JPH1158720A - 画像形成装置 - Google Patents

画像形成装置

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JPH1158720A
JPH1158720A JP22900097A JP22900097A JPH1158720A JP H1158720 A JPH1158720 A JP H1158720A JP 22900097 A JP22900097 A JP 22900097A JP 22900097 A JP22900097 A JP 22900097A JP H1158720 A JPH1158720 A JP H1158720A
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JP
Japan
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ink
surface acoustic
acoustic wave
image forming
forming apparatus
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JP22900097A
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Hisahiro Tamura
壽宏 田村
Masaya Nagata
昌也 永田
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Sharp Corp
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Sharp Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 画像形成に供するインクについて、吐出時の
インクの微粒子の粒径や吐出方向の制御を適切に行うこ
とは困難であった。 【解決手段】 表面弾性波を発生させる駆動手段と、前
記表面弾性波を伝搬させる伝搬体とを有し、当該伝搬体
にインク吐出部が前記駆動手段と対をなす形で設けられ
ている画像形成装置において、前記インク吐出部は複数
個の吐出孔により形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、複写機、ファクシ
ミリ、プリンター等の画像形成装置に係り、詳しくは、
表面弾性波デバイスを用いてインクを断続的に吐出させ
て選択的に記録媒体上に付着又は浸透させることにより
画像を形成するインクジェット方式の画像形成装置に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】インク滴を吐出させて入力情報に応じた
文字や図形等の画像を記録媒体上に書き込むいわゆるイ
ンクジェットプリンタは低価格、低騒音、普通紙記録が
可能であるなど他のプリント方式に比べ優れている点が
多い。
【0003】しかし、反面この種のプリンタは小さなヘ
ッド上に多数のインク加圧部を設けると共に、これらの
部分に接続した多数のノズルを高密度に配設しなければ
ならない関係上、極めて精密な成形技術が要求される。
さらに多階調化、高速化、高画質化の要求が高まってく
るとそれにともなって、上記技術が必要不可欠になって
くる。
【0004】このような問題に対し、表面弾性波を利用
したインクジェットについて模索がなされるようになっ
てきた。塩川祥子氏らによる発表(日本音響学会講演論
文集;平成元年3月発行)のインクジェット方式は表面
弾性波の伝搬面上に液滴をおくと液滴中に励振された表
面弾性波の伝搬方向に液が流動して液滴の上側面から小
液滴が吐出するという現象を利用したもので、新しいイ
ンクジェットプリンタを実現できる可能性がある。また
特開平3−193455号公報、特開平4−14455
号公報、特開平4−119854号公報、特開平4−1
89145号公報などのノズルレスインクジェットプリ
ンタでは表面弾性波のエッジモードを利用した飛翔方向
制御技術やマルチエレメント化技術が開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上述の表面弾性波を用
いたインクジェットプリンタを実用化する場合において
以下に示す問題点がある。 1.表面弾性波を用いたインクジェットプリンタでは、
流動現象は基板表面の影響を受けやすく、液滴表面から
吐出する微粒子の飛翔方向の制御が難しい。 2.表面弾性波のエッジモードを利用したノズルレスイ
ンクジェットプリンタでは、液量によって霧化粒径が変
化し所望の霧化粒径が得られない。さらに、大きいイン
ク滴が存在した場合そのインク滴を使用せず、ガターに
落として回収する等の手段を採っている。 3.従来のインクジェット方式は水溶性インクを用いて
いるため、特に写真画像などの多階調画像を普通紙に記
録した時などインクの乾きが悪く、またインクの速乾性
を重視するとインクノズルが目づまりを起こしやすい。 本発明は、上記問題を解決すべくなされたものであっ
て、その目的とするところは均一な粒子径を有する微粒
子を作製し、その微粒子を正確な向きに吐出制御ができ
ると同時に階調表現が可能でマルチエレメント化が容易
な新規なインクジェットプリンタを提案することにあ
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】表面弾性波を発生させる
駆動手段と、前記表面弾性波を伝搬させる伝搬体とを有
し、当該伝搬体にインク吐出部が前記駆動手段と対をな
す形で設けられている画像形成装置において、前記イン
ク吐出部は複数個の吐出孔により形成されることを特徴
とする。また、上記吐出孔直径は1μm以上100μm
以下であることを特徴とする。また、上記伝搬体表面及
び上記吐出孔の内壁は疎水化処理が施されていることを
特徴とする。また、上記駆動手段は交差指電極(ID
T)であり、当該IDT表面には絶縁物質が形成されて
いることを特徴とする。また、使用するインクはその表
面張力が30dyne/cm以上であることを特徴とす
る。また、使用するインクはその動粘度が10cSt以
下であることを特徴とする。上記駆動手段と上記インク
吐出部の組が複数個設けられている場合において、隣り
合うインク吐出部の間に振動吸収体が配設されているこ
とを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明による実施の形態の
画像形成装置について図面を参照して説明する。
【0008】まず、本発明のインクジェットプリンタに
ついてインクミストの飛翔原理を説明する。図1に本願
画像形成装置の斜視図を示す。
【0009】表面弾性波(Surface Acous
tic Wave;以下SAW)を発生させるための表
面弾性波共振器である櫛形の交差指電極1(Inter
Digital Transducer;以下ID
T)は駆動電極3に接続され、かつ伝搬体2上に形成さ
れ、また複数の吐出孔3からなるインク吐出部は前記I
DT1と対をなす形で前記伝搬体2上に設けられる。
【0010】表面弾性波を伝搬するための前記伝搬体2
は表面弾性波を伝搬する役割を有し、例えば板状の12
8゜YカットLiNbO3圧電結晶板が材料として用い
られる。IDT1はフォトリソグラフィー法等によって
金属電極が櫛型に形成される。
【0011】前記吐出孔3は、前記伝搬体2にエキシマ
レーザ等によって精密に加工されることにより設けられ
る。
【0012】図2はインクタンク4を付加した時の本願
画像形成装置の断面図を示すものである。5はインクタ
ンク4と伝搬体2の距離を決定するためのスペーサであ
る。
【0013】吐出孔3にはインクタンク4から毛管現象
によりインクが供給される。駆動電源13によりIDT
1に高周波の交流電圧を印加することによって、圧電性
を有する基板に機械歪みが励起され、励起された機械歪
みが伝搬面を表面弾性波として伝わっていく。
【0014】吐出孔3からインクの表面張力と毛管現象
によるインクの圧力の釣り合いによって伝搬面にインク
が供給され、表面弾性波のエネルギーがインクに伝わ
り、インクを微粒子化し吐出することができる。
【0015】表面弾性波の伝搬波長λは位相速度(伝搬
速度)をv、IDT共振周波数をfとすると、 λ=f/v で表される。
【0016】図3にIDT1の拡大図を示す。ここに示
す電極ピッチaが波長λであり、伝搬面を伝わってい
く。
【0017】毛管現象によって伝搬面2に設けられた吐
出孔3にインクが随時供給され、そのインクに表面弾性
波エネルギーが伝わることによってインクが吐出する。
吐出可能なインクはほぼ図2の伝搬体の吐出孔中に存在
しているインクであり、吐出孔壁およびノズル壁がイン
クによって完全にぬれる(液体との接触角が0゜)場合
その量Δvは次式で表される。
【0018】Δv=2πrγ/ρg−πr2h ここで、r;吐出孔の半径 γ;インクの表面張力
ρ;インクの比重 g;重力加速度 h;インクタンク
液面からの高さである。
【0019】インクの物性と吐出孔直径及び表面のぬれ
性によって制御できるインク量を適正化することによっ
て、良好なインク吐出が可能となる。
【0020】(第一の実施の形態)上記のような飛翔原
理に基づき、本発明の典型的な実施例としてキャリッジ
タイプのインクジェットヘッドを構成したものを図4に
示す。キャリッジタイプのインクジェットヘッド10内
には、図5に示すSAW伝搬体上に多数のIDTおよび
インク吐出部を形成し、図示しない共通のインクタンク
を含んでいる。共通のインクタンクからインク供給を行
い、IDT1に選択的な高周波電圧を印可し、表面弾性
波を発生させ、インクを選択的に吐出孔3から吐出させ
ることで印字が可能となる。
【0021】SAW伝搬体2は異方性圧電結晶である厚
さ0.3mmの128゜YカットのLiNbO3の板状
のものを用いている。また鏡面に仕上げられたSAW伝
搬体2の表面には、フォトリソグラフィー法によってI
DT1を形成した。IDT1は電気抵抗が小さく伝搬体
との密着性の良好な耐電力性のある薄膜であり、ここで
はスパッタ法によって3000Åの95%Al−5%T
i合金(重量比)を用い、基板全面に薄膜を形成し、フ
ォトリソグラフィー法、酸のウエットエッチングによっ
てIDT1を得た。
【0022】図3にはIDT1の詳細を示す。IDT1
のペア数は5ペア、ピッチaは80μm、交差幅wは2
50μm、1つの吐出孔直径は40μmとし3個形成し
た。このIDT1への高周波印加電圧は50Vp-p,共
振周波数約50MHzで駆動した場合、約4000m/
s(波長λ=80μm)の表面弾性波を発生させること
ができる。
【0023】また伝搬体2へのインク吐出孔3作製には
エキシマレーザを用いた。エキシマレーザはYAG,C
2レーザでの加工の際に発生しやすいマイクロクラッ
クを抑えることができ、さらに加工面がきれいに仕上が
る。使用ガスはXeCl(308nm),KrF(24
8nm),ArF(193nm)等があるが、ここでの
吐出孔加工にはマスクイメージ法でKrFレーザ(住友
重機社製,PM−848)を用いエネルギー密度30J
/cm2で行ったところ、アブレーション速度は約0.
15μm/pulseであった。
【0024】キャリッジタイプのインクジェットヘッド
に用いたSAW伝搬体2を図5の斜視図に示す。図5で
は共通のLiNbO3基板2上に所望の画像解像度を有
するIDT1と一対のIDT1に対し3個のインク吐出
孔3を形成している。図6にはその説明図を示す。主走
査方向に隣接するドットピッチpsは340μm、副走
査方向に隣接するドットピッチpfは500μmとし、
150dpi相当とし、SAW伝搬方向は副走査方向、
IDT交差幅wは250μmであるように形成した。
【0025】また図7は表面弾性波の伝搬によって吐出
可能な範囲を模式的に示したものである。表面弾性波が
吐出に影響を及ぼす範囲はほぼIDT1の交差幅wの範
囲であり(図中部)、インク吐出部の間に振動吸収体7
を形成している。振動吸収体7はシリコンゴムで約10
0g/cm2の圧力で伝搬体の表面に接触させた構成と
している。この振動吸収体7がないと副走査方向のドッ
トに影響を及ぼし、所望の画像形成ができなくなる。す
なわち、表面弾性波の伝搬で副走査方向の隣接ドットに
は影響を及すことになり、クロストークによる印字不良
が発生する。上記条件より高密度にSAWを形成した場
合、クロストークによる印字不良は顕著になる。
【0026】このような構成で吐出したインクミストを
シリコンオイル(信越化学社製,KF96H−粘度30
000cs)上に採取し、光学顕微鏡(NIKON社
製,OPTIPHOT200)で測定したところ平均粒
径は31μmであった。さらに記録紙11に付着するイ
ンク濃度をマイクロデンシトメータ(コニカ社製,PD
M−5)によって測定したところ図8に示すようにID
Tへの高周波の印加時間にほぼ比例し、階調表現が可能
であり、吐出したインクドット全体の直径は約175μ
mであった。以上の構成により印字を行った結果、普通
紙面上に得られた画像は濃度階調、印字品位とも良好で
あった。
【0027】次にSAW伝搬体について詳細に説明す
る。表面弾性波を伝搬するための伝搬体2は板状の12
8゜YカットLiNbO3圧電結晶板の他にBi12Si
20,Bi12GeO12,LiTaO3,KNbO3等の圧
電性単結晶やPbTiO3,Pb(Zr−Ti)O3,B
aTiO3,PbNb26等の圧電性セラミックスを用
いることができる。また、櫛形IDT1の電極材料とし
ては、Cu,Al,Ti,Au,Ag,Ni,Ta等の
金属あるいはその合金が用いられる。
【0028】上記実施例では1対のIDT1に対し吐出
孔3は3個であったがさらに良好な印字を得るために
は、吐出孔3を小さくし、複数個設ける構成とすると良
い。図9(a)にはその例を示した。それぞれの吐出孔
直径(3〜150μm)を有するSAWを作製し、イン
ク吐出実験を試みたところ、表1の結果となった。SA
Wを発生させる条件は上記印字実験と同様とした。使用
インクは市販のインクジェット用インク表面張力約4
9.5dyne/cm,粘度約1.30cpのものを用
いた。
【0029】
【表1】
【0030】この結果から良好な画像を得るための吐出
孔直径の有効な範囲は100μm以下、好ましくは30
μm以下が良好な結果を与えることがわかった。また、
吐出孔の作製上の点からは1μm以上が好ましい。
【0031】上記実験では吐出孔全体の形状及びドット
形状は円形であったが(b)に示すように、吐出孔全体
の形状を矩形にしても良い。矩形にして行うと紙面上に
形成されたドット形状は同様に矩形となったが、図10
に示すように円形ドットに比べドットの重なりが少なく
できるため正確な階調表現が可能になる。
【0032】さらに上記実験では、IDT表面に微小な
液滴が付着するため、長時間使用すると短絡してしまう
危険性がある。図11はIDT1を絶縁物質で被覆した
図である。このように、例えば簡単にはフォトレジスト
等の感光性樹脂等を被覆したものを用いた場合、微小な
液滴がIDT表面へ直接付着することもなく、また表面
弾性波の振幅の減衰も少なく、良好な液滴吐出が行え
た。
【0033】次にインク供給について詳細に説明する。
種々の液体での吐出実験を行ったところ、表2の結果と
なった。表2に示すように表面張力の大小に関係なく吐
出し、表面張力の小さい液体の方が吐出粒径が小さく、
粘度が大きいエチレングリコールでの吐出は行えなかっ
た。
【0034】
【表2】
【0035】次に吐出液体の粘度の影響を調べた。粘度
の異なる信越化学社製のジメチルシリコーンオイル(K
F96シリーズ)を用い、上記吐出孔を有するSAW素
子を用いて吐出実験を行った。その結果を表3に示す。
【0036】
【表3】
【0037】この結果から動粘度が10cSt(センチ
ストークス)以上の液体での吐出は不可能であることが
わかる。さらに表2と表3の吐出実験結果とから考察で
きることは、表面張力が小さい液体、ここではジメチル
シリコーンオイルとエタノールは液体の吐出は可能であ
るが、基板表面が親水性であったり、吐出孔での液体に
対する圧力が少しでも大きいと吐出孔から液漏れをおこ
す結果となった。したがってこの結果から、表面張力は
30dyne/cm以上が良いといえる。
【0038】一般にインクジェットノズルから吐出し記
録媒体に付着したインク直径はノズル直径の2〜3倍の
大きさをしている。したがって、上記吐出孔から吐出し
たインク粒径はインクジェットのものより小さく、同様
の濃度を得るためのインク消費量も少なくて済む。HP
社製600dpiのインクジェット(DESK WRI
TER660C)で普通紙に黒色のベタ印字を行うとイ
ンク消費量は約8×105pl/cm2であった。上記本
発明の数種の吐出孔を用いた実験では、インク吐出を行
った場合、約5×104(3μm)〜1×105pl/c
2(100μm)であった。
【0039】インク量が少なくて済む理由は次のように
思われる。すなわち、従来のインクジェット方式では、
1つの液滴で1ドットを構成しているためインク体積が
大きくなるためだと考えられる。それに対し、本発明の
方式では微小なインクミストで1ドットを構成している
ため、最大濃度を得るためのインク体積は結果として少
なくなる。
【0040】インクを微細に吐出させるには、単位体積
当たりのインクに供給される表面弾性波エネルギーを大
きくすると良い。エネルギーを大きくするには与える電
圧を大きくする方法と駆動周波数をあげる方法が考えら
れるが、どちらも必要電力量が増え、得策とはいえな
い。
【0041】したがって吐出させるインクの体積Δvを
少なくすることが有効な手段であると考えられる。前述
の式で示したように、液体の物性が同じであれば吐出孔
のインク体積は吐出孔直径に比例するため、吐出孔直径
は小さい方がより表面弾性波エネルギーを有効に使用す
る手段であることがわかる。
【0042】さらに基板表面にステアリルトリクロロシ
ラン(CH3(CH217SiCl)によりシラン化処
理し、伝搬面表面及び吐出孔壁を疎水化するとノズルへ
のインク供給量は減り、吐出粒径を上記結果より微細化
することができ上記効果はより顕著になった。
【0043】その理由として疎水化処理を行うことによ
って、毛管現象によるノズルへのインク供給量が減少す
る。すなわち、表面弾性波エネルギーが伝わる場所のイ
ンク量を少なくすることにより、吐出するインクがより
微細になる。1例として内径φ1のガラス管に疎水化処
理を施したものの純水の毛管上昇は疎水化処理しないも
のに比べ、数十分の一程度となり、吐出孔では図12の
ようになっておりその吐出可能体積は減少し、微細イン
ク粒子の吐出が可能となった。
【0044】
【発明の効果】本願構成によれば、均一な粒径で微細な
インクを吐出することができ、1ドット当たりの必要な
インク量を減少させることができるという効果を奏す
る。また空気と接触しているインクの表面積が増大し、
水溶性インクの乾きが早くなり印字が良好となる効果を
奏する。さらにインク濃度を電圧印加時間で制御できる
ため濃度階調の表現が可能となる。
【0045】また、上述の構成によれば、記録媒体上に
形成されるインクのドット形状を矩形に形成することが
容易になる。当該ドット形状は矩形形状のほうが円形形
状のときよりもドットの重なりが少なくできるため正確
な階調表現が可能になるできるという効果を奏する。
【0046】また、上述の構成によれば、供給及び吐出
するインク量は紙面上で5×10pl/cm2以上1
×105pl/cm2以下にすることが容易になり、従来
のインク使用量を減少させることができ、ランニングコ
ストの低減が可能となる。
【0047】また、インクの吐出孔の直径は1μm以上
100μm以下であることを特徴としている。より好ま
しくは30μm以下の吐出孔を形成することで均一な粒
径で微細なインクを吐出することができるという効果を
奏する。
【0048】また、伝搬体表面及び上記吐出孔内壁に疎
水化処理を施すことにより、毛管現象によるノズルへの
インク供給量が減少し、表面弾性波エネルギーが伝わる
場所のインク量を少なくすることにより、吐出するイン
クがより微細になり、よりよい効果を得られる。
【0049】また、伝搬体に表面弾性波を発生する手段
として交差指電極(IDT)を用い、当該IDT表面に
絶縁物質を形成することによりIDT表面に微小な液滴
が直接付着しなくなるため、長時間使用しても短絡する
ことがなく、装置の信頼性を向上させることができると
いう効果を奏する。
【0050】また、インクの表面張力を30dyne/
cm以上にしたり、インクの動粘度を10cSt以下に
するとインクの吐出が安定して行え、良好な印字が得ら
れる。
【0051】また、同一伝搬体上に画像形成手段が複数
個設けられている場合において、各々の表面弾性波が干
渉しあわないように吐出孔の間に振動吸収体を配設する
ことにより、副走査方向の吐出孔に対してクロストーク
がなくなり、印字不良がなくなるという効果を奏する。
【0052】なお、インクの材料として水溶性のインク
を用いると、均一な粒径で微細なインクを吐出すること
が容易になり、空気と接触しているインクの表面積が増
大し、水溶性インクの乾きが早くなり印字が良好となる
効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示した斜視図である。
【図2】本発明における吐出孔付近の断面図である。
【図3】本発明におけるIDTの説明図である。
【図4】キャリッジタイプの本発明の斜視図である。
【図5】本発明によるキャリッジタイプのインクジェッ
トヘッド吐出孔の斜視図である。
【図6】本発明によるキャリッジタイプのインクジェッ
トヘッド吐出孔の説明図である。
【図7】本発明によるキャリッジタイプのインクジェッ
トヘッド吐出孔の説明図である。
【図8】駆動電源による電圧印加時間とインク濃度の特
性図である。
【図9】本発明による画像形成装置の他の吐出孔の説明
図であり、同図(a)はドット形状が円形の場合の吐出
孔図、同図(b)はドット形状が矩形の場合の吐出孔図
である。
【図10】本発明の画像形成装置のドットの形状の説明
図であり、同図(a)はドット形状が円形の場合を示す
図、同図(b)はドット形状が矩形の場合を示す図であ
る。
【図11】本発明による画像形成装置のIDT表面に絶
縁物質を形成した図である。
【図12】本発明による画像形成装置の吐出孔付近のイ
ンク状態説明図であり、同図(a)は基板表面に親水化
処理を施した場合の説明図、同図(b)は基板表面に疎
水化処理を施した場合の説明図である。
【符号の説明】
1 交差指電極(IDT) 2 伝搬体 3 吐出孔 4 インクタンク 5 スペーサ 6 吐出したインクミスト 7 振動吸収体 8 インク 10 キャリッジ 11 記録媒体(普通紙) 12 絶縁物質

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表面弾性波を発生させる駆動手段と、前
    記表面弾性波を伝搬させる伝搬体とを有し、当該伝搬体
    にインク吐出部が前記駆動手段と対をなす形で設けられ
    ている画像形成装置において、 前記インク吐出部は複数個の吐出孔により形成されるこ
    とを特徴とする画像形成装置。
  2. 【請求項2】 上記吐出孔直径は1μm以上100μm
    以下であることを特徴とする画像形成装置。
  3. 【請求項3】 上記伝搬体表面及び上記吐出孔の内壁は
    疎水化処理が施されていることを特徴とする請求項1記
    載の画像形成装置。
  4. 【請求項4】 上記駆動手段は交差指電極(IDT)で
    あり、当該IDT表面には絶縁物質が形成されているこ
    とを特徴とする請求項1記載の画像形成装置。
  5. 【請求項5】 使用するインクはその表面張力が30d
    yne/cm以上であることを特徴とする請求項1記載
    の画像形成装置。
  6. 【請求項6】 使用するインクはその動粘度が10cS
    t以下であることを特徴とする請求項1記載の画像形成
    装置。
  7. 【請求項7】 上記駆動手段と上記インク吐出部の組が
    複数個設けられている場合において、隣り合うインク吐
    出部の間に振動吸収体が配設されていることを特徴とす
    る請求項1記載の画像形成装置。
JP22900097A 1997-08-26 1997-08-26 画像形成装置 Pending JPH1158720A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012087968A (ja) * 2010-10-18 2012-05-10 Toshiba Corp 家電機器

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012087968A (ja) * 2010-10-18 2012-05-10 Toshiba Corp 家電機器

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