(57)【要約】  強度や耐摩耗性に優れた伸線ダイスを提供することを目的とする。伸線ダイスのコアとして、非ダイヤモンド型炭素物質を含む原料組成物を、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加なしに直接的にダイヤモンドに変換焼結された、実質的にダイヤモンドのみからなる多結晶体であって、当該多結晶体が、最大粒径が１００ｎｍ以下かつ平均粒径が５０ｎｍ以下の微粒ダイヤモンド結晶と、最小粒径が５０ｎｍ以上かつ最大粒径が１００００ｎｍ以下の板状もしくは粒状の粗粒ダイヤモンド結晶との混合組織を有する高硬度ダイヤモンド多結晶体を用いたものとする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非ダイヤモンド型炭素物質を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加なしに直接的にダイヤモンドに変換焼結された、実質的にダイヤモンドのみからなる多結晶ダイヤモンドをコアとした伸線ダイスであり、前記多結晶ダイヤモンドが、最大粒径が１００ｎｍ以下、平均粒径が５０ｎｍ以下の微粒のダイヤモンドと、最小粒径５０ｎｍ以上、最大粒径１００００ｎｍ以下の板状もしくは粒状の粗粒ダイヤモンドの混合組織を持ち、前記多結晶ダイヤモンドには伸線加工される線材を通過させる孔が設けられる、伸線ダイス。
【請求項２】
前記微粒のダイヤモンドの最大粒径が５０ｎｍ以下で、平均粒径が３０ｎｍ以下である請求の範囲第１項に記載の伸線ダイス。
【請求項３】
前記粗粒のダイヤモンドの最小粒径が５０ｎｍ以上、最大粒径が１０００ｎｍ以下である請求の範囲第１項に記載の伸線ダイス。
【請求項４】
前記多結晶ダイヤモンドに形成された孔のうち、少なくとも加工に作用する面の面あらさがＲａで０．００１μｍ以上０．２μｍ以下である請求の範囲第１項に記載の伸線ダイス。
【請求項５】
前記多結晶ダイヤモンドに形成された孔のうち、ベアリング部の断面を見た時の前記孔の真円度が０．０１μｍ以上０．２μｍ以下である請求の範囲第１項に記載の伸線ダイス。
【請求項６】
伸線加工される線材は金線であり、前記孔の形状のうちリダクション角度は８〜１６°である請求の範囲第１項に記載の伸線ダイス。
【請求項７】
伸線加工される線材は銅線であり、前記孔の形状のうちリダクション角度は８〜１６°である請求の範囲第１項に記載の伸線ダイス。
【請求項８】
伸線加工される線材はタングステン線であり、前記孔の形状のうちリダクション角度は６〜１４°である請求の範囲第１項に記載の伸線ダイス。
【請求項９】
伸線加工される線材はステンレス線であり、前記孔の形状のうちリダクション角度は６〜１４°である請求の範囲第１項に記載の伸線ダイス。
【請求項１０】
伸線加工される線材はスチールコードであり、前記孔の形状のうちリダクション角度は６〜１４°である請求の範囲第１項に記載の伸線ダイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属線などの伸線用ダイヤモンドダイスに関するもので、特に銅や金などの極細線、あるいはステンレス線、スチールコードなどの高硬度線伸線用のダイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、孔径５０μｍ以下の極細線の伸線用ダイスには、天然単結晶ダイヤモンド、あるいは合成単結晶ダイヤモンドを素材として、図１のような形状のものが使用されていた。しかし、単結晶ダイヤモンドは、伸線を長時間行うと図２Ｂのような偏摩耗が生じて、線肌が悪化するという問題があった。ダイヤモンド単結晶は、結晶格子面の間隔が方位によって異なり、また、各格子面によって面内の原子密度が異なる。このため、耐摩耗性に顕著な方向依存性があり、伸線後に偏摩耗が生じ、線肌が悪化するのである。【０００３】
また、ステンレス線、スチールコードなどの高硬度線伸線用のダイスは、線引き時にダイスに過度の応力が加わり、劈開によるクラックが生じるという問題がある。このため、このような用途には、現状は、一般に多結晶ダイヤモンドが用いられている。【０００４】
現在、工具用に市販されている多結晶ダイヤモンドは、すべて焼結助剤あるいは結合剤としてＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅなどの鉄族金属や、ＳｉＣなどのセラミックスが用いられている。これらは、ダイヤモンドの粉末を焼結助剤や結合剤とともにダイヤモンドが熱力学的に安定な高圧高温条件下（通常、圧力５〜６ＧＰａ、温度１３００〜１５００℃）で焼結することにより得られる。しかし、１０体積％前後の焼結助剤あるいは結合材を含むため高精度な孔面が得られず、極細線の伸線には適用できない。天然に産出する多結晶ダイヤモンド（カーボナードやバラス）も知られ、一部掘削ビットとして使用されているが、欠陥が多く、材質のバラツキも大きいため、ダイス用途には使用されていない。【０００５】
一方、黒鉛（グラファイト）やグラッシーカーボン、アモルファスカーボンなどの非ダイヤモンド炭素を超高圧高温下で、触媒や溶媒なしに直接的にダイヤモンドに変換させ、同時に焼結させることで結合材のないダイヤモンド単相の多結晶体が得られる。【０００６】
このような多結晶体としてたとえば、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．，３８（１９６３）６３１−６４３［Ｆ．Ｐ．Ｂｕｎｄｙ］（非特許文献１）やＪａｐａｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，１１（１９７２）５７８−５９０［Ｍ．Ｗａｋａｔｓｕｋｉ，Ｋ．Ｉｃｈｉｎｏｓｅ，Ｔ．Ａｏｋｉ］（非特許文献２）、Ｎａｔｕｒｅ  ２５９（１９７６）３８［Ｓ．Ｎａｋａ，Ｋ．Ｈｏｒｉｉ，Ｙ．Ｔａｋｅｄａ，Ｔ．Ｈａｎａｗａ］（非特許文献３）には、グラファイトを出発物質として１４−１８ＧＰａ、３０００Ｋ以上の超高圧高温下の直接変換により多結晶ダイヤモンドが得られることが開示されている。【０００７】
また、特開２００２−６６３０２号公報（特許文献１）にはカーボンナノチューブを１０ＧＰａ以上、１６００℃以上に加熱して、微細なダイヤモンドを合成する方法が記載されている。【０００８】
さらに、Ｎｅｗ  Ｄｉａｍｏｎｄ  ａｎｄ  Ｆｒｏｎｔｉｅｒ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１４（２００４）３１３［Ｔ．Ｉｒｉｆｕｎｅ，Ｈ．Ｓｕｍｉｙａ］（非特許文献４）やＳＥＩテクニカルレビュー１６５（２００４）６８［角谷、入舩］（非特許文献５）には、高純度グラファイトを出発物質として、１２ＧＰａ以上、２２００℃以上の超高圧高温下で間接加熱による直接変換焼結により緻密で高純度な多結晶ダイヤモンドを得る方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−６６３０２号公報
【非特許文献１】Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．，３８（１９６３）６３１−６４３［Ｆ．Ｐ．Ｂｕｎｄｙ］
【非特許文献２】Ｊａｐａｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，１１（１９７２）５７８−５９０［Ｍ．Ｗａｋａｔｓｕｋｉ，Ｋ．Ｉｃｈｉｎｏｓｅ，Ｔ．Ａｏｋｉ］
【非特許文献３】Ｎａｔｕｒｅ  ２５９（１９７６）３８［Ｓ．Ｎａｋａ，Ｋ．Ｈｏｒｉｉ，Ｙ．Ｔａｋｅｄａ，Ｔ．Ｈａｎａｗａ］
【非特許文献４】Ｎｅｗ  Ｄｉａｍｏｎｄ  ａｎｄ  Ｆｒｏｎｔｉｅｒ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１４（２００４）３１３［Ｔ．Ｉｒｉｆｕｎｅ，Ｈ．Ｓｕｍｉｙａ］
【非特許文献５】ＳＥＩテクニカルレビュー１６５（２００４）６８［角谷、入舩］
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、非特許文献１や非特許文献２、非特許文献３に記載の多結晶ダイヤモンドはいずれもグラファイトなどの導電性のある非ダイヤモンド炭素に直接電流を流すことで加熱する直接通電加熱法によっているため、未変換グラファイトが残留することは避けられない。また、ダイヤモンド粒子径が不均一であり、また、部分的に焼結が不十分となりやすい。このため、硬度や強度などの機械的特性が不十分で、しかも欠片状の多結晶体しか得られず、伸線ダイスとして使用できるものは得られなかった。【００１０】
また、特許文献１に開示されている方法はカーボンナノチューブをダイヤモンドアンビルで加圧し、炭酸ガスレーザーで集光加熱しているため、伸線ダイスに適用できるサイズの均質な多結晶ダイヤモンドの製造は不可能である。【００１１】
さらに、非特許文献４や非特許文献５に開示された方法で得られるダイヤモンドは非常に高い硬度を有する場合があるが、その再現性が十分でなく、機械的特性が安定しないため、伸線ダイスとして使用すると試料によって性能がばらつくという問題があった。【００１２】
本発明は、以上の従来の技術の問題点を解決するためになされたものであり、直接変換焼結により得られる多結晶ダイヤモンドの特性を伸線ダイス用に最適化して、従来の単結晶ダイヤモンドにおける偏摩耗や、劈開ワレの問題がなく、従来から市販されている結合材を含む多結晶ダイヤモンドよりも高強度、耐熱性に優れ、特に極細線やステンレス線やスチールコードの伸線で非常に優れた性能を有する伸線ダイス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】
【００１３】
本発明者らは、上記の問題点の原因を調べるため、直接変換で得られる多結晶ダイヤモンドの微細構造と機械的特性や耐摩耗特性との関係を詳しく調査したところ、層状構造と微細な均質構造の混ざった複合組織を持つ場合があり、これらが適切な割合で分布しているものは、高硬度で耐摩耗性に優れることがわかった。また、従来の方法では、層状構造と微細な均質構造の比率は、出発物質のグラファイトの状態や昇温時間、圧力条件の微妙な違いによってバラつき、これが機械的特性、耐摩耗特性の安定しない原因であることがわかった。【００１４】
そこで、本発明者らは、上記のような問題を解決するため、超高圧高温下で非ダイヤモンド炭素をダイヤモンドに直接変換させる方法において、比較的粗い板状グラファイトあるいは比較的粗いダイヤモンドに、非グラファイト型炭素物質もしくは低結晶性あるいは微粒のグラファイトを添加したものを出発物質としたところ、微粒のダイヤモンドのマトリックスの中に層状のもしくは比較的粗いダイヤモンド結晶が分散した組織の多結晶ダイヤモンドが得られ、この層状もしくは粗粒ダイヤモンドでの塑性変形、微細クラックの進展阻止効果により、非常に硬くて強靱な多結晶ダイヤモンドが極めて安定して得られることを見出した。また、グラファイトからでも昇温時間、圧力条件により微細構造の制御が可能で、上記のような適切な組織とすることも見出した。【００１５】
そして、この素材を用いてダイスを作製して、伸線テストを行ったところ、出発物質や合成条件によっては耐摩耗性が高く、偏摩耗や劈開ワレも少ないダイスが得られることが判り、出発物質の最適化によって多結晶ダイヤモンドの微細構造を最適化することで、従来材質の３倍以上の耐久性をもつ、非常に優れた伸線ダイスが得られることを見出し、本発明に至った。【００１６】
すなわち、本発明の特徴は、非ダイヤモンド型炭素物質を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加なしに直接的にダイヤモンドに変換焼結された、実質的にダイヤモンドのみからなり、ダイヤモンドが、最大粒径が１００ｎｍ以下、平均粒径が５０ｎｍ以下の微粒のダイヤモンドと、最小粒径５０ｎｍ以上、最大粒径１００００ｎｍ以下の板状もしくは粒状の粗粒ダイヤモンドの混合組織を持つ多結晶ダイヤモンドを使ったダイスとしたことを特徴とする。多結晶ダイヤモンドには伸線加工される線材を通過させる孔が設けられる。【００１７】
また、微粒のダイヤモンドの最大粒径を５０ｎｍ以下で、平均粒径を３０ｎｍ以下とするのが好ましく、粗粒のダイヤモンドの最小粒径を５０ｎｍ以上、最大粒径を１０００ｎｍ以下とするのが好ましい。【００１８】
この多結晶ダイヤモンドをダイスに使用するにあたり、ダイヤモンドに形成された孔のうち、少なくとも加工に作用する面の面あらさをＲａで０．００１μｍ以上０．２μｍ以下とするのが好ましく、ダイヤモンドに形成された孔のうち、ベアリング部の断面を見た時の孔の真円度を０．０１μｍ以上０．２μｍ以下とするのが好ましい。なお、本願において真円度は、孔の径を３６０°の各方向で見た時の最大の径と最小の径との差である。【００１９】
また、伸線加工される線材により孔の形状のうちリダクション角度を適切な大きさにするのが好ましい。具体的な大きさとして、金線を伸線加工する場合には８〜１６°、銅線を伸線加工する場合には８〜１６°、タングステン線を伸線加工する場合には６〜１４°、ステンレス線を伸線加工する場合には６〜１４°、スチールコードを伸線加工する場合には６〜１４°とするのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来の単結晶ダイヤモンドダイスの断面を見た概略図である。
【図２Ａ】従来の単結晶ダイヤモンドダイスの摩耗状態を示す写真で、摩耗する前の状態の写真である。
【図２Ｂ】従来の単結晶ダイヤモンドダイスの摩耗状態を示す写真で、摩耗した後の状態の写真である。
【図３Ａ】本発明のダイヤモンドダイスと従来の天然単結晶ダイヤモンドダイスの、孔径の変化する状況を確認した試験結果であり、この試験で使用したダイスの概略形状を示したグラフである。
【図３Ｂ】本発明のダイヤモンドダイスと従来の天然単結晶ダイヤモンドダイスの、孔径の変化する状況を確認した試験結果であり、本発明のダイヤモンドダイスの孔径の変化する結果を示したグラフである。
【図３Ｃ】本発明のダイヤモンドダイスと従来の天然単結晶ダイヤモンドダイスの、孔径の変化する状況を確認した試験結果であり、従来の天然単結晶ダイヤモンドダイスの孔径の変化する結果を示したグラフである。
【符号の説明】
【００２１】
１  単結晶ダイヤモンド
２  ケース
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
粒径５０ｎｍ以上の板状グラファイトあるいはダイヤモンドに非グラファイト型炭素物質を適当量添加し、これを出発物質として、ダイヤモンドが熱力学的に安定である圧力条件下で直接的にダイヤモンドに変換焼結させると、平均粒径がたとえば１０−２０ｎｍの非常に微細なダイヤモンドのマトリックスに、たとえば１００−２００ｎｍの比較的粗いダイヤモンドが分散した組織の多結晶ダイヤモンドが得られる。塑性変形やクラックの進展が比較的粗いダイヤモンド部で阻止されるため、非常に強靱で高い硬度特性を示し、試料による特性バラツキも大幅に小さくなる。【００２３】
ここで、粒径５０ｎｍ以上の板状グラファイトあるいはダイヤモンドに添加される非グラファイト型炭素物質の添加量は１０体積％以上、９５体積％以下が好ましい。１０体積％より少ないと層状もしくは粗粒のダイヤモンド同士が接触し、その界面で応力集中してワレやキレツが発生しやすくなるため好ましくない。また、９５体積％を超えると層状もしくは粗粒のダイヤモンドによる塑性変形や微細クラックの進展阻止効果が十分でなくなる。【００２４】
また、上記非グラファイト型炭素物質として、グラッシーカーボン、アモルファスカーボン、フラーレン、カーボンナノチューブなどが上げられる。また、グラファイトを遊星ボールミル等で機械的に粉砕された粒径５０ｎｍ以下の微細な炭素も用いることができる。【００２５】
以上の混合物を、Ｍｏなどの金属カプセルに充填する。粉砕された微細炭素を用いる場合は、充填作業を高純度な不活性ガス中で行う必要がある。次に、マルチアンビル型超高圧装置やベルト型超高圧装置などの等方加圧や静水圧加圧が可能な超高圧高温発生装置を用いて、温度１５００℃以上で、かつダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力で所定時間保持する。非グラファイト型炭素はダイヤモンドに直接変換され、同時に焼結される。粒径５０ｎｍの板状グラファイトを用いる場合は、これを完全にダイヤモンドに変換させるために、２０００℃以上の高温で処理する必要がある。【００２６】
こうして、微粒のダイヤモンドのマトリックスの中に層状のもしくは比較的粗いダイヤモンド結晶が分散した組織の多結晶ダイヤモンドが安定して得られる。【００２７】
また、グラファイトを出発物質として、上記の高圧高温処理する際に、加熱速度を１００〜１０００℃／分とすることでも同様の組織の多結晶ダイヤモンドが得られる。【００２８】
この層状もしくは粗粒ダイヤモンドでの塑性変形、微細クラックの進展阻止効果により、多結晶体の硬度は１２０ＧＰａ以上と非常に高く、そのため耐摩耗性に非常に優れ、特性のバラつきも少ない。【００２９】
この多結晶ダイヤモンドをコアにしてレーザなどにより孔を形成し、孔の面を研磨する。研磨された孔の面の面あらさはＲａで０．００１μｍ以上０．２μｍ以下とする。このような面あらさにすると、伸線加工を行う場合に、伸線抵抗が低く抑えられて摩耗量も少なくなるので寿命が向上し、しかも耐摩耗性の高い多結晶ダイヤモンドにも関わらず比較的研磨が容易で短時間に加工が行える。【００３０】
また、このようなレーザ加工と研磨加工によりベアリング部の断面を見た時の孔の真円度が０．０１μｍ以上０．２μｍ以下となるように加工すれば、高精度で高品質の線材が得られ長寿命のダイスとすることができる。
【実施例】
【００３１】
粒径０．０５〜１０μm、純度９９．９５％以上の結晶性の良いグラファイト粉末もしくは、粒径０．０５〜３μmの合成ダイヤモンド粉末に、グラファイトを超微細粉砕した粉末やグラシーカーボン粉末、C６０粉末、カーボンナノチューブ粉末の各種非グラファイト型炭素材料を添加し、これをＭｏカプセルに充填、密封し、これを超高圧発生装置を用いて、種々の圧力、温度条件で３０分処理した。得られた試料の生成相をＸ線回折により同定し、ＴＥＭ観察により構成粒子の粒径を調べた。また、得られた試料の表面を鏡面に研磨し、その研磨面での硬さをマイクロヌープ硬度計で測定した。実験の結果を表１に示す。【００３２】
【表１】
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【００３３】
この結果から、平均粒径５０ｎｍ以上のグラファイトもしくはダイヤモンドに、微粒粉砕グラファイトもしくは非グラファイト型炭素物質を１０体積％以上、９５体積％以下添加したものを出発物質として、超高圧高温下で直接変換焼結すると、平均粒径５０ｎｍ以下の微粒のダイヤモンドのマトリックスの中に、粒径５０ｎｍ以上の層状ダイヤモンドもしくは比較的粗いダイヤモンド結晶が分散した組織の多結晶ダイヤモンドが安定して得られる。得られた多結晶体の硬度は、従来のＣｏバインダーの焼結体（６０〜８０ＧＰａ）よりはるかに高く、またグラファイトを出発物質とした多結晶体に見られる硬度特性のバラツキもないことがわかる。【００３４】
次に、上記のダイヤモンドのうち、実施例１のダイヤモンドを使ったダイスと天然単結晶ダイヤモンドを使ったダイスを製作し、ダイスの孔径の変化する状況を確認した。試験条件として、両者のダイスは初期の孔径が僅かに異なっているため、伸線する線材は初期の孔径より約２μｍ大きい径の銅線とし、伸線速度は１００ｍｍ／ｓで行い、１ｍ伸線するごとに伸線加工した線の中央部の２０ｃｍを切り出し、この重量を元に平均の径を算出した。そして、この作業を３０回繰り返し、３０回の径のデータの最大値、最小値、平均値を求めた。従って、これらの値は３０ｍ伸線した中での値になる。これを８回繰り返しグラフにしたものが、図３Ｂと図３Ｃである。【００３５】
図３Ｂと図３Ｃに記載された試験結果の線は、上側の点線が最大径の変化、下側の点線が最小径の変化、中央の実線が平均径の変化を示している。この結果を見ると、孔径の変化する速度は本発明の多結晶ダイヤモンドのダイスに比べて従来の天然単結晶ダイヤモンドのダイスの方が３倍程度速く、本発明のダイスは非常に耐久性に優れることが確認できた。【００３６】
さらに比較を行うため、上記のダイヤモンドのうち実施例１のダイヤモンド（ダイス素材がＡのもの）を使ったダイス（本発明１〜４９）と平均粒径が１μｍのダイヤモンド（ダイス素材がＢのもの）からなる従来の多結晶ダイヤモンド（十数％のＣｏの結合材を含むもの）を使ったダイス（従来例１、２、５、６、１１、１２、１５、１６、２１、２２、２５、２６、３１、３２、３５、３６、４１、４２、４５、４６）と従来の天然単結晶ダイヤモンド（ダイス素材がＣのもの）を使ったダイス（従来例３、４、７、１３、１４、１７、２３、２４、２７、３３、３４、３７、４３、４４、４７）で、孔形状が異なる複数の形状のダイスを製作し、５種類の線材の伸線加工を行って、比較を行った。使用したダイヤモンドの素材、作用面の面あらさ、真円度、リダクション角度は表２〜６に記載したものであり、その結果も合わせて表２〜６に示す。なお、線材がスチールコードのものについては、他の線材の例とした４０μｍの径の線材はないため、孔径が２００μｍのダイスとした。従って、スチールコードの結果については他の線材と同じ基準では比較できない結果になっている。表２〜６の結果のうち、寿命については指数で表しており、指数に比例して寿命が長くなる。また、線表面の傷は５０ｋｍ（スチールコードは２０ｋｍ）の長さを伸線加工した時点での線表面の傷の状態により３通りの評価を行ったものであり、○は傷が認められないもの、△は浅い傷が認められたもの、×は線材が削れたような深い傷が認められたものである。さらに、線表面の傷を確認すると同時に真円度の測定も行った。【００３７】
【表２】
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【００３８】
【表３】
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【００３９】
【表４】
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【００４０】
【表５】
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【００４１】
【表６】
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【００４２】
これらの結果からわかるように、面あらさの違い、真円度の違いやリダクション角度の違いにより、本発明のダイスと従来のダイスを比較すると、本発明のダイスが寿命や線表面の傷の発生において優れているのがわかり、真円度の変化も少なく精度の良い伸線加工が長時間にわたって行えることがわかる。
【図１】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【国際調査報告】
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2008088048.tif 000016