JP5335580B2 - 液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、循環流路を有する液体吐出装置に関する。

液体吐出装置（インクジェットプリンタ）のヘッドには、液体を吐出するエネルギーを発生する、エネルギー発生素子として圧電素子（ＰＺＴ）やヒーター（発熱素子）を用いたものが知られている。上述のような液体吐出装置を非印字時に長時間放置すると、吐出口付近の液体が乾燥し、液体の粘度が増加したり液体が固化したりすることによる吐出口の目詰が生じ、液滴の吐出に影響を及ぼす。吐出口付近での液体の乾燥を防ぐために、吐出口面をキャップによって密閉するキャップ機構が知られている。しかしながら、従来のキャップ機構では、吐出口出口付近の大気に触れる液体の乾燥による目詰まりを防止するには限界がある。

それを解決するものとして、特許文献１、２には、上流から下流に向かって液体が流れる流路の途中に吐出口がある循環流路が開示され、液体が循環することにより、吐出口付近の液体の乾燥を防止する発明が開示されている。

特開２００６−８８５７５号公報 特登録２６７８２４１号公報

特許文献１、２のいずれにおいても、循環流路内の液体の流れは一方向しか想定されておらず、エネルギー発生素子の下流側に存在する液体は更に下流側に流れるだけであった。つまり、液体を吐出した後の状態において、エネルギー発生素子の下流側からの毛細管力によるリフィル（吐出された液体部分を補充するように液体が流路や吐出口内に満たされる事）に打ち克つような循環駆動を行う為、エネルギー的に無駄が大きい。このように、非常に大きな流速で液体を流すと、流路内に気泡や塵埃等が入った場合、流速が著しく変化し、吐出口における圧力も大きく変動する可能性がある。これにより吐出性能に影響を及ぼす懸念があった。また、エネルギー発生素子に対して一方向からの液体供給の為、吐出方向に偏りが生じ、主滴と主滴に追従する副滴との着弾位置のずれによる画質の低下の懸念があった。このような事情に鑑みて、本発明の目的は、液体の蒸発による液体の増粘固化を抑制しつつも、信頼性の高い吐出を確保できる液体吐出装置を提供することである。

本発明は、液体を収納する液体収納容器と、前記液体を吐出口から吐出させるエネルギー発生素子と、前記液体収納容器から前記エネルギー発生素子に向けて液体を供給する流路と、前記エネルギー発生素子から前記液体収納容器に向けて液体が戻る流路と、を有する液体吐出装置において、前記エネルギー発生素子よりも上流側に位置する前記流路内の圧力をＰｕ、前記エネルギー発生素子よりも下流側に位置する前記流路内の圧力をＰｄとし、前記吐出口から液体を吐出した際、前記流路に前記液体がリフィルされる毛細管力に相当する圧力をＰｎ、とすると、「Ｐｕ＞Ｐｄ、Ｐｎ＞−Ｐｄ」（大気圧を０）を満たすよう、Ｐｕ、Ｐｄを調整する圧力調整手段を有することを特徴とする液体吐出装置に関する。

本発明により、吐出口付近の液体が蒸発することによる、液体の増粘固化を抑制しつつ、信頼性の高い吐出を確保できる。

本発明に係る液体吐出装置の概略構成を示す正面図 本発明に係るヘッドの概略構成を示す斜視図 実施例１における流路構成を示した図 実施例１における流路抵抗を示す図 実施例１におけるヘッドの液体吐出後の断面模式図 実施例２における流路構成を示した図 負圧維持装置の内部構造を示す図 実施例２における流路抵抗を示す図 実施例２におけるヘッドの液体吐出後の断面模式図 実施例３における流路構成図 実施例３における流路抵抗を示す図 実施例３におけるヘッドの液体吐出後の断面模式図 実施例４における流路構成図 実施例５における流路構成図

本明細書における負圧とは、ゲージ圧を差す。大気圧を０とし、大気圧より小さい場合を負圧と表現する。上流とは、液体が液体収納容器から供給される側であり、下流とは、ヘッドから出た液体が再び液体収納容器に戻る側である。

本願発明は、液体が循環する循環流路を有する液体吐出装置において、非吐出時には一方向に液体が流れるが、液体吐出後のリフィル状態においては、エネルギー発生素子が配置された流路の両方向（上流側と下流側）から液体の供給が行われる。

本実施形態の液体吐出装置において、ヘッドの流路内の液体に働く力の説明をする。圧力調整手段により下流方向に働く力をＦｄ，圧力調整手段によって上流方向に働く力をＦｕ、吐出後液体が流路内にリフィルされる毛細管力に相当し、リフィル方向に働く力をＦｎとすると、「Ｆｎ＞Ｆｄ＞Ｆｕ」の関係式を満たす。

非吐出時においては、吐出口近傍の流路内は全て液体で満たされているため、流路内の液体にかかる力は「Ｆｎ＝０、Ｆｄ＞Ｆｕ」となり、下流方向に液体は流れている。

一方、エネルギー発生素子を駆動し、エネルギー発生素子と吐出口間の液体を吐出すると、吐出された液体を補うように周囲から液体のリフィルが行われる。この際、吐出直後の流路内のメニスカスに働く力は「Ｆｎ＞Ｆｄ＞Ｆｕ」となる為、上流・下流両方向からの液体のリフィルが行われる。

リフィルが完了し、流路内が再び液体で満たされると、流路内の液体にかかる力は「Ｆｎ＝０、Ｆｄ＞Ｆｕ」となり、下流方向に液体が流れる。

上述の関係式を満たすために、各流路内の液体にかかる圧力と、毛細管力に相当する圧力との関係と、それを達成させる圧力調整手段としてのポンプ及び負圧維持装置の説明を以下に行う。

（流路内の液体にかかる圧力の関係）
循環流路内の液体にかかる圧力を以下に規定する。Ｐｕ：エネルギー発生素子よりも上流側に位置する流路内の液体にかかる圧力。
Ｐｄ：エネルギー発生素子よりも下流側に位置する流路内の液体にかかる圧力。
Ｐｎ；吐出口から液体を吐出した際、液体がリフィルされる毛細管力に相当する圧力。

Ｐｎは毛細管力に相当するため、常に正圧である。液体は圧力値が大きいほうから小さいほうへ流れるため、流路内の液体の圧力は正圧、負圧に関わらず、「Ｐｕ＞Ｐｄ」を満たすように設定される。ここでいう流路とは、ヘッド内の流路に限らない。上流側に位置する流路とは、負圧維持装置から吐出口までの流路を指し、下流側に位置する流路とは、吐出口からタンクまでの流路を示す。次に、流路内の圧力を場合わけして説明を行う。

（１．「Ｐｕ≦０、Ｐｄ＜０」）
吐出口から液体が漏れるのを防ぐために、流路内の液体を負圧（Ｐｕ≦０、Ｐｄ＜０）に保持した際、非吐出時は液体を循環させつつ、吐出時は両方向からのリフィルを可能とする条件を考察する。

図５に示す液体吐出ヘッドの模式図を示す。非吐出時には、図５（ａ）に示すように流路内の液体の圧力は「Ｐｕ＞Ｐｄ」（│Ｐｕ│＜│Ｐｄ│）であるので、下流側から液体を引く力が上流側から液体を引く力より強くなり、点線の矢印方向に液体は流れる。液体吐出後には、先ほどの「Ｐｕ＞Ｐｄ」を満たしつつ、図５（ｂ）に示すように、毛細管力に相当する圧力Ｐｎが発生し、「Ｐｎ＞−Ｐｄ」（Ｐｎ＞│Ｐｄ│）となる。つまり、エネルギー発生素子の下流側（図中左）において、下流方向に引く圧力よりリフィル方向に向かう圧力のほうが高く、下流側からリフィルが行われる。一方、エネルギー発生素子の上流側（図中右）においても「Ｐｎ＞−Ｐｕ」（Ｐｎ＞│Ｐｕ│）とすることで、上流方向に引く圧力より、リフィル方向に向かう圧力のほうが高く、上流側からもリフィルが行われる。

（２．「Ｐｕ＞０、Ｐｄ≦０」）
上流側からは吐出口から液体が漏れない程度の正圧をかけ、下流側からは負圧をかけた場合（Ｐｕ＞０、Ｐｄ≦０）において、非吐出時は液体を循環させつつ、吐出時は両方向からのリフィルを可能とする条件を考察する。

非吐出時には、流路内の液体の圧力は「Ｐｕ＞Ｐｄ」であり、下流側から液体は引かれ上流側から液体は押されるので、液体は上流から下流に向かって流れる。液体吐出後には、先ほどの「Ｐｕ＞Ｐｄ」を満たしつつ、毛細管力に相当する圧力Ｐｎが発生し「Ｐｎ＞−Ｐｄ」（Ｐｎ＞│Ｐｄ│）となる。つまり、エネルギー発生素子の下流側において、下流方向に引く圧力よりリフィル方向に向かう圧力のほうが高く、下流側からリフィルが行われる。一方、エネルギー発生素子の上流側においては、リフィル方向と、上流側から加圧される方向が一致するので、上流側からもリフィルが行われる。

（３．「Ｐｕ≦０、Ｐｄ＞０」）
この条件は、本発明の「Ｐｕ＞Ｐｄ」という条件外であり、上述の（２．「Ｐｕ＞０、Ｐｄ≦０」）と、逆方向に液体が流れてしまうため、本願発明には含まれない。

（４．「Ｐｕ＞０、Ｐｄ≧０」）
上流及び下流側から、吐出口から液体が漏れない程度の正圧をかけた場合（Ｐｕ＞０、Ｐｄ≧０）において、非吐出時は液体を循環させつつ、吐出時は両方向からのリフィルを可能とする条件を考察する。

非吐出時には、流路内の液体の圧力は「Ｐｕ＞Ｐｄ」であるので、上流側から液体を押す力が下流側から液体を押す力より強いので、液体は上流から下流に流れる。液体吐出後には、先ほどの「Ｐｕ＞Ｐｄ」を満たしつつ、毛細管力に相当する圧力Ｐｎが発生するが、毛細管力が働く方向と、液体にかかる圧力方向が一致しているため、両方向からのリフィルが行われる。

よって、上述の条件をまとめると以下の式（１）が成り立つ。
Ｐｕ＞Ｐｄ、Ｐｎ＞−Ｐｄ 但し（大気圧を０とする）・・・式（１）

（毛細管力に相当する圧力Ｐｎの規定）
液体吐出後のリフィル（吐出された液体を補充するように、吐出口の周辺流路から液体が集まり満たされる事）力、すなわち液体を吐出口６１の出口付近まで引き寄せる毛細管力Ｐｎは液体の物性および流路の表面性、寸法から式（２）により一意に求められる。

（液体吐出装置）
図１は、本発明に係る液体吐出装置の一例を示す。筺体４は、相対向して配される架台２Ａおよび２Ｂの上端部に結合されることにより支持されている。筺体４内には、所定の距離、離隔して相対向する支持板２０Ａおよび２０Ｂが設けられている。支持板２０Ａと支持板２０Ｂとの間には、記録部１０が着脱可能に装着されるキャリッジ１４を摺動可能に支持するキャリッジレール部材１６が配されている。キャリッジレール部材１６は、その中心軸線が後述する搬送ローラ３４の中心軸線に対して略平行、即ち、記録媒体としての被記録材３６の搬送方向に対して略直交する方向となるように支持板２０Ａおよび２０Ｂに支持されている。キャリッジレール部材１６の両端部は、それぞれ、支持板２０Ａおよび２０Ｂに固着されている。キャリッジレール部材１６に対向した搬送ローラ３４側部分には、被記録材３６が記録部１０に向けて導入される搬送路が形成されている。

各駆動用モータは、不図示の制御ユニットからの制御信号に基づいて制御される。これにより、各駆動用モータは、記録部１０の記録動作に応じて回転状態および停止状態が交互に繰り返されるように制御される。従って、被記録材３６は、記録部１０の記録動作に応じて断続的に搬送されることとなる。

キャリッジ１４の上面側には、例えば、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックなどの各色ごとのインクが後述するヘッド１３に対してチューブにより供給される構成となっている。ヘッド１３の記録動作は、不図示のヘッド制御部からの被記録材３６の記録面に形成されるべき画像データに基づいて形成された駆動パルス信号に応じて所定のタイミングで制御される。

キャリッジ１４は、所定のタイミングで往復動せしめられる。キャリッジ１４の基端部に対してインクカートリッジ部１２を挟んで対向する端面部の略中央部には、支持軸が設けられている。支持軸の一端には、ローラ２６が回動可能に支持されている。ローラ２６は、矩形断面形状を有するローラガイドレール２２の内周部に所定の隙間ＣＬをもって係合されている。これにより、キャリッジ１４はキャリッジレール部材１６と、ローラ２６を介してローラガイドレール２２とによって移動可能に案内されることとなる。支持板２０Ａと支持板２０Ｂとの間であって、搬送される被記録材３６の端部から支持板２０Ａ側に離れた位置には、図１に示されるように、記録部１０を伴ってキャリッジ１４が待機状態がとられる待機領域部８が設けられている。

待機領域部８における所定の基準位置（ホームポジション）には、ヘッド１３の所定の回復処理を行う回復処理部６が設けられている。回復処理部６は、キャリッジ１４に設けられたヘッド１３の吐出口面に対向して配され、その吐出口面を選択的に覆い吸引するキャッピング機構を含んだ既知の構造とされる。回復処理部６は、不図示の回復処理駆動制御部から所定のタイミングで供給される駆動制御信号に基づいて制御される。

（ヘッド）
図２は本発明に係る液体吐出装置におけるヘッド１３の詳細図である。オリフィスプレート６０は、直下の構造体とともに流路の一部である液室を形成しており、該液室内に供給された液体が吐出される吐出口６１が形成される。液体収納容器（タンク）から、インクなどの液体を供給する流路６６と連通するインレット６２により該液室内に供給された液体は、流路壁６４によって吐出口毎に仕切られた個別流路６８に分岐する。個別流路６８を流れる液体は、アウトレット６３から流路６７を通して排出される流路構成になっている。個別流路６８の各々には吐出口６１の直下にエネルギー発生素子６５が設置されており、膜沸騰現象により液体を吐出口６１から飛翔させる。本実施形態において吐出される液体は、通常のインクなどの液体にも適用可能であるが、特に５［ｃＰ］以上１００［ｃＰ］以下、好ましくは５［ｃＰ］以上６０［ｃＰ以下］の高い粘度の液体を吐出するような液体記録装置に好適に用いられる。高粘度の液体の場合、通常のインクと比較して、吐出口付近の液体の蒸発に伴う吐出口の目詰まりの問題が顕著に生じる為だからである。

（循環流路を有する機構）
図３は液体吐出装置の流路構成の基本構成を、１つの液種について表したものである。弁７２とポンプ７１が設けられた液体収納容器７０から出た液体は、流路７９を通る。流路７９は、後述する負圧維持装置７５に接続され、負圧位置装置を出た液体は流路７４を通る。流路７４とヘッド１３との間には、ヘッド１３内への塵埃の侵入を防止するフィルタ７６が設けられる。流路７４を流れる液体は、フィルタ７６を介してヘッド１３内の流路６６（図２）に入り、ヘッド内を循環して、流路６７（図２）を通りヘッドから出る。流路６７は、流路７７に繋がり、その途中に設けられたポンプ７８の駆動によって液体収納容器７０に液体が戻る仕組みである。流路７９、７４、６６は、液体収納容器からエネルギー発生素子に向けて液体を供給する流路であり、流路６７、７７は、エネルギー発生素子から液体収納容器に向けて液体が戻る流路である。

上述の形態においては、負圧維持装置７５、フィルタ７６、ヘッド１３が液体吐出装置のキャリッジに搭載される形態で説明をしたが、負圧維持装置７５がキャリッジに搭載されていなくても、液体収納容器７０とヘッドとの間に配置されていれば構わない。しかし負圧の管理の観点で、ヘッドに近い場所に負圧維持装置が配置されたほうが好ましい。

また、ヘッド１３内の液体を吐出口６１から吸引する吸引回復を行う動作のために、オリフィスプレートとの間に密閉空間を形成するポンプ８２を有するヘッドキャップ８１も有しても良い。

（負圧維持装置）
図７は負圧維持装置７５の内部構造を示す。中空のハードケース１０８の一部に可撓フィルム１０７を貼り合わせ、閉空間を形成する。可撓フィルム１０７に熱溶着等によって接着される部材１０５は、可撓フィルム１０７の可撓性により、閉空間の体積を変化する方向に移動可能となる。図７においては、略左右方向に動く。

この移動量は、部材１０５に面するバネ１０４を圧縮し、バネ１０４に接続されるアーム１０３を押圧することが可能なように設計されている。ここで、バネ１０４は、負圧維持装置７５内の閉空間を仕切る仕切壁１０６と部材１０５によって挟持されている。仕切壁１０６はハードケース１０８を完全に仕切るものではなく、圧縮バネ１０４および後述の圧縮バネ１０９の支持部となればよい。

バネ１０４に接続され、部材１０５により押圧されるアーム１０３は、１０２を支点として、回動可能であり、その反対側に、ゴム等の弾性体である負圧弁１０１が形成される。負圧弁１０１は、液体収納容器側の流路７９と繋がる、負圧維持装置内の入り口に配置される。

負圧弁１０１の流路７９に接する面と逆側には、仕切り壁１０６に接するバネ１０９が設けられており、可逆フィルム１０７の変形に伴う部材１０５の移動と連動し、流路７９と負圧維持装置内を連通／閉鎖させる弁として作用する。バネ１０９は仕切り壁１０６とハードケース１０８に挟持されており、不図示の突起上に設置することにより、脱落しない構成をとる。

（負圧維持装置の動作の説明）
上記の負圧維持装置の構成により、液体収納容器に繋がる流路７９から負圧維持装置７５に液体を加圧供給した場合においても、負圧維持装置とヘッドとを繋ぐ流路７４の圧力を、ほぼ一定の負圧に保つことができる。

以下、負圧維持装置７５の動作の説明をする。液体が流路内に充填された状態を初期状態とする。液体吐出時に、液体収納容器の大気開放弁７２を閉じて、液体収納容器のポンプ７１を作動させると、液体収納容器と負圧維持装置の間の流路７９は加圧された状態になる。この加圧力では、負圧維持装置の圧縮バネ１０９に抗して負圧弁１０１が開くことはない。

次に、吐出口６１から液体を吐出し続けることにより、ヘッド側の流路７４に繋がる負圧維持装置７５内の負圧は上昇する。これに伴い、可撓フィルム１０７が、負圧維持装置の容積を減らすように撓み、可撓フィルム１０７に配された部材１０５を介してバネ１０４を押し縮める。

さらに液体を吐出し続け、負圧維持装置内の負圧が一定の値を超えると、部材１０５はアーム１０３に接触し、アームが押し上げられるように作動する。すると、１０２を支点として逆側にある負圧弁１０１が、圧縮バネ１０９に抗して開放状態になる。

よって、液体収納容器に通ずる流路７９より液体が負圧維持装置内に供給され、負圧維持装置の内部の負圧は低下する。上記動作を繰り返すことにより、負圧維持装置７５内の負圧と、負圧維持装置７５に繋がる流路７４の負圧はほぼ一定に保つことが可能となる。非吐出時においても上記動作から分かるように負圧は吐出時と同じ圧力に保たれる。

本実施例における液体吐出装置の動作について図３、図４、図５を用いて説明する。図３に、実施例１における、液体収納容器を含めた液体吐出装置の流路構成の概略図を示す。この構成の説明は、上述の（循環流路を有する機構）の基本構成に記載したので省略する。

図３において、インク等の液体をヘッド内に充填する際には、ヘッド１３の下流側にあるポンプ７８を作動させて吸引を行う。あるいは液体収納容器に配置されるポンプ７１によって加圧充填してもよい。この時、弁１０１が開くような加圧力を加える。いずれの場合にも、液体収納容器の弁７２は大気開放としておくことで、液体収納容器７０内の液体は流路７９、負圧維持装置７５、流路７４、ヘッド１３に至る全ての流路内に充填される。なお、ヘッドから流出する流路と、負圧維持装置から出る流路との合流ポンプ７８には、例えば流路に配置されるダイヤフラムポンプやコロポンプが用いられる。これらのポンプが作動しない場合には非常に大きな流抵抗を持つ流路、もしくは弁により閉じたものと同じ状態になるため、流路７７内に液体は充填されない。

液体充填後、吐出前には液体収納容器のポンプ７１を負圧維持装置７５に対して加圧させるように作動させ、負圧維持装置７５より上流の流路７９内の圧力を所定の値に制御する。そのためには流路７９に設けられた不図示の圧力計による測定圧力に基づいて、液体収納容器のポンプ７１のＯＮ、ＯＦＦや、液体収納容器の弁７２の開閉を行えばよい。さらに、ヘッドの下流にあるポンプ７８を作動させて、ヘッドの下流にある流路７７を介して、液体が液体収納容器７０に戻す流れを作る。これにより、図３中の矢印に示すような、循環流路となる。このように、本実施例の圧力調整手段は、負圧維持装置７５およびポンプ７８であり、これらを用いて流路内の圧力の制御する。

図４に、本実施例における流路構成の流路抵抗を模式的に示す。流量Ｉは、下記式（３）で規定される。

・・・式（３）

Ｉ＝個別流路６８の流量の総和
７５＝負圧維持装置
６１＝個別流路６８の、エネルギー発生素子の位置（吐出口６１の位置）に対応する点
ＲΔ＝流路７４の流路抵抗
Ｒ_４＝フィルタ７６の流路抵抗
Ｒ_５＝６１より下流における、ヘッド内の個別流路の流路抵抗
Ｒ_６＝６１より上流における、ヘッド内の個別流路の流路抵抗
Ｐ_１＝負圧維持装置７５近傍の下流側の圧力（Ｐｕ）
Ｐ_３＝ポンプ７８近傍の上流側の流路内の圧力（Ｐｄ）

式（３）に、実際に用いられる液体吐出装置の流路抵抗および寸法をあてはめる。吐出口近傍の乾燥を抑制する充分な流速として、本実施例では、０．１６［ｍｍ／ｓｅｃ］、流速Ｉ＝６［μｌ／ｍｉｎ］とした。ヘッド１３内の個別流路６８の１本を、近似的にφ２０［μｍ］、ｌ＝２００［μｍ］の円管とし、個別流路６８はヘッド１３内に１色あたり１０００本あるとする。Ｒ_４＝０．１７［ｋＰａ・ｍｉｎ／μｌ］（現物を測定）、Ｒ_５＋Ｒ_６＝７．５６×１０^−４［ｋＰａ・ｍｉｎ／μｌ］（ポアズイユの法則より計算）、ＲΔ＝１．８１×１０^−６［ｋＰａ・ｍｉｎ／μｌ］（現物を測定）となる。

式（３）と、式（１）の関係を満たす値として、本実施例では、Ｐ_３＝−３．４［ｋＰａ］となるようにポンプ７８を駆動させ、Ｐ_１＝−２．４［ｋＰａ］となるように、負圧維持装置を調整した。一方、液体吐出後のリフィル力は、上述の式（２）と液体の物性および上記で設定した寸法より１０［ｋＰａ］程度の毛細管力が働くと計算される。

よって、非吐出時には図５（ａ）に示すように、流路内の液体は下流方向に−３．４［ｋＰａ］（＝Ｐｄ）で引かれ、上流方向に−２．４［ｋＰａ］（＝Ｐｕ）で引かれる。Ｐｕ＞Ｐｄの関係のため、液体は上流側から下流側に流れる。吐出後のリフィル時には、図５（ｂ）に示すように、流路内の液体は下流方向に−３．４ｋＰａ（＝Ｐｄ）、上流方向に−２．４［ｋＰａ］（＝Ｐｕ）で引かれつつも、吐出口６１側に１０［ｋＰａ］（＝Ｐｎ）の力で引かれる。つまり、上流及び下流側から引かれる力よりリフィル力大きく、上述の式（１）を満たしているので、エネルギー発生素子の上流からだけでなく下流からもリフィルが行われる。

また、本実施例では、流路内を負圧に保っているため、吐出口からのインク漏れを好適に抑制することもできる。

実施例２では、液体収納容器から液体が流出する流路が、第１の流路と第２の流路に分岐した形態を示す。負圧維持装置は、液体収納容器と、流路７９が第１の流路７４ａと第２の流路７４ｂとに分岐する分岐点との間に設置される。実施例１と同様の構成、動作の説明は省略する。

図６は本実施例の液体吐出装置の流路構成を、１つの液種について表したものである。液体収納容器７０から出た液体は、流路７９を通り、負圧維持装置７５に入る。負圧維持装置を出た流路は、第１の流路７４ａ、第２の流路７４ｂに分岐される。流路７４ａ、７４ｂそれぞれの流路抵抗に応じて、流量はＩ_１、Ｉ_２に按分される。分岐流路とヘッド内の流路との境には、ヘッド１３内への塵埃の侵入を防止するフィルタ７６ａ、７６ｂが設けられる。分岐した第２の流路７４ｂは、液体収納容器からエネルギー発生素子に向けて液体を供給する流路である、これを流れる液体は、フィルタ７６ｂを介して流路６６（図２）と連通してヘッド内に流入する。ヘッド内を循環した液体は、流路６７（図２）からフィルタ７６ａを介して流出する。この、エネルギー発生素子から前記液体収納容器に向けて液体が戻る流路は、先ほどの分岐した第１の流路７４ａと合流して流路７７となり、その途中にもうけられたポンプ７８の駆動によって液体収納容器７０に液体が戻る。

液体をヘッド内に充填する動作は、実施例１と同様である。

液体充填後、実施例１と同様に、ポンプ７１、７８を作動させて、図６の矢印で示されるような循環流路の流れを作る。

図８に、本実施例における流路構成の流路抵抗を模式的に表したものを示す。流量Ｉ_１は下記式（４）で、流量Ｉ_２は下記式（５）で規定される。

Ｉ_１＝分岐流路７４ａを流れる流量
Ｉ_２＝分岐流路７４ｂを流れる流量
７５＝負圧維持装置
６１＝個別流路６８の、エネルギー発生素子の位置（吐出口６１の位置）に対応する点
ＲΔ＝流路７４ａ、７４ｂそれぞれの流路抵抗
Ｒ_３＝フィルタ７６ａの流路抵抗
Ｒ_４＝フィルタ７６ｂの流路抵抗
Ｒ_５＝６１より下流における、ヘッド内の個別流路の流路抵抗
Ｒ_６＝６１より上流における、ヘッド内の個別流路の流路抵抗
Ｐ_１＝負圧維持装置７５近傍の下流側の圧力（Ｐｕ）
Ｐ_３＝ポンプ７８近傍の上流側の流路内の圧力（Ｐｄ）

式（４）、（５）に、実際に用いられる液体吐出装置の流路抵抗および寸法をあてはめる。実施例１と同様、吐出口近傍の乾燥を抑制する流速が必要であるので、本実施例ではＩ_２＝６［μｌ／ｍｉｎ］とした。流量は流路抵抗に従って按分されるため、Ｉ_１＝１１３０［ｍｌ／ｍｉｎ］となる。ヘッド内の個別流路を実施例１と同様に近似し、１０００本の個別流路６８の流量の総和がＩ_２であるとする。Ｒ_２＝Ｒ_４＝０．１７［ｋＰａ・ｍｉｎ／μｌ］（現物を測定）、Ｒ_５＋Ｒ_６＝７．５６×１０^−４［ｋＰａ・ｍｉｎ／μｌ］（ポアズイユの法則より計算）、ＲΔ＝１．８１×１０^−６［ｋＰａ・ｍｉｎ／μｌ］（現物を測定）となる。

式（４）、式（５）、式（１）の関係を満たす値として、本実施例では、Ｐ_３＝−４．４［ｋＰａ］となるようにポンプ７８を駆動させ、Ｐ_１＝−２．４［ｋＰａ］となるように、負圧維持装置を調整した。一方、毛細管力は実施例１と同様１０［ｋＰａ］程度である。

よって、非吐出時には、流路内の液体は下流方向に−４．４［ｋＰａ］（＝Ｐｄ）で引かれ、上流方向に−２．４［ｋＰａ］（＝Ｐｕ）で引かれる。Ｐｕ＞Ｐｄの関係のため、液体は上流側から下流側に流れる。吐出後のリフィル時には、図９に示すように、流路内の液体は下流方向に−４．４ｋＰａ（＝Ｐｄ）、上流方向に−２．４［ｋＰａ］（＝Ｐｕ）で引かれつつも、吐出口６１側に１０［ｋＰａ］（＝Ｐｎ）の力で引かれる。つまり、上流及び下流側から引かれる力よりリフィル力大きく、上述の式（１）を満たしているので、エネルギー発生素子の上流からだけでなく下流からもリフィルが行われる。

また、本実施例では、流路内を負圧に保っているため、吐出口からのインク漏れを好適に抑制することもできる。さらに、本実施例では、分岐流路７４ａを付加することによって、ヘッド１３内にインクがリフィルされる経路が増え、リフィル性能を高めることが可能となった。

実施例３は、実施例２に対して負圧維持装置の設置場所を変え、増設した例を示す。上述の実施例と同様の構成、動作の説明は省略する。

図１０は本実施例における液体吐出装置の流路構成を１つの液種について表したものである。分岐した第１の流路７４ａ、第２の流路７４ｂに、発生負圧が異なる負圧維持装置７５ａ、７５ｂをそれぞれ配置した点以外は、実施例２と同様である。

図１１に、本実施例における流路構成の流路抵抗を模式的に表したものを示す。
流量Ｉ_１は下記式（６）で、流量Ｉ_２は下記式（７）で規定される。

Ｉ_１＝分岐流路７４ａを流れる流量Ｉ_２＝分岐流路７４ｂを流れる流量
７５ａ＝分岐流路７４ａに配置された負圧維持装置
７５ｂ＝分岐流路７４ｂに配置された負圧維持装置
６１＝個別流路６８の、エネルギー発生素子の位置（吐出口６１の位置）に対応する点
ＲΔ＝流路７４ａ、７４ｂそれぞれの流路抵抗
Ｒ_３＝フィルタ７６ａの流路抵抗
Ｒ_４＝フィルタ７６ｂの流路抵抗
Ｒ_５＝６１より下流における、ヘッド内の個別流路の流路抵抗
Ｒ_６＝６１より上流における、ヘッド内の個別流路の流路抵抗
Ｐ_１＝負圧維持装置７５ａ近傍の下流側の圧力
Ｐ_２＝負圧維持装置７５ｂ近傍の下流側の圧力（Ｐｕ）
Ｐ_３＝ポンプ７８近傍の上流側の流路内の圧力（Ｐｄ）

式（６）、（７）に、実際に用いられる液体吐出装置の流路抵抗および寸法をあてはめる。実施例２と同様、吐出口近傍の乾燥を抑制する流速が必要であるので、本実施例ではＩ_２＝６［μｌ／ｍｉｎ］とした。流量は流路抵抗に従って按分されるため、Ｉ_１＝７９．９［ｍｌ／ｍｉｎ］、ヘッド内の個別流路を実施例２と同様に近似し、１０００本の個別流路６８の流量の総和がＩ_２であるとする。Ｒ_２＝Ｒ_４＝０．１７［ｋＰａ・ｍｉｎ／μｌ］（現物を測定）、Ｒ_５＋Ｒ_６＝７．５６×１０^−４［ｋＰａ・ｍｉｎ／μｌ］（ポアズイユの法則より計算）、ＲΔ＝１．８１×１０^−６［ｋＰａ・ｍｉｎ／μｌ］（現物を測定）となる。

式（６）、式（７）、式（１）の関係を満たす値として、本実施例では、Ｐ_３＝−２．５［ｋＰａ］となるようにポンプ７８を駆動させ、Ｐ_１＝−０．５［ｋＰａ］、Ｐ_２＝−２．４［ｋＰａ］となるように、両負圧維持装置を調整した。一方、毛細管力は実施例２と同様１０［ｋＰａ］程度である。

よって、非吐出時には、流路内の液体は下流方向に−２．５［ｋＰａ］（＝Ｐｄ）で引かれ、上流方向に−２．４［ｋＰａ］（＝Ｐｕ）で引かれる。Ｐｕ＞Ｐｄの関係のため、液体は上流側から下流側に流れる。吐出後のリフィル時には、図１２に示すように、流路内の液体は下流方向に−２．５ｋＰａ（＝Ｐｄ）、上流方向に−２．４［ｋＰａ］（＝Ｐｕ）で引かれつつも、吐出口６１側に１０［ｋＰａ］（＝Ｐｎ）の力で引かれる。つまり、上流及び下流側から引かれる力よりリフィル力大きく、上述の式（１）を満たしているので、エネルギー発生素子の上流からだけでなく下流からもリフィルが行われる。

また、本実施例では、吐出口６１より下流側に引かれる圧力が、実施例２と比較して小さいため、下流側からのリフィルがしやすくリフィル性能および吐出方向の真直性がより向上できる。さらに、Ｉ_１＋Ｉ_２の値すなわちポンプ７８に要求される流量を実施例１と比べると大きく低減することができる為、全体のエネルギー効率の改善が図れる。

上述の各実施例を実行することで、液体はポンプ７８を駆動させたまま、すなわち液体を流路内で循環させたままでも吐出動作およびリフィル動作が行われる。その結果、循環によって液体の乾燥を防止しつつも、液体を吐出することが可能になる。また、上流側の流路（負圧維持装置から吐出口までの流路）内の圧力と、下流側の流路（吐出口からタンクまでの流路）内の圧力の関係が式（１）を満たす事で、吐出口及びエネルギー発生素子付近でも式（１）が満たされる。つまり、負圧維持装置近傍の圧力Ｐ_１、ポンプ７８近傍の圧力Ｐ_３が、式（１）を満たせば良い。Ｐ_１、Ｐ_３は流路内に配置される圧力計により測定可能である。

実施例３においては、圧力調整手段として、負圧維持装置７５およびヘッドの下流に設置されたポンプ７８を用いて流路内の圧力を制御した。本実施例においては図１３に示すように液体収納容器７０の位置を、高さ方向に上下させることにより、ヘッド内の圧力を制御する。実施例３と同様の構成、動作の説明は省略する。

液体収納容器７０の位置の上下には、液体収納容器上下動駆動機構８０を用いればよい。上下駆動機構８０は、例えば一般的なラックやピニオン形式の移動ステージ等が挙げられる。その際、ヘッドの下流にある流路７７内のポンプ７８より上流の位置における圧力を圧力計８３により測定し、ヘッドより上流の流路７９の、分岐流路に入る手前の位置における圧力を圧力計８４により測定する。その圧力値が、上述の式（１）を満たすように液体収納容器７０上下動の移動量を制御する。これにより、負圧維持装置７５の寸法公差・環境変化による維持圧力のばらつきによらず、流路内を確実に所望の圧力に制御することが可能となる。

実施例１では、圧力調整手段として、負圧維持装置７５およびポンプ７８を用いて流路内の圧力の制御した。本実施例においては図１４に示すように、２つの液体収納容器として、第２の液体収納容器７０ａ、第１の液体収納容器７０ｂの位置を高さ方向に上下させることにより、ヘッド内の圧力を制御する。上述の実施例と同様の構成、動作の説明は省略する。液体収納容器７０ａ、７０ｂにはそれぞれ大気連通口９０ａ、９０ｂが設けられている。液体収納容器の位置の上下には、実施例３と同様、液体収納容器上下動駆動機構８０を用いる。本実施例においては、ヘッドの下流側の流路に配置された圧力計８３ａ、ヘッドの上流側に配置された８３ｂの２つの圧力計を用い、ヘッドに液体を流入する流路７４ｂ内と、ヘッド内を循環した液体が流出する流路７４ａ内の圧力を測定する。この圧力値が、上述の式（１）を満たすように液体収納容器７０ａ、７０ｂの移動量をそれぞれ制御する。

本実施例では、２つの液体収納容器にそれぞれ保持される液量の変化により、液体の流れる方向を切り替えることができる。まずは、液量の多い液体収納容器７０ｂを上流側とし、液体収納容器７０ｂ内の液体を流路７４ｂ、ヘッド１３、流路７４ａの順に流し、液体収納容器７０ａに流入させる。この液体の循環に伴い、液体収納容器７０ｂの液量が減り空の状態に近づき、液体収納容器７０ａの液量が増加する。これに伴い、これまでとは逆方向、つまり液体収納容器７０ａ内の液体が流路７４ａ、ヘッド１３、流路７４ｂの順に流れ、液体収納容器７０ｂに流入させる。これらの流れの切り替えには、上流側としたい液体収納容器内の液面を、下流側としたい液体収納容器内の液面に対して高い位置になるよう調整すればよい。また、液体の流速を一定に保つ為には、２つの液体収納容器の水頭差が常に一定になるように液体収納容器７０ａ、ｂの高さ関係を逐次制御すればよい。このような、液体収納容器の高さ方向の調整を双方の液体収納容器７０ａ、ｂ内の双方の液体が消費されるまで続ければよい。これにより、ポンプ７８がなくても液体をヘッド１３内に循環させることが可能となる。ヘッドを基準として、液体収納容器７０ａ、液体収納容器７０ｂ、までの流路がそれぞれ対象である為、このような動作が可能となる。また、実施例４と比較して、下流側に引かれる圧力が小さいため、下流側からのリフィルがしやすく、リフィル性能および吐出方向の真直性を向上させることができる。

なお、上述のいずれの実施例においても、エネルギー発生素子の上流側と下流側の両方から負圧をかけた例を示したが、上流側と下流側の両方から正圧をかけても良いし、上流側から正圧を下流側から負圧をかけてもかまわない。いずれの場合においても、非吐出時に、吐出口６１から液体が漏れなければ、ヘッド１３内の圧力は必ずしも負圧である必要はなく、正圧でも構わない。

また、上述のいずれの実施例においても、吐出口とそれに対応するエネルギー発生素子に対して、上流側と下流側との２方向からのリフィルが可能とななるので、リフィル速度を確保し、高い吐出周波数に対応可能となる。さらに２方向（２経路）からのリフィルであるため、従来における１方向（１経路）からのリフィルに比べて、エネルギー発生素子上のリフィル動作が対称に近くなり、吐出方向の真直性が向上する。また、非吐出時には非常にゆっくり液体が流れるため、流路内にゴミや泡が入った場合の流路抵抗変化により吐出口近傍における圧力変動が抑制される。このように、吐出口からの液体（例えばインク中の揮発成分）の蒸発による、液体の増粘固化を抑制しつつ、吐出性能を良好に保つことが可能となる。

１３ ヘッド
６１ 吐出口
６５ エネルギー発生素子
６８ 個別流路
７５ 負圧維持装置
７６ フィルタ
７７ 流路
７８ ポンプ

Claims (7)

1. 液体を収納する液体収納容器と、
   前記液体を吐出口から吐出させるエネルギー発生素子と、
   前記液体収納容器から前記エネルギー発生素子に向けて液体を供給する流路と、
   前記エネルギー発生素子から前記液体収納容器に向けて液体が戻る流路と、
   を有する液体吐出装置において、
   前記エネルギー発生素子よりも上流側に位置する前記流路内の圧力をＰｕ、前記エネルギー発生素子よりも下流側に位置する前記流路内の圧力をＰｄとし、
   前記吐出口から液体を吐出した際、前記流路に前記液体がリフィルされる毛細管力に相当する圧力をＰｎ、とすると、
   Ｐｕ＞Ｐｄ、Ｐｎ＞−Ｐｄ （大気圧を０とする）
   を満たすよう、Ｐｕ、Ｐｄを調整する圧力調整手段を有することを特徴とする液体吐出装置。
2. 前記圧力調整手段は、
   前記エネルギー発生素子に向けて液体を供給する前記流路に設置される負圧維持装置と、
   前記液体収納容器に向けて液体が戻る流路に設置されるポンプと、を有することを特徴とする請求項１に記載の液体吐出装置。
3. 前記液体収納容器から液体が流出する流路は、第１の流路と第２の流路に分岐し、
   前記第１の流路は、前記エネルギー発生素子から前記液体収納容器に向けて液体が戻る前記流路と合流し、
   前記第２の流路は、前記液体収納容器から前記エネルギー発生素子に向けて液体を供給する流路であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出装置。
4. 前記圧力調整手段は、
   前記液体収納容器と、前記第１及び第２の流路の分岐点との間に設置される負圧維持装置と、
   前記液体収納容器に向けて液体が戻る流路に設置されるポンプと、を有することを特徴とする請求項３に記載の液体吐出装置。
5. 前記圧力調整手段は、
   前記第１及び第２の流路とにそれぞれ配置される負圧維持装置と、
   前記液体収納容器に向けて液体が戻る流路に設置されるポンプと、を有することを特徴とする請求項３に記載の液体吐出装置。
6. 前記液体収納容器は、
   前記エネルギー発生素子に向けて液体を供給する流路と接続される、第１の液体収納容器と、
   前記エネルギー発生素子から液体が戻る流路に接続される、第２の液体収納容器と、を有し、
   前記第１の液体収納容器と、前記第２の液体収納容器にそれぞれ保持される液量の変化に伴い、前記液体の流れる方向を切り替える手段を有することを特徴とする請求項１に記載の液体吐出装置。
7. 前記圧力調整手段は、前記液体収納容器を上下させる駆動機構を有することを特徴とする請求項３または６に記載の液体吐出装置。