JPH07290699A - インクジェットヘッド - Google Patents

インクジェットヘッド

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JPH07290699A
JPH07290699A JP9127194A JP9127194A JPH07290699A JP H07290699 A JPH07290699 A JP H07290699A JP 9127194 A JP9127194 A JP 9127194A JP 9127194 A JP9127194 A JP 9127194A JP H07290699 A JPH07290699 A JP H07290699A
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JP
Japan
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partition wall
ink
groove
substrate
sealing
Prior art date
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Pending
Application number
JP9127194A
Other languages
English (en)
Inventor
Seiichi Osawa
誠一 大澤
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Citizen Watch Co Ltd
Original Assignee
Citizen Watch Co Ltd
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Publication date
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【構成】 基板11上に厚さ方向に分極1させた圧電素
子からなる隔壁10a、10bを複数個配列し溝12を
形成し、この溝12を覆う蓋13と、溝端部に配設され
た封止14により形成する複数の圧力室9と、圧力室9
の一部に設けるノズル孔16およびインク供給口18と
を備え、隔壁10a,10bと封止14とを実質的に弾
性的に結合する。 【効果】 圧電素子からなる隔壁を効率的に駆動するこ
とができ、インク液滴の吐出力が安定し連続吐出特性の
優れたマルチノズルを有するインクジェットヘッドを提
供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、インク液滴を画像記録
媒体上へ選択的に付着させるインクジェットヘッドの構
造に関する。
【0002】
【従来の技術】今日、その市場を大きく拡大しつつある
ノンインパクト・プリンターの内で、原理が最も単純
で、かつカラー印刷に好適なものとしてインクジェット
・プリンターがある。そのうちでも、ドット形成時にの
みインク液滴を吐出する、いわゆるドロップ・オン・デ
マンド(DOD)型が主流といえる。
【0003】DOD型としては、たとえば特公昭53−
12138号公報に開示されているカイザー型、あるい
は、たとえば特公昭61−59914号公報に開示され
ているサーマルジェット型がその代表的な方式としてあ
る。
【0004】このうち、前者の特公昭53−12138
号公報に記載の構成では小型化が難かしく、後者の特公
昭61−59914号公報に記載の構成では高熱をイン
クに加えるためにインクが焦げ付くという、それぞれに
非常に困難な問題を抱えている。
【0005】以上のような欠陥を同時に解決する方式と
して、圧電性素材の細片を用いる構造で、たとえば特公
平4−48622号公報に開示された伸縮モード型が提
案されている。
【0006】伸縮モード型のインクジェットヘッドの構
造を、図4の斜視図に示す。PZT(チタン酸ジルコン
酸鉛)のような圧電性素材の細片122を、導電性の支
持基板121と絶縁性の蓋123との間に平行に固着
し、この細片122間に多数の細長いチャネルを形成す
る。
【0007】これらのチャネルは、交互に、それぞれイ
ンクが充填されたインク室兼インク流路のチャネルであ
るインクチャネル125と、空隙のダミーチャネル12
6とである。
【0008】そして、インクチャネル125は、一方の
端が共通のインク溜127に接続され、ここよりインク
が供給されるとともに、他方の端にはインク通路の形態
の印字ノズルが設けられる。
【0009】圧電性素材の細片122は、矢印7で示す
ように、支持基板121に垂直な方向に分極し、蓋12
3側の細片122上面部には、インクチャネル125に
対応して電極124を設けている。
【0010】ここで、電極124に導電性の基板121
に対して電位を与えるならば、圧電性素材の細片122
は、その厚さを増し、その幅を減じるような伸縮モード
の変形をおこす。
【0011】2個の細片への電圧印加を停止すると、両
細片はもとの形状に戻り、それにより通路容積は急激に
縮小させられる。その結果、その通路からインク液滴1
28の放出を行うことができる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来の圧電性素材の細片を用いる構造のインクジェット
ヘッドがかかえる、以下に記載するような課題を解決し
ようとするものである。
【0013】その第1の課題点は、インク通路の形態の
印字ノズルを設けているので、インクチャネル125の
長さ寸法が、チャネルの断面積に比べ長すぎる構成とな
っている。このため、管路抵抗が大きくインク供給能力
に限界があり、インク液滴の連続応答性が悪いという問
題である。
【0014】伸縮モード型でのインク吐出性能について
詳細に説明する。図4に示す前述の特公平4−4862
2号公報に開示された代表的なインクジェットヘッドの
大きさは、細片122の幅寸法および高さ寸法は50μ
mで、インクチャネル125の長さ寸法は10mmであ
る。
【0015】このように細く長いインクチャネル125
で形成されたヘッドにおいては、インク液滴を連続して
吐出すること、つまり応答性に問題が生じる。
【0016】インク液滴を連続して吐出するためには、
吐出したインク液滴と同量のインクが、インクチャネル
125に対して、印字ノズルと反対の端に位置する共通
のインク溜127より速やかに供給しなければならな
い。
【0017】したがって、連続してインク液滴128を
形成するためには、インクチャネル125の管路抵抗は
小さく、かつインクチャネル125の長さは短い方がよ
い。
【0018】管路抵抗はインクチャネル125の断面積
が大きい方が小さくなるが、公平4−48622号公報
に開示された従来例では、インク通路の形態の印字ノズ
ルを形成する目的から、インクチャネル125の大きさ
寸法は、一辺が50μmのほぼ正方形と小さい。
【0019】さらに圧電性素材の細片122の変形量が
小さいため、インク液滴128のインク量を確保するた
めには、インクチャネル125の長さ寸法を長くしなけ
ればならない。
【0020】インクチャネル125の長さを短くすれ
ば、インクの連続応答特性は向上するが、インク液滴1
28が小さくなるとか、まったくインク液滴128を吐
出することができないといった、インクチャネル125
が充分な長さがあるときには生じなかった現象が生じ
る。
【0021】電極124に導電性の支持基板121に対
して電位を与えるならば、圧電性素材の細片122は、
その厚さを増し、その幅を減じるような伸縮モードの変
形をおこす。また一方で圧電性素材がこの伸縮モード変
形が生じると、実は圧電性素材の長手方向つまりインク
チャネル125の長さ方向の収縮が生じる。
【0022】細片122の厚さを増し、その幅を減じる
ような伸縮モードの変形は、インクチャネル125の体
積を増加させる。しかし、このとき同時に起こるインク
チャネル125の長さ方向の収縮は、インクチャネル1
25の体積を減少させる。
【0023】インクチャネル125の体積変化量は、こ
の増加分と減少分との差となり、この体積変化量がイン
ク液滴128の生成の源となる。
【0024】電極124への電圧の印加を停止して、イ
ンクチャネル125を元の大きさに戻すと、前述のイン
クチャネル125の体積変化量分のインクは、インクチ
ャネル125の外へ押し出す。
【0025】実験により観察すると、インクチャネル1
25内のインクの流れは、印字ノズル方向と共通のイン
ク溜128方向とに生じることを確認している。
【0026】インクチャネル125が充分な長さを持っ
ている場合には、このインクチャネル125の後端部、
つまりインク溜127に近い方の変形によるインク吐出
への影響は無視できる。
【0027】しかし、前述のようにインク液滴の連続応
答性を向上させるために、インクチャネル125の長さ
寸法を短くすると、インクチャネル125の長さ方向の
収縮による体積変化量の減少の影響は無視できなくな
る。
【0028】つまり、体積変化量を減少させるインクチ
ャネル125の長さ方向の収縮の成分がインク液滴12
8の生成に悪影響を及ぼす。
【0029】この結果、インク液滴128が小さくなる
とか、まったくインク液滴128が吐出されないといっ
た現象を生じるのである。
【0030】第2の課題点は、充分なインクチャネルの
体積変化を得るためには、圧電性素材に高い電圧を印加
しなければならないと問題である。
【0031】このため駆動回路や電気絶縁材を高電圧に
対応した構成しなければならないので、コストアップと
なる。
【0032】本発明の目的は、前述のような従来の圧電
性素材の細片を用いる構造のインクジェットヘッドの個
々の構造や機構に起因する問題を解決し、インク液滴の
連続吐出性を向上させ、さらに低電圧で効率良く駆動す
ることができるインクジェットヘッドの構造を提供する
ことである。
【0033】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明のインクジェットヘッドは、下記記載の構成を採
用する。
【0034】本発明による第1のインクジェットヘッド
は、基板と、厚さ方向に分極させた圧電素子からなる隔
壁と、隔壁を基板上に複数個配列して形成する溝と、溝
を覆う蓋と、溝の端部に配設する封止により形成する複
数の圧力室と、圧力室の一部に設けるノズル孔とインク
供給口とを備え、隔壁と封止との間に弾性接着層を設
け、隔壁と封止とを弾性的に結合することを特徴とす
る。
【0035】本発明による第2のインクジェットヘッド
は、基板と、厚さ方向に分極させた板状圧電材料を導電
材料を介して複数枚積層した圧電素子からなる隔壁と、
隔壁を基板上に複数個配列して形成する溝と、溝を覆う
蓋と、溝端部に配設された封止により形成する複数の圧
力室と、圧力室の一部に設けるノズル孔とインク供給口
とを備え、隔壁と封止との間に弾性接着層を設け、隔壁
と封止とを弾性的に結合することを特徴とする。
【0036】
【作用】本発明のインクジェットヘッドの上記の構成に
よれば、圧力室の体積を変化させ圧力を発生させるの
に、圧電素子からなる隔壁が封止部材によって拘束され
ることなく充分変形するような構成をとっている。この
ため、隔壁を効率良く駆動することができ、インク液滴
の連続応答特性を向上させる目的でインク圧力室の長さ
を短くしても、吐出力の安定したインク液滴を形成する
ことができる。
【0037】さらに、隔壁を厚さ方向に分極させた板状
圧電材料を導電材料を介して複数枚積層した圧電素子で
構成している。このため、低い電圧でも駆動可能なイン
クジェットヘッドを提供することができる。
【0038】
【実施例】以下、本発明の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの構成を、図面を基に説明する。
【0039】図1は、本発明の第1の実施例におけるイ
ンクジェットヘッドの一部を破断して示す斜視図であ
る。
【0040】図1の斜視図に示すように、厚さ方向に分
極1する圧電性材料からなる複数の隔壁10a、10
b、10cを、絶縁性材料からなる基板11上に平行に
配列して溝12を形成する。
【0041】この溝12の端面の一方の領域にはインク
吐出口となるノズル孔16を有するノズル板15を接着
し、溝12の他方には共通インク溜19と連結したイン
ク供給口18を有する封止14を配置する。
【0042】さらに、溝12の上部には蓋13を接着す
ることにより設け、この溝12と蓋13とにより圧力室
9を構成する。
【0043】隔壁10a、10bは厚さ方向の端面に
は、電極2a、2bを設ける。そしてこの電極2a、2
bに電圧を印加することにより、隔壁10a、10bは
圧電アクチュエータとして機能する。
【0044】そして隔壁10aおよび隔壁10bに電圧
を印加し、隔壁10a,10bを変形させて、インクを
充填した圧力室9の体積を変化させる。この結果、圧力
室9内部に圧力を発生させることが可能となり、インク
液滴17を吐出させることが可能となる。
【0045】図2は、圧力室9の構成とその動作を示す
斜視図である。この図2を用いて、図1に示すインクジ
ェットヘッドの動作を説明する。
【0046】図2において、圧電性材料からなる隔壁1
0a,10bの分極1と同方向の電界を印加すると、隔
壁10a,10bの高さHは矢印2方向にδH伸び、幅
Wは矢印3方向にδWだけ収縮し、さらに長さLは矢印
4方向にδLだけ収縮する。
【0047】印加する電圧をV、圧電性材料の厚さ方向
の圧電定数をd33、長さ方向の圧電定数をd31とする
と、 δH=d33×V δW=d31×V×W/H δL=d31×V×L/H となる。
【0048】圧力室9の幅をAとすると、圧力室の体積
A×H×Lは、 (A+δW)×(H+δH)×(L−δL) に変化する。
【0049】よって、圧力室9の体積変化量は微少項を
無視すると近似的に、 H×L×δW+A×L×δH−A×H×δL となり、この体積変化量分に相当するインクを圧力室9
内に余分に充填することができる。
【0050】電圧の印加を停止し、圧力室9を元の大き
さに戻すと、前述の体積変化量分のインクは圧力室9の
外へ押し出される。
【0051】圧力室9の長さが充分な寸法を有する場合
には、圧力室9の後端部、つまりインク供給口18側の
体積変化は、インク液滴の生成にあまり影響を与えな
い。この場合、圧力室の通路断面積の変化による体積変
化が支配的となるので、前述の圧力室9の体積変化量で
体積が減少する分(−A×H×δL)は無視することが
できる。
【0052】インク液滴の連続吐出性、すなわち応答性
を向上させるためには、吐出したインク液滴17分のイ
ンク量を、すみやかにインク供給口18より、圧力室9
を通じてノズル孔16のメニスカスまで供給しなけらば
ならない。
【0053】圧力室9の長さを短くすると、インク供給
口18からノズル孔16までの距離は短くなるので、イ
ンクの供給は速やかに行われる。このため、インク液滴
17の連続応答性は向上する。
【0054】このようにして、インク液滴17の連続応
答性を向上させるための理由で、圧力室9の長さを短く
すると、インク液滴17を生成するのに必要なインク流
は圧力室9の後端部付近までおよぶ。このため、圧力室
9の体積変化量で体積が減少する分(−A×H×δL)
の影響は無視できなくなる。
【0055】したがって、隔壁10a,隔壁10bが短
くなって圧力室9の体積が減少する分(−A×H×δ
L)は少ない方がよい。
【0056】またさらに、インク流の逃げなどによる影
響を考慮すると、必要なインク液滴17を形成するには
インク液滴17の体積以上の圧力室9の体積変化量(H
×L×δW+A×L×δH−A×H×δL)が必要であ
る。
【0057】つまりインク液滴17の半径をrとすると H×L×δW+A×L×δH−A×H×δL≧4/3τ
3 が成立すれば連続応答性が高く、安定したインク液滴の
生成が可能となる。
【0058】そこで隔壁の寸法の高さ、幅、長さ(H、
W、L)や、溝幅寸法(A)や、圧電定数(d33
31)などの各定数を上式を満足するように設定するこ
とによって、前述の目的は達成できる。
【0059】もし、この条件が成立していないと、イン
ク液滴17が所定の大きさより小さくなったり、まった
く吐出しないといった問題を引き起こす。
【0060】また上述のように圧電素子を理想的に変形
させるには、圧電素子のd31方向の変形を拘束してはな
らない。
【0061】図1に示すように隔壁10a,10b,1
0cと封止14を弾性接着層5で結合すると隔壁の長さ
方向のd31モード変形(図2の矢印4)は、弾性接着層
5の弾性による効果で拘束されないので、圧電素子から
なるの隔壁10a,10b,10cを効率良く駆動する
ことができる。
【0062】なお、隔壁10aと封止14との結合は前
述の弾性接着層5の限定されるものではない。隔壁10
aと封止14とを非弾性接着材からなる非弾性接着層に
より固定し、さらに封止14の非弾性接着層近傍にスリ
ットを設け、封止14を弾性的に変形可能にしても良
い。
【0063】また、インク供給口18を蓋13に形成
し、封止14を穴や溝のない薄い弾性材料にしても良
い。
【0064】このように、圧力室9の長さを充分短く
し、駆動する圧力室9の体積変化量が吐出するインク液
滴17の体積以上になるようにしている。このため、隔
壁と封止とを実質的に弾性的に結合するとインク液滴の
連続吐出性が優れ、かつ吐出力の安定したインク液滴を
生成できるインクジェットヘッドを提供することができ
る。
【0065】図3は、本発明の第2の実施例におけるイ
ンクジェットヘッドの隔壁と圧力室とを示す斜視図であ
る。なお他の構成は第1の実施例と同じであるので、詳
細な説明は省略する。
【0066】図3に示すように、厚さ方向に分極する第
1の板状圧電材料31aは第1の導電材料32aを介し
て、第1の板状圧電材料31aと反対方向に分極した第
2の板状圧電材料31bとを貼り合わし、さらに第2の
導電材料32bを介して、第2の板状圧電材料31bと
反対方向に分極した第3の板状圧電材料31cとを貼り
合わす。
【0067】さらに同様な手段で必要な枚数だけ導電材
料と板状圧電材料とを順次積層することにより、隔壁3
0a,30bを形成する。
【0068】さらに、第1の導電材料32a、第3の導
電材料32cなどは、隔壁30aの一方の端面上に金
(Au)膜を、真空蒸着法などの薄膜形成手段で形成さ
れた第1の集電極33aと導通をとる。
【0069】さらに第2の導電材料32b、第4の導電
材料32dなどは、隔壁30aの他の端面領域に第1の
集電極33aと同様な手段によって形成する、第2の集
電極33bと導通をとる。
【0070】このような図3に示す構成により、第1の
集電極33aと第2の集電極33b間に電圧を印加する
と、導電材料間に電圧が生じ、板状圧電材料の厚さ方向
に電界が発生する。このため隔壁は圧電アクチュエータ
として機能する。
【0071】そして第2の板状圧電材料31bの分極方
向と同方向の電圧Vを第1の集電極33a、第2の集電
極33bに印加すると、第2の板状圧電材料31bの高
さHはδH伸び、幅WはδWだけ収縮し、さらに長さL
はδLだけ収縮する。
【0072】ここで板状圧電材料の厚さ方向の圧電定数
をd33、長さ方向の圧電定数をd31とし、印加電圧をV
とすると、 δH=d33×V δW=d31×V×W/H δL=d31×V×L/H となる。
【0073】圧力室9を形成する隔壁30aと隔壁30
bとの間の寸法をAとすると、隔壁30a、30bの一
対の板状圧電材料一枚分で形成する体積A×H×Lは、 (A+δW)×(H+δH)×(L−δL) に変化する。
【0074】よって、一対の板状圧電材料一枚分で形成
する体積の変化量は微少項を無視すると近似的に、 H×L×δW+A×L×δH−A×H×δL となる。
【0075】駆動可能な板状圧電材料の積層枚数をnと
すると、圧力室9の体積変化量は、一対の板状圧電材料
で形成する体積の変化量のn倍で、 n×(H×L×δW+A×L×δH−A×H×δL) となる。
【0076】電圧の印加を停止し、圧力室9を元の大き
さに戻すと、圧力室9の体積変化量分のインクは圧力室
9の外へ押し出される。
【0077】ここで必要なインク液滴17を形成するた
めには、第1の実施例で説明した理由と同様に、圧力室
9の体積変化量(n×(H×L×δW+A×L×δH−
A×H×δL))はインク液滴17の体積以上が必要と
なる。
【0078】また、このような隔壁30a,30bを圧
電材料の積層構造で形成すると、第1の実施例に比べ、
積層枚数(n)分の1だけ印加する電圧を低くしても、
同等の圧力室9の体積変化が確保できる。このため、低
電圧で駆動できるインクジェットヘッドを提供すること
ができる。
【0079】さらにまた、隔壁30a,30bを、図1
を用いて説明した第1の実施例と同様に、弾性接着層5
を介して封止14を弾性的に結合すると、圧電素子から
なる隔壁30a、30bを効率よく駆動でき、吐出特性
の安定したインクジェットヘッドを提供することができ
る。
【0080】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
インクジェットヘッドにおいては、圧力室の体積変化量
がインク液滴の体積以上になるように設定し、長さの短
いインク圧力室を形成し、圧電素子からなる隔壁を封止
と実施的に弾性的に結合している。このため、インクジ
ェットヘッドを効率良く駆動することができ、安定した
吐出力で、しかも高い周波数でインク液滴を噴射するこ
とができるという効果を有する。
【0081】さらに、板状圧電材料を積層しているの
で、低い電圧で駆動可能なインクジェットヘッドを提供
することができるという効果も有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例におけるインクジェットヘッド
の構成を示す一部を破断して示す斜視図である。
【図2】本発明の実施例におけるインクジェットヘッド
の圧力室の構成を示す斜視図である。
【図3】本発明の他の実施例におけるインクジェットヘ
ッドの圧力室の構造を示す斜視図である。
【図4】従来例におけるインクジェットヘッドの圧力室
の構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 分極 5 弾性接着層 9 圧力室 10a 隔壁 11 基板 12 溝 13 蓋 15 ノズル板 18 インク供給口 19 共通インク溜

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板と、厚さ方向に分極させた圧電素子
    からなる隔壁と、隔壁を基板上に複数個配列して形成す
    る溝と、溝を覆う蓋と、溝端部に配設する封止により形
    成する複数の圧力室と、圧力室の一部に設けるノズル孔
    とインク供給口とを備え、隔壁と封止との間に弾性接着
    層を設け、隔壁と封止とを弾性的に結合することを特徴
    とするインクジェットヘッド。
  2. 【請求項2】 基板と、厚さ方向に分極させた板状圧電
    材料を導電材料を介して複数枚積層した圧電素子からな
    る隔壁と、隔壁を基板上に複数個配列して形成する溝
    と、溝を覆う蓋と、溝端部に配設された封止により形成
    する複数の圧力室と、圧力室の一部に設けるノズル孔と
    インク供給口とを備え、隔壁と封止との間に弾性接着層
    を設け、隔壁と封止とを弾性的に結合することを特徴と
    するインクジェットヘッド。
  3. 【請求項3】 基板と、厚さ方向に分極させた圧電素子
    からなる隔壁と、隔壁を基板上に複数個配列して形成す
    る溝と、溝を覆う蓋と、溝端部に配設する封止により形
    成する複数の圧力室と、圧力室の一部に設けるノズル孔
    とインク供給口とを備え、隔壁と封止との間に設ける非
    弾性接着層と、非弾性接着層の近傍にスリットを設け隔
    壁と封止とを弾性的に結合することを特徴とするインク
    ジェットヘッド。
  4. 【請求項4】 基板と、厚さ方向に分極させた板状圧電
    材料を導電材料を介して複数枚積層した圧電素子からな
    る隔壁と、隔壁を基板上に複数個配列して形成する溝
    と、溝を覆う蓋と、溝端部に配設された封止により形成
    する複数の圧力室と、圧力室の一部に設けるノズル孔と
    インク供給口とを備え、隔壁と封止との間に設ける非弾
    性接着層と、非弾性接着層の近傍にスリットを設け隔壁
    と封止とを弾性的に結合することを特徴とするインクジ
    ェットヘッド。
  5. 【請求項5】 基板と、厚さ方向に分極させた圧電素子
    からなる隔壁と、隔壁を基板上に複数個配列して形成す
    る溝と、溝を覆う蓋と、溝端部に配設する封止により形
    成する複数の圧力室と、圧力室の一部に設けるノズル孔
    と、蓋に設けるインク供給口とを備え、封止は弾性材料
    で構成し、隔壁と封止とを弾性的に結合することを特徴
    とするインクジェットヘッド。
  6. 【請求項6】 基板と、厚さ方向に分極させた板状圧電
    材料を導電材料を介して複数枚積層した圧電素子からな
    る隔壁と、隔壁を基板上に複数個配列して形成する溝
    と、溝を覆う蓋と、溝端部に配設された封止により形成
    する複数の圧力室と、圧力室の一部に設けるノズル孔
    と、蓋に設けるインク供給口とを備え、封止は弾性材料
    で構成し、隔壁と封止とを弾性的に結合することを特徴
    とするインクジェットヘッド。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2003211668A (ja) * 2002-01-18 2003-07-29 Illinois Tool Works Inc <Itw> インクジェットプリントヘッド

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2003211668A (ja) * 2002-01-18 2003-07-29 Illinois Tool Works Inc <Itw> インクジェットプリントヘッド
JP4602640B2 (ja) * 2002-01-18 2010-12-22 イリノイ トゥール ワークス インコーポレイティド インクジェットプリントヘッド

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