(57)【要約】【課題】定着ベルトのトナーを定着させる部分に、トナーが融解するために必要な熱を定着ベルトの表面から迅速に加えることにより、加熱に必要な電力を削減できる定着装置、当該装置を備えた画像形成装置を提供する。【解決手段】サーマルヘッド１５は、定着ベルト１１の移動方向Ｄに対して定着ニップ部Ｎより上流側所定距離に配設され、定着ベルト１１の裏面１１ａからではなく表面１１ｂから定着ベルト１１を加熱する。定着ベルト１１の加熱部分が定着ニップ部Ｎに到達する際に、この加熱部分はトナーを融解する所定温度以上（例えば、８０℃以上）となる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
定着ローラ及びテンションローラに巻き掛けられて回転駆動される無端状の定着ベルトと、前記定着ローラに対向し当該定着ベルトを介して前記定着ローラを圧接する加圧ローラと、前記定着ベルトを加熱する加熱装置とを備え、前記定着ローラと前記加圧ローラの間に形成された圧接箇所により形成される定着ニップ部に、トナー像が形成された記録媒体を通過させて、前記加熱された定着ベルトにより当該トナー像のトナー粉末を加熱、融解して当該記録媒体に定着する定着装置において、
前記加熱装置は、前記定着ベルトが移動する間に当該定着ベルトを所定温度以上に加熱する縦幅と当該定着ベルトの横幅に対応する横幅の加熱素子を有し、前記定着ベルトの移動方向に対して前記定着ニップ部より上流側所定距離に配設され、
さらに、前記加熱装置により加熱された前記定着ベルトの加熱部分が前記定着ニップ部に到達する際に前記トナー粉末を融解する所定温度以上とすることを特徴とする定着装置。
【請求項２】
前記加熱装置は、格子状に配設された加熱素子毎の加熱制御が可能なサーマルヘッドから構成され、
入力された印刷画像データに基づき前記記録媒体におけるトナー像が形成される領域幅を特定し、当該特定した領域幅に対応するサーマルヘッドの加熱素子のみをオンにする制御部を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の定着装置を備えた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、静電記録方式の画像形成装置に設けられた定着装置に係り、特に、無端ベルト方式の定着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な静電記録方式の画像形成装置は、トナー粉末（以下、トナーと略記する）を紙などの記録媒体に付着させた後、定着装置によって、記録媒体上のトナーを加熱、溶融し、記録媒体に定着させている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
図１０は、このような画像形成装置の構成を模式的に示す図である。
画像形成装置１００の中央部に設けられた露光装置１０１は、感光体ドラム１０２の表面に、ＰＣ等の外部装置から受信した印刷ジョブデータに含まれる印刷画像データに応じた静電潜像を形成する。現像装置１０３は、感光体ドラム１０２の表面に形成された静電潜像に、装置内のトナーを付着させることにより、静電潜像を現像する。また、転写装置１０４は、搬送路Ｓに沿って搬送された記録媒体に、感光体ドラム１０２の表面に形成されたトナー像を転写する。
【０００４】
定着装置１０５は、金属パイプから構成される加熱ローラ１０５ａ、同テンションローラ１０５ｂ、加熱ローラ１０５ａ及びテンションローラ１０５ｂに巻き掛けられて回転駆動される無端状の定着ベルト１０５ｃ、定着ベルト１０５ｃを介して加熱ローラ１０５ａを加圧する加圧ローラ１０５ｄ、加熱ローラ１０５ａを介して定着ベルト１０５ｃを加熱するヒータ１０５ｅを有する。ヒータ１０５ｅは、加熱ローラ１０５ａの内側に配設され、定着ベルト１０５ｃをトナーと接触しない裏面から加熱している。
【０００５】
前記トナー像が転写された記録媒体が、加熱ローラ１０５ａを介してヒータ１０５ｅにより加熱された定着ベルト１０５ｃと加圧ローラ１０５ｄとの間（定着ニップ部）を通過すると、定着ベルト１０５ｃの熱により、記録媒体上のトナーが加熱、溶融され、加圧ローラ１０５ｄにより当該記録媒体に加圧されて定着する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０７−３１４７５２号公報
【特許文献２】特開平１０−３０７４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、従来の定着装置の定着ベルトは、金属に比べて熱伝導率が非常に低いポリミド（ＰＩ：polyimide）又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＰ：polyethylene terephthalate）や、シリコーンゴム（Ｓｉゴム：silicone rubber）を主材料として構成されている。そして、従来の定着装置は、この定着ベルトの裏面から加熱してトナーと接触する定着ベルトの表面に熱を伝達させている。それ故、トナーが融解するだけの熱を定着ベルトの表面に加えるためには、加熱ローラ及び定着ベルトの全体を十分に加熱しなければならず、ヒータの消費電力が大きくなる。
また、定着ベルトの熱伝率が低いので定着ベルトの裏面から表面へ迅速に加熱することができない。
【０００８】
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、定着ベルトのトナーを定着させる部分に、トナーが融解するために必要な熱を定着ベルトの表面から迅速に加えることにより、加熱に必要な電力を削減できる定着装置、当該装置を備えた画像形成装置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】
【０００９】
第１の技術手段は、定着ローラ及びテンションローラに巻き掛けられて回転駆動される無端状の定着ベルトと、前記定着ローラに対向し当該定着ベルトを介して前記定着ローラを圧接する加圧ローラと、前記定着ベルトを加熱する加熱装置とを備え、前記定着ローラと前記加圧ローラの間に形成された圧接箇所により形成される定着ニップ部に、トナー像が形成された記録媒体を通過させて、前記加熱された定着ベルトにより当該トナー像のトナー粉末を加熱、融解して当該記録媒体に定着する定着装置において、前記加熱装置は、前記定着ベルトが移動する間に当該定着ベルトを所定温度以上に加熱する縦幅と当該定着ベルトの横幅に対応する横幅の加熱素子を有し、前記定着ベルトの移動方向に対して前記定着ニップ部より上流側所定距離に配設され、さらに、前記加熱装置により加熱された前記定着ベルトの加熱部分が前記定着ニップ部に到達する際に前記トナー粉末を融解する所定温度以上とすることを特徴とする定着装置である。
【００１０】
第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記加熱装置は、格子状に配設された加熱素子毎の加熱制御が可能なサーマルヘッドから構成され、入力された印刷画像データに基づき前記記録媒体におけるトナー像が形成される領域幅を特定し、当該特定した領域幅に対応するサーマルヘッドの加熱素子のみをオンにする制御部を備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
第３の技術手段は、第１又は第２の技術手段の定着装置を備えたことを特徴とする画像形成装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、加熱装置が定着ベルトを裏面ではなく表面から加熱するので、トナーが融解するために必要な熱を定着ベルトの表面に迅速に加えることができる。また、加熱に必要な電力を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】定着ベルトの断面図である。
【図２】定着ベルトの各材料の物性諸元を示す図である。
【図３】定着ベルトを加熱している状態を示す図である。
【図４】Ｓｉゴムベルトの熱応答を示す図である。
【図５】本発明に係る定着装置の構成図である。
【図６】定着ベルトにおける温度変化を説明する図である。
【図７】定着ベルトにおける温度変化を説明する他の図である。
【図８】サーマルヘッドの制御を説明する図である。
【図９】定着ベルトにおける温度変化を説明する他の図である。
【図１０】従来の画像形成装置の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施例１）
本発明について説明する前に、従来技術で説明した定着装置の問題点について考察する。
図１は、一般的な定着装置に設けられている定着ベルトの断面図である。図１に示すように、定着ベルトは、基材材料のＰＩ又はＰＥＴＰの上に、弾性層材料のＳｉゴムを重ね、さらに、その上に、離型層材料の四フッ化エチレン・パーフルオロビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）を重ねたシートから構成される。なお、以下の説明では、離型層材料のＰＦＡ側がトナーと接触する定着ベルトの表面として、基材材料のＰＩ又はＰＥＴＰ側が定着ベルトの裏面として説明する。
【００１５】
図２は、各材料の物性諸元を示す図である。
図２に示すように、各材料の物性値は互いに近似しているので、以下の考察では、定着ベルトは、弾性層材料のＳｉゴムのみから構成されているものと仮定する。
【００１６】
図３、図４を用いて、定着ベルトの熱応答を考察する。
図３は、定着ベルトを加熱素子（ヒータ）により加熱している状態を示す図である。図３に示すように、ベルトの下側（裏面）を加熱素子で加熱した場合、加熱境界面Ｆからの長さＸ（ベルトの厚み方向長Ｘ）における温度θ（ｘ，ｔ）は、（式１）で示す熱伝導系の一般式となる。（式１）のerfはいわゆる誤差関数で、θ０は加熱面温度を示す。なお、加熱境界面Ｆの加熱温度は一定である。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
図４は、厚みが１２μｍ、１００μｍ、２００μｍのＳｉゴムベルト（加熱境界面Ｆからの厚み方向長Ｘが１２μｍ、１００μｍ、２００μｍ）における熱応答を（式１）を用いて試算した結果を示すグラフである。このグラフの縦軸は正規化温度を示し、横軸は時間を示す。ここで正規化温度とは、加熱境界面Ｆからの厚み方向長Ｘの位置における温度を、加熱面温度θ０に対する割合で示したものである。
【００１９】
このグラフから、加熱素子によりＳｉゴムベルトの下側（裏面）を加熱面温度θ０で加熱してから約５００ｍｓ経過時に、加熱境界面Ｆからの厚み方向長２００μｍにおける温度は正規化温度０.５８（加熱面温度θ０×０.５８）に到達することがわかる。このように、加熱境界面Ｆからの厚み方向長Ｘが２００μｍを超えると、加熱境界面Ｆの加熱面温度θ０の６０%以下しか加熱することができない。
【００２０】
以上の説明から、１００〜３００μｍ前後の厚みの定着ベルトを、加熱ローラを介して裏面から加熱する場合、トナーが融解するだけの熱を定着ベルトの表面に供給するためには、加熱ローラ及び定着ベルトの裏面を十分に加熱しなければならないことがわかる。さらに、定着ベルトの表面の温度がトナー融解温度に到達するまでに相当の時間がかかることがわかる。したがって、加熱素子の消費電力が大きくなる。また、迅速に定着ベルトを加熱することが困難になる。
【００２１】
そこで、本発明に係る定着装置は、定着ベルトを裏面から加熱するのではなく、表面から加熱するものである。
図５は、画像形成装置に設けられる本発明に係る定着装置１の構成図である。
定着装置１は、無端状の定着ベルト１１を巻き掛けかけて回転駆動する定着ローラ１２、同テンションローラ１３、定着ローラ１２に対向し定着ベルト１１を介して定着ローラ１２を圧接する加圧ローラ１４、定着ベルト１１を加熱するサーマルヘッド（加熱装置）１５から構成される。制御部１６は、サーマルヘッド１５の動作制御を行う。Ｔは、記録媒体（図示しない）上のトナーである。定着ベルト１１は、矢印Ｄ方向に移動する。なお、定着ベルト１１は、図１に示したような、基材材料のＰＩ又はＰＥＴＰの上に、弾性層材料のＳｉゴムを重ね、さらに、その上に、離型層材料のＰＦＡを重ねたシートから構成される通常用いられている定着ベルトである。
【００２２】
定着ニップ部Ｎは、定着ローラ１２と加圧ローラ１４の間に形成された圧接箇所により形成される。
【００２３】
サーマルヘッド１５は、定着ベルト１１がサーマルヘッド１５の端面加熱部１５ａと対向する部分を移動する間に定着ベルト１１の表面１１ｂを所定温度以上に加熱する縦幅と、定着ベルト１１の横幅に対応する横幅の加熱素子を有する。なお、前記所定温度とは、例えば、３００℃である。
【００２４】
また、サーマルヘッド１５は、定着ベルト１１の移動方向Ｄに対して定着ニップ部Ｎより上流側所定距離に配設され、定着ベルト１１の裏面１１ａからではなく表面１１ｂから定着ベルト１１を加熱する。なお、配設位置については後述する。
【００２５】
制御部１６の制御により、サーマルヘッド１５の端面加熱部１５ａが発熱し、定着ベルト１１の表面１１ｂを加熱する。
定着装置１は、定着ニップ部Ｎに、トナー像が形成された記録媒体（図示しない）を通過させて、加熱された定着ベルト１１により当該トナー像のトナーＴを加熱、融解する。そして、加圧ローラ１４がこのトナーＴを加圧して記録媒体に定着する。
【００２６】
ｔｃは、サーマルヘッド１５により定着ベルト１１の表面１１ｂが加熱されてから、当該加熱された部分が定着ニップ部Ｎに到達するまでの移動時間を示す。詳細については、後述する。
【００２７】
トナーの融解温度（トナー定着温度）は、一般的に８０〜１００℃であり、このようなトナーを融解させ記録媒体に定着させるには、定着ニップ部Ｎにおける定着ベルトの温度は、表面（加熱される面）において融解温度８０℃以上、好ましくは１００℃以上であることが必要である。
【００２８】
以下に、サーマルヘッド１５で加熱された定着ベルト１１の加熱部分が、サーマルヘッド１５の加熱領域（サーマルヘッド１５の端面加熱部１５ａと対向する部分）を離れて矢印Ｄ方向に移動している間の、当該加熱部分の温度変化を考察する。ここでは、定着ベルトは２００μｍの厚みを有し、定着ベルトの表面がサーマルヘッド１５の端面加熱部１５ａにより約３００に加熱されるものとする。
【００２９】
図６は、サーマルヘッド１５で加熱された定着ベルト１１の加熱部分が、サーマルヘッド１５の加熱領域を離れて（加熱開始）から０ms、２ms、５ms、１０ms、２０ms、５０ms、１００ms、５００ms経過後の、加熱境界面Ｆ（表面１１ｂ）からの厚み方向長Ｘの位置における温度変化を（式１）を用いて試算（１次元熱拡散状態を試算）した結果を示すグラフである。このグラフの横軸は加熱境界面Ｆからの厚み方向長Ｘの位置を示し、縦軸はこの位置におけるＳｉゴムの温度を示す。
【００３０】
図６に示したグラフからもわかるように、加熱後５０ｍｓを経過すると、厚み方向長Ｘのどの位置でも、当該位置における温度が最適トナー融解温度である１００℃よりも低くなることがわかる。
【００３１】
以上より、サーマルヘッド１５が定着ベルト１１の表面１１ｂを加熱してから、定着ベルト１１のこの加熱部分が定着ニップ部Ｎに到達するまでの移動時間ｔｃ（図５参照）が５０ｍｓ以下好ましくは２０ｍｓ以下であれば、定着ベルト１１の前記加熱部分の温度がトナー融解温度よりも高い状態で定着ニップ部Ｎに到達し、トナーが十分に融解することがわかる。また、このとき、厚み方向長Ｘ≦５０μｍの位置における温度は８０℃以上に保たれており、熱拡散による定着ベルトの表面温度低下を抑制して良好な定着が達成できることがわかる。
【００３２】
次に、図５に示した定着装置１の詳細について説明する。
定着ベルト１１は、４００mm/sの速度（プロセス速度）で移動し、周回時間は０．５３secである。また、定着ベルト１１は、３層構造であり、前述のように、基材として厚さ５０μｍのＰＩ、弾性層として厚さ１５０μｍのＳｉゴム（硬度  JIS-A  ３０度）、離型層として厚さ２０μｍのＰＦＡから構成される。
【００３３】
定着ローラ１２、加圧ローラ１４は、直径２８mm、肉厚２mmのアルミパイプの外側を厚さ５mmのＳｉゴムで被覆した直径３８ｍｍのゴムローラで構成している。テンションローラ１３は、外径３８mmの肉厚３mmアルミパイプで構成されている。架張ローラ軸間距離は４５mmである。
【００３４】
定着ローラ１２、加圧ローラ１４による定着荷重は２０kgf（ニップ圧力  1.27kgf/cm2）、定着ニップ領域は横幅５mm、縦幅３１５mmの長方形領域である。
【００３５】
前述したように、サーマルヘッド１５は、定着ベルト１１の移動方向Ｄに対して定着ニップ部Ｎより上流側所定距離に配設されているが、この所定距離は、ここでは、サーマルヘッド１５の端面加熱部１５ａと定着ニップ部Ｎ入り口との距離を示す。そして、この所定距離は、例えば、５．０mmである。なお、サーマルヘッド１５の端面加熱部１５ａと定着ニップ部Ｎとの角度は１５度である。
【００３６】
定着ベルト１１が前記距離（５．０mm）を移動する時間ｔｃは、１２．５ms（５．０／４００＝０.０１２５）である。このように、サーマルヘッド１５は、定着ベルトの加熱部分がトナー融解温度を保持したまま２０ms以内に、定着ニップ部Ｎに到達する位置に配設されている。
【００３７】
サーマルヘッド１５は、裏面の面取りが施された端部に加熱部１５ａを配置する、厚さ１mm、３００ＤＰＩの端面型サーマルヘッドである。
サーマルヘッド１５の横幅は、定着ローラ１２の軸方向の長さ（記録媒体の最大横幅）と略同一の長さである。また、縦幅は、定着ベルト１１がサーマルヘッド１５の端面加熱部１５ａと対向する部分（加熱領域）を移動する間に定着ベルト１１の表面１１ｂを所定温度（例えば３００℃）以上に加熱する長さ、例えば、１．０ｍｍである。サーマルヘッド１５の端面加熱部１５ａにより加熱された定着ベルト１１の加熱部分が定着ニップ部Ｎに到達する際に、この加熱部分はトナーを融解する所定温度以上（例えば、８０℃以上）となっている。
【００３８】
このような端面型サーマルヘッドを使用することにより、定着ニップ部近傍への高密度実装が可能となり、加熱終端部−定着ニップ部間距離、及び、移動時間の短縮を図ることができる。なお、トナー像の作像系は１２００ＤＰＩで構成されている。
【００３９】
図７は、図６に相当するグラフで、サーマルヘッド１５で加熱された定着ベルト１１の加熱部分が、サーマルヘッド１５の加熱領域を離れて（加熱開始）から０ms、１２．５ms経過した場合の、表面温度変化、及び、表面１１ｂから厚み方向長Ｘの位置における温度変化を示したグラフである。
【００４０】
図からも明らかなように、サーマルヘッド１５が定着ベルト１１の表面１１ｂを加熱してからこの加熱部分が定着ニップ部Ｎに到達するとき（経過時間１２．５ms）の当該加熱部分の温度は１４３℃であり、トナーＴを融解するのに十分な温度が保持されている。
【００４１】
このように定着ベルトのトナーを定着させる部分にのみトナーが融解するために必要な熱を定着ベルトの表面から加えるので、加熱温度が低くて済む。また、トナー定着温度まで瞬時に加熱することができ、定着ベルトの予熱処理が不要になる。
従来技術では定着ベルトをトナー定着温度まで加熱するのに、９００Ｗ必要であったが、本願発明によれば、６００Ｗで済み、消費電力を削減できる。
【００４２】
さらに、加熱温度の低減によるベルトの高信頼化、長寿命化が可能となる。また、定着ベルトを採用することにより、加圧ローラ方式に比べてニップ長を容易に長くすることできる。また、定着部材の熱容量を小さくすることができる。
【００４３】
（実施例２）
他にも以下に説明する方法を用いて消費電力を削減することができる。
図８（Ａ）は、格子状（ブロック）に配設された加熱素子毎の加熱制御が可能なサーマルヘッド１５の端面加熱部１５ａを模式的に示す図で、端面加熱部１５ａの各ブロックＢに対応して加熱素子が設けられているものとする。制御部１６は、各ブロックＢに設けられた加熱素子の加熱制御（発熱制御）を個別に行うことができる。
【００４４】
図８（Ｂ）は、記録媒体５０上に形成されたトナー像５１を模式的に示す図である。この記録媒体５０が定着ニップ部Ｎを通過すると、トナー像５１のトナーが記録媒体５０に定着される。
【００４５】
制御部１６は、記録媒体５０上に形成されたトナー像５１に対応するサーマルヘッド１５の端面加熱部１５ａのブロックＢ１に設けられた加熱素子のみオンにし、トナー像５１に対応しないサーマルヘッド１５の端面加熱部１５ａのブロックＢ２に設けられた加熱素子についてはオフにする。
【００４６】
具体的には、制御部１６は、入力された、トナー像５１に対応する印刷画像データ（当該印刷画像データに基づきトナー像５１が形成される）に基づき、記録媒体５０におけるトナー像５１が形成される領域幅を特定する。そして、この特定した領域幅に対応するサーマルヘッド１５のブロックＢ１に設けられた加熱素子のみをオンにして、その他のブロックＢ２に設けられた加熱素子についてはオフにする。
【００４７】
加熱制御の方法としては他にも以下に説明する方法がある。例えば３００DPIのヘッドを７５DPIでブロック化し、トナー像５１が形成される範囲がこのブロックに含まれていればこのブロックに対してフラグ１を設定する。一方、前記範囲がブロックに含まれていなければこのブロックに対してフラグ０を設定する。そして、図８（Ｃ）に示すように、着目ブロックの左右、前後、斜めの隣接１ブロックにフラグ１のブロックが少なくとも１つ以上ある場合には、この着目ブロックに設けられた加熱素子をオンにする。一方、前記フラグ１のブロックがない場合には、この着目ブロックに設けられた加熱素子をオフにする制御を行い、消費電力の低減を図ってもよい。
【００４８】
このようにすることで、加熱素子制御系の回路ボリューム、制御データボリューム等を低減できる。また、細線、孤立ドットなどカバレッジ（印字領域）の低い印刷画像でも適正な温度で定着ベルト１１を加熱することができ、安定した定着が可能となる（熱的解像度不足による温度不足を回避できる）。また用紙搬送などによるトナー画像と加熱部分の位置のズレ（レジストレーション）をブロック化・隣接ブロック参照により吸収できる。
【００４９】
他にも、定着ローラ１２等のローラに形成されている弾性層に弾性フォーム材を用いて熱効率の改善を図ってもよい。
【００５０】
なお、図２で示したＳｉゴムとは異なる物性を有するＳｉゴム（Ｎｏ２）を用いて、図６で説明した温度変化について説明する。図９（Ａ）は、Ｓｉゴム（Ｎｏ２）の物性諸元を示す図、図９（Ｂ）は、図６（Ｂ）に相当するグラフである。このように、異なる物性を有するＳｉゴムを用いても、図６に示した温度挙動と同様の温度挙動を示す。
【００５１】
以上より、図６（Ａ）に示した物性を有するＳｉゴムであっても、図９（Ａ）に示した物性を有するＳｉゴムであっても、Ｓｉゴムの表面を３００℃で加熱してから２０ｍｓを経過するまでは、Ｓｉゴムの加熱部分は、８０℃以上に保たれることがわかる。
【符号の説明】
【００５２】
１…定着装置、１１…定着ベルト、１１ａ…裏面、１１ｂ…表面、１２…定着ローラ、１３…テンションローラ、１４…加圧ローラ、１５…サーマルヘッド、１５ａ…端面加熱部、１６…制御部、５０…記録媒体、５１…トナー像、１００…画像形成装置、１０１…露光装置、１０２…感光体ドラム、１０３…現像装置、１０４…転写装置、１０５…定着装置、１０５ａ…加熱ローラ、１０５ｂ…テンションローラ、１０５ｃ…定着ベルト、１０５ｄ…加圧ローラ、１０５ｅ…ヒータ。
【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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【図１０】
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