JP5255719B2 - インクジェットヘッドのメンテナンス方法および機構並びに装置 - Google Patents

Description

本発明は、インクカートリッジ装着・交換時にインクジェットヘッドにインクを充填したり、印刷不良時にインクインクジェットヘッドの塵埃、乾燥インク、気泡等を除去（以下、「メンテナンス」という場合がある。）するための方法および機構並びに装置に関する。

一般に、インクジェット記録装置には、インク吐出性能を維持するためにメンテナンス機構が設けられる。従来のメンテナンス機構としては、インクジェットヘッドのノズル面をキャップにて被覆した後に、負圧吸引ポンプを作動させてインクジェットヘッドのノズル面に負圧吸引力を作用させ、インクジェットヘッド側から廃インクを回収するものが知られている。

例えば、特許文献１には、インクジェットヘッドのノズル面を覆うキャップと、このキャップのインク排出口に接続チューブを介して連通接続される負圧吸引ポンプと、この負圧吸引ポンプに連通接続され、吸引された廃インクを回収する廃インクタンクとを備える構成が開示される。

また、特許文献２に開示されるインクジェットプリンタは、複数のノズルを有する印字ヘッドと、印字ヘッドの複数のノズルに共通の開口部及び複数の吸引口を有し、開口部をノズルの面に密着させて密閉空間を形成するキャップと、キャップの複数の吸引口を通して複数のノズルからインクを吸引する少なくとも１個の吸引ポンプと、キャップの吸引口及び吸引ポンプを接続するインク流路とを備え、印字ヘッドのノズルよりインクを噴射して媒体にドット印字を行い、電源投入時或いは必要時にノズルにキャップの開口部を密着させて吸引ポンプによって吸引する構成である。

また、特許文献３には、吸引キャップに複数の吸引口を設け、各吸引口の連通路の各バルブの開閉動作を制御することで、インク初期導入時には全てのチャンネルにインクを適切に充填することができ、定期パージ時には気泡が溜まりやすいヘッド端部付近のチャンネルから気泡を効率良く除去することが開示される。
特開平７−８１０８９号公報 特開平７−３０４１９１号公報 特許第３８００８５５号公報 特開平３−２７４１６６号公報 特開平５−１３１６４１号公報

メンテナンス後に、キャップ内が負圧になった状態でキャップを遊離すると、キャップ内の気圧が急激に変化し、その変化に応じてヘッドの各ノズルに充填されたインクが振動するため、その時に各ノズルから空気が巻き込まれてしまい、再び気泡がヘッド内に入ってしまうという課題がある。

本発明は、以上の技術的課題を解決し、インクの吐出性能を回復させノズル抜けが発生しない良好な塗布ができるインクジェットヘッドのメンテナンス方法および機構並びに装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、インクジェットヘッドの有するノズルをキャップで覆い、負圧を発生させて液体を吸引するメンテナンス方法において、液体の吸引終了時に、予め設定された信号波形に基づきキャップ内の負圧を大気圧に戻すインクジェットヘッドのメンテナンス方法であって、前記信号波形が正弦曲線的であることを特徴とするインクジェットヘッドのメンテナンス方法である。

第２の発明は、第１の発明において、前記信号波形が複数の登録されたパターンから選択出力されることを特徴とする。

第３の発明は、インクジェットヘッドの有するノズルをキャップで覆い、負圧を発生させて液体を吸引するメンテナンス機構において、インクジェットヘッドと当接してノズルを覆うキャップと、負圧をキャップに発生させる負圧発生装置と、キャップおよび負圧発生装置と連通する廃液タンクと、キャップとインクジェットヘッドを当接ないし非当接させるキャップ開閉機構と、インクジェットヘッドと連通するインク貯留部と、これらの作動を制御する制御部とを備え、前記制御部が、予め設定された信号波形に基づきキャップ内の負圧を大気圧に戻すよう負圧発生装置を制御するインクジェットヘッドのメンテナンス機構であって、前記信号波形が正弦曲線的であることを特徴とするインクジェットヘッドのメンテナンス機構である。

第４の発明は、第３の発明において、前記信号波形を複数の登録されたパターンから選択可能とする信号選択手段を備えることを特徴とする。

第５の発明は、第３または４の発明に係るインクジェットヘッドのメンテナンス機構を有する装置である。

本発明によれば、気泡を混入することなく、インクの充填を行うことができる。
また、メンテナンスに伴うインクの消費量を削減することができ、しかもメンテナンスに要する時間を短縮することができる。

本発明のメンテナンス機構は、種々のインクジェット記録に用いることができるが、以下では、インクジェットプリンタを例に、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明のメンテナンス機構は、インクカートリッジ装着・交換時にインクジェットヘッド１にインクを充填したり、印刷不良時にインクインクジェットヘッド１の塵埃、乾燥インク、気泡等を除去するためのものである。インクジェットヘッド１は、延出する円筒や平面に穿った孔等により構成されるノズルを単数または複数備える。
本発明のメンテナンス機構は、液体切替手段４と、低粘性液体３２を貯留する第２のタンクを備え、液体切替手段４によりインク３１と低粘性液体３２を切り替えてメンテナンスに伴う液体の充填を行うことができる。このため、インクジェットヘッド１内にインク３１を充填する前に、先に流動性の高い低粘性液体３２で充填を行い気泡の除去を行った後、インク３１の充填を行うことができ、これにより、インクの消費量を削減することができるだけでなく、インク充填時間を短縮することできる。
液体切替手段４は、インクジェットヘッド１の近傍に設けるのが好ましい。液体切替手段４の入口までは両方の液が入るような構成とすることで、よりインク３１の消費量を抑えることができるからである。
低粘性液体３２は、低粘度・流動性が高い液体を用いることができるが、洗浄液としての機能を奏するものが好ましく、具体的には、使用するインクの固形分を取り除いた溶媒だけで構成された液体やインクを溶かす溶媒が例示される。

一般にインクジェットプリンタに使用されるインクは、染料系または顔料系に分類できる。染料とは、キャリア媒体により分子として分散または溶媒和する着色剤である。キャリア媒体は、室温で液体または固体である。通常用いられるキャリア媒体は水または水と有機共溶媒との混合物である。水を主成分とし、これに着色剤及び目詰まり防止等の目的でグリセリン等の湿潤剤を含有したものが一般的である。キャリア媒体として水が使用される場合、一般的にそのようなインクには耐水堅牢性が低いという欠点もある。
顔料とは、キャリア媒体に不溶であるが、小粒子の形態で分散または懸濁しており、しばしば凝集および沈澱しないように分散剤の使用により安定化されている着色剤である。そのような化合物は数多く知られており、例えば、有機顔料やカーボンブラック等の顔料を界面活性剤や分散剤を用いて微粒子化し、水等の媒体中に分散させることで着色剤として用いる顔料インクなどがある。
本発明のメンテナンス機構は、染料系または顔料系にかかわらず、適用可能である。インクの粘度は、数十ｃｐｓ程度の低粘度のものが主流であるが、飛翔吐出できるものであれば、数百ｃｐｓ程度の中粘度以上のものにも適用可能である。
なお、本発明は、プリント基板における配線パターン印刷、微小部品への潤滑剤の塗布、屋外耐光性表示材料印刷、ＵＶ硬化インク印刷等に用いる機能性インクにも適用可能である。

また、本発明のメンテナンス機構は、外部の信号波形パターン通りの流量に調整可能な電空レギュレータ５１と、その流量の値に従って負圧を調整できるエジェクタ５２とから構成される負圧調整手段５を備える。従来のメンテナンス機構は、キャップ２内の負圧を急激に大気圧に戻すものであったため、ノズル６から排出されるインク３１の流れも急激に停止し、ノズル６先端のメニスカス（液体架橋）が激しく振動され、このときに流路に気泡が発生（再混入）してしまったが、本発明では、キャップ２内の負圧を所望の波形信号で大気圧に戻すことができるため、ノズル６先端のメニスカスに振動を与えず、気泡の再混入を防止することができる。

ところで、インク３１の充填を負圧で行う場合、インクジェットヘッド１のヘッド面とキャップ２の密着性が重要である。キャップ２の当接部材２１を高硬度の弾性体で構成することで、密着性を向上させることができるが、高硬度の弾性体で構成した場合、ヘッド面とキャップ２の傾きが大きいと隙間が生ずるという問題がある。一方で、キャップ２の当接部材２１の硬度を軟らかくすると、負圧力に負けて当接部材２１に変形が生じ隙間が生じてしまう。
そこで、本発明では、ヘッド面の傾きに追従できるような構造とすることで、キャップ２の密着性および密封性を確実なものとすることを可能とした。すなわち、ヘッド面と当接する当接部材２１は硬化な弾性体で構成することで密着性を高め、当接部材２１（およびフレーム２２）を支持する支持部材２３に軟化な弾性体で支持することで、ヘッド面の傾きに追従できるような自由度を持たせ、密封性を維持することを可能とした。

以下では、本発明の詳細を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。

図１は、本実施例のインクジェット塗布装置のメンテナンス機構の構成図である。
インクジェットヘッド１は、複数のノズル６を有し、連通部材９により連通された第１のタンク１１に貯留されるインク３１を吐出して印字等を行うものである。インクジェットヘッド１のメンテナンスは、ノズル６をキャップ２で覆い、キャップ２内に負圧を発生させ、吸引したインク等をキャップ２と連通部材９により連通される廃液タンク１４に排出することにより行う。キャップ２とインクジェットヘッド１との当接は、キャップ開閉手段３により自動的に行われる。キャップ開閉手段３は、インクジェットヘッド１を相対動させるものでもよいし、キャップ２を相対動させるものでもよい。なお、産業分野によっては、キャップ２を手動で開閉するよう構成してもよい。

本実施例のメンテナンス機構は、上記公知の構成に、インクジェットヘッド１と連通部材９により連通された第２のタンク１２と、インクジェットヘッド１と第１のタンク１１または第２のタンク１２との連通を択一的に切り替える液体切替手段４とを付加したものである。第２のタンク１２には、メンテナンス開始時に最初に流入される低粘性液体３２が貯留されている。本実施例においては、低粘性液体３２に、インク３１を溶かす溶媒（洗浄液）を用いた。これにより、インク３１が流路内で固結している場合でも溶解することができる。

また、図２に示すとおり、本実施例のキャップ２は、ヘッド面の傾きに追従できるような自由度を持たせることが可能となるよう構成されている。
ヘッド面と当接する当接部材２１は硬化な弾性体であるショアＡ硬度４０〜８０度（好ましくは５０〜７０度）（ＪＩＳ Ｋ ６２５３規格）のゴムで構成され、フレーム２２の上面に接着またはネジ留め等で装着される。
フレーム２２は、接着またはネジ留め等で固着された軟化な弾性部材（例えば、ゴムまたはバネ）で構成された支持部材２３により支持される。支持部材２３は、インクジェットヘッド１のノズル面の取り付け誤差（３次元的な傾き）に対して追従可能とすべく、針入度が４０〜８０（好ましくは５０〜７０度）のものがよい。支持部材２３は、板状の取付部材２４に固着される。フレーム２２の底面部には、少なくとも一つ以上の吸引用の貫通穴２５と連通部材９を接続可能な継手２６が配設される。
以上のように構成される本実施例のキャップ２によれば、ノズル面の傾きに影響されることなく、完全な密着性および密封性を確保することができる。

本実施例の負圧発生手段５は、信号発生手段１５と、圧力供給ポンプ１６と、レギュレータ５１と、エジェクタ５２とから構成され、廃液タンク１４を介してキャップ２に連通される。なお、負圧発生手段５には、エアー音を吸収する消音器５３を付加してもよい。
信号発生手段１５は、複数のパターンの時間と電圧の信号波形を設定、登録、且つ複数の登録されたパターンからいづれか一つのパターンのみを選択・出力可能である。レギュレータ５１は、信号発生手段１５の信号波形の電圧に応じて圧力の供給が可能である。信号発生手段１５は、例えばパルスジェネレータやＰＣ等で構成してもよい。
エジェクタ５２は、レギュレータ５１から供給された圧力に応じて負圧を発生可能である。レギュレータ５１およびエジェクタ５２は、市販の空圧機器により構成することができる。
レギュレータ５１によりエジェクタ５２により発生する負圧を制御しなくとも、レギュレータ５１からは一定圧を保持したまま、エジェクタ５２の廃棄側に設けた絞り弁の絞り量を調整することにより、負圧を制御してもよい。

本実施例の負圧発生手段５は、キャップ２内に発生させた負圧を緩やかに大気圧に戻すことを特徴とする。すなわち、本実施例では、予め設定された信号波形を発する信号発生手段１５により、キャップ２内の負圧の変化を緩やかに生じさせることで、気泡の再混入を防止することを可能とした。
設定する信号波形は、キャップ２内の負圧が緩やかに変化するものであれば、直線的であっても曲線的であってもよいし、細かく段階的に変化する信号波形でもよい。曲線的な波形としては、例えば、図３に示すようなＳｉｎ波形があげられる。図３（ａ）に示すように、信号発生手段１５から出力する信号波形をＳｉｎ波形をとすると、レギュレータ５１から供給される圧力が図３（ｂ）に示すように変化し、エジェクタ５２の負圧が図３（ｃ）のようになり、インクジェットヘッド１のノズル６先端のメニスカスに振動を与えることを防止することができる。

本実施例におけるメンテナンスの手順の詳細を図４に沿って説明する。以下では、インクカートリッジ装着・交換時（初期時やインク補給時）の充填フローについて説明する。
《第１フェーズ》
まず、インク３１を連通部材９に充填する。液体切替手段４の第１のバルブ４１を開、第２のバルブ４２を閉状態とし（ＳＴＥＰ１）、予め設定された時間に基づいて負圧発生手段５を起動してキャップ２内を負圧としてインク３１を連結部材９へ導く（ＳＴＥＰ２）。負圧の発生を予め設定された時間行うことにより、インク３１が連通部材９の第１のバルブ４１の部分まで充填される（ＳＴＥＰ３）。ここで、予め設定された時間とは、インク３１が第１のタンク１１から連通部材９の第１のバルブ４１に到達するまでの時間とする。予め設定された時間の経過後、負圧の発生を停止することにより、キャップ２内が大気圧に戻り、吸引が停止される（ＳＴＥＰ４）。なお、第１フェーズにおける負圧の発生の停止は、負圧の変化を緩やかに生じさせるものである必要はない。
《第２フェーズ》
次に、低粘性液体３２をノズル６に充填する。液体切替手段４の第１のバルブ４１を閉、第２のバルブ４２を開状態とし（ＳＴＥＰ５）、予め設定された時間に基づいて負圧発生手段５を起動してキャップ２内を負圧として低粘性液体３２の充填を行う（ＳＴＥＰ６）。負圧の発生を予め設定された時間行うことにより、低粘性液体３２が連通部材９に充填された後、インクジェットヘッド１に充填される（ＳＴＥＰ７）。ここで、予め設定された時間とは、低粘性液体３２がノズル６の先端から確実に排出される時間とする。予め設定された時間の経過後、負圧の発生を停止することにより、キャップ２内が大気圧に戻り、吸引が停止される（ＳＴＥＰ８）。なお、第２フェーズにおける負圧の発生の停止は、負圧の変化を緩やかに生じさせるものである必要はない。
《第３フェーズ》
最後に、インク３１をノズル６に充填する。液体切替手段４の第１のバルブ４１を開、第２のバルブ４２を閉状態とし（ＳＴＥＰ９）、予め設定された時間と信号波形に基づいて負圧発生手段５を起動してキャップ２内を負圧として第１のバルブ４１まで充填されたインク３１をインクジェットヘッド１へ導く（ＳＴＥＰ１０）。負圧の発生を予め設定された時間行うことにより、インク３１がインクジェットヘッド１に充填される（ＳＴＥＰ１１）。ここで、予め設定された時間とは、インク３１がノズル６の先端から確実に排出される時間とする。予め設定された時間の経過後、予め設定された信号波形に基づいて負圧の発生を緩やかに停止することにより、キャップ２内が緩やかに大気圧に戻り、吸引が停止される（ＳＴＥＰ１２）。ここで、予め設定された信号波形としては、上述のＳｉｎ波形が開示されるが、これに限定されない。

以上の手順を経ることにより、第１フェーズで第１のタンク１１と第１のバルブ４1の間の気泡を追い込み、第２フェーズで低粘性液体３２により第２のタンクとノズル６の間の気泡を排出し、第３フェーズでインクを充填し、予め設定された信号波形に基づいて負圧を解放することにより、気泡を残留することなく、インクジェットヘッド１にインク３１を充填することができる。
なお、インクカートリッジ装着・交換時以外の場合におけるメンテナンスは、第１フェーズが不要なので、第２および第３フェーズのみを行えばよい。インクカートリッジ装着・交換時は、液体切替手段４までインクが到達していないと気泡がインクジェットヘッド１に充填されてしまうため、第１フェーズが必要となる。

図５は、本実施例のメンテナンス機構の構成図であり、図６は、本実施例のメンテナンス機構を搭載した卓上型インクジェット塗布装置の概略斜視図である。
本実施例の装置は、図６に示すように、Ｙ方向に並んだ３つのインクジェットヘッド１がＺ方向移動手段６４に配設されている。ワークテーブル６１は、Ｙ方向に移動自在であり、Ｚ方向移動手段６４は、ビーム６２に設けられたＸ方向移動手段６３によりＸ方向に移動自在である。３つのキャップ２は、インクジェットヘッド１と対向する間隔で配設されている。図６中、符号１１はインク３１が貯留された第１のタンクであり、符号１２は低粘性液体３２が貯留された第２のタンクであり、符号１３は溶解液３３が貯留された第３のタンクである。なお、図６においては、廃液タンク１４、再供給用タンク１８、電機系の配線、および液送系の配管は省略している。

本実施例のメンテナンス機構と、実施例１との構成上の主な相違点は、第３のタンク１３を有する点と、再供給タンク１８を有する点である。
本実施例のメンテナンス機構が有する第３のタンク１３には、溶解液３３が貯留される。溶解液３３は、空気がとけ込みやすく、廉価な材料であって、本実施例ではアンモニア水を用いている。

再供給タンク１８は、低粘性液体３２をキャップ２に再供給するためのものである。キャップ２に低粘性液体３２を再供給することの意義は、ノズル６の先端に露出するインク３１の蒸発を防ぐことにある。メンテナンス工程の終了後、塗布工程が開始するまでの間もインク３１は蒸発する。インク３１が蒸発すると、インク３１が増粘し、吐出量および着弾位置の精度が低下することとなり、増粘が進むとインク３１が飛翔しなくなってしまう。そのため、インク３１の蒸発を防ぐためにはキャップ２をインクジェットヘッド１に当接した状態としておくことが好ましいが、これだけではインク３１の蒸発を充分に防止することができない場合がある。そこで、ノズル６と対向するキャップ２の凹部に低粘性液体３２が溜まった状態としておくことで、インク３１の蒸発をより効果的に防ぐことを可能としたのである。低粘性液体３２の供給は、圧力供給ポンプ１７により、再供給用タンク１８に正圧をかけることにより行われる。
なお、本実施例では蒸発防止のために低粘性液体３２を供給しているが、水を主成分とし、キャップ２内に残留しない液体であれば、同様の効果を奏することができる。

本実施例におけるメンテナンスの手順は、まず溶解液３３をインクジェットヘッド１に充填し、次に低粘性液体３２を充填し、最後にインク３１を充填することにより行われる。
負圧により吸引された液体は、廃液タンク１４と再供給用タンク１８に分別される。すなわち、インク３１および溶解液３３は廃液タンク１４に排出され、低粘性液体３２は再供給タンク１８に排出される。
以上のように構成される本実施例のメンテナンス機構を備える卓上型インクジェット塗布装置は、実施例１における効果に加え、メンテナンス工程の終了後から塗布工程が開始するまでの間のインク３１の蒸発を確実に防止する効果を奏する。

本発明はインクジェットプリンタに限らず、精密噴霧・注入装置（コーティング装置含む）、精密塗布装置等種々のインクジェット記録に適用することができる。インクジェット式パターニング、例えば、有機ＥＬディスプレイパネルや大型カラーパネルの印刷、産業用マーキング等用の塗布装置・描画装置・印刷装置への適用も可能である。
インクジェット記録方法についてもピエゾ式等の機械変換方式、抵抗発熱ジェット式等の気泡発生方式にかかわらず、適用することが可能である。
また、レンズ製造業界におけるレンズの着色工程での利用、大型印刷業界におけるポスターや建材加飾での利用も可能である。

実施例１に係るメンテナンス機構の構成図である。 透過的に示したキャップの構成図である。 実施例１に係る機器類から出力される信号波形である。 実施例１の充填フローである。 実施例２に係るメンテナンス機構の構成図である。 実施例２に係るメンテナンス機構を搭載した卓上型インクジェット塗布装置の概略斜視図である。

１ インクジェットヘッド
２ キャップ
３ キャップ開閉手段
４ 液体切替手段
５ 負圧発生手段
６ ノズル
９ 連通部材
１１ 第１のタンク
１２ 第２のタンク
１４ 廃液タンク
１５ 信号発生手段
１６ （負圧用）圧力供給ポンプ
１７ （正圧用）圧力供給ポンプ
１８ 再供給タンク
２１ 当接部材
２２ フレーム
２３ 支持柱
２４ 取付部材
２５ 貫通穴
２６ 継手
３１ インク
３２ 低粘性液体
３３ 溶解液
３４ 廃液
４１ 第１のバルブ
４２ 第２のバルブ
４３ 第３のバルブ
４４ 第４のバルブ
４５ 第５のバルブ
５１ レギュレータ
５２ エジェクタ
５３ 消音器
６１ ワークテーブル
６２ ビーム
６３ Ｘ方向移動手段
６４ Ｚ方向移動手段
６７ 電源スイッチ
６８ 通信用コネクタ

Claims (5)

1. インクジェットヘッドの有するノズルをキャップで覆い、負圧を発生させて液体を吸引するメンテナンス方法において、
   液体の吸引終了時に、予め設定された信号波形に基づきキャップ内の負圧を大気圧に戻すインクジェットヘッドのメンテナンス方法であって、
   前記信号波形が正弦曲線的であることを特徴とするインクジェットヘッドのメンテナンス方法。
2. 前記信号波形が複数の登録されたパターンから選択出力されることを特徴とする請求項１のインクジェットヘッドのメンテナンス方法。
3. インクジェットヘッドの有するノズルをキャップで覆い、負圧を発生させて液体を吸引するメンテナンス機構において、
   インクジェットヘッドと当接してノズルを覆うキャップと、負圧をキャップに発生させる負圧発生装置と、キャップおよび負圧発生装置と連通する廃液タンクと、キャップとインクジェットヘッドを当接ないし非当接させるキャップ開閉機構と、インクジェットヘッドと連通するインク貯留部と、これらの作動を制御する制御部とを備え、
   前記制御部が、予め設定された信号波形に基づきキャップ内の負圧を大気圧に戻すよう負圧発生装置を制御するインクジェットヘッドのメンテナンス機構であって、
   前記信号波形が正弦曲線的であることを特徴とするインクジェットヘッドのメンテナンス機構。
4. 前記信号波形を複数の登録されたパターンから選択可能とする信号選択手段を備えることを特徴とする請求項３のインクジェットヘッドのメンテナンス機構。
5. 請求項３または４のインクジェットヘッドのメンテナンス機構を有する装置。