(57)【要約】【課題】サテライトやミストの発生を抑えつつ、小液滴化されたインク滴を高周波で吐出できる信頼性の高いインクジェット記録ヘッドを提供する。【解決手段】エネルギ発生素子４が配された発泡室８と、エネルギ発生素子８との対向位置に設けられた吐出口７とは、吐出口部６によって連通している。吐出口部６は、インク供給流路９に沿って流れるインクの供給方向において、吐出口７の中心よりも奥側に位置する領域Ｒ１が、吐出口７の中心よりも手前側に位置する領域Ｒ２よりも、インクに対する流動抵抗が小さくなるように形成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを供給するインク供給流路と、該流路と連通すると共にエネルギ発生素子が配された発泡室と、前記エネルギ発生素子と対向する位置に形成された吐出口を前記発泡室に連通させる吐出口部と、を有するノズルを備えたインクジェット記録ヘッドであって、
前記吐出口部は、インク供給流路に沿って流れるインクの供給方向において前記吐出口の中心よりも奥側に位置する領域が、前記吐出口の中心よりも手前側に位置する領域よりも、インクに対する流動抵抗が小さくなるように形成されていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項２】
前記吐出口部は、インク供給流路に沿って流れるインクの供給方向において前記吐出口の中心よりも奥側に位置する領域の容積が、前記吐出口の中心よりも手前側に位置する領域の容積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項３】
前記吐出口部は、前記吐出口に連通する空間を形成する第１吐出口部と、該第１吐出口部と前記発泡室とを連通させる空間を形成する第２吐出口部とを有し、
前記第２吐出口部の開口部は、前記第１吐出口部の開口部より外側に位置することを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項４】
前記第２吐出口部は、前記吐出口の中心を通過し、かつ前記吐出口が形成される面と直交する中心軸線を中心とする円筒形の空間を形成していることを特徴とする請求項２または３に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項５】
前記第１吐出口部は、前記インクの供給方向において前記吐出口の中心よりも奥側に位置する領域の横断面が、吐出口に向かって縮小するテーパ形状をなしていることを特徴とする請求項３または４に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項６】
前記第１吐出口部は、前記吐出口の中心を通過し、かつ前記吐出口が形成される吐出口が形成される面と直交する第１中心軸線を中心とする円筒形の空間を形成し、
前記第２の吐出口部は、前記第１中心軸線と平行し、かつ前記第１中心軸線より前記インクの供給方向における奥側に設定した第２中心軸線を中心とする円筒形の空間を形成していることを特徴とする請求項３または４に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項７】
前記第１吐出口部および第２吐出口部は、多角形をなす空間を形成していることを特徴とする請求項３に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項８】
前記第１吐出口部および第２吐出口部は、楕円形状をなしていることを特徴とする請求項４に記載のインクジェット記録ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インク滴を吐出することで記録媒体に記録を行なうインクジェット記録ヘッドに関し、特に、高速度高精細の記録に適したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録装置の高速・高画質化に伴い、記録ヘッドでは、吐出する液滴の小液滴化および吐出周波数の増加を行う試みがなされてきた。
【０００３】
吐出する液滴を小液滴化するためには、記録ヘッドの吐出口の開口面積を小さくしていく必要がある。しかし、吐出口の開口面積が縮小化されると、それに伴って吐出口に連通する部分（吐出口部）における液体の流抵抗が増大し、所望の吐出性能や吐出効率が得られないことがある。そこで、吐出口形成部分の強度を保ちつつ、吐出口部の流抵抗を低減する方法として、特許文献１および特許文献２に開示されたインクジェット記録ヘッドがある。
【０００４】
特許文献１および２に開示のインクジェット記録ヘッドは、いずれも、インクが流動する複数のノズルを有する。各ノズルは図８に示すように、インクを供給する供給路３９、インクを沸騰させ気泡を発生させる発泡室３８、およびインク滴を吐出するノズルの先端開口である吐出口３７を含む吐出口部３６を有している。この吐出口部３６は、吐出口３７と発泡室３８とを連通させる部分であり、吐出口３７に連通する第１吐出口部３６ａと第２吐出口部３６ｂとからなる。第１吐出口部３６ａと第２吐出口部３６ｂは、電気熱変換素子３４の中心を通過し、かつ素子基板３２の主面３２ａと直交する１本の中心軸線Ｓ０を中心とした円筒形の空間となっている。従って、吐出口部３６は、中心軸線Ｓ０を中心としてインク供給方向（Ｘ方向）奥側の領域Ｒ３１と手前側の領域Ｒ３２とが対称な形状をなしている。また、第２吐出口部３６ｂを主面３２ａと平行な方向に切断した場合、その開口部は、同方向に切断した第１吐出口部３６ａの開口部より外側にあり、かつ同方向における発泡室の断面よりも内側に位置する。つまり、第２吐出口３６ｂは、第１吐出口３６ａより平面方向に拡大された空間となっている。
【０００５】
このように構成されたインクジェット記録ヘッド３０では、第１吐出口部３６ａの厚みによって吐出口３７周辺部分の強度を確保できると共に、第２吐出口部３６ｂによって拡大された空間により吐出口部全体の流動抵抗を低減することが可能となる。これによれば、吐出口部３７での圧力損失の低減することができると共に、気泡を吐出方向へと成長させることが可能になり、吐出効率の向上を図ることが可能になる。
【０００６】
また、インクジェット記録ヘッドにおけるインク滴の吐出周波数を上げるためには、発泡室内に吐出直後からインクが再充填されるまでの時間（以下、リフィル時間）を短縮することが必要になる。このリフィル時間の短縮化を実現するためには、インク供給流路の流路幅および高さを大きく設計し、インク供給流路におけるインクの流動抵抗を低下させることが必要になる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−０４２６５１号公報
【特許文献２】特開２００４−０４２６５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、インク供給流路を拡大した場合、インク供給流路の一部で構成される発泡室に広い空間が形成されることとなり、これによってインク滴の吐出時に画像形成に寄与しない微小なインク滴（サテライト）が発生することが明らかになった。
【０００９】
図９（ａ）は、電気熱変換素子Ｈの熱で生成された気泡Ｂによって主滴Ｄ１が吐出口３７から吐出された後、気泡が消泡している段階を示している。図中、Ｍは気泡を形成するインクからなるメニスカスを、Ｄ２はこのメニスカスに連結されている尾引き部をそれぞれ示している。
【００１０】
図９（ｂ）に示すように時間の経過と共に気泡が減少して行くと、図９（ｃ）のようにメニスカスの一部が破壊されて気泡が大気と連通し、尾引き部Ｄ２は、発泡室内の流路手前側に位置するインクと連結された状態になる。そして、最終的にはその尾引き部Ｄ２も発泡室Ｒ内のインクから分断され、流路内のインクから完全に分離独立したインク滴が形成される。
【００１１】
このとき、インクの再充填速度を高めるべくインク流路が大きな容積に設定されていると、尾引き部Ｄ２が長尺になり、発泡室内Ｒのインクから分断された際に尾引き部Ｄ２から分裂した微小な液滴（サテライト）Ｄ３が発生し易くなる。このサテライトは、吐出口Ｅ０から外部に放出されてミスト化する。こうしたインクミストは、記録媒体、記録ヘッドおよびインクジェット記録装置本体内の不特定な部分に付着し、印字品位の低下や記録装置の動作不良などの問題を引き起こす原因となる。そこで現在のインクジェット記録装置では、インクミストが付着し易い部材に生じる静電気の除去、ミストの付着を回避するための構造の付設、インクミストの滞留防止用のファンの設置、あるいはインク滴の静電吸引装置の設置などの対策が講じられている。
【００１２】
しかしながら、発生したインクミストを回収、除去するために上記のような対策をとることは、製品への余分なコストを発生させるため、インク滴の吐出時におけるサテライト発生を低減する根源的な解決策が求められている。
【００１３】
本発明は、サテライトやミストの発生を抑えつつ、小液滴化されたインク滴を高周波で吐出できると共に、高速高画質で記録を行うことが可能な信頼性の高いインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、インクを供給するインク供給流路と、該流路と接続されると共にエネルギ発生素子が配された発泡室と、前記エネルギ発生素子との対向位置に形成された吐出口を前記発泡室に連通させる吐出口部と、を有するノズルを備えたインクジェット記録ヘッドであって、前記吐出口部は、インク供給流路に沿って流れるインクの供給方向において前記吐出口の中心よりも奥側に位置する領域が、前記吐出口の中心よりも手前側に位置する領域よりも、インクに対する流動抵抗が小さくなるように形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、発泡室内に発生した気泡によってインク滴が吐出口から吐出される際、吐出口部内を流れるインクにはインク供給方向における奥側から手前側への流れが発生し、インク滴の主滴に連なる尾引き部がインク供給方向手前側へと急激に曲がる。その結果、尾引き部は吐出口部の内面と干渉して早期に切断され、インク滴の全長は短くなり、サテライトやミストの発生は低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
まず、図１ないし図４に基づき本発明の第１の実施形態を説明する。
【００１８】
図１（ａ）は、この第１の実施形態におけるインクジェット記録ヘッド１の一部を切り欠いた状態を模式的に示す斜視図である。このインクジェット記録ヘッド１は、熱エネルギ発生手段としての電気熱変換素子４が設けられた素子基板２と、この素子基板２の主面２ａに積層された流路構成基板（オリフィスプレート）３とを備えている。
【００１９】
素子基板２には、図１（ｂ）に示すように、複数の電気熱変換素子４からなる２本の電気熱変換素子列がインク供給口５を挟んで平行に配置されている。  
一方、流路構成基板３には、複数の吐出口部６と、複数の吐出口部６それぞれに連通する複数の発泡室８と、複数の発泡室８それぞれに連通する複数のインク供給流路９とが形成されている。インク供給流路９は、その一端部がインク供給口に連通している。また、各吐出口部６は、一端がオリフィス基板３の一面において開口する吐出口７を有している。各吐出口７は各電気熱変換素子４と対向する位置に形成されており、これにより素子基板３には２列の吐出口列が形成されることとなる。以上、吐出口部６、発泡室８、インク供給流路９とによって、ノズルが構成されている。なお、本発明においてインクとは、記録媒体に対して所定の色剤を付着させて画像を形成するものに限らず、記録媒体に形成される画像の発色性や耐候性などを向上させるために、画像形成前または後に記録ヘッドから吐出させる透明な処理液なども含むものとする。
【００２０】
上記のように複数のノズルが形成された記録ヘッドにおいて、インク供給口５には図外のインクタンクが接続されており、インクタンク内のインクはインク供給口５からインク流路６を介して発泡室８および吐出口部６に充填される。ここで、電気熱変換素子４が通電されると、そのとき同素子４から発生される熱によって発泡室８内のインクが瞬時に沸騰し、インクの液層から気相への変化による急激な発泡圧によって吐出口７からインク滴が高速に吐出される。このように、本実施形態のインクジェット記録ヘッド１は、素子基板と平行する面に形成された吐出口７からインクを吐出する、いわゆるサイドシュータ型のインクジェット記録ヘッドとなっている。
【００２１】
以下、図２および図５を参照しつつ、本実施形態における吐出口部６およびその周辺構造をより詳細に説明する。  
図２は本実施形態のインクジェット記録ヘッドの一方の吐出口列における一部を拡大して示す平面図で、インク流路６、電気熱変換素子４および吐出口７の位置関係を示している。図２に示すように、各吐出口列内の隣接する吐出口の間隔（吐出口のピッチ）は、６００ｄｐｉの密度でドットを形成できる間隔に定められている。また図中、Ｗは各ノズルにおけるインク供給流路の吐出口配列方向における幅（流路幅）を、Ｌは吐出口の中心からインク供給流路の端部までの長さ（流路長）を、Ｘはインク供給流路においてインクが流れる方向（インク供給方向）を、それぞれ示している。
【００２２】
図３は、図２に示すノズルをＡ−Ａ’線に沿って切断した縦断側面図、図４は図３の吐出口部６の底面側から見た図である。  
図示のように、流路形成基板３に形成されている吐出口部６は、一端に吐出口７を有する第１吐出口部６１と、一端が第１吐出口部６１の他端に連通し、かつ他端がインク供給流路６の端部に形成された発泡室８に連通する第２吐出口部６２とから形成されている。吐出口７は、発熱素子４と対向する位置に設けられ、その中心は、素子基板の主面２ａと直交すると共に発熱素子４の中心を通過する軸線（中心軸線Ｓ）と一致している。なお、流路形成基板３において吐出口７が形成される面３ａと、前記素子基板の主面２ａとは互いに平行している。
【００２３】
また、第２吐出口部６２は、円柱状の空間を形成しており、その直径Ｄ２は第１吐出口部の他端部における開口径Ｄ１よりも大きく形成されている。従って、吐出口部６の内面には、第１吐出口部６１と第２吐出口部６２との境界部分において段差部３１が形成されている。また吐出口部６は、中心軸線Ｓよりインク供給方向奥側の領域（図３中、斜線にて示す領域）を流れるインクの流動抵抗が、インク供給方向手前側の領域（図３中、交差線にて示す領域）を流れるインクの流動抵抗より大きくなるように構成されている。
【００２４】
すなわち、本実施形態における第１吐出口部６１は、図３の縦断面図に示すように、インク供給方向奥側の内面部６１ａと中心軸線Ｓとの距離が吐出口７側に向かうに従って縮小されるテーパ形状をなしている。換言すれば、第１吐出口部６１のインク供給方向奥側の領域Ｒ１の横断面（軸線Ｓと直交する平面（素子基板の主面２ａと平行する平面）に沿った断面）の面積は、吐出口７から第２吐出口部６２側の端部に亘って漸次拡大されている。本実施形態では、各吐出口部は、いずれの位置で横断面をとったとしても、その形状が円形となるように形成されている。なお、図３においてαは前記内面部６１ａのテーパ角度を示している。
【００２５】
これに対し、本実施形態の吐出口部６１のインク流路手前側の内面部６１ｂは、中心軸線Ｓとの距離がほぼ一定となるか、あるいは内面部６１ｂのテーパ角度に比べて小さなテーパ角度となるように形成されている。従って、第１吐出口部６１のインク供給方向手前側の領域Ｒ２は、第２吐出口部６２のインク供給方向手前側の領域Ｒ１より大きな容積を有している。このため、領域Ｒ１におけるインクの流動抵抗は、領域Ｒ２におけるインクの流動抵抗より小さくなる。
【００２６】
このような吐出口部６の構成は、小液滴を高周波で吐出するインクジェット記録ヘッドを実現する上で有用である。例えば、高周波で吐出量が５ｐｌ以下、吐出周波数が１５ＫＨｚ以上とするノズル、特に３ｐｌ程度、吐出周波数３０ＫＨｚを達成するノズルに対して極めて有用である。この場合、吐出口７の直径は１０〜１５ｕｍ程度、第２吐出口の直径は１５〜２５ｕｍ程度、流路幅は２０ｕｍ〜３０ｕｍ程度、流路高さ１０〜２０ｕｍ程度、流路長は２５ｕｍ〜４０ｕｍ程度にすることが望ましい。また、液滴の流動方向に対して垂直方向から見た平面透視図における第一吐出口部の供給流路奥側のテーパ角度は５°〜２０°程度、供給流路手前側のテーパ角度は−５°〜５°程度であることが望ましい。なお、エネルギ発生素子の中心軸線は、吐出口７の中心軸線とは一致していることが望ましいが、製造誤差などによって両中心軸線にずれが生じる可能性もある。この誤差は、例えば±１ｕｍ程度であれば特に問題は生じない。
【００２７】
上記のようなインクジェット記録ヘッドでは、液路９を介して発泡室８および吐出口部６に充填されたインク内に、電気熱変換素子４の発熱によって気泡が発生すると、発泡室８および吐出口部６内のインクは、略吐出口側へと押し出される。このとき、吐出口部６内を流れるインクの流動抵抗は、インク流路奥側の領域Ｒ１の方がインク流路手前側の領域Ｒ２より小さいことから、インクは領域Ｒ１から領域Ｒ２へと流動し易くなる。このため、吐出口部６内には、中心軸線Ｓに沿って吐出口７へと向かうインクの流れと、領域Ｒ１からＲ２へ向かうインクの流れ、すなわち中心軸線Ｓと交差する方向への流れとが生じる。これにより、図５（ａ）〜（ｃ）に示す気泡Ｂの減少過程において、吐出口７から吐出された主滴Ｄｍに連なる尾引き部Ｄｓが、吐出口部６内でインク供給方向手前方向へと急激に曲がり、吐出口部６のインク供給方向手前側の内面と干渉する（図５（ｄ）参照）。その結果、吐出されたインク滴の尾引き部Ｄは早期に切断されてインク滴の全体の長さが短くなり、インク滴の後端に付随して発生するサテライトやミストの発生を低減することができる。
【００２８】
従って、インク供給流路９の高さＨや流路幅Ｗを大きくとってノズルにおけるインクのリフィル時間を短縮化を図り、かつ吐出口部の容積を拡大して吐出時のインクの流動抵抗を低減させた場合にも、サテライトやミストの発生を低減することができる。このため、従来のようなミスト対策用のファンやインク滴の静電吸引装置などの付加機能を設けなくともサテライトやミストによる機内の汚損、画像品質の低下、記録装置の動作不良などの問題を大幅に低減することが可能となる。
【００２９】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を図６および図７と共に説明する。  
この第２の実施形態におけるインクジェット記録ヘッド１０は、上記第１の実施形態と基本的な構造は同一であり、図１および図２に示す構造を有している。このため、図６及び図７において、図１および図２に示した構成部分と同一もしくは相当部分には同一符号を付してある。なお、図６は図１のノズルをＡ−Ａ’線に沿って切断した縦断側面図、図７は図６に示した吐出口部を底面側から見た図である。
【００３０】
この第１の実施形態におけるインクジェット記録ヘッド３０は、流路形成部材３に形成された吐出口部１６の形状が、上記第１の実施形態のインクジェット記録ヘッド１０と異なる。すなわち、この第２の実施形態における吐出口部１６にあっても、吐出口部７を含む第１の吐出口部６３と、一端が第１の吐出口部６３に連通し、他端が発泡室８に連通する第２の吐出口部６４と、からなる点で第２の実施形態と同様である。しかし、この第２の実施形態においては、第１の吐出口部が、電気熱変換素子４の中心を通過し、かつ素子基板の主面２ａと直交する中心軸線（以下、第１中心軸線という）Ｓ１を中心とする円筒形状の空間を形成している。また、第２の吐出口部６４は、第１中心軸線Ｓ１と平行し、かつインク供給方向奥側に所定の間隔を介して設定された第２中心軸線を中心とする円筒形の空間を形成している。第２吐出部６４の内径Ｄ３は、第１吐出部６３の内径Ｄ１より大きくなっている。従って、吐出口部１６は、第１吐出部６３の厚みによって吐出口７の周辺部の強度を維持しつつ、吐出口部１６の内径を吐出口７の内径と均一に設定した場合に比べて、吐出口部１６におけるインクの流動抵抗を低くすることが可能となる。
【００３１】
また、第２中心軸線Ｓ２は、第１中心軸線Ｓ１よりインク供給方向奥側に設定された直線となっている。このため、インク供給方向奥側の領域Ｒ１は、インク供給方向手前側の領域Ｒ２より大きな容積を有しており、領域Ｒ１におけるインクの流動抵抗は、領域Ｒ２におけるインクの流動抵抗よりも小さくなっている。
【００３２】
この第２の実施形態においても、吐出量が５ｐｌ以下、吐出周波数１５ＫＨｚ以上を達成するインクジェット記録ヘッド、特に３ｐｌ程度、吐出周波数３０ＫＨｚ程度を達成するインクジェット記録ヘッドにおいて有用である。この時の第１吐出口部６３の直径は１０〜１５ｕｍ程度、第２吐出口部６４の直径は１５〜２５ｕｍ程度、流路幅は２０ｕｍ〜３０ｕｍ程度、流路高さは１０〜２０ｕｍ程度、流路長は２５ｕｍ〜４０ｕｍ程度にすることが望ましい。また、第２中心軸線Ｓ１と第１中心軸線Ｓ２との距離は、２ｕｍ〜４ｕｍ程度とすることが望ましい。
【００３３】
この第２の実施形態においても、インク流路奥側の領域Ｒ１の方がインク流路手前側の領域Ｒ２より小さいことから、インクは領域Ｒ１から領域Ｒ２へと流動し易くなる。このため吐出口部６内には、中心軸線Ｓに沿って吐出口７へと向かうインクの流れと領域Ｒ１からＲ２へ向かうインクの流れとが生じ、主滴に連なる尾引き部ＤＳは、吐出口部６内でインク供給方向手前方向へと急激に曲がる。その結果、尾引き部ＤＳは、吐出口部６のインク供給方向手前側の内面と干渉して早期に切断され、インク滴の全体の長さが短くなる。これにより、インク滴の後端に付随して発生するサテライトやミストの発生を低減することができる。
【００３４】
また、この第２の実施形態によれば、第１吐出口部６３および第２吐出口部６４をそれぞれ円筒形に形成すれば良いため、第１吐出口部６１をテーパ形状に形成する第１の実施形態に比べ、容易に製造できるという効果も得られる。
【００３５】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、第１、第２吐出口部は、いずれもその横断面形状（素子基板の主面と平行する平面によって切断した形状）が円形をなすものとなっている。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、両吐出口部の横断面形状をその他の形状、例えば、楕円形状や多角形形状にすることも可能である。また、両吐出口部の横断面形状を異ならせることも可能である。本発明の吐出口部は、インク流路方向奥側の領域におけるインクの流動抵抗が、インク流動方向手前側の領域におけるインクの流動抵抗より小さくなるような形状であれば、いかなる形状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（ａ）は、この第１の実施形態におけるインクジェット記録ヘッド１の一部を切り欠いた状態を模式的に示す斜視図、（ｂ）は同図（ａ）に示した素子基板２を模式的に示す平面図である。
【図２】本発明の実施形態におけるインクジェット記録ヘッドの吐出口列の一部を拡大して示す平面図である。
【図３】図２に示すノズルをＡ−Ａ’線に沿って切断した縦断側面図であり、本発明の第１の実施形態におけるノズルの構造を示している。
【図４】図３に示す吐出口部をインク供給流路側から見た底面図である。
【図５】図２に示すノズルによりインク滴を吐出する際に形成される尾引き部の状態を示す説明縦断側面図である。
【図６】図２に示すノズルをＡ−Ａ’線に沿って切断した縦断側面図であり、本発明の第２の実施形態におけるノズルの構造を示している。
【図７】図６に示す吐出口部をインク供給流路側から見た底面図である。
【図８】従来のインクジェット記録ヘッドの吐出口列の一部を拡大して示す平面図である。
【図９】図８に示すノズルによりインク滴を吐出する際に形成される尾引き部の状態を示す説明縦断側面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１，１０  インクジェット記録ヘッド
２  素子基板
３  流路形成基板
３ａ  吐出口が形成される面
４  電気熱変換素子
５  インク供給口
６  吐出口部
６１，６３  第１吐出口部
６２，６４  第２吐出口部
７  吐出口
８  発泡室
９  インク供給流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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