JP6415115B2 - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は液体を吐出する液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置に関する。

インクジェット記録を行うための液体吐出装置の一例として、液体吐出ヘッドに、液体（インク）を収容する別体の液体タンクから液体を供給するものがある。このような液体吐出装置では、液体吐出ヘッドの一部として、液体タンクから供給された液体を一時的に貯蔵する液室が設けられている。そして、液室には、内部に貯蔵する液体の残量を検知するための液体残量検知機構が設けられていることがある。
液体残量の検知方法の一例として、液室内にプリズム状の光学素子部を設け、その光学素子部に検査用の光を入射させ、その反射光の強度を検知して液体の有無を判定する、いわゆるプリズム方式がある。しかし、プリズム方式では、特に高流量の液体吐出を行う場合に、液室の内壁面に液体が一時的に付着して残留することにより、正確な残量検知ができなくなる場合がある。

これに対し、液体残量検知機構の他の例として、液室内に複数の電極ピンを挿入し、電極ピン同士の間の導通状態を検知して液体の有無を判定する、いわゆる電気印加方式が知られている。電気印加方式では、液体が２本の電極ピンに同時に触れているか否かによって電気的な応答が大きく変化する。従って、高流量の液体吐出を行う場合であっても、高精度の残量検知が可能であるというメリットを有する。
例えば、特許文献１には、キャリッジ上に搭載される液体吐出ヘッドの液室内に２本の電極ピンが挿入され、電気印加方式によって液体残量を検知する２つの例が示されている。第１図に示されている構成では、長さが異なる２本の電極ピンが液室の上方から下方に向かって挿入されている。
特許文献１の第２図に示されている構成では、１本の電極ピンが液室の上方から下方に向かって縦に挿入され、もう１本の電極ピンが液室の下方から上方に向かって縦に挿入されている。この構成によると、液室の上方から挿入された電極ピンが液面に接しなくなった瞬間に（下方から挿入された電極ピンは液体に接触し続けている状態で）液体残量少（液体無し）と判定される。この構成では、２本の電極ピンのうちの１本の電極ピン（液室の上方から挿入された電極ピン）が液体に接触しているか否かで、液体の有無を判定している。

特許文献１に開示されているように、２本の電極ピンの高さ方向の位置を異ならせることで、液室内の液体の量を段階的に検知することもできる。即ち、一方の電極ピンが液体に接しなくなった段階から、徐々に液面が下方に移動していくにつれ、２本の電極ピンの間を流れる電気の量が変化する。この変化を計測することで、液体の量の段階的な検知をすることが可能となる。また、２本の電極ピンの長さを変えて先端同士が近接しないようにすることで、近接する２本の電極ピンの先端同士を液体が繋ぐこと（橋かけ状態）により電極ピン同士が短絡し、液体が減少した状態でも液体残量が多いと誤判定されるのを抑えることができる。

特開昭60-34870号公報

液体吐出装置のキャリッジに搭載されている液体吐出ヘッドに設けられた液室内の液体は、キャリッジおよび液体吐出ヘッドの移動に伴って波打つ（揺動する）。それにより、長さの異なる２本の電極ピンが液室内に挿入された構成では、液体吐出動作の最中または直後に液体残量検知を行うと、液体残量検知の精度が低下する可能性がある。すなわち、実際には基準量よりも少なくて静止時には液面が検出用電極ピンの先端よりも下方に位置する液体が、キャリッジおよび液体吐出ヘッドの移動時に波打つことによって検出用電極ピンに接触して、液体残量が多いと誤判定される可能性がある。
図６（ａ）に示すように液室２１の上方から長さが異なる２本の電極ピン２２ａ，２２ｂが下方に向けて挿入されている構成において、液体残量検知の精度が低下する例について説明する。この例では、２本の電極ピン２２ａ，２２ｂが並ぶ方向と、キャリッジの移動方向が一致している。液体２３の残量が所定量以下で、短い電極ピン（検出用電極ピン）２２ａの先端よりも下方に液面が位置する状態で、キャリッジの移動に伴って図６（ｂ）に示すように長い電極ピン２２ｂに向かって液体が波打つと、液体残量少と判定される。しかし、図６（ｃ）に示すように短い電極ピン２２ａに向かって液体２３が波打つと、インク残量が多い（インク有り）と誤判定されてしまう。従って、インク残量少と検知するタイミングが遅れる。
また、図７（ａ）に示すように液室の上方と下方から電極ピン２２ａ，２２ｂが縦に挿入されている構成でも、図６（ｂ）と同様に、下方から挿入された電極ピン２２ｂに向かって液体が波打つと、液体残量少と判定される（図７（ｂ）参照）。しかし、上方から挿入された電極ピン２２ａに向かって液体が波打つと、液体残量が多いと誤判定される可能性がある（図７（ｃ）参照）。従って、液体残量の減少を検知するタイミングが遅れる。
このように、キャリッジ上に位置する液室２１において、液体吐出動作の最中または直後に電気印加方式の液体残量検知を行う場合に、キャリッジの移動方向に液体２３が波打つことによって、液体の減少を検知するタイミングが遅れる可能性がある。特に、近年の液体吐出装置における記録速度（キャリッジ速度）の高速化や、装置の小型化に付随した液室２１の小型化（細長化）によって、キャリッジの移動に伴う液体２３の波打ちが影響を及ぼし易くなっている。その結果、液体残量減少を検知するタイミングが遅れることが課題となる。
そこで本発明の目的は、前述した課題を解決して、液体が波打つことによる影響を抑制して高精度に液体残量検知を行うことができる液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を提供することにある。

本発明は、移動方向に移動しながら液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、液体を一時的に貯蔵する液室と、液室内に挿入されている２本の電極ピンと、を有している。２本の電極ピンは、それらの間の導通状態に基づいて液室内の液体の残量を検知するための電極ピンであり、移動方向における電極ピン同士の間隔をＸ₁、２本の電極ピンの液室内に突出する長さの差をＺ₁とすると、Ｘ₁≧Ｚ₁／０．４であり、液室は、移動方向と直交する方向に突出する突出部を有しており、移動方向と突出部の突出方向とに直交する方向を上下方向としたとき、２本の電極ピンは、液室の上方から液室内に挿入され、液室の上面の、液体吐出ヘッドの移動方向の中心線を挟んで両側にそれぞれ１本ずつ配置されており、突出部は液室の下方で移動方向と直交する方向に突出していることを特徴とする。

本発明によると、液体が波打つことによる影響を抑制して液体残量検知の精度を高めることができ、液体残量が少なくなったことを検知するタイミングが遅れることが抑えられる。

本発明の一実施形態の液体吐出ヘッドを含む液体吐出装置の要部を示す概略図である。 図１に示す液体吐出ヘッドの分解斜視図である。 図１に示す液体吐出ヘッドの断面図である。 図１に示す液体吐出ヘッドにおける液体残量検知状態を説明する模式図である。 本発明の様々な液体吐出ヘッドの電極ピンの寸法および位置を示す模式図である。 従来の液体吐出ヘッドの一例における液体残量検知状態を説明する模式図である。 従来の液体吐出ヘッドの他の例における液体残量検知状態を説明する模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は本発明の液体吐出ヘッド１を含む液体吐出装置の要部を模式的に示している。この液体吐出装置では、液体吐出ヘッド１の吐出口１ａから記録紙等の記録媒体１７に液体（インク）を吐出して記録を行う。記録媒体１７は、プラテン１８によって、液体吐出ヘッド１と対向する位置に支持されるとともに順次搬送される。液体吐出ヘッド１は、レール１９に案内されて記録媒体１７の幅方向（Ｘ方向）に往復移動するキャリッジ２０に搭載されている。

本実施形態の液体吐出ヘッド１の詳細な構成を図２，３に示している。この液体吐出ヘッド１は、キャリッジ２０に搭載されてＸ方向に往復走査するとともに、液体を記録媒体１７に吐出して画像形成する。液体吐出ヘッド１は、主に、液体２を外部に吐出する吐出カートリッジユニット３と、液体２を貯蔵する液体タンク４とを含む。吐出カートリッジユニット３は、主に、吐出口１ａ（図１参照）を有する素子基板５と、素子基板５を保持するとともに素子基板５に液体２を供給する流路６を構成する流路部材７およびサブタンクユニット８とを含む。吐出カートリッジユニット３は、液体タンク４内に挿入される液体供給管９と、液体供給管９に連通する流路６とを備えている。流路６中には、液室１０とフィルタ１１が設けられている。液室１０は、液体タンク４から供給された液体２を一時的に貯蔵し、液体残量検知機構を構成する複数の電極ピン１２が設けられている。各電極ピン１２には、対応するばね片状の電気接続部材１３がそれぞれ当接して電気的に接続されており、さらに、各電気接続部材１３は電気基板１４に接続されている。液体タンク４には電気配線部１５が設けられており、電気配線部１５はコネクタ１６を介して電気基板１４に接続されている。
素子基板５は、複数の吐出口１ａと、複数のエネルギー発生素子（発熱素子や加圧素子等）を内包したエネルギー発生室（図示せず）を備えている。素子基板５が吐出カートリッジユニット３に装着された状態で、流路６は素子基板５内のエネルギー発生室と連通する。
この液体吐出ヘッド１は、４種類（４色）の液体インクを吐出するものであり、４つの液体タンク４を有し４系統の液体経路が構成されている。

液体吐出ヘッド１の個々の液体経路について説明すると、液体タンク４内の液体インクが、液体供給管９を通じてサブタンクユニット８の流路６中の液室１０に導かれ、液室１０内に一時的に貯蔵される。そして、液室に一時的に貯蔵された液体インクは、フィルタ１１を通って流路６内に流入し、さらに素子基板５のエネルギー発生室（図示せず）に導かれる。図示しないが、素子基板５のエネルギー発生素子に電力が供給されると、エネルギー発生素子が熱エネルギーや圧力エネルギーを発生してエネルギー発生室内の液体に付与する。エネルギーを付与された液体は、吐出口から外部に向けて液滴として吐出される。
図３には、液体タンク４が空になり、液体タンク４から供給された液体２が液室１０内に僅かに残留している状態が示されている。

本実施形態の液体吐出ヘッド１は、吐出カートリッジユニット３の液室１０の内部における液体残量を検知する機構（液体残量検知機構）を有する。液体残量検知機構は、具体的には、液体の残量が所定量未満になったことを検知して液体残量少（液体無し）と判定するものであり、液室１０の上方から液室１０内に縦方向（Ｚ方向）に挿入された２本の電極ピン１２を含む。各電極ピン１２は、対応する電気接続部材１３をそれぞれ介して、電気基板１４に接続されている。そして、液体吐出装置本体から電気基板１４に供給される残量検知用の電気信号が、電気接続部材１３を介して電極ピン１２に供給される。この時に２本の電極ピン１２の導通状態によって、液室１０内の液体の残量を検知する。液体、特に画像形成に用いられる液体インクは、導電性を有する液体である場合が多いため、１本の電極ピン１２に電気信号を印加し、他方の電極ピン１２から応答が返ってくる場合には、両電極ピン１２が同時に液体に接していることがわかる。本実施形態では、２本の電極ピン１２の、液室１０の内部に突出する長さが同じである。液室１０内の液面の高さが電極ピン１２の先端（下端）以上である場合には、両電極ピン１２の間が液体によって導通して電気信号の応答が返ってくる。しかし、液室１０内の液面の高さが電極ピン１２の先端よりも低い場合には、両電極ピン１２の間が導通せず電気信号の応答が返ってこない。電気信号の応答の有無によって、液室１０内の液面の高さが電極ピン１２の先端以上であるか否かを判定可能である。従って、電極ピン１２の先端の位置（液室１０内への突出長さ）を適宜に設定することにより、液室１０内の液体が所望の量以上であるか否かを判定することができる。その判定結果を利用して、液体タンク４の交換を必要とするタイミングや液体吐出装置の回復動作を行う適切なタイミングをユーザーに向けて表示することができる。液体残量の検知に関して、単に電気信号があるかどうかで電気信号の応答の有無を判断するという内容で説明したが、本発明はこれに限られない。即ち、電気信号にある閾値を設定し、これを超える場合を応答有り、超えない場合を応答無しとすることもできる。尚、本発明は、液室１０内の液体の量を段階的に検知するというものではなく、電極ピン１２がいずれも液体に接しているか、そうでないかを検知するという構成である。

より正確かつ高速に液体残量の検知を行うためには、液体吐出動作のための液体吐出ヘッド１の移動中または移動直後にも液体残量検知を行うことが好ましい。前述したように、液体吐出ヘッドが移動すると、その移動方向（Ｘ方向）に、液室内の液体が波打つ。その結果、従来は、図６（ｃ），７（ｃ）に示すように、液室２１内の液体２３が所定の量よりも少ないにもかかわらず、２本の電極ピン２２ａ，２２ｂの間が導通して、液体２３の残量が所定の量以上であると誤判定されるおそれがあった。その場合、液室２１内の液体２３の減少を検知するタイミングが遅れてしまう。
この点について本発明者が検討したところ、従来は、２本のうちの１本の電極ピン２２ａを検出用電極ピンとして用い、もう１本の電極ピン２２ｂは長期間にわたって液体に接触するように構成していた。そのことが、液体２３の残量の誤判定および液体の減少を検知するタイミングの遅れの一因であった。

そこで、本実施形態では、図４（ａ）に示すように、２本の電極ピン１２を同じ長さにして、いずれも検出用電極ピンとして機能させるようにした。それにより、液体２の残量が所定の量よりも少ない場合（液面の静止時に電極ピン１２が液体に接しない場合）に、図４（ｂ），４（ｃ）に示すようにいずれの方向に波打っても、２本の電極ピン１２が同時に液体２に接することはない。従って、２本の電極ピン１２はほとんど導通せず、電気信号の応答は返ってこないかごく小さいため、誤判定を抑えられる。このように、本実施形態によれば、液体吐出動作の最中または直後に液室１０内の液体２の揺動（波打ち）が生じても、いずれか一方の電極ピン１２が液面から非接触となった瞬間に液体減少と判定される。すなわち、２本の電極ピン１２をいずれも検出用電極ピンとして機能させることができ、いずれか一方の電極ピン１２だけでも液体に接触しなくなった時点で液体残量の減少（液体無し）と判定できる。従って、液体の残量の減少を検知するタイミングが遅くなることを抑制でき、高精度に残量検知が行える。
前述した液体残量検知機構は１つの液室１０ごとにそれぞれ設けられるため、図２，３に示すように４系統の液体経路を有する液体吐出ヘッド１においては、４つの液体残量検知機構が設けられている。各液体残量検知機構はそれぞれ２本の電極ピン１２を有している。

前述した実施形態では、２本の電極ピン１２の、液室１０の上方から液室１０内に突出する長さを等しくしているが、厳密に等しくなくても前述した実施形態と同様な効果を得られる場合がある。具体的には、図５（ａ１），５（ａ２）に示すように、液室１０の上面の、液体吐出ヘッド１の移動方向（Ｘ方向）における中心線Ｘ_cを挟んで両側に１本ずつ電極ピン１２が配置されている。そして、Ｘ方向における２本の電極ピン同士の間隔Ｘ₁と、２本の電極ピン１２の液室１０内への突出長さの差Ｚ₁が、Ｘ₁≧Ｚ₁／０．４、すなわち０．４Ｘ₁≧Ｚ₁の関係を有する。この場合、液体２の揺動時に液面が水平面に対してなす角度θがtan^-1（Ｚ₁／Ｘ₁）＝tan^-1（０．４）＝約２２度より小さいと、長い電極ピン１２が液体２にぎりぎり接触する状態で短い電極ピン１２も液体２に接触することが防げる。すなわち、揺動時の角度θが約２２度未満であると、２本の電極ピン１２が同時に液体２に接触して液体２の残量が多いと誤判定されることが抑えられる。
Ｘ₁≧Ｚ₁／０．３、すなわち０．３Ｘ₁≧Ｚ₁であると、揺動時の液面の角度θがtan^-1（Ｚ₁／Ｘ₁）＝tan^-1（０．３）＝約１７度より小さい時に、２本の電極ピン１２が同時に液体に接触して液体の残量が多いと誤判定されることが抑えられる。Ｘ₁≧Ｚ₁／０．２、すなわち０．２Ｘ₁≧Ｚ₁であると、揺動時の液面の角度θがtan^-1（Ｚ₁／Ｘ₁）＝tan^-1（０．２）＝約１１度より小さい時に、２本の電極ピン１２が同時に液体に接触して液体２の残量が多いと誤判定されることが抑えられる。Ｘ₁≧Ｚ₁／０．１、すなわち０．１Ｘ₁≧Ｚ₁であると、揺動時の液面の角度θがtan^-1（Ｚ₁／Ｘ₁）＝tan^-1（０．１）＝約６度より小さい時に、２本の電極ピン１２が同時に液体２に接触して液体２の残量が多いと誤判定されることが抑えられる。従って、キャリッジの移動速度や、液体の粘度や比重等を考慮して、場合によっては実験的に検証して、液体吐出ヘッド１の移動に伴う揺動時の液面の角度θを推定してから、Ｘ₁とＺ₁が適切な関係になるように電極ピン１２の寸法と位置を決定すればよい。

図５（ｂ１）〜５（ｃ２）には、液室１０の形状を変えた変形例を示している。図５（ｂ１），（ｂ２）に示すように液室１０の下方がＸ方向に拡張された形状や、図５（ｃ１），（ｃ２）に示すように液室１０の下方がＸ方向に直交する方向（Ｙ方向）に拡張された形状であっても、前述したようにＸ₁とＺ₁を規定することが効果的である。いずれの形状であっても、液室１０の上面のＸ方向の中心線Ｘ_cを挟んで両側に１本ずつ電極ピン１２が設けられる。
また、図５（ｄ１），５（ｄ２）に示すように、Ｘ₁＝０、すなわち、２本の電極ピン１２がいずれも、液室１０の上面のＸ方向の中心線上に位置している場合には、２本の電極ピン１２の長さを等しくしてＺ₁＝０にすればよい。

以上説明した構成を採用することによって、液体吐出動作の最中または直後であっても、液室内の液体の残量を高精度に検知することができる。それにより、例えば、液体タンクの交換の必要性や、液体吐出ヘッドの回復動作のタイミングを遅滞なくユーザーに通知することができる。そして、液体吐出動作を一時停止して残量検知を行う必要はないので、スループットを低下させなくてもよい。

１ 液体吐出ヘッド
１ａ 吐出口
２ 液体（インク）
４ 液体タンク
５ 素子基板
１０ 液室
１２ 電極ピン
１７ 記録媒体
２０ キャリッジ

Claims (8)

1. 移動方向に移動しながら液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、
   前記液体を一時的に貯蔵する液室と、前記液室内に挿入されている２本の電極ピンと、を有し、
   前記２本の電極ピンは、それらの間の導通状態に基づいて前記液室内の前記液体の残量を検知するための電極ピンであり、前記移動方向における前記電極ピン同士の間隔をＸ₁、２本の前記電極ピンの前記液室内に突出する長さの差をＺ₁とすると、Ｘ₁≧Ｚ₁／０．４であり、
   前記液室は、前記移動方向と直交する方向に突出する突出部を有しており、
   前記移動方向と前記突出部の突出方向とに直交する方向を上下方向としたとき、
   前記２本の電極ピンは、前記液室の上方から該液室内に挿入され、前記液室の上面の、前記液体吐出ヘッドの移動方向の中心線を挟んで両側にそれぞれ１本ずつ配置されており、
   前記突出部は前記液室の下方で前記移動方向と直交する方向に突出していることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. Ｘ₁≧Ｚ₁／０．３である、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. Ｘ₁≧Ｚ₁／０．２である、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
4. Ｘ₁≧Ｚ₁／０．１である、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
5. ２本の前記電極ピンの前記液室内に突出する長さが互いに等しい、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
6. ０＜Ｚ ₁ ≦０．４Ｘ ₁ 、かつＸ ₁ ＞０である、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記液室は、液体が貯蔵される液体タンクと、液体を吐出する吐出口を有する素子基板との間に設けられている、請求項１から６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドを搭載して往復移動するキャリッジと、を有することを特徴とする液体吐出装置。

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