DE69401759T2

DE69401759T2 - Thermal ink jet pen

Info

Publication number: DE69401759T2
Application number: DE1994601759
Authority: DE
Inventors: Kenneth J Courian; Clayton L Holstun
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1993-04-29
Filing date: 1994-04-20
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2014-04-21
Also published as: EP0622198A2; JPH071735A; DE69401759D1; HK92297A; EP0622198A3; EP0622198B1

Description

Technical area

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf thermische Tintenstrahlstifte, die in thermischen Tintenstrahldruckern verwendet werden, und insbesondere auf das Verbessern des Verhaltens solcher Stifte, die eine Tinte verwenden, die ein Polymer aufweist, um die Verteilung eines Pigment-Färbemittels zu unterstützen.The present invention relates to thermal inkjet pens used in thermal inkjet printers, and more particularly to improving the performance of such pens using an ink comprising a polymer to assist in the distribution of a pigment colorant.

Background technology

Auf dem Gebiet des thermischen Tintenstrahldruckens ist es bekannt, eine Mehrzahl von mit elektrischen Widerständen behafteten Elementen auf einem gemeinsamen Substrat zu dem Zweck des Erwärmens einer entsprechenden Mehrzahl von Tintenvolumen, die in angrenzenden Tintenreservoirs enthalten sind, vorzusehen, was zu dem Tintenausstoß und Druck-Prozeß führt. Bei der Verwendung einer solchen Anordnung sind die angrenzenden Tintenreservoirs typischerweise als Hohlräume oder Abschußkammern in einer Barrierenschicht vorgesehen, die an dem Substrat angebracht ist, um ordnungsgemäß mechanische Energie zu vordefinierten Tintenvolumen zu isolieren. Die mechanische Energie ist die Folge der Umwandlung von elektrischer Energie, die den widerstandsbehafteten Elementen zugeführt wird, was eine sich schnell ausdehnende Dampfblase in der Tinte über den widerstandsbehafteten Elementen erzeugt. Ferner ist eine Mehrzahl von Tintenausstoßöffnungen über diesen Hohlräumen in einer Düsenplatte vorgesehen und liefert Auslaßwege für die Tinte während des Druckprozesses.In the field of thermal ink jet printing, it is known to provide a plurality of electrically resistive elements on a common substrate for the purpose of heating a corresponding plurality of ink volumes contained in adjacent ink reservoirs, resulting in the ink ejection and printing process. When using such an arrangement, the adjacent ink reservoirs are typically provided as cavities or firing chambers in a barrier layer attached to the substrate to properly isolate mechanical energy to predefined ink volumes. The mechanical energy is the result of the conversion of electrical energy supplied to the resistive elements, which creates a rapidly expanding vapor bubble in the ink above the resistive elements. Furthermore, a plurality of ink ejection ports are provided above these cavities in a nozzle plate and provide outlet paths for the ink during the printing process.

Bei dem Betrieb der thermischen Tintenstrahldruckköpfe ist es notwendig, einen Tintenfluß zu dem thermischen oder widerstandsbehafteten Element, das den Tintentropfenausstoß bewirkt, zu liefern. Dies wurde durch das Herstellen von Tintenauffüll-Kanälen, oder -Schlitzen, in dem Substrat, der Tintenbarriere oder der Düsenplatte erreicht. Die U.S. Patente 4,438,191; 4,500,895; 4,528,577 und 4,578,687 der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung offenbaren Beispiele derartiger thermischer Tintenstrahldruckköpfe, die für auf Wasser basierende Tinten entworfen wurden.In the operation of thermal inkjet printheads, it is necessary to provide a flow of ink to the thermal or resistive element that causes the ink drop ejection. This has been achieved by producing ink refill channels, or slots, in the substrate, ink barrier, or nozzle plate. Commonly assigned U.S. Patents 4,438,191; 4,500,895; 4,528,577 and 4,578,687 disclose examples of such thermal inkjet printheads designed for water-based inks.

Auf Wasser basierende Tinten verwenden üblicherweise einen oder mehrere wasserlösliche Farbstoffe als das Färbemittel. Das Färbemittel ist ein Farbstoffmolekül, das in Wasser aufgelöst ist. Derartige Tinten weisen typischerweise den Farbstoff, Wasser, zumindest ein Co-Lösungsmittel (ein organisches, mit Wasser mischbares Lösungsmittel, wie z.B. Diethylenglykol), und geringe Mengen anderer Substanzen, beispielsweise Biozide, auf.Water-based inks typically use one or more water-soluble dyes as the colorant. The colorant is a dye molecule dissolved in water. Such inks typically comprise the dye, water, at least one co-solvent (an organic water-miscible solvent such as diethylene glycol), and small amounts of other substances such as biocides.

Neuere formelmäßige Tintenzusammensetzungen wurden entwickelt, die Pigmente statt der wasserlöslichen Farbstoffe als Färbemittel enthalten. Es ist unabdingbar, diese Pigmente in einer verteilten Form zu bewahren, da die Pigmente Partikel sind und andernfalls die Tendenz zeigen würden, sich mit der Zeit zu setzen. Die Partikel werden durch Polymere, die als Polymer-Dispergiermittel bezeichnet werden, zerstreut gehalten. Diese Polymer-Dispergiermittel weisen funktionelle Gruppen auf; eine Funktionalität auf dem Polymer ist wasserabweisend und verknüpft sich mit dem Pigment, während eine weitere Funktionalität auf dem Polymer wasseranziehend ist und sich mit Wasser verknüpft. Das Polymer weist eine Länge auf, die ausreicht, um die Pigmentpartikel getrennt zu halten. Beispiele derartiger Pigment-Polymer- Systeme für Tintenstrahldrucker sind beispielsweise in dem U.S. Patent 5,085,698, erteilt an S.-H. Ma u.a. am 4. Februar 1992, offenbart.Newer formula ink compositions have been developed that contain pigments rather than water-soluble dyes as colorants. It is essential to maintain these pigments in a dispersed form because the pigments are particles and would otherwise tend to settle over time. The particles are kept dispersed by polymers called polymer dispersants. These polymer dispersants have functional groups; one functionality on the polymer is hydrophobic and associates with the pigment, while another functionality on the polymer is hydrophilic and associates with water. The polymer has a length sufficient to keep the pigment particles separated. Examples of such pigment-polymer systems for inkjet printers are shown, for example, in U.S. Patent 5,085,698 issued to S.-H. Ma et al. on 4 February 1992.

Tinten, die Polymere enthalten, zeigen die Tendenz, cohäsiver zu sein als Tinten, die keine Polymere enthalten. Diese Eigenschaft ermöglicht, daß der Schwanz eines Tintentropfens zusammenbleibt, länger an dem Meniskus befestigt bleibt und sich im wesentlichen intakt zu dem Papier bewegt. Dies tendiert dazu, die Menge eines zufälligen Sprühnebels, der auf dem Papier landet, zu reduzieren, und ist ein positiver Vorteil. Jedoch besteht eine der Konsequenzen desselben darin, daß, wenn der Schwanz an der Tinte innerhalb des Hohlraums befestigt bleibt, eine Störung der Tinte in dem Hohlraum aufgrund des Tinten-Wiederauffüllens oder einer Sekundärblasenausdehnung, usw., den Schwanz stören kann. In einem solchen Fall kann sich ein kleiner Tropfen von dem hinteren Ende des Schwanzes trennen. Dieser Satellitentropfen ist groß genug, daß derselbe die Druckqualität negativ beeinflußt.Inks containing polymers tend to be more cohesive than inks that do not contain polymers. This property allows the tail of an ink drop to stay together, remain attached to the meniscus longer, and travels substantially intact to the paper. This tends to reduce the amount of accidental spray that lands on the paper and is a positive advantage. However, one of the consequences of this is that if the tail remains attached to the ink within the cavity, disturbance of the ink in the cavity due to ink refilling or secondary bubble expansion, etc., can disturb the tail. In such a case, a small droplet can separate from the tail's rear end. This satellite droplet is large enough that it negatively affects print quality.

Die EP-A-0303350 offenbart einen thermischen Tintenstrahlstift, der einen reduzierten Tröpfchenschwanz-Sprühnebel aufweist.EP-A-0303350 discloses a thermal inkjet pen having reduced droplet tail spray.

Es existiert jedoch auch ein Bedarf danach, einen Tintenstrahlstift zu schaffen, der die Bildung von Satellitentropfen während des Abschießens von Tinte, die ein Polymer-Dispergiermittel enthält, von einem thermischen Tintenstrahdrucker verhindert.However, there also exists a need to provide an inkjet pen that prevents the formation of satellite drops during the firing of ink containing a polymer dispersant from a thermal inkjet printer.

Disclosure of the invention

Gemäß der Erfindung ist ein thermischer Tintenstrahlstift, der zum Abschießen von Tinten, die Polymer-Dispergiermittel enthalten, mit einem reduzierten Sprühnebel (oder Satellitentropfen) geeignet ist, geschaffen. Der Tintenstrahlstift weist einen erhöhten Abstand zwischen dem Abschußwiderstand und der Düse auf. Richtiger ausgedrückt ist es der Abstand zwischen dem Abschußwiderstand und dem Tintenmeniskus, der erhöht ist. Da dies jedoch ein dynamischer Zustand ist, ist es geeignet, die Zunahme des Abstands bezüglich statischer Elemente, nämlich des Abschußwiderstands und der Düse, zu erläutern. Die Zunahme des Abstands kann durch das Versetzen des Widerstands bezüglich der Düse, das Erhöhen der Dicke der Öffnungsplatte, das Erhöhen der Dicke der Barrierenschicht, die die Abschußkammer definiert und die Düsenplatte trägt, oder das Zurücksetzen des Widerstands tiefer in das Substrat, auf dem derselbe angebracht ist, durchgeführt werden.According to the invention, a thermal inkjet pen suitable for firing inks containing polymer dispersants with a reduced spray (or satellite drop) is provided. The inkjet pen has an increased distance between the firing resistor and the nozzle. More correctly, it is the distance between the firing resistor and the ink meniscus that is increased. However, since this is a dynamic condition, it is convenient to explain the increase in distance with respect to static elements, namely the firing resistor and the nozzle. The increase in distance can be achieved by offsetting the resistor with respect to the nozzle, increasing the thickness of the orifice plate, increasing the thickness of the barrier layer, which defines the firing chamber and supports the nozzle plate, or resetting the resistor deeper into the substrate on which it is mounted.

Dickere obere Platten zeigen die Tendenz, diese ungewollten Tropfen vollständig zu beseitigen, oder die Größe derselben zu reduzieren. Außerdem unterdrückt das Versetzen der Düse relativ zu dem Widerstand in der Stiftbewegungsrichtung ebenfalls die Bildung des Satellitentropfens. Eine Kombination dieser zwei ist besonders wirkungsvoll.Thicker top plates tend to eliminate these unwanted drops completely, or reduce their size. In addition, offsetting the nozzle relative to the resistance in the pen movement direction also suppresses the formation of the satellite drop. A combination of the two is particularly effective.

Short description of the drawings

Fig. 1 ist eine Vergrößerung (15 x) einer Reihe von in einer Zeile gedruckten Tintentropfen, die unter Verwendung eines Pigment-Polymer-Tintensystems von einem bekannten thermischen Tintenstrahlstift gedruckt sind, die Zeilen von Punkten mit Satellitenpunkten zeigt;Fig. 1 is a magnification (15x) of a series of ink drops printed in a line using a pigment-polymer ink system from a known thermal inkjet pen, showing rows of dots with satellite dots;

Fig. 2 eine Vergrößerung (40 x), ähnlich der von Fig. 1, die jedoch eine einzelne vertikale Linie darstellt, wobei ebenfalls Punkte und zugehörige Satellitenpunkte gezeigt sind;Fig. 2 is a magnification (40x) similar to that of Fig. 1, but showing a single vertical line, also showing points and associated satellite points;

Fig. 3 eine Vergrößerung (20 x) von gedruckten Zeichen (ein Abschnitt der Buchstaben "p" und "e"), die die Ergebnisse des Druckens von Zeichen zeigt und ferner Sprühnebel oder Satellitenpunkte um die Zeichen offenbart;Fig. 3 is a magnification (20x) of printed characters (a portion of the letters "p" and "e") showing the results of printing characters and further revealing spray or satellite dots around the characters;

Fig. 4A-F sind Querschnittansichten einer Abschußkammer in einem thermischen Tintenstrahlstift, die den Ereigniszeitablauf von Tinte, die abgeschossen wird, zeigen, wobei die Tinte ein Pigment-Polymer-System enthält, und die ferner die Entwicklung eines Schwanzabschnitts zeigen, der einen Sprühnebel oder Satellitenpunkte auf dem Druckmedium erzeugt;Fig. 4A-F are cross-sectional views of a firing chamber in a thermal inkjet pen showing the event timing of ink being fired, the ink containing a pigment-polymer system, and further illustrating the development a tail section that creates a spray or satellite dots on the printing medium;

Fig. 5 ist eine Draufsicht der Abschußkammer, die in den Fig. 4A-F dargestellt ist, wobei die Düse über dem Widerstand in gestrichelten Linien gezeigt ist.Fig. 5 is a top view of the firing chamber shown in Figs. 4A-F, with the nozzle above the resistor shown in dashed lines.

Fig. 6A-G zeigen in einer zehnfachen Vergrößerung die Wirkung auf die Satellitenpunktbildung als eine Funktion des Ausmaßes des Versetzens der Düse relativ zu dem Widerstand;Fig. 6A-G show at 10x magnification the effect on satellite dot formation as a function of the amount of nozzle displacement relative to the drag;

Fig. 7A-D zeigen in einer zehnfachen Vergrößerung die Wirkung auf die Satellitenpunktbildung als eine Funktion der Dicke der Düsenplatte, bei einem Versatz der Düsen von Null; undFig. 7A-D show, at a magnification of ten times, the effect on satellite dot formation as a function of the thickness of the nozzle plate, with a zero offset of the nozzles; and

Fig. 8A-D zeigen in einer zehnfachen Vergrößerung die Wirkung auf die Satellitenpunktbildung als eine Funktion der Dicke der Düsenplatte, wobei die Düsen um -4 µm versetzt sind.Fig. 8A-D show at 10x magnification the effect on satellite dot formation as a function of nozzle plate thickness, with the nozzles offset by -4 µm.

Best ways to carry out the invention

Fig. 1 zeigt eine Reihe von horizontalen Linien, die durch eine einzelne Düse in einem thermischen Tintenstrahlstift abgeschossen sind, welcher eine Tinte aufweist, die ein Pigment-Polymer-System besitzt. Wie zu sehen ist, zeigen die horizontalen Linien ein Muster von regelmäßigen "Satelliten"-Tropfen, die sich über das Ende der Linie hinaus erstrecken. Diese Satellitentropfen sind um den gleichen Abstand voneinander beabstandet wie die Haupttropfen. Dieselben können entweder bei den ungeraden oder geraden Düsen auftreten, jedoch im allgemeinen nicht sowohl von den ungeraden als auch den geraden auf einem einzelnen Stift, und häufig nur von bestimmten Düsen. Gemäß der Verwendung hierin bezieht sich der Ausdruck "ungerade Düsen" auf eine Spalte von Düsen in einem Zweispaltenstift. Der Ausdruck "gerade Düsen" bezieht sich auf die andere Spalte.Fig. 1 shows a series of horizontal lines fired by a single nozzle in a thermal inkjet pen having an ink having a pigment-polymer system. As can be seen, the horizontal lines show a pattern of regular "satellite" drops extending beyond the end of the line. These satellite drops are spaced apart the same distance as the main drops. They can occur from either the odd or even nozzles, but generally not from both the odd and even on a single pen, and often only from certain nozzles. As used herein, the term "odd nozzles" refers to one column of nozzles in a two-column pen. The term "even nozzles" refers to the other column.

Fig. 2 zeigt eine Darstellung, die aus vertikalen Linien besteht, die sich längs der Seite erstrecken. Die Darstellung wurde nur durch das Abschießen der ungeraden Düsen erzeugt. Fig. 2 zeigt, daß ein einzelnes Abschießen einen Haupttropfen und einen Satellitentropfen erzeugen würde. Daraus kann abgeleitet werden, daß diese Satelliten gebildet werden, selbst wenn ein Tropfen, dessen Meniskus stationär in seiner Gleichgewichtsposition ist, abgeschossen wird. Folglich können alle Frequenz-abhängigen Auffüllbetrachtungen ignoriert werden. Dies bedeutet, daß Aspekte der inneren Stiftarchitektur, die sich auf die Barriereneinlaßform und die Brettlänge beziehen, keinen wesentlichen Beitrag zu dem Problem liefern.Fig. 2 shows a plot consisting of vertical lines extending down the page. The plot was generated by firing only the odd nozzles. Fig. 2 shows that a single firing would produce a main droplet and a satellite droplet. It can be inferred that these satellites are formed even if a droplet whose meniscus is stationary in its equilibrium position is fired. Consequently, all frequency-dependent fill-up considerations can be ignored. This means that aspects of the internal pin architecture related to barrier inlet shape and board length do not make a significant contribution to the problem.

Fig. 3 zeigt eine Vergrößerung einer gedruckten Probe. Aufgrund des Sprühnebels wird die Druckqualität als unannehmbar betrachtet. Die vorliegende Erfindung richtet sich auf das Reduzieren dieses Sprühnebels.Fig. 3 shows a magnification of a printed sample. Due to the overspray, the print quality is considered unacceptable. The present invention is directed to reducing this overspray.

Fig. 4A bis 4F zeigt in einem Zeitablauf, was vermutlich stattfindet, damit die Satellitenpunkte erzeugt werden, wenn eine Tinte verwendet wird, die ein Pigment-Polymer-System enthält. Die Figuren zeigen einen Seitenaufriß eines Abschußwiderstands 10 und einer zugeordneten Düse 12 in einer Düsenplatte 14. Der Widerstand 10 ist auf einem Substrat 16 angebracht. Eine Barrierenschicht 18 definiert die Abschußkammer 20, in der sich der Widerstand 10 befindet, und ist links und rechts von dem Widerstand zu sehen, wobei dieselbe zwei Wände 18a und 18b bildet. Eine weitere Barrierenwand (18c, die in Fig. 5 gezeigt ist) befindet sich "oberhalb" der Ebene der Figur; die drei Barrierenwände 18a, 18b, 18c definieren drei Seiten der Abschußkammer 20, wobei eine vierte Wand offen belassen ist. Tinte 22 betritt die Abschußkammer 20 von einem Tintenzuführungsschlitz (der in den Fig. 4A-F nicht gezeigt ist und in Fig. 5 mit 21 bezeichnet ist), der eine Schlitzform aufweist und Tinte zu einer Mehrzahl von Widerständen auf jeder Seite (eine Seite ist die "gerade" Seite, während die andere Seite die "ungerade" Seite ist) von einem Reservoir (nicht gezeigt) unterhalb des Substrats 16 zuführt. Der Tintenzuführungsschlitz steht fluidmäßig mittels eines Barriereneinlaßkanals 23 mit der Abschußkammer 20 in Verbindung. Der Barriereneinlaßkanal 23 stellt durch die offene Wand eine Verbindung zu der Abschußkammer 20 her und befindet sich folglich "unterhalb" der Ebene der Figur. Fig. 5 ist eine Draufsicht des Abschußwiderstands 10 in der Abschußkammer 20, zusammen mit den Barrierenwänden 18a, 18b und 18c und dem Tintenzuführungsschlitz 21.Figures 4A through 4F show in time what is believed to occur to create the satellite dots when using an ink containing a pigment-polymer system. The figures show a side elevation of a firing resistor 10 and an associated nozzle 12 in a nozzle plate 14. The resistor 10 is mounted on a substrate 16. A barrier layer 18 defines the firing chamber 20 in which the resistor 10 is located and is seen to the left and right of the resistor, forming two walls 18a and 18b. Another barrier wall (18c shown in Figure 5) is "above" the plane of the figure; the three barrier walls 18a, 18b, 18c define three sides of the firing chamber 20, with a fourth wall left open. Ink 22 enters the Firing chamber 20 from an ink supply slot (not shown in Figs. 4A-F and designated 21 in Fig. 5) which has a slot shape and supplies ink to a plurality of resistors on each side (one side is the "even" side while the other side is the "odd" side) from a reservoir (not shown) beneath substrate 16. The ink supply slot fluidly communicates with firing chamber 20 by means of a barrier inlet channel 23. Barrier inlet channel 23 communicates with firing chamber 20 through the open wall and is thus located "below" the plane of the figure. Fig. 5 is a plan view of firing resistor 10 in firing chamber 20, together with barrier walls 18a, 18b and 18c and ink supply slot 21.

Fig. 4A zeigt Tinte in dem Gleichgewichtszustand. Wenn der Tropfen ausgestoßen wird (Fig. 4B) zieht sich der Tintenmeniskus 22 in die Abschußkammer 20 zurück, um die Tinte zu bilden, die den Kopf 22a und den Schwanz 22b (Fig. 4C, 4D) bildet. Bei dem Pigment-Polymer-Tintensystem bleibt der Schwanz an dem Meniskus befestigt, wenn dies geschieht. An diesem Punkt kollabiert die Abschußblase 24. Wenn das Volumen der Blase 24 sehr klein wird, suggerieren Computersimulationen und physikalische Beobachtungen, daß der Druck derselben zunimmt und dieselbe sich leicht ausdehnt (Fig. 4E). Diese Sekundärausdehnung kann einen Sekundärstrahl 10 bis 20 Mikrosekunden nach dem ersten Strahl bewirken. Dieser Sekundärstrahl kann auf die Unterseite der Düsenplatte 14 treffen; auftauchen und den Schwanz des Haupttropfens treffen, was bewirkt, daß derselbe früh abbricht; alternativ kann derselbe bis zu dem Druckmedium (nicht gezeigt) selbst gelangen. Bei dem vorliegenden Fall besteht jedoch alles, was die Wiederausdehnung zu tun hat, darin, die symmetrische Beschaffenheit des Meniskus (Fig. 4E) zu stören. Da der Schwanz noch an dem Meniskus angebracht ist, wird derselbe aus der Achse "gedrückt", wie durch den Abschnitt 22c gezeigt ist. Die Oberflächenspannungskräfte in dem Schwanz geraten dann in ein Ungleichgewicht, wobei der Schwanz beginnt, sich von dem Bruchpunkt aufzurollen, bis sich ein ausreichend großes Volumen trennt und aus dem Abschnitt 22c den Satelliten (Fig. 4F) bildet.Fig. 4A shows ink in the equilibrium state. As the drop is ejected (Fig. 4B), the ink meniscus 22 retracts into the firing chamber 20 to form the ink that forms the head 22a and tail 22b (Figs. 4C, 4D). In the pigment-polymer ink system, the tail remains attached to the meniscus when this happens. At this point, the firing bubble 24 collapses. When the volume of the bubble 24 becomes very small, computer simulations and physical observations suggest that its pressure increases and it expands slightly (Fig. 4E). This secondary expansion can cause a secondary jet 10 to 20 microseconds after the first jet. This secondary jet can strike the underside of the nozzle plate 14; emerge and strike the tail of the main drop, causing it to break off early; alternatively, it may extend to the printing medium (not shown) itself. In the present case, however, all that the re-expansion has to do is to disturb the symmetrical nature of the meniscus (Fig. 4E). Since the tail is still attached to the meniscus, it is "pushed" off-axis, as shown by section 22c. The surface tension forces in the tail then enter into disequilibrium, with the tail beginning to roll up from the rupture point until a sufficiently large volume separates and forms the satellite from section 22c (Fig. 4F).

Auf Farbstoff basierende Tinten zeigen dieses Problem ebenfalls, jedoch nicht in dem gleichen Ausmaß. Diese Tinten tendieren dazu, sich früher von dem Meniskus zu trennen und sind daher weniger anfällig für einen Blasenrückprall. Die Schwänze derselben sind ferner dünner, so daß weniger Tinte existiert, um einen Satelliten zu speisen, wenn der Schwanz aus der Achse gedrückt wird. Folglich wurde das Problem, das bei Pigment-Polymer-Tintensystemen zu sehen ist, bei wässrigen, auf Farbstoff basierenden Tintensystemen nicht beobachtet.Dye-based inks also exhibit this problem, but not to the same extent. These inks tend to separate from the meniscus sooner and are therefore less prone to bubble rebound. Their tails are also thinner so that there is less ink to feed a satellite when the tail is pushed off-axis. Consequently, the problem seen with pigment-polymer ink systems has not been observed with aqueous dye-based ink systems.

Gemäß der Erfindung ist die Abmessung zwischen der Oberseite der Düsenplatte 14 und dem Widerstand 10 von etwa 50 µm auf 60 µm erhöht, oder um etwa 10 µm. Dies kann durchgeführt werden, indem (1) die Düse 12 bezüglich des Widerstands 10 versetzt wird, (2) die Düsenplatte dicker gemacht wird, (3) die Barrierenschicht 18 dicker gemacht wird, oder (4) eine "Vertiefung" in dem Boden der Abschußkammer 20, in der der Widerstand plaziert ist, herausgeätzt wird. Eine Kombination dieser Lösungsansätze kann ebenfalls verwendet werden.According to the invention, the dimension between the top of the nozzle plate 14 and the resistor 10 is increased from about 50 µm to 60 µm, or by about 10 µm. This can be done by (1) offsetting the nozzle 12 with respect to the resistor 10, (2) making the nozzle plate thicker, (3) making the barrier layer 18 thicker, or (4) etching a "recess" in the bottom of the firing chamber 20 in which the resistor is placed. A combination of these approaches can also be used.

Genauer gesagt ist es der Abstand von dem zurückgezogenen Meniskus 22 zu dem Abschußwiderstand 10, der erhöht wird. Spezieller ausgedrückt wird der zurückgezogene Meniskusstandort relativ zu der Widerstandsoberfläche erhöht, um denselben von der sich wieder ausdehnenden Tintenblase fern zu halten. Dickere Öffnungsplatten, eine dickere Barrierenschicht oder ein Zurücksetzen des Widerstands würden das Ziel des Erhöhens dieses Abstands erreichen. Ein Düsenversatz kann dabei helfen, den Meniskusstandort von dem Ort einer sich wieder ausdehnenden Blase wegzubewegen. Ferner kann das Erhöhen des Abschußkammervolumens selbst den Betrag der Meniskuszurückziehung reduzieren, wodurch das gleiche Ziel erreicht wird.More specifically, it is the distance from the retracted meniscus 22 to the firing resistor 10 that is increased. More specifically, the retracted meniscus location is increased relative to the resistor surface to keep it away from the re-expanding ink bubble. Thicker orifice plates, a thicker barrier layer, or resetting the resistor would achieve the goal of increasing this distance. Nozzle offset can help move the meniscus location away from the location of a re-expanding bubble. Furthermore, increasing the firing chamber volume itself can reduce the amount of meniscus retraction, thereby achieving the same goal is achieved.

In dem vorgegebenen Zustand besteht zwischen der Mitte des Widerstands 10 und der Mitte der Öffnung 12 kein Versatz. Fig. 5 zeigt den vorgegebenen Zustand ebenso wie die Richtung des Versatzes zwischen der Mitte des Widerstands 10 und der Öffnung 12 (die in gestrichelten Linien gezeigt ist). Ein negativer Versatz verläuft in der Bewegungsrichtung des Stifts, der durch das Bewegen der Düse zu dem Tintenzuführungsschlitz 21 erzeugt wird.In the default state, there is no offset between the center of the resistor 10 and the center of the orifice 12. Figure 5 shows the default state as well as the direction of the offset between the center of the resistor 10 and the orifice 12 (shown in dashed lines). A negative offset is in the direction of travel of the pen created by moving the nozzle toward the ink supply slot 21.

Die Fig. 6A-G zeigen das Abschießen aller Widerstände, wobei der Stift in einer stationären Position ist. Bei Fig. 6A liegt ein Versatz von +4 µm vor, was bedeutet, daß die Düsen 12 um 4 µm näher an die dritte Wand 18c der Abschußkammer 20 bewegt wurden. Bei Fig. 6B liegt kein Versatz vor, wie es gegenwärtig kommerziell bei thermischen Tintenstrahlstiften verwendet wird, und bei den Fig. 6C-G liegt ein Versatz von -4, -8, -12, -16 bzw. -20 µm vor, was bedeutet, daß die Düsen in die Richtung des Tintenzuführungsschlitzes 21 versetzt wurden. Es ist offensichtlich, daß Satelliten reduziert sind, wenn der Versatz in einem Bereich von zwischen keinem Versatz und -12 µm liegt (in der Richtung des Tintenzuführungsschlitzes). Vorzugsweise liegt der Versatz in einem Bereich von etwa -4 bis -8 µm.Figures 6A-G show firing of all resistors with the pen in a stationary position. In Figure 6A there is an offset of +4 µm, meaning that the nozzles 12 have been moved 4 µm closer to the third wall 18c of the firing chamber 20. In Figure 6B there is no offset, as is currently used commercially in thermal inkjet pens, and in Figures 6C-G there is an offset of -4, -8, -12, -16 and -20 µm, respectively, meaning that the nozzles have been offset in the direction of the ink feed slot 21. It is obvious that satellites are reduced when the offset is in a range of between no offset and -12 µm (in the direction of the ink feed slot). Preferably, the offset is in a range of about -4 to -8 µm.

Bei einem anderen Lösungsansatz kann der Abstand von dem Widerstand 10 zu der Oberseite der Düsenplatte 14 erhöht sein, indem einfach die Dicke der Düsenplatte erhöht ist. Dies bewirkt, daß der Meniskus und die Rückprallblase weniger in Wechselwirkung treten, indem tatsächlich mehr Tinte zwischen dieselben gebracht wird. Die Fig. 7A bis 7D zeigen jeweils eine Mehrzahl von vertikalen Linien, die von Stiften gedruckt sind, bei denen die Düsenplatte 14 48 µm dick (Fig. 7A), 53 µm dick (Fig. 7B), 57 µm dick (Fig. 7C) und 61 µm dick (Fig. 7D) war.In another approach, the distance from the resistor 10 to the top of the nozzle plate 14 can be increased by simply increasing the thickness of the nozzle plate. This causes the meniscus and the rebound bubble to interact less by actually putting more ink between them. Figures 7A through 7D show a plurality of vertical lines printed by pens where the nozzle plate 14 was 48 µm thick (Figure 7A), 53 µm thick (Figure 7B), 57 µm thick (Figure 7C), and 61 µm thick (Figure 7D).

Bei diesen Untersuchungen war der Düsenversatz Null. Die Unterdrückung von Satelliten tritt nur von etwa 57 bis 61 µm auf.In these tests, the nozzle offset was zero. Suppression of satellites only occurs from about 57 to 61 µm.

Obwohl sowohl der Düsenversatz als auch dickere Düsenplatten allein Satellitenpunkte signifikant reduzieren können, ergibt eine Kombination der beiden das beste Verhalten, wie in den Fig. 8A-D gezeigt ist. Die gleichen Düsenplattendicken wie in den Fig. 7A-D wurden verwendet; in diesem Fall betrug der Düsenversatz -4 µm. Hier sind die Satelliten kleiner, selbst bei der dünnsten Düsenplatte, und sind bei 53 µm Dicke und darüber unterdrückt.Although both nozzle offset and thicker nozzle plates alone can significantly reduce satellite spots, a combination of the two gives the best performance, as shown in Figs. 8A-D. The same nozzle plate thicknesses as in Figs. 7A-D were used; in this case, the nozzle offset was -4 µm. Here, the satellites are smaller, even with the thinnest nozzle plate, and are suppressed at 53 µm thickness and above.

Bezüglich der Erhöhung der Dicke der Barrieren wurde herausgefunden, daß dickere Barrieren die gleiche Wirkung wie dickere obere Platten zeigen. Jedoch liefern dickere Barrieren einen Nachteil, nämlich dahingehend, daß dieselben die Höhe des Auffülleinlasses 22 erhöhen. Dies bewirkt, daß die Tinte zu schnell wieder aufgefüllt wird. Heutige Herstellungstechniken ermöglichen eine Verringerung der Breite des Auffülleinlasses 23, die ausreicht, um diese erhöhte Höhe zu kompensieren, nicht.Regarding increasing the thickness of the barriers, it has been found that thicker barriers have the same effect as thicker top plates. However, thicker barriers provide a disadvantage in that they increase the height of the refill inlet 22. This causes the ink to be refilled too quickly. Current manufacturing techniques do not allow a reduction in the width of the refill inlet 23 sufficient to compensate for this increased height.

Der Versatz, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet ist, unterscheidet sich von dem Versatz, der in dem U.S. Patent 4,794,411, erteilt am 27. Dezember 1988, der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung offenbart und beansprucht ist. Der Versatz in diesem Patent liegt in einem Bereich von 1 bis 25 µm und dient dazu, die Flugbahn des ersten Tintentropfens (in dem Eintropfenmodus) oder zweiten und nachfolgender Tropfen (in dem Mehrtropfenmodus) zu korrigieren, speziell wenn der Stift bei hohen Frequenzen (in der Größenordnung von 50 kHz) und mit bis zu 10 Tropfen pro Abschußbündel betrieben wird. Obwohl dieses Patent die Beschaffenheit der verwendeten Tinten nicht offenbart, wurden alle Untersuchungen mit herkömmlichen wässrigen, auf Farbstoff basierenden Tintensystemen durchgeführt.The offset used in the present invention differs from the offset disclosed and claimed in U.S. Patent 4,794,411, issued December 27, 1988, assigned to the assignee of the present application. The offset in this patent is in the range of 1 to 25 µm and serves to correct the trajectory of the first ink drop (in the single drop mode) or second and subsequent drops (in the multi-drop mode), especially when the pen is operated at high frequencies (on the order of 50 kHz) and with up to 10 drops per firing burst. Although this patent does not disclose the nature of the inks used, all of the testing was done with conventional aqueous dye-based ink systems.

Industrial applicability

Es wird erwartet, daß die Verwendung eines erhöhten Abstands zwischen dem Widerstand und der Oberseite der Düsenplatte Verwendung in thermischen Tintenstrahlstiften findet, die eine Tinte verwenden, die ein Pigment-Polymer-System enthält.The use of an increased distance between the resistor and the top of the nozzle plate is expected to find use in thermal inkjet pens that use an ink containing a pigment-polymer system.

Somit wurde die Reduzierung eines Sprühnebels in thermischen Tintenstrahlstiften, die polymerhaltige Tinten abfeuern, offenbart. Es ist für Fachleute ohne weiteres offensichtlich, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen einer offensichtlichen Beschaffenheit durchgeführt werden können, wobei alle derartigen Änderungen und Modifikationen als in den Bereich der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, fallend betrachtet werden.Thus, the reduction of overspray in thermal inkjet pens firing polymer-containing inks has been disclosed. It will be readily apparent to those skilled in the art that various changes and modifications may be made to an obvious nature, all such changes and modifications being considered to fall within the scope of the invention as defined by the appended claims.

Claims

1. A thermal inkjet pen suitable for firing polymer-containing inks (22) with a reduced spray, the pen having the following features:

(a) a substrate (16);

(b) a plurality of resistive heating elements (10) mounted on the substrate (16), each of the resistive elements (10) having a center point;

(c) a barrier layer (18) surrounding each of the resistive heating elements (10) and defining a firing chamber (20) for each of the resistive heating elements (10), the barrier layer (18) remaining at least partially open on one side, the barrier layer (18) having a thickness of at least 25 µm;

(d) each open side in the barrier layer (18) defining a barrier inlet channel (23) fluidly communicating with the firing chamber (20);

(e) an ink supply slot (21) through the substrate (16), common to each barrier inlet channel (23) and in fluid communication with them and with an ink reservoir beneath the substrate (16); and

(f) a nozzle plate (14) mounted on the barrier layer (18) and provided with a plurality of nozzles (12), each nozzle (12) being associated with one of the resistive heating elements (10), the nozzle plate (14) having a thickness of at least 48 µm, the thickness of the barrier layer (18) and the thickness of the nozzle plate (14) together representing a total thickness, the total thickness being greater than 73 µm, and the center of each of the nozzles (12) being offset from the center of the respective resistive heating element (10) toward the ink feed slot (21) by an amount in a range of 4 to 8 µm, thereby reducing undesirable spray of the polymer-containing ink (22) resulting from the ejection of the ink (22) through the nozzles (12) toward a printing medium.

2. A thermal inkjet pen according to claim 1, wherein the nozzle plate (14) has a thickness of at least 53 µm.

3. A thermal inkjet pen according to claim 1, wherein the nozzle plate (14) has a thickness of at least 57 µm.

4. A thermal inkjet pen according to claim 2 or 3, wherein the nozzle plate (14) has a thickness of about 61 µm.

5. A thermal inkjet pen according to claim 1, wherein the barrier layer (18) has a thickness of at least about 38 µm.