JP4480956B2 - 液滴放出のための放出装置 - Google Patents

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    • B41J2/14314Structure of ink jet print heads with electrostatically actuated membrane

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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、例えばジェット式プリンタなどのドロップオンデマンド液体放出装置に関し、特に、装置から液体を送り出すために静電アクチュエータを用いるような装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
静電アクチュエータを備えたドロップオンデマンド液体放出装置は、インク印刷システムのために知られている。1997年7月1日および1997年9月16日発行の、フジイ(Fujii)他に対する特許文献1および特許文献2は、それぞれ、ダイアフラムおよび対向電極で構成された静電アクチュエータを有しているような装置を開示している。ダイアフラムは電極への第1電圧の印加で歪められる。ダイアフラムが緩和すると、インク小滴が装置から放出される。静電引力の原理で作動する他の装置は、特許文献3、特許文献4および特許文献5、および特許文献6に開示されている。
【0003】
特許文献7は、膜中にインク補充穴を伴った静電気的に変形可能な膜を有する装置を教示している。インク全体に印加された電場は、膜を偏向させ、インク滴を放出する。
【0004】
非特許文献1は、インク放出装置を形成するために、2つはガラス、そして1つはシリコン製の、3つの基盤を接着することによって作られたヘッドを開示している。インクキャビティからの液滴は、シリコン基板に形成された膜が、最初に下部ガラスプレート上の導体に接触するよう引き下げられ、続いて解放されると、最頂部のガラスプレートのオリフィスを通って放出される。インク中には電場は存在しない。
【0005】
J.クビイ(J.Kubby)他による特許文献8は、堆積されたポリシリコン層でつくられた、表面ミクロ機械加工液滴放出装置を教示している。インクキャビティからの液滴は、下部ポリシリコン層が、最初に導体に接触するよう引き下げられ、続いて解放されるとき、上部ポリシリコン層のオリフィスを通って放出される。インク中に電場は存在しない。
【0006】
【特許文献1】
米国特許第5,644,341号明細書
【特許文献2】
米国特許第5,668,579号明細書
【特許文献3】
米国特許第5,739,831号明細書
【特許文献4】
米国特許第6,127,198号明細書
【特許文献5】
米国特許第6,318,841号明細書
【特許文献6】
米国公開第2001/0023523号
【特許文献7】
米国特許第6,345,884号明細書
【特許文献8】
米国特許第6,357,865号明細書
【非特許文献1】
ドイツのハイデルベルグで2002年1月25日〜29日の間開催された、IEEEコンファレンス会報「MEMS 1998」での、S.ダルミスキ(S.Darmisuki)他による題名「低パワー、小型、静電気駆動の商業インクジェットヘッド(A Low Power,Small,Electrostatically−Driven Commercial InkjetHed)」
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献7の装置は、製造は容易であるが、インク全体にわたる電場が必要であるため、インクが使用可能なタイプに限定される。
非特許文献1の装置は広い空間を占拠し、製造費用も高いものとなっている。
特許文献8の装置は効率的動作のために高電圧を必要とし、製造には特別な弾性係数を有する材料が必要である。
【0008】
ダイアフラムとその対向する電極とのギャップは充分大きくなければならず、それにより、ダイアフラムは、液体チャンバ容積を有意な量だけ変更できる程度遠くへ移動し得ることになる。大きいギャップはダイアフラムを移動させるための大きな電圧を必要とし、大きな電圧は、高価な回路を必要とし、アセンブリプロセスに加えることになる。ギャップが非常に小さくなると、ダイアフラムの動きは無理なものとなり、装置の面積は大きくなければならない。
【0009】
液滴の放出をダイアフラムの弾性記憶に依存する装置では、ダイアフラムは、自身の張力と垂直剛性の下で初期位置に戻らなければならない。これは、常に静摩擦に打ち勝つことが出来るというわけではなく、各膜も、同じ張力と垂直剛性であるわけではない。
【0010】
電極へ電圧を印加することにより、ダイアフラムが変形されると、ダイアフラムは、ダイアフラムが基板に近づくに従い、下にある基板と接触する程度にいっぱいに折れる傾向がある。一般に、これはダイアフラムの進行の最終の1/3の間に起こる。この部分の動きは制御されていない。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴に従って、例えば、インクジェット式プリンタなど、ドロップオンデマンド液体放出装置は、装置内のチャンバから液体を放出するために電場を導入した、静電気液滴放出機構を含んでいる。構造的に結合され、個別にアドレス可能な、第1および第2のデュアル電極は、チャンバ内に液体を導入する第1方向、チャンバから液滴を放出する第2方向に移動可能である。デュアル電極間にある第3の電極は、第1および第2の電極の各々とある接触角度を持って面した、相対する表層を有しており、デュアル電極が第1および第2の方向のうちの一方へ移動すると、第1電極と第3電極との接触が次第に増加し、デュアル電極がこの方向(ないしは、他の方向)へ移動すると、第2電極と第3電極との接触が次第に増加する。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明は、特に、ある好ましい実施例に関連して詳細に説明されているが、本発明の精神および範囲内で、変更および修正が可能であることは理解されるものだろう。
【0013】
本願明細書で以下に詳細に説明するように、本発明は、ドロップオンデマンド液体放出装置を操作する装置と方法を提供する。こうした装置で最もよく見られるものは、インクジェット式プリントシステムの印刷ヘッドとして用いられている。インクジェット式印刷ヘッドと同等の装置を利用しながらも、空間的高精度を伴った微細な計量および滴下を要する液体(インクを除く)を放出する、他の多くのアプリケーションが現れている。以下に説明する本発明は、エネルギー効率および液滴放出の総合的な生産性を改良するために、静電アクチュエータに基づく液滴放出を操作する装置、および方法を提供する。
【0014】
図1は、本発明に従って操作可能な、インクジェット式プリンタなどの、ドロップオンデマンド液体放出装置10の概略図を示している。システムは、コントローラ14により液滴放出コマンドとして解釈される信号を提供する、データ(例えば、画像データ)のソース12を含んでいる。コントローラ14は、電気エネルギーパルスのソース16に信号を出力し、それは、インクジェット式プリンタ18などの、ドロップオンデマンド液体放出装置に入力される。
【0015】
ドロップオンデマンド液体放出装置10は、複数の静電気液滴放出機構20を含んでいる。図2は、複数の静電気動作液滴放出機構20のうちの1つの断面図である。ノズルオリフィス22は、各機構20のためのノズルプレート24内に形成される。電気的にアドレス可能な電極28を擁する壁26は、各液滴放出機構20を結合している。
【0016】
電極28の外周部は、例えばインクなどの、ノズルオリフィス22から放出される液体の受容用に適合された、液体チャンバ30を形作るために、壁26に、シールする形で取付けられる。液体は、1つ以上の補填ポート32を通して、供給装置(図示せず)からチャンバ30内へ吸収され、通常ノズルオリフィスにメニスカスを形成する。ポート32は、以下に議論するような大きさとなる。誘電性の流体は、チャンバ30に対向する電極28の側面の上の領域を満たす。誘電性の液体を使用してもよいが、誘電性の流体は、空気もしくは他の誘電性のガスであることが好ましい。
【0017】
通常、電極28は、ポリシリコン、もしくは好ましい実施例における、上下絶縁層に囲まれた中央伝導層を有する層の組み合わせなど、何らかのフレキシブルな導体素材で作られている。例えば、好ましい電極28は、2枚の窒化シリコンの薄いフィルム間に積層される、ポリシリコンの薄いフィルムを含んでおり、各フィルムは、例えば厚さ1ミクロンである。後者の場合では、窒化物はポリシリコンフィルムを硬化させ、チャンバ30内の液体からそれを隔離するよう使用する。しかし、後述のように、カプラーがあるので、静電引力のみにより、電極はいずれの方向にも移動し得るため、ポリシリコンフィルムをより硬化させる必要はない。
【0018】
チャンバ30と下部キャビティ37との間の第2電極36は、電極28と同じ組成で、電極28と独立して電気的にアドレス可能であることが好ましい。アドレス可能な電極28、36は、好ましくは、少なくとも部分的にフレキシブルであり、それぞれ単一の中央電極38の反対側に位置決めされ、全体に、3つの電極がノズルオリフィス22と共に軸方向に整列される。アドレス可能な電極36が、壁26とで完全なシールをする必要はないので、その周辺領域は、電極36の中央領域を壁26に繋ぐ、単なるタブでもよい。
【0019】
中央電極38は、好ましくは、一定の厚さの例えば酸化シリコンもしくは窒化シリコンの薄い絶縁体によって囲まれた、伝導体の中央ボディーから作られていて、壁26にしっかりと取り付けられている。好ましい実施例では、中央電極は、図2の上部側として示されるように、一方の側が湾曲し、さらに、図2の下部側として示されるように、反対する側は平坦で、その下部表層に沿い、壁26で、アドレス可能な電極36と接触している。すなわち、中央電極38の上部表層は、アドレス可能な電極28から遠くに位置し、凹面となっているが、中央電極38の下部表層は、平面であり、その全体にわたってアドレス可能な電極36と接触していてもよい。本発明によると、中央電極38の下部側は平坦で、アドレス可能な電極36は、側壁26に沿い、その周辺部で中央電極に接触し、中央電極36(図6)から遠い位置にあるとき、アドレス可能な電極36の形が、アドレス可能な電極36の素材特性と、硬質なカプラー40が中央電極38下部表層の下へ拡大する長さにより、完全に決定されるのを保証する。このように、図6におけるように下方向に拡張された場合、アドレス可能な電極36の位置は、単一のプリントヘッド上の全ての放出装置、および、プリントヘッドからプリントヘッドまでの放出装置に対して、ほとんど同一となるだろう。液滴放出部分の動作中、後述するように、アドレス可能な電極36によって加えられる、液滴を放出する力は、中央電極38の湾曲部分の正確な形の如何にかかわらず、あらゆる放出装置でほぼ同じになるだろう。半導体製造技術分野において周知のとおり、平坦な表層は、湾曲した表層よりも、正確で信頼性の高いものを得ることができ、さらに、平坦な基板に堆積される場合、アドレス可能な電極36を形成する薄いフィルムなどのフィルムは、より均等に堆積され、さらに、より良く理解されているものである。その結果、あらゆる放出装置からの液滴は、ほとんど同じ速度で放出されるだろう。
【0020】
さらに、中央電極38の底面が平坦であるため、アドレス可能な電極が中央電極(図7)の下部表層に接触するとき、アドレス可能な電極36は、表層面積が最小となる表層を有している。アドレス可能な電極36が、中央電極(図6)に押されて遠ざかると、表層面積は増加する。その結果、弾性変形理論の当業者により認識されるように、中央電極に接触し続けるアドレス可能な電極36の一部は、張力が中央電極が凹面形である場合、より小さい状態であるため、動作中、アドレス可能な電極36は、中央電極に完全に接触する。中央電極38に接触するときアドレス可能な電極28の表層面積が最大となるため、これは、中央電極の上部表層全体に接触する(または、接触しようとする)間、張力が最大となっている、図6のアドレス可能な電極28の、反対である。図6に示されるように、アドレス可能な電極36が、それらの間に小さな電圧差しかなくとも、常に中央電極38に接触しているのに対して、アドレス可能な電極28は、それらの間の電圧差がかなり大きくなるまでは、中央電極38と完全に接触しないだろう。従って、後述のように、液滴放出部分の動作中、双方のアドレス可能な電極は、アドレス可能な電極36と中央電極38との間の電圧差のみならず、それらの弾性特性のために、インクキャビテイー30の圧力を増加させるよう、力を加えることになる。
【0021】
2つのアドレス可能な電極は、硬質なカプラー40を介して構造的に接続される。このカプラーは電気的に絶縁されているが、この用語は、非伝導性のブレーキを有する、伝導性素材から成るカプラーを含むことを意図している。カプラー40は、2つのアドレス可能な電極を、構造的に1つに結合し、さらに、この2つの電極上に異なる電圧が生成可能となるよう、これらの電極を絶縁する。カプラーは、共形的に堆積された二酸化シリコンから作成されてもよい。
【0022】
図3から図5は、プリントヘッドのいくつかのノズルオリフィス22用レイアウトパターンの、数個の代替実施例を示す、ノズルプレート24の平面図である。図2および図3では壁26の内部表面が環状であるのに対し、図5では壁26は、長方形のチャンバーを形成する点に留意されたい。他の形ももちろん可能であり、加えて、これらの図面の意図するところは、本発明の精神と範囲内で代替案が可能であるという理解を導くことである。
【0023】
図6を参照すると、液滴を放出するために、ノズルオリフィス22と中央電極38の伝導部分に最も近い、アドレス可能な電極28のポリシリコン部分が帯電される。中央電極38の伝導性ボディー、およびアドレス可能な電極36のポリシリコン部分の電圧は、同一に保たれる。図6に示されるように、アドレス可能な電極28は、中央電極内の中央開口部のごく近傍領域を除いて、実質的に中央電極の表層の形に変形されるまで、中央電極38に引き付けられる。このように、その形が一致する際に、アドレス可能な電極28は、硬質なカプラー40を介して、アドレス可能な電極36を押し下げ、その結果、図6に示されるように、アドレス可能な電極36を下向きに変形させ、システム内に弾性ポテンシャルエネルギーを蓄える。アドレス可能な電極28がノズルオリフィスの背後の液体チャンバ30の壁部分を形作るので、ノズルプレート24から遠い電極28の動きは、チャンバを拡張し、ポート32を通して液体を拡張チャンバに吸入する。アドレス可能な電極36は帯電されず、アドレス可能な電極28に関連して移動する。
【0024】
本発明の特徴に従って、アドレス可能な電極28の下部表面と中央電極38上部表面との接触角は10度未満であることが好ましい。好ましい実施例では、この角度は、アドレス可能な電極28の下部表面と中央電極38上部表面との接触点では0度となる傾向を有する。これにより、アドレス可能な電極28を、中央電極38と接触するよう引き下げるのに必要な電圧差は、角度が10度より大きい場合に必要となる値と比べて、確実に小さなものとなる。静電アクチュエータの当業者により認識され得るように、例えば、通常、図6に示される中央電極38の形状のために必要とされる電圧は、アドレス可能な電極28の下部表面と中央電極38の上部表面との接触角が90度である場合に必要とされる電圧の半分未満である。
【0025】
続いて(例えば、数マイクロセカンド後に)、アドレス可能な電極28が徐勢され、つまり、その電圧が電極38と同じになり、さらにアドレス可能な電極36に通電することにより、アドレス可能な電極36は、蓄えられた弾性ポテンシャルエネルギーの解放に伴い、中央電極38に向かって引き寄せられる。電極28の徐勢、および電極36の通電のタイミングは、同時であってもよいし、もしくは、システムに蓄えられた弾性ポテンシャルエネルギーの力のみで、構造が図6に示した位置から、図7に示した位置に向かって移動し始めるよう、双方の間に短い停止時間があってもよい。さらに図7を参照すると、この動作は、ノズルオリフィスの背後のチャンバ30内の液体を加圧し、液滴のノズルオリフィスからの放出を引き起こす。充填と液滴放出との双方を最適化するために、ポート32は、電極28への通電時に、チャンバ30の充填に有意の妨害を加えないよう、十分低い流動抵抗を示し、さらにまた、液滴放出時に、ポートを通る液体の逆流に対する十分に高い抵抗を示すよう、適切な大きさにされるべきである。
【0026】
中央電極38の下部表層は平面であり、加工パラメータでの放出ストロークの間、置き換えられた液体体積の依存性を減少させ、さらに、アドレス可能な電極28が最大放出高において平面であることを可能にする。2つの凹形表層を有する、対称形中央電極と比較すると、加工が容易であり、プロセスの変形への従属がより少ない。さらに、放出ストロークの開始も、より正確に制御される。
【0027】
他の好ましい実施例
図2に示される実施例では、アドレス可能な電極36は、電極28と中央電極との間への電圧の印加前の動作ステージでは、中央電極38の下部表層に対して平行、かつ平坦である。これは必要とはされない。本発明に従う、液体放出装置の他の好ましい実施例が、図8および図9に示されているが、ここでは、図2のアドレス可能な電極36が、その動作ステージで、下向きに湾曲したアドレス可能な電極42に取り替えられている。薄膜技術において周知であるように、こうした電極構成は、静的圧縮状態のアドレス可能な電極42を含む、若干もしくはすべての素材の堆積により、製造可能である。代替的に、例えば、部分的に露出しているフォトレジストの表面などのように、形成表面上に、膜を堆積させることが可能である。こうした場合、主要な動作は基本的に変化しない。
【0028】
さらに他の好ましい実施例
図10は、本発明に従う液体放出装置の、さらに他の好ましい実施例を示している。図2の上下のアドレス可能な電極28、36間の中央カプラー40は、図10の実施例では、中央位置から放射状に除去された、複数のカプラー44に取り替えられている。この場合、カプラー44は、中央電極38内に円形に分配された開口部と同数の柱である。その他の点では、動作は、図2の議論で説明されたものと同一である。
【0029】
さらに他の好ましい実施例
図11および図12は、本発明に従う液体放出装置の、さらに他の好ましい実施例を示している。非対称中央電極46は、以前に示された実施例の、中央電極38の方向付けと逆になっている。すなわち、中央電極は、ノズルオリフィス22に近い平面と、上向きに湾曲した底部表層とを有している。中央電極曲面の最大深さが正確に制御される限り、インクチャンバ容積の最小値および最大値は、加工感度が上述の実施例より大きいものの、良好に制御されたままである。しかしながら、図11および図12で見られる、逆方向の非対称中央電極の利点は、液滴放出の間、アドレス可能な電極28の湾曲した形により、図13および図14に示されるように、平坦な放出装置プレート48の添加が可能となることである。平坦な放出装置プレート48は、液体放出の間、さらに平坦な底面を提供し、放出の間、充填チャンネルを部分的に閉塞するように作動可能であり、その結果、容積効率を増加させる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に従う、ドロップオンデマンド液体放出装置の概略図である。
【図2】 図1のドロップオンデマンド液体放出装置の一部の断面図である。
【図3】 図1および図2に示した、ドロップオンデマンド液体放出装置のノズルプレートの代替実施例の平面図である。
【図4】 図1および図2に示した、ドロップオンデマンド液体放出装置のノズルプレートの代替実施例の平面図である。
【図5】 図1および図2に示した、ドロップオンデマンド液体放出装置のノズルプレートの代替実施例の平面図である。
【図6】 図2のドロップオンデマンド液体放出装置の、第1動作ステージを示す断面図である。
【図7】 図2のドロップオンデマンド液体放出装置の、第2動作ステージを示す断面図である。
【図8】 図1のドロップオンデマンド液体放出装置の、他の実施例の一部の断面図である。
【図9】 図8のドロップオンデマンド液体放出装置の、第1動作ステージを示す断面図である。
【図10】 図1のドロップオンデマンド液体放出装置の、他の実施例の一部の断面図である。
【図11】 図1のドロップオンデマンド液体放出装置の、他の実施例の一部の断面図である。
【図12】 図11のドロップオンデマンド液体放出装置の、第1動作ステージを示す断面図である。
【図13】 図1のドロップオンデマンド液体放出装置の、他の実施例の一部の断面図である。
【図14】 図13のドロップオンデマンド液体放出装置の、第1動作ステージを示す断面図である。
【符号の説明】
10 ドロップオンデマンド液体放出装置、 12 ソース、 14 コントローラ、 16 ソース、 18 インクジェット式プリンタ、 20 機構、22 ノズルオリフィス、 24 ノズルプレート、 26 壁、 28 電極、 30 チャンバ、 32 補填ポート、 34 領域、 36 電極、 37 下部キャビティ、 38 中央電極、 40 カプラー。

Claims (3)

  1. 液滴放出のための放出装置であって、
    液体を受容するのに適したチャンバのチャンバ容積を定義し、受容した液体の液滴を、それを通して放出可能なノズルオリフィスを有する構造体と、
    前記チャンバの可動壁部分であって、前記可動壁部分は第1電極を含み、前記第1電極の第1方向への動きによって、前記チャンバ容積を増加させ、前記チャンバに液体を吸引する、可動壁部分と、
    前記第1電極から前記第1方向に離間して設けられた第2電極であって、前記第2電極は、前記可動壁部分と協働して移動可能であって、前記第2電極の前記第1方向と反対方向である第2方向への動きによって、前記チャンバ容積を減少させ、前記ノズルオリフィスを通して液滴を放出する、第2電極と、
    前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた第3電極であって、前記第3電極は、前記第1電極および前記第2電極の各々とそれぞれ面する表面を有しており、(1)前記第1電極と前記第3電極との間に帯電差を印加すると、前記第1電極が、前記第1方向へ、前記チャンバ容積を増加させるよう移動し、(2)前記第2電極と前記第3電極との間に帯電差を印加すると、前記第2電極が、前記第2方向へ、前記チャンバ容積を減少させるよう移動する、第3電極と、
    を含み、
    前記第3電極の前記相対する表面のうちの1つは、前記第1電極および前記第2電極のうちの相対する1つの電極とある接触角で向き合っており、その結果、前記第3電極へ向かう、前記第1電極および前記第2電極のうちの前記1つの電極の動きに伴って、前記第1電極および前記第2電極のうちの前記1つの電極と、前記第3電極の前記相対する表面のうちの1つとの接触を徐々に増加させ、前記第3電極の前記相対する表面の他方は、平坦であることを特徴とする液滴放出のための放出装置。
  2. 液滴放出のための放出装置であって、
    液体を受容するのに適したチャンバのチャンバ容積を定義し、受容した液体の液滴を、それを通して放出可能なノズルオリフィスを有する構造体と、
    液体を前記チャンバ内に吸引する第1方向に移動可能であると共に、液体を前記ノズルオリフィスを通して前記チャンバから放出する第2方向に移動できる第1電極および第2電極の2つの電極であって、前記第2方向は前記第1方向と反対方向であって、前記第1及び第2電極は、構造的に結合し、別々に電気的にアドレス可能な、第1電極および第2電極の2つの電極と、
    前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた第3電極であって、前記第1電極および前記第2電極の各々とある接触角度を持って面した、相対する表面を有しており、2つの電極が第1方向への移動にともなって、前記第1電極との接触が次第に増加する、第3電極と、
    を含むことを特徴とする液滴放出のための放出装置。
  3. 液滴放出のための放出装置であって、
    液体を受容するのに適したチャンバのチャンバ容積を定義し、受容した液体の液滴を、それを通して放出可能なノズルオリフィスを有する構造体と、
    表面積を有する第1電極であって、前記第1電極は、第1方向へ移動可能に前記チャンバの可動壁部分として設けられ、前記第1電極の第1方向への動きによって、前記可動壁部分を移動させて、前記チャンバ容積を増加させ、前記チャンバ容積に液体を吸引すると共に、前記第1電極の表面積を増加させて、第1の状態へ移行させる第1電極と、
    表面積を有する第2電極であって、前記第2電極は、前記可動壁部分と電気的には絶縁されて、構造的に連結されており、前記第2電極の前記第1方向と反対方向である第2方向への動きによって、前記可動壁部分を移動させて、前記チャンバ容積を減少させ、前記ノズルオリフィスを通して液滴を放出すると共に、前記第1電極および前記第2電極の表面積を減少させ、その結果、前記第1電極および前記第2電極を前記第1の状態より張力の小さい第2の状態へと移行させる、第2電極と、
    前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた第3電極であって、前記第3電極は、前記第1電極および前記第2電極の各々と、それぞれ相対する表面を有しており、(1)前記第1電極と前記第3電極との間に帯電差を印加すると、前記第1電極が、前記第1方向へ、チャンバ容積を増加させるよう移動し、(2)前記第2電極と前記第3電極との間に帯電差を印加すると、前記第2電極が、前記第2方向へ、チャンバ容積を減少させるよう移動する、第3電極と、
    を含み、
    前記第3電極の前記相対する表面のうちの1つは、前記第1電極および前記第2電極のうちの相対する1つの電極と、ある接触角で向き合っており、その結果、前記第3電極へ向かう、前記第1電極および前記第2電極のうちの前記1つの電極の動きは、前記第1電極および前記第2電極のうちの前記1つの電極と、前記第3電極の前記相対する表面のうちの1つとの接触を徐々に増加させ、前記第3電極の前記相対する表面の他方は、平坦であることを特徴とする液滴放出のための放出装置。
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