JP2017209813A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

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達郎 森
周三 岩永
Shuzo Iwanaga
周三 岩永
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Seiichiro Karita
誠一郎 刈田
山田 和弘
Kazuhiro Yamada
和弘 山田
孝綱 青木
Takatsuna Aoki
孝綱 青木
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Shingo Okujima
真吾 奥島
昭男 齋藤
Akio Saito
昭男 齋藤
輝 山本
Teru Yamamoto
輝 山本
善太郎 為永
Zentaro Tamenaga
善太郎 為永
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議靖 永井
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Abstract

【課題】 複数のヘッドモジュールを備える液体吐出ヘッドにおいて、隣接するヘッドモジュール間における液体の圧力差・温度差により、ヘッドモジュールのつなぎ目で印字ムラが発生する。【解決手段】 第1の方向に延在し記録媒体の幅に対応した長さを有する流路を備える流路部材と、前記流路から供給される液体を吐出する吐出口を備え、前記第1の方向に配列される複数の記録素子基板と、を備える記録媒体の幅に対応した長さを有するページワイド型の液体吐出ヘッドにおいて、前記流路部材は、前記流路の前記第1の方向における一端側の端部に当該流路に液体を導入するための導入口を備え、前記導入口から前記流路に導入された液体は前記流路を前記流路の他端側の端部に供給されることを特徴とする。【選択図】 図1

Description

本発明は、圧力発生素子を利用して、圧力室内の液体を吐出口から吐出可能な液体吐出ヘッドに関するものである。
近年、インクジェットプリンタは家庭での印刷のみならず、ビジネスやリテールフォト用などの業務用、あるいは電子回路描画やパネルディスプレイ用などの産業用にも用いられ、その用途は広がりつつある。このような業務用印刷等におけるインクジェットプリンタの液体吐出ヘッドは高速での印刷が要求される。このため、液体吐出ヘッドの幅を記録媒体幅よりも長尺なフルラインヘッド(ページワイドヘッド)が適用されている。このようなフルラインヘッドとしては、複数の記録素子基板を配列したヘッドモジュールを支持部材上に搭載する方法が特許文献1に記載されている。
US6350013号公報
しかしながら特許文献1のように、各ヘッドモジュールの中央部の流入口からインクを供給する構成では、各ヘッドモジュールに供給される液体の流れの方向が、ヘッドモジュールの中央部から両端部に向かう方向となる。この場合、隣接するヘッドモジュール間の液体の温度差により吐出される液滴の体積がばらつくため、ヘッドモジュールのつなぎ目で印字ムラ(濃度ムラ)が発生する。
本発明は上記課題に鑑み、複数のヘッドモジュール構成の液体吐出ヘッドにおいて、各ヘッドモジュールのつなぎ部における濃度ムラを軽減した液体吐出ヘッドの提供を目的とする。
第1の方向に延在し記録媒体の幅に対応した長さを有する流路を備える流路部材と、前記流路から供給される液体を吐出する吐出口を備え、前記第1の方向に配列される複数の記録素子基板と、を備える記録媒体の幅に対応した長さを有するページワイド型の液体吐出ヘッドにおいて、前記流路部材は、前記第1の方向における前記流路の一端側の端部に当該流路に液体を導入するための導入口を備え、前記導入口から前記流路に導入された液体は前記流路の一端部の端部から前記流路の他端側の端部に供給されることを特徴とする。
また、第1の方向に延在し記録媒体の幅に対応した長さを有する流路を備える流路部材と、前記流路から供給される液体を吐出する吐出口を備え、前記第1の方向に配列される複数の記録素子基板と、を備える記録媒体の幅に対応した長さを有するページワイド型の液体吐出ヘッドにおいて、前記流路部材は、前記第1の方向における前記流路の中央部に当該流路に液体を導入するための導入口を備え、前記導入口から前記流路に導入された液体は、前記流路の中央部から前記流路の前記第1の方向における一端側の端部、及び他端側の端部に供給されることを特徴とする。
本発明によれば、複数のヘッドモジュール構成の液体吐出ヘッドにおいて、各ヘッドモジュールのつなぎ部における濃度ムラを軽減することが可能となる。
本実施形態における液体吐出ヘッドの分解斜視図。 (a)は本実施形態における記録素子基板の模式図、(b)は図2(a)におけるA−A’断面図。 (a)は第1の実施形態における液体吐出ヘッドの上面図、(b)は図3(a)のB−B’断面図、(c)は本実施形態の液体吐出ヘッドの圧力・温度分布模式図。 (a)(b)は比較例としての液体吐出ヘッドの断面図及び圧力・温度分布模式図。 第2の実施形態における液体吐出ヘッドの分解斜視図。 (a)は第2の実施形態における液体吐出ヘッドの上面図、(b)は図6(a)のC−C’断面図、(c)は本実施形態の液体吐出ヘッドの圧力・温度分布模式図。 (a)は図6(a)の一部拡大図、(b)は図6(b)の一部拡大図。 第3の実施形態における液体吐出ヘッドの分解斜視図。 (a)は第3の実施形態における液体吐出ヘッドの上面図、(b)は図9(a)のD−D’断面図、(c)は本実施形態の液体吐出ヘッドの圧力・温度分布模式図。 (a)は図9(a)の一部拡大図、(b)は図9(b)の一部拡大図。
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドについて説明する。以下の各実施形態では、インクを吐出するインクジェット記録ヘッドについて具体的な構成で説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、エネルギー発生素子として熱によって液体中に気泡を発生させて液体を吐出するサーマルタイプの方式で説明するがこれに限られずピエゾ方式等各種の吐出方式を適用可能である。
本発明の液体吐出ヘッドは、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に適用可能である。例えば、バイオチップ作製や電子回路印刷などの用途としても用いることができる。また、以下に述べる実施形態は、本発明の適切な具定例であるから、技術的に好ましい様々の限定が付けられている。しかし、本発明の思想に沿うものであれば、本実施形態は本明細書の実施形態やその他の具体的方法に限定されるものではない。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態における液体吐出ヘッドの構造について説明する。図1は、本実施形態における液体吐出ヘッド10の分解斜視図であり、図2(a)は、図1における記録素子基板20の模式図を示し、図2(b)は、図1(a)におけるA−A’断面図を示す。本実施形態における液体吐出ヘッド10はインク等の液体を吐出して記録を行う記録媒体の幅に対応した長さを備えるページワイド型の液体吐出ヘッドである。図1に示すように、液体吐出ヘッド10は、複数の記録素子基板20と、記録素子基板20を支持する第1の支持部材30と、第1の支持部材30を支持するとともに第1の支持部材30に液体を供給する供給路を備える第2の支持部材40を備える。また、液体吐出ヘッド10は、第2の支持部材40を支持する流路部材50を備える。流路部材50は記録媒体の幅に対応した長さを有し、長手方向の一端から他端に渡って液体を供給する流路53と、外部から流路53に液体を導入する導入口51と、流路53内の液体を記録素子基板に供給するための導出口54が形成されている。
第2の支持部材40には導出口54からの液体を供給するための貫通孔42が複数形成されており、流路部材からの液体を第1の支持部材30へ供給する。記録素子基板20を支持する第1の支持部材30は、第2の支持部材40の上に設けられており、第2の支持部材40からの液体を記録素子基板20へ供給するための貫通孔31を備える。第1の支持部材30は記録素子基板20に対応して複数設けられており、夫々の第1の支持部材30に貫通孔31が形成されている。本実施形態において、記録素子基板20、第1の支持部材30及び第2の支持部材40を合わせてヘッドモジュール11と称す。図2(b)に示すように記録素子基板20は、Siにより形成され液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生する素子25を備える基板26と、素子25を内部に備える圧力室24、及び吐出口21を備える吐出口形成部材23とが積層されてなる。基板26に形成された供給口27を介して圧力室24に供給された液体は、素子25を駆動することにより吐出口21から液滴として外部に吐出される。
図3(a)は、図1における液体吐出ヘッド10の上面図である。図3(b)は、図3(a)におけるB−B’によって切断した液体吐出ヘッド10の断面図である。図3(c)は、第1の実施形態における液体吐出ヘッド10の圧力・温度分布模式図である。図4(a)は比較例としての液体吐出ヘッドの断面図を示し、図4(b)は比較例としての液体吐出ヘッドにおける圧力・温度分布模式図を示す。本実施形態の液体吐出ヘッド10における液体の流れについて以下に説明する。
液体吐出ヘッド10が搭載される装置本体(不図示)から供給されるインク等の液体は流路部材50に設けられる導入口51を介して液体吐出ヘッド10に供給される。本実施形態において流路53は記録媒体の幅に対応した長さを有し、導入口51は流路部材50の長手方向における一端側の端部に形成されている。導入口51から液体吐出ヘッド10に流入した液体は流路53内を流れ、流路部材50に設けられた複数の導出口54を介して第2の支持部材へと供給される。本実施形態おいて図2(b)に示すように、流路部材50に形成される流路53は、流路53の長手方向の一端側の端部から他端側への延伸しており、流路への導入口51は一端側の端部に設けられている。流路53内を液体が供給される際に、上部に設けられた記録素子基板20からの熱の影響により徐々に液体の温度は上昇する。つまり図3(c)に示すように、流路53の一端側の導入口51から流入した液体は他端側の端部への供給される際に徐々に温度が上昇する。流路53内の液体は第2の支持部材40に形成された貫通孔42を介して第1の支持部材30に供給される。液体は、第1の支持部材30に形成された貫通孔31を介して記録素子基板20の供給口27へと供給される。
図1に示すように、本実施形態において第2の支持部材40は3つの部材を含む。このように長尺ヘッドであるページワイド側の液体吐出ヘッドにおいて、その長手方向の一端から他端に渡って延在する流路53内を流れる液体の温度は連続的(リニア)に変化する。図3(c)に示すように圧力変化も同様に連続的(リニア)に変化する。よって複数の第2の支持部材40からなる液体吐出ヘッドであっても、供給路部材のつなぎ部における記録ムラ(濃度ムラ)は抑制される。
本実施形態において、流路部材50は、液体吐出ヘッド10が撓まないような剛性を備えることが好ましい。また、第1の支持部材30、第2の支持部材40及び流路部材50は、供給される液体に対して十分な耐腐食性を有することが必要であり、また、線膨張係数の低い材質からなることが好ましい。そのため例えば、第1の支持部材30、第2の支持部材40及び流路部材50の材質として、アルミナや樹脂材料が好適に採用される。特には、LCP(液晶ポリマー)やPPS(ポリフェニレンスルファイド)やPSF(ポリサルフォン)を母材としてシリカ微粒子などの無機フィラーを添加した複合材料を好適に用いることができる。また、各部材の積層方法としては、接着剤による接合、熱板溶着、ねじ止め、その他各種の結合方法を用いることができる。
複数の記録素子基板20、複数の第1の支持部材30、及び複数の第2の支持部材40の夫々は、流路部材50の長手方向に沿って直列に配列されている。隣接する記録素子基板20同士及び隣接する第2の支持部材40同士は、液体吐出ヘッド10の長手方向と直交する方向に関して、それぞれ互いに重複するように配列されている。このような構成により、いわゆるフルライン型(ページワイド型)の液体吐出ヘッドとすることができる。尚、複数の記録素子基板20は、流路部材50の長手方向に対して吐出口列22が傾斜するように配置しても良い。この場合、各記録素子基板20それぞれの重心位置が、流路部材50の長手方向と平行になるように配列させることが好ましい。
尚、導入口51から流入した液体は、液体吐出ヘッド10の長手方向の一端側から他端側へと直線状に、また水平方向に供給されるが、本発明はこれに限られない。例えば液体吐出ヘッド10の長手方向に延在する流路53が鉛直方向に傾斜がついている場合や、流路53が液体吐出ヘッド10の短手方向に傾斜がついている場合でも、本発明の構成を好ましく適用することができる。
また各記録素子基板が図3(a)に示すようなインライン状(直線状)に配置される形態でなく、千鳥状に配置される場合にも本発明を適用可能である。また、流路部材50の内部に、流路53の長手方向の端部と連通するように液体排出口を形成し、液体吐出ヘッド10内部で液体を循環させる構成にも本発明の構成を適用可能である。本実施形態においては図2(a)に示すように、記録素子基板20には、4つの吐出口列22が形成されている。4つの吐出口列は夫々異なるインクを吐出する構成でも良く、また全て同じ色のインクを吐出する構成であっても良い。また記録素子基板20の外形は図1、2(a)に示すように平行四辺形であると小スペースとなり小型の液体吐出ヘッド10となり好ましいが、その他の各種形状、例えば、長方形、台形等にも適用可能である。
次に比較例としての液体吐出ヘッドについて図4(a)(b)を用いて説明する。図4(a)に示すように本比較例の液体吐出ヘッドにおいては第2の支持部材40の導入口51が流路53の中央部に形成されている。この場合、各第2の支持部材40に流入した液体は流路41の両端側へ供給される。その際に記録素子基板20からの熱の影響を受けて温度が上昇する。図4(b)に示すように、第2の支持部材40の各々に流入した液体は端部まで供給される際に温度の上昇具合が異なる。これは各記録素子基板20における素子の駆動頻度の違い等に影響される。よって複数の第2の支持部材における端部の液体の温度が夫々異なる。つまり隣接する第2の支持部材のつなぎ部における液体の温度が連続的でなく、断続的に変化する。よって記録素子基板20から吐出される液滴の量が異なるので濃度ムラが発生する。これに対して本実施形態における液体吐出ヘッドの構成では図3(c)に示すように、液体の温度差は発生するものの、供給路部材のつなぎ部においては連続的に温度が変化するため濃度ムラが目立ちにくい。
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態における液体吐出ヘッドの構造について説明する。図5は、第2の実施形態における液体吐出ヘッドの分解斜視図である。図6(a)は、図5における液体吐出ヘッドの上面図である。図6(b)は、図5(a)におけるC−C’によって切断した液体吐出ヘッドの断面図である。図5(c)は、第2の実施形態における液体吐出ヘッドの圧力・温度分布模式図である。図7(a)は、図6(a)におけるC’’部の拡大図である。図7(b)は、図6(b)におけるC’’’部の拡大図である。
第2の実施形態における液体吐出ヘッド10の構成は、第1の実施形態と導入口51が流路部材50の長手方向の端部ではなく、流路部材50の長手方向の中央部に形成されている構成が異なる。流路部材50の長手方向の中央部に形成された導入口51から流入した液体は、流路53を介して、貫通孔42、貫通孔31を順に通り、記録素子基板20へと供給される。このような流れとは別に、導入口51から流路53の中央部に流入した液体は、流路53の長手方向の一端側の端部、及び他端側の端部への夫々供給される。実施形態1と同様に本実施形態においても液体の温度は徐々に上昇するが、その変化は図6(c)に示すように連続的(リニア)であるため濃度ムラを軽減できる。流路53の中央部から両端側へ流れが分岐するが、導入口51から導入された直後の液体の温度は実質的に同じであるため、分岐する直前の液体の温度も実質的に同じである。よって流路53の中央部における濃度ムラも軽減できる。
また、ヘッドモジュール11の数を増やし、液体吐出ヘッド10をさらに長尺化させた場合においても、隣接するヘッドモジュール11間の液体の圧力差・温度差が発生する箇所を低減させることができる。その結果、ヘッドモジュール11のつなぎ目での印字ムラを低減することができる。さらに、液体吐出ヘッド10の長手方向の中央部から液体吐出ヘッド10の長手方向の両端側へ向かって印字ムラが連続的に階調で変化する(印字濃度が連続的に増加する)ので、印字ムラが見えにくくなる。液体吐出ヘッド10の長手方向の中央部から液体吐出ヘッド10の長手方向の両端側へ向かって液体を供給することで、液体吐出ヘッド10の一端から他端へ向かって液体を供給する場合に比べて、共通流路の長さが短くなる。つまり、液体吐出ヘッド10の長手方向の液体の流れの最上流部から最下流部までの共通流路の長さが短くなるため、液体吐出ヘッド10の長手方向の両最端部間での圧力差・温度差が小さくなる。そうすることで、より高品位な画像形成が可能となる。
第2の実施形態における液体吐出ヘッド10では、液体吐出ヘッド10の長手方向の中央部から液体を供給するため、導入口51から流入する液体の圧力波が、流路53を介して記録素子基板20へと伝搬する可能性がある。この対策として、図7(b)に示すように、流路部材50内部に形成された流路53の高さを高くすることで、X方向及びX’方向に向かう液体の流れを強くすることができる。具体的には、下記の式(1)に示すように、流路53の高さを、導入口51の等価直径(開口径)dよりも大きくすることでその効果が特に顕著となる。それにより、貫通孔31へ向かう液体の流れを低減することができ、導入口51から流入する液体の圧力波が記録素子基板20へと伝搬するのを抑制することができる。ただし、記録素子基板20が液体吐出ヘッド10の長手方向に沿って千鳥状に配列されている場合は、記録素子基板20が無い箇所の直下の流路部材50内部に導入口51を形成することが可能である。よって、導入口51から流入する液体の圧力波が記録素子基板20へと伝搬するのを防ぐことができる。
d=4a/w・・・式(1)
上記式(1)において、d:等価直径、a:流路断面積、w:濡れ縁長さ
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態における液体吐出ヘッドの構造について説明する。図8は、第3の実施形態における液体吐出ヘッドの分解斜視図である。図9(a)は、図8における液体吐出ヘッドの上面図である。図9(b)は、図8(a)におけるD−D’によって切断した液体吐出ヘッドの断面図である。図9(c)は、第3の実施形態における液体吐出ヘッドの圧力・温度分布模式図である。図10(a)は、図9(a)におけるD’’の拡大図である。図10(b)は、図9(b)におけるD’’’の拡大図である。
第3の実施形態における液体吐出ヘッド10の構成は、第2の実施形態と導入口51が流路部材50の長手方向の中央部に2個形成されているところが異なる。これは、ヘッドモジュール11が流路部材50の長手方向に偶数個配列されているためである。本実施形態は接続部材70の開口72を介して接続部材70内の共通流路71に液体が供給される。共通流路71内に供給された液体は、接続部材の2つの開口73を介して流路部材50に設けられる2つの導入口51に供給される。2つの導入口51は夫々異なる流路53に接続される。1つは、流路53の中央部から一端側へ延在する流路、もう一方は、流路53の中央部から他端側へ延在する流路である。その他の構成は上述した第2の実施形態と同様である。
ここで、流路部材50の長手方向の中央部では、2個の導入口51から実質的に同じ圧力・温度の液体が流入してくるため、流路部材50の長手方向の中央部において、隣接するヘッドモジュール11間の圧力差・温度差は非常に小さくできる。その結果、ヘッドモジュール11のつなぎ目での印字ムラを大幅に低減することができる。加えて、液体吐出ヘッド10の構成は、液体吐出ヘッド10の長手方向の中央部から液体吐出ヘッド10の両端に向かう方向で線対称の構成となっているため、構成部材を共通化でき、液体吐出ヘッド10の実装工程を簡略化することができる。
第3の実施形態における液体吐出ヘッド10では、液体吐出ヘッド10の長手方向の中央部から液体を供給する。そのため、開口72及び共通流路71及び開口73を通り、導入口51から流路53の内部に流入する液体の圧力波が、流路53を介して記録素子基板20へと伝搬する可能性がある。これにより、液体により吐出口21に形成されるメニスカスを振動させ、安定的な吐出ができなくなる可能性がある。この対策として、図10(b)に示すように、吐出口21から液体が吐出される方向からみて、導入口51と導出口54とはオフセットしている。つまり、開口72から記録素子基板20へ向かう液体の流れの方向を、流路部材50内部に形成された導入口51と、導出口54の位置を液体吐出ヘッド10の鉛直方向に重ならないようにずらす。それにより、Z方向及びZ’方向のように開口72から記録素子基板20へ向かって曲線方向の流れにすることで、開口72から流入する液体の圧力波が記録素子基板20へと伝搬するのを抑制することができる。ただし、記録素子基板20が液体吐出ヘッド10の長手方向に沿って千鳥状に配列されている場合は、記録素子基板20が無い箇所の直下の接続部材70内部に開口72を形成することが可能である。そのため、開口72から流入する液体の圧力波が記録素子基板20へと伝搬するのを抑制できる。
10 液体吐出ヘッド
11 ヘッドモジュール
20 記録素子基板
21 吐出口
22 吐出口列
24 圧力室
30 第1の支持部材
40 第2の支持部材
42 貫通孔
50 流路部材
51 導入口
54 導出口
70 接続部材

Claims (14)

  1. 第1の方向に延在し記録媒体の幅に対応した長さを有する流路を備える流路部材と、
    前記流路から供給される液体を吐出する吐出口を備え、前記第1の方向に配列される複数の記録素子基板と、
    を備える記録媒体の幅に対応した長さを有するページワイド型の液体吐出ヘッドにおいて、
    前記流路部材は、前記第1の方向における前記流路の一端側の端部に当該流路に液体を導入するための導入口を備え、前記導入口から前記流路に導入された液体は前記流路の一端側の端部から前記流路の他端側の端部に供給されることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  2. 第1の方向に延在し記録媒体の幅に対応した長さを有する流路を備える流路部材と、
    前記流路から供給される液体を吐出する吐出口を備え、前記第1の方向に配列される複数の記録素子基板と、
    を備える記録媒体の幅に対応した長さを有するページワイド型の液体吐出ヘッドにおいて、
    前記流路部材は、前記第1の方向における前記流路の中央部に当該流路に液体を導入するための導入口を備え、前記導入口から前記流路に導入された液体は、前記流路の中央部から前記流路の前記第1の方向における一端側の端部、及び他端側の端部に供給されることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  3. 前記複数の記録素子基板は、前記第1の方向に関して直線状に配されている、請求項1又は2に記載の液体吐出ヘッド。
  4. 前記流路部材の流路は前記複数の記録素子基板に液体を供給するための複数の導出口を備え、当該複数の導出口は前記第1の方向に沿って配列されている、請求項1から3のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
  5. 前記流路は前記中央部から前記一端側に延伸する第1の流路と前記中央部から前記他端側に延伸する第2の流路とを含む、請求項2に記載の液体吐出ヘッド。
  6. 前記導入口は、前記第1の流路の前記中央部に設けられる第1の導入口と、前記第2の流路の前記中央部に設けられる第2の導入口とを含む、請求項5に記載の液体吐出ヘッド。
  7. 前記第1の導入口と前記第2の導入口とを連通する共通流路を有する接続部材を備える、請求項6に記載の液体吐出ヘッド。
  8. 前記流路部材と前記記録素子基板との間には、前記流路部材の流路の内部の液体を前記記録素子基板に供給するための支持部材が設けられている、請求項1から7のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
  9. 前記支持部材は、前記記録素子基板を支持する第1の支持部材と、前記第1の支持部材を支持し、当該第1の支持部材と前記流路部材との間に設けられる第2の支持部材とを含む、請求項8に記載の液体吐出ヘッド。
  10. 前記第1の支持部材は前記複数の記録素子基板の夫々に対応して複数設けられる、請求項9に記載の液体吐出ヘッド。
  11. 前記流路部材は複数の前記第2の支持部材を支持しており、各々の前記第2の支持部材は複数の前記第1の支持部材を支持している、請求項9又は10に記載の液体吐出ヘッド。
  12. 前記流路部材の流路の高さは前記導入口の開口径よりも大きい、請求項1から11のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
  13. 前記吐出口から液体が吐出される方向からみて、前記導入口と前記導出口はオフセットしている、請求項4に記載の液体吐出ヘッド。
  14. 前記記録素子基板の外形は平行四辺形である、請求項1から13のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
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