JP2994472B2 - 動作温度および熱効率を高めたサーマルインクジェットプリントヘッド - Google Patents
動作温度および熱効率を高めたサーマルインクジェットプリントヘッドInfo
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Description
関し、より詳細には動作温度が高く、製作公差が小さ
く、またインク溝の幾何形状により可能となったより高
エネルギー効率の加熱要素を有するサーマルインクジェ
ットプリントヘッドに関する。
プ・オン・ディマンド・インクジェット印刷のタイプで
あり、これは選択的に印加される熱エネルギーを使用
し、プリントヘッドのインク充満流路において瞬間的に
蒸気バブルを発生することによりインク液滴を推進す
る。熱エネルギー発生器は通常抵抗器であって、流路の
一端にあるノズル付近において複数の流路の各々に配置
されている。流路の他端は、インク供給源を収容する共
通のマニホルド即ち貯槽に連通している。
4,774,530号は、上部基板と下部基板から成る
改良されたプリントヘッドを開示しており、上部基板と
下部基板はこれらの間に挟まれた厚い絶縁層と共に合わ
せられて一体に接合されている。上部基板の片面は1つ
またはそれ以上の溝および凹所をエッチングされてお
り、これらの溝および凹所は下部基板と合わせられたと
き、それぞれキャピラリ充満インク流路とインク供給マ
ニホルドとしての役割を果たすであろう。凹所は加熱要
素をインクに曝すために厚い層にパターン形成され、そ
してそれらの加熱要素をピットに配置し、インクが流路
の封鎖端部まわりに流れることができることによりマニ
ホルドから流路へのインクの流れ通路を提供する。従っ
て、溝の封鎖端部をマニホルド凹所へ開口するのに必要
な製造段階が無くなり、そのためプリントヘッドの製造
工程が簡単になる。
ドは、インクが貯槽からノズルに供給される比較的長い
流路を有する。バブルを発生する加熱要素は、ノズル開
口から上流の所定距離にある流路のピットに配置されて
いる。ピットはバブルの吹き出しとその結果として生じ
る空気の摂取を防止し、したがってプリントヘッドの故
障を回避する。残念ながら、全領域範囲、良好な液滴速
度、および4kHz付近の印刷のためには、空気の摂取
を伴わないプリントヘッドの最大動作温度は約45℃で
ある。明らかに、より一層高い動作温度を許容する流路
および加熱要素の幾何形状が望まれ、本発明はこの目的
を達成する。
液滴容量を生成ししかも空気の付随的な摂取を伴なうバ
ブル吹き出しを防止する能力を損なうことなく動作温度
を高めることのできる幾何形状を有するインクジェット
プリントヘッドを提供することである。
に記録媒体上に印刷するためのインクジェットプリント
ヘッドが開示され、各々少くとも一面が実質上平坦な表
面をもつ上部基板と下部基板とを包含する。基板の平坦
表面は、それらの間に挟まれた厚膜層と共に合わせられ
一体に接合される。上部基板の平坦表面は、その後にイ
ンク流路として使用される1組の平行な封鎖端の溝と、
その後にインクを流路へ供給するためのインクマニホル
ドとして使用される分離して関連した凹所を含む。凹所
は、平行な溝の封鎖端部の1つの各端から所定距離近傍
に配置され、該凹所の底部にマニホルドへのインク入口
として使用するための開口を有する。下部基板の平坦表
面は、加熱要素と該加熱要素に形成したアドレッシング
電極の列を有し、その結果、基板が合わせられ接合され
ると、1つの加熱要素はマニホルドに近い封鎖端部と反
対の封鎖端部の近傍において各溝に配置される。厚膜層
は、下部基板の表面上に加熱要素およびアドレッシング
電極を覆うようにして付着され、基板の合わせに先立
ち、厚膜層の所定部分を除去するためにパターン形成さ
れ、それにより流路とマルホルドとの間において厚膜層
にインク流れ通路を形成し一般に一端を開口した1組の
個々に平行なトレンチを形成する。トレンチは各加熱要
素に露出し下部基板の縁に延びて開口端を形成する。基
板が合わせられた後、トレンチの開口端は、液滴放出ノ
ズルとして、並びに加熱要素に近い流路の封鎖端部まわ
りにおけるインク流れ通路としての役割を果たす。
符号が同じ部分を示す添付図面と共に以下の詳細な説明
を考慮することにより得ることができる。
ードに取付けられたプリントヘッドの拡大概略等角図で
あり、液滴放出ノズルおよび部分的なインク流路を点線
で示している。
図1の拡大断面図であり、電極の不動態化して凹んだ厚
膜組織を示し、この凹んだ厚膜組織は、マニホルドおよ
びインク流路とプリントヘッド用のノズルとの間におけ
るインク流れ通路、並びに本発明によるノズルに設けら
れた加熱要素からのインク流れ通路を提供する。
ヘッドを形成する前にみた加熱要素プレートの部分的に
拡大して示した等角図である。加熱要素プレートは開口
端の凹所を示すために部分的に断面とされており、該開
口端の凹所は、ノズルおよび流路封鎖端まわりの通路と
しての役割を果たす。
た概略等角図が、図1に描かれており、厚膜層18にお
いて流路プレート31の前面29と同一平面にある液滴
放出ノズル列27を示している。また図2も参照すれ
ば、以下に述べるように、下部電気絶縁基板即ち加熱要
素プレート28は、加熱要素34と、該加熱要素の表面
30上にパターン形成されたアドレッシング電極33を
有し、また上部基板即ち流路プレート31は平行な端部
封鎖の溝20を有し、該溝20は流路プレート前面29
に対し垂直である。前面付近の溝の封鎖端部は傾斜壁1
9で終る。傾斜壁19は、前面から所定距離のところで
流路プレート表面22と交差する。溝の他端は傾斜壁2
1で終る。内部凹所24は、キャピラリ充満インク流路
20に対するインク供給マニホルド即ち貯槽として使用
され、インク充填用穴に使用する開口底25を有する。
溝を具備する流路プレートの表面22は、パターン形成
された厚膜層に整合されてこれに接合される。該厚膜層
は、以下に述べるように、加熱要素プレート28の表面
30に付着されており、その結果、複数の加熱要素34
の各々は、溝により形成され封鎖端壁19付近にある流
路に整合し該流路直下に配置される。インクは、充填穴
25を介し、凹所24および加熱要素プレート28によ
り形成されたマニホルド即ち貯槽に侵入し、毛細管作用
により、矢印23により示す通り、厚膜絶縁層18に形
成された共通の凹所38を流れることによって流路20
に充満する。平行なトレンチ列26は厚膜層に形成さ
れ、該厚膜層は上流端41で封鎖され反対端27で開口
している。トレンチは溝20に平行であるとともにこれ
に整合している。トレンチ開口端は前面29と共通の平
面にあり、液滴放出ノズル27としての役割を果たす。
加熱要素34の真上付近において、端壁19を有する溝
20の端部分は比較的大きな「ドーム形」容積を提供
し、インクを移動させインク液滴を放出するために瞬間
的なバルブが前記「ドーム形」容積内で拡張できる。従
って、バブルがノズルに向って横方向にのみ拡張できる
ような米国再発行特許第32,572号の「ピット無
し」幾何形状と異なり、本発明は増大した垂直方向高さ
を提供し、該垂直方向高さ内にバブルがノズルから離れ
る方向に拡張できる。さらに、溝の傾斜壁19は、イン
ク蒸気バブルの吹出しと空気の摂取を防止するのに役立
つ。溝の封鎖端即ち傾斜壁19とトレンチ26の封鎖端
41との合成効果は、アドレッシング電極33を介して
加熱要素を経て送られる電気パルスにより瞬間的に発生
される液滴放出用バルブの横方向移動を阻止することで
ある。インク液滴を放出するために発生される実質上瞬
間的なバブルは周知であり、上述の従来技術で述べた。
幾何形状が米国特許第4,638,337号あるいは米
国特許第4,835,553号に記載されているもので
あっても、大きい液滴容量、高い液滴速度、および高い
動作温度(この温度より高いと、インク蒸気バブルが吹
出し空気の摂取が起きる)を同時に達成することが困難
である。大きな液滴容量は、特に印刷解像度が300ス
ポットパーインチ(spi)であるとき、紙のようなイ
ンク受容印刷媒体に印刷される情報を完全に充満させる
のに必要である。約800乃至1200平方μmのノズ
ル面積の場合、容量は100〜300ピコリットルの範
囲にあるべきである。高い液滴速度は、良好な方向性を
得るのに必要であり、したがって速度は5メートル/秒
以下としてはならない。本発明までは、適当な容量およ
び速度をもつ液体について断続的な空気摂取を伴なわな
い最高動作温度は約45℃である。図1および図2に示
すような加熱要素とノズルとの間のインク流路の幾何形
状は、先行技術の装置で利用できる温度より20℃〜3
0℃高い温度である65℃〜75℃の範囲の動作温度を
可能とする。
形を形成し、これはインクがノズルから滲み出るのを防
止する。流路プレート28上のアドレッシング電極33
は、端子即ちコンタクトパッド32で終結している。流
路プレート31は下部基板28の流路プレートより小さ
いが、これは、電極端子32が露出されて例えばプリン
トヘッド10を永続的に取付けるワイヤボンド52によ
りドーターボード50に電極を接続するのに利用できる
ようにするためである。層18は、上部基板と下部基板
との間に挟まれた後述の厚膜不動態層である。この層
は、共通の凹所38を、ノズルから加熱要素の上流側に
延びる複数の別々の細長い平行なトレンチ即ちトラフ2
6と一体に形成するためにパターン形成される。加熱要
素は、トラフ封鎖端の底部に配設される。共通の凹所3
8は、マニホルド24と流路20との間でのインクの流
れを可能とし、トレンチ即ちトラフ26は、流路からト
レンチの加熱要素へのインクの流れを可能とする。トレ
ンチの開口端はノズル27としての役割を果たす。溝2
0の傾斜壁19と厚膜絶縁層18の上流端壁41は協働
して一時的なバブルの横移動を阻止し、その結果、バブ
ルの吹出しおよびこれによって生じる空気摂取は、液滴
速度が5メートル/秒以上に維持されるときに防止され
る。さらに、厚膜絶縁層は電極端子を露出するためにエ
ッチングされる。
に沿ってみて図2に示してあり、インクが如何にしてマ
ニホルド24から溝20の封鎖端部21まわりを矢印2
3により示すように流れるかを示す。複数組のバブル発
生用加熱用要素34およびそれらのアドレッシング電極
33は片面艶出し(100)シリコンウエハの艶出し面
にパターン形成される。ウエハの艶出し表面は、約1〜
2マイクロメートルの厚さをもつ二酸化珪素のような下
塗り層39を被覆される。この被覆は、加熱要素、多数
組のプリントヘッド電極33、および共通リターン35
としての役割を果たす抵抗材料のパターン形成に先立ち
行われる。抵抗材料は、化学蒸着(CVD)により付着
できる多結晶シリコン、あるいはホウ化ジルコニウム
(Zr B2)のようなその他任意の周知の抵抗材料を含ま
せることができる。共通リターン35とアドレッシング
電極33は、代表的には、下塗り上に且つ加熱要素の縁
上方に付着されたアルミニウムリード線である。共通リ
ターン端子37(図1参照)とアドレッシング端子32
は、ワイヤボンド52によりドーターボード50の電極
51に電気接続するためのクリアランスを許容するよう
に所定場所に配置される。前記電気接続は、流路プレー
ト31が加熱要素プレート上の厚膜層18に取付けられ
てプリントヘッドを構成した後である。共通リターン3
5およびアドレッシング電極33は、0.5〜3マイク
ロメートルの厚さに付着され、好ましい厚さは1.5マ
イクロメートルである。それ以上の詳細については、先
のセクションで述べた特許を参照されたい。
使用され、二酸化珪素のサーマルオキサイド層17は高
温蒸気中でポリシリコンから成長する。ポリシリコン加
熱要素の製造に関する詳細については、ホーキンス(Ha
wkins)の米国特許第4,532,530号を参照された
い。サーマルオキサイド層は代表的には、加熱要素を導
電性インクから保護し絶縁するために0.05〜0.1
マイクロメートルの厚さに成長される。サーマルオキサ
イドは、アドレッシング電極および共通リターンの取付
けのためにポリシリコン加熱要素の縁で除去される。ア
ドレッシング電極および共通リターンはその後パターン
形成され付着される。電極の不動態化前に、タンタル
(Ta)層15を選択的に加熱要素保護層17上に約1マ
イクロメートルの厚さに付着することができ、プリント
ヘッドの作動中にインク蒸気バブルが崩壊することによ
り発生するキャビテーション力に対して加熱要素保護層
17を付加的に保護する。電極の不動態化のために、2
マイクロメートル厚さのリン含浸CVD二酸化珪素膜1
6が、複数組の加熱要素およびアドレッシング電極を含
むウエハ全表面に亘って付着される。不動態膜16は、
露出した電極をインクから保護するイオンバリアを提供
する。有効的なイオンバリア層は、それの厚さが100
0オングストロームと10マイクロメートルの間、好ま
しくは厚さが1マイクロメートルのとき達成される。不
動態層16は、その後のドーターボード電極とのワイヤ
ボンディングのために、加熱要素またはTa層および共通
リターンとアドレッシング電極の端子端部からエッチン
グで除去される。この二酸化珪素膜16のエッチング
は、湿式または乾式のいずれのエッチング法でも行え
る。
録商標)、バークレル(Vacrel:登録商標)、プ
ロビマー52(Probimer52:登録商標)、あ
るいはポリイミドのような厚膜タイプの絶縁層18が、
5マイクロメートルと 100マイクロメートルとの
間、好ましくは10〜50マイクロメートルの範囲にあ
る厚さをもつ不動態層16上に形成される。絶縁層18
は、複数の端部開口トレンチ26を形成するのに必要な
層18の部分をエッチングおよび除去することができる
ようにフォトリソグラフィーで処理される。前記端部開
口トレンチの各々は、加熱要素と、インクマニホルド2
4から各インク流路20に至るインク流路を提供する共
通の凹所38を含む。さらに、厚膜層18は各電極端子
32、37上方を除去される。複数の細長い開口トレン
チ26と、その後個々の加熱要素プレート28に分割さ
れるウエハ上の各加熱要素組に対する関連した共通凹所
38は、厚膜層18のこれらの部分の除去により形成さ
れる。従って、不動態層16のみが、共通凹所38で構
成された凹所と複数の平行な細長いトレンチ26の両方
にあるインクに電極33が触れることから保護する。中
間厚膜層と整合し接合されたウエハは個々のプリントヘ
ッドに打抜かれ、ダイシングカットの1つは同時に前面
29を形成しトレンチ26を開口してノズル27を形成
する。
膜層18によって決まることである。ノズルの上面と下
面は、それぞれ流路プレート31および加熱要素プレー
ト28の対向面である。ノズルの側面は、厚膜層18の
トレンチ26の壁によって形成され、該厚膜層18はお
おむねインク流路20間に横たわっている。トレンチ壁
42は選択的であるが、好ましくは垂直である。従っ
て、ノズル形状は、厚膜層の高さによって決まる高さを
もつ矩形であり、一方、ノズルの幅は、トレンチ幅即ち
ノズル開口端におけるトレンチ壁42間距離によって決
められる。従って、ノズル幾何形状は、厚さと厚膜層に
おけるトレンチパターンを変えることにより、最適動作
パラメータのために容易に変更される。所望であれば、
ノズル横断面積は、加熱要素に近いトレンチの横断面積
と異ならせることができる。即ちトレンチはノズルで局
部絞りとすることができる。液滴容量はノズル面積に比
例するため、厚膜層18はウエハからウエハまでを少な
くとも±5%以内に調整された厚みを持たせなければな
らない。
分断面等角図が示されている。電極不動態層16と重な
って比較的厚い絶縁層18(好ましくは、リストン(R
iston:登録商標),バークレル(Vacrel:
登録商標),ポリイミド,あるいはこれらに相当する
物)の一部分が1つのアドレッシング電極の一部分から
除去され、改良されたノズル構造とノズルから加熱要素
に至る幾何形状の理解を容易にする。各層18はフォト
リソグラフィーでパターン形成され、電極端子32,3
7,共通凹所38,並びに各加熱要素34およびそれの
保護層17の上流に始まり前面29を貫通して延びる細
長い領域26から該層18を除去するためにエッチング
処理され、その結果、トレンチ26がノズルとしての役
割を果たす開口端を形成される。好適実施例において、
上流のトレンチ壁41と加熱要素との間の距離は約12
μmであるが、動作パラメータを最適なものとするため
に変化させることができる。共通凹所38は、流路プレ
ート31が該共通凹所に合わせられた後、マニホルドか
ら流路へのインクの流れを可能とするために所定位置に
配置される。トレンチ26の封鎖端部は各加熱要素を含
み、溝20の傾斜壁19まわりにトレンチ26およびそ
れの開口端即ちノズル27に至るインク流れ通路を提供
する。トレンチ26の封鎖端壁41は、パルスを印加さ
れる加熱要素によって発生され貯槽24に向う各バブル
の横方向移動を阻止し、したがって該加熱要素に対し法
線方向のバブル成長を促進し、一方、上記溝20は加熱
要素に対し法線のバブル成長にとって十分なインク流路
面積および垂直高さ、並びにプリントヘッド動作中にお
ける再充満時間の両方を提供する。蒸気化インクの破裂
を解放しその結果空気の摂取を伴う吹出し現象は、米国
特許第4,835,553号明細書における厚膜壁42
と同様の機能を提供する溝の傾斜壁19によって避けら
れる。液滴放出の頻度は、ピット形状の場合と実質上同
じ頻度を維持し、技術上周知である流路幅と長さの調整
により最適化することができる。
許第4,638,337号;および米国特許第4,77
4,530号に開示されている通り、流路プレート31
は、プリントヘッド10用の複数の上部基板即ち流路プ
レート31を製造するために両面艶出し(100)シリ
コンウエハ(図示せず)から形成される。ウエハが化学
的に清掃された後、熱分解CVD窒化珪素層(図示せ
ず)が両面に付着される。普通のフォトリソグラフィー
を用いることにより、所定場所での整合用開口(図示せ
ず)のための少くとも2つのバイアスがウエハ片面に印
刷される。窒化珪素は、整合用開口を表わすパターン形
成のバアイスからプラズマエッチングで除去される。整
合用開口をエッチング処理するのに水酸化カリウム(K
OH)の異方性エッチングを使用してもよい。この場
合、(100)ウエハの{111}平面はウエハの表面
に対し54.7度の角度を成す。整合用開口は、約60
〜80ミル(1.5〜2mm)正方形であり、20ミル
(0.5mm)厚さのウエハを完全に貫通してエッチン
グされる。あるいは、流路と加熱要素ウエハを整合する
のに、赤外線整合器を使用してもよい。
エッチングした整合用穴を用いてフォトリソグラフィー
でパターン形成されて、開口底部25と、実質上プリン
トヘッドのインクマニホルドおよび流路となる細長い平
行な流路凹所20組とを具備した比較的大きな矩形凹所
24を形成する。マニホルドおよび流路凹所を含むウエ
ハの表面22(および流路プレート)は、(窒化珪素層
で被膜された)原ウエハ表面の一部分であり、該原ウエ
ハ表面には前記ウエハ表面22を複数組の加熱要素を含
む基板に接合するためにその後接着剤を塗布される。端
面29を製作する最終的なダイシングカットは、ノズル
27を製作する厚膜トレンチ26の一端を開口する。流
路溝20の端部は、傾斜壁19,21で封鎖されたまま
である。しかしながら、ヒータプレートに対する流路プ
レートの整合および接合は、図2に示す通り、流路20
の端部21を厚膜絶縁層18にある共通凹所38の真上
に配置し、傾斜端部19を加熱要素34とノズル27と
の間の厚膜層絶縁層にあるトレンチ26上方に配置し、
インクが矢印23で示した通りマニホルドから流路内
へ、およびトレンチ26を介し流路からノズルへ流れる
のを可能とする。
面に溝20を異方性エッチングにより形成することで細
長いインク流路20を提供する。溝は断面三角形状であ
り、傾斜壁19,21で封鎖された端部を有する。イン
クの溝への出入りは厚膜層18の凹所26,38によ
る。溝は、加熱要素34の直上流において傾斜壁19で
終っている。溝即を流路20の各々にあるトレンチ26
は加熱要素に露出し、流路から加熱要素およびノズル2
7へのインクの流れ通路を提供する。ノズルはトレンチ
26の開口端により設けられ、トレンチは、整合され接
合されたウエハ(図示せず)とこれらの間に挟まれたフ
ォトパターン形成の厚膜層18を個々のプリントヘッド
に切断するために、ダイシング作業により開口される。
従って、先行技術のピットおよびステップの幾何形状は
排除され、それに代り、空気摂取は、高められた動作温
度を維持しつつ、開口トレンチ26の背壁41と協働し
て加熱要素上方の流路の封鎖端部(壁19)により阻止
される。ヒーター上方のインク容量は、トレンチ26と
溝20の組合わせにより拡大され、液滴放出用バブルの
垂直方向拡張を可能とし、さらに横断流路面積を増加す
るとともに流路抵抗を最小限に抑える。
められた動作温度という明白な利点に加え、本発明のプ
リントヘッドは、加熱要素上方の拡大された容積、ノズ
ル上方のブロッキング端壁19,トレンチ壁41,加熱
要素と実質上同一平面にあるノズルの配置によって可能
とされた液滴サイズの増大という付加的な利点を有す
る。本発明のノズル幾何形状で行ったテストは、空気の
摂取なしで異常に高い動作温度(65℃より高い)を示
し、しかも同時に生成された液滴は拡大された容量(2
50ピコリットルに達する)をもっていた。高められた
動作温度の範囲は加熱要素面積の減少を許容し、その結
果、プリントヘッドはより一層効率的となる。
の拡大概略等角図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 インク液滴を要求通りにプリントヘッド
から熱的に噴射し液滴を記録媒体上に印刷する方法であ
って、プリントヘッドがノズル列と再充満可能なインク
供給貯槽とを有し、またそれらの間に平行なインク流れ
指向用流路列を具備する、次のステップを有する方法: (a)インクを貯槽から各流路のバブル発生領域に、イ
ンクがノズルから滲み出るのを防止するために若干負圧
の下で供給し、流路が一端で貯槽と連通し他端に前記ノ
ズルを有し、ノズルが所定の垂直開口高さを有し、バブ
ル発生領域が各々ノズルの上流所定距離に配置した加熱
要素を内蔵し加熱要素の真上且つノズルの上方に配置し
たインク収容空洞を有し; (b)加熱要素の上流にある背壁にノズルの垂直開口高
さに等しい高さを設け、前記背壁およびノズル垂直開口
高さは加熱要素に実質上垂直であるとともに加熱要素を
含む平面から延びるものであり; (c)前記加熱要素に接触しているインクに液滴噴射用
バブルを一時的に形成するために流路のバブル発生領域
にある加熱要素に電気パルスを印加し、前記背壁および
空洞がバブルの横方向の膨張を阻止するために協働し、
しかも空洞が付加的な高さおよびノズル上方におけるイ
ンク容積を同時に付与し、それにより延長された垂直の
バブル成長を促進し、そのため一層大きい液滴が適当な
速度で、空気を摂取することなく、高い動作プリントヘ
ッド温度で噴射される。。 - 【請求項2】 液滴を要求通りにプリントヘッドから熱
的に噴射し記録媒体上に印刷するために記録媒体に向け
て推進するためのインクジェットプリントヘッドであっ
て、プリントヘッドがノズル列と、再充満可能なインク
貯槽と、ノズルと貯槽との間の連通を図る平行なインク
流れ指向用流路列とを有する、次のものを含むプリント
ヘッド:インクを若干負圧の下でプリントヘッド貯槽に
供給する手段;各流路が、ノズルの上流所定位置に平坦
な表面をもつ加熱要素を内蔵したバブル発生領域と、加
熱要素の上流にある背壁と、加熱要素の真上に配置した
空洞とを有し、ノズルが所定の垂直開口高さを有し前記
背壁がノズル開口高さに等しい高さを有し、背壁とノズ
ル開口が加熱要素に対し実質上垂直であるとともに該加
熱要素の両側にあり加熱要素を含む平面から延び空洞を
ノズルおよび背壁の上方に配置したこと; 加熱要素に接触しているインクに一時的に蒸気バブルを
形成するために加熱要素に電気パルスを選択的に印加す
る手段とを包含し、前記背壁および空洞が加熱要素の表
面に平行な方向へのバブルの横方向膨張を阻止するため
に協働し、しかも空洞が付加的な高さおよび加熱要素上
方のインク容積を同時に与え、そのため垂直のバブル成
長が促進されそれにより一層大きい液滴が高い動作温度
で液滴速度の低下あるいは空気の摂取を伴なうことなく
噴射することを可能とする。
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