JP2006218776A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 基板の反りを低減して印刷品質を向上すると共に信頼性を向上した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。
【解決手段】 液滴を吐出するノズル開口21が設けられたノズルプレート20と、このノズル開口21に連通する圧力発生室12が形成される流路形成基板10と、該流路形成基板10の前記圧力発生室12に対応する領域に振動板を介して設けられて前記圧力発生室12内に液滴吐出のための圧力を付与する圧電素子300とを具備し、前記ノズルプレート20が前記流路形成基板10よりも線膨張係数の大きな材料からなると共に、当該ノズルプレート20以外の少なくとも前記流路形成基板10を含むヘッド基板には、前記圧力発生室12の並設方向に亘って前記流路形成基板10よりも線膨張係数の小さな低膨張率部材200が前記ノズルプレート20に接合されることなく設けられている。
【選択図】 図2

Description

本発明は、液滴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が実用化されている。例えば、このようなインクジェット式記録ヘッドとしては、振動板の表面全体に亘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ある。
このようなインクジェット式記録ヘッドでは、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板にノズル開口が穿設されたステンレス鋼などのノズルプレートを接着剤を介して接着することで形成されている。しかしながら、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板の線膨張係数とステンレス鋼からなるノズルプレートとの線膨張係数の違いから、温度変化によって流路形成基板とノズルプレートとが反るように変形してしまい、ノズル開口から噴射される液滴の着弾位置がずれてしまったり、振動板等が破壊されてしまうという問題がある。
このため、流路形成基板のノズルプレートとの接合面側に、ノズルプレートと接合されないスリット状の非接合部を設けることにより、両者の熱膨張率の違いによる反りを低減し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、特許文献1のインクジェット式記録ヘッドでは、非接合部によって流路形成基板とノズルプレートとの接合界面の応力を吸収緩和させることができるものの、長尺の流路形成基板では、依然、温度変化による反りが生じてしまうという問題がある。
特開2001−138528号公報(特許請求の範囲等、第6図)
本発明はこのような事情に鑑み、基板の反りを低減して印刷品質を向上すると共に信頼性を向上した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、液滴を吐出するノズル開口が設けられたノズルプレートと、このノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の前記圧力発生室に対応する領域に振動板を介して設けられて前記圧力発生室内に液滴吐出のための圧力を付与する圧電素子とを具備し、前記ノズルプレートが前記流路形成基板よりも線膨張係数の大きな材料からなると共に、当該ノズルプレート以外の少なくとも前記流路形成基板を含むヘッド基板には、前記圧力発生室の並設方向に亘って前記流路形成基板よりも線膨張係数の小さな低膨張率部材が前記ノズルプレートに接合されることなく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1の態様では、流路形成基板とノズルプレートとの線膨張係数が違っていても、熱膨張率の低い低膨張率部材を設けることによって温度変化による流路形成基板の反りによる変形を低減することができる。これにより、振動板等の破壊を防止することができると共に、ノズル開口から噴射される液滴の着弾位置がずれるのを防止して液滴を高精度に噴射させることができ、印刷品質を向上して、信頼性を向上することができる。
本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記流路形成基板には、前記圧力発生室の並設方向に亘って空間部が設けられていると共に、前記低膨張率部材が前記空間部に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2の態様では、流路形成基板に低膨張率部材を設けることによって、温度変化による反りによる変形を低減することができる。
本発明の第3の態様は、第2の態様において、前記空間部が前記流路形成基板の前記ノズルプレートが接合される面側に開口する溝形状を有すると共に、前記低膨張率部材と前記ノズルプレートとの間には、間隙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、間隙を設けることによって、低膨張率部材とノズルプレートとが接着されるのを確実に防止することができ、ノズルプレートと低膨張率部材との線膨張係数の違いにより反りによる変形が生じるのを低減することができる。
本発明の第4の態様は、請求項2又は3の態様において、前記空間部が前記圧力発生室の並設された列と列との間に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4の態様では、低膨張率部材を圧力発生室の列の間に設けることによってヘッドを小型化することができる。
本発明の第5の態様は、第1〜4の何れかの態様において、前記ヘッド基板が前記流路形成基板と、前記流路形成基板の前記圧電素子側に接合された当該流路形成基板と線膨張係数が同一材料で形成された保護基板とで構成されていると共に、前記低膨張率部材が前記保護基板に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5の態様では、低膨張率部材を保護基板に設けることによって、温度変化による流路形成基板の反りによる変形を低減することができる。これにより、振動板等の破壊を防止することができると共に、ノズル開口から噴射される液滴の着弾位置がずれるのを防止して液滴を高精度に噴射させることができ、印刷品質を向上して、信頼性を向上することができる。
本発明の第6の態様は、第1〜5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6の態様では、信頼性を向上した液体噴射装置を実現できる。
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の分解斜視図であり、図2は、図1の平面図及び断面図である。
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0.5〜2μmの弾性膜50が形成されている。本実施形態の流路形成基板10を形成するシリコン単結晶基板の線膨張係数は、2.6[×10−6/℃]である。
この流路形成基板10には、その他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発生室12が幅方向に2列並設され、その長手方向外側には、各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバ100の一部を構成する連通部13が形成され、各圧力発生室12の長手方向一端部とそれぞれインク供給路14を介して連通されている。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保護膜51を介して、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側で連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が常温下で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16[×10-6/℃]であるステンレス鋼(SUS316)からなる。ノズルプレート20は、一方の面で流路形成基板10の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。
さらに、流路形成基板10の圧力発生室12の列の間には、圧力発生室12の並設方向に亘って空間部15が設けられている。この空間部15は、流路形成基板10のノズルプレート20が接合される面側に開口し、流路形成基板10をほぼ貫通して弾性膜50に達するまで溝状に設けられている。このような空間部15は、本実施形態では、圧力発生室12と同様に流路形成基板10を異方性エッチングすることで形成することができる。
また、空間部15内の弾性膜50側には、低膨張率部材200が接着剤201によって接合されている。低膨張率部材200は、四角柱形状を有し、空間部15の深さよりも薄い厚さを有する。このように、低膨張率部材200を空間部15の深さよりも薄い厚さとすることで、低膨張率部材200とノズルプレート20との間に間隙202が画成されている。この間隙202によって、低膨張率部材200はノズルプレート20と接着剤201によって接合されないようになっている。なお、低膨張率部材200とノズルプレート20とが、接着剤201やノズルプレート20を流路形成基板10に接着する際の接着剤などによって接着されないようにすれば、低膨張率部材200を空間部15の深さと同じ厚さで形成するようにしてもよい。
このような低膨張率部材200としては、流路形成基板10の線膨張係数よりも小さな部材であればよく、例えば、線膨張係数が1.0[×10−6/℃]の線膨張係数の極めて低いニッケル合金であるインバー(ニッケル36%及びマンガン0.35%等を含む鉄)や、線膨張係数が0.54[×10−6/℃]の二酸化シリコン(SiO)などを用いることができる。
このように、流路形成基板10に、流路形成基板10よりも線膨張係数の小さな低膨張率部材200を設けることによって、流路形成基板10と線膨張係数の異なるノズルプレート20を接合したとしても、温度変化による低膨張率部材200の熱膨張が小さいため、流路形成基板10が反りを確実に低減することができる。また、低膨張率部材200とノズルプレート20とを接着しないようにすることで、低膨張率部材200とノズルプレート20との線膨張係数の違いによる反りを確実に低減することができる。これにより、ノズル開口21から吐出されるインク滴の記録用紙等の被記録媒体への着弾位置が温度変化によるノズルプレート20の反りによってずれることが少なくなり、インク滴を高精度に吐出させて印刷品質を向上することができる。また、流路形成基板10の反りを確実に低減することによって、弾性膜50などで構成される振動板等が破壊されることがなく信頼性を向上することができる。
なお、本実施形態では、空間部15を流路形成基板10をほぼ貫通するように溝状に形成したが、特にこれに限定されず、例えば、空間部15をノズルプレート20側に開口する凹状に形成してもよい。
一方、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、二酸化シリコンからなり厚さが例えば、約1.0μmの弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、酸化ジルコニウム等からなり厚さが例えば、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、白金及びイリジウム等からなり厚さが例えば、約0.2μmの下電極膜60と、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等からなり厚さが例えば、約1.0μmの圧電体層70と、イリジウム等からなり厚さが例えば、約0.05μmの上電極膜80とが、後述するプロセスで積層形成されて、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は圧電素子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、弾性膜50、絶縁体膜55及び下電極膜60が振動板として作用する。
ここで、圧電素子300の個別電極である各上電極膜80には、図2(a)に示すように、インク供給路14とは反対側の端部近傍から引き出され、圧力発生室12の列間に対向する領域の弾性膜50上にまで延設される、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が接続されている。
このような圧電素子300が形成された流路形成基板10上、すなわち、下電極膜60、弾性膜50及びリード電極90上には、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、上述のように流路形成基板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。
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有する圧電素子保持部32が設けられている。
このような保護基板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の略中央部、すなわち、圧力発生室12の列間に対向する領域には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられている。そして、各圧電素子300から引き出されたリード電極90の端部近傍は、貫通孔33内に露出するように設けられている。
また、保護基板30上の貫通孔33の両側、すなわち、圧力発生室12の各列に対応する領域のそれぞれには、並設された2列の圧電素子300のそれぞれを駆動するための駆動回路110が固定されている。この駆動回路110としては、例えば、回路基板や半導体集積回路(IC)等を用いることができる。そして、駆動回路110とリード電極90とはボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線120を介して電気的に接続されている。
また、このような保護基板30上には、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のみで封止されている。
また、このリザーバ100の長手方向略中央部外側のコンプライアンス基板40上には、リザーバ100にインクを供給するための図示しないインク導入口が形成されている。さらに、保護基板30には、図示しないインク導入口とリザーバ100の側壁とを連通する図示しないインク導入路が設けられている。
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段と接続した図示しないインク導入口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、駆動回路からの記録信号に従い、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。
(他の実施形態)
以上、本発明の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、上述した実施形態1では、流路形成基板10に圧力発生室12の並設された列を2列設けるようにしたが、勿論、流路形成基板10に圧力発生室12を1列のみ設けるようにしてもよい。
また、例えば、上述した実施形態1では、流路形成基板10にノズルプレート20が接合される面に開口する空間部15を形成し、この空間部15に接着剤201を介して低膨張率部材200を接着するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、流路形成基板10にノズルプレート20が接合された面に開口しない空間部を形成し、この空間部内に低膨張率部材を接着するようにしてもよい。このような例を図3に示す。なお、図3は、本発明の他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及びそのB−B′断面図である。
図3に示すように、流路形成基板10Aの圧力発生室12の列間には、空間部15Aが設けられている。この空間部15Aは、流路形成基板10Aのノズルプレート20が接合された面及び圧電素子300が設けられた面に開口しないように設けられている。また、空間部15Aは、流路形成基板10Aの側面に開口するように設けられており、流路形成基板10Aの側面の開口から低膨張率部材200が挿入されるようになっている。
このような構成のインクジェット式記録ヘッドとしても、流路形成基板10Aの反りを確実に低減して、印刷品質を向上することができると共に、信頼性を向上することができる。
さらに、上述した実施形態1及び図3では、流路形成基板10、10Aの圧力発生室12の列の間に低膨張率部材200を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、保護基板30に低膨張率部材200を設けるようにしてもよい。すなわち、上述した実施形態1及び図3では、ノズルプレート20以外の流路形成基板10、10Aを含むヘッド基板が流路形成基板10、10Aのみで構成され、この流路形成基板10、10Aであるヘッド基板に低膨張率部材200を設けるようにしたが、ヘッド基板を流路形成基板10、10Aと保護基板30とで構成し、保護基板30に低膨張率部材を設けるようにしてもよい。このような例を図4に示す。なお、図4は、本発明の他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
図4に示すように、保護基板30Aの圧電素子保持部32に相対向する領域には、凹形状の空間部15Bがそれぞれ設けられている。そして、各空間部15B内に接着剤201を介して低膨張率部材200が接合されている。このような構成のインクジェット式記録ヘッドとしても、流路形成基板10の反りを確実に低減して、印刷品質を向上することができると共に、信頼性を向上することができる。
なお、図4では、保護基板30Aにのみ低膨張率部材200を設けるようにしたが、保護基板30Aと共に流路形成基板10にも低膨張率部材200を設けるようにしてもよい。これにより、さらに確実にベース基板の反りを低減することができる。
また、上述した実施形態1では、成膜及びリソグラフィ法を応用して製造される薄膜型の圧電素子を用いた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圧電素子を用いた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。
なお、上述した実施形態1では、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挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド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平面図及び断面図である。 本発明の他の実施形態に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。 本発明の他の実施形態に係る記録ヘッドの断面図である。 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、10A 流路形成基板、 12 圧力発生室、 15、15A、15B 空間部、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30、30A 保護基板、 31 リザーバ部、 32 圧電素子保持部、 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 リード電極、 100 リザーバ、 110 駆動回路、 120 接続配線、 200 低膨張率部材、 201 接着剤、 202 間隙、 300 圧電素子

Claims (6)

  1. 液滴を吐出するノズル開口が設けられたノズルプレートと、このノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の前記圧力発生室に対応する領域に振動板を介して設けられて前記圧力発生室内に液滴吐出のための圧力を付与する圧電素子とを具備し、
    前記ノズルプレートが前記流路形成基板よりも線膨張係数の大きな材料からなると共に、当該ノズルプレート以外の少なくとも前記流路形成基板を含むヘッド基板には、前記圧力発生室の並設方向に亘って前記流路形成基板よりも線膨張係数の小さな低膨張率部材が前記ノズルプレートに接合されることなく設けられ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、前記流路形成基板には、前記圧力発生室の並設方向に亘って空間部が設けられていると共に、前記低膨張率部材が前記空間部に設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
  3. 請求項2において、前記空間部が前記流路形成基板の前記ノズルプレートが接合される面側に開口する溝形状を有すると共に、前記低膨張率部材と前記ノズルプレートとの間には、間隙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2又は3において、前記空間部が前記圧力発生室の並設された列と列との間に設けら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の何れかにおいて、前記ヘッド基板が前記流路形成基板と、前記流路形成基板の前記圧電素子側に接合された当該流路形成基板と線膨張係数が同一材料で形成された保護基板とで構成されていると共に、前記低膨張率部材が前記保護基板に設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
  6. 請求項1〜5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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