ
る。
10)印刷媒体の粗さ:これは、媒体の粗さがヘッド対媒体の距離の重要な部分と
なることがある近接印刷では、特に顕著である。紙の媒体で突き出ている繊維に
よって、インクドロップが意図したより速く紙へはじき飛ばされ、その結果、紙
へ運ばれるインクが少なくなり、且つドロップサイズが小さくなる。これは、コ
ート紙を使い、印刷の前にローラーで紙繊維を圧縮し、及び/又は印刷直前に紙
をコーティングするか又は湿らすことにより補償できる。ノズル温度の制御
ノズルの性能は、ノズルチップに加えられる温度及び熱パルス持続時間に敏感
である。
ヒータに供給されるエネルギーが小さすぎると、ノズルチップの温度は、ドロ
ップが割当て時間に噴射されるほど十分速くは上昇しないか、又は噴射したイン
クドロップは、要求されるより小さくなることがある。ヒータに供給されるエネ
ルギーが大きすぎると、多過ぎるインクが噴射されることがあり、インクが沸騰
することがあり、そして印刷ヘッドに使われるエネルギーが、要求より大きくな
る。次いで、このエネルギーは、自己冷却動作の限界を越えることがある。ノズ
ルを起動するのに要するエネルギー量は、ノズルの動的有限要素解析によって決
めてよい。この方法は、様々な静的及び動的環境情況下でノズルの所要噴射エネ
ルギーを決めることができる。
ヘッドについての最適温度分布は、ノズルチップの活性領域の噴射温度への瞬
間上昇、パルス持続時間にわたるこの領域の噴射温度での維持、及び該領域の周
囲温度への瞬間冷却が関連する。
この最適条件は、ノズル組立に使用される種々の材料の貯蔵熱容量と熱伝導度
のために達成できるものではない。しかし、性能改善は、印刷ヘッドの有限要素
シミュレーションの反復精巧化によって誘導し得るカーブを使って電力パルスを
整形することにより達成できる。正確な結果を得るためには、インクの対流、及
びインク流が特定電力カーブで得た温度に著しく影響を及ぼす故、自由表面のモ
デル化を使った遷移流体の動的シミュレーションが必要である。補償技術
多くの環境的変量は、それらの効果を無意味なレベルまで軽減するよう補償す
ることができる。いくつかの因子の活性補償は、ノズルヒータに加える電力を変
えることにより達成できる。
印刷ヘッドに対する最適温度分布は、ノズルチップの活性領域の噴射温度への
瞬間上昇、パルス持続時間にわたるこの領域の噴射温度での維持、及び該領域の
周囲温度への瞬間冷却が関連する。
この最適条件は、ノズル組立に使用される種々の材料の貯蔵熱容量と熱伝導度
によって達成できるものではない。しかし、性能改善は、印刷ヘッドの有限要素
シミュレーションの反復精巧化によって誘導し得るカーブを使って電力パルスを
整形することにより達成できる。ヒータに加える電力は、限定するものではない
が、下記を含む種々の技術によって、適時に変えることができる:
1) ヒータへの印加電圧を変えること
2) 一連の短パルスの幅を変調すること(PWM)
3) 一連の短パルスの周波数を変調すること(PFH)
正確な結果を得るためには、インクの対流、及びインク流が特定電力カーブで
得た温度に著しく影響を及ぼす故、自由表面のモデル化を使った遷移流体の動的
シミュレーションが必要である。
印刷ヘッド基板に適当なディジタル回路を組み込むことにより、各ノズルに加
える電力を個別的に制御することは実際的である。これを達成する1つの方法は
、様々な異なったディジタルパルス列を印刷ヘッドチップ全体に"ばらまき"、且
つ多重化回路を使って各ノズルに適切なパルス列を選択することである。
補償してよい環境因子の例を表"環境因子の補償"に挙げる。この表は、(全印
刷ヘッドに関して)包括的に(複合多重チップ印刷ヘッドの各チップに関して)
チップ当り且つノズル当り、どの環境因子が最良に補償されるかを識別するもの
である。
"環境因子の補償"
ほとんどの用途は、これらの変量の全てに対して補償を要しない。効果がより
小さい変量もあり、補償は、極めて高い像品質が要求される場合に必要となるに
過ぎない。印刷ヘッド駆動回路
図4は、印刷ヘッド駆動回路の電子的動作を示すブロック略図である。図4は
、CC'MM'YKカラーモデルを使ってプロセスカラーを印刷する800 dpiページ幅印
刷ヘッド使用システムのブロック図である。印刷ヘッド50は、主ノズル39,744個
、予備ノズル39,744個、合計79,488個のノズルを有する。主及び予備ノズルは、
6色
に分けられ、各色は8ドライブ位相に分離される。各ドライブ位相はシフトレジ
スタを有し、これは、ヘッドコントロール ASIC 400からのシリアルデータをヒ
ータ駆動回路をイネーブルするためのパラレルデータに変換する。合計96個のシ
フトレジスタがあり、各々は828個のノズル用データを生成する。各シフトレジ
スタは、828個のシフトレジスタ段217から成り、その出力は、NANDゲート21
5によって位相イネーブル信号と論理積される。NANDゲート215の出力は、反
転用バッファ216を駆動し、これが今度は駆動トランジスタ201を制御する。駆動
トランジスタ201は、図1(b)に示すようなヒータ103であってよい電熱ヒータ200
を起動する。イネーブルパルス中、シフトデータを有効に維持するため、シフト
レジスタへのクロックを停止し、簡単化のため単一ゲートとして示されているが
、好ましくは、周知の欠陥の無いクロック制御回路の範囲の何れかであってよい
クロックストッパ218でイネーブルパルスを能動状態にする。シフトレジストの
クロックの停止は、印刷ヘッドにおけるパラレルデータ・ラッチの要件を取り除
くが、ヘッドコントロール ASIC 400の制御回路にある種の複雑さを付加するこ
とになる。データは、フォルトステータスバスの適当な信号の状態に依存して、
主ノズルか又は予備ノズルの何れかへデータルータ219によって経路選択される
。
図4に示された印刷ヘッドは単純化されており、ブロック故障許容のような、
製造歩留りを上げる種々の手段を示していない。印刷ヘッドの種々の配置構成に
対する駆動回路は、ここに開示した装置から容易に誘導し得る。
記録媒体上に印刷すべきドットパターンを表すディジタル情報は、図1(a)のイ
メージメモリ72と同じものであってよいページ又はバンドメモリ1513に格納され
る。1つのカラーのドットを表す32ビットワードのデータは、アドレスマルチプ
レクサ417によって選択されたアドレスとメモリインタフェース418によって作っ
た制御信号とを使ってページ又はバンドメモリ1513から読み出される。これらの
アドレスは、6つのカラー成分の各々に1つある"パー・カラー回路"410の部分
を形成するアドレス発生装置411で生成される。アドレスは、印刷媒体に関連す
るノズルの位置に基づいて生成される。ノズルの相対位置は種々の印刷ヘッドに
ついて異なってよい故、アドレス発生装置411は、好ましくは、プログラム可能
に作られる。アドレス発生装置411は、通常、主ノズルの位置に対応するアドレ
スを生成
する。しかし、故障ノズルがあると、故障を含んでいるノズルのブロック位置が
故障マップRAM412にマーク付けできる。故障マップRAM412は、被印刷ペー
ジとして読み取られる。もしメモリがノズルブロックの故障を示すと、アドレス
発生装置411が予備ノズルの位置に対応するアドレスを生成するようにアドレス
が変更される。ページ又はバンドメモリ1513から読み取られたデータは、ラッチ
413でラッチされそしてマルチプレクサ414によって4つのシーケンシャルなバイ
ト(sequential bytes)に変換される。これらのバイトのタイミングは、FIFO
415によってその他のカラーを表すデータのそれに整合するよう調整される。次
いで、このデータはバッファ430でバッファされて印刷ヘッド50への48ビット主
データバスを形成する。そのデータは、印刷ヘッドがヘッドコントロールASICか
ら比較的長い距離に配置できる時にバッファされる。フォルトマップRAH 412か
らのデータもFIFO416への入力を作る。このデータのタイミングは、FIF
O415のデータ出力と整合され、バッファ431でバッファされてフォルトステータ
スバスを形成する。
プログラム可能な電源320はヘッド50用の電力を供給する。電源320の電圧は、
RAMとDACの組合せ(RAMDAC)316の部分であるDAC 313によって制御される。RAMDAC
316は、二重ポートRAM 317を含む。二重ポートRAM 317の内容は、マイクロコン
トローラ315によってプログラムされる。温度は、二重ポートRAM 317の内容を変
更することにより補償される。これらの値は、熱センサー300によって検知され
た温度に基づいてマイクロコントローラ315によって計算される。熱センサー300
の信号は、アナログ・デジタル変換器(ADC)311に接続する。ADC 311は、好まし
くは、マイクロコントローラ315に組み込む。
ヘッドコントロールASIC 400は、熱遅れ補償及び印刷密度用制御回路を含む。
熱遅れ補償では、ヘッド50への電源電圧はヒータ用イネーブルパルスと同期して
いる急速時変電圧(rapidly time-varying voltage)であることが必要がある。こ
れは、この電圧を生ずるようプログラム可能な電源320をプログラムすることに
より達成される。アナログ時変プログラム電圧は、二重ポートRAH 317から読み
出されるデータに基づいてDAC 313で発生させる。このデータはカウンタ403によ
って生成したアドレスに従って読み取られる。カウンタ403はイネーブルパルス
の周期
中、アドレスについての1つの完全なサイクルを作る。この同期は、カウンタ40
3がシステムクロック408によってクロック制御され、且つイネーブルカウンタ40
4をクロックするのにカウンタ403の上位カウントが使われる時に、確保される。
イネーブルカウンタ404からのカウントは、次いで、デコーダ405によって複号さ
れ、バッファ432でバッファされてヘッド50用のイネーブルパルスを作る。カウ
ンタ403は、カウントの状態数が1つのイネーブルパルスのクロック周期数より
少ないならプリスケーラを包含してよい。ヒータの熱遅れを正確に補償するには
、16の電圧状態が適当である。これらの16の状態は、カウンタ403と二重ポ
ートRAM 317との間で4ビット接続を用いることにより特定できる。しかし、こ
れらの16の状態は、直線的に時間間隔をとらなくてよい。これらの状態の非線
形タイミングを可能にするため、カウンタ403はROH又はカウンタ403に非線形の
方法で計数させる他のデバイスを含んでもよい。あるいは、16を下回る状態を
使ってもよい。
印刷密度の補償に関しては、印刷密度は、各イネーブル周期中そこにドロップ
が印刷されることになるピクセル数("オン"ピクセル)をカウントすることによ
り検出される。"オン"ピクセルは、オン・ピクセルカウンタ402で計数される。
8つのイネーブルパルスの各々に1個のオン・ピクセルカウンタ402がある。ヘ
ッドにおける位相数は、特定の設計によって決まる。位相数は2の累乗であると
いう条件はないが、4,8,16が便利な数である。オン・ピクセルカウンタ40
2は、1ニブルのいくつのビットがオンであるかを決める組合せ理論ピクセルカ
ウンタ420から構成してよい。次いで、この数は、加算器421とアキュミュレータ
422によって累算される。ラッチ423は、その累積値をイネーブパルスの周期中有
効状態に保持する。マルチプレクサ401は、イネーブルカウンタ404で決められる
ような、現在のイネーブル位相に対応するラッチ423の出力を選択する。マルチ
プレクサ401の出力は、二重ポートRAH 317のアドレスの部分を形成する。"オン"
ピクセル数の正確な計数は必要でなく、この計数の最上位4ビットで十分である
。
熱遅れ補償アドレスの4ビットと印刷密度補償アドレスの4ビットとを組合せ
ることは、二重ポートRAM 317は8ビットのアドレスを有することを意味する。
これは、二重ポートRAM 317が、二次元配列にある256個の数を含むことを意味す
る。
これらの二次元は、(熱遅れ補償に関する)時間と印刷密度である。三次元−温
度−を包含してよい。ヘッドの周囲温度がただ徐々に変化するだけの時は、マイ
クロコントローラ315は、現在の温度での熱遅れと印刷密度を補償する256数のマ
トリックスを計算するだけの十分な時間をもつ。周期的に(例えば、1秒の数倍
で)、マイクロコントローラは、現在のヘッド温度を検知しそしてこのマトリッ
クスを計算する。
次の方程式は、二重ポートRAH 317に格納すべき数のマトリックスを計算する
のに用いてよい:
ここで、
Vpsは、プログラム可能な電源320に合うよう特定される電圧であり;
ROUTは、ヘッド50への接続を含む、プログラム可能な電源320の出力抵抗であ
り;
RHは、単一ヒータの抵抗であり;
pは、多重化装置401で与えられるような、現在のイネーブル周期でターンオン
されるヒータ数を表す数であり;
nは、pの1つの最下位ビットで表されるヒータ数に等しい定数であり;
tは、単一のイネーブルパルスの周期のわたってステップ数に分割された時間
であり;
p(t)は、改善されたドロップ噴射を達成するのに要する単一ヒータへの電力入
力を規定する関数である。この関数は、インクの諸特性と同様、ノズルの特定配
置と材料によって決まるものである。それは、実験と結合した、総合コンピュー
タシミュレーションによって最良に決められる。
TEは、ドロップ噴射に要する℃単位の温度であり;そして
TAは、温度センサーで測定されるような℃単位のヘッドの"周囲"温度である。
実行時間を短縮し且つマイクロコントローラに対するプログラミングを単純化
するため、ほとんど又は全ての因子を事前計算し、マイクロコントローラのROH
に格納したテーブルに単に保持してよい。熱インクジェット技術との比較
表"熱インクジェットと本願発明との比較"は、本願発明による印刷態様と熱イ
ンクジェット式印刷技術を比較するものである。
両方とも熱的アクチュエータと液体インクを使って動作するドロップオンデマ
ンド型システム故、本願発明と熱インクジェット技術間で直接比較がなされてい
る。それらは類似しているように見えるかも知れないが、2つの技術は、異なっ
た原理で動作するものである。
熱インクジェット式印刷機は、次の基本的動作原理を使っている。電気抵抗加
熱によって生ずる熱衝撃は、結果的に液体インクにおいて爆発性バブル形成とな
る。急速且つ不変のバブル形成は、インクを過熱することにより起こり得るもの
で、その結果、十分な熱が、バブルの核形成が完了する以前にインクに運ばれる
。水をベースとしたインクに関して、ほぼ280℃〜400℃のインク温度が必要であ
る。バブル形成は、高速で開口からインクドロップを押し進める圧力波を生ずる
。次いで、バブルが衝突し、インクをその容器から引き出してノズルを再充填す
る。熱インクジェット式印刷は、高いノズル詰め込み密度と十分に確立された集
積回路製造技術の利用によって、商業上、十分成果を収めている。しかし、熱イ
ンクジェット式印刷技術は、多部品精密組立、装置歩留り、像分解能、"ペッパ
ー"ノイズ、印刷速度、ドライブトランジスタ電力、ムダ電力消費、サテライト
ドロップ形成、熱応力、示差熱膨張、コゲーション、キャビテーション、矯正拡
散、及びインク生成の困難さを含む、重大な技術的問題に直面しているのである
。
本願発明による印刷は、熱インクジェット式印刷のもつ利点の多くを持ってい
て、且つ熱インクジェット技術のもつ固有の諸問題の多くを完全且つ実質的に排
除するものである。
"熱インクジェットと本発明との比較"
歩留りと故障許容歩留まり
ほとんどの場合、一体化集積回路は、それらが製造時に完全に機能的でない場
合には、修理不能である。ウェハ実施により製造される動作デバイスのパーセン
トは、歩留りとして知られている。歩留りは、製造コストに直接影響を及ぼすも
のである。歩留り5%のデバイスは、歩留り50%の同一デバイスより、実際は、製
造するのに10倍以上高くつく。
3つの主要な歩留りの尺度がある:
1) 製造上の歩留り
2) ウェハ分類の歩留り
3) 最終試験の歩留り
大型ダイスに関しては、代表的にはウェハ分類の歩留りであり、これが全歩留
りに及ぼす最も重大な制約となる。本願発明の完全ページ幅カラーヘッドは、典
型的なVLSI回路と較べて極めて大きい。優れたウェハ分類歩留りは、前述のヘッ
ドのコスト効果的製造にとって決定的である。
図5は、発明の一体化フル幅カラーA4ヘッドの具体例についてのウェハ分類歩
留り対故障密度のグラフである。ヘッドは、215mm長−5mm幅である。非故障許容
歩留り198は、広く用いられる歩留り予測法であるHurphyの方法に従い計算され
る。平方センチ当り1故障の故障密度では、Murphyの方法は、1%未満の歩留りを
予測する。これは、組立てられたヘッドの99%以上が破棄されることになること
を意味する。この低歩留りは、印刷ヘッドの製造コストが容認できないほど高く
なるので、極めて望ましくないものである。
Murphyの方法は、むらのある故障分布の効果を近似する。図5はまた、非故障
許容歩留まり197のグラフも包含し、これは、故障クラスタリング(集合化)因
子を導入することにより、故障クラスタリングを明示的にモデル化するものであ
る。故障クラスタリング因子は、製造上、制御可能なパラメータではないが、製
造プロセスの特性である。製造プロセスに関する故障クラスタリング因子は、ほ
ぼ2であると予測でき、この場合、歩留りの投影は、Murphyの方法に密接に整合
する。
低歩留りの問題に対する解法は、故障の機能ユニットを交換するのに使われる
予備の機能ユニットをチップに含めることで故障許容歩留まりを組み込むことで
ある。
メモリチップ及びほとんどのウェハ・スケール・インテグレーション(WSI)デ
バイスでは、チップ上の予備のサブユニットの物理的位置は重要でない。しかし
、印刷ヘッドでは、予備のサブユニットは、1つ以上の印刷アクチュエータを含
むことがある。これらは、印刷中のページと固定された空間的関係を持たなけれ
ばならない。欠陥を起こしたアクチュエータと同じ位置にドットを印刷できるた
めには、予備のアクチュエータは、非走査方向に変位させてはならない。しかし
、フォルトアクチュエータは、走査方向に変位される予備アクチュエータと置き
換えることができる。予備アクチュエータが故障を起こしたアクチュエータと同
じ位置にドットを印刷することを確保するため、予備アクチュエータに対するデ
ータタイミングを変更して走査方向の変位を補償してよい。
全てのノズルの変位を可能にするため、100%重複性に帰着する完全な一組のス
ペアノズルがなければならない。100%重複性に必要とされるのは、正規には、チ
ップ面積の2倍以上であり、予備ユニットを置換する以前に一次歩留りを劇的に
低減させ、従って、故障許容歩留まりの諸利点のほとんどを排除することになろ
う。
しかし、本発明による印刷ヘッドの具体例に関しては、ヘッドチップの最小の
物理的ディメンションは、印刷中のページ幅、ヘッドチップの壊れ易さ、及びイ
ンクをチップの裏面へ供給するインクチャンネルの組立上の製造制約で決められ
る。A4サイズの紙を印刷するためのフル幅、フルカラーヘッドに関する最小の実
行サイズは、ほぼ215 mm x 5 mmである。このサイズは、1.5μm CMOS組立技術使
用時、チップ面積を著しく増やさないで100%重複性の包含を可能にするものであ
る。それ故、一次歩留りを顕著に減らさないで高レベルの故障許容歩留まりを包
含することができる。
故障許容歩留まりがデバイスに包含される時、標準歩留りの方程式は使用でき
ない。その代わり、故障許容歩留まりのメカニズムと度合いを明確に解析し且つ
歩留りの式に包含しなければならない。図5は、フル幅カラーA4ヘッドに対する
フォルト許容の分類歩留り199を示し、これは、様々な形の故障許容歩留まりを
包含し、そのモデル化は歩留りの方程式に含まれている。このグラフは、投影歩
留りを故障密度と故障クラスタリングの両方の関数として示すものである。図5
に示した歩留りの投影は、完全に履行される故障許容歩留まりは、同一の製造条
件下でウェハ分類歩留りを1%以下から90%以上まで高め得ることを示す。これに
より、製造コストを100分の1まで低減させることができる。
故障許容歩留まりは、数千のプリンティング・ノズルを含んでいる印刷ヘッド
の歩留りと信頼性を改善するために、従って、ページ幅プリンティングヘッドを
実用化するために、大いに推奨されるものである。しかし、故障許容歩留まりは
、本願発明の本質的部分として取り扱われるべきではない。
ドロップオンデマンド型印刷システムにおける故障許容歩留まりは、その開示
がここに参考として引用されている、次の1995年4月12日付オーストラリア特許
出願に記載されている:
"Integrated fault tolerance in printing mechanisms"(出願番号:PN2324);
"Block fault tolerance in integrated printing heads"(出願番号:PN2325);
"Nozzle duplication for fault tolerance in integrated printing heads"(
出願番号:PN2326);
"Detection of faulty nozzole in printing heads"(出願番号:PN2327);及び
"Fault tolerance in high volume printing presses"(出願番号:PN2328).
印刷ヘッドヒータに要する電力の最適量は、ドロップ噴射プロセスの過程にわ
たって時間につれて変化する。最適電力要件を、ここでは、電力関数p(t)と呼ぶ
。
本発明は、ドロップの噴射中、時間に従ってヒータのエネルギーを変更する装
置を提供するものである。これは図6(a)に示すように達成される。
該装置は、ヒータ励起パルス中の経過時間量を全パルス持続時間の比として表
す数を与えるカウンタ(403)を包含する。カウンタ(403)の出力は、パルスの開始
に関して現時間に基づく適当な電源電圧を定める電圧計算プロセス310へ接続さ
れる。この計算の結果は、V-に関してV+を発生させるプログラム可能な電源320
を制御するのに用いる。この電圧は印刷ヘッド50に接続され、ヒータを付勢する
のに使われる。
最適電源電圧の実際の計算は複雑であり、下記の因子を考慮すべきである:
1) 最適インクドロップ噴射のためのノズルの活性部分での所要温度分布
2) ヒータ付勢周期の開始時の熱分布
3) 同様に付勢されている隣り合うヒータからの熱伝導
4) インク中へ動的に伝導される熱量
5) ノズル組立てに使用する材料のディメンションと形状
6) ノズル組立てに使用する材料の熱伝導度
7) ノズル組立てに使用する材料の比熱容量
8) ノズル組立てに使用する材料の密度
9) ヒータの薄膜抵抗
10)ヒータの薄膜抵抗が温度につれ変化する挙動
11)駆動トランジスタのオン(on)抵抗
12)トランジスタのターンオン時間
13)相互接続線材の抵抗
14)電源立上り時間
15)印刷ヘッド上のディジタル回路に干渉しないために必要なスルーレート限界
16)FCC及びVDEのような規制組織体によって課せられた諸基準を満足するために
必要な無線周波数干渉限界
コンピュータシミュレーション技術を用いて電力関数p(t)を決めることができ
る。これらには、熱有限素子解析(FEA)、計算流体力学(CFD)、及び("Spice"の
ような)アナログ回路シミュレーションが含まれる。これらのシミュレーション
の結果は、実験で立証してよい。コンピュータシミュレーションは、測定機器に
よる摂動を排除し、より高い測定精度を可能にし、システムにおいて別法では接
近できない箇所の測定を可能にし、且つ、概して、多くの形状変種の印刷ノズル
の実験的組立及び測定よりはるかに低いコストである。多くのシミュレーション
は、概して、最も有望な構成の原型構築のみについて実行するべきである。
ヒータの電力関数p(t)はまた、単に実験的に決めてもよい。しかし、多くの実
験は最適解に近づくべく実施されなければならないので、これは推奨されない。
実際の計算は複雑であり、且つヒータが付勢されている時に実時間で実行する
には実用的でない。幸いにも、ノズルの材料及び形状は製造時に固定され、且つ
高精度に組立て得る故、複雑な計算を実時間で実行する必要はない。それ故、こ
れらの計算のほとんどは、各ノズルの形状について1回だけ実行すればよく、且
つ生産の許容限界の範囲内では不変である。次いで、これらの計算の結果は、テ
ーブルk[t]に格納し、必要な時に"検索"してよい。
k(t)≒p(t)
ここで:
p(t)は、ヒータに必要な時間に関する最適電力関数であり、
k[t]は、電子メモリに記憶するのに適する電力関数の標本化近似である
。
これに対する1つの例外は、パルス開始時の熱分布である。これは最適熱計算
に顕著な影響を及ぼすことになるが、残念なことに、動的である。任意の熱パル
スの初期条件は、ヒータがどれだけ最近に事前付勢されたかによって決まる。こ
の効果は、ヒータが付勢されている継続時間の間にヒータ領域が"冷却する"のに
十分な時間を残すことによって軽減することができる。ヒータが最後に付勢され
た時に依存する別のp(t)関数を与えることにより、この因子を電子的に補償する
ことは可能である。しかし、ほとんどの情況では、同時に付勢されている別々の
ノズルに対して異なっている同時p(t)関数を適応させるには、多電源が必要にな
るであろうから、これは非実用的であろう。
他の例外は、同様に付勢されている隣り合うヒータからの熱伝導である。この
効果は、印刷ヘッドの設計時に、同時に付勢されるヒータ間の距離を最大にする
ことによって軽減することができる。
図6(b)は、標本化電力関数k[t]を含む情報が、そこでROMのような電子メモリ3
18に記憶されるシステムを示す。この情報は、マイクロコントローラ315により
メモリ318から読み取られ、二重ポートRAM 317に書き込まれる。カウンタ403は
、二重ポートRAH 317に関するアドレスを生成し、出力すべき電力関数p(t)の近
似を組み込む方法によって計算される情報を生じる。これは、ディジタル−アナ
ログ変換器(DAC)313に接続される。DACの出力によって、印刷ヘッド50を励起す
るプログラム可能な電源320が制御される。
図7は、4つの位相インタリービング(interleaving)を有する印刷ヘッドの
タイミング図を示す。ヒータに供給される電圧VHは、V+及びV-間の差である。こ
の電圧は、熱遅れ、及び他の因子に関して補償する制御方法で変調される。この
電圧が全てのヒータの共通電源に供給される間に、ヒータドライバに供給された
データがドロップを噴射すべきであることを示す時、及び対応するイネーブルコ
ントロール(E0〜E3)が起動されている時、任意の特定ヒータだけがこの電圧に露
出されることになる。波形VH0 to VH3は、4つの位相にある個々のヒータが、そ
れらからドロップが噴射されることになる時それらによって付勢されるものであ
る。
図7に示したVH(及びそれ故、VH0 to VH3)の電圧カーブは一例に過ぎず、実
際のカーブは、印刷ノズルとインクに関して選択されたディメンションと材料に
よ
って決まるものである。
以上は、本願発明のいくつかの好ましい具体例を説明するものである。発明の
範囲から逸脱することなく、それらに種々修正を施し得ることは、熟練した当業
者には明らかであろう。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Heater power compensation for thermal lag in thermal printing systems Field of the invention The present invention relates to the field of computer controlled printing devices, and more particularly to the field of thermally excited drop-on-demand (DOD) printing systems. Background of the Invention A variety of many types of digitally controlled printing systems have been invented, and many types are currently in production. These printing systems use various operating mechanisms, various marking agents, and various recording media. Examples of digital printing systems currently in use include: laser electrophotographic printers; LED electrophotographic printers; dot matrix impact printers; thermal paper printers; film recorders; Printer (dye diffusion thermal transfer printer); and inkjet printer. However, while the traditional schemes are enormously expensive to install and rarely become commercially viable unless thousands of copies of a particular page are printed, the aforementioned electronic printing systems are currently not It does not significantly replace the conventional method. Thus, there is a need for an improved digitally controlled printing system that can produce high quality color images at high speed and at low cost, for example, using plain paper. Ink-jet printing, for example, is not an impact type, has low noise, can print on plain paper, and does not need to transfer or fix toner, so it has been recognized as an outstanding competitive means in the field of digitally controlled electronic printing. It has been reached. Many types of inkjet printing mechanisms have been invented. They can be classified as either continuous inkjet (CIJ) or drop-on-demand (DOD) inkjets. Continuous inkjet printing dates back to at least 1929: Hansell, US Pat. No. 1,941,001. US Pat. No. 3,373,437, 1967 to Sweet et al. Discloses an array of continuous ink jet nozzles in which ink drops to be printed are selectively filled and deflected toward a recording medium. Have been. This technique is known as binary deflection CIJ and is used by several companies, including Elmjet and Scitex. US Pat. No. 3,416,153,1966 to Hertz et al. Describes a printing spot having various optical densities in CIJ printing by adjusting the number of droplets passing through a small aperture (opening) using electrostatic dispersion of a filled drop stream. Are disclosed. This technology is used in an ink jet printer manufactured by Iris Graphics. No. 3,946,398, 1970 by Kyser et al. Applies a high voltage to a piezo (piezoelectric) crystal to bend the crystal, apply pressure to the ink container, and eject drops on demand (on demand). A DOD inkjet printer is disclosed. Subsequently, many types of piezoelectric drop-on-demand printing presses utilizing piezo crystals in bending mode, push mode, shear mode, and draw mode were invented. Piezoelectric DOD presses have achieved commercial success using hot melt inks (eg, Tektronix and Dataproducts printers) and image resolutions of less than 720 dpi for home and office printers (Seiko Epson). . Piezoelectric DOD printing machines have the advantage of using a wide range of inks. However, piezoelectric printing mechanisms usually require complex high voltage drive circuits and large piezo crystal arrays, which are disadvantageous in terms of productivity and performance. GB Pat. No. 2,007,162,1979 by Endo et al. Discloses an electrothermal DOD ink jet printer that applies a power pulse to an electrothermal converter (heater) that is in thermal contact with the ink in the nozzles. The heater rapidly heats the water-based ink to a high temperature, causing a small amount of the ink to evaporate rapidly and create bubbles. The generation of these bubbles results in pressure waves that cause ink drops to be ejected from small apertures provided along the edges of the heater substrate. This technology, Bubblejet TM (Registered trademark of Canon Inc., Japan) and used in a wide range of printing systems commercially available from Canon, Xerox, and other manufacturers. US Pat. No. 4,490,728, 1982 to Vaught et al. Also discloses an electrothermal drop injection system that also operates with bubble generation. In this system, drops are ejected in a direction perpendicular to the plane of the heater substrate through nozzles made in an aperture plate above the heater. This system is known as Thermal Ink Jet (thermal ink jet) and is manufactured by Hewlett-Packard Company. As used herein, the term "Thermal Ink Jet" refers to Hewlett-Packard systems and generally Bubblejet. TM To both known systems. Thermal Ink Jet printing typically requires about 20 μJ during about 2 μs to eject each drop. A substantial power consumption of 10 watts for each heater is disadvantageous in itself, requires more specialized inks, complicates the drive electronics and causes degradation of the heater elements. Other ink jet printing systems are described in the technical literature, but are not currently used on a commercial scale. For example, US Pat.No.4,275,290 teaches that ink can flow freely under the printhead toward the paper spaced by spacers by matching the addresses of predetermined printhead nozzles with heat pulses and water pressure. It discloses a system that can do this. US Pat. Nos. 4,737,803; 4,737,803 and 4,748,458 disclose an ink jet recording system that causes ejection of an ink drop onto a print sheet by the address of a printhead nozzle ink coincident with a heat pulse and an electrostatic attraction field. I have. Each of the inkjet printing systems described above has advantages and disadvantages. However, it is widely known that there is still a need for improved inkjet printing methods that provide advantages, for example, in terms of cost, speed, quality, reliability, power usage, simplicity of construction and operation, durability and consumables. ing. Summary of the Invention In my co-filed application, titled "Liquid Ink Printing Apparatus and System" and "Coincident Drop-Selection, Drop-Separation Printing Method and System", there is a significant improvement over overcoming the above-mentioned problems of the prior art. A new method and apparatus that results is described. These inventions relate, for example, to drop size and placement accuracy, to achievable printing speed, to power usage, to durability and to the thermal stresses encountered during operation and to other printer performance characteristics, and to productivity. And provides important advantages in terms of useful ink properties. One important object of the present invention is to further improve the structure and method described in the above-mentioned application and thus contribute to the advancement of printing technology. Accordingly, it is an important object of the present invention to provide improvements for thermal drop-on-demand printing systems that provide more consistent print output. In one aspect, the present invention relates to a printing device of the type having a thermal print head and a heater device that produces heat in response to excitation power, wherein the improved power control system comprises: A programmable power source for exciting the heater device; (b) varying the power source applied to the heater device during the excitation pulse during the excitation pulse by controlling the power source as predetermined. Control device to do. In a further preferred embodiment of the invention, the required voltage of the power supply is calculated before the operation of the print head and stored as digital information in an electronic memory. In a further preferred embodiment of the invention, the voltage measuring unit of the power supply comprises a counting device for providing a number representing the amount of time elapsed during the heater excitation pulse as a ratio of the total pulse duration, the output of which is digital-analog. It forms part or all of the addresses of a digital electronic look-up table connected to the converter. A further preferred aspect of the invention is that the counter function includes a circuit that produces a non-linear display of elapsed time. A further preferred embodiment of the invention is that the voltage of the heater power supply is determined by the following equation: k (t) ≒ p (t) A further preferred embodiment of the invention is that the power supply voltage also compensates for the print density. A further preferred aspect of the invention is that the power supply voltage also compensates for the ambient temperature. A further preferred aspect of the invention is that the power supply voltage compensates for both print density and ambient temperature. In a further preferred aspect of the invention, the voltage of the heater power supply is determined by the following equation: BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES FIG. 1 (a) is a simplified block diagram of one representative printing device according to the present invention. FIG. 1 (b) is a cross-sectional view of one variation of the nozzle tip according to the invention. 2 (a) to 2 (f) show hydrodynamic simulations of drop selection. FIG. 3 (a) shows a hydrodynamic simulation of a limiting element of a nozzle in operation according to an embodiment of the invention. FIG. 3 (b) shows the continuous meniscus position during drop selection and separation. FIG. 3 (c) shows the temperature at various points during the drop selection cycle. FIG. 3 (d) shows measured surface tension versus temperature curves for various ink additives. FIG. 3 (e) shows a power pulse applied to the heater of the nozzle to create the temperature curve of FIG. 3 (c). FIG. 4 shows a block diagram of a print head drive circuit for implementing the invention. FIG. 5 shows the expected production yields for an A4 page width color printhead embodying the features of the invention, with and without fault tolerance. 6 (a) and 6 (b) show simplified block diagrams of a method for controlling printhead power in relation to a power function p (t) according to the invention. FIG. 7 shows a timing diagram of a four-phase print head for power function compensation according to the invention. Detailed description of the preferred embodiment In one general aspect, the present invention comprises a drop-on-demand printing mechanism, wherein the means for selecting a drop to be printed comprises a location between the selected drop and the unselected drop. Creates a difference, but it is not enough to cause the ink drop to overcome the surface tension of the ink and separate from the puddle, and the other means to separate the selected drop from the puddle. Is provided. Due to the separation of the drop selection means from the drop separation means, the energy required to select which ink drop is to be printed is significantly reduced. Only the drop selection means must be driven by individual signals to each nozzle. The drop separation means may be a field or state that is applied to all nozzles simultaneously. The drop selection means may be selected from, but is not limited to, the following list: 1) electrothermal reduction of the surface tension of the pressurized ink 2) electrothermal reduction of insufficient bubble volume to cause drop ejection Bubble generation 3) Piezoelectric means with insufficient volume change to cause drop ejection 4) Electrostatic attraction using one electrode per nozzle Drop separation means is not limited, but can be selected from the list below May be: 1) Proximity (the recording medium is very close to the printhead) 2) Proximity by vibrating ink pressure 3) Electrostatic attraction 4) Magnetic attraction It shows desirable characteristics. The table also lists some ways in which some embodiments described herein or in my other related applications achieve improvements over the prior art. "DOD printing technology goals" In thermal ink jet (TIJ) and piezo ink jet systems, approximately 10 meters / second is required to ensure that the selected ink drop overcomes the surface tension of the ink, separates from the ink pool, and strikes the recording medium. Drop speed is desired. In these systems, the efficiency of converting electrical energy to drop kinetic energy is very low. The efficiency of the TIJ system is almost 0.02%). This means that the high current must be switched in the drive circuit of the TIJ print head. The drive circuit of the piezoelectric ink jet head must switch high voltage or drive a high capacitive load. The total power consumption of the page width TIJ printhead is also very high. An 800 dpi A4 full color page width TIJ printhead that prints one 4-color black image per second consumes about 6 kW of power, most of which is converted to waste heat. This difficulty in removing heat hinders the production of low cost, high speed, high resolution, compact page width TIJ systems. One important feature of embodiments of the present invention is a means to significantly reduce the energy required to select which ink drop to print. This is achieved by separating the means for selecting the ink drop from the means for ensuring that the selected drop separates from the puddle and forms a dot on the recording medium. Only the drop selection means must be driven by individual signals to each nozzle. The drop separation means may be a field or state that is applied to all nozzles simultaneously. The table "Drop Selection Means" shows some possible drop selection means according to the invention. The drop selection means is only needed to create sufficient change in the location of the selected drop so that the drop separation means can distinguish between the selected drop and the unselected one. "Drop selection means" Other drop selection means may be used. A preferred means of drop selection of ink on hydrogen is Method 1: "Electrothermal reduction of surface tension of pressurized ink". This drop selection means offers many advantages over other systems, including the following features: low power operation (about 1% of TIJ), compatibility with CMOS VLSI chip assembly, low voltage operation (about 10V) ), High nozzle density, low temperature operation, and a wide range of compatible ink formulations. The ink must show a decrease in surface tension with increasing temperature. A preferred drop selection means for hot melt or oil based inks is Method 2: "Electrothermal reduction of ink viscosity in relation to oscillating ink pressure". This drop selection means is particularly suitable for use with inks that exhibit a large decrease in viscosity with increasing temperature, but exhibit only a small decrease in surface tension. This occurs especially with non-polar ink carriers having relatively high molecular weights. This is particularly applicable to hot melt and oil based inks. The table "Drop Separators" shows some possible ways to separate the selected drop from the puddle and to ensure that the selected drop forms a dot on the print media. The drop separating means distinguishes the selected drop from the non-selected drop to ensure that the non-selected drop does not form a dot on the print medium. "Drop separation means" Other drop separation means may be used. The preferred drop separation means will depend on the application. For most applications, Method 1: "electrostatic attraction" or Method 2: "AC field" is most suitable. For applications where a smooth coated paper or film is used and where ultra-high speed is not essential, Method 3: "Proximity" may be appropriate. For high speed, high quality systems, Method 4: "Transfer Proximity" may be used. Method 6: "Magnetic attraction" is suitable for portable printing systems where the print media is too coarse for proximity printing and where the high voltage required for electrostatic drop separation is undesirable. There is no clear "best" drop separation method that can be applied in all situations. Further details of various types of printing systems according to the present invention are described in the following Australian patent application, filed April 12, 1995, the disclosure of which is incorporated herein by reference: "Liquid Ink Fault Tolerant" (Fault tolerant) (LIFT) printing mechanism "(Application No .: PN2308);" Electrothermal drop selection in LIFT printing "(Application No .: PN2309);" Drop separation of LIFT printing by proximity of print media "(Application No .: PN2310); "Adjustment of Drop Size of Proximity LIFT Printing by Changing Head to Match Media Distance" (Application No .: PN2311); "Increasing Proximity LIFT Printing for Acoustic Ink Wave" (Application No .: PN2312); (Application number: PN2313); "Multiple simultaneous drop sizes in proximity LIFT printing" (Application number: PN2321); "Self cooling operation of thermally activated print head" (Application number: PN2322); Decrease LI FT printing "(application number: PN2323); FIG. 1 (a) shows a simplified schematic diagram of one preferred printing system according to the invention. Image source 52 may be raster image data from a scanner or computer, or outline image data in the form of a page description language (PDL), or other form of digital image display. This image data is converted by the image processing system 53 into a pixel-map page image. This may be a raster image processor (RIP) for PDL image data or a pixel image manipulation for raster image data. The continuous tone data produced by the image processing system 53 is halftoned. Halftoning is performed by the digital halftoning unit 54. The halftoned bitmap image data is stored in the image memory 72. Depending on the configuration of the printing press and system, the image memory 72 may be a full page memory or a band memory. The heater control circuit 71 reads data from the image memory 72, and applies a time-varying electric pulse to a nozzle heater (103 in FIG. 1B) which is a part of the print head 50. These pulses are applied to appropriate nozzles at appropriate times, so that the selected drop forms a spot on the recording medium 51 at an appropriate position specified by data in the image memory 72. The recording medium 51 is moved relative to the head 50 by a paper transport system 65, which is electrically controlled by a paper transport control system 66, which is in turn controlled by a microcontroller 315. Will be controlled. The paper transport system shown in FIG. 1 (a) is only an overview, and thus many different mechanical configurations are possible. In the case of a page width print head, it is most convenient to move the recording medium 51 past the stop head 50. However, in the case of a scanning printing system, moving the head 50 along one axis (in the sub-scanning direction) and the recording medium 51 along its orthogonal axis (in the main scanning direction) in a relative raster motion, Usually the most convenient. Microcontroller 315 may also control ink pressure regulator 63 and heater control circuit 71. In printing using surface tension reduction, ink is contained in the ink tank 64 under pressure. At rest (no ink drops fired), the ink pressure is insufficient to overcome surface tension and fire the drops. A constant ink pressure can be obtained by applying pressure to the ink tank 64 under the control of the ink pressure regulator 63. Alternatively, for larger printing systems, ink pressure can be generated and controlled very precisely by positioning the top surface of the ink in ink tank 64 at a suitable distance above head 50. This ink level is adjustable with a simple float valve (not shown). In printing using viscosity reduction, the ink is stored under pressure in the ink tank 64, causing the ink pressure to oscillate. The device that produces this vibration may be a piezoelectric actuator mounted on an ink channel (not shown). When properly processed using the drop separation means, selected drops begin to form spots on the recording medium 51, while non-selected drops remain in the ink pool. The ink is distributed on the back surface of the head 50 by the ink channel device 75. The ink preferably flows through the silicon substrate of the head 50 through etched slots and / or holes to the front where the nozzles and actuators are located. For heat selection, the nozzle actuator is an electric heater. Certain types of printing presses according to the present invention require an external field 74 to ensure that the selected drop separates from the ink reservoir and moves toward the recording medium 51. In a conventional external field 74, the ink is a constant electric field because the ink is easily made conductive. In this case, the paper guide or platen 67 may be made from a conductive material and used as one electrode for generating an electric field. The other electrode may be the head 50 itself. Another embodiment uses print media proximity as a means to distinguish between selected and unselected drops. With a small drop size, the gravity on the ink drop is very small; -Four Therefore, gravity is almost always negligible. Therefore, the print head 50 and the recording medium 51 can be arranged in any direction with respect to the local gravitational field. This is an important requirement for portable printers. FIG. 1 (b) is a close-up close-up view of a single microscopic nozzle tip embodiment of the invention assembled using an improved CMOS process. The nozzle etches into the substrate 101, which can be silicon, glass, metal, or any other suitable material. If a non-semiconductor substrate is used, a semiconductive material (such as amorphous silicon) may be deposited on the substrate, and integrated drive transistors and data distribution circuits may be formed in the surface semiconductive layer. Good. Single crystal silicon (SCS) substrates have several advantages, including: 1) High performance drive transistors and other circuits can be incorporated into the SCS; 2) Printheads are standard VLSI manufacturing equipment 3) SCS has high mechanical strength and rigidity; and 4) SCS has high thermal conductivity. In this embodiment, the nozzle is cylindrical with an annular heater 103. The nozzle tip 104 is formed from a layer 102 of silicon dioxide deposited during the assembly of a CMOS drive circuit. The nozzle tip is passivated with silicon nitride. The protruding nozzle tip controls the point of contact of the pressurized ink 100 on the print head surface. The printhead surface is also made hydrophobic to prevent accidental spread of ink across the front of the printhead. Many other configurations for the nozzle are possible, and embodiments of the inventive nozzle may vary in shape, dimensions, and materials used. The one-piece nozzle etched from the substrate on which the heater and drive circuitry are formed has the advantage of not requiring an orifice plate. Eliminating the orifice plate provides significant manufacturing and assembly cost savings. Recent methods of eliminating orifice plates are described in US Pat. Nos. 4,580,158, 1986 by Domoto et al. (Assigned to Xerox) and US Pat. Nos. 5,371,527, 1994 by Miller et al. (Assigned to Hewlett-Packard). Includes the use of "vortex" actuators as described. However, they are complex to operate and difficult to assemble. A preferred method of eliminating the orifice plate of the inventive printhead is to incorporate an orifice into the actuator substrate. Nozzles of this type may be used in printheads that use various techniques for drop separation. Operation using electrostatic drop separation As a first example, an operation utilizing thermal reduction of surface tension as well as electrostatic drop separation is shown in FIG. FIG. 2 shows the results of energy transfer and hydrodynamic simulations performed using FIDAP, a commercial hydrodynamic simulation software package commercially available from Fluid Dynamics, Illinois, USA. This simulation is for an embodiment of a thermal drop selection nozzle with an ambient temperature of 30 ° C. and a diameter of 8 μm. The total energy applied to the heater was 276 nJ, which was applied as 69 pulses every 4 nJ. The ink pressure is 10 kPa above ambient air pressure and the viscosity of the ink at 30 ° C. is 1.84 cPs. The ink is water-based and contains a sol of 0.1% palmitic acid, which achieves a significant decrease in surface tension with increasing temperature. 2 shows a cross section of the nozzle tip up to a distance of 40 μm in the radial direction from the central axis of the nozzle. The heat flow in nozzles of various materials, including silicon (silicon), silicon dioxide, silicon nitride, amorphous silicon dioxide, crystalline silicon dioxide, and water-based inks provide the density, heat capacity, and heat of each material. Simulated using conductivity. The time step of the simulation is 0.1 μs. FIG. 2A shows a stationary state immediately before the heater is operated. By ensuring that the ink pressure plus the external electrostatic field is not enough to overcome the surface tension of the ambient temperature ink, an equilibrium is created where the ink does not leak from the stationary nozzles . At rest, the meniscus of the ink does not protrude significantly from the surface of the printhead, and thus the electrostatic field is not significantly concentrated on the meniscus. FIG. 2 (b) shows isotherms at 5 ° C. intervals of 5 μs after the start of the heater heating pulse supply. As the heater heats, the ink in contact with the nozzle tip heats up quickly. The reduced surface tension causes the heated portion of the meniscus to expand rapidly compared to the cold ink meniscus. This causes convection and rapidly transfers this heat over the portion of the free surface of the ink at the nozzle tip. Heat needs to be distributed throughout the ink surface, not just where the ink is in contact with the heater. This is because the viscous resistance to the solid heater does not move ink in direct contact with the heater. FIG. 2 (c) shows isotherms at 5 ° C. intervals 10 μs after the supply of the heater heating pulse is started. The increase in temperature causes a decrease in surface tension and disrupts the force balance. When the entire meniscus is heated, the ink starts to flow. FIG. 2D shows isotherms at 5 ° C. intervals 20 μs after the supply of the heater heating pulse is started. The ink pressure causes ink to flow to a new meniscus position and protrudes from the print head. The electrostatic field is compacted by the protruding conductive ink drops. FIG. 2 (e) shows isotherms at 5 ° C. intervals 30 μs after the supply of the heater heating pulse was started, which is also 6 μs after the end of the heater pulse because the duration of the heater pulse is 24 μs. . The nozzle tip is cooling rapidly due to conduction through the layer of oxide as well as into the flowing ink. The nozzle tip is effectively "water cooled" with the ink. Due to the electrostatic attraction, the ink drop starts to be accelerated toward the recording medium. If the heater pulse is too short (less than 16 μs in this case), the ink will not be accelerated toward the recording medium and will instead return to the nozzle. FIG. 2 (f) shows an isotherm at an interval of 5 ° C. after 26 μs from the end of the supply of the heater heating pulse. The temperature of the nozzle tip is now less than 5 ° C. above ambient temperature. This causes an increase in surface tension around the nozzle tip. When the speed at which ink is withdrawn from the nozzle exceeds the speed defined by the viscosity of the ink flow through the nozzle, the ink in the area of the nozzle tip "thinns" and the selected drops separate from the ink pool. Thereafter, the selected drop proceeds to the recording medium under the influence of an external electrostatic field. The meniscus of the ink at the nozzle tip then returns to its rest position and waits for the next heat pulse to select the next ink drop. One ink drop is selected, separated, and forms a spot on the recording medium for each heat pulse. Since the heat pulse is electrically controlled, a drop-on-demand type ink jet operation can be achieved. FIG. 3A shows the continuous meniscus position during a drop selection cycle at 5 μs intervals after the supply of the heater heating pulse is started. FIG. 3 (b) is a graph of meniscus position versus time, showing the movement of the center point of the meniscus. The heater pulse starts 10 μs after the simulation starts. FIG. 3 (c) shows a composite curve of temperature with respect to time at various points of the nozzle. The vertical axis of the graph is the temperature in units of 100 ° C. The horizontal axis of the graph is time in units of 10 μs. The temperature curve shown in FIG. 3 (b) was calculated by FIDAP using a 0.1 μs time step. The ambient temperature of the place is 30 ° C. Shows the temperature history at three points: A-Nozzle tip: This shows the temperature history of the contact area between the passivation layer, the ink and the air. B-Meniscus Midpoint: This is the range on the ink meniscus halfway between the nozzle tip and the center of the meniscus. C-Tip Surface: This is at a point on the printhead surface 20 μm from the center of the nozzle. The temperature rises only a few degrees. This indicates that the live circuit can be placed closest to the nozzle without suffering performance or life degradation due to high temperatures. FIG. 3 (e) shows the power applied to the heater. Optimum operation requires a sharp rise in temperature at the start of the heater pulse, a temperature slightly below the boiling point of the ink for the duration of the pulse, and a rapid fall at the end of the pulse. . This is accomplished by varying the average energy applied to the heater over the duration of the pulse. In this case, the change is achieved by pulse frequency modulation of 0.1 μs sub-pulses, each having an energy of 4 nJ. The beak power applied to the heater is 40 mW and the average power over the duration of the heater pulse is 11.5 mW. The sub-pulse frequency in this case is 5 Mhz. This can easily be changed without significantly affecting the operation of the print head. Using a relatively high sub-pulse frequency allows for finer control over the power applied to the heater. A sub-pulse frequency of 13.5 Mhz is appropriate because this frequency is also suitable for minimizing the effects of radio frequency interference (RFI). Ink with negative temperature coefficient surface tension The requirement for the surface tension of the ink to decrease with increasing temperature is not a major constraint, as most pure liquids and many mixtures have this attribute. The exact equation for temperature versus surface tension for any liquid is not available. However, the following empirical formula derived by Ramsay and Shields holds for many liquids: Where γ T Is the surface tension at temperature T, k is a constant, T c Is the critical temperature of the liquid, M is the molecular weight of the liquid, x is the degree of binding of the liquid, and ρ is the density of the liquid. This equation shows that the surface tension of most liquids drops to zero when its temperature reaches a critical temperature. For most liquids, the critical temperature is essentially above the boiling point at ambient pressure, and therefore, to obtain an ink whose surface tension changes significantly with small temperature changes near the practical jetting temperature, requires an interface The addition of an activator is recommended. The choice of surfactant is important. For example, water-based inks for thermal ink jet printing presses often contain isopropanol alcohol (2-propanol) to reduce surface tension and promote rapid drying. The boiling point of isopropyl alcohol is 82.4 ° C., which is lower than the boiling point of water. As the temperature increases, alcohol evaporates faster than water, reducing the concentration of alcohol and increasing surface tension. Detergents such as 1-Hexanol (bp 158 ° C.) can be used to reverse this effect and obtain a surface tension that decreases somewhat with temperature. However, a relatively large reduction in surface tension with temperature is desirable to maximize the operating range. A reduction in surface tension of 20 mN / m over a temperature range of 30 ° C. is preferred to achieve a large operating margin, while a reduction in the order of 10 mN / m is necessary to achieve operation of the printhead according to the invention. Can be used. Large- △ γ T Ink with Several methods can be used to obtain a surface tension that has a large negative change with increasing temperature. The two methods are: 1) The ink is solid at ambient temperature, but may contain a low concentration of surfactant sol that melts at a threshold temperature. Particle sizes of less than 1,000 mm are desirable. Suitable surfactant melting points for water-based inks are between 50 ° C and 90 ° C, preferably between 60 ° C and 80 ° C. 2) The ink may contain an oil / water microemulsion having a phase inversion temperature (PIT) above the maximum ambient temperature but below the boiling point of the ink. For stability, the PIT of the microemulsion is preferably above 20 ° C. or the maximum non-operating temperature encountered by the ink. A PIT of approximately 80 ° C is appropriate. Ink with surfactant sol The ink may be made as a sol of small particles of a surfactant that melts in the desired operating temperature range. Examples of this surfactant include carboxylic acids having between 14 and 30 carbon atoms, as in the table below: Since the melting point of sols with small particle sizes is usually somewhat lower than that of bulk materials, it is desirable to select a carboxylic acid with a melting point slightly above the desired drop selection temperature. These carboxylic acids are available in high purity and low cost. The required amount of surfactants is very small and therefore the cost of adding them to the ink is insignificant. Mixtures of carboxylic acids with somewhat different chain lengths may be used to extend their melting points over the temperature range. These mixtures will typically be less costly than pure acids. There is no need to limit the choice of surfactant to simple unbranched carboxylic acids. Surfactants having a branched or phenyl group, or other hydrophobic moieties, may be used. Also, there is no need to use carboxylic acids. The majority of the high polarity half is suitable for the hydrophilic end of the surfactant. Desirably, the polar ends can be ionized in water, so that the surface of the surfactant particles can be charged, promoting dispersion and preventing aggregation. In the case of carboxylic acids, this can be achieved by adding an alkali such as sodium hydroxide or potassium hydroxide. Preparation of ink with surfactant sol The surfactant sol may be made separately at a high concentration and added to the ink at the required concentration. A typical process for making a surfactant sol is as follows: 1) Add carboxylic acid to purified water in an oxygen-free atmosphere. 2) Heat the mixture above the melting point of the carboxylic acid. The water may be brought to a boiling state. 3) Sonicate the mixture until the representative size of the carboxylic acid droplets is between 100Å and 1,000Å. 4) Allow the mixture to cool. 5) Decant the larger particles from the top of the mixture. 6) Add an alkali such as NaOH to ionize carboxylic acid molecules on the surface of the particles. A pH of about 8 is appropriate. This treatment is not necessary, but promotes sol stabilization. 7) Centrifuge the sol. Since the concentration of carboxylic acid is lower than water, relatively small particles accumulate outside the centrifuge and larger particles accumulate in the center. 8) Filter the sol using a pore filter to remove any particles greater than 5000mm. 9) Add surfactant sol to the ink formulation. Sols only need to be well diluted. The ink formulation also contains either dye (s) or pigment (s), germicides, agents that increase the conductivity of the ink when electrostatic drop separation is used, lubricants, and other necessary agents. . An antifoam will generally not be required because no foam is formed during the drop injection process. Cationic surfactant sol Inks made with anionic surfactant sols are generally not suitable for use with cationic dyes or pigments. This is because cationic dyes or pigments can precipitate or aggregate with anionic surfactants. To be able to use cationic dyes and pigments, a cationic surfactant sol is required. The alkali amine series is suitable for this purpose. Various suitable alkali amines are shown in the table below: The method of making the cationic surfactant sol is essentially the same as that of the anionic surfactant sol, except that an acid is used instead of an alkali to adjust the pH balance and increase the charge on the surfactant particles. is there. PH 6 is appropriate when using HCl. Microemulsion base ink An alternative to achieving a large decrease in surface tension with certain temperature thresholds is to base the microemulsion on ink. The microemulsion is selected for a phase inversion temperature (PIT) near the desired injection threshold temperature. Below the PIT, the microemulsion becomes oil in water (O / W), and above the PIT, the microemulsion becomes water in oil (W / O). At low temperatures, surfactants that produce microemulsions prefer a high bending surface around the oil, and at temperatures significantly above the PIT, surfactants prefer a high bending surface around the water. At temperatures close to PIT, microemulsions form a continuous "sponge" of water and oil that are topologically linked. There are two mechanisms by which this reduces surface tension. Near PIT, surfactants prefer surfaces with very low curvature. As a result, the surfactant molecules migrate to the ink / air interface, which has a much smaller curvature than the oil emulsion. This lowers the surface tension of water. Above the phase inversion temperature, the microemulsion changes from O / W to W / O, so the ink / air interface changes from water / air to oil / air. The oil / air interface has a lower surface tension. There are a wide range of possibilities for making microemulsion-based inks. For fast drop injection, it is desirable to select a low viscosity oil. In many cases, water is a suitable polar solvent. However, in some cases, another polar solvent may be required. In these cases, a polar solvent with a high surface tension should be selected so that a large reduction in surface tension is achieved. Surfactants may be selected to provide a desired range of phase inversion temperatures. For example, poly (oxyethylene) alkylphenyl ether (ethoxylated alkylphenol, general formula: C n H 2n + 1 C Four H 6 (CH Two CH Two O) m Surfactants of the group OH) may be used. The hydrophilicity of the surfactant can be increased by increasing m, and the hydrophobicity can be increased by increasing n. A value of about 10 for m and a value of about 8 for n are suitable. Low cost commercial preparations are the result of the polymerization of various molar ratios of ethylene oxide and alkylphenol, with the exact number of oxyethylene groups varying around the selected average. These commercial preparations are suitable and do not require high purity surfactants having a specific number of oxyethylene groups. The formula for this surfactant is C 8 H 17 C Four H 6 (CH Two CH Two O) n OH (average n = 10). Aliases are octoxynol-10, PEG-10 octyl phenyl ether and POE (10) octyl phenyl ether. HLB is 13.6, melting point is 7 ° C, and cloud point is 65 ° C. Commercial formulations of this surfactant are commercially available under various brand names. The following table lists suppliers and brand names: These are low cost, high volume (less than $ 1 per pound), less than 10 cents per liter for microemulsion inks formulated at 5% surfactant concentration. Other suitable ethoxylated alkyl phenols include those listed in the table below: Microemulsion-based inks have advantages other than controlling surface tension: 1) Microemulsions are thermodynamically stable and will not separate. Therefore, the storage time may be long enough. This is particularly important for office and portable printers that may be used sporadically. 2) Microemulsions are naturally formed with a specific drop size and do not require extensive agitation, centrifugation, or filtration to ensure a specific range of emulsified oil drop sizes. 3) The amount of oil contained in the ink can be high enough, so that dyes that are soluble in oil or water or both can be used. In order to obtain a special color, a mixture of dyes, one of which is soluble in water and the other in oil, can be used. 4) Oil-miscible pigments do not agglomerate because they are captured by oil microdrops. 5) The use of microemulsions can reduce the mixing of various dye colors on the surface of the print media. 6) The viscosity of microemulsion is extremely low. 7) The need for lubricants can be reduced or eliminated. Dyes and pigments in microemulsion based inks A mixture of oils in water has a high oil content, as high as 40%, and forms an O / W microemulsion. For this reason, high filling of the dye or pigment can be achieved. Mixtures of dyes and pigments may be used. Examples of microemulsion based inks having both dyes and pigments are as follows: 1) 70% water 2) 5% water soluble dye 3) 5% surfactant 4) 10% oil 5) 10% oil miscibility Pigments The following table shows the nine basic combinations of oil phase and water phase colorants of the microemulsions that can be used. The ninth combination without the colorant is useful for printing clear coatings, UV inks, and selective gloss highlights. Because many dyes are amphiphilic, large amounts of dye can also be solubilized in the oil-water interface layer when that layer has a very large surface area. It is also possible for each phase to contain multiple dyes or pigments, and for each phase to contain a mixture of dyes and pigments. When using multiple dyes or pigments, the absorption spectrum of the resulting ink will be a weighted average of the absorption spectra of the various colorants used. This raises two problems: 1) Since the absorption beaks of both colorants are averaged out, the absorption spectrum will tend to be wider. This tends to cloud the color. Obtaining a glossy color requires careful selection of dyes and pigments based on their absorption spectrum, as well as colors that are perceptible to humans. 2) The color of the ink may be different on each substrate. If a combination of dye and pigment is used, the color of the dye is unlikely to contribute to the color of the ink printed on more absorbent paper, since the dye will be absorbed by the paper, while The pigment tends to "stay on the top surface" of the paper. This can be an advantage in some situations. Surfactant with Kraft point in drop selection temperature range For ionic surfactants, the solubility is very low below which and the solution has an essentially micelle-free temperature (Kraft point). Above the kraft temperature, micelle formation becomes possible and a rapid increase in surfactant solubility occurs. If the critical micelle concentration (CMC) exceeds the solubility of the surfactant at a particular temperature, then a minimum surface tension will be obtained at the point of maximum solubility, not at CHC. Surfactants generally have a significant drop in efficiency below the Kraft point. This factor may be used to achieve a significant decrease in surface tension with increasing temperature. At ambient temperature, only a portion of the surfactant is in solution. When the nozzle heater is turned on, the temperature rises and most of the surfactant enters the solution, reducing its surface tension. The surfactant should be selected for the Kraft point near the top of the temperature range over which the ink can be raised. This gives maximum room between the concentration of surfactant in solution at ambient temperature and the concentration of surfactant in solution at drop selection temperature. The surfactant concentration should be approximately equal to the CHC at the Kraft point. In this way, the surface tension is reduced to a maximum at elevated temperatures and to a minimum at ambient temperature. The table below shows some commercially available surfactants having the desired range of Kraft points. Surfactant with cloud point in drop selection temperature range Nonionic surfactants using polyoxyethylene (POE) chains may be used to make inks whose surface tension decreases with increasing temperature. At low temperatures, the POE chains are hydrophilic and retain the surfactant in solution. As the temperature increases, the structural water around the POE portion of the molecule is disturbed and the POE portion becomes hydrophobic. Surfactants are increasingly rejected by the hotter water, resulting in increased surfactant concentrations at the air / ink interface, thereby reducing 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 because of their cloud points generally above 100 ° C. Polyoxypropylene (POP) is combined with POE in the form of a POE / POP block copolymer and can lower the cloud point of the POE chain without inducing strong hydrophobicity at low temperatures. Two main configurations of symmetric POE / POP block copolymers are available. They are: 1) Surfactants with a POE segment at the end of the molecule and a POP segment at the center, such as poloxamer class surfactants (collectively CAS 9003-11-6) 2) meroxapol Surfactants with a POP segment at the end of the molecule and a POE segment at the center, such as the class of surfactants (also collectively CAS 9003-11-6). The following table lists some commercial poloxamers and meroxapol types that have cloud points between -100 ° C and 100 ° C: Other types of poloxamers and meroxapol can be easily synthesized using well-known techniques. The desired property is a surface tension as high as possible at room temperature and a cloud point between 40 ° C and 100 ° C, preferably between 60 ° C and 80 ° C. Meroxapol [HO (CHCH Three CH Two O) x (CH Two CH Two O) y (CHCH Three CH Two O) z The type of [OH] would be optimal if the averages x and z are about 4, and the average y is about 15. If a salt is used to increase the conductivity of the ink, the effect of this salt on the cloud point of the surfactant must be considered. The cloud point of POE surfactants disrupts the structure of water (I - Increased by ions (like): because this allows more water molecules to be used to form hydrogen bonds with the isolated pairs of oxygen in the POE. The cloud point of the POE surfactant forms a water structure because relatively few water molecules are available to form hydrogen bonds (Cl - , OH - ). Bromide ions are relatively ineffective. The ink formulation is prepared by changing the length of the POE and POP chains in the block copolymer surfactant and by changing the choice of salts added to increase conductivity (e.g., Cl - , Br - , I - ), Can be "tuned" to the desired temperature range. NaCl appears to be the best choice of salt to increase the conductivity of the ink due to its low cost and non-toxicity. NaCl slightly reduces the cloud point of nonionic surfactants. Hot melt ink The ink need not be liquid at room temperature. Solid "hot melt" inks can be used by heating the printhead and ink tank above the melting point of the ink. Hot melt inks must be formulated so that the surface tension of the molten ink decreases with temperature. For many such formulations using waxes and other materials, a reduction of about 2 mN / m is typical. However, a reduction in surface tension of about 20 mN / m is desirable to obtain a good operating margin when based on a reduction in surface tension rather than a decrease in viscosity. The temperature difference between the resting temperature and the drop selection temperature may be greater for hot melt inks than for water-based inks, since water-based inks are held down to the boiling point of water. The ink must be liquid at resting temperature. The static temperature must be higher than the highest ambient temperature that the printed page is likely to encounter. The quiescent temperature must also be practically low to reduce the power required to heat the printhead and to provide the maximum margin between the quiescent temperature and the drop firing temperature. A resting temperature between 60 ° C and 90 ° C is generally suitable, although other temperatures may be used. Drop ejection temperatures between 160 ° C and 200 ° C are generally suitable. There are several ways to achieve high surface tension reduction with increasing temperature. 1) A dispersion of fine particles of surfactant having a melting point substantially above the static temperature, but substantially below the drop injection temperature can be added to the hot melt ink while in the liquid phase. 2) Preferably, a polar / non-polar microemulsion having a PIT at least 20 ° C. above the melting point of both polar and non-polar compounds. To achieve a large surface tension reduction with temperature, the hot melt ink carrier desirably has a relatively high surface tension (at least 30 mN / m) when at rest temperature. This generally excludes alkanes such as waxes. Suitable materials generally have strong intermolecular attraction, which can be obtained by means of multiple hydrogen bonds, for example polyhydric alcohols such as Hexanetetrol (having a melting point of 88 ° C.). Surface tension of various solutions FIG. 3 (d) shows the calculated temperature effect on the surface tension of various aqueous formulations containing the following additives: 1) 0.1% sol of stearic acid 2) 0.1% sol of palmitic acid 3) 0.1% solution of Pluronic 10R5 (trademark: BASF) 4) 0.1% solution of Pluronic L35 (trademark: BASF) 5) 0.1% solution of Pluronic L44 (trademark: BASF) An ink suitable for the printing system of the present invention discloses its disclosure. It is described in the following Australian patent application, which is incorporated herein by reference: "Ink composition based on a microemulsion" (application number: PN5223, filed September 6, 1995); "Ink composition containing surfactant sol" (Application number: PN5224, filed September 6, 1995); "Ink composition for DOD printers with Krafft point near the drop selection temperature sol" (Application number: PN6240, filed October 30, 1995); and "Dye and pigment in a microemulsion based ink "(application number: PN6241, filed October 30, 1995). Actions using viscosity reduction As a second example, the operation of a specific example using thermal viscosity reduction and proximity drop separation in combination with a hot melt ink is as follows. Prior to the operation of the printing press, the solid ink is melted in the ink tank 64. The ink tank, the ink passage to the printhead, the ink channels 75, and the printhead 50 maintain a temperature at which the ink 100 is liquid at that temperature but exhibits a relatively high viscosity (eg, about 100 cP). The ink 100 is held at the nozzle by the surface tension of the ink. Ink 100 is formulated such that the viscosity of the ink decreases with increasing temperature. The ink pressure oscillates at a frequency that is an integral multiple of the number of times of drop ejection from the nozzle. The vibration of the ink pressure causes the ink meniscus of the nozzle tip to vibrate, but the vibration is small due to the high viscosity of the ink. At normal operating temperatures, these oscillations are of insufficient amplitude to cause drop separation. When the heater 103 is energized, the ink forming the selective drop is heated, resulting in a decrease in viscosity, preferably to a value below 5 cP. The reduced viscosity will cause the ink meniscus to move further during the high pressure portion of the ink pressure cycle. The print medium 51 is placed sufficiently close to the print head 50 so that the selected drops contact the print medium 51, but far enough away that non-selected drops do not contact the print medium 51. Upon contact with the print medium 51, the selected drop portion solidifies and adheres to the print medium. As the ink pressure drops, the ink begins to move backward into the nozzle. The ink body separates from the ink that is solidified on the print medium. Thereafter, the meniscus of the ink 100 at the nozzle tip returns to low amplitude vibration. The viscosity of the ink increases to its resting level as residual heat is dissipated to the ink body and printhead. One ink drop is selected for each heat pulse, separated and forms one spot on print media 51. Since the heat pulse is electrically controlled, a drop-on-demand type ink jet operation can be realized. Print head manufacturing The process for manufacturing an integrated printhead according to the present invention is described in the following Australian patent application filed April 12, 1995, the disclosure of which is incorporated herein by reference: "A monolithic LIFT printing head" ( "Application number: PN2301";"A manufacturing process for monolithic LIFT printing heads" (Application number: PN2302); "A self-aligned heater design for LIFT print heads" (Application number: PN2303); "Integrated four color LIFT print heads" (Application number: PN2304); "Power requirement reduction in monolithic LIFT printing heads" (Application number: PN2305); "A manufacturing process for monolithic LIFT print heads using anisotropic wet etching" (Application number: PN2306); "Nozzle placement in "monolithic drop-on-demand print heads" (Application number: P N2307); "Heater structure for monolithic LIFT print heads" (Application number: PN2346); "Power supply connection for monolithic LIFT print heads" (Application number: PN2 347) ; "External connection for Proximity LIFT print heads" (Application number: PN 2348); and "A self-aligned manufacturing process for monolithic LIFT print heads" (application number: PN2349); and "CMOS process compatible fabrication of LIFT print heads" (application number: PN5 222, filed September 6, 1995) "A manufacturing process for LIFT print heads with nozzle rim heaters" (application number: PN6238, filed October 30, 1995); "A modular LIFT print heads" (application number: PN6237, filed October 30, 1995) ; "Method of incrreasing packing density of printing nozzles" (application number: P N6236, filed October 30, 1995); "Nozzle dispersion for reduced electrostatic interaction between simul taneously printed droplets" (application number: PN6239, October 1995) 30-day application). Print head control An apparatus for providing page image data and controlling heater temperature in a printhead of the present invention is described in the following Australian patent application filed April 12, 1995, the disclosure of which is incorporated herein by reference: "Integrated drive circuitry in LIFT print heads" (application number: PN2295); "A nozzle clearing procedure for Liquid Ink Fault Tolerant (LIFT) printing" (application number: PN2294); "Heater power compensation for temperature in LIFT printing systems" (Application number: PN2314); "Heater power compensation for thermal lag in LIFT printing systems" (Application number: PN2315); "Heater power compensation for print density in LIFT printing systems" (Application number: PN2316); "Accurate control of temperature "Data distribution in monolithic LIFT print heads" (Application number: PN2318); "Page image and fault tolerance routing device for LIFT printing syste ms" (Application number: PN2319); "A removable pressurized liquid ink cartridge for LIFT printers "(application number: PN2320). Image processing of print head The aim of the printing system according to the invention is to obtain a print quality which is comparable to that familiarized in quality to color prints printed using offset printing. This can be achieved with a printing resolution of approximately 1600 dpi. However, printing at 1600 dpi is difficult and expensive to achieve. Similar results can be achieved using 800 dpi printing, using 2 bits per pixel for cyan and magenta and 1 bit per pixel for yellow and black. This color model is referred to herein as CC'HM'YK. Where high quality monochrome image printing is also required, 2 bits per pixel may be used for black. This color model is referred to herein as CC 'MM'YKK'. A color model, halftoning, data compression, and real-time expansion system suitable for use in the system of the present invention and other printing systems is described in U.S. Pat. It is described in the following Australian patent application: "Four level ink set for bi-level colorprinting" (application number: PN2339); "Compression system for page images" (application number: PN2340); "Real-time expansion apparatus for "Compressed page images" (application number: PN 2341); and "High capacity compressed document image storage for digital dolor printers" (application number: PN2342); "Improving JPEG compression in the presence of text" (application number: PN2343); "An expansion and halftoning device for compressed page images" (application number: PN2344); and "Improvements in image halftoning" (application number: PN2345). Applications using the print head according to the invention The printing apparatus and method of the present invention are suitable for a wide range of applications, including, but not limited to, color and monochrome office printing, short run digital printing, high speed digital printing, process color printing, spot color. Printing, offset press additional printing, low-cost printing machine using scanning print head, high-speed printing machine using purge width print head, portable color / monochrome printing machine, color / monochrome copying machine, color / monochrome facsimile machine, composite printing Machine, facsimile / copier, label printing, large format plotter, photocopying, digital photoprocessing printing press, portable printing press built into digital "instant" camera, video printing, photo CD image printing, "Personal Digital" Assistants "for portable printing, wallpaper printing, indoor sign printing, billboard printing, and textiles printing. A printing system according to the present invention is described in the following Australian patent application filed April 12, 1995, the disclosure of which is incorporated herein by reference: "A high speed color office printer with a high capacity digital page i mage store "(application number: PN2329);" A short run digital color printer with a high capacity digital page image store "(application number: PN2330);" A digital color printing press using LIFT printing technology "(application number) : PN2331); "A modular digital printing press" (application number: PN2332); "A high speed digital fabric printer" (application number: PN2333); "A color photograph copying system" (application number: PN2334); "A high "A portable color photocopier using LIFT printing technology" (Application number: PN2336); "A photograph processing system using LIFT printing technology" (Application number: PN2337); "A plain paper facsimile machine using a LIFT printing system" (application number: PN23 38); "A Photo CD system with integrated printer" (application number: PN2293); "A color plotter using LIFT printing technology" (application number: PN2291); "A notebook computer with integrated LIFT color printing system" (application number: PN2292); "A portable printer using LIFT printing system" (application number: PN2300); "Fax machine with on-line database interrogation and custoomized magazine printing" (application number: PN2299); "Miniature portable color printer" (application number) : PN2298); "A color video printer using a LIFT printing system" (application number: PN2296); and "An integrated printer, copier, scanner, and facsimile using a LIFT printing system" (application number: PN2297). Printhead compensation for environmental conditions It is desirable for a drop-on-demand printing system to have consistent and predictable ink drop sizes and locations. Unnecessary changes in ink drop size and position will change the optical density of the resulting print, reducing the perceived print quality. These changes should be limited to a small portion of the nominal ink drop volume and pixel spacing, respectively. There are many factors that can affect drop volume and location. In some cases, the change can be minimized by proper head design. In other cases, the change can be compensated for by an active circuit. 1) Ambient temperature: Changes in ambient temperature can affect the static meniscus position and the temperature obtained with heater pulses. Changes in the stationary meniscus position can be compensated for by changing the ink pressure or the strength of the external electric or magnetic field. The change in temperature obtained with the heater pulse can be compensated for by changing the power supplied to the heater. 2) Nozzle temperature: It is not practical to compensate the temperature separately for each nozzle. Reliable head operation requires a small difference between the nozzle temperature and the ambient temperature measured at the substrate. This can be achieved by using a substrate having a high thermal conductivity and by taking an appropriate time between pulses so that waste heat is dissipated. 3) Nozzle radius: Since it is difficult to apply various electric field strengths or ink pressures to the nozzle based on the nozzle, the change in nozzle radius for nozzles coming from a single ink tank should be minimized. Fortunately, changes in nozzle radius can easily be maintained below 0.5 µm using modern semiconductor manufacturing equipment. 4) Print density: Various numbers of ink drops may be fired in each cycle. As a result, the load resistance of the head can vary widely and rapidly, causing voltage fluctuations due to the finite resistance of the power supply and wiring. This can be precisely compensated by a digital circuit that determines the number of drops to be fired in each cycle and changes the power supply voltage to compensate for the change in load resistance. 5) Ink Contaminants: The ink must be free of contaminants larger than approximately 5 μm, which may penetrate each other and clog the nozzles. This may be achieved by providing a 5 μm absolute filter between the ink container and the head. 6) Surface tension characteristics of the ink: The most important requirement of the ink is the surface tension characteristics. The ink must be formulated so that its surface tension is high enough to hold the ink in the nozzle at ambient temperature within design limits and drops below the firing threshold at the temperature reached by the heater. Many ink formulations can meet these criteria, but care must be taken to control contaminants that affect surface tension. 7) Ink Drying: If the time between drop ejections from the nozzles is too long, the ink at the exposed meniscus may dry out to the extent that the drop ejections are affected or impeded. This can be compensated for by firing one or more drops from each nozzle between each printed page and capping the print head during periods of inactivity. 8) Pulse width: The pulse width of the heater can be precisely controlled and set very close to the minimum pulse width. Higher reliability can be achieved by making the pulse width considerably longer than the minimum. For a 7 μm nozzle using a water-based ink as described herein, the minimum pulse width is approximately 10 μs. The apparent pulse width is set to 18 μs to give a wide operation margin. The pulse width has little effect on the drop size. 9) Clogged or defective nozzles: In many cases, clogged nozzles can be cleared by giving the heater a fast pulse sequence and raising the ink above its boiling point. The vapor bubbles thus generated can drive out "crust" from the dried ink. Persistent occlusion nozzles may be periodically cleaned using a solvent. Defective or permanently clogged nozzles can be automatically replaced with extra nozzles using built-in fault tolerance. 10) Print Media Roughness: This is especially noticeable in proximity printing where media roughness can be a significant part of the head-to-media distance. The fibers protruding in the paper medium cause the ink drop to repel the paper faster than intended, resulting in less ink being transferred to the paper and a smaller drop size. This can be compensated for by using coated paper, compressing the paper fibers with rollers prior to printing, and / or coating or moistening the paper just before printing. Nozzle temperature control Nozzle performance is sensitive to the temperature and heat pulse duration applied to the nozzle tip. If too little energy is supplied to the heater, the temperature of the nozzle tip will not rise fast enough to cause the drop to be fired at the allotted time, or the fired ink drop may be smaller than required. If too much energy is supplied to the heater, too much ink may be ejected, the ink may boil, and more energy will be used for the printhead than required. This energy can then exceed the limits of the self-cooling operation. The amount of energy required to activate the nozzle may be determined by dynamic finite element analysis of the nozzle. The method can determine the required firing energy of the nozzle under various static and dynamic environmental conditions. The optimum temperature distribution for the head involves an instantaneous rise to the firing temperature of the active area of the nozzle tip, maintenance of this area at the firing temperature for the duration of the pulse, and instantaneous cooling of the area to ambient temperature. This optimum is not achievable due to the storage heat capacity and thermal conductivity of the various materials used in nozzle assembly. However, performance improvements can be achieved by shaping the power pulses using curves that can be derived by iterative refinement of the finite element simulation of the printhead. To obtain accurate results, dynamic simulation of the transition fluid using free surface modeling is necessary because the convection of the ink and the ink flow significantly affect the temperature obtained at a particular power curve. Compensation technology Many environmental variables can be compensated to reduce their effects to meaningless levels. Activity compensation for several factors can be achieved by varying the power applied to the nozzle heater. The optimal temperature distribution for the printhead involves an instantaneous rise in the active area of the nozzle tip to the firing temperature, maintenance of this area at the firing temperature for the duration of the pulse, and instantaneous cooling of the area to ambient temperature. This optimum is not achievable due to the storage heat capacity and thermal conductivity of the various materials used in nozzle assembly. However, performance improvements can be achieved by shaping the power pulses using curves that can be derived by iterative refinement of the finite element simulation of the printhead. The power applied to the heater can be changed in a timely manner by a variety of techniques including, but not limited to: 1) changing the voltage applied to the heater 2) modulating the width of a series of short pulses (PWM) 3) Modulate the frequency of a series of short pulses (PFH) In order to obtain accurate results, the convection of the ink and the free flow of the ink can significantly affect the temperature obtained at the specified power curve. Dynamic simulation of transition fluids using surface modeling is needed. It is practical to individually control the power applied to each nozzle by incorporating appropriate digital circuitry into the printhead substrate. One way to accomplish this is to "scatter" a variety of different digital pulse trains across the printhead chip, and use a multiplexing circuit to select the appropriate pulse train for each nozzle. Examples of environmental factors that may be compensated are given in the table "Compensation for environmental factors". This table identifies which environmental factors are best compensated globally (for all printheads) and per chip (for each chip of a composite multichip printhead) and per nozzle. "Compensation for environmental factors" Most applications do not require compensation for all of these variables. Some variables are less effective, and compensation is only needed when very high image quality is required. Print head drive circuit FIG. 4 is a schematic block diagram showing the electronic operation of the print head drive circuit. FIG. 4 is a block diagram of an 800 dpi pagewidth printhead using system for printing process colors using the CC'MM'YK color model. The print head 50 has 39,744 main nozzles and 39,744 spare nozzles, for a total of 79,488 nozzles. The main and spare nozzles are divided into six colors, each of which is separated into eight drive phases. Each drive phase has a shift register, which converts serial data from the head control ASIC 400 to parallel data to enable the heater drive circuit. There are a total of 96 shift registers, each generating data for 828 nozzles. Each shift register consists of 828 shift register stages 217, the output of which is ANDed with the phase enable signal by NAND gate 215. The output of NAND gate 215 drives inverting buffer 216, which in turn controls drive transistor 201. The drive transistor 201 activates an electric heater 200 which may be the heater 103 as shown in FIG. 1 (b). During the enable pulse, the clock to the shift register is stopped to keep the shift data valid, and is shown as a single gate for simplicity, but is preferably within the range of known defect-free clock control circuits. The enable pulse is activated by the clock stopper 218, which can be either one. Stopping the shift register clock removes the requirement for a parallel data latch in the printhead, but adds some complexity to the control circuitry of the head control ASIC 400. Data is routed by the data router 219 to either the primary nozzle or the spare nozzle, depending on the state of the appropriate signal on the fault status bus. The printhead shown in FIG. 4 is simplified and does not show various means of increasing manufacturing yield, such as block fault tolerance. The drive circuitry for the various printhead configurations can be readily derived from the apparatus disclosed herein. Digital information representing a dot pattern to be printed on a recording medium is stored in a page or band memory 1513, which may be the same as the image memory 72 in FIG. The 32-bit word data representing one color dot is read from the page or band memory 1513 using the address selected by the address multiplexer 417 and the control signal generated by the memory interface 418. These addresses are generated by an address generator 411 which forms part of a "per color circuit" 410, one for each of the six color components. The address is generated based on the position of the nozzle associated with the print medium. The address generator 411 is preferably made programmable, as the relative positions of the nozzles may be different for different print heads. The address generator 411 normally generates an address corresponding to the position of the main nozzle. However, if there is a faulty nozzle, the block position of the nozzle containing the fault can be marked in the fault map RAM 412. The failure map RAM 412 is read as a page to be printed. If the memory indicates a nozzle block failure, the address is changed so that the address generator 411 generates an address corresponding to the location of the spare nozzle. Data read from page or band memory 1513 is latched by latch 413 and converted by multiplexer 414 into four sequential bytes. The timing of these bytes is adjusted by FIFO 415 to match that of the data representing the other colors. This data is then buffered in buffer 430 to form a 48-bit main data bus to print head 50. The data is buffered when the print head can be located at a relatively long distance from the head control ASIC. The data from fault map RAH 412 also makes an input to FIFO 416. The timing of this data is aligned with the data output of FIFO 415 and buffered in buffer 431 to form a fault status bus. Programmable power supply 320 provides power for head 50. The voltage of the power supply 320 is controlled by a DAC 313 which is part of a RAM and DAC combination (RAMDAC) 316. RAMDAC 316 includes dual port RAM 317. The contents of dual port RAM 317 are programmed by microcontroller 315. The temperature is compensated by changing the contents of dual port RAM 317. These values are calculated by microcontroller 315 based on the temperature sensed by thermal sensor 300. The signal of the thermal sensor 300 is connected to an analog-to-digital converter (ADC) 311. ADC 311 is preferably incorporated into microcontroller 315. The head control ASIC 400 includes control circuits for thermal lag compensation and print density. In the thermal delay compensation, the power supply voltage to the head 50 needs to be a rapidly time-varying voltage synchronized with the heater enable pulse. This is achieved by programming the programmable power supply 320 to produce this voltage. An analog time-varying program voltage is generated in DAC 313 based on data read from dual port RAH 317. This data is read according to the address generated by the counter 403. The counter 403 makes one complete cycle for the address during the period of the enable pulse. This synchronization is ensured when the counter 403 is clocked by the system clock 408 and the upper count of the counter 403 is used to clock the enable counter 404. The count from enable counter 404 is then decoded by decoder 405 and buffered in buffer 432 to create an enable pulse for head 50. The counter 403 may include a prescaler if the number of states of the count is less than the number of clock cycles of one enable pulse. Sixteen voltage states are appropriate to accurately compensate for the thermal lag of the heater. These 16 states can be specified by using a 4-bit connection between the counter 403 and the dual port RAM 317. However, these 16 states do not have to take a linear time interval. To enable non-linear timing of these states, counter 403 may include ROH or other devices that cause counter 403 to count in a non-linear manner. Alternatively, states below 16 may be used. With respect to print density compensation, print density is detected by counting the number of pixels ("on" pixels) at which a drop will be printed during each enable cycle. “On” pixels are counted by an on-pixel counter 402. There is one on-pixel counter 402 for each of the eight enable pulses. The number of phases in the head depends on the particular design. There is no requirement that the number of phases be a power of two, but 4, 8, and 16 are convenient numbers. The on-pixel counter 402 may comprise a combinatorial pixel counter 420 that determines how many bits of a nibble are on. This number is then accumulated by adder 421 and accumulator 422. Latch 423 holds the accumulated value in a valid state during the period of the enable pulse. The multiplexer 401 selects the output of the latch 423 corresponding to the current enable phase, as determined by the enable counter 404. The output of multiplexer 401 forms part of the address of dual port RAH 317. An exact count of the number of "on" pixels is not required, and the four most significant bits of this count are sufficient. Combining the four bits of the thermal delay compensation address with the four bits of the print density compensation address means that dual port RAM 317 has an eight bit address. This means that dual port RAM 317 contains 256 numbers in a two-dimensional array. These two dimensions are time and print density (for thermal lag compensation). It may include three dimensions-temperature-. When the ambient temperature of the head merely changes gradually, the microcontroller 315 has enough time to calculate a matrix of 256 numbers that compensates for the thermal lag and print density at the current temperature. Periodically (eg, on the order of a few seconds), the microcontroller senses the current head temperature and calculates this matrix. The following equation may be used to calculate the matrix of numbers to be stored in the dual port RAH 317: Where V ps Is the voltage specified for the programmable power supply 320; R OUT Is the output resistance of the programmable power supply 320, including the connection to the head 50; R H Is the resistance of a single heater; p is a number representing the number of heaters to be turned on in the current enable period, as provided by multiplexer 401; n is the least significant bit of one of p A constant equal to the number of heaters represented; t is the time divided into a number of steps over the period of a single enable pulse; p (t) is the time required to achieve improved drop injection. A function that defines the required power input to a single heater. This function depends on the specific arrangement and material of the nozzles, as well as the characteristics of the ink. It is best determined by comprehensive computer simulation, combined with experimentation. T E Is the temperature in ° C required for drop ejection; and T A Is the “ambient” temperature of the head in ° C. as measured by a temperature sensor. To reduce execution time and simplify programming for the microcontroller, most or all of the factors may be pre-calculated and simply kept in a table stored in the microcontroller's ROH. Comparison with thermal inkjet technology The table "Comparison between thermal ink jet and the present invention" compares the printing mode and the thermal ink jet printing technique according to the present invention. Because both are drop-on-demand systems that operate using thermal actuators and liquid ink, a direct comparison is made between the present invention and thermal inkjet technology. Although they may seem similar, the two techniques operate on different principles. Thermal ink jet printers use the following basic operating principles. Thermal shock caused by electrical resistance heating results in explosive bubble formation in the liquid ink. Rapid and permanent bubble formation can occur by overheating the ink, so that enough heat is transferred to the ink before bubble nucleation is complete. For water-based inks, an ink temperature of approximately 280C to 400C is required. Bubble formation produces a pressure wave that pushes the ink drop out of the opening at high speed. The bubble then collides, drawing ink from the container and refilling the nozzle. Thermal ink jet printing has been commercially successful due to the high nozzle packing density and the use of well-established integrated circuit manufacturing techniques. However, thermal ink-jet printing technology uses multi-part precision assembly, equipment yield, image resolution, "pepper" noise, printing speed, drive transistor power, waste power consumption, satellite drop formation, thermal stress, differential thermal expansion, kogation, Significant technical problems are encountered, including cavitation, corrective diffusion, and difficulty in producing ink. Printing in accordance with the present invention has many of the advantages of thermal ink jet printing and completely and substantially eliminates many of the inherent problems of thermal ink jet technology. "Comparison between thermal inkjet and the present invention" Yield and fault tolerance In most cases, integrated integrated circuits are irreparable if they are not fully functional at the time of manufacture. The percentage of working devices manufactured by wafer implementation is known as yield. Yield has a direct impact on manufacturing costs. A 5% yield device is actually more than 10 times more expensive to manufacture than the same device with a 50% yield. There are three major yield measures: 1) Manufacturing yield 2) Wafer classification yield 3) Final test yield For large dies, this is typically the wafer classification yield, which has the most impact on overall yield. It is a serious restriction. The full page width color head of the present invention is much larger than a typical VLSI circuit. Good wafer classification yield is critical for the cost-effective manufacture of the aforementioned heads. FIG. 5 is a graph of wafer classification yield versus failure density for a specific example of the integrated full width color A4 head of the invention. The head is 215 mm long-5 mm wide. The non-fault-tolerant yield 198 is calculated according to Hurphy's method, which is a widely used yield prediction method. At a fault density of 1 fault per square centimeter, Murphy's method predicts less than 1% yield. This means that more than 99% of the assembled heads will be discarded. This low yield is highly undesirable because the manufacturing cost of the printhead is unacceptably high. Murphy's method approximates the effect of uneven fault distribution. FIG. 5 also includes a graph of the non-fault tolerable yield 197, which explicitly models fault clustering by introducing a fault clustering (aggregation) factor. The fault clustering factor is not a controllable parameter in manufacturing, but is a characteristic of the manufacturing process. The failure clustering factor for the manufacturing process can be expected to be approximately 2, where the yield projection closely matches Murphy's method. The solution to the low-yield problem is to incorporate fault-tolerant yield by including spare functional units on the chip that are used to replace the failed functional unit. For memory chips and most wafer scale integration (WSI) devices, the physical location of the spare subunit on the chip is not important. However, in a printhead, the spare subunit may include one or more print actuators. These must have a fixed spatial relationship with the page being printed. To be able to print dots at the same location as the defective actuator, the spare actuator must not be displaced in the non-scanning direction. However, the fault actuator can be replaced by a spare actuator displaced in the scanning direction. To ensure that the spare actuator prints dots at the same location as the failed actuator, the data timing for the spare actuator may be changed to compensate for the displacement in the scanning direction. To allow displacement of all nozzles, there must be a complete set of spare nozzles resulting in 100% redundancy. What is required for 100% redundancy is typically more than twice the chip area, dramatically reducing the primary yield before replacing the spare unit, thus reducing the benefits of fault-tolerant yield. Most will be eliminated. However, for the printhead embodiment according to the present invention, the minimum physical dimensions of the head chip are the page width during printing, the fragility of the head chip, and the assembly of the ink channel that supplies ink to the back side of the chip. Is determined by manufacturing constraints. The minimum working size for a full width, full color head for printing A4 size paper is approximately 215 mm x 5 mm. This size allows the inclusion of 100% redundancy without significantly increasing chip area when using 1.5 μm CMOS assembly technology. Therefore, high levels of fault-tolerant yield can be included without significantly reducing primary yield. When fault-tolerant yield is included in the device, the standard yield equation cannot be used. Instead, the mechanism and degree of fault-tolerant yield must be clearly analyzed and included in the yield equation. FIG. 5 shows a fault-tolerant classification yield 199 for a full-width color A4 head, which encompasses various forms of fault-tolerant yield, the modeling of which is included in the yield equation. This graph shows projected yield as a function of both fault density and fault clustering. The yield projections shown in FIG. 5 show that a fully implemented fault-tolerant yield can increase wafer classification yield from less than 1% to more than 90% under the same manufacturing conditions. Thereby, the manufacturing cost can be reduced to 1/100. Fault-tolerant yield is highly recommended to improve the yield and reliability of printheads containing thousands of printing nozzles, and thus to implement a page-width printing head. However, fault tolerable yield should not be treated as an essential part of the present invention. Fault-tolerant yield in drop-on-demand printing systems is described in the following Australian Patent Application, filed April 12, 1995, the disclosure of which is incorporated herein by reference: "Integrated fault tolerance in printing mechanisms" ( "Application number: PN2324";"Block fault tolerance in integrated printing heads" (Application number: PN2325); "Nozzle duplication for fault tolerance in integrated printing heads" (Application number: PN2326); "Detection of faulty nozzole in printing heads" ( Application No .: PN2327); and "Fault tolerance in high volume printing presses" (Application No .: PN2328). The optimal amount of power required by the printhead heater varies over time over the course of the drop firing process. The optimal power requirement is referred to herein as a power function p (t). The present invention provides an apparatus that changes the energy of a heater over time during drop ejection. This is achieved as shown in FIG. The apparatus includes a counter (403) that provides a number representing the amount of elapsed time during the heater excitation pulse as a ratio of the total pulse duration. The output of the counter (403) is connected to a voltage calculation process 310 that determines the appropriate power supply voltage based on the current time for the start of the pulse. The result of this calculation is V - About V + Used to control a programmable power supply 320 that generates This voltage is connected to the print head 50 and is used to energize the heater. The actual calculation of the optimal supply voltage is complex and should take into account the following factors: 1) the required temperature distribution in the active part of the nozzle for optimal ink drop ejection 2) at the beginning of the heater energization cycle Heat distribution 3) Heat conduction from similarly energized adjacent heaters 4) The amount of heat that is dynamically transferred into the ink 5) Dimensions and shape of the material used for nozzle assembly 6) Material used for nozzle assembly 7) Specific heat capacity of the material used for nozzle assembly 8) Density of material used for nozzle assembly 9) Heater thin film resistance 10) Behavior of heater thin film resistance changing with temperature 11) Drive transistor ON ( on) resistor 12) transistor turn-on time 13) interconnect wire resistance 14) power supply rise time 15) slew rate limits required to avoid interfering with digital circuitry on the printhead 16) regulatory bodies such as FCC and VDE By Radio frequency interference limit computer simulation technology required to satisfy various criteria imposed can decide power function p (t) used. These include thermal finite element analysis (FEA), computational fluid dynamics (CFD), and analog circuit simulation (such as "Spice"). The results of these simulations may be demonstrated experimentally. Computer simulation eliminates perturbations due to measuring instruments, allows for higher measurement accuracy, allows measurements of otherwise inaccessible points in the system, and generally involves experimental assembly and printing of many shape variant printing nozzles. It is much lower cost than measurement. Many simulations should generally be performed only on the most promising configuration prototype builds. The heater power function p (t) may also be determined simply experimentally. However, this is not recommended since many experiments must be performed to approach the optimal solution. The actual calculations are complex and impractical to perform in real time when the heater is energized. Fortunately, the materials and shapes of the nozzles are fixed at the time of manufacture and can be assembled with high precision, so that complicated calculations need not be performed in real time. Therefore, most of these calculations only need to be performed once for each nozzle shape and are invariant within production tolerances. The results of these calculations may then be stored in table k [t] and "retrieved" when needed. k (t) ≒ p (t) where: p (t) is the optimal power function for the time needed for the heater, and k [t] is a sampling approximation of the power function suitable for storage in electronic memory It is. One exception to this is the heat distribution at the start of the pulse. This will have a significant effect on the optimal thermal calculation, but unfortunately is dynamic. The initial condition of any heat pulse depends on how recently the heater was pre-energized. This effect can be mitigated by leaving enough time for the heater area to "cool" during the duration that the heater is energized. It is possible to compensate for this factor electronically by providing another p (t) function that depends on when the heater was last activated. However, in most situations, adapting different simultaneous p (t) functions to different nozzles that are simultaneously energized would require multiple power supplies, making this impractical. Will. Another exception is heat transfer from adjacent heaters that are also energized. This effect can be mitigated during printhead design by maximizing the distance between simultaneously energized heaters. FIG. 6 (b) shows a system where information including the sampled power function k [t] is stored therein in an electronic memory 318 such as a ROM. This information is read from memory 318 by microcontroller 315 and written to dual port RAM 317. Counter 403 generates an address for dual port RAH 317 and yields information calculated by a method incorporating an approximation of the power function p (t) to be output. It is connected to a digital-to-analog converter (DAC) 313. The output of the DAC controls a programmable power supply 320 that excites the printhead 50. FIG. 7 shows a timing diagram for a print head with four phase interleaving. Voltage V supplied to heater H Is V + And V - Is the difference between This voltage is modulated in a control manner that compensates for thermal lag and other factors. While this voltage is supplied to the common power supply of all heaters, when the data supplied to the heater driver indicates that a drop should be fired, and the corresponding enable control (E0-E3) is activated When activated, only any particular heater will be exposed to this voltage. Waveform V H0 to V H3 Is one in which the individual heaters in the four phases are energized by them when a drop will be fired from them. V shown in FIG. H (And hence V H0 to V H3 The voltage curve in () is only an example, and the actual curve will depend on the dimensions and materials selected for the print nozzles and ink. The foregoing has described some preferred embodiments of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications may be made thereto without departing from the scope of the invention.