JPH03182359A - サーマル・インク・ジェット・プリントヘッドの製造方法 - Google Patents

サーマル・インク・ジェット・プリントヘッドの製造方法

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JPH03182359A
JPH03182359A JP2320555A JP32055590A JPH03182359A JP H03182359 A JPH03182359 A JP H03182359A JP 2320555 A JP2320555 A JP 2320555A JP 32055590 A JP32055590 A JP 32055590A JP H03182359 A JPH03182359 A JP H03182359A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野〉 本発明は、サーマル・インク・シェアド・プリントヘッ
ドの製造方法に関し、更に詳しくは、シリコン・ウェー
ハ・サブユニット(またはチップ)のアレイからページ
幅「ルーフシュータ」プリントヘッドを製造する方法に
関する。
(従来技術) 一般的にいって、要求に応じてインクを滴下するドロッ
プ・オン・デマンド・インク・ジェット・プリント・シ
ステムは2つの種類に分けることができる。すなわち1
つの種類は、圧電変換器を使用してノズルから小滴を吐
出する圧力パルスを発生するものであり、他の種類は熱
エネルギーを使用して小滴を吐出するインクを充満させ
たチャンネル内で蒸気のバブルを発生するものである。
サーマル・インク・ジェット・システムは、チャンネル
の終了端のノズルすなわちオリフィスの近くの細管に充
填されたインクのチャンネル内に位置する抵抗によって
選択的に発生された熱エネルギーを使用して、このイン
クを瞬間的に蒸発させ必要に応じてバブルを形成する。
各々の一時的に発生するバブルによってインクの小滴が
吐出され、これが記録媒体に向かって前進される。この
プリント・システムはカートリッジ式のプリンタまたは
ベージ字幅のタイプのプリンタのいずれかに内蔵するこ
とができる。カートリッジ式プリンタは、−船釣にイン
クのチャンネルとノズルを有する比較的小型のプリント
・ヘッドを有している。
このプリント・ヘッドは通常使い捨てのインク供給カー
トリッジにシールされた状態で取り付けられ、プリント
・ヘッドとカートリッジの組み合わされたアセンブリが
往復して用紙のような静止状態で保持されている記録媒
体上に一時に一区画の情報を印刷する。その区画が印刷
された後、この用紙は印刷された区画の高さに等しい距
離だけ移動され、その結果、次に印刷された区画がこれ
に続く。この手順は、全ページが印刷されるまで繰り返
される。カートリッジ式プリンタの例については、Re
zankaに対する米国特許第4,571,599号を
参照のこと。これに対して、ページ幅プリンタは用紙の
幅に等しいまたはこれ以上の長さを有する静止したプリ
ントヘッドを有する。用紙はプリントヘッドの長さに対
して直角方向に印刷プロセスの期間中一定の速度でペー
ジ幅プリントヘッドを通過して連続して移動される。ペ
ージ幅の印刷の例および特にこれの第17図および第2
0図に関しては、アヤタ他に対する米国特許第4.46
3.359号を参照のこと。
上述の米国特許第4.463.359号は、毛管現象に
よって補充される1つ以上のインクを充填したチャンネ
ルを有するプリントヘッドを開示している。
各ノズルにはメニスカス(meniscus)が形成さ
れ、このノズルからインクが流れ出すのを防止している
。抵抗またはヒータはノズルから上流の各チャンネル内
に位置している。データ信号を表す電流パルスが抵抗に
加えられ、瞬間的にこれらの抵抗と接触するインクを蒸
発させ、各電流パルスに対応するバブルを形成する。イ
ンクの小滴はバブルの戊辰によって各ノズルから吐出さ
れ、各ノズルによって一定量のインクがノズルから膨れ
出してこのバブルが崩壊し始めると1つの小滴になる。
これらの電流パルスは、各小満が吐出された後、メニス
カスが解消して、チャンネル内の非常に遠くに後退する
のを防止するように形成される。サーマル・インク・ジ
ェット・プリント装置の直線アレイの種々の実施例が示
され、これにはページ幅のプリントヘッドを得る目的の
ためにヒート・シンク基板の上部および下部に互い違い
に取り付けられた直線アレイを有する実施例が含まれる
このような構成は、また多色印刷を可能にするために異
なった色のインクに使用することもできる。
Drake他に対する米国特許第4,789,425号
(これの開示はここに参照として含まれる)は、必要に
応じて小滴を上部に位置し、その中に内蔵されているバ
ブル発生加熱素子と一般的に平行なノズルから記録媒体
に対して吐出する種類のサーマル・インク・ジェット・
プリントヘッドを開示している。これらの小滴は、プリ
ントヘッドのルーフ(roof )に位置するノズルか
ら加熱素子の表面に対して垂直な軌道に沿って吐出され
る。このような構成は、時として「ルーフシュータ」プ
リントヘッドと称する。
例えば、第1図のプリントヘッド10の斜視図に示すよ
うに、矢印11はノズル12から吐出されたインク小満
13の軌道を示す。プリントヘッド10はエツチングさ
れた開口部すなわち供給溝20(影で示す)を内蔵する
ヒータ・プレートすなわち基板28に永久的に取り付け
られた構造部材14を有し、この供給溝20は、構造部
材14と一対になると、インク溜めすなわちマニホール
ドを形成する。第1図の線n−nに沿って切断した第2
図のプリントヘッド10の断面図は、ヒータ・プレート
28内の供給?j!fi20からルーフ24内のノズル
12を通ってインクの流れる経路を示す。インクはルー
フ24とヒータ・プレート28との間のキャビティ・ウ
オール22とチャンネル・ウオール17によって形成さ
れるチャンネル状の凹部18に流れ込み、ノズル12を
通って外部に出る前にそのアドレス電極33と共通リタ
ーン35を有する加熱素子34上を通過する。プリント
ヘッドの平面図(第3図;第1図の線m−m線に沿って
切断した)は、ノズル12(影で示すが、その理由はこ
れらがルーフ24内にあるためである)と供給溝20と
の間を連通ずる3つのインク・チャンネルを形成する4
つのチャンネル・ウオール17を有する凹部18を示す
。(線■−■に沿って切断した真の図は1インチ(25
mm)当たり300以上の加熱素子と関連するインクチ
ャンネルの密度を示すが、ここでは明確にするためこの
数を少なくして図示していることが理解できる)上で論
じたように、要求によってインクを滴下するサーマル・
インク・ジェット・プリントヘッドは、シリコン・ウェ
ーハと多数の小さなヒータ・プレートとチャンネル・プ
レートを作る処理技術を使用することによって製造され
る。この作業は、プリントヘッドが小さい場合には、非
常にうまくいく。しかし、大型のアレイやページ幅のプ
リントヘッドの場合、インク・チャンネルまたはヒータ
素子のモノリシック・アレイを1つのウェーハで製造す
ることは実用上不可能であるが、その理由は、市販のウ
ェーハの最大寸法が一般的に6インチであるからである
。例え10インチのウェーハが市販されていたとしても
、モノリシック・チャンネル・アレイまたはヒータ・ア
レイの実現可能性が非常にあるかどうかは、明確ではな
い。これは、2550個のチャンネルまたは加熱素子の
内のただ1つでも欠陥があれば、チャンネルまたはヒー
タ・プレートの全体が使用不可能になるからである。こ
の歩留り上の問題は、シリコンのインゴットの直径が大
きくなる程、欠陥無しにこれを作ることが一層困難にな
るという事実によってより深刻なものになる。また、比
較約数の少ない8.5インチのチャンネル・プレートま
たはヒータ・プレート・アレイは10インチのウェーハ
で製造することができる。しかし、このウェーハの大部
分は無駄にされ、その結果、非常に高い製造コストにな
る。
この問題を除去するため、ページ幅のアレイを形成する
ために相互に突き合わされたルーフシュータ・サブユニ
ットを形成することによって、このページ幅プリントヘ
ッドを作ることが提案されている。しかし、インク・ジ
ェット・プリンタで高品質の文字を作成するには、ペー
ジ幅アレイ内の各サブユニットが隣接するサブユニット
に対して正確に位置決めされるようにプリントヘッドに
高密度の正確に位置合わせされたノズルを設けることが
必須である。加熱素子34、電極33および供給溝20
の付いた第3図のヒータ・プレート28のみを概略的に
示す第4A図から分るように、ルーフシュータ・ページ
幅プリントヘッド上に高い密度構成のノズルを設けるた
めには、各ヒータ・プレートをダイシングする最良の位
置(a−aおよびa′−a′で示す)は供給溝20と交
差してこのヒータ・プレートを2つの別個の片28A、
28B(第4B図で示すような)にするが、これらの片
28A、28Bは相互にまたはルーフ24と再び位置合
わせされてルーフシュータ・プリントヘッドを作ること
が困難である。この問題に対する1つの解決策は、この
供給溝を第5図に示すような多数のより小さな溝F、、
Ft、F2に分割することである。しかし、異方性シリ
コン・エツチングの形状によってこれらの溝はヒータ素
子34のレベルで最小さ29ミルだけ分離されている。
この分離の量は受は入れることのできないものであるが
、その理由は、これらの溝の間のヒータ素子34′の流
体供給抵抗が1つの溝に近接したヒータ素子34の流体
供給IL抗よりも実質的に大きいためにインクがこれら
の溝の間に位置するヒータ素子34′に流れることを保
証することが困難であるためである。
突き合わせ可能なプリントヘッドのサブユニットを設計
することの別の困難は、変換器のアレイと同じ密度でプ
リントヘッドに対して電気的接続を行うことが困難であ
るという事実にある。例えば、1インチ当たり600素
子の解像密度でサーマル・インク・ジェット・ヒータと
ノズル・アレイを作ることは可能である。しかし、−船
釣に製作されるワイヤ・ボンドの密度は1インチ当たり
約100素子に限定されている。アレイが小さい場合、
第1O図に示すようにより低いボンディング・バッドの
密度を得るためにアドレス電極線を扇型に広げることに
よって制限された数のヒータを直接アドレスすることが
可能である。しかし、この技術は変換器のアレイが必要
とするよりもより多くのシリコン領域を消費し、この設
計を突き合わせ可能なプリントヘッドのサブユニットの
大型の連続アレイに使用することは困難である。
(発明の目的と要約) 本発明の目的は、高い密度構成のインク・ジェット・ノ
ズルをその上に有するページ幅プリントヘッドを製造す
る方法を提供することである。
本発明の他の目的は、ボンディング・バンドによって必
要とされるアレイ方向の直線距離をアレイ内の全変換器
によって必要とされる直線距離以下にするために必要な
電気的相互接続バンドの数を少なくすることによってプ
リントヘッドのサブユニットの突き合わせを可能にする
方法を提供することである。
本発明の他の目的は、プリントヘッド内に高密度構成の
ノズルを可能にするような方法でヒータプレートをイン
ク・ジェット・プリンタのチャンネル・プレートに取り
付ける方法を提供することである。
本発明の更に他の目的は、高密度の「ルーフシュータ」
ページ幅プリントヘッドを製造する方法を提供すること
である。
本発明は、「ルーフシュータコサーマル・インク・ジェ
ット・プリントヘッドのヒータ・プレートに接着される
第2基板を利用する。この第2基板はヒータ・プレート
に構造的に一体化され、これによってヒータ・プレート
は、2つの別個の片を形成することなく、供給溝を介し
てダイシングされることが可能になる。第2基板は多数
の別個の供給孔を有し、これによってインクが供給源か
らヒータ・プレートの充填溝に供給されることが可能に
なる。
(実施例) 本発明を以下の図面を参照して詳細に説明するが、ここ
で同じ参照番号は同じ要素を示す。
第4A図は「ルーフシュータコブリントヘッド用の1つ
の種類のヒータ・プレート28を示す。
このヒータ・プレート28はDrake他に対する米国
特許第4.789.425号に開示されるプロセスによ
って作ることができ、この開示はここに参照として含ま
れている。しかし、ヒータ・プレート28上のヒータ素
子33.34の設計は若干変更されているが、その理由
は、アドレス電極33は、ここで論するダイシングの動
作と干渉しないようにサブユニットの側面に位置しなけ
ればならないからである。ヒータ・プレート28を形成
する好適な基板は、(100)シリコン・ウェーハであ
るが、これ以外の同様の基板を使用することも可能であ
る。ヒータ・プレート28は供給溝20を有し、これを
通ってインクがヒータ・プレート28の下部表面からこ
のヒータ・プレート28の上部表面に供給される。ヒー
タ・プレート28が(100)シリコン・ウェーハであ
れば、供給溝20を形成する好適なプロセスは異方性エ
ツチングであるが、ダイシングのような他のプロセスを
使用することも可能である。異方性エツチングまたはダ
イシングによって、供給溝20を非常に正確に位置決め
し、かつこれの寸法を決めることができる。ヒータ・プ
レート28の上部表面は、またヒータ素子のアレイを有
し、これらのヒータ素子は抵抗性ヒータ素子34を有し
、この抵抗性ヒータ素子34はアドレス電極33に加え
られる電気的インパルスを加えることによって加熱され
る。
ヒータ素子のアレイは第1方向に位置合わせされ、供給
溝20はこれと直角な第2方向に位置合わせされる。第
2方向の供給溝20の長さは、第2方向のヒータ素子の
アレイの長さよりも大きい。ヒータ・プレートのサブユ
ニットのアレイから作られたページ幅プリントヘッドを
製造するには、高密度で均一な構成のノズルを得るため
に各ヒータ・プレートのサブユニットは線a−aおよび
aa′を通って第1方向にダイシングされなければなら
ない。このダイシングはノコギリによる切断またはその
他の適当な方法によって行われることができる。
ダイシングの後でヒータ・プレートが分割されていない
片28a、28bに分かれるのを防止するため、本発明
は第6図に示す第2プレー)50を利用するが、このプ
レートはダイシングの前にヒータプレートのベース表面
に取り付けられる。
第2プレート50は、一連の供給孔溝51を有し、これ
によってインクが供給源からヒータ・プレートの供給溝
20に供給されることが可能になる。
第2基板の好適な材料は(100)シリコン・ウェーハ
であるが、他の同様の材料を使用することもまた可能で
ある。(100)シリコン・ウェーハを使用する場合、
供給孔溝5工は異方性エツチングによって形成されるこ
とが望ましい。
第7図に示すように、ダイシングの前に第2プレート5
0がヒータ・プレート28のベース表面に取り付けられ
ると、ダイシングの後で一体化されたウェーハ・サブユ
ニット、すなわち組み合わされた基板が供給溝20を介
して得られる。すなわち、第2プレート50は、ヒータ
・プレート28の供給溝20と連通ずる第2プレートの
供給孔溝51と共にヒータ・プレート28に取り付けら
れる。ヒータ・プレート28と第2プレート50の組み
合わされた基板53は、次に線a−a、a′−a′に沿
って供給溝20を介してダイシングされる(第4A図)
。第2プレート50は、−体止された支持構造を設ける
ことによってヒータ・プレート28の2つの片28A、
28B (第4B図)とのアライメントを保つ。
第8図に示すように、流体処理機構(例えば、キャビテ
ィ・ウオール22、チャンネル・ウオール17、ルーフ
24、ノズル12等)を次にヒータ・プレート28の上
部表面に形成して「ルーフシュータ」サーマル・インク
・ジェット・プリントヘッド・サブユニット55を形成
することができる。これらのサブユニット55のアレイ
を次にこれらの相互に付き合わされた側部と共にページ
幅バー60に取り付け、ページ幅プリントヘッドを形成
することができる。ページ幅バー60は、矢印70で示
すインク流路に沿ってインク供給源から第2プレート5
0内の供給孔溝51にインクを供給するための孔即ち溝
61を有している。
1つのプリントヘッド・サブユニットをプリントヘッド
として使用することができるかまたはプリントヘッド・
サブユニットの拡張アレイを相互に付き合わせてより長
いプリントヘッドを形成することができることが理解で
きる。サブユニットの拡張アレイは、前に論じたより長
いサブユニットと関連する歩留りの問題のために、1つ
の長いサブユニットを覆うことが好ましい。最終的なプ
リントヘッドが1つのサブユニットであろうとまたはサ
ブユニットのアレイであろうと、供給溝20の開口端部
はインクのオーバフローを防止するために塞さがれてい
なければならない。シアノアクリル酸エステル接着剤ま
たはRTVシリコンを使用して供給溝20の開口端部を
シールすることができる。
流体処理機構は、Drke他に対する米国特許第4.7
89,425号で開示されている方法のいずれか1つに
よって作ることができる。この流体処理機構はダイシン
グの前またはダイシングの後でヒータプレート28上に
形成することができるが、材料を節約できるのでダイシ
ングの後でこの機構を形成することが好ましい。また、
この流体処理機構はヒータ・プレート28がページ幅バ
ー60に接着された後でこのヒータプレート28のアレ
イ上に形成することができる。
第9A図ないし第9D図は、本発明の第2実施例にした
がって作られたルーフシュータ・プリントヘッドの断面
図を示す。第9A図は、上部表面に形成されたヒータ素
子34、アドレス電極33および共通リターン35を有
するヒータ28を示す。ヒータ・プレート28の上部表
面に回路を形成した後、ダイス・カット80(第9B図
参照)がヒータ・プレート28の下部表面に作られる。
ダイス・カット80は、ヒータ・プレート28の厚さ方
向に向かって部分的にのみ延びると共にこのヒータ・プ
レート28の幅全体に渡って延びて端部が開口している
トラフを形成する。次に、第9C図に示すように、流体
処理機構17.22がヒータ・プレート28の上部表面
に形成され、供給孔51を有する第2プレート50がヒ
ータ・プレート28の下部表面に接着され、その結果、
これらの供給孔51はトラフ80と位置合わせされる。
第9D図に示すように、第2ダイス・カット82がヒー
タ・プレート28の上部表面に形成される。このダイス
・カット82はダイス・カット80と十分交差するよう
にヒータ・プレート28の厚さ方向に向かって延び、ダ
イス・カット80と共にヒータ・プレート28の厚さ方
向と幅方向の全体に渡って供給溝を形成する。ノズル1
2をその中に有するルーフ24が、次に流体処理機構1
7.22の上に形成されてプリントヘッドを完成する。
端部が開口している供給溝80.82を有する多数のプ
リントヘッド・サブユニットを相互に付き合わせてプリ
ントヘッドのページ幅アレイを形成することができるか
または単体のプリントヘッド・サブユニットのみを使用
することができる。いずれの場合でも、完成したプリン
トヘッドの供給溝80.82の開口端部は、シアノアク
リル酸エステル接着剤またはRTVシリコンを使用して
シールされる。ヒータ・プレート28を介して供給溝8
0.82を形成するためにダイス・カットを使用する利
点は、これによってヒータ・プレートの回路に悪影響を
及ぼす可能性のあるエツチング剤の使用を避けることが
できることである。
前の説明では、突き合わせ可能なサーマル・インク・ジ
ェット・サブユニット・プリントヘッドを製造する際の
困難の1つを解決する方法を説明したが、第10図は別
の困難を示す。第10図は、変換器のアレイの許容でき
る直線密度が、直接アドレスされる(受動的)アレイ用
の相互接続ボンディング・バンド・アレイの密度よりは
るかに高いというミスマツチを示す。すなわち、アドレ
ス電極33用のボンディング・パッド33Bを横切る必
要なボンディング・パッドの直線距離Xは供給溝20と
加熱素子34のアレイを横切る必要な変換器の距#lY
よりも遥かに長い。市販の相互接続装置は相互接続ボン
ディング・バンド33Bの間隔を直線1インチ当たり約
100素子の最大密度に制限しているが、ノズル及びヒ
ータの変換器の密度は直線1インチ当たり約600素子
にすることができる。このミスマツチは、第10図に示
すようにボンディング・パッドに対するリードを扇型に
形成することによって保証することができる。
しかし、この解決策は変換器のアレイが連続的に突き合
わせ可能となることを妨げるが、その理由は、ボンディ
ング・バンドが端部変換器を超えて横方向のチップの大
きさに延びるからである。
この問題の解決策は、変換器のチップに切り替え回路を
内蔵して必要なアドレス・パッドの数を少なくすること
である。適当な回路、マトリックス・アドレスの1つの
タイプが1989年4月7日に出願された米国特許出願
第07 /336.624号または米国特許第4.65
1,164号で説明され、これらの開示はここに参照と
して含まれている。第11図は、それぞれがゲートGと
ソースSの付いた駆動トランジスタTl、T2・・・T
16を有する16個のヒータH1,H2・・・HI3の
マトリックス・アドレス・アレイの動作を示す。このマ
トリックスの一方の側は駆動トランジスタのゲートのア
ドレスグループによって形成され、方このマトリックス
の他方の側は駆動トランジスタのソースのアドレスグル
ープによって形成される。例えば、パッドP2は駆動ト
ランジスタのゲートG1、G2.G3.G4を切り替え
、パッドPLは駆動トランジスタのソースSt、35゜
S9.S13を切り替える。1つのグループのゲートと
1つのグループのソースを動作させることによって独特
の方法でIつのヒータの変換器を選択することができる
ことが第11図から分かる。
この特定の場合、16個のヒータの変換器は僅か8個の
アドレス・パッドを使用してアドレスされる。−船釣に
、必要なアドレス・パッドの数はアレイ内の変換器の数
の平方根の2倍であり、その結果、マトリックス・アド
レスの設計の効率はアレイが大きくなるほど良くなる。
変換器素子に対するアドレス・ボンディング・パッドの
数の比率を引き下げるための切り替え可能なアドレス回
路には他の形態も存在し、これらも本発明の範囲に包含
することを意図していることに留意しなればならない。
2つの特定の例を開示したが、本発明は選好したダイシ
ング線によってサブユニットの好ましくない分離の発生
するプリントヘッドの全ての製造方法に適応することが
できる。したがって、ここに示した本発明の好適な実施
例は、図示を意図するものであって、限定を意図するも
のではない。
上記の特許請求の範囲で規定する本発明の精神と範囲か
ら逸脱することなく種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、ルーフシュータ・プリントヘッドの拡大斜視
図である。 第2図は、第1図の線■−■に沿って切断したプリント
ヘッドの拡大断面図である。 第3図は、第1図の線m−mに沿って切断したプリント
ヘッドの概略平面図である。 第4A図は、第3図のヒータ・プレートの平面図である
。 第4B図は、第4A図の線a−aSa’−a’に沿って
ダイシングした場合の第4A図のヒータプレートの断面
図である。 第5図は、変更したヒータ・プレートの平面図である。 第6図は、第2プレートの平面図である。 第7図は、第4A図のヒータ・プレートに取り付けた第
6図の第2プレートの組み合わせ構造の平面図である。 第8図は、第2図と同様の断面図であるが、第2プレー
トとヒータ・プレートとの組み合わせ構造を示し、この
組み合わせ構造はページ幅バーに取り付けられている。 第9A図ないし第9D図は、本発明の第2実施例にした
がって製造されたプリントヘッドの断面図である。 第10図は、必要なボンディング・バンドの直線距離対
必要な変換器の距離を示すヒータ・プレートの概略図で
ある。 第11図は、ボンディング・パッドの数と必要なボンデ
ィング・バンドの直線距離を引き下げるための切り替え
回路を示す概略回路図である。 12・・・・・・ノズル 17.22・・・・・・流体処理機構 20・・・・・・供給溝 22・・・・・・キャビティ・ウオール24・・・・・
・ルーフ 28・・・・・・ヒータ・プレート 33・・・・・・アドレス電極 34・・・・・・加熱素子 50・・・・・・第2プレート 51・・・・・・供給孔溝 53・・・・・・基板 55・・・・・・サーマル・インク・ジェット・プリン
トヘッド・サブユニット 60・・・・・・ページ幅バー 61・・・・・・溝 FIG。 −1 FIG、 4B 8B FIG、5 FIG、8 FIG、9A FIG、 9B

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、サーマル・インク・ジェット印刷装置に使用するプ
    リントヘッド・サブユニットの突き合わされたアレイ用
    のプリントヘッド・サブユニットの製造方法において、 a)加熱素子のアレイと、一連の間隔をあけて設けた供
    給孔の開口部を有する第2基板に対するインク供給溝と
    を含む構造を有し、この構造により組み合わされた基板
    を形成するヒータ基板を接着するステップであって、上
    記の一連の間隔をあけて設けた供給孔の開口部が上記の
    インク供給溝と連通するステップと、b)上記のインク
    供給溝を介して上記の組み合わされた基板をダイシング
    し、上記のサブユニットを形成するステップと、 を有することを特徴とする方法。
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