JP7471463B2 - ５軸印刷のための加熱固定具 - Google Patents
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Description
本開示は、一般に３次元（３Ｄ）印刷に関し、より詳細には、５軸印刷ステージ用の加熱固定具に関する。
３次元（３Ｄ）プリンタは、プリントヘッドに対して印刷面を向けるために、多軸ステージを使用することが多い。一般的な多軸ステージは、印刷中に５軸すべてに沿って基板の再配置を可能にする５軸ステージである。例えば、エアロゾルジェットプリンタは、電子機器の印刷に使用される特殊な３Ｄプリンタである。エアロゾルジェットプリンタは、機能性材料（例えば、導電性インク、誘電体、ポリマー、接着剤など）をエアロゾル化して基板上に噴霧する。
３次元（３Ｄ）印刷中に基板を再配置する際、基板の移動中に印刷化合物が流れないことを確実にすることが重要である。例えば、導電性インクおよび５軸ステージを使用するとき、ステージの移動中にインクが流れないように導電性インクを十分に硬化させるために、ステージの移動を制限するべきである。
３Ｄ印刷で使用される多くの印刷材料は、印刷化合物を乾燥させ、印刷化合物が流れるのを防止するために、加熱された基板上に印刷される必要がある。印刷チャンバ（すなわち、基板を取り囲む環境）を加熱することで基板を間接的に加熱することは、周囲環境が、印刷化合物が基板に到達する前に印刷化合物を乾燥させる可能性があるので、多くの用途（例えば、液体中に懸濁されたエアロゾル化粒子を使用して印刷するとき）にとって好ましくない。
本発明は、印刷化合物の乾燥を改善し、ステージのより速い移動速度を可能にするための、多軸ステージ用の被加熱固定具を提供する。
一態様によれば、被加熱固定具が提供される。被加熱固定具は、ベースと、スタンドと、温度センサと、温度コントローラとを含む。ベースは、５軸ステージに機械的に結合するように構成される。スタンドは、印刷基材を支持し、印刷基材に熱的に結合されるように構成された支持面を含む。スタンドはまた、スタンドがベースから取り外し可能であるように、かつ、スタンドの位置が５軸ステージに対して維持されるように、ベースと機械的に結合するように構成された嵌合構造を含む。本体は、本体およびヒータをさらに含む。ヒータによって生成された熱エネルギーが本体および支持面を介して印刷基材と交換されるように、本体は支持面に熱的に結合され、ヒータは本体に熱的に結合される。温度センサは、印刷基材の第２の温度に関連する第１の温度を測定するように構成される。温度コントローラは、温度センサによって測定された第１の温度に基づいて、ヒータに供給される電力を調節するように構成される。
代替的にまたは追加的に、ヒータはフィルムヒータである。
代替的にまたは追加的に、本体は、熱伝導性材料の第１の本体部分と、熱伝導性材料の第２の本体部分とを含み、ヒータは、第１の本体部分と第２の本体部分との間に位置する。
代替的にまたは追加的に、ヒータは、第１の本体部分の側面および第２の本体部分の側面の両方と接触して配置される。
代替的にまたは追加的に、支持面は、第１の本体部分の表面に位置し、第１の本体部分および第２の本体部分は、支持面がスタンドの長手方向軸に沿ってベースから離れる方向に第２の本体部分を越えて延在するように、互いに対して配置される。
代替的にまたは追加的に、ヒータはポリイミドフィルムヒータである。
代替的にまたは追加的に、ヒータは、スタンドの長手方向軸に沿って支持面から離れた位置にある。
代替的にまたは追加的に、ヒータはカートリッジヒータである。
代替的にまたは追加的に、ヒータは、本体のボア内に位置する。
代替的にまたは追加的に、ベースは、締結具を介して５軸ステージに機械的に結合される。
代替的にまたは追加的に、支持面は、印刷基材の結合面と機械的に結合される。
代替的にまたは追加的に、支持面は、印刷基材の結合面の輪郭に一致するように成形される。
代替的にまたは追加的に、スタンドは、本体の外面に隣接して位置する断熱材をさらに含み、断熱材は、本体と本体が位置する環境との間の熱エネルギーの交換を遅らせるように構成される。
代替的にまたは追加的に、温度センサは熱電対である。
代替的にまたは追加的に、温度コントローラは、温度センサの出力が制御温度未満の温度に維持されるように、ヒータに供給される電力を調節する。
代替的にまたは追加的に、本体および支持面は、銅またはアルミニウムで作られる。
代替的にまたは追加的に、５軸ステージは、電気コネクタを含み、被加熱固定具は、ヒータが５軸ステージから電力を受け取るように、５軸ステージの電気コネクタとの電気接続を確立するように構成された電気接点をさらに備える。
別の態様によれば、被加熱固定具が提供される。被加熱固定具は、ベースと、スタンドと、温度センサと、温度コントローラとを含む。ベースは、５軸ステージに機械的に結合するように構成される。スタンドは、支持面と、嵌合構造と、本体と、フィルムヒータとを含む。支持面は、印刷基材を支持し、印刷基材に熱的に結合されるように構成される。嵌合構造は、スタンドがベースから取り外し可能であるように、かつ、スタンドの位置が５軸ステージに対して維持されるように、ベースと機械的に結合するように構成される。本体は、支持面に熱的に結合され、第１の本体部分および第２の本体部分を含む。支持面は、第１の本体部分の表面に位置する。第１の本体部分および第２の本体部分は、支持面がスタンドの長手方向軸に沿ってベースから離れる方向に第２の本体部分を越えて延在するように、互いに対して配置される。フィルムヒータは、ヒータによって生成された熱エネルギーが本体および支持面を介して印刷基材と交換されるように、第１の本体部分と第２の本体部分との間に位置するとともに、第１の本体部分および第２の本体部分の両方と接触している。温度センサは、印刷基材の第２の温度に関連する第１の温度を測定するように構成される。温度コントローラは、温度センサによって測定された第１の温度に基づいて、ヒータに供給される電力を調節するように構成される。
さらなる態様によれば、プリンタが提供される。プリンタは、５軸ステージと、印刷基材と、被加熱固定具とを含む。
代替的にまたは追加的に、プリンタは、エアロゾル化された印刷材料を印刷基材上に出力するように構成されたプリントヘッドをさらに含む。
いくつかの特徴が本発明の実施形態に関して本明細書で説明されるが、所与の実施形態に関して説明される特徴はまた、他の実施形態に関連して採用され得る。以下の説明および添付の図面は、本発明の特定の例示的な実施形態を示す。しかしながら、これらの実施形態は、本発明の原理が採用され得る様々な方法のうちのいくつかを示すものである。本発明の態様による他の目的、利点および新規な特徴は、以下の詳細な説明を図面と併せて考慮すると明らかになるであろう。
添付の図面は、必ずしも縮尺通りではないが、本発明の様々な態様を示しており、様々な図において同じまたは同様の部分を示すために同様の参照番号が使用されている。
矩形の印刷基材、５軸ステージ、および被加熱固定具の概略上面図である。
図１の矩形の印刷基材、５軸ステージ、および被加熱固定具の側面図である。
図１の矩形の印刷基材、５軸ステージ、および被加熱固定具の正面図である。
図１の矩形の印刷基材、５軸ステージ、および被加熱固定具の斜視図である。
図１の被加熱固定具のベースから分離されたスタンドの正面図である。
図１の被加熱固定具のベースおよびスタンドの断面図である。
中空円筒形の印刷基材、５軸ステージ、および被加熱固定具の上面図である。
図７の中空円筒形の印刷基材、５軸ステージ、および被加熱固定具の側面図である。
図７の中空円筒形の印刷基材、５軸ステージ、および被加熱固定具の斜視図である。
円錐形の印刷基材、５軸ステージ、および被加熱固定具の側面図である。
図１０の円錐形の印刷基材、５軸ステージ、および被加熱固定具の上面図である。
図１０の円錐形の印刷基材、５軸ステージ、および被加熱固定具の斜視図である。
次に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図面において、参照番号を有する各要素は、参照番号に続く任意の文字指定とは無関係に、同じ参照番号を有する他の要素と同様である。本文では、参照番号に続く特定の文字指定を有する参照番号は、その番号および文字指定を有する特定の要素を指し、特定の文字指定を有さない参照番号は、図面内の同じ参照番号を有するすべての要素を、その参照番号に続く任意の文字指定とは無関係に、指す。
一般的な実施形態によれば、印刷化合物の乾燥を改善し、ステージのより速い移動速度を可能にするための、多軸ステージ用の被加熱固定具が提供される。固定具は、３次元（３Ｄ）プリンタの多軸ステージに取り付けるベースと、印刷基材およびヒータを支持するスタンドと、温度センサと、温度コントローラとを含む。
図１～図４を参照すると、５軸ステージ１４に対して印刷基材１２を支持するための被加熱固定具１０が示されている。被加熱固定具１０は、ベース２２と、スタンド２４と、温度センサ２６と、温度コントローラ２８とを含む。ベース２２は、５軸ステージ１４に機械的に結合するように構成される。スタンド２４は、印刷基材１２を支持し、印刷基材１２に熱的に結合された支持面３０を含む。スタンド２４はまた、本体３２およびヒータ３４を含む。ヒータ３４によって生成された熱エネルギーが、本体３２および支持面３０を介して印刷基材１２と交換されるように、本体３２は支持面３０に熱的に結合され、ヒータ３４は本体３２に熱的に結合される。温度センサ２６は、印刷基材１２の温度に関連する温度を測定する。温度コントローラ２８は、温度センサ２６によって測定された温度に基づいて、ヒータ３４に供給される電力を調節する。
図１～図６に示す実施形態では、ステージは、ｘ方向５０、ｙ方向５２、およびｚ方向５４に並進し、ｘ－ｙ平面を中心として（ヨーとも呼ばれる）回転５６し、ｘ－ｚ平面を中心として（ピッチとも呼ばれる）回転５８する。他の実施形態では、ステージはトラニオンである。５軸ステージは、ｘ－ｙ平面を中心として回転５６するジンバルと、ｘ－ｚ平面を中心として回転５８するトラニオン揺動アームとを含む。
図示の実施形態では、ベース２２は、締結具を介して５軸ステージ１４に機械的に結合される。例えば、ベース２２は、５軸ステージの回転プラットフォーム４０に取り付けられたねじまたは接着剤を介して５軸ステージ１４に固定され得る。ベース２２は、５軸ステージが移動すると、それに対応して印刷基材１２も移動するように、５軸ステージに固定される。ベース２２は、任意の適切な材料（例えば、金属および／またはプラスチック）で作られ得る。
支持面３０および本体３２に加えて、スタンド２４は、スタンド２４がベース２２から取り外し可能であるように、かつ、スタンド２４の位置が５軸ステージ１４に対して維持されるように、ベース２２と機械的に結合するように構成された嵌合構造３６も含む。一実施形態では、スタンド２４は、異なる形状のスタンド２４がベース２２に接続され得るように、ベース２２から取り外し可能である。以下でさらに詳細に説明するように、スタンド２４は、印刷基材１２に応じて異なる形状を有し得る。
図５に示すように、嵌合構造２４は、ベース２２の対応する構造２５内に受け入れられる本体３２の延長部を備え得る。図６のベース２２および嵌合構造２４の断面では、嵌合構造３６は、本体３２の五角形の延長部であり、ベース２２の対応する構造２５は、ベース２２の五角形の開口部である。一実施形態では、嵌合構造２４は、スタンド２４をベース２２に堅固に接続するための締結具であってもよい。
スタンド２４は、支持面３０と印刷基材１２との間で熱エネルギーが交換されるように、印刷基材１２に熱的に結合される。本体３２も同様に、本体と支持面との間で熱エネルギーが交換されるように、支持面に熱的に接続される。
ヒータ３４と印刷基材１２との間の熱伝達を改善するために、スタンド２４の本体３２は、一実施形態では、２０５Ｗ／ｍＫ～３８５Ｗ／ｍＫの範囲の熱伝導率を有する熱伝導性材料で作られる。例えば、本体３２および／または支持面３０は、アルミニウムおよび／または銅で作られてもよい。
ヒータ３４の一部は、ヒータ３４と印刷基材１２との間の熱伝達を改善するために、支持面３０に近接して配置され得る。図１～図６に示す実施形態では、ヒータ３４は、支持面３０に近接しているが、スタンド２４の長手方向軸７０に沿って支持面３０から離れた位置にある（例えば、１～５ｍｍ離れて位置する）。図７～図９に示す実施形態では、ヒータ３４は、支持面３０とは正反対の本体３２の表面に位置する。
図１～図６に示す実施形態では、本体３２は、第１の本体部分６０および第２の本体部分６２を含む。ヒータ３４は、第１の本体部分６０と第２の本体部分６２との間に位置する。例えば、ヒータ３４は、ポリイミドフィルムヒータなどのフィルムヒータであり得る。図示の実施形態では、ヒータ３４は、第１の本体部分６０の側面６４と第２の本体部分６２の側面６６の両方と接触して配置される。図示の実施形態では、支持面３０は、第１の本体部分６０の表面に位置する。第１の本体部分６０および第２の本体部分６２は、支持面３０がスタンド２４の長手方向軸７０に沿ってベース２２から離れる方向に第２の本体部分６２を越えて延在するように、互いに対して配置される。逆に、図７～図９に示す実施形態では、支持面３０は、本体３２のみがヒータ３４と印刷基材１２との間に位置するように、印刷基材１２に対向して位置する。
図１～図９に示す両方の実施形態では、ヒータ３４はフィルムヒータである。図１０～図１２に示す実施形態では、ヒータ３４は、本体３２のボア７４内に位置するカートリッジヒータである。
図示の実施形態では、支持面３０は、印刷基材１２の結合面７６と機械的に結合される。例えば、印刷基材１２は、支持面３０上にプレス嵌めされてもよいし、印刷基材１２は、接着剤（例えば、糊、両面テープなど）、クリップ、または任意の他の適切な締結具を使用して、支持面３０に取り付けられてもよい。図１０に示すように、印刷基材１２は、３Ｄプリンタ８４のプリントヘッド８２によって印刷化合物８０が堆積される任意の表面または材料を指し得る。
図７～図１２に示す実施形態では、支持面３０は、印刷基材１２の結合面７６の輪郭に一致するように成形される。図７～図９に示す実施形態では、印刷基材１２は中空円筒であり、支持面３０は、印刷基材１２の内側に嵌合する円筒形状を有する。同様に、図１０～図１２に示す実施形態では、印刷基材１２は中空の円錐体であり、支持面３０は、印刷基材１２の内側に嵌合する円錐形を有する。支持面３０が、印刷基材１２の少なくとも一部の輪郭に一致する形状を有していることで、被加熱固定具１０により、印刷基材１２へのより大きな熱伝熱が可能になる。
上述したように、被加熱固定具１０は、印刷基材１２の温度に関連する温度を測定する温度センサ２６を含む。温度センサ２６は、熱電対または温度を測定するための任意の適切なデバイスの形態をとり得る。例えば、温度センサ２６は、非接触温度計（例えば、赤外線（ＩＲ）カメラ）であってもよいし、印刷基材１２、支持面３０、または本体２４のうちの少なくとも１つと物理的に接触する温度計であってもよい。一実施形態では、温度センサ２６は、印刷基材１２と支持面３０との間に位置し、印刷基材１２と物理的に接触している。図２に示す実施形態では、温度センサ２６は、支持面３０とは反対側の本体３２の表面と物理的に接触している。
温度コントローラ２８は、温度センサ２６によって測定された温度に基づいて、ヒータ３４に供給される電力を調節する。一実施形態では、温度コントローラ２８は、温度センサ２６の出力が、制御温度未満の温度に維持されるように、ヒータ３４に供給される電力を調節する。制御温度は、任意の適切な値に設定され得る。例えば、制御温度は、１５０℃、２００℃、印刷基材の溶融温度、または印刷基材のガラス転移温度であってもよい。
温度コントローラ２８は、様々な実装形態を有し得る。例えば、温度コントローラ２８は、プロセッサ（例えば、ＣＰＵ）、プログラマブル回路、集積回路、メモリおよびＩ／Ｏ回路、特定用途向け集積回路、マイクロコントローラ、複合プログラマブル論理デバイス、他のプログラマブル回路などの任意の適切なデバイスを含み得る。温度コントローラ２８はまた、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭまたはフラッシュメモリ）、または任意の他の適切な媒体などの非一時的コンピュータ可読媒体を含み得る。
スタンド２４の温度を安定させるために、スタンド２４は、本体３２の外面８８に隣接して位置する断熱材８６を含み得る。断熱材８６は、本体３２と本体３２が位置する環境との間の熱エネルギーの交換を遅らせるように構成される。断熱材８６は、０．０４５Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有し得る。
ヒータ３４は、５軸ステージ１４の外側の電源で終端するワイヤを使用して電力を受け取り得る。これらのワイヤは、ワイヤのもつれを防ぐために、５軸ステージ１４の回転を制限し得る。例えば、５軸ステージ１４は、反対方向に回転して戻る前に、一方向に最大で１０００°回転するように制限され得る。一実施形態では、ヒータ３４は、５軸ステージ１４に含まれる電気接続部９０から電力を受け取る。被加熱固定具１４は、同様に、ヒータ３４が５軸ステージ１４から電力を受け取るように、５軸ステージの電気コネクタ９０との電気接続を確立する電気接点９２を含む。この実施形態では、ヒータ３４は、外部電源とは対照的に５軸ステージから電力を受け取るので、ワイヤのもつれを回避することができ、その結果、５軸ステージ１４の回転を制限する必要がなくなる。
上述したように、図１０は、５軸ステージ１４と、印刷基材１２と、被加熱固定具１０とを含むプリンタ８０（例えば、３Ｄプリンタ）を示す。前述の実施形態では、被加熱固定具１４は、既存のプリンタ８０に追加されたアフターマーケットアクセサリであり得る。この実施形態では、被加熱固定具１４は、プリンタ８０に含まれ得る。例えば、被加熱固定具１４のベース２２は、５軸ステージ１４に恒久的に固定され得、および／または５軸ステージ１４と一体化され得る。
上述したように、プリンタ８０は、プリントヘッド８２を介して、エアロゾル化された印刷材料８０を印刷基材１２上に出力し得る。一実施形態では、エアロゾル化された印刷材料は導電性インクである。
本明細書および特許請求の範囲に開示されるすべての範囲および比の限界は、任意の方法で組み合わせられ得る。別途明記しない限り、「１つの（a）」、「１つの（an）」、および／または「その（the）」への言及は、１つまたは２つ以上を含み得、単数形の項目への言及は、複数形のその項目も含み得る。
本発明は、１つまたは複数の特定の実施形態に関して示され、説明されてきたが、当業者であれば、本明細書および添付の図面を読み理解することで、同等の変更および修正が思い浮かぶであろう。特に、上述の要素（構成要素、アセンブリ、デバイス、組成物など）によって実行される様々な機能に関して、そのような要素を説明するために使用される用語（「手段」への言及を含む）は、別段の指示がない限り、本明細書で例示される本発明の１つまたは複数の例示的な実施形態における機能を実行する開示された構造と構造的に同等ではないが、説明される要素の指定された機能を実行する（すなわち、機能的に同等である）任意の要素に対応することが意図される。加えて、本発明の特定の特徴が、いくつかの例示される実施形態のうちの１つまたは複数のみに関して上記で説明されている場合があるが、そのような特徴は、任意の所与のまたは特定の用途のために望ましく、有利であり得るように、他の実施形態の１つまたは複数の他の特徴と組み合わせられ得る。
Claims (20)
- 被加熱固定具であって
５軸ステージに機械的に結合するように構成されたベースと、
スタンドであって
印刷基材を支持し、前記印刷基材に熱的に結合されるように構成された支持面と、
前記スタンドが前記ベースから取り外し可能であるように、かつ、前記スタンドの位置が前記５軸ステージに対して維持されるように、前記ベースと機械的に結合するように構成された嵌合構造と、
前記支持面に熱的に結合された本体と、
ヒータによって生成された熱エネルギーが前記本体および前記支持面を介して前記印刷基材と交換されるように、前記本体に熱的に結合されたヒータと
を含むスタンドと、
前記印刷基材の第２の温度に関連する第１の温度を測定するように構成された温度センサと、
前記温度センサによって測定された前記第１の温度に基づいて、前記ヒータに供給される電力を調節するように構成された温度コントローラと
を含む被加熱固定具。 - 前記ヒータはフィルムヒータである、請求項１に記載の被加熱固定具。
- 前記本体は、熱伝導性材料の第１の本体部分と、前記熱伝導性材料の第２の本体部分とを含み、前記ヒータは、前記第１の本体部分と前記第２の本体部分との間に位置する、請求項２に記載の被加熱固定具。
- 前記ヒータは、前記第１の本体部分の側面および前記第２の本体部分の側面の両方と接触して配置される、請求項３に記載の被加熱固定具。
- 前記支持面は、前記第１の本体部分の表面に位置し、前記第１の本体部分および前記第２の本体部分は、前記支持面が前記スタンドの長手方向軸に沿って前記ベースから離れる方向に前記第２の本体部分を越えて延在するように、互いに対して配置される、請求項３または４に記載の被加熱固定具。
- 前記ヒータはポリイミドフィルムヒータである、請求項２に記載の被加熱固定具。
- 前記ヒータは、前記スタンドの長手方向軸に沿って前記支持面から離れた位置にある、請求項１から６のいずれか一項に記載の被加熱固定具。
- 前記ヒータはカートリッジヒータである、請求項１から７のいずれか一項に記載の被加熱固定具。
- 前記ヒータは、前記本体のボア内に位置する、請求項８に記載の被加熱固定具。
- 前記ベースは、締結具を介して前記５軸ステージに機械的に結合される、請求項１から９のいずれか一項に記載の被加熱固定具。
- 前記支持面は、前記印刷基材の結合面と機械的に結合される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の被加熱固定具。
- 前記支持面は、前記印刷基材の前記結合面の輪郭に一致するように成形される、請求項１１に記載の被加熱固定具。
- 前記スタンドは、前記本体の外面に隣接して位置する断熱材をさらに含み、前記断熱材は、前記本体と前記本体が位置する環境との間の熱エネルギーの交換を遅らせるように構成される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の被加熱固定具。
- 前記温度センサは熱電対である、請求項１から１３のいずれか一項に記載の被加熱固定具。
- 前記温度コントローラは、前記温度センサの出力が制御温度未満の温度に維持されるように、前記ヒータに供給される前記電力を調節する、請求項１から１４のいずれか一項に記載の被加熱固定具。
- 前記本体および支持面は、銅またはアルミニウムで作られる、請求項１から１５のいずれか一項に記載の被加熱固定具。
- 前記５軸ステージは、電気コネクタを含み、前記被加熱固定具は、前記ヒータが前記５軸ステージから電力を受け取るように、前記５軸ステージの前記電気コネクタとの電気接続を確立するように構成された電気接点をさらに備える、請求項１から１６のいずれか一項に記載の被加熱固定具。
- 被加熱固定具であって、
５軸ステージに機械的に結合するように構成されたベースと、
スタンドであって
印刷基材を支持し、前記印刷基材に熱的に結合されるように構成された支持面と、
前記スタンドが前記ベースから取り外し可能であるように、かつ、前記スタンドの位置が前記５軸ステージに対して維持されるように、前記ベースと機械的に結合するように構成された嵌合構造と、
前記支持面に熱的に結合され、第１の本体部分および第２の本体部分を含む本体であって、前記支持面は、前記第１の本体部分の表面に位置し、前記第１の本体部分および前記第２の本体部分は、前記支持面が前記スタンドの長手方向軸に沿って前記ベースから離れる方向に前記第２の本体部分を越えて延在するように、互いに対して配置される、本体と、
ヒータによって生成された熱エネルギーが前記本体および前記支持面を介して前記印刷基材と交換されるように、前記第１の本体部分と前記第２の本体部分との間に位置するとともに、前記第１の本体部分および前記第２の本体部分の両方と接触しているフィルムヒータと
を含むスタンドと、
前記印刷基材の第２の温度に関連する第１の温度を測定するように構成された温度センサと、
前記温度センサによって測定された前記第１の温度に基づいて、前記ヒータに供給される電力を調節するように構成された温度コントローラと
を含む被加熱固定具。 - プリンタであって、
５軸ステージと、
印刷基材と、
請求項１から１８のいずれか一項に記載の被加熱固定具と
を備えるプリンタ。 - エアロゾル化された印刷材料を前記印刷基材上に出力するように構成されたプリントヘッドをさらに備える、請求項１９に記載のプリンタ。
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