(57)【要約】【課題】肉盛部材の過度な突出を抑えて該肉盛部材の撓みを抑制しつつ、続けて多量の肉盛加工を行うことができる摩擦肉盛方法を提供する。【解決手段】本発明に係る摩擦肉盛方法は、略円柱状の肉盛部材ｂの外周面を把持手段２１により把持し、この把持手段２１を肉盛部材ｂの軸芯周りに回転させながら該肉盛部材ｂの軸方向の一端を母材Ｗ表面に押圧し、摩擦熱により肉盛部材ｂを軟化させて母材Ｗ上に肉盛加工を行う摩擦肉盛方法であって、把持手段２１から突出する肉盛部材ｂの寸法Ｌが所定の範囲に収まるように、肉盛部材ｂを断続的に押し出しながら肉盛加工を行うものである。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円柱状の肉盛部材の外周面を把持手段により把持し、この把持手段を前記肉盛部材の軸芯周りに回転させながら該肉盛部材の軸方向の一端を母材表面に押圧し、摩擦熱により前記肉盛部材を軟化させて前記母材上に肉盛加工を行う摩擦肉盛方法であって、
前記把持手段から突出する前記肉盛部材の寸法が所定の範囲に収まるように、前記肉盛部材を断続的に押し出しながら肉盛加工を行うことを特徴とする摩擦肉盛方法。
【請求項２】
略円柱状の第１の肉盛部材の外周面を把持手段により把持し、この把持手段を前記第１の肉盛部材の軸芯周りに回転させながら該第１の肉盛部材の軸方向の一端を母材表面に押圧し、摩擦熱により前記第１の肉盛部材を軟化させて前記母材上に肉盛加工を行う摩擦肉盛方法であって、
前記把持手段から突出する前記第１の肉盛部材の寸法が所定の範囲に収まるように、前記第１の肉盛部材を断続的に押し出しながら肉盛加工を行い、
前記第１の肉盛部材の前記母材表面に押圧している一端と反対側の他端に、前記第１の肉盛部材と同一の外径を有する略円柱状の第２の肉盛部材の軸方向の一端を、前記第１の肉盛部材と前記第２の肉盛部材との軸芯が一致するように、順次連結しながら継ぎ足すことを特徴とする摩擦肉盛方法。
【請求項３】
第１の肉盛部材と第２の肉盛部材との連結は、前記第１の肉盛部材の母材表面に押圧する一端と反対側の他端において、前記第１の肉盛部材の軸方向に沿って形成した第１のネジと、前記第２の肉盛部材の前記第１の肉盛部材に連結する部位において、前記第２の肉盛部材の軸方向に沿って形成した第２のネジとの螺合により行うことを特徴とする請求項２記載の摩擦肉盛方法。
【請求項４】
第１のネジと第２のネジとの螺合は、第１の肉盛部材の回転速度と第２の肉盛部材の回転速度とを異ならせた状態で行うことを特徴とする請求項３記載の摩擦肉盛方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、母材表面に肉盛部材の肉盛溶接を行う摩擦肉盛方法に係り、特に、摩擦肉盛装置の把持手段から突出する肉盛部材の寸法が所定の寸法範囲となるように、肉盛部材を断続的に押し出しながら肉盛加工を行うものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、摩擦肉盛装置を用いて母材表面に肉盛部材を肉盛加工する摩擦肉盛方法にあっては、例えば、略円柱状の肉盛部材の端部をチャック等の把持手段により把持し、この把持手段を肉盛部材の軸芯周りに回転させながら該肉盛部材の軸方向の一端を母材表面に押圧し、摩擦熱により肉盛部材を軟化させて母材上に肉盛加工を行うものであった（例えば、特許文献１の段落番号［００３２］、［００４９］、図２の符号７、図３の符号１４参照）。
【０００３】
また、近年、摩擦攪拌接合（例えば、非特許文献１参照）は軽金属の接合に対して適用され注目されているが、鋼のような高融点材料の適用に対しては、摩擦攪拌接合のツールと称される回転工具の耐熱性の問題があり、多くの材料開発が行われている。もし、高融点材料に対して摩擦肉盛方法が適用できるならば、被接合部材に等価あるいは類似の特性の肉盛材を回転工具として用い、この材料を消耗、肉盛りするのでツール材料の開発を行う必要がない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−６２５６４号公報
【０００５】
【非特許文献１】『摩擦攪拌技術（ＦＳＷ）とは』、[２００９年２月２３日閲覧]、インターネットＵＲＬ＜ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ｍ−ｏｓａｋａ．ｃｏｍ／ｆｓｗｐｒｏｊｅｃｔ／ｆｓｗ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したような摩擦肉盛方法にあっては、肉盛部材の端部定位置を摩擦肉盛装置のチャック（把持手段）に常時把持して固定しながら行うものであり、把持した肉盛部材を単に母材方向に向かって一方的に押圧するもので、肉盛部材の把持手段からの突出寸法が短いと該肉盛部材の撓みは抑制されて大きな押圧力を掛けて迅速な肉盛加工ができるものの、突出寸法が短い分、肉盛部材を早く使い切ってしまい、頻繁に肉盛部材の交換をしなければならず手間がかかり、しかも、肉盛部材の交換の際に肉盛り作業を一旦中断するため、形成された肉盛り部が不連続となって母材との接合強度が低下したり、段差が生じてしまう。
【０００７】
一方、肉盛部材の突出寸法を大きくすると、該肉盛部材は回転に伴う遠心力の影響ですりこぎ運動を行うようになり、十分な摩擦熱を発生できないばかりか、甚だしい場合には肉盛部材が把持部の先端で破壊され、肉盛りができないという問題点があった。
【０００８】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明は、略円柱状の肉盛部材の外周面を把持手段により把持し、この把持手段を前記肉盛部材の軸芯周りに回転させながら該肉盛部材の軸方向の一端を母材表面に押圧し、摩擦熱により前記肉盛部材を軟化させて前記母材上に肉盛加工を行う摩擦肉盛方法であって、前記把持手段から突出する前記肉盛部材の寸法が所定の範囲に収まるように、前記肉盛部材を断続的に押し出しながら肉盛加工を行う摩擦肉盛方法である。
【００１０】
請求項２に係る発明は、略円柱状の第１の肉盛部材の外周面を把持手段により把持し、この把持手段を前記第１の肉盛部材の軸芯周りに回転させながら該第１の肉盛部材の軸方向の一端を母材表面に押圧し、摩擦熱により前記第１の肉盛部材を軟化させて前記母材上に肉盛加工を行う摩擦肉盛方法であって、前記把持手段から突出する前記第１の肉盛部材の寸法が所定の範囲に収まるように、前記第１の肉盛部材を断続的に押し出しながら肉盛加工を行い、前記第１の肉盛部材の前記母材表面に押圧している一端と反対側の他端に、前記第１の肉盛部材と同一の外径を有する略円柱状の第２の肉盛部材の軸方向の一端を、前記第１の肉盛部材と前記第２の肉盛部材との軸芯が一致するように、順次連結しながら継ぎ足す摩擦肉盛方法である。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項２記載の摩擦肉盛方法において、第１の肉盛部材と第２の肉盛部材との連結は、前記第１の肉盛部材の母材表面に押圧する一端と反対側の他端において、前記第１の肉盛部材の軸方向に沿って形成した第１のネジと、前記第２の肉盛部材の前記第１の肉盛部材に連結する部位において、前記第２の肉盛部材の軸方向に沿って形成した第２のネジとの螺合により行うものである。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項３記載の摩擦肉盛方法において、第１のネジと第２のネジとの螺合は、第１の肉盛部材の回転速度と第２の肉盛部材の回転速度とを異ならせた状態で行うものである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の摩擦肉盛方法によれば、把持手段から突出する肉盛部材の寸法が所定の範囲に収まるように、前記肉盛部材を断続的に押し出しながら肉盛加工を行うため、肉盛部材の過度な突出を抑えて該肉盛部材の撓みを抑制しつつ、断続的に押し出す分、続けて多量の肉盛加工を行うことができ、たとえば、製鋼圧延ロール、製紙ロールなどの円柱物体への加工を行うことができる。
【００１４】
請求項２に記載の摩擦肉盛方法によれば、第１の肉盛部材の母材表面に押圧している一端と反対側の他端に、前記第１の肉盛部材と同一の外径を有する略円柱状の第２の肉盛部材の軸方向の一端を、前記第１の肉盛部材と前記第２の肉盛部材との軸芯が一致するように、順次連結しながら継ぎ足すため、第１の肉盛部材による肉盛り部と第２の肉盛部材による肉盛り部との間に継ぎ目ができるのを防止し、両肉盛り部が不連続となって母材との接合強度が低下したり、段差が生じるのを抑制することができ、しかも、肉盛部材の交換がない分、迅速かつ連続的に肉盛加工を行うことができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、請求項２記載の摩擦肉盛方法の効果に加え、第１の肉盛部材と第２の肉盛部材との連結は、前記第１の肉盛部材の母材表面に押圧する一端と反対側の他端において、前記第１の肉盛部材の軸方向に沿って形成した第１のネジと、前記第２の肉盛部材の前記第１の肉盛部材に連結する部位において、前記第２の肉盛部材の軸方向に沿って形成した第２のネジとの螺合により行うため、肉盛部材同士を簡易な方法で確実に連結することができ、しかも、連結する際、各肉盛部材の連結部に熱を加えない分、第１および第２の肉盛部材表面の酸化等による変質を防ぐことができ、この変質に伴う肉盛り部と母材との接合強度の低下を防止することができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、請求項３記載の摩擦肉盛方法の効果に加え、第１のネジと第２のネジとの螺合は、第１の肉盛部材の回転速度と第２の肉盛部材の回転速度とを異ならせた状態で行うため、第１の肉盛部材の肉盛加工中であっても、この第１の肉盛部材の回転を止めることなく該第１の肉盛部材と第２の肉盛部材とを簡易かつ迅速に連結することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る摩擦肉盛方法を実施するための摩擦肉盛装置の一例を示した概略的正面図である。
【図２】図１の一部を省略して示した概略的側面図である。
【図３】図１の概略的平面図である。
【図４】図１のスピンドルの概略図であり、図４（ａ）は縦断面図を、図４（ｂ）は底面図をそれぞれ示している。
【図５】本発明の摩擦肉盛方法の第１の実施例を説明するための摩擦肉盛装置の要部を拡大して示した概略図であり、図５（ａ）は肉盛加工前の側面図を、図５（ｂ）は肉盛加工中の側面図を、図５（ｃ）は肉盛加工中の斜視図を、図５（ｄ）は肉盛部材押し出し前の側面図を、図５（ｅ）は肉盛部材押し出し後の側面図をそれぞれ示している。
【図６】本発明の摩擦肉盛方法の第２の実施例を説明するための摩擦肉盛装置の概略的正面図であり、肉盛加工を行う前のものである。
【図７】図６の肉盛加工中の概略的正面図である。
【図８】図６の第２の肉盛部材の移送初期の概略的正面図である。
【図９】図６の第２の肉盛部材の移送途中の概略的正面図である。
【図１０】図６の第１の肉盛部材と第２の肉盛部材とを連結している状態を示した概略的正面図である。
【図１１】図１０のＫ部（連結部）を拡大して示した一部破断概略的正面図である。
【図１２】図１０の変形例を示した一部破断概略的正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
まず、本発明に係る摩擦肉盛方法を実施するための摩擦肉盛装置について、図１〜図４を参照して説明する。図１〜図４において、Ａは摩擦肉盛装置であり、摩擦肉盛装置Ａは、略円柱状の肉盛部材ｂ（例えば、φ２５ｍｍのアルミニウムあるいは鋼、ステライトなど高合金材料等の金属部材など）の外周面を把持手段２１により把持し、この把持手段２１を肉盛部材ｂの軸芯周りに回転させながら該肉盛部材ｂの軸方向の一端を母材Ｗ表面に押圧し、摩擦熱により肉盛部材ｂを軟化させて母材Ｗ上に肉盛加工を行うもので、概略的に、機体１と、スピンドル２と、回転手段２３と、昇降手段３とにより構成されている。
【００１９】
スピンドル２は、肉盛部材ｂを把持して回転させながら母材Ｗ表面に押圧させるものであり、肉盛部材ｂを把持する把持手段２１を有しているもので、図４（ａ）、（ｂ）に示したように、この把持手段２１は、例えば、肉盛部材ｂを挿通するクランプ孔２１ａ（図４（ｂ）参照）を中心に、放射状に分割配置された複数のクランプ部材２１ｂ、２１ｂ、・・を具備しており、これら各クランプ部材２１ｂを、例えば、油圧等により肉盛部材ｂの半径方向に進退させて該肉盛部材ｂを把持できるように構成されている。
【００２０】
また、これらのクランプ部材２１ｂ、２１ｂ、・・は、クランプケース２１ｃに収納され、ベアリング１３、１３、・・を介してスピンドルケース１２に回転自在に支持されているもので、クランプケース２１ｃの上端部外周にはプーリ２２が一体的に設けられており、このプーリ２２と回転手段２３とが回転ベルト２４により接続されている（図３参照）。回転手段２３は、例えば、高出力のスピンドルモータなどである。なお、把持手段２１は、肉盛部材ｂを回転自在に固定できればよく、他の公知の把持手段を用いてもよい。
【００２１】
図１〜図３において、３は昇降手段であり、この昇降手段３は、機体１においてスピンドル２を上下方向に昇降移動させるものであり、機体１の前面側に、垂直方向に平行に２本のレール３０、３０を配設し、このレール３０、３０に取付部材３１を介してスピンドル２が摺動自在に取り付けられている。
【００２２】
そして、この取付部材３１には雌ネジ体３２が一体的に取り付けられており、この雌ネジ体３２を、機体１において垂直方向に軸着されたボールネジ３３に螺合させ、このボールネジ３３を回動させてスピンドル２（取付部材３１）を昇降させるものである。ボールネジ３３は、該ボールネジ３３の上端部に接続された減速機のプーリ３４および回転ベルト３５を介して回転制御可能な昇降モータ３６に接続されているもので、この昇降モータ３６を所定の速度で回動させることによりスピンドル２の昇降速度や肉盛部材ｂの押圧力を自在に制御することができる。
【００２３】
なお、昇降手段３には、ボールネジ３３および雌ネジ体３２にかかる荷重を軽減し、スピンドル２の昇降をスムーズに行えるように、例えば、図２、図３に示したようにバランスウェイト３７を取り付けることができるもので、本図においてバランスウェイト３７は機体１の背面側に設けられており、このバランスウェイト３７と取付部材３１とは、機体１の上部に設けられたプーリ３８、３８を介してワイヤ３９、３９により連結されバランスがとられている。
【００２４】
ここでは、把持手段２１と昇降手段３を1組の機構で説明したが、複数の把持手段２１と昇降手段３の機構を持たせてもよい。これにより肉盛加工を中断無しで行うことができ、肉盛り部ｎを連続形成できる。
【００２５】
また、図１、図２において、４は肉盛部材ｂをスピンドル２に供給するローダであり、ローダ４は、後記する肉盛部材供給手段６から肉盛部材ｂを移送してスピンドル２に装着するもので、チャック４１ａにより肉盛部材ｂを着脱自在に掴む移送手段４１と、この移送手段４１を水平方向に摺動させるレール体４２と、このレール体４２を昇降させるエアシリンダ４３とを備えている。このローダ４には、レール体４２の昇降をスムーズに行うことができるように、例えば、図３に示したように、機体１の背面側にバランスウェイト４４を設けることができ、このバランスウェイト４４とレール体４２とをプーリ４５を介してワイヤ４６により連結するようにしてもよい。
【００２６】
また、図１、図３において、６は肉盛部材供給手段であり、肉盛部材供給手段６は、差込部材６１に穿設した差込孔６１ａ、６１ａ、・・のそれぞれに、あらかじめ肉盛部材ｂを垂直に差し込んで収納しておくもので、前述の移送手段４１により１本づつ肉盛部材ｂを抜き取ってスピンドル２に供給する。なお、差込部材６１は、下方に設けられたモータ６２に接続され、肉盛部材ｂが抜き取られる度に、順次回転しながら新たな肉盛部材ｂを移送手段４１のチャック位置（図６の仮想線で示した肉盛部材供給手段６内の位置）まで送り出す。
【００２７】
また、図１、図２において、５１は、上面側に母材Ｗを載置するステージであり、５２はこのステージ５１を駆動させるためのモータで、このモータ５２の駆動により該モータ５２に接続されたボールネジ５３を回動させてステージ５１を正面視、左右方向に移動させることができる。なお、図示していないが、このステージ５１はモータにより正面視、前後方向および／または上下方向にも駆動させることができる。
【００２８】
次に、上述のように構成された摩擦肉盛装置Ａを用いて行う摩擦肉盛方法について、図５〜図１２を参照して説明する。図５は肉盛加工を説明する図であり、図５（ａ）は肉盛加工前の状態を、図５（ｂ）、（ｃ）は肉盛加工中の状態をそれぞれ示している。
【００２９】
摩擦肉盛加工は、図５（ｂ）に示したように、肉盛部材ｂを回転（数十〜数千ｒｐｍ）させると共に母材Ｗ表面に押圧（〜数トン／ｃｍ2）し、肉盛部材ｂと母材Ｗとの摩擦熱により該肉盛部材ｂを軟化させて母材Ｗの表面に肉盛加工を行うものであり、図５（ｃ）に示したように、母材Ｗを徐々に移動させながら肉盛り部ｎを形成していくもので、肉盛部材ｂと母材Ｗとの当接部以外の肉盛り部ｎにあっては肉盛材（肉盛部材ｂの材料）が冷めて固化し、該肉盛材と母材Ｗとが一体化する。
【００３０】
そして、本発明の摩擦肉盛方法に係る第１の実施例にあっては、把持手段２１から突出する肉盛部材ｂの寸法Ｌ（図５（ｂ）参照）が所定の範囲に収まるように、肉盛部材ｂを断続的に押し出しながら肉盛加工を行うもので、具体的には、肉盛部材ｂの消耗により寸法ＬがＬ１よりも短くなったとき（Ｌ＜Ｌ１）（図５（ｄ）参照）、把持手段２１のクランプ部材２１ｂ、２１ｂ、・・を緩めて肉盛部材ｂの把持を一旦開放し、昇降手段３によりスピンドル２を上昇させ、把持手段２１から突出する肉盛部材ｂの寸法Ｌが所定の寸法Ｌ２になったとき（Ｌ＝Ｌ２）（図５（ｅ）参照）、再度クランプ部材２１ｂを締付て肉盛部材ｂを把持し直し、昇降手段３を徐々に下降させて肉盛加工を再開する。
【００３１】
なお、上述したクランプ部材２１ｂの開放から再度の締付までは迅速に行われるものであり、その間、肉盛加工はごく短時間中断するが、肉盛り部ｎの形成に影響を与えることはない。
【００３２】
次に、本発明の摩擦肉盛方法に係る第２の実施例について、図６〜図１２を参照して説明する。なお、肉盛加工中の肉盛部材ｂ（以下、「第１の肉盛部材ｂ１」という）の押し出し方法にあっては、上述した第１の実施例と同じであるため、その詳細な説明は省略する。
【００３３】
まず、図６は第１の肉盛部材ｂ１をスピンドル２に装着する前の図を、図７は第１の肉盛部材ｂ１により肉盛加工を行っている図を示したものであり、肉盛加工中にあっては、第１の肉盛部材ｂ１の押し出しに伴い、該第１の肉盛部材ｂ１が徐々に短くなっていく。
【００３４】
そして、図８に示したように、第１の肉盛部材ｂ１がある程度短くなったとき、ローダ４を操作し、エアシリンダ４３を下降させて移送手段４１のチャック４１ａにより肉盛部材供給手段６に収納された肉盛部材ｂを１本掴んで抜き取る（この肉盛部材ｂを、以下、「第２の肉盛部材ｂ２」という）。ここで、第２の肉盛部材ｂ２は、第１の肉盛部材ｂ１と同一の外径を有する略円柱状の肉盛部材である。そして、エアシリンダ４３を上昇させた後（図８の矢印ｄ１参照）、移送手段４１をレール体４２上において移動させ（図８の矢印ｄ２参照）、移送手段４１がスピンドル２の真上に来たときにローダ４を下降させるもので（図９の矢印ｄ３参照）、移送手段４１に掴まれた第２の肉盛部材ｂ２はクランプ孔（図４（ａ）参照）に挿入される。
【００３５】
そして、第１の肉盛部材ｂ１の母材Ｗ表面に押圧している一端と反対側の他端に、第２の肉盛部材ｂ２の軸方向の一端を、第１の肉盛部材ｂ１と第２の肉盛部材ｂ２との軸芯が一致するように継ぎ足すもので、以下、第１の肉盛部材ｂ１が短くなる度に、この操作を繰り返し行い、第２の肉盛部材ｂ２を順次連結しながら継ぎ足すようにする。
【００３６】
ところで、上述した第１の肉盛部材ｂ１と第２の肉盛部材ｂ２との連結にあっては、具体的には、例えば、図１０のＫ部を拡大した図１１（ａ）〜（ｄ）に示したように、第１の肉盛部材ｂ１の母材Ｗ表面に押圧する一端と反対側の他端において、第１の肉盛部材ｂ１の軸方向に沿って形成した第１のネジｂ１’と、第２の肉盛部材ｂ２の第１の肉盛部材ｂ１に連結する部位において、第２の肉盛部材ｂ２の軸方向に沿って形成した第２のネジｂ２’との螺合により行われる。
【００３７】
すなわち、まず、第１の肉盛部材ｂ１と第２の肉盛部材ｂ２とが離間した状態から（図１１（ａ）参照）、第２の肉盛部材ｂ２を第１の肉盛部材ｂ１に押し当てて同じ回転方向に共回りをさせる（図１１（ｂ）の矢印ｒ１、ｒ２参照）（このとき、チャック４１ａは回転自在にしておく）。そして、回転手段２３の反転により第１の肉盛部材ｂ１を瞬間的に逆回転させると、図１１（ｃ）に示したように、第２の肉盛部材ｂ２は慣性によりｒ２方向に回転を継続するものの、第１の肉盛部材ｂ１はｒ１’方向（ｒ２と反対方向）に回転するため、第１のネジｂ１’と第２のネジｂ２’とは螺合し始め、緊締となった状態で、図１１（ｄ）に示したように、第１の肉盛部材ｂ１の回転をもとの方向（ｒ１方向）に戻せば第１の肉盛部材ｂ１と第２の肉盛部材ｂ２とが連結される。
【００３８】
ところで、第１のネジｂ１’と第２のネジｂ２’との螺合は、上述したように第１の肉盛部材ｂ１を逆回転させるのではなく、第１の肉盛部材ｂ１の回転速度と第２の肉盛部材ｂ２の回転速度とを異ならせた状態、例えば、第１の肉盛部材ｂ１の回転速度を瞬間的に遅くしたり、図１２（ａ）〜（ｄ）に示したように、図示していないモータにより第２の肉盛部材ｂ２の回転速度を瞬間的に速くするような状態で行うようにしてもよい。
【００３９】
この連結方法によれば、連結の際、各肉盛部材ｂ１、ｂ２の連結部に熱を加えない分、第１および第２の肉盛部材ｂ１、ｂ２表面の酸化等による変質を防ぐことができ、この変質に伴う肉盛り部ｎと母材Ｗとの接合強度の低下を防止することができると共に、肉盛部材ｂの交換がない分、迅速かつ連続的に肉盛加工を行うことができる。
【符号の説明】
【００４０】
Ａ      摩擦肉盛装置
１      機体
２      スピンドル
２３    回転手段
３      昇降手段
４      ローダ      
【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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