(57)【要約】【課題】材料画像に欠陥部分が生じた場合でも、積層不良を生じさせることなく造形を継続でき、立体物の品質を向上することができる技術を提供する。【解決手段】立体モデルの３次元形状データに基づいて造形材料を積層することによって立体物を作製する造形装置であって、前記３次元形状データから生成されるスライスデータに基づき前記造形材料を配置して材料画像を形成する画像形成部と、前記画像形成部で形成された前記材料画像が転写され、前記材料画像を搬送する搬送体と、前記材料画像を積層する積層部と、前記材料画像に光を照射する暗視野照明、及び、前記造形材料による前記光の散乱光を受光するイメージセンサを有する画像取得部と、を備える。【選択図】図１
2018047606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
立体モデルの３次元形状データに基づいて造形材料を積層することによって立体物を作製する造形装置であって、
前記３次元形状データから生成されるスライスデータに基づき前記造形材料を配置して材料画像を形成する画像形成部と、
前記画像形成部で形成された前記材料画像が転写され、前記材料画像を搬送する搬送体と、
前記材料画像を積層する積層部と、
前記材料画像に光を照射する暗視野照明、及び、前記造形材料による前記光の散乱光を受光するイメージセンサを有する画像取得部と、
を備えることを特徴とする造形装置。
【請求項２】
前記画像取得部は、前記イメージセンサで受光した前記材料画像による前記光の散乱光から前記材料画像に関する情報を取得する
ことを特徴とする請求項１に記載の造形装置。
【請求項３】
前記材料画像を廃棄するための廃棄部と、
前記画像取得部により取得された材料画像の情報と、前記材料画像の元データであるスライスデータとを比較する比較部と、
前記比較部による比較結果に基づいて、前記材料画像が積層可能か否かを判断する判断部と、
前記判断部により否定判断がなされた場合に、前記廃棄部により前記材料画像を廃棄させ、かつ、前記スライスデータに基づいて前記画像形成部により材料画像を再形成させる制御部と、
を有することを特徴とする請求項２に記載の造形装置。
【請求項４】
前記判断部は、前記材料画像の少なくとも一部に、欠落、伸縮、凹凸、または歪みがないか否かを判断した判断結果を、前記材料画像が積層可能な材料画像か否かの判断結果とする
ことを特徴とする請求項３に記載の造形装置。
【請求項５】
前記画像形成部によって造形材料からなるマーカを形成させ、前記マーカを前記搬送体に転写して搬送させる処理を行うマーカ処理部を有し、
前記画像取得部は、前記マーカを検出する
ことを特徴とする請求項１の造形装置。
【請求項６】
立体モデルの３次元形状データに基づいて造形材料を積層することによって立体物を作製する造形装置による造形方法であって、
前記造形装置が、
前記３次元形状データから生成されるスライスデータに基づき前記造形材料を配置して材料画像を形成する画像形成部と、
前記画像形成部で形成された前記材料画像が転写され、前記材料画像を搬送する搬送体と、
前記搬送体により搬送された前記材料画像を積層する積層部と、
前記搬送体上の前記材料画像に関する情報を取得する画像取得部と、
前記搬送体上の前記材料画像を廃棄するための廃棄部と、
を有し、
前記画像取得部により取得された注目材料画像の情報と、前記注目材料画像の元データである注目スライスデータとを比較する比較ステップと、
前記比較ステップによる比較結果に基づいて、前記注目材料画像が積層可能な材料画像か否かを判断する判断ステップと、
前記判断ステップにより否定判断がなされた場合に、前記廃棄部により前記注目材料画像を廃棄させ、かつ、前記注目スライスデータに基づいて前記画像形成部により前記注目材料画像を再形成させる制御ステップと、
を含むことを特徴とする造形方法。
【請求項７】
前記画像取得部は、前記材料画像に光を照射する暗視野照明、及び、前記造形材料による前記光の散乱光を受光するイメージセンサを有する
ことを特徴とする請求項６に記載の造形方法。
【請求項８】
前記搬送体上に注目材料画像を含む複数の材料画像が存在する場合、
前記制御ステップでは、前記複数の材料画像のうち前記注目材料画像のみを廃棄させ、かつ、前記注目スライスデータに基づいて前記画像形成部により前記注目材料画像のみを再形成させる
ことを特徴とする請求項６または７に記載の造形方法。
【請求項９】
前記搬送体上に注目材料画像を含む複数の材料画像が存在する場合、
前記制御ステップでは、前記複数の材料画像を前記廃棄部により廃棄させ、かつ、前記スライスデータに基づいて前記画像形成部により前記複数の材料画像を再形成させる
ことを特徴とする請求項６または７に記載の造形方法。
【請求項１０】
前記注目材料画像に連続して形成される次層の材料画像が、前記注目材料画像と同じ形状の場合、
前記制御ステップでは、前記廃棄部により前記注目材料画像を廃棄させ、かつ、前記注目材料画像の代わりに前記次層の材料画像を再形成して追加する
ことを特徴とする請求項６または７に記載の造形方法。
【請求項１１】
立体モデルの３次元形状データに基づいて造形材料を積層して立体物を作製する造形方法であって、
前記３次元形状データから生成されるスライスデータに基づいて造形材料を配置して材料画像を形成するステップと、
前記材料画像に光を照射し、その散乱光から前記材料画像の情報を取得するステップと、
前記材料画像の情報と前記スライスデータとを比較する比較ステップと、
前記比較ステップによる比較結果に基づいて、前記材料画像が積層可能か否かを判断する判断ステップと、
前記判断ステップにより否定判断がなされた前記材料画像を廃棄し、前記スライスデータに基づいて材料画像を再形成するステップと、
を含むことを特徴とする造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、造形装置及び造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多数の層を積み上げることで３次元造形物を形成する造形装置が注目を集めている。この種の積層造形技術は、アディティブマニファクチャリング（ＡＭ）、３次元プリンタ、ラピッドプロトタイピング（ＲＰ）などと呼ばれる。積層造形技術にはさまざまな造形方式が提案されている。特許文献１には、電子写真プロセスを応用した造形方式が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−０５３８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のような、スライス像を樹脂材料により粒子像に変換しシート単位の材料画像として積層する造形方式では、粒子像形成時及び材料画像を搬送体に転写する時に転写不良により材料画像に欠陥部分が生じるおそれがある。欠陥部分が生じた場合には、次層の材料画像と良好に接触することができず、積層が継続できなくなることが懸念される。
【０００５】
本発明は上記したような事情に鑑みてなされたものであり、材料画像に欠陥部分が生じた場合でも、積層不良を生じさせることなく造形を継続でき、立体物の品質を向上することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第一態様は、
立体モデルの３次元形状データに基づいて造形材料を積層することによって立体物を作製する造形装置であって、
前記３次元形状データから生成されるスライスデータに基づき前記造形材料を配置して材料画像を形成する画像形成部と、
前記画像形成部で形成された前記材料画像が転写され、前記材料画像を搬送する搬送体と、
前記材料画像を積層する積層部と、
前記材料画像に光を照射する暗視野照明、及び、前記造形材料による前記光の散乱光を受光するイメージセンサを有する画像取得部と、
を備えることを特徴とする造形装置を提供する。
【０００７】
本発明の第二態様は、
立体モデルの３次元形状データに基づいて造形材料を積層することによって立体物を作製する造形装置による造形方法であって、
前記造形装置が、
前記３次元形状データから生成されるスライスデータに基づき前記造形材料を配置して材料画像を形成する画像形成部と、
前記画像形成部で形成された前記材料画像が転写され、前記材料画像を搬送する搬送体と、
前記搬送体により搬送された前記材料画像を積層する積層部と、
前記搬送体上の前記材料画像に関する情報を取得する画像取得部と、
前記搬送体上の前記材料画像を廃棄するための廃棄部と、
を有し、
前記画像取得部により取得された注目材料画像の情報と、前記注目材料画像の元データである注目スライスデータとを比較する比較ステップと、
前記比較ステップによる比較結果に基づいて、前記注目材料画像が積層可能な材料画像か否かを判断する判断ステップと、
前記判断ステップにより否定判断がなされた場合に、前記廃棄部により前記注目材料画像を廃棄させ、かつ、前記注目スライスデータに基づいて前記画像形成部により前記注目材料画像を再形成させる制御ステップと、
を含むことを特徴とする造形方法を提供する。
【０００８】
本発明の第三態様は、
立体モデルの３次元形状データに基づいて造形材料を積層して立体物を作製する造形方法であって、
前記３次元形状データから生成されるスライスデータに基づいて造形材料を配置して材料画像を形成する画像形成ステップと、
前記材料画像に光を照射し、その乱反射光から前記材料画像の情報を取得する情報取得ステップと、
前記材料画像の情報と前記スライスデータとを比較する比較ステップと、
前記比較ステップによる比較結果に基づいて、前記材料画像が積層可能か否かを判断する判断ステップと、
前記判断ステップにより否定判断がなされた前記材料画像を廃棄し、前記スライスデータに基づいて材料画像を再形成する画像再形成ステップと、
を含むことを特徴とする造形方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、材料画像に欠陥部分が生じた場合でも、積層不良を生じさせることなく造形を継続でき、立体物の品質を向上することができる技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係る造形装置の構成を模式的に示す図。
【図２】材料画像の溶融積層を模式的に示す図。
【図３】材料画像の欠陥画像生成を模式的に示す図。
【図４】明視野と暗視野を説明するための図。
【図５】材料画像の取得のための照明光学系を示す模式図。
【図６】材料画像の欠陥形態画像を示す図。
【図７】造形コントローラのブロック図。
【図８】画像欠陥取得及びリカバリの制御１のブロック図。
【図９】制御ブロック図の欠陥画像比較アルゴリズムを説明する図。
【図１０】制御ブロック図の欠陥画像取得及びリカバリ処理のフローチャート１。
【図１１】制御ブロック図の欠陥画像取得及びリカバリ処理のフローチャート２。
【図１２】第２実施形態に係る造形装置の構成を模式的に示す図。
【図１３】画像欠陥取得及びリカバリの制御２のブロック図。
【図１４】制御ブロック図の欠陥画像取得及びリカバリ処理のフローチャート３。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明を実施するための形態を図面を参照して例示的に説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている各部材の寸法、材質、形状、その相対配置など、各種制御の手順、制御パラメータ、目標値などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範
囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
本発明は、積層造形技術（ＡＭ技術）、すなわち、造形材料を２次元に配置して層状に積層することによって３次元物体（立体物）を作製する技術を採用した造形装置に関する。
造形材料としては、作製する立体物の用途・機能・目的などに応じてさまざまな材料を選択することができる。本明細書では、造形目的の３次元物体を構成する材料を「構造材料」と呼び、構造材料で形成される部分を構造体と呼ぶ。作製途中の構造体を支持するためのサポート体（例えばオーバーハング部を下から支える柱）を構成する材料を「サポート材料」と呼ぶ。また両者を特に区別する必要がない場合には、単に「造形材料」という用語を用いる。構造材料としては、例えば、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＡＢＳ、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）など、熱可塑性の樹脂を用いることができる。また、サポート材料としては、構造体からの除去を簡単にするため、熱可塑性と水溶性を有する材料を好ましく用いることができる。サポート材料としては、例えば、糖質、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）などを例示できる。
【００１２】
また、本明細書では、作製目的とする立体モデルの３次元形状データを積層方向に沿って複数層にスライスして得られるデジタルデータを「スライスデータ」と呼ぶ。スライスデータは、必要に応じて、サポート材料のデータなどの情報を付加して生成される。スライスデータに基づき造形材料で形成される層（１層分の画像）を「材料画像」と呼ぶ。「材料画像」は、用いる造形材料の種類に応じて、一又は複数の材料画像を組み合わせて形成される粒子の層である。なお、スライスデータに基づき造形材料で形成される粒子単位の像を「粒子像」と呼ぶ場合がある。
また、造形装置を用いて作製しようとする立体モデル（つまり造形装置に与えられる３次元形状データが表す３次元物体）を「造形対象物」と呼ぶ。また、造形装置で作製された（出力された）３次元物体（立体物）を「造形物」と呼ぶ。造形物がサポート体を含む場合において、サポート体を除いた部分が造形対象物を構成する「構造体」となる。また、後述するステージ４９の積層面４９ａと直交する方向を「上下方向」と呼ぶ。また、上下方向において、図１Ａにおける紙面の上部へ向かう方向を上方向、図１における紙面の下部へ向かう方向を下方向とする。
【００１３】
＜第１実施形態＞
（造形装置の構成）
図１Ａ，１Ｂを参照して、第１実施形態に係る造形装置１の構成を説明する。図１Ａは、本実施形態に係る造形装置１の構成を模式的に示す図である。図１Ｂは、材料画像検出部分を拡大した構成を模式的に示す図である。
本実施形態の造形装置１は、概略、制御部、画像形成部、及び、積層部を有する。制御部は、造形対象物の３次元形状データから複数層のスライスデータを生成する処理、造形装置１の各部の制御、などを担う構成部分である。制御部は、制御ユニット６０、画像生成コントローラ１０、造形コントローラ７０、複数のモータ４７〜４８、ラインセンサ４４、照明光源４５などで構成される。画像形成部は、各層のスライスデータに基づき、造形材料からなる１層分の材料画像を形成する構成部分である。画像形成部は、レーザスキャナ（露光装置）２０、カートリッジ（プロセスカートリッジ）３０、転写ローラ４１などで構成される。積層部は、画像形成部で生成された複数層の材料画像を順に積層し固着することによって、３次元構造をもつ立体物を形成する構成部分である。積層部は、搬送体４２、ヒータ板４３、ステージ４９、クリーナ（廃棄部）４６などで構成される。
【００１４】
（制御部）
制御ユニット６０は、造形対象物の３次元形状データを造形用のスライスデータへ変換する機能、各層のスライスデータを画像生成コントローラ１０へ出力する機能、積層造形
工程を管理する機能、などを有する。制御ユニット６０は、例えばパーソナルコンピュータや組み込み型コンピュータにこれらの機能を有するプログラムを実装することにより構成することができる。３次元形状データとしては、３次元ＣＡＤ、３次元モデラー、３次元スキャナなどで作成されたデータを用いることができる。３次元形状データのフォーマットは問わないが、例えば、ＳＴＬ（ＳｔｅｒｅｏＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）などのポリゴンデータを好ましく用いることができる。また、スライスデータのフォーマットとしては、例えば、多値の画像データ（各値が材料の種類を表す）やマルチプレーンの画像データ（各プレーンが材料の種類に対応する）を用いることができる。
【００１５】
画像生成コントローラ１０は、制御ユニット６０から入力されるスライスデータ及び造形コントローラ７０から入力される制御信号などに基づき、画像形成部における画像形成プロセスを制御する機能を有する。具体的には、画像生成コントローラ１０は、スライスデータの解像度変換や復号処理、レーザスキャナ２０による画像書き出し位置及びタイミングの制御などを行う。その他にも、画像生成コントローラ１０は、一般的なレーザプリンタ（２Ｄプリンタ）に内蔵されるプリンタコントローラと同じような機能を有していてもよい。
【００１６】
造形コントローラ７０は、造形装置のメカトロ制御を行う機能を有している。駆動系は、転写ローラ４１を回転駆動する転写ローラモータ４７、ステージ４９の移動を行うステージ駆動モータ４８を含む。センシング系は、材料画像を検出するイメージセンサとしてラインセンサ４４、材料画像を照明する照明光源４５を含む。ラインセンサ４４と照明光源４５は、画像取得部を構成する。なお、これらのセンサと照明光源の役割の詳細については後述する。
【００１７】
図７に、造形コントローラ７０の回路ブロックの一例を示す。造形コントローラ７０は、ＣＰＵ７１、メモリ７２、インタフェース７３、ＵＩ手段７４、モータ駆動回路７５、モータドライバ７６、センサ検知回路７７、センサインタフェース７８、その他のＩＯ回路７９、ヒータ回路８０、ＩＯインタフェース８１を有する。モータドライバ７６には、転写ローラモータ４７、ステージ駆動モータ４８が接続される。センサインタフェース７８には、図示しないロータリーエンコーダ検知センサや造形装置のカバーオープン検知スイッチ、ステージ４９のホームポジションセンサなどが接続される。ヒータ回路８０には、ヒータ板４３内のヒータ及び熱電対が接続される。ＩＯインタフェース８１には、ラインセンサ４４や照明光源４５及びクリーナ４６などの駆動信号が接続される。
なお、本実施形態では、制御ユニット６０と造形コントローラ７０と画像生成コントローラ１０を別々のコントローラにて構成したが、これらの機能を１つのコントローラにより構成しても構わない。
【００１８】
（画像形成部）
画像形成部は、例えば電子写真プロセスを利用して造形材料からなる１層分の材料画像を形成するユニットである。電子写真プロセスとは、感光体を帯電し、露光によって潜像を形成し、現像剤粒子を潜像に付着させて画像を形成するという一連のプロセスによって、所望の画像を形成する手法である。造形装置では、現像剤の代わりに、造形材料からなる粒子を用いるが、電子写真プロセスの基本原理は２Ｄプリンタのものとほぼ同じである。
【００１９】
図１Ａにおいて感光ドラム３４は、有機感光体やアモルファスシリコン感光体などの感光体層を有する像担持体である。一次帯電ローラ３３は、感光ドラム３４の感光体層を一様に帯電するための帯電装置である。レーザスキャナ２０は、画像生成コントローラ１０から与えられる画像信号にしたがい、レーザ光で感光ドラム３４上をスキャンし、潜像を描画する露光装置である。造形材料供給部３１は、造形材料３５を収容・供給する装置で
ある。現像ローラ３２は、感光ドラム３４上の静電潜像に造形材料３５を供給する現像装置である。転写ローラ４１は、感光ドラム３４上に形成された造形材料３５の像を搬送体（転写ベルト）４２に転写する転写装置である。図示しないが、感光ドラム３４と転写ローラ４１のあいだの転写ニップの下流に、感光ドラム３４の表面をクリーニングするためのクリーニング装置を設けてもよい。本実施形態では、感光ドラム３４、一次帯電ローラ３３、造形材料供給部３１、現像ローラ３２が、ドラムカートリッジ３０として一体化され、造形装置本体に対して着脱可能に構成されることで、交換が容易になっている。一方、造形材料の大容量化に対応するため、露光・現像装置部と材料供給部を別体にした補給構成にしても良い。
画像形成部は、スライスデータに基づいて造形材料を配置できるものであれば限定されるものではなく、前述の電子写真プロセス方式の他に、インクジェットを用いて搬送体の上に直接画像を形成する方法などを採用することもできる。
【００２０】
（積層部）
図１Ａにおいて搬送体４２は、画像形成部で形成され、感光ドラム３４から転写された材料画像５０を担持し、ステージ４９（積層ニップ）まで搬送する部材である。搬送体４２は、例えば、樹脂、ポリイミドなどの無端状のベルト部材で構成される。ヒータ板４３は、ヒータを内蔵しており、搬送体４２上の材料画像５０を溶融し、ステージ４９の積層面４９ａ上、または、ステージ４９上（積層面４９ａ上）の造形物５１の上面に積層する加熱積層機能を有する。ステージ４９は、積層中の造形物５１を保持する部材であり、ステージ駆動モータ４８により上下方向（積層方向）に移動可能である。
【００２１】
（造形装置の動作）
次に、造形装置による造形物作製の基本動作について説明する。
図１Ａにおいて制御ユニット６０は、造形対象物の３次元形状データに基づき、当該造形対象物を所定のピッチ（例えば数ミクロンから数十ミクロンの厚さ）でスライスして各層の断面形状を計算し、各層のスライスデータを生成する。最下層のスライスデータから順に画像生成コントローラ１０に入力される。画像生成コントローラ１０は、入力されたスライスデータにしたがって、レーザスキャナ２０のレーザ発光及びスキャンを制御する。
【００２２】
画像形成部では、一次帯電ローラ３３によって感光ドラム３４の表面が均一に帯電される。レーザスキャナ２０からのレーザ光により感光ドラム３４の表面が露光されると、その露光部分が除電される。現像バイアスで帯電された造形材料が現像ローラ３２によって除電部分に供給され、造形材料からなる材料画像が感光ドラム３４の表面に形成される。この材料画像５０は、転写ローラ４１により搬送体４２上に転写される。
搬送体４２は材料画像５０を担持しつつ回転移動し、材料画像５０を積層位置へと搬送する。ヒータ板４３により熱を与えることで、材料画像５０がステージ４９上の造形物５１の上面に熱溶着される。材料画像５０が積層されるたび、造形コントローラ７０はステージ４９を上下方向に一層の厚み分だけ下降させ、次の層の積層に備える。
以上の材料画像５０を形成する画像形成工程、及び材料画像５０を積層する積層工程を含む造形動作を、スライスデータの枚数分繰り返すことで、ステージ４９上に造形物５１が形成される。
【００２３】
（材料画像の溶融積層の説明）
図２Ａ〜２Ｆを用いて、材料画像５０が、造形物５１の上面に熱溶着され積層されてゆく工程を模式的に説明する。
図２Ａは、材料画像５０を構成する粒子が敷き詰められた状態を示している。一般的に平面上で最密の状態とは六方最密状態をいう。
図２Ｂは、粒子が造形物５１上に密着して並び、粒子上面から搬送体４２を介してヒー
タ板４３が接触した状態を示している。図２Ｂに示す粒子は、図２ＡのＡ―Ａ’断面に相当する。本実施形態では、粒子の半径を「ｒ」として表す。したがって、直径は２ｒとなる。なお、実際は「ｒ」はある粒度分布範囲を有する長さであり、ここでは平均値を「ｒ」として扱う。
図２Ｃは、粒子が溶融を開始して粒子間の隙間を相互に満たし始め、且つ、造形物５１の位置が上昇を始めた状態を示している。図２Ｄは、溶融が完了し、粒子間の隙間が充填された状態を示している。このとき、粒子全体の体積の変化はないため、溶融が完了した材料画像５０は、図２Ｄに示すように板状になる。材料画像５０の板厚は、単純計算で１.６ｒとなる。
図２Ｅでは、図２Ａ同様の材料画像５０の平面図を上部に示し、平面図におけるＡ−Ａ’断面を下部に示している。図２Ｆでは、図２Ｄ同様に溶融が完了し隙間が充填された状態の平面図を上部に示し、平面図におけるａ−ａ’断面を下部に示している。
【００２４】
（積層造形の課題）
本実施形態のように、材料画像を積層して造形物を形成するタイプの造形装置では、材料画像の部分的な欠陥が、造形物の品質を左右する。例えば、現像器の不良等により現像工程において部分的に現像コートが一様に形成できない場合には、スジやコート抜けが発生するおそれがある。また、感光ドラム３４から搬送体４２に造形材料３５の像を転写する際に、転写バイアスが適切に設定されていないか又は、造形材料３５の帯電が不充分であった場合には、転写不良を起こし、材料画像５０に欠陥が生じるおそれがある。材料画像５０に欠陥が生ずると、該当箇所は溶融時に平面度が著しく低下し、次層の材料画像５０を、ステージ４９上の造形物５１に積層し固着することが困難となる。このような画像欠陥が、造形装置に特有の課題といえる。
【００２５】
（材料画像の欠陥生成の説明）
図３Ａ〜３Ｇを用いて、材料画像５０に部分的な欠陥画像が生成されてゆく工程を模式的に説明する。
図３Ａ，３Ｂは、材料画像５０を構成する造形材料の１粒子が欠陥した場合について説明するための模式図であり、図３Ａは溶融前の状態、図３Ｂは溶融後の状態を示している。図３Ａ，３Ｂにおいては、上部に平面図を示し、下部に平面図のＡ−Ａ’断面、ａ−ａ’断面を示している。図３Ｂでは、溶融後の１粒子分の欠陥状態を示しているが、実際には分子の流動が発生するため、欠陥部と非欠陥部の境界は図示するように垂直とはならず、なだらかに傾斜すると思われる。
図３Ｃ，３Ｄは、図３Ａ，３Ｂ同様に材料画像５０の１粒子が欠陥した場合について説明するための模式図である。図３Ｄでは、溶融時に、欠陥部周辺の粒子の一部の上面が一律に下降し、欠陥部が充填されたと仮定した状態を模式的に示している。このとき、図３Ｄにおける、欠陥部と欠陥部周辺の粒子の一部における積層厚は、計算上、１．２８ｒとなる。この場合も、図３Ｃに示す状態と図３Ｄに示す状態とで、粒子全体の合計体積に変化はない。なお、図３Ｂ同様、実際には分子の流動が発生するため、欠陥部及び欠陥部周辺の粒子の一部を加えた部分と、欠陥部周辺の粒子の欠陥の影響を受けない部分と、の境界は、図示するように垂直とはならず、なだらかに傾斜すると思われる。
【００２６】
次に、図３Ｂ，３Ｄに示した境界５３の断面形状が、なだらかに傾斜した場合を図３Ｅに示す。図３Ｅでは、下部に、Ｎ層目に１粒子の欠陥があった場合に、欠陥部と欠陥部周辺の粒子の一部が流動し欠陥中心に向かって傾斜する様子を示している。そして、上部には、Ｎ層目に対して、次層であるＮ＋１層目が接触した場合、及び次次層であるＮ＋２層目がほぼ正常に積層される様子を示している。
材料が、例えば完全な液状（例えば牛乳）であれば、全層に亘って一律に上面が均一平面状態になるが、固体（例えばプロセスチーズ）のままであれば、欠陥部はそのまま維持される。樹脂が溶融する場合、その中間の状態（例えばヨーグルト）のため、図３Ｅでは
、欠陥部近傍のみ欠陥部に向かって傾斜することで補完される様子を模式化している。
このように、単に１粒子の欠陥の場合は、欠陥部周辺の粒子の一部が流動することにより、欠陥部が自然修復されて３層目から正常な積層が可能となる。
【００２７】
上記では、欠陥部を正常に修復可能な形態について説明したが、欠陥範囲が大きくなると、修復が困難となる場合がある。この点について図３Ｆ，３Ｇを用いて説明する。
図３Ｆ，３Ｇは、７粒子の欠陥時の模式的配列を示している。図３Ｆは溶融前の状態、図３Ｇは溶融後の状態を示している。図３Ｆ，３Ｇにおいては、上部に平面図を示し、下部に平面図のＡ−Ａ’断面、ａ−ａ’断面を示している。
図３Ｆに示す粒子が溶融する際に、欠陥部の周辺粒子が中央に流動していくことで図３Ｇに示す状態となる。図３Ｇでは、粒子が溶融しても完全な液状には至らず、材料が流動しても欠陥部は埋まり切らないため、傾斜状のくぼみが形成されていることを示している。図３Ｇに示すように、欠陥部が存在するＮ層目には、欠陥部が埋まり切らず、材料が無い部分が生じる。そして、Ｎ＋１層目が積層されることで、Ｎ層目の欠陥部が多少補完されるが充分ではなく、Ｎ＋２層目が積層されたときにＮ＋２層目の粒子を密接させることができない。このため、積層の継続が困難となる。
【００２８】
以上、積層の継続が困難となる欠陥の一例を説明したが、この現象は上記例以外にも、造形材料の粘弾性特性や溶融温度条件によってさまざまなケースが考えられる。
ここでは、欠陥かどうかを判定する際の判定基準（後述する積層可能基準）となる粒子数には言及しないが、積層の継続が困難となる形状や粒子数は、造形材料毎に検証して決定すれば良い。また、材料画像の検出のために決定された形状や面積の判定基準に従いセンサ解像度の仕様を決めればよい。
【００２９】
次に、各層の材料画像の検出方法について説明する。
まず、照明光源の詳細を説明する。
（暗視野と明視野）
図４Ａ〜４Ｃに、搬送体４２上に薄層の材料画像５０を転写した状態を示す。材料画像５０は積層に用いるために、造形装置の仕様により積層厚が設定される。ここで例えば、材料画像５０の積層厚の範囲を、高精度積層用を１０μｍ以上、高速積層用を１００μｍ以下とする。いずれの積層厚の材料画像５０も薄層状態なので、造形材料が樹脂の場合は、透過率が高くなってしまい、搬送体４２とのコントラストがとりにくくなる。
図４Ａでは、通常の可視光を、材料面に垂直に近い角度で照射し、センサへは反射光が入射される状態を示している。これを明視野照明と呼ぶ。図示するように透過光による搬送体４２からの反射光成分が大きいため、材料画像５０と搬送体４２とのコントラストはかなり小さい。造形材料に黒系の着色をした場合には、コントラストはより小さくなってしまう。コントラストを良好な状態にするためには、材料画像５０の厚みを増すことが必要となるが、造形精度を高くするために材料画像５０の厚みを増大することは矛盾を生ずる。
【００３０】
（暗視野照明による材料画像のセンシング）
上記課題に対して、搬送体４２とのコントラストを大きくする対策について、図４Ｂ，４Ｃを用いて説明する。
本実施形態では、図４Ｂ，４Ｃに示すように、照明光源を材料面に対して浅い角度で照射することで、センサへは散乱光が入射されるように構成している。これを暗視野照明と呼ぶ。この照射角度は４５°以下が望ましい。これは、ブリュースター角と言われている。一般的に、暗視野照明は顕微鏡等で薄層片の微小物の検出に用いられている。また、光源の波長は白色が用いられることが多いが、散乱特性を向上するために青色光源がより効果的となる。波長は４７０〜４０５ｎｍなどで使用される。
図４Ｂでは、材料画像５０の表面が平滑の状態で、照明を行ったときの反射光の向きを
示している。図４Ｂの形態では、材料画像５０の表面が平滑となるように搬送体４２の表面が平滑に構成されているので、散乱光はセンサに入射しないが、材料画像５０のエッジ部においては、散乱光としてセンサに入射する。
一方、図４Ｃでは、材料画像５０の表面が粗表面の状態で、照明を行ったときの反射光の向きを示している。図４Ｃの形態では、材料画像５０の表面全面での反射光が散乱光となり、センサに入射する。
この照明方法を用いることで、本実施形態で用いる薄層樹脂や濃着色樹脂で構成される材料画像の検出も容易に行うことが可能となる。
【００３１】
（照明光学系）
次に、上記暗視野照明を用いた照明光学系とセンサ配置について説明する。
図５は、搬送体４２上に材料画像５０が転写され、この材料画像５０の表面に、照明光源４５が、材料画像５０の表面に対して４５°以下の角度で照射する形態を示す模式図である。
照明光源４５は、例えばＬＥＤアレイにシリンドリカルレンズと拡散板を介することにより均一な平行光照射が可能に構成されている。
そして、照明光源４５が材料画像５０の表面を照射したときの散乱光が、レンズ４４ｂを介してラインセンサ４４ａに入射するように構成されている。このようにして、材料画像５０の検出が行われる。
照明光源４５およびラインセンサ４４ａは、搬送体４２に対して相対的に移動することにより、搬送体４２上の材料画像５０を、２次元の画像として取得することができる。本実施形態では、例えば１粒子が解像度６００ｄｐｉ（ｄｏｔｓ  ｐｅｒ  ｉｎｃｈ）とすれば、粒子径「２ｒ」は４２μｍとなる。従って、１粒子の欠陥を判別するためには、最低でも２１μｍのセンサ解像度が望ましい。縮小光学系では２１μｍの画素をレンズにて３倍ズームで取り込めれば受光部７μｍ角のＣＭＯＳセンサチップが利用できる。これは、１２００ｄｐｉ相当のセンサチップと同等であり産業用（スキャナや複写機）に使用されているセンサと同じ仕様であるので入手は容易である。
【００３２】
（材料画像の欠陥形態）
次に、上記照明光学系を用いて検出する材料画像のさまざまな欠陥形態を説明する。
図６Ａは、材料画像５０の欠陥形状を示し、図６Ｂは、図６Ａの材料画像５０を検出したときの取得データを示している。
図６Ａにおいては、搬送体４２上の材料画像５０ａに対して、材料画像５０ａがスライスデータに基づき変形することなく形成された場合の位置を破線５０ｂで示し、材料画像５０ａの欠陥部（欠落部）を５０ｃで示している。欠陥部５０ｃは、説明の便宜上、星型で示している。
搬送体４２は、図６Ａに示す矢印方向に従って図面上で上から下へ移動する。
図６Ａに示すＢ−Ｂ’が画像のセンスライン位置であり、この位置で検出したラインセンサ出力電圧波形を図６Ｂに示す。このＢ−Ｂ’の位置は、搬送体４２の表面上の位置であり、搬送体４２の進行方向に対して直交する。
ラインセンサとしては、ＣＣＤやＣＭＯＳが一般的なデバイスであり、当然ながらアナログ出力信号に対して、ノイズ除去フィルタ、シェーディング補正、欠陥エッジ強調処理などを介して二値化される。従って、最終出力電圧はデジタル化されており、反射光量が無いところはＶ０（例えば０Ｖ）を出力し、反射光量があるところはＶ１（例えば＋５Ｖ）を出力する。欠陥部は、出力電圧がＶ０となる。
【００３３】
次に、欠陥部以外の欠陥形態を説明する。
図６Ａにおいて、破線５０ｂに対して材料画像５０ａは伸縮した状態にある。破線５０ｂに対して材料画像５０ａがライン全体にはみ出しているところは膨張欠陥であり、ライン全体に内側に凹んでいるところは収縮欠陥である。ラインの一部分に凹凸状の欠陥があ
る場合はエッジ欠損５０ｄまたはエッジ突出５０ｅとして表現している。また、ここでは特に図示していないが、画像全面の歪みも欠陥状態として検出することができる。
このような欠陥形態を、欠陥かどうかを判定する際の判定基準（後述する積層可能基準）とすることができる。
【００３４】
（欠陥画像取得及びリカバリ制御１）
上記材料画像の各欠陥形態を検出し、リカバリする仕組みについて説明する。
図７は、上述した造形コントローラ７０を示している。照明光源４５、ラインセンサ４４、及びクリーナ４６は、ＩＯインタフェース８１に接続されて駆動信号が出力されている。ここではさらに、ラインセンサ４４の出力信号の取り扱い等について詳細に説明する。
【００３５】
図８は、欠陥画像取得及びリカバリ制御の構成ブロック図である。
図８に示すように、制御ユニット６０は、スライスデータの生成に関わる機能として、３Ｄデータスライサ６１、プリンタドライバ６２を有する。３ＤＣＡＤなどにより３次元形状データとしてＳＴＬなどの形状データが３Ｄデータスライサ６１に入力される。入力されたデータに従って、一層毎のスライスデータが３Ｄデータスライサ６１により生成される。スライスデータは、プリンタドライバ６２から画像生成コントローラ１０に出力される。制御ユニット６０と画像制御ユニット１１は、制御信号及び画像データをインタフェース信号線で接続される。
画像制御ユニット１１は、ストレージ機能を有し、スライスデータを蓄積しつつ、積層タイミングに従って、スライスデータに基づいてスライス画像生成ユニット１２で材料画像を生成させ、積層部へ転送する。積層部には、レーザスキャナ２０、ドラムカートリッジ３０、転写積層ユニット４０、などが含まれる。さらに、画像生成コントローラ１０内には、比較ユニット（比較部、判断部）１３が画像制御ユニット１１と接続されている。比較ユニット１３は、ラインセンサにより取得された画像とスライスデータを比較する。
【００３６】
（画像比較アルゴリズム）
図９は、比較ユニット１３の機能を説明するための模式図である。
図９では、立体モデルとしてハート型の化粧箱様形状を用いている。図９において、左側の碁盤目状の画像は、上部がスライスデータを示し、下部がラインセンサ４４により取得した材料画像の取得データを示す。また、図９において、右側に比較ユニット１３による比較結果を示す。各データのうちラインＮの一次元データが比較ユニット１３に入力される。
ここで、図９に模式的に黒色画素で示す材料画像の取得データを欠陥部とする。比較ユニット１３の下段のラインデータが比較結果を示しており、×の部分が不一致であることを示している。比較結果が不一致判定の場合には、欠陥か非欠陥かの判定を行う。積層継続が不可能なら欠陥と判定する。以上は生データの比較で実施した例であるが、１次元２値比較であれば、ランレングスによる比較も容易に実施できる。また、ライン単位に限定するものではなく、数ラインをまとめてブロック単位の比較を行ってもよい。以下に、欠陥検出アルゴリズムの一例をフローチャートに従って説明する。
【００３７】
（欠陥画像取得及びリカバリ処理のフローチャート１）
図１０に示すフローチャートに沿って、層単位での欠陥検出アルゴリズムを説明する。
ステップ１０１では、画像生成コントローラ１０にスライスデータを入力し蓄積する。ステップ１０２では、スライスデータをラスタ画像に展開し、粒子像から材料画像（注目材料画像）を生成する。ステップ１０３では、材料画像をラインセンサ４４で検出し取得する。ステップ１０４では、ラインセンサ４４で取得した画像と蓄積されたスライスデータを比較する。ステップ１０５では、比較結果が一致したか不一致であったかを判断する。ステップ１０５で一致したと判断した場合、ステップ１０６に進み積層工程に移行し、
ステップ１０５で不一致であったと判断した場合（判断結果が否定判断）、ステップ１０７に進む。
【００３８】
((画像欠陥判定１))
ステップ１０７では、不一致部が積層可能基準内であったかどうかを判断する。ステップ１０７で、不一致部が積層可能基準内であったと判断した場合は、ステップ１０６に進み積層工程に移行する。ステップ１０７で、不一致部が積層可能基準内でなかったと判断した場合は、ステップ１０８に進み該当材料画像を廃棄する。
その後、ステップ１０２に戻り、以上の工程を繰り返すことにより造形を行う。
【００３９】
以上のように、一層の材料画像をライン単位で繰返しセンシングし、元のスライスデータと比較することにより、不一致部の形状を取得することができ、これにより、不一致部の形状や大きさを判定基準と比較することで、欠陥ありか無しかを判定できる。そして、欠陥判定の場合には、該当層の材料画像（注目材料画像）を廃棄し、該当スライスデータ（注目スライスデータ）に基づいて、欠陥判定された材料画像を再形成することができる。欠陥判定された材料画像を形成する際、スライスデータがストレージあるいは装置が備えるメモリ等に残っている場合は再度読み出し、メモリに残っていない場合はスライスデータを再生成するとよい。
本実施形態では、材料画像を廃棄する廃棄部としてクリーナ４６を配置し、欠陥判定時には造形コントローラ７０からの指示により搬送体４２上の材料画像を除去する。クリーナ４６には、平面上の材料をはぎ取るスクレーパや粘着転写除去ローラなどを用いるとよく、搬送体４２と造形材料の特性に応じて、適宜、取捨選択を行えばよい。
【００４０】
これまでの説明では、廃棄する材料画像を一層分として説明した。これに対して、高速積層が行われる場合には、材料画像の欠陥判定が行われたときに、次層の材料画像の生成が行われている場合がある。このような場合に材料画像を廃棄するときは、搬送体４２に転写済み、または仕掛かりの材料画像を全て廃棄するとよい。そして、廃棄した複数の材料画像それぞれに対して、該当スライスデータに基づいて材料画像を再形成させる。
また、別の方法としては、搬送体４２上の材料画像を全て廃棄せず、欠陥と判定した層の材料画像のみを廃棄し、搬送体４２上に転写済みの次層の材料画像は積層せず、搬送体４２上に待機させておくこともできる。その場合、搬送体４２の搬送方向で転写ニップよりも上流となる搬送体４２上の位置に次層の正常な材料画像が位置した状態で、再形成した材料画像を搬送体４２に転写させることで、積層を継続するとよい。
【００４１】
一方、次層の材料画像が廃棄材料画像と同じ画像である場合もある。この場合は、欠陥と判定した層の材料画像のみを廃棄し、生成済みの次層の材料画像は廃棄せず、欠陥と判定した層の材料画像の代わりに、次層の材料画像を再生して追加するとよい。また例えば、造形対象物が円柱の場合であれば、欠陥と判定した層の材料画像のみを廃棄し、生成済みの次層の材料画像は廃棄せず、層番号を廃棄分マイナスし、材料画像の再生は続く層番号から行うことにより、積層を継続するとよい。これにより、積層速度、積層時間を損なう程度を緩和できる。
【００４２】
（欠陥画像取得及びリカバリ処理のフローチャート２）
次に、図１１を用いて、フローチャート２について説明する。図１０に示したフローチャート１では、層単位での欠陥検出アルゴリズムを説明したが、フローチャート２では、ライン単位での欠陥検出アルゴリズムを説明する。
ステップ２０１からステップ２０５までは、フローチャート１のステップ１０１からステップ１０５とほぼ同じである。ステップ２０２では、スライスデータをラスタ画像に展開し粒子像を生成する。ステップ２０３では、粒子像をセンサで検出し取得する。ステップ２０６では、材料画像の最終ラインまで検出が完了したどうかを判定し、最終ラインで
無ければステップ２０３に戻る。 最終ラインまで検出が完了したら、ステップ２０７に
進み、ステップ２０７で積層工程に移行する。
【００４３】
((画像欠陥判定２))
ステップ２０５では、不一致であった場合はステップ２０８に進み、ステップ２０８では、不一致ラインデータを保存する。その後、ステップ２０９で、材料画像の最終ラインまで検出が完了したどうかを判定し、最終ラインで無ければステップ２０３に戻り、最終ラインまで検出が完了したと判定したら、ステップ２１０に進む。ステップ２１０では、検出ラインの不一致部の合成画像が積層可能基準内かどうか判定する。検出ラインの不一致部の合成画像が積層可能基準内であった場合はステップ２０７に進み、ステップ２０７で積層工程に移行する。ステップ２１０で、否定判定の場合には、ステップ２１１に進み、ステップ２１１で該当材料画像を廃棄した後、ステップ２０２に戻る。
【００４４】
以上述べた本実施形態の造形装置の構成によれば、材料画像に欠陥が生じた場合でも、積層不良を生じさせることなく造形を継続することが可能となる。したがって、造形物の品質を向上することができる。
ここで、本実施形態では、スライスデータから材料画像を生成したときの画像欠陥について説明したが、これに限るものではない。材料画像の先端位置（側端位置、後端位置も含む）に形成されるマーカや、目的に応じたマーカを材料画像で生成する場合においても、各目的を達成するための材料画像の検出に本発明を適用することができる。マーカは、その目的に応じて、造形に先立ち形成される場合や、造形対象物の３次元形状データから生成されるスライスデータにマーカのデータが付加されることで、造形物の造形時に形成される場合がある。このようなマーカは、制御ユニット６０に含まれるマーカ処理部が、画像形成部によって形成させ、搬送体４２に転写して搬送させる処理を行うものであるとよい。
また、上述したように材料画像は用いる造形材料の種類に応じて、一又は複数の材料画像を組み合わせて形成されるものである。すなわち、造形材料を複数種類用いて造形を行う場合においても、本発明を好適に適用できる。
また、本実施形態では、搬送体に光を照射する暗視野照明、及び、搬送体上の造形材料による光の散乱光を受光（撮影）するイメージセンサを有する画像取得部を備えている。このことで、各層の材料画像が薄層で透過率が高くても、またはコントラストが低くても、材料画像または粒子像の形状認識が可能である。このため、本発明は、層状の材料画像を造形する造形装置全般に応用することができ、材料画像の欠陥検出以外にも多くの用途で利用することが可能である。例えば、搬送体４２上に残留した造形材料等の残留物の検出時や、搬送体４２上をクリーニングした後のクリーニング不良の検出時においても、本発明を利用できる。
【００４５】
＜第２実施形態＞
（造形装置の構成）
図１２Ａ，１２Ｂを参照して、第２実施形態に係る造形装置１００の構成を説明する。図１２Ａは、本実施形態に係る造形装置１００の構成を模式的に示す図である。図１２Ｂは、材料画像検出部分を拡大した構成を模式的に示す図である。図１３は、本実施形態に係る造形装置１００の欠陥画像取得及びリカバリ制御の構成ブロック図である。
本実施形態において、第１実施形態と異なる点は、材料画像の検出手段にエリアセンサ５２を用いている点と、取得画像の比較処理を制御ユニット６０にフィードバックさせてソフト処理にて行う点である。また、本実施形態において、エリアセンサ５２による画像検出は、搬送体４２が停止した状態で行われる。また、エリアセンサ５２による画像検出の際に材料画像を照明する照明光源（不図示）は、材料画像全体を照明できるものであればよい。なお、本実施形態では、第１実施形態と異なる構成や処理について説明し、第１実施形態と同様の構成や処理についての説明は省略する。
【００４６】
（欠陥画像取得及びリカバリ制御２）
以下に、図１３を用いて、材料画像の各欠陥形態を検出し、リカバリする仕組みについて説明する。
本実施形態では、転写積層ユニット４０での画像欠陥を検出する手段として、エリアセンサ５２が、制御ユニット６０に接続されている。エリアセンサ５２は、カメラリンク等のインタフェースからグラバボードを介して制御ユニット６０（パーソナルコンピュータ等）に接続されるとよい。連続して材料画像が積層される場合、エリアセンサ５２による画像検出は、先行する材料画像を積層位置へと搬送し、ヒータ板４３により熱を与えて材料画像を積層するために搬送体４２が停止しているタイミングで行う。該当材料画像の停止位置に対して、エリアセンサ５２が正対する位置で画像検出を行うものであるとよい。本実施形態では、制御ユニット６０が、エリアセンサ５２により取得された画像とスライスデータを比較する比較ユニット１３を有する。比較ユニット１３は、制御ユニット６０内で３Ｄデータスライサ６１と接続されている。
【００４７】
本実施形態では、画像比較アルゴリズムは、層単位での比較となるが、ライン単位での比較を行っても良く、その場合は図９と同様と考えても良い。
また、画像比較アルゴリズムとして、２次元画像の比較アルゴリズム、例えばファクシミリ等で使用されているＭＭＲ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ＲＥＡＤ）等やハッシュ関数等を使用してもよい。但し、この場合は材料画像がクリーナ４６を通過する前に欠陥判定が必須であるため、クリーナ４６の位置は吟味する必要がある。また、スライスデータがストレージに蓄積されていることで、廃棄した材料画像の元データであるスライスデータを比較的早く形成することができる。
【００４８】
（欠陥画像取得及びリカバリ処理のフローチャート３）
図１４に示すフローチャートに沿って、本実施形態の欠陥検出アルゴリズムを説明する。
ステップ３０１では、画像生成コントローラ１０にスライスデータを入力する。ステップ３０２では、スライスデータをラスタ画像に展開し、粒子像から材料画像を生成する。ステップ３０３では、材料画像をエリアセンサ５２で検出し取得する。ステップ３０４では、エリアセンサ５２で取得した画像と蓄積されたスライスデータを比較する。ステップ３０５では、比較結果が一致したか不一致であったかを判断する。ステップ３０５で一致したと判断した場合、ステップ３０６に進み積層工程に移行し、ステップ３０５で不一致であったと判断した場合、ステップ３０７に進む。
【００４９】
((画像欠陥判定３))
ステップ３０７では、不一致部が積層可能基準内であったかどうかを判断する。ステップ３０７で、不一致部が積層可能基準内であったと判断した場合は、ステップ３０６に進み積層工程に移行する。ステップ３０７で、不一致部が積層可能基準内でなかったと判断した場合は、ステップ３０８に進み該当材料画像を廃棄する。
その後、ステップ３０１に戻り、以上の工程を繰り返すことにより造形を行う。
【００５０】
本実施形態においても、材料画像に欠陥が生じた場合でも、積層不良を生じさせることなく造形を継続することが可能となる。したがって、造形物の品質を向上することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１…造形装置、３４…感光ドラム、４２…搬送体、４３…ヒータ板、４４…ラインセンサ、４５…照明光源、４６…クリーナ、４９…ステージ、５０…材料画像
【図１】
2018047606.tif 000003
【図２】
2018047606.tif 000004
【図３】
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【図４】
2018047606.tif 000006
【図５】
2018047606.tif 000007
【図６】
2018047606.tif 000008
【図７】
2018047606.tif 000009
【図８】
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【図９】
2018047606.tif 000011
【図１０】
2018047606.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2018047606.tif 000014
【図１３】
2018047606.tif 000015
【図１４】
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