(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に開口部を有するマスクを固定し、該マスクの開口部を通して基板上にペーストを転写するためのスキージを外殻に備えた印刷ヘッドにおいて、移動方向前後に対向するように配置した一対のスキージと、前記一対のスキージの両端側に配置したシール部と、前記スキージ及びシール部及びマスクとで囲まれる空間を密閉する密閉部と、前記外殻の内側に設けられ回転板と、前記密閉部を移動方向に対して前後方向に回転させるピッチ機構と、前記密閉部を移動方向に対して直角方向に回転させるロール機構とを設けた駆動部とを備え、前記ピッチ機構が、前記外殻と回転板との間に略対向するように設けられ、回転板を回転させる回転力を付加するピストンと、外殻と回転板の長手方向端部側に設けられ、移動方向に対して前方側ステージのピッチング方向の変位量を制限するための複数のストッパとを含むたことを特徴とする印刷ヘッド。
【請求項２】
請求項１記載の印刷ヘッドにおいて、前記密閉部と駆動部とをねじにより締結する構成としたことを特徴とする印刷ヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の印刷ヘッドおいて、前記密閉部内に溶剤を供給する機構を設けたことを特徴とする印刷ヘッド。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の印刷ヘッドにおいて、密閉部内の空間を温度調節するための温度調節機構を設けたことを特徴とする印刷ヘッド。
【請求項５】
基板上に開口部を有するマスクを固定し、該マスクの開口部を通して基板上にペーストを転写するためのスキージを外殻に備えた印刷ヘッドを用いる印刷方法であって、移動方向の前後に設けた一対のスキージと、前記スキージ両端側に設けたシール部とマスクによって形成される密閉空間にペーストを供給し、前記外殻と回転板との間に略対向するように設けられ、回転板を回転させる回転力を付加するピストンと、外殻と回転板の長手方向端部側に設けられ、移動方向に対して前方側ステージのピッチング方向の変位量を制限するための複数のストッパとを含むピッチ機構が、移動方向前部のスキージよりも後部のスキージのマスクへの押圧力が高くなるように、前記密閉空間を移動方向に回転させると共に、前後のスキージの長手方向が略平行になるように回転力を与えながら印刷作業を行うことを特徴とする印刷方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリント回路基板などの基板上にマスクの開口部を通してペーストを転写塗布する印刷ヘッドと該印刷ヘッドを用いた印刷方法に関する。
【従来の技術】
従来、基板上に半導体装置や抵抗やコンデンサなどの電子部品を搭載した電子回路基板上に、閉じた空間内に配したスキージ等によりマスクの開口部を通して、はんだペーストを転写塗布する印刷ヘッドを持つ印刷機が知られている。
【０００２】
この種の印刷ヘッドを備えた印刷機は、例えば特開平５−２８６１１５号公報に記載された如く、スキージ本体と容器との間に圧接調節機構を設け、他方のスキージ側に押圧力を付勢し、一方のスキージ側に作用する接触圧を吸収して圧接力のバランスを保つことにより、マスクに均等な荷重をかけてスキージ本体とマスクとの間の隙間の発生を防止し、更に前部および後部のヘッドバランサをスキージ本体の移動方向に応じて各シャフトの付勢力を可変とし、更に前方に移動させるとき前部のスキージを後部のスキージよりも強い押圧力とし、この逆方向に移動させるときは後部のスキージの押圧力が強くなるように調節可能としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前述の公報記載技術では、移動方向に対して前後のスキージ下端の平行性による印刷精度への影響については言及されていない。即ち、従来の印刷機では、移動方向に対して前後のスキージ下端のマスクと接触する縁は、全くの平行ではなく、スキージホルダの製作精度やスキージ研磨の程度や取り付け精度によりある程度の傾きを持っており、この状態でスクリーンマスクに均等な荷重がかかるようにスキージを接触させた場合、前後のスキージ下端の辺が為す傾き（誤差）によりスキージ下端の押圧力は長手方向に不均一となり、更に基板が移動方向を中心軸として左右にねじれている場合、不均一はさらに増大する。このスキージ下端押圧力の長手方向の不均一は、そのまま印刷形状、特に高さの不均一となって現れ、印刷不良の一因となると言う不具合があった。
更に従来技術は、移動速度を上昇させると前部スキージとマスクの摩擦とバランス動作により、前後スキージ間でピッチング振動が発生し、印刷性が低下すると言う不具合もあった。
【０００４】
本発明の目的は、前述の従来技術による不具合を除去することであり、印刷中を含めてペーストを常に密閉状態に保つことによりペーストの寿命を延ばすと共に、スキージ下端押圧力を長手方向に均一にすることにより、安定した印刷が行える印刷ヘッド及び該印刷ヘッドを用いた印刷方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の印刷ヘッドは、一対のスキージを移動方向前後に対向するように配置し、前記一対のスキージの両端側にシール部を設け、前記スキージ及びシール部により内部を密閉する密閉部と、前記密閉部を移動方向に対して前後方向に回転させるピッチ機構及び直角方向に回転させるロール機構とを設けた駆動部とを備え、前記ピッチ機構が、前記外殻と回転板との間に略対向するように設けられ、回転板を回転させる回転力を付加するピストンと、外殻と回転板の長手方向端部側に設けられ、移動方向に対して前方側ステージのピッチング方向の変位量を制限するための複数のストッパとを含むことを第１の特徴とし、前記印刷ヘッドにおいて、密閉部と駆動部とをねじにより締結する構成としたことを第２の特徴とし、前記特徴の各印刷ヘッドにおいて、前記密閉部内に溶剤を供給する機構を設けたことを第３の特徴とし、前記いずれかの印刷ヘッドにおいて、密閉部内の空間を温度調節するための温度調節機構を設けたことを第４の特徴とする。
【０００６】
更に本発明発による印刷方法は、移動方向の前後に設けた一対のスキージと、前記スキージ両端側に設けたシール部とマスクによって形成される密閉空間にペーストを供給し、移動方向前部のスキージよりも後部のスキージのマスクへの押圧力が高くなるように、前記密閉空間を移動方向に回転させると共に、前後のスキージの長手方向が略平行になるように回転力を与えながら印刷作業を行うことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態による印刷ヘッド及び該印刷ヘッドを用いた印刷方法を図を用いて説明する。
図１は本実施形態による印刷ヘッドの概略構造を示す斜視図、図２は該印刷ヘッドの横断面、図３〜図５は本印刷ヘッドの動作を説明するための図、図は本印刷ヘッドの縦断面である。
【０００８】
まず、本実施形態による印刷ヘッドの構成を図１、図２、図６を参照して説明する。本印刷ヘッドは、大別して基板上搭載されて内部空間を基板との間で密閉する密閉部１と、該密閉部１の上部に配置され、この密閉部１を上下移動する機能と移動方向に対して前後方向に回転させる機能と直角方向に回転させる機能を備えた駆動部２とから構成され、該駆動部２は、基板４に設けられた導体パターン５に対応する位置に開口部６が設けたマスク３への押圧力を制御する押圧力付加機構（図示せず）に接続されている。
【０００９】
＜密閉部１の説明＞
前記密閉部１は、図２に示す如く、ジャケット１４の内側に上部が閉じた形状の内殻１１が固定され、該内殻１１の内側にスキージホルダ９及び１０が八の字型に開く様に傾斜して固定され、該スキージホルダ９及び１０各々に湾曲する弾性力を持つスキージ７又は８の一端側が取付けられている。前記スキージ７及び８並びにキージホルダ９及び１０は、スキージの移動方向に対して直角方向（ここでは長手方向と称する）の寸法が同一であり、スキージ７及び８の他端側は面一になっている。
【００１０】
この密閉部１のジャケット１４の長手方向の一端部側に流体導入孔４７と他端部側に流体排出孔４８（図１）が設けられている。このジャケット１４と内殻との間に流体通過溝４６が設けてあり、この流体通過溝４６は流体導入孔４７と流体排出孔４８に通じている。
【００１１】
更に前記内殻１１の長手方向の両端部内側には、内殻１１の両端を塞ぐようにサイドシール１２及び１３（図１も参照）が固定されている。このサイドシール１２及び１３並びにスキージ７及び８並びにマスク３との５面で囲まれた空間が密閉空間となるように、サイドシール１２及び１３端部（マスクとの接触部）もスキージ７及び８の他端部と面一になるように形成されている。
【００１２】
この様に本実施形態による密閉部１は、内殻１１に取り付けられたスキージホルダ９及び１０と、該スキージホルダ９及び１０の下端に取り付けられたスキージ７及び８と、内殻１１の両端を閉じるサイドシール１２及び１３と、マスク３とによって密閉空間を形成している。
＜駆動部２の説明＞
次に駆動部２は、主に図２に示す如く、前記内殻１１の上方に位置する外殻１８と、該外殻１８の上側に設けられ、長手方向の傾き（ローリング）を補正するためのロール機構を備えたロールバランス部１５と、外殻１８の内側に設けられ回転板１９と、回転板１９にスキージの移動方向（ここでは幅方向と称する）に回転力を作用させピッチ方向の補正をするためのピッチ機構部であるシリンダ部１６及び１７とから構成されている。
【００１３】
前記外殻１８には、図１に示す如く、回転板１９のピッチ方向の変位量を制限するストッパ３４、３５、３６が設けられている。尚、本装置の図１ではストッパが３つしか見えないが、ストッパ３５に対向する部分にもストッパが設けられている。これら構成によって本実施形態による駆動部２は、スキージの進行方向に対して前後方向に回転可能なピッチ機構と、直角方向に回転可能なロール機構を設けて密閉部１を補正できるように構成してある。
【００１４】
前記回転板１９の長手方向の両端部には、前述の密閉部１とねじにより締結するための差込穴が設けられ、密閉部１を構成するジャケット１４の差込穴の位置に対応する個所には、ねじ穴３３が設けられ、回転板１９は、長手方向の中央部に、幅方向に回転可能なようにピッチ軸２４にて外殻１８に支持されている。
【００１５】
前記ロールバランス部１５は、上板２０と外殻１８とをロール軸２１を中心として回転するように結合されている。上板２０は図示してはいないが、印刷装置側（押圧力付加機構）に水平度が保たれて固定されている。上板２０の長手方向両端付近には、プランジャ２２、２３が配されている（図６参照）。このプランジャ２２、２３は、上板２０と外殻１８のロール軸２１中心での回転角度に制限を加えるものである。更に、このプランジャ２２、２３は、内蔵されたばねにより回転をはじめる力（モーメント）にも制限を加え、印刷ヘッドがマスク３と接触していない場合に、中立状態になるように構成してある。
【００１６】
前記回転板１９には、はんだペーストを収納したシリンジ３９が長手方向に２つ取付けられ、このシリンジ３９と接触しないように外殻１８や上板２０等にはシリンジ３９の径よりも大きな穴が設けられている。また、シリンジ３９には、上面に孔４２を設けたシリンジキャップ４０で蓋がされている。また、シリンジ３９の下側開口部は回転板１９、ジャケット１４と内殻１１に設けた穴により密閉部１の密閉空間４１へ通じている。
＜動作説明＞
次に、図３と図４を用いて印刷ヘッドの動作について説明する。図３は印刷動作時の印刷ヘッドの横断面図、図４はロールバランス部１５による基板４やマスク３の傾きに対する動作を示す模式図である。
【００１７】
まず、印刷機に搬入した基板４をマスク３と所望の位置関係となるように移動し、基板４上面とマスク３下面を接触させ固定する。次に、印刷機に付属している駆動部により、印刷ヘッドを印刷開始位置に移動させる。印刷作業開始時に、シリンジキャップ４０上面の孔４２に圧縮空気を導入すると、はんだペースト３８が密閉空間４１に供給される。このとき、所定の量のはんだペースト３８が供給されるように孔４２に圧縮空気の導入量を制御している。
【００１８】
回転板１９にはペーストセンサ４３（図６参照）が設けられ、このペーストセンサ４３により密閉空間４１内のはんだペースト３８の量を測定し、印刷作業中にペーストセンサ４３の計測結果が任意の許容量以下になった場合、適宜はんだペーストの供給を実行する。尚、ペーストセンサ４３を使わない他の方法としては、印刷開始からの時間と印刷枚数から、はんだペーストの供給タイミングと量を予め設定しておく方法もある。
【００１９】
次に、駆動部２に接続された印刷機本体の押圧力付加機構により、印刷ヘッドを下に移動してマスク３に接触させ、さらに押圧力を付加する。このときスキージ７、８の移動方向に対して前後に傾きを与えるためのシリンダ部１６、１７を動作させるための、空気導入孔３０と３１は大気開放状態としてある。
【００２０】
シリンダ部１６は、ケース２５と、押え板２７とピストン２８とピストン蓋２９及び弾性力を与えるダイアフラム２６とから成る。そして、ケース２５と押さえ板２７で円形のダイアフラム２６の外周部を挟み、ダイアフラム２６の中心付近はピストン２８とピストン蓋２９で挟んだ構造となっている（図３参照）。ケース２５は、外殻１８の内面に固定されている。ピストン２８が回転板１９に密着して力を作用させることで、スキージ７、８を前、又は後ろ方向に傾きを持たせるように構成してある。
【００２１】
また、外殻１８、ケース２５とダイアフラム２６で構成される空間には、外殻１８に配した空気導入孔３０及び３１を除いて密閉されている。押圧力付加機構により所定の押圧力でマスク３に押付けた後で、空気導入孔３０から外殻１８、ケース２５とダイアフラム２６で囲まれた空間内にコンプレッサ等から圧縮空気を導入し、このとき対向するシリンダ部１７の空気導入孔３１は大気開放状態を保持している。
【００２２】
次にダイアフラム２６がピストン２８を押し出して回転板１９に反時計方向の回転力を付加すると共に、外殻１８に配した前方側のストッパ３４、３５に回転板１９が接触するまで、ピッチ軸２４を中心に反時計方向に回転する。このとき、ピストン２８は直線状に移動するのではなく、円弧軌道で移動する。また、ダイヤフラム２６を使用する構造としたことにより、通常のシリンダで発生する軸やシール部材のかじり等の不具合を防止している。
【００２３】
前述の回転板１９の回転により、スキージ７の下端がスキージ８の下端よりも下方に移動しようとするため、スキージ７は図３のようにマスク３への押圧力が集中し湾曲する。この湾曲によりスキージ８の下端はマスク３に軽く接触した状態を保持する。このサイドシール１２及び１３の全てまたは一部がゴムや発泡ポリエチレン等の弾性体で形成されている。このため、サイドシール自身の変形によりマスク３に隙間なく密着した状態を保持する。このため、前後のスキージ７、８と共に、密閉空間４１の密閉度が確保される。
【００２４】
次いで図３において、印刷ヘッドを矢印方向（右）に移動させると、はんだペースト３８が回転しながら移動し、マスク３の開口部６に充填される。後部のスキージ７が全ての開口部６上を通過した後、印刷ヘッドをマスク３に密着させた状態で基板４とマスク３を剥離させることにより、基板４の導体パターン５上にはんだペースト３８が転写される。逆の方向への印刷も以上の手順に準じて行われる。
【００２５】
次に印刷動作中のロールバランス部１５の働きを、図３及び図４により説明する。図３の印刷動作中において、スキージ７からの押圧力に対する反力は、スキージ８からの反力が無視できるほど大きい。このとき図４のように、基板４が移動方向に対して直角方向（図の左右方向）に傾いた場合を考える。この状態では、スキージ７からの押圧力に対する反力により、ロール軸２１を中心に外殻１８に接続されたロールバランス部１５を除く駆動部２と密閉部１が長手方向に回転する。そのため、スキージ７下端での押圧力は長手方向に均一となる。同様に移動方向に対して前後のスキージの下端が取付け誤差等で平行でない場合でも、後部スキージの下端の押圧力は長手方向に均一となる。このときプランジャ２２に内蔵しているばねが圧縮されるが、その反力は、押圧力の反力に比較すると無視できるほど小さい。
【００２６】
従って印刷ヘッド移動終了後も印刷ヘッドを上昇させず、密閉部１の密閉空間４１を確保するために内部のはんだペースト３８の劣化が少なくすることができ、更にき空気導入孔３０と３１とを大気開放状態にすることによりマスク３のダメージを少なくすることができる。
【００２７】
本実施形態においては、ジャケット１４と内殻１１との間に流体通過溝４６を設け、この流体通過溝４６に流体導入孔４７から所定の設定温度に調節された空気を流し、流体排出孔４８から排出させることにより、密閉空間４１内のはんだペースト３８の温度を調節することもできる。前記密閉空間４１に温度センサを設け、通過させる流体の温度を調節することも考えられるが、本実施形態の如く一定に調整した空気を流す方が印刷ヘッドへの質量や配線の負担が少なくなるため好適である。更に前述の循環させる流体は気体に限らないが、流出時の影響を考慮する必要がある。密閉空間４１内を温度調整された窒素ガス等を通過させても、はんだペースト３８の温度を調節できる。しかし、その場合は、はんだペースト３８に含まれる揮発成分の蒸発を促進させるため注意が必要である。流体排出孔４８から排出される流体は、そのまま排出させるよりも再度温度調節機を通して循環させるか、マスク３を乾燥させない位置で排出させるほうが望ましい。
【００２８】
このような構成では、ジャケット１４は断熱性が必要な上に、機械的な強度や耐薬品性が必要である。そのような材質の例としては、高強度のエンジニアリングプラスチックがある。内殻１１とスキージホルダ９、１０の材質は、熱伝導性が高く、機械的な強度や耐薬品性に優れたアルミやアルマイト処理を施したアルミ等を用いると良い。内殻１１の放熱性を高めるため放熱フィンを設けると更に良い。
【００２９】
その他の方法としては、内殻１１をペルチェ素子等で温度調節する方法や、内殻１１内側にペルチェ素子等を配し、密閉空間４１内を直接ペルチェ素子等で温度調節しても良い。
【００３０】
また、密閉部１を包含する密閉空間を別に設け、その空間を温度調節してもよい。密閉空間はマスク３またはマスク３の支持部材と接触させるか、わずかに隙間を持たせた構造とすると体積を小さくできる。この場合、別に設けた密閉空間は、印刷ヘッドと共に移動する構造としても良く、移動を妨げない構造であれば印刷ヘッドと共に移動しない構造としても良い。
【００３１】
図５にマスク部にペーストが残留した状態で、印刷ヘッドを上下した時の状態を示す。図５（ａ）にはペーストがスキージ７側に残留している状態を、図５（ｂ）には（ａ）の状態で印刷ヘッドを持ち上げた時の状態を、図５（ｃ）にはペーストがスキージから離れた状態を、図５（ｄ）には印刷ヘッドを移動してペーストをはみ出さないように印刷ヘッドを降ろした状態を示す。
【００３２】
まず、図５（ａ）の如く、メンテナンス等の何らかの理由で、印刷動作後に印刷ヘッドを上昇させる。すると、図５（ｂ）に示すように、密閉空間４１内部のスキージ７に付着したはんだペースト３８とマスク３に付着したはんだペーストとは引き合って伸展する。その後、図５（ｃ）に示すように、伸展したはんだペーストの一部がスキージ７の下端の左側へ倒れる。この状態で、印刷ヘッドをそのまま下降するとペーストの一部は、密閉空間４１外にはみ出した状態となる。そして、そのまま放置すると、はみ出たペーストは乾燥劣化する。
【００３３】
本実施形態においては前記現象を防止するために、図５（ｃ）の印刷ヘッドを下降させる前に印刷方向と逆方向（矢印Ｐ方向）に移動させた後、下降させる。逆方向に移動させる距離は、スキージ７の下端とスキージ８の下端の距離の半分程度が適切である。この移動動作は、下降完了までに行えば良く、上昇させるときに行っても良い。
【００３４】
なお、印刷作業開始時のはんだペースト３８の供給は以下の方法でも可能である。それは、印刷ヘッドをマスク３に接触させる前に、マスク３上にはんだペースト３８をヘラ等で供給する方法である。この場合、スキージ７、８がマスク３に接触した時に、密閉部１の密閉空間４１内にはんだペースト３８が収まる様にする必要がある。この方を用いた場合は、シリンジ３９等が不要なり構成は簡略化できる。
【００３５】
さらに、密着部１を進行方向の前後方向に回転支持する方法として、回転動作を行うことができる他の構成のアクチュエータを用いても良い。例えば、押し出しと引き込み動作ができる複動式のシリンダと軸や、シール部材のかじりを防止する機構の組み合わせで回転させても良い。また、モータ等の回転するアクチュエータを使用しても効果は同じである。
【００３６】
本実施形態の密閉部１と駆動部２は、回転板１９に配した穴とジャケット１４に配したネジ穴３３を用いて、取付けネジ３２で接続されているので、取外しが容易で密閉部の交換が可能である。取外しが容易に行えることは、スキージの交換等のメンテナンス時に有効であり、密閉部１の交換によって印刷する基板４の品種替えに対応したはんだペーストの品種替えも短時間で行うことができる。更に、寸法の違う密閉部１を数種準備することにより、基板４の大きさに応じて変更することが可能となる。これによって、密閉部１に供給するはんだペースト量を必要最低限に押えることができ、はんだペーストの消費量を低減できる。
【００３７】
図６に示すように、回転板１９には溶剤濃度センサ４４が設けてある。この濃度センサは、密閉空間内のはんだペーストに使用されている溶剤成分の濃度を監視するものである。濃度センサ４４が、溶剤成分の濃度が任意の設定値以下になったことを検出すると、溶剤供給孔４５からはんだペーストに使用されている溶剤成分を密閉空間４１に供給することにより、はんだペースト内の溶剤の蒸発を抑制したり、不足した溶剤成分を補充することができる。この溶剤成分は液状で供給すると、はんだペースト３８の成分が不均一になり、印刷結果にムラが発生しやすいため、霧状や高濃度の溶剤を含む空気を供給したほうが良好である。その他には、溶剤濃度センサを用いずに、印刷開始からの時間と印刷枚数から溶剤の供給タイミングと量を規定しても良い。また、シリンジ３９からソルダペーストを供給するときに、溶剤の含有量を高めたはんだペーストを供給するようにしても同様の効果がある。
【００３８】
なお、ロール方向の補正に、前後のスキージ各々にロールバランスためのロール機構部を設けてもよい。しかし、ロール機構を駆動部と組み合わせて動くように構成しないと、進行方向に対して前側のスキージが摩擦により振動し、ピッチングを発生させるため印刷結果が悪くなる。
【００３９】
この様に本実施形態による印刷ヘッド及び印刷方法によれば、スキージ等を設けた密閉部とは別に、駆動部側に、印刷ヘッド進行方向に対して前後方向に回転力を与える機構と、進行方向に対して直角方向に回転力を与える機構とを設けた構成とした。これにより、印刷時に印刷ヘッドの進行方向の後部側のスキージに大きな押付け力を作用させることが可能となると共に、前方側スキージもマスクとは離れることがなく密閉性を保持でき、良好な印刷を実現できる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の印刷ヘッド及び該印刷ヘッドを用いた印刷方法によれば、印刷作業中も含めペーストは常に密閉された空間内に置かれているため劣化を減少することができる。また、印刷性においてもスキージ下端の押圧力が長手方向に均一な状態で印刷を行うため、長期にわたって良好な印刷が安定して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態になる印刷ヘッドを示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態になる印刷ヘッドを示す横断面図である。
【図３】本発明の印刷動作時のピッチング補正動作を示す、印刷ヘッドの横断面図である。
【図４】本発明の印刷ヘッドのローリング補正動作を示す模式図である。
【図５】スキージにペーストが残留している状態で印刷ヘッドを上昇下降ときのペーストの状態を示す図。
【図６】本発明の印刷ヘッドの縦断面図である。
【符号の説明】
１…密閉部、２…駆動部、３…マスク、４…基板、７…スキージ、８…スキージ、１１…内殻、１２…サイドシール、１３…サイドシール、１５…ロールバランス部、１８…外殻、２６…ダイアフラム、３２…ネジ、３８…はんだペースト、４１…密閉空間、４２孔。
【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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