JP5212192B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は画像形成装置に関し、特に液滴を吐出する記録ヘッドを備える画像形成装置に関する。

プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ、これらの複合機等の画像形成装置として、例えばインク液滴を吐出する記録ヘッドを用いた液体吐出記録方式の画像形成装置としてインクジェット記録装置などが知られている。この液体吐出記録方式の画像形成装置は、記録ヘッドからインク滴を、搬送される用紙に対して吐出して、画像形成（記録、印字、印写、印刷も同義語で使用する。）を行なうものであり、記録ヘッドが主走査方向に移動しながら液滴を吐出して画像を形成するシリアル型画像形成装置と、記録ヘッドが移動しない状態で液滴を吐出して画像を形成するライン型ヘッドを用いるライン型画像形成装置がある。

なお、本願において、「画像形成装置」は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体にインクを着弾させて画像形成を行う装置（単なる液体吐出装置を含む）を意味し、また、「画像形成」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与する（単に液滴を媒体に着弾させる、即ち液滴吐出装置ないし液体吐出装置と称されるものを含む）をも意味する。また、「インク」とは、インクと称されるものに限らず、記録液、定着処理液、液体、ＤＮＡ試料、パターニング材料などと称されるものなど、画像形成を行うことができるすべての液体の総称として用いる。また、「用紙」とは、材質を紙に限定するものではなく、上述したＯＨＰシート、布なども含み、インク滴が付着されるものの意味であり、被記録媒体、記録媒体、記録紙、記録用紙などと称されるものを含むものの総称として用いる。

記録ヘッドとして用いる液体吐出ヘッド（液滴吐出ヘッド）としては、圧電アクチュエータ等により振動板を変位させ液室内の体積を変化させて圧力を高め液滴を吐出させる圧電型ヘッドや、液室内に通電によって発熱する発熱体を設けて、発熱体の発熱により生じる気泡によって液室内の圧力を高め、液滴を吐出させるサーマル型ヘッドが知られている。

このような液体吐出方式の画像形成装置においては、特に画像形成スループットの向上、すなわち画像形成速度の高速化が望まれており、本体据え置きの大容量のインクカートリッジ（メインタンク）からチューブを介して記録ヘッド上部のバッファタンク（ヘッドタンク、サブタンクと称されるものを含む。）にインクを供給する方式が行なわれている。このようなチューブを用いてインクを供給する方式（チューブ供給方式）とすることで、キャリッジ部を軽量小型化でき、構造系、駆動系も含めて装置を大幅に小型化できる。

ところで、メインタンクからバッファタンクにチューブ方式でインクを供給する場合、記録ヘッドを搭載したキャリッジの往復移動によって、供給チューブも移動することによって供給チューブ内のインクに慣性力が作用し、この慣性力は、キャリッジの加減速時に発生し、供給チューブ内部のインクが振動し圧力変動が生じる。また、キャリッジの加減速時には、バッファタンク内のインクにも、慣性力が作用し圧力変動が発生する。これらの圧力変動量が大きくなると、記録ヘッドのノズルに生じているインクのメニスカスが破壊されて、ノズルからの気泡の巻き込みや、意図しない吐出が発生し、あるいは、滴噴射特性（滴速度、滴量）に影響を与えることになる。

従来、メインタンク内にかかる圧力を制御する手段及び記録ヘッドを搭載したキャリッジの往復移動により発生する圧力変動を抑制しながらインクを供給する装置に関して、例えば、インク印刷装置へのインクの送出のための第１出口を有する外部チェンバーと、外部チェンバーへのインク送出用の第２出口を有する内部チェンバーと、外部チェンバーに負圧をかける圧力源とを利用し、外部チェンバーにかけられる負圧は、外部チェンバー内で実質的に一定に保持されるインク量に対して作用し、外部チェンバーからインク印刷装置へ、均一なインク送出圧を提供できるよう制御されるようにして、外部チェンバーにかけられた負圧のレベルはノズル静圧を制御して噴射特性に悪影響を及ぼすインク垂れを回避する役割を果たすようにしたものがある（特許文献１）。

また、チューブ方式のインク供給を行う場合、供給チューブの任意の位置にインク流動発生部を設けてメインタンクへと接続し、キャリッジ移動によって生じるインク流動と逆方向の流動が生じるように流動発生部を動作させることで、インク流動を緩和し、インク吐出のためのインク供給を安定化させ、印字品位、印字スループットを向上させるものがある（特許文献２）。

また、キャリッジの内部にインクの逃げ部（インク圧力変動抑制装置）を設け、圧力変動を緩和するものもある（特許文献３）。
している。

特表２００２−５２７２７４号公報 特開２００４−３５１７５６号公報 特開２００１−０６３０８２号公報

ところで、メインタンクからキャリッジに搭載されたバッファタンクに対するインク供給はキャリッジのホーム位置で行うのが一般的であるが、このような構成では印刷速度の低下を招くことになる。

そこで、メインタンク内を加圧する加圧手段と、上流側（メインタンク側）に設けられて加圧手段による加圧を受ける加圧室と、下流側（記録ヘッド側）に設けられて吐出によって負圧が蓄積される負圧室と、加圧室と負圧室との間を開閉する差圧弁と、負圧室の負圧によって変形する可撓性膜部材から構成されるバッファタンクとを備えるものが知られている。

このような装置で、メインタンクを加圧する（以下、加圧を「アシスト圧」とも表記する。）のは、記録ヘッドから吐出した分のインクがリフィルされるのをアシストする働きがある。さらに、アシスト圧によって、記録ヘッドからのインク垂れが起きるのを妨げるために、バッファタンク内に、差圧弁（弁手段）を設けることで、必要なときに弁が開いてインクを補給できるようにしている。

この場合、差圧弁にはメインタンクを加圧するアシスト圧とキャリッジ移動に伴う圧力変動が弁体に作用するので、これらの圧力より強い力でシールする必要がある。特に、広幅用紙を印刷するシリアル型画像形成装置では、供給チューブの長さが用紙にあわせて長くなるため、キャリッジ移動に伴って発生する圧力変動が大きくなり、高いシール性が必要とされる。

また、加圧手段によって発生するアシスト圧は、一般的に、供給チューブの流体抵抗や記録ヘッドからの吐出量に基づいて設定されており、その圧力を下回ると安定したインク供給が行えなくなるので、アシスト圧を小さくすることはできない。

一方、プリンタの製造工程内や、インク製造工程内には、ごく微小な異物が微量ながら存在する。これらの異物が製造中に混入して、差圧弁に挟まると、シール性が低下する。この場合、異物を完全に除去することは工程上もコスト的に実現できない。

また、複数の記録ヘッドを備えてカラー画像を形成する画像形成装置にあっては、各記録ヘッドの各メインタンクに対して共通の加圧手段を設けて、並列に加圧を行うようにすることが行われるが、この場合、例えば、モノクロ印刷の印字では、カラーでの印字を行わないにもかかわらず、カラー用のバッファタンクにもブラックと同様の圧力が加わることになり、このとき、差圧弁のシール性が弱いと、記録ヘッドからのインク垂れを引き起こすおそれがある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、インク供給可能なアシスト圧を確保しつつ、キャリッジ移動に伴う圧力変動を小さくすることを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る画像形成装置は、
液滴を吐出する記録ヘッドを搭載したキャリッジと、
前記記録ヘッドに供給するインクを収容するメインタンクと、
前記メインタンク内を加圧する加圧手段と、
内部に上流側の加圧室及び下流側の負圧室と、前記加圧室と負圧室との間の圧力差に応じた開閉量で開く弁手段とが設けられ、前記メインタンクから前記記録ヘッド側に供給されるインクを一時的に貯留するバッファタンクと、
前記キャリッジの往復移動動作に合わせて前記メインタンクの圧力を、前記バッファタンクの弁手段にかかる圧力が略一定になるように制御する手段と、を備えている
構成とした。

ここで、前記メインタンク内の圧力を大気圧と同じ圧力に制御する構成とできる。

また、印字を行わないときには前記メインタンクに対する加圧を停止して大気圧と同じ圧力にする構成とできる。

この場合、印字を開始するときに前記メインタンクに対する加圧を開始する構成とできる。

本発明に係る画像形成装置によれば、キャリッジの往復移動動作に合わせてメインタンクの圧力を、バッファタンクの弁手段にかかる圧力が略一定になるように制御する構成としたので、インク供給可能なアシスト圧を確保しつつ、キャリッジ移動に伴う圧力変動を小さくすることができる。

本発明の一実施形態に係る画像形成装置としてのインクジェット記録装置を示す概略正面説明図である。 同じく概略平面説明図である。 同じく概略側面説明図である。 同装置の記録ヘッドの説明に供する要部拡大説明図である。 同装置の本発明の第１実施形態におけるインク供給系（インク供給システム）の説明に供する説明図である。 バッファタンクの要部断面説明図である。 加圧機構の説明に供する説明図である。 同インク供給系の動作説明に供するキャリッジの移動によって差圧弁に係る圧力変動の一例を示す説明図である。 制御部が用いるアシスト圧の圧力プロファイルの説明図である。 差圧弁に係る実効的な圧力の説明に供する説明図である。 比較例のアシスト圧の圧力プロファイルの説明図である。 比較例の差圧弁に係る実効的な圧力の説明に供する説明図である。 同装置の本発明の第２実施形態におけるインク供給系（インク供給システム）の説明に供する説明図である。 同じく制御部による非印字時の制御の説明に供するフロー図である。 同じく制御部による印字再開時の制御の説明に供するフロー図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。本発明の一実施形態に係る画像形成装置としてのインクジェット記録装置について図１ないし図３を参照して説明する。なお、図１は同記録装置の概略正面説明図、図２は同じく概略平面説明図、図３は同じく概略側面説明図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。本発明の一実施形態に係る画像形成装置としてのインクジェット記録装置について図１ないし図３を参照して説明する。なお、図１は同記録装置の概略正面説明図、図２は同じく概略平面説明図、図３は同じく概略側面説明図である。
このインクジェット記録装置は、本体フレーム１に立設された左右の側板１Ｌ、１Ｒに横架したガイド部材であるガイドロッド２と、本体フレーム１に横架される後フレーム１Ｂに取付けられたガイドレール３とで、キャリッジ４を主走査方向（ガイドロッド長手方向）に摺動自在に保持し、キャリッジ４を図示しない主走査モータとタイミングベルトによってガイドロッド２の長手方向（主走査方向）に移動走査する。

このキャリッジ４には、例えば、ブラック（Ｋ）のインク滴を吐出する記録ヘッド１０Ｋと、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）のインク滴を吐出する記録ヘッド１０Ｃが搭載され、記録ヘッド１０は複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向と交叉する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。記録ヘッド１０Ｃは、少なくとも独立したＣＭＹのインク滴を吐出する少なくとも３列のノズル列を有している。なお、以下では、記録ヘッド１０Ｋ、記録ヘッド１０内のＣ、Ｍ、Ｙの各色に対応する各ノズル列を、特に注記しない限り、「記録ヘッド１０」と称する。

ここで、記録ヘッド１０は、図４に示すように発熱体基板１２と液室形成部材１３から構成され、ヘッドベース部材１９に形成された流路から共通流路１７及び液室（個別流路）１６に順次供給されるインクを液滴として吐出する。この記録ヘッド１０は、発熱体１４の駆動によるインクの膜沸騰により吐出圧を得るサーマル方式のものであり、液室１６内の吐出エネルギー作用部（発熱体部）へのインクの流れ方向とノズル１５の開口中心軸とを直角となしたサイドシュータ方式の構成のものである。

なお、記録ヘッドとしては、圧電素子を用いて振動板を変形させ、また、静電力で振動板を変形させて吐出圧を得るものなど様々な方式があり、いずれの方式のものも本発明に係る画像形成装置に適用することができる。

また、サーマル方式のヘッドの中には、他にも吐出方向が異なるエッジシュータ方式があるが、このエッジシュータ方式においては気泡が消滅する際の衝撃により発熱体１４を徐々に破壊する、いわゆるキャビテーション現象の問題がある。これに対し、上述したサイドシュータ方式においては気泡が成長し、その気泡がノズル１５に達すれば気泡が大気に通じることになり温度低下による気泡の収縮が起こらない。そのため、記録ヘッドの寿命が長いという長所を有する。また、発熱体１４からのエネルギーをより効率良くインク滴の形成とその飛行の運動エネルギーへと変換でき、またインクの供給によるメニスカスの復帰も速いという構造上の利点を有する。したがって、本インクジェット記録装置においてはサイドシュータ方式の記録ヘッドを採用している。

一方、キャリッジ４の下方には、記録ヘッド１０によって画像が形成される用紙２０が主走査方向と垂直方向（副走査方向）に搬送される。図３に示すように、用紙２０は、搬送ローラ２１と押えコロ２２で挟持されて、記録ヘッド１０による画像形成領域（印字部）に搬送され、印写ガイド部材２３上に送られ、排紙ローラ対２４で排紙方向に送られる。

このとき、主走査方向へのキャリッジ４の走査と記録ヘッド１０からのインク吐出を画像データに基づいて適切なタイミングで同調させ、用紙２０に１バンド分の画像を形成する。１バンド分の画像形成が完了した後、副走査方向に用紙２０を所定量送り、前述と同様の記録動作を行う。これらの動作を繰り返し行い、１ページ分の画像形成を行なう。

一方、記録ヘッド１０の上部には吐出するインクを一時的に貯留するためのインク室が形成されたバッファ（サブタンク、ヘッドタンク）３０が一体的に接続される。ここでいう「一体的」とは、記録ヘッド１０とバッファタンク３０がチューブ、管等で接続されることも含んでおり、どちらも一緒にキャリッジ４に搭載されているという意味である。

このサブタンク３０には、装置本体側の主走査方向の一端部側に設けられたカートリッジホルダ４１に着脱自在に装着される各色のインクを収容した本発明におけるインクカートリッジ（メインタンク）４０からインク供給経路を形成するチューブ部材であるインク供給チューブ４２を介して、各色のインクが供給される。

また、装置本体の主走査方向の他端部側には記録ヘッド１０の維持回復を行う維持回復機構５１が配置されている。この維持回復機構５１は、記録ヘッド１０のノズル面をキャッピングするキャップ部材５２と、キャップ部材５２内を吸引する吸引ポンプ５３と、吸引ポンプ５３で吸引されたインクの廃液を排出する排出経路５４などを含み、排出経路５４から排出される廃液は本体フレーム１側に配置された図示しない廃液タンクに排出される。

次に、このインクジェット記録装置に適用した本発明の第１実施形態におけるインク供給系（インク供給システム）について図５ないし図７をも参照して説明する。なお、図５は同インク供給システムの全体構成図、図６はバッファタンクの模式的要部断面説明図、図７は同じく加圧機構の説明図である。

上述したように、このインク供給システムでは、記録ヘッド１０に供給するインクを収容するメインタンクであるインクカートリッジ４０と、インクカートリッジ４０内を加圧する加圧手段である加圧機構８０と、インクカートリッジ４０から供給チューブ４２を介して供給されるインクを一時的に貯留するバッファタンク３０とを備え、バッファタンク３０から記録ヘッド１０にインクが供給される。

バッファタンク３０は、図６に示すように、上流側（インクカートリッジ側）に設けられて加圧機構８０による加圧を受ける加圧室１０１と、下流側（記録ヘッド側）に設けられて吐出によって負圧が蓄積される負圧室１０２と、加圧室１０１と負圧室１０２との間に設けられ、同図（ａ）、（ｂ）に示すように加圧室１０１と負圧室１０２との差圧に応じた開閉量で開く差圧弁１０３と、差圧弁１０３を付勢するバネ１０４及びバネ１０５と、負圧室１０２の負圧によって変形する可撓性膜部材１０６から構成される。

インクカートリッジ４０は、図７に示すように、インクを収容するインクパック２００とインクパック２００の外側のエアー加圧部２０１とで構成され、エアー加圧部２０１にエアーを供給することでインクパック２００を加圧できる。

加圧機構８０は、図７に示すように、チュービングポンプ８１と、チュービングポンプ８１のコロ８１ａを、ギヤ８３を介して動作させるモータ８４を備え、チュービングポンプ８１のチューブ８２は、インクカートリッジ４０内のエアー加圧部２０１に接続されている。モータ８４を正転、逆転することにより、インクカートリッジ４０のエアー加圧部２０１を加圧側にも負圧側にも設定することができる。なお、加圧機構８０はチュービングポンプ８１を用いた機構に限られない。

アシスト圧制御部９０は、圧力プロファイル格納部９１に格納されているアシスト圧の圧力プロファイルに基づいて、加圧機構８０のチュービングポンプ８１を駆動するモータ８３を駆動制御する。このとき、このアシスト圧制御部９０によるアシスト圧制御は、キャリッジ４の往復移動動作に合わせてインクカートリッジ４０の圧力を、バッファタンク３０の差圧弁１０３にかかる圧力が略一定になるようにする制御である。

次に、この実施形態の動作について図８ないし図１０を参照して説明する。
まず、この画像形成装置では、キャリッジ４の往復移動による圧力変動によってバッファタンク３０の差圧弁１０３に係る圧力は、図８に示すように変動するものとする。そこで、アシスト圧制御部９０が用いるアシスト圧の圧力プロファイルは、図９に示すように、キャリッジ４の往復移動による圧力変動を打ち消すように、アシスト圧が差圧弁１０３にかかるように予め作成している。

したがって、キャリッジ４の移動に応じて、加圧機構８０を制御してキャリッジ４の往復移動による圧力変動を打ち消すようにアシスト圧を与えることで、バッファタンク３０の差圧弁１０３に係る実効的な圧力Ｐ３は図１０に示すように圧力変動が生じない（圧力が略一定になる）。

このように、バッファタンクの差圧弁に係る圧力を略一定にするようにアシスト圧をかけることにより、インク供給可能なアシスト圧を確保しつつ、キャリッジ移動に伴う圧力変動を小さくすることができて、安定したインク供給を行うことができるとともに、バッファタンクの差圧弁に高いシール性を備える必要がなくなり、高い信頼性を得られ、低コスト化を図ることができる。

これに対して、図１１に示すように一定のアシスト圧Ｐ３の圧力プロファイルに基づいて加圧機構８０を駆動すると、キャリッジ４の移動による圧力変動が生じる（前記図８）結果、図１２に示すように、加圧機構８０による一定のアシスト圧Ｐ３とキャリッジ主走査による圧力変動Ｐ２の和の圧力が差圧弁１０３にかかることになり、圧力変動による瞬間的な圧力ピーク（圧力Ｐ３１）が大きくなって、その分高いシール性が必要になるという不具合がある。

次に、本発明の第２実施形態について図１３を参照して説明する。なお、図１３は同実施形態のインク供給系の模式的説明図である。
ここでは、前記第１実施形態におけるインクカートリッジ４０と加圧機構８０との間に、三方切替弁８６を配置している。この三方切替弁８６は、インクカートリッジ４０と加圧機構８０との間を連通する状態と、インクカートリッジ４０と大気との間を連通する状態とを切り替えることができ、アシスト圧制御部９０によって切替制御が行われる。

このように構成することで、インクカートリッジ４０を大気と連通させることができ、メインタンク４０内を大気圧と同じ圧力にすることができる。これにより、必要なときに、アシスト圧を解除することができ、バッファタンクの差圧弁やインクカートリッジへの負荷を低減することができ、さらにインク漏れ防止に対して高い信頼性を得られる。

次に、この実施形態におけるアシスト圧制御部による加圧機構及び三方切替弁の駆動制御について図１４及び図１５のフロー図を参照して説明する。
まず、図１４を参照して、非印字時（印字を行わないとき）には、アシスト圧制御部９０は、三方切替弁８６を大気側に切り替えてインクカートリッジ４０のエアー加圧部２０１を大気に下方させ、インクカートリッジ４０内を大気圧と同じ圧力にした後、三方切替弁８６を加圧機構８０側に切り替えてインクカートリッジ４０と加圧機構８０とを連通させてマシン大気状態に移行する。これにより、非印字時には、加圧されることがないので、バッファタンクの差圧弁やインクカートリッジへの負荷を低減することができ、さらにインク漏れ防止に対して高い信頼性を得られる。

次に、図１５を参照して、印字を再開する場合には、アシスト圧制御部９０は、三方切替弁８６を加圧機構８０側に切り替えて、インクカートリッジ４０と加圧機構８０とを連通させ、加圧機構８０を動作させて、十分なアシスト圧がかかった状態で、印字開始状態に移行する。これにより、記録ヘッドからの吐出を行うときに安定したインク供給を行うことができる。

４ キャリッジ
１０ 記録ヘッド
３０ バッファタンク
４０ インクカートリッジ（メインタンク：液体タンク）
４２ インク供給チューブ（チューブ部材）
８０ 加圧機構
９０ アシスト圧制御部
１０３ 差圧弁

Claims (4)

1. 液滴を吐出する記録ヘッドを搭載したキャリッジと、
   前記記録ヘッドに供給するインクを収容するメインタンクと、
   前記メインタンク内を加圧する加圧手段と、
   内部に上流側の加圧室及び下流側の負圧室と、前記加圧室と負圧室との間の圧力差に応じた開閉量で開く弁手段とが設けられ、前記メインタンクから前記記録ヘッド側に供給されるインクを一時的に貯留するバッファタンクと、
   前記キャリッジの往復移動動作に合わせて前記メインタンクの圧力を、前記バッファタンクの弁手段にかかる圧力が略一定になるように制御する手段と、を備えている
   ことを特徴とする画像形成装置。
2. 前記メインタンク内の圧力を大気圧と同じ圧力に制御することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 印字を行わないときには前記メインタンクに対する加圧を停止して大気圧と同じ圧力にすることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像形成装置。
4. 印字を開始するときに前記メインタンクに対する加圧を開始することを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置。

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