JP5133426B2 - 吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は吐出液（インク）を吐出してプリントを行う液滴吐出装置に関する。

ノズルから液滴を吐出してプリントを行うインクジェット吐出装置においては、通常、プリントヘッドとインクタンクを専用流路によって連結し、この流路を介してインクタンク内に貯留されたインクがプリントヘッドに供給される。

供給されたインクは、プリントヘッド内に設置された圧力発生装置（例えばオンデマンド型のインクジェットヘッドにおいては、ヒーターあるいは圧電素子等のアクチュエーター）によって発生した圧力波によってノズル孔からインク滴として押し出される。

この時、ノズル孔からインク滴が良好に吐出されるためには、プリントヘッドが作動していない時のノズル孔部分のインクメニスカス（インクの表面状態）が安定して保持されている必要がある。メニスカスを維持するためには、インク滴が重力によって自然落下するときの力に対抗する力をインクに与えなければならない。

しかし、上述したオンデマンド型プリントヘッドには、液滴を射出する機構は具備しているが、プリントヘッドが作動していないときにプリントヘッドを通ってインクが漏れないようにする機構は全く備えていない。したがって、インクが漏れないような圧力（背圧）をかける方法が利用されている。

しかしながら、インクジェット吐出装置で必要とされる背圧の最小制御範囲は約１０ｍｍＨ₂Ｏ以下程度とされており、且つ、外部雰囲気の圧力との差が極めて小さい。このため、従来の真空ポンプ等を用いたシステムではこの圧力領域を精度良く調節することは困難である。

背圧を提供する従来技術の１つとして、インクタンク内に網目状の多孔質体が設けられている例が多数見られる（下記特許文献１〜４参照）。

これは、インクが多孔質体に吸われた時に多孔質体の細孔によって発生した毛細管力を背圧としてインクの保持に利用するものであり、細孔寸法、材質、形状等によって毛細管力の制御が可能である。しかし、この方法では背圧制御精度が低く、また、インクが多量に多孔質体に含有されるので、インクの成分が多孔質体に吸着するという問題がある。

背圧を提供する他の方法としては、上記のような多孔質体を用いない例もある（下記特許文献５を参照）。これは、貯留されたインクの気液界面部分に昇降可能な可動蓋を設け、この蓋の部分で負圧を発生させてインクを直接保持するものである。しかし、この方法では負圧保持のために可動蓋を押し上げるバネ機構が別途必要で、装置構成上の制約となる懸念がある。

特許第２６８３１８７号公報 特許第３１６３８６４号公報 特許第３５１３９７９号公報 特開２００７−６２１８９号公報 特開２００６−１２３５６２号公報

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、インクタンク内の背圧を精度良く制御可能な技術を提供するものである。

上記課題を解決するために本発明は、インクを吐出する吐出ヘッドと、インクタンクと、弁装置とを有し、前記弁装置を開けると、前記吐出ヘッドが前記インクタンクに接続され、前記弁装置を閉じると、前記吐出ヘッドが前記インクタンクから遮断される吐出装置であって、前記インクタンク内には、多孔質体と、前記多孔質体の側面を覆い、前記多孔質体に固定されたリング状のシール部材とを有する吸引部材が配置され、前記インクタンク内に、前記インクを蓄液した蓄液状態では、前記吸引部材の少なくとも一部が前記インクタンクの内壁面に接触し、静止摩擦力で前記インクタンクに固定され、前記多孔質体の途中まで毛細管力により前記インクが上昇するように構成された吐出装置である。
本発明は吐出装置であって、前記吐出ヘッドには前記インクタンクよりも下方位置に吐出口が設けられ、前記弁装置を開けた時には、前記インクタンク内の前記インクが前記弁装置を通って前記吐出ヘッドへ移動し、前記多孔質体内の前記インクが上昇した高さは、前記弁装置を閉じた状態よりも小さくなって前記インクを上方に引き上げる吸引力が発生し、前記吐出口から、前記インクが漏れないようにされた吐出装置である。
本発明は吐出装置であって、前記インクタンク内の前記インクの量が一定の時には、前記多孔質体の下端は前記インクタンクの底面と離間して、前記多孔質体の下端と前記インクタンクの底面との間に蓄液空間が形成され、前記吸引部材は前記静止摩擦力により静止し、前記蓄液空間にインクが蓄液され、前記インクタンク内の前記インクの量が一定量以上減少すると、前記吸引力が前記静止摩擦力よりも大きくなり、前記吸引部材が下方に移動し、前記底面に設けられた導入口から前記インクタンク内に前記インクが供給され、前記インクの前記吸引部材に対する圧力が前記静止摩擦力と前記吸引部材の重量の合計を超えると、前記吸引部材が押し上げられるように構成された吐出装置である。
本発明は吐出装置であって、前記インクタンクには、前記インクタンクの内部空間を、前記吐出口が露出する外部雰囲気に接続する外部接続口が設けられた吐出装置である。

インクタンク内の背圧を最小制御圧力レンジ１ｍｍＨ₂Ｏで制御可能である。背圧が精度良く制御されるから、吐出口からのインク漏れが防止され、メニスカスも安定する。メニスカスが安定するから、吐出口からの液滴吐出量や着弾位置精度等の液滴吐出状態も安定する。多孔質体に接触するインク量が少ないからインク成分が変質しにくい。

（ａ）：印刷装置の側面図、（ｂ）：印刷装置の平面図 本発明の吐出装置の一例を示す断面図 吐出ヘッドの一例を示す断面図

１……印刷装置 ２……吐出装置 ３……吐出ヘッド １０……多孔質体 １１……インクタンク １５……吸引部材 １８……弁装置（コック） ２０……吐出ユニット ２１……インク ３６……吐出口

図１（ａ）、（ｂ）は印刷装置の側面図と平面図である。印刷装置１は台７と、台７上に配置された可動腕８とを有している。
台７の側方にはレール３７が延設されており、可動腕８は不図示の移動手段によってレール３７の延設方向に沿って往復移動する。図１(ａ)では、レール３７と、可動腕８と、可動腕８がレール３７上に乗るための装置は省略してある。

可動腕８には１又は複数の吐出装置２が設けられている。吐出装置２は吐出ヘッド３をそれぞれ有している。吐出ヘッド３には不図示の吐出口が設けられており、可動腕８の底面には各吐出ヘッド３の吐出口がそれぞれ露出している。

台７表面から吐出ヘッド３の底面までの高さは、処理対象物である基板６の厚みよりも大きくされており、吐出ヘッド３は台７上に配置された基板６と接触することなく、可動腕８と一緒に台７上を移動する。

各吐出装置２は吐出ユニット２０を有しており、吐出ヘッド３は吐出ユニット２０に接続されている。一個の吐出ユニット２０に接続される吐出ヘッド３の数は、１個でも複数でもよいが、この実施例では、印刷装置１は複数(ここでは４個)の吐出ユニット２０を有しており、各吐出ユニット２０には、吐出ヘッド３が複数個(ここでは２個)ずつ接続されている。又、印刷装置１には、吐出ユニット２０が複数設けられていてもよく、１個設けられていてもよい。

各吐出ユニット２０は同じ構造であり、図２の吐出装置の模式的な断面図に、一個の吐出ユニット２０を示して説明し、複数の吐出ユニット２０の説明に代えると、吐出ユニット２０はインクタンク１１を有している。
インクタンク１１の天井には外部接続口４７が設けられ、底面には導入口４５と導出口４６がそれぞれ設けられている。外部接続口４７と、導入口４５と、導出口４６には、それぞれ配管等の流路９、１２、１３の一端が接続されている。

外部接続口４７に接続された流路１３の他端は吐出装置２の外部雰囲気（ここでは大気雰囲気）に接続され、後述するように、少なくともインクをインクタンク１１に蓄液する時と、インクを吐出ヘッド３から吐出する間は、インクタンク１１の内部空間は外部雰囲気に接続される。

吐出装置２の外部には、メインタンク４が設けられている。
導入口４５に接続された流路９の他端はメインタンク４に接続され、導出口４６に接続された流路１２の他端は吐出ヘッド３に接続されており、これらの流路９、１２の途中にはコック（弁装置）１７、１８が設けられている。

メインタンク４内にはインクが蓄液されており、メインタンク４と導入口４５との間のコック１７を開状態にすると、インクタンク１１がメインタンク４に接続され、メインタンク４内のインクが流路９とコック１７と導入口４５を通ってインクタンク１１内に導入される。逆に、コック１７を閉状態にすると、インクの導入が停止する。図２の符号２１は、インクタンク１１内部に導入され、蓄液されたインクを示している。

また、吐出ヘッド３と導出口４６との間のコック１８を開状態にすると、インクタンク１１内のインク２１が、導出口４６とコック１８と流路１２とを通って吐出ヘッド３に供給され、そのコック１８を閉状態にすると、インクタンク１１が吐出ヘッド３から遮断され、インク２１の供給が停止する。

インクタンク１１の内部には吸引部材１５が配置されている。吸引部材１５は柱状に成形された多孔質体１０と、多孔質体１０の側面を覆うリング状のシール部材１６とを有しており、シール部材１６は多孔質体１０に固定されている。

多孔質体１０の両底面は露出しており、露出した両底面のうち、一方が上、他方が下に向けられている。導入口４５はインクタンク１１の底面に設けられているから、メインタンク４からインクタンク１１に供給され、インクタンク１１内にインク２１が蓄液されると、多孔質体１０の、底面を含む下部がインク２１と接触する。

多孔質体１０は、例えば、スポンジ状の樹脂、繊維状の金属、細孔が形成されたセラミック等の焼結体、又は不織布等で構成され、インク２１に対する濡れ性が高くされている（接触角θ＜４５°）。

吸引部材１５とインクタンク１１の内部の空間は柱状であり、水平面による断面形状が同じ形状であり、吸引部材１５がインクタンク１１の内部空間よりも僅かに小さくされており、吸引部材１５の側面とインクタンク１１内壁面との間には隙間１９が形成されている。
また、吸引部材１５の側面（ここではシール部材１６）とインクタンク１１内壁面も、インク２１に対する濡れ性が高くされ、吸引部材１５の側面とインクタンク１１内壁面との間の隙間１９は毛細管力によりインク２１が上昇する程狭くされている。従って、インクタンク１１に蓄液されたインク２１は多孔質体１０の内部と、吸引部材１５とインクタンク１１内壁面との間の隙間１９に、毛細管力で吸い上げることができる。

毛細管力によるインク２１の上昇高さ（インク２１のうち、毛細管力で上昇した部分を除外したときの液面Ｈからの高さ、水頭差ｈ）は、毛細管力の理論式（１）から算出できる。

理論式（１）…ｈ＝２Ｔｃｏｓθ／ρｇｒ
上記理論式（１）中、ｈは水頭差(ｍ)、Ｔはインクの表面張力(Ｎ／ｍ)、θはインクの多孔質体１０に対する接触角、ρはインク密度(ｋｇ／ｍ³)、ｇは重力加速度(ｍ／ｓ²)、ｒは毛細管の半径(ｍ)である。

図２の符号ｈ₁は多孔質体１０内の水頭差を示し、同図の符号ｈ₂は隙間１９の水頭差を示す。
吸引部材１５の側面の一部はインクタンク１１の内壁面に接触し、多孔質体１０は静止摩擦力でインクタンク１１に固定されている。吸引部材１５の長さ（多孔質体１０両底面間の距離）は、インクタンク１１の底面から天井までの高さよりも短くされている。水頭差ｈ₁、ｈ₂が上記理論式（１）で求められる理論値に達した後もインク２１の供給を続け、インク２１の圧力が静止摩擦力と吸引部材１５の重量の合計を超えると、吸引部材１５が押し上げられる。

吸引部材１５はインクタンク１１の内壁面で囲まれており、吸引部材１５はインクタンク１１の内壁面に支持され、下端が下方に向けられ、インク２１と接触したまま上昇する。多孔質体１０の下端はインクタンク１１の底面と離間しており、多孔質体１０の下端とインクタンク１１の底面と間の蓄液空間４１にインク２１が蓄液される。

蓄液空間４１に所定量のインク２１が蓄液されたら、多孔質体１０の上端がインクタンク１１の天井に到達して接触する前に、コック１７を開状態から閉状態にしてメインタンク４をインクタンク１１から遮断し、メインタンク４からインクタンク１１へのインクの供給を停止する。吸引部材１５は上昇を停止し、静止摩擦力によりインクタンク１１に固定される。

上述したように、多孔質体１０の下端全部がインク２１に密着し、しかも、吸引部材ンクタンク１１内壁面との間の隙間１９は毛細管力が働く程狭くされているから、蓄液空間４１のインク２１液面Ｈ全部に毛細管力により上昇する力が加わる。

多孔質体１０の長さは、液面Ｈから多孔質体１０上端までの高さが水頭差ｈ₁、ｈ₂の理論値よりも大きくなるよう設定されており、多孔質体１０上端にはインク２１が到達せず、乾いた状態が維持される。従って、蓄液空間４１のインク２１には常に最大の毛細管力が働く。

インク２１を吐出する際には、コック１７を閉状態にしてインクタンク１１をメインタンク４から遮断し、コック１８を開状態にしてインクタンク１１を吐出ヘッド３に接続する。図３は吐出ヘッド３の部分拡大断面図であり、吐出ヘッド３はインク室３１と、インク室３１に接続された吐出口３６とを有しており、吐出ヘッド３をインクタンク１１に接続する流路１２は、吐出ヘッド３内ではインク室３１に接続されている。インクタンク１１から吐出ヘッド３に供給されるインクはインク室３１に供給され、吐出口３６を介して、吐出ヘッド３の外部の雰囲気に露出される。

吐出口３６はインクタンク１１よりも下方に位置し、外部接続口４７が接続された雰囲気と同じ雰囲気（大気）に接続されている。インクタンク１１内の液面Ｈは、吐出口３６内に露出するインク２１の表面よりも上方にあり、インク２１には気泡は含まれないから、インク室３１と、蓄液空間４１と、多孔質体１０内のインク２１は、液面よりも下方のインク２１の重量で下方に引っ張られ、水頭差ｈ₁、ｈ₂が理論値よりも減少する。

多孔質体１０とシール部材１６とインクタンク１１の内壁面は、インクタンク１１を吐出ヘッド３に接続したときに、水頭差ｈ₁、ｈ₂がゼロにならないようインク２１に対する濡れ性が高く設定されており、インク２１が下降する力と上昇する力とが釣り合うと水頭差ｈ₁、ｈ₂の減少が止まる。従って、インク２１には水頭差ｈ₁、ｈ₂の理論値と実際の値の差の分、上方に引き上げられる力が加わる。

尚、水頭差ｈ₁、ｈ₂が減少する間、インク２１が吐出口３６から漏れ出す虞がある場合には、吐出装置２を基板６の外側の退避場所に配置してからヘッド接続状態にする。水頭差ｈ₁、ｈ₂の減少が停止し、吐出口３６からのインク２１が漏れなくなったら、吐出装置２を基板６上に配置する。

インク室３１にはヒーターや圧電素子等のアクチュエーター３５が設けられており、アクチュエーター３５に通電して昇温又は変形させ、インク室３１内のインク２１に押圧力を加えると、インク２１が吐出口３６から吐出され、基板６に着弾する。

導出口４６は多孔質体１０の下端よりも下方に位置し（ここではインクタンク１１底面）、吐出口３６からインク２１が吐出されてインク室３１の液量が低下すると、インクタンク１１からインク２１がインク室３１に補充される。
このとき、メインタンク４からインクタンク１１にインクは補充されないから、蓄液空間４１のインク２１の液面Ｈが下降し、毛細管力で多孔質体１０に吸引されたインク２１には、一緒に下降しようとする力が働く。

液面Ｈが下降すると、インク２１を保持しようとする毛細管力が大きくなり、毛細管力が吸引部材１５とインクタンク１１との間の静止摩擦力を超えると、吸引部材１５が下方に移動する。従って、インクが補充されなくても吸収部材１５が下方に移動し、吸引部材１５は下端がインク２１液面Ｈと接触した状態が維持される。

液面Ｈが低下すると吐出口３６内の吐出液２１の表面との差が小さくなり、インク２１が下方に引っ張られる力が減少する。他方、水頭差ｈ₁、ｈ₂が増え、毛細管力による上昇力は減少し、インク２１が下降する力と上昇する力とが釣り合う。従って、吐出口３６内のインク２１の表面（メニスカス）高さは変化しない。

吸引部材１５が下降する場合には、多孔質体１０の下端が導出口４６又は導入口４５に到達する前に、コック１８を閉状態にして吐出ヘッド３をインクタンク１１から遮断して、コック１７を開状態にしてメインタンク４からインクタンク１１にインクを補充する。導入口４５は多孔質体１０の下方に位置するから、多孔質体１０の少なくとも上端はインク２１に濡れず、乾燥した状態が維持される。

導入口４５は、多孔質体１０の上端よりも下方であれば、多孔質体１０の下端よりも上方に位置してもよいが、多孔質体１０側面がシール部材１６で覆われている場合は、シール部材１６とインクタンク１１内壁面との隙間が狭いから、導入口４５とシール部材１６とが対面すると、インク２１の導入が正常に行なわれない。そのため、導入口４５を多孔質体１０の下端よりも下方に位置させることが望ましい。

以上は、シール部材１６で多孔質体１０側面を覆う場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、多孔質体１０の側面を露出させてもよい。しかし、吸引部材１５が昇降する際、多孔質体１０の側面が露出していると、摩擦により多孔質体１０が破損する虞があるので、シール部材１６で多孔質体１０側面を保護することが望ましい。

本発明に用いる多孔質体１０は、スポンジ状の構造を持ち、細孔がランダムな方向に連通して網目状の構造となるものである。その材質は特に限定されないが、インク２１に溶解しない、インク２１と接触して化学変化しない等の耐性を有することが必須である。例えば、ポリオレフィン樹脂等の有機樹脂素材である。

多孔質体１０の条件の一例を述べると、インクタンク１１内径(半径)が１０ｍｍ、貯留インク体積が１５ｍｌのとき、平均気孔径(半径)が６３μｍ、平均気孔率が４４．８％、部材の高さが１０ｍｍである。

なお、上記一例を基準として、インクタンク１１断面積をｎ倍に変更する場合は、平均気孔率を１／ｎ倍にすればよい。また、同様に貯留インク体積をｎ倍に変更する場合には、平均気孔率をｎ倍にすればよい。尚、多孔質体１０の条件は、上述した毛細管力の理論式（１）から算出できる。

多孔質体１０の材質は樹脂に限定されず、インク２１に耐性を有するものであれば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）等の金属を用いることもできる。この場合、インク２１の多孔質体１０に対する接触角が上記条件と異なることが有り得るが、その時には多孔質体１０に表面処理を施すことによって、上記条件と同様の効果を発揮させることができる。

本発明に用いるインク２１は特に限定されず、顔料、染料等の着色剤が添加された着色インク２１の他、配向膜用の材料、樹脂材料、カラーフィルター材料、スペーサ粒子等が分散又は溶解したものを用いることができる。

シール部材１６はインク２１に溶解せず、また、インク２１と接触して化学変化しないものであれば特に限定されないが、具体的には、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ポリオレフィン樹脂等の耐溶剤性樹脂を用いることができる。

以上は吸引部材１５を静止摩擦力でインクタンク１１に固定する場合について説明したが本発明はこれに限定されない。吸引部材１５の側面全部をインクタンク１１側面に密着させるか、固定部材や接着剤等により、吸引部材１５をインクタンク１１に機械的に固定してもよい。この場合、吸引部材１５は液面Ｈが上下しても昇降しないから、メインタンク４から逐次適量のインク２１を補充する。

Claims (4)

1. インクを吐出する吐出ヘッドと、インクタンクと、弁装置とを有し、
   前記弁装置を開けると、前記吐出ヘッドが前記インクタンクに接続され、
   前記弁装置を閉じると、前記吐出ヘッドが前記インクタンクから遮断される吐出装置であって、
   前記インクタンク内には、多孔質体と、前記多孔質体の側面を覆い、前記多孔質体に固定されたリング状のシール部材とを有する吸引部材が配置され、
   前記インクタンク内に、前記インクを蓄液した蓄液状態では、
   前記吸引部材の少なくとも一部が前記インクタンクの内壁面に接触し、静止摩擦力で前記インクタンクに固定され、前記多孔質体の途中まで毛細管力により前記インクが上昇するように構成された吐出装置。
2. 前記吐出ヘッドには前記インクタンクよりも下方位置に吐出口が設けられ、
   前記弁装置を開けた時には、前記インクタンク内の前記インクが前記弁装置を通って前記吐出ヘッドへ移動し、
   前記多孔質体内の前記インクが上昇した高さは、前記弁装置を閉じた状態よりも小さくなって前記インクを上方に引き上げる吸引力が発生し、前記吐出口から、前記インクが漏れないようにされた請求項１記載の吐出装置。
3. 前記インクタンク内の前記インクの量が一定の時には、前記多孔質体の下端は前記インクタンクの底面と離間して、前記多孔質体の下端と前記インクタンクの底面との間に蓄液空間が形成され、前記吸引部材は前記静止摩擦力により静止し、前記蓄液空間にインクが蓄液され、
   前記インクタンク内の前記インクの量が一定量以上減少すると、前記吸引力が前記静止摩擦力よりも大きくなり、前記吸引部材が下方に移動し、
   前記底面に設けられた導入口から前記インクタンク内に前記インクが供給され、前記インクの前記吸引部材に対する圧力が前記静止摩擦力と前記吸引部材の重量の合計を超えると、前記吸引部材が押し上げられるように構成された請求項２記載の吐出装置。
4. 前記インクタンクには、前記インクタンクの内部空間を、前記吐出口が露出する外部雰囲気に接続する外部接続口が設けられた請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の吐出装置。

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