JP2008162284A - インクジェット記録装置及びインク供給機構及びインク供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空気圧やバルブの開閉動作の調整により、液送のためのポンプを用いることなく、インクを循環させるインクジェット記録装置を提供する。
【解決手段】インクジェット記録装置１は、圧力室１９、上流ポート１１ａ〜１６ａ、下流ポート１１ｂ〜１６ｂを有するインクジェットヘッド１１〜１６と、インクを貯留可能なメニスカス圧タンク２５と、メインタンク３０と、正圧タンク４０と、これらを連通して構成される循環路５０を開閉可能なバルブ５２ｖ．５３ｖ．５４ｖと、これらタンク２５，３０，４０の少なくともいずれか１つの内部空気圧を調整可能な空気弁３４，３５と、を備え、該空気圧の調整によって生じる空気圧と、循環路５０の開閉状態とに応じて循環路５０内においてインクが送られることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インクを循環させ、インクジェットヘッドからインクを吐出するインクジェット記録装置、インクジェット記録装置においてインクを供給するインク供給機構、及びインク供給方法に関する。

インクジェット記録装置において、インクを循環させながらインクジェットヘッドのノズルからインクを吐出させる技術が開示されている（例えば特許文献１、２参照）。このインクジェット記録装置では、上流側タンクは液面が一定に保たれている。上流側タンクのインクは印刷ヘッドの上流側流路を経由して印刷ヘッドに流入し、印刷ヘッドを経由し、さらに下流側流路を経由して下流側タンクに流れ込む。下流側タンクの液面は一定に保たれている。また、循環路には循環ポンプが設けられている。循環ポンプは、下流側タンクからインクを吸い上げ、フィルタを通過させ、帰還流路を経由して上流側タンクへインクをくみ上げる。
特表２００２−５３３２４７号公報 米国特許第２００２／０１１８２５６号明細書

この循環ポンプは、直接インクと接触してインクが所定の循環路に沿って循環するようにインクを送り込む機能を有する。したがって、この循環ポンプには、インクに対して化学的な安定性を保つこと、発塵を起こさないこと、発泡し難いこと等が求められる。しかしながら、これらの要求を満足し、同時に高い信頼性、耐久性を持ったポンプを実現することは極めて困難である。

本発明の一実施形態にかかるインクジェット記録装置は、ノズルに対向する圧力室、前記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、前記下流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通し、インクを貯留可能な第１タンクと、前記第１タンクと連通しインクを貯留可能な第２タンクと、前記上流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通するとともに前記第２タンクと連通し、インクを貯留可能な第３タンクと、前記インクジェットヘッド、前記第１タンク、前記第２タンク、及び前記第３タンクを連通して構成される循環路を開閉可能な開閉機構と、前記第１タンク、前記第２タンク、及び前記第３タンクの少なくともいずれか１つの内部空気圧を調整可能な空気圧調整機構と、を備え、該空気圧の調整によって生じる空気圧と、前記循環路の開閉状態とに応じて前記循環路内においてインクが送られることを特徴とする。

本発明によれば、空気圧やバルブの開閉動作の調整により、液送のためのポンプを用いることなく、インクを循環させることが可能となる。

以下に本発明の一実施形態にかかるインクジェット記録装置およびインクジェット記録方法について、図１及び図２を参照して説明する。なお、各図において適宜構成を拡大、縮小、省略して概略的に示している。

インクジェット記録装置１は、インクを循環させつつインクジェットヘッド１１〜１６のノズル１７から図示しない記録媒体にインクを吐出して画像を形成するものであり、インク供給機構１０を備えている。このインク供給機構１０は、複数（ここでは６個）のインクジェットヘッド１１〜１６、第１タンクとしてのメニスカス圧タンク、インク供給源として機能する第２タンクとしてのメインタンク、第３タンクとしての正圧タンク、これらを接続する複数の導管５１〜５５を備えている。さらに導管５２、５３、５４を開閉する開閉機構としてのバルブ５２ｖ，５３ｖ，５４ｖと、空気調整機構としての弁３４，３５，４４，４５及び気圧源５６，５７を備えている。上記インクジェットヘッド１１〜１６、メニスカス圧タンク２５、メインタンク３０、正圧タンク４０が導管５１〜５５で連通して構成される循環路５０において、図示しない制御装置により、上記バルブ５２ｖ，５３ｖ，５４ｖの開閉調整及びの空気圧調節がされることで、この空気圧とバルブ５２ｖなどの開閉状態や、各タンクの相対的な位置関係とによりインクが所定方向に送られる。以下、各構成について詳述する。

図２に示されるインクジェットヘッド１１〜１６は、ノズル１７を有するオリフィスプレート１８を備えている。このオリフィスプレート１８の背面側に圧力室１９が形成されている。この圧力室１９を経由してインク２０が循環する。圧力室１９は導管５１，５２と連通する循環路よりも狭く構成されている。図２中ノズル１７の対向面側に構成された圧力室１９に、アクチュエータ２２が設けられている。圧力室１９において、このアクチュエータ２２が駆動されることによって、ノズルからインク滴２０ａが吐出される。アクチュエータ２２としては、例えばＰＺＴ等の圧電素子を用いて直接又は間接的に圧力室を変形させるものや、静電気でダイアフラムを駆動するもの、静電気で直接インクを移動させるもの等が用いられるが、これらに限られない。各インクジェットヘッド１１〜１６は、それぞれ上流ポート１１ａ〜１６ａと下流ポート１１ｂ〜１６ｂを有している。各インクジェットヘッド１１〜１６の上流ポート１１ａ〜１６ａは、第１導管を介して正圧タンクに接続されている。各下流ポート１１ｂ〜１６ｂは、第２導管を介してメニスカス圧タンクに接続されている。このように構成されたインクジェットヘッド１１〜１６において、インク２０が、圧力室１９を経由して、例えば図２中矢印で示すように、右から左へ循環する。

メニスカス圧タンク２５は、インクジェットヘッド１１〜１６よりも下方に配置され、メニスカス圧タンク２５の液面はオリフィスプレート１８の表面よりも下方に位置している。メニスカス圧タンク２５は、インク流入口２６とインク流出口２７を有するインクタンクであり、インクを貯留し、オリフィスプレート１８の表面を基準として単位体積当たりのエネルギー、即ちここでは水頭差圧ＰＢを生成する圧力源としての機能を有する。メニスカス圧タンク２５の液面は上方部分２８において大気圧に圧力開放されている。メニスカス圧タンク２５は、インクジェットヘッド１１〜１６の幅や、図示しない印刷記録媒体としての用紙の幅と同程度に構成されている。メニスカス圧タンク２５は、その幅方向における左右両端部のインク流入口２６から、それぞれ第２導管５２を介してインクジェットヘッド１１〜１６の下流ポート１１ｂ〜１６ｂに接続されている。第２導管５２は、図示しない制御装置によって開閉可能な第１開閉機構としてのバルブ５２ｖを有する。この左右の第２導管５２とメニスカス圧タンク２５とインクジェットヘッド１１〜１６との間に、記録媒体としての印刷用紙（不図示）が通過可能な、幅の広い空間が形成される。

メニスカス圧タンク２５の内部はその底部に形成されたインク流出口２７から、第３導管５３を介して、下方に設置されたメインタンク３０に接続されている。第３導管５３は、制御装置によって開閉可能な第２開閉機構としてのバルブ５３ｖを有する。メニスカス圧タンク２５には、液面センサ２５ｓが設けられている。この液面センサ２５ｓによってメニスカス圧タンク２５の内部のインク液面の高さが検知される。メニスカス圧タンクの液面は、制御装置により、後述の方法で、検知結果に基づいて所定高さ、例えばＨ１〜Ｈ６のオリフィスプレート１８の表面の位置に対して図２に示すような適切なメニスカス２１を形成する程度の負圧を維持する高さとなるよう制御される。例えば、インクジェットヘッドが適切な動作を行うためにはメニスカス圧力２１ａはρｇｈ＝０ｋＰａ〜−３ｋＰａ程度となるように制御される。なお、ここでのρはインクの密度、ｇは重力加速度、ｈはインクジェットヘッド１１〜１６のオリフィスプレート１８の表面から見た液面の高さである。

メインタンク３０は、インクジェットヘッド１１〜１６よりも下方に配置され、メインタンク３０の液面はメニスカス圧タンク２５の液面よりも下方に位置している。メインタンク３０は、インク流入口３１とインク流出口３２を有するインクタンクであり、インクを補給するためのインク供給源としての機能を有する。メインタンク３０のインク流入口３１は、バルブ５３ｖを有する第３導管を介して、メニスカス圧タンク２５の底部に連通している。また、メインタンク３０の内部は、流出口３２から、第４導管５４を介して正圧タンク４０の内部に連通している。第４導管５４は、制御装置によって開閉可能な第３開閉機構としてのバルブ５４ｖを有する。

メインタンク３０内部のインクが減った場合には、バルブ５３ｖ、５４ｖを閉じることによりインク漏れを防止した状態で、ユーザがメインタンク３０にインクを注ぎ足し、あるいはインク充填済みの別のメインタンクと交換する等により、インクが供給される。なお、このため、メインタンク３０は残量検知などの機能を備えていることが望ましい。

メインタンク３０の液面はインクの消費に従って変化する。メインタンク３０の液面上方には空気管３３が連通している。空気管３３は、一方で空気弁３４を介して大気圧に開放され、他方で空気弁３５を介して強正圧気圧源５６と連通している。空気弁３４，３５は、制御装置の制御により選択的に開閉可能であり、空気圧調整機構として機能する。強正圧気圧源５６は、例えばタンクや空気ポンプ等を備えて構成され、所定の空気圧を供給する機能を有する。すなわち、メインタンク３０の内部の空気圧が大気圧と強正圧との間で選択的に調節可能に構成されている。なお、後述する正圧タンク４０のインク補給時を除き、通常は大気圧側の空気弁３４が開いている。

第３タンクとしての正圧タンク４０は、インク流入口４１とインク流出口４２を有するインクタンクであり、インクを貯留し、オリフィスプレート１８の表面を基準として単位体積当たりのエネルギー、即ち水頭差圧と気圧の合計値を生成する圧力源としての機能を有する。正圧タンク４０の液面上方には、空気管４３が連通している。この空気管４３は、一方で空気弁４４を介して強正圧気圧源５６と連通している。また、空気管４３は、他方で、空気弁４５介して及び中正圧気圧源５７と連通している。これらの空気弁４４，４５は制御装置の制御により選択的に開閉可能であり、空気圧調整機構として機能する。この中正圧気圧源５７は、例えばタンクや空気ポンプ等を備えて構成され、大気圧より大きく、上記強正圧より小さい所定の空気圧を供給する機能を有する。すなわち、正圧タンク４０の内部の空気圧は強正圧と中正圧とで選択的に調節可能に構成されている。

正圧タンク４０は、液面センサ４０ｓを備えている。この液面センサの４０ｓ検知結果に応じて、制御装置により、後述の方法で所定の液面高さが維持される。正圧タンク４０のインクは第５導管５５を介してインクジェットヘッド１１〜１６の上流ポート１１ａ〜１６ａに連通している。この第５導管５５を介して正圧タンク４０からインクジェットヘッド１１〜１６にインクが供給される。

次に、第２導管５２の構成について図３を参照して説明する。第２導管５２は、流路５２ａと、流路５２ｂと、流路５２ｃの三つの流路を備えて構成されている。流路５２ａ及び流路５２ｃの流路抵抗がＲ２’、流路５２ｂとヘッドユニット内のノズルまでの流路抵抗がＲ１’になっている。流路５２ａは、水平方向に延びる長い扁平なパイプからなり、インクジェットヘッドからインクを収集する。流路５２ｂは、鉛直方向に延びるフレキシブルな円管状チューブからなり、流路５２ａと各ヘッドを連通する。流路５２ｃは、鉛直方向に延びる円形状のパイプからなり、流路５２ａとメニスカス圧タンクを連通する。

流路５２ａを扁平なパイプとしたのは、流路内上部に空気が残ってしまわないように流路断面の高さを抑えつつ、かつなるべく流路抵抗を下げるように断面積を大きく取るためである。

一方、第１導管５１およびその延長上の第５導管５５は、全体が流路５２ｂと同様なフレキシブルな円管状チューブとジョイントで構成されており、第５導管５５は、第１導管５１とはジョイントを介して接続されている（ＦＩＧ．１参照）。ジョイントからヘッドユニット内のノズルまでの流路抵抗がＲ１、ジョイントから正圧タンクまでの流路抵抗がＲ２である。

この実施例では流路５２ｃの接続先であるメニスカス圧タンクがヘッド１１及び１６の直下に位置するのに対し、流路５１の接続先である正圧タンクはヘッドから比較的遠くに位置するので、第１導管５１は第２導管５２に比べて長い。また流路５２ａの扁平なパイプは第１導管５１の円管に比べて単位長さ当たりの流路抵抗が小さくなる程度に大きな断面積としてある。このようにして、流路抵抗Ｒ２’は流路抵抗Ｒ２と比べて小さい。

尚、流路５２ｃは流路５２ａと同様な扁平型とするか、或いは複数本のパイプの並列流路とすることでさらに第２導管５２の流路抵抗を下げるように変形しても良い。

次に本実施形態にかかるインクジェット記録装置１およびインク供給機構１０におけるインクの循環動作について図１及び図４を参照して説明する。
左右のバルブ５２ｖが開いた状態において、このバルブ５２ｖによる圧力損失は無視できる程度に小さいものとする。ここで、第４導管５４のバルブ５４ｖを閉じ、空気管４３に中正圧気圧源５７を連通して、正圧タンク４０を中正圧に保つと、第５導管５５及び第１導管５１を介してインクジェットヘッド１１〜１６の上流ポート１１ａ〜１６ａにインクが供給される。

また、この状態において、インクジェットヘッド１１〜１６の下流ポート１１ｂ〜１６ｂから、左右のバルブ５２ｖ及び第２導管５２を介してメニスカス圧タンク２５へインクが送られる。ここで、メニスカス圧タンク２５は後述するように液面制御されているので、バルブ５３ｖを介してインクは適宜メインタンク３０へ戻される。一方、正圧タンク４０も後述のように液面制御されているため、メインタンク３０から正圧タンク４０へバルブ５４ｖを介して適宜インクが補給される。こうして、空気管３３、４３の接続状態とバルブ５２ｖ、５３ｖ、５４ｖの開閉状態に応じて、正圧タンク４０からインクジェットヘッド１１〜１６を介してメニスカス圧タンク２５へインクが送られ、メインタンク３０、正圧タンク４０へと戻るようにインクが循環する。

本実施形態において、第１導管５１において、正圧タンク４０の液面からインクジェットヘッド１１〜１６の上流ポート１１ａ〜１６ａまでの流路抵抗をＲ１，各上流ポート１１ａ〜１６ａからオリフィスプレート１８の表面までの流路抵抗をＲ２，インクジェットヘッド１１〜１６のオリフィスプレート１８の表面から下流ポート１１ｂ〜１６ｂまでの抵抗をＲ２’、下流ポート１１ｂ〜１６ｂからメニスカス圧タンク２５の液面までの流路抵抗をＲ１’、として図１に示す。なお、図１ではインクジェットヘッド１１に対応するＲ１、Ｒ１’、Ｒ２、Ｒ２’のみ矢印を付して示しているが他のインクジェットヘッド１２から１６についても同様である。

なお、第１導管５１、第２導管５２及び第５導管５５及は、各ヘッド毎に独立分離しておらず共通の導管部を持っているが、共通の導管部の流路抵抗はヘッド毎に按分して考えるものとする。按分の方法については後で述べる。

正圧タンク４０の液面から見たオリフィスプレート１８の表面の位置のポテンシャル圧力をＰＡ、メニスカス圧タンク２５の液面から見たオリフィスプレート１８の表面の位置のポテンシャル圧力をＰＢとし、各導管５１〜５５及びインクジェットヘッド１１〜１６の内部流路抵抗で構成されるインク流路ネットワークの総流路抵抗をＲとすれば、循環流量Ｑは、Ｑ＝｛［（中正圧）＋ＰＡ］−ＰＢ｝／Ｒとなる。（オリフィスプレート１８の表面の位置は正圧タンク４０液面、メニスカス圧タンク２５液面よりも高いのでＰＡ、ＰＢは負の値である）
ここで、オリフィスプレート１８の表面位置から見たメニスカス圧タンク２５の液面のポテンシャル圧力は、圧力ＰＢを発生させる下流側圧力源と考えることができる。また、正圧タンク４０の液面から見たオリフィスプレート１８の表面位置のポテンシャル圧力と正圧タンク４０の空気圧は、圧力｛（中正圧）＋ＰＡ｝を発生させる上流側圧力源を構成していると考えることができる。

各インクジェットヘッド１１〜１６のメニスカス圧力２１ａは、上流側圧力源の圧力｛（中正圧）＋ＰＡ｝と下流側圧力源の圧力ＰＢを、上記インク流路ネットワークで分圧したものになる。インク流路ネットワークに生じる圧力分布は流量分布に依存して決まる。

ところで、オリフィスプレート１８の表面がぬれたり逆にノズル１７から空気を吸い込んだりすることなく安定に動作させるために、各インクジェットヘッド１１〜１６のメニスカス圧力２１ａはほぼ一定でなければならない。循環流があり、インク消費量が十分小さいとき、各インクジェットヘッド１１〜１６の上流側と下流側の流量はほぼ等しい。したがって、各インクジェットヘッド同士の間の圧力差を小さく抑えるにはインクジェットヘッド１１〜１６からインク流路ネットワークを介して上流側圧力源、下流側圧力源を覗いた流路抵抗と、下流側圧力源を覗いた流路抵抗との比を一定にしておけばいい。

一方、インク消費量が大きいとノズル１７から吐出するインクの上流側と下流側の流量のバランスが崩れるので、流路抵抗の比を一定にするだけでは各インクジェットヘッド１１〜１６のメニスカス圧力を一定にできず、流路抵抗自体を小さくする必要が生じる。

一般的に、流路抵抗を小さくするには短く太い配管が必要になるが、全ての配管を短く太くすることは構造上の理由やインク充填の容易性などの点で困難である。

本実施形態では正圧タンク４０の液面からオリフィスプレート１８の表面まで、Ｒ１、Ｒ２からなるインク流路ネットワークの上流側抵抗ＲＡと、オリフィスプレート１８の表面からメニスカス圧タンクの液面まで、Ｒ１’及びＲ２’からなるインク流路ネットワークの下流側抵抗ＲＢとの比を例えば５：１とし、ＲＡ＞＞ＲＢとしておく。また、Ｒ１’Ｒ２’は例えば循環流＋インク消費流量による最大圧力損失が１００Ｐａ以下となるような、十分小さな値に設定する。すなわち、流路抵抗Ｒを一様に小さくするのではなく、下流側の流路抵抗ＲＢだけを小さく保つ。

このときのオリフィス圧力は、循環流＋インク消費流量が小さければ下流側の圧力源の圧力ＰＢと等しく、循環流＋インク消費流量が最大のときでもＰＢに対して１００Ｐａ正圧側にシフトするだけなので、下流側の圧力源の圧力ＰＢを適切なメニスカスを形成する程度の負圧に設定しておけば流量が変化してもこれがほぼ維持される。

本実施の構成はメニスカス圧タンク２５がインクジェットヘッド１１〜１６の幅や記録媒体としての用紙の幅と同程度なので、用紙の通過に影響されない用紙幅方向の端部２箇所に第２導管を配設することになるため、特に第２導管を太く短く設定しやすい。したがって下流側の流路抵抗を容易に下げることが可能となる。

このようにして、各インクジェットヘッド１１〜１６から上流側圧力源までの抵抗と下流側圧力源までの抵抗とのバランスを崩し上下不均等に分圧するように設定すると、上述のように構造上有利なだけでなく制御上の利点もある。

すなわち抵抗が大きい側の圧力源の圧力精度が各インクジェットヘッド１１〜１６圧力に与える抵抗を小さくできるので、抵抗が大きい側の圧力制御を容易化できる。

本実施形態の場合、下流側は大気開放しているため液面高さだけで圧力が定まり、かつ構造上面積が大きく液面高さ精度を上げやすいため、容易に高精度の圧力源となる。

これに対し上流側は、正圧タンク空気圧と正圧タンク液面高さの両方を管理する必要があり制御が難しくなりがちであるが、本実施形態では上流側の抵抗を大きく設定して上流側の影響を小さくしたことで制御精度に対する要求を緩めることができる。この結果制御は容易となる。

次に、制御装置によるメニスカス圧タンク２５の液面制御について説明する。
液面センサ２５ｓによってメニスカス圧タンク２５の液面の上昇が検知されると、制御装置により、メインタンク３０の空気管３３が大気圧に接続されているかどうかが判定される。ここで、強正圧が選択されていた場合には、大気圧が選択されるまで待機する。さらに、空気管３３が大気圧に連通された後、メインタンク３０が大気圧になるまでに必要な所定期間が経過してから、バルブ５３ｖが開かれる。この結果メニスカス圧タンク２５のインクがメインタンク３０へ落ちる。

メインタンク３０の液面から見たメニスカス圧タンク２５の液面のポテンシャル圧カをＰＣとすれば、メニスカス圧タンク２５からメインタンク３０に落ちるインクの流量は、ＰＣをバルブ５３ｖとその周囲の流路抵抗で除した値となる。ここでメインタンク３０の液面高さは一般に一定ではないので、上記ＰＣの値はメニスカス圧タンク２５のインク残量に依存して変化する。また、インクの残量に依存してメニスカス圧タンク２５からメインタンク３０に落ちるインクの流量も変化する。

メニスカス圧タンク２５からメインタンク３０に落ちるインクの流量設定は、メインタンク３０の液面が最も高くなる場合を考慮し、その場合でも循環流量よりも大きくなるように設定される。この流量はある程度マージンを持たせるべきであるが、あまり速いと乱流を生じて気泡を巻き込んでしまう恐れがある。したがって、例えば、メニスカス圧タンク２５のインク残量が少なく、メインタンク３０の液面が最も高くなる場合、即ちＰＣの値が最も小さくなる場合に、循環流量の３倍程度となるように設定することが好ましい。メニスカス圧タンク２５の液面が液面センサ２５ｓの位置よりも下まで下がったら、バルブ５３ｖが閉じる。

続いて、正圧タンク４０の液面制御について説明する。
液面センサ４０ｓによって正圧タンク４０の液面が下がったことが検知されると、制御装置により、バルブ５３ｖが閉じられているかどうかが判定される。ここで５３ｖが開かれていた場合には閉じられるまで待機して、閉じられたら次へ進む。すなわち、メインタンク３０の空気管３３に強正圧を選定させ、メインタンク３０に強正圧が与えられる。さらに、バルブ５４ｖが開かれる。正圧タンク４０の液面から見たメインタンク３０の液面のポテンシャル圧力をＰＤとすれば、この時インクは｛（強正圧）一（中正圧）＋ＰＤ｝をバルブ５４ｖとその周囲の流路抵抗で除した流量で、メインタンク３０から正圧タンク４０に流れる。この結果正圧タンク４０にインクが補充される。

中正圧気圧源５７の気圧の値は前述の循環流量を決めるために既に調整されているので、ここでは強正圧気圧源５６の気圧の値を調整することにより、循環流量とは無関係に正圧タンク４０へのインク補充時の流量が設定される。一般に、メインタンク３０の液面高さは一定ではないので、上記ＰＤの値はメインタンク３０のインク残量に依存して変化する。

従って、メインタンク３０の残量に依存して正圧タンク４０へのインク補充時の流量が変化する。そのため正圧タンク４０へのインク補充時の流量設定は、メインタンク３０の液面が最も低くなる場合を考慮し、そのような場合でも循環流量よりも大きくなるように設定される。

この流量はある程度マージンを持たせておくべきであるが、あまり速いと乱流を生じて気泡を巻き込んでしまう恐れがある。したがって、例えばメインタンク３０のインク残量が少なく液面が最も低くなる場合、即ちＰＤの値が最も小さくなる場合に循環流量の３倍程度となるように設定される。正圧タンク４０へのインク補充が終了したらバルブ５４ｖが閉じられるとともに、メインタンク３０の空気管３３に大気圧が連通される。

なお、メニスカス圧タンク２５の液面制御と正圧タンク４０の液面制御はこの実施形態の構成では同時に行うことができないため、例えば、液面センサ２５ｓが液面上昇を検出するタイミングと液面センサ４０ｓが液面低下を検出するタイミングのうち先に生じた方が優先され、同時の場合にはメニスカス圧タンク２５の液面制御が優先されるなどの優先順位を予め定めておく。

ここで、メニスカス圧タンク２５の液面制御と正圧タンク４０の液面制御があまりにも頻繁に切り替わると切り替え時の時間口スによって液面制御を確実に行うことが困難になる恐れがある。特にメインタンク３０に与える圧力を強正圧と大気圧の間で切り替えてから実際にその圧力になるまでの間の時間ロスが問題となり易い。従って液面センサ２５ｓ及び液面センサ４０ｓの検出にはヒステリシスを持たせ、メニスカス圧タンク２５の液面制御と正圧タンク４０の液面制御の切り替え頻度が必要以上に頻繁にならないようにすることが望ましい。こうすると液面高さの変動が大きくなり易いが、メニスカス圧タンク２５と正圧タンク４０の断面積を大きくすれば問題ない。

上記実施形態では、インクがインクジェットヘッド１１〜１６を介して循環されている状態について説明した。この間正圧タンク４０の空気管４３は常に中正圧の気圧源５７に連通され、バルブ５２ｖは常に開いている。従って上記範囲の動作を行っている限り、空気弁４４，４５やバルブ５２ｖは必ずしも必要ではない。

次に、インクジェットヘッド１１〜１６のオリフィスプレート１８の表面をインクで濡らすパージ動作について説明する。図４に示すように、第１のパージ動作では、循環動作中でバルブ５３ｖが閉じている間に空気管３３が強正圧、空気管４３が中正圧に連通され、バルブ５４ｖが開かれ、バルブ５２ｖが閉じられる。正圧タンク４０から流れ出たインクはバルブ５２ｖが閉じられている為メニスカス圧タンク２５へ流れず、ノズル１７から溢れ出る。同時にメインタンク３０から正圧タンク４０へインクが補給される。このような動作はノズル表面の異物を取り除く際等に有効である。

図４に示すように、第２のパージ動作では、バルブ５４ｖが閉じられ、同時に正圧タンク４０に強正圧の気圧源５６が連通される。これによってより大きな流量でのパージ動作が行われる。

本実施形態にかかるインク供給機構１０によれば、空気圧やバルブ５２ｖ，５３ｖ，５４ｖの開閉動作の調整により、液送のためのポンプを用いることなく、インクを循環させることが可能となる。そのため、液送ポンプに起因する化学的な安定性や、発塵、発泡の問題、信頼性、耐久性の問題を生じない。

また、上流側抵抗ＲＡを、下流側抵抗ＲＢに比べて十分大きな値に設定し、流路抵抗Ｒを一様に小さくするのではなく、下流側の流路抵抗ＲＢだけを小さく保つことにより、抵抗が大きい側の圧力源の圧力精度が各インクジェットヘッド１１〜１６圧力に与える抵抗を小さくできる。したがって、抵抗が大きい側の圧力制御を容易化できる。すなわち、本実施形態の場合、上流側は制御が難しくなりがちであるが、上流側の影響を小さくしたことで制御精度に対する要求を緩めることができ、制御が容易となる。

また、本実施形態では、メニスカス圧タンク２５とヘッド１１〜１６の間に記録媒体が通過可能な空間を設け、用紙の通過に影響されない用紙幅方向の端部２箇所に第２導管５２を配設したため、特に第２導管５２を太く短く設定しやすい。このため、メニスカス圧力を決定する下流側の第２導管５２を太く短く設定することで下流側の流路抵抗を容易に下げることが可能となる。したがって、メニスカス圧力を安定させることができる。さらに、メニスカス圧力が安定することで、インク吐出状態が安定する為、濃度変動が少なく、信頼性の高いインクジェット記録装置を提供できる。

次に、共通の導管部の流路抵抗の按分の方法ついて図５を参照して説明する。導管が各ヘッド毎に分離しておらず複数のヘッドに共通の導管部と分岐点とを持っているとき、共通の導管部は分岐先の各々の流路抵抗の比と同じ比率に按分利用されていると考えることができるので、共通の導管部を分岐先の各々の流路抵抗の比と同じ比率の並列抵抗として按分してヘッド毎の流路抵抗を計算する。

ここで共通導管部を並列抵抗に按分する仕方を、等価回路図を用いて説明する。

ヘッド１のノズルからの上流側、下流側の各分岐点までの流路抵抗を夫々Ｒ３，Ｒ４
ヘッド２のノズルからの上流側、下流側の各分岐点までの流路抵抗を夫々Ｒ５，Ｒ６
上流側の共通導管部の流路抵抗をＲ７，
下流側の共通導管部の流路抵抗をＲ８としたとき、
Ｒ７を並列流路抵抗Ｒ７１とＲ７２に、Ｒ８を並列流路抵抗Ｒ８１とＲ８２に按分して考える。

按分の仕方は、
Ｒ７１：Ｒ７２＝Ｒ８１：Ｒ８２＝（Ｒ３＋Ｒ４）：（Ｒ５＋Ｒ６）、
１／Ｒ７＝１／Ｒ７１＋１／Ｒ７２、
１／Ｒ８＝１／Ｒ８１＋１／Ｒ８２、
が成立するようにすれば良い。

この時、Ｒ７１：Ｒ８１＝Ｒ７２：Ｒ８２＝Ｒ７：Ｒ８である。

尚、ヘッド１のノズル上流の流路抵抗は、（Ｒ７１＋Ｒ３）
ヘッド１のノズル下流の流路抵抗は、（Ｒ８１＋Ｒ４）
ヘッド２のノズル上流の流路抵抗は、（Ｒ７２＋Ｒ５）
ヘッド２のノズル下流の流路抵抗は、（Ｒ８２＋Ｒ６）
と考える。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明を実施するにあたり、各構成部材の具体的な形状など、本発明の構成要素を発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更して実施できることは言うまでもない。

例えば、上記実施形態において、インクジェットヘッド１１〜１６の構成として図２に示すように、インクの圧力室１９を介してインク２０を循環させつつ吐出させる構成を例示したがこれに限られるものではなく、循環経路から分岐した先に圧力室とノズルを持っているヘッドであっても良いし、循環経路から分岐した先で独立したヘッドを形成しているヘッドブロックであっても良い。

例えば、図６で示すインクジェットヘッド６０のように、インク貯留部６２にインクを循環供給する方法も適用可能である。このインクジェットヘッド６０は、複数のノズル６１と、このノズル６１に対向して形成された発熱素子６１ａ、インク貯留部６２、このインク貯留部６２の上流側及び下流側に連通する流路６３，６４、等を備えている。この流路６３、６４が、それぞれ上記実施形態のインク供給機構１０における第１導管５１、第２導管５２に連通されることで、上記実施形態と同様に機能するとともに上記実施形態と同様の効果を得られる。この形態ではインク貯留部６２から離間して、スリット６２ａを介して、圧力室６２ｂとメニスカスが形成されるノズル６１を備えており、インク貯留部６２はインク循環部分とスリット６２ａを介した圧力室６２ｂ、ノズル６１との分岐点であると考えることができる。このようなインクジェットヘッド６０にインクを循環させた時、インク貯留部６２とノズル６１の表面の高さがほとんど違わないとすれば、非吐出時にはこの分岐点とノズルのメニスカス圧力はほぼ等しい。したがって、インク貯留部６２のインク圧力をノズルのメニスカス圧力と考えて実施すればよい。又、吐出時は吐出流量に分岐点からノズルまでの流路抵抗を掛けた圧力だけノズルのメニスカス圧力が下がると考えればよい。

さらには、このインクジェット装置に使用される印刷ヘッドは、循環経路の途中からフィルタを介してアクチュエータ、ノズルへ分岐しているタイプでも良い。この場合も、非吐出状態ではノズルの圧力はフィルタ１次側が循環経路と接する部分の圧力と同一と考えることが出来る。又吐出時は吐出流量にフィルタ１次側からノズルまでの流路抵抗を掛けた圧力だけノズルの圧力が下がると考えればよい。

アクチュエータ２２として、上記実施形態に示すもの以外にも、例えば、ピエゾ式、ピエゾシェアモード式、サーマルインクジェット式等も適用可能である。

また、オリフィスプレート表面に複数のノズル開口があって各々の高さが異なる場合には、高さの違いに起因するノズル近傍の圧力の違いが適正なノズル近傍の圧力の範囲を超えない限りにおいて、各ノズルの高さの平均をオリフィスプレート表面の高さと考えれば良い。この時ヘッド内のインク循環流の方向を高さの低いノズルに近い方から高さの高いノズルに近い方に向かってとれば、高さの違いに起因するノズル近傍の圧力の違いを減らすことができるので、そのようにしても良い。

また、空気圧調整機構としての空気弁３４，３５，４４，４５や開閉機構としてのバルブ５２ｖ、５３ｖ、５４ｖの、配置、数等は上記実施形態に限られるものではない。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更実施可能である。

図１は、本願発明の一実施形態におけるインクジェット記録装置の全体の構成を概略的に示す図。 同実施形態におけるインクジェットヘッドのノズル周辺の構造を示す部分断面図。 同実施形態における第２導管の構成を概略的に示す斜視図。 同実施形態のインク供給機構におけるインクの循環動作を示す表。 同実施形態にかかる流路抵抗の按分方法の説明図。 同実施形態の変形例にかかるインクジェットヘッドのノズル周辺の構造を示す部分断面図。

符号の説明

１…インクジェット記録装置、１０…インク供給機構、
１１〜１６…インクジェットヘッド、１７…ノズル、１８…オリフィスプレート、
２１…メニスカス、３０…メインタンク、３３．４３…空気管、３４．３５…空気弁、
３５…空気弁、４０…正圧タンク、４０ｓ…液面センサ、４３、４４．４５…空気弁、
５０…循環路、５１〜５５…導管、５２ｖ．５３ｖ．５４ｖ…バルブ、
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ…流路、５６…強正圧気圧源、５７…中正圧気圧源。

Claims (11)

1. ノズルに対向する圧力室、前記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、
   前記下流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通し、インクを貯留可能な第１タンクと、
   前記第１タンクと連通しインクを貯留可能な第２タンクと、
   前記上流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通するとともに前記第２タンクと連通し、インクを貯留可能な第３タンクと、
   前記インクジェットヘッド、前記第１タンク、前記第２タンク、及び前記第３タンクを連通して構成される循環路を開閉可能な開閉機構と、
   前記第１タンク、前記第２タンク、及び前記第３タンクの少なくともいずれか１つの内部空気圧を調整可能な空気圧調整機構と、を備え、
   該空気圧の調整によって生じる空気圧と、前記循環路の開閉状態とに応じて前記循環路内においてインクが送られることを特徴とするインクジェット記録装置。
2. 前記第１タンク内部のインクの液面は前記ヘッドの前記ノズルが形成されたオリフィスプレートの表面よりも下方に位置し、
   前記第２タンク内部のインクの液面は前記第１タンク内部のインクの液面よりも下方に位置し、
   空気圧調整機構は前記第２タンク及び前記第３タンクに設けられ、
   前記開閉機構は、前記インクジェットヘッドの下流ポートと前記第１タンクの間に設けられた第１開閉機構、前記第１タンクと前記第２タンクの間に設けられた第２開閉機構、及び前記第２タンクと前記第３タンクの間に設けられた第３開閉機構を備えてい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。
3. 前記第１タンク、前記第２タンク及び前記第３タンクのうち少なくともいずれかのインクの液面を検知する液面検知装置と、
   前記液面の検知結果に応じて、前記空気圧調整機構及び前記開閉調整機構の動作を制御する制御装置と、
   を備えた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。
4. 前記第３インクタンク液面に正の空気圧が与えられ、前記第１タンク内部は大気に開放され、前記第３タンクから前記第１タンクに向かってインクが流れる状態において、
   前記第１タンクの液面が所定以上に上昇した場合に、前記第２開閉機構が開状態となり、前記第１タンクのインクが下方に設けられた前記第２タンクに供給され、
   前記第３タンクの液面が所定以下に低下した場合に、前記第２タンクに前記第３タンク内部の空気圧よりも大きな空気圧を与えるとともに前記第３開閉機構が開状態とされ、インクが前記第３タンクに補給されることを特徴とする請求項３記載のインクジェット記録装置。
5. 前記第１タンクは、記録媒体送り方向と垂直な方向の幅方向における両端から導管を介して上記インクジェットヘッドの下流側に接続され、前記インクジェットヘッドと前記第１タンクと前記導管の間を記録媒体が通過可能に構成されてい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。
6. 前記インクジェットヘッドのノズル近傍から前記第１タンクの液面までの下流側流路抵抗は、前記第３タンク液面から前記インクジェットヘッドのノズル近傍までの上流側流路抵抗よりも小さく設定されてい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。
7. 前記インクジェットヘッドのノズル近傍から前記第１タンクの液面までの下流側流路抵抗は、前記第３タンク液面から前記インクジェットヘッドノズル近傍までの上流側流路抵抗よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項４記載のインクジェット記録装置。
8. ノズルに対向する圧力室、前記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、
   前記下流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通し、インクを貯留可能な第１タンクと、
   前記第１タンクと連通しインクを貯留可能な第２タンクと、
   前記上流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通するとともに前記第２タンクと連通し、インクを貯留可能な第３タンクと、
   前記インクジェットヘッド、前記第１タンク、前記第２タンク、及び前記第３タンクを連通して構成される循環路を開閉可能な開閉機構と、
   前記第１タンク、前記第２タンク、及び前記第３タンクの少なくともいずれか１つの内部空気圧を調整可能な空気圧調整機構と、を備え、
   該空気圧の調整によって生じる空気圧と前記循環路の開閉状態とに応じて前記循環路内においてインクが送られることを特徴とするインク供給機構。
9. ノズルに対向する圧力室、前記圧力室に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、前記下流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通し、インクを貯留可能な第１タンクと、前記第１タンクと連通しインクを貯留可能な第２タンクと、前記上流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通するとともに前記第２タンクと連通し、インクを貯留可能な第３タンクと、を連通して構成される循環路の開閉状態を調整するとともに、前記第１タンク、前記第２タンク、及び前記第３タンクの少なくともいずれか１つの内部空気圧を調整することで、該空気圧の調整によって生じる空気圧と、前記循環路の開閉状態とに応じて前記循環路内においてインクを循環させることを特徴とするインク供給方法。
10. 前記第１タンク、前記第２タンク及び前記第３タンクのうち少なくともいずれかのインクの液面を検知し、制御装置により、前記液面検知の結果に応じて前記空気圧と前記循環路の開閉状態を調整することを特徴とする請求項９記載のインク供給方法。
11. 前記第３インクタンク液面に正の空気圧が与えられ、前記第１タンク内部は大気に開放され、前記第３タンクから前記第１タンクに向かってインクが流れる状態において、
    循環路の開閉状態は、前記第１タンクの液面が所定以上に上昇した場合に、前記第１タンクのインクを下方に設けられた前記第２タンクに供給し、前記第３タンクの液面が所定以下に低下した場合に、前記第２タンクに前記第３タンク内部の空気圧よりも大きな空気圧を与えるとともにインクを前記第３タンクに補給するように設定されることを特徴とする請求項１０記載のインク供給方法。

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