JP2008162285A - インクジェット記録装置、インク供給機構及びインクジェット記録方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、圧力室の圧力を適切な圧力とすることができるインクジェット記録装置を提供する。
【解決手段】インクジェット記録装置１は、インクジェットヘッド１１〜１６と、インクを貯留可能なメインタンク２５と、負圧タンク３０と、を備え、オリフィスプレート１８の表面から見たメインタンク２５のポテンシャル圧力をｐｈとし、メインタンク２５から負圧タンク３０に至る総流路抵抗をＲとし、メインタンク２５からノズル１７までの流路抵抗とノズル１７から負圧タンク３０までの流路抵抗の比を１：ｒとし、循環路３６を循環するインクの流量をＱとしたとき、これらの関係が、少なくともノズルからインクを吐出して印字する際に、ｐｈ−｛ＱＲ×（１／（１＋ｒ））｝＝Ｐｎ（但し、Ｐｎはノズルでの適正メニスカス圧力を示す定数）を満たすように保持されることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インクを循環させながら、インクジェットヘッドからインクを吐出するインクジェット記録装置、インク供給機構及びインクジェット記録方法に関する。

インクを循環させながらインクジェットヘッドのノズルからインクを吐出するインクジェット記録装置およびインクジェット記録方法が知られている（例えば特許文献１、２参照）。このようなインクジェット記録装置においては、ノズルからインクが漏れることがなく、ノズルから空気を引き込むことがなく、かつ、インクの適切な吐出液滴形状を得ることが求められる。これらを実現するために、インクジェットヘッドのノズル近傍の圧力を適正な値に保つことが望ましいとされている。例えば図１１に示すようなインクジェット記録装置では、ノズル近傍を負圧にするためにインクタンクをヘッドよりも下方に配置している。ヘッドは導管を介してインクタンク下部に接続されている。インクタンク下部の液面がノズルプレートの表面から高さｈだけ下に位置する場合、インク室のノズル近傍に対するポテンシャル圧力は−ρｇｈ（ただしρはインクの密度、ｇは重力加速度）となる。この液面は、大気圧に開放されている。したがって、インク導管の圧力損失が十分小さいとき、インク室のノズル近傍は−ρｇｈの負圧に保たれる。
特表２００２−５３３２４７号公報 米国特許第２００２／０１１８２５６号明細書

しかし、上記のようにヘッドよりも下の位置からインクを供給することは、印刷機の機構上の制約を受ける場合が多い。例えば一般にシリアルスキャン式の印刷機では、ヘッドの近傍にはベルトやスライダなどのスキャン機構があり、ヘッドを境に上部と下部とに分断されている。また、ヘッド固定式の印刷機では、一般に、インクジェットヘッドは下向きに吐出し、印刷用紙がヘッドの下を水平方向に移動するので、印刷用紙及びその送り機構によって印刷機は上部と下部に構造的に分断されている。このような印刷機内でヘッドよりも下に位置するインクタンクからヘッドへインクを送ろうとすると、インクの導管は長く曲がりくねったものになりやすい。また、このため導管の太さを確保することも難しい。

細く、長く、曲がりくねった導管では、流路抵抗が無視できないほど大きくなる。したがって、流路抵抗の影響により、インクの吐出量によってノズル近傍の圧力室の負圧が変化し、適切な負圧を保つことが困難となる。
また、長く、曲がりくねった導管は印刷機の構造を複雑にし、保守性も悪く、導管内のインク体積が大きいため、インクの無駄も多くなる。

シリアルスキャン式の低速の印刷機においてはヘッドの近傍上部に多孔質体や変形する袋等で構成された、負圧を生成する機構を備えた技術がある。しかしながらこれらの機構は多様なインクとの互換性を確保することが難しい。また、この技術を循環式ヘッドのインク供給系に応用する考え方はない。

大型の印刷機などでは、ヘッドの近傍上部に負圧空気を供給したサブタンクを設置し、メインタンクからポンプでサブタンクへインクをくみ上げる構成とすることで、サブタンクをヘッドの近くに設置可能とする技術がある。このため、比較的容易にサブタンクからヘッドまでの導管の圧力損失を小さくすることができるが、この技術を循環式のインク供給システムに応用する考えはない。

本発明の一実施形態に係るインクジェット記録装置は、ノズルを有する圧力室、上流ポート及び下流ポートを有するインクジェットヘッドと、前記上流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通し、インクを保持可能なメインタンクと、前記下流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通し、インクを貯留可能なサブタンクと、を備え、前記インクジェットヘッドの前記ノズルから見た前記メインタンクのポテンシャル圧力をｐｈとし、前記メインタンクから前記インクジェットヘッドを経由して前記サブタンクに至る総流路抵抗をＲとし、前記メインタンクから前記ノズルまでの流路抵抗と前記ノズルから前記サブタンクまでの流路抵抗の比を１：ｒとし、前記インクジェットヘッド、前記メインタンク、及び前記サブタンクを連通して構成される循環路を循環するインクの流量をＱとしたとき、これらｐｈ、ｒ、Ｒ及びＱの関係が、少なくとも前記ノズルからインクを吐出して印刷する際に、ｐｈ−｛ＱＲ×（１／（１＋ｒ））｝＝Ｐｎ（但し、Ｐｎはノズルでの適正圧力を示す定数）を満たすように保持されることを特徴とする。

本発明の一実施形態に係るインクジェット記録方法は、ノズルを有する圧力室、上流ポート及び下流ポートを有するインクジェットヘッドと、前記上流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通するとともにインクを保持可能なメインタンクと、前記下流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通するとともにインクを貯留可能なサブタンクと、が連通されて構成される循環路において、前記インクジェットヘッドの前記ノズルから見た前記メインタンクのポテンシャル圧力をｐｈとし、前記メインタンクから前記インクジェットヘッドを経由して前記サブタンクに至る総流路抵抗をＲとし、前記メインタンクから前記ノズルまでの流路抵抗と前記ノズルから前記サブタンクまでの流路抵抗の比を１：ｒとし、循環ポンプの流量をＱとしたとき、これらの関係が、少なくとも前記ノズルからインクを吐出して印字する際に、ｐｈ−｛ＱＲ×（１／（１＋ｒ））｝＝Ｐｎ（但し、Ｐｎはノズルでの適正圧力を示す定数）を満たす状態で、インクを循環させることを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で、圧力室の圧力を適切な圧力とすることができる。

［第１実施形態］
以下に本発明の一実施形態にかかるインクジェット記録装置およびインクジェット記録方法について、図１乃至図３を参照して説明する。なお、各図において適宜構成を拡大、縮小、省略して概略的に示している。インクジェット記録装置１は、インクを循環させつつインクジェットヘッド１１〜１６のノズルから図示しない記録媒体にインクを吐出して画像を形成するものであり、インク供給機構１０を備えている。このインク供給機構１０は、複数（ここでは６個）のインクジェットヘッド１１〜１６、インク供給源としてのメインタンク２５、インクを貯留する負圧タンク３０、これらを接続するとともにインクの循環路を構成する第１、第２、第３の導管３１〜３３、及びインクを循環させるインク送り機構としての循環ポンプ３５、等を備えている。

図２に示されるインクジェットヘッド１１〜１６は、ノズル１７を有するオリフィスプレート１８を備えている。このオリフィスプレート１８の背面側にノズル１７に対向する圧力室１９が形成されている。この圧力室１９を経由してインク２０が循環する。圧力室１９は導管３１，３２と連通する循環路よりも狭く構成されている。図２中ノズル１７の対向面側に構成された圧力室１９に、アクチュエータ２２が設けられている。圧力室１９において、このアクチュエータ２２が駆動されることによって、ノズルからインク滴２０ａが吐出される。アクチュエータ２２としては、例えばＰＺＴ等の圧電素子を用いて直接又は間接的に圧力室を変形させるものや、静電気でダイアフラムを駆動するもの、静電気で直接インクを移動させるもの等が用いられるが、これらに限られない。各インクジェットヘッド１１〜１６は、それぞれ上流ポート１１ａ〜１６ａと下流ポート１１ｂ〜１６ｂを有している。各インクジェットヘッド１１〜１６の上流ポート１１ａ〜１６ａは、第１導管３１を介してメインタンク２５に接続されている。各下流ポート１１ｂ〜１６ｂは、第２導管３２を介して負圧タンクに接続されている。このように構成されたインクジェットヘッド１１〜１６において、インク２０が、圧力室１９を経由して、例えば図２中矢印で示すように、右から左へ循環する。

図１に示すように、メインタンク２５は、インクジェットヘッド１１〜１６よりも上方に配置され、インクを補給するためのインク供給源としての機能を有する。メインタンク２５は、上部タンク２６と下部タンク２７とを備え、下部タンク２７の液面は大気に開放されている。上部タンク２６は、交換可能なボトルである。上部タンク２６のインクがなくなった場合、ユーザは上部タンク２６をインク充填済みの新しいボトルと交換する。上部タンク２６と下部タンク２７とは通気パイプ２８及びインク補給パイプ２９を介して接続されている。上記インクジェットヘッド１１〜１６からインクが消費されると、これに伴い下部タンク２７の液面が下がり、通気パイプ２８の下端がインクタンクの液面から離れる。このとき、下端が露出した通気パイプ２８を伝って空気が上部タンク２６へ導入される。上部タンク２６においてこの空気に押し出されたインクが、インク補給パイプ２９を通って下部タンク２７へ落ちると、下部タンク２７の液面が上昇する。この上昇により、下部タンク２７の液面が通気パイプ２８の下端まで達すると、通気パイプ２８が閉塞されることにより上部タンク２６への空気の流入は止まり、インクの補給が停止される。こうして、下部タンク２７の液面が制御されつつインクの補給が行われる。

なお、インクジェットヘッドのインク室のノズル１７近傍つまり圧力室１９の適正圧力の設定範囲に余裕がある場合には、液面の高さは厳密でなくてもよいため、断面積が大きく浅い容器をメインタンク２５として用いて、体積変化に対する水面高さ変化を抑えることができる。その場合には、ユーザはメインタンク２５のインクが減った場合に、メインタンク２５に直接インクを補給してもよく、交換可能なボトルの構成を省略できる。

メインタンクは第１導管３１を介してインクジェットヘッド１１〜１６の上流ポート１１ａ〜１６ａに接続されている。第１導管３１の長さができるだけ短くなるように、メインタンクは、各インクジェットヘッド１１〜１６の直上部かつ中央付近に配置されている。

サブタンクとしての負圧タンク３０は、インク流入口３０ａとインク流出口３０ｂを有するインクタンクであり、インクを貯留し、オリフィスプレート１８の表面を基準として単位体積当たりのエネルギーＰを生成する圧力源としての機能を有する。負圧タンク３０は、インクジェットヘッド１１〜１６よりも上方に配置されている。インク流入口３０ａは第２導管３２を介してインクジェットヘッド１１〜１６の下流ポート１１ｂ〜１６ｂに接続されている。インク流出口３０ｂは、循環ポンプ３５を備える第３導管３３を介してメインタンク２５に接続されている。負圧タンク３０は、上部にバルブ３４を備えている。このバルブ３４の開閉により選択的に、負圧タンク３０の液面を大気圧に開放し、あるいは密閉することが可能となっている。

これら、メインタンク２５、負圧タンク３０、第１導管３１、第２導管３２、第３導管３３及び圧力室１９の内部は互いに連通し、循環路３６を形成している。

循環ポンプ３５は、第３導管３３に設けられ、インク２０を循環させる機能を有する。

なお、ここでは吐出流量が循環流量に比べて十分小さいものとする。この場合、インク供給機構１０やインクジェットヘッド１１〜１６内の圧力損失の値は吐出流量よりも循環流量に大きく左右されることになる。各インクジェットヘッド１１〜１６の下端のノズル１７付近の循環流に起因する動圧は、一般には十分小さく、無視できる。また、このようなインクジェットヘッド１１〜１６のインク供給機構ではレイノルズ数は普通、十分小さく、乱流の影響は無視できる。

図１に示すように、本実施形態において、メインタンク２５から、第１導管３１、上流ポート１１ａ〜１６ａ及び各インクジェットヘッド１１〜１６の内部のインク経路（不図示）を介して各インクジェットヘッド１１〜１６の下端のノズル１７に至る流路抵抗を、それぞれＲ１１〜Ｒ６１とする。また、ノズル１７からインクジェットヘッド１１〜１６内部のインク経路及び下流ポート１１ｂ〜１６ｂを介して負圧タンク３０に至る流路抵抗をそれぞれＲ１２〜Ｒ６２とする。なお、インクジェットヘッド１１に対応するＲ１１及びＲ１２のみ矢印を付して示しているが他のインクジェットヘッド１２から１６についても同様である。この場合に、Ｒ１１：Ｒ１２＝Ｒ２１：Ｒ２２＝Ｒ３１：Ｒ３２＝Ｒ４１：Ｒ４２＝Ｒ５１：Ｒ５２＝Ｒ６１：Ｒ６２＝１：ｒとなるように、各インクジェットヘッド１１〜１６のノズル１７から見た上流側の流路抵抗と下流側の流路抵抗との比ｒを揃える。ここで、Ｒ１１〜Ｒ６１、Ｒ１２〜Ｒ６２は図１のような実施例では実際には各ヘッドごとに独立分離しておらず、共通の導管部を持っているが、共通の導管部はヘッド毎に按分して考える。按分の方法については後で述べる。

また、ここで各導管３１〜３３とインクジェットヘッド１１〜１６を含む流路抵抗Ｒ１１〜Ｒ６１、Ｒ１２〜Ｒ６２を合成したネットワークを、メインタンク２５と負圧タンク３０の二点から見たときの流路抵抗の値をＲとする。

各インクジェットヘッド１１〜１６のオリフィスプレート１８の表面から見てメインタンク２５の液面は高さｈだけ高い位置にあるため、メインタンク２５のインクは、オリフィスプレート１８の表面の高さを基準にすればｐｈ＝ρｇｈのポテンシャル圧力を有することになる。

このインク供給機構１０では、循環路３６にインクがない状態において、負圧タンク３０のバルブ３４を開放し、循環ポンプ３５を停止するとともに、開放した状態から最初にメインタンク２５の上部タンク２６に、インクの充填されたボトルを取り付ける。

これにより、インク２０が所定の液面高さとなるまで下部タンク２７に流れ落ちる。このとき、インク２０は、上記ポテンシャル圧力によって第１導管３１を介してインクジェットヘッド１１〜１６の上流ポート１１ａ〜１６ａに流入する。さらにインク２０は循環ポンプ３５を逆流して負圧タンク３０の液面高さがメインタンク２５の液面高さと同じ高さになるまで負圧タンク３０に流入するとともに、下流側の第２導管３２を介してインクジェットヘッド１１〜１６の下流ポート１１ｂ〜１６ｂに流入される。こうしてインクがインクジェットヘッド１１〜１６内に充填される。

このときノズル１７の周辺が乾燥していれば、ノズル１７にインク２０のメニスカス２１が形成される。このメニスカス圧力２１ａがρｇｈよりも大きければノズル１７からインク２０が滴下されない。

インク２０が充填された後、負圧タンク３０のバルブ３４を閉じ、循環ポンプ３５を流量Ｑで駆動する。ここで、ｐｈ、Ｒ、ｒＱの関係が、ｐｈ−｛ＱＲ×（１／（１＋ｒ））｝＝Ｐｎ…（１）（但し、Ｐｎはノズルのメニスカス圧力を示す定数）を満たすように設定する。なお、ここで、定数Ｐｎを−１ｋＰａと設定して、上記（１）を満たすように流量Ｑが設定される。ｐｈ−｛ＱＲ×（１／（１＋ｒ））｝＝−１ｋＰａ…（２）を満たすと、ノズル１７に−１ｋＰａの負圧のメニスカス圧力２１ａが与えられ、適切な凹状のメニスカス２１が形成される。

このとき、図１に示すように、負圧タンク３０の液面がΔｈだけ低下し、内圧がｐｍとなる。ＱＲとΔｈ、ｐｍの関係は、ＱＲ＝ρｇΔｈ−ｐｍである。ただし、メインタンク２５の液面の断面積は十分大きく、循環によるメインタンク２５の液面高さ変化は無視できるものとする。

図３は、ｒ＝１とした際の等価回路図である。ここでは、粘度１０ｍＰａ・ｓ、比重０．８５の油性インクを使用する。インクジェットヘッド１１〜１６は６３６個のノズル１７を有し、各々のノズル１７は６．２４ｋＨｚの周波数で駆動でき、最大４２ｐＬのインクを吐出する。したがって、１つのインクジェットヘッド１１〜１６のノズル１７から吐出されるインクの流量は最大で１．６７×１０^−７ｍ^３／ｓとなる。

また、インクジェットヘッド１１〜１６の上流ポート１１ａ〜１６ａからノズル１７までの流路抵抗Ｒ１０１〜Ｒ６０１と、ノズル１７から下流ポート１１ｂ〜１６ｂまでの流路抵抗Ｒ１０２〜Ｒ６０２は、ともに７×１０^８Ｐａ・ｓ／ｍ^３である。

隣り合うインクジェットヘッド１１〜１６の上流ポート同士の間及び下流ポート同士の間隔は、それぞれφ３ｍｍ×８０ｍｍの第４導管４０や第５導管４１で接続されており、その流路抵抗、Ｒ１２１，Ｒ２３１，Ｒ３４１，Ｒ４５１、Ｒ５６１、Ｒ１２２，Ｒ２３２，Ｒ３４２，Ｒ４５２、Ｒ５６２は各々４×１０^８Ｐａ・ｓ／ｍ^３である。

第１導管３１はインクジェットヘッド１３の上流ポート１３ａ近傍に配置された分岐点４２から分岐し、メインタンク２５に接続されたφ４ｍｍ×５０ｍｍの管で構成されている。この部分の流路抵抗Ｒ１は、８×１０^７Ｐａ・ｓ／ｍ^３である。

また、第２導管３２はインクジェットヘッド１３の下流ポート１３ｂ近傍に配置された分岐点４３から分岐し、負圧タンク３０に接続されたφ４ｍｍ×５０ｍｍの管で構成されている。この部分の流路抵抗Ｒ２は、８×１０^７Ｐａ・ｓ／ｍ^３である。

メインタンク２５の液面高さはインクジェットヘッド１１〜１６のオリフィスプレート１８の表面より６０ｍｍ高い位置で大気圧に開放され、液面制御されている。このメインタンク２５の液面とノズル１７の表面の水頭差によって生じるポテンシャル圧力ｐｈは、重力加速度ｇを９．８ｍ／ｓ^２とすれば０．８５×９．８ｍ／ｓ^２×６０ｍｍ＝５００
Ｐａである。

このインク供給機構１０ではオリフィスプレート１８の表面からメインタンク２５を見た上流側の流路抵抗とノズル１７から負圧タンク３０を見た下流側の流路抵抗が等しく、前述の流路抵抗の比ｒは１である。

このインク供給機構ネットワークをメインタンク２５と負圧タンク３０の２点から見たときの流路抵抗Ｒを計算すると、Ｒ＝６．７×１０^８Ｐａ・ｓ／ｍ^３となる。（１）式に、ｐｈ＝５００、ｒ＝１、Ｒ＝＝６．７×１０^８を代入すると、５００−｛Ｑ×６．７×１０^８×（１／２）｝＝−１０００より、Ｑ＝１５００／（６．７×１０^８×（１／２））＝４．５×１０^−６となる。すなわち４．５×１０^−６（ｍ^３／ｓ）の流量で循環ポンプ３５を駆動すればノズル１７のメニスカス圧力は−１０００Ｐａとなる。

図３中、Ｖｐｈはオリフィスプレート１８の表面の高さからみたメインタンク２５液面のポテンシャル圧力、ｌＱは循環ポンプ３５の流量である。ｌＶｍ０は負圧タンク３０の内圧で、−２．５ｋＰａとなる。また、ｌＶｍ１〜ｌＶｍ６はインクジェットヘッド１１〜１６の各ノズルのメニスカス圧力であり、−１ｋＰａである。

また、Ｉｉｊ１〜Ｉｉｊ６は、インクジェットヘッド１１〜１６の各ノズル１７から吐出するインク２０の流量を示している。なお、図３の各数値は、インクの吐出がなく、Ｉｉｊ１〜Ｉｉｊ６＝０の場合における値を示している。

インクジェットヘッド１１〜１６の各ノズル１７からは、最大で１．６７×１０^−７ｍ^３／ｓのインク２０が吐出する。Ｉｉｊ１〜Ｉｉｊ６にこの最大値を代入し、Ｓｐｉｃｅを用いて計算すると。インクジェットヘッド１１〜１６の各ノズル１７メニスカス圧力ｌＶｍ１〜ｌＶｍ６は、それぞれ−１．３８ｋＰａ、−１．３４ｋＰａ、−１．２７ｋＰａ、−１．３８ｋＰａ、−１．４４ｋＰａ、−１．４７ｋＰａに変化する。

但し、上記圧力の数値はアクチュエータがインク吐出動作のために発生する高周波成分を除く平均値である。

ここで、ノズル１７からインク２０が漏れることなく、ノズル１７から空気を引き込むこともなく、かつ、適切な吐出液滴形状を得ることができ、メニスカスが形成され得る適正なメニスカス圧力の範囲は、例えば、大気圧より若干低い、０≧Ｐｎ≧３ｋｐａである。上記ノズル１７のメニスカス圧力ｌＶｍ１〜ｌＶｍ６は、Ｉｉｊ１〜Ｉｉｊ６＝０の場合との差が小さく、いずれも上記適正な圧力の範囲である。

本実施形態にかかるインク供給機構によれば、簡単な構成でインク室のノズル１７の近傍つまり圧力室１９の圧力（但し、アクチュエータがインク吐出動作のために発生する高周波成分を除く平均値）を適切な圧力とすることができる。すなわち、流路抵抗と、流路抵抗比と、循環流量の関係を適宜調節することによってこれらのうちいずれかに制約があっても適切なノズル１７の負のメニスカス圧力を確保することが可能となる。さらに、インクジェットヘッド１１〜１６の上方に構成できるため、インクジェット記録装置１自体の構造を単純化することができる。すなわち導管３１〜３３等を短くできる。このため、インクの無駄を抑えることができる。さらに、多孔質体や変形する袋を用いる場合と比べインクの粘度等に影響されないため、インクとの互換性を確保することが可能である。

メニスカス圧力を決定するメインタンク２５とインクジェットヘッド１１〜１６の間の第１導管３１及び負圧タンク３０とインクジェットヘッド１１〜１６との間の第２導管３２を太く短く設定することが容易になるので、メニスカス圧力の安定した印刷装置を提供できる。

メニスカス圧力が安定することで、インクの吐出状態が安定するため、濃度変動が少なく信頼性の高いインクジェット記録装置を提供できる。また全ての導管がヘッド近傍にあるので太く短く設定でき、これによって所定の循環流量を得るのに必要な圧力を小さく設定できる。各部の圧力が小さいことによってインクジェット記録装置の構成が簡単になる。

また、メニスカス圧力を決定するメインタンク２５とインクジェットヘッド１１〜１６の間の第１導管３１及び負圧タンク３０とインクジェットヘッド１１〜１６との間の第２導管３２の体積を小さくできるのでインクの無駄を防止できる。

本発明によれば、インク供給機構１０を構成する主要部品を全てインクジェットヘッド１１〜１６よりも上の部分で完結させることが可能である。そのため構造が簡単で保守がしやすいインクジェット記録装置を提供できる。

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係るインクジェット記録装置およびインクジェット記録方法について、図４を参照して説明する。なお、流路抵抗の比ｒの値以外については上記第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

本実施形態にかかるインクジェット記録装置２は、ノズル１７の上流側の各部の流路抵抗が上記第１実施形態よりも小さく、下流側各部の流路抵抗が上記第１実施形態よりも大きく設定され、流路抵抗の比ｒの値は２である。メインタンク２５と負圧タンク３０の２点から見たときの流路抵抗Ｒが上記第１実施形態と同じ場合、上記式（１）（２）より、ノズル１７の圧力を上記第１実施形態と同じ適正な値に保ちうる循環流量Ｑは、Ｑ＝１５００／（６．７×１０^８×（１／（１＋２）））＝６．７×１０^−６（ｍ^３／ｓ）となる。このとき、等価回路及び各部の圧力は図４に示すようになる。

また、インクジェットヘッド１１〜１６の各ノズル１７から１．６７×１０^−７ｍ^３／ｓのインクが吐出するとき、上記式１にＩｉｊ１〜Ｉｉｊ６にこの最大値を代入し、Ｓｐｉｃｅを用いて計算すると、インクジェットヘッド１１〜１６の各ノズル１７のメニスカス圧力ｌＶｍ１〜ｌＶｍ６は、それぞれ、−１．２５ｋＰａ、−１．２２ｋＰａ、−１．１６ｋＰａ、−１．２５ｋＰａ、−１．３１ｋＰａ、−１．３４ｋＰａとなる。

但し、上記圧力の数値はアクチュエータがインク吐出動作のために発生する高周波成分を除く平均値である。

上記ノズル１７のメニスカス圧力ｌＶｍ１〜ｌＶｍ６は、Ｉｊ１〜Ｉｉｊ６＝０の場合との差が、上記第１実施形態でｒ＝１とした場合よりも小さく、いずれも上記適正な圧力の範囲である。

本実施形態においても上記第１実施形態と同様の効果を得られる。インク吐出時のノズルのメニスカス圧力変化が少ないという点では第１実施形態よりもさらに好ましい。すなわち、簡単な構成で常にノズル１７の近傍の圧力室の圧力（但し、アクチュエータがインク吐出動作のために発生する高周波成分を除く平均値）を適切な圧力とすることができる。さらに本実施形態にかかるインクジェット記録装置２は、各ノズル１７のメニスカス圧力２１ａはメインタンク２５の圧力の影響をより強く受け、負圧タンク３０の影響が弱いので、メインタンク２５の液面高さが安定している場合に有利である。

［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係るインクジェット記録装置およびインクジェット記録方法について、図５を参照して説明する。なお、流路抵抗の比ｒの値以外については上記第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

本実施形態に係るインクジェット記録装置３では、ノズル１７の上流側各部の流路抵抗が上記第１実施形態よりも大きく、下流側各分の流路抵抗が上記第１実施形態よりも小さくその比ｒは０．５である。ここではメインタンク２５と負圧タンク３０の２点から見たときの流路抵抗Ｒが上記第１実施形態と同じ場合について説明する。上記式（１）、（２）より、ノズル圧力を上記第１実施形態と同じ適正な値に保つための循環流量Ｑは、Ｑ＝１５００／（６．７×１０^８×（１／（１＋０．５）））＝３．３６×１０^−６（ｍ^３／ｓ）となる。このとき、等価回路及び各部の圧力は図５に示すようになる。各ノズルからの吐出がないときのノズル表面の圧力は上記第１実施形態および第２実施形態と同じ−１ｋＰａである。

また、インクジェットヘッド１１〜１６の各ノズルから１．６７×１０^−７ｍ^３／ｓのインクが吐出するときＩｉｊ１〜Ｉｉｊ６にこの最大値を代入しＳｐｉｃｅを用いて計算すると、インクジェットヘッド１１〜１６の各ノズルの表面の圧力ｌＶｍ１〜ｌＶｍ６は、それぞれ、−１．４８ｋＰａ、−１．４５ｋＰａ、−１．３９ｋＰａ、−１．４８ｋＰａ、−１．５４ｋＰａ、−１．５７ｋＰａに変化する。

但し、上記圧力の数値はアクチュエータがインク吐出動作のために発生する高周波成分を除く平均値である。

このノズル表面の圧力ｌＶｍ１〜ｌＶｍ６は、Ｉｉｊ１〜Ｉｉｊ６＝０の場合との差が、上記第１実施形態の場合よりも若干大きいが、いずれも上記適正な圧力の範囲であり、許容範囲内である。

本実施形態においても上記第１実施形態と同様の効果を得られる。すなわち、簡単な構成でインクの循環流量に関係なく、常にノズル１７近傍の圧力室１９の圧力（但し、アクチュエータがインク吐出動作のために発生する高周波成分を除く平均値）を適切な圧力とすることができる。

［第４実施形態］
次に本発明の第４実施形態に係るインクジェット記録装置およびインクジェット記録方法について、図６を参照して説明する。なお、キャップ１１ｃ〜１６ｃを設けた点以外については上記第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

本実施形態にかかるインクジェット記録装置４においては、図６に示すように、各インクジェットヘッド１１〜１６のノズル１７の表面に着脱可能なキャップ１１ｃ〜１６ｃが設けられている。インクがインクジェットヘッド１１〜１６に充填された際、ノズル１７の周辺が濡れているとメニスカスが形成できずインクはノズル１７から滴下する。本実施形態では、ノズル１７から滴下したインクを廃インクとして回収するとともに充填が終了した時点ですぐにノズル１７がキャップ１１ｃ〜１６ｃで密閉される。これにより、メインタンク２５のインクがノズル１７からキャップ１１ｃ〜１６ｃ内に流れた場合にも、キャップ１１ｃ〜１６ｃの内圧が上がり流れが止まるので、メインタンク２５のインクが全て流れ落ちてしまうことが防止される。

また、初期のインク充填が完全に行われず、気泡がインクジェットヘッド１１〜１６内に残ってしまった場合や何らかの理由でノズル１７から空気を吸い込んでしまうことがあり、インクジェットヘッド１１〜１６内の空気が下流側の第２導管３２を介して負圧タンク３０へ送られ、負圧タンク３０の液面が下がってしまう場合がある。このような場合にも、キャップ１１ｃ〜１６ｃで密閉し、再度循環ポンプ３５を停止及び開放し、負圧タンク３０のバルブ３４を開いて負圧タンク３０の液面をメインタンク２５の液面に合わせ、その後バルブ３４を閉じて循環ポンプ３５を再起動することにより対応できる。

また、図７に示すインクジェット記録装置５のように、循環路を開閉可能な弁３８、３９を設けることも可能である。この場合、循環を停止した時に弁３８、３９を閉止状態とすることにより、インクがノズルから全て流れ落ちてしまうことを防ぐことができる。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明を実施するにあたり、各構成部材の具体的な形状など、本発明の構成要素を発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更して実施できることは言うまでもない。例えば、上記各実施形態においては、インクジェットヘッド１１〜１６内の循環流路の途中にノズル１７が位置する場合について説明したが、これに限らず、例えばノズル１７と循環路が離れていて流路で結ばれていてもよい。このときノズルと循環路とを結ぶ流路に生じる圧力が小さければその流路と循環路との接続点をほぼノズルのメニスカス圧力と考えることができるからである。さらには、循環路がインクジェットヘッド１１〜１６の外にあって循環路とインクジェットヘッド１１〜１６が流路で結ばれている場合であっても、循環路とインクジェットヘッド１１〜１６の接続点とノズル１７の近傍（圧力室１９）との圧力差を小さいとみなすことができる場合には本発明を適用可能である。

上記各実施形態ではインクジェットヘッドを６個有する場合を例示したがこれにかぎられるものではない。

次に、上記各実施形態における、共通の導管部の流路抵抗の按分の方法について説明する。図８に示すように、導管が各ヘッド毎に分離しておらず、複数のヘッドに共通の導管部と分岐点とを持っている場合は、共通の導管部は分岐先の各々の流路抵抗の比と同じ比率に按分利用されていると考えることができるので、共通の導管部を分岐先の各々の流路抵抗の比と同じ比率の並列抵抗として按分してヘッド毎の流路抵抗を計算する。

ここで共通導管部を並列抵抗に按分する仕方を図９に示す等価回路図を用いて説明する。ヘッド１１のノズルからの上流側、下流側の各分岐点までの流路抵抗を夫々Ｒ３、Ｒ４とし、ヘッド１２のノズルからの上流側、下流側の各分岐点までの流路抵抗を夫々Ｒ５，Ｒ６とし、上流側の共通導管部の流路抵抗をＲ７とし、下流側の共通導管部の流路抵抗をＲ８としたとき、Ｒ７を並列流路抵抗Ｒ７１とＲ７２に、Ｒ８を、並列流路抵抗Ｒ８１とＲ８２に、按分して考える。

按分の仕方は、
Ｒ７１：Ｒ７２＝Ｒ８１：Ｒ８２＝（Ｒ３＋Ｒ４）：（Ｒ５＋Ｒ６）、
１／Ｒ７＝１／Ｒ７１＋１／Ｒ７２が成立するとともに１／Ｒ８＝１／Ｒ８１＋１／Ｒ８２が成立するようにすれば良い。このとき、Ｒ７１：Ｒ８１＝Ｒ７２：Ｒ８２＝Ｒ７：Ｒ８である。

なお、ヘッド１１のノズル上流の流路抵抗は、（Ｒ７１＋Ｒ３）、ヘッド１１のノズル下流の流路抵抗は（Ｒ８１＋Ｒ４）、ヘッド１２のノズル上流の流路抵抗は（Ｒ７２＋Ｒ５）、ヘッド１２の下流の流路抵抗は（Ｒ８２＋Ｒ６）とする。

ここで、Ｒ３：Ｒ４＝Ｒ５：Ｒ６＝Ｒ７：Ｒ８＝１：ｒとしておけば、（Ｒ７１＋Ｒ３）：（Ｒ８１＋Ｒ４）＝（Ｒ７２＋Ｒ５）：（Ｒ８２＋Ｒ６）＝１：ｒとなるので、実際にＲ７１，Ｒ７２，Ｒ８１，Ｒ８２を計算しなくてもノズルから見た上流側の流路抵抗と下流側の流路抵抗の比は１：ｒであるといえる。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明を実施するにあたり、各構成部材の具体的な形状など、本発明の構成要素を発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更して実施できることは言うまでもない。例えば、上記各実施形態において、インクジェットヘッド１１〜１６の構成として図２に示すように、インクの圧力室１９を介してインク２０を循環させつつ吐出させる構成を例示したがこれに限られるものではない。く、
循環経路から分岐した先に圧力室とノズルを持っているヘッドであっても良いし、循環経路から分岐した先で独立したヘッドを形成しているヘッドブロックであっても良い。

例えば、図１０で示すインクジェットヘッド５０のように、インク貯留部５２にインクを循環供給する方法も適用可能である。このインクジェットヘッド５０は、複数のノズル５１と、このノズル５１に対応して形成された発熱素子５１ａ、インク貯留部５２、このインク貯留部５２の上流側及び下流側に連通する流路５３，５４、等を備えている。この流路５３、５４が、それぞれ上記各実施形態のインク供給機構１０における第４導管４０、第５導管４１に連通されることで、上記各実施形態と同様に機能するとともに上記各実施形態と同様の効果を得られる。この形態ではインク貯留部５２から離間して、スリット５２ａを介して、圧力室５２ｂとメニスカスが形成されるノズル５１を備えており、インク貯留部５２はインク循環部分とスリット５２ａを介した圧力室５２ｂ、ノズル５１との分岐点であると考えることができる。このようなヘッドにインクを循環させた時、インク貯留部５２とノズル５１の表面の高さがほとんど違わないとすれば、非吐出時にはこの分岐点とノズルのメニスカス圧力はほぼ等しい。したがって、インク貯留部５２のインク圧力をノズルのメニスカス圧力と考えて実施すればよい。又、吐出時は吐出流量に分岐点からノズルまでの流路抵抗を掛けた圧力だけノズルのメニスカス圧力が下がると考えればよい。

さらには、このインクジェット装置に使用される印刷ヘッドは、循環経路の途中からフィルタを介してアクチュエータ、ノズルへ分岐しているタイプでも良い。この場合も、非吐出状態ではノズルの圧力はフィルタ１次側が循環経路と接する部分の圧力と同一と考えることが出来る。又吐出時は吐出流量にフィルタ１次側からノズルまでの流路抵抗を掛けた圧力だけノズルの圧力が下がると考えればよい。

アクチュエータ２２として、上記実施形態に示すもの以外にも、例えば、ピエゾ式、ピエゾシェアモード式、サーマルインクジェット式等も適用可能である。

また、オリフィスプレート表面に複数のノズル開口があって各々の高さが異なる場合には、高さの違いに起因するノズル近傍の圧力の違いが適正なノズル近傍の圧力の範囲を超えない限りにおいて、各ノズルの高さの平均をオリフィスプレート表面の高さと考えれば良い。この時ヘッド内のインク循環流の方向を高さの低いノズルに近い方から高さの高いノズルに近い方に向かってとれば、高さの違いに起因するノズル近傍の圧力の違いを減らすことができるので、そのようにしても良い。

また、上記各実施形態において流量Ｑや高さｈの調整は、インクジェット記録装置１等の設計時に予め設定することにより調整してもよいし、流量検出手段及び流量制御手段を設け、流量Ｑなどを検出・制御することにより印字中に調整することも可能である。

さらに、ノズル１７から空気を引き込むこともなく、かつ、適切な吐出液滴形状を得るためのメニスカスを形成するための適正なメニスカス圧力の範囲として０ｋＰａ〜−３ｋｐａの範囲を例示したが、必ずしもこの範囲に限るものではなく、インクジェット記録装置の各部材の形状によって適宜変更され得るものである。また、適正なノズル圧力範囲を、例えばインクジェット記録装置に一定の振動が加わった状態にも上記インク漏れ及び引き込みを防止しうるように設定しても良い。

本願発明の第１実施形態におけるインクジェット記録装置の全体の構成を概略的に示す図。 同実施の形態におけるインクジェットヘッドのノズル周辺の構造を示す部分断面図。 同実施の形態におけるインク供給機構の等価回路図。 本願発明の第２実施形態におけるインク供給機構の等価回路図。 本願発明の第３実施形態におけるインク供給機構の等価回路図。 本願発明の第４実施形態におけるインクジェット記録装置の全体の構成を概略的に示す図。 本願発明の第４実施形態の変形例におけるインクジェット記録装置の全体の構成を概略的に示す図。 本願発明の第１実施形態にかかる流路抵抗の按分方法の説明図。 本願発明の第１実施形態にかかる流路抵抗の等価回路図。 本願発明の第１実施形態の変形例にかかるインクジェットヘッドの構造を示す部分断面図。 従来技術の構成を概略的に示す図。

符号の説明

１，２，３，４，５…インクジェット記録装置、１０…インク供給機構、
１１〜１６…インクジェットヘッド、１１ａ〜１６ａ…上流ポート、
１１ｂ〜１６ｂ…下流ポート、１１ｃ〜１６ｃ…キャップ、１７…ノズル、
１８…オリフィスプレート、１９…圧力室、２０…インク、２０ａ…インク滴、
２１…メニスカス、２１ａ…メニスカス圧力、２２…アクチュエータ、
２５…メインタンク、２６…上部タンク、２７…下部タンク、２８…通気パイプ、
２９…インク補給パイプ、３０…負圧タンク、３１〜３３…導管、３４…バルブ、
３５…循環ポンプ、３６…循環路、３８．３９…弁、４０、４１…導管。

Claims (18)

1. ノズルに対向する圧力室、前記圧力室と連通する上流ポート及び下流ポートを有するインクジェットヘッドと、
   前記上流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通し、インクを貯留可能なメインタンクと、
   前記下流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通し、インクを貯留可能なサブタンクと、を備え、
   前記インクジェットヘッドの前記ノズルが形成されたオリフィスプレートの表面から見た前記メインタンクのポテンシャル圧力をｐｈとし、前記メインタンクから前記インクジェットヘッドを経由して前記サブタンクに至る総流路抵抗をＲとし、前記メインタンクから前記ノズルまでの流路抵抗と前記ノズルから前記サブタンクまでの流路抵抗の比を１：ｒとし、前記インクジェットヘッド、前記メインタンク、及び前記サブタンクを連通して構成される循環路を循環するインクの流量をＱとしたとき、これらｐｈ、ｒ、Ｒ及びＱの関係が、少なくとも前記ノズルからインクを吐出して印刷する際に、ｐｈ−｛ＱＲ×（１／（１＋ｒ））｝＝Ｐｎ（但し、Ｐｎはノズルでの適正メニスカス圧力を示す定数）を満たすように保持されることを特徴とするインクジェット記録装置。
2. 前記メインタンク及び前記サブタンクは、前記ノズルよりも上方に設置されていることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
3. 前記Ｐｎは、０≧Ｐｎ≧−３，０００Ｐａであることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
4. 前記メインタンクは、液面が大気に開放された下部タンクと、前記下部タンクと通気路及びインク供給路を介して連通されている上部タンクと、を備えたことを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
5. 前記インクジェットヘッド、前記メインタンク、及び前記サブタンクを連通して構成される循環路においてインクを循環させるとともに、インクの流量を調節可能に構成されたインク送り機構を備えたことを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
6. 前記メインタンクの高さが調節可能であり、前記高さの調節により前記式を保持可能であることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
7. 前記サブタンクの液面を、選択的に、大気圧に開放し、あるいは密閉することが可能なバルブを備えたことを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
8. 複数の前記インクジェットヘッドを備えたことを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
9. 前記メインタンクから前記ノズルまでの流路抵抗と前記ノズルから前記サブタンクまでの流路抵抗の比ｒは１に設定されることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
10. 前記メインタンクから前記ノズルまでの流路抵抗と前記ノズルから前記サブタンクまでの流路抵抗の比ｒは１よりも小さく設定されることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
11. 前記メインタンクから前記ノズルまでの流路抵抗と前記ノズルから前記サブタンクまでの流路抵抗の比ｒは１よりも大きく設定されることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
12. 前記式におけるノズルのメニスカス圧力の適正値は、前記インクジェットヘッドからのインク滴下、ノズルへの空気引き込みを防止しうる範囲に設定されることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
13. 前記式におけるノズルのメニスカス圧力の適正値は、前記インクジェットヘッドに振動が加えられた際に、前記インクジェットヘッドからのインク滴下、ノズルへの空気引き込みを防止しうる範囲に設定されることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
14. 前記ノズルの先端に着脱可能に構成され前記ノズルの吐出口を開閉可能なキャップを備えたことを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
15. 前記メインタンクと前記上流ポートとを連通する導管を備え、該導管は循環路を開閉可能な弁を備えたことを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
16. 前記流量を検出する検出器と、前記検出器の検出結果に応じて前記式を満たすように前記流量を調節する制御装置とを備えたことを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
17. ノズルに対向する圧力室、前記圧力室と連通する上流ポート及び下流ポートを有するインクジェットヘッドと、
    前記上流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通し、インクを貯留可能なメインタンクと、
    前記下流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通し、インクを貯留可能なサブタンクと、を備え、
    前記インクジェットヘッドの前記ノズルか形成されたオリフィスプレートの表面から見た前記メインタンクのポテンシャル圧力をｐｈとし、前記メインタンクから前記インクジェットヘッドを経由して前記サブタンクに至る総流路抵抗をＲとし、前記メインタンクから前記ノズルまでの流路抵抗と前記ノズルから前記サブタンクまでの流路抵抗の比を１：ｒとし、前記インクジェットヘッド、前記メインタンク、及び前記サブタンクを連通して構成される循環路を循環するインクの流量をＱとしたとき、これらの関係が、少なくとも前記ノズルからインクを吐出して印字する際に、ｐｈ−｛ＱＲ×（１／（１＋ｒ））｝＝Ｐｎ（但し、Ｐｎはノズルでの適正メニスカス圧力を示す定数）を満たすように保持されることを特徴とするインク供給機構。
18. ノズルに対向する圧力室、前記圧力室と連通する上流ポート及び下流ポートを有するインクジェットヘッドと、前記上流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通するとともにインクを貯留可能なメインタンクと、前記下流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通するとともにインクを貯留可能なサブタンクと、が連通されて構成される循環路において、前記インクジェットヘッドの前記ノズルが形成されたオリフィスプレートの表面から見た前記メインタンクのポテンシャル圧力をｐｈとし、前記メインタンクから前記インクジェットヘッドを経由して前記サブタンクに至る総流路抵抗をＲとし、前記メインタンクから前記ノズルまでの流路抵抗と前記ノズルから前記サブタンクまでの流路抵抗の比を１：ｒとし、前記インクジェットヘッド、前記メインタンク、及び前記サブタンクを連通して構成される循環路を循環するインクの流量をＱとしたとき、これらの関係が、少なくとも前記ノズルからインクを吐出して印字する際に、ｐｈ−｛ＱＲ×（１／（１＋ｒ））｝＝Ｐｎ（但し、Ｐｎはノズルでの適正メニスカス圧力を示す定数）を満たす状態で、インクを循環させることを特徴とするインクジェット記録方法。

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