JP2005288929A - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 インクジェット記録ヘッドのサブタンクに対してインクの供給−消費を繰り返すと、インクの供給量が次第に減少することを抑制する。
【解決手段】 サブタンク２には多孔質吸収部材１０が収容されており、サブタンク２には記録ヘッド１へインクを供給するためのインク出口４と、外部のインク容器からインクを供給するためのインク補充口３と、空気吸引口８とを備えており、サブタンク内壁と多孔質吸収部材の間に空気吸引口に連通する間隙１３を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明はインクジェット記録ヘッドに関するものである。

従来のインクジェット記録装置のインク供給方法としては、記録ヘッドの乗せられたキャリッジ上にインクタンクを搭載する形式が一般的である。

インクジェット記録装置を小型化する場合に障害となるのがインクタンクの乗ったキャリッジの大きさである。記録ヘッドそのものは十分小さくできるが、インクタンクが乗ると幅・高さ共に大きくなり、キャリッジを走査する空間容積が大きくなってしまう。

キャリッジには記録ヘッドとサブタンクのみを搭載して、メインタンクからチューブでインク供給する形式もあるが、キャリッジまでチューブを這い回すのは小型の機種では困難である。

そこで、キャリッジには記録ヘッドとサブタンクのみを搭載して、サブタンク内のインクを消費したらメインタンクと接続してインクを供給するいわゆるピットイン方式を用いると記録装置全体の小型化に有効である。

図１１に従来のピットイン方式のインクジェット記録ヘッドの例を示す。

ここでは縦方向の断面図を示している。

１は液体を吐出するための吐出ユニット（液体吐出手段）であり、液体を吐出する周知の記録素子が複数配列されている。吐出ユニット１内に形成された共通液路から各記録素子に供給された液体を、各記録素子内に配設された電気熱変換素子を駆動することによって吐出させるものとなっている。すなわち、各記録素子は、通電によって電気熱変換素子にジュール熱を生させ、そのジュール熱によってインクに膜沸騰を発生させて液路内に気泡を発生させ、その気泡の発生エネルギーによってインクを電気熱変換素子から吐出させる吐出方式を採るものとなっている。なお、前記吐出ユニット１から吐出する液体としては、記録媒体上で視認させることを目的として吐出される液体（色材）と、この色材の浸透状態などを調整する目的で吐出される液体（記録性向上液）とがあるが、以下の説明ではこれら液体をインクとも呼ぶ。

２及び６は吐出ユニット１の各記録素子に連通する共通液室へとインクを供給する液体貯蔵容器であり、次のように構成されている。この液体貯蔵容器において、２は中空直方体形状をなすサブタンク２である。

一方、６はサブタンク２の上面に固定された蓋部である。この蓋部６には連絡室７から蓋部６の側面に至る大気連通路８が形成されている。

サブタンク２の機能は、所定量のインクを保持して温度・気圧・姿勢の変化に対してインク漏れを起こさないことと、インクに適度な負圧を発生させることである。小型で簡易な構成で前記機能を実現するためには、一般的なインクジェット記録装置のインクタンクでも用いられるスポンジや繊維などの多孔質吸収部材を使用するのが最適である。

この従来例ではサブタンク２の内部にはポリブロピレン繊維を成型した多孔質吸収部材１０が内蔵されている。このサブタンク２の底部には、外部からインクを供給する管状の補充口３がある。

また、前記吐出ユニット１の上面に突設された円筒状の接続部にはフィルター４があり多孔質吸収部材１０に圧接されている。

また、前記サブタンク２の上面には開口部５が形成された開口板１５があり、開口部５には気液分離膜９が接着または熱溶着で固定されており、気液分離膜９が前記大気連通口５を完全に覆うようになっている。

気液分離膜９は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製の多孔質膜でありその平均開孔径は０．４μｍである。

インクを供給する手順としては、まずキャリッジが所定のインク供給位置へ来た際に補充口３は外部のインクタンクに接続され、同時に大気連通路８は吸引ポンプに接続される。大気連通路８から空気が吸引されると気液分離膜９を通してサブタンク２内の空気が吸引されて内部は負圧となるので、補充口３からインクが流入する。インクは多孔質吸収部材１０を満たしながら上昇し、気液分離膜に達する。インクは気液分離膜を通過できないため、この時点でインクの供給は終了する。

印刷を行ってサブタンク内のインクが減少したならば、上記の手順で再び外部のインクタンクからインクを供給する。
特開２００３−２００５９４ 特開２００３−２００５８６ 特開２００３−２４６０７７

一般的なインクジェット記録装置のインクタンクは製造時に一度インクを注入するのみであるが、ピットイン方式では繰り返しインクを供給し消費する点が異なっている。

従来例のインクジェット記録ヘッドのサブタンクに対してインクの供給−消費を繰り返すと、インクの供給量が次第に減少する問題がある。

その原因は以下の通りである。

サブタンク内の多孔質吸収部材を構成する繊維等の密度は場所によって偏っている。密度の高い部分は毛管力が大きいためより先にインクが染み込みやすく、密度の高い部分を通ったインクが図１２のように気液分離膜の下面を満たしてしまうとインクの流入は停止するため、サブタンク内に気泡１１が残っていたとしても気泡は外部に出ることはできない。

繰り返しインクを供給するうちにインクが先に染み込みやすい部分はインクになじんでより濡れやすくなり、サブタンク内の気泡が多く残っていてもインクが先に気液分離膜を塞いでしまう。すなわち供給できるインクの量が次第に少なくなってしまう。

原理的には、多孔質吸収部材の中の空隙部が全て連通しており端から順番にインクが満たされるならば気泡が取り残されることは無い。しかし前述のように多孔質吸収部材の内部には毛管力の高い場所・インクに濡れやすい場所が偏在するため、周りが全てインクに囲まれた独立気泡の状態になってしまうとインクは気泡の周りを流れるだけで気泡は移動することができない。

これを解決するためには、多孔質吸収部材の中の空孔が常に大気に連通しやすく、かつ気液分離膜がインクで塞がれにくい構成とすればよい。

すなわち、請求項１に示すように多孔質吸収部材の外周部にサブタンク内壁との間隙を設けて、その空隙が空気吸引口に連通する構成とする。

また請求項２に示すように、気液分離膜の設けられた空気吸引口の少なくとも一部はインク容器の最小幅と同等以上の開口幅を有しており、気液分離膜はインク容器内部の多孔質吸収部材と密着しないようにする。

また請求項３に示すように、多孔質吸収部材を偏平な形状として最大面積面とインク容器内壁との間に間隙を設けて、間隙が空気吸引口に連通するようにする。

また請求項４に示すように、多孔質吸収部材を複数に分割して偏平な形状としてその周囲を間隙として、間隙が空気吸引口に連通するようにする。

請求項１の構成にすることによって、従来は多孔質吸収部材の空気吸引口側端面からのみ空気が抜けていく構成だったのに対して、多孔質吸収部材の外周部からも空気が抜ける構成となり気泡の周囲がインクで満たされて独立気泡となって取り残される可能性が低くなり、インク供給量を一定に保つことができる。

また請求項２の構成にすることによって、吸収部材と気液分離膜は密着しておらず空気吸引口のサイズが大きいので、インクのメニスカスが張りにくくなる。そのため多孔質吸収部材の中にまだ周囲の間隙部と連通する気泡が残っているうちにインクが空気吸引口近傍に来たとしても、空気吸引口の気液分離膜面を完全に覆うことがないので独立気泡になっていない気泡は全て吸引することができる。

また請求項３の構成にすることによって、吸収部材内部の空孔が外部に連通しやすく、吸収部材中心部分に独立気泡が残りにくくなるのでインク供給量を一定に保つことができる。

また、請求項４の構成にすることによって大容量のサブタンクであってもインク供給量を一定に保つことができる。

（実施例１）
図１から図４に本発明の実施例を示す。

図１は本発明におけるインクジェット記録ヘッドの縦方向断面図を示している。図２は図１のＡ−Ａ断面を示し、図３はＢ−Ｂ断面を示している。

サブタンク２の内壁には柱状のリブ１２があり、サブタンク２の内部には多孔質吸収部材１０が挿入されている。多孔質吸収部材１０ははリブ１２によって支えられるのでサブタンク内壁との間には間隙１３が出来る。

図４は図３から気液分離膜９を除去した状態を表している。間隙１３は気液分離膜へ９へ連通していることが分かる。

図５は図１におけるＣ−Ｃ断面であり、本発明の構成でサブタンク２にインクを補充する際のインク・気泡の挙動を表している。

まずキャリッジが所定のインク供給位置へ来た際に補充口３は外部のインクタンクに接続され、同時に大気連通路８は吸引ポンプに接続される（図５（ａ））。大気連通路８から空気が吸引されると気液分離膜９を通してサブタンク２内の空気が吸引されて内部は負圧となるので、補充口３からインクが流入する（図５（ｂ））。間隙１３よりも多孔質吸収部材１０の方が毛管力が強いため、インクはまず多孔質吸収部材１０を満たしながら流入していく。前述のように吸収部材の中での密度ばらつきや濡れ性のばらつきがあるため、図５（ｃ）で示すようにまだ吸収部材の中に空気が残っていてもインクの液面は上昇し気液分離膜９に達する。

従来はこの状態でインクが気液分離膜を塞いで空気を残したままインクの供給が終了していたが、本構成では吸収部材中の空気は間隙１３を通して外部に連通している。従って図５（ｄ）のように吸収部材の中でインクに囲まれて独立気泡になっている空気以外は間隙を通して排出され、その空間はインクで満たされる。

外部に連通する空気がなくなったならば図５（ｅ）のように間隙部分にインクが入り始める。そして図５（ｆ）のようにインクが気液分離膜を塞いだ状態になるとインクの供給は終了する。

多孔質吸収部材１０の厚さＷは図５（ｄ）で表す気泡残りに大きく影響する。なぜならば前述のように吸収部材中に独立気泡を作らないことが必要なので、多孔質吸収部材が厚いと中心部分の空隙部分はその周囲にインクが回ると独立気泡になりやすいからである。

そこでサブタンクの内容積は変えずに多孔質吸収部材の縦横比を変更してインク供給量の変化を検討した結果を図６に示す。

図７には検討に用いた多孔質吸収部材の寸法・容積と、インクの供給・消費を１０００回繰り返した後の初期に対するインク供給量を示す。

サブタンク２の内壁と多孔質吸収部材１０との間隙寸法ｄはリブ１１の厚みで決まり、いずれも０．４ｍｍとした。リブ１１は幅１ｍｍでこれが２ｍｍの間隔で適宜配置されている。

なお、間隙寸法ｄはサブタンク２との間に空気抜けとしての空間が確保できる寸法以上であれば良いが、上限は吸収部材高さＨ以上の水頭相当の毛管力を発生できる寸法にするのが好ましい。ｄが広すぎると間隙部分のインクの水頭が吐出ユニット１にかかり加圧状態になるので印字性能に影響を及ぼす可能性がある。

インクを供給した直後のヘッド重量から、インクを消費し終えた後の重量を引いて供給インク量を測定した。図６の横軸は繰り返し回数を表し縦軸は供給インク量を表す。図６及び図７を見ると、多孔質吸収部材１０の厚さが薄いほど繰り返しインクを供給した後の供給量の低下が小さいことが分かる。厚さが６ｍｍを超えると１０００回繰り返しインク供給をした後は初期の６４％程度の供給量まで低下した。

この結果を踏まえて本実施例では吸収部材の厚さＷは３ｍｍに設定した。図６から分かるようにインク供給を１０００回繰り返した後にもほとんど初期と変わらないインク供給量を確保している。実用的にはＷ＝５ｍｍ程度までは使用可能である。

（実施例２）
図８から図１０に第二の実施例を示す。実施例１では吸収部材サイズの制限からサブタンク２の容積を大きく取ることができなかったが、本実施例ではサブタンクの容積を大きくできる構成の例である。

本実施例では多孔質吸収部材のサイズが大きいが、吐出ユニット１のフィルター４が圧接されている多孔質吸収部材１０−１は一体で、気液分離膜９側は厚さが５ｍｍ以下になるように多孔質吸収部材１０−２は二つに分かれている。

サブタンク２の内壁には実施例１と同様にリブ１２が立っている。また、サブタンク２の中央部分には二つの吸収部材を支える柱１４が立っている。

組立時には、まず多孔質吸収部材１０−１を挿入し、吐出ユニット１のフィルター４に圧接する。多孔質吸収部材１０−１には柱１２を避ける穴が開いている。次に多孔質吸収部材１０−２を挿入して、気液分離膜９を溶着した開口板１５を固定し、その上に蓋部６を固定する。

多孔質吸収部材１０−２は吸収部材同士もサブタンク２の内壁とも離れているので、実施例１と同様に吸収部材の中に気泡が残ることなく、繰り返しのインク供給後も供給量を一定に保つことができる。

本発明の実施例を示す縦断面模式図 図１のＡ−Ａ断面図 図１のＢ−Ｂ断面図 図３から気液分離膜９を除いた図 図１のＣ−Ｃ断面図においてインクを供給する際の挙動を時間を追って表す図 繰り返しインク供給を行った際の供給量の変化を表す図 図６で使用した吸収部材の寸法とインク供給量の変化を表す表 本発明の第二の実施例を示す縦断面模式図 図８のＤ−Ｄ断面図 図８のＥ−Ｅ断面図 従来のインクジェット記録ヘッドを表す図 従来のインクジェット記録ヘッドを表す図

符号の説明

１ 吐出ユニット
２ サブタンク
３ インク補充口
４ フィルター
５ 開口部
６ 蓋部
７ 連絡室
８ 大気連通路
９ 気液分離膜
１０ 多孔質吸収部材
１１ 気泡
１２ リブ
１３ 間隙
１４ 柱
１５ 開口板

Claims (5)

1. 記録ヘッドと共にキャリッジに搭載されるインク容器内の空気を吸引することによって、外部のインク容器からキャリッジ上のインク容器に繰り返しインクを供給し使用するインクジェット記録ヘッドにおいて、インク容器内には多孔質吸収部材が収容されており、インク容器には記録ヘッドへインクを供給するためのインク出口と、外部のインク容器からインクを供給するためのインク補充口と、空気吸引口とを備えており、インク容器内壁と多孔質吸収部材の間に空気吸引口に連通する間隙があることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 空気吸引口の少なくとも一部はインク容器の最小幅と同等以上の開口幅を有しており、空気吸引口は気液分離膜を介して外部と連通しており、気液分離膜はインク容器内部の多孔質吸収部材と密着しないことを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 多孔質吸収部材が偏平直方体形状で最短辺の寸法は５ｍｍ以下であり、多孔質吸収部材の最大面積面と、対向するインク容器内壁の一部もしくは全部との間に空気吸引口に連通する間隙があることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 多孔質吸収部材の一部が複数に分割されており、分割された部分の厚さは５ｍｍ以下であり分割された部分の周囲は空気吸引口に連通する間隙となっていることを特徴とする請求項１または２または３に記載のインクジェット記録ヘッド。
5. インク容器内壁に柱状のリブがあり、多孔質吸収部材はリブのない部分はインク容器内壁から離れて空気吸引口に連通する間隙となっていることを特徴とする請求項１または２または３または４に記載のインクジェット記録ヘッド。

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