JPH02214666A - インクジェット・ペン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はインク・ジェット印字システムに関し、特に大
きな高さと温度の変動を受けてもインク漏れがない容量
効率が高いインクジェット・ペンに関する。

〔従来技術とその問題点〕

インクジェット・プリンタは動作が静かで迅速であり、
用紙への印刷性能が高いので極めて普及してきた。そし
てこれまで色々な形式のインクジェット・印字システム
が開発されてきた。

連続噴射印刷と呼ばれるインクジェット・印字システム
の一つでは、インクは加圧されて印字ヘッド内のノズル
に給送され１１．連続的なインクジェットを生成する。

各インク・ジェットは一連のインク小滴の中で振動によ
って分離される。即ちこの小滴は荷電され、静電的に偏
向されて印刷媒体又は後の再循環用のインク樋へと送ら
れる。米国特許明細書箱３．５９６．２７５号はこの方
法を開示している。

静電引込み印刷と呼ばれる別のインクジェット・印字シ
ステムでは、印刷ノズル内のインクはゼロ圧力又は低い
正圧を受け、インク小滴の流れの中に静電的に引き込ま
れる。インク滴はインク滴の飛翔方向と、印刷媒体上の
所望位置への沈積とを制御するように配置された２対の
偏向電極の間を飛翔する。米国特許明細書箱３．０６０
．４２９号はこの方法を開示している。

前述の方法よりも普及している第３の方法はドロップ・
オン・デマンド（需要に応じた滴下）印刷として知られ
ている。この技術の場合は、インクは大気圧以下の圧力
でペン内に保持され、インク滴生成器によって一時に一
滴ずつ需要に応じて噴出される。これには２つの基本的
噴射機構が利用される。即ち熱バブル・システムと圧電
圧力波システムである。熱バブル・システムでは、イン
ク滴生成器内の薄膜抵抗器が加熱され、インクの小部分
を急激に気化させる。急激に膨張したインク蒸気はイン
クをノズルから移動してインク滴の噴射が行われる。米
国特許明細書箱４．４９０，７２８号はこのような熱バ
ブル・ドロップ・オン・デマンド・システムの例である
。

圧電圧力波システムでは、インク滴生成器内のインク容
積を急激に圧縮するために圧電素子が利用され、それに
よって圧力波が生成されてノズルからインク滴を噴射さ
せる。米国特許明細書箱３．８３２．５７９′号はこの
ような圧電波ドロップ・オン・デマンド・システムの例
である。

ドロップ・オン・デマンド技術は、静止状態において、
インクはインクが噴射されるまでペン内に溜まるように
、インク溜め内の圧力が大気圧以下であることが必要で
ある。この“低圧°゛（又は“部分真空”）の度合いは
重要である。低圧が小さ過ぎると、即ちインク溜めの圧
力が正であると、インクはインク滴生成器から漏れ出し
てしまう。

低圧が大きすぎると静止状態のインク滴生成器内に空気
が吸引される。（インク滴生成器の強い毛管現象によっ
て、空気とインクのメニスカスがインク溜めの部分真空
に抗して保持されるので、空気は通常はインク滴生成器
内に吸引されない。）ドロップ・オン・デマンド・シス
テムに必要な低圧は多様な方法で得ることができる。一
つのシステムでは、低圧はインクの表面がノズルのレベ
ルよりも僅かに下になるようにインク溜めを下げること
によって重力式に得られる。しかし、インク溜めのこの
ような位置決めは必ずしも容易には達成されず、印字ヘ
ッドの設計に重大な制約をもたらす一重力式低圧の例は
米国特許証明書第３．４５２，３６１号である。

必要な低圧を達成するための別の技術はいずれも本件の
出願人に譲渡されている、米国特許第４．５０９，０６
２号及び米国出願番号０７／１１５．０１３号に開示さ
れている。前者の特許では、低圧はインクが引き出され
るにつれて漸次つぶされる袋式インク溜めを使用するこ
とによって達成される。弾力的袋の復元力によって、イ
ンク溜め内のインクの圧力が大気圧より僅か低く保たれ
る。後者の特許出願に開示されているシステムでは、一
端がインク溜め内のインクに浸漬され、他端が大気圧へ
と開放されている溢れ溜めに連結された毛管インク溜め
通気管、即ちバブル生成器を使用することによって低圧
が達成される。これもインク溜めに接続されている印字
ヘッドがインク溜めからインクを引き出すと、インク溜
めの内圧が低下する。インクがインク溜めから噴射され
ると、この低圧は増大する。低圧がしきい値に達すると
、インク溜めは少量のインクを毛管を通してインク溜め
内に引込み、それによって低圧がしきい値を超えること
が防止される。

インク溜めの低圧を維持するための前記の２つのアプロ
ーチは多（の側面で充分に満足でき、特有の効果がある
ことが実証されているが、それにも係わらず幾つかの欠
点がある０例えば、前記引用した特許に開示されたペン
では、弾力的な袋が完全に凹んだ状態に達すると、低圧
はインク滴生成器が最早インクを引き出せず、袋の中に
未使用のインクが残ったまま印刷が終了してしまう値ま
で増大する。前記に引用した出願に記載のペンはそれが
適正に機能することができる温度と標高に制約がある０
例えば、このようなペンが高度８０００フイートに加圧
された航空機のキャビン中で輸送されると、インク溜め
内の空気は約１７３だけ容積が膨張するだろう、インク
溜め内の空気の容積が毛管インク溜め通気管からの溢れ
（オーバーフロー）が行きつく溢れ溜めの容積の３倍以
上である場合は、空気膨張は溢れ溜めが収容し得る以上
のインクを溢れ溜めに押しやり、溢れ溜めは溢れてしま
うであろう。この問題は可能な如何なる高度又は温度環
境でもインクを収容するに充分の大きさの溢れ溜め設け
ることによって、例えば、溢れ溜めの寸法をインク溜め
の寸法の完全に３５％にすることによって解決可能であ
る。しかし、この解決法は容積上、効率が悪く、所定の
容量のペンが含み得るインクの量が限定される。

（発明の目的〕 この発明の目的は上述したこれらの問題点を解決するイ
ンクジェット・ペンを提供することであり、特に、小さ
い溢れ溜めを有し、大きい高度及び温度の変動に耐える
ことができる容量上効率のよいインクジェット・ペンを
提供することである。

〔発明の概要〕

発明の一実施例によれば、インクジェット・ペンは小さ
い連結オリフィスによって互いに直列に連結された複数
個のインク室を設けて構成される。

インク井戸は第−室から下方に拡がり、その底部に位置
するインク滴生成器にインクを供給する。

溢れ溜めは室の全ての下部に延び、頂部にバブル生成器
を有する滴下管によって直列に最後の室に連結されてい
る。

動作の際は、ペンのインク溜めを構成する複数個の直列
に接続された室は最初は完全にインクが充填されている
。ペンのインク滴生成器の動作によってインクが第１室
から噴出されると、そのインク滴生成器内に生起される
部分真空が第２室から第１室へと引き込まれたインクに
よって緩和され、今度は第２室が第３室からインクを引
き込む。

その結果生じる第３室の部分真空はバブル生成器による
気泡の誘導によって緩和される。

印刷が継続されると、第３のインク溜めは最終的にイン
クが空により、その代わりに溢れ溜めから誘導された空
気で充填される。その後、更に印刷を続行すると、イン
クは第２室から第１室へと引き込まれ、気泡は第３室か
ら第２室へと引き込まれる。最後に、第２室のインクが
空になると、さらに印刷しても気泡が第２室から第１室
に引き込まれるだけである。

前述の構成によって、任意の所定の時期において１つの
室だけが空気とインクの双方を含む。別の室にはインク
か空気の何れかが充填されている。

その結果、ペン内の空気を膨張させる高度又は圧力の変
動はそこからインクを押し出すための３つの室のうちの
１つだけに影響を及ぼす、何故ならば、他の室には膨張
する空気も、押し出されるインクも含まれていないから
である。このように、例示の３室型ペンで溢れ溜めに押
し出されるインクの容積は、所定の周囲環境の変動にお
いて、匹敵する単一置型ペンの丁度１／３である。従っ
て、本発明に基づくペンは従来のペンに必要な寸法の僅
か１／３の溢れ溜めで製造でき、それゆえ、ペンの容量
効率が高まり、且つ、インクの初期装填用により多くの
ペンｉ容量を利用できる。

本発明の原理は任意のより多数の室を有するペンに応用
でき、それによって、溢れ溜めの必要サイズを任意に小
さくすることができる。

添付図面を参照した本発明の以下の詳細な説明によって
、発明の前述の、及び更に別の目的、特徴及び利点が明
らかにされよう。

〔実施例〕

第１図反型第４図を参照すると、本発明の実施例に基づ
くインクジェット・ペンは多重室のインク溜め１２を含
んでおり、この実施例ではそれぞれ第１、第２及び第３
室１４．１６及び１８から成っている。第１室１４と第
２室１６とは第１分割壁２２の下部内の前記室の底部近
傍に位置する小さい連結オリＯ フィス勃によって連結されている。同様に第２室１６と
第３室１８とは第２分割壁２６の下部内の近傍に位置す
る小さい連結オリフィス２４によって連結されている。

第１室１４から下方には、その底部に位置するインク滴
生成器３０にインクを給送するインク井戸２８が延びて
いる。インク滴生成器３０は従来の設計のものでよく、
例えば熱気泡型のインクジェット又は圧電圧力波型のイ
ンクジェットを備える俗ことができる。インク井戸２８
は異物による印刷オリフィスの詰まりを防止するための
フィルタ３２を上部に配設することができる。

第１４−１８の下方には、頂部に気泡生成オリフィス３
８を存する滴下管３６によって第３室に連結された溢れ
溜め３４が延びている。溢れ溜め３４はペンの底部から
上方に延びる通気口４０によって外気と通気されている
。

動作の際は、３つの室１４−１８は最初はインクが完全
に充填されている。この充填状態では、膨張し、又イン
クを外に押し出すことができる空気はどの室にも存在し
ないので、高度又は温度の変動はペンには殆ど作用を及
ぼさない。インクの容積自体は高度や温度の変動では変
化しない。空気を含むペンの一要素、即ち溢れ溜め３４
は外気と通気されているので、内部での空気膨張は容易
に逃がされる。

印刷中、空気が順次３つの室内に誘導される。

印刷が始まると、インク滴生成器３０によるインクの噴
射によって第１室１４が部分真空状態になる。

この部分真空状態はオリフィス２０を介した第２室１６
から第１室１４へのインクの引込みによって緩和される
。（オリフィス２０は両側が湿っているので流体制限素
子としてのみ機能する。この制限は並列の多重オリフィ
スを使用することによって任意に小さ（することができ
る。）第２室１６からこのようなインクの引込みによっ
て、同様に第２室１６にはオリフィス２４を介して第３
室１８から対応する容積のインクが引き込まれる。

第３室１８内の部分真空圧がしきい値に達すると、（図
示した実施例では約１．５インチ水）それは気泡生成器
オリフィス３８を通って気泡を引き込むのに充分となる
。この圧力は“気泡圧力”と称し、主としてオリフィス
の直径とインクの粘度に左右される。図示した実施例で
は、気泡生成器オリフィス３８の直径は０．０１２イン
チである。（この気泡圧力よりも小さい部分真空はイン
ク／空気の境界での表面張力に打ち勝つには不十分であ
り、従って気泡生成器から気泡を引き出すことができな
い、） 気泡生成器３８を通して第３室１８へと至る気泡の誘導
によって、インクの継続的な噴射により再度気泡圧力に
なり、そして別の気泡が誘導されるまで、第３室１８の
部分真空は瞬間的にしきい値以下に低下する。印刷が継
続されると、気泡が周期的に誘導され、その結果、第３
室ｌＢ内の空気の容積が増大する。この“定常状態”印
刷状態中、第３室１８内の低圧は気泡圧力を中心にして
密接に境界をもった領域で振動する。連結オリフィス２
ｏ２４には圧力降下は存在しないので、第１及び第２室
１４．１６はこの圧力にて調整（１１節）される。（片
側にインクがあり、別の側に空気がある場合だけにオリ
フィスにて圧力降下が生じる。）印刷が継続すると、第
３室１８は最終的に空気が充填し、インクが排出されて
いる状態になる。その後は、第１室によって第２室から
引きだされたインクを、従来そうであったようには元に
戻すことができない、そうではな（、継続的な印刷によ
って、気泡が第３室から第２室へと誘導される。

（この時点で、気泡生成オリフィス３８において空気／
インクの界面がないので、第３室は大気圧下にある。）
第３室１８に空気が満たされると、第２室１６と第３室
１８の間の連結オリフィス２４は気泡生成器として作用
する。このオリフィス２４の寸法棲は以前に気泡生成オ
リフィス３８が行ったと同じ圧力差（即ち気泡圧力、１
．５インチの水柱圧）が生じるような寸法であり、従っ
て、インク室１４．１６内の部分真空状態は変化しない
。

ペンを継続的に動作すると、同様にして第２室１６が排
出され、空気が充填されるので、第１室１４だけがイン
クを含むようになる。その後、印刷によって消費された
インクの補充としてインクではなく気泡が第１室１４に
引き込まれる。連結オリフィス２０が気泡生成器として
機能し、第１室１４内の圧力が大気以下の所望値に保持
される。

最後に、インクが第１室１４から排出され、ペン前述の
通り、室の全てにインクが充填されてる場合には、膨張
し、そしてインクを溢れ溜め内に押し込む空気がペン内
に存在しないので、高度と温度は影響を及ぼさない。

ペンの最初の印刷段階（第１段階）の期間中、即ち、第
１及び第２室がインクで充填され、幾らかの空気が第３
室にある場合、空気を膨張させる周囲環境の変化によっ
てインクは第３室１８から気泡生成オリフィス３８を通
して溢れ溜め３４内に駆動される０図示した実施例では
、ペンは８０００フイートに及ぶ高度変動で機能するよ
うに設計されている。この高度で、空気圧は海面におけ
る圧力参の約３７４であり、従って第３室にトラップさ
れた空気は逆比例量、即ち１／３の係数だけ膨張する。

溢れ溜めの容積が第３室の容積の１７３である場合は、
追い出されたインクを収容するのに充分過ぎる。

（第３室が必要とする１／３の係数だけ完全に増大する
唯一の状態は、第３室が完全に空気で充填された場合で
ある。この場合は、溢れ溜め内に駆動されるインクは存
在しないであろう。第３室がインクを含む限りにおいて
、第３室は膨張可能な空気を含まず、従って第３室の１
７３の容積の寸法の溢れ溜めは予測されるインクの溢れ
を収容するのに充分適切である。） その後外部要因が変化し、そして第３室１日内にトラッ
プされた空気の容積が当初の容積まで収縮してもとに戻
ると、第３室内に部分真空状態が形成されてインクを引
き込んで、溢れ溜め３４から滴下管３６内を上昇して気
泡生成オリフィス３８を経て第３室内に戻す。

第１室がインクで充填され、第３室が空気で充満し、第
２室に双方が充填されている第２の動作段階（第２段階
）も同様である。第２室内の空気容積を膨張させる外部
環境の変動によって、インクは第２室を出て、連結オリ
フィス２４を通り、空の第３室内に押し込まれる。少量
のインクは溢れ溜め３４内に押し出されることなしに第
３室内に駆動され得る。しかし、第３室内に押し込まれ
たインクの容積が気泡生成オリフィス３８を覆うのに充
分になると、大気圧と第３室との連結が遮断され、第３
室は有効に密閉される。さらに第２室から第３室に駆動
されたインクによって、対応する容積のインクが第３室
から気泡生成するオリフィス３日を通って溢れ溜め３４
内に駆動される。対応する容積のインクが溢れ溜め３４
内に駆動されなかった場合は、第３室１８内のさらなる
インクは前記の現在密封された室内にトラップされた空
気を圧縮するように働くであろう。最も抵抗が少ない経
路は、通気された溢れ溜め用に第３室を残すためではな
くインク用である。その結果、空気の膨張によって第２
室１６から駆動されたインクの殆ど全てが溢れ溜め３４
内に流入する。少量のインクだけが第３室の床に溜まっ
ているに過ぎない。

その後周囲条件が変化して、第２室１６内にトラップさ
れた空気の容積が収縮すると、部分真空が第２室内に形
成され、これがインクを溢れ溜め３４から滴下管３６と
、気泡生成オリフィス３８と、第３室の床上の僅かなイ
ンクの溜まりと、最後に連結オリフィス２４とを経て第
２室１６へと駆動される。

この一連の事象は第２図反型第４図に図示されている。

第２図は本発明に基づくペンの第２の動作段階、即ち、
第１室１４にはインクが充填され、第３室には空気が充
填され、第２室は両方を含んでいる段階を示している。

温度が上昇すると、第２室１６内の空気は膨張し、そし
て第３図に示すようにインクを第３室１８を通して溢れ
溜め３４へと駆動する。その後温度が低下すると、溢れ
溜め３４内のインクは引き上げられ、第４図に示すよう
に第３室１゛８を通って第２室１６へと戻される。

第２と第３室１６．１８のインクが空の場合も同じ一連
の事象が起きる。温度が上昇すると、第１室１４内の空
気は膨張して、そのなかのインクをオリフィス２０を通
して、開放オリフィス２４と３８により大気圧下にある
第２室１６へと駆動する。第１室１４から駆動されたイ
ンクは、第２室１６を通気するオリフィス２４が追い出
されたインクによって遮断されるまで第２室１６内に集
積する。その後、インクが継続して第１室１４から放出
されると、インクは第２室１６の床のインク溜まりから
オリフィス２４を通って第３室１８まで押し込まれる。

このインクはそれがオリフィス３８を遮断するまで溜ま
り、その時点でインクはこのオリフィスを通って溢れ溜
め３４内に駆動さ＃れる。その後周囲条件が変化し、第
１室１４内にトラップされた空気の容積が収縮すると、
インクは溢れ溜め３４から出て、オリフィス３８と、第
３室１８と、オリフィス２４と、第２室１６と、オリフ
ィス２０とを通り、最後に第１室に戻る。

溢れ溜めの容積はペンが機能すべき高度と温度の変動及
び最大のインク室の容積に左右されることが理解されよ
う、室の容積が同じであると想定した本発明の最も簡単
な２つの室を有する場合では、インク溜めから溢れ溜め
へとインクを駆動できる空気容量は常にインク溜めの容
積の半分以下である。（同様に、インク溜めから溢れ溜
めに駆動できるインクの容積は常にインク溜めの容積の
半分以下である。）その結果、溢れ溜めは通常サイズの
１／２ですむ。溢れ溜めの寸法はインク溜めを対応する
多数の比例して小さい室へと分離することによって更に
縮小することができる。

これまでの説明では本発明の１実施例を開示してきたが
、その原理は他の多様な構造に応用可能である。その−
例が第５図に示したインク室構成である。第１図の実施
例ではインク溜めは連結オリフィスを形成する分割壁に
よって複数個の室に分割されたが、第５図では室は“葡
萄の房”状の構造であり、それらの面に延びる連結管４
２と４４によって連結されている。

同様に、第１図の実施例は連結オリフィスを室の側壁内
に配置して図示されているが、必ずしもこのように構成
する必要はない、第６図は連結オリフィス２０ゝ、２４
″が室１４−１８を分割する壁の下方に延びる流れ管４
６．４８へと開放された構成を示している。

〔発明の効果〕

以上の説明のように、インク溜内の圧力が大気圧以下で
あることが必要なオンデマンド・インクジェット記録方
式において、溢れインク溜を小さな寸法によって形成で
き、そして温度や高度の変化に対してインク漏れを防止
することができる：これまで発明の原理を好適な実施例
とその幾つかの変形に基づいて説明してきたが、この発
明はこような原理から逸脱することなく構造と細部を更
に変更できることが理解されよう０例えば、直列に接続
されたインク室から成るインク溜めに関して説明してき
たが、別の多様な室の相互連結技術を好適に活用できる
。同様に、隣接するインク室を結合する単一のオリフィ
ス連結機構を有するものとして説明してきたが、複数個
の連結オリフィスを使用することも好適であろう。（単
一のオリフィスだけを使用する場合は、オリフィスに詰
まりを発生させる外来異物によってペンの動作に重大な
障害が生じるであろう。幾つかのオリフィスを並列に動
作させるとこによってペンの信頼性は高まる。）同様に
、単一のインク・ペンとして説明してきたが、シアン、
黄、マゼンタのインクを一つの印字ヘッドに給送可能な
マルチプル・インク・ペンにも等しく応用できる。最後
に、追い出されたインクを収集するための溢れ溜めを有
するものとして説明してきたが、例えば弾力的な袋のよ
うな多様なインク４８集技術を同様の目的に適用できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるインクジェット・ペン
の断面図、第２図は、インクが部分的に空になった状態
を示した断面図、第３図は第２図の状態において、温度
上昇により、第２室内のある量のインクが溢れ溜めに排
出された状態を示した図。 第４図は第３図の状態において、温度の低下により、溢
れる溜め内のインクが第２室中に戻された状態を示した
図、第５図および第６図は本発明の別実施例によるイン
クジェット・ペンの断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）複数個の相互接続されたインク室より成るインク
   溜と、前記インク室の一つに接続されたインク滴生成器
   と、前記インク室のうちの他の一つに接続され、前記イ
   ンク溜中の空気膨張によってインク溜から排出されたイ
   ンクを収容する溢れ溜とより成るインクジェット・ペン
   。 （２）前記溢れ溜は大気圧に通じた室である請求項第１
   項記載のインクジェット・ペン。（３）前記複数個のイ
   ンク室は管によって相互接続されている請求項第１項記
   載のインクジェット・ペン。 （４）前記インク溜は分割壁によって複数個の室に分離
   され、そして前記管はこの分割壁の底部に設けられてい
   る請求項第３項記載のインクジェット・ペン。 （５）前記インク溜は分割壁によって複数個の室に分離
   され、そして前記分割壁はそれによって分離されている
   ２個のインク室を結合するオリフィスを定める請求項第
   １項記載のインクジェット・ペン。 （６）定常状態において、インクの位置がオリフィスの
   位置より上であるように各インク室中に所望の低圧を維
   持する手段を含む請求項第５項記載のインクジェット・
   ペン。 （７）溢れ溜からインク溜へインクを戻す手段を含む請
   求項第１項記載のインクジェット・ベン。 （８）定常プリント状態において、インク滴生成器に接
   続されたインク室中に所定の低圧を維持する手段を含む
   請求項第１項記載のインクジェット・ペン。 （９）Ｎ個（Ｎ≧２）のインク室を有し、第１インク室
   はインク滴生成器に接続され、第Ｎインク室は大気圧に
   通じ、そして第２から第 （Ｎ−１）インク室は直列接続される請求項第１項記載
   のインクジェット・ペン。