JP5085249B2 - インク供給機構 - Google Patents

Description

本発明は、インクを循環させながら、インクジェットヘッドからインクを吐出するインクジェット記録装置、インク供給機構及びインク供給方法に関する。

インクジェット記録装置において、インクを循環させながらインクジェットヘッドのノズルからインクを吐出させる技術が、開示されている（例えば、特許文献１及び２参照）。このようなインクジェット記録装置は、例えば、上流側タンク、インクジェットヘッド及び下流側タンクが導管によって接続されて構成されている。上流側タンクの液面及び下流側タンクの液面は一定に保たれている。上流側タンクのインクは上流側流路を経由してインクジェットヘッドに流入し、さらに下流側流路を経由して下流側タンクに流れ込むように循環する。

このようなインクジェット記録装置において、気泡混入やインク漏洩などの不具合を防ぎ、良好な印刷特性を確保するには、適正な循環流量を維持することが求められる。上記技術では、循環流量は、上流側タンクから、上流側流路、インクジェットヘッド、及び下流側流路を介して下流側タンクに至る流路抵抗と、上流側タンクと下流側タンクの高さの差で決まる。したがって、流量を調節するためには、上流側タンク、下流側タンク、インクジェットヘッド等の位置により調整する必要がある。すなわち、例えば流量を増やすためには、流側タンクの高さと下流側タンクの高さの差を大きくする必要があるので、上流側タンクを上げ、下流側タンクを下げなくてはならない。
特表２００２−５３３２４７号公報 米国特許第２００２／０１１８２５６号明細書

しかしながら、通常、タンクの配置には物理的な制約がある場合が多く、高さの調節は困難であり、また、高さの差を変えるとこれに伴って流路抵抗が変化するため、所望の流量を確保することが困難である。

一方、インクジェットヘッドにおいて、良好な印刷特性を確保するためには、ノズル近傍のインク圧力は非常に重要であり、ノズル近傍のインク圧力を適正な範囲に保つ必要がある。しかしながら、上記の技術では非吐出又は吐出量が少ない時のノズル近傍のインク圧力は上流側タンクから上流側流路を介してインクジェットヘッド内のノズルに至る流路抵抗、インクジェットヘッド内のノズルから下流側流路を介して下流側タンクに至る流路抵抗、及び上流側タンクと下流側タンクの液面高さに依存する。したがって、適切なノズル位置のインク圧力を得るには上流側タンクと下流側タンクの高さを調整する必要がある。

したがって、タンクの配置に関する物理的な制約や流路長さの変化により、調整が困難である。

本発明の一形態は、ノズル、ノズルに対向する圧力室、前記圧力室と連通する上流ポート及び下流ポートを有するインクジェットヘッドと、前記上流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通し、インクを貯留する上流側タンクと、前記下流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通し、インクを貯留する下流側タンクと、前記下流側タンクから上流側タンクへインクを戻す循環ポンプと、を連通して構成される循環系を備え、少なくとも前記下流側タンクの空気を大気圧に開閉するバルブを持ち、前記上流側タンク及び前記下流側タンクのうち、少なくともいずれか一方の内部のインクの液面の高さを検知する液面検出器を備え、前記バルブ及び前記循環ポンプに接続されるとともに、前記循環ポンプ及びバルブの開閉動作を制御し、前記バルブを閉じ前記循環ポンプを駆動することで、前記下流側タンクを負圧にし、帰還流路を介して前記下流側タンクから前記上流側タンクへインクを戻してインクを循環させる制御装置を備え、前記制御装置は、前記液面検出器で検出された液面高さに応じて前記ポンプを制御する、ことを特徴とする。

本発明によれば、循環ポンプとタンクの内圧の調整により、循環流量やノズル近傍の圧力を適正値に調節することができる。

［第１実施形態］
以下に本発明の一実施形態にかかるインクジェット記録装置およびインク供給方法について、図１及び図２を参照して説明する。なお、各図において適宜構成を拡大、縮小、省略して概略的に示している。インクジェット記録装置１は、インクを循環させつつインクジェットヘッド１１のノズル１７から図示しない記録媒体にインクを吐出して画像を形成するものであり、インク供給機構１０を備えている。このインク供給機構１０は、インクジェットヘッド１１、インク供給源としての上流側タンク２５、インクを貯留する下流側タンク３０、これらを接続するとともにインクの循環路を構成する第１導管４１、第２導管４２、第３導管４３、及びインクを循環させるインク送り機構としての循環ポンプ３５（インク送り機構）、フィルタ３６等を備えている。

図２に示されるインクジェットヘッド１１は、ノズル１７を有するオリフィスプレート１８を備えている。このオリフィスプレート１８の背面側にノズル１７に対向する圧力室１９が形成されている。この圧力室１９を経由してインク２０が循環する。圧力室１９は導管と連通する循環路よりも狭く構成されている。図２中のノズル１７の対向面側に構成された圧力室１９に、アクチュエータ２２が設けられている。圧力室１９において、このアクチュエータ２２が駆動されることによって、ノズルからインク滴２０ａが吐出される。アクチュエータ２２としては、例えばＰＺＴ等の圧電素子を用いて直接又は間接的に圧力室を変形させるものや、静電気でダイアフラムを駆動するもの、静電気で直接インクを移動させるもの、ヒーターでインクを加熱して気泡を生成し圧力を発生させるもの等が用いられるが、これらに限られない。インクジェットヘッド１１は、上流ポート１１ａと下流ポート１１ｂを有している。インクジェットヘッド１１の上流ポート１１ａは、第１導管４１を介して上流側タンク２５に接続されている。下流ポート１１ｂは、第２導管４２を介して下流側タンク３０に接続されている。このように構成されたインクジェットヘッド１１において、インク２０が、圧力室１９を経由して、例えば図２中矢印で示すように、右から左へ循環する。

図１に示すように、上流側タンク２５は、インクジェットヘッド１１よりも上方に配置され、インク流入口２５ａとインク流出口２５ｂを有し、インクを補給するためのインク供給源としての機能を有する。上流側タンク２５は、上部タンク２６と下部タンク２７とを備え、下部タンク２７の液面は大気に開放されている。上流側タンク２５は第１導管４１を介してインクジェットヘッド１１の上流ポート１１ａに接続されている。上部タンク２６は、交換可能なボトルである。上部タンク２６のインクがなくなった場合、ユーザは上部タンク２６をインク充填済みの新しいボトルと交換する。上部タンク２６と下部タンク２７とは通気パイプ２８及びインク補給パイプ２９を介して接続されている。上記インクジェットヘッド１１からインクが消費されると、これに伴い下部タンク２７の液面が下がり、通気パイプ２８の下端が下部タンク２７の液面から離れる。このとき、下端が露出した通気パイプ２８を伝って空気が上部タンク２６へ導入される。上部タンク２６においてこの空気に押し出されたインクが、インク補給パイプ２９を通って下部タンク２７へ落ちると、下部タンク２７の液面が上昇する。この上昇により、下部タンク２７の液面が通気パイプ２８の下端まで達すると、通気パイプ２８が閉塞されることにより上部タンク２６への空気の流入は止まり、インクの補給が停止される。こうして、下部タンク２７の液面が制御されつつインクの補給が行われる。

なお、インクジェットヘッド１１のインク室のノズル１７近傍つまり圧力室１９の適正圧力（但し、アクチュエータがインク吐出動作のために発生する高周波成分を除く平均値）の設定範囲に余裕がある場合には、液面の高さは厳密でなくてもよいため、断面積が大きく浅い容器を上流側タンク２５として用いて、体積変化に対する液面高さ変化を抑えることができる。その場合には、ユーザは上流側タンク２５のインクが減った場合に、上流側タンク２５に直接インクを補給してもよく、交換可能なボトルの構成を省略できる。

上流側タンク２５のインクは第１導管４１を介してインクジェットヘッド１１の上流ポート１１ａへ供給される。第１導管４１には、循環路を開閉可能なバルブＶ１（開閉機構）が設けられている。バルブＶ１はインクの供給を止める場合に閉じられるが、通常動作中は開放されている。

下流側タンク３０は、インク流入口３０ａとインク流出口３０ｂを有するインクタンクであり、インクを貯留するとともに圧力源としての機能を有する。下流側タンク３０は、インクジェットヘッド１１よりも下方に配置されている。インク流入口３０ａは第２導管４２を介してインクジェットヘッド１１の下流ポート１１ｂに接続されている。インク流出口３０ｂは、循環ポンプ３５及びフィルタ３６を備える第３導管４３を介して上流側タンク２５に接続されている。循環ポンプ３５は下流側タンク３０のインクを吸い上げ、フィルタ３６で濾過し、第３導管４３を介して上流側タンク２５にインクを汲み上げることで、インク２０を循環させる機能を有する。循環ポンプ３５は、例えばチューブポンプのように、停止時に閉じる構造である。ダイアフラムポンプと逆止バルブを直列にして同じ機能を実現しても良い。なお、循環ポンプ３５の制御方法は例えばＯＮ／ＯＦＦ制御や速度制御等により行われる。

下流側タンク３０は上部に空気層を有している。この空気層の上部に、開閉可能なバルブＶ２（圧力調整機構）を備えている。このバルブＶ２が制御部３７により開閉されることで、選択的に、下流側タンク３０の液面を大気圧に開放し、あるいは密閉することが可能となっている。さらに、下流側タンク３０には二つの液面センサＳ１、Ｓ２（液面検出器）が設けられている。液面センサＳ１、Ｓ２は、タンク内のインクの液面がそれぞれ予め設定された第１水位および第２水位に達したか否かを検知する機能を有する。液面が第１水位の高さにあるとき、下流側タンク３０の空気層の体積はＶであり、液面が第２水位の高さにあるとき、下流側タンク３０の空気層の体積はＶ＋ΔＶである。

これら、上流側タンク２５、下流側タンク３０、第１導管４１、第２導管４２、第３導管４３及び圧力室１９の内部は互いに連通し、循環路４０を形成している。さらに、各大気開放部には異物の混入を防ぐための図示しないエアフィルタが設けられている。

インクが蒸発し易い場合には、各大気開放部に蒸発を防ぐ迷路などの機構を設けても良い。

循環ポンプ３５の流量は、例えば予定される最大循環流量の１２０％に設定されている。上流側タンク２５の液面とインクジェットヘッド１１のオリフィスプレート１８の面の高低差はＨｕ、下流側タンク３０の液面とインクジェットヘッド１１のオリフィスプレート１８の面の高低差は、Ｈｌである。

上流側タンク２５内における第１導管４１の先端からインクジェットヘッド１１のインク室のノズル１７近傍までの流路抵抗、すなわち、上流側流路の流路抵抗をＲｕとする。また、インクジェットヘッド１１のインク室のノズル１７近傍から下流側タンク３０内における第２導管４２の先端までの流路抵抗、すなわち下流側流路の流路抵抗をＲｌとする。ここでＲｕ、Ｒｌは、以後の説明を簡単にするために、インクジェットヘッド１１の内部の流路抵抗を含むものとする。

なお、本実施形態では各タンク２５，３０の断面積が十分大きいので、それぞれのタンク内の液面から各導管４１、４２の接続点までの流路抵抗は普通無視できる。仮に無視できない場合は各々Ｒｕ、Ｒｌに加算して考えれば良い。

インクジェットヘッド１１が内部の循環流路の中間点に分岐を持っていて分岐の先にノズル１７を有する場合、Ｒｕは上流側タンク２５からこの分岐点までの流路抵抗、Ｒｌは分岐点から下流側タンク３０までの流路抵抗であると考えれば良い。

Ｒｌ，Ｒｕの値は流路の物理的形状で決まる定数とインクの粘度との積である。ここでは、インクは比重ρの不揮発性オイルインクであるものとする。重力加速度はｇ、大気圧はＰａｔｍとする。

なお、ここでは吐出流量が循環流量に比べて十分小さいものとする。この場合、インク供給機構１０やインクジェットヘッド１１内の圧力損失の値は吐出流量よりも循環流量に大きく左右されることになる。各インクジェットヘッド１１の下端のノズル１７付近の循環流に起因する動圧は、一般には十分小さく、無視できる。また、このようなインク供給機構１０ではレイノルズ数は普通、十分小さく、乱流の影響は無視できる。

次にこのインクジェット記録装置１における初期充填の動作を説明する。
インクが上流側タンク２５に供給された初期状態において、バルブＶ１を開状態とし、循環ポンプ３５を停止させる。この状態でバルブＶ２を開状態とすると、インクは上流側タンク２５から第１導管４１、インクジェットヘッド１１、第２導管４２を経由して下流側タンク３０に流入する。

このとき、図示しない密閉キャップによってノズル１７の先端を初期充填が終わるまで密閉することにより、インクがインクジェットヘッド１１のノズル１７から流出するのを防ぐことができる。また、圧力ρｇＨｕが小さく、ノズル１７の直径が小さく、かつオリフィスプレート１８の表面にインクが付着していないという条件がそろっている場合には、キャップを使用しなくてもインクはノズル１７から流出しないので、このような場合には密閉キャップを省略できる。

インクが下流側タンク３０に溜まり、液面センサＳ１により、液面が低水位基準である第１水位を超えたことを検知すると、この検知結果に応じた制御部３７の制御により、循環ポンプ３５が作動し、インクが下流側タンク３０から上流側タンク２５に向かって送られる。以後、液面が第１水位を超えている間は循環ポンプ３５が作動する。なお、循環ポンプ３５の作動によって上流側タンク２５の液面は僅かに上昇するが、この変化は十分小さいため無視できる。

この状態において、インクが、上流側タンク２５から、第１導管４１を含む上流側流路、インクジェットヘッド１１、第２導管４２を含む下流側流路、循環ポンプ３５、フィルタ３６、第３導管４３で構成される帰還流路を介して、再び上流側タンク２５に戻る循環流が生じている。循環ポンプ３５は間欠的に作動している。この場合の循環流量はＨｕ，Ｈｌ，Ｒｕ，Ｒｌとρ，ｇによって定まり、その値をＱ１とすれば、Ｑ１＝ρｇ（Ｈｕ＋Ｈｌ）／（Ｒｕ＋Ｒｌ）である。

また、ノズル１７近傍の圧力も、Ｈｕ，Ｈｌ，Ｒｕ，Ｒｌとρ，ｇによって定まる。この値をＰｎ１（ゲージ圧）とすれば、Ｐｎ１＝ρｇＨｕ −ρｇ（Ｈｕ＋Ｈｌ）（Ｒｕ／（Ｒｕ＋Ｒｌ））である。

このとき、Ｐｎ１は、例えばノズル１７からインクが溢れないように、例えば−０．１ｋＰａ程度に設定される。また、Ｑ１は、予定の循環流量よりも小さな値に設定される。この状態を低速循環状態とする。このときＱ１が予定の循環流量よりも小さいので、下流側タンク３０の位置をあまり下げなくてもよい。したがって、物理的な制約がある場合でもインクジェット記録装置１を容易に構成できる。

次に、循環流量を大きくして、ノズル１７近傍の圧力をインク吐出に適する値まで低くする（絶対値を大きくする）動作について説明する。

下流側タンク３０の空気層を大気圧に解放していたバルブＶ２を閉じ、下流側タンク３０内の液面が、第２水位となるまで、循環ポンプ３５を作動させる。液面センサＳ２によって、下流側タンク３０の液面が第２水位を下回ったことが検知されたら、循環ポンプ３５を停止させる。以後循環ポンプ３５は液面が第２基準を超えている間だけ作動させる。このとき、下流側タンク３０の液面はΔＨｌだけ低下し、上流側タンク２５の液面はΔＨｕだけ上昇するがこれらの値はＨｌ，Ｈｕと比べて十分小さい。ここで、ΔＨｌ， ΔＨｕ分のポテンシャルヘッドの変化は十分小さいため無視できる。

バルブＶ２を閉じた時点では、下流側タンク３０の空気層は体積Ｖであったが、この状態から液面を下げたので下流側タンク３０の空気層はＶ＋ΔＶに増大した。したがって、下流側タンク３０の空気層は減圧されている。この状態での下流側タンク３０の空気層のゲージ圧をＰＬ（負値）とすれば、ＰＬ＝−ΔＶ（Ｖ＋ΔＶ）Ｐａｔｍである。ここでＰａｔｍは大気圧である。

このときの循環流量をＱ２とすれば、Ｑ２＝（ρｇ（Ｈｕ＋Ｈｌ）−ＰＬ）／（Ｒｕ＋Ｒｌ）＝ Ｑ１ ＋ （−ＰＬ／（Ｒｕ＋Ｒｌ））となる。すなわち、循環流量はＱ１よりも（−ＰＬ／（Ｒｕ＋Ｒｌ））だけ増大する。

また、ノズル１７近傍の圧力をＰｎ２（ゲージ圧）とすれば、Ｐｎ２＝ρｇＨｕ - （ρｇ（Ｈｕ＋Ｈｌ）−ＰＬ）（Ｒｕ／（Ｒｕ＋Ｒｌ）） ＝ Ｐｎ１＋ＰＬ（Ｒｕ／（Ｒｕ＋Ｒｌ）となる。すなわち、ノズル１７近傍の圧力はＰｎ１よりも−ＰＬ（Ｒｕ／（Ｒｕ＋Ｒｌ）の大きさだけ負圧側にシフトする。

ここで、Ｑ２を目標の適正循環流量に設定し、Ｐｎ２を適正なノズル１７近傍の圧力に設定すれば良い。なお、循環流量の適正値は、例えば印刷時の最大流量の１倍〜２０倍の範囲で設定する。また、ノズル近傍の圧力の適正値は例えば０以下、かつ−３ｋＰａ以上の範囲で設定する。

なお、循環を停止し、かつ、ノズル１７近傍の圧力を適正範囲内に保ったまま待機させる場合は次のように動作させる。まずバルブＶ２を開状態とし、循環ポンプ３５の作動条件を液面センサＳ１に戻し、基準水位を第１水位とすることで、高速循環状態から低速循環状態に移行する。次にバルブＶ１をゆっくり閉じる。この結果、ノズル１７近傍の圧力は徐々に低下する。このとき、ノズル１７近傍の圧力は負圧なので絶対値は大きくなる。このときのノズル１７近傍の圧力の収束値をＰｎ３（ゲージ圧） とすれば、Ｐｎ３＝−ρｇＨｌとなる。Ｐｎ３は例えば−３ｋＰａに設定される。

本実施形態にかかるインクジェット記録装置１またはインク供給機構１０は、以下に掲げる効果を奏する。すなわち、循環ポンプ３５とタンクの内圧の調整により、循環流量やノズル近傍の圧力を適正値に調節することができる。したがって、インクジェットヘッド１１やタンク２５，３０の配置に制約がある場合にも適正な流量や圧力を確保することが可能となる。すなわち、下流側タンク３０の位置が変わってインクジェットヘッド１１のオリフィスプレート１８面に対する下流側タンク３０の液面のポテンシャルヘッドが変わっても、これに応じて液面センサＳ１、Ｓ２の高さの差を変え、密閉時の下流側タンク３０の空気層の圧力を調整することで、所望の循環量とノズル圧力を得ることができるため、下流側タンク３０の位置を構造上有利な場所に配置し易い。

また、仮に下流側タンク３０がインクジェットヘッド１１よりも上に位置したとしても、液面センサＳ１，Ｓ２の高さの差を大きく取り、下流側タンク３０の空気層の負圧を適正な値に設定すれば、所望の循環量とノズル圧力を得ることが可能である。

さらに、状況に応じて循環流量を調整し、低速循環状態と高速循環状態とを使い分け、かつ、ノズル近傍の圧力を適正に維持することにより、循環式システムの利益を享受することができる。すなわち、インクが滞留して沈殿する危険が少なく、システムの温度も安定させるとともに、又循環中にろ過や脱気、脱泡を行えば循環によってインクの性質をよりインクジェットの飛翔に適したものに改質でき、万が一どこかで気泡が発生しても下流側タンク３０まで押し流して気泡を開放可能である程度に循環流量を大きくすることができる。また、一方で、循環流量が大きすぎないように設定することで、負圧部での空気の混入や気液界面での泡立ちを起こす恐れや、又混入してしまった気泡やパーティクル等がヘッドのノズル近くまで送られてしまうのを防ぎ、流路の狭い所をインクが通過する際にインクにシェアストレスが加わりインクの安定性に影響が出るのを防止することができる。

［ 第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係るインクジェット記録装置２について図３乃至図１０を参照して説明する。各図においては適宜構成を拡大、縮小、省略して概略的に示している。なお、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図３に示されるインクジェット記録装置２は、複数のインクジェットヘッド１１〜１６、インク供給源としての上流側タンク２５、インクを貯留する下流側タンク３０、上流側タンク２５にインクを供給する供給タンク４７等を備えている。

複数（ここでは６個）のインクジェットヘッド１１〜１６は、上記第１実施形態のインクジェットヘッド１１と同様に構成されている。

上流側タンク２５と供給タンク４７とは、途中に循環路を開閉可能なバルブＶ３を有する第４導管４４を介して接続されている。供給タンク４７は上流側タンク２５よりも上方に位置し、第４導管４４は供給タンク４７から上流側タンク２５に向かって下方に傾斜して配されている。

供給タンク４７は第１実施形態における上部タンク２６と同様に交換式のカートリッジであってもよいし、上部からインクを注ぐ形式のタンクであっても良い。供給タンク４７の内部圧力は、大気圧に開放されている。供給タンク４７のインクは第４導管を通って上流側タンク２５へ注がれる。

上流側タンク２５は、上部に空気層を有している。この空気層の上部に、開閉可能なバルブＶ４を備えている。このバルブＶ４が制御部３７により開閉されることで、選択的に、上流側タンク２５の液面を大気圧に開放し、あるいは密閉することが可能となっている。

さらに、上流側タンク２５には液面センサＳ３が設けられており、タンク内のインクの液面が予め設定された第３水位に達しているか否かを検知する機能を有する。この液面センサＳ３の検知結果に応じた制御部３７の制御により、上記バルブＶ３が開閉されることで、インクの流動状態を調節可能である。これにより、上流側タンク２５の下部タンクの液面が一定に維持される。

上流側タンク２５の下方に鉛直に延びる第１導管４１には、循環路を開閉可能なバルブＶ５が設けられている。このバルブＶ５よりも下方における第１導管４１は、内径６ｍｍｘ 長さ５ｍｍの円柱管に構成されている。この円柱管状の第１導管４１は、バルブＶ５よりも下方において、６本に分岐し、第５導管を構成している。この６本の第５導管４５はそれぞれ６個のインクジェットヘッド１１〜１６の上流側ポート１１ａ〜１６ａに接続されている。第５導管４５は、分岐部分からインクジェットヘッド１１〜１６の上流側ポート１１ａ〜１６ａに至るまで水平または緩やかに下るように形成されており、上昇する部分がないように構成されている。

上流側タンク２５と下流側タンク３０とを接続する第２導管は、第１導管と同様に、内径６ｍｍの円柱管状に構成されている。この第２導管にも、開閉可能なバルブＶ６が設けられている。さらに、第２導管は、このバルブＶ６の下方において６本の第６導管４６に分岐している。この６本の第６導管４６は、それぞれインクジェットヘッド１１〜１６の下流ポート１１ｂ〜１６ｂに接続されている。第６導管４６は、インクジェットヘッド１１〜１６の下流ポート１１ｂ〜１６ｂから分岐部分に向かって水平に延び、または緩やかに上昇するように形成されており、下降する部分がないように構成されている。

６台のインクジェットヘッド１１〜１６は各々５０ｍｍの幅を有している。したがって、６台全て使用すると３００ｍｍ幅の印刷が可能である。６本の第５導管４５の内径と長さは、最も円柱管に近いインクジェットヘッド１１に接続されるものから、最も遠いインクジェットヘッド１６に接続されるものの順に、φ３ｘ１００， φ３ｘ１５５， φ３ｘ２１０， φ３ｘ２６５， φ３ｘ３２０， φ３ｘ３７５ｍｍに構成されている。６本の第６導管４６の内径と長さは、それぞれ、最も円柱管に近いインクジェットヘッド１１に接続されるものから最も遠いインクジェットヘッド１６に接続されるものの順に、φ３ｘ１０６， φ３ｘ１６０， φ３ｘ２１４， φ３ｘ２６７， φ３ｘ３２１， φ３ｘ３７５ｍｍに構成されている。

第２導管４２において、バルブＶ６よりも上方は上流側タンク２５の内部において上方に鉛直に向かって延び、その先端は空気層に開放されている。第２導管４２において、分岐点よりも下方に、循環路を開閉可能なバルブＶ８が設けられている。バルブＶ８のさらに下方に位置する第２導管４２の先端部分は、下流側タンク３０の内部に開放されている。分岐点から下流側タンク３０の内部の先端までの円柱管の長さは１４３ｍｍである。

下流側タンク３０には二つの液面センサＳ４、Ｓ５が設けられている。液面センサＳ４、Ｓ５は、タンク内のインクの液面がそれぞれ予め設定された第４水位および第５水位に達しているか否かを検知する機能を有する。Ｓ４はＳ５より高い位置に設定されている。下流側タンク３０は上部に空気層を有している。この空気層の上部に、開閉可能なバルブＶ７を備えている。このバルブＶ７が制御部３７により開閉されることで、選択的に、下流側タンク３０の液面を大気圧に開放し、あるいは密閉することが可能となっている。下流側タンク３０の空気層の内圧は圧力センサ３１によって測定されている。

下流側タンク３０は、例えば断面５０ｍｍ^２ 高さ１０ｍｍの寸胴の円筒形に構成されている。液面が第５水位にあるときには空気層体積は５ｍＬとなる。

下流側タンク３０と上流側タンク２５とを接続する第３導管４３は循環ポンプ３５およびフィルタ３６を備えている。下流側タンク３０内のインクは、この循環ポンプ３５及びフィルタ３６を介して上流側タンク２５へ戻される。

ここで、使用するインクは比重０．８５、粘度１０ｍＰａｓの不揮発性油性インクである。各インクジェットヘッド１１〜１６は表面直径２７μｍの撥インク処理された６３６本のノズルを有している。各ノズルから周波数６２４０Ｈｚで４２ｐＬのインクインク滴を吐出できる。一つのインクジェットヘッドの全ノズル６３６本が全て連続して吐出したときのインク流量は１０ｍＬ／ｍｉｎである。

各インクジェットヘッドの上流側ポート１１ａ〜１６ａと下流側ポート１１ｂ〜１６ｂの間の流路抵抗は３．８５ ｘ １０^９ Ｐａ・ｓ／ｍ^３とする。また、オリフィスプレート１８の表面から見た上流側の流路抵抗と下流側の流路抵抗の比は、１：０．９６とする。

上流側第５導管４５の流路抵抗は、最も円柱管に近いインクジェットヘッド１１から最も遠いインクジェットヘッド１６に向かって順に、５．０３ ｘ １０^８ Ｐａ・ｓ／ｍ^３、７．８０ ｘ １０^８ Ｐａ・ｓ／ｍ^３、１．０６ ｘ １０^９ Ｐａ・ｓ／ｍ^３、１．３３ ｘ １０^９ Ｐａ・ｓ／ｍ^３、１．６１ ｘ １０^９ Ｐａ・ｓ／ｍ^３、１．８９ ｘ １０^９ Ｐａ・ｓ／ｍ^３となる。

下流側第６導管４６の流路抵抗は、最も円柱管に近いインクジェットヘッド１１から最も遠いインクジェットヘッド１６に向かって順に、５．３３ ｘ １０^８ Ｐａ・ｓ／ｍ^３、８．０５ ｘ １０^８ Ｐａ・ｓ／ｍ^３、１．０８ ｘ １０^９ Ｐａ・ｓ／ｍ^３、１．３４ ｘ １０^９ Ｐａ・ｓ／ｍ^３、１．６１ ｘ １０^９ Ｐａ・ｓ／ｍ^３、１．８９ ｘ １０^９ Ｐａ・ｓ／ｍ^３となる。

バルブＶ５を含む上流側第１導管４１の流路抵抗は、３．７７ ｘ １０^６ Ｐａ・ｓ／ｍ^３であり、バルブＶ８を含む下流側第２導管４２の分岐点から下流側タンク３０の内部の先端までの流路抵抗は、４．７２ ｘ １０^７ Ｐａ・ｓ／ｍ^３、である。

上流側タンク２５の液面はインクジェットヘッド１１から１６のオリフィスプレート１８の表面よりも１２ｍｍ高く位置している。これによる水頭圧は１００Ｐａである。下流側タンク３０の液面はインクジェットヘッドのオリフィス面よりも１２０ｍｍ低く位置している。これによる水頭圧は１ｋＰａである。

次に、このインクジェット記録装置に初期状態からインクを充填する動作までについて説明する。なお、図３乃至図７において、インクが充填されている部分を斜線のハッチングで示している。図３に示す初期状態でインクは供給タンク４７内に収容されている。この状態からバルブＶ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ８を開き、次いでバルブＶ３を開くと、図４に示すように、インクは上部タンクから下部タンクへ降りてくる。この間Ｖ７は閉じておく。インクは図５に示すように、供給タンク４７から第４導管４４、上流側タンク２５、第１導管４１、インクジェットヘッド１１〜１６、第２導管４２を通って下流側タンク３０へと流れ落ちてくる。なお、液面センサＳ３において、上流側タンク２５の液面が第３水位の高さを上回っている間にはバルブＶ３が閉じられ、液面が調節される。

第２導管４２のインクがバルブＶ６に達したらＶ６を閉じＶ７を開く。ここで、インクがバルブＶ６に達したかどうかの判断は供給開始からの時間で行うことも出来るが、下流側タンク３０の圧力計３１（圧力検出器）の値によっても判断できる。即ち圧力計３１の読み値が下流側タンク３０からバルブＶ６までの高さのインクのポテンシャル圧力と一致したらインクがほぼバルブＶ６の位置に達したと判断できる。この実施形態では第２導管４２のインクがバルブＶ６を超えて上流側タンク２５の空気層に溢れ出しても特に問題は無く、タイミングに関して高い精度は要求されない。

循環ポンプ３５は下流側タンク３０の液面が第４水位の位置を上回ったら作動させるように設定される。図６に示すように、インクが下流側タンク３０に溜まり、第４水位を超えると、設定しておいた条件が成立するので、循環ポンプ３５が作動する。循環ポンプ３５は、下流側タンク３０のインクをフィルタ３６と帰還流路を構成する第３導管４３を介して上流側タンク２５に汲み上げる。この際上流側タンク２５のインクは第３水位よりも僅かに上がる場合があるが、循環系の圧力分布に与える影響は小さく、無視できる。この状態はインクがゆっくり循環する低速循環状態である。

上記動作の間、インクジェットヘッド１１〜１６の各ノズル１７にはまず正圧が与えられ、下流側にインクが充填されるに従ってその値は減少して行く。与えられる正圧の最大値は約１００Ｐａである。この正圧によってインクが垂れることを防ぐには、この間に、各インクジェットヘッド１１〜１６の各ノズル１７を、図示しないキャップで密閉しておけば良い。他に、後で説明するように、適正なメニスカスを維持する条件を保つことで、キャップが無くても各インクジェットヘッド１１〜１６のノズル１７からインクが垂れることを防ぐことができる。

このときの循環流量を計算すると、６台のインクジェットヘッド１１〜１６の合計で６２ｍＬ／ｍｉｎである。また、各インクジェットヘッド１１〜１６毎の循環流量は、円柱管に近いインクジェットヘッド１１から順に、夫々１３ｍＬ／ｍｉｎ、１２ｍＬ／ｍｉｎ、１１ｍＬ／ｍｉｎ、１０ｍＬ／ｍｉｎ、９ｍＬ／ｍｉｎ、８ｍＬ／ｍｉｎとなる。ノズル１７近傍の圧力は全インクジェットヘッド１１〜１６でほぼ等しく−４３４Ｐａである。この状態でも印刷は可能である。

次に、前述したインク循環式の利点を享受するために、循環速度を６台のインクジェットヘッド１１〜１６の合計で１８０ｍＬ／ｍｉｎまで上げる手順について説明する。図７に示すように、バルブＶ７を閉じ、下流側タンク３０を密閉するとともに、圧力計３１が−２１１０Ｐａになるまで循環ポンプ３５を作動させる。圧力計３１が−２１１０Ｐａを下回っている間だけ循環ポンプ３５を作動させるように設定しておく。このとき、下流側タンク３０内の空気層は減圧によって膨張しているがその分の液面は０．２ｍｍ程度僅かに低下する。この液面変化によるポテンシャル圧力の変化は十分小さいため無視できる。なお、この実施形態の条件は、第１実施形態のように液面で管理するよりも、直接圧力を測定して管理する方が望ましいと言える。もちろん、液面を精度良く検出できる場合には、第１実施形態のように液面で管理しても良いし、下流側タンク３０の形状が異なり、例えば空気層の体積がもっと大きければ圧力管理よりも液面管理の方が有利となる場合もあるため、どちらを用いても良い。この状態は、インクが１８０ｍＬ／ｍｉｎで循環する高速循環状態である。

この時の各ヘッド１１〜１６毎の循環流量は、円柱管に近いインクジェットヘッド１１から順に、夫々、３８ｍＬ／ｍｉｎ、３４ｍＬ／ｍｉｎ、３１ｍＬ／ｍｉｎ、２８ｍＬ／ｍｉｎ、２６ｍＬ／ｍｉｎ、２４ｍＬ／ｍｉｎとなる。また、ノズル１７近傍の圧力は、全ヘッド１１〜１６においてほぼ等しく−１．４６ｋＰａである。

以上、各インクジェットヘッド１１〜１６がインクを吐出しない場合やごく僅かだけ吐出する場合について説明したが、インクの吐出を行うと上流側の流量が増大し、下流側の流量が減少するので、ノズル１７近傍の圧力はより負圧側にシフトする。各インクジェットヘッド１１〜１６が最大吐出を行った場合には、ノズル１７近傍の圧力（但し、アクチュエータがインク吐出動作のために発生する高周波成分を除く平均値）は最も負圧側に動く。その時の各ヘッド１１〜１６のノズル１７近傍の圧力を計算すると、円柱管に近いヘッド１１から順に、夫々−１．６８ｋＰａ、−１．７ｋＰａ、−１．７２ｋＰａ、−１．７３ｋＰａ、−１．７７ｋＰａ、−１．７９ｋＰａとなった。これらのノズル位置の圧力は、いずれも適正値の範囲内である。

なお、以上説明した動作に液面センサｓ５は必ずしも必要でないが、このセンサは異常検出に用いることができる。ここで、液面センサＳ５を例えばＳ４の位置よりも１ｍｍ下に設定する。正常に動作している場合には、循環中に液面がＳ５を下回ることは無いはずであるから、もし下流側タンク３０の液面が液面センサＳ５の高さを下回った場合には、異常として上流側タンク２５からヘッドを経由して下流側タンク３０に至るインクの通過経路のどこかにインク漏れがあることを検出できる。

ここで、インク滴下防止の条件について説明する。一般に、循環供給系では、オリフィスプレート１８の表面の高さから見た上流側のインク供給源の単位体積あたりエネルギー（上流側タンク２５の液面の静圧とポテンシャル圧力の和）は、通常インクジェットヘッドのインク吐出に適した圧力Ｐ１よりも上流側流路抵抗×循環流量分だけ大きい。

従って、循環中、メニスカスが図８（ａ）に示すような凹形状の状態にあったとしても、もし何らかの理由で循環が停止すると、メニスカスの負圧は減少し、正圧に転じて図８（ｂ）に示すようにノズル先端から突出して盛り上がる。

立ち上げ初期の循環を開始前の他、待機状態で電力を節約したり、緊急停止のために循環を止める場合などにこの様な状態になる。メニスカスの盛り上がり程度はノズル近傍のインク圧力に依存する。即ち本実施形態のような循環供給系では、上流側タンク２５の液面とオリフィスプレート１８の表面の水頭差に依存する。

このノズル近傍の圧力が大きいと図８（ｂ）の状態から、さらにメニスカスが盛り上がり、図８（ｃ）状態となる。ノズル近傍の圧力がＰ２に達すると、ノズル１７の先端面でインク滴が維持できなくなり、インク２０が滴下し、あるいはノズル１７の先端を越えてオリフィスプレート１８に広がった後滴下する。

待機時などの場合にインクが滴下することは、余計なインクを消費し、また周囲を汚すため好ましくない。従ってオリフィスプレート１８の表面の高さから見た上流側のインク供給源の単位体積あたりエネルギー（上流側タンク２５液面の静圧とポテンシャル圧力の和）はＰ２よりも小さくすると良い。例えば第２実施形態では、上流側タンク２５の液面の静圧は０（大気圧）、ポテンシャル圧力は１００Ｐａなので、オリフィスプレート１８の表面高さから見た上流側のインク供給源の単位体積あたりエネルギーは１００Ｐａである。一方Ｐ２は実測で約２ｋＰａ以上である。したがって、後述するようにオリフィスプレート１８の表面状態を綺麗にしておけばインクの滴下が防止される。

循環時のメニスカス圧力Ｐｎを維持しつつ上流側インク供給源のオリフィスプレート１８面の換算圧力を下げるには、上流側流路抵抗を小さくすれば良い。この為には上流側のインク供給源をインクジェットヘッド１１になるべく近く設置すれば良く、第２実施形態の構造はそのように設定されている。

ノズル１７の近傍にインクの付着が無く綺麗にメンテナンスされているとき、インク２０は図８（ｃ）の状態になるまでノズル１７から溢れ出て滴下することは無い。従って、インク充填動作などに先立ってノズル１７の表面を綺麗にメンテナンスし、あるいはインクジェットヘッド１１を乾燥させておくことで、インクの滴下を防ぎ、インクをノズル１７から滴下させることなくＰ２までの静圧が許容される。

一方、ノズル１７近傍のインク圧力がＰ２よりも小さくても、例えばワイプ等により凸形状になった図８（ｂ）のメニスカス２１を壊してしまうと、図９（ａ）のようにオリフィスプレート１８上にインクが広がり、図９（ｂ）のようにＰ２より小さい圧力Ｐ３でインクが滴下する。

また、図１０（ａ）に示すように、ノズル１７からオリフィスプレート１８の表面までの距離が比較的近い場合は、圧力Ｐ３’でインク２０はノズルプレート側面に回りこむ。また、図１０（ｂ）に示すように、オリフィスプレート１８が表面にノズル１７穴よりも大きい凹部を持つ形状ならば、圧力Ｐ３’’以上で普段インクが付着しないはずのオリフィスプレート１８の最表段にインクが流れ出す。以上のようにインクが流れ出すことは、周囲を汚すため好ましくない。従って上流側インク供給源のノズル面換算圧力をＰ３、Ｐ３’又はＰ３’’以下に抑えておくことがより望ましい。Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の大きさはノズル周辺の形状、ノズル材料とインクの接触角、インクの表面張力によって決まり、計算または実験で求められる。ここで、Ｐ２＞Ｐ３’’＞Ｐ３， Ｐ３’＞０＞Ｐ１である。

本実施形態においても上述した第１実施形態にかかるインクジェット記録装置１と同様の効果が得られる。さらに、本実施形態にかかるインクジェット記録装置２では、インクジェットヘッドが複数の場合にも対応可能である。

［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係るインクジェット記録装置について図１１乃至図１６を参照して説明する。上記第１実施形態または第２実施形態と同様の構成については説明を省略する。なお、各図において適宜構成を拡大、縮小、省略して概略的に示している。

図１１に示されるインクジェット記録装置３は、インクジェットヘッド１１、インクジェットヘッド１１に供給するインクを貯留する上流側タンク２５、インクを貯留する下流側タンク３０、下流側タンク３０にインクを供給する供給タンク４７、これらを接続するとともにインクの循環路を構成する導管４１〜４４、及びインクを循環させるインク送り機構としての循環ポンプ３５を備えている。

インクジェットヘッド１１は、上記第１実施形態のインクジェットヘッド１１と同様に構成されている。

上流側タンク２５及び下流側タンク３０はいずれもインクジェットヘッド１１よりも低く配置されている。上流側タンク２５は第１導管４１を介してインクジェットヘッド１１の上流ポート１１ａと接続されている。下流側タンク３０は第２導管４２を介してインクジェットヘッド１１の下流ポート１１ｂと接続されている。上流側タンク２５と下流側タンク３０とは第３導管４３を介して接続されている。この第３導管４３は、インク送り機能を有する循環ポンプ３５及びフィルタ３６を備えている。下流側タンク３０の内部は、第４導管４４を介して、下流側タンク３０に供給されるインクを保持する供給タンク４７に接続されている。この第４導管４４の途中には、インク送り機能を有する供給ポンプ３８が備えられている。

供給タンク４７は交換式のカートリッジであってもよいし、上部からインクを注ぐ形式のタンクであっても良い。供給タンク４７の内部圧力は、大気圧に開放されている。供給タンク４７の内部のインクは供給ポンプ３８を介して第４導管４４を通って下流側タンク３０へ注がれる。

上流側タンク２５は断面積変化のない円柱状に構成されている。上流側タンク２５は、二つの液面センサＳ６、Ｓ７が設けられている。液面センサＳ６、Ｓ７は、タンク内のインクの液面がそれぞれ予め設定された第６水位および第７水位に達したか否かを検知する機能を有する。第７水位より上の空気層の高さはｈａｕに構成されている。上流側タンク２５の空気層は開閉可能なバルブＶ９を介して大気に接続されている。このバルブＶ９が制御部３７により開閉されることで、選択的に、上流側タンク２５の液面を大気圧に開放し、あるいは密閉することが可能となっている。さらに、上流側タンク２５には、上流側タンク２５の内部の空気層の圧力を測定可能な圧力計３２が設けられている。

下流側タンク３０は断面積変化のない円柱状に構成されている。下流側タンク３０は、二つの液面センサＳ８、Ｓ９が設けられている。液面センサＳ８、Ｓ９は、タンク内のインクの液面がそれぞれ予め設定された第８水位および第９水位に達したか否かを検知する機能を有する。液面センサＳ８より上の空気層の高さはｈａｌに構成されている。下流側タンク３０の空気層は開閉可能なバルブＶ１０を介して大気に接続されている。このバルブＶ１０が制御部３７により開閉されることで、選択的に、下流側タンク３０の液面を大気圧に開放し、あるいは密閉することが可能となっている。さらに、下流側タンク３０には、下流側タンク３０の内部の空気層の圧力を測定可能な圧力計３１が設けられている。

これらの複数のタンク２５，３０，４７、ヘッド１１及び導管４１〜４４によって、インクを循環できる循環系が構成されている。

第７水位と第８水位は高さが同じで、ノズルより高さｈ下方に位置している。第９水位は第８水位よりも−Δｈｌ（Δｈｌは負値）下方に位置している、第６水位は第７水位よりもΔｈｕ上方に位置している。

バルブＶ９と圧力計３２、バルブＶ１０と圧力計３１に接続される部分の内部体積は十分小さいものとする。仮に上流側タンク２５、下流側タンク３０の上部に断面積変化があるか、もしくはバルブＶ９と圧力計３２、バルブＶ１０と圧力計３１に接続される部分の内部体積が無視できない場合は、体積が同じで断面積変化のない円柱状のタンクに置き換えて考えて、ｈａｕ、ｈａｌを補正すればよい。

循環ポンプ３５、供給ポンプ３８はともに、例えばチューブポンプのように、停止時に閉じる構造である。ダイアフラムポンプと逆止バルブを直列にして同じ機能を実現しても良い。なお、循環ポンプ３５や供給ポンプ３８の制御方法は例えばＯＮ／ＯＦＦ制御や速度制御等により行われる。

ここで、本実施形態におけるインクの比重は０．８５、ｈ＝１２０ｍｍである。上流側タンク２５からオリフィスプレート１８の表面までの流路抵抗Ｒｕは、Ｒｕ ＝ ４ ｘ １０^９ Ｐａ・ｓ／ｍ^３であり、らオリフィスプレート１８の表面から下流側タンク３０までの流路抵抗Ｒｌは、Ｒｌ ＝ ４ ｘ １０^９ Ｐａ・ｓ／ｍ^３である。ｈａｕ＝５１ｍｍ， ｈａｌ＝４９ｍｍ、Δｈｕ＝１ｍｍ， Δｈｌ＝−１ｍｍとなっている。ここでは、上流側タンク２５の断面積と下流側タンク３０の断面積は等しい。大気圧は１０１ｋＰａであり、重力加速度は９．８ｍ／ｓ^２である。

次に、このインクジェット記録装置３に初期状態からインクを充填する動作までについて説明する。初期状態でインクは供給タンク４７内に収容されている。ここで、バルブＶ１０を開くとともに、供給ポンプ３８を作動させると、インクが下流側タンクに送られ、下流側タンク３０にインクが貯留される。ここで、バルブＶ９を開いて循環ポンプ３５を作動させると、下流側タンク３０のインクは、フィルタ３６を介して上流側タンク２５に流れ込む。このとき、各液面センサＳ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９を監視しながら循環ポンプ３５と供給ポンプ３８を適宜駆動することで、水位を調整することができる。ここで、上流側タンク２５の液面を第７水位に、下流側タンク３０の液面を第８水位となるよう調節する。この状態で、上流側タンク２５の液面高さと下流側タンク３０の液面高さは一致している。

次にバルブＶ９とバルブＶ１０を閉じて循環ポンプ３５をゆっくり駆動する。これに伴い、インクは第１導管４１、インクジェットヘッド１１、第２導管４２の順で流れ、循環系に充填される。

この状態で、循環ポンプ３５を停止させる。循環流が止まったら、バルブＶ９、バルブＶ１０を開放する。ここで、第１導管４１、インクジェットヘッド１１及び第２導管４２を含む循環系に充填した分だけインクの総量が減っているため、再度、各液面センサＳ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９を監視しながら適宜供給ポンプ３８と循環ポンプ３５を駆動して各液面を第７水位及び第８水位の位置に合わせる。

この状態で、循環は停止しており、インクジェットヘッド１１の液面は大気開放面よりもｈ＝１２０ｍｍだけ上に位置する。したがって、インクジェットヘッドのノズル近傍には−ρｇｈ＝−１ｋＰａの負圧が印加されている。この負圧は、非吐出時のインク圧力としては適切な値である。

次にインクを循環させる動作について説明する。上記インクが充填した状態において、バルブＶ９，Ｖ１０を閉じ、上流側タンク２５の液面が液面センサＳ６の位置になるまで循環ポンプ３５を駆動する。その後は液面センサＳ６の位置を維持するように循環ポンプ３５を制御する。このとき上流側タンク２５の空気は圧縮されるため、圧力が上がる。また、下流側タンク３０の空気は膨張するため、圧力が下がる。ここで、上流側タンク２５の断面積は一様であるので、空気層の体積は空気層の高さに比例する。従って上流側タンク２５の空気層のゲージ圧Ｐａｕは、Ｐａｕ＝Δｈｕ／（ｈａｕ−Δｈｕ）ｘ１０１ｋＰａ＝１／（５１−１）ｘ１０１ｋＰａ＝２．０２ｋＰａとなる。この時上流側タンク２５内のインク量は、Δｈｕに上流側タンク２５の断面積を掛けた体積だけ減少するが、ポンプ３８が停止していれば循環経路内のインクの総量は変わらないので下流側タンク３０のインク量はこれと同じだけ増大する。ここでは上流側タンク２５と下流側タンク３０の断面積が等しいので、Δｈｌ＝−Δｈｕ＝−１ｍｍである。下流側タンク３０の断面積が一様であるので、空気層の体積は空気層の高さに比例する。従って下流側タンク３０の空気層のゲージ圧Ｐａｌは、Ｐａｌ＝Δｈｌ／（ｈａｌ−Δｈｌ）ｘ１０１ｋＰａ＝−１／（４９＋１）ｘ１０１ｋＰａ＝−２．０２ｋＰａである。

上流側タンク２５の液面は１ｍｍ上昇し、下流側タンク３０の液面は１ｍｍ低下しているので、１７Ｐａのポテンシャル圧力が循環方向に働いている。上流側タンク２５と下流側タンク３０の差圧は４．０４ ｋＰａであるので、循環流量は、（４０４０＋１７ Ｐａ） ／ ８ ｘ １０^９ Ｐａ・ｓ／ｍ^３ ｘ １００^３ ｘ ６０ ＝ ３０．４ ｍＬ／ｍｉｎ である。ノズル１７近傍の圧力Ｐｎは，Ｐａｕ−ρｇ（ｈ−Δｈｕ）と、Ｐａｌ−ρｇ（ｈ−Δｈｌ）をＲｕとＲｌで分圧したものであるが、ここではＲｕ＝Ｒｌ， Δｈｕ＝−Δｈｌなので、Ｐｎ ＝ −ρｇｈ ＝ −１ ｋＰａとなる。これは、循環開始前と同一であり、適正値の範囲内である。

また、インクジェットヘッド１１がインクを吐出すると上流側の流量が増大し、下流側の流量が減少するので、Ｐｎは−１ｋＰａよりも負圧側に振れる。この圧力変化は、上流側流路抵抗と下流側流路抵抗を並列にして吐出流量のインクを流した場合の圧力損失と等価であると考えることができる。インクジェットヘッド１１の最大吐出量Ｑｉを第２実施形態と同じ１０ｍＬ／ｍｉｎとすれば、圧力損失Ｐｌｏｓｓは、Ｐｌｏｓｓ ＝ Ｒｕ＊Ｒｓ／（Ｒｕ＋Ｒｓ） ＊ Ｑｉ ＝ ２ｘ１０^９ Ｐａ・ｓ／ｍ^３ ｘ １０ｍＬ／ｍｉｎ ｘ １／（１００^３ｘ６０） ＝ ３３３ Ｐａとなるので、ノズル１７近傍の圧力（但し、アクチュエータがインク吐出動作のために発生する高周波成分を除く平均値）は最大吐出時に約−１．３３ｋＰａまで低下する。この値は適正値の範囲内である。

ここで、流量がさらに大きく、吐出時のＰｎが負圧側に負圧側に振れすぎる場合には、ＲｕとＲｌを小さくする。例えば、導管を太く又は短くすることによりＲｕとＲｌを小さくすることができる。インクジェットヘッド１１が吐出を続けると循環系のインク総量が減少するので、供給ポンプ３８を駆動してインクを補充する。例えば、下流側タンク３０の液面が第９水位よりも下回ったら供給ポンプ３８を駆動し、インクを補給すると良い。

なお、本実施形態では液面センサＳ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９は＋／−１ｍｍの水位差を正しく検知する必要があるが、液面センサＳ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９の精度要求を緩和したい場合にはｈａｕ、ｈａｌ、を本実施形態よりも大きく設定し、ｈａｕ、ｈａｌ、Δｈｕ、Δｈｌの比率を合わせておけば良い。

次に、インクジェット記録装置３において、液面センサＳ６を上げ、Ｓ９を下げて循環流量を０−１００ｍＬ／分まで変化させたとき場合について、説明する。Ｓ６を上げ、同じだけＳ９を下げれば上流側タンクの圧力が上がり、下流側タンクの圧力が下がって循環流量は増大する。Ｓ６の高さを変えつつ同じだけＳ９の高さを逆方向へ移動し、循環流量を０−１００ｍＬ／分まで変化させたときには、循環流量に対してノズル１７近傍の圧力は図１２のように変化する。即ち、循環流量が３０ｍＬよりも大きくなると、ノズル１７近傍の圧力は正圧側に移動して行く。ここで、目標の循環流量が３０ｍＬより大きい場合は、ｈａｕ、ｈａｌの差、即ち循環開始前の上流側インクタンクと下流側インクタンクの空気層の高さの差を大きくすれば良い。例えばｈａｕ＝５２ｍｍ、ｈａｌ＝４８ｍｍ、のとき、循環流量とノズル１７近傍の圧力の関係は図１３に示すように、より広い領域で平坦になる。

さらに、上流側タンク２５と下流側タンク３０の空気層の高さを変える代わりに、上流側タンク２５と下流側タンク３０の断面積を変えても良い。例えば、ｈａｕ＝５０ｍｍ、ｈａｌ＝５０ｍｍ、のとき、上流側タンク２５と下流側タンク３０の断面積比が１：１の場合には図１４に示すような関係となり流量の増大とともにノズル１７近傍の圧力は増大してしまう。そこで
上流側タンク２５と下流側タンク３０の断面積比を１：０．９とすれば、循環流量とノズル１７近傍の圧力の関係は図１５に示すような関係となり、広い領域で平坦になる。

以上説明した例では、循環流量に対してノズル１７近傍のメニスカス圧力が凹形に変化するが、さらに下流側タンク３０の形状を下の方の断面積が小さいすりばち状にするなどにより、循環流量が増加した時に下流側タンク３０液面のポテンシャルヘッドが大きく下がるように構成すれば、循環流量が変わってもノズル１７近傍の圧力が変化しないように設定することも可能である。

ここで、循環ポンプ３５の作動前後でノズル１７近傍の圧力が変化しないような調整方法について説明する。上記各上流側タンク２５の初期状態における空気層の体積をＶｕ、下流側タンク３０の初期状態における空気層体積をＶｌ、下流側タンク３０から上流側タンク２５へ移動するインクの体積をΔＶ、上流側タンク２５の液面が初期状態から上昇した高さをΔｈｕ、下流側タンク３０の液面が初期から下降した高さを−Δｈｌ、上流側タンク２５からオリフィスプレート１８の表面までの流路抵抗をＲｕ、下流側タンク３０からオリフィスプレート１８の表面までの流路抵抗をＲｌ、インク比重をρ、重力加速度をｇ、大気圧をＰａｔｍ、上流側タンク２５の上昇した空気圧をＰｕ（ゲージ圧）、下流側タンク３０の下降した空気圧をＰｌ（ゲージ圧）、オリフィスプレート１８の表面の高さに対する下流側タンク３０の初期液面高さをｈ、ノズル１７近傍の圧力をＰｎ、とする。

初期状態では、Ｐｎ＝ρｇｈとし、循環ポンプ３５を稼動させ、Δｖのインクが移動したときＰｕ＝ΔＶ／（Ｖｕ−ΔＶ）Ｐａｔｍ、ＰＬ＝−ΔＶ／（Ｖｌ＋ΔＶ）Ｐａｔｍとする。上流側タンク２５の液面のポテンシャル圧力はρｇ（ｈ＋Δｈｕ）となり、下流側タンク３０の液面のポテンシャル圧力はρｇ（ｈ＋Δｈｌ）となる。

以下、計算を簡単にするためにＲｕ＝Ｒｌの場合について説明すると、Ｐｎ＝（１／２）｛Ｐｕ＋ρｇ（ｈ＋Δｈｕ）＋ＰＬ＋ρｇ（ｈ＋Δｈｌ）｝
＝ρｇｈ＋（１／２）（Ｐｕ＋Ｐｌ＋ρｇｈΔｈｕ＋ρｇΔｈｌ）
＝ρｇｈ＋（１／２）｛ΔＶ（Ｖｌ−Ｖｕ）＋２ΔＶ^２｝／｛（Ｖｕ−ΔＶ）（Ｖｌ＋ΔＶ）Ｐａｔｍ＋（ρｇ／２）（Δｈｕ＋Δｈｌ）である。
循環ポンプ３５の作動前後でノズル１７の近傍の圧力の変化がないようにするには、
｛ΔＶ（Ｖｌ−Ｖｕ）＋２ΔＶ^２｝／｛（Ｖｕ−ΔＶ）（Ｖｌ＋ΔＶ）｝Ｐａｔｍ＝ρｇ（Δｈｌ＋Δｈｕ）−Δｈｌ＝（Ｐａｔｍ／ρｇ）｛ΔＶ（Ｖｌ−Ｖｕ）＋２ΔＶ^２｝／｛（Ｖｕ−ΔＶ）（Ｖｌ＋ΔＶ）｝＋Δｈｕとすればよい。

ここで、上流側タンク２５を面積Ｓｕの円柱管状であるとすれば、ΔＶ＝ＳｕΔｈｕであり、かつ、−Δｈｕ＝ΔＶ／Ｓｕであるので、−Δｈｌ＝Ｐａｔｍ／ρｇ｛ΔＶ（Ｖｌ−Ｖｕ）＋２ΔＶ^２｝／｛（Ｖｕ−ΔＶ）（Ｖｌ＋ΔＶ）｝＋（ΔＶ／Ｓｕ）となる（式１）。

Ｖｕ＝Ｖｌ＝Ｖのときは−Δｈｌ＝２（Ｐａｔｍ／ρｇ）（ΔＶ^２／Ｖ^２−ΔＶ^２）＋ΔＶ／Ｓｕとなる（式２）。したがって、下流側タンク３０の液面がΔｈｌを下ったとき、ΔＶの体積変化となるように、下流側タンク３０の断面積を式１又は式２が成立するように調整すればよい。

また、空気層の高さや上流側タンク２５と下流側タンク３０の断面積比の代わりに、上流側流路と下流側流路の流路抵抗比を調整して流量に対するノズル１７近傍の圧力変化特性を調整することもできる。例えば、ｈａｕ＝５０ｍｍ、ｈａｌ＝５０ｍｍ、に設定し、上流側タンク２５と下流側タンク３０の断面積比を１：１としたまま、上流側流路を長くするなどして流路抵抗を、Ｒｕ＝４．４ｘ１０^９ Ｐａ・ｓ／ｍ^３、Ｒｌ＝４．０ｘ１０^９ Ｐａ・ｓ／ｍ^３とすれば、循環流量とノズル１７近傍の圧力は図１６に示すような関係となり、図１４よりも広い領域で平坦になる。

本実施形態においても上述した第１実施形態にかかるインクジェット記録装置１と同様の効果が得られる。さらに、下流側タンクを密閉して下流側タンクの圧力を下げるだけでなく上流側タンクも密閉可能として上流側タンクの圧力を上げることができるので、各タンク２５，３０，５０やインクジェットヘッド１１の配置の自由度を向上することが可能となる。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明を実施するにあたり、各構成部材の具体的な形状など、本発明の構成要素を発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更して実施できることは言うまでもない。例えば、上記各実施形態では循環ポンプ３５は液面センサを検知して制御したが、一定流量で動作させても良い。また、上記各実施形態ではインクの補給は、液面センサ３を検知して制御したが、下流側タンク３０の重量が一定になるように制御しても良い。

供給タンク４７からのインク補給は供給ポンプ３８による構成でも、供給タンク４７の液面高さと下流側タンク３０の負圧とユーザータンクから下流側タンク３０の流路抵抗とで決まる自然補給流量を利用してバルブで補給を制御する構成でもどちらでもよい。

上記各実施形態では供給ポンプ３８は液面センサを検知して制御したが、供給ポンプ３８を正逆転可能とし、かつ圧力計３１と圧力計３２の値をＲｕとＲｌで分圧した値を計算し、これが０より小さいとき供給ポンプを正転してインクを補給し、０より大きいときは逆転してインクを供給タンク４７に戻す制御を行うことで計算値が０になるように制御しても良い。このように制御するとｈａｕ，ｈａｌが変わってもノズル近傍の圧力に対するの影響はポテンシャル圧力差分だけしか生じないので、ｈａｕ，ｈａｌをあまり厳密に合わせる必要が無いという利点がある。

このように供給ポンプ３８が正逆転可能であれば上流側タンク２５及び下流側タンク３０は必ずしもヘッドより下にある必要は無く、ヘッドよりも高いところに位置してバルブを閉じて供給ポンプを逆転させて負圧を生成しても良い。例えば、上流側タンク２５と下流側タンク３０の液面をノズルより上３０ｍｍの場所に設置する。ｈａｕ＝ｈａｌ＝５０ｍｍとする。この時バルブ１とバルブ２は開いておくので、ノズルからインクが滴下する恐れがあるが、実施例２で説明した方法によってこれを防いでおく。次いでバルブ１、バルブ２を閉じ、圧力計１と圧力計２の読みをＲｕとＲｌで分圧した値、即ちこの実施例ではＲｕ＝Ｒｌなので圧力計３１と圧力計３２の読みの平均値Ｐａｖｅに従って、Ｐａｖｅが−１ｋＰａより正圧側の時は供給ポンプを逆転させてインクを供給タンクに戻し、Ｐａｖｅが−１ｋＰａより負圧側の時は供給ポンプを正転させてインクを補給すれば、ノズル圧力は−１ｋＰａになる。この時上流側タンク２５、下流側タンク３０の液面は初期より低下している。次いで循環ポンプを３０．４ｍＬ／ｍｉｎで駆動すると、上流側タンク２５の液面は上昇し下流側タンク３０の液面は低下する。この状態での上流側タンク２５の液面と下流側タンク３０の液面はバルブを閉じた時点、すなわちノズルより上３０ｍｍの位置を基準として、Δｈｕ＝０．３８ｍｍ、Δｈｌ＝−１．６７ｍｍである。この液面高さ変化はノズル近傍の圧力に対する影響としては無視できる程度に小さい。この間もＰａｖｅ＝−１ｋＰａとなるように供給ポンプを適宜正転、逆転制御しておけば、ノズル近傍の圧力は循環起動前から循環中に亘りほぼ−１ｋＰａに維持できる。

使用しない冗長なセンサー類は省略することもできるが、省略せずに異常検出のために用いても良い。液面センサとポンプ流量の関係から異常を知ることができる。例えば、定流量で循環停止状態から循環ポンプを駆動した時は、上流側タンク２５の液面センサの位置を検知するまでの時間を測定してもよい。時間が所定範囲よりも長ければ、循環ポンプから上流側タンク２５までに異常があるか、ポンプの動作に異常がある。又圧力計は以下のように異常検出に利用できる。例えば上流ポートの接続が外れていれば、循環ポンプが作動しているにもかかわらず圧力計３１の圧力が上がらないので、液面センサで判断するよりも早く異常を知ることができる。さらに、液面センサと圧力センサの読み値が予測と異なる場合にどこかに異常があると判断することもできる。循環ポンプ３５を起動してから液面センサが所定位置に達する時間を計測して、所定の範囲に無い場合に異常を判断することもできる。例えば循環停止状態から循環ポンプを起動し、所定の時間内に上流側タンク２５の液面が液面センサに到達しなければ、循環ポンプが送液できていないか、又は上流側流路から先にインク漏れがある。逆に所定の時間より短時間で液面センサに到達した場合は上流側タンク２５の気密がとれていないと判断可能である。循環中の液面高さ変動や圧力変動が所定の範囲に収まっているかどうかで異常の有無を検知しても良い。

上記各実施形態において、インクジェットヘッド１１〜１６の構成として図２に示すように、インクの圧力室１９を介してインク２０を循環させつつ吐出させる構成を例示したがこれに限られるものではない。例えば、図１７で示すインクジェットヘッド５０のように、インク貯留部５２にインクを循環供給する方法も適用可能である。このインクジェットヘッド５０は、複数のノズル５１と、このノズル５１に対応して形成された発熱素子５１ａ、インク貯留部５２、このインク貯留部５２の上流側及び下流側に連通する流路５３，５４、等を備えている。この流路５３、５４が、それぞれ上記各実施形態のインク供給機構１０における第４導管４４、第５導管４５に連通されることで、上記各実施形態と同様に機能するとともに上記各実施形態と同様の効果を得られる。この形態ではインク貯留部５２から離間して、スリット５２ａを介して、圧力室５２ｂとメニスカスが形成されるノズル５１を備えており、インク貯留部５２はインク循環部分とスリット５２ａを介した圧力室５２ｂ、ノズル５１との分岐点であると考えることができる。このようなヘッドにインクを循環させた時、インク貯留部５２とノズル５１の表面の高さがほとんど違わないとすれば、非吐出時にはこの分岐点とノズルのメニスカス圧力はほぼ等しい。したがって、インク貯留部５２のインク圧力をノズルのメニスカス圧力と考えて実施すればよい。又、吐出時は吐出流量に分岐点からノズルまでの流路抵抗を掛けた圧力だけノズルのメニスカス圧力が下がると考えればよい。

さらには、このインクジェット装置に使用されるインクジェットヘッドは、循環経路の途中からフィルタを介してアクチュエータ、ノズルへ分岐しているタイプでも良い。この場合も、フィルタとノズル５１の表面の高さがほとんど違わないとすれば、非吐出状態ではノズルの圧力はフィルタ１次側が循環経路と接する部分の圧力と同一と考えることが出来る。又吐出時は吐出流量にフィルタ１次側からノズルまでの流路抵抗を掛けた圧力だけノズルの圧力が下がると考えればよい。アクチュエータ２２として、上記実施形態に示すもの以外にも、例えば、ピエゾ式、ピエゾシェアモード式、サーマルインクジェット式等も適用可能である。

また、オリフィスプレート表面に複数のノズル開口があって各々の高さが異なる場合には、高さの違いに起因するノズル近傍の圧力の違いが適正なノズル近傍の圧力の範囲を超えない限りにおいて、各ノズルの高さの平均をオリフィスプレート表面の高さと考えれば良い。この時ヘッド内のインク循環流の方向を高さの低いノズルに近い方から高さの高いノズルに近い方に向かってとれば、高さの違いに起因するノズル近傍の圧力の違いを減らすことができるので、そのようにしても良い。

また、上記第１実施形態では、循環ポンプ３５を液面センサに従って作動させ下流側タンク３０空気層のゲージ圧ＰＬを得たが、液面センサを設ける代わりに下流側タンク３０空気層のゲージ圧を測定する圧力センサを設け、測定結果がＰＬ（負値）より大きい（絶対値が小さい）間だけ循環ポンプを作動させて直接圧力ＰＬを維持する制御を行う方法もある。

また、液面センサ又は圧力センサの出力を閾値判断してポンプをＯＮ／ＯＦＦ制御する代わりに液面センサ又は圧力センサの出力をアナログ出力とし、かつ循環ポンプはＯＮ／ＯＦＦ制御ではなく前記のアナログ出力値に従って流量を変化させる制御を行い、液面センサ又は圧力センサの出力が所定値の時に循環ポンプが目標流量に一致するようにしておけば、より脈動の少ないスムースな制御を実現できる。

さらに、各実施形態の構成を別の実施形態の構成と組み合わせても良い。すなわち、第１実施形態や第３実施形態においてインクジェットヘッドを複数設けてもよく、第１実施形態や第２実施形態で供給ポンプ３８を用いて供給タンク５０をヘッドよりも下方に配置しても良い。この他、各構成部材の方向、材質、数、具体的な形状など、本発明の構成要素を発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更して実施できる。

本願発明の第１実施形態におけるインクジェット記録装置の全体の構成を概略的に示す図。 同実施形態におけるインクジェットヘッドのノズル周辺の構造を示す部分断面図。 本願発明の第２実施形態におけるインクジェット記録装置の全体の構成を概略的に示す図。 本願発明の第２実施形態におけるインクジェット記録装置の動作を示す図。 本願発明の第２実施形態におけるインクジェット記録装置の動作を示す図。 本願発明の第２実施形態におけるインクジェット記録装置の動作を示す図。 本願発明の第２実施形態におけるインクジェット記録装置の動作を示す図。 同実施形態におけるノズル周辺でのインクの滴下条件を示す断面図。 同実施形態におけるノズル周辺でのインクの滴下条件を示す断面図。 同実施形態におけるノズル周辺でのインクの滴下条件を示す断面図。 本願発明の第３実施形態におけるインクジェット記録装置の全体の構成を概略的に示す図。 本願発明の第３実施形態におけるインクジェット記録装置の循環流量とノズル圧力の関係を示す図。 本願発明の第３実施形態におけるインクジェット記録装置の循環流量とノズル圧力の関係を示す図。 本願発明の第３実施形態におけるインクジェット記録装置の循環流量とノズル圧力の関係を示す図。 本願発明の第３実施形態におけるインクジェット記録装置の循環流量とノズル圧力の関係を示す図。 本願発明の第３実施形態におけるインクジェット記録装置の循環流量とノズル圧力の関係を示す図。 本願発明の第１実施形態の変形例にかかるインクジェットヘッドの構造を示す部分断面図。

符号の説明

１，２，３…インクジェット記録装置、Ｖ１〜Ｖ１０…バルブ、
Ｓ１〜Ｓ９…液面センサ、１０…インク供給機構、１１〜１６…インクジェットヘッド
１７…ノズル、１８…オリフィスプレート、１９…圧力室、２０…インク、
２１…メニスカス、２５…上流側タンク、２８…通気パイプ、２９…インク補給パイプ、
３０…下流側タンク、３５…循環ポンプ、３７…制御部、３８…供給ポンプ、
３８…ポンプ、４０…循環路、４１〜４６…導管、４７…供給タンク。

Claims (1)

1. ノズル、ノズルに対向する圧力室、前記圧力室と連通する上流ポート及び下流ポートを有するインクジェットヘッドと、
   前記上流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通し、インクを貯留する上流側タンクと、
   前記下流ポートを介して前記インクジェットヘッドと連通し、インクを貯留する下流側タンクと、
   前記下流側タンクから上流側タンクへインクを戻す循環ポンプと、を連通して構成される循環系を備え、
   少なくとも前記下流側タンクの空気を大気圧に開閉するバルブを持ち、
   前記上流側タンク及び前記下流側タンクのうち、少なくともいずれか一方の内部のイン
   クの液面の高さを検知する液面検出器を備え、
   前記バルブ及び前記循環ポンプに接続されるとともに、前記循環ポンプ及びバルブの開閉動作を制御し、前記バルブを閉じ前記循環ポンプを駆動することで、前記下流側タンクを負圧にし、帰還流路を介して前記下流側タンクから前記上流側タンクへインクを戻してインクを循環させる制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記液面検出器で検出された液面高さに応じて前記ポンプを制御する、ことを特徴とするインク供給機構。

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