(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクジェット印刷用のインク送出システムであって、
複数のインク噴出要素を含むプリントヘッドと、
毛管物体が内部に配置されて第１の量のインクを保持し、前記プリントヘッドに流体的に結合する第１のインク供給容器と、
第２の量のインクを保持し、前記プリントヘッドに流体的に結合し、前記プリントヘッドとの間の圧力差が所定圧力を超えると前記プリントヘッドにインクを供給する第２のインク供給容器とを含み、
前記第１のインク供給容器と前記第２のインク供給容器との間には壁によって形成されるオープンチャンバが設けられ、該オープンチャンバは結合オリフィスを介して前記第２のインク供給容器と連通している、
システム。
【請求項２】
前記圧力差に応答して、前記第２のインク供給容器から前記プリントヘッドへとインクが流れるようにする流れ制御装置をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記流れ制御装置は逆止弁である、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記流れ制御装置はポペット弁である、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記流れ制御装置は電気機械式の弁である、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記第２のインク供給容器の内部には第２の毛管材料が配置され、該第２の毛管材料の毛管作用は、前記第１のインク供給容器内の毛管材料の毛管作用よりも弱い、請求項１から５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記第２のインク供給容器はインクが自由な供給容器である、請求項１から５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
前記第２のインク供給容器は、前記第１のインク供給容器に流体的に結合して該第１のインク供給容器内のインクを補充する、請求項１から７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記プリントヘッドに液通する直立管と、
前記第２のインク供給容器から前記第１のインク供給容器チャンバおよび前記直立管を通って前記プリントヘッドに及ぶ毛管インク流路と、
前記第２のインク供給容器チャンバから前記直立管を通って前記プリントヘッドに及ぶインクが自由な流路と
をさらに含む、請求項１から８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
本体構造をさらに含み、前記第１および第２の供給容器は前記本体構造に一体化されており、前記プリントヘッドは、前記本体構造上のプリントヘッド取付領域に取付けられている、請求項１から９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記毛管材料はフォーム体を含む、請求項１から１０のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１２】
予備の自由な供給インクを保持する、インクの自由な供給容器と、該容器と前記第２のインクの自由な供給容器との間の流体相互接続経路を提供してインクを補充できるようにする流体相互接続構造とをさらに含む、請求項１から１１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第２のインク供給容器は、複数の互いに流体的に結合したインクが自由なチャンバを含む、請求項１から１２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１のインク供給容器を周囲大気に通気するベントをさらに含む、請求項１から１３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１５】
インクをインクジェットプリントヘッドに供給する方法であって、
毛管材料が内部に配置されて第１の量のインクを保持し、前記プリントヘッドに流体的に結合する、第１のインク供給容器を設けること、
第２の量のインクを保持し、前記プリントヘッドに流体的に結合する、第２のインク供給容器を設けること、
低速印刷状態の下では、前記第１のインク供給容器のみからインクを前記プリントヘッドに供給すること、
高速印刷状態の下では、前記第２のインク供給容器からインクを前記プリントヘッドに供給すること、
前記第１のインク供給容器と前記第２のインク供給容器との間に、壁によって形成されるオープンチャンバを設け、該オープンチャンバを、結合オリフィスを介して前記第２のインク供給容器と連通させること、
前記第２のインク供給容器と前記オープンチャンバとの間の圧力差が生じると、気泡を前記オープンチャンバから前記結合オリフィスを通って前記第２のインク供給容器に導き、前記圧力差がなくなるまで繰り返すこと、
を含む方法。
【請求項１６】
前記第２のインク供給容器からインクを前記プリントヘッドに供給する前記段階は、前記プリントヘッドと前記第２のインク供給容器との間の圧力差が所定圧力を超えると行われる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２のインク供給容器から前記第１のインク供給容器に流体流路を設けて、前記第１のインク供給容器を前記第２のインク供給容器からのインクで補充すること、
をさらに含む、請求項１５または請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェット印刷用のインク送出技術に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
インクジェットペンにおいて背圧を維持するのには、通常、ポリウレタンフォーム等の毛管材料（capillary material）が用いられている。この材料は、この目的についてはうまく働くが、インク送出システムの目標達成能力を制限してしまう傾向がある。印刷中、インクがフォームから引き出され、ペン内の背圧が上昇する。背圧が上昇する速度は、引き出しの速度によって決まる。背圧の上昇が急すぎると印刷品質が悪化するので、フォームをベースにしたインク送出システムを通る許容インク流速（ink flux）は、生来的に制限されてしまう。
【０００３】
フォームに生来の他の欠点としては、引き出しの効率がある。フォームをベースにしたインク送出システムによってインク流速を制限することで、背圧が上昇する速度が制御されるが、これは、背圧が大きくなるのを止めるわけではない。背圧が大きくなり過ぎると、ノズルがデプライミングしてしまい、ペンは印刷しなくなる。都合の悪いことに、フォームからすべてのインクを引き出す前に、最大許容背圧に達してしまう。フォームをベースにしたインク送出システムは、使い捨て式ペンと、オン・アクシスの交換式インク供給容器（ink supplies）として実施されてきたが、両方のシステムが非効率であるために、印刷ページ当たりのコストが高くなる。さらに、フォームをベースにした交換式インク供給容器をペンから分離すると、ノズルの背圧と環境適合（environmental compliance）とが失われてしまう。この状態では、軽い衝撃や環境変化で、ペンがインク垂れして（drool）しまう可能性がある。インクジェットペンにおいて背圧を維持し環境適合を行うには、調整器およびばね付きバッグ（spring bags）が用いられるが、このようなシステムでは、直接材料費が高くなり、製造が複雑になってしまうことになる。また、このようなシステムはシールされており、結局は空気で満たされて、ペンが故障してしまうことになる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
インクジェット印刷システムを説明すると、インクジェット印刷システムは、複数のインク噴出要素を有するプリントヘッド５４と、毛管材料が内部に配置され、ある量のインク（a volume of ink）を保持し、プリントヘッドに流体的に結合する第１のインク供給容器５８と、ある量のインクを有し、プリントヘッドに流体的に結合する第２のインク供給容器６２または１６６または２１４または２９４，２９２，２９０とを含んでいる。第２のインク供給容器は、プリントヘッドと第２の供給容器との間の圧力差が所定圧力を超えると、プリントヘッドにインクを供給するものである。
【０００５】
本発明のこれらおよびその他の特徴および利点は、添付図面に示す本発明の例示的実施形態の以下の詳細な説明から、より明白になろう。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、インクジェット印刷用のインク送出システムの説明的実施形態を示している。この例示的実施形態は、インクジェットペン５０用のオン・アクシスの交換式インク送出システムである。このインク送出システムは、通常、ペンとともに横断キャリッジ上に保持されている。しかし、本発明はまた、使い捨て式およびオフ・アクシスの交換式のインク送出システムにも適用可能である。
【０００７】
ペン５０は、鼻部領域９０Ａを規定する本体構造９０と、壁９２とを有している。鼻部領域９０Ａ上にはプリントヘッド５４が取付けられており、プリントヘッド５４は、通常、ノズルアレイと、当該ノズルアレイを作動させる回路とを含んでいる。ペン５０は、直立管５２とプリントヘッド５４とを含んでいる。直立管５２およびプリントヘッド５４はそれぞれ、フィルタ６４および逆止弁６６によって、フォームチャンバ５８およびインクが自由なチャンバ６２から分離されている。フィルタ６４は、例えば金属のファインメッシュで製造されていてもよい。逆止弁６６は、ミッドプレート９３の開口部に嵌め込まれており、弾力性を有する傘タイプの逆止弁であってもよいが、ポペット弁やさらには電気機械式の弁等、他のタイプの流れ制御装置（流体制御装置）を代わりに用いてもよい。
【０００８】
フォームチャンバ５８内には、毛管材料、本例では毛管作用の強い（high capillarity）フォーム体６０が配置されている。インクジェットペンにおいてフォーム構造を用いることは既知である。例えばポリエステル繊維同士を接合した物体等、他のタイプの毛管構造もまた、用いてもよい。
【０００９】
本体構造９０は、毛管チャンバ５８をオープンチャンバ（open chamber）９６から分離する内部壁９８Ａを含んでいる。オープンチャンバ９６は、一般的に内部壁９８Ａと外部壁９８Ｂとの間に規定されている。底壁９８Ｃは、インクが自由なチャンバ６２からオープンチャンバ９６を分離している。毛管チャンバ５８とオープンチャンバ９６とは、キャップ部材９４に形成したラビリンスベント（通気孔）７０を介して大気圧に通気されている。このベント７０によって、インクを蒸発による過度の水分損失から保護しながら、毛管チャンバ５８とオープンチャンバ９６とが、必要に応じて空気を吸収または吐出することができるようになっている。
【００１０】
底壁９８Ｃには、インクが自由なチャンバ６２とオープンチャンバ９６とに連絡している結合オリフィス７４が形成されている。例示的実施形態において、オリフィスの直径は比較的小さく、例えば約０．５ｍｍであり、オリフィスの長さ（壁９８Ｃの厚さ）は約１ｍｍである。
【００１１】
インクが自由なチャンバ６２には、２つの流体相互接続構造７６Ａおよび７７Ａと、第２のフィルタ７８とが設けられている。流体相互接続構造７６Ａ，７７Ａはそれぞれ、再シール可能なメークブレーク（make-break）流体相互接続７６，７７のうちの半分を含んでいる。この例示的実施形態においては、流体相互接続が２つ用いられており、一方はインクを保持し、他方は空気を保持している。
【００１２】
この例示的実施形態において、相互接続７６，７７は、米国特許第５，８１５，１８２号においてより詳細に説明されているタイプの、ニードル／隔壁の相互接続を含んでいる。したがって、構造７６Ａ，７７Ａは、壁９２上に取付けられた中空のニードル構造である。もちろんこの代わりに、例えば、ニードルによって押し退ける、ばね付きボールによって形成された摺動シール等、他のタイプのメークブレーク相互接続を用いてもよい。
【００１３】
インクが自由なチャンバ６２と毛管チャンバ５８との間の壁９８Ａには、開口部７５が形成されている。開口部７５の寸法は、典型的には、高さが２ｍｍ、幅が１ｍｍである。開口部７５によって、自由なチャンバ６２からフォームチャンバ５８へとインクを流す流体経路が提供されることになる。オープンチャンバ９６によって、システムを構成しているインクが自由なチャンバ内の気泡膨張に対応するスペースが提供されることになる。気泡は、膨張するにつれて、自由なインクを押し退けていくことになる。自由なインクは、押し退けられて、チャンバ９６内へ、および、開口部７５を通ってチャンバ５８内へも入ることができる。
【００１４】
さらに、インク送出システムは、流体相互接続構造７６Ｂ，７７Ｂを有するインク供給容器１００を含んでいる。流体相互接続構造７６Ｂ，７７Ｂは、再シール可能なメークブレーク流体相互接続７６，７７の残りの半分を画定している。インク供給容器１００は、ひとつまたは複数のインクが自由なチャンバを有し、図１および図２の例示的実施形態においては、３つのチャンバ１０２，１０４，１０６が設けられている。各インクが自由なチャンバは、分割壁および開口部によって、互いから分離されている。したがって、チャンバ１０２と１０４とは、開口部１１０を形成した壁１０８によって分離されている。チャンバ１０４と１０６とは、開口部１１４を形成した壁１１２によって分離されている。例示的な一実施形態において、開口部１１０，１１４は、開口部７５程度のサイズ、すなわち高さが約２ｍｍ、幅が約１ｍｍであってもよい。
【００１５】
交換式インクカートリッジ１００によって、ユーザはペン５０用のインク供給容器を交換することが可能である。これによって、所有コストを低くすることができる。ペン５０は、もし交換することがあるとしても、頻度はそれほど高くないからである。
【００１６】
動作中、インクは、プリントヘッド５４から、当該プリントヘッドを構成しているノズルアレイのノズルを通って噴出される。噴出速度が低い場合には、直立管の背圧の変化は小さく、逆止弁６６は閉じたままである。インクは、第１のインク供給経路８０に沿って、毛管チャンバ５８からフィルタ６４を通って直立管５２内へと引き出される。インクが噴出されると、毛管材料６０における毛管力によって、インクがインク供給容器から開口部７５を通って自由なチャンバ６２内へと引き出され、毛管槽を補充する。これが起こると、インク供給容器（チャンバ６２内の自由なインクと、供給容器１００内のインクとを含む）とオープンチャンバ９６との間の圧力差が生じ、その大きさは増大し続け、ついには気泡が結合オリフィス７４を通って、インクが自由なチャンバ６２内へ、およびインク供給容器１００内へと引き出される。いったん気泡が通ると、圧力差はなくなり、必要に応じてこのプロセスが繰り返される。
【００１７】
次に、プリントヘッド５４からのインク噴出速度が高い場合を考察する。直立管の背圧の変化は、逆止弁６６のブレーク圧力（break pressure）を超えるのに十分大きく、逆止弁が開く。例示的実施形態において、逆止弁のブレーク圧力は約４〜５水柱インチ（約１０.１６〜１２.７０水柱センチ）である。いったん弁６６が開くと、これによって、インクが第２のインク供給経路８２に沿って、インク供給容器１００から第２のフィルタ７８を通って直立管５２内へと流れ、毛管チャンバ５８を完全にバイパスすることができるようになる。噴出速度が比較的低い場合と同様に、自由なインクの供給容器とオープンチャンバ９６との間の圧力差が生じ、気泡が結合オリフィス７４を通ってインクが自由なチャンバ６２内へと動く。気泡の浮力を用いて、気泡をニードル７６Ａの下部に向ける助けとする。ニードル７６Ａの下部において、気泡が、インクが自由なチャンバ１０２に入る。気泡は、インク供給容器内へと進んで、印刷中にインク供給容器から移動する量のインクに取って代わることができるようにならないといけない。同じニードルを通って空気とインクとを動かすのは困難なので、インクは、相互接続７７を通って第３のチャンバ１０６から移動され、空気は、ペン５０から相互接続７６を通ってインク供給容器のチャンバ１０２内へと動く。印刷が進むにつれて、チャンバ１０６から引き出されたインクは、開口部１１４を通ってチャンバ１０４から補充され、チャンバ１０４は、開口部１１０を通って第１のチャンバ１０２から引き出されるインクで補充される。したがって、最初にインクが消耗するチャンバはチャンバ１０２であり、次にチャンバ１０４、最後にチャンバ１０６となる。
【００１８】
インクが自由なチャンバ６２を通る第２のインク流路８２は、フォームチャンバ５８を通る第１のインク流路８０ほど流動抵抗が大きくないので、直立管の背圧が変化する速度は遅くなる。これは、印刷品質に悪影響を与えることなく、ペンがより高い流量を持続する（sustain）ことができる、ということを意味する。このことは、図３に示す如く、例示的実施形態についての直立管の背圧の変化対流量のグラフを見れば、明白である。
【００１９】
図４は、本発明の態様によるインク送出システムの他の実施形態を示している。図４は、使い捨て式プリントカートリッジ１５０の垂直断面図を示している。プリントカートリッジ１５０は、本体構造１５２と鼻部１５２Ａとを含んでいる。鼻部１５２Ａは、プリントカートリッジの本体構造１５２の底面に流体的、かつ機械的に結合している。鼻部領域１５２Ａには、インクジェットプリントヘッド１７０が取付けられている。
【００２０】
本体構造１５２は、内部スペースを２つのチャンバ１６０，１６４に分割する、内部壁１５６を含んでいる。チャンバ１６０，１６４はそれぞれ、内部に毛管材料が配置されている。プリントカートリッジ１５０は２つの毛管材料を含み、一方は他方よりも毛管圧力水頭（capillary head）が大きい。この例示的実施形態において、毛管チャンバ１６０の内部には、フォーム等の毛管圧力水頭の大きい材料でできた物体１６２が配置されており、チャンバ１６４の内部には、毛管圧力水頭の比較的小さい材料でできた物体１６６が配置されている。「圧力水頭」は、液体の上面におけるメニスカスによって生じる負圧のために、毛管材料が支持することができる液柱の高さとして定義される。毛管材料は、フォームで製造されていてもよく、フォーム材料１６２の孔径は、材料１６６の孔径よりも小さい。または、フォームの代わりに、さまざまな直径のガラスビーズ等、いかなる毛管材料を用いてもよい。
【００２１】
毛管材料１６２，１６４を本体構造１５２内に配置した後、キャップ構造１５４を本体構造１５２の頂部に嵌め込んでいる。毛管材料１６２，１６６の上方で内部壁１５６の頂縁の上方には、オープンスペース１６８が形成され、気泡の膨張スペースを提供している。キャップはベント１５５を含み、ベント１５５によって、インクを蒸発による過度の水分損失から保護しながら、プリントカートリッジが必要に応じて空気を吸収または吐出することができる（すなわち、ラビリンス）。
【００２２】
チャンバ１６０は、底壁１５８の開口部１８０を通じて、直立管１７８に連絡している。開口部１８０を横切って、直立したボス１５８Ａ上には、メッシュフィルタ１７２が配置されている。直立管１７８と毛管作用の弱いチャンバ１６４との間で、底壁１５８に形成された開口部１８２には、逆止弁１７４が配置されている。この第２の開口部の真上にある直立ボス構造１５８Ｂ上には、第２のフィルタ１７６が配置されている。
【００２３】
プリントカートリッジ内の背圧をその有効寿命にわたって維持するのに、毛管材料（フォーム等）を用いることが多い。毛管材料からインクを引き出すにつれて、直立管内の静的および動的な背圧は上昇する。結局、背圧はプリントヘッドのノズルをデプライミングする大きさに達してしまう。都合の悪いことに、デプライミングは、毛管材料からすべてのインクを引き出す前に起こってしまい、それによって、プリントカートリッジの容積効率が悪くなってしまう。毛管材料の毛管圧力水頭は、小さいことが望ましい。容積効率（引き出すことのできるインク量を、実際のインク量で割ったもの）は、毛管圧力水頭が小さくなるほど高くなるからである。印刷時、直立管内の背圧が上昇する速度は、毛管作用の弱い材料を用いる場合よりも毛管作用の強い材料を用いる場合のほうが高くなるので、毛管作用の強い材料によって、生来的に、許容滴噴出周波数が制限されることになる。逆に、毛管圧力水頭の小さい材料は、特にその材料が大量のインクを保持しているとき、または温度や高度等の環境変化に遭遇するときには、プリントヘッドに十分な背圧を提供できないことが多い。このような材料はまた、プリントカートリッジが軽い衝撃を受けただけで、インクのうちのいくらかを「失うまたは放す」、ということが知られている。その結果、従来、容積効率を犠牲にして、毛管圧力水頭のより大きい材料が用いられてきている。
【００２４】
プリントカートリッジ１５０は、小量の毛管作用の強い材料１６２（ポリウレタンフォーム等）と大量の毛管作用の弱い材料１６４（これもまたポリウレタンフォームであるが、毛管がより大きい）とを用いることによって、この問題に取り組んでいる。毛管作用の強い材料１６２は、第１の流路１８４に沿ってフィルタ１７２を通って直立管１７８に連絡しており、軽い衝撃を受けても、内部に収納されたインク柱を支持することができる。毛管作用の弱い材料１６４は、第２の流路１８６に沿って第２のフィルタ１７６を通って直立管１７８に連絡しているが、毛管材料１６４とプリントヘッド１７０との間には、逆止弁１７４が配置されている。例示的実施形態において、逆止弁１７４のブレーク圧力は約４〜６水柱インチ（約１０.１６〜１５.２４水柱センチ）である。プリントカートリッジ１５０が衝撃を受けると、毛管作用の弱い材料１６４は、内部に収納されたインク柱を支持することができないかもしれないが、逆止弁１７４によって、インクが直立管に入らないようにし、したがってインク垂れの可能性を無くしている。
【００２５】
プリントカートリッジ１５０が新しい場合には、どちらの毛管チャンバもインクがいっぱいであり、毛管作用の強い材料１６２を用いて、直立管１７８内の静的背圧が設定されている。直立管の背圧は、特定範囲内に保たなければならず、そうしなければ印刷品質が悪化する。印刷中、この背圧が上昇する。上昇する速度は、滴噴出の周波数と、毛管材料からインクを吸い込むことに関連する動的圧力損失とによって決まる。印刷が開始すると、毛管作用の強い材料からインクが吸い込まれ、直立管の背圧が上昇し始める。滴噴出の周波数が十分高い場合には、逆止弁が開いて毛管作用の弱い材料１６４からインクが流れ始めるポイントまで、背圧が上昇する。毛管作用の弱い材料からインクを引き出すほうが容易なので、直立管の背圧が上昇する速度は遅くなる。これは、印刷品質が損なわれるポイントに直立管内の背圧が達する前に、プリントヘッドがより高い周波数で滴を噴出することができる、ということを意味している。
【００２６】
毛管作用の強い材料内のインクレベルが下がるにつれて、直立管内の静的背圧は上昇する。結局、さらに印刷することによって、毛管作用の強い材料内のインクレベルは、いったん印刷が停止しても、直立管の背圧がなお逆止弁のクラッキング圧力を超えてしまうようなポイントまで下がってしまう。これが起こると、毛管作用の強い材料１６２は毛管作用の弱い材料１６４から補充を行い、背圧が逆止弁１７４のクラッキング圧力よりも下がるまで、直立管１７８からフィルタ１７２を通ってチャンバ１６０内へとインクを動かす。このポイントから先は、逆止弁１７４が直立管内の静的背圧を設定する。結局、毛管作用の弱い材料内のインクレベルは、両方の材料からインクを引き出す困難さが等しくなるレベルまで下がる。これが起こると、プリントカートリッジの残りの寿命の間逆止弁１７４が開いたままになり、直立管の背圧が上昇して、ついにはノズルがデプライミングしてしまう。
【００２７】
図５は、本発明の態様を実施するプリントカートリッジのさらなる他の実施形態を示している。図５において、使い捨て式プリントカートリッジ２００が開示されている。プリントカートリッジ２００は、毛管チャンバ２１０とインクが自由なチャンバ２１４とを画定する本体構造２０２を含んでいる。毛管チャンバ２１０は、毛管材料２１２（ポリウレタンフォーム等）を保持している。毛管材料２１２は、２つのチャンバを分離する壁２０６の開口部２０８を通って、インクが自由なチャンバ２１４に連絡している。
【００２８】
プリントカートリッジ２００はプリントヘッド２２０を含み、プリントヘッド２２０は鼻部２０４上に取付けられている。鼻部２０４は、本体構造２０２を構成しているミッドプレート２０３の底部に、流体的かつ機械的に結合されている。ミッドプレート２０３は、逆止弁２３０と、２つのフィルタ２３２および２３４とを支持している。プリントヘッド２２０と２つのフィルタとの間の容積が、直立管２３６を形成している。ミッドプレート２０３は、プリントカートリッジ本体２０２の頂部に、流体的かつ機械的に結合されている。キャップ２４０はベント２４２を含み、ベント２４２によって、インクを蒸発による過度の水分損失から保護しながら、毛管チャンバ２１０が、必要に応じて空気を吸収または吐出することができる（すなわち、ラビリンス）。インクが自由なチャンバ２１４は、内部壁２０７によってシールされている。
【００２９】
本実施形態は、毛管作用の強い材料２１２を用いて直立管２３６内の背圧を維持し、インク流速の速い経路２４６用の逆止弁２３０を含んでいる。インクが自由なチャンバ２１４によって、図４に示す「すべてがフォームである」解決法よりも、プリントカートリッジの容積効率が改善されている。
【００３０】
印刷中、プリントヘッド２２０は、第１のインク流路２４４に沿って、インクが自由なチャンバ２１４から開口部２０８を通って毛管作用の強い材料２１２内へ、そしてフィルタ２３２を通って直立管２３６内へとインクを引き出す。インクが自由なチャンバ２１４は内部壁２０７によってシールされているので、インクが移動すると、チャンバ２１４内の圧力の負の度合いが大きくなる。結局、圧力の負の度合いが非常に大きくなって、結合オリフィス２１１内に形成されるメニスカスがつぶれ、インクが自由なチャンバ２１４に気泡が入る。これは、結合オリフィス２１１の気泡圧力超過として知られている。インクが自由なチャンバ２１４に気泡が入った後は、圧力は、結合オリフィスの気泡圧力よりも下のポイントに戻り、メニスカスが再形成される。印刷が続く間、このプロセスが繰り返される。印刷中のいかなる時点においても、プリントヘッドのノズル内の背圧が逆止弁２３０のクラッキング圧力を超えると、インクは、第２のインク流路２４６に沿って、インクが自由なチャンバ２１４から直接、直立管２３６に流れる。このバイパスによって、背圧が上昇する速度が遅くなる。これは、インクが自由なチャンバ２１４からインクを引き出すほうが、毛管作用の強い材料２１２を通ってインクを引き出すよりも容易だからである。
【００３１】
インクが自由なチャンバ２１４からインク２１６が移動すると、空気が吸収される。この空気は、万一温度上昇または圧力減少が起こると膨張してしまうので、毛管作用の強い材料２１２は、この膨張の結果生じる押し退けられたインクを、一時的に保持することができなければならない。インクが自由なチャンバ２１４のサイズ決め（sizing）および毛管材料２１２のサイズについては、図１１および図１２に関連して後述する。
【００３２】
図６〜図１０は、本発明の態様を実施するプリントカートリッジの他の代替実施形態の概略断面図である。使い捨て式プリントカートリッジ２５０は、毛管チャンバ２８４と、３つのインクが自由なチャンバ２９０，２９２，２９４とを含んでいる。毛管チャンバ２８４は、毛管材料２８６（ポリウレタンフォーム等）を保持している。毛管材料２８６は、２つのチャンバを分離する壁２６０の開口部２７１を通って、第１のインクが自由なチャンバ２９０に連絡している。同様に、インクが自由なチャンバはそれぞれ、それぞれのチャンバ同士を分離する壁２６４，２６６の開口部２７２，２７４を通って、隣接するインクが自由なチャンバに連絡している。
【００３３】
プリントカートリッジ２５０は、鼻部２５４に取付けられたプリントヘッド２５８を含んでいる。この鼻部２５４は、ミッドプレート２５６の底部に流体的かつ機械的に結合している。ミッドプレート２５６は、２つのフィルタ２９６，２９８と、傘タイプの弁等の逆止弁２７６とを支持しているが、他のタイプの弁を代わりに用いてもよい。プリントヘッド２５８と２つのフィルタとの間の内部容積は、直立管２７８である。ミッドプレート２５６は、プリントカートリッジの本体構造２５２に流体的、かつ機械的に結合している。本体構造２５２は、内部壁２６０，２６２，２６４，２６６を含み、内部壁２６０と２６２との間には、オープンスペース２６３が画定されている。内部壁２６０と２６２との交差するところに隣接して、結合オリフィス２７０が形成されており、結合オリフィス２７０はチャンバ２９０に連絡している。
【００３４】
本体構造２５２の頂部には、キャップ２８０が接続されている。キャップ２８０は、ラビリンス等のベント２８２を含み、ベント２８２によって、インクを蒸発による過度の水分損失から保護しながら、毛管チャンバ２８４が、必要に応じて空気を吸収または吐出することができるようになっている。壁２６０は部分的な壁であり、それによって、オープンスペース２６３がベント２８２に液通することができるようになっている。
【００３５】
図６〜図１０の実施形態は、毛管圧力水頭の大きい材料を用いて直立管２７８内の背圧を維持し、インク流速の速い経路を提供する逆止弁２７６を含んでいる。フォームをより小さくすることができるので、３つのインクが自由なチャンバによって、図３〜図５の「すべてがフォームである」および「単一の」インクが自由なチャンバの実施形態よりも、プリントカートリッジの容積効率が改善されている。それは、１つの（より小さな）インクが自由なチャンバからの空気膨張を緩衝しさえすればよいからである。
【００３６】
印刷中、プリントヘッド２５８は、第１のインクが自由なチャンバ２９０から壁２６０に形成した開口部２７１を通ってチャンバ２８４内へ、そして毛管作用の強い材料２８６を通りフィルタ２９６を通って直立管２７８内へとインクを引き出す。壁２６２，２６４，２６６の頂部がキャップ２８０にシールされた状態で、インクが自由なチャンバ２９０，２９２，２９４がすべてシールされており、第１のインクが自由なチャンバ２９０からインクが移動すると、内部圧力の負の度合いが大きくなるようになっている。結局、圧力の負の度合いが非常に大きくなって、結合オリフィス２７０の気泡圧力を超え、結合オリフィス２７０内に形成されるメニスカスがつぶれ、オープンスペース２６３からチャンバ２９０に気泡が入る。チャンバ２９０に気泡が入った後は、圧力は、結合オリフィスの気泡圧力よりも下のポイントに戻り、メニスカスが再形成される。図７は、チャンバ２９０のインクが部分的に消耗している状態の、プリントカートリッジ２５０を示している。印刷が続く間、このプロセスが繰り返され、ついには、第１のインクが自由なチャンバ２９０内のインクレベルが、第１のインクが自由なチャンバと第２のインクが自由なチャンバとの間の壁の開口部２７２に達するポイントまで下がる。いったんこれが起こると、第２のインクが自由なチャンバ２９２内のインクを印刷中に用い、結合オリフィス２７０に入る空気が、第１のインクが自由なチャンバ２９０から第２のインクが自由なチャンバ２９２へと、この２つのチャンバを分離する壁の開口部２７２を通って動かされる。この状態のプリントカートリッジ２５０は、図８に示されている。第１のインクが自由なチャンバ２９０内には、依然として結合オリフィスを「濡れた」状態に保つのに十分なインクがあり、依然として「バブラー（bubbler）」の役目をするようになっている、ということに注意されたい。同様に、第２のインクが自由なチャンバ２９２内のインクレベルが下がり、ついには第２のインクが自由なチャンバ２９２と第３のインクが自由なチャンバ２９４との間の壁の開口部２７４に達する。この時点で、第３のインクが自由なチャンバ２９４内のインクを印刷中に用い、結合オリフィス２７０を通って入る空気が、各チャンバ同士を分離する壁の各開口部を通って、第３のインクが自由なチャンバ２９４へと動かされる。図９は、チャンバ２９０，２９２内のインクレベルが壁の各開口部に達し、チャンバ２９４のインクが部分的に消耗している状態を示している。図１０は、インクが自由なチャンバすべてのインクが消耗した状態を示している。
【００３７】
印刷中のいかなる時点においても、直立管２７８内の背圧が逆止弁２７６のクラッキング圧力を超えると、インクは、第３のインクが自由なチャンバ２９４から直接、直立管２７８に流れる。このバイパスによって、背圧が上昇する速度が遅くなる。これは、インクが自由なチャンバ２９４からインクを引き出すほうが、毛管作用の強い材料２８６を通ってインクを引き出すよりも容易だからである。第３のインクが自由なチャンバ２９４からインクが移動すると、チャンバ２９４内の圧力の負の度合いが大きくなり、インクまたは空気が、第２のインクが自由なチャンバ２９２から第３のチャンバ２９４へと動く。これによって今度は、第２のインクが自由なチャンバ２９２内の圧力の負の度合いが大きくなり、インクまたは空気が、第１のインクが自由なチャンバ２９０から第２のチャンバ２９２へと動くことになる。第１のインクが自由なチャンバ２９０からインクまたは空気を移動させることによって、内部圧力の負の度合いが大きくなり、ついには、結合オリフィス２７０を通って気泡が持ち込まれる。
【００３８】
図７は、プリントカートリッジの有効寿命中のある時点で、第２および第３のインクが自由なチャンバ２９２，２９４がインクのみを含む一方で第１のインクが自由なチャンバ２９０が空気とインクの両方を含むようになる、ということを示している。第１のインクが自由なチャンバ２９０内の空気は、万一温度上昇または圧力減少が起こると膨張してしまうので、毛管作用の強い材料２８６は、この膨張の結果生じる押し退けられたインクを、一時的に保持することができるべきである。インクが自由な各チャンバ内の気泡は、浮力のためにチャンバ頂部に保持されるので、環境変化のためにその空気が膨張すると、チャンバ内のインクがチャンバから押し出される。チャンバ内に自由なインクがない場合のみ、空気が直接ベントへと動くことになる。
【００３９】
以下により詳細に説明するように、毛管材料のサイズは、インクが自由なチャンバのサイズに関連して決められ、空気膨張を緩衝するものである。しかし、本実施形態において、インクが自由なチャンバは比較的小さく、いかなる所与の時点においても、インクと空気の両方を含むのは、インクが自由なチャンバのうちの１つのみであるので、容積効率の悪い毛管材料のサイズもまた、図５の実施形態と比較して小さい。
【００４０】
図５に示す実施形態について、毛管材料の容積と、インクが自由なチャンバの容積との間には、維持されるべき関係がある。毛管材料２１２は、高度や温度の変化中にインクが自由なチャンバ２１４から押し退けられるいかなるインクについても、一時的緩衝装置（buffer）の役割を果たすので、それに応じたサイズにするべきである。例示の目的のために、インクが自由なチャンバの容積が５立方センチメートルであると仮定する。プリントカートリッジの寿命中、チャンバ内の空気の量が増大するにつれて、チャンバ内のインクの量は減少していく。環境変化中に押し退けられるインクの量は、インクが自由なチャンバ内にどれだけの空気があるかによって決まる。この関係は図１１に示されている。図１１は、インクが自由なチャンバ内の空気量が３．７立方センチメートルのときに、押し退けられたインク量が最大に達する、ということを示している。この時点における押し退けられたインク量は１．２立方センチメートルであり、環境変化中に毛管材料が緩衝しなければならない量を表している。
【００４１】
図６に示す実施形態は、必要な緩衝量を少なくすることによって、毛管材料のサイズを小さくするよう意図されている。これは、前述の実施形態の単一のインクが自由なチャンバの代わりに、より小さなインクが自由なチャンバを３つ用いることによって、行われている。このようなチャンバからインクが用いられる順番は、図７〜図１０に示されている。ペンの寿命中、空気とインクの両方を収納しているのは、１つのチャンバのみである、ということが示されている。これは、緩衝量のサイズが、より小さくなった自由なインク量に関連して決められており、したがって小さくなる、ということを意味する。例示の目的のために、前述の実施形態の５立方センチメートルという容積が、３つの互いに等しいサイズのチャンバに分割されると仮定する。それぞれのチャンバは、約１．６７立方センチメートルとなる。環境変化中に押し退けられるインクの量は、現在ペンが用いているインクが自由なチャンバ内にどれだけの空気があるかによって決まる。この関係は図１２に示されている。図１２は、そのインクが自由なチャンバ内の空気量が１．２立方センチメートルであるときに、押し退けられたインク量が最大に達する、ということを示している。この時点における押し退けられたインク量は０．４立方センチメートルであり、環境変化中に毛管材料が緩衝しなければならない量を表している。このより小さな、インクが自由なチャンバ２９０，２９２および２９４について必要な緩衝量は、前述したより大きな、インクが自由なチャンバよりも、２／３少ない。緩衝量が少なくなるので、毛管材料２８６の量も少なくなり、したがって、本実施形態は、容積効率がよくなっている。インクが自由なチャンバ２９０が図８に示す状態であれば、そのチャンバ内の空気は、ベントを通って逃げることができ、したがって、インク緩衝装置のサイズ決めがそれによって決まることにはならない（is not accounted for）。このことはまた、インクが自由なチャンバ２９２が図９に示す状態である場合にも当てはまる。
【００４２】
【発明の効果】
本明細書において開示する技術によって、プリントカートリッジの目標達成能力を改善し、インク供給容器の容積効率を上げながら、毛管作用をベースにしたインク送出システムを用いることができる。さらに、本発明の態様によって、オン・アクシスの交換式インク送出システム用のペンがより頑丈になる。
【００４３】
利点のひとつは、高流量印刷が必要な場合に、インクをプリントヘッドに送出する別の流路によって、性能が改善される、ということである。毛管作用をベースにした他のインク送出システムは、毛管材料を含む単一の経路を用いて、インクをプリントヘッドに送出している。毛管材料によって最大許容インク流速が制限され、したがってプリンタ全体の速度が制限されてしまう。別の経路を設けることによって、通常はよりコストが高く製造が困難であるシステムの目標達成能力を備えながら、低コストの毛管材料を用いて背圧および環境適合を達成することができる。本発明は、使い捨て式で、オン・アクシスの交換式およびオフ・アクシスの交換式のインク送出システムに有用である。
【００４４】
他の利点としては、特にオン・アクシスの交換式またはオフ・アクシスの交換式として実施される場合、インク槽の容積効率がよい、ということである。他のシステムでは毛管材料が交換式インク供給容器の一部として含まれており、そのため、両者を分離するときには、プリントカートリッジが傷つきやすい状態になってしまう。本発明の一態様による例示的な一実施形態において、毛管材料は背圧を提供するが、交換式インク供給容器内に一体化されているわけではなく、毛管材料はプリントカートリッジの一部であり、インク供給容器は「インクが自由な」設計であり、その結果、容積効率が上がる。このように効率を改善することによって、設計をより小さくし、および／または印刷ページ当たりのコストをより低減することができる。
【００４５】
上述の実施形態は、本発明の原理を表すことができる、可能性のある具体的な実施形態を単に示すに過ぎない、ということが理解される。当業者であれば、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、このような原理にしたがって、他の配置構成を容易に考え出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の態様によるインクジェットプリントカートリッジ用のインク送出システムの例示的実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１のシステムの２−２線概略断面図である。
【図３】例示的実施形態についての、直立管の背圧の変化対流量のグラフである。
【図４】毛管圧力水頭の大きい材料を有するチャンバと、毛管圧力水頭の小さい材料を有するチャンバとを用いた使い捨て式プリントカートリッジの態様を示す概略断面図である。
【図５】毛管圧力水頭の大きい材料を有するチャンバと、インクが自由なチャンバとを用いた使い捨て式プリントカートリッジの態様を示す概略断面図である。
【図６】毛管圧力水頭の大きい材料を有するチャンバと、３つのインクが自由なチャンバとを用いた使い捨て式プリントカートリッジの態様を示す概略断面図である。
【図７】図６のプリントカートリッジにおける寿命中の連続した状態を示す概略断面図である。
【図８】図６のプリントカートリッジにおける寿命中の連続した状態を示す概略断面図である。
【図９】図６のプリントカートリッジにおける寿命中の連続した状態を示す概略断面図である。
【図１０】図６のプリントカートリッジにおける寿命中の連続した状態を示す概略断面図である。
【図１１】インクが自由なチャンバ内の空気量の関数として、押し退けられたインク量を示すグラフである。
【図１２】インクが自由なチャンバ内の空気量の関数として、押し退けられたインク量を示すグラフである。
【符号の説明】
５２，１７８，２７８  直立管
５４  プリントヘッド
５８  第１のインク供給容器
６０  毛管材料
６２，１６６，２１４，２９０，２９２，２９４  第２のインク供給容器
６６  流れ制御装置
７０  ベント
７６，７７  流体相互接続構造
８０  毛管インク流路
９０  本体構造
１０２，１０４，１０６  インクが自由なチャンバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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