JPH03180357A - インクジェットペン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、インク・ジェット印字システムに関し、特に
、過度の圧力および温度域においてその性能を維持し得
るインクジェットペンに関するものである。

〔従来技術及びその解決すべき課題〕

インクジェットペンは、一般に２つの構成要素、すなわ
ち、プリントヘッドと、インクをプリントヘッドに供給
するためのインク吐出システムとから成る。インクジェ
ットペンの製造では、インクジェット印字操作によって
インクが使われていくとペンのプリントヘッドに実質的
に一定の背圧（減圧）が確実にもたらされるように各種
の手段がとられている。この結果、プリントヘッドのオ
リフィス・プレートから噴出されるインク滴量はインク
放出中は一定のままである。この背圧は、オリフィスが
インクを噴出していないときに、オリフィス・プレート
からインクが漏れることも防いでいる。

しかし、述べておかなければならないことは、ペンの内
圧変化である。インク容器の内圧は、操作中ペンの高い
位置での移動（ｈｉｇｈ　ａｌｔｉｔｕｄｅｔｒａｎｓ
ｐｏｒｔ）や操作中の発熱により、周囲圧力に対して増
加することがある。これにより、プリントヘッドの背圧
は、インクがペンからたれたり、噴出されるほどまでに
減少することがある。

圧力変化に際してインク容器内に実質的に一定の背圧を
保つための１つの手段は、米国特許第４、５０９．０６
２号（ロー：　ＬＯＷ）等に開示されている。記述され
ている手段は、大部分の点において非常に満足ができ独
特なものであるが、所望の圧力および温度範囲にわたり
、インク容器で実質的に一定の背圧を保つために組立式
空気袋（ｃｏｌｌａｐｓｉｂｌｅｂｌａｄｄｅｒ）が必
要とされる０組立式空気袋は、供給可能なインクの体積
で割ったインクジェットペンの体積として定義されるペ
ンの体積効率を下げるものである。

インク容器にインクを貯蔵するための別の手段について
は、米国特許第４，７７１．２９５号（ベーカー：Ｂａ
ｋｅｒ）に開示されている。この手段では、黒およびカ
ラー・ペン用インクの貯蔵媒体として、インク容器に網
状ポリウレタンフォームが入れである。

これは、幾つかの新しく有用な改良をもたらす。

しかし、インク容器の多孔性貯蔵媒体はその中のインク
の容積を減少させるという欠点がある。この手段は、ロ
ー（ＬＯＷ）のものと比べて、体積効率においてわずか
の向上をもたらす。

温度および圧力の広範囲にわたり実質的に一定の背圧を
維持しながら体積効率を向上させるために、さらに幾つ
かの他の手法がある。米国特許第４．７９４．４０９号
（カウガー：Ｃｏｗｇｅｒ）等には、フオームなどの多
孔性転写部材によりすべて相互結合されているインク容
器、キャッチベースン（ｃａｔｃｈｂａ−ｓｉｎ）およ
びインクジェットプリントヘッドを有するインクジェッ
トペンについて記述しである。インク容器の中の圧力が
周囲圧力に対して変化すると、インクは、インク容器と
キャッチベースンの間で前後のフオームを通して汲み上
げられるようにされている。米国特許第４．７９１．４
３８号（ハンソン：Ｈａｎｓｏｎ）等には、第１のイン
ク容器、第２のインク容器およびこの２つの容器に接続
された毛管部材を有するインクジェットペンについて記
述しである。開示された構造でも、２つの容器の間で前
後の毛管部材を通してインクを汲み上げるようにされて
いる。しかし、これらの装置はいずれも、利点だけでな
く制約もある。この制約とは、一つは には、通常益空であり、第１のインク容器と流体連絡し
ていないキャッチベースンを有することである。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、温度および圧力変動に際してインクジ
ェットペンにおいて実質的に一定の背圧を維持すること
である。

また、発明の他の目的は、インクジェットペンに、該一
定背圧を維持しつつ体積効率の向上をもたらすことであ
る。

〔発明の概要〕

本発明のインクジェットペンは、プリントヘッドにイン
クを供給するためのインク容器およびインク容器の隣の
小室から成る。該小室の中には、インク容器と流体連絡
している毛管素子がある。

毛管素子では、インク容器内の圧力変化に応じて、イン
ク容器にインクを供給したりインク容器からのインクを
受け入れることにより、プリントヘッドの圧力を周囲圧
力以下に保っている。この容器内の圧力変化は、例えば
、ペンの過熱または高い位置での移動により生じるもの
である。

本発明の毛管素子は、素子内の圧力（毛管現象）が周囲
圧力以下になるような構造を有している。

また本発明は、印字中に噴出されるインクによるインク
容器内の圧力減少に応じて、空気を容器の中に入れるた
めの気泡発生器を具備することができる。さらに、効率
的なペンの動作のために、気泡発生器および毛管素子を
共通の設計で結合することができる。

〔実施例〕

第１図は、本発明に係るインクジェットペン１０の概略
説明図を示す。インクジェットペン１０には、導管１４
からプリントヘッド１６にインクを供給するための第１
のインク容器１２がある。プリントヘッド１６は、例え
ばヒユーレットパラカード・ジャーナル、（１９８５年
５月号、ＶＯ１３６，Ｎ（Ｌ　５　）　、に記述されて
いるような、インクジェットペンに用いられる一般的な
従来設計のプリントヘッドである。インク容器１２の左
方下部には、毛管素子２０を内装した小室１８がある。

毛管素子２０により、インク容器１２および小室１８は
ポート２２を通して流体連絡されている。ポート２２を
介して、以下に説明するような方法で、インクは、イン
ク容器１２と毛管素子２０の間で通過することができる
０毛管素子２０の機能は、プリントヘッドにおいて周囲
圧力以下の圧力を、インク容器１２内部に維持すること
である。該毛管素子２０は、周囲圧力に対するインク容
器１２内の圧力変化に応じて、インク容器１２にインク
を供給したりインク容器１２からのインクを受け入れる
ことにより前記動作を行う。例えば、このような圧力変
化は、周囲圧力に対する必然的な圧力増加を伴うような
インク容器１２内部の空気の過熱から生じることがある
。この圧力増加が埋め合せられなければ、インク容器１
２内部のインクは、プリントヘッド１６のオリフィス・
プレートを通して漏れるか、強制的に噴出されることが
ある。

小室１８の右側には、インク容器１２に空気を排出させ
るための、フオーム２５などのオプションのインク・フ
ィルターを備えた通気孔２４が設けである。

該通気孔２４は、ボート２６により小室１８に、気泡発
生器２８によりインク容器１２に連結されている。

フオーム２５は、小室１８内のインクを通気孔２４を通
して漏れさせないようにするためのものである。

大気圧の空気を毛管素子２０に自由に入れたり、毛管素
子２０から自由に排出することができる限り、ボート２
６のサイズは重要ではない、２８は気泡発生器であり、
プリントヘッド１６を通して排出されるインクに代えて
通気孔２４からの空気をインク容器１２に供給すること
ができる。気泡発生器の寸法は、後述するような設計上
の特徴を有する。インクジェットペン１０の動作では、
プリントヘッド１６は、毎分数立方センチメートルのイ
ンクを供給することのできる小さなポンプとして作動す
る。プリントヘッド１６のポンピングはインク吐出シス
テムにおいて数インチの水吸入をもたらし、該システム
は、接続されたインク容器１２、導管１４、小室１８、
毛管素子２０および通気孔２４から成る。第１図に、静
止状態のインク吐出システムを示す。空気とインクの界
面は、毛管素子２０の境界である。毛管現象は静止背圧
の引く力よりも小さいので、小室１８または毛管素子２
０にはインクはない０毛管素子２０の毛管現象は、プリ
ントヘッド１６で測定したインク容器１２内の圧力と周
囲圧力との間に設定される。

周囲圧力の降下または容器の空気の熱的に引き起こされ
る膨張などの環境上の圧力の変化があった場合には、イ
ンクは、プリントヘッド１６のオリフィス・プレートか
ら噴出される前に、小室１８にまず入れられる。インク
容器１２のインクも気泡発生器２８に及び、周囲空気に
対するその界面（メニスカス）は気泡発生器２８内部に
ある。

プリントヘッド１６がインク容器１２からインクを汲み
上げると、空気の体積が増加するにつれてインク容器１
２内の空気圧は下がる。気泡発生器内の界面（メニスカ
ス）は、周囲空気圧が比較的大きくなるにつれて、イン
ク容器１２の方へさらに戻る。

インク容器１２の圧力が減少して、最も弱い気泡発生器
の気泡圧力に等しくなると、メニスカスは突然、気泡に
までふくらみ、メニスカスとの結合は表面張力によりす
ぐに壊される。解き放たれた気泡は浮力によりインク容
器１２上部に上昇し、そこに存在する他の空気と一緒に
なる。

インクジェットペン１０の背圧は、気泡発生器２８のサ
イズおよび数により決まる。気泡発生器２８は、発生器
の気泡圧よりも小さい周囲圧力に等しい圧力で、インク
容器１２に空気を入れる。圧力減少のメカニズムを理解
するために、インクにより囲まれた空気の気泡の内圧が
、近くのインクの静止圧よりも高いものと考え、その量
を、 ２ＸＴ／ｒ とする。

ここで、γはインクの表面張力、ｒは気泡（および気泡
発生器）の半径である。したがって、気泡発生器２８の
インク容器１２側の圧力は、空気を気泡の形でインク容
器１２に噴出させるために、小室１８側の圧力よりも低
くなければならない。この差圧は、気泡発生器２８の気
泡圧力であり、その中の開口部の直径により異なる。イ
ンクの表面張力などの他の経験的要因も含まれるが、こ
の直径は生成する気泡の半径ｒと関係がある。

各気泡の形成時には、小さな体積の空気がどんどんイン
ク容器１２に入り込み、インク容器１２の圧力をわずか
に上げる。プリントヘッド１６がインク容器１２からイ
ンクを継続的に汲み上げるならば、気泡発生器２８の気
泡圧力にもう一度達するまで、容器内の背圧は再び増加
する。したがって、気泡発生器２８の設計により圧力変
動が最小にされ、インク容器１２内の背圧は実質的に一
定となる。インク容器１２内の所望の背圧は水４．５イ
ンチである。

これは、インクの表面張力を承知の上で、気泡発生器２
８の設計により達成することができる。

空気気泡が気泡発生器２８から発生されると、インクが
どんどん入り込んで空気と入れ替わる。空気は、インク
の勢いにより、気泡発生器２８から噴出され、通気孔２
４（気泡発生器２８が、ベースン（ｂａｓｉｎ）の近く
にある場合には小室１８）から供給される。噴出された
インクが湿気を吸った固体表面に接触すると、インクは
表面に付着して、気泡発生器２８と表面との間に毛管ブ
リッジを形成する。

このブリッジは、次の空気気泡の形成をじゃまし、それ
により公称背圧を著しく下げる圧力スパイクに至ること
がある。そのような可能性を避けるためには、このよう
な固体表面が気泡発生器２８のすぐ外側に存在しないこ
とが望ましい。

部分的に減少したインク容器１２内の空気圧が周囲圧力
に対して上昇すると、背圧は下降する。これは、例えば
、高い位置での移動などのように、容器内の空気の温度
が上昇したり、周囲圧力が容器圧力に対して減少した場
合に生じることがある。

第２図はそのような場合を示している０毛管素子２０の
毛管現象は、公称背圧よりも少なく、水数インチである
。しかし、毛管現象と等しくするために、インク容器１
２内の空気圧が増加すると、インクは、プリントヘッド
１６のオリフィス・プレートから漏れるのではなく、図
示のようにポート２２を通り毛管素子２０の中に引き込
まれる。インクが毛管素子２０に入ると、空気はポート
２６を通して素子から排出される。毛管素子２０の毛管
現象は、インクと周囲空気との界面が毛管素子２０の内
部にあるときに、プリントヘッドエ６のオリフィス・プ
レートにおけるインクに充分な減圧があるように設定さ
れる。このようにして、予め定められた範囲の圧力およ
び温度にわたる周囲圧力以下に、プリントヘッド１６に
おいて測定した圧力がインク容器１２の内部に保たれる
。

米国特許第４．７９４．４０９号および第４．７９１．
４３８号に開示されたインクジェットペンと対称的に、
小室１８内にある毛管素子２０により、小室１８に流れ
込むインクはインク容器１２の中のインクと流体連絡を
維持している。先のペンでは、毛管材料は小室を満たし
ていない。そのためプリントヘッドのオリフィスがペー
パーダストまたは乾いたインクで汚れていたりすると、
インクが小室に流れ込むにつれ、インクがプリントヘッ
ド・オリフィスからたれることのあることが分かってい
る。

インク容器１２内部の空気圧が落ち着くと、インクはボ
ート２２を通り毛管素子２０からインク容器１２に戻る
。毛管素子２Ｇは、インク容器１２に戻るインクの代わ
りに空気を吸い込む。小室１８とのこの流体連絡は、印
字用のインクを保持しながら、インク容器１２内の背圧
を所望範囲に保つように作用する。このように、温度お
よび高さの変化の間、インクはインク容器１２と毛管素
子２０との間を移動して、プリントヘッド１６のオリフ
ィス・プレートにおける減圧を維持する。

第３図から第６図は、本発明に係るインクジェットペン
の一実施例を示す。第３図から第６図では、同じ素子に
対して第１図から第２図に用いたのと同じ番号を用いて
いる。内壁３０は、インク容器１２と小室１８とを隔て
ている。第５図にはっきりと示されているが、前述のよ
うにしてインク容器１２に空気を入れるために、壁３０
は多数の開口部２８ａ〜２８ｆを気泡発生器として備え
ている。また、壁３０は、プリントヘッド１６（図示し
ていない）とインク容器１２との間の導管としての立て
管１４を通す開口部３１を備えている。プリントヘッド
は、第３図の開口部３２と連結しである。立て管１４の
内部には、インク容器１２と毛管素子２０の間のポート
を形成する一連の狭い垂直スリット２２がある。立て管
１４とインク容器１２に空気が入ることを防止する毛管
スクリーン３３が、スリット２２と毛管素子２０の間に
ある。第３図に示すように、毛管素子２０にインクが空
であるときに、スクリーン３３はインクが流れ込まない
ようにその状態を保持する。インクは、インク容器１２
内の増加した空気圧に応じてスクリーン３３を通って流
れ、毛管体積素子２０に入る。

空気圧が減少すると、インクは、毛管素子２０から右側
に移動し、インク容器１２に戻る。

第３図、第４図および第６図に示すように、毛管素子２
０は、一定ピツチに設定されリベット３５により一体に
固定された多数のパラレル・プレート３４で構成される
。毛管素子２０は、全体に特定の毛管現象が得られるよ
うに、既知の手法に従って構築されている。大小のオフ
セットくぼみ３６およびフィン３８により、プレート間
に間隔が保たれている。毛管現象は、全体で一定である
ほか、変動させることもできる。インクをインク容器１
２に回収することができる。すなわち毛管現象が、毛管
素子２０に入るインクをコントロールするのに充分であ
れば、したがって、毛管現象を維持するために、プレー
ト材料は長期間にわたり充分湿っていなければならない
、適切な素材には、４０ｄｙｎ／ｃｍ以上の界面エネル
ギーの金属またはプラスチックがある。

通気孔２４は小室１８の底にある。この実施例では分離
ポート２６は必要ない。気泡発生器２８用の空気は、小
室１８を直接通り、毛管プレート３４のまわりを流れる
。

立て管１４に作られたポート２２に関する開示されたパ
ラレル・プレート３４の実施例は、毛管素子２０のため
の唯一の可能な構成である。ボート２２がパラレル・プ
レート３４に向き合う場合には、各プレートにスリット
を切り込んで、プレート間にインクが移動できるように
する。当業者には理解できることであるが、多くの同等
構造により小室１８内の同様な毛管作用を達成すること
ができる。これらには、折返しリボンまたはハニカム素
材、組合せフィン、スパイラル・フオーム、シリンダー
ガラス・ビーズ、および均一気泡フオームがあるが、本
発明はこれらに限定されるものではない。

当業者は、前述のいずれの設計でも、インクをインク容
器１２だけでなく毛管素子２０に入れて製造することが
できることも、理解できる。この場合は、同じサイズの
ペンに対して追加のインクを準備する必要がある。

望ましい実施例に関して発明の原理を記述および説明し
てきたが、本発明は、該原理から逸脱することなく構成
および子細を変更できることは明らかである。例えば、
発明の各要素の相対位置は、開示された位置に限定され
ず、希望するように配置することができる。例えば、小
室１８は、より大きな矩形インク容器の中に備えつける
こともできる。小室１８および気泡発生器２８に対して
別々の通気孔を設けることも一部のペン設計において推
奨されている。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明に依れば、温度および圧力変
動に際してインクジェットペンにおいてインク容器内に
実質的に一定の背圧を維持し、インク噴出量を安定させ
ると共にインク漏れを防止することができ、また体積効
率の向上をもたらすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るインクジェットペンの概略説明図
、 第２図はインク容器内の空気圧が周囲圧力に対して上昇
した場合の第１図相当図、 第３図は本発明インクジェットペンの一実施例の断面図
、 第４図は第３図４−４線における断面図、第５図は第３
図５−５線における断面図、第６図は第４図に示すパラ
レルプレートの側面図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）プリントヘッドにインクを供給するためのインク
   容器と、該インク容器に隣接して設けた小室と、該小室
   内に備えられ、インク容器内の圧力変化に応じてインク
   容器内にインクを供給し、あるいはインク容器からのイ
   ンクを受け入れることによって、プリントヘッドの圧力
   を周囲圧力以下に保つようにインク容器と液体連結され
   た毛管素子とを有することを特徴とするインクジェット
   ペン。
2. （２）プリントヘッドにインクを供給するためのインク
   容器と、該インク容器に隣接して設けた小室と、プリン
   トヘッドから排出されたインクと同量の空気をインク容
   器内に供給する気泡発生器と、上記小室内に備えられ、
   インク容器内の圧力変化に応じてインク容器内にインク
   を供給し、あるいはインク容器からのインクを受け入れ
   ることによって、プリントヘッドの圧力を周囲圧力以下
   に保つようにインク容器と液体連結された毛管素子と、
   小室に空気を供給しあるいは小室から空気を排出するた
   めの通気孔とを備えたことを特徴とするインクジェット
   ペン。
3. （３）プリントヘッドへの導管を備え、プリントヘッド
   にインクを供給するためのインク容器と、該インク容器
   に隣接して設けた小室と、小室に空気を供給するための
   通気孔と、プリントヘッドから排出されたインクと同量
   の空気をインク容器内に供給する気泡発生器と、上記導
   管と小室を連通させる連通孔と、上記小室内に備えられ
   、インク容器内の圧力変化に応じてインク容器内にイン
   クを供給し、あるいはインク容器からのインクを受け入
   れることによって、プリントヘッドの圧力を周囲圧力以
   下に保つように上記連通孔を介してインク容器と液体連
   結された毛管素子とを有することを特徴とするインクジ
   ェットペン。