JP2006264268A - 液体吐出ヘッド - Google Patents
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Abstract
【課題】多数のノズルが高密度化された場合に、流体クロストークを防止するとともに液体の高速リフィルを実現する。
【解決手段】ヘッド長手方向に対して傾斜した方向に複数のノズルが配列されたノズル列が前記長手方向に複数列形成された液体吐出ヘッドにおいて、前記各ノズルと連通するとともに、その一つの面に圧力発生素子が形成された圧力室と、前記圧力発生素子に関して前記ノズル側とは反対側に配置された、前記圧力室に液体を供給する共通流路と、前記共通流路の間に形成され、その中に前記圧力発生素子を駆動する駆動信号を供給するための電気配線が前記圧力発生素子が形成される面に略垂直に形成された隔壁とを備え、隣接した2つの前記ノズル列の各ノズルに対応する各圧力室に対し、前記隔壁間に形成された同一の前記共通流路から前記液体が供給されるようにする。
【選択図】 図9
【解決手段】ヘッド長手方向に対して傾斜した方向に複数のノズルが配列されたノズル列が前記長手方向に複数列形成された液体吐出ヘッドにおいて、前記各ノズルと連通するとともに、その一つの面に圧力発生素子が形成された圧力室と、前記圧力発生素子に関して前記ノズル側とは反対側に配置された、前記圧力室に液体を供給する共通流路と、前記共通流路の間に形成され、その中に前記圧力発生素子を駆動する駆動信号を供給するための電気配線が前記圧力発生素子が形成される面に略垂直に形成された隔壁とを備え、隣接した2つの前記ノズル列の各ノズルに対応する各圧力室に対し、前記隔壁間に形成された同一の前記共通流路から前記液体が供給されるようにする。
【選択図】 図9
Description
本発明は、液体吐出ヘッドに係り、特に、インク供給路を介して圧力発生室にインクを供給し、圧力発生室に連通するノズルからインクを吐出するインクジェット式の液体吐出ヘッドに関する。
従来より、画像形成装置として、インク(液体)を吐出する多数のノズル(吐出口)を配列させたインクジェットヘッド(液体吐出ヘッド)を有し、このインクジェットヘッドと被記録媒体を相対的に移動させながら、被記録媒体に向けてノズルからインクを吐出することにより、被記録媒体上に画像を記録するインクジェット記録装置(インクジェットプリンタ)が知られている。
このようなインクジェット記録装置におけるインクの吐出方法として、例えば、圧電方式が知られている。これは、圧電素子(ピエゾ素子)の変形によって圧力室(圧力発生室)の一つの壁面を構成する振動板を変形させて、圧力室の容積を変化させ、圧力室の容積増大時にインク供給路から圧力室内にインクを導入し、圧力室の容積減少時に圧力室内のインクをノズルから液滴として吐出するものである。
また近年、インクジェット記録装置においても、写真プリントと同様の高画質の画像記録を行うことが望まれており、そのためには、ノズル(ノズル径)を小さくしてノズルから吐出されるインク滴をより小さくするとともに、多数のノズル及び各ノズルに連通する圧力室を高密度化して配置する必要がある。
その一方で、ノズルを高密度化することにより画像の記録密度を増加すると画像記録に時間がかかってしまう。これに対し、画像記録を高速化し、記録時間を短縮するためには、各ノズルからのインク吐出を高速化する必要があり、それにはインクのリフィルを高速化しなければならない。またさらに、ノズル及び圧力室を高密度配置した場合に、圧力室の圧力波が共通流路を介して近接した圧力室へ伝播する液体クロストークが発生し、その結果インクの吐出が不安定になり画質が劣化する虞れがある。
そこで、ノズル配置を高密度化した場合に、高画質の画像を安定して高速記録するための様々な工夫が従来からいろいろ提案されている。
例えば、ノズルを2次元的に配列したマトリクス配列ヘッドにおいて、共通流路(支流)と圧力発生室とを平面的に重なるように配置し、支流幅を平均的に増やすために支流がなめらかな凸凹を有するくびれ形状を持つようにして音響容量を確保して、クロストークの発生を防止し、安定した高速記録を行うようにしたものが知られている(例えば、特許文献1等参照)。
また、例えば、圧力室を高密度に配置して、印刷の高画質化及び高速化、さらに記録の信頼性を向上させることを目的として、1つのインク流路に2本分のノズル列が接続されるように共通液室路と圧力室を配置するようにしたものが知られている(例えば、特許文献2等参照)。
特開2003−127363号公報
特開2002−52706号公報
しかしながら、上記特許文献に記載された従来技術には、以下説明するような問題がある。すなわち、インクジェット記録装置において、ノズル高密度化、印刷速度向上を実現するためには、(1)流体クロストークの防止と(2)インクの高速リフィルの2つを実現することが必要である。これに対して、例えば上記特許文献1においては、これら2つを実現するために次のような条件式が開示されている。
上記特許文献1によれば、共通流路(支流)の音響容量をCp、圧力発生室の音響容量をCc、ノズルの音響容量をCnとするとき、流体クロストークを防止するための条件は次の不等式(1)、
Cp>20Cc・・・(1)
で表され、高速リフィルを実現するための条件は次の不等式(2)、
Cp>10Cn・・・(2)
で表されている。
Cp>20Cc・・・(1)
で表され、高速リフィルを実現するための条件は次の不等式(2)、
Cp>10Cn・・・(2)
で表されている。
なお、以下ではノズルを2次元的に配列したマトリクス配列ヘッドに限定して説明することとする。
従来、上記流体クロストークの防止及びインクの高速リフィルの実現という2つのことを実現するために、共通流路(支流)上部にダンパーを備えることが多く行われている。このダンパーの音響容量をCdとし、支流体積による音響容量をCvとすると、Cp=Cd+Cvであり、特にCdはCvに比べて非常に大きい(Cd>>Cv、実際にはCd=10Cv程度である)ので、実質的にCp=Cdとすることができる。従って、支流上部にダンパーを備えることにより、支流領域の音響容量Cpを増加させて、Cpが上記2つの不等式(1)、(2)を満たすようにすることができるというものである。
ここで、ダンパーの音響容量Cdは、ダンパーの幅Wdの5乗に比例するため、ダンパーの音響容量Cdを大きくして共通流路(支流)の音響容量Cp(=Cd)を大きくし、上記不等式(1)、(2)を成り立たせるためには、ダンパーの幅Wdを増加させることが必要とされる。
ところで、ダンパーは支流の上部に作られるため、ダンパーの幅Wdは支流幅と等しいが、近年のノズル高密度化に伴い支流幅が減少しているため、ダンパーの幅Wdをそれ程増加させることができず、ダンパーを備えたとしても、必ずしも共通流路(支流)の音響容量Cpが上記条件式を満たすようにできなくなってきている。
また、上記特許文献1においては、くびれ形状の支流を用いることにより、ノズルピッチを500μmまで減少させることができ、ポリイミドダンパーを用いて前記不等式(1)、(2)を満たすようにできるとされている。
しかし、上記特許文献1に記載のものでは、ノズルピッチを500μmよりもさらに高密度化してノズルを配置しようとする場合には不十分である。以下、これを図を用いて説明する。
図12に従来のインクジェットヘッドの要部を示す。図12(a)は断面図、図12(b)はその平面透視図である。図12(a)において、圧力室ユニット900は、圧力室(圧力発生室)902、ノズル904、連通路(ノズル流路)906、共通流路(支流)908、インク供給路(インク供給絞り)910、振動板912及び圧電素子914を含んで構成されている。
また、図12(b)に示すように、各共通流路(支流)908に沿って、複数の圧力室902がそれぞれ1列に配置され、インク供給路910を介して共通流路908から各圧力室902へインクが供給されるようになっている。各共通流路908の間には流路壁(支流壁)916が設けられている。この流路壁916の中にはノズル904に連通する連通路(ノズル流路)906が形成されているため、流路壁916を減少することはできない。従って、流路壁916で仕切られた共通流路(支流)908の幅Wを広げることは不可能であり、さらにノズルを高密度化する場合には、共通流路908上に形成されるダンパー(図示省略)の音響容量Cdをそれ程大きくすることはできず、上記条件を満たすようにはできない。
また一方、近年ではインクジェットプリンタで用いられるインクの粘度が上がってきているが、従来のインクジェットヘッドの構造では、共通流路(支流)の幅Wが狭いために、粘度の高いインクを使用した場合の共通流路における圧力損失が、その装置で許容される圧力損失(例えば、500Pa程度)に収まらず、高粘度インクを安定して供給できない可能性があるという問題もある。
また、上記特許文献2に記載のものでは、1つのインク流路に2本分のノズル列が接続されているが、ノズルへのインク流路が支流壁(流路壁)を貫いていることに変わりはなく、支流壁を狭くできないためノズル高密度化は実現できない。さらに、上記特許文献2に記載されたインクジェットヘッドの形状では、長尺ヘッドに適用することはできないという問題がある。以下、これについて、図を用いて説明する。
図13にインクジェットヘッドの平面透視図を示す。図13に示すインクジェットヘッドにおいては、図に矢印で示す紙送り方向に対して垂直な方向に延びたインク供給路の本流920から、紙送り方向に平行に、各支流922が分かれて延びている。各1本の支流922に対してノズル924が2列ずつ配置され、インク供給口926を介してインクがノズル924に供給されるようになっている。
そして各支流922の間には支流壁928が形成されて各支流922が仕切られており、支流壁928の中にノズル924(及びノズル924に連通するノズル流路)が形成されている。
上記特許文献2に記載されているような構造のインクジェットヘッドで(図に示すような本流、支流の形にしたとして)インクを供給しようとしても、図13に示すようにノズル924の位置を紙送り方向と垂直方向にノズルピッチdで等間隔に並べるために、支流壁928が広がってしまい、支流幅Wはノズルピッチdよりも小さく(W<d)しなければならない。
結局、図13に示したように、ノズル924が支流壁928の中を通らなければならないため、支流壁928の部分が無駄スペースとなり、ノズルピッチdより広い支流幅Wを設定することはできない。従って、上記特許文献2に記載されたヘッド構造では、長尺ヘッドにおいてノズルを高密度化する場合、支流幅も狭くなり、リフィルができないという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、多数のノズルが2次元マトリクス状に高密度配置された構造を有する液体吐出ヘッドにおいて、各ノズルに液体を供給するためのインク流路の支流幅が狭い場合でも、流体クロストークを防止するとともに液体の高速リフィルを実現することのできる液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、ヘッド長手方向に対して傾斜した方向に複数のノズルが配列されたノズル列が前記長手方向に複数列形成された液体吐出ヘッドであって、前記各ノズルと連通するとともに、その一つの面に圧力発生素子が形成された圧力室と、前記圧力発生素子に関して前記ノズル側とは反対側に配置された、前記圧力室に液体を供給する共通流路と、前記共通流路の間に形成され、その中に前記圧力発生素子を駆動する駆動信号を供給するための電気配線が前記圧力発生素子が形成される面に略垂直に形成された隔壁と、を備え、隣接した2つの前記ノズル列の各ノズルに対応する各圧力室に対し、前記隔壁間に形成された同一の前記共通流路から前記液体が供給されることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。
これにより、共通流路の幅を増加させることができ、共通流路の流路抵抗が減少するため、ノズル密度を向上させるとともに、リフィル性能を向上させることができる。
また、請求項2に示すように、前記共通流路の前記圧力室に対向する上面を形成する部材が、ダンパー膜を兼ねていることを特徴とする。
これにより、液体クロストークを防止するとともに、リフィル性能を向上させることができる。
また、請求項3に示すように、前記部材が、前記圧力室を積層形成する部材と同じ材料で形成されていることを特徴とする。
これにより、組立て性が向上し、ヘッドの製造が容易となる。
また、請求項4に示すように、前記ノズル1つ分の共通流路の音響容量をCp、前記圧力室の音響容量をCc、前記ノズルによる音響容量をCnとするとき、次の2つの不等式(1)及び(2)、Cp > 20Cc ・・・(1)、Cp > 10Cn ・・・(2)、がともに成り立つことを特徴とする。
これらの条件を満たすことにより、液体クロストークの防止及び液体の高速リフィルが可能となる。
また、請求項5に示すように、隣接した2つの前記ノズル列を、ノズル列方向に前記ノズル列のノズル間ピッチに対して1/2ピッチずらして配置したことを特徴とする。
これにより、圧力発生素子を駆動する駆動信号を供給するための電気配線が容易となる。
以上説明したように、本発明に係る液体吐出ヘッドによれば、共通流路の幅を増加させることができ、共通流路の流路抵抗が減少するため、ノズル密度を向上させるとともに、リフィル性能を向上させることができる。
以下、添付した図面を参照して、本発明に係る液体吐出ヘッドについて詳細に説明する。図1は、本発明に係る液体吐出ヘッドを有する画像形成装置としてのインクジェット記録装置の第1実施形態の概略を示す全体構成図である。
図1に示すように、このインクジェット記録装置10は、インクの色毎に設けられた複数の印字ヘッド(液体吐出ヘッド)12K、12C、12M、12Yを有する印字部12と、各印字ヘッド12K、12C、12M、12Yに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵/装填部14と、記録紙16を供給する給紙部18と、記録紙16のカールを除去するデカール処理部20と、前記印字部12のノズル面(インク吐出面)に対向して配置され、記録紙16の平面性を保持しながら記録紙16を搬送する吸着ベルト搬送部22と、印字部12による印字結果を読み取る印字検出部24と、印画済みの記録紙(プリント物)を外部に排紙する排紙部26とを備えている。
図1では、給紙部18の一例としてロール紙(連続用紙)のマガジンが示されているが、紙幅や紙質等が異なる複数のマガジンを併設してもよい。また、ロール紙のマガジンに代えて、又はこれと併用して、カット紙が積層装填されたカセットによって用紙を供給してもよい。
ロール紙を使用する装置構成の場合、図1のように、裁断用のカッター28が設けられており、該カッター28によってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター28は、記録紙16の搬送路幅以上の長さを有する固定刃28Aと、該固定刃28Aに沿って移動する丸刃28Bとから構成されており、印字裏面側に固定刃28Aが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃28Bが配置されている。なお、カット紙を使用する場合には、カッター28は不要である。
複数種類の記録紙を利用可能な構成にした場合、紙の種類情報を記録したバーコードあるいは無線タグ等の情報記録体をマガジンに取り付け、その情報記録体の情報を所定の読取装置によって読み取ることで、使用される用紙の種類を自動的に判別し、用紙の種類に応じて適切なインク吐出を実現するようにインク吐出制御を行うことが好ましい。
給紙部18から送り出される記録紙16はマガジンに装填されていたことによる巻き癖が残り、カールする。このカールを除去するために、デカール処理部20においてマガジンの巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム30で記録紙16に熱を与える。このとき、多少印字面が外側に弱いカールとなるように加熱温度を制御するとより好ましい。
デカール処理後、カットされた記録紙16は、吸着ベルト搬送部22へと送られる。吸着ベルト搬送部22は、ローラー31、32間に無端状のベルト33が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部12のノズル面及び印字検出部24のセンサ面に対向する部分が平面(フラット面)をなすように構成されている。
ベルト33は、記録紙16幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔(図示省略)が形成されている。図1に示したとおり、ローラー31、32間に掛け渡されたベルト33の内側において印字部12のノズル面及び印字検出部24のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバー34が設けられており、この吸着チャンバー34をファン35で吸引して負圧にすることによってベルト33上の記録紙16が吸着保持される。
ベルト33が巻かれているローラー31、32の少なくとも一方にモータ(図示省略)の動力が伝達されることにより、ベルト33は図1において、時計回り方向に駆動され、ベルト33上に保持された記録紙16は、図1の左から右へと搬送される。
縁無しプリント等を印字するとベルト33上にもインクが付着するので、ベルト33の外側の所定位置(印字領域以外の適当な位置)にベルト清掃部36が設けられている。ベルト清掃部36の構成について詳細は図示しないが、例えば、ブラシ・ロール、吸水ロール等をニップする方式、清浄エアーを吹き掛けるエアーブロー方式、あるいはこれらの組み合わせなどがある。清掃用ロールをニップする方式の場合、ベルト線速度とローラー線速度を変えると清掃効果が大きい。
なお、吸着ベルト搬送部22に代えて、ローラー・ニップ搬送機構を用いる態様も考えられるが、印字領域をローラー・ニップ搬送すると、印字直後に用紙の印字面にローラーが接触するので、画像が滲み易いという問題がある。したがって、本例のように、印字領域では画像面と接触させない吸着ベルト搬送が好ましい。
吸着ベルト搬送部22により形成される用紙搬送路上において印字部12の上流側には、加熱ファン40が設けられている。加熱ファン40は、印字前の記録紙16に加熱空気を吹きつけ、記録紙16を加熱する。印字直前に記録紙16を加熱しておくことにより、インクが着弾後乾き易くなる。
印字部12は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙搬送方向(副走査方向)と直交する方向(主走査方向)に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている(図2参照)。
図2に示すように、各印字ヘッド12K、12C、12M、12Yは、本インクジェット記録装置10が対象とする最大サイズの記録紙16の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口(ノズル)が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。
記録紙16の搬送方向(紙搬送方向)に沿って上流側(図1の左側)から黒(K)、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)の順に各色インクに対応した印字ヘッド12K、12C、12M、12Yが配置されている。記録紙16を搬送しつつ各印字ヘッド12K、12C、12M、12Yからそれぞれ色インクを吐出することにより記録紙16上にカラー画像を形成し得る。
このように、紙幅の全域をカバーするフルラインヘッドがインク色毎に設けられてなる印字部12によれば、紙搬送方向(副走査方向)について記録紙16と印字部12を相対的に移動させる動作を一回行うだけで(すなわち、一回の副走査で)記録紙16の全面に画像を記録することができる。これにより、印字ヘッドが紙搬送方向と直交する方向(主走査方向)に往復動作するシャトル型ヘッドに比べて高速印字が可能であり、生産性を向上させることができる。
なお、ここで主走査方向及び副走査方向とは、次に言うような意味で用いている。すなわち、記録紙の全幅に対応したノズル列を有するフルラインヘッドで、ノズルを駆動する時、(1)全ノズルを同時に駆動するか、(2)ノズルを片方から他方に向かって順次駆動するか、(3)ノズルをブロックに分割して、ブロックごとに片方から他方に向かって順次駆動するか、等のいずれかのノズルの駆動が行われ、用紙の幅方向(記録紙の搬送方向と直交する方向)に1ライン(1列のドットによるライン又は複数列のドットから成るライン)の印字をするようなノズルの駆動を主走査と定義する。そして、この主走査によって記録される1ライン(帯状領域の長手方向)の示す方向を主走査方向という。
一方、上述したフルラインヘッドと記録紙とを相対移動することによって、上述した主走査で形成された1ライン(1列のドットによるライン又は複数列のドットから成るライン)の印字を繰り返し行うことを副走査と定義する。そして、副走査を行う方向を副走査方向という。結局、記録紙の搬送方向が副走査方向であり、それに直交する方向が主走査方向ということになる。
また本例では、KCMYの標準色(4色)の構成を例示したが、インク色や色数の組み合わせについては本実施形態には限定されず、必要に応じて淡インク、濃インクを追加してもよい。例えば、ライトシアン、ライトマゼンタ等のライト系インクを吐出する印字ヘッドを追加する構成も可能である。
図1に示したように、インク貯蔵/装填部14は、各印字ヘッド12K、12C、12M、12Yに対応する色のインクを貯蔵するタンクを有し、各タンクは図示を省略した管路を介して各印字ヘッド12K、12C、12M、12Yと連通されている。また、インク貯蔵/装填部14は、インク残量が少なくなるとその旨を報知する報知手段(表示手段、警告音発生手段等)を備えるとともに、色間の誤装填を防止するための機構を有している。
印字検出部24は、印字部12の打滴結果を撮像するためのイメージセンサ(ラインセンサ等)を含み、該イメージセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まりその他の吐出不良をチェックする手段として機能する。
本例の印字検出部24は、少なくとも各印字ヘッド12K、12C、12M、12Yによるインク吐出幅(画像記録幅)よりも幅の広い受光素子列を有するラインセンサで構成される。このラインセンサは、赤(R)の色フィルタが設けられた光電変換素子(画素)がライン状に配列されたRセンサ列と、緑(G)の色フィルタが設けられたGセンサ列と、青(B)の色フィルタが設けられたBセンサ列とからなる色分解ラインCCDセンサで構成されている。なお、ラインセンサに代えて、受光素子が二次元配列されて成るエリアセンサを用いることも可能である。
印字検出部24は、各色の印字ヘッド12K、12C、12M、12Yにより印字されたテストパターンを読み取り、各ヘッドの吐出検出を行う。吐出判定は、吐出の有無、ドットサイズの測定、ドット着弾位置の測定等で構成される。
印字検出部24の後段には、後乾燥部42が設けられている。後乾燥部42は、印字された画像面を乾燥させる手段であり、例えば、加熱ファンが用いられる。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けたほうが好ましいので、熱風を吹きつける方式が好ましい。
多孔質のペーパに染料系インクで印字した場合などでは、加圧によりペーパの孔を塞ぐことでオゾンなど、染料分子を壊す原因となるものと接触することを防ぐことで画像の耐候性がアップする効果がある。
後乾燥部42の後段には、加熱・加圧部44が設けられている。加熱・加圧部44は、画像表面の光沢度を制御するための手段であり、画像面を加熱しながら所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラー45で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。
このようにして生成されたプリント物は、排紙部26から排出される。本来プリントすべき本画像(目的の画像を印刷したもの)とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット記録装置10では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部26A、26Bへと送るために排紙経路を切り換える選別手段(図示省略)が設けられている。なお、大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列に形成する場合は、カッター(第2のカッター)48によってテスト印字の部分を切り離す。カッター48は、排紙部26の直前に設けられており、画像余白部にテスト印字を行った場合に、本画像とテスト印字部を切断するためのものである。カッター48の構造は前述した第1のカッター28と同様であり、固定刃48Aと丸刃48Bとから構成されている。
また、図示を省略したが、本画像の排出部26Aには、オーダー別に画像を集積するソーターが設けられている。
次に、印字ヘッド(液体吐出ヘッド)のノズル(液体吐出口)の配置について説明する。インク色毎に設けられている各印字ヘッド12K、12C、12M、12Yの構造は共通しているので、以下、これらを代表して符号50によって印字ヘッドを表すものとし、図3に印字ヘッド50の平面透視図を示す。
図3に示すように、本実施形態の印字ヘッド50は、インクを液滴として吐出するノズル51、インクを吐出する際インクに圧力を付与する圧力室52、図3では図示を省略した共通流路から圧力室52にインクを供給するインク供給口53を含んで構成される圧力室ユニット54が千鳥状の2次元マトリクス状に配列され、ノズル51の高密度化が図られている。
このような印字ヘッド50上のノズル配置のサイズは特に限定されるものではないが、一例として、ノズル51を横48行(21mm)、縦600列(305mm)に配列することにより2400npiを達成する。
図3に示す例においては、各圧力室52を上方から見た場合に、その平面形状は略菱形状をしているが、圧力室52の平面形状はこのような菱形状に限定されるものではない。圧力室52には、図3に示すように、その対角線の一方の端にノズル51が形成され、他方の端にインク供給口53が設けられている。
また、図4は他の印字ヘッドの構造例を示す平面透視図である。図4に示すように、複数の短尺ヘッド50’を2次元の千鳥状に配列して繋ぎ合わせて、これらの複数の短尺ヘッド50’全体で印字媒体の全幅に対応する長さとなるようにして1つの長尺のフルラインヘッドを構成するようにしてもよい。
図5はインクジェット記録装置10におけるインク供給系の構成を示した概要図である。インクタンク60は印字ヘッド50にインクを供給するための基タンクであり、図1で説明したインク貯蔵/装填部14に設置される。インクタンク60の形態には、インク残量が少なくなった場合に、補充口(図示省略)からインクを補充する方式と、タンクごと交換するカートリッジ方式とがある。使用用途に応じてインク種類を替える場合には、カートリッジ方式が適している。この場合、インクの種類情報をバーコード等で識別して、インク種類に応じて吐出制御を行うことが好ましい。なお、図5のインクタンク60は、先に記載した図1のインク貯蔵/装填部14と等価のものである。
図5に示したように、インクタンク60と印字ヘッド50を繋ぐ管路の中間には、異物や気泡を除去するためにフィルタ62が設けられている。フィルタ・メッシュサイズは印字ヘッド50のノズル径と同等若しくはノズル径以下(一般的には、20μm程度)とすることが好ましい。
なお、図5には示さないが、印字ヘッド50の近傍又は印字ヘッド50と一体にサブタンクを設ける構成も好ましい。サブタンクは、ヘッドの内圧変動を防止するダンパー効果及びリフィルを改善する機能を有する。
また、インクジェット記録装置10には、ノズルの乾燥防止又はノズル近傍のインク粘度上昇を防止するための手段としてのキャップ64と、ノズル面50Aの清掃手段としてのクリーニングブレード66とが設けられている。
これらキャップ64及びクリーニングブレード66を含むメンテナンスユニットは、図示を省略した移動機構によって印字ヘッド50に対して相対移動可能であり、必要に応じて所定の退避位置から印字ヘッド50下方のメンテナンス位置に移動される。
キャップ64は、図示しない昇降機構によって印字ヘッド50に対して相対的に昇降変位される。昇降機構は、電源OFF時や印刷待機時にキャップ64を所定の上昇位置まで上昇させ、印字ヘッド50に密着させることにより、ノズル面50Aのノズル領域をキャップ64で覆うようになっている。
クリーニングブレード66は、ゴムなどの弾性部材で構成されており、図示を省略したブレード移動機構により印字ヘッド50のインク吐出面(ノズル面50A)に摺動可能である。ノズル面50Aにインク液滴又は異物が付着した場合、クリーニングブレード66をノズル面50Aに摺動させることでノズル面50Aを拭き取り、ノズル面50Aを清浄化するようになっている。
印字中又は待機中において、特定のノズル51の使用頻度が低くなり、そのノズル51近傍のインク粘度が上昇した場合、粘度が上昇して劣化したインクを排出すべく、キャップ64に向かって予備吐出が行われる。
また、印字ヘッド50内のインク(圧力室52内のインク)に気泡が混入した場合、印字ヘッド50にキャップ64を当て、吸引ポンプ67で圧力室52内のインク(気泡が混入したインク)を吸引により除去し、吸引除去したインクを回収タンク68へ送液する。この吸引動作は、初期のインクのヘッドへの装填時、或いは長時間の停止後の使用開始時にも行われ、粘度が上昇して固化した劣化インクが吸い出され除去される。
すなわち、印字ヘッド50は、ある時間以上吐出しない状態が続くと、ノズル近傍のインク溶媒が蒸発してノズル近傍のインクの粘度が高くなってしまい、吐出駆動用の圧力発生手段(図示省略、後述)が動作してもノズル51からインクが吐出しなくなる。したがって、この様な状態になる手前で(圧力発生手段の動作によってインク吐出が可能な粘度の範囲内で)、インク受けに向かって圧力発生手段を動作させ、粘度が上昇したノズル近傍のインクを吐出させる「予備吐出」が行われる。また、ノズル面50Aの清掃手段として設けられているクリーニングブレード66等のワイパーによってノズル面50Aの汚れを清掃した後に、このワイパー摺擦動作によってノズル51内に異物が混入するのを防止するためにも予備吐出が行われる。なお、予備吐出は、「空吐出」、「パージ」、「唾吐き」などと呼ばれる場合もある。
また、ノズル51や圧力室52内に気泡が混入したり、ノズル51内のインクの粘度上昇があるレベルを超えたりすると、上記予備吐出ではインクを吐出できなくなるため、上述したような吸引動作を行う。
すなわち、ノズル51や圧力室52のインク内に気泡が混入した場合、或いはノズル51内のインク粘度があるレベル以上に上昇した場合には、圧力発生手段を動作させてもノズル51からインクを吐出できなくなる。このような場合、印字ヘッド50のノズル面50Aに、キャップ64を当てて圧力室52内の気泡が混入したインク又は増粘インクをポンプ67で吸引する動作が行われる。
ただし、上記の吸引動作は、圧力室52内のインク全体に対して行われるためインク消費量が大きい。したがって、粘度上昇が少ない場合はなるべく予備吐出を行うことが好ましい。なお、図5で説明したキャップ64は、吸引手段として機能するとともに、予備吐出のインク受けとしても機能し得る。
また、好ましくは、キャップ64の内側が仕切壁によってノズル列に対応した複数のエリアに分割されており、これら仕切られた各エリアをセレクタ等によって選択的に吸引できる構成とする。
図6はインクジェット記録装置10のシステム構成を示す要部ブロック図である。インクジェット記録装置10は、通信インターフェース70、システムコントローラ72、画像メモリ74、モータドライバ76、ヒータドライバ78、プリント制御部80、画像バッファメモリ82、ヘッドドライバ84等を備えている。
通信インターフェース70は、ホストコンピュータ86から送られてくる画像データを受信するインターフェース部である。通信インターフェース70にはUSB、IEEE1394、イーサネット、無線ネットワークなどのシリアルインターフェースやセントロニクスなどのパラレルインターフェースを適用することができる。この部分には、通信を高速化するためのバッファメモリ(図示省略)を搭載してもよい。ホストコンピュータ86から送出された画像データは通信インターフェース70を介してインクジェット記録装置10に取り込まれ、一旦画像メモリ74に記憶される。画像メモリ74は、通信インターフェース70を介して入力された画像を一旦格納する記憶手段であり、システムコントローラ72を通じてデータの読み書きが行われる。画像メモリ74は、半導体素子からなるメモリに限らず、ハードディスクなどの磁気媒体を用いてもよい。
システムコントローラ72は、通信インターフェース70、画像メモリ74、モータドライバ76、ヒータドライバ78等の各部を制御する制御部である。システムコントローラ72は、中央演算処理装置(CPU)及びその周辺回路等から構成され、ホストコンピュータ86との間の通信制御、画像メモリ74の読み書き制御等を行うとともに、搬送系のモータ88やヒーター89を制御する制御信号を生成する。
モータドライバ76は、システムコントローラ72からの指示に従ってモータ88を駆動するドライバ(駆動回路)である。ヒータドライバ78は、システムコントローラ72からの指示にしたがって後乾燥部42等のヒーター89を駆動するドライバである。
プリント制御部80は、システムコントローラ72の制御に従い、画像メモリ74内の画像データから印字制御用の信号を生成するための各種加工、補正などの処理を行う信号処理機能を有し、生成した印字制御信号(印字データ)をヘッドドライバ84に供給する制御部である。プリント制御部80において所要の信号処理が施され、該画像データに基づいてヘッドドライバ84を介して印字ヘッド50のインク液滴の吐出量や吐出タイミングの制御が行われる。これにより、所望のドットサイズやドット配置が実現される。
プリント制御部80には画像バッファメモリ82が備えられており、プリント制御部80における画像データ処理時に画像データやパラメータなどのデータが画像バッファメモリ82に一時的に格納される。なお、図6において画像バッファメモリ82はプリント制御部80に付随する態様で示されているが、画像メモリ74と兼用することも可能である。また、プリント制御部80とシステムコントローラ72とを統合して1つのプロセッサで構成する態様も可能である。
ヘッドドライバ84はプリント制御部80から与えられる印字データに基づいて各色の印字ヘッド50の圧力発生手段を駆動する。ヘッドドライバ84にはヘッドの駆動条件を一定に保つためのフィードバック制御系を含んでいてもよい。
印字検出部24は、図1で説明したように、ラインセンサー(図示省略)を含むブロックであり、記録紙16に印字された画像を読み取り、所要の信号処理などを行って印字状況(吐出の有無、打滴のばらつきなど)を検出し、その検出結果をプリント制御部80に提供するものである。
プリント制御部80は、必要に応じて印字検出部24から得られる情報に基づいて印字ヘッド50に対する各種補正を行うようになっている。
次に、本発明の特徴であるノズル及びインク供給系、駆動信号を供給する配線を高密度化した場合にも、流体クロストークを防止するとともに液体の高速リフィルを実現し、高周波駆動、高粘度インク吐出を可能とした液体吐出ヘッド(印字ヘッド50)について詳しく説明する。
第1実施形態では、このような印字ヘッドの高密度化を実現するために、まず、例えば図3に示したように、圧力室52(ノズル51)を2次元マトリクス状に配置してノズル51の高密度化(例えば2400npi)を図っている。次に、詳しくは以下説明するが、本実施形態では圧力室52にインクを供給する共通流路(支流)を振動板の上側に配置し、インクのリフィル性を重視するためこの共通流路から直接圧力室52へインクを供給するようにして流路抵抗となるような配管をなくしてインク供給系を高集積化するようにした。また、本実施形態では、圧力室52を変形する圧力発生手段の電極(個別電極)に駆動信号を供給する電気配線を各個別電極から垂直に立ち上げて共通流路を仕切る流路壁(支流壁)の中を貫通するようにして上部のフレキシブルケーブル等の配線へと接続するように、さらにこの支流壁を減らして、支流となる共通流路の幅を広くして、この上に形成されるダンパーの幅を大きくしてその音響容量を増大させるようにしている。
図7に、このような高密度化された印字ヘッド50の一部を、簡単化して斜視透視図で示す。
図7に示すように、本実施形態の印字ヘッド50においては、ノズル51とインク供給口53を有する圧力室52の上側に、圧力室52の上面を形成する振動板56が配置され、振動板56上の各圧力室52に対応する部分に上下を電極で挟んだピエゾ等の圧電体で構成される圧力発生手段としての圧電素子58(圧電アクチュエータ)が配置された圧力室ユニット54が2次元マトリクス状に配列されている。
そして、圧力室ユニット54の配列方向に沿って、振動板56上に垂直に立設された壁状の支流壁90が形成されている。2つの支流壁90の間には、圧力室ユニット54が支流壁90に沿って2列に配列されている。この2つの支流壁90によって、2列に配列された圧力室52上に形成された各空間が共通流路(支流)55となっており、共通流路(支流)55からインク供給口53を介して各圧力室52にインクが供給されるようになっている。
支流壁90の中には、その両側に配列された2列の各圧力室ユニット54に対応して、支流壁90の中を振動板56に対して垂直に延びる柱状の電気配線92が形成されている。また、圧電素子58上の個別電極57の端面から支流壁90側へ電気配線59が引き出されて、支流壁90の中に形成された柱状の電気配線92に接続している。
共通流路(支流)55の圧力室52に対向するその上部には、ポリイミドによるダンパー94が形成されている。ダンパー94は共通流路(支流)55の上面を形成するとともに、その内部が空洞となってエアーダンパーとして機能するようになっている。なお、空洞部分にはヘッド外部と連通される穴を有する方が望ましい。又、図示を省略したが、さらにその上にはFPC(フレキシブル配線)が形成され、これに柱状の電気配線92が接続するようになっている。
図8に、印字ヘッド50の断面図を示す。図8は、圧力室ユニット54の配列方向(支流壁90)に垂直な断面を図7の印字ヘッド50の正面方向から見たもので、実際とは異なるが説明のため特にノズル51やインク供給口53がわかるように表示している。
図8に示すように、2次元マトリクス状に配列された圧力室ユニット54の2列毎に支流壁90が形成され、2列に配列された圧力室ユニット54の上に共通流路(支流)55が形成されている。共通流路55からインク供給口53を介して各圧力室52にインクが供給される。このように本実施形態では、2列分の圧力室ユニット54上に共通流路(支流)を形成するようにしているため、従来よりも支流幅を十分広くとることができる。
支流壁90の中には、柱状の電気配線92が形成され、支流壁90の両側の各圧力室ユニット54の個別電極57から引き出された電気配線59がこの柱状の電気配線92に接続されている。そして、図示を省略した上部配線(FPC)からこの柱状の電気配線92を介して各個別電極57に駆動信号が供給され、圧電素子58が駆動されて圧力室52に連通するノズル51からインクが吐出されるようになっている。
また、共通流路(支流)55の上部に、ポリイミドのダンパー膜91と空間93で形成されるダンパー94が設けられている。(← 注:形成されるダンパー94が形成される、と「形成」がダブってしまうので、表現を変えました。)本実施形態のダンパー94は、図に示すように、2列の圧力室ユニット54上に形成されており、その幅Wdは支流幅が広くなった分広くなっている。また図8に示すように、ダンパー94の空間93の上部には大気連通孔95が形成されており、空間93は外部の大気と連通している。
図9に、本実施形態の印字ヘッド50の平面透視図を示す。
図9に示すように、本実施形態の印字ヘッド50においては、ノズル51、圧力室52、インク供給口53等を含む圧力室ユニット54が2次元マトリクス状に配列され、各圧力室ユニット54に対し、圧力室ユニット54の2列毎にその列方向に沿って支流壁90が形成されている。支流壁90の中には、支流壁90の両側に配列された各圧力室ユニット54から引き出された電気配線59に接続する柱状の電気配線92が1列に並んで形成されている。
また、2つの支流壁90で仕切られて圧力室ユニット54上に形成された空間は各圧力室52にインクを供給するための共通流路(支流)55となっており、各共通流路(支流)55の端部はインク流路の本流96に連通している。インクは、インクタンク60(図5参照)から印字ヘッド50に供給され、本流96を介して各共通流路(支流)55に供給されるようになっている。なお、各共通流路(支流)55の配列方向は、図に矢印で示した紙送り方向に沿っている。
また、本実施形態では、支流壁90は、圧力室ユニット54の各列毎に設けられるのではなく、2列毎に一つの支流壁90を設けるようにしている。従って、各列毎に支流壁90を形成した場合には図に破線90aで示したようにもう一つずつ支流壁が必要となったが、本実施形態では、この支流壁を減らすことにより、共通流路(支流)55の幅を広くして、その結果その上に形成されるダンパー94(図8参照)の幅Wdを増大させることが可能となった。
例えば、図の破線90aの位置にも支流壁90を形成した場合、このときの支流幅d1が300μm、支流壁90の幅d2が200μmであったとすると、この場合にはダンパー幅Wdは支流幅d1と同じ300μmにしかならない。しかし、本実施形態においては、破線90aの位置の支流壁90をなくしたので、支流幅はd1+d2+d1となり、300+200+300=800μmとなる。従って、ダンパー幅Wdも800μmとなる。
また、前述したようにダンパーの音響容量Cdは、支流幅(ダンパー幅Wd)の5乗に比例する。このとき一つの共通流路(支流)55に2列のノズル51列が形成されているので、ノズル51一つあたりのダンパー音響容量Cdは、(800μm/300μm)の5乗を2で割って、(8/3)5 ÷2=67.4倍となる。
このように、ダンパー幅Wdを増加させることによって、ダンパー94の音響容量Cdを大きくすることで、共通流路(支流)55の音響容量Cpを大きくすることができ、これにより次の不等式(1)、(2)をともに満たすようにすることができる。
Cp>20Cc・・・(1)
Cp>10Cn・・・(2)
これにより、流体クロストークの防止及びインクの高速リフィルの実現(リフィル性能の向上)を達成することができる。
Cp>10Cn・・・(2)
これにより、流体クロストークの防止及びインクの高速リフィルの実現(リフィル性能の向上)を達成することができる。
また、上述したように本実施形態では、共通流路(支流)55上にポリイミドでダンパー膜91を形成したが、支流壁90の厚みを200μmとし、図8に示すダンパー膜91の厚みδを10μmとすると、ポリイミドによってダンパー膜91を形成した場合、支流幅は300〜400μmまで縮めることができる。
このとき前述したような従来の構造のヘッドの場合だと、この支流幅ならノズルピッチは500μm程度になる。しかし、本実施形態の場合であれば、この支流幅で従来の2列分のノズル51を組み込むことができるので、ノズルピッチを250〜300μmにまで狭めることができ、さらなるノズル高密度化を実現することができる。
また、本実施形態によれば、上述したように支流幅を広げることができるので、流路抵抗を減少させることができ、高粘度インクを安定して供給することが可能となる。例えば、共通流路(支流)55の高さを500μmとし、支流幅を上で述べた様に800μmとして計算すると、流路抵抗は7.2分の1になることがわかる。すなわち、共通流路(支流)55における圧力損失が約7分の1になる。従って、本実施形態により流路抵抗を下げると、従来の約7倍の粘度のインクを使用できるようになる。なお、本実施形態において、支流壁90をくびれ形状にすることにより、平均の流路幅を広げるとさらによい結果を得ることができる。
また、本実施形態では、上述したようにダンパー94を形成するダンパー膜91にポリイミドを用いたが、ダンパー膜91をSUSで形成した場合について考えてみる。計算の結果、従来の支流幅が500μmの場合には、SUSによるダンパー膜では満足できる音響容量を得ることはできないことがわかった。これは、SUSがポリイミドに比べて100倍の弾性率を有しているからである。例えば、SUSによるダンパー膜の厚みδを10μmとした場合、支流幅は800μmは必要である。そのため、従来の構造の場合には、ノズルピッチは1mm程度までしか上げることはできない。
しかし、本実施形態の場合、上述したように支流幅800μmに従来の2列分のノズル51を組み込むことができるので、支流幅が800μmだとしても、ノズルピッチは500μm程度まで下げることができる。すなわち、ダンパー膜91を、圧力室52を積層形成する部材であるSUSで形成するようにした場合には、SUSだけでノズルピッチが500μmのマトリクス構造を作ることができる。結局、SUSだけで印字ヘッド50を作ることができ、組立て性が向上するので、従来よりも印字ヘッド製作が容易となるので好ましい。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、圧力室ユニットを紙送り方向に1/2ピッチずつ1列毎にずらすようにしたものである。
図10に、第2実施形態に係る印字ヘッド150の平面透視図を示す。
図10に示すように、本実施形態の印字ヘッド150は、前述した図9に示す第1実施形態の印字ヘッド50と同様に、2つの支流壁190の間に2列の圧力室ユニット154が配列されている。そして、支流壁190の中に柱状の電気配線192が形成され、支流壁190の両側に配置された各圧力室ユニット154から引き出された電気配線159と接続している。
本実施形態が、前述した第1実施形態と異なるのは、支流壁190に沿って配列される圧力室ユニット154を、そのノズル151のノズルピッチを、図に矢印で示す紙送り方向(図の上下方向)に、1/2ピッチずつ1列毎にずらして配列するようにしたことである。
これにより、支流壁190中に形成される柱状の電気配線192と各圧力室ユニット154の個別電極157とを接続する配線が容易になる。
また、このとき、このようにノズルピッチを紙送り方向に1/2ずつ1列毎にずらすだけでなく、1列中のノズルピッチを縦方向に1/2ずらすようにしてもよい。このように1列中のノズルピッチを縦方向に1/2ずらすためには、前と同じ形状の圧力室を用いるのであれば、圧力室を横にしてノズルとインク供給口が左右に交互に並ぶようにする必要がある。
図11に、このように構成した印字ヘッドの平面透視図を示す。
図11に示すように、この場合には、図に矢印で示す紙送り方向に沿って形成された2つの支流壁290の間に1列の圧力室ユニット254が配列される。各圧力室252は、ノズル251とインク供給口253を結ぶ方向が支流壁290に対して略垂直となるように配置される。
そして、各圧力室252毎に、ノズル251の位置とインク供給口253の位置を左右交互に配置するようにする。このとき、圧力室252の形状は、圧力室252内でのインク流の澱み点を減らすように形成する。すなわち、インク供給口253から圧力室252内にインクが流入して、インクの流れが広がるときには長い距離を取るようにし、ノズル251へ向かってインクの流れが一箇所に集中し狭くなっていくときには、短い距離を取るようにする。
その結果、圧力室252の形状は、図に示すように、インク供給口253とノズル251を1つの対角線の両端とするような菱形とし、特に、この対角線とこれに直交する他の対角線との交点がインク供給口253よりもノズル251に近い側に寄っているような形状(いわゆる(西洋)凧形)とする。
そしてこのような凧形の圧力室252を効率良く配列するには、図に示すように長い方の対角線を横にして、各圧力室252を1つずつ左右を入れ替えて交互に並べるようにすることが好ましい。
また、支流壁290中に形成される柱状の電気配線292と接続するために各圧力室ユニット254から引き出される電気配線259は、各圧力室ユニット254の左右の支流壁290に向かって交互に引き出されるように形成される。さらにこのとき、電気配線259は、ノズル251が形成される側から引き出すようにする(ノズル251は圧力室252の底面側に形成され(例えば図7参照)ノズル251に対応する圧力室252の上面はスペースが開いているためここから電気配線259を引き出すことは可能だからである。)。このようにすれば、インク供給口253の存在を意識することなく、電気配線259を容易に引き出して支流壁290内の柱状の電気配線292に配線することができる。
以上本発明の液体吐出ヘッドの実施形態について説明したが、その中に振動板に対して略垂直に立設する柱状の電気配線が形成される支流壁の数を減らし、支流幅を増加させることにより、支流の流路抵抗を減少させることができるため、インクのリフィルが容易となる。また、支流壁間に形成される共通流路(支流)の上部にダンパーを形成することにより、支流幅の増加によりダンパーの幅をも増加させることができ、ダンパーの音響容量を従来よりも飛躍的に増加させることができるため、流体クロストークを防止するとともに、インクの高速リフィルが可能となった。
以上、本発明の液体吐出ヘッドについて詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。
10…インクジェット記録装置、12…印字部、14…インク貯蔵/装填部、16…記録紙、18…給紙部、20…デカール処理部、22…吸着ベルト搬送部、24…印字検出部、26…排紙部、28…カッター、30…加熱ドラム、31、32…ローラー、33…ベルト、34…吸着チャンバー、35…ファン、36…ベルト清掃部、40…加熱ファン、42…後乾燥部、44…加熱・加圧部、45…加圧ローラー、48…カッター、50…印字ヘッド、50A…ノズル面、51…ノズル、52…圧力室、53…インク供給口、54…圧力室ユニット、55…共通流路(支流)、56…振動板(共通電極)、57…個別電極、58…圧電素子、59…電気配線、60…インクタンク、62…フィルタ、64…キャップ、66…ブレード、67…吸引ポンプ、68…回収タンク、70…通信インターフェース、72…システムコントローラ、74…画像メモリ、76…モータドライバ、78…ヒータドライバ、80…プリント制御部、82…画像バッファメモリ、84…ヘッドドライバ、86…ホストコンピュータ、88…モータ、89…ヒータ、90…支流壁、92…柱状の電気配線、94…ダンパー、96…本流
Claims (5)
- ヘッド長手方向に対して傾斜した方向に複数のノズルが配列されたノズル列が前記長手方向に複数列形成された液体吐出ヘッドであって、
前記各ノズルと連通するとともに、その一つの面に圧力発生素子が形成された圧力室と、
前記圧力発生素子に関して前記ノズル側とは反対側に配置された、前記圧力室に液体を供給する共通流路と、
前記共通流路の間に形成され、その中に前記圧力発生素子を駆動する駆動信号を供給するための電気配線が前記圧力発生素子が形成される面に略垂直に形成された隔壁と、
を備え、隣接した2つの前記ノズル列の各ノズルに対応する各圧力室に対し、前記隔壁間に形成された同一の前記共通流路から前記液体が供給されることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記共通流路の前記圧力室に対向する上面を形成する部材が、ダンパー膜を兼ねていることを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記部材が、前記圧力室を積層形成する部材と同じ材料で形成されていることを特徴とする請求項2に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記ノズル1つ分の共通流路の音響容量をCp、前記圧力室の音響容量をCc、前記ノズルによる音響容量をCnとするとき、次の2つの不等式(1)及び(2)
Cp > 20Cc ・・・(1)
Cp > 10Cn ・・・(2)
がともに成り立つことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。 - 隣接した2つの前記ノズル列を、ノズル列方向に前記ノズル列のノズル間ピッチに対して1/2ピッチずらして配置したことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
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JP2005089557A JP2006264268A (ja) | 2005-03-25 | 2005-03-25 | 液体吐出ヘッド |
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