JP4805933B2 - 流体から溶存ガスを除去し得る流体液滴噴出システム - Google Patents

Description

技術分野
本願は、流体液滴噴出の分野に関する。

背景
多くのインクジェットシステムにおいて、ノズルに接続されたチャンバまたは通路にインクが供給され、インクはこのノズルから、通路内のインクに加えられる圧力が増減する連続サイクルの結果として１滴ずつ噴出する。圧力サイクルは、圧電結晶、発熱器、または「微小機械装置」により発生させることができる。通路内に導入されるインクが溶存空気を含んでいる場合、圧力サイクルの圧力低減部分中のインクが減圧することにより、溶存空気は、通路内部のインク内で小さい気泡を形成することがある。チャンバ内のインクの減圧が反復されるとこれらの気泡は成長し、このような気泡はインクジェット器具の不調を生じることがある。インクの脱気は通常、膜の片面がインクに接触している半透性膜を活用する。低減された圧力が膜のもう片側に加えられて、インク経路内のインクから溶存空気が抜き取られる。

概要
１態様において、本発明は、流体を噴出するための複数のノズルを有する液滴噴出ヘッドと、流体を保持し、流体の上に空間を有するようになっている第１貯蔵器と、第１貯蔵器の下部を液滴噴出ヘッドに接続する第１流体経路と、流体を保持し、流体の上に空間を有するようになっている第２貯蔵器と、第２貯蔵器の下部を第１貯蔵器に接続する第２流体経路と、第２貯蔵器の上部に連結され、第２貯蔵器内の流体の上の空間に部分的真空を生成する空気ポンプとを有する液滴噴出システムに向けられている。

別の態様において、本発明は、流体を噴出するための複数のノズルを有する液滴噴出ヘッドと、その下部で流体を保持するようになっている貯蔵器と、貯蔵器の下部からの流体を液滴噴出ヘッドに供給できる第１流体経路と、貯蔵器の下部から液滴噴出ヘッドへの流体接続を遮断できる第１流体弁と、貯蔵器の上部に部分的真空を生成する空気ポンプとを有する液滴噴出システムに向けられている。

別の態様において、本発明は、流体噴出システム内の溶存ガスを除去する方法に向けられている。この方法は、第１貯蔵器と流体連通している第２貯蔵器内に流体を提供するステップと、第２貯蔵器内の流体の上の空間に部分的真空を生成するステップと、第２貯蔵器内の流体を、流体の上に空間を有する第１貯蔵器に供給するステップと、第１貯蔵器内の流体を液滴噴出ヘッドに供給するステップとを含む。

別の態様において、本発明は、流体噴出システム内の溶存ガスを除去する方法に向けられている。この方法は、貯蔵器内に流体を提供するステップと、貯蔵器の下部から液滴噴出ヘッドへの流体連通を密封するステップと、貯蔵器内の流体の上の空間に部分的真空を生成するステップと、流体接続を開放するステップと、貯蔵器内の流体を液滴噴出ヘッドに供給するステップとを含む。

上記の発明のうちの任意の実施は、以下の特徴のうちの１つ以上を含むことができる。部分的真空により、流体からの溶存空気または溶存蒸気の抜取りが可能となる。第２貯蔵器から第１貯蔵器までの流体経路を、流体弁が遮断することができる。撹拌装置は、流体を撹拌して、流体からの溶存空気の抜取りを補助することができる。ポンプは、第２貯蔵器から第２流体経路を通して第１貯蔵器まで流体を圧送することができる。液滴噴出ヘッドは流体管を有して、第１貯蔵器から受けたインクをノズルに供給することができる。貯蔵器への流体送り経路は、貯蔵器の上部に部分的真空が発生する際に閉鎖することができる。液滴噴出ヘッドは可動であり、第２貯蔵器の移動を必要としないものとすることができる。制御ユニットは、空気ポンプを制御して部分的真空を生成することができる。空気ポンプは、流体の１つ以上の特性、液滴噴出ヘッドの空き時間、あるいは流体充填状態もしくは流体レベルに応じて制御することができる。流体は、インク、染料インク、顔料インク、ホットメルトインク、着色料含有流体、塗料、高分子溶液、溶剤、コロイド懸濁液、金属含有流体のうちの１つ以上を含むことができる。液滴噴出ヘッドは、ノズルを通して流体噴出を作動できる１つ以上の流体噴出アクチュエータ、例えば圧電変換器または発熱器を有することができる。貯蔵器の１つでの流体の表面が、液滴噴出ヘッド内のノズルでのメニスカス圧力を制御することができる。

複数の実施形態が、以下の利点のうち１つ以上を含むことができる。流体噴出システムの流体中に溶解されているガスは、通常の脱気膜を用いずにいわゆるバルク脱気構成により除去される。流体内のガスは、流体噴出ヘッドまでの上流側の密封可能な流体容器内の流動体の上の部分的真空により、流体／空気の境界面から除去される。

流体容器は、流体経路を通して流体噴出ヘッドに接続されている貯蔵器とすることができる。脱気機構が流体貯蔵器内に配置されている場合、流体噴出作用を妨害せずに脱気運転を実施することができる。流体噴出および脱気運転はいずれも、個別に最適化できるので、効果的とすることができる。

開示されるシステムは、単純であり、より安価であり、維持するのがより容易である。このシステムは、蒸気圧の高い材料、例えば水および溶剤を微量に含有するインク組成にとっても効果的である。

１つ以上の実施形態の詳細を、添付の図面および以下の説明で述べる。本発明のその他の特徴、目的、および利点は、説明および図面、ならびに特許請求の範囲から明らかとなろう。

詳細な説明
図１は、バルク脱気用の構成を有するインクジェット印字システム５内のインクを示す。インクジェット印字システム５は、通常ノズルプレート２１上のアレイ内に配置された複数のインクノズル２０を有するインクジェット印字ヘッドモジュール１０と、インクノズル２０にインクを供給するためのインクジェット印字ヘッドモジュール１０内の流体管３０と、インクノズル２０内のメニスカス圧力を制御する、インクを貯蔵するためのメニスカス制御貯蔵器４０と、メニスカス制御貯蔵器４０からのインクを流体管３０に供給するためのインク通路５０とを含む。

動作中、インクが流体管４０を完全に充填し、例えば、流体管３０の壁の実質全てがインク流体に接触する。したがって、流体管３０に含まれるインク流体には実質的に自由表面がない。対照的に、動作中、メニスカス制御貯蔵器４０にはインクが完全には充填しない。

メニスカス制御貯蔵器４０は、その下部および上の空間６５でインク体６４を保持する。メニスカス制御貯蔵器４０はインク送り経路６０を含み、このインク送り経路は、メニスカス制御貯蔵器４０にインクを供給するインクフィルタ６１を有する。メニスカス制御貯蔵器４０内のインクは、インクポンプ６８により、インク通路５０に沿って流体管３０に供給される。メニスカス制御空気ポンプ７０は、インク表面上の空間６５に部分的真空を作り出すことができる。メニスカス制御貯蔵器４０内のインク表面の高さおよび部分的真空は、インクノズル２０のメニスカスを制御する。

インクジェット印字システム５は、メニスカス制御貯蔵器４０の上流にインク槽７２をさらに含む。インク槽７２の下部はインク体７３を保持しており、インク体は、インクポンプ７４により、インク経路６０を通してメニスカス制御貯蔵器４０に圧送することができる。インク槽７２も完全に充填されていないので、インク体７３の上に自由表面が形成される。インク槽７２からインク経路６０に沿ったメニスカス制御貯蔵器４０へのインク流れは、チェック弁７７を閉鎖することにより遮断することができる。次に、脱気真空ポンプ７５によって空気を抜くことにより、インク表面上の空間７８に部分的真空を作り出すことができる。インク表面ではインク体７３から溶存ガスが除去されるかまたは抜き取られ、これにより、インク体７３内の溶存ガスの濃度が減少する。インク体７３からのガス除去の比率は、その自由表面の面積に比例する。例えば、インク槽７２の水平断面全体に大きな自由表面を形成することができる。ガス除去中、撹拌器７６がインク体７３を撹拌して、溶存ガスがインク表面へ移動するのを補助することができる。弁７７、インクポンプ７４、脱気真空ポンプ７５、および撹拌器７６の作用は、制御ユニット９０の制御下にある。弁７７は、チェック弁、可変弁、電磁弁、サーボ弁等とすることができる。脱気運転中、弁７７は手動で操作することができる。

図１に示す上述のガス除去構成は、バルク脱気システムと称することができる。脱気運転の結果として、インクは、インクジェット印字ヘッドモジュール１０の作動条件での任意のガスまたは揮発性液体の相対濃度が、それらの材料の飽和濃度を十分下回るように調節される。これにより、インクノズル２０の最良の呼び水能力、および、矯正された拡散に対して最良の抵抗が確保される。

例示的な１実施形態において、インクジェット印字システム５は産業用印字システムである。インク槽７２は、１つ以上の内部撹拌器を有する４リットル容量のバルク塗料壺である。インク槽７２には、インク製造者からの取りびんが周期的に補充される。インク槽７２は密封され、良好な真空（例えば０．００１バールの）がインク槽７２全体に加えられる。真空の存在中に連続的に撹拌することは、任意の溶存空気または蒸気を排除し、揮発性成分すべての濃度を飽和レベル以下に低減するのに十分である。インク槽７２は、インク流体を受けるためのインク送り経路をさらに含むことができる。インク送り経路はチェック弁を含み、このチェック弁を閉鎖して、脱気運転中にインク槽７２内のインク体の上に部分的真空を作り出すことができる。

開示するバルク脱気システムは、空気の気泡を除去できるだけでなく、溶存空気および溶解した高い蒸気圧のその他の材料（例えば水、溶剤）をインク体から除去するのに特に効果的でもある。このことは、膜ベースの流体脱気器と比較すれば有利である。というのも、高い蒸気圧の材料の分子は、膜を通してよりも流体・空気の境界面全体を容易に移動するからである。さらに、開示するバルク脱気システムおよび方法は、流体脱気器、例えば、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第４，７８８，５５６号、第４，９４０，９９５号、第４，９６１，０８２号、第４，９９５，９４０号、および第５，７０１，１４８号において開示される流体脱気器と組み合わせて応用することができる。これらの米国特許の内容を、参照により本明細書に組み込む。

バルク脱気システムと両立可能なインクの種類は、水性インク、溶剤型インク、染料インク、顔料インク、およびホットメルトインクを含む。インク流体は、着色料、例えば染料または顔料を含むことができる。このシステムと両立可能なその他の流体は、高分子溶液、ゲル溶液、粒子含有水溶液、あるいは低分子量分子の水溶液を含むことができる。製造中、特別な注意が払われなければ、インクは通常は飽和濃度に近い溶存空気を含有する。多くのインクは、製造過程、例えば湿った大気中での撹拌またはインク内部での反応の意図的でない結果により生成され得る、水およびその他の揮発性成分、例えばアルコールおよび溶剤を含有しがちである。例えば、組成中の特定の酸の反応副産物として時間と共に水を発生する幾つかのホットメルトインクが知られている。開示するシステムは、その他の流体、例えば着色料含有流体、塗料、高分子溶液、溶剤、コロイド懸濁液、および金属含有流体とも両立可能である。

１実施形態において、インク槽７２内で作り出された部分的真空は、インクの１つ以上の特性に依存している。部分的真空の圧力および作用時間は、インクに空気が溶解する傾向、あるいはインク内での水およびその他の揮発性成分の濃度または発生に従って、制御ユニット９０の制御下に変化させることができる。動作中、制御ユニット９０は上記およびその他の特性を受け、それに応じて脱気真空ポンプ７５に信号を送信して圧送流量および作用時間を制御する。これにより部分的真空の圧力および時間プロファイルが決まる。

別の実施形態において、ガス除去運転は、インク体内の溶存空気または蒸気のレベルに影響を与えることのあるその他の要因（インクジェット印字システム５の空き時間、インク槽７２内のインク充填状態および充填レベルを含む）に依存させることができる。インク槽７２に新規のインクが付加される際、ガスを除去する必要がある。インクジェット印字システムが一定期間空いたままである場合、インクノズル２０等を通して空気がインク体に溶解することもある。

インクジェット印字ヘッドモジュール１０は、流体管３０と流体連通している複数のインクノズル２０を含むことができる。各インクノズル２０は１つ以上のインク噴出アクチュエータに関連しており、これらのアクチュエータは例えば、圧電変換器、発熱器、またはＭＥＭＳトランスデューサ装置を含むことができる。インクジェット印字システム５は、そこから流体液滴が噴出することになるインクノズルおよび関連のインクアクチュエータを選択できる電子セレクタをさらに有することができる。関連のアクチュエータ近傍での流体管３０の一部を拡張して圧送チャンバを提供することができる（このチャンバにも、インクが実質的に充填される）。ノズルプレート２１のインクノズル２０は流体管３０の噴出部に接続されている。流体管３０の噴出部のインク流体は、制御ユニット９０の制御下でインクノズル２０から噴出する。噴出するインク液滴は、電子制御ユニット９０によりインク噴出アクチュエータに加えられる様々な駆動電圧波形に応じて量を変化させることができる。

インクジェット印字ヘッドモジュール１０は、圧電インクジェット、サーマルインクジェット、ＭＥＭＳベース・インクジェットの印字ヘッド、およびその他の種類のインク作動機構の形態で存在することができる。例えば、Ｈｏｉｓｉｎｇｔｏｎ等の米国特許第５，２６５，３１５号（これによりその内容全体を参照して組み込む）は、半導体印字ヘッド本体および圧電アクチュエータを有する印字ヘッドを記載している。印字ヘッド本体はシリコン製であり、インク流体管を画定するようにエッチングされている。ノズル開口部は個別のノズルプレート２１により画定されており、このノズルプレートはシリコン本体に取り付けられている。圧電アクチュエータは圧電材料層を有し、この圧電材料層は、印加電圧に応じて構造を変化させるか、または屈曲する。圧電層の屈曲により、流体管の噴出部付近のインク流体、例えばインク経路に沿って設置された圧送チャンバ内のインク流体が加圧される。

本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／１８９，９４７号、米国特許出願公開第２００４０００４６４９号（発明の名称「Ｐｒｉｎｔｈｅａｄ」、２００２年７月３日提出）、および本発明の譲受人に譲渡された米国特許仮出願第６０／５１０，４５９号（発明の名称「Ｐｒｉｎｔ ｈｅａｄ ｗｉｔｈ ｔｈｉｎ ｍｅｍｂｒａｎｅ」、２００３年１０月１０日提出）には、その他のインクジェット印字ヘッドが開示されている。これらの関連特許出願および刊行物の内容を参照により本明細書に組み込む。

インクジェット印字システム５は、インク受け８０を方向８７に沿って搬送する機構８５も含むことができる。１実施形態において、インクジェット印字ヘッドモジュール１０は、モータにより駆動される往復運動でエンドレスベルトを介して運動することができる。運動方向はしばしば高速走査方向と称される。インクジェット印字ヘッドは、メニスカス制御貯蔵器４０を移動させる必要なくインク受け８０に対して走査される。インクジェット印字ヘッドモジュール１０がインク槽７２を移動させずに運動できるように、インク経路６０の少なくとも一部は可撓性である。インク槽７２がインクジェット印字ヘッドモジュール１０から分離している利点は、インクジェット印字ヘッドモジュール１０の移動または印字作用を妨害することなくインクに溶解したガスまたは蒸気を除去できることである。

第２機構は、インク受け８０を、第１方向に対して垂直な第２方向（通常、低速走査方向と称される）に沿って搬送することができる。印字中、入力された画像データに応じて電子制御ユニット９０の制御下にインクノズル２０からインク液滴が噴出し、インク受け８０上にインクドットの画像パターンを形成する。インクジェット印字ヘッドモジュール１０はインク液滴を配列し、インク受け８０上に帯状のインクドットを形成する。

別の実施形態において、印字ヘッドバーまたは印字ヘッドモジュールの組立体によりページ幅のインクジェット印字ヘッドモジュール１０が形成される。インク受け媒体が低速走査方向に沿ってインクジェット印字ヘッドモジュール１０の下を搬送される間、インクジェット印字ヘッドモジュール１０はやはり印字中のままである。このインクジェットシステムおよび方法は、当技術分野で公知の異なる印字ヘッド構成と両立可能である。例えば、このシステムおよび方法は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，７７１，０５２号（その内容を参照により本明細書に組み込む）で開示されているオフセットインクジェットモジュールを備えた単一パスのインクジェットプリンタに応用可能である。

別の実施形態において、図２はインクジェット印字システム１００を示しており、このインクジェット印字システムは、ノズルプレート１２１上に複数のインクノズル１２０を有するインクジェット印字ヘッドモジュール１１０と、インクノズル１２０にインクを供給するためのインクジェット印字ヘッドモジュール１００内の流体管１３０と、インク体からガスを除去できるメニスカス制御貯蔵器１４０と、メニスカス制御貯蔵器１４０および流体管１３０からインクを供給するためのインク通路１５０とを含む。動作中、流体管１３０はインク流体で実質完全に湿っている。流体管３０に含まれるインク流体は、いかなる実質的自由表面も含まない。

メニスカス制御貯蔵器１４０は、インク体１６４およびその上の空間１６５を保持する。インク体１６４上に大きい自由表面が形成される。メニスカス制御貯蔵器１４０は、インクフィルタ１６１を有するインク送り経路１６０を含み、このインク送り経路はメニスカス制御貯蔵器１４０にインクを供給する。インク送り経路は弁１６２により開閉することができる。インクポンプ１６８は、メニスカス制御貯蔵器１４０内のインクをインク通路１５０に沿って流体管１３０に圧送する。インク通路１５０に沿ったインク流れは弁１６３により遮断することができる。弁１６２、１６３およびインクポンプ１６８の作用は制御ユニット１９０の制御下にある。弁１６２または弁１６３は、チェック弁、可変弁、電磁弁、サーボ弁等とすることができる。弁１６２、１６３は脱気運転中、手動で操作することができる。

インク体１６４とメニスカス制御貯蔵器１４０の外部との間の流体連通が弁１６２、１６３により遮断されると、制御ユニット１９０の制御下に空間１６５から空気を抜く空気ポンプ装置１７０により、空間１６５に部分的真空を作り出すことができる。インク貯蔵器１４０内のインク体１６４上の空間１６５の空気圧は、通常−８水柱インチ〜０．００１バールまで減少する。空間１６５に部分的真空が作り出されると、インク体１６４内に溶解されているガスまたは蒸気は、インク体１６４内部で、インク・空気の境界面全体を空間１６５へ移動することになる。結果として、インク体１６４内の溶存ガスの濃度が低減される。ガス除去中、インク体１６４は撹拌器１７５により撹拌することができ、このことは、溶存ガスまたは蒸気をインク・空気の境界面にもたらすことによりガス除去効果を増大すると同時に、インク・空気の境界面の表面積を増大する。通常、脱気運転は非印字モードで実施されるので、メニスカス制御貯蔵器１４０内の部分的真空はインクノズル１２０でのメニスカス圧力に影響しない。印字中、空気ポンプ装置１７０とインク体１６４の自由表面とを制御することにより、インクノズル１２０でのメニスカス圧力を適切に維持する必要がある。通常、空間１６５の空気圧は、大気圧を僅かに下回るように（例えば−１〜−４水柱インチに）制御される。

図１は、インクから溶存ガスを除去するように構成されたインクジェット印字システムを示す。 図２は、インクから溶存ガスを除去するように構成されたインクジェット印字システムの代替の実施を示す。

Claims (8)

1. 流体を噴出するための複数のノズルを有する液滴噴出ヘッドと、
   流体を保持し、該流体の上に空間を有するようになっている第１貯蔵器と、
   該第１貯蔵器の下部を該液滴噴出ヘッドに接続する第１流体経路と、
   該第１貯蔵器に接続され、該第１貯蔵器内の該流体の上の該空間に部分的真空を生成して、該部分的真空と該第１貯蔵器内の該流体の自由表面とが該液滴噴出ヘッドの該ノズルでのメニスカス圧力を維持するようにするための第１空気ポンプと、
   流体を保持し、該流体の上に空間を有するようになっている第２貯蔵器と、
   該第２貯蔵器の下部を該第１貯蔵器に接続する第２流体経路と、
   該第２貯蔵器の上部に連結され、該第２貯蔵器内の該流体の上の空間に部分的真空を生成して、該第２貯蔵器内の該流体から溶存空気、または、溶存蒸気を抜取るようにするための制御可能な第２空気ポンプと
   を有する液滴噴出システム。
2. 前記第２貯蔵器から前記第１貯蔵器への前記第２流体経路を遮断するための流体弁をさらに有する、請求項１に記載の液滴噴出システム。
3. 前記第２貯蔵器内の前記流体を撹拌して該流体からの溶存空気の抜取りを補助するための撹拌装置をさらに有する、請求項１に記載の液滴噴出システム。
4. 前記第２貯蔵器の前記下部へ流体を提供するための流体送り経路をさらに有し、該流体送り経路は該第２貯蔵器内の前記流体の上の前記空間内に前記部分的真空が発生するときに閉鎖することができる弁を備える、請求項１に記載の液滴噴出システム。
5. 前記流体の１つ以上の特性、前記液滴噴出ヘッドの空き時間、または、前記第２貯蔵器内の前記流体の充填状態もしくは該充填レベルに応じて前記第２空気ポンプを制御して前記部分的真空を生成する制御ユニットをさらに有する、請求項１に記載の液滴噴出システム。
6. 流体噴出システム内の溶存ガスを除去する方法であって、該方法が、
   第１貯蔵器と流体連通している第２貯蔵器内に流体を提供するステップと、
   該第１貯蔵器と該第２貯蔵器の間の該流体連通が弁を使用して閉鎖しているときに第２空気ポンプを使用して該第２貯蔵器内の該流体の上の空間に部分的真空を生成するステップと、
   該第１貯蔵器と該第２貯蔵器の間の該流体連通が開放されているときに該第１貯蔵器が該流体の上に空間を有して該第２貯蔵器内の該流体を該第１貯蔵器に供給するステップと、
   該第１貯蔵器内の該流体を液滴噴出ヘッドに供給するステップと、
   該第１貯蔵器内の該流体の上の該空間に接続した第１空気ポンプ装置を制御すること、および、該第１貯蔵器内の該流体の自由表面を制御することによって該液滴噴出ヘッド内の複数のノズルのメニスカス圧力を制御ステップと
   を有する方法。
7. 前記第１貯蔵器と前記第２貯蔵器を動かすことなく前記流体噴出ヘッドを受けに対して平行移動させるステップをさらに有する、請求項６に記載の方法。
8. 前記第２貯蔵器内の前記流体の上の空間内に部分的真空を生成するステップが、前記第２貯蔵器内の前記流体からガスを抜取るために前記部分的真空を生成するステップを有する、請求項６に記載の方法。

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