(57)【要約】【課題】  加熱回転体の熱が定着時にその加熱回転体に接する円筒体やその円筒体を加熱回転体に押し付ける押圧ロールに伝わることによる無駄な熱損失の発生を抑制できる定着装置とそれを用いた画像形成装置を提供する。【解決手段】  定着装置は、未定着のトナー像を担持する用紙を加熱するための外周面を有する加熱回転体と、この加熱回転体の外周面に接して用紙を通過させるための定着用ニップを形成する円筒体と、この円筒体の内径よりも小さい径のロールからなるとともにその円筒体をその内周面側から加熱回転体に押し付けるように回転する押圧ロールとを備え、その押圧ロールの円筒体の内周面に接する表面を、規則的に連続または点在して形成される凹部または凸部を有する凹凸面となるように構成した。この定着装置を画像形成装置に用いた。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
未定着のトナー像を担持する用紙を加熱するための外周面を有する加熱回転体と、
この加熱回転体の外周面に接して前記用紙を通過させるための定着用ニップを形成する円筒体と、
この円筒体の内径よりも小さい径のロールからなるとともにその円筒体をその内周面側から前記加熱回転体に押し付けるように回転する押圧ロールとを備え、
前記押圧ロールの前記円筒体の内周面に接する表面が規則的に形成される凹部または凸部を有する凹凸面として構成されていることを特徴とする定着装置。
【請求項２】
前記押圧ロールの凹凸面の凹部または凸部は、そのロール両端部の側からそれぞれロール中央部にむけて相反する巻き方向の螺旋状に連なる形態である請求項１に記載の定着装置。
【請求項３】
前記螺旋状に連なる凹部または凸部は、前記押圧ロールの中央部において線対称となるように合流して連結されている請求項２に記載の定着装置。
【請求項４】
未定着のトナー像を形成するとともにそのトナー像を用紙に定着して画像の形成を行う装置であって、そのトナー像を用紙に定着する定着装置として請求項１乃至３のいずれかに記載の定着装置を用いることを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トナーからなる画像を形成するプリンタ、複写機、複合機等に代表される画像形成装置において用紙に転写される未定着のトナー像を定着するために使用される定着装置及びこれを用いた画像形成装置に関するものである。そして特に、加熱ロール等のような加熱回転体の外周面に圧接して定着ニップを形成する加圧手段として、その加熱回転体に接する円筒体とその円筒体をその内周面側から加熱回転体に押し付けるように回転する押圧ロールとで構成されるものを適用するタイプの定着装置及び画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子写真式、静電記録式等の作像方式を利用した画像形成装置に使用される定着装置としては、主に、回転する加熱ロールとこの加熱ロールに圧接して定着ニップを形成するように回転する加圧ロールとを備え、その定着ニップに対して未定着のトナー像を担持する用紙を導入して通過させることにより、未定着のトナー像を加熱および加圧して用紙に定着させるものが知られている。
【０００３】
ところが、このような定着装置においては、一般にその加熱ロールと加圧ロールの双方をその各ロール両端部の側で加圧可能に支持する支持構造を採用しているため、各ロールがその両端部側において互いに近づくような方向に撓んだ状態となり、この結果、そのロール間に形成される定着ニップの形状がロール両端部側の部位で広くなる一方でその中央部側の部位で狭くなる。
【０００４】
そして、この不均一な形状の定着ニップのままで定着を行う場合には、かかる定着ニップで均一な加熱加圧を行うことが難しくなるため、用紙にしわが発生するとか、定着状態に微妙なムラがある等の定着不良が発生することがある。また、この定着ニップの形状が不均一になるという現象は、特に加熱ロールとして薄肉化、小径化等により熱容量を小さくしたタイプのロールを使用する場合には、その加熱ロールの剛性がその熱容量のおよそ二乗の割合で小さくなるため、前述した撓み具合が増してより顕著に発生するという傾向にある。
【０００５】
本出願人は、このような問題等を解消するため、たとえば次のような定着装置を提案している（特許文献１）。
【０００６】
その定着装置とは、肉薄の金属製ロールを用いた加熱ロールと加圧ロールを圧接させたときにその各ロールの撓み方が同一方向になってほぼ均一のニップ形状を得ることができるようにするため、その加圧ロールを中空の円筒体と、その円筒体の内部に挿通されて円筒体を加熱ロールの外周面に押圧する押圧ロールとで構成したものである。また、この定着装置では、その押圧ロールとして、たとえば均一の外径からなる金属製のロールコアにその端部と中央部とで厚さを変えたシリコーンゴム等からなるゴム層を被覆して、径が両端部から中央部にむけて増大する紡錘形のロールを使用している。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−３８８１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、この提案の定着装置にあっては以下のような問題がある。
【０００９】
それは、押圧ロールとして前記ゴム層を形成したものを使用する場合、その定着時における加熱ロールの熱が定着ニップで未定着トナーを加熱溶融させるために消費されるだけにとどまらず、加熱ロールに接する円筒体とその円筒体を介して押圧ロールにも伝わることによって消失されるため、熱エネルギーの無駄な損失分が発生してしまい加熱効率がわるい。
【００１０】
本発明は、以上のような定着装置における問題に鑑みてなされたものであり、主に、加熱ロール等のような加熱回転体の熱が定着時においてその加熱回転体に接する円筒体やその円筒体を加熱回転体に押し付ける押圧ロールに伝わることによる無駄な熱損失の発生を抑制することができる定着装置と、このような定着装置を用いて熱損失が少なく良好な定着がなされた良質な画像を得ることができる画像形成装置とを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の定着装置は、未定着のトナー像を担持する用紙を加熱するための外周面を有する加熱回転体と、この加熱回転体の外周面に接して前記用紙を通過させるための定着用ニップを形成する円筒体と、この円筒体の内径よりも小さい径のロールからなるとともにその円筒体をその内周面側から前記加熱回転体に押し付けるように回転する押圧ロールとを備え、前記押圧ロールの前記円筒体の内周面に接する表面が規則的に形成される凹部または凸部を有する凹凸面として構成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
上記凹凸面における凹部または凸部は、押圧ロールの円筒体内周面に対する接触が一定の規則性をもって行われ、その円筒体内周面と接触する面積が減少するように形成されることが好ましく、たとえば、規則的に連続して形成したり、規則的に点在するように形成することができる。
【００１３】
また、上記押圧ロールの凹凸面の凹部または凸部は、たとえば、そのロール両端部の側からそれぞれロール中央部にむけて相反する巻き方向の螺旋状に連なる（または断続的に連なる）形態にするとよい。また、この螺旋状に連なる（または断続的に連なる）形態の凹部または凸部については、その押圧ロールの中央部において線対称となるように合流して連結させるとよい。
【００１４】
さらに、本発明の画像形成装置は、未定着のトナー像を形成するとともにそのトナー像を用紙に定着して画像の形成を行う装置であって、そのトナー像を用紙に定着する定着装置として上記した各構成からなる定着装置のいずれかを用いることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の定着装置によれば、押圧ロールの円筒体の内周面に接する表面が規則的に形成された凹部または凸部を有する凹凸面であるため、押圧ロールの円筒体内周面と接触する面積が凹部の存在する分だけ減少し、その分、加熱回転体の熱が円筒体を介して押圧ロールに伝わる量が減ることになる。これにより、加熱回転体の熱が押圧ロールまで伝わって熱損失となることが抑制される。
【００１６】
また、押圧ロールの凹凸面の凹部または凸部を螺旋状に連なる形態にした場合には、その押圧ロールが少なくとも１回転する間でも、その凹凸面の凸部が押圧ロールの径よりも大きい内径の円筒体の内周面における異なる部位にずれながら接するようになる。これにより、円筒体の熱が押圧ロールの凸部を介して伝わることがあっても、その凸部が円筒体の内周面の異なる部位に接することになるため、円筒体において押圧ロール側に熱が伝わる部位とほとんど伝わらない部位とに分かれてしまうことがなく、円筒体の軸方向における温度分布のむらが発生しにくくなる。
【００１７】
さらに、螺旋状に連なる形態の凹部または凸部を押圧ロールの中央部において線対称となるように合流して連結させた場合には、その押圧ロールの中央部における凸部が円筒体の内周面の同じ部位に常に接し続けることがないため、その押圧ロールの中央部と接する円筒体部分における温度分布のむらも発生しにくくなる。
【００１８】
そして、このような各定着装置のいずれかを用いた画像形成装置によれば、熱損失が少なく、加熱むらや紙しわ等の発生もほとんどない良好な定着がなされた良質な画像を形成できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る定着装置１の要部を示す説明図である。図２は、この定着装置１の矢印Ｓ方向から見たときの一部断面説明図である。
【００２０】
この定着装置１は、図示しない電子写真方式、静電記録方式等を採用したプリンタ、複写機等の画像形成装置に定着装置として適宜組み込まれて又は組み合わせられて使用されるものであり、その主要部は以下の構成からなるものである。すなわち、矢印方向に回転駆動する加熱ロール１０と、この加熱ロール１０の外周面に接して定着用ニップＮを形成する加圧円筒体２０と、この加圧円筒体２０の内径よりも小さいロール径からなりその円筒体２０をその内周面側から加熱ロール１０に押し付けるように矢印方向に回転する押圧ロール３０とを主に備えたものである。図中の符号２はトナー像の形成が可能な記録媒体としての用紙、３は用紙２に担持される未定着のトナー像を示す。未定着のトナー像は、不図示の画像形成装置のトナー像を形成する作像部において形成された後、用紙２に担持されるように転写されるものである。
【００２１】
加熱ロール１０は、中空のロール基材の外周面に、トナーに対する離型性を有する離型層を形成したロール構造のものである。また、加熱ロール１０は、そのロール基材の中空内部にハロゲンランプ等の加熱源１５を設置してなり、その加熱源１５により加熱ロール１０を所定の温度に加熱保持される。そして、この加熱ロール１０は、図示しない軸受けに回転可能に支持されるとともに、図示しない駆動装置からの回転動力が伝達されて所定の速度で回転駆動する。このような加熱ロールとしては、直径３５ｍｍ、肉厚０．４ｍｍ、ロール有効長さ３４６ｍｍ程度の鉄製パイプからなるロール基材の外周面に、ＰＦＡ（パーフロロアルキルビニールエーテル共重合体樹脂）からなる離型層を厚さ３０μｍに塗布形成したものが使用される。
【００２２】
加圧円筒体２０は、円筒の中空ロールであり、押圧ロール３０により支持された状態で回転し得るようになっている。この円筒体２０は、加圧支持により撓んだ状態になる加熱ロール１０との間であっても均一な幅の定着用ニップＮを得るようにする観点から、その肉厚が０．１〜１ｍｍの範囲にある比較的薄いものを使用することが好ましい。このような円筒体２０としては、直径３０ｍｍ、肉厚０．３ｍｍ、ロール有効長さ３１８ｍｍ程度のステンレス製円筒パイプからなるものが使用される。
【００２３】
押圧ロール３０は、円筒状のロールコアの外周面にゴム層を形成し、そのゴム層の表面に離型層を形成したロール構造からなるものであり、その加圧円筒体２０の内周面に接するロール表面が図３に示すように規則的に連続する凸部３６（その凸部３６どうしの間が凹部３７となる）からなる凹凸面３５として構成されている。また、押圧ロール３０は、その回転軸３２が図示しない軸受けに回転可能に支持されているとともに、その軸受けを介して図示しない加圧機構により加圧円筒体２０を加熱ロール１０に押し付ける方向の所定の荷重Ｆが印加されるようになっている。
【００２４】
このような押圧ロール３０としては、その凹凸面３５の構成内容を除けば、その端部の外径が２６．０ｍｍ、中央部の最大外径が２６．７ｍｍ、ロール有効長さが３１９ｍｍからなる全体が紡錘形のステンレス製ロールコアに、ゴム硬度６０°（ＪＩＳ  Ａ）のシリコーンゴムからなる厚さ１ｍｍのゴム層を形成したものが使用される。
【００２５】
凹凸面３５は、図３に示すように、その凸部３６が押圧ロール３０の両端部３０ａ，３０ｂからそれぞれロール中央部３０ｃにむけて相反する（異なる）巻き方向Ｍ１、Ｍ２の螺旋状に連なるように形成されたものである。押圧ロール３０の一端部３０ａから螺旋状に形成される凸部３６Ａは、その巻き方向Ｍ１がそのロール端部３０ａ側から見て右巻き（時計回り方向）になっている。一方、その他端部３０ｂから螺旋状に形成される凸部３６Ｂは、その巻き方向Ｍ２がそのロール端部３０ｂから見て左巻きになっている。
【００２６】
また、凸部３６（Ａ，Ｂ）は、一定の幅ｗおよび高さｈでかつ一定の間隔ｐからなるものであり（これは凹部３７として表現すると、凹部３６は一定の幅ｐおよび深さｈでかつ一定の間隔ｗからなるものとなる）、押圧ロール３０の軸線ＯＬに対して５〜１５°の角度（交差角α）で交差しながら螺旋状に巻かれるように形成されている。
【００２７】
螺旋の巻き方向Ｍ１，Ｍ２は、押圧ロール３０の定着時における回転方向（図１中の矢印方向）との関係で適宜選定される。たとえば、図１に示す定着装置１において右回転する押圧ロール３０としてその手前側（図１の紙面の垂直方向から見る側）に図３に示す押圧ロール３０をその右側端部３０ａ（巻き方向Ｍ１で始まる端部側）が位置する状態で設置した場合には、押圧ロール３０が加圧円筒体２０に圧接されることでそのゴム層に歪が生じても、その押圧ロール３０が定着時に回転すると、押圧ロール３０の凸部３６（Ａ，Ｂ）が（凹部３７であっても同じ）そのロール中央部側からそのロール端部側に移動するかのように変位するため前記歪もロール端部側に逃がされるようになり、かかる歪を逃がしやすくなる。一方、図３に示す押圧ロール３０をその右側端部３０ｂ（巻き方向Ｍ２で始まる端部側）が位置する状態で設置した場合には、押圧ロール３０の定着時の回転時に凸部３６（Ａ，Ｂ）があたかも押圧ロール３０の中央部側に移動するかのように移動するため、加圧円筒体２０の軸方向の移動が抑制されて回転が安定するようになる。
【００２８】
さらに、上記したような螺旋状に連なる形態で形成する凸部３６（Ａ，Ｂ）は、押圧ロールの中央部３０ｃにおいてその軸線ＯＬと直交する面（線）Ｅを基準にして見た場合に線対称となるように合流して連結されている。この実施形態では、その凸部３６（Ａ，Ｂ）の合流して連結した末端部位３６Ｃを二等辺三角形の先端部のような先鋭形状とし、その合流する凸部３６（Ａ，Ｂ）の側近の凹部３７がいずれも一定の幅ｐに保たれるようにした。
【００２９】
このような凹凸面３５は、前記ゴム層としてこの凸部３６を有する外周面からなる円筒状のものとして作製（成形）した後、それをロールコアに被覆するように装着させることによって得ることができる。
【００３０】
この実施形態では、凹凸面３５として、幅ｗが１０ｍｍ、高さｈが１ｍｍの凸部３６（Ａ，Ｂ）を一定の間隔ｐ＝１０ｍｍでかつ交差角α＝８０°という条件で螺旋状に形成した構成のものを採用した。
【００３１】
定着装置１は、図１や図２に示すように、押圧ロール３０を加圧円筒体２０の中空内部に挿入して円筒体２０を支持する状態とし、その円筒体２０をその内周面から加熱ロール１０の外周面に所定の加重Ｆで押し付けるように装着している。
【００３２】
これにより、図２に二点鎖線ＴＬで示すように、加熱ロール１０が撓んだ状態となるが、この際、ロール厚（肉厚）が加熱ロール１０よりも薄い加圧円筒体２０が押圧ロール３０に押圧されて加熱ロール１０の撓み状態に追従するような状態で撓むようになり、しかも押圧ロール３０のロールコアがその端部から中央部にむけて外径が次第に増大する紡錘形のものであるため、このときの加熱ロール１０と加圧円筒体２０との間の定着用ニップＮの軸方向における圧力分布がほぼ均一なものになる。この結果、定着用ニップＮの幅も加熱ロール１０の両端部および中央部においてほぼ均一に保たれるようになる。
【００３３】
そして、この定着装置１では、図示しない前述したごとき画像形成装置の作像部において形成および転写される未定着のトナー像３を担持した用紙２を、用紙搬送装置などを会して、その像担持面が加熱ロール１０の外周面に接するような姿勢で上記定着用ニップＮに送りこんで通過させることにより、トナー像３が加熱加圧されて用紙２に定着される。
【００３４】
また、この定着装置１では、その定着時においては加熱ロール１０の熱が加圧円筒体２０を介して押圧ロール３０側に伝わろうとする。しかし、押圧ロール３０は、その円筒体２０の内周面に接する表面が前記したような凹凸面３５になっているため、その円筒体内周面との接触面積が凹部３７の存在する分だけ凹凸のない平滑な表面の場合に比べて少なくなっており、その分、押圧ロール３０への熱移動が少なくなって無駄な熱損失が発生しにくくなる。これにより、定着時において無駄な熱損失の発生による熱効率の低下を回避することができる。
【００３５】
さらに、押圧ロール３０の凹凸面３５における凸部３６が規則的な螺旋状に形成されているため、押圧ロール３０の１回転の間に凸部３６が加圧円筒体２０の内周面に対してずれた状態で接するようになり、円筒体２０の熱が押圧ロール３０の凸部３６を介して移動しても、その熱の移動する円筒体２０の部位が固定されることなく押圧ロール３０の凸部３６と接する部位がずれることに相応して変化し続ける。この結果、加圧円筒体２０の軸方向における温度分布にむらが発生しにくくなり、定着用ニップＮでの均一な加熱環境が保持されるようになる。
【００３６】
また、この押圧ロール３０では、その中央部３０ｃにおいて凸部３６（Ａ，Ｂ）が線対称となるように合流して連結されるように形成されているため（図５）、そのロール中央部３０ｃにおける凸部の連結部（末端部位３６Ｃ）が円筒体２０の内周面の同じ部位に常に接し続けることがない。この結果、その押圧ロール３０の中央部３０ｃと接する円筒体部分における温度分布のむらも発生しにくくなり、これによって定着用ニップＮにおける加熱環境が均一に保たれるようになる。
【００３７】
また、押圧ロール３０は前述したように円筒体２０との接触面積の減少からその円筒体２０から伝達される熱の量も減少するため、たとえば、そのロール表面に形成されるゴム層の磨耗も発生しにくくなる。この結果、かかるゴム層の磨耗による押圧ロール３０の寿命が短くなることを抑制することが可能になる。
【００３８】
従って、この定着装置１によれば、たとえば加熱ロール１０として薄肉化、小径化等により熱容量を小さくしたタイプのロールを使用した場合であっても、紙しわが発生することがなく、熱効率の無駄な低下もない良好な定着を安定して行うことができる。そして、この定着装置１を用いた画像形成装置では、このような熱効率の無駄な低下がなく、しかも加熱むら等の発生もない良好で安定した定着がなされた良質な画像を形成することができる。
【００３９】
なお、実施形態１に係る定着装置１においては、その押圧ロール３０として図６に示すような構成のものを使用することも可能である。
【００４０】
図６に示す押圧ロール３０は、その凹凸面３５として、凸部３８（または凹部３９）がロールの軸線ＯＬと直交する環状（ロール周面にそって一回りすると元に戻るリング状）のものであって一定の間隔ｐで形成して構成したものを採用したものである。すなわち、凸部３８は一定の幅ｗおよび高さｈでかつ一定の間隔ｐからなるものである（これは凹部３９として表現すると、凹部３９は一定の幅ｐおよび深さｈでかつ一定の間隔ｗからなるものとなる）。
【００４１】
また、上記定着装置１の押圧ロール３０は、その凹凸面３５における凸部３６（Ａ，Ｂ）をロール中央部３０ｃにおいて線対称となるように合流させて連結するように形成したが（図５）、これ以外にも図７に例示するように、そのロール中央部３０ｃにおいてロール軸線ＯＬに直交する幅の狭い中央環状部３６Ｄを形成し、その中央環状部３６Ｄに合流させるように形成してもよい。この場合、ロール端部からの各凸部３６Ａ，Ｂは、中央環状部３６Ｄにおいて（その環状部から見て）線対称で合流するように構成する場合に限らず、非線対称で合流するように構成してもよい。
【００４２】
また、実施形態１では、押圧ロール３０として図８に示すような構成のもの（点在するタイプ）を使用することもできる。
【００４３】
図８に示す押圧ロール３０は、たとえば、図３に示す押圧ロールにおける凹凸面３５として、図３に示す押圧ロールの螺旋状に連なる凸部３６（Ａ，Ｂ）を互いにほぼ同じ大きさで且つその螺旋方向に対してほぼ同じ間隔で点在する凸部３６（Ｃ，Ｄ）となるように形成して構成したものである。この押圧ロール３０の凹凸面３５における凹部は、前記した螺旋状に連なる凹部３７（Ａ，Ｂ）のほかに前記点在する各凸部３６（Ｃ，Ｄ）どうしの間に点在するように存在する凹部３７（Ｃ，Ｄ）を加えたものとなる。また、螺旋状に沿うように点在する凸部３６（Ｃ，Ｄ）は、押圧ロールの中央部３０ｃにおいて図４で示す押圧ロールの場合と同様に線対称となるように合流する状態で形成することも可能である。
【００４４】
さらに、実施形態１では、凸部（または凹部）が点在するタイプの押圧ロール３０として図９に示すような構成のものを使用することもできる。
【００４５】
図９に示す押圧ロール３０は、たとえば、図６に例示する押圧ロールにおける凹凸面３５として、図６に示す押圧ロールの環状に連なる凸部３８を互いにほぼ同じ大きさで且つ環状方向に対してほぼ同じ間隔で点在する凸部３８Ｃとなるように形成して構成したものである。この押圧ロール３０の凹凸面３５における凹部は、前記した環状に連なる凹部３９のほかに前記点在する各凸部３８Ｃどうしの間に点在するように存在する凹部３９Ｃを加えたものとなる。
【００４６】
さらにまた、実施形態１では、紡錘形の押圧ロール３０としては、そのロールコア自体を紡錘形にしたものを使用して対応しているが、場合によっては、そのゴム層の厚さをロール端部および中央部で異ならせることで押圧ロール３０の最終的な形態が紡錘形となるように構成してもよい。
【００４７】
これ以外にも、実施形態１では、押圧ロール３０の凹凸面３５について、そのゴム層に所定の凸部（または凹部）を形成することで構成した場合を例示したが、そのロールコアに所定の凸部（または凹部）をたとえば切削加工などにより直接形成することで構成することも可能である。
【００４８】
この他、実施形態１では、用紙２の未定着トナー像３を加熱する外周面を有する加熱回転体としてロール形態の加熱ロール１０を使用する場合について説明したが、必要によっては、その加熱回転体として、ロールに加熱用ベルト（このベルトの加熱は専用の加熱手段で行われる）を掛け回した構成のものや、加熱ロールにベルトを掛け回した構成のものを使用する定着装置を採用してもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】実施形態１に係る定着装置の要部を示す一部断面説明図である。
【図２】図１の定着装置を矢印Ｓ方向から見たときの状態を示す一部断面説明図である。
【図３】押圧ロールの全体を示す説明図である。
【図４】押圧ロールの凹凸面の構成を示す要部説明図である。
【図５】押圧ロールの中央部における凸部の合流連結部の構成を示す要部説明図である。
【図６】押圧ロールの他の構成例を示す説明図である。
【図７】押圧ロールの中央部における凸部の合流連結部の他の構成を示す要部説明図である。
【図８】押圧ロールの他の構成例（点在するタイプ）を示す説明図である。
【図９】押圧ロールの他の構成例（点在するタイプ）を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…定着装置、２…用紙、３…未定着のトナー像、１０…加熱ロール（加熱回転体）、２０…加圧円筒体（円筒体）、３０…押圧ロール、３５…凹凸面、３６，３８…凸部、３７，３９…凹部。
【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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【図９】
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