インクジェット記録装置及びインクジェット記録方法
【課題】インク流路に装着される流路部材の僅かな隙間から空気をインク流路内に混入させないようにする。
【解決手段】インクを収容するインクタンクと、このインクタンクにインク流路を介して接続され、ノズルからインクを吐出して印字する印字ヘッドと、前記インク流路に設けられ、前記インク流路内を外部に連通させる隙間を有する流路部材とを具備し、前記流路部材は、少なくとも前記印字ヘッドが印字可能である期間は大気圧に対してゼロ以上の圧力となる部位に設置される。
【解決手段】インクを収容するインクタンクと、このインクタンクにインク流路を介して接続され、ノズルからインクを吐出して印字する印字ヘッドと、前記インク流路に設けられ、前記インク流路内を外部に連通させる隙間を有する流路部材とを具備し、前記流路部材は、少なくとも前記印字ヘッドが印字可能である期間は大気圧に対してゼロ以上の圧力となる部位に設置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、印字ヘッドのノズルからインクを吐出して記録するインクジェット記録装置及びインクジェット記録方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録装置は、インクタンクからインク流路を介して印字ヘッドにインクを供給し、ヘッドノズルからインクを吐出するようになっている。
【０００３】
また、インク流路には継手やバルブなどの流路部材が装着され、例えば、印字ヘッドの着脱時などには、継手から取り外すことができるようになっている。又、ヘッドとインク供給部の間にバルブがあれば、バルブを閉めることによってヘッド取外時や輸送時にインクが漏れ出したり、インク供給側へ空気が侵入することを防ぐことができる。
【０００４】
しかしながら、従来においては、印字中に継手やバルブからインク流路に空気が浸入し、この空気がインクとともに印字ヘッドに到達する虞があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３１３８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
解決しようとする課題は、インク流路に装着される流路部材の僅かな隙間からインク流路内に空気を混入させないようにしたインクジェット記録装置及びインクジェット記録方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、実施形態であるインクジェット記録装置は、インクを収容するインクタンクと、このインクタンクにインク流路を介して接続され、ノズルからインクを吐出して印字する印字ヘッドと、前記インク流路に設けられ、前記インク流路内を外部に連通させる隙間を有する流路部材とを具備し、前記流路部材は、少なくとも前記印字ヘッドが印字可能である期間は大気圧に対してゼロ以上の圧力となる部位に設置される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態であるインクジェット記録装置を示す構成図。
【図２】第２の実施形態であるインクジェット記録装置を示す構成図。
【図３】インク圧力が大気圧よりも高い場合におけるインク流路断面を示す概念図。
【図４】インク圧力が大気圧よりも低い場合におけるインク流路断面を示す概念図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１０】
一般にインクが流路内を流れているとき、流路内のインクの圧力は動圧、即ちインクの単位体積当たり運動エネルギーと、静圧との合計である。動圧はインクの密度と流速に比例する。インクの流速は所定の流路断面に対して中心近くでは速く周辺部では遅い。従って動圧は流路断面の中心付近では大きく周辺部では小さくなる。静圧は逆に中心付近では小さく周辺部では大きくなる。インクの所定断面内の高低差が無視できる時、ベルヌーイの定理によって静圧と動圧の合計であるインクの圧力は断面内で一定である。以下で問題にするインク流路内の隙間付近、すなわち気液界面付近では、インクの流速はゼロとなるので圧力は全て静圧である。
【００１１】
一般にインクジェットヘッドにインクを供給する流路においてはインクの流速が十分遅い為動圧は十分小さく、すなわち静圧と動圧の合計であるインクの圧力はインクの静圧とほぼ一致していると考えて良い。
【００１２】
また、インクタンクと印字ヘッドを接続するインク流路に配設される継手やバルブなどは、通常、インク流路内を外部に連通させる僅かな隙間を有している。この隙間は無いことが望ましい。しかし継手には着脱の為の、バルブには流路切り替えの為の可動部分がある。可動部分を摺動させるには、隙間が必要である。可動部分にゴム製のパッキンを設けるなどしたとしても、隙間を完全に無くすことは大変難しい。柔らかいゴム製のパッキンはインクに侵され易い。またパッキンが柔らかいとパッキン内部に隙間を持ってしまうこともある。インクに侵され難いフッ素系のパッキンは弾力性に乏しく、パッキンとこれに接する部材との間に隙間を残し易い。柔らかくても復元力に乏しい部材は、可動部分を一旦動かして元に戻した時、変形の履歴によって新たな隙間を作ってしまう。
【００１３】
このような僅かな隙間のある流路部材を有するインク流路内のインクに大気圧に対して正の圧力が加わると、インクと大気の圧力差によって、隙間付近の気液界面にはインクが外部へ漏れ出ようとする向きに力が働く。同時に気液界面には、表面張力によってインクを押し戻そうとする力が働き、圧力差による力と釣り合っている。この釣り合いが崩れるとインクは外部に漏れ出す。
【００１４】
圧力差により気液界面に働く力は圧力差が一定の時、気液界面の面積に比例するが、表面張力によってインクを押し戻そうとする力は面積には比例しないため、隙間が狭いほど大きな圧力差に耐える。
【００１５】
即ち、図３に示すように、隙間の最も狭い場所までインクが進んだ時に、最も大きな圧力差に耐える。
【００１６】
逆に、流路内のインクに大気圧に対して負の圧力が加わると、インクと大気の圧力差によって、隙間付近の気液界面には、外部から空気が進入しようとする力が働く。
【００１７】
同時に気液界面には、表面張力によって空気を押し戻そうとする力が働き、圧力差による力と釣り合っている。この釣り合いが崩れると空気がインク中に混入する。
【００１８】
圧力差により気液界面に働く力は圧力差が一定の時、気液界面の面積に比例するが、表面張力によって空気を押し戻そうとする力は面積には比例しないため、隙間が狭いほど大きな圧力差に耐えることができる。
【００１９】
継手やバルブ等の隙間は通常初期的に乾いている為、流路内のインクが負圧である場合には、図４に示すように気液界面は流路の隔壁内側に形成され、隔壁内を外側へ向かって進行することは無い。即ちインクが負圧の時に気液界面が形成される場所は、一般に隙間の最も狭い所ではなく、気液界面の面積はインクが正圧である場合と比べて大きく、その結果釣り合いは崩れ易い。
【００２０】
従ってインクが負圧の場合に空気が混入しない継ぎ手やバルブの設計、製造は、インクが正圧の場合にインクが漏れない継ぎ手やバルブの設計、製造に比べて困難である。
【００２１】
インクが負圧の場合にも隙間の最も狭い所に気液界面を設けるには、インクを一旦正圧にして隙間をインクで濡らしてからインクを負圧にするようインクの圧力を制御する方法が考えられる。しかし、この場合には、正確な圧力制御が必要で、コストがかかってしまう。
【００２２】
又、インクが隙間から漏れたかどうかは容易に判定できるので、インクが正圧の場合には継手やバルブの隙間がインクが漏れない程度に十分狭くなっているか判定することは容易である。これに対し、インクに混入した僅かな空気は見え難いため、インクが負圧の場合にインク中に僅かな量の空気が混入したかどうかを判定することは困難である。
【００２３】
従ってインクが負圧の場合に空気が混入しない継ぎ手やバルブの製造、検査は、インクが正圧の場合にインクが漏れない継ぎ手やバルブの製造、検査に比べて困難である。
【００２４】
インクが負圧となる場所に継手等があり、隙間から長い時間をかけてインク中に僅かな空気が浸入する場合、その事実は非常に捉え難い。
【００２５】
浸入した僅かな空気は、その大きさが小さく、かつ浸入した場所に付着している限りは影響を及ぼさない。しかしその空気が次第に大きくなって流路を塞いだり、インクの流れに乗ってヘッドに到達すると、インクの吐出が不安定になったり、突然吐出しなくなるといった問題が生じる。例えば連続印字中にヘッド内の圧力室に、インクの吐出動作に影響しない程度の非常に小さな気泡が到達すると、その気泡にはインク吐出の際の圧力振動による整流拡散が働き、数十分〜数時間程度の時間をかけて小さな気泡が圧力発生の障害となる大きさまで成長する。そうなると予期しない時に突然吐出が止まる。
【００２６】
インクの吐出が不安定になったり、吐出しなくなることは、それ自体も問題であるが、それが最初は発見されず不意に起きると、印刷物に予期しない印刷不良を混入させたり、不良印刷物を大量に作ってしまうことになる。特に印刷物の品質に商品価値がある商業印刷やプリントエレクトロニクス等の工業用途の印刷では重大な問題となり易い。
【００２７】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態である非インク循環式のインクジェット装置を示すものである。
【００２８】
図１中１は、インク２を収容するインクタンクで、このインクタンク１は大気開放されている。インクタンク１には、インク流路３を介して印字ヘッド４が接続されている。
【００２９】
インク流路３の中途部には、内部のインクに大気圧に対しゼロ以上の圧力が加わる部位３ａが形成され、この部位３ａに流路部材としての継手５が装着されている。この実施例では部位３ａはインクタンク１の液面と同じかそれ以下の低い場所にあれば良い。
【００３０】
継手５はインク流路３内を外部に連通する僅かな隙間５ａを有している。
【００３１】
継手５は、印字ヘッド４の着脱時などに利用されるものである。
【００３２】
一般に、良好な印字を行う為には、印字ヘッド４のノズルの開口付近のインクの静圧は−１０００Ｐa程度の負圧に設定する。上記した構成において、印字ヘッド４のノズルの開口付近のインクは、インクタンク１のインク液面の高さと、ノズルの開口が配置されるノズル面の高さとの高さの差に対応するポテンシャル圧力差分だけ負圧となっている。ノズルからインクが吐出されると、負圧が増大しようとし、これによりインクタンク１からインク流路３を介して印字ヘッド４にインクが補給される。
【００３３】
ところで、継手５はインク流路３内を外部に連通する僅かな隙間５ａを有しているため、もしも継手５がインクタンク１の液面よりも高い場所にあると、空気が継手５の隙間５ａを介してインク流路３内に進入しようとする。
【００３４】
しかしながら、この第１の実施の形態では、上記したように、大気圧に対し正の圧力がインクに加わるインク流路３の部位３ａに継手５を設けるため、継手５の隙間５ａから空気が進入することを確実に防止でき、少なくとも前記印字ヘッドがインク吐出可能である期間この形態を維持すれば、インクの吐出信頼性を向上することができる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態であるインク循環式のインクジェット記録装置を示すものである。
【００３６】
図中１１は、第１のインクタンクとしての大気開放される上流側サブタンクで、この上流側サブタンク１１には上流側流路１２を介して印字ヘッド１３が接続されている。
【００３７】
上流側流路１２の中途部には、継手１５が装着されている。継手１５の着脱する際に動く部分には、嵌合時であっても、上流側流路１２内を外部に連通させる僅かな隙間１５ａが残る。
【００３８】
印字ヘッド１３には、下流側流路１６を介して第２のインクタンクとしての下流側サブタンク１７が接続され、この下流側サブタンク１７は大気開放されている。下流側サブタンク１７の流入口には減速瓶２８が設けられている。
【００３９】
減速瓶２８は下流側サブタンク１７に流入するインクの流速を低下させるとともに、その方向を上向きにし、仮にインク中に空気が混入したとしても下流サブタンク液面から大気に開放させるものである。下流側流路１６の中途部には継手１８が装着されている。
【００４０】
なお、印字ヘッド１３は上流側流路１２と下流側流路１６の両方に接続しているため、印字ヘッド１３の着脱を可能とするために、２つの継手１５，１８が配設されている。
【００４１】
印字ヘッド１３の図示しない内部には上流側流路１２と下流側流路１６の図示しない接続点があり、その接続点を分岐点として流路が図示しないノズル方面に分岐していて、ノズルからインクを吐出できるようになっている。
【００４２】
下流側サブタンク１７は、戻し流路２０を介して上流側サブタンク１１に接続されている。戻し流路２０の中途部には、インクの流れ方向に沿って順次、第１のポンプ２１、フィルタ２２が配設され、循環路２３が構成されている。
【００４３】
第１のポンプ２１の流入側には、大気開放されるメインタンク２４がインク量調整流路２５を介して接続されている。インク量調整流路２５の中途部には第２のポンプ２６が設けられている。
【００４４】
上記した第１のポンプ２１は循環ポンプで、上流側サブタンク１１のインク液面が上部側水位センサ３０によって下がったことが検出されると、下流側サブタンク１７のインクを上流側サブタンク１１へ戻すものである。第２のポンプ２６は、インク量調整用ポンプで、下流側サブタンク１７の液面が下部側水位センサ３１によって下がったことが検出されると、メインタンク２４から循環路２３へインクを補給する。
【００４５】
なお、上流側サブタンク１１は第１の位置に設けられ、印字ヘッド１３は第１の位置よりも低い第２の位置に設けられ、下流側サブタンク１７は第２の位置よりも低い第３の位置に設けられている。
【００４６】
上記した構成において、第１及び第２のポンプ２１，２６が動作されることにより、インクが循環されつつ印字ヘッド１３に供給され、印字ヘッド１３のノズルからインクが吐出されることになる。
【００４７】
ここで、上記した上流側サブタンク１１内のインクが持っている単位体積当たりのエネルギーをＰ１（Ｐａ）、下流側サブタンク１７内のインクが持っている単位体積当たりのエネルギーをＰ２（Ｐａ）とする。
【００４８】
インクが持つ単位体積当たりのエネルギーは、ノズル高さの大気圧のインクを基準とする、ポテンシャル圧力と静圧の合計であり、上流側サブタンク１１、下流側サブタンク１７の各々のタンク内では一様である。上流側サブタンク１１の気液界面と、下流側サブタンク１７の気液界面は、ともに大気開放されていて静圧がゼロであるので、Ｐ１、Ｐ２はそれぞれ上流側サブタンク１１、下流側サブタンク１７の気液界面のポテンシャル圧力に等しい。従って、各サブタンクの液面高さをＰ１、Ｐ２を使って表せば、ノズルの高さを基準として、各々Ｐ１/ρg（ｍ）、Ｐ２/ρg（ｍ）となる。
【００４９】
ここで、ρ（kｇ/ｍ３）はインクの密度、g（ｍ/ｓ２）は重力加速度である。また、下流側サブタンク１７の気液界面はノズルより低いので、Ｐ２及びＰ２/ρgは負の値である。
【００５０】
図２の左下の点線矢印は、下流側サブタンク１７の気液界面の高さではなく、ノズルと下流側サブタンク１７の気液界面の高さ方向の距離を表しているので、負の値に負号が付いて−Ｐ２/ρgとなっている。
【００５１】
上流側サブタンク１１から印字ヘッド１３内のノズル分岐点までの上流側流路１２の流路抵抗をＲ１（Pa sec/ｍ３）、印字ヘッド１３内のノズル分岐点から下流側サブタンク１７までの下流側流路１６の流路抵抗をＲ２（Pa sec/ｍ３）とすれば、印字ヘッド１３のノズルから吐出する吐出流量が十分小さい時、循環路２３には、
Ｑ(ｍ３/sec)＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｒ１＋Ｒ２）の流量でインクが流れる。
【００５２】
静的ノズル圧力Ｐｎは、Ｐｎ＝Ｐ２＋（Ｐ１−Ｐ２）（Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２））となる。ここで、静的ノズル圧力とは吐出の為の圧力振動を含まないノズル位置のインクの静圧のことである。
【００５３】
良好な印字を行う為に、Ｐｎは−１０００Ｐa程度の負圧とする。
【００５４】
一方、上流側の継手１５は印字ヘッド１３のノズル面１３ａからの高さがｈの場所に設置されている。
【００５５】
上流側の継手１５内のインクの静圧をＰｊとすれば、Ｐｊ＝Ｐｎ−ρgｈ＋Ｑ・Ｒｊ
である。Ｒｊは上流側の継手１５から印字ヘッド１３内のノズル分岐までの流路抵抗である。
【００５６】
上記したｈ，Ｑ，Ｒｊは、上流側の継手１５内のインクの静圧Ｐｊがゼロ以上となるように設定されている。この設定により、上流側の継手１５の隙間１５ａから空気が進入することがなく、空気混入されたインクが印字ヘッド１３へ送り込まれることは確実に防止されることになる。
【００５７】
なお、上記したＱとＲｊが固定なら、ｈをなるべく低く取れば良く、また、ｈとＲｊが固定なら、Ｑを大きくすれば条件を満足し易くなる。
【００５８】
ノズルから吐出する吐出流量が大きくなると、上流側と下流側の流量に差が生じ、静的ノズル圧力は上記Ｐｎの計算値より負圧側へ振れる。これが無視できない場合はその分Ｐｎを負圧側に見込んでｈ，Ｑ，Ｒｊを決めれば良い。
【００５９】
この実施例においてノズルから吐出する吐出流量がｑｍであるとき、上流側から印字ヘッドへ流入する流量ＱｕはＱｕ＝Ｑ＋ｑｍ／２となり、印字ヘッドから下流側へ流出する流量はＱｌ＝Ｑ−ｑｍ／２となり、Ｑｕ−Ｑｌ＝ｑｍがノズルから吐出される。
【００６０】
この時、上流側の継手１５内のインクの静圧Ｐｊは、
Ｐｊ＝ρg・（Ｐ１/ρg−ｈ）−Ｑｕ・（Ｒ１−Ｒｊ）
＝（Ｐ１―ρgｈ）−Ｑｕ・（Ｒ１−Ｒｊ）となる。
【００６１】
すなわちこの値がゼロ以上となるようにｈ，Ｑ，Ｒｊを決めれば良い。
【００６２】
一方、下流側の継手１８の内部のインクの静圧は通常負圧になるので、下流側の継手１８に僅かな隙間があると、空気が混入する。しかし、下流側の継手１８から混入した空気は下流側サブタンク１７で大気開放されるので、多少の空気が混入したとしてもインクの吐出信頼性に悪影響を与えることは無い。
【００６３】
上記したように、この第２の実施の形態によれば、上流側の継手１５内のインクの静圧Ｐｊがゼロ以上となるようにｈ，Ｑ，Ｒｊを設定するため、上流側の継手１５の隙間１５ａから空気が進入して印字ヘッドに送りこまれることがない。少なくとも前記印字ヘッドがインク吐出可能である期間この状態を維持すれば、印字ヘッド１３のインク吐出の信頼性を良好に維持できる。
【００６４】
なお、上記実施の形態では、インク流路に継手１５を装着した場合について説明したが、これに限られることなく、インク流路にバルブがあれば、そのバルブの位置を同様にして選べば良い。一般に上流側流路内を外部に連通させる僅かな隙間が残る流路部材がある時、本実施例と同様にしてその流路部材の位置を選べばよい。
【００６５】
また、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６６】
１…インクタンク、２…インク、３…インク流路、４…印字ヘッド、５ａ…隙間、５…継手（流路部材）、１１…上流側サブタンク（第１のインクタンク）、１２…上流側流路、１３ａ…ノズル面、１３…印字ヘッド、１６…下流側流路、１７…下流側サブタンク（第２のインクタンク）、２０…戻し流路、２１…ポンプ、２３…循環路。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、印字ヘッドのノズルからインクを吐出して記録するインクジェット記録装置及びインクジェット記録方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録装置は、インクタンクからインク流路を介して印字ヘッドにインクを供給し、ヘッドノズルからインクを吐出するようになっている。
【０００３】
また、インク流路には継手やバルブなどの流路部材が装着され、例えば、印字ヘッドの着脱時などには、継手から取り外すことができるようになっている。又、ヘッドとインク供給部の間にバルブがあれば、バルブを閉めることによってヘッド取外時や輸送時にインクが漏れ出したり、インク供給側へ空気が侵入することを防ぐことができる。
【０００４】
しかしながら、従来においては、印字中に継手やバルブからインク流路に空気が浸入し、この空気がインクとともに印字ヘッドに到達する虞があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３１３８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
解決しようとする課題は、インク流路に装着される流路部材の僅かな隙間からインク流路内に空気を混入させないようにしたインクジェット記録装置及びインクジェット記録方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、実施形態であるインクジェット記録装置は、インクを収容するインクタンクと、このインクタンクにインク流路を介して接続され、ノズルからインクを吐出して印字する印字ヘッドと、前記インク流路に設けられ、前記インク流路内を外部に連通させる隙間を有する流路部材とを具備し、前記流路部材は、少なくとも前記印字ヘッドが印字可能である期間は大気圧に対してゼロ以上の圧力となる部位に設置される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態であるインクジェット記録装置を示す構成図。
【図２】第２の実施形態であるインクジェット記録装置を示す構成図。
【図３】インク圧力が大気圧よりも高い場合におけるインク流路断面を示す概念図。
【図４】インク圧力が大気圧よりも低い場合におけるインク流路断面を示す概念図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１０】
一般にインクが流路内を流れているとき、流路内のインクの圧力は動圧、即ちインクの単位体積当たり運動エネルギーと、静圧との合計である。動圧はインクの密度と流速に比例する。インクの流速は所定の流路断面に対して中心近くでは速く周辺部では遅い。従って動圧は流路断面の中心付近では大きく周辺部では小さくなる。静圧は逆に中心付近では小さく周辺部では大きくなる。インクの所定断面内の高低差が無視できる時、ベルヌーイの定理によって静圧と動圧の合計であるインクの圧力は断面内で一定である。以下で問題にするインク流路内の隙間付近、すなわち気液界面付近では、インクの流速はゼロとなるので圧力は全て静圧である。
【００１１】
一般にインクジェットヘッドにインクを供給する流路においてはインクの流速が十分遅い為動圧は十分小さく、すなわち静圧と動圧の合計であるインクの圧力はインクの静圧とほぼ一致していると考えて良い。
【００１２】
また、インクタンクと印字ヘッドを接続するインク流路に配設される継手やバルブなどは、通常、インク流路内を外部に連通させる僅かな隙間を有している。この隙間は無いことが望ましい。しかし継手には着脱の為の、バルブには流路切り替えの為の可動部分がある。可動部分を摺動させるには、隙間が必要である。可動部分にゴム製のパッキンを設けるなどしたとしても、隙間を完全に無くすことは大変難しい。柔らかいゴム製のパッキンはインクに侵され易い。またパッキンが柔らかいとパッキン内部に隙間を持ってしまうこともある。インクに侵され難いフッ素系のパッキンは弾力性に乏しく、パッキンとこれに接する部材との間に隙間を残し易い。柔らかくても復元力に乏しい部材は、可動部分を一旦動かして元に戻した時、変形の履歴によって新たな隙間を作ってしまう。
【００１３】
このような僅かな隙間のある流路部材を有するインク流路内のインクに大気圧に対して正の圧力が加わると、インクと大気の圧力差によって、隙間付近の気液界面にはインクが外部へ漏れ出ようとする向きに力が働く。同時に気液界面には、表面張力によってインクを押し戻そうとする力が働き、圧力差による力と釣り合っている。この釣り合いが崩れるとインクは外部に漏れ出す。
【００１４】
圧力差により気液界面に働く力は圧力差が一定の時、気液界面の面積に比例するが、表面張力によってインクを押し戻そうとする力は面積には比例しないため、隙間が狭いほど大きな圧力差に耐える。
【００１５】
即ち、図３に示すように、隙間の最も狭い場所までインクが進んだ時に、最も大きな圧力差に耐える。
【００１６】
逆に、流路内のインクに大気圧に対して負の圧力が加わると、インクと大気の圧力差によって、隙間付近の気液界面には、外部から空気が進入しようとする力が働く。
【００１７】
同時に気液界面には、表面張力によって空気を押し戻そうとする力が働き、圧力差による力と釣り合っている。この釣り合いが崩れると空気がインク中に混入する。
【００１８】
圧力差により気液界面に働く力は圧力差が一定の時、気液界面の面積に比例するが、表面張力によって空気を押し戻そうとする力は面積には比例しないため、隙間が狭いほど大きな圧力差に耐えることができる。
【００１９】
継手やバルブ等の隙間は通常初期的に乾いている為、流路内のインクが負圧である場合には、図４に示すように気液界面は流路の隔壁内側に形成され、隔壁内を外側へ向かって進行することは無い。即ちインクが負圧の時に気液界面が形成される場所は、一般に隙間の最も狭い所ではなく、気液界面の面積はインクが正圧である場合と比べて大きく、その結果釣り合いは崩れ易い。
【００２０】
従ってインクが負圧の場合に空気が混入しない継ぎ手やバルブの設計、製造は、インクが正圧の場合にインクが漏れない継ぎ手やバルブの設計、製造に比べて困難である。
【００２１】
インクが負圧の場合にも隙間の最も狭い所に気液界面を設けるには、インクを一旦正圧にして隙間をインクで濡らしてからインクを負圧にするようインクの圧力を制御する方法が考えられる。しかし、この場合には、正確な圧力制御が必要で、コストがかかってしまう。
【００２２】
又、インクが隙間から漏れたかどうかは容易に判定できるので、インクが正圧の場合には継手やバルブの隙間がインクが漏れない程度に十分狭くなっているか判定することは容易である。これに対し、インクに混入した僅かな空気は見え難いため、インクが負圧の場合にインク中に僅かな量の空気が混入したかどうかを判定することは困難である。
【００２３】
従ってインクが負圧の場合に空気が混入しない継ぎ手やバルブの製造、検査は、インクが正圧の場合にインクが漏れない継ぎ手やバルブの製造、検査に比べて困難である。
【００２４】
インクが負圧となる場所に継手等があり、隙間から長い時間をかけてインク中に僅かな空気が浸入する場合、その事実は非常に捉え難い。
【００２５】
浸入した僅かな空気は、その大きさが小さく、かつ浸入した場所に付着している限りは影響を及ぼさない。しかしその空気が次第に大きくなって流路を塞いだり、インクの流れに乗ってヘッドに到達すると、インクの吐出が不安定になったり、突然吐出しなくなるといった問題が生じる。例えば連続印字中にヘッド内の圧力室に、インクの吐出動作に影響しない程度の非常に小さな気泡が到達すると、その気泡にはインク吐出の際の圧力振動による整流拡散が働き、数十分〜数時間程度の時間をかけて小さな気泡が圧力発生の障害となる大きさまで成長する。そうなると予期しない時に突然吐出が止まる。
【００２６】
インクの吐出が不安定になったり、吐出しなくなることは、それ自体も問題であるが、それが最初は発見されず不意に起きると、印刷物に予期しない印刷不良を混入させたり、不良印刷物を大量に作ってしまうことになる。特に印刷物の品質に商品価値がある商業印刷やプリントエレクトロニクス等の工業用途の印刷では重大な問題となり易い。
【００２７】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態である非インク循環式のインクジェット装置を示すものである。
【００２８】
図１中１は、インク２を収容するインクタンクで、このインクタンク１は大気開放されている。インクタンク１には、インク流路３を介して印字ヘッド４が接続されている。
【００２９】
インク流路３の中途部には、内部のインクに大気圧に対しゼロ以上の圧力が加わる部位３ａが形成され、この部位３ａに流路部材としての継手５が装着されている。この実施例では部位３ａはインクタンク１の液面と同じかそれ以下の低い場所にあれば良い。
【００３０】
継手５はインク流路３内を外部に連通する僅かな隙間５ａを有している。
【００３１】
継手５は、印字ヘッド４の着脱時などに利用されるものである。
【００３２】
一般に、良好な印字を行う為には、印字ヘッド４のノズルの開口付近のインクの静圧は−１０００Ｐa程度の負圧に設定する。上記した構成において、印字ヘッド４のノズルの開口付近のインクは、インクタンク１のインク液面の高さと、ノズルの開口が配置されるノズル面の高さとの高さの差に対応するポテンシャル圧力差分だけ負圧となっている。ノズルからインクが吐出されると、負圧が増大しようとし、これによりインクタンク１からインク流路３を介して印字ヘッド４にインクが補給される。
【００３３】
ところで、継手５はインク流路３内を外部に連通する僅かな隙間５ａを有しているため、もしも継手５がインクタンク１の液面よりも高い場所にあると、空気が継手５の隙間５ａを介してインク流路３内に進入しようとする。
【００３４】
しかしながら、この第１の実施の形態では、上記したように、大気圧に対し正の圧力がインクに加わるインク流路３の部位３ａに継手５を設けるため、継手５の隙間５ａから空気が進入することを確実に防止でき、少なくとも前記印字ヘッドがインク吐出可能である期間この形態を維持すれば、インクの吐出信頼性を向上することができる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態であるインク循環式のインクジェット記録装置を示すものである。
【００３６】
図中１１は、第１のインクタンクとしての大気開放される上流側サブタンクで、この上流側サブタンク１１には上流側流路１２を介して印字ヘッド１３が接続されている。
【００３７】
上流側流路１２の中途部には、継手１５が装着されている。継手１５の着脱する際に動く部分には、嵌合時であっても、上流側流路１２内を外部に連通させる僅かな隙間１５ａが残る。
【００３８】
印字ヘッド１３には、下流側流路１６を介して第２のインクタンクとしての下流側サブタンク１７が接続され、この下流側サブタンク１７は大気開放されている。下流側サブタンク１７の流入口には減速瓶２８が設けられている。
【００３９】
減速瓶２８は下流側サブタンク１７に流入するインクの流速を低下させるとともに、その方向を上向きにし、仮にインク中に空気が混入したとしても下流サブタンク液面から大気に開放させるものである。下流側流路１６の中途部には継手１８が装着されている。
【００４０】
なお、印字ヘッド１３は上流側流路１２と下流側流路１６の両方に接続しているため、印字ヘッド１３の着脱を可能とするために、２つの継手１５，１８が配設されている。
【００４１】
印字ヘッド１３の図示しない内部には上流側流路１２と下流側流路１６の図示しない接続点があり、その接続点を分岐点として流路が図示しないノズル方面に分岐していて、ノズルからインクを吐出できるようになっている。
【００４２】
下流側サブタンク１７は、戻し流路２０を介して上流側サブタンク１１に接続されている。戻し流路２０の中途部には、インクの流れ方向に沿って順次、第１のポンプ２１、フィルタ２２が配設され、循環路２３が構成されている。
【００４３】
第１のポンプ２１の流入側には、大気開放されるメインタンク２４がインク量調整流路２５を介して接続されている。インク量調整流路２５の中途部には第２のポンプ２６が設けられている。
【００４４】
上記した第１のポンプ２１は循環ポンプで、上流側サブタンク１１のインク液面が上部側水位センサ３０によって下がったことが検出されると、下流側サブタンク１７のインクを上流側サブタンク１１へ戻すものである。第２のポンプ２６は、インク量調整用ポンプで、下流側サブタンク１７の液面が下部側水位センサ３１によって下がったことが検出されると、メインタンク２４から循環路２３へインクを補給する。
【００４５】
なお、上流側サブタンク１１は第１の位置に設けられ、印字ヘッド１３は第１の位置よりも低い第２の位置に設けられ、下流側サブタンク１７は第２の位置よりも低い第３の位置に設けられている。
【００４６】
上記した構成において、第１及び第２のポンプ２１，２６が動作されることにより、インクが循環されつつ印字ヘッド１３に供給され、印字ヘッド１３のノズルからインクが吐出されることになる。
【００４７】
ここで、上記した上流側サブタンク１１内のインクが持っている単位体積当たりのエネルギーをＰ１（Ｐａ）、下流側サブタンク１７内のインクが持っている単位体積当たりのエネルギーをＰ２（Ｐａ）とする。
【００４８】
インクが持つ単位体積当たりのエネルギーは、ノズル高さの大気圧のインクを基準とする、ポテンシャル圧力と静圧の合計であり、上流側サブタンク１１、下流側サブタンク１７の各々のタンク内では一様である。上流側サブタンク１１の気液界面と、下流側サブタンク１７の気液界面は、ともに大気開放されていて静圧がゼロであるので、Ｐ１、Ｐ２はそれぞれ上流側サブタンク１１、下流側サブタンク１７の気液界面のポテンシャル圧力に等しい。従って、各サブタンクの液面高さをＰ１、Ｐ２を使って表せば、ノズルの高さを基準として、各々Ｐ１/ρg（ｍ）、Ｐ２/ρg（ｍ）となる。
【００４９】
ここで、ρ（kｇ/ｍ３）はインクの密度、g（ｍ/ｓ２）は重力加速度である。また、下流側サブタンク１７の気液界面はノズルより低いので、Ｐ２及びＰ２/ρgは負の値である。
【００５０】
図２の左下の点線矢印は、下流側サブタンク１７の気液界面の高さではなく、ノズルと下流側サブタンク１７の気液界面の高さ方向の距離を表しているので、負の値に負号が付いて−Ｐ２/ρgとなっている。
【００５１】
上流側サブタンク１１から印字ヘッド１３内のノズル分岐点までの上流側流路１２の流路抵抗をＲ１（Pa sec/ｍ３）、印字ヘッド１３内のノズル分岐点から下流側サブタンク１７までの下流側流路１６の流路抵抗をＲ２（Pa sec/ｍ３）とすれば、印字ヘッド１３のノズルから吐出する吐出流量が十分小さい時、循環路２３には、
Ｑ(ｍ３/sec)＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｒ１＋Ｒ２）の流量でインクが流れる。
【００５２】
静的ノズル圧力Ｐｎは、Ｐｎ＝Ｐ２＋（Ｐ１−Ｐ２）（Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２））となる。ここで、静的ノズル圧力とは吐出の為の圧力振動を含まないノズル位置のインクの静圧のことである。
【００５３】
良好な印字を行う為に、Ｐｎは−１０００Ｐa程度の負圧とする。
【００５４】
一方、上流側の継手１５は印字ヘッド１３のノズル面１３ａからの高さがｈの場所に設置されている。
【００５５】
上流側の継手１５内のインクの静圧をＰｊとすれば、Ｐｊ＝Ｐｎ−ρgｈ＋Ｑ・Ｒｊ
である。Ｒｊは上流側の継手１５から印字ヘッド１３内のノズル分岐までの流路抵抗である。
【００５６】
上記したｈ，Ｑ，Ｒｊは、上流側の継手１５内のインクの静圧Ｐｊがゼロ以上となるように設定されている。この設定により、上流側の継手１５の隙間１５ａから空気が進入することがなく、空気混入されたインクが印字ヘッド１３へ送り込まれることは確実に防止されることになる。
【００５７】
なお、上記したＱとＲｊが固定なら、ｈをなるべく低く取れば良く、また、ｈとＲｊが固定なら、Ｑを大きくすれば条件を満足し易くなる。
【００５８】
ノズルから吐出する吐出流量が大きくなると、上流側と下流側の流量に差が生じ、静的ノズル圧力は上記Ｐｎの計算値より負圧側へ振れる。これが無視できない場合はその分Ｐｎを負圧側に見込んでｈ，Ｑ，Ｒｊを決めれば良い。
【００５９】
この実施例においてノズルから吐出する吐出流量がｑｍであるとき、上流側から印字ヘッドへ流入する流量ＱｕはＱｕ＝Ｑ＋ｑｍ／２となり、印字ヘッドから下流側へ流出する流量はＱｌ＝Ｑ−ｑｍ／２となり、Ｑｕ−Ｑｌ＝ｑｍがノズルから吐出される。
【００６０】
この時、上流側の継手１５内のインクの静圧Ｐｊは、
Ｐｊ＝ρg・（Ｐ１/ρg−ｈ）−Ｑｕ・（Ｒ１−Ｒｊ）
＝（Ｐ１―ρgｈ）−Ｑｕ・（Ｒ１−Ｒｊ）となる。
【００６１】
すなわちこの値がゼロ以上となるようにｈ，Ｑ，Ｒｊを決めれば良い。
【００６２】
一方、下流側の継手１８の内部のインクの静圧は通常負圧になるので、下流側の継手１８に僅かな隙間があると、空気が混入する。しかし、下流側の継手１８から混入した空気は下流側サブタンク１７で大気開放されるので、多少の空気が混入したとしてもインクの吐出信頼性に悪影響を与えることは無い。
【００６３】
上記したように、この第２の実施の形態によれば、上流側の継手１５内のインクの静圧Ｐｊがゼロ以上となるようにｈ，Ｑ，Ｒｊを設定するため、上流側の継手１５の隙間１５ａから空気が進入して印字ヘッドに送りこまれることがない。少なくとも前記印字ヘッドがインク吐出可能である期間この状態を維持すれば、印字ヘッド１３のインク吐出の信頼性を良好に維持できる。
【００６４】
なお、上記実施の形態では、インク流路に継手１５を装着した場合について説明したが、これに限られることなく、インク流路にバルブがあれば、そのバルブの位置を同様にして選べば良い。一般に上流側流路内を外部に連通させる僅かな隙間が残る流路部材がある時、本実施例と同様にしてその流路部材の位置を選べばよい。
【００６５】
また、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６６】
１…インクタンク、２…インク、３…インク流路、４…印字ヘッド、５ａ…隙間、５…継手（流路部材）、１１…上流側サブタンク（第１のインクタンク）、１２…上流側流路、１３ａ…ノズル面、１３…印字ヘッド、１６…下流側流路、１７…下流側サブタンク（第２のインクタンク）、２０…戻し流路、２１…ポンプ、２３…循環路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを収容するインクタンクと、
このインクタンクにインク流路を介して接続され、ノズルからインクを吐出して印字する印字ヘッドと、
前記インク流路に設けられ、前記インク流路内を外部に連通させる隙間を有する流路部材とを具備し、
前記流路部材は、少なくとも前記印字ヘッドが印字可能である期間は大気圧に対してゼロ以上の圧力となる部位に設置されることを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項２】
前記インクタンクは大気開放され、前記流路部材は前記インクタンク内のインク面よりも下方に位置して装着されることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
【請求項３】
前記流路部材は、継手であることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
【請求項４】
前記流路部材は、継手であることを特徴とする請求項２記載のインクジェット記録装置。
【請求項５】
前記流路部材は、開閉バルブであることを特徴とする請求項１のインクジェット記録装置。
【請求項６】
前記流路部材は、開閉バルブであることを特徴とする請求項２記載のインクジェット記録装置。
【請求項７】
第１のインクタンクと、
この第１のインクタンクに上流側流路を介して接続される印字ヘッドと、
この印字ヘッドに下流側流路を介して接続され、前記印字ヘッドを通過したインクを収容する第２のインクタンクと、
この第２のインクタンクと前記第１のインクタンクとを接続し、前記第１及び第２の流路とにより循環路を構成する戻し流路と、
この戻し流路に設けられ、前記第２のインクタンクのインクを前記第１のインクタンクに送るポンプと、
前記上流側流路に配設され、前記流路内を外部に連通させる隙間を有する流路部材とを具備し、
前記印字ヘッドは、インクを吐出するノズルの開口を所定の高さに配置するノズル面と、前記上流側流路、下流側流路と前記ノズルへ分岐する流路とを接続するノズル分岐とを備え、
前記上流側流路の流路部材は、少なくとも前記印字ヘッドが印字可能である期間は大気圧に対してゼロ以上の圧力となる部位に設置されることを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項８】
前記流路部材は、前記印字ヘッドのノズル面よりも上方へｈだけ高く設置され、
前記インクの密度をρ、前記循環路に流れるインク流量をＱ、前記流路部材から前記印字ヘッド内のノズル分岐までの流路抵抗をＲｊ、吐出の為の圧力振動を含まないノズル位置のインクの静圧である静的ノズル圧力をＰｎとしたとき、
Ｐｎ−ρgｈ＋Ｑ・Ｒｊの値がゼロ以上となるように前記ｈ，Ｑ，Ｒｊを設定したことを
特徴とする請求項７記載のインクジェット記録装置。
【請求項９】
前記第１のインクタンクは第１の位置に設けられ、前記印字ヘッド１３は前記第１の位置よりも低い第２の位置に設けられ、前記第２のサブタンクは前記第２の位置よりも低い第３の位置に設けられ、前記第１のインクタンクと前記第２のサブタンクの気液界面は大気圧に開放されることを特徴とする請求項７記載のインクジェット記録装置。
【請求項１０】
インクを収容するインクタンクにインク流路を介して印字ヘッドを接続し、前記印字ヘッドのノズル面からインクを吐出して印字することと、
少なくとも前記印字ヘッドが印字可能である期間は大気圧に対して正圧となる前記インク流路の部位に、前記インク流路内を外部に連通させる隙間を有する流路部材を装着することと、
を具備することを特徴とするインクジェット記録方法。
【請求項１１】
前記インクタンクは大気開放され、前記流路部材は前記インクタンク内のインク面よりも下方に位置して装着されることを特徴とする請求項１０記載のインクジェット記録方法。
【請求項１２】
前記流路部材は、継手であることを特徴とする請求項１０記載のインクジェット記録方法。
【請求項１３】
前記流路部材は、継手であることを特徴とする請求項１１記載のインクジェット記録方法。
【請求項１４】
前記流路部材は、開閉バルブであることを特徴とする請求項１０のインクジェット記録方法。
【請求項１５】
前記流路部材は、開閉バルブであることを特徴とする請求項１１記載のインクジェット記録方法。
【請求項１】
インクを収容するインクタンクと、
このインクタンクにインク流路を介して接続され、ノズルからインクを吐出して印字する印字ヘッドと、
前記インク流路に設けられ、前記インク流路内を外部に連通させる隙間を有する流路部材とを具備し、
前記流路部材は、少なくとも前記印字ヘッドが印字可能である期間は大気圧に対してゼロ以上の圧力となる部位に設置されることを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項２】
前記インクタンクは大気開放され、前記流路部材は前記インクタンク内のインク面よりも下方に位置して装着されることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
【請求項３】
前記流路部材は、継手であることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
【請求項４】
前記流路部材は、継手であることを特徴とする請求項２記載のインクジェット記録装置。
【請求項５】
前記流路部材は、開閉バルブであることを特徴とする請求項１のインクジェット記録装置。
【請求項６】
前記流路部材は、開閉バルブであることを特徴とする請求項２記載のインクジェット記録装置。
【請求項７】
第１のインクタンクと、
この第１のインクタンクに上流側流路を介して接続される印字ヘッドと、
この印字ヘッドに下流側流路を介して接続され、前記印字ヘッドを通過したインクを収容する第２のインクタンクと、
この第２のインクタンクと前記第１のインクタンクとを接続し、前記第１及び第２の流路とにより循環路を構成する戻し流路と、
この戻し流路に設けられ、前記第２のインクタンクのインクを前記第１のインクタンクに送るポンプと、
前記上流側流路に配設され、前記流路内を外部に連通させる隙間を有する流路部材とを具備し、
前記印字ヘッドは、インクを吐出するノズルの開口を所定の高さに配置するノズル面と、前記上流側流路、下流側流路と前記ノズルへ分岐する流路とを接続するノズル分岐とを備え、
前記上流側流路の流路部材は、少なくとも前記印字ヘッドが印字可能である期間は大気圧に対してゼロ以上の圧力となる部位に設置されることを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項８】
前記流路部材は、前記印字ヘッドのノズル面よりも上方へｈだけ高く設置され、
前記インクの密度をρ、前記循環路に流れるインク流量をＱ、前記流路部材から前記印字ヘッド内のノズル分岐までの流路抵抗をＲｊ、吐出の為の圧力振動を含まないノズル位置のインクの静圧である静的ノズル圧力をＰｎとしたとき、
Ｐｎ−ρgｈ＋Ｑ・Ｒｊの値がゼロ以上となるように前記ｈ，Ｑ，Ｒｊを設定したことを
特徴とする請求項７記載のインクジェット記録装置。
【請求項９】
前記第１のインクタンクは第１の位置に設けられ、前記印字ヘッド１３は前記第１の位置よりも低い第２の位置に設けられ、前記第２のサブタンクは前記第２の位置よりも低い第３の位置に設けられ、前記第１のインクタンクと前記第２のサブタンクの気液界面は大気圧に開放されることを特徴とする請求項７記載のインクジェット記録装置。
【請求項１０】
インクを収容するインクタンクにインク流路を介して印字ヘッドを接続し、前記印字ヘッドのノズル面からインクを吐出して印字することと、
少なくとも前記印字ヘッドが印字可能である期間は大気圧に対して正圧となる前記インク流路の部位に、前記インク流路内を外部に連通させる隙間を有する流路部材を装着することと、
を具備することを特徴とするインクジェット記録方法。
【請求項１１】
前記インクタンクは大気開放され、前記流路部材は前記インクタンク内のインク面よりも下方に位置して装着されることを特徴とする請求項１０記載のインクジェット記録方法。
【請求項１２】
前記流路部材は、継手であることを特徴とする請求項１０記載のインクジェット記録方法。
【請求項１３】
前記流路部材は、継手であることを特徴とする請求項１１記載のインクジェット記録方法。
【請求項１４】
前記流路部材は、開閉バルブであることを特徴とする請求項１０のインクジェット記録方法。
【請求項１５】
前記流路部材は、開閉バルブであることを特徴とする請求項１１記載のインクジェット記録方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−５６３１０（Ｐ２０１２−５６３１０Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６８６１４（Ｐ２０１１−１６８６１４）
【出願日】平成２３年８月１日（２０１１．８．１）
【出願人】（０００００３５６２）東芝テック株式会社 (5,631)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１日（２０１１．８．１）
【出願人】（０００００３５６２）東芝テック株式会社 (5,631)
【Ｆターム（参考）】
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