JP6047543B2 - インクジェット装置 - Google Patents
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Description
US2002/0118256A1に記載のものは、ノズル開口近傍におけるインクの圧力がインクタンクとインクジェットヘッドとの間の管路の流路抵抗に大きく依存するが、この流路抵抗が考慮されていないためにノズル開口近傍におけるインクの圧力が定まらないという問題がある。
以下、本発明の第1の実施形態を、図面を参照して説明する。
図1にインク循環式のインクジェットヘッド11の断面の構成を示している。すなわち、インク吐出用のノズル1を有するオリィフィスプレート2の上面側に、圧力室3が形成されている。この圧力室3は、インク4が通るヘッド内流路5の中途部が狭められることにより形成され、上記ノズル1を有すると共に、そのノズル1と対向する側の面にアクチュエータ6を有している。インク4は、ヘッド内流路5を図示右側から左側へと、圧力室3を通って流れる。
第1圧力源である第1インクタンク12が設けられている。第1インクタンク12は、インクジェットヘッド11の圧力室3に供給するためのインク4を収容するとともに、第1気圧源12aを付属して備え、インク4にノズル1の開口の高さ位置の大気圧の静止インクを基準とする、「単位体積当たりのエネルギー」P1(N・m/m3)を生じさせる。単位N・m/m3は、Pa(パスカル)に等しい。この「単位体積当たりのエネルギー」P1(Pa)は、“ベルヌーイの式”の「単位体積当たりのエネルギー」のことであり、静圧、動圧およびポテンシャル圧力の合計値である。以下の説明では、特に断らない限り、ポテンシャル圧力の基準高さは、ノズル1の開口の高さ位置とし、「単位体積当たりのエネルギー」の基準はノズル1の開口の高さ位置の大気圧の静止インクとする。
Q=(P1−P2)/(R1+R2)……(1)
すなわち、インク流量Qは、流路抵抗R1,R2、および第1インクタンク12内のインク4の「単位体積当たりのエネルギー」P1と第2インクタンク14内のインク4の「単位体積当たりのエネルギー」P2との差、により定まる。
P2={(R1+R2)/R1}×Pn−(R2/R1)×P1……(2)
インク4を吐出しないとき、ノズル1の開口近傍におけるインク4の圧力(Pa)は、“P2+Q×R2”である。この“P2+Q×R2”に上式(1)(2)を代入すると、下式(3)のように展開される。
P2+Q×R2
=P2+{(P1−P2)/(R1+R2)}×R2
={1−R2/(R1+R2)}×P2+{R2/(R1+R2)}×P1
={R1/(R1+R2)}×P2+{R2/(R1+R2)}×P1
=Pn−{R1/(R1+R2)×(R2/R1)×P1}
+{R2/(R1+R2)}×P1
=Pn……(3)
すなわち、定数Pnは、ノズル1の開口近傍におけるインク4の圧力(Pa)に相当するもので、ノズル1の開口におけるインクの表面がその開口の内側に湾曲するメニスカス(図1参照)を保つように、例えば0(Pa)〜−3000(Pa)の範囲に含まれる値が選定される。仮に、定数Pnが、0(Pa)より大きいとノズル1からインク4が漏れてしまう虞があり、−3000(Pa)より小さいとノズル1に余計な空気が引き込まれてしまう虞がある。以下、定数Pnのことを、ノズル1の開口近傍におけるインク4の適正圧力と称する。
P2=2・Pn−P1……(4)
また、流路抵抗R1と流路抵抗R2との比を“1:r”と表せば(つまりR2/R1=r)、「単位体積当たりのエネルギー」P2の上式(2)は、下式(5)のようになる。
P2={(1+r)×Pn}−(r×P1)……(5)
すなわち、ノズル1の開口近傍におけるインク4の適正圧力Pnを維持するための「単位体積当たりのエネルギー」P1,P2の関係は、流路抵抗R1,R2の絶対値に影響されず、流路抵抗R1と流路抵抗R2との比“1:r”だけで決定される。
Q=(P1−P2)/(R1+R2)
=(1+r)(P1−Pn)/(R1+R2)……(6)
仮に、インク4の粘度が上がって“R1+R2”が増大した場合には、“P1−Pn”が大きくなるように「単位体積当たりのエネルギー」P1を大きくしつつ、上式(5)に従って「単位体積当たりのエネルギー」P2を調整することによって、インク流量Qの変化を防ぐことができる。
P1=Q・R/(1+r)+Pn……(7)
全流路抵抗Rはインク4の粘度に比例するので、この式(7)を用いることにより、「単位体積当たりのエネルギー」P1をインク4の粘度に応じて調整しつつ、上式(5)に従って「単位体積当たりのエネルギー」P2を調整すれば、インク流量Qの変化を防ぐことができる。なお、既に述べた理由により、この調整はそれほど厳密さを要求されない。また、この調整を行っても行わなくても、上式(2)(4)(5)のいずれかの条件に従って「単位体積当たりのエネルギー」P2を設定する制御を採用すれば、ノズル1の開口近傍におけるインク4の圧力を適正圧力Pnに保つことができる。
ここでは、「単位体積当たりのエネルギー」P1の増減によってインク流量Qを調節し、かつ適正圧力Pnが得られるように「単位体積当たりのエネルギー」P2を設定する場合について説明したが、逆に「単位体積当たりのエネルギー」P2の増減によってインク流量Qを調節し、かつ適正圧力Pnが得られるように「単位体積当たりのエネルギー」P1を設定してもよい。
インク4が第1インクタンク12からヘッドを経由して第2インクタンク14に向かう方向に循環するとき、P1>P2である。メインタンク15内のインク4の「単位体積当たりのエネルギー」が、「単位体積当たりのエネルギー」P1と「単位体積当たりのエネルギー」P2との間にあれば、図3に示すように、第1ポンプ16に代えて、第5インク流路22、第1バルブ21、第2バルブ23を採用して、インク供給系を簡略化することができる。
図4に示すように、第1圧力源として、インクジェットヘッド11の圧力室3に供給されるインク4を収容し且つ大気開放された第1インクタンク12が採用されている。この第1インクタンク12が、インクジェットヘッド11のノズル1の開口より高い位置に配置されている。第1インクタンク12液面のインク4に生じる「単位体積当たりのエネルギー」P1は、ポテンシャル圧力だけであり、ノズル1の開口の高さ位置を基準とする第1インクタンク12内のインク4の液面の高さ位置に応じて、定まる。図4中の“P1/(ρ・g)”は、このポテンシャルヘッド(m)である。
図5に示すように、第1圧力源として、インクジェットヘッド11の圧力室3に供給されるインク4を収容し且つ大気開放された第1インクタンク31が設けられている。この第1インクタンク31内のインク4の液面の高さ位置(第1インクタンク31に対する相対高さ)が第1インクタンク31に設置された第1液面センサ35によって検知される。この第1液面センサ35の検知結果がCPU30に供給される。CPU30は、第1液面センサ35で検知される高さ位置が予め定められている高さ位置と同じになるように、ポンプ36を制御して図示しないインクタンクと第1インクタンク31との間でインク4を出入りさせて、第1インクタンク31内のインク4の量を増減する。この第1インクタンク31とインクジェットヘッド11の流入側インク接続ポートとの間に、フレキシブルな液送チューブを用いた第1インク流路39が設けられている。
第1インクタンク31が距離“Px/(ρ・g)”だけ上昇すると、第2インクタンク32が距離“Px/(ρ・g)”だけ下降し、インクジェットヘッド11の圧力室3内のインク4に流れが生じる。このときのインク流量Qは、上記R0(=R1=R2)を用いて、“Q=Px/R0”で表わされる。
図7に示すように、インク循環式の複数のインクジェットヘッド51,52,53,54,55,56が互いに同じ高さ位置にほぼ水平状態に配列されている。これらインクジェットヘッド51〜56は、基本的な構成は図1に示したインクジェットヘッド11と同じである。ただし、インクジェットヘッド51〜56の圧力室3は、各々636個あって、各圧力室3は各々1個のノズル1と連通している。この636個の圧力室3およびノズル1が、その各圧力室3におけるインク4の流れ方向と直交する方向(図1の奥行き方向)に配列されている。
P1=Pn+PS1……(8)
この式(8)を正圧エアータンク65内の空気圧PS1について解けば、下式(9)が得られる。
PS1=P1−Pn……(9)
下流側インクタンク60は、「単位体積当たりのエネルギー」P2の圧力源として働く。この場合の「単位体積当たりのエネルギー」P2は、下式(10)で表される。
P2=Pn+PS2……(10)
この式(10)を負圧エアータンク66内の空気圧PS2について解けば、下式(11)が得られる。
PS2=P2−Pn……(11)
ここで、ノズル1の開口近傍のインク4の圧力を適正圧力Pnに保つには、第1の実施形態で説明した式(5)と、上式(9)(11)を用いて、空気圧PS1,PS2の関係を下式(12)のように定めればよい。
PS2=P2−Pn
=(r×Pn)−(r×P1)
=−r×(P1−Pn)
=−r×PS1……(12)
すなわち、CPU50は、第1圧力センサ67で検知される圧力PS1と第2圧力センサ68で検知される圧力PS2が、上式(12)を保つように正圧エアータンク65内の気体分子数および負圧エアータンク66内の気体分子数のいずれか一方あるいは両方を増減すればよい。
PS2=−PS1……(13)
すなわち、この場合、CPU50は、第1圧力センサ67で検知される圧力PS1と第2圧力センサ68で検知される圧力PS2の関係を、大きさが同じで符号が反対になるように正圧エアータンク65内の気体分子数および負圧エアータンク66内の気体分子数のいずれか一方あるいは両方を増減すればよい。
“R1=R1´=1.67×109(Pa・sec/m3)”、
“R2=R2´=3.01×107(Pa・sec/m3)”、
“R3=R3´=3.98×108(Pa・sec/m3)”である。
R1,R1´,R2,R2´,R3,R3´の値から算出した流路抵抗Rt1〜Rt6の値、およびこの流路抵抗Rt1〜Rt6とインク流量Q1〜Q6、圧力差Pd1〜Pd7、インク流量Qh1〜Qh6との関係式を入力した表計算シートを作成して、インク4の総循環流量Q6が“Q6=1×10−5(m3/sec)”となるように数値を調整すると、この表計算シートは図12に示すような値となる。
このとき、PS1=−PS2=7496(Pa)である。
上流側インクタンク58の空間領域とエアーパイプ76、正圧エアータンク65の容積を合計した上流側の気体体積と、下流側インクタンク60の空間領域とエアーパイプ77と負圧エアータンク66の容積を合計した下流側の気体体積と、を等しく設定しておくと、さらに都合が良い。図13の5番目の動作パターンで大気開放した後図13の1番目の動作パターンでエアーポンプ69を作動させると、エアーポンプ69の作動中も作動終了後も常に上流側の気体分子数の増加量と下流側の気体分子数の減少量は等しく、かつ体積は変化しない。このため、上流側の気体体積と下流側の気体体積とを等しくしておけば、第1圧力センサ67と第2圧力センサ68を使った制御を行わなくてもエアーポンプ69を作動させるだけで式(13)のPS2=−PS1の条件を維持したままインクを循環できる。エアーポンプ69を逆転させれば式(13)のPS2=−PS1の条件を維持したまま循環流量を減らし、循環を止めることも可能である。従って上流側の気体体積と下流側の気体体積とを等しくしておけば、図13の他の動作パターン、即ち2番目,3番目,4番目,6番目,7番目の動作パターンの使用を、各接続部からの空気漏れなどによる僅かなアンバランスを補正する場合のみの動作に限定することができ、パターン切り替え頻度を減らすことができるので、システムの信頼性が向上する。或いは5番目の動作パターンで大気開放してから次回に5番目の動作パターンで大気開放するまでの間の、各部からのエアリークが無視できるような使い方であれば、図13の2番目,3番目,4番目,6番目,7番目の動作パターンを省いてしまうことも可能で、その場合、エアーバルブ73,75を省略でき、かつ第1圧力センサ67および第2圧力センサ68も精度の低いものにするか、どちらか片方を省略するか、或いは正圧エアータンク65と負圧エアータンク66の差圧の測定で済ませることができるので、装置を簡単で安価なものにすることができる。この実施形態では流路抵抗比r=1であるため「上流側の気体体積と下流側の気体体積とを等しく設定しておくとさらに都合が良い」としたが、一般に上流側と下流側の流路抵抗比が“1:r”であるときは、上流側の気体体積と下流側の気体体積との比をr:1としておけば上記説明と同様の効果を得られる。又、本実施形態では、初期状態が大気開放、すなわちPS1=PS2=0であるが、一般に初期状態がPS1=PS2=(所定値)である場合においても、上流側の気体体積と下流側の気体体積との比をr:1としておけばエアーポンプ69を作動させるだけでノズル開口近傍のインク圧力を変えずに循環流量を制御できるので、この技術は上流側インクタンク58及び下流側インクタンク60の液面高さ位置がノズル1の開口高さ位置よりも“−Pn/(ρ・g)”だけ下に設定してある場合以外であっても応用可能である。
インク4の総循環流量が1×10−5(m3/sec)であるとき、インクジェットヘッド51〜56の個々におけるインク流量Qh1〜Qh6の値を知るには、図12の表計算シートを見ればよい。
インクジェットヘッド51〜56の各圧力室3は、上記したように、それぞれ636個のノズル1を有している。圧力室3は、2.4×10−8(m2)の断面積を持っている。
[850(kg/m3)×0.1262(m/sec)]/2=6.7(Pa)とごく僅かであり、ノズル1の開口近傍におけるインク4の適正圧力Pnである−1300(Pa)の絶対値に比べて十分に小さく、無視することができる。或いは、前述のように、最初から適正圧力Pnをこの6.7(Pa)だけ高く設定しておいてもよい。
各圧力室3の周長を7.6×10−4(m)、インク4の粘度を10(mPa・sec)、インク4の比重0.85と、インクジェットヘッド51〜56の各圧力室3を流れるインク4の流量3.03×10−9(m3/sec)を用いてレイノルズ数Reを計算すると、
Re=(4×3.03×10−9)/{(0.01/850)
×7.6×10−4}=1.36 となる。このレイノルズ数Reの値、1.36は十分に小さく、乱流の影響が無視できる値である。
第1のメンテナンス方法は、上流側インクタンク58内のインク4の「単位体積当たりのエネルギー」P1を22000(Pa)程度まで上昇させるとともに、その「単位体積当たりのエネルギー」P1の変化に伴い、下流側インクタンク60内のインク4の「単位体積当たりのエネルギー」P2を“−P1”となるように調節する。これにより、インクジェットヘッド51〜56の各ノズル1の開口近傍におけるインク4の圧力を適正圧力Pnである−1300(Pa)に保ったまま、インク4の循環量が約3倍まで増加する。インク4の循環によって、インクジェットヘッド51〜56内の異物および気泡が、下流側インクタンク60に流れる。下流側インクタンク60に流れた気泡は浮上して消滅し、下流側インクタンク60に流れた異物はフィルタ63で濾過され、気泡と異物が取り除かれたインクが上流側インクタンク58に戻される。インク4の循環量が増大すると、これらの作用がより効果的に行われる。
先ず、第1のメンテナンス方法と同様に、インク4の循環量を増大する。次に、第2のメンテナンス方法と同様に、ノズル圧力を僅かに正圧側にシフトして、各ノズル1から僅かな量のインク4を溢れ出させる。この状態で、第3のメンテナンス方法と同様に、流路59cにおけるバルブ84を瞬間的に閉じて、各ノズル1からインク4を高速で溢れ出させる。その後、バルブ84を開放状態に戻してから、各ノズル1から溢れ出たインク4を、吸引ノズルで吸い取るか、ブレードで掻き取る。その後、下流側インクタンク60内のインク4の「単位体積当たりのエネルギー」P2を“−P1”に戻してから、再度、各ノズル1の周りに残っているインク4を吸引ノズルで吸い取るか、ブレードで掻き取る。最後に、インク4の循環量を通常に戻す。
インクジェットヘッド51〜56、インク流路57,59,79、上流側インクタンク58、および下流側インクタンク60に対し、空の初期状態から、インク4を充填する方法について説明する。初期状態として、メインタンク61にはインク4が十分にあり、正圧エアータンク65および負圧エアータンク66はいずれも大気開放しているものとする。
バルブ80が閉じられ、バルブ82が開かれ、ポンプ62が所定の回転数で駆動される。これにより、メインタンク61内のインク4が、上流側インクタンク58に供給される。
しかし、正圧エアータンク65の圧力PS1が高過ぎるとインクジェットヘッド51〜56の各ノズル1からインク4が多量に漏れてしまい、正圧エアータンク65の圧力PS1が低いと充填に時間がかかってしまう。このため、正圧エアータンク65の圧力PS1は、そのような不都合が生じない適度な値に設定される。
図15に示すように、図7の第3インク流路79、第4インク流路81、バルブ80,82、ポンプ62、フィルタ63に代えて、インク流路91,92およびポンプ87,88が採用されている。
インク流路には、気泡を混入させない機能、および混入した気泡を排除する機能があることが望ましい。この理由は、気泡がインクジェットヘッドへ送られてしまうと、その気泡の一部が圧力室へ侵入し、その結果アクチュエータによるインク吐出圧力の発生が気泡によって阻害され、インクがノズルから吐出されない、プリントの品質が低下する、などの問題を引き起こす恐れがあるからである。そこで、気泡をインク流路にできる限り混入させないために、上流側インクタンク58および下流側インクタンク60のインク流入口に、以下のような工夫をすることが望ましい。
上記第1〜第7の実施形態では図1に示す構成の循環式のインクジェットヘッド11を用いたが、それに限らず、図17に示す構成の循環式のインクジェットヘッド100を用いてもよい。
第5の実施形態では、インク流路57c,57a,59c,59aが、複数のインクジェットヘッド51〜56に共用されている。この共用部分の流路抵抗は、上流側インクタンク58から各ノズル1までの流路抵抗および各ノズル1から下流側インクタンク60までの流路抵抗を計算する際に、インクジェットヘッド51〜56に按分して考える。
“R71:R72=R81:R82=(R3+R4):(R5+R6)”
“1/R7=1/R71+1/R72”
“1/R8=1/R81+1/R82” の条件が成立するようにすればよい。このとき、“R71:R81=R72:R82=R7:R8”である。
Claims (3)
- ノズルに連通する圧力室を有し、この圧力室に連通するインクを、ノズルから吐出するインクジェットヘッドと、
インクを収容するメインタンクと、
前記圧力室に供給するためのインクを収容する第1のインクタンクと、
前記インクジェットヘッドから流出したインクを収容する第2のインクタンクと、
前記第1のインクタンク内のインクを前記インクジェットヘッドの流入側インク接続ポートに導く第1のインク流路と、
前記インクジェットヘッドの流出側インク接続ポートから流出したインクを前記第2のインクタンクに導く第2のインク流路と、
前記第1のインクタンクと前記第2のインクタンクとの間を前記インクジェットヘッドを介さずに接続する第3のインク流路と、
前記メインタンクと前記第3のインク流路とを接続する第4のインク流路と、
前記第4のインク流路に設けられた第1のポンプと、
前記第3のインク流路に設けられ、前記第2のインクタンクのインクを前記第1のインクタンクに送る第2のポンプと、
前記第1のインクタンクの水液面の高さ位置を検知する第1の液面センサと、
前記第2のインクタンクの水液面の高さ位置を検知する第2の液面センサと、
前記第1の液面センサによって検知される前記第1のインクタンクの水液面の高さ位置が、前記インクジェットヘッドのノズルの開口位置と同じになるように前記第2のポンプを制御する第1の制御手段と、
前記第2の液面センサによって検知される前記第2のインクタンクの水液面の高さ位置が、前記インクジェットヘッドのノズルの開口位置と同じになるように前記第1のポンプを制御する第2の制御手段と、
を備えるインクジェット装置。 - 前記インクジェットヘッドのノズルの開口は、下方を向いている請求項1記載のインクジェット装置。
- 前記第1のインクタンク、前記第1のインク流路、前記インクジェットヘッド、前記第2のインク流路、前記第2のインクタンク、前記第3のインク流路及び前記第2のポンプにより、インクの循環路が形成される請求項1又は2記載のインクジェット装置。
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