JP6537298B2 - 圧力調整ユニット、液体供給装置、および液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体に付与する圧力を調整するための圧力調整ユニット、それを備えた液体供給装置および液体吐出装置に関するものである。

液体吐出装置としては、例えば、インクタンク（液体収容部）から供給されたインク（液体）をインクジェット記録ヘッド（液体吐出ヘッド）から吐出することによって、記録媒体に画像を記録するインクジェット記録装置がある。このような記録装置として、例えば、記録速度の高速化が要求される業務用の印刷装置においては、記録ヘッドからのインクの吐出量が多く、記録ヘッドに大量のインクを供給することが要求される。そのため、インクタンク内のインクをポンプ等によって加圧し、その加圧されたインクを供給（加圧供給）する必要がある。一方、吐出口からインクを吐出する記録ヘッドに対しては、吐出口からのインクの漏出を抑制するために、負圧を付与したインクを供給する必要がある。

特許文献１には、記録ヘッドにインクを供給する供給経路に圧力調整ユニットを備えて、インクの圧力を調整する装置が記載されている。その圧力調整ユニットは、加圧供給されるインクの圧力を調整し、そのインクに負圧を付与してから記録ヘッドに供給する。記録ヘッドに供給するインクには、吐出口にインクのメニスカスが形成されるような負圧を付与する。この圧力調整ユニットは、記録ヘッド内のインクの負圧を安定させるために、インクの吐出に伴って変化する記録ヘッド内の負圧に応じて、インクの供給経路中に介在するバルブを開閉する構成となっている。

特許第３６０６２８２号公報

近年、特に、業務用の印刷装置においては、さらなる記録の高速化を図るために、より一層、記録ヘッドが大型化し、インクの吐出周波数が高くなってきており、これに伴って、記録ヘッドに対するインクの供給量が増大している。

インクの供給量が増大するほど、圧力調整ユニットと記録ヘッドとの間のインク供給路における圧力損失が大きくなり、その圧力損失のために、記録ヘッド内のインクが適正な負圧に維持できなくなるおそれがある。例えば、その圧力損失のために、圧力調整ユニットによって調整されたインクの所定の負圧と、記録ヘッド内のインクの負圧と、の間に差が生じて、記録ヘッド内のインクの負圧が不十分となって、インクの吐出不良を招くおそれがある。

本発明の目的は、液体に付与する圧力を好適に調整することができる圧力調整ユニット、液体供給装置、および液体吐出装置を提供することにある。

本発明の圧力調整ユニットは、内部に液体を導入可能な第１圧力室と、内部の液体を導出可能であり、かつ少なくとも一部は、内部の圧力に応じて変位する変位部材によって形成される第２圧力室と、前記第１圧力室と前記第２圧力室との間を連通する連通路と、前記変位部材の変位に応じて前記連通路の開度を調整可能なバルブと、前記バルブに対して、前記連通路を閉じる方向に作用する第１の付勢力を与える第１の付勢手段と、前記変位部材に対して、前記第１の付勢力よりも大きくて、前記第２圧力室の容積を縮小させる変位方向に作用する第２の付勢力を与える第２の付勢手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１圧力室と第２圧力室との間の連通路の開度を調整するバルブと、第２圧力室の圧力に応じて変位する変位部材と、を関連付けた上、変位部材に対して、第２圧力室の容積を縮小させる変位方向に作用する付勢力を与える。これにより、第２圧力室の容積変化を利用して、好適な負圧を液体に付与して供給することができる。

本発明の実施形態１におけるインク供給装置の構成図である。 図１における圧力調整ユニットの断面図である。 図２の圧力調整ユニットの動作を説明するための断面図である。 図２の圧力調整ユニット内の圧力を説明するための断面図である。 本発明の実施例１と比較例１における圧力変化の説明図である。 比較例１としての圧力調整ユニットの断面図である。 本発明の実施例２における圧力変化の説明図である。 図１のインク供給装置を配備可能なインクジェット記録装置の概略構成図である。 本発明の実施形態２における圧力調整ユニットの断面図である。 本発明の実施形態２における圧力変化の説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（実施形態１）
本実施形態の液体供給装置は、インク（液体）を吐出可能なインクジェット記録ヘッド（液体吐出ヘッド）に対して、インクを供給するためのインク供給装置としての適用例である。本例のインク供給装置は、インクジェット記録装置（液体吐出装置）に備えられる。図１は、そのインク供給装置の基本構成の説明図である。

本例のインク供給装置は、インクを吐出可能な記録ヘッド１、インクタンク（液体収容部）２、圧力調整ユニット３を備えており、これらはインクチューブ５（５Ａ，５Ｂ，５Ｃ）を介して接続されている。圧力調整ユニット３は、記録ヘッド１とインクタンク２との間のインク供給路（液体供給路）に備えられている。記録ヘッド１は、複数のインク滴を吐出する吐出口と吐出エネルギー発生素子を含む記録素子基板７を備えており、吐出エネルギー発生素子が発生する吐出エネルギーを利用して、吐出口からインク滴（液滴）６を吐出する構成となっている。吐出エネルギー発生素子としては、電気熱変換素子（ヒータ）やピエゾ素子などを用いることができる。電気熱変換素子を用いた場合には、その発熱によりインクを発泡させ、その発泡エネルギーを利用して吐出口からインク滴６を吐出することができる。

このようなインク供給装置を備えるインクジェット記録装置は、記録ヘッド１と記録媒体とを相対移動させる移動機構と、画像データに基づいて記録ヘッド１からインク滴６を吐出させる制御部と、を含む。記録装置は、記録ヘッド１と記録媒体とを相対移動させつつ、記録ヘッド１からインク滴６を吐出させることにより、記録媒体に画像を記録する。このような記録装置は、フルラインタイプおよびシリアルスキャンタイプのいずれであってもよい。フルラインタイプの記録装置は、記録媒体を連続的に搬送させつつ、記録ヘッドからインクを吐出することによって画像を記録する。シリアルスキャンタイプの記録装置は、記録ヘッドが主走査方向に移動しつつインクを吐出する動作と、主走査方向と交差する副走査方向に記録媒体を搬送する動作と、を繰り返すことによって画像を記録する。

図８は、フルラインタイプのインクジェット記録装置の具体的な構成例を説明するための概略斜視図である。本例の記録装置は、ブラック（Ｂｋ），シアン（Ｃ），マゼンタ（Ｍ），イエロー（Ｙ）のインクを吐出する記録ヘッド１（１Ｂｋ，１Ｃ，１Ｍ，１Ｙ）が備えられている。記録媒体Ｐは、搬送ベルト５１を用いる搬送機構５０によって矢印Ａ方向に搬送される。それぞれの記録ヘッド１に対応するインクを供給するために、それぞれの記録ヘッド１に対して図１のインク供給装置が備えられている。記録ヘッド１は、インクを吐出可能な複数の吐出口が形成されており、それらの吐出口は、記録媒体Ｐの搬送方向（矢印Ａ方向）と交差（本例の場合は、直交）する方向に延在する吐出口列を形成する。搬送機構５０によって記録媒体Ｐを矢印Ａ方向に搬送させつつ、記録ヘッド１からインクを吐出することにより、記録媒体Ｐ上にカラー画像を記録することができる。

図１において、インクタンク２と圧力調整ユニット３はインクチューブ５Ａによって連通されており、加圧ポンプ４Ａを駆動することによって、インクタンク２の内部のインクを圧力調整ユニット３に送出する。圧力調整ユニット３と記録ヘッド１はインクチューブ５Ｂによって連通されており、圧力調整ユニット３において圧力調整されたインクが記録ヘッド１に供給される。インクチューブ５Ｂの一端は記録ヘッド１のインク流入口１１に連通しており、圧力調整ユニット３から記録ヘッド１内のインク流路９に、後述するように負圧が付与されたインクが送られる。インク流路９内のインクは記録素子基板７に送られてから、電気熱変換素子などの吐出エネルギー発生素子によって、吐出口からインク滴６として吐出される。インク流路９はインク流出口１２に連通されており、そのインク流出口１２は、インクチューブ５Ｃを介してインクタンク２に連通されている。吸引ポンプ４Ｂを駆動することによって、記録ヘッド１内のインクが吸引されてインクタンク２に送られる。

本例の記録ヘッド１は、複数の記録素子基板７がベース基板８上に千鳥状に配列されており、これにより、いわゆるフルラインタイプのインクジェット記録装置に用いられる長尺な記録ヘッドを構成している。このような記録ヘッド１は、幅広の画像の高速記録が要求される商業用印刷装置において好適である。記録素子基板７の配備数は、本例のような６つに限定されず、その配備数を増やすことによって、より幅広の画像の記録が可能となる。例えば、このような記録ヘッド１を用いることにより、４〜１２インチ以上の幅広の画像を高速記録することができる。

ベース基板８上には、それぞれの記録素子基板７を支持する支持部材として、樹脂からなる複数の断熱部材１３が搭載されている。断熱部材１３の内部には、ベース基板８のインク流路９と、記録素子基板７と、を連通する個別液室１０が形成されている。これにより、ベース基板８のインク流入口１１に供給されたインクは、インク流路９および個別液室１０を通して記録素子基板７に供給されて、吐出口からインク滴６として吐出される。

図２は、圧力調整ユニット３の断面図であり、圧力室２１の一部は、その圧力室２１内の圧力に応じて変位する変位部材によって形成されている。本例の場合、変位部材として、可撓性フィルムを成形したフィルム（可撓性部材）２３が用いられている。フィルム２３の形状は、円形、長円形、四角形等、様々な平面形状とすることができる。変位部材は、圧力室２１内の圧力に応じて変位可能であればよく、可撓性部材のみに限定されない。圧力調整ユニット３の本体には、インクチューブ５Ａに連通するインク入口２４と、インクチューブ５Ｂに連通するインク出口２５と、が形成されている。インク入口２４は、圧力調整ユニット３の内部にインクを導入可能なインク導入室（第１圧力室）２２に連通され、インク出口２５は、圧力調整ユニット３の内部のインクを導出可能な圧力室（第２圧力室）２１に連通されている。インクタンク２からインクチューブ５Ａを介して送られてくるインクは、インク入口２４からインク導入室２２、インク連通路２９、圧力室２１、およびインク出口２５を通って記録ヘッド１に供給される。

インク連通路２９には、その開度を調整可能なバルブが配備されており、そのバルブは、インク連通路２９の開口部に形成された弁座２６と、その弁座２６に接離可能な弁体２７と、を含む。弁体２７は、付勢部材２８によって弁座２６に接する方向（図２中の左方）に付勢され、弁座２６に密接することによってインク連通路２９を閉鎖する。付勢部材（第１の付勢部材）２８は、インク連通路２９が閉じられる方向に弁座２６を付勢する。付勢部材２８としては、本例のようなコイルバネなどのバネの他、ダイヤフラム等の様々な弾性体を用いることができる。フィルム２３の変位は弁体２７に伝達され、フィルム２３の変位に連動して、弁体２７がインク連通路２９を開閉する。

圧力室２１の外側に位置するフィルム２３の外面には圧力板３１が配備されており、圧力板３１は、フィルム２３、および弁体２７と共に、付勢部材（第２の付勢部材）３０によって図２中の右方に付勢されている。付勢部材３０は、圧力板３１を介してフィルム２３を図２中の右方、つまり圧力室２１の容積を縮小させる変位方向に付勢することにより、圧力室２１内を加圧する。また、付勢部材３０は、インク連通路２９が開かれる方向に弁体２７を付勢することになる。付勢部材３０としては、本例のようなコイルバネなどのバネの他、ダイヤフラム等の様々な弾性体を用いることができる。また、付勢部材３０のバネ定数は付勢部材２８のバネ定数より大きい。

次に、圧力調整ユニット３の動作について説明する。

圧力室２１内の負圧が小さい場合には、図３（ａ）のように、弁体２７が弁座２６に密接してインク連通路２９を閉鎖する。圧力室２１の負圧は、記録ヘッド１からのインクの吐出、つまりインクの消費に伴って増大する。圧力室２１内の負圧が所定以上となったときに、図３（ｂ）のように、フィルム２３が圧力板３１および弁体２７と共に、圧力室２１の容積を縮小させる方向に変位し、その変位量に応じて、弁体２７が弁座２６から離れてインク連通路２９を開く。これにより、加圧ポンプ４Ａによって加圧されたインクは、インク入口２４かインク導入室２２、インク連通路２９、圧力室２１、およびインク出口２５を通って記録ヘッド１に供給される。

記録ヘッド１内のインクの圧力Ｐ３は、下式（１）によって表すことができる。Ｐ２は、圧力室２１内のインクの圧力、Ｒは、圧力室２１と記録ヘッド１との間の流路抵抗、Ｑは、圧力調整ユニット３から記録ヘッド１に流れるインク流量である。

Ｐ３＝Ｐ２−（Ｒ１×Ｑ） ・・・ 式（１）
記録ヘッド１におけるインクの圧力Ｐ３は、圧力調整ユニット３から記録ヘッド１に流れるインク流量Ｑの増加に伴って減少、つまり記録ヘッド内のインクの負圧が増大することになる。そのため、記録ヘッド１における単位時間当たりのインク吐出量が多い場合には、吐出口近傍におけるインクの負圧が高くなって、インクの吐出不良を招くおそれがある。インクの吐出不良を抑制するためには、インク流量Ｑの増加に伴って、圧力室２１内の圧力Ｐ２を大きく、つまり圧力室２１内の負圧を小さくして、吐出口近傍におけるインクの負圧をインクの吐出不良を生じない範囲に抑えることが有効となる。

加圧ポンプ４Ａによって加圧されたインクが圧力室２１内に供給されている状態において、弁体２７がインク連通路２９を開く力と、弁体２７がインク連通路２９を閉じる力と、がつり合っているときには、下式（２）が成立する。

−（Ｐ２×Ｓ２）＋Ｆ２＝（Ｐ１×Ｓ１）＋Ｆ１ ・・・ 式（２）
Ｐ１は、インク導入室２２のインクの圧力、Ｓ２は、圧力板３１が接するフィルム２３の面積、つまり圧力板３１によって規制されるフィルム２３の部分において、圧力室２１の内側に位置するフィルム２３の面積である。Ｓ１は、インク導入室２２の内側における弁体２７の面であって、かつ圧力板３１と平行な面の面積である。Ｆ１は、インク連通路２９を閉じる方向に作用する付勢部材２８の付勢力であり、Ｆ２は、インク連通路２９を開く方向に作用する付勢部材３０の付勢力である。図４のように、圧力室２１内のインクの圧力は負圧とする。

上式（２）は、下式（３）のように変換することができる。

Ｐ２＝−（Ｐ１×Ｓ１）／Ｓ２−（Ｆ１／Ｓ２）＋（Ｆ２／Ｓ２） ・・・ 式（３）
本実施形態における付勢部材３０のバネ定数は付勢部材２８のバネ定数よりも大きいため、圧力調整ユニット３から記録ヘッド１に流れるインク流量Ｑが増加してインク連通路２９の開度が大きくなるにつれて、圧力室２１の容積が小さくなる。そのため、インク流量Ｑの増加に伴って、圧力室２１内の圧力Ｐ２が増大、つまり圧力室２１内の負圧が小さくなる。この結果、吐出口近傍におけるインクの負圧をインクの吐出不良を生じない範囲に抑えることができる。

実施例１として、下表（１）の条件で図２の圧力調整ユニット３を作製して、図１のインク供給装置を構成した。そして、下表（２）の条件で記録ヘッド１を駆動し、そのときの圧力室２１内のインクの圧力Ｐ２および記録素子基板７におけるインクの圧力Ｐ３を図５に示す。

また、比較例１として、図６のような圧力調整ユニットを作製して、図１のインク供給装置に備えた。この比較例としての圧力調整ユニットは、図２の圧力調整ユニット３からから付勢部材３０を取り外した構成であり、下表（３）の条件で作製した。図６において、弁体２７がインク連通路２９を開く力と、弁体２７がインク連通路２９を閉じる力と、がつり合っているときには、下式（４）が成立する。

−（Ｐ２×Ｓ２）＝（Ｐ１×Ｓ１）＋Ｆ１ ・・・ 式（３）
各記号は上述した図２と同様である。

上式（３）は、下式（４）のように変換することができる。

Ｐ２＝−（Ｐ１×Ｓ１）／Ｓ２−（Ｆ１／Ｓ２） ・・・ 式（４）
そして、表２の条件で記録ヘッド１を駆動し、そのときの圧力室２１内のインクの圧力Ｐ２（１）および記録素子基板７におけるインクの圧力Ｐ３（１）を図５に示す。

図５から明らかなように、実施例１の圧力調整ユニット３は、インクの吐出量の増加に伴って圧力室２１内のインクの圧力Ｐ２が増加する。これにより、インク流量Ｑの増加に伴う圧力Ｐ３の変化が小さく抑えられる。この結果、吐出口近傍におけるインクの圧力（負圧）を安定的に維持し、高速記録時においても高品位の画像を記録することができる。このように本実施形態においては、付勢部材３０の作用により上記効果をもたらす。具体的には、本実施形態における式（２）と比較例における式（４）との比較から分かるように、式（３）のＦ２／Ｓ２の作用、つまり付勢部材３０の作用により上記効果が奏される。

一方、比較例１の圧力調整ユニット３は、インク流量Ｑの増加したときの圧力室２１内のインクの圧力Ｐ２（１）の変化が小さい。そのため、インク流量Ｑの増加に伴い、圧力室２１と記録素子基板７との間の圧力損失によって圧力Ｐ３（１）が大きく変化し、記録素子基板７におけるインクの負圧が高まる。したがって、圧力調整ユニット３の圧力室２１のインクの圧力Ｐ２（１）は一定に維持できるものの、圧力室２１と記録ヘッド１との間の圧力損失が大きいため、吐出口近傍の負圧は大きくなって、インクの吐出不良を招くおそれがある。

実施例２として、下表４の条件で図２の圧力調整ユニット３を作製して、図１のインク供給装置を構成した。そして、表（２）の条件で記録ヘッド１を駆動し、そのときの圧力室２１内のインクの圧力Ｐ２および記録素子基板７におけるインクの圧力Ｐ３を図７に示す。

実施例１の場合と同様に、インク流量Ｑの増加に伴って圧力室２１内のインクの圧力Ｐ２が増加することにより、記録素子基板７内のインクの圧力Ｐ３の変化が小さく抑えられた。

この実施例２においては、表（４）のように、付勢部材２８の初期の付勢力が付勢部材３０の初期の付勢力よりも大きく設定されている。そのため、インク連通路２９が閉じられているときの圧力室２１内のインクの圧力Ｐ２は、インク導入室２２内のインクの圧力に拘らず、常に負圧となる。したがって、インク供給装置の停止中に、インクが記録ヘッド１の吐出口先端の吐出口から漏出するおそれがなく、インク供給装置およびインクジェット記録装置の信頼性を向上させることができる。

（実施形態２）
図９、１０を用いて実施形態２について説明する。実施形態１と同様な構成については説明を省略し、異なる構成について説明する。図９に、本実施形態における圧力調整ユニット３の構成を示す。実施形態１と異なる構成として、本実施形態では、圧力室２１の内部に付勢部材３２（第３の付勢部材）を設けている。付勢部材３２は、付勢部材２８と同様に、インク連通路２９が閉じられる方向に弁座２６を付勢する（付勢部材３２が伸びる方向に付勢）。

本実施形態における各付勢部材は、付勢部材２８（第１の付勢部材）と付勢部材３２（第３の付勢部材）とのバネ定数の合計が、付勢部材３０（第２の付勢部材）のバネ定数よりも小さい関係にある。付勢部材２８（第１の付勢部材）と付勢部材３２（第３の付勢部材）の各バネ定数の大小関係は特に問わない。付勢部材３２としては、本実施形態のようなコイルバネなどのバネの他、ダイヤフラム等の様々な弾性体を用いることができる。付勢部材３２により、インク連通路２９を閉じる付勢力を補強することが可能になる。また、圧力板３１が重力等の影響などにより傾くことを抑制する効果を得ることができる。

実施例３として、下表５の条件で図９に示す圧力調整ユニット３を作製して、表２の条件で記録ヘッド１を駆動したときの、圧力室２１内のインクの圧力Ｐ２および記録素子基板７におけるインクの圧力Ｐ３を図１０に示す。

実施例１の場合と同様に、インク流量Ｑの増加に伴って圧力室２１内のインクの圧力Ｐ２が増加することにより、記録素子基板７内のインクの圧力Ｐ３の変化が小さく抑えられている。この結果、吐出口近傍におけるインクの圧力（負圧）を安定的に維持し、高速記録時においても高品位の画像を記録することができる。

本発明は、種々の液体の圧力を調整する圧力調整ユニット、および種々の液体を供給する液体供給装置、および種々の液体を吐出可能な液体吐出装置に対して広く適用することができる。また本発明は、液体を吐出可能なインクジェットヘッドを用いて、種々の媒体（シート）に対して、種々の処理（記録、加工、塗布、照射、読取、検査など）を施すインクジェット装置に対しても適用可能である。その媒体（記録媒体を含む）は、紙、プラスチック、フィルム、織物、金属、フレキシブル基板等、材質は問わず、インクを含む液体が付与される種々の媒体を含む。

１ 記録ヘッド
３ 圧力調整ユニット
２１ 圧力室（第２圧力室）
２２ インク導入室（第１圧力室）
２３ フィルム（変位部材）
２６ 弁座
２７ 弁体
２８ 付勢部材（第１の付勢部材）
３０ 付勢部材（第２の付勢部材）

Claims (10)

1. 内部に液体を導入可能な第１圧力室と、
   内部の液体を導出可能であり、かつ少なくとも一部は、内部の圧力に応じて変位する変位部材によって形成される第２圧力室と、
   前記第１圧力室と前記第２圧力室との間を連通する連通路と、
   前記変位部材の変位に応じて前記連通路の開度を調整可能なバルブと、
   前記バルブに対して、前記連通路を閉じる方向に作用する付勢力を与える第１の付勢手段と、
   前記変位部材に対して前記第２圧力室の容積を縮小させる変位方向に作用する付勢力を与える第２の付勢手段と、
   を備え、
   前記第２の付勢手段のバネ定数は前記第１の付勢手段のバネ定数より大きいことを特徴とする圧力調整ユニット。
2. 前記バルブは、前記第２圧力室の容積を縮小させる方向の前記変位部材の変位量に応じて、前記連通路の開度を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の圧力調整ユニット。
3. 前記第１の付勢手段の初期の付勢力は、第２の付勢手段の初期の付勢力よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の圧力調整ユニット。
4. 前記変位部材は、可撓性部材であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力調整ユニット。
5. 前記バルブは、前記連通路の開口部に形成される弁座と、前記変位部材の変位に連動して前記弁座と接離する弁体と、を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の圧力調整ユニット。
6. 液体を吐出可能な液体吐出ヘッドに、液体供給路を通して液体収容部の液体を供給する液体供給装置であって、
   前記液体供給路に、請求項１から５のいずれか１項に記載の圧力調整ユニットを備えたことを特徴とする液体供給装置。
7. 前記液体収容部と、前記圧力調整ユニットの前記第１圧力室と、の間における前記液体供給路の位置に、前記液体収容部の内部の液体を加圧して前記第１圧力室に送る加圧ポンプを備えることを特徴とする請求項６に記載の液体供給装置。
8. 前記液体吐出ヘッドの内部の液体を吸引して前記液体収容部に戻すための吸引ポンプを備えることを特徴とする請求項６または７に記載の液体供給装置。
9. 請求項６から８のいずれかに記載の液体供給装置と、
   前記液体供給装置から供給される液体を吐出可能な液体吐出ヘッドと、
   を備えることを特徴とする液体吐出装置。
10. 請求項６から８のいずれかに記載の液体供給装置であって、液体としてインクを供給する液体供給装置と、
    前記液体供給装置によって供給されるインクを吐出するインクジェット記録ヘッドと、前記インクジェット記録ヘッドと記録媒体とを相対移動させる移動手段と、
    を備えることを特徴とするインクジェット記録装置。