前述の従来技術では、多孔質部材にて液体(インク)を保持する手段と、該多孔質部材を圧縮し保持するためのケースと、ケースに設けられたインクを供給するための大気に連通する開口部と、ケースをシールする蓋と、で構成されるインク収容容器にインクを前記開口部から注入する場合、前記インク収容容器の蓋に形成された孔から前記収容容器内を排気して減圧し、インクを注入すると前記孔側の真空度が高くなるために、インク注入中に前記多孔質部材を通過して、インクが前記孔に向かって流出するため、前記多孔質部材へのインク充填効率が高く、かつ一定量のインクを前記収容容器外に溢れないように注入することが困難であるという課題を有していた。
本発明は、上記のような課題を考慮してなされたものであり、多孔質体からなる液体吸収体を備えたカートリッジに所定量の液体を溢れることなく、且つ液体を高い充填効率で注入する液体注入装置および注入方法、これらの液体注入装置および注入方法で液体を充填したカートリッジおよびこのカートリッジを搭載した液滴吐出装置を提供することを目的とする。
本発明の液体注入装置は、多孔質体からなる液体吸収体が収納され、大気に連通する少なくとも第1の孔と第2の孔を有するカートリッジに液体を注入する液体注入装置であって、第1の孔に接続してカートリッジ内を排気することで所定圧力まで減圧し、この減圧状態を保持する減圧部と、第2の孔に接続して減圧状態にあるカートリッジ内に所定量の液体を注入する注入部と、液体の注入過程において第1の孔または他の孔を通じてカートリッジ内における第1の孔の周辺領域に気体を流入する減圧緩和部と、減圧部、注入部および減圧緩和部を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。尚、減圧状態を保持するとは、所定圧力に保持することに限定されるものではなく、減圧状態に保持されればその圧力値は変化してもよい。
この構成によれば、カートリッジ内を減圧状態として液体を注入する際に、カートリッジに設けられた第1の孔に接続してカートリッジ内を排気し減圧するために第1の孔の周辺領域の真空度が高くなり易く、注入された液体が多孔質体からなる液体吸収体を通過して第1の孔に向かって流れ出し、最悪の場合は第1の孔から溢れることを、減圧緩和部が液体の注入過程においてカートリッジ内における第1の孔の周辺領域に気体を流入することにより防止することができる。
この場合、前記減圧部は、第1の孔に接続される排気ノズル部と、第1の孔から前記排気ノズル部を経由してカートリッジ内を排気するポンプと、双方を接続するためのできるだけ内径の太い接続用配管と、を備えることが好ましい。
この構成によれば、カートリッジに設けられた第1の孔に直接排気ノズル部を接続して前記カートリッジ内をポンプによって排気するため排気効率がよくポンプが小型なもので排気することができる。
さらにこの場合、前記注入部は、1つまたは複数の液体を貯留する貯留部と、第2の孔に挿入される注入ノズル部と、貯留部から液体を所定量吸引して注入ノズル部に供給する液体計量部と、貯留部と液体計量部とを繋ぐ液体供給路上に設けられ前記液体中の気体を脱気する脱気部と、を備えることが好ましい。
この構成によれば、貯留部に貯えられた液体を液体計量部で所定量計量する前に脱気部で液体中に溶解している気体を脱気して注入ノズル部に送ることができる。
またこの場合、前記注入ノズル部は、液体の注入時以外に注入ノズル部から液体が流出することを防止する逆止弁を備えることが好ましい。
この構成によれば、液体を注入ノズル部からカートリッジに注入する前や注入後にカートリッジを取り出すことにより注入ノズル部が剥き出しになっても、この注入ノズル部に備えられた逆止弁によって注入ノズル部から液体が外に漏れることを防ぐことができる。
また本発明の液体注入装置において、前記減圧緩和部は、カートリッジ内における前記第1の孔の周辺領域に気体を流入させると共に、その流入の停止または減速を伴って1回を終える減圧緩和動作を、液体注入過程において少なくとも1回行うことを特徴とする。
この構成によれば、カートリッジ内における前記第1の孔の周辺領域に気体を流入させると共に、その流入の停止または減速を伴って1回を終える減圧緩和動作を、液体の注入過程において1回行うか、あるいは複数回繰り返すことにより、前述のように液体がカートリッジに設けられた第1の孔に向かって流出することを防止することができる。またこれによりカートリッジに収容されている液体吸収体に所定量の液体をより効率よく注入し吸収させることができる。
また本発明の液体注入装置は、洗浄液を含浸させた清掃部を有する清掃ユニットを更に備え、清掃ユニットは、前記注入部が有する注入ノズル部を清掃部により定期的に清掃することが好ましい。
この構成によれば、液体注入装置が停止してカートリッジが取り付けられていない状態で放置された場合、外気に触れている注入ノズル部内の先端付近に内包されている液体が乾燥して液体中に溶解している固形分が固まることによる注入ノズル部の詰まりを、洗浄液を含浸させた清掃部で定期的に清掃することで取り除くことができる。
また本発明の液体注入装置は、前記第1の孔が上面側に位置し、且つ前記第2の孔が下面側に位置する状態にカートリッジを固定する固定部を備えることが好ましい。
この構成によれば、上記固定部で固定されたカートリッジの上面側に位置した第1の孔に前記排気ノズル部を接続してカートリッジ内を排気し減圧し、また下面側に位置した第2の孔に注入ノズル部を接続して液体を注入するため、液体は必ずカートリッジの第2の孔付近に存在するように注入される。したがって、カートリッジから液体を取り出して用いる場合、カートリッジの下面側に位置した第2の孔から液体を取り出すようにすればカートリッジ内に残存する気体を含まずに安定的に液体を取り出すことができる。また、この第2の孔付近にカートリッジ内の液体を検出する検出機構を設けておけば、液体があるにもかかわらず無しと検出される誤検出を防ぐことができる。
本発明の液体注入方法は、多孔質体からなる液体吸収体が収納され、大気に連通する少なくとも第1の孔と第2の孔を有するカートリッジに液体を注入する液体注入方法において、第1の孔を通じてカートリッジ内を排気することで所定圧力まで減圧し、この減圧状態を保持する減圧工程と、第2の孔を通じて所定量の液体を注入する注入工程と、液体の注入過程において第1の孔または他の孔を通じてカートリッジ内における第1の孔の周辺領域に気体を流入する減圧緩和工程とを備えたことを特徴とする。
この注入方法によれば、前記減圧工程では、第1の孔を通じてカートリッジ内を排気し減圧するために第1の孔の周辺領域の真空度が高くなり易く、次の注入工程で注入された液体が多孔質体からなる液体吸収体を通過して第1の孔に向かって流れ出し、最悪の場合は第1の孔から溢れることを、液体の注入過程おいて第1の孔または他の孔を通じてカートリッジ内における第1の孔の周辺領域に気体を流入する減圧緩和工程を備えることにより防止することができる。したがって、所定量の液体をカートリッジから溢れることなく確実に充填することができる。
この場合、前記注入工程は、カートリッジに注入する液体中に含まれる気体を脱気する脱気工程と、脱気後の液体を所定量計量する液体計量工程とを含むことが好ましい。
この構成によれば、カートリッジに液体を注入する前に液体中に溶存する気体を脱気する工程と脱気後の液体を所定量確実に計量する液体計量工程とを備えているため、液体を注入したカートリッジの液体流路に残存する気泡を液体中に取り込み、発泡することを防ぐことができる。ゆえに発泡による気泡がカートリッジの液体供給口となる前記第2の孔を塞ぐことによって起こる液体供給の不具合を防止することができる。また脱気された液体を所定量確実に計量して、カートリッジに注入することができる。
本発明の液体注入方法おいて、前記減圧緩和工程では、カートリッジ内における前記第1の孔の周辺領域に気体を流入させると共に、その流入の停止または減速を伴って1回を終える減圧緩和動作が、液体注入過程において少なくとも1回行われることを特徴とする。
この構成によれば、カートリッジを減圧状態として液体を注入する際に、前述のように液体がカートリッジに設けられた第1の孔に向かって流出する動きを、カートリッジ内における前記第1の孔の周辺領域に気体を流入させると共に、その流入の停止または減速を伴って1回を終える減圧緩和動作を、液体の注入過程において1回行うか、あるいは複数回繰り返すことにより防止することができる。またこれによりカートリッジに収容されている液体吸収体に所定量の液体をより効率よく注入して吸収させることができ、カートリッジの液体充填効率を高めることができる。
また本発明の液体注入方法は、洗浄液を含浸させた清掃部を有する清掃ユニットにより、カートリッジに液体を注入するための注入ノズル部を前記清掃部で定期的に清掃する清掃工程を、更に備えることが好ましい。
この構成によれば、定期的に洗浄液を含浸させた清掃部で前記注入ノズル部を清掃する清掃工程を備えているため、注入ノズル部が外気に触れた状態で長時間放置した場合、注入ノズル部内の液体に溶解している固形分が液体の溶媒蒸発によって析出し注入ノズル部先端を塞いで液体注入に支障をきたさないようにすることができる。尚、定期的とは、液体注入作業の中で一定の時間を置いて行う、または、1日の作業の開始時や終了時等メンテナンスのタイミングで行うこともできる。
また本発明の液体注入方法は、前記第1の孔が上面側に位置し、且つ前記第2の孔が下面側に位置する状態に配置されたカートリッジに液体を注入することを特徴とする。
この構成によれば、カートリッジの上面側に位置した第1の孔を通じてカートリッジ内を排気し減圧し、カートリッジの下面側に位置した第2の孔から所定量の液体を注入するため、第2の孔付近には確実に液体が充填される。したがって、カートリッジから液体を取り出して用いる場合、第2の孔から取り出すようにすればカートリッジ内に残存する気体を含まずに安定的に液体を取り出すことができる。
本発明のカートリッジは、多孔質体からなる液体吸収体が収納され、大気に連通する少なくとも第1の孔と第2の孔を有するカートリッジであって、上記の液体注入装置あるいは液体注入方法を用いて製造されたことを特徴とする。
この構成によれば、所定量の液体が溢れることなく注入され、且つ液体の充填効率が高いカートリッジを提供することができると共に、温度、圧力および振動等の外部応力によってカートリッジ内の液体中に気泡が発生しにくい信頼性の高いカートリッジを提供することができる。
本発明の液滴吐出装置は、上記のカートリッジを搭載したことを特徴とする。これによれば、液体の充填効率が高く、信頼性に優れたカートリッジを搭載しているため液体供給が安定した液滴吐出装置を提供することができる。
尚、本発明の液滴吐出装置とは、液体としてインクを用いたインクジェットプリンタ等の記録装置や液体としてカラーフィルタ材料、発光材料、金属配線材料などの機能液を用いて液滴吐出ヘッドから基板(ワーク)上に吐出して前記機能液からなるカラーフィルタ層、発光層および金属配線等を描画する描画装置を含むものである。
(第1の実施形態)
本発明を適用した一実施形態であるインクカートリッジのインク注入装置(液体注入装置)および注入方法について図1〜図3に基づいて説明する。図1は、インクカートリッジのインク注入装置を表す概略の配管図であり、図2はインクカートリッジの注入状態の断面図を示している。図1において、インクカートリッジ1には、インク注入ノズル部60が、第2の孔としてのインク供給孔部21aに挿入されており、インクカートリッジ1の蓋22aに設けられた第1の孔としての通気孔22cに排気ノズル部36がバネ等の可動式構造により密着している。
また、インク注入ノズル部60は、インクOUT側エアオペレーションバルブ10bを介して、インク25を所定量計量して吐出する定量吐出ポンプ57に接続されており、定量吐出ポンプ57にはインクIN側エアオペレーションバルブ10aを介して、インクタンク51が接続されている。このインクタンク51には、インクカートリッジ1に充填するインク25が貯留されており、圧縮空気により一定内圧に加圧されている。尚、図1には、図示していないが、インクIN側エアオペレーションバルブ10aとインクタンク51との間には、インク25を所定量計量する前に脱気を行う脱気モジュールユニット53とエア抜きユニットとが直列に接続されている。
さらに、排気ノズル部36には、真空開閉用エアオペレーションバルブ11を介して接続された真空ポンプ31a、大気開放用エアオペレーションバルブ13および所定の微量の空気が流れるように調整された空気微量流入用ニードルバルブ14を介して、大気側開放可能な空気微量流入用エアオペレーションバルブ12が接続されている。
このような構成のインク注入装置は、まずインクカートリッジ1のインク供給孔部21aにインク注入ノズル部60を挿入してインク供給孔部21aの開閉弁(不図示)を開き、かつシールが取れる状態とし、次にインクカートリッジ1の通気孔22cに排気ノズル部36をバネ等の可動式構造で密着させ、真空開閉用エアオペレーションバルブ11を開いて、インクカートリッジ1の内部の空気を真空ポンプ31aにより吸引排気して減圧する。
所定の真空度に到達後、真空開閉用エアオペレーションバルブ11を閉じ、インクOUT側エアオペレーションバルブ10bを開き、定量吐出ポンプ57を駆動して、インクカートリッジ1にインク25を注入する。インク注入の過程で、あらかじめ空気流量を調整した空気微量流入用ニードルバルブ14を介して、空気微量流入用エアオペレーションバルブ12を所定の時間だけ開くと、インクカートリッジ1の通気孔22cから、一定量の空気が流入する。
さらにインク注入を継続し、定量吐出ポンプ57が停止した後、大気開放用エアオペレーションバルブ13を開き、インクカートリッジ1の内部を大気開放して、インクカートリッジ1を取り出す。
次に、本発明のインク注入方法を適用可能なインクカートリッジ1の構造およびインク注入方法について説明を行う。インクカートリッジ1のケース21には、インク25を吸収保持する多孔質体からなるフォーム23が縦あるいは横若しくは、縦横方向に圧縮されて挿入されており、さらにケース21の開口を封止する蓋22aの内側に形成されたリブ22bにより高さ方向にも圧縮されている。ケース21および蓋22aは、一体となるよう接着あるいは溶着により隙間のないように接合されており、ケース21の底面にはインク供給孔部21a(第2の孔)および蓋22aの中央には通気孔22c(第1の孔)が設けられている。
このような構成のインクカートリッジ1におけるインク注入方法は、インク供給孔部21a(第2の孔)にインク注入ノズル部60を挿入し気密性を確保した上で、蓋22a上面の通気孔22c(第1の孔)に排気ノズル部36を密着させ、空気微量流入用エアオペレーションバルブ12および大気開放用エアオペレーションバルブ13を閉じた状態で真空開閉用エアオペレーションバルブ11を開き、真空ポンプ31aによりインクカートリッジ1の内部を吸引排気し減圧する(減圧工程)。所定の真空度に到達した後に、インク注入ノズル部60から定量吐出ポンプ57で計量されたインク25の注入を開始する(注入工程)。
インク注入の開始直後、フォーム23に充填されたインク25は、図2(a)に示すように通気孔22cに向かってより多く充填され、その周囲に充填されない充填効率の悪い状態となる。これは、通気孔22c近傍の真空度が高い、すなわちこの部分の内圧が他の部分に比べて低く、且つインク供給孔部21a付近のフォーム23が内包する空間は前述のとおり圧縮されて毛細管状態となっており、この現象が起きやすい。
所定量のインク25を充填した後、排気ノズル部36に接続された空気微量流入用エアオペレーションバルブ12を所定の時間だけ開くと、空気微量流入用ニードルバルブ14を介して通気孔22cから僅かの大気がインクカートリッジ1の内部に流入する(減圧緩和工程)。
その結果、他の部分に比して低かった通気孔22c近傍の圧力が上がることから、インクカートリッジ1内の圧力差が少なくなるので、フォーム23に充填されたインク25は、周囲にも充填され図2(b)に示すようになだらかな状態となる。
さらにインク注入を継続すると、インク25は、図2(c)に示すようにフォーム23のほぼ全体に充填された状態となり、所定量のインク25を注入しても、通気孔22cから溢れ出すことがない。この後に大気開放用エアオペレーションバルブ13を開いてインクカートリッジ1を大気開放し、排気ノズル部36およびインク注入ノズル部60をはずしてインクカートリッジ1を取り出す。
この時、フォーム23に対するインク充填効率を上げ、より多くのインクを注入しようとする場合、本実施形態では、空気微量流入用エアオペレーションバルブ12の開閉工程をインク注入量の1/4乃至1/2の時期に該バルブの空気流量を0.01cm3/s乃至0.1cm3/s程度で、かつ1乃至2回繰り返してインクカートリッジ1の減圧状態を緩和しながらインク注入を実施することで、通気孔22cあるいはインク供給孔部21a側へのインク漏れのない良好なインク注入結果を得られることが確認されている。
(比較例)
次に上記で説明したインクカートリッジ1に減圧緩和工程を省いた注入方法でインクを注入した比較例について図3に基づいて説明を行う。
図3は上記と同様のインクカートリッジ1の注入状態を示す断面図である。まずインクカートリッジ1内部を吸引排気し減圧する。次に所定の真空度に到達すると同時に、インク注入ノズル部60から定量吐出ポンプ57で計量されたインク25を注入開始する。インク注入開始後は、インク断面形状は図3のようになる。このような状態でインク注入を継続すると、インク25はより圧力の低い通気孔22c側に選択的に流出し、フォーム23の全体に注入されず、通気孔22cから溢れ出す。注入するインク量が少量の場合には前記のようにインク25が溢れ出すことはないが、インク注入後の断面形状は図3と相似形であることが分かっている。この比較例によるインク注入方法では、インク漏れを起こさないように注入するには、インク注入量が著しく限定されインク充填効率が低い状態となる。
(第2の実施形態)
次に本発明の他の実施形態について図4〜図13に基づいて説明する。本実施形態の液体注入装置2は、液体として実施形態1と同じくインク25を用いて、同時に2つのインクカートリッジ1にインク25を注入することができ、且つ4つの種類の異なるインク25を注入できるように構成されている液体注入装置である。
図4〜図6は、液体注入装置2の概略構造を示すそれぞれ正面図、平面図、側面図である。液体注入装置2は、インクカートリッジ1の第1の孔である通気孔22cに接続してインクカートリッジ1内を排気し、所定の圧力まで減圧して、この減圧状態を保持する減圧部30と、インクカートリッジ1の第2の孔であるインク供給孔部21aに接続して所定量の液体(インク)を注入する注入部50と、液体(インク)の注入過程でインクカートリッジ1に第1の孔である通気孔22cからインクカートリッジ1内の通気孔22cの周辺領域に気体を流入する減圧緩和部40と、減圧部30および注入部50並びに減圧緩和部40を制御するコントロールボックス71を備えた制御部70とで構成されている。またこれらの各構成部は、注入作業をし易くするため、インクカートリッジ1をセットして注入作業を行う部分は、作業台91の上部に、関連するポンプ類、タンク類を下部に配置している。
図4に示すようにインクカートリッジ1は、作業台91の上部中央に櫓状に組まれた受け台支持板94上に配置されたカートリッジ受け台93に、第1の孔である通気孔22cを上にし、第2の孔であるインク供給孔部21aを下にして2個セットすることができる。またセットされたインクカートリッジ1の上方には、受け台支持板94に立設した4本の支柱92に支えられスライド軸受け113に取り付けられたスライド天板95が配置されている。このスライド天板95には、インクカートリッジ1の第1の孔である通気孔22cに接続してインクカートリッジ1内を排気するための2つの排気ノズル部36がバネ等の可動部材を伴って取り付けられている。
図4〜図6に示すように、スライド天板95の上方には、スライド天板95を下方に押し圧するための押圧ローラ98とこれに連結したハンドル96が配置されている。図5に示すように受け台支持板94の後方側面に接合した側板111に取り付けられた軸112の両端に2つのハンドルアーム97a,97bの片側が軸支され、もう一方の先端に挟まれてハンドル96がコの字型に固定されている。押圧ローラ98は、押圧ローラアーム98aの先端部に取り付けられ後端部が軸112の中央部にハンドルアーム97a,97bと角度を付けて軸支されている。したがって、スライド天板95は、このハンドル96を押し下げ、これに連結された押圧ローラ98がスライド天板95の上面を押し圧することにより降下する。そして、スライド天板95に配設された排気ノズル部36が伴に降下してインクカートリッジ1の通気孔22cに当接し密着する構造となっている。
また本実施形態では、同時に2つのインクカートリッジ1にインク25を注入できる構造であり、これに対応する2つのインク注入ノズル部60は、受け台支持板94に固定され、これを介してカートリッジ受け台93の下方からインクカートリッジ1の第2の孔であるインク供給孔部21aに挿入されている。
図4および図6に示すように、減圧部30は、作業台91の下部に設置された真空ポンプ31aと、この真空ポンプ31aに接続された排気ノズル部36とで構成されており、排気ノズル部36に近い部分から分岐して減圧緩和部40を構成するスローリークバルブ41とスローリークアジャスタバルブ42とが接続している。またこの液体注入装置2には、2つの排気ノズル部36が備えられており、それぞれに上記減圧緩和部40が接続され、1つの真空ポンプ31aに図示しないがエアオペレーションバルブを介して並列に接続されている。
図5および図6に示すように、注入部50は、作業台91の下部後方に4種類のインクを貯留する4つのインクタンク51と、各インクタンク51それぞれに接続されたエア抜きユニット52および脱気モジュールユニット53並びに定量吐出ポンプ57と、各定量吐出ポンプ57に繋がれたインク注入ノズル部60とで構成されている。また脱気モジュールユニット53には、脱気モジュール59が内蔵されエア抜きユニット52を経由してインクタンク51に接続されており、脱気モジュールユニット53にバッファータンク54を介して接続された真空ポンプ31bが脱気モジュールユニット53内を減圧してインク25が脱気される。
図4および図5に示すように、制御部70は、作業台91の上部左側手前にコントロールボックス71を備えており、このコントロールボックス71には、運転状態を表示する表示パネル75と、インクカートリッジ1内の真空圧力を表示する真空圧力計76と、注入運転の終了や異常を知らせるブザー77と、注入運転のスタートから終了までの時間計測を行うタイマ78を備えており、これらはいずれもコントロールボックス71に内蔵されたCPUを持つシーケンサ79に接続されている。また、この他に液体注入装置2には、電源SW72、2つのスタートSW73a,73b、非常停止SW74が備えられており、前記シーケンサを含む電気回路に接続されている。このCPUを持つシーケンサ79の制御機能については後述する。
図7は、一方のインクカートリッジ1にインク25を注入する部分の要部断面図である。インク25を吸収保持する多孔質体であるフォーム23を収容したインクカートリッジ1は、作業台91の上に立設した受け台支持板94上に配設されたカートリッジ受け台93に第1の孔である通気孔22cを上にし、第2の孔であるインク供給孔部21aを下にしてセットされる。カートリッジ受け台93には、インク注入ノズル部60が、インクカートリッジ1のセットと同時にインク供給孔部21aに下方から挿入されるように受け台支持板94に取り付けられている。
通気孔22cに密着してインクカートリッジ1内を排気する排気ノズル部36は、スライド天板95を下向きに貫通し、バネ36bで付勢されて上下動できるように取り付けられている。また、排気ノズル部36の先端部36aは、通気孔22cに確実に密着するようにゴム等の弾性体で構成されている。
スライド天板95は、受け台支持板94に立設した4本の支柱92(図7では1本のみ図示)と、これらを所定の範囲で上下移動させるスライド軸受け113で支持されている。またスライド天板95には、排気ノズル部36が通気孔22cに密着して、その姿勢を維持できるようインクカートリッジ1を固定するカートリッジ押さえ99が排気ノズル部36と同様にバネで付勢されて上下動できるよう吊設されている。
作業者がインクカートリッジ1をカートリッジ受け台93にセットした後に、ハンドル96を握って下方に押し下げることにより、押圧ローラ98がスライド天板95の上面を押し圧し、スライド天板95が下降することによって、排気ノズル部36は、インクカートリッジ1の上面に設けられた通気孔22cに当接して密着する。これとほぼ同時にカートリッジ押さえ99は、インクカートリッジ1の上面を押し圧固定する。ハンドル96には、図示しないがカム方式のロック機構が設けられており、排気ノズル部36がインクカートリッジ1に密着した状態でロックされ、インク注入作業が終了して作業者がハンドル96を押し上げることで、このロックが解除されて排気ノズル部36およびカートリッジ押さえ99をインクカートリッジ1から離開させることができる。
図8は、インク注入ノズル部60を示す(a)が平面図、(b)が正面図である。インク注入ノズル部60は、先端部に4個の孔62が穿たれたニードル61と、ニードル61と嵌合するニードルホルダ67と、ニードル61のインク通路内にあってバネ65によって付勢されたステンレスボール66と、ニードルホルダ67のインク通路に嵌め込まれたバイトン(R)等のゴムで形成されたOリング64とで構成されている。すなわち、このバネ65とステンレスボール66およびOリング64とによって逆止弁63をインク注入ノズル部60の内部に構成している。
バネ65は、常にステンレスボール66をOリング64に押し圧しており、インク注入ノズル部60がインクカートリッジ1内に挿入されて減圧状態となっても、プランジャーポンプである定量吐出ポンプ57(後述する)が、インク25をインク注入ノズル部60に送り込む圧力を加えない限り、インク25は、逆止弁63を押しのけてニードル61のインク通路に入ってゆけない構造となっている。尚、この場合、インク注入ノズル部60は、Oリング64を除いてすべてステンレス等の鋼材で構成されているが、注入される液体の種類に応じて材質を選ぶことができる。
図9は、排気系を示す空圧回路図であり、図10は、注入系を示す空圧回路図である。以下これらの図9および図10に基づいて各構成部を説明する。減圧部30は、図9に示すように通気孔22cに接続される排気ノズル部36と、排気ノズル部36を経由してインクカートリッジ1内を排気するロータリー式の真空ポンプ31aとで構成されており、排気ノズル部36と真空ポンプ31aとの間にメインバルブ32、2つの大気開放バルブ33a,33b、カートリッジ真空バルブ35およびインクカートリッジ1の減圧状態を検出する真空計34が設けられている。
減圧緩和部40は、排気ノズル部36とカートリッジ真空バルブ35の間で分岐された配管に接続されており、流量の微量調整可能なスローリークアジャスタバルブ42と、大気開放可能なスローリークバルブ41とで構成されている。
メインバルブ32、2つの大気開放バルブ33a,33b、カートリッジ真空バルブ35およびスローリークバルブ41は、いずれもエアオペレーションバルブで構成されており後述する制御部70にて開閉を制御されている。
注入部50は、図10に示すようにインク供給孔部21aに挿入されインク25を吐出するインク注入ノズル部60と、所定量のインク25を計量してインク注入ノズル部60に送るプランジャーポンプからなる定量吐出ポンプ57と、インク25の計量前にインク25中に溶解する低分子量の気体を減圧分離可能な脱気モジュール59を内蔵する脱気モジュールユニット53と、インク25を貯留する貯留部であり、内部を所定圧力に圧縮空気で加圧されたインクタンク51とで構成されている。
また脱気モジュールユニット53には、上記気体の減圧分離のための真空ポンプ31bと、減圧中に脱気モジュールユニット53内からインク25を吸引しても真空ポンプ31bに到達する前にこれをトラップするためのバッファータンク54が接続されている。さらに脱気モジュールユニット53には圧力センサ56が設けられており、脱気工程S1(後述する)の終了検出に用いると共に、内蔵する脱気モジュール59の交換時期を判断するために用いられている。この脱気モジュール59の交換等を含めたメンテナンスのために脱気モジュールユニット53の上部には手動の大気開放バルブ55bおよびドレインバルブ53fが取り付けられており内部に溜まった液体を除去できる。
尚、液体注入装置2の稼動の準備作業として、事前にインク25を脱気モジュールユニット53の脱気モジュール59に送り込んで少なくとも1回は脱気を行っておく。この際のインク25の送り込み量は、脱気モジュール59の容量に応じて決められている。このように始めに脱気されたインク25は、定量吐出ポンプ57を経てインク注入ノズル部60から排出され、別に回収して再利用する。これによってこの注入部50である注入系の配管系統に脱気されたインク25が充填された状態となって、作業をスタートすることができる。
注入部50には、定量吐出ポンプ57の前後にあってインク25の吸引計量と送りを制御するための2つのインクバルブ57a,57bと、脱気モジュールユニット53と真空ポンプ31bとの経路にあって脱気を制御するための脱気モジュールユニット真空バルブ53eと、大気開放バルブ55aとが設けられている。これらのバルブ53e,55a,57a,57bもエアオペレーションバルブで構成されており、後述する制御部70にて開閉を制御されている。
また注入部50には、その機能を安定的に発揮させるために、インク注入ノズル部60の直前にあってインク25中の異物を取り除くラインフィルタ58と、脱気モジュールユニット53とインクタンク51との間に入り込んだ空気を抜くためのエア抜きユニット52とが設けられている。そして、これらの部品のメンテナンスを考慮して、ラインフィルタ58の交換のために、インク注入ノズル部60とインクバルブ57bとの間にあって、この間に入った空気を抜くための手動のエア抜きバルブ57cが設けられ、エア抜きユニット52の交換のために、このユニットの前後に手動のバルブ52a,52bが設けられている。これらのバルブを開閉して部品の交換を行えば、注入部50を構成する他の配管中にエアが入り込む量を最小限にすることができ、スムーズなメンテナンス作業を行うことができる。
図4〜図6の液体注入装置2の概略構造を示す各図には、すべて図示していないが、上記の減圧部30、減圧緩和部40、注入部50の各構成部とバルブ類は、テフロン(R)やポリエチレン等のチューブで繋がれている。
図4〜図6に示すように液体注入装置2は、2つのインクカートリッジ1に同時にインク25を注入でき、且つ4つの種類の異なるインク25を注入できるように構成されている。したがって、上記の減圧部30および減圧緩和部40は2系統備えられ、注入部50は4系統備えられている。ゆえに、本実施形態の制御部70は、図9に示す減圧部30および減圧緩和部40を2系統と図10に示す注入部50を4系統制御できる能力を備えている。
これらの構成は、インクカートリッジ1の生産規模と装置の生産性等を考慮すればいろいろな組み合わせで装置を構成することが可能である。例えば1つのインクカートリッジ1に黒(K)、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)の4つのインクを収容する収容室と液体吸収体を備えた構造とすれば、同時にこの4つのインク(液体)を注入することも可能である。
さらに本実施形態の液体注入装置2は、図5に示すように作業台91上のコントロールボックス71の背後に清掃ユニット80を備えている。清掃ユニット80は、洗浄液を含んだ多孔質部材で構成された清掃部81が備えてあり、この清掃部81は、図示しないアクチュエータによって図4のカートリッジ受け台93上部に進み、突出するインク注入ノズル部60のニードル61部分を覆ってこれを洗浄することができる(図7、図8参照)。尚、清掃部81を構成する部材としては、多孔質部材の他に洗浄液を吸収可能な織物や不織布等も使用することができる。また洗浄液は、インクを溶解することができる溶媒を用いている。
清掃部81によるインク注入ノズル部60の清掃工程は、液体注入装置2が稼動している間に定期的に実施される。この清掃のタイミングは、注入運転の回数を制御部70のシーケンサ79がカウントし所定の回数が終了した時点で行われる。また液体注入装置2が長時間に渡って停止し、その後再度稼動する前に実施される。その目的は、インク注入ノズル部60のニードル61に滞留したインク25が外気に触れて乾燥し固まることによって、ニードル61の先端部に穿たれた孔62を塞ぎインク注入を妨げることを防止するためである。
次に本実施形態の液体注入方法について図11〜図13に基づいて説明する。図11は、液体注入方法の工程フロー図である。図12は、液体注入方法のタイムチャート図である。また図13は、制御部70が制御する1つの排気系と1つの注入系の制御ブロック図である。
制御部70は、図13に示すように、前述の減圧部30と減圧緩和部40の排気系および前述の注入部50の注入系についてその動作をシーケンサ79で制御している。まず制御部70の入力側には、装置の作動時間を計測するタイマ78と、インクカートリッジ1内の減圧状態を真空圧として検出する真空計34と、脱気モジュールユニット53内の圧力を検出する圧力センサ56と、定量吐出ポンプ57に設けられたこのポンプの上止点センサ57dおよび下止点センサ57eとが接続されている。
また制御部70の出力側には、インクカートリッジ1内を排気して減圧する真空ポンプ31aのモータM1と、脱気モジュールユニット53を排気して減圧する真空ポンプ31bのモータM2とが接続され、いずれもエアオペレーションバルブである減圧部30の2つの大気開放バルブ33a,33bと、メインバルブ32と、排気ノズル部36に繋がるカートリッジ真空バルブ35と、減圧緩和部40のスローリークバルブ41と、注入部50の大気開放バルブ55aと、脱気モジュールユニット真空バルブ53eと、プランジャーポンプである定量吐出ポンプ57と、定量吐出ポンプ57に繋がる2つのインクバルブ57a,57bとが接続されている。
制御部70は、上記の構成により、真空計34の入力信号を受けて真空ポンプ31aを、圧力センサ56の入力信号を受けて真空ポンプ31bを、それぞれ駆動および停止させると共に、定量吐出ポンプ57の上止点センサ57dおよび下止点センサ57eからの入力信号を受けて、定量吐出ポンプ57を駆動しインク25の計量と送り出しを行う。また、これらのバルブ33a,33b,32,35,41、55a,53e、57a,57bを開閉する。また制御部70のシーケンサ79はCPUを備えており、自動運転、手動運転などの運転プログラムが書き込まれている。このプログラムによってシーケンサ79は、装置の運転状態(自動運転、手動運転、異常停止など)を表示パネル75に、インクカートリッジ1内の真空度を真空圧力計76に表示することができる。また、シーケンサ79は、タイマ78、真空計34、各センサ56,57d,57eからの各入力信号を受けてインク注入の1サイクルが終了したことや異常検出を知らせるブザー77を鳴らすことができる。
図11〜図13に基づいて液体注入方法および各構成部の動作について詳しく説明する。まず前述したようにインクカートリッジ1をカートリッジ受け台93にセットし、ハンドル96を押し下げて排気ノズル部36を通気孔22cに密着させてロックする。次に作業台91の手前にあるスタートSW73a,SW73bを両手で同時に押して液体注入装置2の自動運転を開始する。
すると脱気工程S1がスタートし、制御部70のシーケンサ79が、大気開放バルブ55a、インクバルブ57a,57bを閉じ、脱気モジュールユニット真空バルブ53eを開いて、真空ポンプ31bのモータM2を駆動させ脱気モジュールユニット53が減圧され脱気モジュール59内の液体(インク)を脱気する。脱気モジュールユニット53には圧力センサ56が設けられており脱気モジュールユニット53内の所定圧力をシーケンサ79が感知して脱気工程S1が終了する。
次に減圧工程S2は、シーケンサ79が大気開放バルブ33a,33b、スローリークバルブ41を閉じ、メインバルブ32とカートリッジ真空バルブ35を開いた後に、真空ポンプ31aのモータM1を駆動させて、第1の孔である通気孔22cに密着した排気ノズル部36を通じてインクカートリッジ1内を排気し減圧する。シーケンサ79は、入力に接続された真空計34の信号を受けて、真空圧力計76にその圧力を表示する。所定の減圧状態に到達した後は、これを保持できるようにシーケンサ79は、真空ポンプ31aのモータM1の駆動および停止を制御する。
液体計量工程S3は、シーケンサ79が、インクバルブ57bを閉じインクバルブ57aを開けた状態で脱気された液体(インク)をプランジャーポンプからなる定量吐出ポンプ57を駆動させて所定量吸引計量する。計量は、定量吐出ポンプ57に備えられたポンプの上止点、下止点を検出するそれぞれのセンサ57d,57eからの入力信号をシーケンサ79が受けて行われる。インクカートリッジ1に注入する液体(インク)の量によりセンサの位置は事前に調整されている。
注入工程S4は、図12に示すタイムチャートにおいて、インクカートリッジ1内の減圧が所定の圧力となっていることと、インク25の計量が終了していることをシーケンサ79が確認すると、コントロールボックス71に内蔵されたタイマ78がスタートする。タイマ78の計時時間がt1になるとシーケンサ79は、インクバルブ57aを閉じインクバルブ57bを開けて定量吐出ポンプ57を駆動し、計量されたインク25をインク注入ノズル部60へ送り込む。インク25は、逆止弁63を押し圧しながら第2の孔であるインク供給孔部21aを通じてインクカートリッジ1内に注入される。注入開始当初のインク25の充填状態は、通気孔22c近傍の内圧が低いため、前述の図2(a)に示されているように液体吸収体であるフォーム23のインク供給孔部21a付近に偏在している。
減圧緩和工程S5は、タイマ78の計時時間がt2になるとシーケンサ79がカートリッジ真空バルブ35を閉じてスローリークバルブ41を開き、第1の孔である通気孔22cを通じて気体(この場合は大気)を流入する減圧緩和動作を始める。これによってインクカートリッジ1内の通気孔22c近傍の内圧が上昇して、偏在していたインク25は図2(b)に示されているようにフォーム23に充填される。本実施形態では、さらにインク25の充填効率を上げるために、計時時間t3で一旦スローリークバルブ41を閉じ、カートリッジ真空バルブ35を再び開けて減圧を保持しながらインク注入を進め、計時時間t4になると再び減圧緩和動作を行っている。これによりインク25の充填効率は上昇して図2(c)に示されるような状態とすることができる。すなわちインク注入中に通気孔22cやインク供給孔部21aからインク25が溢れたり漏れたりすることなく一定量のインク25を高い充填効率でインクカートリッジ1に注入できる。
定量吐出ポンプ57の上止点センサ57dがONして液体(インク)の送り込みが終了し、タイマ78の計時時間がt5になると、シーケンサ79はインクバルブ57bを閉じてインク25の注入を終了し、大気開放バルブ33a,33bおよびスローリークバルブ41を開いてインクカートリッジ1およびこの排気系を大気開放S6する。そして、シーケンサ79は、注入の終了をブザー77で知らせて自動運転を終了する。作業者は、ハンドル96を押し上げて排気ノズル部36を離開させ、注入されたインクカートリッジ1を取り出して1サイクルの注入作業は終了する。
尚、減圧状態の真空度、計時時間t1〜t5の設定および減圧緩和工程S5におけるインクカートリッジ1内への気体流入量を調節するスローリークアジャスタバルブ42の設定は、注入するインクの種類やインクカートリッジ1のインク収容量に応じて事前に条件出しして決定しておく。この場合、減圧緩和動作は、減圧緩和途中で気体流入を停止または減速することで1回を終了する。例えばインク収容量が大きい場合、インク充填効率を高めるために上記の減圧注入を継続しながら減圧緩和動作を繰り返して行うような設定も可能である。
この場合、減圧緩和は外気すなわち空気を取り入れているが、スローリークバルブ41の大気開放側に別の気体、例えば不活性ガス等を流入できるようにすることも可能である。これによれば液体が空気に触れることでその性質が変質するような機能液を用いる場合は、変質を防止することができる。
本実施形態のカートリッジは、図2に示されているインクカートリッジ1の実施形態のように少なくとも第1の孔である通気孔22cと、第2の孔であるインク供給孔部21aとを有し、カートリッジ内部に液体を吸収保持する多孔質体からなる液体吸収体(フォーム23)が収納されたカートリッジであって、上記本実施形態の液体注入装置および液体注入方法によって製造されたものである。尚、第2の孔は、カートリッジ内の液体を外部に供給する液体取り出し口(供給孔)である。
本実施形態の液滴吐出装置は、液体としてインクを用いたインクジェットプリンタ等の記録装置や液体としてカラーフィルタ材料、発光材料、金属配線材料などの機能液を用いて液滴吐出ヘッドから基板(ワーク)上に吐出して、前記機能液からなるカラーフィルタ層、発光層および金属配線等を描画する描画装置を含むものであって、上記の本発明のカートリッジを搭載したものである。その一実施形態として図14に記録装置であるインクジェットプリンタの概略図を示す。
本実施形態のインクジェットプリンタ100は、主走査方向(X方向)に移動可能なキャリッジ103にインク吐出ヘッド101とこれに接続してインクを供給するカートリッジ102を搭載し、記録紙105を紙送りローラ104で副走査方向(Y方向)に送りながら、インク吐出ヘッド101をキャリッジ103で主走査方向(X方向)に移動させて、記録紙105にインク吐出ヘッド101からインクを吐出することにより記録を行うものである。尚、本実施形態では、インク吐出ヘッド101の吐出方向を水平としているが、記録紙105の送り方向を水平にしてインク吐出方向を垂直方向にすることも可能である。
上記の各実施形態による効果は、以下の通りである。
(1)この液体注入装置2および注入方法によれば、第1の孔である通気孔22cと第2の孔であるインク供給孔部21aを有するインクカートリッジ1において、所定量のインクをインクカートリッジ1から溢れたり漏れたりすることなく、且つ充填効率が高い状態で充填することができる。
(2)あらかじめ脱気されたインクを充填されたインクカートリッジ1は、液体流路に残存する気泡が液体中に取り込まれ、インクに溶解した気体が気泡となって発生しにくい。これにより発生した気泡が第2の孔であるインク供給孔部21aを塞いで外部へのインク供給を阻害することを防ぐことができる。すなわち安定した外部へのインク供給を行うことができる。
(3)この液体注入装置2に設けられたインク注入ノズル部60には、その内部に逆止弁が設けられており、インク注入時以外にこのインク注入ノズル部60からインクが漏れることを防ぐことができる。
(4)この液体注入装置2および注入方法によれば、インク注入ノズル部60を清掃する清掃ユニット80を備えており、定期的あるいは適宜、インク注入ノズル部60を清掃することによりインク注入ノズル部60の目詰まりを防ぎ、インクカートリッジ1に安定的なインクの注入を行うことができる。
(5)このインクカートリッジ1を搭載した記録装置であるインクジェットプリンタ100は、インクカートリッジ1から安定したインクの供給を受けてインクを吐出することができる。すなわち信頼性の高い記録装置を提供することができる。
上記の各実施形態の変形例は、以下の通りである。
(1)インクカートリッジ1において、減圧緩和を行う場合、第3の孔(他の孔)をインクカートリッジ1の第1の孔の周辺部に設けて、第3の孔から気体を流入させる液体注入装置および注入方法とすることもできる。
(2)インクカートリッジ1への液体充填効率を高めるために、減圧→注入→減圧緩和→大気開放のサイクルを繰り返して徐々にインクをインクカートリッジに注入するインク注入方法を採用することもできる。
(3)液体注入装置2において、3つ以上のインクカートリッジ1をセットできるカートリッジ受け台93を有し、それぞれに同一もしくは異なる色のインクを注入できる構成を採用することもできる。
(4)液体注入装置2において、注入される前のインクを脱気する方法として、脱気モジュール59などの減圧脱気法でなく、インクを加熱する加熱脱気やインク中に溶解する気体を吸着する吸着脱気、あるいはインク中に溶解する気体を電気分解して取り出す電気分解脱気法を用いることもできる。
(5)液体注入装置2において、清掃ユニット80に設けられた清掃部81は、インクを溶解することができる洗浄液をあらかじめ含浸されているが、自動的に新しい洗浄液を清掃部81に送り込み、清掃後には使用済み洗浄液を回収する洗浄液供給回収機構を備えることもできる。
(6)カートリッジに注入される液体は、インクに限定されない。例えば、カラーフィルタや有機EL表示装置をインクジェット方式で製造する時に吐出する機能液を液体としてカートリッジに注入してもよい。
また、上記の各実施形態と変形例から把握される技術的思想は、以下の通りである。
(1)インクジェット記録ヘッドへ供給されるインクを吸収保持するインク吸収体が収納されたインクカートリッジへのインク注入方法であって、前記インクカートリッジに設けられた第1の孔より前記インクカートリッジ内を減圧する減圧工程と、前記インクカートリッジに設けられた第2の孔より前記インクカートリッジ内にインクを注入するインク注入工程と、前記インク注入工程中に前記第1の孔から気体を注入して前記インクカートリッジ内の減圧を緩和する工程とを有することを特徴とするインク注入方法。
(2)インクを吸収保持するインク吸収体が収納されたインクカートリッジを取り付け可能な取り付け手段と、前記インクカートリッジに設けられた前記第1の孔より前記インクカートリッジ内部を減圧しその圧力を保持できる減圧手段と、前記インクカートリッジに設けられた第2の孔よりインクを注入するためのインク供給手段と、前記減圧手段が保持している圧力を緩和させる為の減圧緩和手段とを有することを特徴とするインク注入装置。
(3)前記減圧緩和手段は、インク注入中に前記減圧手段の減圧経路内に空気を微量に流入させる空気微量流入用ニードルバルブを有していることを特徴とするインク注入装置。
(4)インクカートリッジの第1の孔を通じて前記インクカートリッジ内を排気し減圧するための排気ノズルを備え、前記第1の孔に押し圧を印加して排気ノズルを密着させるための押圧部材を有していることを特徴とするインク注入装置。
(5)前記減圧緩和手段は、インク注入中に前記減圧経路内に空気を一定の流量に調整して流入させるニードルバルブと、前記ニードルバルブへの空気流入を開閉するエアオペレーションバルブと、減圧中に該エアオペレーションバルブを開閉しても、デッドボリュームにより、インクカートリッジ内の圧力を急激に低下させない手段と、空気の流入時期および流入時間をソフトウェアにて適宜に調整できる手段と、を備えることを特徴とするインク注入装置。
S1…脱気工程、S2…減圧工程、S3…液体計量工程、S4…注入工程、S5…減圧緩和工程、1…インクカートリッジ、2…液体注入装置、21a…第2の孔としてのインク供給孔部、22c…第1の孔としての通気孔、23…液体吸収体としてのフォーム、25…インク、30…減圧部、31a,31b…真空ポンプ、36…排気ノズル部、40…減圧緩和部、50…注入部、51…貯留部としてのインクタンク、53…脱気部としての脱気モジュールユニット、57…液体計量部としての定量吐出ポンプ、60…注入ノズル部としてのインク注入ノズル部、63…逆止弁、70…制御部、80…清掃ユニット、81…清掃部、93…固定部としてのカートリッジ受け台、100…液滴吐出装置としてのインクジェットプリンタ。