JP2022151020A - 液体吐出ヘッド駆動回路、液体吐出ヘッド - Google Patents

液体吐出ヘッド駆動回路、液体吐出ヘッド Download PDF

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Abstract

Figure 2022151020000001
【課題】チャネル間での駆動タイミングの遅延を実現することのできる液体吐出ヘッド駆動回路、及び液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】実施形態の液体吐出ヘッド駆動回路は、共通波形生成部、タイミング生成部及び選択駆動回路を備える。共通波形生成部は、先行する波形が終わらないうちに遅延側の波形が始まり且つ遅延側の波形が終わらないうちに先行する波形が終わる開始点の異なる複数の駆動波形の波形要素を混載した共通波形を生成する。タイミング生成部は、互いに異なる複数の抽出タイミングを生成する。選択駆動回路は、抽出タイミングに従い波形要素を抽出することによって開始点の異なる駆動波形を抽出し、液体を吐出する複数のチャネルの静電容量性アクチュエーターに夫々与える。
【選択図】図4

Description

本発明の実施形態は、液体吐出ヘッド駆動回路、及び液体吐出ヘッドに関する。
所定量の液体を所定の位置に供給する液体吐出ヘッドが知られている。液体吐出ヘッドは、例えばインクジェットプリンタ、3Dプリンタ、分注装置などに搭載する。インクジェットプリンタは、インクの液滴をインクジェットヘッドから吐出して、記録媒体の表面に画像等を形成する。3Dプリンタは、造形材の液滴を造形材吐出ヘッドから吐出し、硬化させて、三次元造形物を形成する。分注装置は、試料の液滴を吐出して複数の容器等へ所定量供給する。
液体吐出ヘッドは、液体を吐出するチャネルを複数有している。各チャネルは、液体を吐出するノズル、ノズルに連通する圧力室、及びアクチュエーターを備える。液体吐出ヘッドは、複数のチャネルの中から液体を吐出するチャネルを選択し、アクチュエーターに駆動信号を与えて駆動させる。アクチュエーターを駆動すると液体で満たされている圧力室の容積が変わり、ノズルから液体を吐出する。
複数のチャネルを有する液体吐出ヘッドは、例えば圧力振動に因るチャネル間のクロストークの問題や、複数のチャネルを駆動する際の電流集中に因る電圧降下の問題などがある。対策として、例えば周囲のチャネル間で駆動タイミングをずらす手法がある。但し、チャネル間での駆動タイミングの遅延を実現するには、遅延量毎の駆動波形とその配線パターンを夫々用意しなければならないという問題があった。
特許第3264422号公報 特許第3618733号公報 特開2001-246738号公報 特開平10-315451号公報 特開2002-154207号公報
本発明が解決しようとする課題は、チャネル間での駆動タイミングの遅延を実現することのできる液体吐出ヘッド駆動回路、及び液体吐出ヘッドを提供することにある。
本発明の実施形態の液体吐出ヘッド駆動回路は、共通波形生成部、タイミング生成部及び選択駆動回路を備える。共通波形生成部は、先行する波形が終わらないうちに遅延側の波形が始まり且つ遅延側の波形が終わらないうちに先行する波形が終わる開始点の異なる複数の駆動波形の波形要素を混載した共通波形を生成する。タイミング生成部は、互いに異なる複数の抽出タイミングを生成する。選択駆動回路は、抽出タイミングに従い波形要素を抽出することによって開始点の異なる駆動波形を抽出し、液体を吐出する複数のチャネルの静電容量性アクチュエーターに夫々与える。
実施形態に従うインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタの全体構成図である。 上記インクジェットヘッドの斜視図である。 上記インクジェットヘッドのアクチュエーターの断面図である。 実施形態に従うインクジェットヘッド駆動回路のブロック構成図である。 上記インクジェットヘッド駆動回路内の選択駆動回路の詳細図である。 上記インクジェットヘッド駆動回路の動作のタイミングチャートである。
以下、実施形態に従う液体吐出ヘッドについて、添付図面を参照しながら詳述する。なお、各図において、同一構成は同一の符号を付している。
実施形態の液体吐出ヘッドを搭載した画像形成装置の一例として、記録媒体に画像を印刷するインクジェットプリンタ10を説明する。図1は、インクジェットプリンタ10の概略構成を示す。インクジェットプリンタ10は、筐体11の内部に、記録媒体の一例であるシートSを収納するカセット12、シートSの上流搬送路13、カセット12内から取り出したシートSを搬送する搬送ベルト14、搬送ベルト14上のシートSに向けてインクの液滴を吐出する複数のインクジェットヘッド100~103、シートSの下流搬送路15、排出トレイ16、及び制御基板17を配置する。ユーザーインターフェイスである操作部18は、筐体11の上部側に配置する。
シートSに印刷する画像データは、例えば外部接続機器であるコンピュータ200で生成する。コンピュータ200で生成した画像データは、ケーブル201、コネクタ202,203を通してインクジェットプリンタ10の制御基板17に送る。
ピックアップローラ204は、カセット12からシートSを一枚ずつ上流搬送路13へ供給する。上流搬送路13は、送りローラ対131、132と、シート案内板133、134で構成する。シートSは、上流搬送路13を経由して、搬送ベルト14の上面に送る。図中の矢印104は、カセット12から搬送ベルト14へのシートSの搬送経路を示す。
搬送ベルト14は、表面に多数の貫通孔を形成した網状の無端ベルトである。駆動ローラ141、従動ローラ142,143の3本のローラは、搬送ベルト14を回転自在に支持する。モータ205は、駆動ローラ141を回転することによって搬送ベルト14を回転させる。モータ205は、駆動装置の一例である。図中105は、搬送ベルト14の回転方向を示す。搬送ベルト14の裏面側に、負圧容器206を配置する。負圧容器206は、減圧用のファン207と連結する。ファン207は、形成する気流によって負圧容器206内を負圧にし、搬送ベルト14の上面にシートSを吸着保持させる。図中106は、気流の流れを示す。
液体吐出ヘッドの一例であるインクジェットヘッド100~103は、搬送ベルト14上に吸着保持したシートSに対して、例えば1mmの僅かな隙間を介して対向するように配置する。インクジェットヘッド100~103は、シートSに向けてインクの液滴を夫々吐出する。インクジェットヘッド100~103は、下方をシートSが通過する際に画像を印刷する。各インクジェットヘッド100~103は、吐出するインクの色が異なることを除けば、同じ構造である。インクの色は、例えば、シアン,マゼンタ,イエロー,ブラックである。
インクジェットヘッド100~103は、夫々、インク流路311~314を介してインクタンク315~318及びインク供給圧力調整装置321~324と連結する。各インクタンク315~318は、各インクジェットヘッド100~103の上方に配置する。待機時に、インクジェットヘッド100~103のノズル25(図2参照)からインクが漏れ出ないように、各インク供給圧力調整装置321~324は、各インクジェットヘッド100~103内を大気圧に対して負圧、例えば-1.2kPaに調整している。画像形成時、各インクタンク315~318のインクは、インク供給圧力調整装置321~324によって各インクジェットヘッド100~103に供給される。
画像形成後、搬送ベルト14から下流搬送路15へシートSを送る。下流搬送路15は、送りローラ対151,152,153,154と、シートSの搬送経路を規定するシート案内板155,156で構成する。シートSは、下流搬送路15を経由し、排出口157から排出トレイ16へ送る。図中矢印107は、シートSの搬送経路を示す。
続いて、インクジェットヘッド100~103の構成について説明する。以下は、図2~図3を参照しながら、インクジェットヘッド100について説明しているが、インクジェットヘッド101~103もインクジェットヘッド100と同じ構造である。
図2に示すように、インクジェットヘッド100は、液体吐出部の一例であるノズルヘッド部2、プリント配線基板の一例であるフレキシブルプリント配線板3を備えている。ノズルヘッド部2は、ノズルプレート21、アクチュエーター基板22、アクチュエーター基板22に形成した圧力室51及び空気室52の開口部を封止する封止部材23、及び封止部材23に形成したインク供給口24を備えている。インク供給口24は、図1のインク供給圧力調整装置321にインク流路311を介して接続する。
フレキシブルプリント配線板3は、ノズルヘッド部2のアクチュエーター基板22、及び中継基板としてのプリント基板4と接続する。フレキシブルプリント配線板3は、ドライバチップである駆動用のIC(Integrated Circuit)31を搭載している(以下、駆動ICと称す)。駆動IC31は、プリント基板4を介して送られてくるインクジェットプリンタ10の制御基板17からのプリントデータを一時的に格納し、所定のタイミングでインクを吐出するように駆動信号を各チャネルに与える。
ノズルプレート21は、例えばポリイミドなどの樹脂又はステンレスなどの金属で形成した矩形状のプレートである。インクを吐出するノズル25は、ノズルプレート21の表面に複数形成する。ノズル密度は、例えば150~1200dpiの範囲内に設定する。
アクチュエーター基板22は、例えば絶縁性のセラミックスで形成した矩形状の基板である。図3に示すように、アクチュエーター基板22に、インクの圧力室51と空気室52を第1の方向例えばX方向に沿って交互に複数形成する。圧力室51は、ノズル25と連通する。圧力室51は、例えばアクチュエーター基板22或いは封止部材23に形成した共通インク室(不図示)を介してインク供給口24と連通する。すなわち、ノズルヘッド部2は、インク供給口24を通じて各チャネルの圧力室51にインクを供給する。つまり、ノズルヘッド部2は、液体吐出部と液体供給部を兼ねている。一方、圧力室51に隣接して配置した空気室52は、ノズル25及び共通インク室(不図示)とは連通しない閉鎖空間とする。圧力室51及び空気室52は、アクチュエーター基板22に、例えば分極方向が相反する方向(一例として対向方向)に積層した2枚の圧電部材26,27を、第2の方向例えばZ方向に例えば矩形の溝状に切り欠くことによって形成する。すなわち、圧力室51と空気室52の間は、第3の方向例えばY方向に積層した圧電部材26,27を側壁にして仕切っている。
電極53は、圧力室51の底面及び両側面に一体的に形成する。圧力室51の電極53は、配線部材である個別配線54と接続する。電極55は、空気室52の底面及び両側面に一体的に形成する。空気室52の電極55は、配線部材である共通配線56と接続する。すなわち、圧力室51の電極53と個別配線54の接続点がアクチュエーター5の一方の端子である。空気室52の電極55と共通配線56の接続点がアクチュエーター5の他方の端子である。電極53,55、個別配線54及び共通配線56は、例えばニッケル薄膜で形成する。個別配線54は、駆動IC31(すなわち、各チャネルの駆動回路)に接続する。駆動IC31は、各チャネルのアクチュエーター5に対し、駆動信号として駆動電圧を夫々与える。電圧V1と電圧V2は、駆動電圧の電源として駆動IC31に与える。共通配線56は、例えばグランド(GND)に接続する。一例として、電圧V1を正の電圧、電圧V2を負の電圧、電圧V3を0V(=GND)する。この構成により、駆動電圧を与えたアクチュエーター5は、圧電部材26,27の分極軸と交差(望ましくは、直交)する方向に電界が印加され、アクチュエーター5のX方向の側壁となっている圧電部材26,27がシアモードでX方向に対称に変形する。
すなわち、インクの圧力室51は、圧電部材26,27を用いた柱状の一対のアクチュエーター5に挟まれて形成している。その柱状のアクチュエーター5の両壁、すなわち圧力室51の内側の壁と外側の壁に電位差を与え、圧電部材26,27を用いた静電容量性のアクチュエーター5を充電/放電することによって、アクチュエーター5を変形させる。これにより圧力室51の容積が変化し、その結果、圧力室51内のインク圧が変化する。この変化の大きさとタイミングを調整することによって、ノズル25からインクを吐出する。
図4は、駆動IC31内のインクジェットヘッド駆動回路6のブロック構成図である。インクジェットヘッド駆動回路6は、共通波形生成部61、タイミング生成部62、イメージ生成部63、及び選択駆動回路64を備える。
共通波形生成部61は、詳しくは後述する共通波形を生成する。共通波形は、選択駆動回路64へ送出する。タイミング生成部62は、グループAとグループBの波形通過パルスを選択駆動回路64に送出すると共に、共通波形生成部61及びイメージ生成部63との動作のタイミングを同期させる。イメージ生成部63は、チャネルごとのイメージデータを生成し、選択駆動回路64に送出する。チャネルごとに生成するイメージデータは、そのチャネルからインクを吐出するか否の情報を含む。
選択駆動回路64は、詳しい回路構成を図5に示すように、チャネル(ch1~chN)ごとに選択部7と出力部を備えている。選択部7の一例は、AND回路である。出力部は、例えばスイッチ71である。スイッチ71の一例は、CMOSアナログスイッチである。イメージ生成部63からのイメージデータ(ch1image~chN image)は、対応するチャネルの選択部7に夫々入力する。一例として、インクを吐出するときは「1」、吐出しないときは「0」の1ビットの信号を与える。
複数のチャネル(ch1~chN)は、グループ分けしている。一例として、奇数番号のチャネル(ch1,3・・・n-1)はグループA、偶数番号のチャネル(ch2,4・・・n)はグループBとする。タイミング生成部62からのグループAの波形通過パルスは、奇数番号のチャネル(ch1,3・・・n-1)の選択部7に夫々入力する。タイミング生成部62からのグループBの波形通過パルスは、偶数番号のチャネル(ch2,4・・・n)の選択部7に夫々入力する。奇数番号のチャネル(ch1,3・・・n-1)の選択部7は、イメージデータに基づいてインクを吐出するとき、グループAの波形通過パルスに基づく通過信号を出力する。偶数番号のチャネル(ch2,4・・・n)の選択部7は、イメージデータに基づいてインクを吐出するとき、グループBの波形通過パルスに基づく通過信号を出力する。通過信号は、スイッチ71のON/OFFを制御する。スイッチ71がONの間、共通波形がスイッチ71を通過し、アクチュエーター5に駆動電圧を与える。すなわち、共通波形の中の一部の波形要素がスイッチ71を通過し、駆動波形となってアクチュエーター5に与えられる。
図6のタイムチャートに示すように、共通波形は、グループAの駆動波形の波形要素とグループBの駆動波形の波形要素を、互いの変化点が時系列で重ならないように混載した波形である。図6には、一例として、グループAの駆動波形の引き打ちパルスの波形要素、グループBの駆動波形の引き打ちパルスの波形要素、グループAの駆動波形のキャンセルパルスの波形要素、グループBの駆動波形のキャンセルパルスの波形要素を時系列に混載した共通波形を示している。すなわち、先行するグループAの駆動波形と遅延側のグループBの駆動波形の一例として、波形の開始点は異なるが波形の形が同じである駆動波形を示している。先行するグループAの波形が終わらないうちに遅延側のグループBの波形が始まり、且つ、遅延側のグループBの波形が終わらないうちに先行するグループAの波形が終わる条件を満たすのであれば、波形の形は同じでなくてよく、波形の形が異なっていてもよい。この場合、先行するグループAの波形と遅延側のグループBの波形は、互いにオーバーラップする部分としない部分を有している。図6では吐出パルス部はオーバーラップしているがキャンセルパルス部はオーバーラップしていない。波形が全体としてオーバーラップしていれば、その各部がオーバーラップしていても、オーバーラップしていなくてもよく、図6のように一部分だけがオーバーラップしていてもよい。なお、引き打ちの駆動波形を一例に挙げているが、引き打ち以外の駆動波形であってもよい。さらに、マルチドロップの駆動波形であってもよい。マルチドロップとは、複数のドロップの合計で1ドットを形成する方式である。
波形通過パルスは、タイミング生成部62が生成する互いに異なる複数の抽出タイミングの一例である。言い換えると、複数の抽出タイミングとは、上述の共通波形から波形要素を抽出する区間が互いに異なる複数の波形通過パルスである。波形通過パルスは、グループAとグループBのパルス列を用意している。グループAのパルス列の一例は、図6に示すグループA波形通過パルスである。グループBのパルス列の一例は、図6に示すグループB波形通過パルスである。グループA波形通過パルスとグループB波形通過パルスは、パルスの幅と間隔は同じであるが、パルスをONにするタイミングが互いに異なる。
続いて、特に図5と図6を参照しながら、インクジェットヘッド駆動回路6の動作について説明する。共通波形生成部61は、共通波形を生成し、選択駆動回路64に送出する。イメージ生成部63は、インクジェットプリンタ10の制御基板17から送られてくるデータに基づいて各チャネルのイメージデータを生成し、選択駆動回路64に送出する。タイミング生成部62は、共通波形生成部61及びイメージ生成部63との動作のタイミングを同期させると共に、グループAとグループBの波形通過パルスを選択駆動回路64に夫々送出する。
各チャネルの選択部7は、イメージデータに基づき、インクを吐出する場合は、波形通過パルスに従う通過信号を、出力部であるスイッチ71に与える。先ず、グループAに属するチャネルは、引き打ちパルスを構成する共通波形の立下りの部分でパルスがONとなって、スイッチ71をONにする。パルスがONの間、スイッチ71はONの状態を維持し、アクチュエーター5を電圧V2に向けて負に充電する。これにより、圧力室51の両側壁が外方側に変形し、圧力室51の容積が拡張する。その後、パルスがOFFとなってスイッチ71がOFFとなるが、静電容量性のアクチュエーター5は、スイッチ71がOFFになっても、スイッチ71がOFFになった瞬間の駆動波形の電圧を保持する。
次に、グループBに属するチャネルは、引き打ちパルスを構成する共通波形の立下りの部分でパルスがONとなって、スイッチ71をONにする。パルスがONの間、スイッチ71はONの状態を維持し、アクチュエーター5を電圧V2に向けて負に充電する。これにより、圧力室51の両側壁が外方側に変形し、圧力室51の容積が拡張する。その後、パルスがOFFとなってスイッチ71がOFFとなるが、静電容量性のアクチュエーター5は、スイッチ71がOFFになっても、スイッチ71がOFFになった瞬間の駆動波形の電圧を保持する。
続いて、グループAに属するチャネルは、引き打ちパルスを構成する共通波形の立上がりの部分でパルスがONとなって、スイッチ71がONとなる。パルスがONの間、スイッチ71はONの状態を維持し、アクチュエーター5を放電する。この放電により、外方側に変形していたアクチュエーター5が元に戻り、拡張していた圧力室51が元の容積に収縮して、インクがノズル25から吐出する。
次に、グループBに属するチャネルは、引き打ちパルスを構成する共通波形の立上がりの部分でパルスがONとなって、スイッチ71がONとなる。パルスがONの間、スイッチ71はONの状態を維持し、アクチュエーター5を放電する。この放電により、外方側に変形していたアクチュエーター5が元に戻り、拡張していた圧力室51が元の容積に収縮して、インクがノズル25から吐出する。
続いて、グループAに属するチャネルは、キャンセルパルスを構成する共通波形の立上がりの部分でパルスがONとなって、スイッチ71をONにする。パルスがONの間、スイッチ71はONの状態を維持し、アクチュエーター5を電圧V1に向けて正に充電する。この充電により、圧力室51の両側壁が内方側に変形し、圧力室51の容積が収縮する。この収縮により、残留振動を減衰させる。続いて、キャンセルパルスを構成する共通波形の立下がりの部分でパルスがONとなって、スイッチ71をONにする。パルスがONの間、スイッチ71はONを維持し、アクチュエーター5を放電する。
次に、グループBに属するチャネルは、キャンセルパルスを構成する共通波形の立上がりの部分でパルスがONとなって、スイッチ71をONにする。パルスがONの間、スイッチ71はONの状態を維持し、アクチュエーター5を電圧V1に向けて正に充電する。この充電により、圧力室51の両側壁が内方側に変形し、圧力室51の容積が収縮する。この収縮により、残留振動を減衰させる。続いて、キャンセルパルスを構成する共通波形の立下がりの部分でパルスがONとなって、スイッチ71をONにする。パルスがONの間、スイッチ71はONを維持し、アクチュエーター5を放電する。
このように各チャネルは、グループAとグループBの駆動波形の波形要素を混載した共通波形の中から、該当するグループの波形要素を抽出して駆動波形とし、アクチュエーター5を駆動する。本実施形態は、複数のチャネルをグループに分けし、同じグループでは同時駆動を許し、異なるグループでは同時駆動を避けるようにしている。このようにチャネル間で遅延させれば、圧力振動に因るクロストークを抑えることができる。奇数番号と偶数番号でグループ分けしたのは、隣接するチャネル間のクロストークが最も大きい為である。チャネル間のクロストークには、インク流路を介してのクロストーク、機械的結合によるクロストーク、電気的結合(共通インピーダンスによるものなど)等があるが、いずれにも有効である。加えて、複数のチャネルを同時駆動させた際の電流集中に因る電圧降下を抑えることができる。但し、好ましい一例として奇数番号と偶数番号とでグループ分けしたが、これに限らない。勿論、グループの数も、グループAとグループBの2つに限らず、3つ以上としてもよい。
また、アクチュエーター5を繰り返し駆動させる場合、例えばグループBのキャンセルパルスを構成する波形要素の後に電圧V3(=0V)で平坦な部分を形成し、ここでパルスをONにしてアクチュエーター5を0Vにリセット(放電)させるようにしてもよい。さらにまた、インクを吐出しないチャネルは、例えばパルス無しの波形通過パルスを与えるようにしてもよい。プリカーサを行う場合、すなわち、インクを吐出しないチャネルのアクチュエーター5に微振動を与える必要がある場合は、インクを吐出しない低い電圧で駆動させる短いパルス幅の波形通過パルスを与えるようにしてもよい。
上述の実施形態によれば、複数の駆動波形の波形要素を変化点が重ならないように混在させた共通波形を用い、インクを吐出するチャネルの各々が共通波形の一部分を通過させて駆動波形とする構成としたことにより、例えば遅延量毎の駆動波形とその配線パターンを夫々用意しなくとも、チャネル間での駆動タイミングの遅延を実現するができる。
インクジェットヘッド100は、圧力室51と空気室52を交互に配置したシアモード型のアクチュエーター5に限らない。例えばノズル25とアクチュエーター5の両方をノズルプレート21の面上に複数配置した構成としてもよい。その他のドロップオンデマンド・ピエゾ方式のアクチュエーター5であってもよい。
上述の実施形態では、インクジェットプリンタ10のインクジェットヘッド100を液体吐出装置の一例として説明したが、液体吐出装置は、3Dプリンタの造形材吐出ヘッド、分注装置の試料吐出ヘッドであってもよい。
本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10 インクジェットプリンタ
100~103 インクジェットヘッド
2 ノズルヘッド部
25 ノズル
31 駆動IC
5 アクチュエーター
51 圧力室
52 空気室
6 インクジェットヘッド駆動回路
61 共通波形生成部
62 タイミング生成部
63 イメージ生成部
64 選択駆動回路
7 選択部
71 スイッチ

Claims (5)

  1. 先行する波形が終わらないうちに遅延側の波形が始まり且つ遅延側の波形が終わらないうちに先行する波形が終わる開始点の異なる複数の駆動波形の波形要素を混載した共通波形を生成する共通波形生成部と、
    互いに異なる複数の抽出タイミングを生成するタイミング生成部と、
    前記抽出タイミングに従い前記波形要素を抽出することによって前記開始点の異なる駆動波形を抽出し、液体を吐出する複数のチャネルの静電容量性アクチュエーターに夫々与える選択駆動回路と、を備えたことを特徴とする液体吐出ヘッド駆動回路。
  2. 前記複数の駆動波形は、前記開始点が異なるが波形の形が同じであることを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッド駆動回路。
  3. 前記チャネルは、複数のグループの中のいずれかに分類され、
    前記共通波形は、前記グループの数に対応する前記開始点の異なる複数の駆動波形の波形要素を混載していることを特徴とする請求項1又は2に記載の液体吐出ヘッド駆動回路。
  4. 前記共通波形は、前記各グループの液体吐出パルスの波形要素が並ぶ波形要素群と、前記各グループのキャンセルパルスの波形要素が並ぶ波形要素群を含むことを特徴とする請求項2に記載の液体吐出ヘッド駆動回路。
  5. 液体を吐出するノズル及びアクチュエーターを夫々備える複数のチャネルと、
    前記チャネルに液体を供給する液体供給部と、
    前記請求項1~4のいずれかに記載の液体吐出ヘッド駆動回路と、を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド。
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