JP2016107418A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 Download PDF

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Abstract

【課題】液体噴射ヘッド1の容積を大きく増加させることなく液体循環構造を構成する。【解決手段】本発明の液体噴射ヘッド1は、側面SSに開口する複数の吐出溝2aを備える圧電体基板2と、複数の吐出溝2aに連通する共通液室3aを有し圧電体基板2の表面USに位置するカバープレート3と、複数の吐出溝2aにそれぞれ連通する複数のノズル孔5を有し圧電体基板2の側面SSに位置するノズルプレート4と、を備え、ノズルプレート4は、複数のノズル孔5にそれぞれ連通する複数の循環路6と複数の循環路6に連通する共通循環路7とを有する。【選択図】図1

Description

本発明は、被記録媒体に液滴を噴射して記録する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。
近年、記録紙等にインク滴を吐出して文字や図形を記録する、或いは素子基板の表面に液体材料を吐出して機能性薄膜を形成するインクジェット方式の液体噴射ヘッドが利用されている。この方式は、インクや液体材料などの液体を液体タンクから供給管を介してチャンネルに導き、チャンネルに充填される液体に圧力を印加してチャンネルに連通するノズルから液体を吐出する。液体の吐出の際には、液体噴射ヘッドや被記録媒体を移動させて文字や図形を記録する、或いは所定形状の機能性薄膜を形成する。
この種の液体噴射ヘッドとして、圧電体基板の基板側面に垂直に液滴を吐出するエッジシュート型と、圧電体基板の基板表面に垂直に液滴を吐出するサイドシュート型が知られている。エッジシュート型の液体噴射ヘッドはサイドシュート型の液体噴射ヘッドよりも液滴の吐出面を小型化することができる。また、液体タンクとチャンネルの間の液体を液体ポンプにより循環させる液体循環型の液体噴射ヘッドが利用されている。液体循環型の液体噴射ヘッドはノズル近傍の液体が循環して滞留しない。そのため、ノズル内の液体の乾燥が抑制され、メニスカスが安定する。また、液体に分散する粒子の沈殿を防止でき、更に、液体中に発生する気泡を除去することができるため、信頼性が向上し堅牢な液体噴射ヘッドを構成することができる。
例えば、特許文献1には液体循環型の液体噴射装置が記載される。この液体噴射装置は、サイドシュート型の液体噴射ヘッドと、液体タンクから液体噴射ヘッドに液体を供給する加圧ポンプと、液体噴射ヘッドから液体タンクに液体を排出する吸引ポンプと、これらを連通する循環路を備える。液体は、液体タンクから加圧ポンプを介して液体噴射ヘッドに供給され、液体噴射ヘッドから吸引ポンプを介して液体タンクに循環する。液体噴射ヘッドは、圧電体基板と、圧電体基板の表面に接合するカバープレートと、圧電体基板のカバープレートとは反対側の表面に接着するノズルプレートとを備える。圧電体基板は、両端が圧電体基板の表面において終端する複数の吐出溝を備える。カバープレートは吐出溝の一端に連通する液体供給室と吐出溝の他端に連通する液体排出室を備える。ノズルプレートは、吐出溝の溝方向における中央の位置において吐出溝と連通するノズルを備える。液体は、液体タンク→加圧ポンプ→液体供給室→複数の吐出溝→液体排出室→吸引ポンプ→液体タンクの順に循環する。
また、特許文献2には、圧電素子を用いるバルブレスマイクロポンプが記載される。バルブレスマイクロポンプは、ディフューザ形状の流路と、ディフューザ形状の狭い側の流路に連通する体積変動室を備える。体積変動室は、側壁の一部に圧電素子を備え、この圧電素子を振動させてディフューザ形状の狭い側の流路に振動流を生成する。この振動流は、流路の液体にディフューザ形状の広い側から狭い側に流れを生成する。ディフューザ形状の流路では液体の流れる方向によって流路抵抗の大きさが異なり、ディフューザ形状の狭い側から広い側に流れる流路抵抗よりも、その逆の広い側から狭い側に流れる流路抵抗の方が小さい。そのため、液体に振動流を生成することができればバルブを用いることなく流路の液体に一方向の流れを生じさせることができる。
特開2014−124935号公報 特許第4779126号公報
エッジシュート型の液体噴射ヘッドは、吐出溝の一端が圧電体基板の側面に開口し、他端が圧電体基板の表面で終端する。液滴は圧電体基板の側面に接着されるノズルプレートのノズルから側面に垂直な方向に吐出される。吐出溝への液体の供給は、特許文献1に記載の液体供給室と同様に、圧電体基板の表面に接合するカバープレートの液体供給室から容易に行うことができる。しかし、液滴を吐出する吐出面が圧電体基板の側面であることから、ノズル近傍に液体排出構造をコンパクトに構成することが難しい。
本発明の液体噴射ヘッドは、側面に開口する複数の吐出溝を備える圧電体基板と、複数の前記吐出溝に連通する共通液室を有し、前記圧電体基板の表面に位置するカバープレートと、複数の前記吐出溝にそれぞれ連通する複数のノズル孔を有し、前記圧電体基板の側面に位置するノズルプレートと、を備え、前記ノズルプレートは、複数の前記ノズル孔にそれぞれ連通する複数の循環路と複数の前記循環路に連通する共通循環路とを有することとした。
また、前記ノズルプレートは、第一ノズルプレートと前記第一ノズルプレートの前記圧電体基板の側に位置する第二ノズルプレートとを有し、前記第一ノズルプレートが前記ノズル孔を有し、前記第二ノズルプレートは、前記ノズル孔と前記吐出溝とを連通する第一連通孔と、前記循環路と、前記共通循環路とを有し、前記循環路が前記第一連通孔に連通することとした。
また、前記ノズル孔の開口中心と前記第一連通孔の開口中心とは略同一であることとした。
また、前記第一連通孔の孔径は前記ノズル孔の孔径よりも大きいこととした。
また、前記循環路は前記第二ノズルプレートの前記第一ノズルプレートの側の表面に位置することとした。
また、前記ノズルプレートは、前記第二ノズルプレートの前記圧電体基板の側に位置する第三ノズルプレートを有し、前記第三ノズルプレートは第二連通孔を有し、前記第一連通孔と前記吐出溝は前記第二連通孔を介して連通することとした。
また、前記ノズルプレートと前記圧電体基板の側面との間にフィルタープレートを備え、前記フィルタープレートは、前記第一連通孔と前記吐出溝を連通させる複数の開口からなる第三連通孔を有することとした。
また、前記圧電体基板は前記共通循環路の液体を前記共通液室に循環させる液体ポンプを備えることとした。
また、前記液体ポンプは、一端が前記圧電体基板の側面に開口して前記共通循環路に連通し、他端が前記共通液室に連通するポンプ溝と、前記ポンプ溝に充填される液体に圧力変動を誘起する駆動部とを備えることとした。
また、前記駆動部は、前記ポンプ溝を構成する2つの側壁と前記側壁の両側面に位置する駆動電極とを含むこととした。
また、前記ポンプ溝は前記共通循環路から前記共通液室の方向に漸次縮径するディフューザ領域を備え、前記駆動部は前記ディフューザ領域よりも前記共通液室の側に位置することとした。
また、前記ディフューザ領域における前記ポンプ溝の対向する2つの側面は開き角度が50°〜70°の範囲にあることとした。
また、前記ノズルプレートは、前記循環路と前記ポンプ溝との間の流路に前記循環路から前記ポンプ溝の方向に漸次縮径するディフューザ領域を備えることとした。
また、前記共通液室と前記循環路の間の前記ポンプ溝の側の流路には、前記共通液室から前記共通循環路の方向に液体が流れるのを阻止する逆止弁を備えることとした。
また、前記液体ポンプは、複数の前記吐出溝が配列する溝列と前記圧電体基板の基準方向における端部との間に位置することとした。
また、前記共通液室は、外部から液体を流入し前記外部に液体を流出する循環型であることとした。
本発明の液体噴射ヘッドは、側面に開口する複数の吐出溝と循環用の液体ポンプとを備える圧電体基板と、複数の前記吐出溝に連通する共通液室を有し、前記圧電体基板の表面に位置するカバープレートと、複数の前記吐出溝にそれぞれ連通する複数のノズル孔を有し、前記圧電体基板の側面に位置するノズルプレートと、を備え、前記液体ポンプは前記吐出溝の前記ノズル孔の近傍の液体を前記共通液室に循環させることとした。
本発明の液体噴射装置は、上記の液体噴射ヘッドと、前記液体噴射ヘッドと被記録媒体とを相対的に移動させる移動機構と、前記液体噴射ヘッドに液体を供給する液体供給管と、前記液体供給管に前記液体を供給する液体タンクと、を備えることとした。
本発明の液体噴射ヘッドは、側面に開口する複数の吐出溝を備える圧電体基板と、複数の吐出溝に連通する共通液室を有し、圧電体基板の表面に位置するカバープレートと、複数の吐出溝にそれぞれ連通する複数のノズル孔を有し、圧電体基板の側面に位置するノズルプレートと、を備え、ノズルプレートは、複数のノズル孔にそれぞれ連通する複数の循環路と複数の循環路に連通する共通循環路とを有する。これにより、液体噴射ヘッドの容積を大きく増加させることなく液体循環構造を構成することができる。
本発明の第一実施形態に係る液体噴射ヘッドの構成図である。 本発明の第二実施形態に係る液体噴射ヘッドの説明図である。 本発明の第二実施形態に係る液体噴射ヘッドのノズルプレート近傍の説明図である。 本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッドのノズルプレート近傍の縦断面模式図である。 本発明の第四実施形態に係る液体噴射ヘッドのノズルプレート近傍の説明図である。 本発明の第五実施形態に係る液体噴射ヘッドのノズルプレート近傍の説明図である。 本発明の第六実施形態に係る液体噴射ヘッドのノズルプレート近傍の部分縦断面模式図である。 本発明の第七実施形態に係る液体噴射ヘッドの構成図である。 本発明の第八実施形態に係る液体噴射ヘッドの模式的な部分分解斜視図である。 本発明の第八実施形態に係る液体噴射ヘッドの圧電体基板の表面の垂直方向から見る部分平面模式図である。 本発明の第九実施形態に係る液体噴射ヘッドの圧電体基板の表面の垂直方向から見る部分平面模式図である。 本発明の第十実施形態に係る液体噴射ヘッドの第二ノズルプレートを第一ノズルプレート側から見る部分正面模式図である。 本発明の第十一実施形態に係る液体噴射ヘッドの圧電体基板の表面の垂直方向から見る部分平面模式図である。 本発明の第十二実施形態に係る液体噴射ヘッドの構成図である。 本発明の第十三実施形態に係る液体噴射装置の模式的な斜視図である。
(第一実施形態)
図1は、本発明の第一実施形態に係る液体噴射ヘッド1の構成図である。本第一実施形態は本発明に係る液体噴射ヘッド1の基本構成を表す。液体噴射ヘッド1は、圧電体基板2とカバープレート3とノズルプレート4とを備える。圧電体基板2は、基板の側面に開口する複数の吐出溝2aを備える。カバープレート3は、複数の吐出溝2aに連通する共通液室3aを備え、圧電体基板2の表面に位置する。ノズルプレート4は、複数の吐出溝にそれぞれ連通する複数のノズル孔5を有し、圧電体基板2の側面に位置する。ノズルプレート4は、更に、複数のノズル孔5にそれぞれ連通する複数の循環路6と、複数の循環路6に連通する共通循環路7とを有する。液体噴射ヘッド1は、吐出溝2aが圧電体基板2の側面に開口し、ノズルプレート4が側面に位置するエッジシュート型である。
液体噴射ヘッド1は、次にように動作する。まず、液体は、図示しない液体タンクから共通液室3aに流入し、共通液室3aから各吐出溝2aに流入する。吐出溝2aの側壁は駆動信号に応じて変形し、吐出溝2aに充填される液体に圧力波を生成し、この圧力波が吐出溝2aに連通するノズル孔5から液滴を吐出させる。一方、各ノズル孔5には循環路6が連通し、各循環路6は共通循環路7に連通して合流する。共通循環路7を、例えば図示しない液体タンクに連通させ、ノズル孔5近傍の液体を液体タンクに戻して循環させることができる。また、共通循環路7を、液体ポンプを介して共通液室3aに連通させ、ノズル孔5近傍の液体を共通液室3aに戻して循環させることができる。
このように、ノズルプレート4に液体を循環させる循環路6及び共通循環路7を設けるので、液体噴射ヘッド1の容積を大きく増加させることなく液体循環構造を簡便に構成することができる。その結果、エッジシュート型の液体噴射ヘッド1においても、ノズル孔5のメニスカスの安定化、ノズル孔5近傍の粒子の沈殿防止及び気泡の除去等を行うことができ、信頼性及び堅牢性が向上する。
(第二実施形態)
図2は、本発明の第二実施形態に係る液体噴射ヘッド1の説明図である。図2(a)は液体噴射ヘッド1の模式的な部分分解斜視図であり、図2(b)は液体噴射ヘッド1の模式的な部分斜視図である。図3は、本発明の第二実施形態に係る液体噴射ヘッド1のノズルプレート4近傍の説明図である。図3(a)はノズルプレート4近傍の部分縦断面模式図であり、図3(b)は第二ノズルプレート4bの第一ノズルプレート4a側から見る部分正面模式図である。本第二実施形態では液体噴射ヘッド1の具体的な構造について説明する。以下、液滴の吐出方向を前方、これと反対方向を後方という。同一の部分または同一の機能を有する部分については同一の符号を付している。
図2に示すように、液体噴射ヘッド1は、圧電体基板2と、圧電体基板2の表面USに接合するカバープレート3と、圧電体基板2及びカバープレート3の面一な側面SSに接着するノズルプレート4とを備える。圧電体基板2は、表面USの基準方向Kに吐出溝2aと非吐出溝2bが側壁2fを挟んで交互に配列する溝列Mを備える。吐出溝2aは、一端が圧電体基板2の前方の側面SSに開口し、他端が圧電体基板2の後方の表面USにおいて終端する。非吐出溝2bは、一端が圧電体基板2の前方の側面SSに開口し、他端が圧電体基板2の後方の側面に開口する。吐出溝2aと非吐出溝2bは駆動壁である側壁2fにより分離される。側壁2fは両壁面に帯状の駆動電極2cを備え、帯状の駆動電極2cは側壁2fの上端から溝の深さの略1/2の幅を有する。圧電体基板2の表面USは、吐出溝2aの後方に共通端子2dと後方の端部側に個別端子2eを備える。共通端子2dは、吐出溝2aの両側面に位置する2つの駆動電極2cに電気的に接続し、個別端子2eは、吐出溝2aを挟む2つの非吐出溝2bの吐出溝2a側の両側面に位置する2つの駆動電極2cに電気的に接続する。
圧電体基板2は、例えばPZTセラミックスを使用することができる。圧電体基板2は、表面USの垂直方向に一様に分極処理が施される。吐出溝2a及び非吐出溝2bの溝幅W3(図3(b)を参照)は20μm〜100μmであり、溝深さW4(図3(b)を参照)は200μm〜400μmである。共通端子2d及び個別端子2eに駆動信号を与えて側壁2fを“く”の字又はその逆形状に変形させ、吐出溝2aの容積を拡張させ又は縮小させる。
カバープレート3は、前方の側面SSを圧電体基板2の側面SSと面一に、圧電体基板2の吐出溝2aを覆い、共通端子2d及び個別端子2eが露出するように、圧電体基板2の表面USに接着剤を介して接合する。カバープレート3は、共通液室3a及び共通液室3aの底面から圧電体基板2側に貫通するスリット3bを備える。共通液室3aは吐出溝2aの後方側の上部に位置し、スリット3bは吐出溝2aの後方の端部近傍に連通する。従って、共通液室3aに供給される液体はスリット3bを介して各吐出溝2aに流入するが、非吐出溝2bには流入しない。カバープレート3は、圧電体基板2と同じ材料を使用することができる。圧電体基板2とカバープレート3に同じ材料を使用すれば、熱膨張差による圧電体基板2の変形を避けることができる。また、カバープレート3は他のセラミックス材料や合成樹脂材料を使用することができる。
ノズルプレート4は、第一ノズルプレート4aと第一ノズルプレート4aの圧電体基板2の側に位置する第二ノズルプレート4bとを有する。第一ノズルプレート4aは基準方向Kに配列する複数のノズル孔5を有する。ノズル孔5は中心軸Xの周りに回転対称の形状を有する。第二ノズルプレート4bは、ノズル孔5と吐出溝2aとを連通する第一連通孔8aと、第一連通孔8aに連通する循環路6と、複数の循環路6が連通する共通循環路7とを備える。第一連通孔8aは第二ノズルプレート4bの厚さ方向に貫通する。循環路6と共通循環路7は、第二ノズルプレート4bの第一ノズルプレート4a側の表面に設置する溝からなる。各循環路6は各第一連通孔8aにそれぞれ連通する。各循環路6と共通循環路7は、第一連通孔8aよりも上方であり、カバープレート3の側面SSの前方に位置する。共通循環路7は基準方向Kに延在する。各循環路6は共通循環路7にそれぞれ連通して合流する。共通循環路7は循環路6が合流する数に応じて幅広に形成し、各循環路6の流速が低下しないようにすることが好ましい。循環路6は第一ノズルプレート4aではなく第二ノズルプレート4bに設けるので、ノズル孔5の回転対称形状を維持することができ、吐出特性への悪影響を避けることができる。
第一及び第二ノズルプレート4a、4bは、ポリイミドフィルム等のプラスチック系フィルム、或いは金属フィルムを使用することができる。図3(a)に示すように、第二ノズルプレート4bは、厚さtが15μm〜100μmとするのが好ましい。第二ノズルプレート4bは厚さtが100μmよりも厚くなると吐出溝2aからノズル孔5に伝搬する圧力波の圧力損失が大きくなり、吐出効率が低下する。また、循環路6及び共通循環路7は、溝の深さdが15μmを下回ると液体に分散する色材粒子によって閉塞しやすくなるので、循環路6の溝幅W5及び共通循環路7の溝幅W6を15μm以上とする。同様の理由で、第二ノズルプレート4bの厚さは15μmを下回らない。ノズル孔5の孔径Raは20μm〜70μmとすることができる。なお、ノズルプレート4は、カバープレート3及び圧電体基板2の側面SSをはみ出して大きく形成することができるので、共通循環路7の位置や溝幅(W6)はカバープレート3や圧電体基板2の厚さの範囲に制限されない。例えば、ノズルプレート4を、圧電体基板2及びカバープレート3の端部の周囲を囲むノズルキャップに対応する形状とすることができる。つまり、共通循環路7は、ノズルプレート4において、ノズルキャップに対応する位置へ形成しても構わない。
また、第一連通孔8aの開口幅W1及び開口長W2はノズル孔5の孔径Raよりも大きくすることが好ましい。また、第一連通孔8aの開口形状は圧電体基板2の側面SSに開口する吐出溝2aの開口形状と略等しく又は吐出溝2aの開口形状よりも大きく形成し、吐出溝2aからノズル孔5に伝搬する圧力波の圧力損失を低減させることが好ましい。例えば、ノズル孔5の孔径Raが吐出溝2aの溝幅W3よりも大きくなる場合に、第一連通孔8aの開口形状、特に開口幅W1をノズル孔5の孔径Ra及び吐出溝2aの溝幅W3よりも大きくすれば、第一連通孔8aはバッファ層として機能し、圧力波のエネルギー損失を低減させることができる。また、中心軸Xに回転対称なノズル孔5の開口中心と第一連通孔8aの開口中心とを略同一に形成し、ノズル孔5から液滴が偏って(第一ノズルプレート4aの吐出面の垂直方向からずれて)吐出するのを防止する。
液体は、図示しない液体タンクから共通液室3aに流入し、共通液室3aからスリット3bを介して分岐して各吐出溝2aに流入し、各吐出溝2aから各第一連通孔8aを介して各ノズル孔5に流入する。液体は、更に、各第一連通孔8aから各循環路6に流入し、各循環路6から共通循環路7に流入して合流する。そして、液体を共通循環路7から液体ポンプを介して液体タンクに、又はカバープレート3の共通液室3aに戻す液体循環構造を構成することができる。共通端子2dと個別端子2eに駆動信号を与え、吐出溝2aを挟む両側壁2fの駆動電極2cに電圧を与え、各側壁2fの2つの駆動電極2cの間の圧電体に電界を印加する。これにより側壁2fが厚み滑り変形して吐出溝2aの液体に圧力波が生成し、この圧力波がノズル孔5に伝搬して液滴が吐出される。
このように、エッジシュート型の液体噴射ヘッド1においても、第二ノズルプレート4bを追加するだけで液体循環構造を簡便に構成することができ、また、液体噴射ヘッド1の容積や重量の大きな増加がない。加えて、ノズル孔5のメニスカスの安定化、ノズル孔5近傍の粒子の沈殿防止及び気泡の除去等を行うことができ、信頼性及び堅牢性を向上させることができる。
なお、本実施形態では、非吐出溝2bが圧電体基板2の前方側面から後方側面にストレートに形成されるが、非吐出溝2bを吐出溝2aと同じ形状とし、個別端子2eを共通端子2dと同じ形状としてもよい。また、本実施形態では吐出溝2aと非吐出溝2bが基準方向Kに交互に配列する構成であるが、これに代えて、吐出溝2aのみを基準方向Kに配列する構成であってもよい。この場合は、例えば3サイクル駆動により液滴を吐出することができる。また、圧電体基板2は、表面USの垂直方向に一様に分極処理が施されているが、これに代えて、表面USの垂直方向に分極処理が施されている2枚の圧電体基板を、分極方向を反対向きに重ね合せたシェブロン型の圧電体基板を使用することができる。この場合、分極境界は吐出溝2aの深さの略1/2とする。また、帯状の駆動電極2cは、例えば側壁2fの上端から溝の底面まで側壁2fの全面にわたる幅とする。
(第三実施形態)
図4は、本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッド1のノズルプレート4近傍の縦断面模式図である。第二実施形態と異なる点は、ノズルプレート4が第一〜第三ノズルプレート4a、4b、4cの3層構造である点であり、その他の構成は第二実施形態と同様である。従って、以下、第二実施形態と異なる点について説明し、同一の構成については説明を省略する。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
ノズルプレート4は、第一ノズルプレート4a、第二ノズルプレート4b及び第三ノズルプレート4cの積層構造を有し、第三ノズルプレート4cが圧電体基板2の側面SSに接着する。第一ノズルプレート4aは基準方向Kに配列する複数のノズル孔5を有する。第二ノズルプレート4bは、複数のノズル孔5にそれぞれ連通する複数の第一連通孔8aと、複数の第一連通孔8aにそれぞれ連通する複数の循環路6と、複数の循環路6に連通する共通循環路7とを有する。第三ノズルプレート4cは、第一連通孔8aと圧電体基板2の側面SSに開口する吐出溝2aとを連通する第二連通孔8bを有する。第二実施形態では第二ノズルプレート4bの第一ノズルプレート4a側の表面に循環路6及び共通循環路7からなる溝を形成しているが、本第三実施形態では、第一ノズルプレート4aと第三ノズルプレート4cの間の第二ノズルプレート4bによって循環路6及び共通循環路7を構成する。
具体的に、第二ノズルプレート4bは第一連通孔8a、循環路6及び共通循環路7を有する。第一連通孔8a、循環路6及び共通循環路7の深さdは第二ノズルプレート4bの厚さに等しい。つまり、第二ノズルプレート4bは、第一連通孔8a、循環路6及び共通循環路7の板厚方向に貫通する貫通孔を有する。そして、第一ノズルプレート4aと第三ノズルプレート4cで第二ノズルプレート4bを挟んで積層したことによって、この貫通孔を循環路6及び共通循環路7として構成している。
第一〜第三ノズルプレート4a、4b、4cは、いずれもポリイミド系フィルム等のプラスチック系フィルム、或いは金属フィルムを使用することができる。第二及び第三ノズルプレート4b、4cの合計厚さは15μm〜100μmとするのが好ましい。第二ノズルプレート4bは、厚さが15μmを下回らない。これにより、液体に分散する色材粒子によって循環路6や共通循環路7が閉塞されないようにする。第三ノズルプレート4cの第二連通孔8bの開口形状は、第二ノズルプレート4bの第一連通孔8aと同様の形状を有し、第一連通孔8aの開口形状は、第二実施形態の第一連通孔8aの開口形状と同様なので、説明を省略する。また、循環路6及び共通循環路7の溝幅W5、W6も第二実施形態と同様である。このようにノズルプレート4を3層構造とすれば、循環路6及び共通循環路7を容易に構成することができる。
なお、以上の説明による第二及び第三実施形態におけるノズルプレート4は、ノズルプレート4内部に循環路6及び共通循環路7を備える。従って、ノズルプレート4を圧電体基板2及びカバープレート3の側面SSから突出させて液体を排出するための配管部材として利用することができる。
(第四実施形態)
図5は、本発明の第四実施形態に係る液体噴射ヘッド1のノズルプレート4近傍の説明図である。図5(a)は吐出溝2aの溝方向の部分縦断面模式図であり、図5(b)は、第二ノズルプレート4bを第一ノズルプレート4a側から見る部分正面模式図である。第三実施形態と異なる点は、第三ノズルプレート4cを除去した点であり、その他の構成は第三実施形態と同様である。同一の構成については説明を省略する。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
図5に示すように、ノズルプレート4は、第一ノズルプレート4a及び第二ノズルプレート4bの積層構造を有し、第二ノズルプレート4bは圧電体基板2及びカバープレート3の側面SSに接着する。第一ノズルプレート4aは基準方向Kに配列する複数のノズル孔5を有し、第二ノズルプレート4bは、複数のノズル孔5にそれぞれ連通する複数の第一連通孔8aと、複数の第一連通孔8aにそれぞれ連通する複数の循環路6と、複数の循環路6に連通する共通循環路7とを有する。ここで、第一連通孔8aはノズル孔5と側面SSに開口する吐出溝2aを連通させる。
ノズルプレート4の側面SSへの接着を次のように行うことができる。例えば、第二ノズルプレート4b用のフィルムを基体上に貼り付け、次に、基体上のフィルムに第一連通孔8a、循環路6及び共通循環路7のパターンを厚さ方向に貫通させる。そして、基体と第二ノズルプレート4b用のフィルムを圧電体基板2及びカバープレート3の側面SSに貼り付け、次に、基体を第二ノズルプレート4bから剥離する。次に、第一ノズルプレート4aを第二ノズルプレート4bに重ねて接着すればよい。
第一連通孔8a、循環路6及び共通循環路7は、第一ノズルプレート4aと圧電体基板2及びカバープレート3の側面SSにより挟まれる領域からなり、第一連通孔8a、循環路6及び共通循環路7の深さは第二ノズルプレート4bの厚さとなる。そのため、第一実施形態における第二ノズルプレート4bよりも厚さを薄く構成することができ、その分、ノズル孔5と吐出溝2aの開口との間の距離が短縮する。なお、第二ノズルプレート4bの材質、第一連通孔8aの孔径、開口形状、循環路6及び共通循環路7の溝幅は第二実施形態と同様なので、説明を省略する。
以上、第一〜第四実施形態において、共通循環路7は液体の流れの上流から下流に向かうにしたがって、溝幅が漸次拡大するように形成すれば、吐出溝2aの位置によらず略等しい流量を流すことができる。
(第五実施形態)
図6は、本発明の第五実施形態に係る液体噴射ヘッド1のノズルプレート4近傍の説明図である。図6(a)は、第二ノズルプレート4bを第一ノズルプレート4a側から見る部分正面模式図であり、図6(b)は、AA部分の横断面を上方から見る部分横断面模式図である。ノズル孔5は、圧電体基板2側の孔径Raの方が液滴を吐出する外部側の孔径Rbよりも大きく、液滴吐出方向に漸次縮径する。第二実施形態と異なる点は、ノズル孔5の孔径Raが吐出溝2aの溝幅W3よりも大きい点である。その他の構成は第二実施形態と同様である。従って、以下、第二実施形態と異なる構成について説明し、同一の構成については説明を省略する。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
図6に示すように、ノズルプレート4は、第一ノズルプレート4aと第一ノズルプレート4aの圧電体基板2の側に位置する第二ノズルプレート4bとを有し、第一ノズルプレート4aは吐出溝2aの開口に対応する位置にノズル孔5を備え、第二ノズルプレート4bの第一連通孔8aは吐出溝2aとノズル孔5を連通する。ノズル孔5の孔径Raは、吐出溝2aの溝幅W3よりも大きい(Ra>W3)。第一連通孔8aの開口幅W1は、ノズル孔5の孔径Ra及び吐出溝2aの溝幅W3よりも大きい(W1>Ra、W1>W3)。第一連通孔8aの開口長W2は吐出溝2aの溝深さW4と等しい又は溝深さW4よりも大きい(W2≧W4)。なお、上記説明はあくまで例示であり、ノズルプレート4の貼り付け精度要求に応じて変更可能である。例えば、第一連通孔8aの開口長W2は吐出溝2aの溝深さW4よりも小さくても構わない(W2<W4)。
液体噴射ヘッド1の吐出溝2aの基準方向Kの配置密度が高密度化し、吐出溝2aの溝幅W3が狭くなっている。一方、ノズル孔5の孔径Raは吐出する液滴の液量を確保するために所定の孔径よりも小さくすることができない。そのため、ノズル孔5の孔径Raを吐出溝2aの溝幅W3よりも大きく形成する必要が生ずる。しかし、吐出溝2aの溝幅W3がノズル孔5の孔径Raよりも小さくなると、ノズル孔5に対する吐出溝2aの開口領域が吐出溝2aに対するノズル孔5の僅かな位置ずれによって変化する。つまり、ノズル孔5に対する吐出溝2aの開口領域の面積や、ノズル孔5の中心に対する上記開口領域の中心が、吐出溝2aとノズル孔5の間の基準方向Kにおける僅かな位置ずれによって変化する。その結果、ノズル孔5から吐出する液滴の吐出方向が偏向し、記録品質が低下する原因となる。これに対して、本第五実施形態では、吐出溝2aとノズル孔5の間に位置ずれが発生する場合でも、第一連通孔8aがバッファ層として機能し、ノズル孔5に対する吐出溝2aの開口面積や開口中心の変化を緩和させ、記録品質の低下を防ぐことができる。
(第六実施形態)
図7は、本発明の第六実施形態に係る液体噴射ヘッド1のノズルプレート4近傍の部分縦断面模式図である。第二実施形態と異なる点は、ノズルプレート4と圧電体基板2の側面SSとの間にフィルタープレート9を備える点である。その他の構成は第二実施形態と同様なので、以下、異なる点について説明し、同一の構成については説明を省略する。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
図7に示すように、液体噴射ヘッド1は、ノズルプレート4と圧電体基板2の側面SSとの間にフィルタープレート9を備える。フィルタープレート9は、複数の開口からなる第三連通孔8cを有する。第三連通孔8cは第一連通孔8aと吐出溝2aとを連通させる。フィルタープレート9の開口率はできるだけ大きくとり、フィルタープレート9の厚さは5μm〜50μmとして、圧力損失を低減させる。第三連通孔8cの孔径Rcは吐出溝2aの溝幅W3又は溝深さW4よりも小さい。また、第三連通孔8cの孔径Rcは、ノズル孔5の出口の孔径Rbの90%未満として、気泡や異物がノズル孔5を塞いで吐出不可となるのを防止する。フィルタープレート9は、ポリイミドフィルム等のプラスチック系フィルム、或いは金属フィルムを使用することができる。
このように、ノズルプレート4と圧電体基板2の側面SSとの間にフィルタープレート9を設けるので、気泡や異物がノズル孔5を塞いで吐出不良となることを防止することができる。なお、フィルタープレート9は第三〜第五実施形態の液体噴射ヘッド1に適用することができる。
(第七実施形態)
図8は、本発明の第七実施形態に係る液体噴射ヘッド1の構成図である。本第七実施形態は、圧電体基板2に液体ポンプ10を備え、ノズル孔5近傍の液体を共通液室3aに循環させる液体循環構造を備える。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
液体噴射ヘッド1は、圧電体基板2とカバープレート3とノズルプレート4とを備える。圧電体基板2は、その側面に開口する複数の吐出溝2aと、吐出溝2aに充填されるノズル孔5の近傍の液体を循環させる液体ポンプ10とを備える。カバープレート3は、複数の吐出溝2aに連通する共通液室3aを有し、圧電体基板2の表面USに位置する。ノズルプレート4は、複数の吐出溝2aにそれぞれ連通する複数のノズル孔5を有し、圧電体基板2の側面に位置する。液体噴射ヘッド1は、吐出溝2aが圧電体基板2の側面に開口し、ノズルプレート4が圧電体基板2の側面に位置するエッジシュート型である。
液体噴射ヘッド1のノズルプレート4は、各ノズル孔5の近傍において各吐出溝2aにそれぞれ連通する複数の循環路6と、複数の循環路6が連通する共通循環路7を備え、共通循環路7が液体ポンプ10の流入側に接続し、共通液室3aが液体ポンプ10の流出側に連通する。液体は、図示しない液体タンクから共通液室3aに流入し、共通液室3aから各吐出溝2a及び各ノズル孔5に流入する。吐出溝2aの両側壁は駆動信号に応じて変形し、吐出溝2aに充填される液体に圧力波を生成する。この圧力波が吐出溝2aに連通するノズル孔5から液滴を吐出させる。一方、液体ポンプ10は、各ノズル孔5近傍の液体を各循環路6及び共通循環路7に吸引し、共通液室3aに送出して循環させる。
このように、圧電体基板2に液体ポンプ10を設けるので、液体噴射ヘッド1の外部に液体ポンプを含む液体循環構造を設けることなくノズル孔5近傍の液体を循環させることができ、液体循環構造を極めてコンパクトに構成することができる。従って、エッジシュート型の液体噴射ヘッド1においても、ノズル孔5のメニスカスの安定化、ノズル孔5近傍の粒子の沈殿防止及び気泡の除去等を行うことができ、信頼性及び堅牢性を向上させることができる。なお、本実施形態では、循環路6と共通循環路7をノズルプレート4に設けているが、これに代えて、循環路6と共通循環路7をカバープレート3やカバープレート3と圧電体基板2の間に挿入するシートに設けて本実施形態と同様の液体循環路を構成することできる。
(第八実施形態)
図9は、本発明の第八実施形態に係る液体噴射ヘッド1の模式的な部分分解斜視図である。図10は、本発明の第八実施形態に係る液体噴射ヘッド1の圧電体基板2の表面USの垂直方向から見る部分平面模式図である。なお、第一及び第二ノズルプレート4a、4bは理解を容易にするためにノズル孔5の中心を通り表面USと平行な方向の断面を表す。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
図9に示すように、液体噴射ヘッド1は、圧電体基板2と、圧電体基板2の表面USに接合するカバープレート3と、圧電体基板2及びカバープレート3の側面SSに接着するノズルプレート4とを備える。圧電体基板2は、表面USの基準方向Kに吐出溝2aと非吐出溝2bが側壁2fを挟んで交互に配列する溝列Mと、溝列Mの端部と圧電体基板2の端部との間に液体ポンプ10を備える。吐出溝2aは、一端が圧電体基板2の前方の側面SSに開口し、他端が圧電体基板2の後方の表面USにおいて終端する。非吐出溝2bは、一端が圧電体基板2の前方の側面SSに開口し、他端が圧電体基板2の後方の側面に開口する。吐出溝2aと非吐出溝2bは駆動壁である側壁2fにより分離される。側壁2fは両壁面に帯状の駆動電極2cを備え、帯状の駆動電極2cは側壁2fの上端から溝の深さの略1/2の幅を有する。圧電体基板2の表面USは、吐出溝2aの後方に共通端子2d、共通端子2dと後方の端部との間に個別端子2eを備える。共通端子2dは、吐出溝2aの両側面に位置する2つの駆動電極2cに電気的に接続し、個別端子2eは、吐出溝2aを挟む2つの非吐出溝2bの吐出溝2a側の両側面に位置する2つの駆動電極2cに電気的に接続する。なお、液体ポンプ10は、圧電体基板2の両端部の近傍に設置することに限定されず、片方の端部の近傍に設置してもよいし、溝列Mの中央部に設置してもよいし、他の場所に設置してもよい。
カバープレート3は、前方の側面SSを圧電体基板2の側面SSと面一に、圧電体基板2の吐出溝2aを覆い、共通端子2d及び個別端子2eが露出するように、圧電体基板2の表面USに接着剤を介して接合する。カバープレート3は、共通液室3a及び共通液室3aの底面から圧電体基板2側に貫通するスリット3b及び循環用スリット3cを備える。共通液室3aは吐出溝2aの後方側の上部に位置し、スリット3bは吐出溝2aの後方の端部近傍に連通し、循環用スリット3cはポンプ溝10aの後方の端部近傍に連通する。従って、共通液室3aに供給される液体はスリット3bを介して各吐出溝2aに流入するが、非吐出溝2bには流入しない。また、液体ポンプ10から送出される液体は循環用スリット3cを介して共通液室3aに流入する。
ノズルプレート4は、第一ノズルプレート4aと第一ノズルプレート4aの圧電体基板2の側に位置する第二ノズルプレート4bとを有する。第一ノズルプレート4aが基準方向Kに配列する複数のノズル孔5を有する。第二ノズルプレート4bは、ノズル孔5と吐出溝2aとを連通する第一連通孔8aと、第一連通孔8aに連通する循環路6と、複数の循環路6が連通する共通循環路7と、共通循環路7と連通するポンプ連通孔10fとを備える。第一連通孔8a及びポンプ連通孔10fは第二ノズルプレート4bの厚さ方向に貫通する。循環路6と共通循環路7は、第二ノズルプレート4bの第一ノズルプレート4a側の表面に設置される溝からなる。各循環路6は各第一連通孔8aにそれぞれ連通する。各循環路6は、第一連通孔8aよりも上方でありカバープレート3の側面SSに対応する位置であり、基準方向Kに延在する共通循環路7にそれぞれ連通する。共通循環路7に連通するポンプ連通孔10fは、基準方向Kにおける端部に位置する第一連通孔8aと第二ノズルプレート4bの端部との間に位置する。なお、第三又は第四実施形態のノズルプレート4を使用してもよい。また、第六実施形態のようにノズルプレート4と圧電体基板2の側面SSとの間にフィルタープレート9を設置してもよい。
圧電体基板2、カバープレート3及びノズルプレート4の材料や、第一及び第二ノズルプレート4a、4bの厚さや、第一及び第二ノズルプレート4a、4bに形成するノズル孔5、第一連通孔8a、循環路6、共通循環路7の形状等については第二実施形態と同様なので、説明を省略する。
液体ポンプ10は、図10に示すように、一端が圧電体基板2の側面SSに開口して共通循環路7に連通し、他端が共通液室3aに連通するポンプ溝10aと、ポンプ溝10aに充填される液体に圧力変動を誘起する駆動部10kとを備える。具体的に、ポンプ溝10aは、一端が第二ノズルプレート4bのポンプ連通孔10fを介して共通循環路7に連通し、他端はカバープレート3の循環用スリット3cを介して共通液室3aに連通する。本実施形態においては、駆動部10kは、ポンプ溝10aを挟む2つの側壁10cと、各側壁10cの両側面に位置する駆動電極10dとを含む。ポンプ溝10aは、共通循環路7から共通液室3aの方向に漸次縮径するディフューザ領域13を備え、駆動部10kはディフューザ領域13よりも共通液室3aの側に位置する。具体的には、ポンプ溝10aは共通循環路7から共通液室3aの方向に溝幅が漸次縮小する。
具体的には、ポンプ溝10aの両側には2つのポンプ溝10eが位置し、各ポンプ溝10eは、一端が圧電体基板2の前方側の表面USでありディフューザ領域13の狭口N近傍において終端し、他端が後方の側面に開口する。2つの側壁10cは2つのポンプ溝10eとポンプ溝10aとの間に位置する。電極端子10gは、ポンプ溝10aの両側面に位置する駆動電極10dと電気的に接続し、ポンプ溝10aの後方の端部近傍の表面USに位置する。電極端子10hは、ポンプ溝10aを挟む2つのポンプ溝10eのポンプ溝10a側の側面の2つの駆動電極10dと電気的に接続し、電極端子10gと圧電体基板2の後方の端部との間の表面USに位置する。ポンプ溝10a及びポンプ溝10eは、吐出溝2a及び非吐出溝2bと同様にダイシングブレードを用いて同じ工程で形成することができる。ディフューザ領域13のポンプ溝10aはサンドブラスト法やエッチング法により形成することができる。駆動電極10d、電極端子10g、10hは、駆動電極2c、共通端子2d、個別端子2eと同時に金属材料の斜め蒸着法等により形成することができる。
2つの電極端子10g、10hに駆動信号を与えることにより、2つの側壁10cが厚み滑り変形してポンプ溝10aの容積を増減する。ディフューザ領域13のポンプ溝10aは、幅の広い広口Bから幅の狭い狭口Nの方向に流れる流路抵抗に対し、逆方向の狭口Nから広口Bに流れる流路抵抗が大きい。そのため、側壁10cを駆動して狭口N近傍の液体に圧力変動を与えると、液体は広口Bから狭口Nの方向に流れ、液体ポンプとして機能する。駆動信号は、ポンプ溝10aの容積が中立→拡大→中立を繰り返すように与えてもよいし、容積が中立→拡大→中立→縮小→中立を繰り返すように与えてもよい。ポンプ溝10aの液体が負圧のときにディフューザ領域13のポンプ溝10aから液体を吸引し、正圧となるときに共通液室3aに液体を送出する。
ポンプ溝10aの溝幅や溝の深さは、吐出溝2a及び非吐出溝2bの溝幅や溝の深さと同等であってもよいし、独立に形成してもよい。液体ポンプ10を駆動させるための電極端子10g、10hに与える駆動電圧は、吐出溝2aを駆動させるための共通端子2dと個別端子2eに与える駆動信号と、電圧波高値(振幅)は共通でもよいが、パルス幅や周期は異なるように設定する。ディフューザ領域13の対向する2つの側面の開き角度θは50°〜70°に設定し、ポンプ効率を向上させることが好ましい。なお、本実施形態においては、ディフューザ領域13の溝幅が共通循環路7から共通液室3aの方向に漸次縮小する構成であるが、これに代えて、ディフューザ領域13の溝幅を一定とし、溝の深さが共通循環路7から共通液室3aの方向に漸次浅くなる構成であってもよい。液体ポンプ10は、圧電体基板2の基準方向Kの両端部に設置してもよいし、一方の端部に設置してもよい。また、液体ポンプ10は、駆動能力に応じて両端部にそれぞれ複数設置することができる。液体ポンプ10を複数設ける場合、それらを異なる位相で駆動して、液体ポンプ10の駆動により発生する脈動がノズル孔5から吐出する液滴に与える悪影響を制御する。
このように、圧電体基板2の表面USに微小サイズの液体ポンプ10を構成し、循環路6及び共通循環路7をノズルプレート4に構成することにより、液体噴射ヘッド1の容積を大きく増加させることなく液体循環構造を形成することができる。その結果、エッジシュート型の液体噴射ヘッド1においても、ノズル孔5のメニスカスの安定化、ノズル孔5近傍の粒子の沈殿防止及び気泡の除去等を行うことができ、信頼性及び堅牢性を向上させることができる。
(第九実施形態)
図11は、本発明の第九実施形態に係る液体噴射ヘッド1の圧電体基板2の表面USの垂直方向から見る部分平面模式図である。なお、第一及び第二ノズルプレート4a、4bは理解を容易にするためにノズル孔5の中心を通り表面USと平行な方向の断面を表す。第八実施形態と異なる点は、ディフューザ領域13が圧電体基板2ではなくノズルプレート4に位置する点であり、その他の構成は第八実施形態と同様である。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
液体噴射ヘッド1は、圧電体基板2と、圧電体基板2の表面USに接合するカバープレート3と、圧電体基板2及びカバープレート3の側面SSに接着するノズルプレート4とを備える。図11に示すように、圧電体基板2は、表面USの基準方向Kに吐出溝2aと非吐出溝2bが側壁2fを挟んで交互に配列する溝列Mと、溝列Mの端部と圧電体基板2の端部との間に液体ポンプ10を備える。吐出溝2a、非吐出溝2b、側壁2f、駆動電極2c、共通端子2d及び個別端子2eの構成は第八実施形態と同様なので、説明を省略する。
液体ポンプ10は、図11に示すように、一端が圧電体基板2の前方の側面SSに開口し、他端が圧電体基板2の後方の端部よりも手前の表面USにおいて終端するポンプ溝10aと、ポンプ溝10aの両隣に側壁10cを介して並列し、一端が前方の側面SSに開口し、他端が後方の側面に開口する2つのポンプ溝10eと、を備える。ポンプ溝10aは溝幅が均一で後方端部において底面から表面USに切り上がる傾斜面を成し、ポンプ溝10eは溝幅及び溝深さが前方から後方に均一なストレートな形状を有する。ポンプ溝10aを挟む2つの側壁10cは、それぞれ両側面に駆動電極10dを備え、駆動部10kを構成する。ポンプ溝10aの後方の端部近傍の表面USに電極端子10gを備え、ポンプ溝10aの両側面に位置する駆動電極10dと電気的に接続する。電極端子10gと圧電体基板2の後方の端部との間の表面USに電極端子10hが位置し、ポンプ溝10aを挟む2つのポンプ溝10eのポンプ溝10a側の側面に位置する駆動電極10dと電気的に接続する。ポンプ溝10a、10eは、吐出溝2a及び非吐出溝2bと同様にダイシングブレードを用いて同じ工程で形成することができる。駆動電極10d、電極端子10g、電極端子10hは、駆動電極2c、共通端子2dと同時に金属材料の斜め蒸着法により形成することができる。
圧電体基板2の表面USには図示しないカバープレート3が接着剤を介して接合する。カバープレート3は、共通液室3a、共通液室3aの底面にスリット3b及び循環用スリット3cを備え、これらの構成は第八実施形態と同様であり、説明を省略する。ノズルプレート4は、第一ノズルプレート4aと第一ノズルプレート4aの圧電体基板2の側に位置する第二ノズルプレート4bとを有する。第一ノズルプレート4aが基準方向Kに配列する複数のノズル孔5を有する。第二ノズルプレート4bは、ノズル孔5と吐出溝2aとを連通する第一連通孔8aと、第一連通孔8aに連通する図示しない循環路6と、複数の循環路6が連通する図示しない共通循環路7と、共通循環路7と連通するポンプ連通孔10fとを備える。
第一連通孔8a及びポンプ連通孔10fは第二ノズルプレート4bの厚さ方向に貫通する。循環路6と共通循環路7は、第二ノズルプレート4bの第一ノズルプレート4a側の表面に設置される溝からなり、第八実施形態の構成と同様である。共通循環路7はポンプ連通孔10fに連通する。ポンプ連通孔10fは、基準方向Kにおける端部側に位置する第一連通孔8aと第二ノズルプレート4bの端部との間に位置し、圧電体基板2の側面SSに開口するポンプ溝10aに連通する。ポンプ連通孔10fは、共通循環路7からポンプ溝10aの方向に漸次縮径するディフューザ領域13を成す。ポンプ連通孔10fの圧電体基板2側の開口形状はポンプ溝10aの側面SSに開口する開口形状と略同じ形状を有する。つまり、ポンプ連通孔10fは、共通循環路7からポンプ溝10aの方向に基準方向Kの幅及びこれに直交する方向の幅がそれぞれ漸次縮小する。なお、基準方向Kの幅及びこれに直交する方向の幅のいずれか一方が漸次縮小する形状であってもよい。
従って、液体ポンプ10はポンプ溝10aと駆動部10kを備える。ポンプ溝10aは一端が圧電体基板2の側面SSに開口してポンプ連通孔10fを介して共通循環路7に連通し、他端がカバープレート3の図示しない循環用スリット3cを介して共通液室3aに連通する。駆動部10kはポンプ溝10aを構成する2つの側壁10cと各側壁10cの側壁の両面に位置する駆動電極10dを含む。2つの電極端子10g、10hに駆動信号を与えることにより、2つの側壁10cが厚み滑り変形してポンプ溝10aの容積を増減する。第二ノズルプレート4bのディフューザ領域13(ポンプ連通孔10f)は、開口の広口から狭口方向に流れる流路抵抗に対し、逆方向の狭口から広口方向に流れる流路抵抗のほうが大きい。そのため、ポンプ溝10aの液体に圧力変動を与えると、液体はディフューザ領域13の広口から狭口方向に流れ、液体ポンプとして機能する。
なお、ポンプ溝10aの溝幅や溝の深さは、吐出溝2a及び非吐出溝2bの溝幅や溝の深さと同等であってもよいし、独立に形成してもよい。液体ポンプ10の溝列M側のポンプ溝10eは溝列Mの端部に位置する非吐出溝2bにより兼用することができ、液体ポンプ10の領域をより小さく構成することができる。液体ポンプ10を駆動させるための電極端子10g、10hに与える駆動電圧は、吐出溝2aを駆動させるための共通端子2dと個別端子2eに与える駆動信号と、電圧波高値(振幅)は共通でもよいが、パルス幅や周期は異なるように設定する。ディフューザ領域13の基準方向Kの対向する2つの側面、又は、基準方向Kに直交する方向の対向する2つの側面の開き角度θは50°〜70°に設定し、ポンプ効率を向上させることが好ましい。また、本実施形態ではノズルプレート4が2層構造を有するが、第三実施形態のようにノズルプレート4が三層構造の場合、或いは、第六実施形態のようにフィルタープレート9を備える場合には、第三ノズルプレート4cやフィルタープレート9にポンプ連通孔10fに連通する貫通孔を設け、この貫通孔を循環路6からポンプ溝10aの方向に漸次縮径するディフューザ領域13としてもよい。液体ポンプ10は、圧電体基板2の基準方向Kの両端部に設置してもよいし、一方の端部に設置してもよい。また、液体ポンプ10は、駆動能力に応じて両端部にそれぞれ複数設置することができる。液体ポンプ10を複数設ける場合、それらを異なる位相で駆動して、液体ポンプ10の駆動により発生する脈動がノズル孔5から吐出する液滴に与える悪影響を制御する。
これにより、液体噴射ヘッド1の容積を大きく増加させることなく液体循環構造を構成することができる。エッジシュート型の液体噴射ヘッド1においても、ノズル孔5のメニスカスの安定化、ノズル孔5近傍の粒子の沈殿防止及び気泡の除去等を行うことができ、信頼性及び堅牢性を向上させることができる。
(第十実施形態)
図12は、本発明の第十実施形態に係る液体噴射ヘッド1の第二ノズルプレート4bを第一ノズルプレート4a側から見る部分正面模式図である。第九実施形態と異なる点は、ディフューザ領域13をポンプ連通孔10fに接続する共通循環路7に設ける点であり、その他の構成は第九実施形態と同様である。従って、以下、第九実施形態と異なる部分について説明し、同一の部分は説明を省略する。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
ノズルプレート4は、図示しない第一ノズルプレート4aと第二ノズルプレート4bの積層構造を有する。圧電体基板2の側面SSには、基準方向Kに交互に配列して溝列Mを構成する吐出溝2a及び非吐出溝2bが開口し、溝列Mと圧電体基板2の端部との間にポンプ溝10aが開口する。図示しない第一ノズルプレート4aはノズル孔5を備える。第二ノズルプレート4bは、吐出溝2aとノズル孔5を連通する第一連通孔8aと、第一連通孔8aに連通する循環路6と、複数の循環路6が連通する共通循環路7と、ポンプ溝10aに連通するポンプ連通孔10fを備える。ポンプ連通孔10fは板厚方向に貫通する。ポンプ連通孔10fの開口はポンプ溝10aの開口とほぼ同じ形状を有する。ポンプ連通孔10fと接続する共通循環路7の端部は、循環路6からポンプ溝10aの方向に漸次縮径するディフューザ領域13を備える。本実施形態では、共通循環路7の深さは一定であり、共通循環路7の溝幅が循環路6からポンプ連通孔10fの方向に漸次縮小する。ディフューザ領域13の対向する2つの側面の開き角度θは50°〜70°に設定し、ポンプ効率を向上させることが好ましい。
このように、ディフューザ領域13を第二ノズルプレート4bの平面方向に形成するので、ディフューザ領域13の設計自由度が大きい。その他の構成及び特徴は第九実施形態と同様なので、説明を省略する。
(第十一実施形態)
図13は、本発明の第十一実施形態に係る液体噴射ヘッド1の圧電体基板2の表面USの垂直方向から見る部分平面模式図である。なお、第一及び第二ノズルプレート4a、4bは理解を容易にするためにノズル孔5の中心を通り表面USと平行な方向の断面を表す。第八実施形態と異なる点は、圧電体基板2の表面USにディフューザ領域13を形成することに代えて、逆止弁を設ける点であり、その他の構成は第八実施形態と同様である。以下、第八実施形態と異なる構成について説明し、同一の構成については説明を省略する。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
図13に示すように、液体ポンプ10は、一端が圧電体基板2の側面SSに開口してノズルプレート4の共通循環路7に連通し、他端がカバープレート3の共通液室3aに連通するポンプ溝10aと、ポンプ溝10aに充填される液体に圧力変動を誘起する駆動部10kとを備える。また、共通液室3aと循環路6の間のポンプ溝10aの側の流路には、ポンプ溝10aから共通循環路7の方向に液体が流れるのを阻止する逆止弁11a、11bを備える。
具体的には、ポンプ溝10aは、一端が圧電体基板2の側面SSに開口し、他端が圧電体基板2の後方の表面において終端する。ポンプ溝10aは、前方の側面SS近傍に溝幅が広い拡幅部10jを備え、拡幅部10jの前方側面に逆止弁11aを備える。更に、ポンプ溝10aの後方端であり、共通液室3aとの間の循環用スリット3cに逆止弁11bを備える。駆動部10kは、2つの逆止弁11a、11bの間に位置し、ポンプ溝10aを挟む2つの側壁10cと、各側壁10cの両側面に位置する駆動電極10dを備える。電極端子10gは、ポンプ溝10aの両側面に位置する駆動電極10dと電気的に接続し、ポンプ溝10aの後方の端部近傍の表面USに位置する。電極端子10hは、ポンプ溝10aを挟む2つのポンプ溝10eのポンプ溝10a側の側面の2つの駆動電極10dと電気的に接続し、電極端子10gと圧電体基板2の後方の端部との間の表面USに位置する。
2つの電極端子10g、10hの間に駆動信号を与えると、2つの側壁10cが厚み滑り変形してポンプ溝10aに充填される液体に圧力変動を誘起する。ポンプ溝10aの液体が負圧になると逆止弁11bが閉じ、逆止弁11aが開いて共通循環路7から液体を吸引し、ポンプ溝10aの液体が正圧になると逆止弁11aが閉じ、逆止弁11bが開いて液体を共通液室3aに送出する。これを繰り返すことにより、共通循環路7から共通液室3aに液体を循環させることができる。
本実施形態においても、液体噴射ヘッド1の容積を大きく増加させることなく液体循環構造を構成することができる。なお、液体ポンプ10は、圧電体基板2の基準方向Kの両端部に設置することができる。また、液体ポンプ10は、駆動能力に応じて両端部にそれぞれ複数設置することができる。また、逆止弁11a、11bの設置個所は本実施形態の位置に限らず、ノズルプレート4に設けてもよいし、ポンプ溝10aと連通する共通液室3aに設けてもよい。
(第十二実施形態)
図14は、本発明の第十二実施形態に係る液体噴射ヘッド1の構成図である。第七〜第十一実施形態の液体噴射ヘッド1と異なる点は、カバープレート3に流路部材12が追加される点である。従って、以下、第七〜第十一実施形態と異なる構成について説明し、同一の構成については説明を省略する。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
図14に示すように、液体噴射ヘッド1は、カバープレート3に接合する流路部材12を備える。流路部材12は、共通液室3aに連通する液室12aと、液室12aに液体を流入する供給口12bと、液室12aから液体を排出する排出口12cとを備える。液室12aの開口形状は共通液室3aの開口形状と略同一である。従って、液室12aと共通液室3aは一つの共通液室3aとして機能する。
液体は、図示しない外部液体ポンプにより図示しない外部液体タンクから供給口12bに供給され、排出口12cから図示しない外部液体タンクに排出して循環する。つまり、共通液室3aは、外部から液体を流入し外部に液体を流出する循環型である。一方、圧電体基板2の側では液体ポンプ10により液体が共通液室3a、吐出溝2a、循環路6、共通循環路7及び液体ポンプ10を介して循環する。例えば、図14に示すように、液体ポンプ10が共通液室3aに送出する液体の一部は液室12aから排出口12cに流出する。また、供給口12bから流入する液体の一部は吐出溝2aに流入する。そのため、共通液室3a、吐出溝2a及び液体ポンプ10の間でのみ循環させる場合よりも液体の交換率が高くなり、液体の劣化を抑制することができる。
また、例えば液体噴射ヘッド1をシャトル型液体噴射装置に適用する場合に、液滴の吐出時には排出口12cをバルブ等で閉じておき、液体ポンプ10を用いて内部だけで液体を循環させる内部循環を行う。そして、所定の時間や所定の要件を満たしたときは液体噴射ヘッド1を搭載するシャトルをメンテナンス位置に移動させ、排出口12cを開いて液体噴射装置の本体側と連結させ、液体を外部液体タンクと液室12aとの間を循環させる外部循環を行う。外部循環の際には外部循環路に脱気フィルターを設け、空気溶解などによって脱気レベルが低下した液体をリフレッシュさせることができる。また、キャリッジと液体噴射装置の本体との間の液体供給チューブと液体回収チューブのうち、液体回収チューブの機械的な負荷を低減させることができる。
(第十三実施形態)
図15は本発明の第十三実施形態に係る液体噴射装置30の模式的な斜視図である。液体噴射装置30は、液体噴射ヘッド1、1’を往復移動させる移動機構40と、液体噴射ヘッド1、1’に液体を供給する流路部35、35’と、流路部35、35’に連通する液体ポンプ33、33’及び液体タンク34、34’とを備えている。各液体噴射ヘッド1、1’は既に説明した第一〜第十二実施形態の液体噴射ヘッドを使用する。
液体噴射装置30は、紙等の被記録媒体44を主走査方向に搬送する一対の搬送手段41、42と、被記録媒体44に液体を吐出する液体噴射ヘッド1、1’と、液体噴射ヘッド1、1’を載置するキャリッジユニット43と、液体タンク34、34’に貯留した液体を流路部35、35’に押圧して供給する液体ポンプ33、33’と、液体噴射ヘッド1、1’を主走査方向と直交する副走査方向に走査する移動機構40とを備えている。図示しない制御部は液体噴射ヘッド1、1’、移動機構40、搬送手段41、42を制御して駆動する。
一対の搬送手段41、42は副走査方向に延び、ローラ面を接触しながら回転するグリッドローラとピンチローラを備えている。図示しないモータによりグリッドローラとピンチローラを軸周りに回転させてローラ間に挟み込んだ被記録媒体44を主走査方向に搬送する。移動機構40は、副走査方向に延びた一対のガイドレール36、37と、一対のガイドレール36、37に沿って摺動可能なキャリッジユニット43と、キャリッジユニット43を連結し副走査方向に移動させる無端ベルト38と、この無端ベルト38を図示しないプーリを介して周回させるモータ39を備えている。
キャリッジユニット43は、複数の液体噴射ヘッド1、1’を載置し、例えばイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの4種類の液滴を吐出する。液体タンク34、34’は対応する色の液体を貯留し、液体ポンプ33、33’、流路部35、35’を介して液体噴射ヘッド1、1’に供給する。各液体噴射ヘッド1、1’は駆動信号に応じて各色の液滴を吐出する。液体噴射ヘッド1、1’から液体を吐出させるタイミング、キャリッジユニット43を駆動するモータ39の回転及び被記録媒体44の搬送速度を制御することにより、被記録媒体44上に任意のパターンを記録することできる。
なお、本実施形態は、移動機構40がキャリッジユニット43と被記録媒体44を移動させて記録する液体噴射装置30であるが、これに代えて、キャリッジユニットを固定し、移動機構が被記録媒体を二次元的に移動させて記録する液体噴射装置であってもよい。つまり、移動機構は液体噴射ヘッドと被記録媒体とを相対的に移動させるものであればよい。
1 液体噴射ヘッド
2 圧電体基板、2a 吐出溝、2b 非吐出溝、2c 駆動電極、2d 共通端子
2e 個別端子、2f 側壁
3 カバープレート、3a 共通液室、3b スリット、3c 循環用スリット
4 ノズルプレート、4a 第一ノズルプレート、4b 第二ノズルプレート
4c 第三ノズルプレート
5 ノズル孔
6 循環路
7 共通循環路
8a 第一連通孔、8b 第二連通孔、8c 第三連通孔
9 フィルタープレート
10 液体ポンプ、10a ポンプ溝、10c 側壁
10d 駆動電極、10e ポンプ溝、10f ポンプ連通孔
10g、10h 電極端子、10k 駆動部、10j 拡幅部
11a、11b 逆止弁
12 流路部材、12a 液室、12b 供給口、12c 排出口
13 ディフューザ領域
US 表面、SS 側面、K 基準方向、Ra、Rb 孔径、M 溝列

Claims (18)

  1. 側面に開口する複数の吐出溝を備える圧電体基板と、
    複数の前記吐出溝に連通する共通液室を有し、前記圧電体基板の表面に位置するカバープレートと、
    複数の前記吐出溝にそれぞれ連通する複数のノズル孔を有し、前記圧電体基板の側面に位置するノズルプレートと、を備え、
    前記ノズルプレートは、複数の前記ノズル孔にそれぞれ連通する複数の循環路と複数の前記循環路に連通する共通循環路とを有する液体噴射ヘッド。
  2. 前記ノズルプレートは、第一ノズルプレートと前記第一ノズルプレートの前記圧電体基板の側に位置する第二ノズルプレートとを有し、
    前記第一ノズルプレートが前記ノズル孔を有し、
    前記第二ノズルプレートは、前記ノズル孔と前記吐出溝とを連通する第一連通孔と、前記循環路と、前記共通循環路とを有し、前記循環路が前記第一連通孔に連通する請求項1に記載の液体噴射ヘッド。
  3. 前記ノズル孔の開口中心と前記第一連通孔の開口中心とは略同一である請求項2に記載の液体噴射ヘッド。
  4. 前記第一連通孔の孔径は前記ノズル孔の孔径よりも大きい請求項2又は3に記載の液体噴射ヘッド。
  5. 前記循環路は前記第二ノズルプレートの前記第一ノズルプレートの側の表面に位置する請求項2〜4のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
  6. 前記ノズルプレートは、前記第二ノズルプレートの前記圧電体基板の側に位置する第三ノズルプレートを有し、
    前記第三ノズルプレートは第二連通孔を有し、前記第一連通孔と前記吐出溝は前記第二連通孔を介して連通する請求項2〜5のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
  7. 前記ノズルプレートと前記圧電体基板の側面との間にフィルタープレートを備え、
    前記フィルタープレートは、前記第一連通孔と前記吐出溝を連通させる複数の開口からなる第三連通孔を有する請求項2〜6のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
  8. 前記圧電体基板は前記共通循環路の液体を前記共通液室に循環させる液体ポンプを備える請求項1〜7のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
  9. 前記液体ポンプは、一端が前記圧電体基板の側面に開口して前記共通循環路に連通し、他端が前記共通液室に連通するポンプ溝と、前記ポンプ溝に充填される液体に圧力変動を誘起する駆動部とを備える請求項8に記載の液体噴射ヘッド。
  10. 前記駆動部は、前記ポンプ溝を構成する2つの側壁と前記側壁の両側面に位置する駆動電極とを含む請求項9に記載の液体噴射ヘッド。
  11. 前記ポンプ溝は前記共通循環路から前記共通液室の方向に漸次縮径するディフューザ領域を備え、前記駆動部は前記ディフューザ領域よりも前記共通液室の側に位置する請求項9又は10に記載の液体噴射ヘッド。
  12. 前記ディフューザ領域における前記ポンプ溝の対向する2つの側面は、開き角度が50°〜70°の範囲にある請求項11に記載の液体噴射ヘッド。
  13. 前記ノズルプレートは、前記循環路と前記ポンプ溝との間の流路に前記循環路から前記ポンプ溝の方向に漸次縮径するディフューザ領域を備える請求項9又は10に記載の液体噴射ヘッド。
  14. 前記共通液室と前記循環路の間の前記ポンプ溝の側の流路には、前記ポンプ溝から前記共通循環路の方向に液体が流れるのを阻止する逆止弁を備える請求項9〜13のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
  15. 前記液体ポンプは、複数の前記吐出溝が配列する溝列と前記圧電体基板の基準方向における端部との間に位置する請求項8〜14のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
  16. 前記共通液室は、外部から液体を流入し前記外部に液体を流出する循環型である請求項1〜15のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
  17. 側面に開口する複数の吐出溝と循環用の液体ポンプとを備える圧電体基板と、
    複数の前記吐出溝に連通する共通液室を有し、前記圧電体基板の表面に位置するカバープレートと、
    複数の前記吐出溝にそれぞれ連通する複数のノズル孔を有し、前記圧電体基板の側面に位置するノズルプレートと、を備え、
    前記液体ポンプは前記吐出溝の前記ノズル孔の近傍の液体を前記共通液室に循環させる液体噴射ヘッド。
  18. 請求項1に記載の液体噴射ヘッドと、
    前記液体噴射ヘッドと被記録媒体とを相対的に移動させる移動機構と、
    前記液体噴射ヘッドに液体を供給する液体供給管と、
    前記液体供給管に前記液体を供給する液体タンクと、を備える液体噴射装置。
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