(57)【要約】  【課題】  放熱特性が高く、耐久性の高いセラミックボールを提供することを目的とするものである。【解決手段】  安定化または部分安定化したジルコニアを主成分とし、アルミナを含有するセラミック焼結体からなり、安定化または部分安定化したジルコニアの平均結晶粒子径が0.50μｍを超えて0.85μｍ以下であって、アルミナの平均結晶粒子径よりも大きいことにより、優れた機械的特性を有し、かつ放熱特性を向上することができ、転動する際に生じる摩擦熱を放熱し易くなり、耐久性（寿命）に優れたセラミック転動体を提供することができる。【選択図】  図１
2014088297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
安定化または部分安定化したジルコニアを主成分とし、アルミナを含有するセラミック焼結体からなり、前記安定化または部分安定化したジルコニアの平均結晶粒子径が０．５０μｍを超えて０．８５μｍ以下であって、前記アルミナの平均結晶粒子径よりも大きいことを特徴とするセラミック転動体。
【請求項２】
前記アルミナの平均結晶粒子径が０．４０μｍ以上０．７５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック転動体。
【請求項３】
前記セラミック焼結体の内部における平均結晶粒子径が、前記セラミック焼結体の表層部における平均結晶粒子径よりも大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミック転動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受等に用いられるセラミック転動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受等に用いられるセラミック転動体は、スムーズに転がる様に、表面に凹凸がなく、形状に変化がないことが重要である。この様なセラミック転動体は、アルミナ，窒化珪素またはジルコニア等の各種セラミック原料粉末を球状体に成形して焼結し、その後、必要に応じて表面加工を施すことにより作製されることが知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、セラミック転動体として、体積で20〜80％のアルミナ成分と、体積で80〜20％のジルコニア成分を有するアルミナ−ジルコニア複合体が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2002-213455号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１で提案されたアルミナ−ジルコニア複合体からなる転動体は、ジルコニアの含有量が少ないと機械的特性が低下し、機械的特性を向上させるためにジルコニアの含有量を増加させると放熱特性が低下する。さらには、ジルコニアが熱により相変態して結晶構造の歪みが生じて、機械的特性が低下するという問題があった。
【０００６】
本発明は、機械的特性に優れ、かつ放熱特性が高く、耐久性（寿命）に優れたセラミック転動体を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のセラミック転動体は、安定化または部分安定化したジルコニアを主成分とし、アルミナを含有するセラミック焼結体であり、前記安定化または部分安定化したジルコニアの平均結晶粒子径が0.50μｍを超えて0.85μｍ以下であって、前記アルミナの平均結晶粒子径よりも大きいことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のセラミック転動体によれば、安定化または部分安定化したジルコニアを主成分とし、アルミナを含有するセラミック焼結体からなり、安定化または部分安定化したジルコニアの平均結晶粒子径が0.50μｍを超えて0.85μｍ以下であって、アルミナの平均結晶粒子径よりも大きいことから、優れた機械的特性を有するとともに、放熱特性を向上することができるので、転動する際に生じる摩擦熱を放熱し易くなり、耐久性（寿命）に優れたものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態のセラミック転動体の一例を示すセラミックボールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本実施形態のセラミック転動体について説明する。
【００１１】
ここで本実施形態のセラミック転動体は、、安定化または部分安定化したジルコニアを主成分とし、アルミナを含有するセラミック焼結体からなり、安定化または部分安定化したジルコニアの平均結晶粒子径が0.50μｍを超えて0.85μｍ以下であって、アルミナの平均結晶粒子径よりも大きいことが重要である。
【００１２】
このような構成とすれば、安定化または部分安定化したジルコニアが主成分であることから、転動する際に生じる摩擦熱によってジルコニアが相変態して結晶構造に歪みを生じることが少なくなり、優れた機械的特性を維持することができる。また、ジルコニアより優れた熱伝導性を有するアルミナを含有することから放熱特性を向上することができる。
【００１３】
そして、安定化または部分安定化したジルコニアの平均結晶粒子径が0.50μｍを超えて0.85μｍ以下であって、アルミナの平均結晶粒子径よりも大きいことから、機械的強度を維持しつつ、結晶粒界を減少させることができ、放熱特性を向上することができる。ここで、安定化または部分安定化したジルコニアの平均結晶粒子径が0.50μｍを超えると、セラミック焼結体を構成する結晶間の粒界が減少するので、熱伝導性が良くなり放熱特性が向上するので好ましい。一方で、0.85μｍを超えると結晶粒子径が大きくなって機械的強度が低下する傾向があるので、ジルコニアの平均結晶粒子径は0.50μｍを超えて0.85μｍ以下とするのが好ましい。
【００１４】
なお、ここでいう主成分とは、機械的特性と放熱特性の効果を好適に生じさせるために、安定化または部分安定化したジルコニアの量が焼結体の組成に対して70質量％以上であることをいう。
【００１５】
また、本実施形態のセラミック転動体は、アルミナの平均結晶粒子径が0.40μｍ以上0.75μｍ以下であることが好ましく、この様な構成であれば、アルミナの平均結晶粒子径が小さいので、アルミナの良好な熱伝導性の低下が抑えられ放熱特性を維持しながら、機械的特性を向上できるので好ましい。特に、アルミナの平均結晶粒子径が0.40μｍ未満であると結晶を粉砕するための製造上のコストがかかり、0.75μｍを超えると上述の効果が減少するので、0.40μｍ以上0.75μｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
図１は、本実施形態のセラミック転動体の一例を示すセラミックボールの断面図である。本実施形態の一例であるセラミックボール１は、球状のセラミック焼結体からなり、例えば、転がり軸受装置の軸受に用いられ、軸を保持しながら軸に合わせて転動し、軸とセラミックボール１との摩擦や摩耗を少なくして軸の回転や転動を維持するために用いられる。
【００１７】
ここで、図１に示すセラミックボール１は、内部12における平均結晶粒子径が、表層部11における平均結晶粒子径よりも大きいことが好ましい。このような構成とすれば、内部12における結晶粒子間に形成される粒界を減少することができるので、内部12での熱伝導を向上できる。それゆえ、表層部11にて発生した熱が内部12に伝導しやすくなり、セラミックボール１全体に対し熱が均一に蓄積されやすくなり、熱の偏りが少なくなることから熱応力が発生しにくくなり、ジルコニアの結晶相の相変態による歪が発生しにくくなるので、熱的に安定で耐久性の高いセラミックボール１とすることができる。
【００１８】
なお、本実施形態において、表層部11とは、セラミックボール１を断面視して、直径を六等分したときの最外周側となる領域の部分の範囲をいい、残りの部分を内部12としている。
【００１９】
安定化または部分安定化したジルコニアおよびアルミナの平均結晶粒子径と、表層部と
内部の粒径との測定方法は以下のとおりである。
【００２０】
まず、セラミック転動体をグラインダなどで切断し、断面の鏡面研磨を行なう。次に、焼成時の最高温度から50〜100℃低い温度の範囲でファイヤーエッチングをし、走査型電
子顕微鏡（例えば日本電子製のJSM-7001F）で10000倍の倍率で任意の10箇所を撮影し、コード法を用いることで、各結晶の平均結晶粒子径を求めることができる。なお、表層部11および内部12における各結晶の平均結晶粒子径は、表層部11および内部12の任意の箇所において、上記と同様の方法にて各領域の平均結晶粒子径を求めればよい。
【００２１】
なお、コード法で平均結晶粒子径を求めるには、まず撮影した画像に対し直線を引き、この直線が画像上の結晶を横切る場合、結晶を横切る距離をそれぞれの結晶の粒径とみなす。次に、このように測定した結晶の粒径を粒子の個数で除算することによって、平均結晶粒子径を求めることができる。
【００２２】
また、安定化または部分安定化したジルコニアとしては、カルシア，マグネシア，ストロンチア，イットリアおよびセリアから１種類もしくは２種類選択した安定化剤を用いて、安定化または部分安定化されていることが好ましい。ジルコニアを安定化または部分安定化することによって、高温環境下で使用した際に発生する単斜晶から正方晶に変化する相変態に起因するクラックを抑えることができるので、耐久性を向上することができる。特に、安定化剤としてイットリアを選択したならば、ジルコニアの機械的強度が高くできるうえに、原料コストを安く抑えることができる。なお、安定化または部分安定化したジルコニアを100モル％としたとき、ジルコニアを安定化するためには、安定化剤の含有割
合を８モル％以上40モル％未満とし、ジルコニアを部分安定化するためには、安定化剤の含有割合を１モル％以上８モル％未満とすれば良い。
【００２３】
また、本実施形態のセラミック転動体は、セラミック焼結体の組成として安定化または部分安定化ジルコニアの含有量が70質量％以上90質量％以下、アルミナの含有量が10質量％以上30質量％以下を含有することが好ましい。このような構成とすれば、優れた機械的特性を維持しつつ、放熱特性を向上することができる。
【００２４】
ここで、本実施形態のセラミック転動体を構成する成分については、蛍光Ｘ線分析法またはＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析法により含有量を求めればよい。
【００２５】
以下、本実施形態のセラミック転動体の一例であるセラミックボールを製造する方法の一例を示す。
【００２６】
まず、カルシア，マグネシア，ストロンチア，イットリアおよびセリアから１種類もしくは２種類選択した安定化剤の含有割合が１モル％以上８モル％未満である部分安定化ジルコニアと、アルミナと、焼結助剤となるシリカ，マグネシアおよびカルシアなどの原料粉末を準備する。
【００２７】
ここで、部分安定化ジルコニア原料粉末の比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ．）は４ｍ２／ｇ以上７ｍ２／ｇであり、アルミナ原料粉末の比表面積は１ｍ２／ｇ以上２ｍ２／ｇ以下が好ましい。この範囲であれば、部分安定化ジルコニアの平均結晶粒子径が0.50μｍを超えて0.85μｍ以下であって、部分安定化ジルコニアの平均結晶粒子径を、アルミナの平均結晶粒子径よりも大きくすることができる。特に、アルミナの平均結晶粒子径を0.40μｍ以上0.75μｍ以下とするならば、アルミナ原料粉末の比表面積を1.5ｍ２／ｇ以上1.8ｍ２／ｇ以下とすればよい。
【００２８】
次に、部分安定化ジルコニア粉末70質量％以上90質量％以下と、アルミナ粉末10質量％以上30質量％以下とを原料粉末とし、この原料粉末100質量％に対して分散剤を0.2質量％以上0.3質量％以下と、シリカ，マグネシアおよびカルシアなどの焼結助剤を１質量％以
上３質量％以下と、粉砕用にアルミナもしくはジルコニアを主成分とするセラミックボールと、水と、を回転ミルに投入して、湿式粉砕を行ない粉砕・混合して原料を得る。
【００２９】
次に、粉砕・混合して得られた原料100ｗｔ％に対し、バインダー、可塑剤および離型
剤などの有機成分が2.0ｗｔ％以上10.0ｗｔ％以下となるように添加する。
【００３０】
次に、粉砕・混合した原料と、添加した有機成分が均一に混合されるように0.5〜２時
間撹拌することによってスラリーを作製し、作製したスラリーをスプレードライヤーを用いて噴霧乾燥することによってラミックス顆粒を作製する。
【００３１】
次に、このセラミックス顆粒を使用し成形体を作製する。成形方法は粉末プレス成形法またはＣＩＰ（Cold Isostatic Pressing）法を用いることができるが、セラミックボー
ル１の表層部11よりも内部12の平均結晶粒子径を大きくするには、粉末プレス成形法によって成形することが好ましい。粉末プレス成形法によって成形体を作製すると、成形体のうち、表層部11の密度を内部12の密度よりも高くできるので、焼成時に表層部11が先に焼結し易くなり、内部12が表層部11からの熱を受けて熱が籠り易くなることで、内部12の平均結晶粒子径を表層部11よりも大きくすることができる。なお、このとき用いる金型は、球状の成形体の中心に帯状部を形成することができる金型を使用して作製すればよく、成形体を形成するための成形圧を2.0ｔｏｎ／ｃｍ２以上2.5ｔｏｎ／ｃｍ２以下に設定するとともに、プレス装置の下死点でのホールド時間（停止時間）を0.3秒以上1.0秒以下に設定して成形すれば、表層部11の密度が内部12の密度よりも高い成形体を得ることができる。
【００３２】
次に、成形体を焼成した状態のセラミックボール素球を作製する。得られた成形体を大気雰囲気中にて250℃以上450℃以下で脱脂を行なった後、大気雰囲気において最高温度を1500℃以上1600℃以下とし焼成を行なうことが好ましい。また、焼成時間は通常、0.5時
間以上10時間以下の範囲であればよいが、成形体の大きさによって適宜変更すればよい。このようにして、セラミックボール素球を作製することができる。
【００３３】
また、緻密性を得るために必要に応じて、セラミックボール素球に対して100ＭＰａ以
上200ＭＰａ以下のアルゴン雰囲気中で、最高温度を1350℃以上1600℃以下、焼成時間を0.5時間以上20時間以下でＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing）処理を施してもよい。特に、風力発電装置用転がり軸受に用いられるような直径が40ｍｍ以上60ｍｍ以下のセラミックボール用のセラミックボール素球を得るにあたっては、適宜ＨＩＰ処理を用いればよい。
【００３４】
そして、このようにして作製されたセラミックボール素球を、直径不同が0.1μｍ、真
球度が0.1μｍ、算術平均粗さ（Ｒａ）が0.003μｍとなるようにバレル研磨、ボール研磨等の仕上げ加工を順次施すことにより、セラミックボール１を得ることができる。なお、直径不同、真球度および算術平均粗さ（Ｒａ）は、ＪＩＳ Ｂ 1501−2009に準拠して測定すればよい。
【００３５】
このようなセラミックボールは、ボールねじ、インバーター、リニアガイドや風力発電機、建設機械または鉄鋼圧延機等で利用される転がり軸受等の転がり支持装置に適用することができる。
【００３６】
なお、ここまでは、セラミック転動体の製造方法の一例として、セラミックボールを用いて説明したが、円柱のコロとしても同様の製造方法で作製することができる。その場合
、算術平均粗さ（Ｒａ）が0.1μｍとなるようにバレル研磨、ボール研磨等の仕上げ加工
を順次施すことにより、円柱のコロを得ることができる。なお、算術平均粗さ（Ｒａ）は、ＪＩＳ Ｂ 1506−2005に準拠して測定すればよい。
【００３７】
以下、本発明のセラミック転動体の実施例を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３８】
部分安定化ジルコニアの平均結晶粒子径とアルミナの平均結晶粒子径との関係を異ならせたセラミックボールを作製し、耐久性について確認した。
【００３９】
まず、イットリアを安定化剤とし、その含有割合が３モル％である部分安定化ジルコニアと、アルミナと、焼結助剤となるシリカ，マグネシアおよびカルシアなどの原料粉末を準備した。
【００４０】
なお、部分安定化ジルコニアとアルミナの原料粉末は、セラミック焼結体中の平均結晶粒子径が表１に示した値になるように、比表面積が3.5ｍ２／ｇ以上7.5ｍ２／ｇの部分安定化ジルコニアの原料粉末と比表面積が0.8ｍ２／ｇ以上2.3ｍ２／ｇのアルミナの原料粉末のものを各試料ごとに準備した。
【００４１】
次に、部分安定化ジルコニア粉末80質量％と、アルミナ粉末20質量％とを原料粉末とし、この原料粉末100質量％に対して分散剤を0.2質量％と、シリカ，マグネシアおよびカルシアなどの焼結助剤を２質量％と、ジルコニアを主成分とする粉砕用ボールと、水と、を回転ミルに投入して、湿式で粉砕・混合して二次原料を得た。
【００４２】
次に、得られた二次原料100質量部に対し、バインダー、可塑剤および離型剤などの有
機成分を添加してスラリーを作製し、作製したスラリーをスプレードライヤーを用いて噴霧乾燥してセラミックス顆粒を作製した。
【００４３】
次に、このセラミックス顆粒を使用し、研磨後の完成球が５／32インチ（直径3.9688ｍｍ）となるように成形圧を100ＭＰａとしてＣＩＰ（Cold Isostatic Pressing）法によって成形体を作製した。
【００４４】
次に、得られた成形体を大気雰囲気中にて400℃で脱脂を行ない、そして、大気雰囲気
において最高温度を1550℃とし焼成を行なった。さらに、150ＭＰａのアルゴン雰囲気中
で、最高温度を1550℃、焼成時間を1.5時間とし、ＨＩＰ処理を行なった。このようにし
て、セラミックボール素球を作製した。
【００４５】
そして、このようにして作製されたセラミックボール素球をＪＩＳ Ｂ 1501−2009に準拠して測定し、直径不同が0.1μｍ、真球度が0.1μｍ、算術平均粗さ（Ｒａ）が0.003μ
ｍとなるようにバレル研磨、ボール研磨等の仕上げ加工を順次施すことにより、試料Ｎｏ．１〜12のセラミックボールを得た。
【００４６】
次に、各試料のジルコニアおよびアルミナの平均結晶粒子径を確認した。
【００４７】
まず、セラミックボールを切断し、断面の鏡面研磨を行なった。次に、焼成温度から70℃低い温度の範囲でファイヤーエッチングをし、走査型電子顕微鏡（日本電子製のJSM-7001F）で10000倍の倍率で10箇所を撮影し、コード法を用いて各結晶の平均結晶粒子径を求めた。
【００４８】
次に、同じ製造方法で作製した試料を転動体として用いた高炭素クロム軸受鋼材（ＪＩＳ Ｇ 4805−2008に記載されている種類の記号がＳＵＪ２である。）からなる軸受を作製し、疲労試験を行なった。条件は下記のとおりである。
最大接触面圧：1.0ＧＰａ
軸受回転数：1000ｒｐｍ
潤滑液：タービン油ＶＧ68
温度：室温
そして、振動検出装置により回転中の転がり軸受の振動を監視し、球状体に破損が発生して転がり軸受の振動が所定値を超えた時点で疲労試験を中止するとともに、運転開始から中止するまで試料Ｎｏ．１を配設した転がり軸受の寿命を基準値１として、試料Ｎｏ．２〜12を配設した転がり軸受の寿命の相対値を寿命比として評価した。ここで、疲労試験を中止するまでの時間が転がり軸受の寿命である。
【００４９】
各試料のジルコニアおよびアルミナの平均結晶粒子径と、試料Ｎｏ．１の寿命を１としたときの各試料の寿命比と、を表１に示す。なお、試料Ｎｏ．１の寿命時間は8000時間であった。
【００５０】
【表１】
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【００５１】
アルミナの平均結晶粒子径が部分安定化したジルコニアの平均結晶粒子径より大きい試料Ｎｏ．１に対し、部分安定化したジルコニアの平均結晶粒子径がアルミナの平均結晶粒子径より大きい試料Ｎｏ．２の寿命比は1.05となった。これらに対し、部分安定化したジルコニアの平均結晶粒子径が0.50μｍを超えて0.85μｍ以下であって、アルミナの平均結晶粒子径よりも大きい試料Ｎｏ．３〜６の寿命比は1.4以上となり、耐久性が向上したこ
とが分かった。特に、部分安定化したジルコニアの平均結晶粒子径が0.61μｍ以上0.75μｍ以下であって、アルミナの平均結晶粒子径よりも大きい試料Ｎｏ．４，５の寿命比は1.65以上となり、さらに耐久性が向上したことが分かった。
【００５２】
次に、アルミナの平均結晶粒子径が0.34μｍ、0.78μｍである試料Ｎｏ．４，12は寿命比がそれぞれ1.65，1.75であった。これらに対し、アルミナの平均結晶粒子径が、0.40μｍ以上0.75μｍ以下である試料Ｎｏ．８〜11の寿命比は1.85以上であり、耐久性が向上したことが分かった。特に、アルミナの平均結晶粒子径が、0.54μｍ以上0.69μｍ以下である試料Ｎｏ．９，10の寿命比は２以上であり、耐久性がさらに向上したことが分かった。
【００５３】
以上のことから、安定化または部分安定化したジルコニアを主成分とし、アルミナを含有するセラミック焼結体であり、安定化または部分安定化したジルコニアの平均結晶粒子径が0.50μｍを超えて0.85μｍ以下であって、アルミナの平均結晶粒子径よりも大きいことにより、優れた機械的特性を有するとともに、放熱特性を向上することができるので、転動する際に生じる摩擦熱を放熱し易くなり、耐久性の高いセラミック転動体とすることができることが分かった。
【００５４】
また、セラミック焼結体のアルミナの平均結晶粒子径が0.40μｍ以上0.75μｍ以下であることにより、優れた機械的特性を得ることができ、衝撃に対し強くなるので、耐久性の高いセラミック転動体とすることができることが分かった。
【実施例２】
【００５５】
図１に示す表層部11と内部12の平均結晶粒子径の関係を異ならせたセラミックボール１を作製し、耐久性について確認した。
【００５６】
まず、実施例１の試料Ｎｏ．９と同じセラミックス顆粒を作製した。
【００５７】
次に、このセラミックス顆粒を使用し、研磨後の完成球が５／32インチ（直径3.9688ｍｍ）となるように成形圧を2.1ｔｏｎ／ｃｍ２、下死点でのホールド時間（停止時間）を0.5秒に設定して粉末プレス法によって成形体を作製した。
【００５８】
次に、得られた成形体を大気雰囲気中にて400℃で脱脂を行ない、そして、大気雰囲気
において最高温度を1550℃とし焼成を行なった後に150ＭＰａのアルゴン雰囲気中で、最
高温度を1550℃、焼成時間を1.5時間とし、ＨＩＰ処理を行なった。このようにして、セ
ラミックボール素球を作製した。
【００５９】
そして、このようにして作製されたセラミックボール素球を、直径不同が0.1μｍ、真
球度が0.1μｍ、算術平均粗さ（Ｒａ）が0.003μｍとなるようにバレル研磨、ボール研磨等の仕上げ加工を順次施すことにより、試料Ｎｏ．14のセラミックボール１を得た。なお、試料Ｎｏ．13は実施例１の試料Ｎｏ．９と同じ製造方法で得たものである。
【００６０】
次に、各試料の表層部11および内部12の平均結晶粒子径を確認した。
【００６１】
まず、セラミックボール１を切断し、断面の鏡面研磨を行なった。次に、焼成温度から70℃低い温度の範囲でファイヤーエッチングをし、表層部11および内部12の領域を確定し、各領域において走査型電子顕微鏡（日本電子製のJSM-7001F）で10000倍の倍率で10箇所を撮影し、コード法を用いて各領域の平均結晶粒子径を求めた。
【００６２】
次に、同じ製造方法で作製した試料を用いて実施例１と同じ疲労試験を行なった。
【００６３】
各試料の部分安定化したジルコニアおよびアルミナの平均結晶粒子径、実施例１の試料Ｎｏ．１の寿命を１としたときの各試料の寿命比を表２に示す。
【００６４】
【表２】
2014088297.tif 000004
【００６５】
表層部11の平均結晶粒子径が内部12の平均結晶粒子径と同じ試料Ｎｏ．13の寿命比が２であったのに対し、内部12の平均結晶粒子径が表層部11の平均結晶粒子径よりも大きい試料Ｎｏ．14の寿命比は2.3となっており、耐久性が向上したことが分かった。
【００６６】
以上のことから、セラミック焼結体の内部の平均結晶粒子径が、表層部における平均結晶粒子径よりも大きいことにより、表層部にて発生した熱を、内部に伝搬しやすくなり、セラミック転動体全体に対し蓄積される熱が均一化されやすくなり、偏熱部が生じることから熱応力が発生しにくくなり、熱的に安定で耐久性の高いセラミック転動体にすることができることが分かった。
【符号の説明】
【００６７】
１：セラミックボール
11：表層部
12：内部
【図１】
2014088297.tif 000005