JP2007276263A - インクジェット記録ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】異種材料からなるインクジェット記録ヘッド構成部材同士を固定する際の問題点を解決する。
【解決手段】ホルダー250上に支持部材200が搭載され、支持部材200上に記録ヘッドチップ20が搭載されている。支持部材200には、ホルダー250との対向面において開口する外部連通穴210が形成され、外部連通穴210には、軸線方向と交差する方向に広がりを有する拡張部211が連設されている。一方、ホルダー250には、支持部材200との対向面から突出する加締めピン252が形成され、突起部には、軸線方向と交差する方向に膨出した大径部253が一体に成形されている。そして、大径部253が拡張部211に嵌合することによって、支持部材200とホルダー250とが連結されている。
【選択図】図3

Description

本発明は、インク等の記録液を吐出して記録動作を行う記録装置に用いられるインクジェット記録ヘッドおよびその製造方法に関するものである。なお、上記記録装置には、一般的なプリント装置のほか、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリント部を有するワードプロセッサ等の装置、さらには、各種処理装置と複合的に組み合わされた産業用記録装置なども含まれる。
一般的なインクジェット記録ヘッドは、記録素子基板または記録素子基板を含む記録素子ユニットが支持部材に固定された基本構造を有する。例えば、特許文献1には、板状部材に記録素子基板が位置決めされて固定された記録素子ユニットと、ホルダー部材とを低温(常温)硬化型接着剤により接着固定したインクジェット記録ヘッドが開示されている。
また、特許文献2には、複数の記録素子基板を第1の支持部材に接着固定した記録素子ユニットと、樹脂製のインク供給ユニットとをジョイントシール部材を介して積層した上でビスで固定した記録ヘッドが開示されている。
特開2001−129977号公報 特開2002−19119号公報
高速化、多色化といったインクジェット記録装置の多機能化を実現しつつ、小型化、低コスト化といった要求に応えるためには、記録素子そのものの改良は言うまでもなく、ヘッド構成の改良も必要である。そして、ヘッド構成の改良策の一つとして、記録素子基板や記録素子ユニットとホルダー部材や支持部材との固定構造や固定方法の改良が挙げられる。何故なら、従来の固定構造や固定方法には次のような問題があったからである。
即ち、特許文献1に開示されているインクジェット記録ヘッドに用いられているホルダー部材は樹脂製であるのに対し、板状部材はアルミナ(Al2O3)材料で形成されており、両者はその線膨張係数が異なる。そこで、耐インク性があり、かつ、常温で硬化し、かつ、異種材料間の線膨張差に耐えられる柔軟性のある接着剤で記録素子ユニットとホルダー部材とを接着固定することが望ましく、吸湿硬化型のシリコーン接着剤が使用されている。しかしながら、シリコーン接着剤はインクにより劣化することはないが、インクにシリコーンが溶け出し、電気熱変換方式を用いたインクジェット記録ヘッドの場合、ヒーターが焦げる等の問題が起こる虞がある。また、ガスバリア性が悪く、長期間使用しないでいると、ヘッド内に空気が溜まり、記録できなくなる虞がある。これに対し、エポキシ系の接着剤であれば上記のような虞はないが、150℃程度の比較的高温状態でないと硬化せず、樹脂製のホルダー部材に耐熱を持たせるためにフィラーを入れる必要があり、ゴミの発生や吸湿による硬化時の接着不良が発生する虞がある。
また、特許文献2に開示されているインクジェット記録ヘッドでは、記録素子ユニットが搭載された第1の支持部材と樹脂製のインク供給ユニットとがジョイントシール部材を介して重ね合わされた上でビスによって固定している。しかし、かかる構造では、第1の支持部材のキャッピング領域外にビス固定用のスペースを確保する必要があり、その分だけ第1の支持部材が大きくなる。ここで、第1の支持部材は、コストの高いアルミナ材料で形成されているので、第1の支持部材が大きくなればアルミナ材料の使用量が増え、コスト高を招く。また、上記ビス固定用スペースはキャッピング領域外に設けられているので、該領域にインクが付着する可能性があり、付着したインクによって紙面が汚される虞がある。
本発明の目的は、インクジェット記録ヘッドを構成する異種材料の部材同士を固定する際の上記問題を解決し、信頼性が高く、小型で安価なインクジェット記録ヘッドを提供することである。
本発明のインクジェット記録ヘッドは、樹脂製の第一の支持部材の上に、非導電性材料からなり、かつ、積層構造を有する第二の支持部材が搭載され、該第二の支持部材の上に記録素子基板が搭載されている。前記第二の支持部材には、前記第一の支持部材との対向面において開口する外部連通穴が形成され、該外部連通穴には、その軸線方向と交差する方向に広がりを有する拡張部が連設されている。また、前記第一の支持部材には、前記第二の支持部材との対向面から突出する突起部が形成され、該突起部には、その軸線方向と交差する方向に突出した膨出部が一体に成形されている。そして、前記外部連通孔に挿入された前記突起部の前記膨出部が、前記外部連通孔の前記拡張部に嵌合することによって、前記第一の支持部材と前記第二の支持部材とが連結されている。
本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法は、前記第一の支持部材に突設された前記突起部を前記第二の支持部材に形成された前記外部連通穴に挿入する工程を有する。さらに、前記外部連通穴に挿入された前記突起部を加熱して、前記外部連通穴内において前記膨張部を形成する工程を有する。
本発明によれば、インクジェット記録ヘッドを構成する異種材料の部材同士を固定する際の問題点を解決し、信頼性が高く、小型で安価なインクジェット記録ヘッドを提供することができる。
(実施形態1)
以下、本発明の実施形態の一例について図面を参照しつつ詳細に説明する。図1(a)、(b)は、本例のインクジェット記録ヘッドを構成する記録ヘッドチップ20の構造を示す模式的斜視図であり、同図(c)は同図(a)のA−A’断面図である。
図1(a)、(b)に示すように、記録ヘッドチップ20を構成している記録素子基板100には、記録液(インク)を吐出するための吐出口107が複数形成されたノズル部材109が設けられている。ノズル部材109に形成された複数の吐出口107は列をなすことで、吐出口列108を形成している。吐出口列108の裏面側には、インクを供給するための液体供給口102が、吐出口列108の長さとほぼ等しい長さで開口されている。液体供給口102を介して供給されたインクは、図1(c)に示す発泡室109に流入する。発泡室109に流入したインクは、吐出口107と対向する位置に設けられている電気熱変換素子(不図示)が発する熱エネルギーの作用を受けて吐出口107から吐出する。具体的には、記録信号となる電気パルスが入力された電気熱変換素子によって発泡室109内のインクに熱エネルギーが与えられると、インクが発泡(沸騰)し、このときの相変化によって生じる気泡圧力によってインクが吐出口107から吐出される。
さらに、記録素子基板100には、各電気熱変換素子に接続された電極104が形成されており、それら電極104は、レーザーやエッチング等で形成された貫通スルーホール120内に形成された貫通配線(不図示)を介して裏面電極124に接続されている。また、裏面電極124には緩衝材として高さ20.0μmの金バンプ105が設けられている。
以上の構成を有する記録ヘッドチップ20は、図2(a)、(b)に示す支持部材200の搭載面上に載置されている。支持部材200は、グリーンシートを積層、焼結して作られたセラミック積層配線基板であり、液体供給口201と、その周囲に配置された複数の電極端子202とを有し、各電極端子202は、図1(b)、(c)に示す金バンプ105に接合されている。一方、図2(b)に示すように、支持部材200の底面(上記搭載面と反対側の面)には、複数の外部電極端子203が設けられており、各外部電極端子203は、立体配線204(図3)によって、搭載面上の電極端子202に接続されている。立体配線204は、支持部材200の少なくとも2層以上に形成された導体配線をビアホールを介して積層方向に接続してなるものである。また、図示は省略するが、上記導体配線は、必要に応じて同一層内の他の導体配線とも接続されている。
なお、図2(c)に符号260で示された部材はシールゴムであり、支持部材200の液体供給口201の周囲に取り付けられ、後述するホルダー250の液体供給口251と支持部材200の液体供給口201との間に液体流路を形成する。
次に、図3(a)〜(d)を参照しながら本例のインクジェット記録ヘッドの製造工程について説明する。なお、図3(a)〜(d)は、図2(b)のB−B'断面方向の要部断面図である。
まず、樹脂製の支持部材(ホルダー250)に支持部材200を取り付ける。図3(a)に示すように、ホルダー250には、液体供給口251と、加締めピン252とが設けられている。液体供給口251の周囲に形成された凹部に、図2(c)に示すシールゴム260を嵌め込んだ後に、加締めピン252を支持部材200の底面に開口している外部連通穴210に挿入する。
その後、図3(b)に示すように、支持部材200に荷重Fを掛けながら振幅W0の超音波振動を加え、加締めピン252をその先端側から溶融(或いは軟化)させ、その後、加振を停止して、加締めピン252を再度硬化させる。以上によって、ホルダー250と支持部材200とが固定され、一体化される。即ち、支持部材200に形成された外部連通穴210の上端には、幅(径)が他の部分に比べて水平方向に拡張された拡張部211が連設されている。加締めピン252には、その先端面が拡張部211の天井に突き当たるまで外部連通穴210に挿入された状態(図3(b)に示す状態)で、超音波振動が加えられる。すると、超音波振動によって溶融した加締めピン252の先端部分は、拡張部211を成形型として再生される。この結果、図3(c)に示すように、加締めピン252の先端に他の部分よりも外側に膨出した大径部253が形成され(加締めピン252の先端部が溶融加締めされ)、加締めピン252が外部連通穴210から抜けなくなる。以上によって、ホルダー250と支持部材200とが加締めピン252によって固定され、一体化される。
次に、図3(d)に示すように、記録ヘッドチップ20をアライメントした後に例えば超音波(振動)によって、記録ヘッドチップ20の金バンプ105を支持部材200の電極端子202に接合する。さらに、記録ヘッドチップ20の周囲に封止剤310を塗布し、塗布された封止剤310を硬化させることで本例のインクジェット記録ヘッド10が完成する。尚、記録ヘッドチップ20の金バンプ105と支持部材200の電極端子202との接合は、この他、加熱ツールによる熱圧着方式も可能であるが、金金接合の為には200℃以上の加熱が必要な為、前述のホルダー250が変形しないような工夫が必要である。また、超音波(振動)での接合においても超音波ホーンに設けたヒーターでの加熱を併用することで、短時間で確実な接合が可能である。
なお、記録ヘッドチップ20を支持部材200に接合する直前に、一体化されたホルダー250と支持部材200との洗浄工程を実行することが望ましい。かかる工程を実行することによって、記録ヘッドチップ20と支持部材200との接合工程のみをクリーン環境下で行うことによって、記録ヘッド10内への塵埃の混入が十分に防止されるからである。
本例の支持部材200は、複数枚のグリーンシートを積層して作られたものであるので、各シートに所定形状及び寸法の開口部を予め形成しておくことによって、外部連通穴210及び拡張部211を容易に形成することができる。同様に、上記ビアホールや液体供給口201も容易に形成することができる。なお、図3には、5層構造の支持部材200が図示されているが、通常使用される0.2mm〜0.4mm厚のグリーンシートを約10層積層し、総厚を3.0mm程度にすると良好である。
本例では加締めピン252を4本設けたが、ビスとは異なり、部品コストがかからず、溶着ホーンの形状も大きく変わらないので、必要な強度と支持部材200内部の立体配線204の空きスペースとに応じて所望本数の加締めピン252を設けることができる。
本例では、支持部材200としてセラミック積層配線基板を用いたが、支持部材200は必ずしもセラミック積層配線基板には限定されない。もっとも、支持部材200をセラミック積層配線基板とすれば、一部品で支持部材と電気配線部材を兼ねることが可能であり、より信頼性が高く、より小型、かつ、安価なインクジェット記録ヘッドを提供することが可能となる。
本例では、記録ヘッドチップ20には裏面電極124に接続された貫通配線が形成されているものを使用したが、通常の記録素子基板を使用しても本発明の効果を得ることができる。しかしながら、電気接続を例えばワイヤーボンディング等で行う必要があり、製造工程が増える可能性がある。
本例では、超音波振動を加えることによって、加締めピン252を溶融加締めしたが、支持部材200の記録ヘッドチップ搭載面側からヒーターブロックで加熱して加締めることも可能である。しかしながら、支持部材200がホルダー250に接すると、ホルダー250の支持部材200との接触面が溶けてしまうので、ヒーターブロックでの加熱は短時間とし、ホルダー250との接触面の温度が低くなるような温度勾配を持たせることが必要である。また、ヒーターブロックによる表面加熱で加締めを行なうと、超音波加振による内部発熱に比べて加締め強度が小さくなる傾向がある。従って、超音波加振による加締めのほうが優れている。
本例では、外部連通穴210および加締めピン252の断面形状を円形とした。しかし、これらの断面形状は、楕円形、矩形その他の任意の形状とすることができる。ここで、支持部材200は、複数枚のグリーンシートを積層して作られているので、各シートに形成する開口部の形状を変更することによって、所望形状の外部連通穴210を非常に容易に形成することができる。
(実施形態2)
以下、本発明の実施形態の他例について説明する。図4(a)〜(d)は、本例のインクジェット記録ヘッドの製造工程を示す要部断面図である。本例のインクジェット記録ヘッドを構成する支持部材400では、外部連通穴410の軸線方向途中に拡張部411が連設されている。さらに、拡張部411よりも上方に位置する外部連通穴410の上端部は、同拡張部411より下方の部分に比べて小径に形成されている。加えて、ホルダー450に突設されている加締めピン452の先端部にはテーパーが付けられている。
実施形態1で説明した支持部材200では、拡張部211が外部連通穴210の上端に連設されていた。このため、超音波加振によって溶融(或いは軟化)した加締めピン252の材料樹脂が拡張部211内で偏った状態で硬化してしまうことがあり、固定強度にバラツキが生じる虞がある。それに対し、本例では、加締めピン452のテーパーが付けられた先端部は、拡張部411を通過し、外部連通穴410よりも小径の外部連通穴410の上端部に挿入され(図4(b))、その状態で超音波振動が加えられる。即ち、加締めピン452が溶融する際、該加締めピン452の先端部は、外部連通穴410の上端部によって拘束されている。従って、溶融した加締めピン452の材料樹脂が拡張部411内で偏った状態で硬化することが防止される。なお、本例では、外部連通穴410の長手方向途中に拡張部411が形成されているので、加締めピン452の大径部453は、該加締めピン452の軸線方向途中に形成される(図4(c))。
ここで、加締めピン452の先端部に付けられたテーパーは、該加締めピン452を外部連通穴410に挿入する際、拡張部411を通過した加締めピン452の先端部を該外部連通穴410よりも小径の外部連通穴410の上端部に挿入し位置決めし易くする効果を奏する。なお、本例では、加締めピン452の先端面を平面にしてあるが、円弧面としたり、先尖としたりすると、上記効果がさらに向上する。
尚、ここで説明したインクジェット記録ヘッドの構造および製造工程以外の構造および工程は、実施形態1のそれらと同様であるので、説明を省略する。また、実施形態1で説明した構成と同一の構成については、図4中に同一の符号を付した。
(実施形態3)
実施形態1、2では、搭載される記録ヘッドチップが1つのインクジェット記録ヘッドについて述べたが、本例では、複数の記録ヘッドチップが搭載されたカラー用のインクジェット記録ヘッドについて説明する。なお、搭載される各記録ヘッドチップの構造は、実施形態1の記録ヘッドチップ20と同一である。
図5(a)、(b)は、本例のインクジェット記録ヘッドを構成する支持部材500の構造を示す模式的斜視図である。図示されている支持部材500は、実施形態1の支持部材200と基本的に同一の構造を有する。即ち、グリーンシートを積層し、焼結して作られたセラミック積層配線基板であり、液体供給口501(Y、M、C)と、その周囲に配置された複数の電極端子502とを有する。また、不図示の導体配線とビアホールにより立体配線504が形成され、外部電極端子503が電極端子502に接続されている(図6)。但し、本例の支持部材500は、液体供給口501Y、液体供給口501M、液体供給口501Cの3つの液体供給口を備え、各液体供給口501Y、501M、501Cの周囲に、複数の電極端子502が設けられている。そして、電極端子502が対応する記録素子基板100の金バンプ105と接合され、各記録ヘッドチップ20(図6)からのインクの吐出を可能にしている。
次に、図6(a)〜(c)を参照しながら本例のインクジェット記録ヘッドの製造工程について説明する。なお、図6(a)〜(c)は、図5(b)のC−C'断面方向の要部断面図である。
まず、樹脂製のホルダー550に支持部材500を取り付ける。ここで、ホルダー550には、支持部材500の3つの液体供給口501Y、501M、501Cに対応した液体供給口551Y、551M、551Cと、3本の加締めピン552とが設けられている。一方、支持部材500には、3本の加締めピン552がそれぞれ挿入される外部連通穴510が形成されている(図5(b))。尚、各外部連通穴510および加締めピン552の構成は、実施形態1の外部連通穴210および加締めピン252と実質的に同一である。
製造工程の説明に戻ると、図6(a)に示すように、ホルダー550の液体供給口551Y、551M、551Cの周囲にシールゴム560を配置した上で、加締めピン552を支持部材500の底面に開口している外部連通穴510に挿入する。その後、支持部材500に荷重Fを掛けながら振幅W0の超音波振動を加えることによって、実施形態1で説明したのと同様の原理で、ホルダー550と支持部材500とが加締めピン552によって固定され、一体化される(図6(b))。また、ホルダー550と支持部材500とが固定されることによって、シールゴム560がホルダー550と支持部材500との間に挟持される。これによって、ホルダー550の液体供給口551Y、551M、551Cと、支持部材500の液体供給口501Y、液体供給口501M、液体供給口501Cとの間に、液体流路が形成される。従って、不図示のインクタンクから供給され、ホルダー550の各液体供給口551に流入したインクは、上記液体流路を介して、支持部材500の各液体供給口501に流入し、各記録ヘッドチップ20に供給される。なお、ホルダー550の各液体供給口551Y、551M、551Cには、インクに混入した塵芥などを除去するためのフィルタ560が設けられている。
次に、図6(c)に示すように、複数の記録ヘッドチップ20をアライメントした後に例えば超音波(振動)によって、各記録ヘッドチップ20の金バンプ105を支持部材500の対応する電極端子502に接合する。さらに、封止剤310を各記録ヘッドチップ20の周囲に塗布し、硬化させることで本例のインクジェット記録ヘッド100が完成する。
本例では、既述の通り、加締めピンが3本設けられている。しかし、カラー用のインクジェット記録ヘッドの場合、支持部材内部の立体配線の空きスペース少ないうえ、支持部材の大型化はコストアップを招く。そこで本例では、図5(b)に示すように、液体供給口501Y、501M、501Cを千鳥配置にして、その配置を逃げる形で3つの外部連通口穴510を配置した。なお、シールゴム560の反発に対する必要な強度に関しては、加締めピン552の太さを変えることで対応可能であり、本例では、外径1.8mmとしてある。
再び図6(c)を参照すると、加締めピン552、および外部連通穴510は、ホルダー550と支持部材500とが重複するエリア内に配置されている。かかる配置は、支持部材500をビスによってホルダー550に固定する場合には実現不可能であり、先にホルダー550と支持部材500とを固定し、その後、記録ヘッドチップ20をアライメントして接合する本発明だからこそ実現可能な配置である。そして、かかる配置によれば、支持部材にビス止め用のスペースを確保する必要がないので、支持部材を記録ヘッドチップと略同一程度にまで小さくでき、小型で、安価なインクジェット記録ヘッドが提供できる。
記録ヘッドチップの一例を示す模式図であって、(a)(b)は斜視図、(c)は断面図である。 (a)(b)は、支持部材の一例を示す模式的斜視図、(c)はシールゴムの一例を示す模式的斜視図である。 インクジェット記録ヘッドの製造工程の一例を示す模式的断面図である。 インクジェット記録ヘッドの製造工程の他例を示す模式的断面図である。 (a)(b)は、支持部材の他例を示す模式的斜視図である。 インクジェット記録ヘッドの製造工程の他例を示す模式的断面図である。
符号の説明
100 記録素子基板
200、400、500 支持部材
210、410、510 外部連通穴
211、411 拡張部
250、450、550 ホルダー
252、452、552 加締めピン
253、453 大径部
202、502 電極端子
124 裏面電極

Claims (9)

  1. 第一の支持部材の上に、非導電性材料からなり、かつ、積層構造を有する第二の支持部材が搭載され、該第二の支持部材の上に記録素子基板が搭載されたインクジェット記録ヘッドであって、
    前記第二の支持部材には、前記第一の支持部材との対向面において開口する外部連通穴が形成され、該外部連通穴には、その軸線方向と交差する方向に広がりを有する拡張部が連設され、
    前記第一の支持部材には、前記第二の支持部材との対向面から突出する突起部が形成され、該突起部には、その軸線方向と交差する方向に膨出した膨出部が形成され、
    前記外部連通孔に挿入された前記突起部の前記膨出部が、前記外部連通孔の前記拡張部に嵌合することによって、前記第一の支持部材と前記第二の支持部材とが連結されていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
  2. 前記拡張部の少なくとも一部が前記第二の支持部材と前記記録素子基板とが重複する領域内に存在することを特徴とする請求項1記載のインクジェット記録ヘッド。
  3. 前記拡張部が前記外部連通穴の軸線方向途中に連設されており、前記拡張部よりも前記記録素子基板側の前記外部連通穴の断面積が、前記拡張部よりも前記第一の支持部材側の前記外部連通穴の断面積よりも小であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載のインクジェット記録ヘッド。
  4. 前記膨出部が前記外部連通穴に挿入された前記突起部を溶融または軟化させた後に再度硬化させて形成したものであることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
  5. 前記第二の支持部材の内部に、該第二の支持部材の複数の層に跨る立体配線が形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
  6. 前記第二の支持部材がセラミック材料によって形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
  7. 前記第二の支持部材がセラミックシートの積層体であり、少なくとも2以上のセラミックシートに形成された配線をビアホールを介して接続して前記立体配線が形成されていることを特徴とする請求項5記載のインクジェット記録ヘッド。
  8. 請求項1乃至請求項7のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、
    前記第一の支持部材に突設された前記突起部を前記第二の支持部材に形成された前記外部連通穴に挿入する工程と、
    前記外部連通穴に挿入された前記突起部を加熱して、前記外部連通穴内において前記膨張部を形成する工程と、
    を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。
  9. 前記外部連通穴に挿入された前記突起部に超音波振動を加えて該突起部を加熱することを特徴とする請求項8記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009292004A (ja) * 2008-06-04 2009-12-17 Canon Inc インク吐出基板ユニットおよびこれを備えたインク吐出記録ヘッド
JP2010240857A (ja) * 2009-04-01 2010-10-28 Seiko Epson Corp 液体噴射装置
JP2013169795A (ja) * 2012-02-21 2013-09-02 Xerox Corp インク・ジェット・プリントヘッド用材料の超音波積層

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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