(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子と該超音波振動子に連結されたホーンとから構成され、上記超音波振動子により発生された超音波振動を上記ホーンを介して出力する超音波振動ユニットにおいて、
上記ホーンの先端部に該先端部を切り欠くように設けられた複数の第１の溝と、
上記ホーンの先端部であって上記複数の第１の溝に対して周方向及び軸方向に沿って異なる位置に該先端部を切り欠くように設けられた複数の第２の溝と、
を具備し、
上記複数の第１の溝により発生される曲げ振動と上記複数の第２の溝により発生される曲げ振動により上記ホーンの先端を回転運動させるようにしたことを特徴とする超音波振動ユニット。
【請求項２】
請求項１記載の超音波振動ユニットにおいて、
上記第１の溝は１８０°の位置に一対が対向・配置されており、上記第２の溝も１８０°の位置に一対が対向・配置されていることを特徴とする超音波振動ユニット。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の超音波振動ユニットにおいて、
上記第１の溝に対して６０°〜１２０°の範囲で周方向にずれた位置に上記第２の溝が設けられていることを特徴とする超音波振動ユニット。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れかに記載の超音波振動ユニットにおいて、
上記第１の溝により発生される曲げ振動と上記第２の溝により発生される曲げ振動の位相差が６０°〜１２０°となるように上記第２の溝を上記第１の溝に対して軸方向にずらしたことを特徴とする超音波振動ユニット。
【請求項５】
進退動作されるロッドが設けられたプレス手段と、上記ロッドの先端に取り付けられる請求項１〜請求項４の何れかに記載の超音波振動ユニットと、を具備し、上記プレス手段により上記ロッドを前進させて上記超音波振動ユニットを介して圧入部品を被圧入部材の孔内に圧入するようにしたことを特徴とする超音波圧入装置。
【請求項６】
進退動作されるロッドが設けられ該ロッドの先端に請求項１〜請求項４の何れかに記載の超音波振動ユニットが取り付けられたプレス手段により上記超音波振動ユニットを介して圧入部品を押圧することにより上記圧入部品を被圧入部材の孔内に圧入するようにし、上記超音波振動ユニットのホーンの先端の回転運動によって、圧入部品の姿勢の崩れを防止するようにしたことを特徴とする超音波圧入方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動ユニットと、そのような超音波振動ユニットを使用し、圧入部品としてのピンを被圧入部材としてのワークに設けられた孔内に超音波振動を加えながら圧入する超音波圧入装置と超音波圧入方法に係り、特に、圧入動作時における圧入部品の姿勢の崩れ（例えば、捩れ、傾斜等）を防止して精度良く圧入することができるように工夫したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波振動を加えながらピンをワークに設けられた孔内に圧入していく超音波圧入装置としては、例えば、特許文献１、特許文献２等に記載されたものがある。
尚、圧入時に超音波振動を加える目的は圧入荷重の軽減にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５０−３６３４３号公報
【０００４】
【特許文献２】特開２００７−２９６６１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の構成によると次のような問題があった。
すなわち、圧入時にピンに対して超音波振動を加えると、ピンの姿勢が崩れてしまうことがあり（例えば、捩れ、傾斜等）、そのような状態で圧入動作を継続すると、姿勢が崩れたままの状態でピンがワークの孔内に圧入されてしまうという問題があった。
このような問題に対しては、例えば、ピンの姿勢の崩れを防止するための固定冶具を使用することが考えられる。しかしながら、そのような固定冶具を使用した場合には、超音波振動が減衰してしまい、超音波振動の付加による圧入荷重の軽減効果が損なわれてしまうという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、超音波振動の付加による圧入荷重の軽減効果を何等損なうことなく、超音波振動付加時における圧入部品の姿勢の崩れを防止することを可能にする超音波振動ユニットとそのような超音波振動ユニットを使用した超音波圧入装置と超音波圧入方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するべく本願発明の請求項１による超音波振動ユニットは、超音波振動子と該超音波振動子に連結されたホーンとから構成され、上記超音波振動子により発生された超音波振動を上記ホーンを介して出力する超音波振動ユニットにおいて、上記ホーンの先端部に該先端部を切り欠くように設けられた複数の第１の溝と、上記ホーンの先端部であって上記複数の第１の溝に対して周方向及び軸方向に沿って異なる位置に該先端部を切り欠くように設けられた複数の第２の溝と、を具備し、上記複数の第１の溝により発生される曲げ振動と上記複数の第２の溝により発生される曲げ振動により上記ホーンの先端を回転運動させるようにしたことを特徴とするものである。
又、請求項２による超音波振動ユニットは、請求項１記載の超音波振動ユニットにおいて、上記第１の溝は１８０°の位置に一対が対向・配置されており、上記第２の溝も１８０°の位置に一対が対向・配置されていることを特徴とするものである。
又、請求項３による超音波振動ユニットは、請求項１又は請求項２記載の超音波振動ユニットにおいて、上記第１の溝に対して６０°〜１２０°の範囲で周方向にずれた位置に上記第２の溝が設けられていることを特徴とするものである。
又、請求項４による超音波振動ユニットは、請求項１〜請求項３の何れかに記載の超音波振動ユニットにおいて、上記第１の溝により発生される曲げ振動と上記第２の溝により発生される曲げ振動の位相差が６０°〜１２０°となるように上記第２の溝を上記第１の溝に対して軸方向にずらしたことを特徴とするものである。
又、請求項５による超音波圧入装置は、進退動作されるロッドが設けられたプレス手段と、上記ロッドの先端に取り付けられる請求項１〜請求項４の何れかに記載の超音波振動ユニットと、を具備し、上記プレス手段により上記ロッドを前進させて上記超音波振動ユニットを介して圧入部品を被圧入部材の孔内に圧入するようにしたことを特徴とするものである。
又、請求項６による超音波圧入方法は、進退動作されるロッドが設けられ該ロッドの先端に請求項１〜請求項４の何れかに記載の超音波振動ユニットが取り付けられたプレス手段により上記超音波振動ユニットを介して圧入部品を押圧することにより上記圧入部品を被圧入部材の孔内に圧入するようにし、上記超音波振動ユニットのホーンの先端の回転運動によって、圧入部品の姿勢の崩れを防止するようにしたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上述べたように、本願発明の請求項１による超音波振動ユニットによると、超音波振動子により発生された超音波振動をホーンを介して出力する超音波振動ユニットにおいて、上記ホーンに溝を設けることにより曲げ振動が発生し易い状態にしたので、例えば、これを超音波圧入装置に適用した場合には、圧入部品に曲げ振動を加えることができ、それによって、圧入時における姿勢の崩れを防止することができる。
又、請求項２による超音波振動ユニットは、請求項１記載の超音波振動ユニットにおいて、円周方向に沿って異なる位置に複数の溝を設けるようにしたので、異なる方向の複数の曲げ振動を発生させることができ、例えば、これを超音波圧入装置に適用した場合には、圧入部品に異なる方向の複数の曲げ振動を加えることができ、それによって、圧入時における姿勢の崩れを防止することができる。
又、請求項３による超音波振動ユニットは、請求項２記載の超音波振動ユニットにおいて、上記複数の溝を軸方向に沿って異なる位置に設けるようにしたので、回転運動を発生させることができる。すなわち、共振周波数が異なる複数の曲げ振動が発生し、その曲げ振動と超音波振動子の縦振動の共振周波数を近付けるように工夫することにより、縦振動励磁時に振動変位方向と位相の異なる曲げ振動が同時に発生し、それによって、ホーンの先端に回転運動が発生する。これを超音波圧入装置に適用した場合には、圧入部品に回転運動を加えることができ、それによって、圧入時における姿勢の崩れを防止することができる。
又、請求項４による超音波振動ユニットは、請求項３記載の超音波振動ユニットにおいて、軸方向に沿って異なる位置に設けられた第１の溝と第２の溝があり、上記第１の溝に対して６０°〜１２０°の範囲で周方向にずれた位置に上記第２の溝が設けられているので、回転運動を得るために必要な方向に曲げ振動の振動変位を得ることができ、それによって、上記効果をより確実なものとすることができる。
又、請求項５による超音波振動ユニットは、請求項４記載の超音波振動ユニットにおいて、上記第１の溝に対して上記第２の溝の曲げ振動の位相差が６０°〜１２０°となるように軸方向に沿ってずれた位置に設けられているので、上記回転運動を円軌道に近づけることができ、それによって、上記効果をより確実なものとすることができる。
又、請求項６による超音波振動ユニットは、請求項１記載の超音波振動ユニットにおいて、上記溝は環状溝として設けられているので、簡単な構成によって上記効果を得ることができる。
又、請求項７による超音波圧入装置は、プレス手段と、上記プレス手段の先端に取り付けられる請求項１〜請求項６の何れかに記載の超音波振動ユニットと、を具備し、上記超音波振動ユニットを介して圧入部品を被圧入部材の孔内に圧入するようにしたので、圧入部品に曲げ方向の振動を加えることができ、それによって、圧入時における姿勢の崩れを防止することができる。
又、請求項８による超音波圧入方法は、超音波振動により発生される超音波振動をホーンを介して圧入部品に付与すると共にプレス手段により押圧することにより上記圧入部品を被圧入部材の孔内に圧入する超音波圧入方法において、上記ホーンに回転運動を発生させ、それによって、圧入部品の姿勢の崩れを防止するようにしたので、圧入部品に回転運動を加えることができ、それによって、圧入時における姿勢の崩れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図で、超音波圧入装置の全体の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態を示す図で、超音波圧入装置の超音波圧入ユニットの構成を示す側面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態を示す図で、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態を示す図で、図４（ａ）は超音波圧入装置の超音波圧入ユニットの先端部の構成を示す側面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のｂ部を拡大して示す側面図、図４（ｃ）は図４（ｂ）のｃ−ｃ矢視図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態を示す図で、作用・効果を説明するための測定の様子を示す斜視図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態を示す図で、作用・効果を説明するための特性図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態を示す図で、図７（ａ）作用・効果を説明するための底面図、図７（ｂ）は作用・効果を説明するための別のタイミングの底面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態を示す図で、図８（ａ）は超音波圧入装置の超音波圧入ユニットの先端部の構成を示す側面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のｂ部を拡大して示す側面図、図８（ｃ）は図８（ｂ）のｃ−ｃ矢視図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態を示す図で、図９（ａ）は超音波圧入装置の超音波圧入ユニットの先端部の構成を示す側面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のｂ部を拡大して示す側面図、図９（ｃ）は図９（ｂ）のｃ−ｃ矢視図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態を示す図で、超音波圧入装置の超音波圧入ユニットの先端部の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図１乃至図７を参照して本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は本実施の形態による超音波圧入装置の全体の構成を示す斜視図であり、まず、装置架台１がある。この装置架台１にはプレス手段としてのプレス機３が取り付けられている。この実施の形態の場合には、プレス機３が電動アクチュエータにより構成されている。すなわち、電動モータ５と、この電動モータ５に連結された図示しないボールネジと、このボールネジに螺合・配置され、ボールネジの回転によりスライドする図示しないボールナットと、このボールナットに固着されたロッド７等から構成されている。上記ボールネジ、ボールナット等はハウジング９内に内装されている。
【００１１】
上記ロッド７の先端には超音波圧入ユニット１１が連結されている。上記超音波圧入ユニット１１は、図２及び図３に示すような構成になっている。まず、略中空円筒形状をなす接続具１３があり、この接続具１３の図２、図３中上端には端部材１５が複数本のボルト１７によって取付・固定されている。上記端部材１５の中心部には雌ねじ部１９が形成されている。一方、既に説明したロッド７の先端には図示しない雄ねじ部が形成されている。この雄ねじ部を上記雌ねじ部１９に螺合させることにより、ロッド７と上記端部材１５が連結・固定されている。
【００１２】
上記接続具１３内には、超音波振動子としてのランジュバン振動子２１が内装されている。又、このランジュバン振動子２１の先端側にはホーン２３が、連結ボルト２５を介して連結されている。又、上記ホーン２３には鍔部材２７が一体に形成されていて、この鍔部材２７は上記接続具１３の先端側に複数本のボルト２９によって取付・固定されている。
【００１３】
既に説明したプレス機３の駆動モータ５はモータ制御装置３１によって制御されるものであり、又、上記ランジュバン振動子２１は超音波圧入制御装置３３によって制御されるように構成されている。上記ランジュバン振動子２１はケーブル３５、３７を介して上記超音波圧入制御装置３３に接続されている。上記ケーブル３５、３７は接続具１３に形成された貫通孔３９を介して設置されており、又、上記ランジュバン振動子２１側には電極２１ａ、２１ｂが突出・配置されていて、これら電極２１ａ、２１ｂに上記ケーブル３５、３７が接続されている。又、本実施の形態の場合には、ベルトコンベア４１によって搬送されてくる被圧入部材としてのワーク４３に予め孔が穿孔されていて、その孔内に圧入部品としてのピン４５を圧入するものである。
尚、上記ベルトコンベア４１によって搬送されてくる段階では、ワーク４３の孔内にピン４５の下端が僅かに差し込まれた状態となっている。
【００１４】
上記ホーン２３は、図４に示すように、略逆円錐形状をなしている。又、その先端部には、一対の第１の溝５１、５１と別の一対の第２の溝５３、５３が形成されている。まず、上記一対の第１の溝５１、５１は１８０°の位置に対向・配置された状態で設けられている。同様に、上記一対の第２の溝５３、５３も１８０°の位置に対向・配置された状態で設けられている。上記一対の第２の溝５３、５３は、上記第１の溝５１、５１に対して、６０°〜１２０°の範囲の任意の角度（この実施の形態の場合には９０°）だけ回転方向にその位置をずらした状態で設けられている。又、上記一対の第２の溝５３、５３は、上記第１の溝５１、５１に対して、超音波振動子（ランジュバン振動子２１）を駆動する周波数において、曲げ振動の位相差が６０°〜１２０°の範囲の任意の角度（この実施の形態の場合には９０°）だけずれるように、その軸方向位置をずらした状態で設けられている。
【００１５】
本実施の形態の場合には、上記一対の第１の溝５１、５１と別の一対の第２の溝５３、５３を設けているものであるが、それを軸方向に沿って異なる位置に設けることにより、共振周波数が異なる複数の曲げ振動が発生する。その曲げ振動とランジュバン振動子２１の縦振動の共振周波数を近付けるように工夫することにより、縦振動励振時に振動変位方向と位相の異なる曲げ振動が同時に発生し、それによって、ホーン２３の先端に回転運動が発生することになる。また、超音波振動子を駆動する周波数で、溝を設けたことにより起こる曲げ振動を、励振可能にすることになる。
【００１６】
又、この実施の形態の場合には、上記一対の第２の溝５３、５３が上記第１の溝５１、５１に対して９０°だけ回転方向にその位置をずらした状態で設けられていると共に、上記一対の第２の溝５３、５３が上記第１の溝５１、５１に対して、曲げ振動の位相差が９０°だけずれるように、その軸方向位置をずらした状態で設けられているので、上記回転運動が円軌道の回転運動になるものである。
因みに、上記各角度を９０°以外の角度に設定した場合には、例えば、楕円軌道の回転運動が得られることになる。
【００１７】
以上の構成を基にその作用を説明する。
まず、超音波圧入装置としての基本的な作用であるが、プレス機３によってワーク４３に向かう方向に押圧力が付与されている。それと同時に、超音波圧入ユニット１１によって超音波振動が付与されていて、それによって、ピン４５は超音波振動が付与された状態で押圧されることになり、ワーク４３の孔内に圧入されることになる。
【００１８】
その際、本実施の形態の場合にはホーン２３の先端部において、一対の第１の溝５１、５１と別の一対の第２の溝５３、５３が形成されているので、上記超音波圧入ユニット１１により付与される縦振動によって曲げ振動が発生することになる。その結果、ピン４５はその下端を支点として、その上端が水平面内で円運動を行うように回転運動する。その結果、ピン４５はその姿勢が崩れることなく精度よくワーク４３の孔内に圧入されることになる。
【００１９】
上記ピン４５の上端の円運度に関して、図５及び図６を参照して詳細に説明する。まず、図５に示すように、ホーン２３先端部において、第１の溝５１に対してレーザを照射し（Ｘ方向）、同じく、第２の溝５３に対してもレーザを照射し（Ｙ方向）、その回転動作をレーザ振動計によって測定した。その結果、図６に示すような結果を得ることができた。図６は横軸に時間をとり、縦軸に振幅をとり、振幅の時間変化を示す図である。図６に示すように、Ｘ方向の曲げ振動とＹ方向の曲げ振動が９０°の位相差をもって発生しているものである。その結果、ピン４５はその下端を支点として、その上端が水平面内で円運動を行うように回転運動するものである。その様子を図７に示す。図７（ａ）、（ｂ）はホーン２３を下からみた図であり、図７（ａ）に示す状態から９０°だけ回転した状態が図７（ｂ）に示す状態である。
【００２０】
このような円運動が発生すると、ピン４５の上端は中心に向かって移動することになり、その結果、ピン４５の姿勢の崩れが効果的に防止されるものである。
【００２１】
以上、本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、ホーン２３の先端部において、一対の第１の溝５１、５１と別の一対の第２の溝５３、５３を形成したので、超音波圧入ユニット１１により発生される縦振動によって曲げ振動が発生することになり、それによって、ピン４５の上端が回転運動してその姿勢の崩れを防止しようとする。それによって、ピン４５の姿勢の崩れは防止され、精度の良い圧入を行うことが可能になる。
又、本実施の形態の場合には、上記一対の第２の溝５３、５３は、上記第１の溝５１、５１に対して、６０°〜１２０°の範囲の任意の角度（この実施の形態の場合には９０°）だけ回転方向にその位置をずらした状態で設けられており、又、上記一対の第２の溝５３、５３は、上記第１の溝５１、５１に対して、曲げ振動の位相差が６０°〜１２０°の範囲の任意の角度（この実施の形態の場合には９０°）だけずれるように、その軸方向位置をずらした状態で設けられているので、ピン４５の上端は下端を支点として、水平面内で円運動を行うことになり、それによって、上記効果をより高めることができる。
【００２２】
次に、図８を参照して本発明の第２の実施の形態を説明する。前記第１の実施の形態の場合には、一対の第１の溝５１、５１と別の一対の第２の溝５３、５３を形成したが、この実施の形態の場合には、それぞれ一個ずつの第１の溝５１と第２の溝５３を形成したものである。
その他の構成は前記第１の実施の形態の場合と同様であり、図中同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。
【００２３】
この第２の実施の形態の場合には、曲げ振動の中心がホーン２３の中心に対してずれるために回転運動が軸芯に対してずれた位置に発生するが、このような構成でも前記第１の実施の形態の場合と略同様の効果を奏することができる。
【００２４】
次に、図９及び図１０を参照して本発明の第３の実施の形態を説明する。この第３の実施の形態の場合には、ホーン２３の先端部に環状溝６１を形成した構成になっている。
この実施の形態の場合には、超音波圧入ユニット１１により発生される縦振動によって、上記環状溝６１を設けることにより曲げ振動を発生させるようにしているが、その際、超音波振動子の共振周波数と、環状溝を設けることにより発生させる曲げ振動の共振周波数が近づくように、上記環状溝６１を形成するようにしている。
尚、その他の構成は前記第１の実施の形態の場合と同様であり、図中同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。
【００２５】
このような構成であっても、前記第１の実施の形態、第２の実施の形態の場合と略同様の効果を奏することができる。
又、超音波振動子の共振周波数と、環状溝を設けることにより発生させる曲げ振動の共振周波数が近づくように、上記環状溝６１を形成するようにしているので、環状のどの方向にも曲げ振動を起こし易くする効果が得られる。又、且つ、環状溝６１を形成したホーン２３の先端に圧入ピン４５の端が接触し、その際、圧入ピン４５の姿勢が傾いている場合、傾き方向に曲げ振動が大きく発生することになり、それによって、圧入ピン４５の傾き補正効果が得られる。
【００２６】
尚、本発明は前記第１〜第３の実施の形態に限定されるものではない。
まず、前記第１及び第２の実施の形態の場合には、第１の溝と第２の溝の両方を設ける構成を例に挙げて説明したが、何れか一方の場合でもある程度の効果を奏することはできる。
又、周方向３個所以上の場所において３種類以上の溝を設ける構成も考えられる。
又、前記第１及び第２の実施の形態の場合には、第１の溝と第２の溝の両方を設ける構成において、上記第２の溝を第１の溝に対して、６０°〜１２０°の範囲で９０°に設定した場合を例に挙げて説明したが、９０°以外の角度で回転方向にその位置をずらした状態で設けることも考えられ、又、第２の溝を第１の溝に対して、曲げ振動の位相差が６０°〜１２０°の範囲の９０°に設定した場合を例に挙げて説明したが、９０°以外の角度だけずれるようにその軸方向位置をずらした状態で設けることも考えられる。その場合には、ピンの上端は下端を支点として水平面内で楕円運動を行うことになる。
又、６０°〜１２０°の範囲以外の角度で回転方向にその位置をずらして設定するようにしても良いし、６０°〜１２０°の範囲以外の角度で曲げ振動の位相差を設定するようにしても良い。
又、超音波振動子としては、ランジュバン振動子以外にも、様々なタイプのものが考えられ、例えば、磁歪素子のようなものを使用することも考えられる。
又、ホーンに螺旋又は斜めの溝を設けることにより回転運動を発生させるようにしても良い。
又、前記各実施の形態の場合には、ホーンの形状を略逆円錐形状としたが、それに限定されるものではなく、例えば、漏斗形状のようなものも想定される。
又、前記各実施の形態の場合には、超音波圧入装置に適用した場合を例に挙げて説明しているが、それに限定されるものではなく、別の用途の機械に対しても適用可能である。
その他、図示した構成はあくまで一例である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、超音波振動ユニットと、そのような超音波振動ユニットを使用し、圧入部品としてのピンを被圧入部材としてのワークに設けられた孔内に超音波振動を加えながら圧入する超音波圧入装置と超音波圧入方法に係り、特に、圧入動作時における圧入部品の姿勢の崩れ（例えば、捩れ、傾斜等）を防止して精度良く圧入することができるように工夫したものに関し、例えば、ピンをワークの孔内に超音波圧入する場合に好適である。
【符号の説明】
【００２８】
３  プレス機（プレス手段）
１１  超音波振動ユニット
４３  ワーク（被圧入部材）
４５  ピン（圧入部品）
１２  ランジュバン振動子（超音波振動子）
２３  ホーン
５１  第１の溝
５３  第２の溝    
【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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