JP2006130701A - インク吐出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】インクに作用する表面張力の性質を利用して吐出孔の加工精度や吐出孔付近に付着した異物に影響を受けずに、インク滴を適切な吐出位置に安定して吐出する。
【解決手段】インク流路20の一部を形成する圧電基板11に接着したカバー部材12と、インク流路20に連通する複数の吐出孔25を有するノズルプレート13とを備え、吐出孔25の内周面上における周方向に等分した位置に、吐出孔25の内周面から中心軸に向かって突出した3個又は8個の突起部26を配置する。
【選択図】 図2
【解決手段】インク流路20の一部を形成する圧電基板11に接着したカバー部材12と、インク流路20に連通する複数の吐出孔25を有するノズルプレート13とを備え、吐出孔25の内周面上における周方向に等分した位置に、吐出孔25の内周面から中心軸に向かって突出した3個又は8個の突起部26を配置する。
【選択図】 図2
Description
この発明は、吐出孔からインク滴を記録媒体に吐出するインク吐出装置に関する。
近年、用紙等の記録媒体に文字等の画像を形成するプリンタ機器においては、インパクト画像形成装置に代わって、カラー化、多階調化に対応し易いインクジェット方式等のノンインパクト画像形成装置が普及している。このインクジェット方式のノンインパクト画像形成装置に用いるインク吐出装置としては、特に、画像形成に必要なインク滴のみを吐出するというドロップ・オン・デマンド型のものがインクの吐出効率の良さ、低コスト化の容易さ等から注目されている。
従来、このドロップ・オン・デマンド型のインク吐出装置としては、カイザー方式やサーマルジェット方式を用いた構成のものが主流となっていた。しかし、カイザー方式のインク吐出装置は、小型化が困難であるために高密度化に不向きである。また、サーマルジェット方式のインク吐出装置は、インクを高温にして噴射する必要があるため、インクの耐熱性が要求され、またエネルギー効率が悪いため省エネの観点から好ましいものではなかった。
そこで、このような各方式のインク吐出装置における欠点を解決するため近年のインク吐出装置には、圧電性セラミック基板で形成されるインク流路の両側の壁面に電極膜を形成し、その電極に電位差を与えることで圧電性セラミック基板を剪断変形させ、その際に生じる圧力波変動を利用してインクを吐出する圧電駆動によるインク吐出方法を用いた剪断モード方式の構成のものがある(例えば、特許文献1参照。)。この方法は、装置のノズルの高密度化及び省エネ化にも適している。
上述の種々の方式のインク吐出装置は、図5に示すように、ノズルプレートに形成された吐出孔からインク流路中のインクをインク滴として吐出するが、吐出孔の加工精度や使用により吐出孔の付近に付着する異物によってインク滴の吐出方向や飛翔形状等の特性が大きく左右され、インク滴の吐出精度が低下してしまう問題が生じていた。
例えば、図5(A)〜(D)に示すように、外部に面する吐出孔210の端部付近に異物230が付着している場合、吐出孔210から吐出されるインク240のメニスカス(インク240の表面が作る曲面)は、通常インク240が徐々に吐出方向である吐出孔210の中心軸方向に押し出され(吐出され)ていくため吐出孔210の中心軸に回転対称な形状となるが、インク240が吐出されていくにしたがって図5(A)に示す形状から図5(B)に示すように異物230との接触部分において作用するインク240の表面張力によって異物230が位置する側に引っ張られた形状となる。
さらに、インク240が吐出されていくと、図5(C)に示すようにインク240のメニスカスは、吐出方向に作用するインク流路220内のインクに付与された圧力により生じるインク240を外部に押し出す力及び矢印方向の慣性力と、吐出方向とは反対方向に作用するインク240に生じる表面張力によるインク240を吐出孔210の内部方向に引き戻す力によって、くびれ250が生じた形状となる。その後、図5(D)に示すようにインク240が分離してインク滴として吐出孔210から飛翔する。この時、異物230との接触部分において作用するインク240の表面張力によって、インク240の吐出方向が吐出孔210の中心軸方向から異物230が位置する側に角度θだけ偏向されてしまう。そのため、飛翔したインク滴は、記録媒体上の所望の位置からずれた位置に着地する。
このようなインク滴の吐出精度の悪化を最小限にとどめるため、従来は吐出孔の加工精度を高め、微小突起の発生を抑制し、また、吐出孔の中心軸に対する内周面形状の対称性を高精度に形成していた。
特開昭63−247051号公報
しかしながら、加工精度を高めて吐出孔を形成したノズルプレートを有するインク吐出装置では、吐出孔の形状を正確に形成することができても、吐出孔付近に付着する異物を除去することはできず、またコストも高騰してしまう。
この発明の目的は、インクに作用する表面張力の性質を利用して吐出孔の加工精度や吐出孔付近に付着した異物に影響を受けずに、インク滴を適切な吐出位置に安定して吐出することができるインク吐出装置を提供することにある。
この発明は、上記の課題を解決するために、以下の構成を備えている。
(1)インク滴を記録媒体に吐出する吐出孔であって、少なくとも前記記録媒体に面する前記吐出孔端部の内周面上における周方向に等分した位置に、前記吐出孔の中心軸に向かって突出した3以上の突起部を有する吐出孔を備えたことを特徴とする。
この構成においては、3以上の突起部が吐出孔の内周面から中心軸に向かって突出している。したがって、吐出孔から吐出されるインクが、突起部との接触部分においてインクの表面積を小さくしようとする方向に作用する表面張力によって吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向に引っ張られた状態で中心軸方向にインク滴として吐出される。
また、3以上の突起部が吐出孔の内周面上において周方向に等間隔に配置されているので、吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の力がインクに均等に作用する。したがって、例えば、吐出孔に微小突起が形成された場合や吐出孔付近に異物が付着した場合、異物が吐出孔から吐出されるインクに接触することによりインクに作用する表面張力によって、吐出孔の中心軸から異物が位置する方向にインクが引っ張られるが、インクは吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向に引っ張られるので、吐出孔の中心軸から異物が位置する方向の力が打ち消される。
(2)前記突起部の前記内周面から中心軸に向かう方向の長さは、前記吐出孔の直径の0.05倍〜0.4倍であることを特徴とする。
この構成においては、突起部の吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の長さが、吐出孔の直径の0.05倍〜0.4倍であるので、効果的に吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の力がインクに均等に作用する。吐出孔の直径の0.05倍未満とすると突起部の先端部と内周面との距離の差が小さく、吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の力がインクに効果的に作用しない。また、吐出孔の直径の0.4倍より大きくすると吐出孔の目詰まりが顕著となる等の不具合が生じ易くなる。
(3)前記突起部は、前記内周面上に3〜8配置されていることを特徴とする。
この構成においては、3〜8個の突起部が吐出孔の内周面上に周方向に等間隔に配置されているので、効果的に吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の力がインクに均等に作用する。3個未満の1個又は2個の突起部だと吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の力がインクに偏って作用するからである。また、8個よりも多くすると加工要求精度が高くなるためコストが高騰してしまう。
(4)前記突起部を有する前記吐出孔は、エキシマレーザを用いて形成されたことを特徴とする。
この構成においては、吐出孔が、被加工材料に対するダメージが非常に少なく、微細な加工に適したエキシマレーザによって形成されるので、突起部を有する吐出孔の加工精度が低下することがない。
また、一旦形成された吐出孔の形状の加工精度が不足していた場合であっても、この突起部のみを微細に調整加工(トリミング)することで、容易に吐出方向の修正を行うことが可能となる。
すなわち、突起部の形状部分以外の形状については加工精度が必要とされないため、修正すべき部分は最大でも突起部の形状部分に限られ、形状修正の工程数、費用の増加が抑制される。
この発明によれば、以下の効果を奏することができる。
(1)少なくとも記録媒体に面する吐出孔端部の内周面上における周方向に等分した位置に、吐出孔の中心軸に向かう方向に吐出した3以上の突起部を配置することによって、突起部に接触部分において吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の力を、吐出孔からと出されるインクに均等に作用させることができるので、吐出孔に微小突起が形成された場合や吐出孔付近に異物が付着した場合であっても吐出孔の中心軸方向に吐出することができ、吐出孔の加工精度や異物によってインク滴の吐出性能が低減することを防止でき、インク滴を適切な吐出位置に安定して吐出することができる。
(2)突起部の吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の長さを吐出孔の直径の0.05倍〜0.4倍とすることによって、吐出孔から吐出されるインクに吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の力を均等に且つ効果的に作用させることができる。
(3)3〜8の突起部を吐出孔の内周面上に周方向に等間隔に配置することによって、吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の力を、吐出孔から吐出されるインクに均等に且つ効果的に作用させることができる。
(4)吐出孔をエキシマレーザを用いて形成することによって、突起部を含めた吐出孔の微細形状を精度良く形成できる。
また、突起部の形状をトリミングすることでより少ない工程数、費用で容易にインク滴の吐出方向の修正も可能となる。
以下、この発明の最良の実施形態に係るインク吐出装置を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は、この発明のインク吐出装置に備えられるインクジェットヘッド部10の構成を示す説明図である。この発明のインク吐出装置100は、インクジェットヘッド部10等を備え、インク滴を吐出させて用紙等の記録媒体に画像形成する。インクジェットヘッド部10は、圧電基板11、カバー部材12、ノズルプレート13等から構成されている。圧電基板11は、分極処理を施したチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)やチタン酸鉛(PZ)等の圧電性セラミック基板であり、ダイアモンドブレードによって形成された溝深さ約200μm、溝幅約80μmの互いに平行な櫛歯状の複数のインク流路20を有している。また、圧電基板11のインク流路20を形成する壁面には、蒸着装置、スパッタリング装置又はプラズマCVD装置等を用いた公知の真空蒸着法やメッキ法によってCu,Al,Cr,Au等の導電性を有する図示しない金属膜が形成されている。さらに、圧電基板11は、金属膜を介して図示しない電源から電圧が印加されて剪断変形する。これにより、インク流路20内の容積が減少してインクが加圧され、吐出孔25からインク滴が吐出される。
カバー部材12は、圧電基板11に接着してインク流路20の一部を形成する。ノズルプレート13は、一体となった圧電基板11及びカバー部材12に接着され、各インク溝20に連通する複数の吐出孔25を備えている。
図2は、本実施形態のノズルプレート13に備えられる複数の吐出孔25の一つを図1に示す矢印Y方向から見た拡大図である。吐出孔25は、図2(A)に示すように、吐出孔25の内周面から中心軸に向かって突出した3個の突起部26を有している。突起部26は、隣接する突起部26と中心軸において成す角が120度となる吐出孔25の内周面上の位置、つまり吐出孔25の内周面上の周方向に等間隔となる位置に配置され、吐出孔25の内周面から中心軸に向かう方向の長さaが3μmで形成されている。
図3は、図1に示すX−X′断面の一部を示す断面図である。吐出孔25は、中心軸方向が鉛直方向に略平行であり、インク30は、吐出方向であるこの吐出孔25の中心軸方向の矢印Z方向に吐出される。圧電基板11に電圧を印加して剪断変形させると、図3(A),(B)に示す順にインク流路20に収納されているインクが加圧されて吐出孔25からインク30が外部に徐々に押し出され始める。
さらにインクが加圧されると図3(C)に示すように、インク流路20内のインクに付与された圧力による矢印Z方向のインク30を外部に押し出す力及び矢印Z方向の慣性力と、インク30に作用する表面張力による矢印Z方向とは反対方向のインク30を吐出孔25の内部方向に引き戻す力によってインク30のメニスカス(インク30の表面が作る曲面)にくびれ40が生じる。
この時、突起部26に接触する吐出孔25付近のインク30には、表面張力により吐出孔25の内周面から突起部26の先端部に向かう方向の力が作用する。複数の突起部26は、吐出孔25の内周面上に周方向に等間隔に配置されているので、インク30のメニスカスの尾部(突起部26とインク滴が接する部分)は、吐出孔25の中心軸に対して回転対称な形状になる。その後、インク30は、図3(D)に示すようにくびれ40部分で分離して記録媒体にインク滴として吐出される。
上述のように複数の突起部26が吐出孔25の内周面上に周方向に等間隔に配置されているので、インク30に作用する表面張力による出孔25の内周面から突起部26の先端部に向かう方向の力がインク30に均等に作用する。これによって、吐出孔25に微小突起が形成された場合や吐出孔25付近に異物が付着した場合であっても吐出孔25の矢印Z方向に吐出することができ、吐出孔25の加工精度や異物によってインク滴の吐出性能が低減することを防止でき、インク滴を適切な吐出位置に安定して吐出することができる。
例えば、吐出孔25付近に異物が付着した場合であっても、異物がインク30に接触することにより作用する表面張力によって、吐出孔25の中心軸から異物が位置する方向にインク30が引っ張られるが、インク30は吐出孔25の内周面から中心軸に向かう方向に引っ張られるので、吐出孔の中心軸から異物が位置する方向の力を打ち消してインク30が矢印Z方向に吐出される。本来、液体は表面張力によりその表面積を縮めようとする傾向があり、その結果、異物よりも内側にある突起部26側に引っ張られるからである。
本実施形態では、突起部の長さaを3μmに設定し、吐出孔25の直径20μmに対し0.15倍の大きさとしているが、特にこれに限定されるものではなく、吐出孔25の直径の0.05倍から0.4倍とするのが好ましい。長さaが直径の0.05倍未満の場合は、吐出孔25の内周面と突起部の先端部との差が小さく、インク30に吐出孔25の内周面から突起部26の先端部に向かう方向の力が効果的に作用しないからである。また、吐出孔25の直径の0.40倍以上とした場合は、吐出孔25の目詰まりが顕著となる等の不具合が生じ易くなるからである。
また、本実施形態では、吐出孔25の内周面上に3個の突起部26を配置したが、特にこれに限定されるものではなく、吐出孔25の内周面上に周方向に等間隔に配置すれば3個以上であってもよい。例えば、図2(B)に示すような8個の突起部26を備えた構成がある。
但し、突起部26の数は、3〜8個が望ましい。3個未満だとインク30に作用する表面張力による出孔25の内周面から突起部26の先端部に向かう方向の力がインク30に均等に作用せず、逆に吐出方向の偏向が生じ易くなるからである。また、突起部26の数が8個より多いと突起部26を含めた吐出孔25の加工要求精度が高くなり、コストも高騰するため好ましくないからである。
なお、本実施形態の突起部25では、図2に示すように吐出孔25の一端から他端にわたって突起部が形成されているが、特にこれに限定されるものではない。少なくとも吐出孔25の外部(記録媒体)に面する端部の内周面上に形成されていればよい。
図4は、本実施形態のノズルプレート13の吐出孔25を形成するレーザー加工装置50の構成を示す簡略図である。ノズルプレート13は、その表面に撥インク性を有する撥液層を形成した後、同図に示すエキシマレーザ等のレーザ加工装置50を用いて、突起部26を含めて吐出孔25を高精度に加工(形成)する。
レーザ加工装置50は、レーザ光52を発振するレーザ光源51、レーザ光52の強度、レーザ光52を反射する反射鏡53〜55、平行度等を調整する整形光学系56、レーザ光52を所望のパターン形状とするためのマスク57、マスク57を通過したレーザ光52を結像させるための縮小投影レンズ58及び加工前のノズルプレート13を固定するステージ60等から構成される。
レーザ光源51は、レーザ光52を照射するのに必要な図示しない電源装置が接続されている。なお、レーザ光源52としては、エキシマレーザが好適である。エキシマレーザは、被加工材料に対するダメージが非常に少なく、微細な加工に適しているからである。また、ノズルプレート13は、ポリイミドフィルム材料(PIフィルム)で形成されている。
吐出孔25を加工する際は、まず加工前のノズルプレート13をステージ50に固定する。ステージ60の位置を調整し、ノズルプレート13上に結像するレーザ光52のパターン(吐出孔25像)の直径が20μmとなるように、縮小投影レンズ58の縮小率を例えば5分の1倍に設定する。
この状態で、レーザ光源51に接続した図示しない電源装置をONにすると、レーザ光源51からレーザ光52が照射される。レーザ光52は、整形光学系56及びマスク57を通過し、縮小投影レンズ58で集光されて、ステージ60に固定したノズルプレート13に直径20μmの吐出孔25の像を結像する。この時、アブレーションによりポリイミドフィルム材料が分解気化し、結像された形状に吐出孔25が形成される。
なお、マスク57の縮小率を適宜変更することで、形成する吐出孔25の大きさを変更することが可能である。例えば、複数の吐出孔25の同時形成の場合、マスク57の縮小率の変更により吐出孔25の孔径とともに複数の吐出孔25の配置間隔も変化するが、これに合わせて吐出孔25の配置間隔を調整したマスク57を用意することで吐出孔25の配置間隔と孔径とを所望の値にすることが可能である。
また、ノズルプレート13に用いるPIフィルム等の有機フィルムは、上述のアブレーションによる形状の加工性に優れるとともに安価であるので、ノズルプレート13を安価かつ容易に形成することができる。これにより、安価で加工精度の高いノズルプレート13を形成できる。
さらに、一旦形成された吐出孔25の形状の加工精度が不足していた場合であっても、この突起部26のみを微細に調整加工(トリミング)することで、容易に吐出方向の修正を行うことが可能となる。
従来のように吐出孔25の形状が真円形状の場合、吐出孔25が真円形状となっていない場合は、形状修正は不可能であるか、または、その形状のほぼ全周にわたって形状の修正加工を施すなどの方法をとる必要があった。一方、本発明によれば、突起部26の形状部分以外の形状については加工精度が必要とされていないため、修正すべき部分は最大でも突起部26の形状部分に限られる。したがって、より少ない工程数、費用によって修正加工が可能となる。
なお、この発明の実施形態では、剪断モード方式のインク吐出装置を用いたが特にこれに限定されるものではなく、カイザー方式やサーマルジェット方式等の種々の方式のインク吐出装置を用いることもできる。
11−圧電基板
13−ノズルプレート
25−吐出孔
26−突起部
30−インク
50−レーザ加工装置
100−インク吐出装置
13−ノズルプレート
25−吐出孔
26−突起部
30−インク
50−レーザ加工装置
100−インク吐出装置
Claims (4)
- インク滴を記録媒体に吐出する吐出孔であって、少なくとも前記記録媒体に面する前記吐出孔端部の内周面上における周方向に等分した位置に、前記吐出孔の中心軸に向かって突出した3以上の突起部を有する吐出孔を備えたことを特徴とするインク吐出装置。
- 前記突起部の前記内周面から中心軸に向かう方向の長さは、前記吐出孔の直径の0.05倍〜0.4倍であることを特徴とする請求項1に記載のインク吐出装置。
- 前記突起部は、前記内周面上に3〜8配置されていることを特徴とする請求項2に記載のインク吐出装置。
- 前記突起部を有する前記吐出孔は、エキシマレーザを用いて形成されたことを特徴とする請求項1に記載のインク吐出装置。
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2004
- 2004-11-02 JP JP2004319881A patent/JP2006130701A/ja active Pending
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