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JP3715696B2 - 液体吐出ヘッド、ヘッドカートリッジおよび液体吐出装置 - Google Patents

液体吐出ヘッド、ヘッドカートリッジおよび液体吐出装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機、ファクシミリ、ワープロ、ホストコンピュータの出力用端末としてのプリンタ、ビデオプリンタ等に用いられるインクジェット記録ヘッドおよび装置に関し、特に記録のためのエネルギーとして利用される熱エネルギーを発生する電気熱変換素子を形成した素子基体を有する液体吐出ヘッド(以下、「インクジェット記録ヘッド」あるいは「インクジェットヘッド」ともいう)、該ヘッドを有する液体吐出装置(以下、「インクジェット記録装置」あるいは「インクジェット装置」ともいう)およびヘッドカートリッジに関する。なお、ここで、記録とは、布、糸、紙、シート材等のインク付与を受けるインク支持体全てへのインク付与等(プリント)を含むもので、インクジェット記録装置は、各種情報処理装置全てあるいはその出力器としてのプリンタを含むものであり、本発明はこれらへの用途が可能なものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、インクジェット記録装置は小型化、低価格化のみならずカラー記録、高画質記録の要求が高まってきている。これに対し、従来、高画質を実現するためには記録ヘッドの精密かつ複雑な構成と制御を必要としていたため、きわめて高価で、装置自体も大きいものであった。
【0003】
一方、特開昭55−132259号公報には、1ノズル内に2つの電気熱変換素子(大小も含む)を設けることで非常にシンプルな構成でドットサイズを変調し、高階調、高画質を実現するものが提案されている。この発明は、多値記録を行う上で重要な発明である。
【0004】
1ノズル内に1つの電気熱変換素子が配されるタイプのヘッドで、所望の吐出量を得るために行われる設計は、特に電気熱変換素子の発熱領域の面積とノズル形状(特に吐出口面積、ノズル長さや断面積)に着目して通常成されている。
【0005】
そして、インクの吐出量と電気熱変換素子の発熱領域の面積は、ほぼ比例関係にあることが知られており、電気熱変換素子は、他の配線と同様に素子基板に作り込まれており、ノズルの作成に比べ改良を加えることが困難であることが知られている。このため、1ノズル内に1つの電気熱変換素子が配されたタイプのヘッドの設計においては、まず、電気熱変換素子の発熱領域の面積で大体の吐出量の狙いをつけ、より正確に吐出量を調整する場合に、加工調整し易い吐出口面積を微妙に変えて調整を行うという設計を行っていた。
【0006】
【背景技術】
1ノズル内に配された複数の電気熱変換素子を用いて吐出量変調を行うヘッドにおいては、夫々の電気熱変換素子の発熱領域の重心から吐出口が設けられた位置までの距離(吐出口面までの距離)がほぼ同じならば、この距離の違いに伴う、夫々の電気熱変換素子ごとの吐出量の差は考慮しなくてよい。
【0007】
このため、1ノズル内に複数の電気熱変換素子を持つ形態のヘッドの設計においても、その吐出量を決定する場合1ノズルに1つの電気熱変換素子を持つヘッドの、吐出量と電気熱変換素子の発熱領域面積の比例関係を利用して、複数の電気熱変換素子における所望の吐出量の比を電気熱変換素子の発熱領域の面積比と同じとし、大体の吐出量の狙いをつけて、電気熱変換体の発熱領域の面積比を決定し、次にオリフィス面積を微妙に変えた試作によって、より正確に吐出量を調整する設計を発明者らは行ってみた。ところが、この設計方針に基づいて記録ヘッドを設計した際、ある程度所望の吐出量が得られるが、最近の高画質化、高階調性、高精細、小吐出量化、高エネルギー効率の要求に対応するため、夫々の電気熱変換体に対応する吐出量をより正確に調整しようとした場合、要求どおりの階調性を持つインクの吐出量を得ることが難しいことがわかった。これは、1ノズル内に設けた複数の電気熱変換素子の発熱領域の面積比が必ずしも吐出量の比と一致せず、他の要素が複合的にからむためと考えられる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、1ノズル内に複数の電気熱変換体を有するヘッドでは、高精度、階調性を得るための吐出量の比を得るまでに段階をおった試作を何度も繰り返すことになり、時間的作業的にロスが多くなる虞れがある。このため、良好な階調性を達成できる記録ヘッドの提供を行うことを本発明の課題とする。
【0009】
又、さらに本発明者達は、それぞれ吐出量を異ならせるために設けられた複数の電気熱変換素子に要求される吐出安定条件を追求したところ、上述のようなヘッド設計を行う上で要求される吐出量の比を、電気熱変換素子の発熱領域の面積比(好ましくは電気熱変換素子のサイズと形状)とある関係に置くことで高い階調性や高エネルギー効率を達成することができることがわかった。従ってこの関係を規定することによって良好な階調性を高いエネルギー効率で得ることをも本発明の課題である。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の夫々の電気熱変換素子で所望の階調性を持った吐出量を安定的に得るものである。
【0011】
電気熱変換素子には、実際の吐出エネルギーに寄与する(液体の発砲に寄与する)発熱領域と直接的には吐出エネルギーとして利用されない(液体の発砲に寄与しない)発熱領域が存在することがわかった。これは、加熱時に電気熱変換素子の発熱領域に温度分布が生ずるためで、発熱領域周囲部は中心部より温度が低いためインクを加熱発泡する温度には達しない非発泡領域となり吐出エネルギーとして直接には寄与しない。逆に、発熱領域のインクを発泡する領域を発泡領域ということにする。従って、この考え方に基づいて次なる方法により複数の電気熱変換素子の設計をすることで安定的に所望の吐出量を得ることができた。
【0012】
第一に、夫々の電気熱変換素子による吐出量の比をある値に設定しようとした際、電気熱変換素子の発熱領域の面積をその比よりやや小さい比に設計することが有効である。
【0013】
第二に、より好ましくは、設定しようとする夫々の電気熱変換素子による吐出量の比に対し、夫々の電気熱変換素子の発熱領域の幅の比を、夫々0.1〜10μmの長さを引いたものと同じになるよう設計する。
【0014】
第三に、更に好ましくは、夫々の電気熱変換素子による吐出量の比と夫々の電気熱変換素子の有効発泡面積の比がほぼ一致することである。
【0015】
第四に、第三における有効発泡面積は電気熱変換素子の面積の周囲から1〜10μmの面積を除いたものである。
【0016】
以上述べた点は、吐出口が配された位置と電気熱変換素子の発熱領域の重心位置との距離が1ノズル内の複数の電気熱変換素子間でほぼ同じ(製造ばらつき程度3μm以内)であり、電気熱変換素子の材質、膜厚、印加パルス等の駆動条件が実質的に一致している場合において、特に望ましい条件である。逆に、この方法によりノズル、電気熱変換素子の設計をすることで、駆動条件等で夫々の電気熱変換素子の吐出量を微妙に制御する必要がなく、所望の吐出量を得られる。
【0017】
また、吐出量の比を上述のように簡単な方法で規定できるということは、画像を階調表現する際、より高い階調特性を得ることができるため、極めて重要である。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明のインクジェットヘッドの説明を行う。
【0019】
なお、以下の実施例で取り扱う液体とは、記録に用いるインク等の記録液体に限らず、本発明のヘッドを適用可能な液体であれば、どのような液体でもよい。
【0020】
《実施例1》
図1は、本発明の液体噴射ヘッドの液流路および電気熱変換素子の構成を示すための模式図であり、液流路を電気熱変換素子の対向する側から見た断面図である。
【0021】
液流路1は液室2と連通しており、液流路(ノズル)内には毛管力によってオリフィス(吐出口)付近にメニスカス3を形成する。ノズル内には2つ以上の電気熱変換素子を配せばよいが、本図では2つの電気熱変換素子の場合について説明する。
【0022】
2つの電気熱変換素子4,6はそれぞれ発熱抵抗層上に選択電極としての配線電極8,9と共通電極10の層とを形成しており、これらの配線電極間が発熱領域となる。選択電極8,9に選択的に電気信号(駆動信号)を印加することによって、それぞれの電気熱変換素子の発熱領域を独立又は同時に発熱させることができる。
【0023】
本発明においては、吐出口からそれぞれの電気熱変換素子の発熱領域の重心(CA,CB)までの距離をほぼ等しくしている。
【0024】
本発明が成り立つ2つの電気熱変換素子の発熱領域の重心と吐出口の距離のずれは3μm以下である。これ以上のずれになると、両者の発熱領域と吐出口との距離の違いによる吐出量の違いを考慮する必要が生じる。又、本実施例においては、発熱面積が異なる2つの電気熱変換体を1つの流路(ノズル)内に配している。この2つの電気熱変換素子の内、面積の小さい方の電気熱変換素子4はShAの面積の発熱領域を有し、大きい方の電気熱変換素子6はShBの面積の発熱領域を有する。いま夫々の電気熱変換素子4、6には夫々選択配線電極8と9が接続されており反対側の端子には共通配線電極10が接続されている。配線電極8、9の先にはトランジスタ等のスイッチング手段が接続され、電気熱変換素子4、6を選択的に駆動しノズル内のインクを吐出することができる。
【0025】
本実施例においては、夫々の電気熱変換素子4、6の面積ShA、ShBを夫々1445μm、2210μmとし、電気熱変換素子4、6による吐出量を夫々VdA=15ng、VdB=30ngとした。そして夫々の比率はVdB/VdA=2.0、ShB/ShA=1.53でありVdB/VdA>ShB/ShAを満足するよう作成した。
【0026】
【表1】
Figure 0003715696
【0027】
これは前述したように電気熱変換素子の発熱領域にはインクを発泡する発泡領域(点線内)5、7と、熱分布の関係でインクを発泡させる温度に達しない非発泡領域が存在することを考慮した設計を行ったためである。このような比率にすることで、必要とする異なる液量の吐出を安定的に行わせることができる。
【0028】
電気熱変換素子に存在する発泡領域について、図2を用いて簡単に説明する。本発明で用いた電気熱変換素子の膜の構成は、厚さ約500〜600μmのシリコン基板106上にSiO2等の絶縁体の蓄熱層105を成膜し、その上に抵抗層101を成膜パターニングする。その上に、SiO2やSiN等の絶縁体を用いた保護層103と発泡/消泡の衝撃波を吸収する耐キャビテーション層120を成膜する。抵抗層101には配線電極102A、102Bにより電圧を印加し電流を流し加熱する。抵抗層で発生した熱は、電気熱変換素子中央部では膜の重なり方向へ逃げるが、端部では膜の拡がり方向にも逃げる。このために、電気熱変換素子の表面のインクに接する面においては、電気熱変換素子中央部より端部の方が比較的温度が低い。この時、前記電気熱変換素子の表面温度分布をA−Aライン上で見ると図3の温度分布TempAの様な状態になり、電気熱変換素子中央部では主に熱が膜の重なり方向に逃げるために均一な温度分布となり、端部に近づくにつれて膜の拡がり方向に逃げるため温度が低くなって行くことがわかる。ここで、ΔT1は電気熱変換素子上のインクが発泡する下限温度であり、ΔT2は電気熱変換素子が高温になりすぎて熱ストレス等でダメージを受けて寿命が極端に短くなる温度である。従って、電気熱変換素子の温度を寿命を損なわずに安定的にインク発泡温度に制御しようとすると、図3のように必ず電気熱変換素子端部にインクを発泡させる温度に到達しない非発泡領域が存在することになる。
【0029】
特に、本発明のように、1つの液路内に複数の電気熱変換体を配す場合のように、電気熱変換体の面積に対して、周の長さが大きくなる場合には、上述のような非発泡領域を考慮した設計を成すことが必要であり、本発明はこのような非発泡領域を考慮して成したものである。
【0030】
《実施例2》
先の実施例1の場合のヘッドの構成とほぼ同様の構成とし、本実施例は、電気熱変換素子4、6の発熱領域の面積を夫々ShA=2520μm2、ShB=5880μm2とし、夫々の電気熱変換素子4、6による吐出量を夫々VdA=40ng、VdB=120ngとした。
【0031】
本実施例による電気熱変換素子ごとの吐出量の比および面積の比との関係は、VdB/VdA=3.0、ShB/ShA=2.3であり、本発明のVdB/VdA>ShB/ShAの関係を満たすようなされている。本実施例のヘッドによっても所望の量の液体の吐出を安定的に得ることができる。
【0032】
《比較例》
先の実施例1の場合のヘッドの構成とほぼ同様の構成とし、本実施例では、電気熱変換素子4、6の発熱領域面積を、夫々ShA=40×60=2400μm2、ShB=20×200=4000μm2とし、夫々の吐出量をVdA=42ng、VdB=58ngとした。
【0033】
本比較例による電気熱変換素子ごとの吐出量の比および面積の比との関係は、VdB/VdA=1.38、ShB/ShA=1.66、つまりVdB/VdA<ShB/ShAとなり、本発明の条件は満たさない。
【0034】
このような場合、駆動電圧は駆動パルス幅を一定とすると約10V、約33Vが適正電圧であり、駆動上エネルギー効率上不利であると共に、夫々の電気熱変換体による所望の吐出量を安定的に得ることが困難である。
【0035】
図4は、上述の各実施例(実施例1;A1、実施例2;A2)および比較例Bを、夫々の電気熱変換体の発熱領域の面積の比(横軸)に対する、吐出量の比(縦軸)のグラフに示したものである。
【0036】
点線は、面積の比と吐出量の比とが同じ場合であり、本発明の領域は斜線で示される部分である。先の実施例1(A1)および実施例2(A2)は、本発明の領域に入っており、夫々の電気熱変換素子で所望の液量の吐出を安定的に行うことができ、又駆動上、エネルギー効率上有利である。
【0037】
一方、比較例である(B)は、本発明の領域から除れており、前述のように、所望の液量の吐出を安定的に得ることが困難であり、又、駆動上、エネルギー効率上不利である。
【0038】
なお、以上の本発明の条件は、ノズルに対する夫々の電気熱変換素子の重心位置すなわち図1の電気熱変換素子4、5の重心CA、CBのオリフィス面からの距離OCA、OCBがほぼ同じ場合(誤差は製造ばらつき程度3μm以内)特に効果がある。又、電気熱変換素子の材質、膜厚、駆動条件が実質的に一致している場合がより望ましい。
【0039】
前述した電気熱変換体の非発泡領域の幅WA(d)は本発明の場合、3〜5μm程度であったが、これは膜の構成や材料、駆動条件によって異なり、条件に応じて0.1μm〜10μm程度を考慮する必要がある。これらの条件を考慮し、VdB/VdA>ShB/ShAの最適条件を求めると次の関係となる。夫々の電気熱変換素子の幅と長さをWhA、LhA、WhB、LhBとすると、VdB/VdA=((WhB−2WA)×(LhB−2WA))/((WhA−2WA)×(LhA−2WA))が理論上成り立つ。また、電気熱変換素子の幅と長さが明確でない場合は、電気熱変換素子4、5の外周よりWA/2内側の周長(図1点線の長さ)を夫々LA、LBとすればVdB/VdA=(ShB−LB×WA)/(ShA−LA×WA)が理論上成り立つ。この設計条件で夫々の電気熱変換素子を設計すれば、容易に所望の吐出量の比を設定することができる。実際には、夫々の電気熱変換素子の長さは駆動条件を同じにできるという理由から夫々ほぼ同じ長さに設計されることが多いため、関係式から削除して簡単な関係式VdB/VdA=(WhB−2WA)/(WhA−2WA)を用いることが可能である。また、たとえ異なった値でも、WAに対し十分大きい値であり、誤差は小さい。
【0040】
以上説明した様な手法で夫々の電気熱変換素子の吐出量の比さえ設定すれば、全体の吐出量の調整などは前述したようにオリフィス面積やノズルに対する電気熱変換素子の位置などの後の行程で行えば良く、設計上、製造上容易である。
【0041】
次に、このヘッドを用いた階調制御の説明を簡単に行う。
【0042】
図5(a)に示すように、ノズル壁109で挟まれた吐出ノズル104にはインクが満たされており、電気熱変換素子4および6に駆動信号を加えインクを加熱発泡させると発泡圧力によりオリフィス40よりインクが吐出される。(b)は小サイズ電気熱変換素子4が加熱発泡され、小発泡119により小ドロップ114が吐出された状態を示す。この時の吐出量を約30ngとする。次に、(c)は大サイズ電気熱変換素子6が加熱発泡され、大発泡112により大ドロップ115が吐出された状態を示す。大サイズ電気熱変換素子6は小サイズ電気熱変換素子4の有効発泡面積の2倍で設計すれば、吐出量は有効発泡面積に比例するため、約60ngの吐出量になる。(d)は両方の電気熱変換素子を共に加熱発泡した状態を示す。この場合、吐出量は夫々の電気熱変換素子での吐出量の合計の90ngとなる。このような吐出量で画像を形成した場合を、反射濃度で示したものが図6である。濃度はインクの吐出量に比例するため、3種の濃度を得ることになる。すなわち、大小2つの電気熱変換素子で4値の階調制御を実現している。前述した吐出量の比率の重要性もこのことから明らかであり、このバランスが崩れると階調制御のリニアリティが損なわれる。
【0043】
次に、以上説明したヘッドの構成を具体的に説明する。ノズルまわりの構成は図7および図8で示す。両者は、夫々エッジシュータタイプとサイドシュータタイプと呼ばれる構成であり、吐出ノズル104内のインクを電気熱変換素子3および6で加熱発泡して、側方あるいは上方に解放されたオリフィス40から吐出させるものである。素子基板23はベースプレート41に接着されており、ノズル壁109は天板42に設けられている。
【0044】
図9は本発明のインクジェットヘッド(液体噴射ヘッド)と、このインクジェットヘッドに供給するためのインクを保持したインク容器とを分離可能に接続したインクジェットヘッドカートリッジである。
【0045】
尚、このインクジェットヘッドカートリッジを構成するインク容器へのインクの注入は、次のように行えばよい。
【0046】
インク容器にインク供給パイプ等を接続することでインクを導入するインク導入路を形成し、このインク導入路を介してインク容器にインクを注入すればよい。インク容器側のインク供給口としては、インクジェットヘッド側への供給口、大気連通口や、インク容器の壁面にあけた穴等を用いればよい。
【0047】
図10は、以上のように構成されるインクジェット記録ヘッドが搭載されるインクジェット記録装置の一例の外観図を示す。このインクジェット記録装置IJRAは、駆動モータの2010の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア2020、2030を介して回転するリードスクリュウ2040を有する。インクジェット記録ヘッドとインクタンクとが一体化されたインクジェットカートリッジIJCが載置されるキャリッジHCは、キャリッジ軸2050およびリードスクリュウ2040に支持され、リードスクリュウ2040の羅線溝2041に対して係合するピン(不図示)を有しており、リードスクリュウ2040の回転にともなって、矢印a、b方向に往復移動される。2060は紙押え板であり、キャリッジ移動方向にわたって紙Pを被記録媒体を搬送する搬送手段を構成するプラテンローラ2070に対し押圧する。2080および2090はフォトカプラで、これらは、キャリッジHCに設けられたレバー2100のこの域での存在を確認してモータ2010の回転方向切り換え等を行うためのホームポジション検知手段として動作する。2110は記録ヘッドの全面をキャップする部材であり、支持部材2120により支持されている。2130はこのキャップ内を吸収する吸収手段であり、キャップ内開口を介して記録ヘッドの吸引回復を行う。記録ヘッドの端面をクリーニングするクリーニングブレード2140は、前後方向に移動可能に部材2150に設けられており、これらは本体支持板2160に支持されている。ブレード2140はこの形態に限定されず、周知のクリーニングブレードが本例に適用できることはいうまでもない。また、2170は吸引回復の吸引を回復するためのレバーであり、キャリッジHCと係合するカム2180の移動にともなって移動するようになっており、これにより駆動モータ2010からの駆動力がクラッチ切り換え等の周知の伝達手段で移動制御される。
【0048】
これらのキャッピング、クリーニング、吸引回復はキャリッジHCがホームポジション側領域にきたときにリードスクリュウ2040の作用によってそれらの対応位置で所望の処理が行えるように構成されているが、周知のタイミングで所望の動作を行うようにすれば、本例には何れも適応できる。
【0049】
又、本発明のインクジェット装置は、本発明のインクジェットヘッドの発熱抵抗体を駆動するための信号を、ヘッドに与える駆動信号供給手段を有している。
【0050】
以上、本実施例では2つの電気熱変換素子の場合で説明を行ったが、1ノズル内に3つ以上の電気熱変換素子がある場合においても、それらの何れかの電気熱変換素子による吐出量比と面積比との関係が、前述した関係式が成り立つことはいうまでもない。
【0051】
又、本記録装置には、ヘッドの各電気熱変換体を駆動するための駆動信号供給手段が設けられている。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように、複数の電気熱変換素子による吐出量の比と面積の比の関係を適正に設定することで、所望の吐出量を得られ、よりリニアリティの高い階調制御が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のインクジェットヘッドの液流路および電気熱変換素子の構成を示すための模式図。
【図2】電気熱変換素子の発泡領域を説明するための図。
【図3】電気熱変換素子の表面温度分布を説明するための図。
【図4】電気熱変換素子の比に対する吐出体積の比を示すための図。
【図5】本発明のインクジェットヘッドによるヘッドの駆動状態を説明するための図。
【図6】吐出量と反射濃度との関係を示すための図。
【図7】本発明のヘッドの構造を示す模式図。
【図8】本発明のヘッドの構造を示す模式図。
【図9】本発明のインクジェットヘッドを用いたインクジェットヘッドカートリッジの模式図。
【図10】本発明のインクジェット装置を説明するための図。
【符号の説明】
1 液流路
2 液室
4、6 電気熱変換素子
8、9 配線電極
10 共通配線電極

Claims (10)

  1. 液体を吐出するための吐出口を有する液流路と、一つの前記液流路ごとに対応して複数設けられ、それぞれ、材質及び膜厚が実質的に等しく、前記吐出口から発熱領域の重心までの距離がほぼ等しい位置に配された電気熱変換素子とを、有し、
    前記複数の電気熱変換素子の内、2つの電気熱変換素子の発熱領域の面積をそれぞれSh1、Sh2(Sh1>Sh2)とし、前記2つの電気熱変換素子を実質的に等しい駆動条件で駆動したときのこれらの電気熱変換素子による液体の吐出量を夫々Vd1、Vd2としたとき、前記2つの電気熱変換素子がVd1/Vd2>Sh1/Sh2の関係を満たす形状を有していることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  2. 前記2つの電気熱変換素子の発熱領域の長さがほぼ等しく、夫々の発熱領域の幅をW1、W2とし、非発泡領域の幅dとしたとき、
    Vd1/Vd2は(W1−2d)/(W2−2d)と実質的に等しい関係にある請求項1記載の液体吐出ヘッド。
  3. 前記2つの電気熱変換素子の夫々の発熱領域の幅をW1、W2とし、発熱領域の長さをL1、L2とし、非発泡領域の幅dとしたとき、Vd1/Vd2は((W1−2d)×(L1−2d))/((W2−2d)×(L2−2d))と実質的に等しい関係にある請求項1記載の液体吐出ヘッド。
  4. 前記吐出口が配された位置と前記一つの液流路に対応して設けられた複数の電気熱変換素子の前記吐出口から発熱領域の重心までの距離の差は3μm以内である請求項1記載の液体吐出ヘッド。
  5. 前記1つの液流路に対応して設けられる電気熱変換素子の数は2つである請求項1記載の液体吐出ヘッド。
  6. 前記液体は、インクである請求項1記載の液体吐出ヘッド。
  7. 請求項1ないし6のいずれかに記載の液体吐出ヘッドと、
    該液体吐出ヘッドに供給するための液体を保持する液体容器とを有することを特徴とするヘッドカートリッジ。
  8. 前記液体吐出ヘッドと前記液体容器とは着脱可能である請求項7記載のヘッドカートリッジ。
  9. 請求項1ないし6のいずれかに記載の液体吐出ヘッドと、被記録媒体を搬送するための搬送手段と、を有することを特徴とする液体吐出装置。
  10. 請求項1ないし6のいずれかに記載の液体吐出ヘッドと、該液体吐出ヘッドを駆動するための駆動信号供給手段と、を有することを特徴とする液体吐出装置。
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