JP2007001294A

JP2007001294A - インクジェット記録装置

Info

Publication number: JP2007001294A
Application number: JP2006116401A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Noguchi; 雅敏野口; Hiroshi Yamamoto; 寛山本; Sachio Shibata; 佐知夫柴田; Michiharu Nishijima; 道治西島
Original assignee: Graphtec Corp
Current assignee: Graphtec Corp
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2007-01-11

Abstract

【課題】、インクカートリッジを新しいカートリッジに交換する、或いは空になったインクタンクにインクを補充するといった場合に必要であった、新しいインクをインクジェット記録ヘッドの吐出ノズルまで導くための初期充填動作、およびこれを行うために必要であったヘッド表面に密着する吸引キャップとこれに連通した吸引ポンプ、或いは記録ヘッドのサブタンクに空気を排出する手動またはモータ等の駆動源を利用したポンプ等の手段を削減するためになされたものである。
【解決手段】本発明のインクジェット記録装置においては、インクジェットヘッドに予めインクを所定量収容するよう設け、この予め収容されたインクにより初期充填動作を行うことなく記録を行うことができるとともに、記録に伴うインク吐出によりインクジェットヘッド内を負圧とすることにより、インクチューブを介してインクタンクよりインクをインクジェットヘッドに供給するよう構成した。
【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る。

この種のインクジェット記録装置の一般的な構成は、インクを選択的に吐出するインクジェット記録ヘッドと、この記録ヘッドを搭載したキャリッジ、このキャリッジを主走査方向へ往復移動させる主走査駆動手段、記録紙を副走査方向へ搬送する副走査駆動手段よりなり、主走査および副走査、記録ヘッドのインク吐出を同期させて、記録紙上に所望の画像を形成するよう設けられている。
インク供給手段としては、インクカートリッジより、インクカートリッジと記録ヘッドとを連通させるジョイントを通じて記録ヘッドへ供給される方式、またはこれらインクカートリッジと記録ヘッドが一体に形成されるものが用いられ、記録ヘッドのノズルに供給されるようインクには負圧がかかっている必要があり、そのためこの種のインクカートリッジには、多孔質体を圧縮したものにインクを染み込ませることにより、多孔質体の毛細管力でインクに負圧を発生させる負圧機構を内蔵させて構成されている。また、記録によりインクがなくなると、インクカートリッジごと新しいカートリッジに交換できるよう、記録ヘッドまたはキャリッジに着脱可能に構成されている。
特開２００３−３２６７３２号公報

このカートリッジをキャリッジ上に搭載する方式のインクジェット記録装置においては、カートリッジに収容されるインク量を多くすると、重量が重くなってキャリッジの高速移動の障害となる等の不具合が生じるので、カートリッジの容量をあまり大きくすることができず、例えばＡ０サイズといった大判の記録紙に記録を行うのインクジェット記録装置には不向きとなる。このため、この種のラージフォーマット対応のインクジェット記録装置においては、記録装置本体に設けられたインクタンクよりキャリッジに搭載された記録ヘッドにチューブを介してインクを供給する方式が採用されている。
図１４はこの種のラージフォーマット対応のインクジェット記録装置の要部構成を示す図であり、図において１は図示しない副走査駆動手段により副走査方向（Ｘ軸方向）に搬送される記録紙が載置されるプラテン、２はプラテン１に載置された記録紙の搬送方向と直交する主走査方向に延びるよう設けられるガイドレール、３はガイドレール２に摺動可能に設けられるキャリッジ、４はインク滴を記録紙に吐出するインクジェットヘッド、５はヘッド４にインクを供給するための柔軟性を有するチューブ、６はヘッド４に供給するインクを貯蔵保持するインクタンクである。
図に示すように、キャリッジ３はガイドレール２に沿って主走査（Ｙ軸）方向に移動可能に構成されており、このキャリッジ３には４つの記録ヘッド４０１〜４０４が搭載されている。
記録ヘッド４０１〜４０４は、各々インクチューブ５を介してそれぞれ色の異なるインクが保持されているインクタンク６に接続されており、これら記録ヘッド４−チューブ５−インクタンク６のインク流経路は各々密閉構造となるよう設けられている。これにより、記録ヘッド４に設けられた吐出ノズルよりインクを吐出させると、吐出したインク量に応じて記録ヘッド４内が負圧となり、さらにこの負圧に応じてインクタンク６よりチューブ５を介してインクが記録ヘッド４に供給されるよう構成されている。
記録ヘッド４の移動経路直下のプラテン１上には、記録紙が副走査（Ｘ軸）方向に移動可能に装着されている。記録動作においては、記録紙をＸ軸方向に、記録ヘッド４をＹ軸方向にそれぞれ移動させるとともに、各記録ヘッド４０１〜４０４から選択的にインクを吐出させることにより所望の記録を行うよう設けられている。
特開２００２−２４０３１６号公報

この種のインクジェット記録装置において、インクカートリッジからインクをインクジェット記録ヘッドの吐出ノズルまでインクチューブ内に導くための初期充填動作が必要となるが、従来のインクジェット記録装置においては、上述の特許文献１に記載されるように、記録ヘッドと対向し、必要なときにヘッド表面に密着する吸引キャップとこれに連通した吸引ポンプを設け、この吸引ポンプにより吐出ノズルを吸引して新しいカートリッジのインクをヘッドのノズル内に導く構成や、インクタンクを有する装置においては、記録ヘッドのサブタンクに空気を排出する、手動またはモータ等の駆動源を利用したポンプを設け、このポンプによりチューブを介してインクタンクよりインクをサブタンクへ充填する構成、或いは、インクタンク−チューブ−記録ヘッドのインク流経路上の何れかに設けたポンプより、インクタンクから記録ヘッドへインクを供給するといった方法が用いられる。これにより、この初期動作のための操作が必要となり、作業が煩雑なものとなっていた。また、装置全体として部品点数が多くなるので、製作コストの上昇を招くとともに、装置自体が大掛かりなものとなるといった不具合が生じていた。
本発明はこれら不具合を解消するためになされたものである。

本発明のインクジェット記録装置においては、インクジェットヘッドを予めインクを所定量収容するよう設け、この予め収容されたインクにより記録を行うことができるとともに、記録に伴うインク吐出によりインクジェットヘッド内を負圧とすることにより、インクチューブを介してインクタンクよりインクをインクジェットヘッドに供給するよう構成した。

本発明のインクジェット記録装置によれば、新規の装置設置時等におけるインクチューブ内へのインクの初期充填動作が不要となる。

以下、図面に基づいて本発明のインクジェット記録装置を詳細に説明する。
図１は本発明のインクジェット記録装置の構成（原理）を説明する図であり、上述の従来の装置と同等の構成については同一の符号が付与されている。
本発明の最も特徴的な構成は、インクジェットヘッド４は、未使用新品の状態から予め所定量のインクが収容されている点である。
本実施例におけるインクジェットヘッド４は、インクを選択的に吐出する吐出ノズルよりなるヘッド部４１と、このヘッド部４１にインクを供給するとともに、所定量のインクが収容されるカートリッジ４２が一体に形成されているが、上述の特許文献１に示されるように、カートリッジ４２がヘッド部４１に対して着脱自在に形成されるよう構成してもよい。

本発明のインクジェットヘッド４のカートリッジ４２には、予めインクが図に示す高さｈ_２となるよう収容されており、カートリッジ４２の全体高さｈ_ｃと、このインクの液面高さｈ_２との差分となる所定の空洞（空気量Ｐ_１）が形成されるよう構成されている。
インクタンク６は記録装置本体に支持されるとともに、これに収容されるインクには大気圧Ｐａが作用するよう構成されている。
インクチューブ５の一端は、インクジェットヘッド４のカートリッジ４２の上方、すなわち、空洞部分（Ｐ_１）と接続するように、カートリッジ４２に対して着脱可能に設けられ、インクチューブ５がカートリッジ４２に接続されると、カートリッジ４２−インクチューブ５−インクタンク６により形成されるインク流路は密閉状態となる。

本発明のインクジェット記録装置において、インクチューブ５の一端をインクカートリッジ４２に接続すると、インクの液面先端はインク流路であるインクチューブ５内の何れかの位置となり、今、チューブ５の（カートリッジと接続する側の）先端からの距離がＸであるとする。本願発明のインクジェット記録装置においては、この状態より記録動作を開始する。
記録動作が開始されると、ヘッド部４１からインクが吐出されることにより、カートリッジ４２内が負圧となり、インク流路が密閉状態であり且つインクタンク６のインクには大気圧Ｐ_ａが作用していることにより、インクタンク６よりインクが吸引されてインク流路のインクの液面先端が移動する（Ｘが小さくなる）。更に記録が行われることにより、カートリッジ４２内のインクが吐出されて液面高さｈ_２が所定の高さとなる時点で、インクがインクチューブ５の先端に到達し、これ以降、ヘッド部４１から吐出されるインクと同量のインクが、インクチューブ５よりカートリッジ４２内に滴下する、即ちインクタンク６よりインクが供給されることとなる。
図２は、図１に示す本発明のインクジェット記録装置におけるインクの運動方程式、カートリッジ４１内の気体の状態方程式、ならびに単位時間に吐出されるインク体積を示す図である。
以上詳述したとおり、本発明のインクジェット記録装置においては、インクジェットヘッドに予め収容されているインクにより、初期充填動作を行うことなく記録動作を開始することができ、記録を順次行うことによりインクジェットヘッド内のインク量が所定量に達した時点からインクタンク６からのインク供給が始まるとともに、以降このインクジェットヘッド内のインク量が一定に保たれながら記録が行われるよう構成されるので、従来必要であったポンプ等の吸引手段を削除することができるとともに、インクの初期充填作業を省くことが可能となる。

次に、上述の原理を採用した本発明のインクジェット記録装置について、具体的に説明する。
図３は本発明のインクジェット記録装置の要部構成を示す外観図であり、本発明のインクジェット記録装置においても、上述の従来の装置と同様に、プラテン１上に載置される記録紙は図示しない副走査駆動手段により副走査方向（図のＸ方向）に搬送可能に支持され、この記録紙の搬送方向と直交する主走査方向に延びるよう設けられたガイドレール２０ならびにガイドシャフト２１にキャリッジ３を摺動させることにより、インクジェットヘッド４を主走査方向（図のＹ方向）に移動させ、インクジェットヘッド４よりインク滴を吐出させて記録紙上に所望の記録を行うよう構成されている。また、インクジェットヘッド４には、インクチューブ５を経由して記録装置本体に支持されているインクタンク６よりインクが供給されるよう構成されている。

図４は本発明のインクジェット記録装置のキャリッジ、インクジェットヘッドおよびカバー部材の構成、ならびにインクジェットヘッド−インクチューブ−インクタンクより構成されるインク流経路を示す図であり、上述の通りキャリッジ３はガイドレール２０およびガイドシャフト２１に摺動可能に支持され、図示しない主走査駆動手段により主走査方向に移動可能に設けられる。キャリッジ３にはインクジェットヘッド４が搭載されるとともに、カバー部材７が開閉可能に設けられている。このカバー部材７は、インクジェットヘッド４を閉塞するカバー７０と、このカバー７０を支持するアーム７１により構成されており、アーム７１はカバー７０を支持する側から、ガイドレール２０を挟んだ他端側において、キャリッジ３に対して回動可能となるよう支持されている。またカバー７０には、カバー部材７が閉じられた際にインクジェットヘッド４に当接し、圧縮バネの復元力によりこれをキャリッジ３の方向へ付勢するヘッド押圧部７２と、同じくインクジェットヘッド４に当接するとともに弾性変形してこれをガイドレール２０の方向へ付勢して保持するよう設けられるレバー７３、キャリッジと係合してカバー部材７を固定するフック７４が設けられている。更に、カバー７０にはインクチューブ５の接続部であるセプタムユニット５１が支持されている。
インクチューブ５の他端側には、記録装置本体に設置されるインクタンク６が接続されており、後述するとおり密閉されるよう構成されたインクジェットヘッド４、このインクジェットヘッド４に接続されるインクチューブ５、インクチューブ５が接続されるインクタンク６内のインクとによりインク流経路が形成される。インクタンク６には、図に示されるとおり設置面に対して垂直上方向にインクタンク内部と外気とを接続するための大気開放部が設けられており、これによりインクタンク６内に貯蔵されるインクには大気圧が作用するよう設けられている。

インクジェットヘッド４は、図４乃至図６に示されるとおり、記録紙に対向する面、即ち底面にインク吐出ノズルアレイを有したヘッド部４１が設けられるとともに、インクが収容されるインク貯蔵部としてのカートリッジ４２と、このカートリッジ４２の上部開口部分を密閉する蓋４３、蓋４３に取り付けられる筒状部材４４、およびこの筒状部材４４に設けられるパイプ４５、カートリッジ４２内に収容されるインク保持体４６により構成されている。
本発明のインクジェットヘッド４は、図６に示す通り複数のインク吐出ノズル４１６が所定のパターンで列状に形成され、個々のノズル孔４１６に対応した発熱抵抗体であるヒータ４１４を選択的に動作させてインクを吐出するサーマル方式のインクジェットヘッドであり、インクジェットヘッド４をキャリッジ３にセットすると、各ヒータ４１４に導通された複数のコンタクトパッド４１７がキャリッジ３の接続端子（図示せず）に当接し、インクジェット記録装置の制御部によりヒータ１０４を駆動制御することが可能となるよう設けられている。
ヘッド部４１は、図６中図に示されるとおり、カートリッジ４２上に設けられるシリコン部材４１１と、このシリコン部材４１１上に設けられるノズルプレート４１２により構成され、このノズルプレート４１２とシリコン部材４１１の間には、インク供給チャネル４１３、ヒータ４１４、チャンバ４１５がそれぞれ設けられている。また、ノズルプレート４１２には、ヒータ４１４ならびにチャンバ４１５に対応してノズル孔４１６が形成されている。カートリッジ４２に保持されるインクは、重力および毛管作用によりインク供給チャネル４１３からチャンバ４１５へ流入し、ヘッド部４１内に充填される。

インク保持体４５は、例えばウレタン，フォルムアルデヒド，ポリエーテルポリウレタン等といった多孔質材料よりなり、カートリッジ４２内に圧縮され収容されている。本発明のインクジェットヘッド４においては、このインク保持体４６に予め所定量のインクが保持されており、後述する通り筒状部材４４およびパイプ４５が取り付けられた蓋４３をカートリッジ４２に密着させて溶着することにより、インクジェットヘッド４内、即ちインク保持体４６に保持されたインクは密閉されることとなる。
このインク保持体４６は、インクジェットヘッド４内でインクを貯蔵，保持するとともに、ヘッド部４１のインク吐出ノズル４１６からのインクのボタ落ちを防止し、更にはインクジェットヘッド４がキャリッジ３とともに高速移動する際に、インクジェットヘッド４内で気泡が発生することを防止するといった機能を有している。
パイプ４５は管状のチューブ部材であり、後述する通りインクチューブ５をインクジェットヘッド４に接続し、インクタンク６からインクをインクチューブ５を介してインクジェットヘッド４のカートリッジ４２に供給する。

本実施例においては、黒色のみのインクジェットヘッドと、Ｃ，Ｍ，Ｙの３色のインクがカートリッジ４２のそれぞれ仕切られた貯蔵部に収容される（図５に示す）カラーインクジェットヘッドの２種類がキャリッジ３に搭載され、黒単色のインクジェットヘッドには筒状部材４４およびパイプ４５が一つ、カラーインクジェットヘッドには筒状部材４４およびパイプ４５が収容されるインクの種類と同数の３つがそれぞれ設けられている。
インクチューブ５の接続部であるセプタムユニット５１は、インクチューブ５０が接続される中心部分が円筒状チューブよりなるコネクタ５１１と、このコネクタ５１１の端部に当接するとともに中心部分にスリットが形成されたゴム等よりなる弾性体５１２と、この弾性体５１２の中心部分のスリットを露出するとともに弾性体５１２を覆うようにしてコネクタ５１１にカシメ固定されたキャップ５１３により構成されており、インクチューブ５０、コネクタ５１１の円筒状チューブならびに弾性体５１２のスリットによりインク流路が形成されている。
このセプタムユニット５１は、インクジェットヘッド４に設けられる筒状部材４４に嵌合して、インクチューブ５とインクジェットヘッド４とを連接する。
図７はインクチューブ５とインクジェットヘッド４の連接を説明する図であり、図７上図（ａ）に示されるように、セプタムユニット５１がインクジェットヘッド４に接続されていないとき、弾性体５１２のスリットは閉じた状態であり、これによりインクチューブ５内（インク流路）は密閉されることとなる。
インクチューブ５をインクジェットヘッド４に接続する場合、セプタムユニット５１の弾性体５１２のスリットにインクジェットヘッド４のパイプ４５を当接させ、更にこれを押し込むと、パイプ４５が弾性体５１２を弾性変形させてスリットを開放し、挿入される。セプタムユニット５１が筒状部材４３に完全に嵌合すると、図７下図（ｂ）に示される通り、インクチューブ５のインク流路とインクジェットヘッド４のインク貯蔵部であるカートリッジ４２が接続される。

図８は本発明のインクジェット記録装置のインクタンク部６の構成を示す図であり、記録装置本体１に固定するよう設けられるベース６０と、このベース６０に対して着脱して連接させるインク容器６１により構成されている。
インク容器６１は、容器内にインクを貯蔵するよう設けられるとともに、容器内の上方に形成されるインクが充填されない空間と外気とを接続し、容器内を大気開放して貯蔵されるインクに大気圧を作用させる大気開放口６６と、容器下方側より容器内のインクをインク流路へ供給するインク供給口６４が、容器の同一側面に設置面に対して垂直方向に設けられるよう構成されている。これら大気開放口６６ならびにインク供給口６４は、それぞれインク容器６１内に貫通して流路を形成するチューブがその中心部分に設けられるコネクタ６６１，６４１と、このコネクタの端部に当接するとともに、中心部分にスリットが形成されたゴム等よりなる弾性体６６２，６４２と、この弾性体の中心部分のスリットを露出するとともに、この弾性体を覆うようにしてコネクタにカシメ固定されたキャップ６６３，６４３により構成されている。このインク容器６１がベース６０より取り外されている状態においては、大気開放口６６ならびにインク供給口６４の弾性体６６２，６４２はスリットが閉じた状態であり、それぞれの流路が閉じられることによりインク容器６１は密閉され、容器内に貯蔵されたインクが容器外に漏れ出すことがない。
また、インク容器６１の大気開放口６６およびインク供給口６４が設けられる面には、ガイド６２が近接するようにして設けられている。このガイド６２は、インク容器６１の断面形状に対して外形が大きくなるよう形成されており、後述する通り、ベース６０に当接し、これに摺動して連接する際の案内部材として機能するよう設けられている。更に、インク容器６１の大気開放口６６およびインク供給口６４が設けられる面には、突起６７が設けられており、後述するベース６０の突起６８との組み合わせでインク容器６１の誤挿入を防止するよう構成されている。
ベース６０は、記録装置本体１に対して固定するよう設けられ、インク容器６１の大気開放口６６およびインク供給口６４に対応して、これらに接続される第２のジョイントとしてのエアジョイント６５、第１のジョイントとしてのジョイント６３が垂直方向に設けられている。
また、図８右図に示されるように、ベース６０の上面および底面内側６０２，６０１は、支持されるインク容器６１のガイド６２の形状と正面視略合致するように、それぞれ後述するガイド６２が摺動するレール６０１，６０２を形成するよう設けられている。
第２のジョイントであるエアジョイント６５は、インク容器６１の大気開放口６６（のキャップ６６３）が嵌合する筒状部材６５１と、この筒状部材６５１の中心部分に設けられる管状のチューブ部材であるパイプ６５２と、ベース６０に取り付けられるとともに、パイプ６５２の流路と接続してこれを大気開放する流路ならびに垂直方向下向きの流路とに分岐するよう設けられるエアジョイント本体６５３とにより構成されている。また、第１のジョイントであるジョイント６３は、インク容器６１のインク供給口６４が嵌合する筒状部材６３１と、この筒状部材６３１の中心部分に設けられる管状のチューブ部材であるパイプ６３２と、ベース６０に取り付けられるとともに、パイプ６３１の流路とインクチューブ５とを接続するコネクタ６３３とにより構成されている。
また、ジョイント６３の筒状部材６３１の周囲部分には、スポンジ，不織布等の液体吸収体６９が取り付けられており、この液体吸収体６９は図８右図に示される通り、ジョイント６３の周囲，垂直下方向ならびにレール部６０１に接するように取り付けられている。この液体吸収体６９としては、具体的にはポリビニルアルコール等よりなる多孔質性の素材よりなるスポンジなどを用いることができる。
更に、第１のジョイント６３と第２のジョイント６５の間には、接続されるべきインク容器の種別に応じて突起６８が設けられており、後述する通り、接続されるべき種別とは異なるインク容器６１の誤挿入を防止するよう設けられている。

本発明のインクジェット記録装置において、インク容器を記録装置本体に挿入する場合、操作者はインク容器６１の大気開放口６６およびインク供給口６４が設けられる面をベース６０に対向するようにしてその端部を把持し、インク容器６１のガイド６２をレール６０１，６０２に当接させて押し込むと、ガイド６２がレール６０１，６０２に位置決めされて摺動し、その先端に設けられた大気開放口６６ならびにインク供給口６４が各々ジョイント６５，６３に到達する。本発明のインクタンク部６においては、インク容器の大気開放口およびインク供給口が設けられる面に近接して案内部材としてのガイドを設け、大気開放口およびインク供給口をジョイントに接続させる際には、このガイドがベースに設けたレール６０１，６０２に摺動するよう構成したので、大気開放口ならびにインク供給口の近傍でこれを位置決めする、即ち、操作者がインク容器を把持する部分（ガイドが設けられた反対側の端部）でこれをベースに挿入する際に、容器の位置が振れた場合であっても、ガイド近傍では位置ずれの量が小さくなり、各々のジョイントに対して大気開放口とインク供給口を確実に位置決めすることができる。更にこれを押し込むことにより、大気開放口とインク供給口は各々のジョイント６５，６３に嵌合する。
大気開放口とインク供給口が各々のジョイント６５，６３に嵌合し、更に押し込まれると、各々のジョイントに設けられるパイプ６５２，６３２は、弾性体６６２，６４２を弾性変形させてスリットを開放し、これが完全に嵌合すると、大気開放口６６よりパイプ６５２の先端がコネクタ６６１の中心部分に設けられるチューブに当接して接続され、これによりインク容器内が大気開放される。同じく、インク供給口６４よりパイプ６３２の先端がコネクタ６４１の中心部分に設けられるチューブに当接して接続され、これによりインク容器内に貯蔵されているインクがインクチューブ５（インク流路）に接続される。（図９）

記録動作においては、図６中図に示される通り、ヘッド部４１においてノズル孔４１６に隣接して設けられるヒータ４１４を駆動すると、ヒータ４１４の表面温度が急上昇し、これに隣接するインクが瞬時に気化してチャンバ４１５内に気泡が発生し、対応するノズル孔４１６より発生した気泡によりインクが押し出され、これが小滴となって吐出される。ヒータ４１４に電流が流れなくなると表面温度が下降して、気泡はインクなどにより冷却されて収縮、消滅し、チャンバ４１５には毛細管現象によりインク供給チャネル４１３（カートリッジ４２）よりインクが供給される。このようにヒータ４１４を駆動制御することにより、ヘッド部４１より所定のタイミングでインクを吐出させ、所望の記録を行う。
インクジェットヘッド４のヘッド部４１よりインクが吐出されると、インク保持体４６に保持されたインクがヘッド部４１に引き出され、密閉状態にあるインクジェットヘッド４内は負圧となる。本願発明のインクジェット記録装置においては、インク流路が密閉状態であり且つ上述の通りインクタンク６のインクには大気圧が作用していることにより、インクタンク６よりインクが吸引され、吐出されるインクと同量のインクがインクチューブ５０、セプタムユニット５１を介してパイプ４５よりカートリッジ４２内に滴下し、インク保持体４６に保持される、すなわちインクタンク６からインクジェットヘッド４へのインク供給が行われる。

図１０は、本発明のインクジェット記録装置のインク供給系の構成と主なパラメータを示すモデル図で、上述の原理説明（図１）を更に詳細に示すものであり、同様の構成については同一の符号が付与されている。上述の通り、インクタンク部６のインク容器６１がベース６０に連接され、かつキャリッジ３に設けられたカバー部材７が閉塞してインクチューブ５がインクジェットヘッド４に連接されている状態においては、大気開放したインクタンクからインクチューブを経由してインクジェットヘッドへ至る経路で形成されるインク流経路は密閉されることとなり、インクジェットヘッドよりインクが吐出されることにより生じる内部圧力の変動に対して物質の出入りが生じないよう構成されている。

また、図において８は圧力安定器であり、図１１に示すとおり、インク流経路上のインクチューブに接続される口金８１と、この口金８１に接続されて内部にインクが出入りするよう設けられたビニール或いは可撓性フィルム等よりなるバッグ８２とにより構成されている。インクが出入りするよう設けられたバッグ８２は、これに大気圧Ｐ_ａのみが作用している状態においてはその内部が負圧に保たれて収縮するよう構成され、また口金８１には、インクチューブ５が接続される部分にインクチューブの内径（ａ）と同等の径よりなるインク流路を有しており、これによりバッグが収縮している状態であってもインク流路が確保されるよう構成されている。バッグ８２は、この口金８１内に設けられるインク流路と接続され、インク流路よりインクの出入りが行われる。この圧力安定器８は、インクタンク６内のインク液面高さＬ_０よりも垂直上方向の（任意の）位置に取り付けられる。
圧力安定器８のバッグ８２は、定常（大気圧Ｐ_ａが作用する）状態においてはその内部にインクが流入しないが、インクジェット記録装置の周囲環境の温度上昇に伴って、キャビティ内およびインクチューブ内の孤立した空気が膨張した際に膨らみ、インク流刑路上（インクチューブ５内）のインクまたは空気が流入して、経路内の圧力上昇が抑えられるよう構成されている。この圧力安定器８を設けることにより、温度変化に起因するインクジェットヘッド４のインク吐出ノズルからのインクのボタ落ちが防止されるよう構成されている。

本発明のインクジェット記録装置におけるインク供給系においては、一様な内径の円管内を流れる流体運動として、その基本モデルを得ることができる。上記原理説明（図２）にも記載されるとおり、円管内の流れを示すNavier-Stokes方程式を、管断面内における平均流速ｖを用いて近似すると、次に示す非定常微分方程式が得られる。

ここで、ｖはインクチューブ内のインクの速度、ρはインクの密度、μはインクの粘度、Ｐ_ａは大気圧、Ｐ１はインクジェットヘッドおよびインクチューブ内の（孤立）空気の圧力、ａはインクチューブの断面積である。尚、本説明におけるインクチューブ５内におけるインクの先頭位置ｘは、インクタンク６内のインク液面高さＬ_０からの距離として示すものとする。
数式１において、ｙはインクチューブ５内におけるインク先頭の液面高さ、即ち垂直位置を示し、図１０に示すインクチューブ内の各位置で、次式の通り表される。

上述の数式１において、このインク供給系のインクが運動していない状態（ｖ＝０，ｄｖ／ｄｔ＝０）では、数式１の駆動力項が０となる、即ちインクジェットヘッドのキャビティ内の圧力Ｐ１が大気圧Ｐ_ａと水頭圧ρｇｙの差と釣合う。

キャビティ内圧Ｐ１は、大気圧Ｐ_ａよりも水頭圧ρｇｙより低い値に保たれるが、キャビティ内圧Ｐ１が更に低い値に変化するとこの釣合い関係が崩れることとなり、これによりインクの運動が開始されてインクがチューブ内を上昇する。このチューブ内におけるインクの運動は、数式３の水頭圧項ρｇｙが新たなＰ１の減圧分を相殺する位置となるまで継続し、この状態で釣合う。
このキャビティ内圧Ｐ１の現象について考える。インクジェットヘッドが駆動され、そのノズル列より吐出されるインクの流量をｑとすると、インクがプリントヘッドまで到達するまでは、ヘッド内の水位ｈ_２は数式４に示す割合で減少する。

ここで、インクは非圧縮性であるとし、式中Ｓ_ｃはヘッドの底面積を示すものとする。ｈ_２が減少すると、インクジェットヘッド内の空気体積が増加し、キャビティ内圧Ｐ１が低下する。この圧力低下により、上述のインクの運動が誘発されて、インクチューブ５内のインクの運動が開始され、インク（インクチューブ５に沿ったインクの先頭位置Ｘ）がチューブ５内をインクジェットヘッド４に向って駆動される。また、既にインク（の先頭位置Ｘ）がインクジェットヘッド４まで到達している場合は、インクジェットヘッド４内のインク水位変化は数式５に示すように、インクジェットヘッド４のノズル列により吐出されるインク流量ｑと、インクチューブ５からのインク流入量ｖａのバランスにより決定される。

ここで、インクチューブ５からのインク流入量ｖａとインクジェットヘッド４のノズル列からのインク吐出量ｑが等しい場合は、インクジェットヘッド４内のインク水位変化はない。
次に、キャビティ内圧Ｐ１と、キャビティ内空気の体積の関係を考えると、キャビティ内の空気がBoyle-Charlesの法則に従うものとすると、キャビティ内およびインクチューブ内の孤立した空気に対して数式６が成り立つ。

ここで、式中の分母はインクチューブ５内のインクの先頭位置ｘで表されるキャビティ内ならびにチューブ内の（孤立した）空気の体積の和であり、また、Ｃ_０はこれら孤立した空気の分子数を表すパラメータ（Ｃ_０＝ｋｎＮ，ｋ：ボルツマン定数，Ｎ：アボガドロ定数，ｎ：モル数）である。
以上の式（１），（２），（４），（５），（６）が本発明のインクジェット記録装置のインク供給系におけるインク供給を示す方程式群となる。
次に、上述の基礎方程式を用いて、種々のパラーメータの下でインク供給系の振舞いのシミュレーションを行うことができる。ただし、これらの方程式は非線形であり、解析的に解くことは出来ないので、ここではRunge-Kutta法を用いることにより数値的に解くものとする。
また、この解析で使用する諸定数は表１の通り仮定するものとする。

従来のこの種のインクジェット記録装置においては、インクチューブ内にインクが充填されていない初期状態においては、ポンプ等の吸引手段により低い位置にあるインクタンクから高い位置にあるインクジェットヘッドまでインクを吸引してこれを供給するよう構成されているが、これに対して本願発明のインクジェット記録装置は、予めインクが所定量収容されたインクジェットヘッドを用いることにより、インクの吸引動作を行うことなくインクチューブ内にインクが充填されていない初期状態から記録を行うことができることを特徴としている。

この予めインクが所定量収容されたインクジェットヘッド４をキャリッジ３に搭載し、カバー７０を閉塞するとインクチューブ５がインクジェットヘッド４に連接され、インクタンク６−インクチューブ５−インクジェットヘッド４により形成されるインク流路は密閉状態となる。初期状態においては、インクチューブ５内にはインクは充填されていないが、この状態から記録が開始されると、先ず、カートリッジ４２内に予め収容されているインクにより記録が行われる。ヘッド部４１からカートリッジ４２内のインクが吐出されると、キャビティ内およびインクチューブ内の孤立した空気の体積が膨張する。これにより、この孤立空気の圧力が低下し、インク流路のインク運動が誘発されて、インクタンク６よりインクがインクジェットヘッド４側に引き込まれ、更に記録が行われると、インクの吐出によりインクはインクジェットヘッド４側に引き上げられる。この状態から記録が続いて行われると、カートリッジ４２内のインクが消費されるとともに、インクチューブ５内においてインクがインクジェットヘッド４側に引き上げられて移動する。このインクチューブ５内のインクがインクジェットヘッド４に到達するまでの間は、インクジェットヘッド４内のインクが減少するが、インクチューブ５内のインクがインクジェットヘッド４に到達すると、これ以降は記録により消費（吐出）されるインクと同じ量のインクがインクチューブ５を介してインクジェットヘッド４に供給され、またインクジェットヘッド４内のインク水位は一定となる。

上述のモデルにより、このインク運動を数値実験すると、先ず、インクジェットヘッド４内のインクの初期水位（ｈ_２ｉ）を２cmとし、インクチューブ５内のインクは、インクタンク６の水位と同じレベルの位置から記録が始まるものとする。また、初期状態において、キャビティ内およびインクチューブ内の孤立空気塊の圧力は大気圧であり、温度は一定であるとする。
図１２において、時刻１００秒においてインクジェットヘッド４のノズルから流量ｑ＝0.01ｃｍ³／ｓでインクの吐出が開始され、初期導入が完了後、時刻６００秒で吐出が停止したとき、インクチューブ５内のインクの速度変化は図に示すとおりであった。
図１２下図に示すインクチューブ５の各区間にインクの先頭があるときの速度が同図上方に図示されており、インクチューブ５が垂直に立ち上がる部分（ｈ_ｐ１，ｈ_ｐ２）にインクの先端があるときは、その速度が落ちることとなるが、インクの先頭がインクジェットヘッド４に到達した後は、速度ｖ＝0.318ｃｍ／ｓで一定となる。この速度にチューブ５の断面積ａを乗じたものがプリントヘッドへのインクの流入量となるが、これはインクジェットヘッドのノズルから吐出される流量ｑ＝0.01ｃｍ³／ｓに等しい、すなわち、インクがインクジェットヘッドに到達後は流出量と流入量は等しくなる。インクジェットヘッド４内のインク水位ｈ_２の変化は、図１３に示すとおり、初期状態で２ｃｍの水位が記録開始の時刻（１００秒）から減少し、インクがインクジェットヘッド４に到達する４８０秒あたりよりその推移の減少が停止し、その後一定の水位を保つ。
以上詳述したとおり、本発明のインクジェット記録装置においては、十分に気密度の高いインクチューブ等の配管系と、予めインクが所定量収容されたインクジェットヘッドを用いることにより、装置の使用開始時等において初期充填のための個別の手段ならびに手順を要することなくインクジェットヘッドへのインクの供給を開始することが可能となる。また、上述の各種パラメータは、記録用紙のサイズや使用するインクチューブの内径等に応じて適宜変更可能であり、適切な値とすることによりインクの初期充填動作を確実に行うことが可能となる。また、上述の各種パラメータは、記録装置のサイズや使用するインクチューブの径等に応じて適宜設計変更可能であり、最適な値とすることによりインクの初期充填動作を行うことが可能となる。

更に、本発明のインクジェット記録装置は、インクジェットヘッドのインク貯蔵部に予めインクが所定量収容されており、このインクにより初期充填動作を行うことなく記録動作を開始させることができるものであり、このインクジェット記録装置に用いるためのインクジェットヘッドにインクを充填する方法としては、図５に示されるインクジェットヘッド４において、先ずカートリッジ４２に取り付けられてこれを閉塞する蓋４３に予めガスケットを介して筒状部材４４（ならびにパイプ４５）を取り付けて固定しておき、他方、インクジェットヘッド４のカートリッジ４２の上部開口部よりインク保持体４６を圧縮して収容し、このインク保持体４６に所定量のインクを充填する。次に、このインクが充填されたカートリッジ４２の開口部に、上記予め筒状部材４４を取り付けた蓋４３を密着させてこれを溶着し、インクジェットヘッド４を密閉する。これにより、予めインクが所定量収容されたインクジェットヘッドを得ることが可能となる。
或いは、図５に示されるインクジェットヘッド４において、先ずカートリッジ４２の開口部よりインク保持体４６を圧縮して収容し、上部開口部に蓋４３を密着させて溶着する。この後、筒状部材４４を取り付けるべき孔部を利用して、カートリッジ４２内のインク貯蔵部、即ちインク保持体４６に所定量のインクを充填する。次に、ガスケットを介して筒状部材４４（ならびにパイプ４５）を蓋４３の孔部に取り付けてインクジェットヘッド４を密閉することにより、予めインクが所定量収容されたインクジェットヘッドを得るよう構成してもよい。

本発明のインクジェット記録装置の構成を示す図である。本発明のインクジェット記録装置を示す図である。本発明のインクジェット記録装置の要部構成を示す斜視図である。本発明のインクジェット記録装置の構成を示す断面図である。本発明のインクジェット記録装置のインクジェットヘッドならびにカバー部材の構成を示す図である。本発明のインクジェット記録装置のインクジェットヘッドの構成を示す図である。本発明のインクジェット記録装置におけるインクチューブとインクジェットヘッドの連接を示す説明図である。本発明のインクジェット記録装置におけるインクタンク部の構成を示す図である。本発明のインクジェット記録装置におけるインクタンク部の構成を示す図である。本発明のインクジェット記録装置のインク供給系の構成と主なパラメータを示すモデル図である。本発明のインクジェット記録装置における圧力安定器の構成を示す図である。本発明のインクジェット記録装置におけるインクチューブ内のインクの速度を示す図である。本発明のインクジェット記録装置におけるインクジェットヘッド内のインク水位変化を示す図である。従来のインクジェット記録装置の構成を示す図である。

符号の説明

１プラテン（記録装置本体）
２ガイドレール
３キャリッジ
４インクジェットヘッド
５インクチューブ
６インクタンク
７カバー
８圧力安定器

Claims

キャリッジに搭載されたインクジェットヘッドを主走査方向に移動させるとともにインクを吐出して記録を行うインクジェット記録装置において、
記録装置本体に支持され、インクを貯蔵するインクタンクと、
当該インクタンクから上記インクジェットヘッドへインク流路を形成するインクチューブとを有し、
上記インクジェットヘッドには予めインクが所定量収容されるとともに、上記インクチューブが連接可能に構成されることを特徴とするインクジェット記録装置。
請求項１記載のインクジェット記録装置において、
記録開始時には上記インクジェットヘッドに予め収容されているインクにより記録を行うとともに、記録に伴って吐出されるインク量に応じて上記インク流路を介してインクタンクからインクジェットヘッドへインクを供給することを特徴とするインクジェット記録装置。
上記インクジェットヘッドは、上記インクチューブが連接されて密閉されるとともに、
インクチューブに接続される上記インクタンクに貯蔵されるインクには、大気圧が作用するよう設けられることを特徴とする請求項２記載のインクジェット記録装置。
上記インクチューブには、インク流路を開閉するスリットが形成された弾性体が設けられ、
上記インクジェットヘッドには、当該インクチューブに設けられた弾性体のスリットに挿入されてこれを弾性変形させてインク流路を開放するパイプが設けられることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のインクジェット記録装置。
上記インクジェットヘッドはサーマル方式のインクジェットヘッドであることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のインクジェット記録装置。
上記インクチューブに接続されるインク流路を有する口金と、当該口金のインク流路に接続されてこのインク流路よりインクまたは空気の出入りが可能となるバッグとからなる圧力安定器を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のインクジェット記録装置。