JP2017209864A - 液体吐出装置及び液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】比較的流量の大きい形態であっても、負圧力を好適に制御し安定した吐出動作を維持することが可能な液体吐出装置および液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】負圧調整ユニットにおいて、負圧室内の液体を導出するための導出流路２４５は、負圧室の重力方向上方に配置された出口２４４と、この出口２４４に連結しこれよりも重力方向上方に空間を有する泡溜まり２４７と、この出口２４４から流出された液体を底部の導出口２４６まで導く流路とを備える。
【選択図】図１５

Description

本発明は、液体吐出装置および液体吐出ヘッドに関する。

液体吐出ヘッドで正常な吐出動作を維持するためには、大気と連通する吐出口近傍において、好適なメニスカスが安定して形成されることが求められる。このようなメニスカスは、液体を吐出口の方向へ導く毛細管力とこれとは反対の方向に液体を引き戻そうとする負圧力とのバランスによってその形状が決まる。よって、液体吐出ヘッドでは、吐出頻度やインクの消費量によらず、毛細管力に相応する適度の負圧力を継続的に発生させるような仕組みが求められる。

例えば、液体吐出ヘッドとこれに液体を供給するタンクが一定化されている比較的小型の液体吐出装置では、液体を吸収させたスポンジのような負圧発生部材をタンク内に配備することにより、上記負圧力をほぼ適切な範囲で発生させることができる。しかし、装置内に固定された大容量のタンクからチューブなどを介して液体吐出ヘッドに液体を供給する形態では、圧力損失の影響が大きく上記負圧力を適切な範囲で維持することが困難になる。

特許文献１には、このような課題に対し、液体吐出ヘッドの直前にバブルユニット（レギュレータ）を備え、負圧力を適正な範囲に維持するための構成が開示されている。

特許第３６０６２８２号公報

但し、特許文献１の構成は、主にシリアル型の液体吐出装置を対象としている。このため、フルライン型の液体吐出装置のようにヘッドに供給する液体の流量が大きい構成は、バブルユニットの流路断面積を更に大きくして流抵抗を下げることが好ましい。しかし、この場合には、バブルユニット内に気泡が残りやすく、圧力制御が困難になる場合があった。即ち、液体の流量が大きい構成においては、特許文献１に記載の構成を採用しても液体吐出ヘッドに対し適切な負圧力を継続的に維持することは困難であった。

本発明は上記問題点を解決するために成されたものである。よってその目的とするところは、比較的流量の大きい形態であっても、負圧力を好適に制御し安定した吐出動作を維持することが可能な液体吐出装置および液体吐出ヘッドを提供することである。

そのために本発明は、タンクから供給された液体を吐出する液体吐出ユニットと、前記タンクと前記液体吐出ユニットを接続する流路の間に配され前記液体吐出ユニットに流入する液体の流圧を調整するための負圧調整ユニットと、を備える液体吐出装置であって、前記負圧調整ユニットは、内圧が所定の範囲に調整される負圧室と、該負圧室に収容されている液体を前記負圧調整ユニットから導出するための導出流路と、を有し、前記導出流路は、前記負圧室の重力方向上方に配置された出口と、該出口に連結し前記出口よりも重力方向の上方に空間を有する泡溜まりと、前記出口から流出された液体を前記負圧調整ユニットの底部に開口した導出口まで導く流路と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、負圧室内に泡が発生した場合であっても、この泡の存在によって負圧室の内圧やここからの流圧が不安定になることを抑えることができる。結果、比較的流量の大きい形態であっても、負圧力を好適に制御し安定した吐出動作を維持することが可能となる。

インクジェット記録装置の内部構成概略図である。 インクジェット記録装置における液体循環流路を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、液体吐出ヘッドの外観斜視図である。 液体吐出ヘッドの分解斜視図である。 （ａ）〜（ｆ）は、流路部材の詳細な構成を説明するための図である。 流路部材の透視図である。 流路部材の断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、吐出モジュールの斜視図および分解図である。 （ａ）〜（ｃ）は、記録素子基板の構造を説明するための図である。 記録素子基板の構造を説明するための図である。 記録素子基板の接続状態を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、負圧制御ユニットの外観斜視図および断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、負圧制御ユニットの分解斜視図である。 流抵抗Ｒと弁開度Ｄの関係を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、負圧制御ユニットの表裏面を示す図である。

（インクジェット記録装置の説明）
図１は、本発明の液体吐出装置として使用可能なインクジェット記録装置１０００の内部構成概略図である。搬送部１は、記録媒体となるシートＳを一定の速度でｙ方向に搬送する。液体吐出ヘッド３は、搬送中のシートＳに対し記録データに従ってｚ方向にインクを吐出する。本実施形態の液体吐出ヘッド３は、同色のインク（同じ種類の液体）を吐出する複数のノズルが、シートＳ幅に対応する距離だけｘ方向に配列して構成されるフルライン型のインクジェット記録ヘッドである。そして、このようなノズル列が、シアン、マゼンタ、イエロー、およびブラックのインク別に、ｙ方向に並列配置されている。吐出動作に必要なデータや電力は電気配線ユニット５から供給される。なお、シートＳはカット紙であってもよいし、ロール紙であってもよい。

液体吐出ヘッド３の重力方向上方（−ｚ方向）には、不図示のチューブからインクを受容したり、そのインクを液体吐出ヘッド３に供給したりするための液体供給ユニット４が配備されている。そして、更にその上方には、液体吐出ヘッド３に供給するインクの圧力調整を行うための負圧制御ユニット２が配備されている。液体供給ユニット４および負圧制御ユニット２はインク色ごとに用意され、液体吐出ヘッド３における負圧力は各インク色で独立に調整できるようになっている。

図２は、インクジェット記録装置１０００における液体循環流路を示す図である。ここでは、１色のインクについての循環流路を示している。バッファタンク１００３は、第１高圧循環ポンプ１００１、第１低圧循環ポンプ１００２、第２循環ポンプ１００４と接続されており、これらポンプの作動によって図の左から右方向へインクが流れるようになっている。一方、バッファタンク１００３内のインク残量が少なくなると、補充ポンプ１００５が作動し、装置内に固定されている大容量のメインタンク１００６からインクが補充される。バッファタンク１００３には大気連通口が形成されており、流入した気泡を液体循環流路から排出できるようになっている。

第１高圧循環ポンプ１００１と第１低圧循環ポンプ１００２は、流出接続部１１１ａ、１１１ｂを介して液体供給ユニット４から流出されるインクを、バッファタンク１００３に導く。

第２循環ポンプ１００４は、バッファタンク１００３に貯留されたインクを、流入接続部１１２を介して、液体供給ユニット４に供給する。第２循環ポンプ１００４を配備しておくことにより、高密度な記録や液体吐出ヘッド３の回復処理のために、バッファタンク１００３のインクが急激に減少しても、液体吐出ヘッド３内の流圧を一定範囲に維持することができる。言い換えると、バッファタンク１００３を、インク残量や水頭圧を考慮せずに装置内にレイアウトすることができる。

液体供給ユニット４は、流入接続部１１２より収容したインクを、フィルタ２２１を介して異物を取り除いた後、負圧制御ユニット２に供給する。負圧制御ユニット２には、高流圧でインクを流出する負圧制御ユニットＨと、低流圧でインクを流出する負圧制御ユニットＬが並列配置されている。そして、負圧制御ユニットＨより流出されたインクは流入口３０１ａを介して、負圧制御ユニットＬより流出されたインクは流入口３０１ｂを介して、それぞれ液体吐出ヘッド３内の液体吐出ユニット３００に供給される。

液体吐出ユニット３００には、第１高圧循環ポンプ１００１と負圧制御ユニットＨにより高圧力でインクが流れる共通供給流路２１１と、第１低圧循環ポンプ１００２と負圧制御ユニットＬにより低圧力でインクが流れる共通回収流路２１２が形成されている。また、液体吐出ユニット３００には、複数のノズルがｘ方向に配列されて成る記録素子基板１０が、ｘ方向に更に複数接続されている。そして、個々の記録素子基板１０には、共通供給流路２１１と接続する個別供給流路２１３ａと、共通回収流路２１２と接続する個別回収流路２１３ｂが形成されている。このため、個々の記録素子基板１０には、共通供給流路２１１と共通回収流路２１２の流圧差に伴うインク流れが発生する。具体的には、高圧力を有する共通供給流路２１１より個別供給流路２１３ａを介してインクが流入され、更にそのインクが個別供給流路２１３ａを介して共通供給流路２１１へ流出される。

この際、個々の記録素子基板１０で吐出動作が行われると、循環中のインクの一部が吐出によって消費され、残りのインクは個別回収流路２１３ｂおよび共通回収流路２１２を経て、流出口３０２ｂより液体供給ユニット４に排出される。一方、共通供給流路２１１においていずれの個別供給流路２１３ａにも流入しなかったインクは、流出口３０２ａより液体供給ユニットに排出される。流出口３０２ａと３０２ｂより液体供給ユニット４に流出されたインクは、流出接続部１１１ａおよび１１１ｂを介して第１高圧循環ポンプ１００１および第１低圧循環ポンプ１００２に供給される。

以上のような循環供給回路を用いた液体吐出ヘッドにおいては、記録素子基板１０の吐出動作で発生する熱が流動する液体によって奪われるので、吐出動作が連続して行われても、蓄熱に伴う吐出不良を抑えることができる。また、吐出頻度が少ないノズルの近傍に増粘インクや異物が停滞し難く、すべてのノズルの吐出状態を安定させることができる。

但し、上記効果を得るためにあまり流速を大きくしてしまうと、液体吐出ユニット３００における圧力損失によって記録素子基板１０間で圧力差が生じ、吐出状態がばらつき、濃度ムラなどが招致されるおそれがある。よって、本実施形態で使用する第１高圧循環ポンプ１００１および第１低圧循環ポンプ１００２においては、個々の記録素子基板１０間の温度差と圧力差のどちらもが印刷した画像に影響しない程度に、その排出流量が調整されていることが好ましい。具体的な例としては、チューブポンプ、ギアポンプ、ダイヤフラムポンプ、シリンジポンプ等のような定量的な送液能力を有する容積型ポンプが挙げられる。また、例えば一般的な定流量弁やリリーフ弁をポンプ出口に配して一定流量を確保することもできる。

一方、第２循環ポンプ１００４としては、駆動時に使用するインク循環流量範囲において、一定圧以上の揚程圧を有するものであればよく、ターボ型ポンプや容積型ポンプなどを用いればよい。具体的には、ダイヤフラムポンプ等が挙げられる。また第２循環ポンプの代わりに、例えば負圧調整ユニットに対しある一定の水頭差をもって配置された水頭タンクとすることもできる。

図３（ａ）および（ｂ）は、液体吐出ヘッド３の外観斜視図である。本実施形態の液体吐出ヘッド３は、シートＳの全幅をカバーするフルライン型のカラーインクジェット記録ヘッドである。ｘ方向には１５個の記録素子基板１０が配列し、個々の記録素子基板１０が、吐出データに従ってシアン、マゼンタ、イエローおよびブラックの４色のインクをｚ方向に吐出する。

吐出データや吐出動作のための電力は、電気配線基板９０に設けられた信号入力端子９１および電力供給端子９２に入力され、フレキシブル配線基板４０を介して、それぞれの記録素子基板１０に供給される。本実施形態において、信号入力端子９１および電力供給端子９２の数は、記録素子基板１０の数（１５個）よりも少ない数に抑えられている。

一方、記録素子基板１０が吐出するインクは、図２で説明したように、流入接続部１１２を介して液体供給ユニット４に流入され、負圧制御ユニット２で流圧が調整された後、液体吐出ユニット３００に供給される。そして、吐出によって消費されなかったインクは、再び流出接続部１１１を介して液体吐出ヘッド３より排出される。図では、４色のインク分の流入接続部１１２および流出に用いる流出接続部１１１が示されている。流入接続部１１２および流出接続部１１１のそれぞれには、各種ポンプと連通するためのチューブが接続される。

図４は、液体吐出ヘッド３の分解斜視図である。液体吐出ヘッド３は、ヘッド剛性を担保するための筐体８０に対し、＋ｚ方向側より液体吐出ユニット３００が、−ｚ方向側より液体供給ユニット４および負圧制御ユニット２がこの順番で取り付けられて構成される。筐体８０の−ｙ方向側には電気配線基板支持部８２とともに電気配線基板９０がビス止めされる。液体吐出ユニット３００は、更に３層から成る流路部材２１０と１５個の記録素子基板１０からなる吐出モジュール２００、およびこれらの外周を被覆するカバー部材１３０がｚ方向に積層される。

負圧制御ユニット２は、４色のインクそれぞれについて独立に用意されている。個々の負圧制御ユニット２の内部には、図２で説明した負圧制御ユニットＨと負圧制御ユニットＬが、ｘ方向に並列配置されている。負圧制御ユニット２については後に詳しく説明する。

本実施形態の液体供給ユニット４はｘ方向に分離した位値に２つ用意されており、夫々が２色分の負圧制御ユニット２に対応づけられている。即ち、１つの液体供給ユニット４には、図２で示す２色分の流出接続部１１１ａ、１１１ｂおよび流入接続部１１２と、２色分のフィルタ２２１が配備されている。

筐体８０は、液体吐出ユニット３００の反りを高精度に矯正して、記録素子基板１０の位置精度を確保する役割を果す。このため、筐体８０は十分な剛性を有することが好ましい。好適な材質としてはＳＵＳやアルミなどの金属材料やアルミナなどのセラミックが挙げられる。筐体８０の底部には、ジョイントゴム１００を挿入するための開口８３、８４が設けられている。液体供給ユニット４と、液体吐出ユニット３００とは、ジョイントゴム１００を介して液体の流入出が行われる。

１５個の記録素子基板１０からなる吐出モジュール２００は、インクを滴として吐出する構成を備え、流路部材２１０は、液体供給ユニット４から供給された液体を個々の記録素子基板１０さらに個々のノズルに導く構成である。流路部材２１０および吐出モジュール２００については後に詳しく説明する。

カバー部材１３０は、記録素子基板１０の吐出口面を露出させるための長尺の開口１３１を有している。開口１３１周囲の枠部は、液体吐出ヘッド３の吐出口面を保護したり吸引回復処理を行ったりする際に、ゴム状のキャップ部材と当接する。液体吐出ヘッド３の製造時において、枠部の内側に接着剤、封止材、充填材を塗布した後、当該面を吐出モジュール２００と接着させることにより、キャップ部材との密着度を高め、吐出口面の保護や回復処理の効果を高めることができる。

図５（ａ）〜（ｆ）は、流路部材２１０の詳細な構成を説明するための図である。図５（ａ）および（ｂ）は第１流路部材５０の表裏面、図５（ｃ）および（ｄ）は第２流路部材６０の表裏面、図５（ｅ）および（ｆ）は第３流路部材７０の表裏面をそれぞれ示している。図５（ａ）が吐出モジュール２００との当接面、図５（ｆ）が液体供給ユニット４との当接面である。また、図５（ｂ）に示す第１流路部材５０の面と図５（ｃ）に示す第２流路部材６０の面が当接し、図５（ｄ）に示す第２流路部材６０の面と図５（ｅ）に示す第３流路部材７０の面が当接する。

液体供給ユニット４より供給されたインクを吐出モジュール２００の個々の記録素子基板１０に導くための流路構成と、個々の記録素子基板１０で消費されなかったインクを液体供給ユニット４に戻すための流路構成が、これら流路部材によって実現されている。このような流路部材２１０は、筐体８０の底面にビス止め固定されており、その反りや変形が抑えられている。

第３流路部材７０において、液体供給ユニット４と当接する面（図５（ｆ））には、図２で説明した液体供給ユニット４の流入口３０１ａ、３０１ｂおよび流出口３０２ａ、３０１ｂに対応する位置に連通口７２が形成されている。これら連通口７２は背面側（図５（ｅ））に貫通しており、背面側にはｘ方向に延在する共通流路溝７１が形成されている。図において、８本の共通流路溝７１のうち、４本が各インク色の流入口に連結する共通流路溝７１であり、残りの４本が各インク色の流出口に連結する共通流路溝７１である。このような構成のもと、流入口である連通口７２より供給されたインクは、その背面において共通流路溝７１に沿ってｘ方向に広がる。

第２流路部材６０において、第３流路部材７０の図５（ｅ）に示す面と当接する面（図５（ｄ））には、第３流路部材７０に形成された共通流路溝７１に対応する位置にｘ方向に延在する共通流路溝６２が形成されている。更に、個々の共通流路溝６２には、背面側（図５（ｃ））に貫通する連通口６１が、ｘ方向の所々に形成されている。このような構成のもと、共通流路溝７１および６２に広がるインクの一部は、第２流路部材６０の背面側（図５（ｃ））に移動する。

第１流路部材５０において、第２流路部材６０の図５（ｃ）に示す面と当接する面（図５（ｂ））には、第２流路部材６０に形成された連通口６１から、個々のインク色に対応するノズル列が形成された位置までインクを導くための個別流路溝５２が形成されている。個々の個別流路溝５２の連通口６１とは反対の端部には、背面側（図５（ａ））に貫通する連通口５１が形成されている。このような構成のもと、連通口６１より流入されたインクは、個別流路溝５２に沿って進行し、連通口５１を介して第１流路部材５０の吐出モジュール２００と対向する面（図５（ａ））に移動し、吐出モジュール２００にインクを供給する。一方、吐出モジュール２００にて消費されなかったインクは、上記流路と逆の流路を辿って図５（ｆ）の連通口７２に戻り、液体供給ユニット４に流出する。

第１流路部材５０、第２流路部材６０、第３流路部材７０のそれぞれは、液体（インク）に対して十分な耐腐食性を有し、線膨張率の低い材質から構成されることが好ましい。好適に使用可能な材質としては、アルミナや、樹脂材料、特にＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＰＳ（ポリフェニルサルファイド）やＰＳＦ（ポリサルフォン）を母材としてシリカ微粒子やファイバーなどの無機フィラーを添加した複合材料などが挙げられる。流路部材２１０を形成する際には、第１流路部材５０、第２流路部材６０、第３流路部材７０を互いに接着してもよいが、材質として樹脂複合樹脂材料を選択した場合には、溶着によって接合することもできる。

図６は、流路部材２１０を−ｚ方向から観察した場合の第１流路部材５０、第２流路部材６０、第３流路部材７０の透視図である。ここでは、図５（ｄ）および（ｅ）で示される８本の共通流路溝６２（７１）のうち、インク供給のために利用される流路溝を、各インクについて６２１ｋ、６２１ｃ、６２１ｍ、６２１ｙとして示している。また、インク回収のために利用される流路溝を、各インクについて６２２ｋ、６２２ｃ、６２２ｍ、６２２ｙとして示している。さらに、図５（ｂ）で示される個別流路溝５２のうち、インク供給のために利用される流路溝を、５２１ｋ、５２１ｃ、５２１ｍ、５２１ｙとして、インク回収のために利用される流路溝を、５２２ｋ、５２２ｃ、５２２ｍ、５２２ｙとして示している。このように、連通口７２、共通流路溝７１、６１、連通口６１、個別流路溝５２および連通口５１は、いずれも、インク色ごとに流入流路と流出流路が独立して用意されている。

図７は、図６のＥ−Ｅ断面図である。第３流路部材７０と第２流路部材６０の重ね合わせによって、インク供給のための共通供給流路６２１ｋ、６２１ｃ、６２１ｍ、６２１ｙとインク回収のための共通回収流路６２２ｋ、６２２ｃ、６２２ｍ、６２２ｙが形成されている。ブラックインク（Ｋ）を回収するための共通回収流路６２２ｋとマゼンタインク（Ｍ）を回収するための共通回収流路６２２ｍが、第１流路部材５０に形成されたインク回収のための個別回収流路５２２ｋ、５２２ｍとそれぞれ接続している。図７では、図２で説明した記録素子基板１０における共通供給流路２１１と共通回収流路２１２の断面も示している。ブラックインク（Ｋ）の個別回収流路５２２ｋはブラックインク（Ｋ）の共通回収流路２１２に接続し、マゼンタインク（Ｍ）の個別回収流路５２２ｍはマゼンタインク（Ｍ）の共通回収流路２１２に接続している。

以上説明した構成により、本実施形態の液体吐出ユニット３００では、共通供給流路６２１→個別供給流路５２１→記録素子基板１０→個別回収流路５２２→共通回収流路６２２の順にインクが流れ、図２で説明したインク循環を滞りなく維持することができる。なお、図６及び７で示したブラック、シアン、マゼンタ、イエローのｙ方向における流路溝の配列順序は一例であり、他の順序とすることもできる。

図８（ａ）および（ｂ）は、吐出モジュール２００の斜視図および分解図である。吐出モジュール２００は、支持部材３０上に記録素子基板１０を接着し、更に記録素子基板１０上の端子１６とフレキシブル配線基板４０の端子４１をワイヤーボンディングによって電気接続し、そのワイヤーボンディング部を封止材１１０によって封止する。フレキシブル配線基板４０において、記録素子基板１０との接続部とは反対の位置にある端子４２は、電気配線基板９０の接続端子９３と電気接続される（図３、図４参照）。支持部材３０には、図２で説明した共通供給流路２１１や共通回収流路２１２と接続するための液体連通口３１が、第１流路部材５０の連通口５１と対応する位置に形成されている。支持部材３０は、記録素子基板１０の支持体であると同時に、記録素子基板１０と流路部材２１０との間に位置する１つの流路部材でもある。このため、平面度が高く、十分に高い信頼性をもって記録素子基板１０と接合できるものが好ましい。好適に使用可能な材質としては例えばアルミナや樹脂材料が挙げられる。

図９（ａ）〜（ｃ）および図１０は、記録素子基板１０の構造を説明するための図である。図９（ａ）は記録素子基板１０の上面図、図９（ｂ）は図９（ａ）に示す領域Ａの拡大図、図９（ｃ）は記録素子基板１０の背面図である。また、図１０は、図９（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図１０に示すように、記録素子基板１０は、主に吐出口形成部材１２と、基板１１と、蓋部材２０がｚ方向に積層されて構成されている。

図９（ａ）の上面図に示すように、１つの吐出口形成部材１２（記録素子基板１０）には、同色のインクを吐出する吐出口１３がｘ方向に配列して成る吐出口列が、インク色分だけｙ方向に並列配置している。また、その端部にはフレキシブル配線基板４０と接合するための端子１６が形成されている。本実施形態の記録素子基板１０は平行四辺形を呈しており、ｘ方向に１５枚配列することにより吐出モジュール２００が形成される。

図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す領域Ａの拡大図である。本実施形態の液体吐出ヘッドにおいて、１つの記録素子（ノズル）は、電気熱変換素子１５、圧力室２３、および吐出口１３によって構成される。圧力室２３はｘ方向に並ぶ２つの隔壁２２によって形成される。圧力室２３は、内部に液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生する素子（ここでは電気熱変換素子１５）を備える。電気熱変換素子１５は端子１６と電気的に接続されており、電気配線基板９０及びフレキシブル配線基板４０を介して、装置本体の制御回路に駆動制御される。このような構成のもと、吐出データに従って電気熱変換素子１５に電圧パルスが印加されると、圧力室２３に供給されたインク中に膜沸騰が生じ、その泡の成長エネルギーによって、電気熱変換素子１５と対向する位置にある吐出口１３からインクが吐出される。

一方、吐出口列のｙ方向両側には、共通供給流路２１１と接続し圧力室２３にインクを供給するための液体供給路１８と、共通回収流路２１２と接続し圧力室２３からのインクを回収するための液体回収路１９が、ｘ方向に延在している。また、図１０の断面図にも示すように、液体供給路１８および液体回収路１９のそれぞれには、圧力室２３と個別に連通する供給口１７ａと回収口１７ｂが形成されている。圧力室２３の内部の液体は、供給口１７ａや回収口１７ｂを用いて、圧力室２３の外部との間で循環することができる。

更に、図９（ｃ）にも示すように、第１流路部材５０と接する側に配された蓋部材２０には、第１流路部材５０の連通口５１に対応する位置に複数の開口２１が形成されており、記録素子基板１０内の液体供給路１８及び液体回収路１９のそれぞれに連通している。このような蓋部材２０においては、液体（インク）に対する十分な耐食性と、混色防止の観点から複数の開口２１の高いレイアウト精度が求められる。よって例えば、感光性樹脂材料やシリコン板を用い、フォトリソプロセスによって開口２１を設けることが好ましい。

以上の構成により、液体供給ユニット４においては、開口２１→液体供給路１８→供給口１７ａ→圧力室２３→回収口１７ｂ→液体回収路１９→開口２１の順にインクが流れる。そして、圧力室２３の流動時に電気熱変換素子１５が駆動された場合に、その一部が吐出口１３より吐出される。この際、圧力室２３のインクは吐出頻度によらず安定して流動しているので、増粘インク、泡、異物などが混在しても、これらは特定の位置に滞留せず、液体回収路１９へ導出（排出）される。

図１１は、記録素子基板１０の接続状態を示す図である。図９（ａ）でも説明したように、本実施形態の記録素子基板１０は平行四辺形を呈している。そして、この記録素子基板１０の複数を、互いの側辺を当接させながらｘ方向に連続配置することにより、４色のインクに対応する４列の吐出口列１４が形成される。この際、２つの記録素子基板１０の接続箇所において、一方の記録素子基板１０の最端部に位置する少なくとも１つの吐出口１３と、もう一方の記録素子基板１０の最端部に位置する吐出口１３が、ｘ方向の同じ位置にレイアウトされるようになっている。言い換えると、そのようにレイアウトされるように、平行四辺形の傾き角度が設計されている。図では、Ｄ線上の２つの吐出口１３が、ｘ方向の同じ位置にレイアウトされている。

このような構成によれば、液体吐出ヘッド製造時に２つの記録素子基板１０が多少ずれて接続されてしまっても、接続部に相当する位置の画像は、オーバーラップ領域に含まれる複数の吐出口の恊働によって印刷することができる。よって、紙面上にされた画像においては、上記ずれに伴う黒スジや白抜けを目立たなくすることができる。なお、以上では記録素子基板１０の主平面を平行四辺形としたが、本発明はこれに限るものではない。例えば長方形、台形、その他形状の記録素子基板を用いることもできる。

次に、本実施形態で用いる負圧制御ユニット２について詳しく説明する。既に図２で説明したように、本実施形態の負圧制御ユニット２には、相対的に高流圧でインクを流出する負圧制御ユニットＨと、相対的に低流圧でインクを流出する負圧制御ユニットＬを備えている。図１や図３に示す負圧制御ユニット２の形状は、外形が等しいこれら２つのユニットを、表裏反転した関係でｘ方向に並列配置しビス止めして得られたものである。

本実施形態の負圧制御ユニット２は、一般に「減圧レギュレータ」と呼ばれる構造を有しており、液体の流量変動に伴う圧損変化を弁やバネ部材などの働きによって抑制し、負圧制御ユニット２より下流の流圧を安定させる。この際、バネ部材の付勢力や受圧板の寸法を異ならせることにより、流圧値を所定の範囲に調整することができ、本実施形態の負圧制御ユニットＨと負圧制御ユニットＬもこの点が異なるだけで、原理的構成は同等である。よって、以下では、高流圧用の負圧制御ユニットＨについて説明する。

図１２（ａ）〜（ｃ）は、負圧制御ユニットＨの外観斜視図およびそのＡ-Ａ断面図である。また、図１３（ａ）および（ｂ）は、負圧制御ユニットＨの分解斜視図である。負圧制御ユニットＨは、図１２（ｃ）に示すように、その内部において、オリフィス２３８を介してほぼ水平に連結する第１圧力室２３５（以下、単に圧力室とも言う）と第２圧力室２３６（以下単に負圧室とも言う）を備えている。図１３（ａ）は、第２圧力室２３６の分解斜視図、同図（ｂ）は第１圧力室２３５の分解斜視図にそれぞれ相当する。

図１２（ｃ）と図１３（ａ）に示すように、第２圧力室２３６は、ほぼ円筒状の内壁に受圧板２３２と可撓性フィルム２３３がこの順番で−ｙ方向に取り付けられて形成される。−ｙ方向の内壁面には、その中心に第１圧力室２３５と連通可能なオリフィス２３８が形成され、オリフィス２３８よりも更に−ｚ方向（重力方向上方）には、第１圧力室２３５と同じ側に配された導出流路２４５に連通する負圧室出口２４４が形成されている。また、オリフィス２３８を中心とする円周には溝２３９が配備されている。

受圧板２３２の−ｙ方向側にはコイル状の付勢部材２３１ａが取り付けられている。この付勢部材２３１ａを溝２３９に嵌め込み、これを押し縮めながら受圧板２３２を−ｙ方向に押し当て、更に輪形状の可撓性フィルム２３３を受圧板２３２の外周部分を覆うように接着することにより、第２圧力室２３６は形成される。このため、受圧板２３２は付勢部材２３１ａによって、＋ｙ方向の付勢力を受けている状態となっている。

一方、第１圧力室２３５は、図１２（ｃ）と図１３（ｂ）に示すように、ほぼ円筒状の内壁に、シャフト２３４、コイル状の付勢部材２３１ｂ、ばねホルダー２３０およびバックフィルム２４１がこの順番で＋ｙ方向に取り付けられて形成される。内壁において、オリフィス２３８よりも更に＋ｚ方向（重力方向下方）には、底部に形成された導入口２４９より流入されたインクを受容するための導入流路２４３が形成されている。シャフト２３４の＋ｙ方向先端は、オリフィス２３８を抜けて、第２圧力室２３５の受圧板２３２に当接し、−ｙ方向の先端には弁２３７が取り付けられている。弁２３７は、オリフィスの開閉を制御する役割を有し、その材質としてはインク（液体）に対し十分な耐食性を有するゴムやエラストマなどの弾性部材が好ましい。また、付勢部材２３１ｂの−ｙ方向の先端は、ばねホルダー２３０にはめ込まれ、＋ｙ方向の先端はシャフト２３４に当接可能になっている。バックフィルム２４１はフィルム状部材に限らず、例えば樹脂板であってもよく、ばねホルダー２３０と一体的に構成されていてもよい。

以上の構成より、シャフト２３４、弁２３７および受圧板２３２は、±ｙ方向に一体的に移動可能になっており、受圧板２３２は、付勢部材２３１ａおよび２３１ｂによって、弁２３７がオリフィス２３８を閉塞する方向に付勢されている。そして、第２圧力室２３６の内圧が設定圧よりも低くなると、受圧板２３２は−ｙ方向に移動し、弁２３７がオリフィス２３８から離れ、オリフィス２３８が開放される。この開放によってインクが流動し、第２圧力室２３６の内圧が設定圧よりも高くなると、受圧板２３２は＋ｙ方向に移動し、弁２３７がオリフィス２３８に当接し、オリフィス２３８が閉塞される。

なお、記録装置が待機状態にあり第１高圧（低圧）循環ポンプ１００１が停止している状態において、弁２３７はオリフィス２３８に当接し閉塞状態になっていることが好ましい。負圧調整ユニットＨが流体的にシールされた状態であれば、その下流に位置する液体吐出ユニット３００に対し適度の負圧を発生させ、吐出口近傍において好適なメニスカスを保持し、インク漏れなどを防止することができるからである。

なお、以下の説明において、「受圧部２４８」とは、大気圧と第２圧力室２３６内の圧力差を受圧し、その圧力差による力を付勢部材２３１ａおよび２３１ｂ、シャフト２３４、弁２３７に伝達する機能を有する部分を指す。具体的には、図１２（ａ）に点線部で示したように、受圧板２３２とその周囲部の可撓性フィルム２３３を合わせた領域を指す。可撓性フィルム２３３は受圧板２３２とボディ２４２とで支持されているため、主に受圧板２３２近傍のフィルム部分が上記の「受圧部２４８」として機能する。可撓性フィルム２３３の実効的な受圧範囲は、フィルムの円周や撓み量などの各部寸法、張力、あるいは第２圧力室２３６の内圧等によって変動するので、正確な受圧部の領域を図示することは難しい。

以下、負圧制御ユニットＨにおけるインクの流れを説明する。流入接続部１１２を介して液体供給ユニット４に供給されたインクは、導入口２４９および導入流路２４３を経て、高さ方向のほぼ中央に位置する第１圧力室２３５に到達する。弁２３７が開放状態にあるとき、インクはオリフィス２３８を通過して第２圧力室２３６に進み、その流圧を受圧部に伝える。その後、負圧室出口２４４から導出流路２４５を経て、導出口２４６より液体供給ユニット４に流出される。

ここで、大気圧をＰ０、第１圧力室２３５の内圧をＰ１、受圧部２４８の受圧面積をＳｄ、弁２３７の受圧面積をＳｖ、付勢部材２３１ａおよび２３１ｂのばね定数をＫ、付勢部材２３１ａおよび２３１ｂのばね変位をＬとする。このとき図１２（ｃ）における受圧板に対する力の釣り合いの関係から、第２圧力室２３６における内圧Ｐ２は、以下の式１で表すことができる。
Ｐ２＝Ｐ０−（Ｐ１×Ｓｖ＋Ｋ×Ｌ）／Ｓｄ （式１）
また、弁２３７とオリフィス２３８の間の流抵抗をＲ、負圧制御ユニットＨ内を通過する流量をＱとすると、圧損の関係から第２圧力室２３６の内圧Ｐ２は、以下の式２で表すこともできる。
Ｐ２＝Ｐ１−Ｑ×Ｒ （式２）
ここで、弁２３７開放の程度を示す弁開度Ｄとして、弁２３７とオリフィス２３８の距離を用いると、流抵抗Ｒと弁開度Ｄは一般に、弁開度Ｄが大きくなるほど流抵抗Ｒは小さくなり、一例として図１４に示すような関係になる。

式１と式２が等しくなるような弁開度Ｄに落ち着くことにより、第２圧力室２３６の内圧Ｐ２が定まる。この作用により、流量が変動してもＰ２が一定に維持されるのであるが、以下、詳細な作用について説明する。

例えば、負圧制御ユニットＨへの流量Ｑが増大した場合を考える。この場合、負圧制御ユニットＨの直上流に接続される第２循環ポンプ１００４（図２参照）の圧力は一定であるので、流量Ｑが増大したことによる第２循環ポンプと負圧制御ユニット２の間の流抵抗が増加し、第１圧力室２３５の内圧Ｐ１は減少する。結果、（式１）より第２圧力室２３６の内圧Ｐ２も一時的に増大する。

流量Ｑと第２圧力室の内圧Ｐ２が増大し第１圧力室の内圧Ｐ１が減少すると、（式２）より流抵抗Ｒは低下するので、図１４より弁開度Ｄは大きくなる。但し、弁開度Ｄが大きくなるほど、付勢部材２３１ａおよび２３１ｂの収縮量Ｌは大きくなり、弁２３７や受圧板２３２が付勢部材２３１ａおよび２３１ｂから受けるｙ方向への力も大きくなる。結果、（式１）より第２圧力室２３６の内圧Ｐ２は瞬時に低下する。

反対に、負圧制御ユニットＨへの流量Ｑが減少した場合には、上記と逆の減少が瞬時に起こる。つまり、上述したような負圧制御ユニットＨを備えておくことにより、これより下流に位置する部材に提供するインクの流圧を所望の範囲に安定させることができる。

この際、（式１）よりＰ２の変動幅はＰ１の変動幅に（Ｓｖ／Ｓｄ）を乗算した値と等しい。よって本実施形態では、（Ｓｖ／Ｓｄ）即ち受圧部における受圧面積と弁における受圧面積の比を十分に小さく設計することによって、Ｐ２の変動幅を小さく抑え、負圧制御ユニットＨより下流の流圧を所望の範囲に安定させている。

ところで、課題の項でも説明したように、負圧制御ユニット内の流量が大きいと、オリフィス２３８を通過した後の第２圧力室２３６内に、泡が発生する場合がある。そしてこのような泡が集合したり結合して大きくなったりすると、この泡が受圧部２４８とインクの接触を妨害して、受圧板２３２を傾け第２圧力室２３６の内圧やここからの流圧が不安定になってしまう。このような懸念を除去するため、本実施形態では、オリフィス２３８よりも鉛直方向上方（＋ｚ方向）に負圧室出口２４４を設け、生成された泡を第２圧力室から除去しやすくしている。

図１５（ａ）および（ｂ）は、負圧制御ユニットのｙ方向における表裏面を示す図である。図１５（ａ）は第２圧力室２３６側（＋ｙ方向側）から見た図、同図（ｂ）は第１圧力室２３５側（−ｙ方向側）から見た図である。第２圧力室２３６において、その浮力によってオリフィス２３８よりも鉛直方向上方（＋ｚ方向）に移動した泡は、負圧室出口２４４に導かれ、ここから裏側（第１圧力室側）に移動する。負圧室出口２４４は、裏側（第１圧力室側）においてｚ方向（重力方向）に下降する導出流路２４５と接続しており、導出流路２４５のｚ方向（重力方向）の最上方には負圧室出口２４４よりも上方に空間を有する泡溜まり部２４７が形成されている。

このような構成のもと、負圧室出口２４４から流出した泡を含む液体は、基本的にはポンプの流れに従って、導出流路２４５を経由して導出口２４６から流出される。但し、浮力が大きくインクの流れに逆らって浮上する泡については、泡溜まり部２４７にて貯留される。このように、本実施形態では、第２圧力室２３６のインクを重力方向上方にある泡溜まり部２４７に一度誘導し、更にそこから導出口２４６へと導いてこれを導出（排出）するようにしている。このため、第２圧力室２３６内に泡が発生した場合であっても、この泡の存在によって第２圧力室２３６の内圧やここからの流圧が不安定になるのを抑えることができる。結果、液体吐出ユニット３００においては、比較的大きい流量であっても、負圧力が好適に制御され、安定した吐出動作を維持することができる。

この際、なるべく多くの泡を導出口２４６へと導きここから排出するために、導出流路２４５における平均流速は、第２圧力室２３６内のオリフィス２３８から負圧室出口２４４間における平均流速よりも速いことが好ましい。例えば、導出流路２４５の幅を、オリフィス２３８から負圧室出口２４４の最短流路よりも大きくすれば、導出流路２４５において好適な流速を得ることができる。

また、本実施形態では、負圧調整ユニットＨにインクを流入するための導入口２４９と導入流路２４３、および負圧調整ユニットＨからインクを流出するための導出口２４６と導出流路２４５を、負圧調整ユニットＨの同じ側の面（−ｙ側の面）に形成している。このため、特許文献１などに比べて、負圧調整ユニットＨのｙ方向における設置幅を小さくし、省スペース化を図ることができる。

なお、以上では、コイル状の２つの付勢部材２３１ａおよび２３１ｂを連成バネとして用いたが、付勢部材の数はこれに限定されるものではない。所望の負圧値が得られさえすれば、バネは１つだけであってもよいし、３つ以上の連成バネとすることもできる。更に、コイルバネの代わりに板バネを使用することもできる。

また、以上では受圧板２３２と可撓性フィルム２３３によって受圧部を構成したが、第２圧力室２３６の内圧に従って弁２３７を水平方向に移動可能であれば、他の構成を用いることもできる。例えば、可撓性フィルム２３３を、受圧板２３２を介すことなくシャフト２３４に直接接合した構成とすることもできるし、弾性を有する膜状部材（ダイヤフラム）を受圧板及びフィルムの代わりに用いてもよい。この場合、ダイヤフラムは受圧部としての機能だけでなく、弁２３７を付勢する機能も持たせてもよい。

以上の実施形態では本発明の液体吐出装置として電気熱変換体を備えたインクジェット記録装置を用いたが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。液体を吐出するための方式としてピエゾ方式を採用した液体吐出ヘッドを用いてもよい。

また、本発明の負圧調整ユニットの効果が特に液体の流量が大きい場合に発揮されることから、フルライン型のインクジェット記録装置を一例として用いたが、本発明の負圧調整ユニットはシリアル型のインクジェット装置にも適用することができる。

更に、以上では、図２で説明したように、高い流圧を維持するための負圧調整ユニットＨと低い流圧を維持するための負圧調整ユニットＬを、循環回路に備える構成について説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものでもない。本発明の負圧調整ユニットは、循環型ではない形態にも採用することもできる。例えば上述したような負圧調整ユニットを液体吐出ヘッドの上流に１つ配備すれば、循環型でなくても体吐出ヘッドにおける流圧を好適に調整することができる。

２ 負圧制御ユニット
２３６ 第２圧力室（負圧室）
２４４ 負圧室出口
２４５ 導出流路
２４６ 導出口
２４７ 泡溜まり部
３００ 液体吐出ユニット
１０００ 液体吐出装置
１００３ バッファタンク

Claims (13)

1. タンクから供給された液体を吐出する液体吐出ユニットと、前記タンクと前記液体吐出ユニットを接続する流路の間に配され前記液体吐出ユニットに流入する液体の流圧を調整するための負圧調整ユニットと、を備える液体吐出装置であって、
   前記負圧調整ユニットは、内圧が所定の範囲に調整される負圧室と、該負圧室に収容されている液体を前記負圧調整ユニットから導出するための導出流路と、を有し、
   前記導出流路は、前記負圧室の重力方向上方に配置された出口と、該出口に連結し前記出口よりも重力方向の上方に空間を有する泡溜まりと、前記出口から流出された液体を前記負圧調整ユニットの底部に開口した導出口まで導く流路と、
   を備えていることを特徴とする液体吐出装置。
2. 前記負圧調整ユニットは、前記負圧室と水平方向に連通可能な圧力室と、底部に開口した導入口から前記圧力室まで液体を導く導入流路と、を更に有し、
   前記導出流路および前記導入流路は、前記負圧調整ユニットの前記負圧室とは異なる側であって前記圧力室と同じ側に配置されている請求項１に記載の液体吐出装置。
3. 前記負圧調整ユニットは、
   前記圧力室と前記負圧室を連通するオリフィスの開閉を制御するための弁と、
   前記オリフィスを閉じる方向に前記弁を付勢する付勢部材と、
   前記負圧室の内圧の減少に伴って移動して前記オリフィスを開放する方向に前記弁に作用する受圧部と、を有する請求項２に記載の液体吐出装置。
4. 前記導出流路における前記液体の平均流速は、前記負圧室における流入から流出までの平均流速よりも大きい請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
5. 前記液体吐出ユニットは同じ種類の液体を吐出する複数の記録素子基板を配列して構成され、前記負圧調整ユニットは前記複数の記録素子基板に共通して液体を供給する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
6. 前記液体吐出ユニットは、同じ種類の液体について、記録素子基板に液体を供給する供給流路と当該記録素子基板から液体を回収する回収流路とを有し、
   相対的に高い流圧で液体を前記供給流路に供給する前記負圧調整ユニットと、相対的に低い流圧で液体を前記回収流路に供給する前記負圧調整ユニットとを、液体の種類ごとに備える請求項１ないし５のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
7. タンクから供給された液体の流圧を調整するための負圧調整ユニットと、該負圧調整ユニットに接続し流圧が調整された液体を吐出する液体吐出ユニットと、を備える液体吐出ヘッドであって、
   前記負圧調整ユニットは、内圧が所定の範囲に調整される負圧室と、該負圧室に収容されている液体を前記負圧調整ユニットから排出するための導出流路と、を有し、
   前記導出流路は、前記負圧室の重力方向上方に配置された出口と、該出口に連結し前記出口よりも重力方向の上方に空間を有する泡溜まりと、前記出口から流出された液体を前記負圧調整ユニットの底部に開口した導出口まで導く流路と、
   を備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
8. 前記負圧調整ユニットは、前記負圧室と水平方向に連通可能な圧力室と、底部に開口した導入口から前記圧力室まで液体を導く導入流路と、を更に有し、
   前記導出流路および前記導入流路は、前記負圧調整ユニットの前記負圧室とは異なる側であって前記圧力室と同じ側に配置されている請求項７に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記圧力室は、内部に液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生する素子を備え、前記圧力室内の液体は当該圧力室の外部との間で循環される、請求項８に記載の液体吐出ヘッド
10. 前記負圧調整ユニットは、
    前記圧力室と前記負圧室を連通するオリフィスの開閉を制御するための弁と、
    前記オリフィスを閉じる方向に前記弁を付勢する付勢部材と、
    前記負圧室の内圧の減少に伴って移動して前記オリフィスを開放する方向に前記弁に作用する受圧部と、を有する請求項８に記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記導出流路における前記液体の平均流速は前記負圧室における流入から流出までの平均流速よりも大きい請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
12. 前記液体吐出ユニットは同じ種類の液体を吐出する複数の記録素子基板を配列して構成され、前記負圧調整ユニットは前記複数の記録素子基板に共通して液体を供給する請求項７ないし１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
13. 前記液体吐出ユニットは、同じ種類の液体について、記録素子基板に液体を供給する供給流路と当該記録素子基板から液体を回収する回収流路とを有し、
    相対的に高い流圧で液体を前記供給流路に供給する前記負圧調整ユニットと、相対的に低い流圧で液体を前記回収流路に供給する前記負圧調整ユニットとを、液体の種類ごとに備える請求項７ないし１２のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

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