JP2017140806A - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】安定した吐出速度で液体を吐出することが可能な液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を提供する。
【解決手段】個別液室3を流れるインクの流量が、単位時間当たりに吐出される吐出量より多い場合、供給口4および排出口5の両方から供給されたインクを吐出する構成とし、供給流路7と排出流路8との間に、個別液室3とは別の連結流路9を設ける。
【選択図】図3
【解決手段】個別液室3を流れるインクの流量が、単位時間当たりに吐出される吐出量より多い場合、供給口4および排出口5の両方から供給されたインクを吐出する構成とし、供給流路7と排出流路8との間に、個別液室3とは別の連結流路9を設ける。
【選択図】図3
Description
本発明は、液体を吐出する液体吐出ヘッドおよびそれを備えた液体吐出装置に関する。
液体吐出ヘッドでは、液体が吐出される吐出口から、液体中の揮発成分が蒸発することで吐出口付近の色材濃度が変化することに起因する画像の色ムラや、吐出口付近の粘度上昇に伴う吐出速度変化による着弾精度の悪化といった問題がおこっている。このような問題に対する対策の1つとして、液体吐出ヘッドに供給するインクを循環させる方法が知られている。
特許文献1には、吐出口近傍を流動するインクへ、駆動回路から発生した熱を伝熱し排出流路へと排熱することにより、温度上昇起因の流体の粘度変動による液滴射出速度の変化を抑制する液滴射出ユニットが開示されている。
特許文献1では、入口導管から開口へ供給される液体の流量を、射出される流量より多くして、入口導管から供給された液体の一部を開口から射出し、その後、液体を出口導管へと流す構成である。このような構成の場合、入口導管から開口へと供給された液体は温度が上昇していない比較的粘度の高い液体であるため、導管内での圧力損失が大きくなることから、入口導管の流路幅が大きくなり、射出ユニットを高密度に配置することが困難である。
そこで、入口導管から供給される液体の流量を、射出される流量より少なくし、射出ユニットで射出を行うと、出口導管側からも液体が逆流して射出ユニットに流入して射出される。この場合、入口導管から吐出口へ供給される液体は、射出時の熱を受けていないため、温度は比較的低い。それに対して、出口導管にある液体は、駆動回路から伝熱されて温度が上昇している低粘度化した液体である。このような、出口導管側から逆流した温度が上昇している低粘度化した液体が、入口導管から吐出口へ供給される液体と混ざりつつ、射出時の熱を更に受けて射出される。その場合、入口導管から開口へ供給される液体だけを射出する場合と比較して、射出速度に変化が生じて着弾位置精度が低下してしまう。
よって本発明は、安定した吐出速度で液体を吐出することが可能な液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を提供することを目的とする。
そのため本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口と、前記吐出口と連通した液室と、前記液室に設けられ、液体の吐出に用いられるエネルギーを発生する吐出素子と、を備え、前記液室に流入した液体を前記吐出素子の作用によって吐出する液体吐出ヘッドにおいて、前記液室の一端部と接続された第1流路と、前記液室の他端部と接続された第2流路と、前記第1流路と接続された供給流路と、前記第2流路と接続された排出流路と、前記供給流路と前記排出流路とを直接接続する連結流路と、を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、安定した吐出速度で液体を吐出することが可能な液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を実現することができる。
(第1の実施形態)
以下、図面を参照して本発明の第1の実施の形態について説明する。
図1は、本実施形態を適用可能な、液体を吐出する液体吐出装置200を示した図である。本実施形態の液体吐出装置200は、シアンC、マゼンタM、イエローY、ブラックKの各インクごとに対応した単色用の液体吐出ヘッド208を搭載可能であり、液体吐出ヘッド208を4つ並列配置させることで記録媒体へフルカラー記録を行う。各液体吐出ヘッド208には、液体を貯留可能なバッファタンクおよびメインタンクが流体的に接続されている。また、それぞれの液体吐出ヘッド208には、液体吐出ヘッド208へ電力および吐出制御信号を伝送する電気制御部が電気的に接続されている。
以下、図面を参照して本発明の第1の実施の形態について説明する。
図1は、本実施形態を適用可能な、液体を吐出する液体吐出装置200を示した図である。本実施形態の液体吐出装置200は、シアンC、マゼンタM、イエローY、ブラックKの各インクごとに対応した単色用の液体吐出ヘッド208を搭載可能であり、液体吐出ヘッド208を4つ並列配置させることで記録媒体へフルカラー記録を行う。各液体吐出ヘッド208には、液体を貯留可能なバッファタンクおよびメインタンクが流体的に接続されている。また、それぞれの液体吐出ヘッド208には、液体吐出ヘッド208へ電力および吐出制御信号を伝送する電気制御部が電気的に接続されている。
図2は、液体吐出装置200における液体供給系の一例を示した図である。本実施形態の液体吐出装置200は、液体吐出ヘッド208内の液室の内部と前記液室の外部との間で液体が循環する装置である。詳しくは、インク等の液体をサブタンク21c、21dから液体吐出ヘッド208を通過し下流側のサブタンク21e、21fを介してメインタンク201へと循環させる形態の液体吐出装置である。液体吐出ヘッド208の流入口17はサブタンク21c、21dに、流出口18はサブタンク21e、21fに直接接続されている。サブタンク21c、21d、21e、21fには、液面水位センサ22c、22d、22e、22fが取り付けられている。メインタンク201とサブタンク21c、21dとの間にはポンプ23c、23dと弁24c、24dとが設けられている。また、メインタンク201とサブタンク21e、21fとの間にはポンプ23e、23fと弁24e、24fとが設けられている。これらポンプ23c、d、e、fおよび弁24c、d、e、fを制御することでメインタンク201からサブタンク21c、21dへの液体の供給およびサブタンク21e、21fからメインタンク201への排出を行い、サブタンク21c、21dと21e、21f間で所望の水頭を保つことができる。このような構成によって、駆動状態によらず記録ヘッド203の流入口17と流出口18間の圧力差で液体(以下、インクともいう)を液体吐出ヘッド203に供給しながら、サブタンク21cからチップを介してサブタンク21fへとインクを供給できる。流すインクとしては用途に応じてインク中の不揮発性溶媒、揮発性溶媒そして色材の濃度を調整したものが使用され、その粘度は0.002〜0.100Pa・sに調整されている。
なお、本明細書で述べる実施形態は本発明の適切な具体例であるから、技術的に好ましい様々の限定が付けられている。しかし、本発明の思想に沿うものであれば、本実施形態は本明細書の実施形態やその他の具体的方法に限定されるものではない。
図3、図4は、本実施形態を適用可能な、液体吐出ヘッド208の吐出部の断面図である。以下、これらの図面を参照して液体吐出ヘッド208の各部構成と全体を説明する。
本発明の液体吐出ヘッド208は、液体を吐出する為に利用されるエネルギーを発生する素子である圧力発生素子(吐出素子)10が形成されたチップ1上に吐出口6を形成し、インクが充填される個別液室3の一部を形成する吐出口形成部材2が設けられている。液体吐出ヘッド208には複数の吐出口6と複数の個別液室3とが設けられており、個別液室3の一端部は供給口4と接続されており、個別液室3の他端部は排出口5と接続されている。各個別液室3には、液体を吐出する為に利用される圧力発生素子(以下、ヒーターともいう)10に対面する位置に吐出口6が形成されている。ヒーター10は、記録画像データに応じて選択的に駆動され、ヒーター10の作用によって吐出口6から所望の量のインクが吐出される。吐出口6は、複数の吐出口6が列を成して吐出口列を形成している。また、吐出口列を挟むように、ヒーター10の両側には、個別液室3近傍の温度を制御可能な温調用熱源13が設けられている。
供給口4は供給流路7を介して共通供給流路15と、排出口5は排出流路8を介して共通排出流路16と連通しており、サブタンク202から供給されたインクをサブタンク203へと導くように構成されている。また供給流路7と、排出流路8とは、連結流路9で直接連通している。したがってヒーター10が休止状態の場合、供給流路7から流入してくるインクは、供給口4を通り個別液室3を通過し排出口5を介して排出流路8へ流れる流れと、供給流路7から連結流路9を介して直接排出流路8へ流れる流れの2つの経路で流れる。吐出口6から吐出されるインクは、供給流路7から供給口4を介して個別液室3に流入したインクが含まれる。
ここで、個別液室3を流れるインクの流量が、単位時間当たりに吐出される吐出量より多い場合、個別液室3は平面上に高密度に配置され流路高さも低く設定されているため、大きな圧力損失が発生し吐出特性が変化してしまう。このような吐出特性の変化を避けるため、単位時間当たりに吐出される吐出量より少ないインクが個別液室3に流入するように、上流側のサブタンク202と下流側のサブタンク203との圧力差は設定される。この設定でヒーター10が連続駆動すると、排出口5からもインクを引き込むようになり、供給口4および排出口5の両方から毛管現象によりインクが供給される。このように本実施形態では、供給口4および排出口5の両方からインクが供給されることから、供給側の流路幅を大きくする必要が無く、個別液室を高密度に配置することが可能である。
ヒーター10が休止状態あるいは駆動してからある程度時間が経てば、流れ場や温度分布は安定するが、過渡状態のときには様相は異なる。特に液体吐出ヘッド208の温度については、ヒーター10の単位時間あたりの発熱量が大きくなるにつれ、昇温の度合いも徐々に大きくなる。液体吐出ヘッド208の温度が徐々に高くなると、個別液室3内のインク粘度は時間とともに低粘度化し、吐出特性も変化してしまう。そこで、個別液室3近傍の温度をモニタリングし、設定値以下であると判定されればヒーター10あるいは個別液室3近傍を温める温調用熱源13をインクが沸騰しない程度駆動するよう制御する。これにより個別液室3内のインク温度を制御範囲内に保ち、粘度を安定させることができる。
しかし、ヒーター10を連続駆動した場合には、個別液室3では発熱量が大きくなり、個別液室3内で制御される温度から離れて高温になることがある。そして、高温のインクは駆動に伴い排出口5から個別液室へ再び流入してしまう。その場合、インクの低粘度化により吐出特性が変化してしまう。
そこで本実施形態では、個別液室3を通過した排出口5から供給されるインクに、連結流路9から流入してくる低温のインクを合流させることで、排出口5から供給されるインクの温度を下げている。
このような構成にすることで、ヒーター10が休止状態から駆動状態に移っても、温調制御により長期間における液体吐出ヘッド208の温度変化量が小さく、駆動に伴って排出口5から逆流するインクの温度も低くすることがでる。これによって、液体吐出装置200の使用開始時から終了までにわたって吐出特性を安定させることができる。
本実施形態で採用した液体吐出ヘッド208の各部における具体的な数値は、高さが10μm、幅が20μmの個別液室が8200個、高さが100μm、幅が1mmの連結流路が5本ある構成で、供給流路7と排出流路8間の圧力の差を981Paに設定した。その結果、個別液室3での流量は4.2×10-12m3/s、連結流路9での流量は0.9×10-7m3/sとなる。
本実施形態の構成の効果を確認するため、連結流路9が無い構成と比較してみると、ヒーター10休止時の排出流路8のインク温度は48℃、連結流路が有る構成の場合は37℃と低くなっている。それぞれの構成においてヒーター10を駆動し始めると、供給口4から個別液室3を通って排出口5に流れていたインクが再び個別液室3に流入してくる。そのときの個別液室3内のインク温度は、連結流路9が有る構成の方が無い構成に比べ5℃低くなる結果が得られた。
なお、本実施形態では、連結流路9の具体的な作成手段については明記していないが、個別流路3内を通る流路とは別に供給流路7と排出流路8とを直接連通する流路を構成できる作成手段であればどのような製法でもよい。
このように、供給口4および排出口5の両方から供給されたインクを吐出する構成とし、供給流路7と排出流路8との間に、個別液室3とは別の連結流路9を設ける。これによって、安定した吐出速度で液体を吐出することが可能な液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を実現することができた。
(第2の実施形態)
以下、図面を参照して本発明の第2の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第1の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。
以下、図面を参照して本発明の第2の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第1の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。
図5は、本実施形態を適用可能な、液体吐出ヘッド228の吐出部の断面図である。本実施形態では、チップ1と支持部材12との間に、熱拡散率が低い断熱部材11を設けている。本実施形態の構成においてヒーター10が駆動している場合、ヒーター10から発せられる熱は、断熱部材11を介して支持部材12側へは伝わり難く、個別液室3近傍のインクに伝熱し、吐出により記録ヘッド228の外側へと排熱される。
このときの個別液室3近傍のインク温度は、吐出量とヒーター10の発熱量のバランスにより決定され、例えば吐出量が3×10-15m3でヒーター発熱量が0.5μJ、そして流入してくるインク温度が25℃のとき個別液室3内のインク温度は65℃となる。これは、通常使用するインク温度と比較すると高めであるため、ヒーター10が休止状態から駆動状態にわたる全範囲において、個別液室3内のインク温度を設定温度範囲内に制御するには、ヒーター10が休止状態のときの温調温度も高めに制御する必要がある。
ヒーター10休止時の温調温度が高くなると、個別液室3から排出口5を通って排出流路8へ流れるインク温度は高くなり、駆動に伴って排出口5から再び個別液室3へ流入してくるため個別液室3内でのインク温度が異常に高くなってしまう。そこで本実施形態では、排出口5と排出流路8との合流部でのインク温度を下げるため、連結流路9の断面積を大きくし、供給流路7と排出流路8とにかかっている圧力差も大きくすることにより、連結流路9を通過するインク流量を増やしている。このようにして連結流路9を通過するインク流量を増やして、排出口5から再び個別液室3へ流入してくるインク温度を下げて、インクの粘度を安定化することで、液体吐出装置200の使用開始時から終了までにわたって吐出特性を安定させることができる。
このように、供給口4および排出口5の両方から供給されたインクを吐出する構成とし、チップ1と支持部材12との間に熱拡散率が低い断熱部材11を設け、更に連結流路9の断面積を大きくする。これによって、安定した吐出速度で液体を吐出することが可能な液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を実現することができた。
(第3の実施形態)
以下、図面を参照して本発明の第2の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第1の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。
以下、図面を参照して本発明の第2の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第1の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。
図6は、本実施形態を適用可能な、液体吐出ヘッド238の吐出部の断面図である。本実施形態では、チップ1と支持部材12との間に、熱拡散率が低い断熱部材11を設け、更に、ヒーター10や温調用熱源13が含まれる領域と連結流路9との間にも熱拡散率が低い接合部材14を設けている。本実施形態の構成により、ヒーター10が休止して温調用熱源13が発熱している状態でも、接合部材14によって連結流路9を流れるインクへ熱が伝わりにくくなるため、排出口5と排出流路8の合流部でのインク温度を下げることができる。その結果、駆動状態によらず個別液室3内のインク温度を全範囲にわたって設定された温度範囲に制御することができ、吐出特性を一定に保つことができる。
このように、供給口4および排出口5の両方から供給されたインクを吐出する構成とし、チップ1と支持部材12との間に熱拡散率が低い断熱部材11を設け、更にヒーター10が含まれる領域と連結流路9との間にも熱拡散率が低い接合部材14を設ける。これによって、安定した吐出速度で液体を吐出することが可能な液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を実現することができた。
なお、断熱部材11を設けることなく、接合部材14だけ設ける構成でもよい。また、以上説明してきた各実施形態において、連結流路9は供給口4および排出口5近傍に配置した構成を説明したがこれに限定するものではなく、思想に沿うものであれば別形態の構成でもよい。
3 個別液室
4 供給口
5 排出口
7 供給流路
8 排出流路
9 連結流路
10 ヒーター
11 断熱部材
13 温調用熱源
200 液体吐出装置
202 サブタンク
203 サブタンク
208 液体吐出ヘッド
4 供給口
5 排出口
7 供給流路
8 排出流路
9 連結流路
10 ヒーター
11 断熱部材
13 温調用熱源
200 液体吐出装置
202 サブタンク
203 サブタンク
208 液体吐出ヘッド
Claims (9)
- 液体を吐出する吐出口と、前記吐出口と連通した液室と、前記液室に設けられ、液体の吐出に用いられるエネルギーを発生する吐出素子と、を備え、前記液室に流入した液体を前記吐出素子の作用によって吐出する液体吐出ヘッドにおいて、
前記液室の一端部と接続された第1流路と、
前記液室の他端部と接続された第2流路と、
前記第1流路と接続された供給流路と、
前記第2流路と接続された排出流路と、
前記供給流路と前記排出流路とを直接接続する連結流路と、を備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記第1流路から前記液室に単位時間当たりに供給される液体の量は、前記液室から単位時間当たりに吐出される液体の量よりも少ないことを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記第1流路と前記第2流路とから供給された液体を吐出することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記液室の温度を制御可能であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記供給流路および前記排出流路を構成する第1部材の熱拡散率の値が、前記第1流路と前記第2流路、および前記液室の一部を形成する第2部材の熱拡散率の値よりも低いことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記第2部材は前記連結流路の一部を形成しており、
前記第2部材と前記連結流路との間に、前記第2部材の熱拡散率の値よりも低い値の熱拡散率の部材が設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。 - 複数の前記液室および前記吐出口が設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記液室に流入する液体は、前記液室の内部と前記液室の外部との間で循環することを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 液体を吐出する吐出口と、前記吐出口と連通した液室と、前記液室に設けられ、液体の吐出に用いられるエネルギーを発生する吐出素子と、を備えており前記液室に流入した液体を前記吐出素子の作用によって吐出する液体吐出ヘッド、を搭載可能であり、
前記液体吐出ヘッドへ供給する液体および前記液体吐出ヘッドが排出した液体を貯留するタンクを備えた液体吐出装置において、
前記液体吐出ヘッドは、
前記液室の一端部と接続された第1流路と、
前記液室の他端部と接続された第2流路と、
前記第1流路と接続された供給流路と、
前記第2流路と接続された排出流路と、
前記供給流路と前記排出流路とを直接接続する連結流路と、を備えていることを特徴とする液体吐出装置。
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JP2016025220A JP2017140806A (ja) | 2016-02-12 | 2016-02-12 | 液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 |
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-
2016
- 2016-02-12 JP JP2016025220A patent/JP2017140806A/ja active Pending
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