JP2005161194A

JP2005161194A - 液体吐出記録装置

Info

Publication number: JP2005161194A
Application number: JP2003403188A
Authority: JP
Inventors: Seiichiro Satomura; 誠一郎里村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】精度の高くて安定したヘッド水頭圧制御を可能とし、安定なインクジェット描画を可能とすることができる液体吐出記録装置を提供する。
【解決手段】液体吐出記録装置は、液体吐出記録ヘッド２０１と第１の液体収容部２０５とを第１の弁２０８を介して連通する第１の液体供給路と、第２の液体収容部２１０と液体吐出記録ヘッドとを第２の弁２１５を介して連通する実質的に密閉系をなす第２の液体供給路と、を備え、第２の液体収容部２１０は水頭圧調整手段２１１を有し、第１の弁を閉じ、第２の弁を開いて第２の液体収容部から供給される液体を吐出する吐出する第１のモードと、第１の弁を開け、第２の弁を閉めて第１の液体収容部から供給される液体を用いて回復処理を行う第２のモードと、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、インクジェット記録方式によって液体を吐出して記録を行う記録装置に関し、特にＳＥＤ（Ｓｕｒｆａｃｅ−ＣｏｎｄｕｃｔｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎ−ＥｍｉｔｔｅｒＤｉｓｐｌａｙ）に用いられる超微粒子膜をインクジェット記録方式によって形成するための描画装置に関する。

従来、インクジェット記録方式によって液体を吐出して記録を行う記録装置としては、特許文献１や特許文献２等が知られている。

一方、ＳＥＤ（Ｓｕｒｆａｃｅ−ＣｏｎｄｕｃｔｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎ−ＥｍｉｔｔｅｒＤｉｓｐｌａｙ）とは、ＣＲＴの電子銃に相当する電子放出部を画素の数だけ設けたガラス基板と、蛍光体を塗布したもう一枚のガラス基板を近接させて配置し、その間を真空封止したディスプレイであるが、インクジェット技術で超微粒子膜を形成することで、この電子放出部を形成しようという試みもはじめられている。
特開平１１−４２７７１号公報特許第３２５２３９２号

しかしながら、上記の目的でインクジェット記録装置を用いる場合、一日中稼動した状態で、液滴の着弾精度として±１μｍあるいは±数μｍが要求される。

このような観点では、従来のインクジェット記録装置では、絶えず非常に高い精度でインク供給経路の水頭圧をほぼ一定に保つこと、は難しい。特に、インクジェット記録装置の場合、長時間使用していると液体吐出ヘッドのノズル面が徐々に汚れてくるため、回復処理が必要となるが、回復処理の前後でも非常に高い精度でインク供給経路の水頭圧をほぼ一定に保つこと、は難しかった。

上述の課題を解決するために、本発明の液体吐出記録装置は、液体を吐出する液体吐出記録ヘッドと、該液体吐出ヘッドへ液体を供給するための第１の液体収容部と、前記液体吐出記録ヘッドとを第１の弁を介して連通する第１の液体供給路と、該液体吐出ヘッドへ液体を供給するための第２の液体収容部と、前記液体吐出記録ヘッドとを第２の弁を介して連通する前記第１の液体供給路とは異なる第２の液体供給路と、を備える液体吐出記録装置であって、前記第２の液体収容部及び前記第２の液体供給路は実質的に密閉系をなし、前記第２の液体収容部は前記液体吐出記録ヘッドとの水頭圧を調整するための水頭圧調整手段を有するとともに、前記第１の弁を閉じ、前記第２の弁を開いて前記第２の液体収容部から供給される液体を吐出する吐出する第１のモードと、前記第１の弁を開け、前記第２の弁を閉めて前記第１の液体収容部から供給される液体を用いて回復処理を行う第２のモードと、を備えることを特徴とする。

本発明の液体吐出記録装置では、上述の構成によって、加圧回復を行っている最中に第２の液体供給路はそのままの状態で維持されるので、精度の高くて安定したヘッド水頭圧制御を可能とし、安定なインクジェット描画を可能とすることができる。

さらに、前記第２の液体収容部及び前記第２の液体供給路は実質的に密閉系をなしているため、揮発性のあるインクや塗布液体を使用できるようになる。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に本発明に関わる液体吐出記録装置の外観図を示す。

図１において、１０１は制御装置を格納する筐体、１０２は筐体に格納されたパソコンのモニタ、１０３はパソコンキーボードあるいは操作盤、１０４は基板を搭載するステージ、１０５は液体を噴射するインクジェットヘッド部、１０６は液体が塗布される基板、１０７は基板１０６上の任意の位置に液滴を付与できるように縦横両方向に自由に動くＸＹステージ、１０８はインクジェット噴射装置全体を保持する定盤、１０９は液滴塗布位置の基板１０７上の位置合わせをするためのアライメントカメラである。

図２は図１の液体吐出記録装置におけるインク供給系の構成図である。

図２において、インクジェットヘッド２０１（図１のインクジェットヘッド部１０５に相当）には回復用インク供給口２０２と、描画用インク供給口２０３、及び、それぞれの供給口から供給される液体を吐出するためのノズル２０４がある。

回復用インク供給口２０２に接続されたチューブ２１６で連結される第１のインク供給路は、フィルタ２０９、自動弁２０８を経由してサブタンク２０５に接続されている。サブタンク２０５にはインクを加圧して押し出すスクリュー２０７とそれを回転させるインク加圧モータ２０６が装備されている。

一方、描画用インク供給口２０３に接続されたチューブ２１６で連結される第２のインク供給路は、自動弁２１５、インク脱気装置２１４を経由して、水頭圧制御装置２１０のインク容器に接続される。

水頭圧制御装置は、インク容器と土台の間に配備されて容器内のインクが減少してもインクの水面を一定に保つばね２１１と、容器内を密封してインク揮発成分の蒸発を防止し、かつインク容器内の気体の気圧を大気圧と均衡させるポリ袋２１２が装備されている。ポリ袋は気体や液体を遮断し形状が自由に変わるものであればゴム製などでもよい。

以上の構成において、図４を参照しながらインク充填時の動作を述べる。図４は図２に示すインク供給経路に対するインク充填動作を説明するための説明図である。

インク充填時には、ポリ袋２１２を外して、ポリ袋内の気体を抜いて、ポリ袋２１２を再び装着する。

次にサブタンク２０５に、図示しないインク脱気手段によって既に脱気したインクを入れて、自動弁２０８を開放（Ｓ１０１）し、自動弁２１５を開放（Ｓ１０２）する。次に、インク加圧モータ２０６を回転（Ｓ１０３）させて羽２０７を回転させることによって、サブタンク２０５内のインクをヘッド２０１内に充填させ、さらに脱気装置２１４を経由して水頭圧制御装置２１０のインク容器にインクを蓄える。所定量インクを充填したら、モータをオフ（Ｓ１０４）にし、充填動作は完了する。

インク容器内の空気はポリ袋２１２によって密閉されており、揮発して拡散しないようになっている。ポリ袋２１２はインク容器にインクを入れると、入れたインクの体積分だけ膨らむ。ポリ容器内の空気はポリ容器２１２の働きで大気と同気圧となる。従って、インク容器２１０内のインク液面の圧力は、大気圧と等しくなる。

インクが充填されると、インク容器２１０の重さとばね２１１の働きによって、インク容器２１０は下に下がって、その結果としてインクの液面はばねの土台に対して略一定の高さになるようになっている。すなわち、インクの増加重さ分がばねの変位と等しくなるように、ばね２１１の弾性係数およびインク容器の表面積をあらかじめ決めておく。

ばね２１１の代わりに、インク液面検知センサと、該センサにより検知した液面の高さに基づいて、インク液面の高さが固定台から一定高さとなるようにインク容器がメカ的に自動的に上下する機構を設けてもよい。

次にインク充填直後のインクヘッド回復時の動作を図５及び図６を利用して説明する。図５及び図６は図２に示すインク供給経路に対する回復動作の一例を説明するための説明図である。

ヘッド回復は、描画時における液滴の着弾精度を良好に保つために、ノズルプレートをクリーニングするものであって、インク充填直後および、所定回数描画毎、あるいは所定時間描画毎に、あるいは所定時間描画休止後毎に実施する。

最初のインク充填後のヘッド回復時には先ず自動弁２１５を閉じて（Ｓ２０１，Ｓ２５１）、自動弁２０８を開き（Ｓ２０２，Ｓ２５２）、インク加圧モータ２０６を、前述インク充填時よりも低い回転速度、短い回転時間で回転（Ｓ２０３，Ｓ２５３）し、ノズル２０１からインクをわずかの量押し出す。押し出すインクの量は、全ノズルからインクが押し出されるのに必要な最少量となるように、インク加圧モータ２０６の回転速度と回転時間を設定しておく。必要な量だけインクを押し出した後、モータをオフにする（Ｓ２０４，Ｓ２５４）。

インクをノズルから押し出した後は自動弁２０８を閉じて自動弁２１５を開く（Ｓ２５６）。するとノズル部には、ヘッドノズル部とインクタンク液面との水頭差によって発生する負圧が発生する。この状態でノズルプレート面をワイピングブレードでワイピングする（Ｓ２５７）。

ワイピングの実施例の説明図を図３に示す。図３はワイピング動作を（ａ）〜（ｃ）の順に時系列的に説明するための説明図であり、各図において、２０４はノズル、Ｂは記録装置に設けられたワイピングブレード、Ｉはインクを表す。

図３のように、吸水性のある材質のワイピングブレードＢを水または溶剤でわずかに湿らせて、ノズルプレートをできるだけ軽く均一にワイピングする。すると図３（ａ）に示すようなノズルプレート上のインクと、ノズル表面部のインクは図３（ｂ）に示すようにワイピングブレードに吸い取られて、図３（ｃ）のようにノズル開口部に凹状の理想的なメニスカスが形成される。このメニスカスの形状がいつも安定していることが、吐出量と着弾位置の安定した安定液体吐出を実現する上で、最も重要な要素となる。

なお、ワイピングのタイミングとしては、自動弁２０８を閉じて自動弁２１５を開いた後の状態で説明したが、自動弁２０８を閉じて自動弁２１５を開く前にワイピングを行う（図５のＳ２０５、Ｓ２０６）ことで、ヘッドノズル部に負圧がかかっていない状態でワイピングを行うことが出来る。このことは、ヘッドノズル部に負圧がかかった状態でノズル面のワイピングを行った時に、吸収性を有するブレードの液体吸収力によってノズル開口部付近の液体が吸い出され、ノズルから小さい気泡が入ることを抑制することが出来るため、描画時の不吐の発生を抑制することが出来るという効果がある。

次に液体吐出（描画）について述べる。液体吐出時には、自動弁２０８を閉じて自動弁２１５を開いておく。すなわち前述ワイピング時と同じ状態を維持しているので、メニスカスは良好な状態を保持している。

そこで、ヘッド２０１に電気信号を入力すると、ノズルから液滴が吐出される。ここで使用されるヘッドは熱で気泡を発生させて液滴を飛ばす方法のものでも良いし、圧電素子などの機械的な力を利用する方法のものでも、静電力を利用するものでもよい。ノズルから液滴が吐出されると、それによって生じる負圧と、ノズルの毛細管力によって、吐出したインクの量だけインク容器２１０からインクが供給される。インクがインク容器２１０からヘッド２０４に供給される際に脱気装置２１４を経由するので、インクはそこを通過する時に気泡成分が除去される。インクの小さな気泡が除去されると描画は安定する。

インク容器２１０のインクが減少するとその分だけ、ばね２１１の働きでインク容器は上昇するので、インクの液面の高さは一定に保たれる。また、ヘッドのノズル部とインク液面との高低差も一定に保たれる。よってノズル部にはその高低差分の所定の負圧、例えば水頭差５０ｍｍ分の負圧が常時発生する。この出納差の好適値は塗布液体の粘度、ノズル径、塗布液体に対するノズル表面の親水性撥水性などによって決まる。

本発明が従来例と比べて優れている点は、以上のようにワイピング時から描画中全期間にわたって、弁の切り替えやインク加圧などによって、インクが振動したりインクに不均一な圧力がかかったりすることがないことである。また、本発明は従来例のようなインク循環も行っていないので、描画中にノズルの毛細管力によってインクが容器２１０から充填されるというほんのわずかのインク移動以外はインクの流れもないので、インクに局所的な圧力変動や圧力分布が発生することもない。よって、本発明によれば、ノズル２０４開口部のメニスカス形状は安定し、一定状態が維持される。それによって、長時間の連続描画においても、従来のインク供給系と比べて、より長時間にわたって、着弾位置変動や吐出量変動の小さい状態を維持できるようになる。

ここで、回復動作を終了し、描画を行う際に、ヘッドノズル部に負圧がかかっている状態で弁の切り替えを行うと、弁の機械的振動によりノズルから小さい気泡が入り、それが描画時に不吐などの悪影響を及ぼす場合がある。そこで、弁２１５を閉から開に変更する（Ｓ２５６）前に、容器２１０を少し持ち上げ（Ｓ２５５）、ヘッドノズル部にかかる負圧を減少させた状態で弁の切り替えを行うと、このようなノズル内に小さい気泡が入ることを抑制できるので望ましい。なお、この場合は切り替え後に容器２１０を元の状態に戻す（Ｓ２５６）必要がある。

次に所定時間描画後のヘッド回復時の動作を述べる。

描画時における液滴の着弾精度を良好に保つために、所定回数描画毎、あるいは所定時間描画毎に、あるいは所定時間描画休止後毎に、ヘッド回復を実施する。

ヘッド回復時には、サブタンクに図示しないインク脱気手段によって既に脱気したインクを入れて、自動弁２０８と自動弁２１５を開放し、インク加圧モータ２０６を回転させてスクリュー２０７を回転させることによって、サブタンク２０５内のインクをヘッド２０１内に充填させ、さらに脱気装置２１４を経由して水頭圧制御装置２１０のインク容器に、前回の充填から減少した分のインクを補充する。この時に途中のインクチューブやヘッドのインク供給口などに滞留した気泡もインク容器２１０の方に押し流す。

その後は前述のヘッド回復時と同じように、自動弁２１５を閉じて自動弁２０８を開き、インク加圧モータ２０６を、前述インク充填時よりも低い回転速度、短い回転時間で回転し、ノズル２０１からインクをわずかの量押し出す。この時にもし、ノズル開口部付近に滞留していた気泡があれば、ノズルから押し出される。

インクをノズルから押し出した後は自動弁２０８を閉じて自動弁２１５を開く。するとノズル部には、ヘッドノズル部とインクタンク液面との水頭差によって発生する負圧が発生する。この状態で前述のようにノズルプレート面をワイピングブレードでワイピングする。

以上のようなヘッド回復と描画（液体吐出）を所定時間周期で繰り返すことによって、ヘッド交換あるいはヘッド洗浄をすることなしに、自動的に、着弾位置制度と吐出量の安定した描画を、例えば１ヶ月間連続して稼動することができる。

次に、本発明の変形例を説明する。

描画に使用するインクを収容する第２の液体収容部として、上述の実施例ではバネ２１１とポリ袋２１２とを備えた容器２１０を用いて説明したが、第２の液体収容部としてはこれに限られること無く、図７に示すように水頭差を一定にしたチューブ７０１状のものであってもよい。この場合、チューブ７０１の最先端は図に示すように開口して大気と連通してもよいし、図２の実施形態のようにポリ袋のような大気圧との調整手段を設けてもよい。チューブの最先端は開口して大気と連通する場合、インクが揮発することによるインク成分の変質の影響がヘッドに及ぶ前にインクを補充して、チューブ開口端付近に変質したインクを押し出して捨ててしまうという使い方をしてもよい。また、チューブは水頭差を一定に保てる構成であればよいので、直線状に配置してもよいし、それを巻き取った形状でもよい。

図８は本発明のさらに他の変形例である。図８において図面符号の記されていない部分は、図２のものと同一である。

図８においてインクジェットヘッド８０１は１個のインク供給口８０２を有する。インク供給口８０２に接続されたインクチューブ８０４は、分岐点８０３で二股に分岐して、そのインク流路は一方はサブタンク２０５に、もう一方は水頭圧調整手段２１０に連通する。このヘッド８０１はインク供給口が１つしかないので図２のヘッド２０１よりも構造が簡易となりヘッドのコストは低くなる。但しヘッド８０１を使用すると、ヘッド内に滞留している気泡を押し出す回復時において、ヘッド８０１だとノズルから押し出さなくてはならないのでその分のインクは捨てなければならず、インクのランニングコストが高くなる。またヘッド内に滞留した気泡を押し出すためにヘッド２０１よりも大量のインクをノズルから押し出す必要があり、その分だけノズルプレートが汚れやすくなり、ヘッド２０１と同等の長期描画安定性を確保するためにはワイピングの回数を増やすなどの対策が必要となる。一方、図２のヘッド２０１はインク供給口が２つあるので、ヘッド８０１使用時とは逆にヘッドのコストは高くなるが、インクのランニングコストは低くなり、長期描画安定性を確保しやすくなるという利点がある。

また、図２では、サブタンクはスクリューと加圧モータを利用して記録ヘッドに対して加圧供給が出来るような構成を説明したが、加圧して液体供給する方法としては、これに限られること無く、周知の技術が適用可能である。例えば、図２におけるサブタンク２０５および自動弁２０８の代わりに図９に示すようにシリンジ９０１を使用してもよい。この場合、シリンジのピストンを、手動で動かすことはできるが、手を離しても動かない程度の摩擦力を持たせることで、弁の代わりもすることが出来る。

本発明の液体吐出記録装置の一例を示す外観図である。図１に示す液体吐出記録装置のインク供給経路を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は記録ヘッドのワイピング動作を時系列的に説明するための説明図であり、（ａ）が動作前、（ｂ）が動作中、（ｃ）が動作後，をそれぞれ示す説明図である。図２に示すインク供給経路へのインク充填動作を説明するための説明図である。図２に示すインク供給経路への回復動作の一例を説明するための説明図である。図２に示すインク供給経路への回復動作の一例を説明するための説明図である。図２に示すインク供給経路の変形例を示す図である。図２に示すインク供給経路の他の変形例を示す図である。図２に示すインク供給経路のさらに他の変形例を示す図である。

符号の説明

２０１インクジェットヘッド
２０２，２０３インク供給口
２０４ノズル
２０５サブタンク
２１０インク容器

Claims

液体を吐出する液体吐出記録ヘッドと、
該液体吐出ヘッドへ液体を供給するための第１の液体収容部と、前記液体吐出記録ヘッドとを第１の弁を介して連通する第１の液体供給路と、
該液体吐出ヘッドへ液体を供給するための第２の液体収容部と、前記液体吐出記録ヘッドとを第２の弁を介して連通する前記第１の液体供給路とは異なる第２の液体供給路と、
を備える液体吐出記録装置であって、
前記第２の液体収容部及び前記第２の液体供給路は実質的に密閉系をなし、前記第２の液体収容部は前記液体吐出記録ヘッドとの水頭圧を調整するための水頭圧調整手段を有するとともに、
前記第１の弁を閉じ、前記第２の弁を開いて前記第２の液体収容部から供給される液体を吐出する吐出する第１のモードと、
前記第１の弁を開け、前記第２の弁を閉めて前記第１の液体収容部から供給される液体を用いて回復処理を行う第２のモードと、を備えることを特徴とする液体吐出記録装置。
前記液体吐出記録ヘッドの吐出口を有する面をふき取るためのブレードを備え、
前記第２のモードから前記第１のモードに切り替える前に前記ブレードにより前記液体吐出記録ヘッドの吐出口面のワイピングを行うことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出記録装置。
前記第２のモードから前記第１のモードに切り替える前に前記水頭圧調整手段により水頭圧を上げた後、前記第１のモードに切り替ええた後で前記水頭圧調整手段により水頭圧を元の状態に戻すことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出記録装置。
前記第１の液体供給路中に脱気装置を設けることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液体吐出記録装置。
前記液体吐出記録ヘッドは、前記第１の液体供給経路から液体を受入れるための第１の液体供給口と、前記第２の液体供給経路から液体を受入れるための前記第１の液体供給口とは異なる第２の液体供給口と、を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液体吐出記録装置。