JP2023526391A - 固体粒子高配合インクを取り扱うインクジェットインクシステム - Google Patents

Abstract

本願は、インクジェットプリンタ用のインク供給システムについて記載する。このシステムは、少なくとも１つのインクジェット印字ヘッドにインクを送給するように動作する第１のインクタンクと、少なくとも１つの印字ヘッドを通って流れ、少なくとも１つの印字ヘッドによって使用されなかったインクを受け取るように動作する第２のインクタンクと、を含む。印刷用インクは、第１のタンクから印字ヘッドを通って第２のインクタンクに低圧によって引き込まれる。インクタンクの各々は、円筒形管状セグメントと、円錐台形内部セクションを有するセグメントと、を含む。【選択図】図１

Description

本装置及び方法は、ガラス基体へのインクジェット印刷の分野に関し、特に、印刷に適した物性にインクを維持する方法に関する。

インクジェット印刷技術は、印刷ヘッド（印字ヘッド）アセンブリから基体上に小さなインク滴を吐出することによって画像を生成する。インクジェット印刷は多用途の印刷方法であり、画像は多種多様な材料上に配することができる。紙への印刷のほか、木材、セラミック、金属、ガラスなどの基材への印刷にも、インクジェット印刷装置が使用される。インクジェット印刷用のインクは、無機顔料粒子、溶媒、安定化剤、その他のインク成分を含むことができる。ガラスに印刷するためのインクには、サブミクロンのガラスフリット粒子が含まれている。

サブミクロンのガラス粒子及び無機顔料は、ガラスの焼き入れ（tempering）工程又はアニール工程で、後にガラス基体に融着又は焼成される。インクを基体に融着させることによって、基体が存続する限り持続することができる鮮やかで耐久性のあるデザインの創出がサポートされる。顔料は、インクに特定の色を与える。

印字ヘッド（プリントヘッド）は、複数のインク滴吐出ノズルを含む。一般的に、インクリザーバ又はタンクは、印字ヘッドにインクを送給する。印刷される画像は、印字ヘッドのノズルの動作を決定する。すべてのノズルが常にインク滴を吐出しているわけではない。吐出されなかったインクは、インク送給タンクに戻る。インクのパラメータを一定に保つことは、安定した印刷結果に寄与する。いくつかのプリンタにおいては、インクは連続的に攪拌され、インクタンクリザーバからより小さい印字ヘッドチャンバへ（場合によってはノズルにも）、そして再びメインタンクに戻るというサイクルの連続した流れがサポートされている。

サブミクロンのガラス及び顔料の粒子は、有機粒子の４～５倍の重さがある。無機物の高密度粒子は急速に沈殿し、インクジェット印字ヘッドのインク経路やノズルを詰まらせ、インクの攪拌や循環を常に必要とする。このようなインクの沈殿は、印刷の不均一性、さらにはシステムの閉塞につながる。そのため、ガラスやセラミック材料への印刷用インクなど、粒子状の物質を含むインク用のインクジェットプリンタには、通常、これらの問題を防止するためのインク循環・攪拌システムが搭載されている。これらの必要性は、必然的に、インクの消耗に加えて、ハードウェア及びメンテナンスのコストを発生させる。

以下の米国、欧州、及び日本の特許は、異なるインク循環システムを開示している：ＵＳ２０１００２３２８２７；ＵＳ２０１０００８５４０５；ＵＳ２０１１０２３４７１１；ＵＳ２０１２０１９４６１９；ＵＳ８，６０８，３００；ＵＳ８，９２６，０７７；ＤＥ６００２５０９５；ＥＰ３１５９１７４；ＪＰ２５０８８５９９；及びＷＯ２０１９／１１７６９７。

［定義］
フラスタム（frustum）とは、円錐形又は角錐形の底面に平行な平面で頂部を切り取って形成される円錐（cone）又は角錐（pyramid）の基底部をいう。本明細書で使用する円錐台形（frustoconical）及び角錐台形（frustopyramidal）とは、切頭円錐（truncated cone）及び切頭角錐（truncated pyramid）を意味する。

高配合インク（high load ink）とは、固体粒子を高い割合で含有するインクのことである。固体粒子高配合インクの例としては、ガラス用途の印刷に使用されるインクがあり得る。典型的には、そのようなインクは、４０重量％よりも多くの粒子、さらには８０重量％以下の固体粒子を含む。

本開示で使用されるように、用語「画像面積（image content）」は、画像が占める印刷領域の割合を意味する。例えば、１５％の画像面積は、６０％の画像面積が必要とするよりも大幅に少ないインクを必要とする。

インクスロッシング（ink sloshing）は、部分的に充填されたインクタンクにおける液体インクの自由表面の周期的又はランダムな動きである。インクタンクの急加速又は急制動はインクスロッシングの原因となる。

インクジェットプリンタ用のインク供給システム（ink delivery system）は、少なくとも１つのインクジェット印字ヘッドにインクを送給するように動作する第１のインクタンクと、少なくとも１つの印字ヘッドを通って流れ、少なくとも１つの印字ヘッドによって使用されなかったインクを受け取るように動作する第２のインクタンクと、を含む。インクタンクの各々は、円筒形の管状セグメント（a cylindrical tubular segment）と、円錐台形内部セクションを有するセグメント（a segment with frustoconical inner section）と、を含む。インクタンクの円筒形セグメント、及び円錐台形内部セクションを有するセグメントは、同じ方向に延びている。

負圧により、印刷インクが、第１のインクタンクから印字ヘッドを通って第２のインクタンクのインクに引き込まれる。インク供給システムの第１のインクタンクは、１つ又は複数の印字ヘッドにインクを供給する。インク供給システムのインクタンクの各々は、最低インクレベルセンサと；最高インクレベルセンサと、を含む。第１のインクタンクの最低レベルセンサは、第２のインクタンクから第１のインクタンクへインクを供給するポンプを作動させる。最高インクレベルセンサは、過多なインクを排出し、インクの溢れを防ぐように動作する。インクタンクの各々は、少なくとも１つのスロッシング低減バッフル（sloshing reducing baffle）を含む。

インク供給システムは、インクシステム内でインクを連続的に循環させる。連続的なインク循環は、インク滞留点の形成を防止し、インクの流れは、ノズルの回復及びインクからの空気の除去をサポートするのに十分である。インク供給システムは、インクドレインチャネルを含み、システムからのインクの排出及びインクシステムの洗浄をサポートする。

インクジェット印刷システムにおいて１つ又は複数のインクジェット印字ヘッドに同時にインクを供給するためのインク供給システムの使用方法も開示する。

［図面のリスト及び図面の簡単な説明］
インク供給システムの特定の例を、添付図面を参照しながら以下に説明する。同一の参照数字は異なる図において共通の要素を指示する。

図１は、インクジェットプリンタ用の粒子高配合インク供給システムの例の正面図である。 図２Ａは、球状の内面を有するセグメントを含むインクタンクの例である。 図２Ｂは、放物面状の内面を有するセグメントを含むインクタンクの例である。 図３は、粒子高配合インク供給システムの追加的な詳細を提供する。 図４は、粒子高配合インク供給システムのさらなる詳細を提供する。 図５は、インクスロッシング防止バッフルの動作を示す粒子インク供給システムの例の上面図である。 図６は、インク供給システムからのインクの排出を示すフローチャートである。

説明

インクジェット印刷技術は、印刷ヘッド（印字ヘッド）アセンブリから基体上に小さなインク滴を吐出することによって画像を生成する。ソフトウェア又はハードウェアに実装されたラスタ画像プロセッサを含むコンピュータが、インク滴の吐出プロセスを制御する。インク滴を吐出させて画像を形成する印字ヘッドに、インクが連続的に送給される。印字ヘッド又は印字ヘッドのアセンブリは、インク貯蔵タンクからのインクフローによって供給されるインクのすべてを使用しない場合がある。画像面積は、使用されるインクの量を規定する。その結果、未使用のインクがインクタンクに流れ戻ることがある。しかしながら、未使用インクは、インク貯蔵タンク内のインクと特性が同一ではなく、インク組成を維持するいくつかの補助システムが、通常、未使用インクフローに含まれる。

ガラスへの印刷用インクは、サブミクロンのガラスフリット及び顔料粒子を含む。これらの粒子は、有機粒子よりも４～５倍重い。サブミクロン粒子は急速に沈降し、インク経路、インクジェット印字ヘッドのノズルを詰まらせ、常にインクの攪拌又は循環を必要とする。インク循環は、固体粒子の沈降速度を低下させることができるが、固体粒子の沈降プロセスを排除することはできない。

本開示は、標準的なインク、特に、粒子材料を多く含むインク、例えば、ガラス又はセラミック材料への印刷用インク、に適した、簡易なインク供給システムを提案する。

図１は、インクジェットプリンタ用の粒子高配合インク供給システムの例を示す正面図である。システム１００は、第１のインクタンク１０４と、インクジェット印字ヘッド１０８と、第２のインクタンク１１２と、を含む。インクは、ドットが付された体積１４４で図示されている。一例において、第１のインクタンク及び第２のインクタンクの本体は、それぞれ、円筒形管状セグメント１１６と、円錐状表面を有する円錐台形内部セクション（円錐台状内部セクション、錐台形内部セクション）１２４を有するセグメント１２０と、を含む。別の例において、円筒形管状セグメントは、異なる数のファセットを有する多面形管状セグメント、楕円形断面を有する管状セグメント、及び非対称円錐形状を含む他の対称又は非対称形状によって置き換えることができる。多面形管状セグメントのファセット数は、３つ、５つ、８つ、又はそれ以上とすることができる。いくつかの例において、角錐台形内部セクションを有するセグメントは、円錐台形内部セクション１２４を有するセグメント１２０に代わることができる。

インクタンク１０４及び１１２の各々の円筒形管状セグメント１１６及び円錐台形内部セクション１２４を有するセグメント１２０は、それらの間で固定的に（強固に）接続することができる。いくつかの例において、円筒形セグメント１１６と円錐台形内部セクション１２４を有するセグメント１２０との間にガスケットを挿入することができる。円筒形管状セグメント１１６の軸と円錐台形内部セクション１２４を有するセグメント１２０の軸は、同一方向に延び、同軸、同一直線とすることができ、又は互いにある角度で配向さえすることができる。

周囲空気の侵入を可能にする開口１３２を有するカバー又は蓋１２８－１は、第１のインクタンク１０４を覆っている。部品（fitting）１３６によって終端された管１６０は、インク又は洗浄液の進入及び第１のインクタンク１０４からの排出をサポートする。真空バルブ１４０は、真空ポンプとすることができる負圧発生装置との流体連通をサポートする。真空バルブ１４０は、第２のインクタンク１１２のカバー１２８－２に取り付けられている。負圧発生装置によって発生する負圧は、第１のインクタンク１０４と第２のインクタンク１１２との間に圧力差を発生させる。この圧力差により、印刷インクが第１のタンク１０４から印字ヘッド１０８を通って第２のインクタンク１１２に引き込まれる。第１のタンクから印字ヘッドを通って第２のインクタンクにインクを引き込む負圧は、－０．０５～－０．５ｂａｒである。負圧によって生じたインクの流れは、ノズルの回復及び通常インク脱気（ink degassing）と呼ばれるインクからの空気除去をサポートするのに十分なものである。

第１のインクタンク１０４のインク出口１４８は、１つの印字ヘッドにインクを送給又は供給するが、インク出口は、２個、４個、８個、又は１６個の印字ヘッド１０８にインクを供給するように構成することができる。矢印１５２は、第１のインクタンク１０４から印字ヘッドを通って第２のインクタンク１１２に至るインクの流れを示す。インクがインク供給システムの中を循環するたびに、インクは印字ヘッド１０８を通過する。動作すると、印字ヘッド１０８は、基体（図示せず）に向かってインク滴１１０を吐出する。ソフトウェア又はハードウェアに実装されたラスタ画像プロセッサを含むコンピュータ（図示せず）は、画像面積に従って、印字ヘッド１０８によるインク滴１１０吐出のプロセスを制御する。

円錐台形セグメント１２０は、水平面を有さず、沈降物を蓄積しない。円錐台形セクションの角度１５０は、２０～１６０度とすることができ、多くは４５～１００度とすることができる。インク中の固体粒子の割合（インク配合（ink load））は、角度１５０の値の選択に影響を与える。角度１５０は、インク配合の相関事項としてインクの沈降を避けるために選択され、インクに加えて、配合は、インク粘度、使用される顔料の種類、及び他の要素を考慮する。

円錐台形内部セクション１２４を有するセグメント１２０とインクタンクの円筒形管状セクションとの接続は、円錐台形内部セクション１２４の底部に位置するインク出口に向かって沈降物が滑りやすくなるように選択される。いくつかの例において、内部円錐台形セクション１２４を有するセグメント１２０は、球状内部セクション２０４を有するセグメント（図２Ａ）又は放物線状内部セクション２０８を有するセグメント（図２Ｂ）によって置き換えることができる。球状内部セクション２０４及び放物線状内部セクション２０８は共に凹面である。インク出口１４８に向かって沈降物がスライドするのを促進する凸面を含む他の表面も考慮することができる。

図３は、高配合インク供給システムの追加的な詳細を提供する。インク供給システム１００のインクタンク１０４及び１１２の各々は、最低インクレベル又は低レベルセンサ３０４及び最高インクレベル又はオーバーフローレベルセンサ３０８を含む。最低インクレベルセンサ３０４及び最高インクレベルセンサ３０８は、フローティングセンサ、磁気リードスイッチベースのフロート、固体電気光学スイッチ、導電率センサ、容量性、超音波、及びピエゾ共振スイッチからなるセンサ群のうちの１つとすることができる。センサ３０４及び３０８は、インクタンクカバー１２８－１及び１２８－２に取り付けることができ、又はインクタンク１０４及び１１２の内部円筒面に取り付けることができる。センサ３０４及び３０８は、同じ種類であってもよいし、又は異なる種類であってもよい。

標準的なインク供給システム動作の過程において、矢印１５２（図１及び図４）で示すように、インクは第１のインクタンク１０４から印字ヘッド１０８を通って第２のインクタンク１１２へ流れる。高配合インクがインク供給システムの中を循環するたびに、インクは印字ヘッド１０８及び円錐台形内部セクション１２４を有するセグメント１２０を通過する。動作すると、印字ヘッド１０８は、基体（図示せず）に向かってインク滴１１０を吐出する。第１のインクタンク１０４内のインクレベルが低インクレベル又は最低インクレベルに達すると、第１のインクタンク１０４の最低インクレベルセンサ３０４は、ポンプ４０４を作動させ、第２のインクタンク１１２から第１のインクタンク１０４にインクを供給する。最高インクレベルセンサ３０８は、過剰なインクを排出し、インクの溢れを防止するように動作している。

インクレベルセンサ３０４及び３０８の使用は、インクタンク１０４及び１１２内のインクレベルの信頼性のある検出及び監視をサポートする。ポンプ４０４によって第２のインクタンク１１２から第１のインクタンク１０４にインクを供給するプロセスは、インク供給システムにおける連続的なインク循環をサポートする。

インク供給システムにおいて、円錐台形内部セクション１２４を有するセグメント１２０は、固体粒子が堆積することができる表面を有さず、連続的なインク循環を容易にし、インク滞留点の形成を防止する。

インク供給システム１００はメインインク５１２及び５０８タンク（図示せず）も含むことができる。メインインクタンクは、インク供給及び循環システム１００へのインクの初期充填に加えて、印刷過程でインク消耗によって引き起こされる第１及び第２インクタンク１０４及び１１２への追加インク充填サイクルをサポートする。

典型的には、インク供給システム１００は、基体上を往復移動するキャリッジに搭載される。キャリッジに搭載されたインク供給システム１００は、キャリッジの移動方向５０４に対して任意の角度で配向することができる。キャリッジが加速もしくは減速するとき、又は移動方向が変わるとき、インクスロッシングが発生する可能性がある。インクスロッシングは、印刷の品質に影響を与え、センサ３０４及び３０８の読み取り値を変化させる。印刷品質に対するインクスロッシング効果の影響を緩和するために、インク供給システムは、それぞれのインクタンク１０４及び１１２（図５）の各々に取り付けられたインクスロッシング低減バッフル５０４及び５０８を含む。インクスロッシング低減バッフル５０８及び５１２の向きは、バッフル面がキャリッジの移動方向に対して垂直又はほぼ垂直となるような向きである。インクスロッシング低減バッフル５０８及び５１２のこのような向きは、インクスロッシング効果の緩和又は打消しさえ可能にする。

インク供給システム内のインクを別のインクに変更したり、インク供給システム１００を洗浄したりする必要があることがある。インク供給システム１００（図４）は、一端１６４が第１のインクタンク１０４の底部に近接し、部品（fitting）１３６を通る遠位端１６８が負圧発生装置又はポンプの大本に接続されるチューブ１６０とすることができるインクドレインチャンネルをさらに含む。

図６は、インク供給システムからのインクの排出を示すフローチャートである。初めに、インクドレインチャンネル又はチューブ１６０を通るインクが、第１のインクタンク１０４から流出されるか又は排出される（ブロック６０４）。ポンプ４０４が動作状態となり（ブロック６０８）、インクタンク１１２及び印字ヘッド１０８に残っているインクを移送する（ブロック６１２）。第２のインクタンク１１２は、インクドレイン口４１２（図４）を含み、インクドレイン口４１２を通じてポンプ４０４（図４）がインクタンク１１２からインクを除去し、除去されたインクを既に空いている第１のインクタンク１０４に移送する。第１のインクタンク１０４に移送されたインクは、上記で説明したように、インクドレインチャンネル又はチューブ１６０を通じて第１のインクタンク１０４から除去される（ブロック６１６）。インクの移送と除去のサイクルは、インクの全てがインク供給システム１００から完全に除去されるまで、必要に応じて続けられる。

インク供給システム１００を洗浄するために、溶媒又はインク洗浄液を使用することができる。溶媒は、インクドレインチャンネル又はチューブ１６０を通じてインク供給システムに充填され、上述したようにシステムから除去又は排出される。

これまで説明してきた例の様々な特徴は、様々な方法で組み合わせて、インク供給システムの多数の追加的な例を生み出すことができることは理解されるべきである。従って、インク供給システムは、本明細書に記載されたそれらの特定の例及び方法によって限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれる代替物、変更物、及び均等物を含むものである。

Claims (26)

1. 少なくとも１つのインクジェット印字ヘッドにインクを送給するように動作する第１のインクタンクと、
   少なくとも１つの印字ヘッドを通って流れ、少なくとも１つの印字ヘッドによって使用されなかったインクを受け取るように動作する第２のインクタンクと、を含み、
   前記第１及び第２のインクタンクの本体が、円筒形管状のセグメントと、円錐体形内部セクションを有するセグメントと、を含み、
   印刷用のインクが、第１のタンクから印字ヘッドを通って第２のインクタンクに引き込まれる、インクジェットプリンタ用のインク供給システム。
2. 少なくとも１つのインクタンクが、
   最低インクレベルセンサと、
   最高インクレベルセンサと、を含む、
   請求項１に記載のインク供給システム。
3. 前記最低インクレベルセンサ及び前記最高インクレベルセンサは、フローティングレベルセンサ、磁気リードスイッチ型フロート、固体電気光学スイッチ、導電率センサ、容量性、超音波、及びピエゾ共振スイッチからなるセンサ群のうちの１つである、請求項２に記載のインク供給システム。
4. 前記最低レベルセンサは、前記第２のインクタンクから前記第１のインクタンクにインクを供給するポンプを作動させる、請求項２に記載のインク供給システム。
5. 前記第１のインクタンクは、少なくとも１つの印字ヘッドにインクを送給する、請求項１に記載のインク供給システム。
6. 前記第１及び第２のインクタンクは、少なくとも１つのインクスロッシング低減バッフルを含む、請求項１に記載のインク供給システム。
7. 前記インクタンクの前記円筒形セグメントは、前記インクタンクの円錐台形内部セクションを有するセグメントに固定して結合される、請求項１に記載のインク供給システム。
8. 前記インクタンクの前記円筒形セグメント及び前記インクタンクの前記円錐台形内部セクションを有するセグメントが同一方向に延在する、請求項１に記載のインク供給システム。
9. 前記第１のインクタンクが、少なくとも１つのインクジェット印字ヘッドにインクを送給するように動作し、前記第１のインクタンクが、円錐台形内部セクションを有するセグメントの細い部分に位置する少なくとも１つのインク出口を通じてインクを送給する、請求項１に記載のインク供給システム。
10. 前記インク供給システムは、インクシステム内のインクの連続的なインク循環をサポートする、請求項１に記載のインク供給システム。
11. 連続的なインク循環、及び円錐台形内部セクションを有するセグメントの円錐状面は、インク滞留点の形成を防止する、請求項１０に記載のインク供給システム。
12. 円錐台形セグメントの角度は、インク中の固体粒子の割合に依存し、インク配合、粘度、及び顔料に相関するものとして、インクの沈降を回避するように選択される、請求項１に記載のインク供給システム。
13. 負圧が前記第１のインクタンクから前記印字ヘッドを通じて前記第２のインクタンクにインクを引き込む、請求項１に記載のインク供給システム。
14. 前記第１のインクタンクから前記印字ヘッドを通じて前記第２のインクタンクにインクを引き込む負圧は、－０．０５～－０．５ｂａｒである、請求項１３に記載のインク供給システム。
15. 前記第１のインクタンクはインクドレインチャンネルを含み、前記第２のインクタンクはインクドレイン口を含む、請求項１に記載のインク供給システム。
16. インクの流れは、ノズルの回復及びインクからの空気の除去をサポートするのに十分である、請求項１に記載のインク供給システム。
17. 第１のインクタンク及び第２のインクタンク並びに少なくとも１つのインクジェット印字ヘッドを含むインクジェット印刷システムを提供するステップと、
    第１のインクタンクと第２のインクタンクとの間に圧力差を発生させ、圧力差によって第１のインクタンクから印字ヘッドを通じて第２のインクタンクにインクを引き込むステップと、
    円筒形管状セグメント及び円錐台形内部セクションを有するセグメントを含む本体を有するインクタンクを使用するステップであって、各インクタンクが最低インクレベルセンサ及び最高インクレベルセンサをさらに含むステップと、を含み、
    最低インクレベルセンサが、第２のインクタンクから第１のインクタンクへインクを移送するポンプを作動させる、インクジェット印刷システムにおいてインクジェット印字ヘッドにインクを供給する方法。
18. 第１のインクタンクを利用して、少なくとも１つの印字ヘッドにインクを送給する、請求項１７に記載の方法。
19. 前記最高インクレベルセンサが、過剰なインクを排出し、インク溢れを防止するように動作する、請求項１７に記載の方法。
20. 負圧発生装置を使用し、第１のインクタンクと第２のインクタンクとの間に圧力差を発生させる、請求項１７に記載の方法。
21. 前記第１のインクタンクと前記第２のインクタンクとの間の圧力差が－０．０５～－０．５ｂａｒである、請求項１７に記載の方法。
22. インクの沈降及びインクの滞留点を回避するように、内部円錐台形セクションを有するセグメントの角度を選択する、請求項１７に記載の方法。
23. 前記第１のインクタンクのドレインチャンネル及び前記第２のインクタンクのインクドレイン口を通じてシステムの排液を行う、請求項１７に記載の方法。
24. ノズルの回復及びインクからの空気除去をサポートするのに十分なインクの流れを発生させる、請求項１７に記載の方法。
25. 少なくとも４０％の固体粒子を有する粒子高配合インクを使用してインクジェット印刷システムを作動させる、請求項２４に記載の方法。
26. 第１のインクタンク及び第２のインクタンク並びに少なくとも１つのインクジェット印字ヘッドを含むインクジェット印刷システムを提供するステップと、
    第１のインクタンクと第２のインクタンクとの間に圧力差を発生させ、圧力差によって第１のインクタンクから印字ヘッドを通じて第２のインクタンクにインクを引き込むステップと、
    円筒形管状セグメント及び円錐台形内部セクションを有するセグメントを含む本体を有するインクタンクを使用するステップであって、各インクタンクが最低インクレベルセンサ及び最高インクレベルセンサをさらに含むステップと、を含み
    最低インクレベルセンサが、第２のインクタンクから第１のインクタンクへインクを移送するポンプを作動させる、インクジェット印刷システムにおいてインク循環を発生させる方法。

Images