JP3804576B2 - 液体供給装置及び液体吐出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体を外部装置、例えば液体吐出部に供給する液体供給装置と、この液体供給装置を適用したインクジェットプリンタヘッド等の液体吐出装置に関し、詳しくは、液体収容量が大きく、構造が簡素でコスト低減を図ることができ、液体漏れがなく安定して液体を保持できる技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプリンタヘッドに用いられるインク供給装置としては、例えば以下のものが知られている。
図１３は、従来のこの種のインク供給装置の第１例を示す内部構成断面図である。図１３において、インク収容部２０１は、インクタンク２０１ａと、インク保持室２０１ｂとに仕切られている。インクタンク２０１ａとインク保持室２０１ｂとの間は、底面部で連通されている。
【０００３】
インクタンク２０１ａ側には、インクが装填されている。また、インク保持室２０１ｂの天面側には、外気と連通する外気連通孔２０２が形成されている。さらにまた、インク保持室２０１ｂ内には、インクを保持しておく多孔質体２０３が設けられている。さらに、インク保持室２０１ｂの底面側には、インク送出部２０４が形成されている。
【０００４】
インクがインク送出部２０４から送り出されると、空気がインクタンク２０１ａ側に入り、その空気に相当する分のインクがインクタンク２０１ａからインク保持室２０１ｂ側に送られるとともに、多孔質体２０３に保持される。
ここで、多孔質体２０３の毛管力により、インクには吸い上げられる方向の力が加わっている。これにより、インク送出部２０４からインクが漏れることはない。
【０００５】
図１４は、従来のインク供給装置の第２例を示す内部構成断面図である。図１４において、インク収容部２０５の底面側には、上記第１例と同様に、インク送出部２０４が形成されている。また、インク収容部２０５内には、内部にインクを収容した袋状体２０６が設けられている。この袋状体２０６は、バネ２０７によって常時押し広げる方向（図１４中、矢印方向）に力が加わっている。このバネ２０７の力により、袋状体２０６内部のインクには、吸い上げられる方向の力が加わっている。これにより、上記第１例と同様に、インク送出部２０４からインクが漏れることはない。
【０００６】
以上のように、プリンタヘッドに用いられるインク供給装置は、インク送出部２０４からインクが漏れないように構成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の従来の技術では、以下の問題があった。
第１例では、インク保持室２０１ｂ内に多孔質体２０３を設けているので、インク供給装置内の容積は、多孔質体２０３の分だけ小さくなる。よって、インク供給装置全体の大きさに対して、内部に収容できるインク量が少ないという問題があった。
【０００８】
また、第２例では、バネ２０７を用いる方式であるので、例えばインク収容部２０５を薄型にした場合には、袋状体２０６の内部にバネ２０７を収納することができなくなったり、製造工程が複雑化する等の製造上の問題があった。さらに、バネ２０７を袋状体２０６の内部に収容する構造であるので、機構が複雑化し、コストも高くなるという問題があった。
【０００９】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、液体収容量が大きく、構造が簡素であり、かつ液体漏れがなく安定して液体を保持することができるようにすることである。
なお、上記課題を解決した発明が本件出願人により既に提案されている（特願２００１−３２２３６１）。本発明は、この発明をさらに改良したものであり、仮に弁が正常に機能しなくなった場合であっても、液体漏れを防止して気液交換を行うことができるようにしたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の解決手段によって、上述の課題を解決する。
本発明の１つである請求項１に記載の発明は、内部に液体を収容する液体収容部と、前記液体収容部内の液体が流下可能に前記液体収容部と連結された液体室と、前記液体収容部と前記液体室との間の開口域と、前記開口域を閉塞するように付勢された開閉部材とを有し、前記液体室の液体量の減少による前記液体室内の圧力の低下によって前記開閉部材が前記開口域を開放するように移動されるようにした弁と、前記液体収容部に形成され、外気と連通する外気連通孔と、前記外気連通孔から前記液体収容部の内部に延在し、前記液体収容部内の液体量が減少したときにこの減少した液体量に相当する空気を前記外気連通孔から前記液体収容部内に取り込み可能な空気導入管とを備える液体供給装置であって、前記空気導入管の下端部における液体のメニスカスを保持する力Ｐと、前記液体供給装置又は前記液体供給装置に連結された外部装置の大気圧がかかる液体の出口から前記空気導入管の前記下端部までの高さに相当する水頭の圧力Ｈとが、Ｐ＞Ｈの関係を満たすように、前記空気導入管の前記下端部の孔径と、前記水頭とを決定したことを特徴とする。
【００１１】
（作用）
上記発明においては、液体供給装置から外部に液体が供給されると、液体室の圧力が低下する。これにより、液体室では液体を引き込もうとする吸引力が発生し、この吸引力によって開閉部材が移動され、液体収容部と液体室とが連通し、液体収容部から液体室に液体が送られる。
【００１２】
液体収容部から液体室に液体が送られると、液体収容部内の液体量が減少するが、この減少分に相当する分の空気が外気連通孔から空気導入管を介して液体収容部内に取り込まれる。また、液体収容部から液体室に液体が送られることにより、液体室内の圧力が定常状態に戻ると、開閉部材は、液体収容部と液体室との間を閉塞する。これにより、液体収容部から液体室への液体の送りが停止し、外気連通孔からの空気の液体収容部内への取り込みも停止する。
【００１３】
また、弁の開閉部材は、液体室内の圧力の低下によって開口域を開放するように移動されるが、仮に、弁が正常に機能しなくなると、開閉部材が開口域を開放したままの状態となってしまうおそれがある。このような場合には、液体供給装置の内部の圧力を、適切な圧力（大気圧より低い圧力であって、液体の出口から液体が漏れ出ないように液体を保持することができる圧力）に保持することができなくなり、液体が漏れ出てしまうおそれがある。
【００１４】
一方、空気導入管の下端部には液体のメニスカスが形成されるが、本発明では、この下端部における液体のメニスカスを保持する力Ｐと、液体供給装置又は液体供給装置に連結された外部装置の大気圧がかかる液体の出口から空気導入管の下端部までの高さに相当する水頭の圧力Ｈとが、Ｐ＞Ｈの関係を満たすようにしている。
【００１５】
したがって、たとえ開閉部材が開口域を開放したままの状態となってしまっても、空気導入管の下端部において液体のメニスカスが保持されるので、空気導入管の下端部から空気が液体収容部内に入り込むことはない。これにより、液体供給装置の内部の圧力は適切な圧力に保持されるので、液体が漏れ出てしまうことはない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の一実施形態について説明する。なお、以下の実施形態では、本発明における液体供給装置及び液体吐出装置として、インク供給装置、及びこのインク供給装置を用いたサーマル方式のインクジェットプリンタヘッドを例に挙げて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態であるインクジェットプリンタヘッド（以下、単に「プリンタヘッド」という。）１を示す正面の断面図である。プリンタヘッド１は、インク供給装置１０と、インク吐出部１００とから構成されている。インク吐出部１００は、本発明における液体吐出部に相当するものであり、図１では外形のみを図示している。
【００１７】
インク供給装置１０は、インク収容部（インクタンク）３０と、インク室４０と、弁５０とを備える。ここで、インク収容部は、本発明における液体収容部に相当するものであり、インク室は、本発明における液体室に相当するものである。
インク収容部３０は、容器状体に形成され、その内部にはインクが装填されている。図１等において、インク収容部３０内のインクを斜線で図示している。
インク収容部３０の底面側には、筒状のノズル部３１が形成されている。ノズル部３１は、インク室４０の上面側にインク室４０と一体形成された連結部４１に連結される部分である。
【００１８】
また、インク収容部３０の内部には、空気導入管３２が設けられている。空気導入管３２は、インク収容部３０の上面側で開口されており、この部分が外気と連通する外気連通孔３２ａを構成している。また、空気導入管３２の中央付近には、外気連通孔３２ａや空気導入管３２の下端部３２ｃの開口径より大きい径を有し、空気導入管３２と連通するバッファ部３２ｂが設けられている。本実施形態では、図１に示すように、バッファ部３２ｂは、断面が略菱形状に形成されたものであり、その内部にインクを溜め込み可能なものである。
【００１９】
なお、空気導入管３２は、空気を外気連通孔３２ａからインク収容部３０内に取り込むとともに、その内部にインクを溜め込み可能なものであるが、バッファ部３２ｂは、空気導入管３２の他の部分よりインクの溜め込み量を多くした部分である。
【００２０】
インク室４０は、インク収容部３０内のインクが流下可能にインク収容部３０と連結されるものであり、略直方体状をなすインク収容体である。インク室４０の上面側には、筒状の連結部４１が設けられている。この連結部４１の内径は、インク収容部３０のノズル部３１の外径より大きく設定されている。さらに、連結部４１の上端には、Ｏリング４２が取り付けられている。このＯリング４２の内径と、ノズル部３１の外径とが互いに嵌合可能な径にそれぞれ設定されており、ノズル部３１の先端部がこのＯリング４２を介して連結部４１内に入り込むと、ノズル部３１とＯリング４２とが隙間なく嵌め合う。
【００２１】
また、インク送出部４３は、インク室４０の底面側にインク室４０と連通して設けられた筒状体であり、インク室４０内のインクをインク吐出部１００側に送り出すためのものである。
【００２２】
弁５０は、インク収容部３０とインク室４０との間の開口域５１（インク室４０の上面に形成された、連結部４１との連通領域）と、この開口域５１を開閉するための開閉部材５２と、開口域５１を閉塞する方向に開閉部材５２を付勢する（図１中、上方向に開閉部材５２を付勢する）バネ５３とから構成されている。これらの開閉部材５２及びバネ５３は、インク室４０内に配置されている。
【００２３】
図１では、弁５０の開閉部材５２は、インク収容部３０とインク室４０との間の開口域５１を開放する位置に配置された状態を示しているが、定常状態では、開閉部材５２は、バネ５３の付勢力によってインク室４０の上面に押し付けられており、これによって開口域５１を閉塞するように配置されている。
【００２４】
なお、開閉部材５２の材質は、その種類を問わないが、例えばゴム弾性体（エラストマー）から形成すれば、高い閉塞性を有するので、好ましい。
バネ５３は、開閉部材５２の下面側と、インク室４０の底面との間を連結するように取り付けられ、開閉部材５２を上方向に付勢する圧縮コイルバネである。
【００２５】
第１実施形態では、インク収容部３０がインクカートリッジとなり、プリンタヘッド１から着脱可能に形成される。インク収容部３０の着脱構造としては、例えば、図２に示す構造が挙げられる。
【００２６】
図２は、ノズル部３１に設けられる弁構造の一実施形態を示す図であり、開状態及び閉状態を併せて示す図である。先ず、上側の図の閉状態では、コイルバネ３１ｄの付勢力により弁３１ｃは閉じられている。そして、インク収容部３０のノズル部３１が連結部４１に装着されると、棒体３１ｅが弁３１ｃを押し上げ、インク収容部３０のノズル部３１と、インク室４０の連結部４１とが連通するようになる。
【００２７】
また、インク収容部３０を連結部４１から引き抜く際には、上記と逆の動作により、弁が３１ｃが閉じられる。よって、インク収容部３０を装着する直前に、ノズル部３１の先端部が下方を向いている状態であっても、内部のインクが漏れることはない。また、インク収容部３０を交換するときに、インク収容部３０を引き抜いたときには、直ちに弁３１ｃが閉じられるので、この時もまた、ノズル部３１の先端からインクが漏れることはない。
【００２８】
図３は、プリンタヘッド１の全体図（正面の断面図）と、その全体図におけるＡ部を詳細に示す図である。
インク吐出部１００は、基板１０１と、フィルム１０３と、ノズルシート１０４等とを備える。
【００２９】
基板１０１は、シリコン等の半導体基板からなるものであり、その一面（図３中、下面）に、発熱抵抗体（ヒーター）１０２が形成されたものである。発熱抵抗体１０２は、吐出するインクを加熱するためのものである。
発熱抵抗体１０２の駆動制御等は、基板１０１によって行われる。基板１０１には、図示しないが、ロジックＩＣや、ドライバートランジスタ等が設けられている。
【００３０】
フィルム１０３は、基板１０１の図３中、下面に積層されている。フィルム１０３は、例えば露光硬化型のドライフィルムレジストからなるものであり、基板１０１の発熱抵抗体１０２が形成された面の略全体に積層された後、フォトリソプロセスによって不要部分が除去されて、所定形状に形成される。
これにより、フィルム１０３は、各発熱抵抗体１０２の周囲部を略凹状に囲むように形成される。この発熱抵抗体１０２を囲む部分がインク加圧室１０５となる。よって、フィルム１０３は、インク加圧室１０５の一部を形成している。
【００３１】
ノズルシート１０４は、インクを吐出するためのノズル１０４ａが形成されたシート状部材であり、フィルム１０３の下層に積層されている。
ノズル１０４ａは、円形に開口された穴であり、各発熱抵抗体１０２の下側に位置するように配置されている。なお、ノズルシート１０４は、インク加圧室１０５の一部を形成している。
【００３２】
また、各インク加圧室１０５に連通するように、インク流路部１０６が形成されている。インク流路部１０６は、インク供給装置１０から供給されたインクを各インク加圧室１０５に送り込むためのものである。すなわち、インク流路部１０６と、上述のインク送出部４３とが連通されている。よって、インク供給装置１０から供給されるインクは、インク流路部１０６に流れ込み、インク加圧室１０５内に充填される。
【００３３】
以上のインク加圧室１０５やノズル１０４ａは、基板１０１に、略直線状に多数並設されている。そして、図３の全体図で示すように、各ノズル１０４ａからインクｉが吐出される。
【００３４】
続いて、インクの吐出から、インクが吐出された後のインクの供給について、より詳細に説明する。図４から図７までは、図３の詳細図で示したインク吐出部１００を示す断面図であって、インクが吐出された後、インクがインク加圧室１０５に供給されるまでの様子を順を追って示す図である。さらに、各インク吐出部１００の右側には、その状態における弁５０の開閉部材５２の動作を併せて示している。
【００３５】
先ず、プリンタ制御部（図示せず）からの指令によって、選択された発熱抵抗体１０２に、短時間（例えば１〜３マイクロ秒程度）電流パルスが流されることにより、その発熱抵抗体１０２が急速に加熱される。その結果、発熱抵抗体１０２に接する部分にバブル（インク気泡）が発生し、そのバブルの膨張によって、ある体積のインクが押しのけられる。これによって、ノズル１０４ａに接する部分の上記押しのけられたインクと同等の体積のインクｉがインク液滴としてノズル１０４ａから吐出され、紙等の記録媒体に着弾される。
【００３６】
図４は、ノズル１０４ａからインクｉが吐出された瞬間の様子を示すものである。この時点では、図４に示すように、開閉部材５２は、バネ５３の付勢力によってインク室４０の上面に押し付けられており、開閉部材５２が開口域５１を閉塞する位置に配置されている。
【００３７】
次に、図５さらには図６に示すように、バブルＢは、次第に収縮する。この収縮に伴い、インク加圧室１０５内にインクを引き込む力が発生する。この引込み力の発生により、インクは、インク加圧室１０５内に供給される。
【００３８】
ここで、インク加圧室１０５、インク流路部１０６、インク室４０のインク送出部４３は、それぞれ連通されている。したがって、インク加圧室１０５からインク室４０までの連通する部分の圧力は、それまでの圧力より低くなる。このため、インク室４０内では、インクを引き込もうとする吸引力が発生し、開閉部材５２には、バネ５３の付勢力に抗して下方側に移動される力が発生する。これにより、インク室４０の上面の開口域５１が開放され、インク収容部３０側からインク室４０側にインクが送り込まれる。
【００３９】
また、インク収容部３０内のインクがインク室４０に流下すると、インク収容部３０内のインク量が減少するので、インク収容部３０内の圧力が低下する。これにより、空気導入管３２の下端部３２ｃから空気（外気）がインク収容部３０内に入り込む。この空気は、気泡となり、インク内を上昇し、最終的には、インク収容部３０内（かつ空気導入管３２の外側）の上方に溜められる。このように、インク収容部３０内のインクがインク室４０側に送り出されると、送り出されることで減少したインク量に相当する空気が外気連通孔３２ａから空気導入管３２を介してインク収容部３０内に取り込まれる。
【００４０】
そして、図７に示すように、インク加圧室１０５内のバブルＢがなくなると、インク室４０からインク加圧室１０５までの連通する部分の圧力は、元の状態に戻り、インク室４０内では、インクを引き込もうとする吸引力が消滅する。よって、バネ５３は、その付勢力によって開閉部材５２をインク室４０の上面に押し上げ、開閉部材５２は、再度、開口域５１を閉塞する。これにより、インク収容部３０からインク室４０へのインクの流下が停止し、インクがノズル１０４ａから吐出される前の状態に戻り、平衡状態となる。
【００４１】
このように、インク吐出部１００側でインクが吐出され、インクが使用されると、開閉部材５２が開放され、上記の動作を繰り返す。これにより、インク収容部３０内のインクが徐々に減少していく。
【００４２】
また、図１に示すように、外気連通孔３２ａを有する空気導入管３２がインク収容部３０内部に設けられるとともに、空気導入管３２の下端部３２ｃは、インク収容部３０の上面より低い位置にあるため、インク収容部３０に振動が加わったり、傾斜した場合であっても、インク収容部３０内のインクが外部に漏れ出ることを防止することができる。
【００４３】
さらに、圧力変化や温度変化に対しても、インク収容部３０内のインクが漏れ出ることを防止することができる。
図８及び図９は、この効果を説明する図である。図８は、常温、常圧時の状態を示し、空気導入管３２内には、ほとんどインクがない状態を示している。
【００４４】
この状態で、圧力の低下又は温度上昇が起こると、インク収容部３０内の空気導入管３２の外側にある空気（外気から遮断されてインク収容部３０の上方部に存在する空気）が膨張する。この空気の膨張により、図９に示すように、インク収容部３０内の空気導入管３２の外側にあるインクの水位が低下する。そして、この分だけインクが空気導入管３２側に逆流するが、このインクは、空気導入管３２のバッファ部３２ｂ内に一時的に溜められる。よって、インク収容部３０内のインクが外部に漏れ出ることを防止することができる。
【００４５】
また、インク収容部３０のインクの未使用時は、空気導入管３２内にインクがない状態でも良いが、インクが満たされている状態であっても良い。
空気導入管３２内にインクがない状態でインク収容部３０がインク供給装置１０に取り付けられると、最初の時点で図１に示す状態となる。
【００４６】
これに対し、空気導入管３２内を含むインク収容部３０内のほぼ全てにインクが満たされている状態でインク収容部３０がインク供給装置１０に取り付けられると、最初は、空気導入管３２内のインクのみが使用される。これは、空気導入管３２内のみが外気連通孔３２ａによって外気と連通されているためである。
そして、空気導入管３２内のほぼ全てのインクが使用されると、図１に示す状態となる。
【００４７】
ここで、空気導入管３２内を含むインク収容部３０内のほぼ全てにインクが満たされている状態では、インク収容部３０内の空気導入管３２の外側に存在する密閉空気（空気層）は、わずかな量である。このため、圧力の低下又は温度上昇によって密閉空気の膨張が生じても、空気導入管３２の外側に存在するインクの水位の低下も、わずかとなる。よって、圧力の低下又は温度上昇によって、空気導入管３２側へのインクの逆流量も、わずかな量となる。これにより、外気連通孔３２ａからインクが漏れ出すことはない。
【００４８】
以上により、インク収容部３０のインクの未使用時は、空気導入管３２内にインクがない状態、又はインクが満たされている状態のいずれでも良く、いずれの状態であっても、圧力の低下又は温度上昇によりインク収容部３０内のインクが外部に漏れ出ることを防止することができる。
【００４９】
次に、本実施形態における、空気導入管３２の下端部３２ｃのインクのメニスカス保持力について説明する。
図１０は、図１中、Ｂ部を詳細に示す図であって、空気導入管３２の下端部３２ｃと、インクのメニスカスとを示すものである。図１０に示すように、空気導入管３２の下端部３２ｃには、下に凸となるインクのメニスカスが形成される。
【００５０】
図１０において、インクの表面張力をγ、空気導入管３２の下端部３２ｃの孔径をＤ、インクと空気導入管３２の下端部３２ｃとの接触角をθとする。
このとき、表面張力γの垂直方向の成分は、
γcos θ
となる。
この表面張力γの垂直方向の成分は、空気導入管３２の下端部３２ｃの周長（πＤ）に加わるので、周長全体での垂直方向の表面張力は、
πＤγcos θ
となる。
【００５１】
この値を、空気導入管３２の下端部３２ｃの開口面積（Ｓ＝πＤ２ ／４）で割れば、空気導入管３２の下端部３２ｃに形成される、インクのメニスカスを保持するための力（メニスカス保持力（圧力））となるので、これをＰとすると、
メニスカス保持力Ｐ＝πＤγcos θ／（πＤ２ ／４）
＝４πγcos θ／Ｄ
となる。
【００５２】
一方、インク供給装置１０及びインク吐出部１００の内部は、大気圧より低い圧力に保持されている。これは、インク吐出部１００内の圧力が大気圧以上であると、ノズル１０４ａからインクが漏れ出してしまうからである。したがって、インク供給装置１０及びインク吐出部１００内の圧力は、必ず大気圧より低い圧力に保持されている必要がある。この圧力は、インクのメニスカスを、図１０中、下方に後退させる力となって作用している。
【００５３】
これに対し、上記のメニスカス保持力Ｐは、インクのメニスカスを保持しようとする力であり、図１０中、上方向の力となる。そして、インク収容部３０の内部の圧力より、空気導入管３２の下端部３２ｃにおけるインクのメニスカス保持力が大きいときには、インクのメニスカスは維持される。
【００５４】
しかし、インクが使用され、インク収容部３０側からインク室４０側にインクが流れ出ると、インク収容部３０内の圧力は、それまでの圧力よりさらに低下するので、インクのメニスカスを、図１０中、下方に後退させる力がさらに増大する。
この力により、インクのメニスカスが図１０中、下方に後退すると、インクのメニスカスは、空気導入管３２の下端部３２ｃで保持することができなくなり、破壊される。これにより、空気導入管３２の下端部３２ｃから空気がインク収容部３０内部に入り込まれる。
【００５５】
そして、空気がインク収容部３０内に入り込まれることで、インク収容部３０内の圧力が上昇すると、インク収容部３０内の圧力は、それまでの圧力に戻る。これにより、再度、空気導入管３２の下端部３２ｃにインクのメニスカスが形成され、メニスカス保持力により保持される。
【００５６】
ここで、上述したように、インクがインク吐出部１００から吐出され、インクが使用されると、内部の圧力がさらに低下することで、弁５０が開放されるように構成されている。
しかし、弁５０は、内部の圧力の微妙な変化によって開閉されるように構成する必要があるので、バネ５３には、弾性定数の小さいものが使用される。したがって、インク供給装置１０内部への異物の混入等により弁５０の開閉動作が正しく行うことができなくなったり、あるいはバネ５３の金属疲労等によって弾性定数が経時変化するおそれがある。これにより、弁５０の開閉動作が正しく行わなくなるおそれがある。この場合には、内部の気圧を、大気圧より低い所定の気圧に保持することができなくなる。
【００５７】
弁５０の開閉動作が正しく行われなくなると、インク供給装置１０及びインク吐出部１００内の圧力を、インクを内部に保持可能な圧力に保つことができなくなり、ノズル１０４ａからインクが漏れ出てしまう。
そこで、本実施形態では、たとえ弁５０の開閉動作が正しく行われなくなった場合であっても、インク供給装置１０及びインク吐出部１００内の圧力を、インクを内部に保持可能な圧力に保つことができるようにしている。
【００５８】
ノズル１０４ａには大気圧がかかっており、空気導入管３２の下端部３２ｃには、ノズル１０４ａの下面から、空気導入管３２の下端部３２ｃまでの高さに相当する水頭の圧力Ｈ（図１参照；大気圧より低い圧力）がかかる。
そして、空気導入管３２の下端部３２ｃにおけるインクのメニスカス保持力Ｐの絶対値が、水頭の圧力Ｈの絶対値より大きい場合には、弁５０が開放されたままであっても、空気導入管３２から空気は取り込まれず、ノズル１０４ａからインクが漏れ出ることはない。すなわち、
Ｐ＝４πγcos θ／Ｄ＞Ｈ
であれば、空気導入管３２から空気は取り込まれず、ノズル１０４ａからインクが漏れ出ることはない。
【００５９】
上記の式を変形すれば、
Ｄ＜４πγcos θ／Ｈ
となる。
この式に基づき空気導入管３２の下端部３２ｃの孔径Ｄと水頭との値を決定すれば、ノズル２５ａからインクが漏れ出ることを防止することができる。
なお以上は、空気導入管３２の下端部３２ｃの開口形状が円形の場合である。
【００６０】
図１１は、インクの表面張力γ、空気導入管３２の下端部３２ｃの孔径Ｄ、空気導入管３２の下端部３２ｃの周長Ｌ（πＤ）、空気導入管３２の下端部３２ｃの開口面積Ｓ（＝πＤ２ ／４）、接触角θ、及びメニスカス保持力Ｐの各値を示すとともに、孔径Ｄとメニスカス保持力Ｐとの関係をグラフで示すものである。
【００６１】
図１１において、例えば水頭の圧力Ｈが２０ｍｍＡｑの場合、孔径Ｄを約０．６ｍｍ以下にすれば、ノズル１０４ａからインクが漏れ出ることはない。
また、例えば孔径Ｄを０．３ｍｍとした場合には、メニスカス保持力Ｐは、４０．６ｍｍＡｑとなるので、水頭の圧力Ｈが４０．６ｍｍＡｑ未満であれば、ノズル１０４ａからインクが漏れ出ることはない。
なお、実際の設計時には、インク吐出部１００の傾斜や加工精度等の製造誤差を考慮して、ある程度のマージンをとり、水頭は小さく設定するのが好ましい（例えばＨが２０ｍｍＡｑ程度）。
【００６２】
（第２実施形態）
図１２は、本発明の第２実施形態であるプリンタヘッド１Ａを示す正面の断面図である。第２実施形態では、第１実施形態と異なるインク供給装置１０Ａを備える。
インク供給装置１０Ａは、空気導入管３２Ａが第１実施形態と異なる。その他は第１施形態と同一である。
【００６３】
空気導入管３２Ａは、第１実施形態の空気導入管３２と異なり、バッファ部３２ｂを有していない。空気導入管３２Ａは、長手方向において、下端部３２ｃの近傍を除いて一定の横断面形状を有する筒状体に形成されている。また、空気導入管３２Ａの横断面積は、第１実施形態における空気導入管３２のバッファ部３２ｂ以外の部分の横断面積より大きく形成されている。
【００６４】
このように、第２実施形態の空気導入管３２Ａは、バッファ部３２ｂを有さないが、インクの逆流時に内部にインクを溜め込み可能であれば、必ずしもバッファ部３２ｂを設ける必要はない。
また、第２実施形態における下端部３２ｃの孔径Ｄは、第１実施形態の下端部３２ｃの孔径Ｄと同一である。すなわち、下端部３２ｃの孔径Ｄが所定の大きさに形成されていれば、下端部３２ｃにおいてインクのメニスカスを保持可能であるので、空気導入管３２Ａの他の部分は、どのような形状であっても良い。
なお、空気導入管３２Ａの横断面は、円形であっても良いが、多角形等、円形以外の形状であっても良い。
このように空気導入管３２Ａを形成しても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）本実施形態では、インク吐出部１００は、インク加圧室１０５内で発熱抵抗体１０２によってインクを加熱して吐出させるサーマル方式のものを挙げたが、これに限らず、静電吐出方式やピエゾ方式に適用することも可能である。
静電吐出方式は、エネルギー発生手段として、振動板と、この振動板の下側に、空気層を介した２つの電極を設けたものである。そして、両電極間に電圧を印加し、振動板を下側にたわませ、その後、電圧を０Ｖにして静電気力を開放する。このとき、振動板が元の状態に戻るときの弾性力を利用してインクを吐出するものである。
【００６６】
また、ピエゾ方式は、エネルギー発生手段として、両面に電極を有するピエゾ素子と振動板との積層体を設けたものである。そして、ピエゾ素子の両面の電極に電圧を印加すると、圧電効果により振動板に曲げモーメントが発生し、振動板がたわみ、変形する。この変形を利用してインクを吐出するものである。
【００６７】
（２）本実施形態では、インク収容部３０を着脱可能に形成したが、インク収容部３０のノズル部３１とインク室４０の連結部４１とを一体に連結したものであっても良い。この場合には、Ｏリング４２は設けられない。このように形成した場合には、第１、第２実施形態のようにインク収容部３０をインクカートリッジとして用いず、インク収容部３０内のインクが無くなったときには、インク供給装置１０、１０Ａ全体を交換するか（この場合には、インク供給装置１０、１０Ａをインク吐出部１００に対して着脱可能に形成する必要がある）、又はインク吐出部１００を含めてプリンタヘッド１、１Ａ全体を交換する。
【００６８】
（３）本実施形態では、プリンタヘッド１等及びインク供給装置１０等を例に挙げたが、インクに限らず、種々の液体供給装置や液体吐出装置に適用することができる。例えば、生体試料を検出するためのＤＮＡ含有溶液を吐出するための装置に適用することも可能である。
【００６９】
【発明の効果】
本発明の液体供給装置によれば、液体収容部内に液体を保持する多孔質体等を設けるものではないので、液体収容量を大きくすることができる。また、バネ等を用いて液体収容部内の圧力を低くするものではなく、液体収容部と液体室との間で気液交換を行うとともに、弁の開閉部材によって液体収容部と液体室との間を開閉するものであるので、構造を簡素にすることができる。そして、液体漏れがなく安定して液体を保持することができる。
【００７０】
また、空気導入管は、外気連通孔から液体収容部の内部に延在するものであるので、空気導入管内の全てに液体が満たされていない限り、液体供給装置に振動が加わったり傾斜した場合でも、外気連通孔から液体が漏れ出ることを防止することができる。
【００７１】
さらにまた、空気導入管にバッファ部を有する場合には、圧力の低下又は温度上昇が起きたときに、液体収容部内の空気が膨張して空気導入管側に液体が逆流しても、空気導入管内にその液体が溜められるので、外気連通孔から液体が漏れ出ることを防止することができる。さらに、空気導入管内を除く液体収容部内に液体が充填されている場合には、圧力の低下又は温度上昇によって密閉空気の膨張が生じて液体が空気導入管側に逆流しても、その液体は、空気導入管内に溜められるので、外気連通孔からの液体漏れを防止することができる。
【００７２】
さらに、空気導入管内を含む液体収容部内に液体が充填されている場合には、圧力の低下又は温度上昇によって密閉空気の膨張が生じても、空気導入管側への液体の逆流量は、わずかな量であるので、外気連通孔からの液体漏れを防止することができる。
【００７３】
また、たとえ開閉部材が開口域を開放したままの状態となってしまっても、空気導入管の下端部において液体のメニスカスが保持されるようにしたので、空気導入管の下端部から空気が液体収容部内に入り込むことを防止することができる。これにより、液体供給装置の内部の圧力を常に適切な圧力に保持することができ、液体漏れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態であるプリンタヘッドを示す正面の断面図である。
【図２】インク収容部の着脱構造を示す図である。
【図３】プリンタヘッドの全体図（正面の断面図）と、その全体図におけるＡ部を詳細に示す図である。
【図４】インク吐出部を示す断面図であって、インクが吐出された後、インクがインク加圧室に供給されるまでの様子を示す図であり、その状態における弁の様子を併せて示す図である。
【図５】図４の様子に続く様子を示す図である。
【図６】図５の様子に続く様子を示す図である。
【図７】図６の様子に続く様子を示す図である。
【図８】インク収容部内のインクの様子を示す図であり、常温、常圧時の状態を示す図である。
【図９】インク収容部内のインクの様子を示す図であり、高温、低圧時の状態を示す図である。
【図１０】図１中、Ｂ部を詳細に示す図であって、空気導入管の下端部と、インクのメニスカスとを示すものである。
【図１１】インクの表面張力、空気導入管の下端部の孔径、空気導入管の下端部の周長、空気導入管の下端部の開口面積、接触角、及びメニスカス保持力の各値を示すとともに、孔径とメニスカス保持力との関係をグラフで示すものである。
【図１２】本発明の第２実施形態であるプリンタヘッドを示す正面の断面図である。
【図１３】従来のインク供給装置の第１例を示す図である。
【図１４】従来のインク供給装置の第２例を示す図である。
【符号の説明】
１、１Ａ （インクジェット）プリンタヘッド（液体吐出装置）
１０、１０Ａ インク供給装置（液体供給装置）
３０ インク収容部（液体収容部）
３２、３２Ａ 空気導入管
３２ａ 外気連通孔
３２ｂ バッファ部
３２ｃ 下端部
４０ インク室（液体室）
５０ 弁
５１ 開口域
５２ 開閉部材
５３ バネ（付勢部材）
１００ インク吐出部（液体吐出部）
Ｈ ノズルの下面から空気導入管の下端部までの高さに相当する水頭の圧力
Ｐ 空気導入管の下端部のインクのメニスカス保持力
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体を外部装置、例えば液体吐出部に供給する液体供給装置と、この液体供給装置を適用したインクジェットプリンタヘッド等の液体吐出装置に関し、詳しくは、液体収容量が大きく、構造が簡素でコスト低減を図ることができ、液体漏れがなく安定して液体を保持できる技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプリンタヘッドに用いられるインク供給装置としては、例えば以下のものが知られている。
図１３は、従来のこの種のインク供給装置の第１例を示す内部構成断面図である。図１３において、インク収容部２０１は、インクタンク２０１ａと、インク保持室２０１ｂとに仕切られている。インクタンク２０１ａとインク保持室２０１ｂとの間は、底面部で連通されている。
【０００３】
インクタンク２０１ａ側には、インクが装填されている。また、インク保持室２０１ｂの天面側には、外気と連通する外気連通孔２０２が形成されている。さらにまた、インク保持室２０１ｂ内には、インクを保持しておく多孔質体２０３が設けられている。さらに、インク保持室２０１ｂの底面側には、インク送出部２０４が形成されている。
【０００４】
インクがインク送出部２０４から送り出されると、空気がインクタンク２０１ａ側に入り、その空気に相当する分のインクがインクタンク２０１ａからインク保持室２０１ｂ側に送られるとともに、多孔質体２０３に保持される。
ここで、多孔質体２０３の毛管力により、インクには吸い上げられる方向の力が加わっている。これにより、インク送出部２０４からインクが漏れることはない。
【０００５】
図１４は、従来のインク供給装置の第２例を示す内部構成断面図である。図１４において、インク収容部２０５の底面側には、上記第１例と同様に、インク送出部２０４が形成されている。また、インク収容部２０５内には、内部にインクを収容した袋状体２０６が設けられている。この袋状体２０６は、バネ２０７によって常時押し広げる方向（図１４中、矢印方向）に力が加わっている。このバネ２０７の力により、袋状体２０６内部のインクには、吸い上げられる方向の力が加わっている。これにより、上記第１例と同様に、インク送出部２０４からインクが漏れることはない。
【０００６】
以上のように、プリンタヘッドに用いられるインク供給装置は、インク送出部２０４からインクが漏れないように構成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の従来の技術では、以下の問題があった。
第１例では、インク保持室２０１ｂ内に多孔質体２０３を設けているので、インク供給装置内の容積は、多孔質体２０３の分だけ小さくなる。よって、インク供給装置全体の大きさに対して、内部に収容できるインク量が少ないという問題があった。
【０００８】
また、第２例では、バネ２０７を用いる方式であるので、例えばインク収容部２０５を薄型にした場合には、袋状体２０６の内部にバネ２０７を収納することができなくなったり、製造工程が複雑化する等の製造上の問題があった。さらに、バネ２０７を袋状体２０６の内部に収容する構造であるので、機構が複雑化し、コストも高くなるという問題があった。
【０００９】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、液体収容量が大きく、構造が簡素であり、かつ液体漏れがなく安定して液体を保持することができるようにすることである。
なお、上記課題を解決した発明が本件出願人により既に提案されている（特願２００１−３２２３６１）。本発明は、この発明をさらに改良したものであり、仮に弁が正常に機能しなくなった場合であっても、液体漏れを防止して気液交換を行うことができるようにしたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の解決手段によって、上述の課題を解決する。
本発明の１つである請求項１に記載の発明は、内部に液体を収容する液体収容部と、前記液体収容部内の液体が流下可能に前記液体収容部と連結された液体室と、前記液体収容部と前記液体室との間の開口域と、前記開口域を閉塞するように付勢された開閉部材とを有し、前記液体室の液体量の減少による前記液体室内の圧力の低下によって前記開閉部材が前記開口域を開放するように移動されるようにした弁と、前記液体収容部に形成され、外気と連通する外気連通孔と、前記外気連通孔から前記液体収容部の内部に延在し、前記液体収容部内の液体量が減少したときにこの減少した液体量に相当する空気を前記外気連通孔から前記液体収容部内に取り込み可能な空気導入管とを備える液体供給装置であって、前記空気導入管の下端部における液体のメニスカスを保持する力Ｐと、前記液体供給装置又は前記液体供給装置に連結された外部装置の大気圧がかかる液体の出口から前記空気導入管の前記下端部までの高さに相当する水頭の圧力Ｈとが、Ｐ＞Ｈの関係を満たすように、前記空気導入管の前記下端部の孔径と、前記水頭とを決定したことを特徴とする。
【００１１】
（作用）
上記発明においては、液体供給装置から外部に液体が供給されると、液体室の圧力が低下する。これにより、液体室では液体を引き込もうとする吸引力が発生し、この吸引力によって開閉部材が移動され、液体収容部と液体室とが連通し、液体収容部から液体室に液体が送られる。
【００１２】
液体収容部から液体室に液体が送られると、液体収容部内の液体量が減少するが、この減少分に相当する分の空気が外気連通孔から空気導入管を介して液体収容部内に取り込まれる。また、液体収容部から液体室に液体が送られることにより、液体室内の圧力が定常状態に戻ると、開閉部材は、液体収容部と液体室との間を閉塞する。これにより、液体収容部から液体室への液体の送りが停止し、外気連通孔からの空気の液体収容部内への取り込みも停止する。
【００１３】
また、弁の開閉部材は、液体室内の圧力の低下によって開口域を開放するように移動されるが、仮に、弁が正常に機能しなくなると、開閉部材が開口域を開放したままの状態となってしまうおそれがある。このような場合には、液体供給装置の内部の圧力を、適切な圧力（大気圧より低い圧力であって、液体の出口から液体が漏れ出ないように液体を保持することができる圧力）に保持することができなくなり、液体が漏れ出てしまうおそれがある。
【００１４】
一方、空気導入管の下端部には液体のメニスカスが形成されるが、本発明では、この下端部における液体のメニスカスを保持する力Ｐと、液体供給装置又は液体供給装置に連結された外部装置の大気圧がかかる液体の出口から空気導入管の下端部までの高さに相当する水頭の圧力Ｈとが、Ｐ＞Ｈの関係を満たすようにしている。
【００１５】
したがって、たとえ開閉部材が開口域を開放したままの状態となってしまっても、空気導入管の下端部において液体のメニスカスが保持されるので、空気導入管の下端部から空気が液体収容部内に入り込むことはない。これにより、液体供給装置の内部の圧力は適切な圧力に保持されるので、液体が漏れ出てしまうことはない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の一実施形態について説明する。なお、以下の実施形態では、本発明における液体供給装置及び液体吐出装置として、インク供給装置、及びこのインク供給装置を用いたサーマル方式のインクジェットプリンタヘッドを例に挙げて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態であるインクジェットプリンタヘッド（以下、単に「プリンタヘッド」という。）１を示す正面の断面図である。プリンタヘッド１は、インク供給装置１０と、インク吐出部１００とから構成されている。インク吐出部１００は、本発明における液体吐出部に相当するものであり、図１では外形のみを図示している。
【００１７】
インク供給装置１０は、インク収容部（インクタンク）３０と、インク室４０と、弁５０とを備える。ここで、インク収容部は、本発明における液体収容部に相当するものであり、インク室は、本発明における液体室に相当するものである。
インク収容部３０は、容器状体に形成され、その内部にはインクが装填されている。図１等において、インク収容部３０内のインクを斜線で図示している。
インク収容部３０の底面側には、筒状のノズル部３１が形成されている。ノズル部３１は、インク室４０の上面側にインク室４０と一体形成された連結部４１に連結される部分である。
【００１８】
また、インク収容部３０の内部には、空気導入管３２が設けられている。空気導入管３２は、インク収容部３０の上面側で開口されており、この部分が外気と連通する外気連通孔３２ａを構成している。また、空気導入管３２の中央付近には、外気連通孔３２ａや空気導入管３２の下端部３２ｃの開口径より大きい径を有し、空気導入管３２と連通するバッファ部３２ｂが設けられている。本実施形態では、図１に示すように、バッファ部３２ｂは、断面が略菱形状に形成されたものであり、その内部にインクを溜め込み可能なものである。
【００１９】
なお、空気導入管３２は、空気を外気連通孔３２ａからインク収容部３０内に取り込むとともに、その内部にインクを溜め込み可能なものであるが、バッファ部３２ｂは、空気導入管３２の他の部分よりインクの溜め込み量を多くした部分である。
【００２０】
インク室４０は、インク収容部３０内のインクが流下可能にインク収容部３０と連結されるものであり、略直方体状をなすインク収容体である。インク室４０の上面側には、筒状の連結部４１が設けられている。この連結部４１の内径は、インク収容部３０のノズル部３１の外径より大きく設定されている。さらに、連結部４１の上端には、Ｏリング４２が取り付けられている。このＯリング４２の内径と、ノズル部３１の外径とが互いに嵌合可能な径にそれぞれ設定されており、ノズル部３１の先端部がこのＯリング４２を介して連結部４１内に入り込むと、ノズル部３１とＯリング４２とが隙間なく嵌め合う。
【００２１】
また、インク送出部４３は、インク室４０の底面側にインク室４０と連通して設けられた筒状体であり、インク室４０内のインクをインク吐出部１００側に送り出すためのものである。
【００２２】
弁５０は、インク収容部３０とインク室４０との間の開口域５１（インク室４０の上面に形成された、連結部４１との連通領域）と、この開口域５１を開閉するための開閉部材５２と、開口域５１を閉塞する方向に開閉部材５２を付勢する（図１中、上方向に開閉部材５２を付勢する）バネ５３とから構成されている。これらの開閉部材５２及びバネ５３は、インク室４０内に配置されている。
【００２３】
図１では、弁５０の開閉部材５２は、インク収容部３０とインク室４０との間の開口域５１を開放する位置に配置された状態を示しているが、定常状態では、開閉部材５２は、バネ５３の付勢力によってインク室４０の上面に押し付けられており、これによって開口域５１を閉塞するように配置されている。
【００２４】
なお、開閉部材５２の材質は、その種類を問わないが、例えばゴム弾性体（エラストマー）から形成すれば、高い閉塞性を有するので、好ましい。
バネ５３は、開閉部材５２の下面側と、インク室４０の底面との間を連結するように取り付けられ、開閉部材５２を上方向に付勢する圧縮コイルバネである。
【００２５】
第１実施形態では、インク収容部３０がインクカートリッジとなり、プリンタヘッド１から着脱可能に形成される。インク収容部３０の着脱構造としては、例えば、図２に示す構造が挙げられる。
【００２６】
図２は、ノズル部３１に設けられる弁構造の一実施形態を示す図であり、開状態及び閉状態を併せて示す図である。先ず、上側の図の閉状態では、コイルバネ３１ｄの付勢力により弁３１ｃは閉じられている。そして、インク収容部３０のノズル部３１が連結部４１に装着されると、棒体３１ｅが弁３１ｃを押し上げ、インク収容部３０のノズル部３１と、インク室４０の連結部４１とが連通するようになる。
【００２７】
また、インク収容部３０を連結部４１から引き抜く際には、上記と逆の動作により、弁が３１ｃが閉じられる。よって、インク収容部３０を装着する直前に、ノズル部３１の先端部が下方を向いている状態であっても、内部のインクが漏れることはない。また、インク収容部３０を交換するときに、インク収容部３０を引き抜いたときには、直ちに弁３１ｃが閉じられるので、この時もまた、ノズル部３１の先端からインクが漏れることはない。
【００２８】
図３は、プリンタヘッド１の全体図（正面の断面図）と、その全体図におけるＡ部を詳細に示す図である。
インク吐出部１００は、基板１０１と、フィルム１０３と、ノズルシート１０４等とを備える。
【００２９】
基板１０１は、シリコン等の半導体基板からなるものであり、その一面（図３中、下面）に、発熱抵抗体（ヒーター）１０２が形成されたものである。発熱抵抗体１０２は、吐出するインクを加熱するためのものである。
発熱抵抗体１０２の駆動制御等は、基板１０１によって行われる。基板１０１には、図示しないが、ロジックＩＣや、ドライバートランジスタ等が設けられている。
【００３０】
フィルム１０３は、基板１０１の図３中、下面に積層されている。フィルム１０３は、例えば露光硬化型のドライフィルムレジストからなるものであり、基板１０１の発熱抵抗体１０２が形成された面の略全体に積層された後、フォトリソプロセスによって不要部分が除去されて、所定形状に形成される。
これにより、フィルム１０３は、各発熱抵抗体１０２の周囲部を略凹状に囲むように形成される。この発熱抵抗体１０２を囲む部分がインク加圧室１０５となる。よって、フィルム１０３は、インク加圧室１０５の一部を形成している。
【００３１】
ノズルシート１０４は、インクを吐出するためのノズル１０４ａが形成されたシート状部材であり、フィルム１０３の下層に積層されている。
ノズル１０４ａは、円形に開口された穴であり、各発熱抵抗体１０２の下側に位置するように配置されている。なお、ノズルシート１０４は、インク加圧室１０５の一部を形成している。
【００３２】
また、各インク加圧室１０５に連通するように、インク流路部１０６が形成されている。インク流路部１０６は、インク供給装置１０から供給されたインクを各インク加圧室１０５に送り込むためのものである。すなわち、インク流路部１０６と、上述のインク送出部４３とが連通されている。よって、インク供給装置１０から供給されるインクは、インク流路部１０６に流れ込み、インク加圧室１０５内に充填される。
【００３３】
以上のインク加圧室１０５やノズル１０４ａは、基板１０１に、略直線状に多数並設されている。そして、図３の全体図で示すように、各ノズル１０４ａからインクｉが吐出される。
【００３４】
続いて、インクの吐出から、インクが吐出された後のインクの供給について、より詳細に説明する。図４から図７までは、図３の詳細図で示したインク吐出部１００を示す断面図であって、インクが吐出された後、インクがインク加圧室１０５に供給されるまでの様子を順を追って示す図である。さらに、各インク吐出部１００の右側には、その状態における弁５０の開閉部材５２の動作を併せて示している。
【００３５】
先ず、プリンタ制御部（図示せず）からの指令によって、選択された発熱抵抗体１０２に、短時間（例えば１〜３マイクロ秒程度）電流パルスが流されることにより、その発熱抵抗体１０２が急速に加熱される。その結果、発熱抵抗体１０２に接する部分にバブル（インク気泡）が発生し、そのバブルの膨張によって、ある体積のインクが押しのけられる。これによって、ノズル１０４ａに接する部分の上記押しのけられたインクと同等の体積のインクｉがインク液滴としてノズル１０４ａから吐出され、紙等の記録媒体に着弾される。
【００３６】
図４は、ノズル１０４ａからインクｉが吐出された瞬間の様子を示すものである。この時点では、図４に示すように、開閉部材５２は、バネ５３の付勢力によってインク室４０の上面に押し付けられており、開閉部材５２が開口域５１を閉塞する位置に配置されている。
【００３７】
次に、図５さらには図６に示すように、バブルＢは、次第に収縮する。この収縮に伴い、インク加圧室１０５内にインクを引き込む力が発生する。この引込み力の発生により、インクは、インク加圧室１０５内に供給される。
【００３８】
ここで、インク加圧室１０５、インク流路部１０６、インク室４０のインク送出部４３は、それぞれ連通されている。したがって、インク加圧室１０５からインク室４０までの連通する部分の圧力は、それまでの圧力より低くなる。このため、インク室４０内では、インクを引き込もうとする吸引力が発生し、開閉部材５２には、バネ５３の付勢力に抗して下方側に移動される力が発生する。これにより、インク室４０の上面の開口域５１が開放され、インク収容部３０側からインク室４０側にインクが送り込まれる。
【００３９】
また、インク収容部３０内のインクがインク室４０に流下すると、インク収容部３０内のインク量が減少するので、インク収容部３０内の圧力が低下する。これにより、空気導入管３２の下端部３２ｃから空気（外気）がインク収容部３０内に入り込む。この空気は、気泡となり、インク内を上昇し、最終的には、インク収容部３０内（かつ空気導入管３２の外側）の上方に溜められる。このように、インク収容部３０内のインクがインク室４０側に送り出されると、送り出されることで減少したインク量に相当する空気が外気連通孔３２ａから空気導入管３２を介してインク収容部３０内に取り込まれる。
【００４０】
そして、図７に示すように、インク加圧室１０５内のバブルＢがなくなると、インク室４０からインク加圧室１０５までの連通する部分の圧力は、元の状態に戻り、インク室４０内では、インクを引き込もうとする吸引力が消滅する。よって、バネ５３は、その付勢力によって開閉部材５２をインク室４０の上面に押し上げ、開閉部材５２は、再度、開口域５１を閉塞する。これにより、インク収容部３０からインク室４０へのインクの流下が停止し、インクがノズル１０４ａから吐出される前の状態に戻り、平衡状態となる。
【００４１】
このように、インク吐出部１００側でインクが吐出され、インクが使用されると、開閉部材５２が開放され、上記の動作を繰り返す。これにより、インク収容部３０内のインクが徐々に減少していく。
【００４２】
また、図１に示すように、外気連通孔３２ａを有する空気導入管３２がインク収容部３０内部に設けられるとともに、空気導入管３２の下端部３２ｃは、インク収容部３０の上面より低い位置にあるため、インク収容部３０に振動が加わったり、傾斜した場合であっても、インク収容部３０内のインクが外部に漏れ出ることを防止することができる。
【００４３】
さらに、圧力変化や温度変化に対しても、インク収容部３０内のインクが漏れ出ることを防止することができる。
図８及び図９は、この効果を説明する図である。図８は、常温、常圧時の状態を示し、空気導入管３２内には、ほとんどインクがない状態を示している。
【００４４】
この状態で、圧力の低下又は温度上昇が起こると、インク収容部３０内の空気導入管３２の外側にある空気（外気から遮断されてインク収容部３０の上方部に存在する空気）が膨張する。この空気の膨張により、図９に示すように、インク収容部３０内の空気導入管３２の外側にあるインクの水位が低下する。そして、この分だけインクが空気導入管３２側に逆流するが、このインクは、空気導入管３２のバッファ部３２ｂ内に一時的に溜められる。よって、インク収容部３０内のインクが外部に漏れ出ることを防止することができる。
【００４５】
また、インク収容部３０のインクの未使用時は、空気導入管３２内にインクがない状態でも良いが、インクが満たされている状態であっても良い。
空気導入管３２内にインクがない状態でインク収容部３０がインク供給装置１０に取り付けられると、最初の時点で図１に示す状態となる。
【００４６】
これに対し、空気導入管３２内を含むインク収容部３０内のほぼ全てにインクが満たされている状態でインク収容部３０がインク供給装置１０に取り付けられると、最初は、空気導入管３２内のインクのみが使用される。これは、空気導入管３２内のみが外気連通孔３２ａによって外気と連通されているためである。
そして、空気導入管３２内のほぼ全てのインクが使用されると、図１に示す状態となる。
【００４７】
ここで、空気導入管３２内を含むインク収容部３０内のほぼ全てにインクが満たされている状態では、インク収容部３０内の空気導入管３２の外側に存在する密閉空気（空気層）は、わずかな量である。このため、圧力の低下又は温度上昇によって密閉空気の膨張が生じても、空気導入管３２の外側に存在するインクの水位の低下も、わずかとなる。よって、圧力の低下又は温度上昇によって、空気導入管３２側へのインクの逆流量も、わずかな量となる。これにより、外気連通孔３２ａからインクが漏れ出すことはない。
【００４８】
以上により、インク収容部３０のインクの未使用時は、空気導入管３２内にインクがない状態、又はインクが満たされている状態のいずれでも良く、いずれの状態であっても、圧力の低下又は温度上昇によりインク収容部３０内のインクが外部に漏れ出ることを防止することができる。
【００４９】
次に、本実施形態における、空気導入管３２の下端部３２ｃのインクのメニスカス保持力について説明する。
図１０は、図１中、Ｂ部を詳細に示す図であって、空気導入管３２の下端部３２ｃと、インクのメニスカスとを示すものである。図１０に示すように、空気導入管３２の下端部３２ｃには、下に凸となるインクのメニスカスが形成される。
【００５０】
図１０において、インクの表面張力をγ、空気導入管３２の下端部３２ｃの孔径をＤ、インクと空気導入管３２の下端部３２ｃとの接触角をθとする。
このとき、表面張力γの垂直方向の成分は、
γcos θ
となる。
この表面張力γの垂直方向の成分は、空気導入管３２の下端部３２ｃの周長（πＤ）に加わるので、周長全体での垂直方向の表面張力は、
πＤγcos θ
となる。
【００５１】
この値を、空気導入管３２の下端部３２ｃの開口面積（Ｓ＝πＤ２ ／４）で割れば、空気導入管３２の下端部３２ｃに形成される、インクのメニスカスを保持するための力（メニスカス保持力（圧力））となるので、これをＰとすると、
メニスカス保持力Ｐ＝πＤγcos θ／（πＤ２ ／４）
＝４πγcos θ／Ｄ
となる。
【００５２】
一方、インク供給装置１０及びインク吐出部１００の内部は、大気圧より低い圧力に保持されている。これは、インク吐出部１００内の圧力が大気圧以上であると、ノズル１０４ａからインクが漏れ出してしまうからである。したがって、インク供給装置１０及びインク吐出部１００内の圧力は、必ず大気圧より低い圧力に保持されている必要がある。この圧力は、インクのメニスカスを、図１０中、下方に後退させる力となって作用している。
【００５３】
これに対し、上記のメニスカス保持力Ｐは、インクのメニスカスを保持しようとする力であり、図１０中、上方向の力となる。そして、インク収容部３０の内部の圧力より、空気導入管３２の下端部３２ｃにおけるインクのメニスカス保持力が大きいときには、インクのメニスカスは維持される。
【００５４】
しかし、インクが使用され、インク収容部３０側からインク室４０側にインクが流れ出ると、インク収容部３０内の圧力は、それまでの圧力よりさらに低下するので、インクのメニスカスを、図１０中、下方に後退させる力がさらに増大する。
この力により、インクのメニスカスが図１０中、下方に後退すると、インクのメニスカスは、空気導入管３２の下端部３２ｃで保持することができなくなり、破壊される。これにより、空気導入管３２の下端部３２ｃから空気がインク収容部３０内部に入り込まれる。
【００５５】
そして、空気がインク収容部３０内に入り込まれることで、インク収容部３０内の圧力が上昇すると、インク収容部３０内の圧力は、それまでの圧力に戻る。これにより、再度、空気導入管３２の下端部３２ｃにインクのメニスカスが形成され、メニスカス保持力により保持される。
【００５６】
ここで、上述したように、インクがインク吐出部１００から吐出され、インクが使用されると、内部の圧力がさらに低下することで、弁５０が開放されるように構成されている。
しかし、弁５０は、内部の圧力の微妙な変化によって開閉されるように構成する必要があるので、バネ５３には、弾性定数の小さいものが使用される。したがって、インク供給装置１０内部への異物の混入等により弁５０の開閉動作が正しく行うことができなくなったり、あるいはバネ５３の金属疲労等によって弾性定数が経時変化するおそれがある。これにより、弁５０の開閉動作が正しく行わなくなるおそれがある。この場合には、内部の気圧を、大気圧より低い所定の気圧に保持することができなくなる。
【００５７】
弁５０の開閉動作が正しく行われなくなると、インク供給装置１０及びインク吐出部１００内の圧力を、インクを内部に保持可能な圧力に保つことができなくなり、ノズル１０４ａからインクが漏れ出てしまう。
そこで、本実施形態では、たとえ弁５０の開閉動作が正しく行われなくなった場合であっても、インク供給装置１０及びインク吐出部１００内の圧力を、インクを内部に保持可能な圧力に保つことができるようにしている。
【００５８】
ノズル１０４ａには大気圧がかかっており、空気導入管３２の下端部３２ｃには、ノズル１０４ａの下面から、空気導入管３２の下端部３２ｃまでの高さに相当する水頭の圧力Ｈ（図１参照；大気圧より低い圧力）がかかる。
そして、空気導入管３２の下端部３２ｃにおけるインクのメニスカス保持力Ｐの絶対値が、水頭の圧力Ｈの絶対値より大きい場合には、弁５０が開放されたままであっても、空気導入管３２から空気は取り込まれず、ノズル１０４ａからインクが漏れ出ることはない。すなわち、
Ｐ＝４πγcos θ／Ｄ＞Ｈ
であれば、空気導入管３２から空気は取り込まれず、ノズル１０４ａからインクが漏れ出ることはない。
【００５９】
上記の式を変形すれば、
Ｄ＜４πγcos θ／Ｈ
となる。
この式に基づき空気導入管３２の下端部３２ｃの孔径Ｄと水頭との値を決定すれば、ノズル２５ａからインクが漏れ出ることを防止することができる。
なお以上は、空気導入管３２の下端部３２ｃの開口形状が円形の場合である。
【００６０】
図１１は、インクの表面張力γ、空気導入管３２の下端部３２ｃの孔径Ｄ、空気導入管３２の下端部３２ｃの周長Ｌ（πＤ）、空気導入管３２の下端部３２ｃの開口面積Ｓ（＝πＤ２ ／４）、接触角θ、及びメニスカス保持力Ｐの各値を示すとともに、孔径Ｄとメニスカス保持力Ｐとの関係をグラフで示すものである。
【００６１】
図１１において、例えば水頭の圧力Ｈが２０ｍｍＡｑの場合、孔径Ｄを約０．６ｍｍ以下にすれば、ノズル１０４ａからインクが漏れ出ることはない。
また、例えば孔径Ｄを０．３ｍｍとした場合には、メニスカス保持力Ｐは、４０．６ｍｍＡｑとなるので、水頭の圧力Ｈが４０．６ｍｍＡｑ未満であれば、ノズル１０４ａからインクが漏れ出ることはない。
なお、実際の設計時には、インク吐出部１００の傾斜や加工精度等の製造誤差を考慮して、ある程度のマージンをとり、水頭は小さく設定するのが好ましい（例えばＨが２０ｍｍＡｑ程度）。
【００６２】
（第２実施形態）
図１２は、本発明の第２実施形態であるプリンタヘッド１Ａを示す正面の断面図である。第２実施形態では、第１実施形態と異なるインク供給装置１０Ａを備える。
インク供給装置１０Ａは、空気導入管３２Ａが第１実施形態と異なる。その他は第１施形態と同一である。
【００６３】
空気導入管３２Ａは、第１実施形態の空気導入管３２と異なり、バッファ部３２ｂを有していない。空気導入管３２Ａは、長手方向において、下端部３２ｃの近傍を除いて一定の横断面形状を有する筒状体に形成されている。また、空気導入管３２Ａの横断面積は、第１実施形態における空気導入管３２のバッファ部３２ｂ以外の部分の横断面積より大きく形成されている。
【００６４】
このように、第２実施形態の空気導入管３２Ａは、バッファ部３２ｂを有さないが、インクの逆流時に内部にインクを溜め込み可能であれば、必ずしもバッファ部３２ｂを設ける必要はない。
また、第２実施形態における下端部３２ｃの孔径Ｄは、第１実施形態の下端部３２ｃの孔径Ｄと同一である。すなわち、下端部３２ｃの孔径Ｄが所定の大きさに形成されていれば、下端部３２ｃにおいてインクのメニスカスを保持可能であるので、空気導入管３２Ａの他の部分は、どのような形状であっても良い。
なお、空気導入管３２Ａの横断面は、円形であっても良いが、多角形等、円形以外の形状であっても良い。
このように空気導入管３２Ａを形成しても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）本実施形態では、インク吐出部１００は、インク加圧室１０５内で発熱抵抗体１０２によってインクを加熱して吐出させるサーマル方式のものを挙げたが、これに限らず、静電吐出方式やピエゾ方式に適用することも可能である。
静電吐出方式は、エネルギー発生手段として、振動板と、この振動板の下側に、空気層を介した２つの電極を設けたものである。そして、両電極間に電圧を印加し、振動板を下側にたわませ、その後、電圧を０Ｖにして静電気力を開放する。このとき、振動板が元の状態に戻るときの弾性力を利用してインクを吐出するものである。
【００６６】
また、ピエゾ方式は、エネルギー発生手段として、両面に電極を有するピエゾ素子と振動板との積層体を設けたものである。そして、ピエゾ素子の両面の電極に電圧を印加すると、圧電効果により振動板に曲げモーメントが発生し、振動板がたわみ、変形する。この変形を利用してインクを吐出するものである。
【００６７】
（２）本実施形態では、インク収容部３０を着脱可能に形成したが、インク収容部３０のノズル部３１とインク室４０の連結部４１とを一体に連結したものであっても良い。この場合には、Ｏリング４２は設けられない。このように形成した場合には、第１、第２実施形態のようにインク収容部３０をインクカートリッジとして用いず、インク収容部３０内のインクが無くなったときには、インク供給装置１０、１０Ａ全体を交換するか（この場合には、インク供給装置１０、１０Ａをインク吐出部１００に対して着脱可能に形成する必要がある）、又はインク吐出部１００を含めてプリンタヘッド１、１Ａ全体を交換する。
【００６８】
（３）本実施形態では、プリンタヘッド１等及びインク供給装置１０等を例に挙げたが、インクに限らず、種々の液体供給装置や液体吐出装置に適用することができる。例えば、生体試料を検出するためのＤＮＡ含有溶液を吐出するための装置に適用することも可能である。
【００６９】
【発明の効果】
本発明の液体供給装置によれば、液体収容部内に液体を保持する多孔質体等を設けるものではないので、液体収容量を大きくすることができる。また、バネ等を用いて液体収容部内の圧力を低くするものではなく、液体収容部と液体室との間で気液交換を行うとともに、弁の開閉部材によって液体収容部と液体室との間を開閉するものであるので、構造を簡素にすることができる。そして、液体漏れがなく安定して液体を保持することができる。
【００７０】
また、空気導入管は、外気連通孔から液体収容部の内部に延在するものであるので、空気導入管内の全てに液体が満たされていない限り、液体供給装置に振動が加わったり傾斜した場合でも、外気連通孔から液体が漏れ出ることを防止することができる。
【００７１】
さらにまた、空気導入管にバッファ部を有する場合には、圧力の低下又は温度上昇が起きたときに、液体収容部内の空気が膨張して空気導入管側に液体が逆流しても、空気導入管内にその液体が溜められるので、外気連通孔から液体が漏れ出ることを防止することができる。さらに、空気導入管内を除く液体収容部内に液体が充填されている場合には、圧力の低下又は温度上昇によって密閉空気の膨張が生じて液体が空気導入管側に逆流しても、その液体は、空気導入管内に溜められるので、外気連通孔からの液体漏れを防止することができる。
【００７２】
さらに、空気導入管内を含む液体収容部内に液体が充填されている場合には、圧力の低下又は温度上昇によって密閉空気の膨張が生じても、空気導入管側への液体の逆流量は、わずかな量であるので、外気連通孔からの液体漏れを防止することができる。
【００７３】
また、たとえ開閉部材が開口域を開放したままの状態となってしまっても、空気導入管の下端部において液体のメニスカスが保持されるようにしたので、空気導入管の下端部から空気が液体収容部内に入り込むことを防止することができる。これにより、液体供給装置の内部の圧力を常に適切な圧力に保持することができ、液体漏れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態であるプリンタヘッドを示す正面の断面図である。
【図２】インク収容部の着脱構造を示す図である。
【図３】プリンタヘッドの全体図（正面の断面図）と、その全体図におけるＡ部を詳細に示す図である。
【図４】インク吐出部を示す断面図であって、インクが吐出された後、インクがインク加圧室に供給されるまでの様子を示す図であり、その状態における弁の様子を併せて示す図である。
【図５】図４の様子に続く様子を示す図である。
【図６】図５の様子に続く様子を示す図である。
【図７】図６の様子に続く様子を示す図である。
【図８】インク収容部内のインクの様子を示す図であり、常温、常圧時の状態を示す図である。
【図９】インク収容部内のインクの様子を示す図であり、高温、低圧時の状態を示す図である。
【図１０】図１中、Ｂ部を詳細に示す図であって、空気導入管の下端部と、インクのメニスカスとを示すものである。
【図１１】インクの表面張力、空気導入管の下端部の孔径、空気導入管の下端部の周長、空気導入管の下端部の開口面積、接触角、及びメニスカス保持力の各値を示すとともに、孔径とメニスカス保持力との関係をグラフで示すものである。
【図１２】本発明の第２実施形態であるプリンタヘッドを示す正面の断面図である。
【図１３】従来のインク供給装置の第１例を示す図である。
【図１４】従来のインク供給装置の第２例を示す図である。
【符号の説明】
１、１Ａ （インクジェット）プリンタヘッド（液体吐出装置）
１０、１０Ａ インク供給装置（液体供給装置）
３０ インク収容部（液体収容部）
３２、３２Ａ 空気導入管
３２ａ 外気連通孔
３２ｂ バッファ部
３２ｃ 下端部
４０ インク室（液体室）
５０ 弁
５１ 開口域
５２ 開閉部材
５３ バネ（付勢部材）
１００ インク吐出部（液体吐出部）
Ｈ ノズルの下面から空気導入管の下端部までの高さに相当する水頭の圧力
Ｐ 空気導入管の下端部のインクのメニスカス保持力
Claims (6)
- 内部に液体を収容する液体収容部と、
前記液体収容部内の液体が流下可能に前記液体収容部と連結された液体室と、
前記液体収容部と前記液体室との間の開口域と、前記開口域を閉塞するように付勢された開閉部材とを有し、前記液体室の液体量の減少による前記液体室内の圧力の低下によって前記開閉部材が前記開口域を開放するように移動されるようにした弁と、
前記液体収容部に形成され、外気と連通する外気連通孔と、
前記外気連通孔から前記液体収容部の内部に延在し、前記液体収容部内の液体量が減少したときにこの減少した液体量に相当する空気を前記外気連通孔から前記液体収容部内に取り込み可能な空気導入管と
を備える液体供給装置であって、
前記空気導入管の下端部における液体のメニスカスを保持する力Ｐと、前記液体供給装置又は前記液体供給装置に連結された外部装置の大気圧がかかる液体の出口から前記空気導入管の前記下端部までの高さに相当する水頭の圧力Ｈとが、
Ｐ＞Ｈ
の関係を満たすように、前記空気導入管の前記下端部の孔径と、前記水頭とを決定した
ことを特徴とする液体供給装置。 - 請求項１に記載の液体供給装置において、
前記空気導入管の一部には、他の部分より液体の溜め込み量の多いバッファ部を備える
ことを特徴とする液体供給装置。 - 請求項１に記載の液体供給装置において、
前記空気導入管の一部には、他の部分より液体の溜め込み量の多いバッファ部を備え、
前記空気導入管内を除いた前記液体収容部内には予め液体が充填されている
ことを特徴とする液体供給装置。 - 内部に液体を収容する液体収容部と、
前記液体収容部内の液体が流下可能に前記液体収容部と連結された液体室と、
前記液体収容部と前記液体室との間の開口域と、前記開口域を閉塞するように付勢された開閉部材とを有し、前記液体室の液体量の減少による前記液体室内の圧力の低下によって前記開閉部材が前記開口域を開放するように移動されるようにした弁と、
前記液体収容部に形成され、外気と連通する外気連通孔と、
前記外気連通孔から前記液体収容部の内部に延在し、前記液体収容部内の液体量が減少したときにこの減少した液体量に相当する空気を前記外気連通孔から前記液体収容部内に取り込み可能な空気導入管と
を備える液体供給装置と、
前記液体供給装置に連通され、前記液体供給装置から供給された液体を吐出させるノズルを有する液体吐出部と
を含む液体吐出装置であって、
前記空気導入管の下端部における液体のメニスカスを保持する力Ｐと、前記液体吐出部の前記ノズル面から前記空気導入管の前記下端部までの高さに相当する水頭の圧力Ｈとが、
Ｐ＞Ｈ
の関係を満たすように、前記空気導入管の前記下端部の孔径と、前記水頭とを決定した
ことを特徴とする液体吐出装置。 - 請求項４に記載の液体吐出装置において、
前記空気導入管の一部には、他の部分より液体の溜め込み量の多いバッファ部を備える
ことを特徴とする液体吐出装置。 - 請求項４に記載の液体吐出装置において、
前記空気導入管の一部には、他の部分より液体の溜め込み量の多いバッファ部を備え、
前記空気導入管内を除いた前記液体収容部内には予め液体が充填されている
ことを特徴とする液体吐出装置。
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