JP5299176B2 - 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、樹脂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。また、「画像」とは２次元画像に限らず、３次元画像（立体画像）をも含む意味である。

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（以下、「インクジェット記録装置」ともいう。）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サブタンク（ヘッドタンク、バッファ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、チューブ供給方式では、画像形成で記録ヘッドから消費されるインクがインクカートリッジからチューブを通って記録ヘッドに供給されることになるが、例えば、柔軟性に富む細いチューブを使うと、チューブをインクが流れる際の流体抵抗が大きいため、インク供給がインク吐出に間に合わず吐出不良となる。特に、広幅の記録媒体に印字する大型マシンでは必然的にチューブが長くなりチューブの流体抵抗が大きくなる。また、高速印字する場合や高粘度のインクを吐出する場合も流体抵抗が増大し、記録ヘッドに対するインク供給不足が課題となる。

そこで、従来、特許文献１に開示されているように、インクカートリッジのインクを加圧状態に保持すると共に、ヘッドのインク供給上流側に差圧弁を設けて、サブタンク内の負圧が所定の圧力より大きい時にインクを供給するようにすることが知られている。

また、特許文献２に開示されているように、ヘッドの上流にばねによって負圧を得る負圧室にポンプでインクを送液して積極的にインク供給圧を制御するもの、特許文献３に開示されているように、負圧室を有していないが、同様にポンプによって積極的に圧力を制御する方式のものも知られている。

一方、簡単な構成で負圧を得る方式としては、大気に連通したインクカートリッジと記録ヘッドをチューブで接続し、単にインクカートリッジを記録ヘッドよりも下方に配置することで、水頭差で負圧を得る方式がある。

この方式では、負圧連動弁を用いて常時加圧する方式や負圧室を設けてポンプで送液する方式よりも圧倒的に簡易な構成でありながらもより安定な負圧を得ることができるものの、この水頭方式では前述したチューブ抵抗による圧力損失の問題がある。

この水頭差によって負圧を得るインク供給システムでこの圧力損失を解決する技術としては、例えば、特許文献４に開示されているように、ヘッドとインクカートリッジを繋ぐチューブにポンプを設け、さらにポンプの上流側と下流側を繋ぐバイパス経路を設けて、このバイパス経路に弁を設けた構成とし、弁を閉じてポンプによって気泡排出した後、弁を開放して所望の水頭力を保つものが知られている。

また、インクを循環させながらヘッドのノズルからインクを吐出させるインクジェット記録装置が知られている（特許文献５）。このようなインクジェット記録装置は、例えば、上流側タンク、インクジェットヘッド及び下流側タンクが導管によって接続されて構成され、上流側タンクの液面及び下流側タンクの液面は一定に保たれ、上流側タンクのインクは上流側流路を経由してインクジェットヘッドに流入し、更にインクジェットヘッドから下流側流路を経由して下流側タンクに流れ込むように循環される。

循環方式の装置としては、ノズルに対向する圧力室と連通する上流ポート及び下流ポートを有するインクジェットヘッドと、上流ポートを介してインクジェットヘッドと連通し、インクを貯留可能な上流側タンクと、下流ポートを介してインクジェットヘッドと連通し、インクを貯留可能な下流側タンクと、下流側タンクから上流側タンクへインクを戻す循環ポンプとを連通して構成される循環系を備え、下流側タンク液面を大気圧に開閉可能な開放弁を持ち、開放弁を閉じて循環ポンプを駆動し、下流側タンク液面を負圧にするとともに帰還流路を介して下流側タンクから上流側タンクへインクを戻してインクを循環させるインク供給機構を備えるものがある（特許文献６）。

特許第３６０６２８２号公報 特開２００５−３４２９６０号公報 特表平５−５０４３０８号公報 特開２００４−３５１８４５号公報 特表２００２−５３３２４７号公報 特開２００８−１６２２６２号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術では、前述したリフィル不足の問題は解決されるが、負圧を制御するための機構が複雑であり、しかも負圧連動弁のシール性能を高度に要求されるという課題がある。また、常時加圧する方式であるため、インク供給経路中にある全ての接続部の気密も高度に要求され、万一故障した際には、インクが噴出する不具合が生じるおそれがある。

また、特許文献２、３に開示の技術では、ポンプによって積極的に圧力を制御することから、インクの消費量等に応じて正確にポンプの送液量を制御する必要があるため、負圧室の圧力を用いたフィードバック制御等が必要となる。また、例えば色の異なる複数種のインクを用いる画像形成装置に適用する場合には、色種ごとにポンプを制御することが求められ、制御が複雑で、装置が大型化するという課題がある。

また、特許文献４に開示の技術でも、色の異なる複数種のインクを用いる画像形成装置に適用する場合には、色種ごとにポンプを制御することが求められ、装置が大型化する課題がある。

一方、インクジェット記録装置において、気泡混入やインク漏洩などの不具合を防ぎ、良好な印刷特性を確保するには、適正な循環流量を維持することが求められる。上述した循環方式の装置において、循環流量は、上流側タンクから、上流側流路、インクジェットヘッド、及び下流側流路を介して下流側タンクに至る流路抵抗と、上流側タンクと下流側タンクの高さの差で決まる。したがって、流量を調節するためには、上流側タンク、下流側タンク、インクジェットヘッド等の位置により調整する必要がある。すなわち、例えば、流量を増やすためには、上流側タンクの高さと下流側タンクの高さの差を大きくする必要があるので、上流側タンクの高さ位置を上げ、下流側タンクの高さ位置を下げなくてはならない。

しかしながら、通常、タンクの配置には物理的な制約がある場合が多く、高さの調節は困難であり、また、高さの差を変えるとこれに伴って流路抵抗が変化するため、所望の流量を確保することが困難である。

また、液体吐出ヘッドを記録ヘッドとして印刷を行うとき、良好な印刷特性を確保するためには、ノズル近傍のインク圧力は非常に重要であり、ノズル近傍のインク圧力を適正な範囲に保つ必要がある。

この場合、上記の循環方式の装置では、非吐出又は吐出量が少ない時のノズル近傍のインク圧力は上流側タンクから上流側流路を介してヘッド内のノズルに至る流路抵抗、ヘッド内のノズルから下流側流路を介して下流側タンクに至る流路抵抗、及び上流側タンクと下流側タンクの液面高さに依存する。したがって、適切なノズル位置のインク圧力を得るには上流側タンクと下流側タンクの高さを調整する必要がある。

しかしながら、タンクの配置に関する物理的な制約や流路長さの変化により、調整が困難である。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、構成が簡単で、安定した負圧を維持し、更に高速化、ロングチューブ化、インク高粘度化してもリフィル不足を生じないようにするとともに、装置の小型化を図れるように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、
液滴を吐出するノズルを有する記録ヘッドと、
前記記録ヘッドに供給する液体を貯留する液体タンクと、
前記記録ヘッドに前記液体を供給する第１の流路と、
前記液体タンクに連通し、逆止弁を有する第２の流路と、
前記第１の流路と前記第２の流路を連通させ、前記第１の流路を流れる液体の流量に応じて内部の流路抵抗が変化する圧力調整弁と、
前記液体タンク又は前記第２の流路の前記液体タンクと前記逆止弁の間と前記圧力調整弁とを連通する第３の流路と、
前記第３の流路に設けられる送液手段と、
前記第３の流路の前記送液手段と前記圧力調整弁との間、又は、前記第１の流路、若しくは前記第２の流路の前記圧力調整弁と前記逆止弁との間のいずれかに設けられた負圧調整手段と、を備え、
前記ノズルから液滴を吐出する動作を行うときには、前記圧力調整弁を介して前記記録ヘッドと前記液体タンクが連通している状態で、前記送液手段により前記液体を前記液体タンクから前記記録ヘッドに送液し、
前記ノズルから液滴を吐出する動作を終了するときには、前記送液手段を停止するとともに、前記負圧調整手段で前記記録ヘッドのノズル部分における液体の圧力を負圧にする
構成とした。

ここで、前記負圧調整手段は、液体の入口及び出口を有するタンク本体と、液体が流入出している状態から液体の流入が停止した状態に移行すると同時に、前記タンク本体の容積を増加させて負圧を形成する負圧形成手段とを有している構成とできる。

この場合、前記負圧形成手段は、タンク本体の一部の壁面を形成する可撓性部材と、前記可撓性部材を押圧する弾性部材と、前記弾性部材の押圧力を抑制する抑制手段とを有し、前記液体が流出入しているときに、前記抑制手段で前記弾性部材による押圧力を抑制して前記タンクケースの容積を減少させ、前記液体の流出入が停止するときに、前記抑制手段による抑制を解除して前記弾性部材で前記可撓性部材を押圧させることで前記タンク本体内の容積を増加する構成とできる。

また、前記負圧形成手段は、タンク本体の一部の壁面を形成する可撓性部材と、前記可撓性部材を押圧する弾性部材と、前記液体の流入量に応じて前記弾性部材による前記可撓性部材の押圧力を変化させ、前記液体が流出入しているときに、前記液体の流入量に応じて前記弾性部材による押圧力を抑制して前記タンクケースの容積を減少させ、前記液体の流出入が停止するときに、前記抑制手段による抑制を解除して前記タンク本体内の容積を増加させる手段とを備えている構成とできる。

また、前記液体タンクは可撓性を有する袋からなり、前記液体タンク及び第２の流路、第３の流路の内部に空気を有しないことにより前記液体の脱気度を保持している構成とできる。

また、前記記録ヘッドから液滴を吐出する直前に前記送液手段の駆動を開始し、前記記録ヘッドによる吐出動作が終了した直後に前記送液手段を停止する構成とできる。

本発明に係る画像形成装置によれば、記録ヘッドのノズルから液滴を吐出するときには、流れる液体の流量に応じて内部の流路抵抗が変化する圧力調整弁を介して記録ヘッドと液体タンクが連通している状態で、送液手段により液体を液体タンクから記録ヘッドに送液する構成としたので、記録ヘッドの吐出量に応じて適正なアシスト圧を自動的に調節しながら記録ヘッドに印加して、チューブ部材の長尺化、吐出流量の増大化、吐出インクの高粘度化等に伴うリフィル不足を回避することができる。さらに、ノズルから液滴を吐出する動作を終了するときには、送液手段を停止するとともに、負圧調整手段で記録ヘッドのノズル部分における液体の圧力を負圧にする構成としたので、液体タンクと記録ヘッドとの高低差がなくとも記録ヘッドのノズル部分における負圧を付与できて装置の小型化を図れる。

本発明の第１実施形態の説明に供する模式的説明図である。 流路抵抗可変ユニットの一例を示す説明図である。 同じく弁体の平面説明図である。 同じく負圧調整手段の動作説明に供する説明図である。 同実施形態の印字動作の説明に供するフロー図である。 同実施形態におけるヘッド内圧力の変化の説明に供する説明図である。 比較例１の説明に供する模式的説明図である。 同比較例１におけるヘッド内圧力の変化の説明に供する説明図である。 比較例２の説明に供する模式的説明図である。 同比較例２におけるヘッド内圧力の変化の説明に供する説明図である。 比較例３の説明に供する模式的説明図である。 同比較例３におけるヘッド内圧力の変化の説明に供する説明図である。 本発明の第２実施形態の説明に供する模式的説明図である。 同実施形態におけるヘッド内圧力の変化の説明に供する説明図である。 本発明の第３実施形態の説明に供する模式的説明図である。 本発明の第４実施形態の説明に供する模式的説明図である。 本発明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。

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。本発明の第１実施形態について図１を参照して説明する。なお、図１は同実施形態の説明に供する模式的説明図である。
記録ヘッドを構成する液体吐出ヘッド１は、液滴を吐出する複数のノズル２と、各ノズル２が連通する複数の個別流路３と、各個別流路３に連通する共通流路４を有している。液体タンクであるインクカートリッジ（メインタンク）１０は、液体吐出ヘッド１に供給するインクを貯留する。

インクカートリッジ１０は可撓性部材からなる変形可能な密閉された袋状部材かで構成している。また、インクカートリッジ１０とヘッド１のノズル面２ａとは同じ高さ位置に配置し、両者の間に水頭差を設けない配置構成としている。

そして、液体吐出ヘッド１に液体（インク）を供給する第１の流路２１と、メインタンク１０に連通する第２の流路２２と、第１の流路２１と第２の流路２２を連通させ、第１の流路２１を流れる液体の流量に応じて内部の流路抵抗が変化する圧力調整弁である流路抵抗可変ユニット２５と、第２の流路２２に設けられたインクカートリッジ１０から流路抵抗可変ユニット２５に向かう方向の流れを阻止する逆止弁２４と、第２の流路２２のインクカートリッジ１０と逆止弁２４の間と流路抵抗可変ユニット２５とを連通する第３の流路２３と、第３の流路２３に設けられる送液手段であるポンプ（アシストポンプ）２６（ポンプＰ１）と、第３の流路２３のポンプ２６と流路抵抗可変ユニット２５との間に設けられた負圧調整手段２７とを備えている。

また、ヘッド１側には維持回復機構５１が配設される。この維持回復機構５１には、非吐出時にインクの水分乾燥を防止すると同時に、ヘッド１内の気泡を取り除き、ノズル２が詰まったときなどにヘッド１内のインクを吸引する目的で保湿・吸引用のキャップ５２が備わっている。ヘッド１内のインクを吸引するときは、ヘッド１のノズル面をキャップ５２でキャッピングして、吸引ポンプ５３により、インクを廃液タンク５６に排出する。ここでは、キャップ５２は、保湿用と吸引用を併用しているが、それぞれの役割を独立させたキャップを構成してもよい。また、吸引したインクは、廃液タンク５６ではなく、インクカートリッジ１０に戻す構成とすることもできる。また、廃液タンク５６は、吸引動作だけではなく、ヘッド１からの画像形成に寄与しない空吐出滴を受ける空吐出受けとしての役割を持つことがある。また、ワイパ部材５７は、ワイピングユニット５８に取り付けられており、このワイパ部材５７により、メンテナンス後のヘッド１のノズル面２ａを払拭することで、ノズル面のメニスカスが整えられる。なお、キャップ５２及びワイパ部材５７は図示しない移動機構によってヘッド１のノズル面２ａに対して進退される（この例では昇降される。）。

次に、流路抵抗可変ユニット２５の一例について図２及び図３を参照して説明する。なお、図２は流路抵抗可変ユニットの模式的説明図、図３は同ユニットの弁体の平面説明図である。
流路抵抗可変ユニット２５は、流路形成部材である管部材４１と、管部材４１内に自由状態で移動可能に収容された可動部材である弁体４２とを有している。

管部材４１は、第１の流路２１を接続するポート４３ａと、第２の流路２２の流路２２ａを接続するポート４３ｂと、第３の流路２３を接続するポート４３ｃとを有している。弁体４２は、インクの流れの方向において径の異なる段部を有する段付き軸形状部材であり、上部４２ｔ、中央部４２ｍ、下部４２ｂの少なくとも３つの段部要素を有し、中央部４２ｍの径が下部４２ｂよりも小径に形成されている。この弁体４２は、管部材４１の内部で移動可能とされ、内部の流れの状態等に応じて、図２（ａ）の位置、図２（ｂ）の位置、あるいはその中間の位置をとる。

ここで、弁体４２の上部４２ｔには、図３にも示すように、インクの流れ方向に沿う方向に、第１の流路４１と第３の流路４３とを連通する連通路であって第１の絞り部となる貫通穴４４が設けられている。また、弁体４２の下部４２ｂと管部材４１の流路部分４７ｂとの間で第２の絞り部４８が形成され、弁体４２が上述したように内部の流れの状態等に応じて移動することにより、第２の絞り部４８の絞り量が変化する。

なお、ここでは、図３に示すように、貫通穴４４を弁体４２の中心軸回りに４等分して均等に配置したが、穴の大きさを小さくして穴の数を増やしたり、逆に穴を大きくして穴の数を減らしたりすることも適宜可能である。ただし、ヘッド１からのインク吐出による流れを利用して、まっすぐ弁体４２を移動させるという点で、貫通穴４２は弁体上部４２ｔに周方向に均等に配置することが好ましい。

そして、管部材４１には、弁体４２の中央部４２ｍの位置、すなわち、第１の絞り部４４と第２の絞り部４８との間に第３の流路２３の一部となる横穴（ポート）４３ｃが形成されている。

ここで、この流路抵抗可変ユニット２５及びアシストポンプ２６によるアシスト原理について説明する。
まず、ヘッド１から滴吐出を行っていない状態、あるいは、吐出流量が少ない条件下では、流路抵抗可変ユニット８３は、図２（ａ）に示すように、弁体４２がポート４３ｂ側に位置する状態にある。図２（ａ）に示すように、第１の絞り部となる貫通穴４４との流体抵抗の総和が管部材４１と弁体４２の上部４２ｔのギャップＧｔよりも管部材４１と弁体４２の下部４２ｂの間のギャップGｂが広く流体抵抗が小さいこと、更に、ポート４３ａの先には流体抵抗の大きい第１流路２１や図示しないヘッド側のフィルタがあるため、矢印Ｑａで示すポンプ２６によって送液されたインクは、流れやすいポート４３ｂ側に流れる（矢印Ｃ）。したがって、ポンプ２６によって発生するインクの流れは、第３の流路２３から流路抵抗可変ユニット２５内を通じて第２の流路２２で形成されるループ経路内を循環するだけであり、ヘッド１の圧力にはほとんど影響を与えない。

一方、ヘッド１の吐出流量が多い条件の場合、流路抵抗可変ユニット８３は、図２（ｂ）に示す状態になる。すなわち、管部材４１と弁体４２の上部４２ｔのギャップＧｔが狭く、第１の絞り部である管通穴４４を通る、矢印Ｑｈで示すヘッド１からの滴吐出によるインクの流れによって、弁体４２がポート４３ａ側に引かれ弁体４２が移動する（図で上方向に移動する。）。これにより、弁体４２の下部４２ｂが管部材４１の小径部（流路部分４７ｂ：第２の絞り部４８）に移動し、管部材４１と弁体４２の下部４２ｂの間のギャップは小さいギャップGｂ１となる。矢印Ｑａで示すようにポンプ２６によって送液されるインクは、この狭いギャップGｂ１を流れようとする（矢印Ｄ）ので、圧力が発生する。この圧力が、ヘッド１にインクが流れる際に発生する圧力損失を低減させ、大流量のインク供給を実現することができる。

この流路抵抗可変ユニット２５では、ヘッド１の吐出流量が増して圧力損失が大きくなる条件ほど、弁体４２の下部４２ｂの周面と管部材４１の流路部分４７ｂとのインクの流れ方向の対向長さ（第２の絞り部４８の長さ）が長くなって、弁体４２の下部４２ｂと管部材４１の狭ギャップＧｂ１の長さが長くなり、よりポンプ（アシストポンプ）２６による増圧効果を大きくする。これにより、従来のように流量調整弁を他のアクチュエータ等で制御する煩雑さがなく、簡易な構成で自動的に安定したインク供給を実現する

次に、図１に戻って、負圧調整手段２７は、図２にも示すように、インクの入口及び出口となるポート３１ａ、３１ｂを有するタンク本体３１と、インクが流入出している状態からインクの流入が停止した状態に移行すると同時に、タンク本体３１の容積を増加させて負圧を形成する負圧形成手段３２とを有している。

負圧形成手段３２は、タンク本体３１の一部の壁面を形成するフィルム状の可撓性部材３３と、タンク本体３１内に配設されて可撓性部材３２を外方に押圧するばねなどからなる弾性部材３４と、弾性部材３４の押圧力を抑制する抑制手段３５とを有している。抑制手段３５は、弾性部材３４に可撓性部材３２に挟んで対向する移動可能に配設された抑制板３６と、この抑制板３６を進退させるカム３７とを有し、カム３７は図示しない駆動手段（例えばモータ）など回転駆動される。また、この駆動手段及びアシストポンプ２６などは図示しない制御部（制御手段）によって駆動が制御される。

この負圧調整手段２７は、図４（ａ）に示す状態から同図（ｂ）に示すように、抑制手段３５のカム３７を回転させて抑制板３６をタンク本体３１側に押すことによって弾性部材３４が内方に押し込まれてタンク本体３１内の容積が減少し、この状態からカム３７を回転させて図４（ａ）の状態に戻すことにより、抑制板３６による抑制が解除されて弾性部材３４が可撓性部材３３を外方に押圧するのでタンク本体３１内の容積が増加する。

次に、この実施形態における図示しない制御手段によって行われる印字動作について図５のフロー図を参照して説明する。
印字ジョブ信号を受信した後、まず温度センサで装置内の温度を検知しインクの温度を推定する。このインクの温度をもとに、アシストポンプ２６で送液する流量を決定する（アシストポンプ駆動条件設定）。

その後、負圧調整手段２７のカム３７を図４（ａ）に示す解除位置から図示しない駆動手段を駆動して同図（ｂ）の抑制位置にしてタンクケース３１の容積を増加状態から減少させた状態にした後、予め定めた所定時間（例えば１ｓｅｃ）経過後にアシストポンプ２６を駆動する。

そして、ヘッド１のノズル面２ａを覆っているキャップ５２をノズル面２ａから離間させて（ヘッドキャッピング解除）、所定の滴数の空吐出を実施した後、印字動作を開始する。

このとき、アシストポンプ２６が駆動しているので、第１の流路２１を形成するインク供給チューブなどが長いシステムで、高粘度のインクを用いる場合でも、前述したように、インク供給に伴う圧力損失を適切に低減することができるので、インクの供給不足を生じさせることなく良好な印字を行うことができる。

印字終了後（滴吐出動作終了後）、ヘッド１のノズル面２ａをキャップ５２でキャッピングする。その後、アシストポンプ２６を停止させる。なお、ここで、アシストポンプ２６は印字終了後直ちに停止させても良い。また、ここでは、インク温度に基づいてアシストポンプ２６の送液量を制御しているが、インク供給仕様等の条件によっては、最も低温環境条件で供給不足を起こさない送液量で、全ての温度条件で送液することもできる。

最後に、アシストポンプ２６の停止後、予め定めた所定時間（例えば１ｓｅｃ）経過後に負圧調整手段２７のカム３７を図４（ｂ）の位置から図４（ａ）の解除位置に戻し、タンク本体３１の容積を増加させる。

これにより、ヘッド１、第１の流路２１及び流路抵抗可変ユニット２５内の流路を通じてインクが負圧調整手段２７のタンク本体３１の容積増加分引かれることになり、ヘッド１のノズル２部分に負圧が形成される。

この点について図４及び図６をも参照して説明する。
上記のインク供給系において、負圧調整手段２７が図４（ｂ）の状態にあるときにヘッド１の圧力は大気圧と等しい状態を形成するものとする。この状態から、負圧調整手段２７を図４（ａ）の状態にすることにより、弾性部材３４が可撓性部材３３を外方に押圧し、負圧（例えば−４０ｍｍＡｑ）を形成し、これによってヘッド１の圧力も負圧となる。

ここで、図６は滴吐出動作の開始から終了後のヘッド内圧力Ｐの変化の測定結果を示している。すなわち、圧力測定開始から１９ｓｅｃ後から２０ｓｅｃにかけて、負圧調整手段２７のカム３７を図４（ａ）の位置から同図（ｂ）の位置に１ｓｅｃかけて回転させ、２０ｓｅｃ後から８０ｓｅｃの間はその状態でヘッド１からの滴吐出動作を行った。そして、８０ｓｅｃにおいて滴吐出動作を停止するとともに、負圧調整手段２７のカム３７を図４（ｂ）の位置から同図（ａ）の位置に１ｓｅｃかけて変化させた。

この図６から分かるように、ヘッド１の圧力変動は非常に少ないものとなった。また、滴吐出動作中のポンプ２６による脈動も生じていない。

次に、本実施形態の作用をより明らかにするために比較例との対比において説明する。
まず、比較例１は、図７に示すように、大気開放部５１１を有するインクカートリッジ５１０からチューブ５１２によりヘッド１へインクを供給する自然供給による水頭差方式である。

このようなインク供給系において、８ｃｐの粘度のインクをインクカートリッジ５１０に充填し、ヘッド１のノズル面２ａとインクカートリッジ５１０の液面の高さ（水頭差）を４０ｍｍに設定して、ヘッド１からインクを吐出させた場合のヘッド部における圧力変化を測定した。なお、チューブ５１２の径は内径φ１．４、長さ１０００ｍｍ、ヘッド１からの滴吐出量は０．１ｃｃ／ｓｅｃとした。

この結果を図８に示している。図８は、測定開始後２０ｓｅｃにてヘッド１から滴吐出動作を行い、８０ｓｅｃ経過時点で滴吐出動作を停止した場合の、ヘッド部における圧力変化を示している。

この図６から明らかなように、ヘッドからの滴吐出動作に伴って圧力が徐々に低下していった。これは吐出量に対し、サイフォンの原理でチューブ５１２を介してインクが補給される量が少ないことを意味している。

次に、比較例２は、図９に示すように、本発明の前記実施形態における逆止弁２４及び負圧調整手段２７を備えない構成とし、インクカートリッジ５１０とヘッド１との間に水頭差を持たせている。

このインク供給系について、前述したと同様にヘッド１から滴吐出動作を行った場合のヘッド部における圧力変化の測定結果を図１０に示している。測定開始後、１９ｓｅｃ経過時点で、まず第３の流路２３上のポンプ２６を稼動し（送液量は０．１５ｃｃ／ｓｅｃとした）、２０ｓｅｃ経過時点でヘッド１から滴吐出動作を開始した。このヘッド１の吐出状態を維持し、８０ｓｅｃ経過後にヘッド１の滴吐出動作を停止し、８１ｓｅｃ経過時点でポンプ２６を停止した。

このとき、図１０に示すように、２０ｓｅｃ後のヘッド１からの滴吐出動作に伴ってヘッド部での圧力は−４０ｍｍＡｑから−９０ｍｍＡｑへと低下したが、その値を維持し、比較例１のような継続的な低下はなかった。これは、送液ポンプ２６により圧力調整弁（流体抵抗可変ユニット２５）の圧力が上昇することによってチューブ（第１の流路）２１を介してヘッド１への供給量が不足することなく行われたためである。なお、送液ポンプ２６の脈動によりヘッド部における圧力も脈動を受けているが、これは送液ポンプの形態により解消することができる。

さらに、比較例３として、図１１に示すように、上記比較例２のインクカートリッジ５１０をヘッド１と水頭差がなくなる高さまで上昇させた位置に配置した。このように水頭差をなくすることで、比較例２の構成ではインクカートリッジの液面とヘッドのノズル面とに水頭差を持たせるために装置全体として高さを低くすることができず大型になってしまうのに対し、比較例３では高さを低く抑えたレイアウトが可能となる。

ところが、このインク供給系について、前述したと同様に、ヘッド部での圧力変化を測定したところ、図１２に示すように、図１０と比較して、インクカートリッジ５１０の水頭差を無くした分の４０ｍｍＡｑ分圧力が上昇する。そのため、この状態においては、ヘッド１からの滴吐出量が小さい場合には、ヘッド部の負圧を維持することができなくなる。

つまり、比較例２の構成において、比較例３のようにヘッドと液体タンクとの水頭差をなくすると、ヘッドからの滴吐出が不安定になるので、ヘッドと液体タンクとは所定の水頭差が生じる高さ位置関係で配置しなければならず、本発明のように、画像形成装置の高さを低くして装置の小型化を図ることは困難である。

これに対して、上記実施形態では負圧調整手段２７を備えることでヘッド１とインクカートリッジ１０との水頭差がない場合でも所要の負圧を発生させることができ、装置の高さを低くすることができる。

このように、液体タンクから液体吐出ヘッド（記録ヘッド）に液体を供給する供給流路に圧力調整弁を設け、圧力調整弁に別の経路で液体タンクと連通する流路を設けると共にその経路に送液手段を設ける構成とし、圧力調整弁を液体吐出ヘッドに流れる液体の流量に応じて内部の流路抵抗が変化するものとすると共に、少なくとも液体吐出ヘッドから液体を吐出するときには液体吐出ヘッドと液体タンクが連通している状態で送液手段により液体吐出ヘッドに向けて液体を送出するので、液体吐出ヘッドの吐出量に応じて適正なアシスト圧を自動的に調節しながら液体吐出ヘッドに印加して、液体供給チューブの長尺化、吐出流量の増大化、吐出液体の高粘度化等に伴うリフィル不足を簡易に回避することができる。

そして、送液手段と圧力調整弁との間に負圧調整手段を設けて、ノズルから液滴を吐出する動作を終了するときには、送液手段を停止するとともに、負圧調整手段で前記記録ヘッドのノズル部分における液体の圧力を負圧にする構成とすることで、液体タンクとヘッドとの水頭差をなくして配置することができ、装置の高さを低くすることができて、装置の小型化を図れる。

また、負圧調整手段を備えることで液体タンクは可撓性を有する密閉の袋状部材で形成することができ、液体タンク及び第２の流路、第３の流路の内部に空気を有しないことにより液体の脱気度を保持している構成とすることができる。すなわち、通常、水頭差方式においては、液体タンクを大気開放するため、液体の脱気度は確保できず、ヘッド内の複雑な経路を液体が流れる際に発泡する場合があり、これがノズル詰まりの要因となることが多い。これに対して、内部に空気を有しないことにより、液体の脱気度を保持することで、気泡の発生が抑制されるばかりでなく、細部に入り込んだ気泡を液体に溶解することによって供給経路の気泡を完全に排除でき、負圧の安定及びノズル抜け（滴吐出不良）を防止できる。

また、上述したように、記録ヘッドから液滴を吐出する直前に送液手段の駆動を開始し、記録ヘッドによる吐出動作が終了した直後に送液手段を停止する構成としている。これにより、送液手段を稼動しているときはノズル面における圧力を圧力調整弁の条件によって制御可能であるが、送液手段を停止した状態では水頭差がノズル面での圧力になる。この場合、液体の吐出をしないため、特に圧力制御する必要が無いが、液体の垂れや気泡吸い込みを防止して、メニスカスを保持するためには適切な負圧を与えることが必要であるので、吐出動作が終了した直後に送液手段を停止するようにしている。また、必要以上に送液手段を稼動させないことにより省エネルギー化を図れる。

次に、本発明の第２実施形態におけるインク供給システムついて図１３を参照して説明する。なお、図１３は同実施形態の説明に供する模式的説明図である。
ここでは、第２の流路２２の逆止弁２４と流路抵抗可変ユニット８３との間に負圧調整手段２７を配置している。また、前記実施形態と同様に、インクカートリッジ１０は密閉型の可撓性袋とし、ヘッド１と水頭差を設けない位置に配置した。

ここでも、負圧調整手段２７が前述した図４（ｂ）の状態でヘッド１の圧力は大気圧と等しい状態を形成する。この状態から、負圧調整手段２７を図４（ａ）の状態にすることにより、タンク本体３１の弾性部材３４が可撓性部材３３を外方に押圧することによって負圧を形成し、ヘッド１の圧力も負圧となる。この状態から、前記と同様の圧力変化を測定した結果を図１４に示している。

この図１４において、圧力測定開始から１９ｓｅｃ経過後から２０ｓｅｃにかけて、負圧調整手段２７を図４（ａ）の位置から同図（ｂ）の位置にカム３７を回転させ、２０ｓｅｃ経過後から８０ｓｅｃの間はその状態でヘッド１からの滴吐出動作を行った。そして、８０ｓｅｃ経過時点で滴吐出動作を停止するとともに、負圧調整手段２７のカム３７を図４（ｂ）の位置から同図（ａ）の位置に１ｓｅｃかけて変化させた。このときのヘッドの圧力変動は、非常に少ないものとなっている。ただし、負圧調整手段２７が第２の流路２２に設けられているので、滴吐出動作中のポンプ２６による脈動は残っている。

次に、本発明の第３実施形態におけるインク供給システムついて図１５を参照して説明する。なお、図１５は同実施形態の説明に供する模式的説明図である。
ここでは、第２実施形態と同様に、第２の流路２２の逆止弁２４と流路抵抗可変ユニット８３との間に負圧調整手段４７を配置している。

この負圧調整手段４７は、出入口となるポート５１ａ、５１ｂを有するタンク本体５１の内部に隔壁部６１にて互いに連通した２つの室５１Ａ、５１Ｂを区画して形成し、各室５１Ａ、５１Ｂの開口部には可撓性部材５３Ａ、５３Ｂを設けるとともに、室５１Ａ、５１Ｂ内に可撓性部材５３Ａ、５３Ｂを外方に押圧する弾性部材５４Ａ、５４Ｂを、端部を固定して設けている。そして、弾性部材５４Ａ、５４Ｂの可撓性部材と反対側は、タンク本体５１内に摺動可能に配設した可動板５５にて保持している。

この負圧調整手段４７のタンク本体５１のポート５１ａに第２の流路２２を接続し、第２の流路２２からのインクの流れが可動板５５に当たるようにしている。

このように構成したので、図１５（ａ）に示すように、第３の流路２３のポンプ２６によって流体抵抗可変ユニット２６に供給されるインクのうち、ヘッド１の吐出に消費される量以外のインクは流体抵抗可変ユニット２６から第２の流路２２を通じて負圧調整手段４７に送液されてタンク本体５１内に入る。このタンク本体５１内に第２の流路２２から流入するインクの流入量に応じて可動板５５が移動し（押し下げられ）、この可動板５５によって両端部が保持されている弾性部材５４Ａ、５４Ｂによる可撓性部材５３Ａ、５３Ｂに対する押圧力が変化するので負圧を調整することができる。

そして、ヘッド１からの滴吐出動作が終了したときには、図１５（ｂ）に示すように負圧調整手段４７へのインク供給が止まって可動板を押し下げる力が無くなるので弾性部材５４Ａ、５４Ｂは元の状態に戻る。

このように液体の流入量に応じて弾性部材による可撓性部材を押圧する力、すなわち負圧形成ようのタンク本体の容積が変化することで、負圧が無段階に制御されるようにしている。これにより、前記実施形態のようにカムやその駆動手段が省略でき、構成の簡略化、低コスト化を図れる。

次に、本発明の第４実施形態におけるインク供給システムついて図１６を参照して説明する。なお、図１６は同実施形態の説明に供する模式的説明図である。
ここでは、第２実施形態と同様に、第２の流路２２の逆止弁２４と流路抵抗可変ユニット８３との間に負圧調整手段６７を配置している。

この負圧調整手段６７は、出入口となるポート７１ａ、７１ｂを有するタンク本体７１の一部の壁面を形成する可撓性部材７３を設けるとともに、タンク本体７１内に可撓性部材７３を外方に押圧する弾性部材７４を設けている。そして、弾性部材７４の可撓性部材と反対側は、タンク本体７１内に揺動可能に配設した揺動板７５の一端部側にて保持している。この揺動板７５の他端部側であって弾性部材７４と反対側にはタンク本体７１との間に弾性部材７６を介装している。

この負圧調整手段６７のタンク本体７１のポート７１ａに第２の流路２２を接続し、第２の流路２２からのインクの流れが揺動板７５の弾性部材７６側に供給されるようにしている。

このように構成したので、図１６（ａ）に示すように、第３の流路２３のポンプ２６によって流体抵抗可変ユニット２６に供給されるインクのうち、ヘッド１の吐出に消費される量以外のインクは流体抵抗可変ユニット２６から第２の流路２２を通じて負圧調整手段６７に送液されてタンク本体７１内に入る。このタンク本体７１内に第２の流路２２から流入するインクの流入量に応じて揺動板７５が揺動され、この揺動板７５によって一端部が保持されている弾性部材７４による可撓性部材７３に対する押圧力が変化するので負圧を調整することができる。

そして、ヘッド１からの滴吐出動作が終了したときには、図１６（ｂ）に示すように負圧調整手段６７へのインク供給が止まるので弾性部材７４は元の状態に戻る。

次に、本発明に係る画像形成装置としてのインクジェット記録装置の一例について図１７ないし図１９を参照して説明する。なお、図１７は同記録装置の概略正面説明図、図１８は同じく概略平面説明図、図１９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１０１に立設された左右の側板１０１Ｌ、１０１Ｒに横架したガイド部材であるガイドロッド１０２と、本体フレーム１０１に横架される後フレーム１０１Ｂに取付けられたガイドレール１０３とで、キャリッジ１０４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１０４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１０４には、例えば、ブラック（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）のインク滴を吐出する１又は複数の記録ヘッド１１０が搭載され、記録ヘッド１１０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。

なお、記録ヘッド１１０としては発熱抵抗体を用いるサーマル方式のもの、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。

一方、キャリッジ１０４の下方には、記録ヘッド１１０によって画像が形成される用紙１２０が主走査方向と垂直方向（副走査方向）に搬送される。用紙１２０は、搬送ローラ１２１と押えコロ１２２で挟持されて、記録ヘッド１１０による画像形成領域（印字部）に搬送され、印写ガイド部材１２３上に送られ、排紙ローラ対１２４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１０４の走査と記録ヘッド１１０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１２０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１２０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１１０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収容部が形成されたサブタンク（バッファタンク、ヘッドタンク）１３０が一体的に接続される。

このサブタンク１３０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１７７に着脱自在に装着される各色のインクを収容したインクカートリッジ（メインタンク）１７６とチューブ部材であって第１の流路を形成する液体チューブ１７１を介して接続されている。

また、装置本体の主走査方向の他端部側には記録ヘッド１１０の維持回復を行う維持回復機構１５１が配置されている。この維持回復機構１５１は、記録ヘッド１１０のノズル面をキャッピングするキャップ１５２と、キャップ１５２内を吸引する吸引ポンプ１５３と、吸引ポンプ１５３で吸引されたインクの廃液を排出する排出経路１５４などを含み、排出経路１５４から排出される廃液は本体フレーム１０１側に配置された廃液タンク１５６に排出される。

ここで、カートリッジホルダ１７７には、インクカートリッジ１７６と、前記第１実施液体の負圧調整手段２７と送液手段であるポンプ２６を含むポンプユニット１８０と、圧力制御ユニット１８１が接続されている。カートリッジホルダ１７７の内部にはポンプユニット１８０及び圧力制御ユニット１８１に連通する流路が設けられている。

また、ポンプユニット１８０はアシストポンプ２６及び第３の流路２３を備えている。ポンプ７８としては、チュービングポンプやダイヤフラムポンプ、ギアーポンプなど様々なポンプを適用することができる。また、圧力制御ユニット１８１は、流路抵抗可変ユニット２５、逆止弁２４及び第２の流路２２を備えている。

なお、本願発明は、同一色のインクを複数のヘッドに供給する場合や、色ではなく処方の異なるインクを複数のヘッドに供給する場合にも同様に適用することができる。また、複数のノズル列を１ヘッド内に有する液体吐出ヘッドで１ヘッドから異なる種類の液体を吐出する場合のインク供給システムについても適用することができる。また、狭義のインクを吐出する画像形成装置に限定されるものではなく、様々な液体を吐出する液体吐出装置（本発明でいう「画像形成装置」に含まれる。）にも適用することができる。

１ 液体吐出ヘッド
２ ノズル
４ 共通液室
１０ インクカートリッジ（液体タンク）
２１ 第１の流路
２２ 第２の流路
２３ 第３の流路
２４ 逆止弁
２５圧力調整弁（流路抵抗可変ユニット）
２６ アシストポンプ
２７ 負圧調整手段
３３ 可撓性部材
３４ 弾性部材
３７ カム
１０４ キャリッジ
１１０ 記録ヘッド
１３０ サブタンク
１４１ 液体チューブ（第１の流路）
１７６ インクカートリッジ（メインタンク：液体タンク）
１７７ カートリッジホルダ
１８０ ポンプユニット
１８１ 圧力制御ユニット

Claims (6)

1. 液滴を吐出するノズルを有する記録ヘッドと、
   前記記録ヘッドに供給する液体を貯留する液体タンクと、
   前記記録ヘッドに前記液体を供給する第１の流路と、
   前記液体タンクに連通し、逆止弁を有する第２の流路と、
   前記第１の流路と前記第２の流路を連通させ、前記第１の流路を流れる液体の流量に応じて内部の流路抵抗が変化する圧力調整弁と、
   前記液体タンク又は前記第２の流路の前記液体タンクと前記逆止弁の間と前記圧力調整弁とを連通する第３の流路と、
   前記第３の流路に設けられる送液手段と、
   前記第３の流路の前記送液手段と前記圧力調整弁との間、又は、前記第１の流路、若しくは前記第２の流路の前記圧力調整弁と前記逆止弁との間のいずれかに設けられた負圧調整手段と、を備え、
   前記ノズルから液滴を吐出する動作を行うときには、前記圧力調整弁を介して前記記録ヘッドと前記液体タンクが連通している状態で、前記送液手段により前記液体を前記液体タンクから前記記録ヘッドに送液し、
   前記ノズルから液滴を吐出する動作を終了するときには、前記送液手段を停止するとともに、前記負圧調整手段で前記記録ヘッドのノズル部分における液体の圧力を負圧にする
   ことを特徴とする画像形成装置。
2. 前記負圧調整手段は、液体の入口及び出口を有するタンク本体と、液体が流入出している状態から液体の流入が停止した状態に移行すると同時に、前記タンク本体の容積を増加させて負圧を形成する負圧形成手段とを有していることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記負圧形成手段は、タンク本体の一部の壁面を形成する可撓性部材と、前記可撓性部材を押圧する弾性部材と、前記弾性部材の押圧力を抑制する抑制手段とを有し、前記液体が流出入しているときに、前記抑制手段で前記弾性部材による押圧力を抑制して前記タンクケースの容積を減少させ、前記液体の流出入が停止するときに、前記抑制手段による抑制を解除して前記弾性部材で前記可撓性部材を押圧させることで前記タンク本体内の容積を増加することを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
4. 前記負圧形成手段は、タンク本体の一部の壁面を形成する可撓性部材と、前記可撓性部材を押圧する弾性部材と、前記液体の流入量に応じて前記弾性部材による前記可撓性部材の押圧力を変化させ、前記液体が流出入しているときに、前記液体の流入量に応じて前記弾性部材による押圧力を抑制して前記タンクケースの容積を減少させ、前記液体の流出入が停止するときに、前記抑制手段による抑制を解除して前記タンク本体内の容積を増加させる手段とを備えていることを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
5. 前記液体タンクは可撓性を有する袋からなり、前記液体タンク及び第２の流路、第３の流路の内部に空気を有しないことにより前記液体の脱気度を保持していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の画像形成装置。
6. 前記記録ヘッドから液滴を吐出する直前に前記送液手段の駆動を開始し、前記記録ヘッドによる吐出動作が終了した直後に前記送液手段を停止することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の画像形成装置。

Images