(57)【要約】【課題】簡単な構成で工作機械の直線方向の送り軸に用いられる駆動用のボールねじの軸線方向の熱変位を低減する。【解決手段】ボールねじ１５０は、所定の熱膨張率を有する金属材料から成るねじ軸１２の中空部５０に上記金属材料よりも小さい熱膨張率を有する炭素繊維強化プラスチック材料から成るシャフト６０を挿入して成り、ボールねじの中央部側に向ってテーパ状に縮径する内周面を含む縮径部７０ａと縮径部７０ａよりボールねじの中央部側に配置されねじ軸１２の端部１２ａを嵌合可能な内周面を含む均径部７０ｂとを有する締め付け具７０を備える。ボールねじ１５０の端部１５０Ｌにおいて、ねじ軸１２の端部１２ａを均径部７０ｂに嵌合し、締め付け具７０の縮径部７０ａにねじ軸１２の端部より突出させたシャフト６０の端部６０ａを嵌め込み、且つボルト８０１（８０２）により固定する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の熱膨張率を有する金属材料により円筒状に形成され、軸方向に延在する中空部を含むねじ軸の前記中空部に前記金属材料の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有する材料から成るシャフトを挿入して成るボールねじにおいて、前記ボールねじの両端部において、前記ねじ軸の端部と該ねじ軸の端部より突出させた前記シャフトの端部を挟み込むことを特徴とするボールねじ。
【請求項２】
請求項１に記載のボールねじにおいて、前記シャフトの材料は、異方性材料であることを特徴とするボールねじ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のボールねじにおいて、更に、前記ボールねじの一方の端部において、前記ボールねじの中央部側に向ってテーパ状に縮径する内周面を含む縮径部と該縮径部より前記ボールねじの中央部側に一体に形成され前記ねじ軸の端部を嵌合可能な内周面を含む均径部とを有する締め付け具を備え、該各締め付け具の前記縮径部に前記ねじ軸の端部より突出させた前記シャフトの端部を嵌め込み、且つ前記ねじ軸の端部を前記均径部に嵌合させることを特徴とするボールねじ。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載のボールねじにおいて、前記締め付け具は、前記縮径部が２つ割りに形成され、当該２つ割りの半部それぞれの側の外周面からボルトを螺入することで前記シャフトの端部を締め付けることを特徴とするボールねじ。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載のボールねじを、工作機械の直線軸方向の駆動用に用いることを特徴とする工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボールねじ及び該ボールねじを用いた工作機械に関し、特に、工作機械の直線軸方向の駆動用のボールねじの軸線方向の変位を低減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、工作機械のＸ−Ｙ−Ｚ制御軸等、直線軸方向の移動機構における送り軸として駆動用のボールねじが使用されている。この移動機構で高速の駆動が繰り返されるとボールねじが発熱し、この熱で上記直線軸方向の送り精度等が低下するのを防止する必要があり、このための種々のボールねじの熱変位対策がなされている。  
【０００３】
例えば、特許文献１記載の従来例では、工作機械の運転状態からボールねじの熱変位量を計算によって推定し、その熱変位量をＮＣ装置にピッチエラー補正として与えることで送り量を補正するようにしている。一方、特許文献２記載の従来例では、中空ボールねじの中空部へ丸穴パイプを圧入し、当該丸穴パイプ内に冷却媒体を流すことで中空ボールねじの発熱を抑制するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−２５６３３６号公報
【特許文献２】実開昭６１−７３９５７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、近年、工作機械の加工速度の向上が益々求められ、上記Ｘ−Ｙ−Ｚ制御軸等一軸方向の送りにも高い精度が要求されるため、より効果的な発熱対策が切望されている。しかしながら、上記特許文献１記載の従来例では、熱変位補正を行うために、センサ等多くの付属設備が必要となり、部品点数が増加し、制御システムの複雑化を招く。また、上記特許文献２記載の従来例では、中空ボールねじの中空部又はその中空部に挿通したパイプ内に冷却媒体を流すための機構等の付属設備が必要となり、ボールねじの送り機構が複雑となる一方、伝熱効率の面からも発熱抑制として不十分であることも多い。  
【０００６】
そこで、より簡単な構造でボールねじの熱変位を低減する技術の開発が望まれている。  
【０００７】
本発明は上述のような事情から為されたものであり、その目的は、簡単な構成で工作機械の直線方向の送り軸に用いられる駆動用のボールねじの軸線方向の熱変位を低減することが可能な技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明のボールねじは、所定の熱膨張率を有する金属材料により円筒状に形成され、軸方向に延在する中空部を含むねじ軸の前記中空部に前記金属材料の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有する材料から成るシャフトを挿入して成るボールねじにおいて、前記ボールねじの両端部において、前記ねじ軸の端部と該ねじ軸の端部より突出させた前記シャフトの端部を挟み込むことを特徴とする。  かかる構成によれば、ねじ軸より熱膨張率の小さい材料から成るシャフトにより外周側のねじ軸の伸びが規制されるので、付属設備を設けない簡単な構成でボールねじ全体としての軸方向の熱変位を抑制することが可能である。  
【０００９】
ここで、前記シャフトの材料は、異方性材料であるようにしても良く、炭素繊維強化プラスチックであるのが好適である。
【００１０】
更に、前記ボールねじの一方の端部において、前記ボールねじの中央部側に向ってテーパ状に縮径する内周面を含む縮径部と該縮径部より前記ボールねじの中央部側に一体に形成され前記ねじ軸の端部を嵌合可能な内周面を含む均径部とを有する締め付け具を備え、該各締め付け具の前記縮径部に前記ねじ軸の端部より突出させた前記シャフトの端部を嵌め込み、且つ前記ねじ軸の端部を前記均径部に嵌合させることを特徴とする。かかる構成によれば、前記ボールねじの一方の端部において、前記締め付け具により前記ねじ軸の端部と該ねじ軸の端部より突出させた前記シャフトの端部を確実に締め付け固定することができるので、ボールねじ全体としての軸方向の熱変位を有効に抑制することが可能である。
【００１１】
また、前記締め付け具は、前記縮径部が２つ割りに形成され、当該２つ割りの半部それぞれの側の外周面からボルトを螺入することで前記シャフトの端部を締め付けることを特徴とする。かかる構成によれば、簡単な構成で前記シャフトの端部を確実に締め付けることができる上に、ボールねじの組立作業が容易である。
【００１２】
更に、上記ボールねじを、工作機械の直線軸方向の駆動用に用いるのが好適である。かかる構成によれば、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸等の工作機械の直線駆動軸の送り制御の精度が向上し、また、例えば、いわゆる暖機運転を不要にし得る等、省エネ効果にも繋げることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡単な構成で工作機械の直線方向の送り軸に用いられる駆動用のボールねじの軸線方向の熱変位を低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る工作機械におけるボールねじの使用箇所の一例を示す概略斜視図である。
【図２】本発明が適用される工作機械の直線軸方向の移動機構と、その送り軸としてのボールねじの構成を示す一部を断面とした側面構成図であり、上記移動機構とボールねじの関係等を説明するための図である。
【図３】本発明の実施形態に係るボールねじの全体構成を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係るボールねじの断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係るボールねじの一方の端部において、ボールねじ軸とシャフトの端部を相互に締め付ける構造を説明するための図であり、（Ａ）は、ボールねじ（締め付け具）の左側面図、（Ｂ）は、そのテーパ部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る工作機械におけるボールねじの使用箇所の一例を示す概略斜視図である。図１に示すように、本発明が適用される工作機械１００は、ベッド１１０と、ベッド１１０上に載置された加工ベース部１３０とを備えている。また、ベッド１１０の片側には、加工ベース部１３０に対して接近又は離反可能とするため、Ｚ軸方向に摺動可能なコラム１７０が立設されている。この摺動動作は、図示しないコラム駆動モータによる。また、そのコラム１７０の加工ベース部１３０側の側面には、コラム１７０に対して鉛直方向（Ｙ軸方向）に摺動可能なヘッド１２５が設けられている。この摺動動作は、図示しないヘッド駆動モータによる。尚、ヘッド１２５には、スピンドル軸が懸架支持され、そのスピンドル軸には、Ｚ軸に同軸で工具が着脱可能となっており、その工具は、主軸モータ（図示せず）により回転駆動可能となっている。従って、ヘッド１２５のコラム１７０に対する摺動に伴って、ヘッド、スピンドル軸、工具、及び主軸モータも、コラム１７０に対してＹ軸方向に移動可能となっている。  
【００１６】
図１において、加工ベース部１３０には、図示しないワークが設置されるテーブル１１４が設置されている。加工ベース部１３０は、図示しないモータによりＸ軸方向に摺動可能となっている。さて、上述した工作機械１００におけるＸ軸方向における加工ベース部１３０の摺動には、ボールねじ１４０が用いられている。このボールねじ１４０にナット１４５が螺合し、このナット１４５が加工ベース部１３０に固定されていることで、図示しないモータが回転すると、ボールねじ１４０及びナット１４５を介して加工ベース部１３０がＸ軸方向に摺動する。また、Ｚ軸方向におけるコラム１７０の摺動には、ボールねじ１５０が用いられている。このボールねじ１５０にナット１５５が螺合し、このナット１５５がコラム１７０に固定されていることで、図示しないモータが回転すると、ボールねじ１５０及びナット１５５を介してコラム１７０がＺ軸方向に摺動する。更に、Ｙ軸方向におけるヘッド１２５の摺動には、ボールねじ１６０が用いられている。このボールねじ１６０にナット１６５が螺合し、このナット１６５がヘッド１２５に固定されていることで、図示しないモータが回転すると、ボールねじ１６０及びナット１６５を介してヘッド１２５がＺ軸方向に摺動する。  
【００１７】
このように、工作機械１００は、加工ベース部１３０、ヘッド１２５及びコラム１７０という移動体のそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸上の摺動に、ボールねじ１４０、１６０、１５０が用いられている。これらボールねじ１４０、１６０、１５０と各ナット１４５、１６５、１５５が螺合し、この各ナット１４５、１６５、１５５が各移動体に固定されていることで、図示しない各モータが回転すると、ボールねじ１４０、１６０、１５０及び各ナット１４５、１６５、１５５を介して移動体が、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に摺動する。近年、工作機械の加工速度の向上が益々求められ、上記Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸という各一軸方向の送りも高速化され、且つ高い精度が要求される。しかしながら高速で摺動が繰り返されるとため、ボールねじ１４０、１６０、１５０と各ナット１４５、１６５、１５５の螺合部分が発熱し、発熱による駆動部の変形等により送り精度も低下してしまう。そこで、本発明の実施形態では、より簡単な構成で工作機械の送り軸に用いられる駆動用のボールねじの熱変位を効果的に低減するために、主としてボールねじ１４０、１６０、１５０を以下のように構成している。  
【００１８】
図２は、本発明が適用される工作機械１００の直線軸方向の移動機構と、その送り軸としてのボールねじ１５０（１４０、１６０）の構成を示す一部を断面とした側面構成図であり、上記移動機構とボールねじ１５０の関係等を説明するための図である。従って、本発明が適用されるボールねじ１５０の正確な構成は、後述する図３乃至図５に示され、図２におけるボールねじ１５０は、その形状、その中空部５０の内径やシャフト６０の外径や形状は図３乃至図５に正確には対応していない部分もある。尚、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸という摺動方向は異なるが、各ボールねじ及び各ナットを中心とした送り軸及び移動機構、また、ボールねじの内部構造は、ボールねじ１４０、１６０、１５０で同様であるので、以下は、ボールねじ１５０及びその内部構造についてのみ説明する。  
【００１９】
図１に示したように、本発明が適用される工作機械１００（図１参照）では、軸方向に伸長するボールねじ１５０を基台としてのベッド１１０に設け、ボールねじ１５０に螺合するナット１５５を移動体としてのコラム１７０に取り付け、ボールねじ１５０を駆動モータにより回転させることにより移動体としてのコラム１７０を移動させる工作機械１００の送り軸としてのボールねじ１５０を備えている。図２に示すように、主要部外周面に螺旋溝１１を有するねじ軸１２は、基台１９上に固定されたブラケット１３及び１４内にそれぞれ設けられた一組の玉軸受１５、１６及び１７、１８により、その両端部を軸支されている。玉軸受１５、１６はブラケット１３の内面とねじ軸１２の外面との間に嵌合しており、玉軸受１７、１８はブラケット１４の内面とねじ軸１２の外面との間に嵌合している。ボールねじ１５０は、その軸の中心に穿孔された貫通孔としての中空部５０が形成され、この中空部５０にシャフト６０を挿入された構造（後述する図３参照）を有している。
【００２０】
図３は、本発明の実施形態に係るボールねじの全体構成図、図４は、そのボールねじの断面図、図５は、そのボールねじの一方の端部において、ねじ軸とシャフトの端部を相互に締め付ける構造を説明するための図であり、（Ａ）は、ボールねじ（締め付け具）の左側面図、（Ｂ）は、そのテーパ部の拡大図である。尚、図３では、ボールねじの長手方向を短縮して示している。図３乃至図５に示すように、本発明の実施形態のボールねじ１５０は、所定の熱膨張率を有する金属材料により円筒状に形成され、軸方向に延在する中空部５０を含むねじ軸１２の中空部５０に上記金属材料の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有する材料から成るシャフト６０を挿入して成り、ボールねじ１５０の両端部１５０Ｌ、１５０Ｒ（図２も参照）において、ねじ軸１２の端部１２ａとねじ軸１２の
端部１２ａより突出させたシャフト６０の端部６０ａを挟み込むことを特徴としている。尚、図３乃至図５に示すように、ボールねじ１５０の片端部１５０Ｌにおいてのみ後述する締め付け具７０により締め付ける構造である。シャフト６０は、他方の端部１５０Ｒ側から中空部５０内に挿入し、シャフト６０のフランジ部６０ｂがねじ軸１２の端部１２ｂに係止されるようになっている。ここで、ねじ軸１２の上記金属材料は、鉄系材料とし、鉄を主成分とする金属から成る材料とし、一例として、クロムモリブデン鋼、炭素鋼等があるが、これらに限定されないのは勿論である。シャフト６０の材料は、上記金属材料の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有するものであれば良いが、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）であるのが好適である。
【００２１】
また、シャフト６０は、ＣＦＲＰの炭素繊維の配向方向の少なくとも一部がねじ軸１２の軸方向と一致するように形成され配置されるものとする。尚、公知のように、ＣＦＲＰの熱膨張率は、上記の金属材料の熱膨張率よりも非常に小さいものであり、また、ＣＦＲＰは、炭素繊維の配向方向における引張弾性率が、約１５０〜３００ＧＰａであり、極めて高いものである。従って、ＣＦＲＰの炭素繊維の配向方向の少なくとも一部がねじ軸１２の軸方向と一致するように形成されたシャフト６０は、熱の影響により温度が上昇しても炭素繊維の配向方向における熱膨張の量は小さくなる。一方、シャフト６０は、ＣＦＲＰの炭素繊維の配向方向における引張弾性率が極めて高いので、外周側のねじ軸１２が熱により膨張することに応じて内周側のシャフト６０に作用する力による伸びにより破壊され難いという性質を持つことになる。尚、本実施形態では接着剤を用いないが、ねじ軸１２（の中空部５０）の内周面の内径は、シャフト６０の外周面の外径よりも若干大きくなるように形成し、両者の間に僅かな隙間を介在させ、常温時におけるこの隙間に、例えばエポキシ樹脂系接着剤を充填し、両者を相互に固定するようにしても良い。これにより、ねじ軸１２の内周面に挿入されたシャフト６０の密着度が得られるので、有効である。
【００２２】
さて、工作機械による工作物の加工のため、例えば、工作機械の駆動軸（この場合はＺ軸）上をコラムを移動させるために、モータにより高速にボールねじ１５０が回転され続けると、モータやボールねじ１５０自体の温度上昇、ベッドの発熱、加工される工作物の発熱等によりボールねじ１５０の温度が上昇し、ボールねじ１５０を構成する、鉄系材料から成るねじ軸１２が、その所定の熱膨張率に応じて軸方向に線膨張（伸長）しようとする。これにより、ねじ軸１２はシャフト６０を軸方向に引っ張ることになる。しかしながら、上述したように、シャフト６０は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で形成されている上に、ＣＦＲＰの炭素繊維の配向方向の少なくとも一部がねじ軸１２の軸方向と一致するように形成され配置されている。また、シャフト６０の材料であるＣＦＲＰの熱膨張率は、ねじ軸１２の金属材料の熱膨張率よりも非常に小さいものであり、また、ＣＦＲＰは、炭素繊維の配向方向における弾性率及び引張強度は、ねじ軸１２の金属材料に比べて極めて高いものである。従って、シャフト６０が伸長しようとするねじ軸１２に引っ張られても、シャフト６０が大きく伸長することは無い。また、逆に、シャフト６０がねじ軸１２の伸長を規制するので、ボールねじ全体として熱による伸長（熱変位）を抑制することができる。
【００２３】
更に、図２乃至図５に示すように、本実施形態では、ボールねじの他方の端部１５０Ｒ側でシャフト６０のフランジ部６０ｂがねじ軸１２の端部１２ｂに係止され、また、ボールねじの一方の端部１５０Ｌにおいて、ねじ軸１２の端部（１２ａ）とねじ軸１２の端部１２ａより突出させたシャフト６０の端部６０ａを締め付けている。従って、シャフト６０の軸方向の伸長がボールねじの両端部１５０Ｌ、１５０Ｒにおいて、確実に抑え込まれるので、シャフト６０及びねじ軸１２の伸びが確実に規制されるので、ボールねじ全体としての軸方向の熱変位の抑制効果を向上させている。このように、本実施形態のボールねじの端部支持（エンドサポート）構造によれば、ねじ軸１２に挿入されたより熱膨張率の小さい材料から成るシャフト６０により、外周側のねじ軸１２の伸びが、両端部の挟み込みによっても規制されるので、ボールねじ全体としての軸方向の高い熱変位抑制効果が得られる。
【００２４】
更に、図２乃至図５に示すように、本実施形態のボールねじは、ボールねじ１５０の一方の端部１５０Ｌにおいて、本発明の大きな特徴である締め付け具７０を用いてねじ軸１２の端部とシャフト６０の端部を締め付け、相互に固定するようにしている。即ち、締め付け具７０は、図３乃至図５に示すように、ボールねじの中央部側に向ってテーパ状に縮径する内周面を含む縮径部７０ａと縮径部７０ａよりボールねじの中央部側に配置され、ねじ軸１２の端部１２ａを嵌合可能な内周面を含む均径部７０ｂとを有している。そして、ボールねじ１５０の一方の端部１５０Ｌにおいて、締め付け具７０の縮径部７０ａにねじ軸１２の端部より突出させたシャフト６０の端部６０ａを嵌め込み、且つねじ軸１２の端部１２ａを均径部７０ｂに嵌合させるようにしている。尚、均径部７０ｂは、いわゆるロックナットにより構成することができる。従って、ボールねじの端部１５０Ｌにおいて、締め付け具７０によりねじ軸１２の端部１２ａとねじ軸１２の端部１２ａより突出させたシャフト６０の端部６０ａを確実に締め付け固定することができるので、ボールねじ全体としての軸方向の熱変位を更に有効に抑制することが可能である。
【００２５】
また、締め付け具７０は、いわゆる割間座の如き構成を有している。即ち、締め付け具７０は、縮径部７０ａが２つ割りに形成され、当該２つ割りの半部７０Ｈ１、７０Ｈ２それぞれの側の外周面からボルト８０１、８０２をねじ軸１２の対応する端部１２ａに螺入することでシャフト６０の端部６０ａと強固に固定することが可能である。また、簡単な構成でねじ軸１２の端部１２ａをシャフト６０の端部と確実に固定することができる上に、ボールねじの組立作業が容易である。更に、上記ボールねじを、工作機械の直線軸方向の駆動用に用いるのが好適である。かかる構成によれば、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸等の工作機械の直線駆動軸の送り制御の精度が向上し、また、例えば、いわゆる暖機運転を不要にし得る等、省エネ効果にも繋げることができる。
【００２６】
本発明の実施形態に係るボールねじによれば、簡単な構成で工作機械の直線方向の送り軸に用いられる駆動用のボールねじの軸線方向の熱変位を低減することが可能である。
【００２７】
以上に述べた実施形態では、ねじ軸１２（の中空部５０）内にシャフト６０を挿入し、他方の端部１５０Ｒ側でシャフト６０のフランジ部６０ｂがねじ軸１２の端部１２ｂに係止され、一方の端部１５０Ｌにおいて、ねじ軸１２の端部（１２ａ）とねじ軸１２の端部１２ａより突出させたシャフト６０の端部６０ａを締め付け具７０により締め付けるようにしたが、ねじ軸１２（の中空部５０）の内周面とシャフト６０の外周面とをエポキシ樹脂系接着剤により接着させるようにしても良い。かかる構成によっても本発明の大きな特徴である締め付け具を用いてねじ軸の端部とシャフトの端部を挟み込み、相互に固定することにより、相応の効果が得られることを確認した。
【００２８】
また、上述した実施形態では、シャフト６０の材料として炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を用いたが、ねじ軸の金属材料の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有するものであれば、ＣＦＲＰに限られず、不変鋼、セラミック、Ｆｅ−Ｐｄ合金、３６％ニッケル鋼等も用いることができる。また、上述した実施形態では、シャフト６０を、少なくとも一部が一方向に配向された炭素繊維により形成することとして述べたが、炭素繊維は、直交、又は所定の角度を有して２方向以上に配向する状態で形成されても良い。即ち、異方性材料も用いることができるが、少なくとも配向方向のうち一方向は、ボールねじの軸方向と一致するものであるのが望ましい。
【００２９】
尚、上述した実施形態では、工作機械のＺ軸の駆動用のボールねじに本発明を適用したが、これに限られないのは、勿論である。本発明は、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸等の工作機械の直線駆動軸に用いるボールねじに適用することができる。また、ＮＣ装置による軸送り量の補正やボールねじの冷却等、他の熱変位対策と併用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明のボールねじは、工作機械に限らず、ボールねじを使用するものであれば、工作機械以外の装置や機械に広く適用可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１１  螺旋溝、  １２  ねじ軸、  １２ａ  ねじ軸の端部、１３、１４  ブラケット、１５、１６、１７、１８  玉軸受、  １９  基台、５０  中空部、６０  シャフト、６０ａ  シャフトの端部、７０  締め付け具、７０Ｈ１、７０Ｈ２  ２つ割りの半部、７０ａ  縮径部、７０ｂ  均径部、１００  工作機械、１１０  ベッド、１４０、１５０、１６０  ボールねじ、１４５、１５５、１６５  ナット、１５０Ｌ、１５０Ｒ  ボールねじの両端部、１７０  移動体（コラム）、８０１、８０２  ボルト
【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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