JP2005144847A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 安定した吐出特性を得ることができ、且つ圧電素子を高密度に配列することができると共に液滴の吐出特性を均一化することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。
【解決手段】 ノズル開口に連通すると共に隔壁で区画された複数の圧力発生室が形成される流路形成基板10と、該流路形成基板10の一方面側に振動板を介して設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子300とを具備する液体噴射ヘッドであって、複数の前記圧電素子300に共通する共通電極60上の前記隔壁に対向する領域のそれぞれに、前記共通電極60と電気的に接続された接続電極91を設け、該接続電極91の複数本毎の1本が前記隔壁に対向する領域の外側まで延設されて端部が外部配線と直接接続される端子部121となる引出し共通リード電極92とする一方、残りを前記外部配線と直接接続される前記端子部121まで引き出されていないダミー電極93とする。
【選択図】 図3

Description

本発明は、被噴射液を吐出する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室に供給されたインクを圧電素子によって加圧することにより、ノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの2種類が実用化されている。
そして、たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが知られている。
しかしながら、圧電素子を高密度に配列したインクジェット式記録ヘッドでは、各圧電素子の一方の電極(共通電極)が複数の圧電素子に共通して設けられているため、多数の圧電素子を同時に駆動して多数のインク滴を一度に吐出させると、電圧降下が発生して圧電素子の変位量が不安定となり、インク吐出特性が低下するという問題がある。また、外部配線が接続される端子部から遠い位置に設けられた圧電素子ほど印加される電圧が低くなり易い。このため、一列に並設された圧電素子であっても端子部からの距離によって液滴の吐出特性にばらつきが生じてしまうという問題がある。
このため、複数の圧電素子に共通する共通電極から、個別電極から引き出された個別リード電極と同一方向に圧力発生室の外側まで引き出された引出し共通リード電極を複数本設けたインクジェット式記録ヘッドが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、引出し共通リード電極は、下電極上の圧力発生室を区画する隔壁に相対向する領域に形成されるが、引出し共通リード電極を形成した際に、マスクずれなどにより引出し共通リード電極が圧力発生室に相対向する領域にはみ出て形成される虞があり、引出し共通リード電極によって、引出し共通リード電極が設けられた両側の圧電素子の振動板の振動特性に影響を与えてしまう。このとき、引出し共通リード電極が形成されていない圧電素子の振動板の振動特性には影響がなく、隣接する間に引出し共通リード電極が形成された圧電素子と、形成されていない圧電素子との振動板の振動特性にバラツキが生じ、各圧電素子に対応する各ノズル開口から吐出される液滴の吐出特性が不均一になってしまうという問題がある。
また、全ての隣接する圧電素子の間に引出し共通リード電極を設けると、引出し共通リード電極の端部で外部配線と接続される端子部と、個別リード電極の端部で外部配線と接続される端子部との間に所定のピッチを設けなくてはならず、ヘッドが大型化してしまうという問題がある。このため、高密度に配設された圧電素子では全ての隣接する圧電素子の間に引出し共通リード電極を設けることができないという問題がある。
なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけでなく、勿論、インク以外の液体を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても、同様に存在する。
特開2003−127358号公報(第5頁、第3図)
本発明はこのような事情に鑑み、安定した吐出特性を得ることができ、且つ圧電素子を高密度に配列することができると共に液滴の吐出特性を均一化することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決する本発明の第1の態様は、ノズル開口に連通すると共に隔壁で区画された複数の圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドであって、複数の前記圧電素子に共通する共通電極上の前記隔壁に対向する領域のそれぞれには、前記共通電極と電気的に接続された接続電極が設けられており、該接続電極の複数本毎の1本が前記隔壁に対向する領域の外側まで延設されて端部が外部配線と直接接続される端子部となる引出し共通リード電極となる一方、残りが前記外部配線と直接接続される前記端子部まで引き出されていないダミー電極となっていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第1の態様では、共通電極から複数の引出し共通リード電極を引き出して外部配線と接続させることにより、共通電極の抵抗値を実質的に低下させることができ、電圧降下を防止することができると共に、引出し共通リード電極が設けられていない隔壁に対向する領域にダミー電極を設けることによって、各圧電素子の振動板の振動特性を均一化して、液滴吐出特性を均一化することができる。
本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記共通リード電極の前記端子部とは前記圧電素子を挟んだ反対側には、前記圧電素子の並設方向に亘って連続した配線電極が設けられていると共に、前記接続電極が前記配線電極まで延設されて当該配線電極と電気的に接続されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第2の態様では、ヘッドを大型化することなく、共通電極の抵抗値をさらに低下させることができ、電圧降下をさらに確実に防止することができる。
本発明の第3の態様は、第1又は2の態様において、前記流路形成基板上には、各圧電素子の個別電極から前記圧力発生室に対向する領域の外側まで引き出されて端部が外部電極と接続される端子部となる個別リード電極が設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第3の態様では、圧電素子の個別電極と外部配線との接続を容易にして、圧電素子への電圧の印加を容易に行うことができる。
本発明の第4の態様は、第3の態様において、前記個別リード電極が、前記引出し共通リード電極と同一方向に引き出されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第4の態様では、引出し共通リード電極と個別リード電極とを同一方向に延設することにより、ヘッドを大型化することなく、複数の引出し共通リード電極及び個別リード電極を容易に延設することができる。
本発明の第5の態様は、第1〜4の何れかの態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第5の態様では、液滴の吐出特性を安定させ、液滴の吐出特性を均一化した液体噴射装置を実現することができる。
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図2は、図1の断面図である。図示するように、流路形成基板10は、本実施形態では面方位(110)のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ1〜2μmの弾性膜50が形成されている。流路形成基板10には、複数の隔壁11により区画された圧力発生室12がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向外側の領域には連通部13が形成され、連通部13と各圧力発生室12とが、各圧力発生室12毎に設けられたインク供給路14を介して連通されている。なお、連通部13は、後述する保護基板30のリザーバ部31と連通して各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバ100の一部を構成する。インク供給路14は、圧力発生室12よりも狭い幅で形成されており、連通部13から圧力発生室12に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
また、流路形成基板10の開口面側には、圧力発生室12を形成する際のマスクとして用いられたマスク膜51を介して、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、ノズルプレート20は、厚さが例えば、0.01〜1mmで、線膨張係数が300℃以下で、例えば2.5〜4.5[×10-6/℃]であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又は不錆鋼などからなる。
一方、このような流路形成基板10の開口面とは反対側には、上述したように、厚さが例えば約1.0μmの弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、厚さが例えば、約0.4μmの絶縁体膜55が形成されている。さらに、この絶縁体膜55上には、厚さが例えば、約0.2μmの下電極膜60と、厚さが例えば、約1.0μmの圧電体層70と、厚さが例えば、約0.05μmの上電極膜80とが積層形成されて、圧電素子300を構成している。ここで、圧電素子300は、下電極膜60、圧電体層70及び上電極膜80を含む部分をいう。一般的には、圧電素子300の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層70を各圧力発生室12毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層70から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜60を圧電素子300の共通電極とし、上電極膜80を圧電素子300の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室12毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子300と当該圧電素子300の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、上述した例では、圧電素子300の下電極膜60、弾性膜50及び絶縁体膜55が振動板として作用する。
ここで、図3に示すように、圧電素子300の個別電極である各上電極膜80には、インク供給路14とは反対側の端部近傍から流路形成基板10の端部近傍まで延設される、例えば、金(Au)等からなる個別リード電極90が接続され、この個別リード電極90の端部近傍は、外部電極と電気的に接続される個別用端子部120となっている。
一方、圧電素子300の共通電極である下電極膜60は、圧力発生室12に対向する領域に、圧力発生室の長手方向の長さよりも幅狭で、且つ圧力発生室12の並設方向に亘って連続して形成されている。また、下電極60上の圧電素子300を区画する隔壁11に対向する領域のそれぞれには、下電極膜60に電気的に導通する接続電極91が設けられている。この接続電極91は、隣接する圧電素子300の間に隔壁11の長手方向に亘って設けられており、接続電極91の複数本毎の少なくとも1本が個別リード電極90と同一方向で、個別リード電極90の間を流路形成基板10の端部近傍まで延設された引出し共通リード電極92となっている。
また、引出し共通リード電極92の延設された端部近傍は、外部配線が接続される共通用端子部121となっており、これらの共通用端子部121と個別リード電極90の個別用端子部120とは、圧力発生室12の並設方向で一列となるように設けられている。
なお、これらの引出し共通リード電極92の共通用端子部121及び個別リード電極90の個別用端子部120のピッチは、圧力発生室12のピッチよりも短いピッチであることが好ましい。すなわち、各個別用端子部120及び共通用端子部121のピッチを、それぞれが短絡しない程度に比較的短いピッチとして、引出し共通リード電極92及び個別リード電極90を比較的狭い領域に延設することにより、ヘッドの小型化を図ることができる。
また、接続電極91の引出し共通リード電極92以外は、引出し共通リード電極92の共通用端子部121まで引き出されずに、外部配線と電気的に直接接続されないダミー電極93となっている。すなわち、接続電極91は、流路形成基板10の端部近傍まで延設されて外部配線が直接接続される引出し共通リード電極92と、下電極膜60上のみに形成されて外部配線と直接接続されないダミー電極93とで構成されている。なお、ダミー電極93は、下電極膜60上に隔壁11の長手方向に亘って形成されているため、外部配線が直接接続されていないが、外部配線とは下電極膜60を介して電気的に接続されていることになる。このため、ダミー電極93は、下電極膜60の電気抵抗を減少させる役割も有する。
なお、このような接続電極91は、個別リード電極90と同一の層で形成するようにしてもよく、この場合、圧電素子300の形成された流路形成基板10上に個別リード電極90をパターニングにより形成する際に、同時に接続電極91をパターニングにより形成するようにすればよい。勿論、個別リード電極90とは別途に設けるようにしてもよい。
このように、共通電極である下電極膜60から複数本の引出し共通リード電極92を延設することにより、下電極膜60の抵抗値を実質的に低下させることができ、多数の圧電素子300を同時に駆動した際に、電圧降下の発生を防止することができ、常に安定したインク吐出特性を得ることができる。
また、引出し共通リード電極92を個別リード電極90の延設方向と同一方向に延設することにより、流路形成基板10の面積を大きくすることなく、すなわち、ヘッドを大型化することなく、複数本の引出し共通リード電極92を延設してインク吐出特性を安定させることができる。
さらに、引出し共通リード電極92が設けられた以外の隔壁11に対向する領域にダミー電極93を設けることで、接続電極91を形成した際に、パターニング時のマスクずれなどによって接続電極91が圧力発生室12に対向する領域にはみ出したとしても、弾性膜50、絶縁体膜55及び下電極膜60からなる振動板の振動特性のバラツキを防止することができ、各圧電素子300のインク滴の吐出特性を均一化することができる。
すなわち、複数の圧電素子300毎に1本の引出し共通リード電極92のみを設け、ダミー電極93が設けられていない場合、引出し共通リード電極92が設けられた両側の圧電素子300と、互いに隣接する間に引出し共通リード電極92及びダミー電極93が設けられていない圧電素子300とでは、それぞれ圧電素子300の振動板の振動特性が変化してしまうが、本実施形態では、引出し共通リード電極92の設けられていない圧電素子300の間にダミー電極93を設けることによって、全ての圧電素子300の振動板の振動特性のバラツキを防止することができ、各圧電素子300の変位特性を均一化して、各圧電素子300に対応するインク滴の吐出特性を均一化することができる。
また、このような圧電素子300が形成された流路形成基板10には、さらに、各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバ100の少なくとも一部を構成するリザーバ部31を有する保護基板30が接合されている。このリザーバ部31は、本実施形態では、保護基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の幅方向に亘って形成されており、弾性膜50を貫通して設けられた貫通孔51を介して流路形成基板10の連通部13と連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバ100を構成している。
この保護基板30としては、流路形成基板10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10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、保護基板30の圧電素子300に対向する領域には、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部32が設けられ、圧電素子300はこの圧電素子保持部32内に密封されている。
また、保護基板30には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基板40が接合されている。ここで、封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料(例えば、厚さが6μmのポリフェニレンサルファイド(PPS)フィルム)からなり、この封止膜41によってリザーバ部31の一方面が封止されている。また、固定板42は、金属等の硬質の材料(例えば、厚さが30μmのステンレス鋼(SUS)等)で形成される。この固定板42のリザーバ100に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、リザーバ100の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止され、内部圧力の変化によって変形可能な可撓部33となっている。
また、保護基板30上には、圧電素子300を駆動する駆動IC等の駆動回路110が設けられている。そして、駆動回路110と各個別用端子部120及び共通用端子部121は、ボンディングワイヤ等の外部配線111と接続されている。
なお、このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ100からノズル開口21に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路110からの記録信号に従い、外部配線111を介して圧力発生室12に対応するそれぞれの下電極膜60と上電極膜80との間に電圧を印加し、弾性膜50、下電極膜60及び圧電体層70をたわみ変形させることにより、各圧力発生室12内の圧力が高まりノズル開口21からインク滴が吐出する。
(実施形態2)
図4は、実施形態2に係るインクジェット式記録ヘッドの配線パターンを示す平面図である。なお、上述した実施形態1と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
本実施形態は、図4に示すように、流路形成基板10上の個別用端子部120及び共通用端子部121が延設されたのとは圧電素子300を挟んだ反対側に、配線電極94が設けられている。
また、接続電極91Aは、引出し共通リード電極92A及びダミー電極93Aからなり、各引出し共通リード電極92A及びダミー電極93Aは、端部が配線電極94まで延設されて配線電極94と電気的に導通されている。
このような配線電極94は、下電極膜60と同一の層で形成してもよく、接続電極91Aと同一の層で形成してもよく、勿論、下電極膜60及び接続電極91Aとは別の層で形成するようにしてもよい。なお、接続電極91Aと配線電極94とを別の層で形成する場合には、配線電極94を形成した後、接続電極91Aの延設された端部が配線電極94の上に乗るように延設することで、両者の電気的な導通を確実に図ることができる。
このように、配線電極94を設け、接続電極91Aが配線電極94に導通するように設けることで、下電極膜60の抵抗値を下げて、圧電素子300の電圧降下をさらに防止することができる。
勿論、上述した実施形態1と同様に、圧電素子300の振動特性のバラツキを防止して、圧電素子300の吐出特性を均一化することができる。
(他の実施形態)
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述の各実施形態では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のインクジェット式記録ヘッドにも本発明を採用することができる。
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図5は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
図5に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット1A及び1Bは、インク供給手段を構成するカートリッジ2A及び2Bが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3は、装置本体4に取り付けられたキャリッジ軸5に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット1A及び1Bは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
そして、駆動モータ6の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト7を介してキャリッジ3に伝達されることで、記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3はキャリッジ軸5に沿って移動される。一方、装置本体4にはキャリッジ軸5に沿ってプラテン8が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートSがプラテン8上を搬送されるようになっている。
また、上述した実施形態においては、本発明の液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを説明したが、液体噴射ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。本発明は、広く液体噴射ヘッドの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もの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、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレー、FED(面発光ディスプレー)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。
本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの断面図である。 本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの配線パターンを示す平面図である。 本発明の実施形態2に係る記録ヘッドの配線パターンを示す平面図である。 本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
符号の説明
10 流路形成基板、12 圧力発生室、20 ノズルプレート、21 ノズル開口、30 保護基板、40 コンプライアンス基板、60 下電極膜、70 圧電体層、80 上電極膜、90 個別リード電極、91 接続電極、92 引出し共通リード電極、93 ダミー電極、100 リザーバ、120 個別用端子部、121 共通用端子部、300 圧電素子

Claims (5)

  1. ノズル開口に連通すると共に隔壁で区画された複数の圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドであって、
    複数の前記圧電素子に共通する共通電極上の前記隔壁に対向する領域のそれぞれには、前記共通電極と電気的に接続された接続電極が設けられており、該接続電極の複数本毎の1本が前記隔壁に対向する領域の外側まで延設されて端部が外部配線と直接接続される端子部となる引出し共通リード電極となる一方、残りが前記外部配線と直接接続される前記端子部まで引き出されていないダミー電極となっていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
  2. 請求項1において、前記共通リード電極の前記端子部とは前記圧電素子を挟んだ反対側には、前記圧電素子の並設方向に亘って連続した配線電極が設けられていると共に、前記接続電極が前記配線電極まで延設されて当該配線電極と電気的に接続されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
  3. 請求項1又は2において、前記流路形成基板上には、各圧電素子の個別電極から前記圧力発生室に対向する領域の外側まで引き出されて端部が外部電極と接続される端子部となる個別リード電極が設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
  4. 請求項3において、前記個別リード電極が、前記引出し共通リード電極と同一方向に引き出されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
  5. 請求項1〜4の何れかの液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
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JP2016203534A (ja) * 2015-04-24 2016-12-08 株式会社東芝 インクジェット式記録ヘッドおよびインクジェット記録装置

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