JP5397022B2 - 液体供給装置及び液滴吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は液体供給装置及び液滴吐出装置に関し、詳しくは、画像記録やディスプレイ作製等を行うインクジェットプリンタ等の液滴吐出を行う液滴吐出ヘッドに対して液体の供給を行う供給タンク内の空気圧を適正に制御できるようにした液体供給装置及び液滴吐出装置に関する。

吐出口から液体を微小な液滴状にして吐出する液滴吐出装置としては、インクを用いて各種画像記録やディスプレイ作製等を行うインクジェットプリンタが知られているが、近年、導電性液体、ＥＬ（Electro-Luminescence）機能を持った液体やバイオインク等の高価な機能性液体を液滴として吐出する液滴吐出装置が注目されている。

ところで、このような液滴吐出装置では、吐出口にかかる圧力（背圧）が特定の範囲内でなければ安定したメニスカスを形成できず、安定吐出が困難となる。従来、この吐出口にかかる圧力に着目し、それを制御するようにした技術として、特許文献１〜３に記載のものがある。

特許文献１には、生体液滴噴射装置において、生体液カートリッジ内の生体液高さレベルが予め定められたレベル以下を検出すると、生体液を補充するもしくは生体液カートリッジの高さレベルを調整することで、生体液高さレベルを一定に保ち、メニスカス位置を一定に維持することが開示されている。

特許文献２には、液体噴射ヘッドへ液体を供給するインクカートリッジ内の空気圧を圧力センサーによって検出し、その検出信号に基づいて圧力制御バルブやポンプを制御して空気圧を所定の範囲内に維持することで、インクカートリッジ内の空気圧を一定の負圧に維持することが開示されている。

特許文献３には、メインタンク内のインクをサブタンクを介して記録ヘッドに供給するように構成したインクジェット記録装置において、サブタンク内の空気圧を負圧エアーポンプと圧力計とによって一定の負圧に保つようにし、作画動作によってサブタンク内のインクが少なくなったことが残量検出センサーによって感知されると、メインタンクからサブタンクへインクを補充することが開示されている。

特許第４０５００４０号公報 特開２００５−４１０４８号公報 特開２００３−１８２１０４号公報

本発明者の研究によれば、液滴吐出ヘッドの吐出口において、液滴を安定吐出できるメニスカスを形成するには、吐出口面において−５．０ｃｍＡｑ〜−１５．０ｃｍＡｑ程度の負圧を維持することが良好であることがわかっている。

しかし、この条件の範囲内においても、実際には吐出される液適量に差が出てくることがわかった。これは、供給タンク内の圧力を一定となるように維持しても、吐出動作による液体消費によって液面高さが徐々に低下し、それに伴って水頭圧が変化することによって吐出口にかかる圧力が徐々に変化（減圧）し、メニスカスの形状が微少に変化するためであると考えられる。

図７は、カチオンＵＶインク（Black）を、ヘッド温度５０℃、駆動パルス１１．０μｓ、７．１ｋＨｚで吐出を行ったときの吐出口にかかる水頭圧（ｃｍＡｑ）と吐出液量（液滴質量、ｎｇ）との関係を表したものである。水頭圧が下がるにつれて吐出液量も減少している。正確には、水頭圧が１ｃｍＡｑ下がると吐出液量が０．４２ｎｇ減少する。ここで、液滴吐出に適したメニスカスを維持できる−５．０ｃｍＡｑの水頭圧がかかる状態での吐出液量を見ると、その値は５０．０ｎｇである。従って、仮に液面高さが変化して水頭圧が５．０ｃｍＡｑ減少したとすると、吐出液量はおよそ４％減少することになる。

このような液面高さの変化によって生じる吐出液量の差は、通常の画像記録のための液滴吐出を行う場合には支障のない僅かなものであると考えられる。しかし、近年、より高画質の印刷の要求やより高解像度が求められるＥＬディスプレイ作製等の分野では、より一層、高精度で高精細な液滴吐出の要求が高まっており、この吐出液量の僅かな差でも得られる画像や製品に与える影響が懸念されるようになってきた。例えば、前者の印刷分野では、液滴が予想されるものより小さくなると、印刷ムラ、白抜けの原因となってしまう。また、目的とする色より薄い色として印刷されてしまう場合もある。後者のＥＬディスプレイ作製分野では、吐出液量のばらつきにより塗布ムラが生じると、ディスプレイの発光ムラの原因や発光欠陥となってしまう。

特許文献１は、液面高さを一定に保つ技術を開示している。この方法によれば、水頭圧の変化による問題は起きにくくなるが、これを実現するには液滴吐出のたびに、カートリッジ内に液体を供給したりカートリッジの高さを調整する必要があり、頻繁に液体供給動作もしくはカートリッジの高さ調整を行わなくてはならない。このとき発生する圧力波の影響で液面を安定させることができず、結果として吐出口のメニスカスの形状を維持することも困難となり、安定した形状の液滴を連続吐出することが困難となる問題がある。

特許文献２は、インクカートリッジ内の空気圧を常に一定にすることで、吐出される液量を一定しようとするものであり、液面高さの変化を考慮してない。従って、液面高さによる水頭圧の変化によって吐出口にかかる圧力が微小に変化してしまう問題を解決することはできない。

特許文献３は、サブタンク内の空気圧を一定の負圧に保つようにするものであり、この方法も特許文献２と同様に液面高さの変化を考慮しておらず、液面高さによる水頭圧の変化によって吐出口にかかる圧力が微小に変化してしまう問題を解決することはできない。ここには、サブタンク内の残量を検知することが示されているが、これはメインタンクからサブインクへのインク供給を行うタイミングを見極めるために使われているだけであり、サブタンク内の空気圧を制御する際に、この残量を検知した信号に基づいて制御を行うことの記載はない。

そこで、本発明は、液滴吐出ヘッドに液体を供給する供給タンク内の液面高さが変化しても、吐出口にかかる圧力を一定範囲に維持できるようにすることにより、吐出液量の変化を一定範囲内に保ち、液滴吐出ヘッドにおいて高精度な液滴吐出を実現することができる液体供給装置及びその液体供給装置を備えた液滴吐出装置を提供することを課題とする。

本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

請求項１記載の発明は、吐出口から液滴を吐出する液滴吐出ヘッドへ供給する液体を貯留する供給タンクと、前記供給タンク内の空気層の圧力を制御することにより、前記液滴吐出ヘッドの前記吐出口にかかる圧力を制御する圧力制御装置とを有する液体供給装置において、
前記供給タンク内の液体の液面高さを検知する液面高さ検知手段を備えると共に、
前記圧力制御装置は、前記供給タンク内の空気層の圧力を検知する圧力検知手段と、前記供給タンク内の空気層の空気圧を調整する空気圧調整手段と、前記空気圧調整手段を制御する制御手段とを備えてなり、
前記制御手段は、前記圧力検知手段が検知する圧力の値と前記液面高さ検知手段が検知する液面高さの値とに基づいて、前記圧力検知手段が検知する前記空気層の空気圧が、前記液面高さ検知手段が検知した液面高さに応じた所定の空気圧となるように前記空気圧調整手段を制御することにより、前記吐出口にかかる圧力を一定範囲内に制御すると共に、
前記圧力検知手段が検知する前記空気層の空気圧が、前記供給タンク内の空気層の直前の調整後の空気圧に対して一定の圧力値まで低下したことを検知したときに、その時点における前記液面高さ検知手段が検知した液面高さに応じた調整後の空気圧の値を求め、前記空気層の空気圧が前記調整後の空気圧となるように前記空気圧調整手段を制御することを特徴とする液体供給装置である。

請求項２記載の発明は、前記供給タンク内の液体の液面高さは、前記液滴吐出ヘッドの前記吐出口の高さよりも高い位置にあり、
前記一定の圧力値＜前記調整後の空気圧≦大気圧であり、
前記空気圧調整手段は、前記供給タンク内の空気層と大気とを連通する連通路と、該連通路を開閉する弁により構成され、
前記制御手段は、前記弁を開放して外気の流入量を制御することにより、前記供給タンク内の空気層の空気圧を正圧側に制御することにより、前記空気層の空気圧が前記調整後の空気圧となるように前記空気圧調整手段を制御することを特徴とする請求項１記載の液体供給装置である。

請求項３記載の発明は、前記供給タンク内の液体の液面高さは、前記液滴吐出ヘッドの前記吐出口の高さよりも低い位置にあり、
大気圧≦前記一定の圧力値＜前記調整後の空気圧であり、
前記空気圧調整手段は、前記供給タンク内の空気層に対して給気を行うポンプにより構成され、
前記制御手段は、前記ポンプを駆動して給気量を制御することにより、前記供給タンク内の空気層の空気圧を正圧側に制御することにより、前記空気層の空気圧が前記調整後の空気圧となるように前記空気圧調整手段を制御することを特徴とする請求項１記載の液体供給装置である。

請求項４記載の発明は、前記供給タンク内の空気層に連通して、該空気層の圧力変動を緩和する圧力変動緩和手段を有し、
前記空気圧調整手段は、前記圧力変動緩和手段を介して前記供給タンク内の空気層に連通していることを特徴とする請求項１、２又は３記載の液体供給装置である。

請求項５記載の発明は、吐出口から液滴を吐出する液滴吐出ヘッドと、請求項１〜４のいずれかに記載の液体供給装置とを有することを特徴とする液滴吐出装置である。

請求項６記載の発明は、前記液体供給装置の供給タンクは、前記液滴吐出ヘッドと１対１に対応して該液滴吐出ヘッドに近接して配置されていることを特徴とする請求項５記載の液滴吐出装置である。

本発明によれば、液滴吐出ヘッドに液体を供給する供給タンク内の液面高さが変化しても、吐出口にかかる圧力を一定範囲に維持できるようにすることにより、吐出液量の変化を一定範囲内に保ち、液滴吐出ヘッドにおいて高精度な液滴吐出を実現することができる液体供給装置及びこれを備えた液滴吐出装置を提供することができる。

本発明に係る液体供給装置を備えた液滴吐出装置の概要を説明する説明図 圧力変動緩和手段を備えた液体供給装置を有する液滴吐出装置の概要を説明する説明図 圧力変動緩和手段の概略断面図 液体供給システムの一例を示す図 図４に示す液滴供給システムにおける圧力調整動作を説明するタイミングチャート 液体供給システムの他の一例を示す図 水頭圧と吐出液量との関係を表すグラフ 制御圧と液面高さとの関係を表すグラフ

以下、本発明の実施の形態について説明する。

まず、本発明に係る液体供給装置及びこれを備えた液滴吐出装置の概要について図１を用いて説明する。

液滴吐出装置は、吐出口１１から液滴を吐出する液滴吐出ヘッド１と、この液滴吐出ヘッド１へ液体を供給する液体供給装置１００とを有して構成されている。液体供給装置１００は、内部に液体Ｗを貯留する供給タンク２と、この供給タンク２内の空気層２１の圧力を制御することにより、液滴吐出ヘッド１の吐出口１１にかかる圧力を制御する圧力制御装置３とを有する。

供給タンク２は、該供給タンク２内の上部に空気層２１を形成するように所定量の液体Ｗを貯留し、液滴吐出ヘッド１に対して液体Ｗを直接供給する。直接供給するとは、内部の液体Ｗが、液滴吐出ヘッド１との間に他のタンク等の貯留手段を介在させることなく該液滴吐出ヘッド１に供給されることを意味する。

この供給タンク２は、例えばポリプロピレン等の合成樹脂、ステンレス等の金属、ガラス等によって形成され、内部に制御圧力（正圧、負圧）がかかっても実質的に形状変化することのない程度の剛性を有している。具体的な材質は貯留される液体Ｗとの関係で決定することができ、例えば、液体Ｗとしてバイオインクを使用する場合にはポリプロピレンによって形成されたものが好ましい。図１ではシリンジによる供給タンク２を例示しているが、形状は特に限定されない。

供給タンク２の数は液滴吐出ヘッド１の数と１対１に対応しており、液滴吐出ヘッド１に近接して並設され、液滴吐出ヘッド１の移動の際には一体となって移動する。供給タンク２の配設位置は、液滴吐出ヘッド１の下面に露出する吐出口１１に対して高い位置にあっても低い位置にあってもよい。図１では高い位置に配設された例であり、その底部から垂下する直管状の供給流路２２によって液滴吐出ヘッド１と接続されることで、内部の液体Ｗを液滴吐出ヘッド１に直接供給する。供給された液体Ｗは、液滴吐出ヘッド１の駆動によって吐出口１１から液滴として吐出される。

このように供給タンク２を液滴吐出ヘッド１に近接して並設することにより、液体Ｗの供給流路２２を短くすることができ、特に、液体Ｗとしてバイオインクや銀ナノペースト等の高価な液体や実験等で少量しか用意することのできない貴重な液体を使用する場合でも、供給流路２２内の残留液を少なくできて無駄をなくすことができる。特にバイオインクでは、供給流路２２が短くて済むことにより、汚染のおそれを低減させることができる。

供給タンク２を吐出口１１よりも高い位置に設ける場合、液体Ｗの充填時に吐出口１１から液漏れを起こすことのないよう、その液面高さｈを制限する必要がある。吐出口１１から液漏れを起こす液面高さｈは、液体Ｗの表面張力や密度、吐出口１１の径によって異なるが、本発明者の実験によれば、供給タンク２を図１のように設置した場合、吐出口１１に対する液面高さｈが３５〜４０ｃｍのときに吐出口１１からの液漏れが見られた。この場合、吐出口１１から液漏れを起こすことのないようにするには、液面高さｈを３５ｃｍ未満とすればよいが、安全策からある程度の余裕を持たせ、例えば３０ｃｍ以下となるように調整することが好ましい。

供給タンク２の上部は、液体Ｗを貯留した後に蓋部材２３によって封止され、圧力制御手段３等の空気層２１の空気圧を調整するための手段と接続される以外、実質的に密閉される。これにより、空気層２１の空気圧が調整されるとき以外は大気から隔絶される。

また、供給タンク２には、内部の液体Ｗの液面高さｈを検知する液面高さ検知手段４を備えている。液面高さ検知手段４は、液体Ｗの液面高さｈを検知可能であればよく、例えば供給タンク２内に設けられるフロートセンサーや静電容量センサー等を用いることができる。フロートセンサーとしては、山本電機工業社製フロート式レベルセンサー（ＹＦ・ＦＬ型）等がある。静電容量センサーとしては、山本電機工業社製静電容量式レベル計（ＭＨＬシリーズ）等がある。検知精度の観点からは静電容量センサーの方が好ましい。

圧力制御手段３は供給タンク２内の空気層２１の空気圧を制御するものであり、供給タンク２内の空気層２１の空気圧を検知する圧力検知手段３１と、供給タンク２内の空気層２１の空気圧を調整する空気圧調整手段３２と、空気圧調整手段３２を制御する制御手段３３とを備えている。

圧力検知手段３１は、蓋部材２３を貫通する連通路３１１によって供給タンク２内の空気層２１と連通することで、該空気層２１の空気圧を検出する。圧力検知手段３１は空気層２１の空気圧を検知できればよいため、液体Ｗと直接接触する必要はない。従って、圧力検知手段３１には液体Ｗに触れても影響のない高価なものを使用する必要はなく、一般的な空気圧センサーを用いることができる。圧力検知手段３１による検知信号は制御手段３３に常時送られる。

空気圧調整手段３２は、蓋部材２３を貫通する連通路３２１によって供給タンク２の空気層２１と連通し、該空気層２１の空気圧を調整する。連通路３２１は空気圧の調整時以外は閉じられている。

図１のように供給タンク２が吐出口１１よりも高い位置に配設される場合は、液滴吐出ヘッド１の吐出口１１にかかる圧力を安定吐出に必要な所定の負圧状態に維持するため、液体Ｗを貯留した後の初期設定時に、空気層２１には所定の負圧（初期標準圧）がかけられる。また、供給タンク２が吐出口１１よりも低い位置に配設される場合は、液滴吐出ヘッド１の吐出口１１にかかる圧力を安定吐出に必要な所定の負圧状態に維持するため、液体Ｗを貯留した後の初期設定時に、必要に応じて空気層２１には所定の正圧（初期標準圧）がかけられる。

ここで、吐出口１１にかかる圧力をＰ、供給タンク２内の空気層２１の空気圧をＰａ、供給タンク２内の液体Ｗの液面高さｈにより吐出口１１にかかる圧力をＰｈとすると、Ｐ＝Ｐａ＋Ｐｈの関係にある。本発明では、圧力制御装置３における制御手段３３が、このＰが一定範囲内となるように空気圧調整手段３２を制御することによって、Ｐａを調整する。液滴の吐出を続けることで供給タンク２内の液体Ｗが消費されていくと、液面高さｈは低下してＰａはより負圧側に増大することになるため、供給タンク２の吐出口１１に対する配設位置の高い低いに関わらず、空気圧調整手段３２は空気層２１に対して正圧側への調整を行う。

従って、空気層２１の空気圧が負圧に設定されている場合は、空気圧調整手段３２は、単に連通路３２１を大気開放することで負圧を利用して外気を自然流入させれば足り、これには連通路３２１を開閉する電磁弁等の弁機構を用いることができる。この場合、外気の流入量を調整容易な例えばリーク調整弁やスピードコントローラー等の流路抵抗弁を併用することが好ましい。

また、空気層２１の空気圧が正圧に設定されている場合は、空気圧調整手段３２は連通路３２１から外気を強制的に流入させるための加圧を行う必要があり、これには給気を行うためのチューブポンプやダイヤフラムポンプ等のポンプを用いることができる。

制御手段３３は空気圧調整手段３２を制御する。また、制御手段３３には、液面高さ検知手段４の検知信号が常時送られる。本発明は、この制御手段３３により、圧力検知手段３１が検知する圧力の値と液面高さ検知手段４が検知する液面高さの値とに基づいて、圧力検知手段３１が検知する圧力が、液面高さ検知手段４が検知した液面高さに応じた所定の空気圧となるように空気圧調整手段３２を制御することにより、吐出口１１にかかる圧力を一定範囲内に保つように制御し、吐出液量を一定範囲内に維持する。

これを図７を参照して更に説明すると、例えば吐出液量を５０．０ｎｇに保つようにする場合、比重１の液体Ｗを用いたとすると、このとき吐出口１１にかかる圧力は、液面高さｈが１．０ｃｍ増加するにつき１．０ｃｍＡｑずつ増加する。例えば液面高さｈが３０．０ｃｍのとき、吐出口１１には３０．０ｃｍＡｑの圧力がかかっていることになる。従って、吐出口１１が適切なメニスカスを保つためには、この３０．０ｃｍＡｑの圧力を打ち消し、なお且つ、吐出口１１の圧力を安定吐出に必要な−５．０ｃｍＡｑ〜−１５．０ｃｍＡｑとする必要がある。従って、この状況で吐出口１１にかかる圧力を−５．０ｃｍＡｑに保とうとするならば、−３５．０ｃｍＡｑの圧力を与えればよく、制御手段３３は、圧力検知手段３１が検知する空気層２１の空気圧の値と液面高さ検知手段４が検知する液面高さの値とを入力し、そこから吐出口１１にかかる圧力を−５．０ｃｍＡｑに保つために適切な調整後の空気圧の値を求め、この求められた調整後の空気圧の値に基づいて空気圧調整手段３２を制御して、供給タンク２内の空気層２１の空気圧がこの調整後の空気圧の値となるように調整することで、液面高さｈが変化しても、吐出口１１にかかる圧力を−５．０ｃｍＡｑに保つようにする。

実際には、吐出口１１にかかる圧力を一点の値に維持することは困難であるため、吐出口１１にかかる圧力が一定範囲内に維持されるように制御を行う。従って、空気層２１の空気圧は、吐出口１１にかかる圧力が一定範囲内となるように制御すればよい。例えば、図７の例でいうと、水頭圧が１ｃｍＡｑ下がると吐出液量は０．４２ｎｇ減少するから、理想とする吐出液量を５０．０ｎｇとし、それを±２％以内の範囲に維持したい場合、制御すべき水頭圧の範囲（圧力上限及び圧力下限）は±２．５ｃｍＡｑとすればよい。この圧力値と液面高さとの関係をグラフにすると図８のようになる。

このグラフからわかるように、本発明において制御手段３３が空気圧調整手段３２を制御することによって調整すべき供給タンク２内の空気層２１の空気圧の値は一定ではなく、液面高さｈが低くなるにつれて正圧側の値となり、液面高さｈに応じて異なった値となる。すなわち、液滴吐出による液面高さｈの低下により、供給タンク２内の空気層２１は減圧され、これに伴って吐出口１１にかかる圧力が徐々に低下するため、本発明における圧力制御装置３の制御手段３３は、吐出口１１にかかる圧力を一定範囲内の圧力に維持するべく、供給タンク２内の空気層２１の空気圧が液面高さ検知手段４が検知した液面高さｈに応じた所定の空気圧となるように、空気圧調整手段３２を制御し、減圧された空気層２１の空気圧を正圧側に向けて調整する。

具体的には、制御手段３３は、圧力検知手段３１が検知する空気層２１の空気圧が、供給タンク２内の空気層２１の直前の調整後（初期設定における初期標準値への調整も含む）の空気圧に対して一定の圧力値まで低下したことを検知したときに、その時点における液面高さ検知手段４が検知した液面高さｈに応じた調整後の空気圧の値を求め、空気層２１の空気圧がこの調整後の空気圧となるように、空気圧調整手段３２を制御する。

この一定の圧力値まで低下したとは、供給タンク２内の空気層２１の直前の調整後の空気圧に対して低下する空気圧の値が、吐出口１１にかかる圧力を安定吐出のために必要な範囲外まで低下したということである。この一定の圧力値まで低下したことは、直前の調整後の空気圧に対して低下した空気圧が、一定の低下率（％）になったことによって検知される。この低下率の値は制御手段３３内又は不図示の記憶手段に予め設定される。

また、液面高さ検知手段４が検知した液面高さｈに応じた調整後の空気圧の値は、予め液面高さｈの値と調整後の空気圧の値との関係を規定したテーブル等において設定され、制御手段３３内又は不図示の記憶手段に記憶される。制御手段３３は、この記憶データに基づいて、空気層２１の空気圧が調整後の空気圧となるように空気圧調整手段３２を制御して空気層２１の空気圧を調整する。

本発明において、供給タンク２内の空気層２１に連通して、該空気層２１の圧力変動を緩和する圧力変動緩和手段３４を有することは好ましい。

図２は、このような圧力変動緩和手段３４を備えた液体供給装置１０１を有する液滴吐出装置の概要を示している。図１と同一符号の部位は同一構成の部位を示している。

圧力変動緩和手段３４は、空気圧調整手段３２の連通路３２１に介設されている。従って、空気圧調整手段３２は、圧力変動緩和手段３４を介して供給タンク２内の空気層２１に連通している。そして、液滴吐出ヘッド１の液滴吐出に伴う液面高さｈの変動や、空気圧調整手段３２による空気層２１の圧力調整時の急激な圧力波による影響を緩和し、これにより液滴吐出ヘッド１による液滴のより安定な吐出を可能とする。

圧力変動緩和手段３４としては、内部が供給タンク２の空気層２１と連通する空気室を有して上記のような圧力変動を緩和できるいわゆるダンパー機能を有するものが好ましく用いられる。

図３にその一例を示す。この圧力変動緩和手段３４は、ポリプロピレンやポリエチレン等の比較的剛体からなる箱型のケーシング３４１を有している。ケーシング３４１の壁面の少なくとも１面には開口３４２が形成され、この開口３４２を被覆して塞ぐように、例えばポリエチレンテレフタレート等の高分子材料によるフィルム等からなる可撓性の膜３４３が設けられている。これらケーシング３４１と可撓性の膜３４３によってその内部に空気室３４４が形成される。

可撓性の膜３４３は、開口３４２に対して膜面が緊張せずに緩んだ状態となっている。空気室３４４内には、一端が可撓性の膜３４３の内面側に当接すると共に他端が押し当て部材３４６に当接し、可撓性の膜３４３を外側に向けて付勢する付勢手段３４５を有しており、可撓性の膜３４３を開口３４２に対して外側に所定量突出するように維持している。

圧力変動緩和手段３４の空気室３４４は、空気圧調整手段３２１の連通路３２１を介して供給タンク２内の空気層２１と連通しており、この空気層２１内の圧力と同圧とされる。従って、図２のように供給タンク２が吐出口１１よりも高い位置に配設される場合は、空気室３４４内も所定の負圧状態とされ、供給タンク２が吐出口１１よりも低い位置に配設される場合は所定の正圧状態とされる。

この状態で、空気圧調整手段３２によって供給タンク２内の空気層２１の空気圧が正圧側に調整されることで連通路３２１を介して外気が一気に流入すると、圧力変動緩和手段３４の空気室３４４内において可撓性の膜３４３の突出位置が変動することによって急激な圧力変動が緩和される。また、静止状態からの液滴吐出開始時の液面高さｈの変動に伴う空気層２１の急激な圧力変動の場合も、同様に可撓性の膜３４３の突出位置が変動することによって緩和される。

圧力変動緩和手段３４を有する場合、圧力検知手段３１は、図２に示したように、連通路３１１を介してこの圧力変動緩和手段３４の空気室３４４内の空気圧を検知するようにしてもよい。

次に、具体例を用いて実際に圧力制御を行う方法について説明する。

図４は、図２に示す液体供給装置１０１と液滴吐出ヘッド１との組を２組備えた液体供給システム、図５はそのタイミングチャートを示している。図４では圧力制御手段３における制御手段３３は図示省略されている。また、圧力検知手段３１として空気圧センサーを、液面検知手段４として静電容量センサーを用いている。

更に、図４に示す２組の液体供給装置１０１と液滴吐出ヘッド１との組はいずれも同様の動作を行うため、図５では、図４に示す２組の液体供給装置１０１と液滴吐出ヘッド１との組のうちの一方の組（図４中の左側の組）のタイミングチャートのみを示す。

なお、以下の制御動作は、液体供給装置１００と液滴吐出ヘッド１との組合せであっても同様であり、また、液体供給装置が図１に示す液体供給装置１００の場合であっても同様である。

図４において、５は本実施形態において１つだけ設けられたポンプであり、各供給タンク２内の空気層２１と、それぞれ蓋部材２３を貫通する連通路５１、５２を介して連通している。ここでは正逆回転駆動することにより、各空気層２１に対して共通に給気及び排気を行うことができるチューブポンプを用いている。

また、Ｖ１−１はポンプ５と一方の供給タンク２との間の連通路５１を開閉する電磁弁、Ｖ１−２はポンプ５と他方の供給タンク２との間の連通路５２を開閉する電磁弁である。

更に、Ｖ２−１は一方の流路抵抗弁３２と圧力変動緩和手段３４との間の連通路３２１を開閉する電磁弁、Ｖ２−２は他方の流路抵抗弁３２と圧力変動緩和手段３４との間の連通路３２１を開閉する電磁弁、３２２は連通路３２１の流路抵抗を調節する流路抵抗弁であり、ここでは、これら電磁弁Ｖ２−１、Ｖ２−２と流路抵抗弁３２２とによって空気圧調整手段３２を構成している。これら各電磁弁Ｖ１−１、Ｖ１−２、Ｖ２−１、Ｖ２−２の動作も、不図示の制御手段３３によって制御される。

かかる液体供給システムにおける動作について説明する。

（１）液体充填
まず、各供給タンク２内に液体Ｗを充填する。充填は供給タンク２の上部の蓋部材２３を外し、手動にて各供給タンク２内の液面高さが吐出口１１から液漏れを起こさない程度の所定の高さとなるように注入する。

蓋部材２３により封止した後、電磁弁Ｖ１−１、Ｖ１−２を開け、電磁弁Ｖ２−１、Ｖ２−２を閉め、ポンプ５を駆動させて給気を行い、各供給タンク２内を加圧する。これにより各液滴吐出ヘッド１内に液体Ｗを充填させる。

（２）負圧作成
充填完了後は液漏れが起きないようにポンプ５を反対方向に駆動させて排気を行い、各供給タンク２内の減圧を行う。このときの圧力は空気圧センサー３１によって検知される。そして、供給タンク２内が、液漏れが起きず、液滴を吐出する条件を満たす負圧（初期標準圧Ｐ０）となった時点で、その供給タンク２に通じる電磁弁Ｖ１−１又はＶ１−２を閉め、全ての供給タンク２内が初期標準圧Ｐ０となったらポンプ５の駆動を停止する。ここまでがインク充填後の初期調整となる。調整完了後、各液滴吐出ヘッド１は液滴を吐出することが可能となる。

（３）吐出開始
液滴の吐出を行うことで、各供給タンク２内の液体Ｗは徐々に消費され、液面高さが低下していく。そして、これに伴い、各供給タンク２内の空気圧センサー３１の値も、対応する液滴吐出ヘッド１からの液滴の吐出量に応じてそれぞれ低下し、これによって各液滴吐出ヘッド１の吐出口１１にかかる圧力もそれぞれ低下していく。

なお、図５に示すタイミングチャートでは、最初の負圧作成後、しばらくした後、常に吐出を続けている状態を想定している。

（４）圧力調整
吐出を続けることにより、各供給タンク２内の空気層２１が液滴の消費量に応じて減圧され、空気圧センサー３１が検知する空気圧の値が、液滴の安定吐出を維持できなくなる一定の圧力値まで低下した圧力値Ｐ１となったとき、各空気層２１の空気圧が液面高さに応じた空気圧となるように正圧側に調整を行う。ここでは、この一定の圧力値Ｐ１は、空気層２１の直前の調整後の空気圧Ｐ０に対して５％の低下率となった場合としている。

ここで、図５を参照して、一方の組（図４中の左側の組）の圧力調整を行う場合について説明すると、まず、電磁弁Ｖ２−１を開き、圧力を調整する。この空気層２１の圧力調整は、圧力センサー３１による検知結果と、その時点での静電容量センサー４によって検知される供給タンク２内の液面高さとに基づいて、電磁弁Ｖ２−１の開放による外気の流入による調整後の空気圧Ｐ２を求め、圧力センサー３１によって検知される空気圧が、この調整後の空気圧Ｐ２となるように行われる。調整後の空気圧Ｐ２は、液面高さが低く変化した分、その変化分に応じて直前の調整後の空気圧（この場合は初期標準圧Ｐ０）よりも高くなる。調整される圧力値は電磁弁Ｖ２−１の開放時間によって制御される。

ここで、一定の圧力値＜調整後の空気圧≦大気圧の関係であるため、供給タンク２の空気層２１は、大気開放されることで連通路３２１を介して外気が流入し、空気層２１の空気圧は正圧側に向けて調整されるが、このとき、流路抵抗弁３２２があるため急激に圧力が変化することはなく、圧力変動緩和手段３４に負担をかけずに済む。ポンプ５によって給気を行うことも可能であるが、弁機構の開閉動作のみで行うことで、ポンプ５の使用頻度を抑え、ポンプ寿命を延ばすことができる。

その後、空気層２１の空気圧が直前の空気圧Ｐ２に対して、同様に一定の圧力値（５％）まで低下した空気圧Ｐ３となると、その空気圧Ｐ３と、その時点での静電容量センサー４によって検知される液面高さとに基づいて調整後の空気圧を求め、液面高さが更に低く変化した分に応じて直前の空気圧Ｐ２よりも高い空気圧Ｐ４に調整される。

更に空気圧センサー３１が検知する圧力値が一定の圧力値まで低下するたびに同様の調整を行う。これにより、吐出口１１にかかる圧力は、液滴吐出中でも常に一定範囲内に保たれる。

以上の圧力調整のための動作は、図４中の右側の組についても同様に説明できる。この場合、上記説明中の電磁弁Ｖ１−１が電磁弁Ｖ１−２に、電磁弁Ｖ２−１が電磁弁Ｖ２−２にそれぞれ置き換わる。

かかる液体供給システムでは、複数の液滴吐出ヘッド１と液体供給装置１００又は１０１との組に対して共通の１つのポンプ５によって給気及び排気を行うように構成される。このようにすることで、ポンプ５の数を増やさずに液滴吐出ヘッド１と液体供給装置１００又は１０１との組数を増やすことができる。

図６は、供給タンク２が液滴吐出ヘッド１の吐出口面よりも低い位置に配設される場合の液体供給システムを例示している。

この場合は、各供給タンク２内の空気層２１は所定の正圧状態とされているため、大気圧≦一定の圧力値＜調整後の空気圧の関係であり、空気圧調整時は、強制的に空気を送る必要がある。このための構成は、図４の液体供給システムのポンプ５と同様にして、液滴吐出ヘッド１と液体供給装置１０２との各組に共通のポンプを設けることによって行うことも可能であるが、各組で液滴吐出量が異なることによって必要な給気量も異なり、共通のポンプによって給気を行う場合では、各組への給気量を電磁弁の開閉によって切り替え制御する面倒がある。従って、この場合は、図６に示すように、各組にそれぞれ対応するポンプ６を備えた方が、各組への給気を電磁弁の開閉によって切り替え制御する必要がないために好ましい。しかも、このポンプ６は、供給タンク２への液体Ｗの注入後の初期標準圧作成用のポンプとして兼用することができるため、図４の液体供給システムに見られたポンプ５のように初期標準圧作成用のポンプを別途用意する必要もない。

１：液滴吐出ヘッド
１１：吐出口
２：供給タンク
２１：空気層
２２：供給流路
２３：蓋部材
３：圧力制御装置
３１：圧力検知手段
３１１：連通路
３２：空気圧調整手段
３２１：連通路
３３：制御手段
３４：圧力変動緩和手段
３４１：ケーシング
３４２：開口
３４３：可撓性の膜
３４４：空気室
３４５：付勢部材
３４６：押し当て部材
１００、１０１、１０２：液体供給装置

Claims (6)

1. 吐出口から液滴を吐出する液滴吐出ヘッドへ供給する液体を貯留する供給タンクと、前記供給タンク内の空気層の圧力を制御することにより、前記液滴吐出ヘッドの前記吐出口にかかる圧力を制御する圧力制御装置とを有する液体供給装置において、
   前記供給タンク内の液体の液面高さを検知する液面高さ検知手段を備えると共に、
   前記圧力制御装置は、前記供給タンク内の空気層の圧力を検知する圧力検知手段と、前記供給タンク内の空気層の空気圧を調整する空気圧調整手段と、前記空気圧調整手段を制御する制御手段とを備えてなり、
   前記制御手段は、前記圧力検知手段が検知する圧力の値と前記液面高さ検知手段が検知する液面高さの値とに基づいて、前記圧力検知手段が検知する前記空気層の空気圧が、前記液面高さ検知手段が検知した液面高さに応じた所定の空気圧となるように前記空気圧調整手段を制御することにより、前記吐出口にかかる圧力を一定範囲内に制御すると共に、
   前記圧力検知手段が検知する前記空気層の空気圧が、前記供給タンク内の空気層の直前の調整後の空気圧に対して一定の圧力値まで低下したことを検知したときに、その時点における前記液面高さ検知手段が検知した液面高さに応じた調整後の空気圧の値を求め、前記空気層の空気圧が前記調整後の空気圧となるように前記空気圧調整手段を制御することを特徴とする液体供給装置。
2. 前記供給タンク内の液体の液面高さは、前記液滴吐出ヘッドの前記吐出口の高さよりも高い位置にあり、
   前記一定の圧力値＜前記調整後の空気圧≦大気圧であり、
   前記空気圧調整手段は、前記供給タンク内の空気層と大気とを連通する連通路と、該連通路を開閉する弁により構成され、
   前記制御手段は、前記弁を開放して外気の流入量を制御することにより、前記供給タンク内の空気層の空気圧を正圧側に制御することにより、前記空気層の空気圧が前記調整後の空気圧となるように前記空気圧調整手段を制御することを特徴とする請求項１記載の液体供給装置。
3. 前記供給タンク内の液体の液面高さは、前記液滴吐出ヘッドの前記吐出口の高さよりも低い位置にあり、
   大気圧≦前記一定の圧力値＜前記調整後の空気圧であり、
   前記空気圧調整手段は、前記供給タンク内の空気層に対して給気を行うポンプにより構成され、
   前記制御手段は、前記ポンプを駆動して給気量を制御することにより、前記供給タンク内の空気層の空気圧を正圧側に制御することにより、前記空気層の空気圧が前記調整後の空気圧となるように前記空気圧調整手段を制御することを特徴とする請求項１記載の液体供給装置。
4. 前記供給タンク内の空気層に連通して、該空気層の圧力変動を緩和する圧力変動緩和手段を有し、
   前記空気圧調整手段は、前記圧力変動緩和手段を介して前記供給タンク内の空気層に連通していることを特徴とする請求項１、２又は３記載の液体供給装置。
5. 吐出口から液滴を吐出する液滴吐出ヘッドと、請求項１〜４のいずれかに記載の液体供給装置とを有することを特徴とする液滴吐出装置。
6. 前記液体供給装置の供給タンクは、前記液滴吐出ヘッドと１対１に対応して該液滴吐出ヘッドに近接して配置されていることを特徴とする請求項５記載の液滴吐出装置。

Images