(57)【要約】【課題】  インク供給路内のインクが、最初に脱気インクを導入する際に供給路や部品の内面に吸着している空気を吸収して脱気レベルが低下し、インクジェットヘッドの内部を完全にインクで充填出来ない。乃至は非稼動状態で放置された場合に、可撓性チューブやチューブポンプに使用されるチューブ等空気透過性の高い材料を通して大気から進入した空気がインク中に溶解し、インクジェットヘッドの安定動作を妨げる。これを防ぐ為には、インク供給路内に放置されていたインクを一旦全て廃棄して、新鮮な脱気インクに入れ替える必要があり、大幅な経済性の低下を招く。【解決手段】  インクジェットヘッドの圧力室に隣接して脱気機構を設ける事により、非脱気、乃至は脱気レベルの低下したインクにおいても安定なインク吐出を実現する。【選択図】  図１
2006239859.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から印加される電圧によって圧力を発生する圧電素子と、前記圧電素子が発生する圧力が直接乃至は他の部材を介して間接に印加される圧力室と、前記圧力室に隣接して外部に向かって開く少なくとも一つ以上のノズルと、外部からインクを導入する開口部と、前記開口部と圧力室の中間に前記圧力室に隣接して脱気手段を持つ事を特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記脱気手段と隣接する圧力室との境界に、インク流路を横切って塞ぐフィルターを設けた事を特徴とする、請求項１記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記脱気手段が、前記のインクを導入する開口部と圧力室とを連通する閉じた空間と、その空間の外周面の少なくとも一部を構成する気液分離膜と、前記閉じた空間の外側に前記気液分離膜を介して隣接する真空室と、前記真空室と連通し外部に向かって開いた少なくとも一本以上の排気ポートからなる事を特徴とする、請求項１または２記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】
前記閉じた空間の内部に、インク流路を横切って塞ぐフィルターを設けた事を特徴とする、請求項３記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記脱気手段が、前記のインクを導入する開口部及び圧力室と連通する空間と、前記空間の中に配置された少なくとも一本以上の気液分離膜中空糸と、前記気液分離膜中空糸と連通し外部に向かって開いた少なくとも一本以上の排気ポートからなる事を特徴とする、請求項１または２記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】
記録手段からインクを吐出して被記録材に記録するインクジェット記録装置において、インクを被記録材に記録する手段として請求項１乃至５のうち何れか１に記載のインクジェットヘッドを有することを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項７】
記録手段からインクを吐出して被記録材に記録するインクジェット記録装置において、インクを被記録材に記録する手段として請求項３乃至５のうち何れか１に記載のインクジェットヘッド及び、その排気ポートに接続された真空排気ポンプを有することを特徴とするインクジェット記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットヘッド、特に、ヘッド内に設けた圧力室に充填されたインクを圧電素子により加圧してインク滴を吐出するインクジェットヘッドと、それを用いて被記録媒体に何らかの画像を形成するインクジェット記録装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５に示すように、従来の一般的なインクジェット記録装置は、所望の体積のインク滴を被記録媒体に対して吐出するインクジェットヘッド１に、インクを供給する交換乃至は補充可能なインクタンク２をインク供給路６を介して接続する構成になっている。家庭用インクジェットプリンター等、被印字媒体が比較的小さく印字速度が遅く印字頻度も少ない用途においては、インクの消費量も少ない為、インクタンクのインク容量はそれほど大きくする必要が無く、小型のものを短いインク供給路を介してインクジェットヘッドのごく近傍に配置する場合が多いが、比較的大きな被印字媒体に対して大きな画像形成を頻繁に行う産業用乃至は印刷用途の大型インクジェット記録装置においては、大量のインクを消費するため、インク供給源として大容量のインクタンクを必要とする。特に、シリアルプリンティング方式のインクジェット記録装置においては、主走査方向に往復運動するキャリッジにインクジェットヘッドを搭載し、主走査方向と直行する副走査方向に被記録媒体を搬送する図示しない搬送手段を備え、主走査、副走査及びインク滴吐出のタイミングを同期させて制御する事により、被印字媒体上に所望の画像形成を行う構成となっているが、この往復運動するキャリッジ上に大容量のインクタンクを配置する事は困難である為、インクタンクはキャリッジ上ではないインクジェット記録装置内の固定部分に配置し、それとインクジェットヘッドとの間をキャリッジの往復運動を吸収するだけの十分な余長を持つ、可撓性のチューブからなるインク供給路で接続する。
【０００３】
インクジェットヘッドを駆動するに当たってその安定動作を確保する為には、インクジェットヘッドの吐出ノズル面に印加される水圧をある範囲内に制御する事が必要であり、ノズルからのインクの、吐出に係わらない意図せぬ流出とぼた落ちを避ける為に負の値であって、同時にインクの吐出を妨げないように負圧が一定以下であるような水圧の適正範囲が、インクジェットヘッドによって決まっている。小容量のインクダンクの場合には、そのインクジェット印字装置内での高さをインクジェットヘッドの高さに対して相対的にある位置に配置する事により、この水圧制御を行う事ができるが、その場合インクタンク内のインク量が最大の場合と空に近くなった場合とで、インクジェットヘッドに加わる水圧は変動する。この圧力変動範囲がインクジェットヘッドの安定駆動の為の適正範囲を超える場合には、図５に示したように、更にこのインクタンクとインクジェットヘッドとを接続するインク供給路の途中にサブタンク８を設けてその内部に一旦インクを溜めて、そこからインクジェットヘッドにインクを供給する構成が採用されている。このような構成では、サブタンクの中のインクの水位を図示しない水位センサーで計測し、水位が下がってインクジェットヘッドに印加される水圧がその適正範囲の下限を下回る前にインクタンクからインクをサブタンクに汲み上げ、インクジェットヘッドに印加される水圧をその適正範囲の上限を上回らない範囲内で制御する。その為に、インクカートリッジとサブタンクの間にインク汲み上げ用の汲み上げポンプ７を配置するが、この汲み上げポンプには、発生圧力、流量、流速などの制御が容易でしかも構成が簡単である、チューブポンプが用いられる事が多い。
【０００４】
また、空のインクジェットヘッドに最初にインクを導入する場合や、何らかの原因でインクジェットヘッドのノズルの何れかのメニスカスが壊れてしまってインクジェットヘッドの内部に空気が侵入した場合などには、ヘッドの内部にインクを流入させて内部の空気を押し出すと同時に内部をインクで完全に充填する必要があるが、この目的でインクタンク乃至はサブタンクとインクジェットヘッドの間に加圧ポンプ９を設けてインク供給路内のインクをインクジェットヘッド内に圧力輸送するか、乃至はインクジェットヘッドのインク吐出面をキャップ１１でシールした後にキャップ内の空気を吸引ポンプ１２で吸引する事によりインクジェットヘッドのノズル経由で内部の空気を吸い出してインクで充填するかの何れかの構成が使用され、更には図５のようにその両方の機構を備えている場合もある。加圧ポンプを備える場合には、インクの加圧輸送時にはそれを介してインクを供給し、一方インクジェットヘッドの吐出動作により印字を行う場合にはそれに適正範囲の水圧を加えるべくサブタンク乃至はインクタンクにインク供給路が連通し、加圧ポンプはバイパスされるよう、図５に示すようにインク供給路を切り替える三方弁１０を配置する。
【０００５】
この種のインクジェット印字装置において用いるインクには、内部に溶解している空気を除去する脱気を施す事が一般に行われる。これは第一に、インク中に溶解している空気が圧力・温度などの変動により飽和濃度に達してインク中に析出し、これがインクタンクからインクジェットヘッドのノズルまでの間のどこかに集積・滞留しインク流の隘路となって安定なインク供給を妨げる事を防止する為であり、第二に、インクジェット印字装置にインクタンクからのインクを最初に導入する時に、インク供給路の屈曲部やその汲み上げ乃至加圧ポンプ、サブタンク、インクジェットヘッドなどとの接続部に用いられているチューブコネクター１３、更にはインクジェットヘッド内部の凹凸部やコーナー部等に滞留しがちである気泡の発生を妨げ、乃至はたとえ発生したとしても脱気により空気の溶存度が未飽和なインク中に速やかに溶解除去せしめてインク流の隘路となるのを防止する為であり、そして第三に、インクジェットヘッドの吐出時に内部に生じる圧力変動により、インク中に溶存している空気がキャビテーションによりヘッド内の気泡として発生し、インクジェットヘッドの安定な吐出動作を妨げるのを防止する為である。第一、第二の効果は、インクの安定供給を確保するという目的からしてインクジェットヘッドの種別によらずこの種の全てのインクジェット印字装置において期待されるものであるが、特にヘッド内に設けた圧力室に充填されたインクに圧電素子により加圧してインク滴を吐出する、いわゆるピエゾ型インクジェットヘッドを用いる場合においては、圧力室内存在する気泡は圧電素子による加圧を吸収してインクの吐出を妨げる為、第二の効果はますます重要となる。更に、この種のインクジェットヘッドで飽和濃度に近いレベルの溶存空気を含むインクを使用した場合、インクジェットヘッド自身が圧力室内に発生させる圧力変動によりインクのキャビテーションを生じて、自ら圧力室内に気泡を形成してしまう事が起こる為、この種のインクジェットヘッドにとっては第三の効果は非常に重要である。
【０００６】
なお、インクジェットヘッドはインクを吐出する開口部として狭小なノズルを持つ為、このノズルにゴミやインクが劣化した結果として生じる凝集物などが詰まってインクの吐出を妨害する事を防ぐ為に、ノズルを通過できないような大きさの粒子を除去する網目状のフィルターを持つ事が一般的である。このようなフィルターは、インクジェットヘッドの内部、特に圧力室への固体粒子の侵入を防ぐ為に、インクを導入する為の開口部乃至は、インクジェットヘッド内部の圧力室に隣接した流路部分に設けられる事が多いが、微細な粒子の通過を阻止する為に、目の詰まった網目を用いる事から、これらのフィルターの開口率は低くなりがちである。その結果、粘性を持つインクの流れに対するフィルターの流体抵抗とインクの流速で決まる圧力損失が生じる。インクの流量はインクジェットヘッドからの時間当たりのインク吐出量に依存して変動する為、それに連れてこのような圧力損失も変動し、インクジェットヘッドの吐出ノズル面に印加される水圧を適正範囲内に維持する上で障害になる。従って、この圧力低下を極力小さくする為に、フィルターの流体抵抗を下げる事が望ましく、フィルターの面積を増やして全体としての有効な開口面積を拡大する事が多く行われる。しかしながら、このような設計ではフィルターの近傍でインクの流路の断面積を急に拡大する事により、この付近で流れの形状が変化する事が避けられなくなる。そして、フィルターの流体抵抗の為にそこでの単位面積あたりの流速はその前後に比べて小さくなる為、インク中に気泡が含まれている場合には、このようなフィルターの網目に引っかかり、その前後に停留する場合が多くなる。こうして停留した気泡は、やがて複数が結合して次第に大きく成長し、インクの流れの隘路を形成する事が多く、その形状、面積、開口率などは周囲の形状と併せて注意深く設計される事が重要である。
【０００７】
このように、ピエゾ型インクジェットヘッドを用いるインクジェット記録装置においては、インクタンクからインクジェットヘッドに至るインク供給路やその他のインク供給にかかわる部品の内部を、インクジェットヘッド自体を含めて全て溶存空気を排除したインクで満たすような構成とする事が、上記第一、第二、第三の効果を遺憾なく発揮する為に重要となる。その為、具体的には、インクタンクとしては、製造過程で十分に脱気したインクを空気の透過を極力抑えたインクバッグ３に封入し、更にそのインクバッグを保護容器内に収納するカートリッジ構造を用いている例が多い。この場合、インクバッグの出口は空気を通さないスパウト４で封止して大気からインク中への空気の溶解を防ぎ、インクジェット記録装置での使用に当たっては、このカートリッジ構造のインクタンクを装置に挿入する際に、装置に取り付けられたニードル５でスパウトを突き破る事により、インクバッグとインク供給路を接続すると同時に、スパウトでニードル外周を密にシールする事でインクバッグ内のインクと大気との接触を防ぐ。乃至は、インクタンクは大気に開放された単なるインクの収容容器とし、そこから汲み上げたインクを脱気装置１４に供給し、十分に脱気した後にサブタンクに輸送する構造とする事も出来る。更には、脱気装置をインクタンクとサブタンクの間ではなく、サブタンクとインクジェットヘッドとの間に配置し、常時インク供給路内のインクの溶存酸素量を監視して脱気レベルが低下した場合には複数の三方弁を切替えてインクジェットヘッド内のインクを一旦サブタンクに戻し、それを脱気装置を介して還流させる事により、インク供給路内のインクの脱気レベルを保つ、非常に複雑な構造が、特許文献１に開示されている。このような例で用いる脱気装置は一般に、内部を通過するインクから溶存空気を除去する脱気モジュール１５とそれに接続された排気管１６、及び排気管を介して脱気モジュールを真空排気する真空排気ポンプ１７から構成される。脱気モジュールとしては、液体を通さないが気体の透過性がある気液分離型中空糸膜で出来たチューブを真空室内に配置し、その内部にインクを通過させると同時に外部真空室内を排気する事により、中空糸膜を介してインクから空気を脱気するものが特許文献２に開示されている。
【０００８】
特許文献３には、インクジェットヘッドのインク気化室の手前に脱気ステーションを設けた構造が開示されているが、これは前記の脱気により期待される効果のうち第一の効果を狙うものであって、第二、第三の効果は期待されておらず、又、インク圧力室ではなくインク気化室の手前である事から判るように、この文献で開示されている技術はピエゾ型インクジェットヘッドではなく、サーマルインクジェットヘッドと呼ばれる、ヘッド内の気化室に加熱電極を形成してそれに接触するインクを瞬間沸騰させて気泡を生成することにより、その圧力でインクをノズルから吐出させる種類のインクジェットヘッドに対して使用するものである。脱気ステーションの原理も、インクの加熱により空気の溶解度を減少させて過飽和になった溶存空気を気泡として析出させ、浮力により情報に除去するというもので、脱気の効果は局所的であってインク供給路の中から気泡を除去する事は出来ない。また、達成される脱気レベルも低く、ピエゾ型インクジェットヘッドの安定な動作については十分な効果を期待する事が出来ない。
【０００９】
サブタンクについては、通常大気開放された容器を用いる事が最も簡便な方法であるが、その場合にはインクタンクから汲み上げた脱気インクは、サブタンクに滞留している短時間の間に大気中の空気を溶解して、飽和溶存量に近いレベルの空気を含んでしまう事になり、サブタンク下流のインク供給路、特にインクジェットヘッド内ではもはや脱気インクによる前述の効果は期待できなくなってしまう。これを防ぐ為に、サブタンク内の液面に浮遊してインクと大気との接触面積を極力小さくなるよう制限した構造が特許文献４に開示されている。また、サブタンクとして前述のインクタンクの構造と類似した、空気の透過を抑えたインクバッグにインクの流入口と流出口を別個に設けた構造を用いる事で、内部のインクの脱気レベルの低下を防ぐ例もある。
【００１０】
汲み上げポンプや加圧ポンプとしては、内部にインク流路の凹凸や屈曲部を殆ど持たないチューブポンプを使用する事で、インク導入時の気泡の形成やその後の停留を抑えると同時に、インクタンクから供給されるインクと大気との接触を絶つことが出来る。チューブポンプの一般的な構造は、特許文献５にあるような、弾性チューブを押圧ローラーで押しつぶしながらしごくことで該チューブ内の液体や気体を前方に送るものである。
【特許文献１】特開平１１−０４２７９５号公報
【特許文献２】特開平１１−２０９６７０号公報
【特許文献３】特開平０８-２０７３１２
【特許文献４】特開２００４−１７４７９３号公報
【特許文献５】特開平１１−１９０２８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上のように、ピエゾ型インクジェットヘッドを用いるインクジェット記録装置においては従来から、インクタンクからインクジェットヘッドに至るインク供給路やその他のインク供給にかかわる部品の内部を、インクジェットヘッド自体を含めて全て溶存空気を排除したインクで満たすように留意して構成されているが、そのような装置においても、インクの脱気レベルを常に十分高く（即ち、インク中への空気溶存量を十分低く）保つ事は容易ではない。
【００１２】
先ず、内部に未だインクが導入されていない空の状態のインクジェット記録装置にインクを導入する際に、インクはインク供給路やその他のインク供給にかかわる部品の内面全てを濡らしながら前進していく事になるが、その際にその内面に吸着されている空気その他の気体は、インクに接触し溶け込む事になる。特に被印字媒体が大きな装置ではインク供給路の全長も長くなる為、このインクが接触する内面の面積もかなり大きなものになり、たとえ脱気インクが充填されたインクタンクからインクを供給した場合でも、そのインク先端のメニスカスがインクジェットヘッドに到達する頃には、その脱気インクは多くの空気を吸収しており、脱気レベルは有意に低下する。
【００１３】
この結果、内部が空のインクジェットヘッドに最初にインクを充填してすぐにインク吐出を行った場合には、内部へ停留した気泡により作られるインク隘路の為のインク供給不足、インク圧力室内の停留気泡やキャビテーションにより生成する気泡の為に起こる駆動圧力の吸収などの原因で、インクジェットヘッドの動作が不安定になる場合が多い。
【００１４】
前述のように、気泡はインクジェットヘッドに設けられたフィルター周辺で成長し易く、その結果その周辺にインク隘路が形成されてインクの供給不足を招いたり、隣接する圧力室に気泡が侵入して不具合を起こす頻度は、インクの脱気レベルが低下している場合には確実に高くなる。これを避ける為には、インク供給路内を濡らしながら前進する事により内面に吸着された空気を吸収し、脱気レベルが低下したインク部分が全てヘッド内を通過し、脱気レベルが低下していないインクがインクジェットヘッド内に充満するまでインクを流す必要がある。それまでの間にインクジェットヘッドを通過したインクは廃棄される事になり、インク利用の経済的効率の大幅な低下を招く。
【００１５】
図５に示したような、インクジェット記録装置内に脱気装置を備え、それによりインクの脱気レベルを保つような構成を取った場合でも、その脱気装置より下流（インクジェットヘッドに近い部分）の経路の内面を濡らしながら進むことによる脱気レベルの低下は避けられない。
そして、そのような脱気装置がインクジェットヘッドの外部にある限り、インクジェットヘッドの入り口乃至は内部に設置されたフィルターは、常にこの脱気装置の下流に位置する事になる。これを防ぐには、特許文献１にあるような、一旦脱気レベルが低下したインクを複数の三方弁の操作により脱気装置に還流させて再度脱気するような複雑な構成が必要になり、脱気レベルを常時監視するセンサーの設置も不可欠となる。そして、たとえそのような構成を取ったとしても、再三述べたようにフィルター周辺ではインクの単位面積あたりの流速が遅くなりがちである為、一旦そこに停留した気泡をインクジェットヘッドの外に出す事は、通常の還流機構を用いても非常に困難である。
【００１６】
これに加えて、インク供給路内のインクの脱気レベルを保つ上で問題になるのは、インクジェット記録装置を運転せずにある時間放置した場合である。インク供給路を構成するチューブや、汲み上げ乃至は加圧ポンプ、更にはサブタンクやチューブコネクター等の部品類は、内部のインクを極力大気に触れない構成を取ったとしても、使用されている材料を透過して空気が浸透するのを完全に止める事は困難である。
【００１７】
コネクター部等の接続部のシールを確保する為には、弾性を有するゴムやエラストマー材料によるパッキングなりOリングを用いる事が一般的であるが、これら弾性高分子材料は、金属などの無機材料や硬質プラスチックなどの非弾性高分子材料よりも空気の透過性が高くなる事が避け難い。特に、インク供給路を構成するチューブでもインクジェット記録装置の構造上可撓性を確保する事が不可欠な部位には、このような比較的空気の透過性が高い高分子材料を用いざるを得ない。
【００１８】
「背景技術」の項で述べたように、シリアルプリンティング方式のインクジェット記録装置においては、キャリッジの主走査方向への往復運動を妨げないように、十分な余長を持つ可撓性のチューブからなるインク供給路をキャリッジ上のインクジェットヘッドへの接続に用いる必要があり、この部分からチューブ材料固有の空気透過率に従って空気が浸透し、内部のインクの脱気レベルを低下させる事は、ある程度の期間放置した場合には避けられない。
【００１９】
又、チューブポンプを構成するチューブも、その動作原理上弾性材料を用いる必要があり、動作時にローラーにより潰された状態で繰り返ししごかれる事に耐えうる耐久性を確保する為には、その弾性材料の選択肢は限られており、空気の透過率を抑える事とこの耐久性を確保する事は往々にして二律背反となり、これらの特性を同時に達成する事は困難である。これら、空気の透過率を十分に下げられない材料や部位を経由して空気がインク中に浸透してくる為、夜間、週末、夏期休暇や正月等、一般に業務が停止する期間の間にインクの脱気レベルが低下し、その結果休業期間が終了して業務を再開した時にインクジェットヘッドの動作が不安定になる事は、産業用途のインクジェット記録装置を用いる業界では広く知られている。これを避ける為には業務再開時にインクジェット記録装置のインク供給路内に滞留して脱気レベルが低下している古いインクを一旦全て抜いて、新たな脱気がきちんとなされているインクに入れ替える事が必要になるが、滞留したインクの廃棄を通じてやはりインク利用の経済的効率の低下をもたらす事になる。
【００２０】
本発明の目的は、上記のようなインクの初期導入時及び長期放置後の脱気レベルの低下による不安定性を解消し、インク供給源から供給されるインクの脱気レベル如何や、業務開始前に装置内にインクが滞留する放置期間がどれだけ経過していたかに係わらず、常に安定して所期の性能を発揮できるインクジェットヘッドならびにインクジェット記録装置を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明によるインクジェットヘッドは、外部から印加される電圧によって圧力を発生する圧電素子と、前記圧電素子が発生する圧力が直接乃至は他の部材を介して間接に印加される圧力室と、前記圧力室に隣接して外部に向かって開く少なくとも一つ以上のノズルと、外部からインクを導入する開口部を備え、前記開口部と圧力室の中間に前記開口部及び圧力室双方と連通し前記圧力室に隣接して脱気手段が設けられている。これにより、開口部から導入されたインクに対して、圧力室内に供給される直前で前記脱気手段により脱気が行われ、その結果インクは必ず前記脱気手段の能力で定まる脱気レベルに脱気された状態で圧力室に導入される。ここでいう脱気手段とは、液体であるインク中に溶存している空気その他の気体を除去する為の手段であって、この種の目的に通常用いられる、液体の加熱、振動、直接乃至は気液分離膜を介しての真空排気、ヘリウムガスによるバブリング等の何れも適用可能である。
【００２２】
上記に付随して、前記脱気手段と隣接する圧力室との境界に、インク流路を横切って塞ぐ、個々の開口部の最大寸法がノズル開口部の最小寸法よりも小さなフィルターを、設ける事が出来る。この場合、「インク流路を横切って塞ぐ」とは、外部からインクを導入する開口部を経由してインクジェットヘッド内に導入されたインクが、その流れの経路であるインク流路において、このフィルターを透過する事なしには脱気手段から圧力室に流れ込む事が出来ないように、その流路断面を完全に覆うように配置される状態をいう。フィルターには液体を透過させるように網目状の細かい開口部が設けてある為、配置としてはインク流路を塞ぐ位置にあるとしても、実際にはインクの流れを塞ぐわけではなく、インクはこのフィルターを通過する事が出来る。このフィルターは、ノズルを詰まらせる可能性のある固体粒子がインクに混じって圧力室に侵入するのを防ぐ役割を果たし、そのフィルターには常に、前記脱気手段の能力で定まる脱気レベルに脱気された状態のインクが流れ込む事になる。
【００２３】
更に、本発明における脱気手段として、前記のインクを導入する開口部及び圧力室と連通する経路を除いては閉じた空間と、その空間の周囲の面の少なくとも一部を構成する気液分離膜と、前記閉じた空間の外側に前記気液分離膜を介して隣接する真空室と、前記真空室と連通し外部に向かって開いた少なくとも一本以上の排気ポートからなる構造を用いる事が出来る。ここでいう気液分離膜とは、液体の透過率がゼロか非常に低く、一方気体の透過率はそれに比して十分に大きい性質を持つ膜のことである。この性質により、前記のインクを導入する開口部及び圧力室と連通する閉じた空間に前記開口部から導入されたインクの成分の内、主成分である液体及び、それに溶解乃至は分散している固体はこの気液分離膜を透過することが出来ないか、たとえ出来たとしてもその透過の過程は非常に遅いものになるのに対して、インクに溶解している空気に代表される気体は、この気液分離膜を透過する事が可能である。気液分離膜を介してインクに隣接する真空室を、その真空室と連通し外部に向かって開いた排気ポートを通じて外部から真空排気を行う事により、気液分離膜の内外に圧力勾配を形成すれば、インクに溶解している空気その他の気体はその圧力勾配により駆動されて、気液分離膜を通過して真空室中に放出され、速やかに外部に排気される。
【００２４】
上記のような、前記のインクを導入する開口部及び圧力室と連通する経路を除いては閉じた空間と、その空間の周囲の面の少なくとも一部を構成する気液分離膜と、同じくその空間の外側に前記気液分離膜を介して隣接する真空室と、前記真空室と連通し外部に向かって開いた少なくとも一本以上の排気ポートからなる構造を用いた脱気手段においては、その閉じた空間の内部に、インク流路を横切って塞ぐ、個々の開口部の最大寸法がノズル開口部の最小寸法よりも小さなフィルターを設ける事が出来る。ここでのフィルターは、前述の、脱気手段と隣接する圧力室との境界に、インク流路を横切って塞ぐように設けた場合と同様に、ノズルを詰まらせる可能性のある固体粒子がインクに混じって圧力室に侵入するのを防ぐ役割を果たす。「インク流路を横切って塞ぐ」とはインクがフィルターを通過せざるを得ないような配置の説明であって、実際には液体であるインクがフィルターを通過できる事は、前述の説明にあるとおりである。そして、このような構成においては、そのフィルター周辺のインクは常に、前記脱気手段によって脱気される事になる。
【００２５】
更にまた、本発明の脱気手段として、前記のインクを導入する開口部及び圧力室と連通する閉じた空間と、その空間の中に配置された少なくとも一本以上の気液分離膜中空糸と、前記気液分離膜中空糸と連通し外部に向かって開いた少なくとも一本以上の排気ポートからなる構造を用いる事が出来る。ここでいう気液分離膜中空糸とは、中心部が中空であって、それを囲む外周壁が前述の気液分離膜で構成された、糸乃至は管状の構造を持つ構造体を指す。このような構造においては、インクを導入する開口部及び圧力室と連通する閉じた空間の内部を流れるインクは、気液分離膜中空糸を浸す事になる。気液分離膜中空糸の内部を外部に向かって開いた排気ポートを介して真空排気する事により、気液分離膜に生じる圧力勾配により、インクの内部に溶存する空気その他の気体が駆動されて、気液分離膜中空糸の内部に移動し、排気ポートを通ってインクジェットヘッドの外部に速やかに排気される過程を通じてインクは脱気される事になる。
【００２６】
本発明によるインクジェット記録装置では、以上のようなインクジェットヘッドを有する事により、常に一定以上の脱気レベルのインクを当該インクジェットヘッドの圧力室に供給する事を可能とするものである。脱気手段の主要な要素として気液分離膜乃至はそれにより形成された中空糸を用いる場合には、それらを介してインク中の溶存気体を除去する為の真空排気を行う為に、当該インクジェットヘッドの排気ポートに接続された、外付けではなくインクジェット記録装置内部の真空排気ポンプを有する事により、付加部品なしにインクジェット記録装置単体で、一定以上の脱気レベルのインクを当該インクジェットヘッドの圧力室に供給する事を可能とする。
【発明の効果】
【００２７】
上記のように構成された本発明のインクジェットヘッド及びそれを有するインクジェット記録装置によれば、インクジェット記録装置へのインクの初期導入に当たっても、乃至はインクジェット記録装置が一定期間稼動せず、その間に内部に放置されたインクが空気の浸透により脱気レベルの低下を来たしているとしても、インクジェットヘッドの圧力室の直前でインクを脱気する事により、圧力室には常に一定以上の脱気レベルのインクを供給する事が可能となり、その動作の安定性、信頼性が格段に向上する。また、その結果として、脱気レベルが低下したインクをインク供給路、サブタンク、インクジェットヘッド等の中から一旦除去して廃棄する必要が無くなる為、インク利用における経済性も向上する。また、インク中の気泡がしばしば停留し、成長してインクの流れの隘路となるフィルター周辺部が脱気手段の直後か、乃至はその内部に配置される事によって、そこで気泡が停留したとしても脱気手段によって速やかに除去される為、複数の気泡が集合し成長する事が無く、また、隣接する圧力室に侵入してインクジェットヘッドの安定動作を妨害する事も無くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係わるインクジェット記録装置のインク供給に係る基本的な構成について模式的に示す図である。
【００２９】
図２は、本発明のインクジェットヘッドの実施の形態を模式的に描いた断面図である。本発明のインクジェットヘッドは、インクを吐出するノズル２０と、それに隣接した圧力室２１と、外部からインクを導入する開口部２５と、前記開口部と圧力室の中間に前記圧力室に隣接して配置された脱気手段２４を有している。この実施形態では、圧力室の主要部分が圧電素子２２で構成されており、この圧電素子が外部から印加される電圧によって発生する圧力は、直接圧力室に印加されて内部のインクをノズルを通して吐出する駆動力となる。圧力室内部のインクは、開口部２３を介して脱気手段に接触しており、インクジェットヘッド外部のインク供給路６からインク導入開口部を経由して供給されるインクは、圧力室に入る直前に必ず隣接する脱気手段を通過するため、圧力室内のインクは常に一定以上の脱気レベルに保たれる。ここではインクジェット脱気手段として、特別な構造を明示していないが、インクの加熱、振動、直接乃至は気液分離膜を介しての真空排気、ヘリウムガスによるバブリング等の何れも適用可能である。
【００３０】
図３は、本発明のインクジェットヘッドの第１の実施例を模式的に描いた断面図である。図１において、インクジェットヘッド１は脱気手段として、図３に示すように、インクを導入する開口部２５及び圧力室２１と連通する経路を除いては閉じた閉空間２６を構成する気液分離膜２７と、その外側に隣接する真空室２８と、その真空室と連通し外部に向かって開いた排気ポート２９を備えている。その他の部分の構造は、図２に示したものと共通である。この排気ポートに排気管１６を介して接続された真空排気ポンプ１７を備える事により、この真空排気ポンプによって前記真空室の内部を真空排気する事が可能である。これにより、閉空間のインク中に溶存する空気などの気体は、気液分離膜を通過して真空室中に移動した後、速やかに排気されるため、前記インクジェットヘッド内のインクを導入する開口部及び圧力室と連通する経路を除いては閉じた空間に存在するインクを常に一定以上の脱気レベルを維持する事が可能になる。更にこの実施例においては、閉空間の中にインク流路を横切って塞ぐ、個々の開口部の最大寸法がノズル開口部の最小寸法よりも小さなフィルターを設けている。
【００３１】
このようなフィルターは、その流体抵抗によりインク中に気泡が含まれている場合には、それが停留し、複数の気泡が結合し成長する事により、インクの流れの隘路を形成し易い部署となるが、この実施例においてはフィルターが設置されている閉空間内のインクは、常に脱気されている為、たとえ何らかの理由でインク導入開口部から気泡が閉空間内に進入したとしても、その気泡は気液分離膜を通過して速やかに真空室に移動し排気される為、複数の気泡が結合成長してインクの流れの隘路を形成する事はない。従って、インク中の固体粒子が圧力室に侵入することを防ぐ目的で挿入するフィルターの設置箇所は、この部位である事が望ましいが、これはフィルターを他の部位で使用したり、使用しないような構成を本発明から排除するものではない。
【００３２】
なお、真空排気ポンプは図１に示したように、インクジェット記録装置の内部に搭載されている事が望ましいが、インクジェット記録装置の外部に別個の装置として存在していたとしても問題ではない。その他のインクジェットヘッド外部のインク供給経路の構成は、図５に示した従来のインクジェット記録装置のそれらに類似しているが、インクの脱気がインクジェットヘッドの内部で行われる為、そこに至る以前にインクが経由する部品については、その大気のシール性や、空気の透過率や、インクが接触する内面に吸着する空気の量といったようなインクの脱気レベルを低下させる性質に対して、もはや留意する必要が無くなる。その結果、インクタンク２は単なるインクを収容する容器であれば良く、内部のインクは大気開放されたインクタンク内で空気に触れていても構わない。
【００３３】
また、インクタンクとインク供給路６との接続部も、大気へのシールに考慮する必要が無い為、一般にチューブ類の接続に用いられるカプラー１８を使用する事が出来る。インク供給路のうち可撓性が要求される部分は、空気の透過率や内壁への空気の吸着量などに留意する必要が無く、その取扱いの容易さや耐久性に考慮して最適の材料を選択する事が出来る。汲み上げポンプ７や加圧ポンプ９にはチューブポンプを使用するが、そこで使用するチューブは、空気の透過率には留意する必要が無く、そのポンプ性能や耐久性のような品質、信頼性から最も適した材料を選択する事が可能になる。
【００３４】
サブタンク８は、図示しない内部のインク水位を感知する水位センサーを備える容器であって、インクタンク同様に大気に開放された簡単な構造とする事が出来る。三方弁１０やチューブコネクター１３等も、インクと大気との接触を遮断する為の材料選択や構造に留意する必要が無くなり、品質、耐久性、価格などから最適なものを選択する事が出来る。なお、この実施形態においては、汲み上げポンプ、サブタンク、加圧ポンプを含む一般的な構成を用いているが、これらの存在は不可欠なものではなく、インクタンクとインクジェットヘッドとを直結し、インクタンク内の水位を一定範囲に制御する事によりインクジェットの吐出ノズル面に印加される水圧をある範囲内に保つような他の実施形態を排除するものではない。
【００３５】
図４は、本発明の第２の実施例実施例を模式的に描いた断面図である。この実施例においては、脱気手段として、インクを導入する開口部２５及び圧力室２１と連通する経路を除いては閉じた閉空間２６と、その空間の中に配置された一本の気液分離膜中空糸３１と、その気液分離膜中空糸と連通し外部に向かって開いた二本の排気ポート２９を備えている。その他の部分の構造は、図２に示したものと共通である。インク導入開口部を介して外部のインク供給路６から供給されたインクは、閉空間の中を充たす事により、気液分離膜中空糸と広い接触面積を持つ事になるが、この気液分離膜中空糸の内部を二本の排気ポートを介して外部の真空排気ポンプにより真空排気する事で、気液分離膜に圧力勾配が生じる為、閉空間内部のインク中に溶存する空気その他の気体は、気液分離膜を通過して中空糸の内部に移動し、排気ポートを通過して速やかに排気される。その結果、閉空間内部のインクを常に一定以上の脱気レベルに保つ事が可能となる。インク中への溶存空気だけではなく、何らかの理由でインク導入開口部から気泡が閉空間内に進入したとしても、その気泡は気液分離膜を通過して速やかに中空糸の内部に移動し排気される為、この構造は気泡の除去にも多大な効果を発揮する。
【００３６】
この実施例においては、個々の開口部の最大寸法がノズル開口部の最小寸法よりも小さなフィルターを圧力室への開口部２３を塞ぐように設けてあるが、このフィルターに流れ込むインクは、既に前記の気液分離膜中空糸を用いた脱気手段により脱気され気泡が除去されている為、この部位で気泡が停留し、複数の気泡が結合成長してインクの流れの隘路を形成する事はない。なお、この実施例においては一本の気液分離膜中空糸が二本の排気ポートに連通しているが、排気ポートを一本として、気液分離膜中空糸の片端を塞ぐ構造とすることも出来る。また、気液分離膜中空糸の本数を増やして、それぞれに一本乃至は二本ずつの排気ポートを設けたり、一本乃至は二本の排気ポートを複数の気液分離膜中空糸で並列に共有して用いる事も勿論可能である。
【００３７】
このような実施例に示したインクジェットヘッド及びそれを用いたインクジェット記録装置により、インクジェットヘッドの圧力室に流れ込むインクの脱気レベルを常に一定以上に保つ事が可能となり、初期にインクを導入した時点で即座に安定に動作し、また長期間インクを内部に滞留させたままで放置した後も即座に安定に動作するインクジェットヘッド及びインクジェット記録装置を提供する事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係わるインクジェット記録装置のインク供給に係る基本的な構成について模式的に示す図
【図２】本発明のインクジェットヘッドの基本的な構成について模式的に示す図
【図３】本発明のインクジェットヘッドの第１の実施例の模式図
【図４】本発明のインクジェットヘッドの第２の実施例の模式図
【図５】従来のインクジェット記録装置の基本的な構成について模式的に示す図
【符号の説明】
【００３９】
１    インクジェットヘッド
２    インクタンク
６    インク供給路
７    汲み上げポンプ
８    サブタンク
９    加圧ポンプ
１０  三方弁
１２  チューブコネクター
１４  脱気装置
１７  真空排気ポンプ
２０  ノズル
２１  圧力室
２２  圧電素子
２４  脱気手段
２５  インク導入開口部
２６  閉空間
２７  気液分離膜
２８  真空室
２９  排気ポート
３０  フィルター
３１  気液分離膜中空糸
【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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