JP2012061770A - インクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】記録ヘッド内に滞留しているインクが増粘することを回避するために、インク抜きが行われるが、全てのチャネルからインクを抜き出せない事態がある。
【解決手段】記録ヘッドが非画像記録時のタイミングで、インク供給側の第１の空気導入手段から記録ヘッドの第１の共通インク室内に空気を取り込み、及び前記第２の空気導入手段により前記第２のタンクを大気開放し、チャンネル内のメニスカスが破壊される圧力よりも低い圧力を印加して、第１の共通インク室側から第２の共通インク室側に向かって、全チャネル内のインクを空気に置換するインクジェット記録装置である。
【選択図】図９

Description

本発明は、記録媒体にインクを吐出して画像を記録するインクジェット記録装置に関する。

従来、インクジェット記録装置、例えばインク滴を記録媒体に吐出して、画像を記録するインクジェットプリンタが知られている。記録ヘッドに供給されたインクは、乾燥することにより増粘或いは固化したり、又は異物が侵入したりすることにより、ノズルを塞ぎ、インクの吐出が不能になる事態か生じる虞がある。

例えば、特許文献１には、このような事態を回避する１つの手法が開示されている。通常、記録ヘッドの吐出を回復させるためには、インク供給源から加圧インクを供給して、各ノズル内に滞留する増粘インクを外部に押し出す、所謂パージ（加圧パージ）動作を行っている。この特許文献１は、記録ヘッドの発熱、パージ動作に使用するインク消費量の増加及び、消費電力の増加等の問題に着目し、記録ヘッドのパージ動作前又はパージ動作中の少なくともいずれかの動作の際に、複数のノズルの中から主インク流路から離れてパージ圧力が低いノズルを選択的にプリカーサ又はフラッシングする技術が提案されている。

特開２０１０−８９３１２号公報

日本機械学會論文集．Ｂ編６５（６３０），５４４−５５０ 日本機械学會論文集３７（３０１），１７０８−１７１５

前述した特許文献１に開示されている手法は、インクジェット記録装置を長期に渡り起動せずに放置していた場合、記録ヘッド内に滞留しているインクが増粘してしまうことは回避しきれない。また、記録ヘッド内には、ノズル数に相当する数のチャネルが形成されているが、共通インク室内の温度勾配等のばらつきにより、チャネル内におけるインクの粘度に差が生じて、一部のチャネル内のインクが他のチャネル内のインクよりも増粘が進行する場合がある。

このような状態の記録ヘッドのインク流路に対して、パージ動作を実行しても、粘度の低いインクがより多くスムーズに排出されるため、全体的に加えられたパージ加圧によって流路抵抗が低くなったチャネルに偏ってインクが流れてしまい、粘度の高いインクが留まってしまったチャネルからは効率的に増粘したインクが除去されない。

そこで本発明は、記録ヘッド内におけるインクの滞留を防止することにより、長期間に渡り起動されない場合でも、増粘又は固化したインクによる流通の妨げを抑制するインクジェット記録装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に従う実施形態は、を提供する。

本発明によれば、記録ヘッド内におけるインクの滞留を防止することにより、長期間に渡り起動されない場合でも、増粘又は固化したインクによる流通の妨げを抑制するインクジェット記録装置を提供することができる。

図１は、第１の実施形態に係るインクジェット記録装置におけるインク経路に関する概念的な構成例を示す図である。 図２（ａ）乃至図２（ｄ）は、メンテナンス処理について説明するための図である。 図３は、記録ヘッドにおける内部構造を示す図である。 図４（ａ）乃至図４（ｇ）は、１つのチャネルにおけるインクの抜け状態を示す図である。 図５は、配列された複数のチャネルをベースプレート側から透視した構成を示す図である。 図６は、インク抜き処理（インク／空気置換）の制御について説明するためのフローチャートである。 図７（ａ）乃至図７（ｄ）は、チャネルからインクが抜ける状態（インク／空気置換）を示す図である。 図８は、チャネルにインクが残留した状態を示す図である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、第２の実施形態におけるチャネルからインクが抜ける状態（インク／空気置換）を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るインクジェット記録装置におけるインク経路に関する概念的な構成例を示す図である。本実施形態のインクジェット記録装置は、水性インクを用いたインク循環経路を備えるインクジェットプリンタ（以下、プリンタと称する）を一例として説明する。尚、図１に示すインク供給系においては、１色のインク循環経路を示しており、カラー画像を記録する場合には、その色数に応じたインク循環経路数となる。

プリンタ１は、大別して、インク供給系２と、記録媒体７の搬送機構３と、インクを吐出する記録ヘッド４と、メンテナンス機構５と、廃液タンク６と、制御部９とで構成される。
インク供給系２は、インク供給路（第１のインク経路）１１と、インク排出路（第２のインク経路）１２と、インク帰還路（第３のインク経路）１３と、でインク循環経路が形成され、さらにインク供給路１１には、インク補充路（第４のインク経路）１４が設けられている。インクは、画像記録動作が実施される時、及び装置起動時等におけるインク温度の調整時に、インク循環経路を循環する。

このインク循環経路上には、上流タンク２１、記録ヘッド４、下流タンク２６及び、循環ポンプ３２が配置される。インク供給路１１は、上流タンク２１から後述する第１の空気導入手段である三方弁３０を介して記録ヘッド４までインクチューブ２３（２３ａ，２３ｂ）で接続し、インクチューブ２３ａ，２３ｂを通じて記録ヘッド（インクジェットヘッド）４にインクを供給する。

三方弁３０は、インクチューブ２３ａと記録ヘッド４とを連通させて大気と遮断するインク循環姿勢、又はインクチューブ２３ａとの連通を閉塞させて、大気と記録ヘッド４内部とを連通させる大気開放姿勢、の２つの連通状態をとる。
記録ヘッド４は、対向して搬送される記録媒体７に向けて、所定のタイミングで所定量のインク滴８を吐出する。図示していないが、インク供給路１１上にフィルタを設けて、インク流路内の異物やインク塊を排除してもよい。

圧力発生部となる上流タンク２１には、電磁弁２２、上流タンク液面センサ２４が設けられている。電磁弁２２は、制御部９の制御により開閉して、上流タンク２１内を大気開放状態又は密閉状態にする。上流タンク液面センサ２４は、上流タンク２１のインクの液面高さを検出するセンサである。また、図示していないが、上流タンク２１のインク流入ポート又は流出ポートの近傍、又は記録ヘッドの供給ポートの近傍のインク経路上にインク温度を調整（加温及び冷却）する温度調整機構を設けてもよい。

記録ヘッド４は、複数のノズルによるノズル列を有するノズル面４Ｎが記録媒体７と対向するように設けられている。記録ヘッド４は、ノズル面４Ｎの下方を通過するように搬送される記録媒体７に向けて、所定のタイミングで画像データに基づく液量のインク滴８を噴射する。

インク排出路１２は、記録ヘッド４から下流タンク２６までをインクチューブ２３で接続し、記録ヘッド４から使用（吐出）されなかったインクが排出されて、下流タンク２６に流入する。下流タンク２６には、電磁弁２７、下流タンク液面センサ２８及び加圧ポンプ２９が設けられている。

これらのうち、電磁弁２７は、制御部９の制御により開閉して、下流タンク２６内を大気開放状態又は密閉状態にする。下流タンク液面センサ２８は、下流タンク２６のインクの液面高さを検出するセンサである。パージ手段である加圧ポンプ２９は、メンテナンス機構の一部位であり、外気を下流タンク２６内に送り込むことにより、インク循環経路内を加圧することができる。

下流タンク２６は、上流タンク２１よりも重力方向の下方に配置され、上流タンク２１からインクの自重（重力）により記録ヘッド４に流れ込み、さらに記録ヘッド４から下流タンク２６に流入するように高さの差を設けている。この高さの差は、記録ヘッド４にはメニスカスを形成し、さらに吐出されなかったインクが下流タンク２６に流れ込むように、設計時に適宜、配置される。

このように、本実施形態においては、重力方向で高い位置から、メインインクタンク３５、上流タンク２１及び、下流タンク２６の順に配置され、上流タンク２１と下流タンク２６との間の高さ位置に記録ヘッド４が配置される。また、記録ヘッド４を基準位置（基準高さ）として、インクを供給する上流タンク２１側を上流とし、記録ヘッド４から排出されたインクが流れ込む下流タンク２６側を下流と称する。

インク帰還路１３は、下流タンク２６から循環ポンプ３２を経て上流タンク２１までをインクチューブ３３で接続し、下流タンク２６から上流タンク２１にインクを汲み上げて、再供給する。循環ポンプ３２は、後述するメンテナンス処理時におけるパージ動作開始からワイプ動作終了までの期間を除き駆動している。

また、循環ポンプ３２は、インクを上流タンク２１に汲み上げることで下流タンク２６内を負圧にすることができ、記録ヘッド４からインクを排出させるインク排出手段としての役目も有している。また、インク補充路１４は、メインインクタンク３５から電磁弁３６を経て上流タンク２１までをインクチューブで接続し、メインインクタンク３５から上流タンク２１にインクを補充する。

メインインクタンク３５は、上流タンク２１よりも高い位置に配置され、インクは、重力（インクの自重）によりインクチューブを流れて、上流タンク２１に流れ込む。電磁弁３６は、制御部９の制御により開閉して、上流タンク２１へのインク補充を行い、インク循環経路内のインク量を調整する。メインインクタンク３５は、共に図示しないコネクタをインクチューブのコネクタに嵌合させて着脱自在に接続される。
さらに、メインインクタンク３５に接続されるインクチューブの途中には、電磁弁３７が設けられ、制御部９の制御により開閉して、メインインクタンク３５内を大気開放又は密閉する。

制御部９は、上流タンク２１及び下流タンク２６の液面センサ２４，２８を含めたプリンタ全体のセンサ類からのセンサ信号を受信する。制御部９は、それらのセンサ信号に基づいて、記録ヘッド４、ベルト搬送機構１０、電磁弁２２，２７，３６，３７、循環ポンプ３２及び加圧ポンプ２９を含めたプリンタ１の全ての駆動部分の駆動制御を行う。また、図示しないタイマ（時計）を有しており、記録ヘッドからインクが吐出されていない非吐出状態が継続する、又は予め定めた設定した所定時間以上継続したか否かを判断する。

また、ベルト搬送機構１０は、例えば、ベルトプラテン機構を採用している。この機構は、記録媒体以上の長さ（幅）を有する、少なくとも２つのローラと、これらのローラに捲回されたベルトによって構成される。少なくとも１つのローラには、モータによる駆動源が接続され、ベルトが回転移動される。さらに、ベルトには多数の孔が開口されており、ベルト内部には、吸引用ファンが配設される。この構成により、記録媒体７は、吸引用ファンによりベルト表面に吸着されて、そのベルトの回転と共に、記録ヘッド４のノズルの直前を通過するように搬送される。この時、記録ヘッド４は、対向して搬送される記録媒体７に向けて、所定のタイミングで所定量のインク滴８を吐出して、画像を形成する。

メンテナンス機構５は、インクパン５１と、インクパン５１内に設けられる払拭手段５２とで構成され、記録ヘッド４をメンテナンスする。払拭手段５２は、ノズル面４Ｎを払拭するブレード５３、このブレード５３を支持する支持部材５４及び、図示しない駆動機構により構成される。ブレード５３は、ノズル面４Ｎを傷つけない硬度で弾性を有する部材であり、例えばバイトン、テフロン（登録商標）等で形成されている。

また、ブレード５３は、支持部材５４により上端がノズル面４Ｎよりも例えば１ｍｍ程度高くなるようにされている。支持部材５４は、レール５５に摺動可能に嵌合している。支持部材５４は、金属、プラスチック等のある程度の剛性を備えたものが好適する。

このメンテナンス機構５は、非メンテナンス時には、ベルト搬送機構１０下方の待機位置に退避している。メンテナンス処理時には、図示しない移動機構によってベルト搬送機構１０が画像記録位置から移動して、メンテナンススペースを空ける。代わって、メンテナンス機構５がそのメンテナンススペースに入り、記録ヘッド４のノズル面と対峙する。廃液タンク６は、メンテナンス機構５のインクパン５１と接続されており、メンテナンス処理により生じた廃液を一時的に貯留する。

次に、このように構成されたプリンタにおけるインク循環について説明する。
本実施形態において、インクの循環動作時には、電磁弁２２は開状態、電磁弁２７は閉状態であって、上流タンク２１は大気開放、下流タンク２６は密閉されている。このような状態で、循環ポンプ３２を駆動して、下流タンク２６から上流タンク２１ヘインクへ汲み上げる。

下流タンク２６は、密閉されているためタンク内は負圧となり、その結果、上流タンク２１から記録ヘッド４を経て下流タンク２６側ヘインクが排出される。この時、記録ヘッド４が画像形成に好適な所定の負圧、即ち、内側に凹んだメニスカスが形成される圧力となるように、循環ポンプ３２の駆動（インク汲み上げ量）が制御される。画像記録動作は、このようなインク循環時に実行される。尚、本実施形態においては、負圧とは、常にゲージ負圧のことを示唆する。一方、インク非循環時には、電磁弁２２は閉状態、電磁弁２７は開状態であって、循環ポンプ３２は停止している。画像記録動作を行わない待機時や、電源ＯＦＦ時等には、インク非循環である。

前述したように、記録ヘッド４は、上流タンク２１及び下流タンク２６よりも重力方向上方に配置されており、循環時、待機時の共に記録ヘッド４内は、負圧になり、ノズルにメニスカスが形成されている。このメニスカスの表面張力により、記録ヘッド４が微正圧、ここでは、例えば１ｋＰａ以下程度の小さな正圧になっても、ノズルからインクが垂れ落ちることはない。但し、これ以上の正圧が加わると、メニスカスが破壊されて、インクがノズルから垂れ落ちることになる。同様に、微負圧は、例えば、−１ｋＰａ以下程度の小さな負圧であって、ノズルからインクが垂れ落ちることはない圧力を意味するものとする。

記録ヘッド４の画像形成動作によって、循環経路内のインクが所定量以下になったことが上流タンク液面センサ２４、及び下流タンク液面センサ２８の出力信号から所定のアルゴリズムにより判定されると、電磁弁３７、３６が共に開状態となり、メインインクタンク３５から上流タンク２１ヘインクが補給される。これによって、インク循環経路内のインク量は、常に適正に保たれる。

次に、メンテナンス機構５のメンテナンス動作について説明する。
図２（ａ）は、メンテナンス開始時における記録ヘッド４の近傍の状態を示している。
メンテナンス処理の開始時、記録ヘッド４は、ノズル面４Ｎがインクパン５１に覆われ、メンテナンス廃液が外部に飛散することを抑制する。ブレード５３は、ノズル面４ａの一端の近傍に位置する。メンテナンス処理中において、循環ポンプ３２は、停止している。

図２（ｂ）に示すように、メンテナンス処理は、電磁弁２２，２７を閉じ、加圧ポンプ３２により下流タンク２６を加圧することにより、インク循環経路内のインクに掛かる圧力を上げ、少なくともノズル面４Ｈからインク滴８が押し出される程度まで加圧する。この加圧により、唯一、外気と連通しているノズル４Ｈからインクが押し出されて滴下される。

その後、加圧ポンプ３２を停止し、電磁弁２２、２７を開いて、インク循環経路の圧力を大気圧に戻し、電磁弁２２を閉じて待機状態にする。その後、図２（ｃ）に示すように、払拭手段５２は、駆動機構によって、レール５５に従って、ノズル列方向に沿って移動される。ブレード５３の先端部分は、ノズル面４Ｎを払拭し、残留しているインク滴８を除去する。その後、図２（ｄ）に示すように、ノズル面４Ｎを拭ききって、メンテナンス処理が完了となる。

次に、本実施形態の記録ヘッド４の内部構造について説明する。
図３は、記録ヘッド４における上面にノズル面を露呈する姿勢でインクと接触する内部構造を示している。
記録ヘッド４のベースプレート４Ｂの一面上の両端には、第１の共通インク室である上流共通インク室４Ｍ１と、第２の共通インク室である下流共通インク室４Ｍ２とが配置され、それぞれに複数の上流孔４Ｆ１及び下流孔４Ｆ２が形成されている。

また、ベースプレート４Ｂ上で、上流共通インク室４Ｍ１と下流共通インク室４Ｍ２により挟まれた空間には、圧電素子で形成される薄い直方体のピエゾ壁４Ｐが等間隔で配列されている。これらのピエゾ壁４Ｐの間がチャネル４Ｃとなる。ピエゾ壁４Ｐの上面には、ノズルプレートが貼り付けられており、ノズルプレートにおけるチャネル４Ｃ毎の中央に相当する位置にノズル４Ｈがそれぞれ開口され、ノズル列が形成されたノズル面４Ｎとなっている。

上流共通インク室４Ｍ１、下流共通インク室４Ｍ２のベースプレート４Ｂを挟んだ向かい側に、上流分配経路４Ｄ１と下流分配路４Ｄ２とが形成されている。上流分配路４Ｄ１は、各上流孔４Ｆ１及び上流主流路４Ｋ１と連通し、下流分配路４Ｄ２は、各下流孔４Ｆ２及び図示しない下流主流路と連通している。

上流主流路４Ｋ１は、一端が上流分配路４Ｄ１に接続され、また他端が記録ヘッド外に延出して、三方弁３０に接続されている。図示しない下流主流路は、一端が下流分配路４Ｄ２に接続され、他端は記録ヘッド外に延出して、下流チューブ２５と接続されている。三方弁３０から記録ヘッド４に流入したインクは、上流主流路４Ｋ１、上流分配路４Ｄ１、上流孔４Ｆ１、上流共通インク室４Ｍ１、チャネル４Ｃ、下流共通インク室４Ｍ２、下流孔４Ｆ２、下流分配路４Ｄ２及び、図示しない下流主流路を順に通過して、記録ヘッド４外の下流チューブ２５へ流出する。

このような構成において、本実施形態では、次の関係が常に満たされているものとする。ノズル４Ｈ外の大気圧ＰＯとチャネル４Ｃ内のインク圧Ｐ１との差圧が、ノズル４Ｈに形成されるメニスカスの限界圧力差±ΔＰ１を逸脱、即ち、（式１）を満たさない場合には、球面のメニスカスが破壊されてノズル４Ｈからチャネル４Ｃへの空気の侵入又はチャネル４Ｃからノズル４Ｈの外へインクが流出する。

｜ＰＯ−Ｐ１｜≦ΔＰ１ … （式１）
この（式１）は、（式２）のラプラスの式により表されることが知られている。
ΔＰ１＝２σ／ｄ１ …（式２）
但し、σ：表面張力、ｄ１：ノズル径とする。

しかしながら、ノズル４Ｈから空気又はインクの出入りが生じるのは好ましくない。ノズル４Ｈからのインクの漏れや空気の巻き込みが発生し、その後、インクが空気と置換（以下、インク／空気置換と称する）された時には、ノズル４Ｈに再びメニスカスが形成されるとは限らない。メニスカスが形成されなければ、内部のインク・空気の流れの制御が困難である。従って、本実施形態においては、チャネル内を空気で置換する間は、メニスカスによってチャネル４Ｃの内部と外気とを実質的に分離させておくことがよい。

次に、本実施形態の記録ヘッドにおけるインク抜きの特徴について説明する。
本実施形態では、以降所定時間以上に渡って、記録動作が実行されないと判断された時、記録ヘッド４のチャネル４Ｃのインク量を減少させ、好ましくは、全てのインクを抜き取り、チャネル４Ｃ内が空気で満たされるようにする。

このインク抜き処理を行うことにより、例えば水性インクを使うプリンタであれば、記録動作が行われない間に生じる、ノズル４Ｈからの溶媒の揮発によるチャネル４Ｃ内インクの増粘に対して、その発生を防止又はその進行を抑制することができる。さらに、紫外線硬化型インクを使うプリンタであれば、外部から入射する迷光がノズル４Ｈに照射されて、チャネル４Ｃ内のインクが硬化されることを防止、又はその進行が遅くなるように抑制することができる。つまり、このようなインク抜き処理を行うことにより、プリンタのチャネル４Ｃのインク流通性が回復不能になることを防止する。

次に、本実施形態における、インク抜き処理を実施するためのタイミング判定について説明する。
インク抜き処理を実行するタイミングは、記録動作やメンテナンス等が実施されていない待機状態の時で、チャネル４Ｃのインク流通性が回復不能になる前に実施する。プリンタにおけるチャネルのインク流通性の回復不能は、インクや記録ヘッドの特性、記録ヘッド４周囲環境の温湿度、ノズル４Ｈに到来する迷光の光量等に依存している。チャネル４Ｃのインク流通性が回復不能になるタイミングは、予め実測等により求めておくとよい。

インク抜き処理は、以下の事態の時に実施することができる。
第１に、記録動作終了毎に実施してもよく、前回の記録動作又はメンテナンス動作終了後の所定時間、例えば５分間、記録動作又はメンテナンス動作が実施されない場合等でもよい。第２に、所定時間、例えば５分間以上記録動作に使用されていないノズルが存在する場合等でもよい。第３に、プリンタの電源がＯＦＦされた時でもよい。例えば、三方弁３０が非通電状態において大気開放姿勢されるものとして、電源ＯＦＦ後に自動的に実行される。又は、電源ＯＦＦ後に、所定時間が経過した場合でもよい。この場合は、プリンタにバッテリを搭載しておく等の処置をとってもよい。あるいは、電源ＯＦＦ操作時に、ユーザがインク抜き処理を選択的に実施できるようにしてもよい。以上の第１乃至第３の事態を組み合わせて実施してもよい。

本実施形態におけるインク抜き処理を実施する具体的な方法について説明する。
図４（ａ）乃至図４（ｇ）は、上流主流路４Ｋ１、又は上流分配路４Ｍ１、上流チューブ２３等、記録ヘッド４に向けて空気を導入する経路のいずれかであるインク経路４０におけるインクの抜け状態を示す図である。図５は、配列された複数のチャネル４Ｃをベースプレート４Ｂ側から透視した構成を示す図である。

まず、経路４０のインクを空気で置換するために、外部から導入される空気がインク経路を通過する際に、インク経路内に気泡（空気で挟まれたインク液膜）が発生するのを防ぐことで、経路４０のインク流通性を確保する。

インク／空気置換の際に経路４０に気泡が混じった状態でインク抜きを継続していくと、図５に示すように、ヘッドのチャネル４Ｃにて残留液膜４３Ａが留まる虞がある。このインクによる残留液膜４３Ａがある程度の厚さを持っていると、経時により増粘又は硬化するなどの変化を起こして流動性を失い、残留液膜４３Ａが形成されたチャネル４Ｃのインク流通性は完全に失われる。これを防止するために、本実施形態では、ヘッドよりも上流に位置づけられる経路４０からインク抜き処理を実施する時のインク抜き流量を規定する。

そのインク抜き量の規定方法を以下に説明する。
変数の意味は、次の通りである。ρ：密度、σ：表面張力、ｇ：重力加速度、μ＝粘度、Ｄ：経路径。

図４（ａ）に示すように、インクの充填されている円管インク経路４０に空気が流れ込み、図４（ｂ）に示すように、メニスカス４５が通過して、インクが流れ出た後には、インク経路４０壁面には、ある量のインク液膜４１が付着した状態で残留する。

その後、図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示すように、インク液膜４１が流下する際に、表面波４２が発生し、インク経路４０壁面から測った波高が経路径の半分程度に達すると、図４（ｅ）に示すように、架橋したインク液膜４３が経路内を塞ぐように形成され、空気を断絶し、気泡４４が発生する。

図４（ｆ）に示すように、インクが満たされたインク経路４０内を空気が速度Ｕで進行した後、残留する液膜の厚さδは、例えば、非特許文献１によれば、（式３）で表すことができる。

δ＝０．６７×Ｄ×Ｃａ^（２／３） …（式３）
ここで、Ｃａはキャピラリ数であり、（式４）で表される。
Ｃａ＝μ×Ｕ／σ …（式４）
流下液膜にインク経路壁面から測った波高が経路径の半分程度の表面波が発生する波動発生限界レイノルズ数Ｒｅｗは、例えば非特許文献２によれば、次の（式５）で表される。

Ｒｅｗ＝０．６０７５×Ｆｉ^（１／１１） …（式５）
ここで、Ｆｉはフィルム数であり、次の（式６）で表される。
Ｆｉ＝ρ×σ^３／（ｇ×μ^４） …（式６）
また、流下液膜のレイノルズ数Ｒｅは、次の（式７）で定義される。

Ｒｅ＝ρ×ｑ／μ …（式７）
尚、厚さδの液膜の単位幅あたりの流下流量ｑは、定常流の場合には、次の（式８）で表される。
ｑ＝ｇ×ρ×δ^３／（３×μ） …（式８）
流下液膜に表面波を発生させない条件は、例えばＲｅ＜Ｒｅｗと書かれる。これを満たす最大のＵが流下液膜に表面波を発生させない限界気泡速度Ｕｗであって、それは、（式３）〜（式８）から（式９）として書かれる。

Ｕｗ＝２．５×（σ^２５/（９^１２×ρ^２１×μ^４））^（１/２２）×Ｄ^（−３/２） …（式９）
例えば、インクジェットに使用される典型的なインクの物性値である、密度ρ＝１０００ｋｇ／立方ｍ、表面張力σ＝２５ｍＮ／ｍ、粘度１０ｍＰａ・ｓ、及び物理定数ｇ＝９．８ｍ／平方ｓ、また経路径ＤとしてＤ＝４ｍｍとすると、Ｕｗ＝Ｏ．１４ｍ／ｓ、流量１．７ｍｌ／ｓである。また、Ｄ＝２ｍｍとすると、Ｕｗ＝０．３８ｍ／ｓ、流量１．２ｍｌ／ｓである。

本実施形態では、上述した（式９）で規定されるインク経路４０の各断面における限界気泡速度Ｕｗのうち最も遅い速度で空気が導入されるように、例えば、インク経路４０の断面形状や長さ、又は三方弁３０の開口面積等が設計されている。

これにより、導入された空気により生じたメニスカス４５は、常に、限界気泡速度Ｕｗ以下となるため、気泡を発生させずにチャネル７Ｃのインクを空気で置換することができる。尚、移動しているメニスカス４５が存在する位置の経路径Ｄに対応する限界気泡速度Ｕｗとなるように導入される空気の量を調整してもよい。より具体的には、例えば、三方弁３０の開口面積を可変に制御できるものとする。

さらにメニスカス４５の位置を検出できるように、図４（ｇ）に示すように、インク経路４０に電極対４６Ａ１と４６Ａ２、４６Ｂ１と４６Ｂ２等を所定の間隔で並べておく。もしくは、あるいは上流主流路４Ｋ１と上流分配路４Ｍ１との接合部等の経路の切り替わり位置に設置してもよい。これらの電極対の間の電気抵抗を測定することで、電極対の間にインクが満たされているか、空気に置換されているかを判定することができる。一般に、インクで満たされている方が電気抵抗は低い。これにより、メニスカス４５の位置を特定することができる。特定されたメニスカス４５の位置に応じて、三方弁３０の開口面積を変更することで、メニスカス４５の移動速度を制御することができる。

又は、インク経路４０に対するメニスカス４５の位置と移動速度、三方弁３０の開口面積、環境温度、インク抜き実施時間の相互関係等を予め実測する。その測定値に従って、メニスカス４５の各位置で限界気泡速度Ｕｗを超えないように、三方弁３０の開口面積を制御するテーブルを作成し、このテーブルに用いて制御してもよい。この時、例えば、経路径Ｄが変化する（細くなる又は、太くなる）部分を導入された空気のメニスカス４５が通過する際、所定時間を待機するように制御にする、即ち経路径Ｄに合わせて時間を変えることにより、細くなる場合には、インク経路４２の継ぎ目の部分に気泡ができ難くなり好適である。空気が径の変化する部分に掛かったことを検出するには、図４（ｇ）に示したように、径が変化する箇所にセンサを設けて、センサの検出信号の変化を検出することで、空気がセンサ位置に到達したことを検出することができる。

尚、本実施形態では、円管のインク経路４０の例について説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、矩形断面、多角形、楕円等であった場合、経路径Ｄの代わりに、短辺、対角線、水力直径等で置き換えるなどの補正を行ってもよい。

図６に示すフローチャートを参照して、本実施形態におけるインク抜き処理の制御について説明する。
まず、プリンタ１の制御部４に対して、インク抜き処理の実行を設定する（ステップＳ１）。そして、プリンタ１の待機状態において、制御部９は、予め定めた周期でインク抜き処理開始のタイミングであるか否かを判定する（ステップＳ２）。この判定で、インク抜き処理開始のタイミングでなければ（ＮＯ）、次の周期によるタイミングまで待機する（ステップＳ３）。一方、インク抜き処理開始のタイミングであると判定されたならば（ＹＥＳ）、三方弁３０を大気開放姿勢にする（ステップＳ４）。この大気開放姿勢に従い、三方弁３０より下流（記録ヘッド４から下流タンク２６まで）の記録ヘッド４を含むインク経路２３ｂ，２５が大気開放される。この大気開放により、三方弁３０下のインク経路２３ｂから記録ヘッド４に空気が流れ込み、順次、チャネル４Ｃ内のインクを押し流して空気により置換される。

次に、予め設定したインク／空気置換の所要時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ５）。この判定で経過していなければ（ＮＯ）、大気開放状態を維持したまま、設定された所要時間に達するまで待機して（ステップＳ６）、ステップＳ４に戻り、再度判定する。一方、所要時間が経過したと判定されたならば（ＹＥＳ）、三方弁３０をインク循環姿勢に変更する（ステップＳ７）。この操作により、三方弁３０より下流のインク経路が密閉状態に戻る。

さらに、インク抜き処理を設定時間後に継続して実施するか、設定を終了するか判定して（ステップＳ８）、終了するならば（ＹＥＳ）、一連のシーケンスを終了させる。一方、そのインク抜き処理の実施を継続させるならば（ＹＥＳ）、ステップＳ２に戻り、インク抜き処理の開始タイミングの有無を判定する。

尚、インク／空気置換の所要時間としては、例えば、チャネル４Ｃから完全にインクが抜け切ると想定される時間を採用してもよい。他にも、下流のインク経路２３ｂ内のインクが中程程度まで抜ける程度の時間、又はインク経路２３ｂ内のインクが完全に抜ける程度の時間としてもよい。

インク抜き処理から記録動作可能状態への復帰方法について説明する。
インク抜き処理が行われると、記録ヘッド４のチャネル４Ｃ内にインクが無い状態となっている。このため、記録動作を開始するに際して、例えば、上述したメンテナンス処理を実施する。このメンテナンス処理をインク抜き処理後からの記録動作を可能にするための復帰モードとして設けてもよい。

その復帰モードは、例えば、通常のメンテナンス処理時のインクに掛ける圧力よりも高い圧力を掛けてメンテナンス処理を実行する。又は、数回連続でメンテナンス処理を実行する。

尚、本実施形態においては、記録ヘッド４と下流タンク２６のインク液面の高低差が第２の空気導入手段に相当する。下流タンク２６のインク液面は、インクの補給により調整することができる。又は、図示しないマスフローコントローラ等をインク経路に設置しておき、流量の動的制御により、気泡の速度が限界気泡速度Ｕｗを超えないようにしてもよい。チャネル４Ｃのインク／空気置換される時間は、予め実測して求めてもよい。又は、マスフローメータ等により、流量をリアルタイムにモニタしておき、その検出値に基づき、インク／空気置換の進行状況を把握してもよい。

また、上述した本実施形態においては、限界気泡速度Ｕｗを（式９）で規定されるとしたが、これを例えば、実験的に求めてもよい。或いは、残留する液膜の厚さδや波動発生限界レイノルズ数Ｒｅｗに、例えば、非特許文献１や非特許文献２で言及されている、（式３）や（式５）と異なる実験式等を用いてもよい。

さらに、本実施形態では、チャネル４Ｃのインク／空気置換の駆動力を重力としたが、例えば、ポンプ等による三方弁３０の大気開放側の加圧や下流タンク内の減圧等を駆動力として用いることもできる。本実施形態では、三方弁３０を第１の空気導入手段として用いたが、これに限定されず、大気開放する上流タンク２１を用いてもよく、構成が簡易となる。また、本実施形態では、第２の空気導入手段を記録ヘッド４と下流タンク２６液面の高低差による重力を用いたが、第１の空気導入手段と同様に三方弁３０を用いてもよい。この場合は、インクチューブ２３は、インクが満たされたままとなるため、インク再充填が容易である。

以上説明したように、本実施形態のインク抜き処理によれば、インク経路に気泡が発生しない条件でインク抜き処理を実施するため、記録ヘッドのチャネル内のインクを残留させずに抜くことができる。また、チャネル内を空気で置換する間も、ノズルにおけるメニスカスが破壊されずに残っているため、メニスカスによってチャネル４Ｃの内部と外気とを実質的に分離することができる。従って、記録ヘッド内におけるインクの滞留を防止することにより、長期間に渡り起動されない場合でも、増粘又は固化したインクによる流通の妨げを抑制することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係るインクジェット記録装置における記録ヘッドのチャネルからのインク抜き処理について説明する。本実施形態の特徴部分について説明し、前述した第１の実施形態と同様に部分については説明を省略する。

本実施形態は、記録ヘッド４の複数のチャネル４Ｃからインクを抜く際に、チャネル４Ｃ毎にインクが抜けるタイミングが異なる点に着目した例である。つまり、前述した第１の実施形態では、複数のチャネル４Ｃは、等しい断面積を持つことを想定しているが、現実的に実施する場合には、製造誤差等により多少の仕上がり寸法ばらつきを考慮しなくてはならない。

以下に、ばらつきにより生じる問題について説明する。
図７（ａ）乃至図７（ｄ）は、チャネル４Ｃから一般的にインクが抜ける状態（インク／空気置換）について説明するための図である。図８は、チャネル４Ｃにインクが残留した状態を示す図である。

図７（ａ）は、チャネル４Ｃ周辺の模式図であって、インクで満たされている。三方弁３０を大気開放姿勢にする等により、記録ヘッド４に空気を送り込むと、図７（ｂ）に示すように、空気６０が上流孔４Ｆ１から上流共通インク室４Ｍ１に流入する。空気６０の流入が進むと、図７（ｃ）に示すように、チャネル４Ｃ内のインクが順次、空気と置換される。

この時、上流孔４Ｆ１や下流孔４Ｆ２と各チャネル４Ｃとの位置関係や、各チャネル４Ｃの幾何学的形状、温度分布等により、相対的にインク／空気置換の進行が速いチャネル４Ｃと遅いチャネル４Ｃとが現れてくる。例えば、上流孔４Ｆ１に近いチャネル４Ｃは、遠いチャネル４Ｃに比べて、インク／空気置換が早く進行する。

また、例えば製造誤差等により、複数のチャネル４Ｃの中で断面積が他に比べて広く製造されたチャネル４Ｃは、狭いチャネル４Ｃに比べると、インク／空気置換が早く進行する。このようなインク／空気置換がさらに進行すると、図７（ｄ）に示すように、最も速いメニスカス６１が下流共通インク室４Ｍ２側に到達して、そのチャネル４ＣＶは完全に空気で置換される。完全に空気置換完了チャネル４ＣＶの通風抵抗は、インクを押し流す際の抵抗に比べて、はるかに小さい。このため、他のチャネル４Ｃ内のインクの空気への置換を待たずに、空気置換が完了したチャネル４ＣＶからの空気が回り込み、下流共通インク室４Ｍ２をインク／空気置換が行われる。

その結果、図８に示すように、インク／空気置換が完了したチャネル４ＣＶと、未完了のチャネル４ＣＬ、即ちインクが残留した状態のチャネルが発生する。それ以降、三方弁３０から送り込まれた空気は、その完了したチャネル４ＣＶを通過するのみとなり、未完了チャネル４ＣＬの残留インクを流し出すことができない。このような状態に関わらず、インク／空気置換が完了したものとして、長時間放置されると、残留したインクが増粘或いは硬化してインク流通性が失われ、前述したようにメンテナンス処理を行ってもインクが補充されないチャネルが発生することが懸念される。

そこで、本実施形態では、例えば、下流共通インク室４Ｍ２と下流タンク２６内のインク液面との高低差Ｈを所定値以下とすることにより、大気圧ＰＯと下流共通インク室４Ｍ２におけるインク圧力Ｐ２との差を、チャネル４端部に形成されるメニスカス６２の限界圧力ΔＰ２以下とする。ここで、メニスカス６２の限界圧力とは、これ以上の圧力を印加した場合には、図９（ｂ）に示すメニスカス６２が破壊されてしまう圧力値である。破壊された場合には、図７（ｄ）に示すように抜けてしまうこととなる。メニスカス６２の限界圧力ΔＰ２は、式１０で表される関係式を満たすようにする。

｜Ｐ２−Ｐ０｜≦ΔＰ２ …（式１０）
このΔＰ２は、例えばチャネル７の出口部分の形状が短辺ｄ１、長辺ｄ２の矩形であった場合、インクの表面張力をσとして、ラプラスの式である式１１で表される。

ΔＰ２＝σ×（１／ｄ１＋１／ｄ２） …（式１１）
ΔＰ２の大きさは、例えば、前述のインク物性値を使うこととし、チャネル７の短辺ｄ１＝６０μｍ、長辺ｄ２＝１２０μｍとすると、ΔＰ２＝６２５Ｐａとなる。

このときの高低差Ｈは、Ｈ＝６４ｍｍである。ここで、チャネル４Ｃの幾何学的形状等のばらつきを考慮し、ΔＰ２が最も小さくなるチャネルのパラメータで算定するのが好適である。

以上の関係を満たしてインク抜き動作を実施すると、図９（ａ）に示すように、インク抜き動作中に、インク／空気置換が完了したチャネル４ＣＶの出口に形成されたメニスカス２６が破壊されることが無いため、インク／空気置喚が完了したチャネル４ＣＶの空気の流れは止まる。以降、全チャネル４Ｃにおいて、インク／空気置換が進行して完了に至ると、各チャネル４Ｃの端部でメニスカスを形成した状態で空気の流れが停止する。

最終的に、図９（ｂ）に示すように、全てのチャネル４Ｃがインク／空気置換を完了したチャネル４ＣＶとなり、各チャネル４Ｃにメニスカスが形成された状態となり、三方弁３０からの空気の流入は止まる。この状態でインク抜き動作完了と見なしてもよい。例えば、全チャネル７Ｃの空気置換は完了しており、下流共通インク室７Ｍ２において水性インクが増粘しても、一般にメンテナンス動作等でチャネル４Ｃのインク流通性は回復容易である。

又は、下流共通インク室４Ｍ２側のチャネル４Ｃの端部にメニスカス６２が形成された状態となった後、例えば、電磁弁２２を開き、電磁弁２７を閉じ、循環ポンプを動作させるモードを実施する等により、下流タンク２６の圧力を下げて式１０の関係式が成り立たないようにして、メニスカスを破壊し、下流共通インク室７Ｍ２を空気置換してもよい。

このとき、空気は三方弁３０ｂから流入するようにしてもよいし、又はノズル７Ｈから流入させてもよい。
以上のように、本実施形態によれば、前述した第１の実施形態の効果に加えて、チャネルの配置や幾何学的形状の差によらずチャネルの空気置換を完遂することができる。

以上説明した各実施形態においては、以下の発明の要旨を含んでいる。
（１）列状に配列され、記録媒体にインクを吐出する複数のノズルと、前記ノズル毎に形成される複数のチャネルと、全ての前記チャネルのインク供給側と連通してインクを供給する第１の共通インク室と、全ての前記チャネルのインクの排出側と連通してインクを排出する第２の共通インク室と、で構成される記録ヘッドと、
前記記録ヘッドの上方に位置して、インクを供給するための第１のタンクと、
前記記録ヘッドの下方に位置して、排出されたインクを収容する第２のタンクと、
前記記録ヘッドと前記第１のタンクを連通する第１のインク経路及び、前記記録ヘッドと前記第２のタンクを連通する第２のインク経路とからなるインク経路と、
前記第１のインク経路上に設けられ、前記第１の共通インク室に外部から空気を導入する第１の空気導入手段と、
前記第２インク経路を経由して前記第２の共通インク室からインクを排出させる第２の空気導入手段と、
を具備し、
非画像記録時のタイミングで、前記第１の空気導入手段から第１のインク経路内に空気を取り込み、及び前記第２の空気導入手段により前記第２のタンクを大気開放して、前記記録ヘッド内の複数のチャネル内に空気を導入し、前記第１の共通インク室側から前記第２の共通インク室側に向かって、全チャネル内のインクを空気に置換することを特徴とするインクジェット記録装置。

（２）前記第１の空気導入手段及び前記第２の空気導入手段によって、前記全チャネル内のインクを空気に置換する際に、
大気圧ＰＯ、下流共通インク室４Ｍ２におけるインク圧力Ｐ２、及びメニスカスの限界圧力ΔＰ２として、｜Ｐ２−Ｐ０｜≦ΔＰ２の関係を満たし、
メニスカスの限界圧力ΔＰ２、チャネルの出口形状の短辺ｄ１，長辺ｄ２及び、インクの表面張力σとして、
前記チャネルに掛かる圧力が、ΔＰ２＝σ×（１／ｄ１＋１／ｄ２）を満たすこと、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）前記第１の空気導入手段及び前記第２の空気導入手段によって、前記全チャネル内のインクを空気に置換する際に、
前記ノズルに掛かる圧力ΔＰ１が、大気圧ＰＯ、チャネル内のインク圧Ｐ１として、
｜ＰＯ−Ｐ１｜≦ΔＰ１を満たす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）前記第１の空気導入手段及び前記第２の空気導入手段によって、前記全チャネル内のインクを空気に置換する際に、
インクの密度ρ、インクの表面張力σ、インクの粘度μ、経路径Ｄ及び限界気泡速度Ｕｗとして、
メニスカスの流速Ｕは、限界気泡速度Ｕｗ＝２．５×（σ^２５/（９^１２×ρ^２１×μ^４））^（１/２２）×Ｄ^（−３/２）以下であること、を特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。

１…インクジェット記録装置（プリンタ）、２…インク供給系、３…搬送機構、４…記録ヘッド、５…メンテナンス機構、６…廃液タンク、７…記録媒体、８…インク滴、９…制御部、１０…ベルト搬送機構、１１…インク供給路（第１のインク経路）、１２…インク排出路（第２のインク経路）、１３…インク帰還路（第３のインク経路）、１４…インク補充路（第４のインク経路）、２１…上流タンク、２２，２７，３６，３７…電磁弁、２３（２３ａ，２３ｂ）…インクチューブ、２４…上流タンク液面センサ、２６…下流タンク、２７…電磁弁、２８…下流タンク液面センサ、２９…加圧ポンプ、３０…三方弁、３５…メインインクタンク、５１…インクパン、５２…払拭手段、５３…ブレード、５４…支持部材。

Claims (8)

1. インクを吐出する複数のノズルと、前記ノズル毎に対応して形成される複数のチャネルと、全ての前記チャネルの一端側と連通している第１の共通インク室と、全ての前記チャネルの他端側と連通している第２の共通インク室と、を有する記録ヘッドと、
   前記チャネルの一端が、第１の共通インク室に接続され、前記記録ヘッド内にインクを供給する第１のインク経路と、
   前記チャネルの他端が第２の共通インク室に接続され、前記記録ヘッド内のインクを排出する第２のインク経路と、
   前記記録ヘッドの前記ノズルからインクの非吐出状態が継続する、又は所定時間以上継続したと判断する判断手段と、
   前記第１のインク経路を介して前記記録ヘッド内に空気を導入する空気導入手段と、
   前記第２のインク経路を介して前記記録ヘッド内からインクを排出するインク排出手段と、を具備し、
   前記判断手段によって、前記記録ヘッドのノズルにおいてインクの非吐出状態が継続した又は、所定時間以上継続したと判断した場合、
   前記空気導入手段及び前記インク排出手段は、前記ノズルにメニスカスが形成された状態を維持しつつ、前記第１のインク経路を介して記録ヘッド内に空気を導入すると共に、前記第の２インク経路を介して、該記録ヘッド内からインクを排出することを特徴とするインクジェット記録装置。
2. 前記記録ヘッド内に空気を導入する際に、前記第１のインク経路内を流れる空気の速度Ｕ１は、
   前記第１インク経路の直径をＤ１、前記第１インク経路を流れるインクの密度をσ、前記第１インク経路を流れるインクの重力加速度をｇ、前記第１インク経路を流れるインクの表面張力をρ、前記第１インク経路を流れるインクの粘度をμ、としたとき、
   Ｕ１≦２．５×（σ＾２５／（ｇ＾１２×ρ＾２１×μ＾４））＾（１／２２）×Ｄ１＾（−３／２）
   を満たすように設定される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装置。
3. 前記記録ヘッド内に空気を導入する際に、前記第２のインク経路内を流れる空気の速度Ｕ２は、
   前記第２インク経路の直径をＤ２、前記第２インク経路を流れるインクの密度をσ、前記第２インク経路を流れるインクの重力加速度をｇ、前記第２インク経路を流れるインクの表面張力をρ、前記第２インク経路を流れるインクの粘度をμ、としたとき、
   Ｕ２≦２．５×（σ＾２５／（ｇ＾１２×ρ＾２１×μ＾４））＾（１／２２）×Ｄ２＾（−３／２）
   を満たすように設定されることを特徴とする請求項２に記載のインクジェット記録装置。
4. 前記第１インク経路内を流れる空気の速度の上限値ＵＷ１が、２．５×（σ＾２５／（ｇ＾１２×ρ＾２１×μ＾４））＾（１／２２）×Ｄ１＾（−３／２）であり、
   前記第２インク経路内を流れる空気の速度の上限値ＵＷ２が、２．５×（σ＾２５／（ｇ＾１２×ρ＾２１×μ＾４））＾（１／２２）×Ｄ２＾（−３／２）であるとき、
   前記２つの上限値のうち低い方の上限値に合わせて、前記第１インク経路及び前記第２インク経路における空気の導入速度を設定することを特徴とする請求項３に記載のインクジェット記録装置。
5. さらに、前記第１のインク経路内を流れる空気の速度Ｕを制御する制御手段を具備することを特徴とする請求項２に記載のインクジェット記録装置。
6. 前記空気導入手段は、前記第１のインク経路上に設けられた大気開放弁（三方弁）であって、
   前記制御手段は、前記大気開放弁の開放量を制御することを特徴とする請求項５に記載のインクジェット記録装置。
7. 前記記録ヘッド内に空気を導入し、前記記録ヘッド内からインクを排出する際に、該記録ヘッド内における全てのチャネルの端部にて、メニスカスが形成されているように、前記第２の共通インク室におけるインク圧力（Ｐ２）が設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載のインクジェット記録装置。
8. 前記第２のインク経路の他端に、前記ノズルよりも鉛直方向下方に高さＨの間隔をおいてインク液面が設定されるインクタンクが接続され、
   前記高さＨは、前記第２の共通インク室におけるインク圧力Ｐ２と大気圧Ｐ０との絶対値の差が、前記記録ヘッド内の全てのチャネルにおいて、その端部に形成されるメニスカスの限界圧力ΔＰ２よりも小さくなるように設定されることを特徴とする請求項５に記載のインクジェット記録装置。

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