(57)【要約】  【課題】  本発明の目的は、水平でない状態で使用することのできる液体吐出ヘッド、およびそれを用いた液体吐出ヘッド装置、液体吐出装置ならびに印刷方法を提供することにある。  【解決手段】  複数の液体吐出孔８、複数の液体吐出孔と８それぞれ繋がっている複数の液体加圧室１０、および複数の液体加圧室１０とそれぞれ繋がっており、互いに独立している複数の共通流路（マニホールド）５を有するとともに、１つの共通流路５に繋がっている液体吐出孔８が開口している個別開口領域６０が、全ての複数の前記液体吐出孔８が開口している液体吐出孔開口領域６１よりも面積が狭くなっている流路部材４、ならびに複数の液体加圧室１０をそれぞれ加圧する複数の加圧部５０を有することを特徴とする液体吐出ヘッドである。  【選択図】  図５
2012043741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の液体吐出孔、該複数の液体吐出孔とそれぞれ対応して繋がっている複数の液体加圧室、および該複数の液体加圧室に共通して繋がっており、互いに独立している複数の共通流路を有するとともに、１つの前記共通流路に繋がっている前記液体吐出孔が開口している部分を覆う個別開口領域が、全ての前記複数の前記液体吐出孔が開口している部分を覆う液体吐出孔開口領域よりも面積が狭くなっている流路部材、
ならびに前記複数の液体加圧室をそれぞれ加圧する複数の加圧部を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記液体吐出孔開口領域が一方方向に長く、かつ前記個別開口領域の前記一方方向の長さが、前記液体吐出孔開口領域の前記一方方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記複数の共通流路に同じ液体が供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の液体吐出ヘッドと、
該液体吐出ヘッドの前記複数の共通流路とそれぞれ対応して繋がっているとともに、前記共通流路に供給する液体の圧力を独立して調整できる複数の圧力調整部と
を有することを特徴とする液体吐出ヘッド装置。
【請求項５】
前記複数の圧力調整部が、吐出する液体を溜めることのできる共通タンクに繋がっていることを特徴とする請求項４に記載の液体吐出ヘッド装置。
【請求項６】
前記圧力調整部が、大気解放された状態で、吐出される液体を溜めることができる中継タンクと、該中継タンクを鉛直方向に移動可能な昇降部とを含むことを特徴とする請求項４または５に記載の液体吐出ヘッド装置。
【請求項７】
前記中継タンクと該中継タンクが繋がっている前記共通流路との鉛直方向の距離を略一定に保つように、前記中継タンクと前記液体吐出ヘッドとが接続されていることを特徴とする請求項４または５に記載の液体吐出ヘッド装置。
【請求項８】
前記液体吐出ヘッドは、複数存在する前記個別開口領域の鉛直方向の位置が異なるように配置されており、
前記圧力調整部が、大気解放された状態で、吐出される液体を溜めることができる中継タンクであり、前記個別開口領域のうち下方に位置する前記個別開口領域に開口している前記液体吐出孔に繋がっている前記中継タンクほど、鉛直方向の位置が下になるように配置されていることを特徴とする請求項４または５に記載の液体吐出ヘッド装置。
【請求項９】
前記液体吐出ヘッドの傾きを検知するセンサー部と、
該センサー部の検知した情報を基に、前記共通流路に供給する液体の圧力を、前記個別開口領域のうち下方に位置する前記個別開口領域に開口している前記液体吐出孔に繋がっている前記共通流路ほど小さくなるように、前記複数の圧力調整部を制御する制御部と
を有することを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の液体吐出ヘッド装置。
【請求項１０】
前記液体吐出ヘッドの傾きを変える傾斜機構と、
前記共通流路に供給する液体の圧力を、前記個別開口領域のうち下方に位置する前記個別開口領域に開口している前記液体吐出孔に繋がっている前記共通流路ほど小さくなるように、前記複数の圧力調整部を制御する制御部と
を有することを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の液体吐出ヘッド装置。
【請求項１１】
請求項４〜８のいずれかに記載の液体吐出ヘッド装置と、吐出対象物と前記液体吐出ヘッドとの相対的な位置を変えるように、吐出対象物および前記液体吐出ヘッドの少なくとも一方を移動させる可動部と、前記液体吐出ヘッド装置および前記可動部を制御する制御部とを備えていることを特徴とする液体吐出装置。
【請求項１２】
請求項９または１０に記載の液体吐出ヘッド装置と、吐出対象物と前記液体吐出ヘッドとの相対的な位置を変えるように、吐出対象物および前記液体吐出ヘッドの少なくとも一方を移動させる可動部とを備えており、前記制御部は、前記液体吐出ヘッド装置および前記可動部を制御することを特徴とする液体吐出装置。
【請求項１３】
前記可動部は、吐出対象物に対して前記液体吐出孔の開口の方向を変えるように前記液体吐出ヘッドを動かすことができることを特徴とする請求項１１または１２に記載の液体吐出装置。
【請求項１４】
複数の液体吐出孔、該複数の液体吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の液体加圧室、および該複数の液体加圧室とそれぞれ繋がっており、互いに独立している複数の共通流路を有するとともに、１つの前記共通流路に繋がっている前記液体吐出孔が開口している個別開口領域が、全ての前記複数の前記液体吐出孔が開口している液体吐出孔開口領域よりも面積が狭くなっている流路部材、
ならびに前記複数の液体加圧室をそれぞれ加圧する複数の加圧部を有する液体吐出ヘッドを用いた印刷方法であって、
前記個別開口領域の鉛直方向の位置が異なるように前記液体吐出ヘッドを配置し、前記個別開口領域のうち下方に位置する前記個別開口領域に開口している前記液体吐出孔に繋がっている前記共通流路ほど、前記共通流路中の液体に加わる圧力を小さくして、吐出対象物に液体を吐出することを特徴とする印刷方法。
【請求項１５】
前記個別開口領域の鉛直方向の位置が相対的に変わるように、前記液体吐出ヘッドを移動させるとともに、移動にともなって、前記個別開口領域のうち下方に位置する前記個別開口領域に開口している前記液体吐出孔に繋がっている前記共通流路ほど、前記共通流路中の液体に加わる圧力を小さくして、液体を吐出することを特徴とする請求項１４に記載の印刷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴を吐出させる液体吐出ヘッド、特に傾けた状態で固定されたり、傾ける角度を変えながら使用される液体吐出ヘッド、およびそれを用いた液体吐出ヘッド装置、液体吐出装置ならびに印刷方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、インクジェットプリンタやインクジェットプロッタなどの、インクジェット記録方式を利用した印刷装置が、一般消費者向けのプリンタだけでなく、例えば電子回路の形成や液晶ディスプレイ用のカラーフィルタの製造、有機ＥＬディスプレイの製造といった工業用途にも広く利用されている。【０００３】
このようなインクジェット方式の印刷装置には、液体を吐出させるための液体吐出ヘッドが印刷ヘッドとして搭載されている。この種の印刷ヘッドには、インクが充填されたインク流路内に加圧手段としてのヒータを備え、ヒータによりインクを加熱、沸騰させ、インク流路内に発生する気泡によってインクを加圧し、インク吐出孔より、液滴として吐出させるサーマルヘッド方式と、インクが充填されるインク流路の一部の壁を変位素子によって屈曲変位させ、機械的にインク流路内のインクを加圧し、インク吐出孔より液滴として吐出させる圧電方式が一般的に知られている。【０００４】
また、このような液体吐出ヘッドには、吐出対象物の搬送方向（副走査方向）と直交する方向（主走査方向）に液体吐出ヘッドを移動させつつ記録を行なうシリアル式、および吐出対象物より主走査方向に長い液体吐出ヘッドを固定した状態で、副走査方向に搬送されてくる吐出対象物に記録を行なうライン式がある。ライン式は、シリアル式のように液体吐出ヘッドを移動させる必要がないので、高速記録が可能であるという利点を有する。【０００５】
シリアル式、ライン式のいずれの方式の液体吐出ヘッドであっても、液滴を高い密度で印刷するには、液体吐出ヘッドに形成されている、液滴を吐出する液体吐出孔の密度を高くする必要がある。【０００６】
そこで一方方向の長い液体吐出ヘッドを、マニホールド（共通流路）およびマニホールドから複数の液体加圧室をそれぞれ介して繋がる液体吐出孔を有した流路部材と、前記液体加圧室をそれぞれ覆うように設けられた複数の変位素子を有するアクチュエータユニットとを積層して構成したものが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。この液体吐出ヘッドでは、複数の液体吐出孔にそれぞれ繋がった液体加圧室がマトリックス状に配置され、それを覆うように設けられたアクチュエータユニットの変位素子を変位させることで、各液体吐出孔からインクを吐出させ、主走査方向に６００ｄｐｉの解像度で印刷が可能とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３０５８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、引用文献１に記載の液体吐出ヘッドを、液体吐出孔が開口している液体吐出孔面が水平でない状態、例えば、長手方向（一方方向に長い方向）が水平でないような条件で使用しようとすると、長手方向の一端にある液体吐出孔と他端にある液体吐出孔に加わる背圧の差が大きくなり、両方の液体吐出孔から吐出可能な状態にすることができないという問題があった。【０００９】
したがって、本発明の目的は、水平でない状態で使用することのできる液体吐出ヘッド、およびそれを用いた液体吐出ヘッド装置、液体吐出装置ならびに印刷方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の液体吐出ヘッドは、複数の液体吐出孔、該複数の液体吐出孔とそれぞれ対応して繋がっている複数の液体加圧室、および該複数の液体加圧室に共通して繋がっており、互いに独立している複数の共通流路を有するとともに、１つの前記共通流路に繋がっている前記液体吐出孔が開口している部分を覆う個別開口領域が、全ての前記複数の前記液体吐出孔が開口している部分を覆う液体吐出孔開口領域よりも面積が狭くなっている流路部材、ならびに前記複数の液体加圧室をそれぞれ加圧する複数の加圧部を有することを特徴とする。【００１１】
また、本発明の液体吐出ヘッド装置は、前記液体吐出ヘッドと、該液体吐出ヘッドの前記複数の共通流路とそれぞれ繋がっているとともに、前記共通流路に供給する液体の圧力を独立して調整できる複数の圧力調整部とを有することを特徴とする。【００１２】
さらに、本発明の液体吐出装置は、前記液体吐出ヘッド装置と、吐出対象物と前記液体吐出ヘッドとの相対的な位置を変えるように、吐出対象物および前記液体吐出ヘッドの少なくとも一方を移動させる可動部と、前記液体吐出ヘッド装置および前記可動部を制御する制御部とを備えていることを特徴とする。【００１３】
またさらに、本発明の印刷方法は、複数の液体吐出孔、該複数の液体吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の液体加圧室、および該複数の液体加圧室とそれぞれ繋がっており、互いに独立している複数の共通流路を有するとともに、１つの前記共通流路に繋がっている前記液体吐出孔が開口している個別開口領域が、全ての前記複数の前記液体吐出孔が開口している液体吐出孔開口領域よりも面積が狭くなっている流路部材、ならびに前記複数の液体加圧室をそれぞれ加圧する複数の加圧部を有する液体吐出ヘッドを用いた印刷方法であって、前記個別開口領域の鉛直方向の位置が異なるように前記液体吐出ヘッドを配置し、前記個別開口領域のうち下方に位置する前記個別開口領域に開口している前記液体吐出孔に繋がっている前記共通流路ほど、前記共通流路中の液体に加わる圧力を小さくして液体を吐出対象物に吐出することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドに用いられる流路部材の平面図である。
【図２】図１に示した流路部材を用いた液体吐出ヘッドの部分平面図であり、説明のため一部の流路を省略した図である。
【図３】図１に示した流路部材を用いた液体吐出ヘッドの部分平面図であり、説明のため一部の流路を省略した図である。
【図４】図２のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図である。
【図５】（ａ）は、本発明の一実施例に係る液体吐出ヘッド装置の模式図であり、（ｂ）は、本発明の範囲外の液体吐出ヘッド装置の模式図である。
【図６】水頭差を説明する模式図である。
【図７】本発明の他の液体吐出ヘッド装置の実施形態の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に用いられる流路部材４の平面図である。図２は、図１で示した流路部材４に圧電アクチュエータユニット２１を接合した液体吐出ヘッド１３の部分平面図である。図２は、図３と同じ位置の拡大透視図である。なお、図２および図３において、図面を分かり易くするために、一部の流路を省略して描いている。また、圧電アクチュエータユニット２１の下方にあって破線で描くべき液体加圧室１０（液体加圧室群９）、しぼり１２および液体吐出孔８を実線で描いている。図４は図２のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図である。
【００１６】
図５（ａ）は、本発明の一実施例に係る液体吐出ヘッド装置２の模式図であり、圧電アクチュエータユニット２１を省略し、流路部材４の流路構造は簡略化して示している。図６（ｂ）は、図５（ａ）と同様に細部を省略した本発明の範囲外の液体吐出ヘッド装置３０２の模式図である。
【００１７】
図５（ａ）の液体吐出ヘッド装置２では、流路部材４に液体吐出孔８から供給孔５ｂまでの共通流路であるマニホールド５が複数設けられており、複数のマニホールド５は繋がっておらず、独立している。これらのマニホールド５の供給孔５ｂには、それぞれチューブ８３ａを介して外部タンクである中継タンク８１が繋がれている。中継タンク８１は、それぞれ昇降部であるモーター８２が付いており、モーター８２を動かすことにより、各中継タンク８１を鉛直方向に稼働できるようになっている。中継タンク８１と液体吐出ヘッド１３との相対的な高さを変えることで、液体吐出孔８に加わる背圧が調整できるようになっている。各中継タンク８１へは１つの共通タンクから１種類の液体が供給される。
【００１８】
これに対して、図５（ｂ）の本発明の範囲外の液体吐出ヘッド装置３０２では、流路部材３０４に液体吐出孔３０８から供給孔３８５ｂまでのマニホールド３０５が１つ設けられており、マニホールド３０５の供給孔３０５ｂには、それぞれチューブ３８３ａを介して中継タンク３８１が繋がれている。
【００１９】
ここで、まず液体吐出ヘッドにおける背圧および水頭差について説明する。図６は、水頭差を説明する模式図である。図６では、液体吐出孔８の開口している液多吐出孔面４ａを有する流路部材４（内部の流路は簡略化して描いている）に、外部液体タンク８１がチューブ８３ａ、８３ｂを介して繋がっている。チューブ８３ａ、８３ｂの間には開閉できる弁８５があり、弁８５には外部チューブ８７が繋がっている。外部液体タンク８１には液体８０が入っており、液面８０ａは、外部液体タンク８１内の液体８０の上面である。液体８０は、チューブ８３ａ、８３ｂを通って流路部材４の中のマニホールド５を満たしており、液体８０は液体吐出孔８の内側でメニスカス８０ｂを張っている。また、外部液体タンク８１は、管８９により大気と繋がっていて、液体８０は大気解放されている。
【００２０】
液体吐出ヘッドでは、吐出を行なう際に、流路内の液体に負圧が加わるようにする。これを背圧という。メニスカス８０ｂに加わっている圧力が正圧であると液体吐出孔８から液体が外に漏れることになるし、負圧が加わっていなかったり、負圧が低いとメニスカス８ｂの形状が安定しない。逆に負圧が大きすぎると、メニスカス８０ｂが流路部材４内に引き込まれてしまい、やはり形状が安定しない。適切な負圧を得るため、液体吐出孔面４ａに対して、液面８０ａを低くすることが行なわれており、この液体吐出孔面４ａから液面２１０ａまでの高さの差を水頭差という。吐出を行なう際の水頭差は、背圧が負圧となるように負の値にされる。なお、重要なのは、メニスカス８０ｂに負圧が加わるようにすることであるので、水頭差に相当する圧力を外部から加えることにより、メニスカス８０ｂを維持するようにしてもよい。
【００２１】
図１〜４に示した液体吐出ヘッドでは、液体吐出孔面４ａが水平な場合は、使用する液体にもよるが、水頭差を−７０〜−２０ｍｍ程度とすることで、液滴を吐出させることができる。また、単に吐出するだけでなく、複数の液体吐出孔８の間で、吐出速度や吐出量などの液滴の吐出特性の差を少なくしたり、吐出された液体の分、液面８０ａが下がること考慮すると、水頭差はさらに狭い範囲に設定する必要がある。
【００２２】
なお、必要になる背圧は、液体の表面張力および液体と流路部材４との接触角の余弦（コサイン）に比例し、液体の密度および液体吐出孔８の半径に比例する。
【００２３】
図５（ｂ）の液体吐出ヘッド装置３０２では、液体吐出孔３０８は、長さ４インチ（約１０１．６ｍｍ）にわたって形成されている。したがって、液体吐出ヘッドを垂直に立てた場合、水頭差の値が最も大きくなる長手方向の一端で最も低い位置にある液体吐出孔３０８における水頭差ｈ３と、水頭差の値が最も小さくなる長手方向の他端で最も高い位置にある液体吐出孔８における水頭差ｈ４との差は約１０１．６ｍｍとなるため、両方の水頭差を上述の−７０〜−２０ｍｍの範囲にすることはできない。具体的には、最も低い位置にある液体吐出孔３０８を吐出可能な水頭差にすると、最も高い位置にある液体吐出孔３０８のメニスカスは内部に引き込まれてしまい、吐出できないようになる。逆に最も高い位置にある液体吐出孔３０８を吐出可能な水頭差にすると、最も低い位置にある液体吐出孔３０８から液体が流れ出すようになってしまう。
【００２４】
ここで、１つのマニホールド５に繋がっている液体吐出孔８が開口している部分を覆う領域を個別開口領域６０と言うことにする。個別開口領域６０は、基本的に１つの平面内の凸多角形状の領域である。図５（ａ）の液体吐出ヘッド装置２では、１つのマニホールド５に繋がっている液体吐出孔８は、約１インチ（約２５．４ｍｍ）の長さの個別開口領域６０にわたって形成されている。したがって、液体吐出ヘッドを垂直に立てた場合であっても水頭差は約２５．４ｍｍなので、個別開口領域６０の中央における水頭差を−４５ｍｍにすれば、個別開口領域６０の中で最水頭差の値が最も大きくなる個別開口領域６０の一端で最も低い位置にある液体吐出孔８における水頭差ｈ１は、約−３２．３ｍｍになり、水頭差の値が最も小さくなる個別開口領域６０の他端で最も高い位置にある液体吐出孔８における水頭差ｈ２は、−６２．７ｍｍとなり、いずれも上述の−７０〜−２０ｍｍの範囲内に収まる。逆に言えば、上述の背圧と、液体の物性および流路構造との関係、もしくは、実験結果などから、安定した吐出が行なえる水頭差の範囲がわかるので、印刷時に液体吐出ヘッドが取りうる角度において、個別開口領域６０の最も低い位置の液体吐出孔８および最も高い位置の液体吐出孔８のいずれもが適切な水頭差の範囲に収まるように個別開口領域６０の範囲を設計すればよい。
【００２５】
全ての液体吐出孔８が開口している部分を覆う液体吐出孔開口領域６１が一方方向に長く、かつ個別開口領域６０の前記一方方向の長さが、液体吐出孔開口領域６１の前記一方方向の長さよりも短くすることで、適切な水頭差の範囲に収まるようにしながら幅広い範囲に印刷ができる。水頭差の差を少なくする、あるいは、同じ水頭差が生じる構成で、より広い範囲を印刷するためには、個別開口領域６０が、液体吐出孔開口領域６１を前記一方方向にほぼ等間隔で分割されているようにすればよい。
【００２６】
なお、複数の個別開口領域６０の配置は図１に示したもの以外に、長方形状や平行四辺形状の個別開口領域６０がマトリクス状に配置されたものなどでもよい。また、各個別開口領域６０は完全に独立していなくても重なり合っていてよい。その場合であっても、全ての個別開口領域６０は、全ての液体吐出孔８が開口している液体吐出孔開口領域６１よりも面積が狭くなっている。これは、別の言い方をすれば、全ての個別開口領域６０のそれぞれにおいて、それらに含まれる液体吐出孔８のうちで最も距離が離れているものの間の距離が、液体吐出孔開口領域６１の液体吐出孔８のうちで最も距離が離れているものの間の距離がよりも短くなっているということである。
【００２７】
そのような条件を満たせば、背圧が調整できる区画である個別開口領域６０が、液体吐出孔開口領域６１よりも狭いので、各個別開口領域６０に対応するマニホールド５に加わる背圧を調整することで、液体吐出孔開口領域６１全体にわたって、適切なメニスカスの状態を保つことが可能になる。また、液体吐出孔開口領域６１が一方方向に長い場合、その方向に傾けた場合に、このような構造がないと液体吐出孔８における圧力差が大きくなるので、個別開口領域６０の一方方向の長さが、液体吐出孔開口領域６１の一方方向の長さよりも短い場合に、特に圧力差を減じる効果が高いので、上述の構造が有効である。
【００２８】
また、以上の液体吐出ヘッド装置２は、１色分のインクを印刷することができる。つまり、広い範囲に安定的に印刷できるになるので、各マニホールド５には同じ種類の液体が供給され、満たされることになるのが好ましいた。また、上述の液体吐出ヘッド装置を４つ用いて、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）およびブラック（Ｋ）のインクを各マニホールド５に供給すればカラー印刷を行なうこともできる。
【００２９】
また、中継タンク８１に供給する液体を、共通タンク８４から供給するのではなく、個別に供給するようにすれば１つの液体吐出ヘッドで複数のインクを吐出させて印刷させることもできる。例えば、液体吐出孔開口領域６１が一方方向に長く、１種類のインクを吐出する液体吐出孔開口領域６１が、液体吐出孔開口領域６１の一方方向に全体にわたって配置されており、４種類のインクの液体吐出孔開口領域６１が一方方向に直交する方向に並んでいる実施形態も考えられる。このような実施形態では、長手方向への傾斜に対しては従来の構造と同等の状態になるが、短手方向の傾斜に対しては、圧力差を少なくすることができる。
【００３０】
続いて、液体吐出ヘッドの詳細に付いて説明する。液体吐出ヘッドは、平板状の流路部材４と、流路部材４上の圧電アクチュエータユニット２１とを有している。圧電アクチュエータユニット２１は台形形状を有しており、その台形の１対の平行対向辺が流路部材４の長手方向に平行になるように流路部材４の上面に配置されている。また、流路部材４の長手方向に平行な２本の仮想直線のそれぞれに沿って２つずつ、つまり合計４つの圧電アクチュエータユニット２１が、全体として千鳥状に流路部材４上に配列されている。流路部材４上で隣接し合う圧電アクチュエータユニット２１の斜辺同士は、流路部材４の短手方向について部分的にオーバーラップしている。このオーバーラップしている部分の圧電アクチェータユニット２１を駆動することにより印刷される領域では、２つの圧電アクチュエータユニット２１により吐出された液滴が混在して着弾することになる、
流路部材４の内部にはマニホールド５の一部であるマニホールド５が形成されている。マニホールド５は流路部材４の長手方向に沿って延び細長い形状を有しており、流路部材４の上面にはマニホールド５の供給孔５ｂが形成されている。供給孔５ｂは、流路部材４の長手方向に平行な２本の直線（仮想線）のそれぞれに沿って５個ずつ、合計１０個形成されている。供給孔５ｂは、４つの圧電アクチュエータユニット２１が配置された領域を避ける位置に形成されている。マニホールド５には供給孔５ｂを通じて外部液体タンク８１から液体が供給されるようになっている。
【００３１】
流路部材４内に形成されたマニホールド５は、複数本に分岐している（分岐した部分のマニホールド５を副マニホールド５ａということがある）。供給孔５ｂに繋がるマニホールド５は、圧電アクチュエータユニット２１の斜辺に沿うように延在しており、流路部材４の長手方向と交差して配置されている。副マニホールド５ａは、流路部材４の内部の各圧電アクチュエータユニット２１に対向する領域に互いに隣接してヘッド本体１３の長手方向に延在している。
【００３２】
１つの圧電アクチュエータユニット２１の両側の供給孔５ｂに繋がっているマニホール５は、その圧電アクチュエータユニット２１と略同形状の領域に限定されており、他の圧電アクチュエータユニット２１の両側の供給孔５ｂに繋がっているマニホール５と繋がっていない。
【００３３】
流路部材４は、複数の液体加圧室１０がマトリクス状（すなわち、２次元的かつ規則的）に形成されている４つの液体加圧室群９を有している。液体加圧室１０は、角部にアールが施されたほぼ菱形の平面形状を有する中空の領域である。液体加圧室１０は流路部材４の上面に開口するように形成されている。これらの液体加圧室１０は、流路部材４の上面における圧電アクチュエータユニット２１に対向する領域のほぼ全面にわたって配列されている。したがって、これらの液体加圧室１０によって形成された各液体加圧室群９は圧電アクチュエータユニット２１とほぼ同一の大きさおよび形状の領域を占有している。また、各液体加圧室１０の開口は、流路部材４の上面に圧電アクチュエータユニット２１が接着されることで閉塞されている。
【００３４】
本実施形態では、図２に示されているように、マニホールド５は、流路部材４の短手方向に互いに平行に並んだ４列のＥ１〜Ｅ４の副マニホールド５ａに分岐し、各副マニホールド５ａに繋がった液体加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ液体加圧室１０の列を構成し、その列は、短手方向に互いに平行に４列配列されている。副マニホールド５ａに繋がった液体加圧室１０の並ぶ列は副マニホールド５ａの両側に２列ずつ配列されている。
【００３５】
各マニホールド５は独立しているので、上述の構造は、別の言い方をすれば、液体加圧室１０が複数のグループに分けられており、１つのマニホール５は１つのグループに属する液体加圧室１０に共通して繋がっており、各液体加圧室１０は対応する一つの液体吐出孔に繋がっている。そして上述の構造では、１つのマニホール５およびそのマニホール５から共通して繋がっている液体加圧室１０および液体吐出孔８で１つの流路が構成されており、液体吐出ヘッドには、４つの流路が独立して設けられている。
【００３６】
全体では、マニホールド５から繋がる液体加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ液体加圧室１０の列を構成し、その列は、短手方向に互いに平行に１６列配列されている。各液体加圧室列に含まれる液体加圧室１０の数は、アクチュエータである変位素子５０の外形形状に対応して、その長辺側から短辺側に向かって次第に少なくなるように配置されている。液体吐出孔８もこれと同様に配置されている。これによって、全体として長手方向に６００ｄｐｉの解像度で画像形成が可能となっている。
【００３７】
つまり、流路部材４の長手方向に平行な仮想直線に対して直交するように液体吐出孔８を投影すると、図３に示した仮想直線のＲの範囲に、各副マニホールド５ａに繋がっている４つの液体吐出孔８、つまり全部で１６個の液体吐出孔８が６００ｄｐｉの等間隔になっている。また、各副マニホールド５ａには平均すれば１５０ｄｐｉに相当する間隔で個別流路３２が接続されている。これは、６００ｄｐｉ分の液体吐出孔８を４つ列の副マニホールド５ａに分けて繋ぐ設計をする際に、各副マニホールド５ａに繋がる個別流路３２が等しい間隔で繋がるとは限らないため、マニホールド５ａの延在方向、すなわち主走査方向に平均１７０μｍ（１５０ｄｐｉならば２５．４ｍｍ／１５０＝１６９μｍ間隔である）以下の間隔で個別流路３２が形成されているということである。
【００３８】
圧電アクチュエータユニット２１の上面における各液体加圧室１０に対向する位置には後述する個別電極３５がそれぞれ形成されている。個別電極３５は液体加圧室１０より一回り小さく、液体加圧室１０とほぼ相似な形状を有しており、圧電アクチュエータユニット２１の上面における液体加圧室１０と対向する領域内に収まるように配置されている。
【００３９】
流路部材４の下面の液体吐出面には多数の液体吐出孔８が形成されている。これらの液体吐出孔８は、流路部材４の下面側に配置された副マニホールド５ａと対向する領域を避けた位置に配置されている。また、これらの液体吐出孔８は、流路部材４の下面側における圧電アクチュエータユニット２１と対向する領域内に配置されている。これらの個別開口領域６０は圧電アクチュエータユニット２１とほぼ同一の大きさおよび形状の領域を占有しており、対応する圧電アクチュエータユニット２１の変位素子５０を変位させることにより液体吐出孔８から液滴が吐出できる。そして、それぞれの領域内の液体吐出孔８は、流路部材４の長手方向に平行な複数の直線に沿って等間隔に配列されている。
【００４０】
ヘッド本体１３に含まれる流路部材４は、複数のプレートが積層された積層構造を有している。これらのプレートは、流路部材４の上面から順に、キャビティプレート２２、ベースプレート２３、アパーチャ（しぼり）プレート２４、サプライプレート２５、２６、マニホールドプレート２７、２８、２９、カバープレート３０およびノズルプレート３１である。これらのプレートには多数の孔が形成されている。各プレートは、これらの孔が互いに連通して個別流路３２および副マニホールド５ａを構成するように、位置合わせして積層されている。ヘッド本体１３は、図４に示されているように、液体加圧室１０は流路部材４の上面に、副マニホールド５ａは内部の下面側に、液体吐出孔８は下面にと、個別流路３２を構成する各部分が異なる位置に互いに近接して配設され、液体加圧室１０を介して副マニホールド５ａと液体吐出孔８とが繋がる構成を有している。なお、流路部材４の下面が、液体吐出孔８が開口している液体吐出孔面４ａである。
【００４１】
各プレートに形成された孔について説明する。これらの孔には、次のようなものがある。第１に、キャビティプレート２２に形成された液体加圧室１０である。第２に、液体加圧室１０の一端から副マニホールド５ａへと繋がる流路を構成する連通孔である。この連通孔は、ベースプレート２３（詳細には液体加圧室１０の入り口）からサプライプレート２５（詳細には副マニホールド５ａの出口）までの各プレートに形成されている。なお、この連通孔には、アパーチャプレート２４に形成されたしぼり１２と、サプライプレート２５、２６に形成された個別供給流路６とが含まれている。
【００４２】
第３に、液体加圧室１０の他端から液体吐出孔８へと連通する流路を構成する連通孔であり、この連通孔は、以下の記載においてディセンダ（部分流路）と呼称される。ディセンダは、ベースプレート２３（詳細には液体加圧室１０の出口）からノズルプレート３１（詳細には液体吐出孔８）までの各プレートに形成されている。第４に、副マニホールド５ａを構成する連通孔である。この連通孔は、マニホールドプレート２７〜２９に形成されている。
【００４３】
このような連通孔が相互に繋がり、副マニホールド５ａからの液体の流入口（副マニホールド５ａの出口）から液体吐出孔８に至る個別流路３２を構成している。副マニホールド５ａに供給された液体は、以下の経路で液体吐出孔８から吐出される。まず、副マニホールド５ａから上方向に向かって、個別供給流路６を通り、しぼり１２の一端部に至る。次に、しぼり１２の延在方向に沿って水平に進み、しぼり１２の他端部に至る。そこから上方に向かって、液体加圧室１０の一端部に至る。さらに、液体加圧室１０の延在方向に沿って水平に進み、液体加圧室１０の他端部に至る。そこから少しずつ水平方向に移動しながら、主に下方に向かい、下面に開口した液体吐出孔８へと進む。
【００４４】
本実施形態では、１つの個別開口領域６０に含まれる液体吐出孔８は同一平面に配置されており、マニホールド５は、その面に沿って配置されていて、液体吐出孔８とマニホールド５との距離は、ほぼ一定になっている。また、マニホールド５から各液体吐出孔８までの流路の構造は、流路特性としてほぼ同じなるっている。このような構成を有することにより、水平状態で使用した際に、各液体吐出孔８から吐出される液体の吐出特性のばらつきを少なくできる。さらに、複数存在するマニホールド５に加わる圧力をそれぞれ調整することにより、各液体吐出孔８からの安定して吐出することができる。なお、本実施形態では全ての液体吐出孔８が同一平面に配置されているが、これは必ずしもの必要ではない。液体吐出孔８を個別開口領域６０毎に異なる平面（違う高さ）に配置して、個別開口領域６０に開口している液体吐出孔８と、それに繋がっているマニホールド５との距離がほぼ同じになるように、複数のマニホールド５の高さが異なるように配置してもよい。このような液体吐出ヘッド１３では、１つの個別開口領域６０の面を水平にした際に、複数のマニホールド５の鉛直方向の位置が異なることもある。
【００４５】
圧電アクチュエータユニット２１は、図４に示されるように、２枚の圧電セラミック層２１ａ、２１ｂからなる積層構造を有している。これらの圧電セラミック層２１ａ、２１ｂはそれぞれ２０μｍ程度の厚さを有している。圧電アクチュエータユニット２１全体の厚さは４０μｍ程度である。圧電セラミック層２１ａ、２１ｂのいずれの層も複数の液体加圧室１０を跨ぐように延在している（図２参照）。これらの圧電セラミック層２１ａ、２１ｂは、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミックス材料からなる。
【００４６】
圧電アクチュエータユニット２１は、Ａｇ−Ｐｄ系などの金属材料からなる共通電極３４、Ａｕ系などの金属材料からなる個別電極３５を有している。個別電極３５は上述のように圧電アクチュエータユニット２１の上面における液体加圧室１０と対向する位置に配置されている。個別電極３５の一端は、液体加圧室１０と対向する領域外に引き出されて接続電極３６が形成されている。接続電極３６は例えばガラスフリットを含む金からなり、厚さが１５μｍ程度で凸状に形成されている。また、接続電極３６は、図示されていないＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）に設けられた電極と電気的に接合されている。詳細は後述するが、個別電極３５には、制御部からＦＰＣを通じて駆動信号（駆動電圧）が供給される。駆動信号は、印刷媒体の搬送速度と同期して一定の周期で供給される。
【００４７】
共通電極３４は、圧電セラミック層２１ａと圧電セラミック層２１ｂとの間の領域に面方向のほぼ全面にわたって形成されている。すなわち、共通電極３４は、圧電アクチュエータユニット２１に対向する領域内の全ての液体加圧室１０を覆うように延在している。共通電極３４の厚さは２μｍ程度である。共通電極３４は図示しない領域において接地され、グランド電位に保持されている。本実施形態では、圧電セラミック層２１ｂ上において、個別電極３５からなる電極群を避ける位置に個別電極３５とは異なる表面電極（不図示）が形成されている。表面電極は、圧電セラミック層２１ｂの内部に形成されたスルーホールを介して共通電極３４と電気的に接続されているとともに、多数の個別電極３５と同様に、ＦＰＣ上の別の電極と接続されている。
【００４８】
図４に示されるように、共通電極３４と個別電極３５とは、最上層の圧電セラミック層２１ｂのみを挟むように配置されている。圧電セラミック層２１ｂにおける個別電極３５と共通電極３４とに挟まれた領域は活性部と呼称され、その部分の圧電セラミックスには厚み方向に分極が施されている。本実施形態の圧電アクチュエータユニット２１においては、最上層の圧電セラミック層２１ｂのみが活性部を含んでおり、圧電セラミック２１ａは活性部を含んでおらず、振動板として働く。この圧電アクチュエータユニット２１はいわゆるユニモルフタイプの構成を有している。
【００４９】
なお、後述のように、個別電極３５に選択的に所定の駆動信号が供給されることにより、この個別電極３５に対応する液体加圧室１０内の液体に圧力が加えられる。これによって、個別流路３２を通じて、対応する液体吐出口８から液滴が吐出される。すなわち、圧電アクチュエータユニット２１における各液体加圧室１０に対向する部分は、各液体加圧室１０および液体吐出口８に対応する個別の変位素子５０（アクチュエータ）に相当する。つまり、２枚の圧電セラミック層からなる積層体中には、図４に示されているような構造を単位構造とする変位素子５０が液体加圧室１０毎に、液体加圧室１０の直上に位置する振動板２１ａ、共通電極３４、圧電セラミック層２１ｂ、個別電極３５により作り込まれており、圧電アクチュエータユニット２１には変位素子５０が複数含まれている。なお、本実施形態において１回の吐出動作によって液体吐出口８から吐出される液体の量は５〜７ｐＬ（ピコリットル）程度である。
【００５０】
多数の個別電極３５は、個別に電位を制御することができるように、それぞれがＦＰＣ上のコンタクトおよび配線を介して、個別にアクチュエータ制御手段に電気的に接続されている。
【００５１】
本実施形態における圧電アクチュエータユニット２１の液体吐出時の駆動方法の一例を、個別電極３５に供給される駆動電圧（駆動信号）に関して説明する。個別電極３５を共通電極３４と異なる電位にして圧電セラミック層２１ｂに対してその分極方向に電界を印加したとき、この電界が印加された部分が、圧電効果により歪む活性部として働く。この時圧電セラミック層２１ｂは、その厚み方向すなわち積層方向に伸長または収縮し、圧電横効果により積層方向と垂直な方向すなわち面方向には収縮または伸長しようとする。一方、残りの圧電セラミック層２１ａは、個別電極３５と共通電極３４とに挟まれた領域を持たない非活性層であるので、自発的に変形しない。つまり、圧電アクチュエータユニット２１は、上側（つまり、液体加圧室１０とは離れた側）の圧電セラミック層２１ｂを、活性部を含む層とし、かつ下側（つまり、液体加圧室１０に近い側）の圧電セラミック層２１ａを非活性層とした、いわゆるユニモルフタイプの構成となっている
この構成において、電界と分極とが同方向となるように、アクチュエータ制御部により個別電極３５を共通電極３４に対して正または負の所定電位とすると、圧電セラミック層２１ｂの電極に挟まれた部分（活性部）が、面方向に収縮する。一方、非活性層の圧電セラミック層２１ａは電界の影響を受けないため、自発的には縮むことがなく活性部の変形を規制しようとする。この結果、圧電セラミック層２１ｂと圧電セラミック層２１ａとの間で分極方向への歪みに差が生じて、圧電セラミック層２１ｂは液体加圧室１０側へ凸となるように変形（ユニモルフ変形）する。
【００５２】
本実施の形態における実際の駆動手順は、あらかじめ個別電極３５を共通電極３４より高い電位（以下高電位と称す）にしておき、吐出要求がある毎に個別電極３５を共通電極３４と一旦同じ電位（以下低電位と称す）とし、その後所定のタイミングで再び高電位とする。これにより、個別電極３５が低電位になるタイミングで、圧電セラミック層２１ａ、ｂが元の形状に戻り、液体加圧室１０の容積が初期状態（両電極の電位が異なる状態）と比較して増加する。このとき、液体加圧室１０内に負圧が与えられ、液体がマニホールド５側から液体加圧室１０内に吸い込まれる。その後再び個別電極３５を高電位にしたタイミングで、圧電セラミック層２１ａ、ｂが液体加圧室１０側へ凸となるように変形し、液体加圧室１０の容積減少により液体加圧室１０内の圧力が正圧となり液体への圧力が上昇し、液滴が吐出される。つまり、液滴を吐出させるため、高電位を基準とするパルスを含む駆動信号を個別電極３５に供給することになる。このパルス幅は、液体加圧室１０内において圧力波がマニホールド５から液体吐出孔８まで伝播する時間長さであるＡＬ（Acoustic Length）が理想的である。これによると、液体加圧室１０内部が負圧状態から正圧状態に反転するときに両者の圧力が合わさり、より強い圧力で液滴を吐出させることができる。
【００５３】
図７は本発明の他の液体吐出ヘッド装置４０２の模式図である。中継タンク８１は、液体吐出ヘッド４０２に、中継タンク取り付け部４８１とアーム４８３とを介して取り付けられている。また、液体吐出ヘッド４０２内の各マニホールドは、中継タンク８１とそれぞれチューブ８３ａを介して繋がっており、中継タンク８１から液体が供給される。
【００５４】
アーム４８３と、液体吐出ヘッド４０２および中継タンク取り付け部４８１とはそれぞれ回転できる接続されており、液体吐出ヘッド４０２を傾けると、中継タンク取り付け部４８１とほぼ同じ角度で傾くようになっている。中継タンク８１は、中継タンク取り付け部４８１にフックを掛けて取り付けられており、中継タンク取り付け部４８１からぶら下がって状態にされる。このような構成にすることにより、液体吐出ヘッド４０２内の各マニホールド５からそのマニホールド５から繋がっている中継タンク８１までの鉛直方向の距離は、ほぼ一定に保たれるので、安定した印刷ができる。
【００５５】
以上、説明したように、本発明の液体吐出ヘッドでは、複数の圧力調整部が液体吐出ヘッドに供給する液体の圧力をそれぞれ独立して調整するようにできるので、制御部が圧力調整部を制御することで液体吐出ヘッドの液体吐出孔面４ａが水平でない状態でも使用することができる。すなわち、液体吐出ヘッドを斜め、あるいは、垂直に固定した状態で使用することできる。これにより、制御部および吐出対象物を液体吐出ヘッドに対して搬送する可動部を有する液体吐出装置で、制御部が圧力調整部を制御することで、何らかの要因で印刷する面を水平することができない吐出対象物に印刷ができる。また、吐出対象物が角度の異なる複数の面を有する場合に、その各面を複数の液体吐出ヘッドを用いて同時に印刷することができる、さらに、吐出対象物を製造する設備に液体吐出ヘッドを組み込む際に、印刷する面が水平でなくても、そのまま液体吐出ヘッドを組み込んで、印刷することができるようになる。
【００５６】
具体的には、吐出対象物が、例えば紙や布であり、それらが円筒面上などを搬送中に、液体吐出ヘッドを傾けた状態で印刷することができる。
【００５７】
また、液体吐出ヘッドを回転・移動させて印刷したり、外的要因で液体吐出ヘッドが回転・移動してしまう際に、液体吐出ヘッドの状態に応じて、圧力調整部が液体吐出ヘッドに供給する液体の圧力をそれぞれ独立して調整することで印刷が可能になる。すなわち、シリアル方式の印刷をする際に、液体吐出ヘッドの角度が変わるような場合、例えば円柱状のものの周囲を回転するよう動いて印刷する場合でも、印刷が可能になる。また、液体吐出ヘッドをロボットアームに取り付け、３次元的な動きや角度の変更ができるようにして、吐出対象物に印刷することもできる。
【００５８】
そのような場合、制御部は、受動的に、液体吐出ヘッドの傾きを検知するセンサー部が検知した液体吐出ヘッドの傾きの情報に基づき、圧力調整部が液体吐出ヘッドに供給する液体の圧力を調整するようにしてもよい。センサー部としては、傾きセンサー、複数の位置センサー、供給流路内に設けられる圧力センサーなどが例示できる。また、制御部は、能動的に、液体吐出ヘッドを移動・角度を変化させる傾斜機構を動かすデータを基に、その時々の液体吐出ヘッドの姿勢に応じて、圧力調整部が液体吐出ヘッドに供給する液体の圧力を調整するようにしておくこともできる。
【００５９】
ここでいう印刷とは、印刷面をほぼ一様な状態に印刷するものでよいし、各加圧部を個別に制御して、画像や文字などを印刷するものでよい。
【００６０】
なお、圧力調整部を制御する制御部は、例えば、コンピュータプログラムなどであり、液体吐出装置の各部を制御する制御部の一部であってもよいし、液体吐出装置の各部を制御する制御部とは別に設けられていてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
２、３０２、４０２・・・液体吐出ヘッド装置
４・・・流路部材
４ａ・・・液体吐出孔面
５、３０５・・・共通流路（マニホールド）
５ａ・・・副マニホールド
５ｂ・・・供給孔（マニホールドの開口）
６・・・個別供給流路
８、３０８・・・液体吐出孔
９・・・液体加圧室群
１０・・・液体加圧室
１１ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・液体加圧室列
１２・・・しぼり
１３・・・液体吐出ヘッド
１５ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・液体吐出孔列
２１・・・圧電アクチュエータユニット
２１ａ・・・圧電セラミック層（振動板）
２１ｂ・・・圧電セラミック層
２２〜３１・・・プレート
３２・・・個別流路
３４・・・共通電極
３５・・・個別電極
３６・・・接続電極
５０・・・加圧部（変位素子）
６０・・・個別開口領域
６１・・・液体吐出孔開口領域
８０・・・液体
８０ａ・・・外部液体タンク内の液面
８０ｂ・・・メニスカス（液体吐出孔内の液面）
８１、３８１・・・外部液体タンク（中継タンク）
８２・・・モーター（昇降部）
８３ａ、８３ｂ、３８３ａ・・・チューブ
８４・・・共通タンク
８５・・・弁
８７・・・外部チューブ
８９・・・管
４８１・・・中継タンク取り付け部
４８３・・・アーム
【図１】
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【図２】
2012043741.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2012043741.tif 000007
【図６】
2012043741.tif 000008
【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年11月5日(2013.11.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の液体吐出孔、該複数の液体吐出孔とそれぞれ対応して繋がっている複数の液体加圧室、および該複数の液体加圧室に共通して繋がっており、互いに独立している複数の共通流路を有するとともに、１つの前記共通流路に繋がっている前記液体吐出孔が開口している部分を覆う個別開口領域が、全ての前記複数の前記液体吐出孔が開口している部分を覆う液体吐出孔開口領域よりも面積が狭くなっている流路部材、
ならびに前記複数の液体加圧室をそれぞれ加圧する複数の加圧部を有する液体吐出ヘッドと、
前記複数の共通流路とそれぞれ対応して繋がっている、吐出される液体を溜めることができる複数のタンクと、
該複数のタンクが吊り下げられたタンク取り付け部とを有する液体吐出装置であって、
前記液体吐出ヘッドと前記タンク取り付け部とを連動させて動かすことで、前記タンクと該タンクが繋がっている前記共通流路との鉛直方向の距離を略一定に保つことを特徴とする液体吐出装置。
【請求項２】
前記液体吐出孔開口領域が一方方向に長く、かつ前記個別開口領域の前記一方方向の長さが、前記液体吐出孔開口領域の前記一方方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出装置。
【請求項３】
複数の液体吐出孔、該複数の液体吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の液体加圧室、および該複数の液体加圧室とそれぞれ繋がっており、互いに独立している複数の共通流路を有するとともに、１つの前記共通流路に繋がっている前記液体吐出孔が開口している個別開口領域が、全ての前記複数の前記液体吐出孔が開口している液体吐出孔開口領域よりも面積が狭くなっている流路部材、
ならびに前記複数の液体加圧室をそれぞれ加圧する複数の加圧部を有する液体吐出ヘッドと、
前記複数の共通流路とそれぞれ対応して繋がっている、吐出される液体を溜めることができる複数のタンクと、
該複数のタンクが吊り下げられたタンク取り付け部とを用いた印刷方法であって、
前記個別開口領域の鉛直方向の位置が異なるように前記液体吐出ヘッドを配置し、前記液体吐出ヘッドと前記タンク取り付け部とを連動させて動かすことで、前記複数のタンクを、該複数のタンクがそれぞれ繋がっている前記複数の共通流路との鉛直方向の距離を略一定の位置に配置して、吐出対象物に液体を吐出することを特徴とする印刷方法。
【請求項４】
前記液体吐出孔開口領域が一方方向に長く、かつ前記個別開口領域の前記一方方向の長さが、前記液体吐出孔開口領域の前記一方方向の長さよりも短い液体吐出ヘッドを用いることを特徴とする請求項３に記載の印刷方法。
【国際調査報告】
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