JP2006130872A - インクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インクの使用効率が高く、かつ、所望の負圧を維持可能なインク供給機構を備えたインクジェット記録装置を提供する。
【解決手段】被記録媒体に向けてインクを吐出する記録ヘッド１１と、記録ヘッド１１から吐出されるインクを貯留するインクタンク１０と、インクタンク１０と記録ヘッド１１との間のインク供給経路の途中に設けられた負圧維持弁１２とを有し、負圧維持弁１２は、インク供給経路を常に負圧状態に維持すると共に、その負圧値が所定値以上の間だけ流入口２３を開いてインク供給経路を開通させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、インクジェット記録装置に関するものであり、特に、インクタンクから記録ヘッドへインクを供給するための機構に関するものである。

一般なインクジェット記録装置では、インクタンクから記録ヘッドのノズルに至るインク経路の全域または一部を負圧状態にすることによって、ノズルプレート上の残滴による影響や、インクの拡散を防止している。

上記のような負圧状態を形成する機構としては、図９に示す機構や図１０に示す機構が知られている。図９に示す機構は、記録ヘッド１０４を大気連通口１０３が設けられたインクタンク１０１よりも上方に配置すると共に、それら記録ヘッド１０４とインクタンク１０１とをチュ−ブ１０６を介して接続したものである。かかる機構では、インクタンク１０１内のインク液面１０２と記録ヘッド１０４のノズルプレート１０５との間の距離（水頭差ｈ）によって負圧が発生する。

図１０に示す機構は、記録ヘッド２０５の上に配置されたインクタンク２０１内に多孔質材料によって形成された吸収体２０４を収容し、該吸収体２０４にインク２０３を保持されたものである。かかる機構では、吸収体２０４の毛管力によって負圧が発生する。さらに、図１０に示す機構の変形として、図１１に示す機構がある。図１１に示す機構は、インクタンク３０１内を隔壁３０２によって仕切って形成した吸収体室３０３とインク室３０４とを一部において連通させると共に、インク室３０４にインクを収容し、吸収体収容室３０３に吸収体３０５を収容したものである。かかる機構においても、吸収体室３０３内に収容されている吸収体３０５の毛管力によって負圧が発生する。

上記機構の詳細については、例えば特許文献１〜３に記載されている。尚、本件においては便宜上図９に示す機構は水頭差方式、図１０に示す機構は吸収体方式、図１１に示す機構は半生インクタンク方式とそれぞれ称することにする。
特開昭５６−０４４６６３号公報 特開平０２−１８７３６４号公報 特開平０７−０６８７７８号公報

しかしながら、上記水頭差方式による負圧発生機構では、インクタンク内のインク液面を記録ヘッドのノズルプレートより低い位置に配置する必要がある。さらに、水頭差を記録ヘッドやこれに係る構成要素等によって決定される最適値に合わせる必要性がある。そのため、記録装置全体の構成が幾つかの制約を受ける。

一方、上記吸収体方式による負圧発生機構では、吸収体の圧縮率を変更することによって、発生する負圧量を調整することが可能である。従って、記録装置全体の構成に対する制約は、水頭差方式による負圧発生機構を採用した場合に比べて少ない。しかし、吸収体方式による負圧発生機構では、全てのインクを吸収体に含ませて貯蔵するので、貯蔵されたインクが全て使用できるわけではなく、インクタンクの内部容積に対して実際に使用可能なインクの割合（以下：使用効率と述べる）があまり高くない。

上記半生インクタンク方式による負圧発生機構では、吸収体が収用される吸収体室の他に純粋なインクのみを貯蔵するインク室を設けることによって使用効率の改善が図られている。しかし、吸収体に収納されたインクが全て使用できるわけではないことは吸収体方式と同様である。

本発明の目的は、インクの使用効率を改善し、かつ、所望の負圧を維持可能なインク供給機構を備えたインクジェット記録装置を提供することにある。

本発明にインクジェット記録装置は、被記録媒体に向けてインクを吐出する記録ヘッドと、記録ヘッドから吐出されるインクを貯留するインクタンクと、インクタンクと記録ヘッドとの間のインク供給経路の途中に設けられた弁とを有し、弁は、インク供給経路を常に負圧状態に維持すると共に、その負圧値が所定値以上の間だけインク供給経路を開いてインクを流通させることを特徴とする。

本発明のインクジェット記録装置は、水頭差や吸収体を利用することなくインクタンクと記録ヘッドとの間のインク供給経路内を所定の負圧状態に維持するので、負圧状態を形成するために装置全体の構成が大きな制約を受けたり、インクの使用効率が低下したりすることがない。

（実施形態１）
以下、本発明のインクジェット記録装置の実施形態の一例について説明する。図１は、本例のインクジェット記録装置の記録ヘッド周辺の構成を示す模式図である。本例のインクジェット記録装置では、インクタンク１０内に収容されているインクが記録ヘッド１１と一体の負圧維持弁１２を通って記録ヘッド１１に供給される。記録ヘッド１１に供給されたインクは、該記録ヘッド１１のノズルプレート表面１３において開口する多数の吐出口（ノズル）１５から不図示の被記録媒体に向けて吐出される。

インクタンク１０は、耐インク性に優れた樹脂材料からなる容器であって、天井面に大気連通口１６が開設され、底面にインク供給口１７が開設されている。インクタンク１０は、収容されているインクが無くなると新しいインクタンク１０に交換されるものであり、独立した商品として単独で流通する。大気連通口１６は、インクタンク１０が流通過程に置かれている間は密閉されており、インクジェット記録装置にセットされる直前にユーザによって解放される。一方、インク供給口１７は、その内側に嵌め込まれたゴム等の弾性体からなるキャップ１８によって気密に封止されている。

負圧維持弁１２は、中空の液室２０と、液室２０の内部に収納された圧縮バネ２１及び封止ボール２２とから構成されている。液室２０の上面には、流入口２３が開設され、その流入口２３の周縁から中空のニードル２５が垂直に立てられている。一方、液室２０の下面には流出口２６が開設されており、該流出口２６は記録ヘッド１１のインク受入口（不図示）に連通している。すなわち、液室２０の内部空間は、ニードル２５を介して外部と連通する一方、流出口２６を介して記録ヘッド１１とも連通している。圧縮バネ２１は、封止ボール２２を流入口２３側に向けて常時付勢し、流入口２３の周辺に設けられた弾性体からなるパッキン２７に押し付けている。以上の構成により、インクタンク１０のインク供給口１７を封止しているキャップ１８にニードル２５を突き刺して貫通させると、インクタンク１０と負圧維持弁１２とが連通し、インクタンク１０から記録ヘッド１１に至るインク供給路が形成される。もっとも、この状態では負圧維持弁１２の流入口２３が封止ボール２２によって封止されているので、インク供給路は開通してはいない。

ここで、負圧維持弁１２の流量特性を流量×負圧量の関係にて図２に示す。液室２０内の負圧量がP₀に達した時点で封止ボール２２が圧縮バネ２１の付勢に抗して降下し、流入口２３が開放され、インク供給路は開通する。これによって、インクタンク１０から記録ヘッド１１にインクが供給され始める。インク供給路が開通した後の負圧量は、記録ヘッド１１によって消費されるインク量に比例して増大する。例えば記録ヘッド１１が備えるノズル１５の全てからインクが吐出された場合の最大吐出インク流量Q_maxに対応する負圧量をP_maxと表す。ところで、記録ヘッド１１のノズル１５に加える負圧量の適正値は対象となる記録ヘッド１１によって異なるが、上限負圧値はP₂で、下限負圧値はP₁でそれぞれ図２中に表されている。上限負圧値P₂は、これ以上の負圧がノズル１５に加わるとメニスカスが壊れ、ノズル１５にエアーが入りこむ負圧値を意味する。一方、下限負圧値P₁は、記録ヘッド１１が固定されるラインヘッドによるインクジェット記録装置においては０（零）に近い値となるが、記録ヘッド１１がキャリッジと共にシリアルスキャンされるシリアルプリンタ−においては、スキャン動作中にインクに加わるイナ−シャによってノズル１５に正圧が加わらないように考慮した上で、印字可能な値が設定される。

すなわちノズル１５に加えるべき負圧量範囲はP₁〜P₂内で定められ、これらの値に対して負圧維持弁１２の流路特性が設定されている。具体的には、負圧維持弁１２の開放ポイント圧P₀が下限負圧値P₁以上であり、さらに最大吐出インク流量Q_max時に発生する負圧量P_maxが上限負圧量P₂以下となることが必須条件となり、これらに弁の能力公差を見込んで流路特性が設定されている。

以上によって、記録中にノズル１５に加わる負圧量は、ノズル１５からのインク吐出量に応じてP₀−P_max間で変動することとなる。ここで、実機上の制御シーケンスに基づき記録ヘッド１１のノズル１５に加わる負圧量を時間×負圧量の関係について図３を参照しながら説明する。

初期状態における負圧量を0と仮定する。まず、必要な負圧量を得るために、図１に示す回復キャップ２８に向けてインクを吐出する。もしくはノズルプレート表面１３を回復キャップ２８で密閉した上で吸引ポンプ３０によって記録ヘッド１１のノズル１５からインクを吸引する。何れの場合も、排出されたインクは吸引ポンプ３０によって廃インクタンク３１に圧送、貯蔵される。かかる回復動作によって、記録ヘッド１１内のインクが消費されるが、インクタンク１０からの新たなインクの供給は負圧維持弁１２によって遮断されているため、負圧維持弁１２からノズル１５に至るインク経路内の負圧量は増大していく（ａ）。そして、負圧量が負圧維持弁１２の開放ポイント力P₀を超えた時点でインクタンク１０からインクの供給が始まる（ｂ）。少なくともこのようなインクの供給が開始された後に上記回復動作を停止する。すると負圧量は減少に転じるが（ｃ）、負圧維持弁１２の開放ポイント圧P₀まで負圧量が減少した時点でインクの供給が遮断され、負圧維持弁１２から記録ヘッド１１に至るインク経路内が負圧量P₀に保たれる(ｄ)。

この後、印刷Ｊｏｂが入力されると記録動作が開始され、記録ヘッド１１からのインク吐出量に応じて図２に示す流量×負圧量グラフに対応して負圧値が変動する（ｅ）。記録動作の終了後には、前述したように負圧維持弁１２からノズル１５に至るインク経路内の負圧量は、負圧維持弁１２の開放ポイント圧である負圧量P₀まで減少（ｆ）した後にその値に保たれ、次の記録動作に備え待機状態となる（ｇ）。

但し、待機状態の継続時間が長期に及ぶ場合には、図１に示す封止ボ−ル２２とパッキン２７との間からインクの微小リ−クや、負圧維持弁１２から記録ヘッド１１までの間に存在するインク溶存ガスの気化及び、外部ガスの透過によって、負圧量P₀が徐々に失われることがある。そこで、待機状態の一定時間以上継続した場合には、次の記録動作開始前に前述した回復動作を行い、負圧量P₀を回復する。ここで、一定時間とは、負圧量が記録ヘッド１１のノズル１５に影響を及ぼす程度にまで減少する可能性があると考えられる時間であり、予め設定されている。

尚、本例における負圧維持弁１２の構成では、上記開放ポイント圧P₀は、主に圧縮バネ２１のバネ圧及び封止ボール２２によって規定される流路面積によって設定される。また開放ポイント圧P₀を始点として最大吐出インク流量Q_maxの時に上限負圧値P₂を超えないように、負圧維持弁１２の特性線の傾きをなるべく緩やかにすることが望ましい。これは主に封止ボ−ル２２とパッキン２７との接触線長を長くとることで実現可能であり、全体として負圧量の許容範囲P₁−P₂を十分満たすように適時設定される。

また、負圧維持弁１２は記録ヘッド１１側に設けられていなくともよく、例えばインクタンク１０側もしくは、記録ヘッド１１及びインクタンク１０から独立させて設けてもよい。さらに、本発明のインクジェット記録装置を構成する負圧維持弁は、これまで説明した負圧許容範囲を満たす流量特性を有するものであればよく、図１に示す構成のものに限定されない。そこで、図４（ａ）（ｂ）に負圧維持弁の他例を示す。

図４（ａ）（ｂ）に示す負圧維持弁４０は、隔壁４１によって仕切られた第１液室４２と第２液室４３とを有する円筒状のケーシング４５と、弾性材料からなる弁体４６とから構成されている。ケーシング４５の第１液室４２は、任意の連結手段によって不図示のインクタンクに連結されており、インクタンクからインクが供給される。また、第２液室４３は、不図示の記録ヘッドに連通している。さらに、隔壁４１の中央には、挿入孔４６が開設され、その挿入孔４６の径方両外側には、２つの貫通孔４７が開設されている。

一方、弁体４６は、平坦なシール面４８を有し、そのシール面４８には、長さ（t2）が隔壁４１の厚み（t1）よりも短い脚５０が垂直に突設されている。さらに、脚５０の先には、挿入孔４６よりも径の大きな係止部５１が一体に形成されている。ここで、脚５０の長さ（t2）が隔壁４１の厚み（t1）よりも短いので、挿入孔４６に係止部５１を押し込んで挿入すると、シール面４８が隔壁４１に密着し、貫通孔４７が塞がれる。但し、記録ヘッドでのインク消費に伴って第２液室４３内が負圧となり、その負圧量が開放ポイント圧に達すると、弁体４６が弾性変形し、シール面４８と隔壁４１との間に隙間が生じ、貫通孔４７を介してインクの供給が開始される。

ここまでは本発明の特徴であるインク供給に関する部分についてのみ説明してきたが、被記録媒体を供給する供給機構や、供給された被記録媒体を搬送する搬送機構などといった記録装置としての機能を実現する上で不可欠な構成をも備えていることは勿論である。もっとも、既に説明した構成以外の構成は、従来のインクジェット記録装置が備えている構成と同一なので、詳しい説明は省略する。

（実施形態２）
以下、本発明のインクジェット記録装置の実施形態の他例について図５を参照しながら説明する。もっとも、本例のインクジェット記録装置の基本構成は、図１に示すインクジェット記録装置と共通である。そこで、既に説明した構成と同一の構成については、図５中に同一の符号を付して説明を省略する。本例のインクジェット記録装置と図１に示すインクジェット記録装置との相違点は、エアーバッファーの有無である。具体的には、図５に示すように、負圧維持弁１２の液室２０に、管状流路６０を介して容積Ｖのエアーバッファー６１が連結され、該エアーバッファー６１内に約Ｖ／２のインク６２が充填されている。従って、負圧維持弁１２からノズル１５に至るインク経路内に0.5Kgf/cm²の負圧が加えられても、エアーバッファー６１内の空気が流出することはない。

上記構成を有する本例のインクジェット記録装置のノズル１５に加わる負圧量について図３を参照しながら説明する。記録ヘッド１１に対する回復動作によって負圧維持弁１２からノズル１５に至るインク経路内に負圧が加わると、圧縮性流体であるエアーバッファー６１内の空気６３が膨張する。詳細には、負圧量が負圧維持弁１２の開放ポイント圧P₀を超えた後に回復動作を停止させれば、負圧維持弁１２からノズル１５に至るインク経路内の負圧はP₀に保持される（ｂ）〜（ｄ）。この過程でエアーバッファー６１内も管状流路６０を介して負圧量P₀まで減圧され、内部の空気６３もその体積が増大している。その後、記録動作中（ｄ）〜（ｇ）において、負圧維持弁１２からの微小リーク、インク中の溶存ガスの気化もしくは外部ガスの透過等の要因によって、負圧維持弁１２からノズル１５に至るインク経路中の負圧量が低下したとしても、その低下量はエアーバッファー６１によって緩和される。すなわち、上記要因による負圧量の低下によってインク経路中に新たな体積が加わると、エアーバッファー６１内の空気６３がその分だけ収縮することによって負圧量の増加が打ち消される。

端的に述べれば、インク経路内に加わったインクやガスの合計体積がエアーバッファー６１内の空気６３の最大量であるＶ／２に達するまでは、インク経路内の負圧量はP₀に維持される。負圧量がP₀であるインク経路にインクが流入したときの負圧量の変化を実施形態１の構成（エアーバッファー無し）と本例の構成とで比較した結果を図６に示す。図６に示されるように、本例のインクジェット記録装置によれば、負圧維持弁１２からノズル１５までのインク経路中へのインク流入に対して、負圧量の減少量がより一層緩和されていることがわかる。従って、下限負圧値P₁をより長期間に渡って維持することが可能となり、記録動作開始前の回復動作の回数が減り、廃インク量の低減やファーストプリント性能の向上が図られる。同様の作用効果は、負圧維持弁の液室内にエアー室を設けることによっても得られる。すなわち、上記と同様の要因によってインク経路内の負圧量が減少してもエアー室内の空気がその分だけ膨張することによって負圧量の減少が打ち消される。

例えば、図７に示すように、ニードル２５の下端を液室２０の底面側に延長して流入口２６の位置を下げることによって、液室２０の上部空間をエアー室６５とすることができる。尚、図７に示す構成の場合には、輸送中に機器が逆さまになったときなどにもエアー室６５内の空気が流出しないように対策を講じることが望ましい。例えば、図中に示す距離Ｓをインクの流通が妨げられない程度に小さくすることによって、空気の流出の可能性を大幅に低減することができる。

（実施形態３）
以下、本発明のインクジェット記録装置の実施形態のさらに他例について図８を参照しながら説明する。もっとも、本例のインクジェット記録装置の基本構成は、図５に示すインクジェット記録装置と共通である。そこで、既に説明した構成と同一の構成については、図８中に同一の符号を付して説明を省略する。図５に示すインクジェット記録装置では、インク経路内の負圧量の減少を圧縮性流体である空気を利用して緩和するのに対し、本例のインクジェット記録装置では、非圧縮性流体であるインクを利用して緩和する点で相違する。

具体的には、図８に示すように、負圧維持弁１２の液室２０に、管状流路６０を介してインクバッファー７０が連結されている。インクバッファー７０は、長手方向に伸縮可能な蛇腹状の形態を有し、伸縮することによって内部容積が変化する。インクバッファー７０内には、該インクバッファー７０をその内部容積が最大となる方向Ｘに付勢するバネ７１が内蔵されている。ここで、インクバッファー７０内の圧力、すなわち、負圧維持弁１２の液室２０内の圧力が０（零）のときに、バネ７１によるインクバッファー７０の付勢が解除され（バネ７１が自由長となり）、かつ、インクバッファー７０の内部容積が最大となるように、バネ長やインクバッファー７０の寸法が設定されている。

図８に示す構成によれば、負圧維持弁１２からノズル１５に至るインク経路内の負圧量が負圧維持弁１２の開放ポイント圧P₀を超えた後に回復動作を停止させれば、インク経路内の負圧はP₀に保持される。この過程でインクバッファー７０内も管状流路を６０介して負圧量P₀まで減圧されるので、インクバッファー７０がバネ７１による付勢に抗して図中の矢印Ｙ方向に収縮し、内部容積が減少する。その後、負圧維持弁１２からの微小リーク、インク中の溶存ガスの気化もしくは外部ガスの透過等の要因によって、負圧維持弁１２からノズル１５に至るインク経路中の負圧量が低下すると、バネ７１の付勢によってインクバッファー７０が図中の矢印Ｘ方向に伸長し、内部容積が増大する。よって、負圧量の低下分がインクバッファー７０の容積増大によって打ち消される。

本発明のインクジェット記録装置の実施形態の一例を示す模式図である。 本発明のインクジェット記録装置におけるインク経路の負圧量とインク流量との関係を示す図である。 本発明のインクジェット記録装置における負圧量の変化を示す図である。 負圧維持弁の一例を示す面であって、（ａ）は一部断面の分解図、（ｂ）は一部断面の側面図である。 本発明のインクジェット記録装置の実施形態の他例を示す模式図である。 実施形態１及び２のインクジェット記録装置における負圧量とインク流入量の関係を示す図である。 本発明のインクジェット記録装置の実施形態の他例を示す模式図である。 本発明のインクジェット記録装置の実施形態の他例を示す模式図である。 水頭差方式のインク供給機構を示す模式図である。 吸収体方式のインク供給機構を示す模式図である。 半生インクタンク方式のインク供給機構を示す模式図である。

符号の説明

１０ インクタンク
１１ 記録ヘッド
１２、４０ 負圧維持弁
１５ ノズル
１８ キャップ
２１ 圧縮バネ
２２ 封止ボール
２３ 流入口
２４ 流出口
２５ ニードル
４１ 隔壁
４２ 第１液室
４３ 第２液室
４６ 弁体
４６ 挿入孔
４７ 貫通孔
４８ シール面
６０ 管状流路
６１ エアーバッファー
６３ 空気
６５ エアー室
７０ インクバッファー
７１ バネ

Claims (5)

1. 被記録媒体に向けてインクを吐出する記録ヘッドと、
   前記記録ヘッドから吐出されるインクを貯留するインクタンクと、
   前記インクタンクと前記記録ヘッドとの間のインク供給経路の途中に設けられた弁とを有し、
   前記弁は、前記インク供給経路を常に負圧状態に維持すると共に、その負圧値が所定値以上の間だけ前記インク供給経路を開いてインクを流通させるインクジェット記録装置。
2. 前記弁は、前記インクタンクに連通する流入口及び前記記録ヘッドに連通する流出口を備えた液室と、
   前記液室内に配置され、前記流入口を封止可能な封止部材と、
   前記液室内に配置され、前記封止部材を前記所定値よりも小さな力で前記流入口に押し付ける弾性体と、を有する請求項１記載のインクジェット記録装置。
3. 前記液室内に前記インク供給経路内の圧力変化に応じて体積が変化する気体が充填されている請求項２記載のインクジェット記録装置。
4. 前記液室に圧力バッファーが接続され、該圧力バッファー内に前記インク供給経路内の圧力変化に応じて体積が変化する気体が充填されている請求項２記載のインクジェット記録装置。
5. 前記液室に前記インク供給経路内の圧力変化に応じて容積が変化する圧力バッファーが接続され、該圧力バッファー内に非圧縮性液体が充填されている請求項２記載のインクジェット記録装置。

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