(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を吐出する複数のノズルと、
複数の前記ノズルから液滴を吐出させるために内部の液を加圧変動させる、複数の前記ノズル毎に対応した圧力室と、
前記圧力室に液を供給する第１の共通流路と、
一端を前記圧力室に連通し、他端の中心と重なる位置に前記ノズルが設けられた、前記ノズル毎に対応した略円筒形の連通路と、
前記連通路の他端に設けられ液滴吐出方向と交差する方向に延長され前記連通路から液を排出する、前記ノズル毎に対応した循環路と、
前記循環路のそれぞれと連通し、前記連通路のそれぞれより液を回収する第２の共通流路と、を備え、
複数の前記ノズルそれぞれに対応する前記循環路同士は、吐出方向より見てそれぞれの前記ノズルから互いに異なる方向に設けられたことを特徴とする液滴吐出装置。      
【請求項２】
複数の前記ノズルのうち、隣接する着弾点に対して液滴を吐出する任意の２つの前記ノズルに対応する前記循環路同士は、吐出方向に見て異なる方向に延設され、かつ流路パラメータが互いに異なり、前記第２の共通流路に接続されることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
【請求項３】
前記流路パラメータは前記循環路の長さ、開口面積、高さ、幅のうち一つまたは複数であることを特徴とする請求項２に記載の液滴吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液滴吐出装置に関し、特に吐出ノズル近傍の液を循環させる循環路を備えた液滴吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、インクジェット記録ヘッドは高画質・高密度印字を実現するインクドロップの小滴化のため、ノズルをより小径化する方向に向かっている。また紙上での画質向上を目指すため高粘度のインクを吐出する要求が高くなってきている。
【０００３】
上記のようなインクの高粘度化やノズルの小径化が進むと、ノズル近傍でのインク乾燥速度も速くなり、印字するためには頻繁なメンテナンスが必要となってくる。
【０００４】
そこでノズル（ノズル近傍のインク）の乾燥を防ぐため、ノズルの極近傍にインクの循環路を設置し、非印字時もしくは印字時にインクをノズルの配列と直交する方向に流動するように循環させる構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
あるいはノズル近傍のインク循環経路に連通する共通液室の内圧を上下させ、吐出口の近傍に形成されるインクのメニスカス面を吐出口の略先端部から共通液室の略手前までの間で往復動させる構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
どちらの構成でもノズル部（ノズル近傍のインク）の乾燥を防ぐため、循環路を出来る限りノズルに近い位置に設置したほうが効果が高く、その一例としてノズルプレートの裏側に循環路が設置されている例がある。
【０００７】
しかし、ノズルに近い位置に循環路が設けられていると、インク滴吐出時に循環路へインクが流れる速度成分が発生し、その結果として循環路の存在がインク滴の吐出方向に影響を与えることが問題となっている。
【０００８】
上記の問題は循環路がノズル軸に対して吐出方向から見て１方向にしか存在していないため、インク滴吐出時にインク圧力が逃げる方向となり、インクの速度分布の対称性が崩れて循環路方向に偏ることでインク滴の吐出方向に影響し、印字方向不良を招いている。
【特許文献１】特開２００１−２０５８１４号公報
【特許文献２】特開２００２−２３４１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記の点を考慮し、簡単な構造でノズルの乾燥を防ぐことのできる液滴吐出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の液滴吐出装置は、液滴を吐出する複数のノズルと、複数の前記ノズルから液滴を吐出させるために内部の液を加圧変動させる、複数の前記ノズル毎に対応した圧力室と、前記圧力室に液を供給する第１の共通流路と、一端を前記圧力室に連通し、他端の中心と重なる位置に前記ノズルが設けられた、前記ノズル毎に対応した略円筒形の連通路と、前記連通路の他端に設けられ液滴吐出方向と交差する方向に延長され前記連通路から液を排出する、前記ノズル毎に対応した循環路と、前記循環路のそれぞれと連通し、前記連通路のそれぞれより液を回収する第２の共通流路と、を備え、複数の前記ノズルそれぞれに対応する前記循環路同士は、吐出方向より見てそれぞれの前記ノズルから互いに異なる方向に設けられたを特徴とする。
【００１１】
上記構成の発明では、循環路がノズル軸に対して複数方向に存在しているため、循環路の存在する特定の方向だけが吐出時に液圧力の逃げる方向とならず、速度分布の対称性が崩れて特定の方向に偏ることなく、印字ライン上での吐出方向不良による白筋等の画質欠陥や濃度ムラを防ぐことができる。また、隣接するドットを吐出するノズル同士の循環路は吐出方向から見て方向が違うので、隣接するドット同士が同じ方向に吐出方向ズレを起こさず、印字ライン上で白筋などの吐出方向不良発生を防ぐことができる。
【００１２】
請求項２に記載の液滴吐出ヘッドは、複数の前記ノズルのうち、隣接する着弾点に対して液滴を吐出する任意の２つの前記ノズルに対応する前記循環路同士は、吐出方向に見て異なる方向に延設され、かつ流路パラメータが互いに異なり、前記第２の共通流路に接続されることを特徴とする。
【００１５】
上記構成の発明では、隣接するドットを吐出するノズル同士の循環路の流路パラメータ（流路の長さ、開口面積、高さ、幅など）が違うので、隣接するドット同士が同じ方向に吐出方向ズレを起こさず、印字ライン上で白筋の発生を防ぐことができる。
【００１６】
請求項３に記載の液滴吐出装置は、前記流路パラメータは前記循環路の長さ、開口面積、高さ、幅のうち一つまたは複数であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は上記構成としたので、簡単な構造でノズルの乾燥を防ぎ、液滴の着弾位置ズレによる画像欠陥を抑えることのできる液滴吐出装置とすることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
＜画像形成装置概要＞
図１〜図３には本発明の第１形態に係る液滴吐出装置が示されている。
【００２６】
図１は本発明の第１形態に係る液滴吐出装置の構造を示す斜視図、図２は上面図、図３は断面図である。
【００２７】
図１、３に示すように液滴吐出装置１０は供給用共通流路１２から供給されるインクを圧力室１５に導入し、圧電素子１３にて圧力室１５を加圧することでインクを連通路１４内を圧送しノズル１６からインク滴として吐出させる。
【００２８】
連通路１４のノズル１６近傍には、吐出方向（図中上下方向）と直交する方向（図中水平方向）に循環路１８が設けられ、循環用共通流路２０と連通し、吐出されないインクを循環用共通流路２０に戻す。循環用共通流路２０内のインクは共通流路内を循環しながら再度液滴として吐出され、もしくは回収される。
【００２９】
図２に示すように個々の循環路１８は吐出方向から見てノズル１６近傍と循環用共通流路２０との間をそれぞれ異なった角度／形状で連通している。すなわち、連通路１４から循環路１８を経由して循環用共通流路２０へ至る経路の、液の流れる方向が隣接するノズル１６間では異なっている。任意のノズル１６間で上記の関係が成り立つので、ノズル１６に対する循環路１８の方向はランダマイズされている。これは物理的に隣接するノズル１６同士のみならず、隣接する着弾点（ドット）を形成するインク滴を吐出するノズル１６同士に於いても同様の関係となる。
【００３０】
すなわち図４に示すように、ノズル１６を複数設けられた吐出ヘッド１１が用紙Ｐの搬送幅方向に並んで配置されているとき、用紙Ｐ上の印字ライン２２を形成するドット３０Ａ〜３０Ｃを考える。ドット３０Ａを印字するノズル１６Ａとドット３０Ｂを印字するノズル１６Ｂとは隣接しているので、上記のように循環路１８は互いに異なる方向に配置されている。
【００３１】
また、ノズル１６Ｂと、ドット３０Ｃを印字するノズル１６Ｃとは別個の吐出ヘッド１１に設けられており、物理的に隣接していないが、ドット３０Ｂと３０Ｃとは印字ライン２２上で隣接しているので、これも上記のように循環路１８は互いに異なる方向に配置される。
【００３２】
＜循環路の角度と吐出方向＞
従来、図１４、１５に示すようにノズル１１６の極近傍にインクの循環路１１８を設置し、非印字時もしくは印字時に循環させる方法においては、ノズル１１６の乾燥を防ぐために設けられた循環路１１８を出来る限りノズル１１６に近い位置に設置したほうが効果が高く、その一例としてノズルプレート１１７の裏側に設置されている例がある。
【００３３】
しかし、図１５（Ａ）に示すようにノズル１１６に近い位置に循環路１１８があると、吐出時に図１５（Ｂ）に示すように循環路１１８へ流れる速度成分１１９が発生し、吐出方向に影響を与えている。すなわちノズル１１６のメニスカス周辺の液流は開放された循環路１１８方向へ向かうため、ノズル１１６における液圧力が吐出方向に対して対称性を失い、吐出方向が循環路１１８と反対方向にずれてしまう。
【００３４】
循環路１１８の方向がノズル１１６に対して常に一定の方向であればインク滴の着弾点も全て同じ方向にずれるので印字不良は原理的に発生しないが、近年の吐出ヘッドはノズル１１６をマトリックス配置し、かつ画質向上のため高密度化がなされているため、製造上や構成上、循環路１１８の方向・長さ等のパラメータを同一に揃えることはできない。
【００３５】
たとえば、図１６に示すような構成では、ノズル列単位や、ある程度のノズル領域を単位として、対称配置が不可欠となるため、対称線１２０を境にノズル１１６に対する循環路１１８の方向も対称となり、ずれた吐出方向も対称位置で差が大きくなり、筋ムラが発生する。
【００３６】
＜第１実施形態＞
図５には本発明の第１形態に係る液滴吐出装置の循環路における方向設定の例が示されている。
【００３７】
図５（Ａ）、（Ｃ）に示すように、本発明の第１実施形態では循環路１８の方向をランダマイズする方法は、循環路１８を構成するプレート１７（図３参照）ならびに循環路１８と循環用共通流路２０とをつなぐ流路プレートに、ノズル１６を中心として循環路１８の長さを半径に描いた円１９の半径方向に、循環路１８の延びる角度をランダムにパターンニングすることにより可能である。
【００３８】
これによりノズル１６を中心として、循環路１８の方向１８Ｄと対称の方向（直線15）にインク滴は吐出され、図５（Ｃ）に示す印字ライン中心２２Ａ上に着弾する。
【００３９】
しかし、前述の隣接するドット３０を描画するノズル１６同士の、循環路１８の角度差が大きいと、特に印字方向（用紙Ｐ搬送幅方向）に対して、ふたつの循環路１８の方向が対称に開いたとき、吐出角度差すなわち、ドット３０の印字ズレは最大になる。
【００４０】
図５（Ｂ）に示すように角度差が９０度など、上記のズレが大きすぎると、印字ライン２２上でインク滴が着弾しない線が用紙Ｐ送り方向に形成され、印字ライン２２同士の間に空白区間が形成されることで白スジ２４の発生となる。
【００４１】
よって、隣接するドット３０を描画するノズル１６同士の、循環路１８の角度差は、大きく変化せずに緩やかに変化する、もしくは、後述するように変化率は小さいままランダムに配置されることが望ましい。
【００４２】
循環路１８の方向１８Ｄの変化率としては、循環路１８の位置、循環量、循環路１８と連通路１４との流路パラメータ比、駆動波形、液滴吐出装置１０から用紙Ｐまでの距離、印字解像度によっても異なってくるが、循環路１８による着弾位置ズレが用紙Ｐ上で１５um以上起こる場合は、隣接するドット３０間の循環路１８の方向１８Ｄの角度は６０°以内、好ましくは３０°以内がよい。図１７に示すように、循環路１８の設置により１５μｍの着弾位置ズレが発生するイジェクタにおいて、隣接するドット３０間の循環路１８の方向１８Ｄの角度が３０度以下であれば官能評価の結果、白スジ２４の発生は目視で確認できないレベルとなる。
【００４３】
また、縞模様に対する人間の視覚特性から0.27cycle/mm以下、もしくは2.7cycle/mm以上の濃度周期変動は縞模様として認識されにくい。すなわち一般にばらつきが目立ちやすい画像濃度０．２〜０．３程度における濃度の振れ幅が十分に小さい（１０％程度）場合は、空間周波数が約０．２７（ｌｉｎｅ／ｍｍ）よりも低い、または約２．７（ｌｉｎｅ／ｍｍ）よりも高い場合には、濃度変動を人間の目では認識しにくくなることが知られているため（特開平６−１９２２２参照）、画像上最近接となるイジェクタ同士のノズル１６に対する循環路１８の角度はなだらかに変化し、画像並びで循環路１８の角度変化の周波数が、0.27cycle/mm以下、もしくは2.7cycle/mm以上になるように配置する。
【００４４】
図６には本発明の第１実施形態に係る液滴吐出装置の循環路における方向設定の例が示されている。
【００４５】
図６（Ａ）に示すように、本発明の第１実施形態ではインク滴の吐出方向ズレをランダマイズする方法として、循環路１８の方向を、角度の変化率は小さいままで角度そのものを所定の範囲内でランダムに配置する。
【００４６】
すなわち循環路１８の方向１８Ｄを、図６（Ａ）のようにランダムに配置するが、方向１８Ｄそのものは狭い角度範囲（例えば±４５度以内）に収める。これにより印字ライン２２を形成するドット３０の着弾点ズレは所定の変動幅内でランダムに変動するので、白スジ２４の発生を抑えることができる。
【００４７】
また、この方法では低周波の濃度周期発生が考えられるが、これに対しては駆動波形などの調整によってインク滴の滴速を変化させ、着弾位置をランダマイズすることで対応してもよい。
【００４８】
＜第２実施形態＞
図７には本発明の第２実施形態に係る液滴吐出装置の循環路における方向設定の例が示されている。
【００４９】
図７に示すように、本発明の第２実施形態ではインク滴の吐出方向ズレをランダマイズする方法は、循環路１８の方向変化ではなく、循環路１８の流路パラメータをランダムに変動させることで実現している。
【００５０】
すなわち循環路１８の流路パラメータである流路長さ、流路の開口面積（高さ、幅）などをランダムにパターニングすることにより、各循環路１８の方向１８Ｄはそのままで直線２１の長さ、すなわちノズル１６から吐出されるインク滴の着弾位置ズレ長さをランダムに変動させることができる。これにより印字ライン２２を形成するドット３０の着弾点ズレは方向のみ同じで、ズレ量が所定の変動幅内でランダムに変動するので、白スジ２４の発生を抑えることができる。
【００５１】
また上記第２実施形態は第１実施形態と併用してもよい。すなわち循環路１８の方向Ｄを所定の範囲内でランダムに角度変化させ、さらに循環路１８の流路パラメータをもランダムに変化させるようにしても効果が得られる。
【００５２】
＜第３実施形態＞
図８、９，１０には本発明の第３実施形態に係る液滴吐出装置の循環路における方向設定の例が示されている。
【００５３】
図８、９、１０に示すように、本発明の第３実施形態では循環路１８の延長方向がノズル１６面に入らないような位置に循環路１８を設けている。
【００５４】
液循環によるノズル１６近傍のインクの流れが、ノズル１６軸を中心とした円（連通路１４の内形）の接線方向になるように、すなわち吐出時の循環路１８へのインクの流れが、直接循環路１８の方向への成分ベクトルをもたないように設計することで、循環路１８による連通路１４内のインクの流れは、ノズル１６軸を中心とした渦状となり、ノズル１６軸半径方向への流速の非対称性変化を低減することで、インク滴吐出時の吐出方向不良を防止することができる。
【００５５】
図１０のように循環路１８がノズル１６に対して、ひとつ設けられた構成でも効果があるが、より好ましくは、循環路１８がノズル１６軸に対して対称となる位置に２つ以上設置することで、形状的にも対称性を保つことができるので、連通路１４内に発生するインク流にも対称性を持たせることができる。この循環路１８の構成を実現するためには、従来は隣接列用の循環用共通流路２０として使用している支流側、例えば図９の中央の連通路１４に対しては図中左右両側の循環用共通流路２０と連通し、両方に循環路１８が連結される構成とすることで上記の構成を実現することができる。
【００５６】
この構成とすることで、図１０に示すように循環路１８がひとつしか設けられていない構成と比較してノズル１６裏面近傍に死水域や遅水域が発生しにくい（連通路１４内部の全体に循環流を起こすことができる）。
【００５７】
また連通路１４内周の接線方向に配置することで、連通路１４から循環路１８へ向かうインクの流れはノズル１６中心軸に対称な連通路１４内周に沿った渦状となり、従来の半径方向へのインク流発生による吐出時の流れ偏りを低減することができる。
【００５８】
本実施形態に係る吐出装置の作製方法例としては、プレートの積層（従来の方法）で製造可能である。すなわち循環路１８にかかわる積層プレートを最低１枚追加することで、例えば図９に示すように連通路１４に繋がる循環路用プレート１７Ａを一枚追加すれば図８（Ｂ）の構造をもつ吐出装置とできる。また図９のように共通流路を区切りプレート１７Ｂで上下に分け、圧電素子１３側を供給用共通流路１２、ノズル１６側を循環用共通流路２０としてもよい。
【００５９】
＜第４実施形態＞
図１１〜１３には本発明の第４実施形態に係る液滴吐出装置の循環路における方向設定の例が示されている。
【００６０】
図１１に示すように、本発明の第４実施形態では循環路１８の延長方向がノズル１６面に入らないような位置に循環路１８を設け、かつ複数設けられた循環路１８の一方は連通路１４のノズル１６近傍にインクを供給する循環路１８Ａ、他方は連通路１４から循環用共通流路２０へインクを排出する循環路１８Ｂとしている。
【００６１】
上記構造とすることで、液循環によるノズル１６近傍のインクの流れが、ノズル１６軸を中心とした円（連通路１４の内形）の接線方向になるように、すなわち吐出時の循環路１８Ｂへのインクの流れが、直接循環路１８Ｂの方向への成分ベクトルをもたないように設計することができ、循環路１８Ａによる連通路１４内のインクの流れは、ノズル１６軸を中心とした渦状となり、ノズル１６軸半径方向への流速の非対称性変化を低減することで、インク滴吐出時の吐出方向不良を防止することができる。
【００６２】
循環路１８を吐出方向に異なる位置、すなわち連通路１４の長さ方向の異なる位置（高さ）に複数設置することで、図１１（Ｂ）に示すように循環路１８（Ａ）から１８（Ｂ）へそのままインク流（図中矢印）が発生せず、ノズル１６近傍の連通路１４内を一周したのち循環路１８（Ｂ）へと向かうインク流とすることができる。
【００６３】
また連通路１４内周の接線方向に配置することで、連通路１４から循環路１８へ向かうインクの流れはノズル１６中心軸に対称な連通路１４内周に沿った渦状となり、従来の半径方向へのインク流発生による吐出時の流れ偏りを低減することができる。
【００６４】
本実施形態に係る吐出装置の作製方法例としては、プレートの積層（従来の方法）で製造可能である。すなわち循環路１８にかかわる積層プレートを流入側１枚、回収側１枚追加することで、例えば図１２に示すように連通路１４に繋がる供給路用プレート１７Ａ、循環路用プレート１７Ｂを追加すれば図１１の構造をもつ吐出装置とできる。また供給用共通流路１２、循環用共通流路２０は、それぞれ横に並ぶように配置してもよい。さらに循環路１８Ａの流入側は、インクを供給する側の共通流路と同一の供給用共通流路１２を使用するようにしてもよい。
【００６５】
あるいは図１３に示すように循環路１８Ａと１８Ｂとを吐出方向から見て略同一方向に設けてもよい。この場合も循環路１８Ａと１８Ｂとは連通路１４の長さ方向の異なる位置（高さ）に複数設置することで、ノズル１６裏面近傍に死水域や遅水域が発生しにくく、かつインク滴吐出時の吐出方向不良を防止する構成とすることができる。
【００６６】
＜作用効果＞
本発明は上記構成としたので、以下のような優れた効果を有する。
【００６７】
すなわち、ノズル１６の乾燥防止のためノズル１６近傍に循環路１８を備えた液滴吐出装置１０において、インク滴吐出時に循環路１８へ液圧が逃げ、ノズル１６から吐出されるインク滴の吐出方向に影響する問題に対して、吐出方向から見た循環路１８の方向をノズルごとにランダムとする、あるいは循環路１８の流路パラメータをランダムとすることで吐出方向への影響をランダム化し、着弾地点のズレを目立たなくすることができる。
【００６８】
または１個のノズル１６に対して複数の循環路１８を設け、その延長線上にノズル１６を含まない配置とする、より好ましくは連通路１４の円周接線方向に配置することで、連通路１４から循環路１８へ向かうインクの流れは円周に沿った渦状の流れとなるため、連通路１４の半径方向へのインク流を防止することで吐出方向への影響を抑え、着弾地点のズレを抑えることができる。
【００６９】
＜その他＞
以上、本発明の実施例について記述したが、本発明は上記の実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは言うまでもない。
【００７０】
すなわち本実施形態では高粘度のインク滴を吐出するインクジェット記録ヘッドを液滴吐出装置の例に挙げたが、これに限定せず液滴を吐出する装置であれば例えばプリント基板のパターニング装置など、他の装置に応用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る液滴吐出装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る液滴吐出装置を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る液滴吐出装置を示す断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドを示す概念図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る液滴吐出装置の効果を示す概念図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る液滴吐出装置の効果を示す概念図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る液滴吐出装置の効果を示す概念図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る液滴吐出装置を示す斜視図および平面図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る液滴吐出装置を示す断面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る液滴吐出装置の変形例を示す平面図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る液滴吐出装置を示す斜視図および平面図である。
【図１２】本発明の第４実施形態に係る液滴吐出装置を示す断面図である。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る液滴吐出装置の変形例を示す平面図である。
【図１４】従来の液滴吐出装置を示す斜視図、平面図および断面図である。
【図１５】従来の液滴吐出装置を示す断面図である。
【図１６】従来の液滴吐出装置を示す平面図である。
【図１７】液滴吐出装置の隣接する循環路同士のなす角度と白スジ発生との関係を示す表である。
【符号の説明】
【００７２】
１０ 液滴吐出装置
１１   吐出ヘッド
１２   供給用共通流路
１３   圧電素子
１４   連通路
１５   圧力室
１６   ノズル
１７   プレート
１８   循環路
２０   循環用共通流路
２２   印字ライン
２４   白スジ
３０   ドット
Ｐ     用紙
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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