JPWO2005065951A1 - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

本発明のインクジェット記録ヘッド（１００）は、ノズル噴射面が形成されたヘッドチップを有するエッジシュータ型の複数のヘッドユニット（２０）と、これら複数のヘッドユニット（２０）をライン配列方向に対して傾斜した状態で並列に配置する位置決めプレート（４１）と、を備え、位置決めプレート（４１）は、複数のヘッドユニット（２０）をライン配列方向に対して傾斜した状態で並列に配置するとともに、ノズル噴射面の直線上で隣接する二個のノズル（２１ａ）のライン配列方向のノズル間隔が所定の解像度に対応するような傾斜角度とする。

Description

本発明は、インクを小滴としてノズルから噴射して記録媒体に記録するためのインクジェット記録ヘッドに係り、詳しくは、記録速度の高速化を目的とするインクジェット記録ヘッドに関する。

一般に、ヘッドの微小なノズルからインク滴を吐出して紙などの記録媒体上に付着させて記録する方式は、インクジェット記録方式として知られている。このインクジェット記録方式の一方式として、周期的な吐出タイミングにおけるインク滴の有無を制御して記録画像を発生させるドロップ・オン・デマンド式インクジェット記録方式がある。
この方式に使用するインク滴吐出機構（以下、記録ヘッドと称する）には、インクの吐出手段の違いから、さらに熱バブル方式とカイザー方式との２通りの方式に分類できる。
熱バブル方式は、ノズルの近傍でインクを瞬間的に加熱沸騰させてインクを吐出させる方式である。この熱バブル方式は高熱を発するヒータ部分の寿命が短く、また、吐出周波数に比例して発熱量が増すため、高速・連続記録には不向きである。
カイザー方式は、発明者の名前から呼ばれるものであり、ノズル後部にインク加圧室を設け、加圧室の変形可能な壁に圧電素子を密着させ、この圧電素子に電圧を印加して変形させることによってインクを加圧して吐出させる方式である。このカイザー方式の記録ヘッドの原理は、既に特許文献１（特公昭５３−１２１３８号公報（図２，図３））によっても開示されている。熱バブル方式で挙げられた欠点が少なく、高速・連続記録が可能という利点がある。
高速・連続記録可能という利点のため、通常はカイザー方式が採用される。
このカイザー方式の記録ヘッドは、エッジシュータ型記録ヘッドとサイドシュータ型記録ヘッドとの二種類がある。図１０はエッジシュータ型記録ヘッド１１０とサイドシュータ型記録ヘッド１２０の違いを説明するための説明図である。エッジシュータ型は基板を垂直にして使用し、サイドシュータ型は基板を水平にして使用する。このため紙面など記録媒体１３０の上の投影面積に関し、エッジシュータ型の投影面積はサイドシュータ型の投影面積よりも大幅に少なくなる。
続いて、エッジシュータ型記録ヘッドとサイドシュータ型記録ヘッドの詳細について説明する。まず、エッジシュータ型記録ヘッドについて説明する。図１１は片面型エッジシュータ型記録ヘッドの構成図であり、図１１（ａ）は正面図、図１１（ｂ）は底面図、図１１（ｃ）はＸＩｃ−ＸＩｃ断面図である。
片面型エッジシュータ型記録ヘッドは、流路基板１、ノズル２、インク加圧室３、絞り流路４、インク溜め５、インク供給口６、振動板７、圧電素子８を備える。
流路基板１はシリコンウエハ、ガラス、金属板などによる基板であり、流路基板１の片側の面（図１１（ｂ）では上側の面）には、エッチング、機械加工など方法でノズル２、インク加圧室３、絞り流路４などの流路とこれら流路につながるインク溜め５などが溝状に形成されている。そして、インク溜め５は、インク供給口６を通じて図示しない外部のインク供給源に連なっている。この流路基板１を加工した側の面に振動板７を積層・一体化した後、インク加圧室３に対応する位置の振動板７の反対側表面に電気機械変換素子である圧電素子８を接着することで構成されている。このようなエッジシュータ型記録ヘッドは、圧電素子８のインク加圧室３への変位方向と直角の方向にあたる基板の端面にノズル２が設けられている。ノズル２の数は２０本となっている。
片面型エッジシュータ型記録ヘッドを動作させる場合、圧電素子８にパルス状の電圧を印加すると振動板７が変形し、インク加圧室３側に変形が伝わってインク加圧室３の容積が急激に減少し、その減少容積分の一部に相当するインク滴１５０がノズル２から吐出し、図示していない記録媒体上に点状に付着し記録される。
図１２は両面型エッジシュータ型記録ヘッドの構成図であり、図１２（ａ）は正面図、図１２（ｂ）は底面図、図１２（ｃ）はＸＩＩｃ−ＸＩＩｃ断面図である。
図１１に示した片面型エッジシュータ型記録ヘッドが流路基板１の片側のみに流路を形成していたのに対して、この図１２に示した両面型エッジシュータ型記録ヘッドは、流路基板１の両側の面（図１２（ｂ）では上下の面）に同様の方法で流路を形成したものである。この結果、同一基板面積にてノズル２の数は二倍の４０本を形成できる。
続いてサイドシュータ型記録ヘッドについて説明する。図１３はサイドシュータ型記録ヘッドの構成図であり、図１３（ａ）は正面図、図１３（ｂ）はＸＩＩＩｂ−ＸＩＩＩｂ断面図である。
サイドシュータ型記録ヘッドは、キャビティ板１１、インク加圧室１２、絞り流路１３、インク供給路１４、ノズル板１５、振動板１６、ノズル１７、圧電素子１８、インク供給口１９を備えている。
キャビティ板１１は、金属板，ガラス板、セラミック板、プラスチック等の基板であり、エッチングや機械加工などの方法によってインク加圧室１２、絞り流路１３、インク供給路１４が形成され、その両面にノズル板１５および振動板１６が接着あるいは拡散接合などの手段によって積層・一体化されている。
インク供給路１４はキャビティ板１１に多数形成されたインク加圧室１２に共通で、これらのインク加圧室１２に沿って両側に延びている。各インク加圧室１２とインク供給路１４とは絞り流路１３で結ばれている。また、インク供給路１４の一端はインク供給口１９につながれている。ノズル板１５にはインク加圧室１２に通じるノズル１７がインク加圧室１２に垂直に設けられている。
また、インク加圧室１２に対応している振動板１６の外側には電気機械変換素子としての圧電素子１８が接着もしくは接合されている。このようなサイドシュータ型記録ヘッドは、圧電素子１８と振動板１６の変位方向と同じ方向に設けられている。ノズル１７の数は２０ノズルとなっている。
サイドシュータ型記録ヘッドを動作させる場合、圧電素子１８にパルス状の電圧を印加すると振動板１６が内側に変位し、インク加圧室１２の容積が減少する。それにより、その容積減少分に対応するインクがノズル１７から噴射され、図示しない記録媒体上に記録される。
続いてエッジシュータ型記録ヘッドとサイドシュータ型記録ヘッドとの記録密度について比較する。ここではノズル数拡大を目指してノズルの実装密度、すなわち、基板の単位面積あたりに形成できるノズル数について検討する。
エッジシュータ型記録ヘッドとサイドシュータ型記録ヘッドとが同じ吐出性能（吐出量、吐出速度、吐出周波数）を得るには同程度の駆動力を必要とするが、出せる駆動力は、圧電素子の性能を同一とすると、加圧室の面積と形状とでほぼ決まる。形状は気泡除去特性、リード線の引出し方法などから決められるが、両タイプとも短冊形が一般的である。その結果、加圧室の面積もほぼ同じとなる。
また、図１２から分かるようにエッジシュータ型記録ヘッドはヘッド基板の両面にヘッド機能を構成できる。それに対して、サイドシュータ型記録ヘッドは加圧部とノズル部が異なる面にあるため両面構成には出来ない。このため、エッジシュータ型記録ヘッドはノズル密度の向上の点で有利である。従って、これらのヘッド基板を複数並べてノズル数拡大を図ろうとするような場合には、サイドシュータ型に比べて、エッジシュータ型は極めて有利な構造である。
現状のインクジェット記録装置は大多数が記録ヘッドを記録媒体の巾方向にスキャン（走査）させる方式である。このようにスキャンが必要な理由は、記録ヘッドのノズル数が限られ、記録媒体の巾全体をカバー出来ないためである。例えば、固定ヘッドでＡ４サイズの用紙（紙巾は２１０ｍｍ）にドット記録密度６００ｄｐｉで記録するためには４９６１本（＝２１０÷２５．４×６００）のノズルが用紙巾方向に１／６００インチ（＝４２．３３μｍ）間隔で並んだ記録ヘッドが必要である。
このような、大量ノズル数の記録ヘッドを１枚の基板で製作することは極めて困難である。実現するには、精密加工に適した半導体製造プロセスの利用が一般的であるが、そのためには記録巾２１０ｍｍより一回り大きい、例えば直径３００ｍｍのシリコンウエハを採用する必要があるが、このような大口径のウエハを扱える設備は極めて高価であり、また、歩留りの点からも現実的ではない。
従って、一枚の基板上に容易に実現可能な、数十〜数百ノズル数の記録ヘッドを用いてスキャンする方式が一般に採用されている。このヘッドをスキャンする方式は、ヘッドが往復運動のために加速減速を繰り返すことになり記録高速化には極めて不利である。
そこで、上記の問題点を解決すべく、特許文献２（特開平８−３００６４５号公報（図１〜図３））には一枚の基板に製造上望ましいノズル数をエッジシュータ型で構成し、それを必要数並設して、ヘッドをスキャンさせなくても済む長尺固定のインクジェット記録ヘッドが開示されている。
オンデマンドのインクジェット記録装置は簡単な構造で、インクという安価でカラー化にも適した記録手段を用いながら、記録速度が遅いという欠点のために高速を必要とする業務用の分野での普及が遅れている。
記録速度の大幅向上を図るには、対象とする記録媒体の巾全体を記録ヘッドでカバーし、記録ヘッドは静止状態で記録媒体のみが走行する方式が望ましい。しかしながら、そのような長尺の記録ヘッドはノズル数が非常に多くなるため、記録媒体面上のノズル密度が高く、かつ、製造上の歩留りの良い構造のヘッドである必要がある。
前述した特許文献２のインクジェット記録ヘッドによると、ノズル部以外は個別の基板に構成されているが、ノズルは全数一枚のプレート上に構成されている。さらに、個別基板とノズルプレートは接着剤等で一体化されており、１ノズル分でも不具合が発生すると長尺のインクジェット記録ヘッド全体を交換する必要がある。従って、製造上の歩留りに対する要求が非常に厳しいという欠点がある。
そこで、上記した問題点に鑑みて本発明はなされたものであり、その目的は、製造が容易で高速・連続記録が出来る長尺のインクジェット記録ヘッドを提供することにある。

上記の課題を解決するため、請求項１の発明に係るインクジェット記録ヘッドは、インクを吐出するノズルを一定間隔で直線状に連続配置したノズル噴射面が形成されたヘッドチップを有するエッジシュータ型の複数のヘッドユニットと、複数のヘッドユニットの位置決めを行う位置決めプレートと、を備え、この位置決めプレートは、複数のヘッドユニットをライン配列方向に対して傾斜した状態で並列に配置するとともに、ノズル噴射面の直線上で隣接する二個のノズルのライン配列方向のノズル間隔が所定の解像度に対応する傾斜角度とすることを特徴とする。
エッジシュータ型のヘッドユニットにおけるヘッドチップは、例えば、流路基板に所定の間隔で複数の微細な溝を加工し、該流路基板に振動板を接合または接着することで微細な溝が各々のインク流路となり、各々のインク流路の加圧室に対応する振動板上に圧電素子を各々接着または接合し、圧電素子（ＰＺＴ）の加圧方向とは直角の方向に加圧室に連通して各々設けられたノズルによりインクが吐出するものである。
また、そのヘッドチップに対するインク供給部および圧電素子の駆動回路部を一体にまとめてユニット化してヘッドユニットを構成する。
さらにまた、ライン配列方向（紙送り方向と直角の方向）のノズル間隔が所定の解像度に対応する傾きとなるように傾斜させたヘッドユニットを複数個ライン配列方向と平行に並べて配置して構成する。そのために、所定の間隔で並べていくのに支障がないようにヘッドユニットの外形を決定する。
この構成によれば、ヘッドユニットを並べて行くことによって、容易にインクジェット記録ヘッドの長尺化ができ、その結果としてインクジェット記録ヘッドを搭載するインクジェット記録装置の大幅な記録高速化が実現できる。
更に、この構成ではヘッドユニットの交換が容易であるので、コスト低減と保守性向上も図ることができることも特徴とする。
また、請求項２の発明に係るインクジェット記録ヘッドは、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、位置決めプレートはヘッドユニットのヘッドチップを嵌挿させるスリットを備え、位置決めプレートのスリットの基準面と、ヘッドユニットのヘッドチップの側面と、を密着させることによって位置決めプレートに対してヘッドユニットの位置決めを行うことを特徴とする。
ヘッドユニットを複数、所定の位置に並設するための高精度位置決め機構が必要となるが、ヘッドユニットを複数並設した際の位置精度は、所定の精度にて加工した位置決めプレートの基準面に、前記ヘッドユニットに組込まれノズルを形成しているヘッドチップの短辺側と長辺側の側面をそれぞれ密着させることによってヘッドユニットの所定の位置精度を確保する。ヘッドユニットを多数並べてインクジェット記録ヘッドを長尺化しても、ノズルから吐出したインクの記録媒体上での位置精度を充分に確保できる。
また、請求項３の発明に係るインクジェット記録ヘッドは、請求項１または請求項２に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、位置決めプレートのプレート面と略垂直方向に回転するように螺挿され、一方を左ネジ、他方を右ネジとしてヘッドユニットの両端で取り付けられる左右の取り付けネジと、位置決めプレートのプレート面と平行方向に回転するように螺挿され、ヘッドユニットに当接する微動用ネジと、を備え、ヘッドチップの長手方向には微動用ネジによる一方向への押し付け力を付与し、また、ヘッドチップの短手方向にはヘッドユニットの両端の左右の両取付けネジの締付け時に発生する回転力による一方向への押し付け力を付与することにより、位置決めプレートの基準面とヘッドチップの側面とを密着させることを特徴とする。
位置決めプレートの基準面に対するヘッドチップの密着は、ヘッドチップの長手方向へは、位置決めプレートのプレート面と略平行方向の回転軸を中心として回転するように螺挿された微動ネジ等による押付け力を付与し、また、ヘッドチップの短手方向（厚さ方向）は、位置決めプレートのプレート面と略鉛直方向の回転軸を中心として回転するように螺挿されたヘッドユニットの両端の取付けネジの締付け時に発生する回転力を付与して、それぞれヘッドチップを位置決めプレートの基準面の方向に押付けるため、この点でもヘッドユニットの所定の位置精度を確保する。位置決めプレートに付設されたネジ等の微動機構により、ヘッドユニットを斜め方向（長手方向）スライドさせることでＸ方向（紙送りに対して直角の方向）所定の位置精度を確保する。Ｙ方向（紙送り方向）の位置精度は紙送りの距離に対してインク吐出のタイミング調整で確保可能であり、Ｘ，Ｙ方向の位置精度の確保が可能である。
また、請求項４の発明に係るインクジェット記録ヘッドは、請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、位置決めプレートに張り渡され、複数並設したヘッドユニットを配列保持する構造部材としての梁を備えることを特徴とする。
梁に構造部材としての役割を持たせることにより、位置決めプレートを薄くすることが可能であり、薄い位置決めプレートは加工が容易であるとともに加工精度を向上させることができ、位置決めプレートに位置精度が高いスリット形成が容易となる。
また、請求項５の発明に係るインクジェット記録ヘッドは、請求項４に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、ヘッドユニットのインク供給用であって、梁に設けた溝に蓋をして形成されるインク流路、または、梁に設けた溝に埋設されたパイプによるインク流路を備えることを特徴とする。
位置決めプレートに複数並設したヘッドユニットを配列保持する構造部材としての梁の一部にヘッドユニットに対するインク供給のための流路が形成される。この流路は、構造部材としての梁に溝を設け、該溝に蓋をして流路を形成、もしくは溝にパイプを埋設して流路を形成される。
この構成によれば、極力スペースを取らない構造でヘッドユニットへのインク供給を実現でき、インクジェット記録ヘッドの小型化を可能とする。
また、請求項６の発明に係るインクジェット記録ヘッドは、請求項５に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、インク流路の両端からインクを供給するインク源を備えることを特徴とする。
インク流路の両端からインクを供給するので、印字の高速化に必要なインクを充分かつ高速に供給することができる。
また、請求項７の発明に係るインクジェット記録ヘッドは、請求項１〜請求項６の何れか一項に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、ヘッドユニットと位置決めプレートとの間に挿入されたシール部材を備え、ヘッドユニットと位置決めプレート間の気密を確保することを特徴とする。
複数並設したヘッドユニットと位置決めプレートの間にシール部材（Ｏリングもしくはパッキン）を挿入し、前記ヘッドユニットと位置決めプレート間の気密を確保する。
外部の吸引手段がヘッドユニットのノズル噴射面を覆ってノズルを吸引してインク流路にインクを導通させ、ヘッドユニットへのインク充填、吐出不良時の回復動作等を行う。
この構成によれば、外部の吸引装置で容易にノズルからのインク吸引が可能な構造となり、インクジェット記録ヘッドの信頼性向上に貢献できる。
また、請求項８の発明に係るインクジェット記録ヘッドは、請求項１〜請求項７の何れか一項に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記位置決めプレートは、基準面を形成する基準面形成層と、機械的強度を保持するための補強層と、による多層構造のプレートとすることを特徴とする。
この構成の例として、例えば、基準面形成層を薄いプレート中板とし、補強層を厚いプレート上板とプレート下板とし、プレート上板とプレート下板とでプレート中板を挟むような多層構造とする。この構成によれば、基準面形成層により位置決めプレートに要求される加工精度と位置出し精度を確保し、また、補強層により外部吸引装置の吸引時に加わる力による位置決めプレートの変形を防止する強度を確保できる。
また、請求項９の発明に係るインクジェット記録ヘッドは、請求項１〜請求項８の何れか一項に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、ヘッドユニットの内部に配置され、圧電素子を駆動する電気的駆動回路と、電気的駆動回路と接続される接続コネクタと、複数並設した各々のヘッドユニットにコネクタが直接接続されるマザーボードと、を備えることを特徴とする。
ヘッドユニットの内部に圧電素子のための電気的駆動回路を内蔵し、該ヘッドユニット上部に前記駆動回路に付属した電源、外部信号用の接続コネクタを設け、複数並設した各々のヘッドユニットにマザーボードのコネクタと直接接続している。
この構成によれば、多数のヘッドユニットに対して極力スペースを取らない構造で電源と駆動信号を供給できるので、インクジェット記録ヘッドの小型化、省スペース化を達成できる。
以上のような本発明によれば、既に技術的に確立しているところの、限られたノズル数のヘッドユニットを単位として、大量のノズル数を持つ長尺のインクジェット記録ヘッドを構成できる。したがって、ユニット単位の大量生産が可能である。しかも、ヘッドユニット毎の交換が容易であるので製造歩留り、製品の保守性が良く、極めて実用性の高い長尺のインクジェット記録ヘッドが出来る。
また、エッジシュータ型の特徴を生かした立体構造になっているので、小型でインク吐出能力の高い長尺ヘッドを実現することが出来る。
総じて、製造が容易で高速・連続記録が出来る長尺のインクジェット記録ヘッドを提供することができる。

図１は、本発明を実施するための最良の形態のインクジェット記録ヘッドの構成を示す斜視図である。
図２は、ヘッドユニットの構造を示す図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は平面図、図２（ｃ）は底面図、図２（ｄ）はＩＩｄ−ＩＩｄ断面図である。
図３は、位置決めプレートの構成図である。
図４は、インクジェット記録ヘッドの説明図であり、図４（ａ）はＩＶａ−ＩＶａ断面図、図４（ｂ）はＩＶｂ−ＩＶｂ断面図、図４（ｃ）はノズル噴射面の説明図である。
図５は、他の位置精度調整機構および誤差補正原理を説明する図である。
図６は、従来技術のインク供給系を説明する説明図である。
図７は、本発明を実施するための最良の形態のインクジェット記録ヘッドおよびインク供給系の構造図である。
図８は、他の形態のインクジェット記録ヘッドの構成図であり、図８（ａ）はＶＩＩＩａ−ＶＩＩＩａ断面図、図８（ｂ）はＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ断面図である。
図９は、多層構造の位置決めプレートの構造図である。
図１０は、エッジシュータ型記録ヘッドとサイドシュータ型記録ヘッドの違いを説明するための説明図である。
図１１は、片面型エッジシュータ型記録ヘッドの構成図であり、図１１（ａ）は正面図、図１１（ｂ）は底面図、図１１（ｃ）はＸＩｃ−ＸＩｃ断面図である。
図１２は、両面型エッジシュータ型記録ヘッドの構成図であり、図１２（ａ）は正面図、図１２（ｂ）は底面図、図１２（ｃ）はＸＩＩｃ−ＸＩＩｃ断面図である。
図１３は、サイドシュータ型記録ヘッドの構成図であり、図１３（ａ）は正面図、図１３（ｂ）はＸＩＩＩｂ−ＸＩＩＩｂ断面図である。

本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しつつ説明する。図１は、本形態の本発明のインクジェット記録ヘッドの構成を示す斜視図である。なお、図１では説明のため、手前側の一個のヘッドユニットを取り外した構成を図示している。インクジェット記録ヘッド１００は長尺型であり、図１で示すように、複数（本形態では１１個）のヘッドユニット２０、上部ホルダ２９、下部ホルダ３０、位置決めプレート４１、梁４３ａ，４３ｂ、ネジ穴４４ａ，４４ｂ、取付けネジ４５ａ，４５ｂ、溝４６、蓋４７、分岐穴４８、インク供給口４９ａ，４９ｂ、微動用ネジ５０ａ、マザーボード５１を備えている。
このうち解像度を決定するヘッドユニット２０について説明する。図２は、ヘッドユニットの構造を示す図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は平面図、図２（ｃ）は底面図、図２（ｄ）はＩＩｄ−１１ｄ断面図である。ヘッドユニット２０は、ヘッドチップ２１、フィルタ２２、パイプ２３、Ｏリング２４、駆動回路部２５、駆動用ＩＣ２６、コネクタ２７、取付穴２８、上部ホルダ２９、下部ホルダ３０、Ｏリング３１を備える。
ヘッドチップ２１は、インク滴を吐出させるための機能を担うものであり、図１２に示したカイザー方式の両面エッジシュータ型記録ヘッドと基本構造は同じであるが、ノズル数を増大させたものである。本形態では一例として、ノズル数は片面６４本、両面で１２８本であるとして説明する。この場合、図１２を用いて説明したノズル２、インク加圧室３、圧電素子８等を１２８本分にわたり実装していることとなる。また、この流路基板１には、材料としてシリコンウエハを採用し、その加工に当たっては半導体素子の製造プロセスに広く使われている設備・方法を利用している。
従って、ノズル寸法、ノズル間ピッチ等各部の寸法精度は本ヘッドに必要充分な数μｍオーダの精度が容易に出せる。基板外形とノズル穴位置との寸法も充分な精度±３μｍが確保されている。
フィルタ２２は、インク供給路に置かれ、インク中の異物がヘッド基板に流入するのを防止する。
パイプ２３は、本形態ではインクを流れやすくするため折り曲げ部がない半円状に形成され、このヘッドユニット２０のインク供給口および供給路を形成している。
Ｏリング２４は、パイプ２３のインク供給口側の先端に取付けられ、後述するインク本管に連通する分岐穴４８（図１参照）とパイプ２３との接合部で、インク漏れを防止している。
駆動回路部２５は、圧電素子の駆動用ＩＣ２６が実装されたフレキシブルプリント板に金属薄板を当て板したもので、フレキシブルプリント板の一端は圧電素子の電極に半田付けし、他端はコネクタ２７に接続している。
上部ホルダ２９および下部ホルダ３０は、樹脂成型部品であり、上記の各部品を取付けてヘッドユニット２０を組上げるための構造体である。ホルダが上下に分割されているのは、間からフレキシブルプリント板を引き出すためである。
また、特徴的な点は下部ホルダ３０の両サイドが拡大図に示すように切り欠かれており、下部ホルダ３０からヘッドチップ２１の端部が露出していることである。これによって、後述するが、位置決めプレート４１とヘッドユニット２０との位置決め精度を向上出来る。上下ホルダと他部品との間にはシール剤が注入され、インク漏れを防止すると共にホルダと一体化している。更に、上部ホルダ２９にはヘッドユニット２０を他の部材に取付けるための取付穴２８が設けてある。もう一つのＯリング３１はホルダの下端に取付けられており、このヘッドユニット２０を位置決めプレート４１に取付けたときに位置決めプレート４１との間で気密を保つ役割を果たしている。
図３は位置決めプレートの構成図である。位置決めプレート４１は、個々のヘッドユニット２０を図１で示すように並設して長尺のインクジェット記録ヘッド１００を形成するためのベースとなる。位置決めプレート４１に設けられたスリット４２は、ヘッドユニット２０を挿入して位置決めするための長穴である。
この位置決めプレート４１はステンレス等の金属板をフォトエッチング、レーザ加工、放電加工、ＮＣ装置等により高精度で加工したものである。特に、図３においてスリット４２の短辺側基準面（Ａ面）とスリット４２の長辺側基準面（Ｂ面、Ｂ’面）の位置精度が重要であり、本形態ではヘッドにおいて±５μｍの精度を確保している。
なお、図３で示す位置決めプレート４１は、記録密度６００ｄｐｉ・ノズル数１２８のヘッドユニット３８個を並設してＡ４用紙巾用の記録ヘッドを構成するためのものである。したがって、スリット４２は５．４１９ｍｍピッチ（＝２５．４÷６００×１２８ｍｍ）で位置決めプレート４１の横方向であるライン配列方向（紙送り方向に対して直角の方向）に並んでいるが、このスリット間隔および個数は目的とする記録ヘッドの記録密度、記録巾、ヘッドユニットあたりのノズル数によって当然のことながら異なる。
この位置決めプレート４１は、複数のヘッドユニット２０をライン配列方向に対して傾斜した状態で並列に配置する。図４は、インクジェット記録ヘッドの説明図であり、図４（ａ）はＩＶａ−ＩＶａ断面図、図４（ｂ）はＩＶｂ−ＩＶｂ断面図、図４（ｃ）はノズル噴射面の説明図である。配列状態は図４（ａ），（ｂ）で示すようになる。図４（ｃ）で示すようにノズル噴射面の直線上で隣接する二個のノズル２１ａの間隔をｄとすると、ライン配列方向のノズル間隔ｐ＝ｃｏｓθが所定の解像度（６００ｄｐｉならば、ヘッドチップ２１の両面にノズルがあるので片面では３００ｄｐｉとなる。従ってｐ＝１／３００インチ（＝８４．６６μｍ）となるような間隔ｐ）に対応する傾斜角度となる。ちなみに隣接する二個のヘッドユニットでもライン配列方向でノズル間隔がｐとなり、ライン配列方向ではノズル間隔が全て一定になる。
インクジェット記録ヘッド１００では、図１で示すように、複数のヘッドユニット２０を位置決めプレート４１に組み付けて形成される。位置決めプレート４１の両側には梁４３ａ，４３ｂが固定されている。それらの梁４３ａ，４３ｂにはヘッドユニット２０を取付けるためのネジ穴４４ａ，４４ｂが設けられている。なお、そのネジ穴４４ａは後述する理由により右ネジであり、また、ネジ穴４４ｂが左ネジとなっている。
それらのネジ穴４４ａ，４４ｂを利用して取付けネジ４５ａ，４５ｂによりヘッドユニット２０の下部ホルダ３０を梁４３ａ，４３ｂに取り付ける。図１で示すように位置決めプレート４１のスリット４２に、ヘッドユニット２０のヘッドチップ２１を嵌挿した状態で、かつ、位置決めプレート４１の面に対して垂直な状態で取付けられる。垂直度は梁４３ａ，４３ｂにヘッドユニット２０の上部ホルダ２９が、ネジ締めにより密着することによって保たれる。
梁４３ａには溝４６が彫られ、その溝４６には蓋４７が接着されてインク供給本管を形成している。溝４６の上部には各ヘッドユニット２０のインク供給口に対応した位置に分岐穴４８が設けられており、溝４６から各ヘッドユニット２０にインクを供給するようになっている。
その溝４６の両端にはインク供給口４９ａ，４９ｂが設けられている。また、梁４３ａにはヘッドユニット２０の位置を微調整するための微動用ネジ５０ａが設けられている。さらに、ヘッドユニット２０の上部にあるコネクタ２７にはマザーボード５１が接続され、各ヘッドユニットに電源と電気信号を供給している。なお、図１はマザーボード５１を接続する前の状態を示している。
本形態のインクジェット記録ヘッド１００は、このように構成されている。
さて、図１で示すような長尺型のインクジェット記録ヘッド１００を構成するに際して、最重要課題は各ヘッドユニット間のノズル位置精度を達成することである。そこで本形態では位置精度調整機構を備える。この点について説明する。
インクジェット記録ヘッド１００は、位置決めプレート４１上に複数のヘッドユニット２０を取付けて長尺のヘッドとして構成されるが、図４では所定のノズル位置精度を実現させる構成が重点的に示されており、図４では説明を容易にするために２個のみ図示し、隣接するヘッドユニットを省略してある。
図４で示すように、位置決めプレート４１に設けられたスリット４２にヘッドユニット２０のヘッドチップ２１と下部ホルダ３０が挿入された状態において、取付けネジ４５ａ（右ネジ）と４５ｂ（左ネジ）により軽く仮締めする（図示しないスプリングワッシャーがつぶれ始める位置で、ヘッドユニット２０が浮き上がらないで動く状態）。次に、梁４３ａに設けられた微動用ネジ５０ａにより下部ホルダ３０を図４（ａ）のＹ方向に押す。
ここで、注目すべきは、スリット４２の長手方向が梁と直角ではなく斜め方向に形成されていることである。この結果、Ｙ方向に押された下部ホルダ３０はＡ方向（長手方向）とＢ方向（短手方向）との分力を受ける。下部ホルダ３０はヘッドチップ２１と一体化しているのでヘッドチップ２１にもＡ方向とＢ方向の力が加わり、下部ホルダ３０から露出しているヘッドチップ２１の両端の側面は、位置決めプレート４１のスリット４２の短辺側基準面であるＡ面と長辺側基準面であるＢ面，Ｂ’面の各面に押付けられる。
次に、仮締めしていた取付けネジ４５ａおよび４５ｂを順次しっかりと本締めする。このとき、取付けネジ４５ｂには左ネジを使用しているので、取付けネジ４５ｂの締付け時に、上部ホルダ２９に対して図４（ａ）の矢印の方向に回転力が働き、上部ホルダと一体化しているヘッドチップ２１を長辺側基準面（Ｂ面，Ｂ’面）に向かって押付ける。同様に梁４３ａ側の右ネジの取付けネジ４５ａを本締めすると、図４（ａ）の矢印の方向に回転力が働き、同じくヘッドチップ２１を長辺側基準面（Ｂ面，Ｂ’面）に向かって押付ける。
この結果、特別な細工をすることなく簡単に、ヘッドチップ２１の短辺側の側面をスリット４２の短辺側基準面であるＡ面に、ヘッドチップ２１の長辺側の側面をスリット４２の長辺側基準面であるＢ，Ｂ’面にしっかりと押付けた状態で固定できる。なお、スリット４２の短手方向の巾は、ヘッドチップ２１のスリット挿入部の巾より広くなっており、ヘッド基板の長辺側基準面であるＢ面，Ｂ’面への密着をさまたげることはない。
もし、取付けネジ４５ｂに左ネジを使用しなかったら、ヘッドユニット２０を別の手段にて長辺側基準面のＢ面、Ｂ’面側に押付けながら締付けたとしても隙間が生じて、本形態のインクジェット記録ヘッド１００で要求される、数μｍ以下の隙間で密着させることは極めて困難である。
以上のように、位置決めプレート４１のスリット４２の短辺側基準面（Ａ面），長辺側基準面（Ｂ面，Ｂ’面）に各ヘッドチップ２１が密着して組立てられることにより、各ヘッドチップ２１間にまたがる全てのノズルの互いの位置関係精度が、「ヘッドチップ２１のノズルと両側面（短辺側および長辺側）間の寸法誤差」＋「位置決めプレートの各基準面間の寸法誤差」によってほぼ決まることになる。この２つの誤差要因は、先に述べたように、いずれもホトエッチング、半導体製造プロセス等の利用により容易に高精度な加工ができるものであり、位置関係精度を高めることができる。
また、ヘッドユニット２０の位置決めプレート４１に対する垂直度は上部ホルダ２９，下部ホルダ３０の成型精度と梁４３ａ，４３ｂの加工精度を確保することによって達成している。
その他に、インク滴の記録媒体上の位置誤差としては、「ヘッドチップ２１の垂直度誤差」があるが、これはヘッドチップ２１の高さが数ｍｍ以上であるのに対して、ヘッド先端のノズル噴射面と記録媒体との間の距離は通常１ｍｍ程度であるため、ヘッドチップ先端における傾き寸法の数分の一が記録媒体上の誤差となるが、その要因である各ヘッドユニット２０の上部ホルダ２９，下部ホルダ３０が成型品で形状が一律に揃っているので、その誤差は数μｍ以内である。
これらの結果から、図１で示す長尺型のインクジェット記録ヘッドは多数のヘッドユニット２０から構成しているにもかかわらず、全てのノズルの相対位置が記録密度６００ｄｐｉのインクジェット記録装置を実現するのに必要な精度を容易に達成できる。
続いて、前述の位置決め方法で発生する僅かの誤差を取り除く誤差補正を行う他の位置精度調整機構について説明する。図５は他の位置精度調整機構および誤差補正原理を説明する図である。本形態では、図４で示した位置精度調整機構の構成に対し、さらに、梁４３ｂ側にも微調整ネジ５０ｂを設けた点が相違する。
図５で示す通り、ヘッドチップ２１は斜めに配置されているので、スリット４２に沿ってヘッドチップ２１をＡ方向に移動するとノズルのＹ方向位置もＸ方向位置も変化する。この原理を利用して、まずヘッドチップ２１のＸ方向の誤差が最少になるようにヘッドチップ２１をＡ方向の前後に移動させる。次に、残ったＹ方向の誤差は記録媒体の移動方向になるので、そのヘッドユニット２０の吐出タイミングを制御することによって容易に補正することができる。
続いて、大量にインクを消費する長尺型のインクジェット記録ヘッドにおけるインク供給を効率化する発明について説明する。ここで従来技術での問題点について説明する。図６は従来技術のインク供給系を説明する説明図、図７は本形態のインクジェット記録ヘッドおよびインク供給系の構造図である。
図６で示すように、従来技術ではインク供給本管６２がインクジェット記録ヘッド本体の外側で並行して設けられており、そのインク供給本管６２に分岐管としてカプラ６３がヘッドユニット２０の個数分設けられている。各ヘッドユニット２０にはインク供給パイプ６１があり、ヘッドユニット２０を梁４３ａに取り付ける時にカプラ６３に挿入して本管と連通させる。
図６の構造は白黒プリンタの構造であるが、仮にこの長尺型のインクジェット記録ヘッドを４本（ＣＭＹＫ用）並べてカラープリンタを構成する場合を考えると、インク供給本管６２のスペース分だけ大きくなる。また、このインク供給本管６２に関する部分は多数のカプラ６３を小型でインク漏れが無いようしっかりした構造にする必要がある。さらに、インク供給本管６２を保持する機構も必要となる。さらに加えて、カプラ６３の前後の接続個所などに出来る段差により残留気泡が発生しやすい。もし記録中に残留気泡がヘッド基板側に流入するとインクが不吐出となり、記録を中断して回復処置を取らざるを得なくなり、インクジェット記録ヘッドとしては非常に好ましくない状態となる。
そこで本形態ではインク供給系の構造を改良している。図７で示すように、本形態では、インク供給本管は長尺型のインクジェット記録ヘッド１００を構成している２本の梁４３ａ，４３ｂの内の１本である梁４３ａの中に設けている。すなわち、梁に溝を彫り、蓋をしてインク供給路を形成している。
梁４３ａは長尺型のインクジェット記録ヘッド１００の長手方向の強度を保つための構造部材であるが、梁４３ａに加わる荷重は複数のヘッドユニット２０の重量のみであり、梁４３ａの形状・寸法からすると非常に軽量であり強度的に余裕がある。従って、一定量のインク供給本管用の溝を彫っても強度上の問題は無い。本形態の例では、巾５ｍｍの梁４３ａに対して３ｍｍの溝を彫っているが問題は無い。梁４３ａの巾５ｍｍは元々ヘッドユニット２０を取付けるために必要な巾である。この溝の上部には分岐管として縦穴がヘッドユニット２０の数だけ設けてある。
ヘッドユニット２０にはインク供給用のパイプ２３が有り、そのパイプ２３は上部ホルダ２９に埋め込まれている。上部ホルダ２９を梁４３ａに取付けると、パイプ２３の先端は梁４３ａの上部に接する。その梁４３ａのパイプ２３が接する部分に丁度一致するよう前述の図１の分岐穴４８が設けられている。パイプ２３の内径は、図１の分岐穴４８と同一寸法となっている。
パイプ２３と梁４３ａとの接触部にはＯリング２４が設けられており、ホルダ２９を梁４３ａに締付けるだけで、パイプ２３と梁４３ａの分岐穴４８はインクが漏れることなく結合する。以上のように、本形態では極めて簡単な構造で部品点数が少なく、組立も簡単になり、インク供給系のためのスペースが僅かで済み、かつ、残留気泡が発生する部位も少なく、長尺のインクジェット記録ヘッドのインク供給系にとって大変好ましい構造としている。
なお、インク本管の流量はヘッドユニット２０の数に比例して当然多くなるが、梁の中に設ける溝の断面積を一定以上に大きくするには梁を太くする必要があり、小型化が望まれる本製品にとっては好ましくない。それを出来るだけ避けるために本案ではヘッドユニット２０の数が多くなると梁４３ａの両端に形成されたインク供給口４９ａ，４９ｂを介して接続されるインク源（図示せず）を備える。このように両側から潤沢にインクを供給するため溝の断面積を半減できる。本形態では、例えば、記録密度６００ｄｐｉ、インク吐出周波数３０ＫＨｚにおいて、溝の断面積１０ｍｍにてユニット数２４までは片側から供給し、ユニット数２５以上は両側から供給している。
また、梁に設けた溝をインク流路にするとして説明したが、梁に設けた溝に埋設されたパイプをインク流路としても良い。このようなパイプによるインク流路の場合、蓋の有無については適宜選択される。
また、インクジェット記録ヘッドにおいては、ヘッドの組立て完了後に初めてヘッド内各部にインクを充填するための通称、初期充填と言われる操作が必要である。このとき、本来インクを充填すべき所に少しでも気泡が残留していると不吐出の原因となるので、ノズルを真空吸引してインク充填を行う。また、この吸引操作は長期保管あるいは不慮のトラブル等により気泡が進入して吐出不良を起こした場合の回復操作としても必要である。
このために、従来はヘッドユニット毎に真空ポンプと連通する吸引用キャップをノズル端面に押付け吸引していた。しかしながら、本案の長尺ヘッドにおいてはヘッドユニットの数が多くなるので、個々に吸引していたのでは時間が掛かり過ぎて実用的ではない。また、そのための機構も複雑となる。そこで、本発明では長尺ヘッドを構成する全ユニットを一挙に吸引し、充填する。
図８は他の形態のインクジェット記録ヘッドの構成図であり、図８（ａ）はＶＩＩＩａ−ＶＩＩＩａ断面図、図８（ｂ）はＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ断面図である。位置決めプレート４１上に複数個（本形態ではユニット数１０個）のヘッドユニット２０が並設されて長尺のインクジェット記録ヘッド１００が構成されている。このインクジェット記録ヘッド１００に対して、図８（ａ）で示すように、吸引手段の具体例となる吸引キャップ７１が位置決めプレート４１の下面から接触して吸引する。吸引キャップ７１と位置決めプレート４１の間には気密保持のためにＯリング７３が設けられている。吸引口７２は図示しない真空ポンプに連通している。
ここで重要なことは、ヘッドユニット２０と位置決めプレート４１の間の気密保持である。そこで、本形態ではヘッドユニット２０の下部ホルダ３０にＯリング３１を設けている。Ｏリング３１は図８（ａ）の拡大図に点線で示してあるように下部ホルダ３０の周囲に位置して気密を保っている。なお、吸引キャップ７１内が大気に対して負圧になると位置決めプレート４１には圧力が掛かるが、位置決めプレート４１の材料と厚さとを選定することによって解決できる。本形態ではステンレス材・厚さ１．５ｍｍを使用することによって目的を達成している。このように、Ｏリング３１，７３という一般的な部品を適切に用いることによって、簡単な構造で，コスト的な負担も少なく、かつ吸引機構も簡単な構造で目的を達成している。なお、Ｏリング３１，７３の代わりに各種パッキンなど他のシール部材を用いることも可能である。
なお、上記の位置決めプレート４１は、ヘッドユニット２０の位置決めをするため、高い位置精度を持った基準面の確保と、インク吸引時の負圧によって気密保持を損なうような変形を起こさないだけの機械的強度を確保する必要がある。
高精度の位置決めプレート４１の制作はエッチング加工、レーザ加工、放電加工、プレス加工、電鋳加工等により行うが、いずれの加工方法でも位置決めプレート４１の厚さが薄いほど加工精度を上げ易い。なかでも、エッチング加工が最も高精度加工が可能であるが、この場合、位置決めプレート４１が厚くなるとその分、マスキング面とエッチング部の距離が離れることになり、サイドエッチングの影響が出て精度が低下する。従って、位置決めプレート４１は薄いことが望ましいが、１ｍｍ以下になるとインクの吸引時の負圧で位置決めプレート４１が変形し、ヘッドユニット２０と位置決めプレート４１間の気密保持ができなくなる。
このため、本発明では加工精度と機械的強度を両立させるために、基準面を形成するプレートを極力薄くし、その両面または片面に補強用のプレートを接着または接合して位置決めプレート４１を形成する方法とした。図９は多層構造の位置決めプレート４１の構造図である。図９に示すように、位置決めプレート４１はプレート上板８１、プレート中板８２、プレート下板８３の３層構造になっている。プレート中板８２は基準面形成層として機能するものであり、短辺側基準面Ａと長辺側基準面Ｂ，Ｂ’とを形成するもので、厚さ５０μｍのステンレス板をウエットエッチング加工で製作し、数μｍの加工精度を確保している。プレート上板８１、プレート下板８３は補強層として機能するものであり、それぞれ厚さ１ｍｍと０．５ｍｍのステンレス板で、同じくウエットエッチング加工で製作しているが、厚いため加工精度は中板より一桁低下する。従って、短辺側基準面Ａと長辺側基準面Ｂ，Ｂ’とのプレート上板８１とプレート下板８３は、プレート中板８２より僅かにスリット幅を広げてあり、これら３枚のプレート板を重ねて接着して位置決めプレート４１を構成しているので、ヘッドチップ２０は高精度のプレート中板８２とのみ接触するようにしている。また、三層構造にしたことにより機械的強度が格段に向上し、インク吸引時の気密保持も確保できる。また、補強の役割をしているプレート上板８１とプレート下板８３のどちらか一方のみにすること、あるいは四層以上にすることも可能である。なお、各層間の一体化は接着剤を用いても、または拡散接合などの方法でも実行可能である。
また、本形態ではヘッドユニット２０毎の交換を容易にするために電気系統の構成も単純化している。すなわち、図１のヘッドユニット２０の構成図から分かるように、ヘッドユニット２０内に圧電素子の駆動回路を内蔵し、ヘッドユニット２０のインタフェース信号数の低減を図ると共に、図２に示す如くインタフェース用のコネクタ２７をヘッドユニット２０の上部に設け、図１のマザーボード５１にて直接接続することで、電源ならびにインタフェース信号を供給できるようにし、ユニット毎の交換、増設を容易にしている。また、接続ケーブルの簡素化をも図っている。

Claims (9)

1. インクを吐出するノズルを一定間隔で直線状に連続配置したノズル噴射面が形成されたヘッドチップを有するエッジシュータ型の複数のヘッドユニットと、
   複数のヘッドユニットの位置決めを行う位置決めプレートと、を備え、
   この位置決めプレートは、複数のヘッドユニットをライン配列方向に対して傾斜した状態で並列に配置するとともに、ノズル噴射面の直線上で隣接する二個のノズルのライン配列方向のノズル間隔が所定の解像度に対応する傾斜角度とすることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 請求項１に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、
   位置決めプレートはヘッドユニットのヘッドチップを嵌挿させるスリットを備え、位置決めプレートのスリットの基準面と、ヘッドユニットのヘッドチップの側面と、を密着させることによって位置決めプレートに対してヘッドユニットの位置決めを行うことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
3. 請求項１または請求項２に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、
   位置決めプレートのプレート面と略垂直方向に回転するように螺挿され、一方を左ネジ、他方を右ネジとしてヘッドユニットの両端で取り付けられる左右の取り付けネジと、
   位置決めプレートのプレート面と平行方向に回転するように螺挿され、ヘッドユニットに当接する微動用ネジと、を備え、
   ヘッドチップの長手方向には微動用ネジによる一方向への押し付け力を付与し、また、ヘッドチップの短手方向にはヘッドユニットの両端の左右の両取付けネジの締付け時に発生する回転力による一方向への押し付け力を付与することにより、位置決めプレートの基準面とヘッドチップの側面とを密着させることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、
   位置決めプレートに張り渡され、複数並設したヘッドユニットを配列保持する構造部材としての梁を備えることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
5. 請求項４に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、
   ヘッドユニットのインク供給用であって、梁に設けた溝に蓋をして形成されるインク流路、または、梁に設けた溝に埋設されたパイプによるインク流路を備えることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
6. 請求項５に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、
   インク流路の両端からインクを供給するインク源を備えることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
7. 請求項１〜請求項６の何れか一項に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、
   ヘッドユニットと位置決めプレートとの間に挿入されたシール部材を備え、
   ヘッドユニットと位置決めプレート間の気密を確保することを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
8. 請求項１〜請求項７の何れか一項に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、
   前記位置決めプレートは、基準面を形成する基準面形成層と、機械的強度を保持するための補強層と、による多層構造のプレートとすることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
9. 請求項１〜請求項８の何れか一項に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、
   ヘッドユニットの内部に配置され、圧電素子を駆動する電気的駆動回路と、
   電気的駆動回路と接続される接続コネクタと、
   複数並設した各々のヘッドユニットにコネクタが直接接続されるマザーボードと、
   を備えることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。

Images