JPH10146966A - インクジェットヘッド - Google Patents
インクジェットヘッドInfo
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- JPH10146966A JPH10146966A JP30679796A JP30679796A JPH10146966A JP H10146966 A JPH10146966 A JP H10146966A JP 30679796 A JP30679796 A JP 30679796A JP 30679796 A JP30679796 A JP 30679796A JP H10146966 A JPH10146966 A JP H10146966A
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- piezoelectric element
- ink flow
- flow path
- ink
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- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
Abstract
式のインクジェットヘッドの提供を目的とする。 【解決手段】 互いに隔壁によって隔離された複数本の
インク流路を有するインク流路部材と、ノズル部材と、
インク流路に対応して配置された複数個の圧電素子駆動
部を有する圧電素子部材とを含むインクジェットヘッド
において、圧電素子部材が、インク流路部材の隔壁の下
方の領域において、追加の圧電素子駆動部をさらに有し
ているように構成する。
Description
ドに関し、さらに詳しく述べると、ピエゾ方式によるイ
ンクジェットヘッドに関する。本発明のインクジェット
ヘッドをプリンタに使用すると、インク滴のクロストー
クを小さくしかつ駆動時の騒音を低く抑えることができ
る。
プロセッサ、ファクシミリ装置、複写機などの電子機器
に内蔵、あるいは接続される印刷機として、インクジェ
ットプリンタが広く用いられている。インクジェットプ
リンタの代表的な印字の方式としては、インクを瞬間加
熱し、気化させて気泡を発生させ、その圧力で付属のノ
ズルよりインクの液滴を飛翔させるバブルジェット方式
と、圧電素子(ピエゾ素子)の変形を利用し、その変形
力でノズルよりインクの液滴を飛翔させるピエゾ方式と
がある。印字の高速化、制御の容易性、インクへの対応
範囲の広さなどから、ピエゾ方式のほうが、バブルジェ
ット方式よりも大きな期待を寄せられている。しかし、
ピエゾ方式のインクジェットプリンタは、構造が複雑で
あること、価格が高いということ、などを欠点として有
している。
かつ圧力室として機能するインク流路を備えたインク流
路部材と、1つの面がインク流路の壁面の一部を構成す
ることができる圧電素子部材とを接合させた、構造が単
純で、低価格が期待できるピエゾ方式のインクジェット
プリンタ用ヘッドが提案されている。図1は、従来のピ
エゾ方式のインクジェットプリンタ用ヘッドの一例を示
した展開図である。図示されるように、インクジェット
ヘッド10は、大きく分けて、インク流路部材11、ノ
ズル部材21、そして圧電素子部材1の3つの主たる部
材から構成されている。インク流路部材11は、複数本
の圧力室を兼ねるインク流路12を有している。図示の
例では、6本のインク流路12を装備したインク流路部
材11が示されている。また、インク流路部材11の内
部では、インク流路が合流してインク供給路14が形成
されており、インク供給口15に連通している。インク
流路部材11の前面には、それぞれのインク流路12に
対応して分布せしめられたノズル22を有するノズル部
材21が接合される。ノズル22の孔からは、インク流
路12内で加圧されたインクを液滴の形で吐出可能であ
る。インク流路部材11において、インク流路12が形
成されている側には、圧電素子部材1が接合されてい
る。圧電素子部材1は、基板2とその上の圧電素子3と
からなる。圧電素子3のうちインク流路12に対応する
部分には、以下に詳細に説明する圧電素子駆動部13が
形成されている。すなわち、インク流路部材11の図面
では見えない下側では、インク流路12の下面と圧電素
子部材1の圧電素子駆動部13の上面13aが当接して
いる。
ら理解されるように、圧電素子部材1は、インク流路1
2の体積変化を行うための振動板としてのダイアフラム
(図示せず)と、ダイアフラムを歪ませるための駆動体
としての圧電素子3と、圧電素子の電歪効果を誘導する
ためのものであって、その中間に圧電素子3を挟み込ん
だ一対の電極5とを有している。図示の例では、一対の
電極、すなわち、1枚の層状圧電素子3をサンドイッチ
した2枚の層状電極5が示されている。ここで、電極5
とそれらによって挟まれた圧電素子3の組の全部を総称
して、本願明細書では特に「圧電素子駆動部」13と呼
ぶことにする。また、先にも説明したように、この圧電
素子部材1には、その圧電素子駆動部13のそれぞれと
突き合わせた形でインク流路12を有するインク流路部
材11が接合されている。圧電素子駆動部13の電極5
の間に電圧を印加すると、中間に挟み込まれている圧電
素子3が電歪効果によって伸長させられる。すると、圧
電素子3に密着して配置されたダイアフラムが上方に向
かって撓み、インク流路12内の体積の減少がそれによ
って発生する。インク流路12内の体積が減少すると、
その流路内に充填されたインクが加圧され、その流路の
先端に位置するノズルからインク滴として吐出される。
ッドは、その構造が極めて単純で、また、組立に必要と
される部品の数が少ないので、バブル方式のヘッドに比
較可能な低価格で提供することができる。
ンクジェットヘッドは、しかし、2つの解決されるべき
問題点を有している。1つの問題点は、クロストークが
大きいこと、すなわち、印字の時にノズルから吐出され
るインク滴の量にばらつきがあること(インク粒量の変
化)である。いまひとつの問題点は、印字の時に発生す
る騒音が大きいことである。このような問題点は、図3
を参照した次のような説明から理解されるであろう。
では、圧電素子駆動部13において2つの相対する電極
5に電圧を印加すると、その中間に挟まれている圧電素
子3に歪みが生じ、圧電素子3が上方に向かって変形す
るとともに、その体積が膨張する。さらに、圧電素子駆
動部13に隣接する非圧電部31が圧電素子駆動部13
の圧電素子3に向けて引っ張られ、図中矢印で示すよう
に横方向の応力が生じる。ここで、インクジェットヘッ
ドに配備されるノズルは通常複数個であるので、それら
の複数個のノズルからインクを吐出させるために個々の
ノズルに対応する圧電素子駆動部を同時的に作動させる
ことが必要である。この場合に、圧電素子駆動部13の
作動とともに非圧電部31の横方向の応力も強くなり圧
電素子3の変位を妨げようとするため、圧電素子3の変
形が単ノズル駆動よりも小さくなり、インク粒量が低下
する。また、圧電素子駆動部13のうちインク流路のイ
ンク12と接する面13aでは、縮もうとする力が強く
なり、バイモルフ効果で圧電素子3が反るため、インク
流路12の体積が大きくなることの結果として、さらに
インク粒量が低下する。さらにまた、反りに原因して圧
電素子が振動するので、不快な騒音もあわせて発生す
る。
て、クロストークが小さく、音の静かなインクジェット
プリンタ用ヘッド(インクジェットヘッド)を提供する
ことを目的とする。
によれば、隔壁によって互いに隔離された複数本のイン
ク流路を有するインク流路部材と、前記インク流路部材
の端面に接合されたものであって、それぞれのインク流
路に連通したインク噴射のためのノズルを有するノズル
部材と、前記インク流路部材の1つの主たる表面に接合
されたものであって、印字時、含まれる圧電素子の変位
により前記インク流路内のインクに圧力をかけて前記ノ
ズルから噴射させることが可能な圧電素子部材とを含
み、その際、前記圧電素子部材が、前記インク流路に対
応して配置された複数個の圧電素子駆動部を含みかつそ
れぞれの圧電素子駆動部が、少なくとも1個の、一対の
電極に挟まれた圧電素子を有しているようなインクジェ
ットヘッドにおいて、前記圧電素子部材が、前記インク
流路部材の隔壁の下方の前記圧電素子駆動部が含まれな
い領域において、追加の圧電素子駆動部をさらに有して
いることを特徴とするインクジェットヘッドによって達
成することができる。
に従って圧電素子駆動部を配置することの他に、今まで
は非圧電部として利用されていなかった、インク流路ど
うしを分離する隔壁の下の領域にも電極を配置して追加
の圧電素子駆動部を形成したので、圧電素子領域の全体
において圧電素子の変形のバランスをとることができ、
よって、ノズル駆動数による変位のばらつきをなくすこ
とができ、さらに、素子の反りをなくすことで、インク
粒量の変化及び発生音を低減することができる。
形態について説明する。本発明によるインクジェットヘ
ッドは、前記したように、隔壁によって互いに隔離され
た複数本のインク流路を有するインク流路部材と、前記
インク流路部材の端面に接合されたものであって、それ
ぞれのインク流路に連通したインク噴射のためのノズル
を有するノズル部材と、前記インク流路部材の1つの主
たる表面に接合されたものであって、印字時、含まれる
圧電素子の変位により前記インク流路内のインクに圧力
をかけて前記ノズルからインク滴として吐出させること
が可能な圧電素子部材とを含んで構成されるものであ
る。
材は、好ましくは、この技術分野において一般的に用い
られているようにインク流路板の形をとることができ
る。すなわち、インク流路部材は、例えば、PES、P
ET、PENなどのプラスチック材料、熱硬化性樹脂、
アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼などの金属材料
あるいは感光性ガラス、例えばフォトセラム(商品名)
などのその他の材料から成形あるいはその他の技法、例
えばエッチング、電鋳、サンドブラスト、レーザ加工な
どによって形成することができる。また、インク流路部
材は、半導体装置の製造に広く用いられているレジスト
プロセスを利用して、適当な感光性樹脂(レジスト材
料)のパターニングにより形成することができる。イン
ク流路部材のインク流路は、互いに平行な複数本の溝か
ら構成されるものであり、その溝の本数及び大きさはヘ
ッドの構成などのファクタに応じて広く変更することが
できる。一般的に、インク流路の本数は、約4〜60
本、それぞれのインク流路の大きさは、約100〜50
0μm の幅、約50〜500μm の深さ、そして約0.
1〜20mmの長さである。なお、本願明細書の下記の実
施例では、理解を容易にするため、4本のインク流路を
有するインク流路部材を図示して説明する。
部材も、従来常用のノズル板と同様に構成することがで
きる。ノズル部材は、例えば、上記したインク流路部材
と同様なプラスチック材料、金属材料などから成形ある
いはその他の技法によって形成することができ、その大
きさならびにノズルの分布及び大きさは、例えば、組み
合わせて用いられるインク流路部材などに応じて変更す
ることができる。例えば、ノズル部材の大きさは、約1
〜50mmの幅、約0.1〜1mmの厚さ、そして約5〜5
0mmの長さである。インク流路部材に対するノズル部材
の接合は、好ましくは、接着剤などを使用して行うこと
ができる。
インク流路部材の1つの主たる表面に接合されたもので
あって、印字時、インク流路内のインクに圧力をかけて
前記ノズルからインク滴として吐出させることが可能な
圧電素子部材の構成が重要である。本発明で用いられる
圧電素子部材は、インク流路に対応して配置された圧電
素子駆動部(本願明細書では、特に「第1の圧電素子駆
動部」とも呼ぶ)の他に、インク流路部材の隔壁の領域
(ここには、第1の圧電素子駆動部が含まれない)にお
いて、追加の圧電素子駆動部(本願明細書では、特に
「第2の圧電素子駆動部」とも呼ぶ)をさらに有してい
るところに特徴がある。
第1及び第2の圧電素子駆動部は、好ましくは、圧電素
子形成性セラミック材料のグリーンシートから、その複
数枚を積層することにより所望の厚さとした後、得られ
た積層体を高められた温度で焼成することにより形成す
ることができる。ここで使用する圧電素子形成性セラミ
ック材料は、圧電素子の形成に一般的に用いられている
もの、例えば、PNN:Pb(Ni,Nb)O3 系セラミック材料
などを包含する。例えば、好ましいグリーンシートの組
成と焼成温度の一例を示すと、次の通りである。 グリーンシートの組成: 固形分(鉛、ニッケル、ニオブ、チタン及びジルコニウムの酸化物) …45重量% 有機樹脂バインダ …0.5重量% 溶媒(有機溶媒+オイル) …55重量% 分散剤 …1.5重量% 焼成温度:1000℃ 圧電素子部材に含まれる第1及び第2の圧電素子駆動部
は、同一の構成を有していてもよく、あるいは異なる構
成を有していてもよく、それぞれ、少なくとも1個の、
一対の電極に挟まれた圧電素子を有するように構成する
ことができる。また、圧電素子及び電極は、好ましくは
層状である。それぞれの電極は、この技術分野において
通常行われているように、各種の導電性材料、例えば、
金、銅、ニッケル、パラジウムなどの金属又は合金材料
から、さもなければ導電性のプラスチック材料から形成
することができる。電極の形成は、通常、圧電素子のグ
リーンシートを形成した後、その所定の領域に電極材料
のペーストなどをスクリーン印刷やその他の技法により
所定のパターンで適用することにより実施することがで
きる。圧電素子駆動部、すなわち、圧電素子層とそれを
挟んだ2枚の電極層の組は、本発明の実施においては何
組であってもよいというものの、通常、1〜5組であ
る。また、それぞれの組に含まれる圧電素子層及び電極
層の膜厚は、特に限定されないというものの、通常、圧
電素子層が約10〜500μm 、そして電極層が約0.
5〜10μm である。
路に対応する第1の圧電素子駆動部及びインク流路の隔
壁に対応する第2の圧電素子駆動部を交互に駆動して、
これらの2つの圧電素子駆動部の駆動による圧電素子の
変位量を前記第1の圧電素子駆動部の駆動による圧電素
子の変位量よりも小さくすることが好ましい。また、こ
れに関連して、第1及び第2の圧電素子駆動部の駆動を
行う時、それらの駆動部に含まれる電極を同一の電源に
接続して電圧を印加するのが好ましい。さらに、第1の
圧電素子駆動部の駆動波形と第2の圧電素子駆動部の駆
動波形が、それらを合成した時、一定電圧の波形を示す
ように電圧の印加をコントロールするのが好ましい。
記したような主たる部材のそれぞれにおいて、必要に応
じて、その他の一般的に用いられている構成要素を有す
ることができ、また、記載した主たる部材に加えて、そ
の他の一般的に用いられている部材を有していてもよ
い。本発明のインクジェットヘッドは、低クロストーク
及び低騒音であるので、広くプリンタに搭載して有利に
利用することができる。また、本発明のヘッドを搭載し
たプリンタは、例えばパーソナルコンピュータ、ワード
プロセッサ、ファクシミリ装置、複写機などの電子機器
に内蔵してもよく、あるいはそれらの機器に接続しても
よい。
がらさらに詳細に説明する。なお、添付の図面を参照し
た以下の説明において、特に断りのない限り、同一の参
照番号は同一の要素、部材等を意味し、したがって、同
様な組成等を有したり、同様な手法に従って形成等を行
うことができる。
ドの好ましい1例を示したヘッド要部の断面図である。
圧電素子部材は、基板(図示せず)と、その上に積層し
て形成された圧電素子3とからなる。圧電素子3は、図
示の例の場合、可動圧電素子としての、第1の圧電素子
駆動部13及び追加駆動部としての第2の圧電素子駆動
部23を有している。第2の圧電素子駆動部23の配置
された場所は、従来のインクジェットヘッドでは、非圧
電部としてあったところである。本例では、圧電素子駆
動部13及び23の両方とも、1枚の層状圧電素子3を
一対の層状電極13でサンドイッチした構成を有してい
る。また、図示しないけれども、圧電素子3の最上層に
はダイアフラムが配置されている。圧電素子部材の上面
には、その第1の圧電素子駆動部13の上にインク流路
12を位置決めしたうえで、インク流路部材11が接着
剤層(図示せず)を介して接合されている。
部は、例えば、次のようにして製造することができる。
先ず、圧電素子部材の形成のためのグリーンシート(そ
の典型的な組成は前記した)を用意する。ここで使用す
るグリーンシートは通常柔軟性に富むものであるので、
スリット加工後における搬送の便のため、予め適当なプ
ラスチックフィルム、例えばPETフィルムなどの搬送
用フィルムに密着固定してから、その後の積層工程に供
してもよい。引き続いて、グリーンシートの所定の領域
に電極を被着する。電極の被着は、使用する電極材料な
どの条件によって変更し得るというものの、通常、スク
リーン印刷などの印刷法を使用して有利に実施すること
ができる。さらに、必要に応じて、グリーンシートを基
板に張り付けてから電極を施してもよい。
枚数のグリーンシートを基板の上に積層し、プレスで密
着する。ここで使用する基板の材料は、圧電素子の材料
と同じであってもよく、さもなければ、それと異なる材
料であってもよい。後者の材料の場合、引き続く焼成工
程を考慮して、圧電素子の材料と同等もしくはそれ以上
の耐熱性を有することが好ましい。
ここで使用する焼成温度は、圧電素子部材の形成に使用
したグリーンシートの組成に応じて変更し、通常、約1
000℃の前後である。さらに続けて、形成された圧電
素子部材の上にインク流路部材を正確に位置決めして載
置し、接着剤層で強固に接合する。図4に示すような圧
電素子セグメントが得られる。ここでは図示して説明し
ないけれども、得られたセグメントの必要数を専用のホ
ルダに装着した後、ヘッドユニットの所定の部位に取り
付けると、目的とするインクジェットヘッドが完成す
る。
ドの要部の1変更例を示したものである。第2の圧電素
子駆動部23は図4のそれに同じであるけれども、イン
ク流路12の下の第1の圧電素子駆動部13は、3枚の
圧電素子3のそれぞれを一対の電極5によってサンドイ
ッチした構成に変更してある。圧電素子セグメントの製
造は、前記した例と同様にして行うことができる。
グメントにおける電圧印加の効果について説明したもの
である。本発明では、前記した通り、第1の圧電素子駆
動部13と第2の圧電素子駆動部23の駆動を交互に行
い、両者の合計の変位体積の駆動時の変化率を、第1の
圧電素子駆動部13のみの変位体積の変化率よりも低く
することが好ましく、実際、そのようにして圧電素子駆
動部の駆動を行うことができる。
行うと、図6に示されるように、圧電素子3がインク流
路12を隔離する隔壁に向かって変形する。このとき、
駆動波形は、図8(B)に示すようになる。次いで、第
1の圧電素子駆動部13の駆動を行うと、図7に示され
るように、圧電素子3がインク流路12に向かって変形
する。このとき、駆動波形は、図8(A)に示すように
なる。図8(A)及び(B)の駆動波形のグラフから理
解されるように、これらの2つの駆動波形を合成する
と、それぞれの電圧のロスが相殺され、本発明の効果に
つながるところの一定の電圧を得ることができる。
を実際に製造した例について説明する。
素子形成性グリーンシートを得る。次いで、得られたグ
リーンシートの一部について、その両面のうち第1及び
第2の圧電素子駆動部となる部分に銀−パラジウム系合
金のペーストを選択的に印刷して電極パターンを形成し
た。それぞれの面において、64個の、幅70μm 、長
さ2mm及びピッチ140μm の電極が形成された。この
ようにして形成された電極付きのグリーンシートを4枚
と電極を有しないグリーンシートをアルミナ基板上に積
層し、プレス加工した。得られた積層体を大気中で10
00℃で焼成した後、切断及び研磨した。所望とする圧
電素子部材が得られた。
32本の、幅150μm 、深さ150μm 、長さ2.2
mm及びピッチ280μm の溝(インク流路+圧力室)を
その鋼板の片面に形成した。先に作製した圧電素子部材
と組み合わせて使用可能なインク流路部材が得られた。
引き続いて、上記のようにして作製した圧電素子部材と
インク流路部材を圧電素子駆動部とインク流路を突き合
わせて接合し、圧電素子セグメントとした。本例の接合
には、膜厚30μm のドライフィルムレジストを部材間
に介在させて熱溶着を行う技法を採用した。
ル部材(厚さ80μm 、ノズル径30μm 、ノズル数3
2)を接着剤で接合し、さらに、インク供給系及び配線
を取り付けた。このようにして、目的とするノズル数3
2のインクジェットヘッドが完成した。さらに、上記し
た手法を繰り返して、ノズルの数が1個、3個、5個、
10個、そして20個のインクジェットヘッドも製造し
た。得られた都合6種類のインクジェットヘッドについ
て、クロストークの発生の程度をノズルから噴射される
インクの粒量の比を基準として評価した。単ノズル駆動
と32ノズル駆動とで、インクの粒量の変化は約8%で
あり、無視し得る程度であることが判明した。参考のた
め、それぞれのノズルについて得られた結果を添付の図
9にプロットする。また、最も騒音が大きくなる可能性
のある32ノズル駆動時の発生音をノズルから1m離れ
た距離で測定したところ、80デシベルであり、静音化
が達成されたことが判明した。
は、比較のため、圧電素子部材に第2の圧電素子駆動部
を組み込むことを省略した。得られた都合6種類のイン
クジェットヘッドについて、クロストークの発生の程度
をノズルから噴射されるインクの粒量の比を基準として
評価した。単ノズル駆動と32ノズル駆動とで、インク
の粒量の変化は約35%であり、前記例1の評価結果に
比較して大幅なクロストークの増加のあることが判明し
た。参考のため、それぞれのノズルについて得られた結
果を添付の図9にプロットする。また、最も騒音が大き
くなる可能性のある32ノズル駆動時の発生音をノズル
から1m離れた距離で測定したところ、90デシベルで
あり、これも前記例1の結果に比較して著しく劣ること
が判明した。
ば、ノズル部材及び圧電素子部材とともにヘッドを構成
するインク流路部材のインク流路の下に従来の技法に従
って圧電素子駆動部を配置することの他に、今までは非
圧電部として利用されていなかった、インク流路どうし
を分離する隔壁の下の領域にも、電極、すなわち、追加
の圧電素子駆動部を配置したので、圧電素子領域の全体
において圧電素子の変形のバランスをとることができ、
よって、ノズル駆動数による変位のばらつきをなくすこ
とができ、さらに、素子の反りをなくすことで、インク
粒量の変化及び発生音を低減することができる。
図である。
す断面図である。
ンク吐出のメカニズムを示す断面図である。
1例を示したヘッド要部の断面図である。
の好ましい例を示したヘッド要部の断面図である。
子駆動部の電圧印加時の挙動を示した断面図である。
子駆動部の電圧印加時の挙動を示した断面図である。
波形に関して示したグラフである。
トークに関して比較した結果を示すグラフである。
Claims (4)
- 【請求項1】 隔壁によって互いに隔離された複数本の
インク流路を有するインク流路部材と、前記インク流路
部材の端面に接合されたものであって、それぞれのイン
ク流路に連通したインク噴射のためのノズルを有するノ
ズル部材と、前記インク流路部材の1つの主たる表面に
接合されたものであって、印字時、含まれる圧電素子の
変位により前記インク流路内のインクに圧力をかけて前
記ノズルから噴射させることが可能な圧電素子部材とを
含み、その際、前記圧電素子部材が、前記インク流路に
対応して配置された複数個の圧電素子駆動部を含みかつ
それぞれの圧電素子駆動部が、少なくとも1個の、一対
の電極に挟まれた圧電素子を有しているようなインクジ
ェットヘッドにおいて、 前記圧電素子部材が、前記インク流路部材の隔壁の下方
の前記圧電素子駆動部が含まれない領域において、追加
の圧電素子駆動部をさらに有していることを特徴とする
インクジェットヘッド。 - 【請求項2】 印字時、前記インク流路に対応する圧電
素子駆動部及び前記インク流路の隔壁に対応する追加の
圧電素子駆動部を交互に駆動して、これらの2つの圧電
素子駆動部の駆動による前記圧電素子の変位量を前記イ
ンク流路に対応する圧電素子駆動部の駆動による前記圧
電素子の変位量よりも小さくすることを特徴とする請求
項1に記載のインクジェットヘッド。 - 【請求項3】 前記2つの圧電素子駆動部の駆動をそれ
らの駆動部に含まれる電極を同一の電源に接続して行う
ことを特徴とする請求項2に記載のインクジェットヘッ
ド。 - 【請求項4】 前記インク流路に対応する圧電素子駆動
部の駆動波形と前記インク流路の隔壁に対応する追加の
圧電素子駆動部の駆動波形が、それらを合成した時、一
定電圧の波形を示すことを特徴とする請求項2に記載の
インクジェットヘッド。
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JP30679796A JP3705385B2 (ja) | 1996-11-18 | 1996-11-18 | インクジェットヘッド |
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JP30679796A JP3705385B2 (ja) | 1996-11-18 | 1996-11-18 | インクジェットヘッド |
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1996
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