JP3667134B2 - インクジェットヘッド - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明はインクジェットヘッドに関し、特に駆動回路を実装したプリント基板を搭載したインクジェットヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の記録部に用いるインクジェットヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する吐出室(圧力室、加圧液室、液室、インク流路等とも称される。)と、この吐出室内のインクを加圧するエネルギーを発生するアクチュエータ手段(エネルギー発生手段)とを備えて、アクチュエータ手段を駆動することで吐出室内インクを加圧してノズルからインク滴を吐出させるものであり、記録の必要なときにのみインク滴を吐出するインク・オン・デマンド方式のものが主流である。
【0003】
そして、インク滴(記録液体)を吐出させるためのアクチュエータ手段の種類により、幾つかの方式に大別される。例えば、特開平10−100401号公報に記載されているように、液室の壁の一部を薄い振動板とし、これに対応して電気機械変換素子としての圧電素子を配置し、電圧印加に伴って発生する圧電素子の変形により振動板を変形させることで液室内の圧力を変化させて、インク滴を吐出させるピエゾ方式のもの、液室内部に発熱体素子を配置し、通電による発熱体の加熱によって気泡を発生させ、気泡の圧力によってインク滴を吐出させるバブルジェット方式のものが一般に良く知られている。
【0004】
また、例えば特開平2−289351号公報に記載されているように、Siからなる液室の一部を形成する振動板と、この振動板に対向して配置された液室外の個別電極とを備え、振動板と電極との間に電界を印加することで発生する静電力により振動板を変形させて、液室内の圧力/体積を変化させることによりノズルからインク滴を吐出させる静電型のものも提案されている。
【0005】
そして、これらのインクジェットヘッドにおいては、アクチュエータ手段とこのアクチュエータ手段に駆動波形を与える駆動回路を実装したプリント基板(以下、「PCB基板」ともいう。)を搭載し、アクチュエータ手段とプリント基板とをフレキシブルプリント基板(以下、「FPCケーブル」ともいう。)を介して接続するようにしている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、インクジェットヘッドは高集積化、高密度化に伴って高い部品精度が要求され、高い精度の部品を高い精度で組立てることによって初めて良好なヘッドが得られる。したがって、各組立工程毎に検査が必要なる。この検査としては、例えば圧電素子、特に積層型圧電素子をアクチュエータ手段に用いるインクジェットヘッドにあっては、圧電素子倒れ、ごみの付着、電極パターンの断線などの外観検査を主として行なっている。そのため、電気的な接続個所の良否判定は、目視で判断するか、最終検査工程である噴射検査で判断せざるを得ない。
【0007】
しかしながら、各ノズル毎に駆動波形を印加したときの噴射結果で良否を判断しようとすると、噴射しない場合に、その噴射不良(噴射不能、滴速度が遅い状態など)がノズルの目詰まりに起因するのか、電気的な接続の欠陥に起因するものであるかを判別することは極めて困難である。
【0008】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、噴射検査前に電気的な接続不良を事前に検査できるようにすることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1のインクジェットヘッドは、複数のノズルと、各ノズルが連通する吐出室と、各吐出室内のインクを加圧するエネルギーを発生するアクチュエータ手段とを備え、このアクチュエータ手段を設けた基板とは異なるプリント基板上に各アクチュエータ手段に駆動波形を与える駆動回路を実装したインクジェットヘッドにおいて、前記プリント基板には電気的接続の良否の判定に用いるチェックランドを設けた構成とした。
【0010】
請求項2のインクジェットヘッドは、上記請求項1のインクジェットヘッドにおいて、前記チェックランドは千鳥状に配置し、前記プリント基板に形成された電極パターンと同じピッチ又は電極パターンのピッチより広いピッチで、且つ、前記プリント基板の接合部から離れた位置に設けた構成とした。
【0011】
請求項3のインクジェットヘッドは、上記請求項1のインクジェットヘッドにおいて、前記チェックランドは千鳥状に配置し、四角形又は円形の形状で、且つ対角寸法又は径をプリント基板の電極部の幅よりも大きくした構成とした。
【0012】
請求項4のインクジェットヘッドは、複数のノズルと、各ノズルが連通する吐出室と、各吐出室内のインクを加圧するエネルギーを発生するアクチュエータ手段とを備え、各アクチュエータ手段に駆動波形を与える駆動回路を実装したプリント基板を搭載し、前記アクチュエータ手段と前記プリント基板とをフレキシブルプリント基板を介して接続したインクジェットヘッドにおいて、前記フレキシブルプリント基板には前記プリント基板との接続部側に電気的接続の良否の判定に用いるチェックランドを設けた構成とした。
【0013】
請求項5のインクジェットヘッドは、上記請求項1乃至4のいずれかのインクジェットヘッドにおいて、前記アクチュエータ手段が圧電素子、若しくは前記吐出室の壁面の一部を形成する振動板及びこれに対向する電極からなる構成とした。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。図1は本発明を適用したインクジェットヘッドの一例を示す分解斜視図、図2は同ヘッドの列間方向の要部拡大断面図、図3は同ヘッドのチャンネル間方向の要部拡大断面図である。
【0015】
このインクジェットヘッドは、駆動ユニット1と、液室ユニット2と、ヘッドカバー3と、スペーサ部材4とを備えている。
駆動ユニット1は、チタン酸バリウム系セラミックからなる基板11上に、複数の積層型圧電素子12を列状に2列配置して接合し、これら2列の各圧電素子12の周囲を取り囲む樹脂、セラミック等からなるフレーム部材13を接着剤によって接合している。複数の圧電素子12は、インクを液滴化して飛翔させるための駆動パルスが与えられる圧電素子(これを「駆動部」という。)17,17…と、駆動部17,17間に位置し、駆動パルスが与えられずに単に液室ユニット2を基板11に固定する液室支柱部材となる圧電素子(これを「非駆動部」という。)18,18…とを交互に構成する。
【0016】
ここで、圧電素子12としては、図2に示すように、厚さ10〜50μm/1層のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)20と、厚さ数μm/1層の銀・パラジューム(AgPd)からなる内部電極21とを交互に積層した積層型圧電素子を用いている。
【0017】
各圧電素子12の内部電極21は1層おきにAgPdからなる左右の端面電極22,23(2つの圧電素子列の対向する面側を端面電極22とし、対向しない面側を端面電極23とする。)に接続している。一方、基板11上には、図1に示すようにNi・Au蒸着、Auメッキ、AgPtペースト印刷、AgPdペースト印刷等によって共通電極24及び個別電極25の各パターンを設けている。
【0018】
そして、各列の各圧電素子12の対向する端面電極22を導電性接着剤26を介して共通電極24に接続し、他方、各列の各圧電素子12の対向しない端面電極23を同じく導電性接着剤26を介してそれぞれ個別電極25に接続している。これにより、駆動部17に駆動電圧を与えることによって、積層方向に電界が発生して、駆動部17には積層方向の伸びの変位(d33方向の変位)が生起される。なお、共通電極24は、図2にも示すように、フレーム部材13に設けた穴13a内に導電性接着剤26を充填することで各圧電素子に接続されたパターンの導通を取っている。
【0019】
一方、液室ユニット2は、金属材料、樹脂等からなる振動板31と、ドライフィルムレジスト(DFR)からなる感光性樹脂層で形成した2層構造の液室隔壁部材32と、金属材料からなるノズルプレート33とを順次を積層し、熱融着して形成している。これらの各部材によって、1つの圧電素子12(駆動部17)と、この1つの圧電素子12に対応するダイアフラム部34と、各ダイアフラム部34を介して加圧される加圧液室35と、この加圧液室35の両側に位置して加圧液室35に供給するインクを導入する共通液室36,36と、加圧液室35と共通液室36,36とを連通するインク供給路37,37と、加圧液室35に連通するノズル38とによって1つのチャンネルを形成し、このチャンネルを複数個2列設けている。
【0020】
振動板31は、金属材料、例えば電鋳工法によるNiメッキ膜で形成したもので、駆動部17に対応する前記ダイアフラム部34と、非駆動部18に接合する梁41及びフレーム部材13に接合するベース42とを形成している。ダイアフラム部34は、駆動部17に接合する島状凸部43と、この凸部43の周囲に形成した厚み3〜10μm程度の最薄膜部分(ダイアフラム領域)44とからなる。
【0021】
液室隔壁部材32は、振動板31側に予めドライフィルムレジストをラミネートして所要のマスクを用いて露光し、現像して所定の液室パターンを形成した第1感光性樹脂層45と、ノズルプレート33側に予めドライフィルムレジストをラミネートして所要のマスクを用いて露光し、現像して所定の液室パターンを形成した第2感光性樹脂層46とを熱圧着で接合してなる。
【0022】
ノズルプレート33は金属材料、例えば電鋳工法によるNiメッキ膜等で形成したもので、インク滴を飛翔させるための微細な吐出口であるノズル38を多数を形成している。このノズル38の内部形状(内側形状)は、ホーン形状(略円柱形状又は略円錘台形状でもよい。)に形成している。また、このノズル38の径はインク滴出口側の直径で約25〜35μmである。
【0023】
このノズルプレート33のインク吐出面(ノズル表面側)は、図1に示すように撥水性の表面処理を施した撥水処理層47としている。例えば、PTFE−Ni共析メッキやフッ素樹脂の電着塗装、蒸発性のあるフッ素樹脂(例えばフッ化ピッチなど)を蒸着コートしたもの、シリコン系樹脂・フッ素系樹脂の溶剤塗布後の焼き付け等、インク物性に応じて選定した撥水処理膜を設けて、インクの滴形状、飛翔特性を安定化し、高品位の画像品質を得られるようにしている。
【0024】
なお、駆動ユニット1の基板11と圧電素子12及びフレーム部材13とは接着剤49で接合して組付け、また、液室ユニット2も駆動ユニット1とは別個に加工、組立を行なった後、液室ユニット2の振動板31と駆動ユニット1の圧電素子12及びフレーム部材13とを接着剤50で接合してインクジェットヘッドとしている。
【0025】
そして、基板11をヘッド支持部材であるスペーサ部材(ヘッドホルダ)4上に支持して保持し、このスペーサ部材4内に配設したヘッド駆動用IC(駆動回路)を実装したPCB基板52と駆動ユニット1の各圧電素子12(駆動部17)に接続した各電極24,25とをFPCケーブル53,53を介して接続している。
【0026】
また、ノズルカバー3は、ノズルプレート33の周縁部及びヘッド側面を覆う箱状に形成した金属材料からなり、ノズルプレート33の撥水処理層47に対応して開口部を形成し、ノズルプレート33の周縁部に接着剤にて接合している。さらに、このインクジェットヘッドには、図示しないインクカートリッジからのインクを液室に供給するため、スペーサ部材51、基板11、フレーム部材13及び振動板31にそれぞれインク供給穴54〜57を設けている。
【0027】
このように構成したインクジェットヘッドにおいては、記録信号に応じて駆動部17に駆動波形(10〜50Vのパルス電圧)を印加することによって、駆動部17に積層方向の変位が生起し、振動板31のダイアフラム部34を介して加圧液室35が加圧されて圧力が上昇し、ノズル38からインク滴が吐出される。このとき、加圧液室35から共通液室36へ通じるインク供給路37,37方向へもインクの流れが発生するが、インク供給路37,37の断面積を狭小にすることで流体抵抗部として機能させて共通液室36,36側へのインクの流れを低減し、インク吐出効率の低下を防いでいる。
【0028】
その後、インク滴吐出の終了に伴い、加圧液室35内のインク圧力が低減し、インクの流れの慣性と駆動パルスの放電過程によって加圧液室34内に負圧が発生してインク充填行程へ移行する。このとき、インクタンクから供給されたインクは共通液室36,36に流入し、共通液室36,36からインク供給路37,37を経て加圧液室35内に充填される。そして、ノズル38の出口付近のインクメニスカス面の振動が減衰し、表面張力によってノズル38の出口付近に戻されて(リフィル)安定状態に至れば、次のインク滴吐出動作に移行する。
【0029】
そこで、このインクジェットヘッドのPCB基板52に本発明を適用した実施形態について図4乃至図6をも参照して説明する。なお、図4はPCB基板52の裏面を示す平面説明図、図5は同基板の要部拡大説明図、図6は同基板の他の例を示す要部拡大説明図である。
【0030】
PCB基板52にはFPCケーブル53と接合して接続するための電極接合部61、61を設けている。各電極接合部61は、複数の電極62からなり、このインクジェットヘッドでは128チャンネル(上下各64チャンネル)としているので、各電極接合部61にはそれぞれ64個の電極62を設けている。
【0031】
そして、各電極接続部61、61に対応してFPCケーブル53とPCB基板52との電気的接続の良否の判定に用いるチェックランド部63、63を設けている。各チェックランド部63は電極接合部61の電極62に個々に対応する複数(この例では64個)のチェックランド端子64からなる。また、PCB基板52には、グランド(GND)端子65、66を設けている。
【0032】
各チェックランド端子64の形状は、例えば図5に示すように円形の形状としたり、図6に示すように四角形の形状とすることができるが、これに限られない。また、図5又は図6にも示すように、チェックランド端子64は千鳥状に配置することにより、そのピッチP1は電極62のピッチP2と同じかそれ以上の間隔にし、且つ、チェックランド部62は電極接合部61から離れた位置に設けている。
【0033】
さらに、チェックランド端子64は、図5に示すように円形状に形成したときにはその径Dが電極62の幅Lよりも大きく、また図6に示すように四角形状に形成したときにはその対角寸法Cが電極62の幅Lより大きくなるように形成している。ここでは、図5に示す例では、電極62の幅Lを0.2mmとしたときに、チェックランド端子64の直径Dをφ0.4mmの2倍にしている。また、図6に示す例では、電極62の幅Lを0.2mmとしたときに、チェックランド端子64の対角寸法Cを約2.8倍にしている。
【0034】
また、PCB基板52へのチェックランド部63の形成方法について説明すると、電極接合部61とチェックランド端子64とは銅箔付き基板を用いて、マスキング露光した後に不要な銅箔を除去し、その後に、レジスト剤を塗布して電極部やチェックランド端子以外の箇所は絶縁処理する。最後にレジスト剤が塗布されていない箇所に金メッキを行い、耐食性、接続信頼性を得る。
【0035】
このように構成したので、このインクジェットヘッドにおいては、基板11の共通電極24及び選択電極25にFPCケーブル53,53を接続した後、このFPCケーブル53,53をPCB基板52の電極接合部61,61に半田接続する。
【0036】
そこで、FPCケーブル53を電極接合部61に接続した後、チェックランド部63のチェックランド端子64とGND端子65、66間で各チャンネルの圧電素子12の静電容量値を測定して、この測定結果が予め定めた基準値に入っているか否かを確認することで、電気的接続が良好に行われているか否か(良否)を判定することができる。
【0037】
このようにPCB基板に電気的接続の良否を判定するために用いるチェックランドを設けることによって、噴射検査を行わないでも、電気的接続の良否を判定できるようになり、噴射検査前に不良品を工程から落とすことができ、無駄な噴射検査を行う必要がなくなる。
【0038】
この場合、電気的検査はFPCケーブル53とPCB基板52との接続状態を検査するために実施するが、生産性を考慮して検査はPCB基板52のチェックランド部63にピンプローブを接触させて各チャンネルの圧電素子12の容量をスイッチングすることで計測する。このとき、プローブを接触させるチェックランド部63をFPCケーブル53と半田接続する電極接合部61と異なる位置に設けることで、プローブをチェックランド端子64に接触させるときにFPCケーブル53を断線させたり、プローブとチェックランド端子65aとの接続不安定性が解消される。
【0039】
また、チェックランド端子64へのピンプローブの接触は画像認識でアライメントマークを直接検出して、予め認識しているピンプローブの位置と照合させながら行うが、このときプローブ自身の位置精度、アライメントマーク認識精度、プローブを接触するときの機械的な誤差などから、チェックランド端子64の幅を電極62の幅と同一にすると、プローブがチェックランド端子64からはずれた状態で接触する可能性がある。
【0040】
したがって、上述したようにチェックランド端子64を電極62より大きく形成することによって、プローブとチェックランド端子64との接触誤差を吸収して、確実にプローブとチェックランド端子64とを接触させることができ、画像認識時間などを含めた検査時間の短縮を図れる。ただし、チェックランド端子65aをあまり大きくしすぎると、駆動電圧を印加するときに隣接間で短絡する恐れが生じるので、上述したように円形状のチェックランド端子64についてはその径を電極幅の2倍にし、四角形状のチェックランド端子64についてはその対角寸法を電極幅の約2.8倍にしている。
【0041】
次に、上記インクジェットヘッドのFPCケーブル53に本発明を適用した実施形態について図7乃至図9を参照して説明する。なお、図7はFPCケーブル53の平面説明図、図8は同ケーブルと基板及びPCB基板との接続の説明に供する説明図、図9は同ケーブルにチェックランド端子を設けた状態を説明する説明図である。
【0042】
FPCケーブル53は、図7及び図8に示すように、基板11の共通電極24及び個別電極25と接続するための接続部71と、PCB基板52の電極接合部と接続するための接続部72とを有している。
【0043】
そして、このFPCケーブル53は、図9に示すように、ベース材73上に銅箔74を形成してレジスト剤75で被覆し、接続部72側端部では銅箔74上のレジスト剤75を除去して、PCB基板52の電極接合部と接合するための半田層76を設け、またベース材73を除去して銅箔74を露出させることで、チェックランド端子77を形成している。
【0044】
このようなFPCケーブル53は、銅箔74付きベース材73(通常はポリイミドフィルム)をマスク露光してパターニング形成する。その後、レジスト剤を塗布して半田メッキを施す以外の箇所を除去する。この除去工程も感光性のレジスト剤を用いてエッチング除去する。次に、レジスト剤75によって被覆されていない箇所は半田メッキをすることで半田層76を形成して半田接合が可能なようにする。最後に、半田層76の反対側の面のベース材73を除去してチェックランド端子77を形成する。このベース材73の除去はエキシマレーザーなどによってアブレーション加工によって除去できる。
【0045】
このように構成したので、FPCケーブル53のチェックランド端子77に図9に示すようにプローブ78を接触させて圧電素子12の静電容量値を測定することで電気的接続の良否を判定することができる。これにより、前述した実施形態と同様の作用効果が得られると共に、PCB基板52にチェックランド端子を設ける場合よりも簡素化を図れ、また電極面に直接プローブを接触できるのでの信頼性も向上する。
【0046】
なお、上記実施形態においては本発明をピエゾ型インクジェットヘッドに適用した例で説明したが、発熱抵抗体を用いるインクジェットヘッドや静電型インクジェットヘッドにも同様に適用することができる。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1のインクジェットヘッドによれば、アクチュエータ手段に駆動波形を与える駆動回路を実装したプリント基板に電気的接続の良否の判定に用いるチェックランドを設けたので、組立工程の途中での電気的接続の検査が可能になり、噴射検査工程前にヘッドの良否を判定することができて、生産性の向上と不良解析が可能になり、歩留まりを向上できる。
【0048】
請求項2のインクジェットヘッドによれば、上記請求項1のインクジェットヘッドにおいて、チェックランドは千鳥状に配置し、プリント基板に形成された電極パターンと同じピッチ又は電極パターンのピッチより広いピッチで、且つ、プリント基板の接合部から離れた位置に設けたので、プローブを接触させるときの位置合わせが容易になり、またFPCケーブルの断線や接触の不安定さをなくすることができる。
【0049】
請求項3のインクジェットヘッドによれば、上記請求項1のインクジェットヘッドにおいて、チェックランドは千鳥状に配置し、四角形又は円形の形状で、且つ対角寸法又は径をプリント基板の電極部の幅よりも大きくしたので、自動計測する際に生じる位置検出誤差、プローブ位置精度誤差、機械系のガタなどプローブをチェックランド端子に接触させる際に生じ得る誤差による計測不良を低減することができる。
【0050】
請求項4のインクジェットヘッドによれば、アクチュエータ手段とプリント基板とを接続するフレキシブルプリント基板にはプリント基板との接続部側に電気的接続の良否の判定に用いるチェックランドを設けた構成としたので、組立工程の途中での電気的接続の検査が可能になり、噴射検査工程前にヘッドの良否を判定することができて、生産性の向上と不良解析が可能になり、歩留まりを向上できると共に、プリント基板にチェックランド端子を設けるよりもプリント基板の簡素化を図れ、また検査時の接続信頼性が向上する。
【0051】
請求項5のインクジェットヘッドによれば、上記請求項1乃至4のいずれかのインクジェットヘッドにおいて、アクチュエータ手段が圧電素子、若しくは前記吐出室の壁面の一部を形成する振動板及びこれに対向する電極からなる構成としたので、ピエゾ型インクジェットヘッド或いは静電型インクジェットヘッドの電気的接続の良否を組み立て途中で検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用したインクジェットヘッドの一例を示す分解斜視図
【図2】同ヘッドの列間方向の要部拡大断面図
【図3】同ヘッドのチャンネル間方向の要部拡大断面図
【図4】本発明を同ヘッドのPCB基板に適用した例を示すPCB基板の裏側から見た説明図
【図5】同基板の要部拡大説明図
【図6】同基板の他の例を示す要部拡大説明図
【図7】本発明を同ヘッドのFPCケーブルに適用した例を示すFPCケーブルの説明図
【図8】同FPCケーブルと基板及びPCB基板との接続部を説明する説明図
【図9】同FPCケーブルの接続部の拡大説明図
【符号の説明】
1…駆動ユニット、2…液室ユニット、3…ノズルカバー、4…スペーサ部材、11…基板、12…圧電素子、13…フレーム部材、13b…貫通穴、24…共通電極、31…振動板、32…液室隔壁部材、33…ノズルプレート、52…PCB基板、53…FPCケーブル、61…電極接続部、63…チェックランド部、64…チェックランド端子、77…チェックランド端子。
Claims (5)
- 複数のノズルと、各ノズルが連通する吐出室と、各吐出室内のインクを加圧するエネルギーを発生するアクチュエータ手段とを備え、このアクチュエータ手段を設けた基板とは異なるプリント基板上に各アクチュエータ手段に駆動波形を与える駆動回路を実装したインクジェットヘッドにおいて、前記プリント基板には電気的接続の良否の判定に用いるチェックランドを設けたことを特徴とするインクジェットヘッド。
- 請求項1に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記チェックランドは千鳥状に配置し、前記プリント基板に形成された電極パターンと同じピッチ又は電極パターンのピッチより広いピッチで、且つ、前記プリント基板の接合部から離れた位置に設けたことを特徴とするインクジェットヘッド。
- 請求項1に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記チェックランドは千鳥状に配置し、四角形又は円形の形状で、且つ対角寸法又は径をプリント基板の電極部の幅よりも大きくしたことを特徴とするインクジェットヘッド。
- 複数のノズルと、各ノズルが連通する吐出室と、各吐出室内のインクを加圧するエネルギーを発生するアクチュエータ手段とを備え、各アクチュエータ手段に駆動波形を与える駆動回路を実装したプリント基板を搭載し、前記アクチュエータ手段と前記プリント基板とをフレキシブルプリント基板を介して接続したインクジェットヘッドにおいて、前記フレキシブルプリント基板には前記プリント基板との接続部側に電気的接続の良否の判定に用いるチェックランドを設けたことを特徴とするインクジェットヘッド。
- 請求項1乃至4のいずれかに記載のインクジェットヘッドにおいて、前記アクチュエータ手段が圧電素子、若しくは前記吐出室の壁面の一部を形成する振動板及びこれに対向する電極からなることを特徴とするインクジェットヘッド。
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