JP6751256B2 - 液体噴射ヘッドユニット及び液体噴射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、液体噴射ヘッドユニット及び液体噴射装置に関し、特に液体としてインクを噴射するインクジェット式記録ヘッドユニット及びインクジェット式記録装置に関する。
液体噴射ヘッドユニットの代表例としては、例えば、圧力発生手段である圧電素子の変位による圧力室内の圧力変化を利用して、ノズル列を構成する複数のノズル開口からインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドユニットが知られている。
インクジェット式記録ヘッドユニットは、複数のノズル開口に共通したマニホールドを備えており、マニホールドには、インクカートリッジ等のインク供給手段からインクが供給される。インクには、気泡が含まれることがあり、マニホールドから圧力室内に進入する場合がある。
このように圧力室へ気泡が進入することを抑制するために、マニホールドに気泡貯留部を設けた液体噴射ヘッドユニットが提案されている(例えば、特許文献1参照)。マニホールド内に進入した気泡はマニホールドの天井部分に設けられた気泡貯留部に貯留されるので、気泡が圧力室へ進入することが抑制される。その結果、圧力室の内部において気泡による圧力の損失を少なくし、インクの噴射不良が低減されている。
特開2011−183679号公報
上述した液体噴射ヘッドユニットでは、マニホールドの気泡貯留部に貯留された気泡を、外部に排出させるためには、例えば、ノズル開口側から負圧でインクと共に気泡を吸引しなければならない。このため、印刷に用いないインクの消費量が増大してしまう。
なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドユニットだけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドユニットにおいても同様に存在する。
本発明は、このような事情に鑑み、マニホールド内の気泡を外部に排出することができる液体噴射ヘッドユニット及び液体噴射装置を提供することを目的とする。
[態様1]本発明の態様は、圧力室と連通するノズル開口から前記圧力室内の液体を噴射するための駆動部と、複数の前記圧力室と連通する共通液室と、前記共通液室と連通し、前記共通液室内の気泡を含む液体を排出するための気泡戻し流路と、複数の前記気泡戻し流路と連通する合流点と、前記合流点と連通し、複数の前記気泡戻し流路内の気泡を含む液体を排出するための集合戻し流路と、前記気泡戻し流路の途中に設けられた一方向弁と、を備えることを特徴とする液体噴射ヘッドユニットにある。
かかる態様では、各気泡戻し流路に一方向弁が設けられているので、各共通液室から気泡戻し流路へ排出した気泡が他の共通液室の内部に逆流することを抑制し、各共通液室内の気泡を効率的に外部に排出することができる。
[態様2]態様1の液体噴射ヘッドユニットにおいて、さらに、脱泡空間に連通する分岐点が前記気泡戻し流路の途中に設けられ、前記分岐点から前記脱泡空間との間には気体を透過し、液体を透過しない気体透過部を備えることが好ましい。これによれば、気体透過部を透過させて気泡を外部に排出させることで、より確実に共通液室内の気泡を外部に排出することができる。
[態様3]態様1又は態様2の液体噴射ヘッドユニットにおいて、前記共通液室の天井は、前記気泡戻し流路に向かって傾斜していることが好ましい。これによれば、共通液室から気泡をより確実に気泡戻し流路に排出させることができる。
[態様4]本発明の態様は、圧力室と連通するノズル開口から前記圧力室内の液体を噴射するための駆動部と、複数の前記圧力室と連通する共通液室と、前記共通液室と連通し、前記共通液室内の気泡を排出するための気泡戻し流路と、複数の前記気泡戻し流路と連通する合流点と、前記合流点と連通し、複数の前記気泡戻し流路内の気泡を排出するための集合戻し流路と、前記気泡戻し流路の途中に設けられた一方向弁と、を備え、さらに、前記共通液室と連通し、前記共通液室より上流側の上流流路内の気泡を排出するための上流側気泡戻し流路を備え、前記合流点は、前記上流側気泡戻し流路と連通することを特徴とする液体噴射ヘッドユニットにある。
かかる態様では、上流流路中の液体に含まれる気泡を外部へ排出することができる。
[態様5]本発明の態様は、圧力室と連通するノズル開口から前記圧力室内の液体を噴射するための駆動部と、複数の前記圧力室と連通する共通液室と、前記共通液室と連通し、前記共通液室内の気泡を排出するための気泡戻し流路と、複数の前記気泡戻し流路と連通する合流点と、前記合流点と連通し、複数の前記気泡戻し流路内の気泡を排出するための集合戻し流路と、前記気泡戻し流路の途中に設けられた一方向弁と、を備え、前記集合戻し流路の前記合流点とは反対側の端部には出口が設けられ、前記ノズル開口から、前記気泡戻し流路を介して、前記出口までの流路の流路抵抗の最小値は、前記ノズル開口のメニスカス耐圧よりも小さいことを特徴とする液体噴射ヘッドユニットにある。
かかる態様では、加圧して液体を共通液室に充填する際に、ノズル開口から液体が排出される量を低減することができる。
[態様6]本発明の態様は、態様1から態様5の液体噴射ヘッドユニットを備えることを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、共通液室内の気泡を外部に排出することができる液体噴射装置を実現できる。
[態様7]本発明の態様は、圧力室と連通するノズル開口から前記圧力室内の液体を噴射するための駆動部と、複数の前記圧力室と連通する共通液室と、前記共通液室と連通し、前記共通液室内の気泡を排出するための気泡戻し流路と、複数の前記気泡戻し流路と連通する合流点と、前記合流点と連通し、複数の前記気泡戻し流路内の気泡を排出するための集合戻し流路と、前記気泡戻し流路の途中に設けられた一方向弁と、を備える液体噴射ヘッドユニットを備える液体噴射装置において、前記集合戻し流路と連通する開閉弁と、前記共通液室内を加圧する液体圧送機構と、を備え、前記液体圧送機構により、前記共通液室内の液体を前記ノズル開口から排出する際に、前記開閉弁を閉じることを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、いわゆる加圧クリーニングの際に、開閉弁を閉じるので、加圧された液体は、集合戻し流路から開閉弁の外部へ排出されず、ノズル開口へ排出させることができるので、効果的に液体をノズル開口から排出することができる。
[態様8]態様7の液体噴射装置において、初期充填の際に、前記開閉弁を開いて、前記気泡戻し流路を介して気泡を排出し、初期充填の後に、前記開閉弁を閉じることが好ましい。これによれば、共通液室などの流路に液体を効率的に充填することができる。
[態様9]本発明の態様は、圧力室と連通するノズル開口から前記圧力室内の液体を噴射するための駆動部と、複数の前記圧力室と連通する共通液室と、前記共通液室と連通し、前記共通液室内の気泡を排出するための気泡戻し流路と、複数の前記気泡戻し流路と連通する合流点と、前記合流点と連通し、複数の前記気泡戻し流路内の気泡を排出するための集合戻し流路と、前記気泡戻し流路の途中に設けられた一方向弁と、を備える液体噴射ヘッドユニットを備える液体噴射装置において、前記液体噴射ヘッドユニットは、さらに、前記液体噴射装置に設けられた液体供給手段と接続され、液体を前記共通液室へ導入する導入口と、前記液体噴射装置に設けられて前記集合戻し流路と連通する開閉弁と接続され、液体を前記集合戻し流路から排出する排出口と、を備え、前記排出口の数は、前記導入口の数よりも少ないことを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、液体噴射装置への液体噴射ユニットの脱着を簡素化することができる。
[態様10]態様1から態様5の液体噴射ヘッドユニットにおいて、前記一方向弁は、前記共通液室側から前記集合戻し流路側に向かう方向においては液体および気体を流通し、前記集合戻し流路側から前記共通液室側に向かう方向においては液体および気体を流通しないことが好ましい。
[態様11]態様1から態様5の液体噴射ヘッドユニットにおいて、前記複数の気泡戻し流路のそれぞれに前記一方向弁が設けられていることが好ましい。
[態様12]上記課題を解決する本発明の態様は、圧力室と連通するノズル開口から前記圧力室内の液体を噴射するための駆動部と、複数の前記圧力室と連通する共通液室と、前記共通液室と連通し、前記共通液室内の気泡を排出するための気泡戻し流路と、複数の前記気泡戻し流路と連通する合流点と、前記合流点と連通し、複数の前記気泡戻し流路内の気泡を排出するための集合戻し流路と、前記気泡戻し流路の途中に設けられた一方向弁と、を備えることを特徴とする液体噴射ヘッドユニットにある。
かかる態様では、各気泡戻し流路に一方向弁が設けられているので、各共通液室から気泡戻し流路へ排出した気泡が他の共通液室の内部に逆流することを抑制し、各共通液室内の気泡を効率的に外部に排出することができる。
[態様13]態様12の液体噴射ヘッドユニットにおいて、さらに、前記気泡戻し流路の途中に設けられ、気体を透過し、液体を透過しない気体透過部を備えることが好ましい。これによれば、気体透過部を透過させて気泡を外部に排出させることで、より確実に共通液室内の気泡を外部に排出することができる。
[態様14]態様12又は13の液体噴射ヘッドユニットにおいて、前記共通液室の天井は、前記気泡戻し流路に向かって傾斜していることが好ましい。これによれば、共通液室から気泡をより確実に気泡戻し流路に排出させることができる。
[態様15]態様12から態様14の何れかの液体噴射ヘッドユニットにおいて、さらに、前記共通液室と連通し、前記共通液室より上流側の上流流路内の気泡を排出するための上流側気泡戻し流路を備え、前記合流点は、前記上流側気泡戻し流路と連通することが好ましい。これによれば、上流流路中の液体に含まれる気泡を外部へ排出することができる。
[態様16]態様12から態様15の何れかの液体噴射ヘッドユニットにおいて、前記ノズル開口から、前記気泡戻し流路を介して、出口までの流路の流路抵抗の最小値は、前記ノズル開口のメニスカス耐圧よりも小さいことが好ましい。これによれば、加圧して液体を共通液室に充填する際に、ノズル開口から液体が排出される量を低減することができる。
[態様17]本発明の他の態様は、態様12から態様16の何れかの液体噴射ヘッドユニットを備えることを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、共通液室内の気泡を外部に排出することができる液体噴射装置を実現できる。
[態様18]態様17の液体噴射装置において、前記集合戻し流路と連通する開閉弁と、前記共通液室内を加圧する液体圧送機構と、を備え、前記液体圧送機構により、前記共通液室内の液体を前記ノズル開口から排出する際に、前記開閉弁を閉じることが好ましい。これによれば、いわゆる加圧クリーニングの際に、開閉弁を閉じるので、加圧された液体は、集合戻し流路から開閉弁の外部へ排出されず、ノズル開口へ排出させることができるので、効果的に液体をノズル開口から排出することができる。
[態様19]態様18の液体噴射装置において、初期充填の際に、前記開閉弁を開いて、前記気泡戻し流路を介して気泡を排出し、初期充填の後に、前記開閉弁を閉じることが好ましい。これによれば、共通液室などの流路に液体を効率的に充填することができる。
[態様20]態様17から態様19の何れかの液体噴射装置において、前記液体噴射ヘッドユニットは、さらに、前記液体噴射装置に設けられた液体供給手段と接続され、液体を前記共通液室へ導入する導入口と、前記液体噴射装置に設けられて前記集合戻し流路と連通する開閉弁と接続され、液体を前記集合戻し流路から排出する排出口と、を備え、前記排出口の数は、前記導入口の数よりも少ないことが好ましい。これによれば、液体噴射装置への液体噴射ユニットの脱着を簡素化することができる。
インクジェット式記録装置の概略構成を示す上面図である。 インクジェット式記録装置の概略構成を示す側面図である。 ヘッドユニット及び支持体の分解斜視図である。 ヘッドユニット及び支持体の上面図である。 ヘッドユニットの斜視図である。 ヘッドユニットの分解斜視図である。 ヘッドユニットの要部平面図である。 図7のA−A′線断面図である。 図9は流路部材及び駆動部の断面図である。 図9の弁機構を拡大した断面図である。 図9の逆止弁を拡大した断面図である。 一方向弁の動作を示す断面図である。 一方向弁の動作を示す断面図である。 ヘッドユニット内部の流路を示す平面図である。 初期充填時におけるヘッドユニットの概略図である。 通常使用時におけるヘッドユニットの概略図である。 脱泡動作時におけるヘッドユニットの概略図である。
〈実施形態1〉
本発明の一実施形態について詳細に説明する。本実施形態では、液体噴射ヘッドユニットの一例としてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドユニット(以下、単にヘッドユニットともいう)について説明する。また、液体噴射装置の一例としてヘッドユニットを備えたインクジェット式記録装置について説明する。
図1は本実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略構成を示す上面図であり、図2はインクジェット式記録装置の概略構成を示す側面図である。
インクジェット式記録装置Iは、被噴射媒体である記録シートSを搬送するだけで印刷を行う、所謂ライン式のインクジェット式記録装置である。
インクジェット式記録装置Iは、複数のヘッドユニット1と、複数のヘッドユニット1にインクを供給する供給部材2と、複数のヘッドユニット1を支持する支持体3と、インクを貯留したインクタンク等の液体供給手段4と、を具備する。さらに、インクジェット式記録装置Iは、搬送手段、圧力調整機構18及び開閉弁78を具備してもよい。
支持体3には、複数のヘッドユニット1が保持されている。具体的には、ヘッドユニット1は、記録シートSの搬送方向と交差する方向に複数、本実施形態では、3つ並設されている。以降、ヘッドユニット1の並設された方向を第1の方向Xと称する。また、支持体3には、ヘッドユニット1が第1の方向Xに並設された列が、記録シートSの搬送方向に複数列、本実施形態では2列設けられている。このヘッドユニット1の列が複数列設された方向を第2の方向Yとも称し、第2の方向Yにおいて記録シートSの搬送方向上流側をY1側、下流側をY2側と称する。さらに、第1の方向X及び第2の方向Yの双方に交差する方向を本実施形態では、第3の方向Zと称し、ヘッドユニット1側をZ1側、記録シートS側をZ2側と称する。なお、本実施形態では、各方向(X、Y、Z)の関係を直交とするが、各構成の配置関係が必ずしも直交するものに限定されるものではない。このようなヘッドユニット1を保持する支持体3は、装置本体7に固定されている。また、支持体3に保持された複数のヘッドユニット1には、供給部材2が固定されている。供給部材2から供給されたインクがヘッドユニット1に供給される。
液体供給手段4は、液体としてインクが貯留されたタンク等を備え、本実施形態では、装置本体7に固定されている。装置本体7に固定された液体供給手段4からのインクはチューブ等の供給管8を介して供給部材2に供給され、供給部材2に供給されたインクがヘッドユニット1に供給される。なお、ヘッドユニット1の供給部材2が液体供給手段4を具備する態様、例えば、供給部材2の第3の方向ZのZ1側にインクカートリッジ等の液体供給手段4を搭載するようにしてもよい。
圧力調整機構18は、詳細は後述するが、ヘッドユニット1に設けられた流路を加圧又は減圧を選択的に行うことができるポンプなどからなる装置である。圧力調整機構18は、接続管18aを介して各ヘッドユニット1に接続されている。開閉弁78は、後述する集合戻し流路88に接続された弁である。開閉弁78は、接続管78aを介して各ヘッドユニット1に接続されている。
搬送手段の一例としての第1搬送手段5は、第2の方向YのY1側に設けられている。第1搬送手段5は、第1搬送ローラー501と、第1搬送ローラー501に従動する第1従動ローラー502と、を具備する。第1搬送ローラー501は、記録シートSのインクが着弾する着弾面S1とは反対側の裏面S2側に設けられており、第1駆動モーター503の駆動力によって駆動される。また、第1従動ローラー502は、記録シートSの着弾面S1側に設けられており、第1搬送ローラー501との間で記録シートSを挟持する。このような第1従動ローラー502は、図示しないばね等の付勢部材によって記録シートSを第1搬送ローラー501側に向かって押圧している。
搬送手段の一例としての第2搬送手段6は、第1搬送手段5よりも下流側であるY2側に設けられており、搬送ベルト601、第2駆動モーター602、第2搬送ローラー603、第2従動ローラー604及びテンションローラー605を具備する。
第2搬送ローラー603は、第2駆動モーター602の駆動力によって駆動される。搬送ベルト601は、無端ベルトからなり、第2搬送ローラー603と第2従動ローラー604との外周に掛けられている。このような搬送ベルト601は、記録シートSの裏面S2側に設けられている。テンションローラー605は、第2搬送ローラー603と第2従動ローラー604との間に設けられて、搬送ベルト601の内周面に当接し、ばね等の付勢部材606の付勢力によって搬送ベルト601に張力を付与している。これにより、搬送ベルト601は、第2搬送ローラー603と第2従動ローラー604との間でヘッドユニット1に相対向する面が平坦になっている。
特に図示しないが、装置本体7には、制御部が設けられている。制御部は、インクジェット式記録装置I及びヘッドユニット1の動作を制御するものである。
このようなインクジェット式記録装置Iでは、第1搬送手段5及び第2搬送手段6によって記録シートSを、ヘッドユニット1に対して第2の方向YのY1側からY2側に向かって搬送しながら、ヘッドユニット1からインクを噴射させて、噴射したインクを記録シートSの着弾面S1に着弾させて印刷を行う。搬送手段は、上述の第1搬送手段5及び第2搬送手段6に限られず、所謂ドラムによるものやプラテンを具備するもの等が用いられてもよい。
図3〜図8を参照してヘッドユニット1について詳細に説明する。図3はヘッドユニット及び支持体の分解斜視図であり、図4はヘッドユニット及び支持体の上面図であり、図5はヘッドユニットの斜視図であり、図6はヘッドユニットの分解斜視図であり、図7はヘッドユニットの要部平面図であり、図8は図7のA−A′線断面図であり、図9は流路部材及び駆動部の断面図である。なお、図5のヘッドユニット1はカバー部材65を省略し、カバー部材65の内部を示している。また、図9では第1の駆動部21について例示してあるが、他の第2の駆動部22、第3の駆動部23及び第4の駆動部24についても同様である。
図3及び図4に示すように、複数のヘッドユニット1を支持する支持体3は、金属等の導電性材料で形成された板状部材からなる。支持体3には、各ヘッドユニット1を保持するための支持孔3aが設けられている。支持孔3aは、本実施形態では、ヘッドユニット1毎に独立して設けられている。もちろん、支持孔3aは、複数のヘッドユニット1に亘って連続して設けるようにしてもよい。
支持体3の支持孔3a内に、ヘッドユニット1が支持体3のZ2側の面から噴射面10を突出させた状態で保持されている。本実施形態の噴射面10は、ヘッドユニット1の記録シートSに対向する面であり、後述する固定板40のZ2側の面である。
ヘッドユニット1は、後述する駆動部を保持するホルダー30を備えている。ホルダー30の第1の方向Xの両側には、当該ホルダー30と一体的にフランジ部35が設けられている。このフランジ部35が支持体3に固定ネジ36によって固定されている。このようにして支持体3に保持されたヘッドユニット1は、第1の方向Xに複数、本実施形態では、3つ並設された列が、第2の方向Yに2列設けられている。
図5、図6及び図9に示すように、ヘッドユニット1は、ノズル開口25からインクを噴射させる第1の駆動部21、第2の駆動部22、第3の駆動部23及び第4の駆動部24と、共通液室の一例であるマニホールド100と、気泡戻し流路80と、合流点85と、集合戻し流路88と、一方向弁400とを備えている。さらに、ヘッドユニット1は、インクを噴射する複数のノズル開口25が形成された噴射面10と、ノズル開口25からインクを噴射するための第1の回路基板71、第2の回路基板72及び第3の回路基板73とを備えている。さらに、ヘッドユニット1は、ホルダー30と、固定板40と、補強板45と、流路部材60とを具備する。
第1の駆動部21、第2の駆動部22、第3の駆動部23及び第4の駆動部24を駆動部20とも総称する。また、第1の回路基板71、第2の回路基板72及び第3の回路基板73を回路基板70とも総称する。
図7に示すように、駆動部20には、インクを噴射するノズル開口25が第1の方向Xに沿って並設されている。また、駆動部20には、ノズル開口25が第1の方向Xに並設された列が第2の方向Yに複数列、本実施形態では、2列設けられている。
駆動部20は、ノズル開口25に連通する流路と、流路内にインクに圧力変化を生じさせる圧力発生手段とを備えている。また、駆動部20のノズル開口25が開口する面がノズル面20aとなっている。すなわち、ヘッドユニット1の噴射面10には、ノズル開口25が形成されたノズル面20aが含まれる。なお、圧力発生手段としては、例えば、電気機械変換機能を呈する圧電材料を有する圧電アクチュエーターの変形によって流路の容積を変化させて流路内のインクに圧力変化を生じさてノズル開口25からインク滴を吐出させるものや、流路内に発熱素子を配置して、発熱素子の発熱で発生するバブルによってノズル開口25からインク滴を吐出させるものや、振動板と電極との間に静電気力を発生させて、静電気力によって振動板を変形させてノズル開口25からインク滴を吐出させるいわゆる静電式アクチュエーターなどを使用することができる。
図5から図8に示すように、ホルダー30は、例えば金属等の導電性材料からなる。また、ホルダー30は、固定板40よりも大きい強度を有する。ホルダー30の第3の方向ZのZ2側の面には、複数の駆動部20を収容する収容部31が設けられている。収容部31は、第3の方向Zの一方側に開口する凹形状を有し、固定板40によって固定された複数の駆動部20を収容する。また、収容部31の開口は固定板40によって封止される。すなわち、収容部31と固定板40とによって形成された空間の内部に駆動部20が収容される。なお、収容部31は、駆動部20毎に設けられていてもよく、複数の駆動部20に亘って連続して設けられていてもよい。本実施形態では、駆動部20毎に独立した収容部31を設けるようにした。
ホルダー30には、駆動部20が第1の方向Xに沿って千鳥状に配置されている。駆動部20を第1の方向Xに沿って千鳥状に配置するとは、第1の方向Xに並設された駆動部20を交互に第2の方向Yにずらして配置することである。すなわち、第1の方向Xに並設された駆動部20の列が第2の方向Yに2列並設され、2列の駆動部20の列を第1の方向Xに半ピッチずらして配置することである。このように駆動部20を第1の方向Xに沿って千鳥状に配置することで、2つの駆動部20のノズル開口25を第1の方向Xで部分的に重複させて、第1の方向Xに亘って連続したノズル開口25の列を形成することができる。
また、図6から図8に示すように、ホルダー30の収容部31が設けられたZ2側の面には、補強板45及び固定板40が固定される凹形状を有する凹部33が設けられている。すなわち、ホルダー30のZ2側の面の外周縁部は、Z2側に突出して設けられた縁部34となっており、Z2側に突出する縁部34によって、凹部33が形成されている。この凹部33の底面に補強板45と固定板40とが順次積層されている。本実施形態では、ホルダー30の凹部33の底面と補強板45とを接着剤で接着し、補強板45と固定板40とを接着剤で接着するようにした。
固定板40は、金属等の導電性材料で形成された板状部材からなる。また、固定板40には、各駆動部20のノズル面20aを露出する露出開口部41が設けられている。露出開口部41は、本実施形態では、駆動部20毎に独立して設けられている。なお、固定板40は、露出開口部41の周縁部において、駆動部20のノズル面20a側と固定されている。
このような固定板40が、ホルダー30の収容部31の開口を塞ぐように、ホルダー30の凹部33内に補強板45を介して固定されている。
補強板45は、固定板40よりも強度が大きい材料を用いるのが好ましい。本実施形態では、補強板45として、固定板40と同じ材料で且つ固定板40よりも第3の方向Zの厚さが厚い板状部材を用いるようにした。
また、補強板45には、固定板40と接合された駆動部20に対応して、駆動部20の外周よりも大きな内径を有する開口部46が第3の方向Zに貫通して設けられている。この補強板45の開口部46内に挿通された駆動部20が固定板40のZ1側の面と接合されている。
固定板40とホルダー30とは、固定板40のZ2側の面を図示しない支持具によって支持した状態で所定の圧力で互いに押圧されて接合される。ちなみに、本実施形態では、固定板40は、駆動部20、補強板45及び固定板40が予め接合された接合体がホルダー30に固定される。
流路部材60は、ホルダー30のZ1側に固定されている。本実施形態では、流路部材60は、第1の流路部材61と、第2の流路部材62と、カバー部材65とを備えている。第1の流路部材61は、第2の流路部材62のZ1側に設けられ、第2の流路部材62は、ホルダー30のZ1側に支持されている。そして、カバー部材65は、第1の流路部材61及び第2の流路部材62と、回路基板70を内部に収容する凹形状を有しており、それらを内部に収容した状態でホルダー30に固定されている。
第1の流路部材61及び第2の流路部材62の図示しない内部には、駆動部20にインクを供給するための流路が設けられている。また、第1の流路部材61のZ1側には、当該流路に連通した導入口64が設けられている。導入口64は、供給管8及び供給部材2に接続され、液体供給手段4からインクが供給される。本実施形態では、導入口64は第1の方向Xに沿って2つ設けられている。さらに、第1の流路部材61のZ1側には、排出口68及び圧力調整口69が設けられている。排出口68は、接続管78a(図1参照)が接続され、その接続管78aを介して開閉弁78(図1参照)に接続される。圧力調整口69は、接続管18a(図1参照)が接続され、その接続管18aを介して圧力調整機構18に接続される。これらの導入口64、排出口68及び圧力調整口69に接続されたヘッドユニット1の内部構成については後述する。
図5及び図8に示すように、第1の回路基板71は、基板74と、中継配線90に接続される端子部(図示せず)と、第1の接続配線91に接続される端子部(図示せず)とを備えている。同様に、第2の回路基板72は、基板74と、中継配線90に接続される端子部(図示せず)と、第2の接続配線92に接続される端子部(図示せず)とを備えている。第3の回路基板73は、基板74と、第1の接続配線91が接続される第1コネクタ75と、第2の接続配線92が接続される第2コネクタ76と、第3コネクタ77とを備えている。なお、これらの回路基板70は、上述した端子部やコネクタの他に特に図示しない電子部品や配線などが設けられている。
第3の回路基板73は、基板74の両面が第2の方向YのY1、Y2側にそれぞれ面するように、第1の流路部材61のZ1側に立設されている。本実施形態では、第3の回路基板73は、第2の流路部材62のZ1側に立設した支持部63に固定されている。
第3の回路基板73に設けられた第1コネクタ75には、第1の接続配線91が接続されている。第1の接続配線91は、第1コネクタ75と第1の回路基板71の端子部(図示せず)とを接続する配線である。また、第3の回路基板73に設けられた第2コネクタ76には、第2の接続配線92が接続されている。第2の接続配線92は、第2コネクタ76と第2の回路基板72の端子部(図示せず)とを接続する配線である。
カバー部材65には、第3の回路基板73を収容する基板収容部66が設けられており、基板収容部66のZ1側に設けられた接続開口部67から第3コネクタ77が露出している。第3コネクタ77は、外部の制御部に接続するための配線(図示せず)が接続される。当該配線を介して、第3の回路基板73には外部の制御部からの印刷信号や電源が供給される。
第1の回路基板71は、第2の流路部材62のY2側に面した側面に設けられている。第1の回路基板71は、第1の接続配線91を介して第3の回路基板73に接続され、また、中継配線90、中継基板95及び配線基板96を介して、第1の駆動部21及び第3の駆動部23(図6及び図7参照)に接続されている。
第2の回路基板72は、第2の流路部材62のY1側に面した側面に設けられている。第2の回路基板72は、第2の接続配線92を介して第3の回路基板73に接続され、また、中継配線90、中継基板95及び配線基板96を介して、第2の駆動部22及び第4の駆動部24(図6及び図7参照)に接続されている。
中継基板95は、ホルダー30のZ1側の面に設けられている。また、ホルダー30にはZ方向に貫通し、収容部31と、Z1側とを連通させる連通孔39が設けられている。この連通孔39には、駆動部20に接続された配線基板96が挿通されている。配線基板96の一端は駆動部20に接続され、他端は中継基板95に接続されている。中継配線90や配線基板96は、可撓性(フレキシブル)のあるシート状のもの、例えば、COF基板等を用いることができる。他にも、中継配線90や配線基板96として、FFC、FPC等を用いてもよい。
配線基板96は、駆動部20を駆動させるための信号や電源を供給するための配線が実装された基板である。このような配線基板96が中継基板95及び中継配線90を介して第1の回路基板71又は第2の回路基板72に接続されている。
このように回路基板70が構成されることで、外部の制御部から印刷信号や電源が第3コネクタ77から第3の回路基板73に供給される。そして、それらの印刷信号等は、第1の接続配線91、第1の回路基板71、中継基板95及び配線基板96を介して第1の駆動部21及び第3の駆動部23に供給される。また、それらの印刷信号等は、第2の接続配線92、第2の回路基板72、中継基板95及び配線基板96を介して第2の駆動部22及び第4の駆動部24に供給される。
上述した構成のヘッドユニット1は、供給部材2から流路部材60を介してインクが供給され、回路基板70を介して供給された印刷信号に基づいて駆動部20内の圧力発生手段が駆動することによってノズル開口25からインク滴を噴射する。
図9を用いて、ヘッドユニット1の流路及び駆動部について詳細に説明する。第1の駆動部21は、流路形成基板110、連通板115、ノズルプレート120、保護基板130、コンプライアンス基板170及びマニホールド形成部材140等の複数の部材で構成されている。
流路形成基板110には、複数の隔壁によって区画された圧力室112が並設されている。ヘッドユニット1は、各駆動部20の圧力室112の並設方向が第1の方向Xとなるようにインクジェット式記録装置Iに搭載される(図7参照)。また、流路形成基板110には、第1の方向Xに圧力室112が並設された列が複数列、本実施形態では2列、第1の方向Xと直交する第2の方向Yに並設されている。
流路形成基板110は、ステンレス鋼やNiなどの金属、ZrOあるいはAlを代表とするセラミック材料、ガラスセラミック材料、MgO、LaAlOのような酸化物などを用いることができる。本実施形態では、流路形成基板110は、シリコン単結晶基板からなる。この流路形成基板110には、一方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁によって区画された圧力室112がインクを吐出する複数のノズル開口25が並設される方向に沿って並設されている。
流路形成基板110の第3の方向ZのZ2側には、連通板115とノズルプレート120とが順次積層されている。すなわち、流路形成基板110の第3の方向ZのZ2側の面に設けられた連通板115と、連通板115の流路形成基板110とは反対面側、すなわち連通板115のZ2側の面に設けられたノズル開口25を有するノズルプレート120と、を具備する。
連通板115には、圧力室112とノズル開口25とを連通するノズル連通路116が設けられている。連通板115は、流路形成基板110よりも大きな面積を有し、ノズルプレート120は流路形成基板110よりも小さい面積を有する。このように連通板115を設けることによってノズルプレート120のノズル開口25と圧力室112とを離せるため、圧力室112の中にあるインクは、ノズル開口25付近のインクで生じるインク中の水分の蒸発による増粘の影響を受け難くなる。また、ノズルプレート120は圧力室112とノズル開口25とを連通するノズル連通路116の開口を覆うだけでよいので、ノズルプレート120の面積を比較的小さくすることができ、コストの削減を図ることができる。
また、連通板115には、マニホールド100の一部を構成する第1マニホールド部117と、第2マニホールド部118(絞り流路、オリフィス流路)とが設けられている。
第1マニホールド部117は、連通板115を厚さ方向に貫通して設けられている。ここでいう厚さ方向とは、連通板115と流路形成基板110とが積層された第3の方向Zである。第2マニホールド部118は、連通板115を厚さ方向に貫通することなく、連通板115のノズルプレート120側に開口して設けられている。
連通板115には、圧力室112の第2の方向Yの一端部に連通する供給連通路119が、圧力室112毎に独立して設けられている。この供給連通路119は、第2マニホールド部118と圧力室112とを連通する。
このような連通板115としては、ステンレスやニッケル(Ni)などの金属、またはジルコニウム(Zr)などのセラミックス等を用いることができる。なお、連通板115は、流路形成基板110と線膨張係数が同等の材料が好ましい。すなわち、連通板115として流路形成基板110と線膨張係数が大きく異なる材料を用いた場合、加熱や冷却されることで、流路形成基板110及び連通板115に反りが生じてしまう。本実施形態では、連通板115として流路形成基板110と同じ材料、すなわち、シリコン単結晶基板を用いることで、熱による反りや熱によるクラック、剥離等の発生を抑制することができる。
ノズルプレート120には、各圧力室112とノズル連通路116を介して連通するノズル開口25が形成されている。このようなノズル開口25は、第1の方向Xに並設され、この第1の方向Xに並設されたノズル開口25の列が第2の方向Yに2列形成されている。また、ノズルプレート120の両面のうちインク滴を吐出する面、すなわち圧力室112とは反対側の面をノズル面20aと称する。
このようなノズルプレート120としては、例えば、ステンレス(SUS)等の金属、ポリイミド樹脂のような有機物、又はシリコン単結晶基板等を用いることができる。なお、ノズルプレート120としてシリコン単結晶基板を用いることで、ノズルプレート120と連通板115との線膨張係数を同等として、加熱や冷却されることによる反りや熱によるクラック、剥離等の発生を抑制することができる。
一方、流路形成基板110の連通板115とは反対面側には、振動板150が形成されている。本実施形態では、振動板150として、流路形成基板110側に設けられた酸化シリコンからなる弾性膜と、弾性膜上に設けられた酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜と、を設けるようにした。なお、圧力室112等の液体流路は、流路形成基板110を一方面側(ノズルプレート120が接合された面側)から異方性エッチングすることにより形成されており、圧力室112等の液体流路の他方面は、弾性膜によって画成されている。
流路形成基板110の振動板150上には、本実施形態の圧力発生手段である圧電アクチュエーター160が設けられている。圧電アクチュエーター160は、特に図示しないが、第1電極と圧電体層と第2電極とが第3の方向Zに積層されたものである。一般的には、圧電アクチュエーター160の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極を圧力室112毎にパターニングして構成する。本実施形態では、第1電極を複数の圧電アクチュエーター160に亘って連続して設けることで共通電極とし、第2電極を圧電アクチュエーター160毎に独立して設けることで個別電極としている。もちろん、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。なお、上述した例では、振動板150が弾性膜及び絶縁体膜で構成されたものを例示したが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、振動板150として弾性膜及び絶縁体膜の何れか一方を設けたものであってもよく、また、振動板150として弾性膜及び絶縁体膜を設けずに、第1電極のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電アクチュエーター160自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
圧電体層は、分極構造を有する酸化物の圧電材料からなり、例えば、一般式ABOで示されるペロブスカイト型酸化物からなることができ、鉛を含む鉛系圧電材料や鉛を含まない非鉛系圧電材料などを用いることができる。
特に図示しないが、圧電アクチュエーター160の個別電極である各第2電極には、リード電極が接続されている。そして、リード電極の一端には、圧電アクチュエーター160を駆動するための配線基板96(図8参照)が接続されている。
流路形成基板110の圧電アクチュエーター160側の面には、流路形成基板110と略同じ大きさを有する保護基板130が接合されている。保護基板130は、圧電アクチュエーター160を保護するための空間である保持部131を有する。保持部131は、保護基板130を厚さ方向である第3の方向Zに貫通することなく、流路形成基板110側に開口する凹形状を有する。また、保持部131は、第1の方向Xに並設された複数の圧電アクチュエーター160により構成される列毎に独立して設けられている。すなわち、保持部131は、圧電アクチュエーター160の第1の方向Xに並設された列を収容するように設けられており、圧電アクチュエーター160の列毎、すなわち2つが第2の方向Yに並設されている。このような保持部131は、圧電アクチュエーター160の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
このような保護基板130としては、流路形成基板110の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板110と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。また、流路形成基板110と保護基板130との接合方法は特に限定されず、例えば、本実施形態では、流路形成基板110と保護基板130とは接着剤(図示せず)を介して接合されている。
マニホールド形成部材140は、平面視において上述した連通板115と略同一形状を有し、保護基板130に接合されると共に、上述した連通板115にも接合されている。具体的には、マニホールド形成部材140は、保護基板130側に流路形成基板110及び保護基板130が収容される深さの凹部141を有する。この凹部141は、保護基板130の流路形成基板110に接合された面よりも広い開口面積を有する。そして、凹部141に流路形成基板110等が収容された状態で凹部141のノズルプレート120側の開口面が連通板115によって封止されている。これにより、流路形成基板110の外周部には、マニホールド形成部材140によって第3マニホールド部142が画成されている。
このような連通板115及びマニホールド形成部材140により、第1マニホールド部117、第2マニホールド部118、及び第3マニホールド部142によって、共通液室の一例であるマニホールド100が構成されている。本実施形態では、マニホールド100は、圧力室112の列毎に1つ設けられている。
マニホールド形成部材140には、マニホールド100に連通した導入口144が設けられている。導入口144は、後述する共通マニホールド50に連通し、共通マニホールド50からインクが供給される。また、マニホールド形成部材140には、マニホールド100に連通した排出口145が設けられている。
マニホールド形成部材140の材料としては、例えば、樹脂や金属等を用いることができる。ちなみに、マニホールド形成部材140として、樹脂材料を成形することにより、低コストで量産することができる。
連通板115の第1マニホールド部117及び第2マニホールド部118が開口する面には、コンプライアンス基板170が設けられている。コンプライアンス基板170は、平面視において上述した連通板115と略同じ大きさを有し、ノズルプレート120を露出する第1露出開口部146が設けられている。そして、このコンプライアンス基板170が第1露出開口部146によってノズルプレート120を露出した状態で、第1マニホールド部117と第2マニホールド部118のノズル面20a側の開口を封止している。すなわち、コンプライアンス基板170がマニホールド100の一部を画成している
コンプライアンス基板170は、図示しない封止膜と固定基板とを具備する。封止膜は、可撓性を有するフィルム状の薄膜からなり、固定基板は、ステンレス鋼(SUS)等の金属等の硬質の材料で形成される。マニホールド100の一方面は可撓性を有する封止膜のみで封止されている。このようなコンプライアンス基板170により、マニホールド100の圧力変動が吸収される。
このような構成の第1の駆動部21では、インクを噴射する際に、導入口144を介してインクを取り込み、マニホールド100からノズル開口25に至るまで流路内部をインクで満たす。その後、回路基板70等(図8等参照)から送信された印刷信号に従い、圧力室112に対応する各圧電アクチュエーター160に電圧を印加することにより、圧電アクチュエーター160と共に振動板150をたわみ変形させる。これにより、圧力室112内の圧力が高まり所定のノズル開口25からインク滴が噴射される。
図9から図11を用いて、上述した構成の各駆動部20にインクを供給する流路、及びインク中の気泡を排出する脱泡経路について説明する。図10は図9の弁機構200を拡大した断面図であり、図11は図9の逆止弁V2を拡大した断面図である。
図9に示すように、第2の流路部材62には、2つのマニホールド100に連通する空間である共通マニホールド50が形成されている。この共通マニホールド50は、マニホールド100よりも上流側の上流流路の一例である。共通マニホールド50は、第1の駆動部21に設けられた2つの導入口144に連通し、各導入口144を介して各マニホールド100に連通している。
共通マニホールド50には、流路部材60に形成された流路である第1供給流路51及び第2供給流路52が接続されている。第1供給流路51は、ヘッドユニット1の外部から供給されるインクの導入部である導入口64に連通した流路である。第2供給流路52は、第1供給流路51よりも共通マニホールド50側に設けられた流路である。
第1供給流路51と第2供給流路52との間には、弁機構200が設けられている。弁機構200は、第1供給流路51及び第2供給流路52の間に設けられた空間R1及び空間R2と、制御室Rcとを備えている。空間R1と空間R2との間には、開閉弁V1が設置され、空間R2と制御室Rcとの間には可動膜201が設けられている。空間R1は、第1供給流路51を介して液体供給手段4に接続される。本実施形態の液体供給手段4は、液体圧送機構16と液体容器14とを備える。液体圧送機構16は、液体容器14に貯留されたインクを加圧状態で第1の駆動部21に供給(すなわち圧送)するポンプなどを備えた機構である。
図10に示すように、開閉弁V1は、弁座221と弁体222と受圧板223とバネ224とを具備する。弁座221は、空間R1と空間R2とを仕切る平板状の部分である。弁座221には、空間R1と空間R2とを連通させる連通孔230が形成されている。受圧板223は、可動膜201のうち弁座221との対向面に設置された略円形状の平板材である。
弁体222は、基部225と弁軸226と封止部227(シール)とを包含する。基部225の表面から弁軸226が垂直に突起し、平面視で弁軸226を包囲する円環状の封止部227が基部225の表面に設置される。弁体222は、連通孔230に弁軸226が挿入された状態で空間R1内に配置され、バネ224により弁座221側に付勢される。弁軸226の外周面と連通孔230の内周面との間には隙間が形成されている。
制御室Rcには袋状体240が設置されている。袋状体240は、ゴム等の弾性材料で形成された袋状の部材であり、内部空間の加圧により膨張するとともに内部空間の減圧により収縮する。
袋状体240は、脱泡経路58、圧力調整口69を介して圧力調整機構18に接続されている。圧力調整機構18は、圧力調整機構18に接続された脱泡経路58に空気を供給する加圧動作と、脱泡経路58から空気を吸引する減圧動作とを、制御部からの指示に応じて選択的に実行可能である。圧力調整機構18から内部空間に空気が供給されること(すなわち加圧)で袋状体240は膨張し、圧力調整機構18による空気の吸引(すなわち減圧)により袋状体240は収縮する。
袋状体240が収縮した状態では、空間R2内の圧力が所定の範囲内に維持されている場合には、弁体222をバネ224が付勢することで封止部227が弁座221の表面に密着する。したがって、空間R1と空間R2とは遮断される。他方、第1の駆動部21によるインクの噴射や外部からの吸引に起因して空間R2内の圧力が所定の閾値を下回る数値まで低下すると、可動膜201が弁座221側に変位することで受圧板223が弁軸226を押圧し、弁体222がバネ224による付勢に対抗して移動することで封止部227が弁座221から離間する。したがって、空間R1と空間R2とが連通孔230を介して相互に連通する。
また、圧力調整機構18による加圧で袋状体240が膨張すると、袋状体240による押圧で可動膜201が弁座221側に変位する。したがって、受圧板223による押圧で弁体222が移動して開閉弁V1が開放される。すなわち、空間R2内の圧力の高低に関わらず、圧力調整機構18による加圧で強制的に開閉弁V1を開放することが可能である。
弁機構200の開閉弁V1が開放すると、第1供給流路51から空間R1、空間R2、第2供給流路52を介して共通マニホールド50にインクが供給される。
図9に示すように、流路部材60には、共通マニホールド50と第2供給流路52との間に、フィルター340が設けられている。また、流路部材60には、脱泡空間Qが設けられている。脱泡空間Qは、インクから抽出された気泡が一時的に滞留する空間である。
フィルター340は、第2供給流路52を横断するように設置され、インクに混入した気泡や異物を捕集する。具体的には、フィルター340は、空間RF1と空間RF2とを仕切るように設置される。上流側の空間RF1は弁機構200の空間R2に連通し、下流側の空間RF2は共通マニホールド50に連通する。
空間RF1と脱泡空間Qとの間には気体透過膜Mcが介在する。具体的には、空間RF1の天井面が気体透過膜Mcで構成されている。気体透過膜Mcは、気体(空気)は透過させるが、インク等の液体は透過させない気体透過性の膜体(気液分離膜)であり、例えば公知の高分子材料で形成される。フィルター340で捕集された気泡は、浮力による上昇で空間RF1の天井面に到達し、気体透過膜Mcを透過することで脱泡空間Qに排出される。すなわち、インクに混入した気泡が分離される。
共通マニホールド50は、インクを一時的に貯留するための空間である。共通マニホールド50には、第2供給流路52(空間RF2)からインクが流入し、共通マニホールド50から導入口144を介して各マニホールド100にインクが流入する。
共通マニホールド50と脱泡空間Qとの間には気体透過膜MAが介在する。具体的には、共通マニホールド50の天井面が気体透過膜MAで構成されている。気体透過膜MAは、前述の気体透過膜Mcと同様に気体透過性の膜体である。したがって、フィルター340を通過して共通マニホールド50に進入した気泡は浮力により上昇し、共通マニホールド50の天井面の気体透過膜MAを透過して脱泡空間Qに排出される。
第1の駆動部21のマニホールド100には、前述の通り、共通マニホールド50から導入口144を介してインクが流入する。このインクは、マニホールド100から各圧力室112に供給される。また、マニホールド100には排出口145が形成されている。排出口145は、マニホールド100の天井面149に形成された流路である。マニホールド100の天井面149は、導入口144側から排出口145側にかけて第3の方向ZにおいてZ1側に高くなる傾斜面(平面または曲面)である。
したがって、導入口144から進入した気泡は浮力の作用で天井面149に沿って排出口145側に誘導される。本実施形態に係るヘッドユニット1は、このような天井面149を有する天井を設けることで、マニホールド100から気泡をより確実に気泡戻し流路80に排出させることができる。なお、図9では、第2の方向Yに沿って天井面149が高くなっているが、第1の方向Xに沿って天井面149が高くなるようにしてもよい。
マニホールド100と脱泡空間Qとの間には気体透過膜MBが介在する。気体透過膜MBは、気体透過膜MAや気体透過膜Mcと同様に気体透過性の膜体である。したがって、マニホールド100から排出口145に進入した気泡は浮力により上昇し、気体透過膜MBを透過して脱泡空間Qに排出される。前述の通り、マニホールド100内の気泡は天井面149に沿って排出口145に誘導されるため、例えばマニホールド100の天井面149を水平面とした構成と比較してマニホールド100内の気泡を効果的に排出することが可能である。なお、気体透過膜MAと気体透過膜MBと気体透過膜Mcとを単一の膜体で形成することも可能である。
以上に説明した通り、第1実施形態では、共通マニホールド50と脱泡空間Qとの間に気体透過膜MAが介在し、マニホールド100と脱泡空間Qとの間に気体透過膜MBが介在し、空間RF1と脱泡空間Qとの間に気体透過膜Mcが介在する。すなわち、気体透過膜MAと気体透過膜MBと気体透過膜Mcとの各々を透過した気泡が共通の脱泡空間Qに到達する。したがって、ヘッドユニット1の各部にて抽出された気泡が別個の空間に供給される構成と比較して、気泡の排出のための構造が簡素化されるという利点がある。
脱泡空間Qは脱泡経路58に連通する。脱泡経路58は、脱泡空間Qに滞留した空気を装置外部に排出するための経路である。本実施形態の脱泡経路58は、流路部材60に設けられた第1脱泡経路55と第2脱泡経路56とを備える。第1脱泡経路55は、流路部材60のZ1側に設けられた圧力調整口69に連通した流路である。圧力調整口69は圧力調整機構18が接続される筒状の部位である。第1脱泡経路55は途中で分岐し、一方が制御室Rcに連通し、もう一方は第2脱泡経路56に連通している。
第2脱泡経路56には、脱泡空間Qと対向する領域に逆止弁V2が設けられている。逆止弁V2は、脱泡空間Qから脱泡経路58に向かう空気の流通を許可する一方、脱泡経路58から脱泡空間Qに向かう空気の流通を阻害する弁機構である。
図11に示すように、逆止弁V2は、弁座341と弁体342とバネ343とを包含する。弁座341は、脱泡空間Qと脱泡経路58とを仕切る平板状の部分である。弁座341には、脱泡空間Qと脱泡経路58とを連通させる連通孔330が形成されている。弁体342は、弁座341に対向するとともにバネ343により弁座341側に付勢される。脱泡経路58内の圧力が脱泡空間Q内の圧力以上に維持された状態(脱泡経路58内が大気開放または加圧された状態)では、バネ343からの付勢により弁体342が弁座341に密着することで連通孔330が閉塞される。したがって、脱泡空間Qと脱泡経路58とは遮断される。他方、脱泡経路58内の圧力が脱泡空間Q内の圧力を下回る状態(脱泡経路58内が減圧された状態)では、弁体342がバネ343による付勢に対抗して弁座341から離間する。したがって、脱泡空間Qと脱泡経路58とが連通孔330を介して相互に連通する。
図9を用いて、マニホールド100から気泡を排出するための構成について説明する。そのような構成として、ヘッドユニット1(流路部材60)には、気泡戻し流路80、合流点85、集合戻し流路88及び一方向弁400が設けられている。
気泡戻し流路80は、共通液室の一例であるマニホールド100に連通し、マニホールド100内の気泡を排出するための流路である。本実施形態では、気泡戻し流路80は、流路部材60に形成された第1戻し流路81及び第2戻し流路82を備えている。
第1戻し流路81は、マニホールド100の下流側に連通した気泡戻し流路の一例である。マニホールド100の下流側としては、本実施形態では天井面149のうち、第3の方向Zの高さが最も高い部分としてある。第2戻し流路82は、マニホールド100より上流側の共通マニホールド50内の気泡を排出するための流路である。第1戻し流路81は、2つのマニホールド100のそれぞれに対応して2つ設けられており、第2戻し流路82は、1つの共通マニホールド50に対応して1つ設けられている。もちろん、第1戻し流路81は1つのマニホールド100に対して複数本設けられていてもよいし、第2戻し流路82は1つの共通マニホールド50に複数本設けられていてもよい。
第1戻し流路81及び第2戻し流路82は、請求項に記載する気泡戻し流路の一例であり、さらに第2戻し流路82は、請求項に記載する上流側気泡戻し流路の一例である。これらの第1戻し流路81及び第2戻し流路82を気泡戻し流路80とも総称する。
合流点85は、複数の気泡戻し流路80と連通する部分である。また、集合戻し流路88は合流点85と連通し、複数の気泡戻し流路80内の気泡を排出するための流路である。換言すれば、合流点85よりもマニホールド100又は共通マニホールド50側の流路が気泡戻し流路80であり、合流点85よりも上流側(マニホールド100又は共通マニホールド50とは反対側)の流路が集合戻し流路88である。
本実施形態では合流点85は流路部材60に2箇所設けられている。集合戻し流路88は、2つの合流点85の間の流路、及び一方(Y2側)の合流点85から排出口68に至るまでの流路から構成されている。Y1側の第1戻し流路81は、Y1側の合流点85からマニホールド100に至るまでの流路であり、Y2側の第1戻し流路81は、Y2側の合流点85からマニホールド100に至るまでの流路である。第2戻し流路82は、Y1側の合流点85から共通マニホールド50に至るまでの流路である。
なお、本実施形態では、3本の気泡戻し流路80が2つの合流点85で合流していたが、このような態様に限定されない。例えば、3本の気泡戻し流路80が1つの合流点85で合流していてもよい。
また、排出口68は、流路部材60のZ1側の面に設けられ、ヘッドユニット1の外部に設けられた開閉弁78が接続される部位である。集合戻し流路88の一端は排出口68に連通しており、排出口68を介して開閉弁78に接続されている。開閉弁78は、通常状態では集合戻し流路88を閉塞し(ノーマリークローズ)、一時的に集合戻し流路88を大気開放することが可能な弁機構である。
各気泡戻し流路80の途中には、一方向弁400が設けられている。一方向弁400は、マニホールド100又は共通マニホールド50から外部(開閉弁78)へインク(気泡を含む液体)を流通させるが、外部からマニホールド100又は共通マニホールド50へインクを流通させない弁機構である。
図12及び図13を用いて、一方向弁400の具体例について説明する。図12及び図13は一方向弁400の動作を示す断面図である。
図12に示すように、一方向弁400は、第1戻し流路81の途中に形成された弁室401を備えている。弁室401のZ1側の上面には、第1開口部411が開口している。この第1開口部411は第1戻し流路81の下流側(マニホールド100とは反対側)の開口である。弁室401のZ2側の下面には、第2開口部412が開口している。この第2開口部412は第1戻し流路81の上流側(マニホールド100側)の開口である。
弁室401の内部には、球状の弁体402が配置されている。第1開口部411及び第2開口部412の直径は、いずれも弁体402の直径よりも小さく形成されている。また、第1開口部411の一部に、切り欠き部413が形成されている。
このような構成の一方向弁400は、下流側から上流側にインクが流れると、その流れにより弁体402が第2開口部412を塞ぐ。この結果、下流側から上流側にインクは流通しない。
また、一方向弁400は、図13に示すように、上流側から下流側にインクが流れると、その流れにより弁体402が第1開口部411を塞ぐ。第1開口部411の一部には切り欠き部413が形成されているので、インクは切り欠き部413を通り、下流側へ流れる。この結果、上流側から下流側にインクは流通することが可能となっている。
図12及び図13では、第1戻し流路81に設けた一方向弁400について説明したが、第2戻し流路82に設けた一方向弁400についても同様である。なお、一方向弁400は、上述した構成に限定されず、気泡戻し流路80のマニホールド100側へインクが逆流しない構成であればよい。
図14を用いて、インクをマニホールド100へ供給する導入口64と、インクを集合戻し流路88から排出する排出口68とについて説明する。図14は、ヘッドユニット内部の流路を示す平面図、及びヘッドユニットのZ1側の平面図である。
本実施形態のヘッドユニット1は、2つのマニホールド100を有する駆動部20が合計4つ設けられている。これらの駆動部20に対して、インクを供給する接続口となる導入口64は、ヘッドユニット1のZ1側の面に2つ設けられている。流路部材60には、2つの駆動部20に対して1つ、合計2つの共通マニホールド50が設けられている
各導入口64は、第1供給流路51及び第2供給流路52を介して、各共通マニホールド50に接続されている。1つの共通マニホールド50は2つの駆動部20に対してインクを分配する(図9参照)。本実施形態では、1つの共通マニホールド50は、第1の駆動部21、第4の駆動部24にインクを分配し、もう一つの共通マニホールド50は第2の駆動部22及び第3の駆動部23にインクを分配する。
一方、本実施形態のヘッドユニット1では、各駆動部20の第1戻し流路81は、各合流点85で合流して集合戻し流路88に連通している。集合戻し流路88は、一つの排出口68に接続されている。
このように本実施形態のヘッドユニット1では、排出口68の数は1であり、導入口64の数は2であり、排出口68の数は導入口64の数よりも少ない。排出口68の数が導入口64の数よりも少ないため、ヘッドユニット1と支持体3(インクジェット式記録装置I)との脱着を簡素化することができる。仮に排出口68が導入口64と同数であると、その排出口68に接続管78a(図1参照)を取り付ける手間が増えてしまう。
また、導入口64の数が排出口68よりも多い。つまり、導入口64からマニホールド100へ至る流路を、少なくとも導入口64の数だけ独立して設けることができる。このため、あるマニホールド100の内部の圧力変動が流路を介して他のマニホールドへ伝播することを低減することができる。もちろん、導入口64及び排出口68の数には特に制約はない。
図15から図17を用いて、ヘッドユニット1の動作を説明する。図15は初期充填時におけるヘッドユニット1の概略図であり、図16は通常使用時におけるヘッドユニット1の概略図であり、図17は脱泡動作時におけるヘッドユニット1の概略図である。
図15に示すように、ヘッドユニット1に最初にインクを充填(以下「初期充填」という)する段階では、圧力調整機構18が加圧動作を実行する。すなわち、袋状体240の内部空間と脱泡経路58内とが空気の供給により加圧される。したがって、制御室Rc内の袋状体240が膨張して可動膜201および受圧板223が変位し、受圧板223からの押圧により弁体222が移動して空間R1と空間R2とが連通する。脱泡経路58が加圧された状態では逆止弁V2により脱泡空間Qと脱泡経路58とが遮断されるので、脱泡経路58内の空気は脱泡空間Qには流入しない。他方、初期充填の段階では開閉弁78が開放される。
このような初期充填の状態において、液体圧送機構16は、液体容器14に貯留されたインクをヘッドユニット1に圧送する。具体的には、液体圧送機構16から圧送されたインクは、開放状態にある開閉弁V1を介して共通マニホールド50に供給され、共通マニホールド50からマニホールド100および各圧力室112(図9参照)に供給される。前述の通り開閉弁78は開放されているから、マニホールド100などに存在していた空気やインク中の気泡Bは、インクとともに第1戻し流路81、第2戻し流路82、集合戻し流路88、及び開閉弁78を通過してインクジェット式記録装置Iの外部に排出される。
したがって、ヘッドユニット1のマニホールド100と各圧力室112とを含む流路の全体にインクが充填され、圧電アクチュエーター160の動作によりノズル開口25からインクを噴射可能な状態となる。以上に例示した通り、液体圧送機構16のポンプによってヘッドユニット1にインクが圧送されるときに開閉弁78が開放されるから、ヘッドユニット1のマニホールド100などの流路にインクを効率的に充填することが可能である。以上に説明した初期充填が完了すると、圧力調整機構18による加圧動作が停止するとともに開閉弁78が閉塞される。
本実施形態に係るヘッドユニット1は、ノズル開口25から、気泡戻し流路80を介して、気泡戻し流路80の出口となる開閉弁78までの流路の流路抵抗の最小値は、ノズル開口25のメニスカス耐圧よりも小さい。本実施形態では、当該流路は、ノズル開口25、圧力室112、マニホールド100、第1戻し流路81、集合戻し流路88、排出口68、接続管78aから構成されている。ここでいう流路抵抗とは、一方向弁400を開くための圧力を含む。
このような構成のヘッドユニット1において、上述したように加圧してインクを初期充填する際に、ノズル開口25からインクが排出される量を低減することができる。これは上記流路を流通するインクの圧力は、上記流路の流路抵抗(の最小値)によってメニスカス耐圧よりも小さく抑えられるからである。すなわち、上記流路を流通するインクの圧力がメニスカス耐圧よりも小さくなるように、上記流路が形成されている。もちろん、上記流路抵抗の最小値は、ノズル開口25のメニスカス耐圧以上であってもよい。
図16に示すように、初期充填が完了した後の通常使用時では、ヘッドユニット1のマニホールド100等に存在する気泡Bが常時的に脱泡空間Qに排出される。具体的には、空間RF1内の気泡Bは気体透過膜Mcを介して脱泡空間Qに排出され、共通マニホールド50内の気泡Bは気体透過膜MAを介して脱泡空間Qに排出され、マニホールド100内の気泡Bは第1戻し流路81の途中に設けられた気体透過膜MBを介して脱泡空間Qに排出される。他方、開閉弁V1は、空間R2内の圧力が所定の範囲内に維持された状態では閉塞され、空間R2内の圧力が所定の閾値を下回ると開放される。開閉弁V1が開放されると、液体圧送機構16から圧送されるインクが空間R1から空間R2に流入し、結果的に空間R2の圧力が上昇することで開閉弁V1は閉塞される。
通常使用時において脱泡空間Qに滞留した空気は、脱泡動作により装置外部に排出される。脱泡動作は、例えばインクジェット式記録装置Iの電源投入の直後や印刷動作の間等の任意の時期に実行され得る。
図17に示すように、ヘッドユニット1は脱泡動作時においては、圧力調整機構18が減圧動作を実行する。すなわち、袋状体240の内部空間と脱泡経路58とが空気の吸引により減圧される。
脱泡経路58が減圧されると、逆止弁V2の弁体342がバネ343による付勢に対抗して弁座341から離間し、脱泡空間Qと脱泡経路58とが連通孔330を介して相互に連通する。したがって、脱泡空間Q内の空気は脱泡経路58を介してインクジェット式記録装置Iの外部に排出される。他方、内部空間の減圧により袋状体240は収縮するが、制御室Rc内の圧力(ひいては可動膜201)には影響しないので、開閉弁V1は閉塞した状態に維持される。
ここで、図9を用いて、通常使用時における一方向弁400の作用について説明する。通常使用時においては、マニホールド100のインクに含まれる気泡は、主として、気体透過膜MBを介して脱泡空間Qに排出される。また、マニホールド100のインクに含まれる気泡の一部は、一方向弁400を通過し、第1戻し流路81から合流点85を超え、他のマニホールド100に連通する第1戻し流路81にも達し得る。
ここで、仮に各気泡戻し流路80に一方向弁400が設けられていない構成のヘッドユニットでは、ある気泡戻し流路80から合流点85を超えた気泡は、インクとともに開閉弁78へ排出されるのみならず、一部が他の気泡戻し流路80を経由して、マニホールド100や共通マニホールド50に逆流してしまい、インクの噴射不良を引き起こす虞がある。特に、一方のマニホールド100に連通したノズル開口25からインクを噴射し、他方のマニホールド100に連通したノズル開口25からはほとんどインクを噴射しない場合に、このような逆流が生じる可能性が高い。
しかしながら、本実施形態のヘッドユニット1は、各第1戻し流路81に一方向弁400が設けられているので、各マニホールド100から排出された気泡が他のマニホールド100に逆流することを抑制することができる。第2戻し流路82についても同様に、一方向弁400が設けられているので、各マニホールド100からの気泡が第2戻し流路82を経由して共通マニホールド50に逆流することを抑制することができる。
そして、このようなヘッドユニット1を備えるインクジェット式記録装置Iは、マニホールド100から排出する気泡を他のマニホールド100に逆流させることなく外部へ排出させ、インクの噴射不良を抑制することができる。
また、本実施形態のヘッドユニット1は、ヘッドユニット1内(流路部材60内)に合流点85が設けられているので、ヘッドユニット1の外部(例えば、流路部材60とは別部材)に合流点85を設ける構成と比較して、ヘッドユニット1を小型化することができる。さらに、複数の気泡戻し流路80は、集合戻し流路88に一本化され、インクジェット式記録装置Iの開閉弁78に接続されるので、インクジェット式記録装置Iに着脱する際に、開閉弁78との接続が容易となる。
なお、集合戻し流路88から開閉弁78に流通したインク及びインクに含まれる気泡は、廃棄してもよいし、液体供給手段4に戻してもよい。
本実施形態に係るヘッドユニット1は、気泡戻し流路80の途中に、気体透過部の一例として気体透過膜MBが設けられている。このような気体透過膜MBを設けることで、気泡戻し流路80に進入したインク中の気泡は、気体透過膜MBを透過し、脱泡空間Qを経由して外部へ排出される。このようにインク中の気泡を、集合戻し流路88を経由してインクとともに排出するだけでなく、気体透過膜MBを透過させて気泡のみを外部に排出させ、より確実にマニホールド100内の気泡を外部に排出することができる。
本実施形態に係るヘッドユニット1は、共通マニホールド50に連通した第2戻し流路82が設けられている。このような第2戻し流路82により、共通マニホールド50中のインクに含まれる気泡をインクとともに開閉弁78から外部へ排出することができる。
本実施形態に係るヘッドユニット1は、マニホールド100の内部の気泡を強制的にインクとともに排出するクリーニング動作を行ってもよい。このクリーニング動作は、任意のタイミングで制御部の指令により実施される。具体的には、液体圧送機構16により、マニホールド100の内部のインクを加圧してノズル開口25から排出させることで、いわゆる加圧クリーニングを行う。この加圧クリーニングの際には、開閉弁78を閉じて行う。
このように、加圧クリーニングの際に、開閉弁78を閉じるので、加圧されたインクは、集合戻し流路88から開閉弁78の外部へ排出されず、ノズル開口25のみへ排出させることができるので、効果的にインクをノズル開口25から排出し、効率的に加圧クリーニングを実施できる。なお、加圧クリーニングの際に、開閉弁78を開放してもよい。
〈他の実施形態〉
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。
実施形態1のヘッドユニット1は、気泡戻し流路80の途中には気体透過膜MBが設けられていたが、このような態様に限定されず、気体透過膜MBを設けなくてもよい。
実施形態1のヘッドユニット1は、マニホールド100の天井は傾斜した天井面149を有していたが、このような態様には限定されず、ノズル面20aと略平行な天井面であってもよいし、それ以外の任意の形状であってもよい。
実施形態1のヘッドユニット1は、共通マニホールド50に第2戻し流路82が設けられていたが、このような態様に限定されず、第2戻し流路82は設けられていなくてもよい。
実施形態1のヘッドユニット1は、初期充填の際には、開閉弁78を開いて気泡戻し流路80を介して気泡を排出し、初期充填後に開閉弁78を閉じたが、このような態様に限定されない。
実施形態1のヘッドユニット1は、第2脱泡経路56に逆止弁V2を設けたが、設けなくても良い。圧力調整機構18の加圧動作は減圧動作に比べて短時間で行われるため、圧力調整機構18が加圧動作を行っても、脱泡空間Qの空気は気体透過膜MAや気体透過膜Mcを透過し難い。
また、上述した実施形態では、インクジェット式記録装置Iとして、ヘッドユニット1が装置本体7に固定されて、記録シートSを搬送するだけで印刷を行う、所謂ライン式記録装置を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、ヘッドユニット1を記録シートSの搬送方向である第2の方向Yと交差する第1の方向Xに移動するキャリッジ等の支持体に搭載して、支持体と共にヘッドユニット1を第1の方向Xに移動しながら印刷を行う、所謂シリアル型記録装置にも本発明を適用することができる。
なお、上記実施の形態においては、液体噴射ヘッドユニットの一例としてインクジェット式記録ヘッドユニットを、また液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッドユニット及び液体噴射装置全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドユニットや液体噴射装置にも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッドユニット、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッドユニット、有機ELディスプレイ、FED(電界放出ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッドユニット、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドユニット等が挙げられ、かかる液体噴射ヘッドユニットを備えた液体噴射装置にも適用できる。
I…インクジェット式記録装置(液体噴射装置)、1…ヘッドユニット(液体噴射ヘッドユニット)、MB…気体透過膜(気体透過部)、V1…開閉弁、V2…逆止弁、16…液体圧送機構、18…圧力調整機構、20…駆動部、20a…ノズル面、25…ノズル、30…ホルダー、50…共通マニホールド(上流流路)、58…脱泡経路、60…流路部材、64…導入口、68…排出口、69…圧力調整口、70…回路基板、78…開閉弁、80…気泡戻し流路、81…第1戻し流路、82…第2戻し流路、85…合流点、88…集合戻し流路、100…マニホールド(共通液室)、112…圧力室、120…ノズルプレート、160…圧電アクチュエーター、200…弁機構、300…逆止弁、400…一方向弁

Claims (11)

  1. 圧力室と連通するノズル開口から前記圧力室内の液体を噴射するための駆動部と、
    複数の前記圧力室と連通する共通液室と、
    前記共通液室と連通し、前記共通液室内の気泡を含む液体を排出するための気泡戻し流路と、
    複数の前記気泡戻し流路と連通する合流点と、
    前記合流点と連通し、複数の前記気泡戻し流路内の気泡を含む液体を排出するための集合戻し流路と、
    前記気泡戻し流路の途中に設けられた一方向弁と、を備える
    ことを特徴とする液体噴射ヘッドユニット。
  2. 請求項1に記載する液体噴射ヘッドユニットにおいて、
    さらに、脱泡空間に連通する分岐点が前記気泡戻し流路の途中に設けられ、
    前記分岐点から前記脱泡空間との間には気体を透過し、液体を透過しない気体透過部を備える
    ことを特徴とする液体噴射ヘッドユニット。
  3. 請求項1又は請求項2に記載する液体噴射ヘッドユニットにおいて、
    前記共通液室の天井は、前記気泡戻し流路に向かって傾斜している
    ことを特徴とする液体噴射ヘッドユニット。
  4. 圧力室と連通するノズル開口から前記圧力室内の液体を噴射するための駆動部と、
    複数の前記圧力室と連通する共通液室と、
    前記共通液室と連通し、前記共通液室内の気泡を排出するための気泡戻し流路と、
    複数の前記気泡戻し流路と連通する合流点と、
    前記合流点と連通し、複数の前記気泡戻し流路内の気泡を排出するための集合戻し流路と、
    前記気泡戻し流路の途中に設けられた一方向弁と、を備え、
    さらに、前記共通液室と連通し、前記共通液室より上流側の上流流路内の気泡を排出するための上流側気泡戻し流路を備え、
    前記合流点は、前記上流側気泡戻し流路と連通する
    ことを特徴とする液体噴射ヘッドユニット。
  5. 圧力室と連通するノズル開口から前記圧力室内の液体を噴射するための駆動部と、
    複数の前記圧力室と連通する共通液室と、
    前記共通液室と連通し、前記共通液室内の気泡を排出するための気泡戻し流路と、
    複数の前記気泡戻し流路と連通する合流点と、
    前記合流点と連通し、複数の前記気泡戻し流路内の気泡を排出するための集合戻し流路と、
    前記気泡戻し流路の途中に設けられた一方向弁と、を備え、
    前記集合戻し流路の前記合流点とは反対側の端部には出口が設けられ、
    前記ノズル開口から、前記気泡戻し流路を介して、前記出口までの流路の流路抵抗の最小値は、前記ノズル開口のメニスカス耐圧よりも小さい
    ことを特徴とする液体噴射ヘッドユニット。
  6. 請求項1から請求項5の何れか一項に記載する液体噴射ヘッドユニットを備えることを特徴とする液体噴射装置。
  7. 圧力室と連通するノズル開口から前記圧力室内の液体を噴射するための駆動部と、
    複数の前記圧力室と連通する共通液室と、
    前記共通液室と連通し、前記共通液室内の気泡を排出するための気泡戻し流路と、
    複数の前記気泡戻し流路と連通する合流点と、
    前記合流点と連通し、複数の前記気泡戻し流路内の気泡を排出するための集合戻し流路と、
    前記気泡戻し流路の途中に設けられた一方向弁と、を備える液体噴射ヘッドユニットを備える液体噴射装置において、
    前記集合戻し流路と連通する開閉弁と、
    前記共通液室内を加圧する液体圧送機構と、を備え、
    前記液体圧送機構により、前記共通液室内の液体を前記ノズル開口から排出する際に、前記開閉弁を閉じる
    ことを特徴とする液体噴射装置。
  8. 請求項7に記載する液体噴射装置において、
    初期充填の際に、前記開閉弁を開いて、前記気泡戻し流路を介して気泡を排出し、
    初期充填の後に、前記開閉弁を閉じる
    ことを特徴とする液体噴射装置。
  9. 圧力室と連通するノズル開口から前記圧力室内の液体を噴射するための駆動部と、
    複数の前記圧力室と連通する共通液室と、
    前記共通液室と連通し、前記共通液室内の気泡を排出するための気泡戻し流路と、
    複数の前記気泡戻し流路と連通する合流点と、
    前記合流点と連通し、複数の前記気泡戻し流路内の気泡を排出するための集合戻し流路と、
    前記気泡戻し流路の途中に設けられた一方向弁と、を備える液体噴射ヘッドユニットを備える液体噴射装置において、
    前記液体噴射ヘッドユニットは、さらに、前記液体噴射装置に設けられた液体供給手段と接続され、液体を前記共通液室へ導入する導入口と、前記液体噴射装置に設けられて前記集合戻し流路と連通する開閉弁と接続され、液体を前記集合戻し流路から排出する排出口と、を備え、
    前記排出口の数は、前記導入口の数よりも少ない
    ことを特徴とする液体噴射装置。
  10. 請求項1から請求項5の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドユニットにおいて、
    前記一方向弁は、前記共通液室側から前記集合戻し流路側に向かう方向においては液体および気体を流通し、前記集合戻し流路側から前記共通液室側に向かう方向においては液体および気体を流通しない
    ことを特徴とする液体噴射ヘッドユニット。
  11. 請求項1から請求項5の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドユニットにおいて、
    前記複数の気泡戻し流路のそれぞれに前記一方向弁が設けられている
    ことを特徴とする液体噴射ヘッドユニット。
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