(57)【要約】【課題】本発明の目的は、従来の技術を更に発展させたものであり、熱源にハロゲンヒーターや赤外線ヒーターを用いることなく、記録材のトナー像を加熱して省エネルギー化を図るとともに、加熱された記録材を急冷して画質の向上を図ることである。【解決手段】記録材のトナー像を加熱する加熱ローラ１１と、加熱後の記録材を冷却する冷却器１６と、を有する画像加熱装置であって、冷媒を圧縮機５１、凝縮器５２、膨張弁５３、蒸発器５４に循環させながら凝縮器５２及び蒸発器５４にて熱交換を行うヒートポンプ５０を有し、凝縮器５２を加熱ローラ１１に用いて、圧縮機５１にて圧縮して高温にした冷媒を加熱ローラ１１に循環させて熱交換を行い、蒸発器５４を冷却器１６に用いて、膨張弁５３にて膨張させて低温にした冷媒を冷却器１６に循環させて熱交換を行う。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
記録材のトナー像を加熱するエンドレスベルトと、前記ベルトを加熱する加熱手段と、前記ベルトと共に移動する加熱後の記録材を冷却する冷却手段と、を有する画像加熱装置であって、
冷媒を圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器に循環させながら前記凝縮器及び前記蒸発器にて熱交換を行うヒートポンプを有し、前記凝縮器を前記加熱手段に用いて、前記圧縮機にて圧縮して高温にした冷媒を前記加熱手段に循環させて熱交換を行い、前記蒸発器を前記冷却手段に用いて、前記膨張弁にて膨張させて低温にした冷媒を前記冷却手段に循環させて熱交換を行うことを特徴とする画像加熱装置。
【請求項２】
前記エンドレスベルトで記録材を加熱する前に前記記録材を予備加熱する予備加熱手段を有し、前記加熱手段に循環させた冷媒を更に前記予備加熱手段に循環させて熱交換を行うことを特徴とする請求項１に記載の画像加熱装置。
【請求項３】
前記冷却手段に循環させる冷媒は、前記加熱手段に近い側から循環させることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、記録材のトナー像を加熱する画像加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カラー画像を形成する電子写真方式の画像形成装置は、デジタルスチルカメラの画像出力用として使用されることも増えてきている。このことから、カラー画像を形成する電子写真方式の画像形成装置は、銀塩写真に匹敵するような光沢性に優れたカラー画像が出力できるものが要求されるようになっている。
【０００３】
従来においても、光沢性に優れたカラー画像が得られる画像形成方法の提案がされている。例えば、特許文献１に記載の画像形成方法では、熱源を有する加熱ロール下を移動する耐熱ベルトにより、記録材を搬送しながら、記録材のトナー像を加熱して溶融させ、次いで冷却して固着させることで、光沢性に優れた画像を得られるようにしている。
【０００４】
このような方式を採用して光沢性に優れた画像を得られるようにしている画像形成装置として、特許文献２や特許文献３に、以下のような構成が開示されている。即ち、前記ベルトを用いた第２の画像加熱装置を、記録材の未定着トナー像を加熱する第１の画像加熱装置とは別に設けて、第１の画像加熱装置で加熱された記録材を第２の画像加熱装置で再度加熱することで光沢性に優れた画像を得られるようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２１６３２２号公報
【特許文献２】特開２００４−１５１２０１号公報
【特許文献３】特開２００３−５５４５号公報
【特許文献４】特開昭６１−１２２４６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、産業界全体の問題として地球温暖化対策があり、機器の省エネルギー化の推進が図られている。そうした中で、ヒートポンプを使用した家電製品も発表されている。このヒートポンプの技術は、冷媒を圧縮、凝縮、膨張、蒸発させながら循環させて熱交換を行う技術であり、特許文献４にも開示されているように既知の技術である。
【０００７】
ところで、前述した従来の画像加熱装置は、加熱部材の熱源として、ハロゲンヒーターや赤外線ヒータを用いている。このハロゲンヒーターや赤外線ヒーターは、電流を流すことで得られるジュール熱によって発熱をしているので、一般的に熱変換効率があまり良くなく、省エネルギー化を図るには困難である。
【０００８】
また、加熱された記録材は、自然冷却又は冷却ファンを用いて冷却されるが、その冷却速度が遅いとトナーに含まれているワックス等が画像面に浮き出て、曇る等の画質低下の原因になってしまう。
【０００９】
本発明の目的は、従来の技術を更に発展させたものであり、熱源にハロゲンヒーターや赤外線ヒーターを用いることなく、記録材のトナー像を加熱して省エネルギー化を図るとともに、加熱された記録材を急冷して画質の向上を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明は、記録材のトナー像を加熱するエンドレスベルトと、前記ベルトを加熱する加熱手段と、前記ベルトと共に移動する加熱後の記録材を冷却する冷却手段と、を有する画像加熱装置であって、冷媒を圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器に循環させながら前記凝縮器及び前記蒸発器にて熱交換を行うヒートポンプを有し、前記凝縮器を前記加熱手段に用いて、前記圧縮機にて圧縮して高温にした冷媒を前記加熱手段に循環させて熱交換を行い、前記蒸発器を前記冷却手段に用いて、前記膨張弁にて膨張させて低温にした冷媒を前記冷却手段に循環させて熱交換を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、前述の如く循環される冷媒は、圧縮して高温にして加熱手段に送られ、加熱手段にて記録材を加熱し、その後膨張されて低温にして冷却手段に送られ、冷却手段にて記録材を冷却し、その後再び圧縮して高温にして加熱手段に送られる。これにより、熱源にハロゲンヒーターや赤外線ヒーターを用いることなく、記録材のトナー像を加熱して省エネルギー化が図れるとともに、加熱された記録材を急冷して画質の向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。従って、特に特定的な記載がない限りは、本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。
【００１３】
まず、図１を用いて、シート処理装置を備えた画像形成装置の概略構成について説明する。図１はシート処理装置を備えた画像形成装置の一例を示す模式断面図である。
【００１４】
図１に示す画像形成装置は、本実施の形態に係る画像加熱装置を有するシート処理装置１が画像形成装置本体２００に接続されたカラー画像形成装置（カラー複写機）である。
【００１５】
画像形成装置本体２００は、原稿載置台２０６、光源２０７、給送部２０９、画像形成部２０２等を備えている。給送部２０９は、記録材Ｓを収容して装置本体２００に着脱自在なカセット２１０及び手差しカセット２１２を有している。このカセット２１０及び手差しカセット２１２から記録材Ｓが選択的に供給される。画像形成部２０２には、円筒状の感光ドラム２１３、１次帯電器２１４、トナーカートリッジと一体となった複数（ここでは４つ）の現像器２１５を内蔵したロータリ現像器２０１がそれぞれ配設されている。また画像形成部２０２には、４色のトナー像を重ねて転写作像した後、記録材Ｓへ多色画像を転写する無端円環状の転写ベルト２１７、転写ベルト２１７から記録材Ｓへトナー画像を転写する２次転写ローラ２１９が配設されている。さらに画像形成部２０２には、感光ドラム２１３上の残トナーをクリーニングするドラムクリーナ２１８が配設されている。
【００１６】
画像形成部２０２の上流側には、記録材Ｓの姿勢位置精度を高め、転写ベルト２１７上のトナー像に合わせて記録材Ｓをタイミングよく送り出すレジストローラ２２１が配設されている。また、画像形成部２０２の下流側には、トナー像が転写された記録材Ｓを搬送する搬送装置２２２、記録材Ｓ上の未定着トナー像を加熱定着する第１定着装置２０４等が配設されている。
【００１７】
次に上記構成の画像形成装置の動作を説明する。
【００１８】
装置本体２００に設けられている制御装置（不図示）から給送信号が出力されると、カセット２１０または手差しカセット２１２から記録材Ｓが選択的に供給される。一方、光源２０７から原稿載置台２０６上の原稿に当てられて反射した光は、ＣＣＤユニット２０７ａにより読み取られた後、電気信号に変換されレーザースキャナーユニット２０８からのレーザー光に置換されて感光ドラム２１３上に照射される。感光ドラム２１３は、予め一次帯電器２１４により帯電されており、光が照射されることにより静電潜像が形成される。静電潜像が形成された感光ドラム２１３は、ロータリ現像器２０１内に配された複数の現像器２１５により、選択された色のトナー像が形成される。
【００１９】
感光ドラム上２１３に形成されたトナー像は転写位置で転写ベルト２１７上に転写される。転写されたトナー像は、カラーモードの場合には次のトナー像が形成転写されるよう転写ベルト２１７を更に１回転する。この間、ロータリ現像器２０１は次の指定カラーの現像器を感光ドラム２１３に対向するよう矢印Ａ方向に回転し、次の静電潜像を現像する準備をする。こうしてフルカラーモードでは各色のトナー画像が転写されるまで、前述した画像形成プロセスを繰り返す。
【００２０】
ところで、給送部２０９から給送された記録材Ｓはレジストローラ２２１で斜行が補正され、さらにタイミングが合わされて画像形成部２０２へ送られる。そして、記録材Ｓは、画像形成部２０２にて２次転写ローラ２１９によりトナー像が転写される。トナー像が転写された記録材Ｓは、搬送装置２２２により第１定着装置２０４に搬送されて、定着装置２０４の熱と圧力により記録材Ｓに未定着トナー像が定着される。画像が定着された記録材Ｓは排出ローラ２０５により画像形成装置本体２００から排出され、シート処理装置１に受け渡される。
【００２１】
次に図２を用いて、画像形成装置本体２００に接続されたシート処理装置１について説明する。図２はシート処理装置１の概略構成を示す模式断面図である。
【００２２】
図２に示すように、シート処理装置１の上部には、画像形成装置本体２００より記録材Ｓを受け取り搬送する上部搬送パス２、光沢処理又は非光沢処理を選択して搬送パスを切り替える第１分岐部３が設けられている。また、非光沢処理が選択された場合に記録材Ｓをそのまま排出する第１排出搬送パス４が設けられている。
【００２３】
さらにシート処理装置１には、光沢処理が選択された場合に第２定着装置５へと記録材Ｓを搬送する定着前搬送パス６、第１定着装置２０４で加熱された記録材のトナー像を再度加熱定着する第２定着装置５が設けられている。
【００２４】
この第２定着装置５は、記録材Ｓのトナー像を加熱するエンドレスベルトである定着ベルト１４と、前記ベルト１４を加熱する加熱手段である加熱ローラ１１を有する画像加熱装置である。また第２定着装置５は、前記ベルト１４と共に移動する加熱後の記録材Ｓを冷却する冷却手段である冷却器１６を有している。冷却器１６は、加熱ローラ１１より記録材の搬送方向下流側に設けられている。さらに第２定着装置５は、前記ベルト１４で記録材Ｓを加熱する前に前記記録材Ｓを予備加熱する予備加熱手段である予備加熱ローラ１７を有している。予備加熱ローラ１７は、加熱ローラ１１より記録材の搬送方向上流側に設けられている。定着ベルト１４は、駆動源（不図示）により駆動されて回転する加熱ローラ１１と剥離ローラ１２と張架ローラ１３に架け渡されて矢印Ｂ方向に循環移動する。定着ベルト１４を挟んで加熱ローラ１１の対向位置には、加熱ローラ１１を加圧して駆動源（不図示）により駆動されて回転する加圧ローラ１５が設けられている。
【００２５】
第２定着装置の下流側には、定着後の記録材Ｓを略Ｕ字状に搬送する定着後搬送パス７、記録材Ｓを所定の大きさに裁断するカッターユニット８が設けられている。定着装置５とカッターユニット８との間の定着後搬送パス７には、インクリボンを使用して記録材Ｓの裏面に日付やシリアルナンバーなどの情報を記録する記録装置９が設けられている。カッターユニット８は、記録材Ｓを所定の長さに裁断する縦カッター８ａと、所定の幅に裁断するロータリーカッター８ｂで構成されている。このカッターユニット８の下には記録材Ｓを裁断した屑を収納するゴミ箱１９が設けられている。
【００２６】
カッターユニット８の下流には、裁断した記録材Ｓを排出部に搬送する第２排出搬送パス２６、排出部に搬送パスを切り替える第２分岐部２５が設けられている。排出部には定着搬送されてきた記録材Ｓをスタックしておく排出トレイ１８が構成されている。
【００２７】
また、カッターユニット８のゴミ箱１９の下には、冷媒を圧縮、凝縮、膨張、蒸発させながら循環させて熱交換を行うヒートポンプ５０が配置されている。このヒートポンプ５０については後で詳しく説明する。
【００２８】
次に、上記構成のシート処理装置１の動作について説明する。
【００２９】
非光沢処理が選択された場合は、画像形成装置本体２００にて画像が形成された記録材Ｓがシート処理装置１に送り込まれると、第１分岐部３により上部に設けられた第１排出搬送パス４へ送られ、そのまま排出トレイ１８上に排出される。
【００３０】
一方、高光沢処理が選択された場合は、まず画像形成装置本体２００にて画像が形成された記録材Ｓは上部搬送パス２を通って分岐部３により分岐され、下部に設けられた定着前搬送パス６を通じて第２定着装置５に搬送される。
【００３１】
第２定着装置５に搬送された記録材Ｓは、その画像面（トナー像面）が定着ベルト１４に密着されるように加圧ローラ１５と加熱ローラ１１で挟み、第１定着装置２０４で加熱されたトナー像を再度加熱し、溶融させて加圧する。
【００３２】
そして、記録材Ｓを定着ベルト１４に密着させたまま搬送し、冷却器１６でトナー像を冷却して固化し、剥離ローラ１２の曲率により記録材Ｓの腰を利用して、定着ベルト１４から記録材Ｓを剥離する。
【００３３】
第２定着装置２による定着後、記録材Ｓは定着後搬送パス７を通って記録装置９へ搬送される。この記録装置９はインクリボンを使用して記録材Ｓの裏面に日付やシリアルナンバーなどの情報を記録する。
【００３４】
次に記録材Ｓはカッターユニット８へ搬送される。カッターユニット８では、先端検知センサ２１が記録材Ｓを検知すると、記録材Ｓがレジストローラ２３でループを形成するように所定の距離だけ搬送され、記録材Ｓの搬送を停止する。その後、記録材は整列性を保ちながら再び搬送される。そして、先端検知センサ２２が記録材Ｓの先端を検知すると、記録材Ｓは裁断するサイズに合わせて所定の距離搬送される。
【００３５】
記録材が所定の距離搬送されると、縦カッター８ａにより記録材Ｓが所定の位置で裁断される。さらに、記録材Ｓは裁断するサイズに合わせて所定の距離搬送され、所定の位置で裁断される動作を繰り返して所定の長さに裁断される。
【００３６】
縦カッター８ａでの動作が終了すると、記録材Ｓは搬送ローラ２４によって搬送される。記録材Ｓは裁断する幅サイズに合わせて配置されたロータリーカッター８ｂによって記録材Ｓの搬送方向に裁断され、所定の幅に裁断される。
【００３７】
裁断された記録材Ｓは第２排出搬送パス２６を通り、搬送パスを切り替える第２分岐部２５により第１排出搬送パス４に搬送され、排出ローラ２０によって排出され、排出トレイ１８に積載される。
【００３８】
ここで、図３を用いて、ヒートポンプ５０を用いた定着装置５について説明する。図３はヒートポンプ５０を用いた定着装置の構成を示す斜視図である。図３に示すように、ヒートポンプ５０は、冷媒を圧縮する圧縮機５１と、圧縮して高温にした冷媒を熱交換する凝縮器５２と、冷媒を減圧（膨張）させる膨張弁としての減圧器５３と、減圧させて低温にした冷媒を熱交換する蒸発器５４とを有している。ヒートポンプ５０は、冷媒を圧縮、凝縮、膨張（減圧）、蒸発させながら、閉ループサイクルで矢印Ｃ方向に循環させて凝縮器５２及び蒸発器５４にて熱交換を行う。このうち、凝縮器５２を定着装置５の加熱ローラ１１に搭載して熱交換（放熱）を行い、蒸発器５４を定着装置５の冷却器１６に搭載して熱交換（吸熱）を行うよう構成している。
【００３９】
したがって、冷媒はまず圧縮機５０で高圧に圧縮され、高温にして定着装置５の加熱ローラ１１（凝縮器５２）に送られ、加熱ローラ１１にてベルト１４を介して記録材Ｓを加熱する。同時に、加熱ローラ１１の対向位置に設けた加圧ローラ１５により、記録材Ｓを加圧して画像を溶融しながら埋め込んでいる。
【００４０】
加熱ローラ１１の外周面には温度センサ５６が当接されており、制御装置（不図示）により加熱ローラ１１が所定の設定温度の範囲内（ここでは１２０〜１４０℃）に達するように圧縮機５０の回転数の制御を行う。なお、この制御装置は、画像形成装置本体側に設けられたものであっても、或いはシート処理装置側に設けられたものであっても良い。
【００４１】
図５から図７に凝縮器５２を搭載した加熱ローラ１１を示す。図６に示すように、定着装置５の加熱ローラ１１内には、圧縮機５１から来たパイプ４１が加熱ローラ１１の内面に沿うように配置され、ローラ内部は伝熱用の液体（不図示）で満たされる。液体は、定着温度でも液体状態のものを使用し、熱伝導率が高い液体ほど、熱の伝達効率が高められる。加熱ローラ１１の軸方向両側の端面は、一方がパイプ４１を通す穴を有する密閉蓋４０で覆われ、他方が密閉蓋３９で覆われている。加熱ローラ１１は、ローラ部３８とフランジ３６，３７が回転可能に一体に構成され、密閉蓋３９，４０とパイプ４１が回転不能に一体に構成されている。したがって、定着動作中は、フランジ３６，３７とローラ部３８が回転するが、内部の密閉蓋３９，４０とパイプ４１は固定した状態が保持され、回転しない。このため、パイプ４１が上流側の圧縮機５１や下流側の予備加熱ローラ１７（或いは減圧器５３）と溶接されていても、加熱ローラ１１のローラ部３８は回転できる構成となっている。
【００４２】
加熱ローラ１１において、パイプ４１内を流れる高温の冷媒により、パイプ４１が高温となる。その熱がパイプ４１に接触する伝熱用の液体を介してローラ部３８に伝達される。ローラ部３８とフランジ３６，３７が回転することにより、内部の伝熱用の液体が攪拌されるため、加熱ローラ１１の熱は均一な状態が保たれる。
【００４３】
なお、前述した構成は、凝縮器を搭載した加熱ローラの一例であり、この構成に限定されるものではなく、加熱ローラに凝縮器を用いた構成であれば、その他の構成であっても良い。
【００４４】
そして、図３に示すように圧縮機５１から加熱ローラ１１に送られた冷媒は、更に予備加熱ローラ１７に送られる。なお、予備加熱ローラ１７の内部構成は図示していないが、前述した加熱ローラ１１と同様に構成されている。
【００４５】
加熱ローラ１１、予備加熱ローラ１７を順に循環した冷媒は減圧器５３に送られ、減圧器５３によって予め蒸発しやすい状態まで減圧（膨張）される。ここでは、減圧器５３は減圧作用と流量を制御するため、内径１〜３ｍｍの細い管を用いている。なお、冷媒を膨張（減圧）させる膨張弁としての減圧器の構成はこれに限定されるものではない。
【００４６】
減圧された冷媒は、低圧、低温の液化状態になって蒸発器５４を搭載した冷却器１６に送られる。冷却器１６には蒸発器５４としてパイプ４１が図４に示すように平面上に蛇行して配置されている。さらに冷却器１６に配置されるパイプ４１は、冷媒が加熱ローラ１１に近い方から循環されるように配置されている。このパイプ４１に低温の液化状態になった冷媒を流して、記録材Ｓを所定温度以下（例えば室温以下）に冷却している。
【００４７】
そして、冷却器１６で熱交換（吸熱）した冷媒は、圧縮機５０に戻されて再度圧縮され、凝縮器１１が搭載された加熱ローラ１１へ送られる。
【００４８】
このように、ヒートポンプ５０にて循環される冷媒は、圧縮して高温にして加熱ローラ１１に送られ、加熱ローラ１１にて記録材を加熱する。その後、前記冷媒は、膨張されて低温にして冷却器１６に送られ、冷却器１６にて記録材を冷却し、その後再び圧縮して高温にして加熱ローラ１１に送られる。
【００４９】
上述したように、ヒートポンプにおける凝縮器と蒸発器を定着装置における加熱ローラと冷却器に用いることで、加熱ローラで熱交換された冷媒を冷却器に循環させ、冷却器で熱交換された冷媒を加熱ローラに循環させることができる。これにより、熱変換効率が向上する。
【００５０】
一般的にヒートポンプとヒーターの熱変換効率（ＣＯＰ：加熱能力／消費電力）を比較すると、ヒートポンプがＣＯＰ：３．５〜５であるのに対し、ヒーターはＣＯＰ：１であるため、ヒーターに対してヒートポンプは約４倍の熱変換効率が向上する。
【００５１】
すなわち、定着装置５にヒートポンプ５０を使用したことで、熱源にハロゲンヒーターや赤外線ヒーターを使用することなく、記録材Ｓを加熱、定着が可能になり、熱交換効率で約４倍（ＣＯＰ：３．５〜５）の省エネルギー化が図れる。
【００５２】
また、冷却器においては記録材Ｓを所定温度以下に急冷することができるため、トナーに添加しているワックスが揮発して起こる、画像面の曇りが発生しなくなり、画質の向上が図れる。さらにファンを用いた冷却を行わなくとも、加熱された記録材を急冷することができるので、更なる省エネルギー化も図れる。
【００５３】
なお、前述した実施形態では、第２定着装置５を、画像形成装置本体２００に接続可能なシート処理装置１内に配置した構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、画像形成装置本体内に第１定着装置とは別に第２定着装置５を配置した構成としても、本発明は有効である。
【００５４】
また、前記説明では加圧ローラ１５に冷媒を流していないが、加熱ローラ１１から加圧ローラ１５に冷媒を流すことや、逆に加圧ローラ１５から加熱ローラ１１に流すことも可能である。さらに、冷媒についてもフロン系、ノンフロン系いずれを使用しても構わない。
【００５５】
また前述した実施形態では、本発明に係る画像加熱装置として、記録材の加熱されたトナー像を再度加熱する画像加熱装置を例示したが、画像加熱装置はこれに限定されるものではない。例えば、記録材の未定着トナー像を加熱する画像加熱装置に本発明を適用しても良い。また、画像形成装置もカラー画像が形成可能なものに限定されるものではなく、モノクロ画像が形成可能な画像形成装置であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】画像形成装置の主要断面図
【図２】画像加熱装置を有するシート処理装置の主要断面図
【図３】画像加熱装置の概略構成を示す断面図
【図４】冷却器の斜視図
【図５】加熱ローラの外観斜視図
【図６】加熱ローラの内部構造の一例を示す斜視図
【図７】加熱ローラの要部拡大斜視図
【符号の説明】
【００５７】
１    …シート処理装置
５    …第２定着装置
７    …定着後搬送パス
８    …カッターユニット
９    …記録装置
１１  …加熱ローラ
１２  …剥離ローラ
１３  …張架ローラ
１４  …定着ベルト
１５  …加圧ローラ
１６  …冷却器
１７  …予備加熱ローラ
１８  …排出トレイ
３６，３７ …フランジ
３８  …ローラ部
３９，４０ …密閉蓋
４１  …パイプ
５０  …ヒートポンプ
５１  …圧縮機
５２  …凝縮器
５３  …減圧器
５４  …蒸発器
５６  …温度センサ
２００ …画像形成装置本体
２０４ …第１定着装置
【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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