JP2021181184A - 液体吐出ヘッド及び液体吐出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型でインク吐出性能の高い液体吐出ヘッド及び液体吐出装置を提供する。【解決手段】液体吐出ヘッドは、基材113と、圧電部材と、を備える。圧電部材は、基材の第1方向Y一方側に配され、第1方向一方側に複数の溝121を有する。第1方向における基材と溝との距離が、溝の第1方向における深さ寸法よりも大きい。【選択図】図4

Description

本発明の実施形態は、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に関する。
各種の液体吐出装置に用いられる液体吐出ヘッドにおいて、基材に圧電素子を設け、圧力室を形成するエンドシュータ型の液体吐出ヘッドの構成が知られている。このような液体吐出ヘッドにおいて、圧電素子を小さくしてヘッドを小型化することが求められている。
特開2011−207098号公報
本発明が解決しようとする課題は、小型で液体吐出性能の高い液体吐出ヘッド及び液体吐出装置を提供することである。
一実施形態にかかる液体吐出ヘッドは、基材と、前記基材の第1方向一方側に配されるとともに、第1方向における一方側に圧力室を構成する溝を有する圧電部材と、前記第1方向における前記基材と前記溝との距離が、前記溝の前記第1方向における深さ寸法よりも大きい。
第1実施形態にかかる液体吐出ヘッドの構成を示す斜視図。 同液体吐出ヘッドの構成を示す斜視図。 同液体吐出ヘッドのアクチュエータ部の一部の構成を示す斜視図。 同液体吐出ヘッドの一部の構成を示す断面図。 同アクチュエータ部の構成を示す断面図。 同アクチュエータ部の構成を示す断面図。 同液体吐出ヘッドを用いた液体吐出装置の構成を示す説明図。 他の実施形態にかかる液体吐出ヘッドのアクチュエータ部の構成を示す断面図。 同アクチュエータ部の構成を示す断面図。
以下に、第1実施形態に係る液体吐出ヘッド100及び液体吐出装置200について、図1乃至図8を参照して説明する。図1は、第1実施形態にかかる液体吐出ヘッド100の構成を示す斜視図であり、図2は液体吐出ヘッド100のヘッドカバー150を省略して内部構成を示す説明図である。図3はアクチュエータ部112の一部の構成を示す斜視図である。図4は液体吐出ヘッド100の一部の断面図であり、図5及び図6は液体吐出ヘッド100のアクチュエータ部112の断面図である。図7は液体吐出ヘッド100を用いた液体吐出装置の構成を示す説明図である。
なお、図中矢印X,Y,Zはそれぞれ互いに直交する3方向を示す。X軸はノズルの配列方向である第2方向に、Y軸はノズル列の並び方向である第1方向に、Z軸は液滴を吐出する方向である第3方向に、それぞれ沿っている。また、各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。
図1乃至図6に示すように、液体吐出ヘッド100は、ベース部110と、一対のアクチュエータ部112,112と、ノズルプレート130と、一対の回路基板ユニット140と、ヘッドカバー150と、を備える。本実施形態において、液体吐出ヘッド100は、共通液室循環型のヘッドを例示する。一例として液体吐出ヘッド100は、インク流路及び駆動系を2系統有し、異なる2種類のインクを吐出する、2色ヘッドである。なお、2系統に同一のインクを用いた場合には解像度2倍の単色ヘッドとなる。
液体吐出ヘッド100は例えば図7に示されるインクジェット記録装置などの液体吐出装置200に設けられる。液体吐出ヘッド100は、液体吐出装置200に設けられた液体収容部としての一対のインクタンク251に、インク流路がそれぞれ接続され、インクタンク251との間でインクを循環させる循環型のインク回路に設けられる。液体吐出ヘッド100は例えば第3方向に沿うノズル131が下方に向く姿勢で配置される。
ベース部110は、セラミック材で板状に構成される。例えばベース部110は厚さ方向が第1方向に沿い、第2方向及び第3方向に沿う一対の主面を有する。ベース部110の内部にインク流路111が形成される。インク流路111は、例えばパイプ状部材等の接続管で構成される接続流路を介してインクタンク251に接続されるとともに、後述するアクチュエータ部112の流路に連通する。
例えば本実施形態においてベース部110内に2系統のインク流路111が形成され、各インク流路111がアクチュエータ部112の基材113に形成されるインク通路116を介して共通室117に連通する。
各アクチュエータ部112は、ベース部110の第1方向における一方側と他方側にそれぞれ設けられる。アクチュエータ部112は、一対の主面において、第3方向一方側、すなわちノズルプレート130側の領域に、配置される。各アクチュエータ部112は、基材113と、複数の溝を有する圧電部材114と、カバー部材115と、を備え、共通室117と複数の圧力室118とを内部に形成する。
基材113は、ベース部110の第1方向両側の主面に重ねて配置される板状部材である。各基材113の、ベース部110とは反対の面において、第3方向におけるノズルプレート130側の部位に、それぞれ圧電部材114が配置される。基材113には、ベース部110のインク流路111と、共通室117と、を接続するインク通路116が形成される。
圧電部材114は、厚さ方向が第1方向に沿う板状部材であり、第1方向に開口し圧力室118を構成する溝121を複数有する。圧電部材114の第1方向において溝121が開口する面はカバー部材115によって覆われる。
例えば圧電部材114は長手方向が第2方向に延び、第1方向から見た平面図は長方形状に構成される。圧電部材114は例えば一対の分極された圧電材がY方向に積層されて構成される。すなわち、圧電部材114は第1方向に、分極される。圧電材として例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)が用いられる。
圧電部材114は、厚さ方向における一方側に開口する複数の溝121を第2方向に並列して有し、第3方向に直交する断面が櫛歯状に構成される。圧力室118を構成する複数の溝121と、複数の壁状の駆動素子部122とが、第2方向に交互に並んで配される。すなわち、隣接する駆動素子部122の間にそれぞれ圧力室118が形成される。各溝121で構成される圧力室118は、第3方向の全長にわたって延び、第3方向の一方がノズル131に連通し、他方側は共通室117に連通する。各溝121は第1方向において対向配置されるカバー部材115によって塞がれる。
カバー部材115は、第1方向に直交する第1壁部123と、第3方向に直交する第2壁部124と、第2方向に直交する第3壁部と、を有する。カバー部材115は、第1壁部123の第3方向におけるノズルプレート130側の部位が圧電部材の第1方向一方側に対向して溝121を覆うとともに、第1壁部123の第3方向におけるノズルプレート130とは反対側の部位が、基材113との間に共通室117を構成する所定の空間を形成して基材113を覆う。また、カバー部材115は第2壁部124が共通室117の第3方向一方側を覆う。カバー部材115は第3壁部が共通室117の第2方向の両端部を覆う。
すなわち、アクチュエータ部112において、カバー部材115によって、基材113とカバー部材115との間に共通室117が形成されるとともに、圧力室118の一方側が塞がれ、共通室117は圧力室118に連通する。
圧電部材114の共通室117側の面は、第1方向及び第3方向に対して傾斜する傾斜面125を有する。圧電部材114は、第2方向に直交する断面視が台形状に構成される。圧力室118の底面126と基材113の表面であるベース面127とが傾斜面125によって繋がる。例えば傾斜面125はベース面127や底面126に対して20度〜70度の範囲で傾斜する。
共通室117は、第2方向に延び、各アクチュエータ部112の第2方向の一方側から他方側に向けて、あるいは他方側から一方側に向けて、インクを流す経路を構成する。また、共通室117は第1方向に並列する複数の圧力室118に連通する。
各アクチュエータ部112において、第1方向における基材113と溝121との距離は、溝121の第1方向における深さ寸法よりも大きい。圧力室118は基材113の表面であるベース面127よりも第1方向における一方側の位置にある。さらに、圧力室118の底面126、すなわち圧力室118の第1方向におけるベース部110側の端部と、ベース面127とは、第1方向において圧力室118の深さd以上の大きさを有する。圧力室118の深さをdとした場合、圧力室118の底面126とベース面127との間の第1方向の距離TはT>dとなる。この段差寸法である距離Tの分、第1方向において、共通室117の寸法が、圧力室118の寸法よりも大きい。すなわち、共通室117は第3方向に直交する断面が圧力室118に対して第1方向に拡大する。
各圧力室118の内壁面には電極128が形成される。例えば電極128は圧力室118の底壁面と両側壁面に形成されている。電極128は、傾斜面125と、ベース面127と、に形成される配線129を介して回路基板ユニット140の回路基板141やフレキシブル配線基板142に形成された配線に接続され、さらに回路基板141、フレキシブル基板132を介して、ドライブIC143に電気的に接続されている。
圧力室118の底面126と基材113のベース面127とが傾斜面125によって連続することから、これらの部位に同時に配線形成が可能である。
ノズルプレート130は、板状に構成され、第2方向に並ぶ複数のノズル131を有する。ノズルプレート130は、ノズル131が第2方向に複数配列されて構成されるノズル列を、一列以上、例えばアクチュエータ部112と同数列、備える。本実施形態において、各流路に1列ずつ、2色で2列のノズル列が配列されている。各ノズル131は、ノズルプレート130を第3方向に貫通する貫通孔である。ノズル131の軸方向は第3方向に沿う。
回路基板ユニット140は、第2方向においてベース部110を挟んで両側にそれぞれ設けられる。一対の回路基板ユニット140は、回路基板141と、フレキシブル配線基板142と、ドライブIC143と、を備える。回路には各種電子部品やコネクタが搭載される。フレキシブル配線基板142は、第1方向において複数並列配置されている。複数のフレキシブル配線基板142には、ドライブIC143が搭載される。フレキシブル配線基板142は、第3方向における一端側が回路基板141に、他端側がアクチュエータ部112に、それぞれ接続される。
ドライブIC143は、フレキシブル配線基板142、及び回路基板141上の配線を介して、圧力室118に形成された電極128に、電気的に接続される。
以上のように構成された液体吐出ヘッド100は、ドライブIC143により駆動電圧をアクチュエータ部112の電極に印加して圧力室118の容積を増減することで、圧力室118に対向するノズル131から液滴を吐出させる。
以上のように構成された液体吐出ヘッド100において、インクは、インクタンク251から、接続流路を通ってベース部110のインク流路111、基材113のインク通路116をそれぞれ通り、一対のアクチュエータ部112の共通室117から複数の圧力室118へ至る。そして、各圧力室118に対向配置されたノズル列のノズル131から吐出される。またインクは、圧力室118から共通室117、基材113のインク通路116、及びベース部110のインク流路111を経て、再びインクタンクに回収され、循環する。
以下、液体吐出ヘッド100を有する液体吐出装置200について、図7を参照して説明する。図7は液体吐出装置200としてインクジェットプリンタの構成を示す説明図である。図7に示すように、液体吐出装置200は、例えば記録媒体である用紙Pを搬送しながら画像形成等の各種処理を行う装置である。液体吐出装置200は、外郭を構成する筐体210と、用紙供給部としての給紙カセット211と、排出部としての排紙トレイ212と、用紙Pを外面上に保持して回転することで液体吐出ヘッド100に対して相対的に移動させる移動装置としての保持ローラ213と、搬送装置214と、保持装置215と、画像形成装置216と、除電剥離装置217と、複数の液体供給装置218と、を備える。
給紙カセット211は筐体210内部に設けられ、記録媒体としての用紙Pを保持する。
排紙トレイ212は、筐体210上部に設けられる。搬送装置214によって筐体210外に排出された用紙Pを支持する。
保持ローラ213は、軸方向に一定の長さを有する円筒状に構成されている。保持ローラ213は、その表面上に用紙Pを保持した状態で回転することにより用紙Pを搬送する。ここでは図7における時計回りに回転することにより用紙Pを外周に沿って時計回りに搬送する。
保持ローラ213の外周部分において上流側から下流側に向かって順番に、保持装置215と、画像形成装置216と、除電剥離装置217と、が設けられている。
搬送装置214は、搬送路に沿って設けられた複数のガイド部材221〜223や複数の搬送用ローラ224〜229を備える。これらの搬送用ローラ224〜229は搬送用モータに駆動されて回転することで、用紙Pを搬送路201に沿って下流側に送り、液体吐出ヘッド100の対向位置に用紙Pを搬送する。搬送装置214は、給紙カセット211から保持ローラ213の外周を通って排紙トレイ212に至って形成される所定の搬送路に沿って用紙Pを搬送する。
保持装置215は、保持ローラ213の表面に対向配置される帯電ローラ237を備える。帯電ローラ237は、金属製の回転軸と、回転軸周りに配される導電ゴム層と、を有する円柱状に構成される。帯電ローラ237は電荷の供給状態の切り替えが可能であるとともに、保持ローラ213の表面に接離する方向に移動可能に構成される。帯電ローラ237は、高電圧発生回路に接続される。保持装置215は、用紙Pを保持ローラ213の外面に押圧し用紙Pを保持ローラ213の表面(外周面)に吸着させて保持させるとともに、帯電ローラ237が保持ローラ213に近接した状態で帯電ローラ237に電力を供給することで、用紙Pを保持ローラ213に吸着させる方向の静電気力を発生(帯電)させる。この静電気力により用紙Pを保持ローラ213の表面に吸着させる。
画像形成装置216は、帯電ローラ237よりも下流側であって保持ローラ213の表面の上方部分に対向配置された複数の液体吐出ヘッド100を備える。複数の液体吐出ヘッド100は、所定のピッチで設けられたノズルから用紙Pにインクを吐出して画像を形成するインクジェットヘッドである。
除電剥離装置217は、用紙Pを除電し保持ローラ213から剥離する。用紙Pの除電を行う除電装置241と、除電後に保持ローラ213の表面から用紙Pを剥離させる剥離装置242と、を備えている。除電剥離装置217は、用紙Pを除電し保持ローラ213から剥離する。
除電装置241は、画像形成装置216よりも用紙Pが搬送される方向に対して下流側に設けられ、帯電可能な除電ローラ243を備えている。除電装置241は、電荷を供給して用紙Pを除電することで、吸着力を解除して用紙Pを保持ローラ213から剥離しやすい状態にする。
剥離装置242は、除電装置241の下流側に設けられ、回動動作(移動)可能な分離ブレード245を備えている。分離ブレード245は用紙Pと保持ローラ213の間に挿入される剥離位置と、保持ローラ213から退避する退避位置との間で回動可能であり、剥離位置に配置された状態で用紙Pを保持ローラ213の表面から剥離させる。
液体供給装置218は各液体吐出ヘッド100の各アクチュエータ部112に対してそれぞれ設けられる。液体供給装置218は、液体吐出ヘッド100に接続されるインクタンク251と、供給機構としてのインクポンプ252と、圧力調整機構と、を備える。各インクタンク251はインク用の接続流路253を介して液体吐出ヘッド100のインク流路111にそれぞれ接続される。複数の液体供給装置218はインクタンク251内のインクを液体吐出ヘッド100との間で循環させる。
制御部280は、プロセッサの一例としてのCPU(中央制御装置)と、各種のプログラムなどを記憶するROM(Read Only Memory)と、各種の可変データや画像データなどを一時的に記憶するRAM(Random Access Memory)と、外部からのデータの入力及び外部へのデータの出力をするインターフェイス部と、を備える。
液体吐出ヘッド100及び液体吐出装置200において、ノズル131から液体を吐出する駆動時には、制御部280は、ドライブIC143により、アクチュエータ部112に駆動電圧を印加することで、圧力室の圧力を変化させ、各圧力室に対向配置されたノズル131からインク滴を吐出させる。
本実施形態によれば、小型で印刷性能の高い液体吐出ヘッド及び液体吐出装置を提供できる。液体吐出ヘッド100において、圧力室118は、ベース面127よりも第1方向の一方側に配置されており、共通室117が圧力室118から第1方向にも拡大している。すなわち、段差の寸法である距離Tの分、第1方向において、共通室117の寸法が、圧力室118の寸法よりも大きくなっている。したがって、深さd以上の段差があることにより、圧力室118へのインク供給が、圧力室118の第1方向の両側からのみではなく第1方向からも供給されることにより、吐出性能の差異が生じにくくなる。例えば基材に対し圧力室及びカバーが近接して設置されている場合、圧力室に供給されるインクに対し共通室の断面積が小さくなり、吐出に対して悪影響が生じる。例えば隣接間で吐出するときに吐出速度差が生じたりするが、液体吐出ヘッド100によれば、共通室117の断面積が確保できるため、吐出性能を向上できる。
また、液体吐出ヘッド100によれば、共通室117と圧力室118との境界面が斜面になっているためインク供給の流れがスムースになり、吐出が安定する。さらに、傾斜面125によって、ベース面127と圧力室118の内面とに同時に配線129を形成できる。さらに配線を基材113上に設けることができ、基材113と同一平面上にドライブIC143やPC板等が実装でき、ヘッド厚みを小さくすることができる。すなわち、電気部品の実装を圧力室と垂直方向にするとヘッド幅が大きくなるが、本実施形態にかかる液体吐出ヘッド100によれば、電気部品をベース面127と同一面に実装することで、ヘッド幅を小さくできる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
上記実施形態において、カバー部材115が圧電部材114に対向配置される例を示したが、これに限られるものではない。例えば他の実施形態として図8及び図9に示すように、段差により圧力室118の底面126を基材112よりも第1方向一方側に配置するとともに、圧力室118を覆うカバー部材115の第1壁部と圧力室118の開口面との間にスペーサ160を設けるなどにより第1方向の両側に段差を形成してもよい。例えば、スペーサ160による段差の第1方向寸法をHとした場合、T+H>dとする。第1方向において基材113と溝118との距離と、カバー部材115と圧電部材121との第1方向の距離との合計寸法は、第1方向における溝114の深さ寸法よりも大きい。スペーサ160は例えばマセライトなどの快削性セラミクスで構成された板状部材である。スペーサ160の第1方向寸法である厚さは、圧力室118の深さ以上とする。例えばT>dであることが好ましい。H>dであることが好ましい。本実施形態によれば、T+Hが圧力室深さdよりも大きいため、吐出はより安定する。
本実施形態においても、圧力室118の底面126と、共通室117の底部を構成する基材113の表面であるベース面127とを、第1方向に離れた位置とすることにより、共通室117の断面積を確保できる。さらに、スペーサ160を配することにより、共通室117の天井部と、圧力室118の天井部との位置を離間させることができ、第1方向の他方側にも共通室117を拡大して共通室117の断面積を確保できる。なお、スペーサ160は圧電部材114やカバー部材115の一部として構成されていてもよく、別体として構成されていてもよい。
上記第1実施形態において、2系統のインク流路を設ける例を示したがこれに限られるものではない。例えば1系統としてもよい。
液体吐出ヘッド100として、液体を循環させるタイプのヘッドを例示したが、これに限られるものではなく、液体を循環させないタイプのヘッドにも適用可能である。
また、吐出する液体は印字用のインクに限られるものではなく、例えばプリント配線基板の配線パターンを形成するための導電性粒子を含む液体を吐出する装置等であっても良い。
液体吐出ヘッドは、上記の他、例えば静電気で振動板を変形してインク滴を吐出する構造、あるいはヒータ等の熱エネルギーを利用してノズルからインク滴を吐出する構造等でもよい。
また、上記実施形態において、液体吐出ヘッドは、インクジェット記録装置等の液体吐出装置に用いられる例を示したが、これに限られるものではなく、例えば3Dプリンタ、産業用の製造機械、医療用途にも用いることが可能であり、小型軽量化及び低コスト化が可能である。
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、小型で印刷性能の高い液体吐出ヘッド及び液体吐出装置を提供できる。
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
100…液体吐出ヘッド、110…ベース部、111…インク流路、112…アクチュエータ部、113…基材、114…圧電部材、115…カバー部材、116…インク通路、117…共通室、118…圧力室、121…溝、122…駆動素子部、123…第1壁部、124…第2壁部、125…傾斜面、126…底面、127…ベース面、128…電極、129…配線、130…ノズルプレート、131…ノズル、132…フレキシブル基板、140…回路基板ユニット、141…回路基板、142…フレキシブル配線基板、143…ドライブIC、150…ヘッドカバー、160…スペーサ、200…液体吐出装置、201…搬送路、210…筐体、211…給紙カセット、212…排紙トレイ、213…保持ローラ、214…搬送装置、215…保持装置、216…画像形成装置、217…除電剥離装置、218…液体供給装置、221〜223…ガイド部材、224〜229…搬送用ローラ、237…帯電ローラ、241…除電装置、242…剥離装置、243…除電ローラ、245…分離ブレード、251…インクタンク、252…インクポンプ、253…接続流路、280…制御部。

Claims (5)

  1. 基材と、
    前記基材の第1方向一方側に配され、複数の溝を有する圧電部材と、を備え、
    前記第1方向における前記基材と前記溝との距離が、前記溝の前記第1方向における深さ寸法よりも大きい、液体吐出ヘッド。
  2. 前記溝は前記第1方向と交差する第2方向に複数並んで配され、
    前記基材及び前記圧電部材の前記第1方向一方側に配され、前記溝の前記一方側を塞ぐとともに前記基材の表面との間に複数の前記溝に連通する共通室を構成する、カバー部材を備える、請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
  3. 前記第1方向において、前記圧電部材と前記カバー部材との間にスペーサが配され、
    前記第1方向において、前記基材と前記溝との距離と、前記カバー部材と前記圧電部材との前記第1方向の距離との合計寸法は、前記第1方向における前記溝の深さ寸法よりも大きい、請求項2に記載の液体吐出ヘッド。
  4. 前記圧電部材は、前記溝の底面と前記基材の一方側の表面と連続する傾斜面を有し、
    前記傾斜面及び前記基材の表面に形成される配線を備え、
    前記配線に接続される電子部品が設けられる、請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
  5. 基材と、前記基材の第1方向の一方側に配されるとともに、第1方向の一方側に圧力室を構成する溝を有する圧電部材と、を備えるとともに、前記第1方向における前記基材と前記溝との距離が、前記溝の前記第1方向における深さ寸法よりも大きい、液体吐出ヘッドと、
    前記液体吐出ヘッドの対向位置に媒体を搬送する搬送装置と、を備える、液体吐出装置。
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