JP2022000334A - 液体吐出装置及び液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】液体流路での色材の沈降や異物の滞留を抑制しつつ、生産性に優れた液体吐出動作を実現することが可能な液体吐出装置を提供する。【解決手段】液体吐出装置１０００は、液体を収容可能な液体収容部２００１と、液体を吐出可能な吐出口１０３を有する液体吐出部１０と、液体収容部から液体を受け取り、所定の圧力範囲に制御した液体を液体吐出部に供給可能とする圧力制御手段２０２とを備える。さらに、液体吐出装置は、圧力制御手段によって圧力を制御された液体を液体吐出部と圧力制御手段との間で循環させつつ吐出口に液体を供給する第１循環手段と、液体収容部と圧力制御手段との間で液体を循環させる第２循環手段と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、液体吐出装置及び液体吐出ヘッドに関する。

液体吐出ヘッドを用いて記録を行う液体吐出装置では、液体吐出ヘッドや液体供給流路における液体の増粘、色材の沈降、泡や異物の滞留などに対する対策として、液体吐出ヘッドと液体収容部との間で液体を循環させる循環機構を備えたものが提案されている。

特許文献１には、液体吐出ヘッド上に搭載した循環ポンプにより液体吐出ヘッド内で液体を循環させる液体吐出装置が開示されている。

特開２０１７−７１０８号公報

特許文献１の構成では、液体吐出ヘッド内の液体を循環ポンプによって循環させることにより、液体吐出ヘッド内での液体の増粘、色材の沈降、及び異物の滞留などを低減することが可能である。しかし、液体収容部から液体吐出ヘッド間の液体流路では、色材の沈降や異物の滞留が発生することがある。そのため、記録開始前には液体吐出ヘッドの吐出口から液体を吸引・排出させる吸引回復操作を長時間行う必要があり、多くの廃インクとダウンタイムが発生するという問題がある。このような問題は、白インクのような沈降性の激しいインクを用いる商業印刷用の液体吐出装置では、特に顕著になる。

そこで、液体収容部内の液体を、供給チューブ、循環ポンプ、液体吐出ヘッド、回収チューブ、液体収容部の順で循環させる構成が考えられる。しかしこの構成では、液体吐出ヘッドの往復走査時に回収チューブが揺動して液体吐出ヘッド内に負圧変動が生じ、液体吐出ヘッドの吐出特性や吐出液滴量が不安定になる。このため、記録される画像にスジやムラが発生して画質が低下する虞がある。この画質への影響は、印刷生産性を高めるべく液体吐出ヘッドの走査速度を上げるほど顕著になる。

このように、従来の技術では廃インク及びダウンタイムの削減と、高速かつ高画質な記録性能との両立は困難であった。

本発明は、液体流路での色材の沈降や異物の滞留を抑制しつつ、生産性に優れた液体吐出動作を実現することが可能な液体吐出装置、および液体吐出ヘッドの提供を目的とする。

本発明は、液体を収容可能な液体収容部と、液体を吐出可能な吐出口を有する液体吐出部と、前記液体収容部から液体を受け取り、所定の圧力範囲に制御した液体を前記液体吐出部に供給可能とする圧力制御手段と、前記圧力制御手段によって圧力を制御された液体を前記液体吐出部と前記圧力制御手段との間で循環させつつ前記吐出口に液体を供給する第１循環手段と、前記液体収容部と前記圧力制御手段との間で液体を循環させる第２循環手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、液体流路での色材の沈降や異物の滞留を抑制しつつ、生産性に優れた液体吐出動作を実現することが可能になる。

本発明の実施形態における液体吐出装置の概略構成を示す模式図である。 第１実施形態における液体吐出装置の循環経路を示す模式図である。 記録時の循環経路の状態及びインクの流れを示す模式図である。 高記録デューティ時の循環経路の状態及びインクの流れを示す模式図である。 第２実施形態における液体吐出装置の循環経路を示す模式図である。 液体吐出ヘッド内でインクの流れを逆転させた状態を示す模式図である。 第２実施形態における変形例を示す模式図である。 記録素子基板を示す断面斜視図である。 第２実施形態における循環ユニットを示す斜視図である。 図９に示す循環ユニットの分解斜視図である。 切換弁の断面を模式的に示す図である。 図１０に示すヘッド循環ポンプの斜視図及び断面図である。 図１２に示すヘッド循環ポンプの分解斜視図である。 図６に示す循環ユニットのＸＩＶ−ＸＩＶ線断面図である。 図１４におけるＸＶ−ＸＶ線断面図である。 図１４におけるＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図である。 圧力レギュレータの弁部流抵抗と弁開度との関係を示す図である。 比較例における液体吐出装置の概略構成を示す模式図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。但し、本発明の範囲は特許請求の範囲によって定まるものであり、以下の記載は本発明の範囲を限定するものではない。また以下に記載されている形状、配置等は、本発明の範囲を限定するものではない。なお、本実施形態では、液体を吐出して記録媒体に記録を行う液体吐出装置として、インクジェット記録装置を例に採り説明する。よって、以下の説明では、インクジェット記録装置より吐出する液体をインクと称し、インクを吐出する液体吐出ヘッドを記録ヘッドと称す。

［第１実施形態］
（記録装置の全体構成）
図１は、本発明の実施形態に係るインクジェット記録装置１０００（以下、単に記録装置という）の概略構成を示す模式図である。スライド軸１００４により移動可能に支持されたキャリッジ１００５には記録ヘッド１が搭載されている。キャリッジ１００５は、不図示のキャリッジモータの駆動力により、スライド軸１００４に沿ってプラテン１００８上を往復移動する。記録媒体１００７は、不図示の搬送ローラによってプラテン１００８の上面まで搬送される。記録ヘッド１はプラテン１００８の上面に支持されている記録媒体１００７上を往復移動しながらインクを吐出する。記録媒体１００７は、記録ヘッド１の往復移動に伴って、搬送ローラにより間欠的に搬送される。記録ヘッド１は、記録ヘッド１に対して電力及び吐出制御信号等を伝送する不図示の制御部に電気的に接続されている。記録装置１０００は、制御部による制御の下、記録媒体１００７の搬送動作に合わせて記録媒体１００７上にインクを吐出する。このような記録ヘッド１の動作により、記録媒体１００７に画像が記録される。なお、本実施形態における制御部は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するコンピュータによって構成され、ＣＰＵは、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従い、ＲＡＭに格納されたデータなどを用いつつ種々の演算、制御などの処理を行う。また、ＲＡＭは、ＣＰＵの演算処理においてワークエリアとしても使用される。

記録装置１０００は、メインタンク２０００と、メインタンク２０００から供給されるインクを収容するサブタンク(液体収容部)２００１と、記録ヘッド１とサブタンク２００１を流体連通させる供給チューブ１００１及び回収チューブ１００２と、を含む。これらの構成要素は、記録装置１０００において使用するインクの種類毎（インク色毎）に設けられている。本実施形態では、ブラック（Ｂｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の４色のインクを使用するため、インク毎に上記の構成要素が設けられている。但し、図１では、図示の簡略化のため、４色のうち、２色分のインクの供給チューブ１００１と回収チューブ１００２のみを示している。供給チューブ１００１には供給ポンプ１００３が接続されており、この供給ポンプ１００３によってサブタンク２００１から記録ヘッド１にインクが供給される。さらに、記録ヘッド１へ供給されたインクの一部は、差圧弁２００４（図２参照）及び回収チューブ１００２を経由してサブタンク２００１へと還流される。

（記録ヘッドの概略構成）
次に、本実施形態における記録装置１０００の記録ヘッド１の概略構成及び記録ヘッド１内に形成されるインク流路（液体流路）について説明する。図２ないし図４は、本実施形態における記録装置１０００の１色分のインク流路及びインクの流れを示す模式図であり、図２は記録待機状態を、図３は記録動作状態を、図４は高記録デューティで記録動作を行った状態をそれぞれ示している。なお、図２ないし図４では説明を簡略化するため、１色のインクが流動する流路のみを示しているが、実際には複数色分の循環経路が、各記録ヘッド１および記録装置１０００の本体部に設けられている。

まず、本実施形態における記録ヘッド１の概略構成を説明する。記録ヘッド１は、液体吐出部としての記録素子基板１０と、記録素子基板１０を支持する支持部材１１と、支持部材１１が固定される循環ユニット２００とを有する。

循環ユニット２００は、液体収容部であるサブタンク２００１からインクを受け取り、所定の圧力範囲に制御したインクを、支持部材１１を介して記録素子基板１０に供給する圧力制御機構としての機能を果すものであり、以下のような構成を有する。

循環ユニット２００は、フィルタ２０１と、圧力制御手段としての圧力レギュレータ２０２と、ヘッド循環ポンプ２０３と、負圧補償弁２０４と、これらを連通させる流路を有する。圧力レギュレータ２０２は、供給室２０２５と、オリフィス２０２８において液体連通可能な負圧室２０２６と、オリフィス２０２８を通過するインクの流抵抗を制御する圧力制御弁２０２７を有する。圧力制御弁２０２７は、オリフィス２０２８に対して進退可能に設けられており、ばねにより構成された付勢部材（付勢手段）２０２１の付勢力によって、オリフィス２０２８を閉塞する方向に付勢されている。

供給室２０２５は、循環ユニット２００の骨格をなすボディ２０６に形成された流路を介して供給チューブ１００１及び回収チューブ１００２に連通している。負圧室２０２６は、ボディ２０６に形成された流路を介してヘッド循環ポンプ２０３の排出口２０３８に連通し、かつ支持部材１１内に形成される流路１１ｃに連通している。負圧室２０２６は、その側面部が可撓性フィルム２０２３によって構成され、可撓性フィルム２０２３の内面には、受圧板２０２２が固定されている。受圧板２０２２には、圧力制御弁２０２７に設けられたシャフト２０２４の一端が付勢部材２０２１によって当接している。受圧板２０２２は、負圧室２０２６内の圧力変動に応じて可撓性フィルムと共に変位可能となっている。この受圧板２０２２の変位は、シャフト２０２４によって圧力制御弁２０２７に伝達される。これにより、圧力制御弁２０２７は、受圧板２０２２からの押圧力と付勢部材２０２１の付勢力との合力に応じて位置が変化し、オリフィス２０２８におけるインクの流抵抗を制御する。なお、フィルタ２０１は、供給ポンプ１００３によってサブタンク２００１から供給されるインクに含まれる塵埃や気泡などを除去する機能を有する。

ヘッド循環ポンプ２０３は、液体を排出する排出口２０３８と、液体を吸引する吸引口２０３９とを有する。排出口２０３８は、流路を介して圧力制御手段としての圧力レギュレータ２０２に連通し、吸引口２０３９は支持部材１１に形成された流路１１ｄに連通している。ヘッド循環ポンプ２０３は、吸引口２０３９から吸引したインクを排出口２０３８から排出し、流路を介して圧力レギュレータ２０２に供給し、後述の第１循環経路Ｒ１におけるインクの循環流を形成する駆動源として機能する。

負圧補償弁２０４は、ヘッド循環ポンプ２０３の排出口２０３８と吸引口２０３９とを連通する迂回経路Ｒ３に設けられている。負圧補償弁２０４は、その上流側と下流側との間に差圧が発生した場合に、開弁して迂回経路Ｒ３を連通させる。この負圧補償弁２０４は、記録デューティが高い画像を記録し続けた場合に、吐出口の下流側に発生する負圧上昇を抑制する機能を有する。なお、ここでいう記録デューティとは、記録媒体の単位領域に実際に付与されるインク量と、単位領域に付与可能な最大インク量との割合を意味し、記録デューティが高い程、単位領域に対するインクの付与量は多くなる。

記録素子基板１０には、インクを吐出する吐出口１０３が形成されると共に、吐出口１０３に連通する流路が形成されている。この流路は、吐出口１０３に連通する圧力室１０６と、圧力室１０６に連通する供給流路１０５ａ及び回収流路１０５ｂ等により形成されている。なお、この記録素子基板１０の構造については、後に図８に基づいて詳細に説明する。

支持部材１１には、記録素子基板１０と循環ユニット２００とを連通させる流路１１ｃ、１１ｄが形成されている。流路１１ｃは、その一端部が連通口１１ａを介して循環ユニット２００の流路に連通する一方、他端部が記録素子基板１０に形成された開口１０９を介して供給流路１０５ａに連通している。また、流路１１ｄは、その一端部が連通口１１ｂを介して循環ユニット２００の流路に連通する一方、他端部が記録素子基板１０に形成された開口１０９を介して回収流路１０５ｂに連通している。

以上の構成を有する記録ヘッド１により、記録装置１０００内には、循環ユニット２００と、支持部材１１と、記録素子基板１０とを循環する第１循環流路Ｒ１が形成され、さらに、循環ユニットとサブタンクとを循環する第２循環流路Ｒ２が形成される。

以下、第１循環流路Ｒ１及び第２循環流路Ｒ２におけるインクの流れについて、詳細に説明する。

(第１循環流路におけるインクの流れ)
まず、第１循環流路Ｒ１内のインクの流れについて説明する。ヘッド循環ポンプ（第１ポンプ）２０３を駆動することによって、ヘッド循環ポンプ２０３の排出口２０３８から圧力レギュレータ２０２内の負圧室２０２６へインクが供給される。圧力レギュレータ２０２は所謂減圧型レギュレータ機構であり、圧力制御弁２０２７と付勢部材２０２１の働きによって、通過流量が変動した場合でも負圧室２０２６内の圧力を一定範囲内で安定化させる機能を有する。圧力制御動作の詳細については後述する。

圧力レギュレータ２０２の負圧室２０２６で所定の微負圧範囲（−２０〜−１０００ｍｍＡｑ以下が好ましい）に調圧されたインクは、負圧室２０２６を通過して支持部材１１中に形成された流路１１ｃを経由し、記録素子基板１０内に形成された流路に流入する。この流路は前述のように供給流路１０５ａ、圧力室１０６、回収流路１０５ｂなどを有する。支持部材１１の流路１１ｃから供給流路１０５ａに流入したインクは、図２の矢印に示すように、圧力室１０６、回収流路１０５ｂを通過した後、支持部材１１の流路１１ｄを介して、再びヘッド循環ポンプ２０３に戻る。なお、圧力室１０６に流入したインクの一部は、吐出口１０３に供給される。

このように記録ヘッド１内には、圧力レギュレータ２０２と記録素子基板１０間を循環する、第１インク循環流（以下「ヘッド内循環流」ともいう）が生じる。このため、第１循環流路Ｒ１内におけるインク顔料の沈降は抑制される。さらに、泡、増粘インク及び異物等を記録素子基板１０外へと排出することができるため、予備吐動作を行うことなく適正な吐出動作を行うことができ、信頼性の高い記録が可能になる。

図２に示す記録ヘッド１において、第１循環経路Ｒ１内を流れるインク（液体）により形成される第１循環流は、記録素子基板１０の圧力室１０６を通過するようになっている。この場合のインク流量は、適正な吐出動作を実現できる範囲に設定する。通常のインクジェット記録ヘッドにおいては吐出口１０３近傍の流路は数十μｍ以下の非常に微細なマイクロチャンネルであるので圧損が非常に大きい。そのため、あまり大きな流量を設定すると吐出口１０３における負圧が大きくなり過ぎて、吐出動作に適切なメニスカスを保持できなくなる虞がある。特に吐出口１０３間隔を３００ｄｐｉ以上の密度で配置した記録素子基板１０では、インク流れの流量は全ての吐出口１０３において吐出を同時に行った際の吐出流量以下に設定することが好ましい。また、記録素子基板１０または支持部材１１内、またはその境界部にバイパス流路を形成し、圧力室１０６を経由せずに循環可能な経路を追加する構成を採ることも好ましい。

ヘッド循環ポンプ２０３の形式としては、必要な流量と送液圧力を確保できれば容積型であっても非容積式であっても適用可能である。例えば、容積型であればダイヤフラム２０３１ポンプ、チューブポンプ、ピストンポンプ等が適用可能である。また、適用可能な非容積型のポンプとしては、例えば軸流式ポンプが挙げられる。また、駆動方式についてもモータ式、圧電式、ニューマチック式など複数の方式から好ましく選択することができる。但し、使用方法として記録ヘッド１上に搭載して高速に往復移動させることやコストを考えれば、小型軽量で部品点数が少ないポンプを選択することが好ましい。また圧力脈動も小さいポンプであればなお好ましい。このような特徴を備える好ましいポンプの例としては圧電型ダイヤフラム２０３１ポンプが挙げられる。あるいはまた、圧電素子や沸騰による発泡等により内圧が高周波で変移するポンプ室において、その前後に流抵抗差を設けた管路を接続することにより、流体慣性効果を発生させて送液するタイプのポンプであっても好ましく適用することができる。なお、本実施形態では、上述のヘッド循環ポンプ２０３と第１循環流路Ｒ１とにより第１循環手段が構成されている。

(第２循環流路におけるインクの流れ)
次に、記録ヘッド１内に形成される第２循環流路Ｒ２内のインクの流れについて説明する。交換可能なメインタンク２０００内のインクは、補充ポンプ２００３によってサブタンク２００１に供給され、その後、供給チューブ１００１を介して記録ヘッド１の循環ユニット２００に供給される。サブタンク２００１は、大気連通口２００２を有し、インク中の気泡を外部に排出することが可能である。また、サブタンク２００１はインクを収容可能であるため、記録動作中にメインタンク２０００を交換する間も記録動作を継続させることが可能になり、記録装置１０００の利便性を高めることができる。

補充ポンプ２００３は、記録動作や吸引回復等、記録ヘッド１の吐出口１０３からインクを吐出（排出）することによって消費されたインクを補充する必要が生じた際、メインタンク２０００からサブタンク２００１へインクを移送する。サブタンク２００１は、供給チューブ１００１を介して記録ヘッド１にインクを供給可能なように接続されている。さらに、サブタンク２００１は、回収チューブ１００２を介して記録ヘッド１にからインクを回収可能なように接続されている。

供給ポンプ（第２ポンプ）１００３を駆動することによって、サブタンク２００１内のインクは、図２の矢印に示すように、供給チューブ１００１及びフィルタ２０１を通過し、圧力レギュレータ２０２の供給室２０２５に流入する。供給室２０２５に流入したインクは、回収チューブ１００２を経由してサブタンク２００１へ戻される。このように、記録装置１０００には、サブタンク２００１から記録ヘッド１を経て再びサブタンク２００１に戻る第２循環流（以下「タンク循環流」ともいう）を形成する第２循環経路Ｒ２が形成されている。このため、サブタンク２００１、供給室２０２５、供給及び回収チューブ１００２等からなる第２循環経路Ｒ２でのインク顔料の沈降は抑制される。なお、本実施形態では、上述の供給ポンプ１００３と第２循環流路Ｒ２とにより第２循環手段が構成されている。

また、回収チューブ１００２上には差圧弁（第２圧力制御手段）２００４が設けられている。この差圧弁２００４は、その上流側と下流側との間に一定圧以上の差圧が発生した場合にのみ開弁し、回収チューブ１００２におけるインクの流動を可能にする。差圧弁２００４の下流側にはサブタンク２００１が接続されているため、差圧弁２００４の下流側にはサブタンク２００１との水頭圧が付与される。また、差圧弁２００４の上流側は、圧力レギュレータ２０２によって一定圧以上の圧力に保持されている。この差圧弁２００４の上流側の圧力値は必ずしも正圧である必要は無く、圧力レギュレータ２０２の設計上、正常な圧力制御が可能な最低圧力以上であれば負圧であってもよい。差圧弁２００４は、回収チューブ１００２の下流側の位置、すなわち、サブタンク２００１の近傍に取り付けることも可能である。但し、回収チューブ１００２の摺動に伴うインクの揺動によって生じる圧力変動をより緩和するためには、記録ヘッド１に近い位置に設けることが好ましい。また、差圧弁２００４を記録ヘッド１と回収チューブ１００２とを連結させるジョイント針内に挿入する構成をとれば、圧力変動を抑制する上でより好ましい。

なお、図２に示す状態では、記録は行われていないため、圧力レギュレータ２０２内の圧力制御弁２０２７は閉じられている。従って、圧力レギュレータ２０２に供給されたインクは、一定圧以上の圧力で供給室２０２５を通過して、回収チューブ１００２からサブタンク２００１に還流する。

以上説明したように本実施形態では、記録待機状態において、圧力レギュレータ２０２内の圧力制御弁２０２７を圧力境界として２つの循環流が形成される。

すなわち、
１)圧力レギュレータ２０２と記録素子基板１０との間に生じる第１循環流、
２)圧力レギュレータ２０２とサブタンク２００１との間で生じる第２循環流、
の２つの循環流が形成される。

このため、白インクのような沈降性の激しいインクであっても、色材の沈降に伴う濃度変化が抑制される。従って、本実施形態における記録装置１０００では、記録再開時に吸引回復操作を行うことが不要になり、廃インクやダウンタイムが発生することはない。

また、記録動作時に供給チューブ１００１及び回収チューブ１００２で発生するインク揺動による圧力変動は、いずれもレギュレータの作用によって十分に緩和されるため、第１循環流側に伝達されることはない。このため、記録ヘッド１の往復走査速度を上げて高速記録を行った場合にも、記録ヘッド１の吐出特性は安定しており、スジやムラの少ない高品質な画像を記録することができる。

次に、記録動作を開始した際のインクの流動状態について説明する。図３は、本実施形態における記録装置１０００の１色分のインクの流動状態を示す模式図である。吐出によりインク量が減少すると、負圧室２０２６内の負圧が高まり、圧力レギュレータ２０２の受圧板２０２２が図３における左方へと移動する。受圧板２０２２の移動に伴って圧力制御弁２０２７が左方へと移動し、オリフィス２０２８から離間する。その結果、吐出されたインクに相当する量のインクが、矢印Ａ１に示すように、供給室２０２５から負圧室２０２６へと流入し、第１循環流へのインクの補充が行われる。この間も負圧室２０２６内の圧力は付勢部材２０２１の作用により、設定された微負圧に保たれており、第１循環流も継続されている。このため、非吐出状態にある吐出口１０３においても色材の沈降は発生せず、予備吐動作を実施しなくとも、吐出口１０３を常に吐出可能な状態に保つことができる。またこのとき、第２循環流も継続して維持されているため、サブタンク２００１から記録ヘッド１の間でも色材の沈降は抑制される。従って、常に安定した濃度のインクを記録ヘッド１に供給することができる。

高速記録をするためには、記録ヘッド１を高速で往復走査させる必要があり、それに伴って、供給チューブ１００１及び／または回収チューブ１００２内のインク揺動が増大する。しかしながら、本実施形態では、インクの揺動によって圧力制御弁２０２７に伝達される圧力変動は、負圧室には減衰された状態で伝達される。すなわち、図３からも分るように、圧力制御弁２０２７に伝達された圧力変動は、圧力制御弁２０２７の受圧面積（Ｓ１）と受圧板２０２２の受圧面積（Ｓ２）の比（Ｓ１／Ｓ２）に従って減衰し、その減衰された圧力変動が負圧室２０２６に伝達される。このため、第１循環流では負圧変動を十分に小さくすることができ、吐出液滴量や吐出特性を安定させることができる。従って、スジやムラの無い高画質の記録を高速で実行することができる。

また、記録動作を停止すると、再び圧力制御弁２０２７が閉じて、第２循環流と第１循環流の２つの流れは自律的に分離されるが、それぞれの循環流は引き続き維持されるため、色材の沈降は抑制される。

図４は、高デューティで記録している際の状態を示す図である。前述のように、吐出口１０３への過剰な負圧印加を抑制する観点から、非記録時に記録素子基板１０を通過するインクの流量は、全ての吐出口から同時にインクを吐出する時（全吐出時）の吐出流量よりも低く設定することが好ましい。全吐出により高記録デューティで記録動作が行われた場合には、図４の圧力室１０６内に記載した矢印のように、供給流路１０５ａからだけでなく、回収流路１０５ｂからも圧力室１０６へのインクのリフィルが発生する。ところが、本実施例ではヘッド循環ポンプ２０３として圧電ダイヤフラムポンプを用いており、このポンプは容積型ポンプであるため逆流は生じないようになっている。そのため、記録素子基板１０の多数の吐出口１０３が高記録デューティで記録を続けると、回収流路１０５ｂの圧力が低くなっていき、やがて吐出口１０３へのインクのリフィル不足が生じる。この場合、吐出液滴の体積が設計よりも小さくなって画像が薄くなったり、あるいは掠れが生じたりする可能性がある。また、非記録状態の吐出口１０３が少数あった場合、その吐出口１０３ではインクの通過流量が大きく増大して負圧上昇や温度の異常低下が生じるためインクの吐出に影響が出て、画質の低下が生じる。

このような高記録デューティで記録した際に生じる画質の低下を回避するため、本実施形態では、循環ユニット２００に負圧補償弁（負圧補償手段）２０４が設けている。負圧補償弁２０４は、その上流側と下流側との差圧が設定した差圧以上になった場合に開となるように設計されている。高記録デューティでの記録が継続することにより、回収流路１０５ｂの圧力が過剰に低下した場合には、負圧補償弁２０４が開となり、圧力レギュレータ２０２からインクが供給されるため、負圧の過剰上昇が抑制される。このため、高記録デューティで記録を行った際にも安定したインク吐出を行うことが可能になり、高品質な画像を形成することができる。

ここで図２の記録待機状態を再度みると、負圧補償弁２０４及び迂回流路Ｒ３では循環流が発生していないことが分かる。この部分でのインク顔料の沈降を抑制するには、記録待機時にヘッド循環ポンプ２０３の流量を記録時よりも増大させ、ヘッド循環ポンプ２０３の吸引口２０３９の圧力を下げることが好ましい。これによって、負圧補償弁２０４を開くことができ、この部分での色材の沈降を抑制するインクの流れを発生できるので好ましい。但し、この操作によって記録素子基板１０の圧力室１０６の圧力が低下し、設計通りの吐出駆動には適さなくなる可能性もあるが、吐出口１０３でのメニスカスが維持されている限りは、記録待機状態であるので問題はない。

本実施形態は、記録素子基板１０と圧力レギュレータ２０２の負圧室２０２６との間をインクが循環する第１循環流路Ｒ１と、圧力レギュレータ２０２の供給室２０２５とサブタンク２００１との間をインクが循環する第２循環流路Ｒ２とを備える。これにより、負圧室２０２６と供給室２０２５との連通、遮断を行う圧力制御弁２０２７は、高速記録時にも負圧室２０２６を一定負圧に保つように吐出量に応じて開閉し、記録ヘッド１の走査時のチューブの揺動による圧力変動を十分に抑制することができる。このため、高速で高画質な記録が可能となる。一方、記録待機時には圧力制御弁２０２７は自律的に閉じるため、負圧が維持されたヘッド内の第１循環経路Ｒ１と、これとは圧力的に分離された第２循環経路が自律的に形成され、それぞれの経路で循環が停止することなく継続される。このため、白インクのような沈降性の激しいインクであっても、従来実施していた、大量のインク吸引による回復操作は不要となる。

[第２実施形態]
図５及び図６に本発明の第２実施形態における記録装置１０００の、１色のインクに対応する流体経路を示す。第２実施形態と第１実施例との差異は、記録素子基板１０内のインクの流動方向を切換えるために、循環ユニット２００内に切換弁（切換手段）２０５を２つ備えたことである。

本実施形態では切換弁２０５として三方弁を使用しているが、これに限定されない。切換弁２０５は、記録素子基板１０内の流れ、特に圧力室１０６内の流れを反転させる機能があれば、図５及び図６に示した構成以外でもよい。例えば、スライド弁を用いた５方弁を適用することも可能である。切換弁２０５を用いる場合に考慮すべきことは、切換弁２０５の切換時における圧力制御弁２０２７の動作により、記録ヘッド１内の圧力が、吐出口１０３内にメニスカスを維持することが可能な負圧範囲を超えないようにすることである。この目的のためには、圧力制御弁２０２７の開閉動作におけるストロークを非常に短く設計するか、または「ロッカー弁」方式を用いることが好ましい。ロッカー弁方式の具体的構造については後述する。

図５に示すように、２つの切換弁２０５のうち、図示の左側の切換弁２０５の１つのポートは圧力レギュレータ２０２に連通し、右側の切換弁２０５の１つのポートはヘッド循環ポンプ２０３に連通している。さらに、両切換弁２０５の残りの２つのポートは、いずれも、支持部材１１の２つの流路１１ｃと１１ｃに選択的に連通する。すなわち、図５に示す状態では、左側の切換弁２０５が流路１１ｃに連通し、かつ流路１１ｄとの連通は遮断されている。従って図５に示す状態では、左側の切換弁は、圧力レギュレータ２０２の負圧室２０２６から流出するインクを支持部材１１内の流路１１ｃへと供給し、右側の切換弁２０５は支持部材１１内の流路１１ｄからヘッド循環ポンプ２０３へとインクを回収する。

図６に、図５に示す状態から切換弁２０５と流路１１ｃ、１１ｄとの連通状態を切換えた状態を示す。ここでは、左側の切換弁２０５は流路１１ｄに連通し、かつ流路１１ｃとの連通は遮断されている。また、右側の切換弁２０５は流路１１ｃと連通し、かつ流路１１ｄとの連通は遮断されている。この場合、左側の切換弁２０５は、圧力レギュレータ２０２の負圧室２０２６から流出するインクを支持部材１１内の流路１１ｄへと供給し、右側の切換弁２０５は支持部材１１内の流路１１ｃからヘッド循環ポンプ２０３へとインクを回収する。なお、図５及び図６において、破線矢印は流路にインクが流れていない状態（遮断された状態）を示している。

このように第２実施形態では、記録ヘッド１の圧力室１０６におけるインクの流動方向を逆転させるように切換えることが可能である。これは、次のようなことを目的としている。通常、記録素子基板１０の圧力室１０６に直接連通している流路（独立連通孔１０４ａ、１０４ｂ）の幅の寸法は数十μｍであり、供給流路１０５ａや回収流路１０５ｂよりも狭くなっている。このため、供給流路１０５ａ内に泡が発生または流入した場合、図５に示す状態だけでインクの循環を行っている場合には、圧力室１０６を通過して泡を排出するのは困難である。この場合、図６のように、圧力室１０６内のインクの流動方向を逆転させることで、供給流路１０５ａ内の泡を記録素子基板１０外へ排出することが可能になる。

なお、図５及び図６のいずれのヘッド内循環状態であっても、記録ヘッド１内の負圧は圧力レギュレータ２０２によって適正範囲に維持されているため、ヘッド内循環を継続しつつ記録動作を開始することが可能である。このように、本実施形態では、第１の実施形態によって実現される機能及び効果に加えて、泡や異物を記録素子基板１０外へ排出しつつ記録動作を継続することができる。このため、記録装置１０００のダウンタイムをさらに低減することが可能になる。

[第２実施形態の変形例]
次に、上記第２実施形態における変形例を図７に基づいて説明する。第２施形態では、図６に示すように、圧力室１０６に連通する独立連通孔１０４ａと１０４ｂに、供給流路１０５ａと回収流路１０５ｂがそれぞれ独立した状態で連通している。これに対し、本変形例では、独立連通孔１０４ａ及び１０４ｂに単一の流路１０５ｃが連通する構成を備える。

従って、本変形例では、支持部材１１から供給されるインクのうち一部は独立連通孔１０４ａ、１０４ｂを介して圧力室１０６に供給されるが、流入したインクの多くは圧力室１０６を通過せずに流路１０５ｃを経て再び支持部材１１へと流入する。つまり、本変形例では、圧力室１０６を通過しない第１循環経路が形成されることとなる。

これによれば、ヘッド内循環流が、圧力室１０６及びこれに連通する独立連通孔１０４ａ、１０４ｂ等の微小な部分を通過しないためインクの流動抵抗が低減され、記録ヘッド１における色材の沈降をより確実に回避することが可能になる。また、インクに含まれる泡や異物を、より確実に記録素子基板１０外へ排出することができる。

なお、記録待機時には圧力室１０６を通過する流れが形成されないため、圧力室１０６に連通する独立連通孔１０４ａ、１０４ｂ内で顔料沈降が発生する可能性もある。しかし、上述したようにこの部分の寸法は小さいため、ごく少量の予備吐動作によってこの部分に沈降した色材を除去することができる。

また、本変形例では、圧力室１０６を通過する循環流がないため、吐出口１０３における水分蒸発が抑制される。このため、ヘッド内循環を長期間継続してもインク全体の濃縮は抑制されるため、濃縮インクの排出処理を実施する回数も低減でき、廃インクをさらに削減できる。

以下、上記実施形態における各部の構成をより具体的に説明する。なお、以下の説明では、上記第２実施形態の構成に基づいて説明を行うため、切換弁２０５を含んだ構成について述べるが、その他の構成については第１実施形態における各部の構成と同様である。

（記録素子基板）
本実施形態における記録素子基板１０の構成について説明する。図８は記録素子基板１０に形成される複数の吐出口１０３からなる吐出口列１０３Ａの長手方向（Ｙ方向）を横切る断面を示す斜視図である。記録素子基板１０には、Ｓｉにより形成される基板１０７と感光性の樹脂により形成される吐出口形成部材１０２とが積層されている。基板１０７の裏面には蓋部材１０８が接合されている。基板１０７の一方の面側（図中、上面側）には記録素子１１１が形成されており、その裏面側（図中、下面側）には、吐出口列に沿って延在する供給流路１０５ａおよび回収流路１０５ｂを構成する溝が形成されている。記録素子基板１０の吐出口形成部材１０２には、４列の吐出口列が形成されている。

各吐出口１０３に対応した位置には、液体を熱エネルギーにより発泡させるための発熱素子である記録素子１１１が配置されている。記録素子１１１は、基板１０７内部に設けられる電気配線（不図示）によって端子１１０と電気的に接続されている。そして、記録装置１０００の制御部から、電気配線基板及びフレキシブル配線基板を介して入力されるパルス信号に基づいて発熱し、圧力室１０６内に充填されている液体を沸騰させる。この沸騰による発泡の力で液体を吐出口１０３から吐出する。

供給流路１０５ａ及び回収流路１０５ｂは記録素子基板１０に設けられた吐出口１０３列方向に延在する流路であり、それぞれ独立連通孔１０４ａ及び独立連通孔１０４ｂを介して圧力室１０６に連通している。蓋部材１０８には開口１０９が複数設けられている。本実施形態においては、供給流路１０５ａの１本に対して３個、回収流路１０５ｂの１本に対して２個の開口１０９が所定の間隔を置いて蓋部材１０８に設けられている。それぞれの開口１０９は、図５に示したように、支持部材１１内の流路に連通している。蓋部材１０８は、供給流路１０５ａ及び回収流路１０５ｂの壁の一部を形成する蓋としての機能を有する。蓋部材１０８は、液体（インク）に対して十分な耐食性を有している物が好ましい。また、混色抑制の観点から、開口１０９の開口形状および開口位置には高い精度が求められる。蓋部材１０８は開口１０９により記録素子基板１０の流路から支持部材１１の流路へとピッチを変換するものであり、圧力損失を考慮すると、蓋部材１０８の厚さは薄いことが望ましい。このため蓋部材１０８の材質として、感光性樹脂材料やシリコン薄板を用い、フォトリソプロセスによって開口１０９を設けることが好ましい。

次に、記録素子基板１０内での液体の流れについて説明する。基板１０７と蓋部材１０８とによって形成される供給流路１０５ａ及び回収流路１０５ｂは、それぞれ、支持部材１１の流路と図５のように接続されている。ヘッド循環ポンプ２０３の駆動によって、供給流路１０５ａ内の液体は、独立連通孔１０４ａ、圧力室１０６、独立連通孔１０４ｂを経由して回収流路１０５ｂへと流れる（図８の矢印Ｃで示す流れ）。この流れによって、吐出動作を休止している圧力室１０６において、記録素子基板１０内のインクの沈降を抑制することができる。また同時に吐出口１０３からの蒸発によって生じる増粘インク、泡及び異物等を回収流路１０５ｂへ排出することができる。

回収流路１０５ｂへ回収されたインクは、蓋部材１０８の開口１０９及び支持部材１１の流路１１ｃ、１１ｄ（図５参照）を通じてヘッド循環ポンプ２０３へ戻る。ここで、図６に示すように切換弁２０５を切換えた場合には、記録素子基板１０内の流れ方向は図８の矢印Ｃとは逆方向に流れる。独立連通孔１０４ａよりも大きい泡や異物等は、矢印Ｃの向きに循環流が生じていたとしても供給流路１０５ａに滞留する。しかし、図６のように逆方向に循環流を生じさせることで、供給流路１０５ａに滞留した大きい泡や異物を開口１０９から記録素子基板１０外へと排出することができる。

（循環ユニット）
図９（ａ）及び（ｂ）は１色分の循環ユニット２００の具体的な構成例の外観を示す斜視図である。循環ユニット２００は、内部にインク流路が設けられたボディ２０６に内蔵された圧力レギュレータ２０２及び切換弁２０５と、ボディ２０６に取り付けられたヘッド循環ポンプ２０３とを有する。本実施形態ではコストダウンのため、圧力レギュレータ２０２及び切換弁２０５はボディ２０６と一体化している。但し、ヘッド循環ポンプ２０３と同様、各々を個別にユニット化してボディ２０６に取り付けるようにすることも可能である。この場合は、ボディ２０６の形状によらず各ユニットを共通化できるというメリットが生まれる。

図９（ｂ）に示すように、ボディ２０６上部にはサブタンク２００１からインクを受け取るジョイント孔２０６ａと、サブタンク２００１へとインクを戻すジョイント孔２０６ｂとが設けられている。また、ボディ２０６下部には、支持部材１１を介してインクを記録素子基板１０へ供給する孔２０６ｃと、記録素子基板１０からインクを回収する穴２０６ｄが設けられている。

図１０（ａ）及び（ｂ）は、循環ユニット２００の分解図である。図１０（ａ）において、ボディ２０６の上部にはフィルタ室２０６０があり、ここにフィルタ２０１が挿入及び溶着されている。またフィルタ室２０６０の横には、負圧補償弁２０４が挿入されておいる。負圧補償弁２０４の下部は、ボディ２０６内部でポンプ供給口２０６１と連通している。ボディ２０６内部の流路構造については後述する。

ボディ２０６の側面に設けられた供給室２０２５には、圧力制御弁２０２７、付勢部材２０２１、ばねホルダ２０２９がこの積層順で挿入される。付勢部材２０２１は圧力制御弁２０２７とばねホルダ２０２９の間で設計長さに圧縮され、圧力制御弁２０２７に対し一定の付勢力を加える。ばねホルダ２０２９は、付勢部材２０２１を固定する固定部材としての機能の他、供給室２０２５の蓋としての機能を有しており、ボディ２０６に溶着または接合される。

ボディ２０６側面下部には切換室２０５３が２つ設けられており、それぞれにロッカー弁２０５１が挿入される。さらに切換室２０５３の全体を覆うように可撓性フィルム２０２３が、ボディ２０６及び２つのロッカー弁２０５１と接着または溶着などの手法によって接合されることにより、切換弁２０５が形成される。切換弁２０５の構造及び切換動作については後述する。

図１０（ｂ）において、ボディ２０６の供給室２０２５の対向面側には負圧室２０２６が形成されている。この負圧室２０２６には、付勢部材２０２１、受圧板２０２２、可撓性フィルム２０２３がこの積層順で挿入される。付勢部材２０２１は、負圧室２０２６の底部と受圧板２０２２間で設計長さに圧縮され、受圧板２０２２に対し一定荷重を加える。可撓性フィルム２０２３は、ボディ２０６に溶着または接合される。この可撓性フィルムは、受圧板２０２２の動きを妨げないよう変形しつつ、負圧室２０２６の蓋としての機能を果す。またボディ２０６には、成形などの製造上の観点から、溝状の流路が形成されており、循環ユニット２００の組立工程において、流路の開口部をカバーするようにシールフィルム２０８がボディ２０６に接着または溶着される。

（切換弁）
図１１（ａ）及び（ｂ）は、図９（ａ）におけるＸＩ-ＸＩ線に沿って切換弁２０５を切断した断面を模式的に示す図である。ハウジング２０３６内に設けられた切換室２０５３内にロッカー弁２０５１が回転軸２０５４を支持点として回動可能に挿入されている。ロッカー弁２０５１には可撓性フィルム２０５２が溶着されている。この可撓性フィルム２０５２の端部は切換室２０５３の周縁部に渡って溶着されており、切換室２０５３をシールしている。ハウジング２０３６には、さらにカバー２０５９が可撓性フィルム２０５２を覆うように取り付けられている。カバー２０５９の内面（フィルムに対向する面）には、ロッカー弁２０５１の一端部近傍を付勢する付勢部材２０５７が取り付けられている。さらに、カバー２０５９の内面には、ロッカー弁２０５１の他端部近傍を押圧または離間可能に設置した押圧部材２０５８が、可撓性フィルム２０５２を介して取り付けられている。なお、図１０（ａ）においては付勢部材２０５７、押圧部材２０５８及びカバー２０５９は不図示となっている。

本実施形態における切換弁２０５は、所謂ロッカー弁タイプの３方弁を使用している。図１１に示すように、ロッカー弁２０５１は付勢部材２０５７による付勢力に従って、回転軸２０５４を支点とした回転力が発生している。このため、ロッカー弁２０５１は、開閉ポート２０５６Ｌを閉塞すると共に、他方の開閉ポート２０５６Ｒを開放している。ここで図１１（ｂ）に示すように、加圧エアにより、付勢部材２０５７の付勢力に打ち勝つように押圧部材２０５８を押し下げると、ロッカー弁２０５１は、開閉ポート２０５６Ｒを閉塞すると共に、他方の開閉ポート２０５６Ｌを開放する。このようにしてロッカー弁２０５１の位置によって、切換室２０５３の中央に設けられた共通ポート２０５５と、開閉ポート２０５６Ｌまたは２０５６Ｒとの連通関係を切換えることが可能である。

なお、本実施形態ではロッカー弁２０５１の駆動方法として、ニューマチック式を採用したが、これに限らず、他の駆動方法を用いることも可能である。例えば、電磁コイルやモータを用いたメカ機構などを好ましく用いることも可能である。

また、ロッカー弁２０５１以外にも、直動型の圧力制御弁２０２７を複数用いて三方弁を形成することもできる。但し、この場合には、圧力制御弁２０２７の開閉動作に伴って、インクの押出しや吸い込みが発生するため、ヘッド内流路内に圧力変化が生じて吐出口１０３のメニスカスに影響を及ぼすことがある。メニスカスの状態が異なると、吐出液滴体積が変わるため、その変化量が大きい場合には記録画像に濃度差が生じて画質の低下を招く虞がある。これを抑制するためには、弁のストロークをかなり小さくしたり、大きなバッファ室を設置したりすることが考えられる。しかしこの場合には、弁部の流抵抗が高くなるので強力な循環ポンプが必要になったり、循環ユニット２００が大型化したりするというデメリットが懸念される。

一方、本実施形態のようにロッカー弁２０５１を用いた場合は、切換動作時には押出しと吸込みが同時に発生するため、負圧変化は小さく、吐出口１０３内のメニスカスへの影響を抑制することができる。もっともロッカー弁２０５１においても、弁を開閉するばねなどの設計上の制約から、ロッカー弁２０５１の回転軸２０５４を必ずしも中心対称とすることができず、開閉時の圧力変化を１つの切換室内で十分に抑制できない場合も考えられる。しかしながら、本実施形態では図５に示したように、吐出口１０３の上流側と下流側にそれぞれ切換弁２０５が配置されている。このため、同形状の切換弁２０５を用いて弁体の動きが逆位相になるように配置することによって、切換え時の体積変化を２つの切換室２０５３間で相殺することができる。よって、切換動作時におけるヘッド内循環流路（第１循環流路）内の負圧変化を十分に小さくすることができる。

（ヘッド循環ポンプ）
図１２（ａ）はヘッド循環ポンプ２０３の外観を示す図である。本実施形態においては、ヘッド循環ポンプ２０３として圧電ダイヤフラムポンプを用いている。一般的に、圧電ダイヤフラムポンプは、モータ式ダイヤフラム２０３１ポンプに比べて部品点数が少なく、小型軽量で静粛性が高く、圧力脈動が小さいという特徴を有する。このため、圧電ダイヤフラムポンプは、記録ヘッド１への搭載に適しているといえる。但し、ダイヤフラム２０３１の変位量が小さいため、自給式にすることが困難であること、及び泡が大量に混入した場合に送液量が低下すること等の課題が圧電ダイヤフラムポンプにはある。

この観点から、循環ユニット２００内では、図１６（ａ）に示すように、ヘッド内循環流Ｆがポンプ回収口２０６２へ入る前に鉛直方向（Ｚ方向）において下方（Ｚ２方向）に曲がるようになっている。これにより、記録素子基板１０から排出された泡は、循環ユニット２００の上方へ溜まるように誘導され、ヘッド循環ポンプ２０３に流入しくいようになっている。

図１２（ａ）に示すように、ヘッド循環ポンプ２０３は、片面に排出口２０３８及び吸引口２０３９が設けられている。排出口２０３８と吸引口２０３９は、循環ユニット２００のボディ２０６に形成されたポンプ供給口２０６１とポンプ回収口２０６２にそれぞれ連通する。ここで、排出口２０３８は吸引口２０３９よりも鉛直方向（Ｚ方向）における上方（Ｚ１方向）に配置されているが、このようにするとヘッド循環ポンプ２０３内に、泡が混入した場合にも排出が容易であり、安定した流量を確保できるため好ましい。

ヘッド循環ポンプ２０３への泡の侵入を抑制する他の対策としては、ポンプ回収口２０６２またはその前後にフィルタ２０１またはメッシュを泡トラップ材として設けることが挙げられる。この際には、フィルタ２０１における圧損が過大にならず、かつポンプ動作に支障が出る大きさの泡をトラップできるよう、フィルタ２０１の目粗さと面積を適宜設計する必要がある。

また図１２（ｂ）は、図１２（ａ）におけるＸＩＩ−ＸＩＩ線における断面図である。図中、白抜き矢印はインクの流動方向を示している。ハウジング２０３６には２つの逆止弁２０３５、ポンプ駆動回路２０４０、及びダイヤフラム２０３１が取り付けられている。またダイヤフラム２０３１には、電極板２０３２、圧電素子２０３３が接合されている。

ポンプ駆動回路２０４０は、本体制御部（不図示）に電気的に接続されている。またポンプ駆動回路２０４０は、圧電素子２０３３の駆動に必要な電圧を発生する昇圧回路を内蔵している。さらに、ポンプ駆動回路２０４０は、ＴＡＢ２０４１を介して、圧電素子２０３３及び電極板２０３２に電気的に接続され、制御部からの信号に基づいて圧電素子２０３３と電極板２０３２との間に一定周波数で電位差を与えることができるようになっている。この電位差により、圧電素子２０３３には、図１２（ｂ）における鉛直方向（Ｘ方向）への変位が発生し、これに伴って電極板２０３２とそれに接合されたダイヤフラム２０３１が変位する。図１２（ｂ）において下方（Ｘ２方向）に向かってダイヤフラム２０３１が変位する際には、右側の逆止弁２０３５が開いてインクを吸引する。この時、左側の逆止弁２０３５は閉じている。逆に、図１２（ａ）において上方（Ｘ１方向）に向かってダイヤフラム２０３１が変位する際には、左側の逆止弁２０３５が開いてインクを排出する。この時、右側の逆止弁２０３５は閉じている。

一般に、圧電素子２０３３は変位が数十μｍ程度と小さいが、この動作を数十〜数百Ｈｚで行うことで、数ｍＬ／ｍｉｎ〜数十ｍＬ／ｍｉｎ程度の流量を発生することができる。またポンプの吐出圧または吸引圧も、数ｋＰａ〜数十ｋＰａ程度を発生することができる。流量や圧力は、圧電素子２０３３やポンプ室２０３４のサイズ、圧電素子２０３３や電極板２０３２やダイヤフラム２０３１の厚さ、圧電素子２０３３に与える電圧／周波数、駆動波形（サイン波や矩形波）等により調整することができる。

圧電素子２０３３と電極板２０３２と間の絶縁破壊電圧以下の範囲で、例えば数百Ｖの高電圧を印加することにより圧電素子２０３３の変位量を上げることができ、ポンプ流量と圧力を上げることができる。このため、高電圧への対策や、インク付着抑制などの観点から、図１２（ｂ）に示す構造では、圧電素子２０３３を覆う位置までカバー２０３７が接合されている。また、ポンプ駆動回路２０４０を覆う位置までカバー２０３７を設ければより好ましい。

図１３（ａ）及び（ｂ）はヘッド循環ポンプ２０３の分解斜視図である。上述のように、ハウジング２０３６を挟み込むように、一対の逆止弁２０３５がハウジング２０３６に取り付けられる。本実施形態では逆止弁２０３５は、その脚部をハウジング２０３６の穴に差し込むことで固定している。さらにハウジング２０３６のポンプ室２０３４に、ダイヤフラム２０３１、電極板２０３２、圧電素子２０３３がこの積層順で接合される。ダイヤフラム２０３１はインクに対する耐薬品性と圧電素子２０３３の変形に追従できる程度の剛性を持っていることが好ましい。従って、ダイヤフラム２０３１には、例えばＰＰＳやＰＰＥなどの樹脂を０．２〜０．５ｍｍ程度の厚さに成形したものを好ましく用いることができる。ハウジング２０３６にはさらにポンプ駆動回路２０４０、圧電素子２０３３及び電極板２０３２をポンプ駆動回路２０４０に電気的に接続するＴＡＢ２０４１、及びカバー２０３７が取り付けられる。ＴＡＢ２０４１はリード線と半田等で代用することも可能である。

（圧力レギュレータ）
循環ユニット２００内に設けられた圧力レギュレータ２０２の構造、及び圧力制御動作の詳細を説明する。図１４は、図９（ｂ）におけるＸＶＩ−ＸＩＶ線断面図である。本実施形態に設けられる圧力レギュレータ２０２には、一般的な減圧型レギュレータを使用している。圧力レギュレータ２０２は、可撓性フィルム（可撓性部材）２０２３でシールされた負圧室２０２６を有している。負圧室２０２６は、ボディ２０６の一面に周縁部を接合した可撓性フィルム２０２３と、この可撓性フィルム２０２３に覆われたボディ２０６の壁部２０６３との間に形成される。可撓性フィルム２０２３の内面には、受圧板２０２２が固定されている。また、可撓性フィルム２０２３に覆われた壁部２０６３の中央部には、壁部２０６３を貫通するオリフィス２０２８が形成されている。また、ボディ２０６には、壁部２０６３を挟んで受圧板２０２２と対抗する位置に供給室２０２５が形成されている。

受圧板２０２２は負圧室２０２６内の付勢部材（ばね）２０２１によって、受圧板２０２２が図の右側に移動する向き（即ち負圧室２０２６の体積が増える方向）に付勢されている。また、供給室２０２５内には、オリフィス２０２８の閉塞可能な圧力制御弁２０２７に設けられている。圧力制御弁２０２７にはシャフト２０２４が固定されており、このシャフト２０２４の一端が受圧板２０２２に当接可能となっている。この圧力制御弁２０２７、シャフト２０２４、及び受圧板２０２２は、ヘッド駆動時には一体となって動くようになっている。圧力制御弁２０２７は、供給室２０２５内の付勢部材（ばね）２０２１によって、圧力制御弁２０２７が図の右側に移動する向き（すなわち圧力制御弁２０２７がオリフィス２０２８を閉塞する方向）に付勢されている。

圧力制御弁２０２７は、オリフィス２０２８との間のギャップを変化させて流抵抗を変化させるよう動作する。なお、インクの循環停止時には圧力制御弁２０２７はオリフィス２０２８と接触してギャップを閉塞し、オリフィス２０２８を流体的にシールする。圧力制御弁２０２７の材質としては、インクに対し十分な耐食性を有する、ゴムやエラストマーなどの弾性材料が好ましく用いられる。

図１４において、圧力制御弁２０２７はオリフィス２０２８よりも、図中、右側に設けられており、受圧板２０２２が左方へと移動するとオリフィス２０２８と圧力制御弁２０２７との間のギャップが縮小するようになっている。記録動作時にフィルタ２０１から供給室２０２５へ流入したインクは、圧力制御弁２０２７とオリフィス２０２８との間のギャップを通過する際に、そのギャップ部での圧損により圧力を低下させ、負圧室２０２６内へと流入する。その後、インクは負圧室２０２６から切換弁２０５（図５参照）を経由して記録素子基板１０へと供給される。

負圧室２０２６内の圧力Ｐ２は、各部に加わる力の釣り合いを示す下記の関係式から決定される。
Ｐ２＝Ｐ０−（Ｐ１Ｓｖ ＋ ｋ１ｘ ）／ Ｓｄ ・・・（式１）
ここで、
Ｓｄ：受圧板の受圧面積、Ｓｖ：圧力制御弁の受圧面積、
Ｐ０：大気圧、Ｐ１：負圧室内の圧力、
Ｐ２：供給室内の圧力［Ｐａ］、ｋ１：付勢部材の合成ばね定数、
ｘ：ばね変位
式１の右辺第２項は常に正の値を取るため、圧力Ｐ２＜圧力Ｐ０となり、圧力Ｐ２は負圧となる。

付勢部材２０２１の力を変更することで、圧力Ｐ２を所望の制御圧力に設定することができる。付勢部材２０２１の力を変更するには、ばね定数Ｋかばね収納長を変更する。

圧力制御弁２０２７とオリフィス２０２８との間のギャップ部の流抵抗をＲ、オリフィス２０２８を通過する流量をＱとすると、次式が成立する。
Ｐ２＝Ｐ１−ＱＲ・・・（式２）

ここで、流抵抗Ｒと弁とオリフィス２０２８との間のギャップ（以降、「弁開度」と呼称する）が、例えば図１７のような関係になるように設計する。すなわち、弁開度の増大とともに流抵抗Ｒは低下する。（式１）と（式２）が同時に成立するように弁開度が決まることで、圧力Ｐ２が決定される。

記録動作中に吐出流量が変化して、流量Ｑが瞬時的に増加した場合、それに応じたインク流量が供給室２０２５から負圧室２０２６へと供給されるので、回収チューブ１００２の流抵抗が下がり、これに伴って供給ポンプ１００３の負荷が低下する。その結果、供給室２０２５の圧力Ｐ１が減少するため、圧力制御弁２０２７を閉塞しようとする力Ｐ１Ｓｖは減少し、（式１）から圧力Ｐ２が瞬時的に上昇する。

また（式２）からＲ＝（Ｐ１−Ｐ２）/Ｑが導出される。ここで流量Ｑ、圧力Ｐ２は増加し、圧力Ｐ１は低下しているので、流抵抗Ｒは低下することになる。Ｒが低下すると、図１７に示した関係から、弁開度が増加する。図１４から分かるように、弁開度が増加すると付勢部材（ばね）２０２１の長さは減少するため、自由長からの変位であるｘは増加する。このため、ばねの作用力ｋ１ｘは大きくなる。このため（式１）から圧力Ｐ２は瞬時的に減少する。逆に流量Ｑが減少して圧力Ｐ２が瞬時的に増加すると、上述とは逆の作用により、Ｐ２が瞬時的に減少する。これが瞬時的に繰り返されることで、流量Ｑに応じて弁開度が変化しつつ、（式１）と（式２）を両立する結果、負圧室２０２６内の圧力Ｐ２が自律的に一定に制御される。

圧力Ｐ１が低下した場合には、圧力Ｐ２を一定にするために、（式２）から分かるようにＲが小さくなる。すなわち、弁開度が大きくなる。しかしながら、図１７から分かるように、弁開度が大きくなっても、ある一定値以下の流抵抗（≒オリフィス２０２８の流抵抗）を下回る流抵抗Ｒを得ることはできない。このため、圧力レギュレータ２０２が安定して圧力Ｐ２を一定に制御するためには、常に一定以上のＰ1を供給室２０２５に印加する必要がある。このため、記録ヘッド１の最大吐出流量と圧力レギュレータ２０２の最低動作圧を基に、供給ポンプ１００３の能力、供給チューブ１００１やフィルタ２０１の圧損、及び差圧弁２００４の開弁圧などを設計することが必要である。

本実施形態においては、付勢部材２０２１であるばねは、２つの連成ばねとなっている。本実施形態のように２つの連成ばねの構成をとることで、以下のような好ましい付随的効果が得られる。

すなわち、負圧室２０２６内において、受圧板２０２２とシャフト２０２４とは分離できるように構成されている。さらに受圧板２０２２とシャフト２０２４とが分離した状態であっても、負圧室２０２６内のばねによって、受圧板２０２２には負圧室２０２６内の容積を増大させる方向に付勢力が加えられるようになっている。このため、周囲の環境温度の変化によって、記録ヘッド１の流路内の泡が膨張したとしても、その泡の容積増分を負圧室２０２６の容積を増大させることによって吸収することができ、負圧室２０２６内には所定の負圧を発生させることが可能になる。このため、吐出口１０３からのインクの漏出を抑制することができる。

しかし、所望の負圧値を満足させることが可能なばね力を有するものであれば、圧力調整機能に支障は生じないため、１つのばねだけを用いたり、あるいは３つ以上のばねを使用したりする構成であってもよい。

（負圧補償弁）
負圧補償弁２０４は、記録デューティが高い画像を連続で記録し続けた際に、記録素子基板１０の吐出口１０３の下流側となっている供給流路１０５ａまたは回収流路１０５ｂに発生する負圧上昇を一定値以下に抑制し、画質を維持する機能を有する。本実施形態では負圧補償弁２０４として、図１６（ａ）に示すような、一般的な差圧弁を使用している。負圧補償弁２０４の内部には、圧力制御弁２０４１、オリフィス２０４２、及び圧力制御弁２０４１をオリフィス２０４２に当接させるように付勢する付勢部材（ばね）２０４３が内蔵されている。負圧補償弁２０４の上流と下流に一定以上の差圧が発生し、圧力制御弁２０４１を開く方向の圧力が、付勢部材２０４３による付勢力を上回った場合に、圧力制御弁２０４１が開くようになっている。図１６（ａ）は圧力制御弁２０４１が閉じている状態を示し、図１６（ｂ）は圧力制御弁２０４１が開いた状態を示している。圧力制御弁２０４１の開弁圧は、ばねの付勢力と圧力制御弁２０４１の受圧面積によって所望の値に設定することができる。

もっとも、一般的に差圧弁は、差圧弁を通過する流量が増大するに従って、その流抵抗が可変するため、差圧弁の下流側の圧力を常に一定範囲に維持する目的には適さない。記録ヘッド１の最大吐出流量が比較的小さい場合には、単純かつ小型な構造を有する差圧弁２００４が負圧補償弁２０４としては適している。しかし、最大吐出流量が比較的大きい記録ヘッド１では、負圧補償弁２０４として圧力レギュレータ２０２と同構造のものを使用することが好ましい。但し、この場合には循環ユニット２００のサイズが大きくなる虞がある。

（循環ユニットにおけるインクの流れ）
図１４〜図１６には、本実施形態の循環ユニット２００内に生じるヘッド内循環流（第１循環流）Ｅとタンク循環流（第２循環流）Ｆが矢印によって示されている。図１４は図９（ｂ）におけるＸＩＶ−ＸＶＩ線断面図、図１５は図１４におけるＸＶ−ＸＶ線断面図、図１６（ａ）及び（ｂ）は、図１４におけるＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図である。なお、図１６（ａ）及び（ｂ）では説明を容易にするため、切換室２０５３への連通口の連通状態を白丸と黒丸とで模擬的に示している。すなわち、白丸はロッカー弁２０５１によって連通口が開いた状態を、黒丸はロッカー弁２０５１によって連通口が閉じた状態をそれぞれ示している。

図１４及び図１５において、矢印Ｅで示したタンク循環流（第１循環流）は、フィルタ２０１を通過して、供給室２０２５に流入し、圧力制御弁２０２７及び付勢部材２０２１の周囲を通過した後、再び循環ユニット２００からサブタンク２００１へと還流する。このため、記録待機状態であってもサブタンク２００１から供給室２０２５の間、及び供給室２０２５からサブタンク２００１間では、インク流れによって色材の沈降が抑制される。

高速記録時に発生する、供給チューブ１００１及び／または回収チューブ１００２内のインク揺動に伴う圧力変動は、前述したように（圧力制御弁２０２７の受圧面積（Ｓ１）と受圧板２０２２の受圧面積（Ｓ２）との比（Ｓ１／Ｓ２）に従って減衰する。図１４に示す構成では、この比を３％以下としており、タンク循環流側で発生する負圧変動は、ヘッド内循環流内では十分に小さく減衰される。このため、本実施形態の記録装置１０００では、スジやムラのない高画質の記録を高速で行うことが可能である。

図１６（ａ）及び（ｂ）において矢印Ｆで示したヘッド内循環流は、ヘッド循環ポンプ２０３の駆動によって、ポンプ供給口２０６１からボディ２０６内の流路を経由して、負圧室２０２６内に流入する。さらに、ヘッド内循環流は、受圧板２０２２とオリフィス２０２８間を通過した後、切換弁２０５を経由して循環ユニット２００外へ流れる。その後は、図５に示したように支持部材１１及び記録素子基板１０を通過して、再び循環ユニット２００へと還流する。そして、再び切換弁２０５を通過してポンプ回収口２０６２へ戻る。

図１６（ａ）では、ヘッド内循環流が、負圧室２０２６の鉛直方向（Ｚ方向）において上方（Ｚ１）から下方（Ｚ２）へと流動するように構成しているが、これは循環ユニット２００の小型化を図るための一例である。沈降した色材は鉛直方向下方に堆積するため、沈降解消時間の短時間化を図ろうとする場合には、ヘッド内循環流は負圧室２０２６の鉛直方向の下方から上方へと流動するような構成を採ることが好ましい。

図１６（ｂ）はロッカー弁２０５１を操作して、切換室２０５３への連通口の連通状態を図１６（ａ）とは逆にした状態を示している。このように連通口の連通状態を切換えることで、ヘッド内循環流Ｆを継続したまま、図６に示したように、記録素子基板１０内で逆方向の流れを発生させることができる。

図１６（ａ）に示す状態では、負圧補償弁２０４は閉じており、破線矢印Ｆ’で示した部分にはインクの流動は発生していない。従って、この領域で顔料沈降が発生する虞がある。この部分での顔料沈降が画質に影響を及ぼす場合には、ヘッド循環ポンプ２０３の流量を上げることによりポンプ回収口２０６２での圧力を低下させる。これにより、負圧補償弁２０４は開となり、ヘッド内循環流Ｆから分岐する支流Ｆ’が形成され、色材の沈降は抑制される。

図１６（ａ）は、記録待機状態であるので、圧力制御弁２０２７はオリフィス２０２８に当接しており、タンク循環流Ｅとヘッド内循環流Ｆはそれぞれ独立した循環流となっている。この時、ヘッド内循環流Ｆは、負圧室２０２６内で発生させた微負圧を起点とした負圧状態で流れている。またタンク循環流Ｅは、供給室２０２５においてヘッド内循環流よりも高圧の状態で流れている。タンク循環流Ｅの流量は、循環ユニット２００からサブタンク２００１への流れが停止しないように、ヘッド内循環流Ｆ及び記録ヘッド１の最大吐出流量よりも大きく設定することが好ましい。

記録を開始することでヘッド内循環流の領域でインク体積が減少すると、圧力制御弁２０２７が開き、タンク循環流Ｅからヘッド内循環流Ｆへの支流が発生する。この時、タンク循環流とヘッド内循環流との間には圧力差が存在するが、オリフィス２０２８と圧力制御弁２０２７との間のギャップによる圧損差により、ヘッド内循環流内では吐出に適した負圧が安定して維持される。

以上説明したように、本実施形態における記録装置１０００では、高速で高画質な記録を行うことができ、白インクのような沈降性の激しいインクであっても、循環による沈降抑制作用により、回復操作の実施を大幅に削減することができる。このため、回復操作によって生じる廃インク量とダウンタイムを低減することが可能になる。

（比較例）
図１８は、本実施形態の比較例におけるインクジェット記録装置１０００ａの記録ヘッド及びインク経路を示す模式図である。本比較例と上記第１実施形態との相違点は、供給ポンプ１００３の駆動力によって、インクが、記録素子基板１０内を通過してサブタンク２００１と記録ヘッド１の間を循環する１つの循環流路が形成されている点にある。すなわち比較例では、サブタンク２００１から供給チューブ１００１を介して圧力レギュレータ２０２に供給されたインクは、記録素子基板１０を通過した後、回収チューブ１００２を経て再びサブタンク２００１へと戻る循環流路を形成されている。このように、比較例では、サブタンクと記録ヘッドを通過する１つの循環流を形成する構成となっており、これにより流路内での色材の沈降は抑制される。

しかしながら、比較例では１つの循環流路によってインクの循環を行っている。このため、記録動作時のヘッドの往復走査によって供給チューブ１００１及び回収チューブ１００２内のインクが揺動すると、それに伴って発生するインクの圧力変動が記録素子基板１０内に伝達されてしまうという新たな問題が発生する。すなわち、比較例の構成では、供給チューブ１００１からの圧力変動は圧力レギュレータ２０２によって緩和されるが、回収チューブ１００２側からの圧力変動は、緩和されることなく圧力室１０６に伝達されてしまう。そのため、記録ヘッドの吐出量や吐出特性が不安定になり、スジやムラなどが記録画像に発生し、画質が低下するという問題が生じる。このような問題は、記録ヘッド走査速度を上げるほど顕著になる。このように、比較例では色材の沈降は抑制できるものの、画質や生産性が低下するという新たな問題が生じる。

これに対し、本実施形態の記録装置によれば、画質及び生産性を損なうことなく、流路内での色材の沈降を抑制することが可能になる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、記録ヘッドを往復走査させつつ記録を行うシリアル型の記録装置を例に採り説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、複数の記録素子をページ幅に相当する範囲に配列した長尺な記録ヘッドを備える所謂フルライン型の記録装置にも有効である。フルライン型の記録装置では、記録動作において記録ヘッドが移動しないため、シリアル型の記録装置のように、液体収容部と記録ヘッドとを連結するチューブの揺動による負圧変動は発生しない。しかし、記録ヘッドが大きい分だけ色材の沈降抑制に必要な循環流量が大きくなるため、循環ポンプの脈動が大きくなり易く、画質の低下が生じ易い。本発明は、圧力制御手段により圧力的に分離された２つの循環流を形成する構成を有しているため、本発明をフルライン型の記録装置に適用した場合には、循環ポンプの脈動が記録ヘッドに伝達されるのを抑制することが可能になる。このため、顔料沈降を抑制しつつ高速で高画質な記録を実現することができる。

また、上記実施形態では、発熱素子が発する熱エネルギーにより液体を吐出する液体吐出ヘッドを及びこれを用いる液体吐出装置を示した。しかし、電気機械変換素子（ピエゾ）によって液体を吐出する液体吐出ヘッド及びこれを用いる液体吐出装置にも本発明は適用可能である。

１ 記録ヘッド（液体吐出ヘッド）
１０ 記録素子基板（液体吐出部）
１０３ 吐出口
２０２ 圧力レギュレータ（圧力制御手段）
２０３ ヘッド循環ポンプ（第１ポンプ）
１０００ 液体吐出装置（インクジェット記録装置）
１００３ 供給ポンプ（第２ポンプ）
２００１ サブタンク（液体収容部）
Ｒ１ 第１循環流路
Ｒ２ 第２循環流路

Claims (16)

1. 液体を収容可能な液体収容部と、
   液体を吐出可能な吐出口を有する液体吐出部と、
   前記液体収容部から液体を受け取り、所定の圧力範囲に制御した液体を前記液体吐出部に供給可能とする圧力制御手段と、
   前記圧力制御手段によって圧力を制御された液体を前記液体吐出部と前記圧力制御手段との間で循環させつつ前記吐出口に液体を供給する第１循環手段と、
   前記液体収容部と前記圧力制御手段との間で液体を循環させる第２循環手段と、
   を備えることを特徴とする液体吐出装置。
2. 前記圧力制御手段は、
   液体収容部から液体を受け取る供給室と、
   前記液体吐出部と連通する負圧室と、
   前記供給室と前記負圧室との圧力差に応じて前記供給室と前記負圧室との連通状態を制御する圧力制御弁と、
   を備える、請求項１に記載の液体吐出装置。
3. 前記圧力制御弁は、前記供給室と前記負圧室とを連通させるオリフィスに対し進退可能に設けられ、前記供給室と前記負圧室との圧力差に応じて前記オリフィスとのギャップを変化させる、請求項２に記載の液体吐出装置。
4. 前記負圧室は、当該負圧室の内部の圧力に応じて変位可能な受圧板を有し、
   前記受圧板は、前記圧力制御弁を前記オリフィスから離間させる方向に押圧する押圧力を前記圧力制御弁に加える、請求項３に記載の液体吐出装置。
5. 前記圧力制御弁は、付勢手段の付勢力によって前記オリフィスを閉塞させる方向に付勢され、前記付勢力と前記受圧板の前記押圧力の合力によって前記ギャップを変化させる、請求項４に記載の液体吐出装置。
6. 前記負圧室の一部は、当該負圧室の圧力に応じて変位する可撓性部材により構成され、
   前記受圧板は、前記可撓性部材と共に変位する、請求項４に記載の液体吐出装置。
7. 前記第１循環手段は、前記負圧室と前記液体吐出部との間で液体を循環させるための第１循環流路と、前記第１循環流路において液体を流動させる第１ポンプとを含み、
   前記第２循環手段は、前記供給室と前記液体収容部との間で液体を循環させるための第２循環流路と、前記第２循環流路において液体を流動させる第２ポンプとを含む、請求項２ないし６のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
8. 前記第２循環手段は、前記液体収容部と前記圧力制御手段との間に設けられた第２圧力制御手段を含み、前記第２圧力制御手段により制御される圧力は、前記圧力制御手段により制御される圧力よりも高圧に設定されている、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
9. 前記第１循環手段は、前記液体吐出部の前記吐出口から液体を吐出するための圧力を発生させる圧力室を経由する循環流を形成する、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
10. 前記第１循環手段は、前記液体吐出部の前記吐出口から液体を吐出するための圧力を発生させる圧力室を経由しない循環流を形成する、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
11. 前記液体吐出部における液体の流動方向を切換える切換手段をさらに備える、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
12. 前記第１循環手段は、前記液体吐出部より下流の圧力が一定の圧力を下回った際に、前記液体吐出部へと液体を供給して前記液体吐出部の圧力を補償する負圧補償手段を備える、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
13. 前記第１循環手段は、記録待機状態において液体を循環させる流量を、記録動作状態において液体を循環させる流量よりも増大させる、請求項１２に記載の液体吐出装置。
14. 前記第１循環手段及び前記圧力制御手段は、前記液体吐出部を支持する液体吐出ヘッドに、一体化して設けられている、請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
15. 前記液体吐出ヘッドは、所定の方向に沿って往復走査を行う、請求項１４に記載の液体吐出装置。
16. 液体を吐出可能な吐出口を有する液体吐出部と、
    液体収容部との接続を可能とし、前記液体収容部から供給される液体を受け取り、所定の圧力範囲に制御した液体を前記液体吐出部に供給可能とする圧力制御手段と、
    前記圧力制御手段から供給された液体を前記液体吐出部と前記圧力制御手段との間で循環させつつ前記吐出口に液体を供給する第１循環手段と、
    前記液体収容部と前記圧力制御手段との間で液体を循環させる循環流路の一部を構成する流路と、
    を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド。

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