(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個のノズル及びこの各ノズル毎の圧力室を第１の方向に列状に備えたキャビティプレートと、前記各圧力室ごとに選択的に駆動可能な活性部を有しインクを吐出させる圧電アクチェータとを積層させてなる圧電式インクジェットプリンタヘッドにおいて、
前記キャビティプレートユニットを、前記圧力室が設けられたベースプレートと、インク供給源からのインクを溜めたのち前記各圧力室に補充するマニホールド室が設けられたマニホールドプレートと、該マニホールドプレートと前記ベースプレートとの間に介挿するスペーサプレートと、前記圧力室に連通するノズルが設けられたノズルプレートとにより積層構成し、前記マニホールドプレートには前記マニホールド室を前記複数の圧力室の配列方向に延びるように形成する一方、前記スペーサプレートには、薄肉部を残して前記マニホールド室側に開放された凹所を、前記マニホールド室のほぼ全長にわたり、且つ前記列状に配置された複数の圧力室の全てに跨がるように形成したことを特徴とするインクジェットプリンタヘッド。
【請求項２】
前記凹所は、前記マニホールド室と略同じ大きさに形成されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリンタヘッド。
【請求項３】
前記マニホールド室の長手方向を前記複数の圧力室の配列方向と平行に配置し、前記凹所は、前記マニホールド室のほぼ全長にわたり、且つ前記各列毎の複数の圧力室の全てに跨がるような長溝状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリンタヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電式のインクジェットプリンタヘッドの構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
先行技術のオンディマンド型の圧電式インクジェットプリンタヘッドにおいては、特開平９−１４１８５６号公報に記載されているように、複数個のノズルとこの各ノズルごとの圧力室（インクキャビティ）及びこの圧力室に連通されると共にインクを供給するインクマニホールドを備えたマニホールドプレートの背面に、ダイヤフラムとなる振動板を介して、前記圧力室箇所に対応させて選択的に駆動させるための圧電素子等のエネルギー発生部を備えたカバープレートを固着したインクジェットプリンタヘッドが開示されている。
【０００３】
そして、前記圧電素子を駆動して振動させると、振動板を介して圧力室が選択的に加圧され、その圧力が対応するノズル孔に伝播されて、インク滴の吐出により印刷が実行される。そのとき、前記圧力室に作用した圧力波はノズル孔へ向かう前進成分だけでなく、インクマニホールド方向に向かう後退成分がある。その後退成分のため、いわゆるクロストークが発生するので、前記後退成分を、前記カバープレートに凹み形成されたダンパー室にて吸収緩和しようとするものであった。
【０００４】
ところで、本出願人は、特願２０００−６２１０６号等において、圧力室を備えたベースプレートに対してマニホールドを備えた２枚のマニホールドプレートを隣接積層し、その下側のマニホールドプレートの下面にノズルプレートを配置し、前記各プレートを接着剤を介して積層固定してキャビティプレートユニットを構成し、このキャビティプレートユニットにおけるベースプレートの上面に、その各圧力室の箇所に対応した位置に対面するように圧電素子を組み込んだ板状の圧電アクチュエータを接着固定したものを提案した。
【０００５】
このように構成すると、圧力室とマニホールドとがキャビティプレートユニットの平面視の面積内で重なった位置に配置できるからインクジェットヘッドをコンパクトにできるという効果があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の構成では、キャビティプレートユニットは、剛性の高い金属板等からなる複数枚のプレートを積層していたから、前記圧電素子を選択的に駆動した場合、当該圧電素子による変位の活性部が圧電アクチュエータの板部の平面を湾曲させるように弾性変形するのに伴って、圧電アクチュエータに接着されたキャビティプレートユニットも弾性変形するのであるが、キャビティプレートユニットにおけるプレートの剛性が高いと、必要でない（選択されていない）圧力室に対して、前記弾性変形が影響し、その圧力室からのインクの噴射に影響を及ぼす、いわゆるクロストーク(cross talk)現象が発生して、噴射すべきインク滴が飛沫状になるなどの問題があった。
【０００７】
本発明は、このような問題を解消したインクジェットプリンタヘッドを提供することを技術的課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この技術的課題を達成するため、請求項１に記載の発明は、複数個のノズル及びこの各ノズル毎の圧力室を第１の方向に列状に備えたキャビティプレートと、前記各圧力室ごとに選択的に駆動可能な活性部を有しインクを吐出させる圧電アクチェータとを積層させてなる圧電式インクジェットプリンタヘッドにおいて、前記キャビティプレートユニットを、前記圧力室が設けられたベースプレートと、インク供給源からのインクを溜めたのち前記各圧力室に補充するマニホールド室が設けられたマニホールドプレートと、該マニホールドプレートと前記ベースプレートとの間に介挿するスペーサプレートと、前記圧力室に連通するノズルが設けられたノズルプレートとにより積層構成し、前記マニホールドプレートには前記マニホールド室を前記複数の圧力室の配列方向に延びるように形成する一方、前記スペーサプレートには、薄肉部を残して前記マニホールド室側に開放された凹所を、前記マニホールド室のほぼ全長にわたり、且つ前記列状に配置された複数の圧力室の全てに跨がるように形成したものである。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記凹所は、前記マニホールド室と略同じ大きさに形成されているものである。
【００１０】
そして、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記マニホールド室の長手方向を前記複数の圧力室の配列方向と平行に配置し、前記凹所は、前記マニホールド室のほぼ全長にわたり、且つ前記複数の圧力室の全てに跨がるような長溝状に形成されているものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面について説明する。図１〜図７は、本発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドを示す。これらの図において、キャビティプレートユニット１０に対して接合されるプレート型の圧電アクチュエータ２０の上面には、外部機器との接続のために、フレキシブルフラットケーブル４０が接着剤にて重ね接合されているものであり、キャビティプレートユニット１０の下面側に開口されたノズル５４から下向きにインクが吐出するものとする。
【００１２】
第１の実施の形態によるキャビティプレートユニット１０は、図３及び図４に示すように構成されている。すなわち、ノズルプレート４３、下層プレート１１、マニホールドプレート１２、スペーサプレート１３及びベースプレート１４の五枚の薄板を接着にて重ねて接合して積層した構造である。実施形態では、ノズルプレート４３を除く各プレート１１、１２、１３、１４は４２％ニッケル合金鋼板製で、５０μｍ〜１５０μｍ程度の厚さである。前記ノズルプレート４３には、微小径のインク噴出用のノズル５４が、当該ノズルプレート４３における第１の方向（長辺方向）に沿って２列の千鳥配列状に設けられている。即ち、ノズルプレート４３の前記第１の方向と平行な２つの基準線４３ａ、４３ｂに沿って、微小ピッチＰの間隔で千鳥状配列にて多数個のノズル５４が穿設されている。
【００１３】
また、前記各ノズル５４に対応する後述の圧力室１６と、後述する圧電アクチュエータ２０における圧電素子の活性部とは各プレートの平面視において上下に重なり対応する位置となるように配列され、前記各圧力室１６は前記第１の方向と交差（直交）する方向に延びるように形成されて、圧力室１６の列は前記第１の方向に沿って延びる。そして、前記マニホールドプレート１２には、インク通路としての一対のマニホールド室１２ａ、１２ａが、前記ノズル５４の列の両側に沿って延びるように穿設されている。その場合、この各マニホールド室１２ａは、プレートの平面視において、前記圧力室１６の列と重なり且つ各圧力室１６を跨ぐように延びている（図３及び図４参照）。
【００１４】
このマニホールドプレート１２における各マニホールド室１２ａは、下層プレート１１と上側のスペーサプレート１３とにより挟まれ、積層されることにより密閉される構造になっている。
【００１５】
また、前記ベースプレート１４には、その長辺（前記第１の方向）に沿う中心線に対して直交する第２の方向（短辺方向）に延びる細幅の圧力室１６の多数個が穿設されている。そして、前記中心線を挟んで左右両側にて平行状の長手基準線１４ａ、１４ｂを設定すると、前記中心線より左側の圧力室１６の先端１６ａは前記左側の長手基準線１４ａ上に位置し、逆に前記長手中心線より右側の圧力室１６の先端１６ａは前記右側の長手基準線１４ｂ上に位置し、且つこの左右の圧力室１６の先端１６ａが交互に配置されているので、左右両側の圧力室１６は一つおきに互いに逆方向に延びるように交互に配置されていることになる（図４参照）。
【００１６】
この各圧力室１６の先端１６ａは、前記ノズルプレート４３における前記千鳥状配列のノズル５４に、前記スペーサプレート１３、マニホールドプレート１２及び下層プレート１１に同じく千鳥状配列にて穿設されている微小径の貫通孔１７、１７を介して連通している。一方、前記各圧力室１６の他端１６ｂは、前記スペーサプレート１３における左右両側部位に穿設された貫通孔１８を介して、前記マニホールドプレート１２におけるマニホールド室１２ａに連通している。なお、前記他端１６ｂは、図４に示すように、ベースプレート１４の下面側にのみ開口するように凹み形成されているものである。また、最上層のベースプレート１４の一端部に穿設された供給孔１９ａの上面には、その上方のインクタンクから供給されるインク中の塵除去のためのフィルタ２９が張設されている。
【００１７】
これにより、図示しないインク供給源（インクタンク）から前記前記ベースプレート１４及びスペーサプレート１３の一端部に穿設の供給孔１９ａ，１９ｂを介して前記左右両マニホールド室１２ａ，１２ａ内に流入したインクは、この各インク通路１２ａから前記各貫通孔１８を通って前記各圧力室１６内に分配されたのち、この各圧力室１６内から前記貫通孔１７を通って、当該圧力室１６に対応するノズル５４に至るという構成になっている（図３及び図６参照）。
【００１８】
そして、前記スペーサプレート１３の下面には、前記マニホールド室１２ａ側に開放された薄肉状の凹所を少なくとも前記複数の圧力室１６に跨がるように形成するのである。その第１実施形態は、図４及び図７に示すごとく、前記各マニホールド室１２ａの長手方向（延びる方向）を前記複数の圧力室１６の配列方向（第１の方向）と平行に延びるように配置し、前記薄肉状の凹所（凹溝）５５は、前記マニホールド室１２ａのほぼ全長にわたり、且つ前記各列毎の複数の圧力室１６の全てに跨がるような長溝状に形成されているものである。実施形態では各マニホールド室１２ａに対して２列の凹所５５が形成されている。
【００１９】
他の実施形態は、図８に示すごとく、前記薄肉状の凹所５６は、前記マニホールド室１２ａと略同じ大きさて平面視形状も略同じに形成されているものである。
【００２０】
これらの薄肉状の凹所５５（５６）は、後述するように圧電素子の活性部に対応するスペーサプレート１３の箇所の弾性変形が適切に行われるように剛性をやや低くなるようにするものである。
【００２１】
一方、前記圧電アクチュエータ２０は、図２及び図５に示すように、９枚の圧電シート２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ，２２，２３を積層した構造で、前記各圧電シートのうち最下段の圧電シート２２とそれから上方へ数えて奇数番目の圧電シート２１ｂ，２１ｄ，２１ｆの上面（広幅面）には、前記キャビティプレートユニット１０における各圧力室１６の箇所ごとに細幅の個別電極２４が、第１の方向（長辺方向）に沿って列状に形成され、各個別電極２４は前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って各圧電シートの長辺の端縁部近傍まで延びている。下から偶数段目の圧電シート２１ａ，２１ｃ，２１ｅ，２１ｇの上面（広幅面）には、複数個の圧力室１６に対して共通のコモン電極２５が形成されている。
【００２２】
実施形態においては、前記各個別電極２４の幅寸法は対応する圧力室１６における平面視での広幅部より少し狭く設定されている。
【００２３】
他方、圧力室１６は前記のベースプレート１４の短辺の中央部側で、前記第１の方向（長辺）に沿って２列状に配列されているので、前記コモン電極２５は、その２列の圧力室１６、１６を一体的に覆うように、偶数段目の圧電シート２１ａ，２１ｃ，２１ｅ，２１ｇの短辺方向の中央において長辺に沿って延びる平面視略矩形状に形成されると共に、該偶数段目の圧電シート２１ａ，２１ｃ，２１ｅ，２１ｇの対の短辺の端縁部近傍では当該端縁部のほぼ全長にわたって延びる引き出し部２５ａ，２５ａが一体的に形成されている。
【００２４】
そして、前記偶数段目の圧電シート２１ａ，２１ｃ，２１ｅ，２１ｇの対の長辺の端縁部近傍の表面であって、前記コモン電極２５が形成されていない箇所には、前記各個別電極２４と同じ上下位置（対応する位置）に、当該個別電極２４と略同じ幅寸法で長さの短いダミー個別電極２６を形成する。この場合、図５に示すように、各ダミー個別電極２６の端部は前記コモン電極２５の第１の方向（長辺に沿う方向）の側縁に対して適宜の隙間寸法の切れ目があるように隔てる。ダミー個別電極２６の層の１つおきの長さをＬ２とＬ３（＜Ｌ２）のように長短に設定して、ダミー個別電極２６の端部とコモン電極２５の側縁とのパターンの切れ目の位置を圧電シートの積層の１枚おきに当該圧電シートの第２の方向（短辺方向）にずらせても良い。実施形態では、下から２番目の層（圧電シート２１ａ）及び６番目の層（圧電シート２１ｅ）でのダミー個別電極２６の長さＬ２を、４番目の層（圧電シート２１ｃ）及び８番目の層（圧電シート２１ｇ）でのダミー個別電極２６の長さＬ３より前記隙間寸法だけ長くなるように設定する。
【００２５】
他方、最下段の圧電シート２２とそれから上方へ数えて奇数番目の圧電シート２１ｂ，２１ｄ，２１ｆの上面（広幅面）のうち、前記引き出し部２５ａ，２５ａに対応する位置（同じ上下位置、圧電シートの対の短辺の端縁部近傍）には、ダミーコモン電極２７を形成するのである。
【００２６】
前記最上段のトップシート２３の上面には、その長辺の端縁部に沿って、前記各個別電極２４の各々に対する表面電極３０と、前記コモン電極２５に対する表面電極３１とが、設けられている（図２参照）。
【００２７】
さらに、前記最下段の圧電シート２２を除いて、他の全ての圧電シート２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ，２１ｇとトップシート２３とには、前記各表面電極３０と、それに対応する位置（同じ上下位置）の個別電極２４並びにダミー個別電極２６とが互いに連通するように、スルーホール３２を穿設する。同様に、前記少なくとも１つの表面電極３１（実施形態では、トップシート２３の４隅の位置の表面電極３１）と、それに対応する位置（同じ上下位置）のコモン電極２５乃至はその引き出し部２５ａが互いに連通するように、スルーホール３３を穿設し、スルーホール３２、３３内に充填された導電性材料を介して、各層の個別電極２４同士及びそれと対応する位置の表面電極３０とが電気的に接続されているように構成し、同じく、各層のコモン電極２５同士及びそれと対応する位置の表面電極３１とが電気的に接続されているように構成するものである。
【００２８】
これにより、上下に積層された複数枚の圧電シート２１とトップシートとは上下同じ位置の前記個別電極２４及びダミー個別電極２６が表面電極３０の箇所と電気的に接続されるし、同じく上下複数枚のコモン電極２５及びダミーコモン電極２７が表面電極３１の箇所と電気的に接続されることになる（図６参照）。
【００２９】
そして、このような構成のプレート型の圧電アクチュエータ２０における下面（圧力室１６と対面する広幅面）全体に、接着剤層としてのインク非浸透性の合成樹脂材からなる接着剤シート４１を予め貼着し、次いで、前記キャビティプレートユニット１０に対して、当該圧電アクチュエータ２０における各個別電極２４が前記キャビティプレートユニット１０における各圧力室１６の各々に対応するように接着・固定される（図７、図８参照）。また、この圧電アクチュエータ２０における上側の表面には、前記フレキシブルフラットケーブル４０が重ね押圧されることにより、このフレキシブルフラットケーブル４０における各種の配線パターン（図示せず）が、前記各表面電極３０、３１に電気的に接合される。
【００３０】
なお、前記接着剤シート４１等の接着剤層の材料としては、少なくともインク非浸透性であり、且つ電気絶縁性を備えたものであって、ナイロン系やダイマー酸ベースのポリアミド樹脂を主成分とするポリアミド系ホットメルト形接着剤、ポリエステル系ホットメルト形接着剤のフィルム状のものを使用しても良いが、ポリオレフィン系ホットメルト形接着剤を前記圧電アクチュエータ２０の前記広幅面に塗布してから、キャビティプレートユニット１０に接着・固定するようにしても良い。接着層の厚さは約１μｍ程度である。
【００３１】
この構成において、前記圧電アクチュエータ２０における各個別電極２４のうち任意の個別電極２４と、コモン電極２５との間に電圧を印加することにより、圧電シート２１のうち前記電圧を印加した個別電極２４に対応する部分に圧電による積層方向の歪みが発生するという圧電素子の活性部となる。圧電アクチュエータ２０における圧電素子の活性部と、前記各ノズル５４に対する圧力室１６とは各プレートの平面視において上下に重なることになる。
【００３２】
そして、前記活性部の歪みにて前記各個別電極２４に対応する圧力室１６の内容積が縮小されることにより、この圧力室１６内のインクが、ノズル５４から液滴状に噴出して、所定の印字が行われる（図８参照）。
【００３３】
上述のように、圧電アクチュエータ２０とキャビティプレートユニット１０との間に、全ての圧力室１６を覆うように、前記接着剤層を介在させることにより、この接着剤層がインクを浸透させない被膜の役割を果たすと共に、圧電アクチュエータ２０とキャビティプレートユニット１０とを強固に固定する作用も同時にできる。そして、接着剤であるので、その層の厚さを従来のダイヤフラムプレートに比して極めて薄く形成でき、且つ低コストにてインクジェットプリンタヘッドを製造することができるという効果を奏する。また、複数の圧力室１６にわたって延びる圧電シート２１、２２を積層して圧電アクチュエータ２０を構成しているから、圧電アクチュエータ２０全体の剛性が高くなり、従来のダイヤフラムプレートのような振動を起こすことがなく、高い周波数での駆動を可能にすることができる。
【００３４】
そして、前記圧電アクチュエータ２０における活性部を選択的に駆動した場合、当該活性部が圧電アクチュエータ２０の板部の平面を湾曲させるように弾性変形するのに伴って、圧電アクチュエータに接着されたキャビティプレートユニット１０も弾性変形するのであるが、本発明では、キャビティプレートユニット１０におけるスペーサプレート１３に複数の圧力室１６を跨ぐように、凹溝５５を設けることにより、圧力室１６に対応する箇所のスペーサプレート１３の肉厚を部分的に薄くして部分的に剛性を低くすると、必要でない（選択されていない）圧力室１６に対して、前記弾性変形が少なくなって、その圧力室１６からのインクの噴射に影響を及ぼす、いわゆるクロストーク(cross talk)現象が発生して、噴射すべきインク滴が飛沫状になるという現象を無くすることができる効果を奏する。
【００３５】
なお、前記実施形態では、１乃至複数本の長い凹溝５５を、前記圧力室１６の配列方向と直交する方向に延びるようにして形成した（図７参照）が、図８に示すごとく、マニホールド室１２ａの平面視形状とほぼ同じ平面視形状の凹所５６を、スペーサプレート１３の下面側（マニホールド室１２ａと対面する側）に形成しても良い。
【００３６】
【発明の作用・効果】
以上に説明したように、請求項１に記載の発明は、複数個のノズル及びこの各ノズル毎の圧力室を第１の方向に列状に備えたキャビティプレートと、前記各圧力室ごとに選択的に駆動可能な活性部を有しインクを吐出させる圧電アクチェータとを積層させてなる圧電式インクジェットプリンタヘッドにおいて、前記キャビティプレートユニットを、前記圧力室が設けられたベースプレートと、インク供給源からのインクを溜めたのち前記各圧力室に補充するマニホールド室が設けられたマニホールドプレートと、該マニホールドプレートと前記ベースプレートとの間に介挿するスペーサプレートと、前記圧力室に連通するノズルが設けられたノズルプレートとにより積層構成し、前記マニホールドプレートには前記マニホールド室を前記複数の圧力室の配列方向に延びるように形成する一方、前記スペーサプレートには、薄肉部を残して前記マニホールド室側に開放された凹所を、前記マニホールド室のほぼ全長にわたり、且つ前記列状に配置された複数の圧力室の全てに跨がるように形成したものである。
【００３７】
キャビティプレートユニットを構成する各プレートの板厚を全体として薄くして、キャビティプレートユニット全体の剛性を低くすることも可能ではあるが、圧力室やマニホールド室の容量を確保するには、前記ベースプレートやマニホールドプレートの厚さを確保する必要があり、その両面のプレートの板厚を薄くし過ぎると、キャビティプレートユニット全体の剛性が低くなり過ぎるという問題がある。そこで、本発明のようにスペーサプレートの一部の板厚のみを薄くすることにし、且つ圧電アクチュエータの活性部と対応し、しかも圧力室の容量にも影響しない位置として、マニホールド室と対面するスペーサプレートの片面に凹所を配置することにした。そして、この薄肉状の凹所は前記列状に配置された複数の圧力室の全てに跨がるように形成したものであるから、この凹所の存在によって、マニホールド室内のインクの流れを妨げず、且つ前記活性部が湾曲するように弾性変形する方向の剛性を低くすることができるのである。
【００３８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記凹所は、前記マニホールド室と略同じ大きさに形成されているものであるから、当該凹所の存在によって、マニホールド室内のインクの流れを妨げない作用が大きくなる。
【００３９】
そして、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記マニホールド室の長手方向を前記複数の圧力室の配列方向と平行に配置し、前記凹所は、前記マニホールド室のほぼ全長にわたり、且つ前記複数の圧力室の全てに跨がるような長溝状に形成されているものであるので、この凹所の存在によって、マニホールド室内のインクの流れを妨げず、且つ前記活性部が湾曲するように弾性変形する方向の剛性を低くすることができる作用を一層向上させることができるという効果を奏するのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態による圧電式インクジェットプリンタヘッドを示す分解斜視図である。
【図２】  キャビティプレートユニットと圧電アクチュエータとの一端部を示す拡大斜視図である。
【図３】  キャビティプレートユニットの分解斜視図である。
【図４】  キャビティプレートユニットの部分的拡大斜視図である。
【図５】  圧電アクチュエータの分解斜視図である。
【図６】  図１のVI−VI線矢視で示す圧電式インクジェットプリンタヘッドの拡大側断面図である。
【図７】  第１実施形態における凹溝とマニホールド室と圧力室との配置関係を示す平面図である。
【図８】  第２実施形態における凹溝とマニホールド室と圧力室との配置関係を示す一部切欠き斜視図である。
【符号の説明】
１０          キャビティプレートユニット
１１          下層プレート
１２          マニホールドプレート
１２ａ        マニホールド室
１３          スペーサプレート
１４          ベースプレート
１６          圧力室
２０          圧電アクチュエータ
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ，２２    圧電シート
２３          トップシート
２４          個別電極
２５          コモン電極
２６          ダミー個別電極
２７          ダミーコモン電極
３０，３１    表面電極
３２，３３    スルーホール
５５          凹溝
５６          凹所
４３          ノズルプレート
５４          ノズル
【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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