(57)【要約】【課題】蓋部材の板厚を厚くすることなく該蓋部材を管状部材に対して円滑に摩擦撹拌接合できるようにする。【解決手段】管部材１０の一端に蓋部材１１を突合せて、その突合せ部Ｓを回転工具６により摩擦撹拌接合する管端部の閉塞方法において、前記蓋部材１１をカップ形状としてその筒状縁部１４を管部材１０の一端に突合せ、該筒状縁部１４に、管部材１０に挿入したマンドレル１２の一端部の受圧部１６を嵌合させる。筒状縁部１４の内径を管部材１１の内径よりもわずか小径にして、マンドレル１２の挿脱時に管部材１０の内面に傷が付くのを防止する。また、回転工具６の加圧力をマンドレル１２の受圧部１６に受圧させて、管部材１０および蓋部材１１の突合せ端部の変形を防止する。【選択図】図１
2006205252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管部材の一端に蓋部材を突合せて、その突合せ部を摩擦撹拌接合する管端部の閉塞方法において、前記蓋部材をカップ形状としてその筒状縁部を前記管部材の一端に突合せると共に、該筒状縁部に、前記管部材に挿入したマンドレルの一端部を嵌合させ、前記マンドレルに回転工具の加圧力を受圧させながら摩擦撹拌接合を行うことを特徴とする管端部の閉塞方法。
【請求項２】
蓋部材の縁部に対するマンドレルの嵌合クリアランスを、０.０１〜０.０５ｍｍに設定することを特徴とする請求項１に記載の管端部の閉塞方法。
【請求項３】
蓋部材の筒状縁部の内径を、管部材の内径よりも小さくすることを特徴とする請求項１または２に記載の管端部の閉塞方法。
【請求項４】
蓋部材の筒状縁部の肉厚を、管部材の肉厚と同等にすることを特徴とする請求項３に記載の管端部の閉塞方法。
【請求項５】
蓋部材の筒状縁部の肉厚を、管部材の肉厚よりも厚くすることを特徴とする請求項３に記載の管端部の閉塞方法。
【請求項６】
予め管部材の一端部を絞って、その絞り部分の内径を蓋部材の筒状縁部の内径と同等にすることを特徴とする請求項３に記載の管端部の閉塞方法。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の方法により管端部が閉塞された、アルミニウム合金製の有底チューブを用いたことを特徴とするシリンダ装置。
【請求項８】
蓋部材に、被取付部材に取付けるための取付環を摩擦圧接したことを特徴とする請求項７に記載のシリンダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管部材の一端に蓋部材を突合せて、その突合せ部を摩擦撹拌接合する管端部の閉塞方法および該方法によって製造された有底チューブを備えたシリンダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、モノチューブ式油圧緩衝器（シリンダ装置）に用いられる有底チューブは、図  １１に符号１にて示すように、ピストンおよびフリーピストンが摺動するチューブ本体（管部材）２の一端側開口を別体のエンドキャップ（蓋部材）３により閉塞した構造となっている。このような有底チューブ１において、チューブ本体２に対するエンドキャップ３の接合には、一般にアーク溶接が採用されていた（図中、４は溶接部である）。しかし、このような接合構造では、溶接に際して生じたスパッタが異物（コンタミネーション）として有底チューブ１内に入り込む虞れがあることに加え、溶接に際してチューブ本体２が熱変形を起こす虞れがあり、ブラッシングによる清掃作業や歪取り作業などの面倒な後処理が必要になる。なお、同図中、５は、車体への取付けに用いられる取付環（アイ）であり、この取付環５は、別途アーク溶接（溶接部６）によりエンドキャップ３に接合される。
【０００３】
そこで最近、上記チューブ本体２に対するエンドキャップ３の接合に摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）を採用することが種々検討されている。この摩擦撹拌接合は、回転工具のピン部を２つの部材の突合せ部に押込み、その時発生する摩擦熱によって材料を軟化および撹拌して接合するもので、上記したスパッタの発生が皆無になることに加え、熱変形も抑えられることから、面倒な後処理が不要になる。
【０００４】
ところで、摩擦撹拌接合においては、被接合材の突合せ部に回転工具から大きな加圧力が作用するため、単にチューブ本体２にエンドキャップ３を突合せて摩擦撹拌接合すると、前記加圧力によってチューブ本体２が変形してしまう虞れがある。特にチューブ本体２が薄肉であったり、アルミニウム合金からなる場合に、チューブ本体２に大きな変形が生じ、摩擦撹拌接合の利用は実質断念せざるを得ない状況になる。このため、従来は、図１２に示すように、エンドキャップ３を段付き形状として、その小径凸部３ａをチューブ本体２に嵌入し、チューブ本体２の先端をエンドキャップ３の段差面３ｂに突合せて、その突合せ部を摩擦撹拌接合するようにしていた。この場合、回転工具６のピン部７および肩部８から加えられる回転工具６の加圧力は、エンドキャップ３の小径凸部３ａによって受圧され、チューブ本体２の変形が防止されるようになる。なお、特許文献１には、パイプ状部材同士またはパイプ状部材と軸状部材との摩擦撹拌接合ではあるが、パイプ状部材の一方または軸状部材に前記と同様の小径凸部を設けている。
【特許文献１】特開２００３−２３６６８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記したようにエンドキャップ３に小径凸部３ａを設ける対策によれば、該小径凸部３ａを、回転工具６の肩部８の押圧範囲をバックアップできる十分なる大きさに形成しなければならないため、エンドキャップ３の板厚Ｔはかなり厚くなり、エンドキャップ３の重量増加牽いては有底チューブ１の重量増加が避けられないようになり、特に、チューブ本体２、エンドキャップ３等を含めた有底チューブ１の全体をアルミ化したものでは、アルミ化によるせっかくの軽量化利点が減殺されてしまう。
【０００６】
本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、蓋部材の板厚を厚くすることなく該蓋部材を管状部材に対して円滑に摩擦撹拌接合できる管端部の閉塞方法を提供し、併せて該閉塞方法により製造された有底チューブを備えたシリンダ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る管端部の閉塞方法は、管部材の一端に蓋部材を突合せて、その突合せ部を摩擦撹拌接合する管端部の閉塞方法において、前記蓋部材をカップ形状としてその筒状縁部を前記管部材の一端に突合せると共に、該筒状縁部に、前記管部材に挿入したマンドレルの一端部を嵌合させ、前記マンドレルに回転工具の加圧力を受圧させながら摩擦撹拌接合を行うことを特徴とする。このように行う管端部の閉塞方法においては、内部のマンドレルに回転工具の加圧力を受圧させることで、蓋部材はもとより管部材の変形が抑制され、したがって、蓋部材の板厚を、製品として必要な強度を満足する規定厚さにすることができる。
【０００８】
本方法において、上記蓋部材の筒状縁部に対するマンドレルの嵌合クリアランスは、０.０１〜０.０５ｍｍに設定するのが望ましい。これは、あまりクリアランスが小さいと蓋部材の筒状縁部に対するマンドレルの嵌入が困難になり、逆にクリアランスが大きすぎると、マンドレルとの隙間によって蓋部材および管部材の初期変形が進み、摩擦撹拌接合が不安定になるためである。
【０００９】
本方法において、上記蓋部材の筒状縁部の内径は、管部材の内径よりも小さくするのが望ましい。このようにすることで、管部材とマンドレルとの隙間も拡大し、マンドレルを管部材に挿入および離脱させる際、マンドレルが管部材に接触することを防止でき、管部材の内面に傷が付くことがなくなる。前記したモノチューブ式油圧緩衝器のようなシリンダ装置に有底チューブを組込んだ場合、前記管部材の内面はピストンやフリーピストンの摺動面となるので、前記したように内面に傷が付くことがなくなる点は、シリンダ装置の性能確保の上で極めて重要となる。
【００１０】
ここで、上記したように蓋部材の筒状縁部の内径を、管部材の内径よりも小さく設定する場合は、該蓋部材の筒状縁部の肉厚を管部材の肉厚と同等にしても、管部材の肉厚よりも厚くしても、あるいは予め管部材の一端部を絞って、その絞り部分の内径を蓋部材の筒状縁部の内径と同等にしてもよい。
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明に係るシリンダ装置は、上記した方法により管端部が閉塞された、アルミニウム合金製の有底チューブを用いたことを特徴とする。このシリンダ装置においては、有底チューブを構成する蓋部材の板厚が薄くなっているので、アルミ化による軽量化利点を最大限に発揮させることができる。この場合、蓋部材に、被取付部材に取付けるための取付環を摩擦圧接するようにしてもよく、これにより各接合部の強度が高まって強度的な信頼性も向上する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る管端部の閉塞方法によれば、蓋部材の板厚を厚くすることなく該蓋部材を管状部材に対して円滑に摩擦撹拌接合できるので、得られる有底チューブの重量増加が最小限に抑えられる。また、蓋部材の筒状縁部の内径を管部材の内径よりも小さくした場合は、管部材の内面に傷が付くことがないので、得られる有底チューブは品質的に優れたものとなり、シリンダ装置に向けて有用となる。
【００１３】
また、本発明に係るシリンダ装置によれば、アルミ化による軽量化利点が最大限に発揮されることはもちろん、接合部の強度も十分となる。また、蓋部材に、被取付部材に取付けるための取付環を摩擦圧接した場合は、各接合部の強度が高まって強度的な信頼性が著しく向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１〜４は、本発明の第１の実施形態としての管端部の閉塞方法を示したものである。本第１の実施形態は、前記図１１に示したモノチューブ式油圧緩衝器の有底チューブ１を摩擦撹拌接合を利用して製造しようとするもので、その製造に際しては、前記チューブ本体２として供される管部材１０と前記エンドキャップ３として供される蓋部材１１とを用意すると共に、管部材１０を通して蓋部材１１に嵌合可能なマンドレル１２を用意する。
【００１６】
本第１の実施形態において、上記管部材１０は、製造すべき有底チューブ１のチューブ本体２に要求される規格どおりの寸法形状を有している。一方、上記蓋部材１１は、深さの浅いカップ形状をなしており、平板部１３の周縁部に前記管部材１０に突合される、座高の低い筒状縁部１４を有している。この蓋部材１１の筒状縁部１４は、その肉厚が管部材１０の肉厚と同等に設定される一方で、その内径が管部材１０の内径よりもわずか小径に設定されている。したがって、蓋部材１１の筒状縁部１４を管部材１０に同心に突合せた状態で、両者の突合せ部Ｓの内外には、前記内径の差の半分に相当する大きさの段差δ（０.１〜０.５ｍｍ）が形成されるようになる（図２）。また、この筒状縁部１４の高さは、後述の回転工具６のピン部７の先端径の半分よりもわずか大きく設定されている。なお、蓋部材１１の平板部１３の背面の中心部には、円錐形状の凸部１３ａが形成されている。
【００１７】
上記管部材１０および蓋部材１１は、ここではアルミニウム合金からなっている。この場合、仮に、本有底チューブ１が適用されるモノチューブ式油圧緩衝器のピストン径（チューブ本体２の内径）が４０ｍｍである場合、前記管部材１０の肉厚は３ｍｍ程度に、前記蓋部材１１の平板部１３の板厚（平均板厚）は６ｍｍ程度にそれぞれ設定される
【００１８】
上記マンドレル１２は、断面円形をなす本体部１５の先端部に該本体部１５よりわずか大径をなす受圧部１６を設けている。このマンドレル１２の受圧部１６は、管部材１０に対して所定のクリアランス（０.１〜０.５ｍｍ）で挿入できるように、かつ前記蓋部材１１の筒状縁部１４にわずかのクリアランス（０.０１〜０.０５ｍｍ）で嵌合できるようにその外径が設定されている。マンドレル１２の受圧部１６はまた、管部材１０に突合された蓋部材１１の平板部１３に先端を当接させた状態で、前記回転工具６の肩部８の押圧範囲をバックアップできる必要最小限の長さに設定されている。
【００１９】
本第１の実施形態において、摩擦撹拌接合に用いる回転工具６は、前出図１２に示したものと同じものであり、段付きロッド９の先端に前記肩部８を介して小径のピン部７を同心に設けている。回転工具６は、そのロッド９が、図示を略す回転及び昇降ユニットに支持されることで、軸回りに回転および軸方向移動するようになっている。回転工具６は、ここでは管部材１０および蓋部材１１の材料であるアルミニウム合金よりも十分に硬さの高い硬質材料から形成されており、その耐摩耗性は十分となっている。なお、一例として、回転工具６のピン部７の先端径、根元径はそれぞれ３ｍｍ程度、４ｍｍ程度に設定され、また、肩部８の直径（ショルダ径）は１０ｍｍ程度に設定される。
【００２０】
摩擦撹拌接合に際しては、図１に示されるように、管部材１０に蓋部材１１を同心に突合せて、所定のスラスト力で両者を位置固定した後、管部材１０にマンドレル１２を挿入し、その先端側の受圧部１６を蓋部材１１の筒状縁部１４に嵌入させると共に、蓋部材１１の平板部１３に当接させる。この時、マンドレル１２は、その本体部１５はもちろんその受圧部１６も、管部材１０の内径より０.２〜１.０ｍｍ程度小径になっているので、管部材１０の内面に接触することなく（傷を付けることなく）円滑に挿入することができる。
【００２１】
回転工具６は、同じく図１に示されるように、管部材１０および蓋部材１１の突合せ部Ｓの外側の待機位置に、その軸線Ｃを、管部材１０および蓋部材１１の共通の軸線に対して直交させて位置決めされている。上記準備完了後、回転工具６を所定の回転数で回転させながら前記待機位置から突合せ部Ｓに向けて移動させる。すると、図３に示されるように、ピン部７が回転しながら突合せ部Ｓに押込まれ、このピン部７の回転、押込みによって摩擦熱が発生する。そして、この摩擦熱により突合せ部Ｓの材料が軟化および攪拌され、ピン部７は、回転工具６の肩部８が筒状縁部１３の外面に当接するまで押込まれる。この時、突合せ部Ｓの片側の管部材１０の端部が、蓋部材１１の筒状縁部１４より段差δ分だけ盛上がっているので（図２）、該端部は、回転工具６の肩部８に押されて局部的に変形し、マンドレル１２の受圧部１６に押えられる。一方、蓋部材１１の筒状縁部１４はマンドレル１２の受圧部１６にほぼ接する状態となっているので、該筒状縁部１４は、ほとんど変形を起こすことなく受圧部１６に押えられる。
【００２２】
その後、回転工具６の回転を継続しながら、管部材１０と、蓋部材１１とマンドレル１２とを一体的に所定方向へ所定速度で回転させる。すると、回転工具６が、管部材１０と蓋部材１１との突合せ部Ｓに沿って相対移動し、この相対移動により回転工具６の移動方向の前側の材料が摩擦熱により流動化すると共に攪拌されてピン部７の移動跡へ流入し、これにより周方向へ延びる摩擦接合部１７が形成される。しかしてこの間、突合せ部Ｓの片側の管部材１０の端部は回転工具６の肩部８によって絞り込まれ、これによって回転工具６の加圧力がマンドレル１２の受圧部１６によって均等に受圧される。この結果、管部材１０および蓋部材１１の突合せ端部は、変形し易いアルミニウム合金から形成されているにも拘わらず、不必要に変形を起こすことがなく、これにより所望の寸法形状を有するアルミニウム合金製の有底チューブ１（図５）が完成する。本第１の実施形態においては特に、チューブ本体２として提供される管本体１０に何らの寸法形状的な変更を加える必要がないので、コスト的に有利である。
【００２３】
このようにして完成した有底チューブ１は、図５に示されるように、そのエンドキャップ３として提供される蓋部材１１の平板部１３の板厚（平均板厚）が、強度上必要とする規定の板厚（ここでは、６ｍｍ程度）となっているので、重量増加を来すことはなく、アルミ化による軽量化利点が最大限に発揮される。また、摩擦接合部１７は、溶融を伴うことなく形成されるので、強度は十分となり、得られる有底チューブ１は強度的な信頼性も高いものとなる。なお、有底チューブ１の底部側には、回転工具６の肩部８の押えにより絞り形状の縮径部１９が形成されるが、この範囲は、ピストン（フリーピストン）の摺動範囲外となっているので、機能が損われることはない。
【００２４】
ところで、モノチューブ式油圧緩衝器として完成させるには、前記したように有底チューブ１のエンドキャップ３に取付環５を接合する必要がある（図１１）。上記第１実施形態において、エンドキャップ３として提供される蓋部材１１の背面に円錐形状の凸部１３ａを設けたのは、前記取付環５の接合に摩擦圧接を利用することを意図してのことである。摩擦圧接の方式には、ブレーキ式、イナーシャ式、両式を併用するハイブリッド式などがあるが、何れの方式を採用する場合でも、前記円錐形状の凸部１３ａで集中的に摩擦熱が発生し、エンドキャップ３に取付環５を簡単かつ確実に接合することができる。図６は、摩擦圧接後の状態を示したもので、エンドキャップ３と取付環５との接合部１９は、熱影響部の少ない健全な組織となっている。したがって、このように摩擦圧接を利用して取付環５が接合された有底チューブ１は、上記したチューブ本体２に対するエンドキャップ３の摩擦撹拌接合と相俟って、強度的な信頼性が著しく高いものとなる。しかも、アーク溶接を採用する場合のように、コンタミネーションや熱変形の問題が生じることもないので、得られる油圧緩衝器は、品質および機能ともに著しく優れたものとなる。
【００２５】
図７および図８は、本発明の第２の実施形態としての管端部の閉塞方法を示したものである。なお、本第２の実施形態の基本形態は上記第１の実施形態と同じであるので、ここでは、同一部部分に同一符号を付し、重複する説明は省略する。本第２の実施形態の特徴とするところは、上記蓋部材１１の筒状縁部１４の内径に変更を加えることなく、該筒状縁部１４の肉厚を管部材１０の肉厚よりも厚くし、筒状縁部１４の外周面と管部材１０の外周面とを面一に合せた点にある（図７）。この場合、管部材１０と蓋部材１１との突合せ部Ｓの内側だけに段差δが形成されることになる。
【００２６】
本第２の実施形態における摩擦撹拌接合のやり方は第１の実施形態と同じであり、図３に示したように、回転工具６のピン部７を所定の回転数で回転させながら突合せ部Ｓに押込むとともに、回転工具６の肩部８で突合せ部Ｓをマンドレル１２の受圧部１６に押える。この時、筒状縁部１４の外周面と管部材１０の外周面とが面一になっているので、ピン部７は曲げ力を受けることなく円滑に突合せ部Ｓに押込まれる。一方、突合せ部Ｓの片側の管部材１０の端部の内側が、段差δ分だけマンドレル１２の受圧部１６から浮いているので（図７）、該端部は、回転工具６の肩部８に押されて局部的に変形し、マンドレル１２の受圧部１６に押えられる。一方、蓋部材１１の筒状縁部１４は厚肉となっているので、回転工具６の肩部８が筒状縁部１４に食込み、筒状縁部１４の外周面に段差δ´が生じる（図８）。その後は、管部材１０と、蓋部材１１とマンドレル１２とが一体的に回転することで、回転工具６が管部材１０と蓋部材１１との突合せ部Ｓに沿って相対移動し、これによって周方向へ延びる摩擦接合部１７が形成される。しかしてこの間、マンドレル１２の受圧部１６によって回転工具６の加圧力が受圧されるので、管部材１０および蓋部材１１は、第１の実施形態と同様に不必要な変形を起こすことなく摩擦撹拌接合される。なお、得られた有底チューブ１の底部側には、回転工具６の肩部８の食込みにより溝形状の縮径部１８´が形成されるが（図８）、この範囲は、ピストン（フリーピストン）の摺動範囲外となっているので、機能が損われることはない。
【００２７】
図９および図１０は、本発明の第３の実施形態としての管端部の閉塞方法を示したものである。なお、本第３の実施形態の基本形態は上記第１の実施形態と同じであるので、ここでは、同一部部分に同一符号を付し、重複する説明は省略する。本第３の実施形態の特徴とするところは、予め上記管部材１０の突合せ端部を絞って、その絞り部２０を蓋部材１１の筒状縁部１４に突合せるようにした点にある。
【００２８】
本第３の実施形態における摩擦撹拌接合のやり方は第１の実施形態と同じであり、図３に示したように、回転工具６のピン部７を所定の回転数で回転させながら突合せ部Ｓに押込むとともに、回転工具６の肩部８で突合せ部Ｓをマンドレル１２の受圧部１６に押える。この時、管部材１０および蓋部材１１の突合せ端部は、相互に段差を生じることなくマンドレル１２の受圧部１６に接しているので（図９）、ピン部７は曲げ力を受けることなく円滑に突合せ部Ｓに押込まれ、かつ肩部８は、それぞれの突合せ端部を均等にマンドレル１２の受圧部１６に押える。その後は、管部材１０と、蓋部材１１とマンドレル１２とが一体的に回転することで、回転工具６が管部材１０と蓋部材１１との突合せ部Ｓに沿って相対移動し、これによって周方向へ延びる摩擦接合部１７が形成される。しかしてこの間、マンドレル１２の受圧部１６によって回転工具６の加圧力が受圧されるので、管部材１０および蓋部材１１は、第１の実施形態と同様に不必要な変形を起こすことなく摩擦撹拌接合される。また、管部材１０および蓋部材１１の突合せ端部は同じ肉厚となっているので、回転工具６に曲げ力が作用することはなく、円滑に摩擦撹拌接合は進行する。なお、得られた有底チューブ１の底部側には、絞り形状の縮径部１８″が形成されるが（図１０）、この範囲は、ピストン（フリーピストン）の摺動範囲外となっているので、機能が損われることはない。
【００２９】
なお、上記した各実施形態では、モノチューブ式油圧緩衝器の有底チューブの製造に適用したが、本発明は、モノチューブ式油圧緩衝器以外の各種シリンダ装置の有底チューブはもとより、エンドキャップを必要とする、各種機器の有底チューブの製造に適用できることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る管端部の閉塞方法の第１の実施形態を示したもので、摩擦撹拌接合の準備状態を示す断面図である。
【図２】図１のＡ部拡大断面図である。
【図３】第１の実施形態における摩擦撹拌接合の実施状態を示す断面図である。
【図４】図３のＢ部拡大断面図である。
【図５】第１の実施形態で得られた有底チューブの構造を示す断面図である。
【図６】エンドキャップに取付環を摩擦圧接した後の有底チューブの構造を示す断面図である。
【図７】本発明に係る管端部の閉塞方法の第２の実施形態を示したもので、摩擦撹拌接合の準備状態を示す要部断面図である。
【図８】第２の実施形態における摩擦撹拌接合の実施状態を示す要部断面図である。
【図９】本発明に係る管端部の閉塞方法の第３の実施形態を示したもので、摩擦撹拌接合の準備状態を示す要部断面図である。
【図１０】第３の実施形態における摩擦撹拌接合の実施状態を示す要部断面図である。
【図１１】本管端部の閉塞方法の実施対象であるモノチューブ式油圧緩衝器に用いられる、従来の有底チューブの構造を示す断面図である。
【図１２】有底チューブを製造するめの、従来の摩擦撹拌接合の実施状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
６    回転工具
７    ピン部
８    肩部
１０  管部材
１１  蓋部材
１２  マンドレル
１４  蓋部材の筒状縁部
１６  マンドレルの受圧部
Ｓ    突合せ部
【図１】
2006205252.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006205252.tif 000005
【図４】
2006205252.tif 000006
【図５】
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【図６】
2006205252.tif 000008
【図７】
2006205252.tif 000009
【図８】
2006205252.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2006205252.tif 000012
【図１１】
2006205252.tif 000013
【図１２】
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