JP7638697B2 - 液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は液体吐出装置に関する。

液体吐出装置では、液体吐出ヘッドに供給する液体の圧力を管理するために、差圧弁等の圧力制御機構が設けられている。例えば、特許文献１に記載されている差圧弁では、圧縮ばねを用いて開弁に必要な力（開弁力）を管理している。

特開２０１０－２２３２５９号公報

特許文献１に記載されている差圧弁は、圧縮ばねを用いることにより、開弁に必要な力を任意に設定しやすく、構成を単純化できるという利点がある。しかし、差圧弁内に圧縮ばねを収容するスペースを確保する必要があり、差圧弁自体の寸法、特に厚さが大きくなる。近年では、液体吐出装置は、多機能化やカートリッジ（液体容器）の大容量化や高精細記録のための多色化等に伴い、部品点数が増加し大型化する傾向にある。しかし、液体吐出装置本体の大型化は製品コストの増大につながるため好ましくない。従って、前述したように差圧弁の圧縮ばねに起因して液体吐出装置が大型化することは抑えることが望ましい。

そこで、本発明の目的は、弁を有していても大型化を抑えることができる液体吐出装置を提供することにある。

本発明の液体吐出装置は、液体を吐出する素子基板と、前記液体を収容するタンクと、前記タンクから前記素子基板への前記液体の供給を制御する弁と、前記タンクと前記素子基板との間に位置する流路の一部を形成する流路形成部材と、を含む液体吐出装置であって、前記弁は前記流路形成部材の内部に設けられており、前記弁は、前記流路形成部材の一部と一体的に形成された板ばねを含み、前記流路形成部材には、前記弁の一部を構成する孔部が設けられており、前記流路形成部材は、金属フレームと前記金属フレームに一部が固定された弾性部材とを有するバルブシートを含み、前記弁は、前記弾性部材の一部が前記板ばねの弾性変形とともに変位して前記孔部に接する位置と前記孔部から離れた位置との間を移動することにより開閉することを特徴とする。

本発明によると、弁を有していても大型化を抑えることができる液体吐出装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る液体吐出装置の液体吐出ヘッドを模式的に示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る液体吐出装置の液体吐出ヘッドの分解斜視図である。 図２に示す液体吐出ヘッドのタンクユニットの分解斜視図である。 図３のＡ－Ａ線断面図である。 図２に示す液体吐出ヘッドのバルブユニットの分解斜視図である。 図５に示すバルブユニットの上側バルブシートの平面図である。 図５に示すバルブユニットの下側バルブシートの平面図である。 図５に示すバルブユニットの金属板の斜視図である。 図５に示すバルブユニットの差圧弁が閉じた状態と開いた状態とを示す、図６のＢ－Ｂ線断面図である。 図９に示す差圧弁の板ばねの拡大平面図である。 図７のＣ１－Ｃ１線断面図とＣ２－Ｃ２線断面図である。 図７のＤ－Ｄ線断面図である。 図２に示す液体吐出ヘッドの気体フローユニットの分解斜視図である。 図２に示す液体吐出ヘッドの液体フローユニットの分解斜視図である。 図２に示す液体吐出ヘッドの吐出モジュールの分解斜視図である。

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。ただし、以下の記載は本発明の範囲を限定するものではない。
［液体吐出ヘッドの説明］
図１は、本発明の一実施形態に係る液体吐出装置の液体吐出ヘッド１の構成と液体の流れを模式的に示すブロック図である。各ユニット間をつなぐ線は液体の流れ（流路）を示しており、矢印は液体が流れる方向を示している。図１において、通常の液体の流れは実線で示され、切替弁２２０を動作させた時の液体の流れは破線で示されている。

本実施形態の液体吐出ヘッド１は、タンクユニット１００と、バルブユニット２００と、液体フローユニット３００と、吐出モジュール４００と、を有している。吐出モジュール４００は、素子基板４０１を含んでいる。素子基板４０１は、図示しないが、吐出口と、インク等の液体を吐出口から外部に吐出するためのエネルギーを発生するためのエネルギー発生素子（発熱抵抗素子や圧電素子）と、を備えている。タンクユニット１００は、液体を収容する容器であるタンク１０１を含んでいる。タンク１０１と素子基板４０１との間に、バルブユニット２００の各バルブ２１０，２２０およびダイヤフラムポンプ２３０と、液体フローユニット３００の液体供給流路３０４および液体還流流路３０５とが介在している。タンク１０１から、差圧弁２１０と液体供給流路３０４または液体還流流路３０５とを介して、素子基板１０１に液体が供給される。そして、素子基板４０１の吐出口から外部に吐出されなかった液体は、液体還流流路３０５または液体供給流路３０４と、切替弁２２０とダイヤフラムポンプ２３０とを介して、タンク１０１に戻る。このようなタンク１０１と素子基板４０１とをつなぐ循環路が構成される。なお、本実施形態では、タンクユニット１００とバルブユニット２００と液体フローユニット３００と吐出モジュール４００とが積層されて一体化された構成であるが、この構成に限定されない。タンク１０１と素子基板４０１との間で液体が循環する循環路が形成される構成であれば、各ユニットの配置は自由であり、例えば、各ユニットを接触させずに離れた位置に配置することも可能である。

［バルブユニットの説明］
バルブユニット２００は、ダイヤフラムポンプ２３０と、２つの切替弁２２０と、２つの差圧弁２１０と、を有している。
（ダイヤフラムポンプ）
ダイヤフラムポンプ２３０は、タンク１０１に収容されている液体を、吐出モジュール４００の素子基板４０１へ供給し、さらに液体を素子基板４０１からタンク１０１へ戻す液体の流れを発生させる。このような液体の流れ（循環流）は、ダイヤフラムポンプ２３０が作動して液体の圧力差が発生することで生じる。すなわち、ダイヤフラムポンプ２３０は循環ポンプとして機能する。本実施形態では、１種類（１色）の液体に対して３つのダイヤフラムポンプ２３０が設けられている。但し、図１では、３つのダイヤフラムポンプ２３０を一括して模式的に示している。各ダイヤフラムポンプ２３０の位相をずらして駆動することで、液体の流量のばらつきの抑制を図っている。ダイヤフラムポンプ２３０の詳細な構造については後述する。

（切替弁）
切替弁２２０は、通常は開いている（ノーマリーオープンの）切替弁２２１と、通常は閉じている（ノーマリークローズの）切替弁２２２と、を含む。ノーマリーオープンの切替弁２２１が開きノーマリークローズの切替弁２２２が閉じている状態で、タンク１０１と素子基板４０１とを繋ぐ循環路が形成される。この状態の液体の循環方向を順方向とする。そして、ノーマリーオープンの切替弁２２１が閉じてノーマリークローズの切替弁２２２が開くと、タンク１０１と素子基板４０１とを繋ぐもう１つの循環路が形成される。この状態の液体の循環方向は順方向と反対向きであり、これを逆方向とする。

切替弁２２０の機能について説明する。液体吐出装置を初めて使用する場合や、長期間の非使用状態の後に使用する場合等に、液体吐出ヘッド１の液体流路内に気泡が存在する場合がある。この状態で液体吐出を行うと、素子基板４０１の吐出口に気泡が混入して吐出不良が起こる可能性がある。そのため、本実施形態の液体吐出ヘッド１は、液体吐出装置の使用開始時や、所定量または所定時間の液体吐出を行った後などの特定のタイミングで、液体の逆方向の循環流を生じさせて、気泡を吐出口およびその近傍から遠ざけるように移動させる。このように、順方向の液体の循環流と逆方向の液体の循環流とを切り替えるために、切替弁２２０が設けられている。切替弁２２０の詳細な構造については後述する。

（差圧弁）
液体吐出ヘッド１において、吐出モジュール４００に供給される液体の圧力が適切に管理されていないと、素子基板４０１の吐出口（図示せず）等から液体が漏れる可能性がある。そこで、液体の圧力を適切に管理して液体の漏れを防ぐために、タンク１０１と素子基板４０１との間に差圧弁２１０が設けられている。差圧弁２１０は、タンクユニット１００側の液体の圧力と、素子基板４０１に液体を供給する液体フローユニット３００側の液体の圧力との差が一定以上になると開く構造である。素子基板４０１から液体が吐出されて液体が消費されると、液体フローユニット３００内の液体量が減少して圧力が低下する。差圧弁２１０の上流と下流との圧力差が一定値以上に達すると、差圧弁２１０が開いて液体が供給される。このように、本実施形態では差圧弁２１０を使用して、適切な圧力に達しないと素子基板４０１に液体が供給されない構造になっている。

さらに、図１に模式的に示すように、本実施形態では２種類の差圧弁２１０、すなわち弱圧の差圧弁２１１と強圧の差圧弁２１２とが設けられている。この２つの差圧弁は、弁が開く閾値となる圧力差が異なる。通常は、開弁に必要な圧力差が小さい弱圧の差圧弁２１１を通じて、素子基板４０１に液体が供給される。ただし、例えば液体消費量が多い印刷物の印刷を行う場合には液体の圧力差が大きくなるため、弱圧の差圧弁２１１だけでなく強圧の差圧弁２１２も開いて、２つの差圧弁２１１，２１２から素子基板４０１へ液体を供給する。

本実施形態の差圧弁２１０には、開閉の閾値となる圧力差を適切に設定するために、適切な付勢力を有する付勢部材がそれぞれ設けられている。この付勢部材は、流路形成部材に一体的に形成された板ばねからなり、それによって、差圧弁を小型かつ簡単な構造にすることができる。このような差圧弁２１０の具体的な構造については後述する。なお、本実施形態では差圧弁２１０は液体吐出ヘッド１内に設けられているが、差圧弁２１０の位置は任意に変更可能である。例えば、液体吐出ヘッド１の外部に差圧弁２１０を配置してもよい。

（液体の循環流）
以上説明した構成によって、液体吐出ヘッド１において液体を循環させる。通常時は、タンク２内の液体が、ダイヤフラムポンプ２３０の作動によって、弱圧の差圧弁２１１および液体供給流路３０４を通じて素子基板４０１へ流れる。さらに、素子基板４０１から液体還流流路３０５およびノーマリーオープンの切替弁２２１を通じてタンク１０１へ戻る。このように順方向の液体の循環流（図１に実線で図示）が生じる。前述したように流路内、例えば液体供給流路３０４内や素子基板４０１の流路内に気泡が発生した場合などに、その気泡を素子基板４０１から離れた位置に移動させるために、液体の循環方向を変更する。すなわち、ノーマリーオープンの切替弁２２１を閉じて、ノーマリークローズの切替弁２２２を開く。それによって、タンク２内の液体が、ダイヤフラムポンプ２３０の作動によって、強圧の差圧弁２１２および液体還流流路３０５を通じて素子基板４０１へ流れる。液体は、さらに、素子基板４０１から液体供給流路３０４およびノーマリークローズの切替弁２２２を通じて、タンク１０１へ戻る。このように逆方向の液体の循環流（図１に破線で図示）が生じる。素子基板４０１への液体の流入方向を反転させることで、例えば素子基板４０１内に滞留している気泡を素子基板４０１外へ排出する。

以上の説明は、１種類（１色）の液体の流れに関する構成に関するものであり、種類や色が異なる複数の液体を吐出する液体吐出ヘッド１では、液体の種類（色）の数だけ、前述した構成が設けられる。

［液体吐出ヘッドの実施例］
本発明の液体吐出ヘッド１のより詳細な実施例について具体的に説明する。図２は、本実施例の液体吐出ヘッド１の分解斜視図である。本実施例の液体吐出ヘッド１は４色の液体（例えば、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックのインク）を吐出する、カラー記録可能なインクジェット記録ヘッドである。この液体吐出ヘッド１は、タンクユニット１００と、バルブユニット２００と、気体フローユニット５００と、液体フローユニット３００と、吐出モジュール４００と、を有する。本実施例の液体吐出ヘッド１は、これらのユニットが積層されて一体化した構成となっているが、このような構成に限定されない。各ユニットのうちの少なくとも１つを離れた位置に配置してもよい。

（タンクユニット）
図３に本実施例のタンクユニット１００の分解斜視図を示している。図４は、図３のＡ－Ａ線断面図である。タンクユニット１００は、中空のタンクブロック１０３が、タンクカバー１０２とプレート１０４とに挟まれた構成である。タンクブロック１０３は複数（本実施例では４つ）のタンク（液体収容部）１０１と液体供給部１０６とが一体化した構成であり、複数のタンク１０１および液体供給部１０６は、タンクカバー１０２によって一括して塞がれている。タンクカバー１０２には、液体供給部１０６に連通する外部供給口１０５が設けられている。図示されていないカートリッジに接続されているチューブが、外部供給口１０５に接続されている。カートリッジからチューブおよび外部供給口１０５を介して液体供給部１０６に供給された液体が、タンクブロック１０３とプレート１０４との間に設けられた流路を通ってタンク１０１に導入される。

タンク１０１の内部には開閉バルブ１０８が設けられている。開閉バルブ１０８は、タンク１０１の内部に設けられた可撓性フィルム１１０に溶着されており、タンクブロック１０３に設けられた液体供給口１１１および液体排出口１１２に対向する位置にある。開閉バルブ１０８は、コイルバネ１０９によって、液体供給口１１１および液体排出口１１２から離れる方向に付勢されている。液体供給口１１１は、バルブユニット２００内の差圧弁２１０と連通している。液体排出口１１２は、バルブユニット２００内のダイヤフラムポンプ２３０と連通している。

液体吐出装置本体または装置本体に搭載されている部品が、開閉バルブ１０８を上方から押さえることで、図４に示すように液体供給口１１１および液体排出口１１２が閉じられる。使用開始時には、液体供給口１１１および液体排出口１１２が閉じられた状態で、タンクカバー１０２の連通口１１３（図３参照）を介してタンク１０１内を吸引する。タンク１０１内が吸引されると、開閉バルブ１０８に溶着された可撓性フィルム１１０が変形し、可撓性フィルム１１０の内側の空間の圧力が低下する。この圧力低下によって、図示しないカートリッジから外部供給口１０５を通じて液体が液体供給部１０６に流入し、さらにタンク１０１に導かれる。液体がタンク１０１に流入した後に、カートリッジとの接続経路を閉じることで、液体吐出ヘッド１への液体の供給が完了する。その後、開閉バルブ１０８の押圧を解除すると、コイルバネ１０９により開閉バルブ１０８が液体供給口１１１および液体排出口１１２から離れて、液体供給口１１１および液体排出口１１２が開いて液体の循環が可能になる。

（バルブユニット）
図５はバルブユニット２００の分解斜視図である。バルブユニット２００は、下側バルブシート２０２と、薄い金属板２０３と、上側バルブシート２０１との積層体であり、図１に示す差圧弁２１０と切替弁２２０とダイヤフラムポンプ２３０が形成されている。上側バルブシート２０１の拡大平面図が図６に示され、下側バルブシート２０２の拡大平面図が図７に示されている。金属板２０３の下方からの斜視図が図８に示されている。本実施例の上側バルブシート２０１と下側バルブシート２０２は、薄い金属フレーム２０４と弾性部材２０５とのインサート成形品である。本実施例の金属フレーム２０４は厚さ０．１ｍｍのステンレス材（ＳＵＳ３０４）からなる。金属フレーム２０４の表裏に形成される弾性部材２０５はそれぞれ厚さ０．５ｍｍのＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）からなる。上側バルブシート２０１と下側バルブシート２０２には開口部２０６が設けられ、開口部２０６の内周部にはリブ２０７が形成されている。上側バルブシート２０１と下側バルブシート２０２が他の部材により表裏から挟まれて圧縮されると、開口部２０６がリブ２０７で封止されて液体が通過する流路になる。上側バルブシート２０１には節２０８が形成され、この節２０８はダイヤフラムポンプ２３０の一部を構成する逆止弁として機能する。また、上側バルブシート２０１と下側バルブシート２０２には、差圧弁２１０および切替弁２２０の一部を構成する風車状板ばね２１３ａ，２１３ｂ，２１４ａ，２１４ｂ，２１５ａ，２１５ｂ，２１６が形成されている。図６，７に示す上側バルブシート２０１および下側バルブシート２０２には、２種類（２色）の液体の流路が設けられている。各色の液体の流路が、上側バルブシート２０１および下側バルブシート２０２の中心を挟んで点対称に配置されている。この上側バルブシート２０１および下側バルブシート２０２の組が２組設けられて、４色の液体を流通させる流路が構成されている。

図８に示す金属板２０３は、厚さ１．０ｍｍのステンレス材（ＳＵＳ３０４）からなる。金属板２０３には、前述した節２０８および風車状板ばね２１３ａ，２１３ｂ，２１４ａ，２１４ｂ，２１５ａ，２１５ｂ，２１６に対応する流路がエッチング処理により形成されている。この金属板２０３を挟み込むように上側バルブシート２０１および下側バルブシート２０２を積層することにより、差圧弁２１０、切替弁２２０、ダイヤフラムポンプ２３０が構成されている。

（差圧弁）
本実施例の差圧弁の構成についてさらに詳細に説明する。図６に示す上側バルブシート２０１の部分Ａ１～Ａ４が金属板２０３および下側バルブシート２０２と積層されると、差圧弁２１０が構成される。この差圧弁２１０のうちの一方の差圧弁２１１の構成が、図６のＢ－Ｂ線断面図である図９に模式的に示されている。図９（ａ）は閉じた状態の差圧弁２１１を示し、図９（ｂ）は開いた状態の差圧弁２１１を示している。図９には一方の差圧弁２１１のみが示されているが、他方の差圧弁２１２も実質的に同じ構成である。本実施例の一方の差圧弁２１１は弱圧の差圧弁であり、強圧の差圧弁である他方の差圧弁２１２よりも開弁力（弁を開くために必要な力）が小さい。

本実施例では、バルブユニット２００が、タンクユニット１００のプレート１０４と、後述する気体フローユニット５００の上側気体フローブロック５０３との間に挟み込まれている。液体の流路を形成する流路形成部材の１つであるバルブユニット２００の上側バルブシート２０１には、その金属フレーム２０４と一体的に差圧弁用の板ばね２１３ａが形成されている。同様に、流路形成部材の１つである下側バルブシート２０２には、その金属フレーム２０４と一体的に差圧弁用の板ばね２１３ｂが形成されている。そして、上側バルブシート２０１と下側バルブシート２０２の間に位置する金属板２０３に設けられた孔部２０３ａを貫通するように、金属ピン２１７が配置されている。金属ピン２１７の一例としては、ステンレス（ＳＵＳ３０４）からなる直径１．０ｍｍで長さ２．３ｍｍのピンが用いられる。金属ピン２１７は、金属ピン支持部２０９によって、一端が板ばね２１３ａに当接し、他端が板ばね２１３ｂに当接した状態で保持されている。こうして、金属ピン２１７が、上側バルブシート２０１に一体的に設けられた板ばね２１３ａと、下側バルブシート２０２に一体的に設けられた板ばね２１３ｂとによって上下から保持されている。上側バルブシート２０１の板ばね２１３ａと、下側バルブシート２０２の板ばね２１３ｂとは、金属ピン２１７を挟んで対向している。こうして差圧弁２１１が構成されている。

図９（ａ）に示す状態では、金属ピン２１７の一端を支持している金属ピン支持部２０９が、金属板２０３の孔部２０３ａを上方から塞いでいる。そのため、上側バルブシート２０１側に位置する液体が、金属板２０３の孔部２０３ａを通って下側バルブシート２０２側に流れることはなく、差圧弁２１１が閉じた状態である。

図９（ａ）に示す状態から、上側バルブシート２０１の板ばね２１３ａと金属ピン２１７と下側バルブシート２０２の板ばね２１３ｂとが一体的に、上方、すなわちタンクユニット１００側に移動する。そうすると、図９（ｂ）に示すように、金属ピン２１７の一端を支持している金属ピン支持部２０９が、金属板２０３の孔部２０３ａから離れ、孔部２０３ａの少なくとも一部が開放される。それにより、上側バルブシート２０１側に位置する液体が、金属板２０３の孔部２０３ａを通って下側バルブシート２０２側に流れる、差圧弁２１１が開いた状態になる。このようにして、図９（ａ），９（ｂ）に示す差圧弁２１１の開閉動作が行われる。この差圧弁２１１の開閉動作は、上側バルブシート２０１の板ばね２１３ａと金属ピン２１７と下側バルブシート２０２の板ばね２１３ｂとの一体的な移動によって行われる。これらの部材の一体的な移動は、金属板２０３から見て上側バルブシート２０１側の空間と、下側バルブシート２０２側の空間との間の圧力差によって生じる。この点についてより詳細に説明する。

図６に示す上側バルブシート２０１の板ばね２１３ａ，２１４ａの周辺を図１０に拡大して示している。板ばね２１３ａは、平面形状が風車状、すなわち、円の外周の３点からそれぞれ同様に蛇行しながら円の中心まで延びて、円の中心で合流する３つの蛇行部分からなる。そして、弱圧の差圧弁２１１の一部を構成する板ばね２１３ａは、蛇行部分の幅が細くて剛性が低いのに対して、強圧の差圧弁２１２の一部を構成する板ばね２１４ａは、蛇行部分の幅が太くて剛性が高い。また、図７に示す下側バルブシート２０２にも同様な形状の蛇行部分を有する板ばね２１３ｂ，２１４ｂが設けられている。そして、弱圧の差圧弁２１１の一部を構成する板ばね２１３ｂは蛇行部分の幅が細くて剛性が低いのに対して、強圧の差圧弁２１２の一部を構成する板ばね２１４ｂは、蛇行部分の幅が太くて剛性が高い。さらに、上側バルブシート２０１の板ばね２１３ａは、それと対向する下側バルブシート２０２の板ばね２１３ｂよりも蛇行部分の幅が太くて剛性が高い。同様に、上側バルブシート２０１の板ばね２１４ａは、それと対向する下側バルブシート２０２の板ばね２１４ｂよりも蛇行部分の幅が太くて剛性が高い。

上側バルブシート２０１の板ばね２１３ａ，２１４ａの蛇行部分と蛇行部分の間の隙間は、開口部２０６の一部であって液体が通る流路になる。下側バルブシート２０２の板ばね２１３ｂ，２１４ｂは弾性部材２０５に重ねて形成されており、板ばねが弾性変形すると、それに合わせて弾性部材２０５も変位する。また、下側バルブシート２０２の板ばね２１３ｂ，２１４ｂの蛇行部分と蛇行部分の間の隙間は弾性部材２０５によって塞がれており、液体が通る流路にはならない。

この構成の差圧弁２１１の動作原理は次の通りである。上側バルブシート２０１の板ばね２１３ａの剛性が、下側バルブシート２０２の板ばね２１３ｂの剛性よりも高いため、通常は、上側バルブシート２０１の板ばね２１３ａは水平に近い姿勢である。それにより、図９（ａ）に示すように、上側バルブシート２０１の金属ピン支持部２０９が、金属板２０３の孔部２０３ａに当接して塞いでおり、差圧弁２１１が閉じた状態になっている。

この状態で素子基板４０１からの液体吐出が行われて液体量が減少すると、吐出モジュール４００および液体フローユニット３００および気体フローユニット５００の液体流路の圧力が低下する。この時、バルブユニット２００内では、下側バルブシート２０２側の板ばね２１３ｂが、下側バルブシート２０２の内部の液体流路内の負圧によって、金属板２３側に向かって凸状に弾性変形する。下側バルブシート２０２に連結されている金属ピン２１７および上側バルブシート２０１も、下側バルブシート２０２と一体的に、タンクユニット１００側に向かって凸状に変形する。その結果、上側バルブシート２０１の金属ピン支持部２０９が金属板２０３の孔部２０３ａから離れるように変位して、孔部２０３ａが開放されて、液体が上側バルブシート２０１側から孔部２０３ａを通って下側バルブシート２０２側に流れるようになる。すなわち、図９（ｂ）に示すように差圧弁２１１が開いた状態になる。本実施例では、液体吐出に伴う吐出モジュール４００および液体フローユニット３００および気体フローユニット５００の液体流路の圧力低下が、下側バルブシート２０２の内部の液体流路内を負圧にする吸引力として作用する。すなわち、液体吐出に伴って圧力低下する吐出モジュール４００および液体フローユニット３００および気体フローユニット５００の液体流路が吸引機構として作用する。このように、差圧弁２１１が開いて液体が上側バルブシート２０１側から孔部２０３ａを通って下側バルブシート２０２側に流れると、低下していた下側バルブシート２０２側の圧力が元に戻る。それにより、下側バルブシート２０２の板ばね２１３ｂを押し上げていた力が低下し、板ばね２１３ｂが気体フローユニット５００側に下降して、上側バルブシート２０１の金属ピン支持部２０９が金属板２０３の孔部２０３ａを再び塞ぐ。こうして差圧弁２１１が閉じる。

前述したように、上側バルブシート２０１の金属ピン支持部２０９を金属板２０３の孔部２０３ａから離れさせるように下側バルブシート２０２の板ばね２１３ｂをタンクユニット１００側へ押し上げるのに必要な力を開弁力と称する。差圧弁２１１が開くためには、上側バルブシート２０１側の流路と下側バルブシート２０２側の流路との間の圧力差によって生じる力が、板ばね２１３ａ，２１３ｂの力に打ち勝つ必要がある。従って、板ばね２１３ａ，２１３ｂの剛性によって差圧弁２１１の開弁力が決まる。強圧の差圧弁２１２も、図９に示す弱圧の差圧弁２１１と実質的に同じ構成である。ただし、弱圧の差圧弁２１１よりも、強圧の差圧弁２１２は、板ばね２１４ａ，２１４ｂの剛性が高く開弁力が大きい。従って、図９（ａ）に示すように弱圧の差圧弁２１１が閉じている時には、弱圧の差圧弁２１１よりも大きな圧力差がないと開かない強圧の差圧弁２１２も閉じている。差圧弁２１２が閉じているので、タンクユニット１００からバルブユニット２００を介して気体フローユニット５００へ至る液体の流れが遮断されている。この状態から、圧力差が大きくなって図９（ｂ）に示すように弱圧の差圧弁２１１が開くようになった時点では、強圧の差圧弁２１２は閉じたままであり、弱圧の差圧弁２１１のみを通って液体が吐出モジュール４００側へ流れる。さらに圧力差が大きくなり、弱圧の差圧弁２１１とともに強圧の差圧弁２１２も開くと、両方の差圧弁２１１，２１２を通って大量の液体が吐出モジュール４００側へ流れる。このように、素子基板４０１からの液体吐出の後に液体が補充されるように、気体フローユニット５００側の液体の圧力は、大気圧を受けているタンクユニット１００側の圧力よりも低く維持される。

本実施例では、差圧弁２１０が、圧縮ばねではなく板ばね２１３ａ，２１３ｂ，２１４ａ，２１４ｂを有しているため、差圧弁２１０の薄型化が可能である。本実施例の差圧弁２１０では、上側バルブシート２０１の厚さが１．１ｍｍ、下側バルブシート２０２の厚さが１．１ｍｍ、金属フレーム２０４の厚さが１．０ｍｍであり、差圧弁２１０の総厚さは３．２ｍｍである。また、板ばね２１３ａ，２１３ｂ，２１４ａ，２１４ｂが、液体の流路を形成する流路形成部材であるバルブユニット２００の金属フレーム２０４に一体的に形成されているため、差圧弁２１０を構成する部品の数が少なくてすむ。さらに、板ばねが金属フレーム２０４に一体的に形成されているため、上側バルブシート２０１と金属板２０３と下側バルブシート２０２とを積層し、金属ピン２１７を金属ピン支持部２０９に挿入するだけで複数の差圧弁２１０を同時に組み立てられる。しかも、複数の差圧弁２１０を位置精度良く配置できる。

（切替弁）
本実施例の切替弁の構成についてさらに詳細に説明する。図７に示す下側バルブシート２０２の部分Ｂ１～Ｂ４が金属板２０３および上側バルブシート２０１と積層されると、切替弁が構成される。通常時のノーマリーオープンの切替弁２２１が、図７のＣ１－Ｃ１線断面図である図１１（ａ）に模式的に示され、通常時のノーマリークローズの切替弁２２２が、図７のＣ２－Ｃ２線断面図である図１１（ｂ）に模式的に示されている。

流路形成部材であるバルブユニット２００の上側バルブシート２０１と下側バルブシート２０２に、それらの金属フレーム２０４と一体的に切替弁２２１用の板ばね２１５ａ，２１５ｂがそれぞれ形成されている。切替弁２２１用の板ばね２１５ａ，２１５ｂは、板ばね２１３ａと同様の３つの蛇行部分からなる風車状の平面形状を有している。そして、金属板２０３に設けられた孔部２０３ａを貫通するように、切替弁２２１用の金属ピン２１８が配置されている。切替弁２２１用の金属ピン２１８は、差圧弁２１０用の金属ピン２１７よりも長い。金属ピン２１８は、金属ピン支持部２０９によって、一端が板ばね２１５ａに当接し、他端が板ばね２１５ｂに当接した状態で保持される。上側バルブシート２０１の板ばね２１５ａと、下側バルブシート２０２の板ばね２１５ｂとは、金属ピン２１８を挟んで対向している。こうしてノーマリーオープンの切替弁２２１が構成されている。ノーマリーオープンの切替弁２２１では長い金属ピン２１８が用いられているので、常に上側バルブシート２０１の板ばね２１５ａが金属ピン２１８によって押し上げられている。従って、切替弁２２１が常に開いて液体が切替弁２２１を通じて流れる状態になっている。

下側バルブシート２０２の板ばね２１５ｂの下面には、気体フローユニット５００との間に流路を形成する凹部が形成されている。吸引機構、例えば液体吐出装置本体（図示せず）に搭載されたエアポンプ２１９により気体フローユニット５００側の流路から吸引することで、下側バルブシート２０２の板ばね２１５ｂおよび金属ピン２１８が気体フローユニット５００側（下側）に移動する。その結果、上側バルブシート２０１の金属ピン支持部２０９が金属板２０３の孔部２０３ａを塞ぎ、切替弁２２１が閉じる。このようにして、図１１（ａ）に示すノーマリーオープンの切替弁２２１の開閉動作が行われる。

図１１（ｂ）に示すノーマリークローズの切替弁２２２は、下側バルブシート２０２の金属フレーム２０４と一体的に形成された切替弁２２２用の板ばね２１６を含む。切替弁２２２用の板ばね２１６も、板ばね２１３ａと同様の３つの蛇行部分からなる風車状の平面形状を有している。下側バルブシート２０２の弾性部材２０５の一部が、板ばね２１６の中心付近で金属板２０３側の面に位置している。通常時は板ばね２１６が水平に近い姿勢を保ち、板ばね２１６の中心付近の弾性部材２０５が金属板２０３に接して金属板２０３の孔部２０３ａを塞ぐ。すなわち、ノーマリークローズの切替弁２２２は閉じている。

ノーマリーオープンの切替弁２２１と同様に、ノーマリークローズの切換弁２２２用の板ばね２１６の下面にも、気体フローユニット５００との間に流路を形成する凹部が形成されている。吸引機構、例えば液体吐出装置本体（図示せず）に搭載されたエアポンプ２１９により気体フローユニット５００側の流路から吸引することで、板ばね２１６が気体フローユニット５００側（下側）に移動する。その結果、板ばね２１６の中心付近に位置する弾性部材２０５が金属板２０３から離れて、金属板２０３の孔部２０３ａを開放させる。すなわち、ノーマリークローズの切替弁２２２が開く。このようにして、図１１（ｂ）に示すノーマリークローズの切替弁２２２の開閉動作が行われる。

前述したようにノーマリーオープンの切替弁２２１とノーマリークローズの切替弁２２２とを動作させるための、板ばね２１５ｂ，２１６の下面と気体フローユニット５００との間に構成される流路は、同一の流路の一部をそれぞれ構成している。吸引機構、例えば液体吐出装置本体（図示せず）に搭載されたエアポンプ２１９により気体フローユニット５００側の流路から吸引することで、ノーマリーオープンの切替弁２２１は開いた状態から閉じた状態になる。同時に、ノーマリークローズの切替弁２２２は閉じた状態から開いた状態になる。さらに、この同一の流路上には、前述した弱圧の差圧弁２１１も配置されており、エアポンプ２１９によって吸引することで、弱圧の差圧弁２１１の機能が停止し、図１に破線で示す液体の流れに切り替わる。

（ダイヤフラムポンプ）
本実施例のダイヤフラムポンプ２３０の構成について説明する。図７に示す下側バルブシート２０２の部分Ｃが金属板２０３および上側バルブシート２０１と積層されると、ダイヤフラムポンプ２３０が構成される。このダイヤフラムポンプ２３０が、図７のＤ－Ｄ線断面図である図１２に模式的に示されている。ダイヤフラムポンプ２３０を構成するダイヤフラム２３１が、下側バルブシート２０２に形成されている。下側バルブシート２０２の下に位置する気体フローユニット５００の吸引部５０１から吸引すると、ダイヤフラム２３１が変形して液体を送り出すポンプとして機能する。なお、バルブユニット２００内に形成されている流路においてダイヤフラムポンプ２３０の前後に逆止弁が配置され、それによってダイヤフラムポンプ２３０が液体を逆流させることなく送ることができる。本実施例では１種類（１色）の液体に対して３つのダイヤフラム２３１が形成されている。従って、図７に示す下側バルブシート２０２には、部分Ｃと同様にダイヤフラムポンプ２３０を構成する部分が、部分Ｃを含めて６箇所設けられている。

（気体フローユニット）
分解斜視図である図１３に示すように、気体フローユニット５００は、主に上側気体フローブロック５０３と下側気体フローブロック５０４とが貼り合わせられた構成であり、下側バルブシート２０２の裏面に当接するように配置されている。気体フローユニット５００の、下側バルブシート２０２と当接する面には、ダイヤフラム２３１と差圧弁用の板ばね２１３ｂ，２１４ｂと切替弁用の板ばね２１５ｂ，２１６のそれぞれの変形を許容する、凹状の受け部分が形成されている。気体フローユニット５００の内部であって、上側気体フローブロック５０３と下側気体フローブロック５０４との間に、気体吸引用の流路が形成されている。気体フローユニット５００は、前述したようにダイヤフラム２３１の下方に位置するすり鉢状の吸引部５０１を有している。吸引機構、例えば液体吐出装置本体（図示せず）に搭載されたエアポンプ２１９により流路の吸引口５０２を吸引すると、流路および吸引部５０１からダイヤフラム２３１に吸引力が伝わりダイヤフラム２３１が変形する。その結果、前述したようにダイヤフラムポンプ２３０が作動する。また、吸引口５０２からの吸引により、ダイヤフラム２３１とともに、差圧弁用の板ばね２１３ｂ，２１４ｂと切替弁用の板ばね２１５ｂ，２１６がそれぞれ変形し、前述したように差圧弁２１０と切替弁２２０が開閉する。このように、ダイヤフラムポンプ２３０と差圧弁２１０と切替弁２２０との動作の制御が、気体の吸引、特に１つのエアポンプ２１９の作動で一括して同時に行えるため、動作効率が良く、かつ構成が簡略化できる。

（液体フローユニット）
分解斜視図である図１４に示すように、液体フローユニット３００は、主に液体フローブロック３０１とサポートブロック３０２とゴムシート３０３とを有する。液体フローブロック３０１には、吐出モジュール４００に対応する長さの流路、すなわち、図１に示す液体供給流路３０４および液体還流流路３０５が形成されている。この液体フローブロック３０１は、バルブユニット２００の差圧弁２１０を通過した液体を吐出モジュール４００の素子基板４０１へ供給する働きをする。液体フローブロック３０１の上面に接するようにゴムシート３０３が配置され、流路間で液体の漏れがないように封止している。本実施例のゴムシート３０３は厚さ０．５ｍｍのシリコン材からなる。液体フローブロック３０１の下部はサポートブロック３０２の凹部に挿入されている。サポートブロック３０２は液体フローブロック３０１よりも剛性が高く線膨張が小さい材質、例えばＡ５０５２等のアルミニウム合金やステンレス材からなる。このサポートブロック３０２を基準として、各ユニットおよび吐出モジュール４００が配置される。

（吐出モジュール）
分解斜視図である図１５に示すように、本実施例の吐出モジュール４００の支持板４０３には、複数種類の液体を吐出可能な素子基板４０１と、素子基板４０１を駆動するための電気配線部材４０２とが配置されている。素子基板４０１の液体フローユニット３００側に当接するようにシール部材４０４が配置され、シール部材４０４がサポートブロック３０２に固定されている。

本実施例では、タンク１０１から素子基板４０１への液体の供給を制御する弁である差圧弁２１０が、タンク１０１と素子基板４０１との間に位置する流路の一部を形成する流路形成部材であるバルブユニット２００の内部に設けられている。この差圧弁２１０は、バルブユニット２００の一部である金属フレーム２０４と一体的に形成された板ばね２１３ａ，２１３ｂ，２１４ａ，２１４ｂを付勢部材として含む。板ばね２１３ａ，２１３ｂ，２１４ａ，２１４ｂはバルブユニット２００に加えられる吸引力または加圧力によって弾性変形する。そして、バルブユニット２００には、差圧弁２１０の一部を構成する孔部２０３ａが設けられている。差圧弁２１０は、バルブユニット２００のバルブシート２０１，２０２の弾性部材２０５の一部が板ばねの弾性変形とともに変位して孔部２０３ａに接する位置と孔部２０３ａから離れた位置との間を移動することにより開閉する。この構成によると、例えば付勢部材として圧縮ばねを有する構成よりも差圧弁２１０を薄型化できるとともに、差圧弁２１０を構成する部品の点数を少なくできる。さらに、位置精度良く容易に差圧弁２１０を構成できる。

バルブユニット２００の内部に、液体の循環方向を決める切替弁２２０も設けられており、切替弁２２０も、バルブユニット２００の一部である金属フレーム２０４と一体的に形成された板ばね２１５ａ，２１５ｂ，２１６を付勢部材として含むことが好ましい。

本発明の液体吐出装置では、素子基板４０１と流路形成部材であるバルブユニット２００とが直接または間接的に積層されて液体吐出ヘッド１を構成している。さらに、バルブユニット２００と素子基板４０１との間に、液体供給流路３０４と液体還流流路３０５とを有する液体フローユニット３００が設けられていてもよい。その場合、差圧弁２１０は液体供給流路３０４または液体還流流路３０５に接続されている。また、バルブユニット２００と素子基板４０１との間に、差圧弁２１０を作動させるための吸引力または加圧力を発生させる気体フローユニット５００が設けられていてもよい。タンク１０１を含むタンクユニット１００が、素子基板４０１およびバルブユニット２００に直接または間接的に積層されて液体吐出ヘッドを構成していてもよい。ただし、この構成に限定されず、いずれかのユニットが省略されたり、積層体である液体吐出ヘッドの外部に配置されたりした構成にすることも可能である。

１０１ タンク
２００ バルブユニット（流路形成部材）
２１０，２１１，２１２ 差圧弁（弁）
２１３ａ，２１３ｂ，２１４ａ，２１４ｂ 板ばね
４０１ 素子基板

Claims (17)

1. 液体を吐出する素子基板と、前記液体を収容するタンクと、前記タンクから前記素子基板への前記液体の供給を制御する弁と、前記タンクと前記素子基板との間に位置する流路の一部を形成する流路形成部材と、を含む液体吐出装置であって、
   前記弁は前記流路形成部材の内部に設けられており、前記弁は、前記流路形成部材の一部と一体的に形成された板ばねを含み、
   前記流路形成部材には、前記弁の一部を構成する孔部が設けられており、
   前記流路形成部材は、金属フレームと前記金属フレームに一部が固定された弾性部材とを有するバルブシートを含み、
   前記弁は、前記弾性部材の一部が前記板ばねの弾性変形とともに変位して前記孔部に接する位置と前記孔部から離れた位置との間を移動することにより開閉することを特徴とする液体吐出装置。
2. 液体を吐出する素子基板と、前記液体を収容するタンクと、前記タンクから前記素子基板への前記液体の供給を制御する弁と、前記タンクと前記素子基板との間に位置する流路の一部を形成する流路形成部材と、を含む液体吐出装置であって、
   前記弁は前記流路形成部材の内部に設けられており、前記弁は、前記流路形成部材の一部と一体的に形成された板ばねを含み、
   前記弁は差圧弁であり、前記板ばねによって開弁力が決まっており、
   少なくとも２つの前記差圧弁を有し、一方の前記差圧弁は他方の前記差圧弁よりも開弁力が小さいことを特徴とする液体吐出装置。
3. 液体を吐出する素子基板と、前記液体を収容するタンクと、前記タンクから前記素子基板への前記液体の供給を制御する弁と、前記タンクと前記素子基板との間に位置する流路の一部を形成する流路形成部材と、を含む液体吐出装置であって、
   前記弁は前記流路形成部材の内部に設けられており、前記弁は、前記流路形成部材の一部と一体的に形成された板ばねを含み、
   前記タンクと前記素子基板との間で前記流路形成部材を通る前記液体の循環流を生じさせる循環ポンプを含むことを特徴とする液体吐出装置。
4. 前記弁は差圧弁であり、前記板ばねによって開弁力が決まっている、請求項１または３に記載の液体吐出装置。
5. 少なくとも２つの前記差圧弁を有し、一方の前記差圧弁は他方の前記差圧弁よりも開弁力が小さい、請求項４に記載の液体吐出装置。
6. 前記タンクと前記素子基板との間で前記流路形成部材を通る前記液体の循環流を生じさせる循環ポンプを含む、請求項１または２に記載の液体吐出装置。
7. 前記循環ポンプは、前記流路形成部材に設けられているダイヤフラムポンプである、請求項３または６に記載の液体吐出装置。
8. 前記流路形成部材の内部には、前記液体の循環方向を決める切替弁がさらに設けられており、前記切替弁は、前記流路形成部材の一部と一体的に形成された板ばねを含む、請求項３，６，７のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
9. 前記流路形成部材には、前記弁の一部を構成する孔部が設けられており、
   前記流路形成部材は、金属フレームと前記金属フレームに一部が固定された弾性部材とを有するバルブシートを含み、
   前記弁は、前記弾性部材の一部が前記板ばねの弾性変形とともに変位して前記孔部に接する位置と前記孔部から離れた位置との間を移動することにより開閉する、請求項２から８のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
10. 前記タンクと前記素子基板との間で前記流路形成部材を通る前記液体の循環流を生じさせる循環ポンプを含み、
    前記流路形成部材の内部には、前記液体の循環方向を決める切替弁がさらに設けられており、前記切替弁は、前記流路形成部材の一部と一体的に形成された板ばねを含み、
    前記切替弁は、前記弾性部材の一部が前記板ばねの弾性変形とともに変位して、前記流路形成部材に形成された他の孔部に接する位置と前記他の孔部から離れた位置との間を移動することにより開閉する、請求項１または９に記載の液体吐出装置。
11. 前記切替弁は、通常は開いている切替弁と、通常は閉じている切替弁とを含む、請求項１０に記載の液体吐出装置。
12. 前記板ばねを弾性変形させるための吸引力を前記流路形成部材に加える吸引機構を有する、請求項１から１１のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
13. 前記素子基板と前記流路形成部材とが直接または間接的に積層されて液体吐出ヘッドを構成している、請求項１から１２のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
14. 前記流路形成部材はバルブユニットであり、前記バルブユニットと前記素子基板との間に、液体供給流路と液体還流流路とを有する液体フローユニットが設けられており、前記弁は前記液体供給流路または前記液体還流流路に接続されている、請求項１３に記載の液体吐出装置。
15. 前記流路形成部材と前記素子基板との間に、前記弁を作動させるための吸引力または加圧力を発生させる気体フローユニットが設けられている、請求項１３または１４に記載の液体吐出装置。
16. 前記タンクを含むタンクユニットが、前記素子基板および前記流路形成部材に直接または間接的に積層されて液体吐出ヘッドを構成している、請求項１３から１５のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
17. 複数の前記素子基板を有する、請求項１から１６のいずれか１項に記載の液体吐出装置。

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