(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の金属チューブと、
前記金属チューブの内面に接着された複合材料層と、
前記金属チューブの両端に一部が挿入され、前記金属チューブとの接合面が摩擦撹拌溶接によって結合された金属ヨークを含み、
前記金属チューブと前記金属ヨークとの間の前記接合面は、前記金属チューブの軸方向に垂直な面に対して傾斜し、
前記摩擦撹拌溶接のための溶接ツールが離れて形成される結合点は、前記金属チューブの外面の二等分割点に位置し、
前記二等分割点は、前記接合面の両端を前記金属チューブの軸方向に対して、垂直に前記金属チューブの外面まで延長した位置の中間に位置するドライブシャフト。
【請求項２】
前記接合面は、前記金属チューブの軸方向に対して垂直である面に対して、１５°及び９０°の間の角度で傾斜している請求項１に記載のドライブシャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はドライブシャフトに関するもので、より詳しくは、金属チューブの内部に複合材料層を形成してドライブシャフトを構成し、そのドライブシャフトの両端に金属ヨークを摩擦撹拌溶接を通じて結合させることによって、部品の単純軽量化及び騷音振動低減による耐久性の増大及びエネルギー低減をもたらした摩擦撹拌溶接を利用したドライブシャフト及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、後輪駆動車は前方のエンジンで発生した駆動力をトランスミッションに連結されたドライブシャフトを通じて後輪に伝達して車を進行させるように構成される。エンジンとトランスミッションが前方に装着されるが、前輪を駆動するのではなく、後輪を駆動して運行する。このような後輪駆動車は後輪を駆動し、前輪を操向するので、操向性能が前輪駆動に比べて格段と優れ、前後の重量が均一に配分されて車の均衡に長所がある。
【０００３】
図１は従来技術による後輪駆動車の動力伝達構造を示す。図１に示すように、前輪１側にエンジンとトランスミッションが位置するので、トランスミッションと後輪アクセルとの間にドライブシャフト１０が設置されて、駆動力を伝達するように構成されている。各連結部品はユニバーザルジョイントで連結される。ドライブシャフト１０は、図１に示すように、二つの金属チューブ１１、１２で構成されるのが一般的であるが、その理由はドライブシャフト１０の軸の長さが非常に長いことから二つの部品に分けたのである。一つの部品で製作すれば良いが、車の走行時に発生する振動による共振周波数のため二つの部品に分けたのである。即ち、一つの部品で製作すると、走行時に発生する振動によって固有振動数と共振現象が発生する可能性が高くて安全でないからである。ドライブシャフト１０は、前後二つの金属チューブ１１、１２と各チューブの両末端に連結するための金属ヨーク１３、１４、１５が設置される。特にドライブシャフト１０の中間にはヨーク１４によって二つの金属チューブ１１、１２が連結されるため、直進性を保持するために、センターサポートベアリング部品１６を連結し、これを車のシャーシに固定する構成をする。
【０００４】
一方、従来技術として、大韓民国公開特許公報１０−２００６−００５３２９９号が公知されている。この発明はプロペラシャフトとリアアクスルシャフトとの結合構造に関し、プロペラシャフトと指称されるドライブシャフトの構造が示されている。前述した従来技術の説明のように、二つの金属チューブで構成されているため、上で説明した問題点を全部抱えている。
【０００５】
このように二つのチューブでドライブシャフトが構成される問題点は、現在高燃費、軽量化を求める技術発展に深刻な障害要素となっているのが実情である。
【０００６】
一方、摩擦撹拌溶接は、１９９１年イギリスＴＷＩ（溶接研究所）で開発され、摩擦ツールを回転させる時発生する熱が材料を半固体状態に溶かし、摩擦ツールの回転により材料が混合されながら溶接される新しい溶接方式である。一般の溶接のように溶接部位が突き出たり、高熱による周辺部の変形、残留応力などの問題が少ないという長所がある。初期にはアルミニウムなどの溶接に用いたが、最近は技術が発展して多様な材料に活用される。宇宙船液体水素燃料タンクのような所にも良い。短所は複雑な形態の溶接は難しいという点である。
【０００７】
前述したような長所はあっても溶接であるため、接合界面上で摩擦ツールが動くとき、その部分に凹んだディボット（Ｄｉｖｏｔ）が形成され、その接合界面上で既存の方式よりは小さいが、残留応力、疲労集中などの問題点が発生する。
このような問題点を解決するために、従来技術による文献として、大韓民国登録特許第０４４５１４２号が公知されている。この先行技術は接合部において接合面の下の位置に延長される凹部の発生を防止する摩擦撹拌溶接技術を開示する。
【０００８】
従来文献は、接合されるフレーム部材の接合部の末端部に回転体接合機構に向けて突出した厚い部分を備える。接合される隣接部材である二つの厚い部材を対向させると台形になる。回転体接合機構は直径が小さい先端部分及び直径が大きい部分を有する。回転体接合機構は厚い部分に挿入される。回転体接合機構はまず直径の小さい先端部分が挿入され、回転体接合機構の直径の大きい部分が厚い部分に重なったり接合される部材の厚くない面の上部面の下へ延長されない位置で回転体が回転され、接合部に沿って移動される。厚い部分の間に隙間があっても、好ましい接合が行われることができる。接合した後に、厚い部分の残り部分は機械で切削されて平滑な面を形成する。従来文献は上述したような方法で接合界面にディボットが形成されることを防止する。
【０００９】
しかし、上述した方法を利用すると、接合するための隣接部材をまず対向する部分が台形に形成するように製作しなければならなく、これは莫大な費用の増加になり、製作が容易でない形状にはさらにこのような問題点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は前述した問題点を解決するためのもので、その目的は、金属チューブの内部に複合材料層を接着して共振周波数を高めることによって、騷音振動を最大限に減らした一つのチューブでドライブシャフトを構成し、両端に金属ヨークを摩擦撹拌溶接で結合することによって機構的結合や電気溶接接合で現われる問題点を解決し、部品数の節約及び軽量化を実現し、耐久性の増大及びエネルギーの節減を図ることができるドライブシャフト及びその製造方法を提供する。
【００１１】
また、本発明は前述した問題点を解決するためのもので、その目的は通常垂直接合面が対向して接合される部材の接合界面が所定傾斜角度を有するように製作し、接合界面から離れた位置に摩擦ツールが作動するようにすることによって、ディボットが接合界面上に存在しないようにして、応力集中、疲労集中のような欠陷が現われることを予め防止する摩擦撹拌溶接工法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した目的を達するための具体的な手段として、本発明は、複合材料からなる中空円筒体を金属チューブの内周面に密着させた状態で、マンドレルを中空円筒体の内部に挿入して、中空円筒体を金属チューブの内周面に加圧させる段階と、上記金属チューブと中空円筒体をフィルムで密封し減圧させて真空圧を加える段階と、上記真空圧を加えた状態で熱を加えて中空円筒体を複合材料層で成形する段階と、上記金属チューブの両端に連結部材を摩擦撹拌溶接で接合させる段階とを含む。
好ましくは、上記中空円筒体を複合材料層で成形する段階は、その成形条件が、成形温度は１１０〜１７０℃、気圧は５〜７ｋｇｆ／ｃｍ２であり、フィルムで密封されたフィルムの内部真空圧は−０．２ｂａｒ以下である。
【００１３】
好ましくは、上記複合材料は炭素纎維及びエポキシ樹脂を含む。
好ましくは、上記金属チューブは上記連結部材との接合面が金属チューブの軸方向に対する垂直面に対して傾斜角度θを成すように形成される。
好ましくは、上記傾斜角度θは１５゜≦θ≦９０゜である。
好ましくは、上記金属チューブと連結部材の摩擦撹拌溶接は溶接ツールが上記接合面に対する底辺上の所定地点に挿入されて作業が行われる。
好ましくは、上記連結部材は金属ヨークである。
【００１４】
本発明によるドライブシャフトは、円筒状に形成される金属チューブと、上記金属チューブの内面に接着された複合材料層と、上記金属チューブの両端に一部が挿入された後接触面が摩擦撹拌溶接によって結合された金属ヨークとを含む。
好ましくは、上記金属チューブと金属ヨークとの接合面が金属チューブの軸方向に対する垂直面に対して傾斜するように形成される。
【００１５】
好ましくは、上記接合面の傾斜角度θは１５゜≦θ≦９０゜である。
【００１６】
上述した他の目的を達するための具体的な手段として、本発明は、二つの部材を突き合わせた状態で摩擦ツールによって発生された熱によって部材を溶接する摩擦撹拌溶接方法において、上記二つの部材の接合界面の中で一部分が所定角度に傾斜した傾斜面をなすように形成した状態で、二つの部材が接触されるように突き合わせ、上記摩擦ツールを上記接合界面から所定距離離れた位置で挿入されるようにして溶接する。
【００１７】
好ましくは、上記傾斜面の傾斜角θは垂直接合界面に対して１５゜≦θ≦９０゜傾斜される。
好ましくは、上記摩擦ツールは上記接合傾斜界面の二等分割点に用いられる。
好ましくは、上記接合面の一部分は傾斜面に、一部分は垂直面に形成される。
【発明の効果】
【００１８】
上述したような本発明によれば次のような効果を奏する。
（１）アルミニウムチューブの内部に複合材料層を接合し、両末端に金属ヨークを摩擦撹拌溶接を通じて接合するので、機構的複雑な結合構造を単純に一体化させ、軽量化を達することができるという効果を奏する。
（２）一つの金属チューブからなるので、金属チューブを連結するための複雑な結合構造が削除されて構造を単純にすることができ、これを通じて従来より部品数が減少し、車の組み立て時間が減少するという効果を奏する。
（３）金属チューブと金属ヨークとの間に摩擦撹拌溶接される接合面が傾斜するように形成されることによって、摩擦撹拌溶接の最後に脱出工具によって発生する欠陷（工具脱出ディボット（ｄｉｖｏｔ））を接合界面上で発生しないようにして、それによって発生する応力集中やその他の欠陷を予め防止し、また二つの接合面の溶接面積を最大化させて、より堅固な接合強度効果を奏する。
（４）摩擦ツールが接合界面から所定位置離れた所で挿入されて溶接を行うので、溶接ツールが脱出しながら残るディボットが接合界面上に発生しなくなって、応力集中、疲労集中による接合界面の破壊を予め防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】一般の車の動力伝達構造が示された車の平面図である。
【図２】本発明によるドライブシャフトの斜視図である。
【図３】本発明によるドライブシャフトの縦断面図である。
【図４】本発明によるドライブシャフトを製造する方法を順序だてて示す模式図である。
【図５】本発明によるドライブシャフトを製造する過程で金属チューブの内部を真空にするための工程の状態を示す図面である。
【図６】本発明によるドライブシャフトを製造する過程でオートクレーブでの温度と気圧条件を示すグラフである。
【図７】本発明の他の実施例によるドライブシャフトの摩擦撹拌溶接の一部分を示す断面図である。
【図８】本発明による摩擦撹拌溶接方法に用いられる二つの中空円筒状部材の斜視図である。
【図９】図８に示したＡＡ線に沿う断面図である。
【図１０】図９に示した接合界面の詳細拡大図である。
【図１１】本発明による摩擦撹拌溶接方法に用いられる二つの平板部材の斜視図である。
【図１２】図１１に示した二つの部材の詳細断面図である。
【図１３】本発明による摩擦撹拌溶接方法に用いられるピストンの二つの部材の断面図である。
【図１４】図１３に示したＢ部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
上述した本発明の目的、特徴及び長所は以下の詳細な説明を通じてより明らかになる。以下、添付された図面を参照して本発明による好ましい実施例を詳しく説明する。
【００２１】
本発明の好ましい実施例は図２〜図４に示されている。
【００２２】
図２に本発明によるドライブシャフトの完成品が示されている。ドライブシャフト１００は一つの金属チューブ１１０と両末端に組み立てて結合された金属ヨーク１３０と、内部の複合材料層１２０とで構成される。金属チューブ１１０はアルミニウムを用い、金属ヨーク１３０もアルミニウムを用いる。その以外の他の金属を用いることもでき、アルミニウム合金を用いることもできることは勿論である。このような合金にはニッケルやマグネシウムを含むこともできる。ヨーク１３０は段差が形成されて、一部分が金属チューブの内部に二つの接合面が斜面に突き合わせて挿入され、外面は金属チューブ１１０とほとんど同じ高さに合わせられる。この状態で、摩擦撹拌溶接によって金属チューブ１１０にヨーク１３０が結合される。
【００２３】
図３の断面図によれば、ヨーク１３０はユニバーザルジョイントで、前方のジョイント２００はトランスミッションに、後側のジョイント２１０はリアアクスルシャフトに連結されて、エンジンの駆動力を後輪に伝達する。金属チューブ１１０の内部には複合材料からなる複合材料層１２０が接合されている。複合材料層１２０は炭素纎維とエポキシ樹脂を多重に積層して製作することができる。このように構成すれば、金属チューブ１１０はトルクを伝達する役割を果たし、複合材料層１２０は固有振動数を高めるようになって、二つのチューブを連結して製作しないで、一つのチューブで製作することができる。即ち、トルクを確実に伝達する剛性を有すると同時に、ドライブシャフトの固有振動数が高くなって、共振による騷音振動の問題点を解決することができる。複合材料層１２０はこのような炭素纎維以外にも多様な材料を積層して用いることができることは勿論である。
【００２４】
図４には本発明によるドライブシャフト１００を製造するための方法を模式図で示している。図示するように、まずマンドレル（ｍａｎｄｒｅｌ）３００を用いて積層された複合材料層１２０を円筒状に作る。即ち、シート状の複合材料をマンドレル３００を複合材料の上面に密着した状態で圧力を加えて回転させることによって複合材料層１２０を円筒状に製作する。円筒状になった上記複合材料層１２０を金属チューブ１１０の内部に挿入して金属チューブ１１０を固定した状態で、マンドレル３００を密着回転させて上記金属チューブ１１０の内部に複合材料層１２０を接着させる。上記金属チューブ１１０の内部を真空状態で所定時間保持してから真空状態を解除する。即ち、複合材料層１２０が内部に密着して接着された状態の金属チューブ１１０の両端に金属チューブ１１０の内部の空気を抜いて真空状態にするためのカバー１４０を密着させ、その状態で、ハンドルを備え、中央に締結スクリュー１６０が貫通設置され、締めることができる栓１５０を締める。その後に、カバー１４０に形成された真空圧を形成するための流路を通じて空気を抜いて金属チューブ１１０の内部を真空にする。このように、金属チューブ１１０の内部が真空になると、金属チューブ１１０の内面と複合材料層１２０との間の空気が抜け出て、結局金属チューブ１１０と複合材料層１２０が物理的に完全に密着され、それによって、接着された状態が堅固になって一体を成すようになる。それによってドライブシャフト１００全体の固有振動数が増加することは前述した通りである。
【００２５】
このような方法で空気を抜いて真空にする方法があるが、その他にも金属チューブ１１０の内側面に複合材料層１２０を密着させた状態で、図５に示すように、真空のための内側フィルム２１０を金属チューブ１１０の内部に入れ、外側フィルム２００で金属チューブ１１０を完全に包んだ後金属チューブ１１０と複合材料層１２０のある部分が密閉されるように内側フィルム２１０と外側フィルム２００とを連結して付着する。次に、ノズル２２０を真空ポンプに連結して内外側フィルム２００、２１０の間の空気を抜いて真空にする。このように真空状態にすれば真空圧によって複合材料層１２０が金属チューブ１１０の内側に密着されて接着される。
【００２６】
その後、図６によれば、上記金属チューブ１１０をオートクレーブに入れて熱を加えて複合材料を成形する。オートクレーブでの成形温度は１１０〜１７０℃で、気圧は５〜７ｋｇｆ／ｃｍ２程度である。このように製作することによって金属チューブ１１０と複合材料層１２０との接合及び成形が完成される。特に、金属チューブ１１０と複合材料層１２０に真空圧がかかった状態である−０．２ｂａｒでオートクレーブの内部に供給されて成形が行われるようにする。その結果、より堅固に複合材料層１２０が金属チューブ１１０の内部に付着される。
【００２７】
その後、上記金属チューブ１１０の末端に金属ヨーク１３０を摩擦撹拌溶接で接合する。摩擦撹拌溶接は、溶接ツールの回転を通じて接合母材に摩擦熱を発生させて溶接を行う方式で、摩擦撹拌溶接は、溶融状態を発生させないので、既存のアーク溶接などの熱衝撃による溶融変態による気孔、凝固亀裂、残留応力などのような欠陷生成がなく、低い入熱量及び未溶融特性で誘発される機械的性質の改善などの優れた長所がある。特に、本発明のように、軽量化のためにアルミニウムを用いる場合、一般的な電気溶接をするとアルミニウムに変形が急激に発生されて最初から適用することができないが、この場合に適用すれば問題点を解決しながら適用可能になる。また、摩擦撹拌溶接を通じて高い一般溶接温度によって溶接部位で発生することができる複合材料の変形や消失も防止することができる。従来には、ドライブシャフトは通常スチール材料を用いるため、非常に重く、車の事故の時、車体を破壊して運転手に被害を与える危険があるが、発明による摩擦撹拌溶接を適用したドライブシャフトを開発適用すれば、必要な引張及び衝撃強度を有しながら、重量が軽くて、事故の時、降伏点で割れることによって運転手に被害を与えないで保護する特徴がある。
【００２８】
このようなアルミニウム金属チューブ１１０をヨーク１３０と摩擦撹拌溶接する時低温の変態点以下の温度で接合が発生する。
【００２９】
摩擦撹拌溶接は溶接しようとする母材を互いに密着させ、密着し続けるように圧力を加えた状態で溶接ツールをその密着接合面に対し適当な速度で回転させる。そして摩擦撹拌によって母材に熱が発生され、発生された熱と圧力によって母材が溶融されない状態でも接合が行われる。このような状態で母材を徐々に回転させて一回り回転させれば摩擦撹拌溶接が完成される。もちろん溶接ツールを複数設置すればそれだけ溶接時間は節約されることができる。
【００３０】
一方、図７に本発明による他の実施例が示されている。他の特徴は金属チューブ１１０’とヨーク１３０’との接合面１１０ａ’が既存接合面に対して所定角度θ傾斜するように形成されている。即ち、、既存の接合面は金属チューブの軸方向に対する垂直面であったが、その垂直面に対して所定角度傾斜するように接合面が形成されることが特徴である。傾斜角θは１５゜≦θ≦９０゜程度傾斜するように形成されることが好ましい。このように、接合面１１０ａ’が傾斜するように対向すると、溶接ツールが接合面１１０ａ’の最外囲垂直境界線上に沿って行くのではなくて接合面１１０ａ’の付近に摩擦熱領域（ｈｅａｔｉｎｇ  ｚｏｎｅ）が発生する区間内に位置し、それによって、最後の接触点を図７の部分で止まるようになれば、溶接ツールを離しながら発生する欠陷が接合界面１１０ａ’上に発生しなくなる。摩擦撹拌溶接をすれば、溶接ツールが最後に母材から脱出する時、陷沒した部分（Ｄｉｖｏｔ）が発生するが、ここに応力集中などが現われることができて、欠陷点で作用するようになる。それによって、このように欠陷点が接合界面１１０ａ’上に発生しないようにすることによって接合強度を最大化し、応力集中による破壊のような問題点を予め防ぐことができる。
【００３１】
図７ではヨーク１３０’が金属チューブ１１０’に入るように接合面１１０ａ’が傾斜するように形成されたが、その反対に形成しても良いことは勿論である。
また、本発明の実施例では、金属チューブに金属ヨークを摩擦撹拌溶接させることに基づいて作成したが、このような金属ヨーク以外にも他の連結部材であるフランジのような他の部品を結合する場合にも同じく適用されることができることは勿論である。
【００３２】
発明の実施のための形態
本発明の好ましい実施例による摩擦撹拌溶接に用いられる二つの部材４０１、４０２が図８に示されている。二つの部材４０１、４０２は中空円筒状に形成され、末端を互いに対向させた状態で摩擦撹拌溶接を行う。両方で互いに対向して接触するように少しずつ適切な力を加えて押した状態で摩擦ツール５００が部材４０１、４０２の内面と表面を摩擦撹拌しながら溶接を行う。
【００３３】
図９は図８に示した部材の縦断面図である。二つの部材４０１、４０２が互いに対向しており、一方の部材４０１の一部分が他方の部材４０２の内部に若干挿入されている構造である。特に、二つの部材４０１、４０２が摩擦撹拌溶接される接合界面４１２は傾斜するように形成されている。接合傾斜界面は垂直線に対して所定角度傾斜するように形成される。このような状態で、図示したように、摩擦ツール５００が接合界面４１２から離れた位置に挿入されて回転しながら摩擦撹拌溶接を行う。
【００３４】
図１０に傾斜された接合界面４１２が拡大して示されている。図示するように、接合界面４１２は所定角度θで傾斜されて傾斜面をなし、その角度は垂直接合界面に対して１５゜≦θ≦９０゜程度である。また摩擦ツール５００が下りる摩擦開始位置は傾斜面区間の外の所定分割地点であり、この位置に摩擦ツール５００を挿入した状態で摩擦撹拌溶接が行われる。
【００３５】
図１１は本発明による摩擦撹拌溶接方法を平板部材４１０、４２０に適用した例である。二つの平板部材４１０、４２０も両面が対向されて摩擦ツール５００が挿入されることによって作業が行われる。図１２の断面図を見ると、接合界面４１５は傾斜した傾斜面４１５ａと垂直面４１５ｂとからなる。摩擦ツール５００は前述した実施例と同じく、傾斜面の外区間の所定分割点、例えば、二等分割点に供給されて作業を行う。このように、垂直面４１５ｂが形成されると、両方に内側へ部材を押す力を加えても位置が離れなくなるという便利な点がある。
【００３６】
図１３及び図１４は本発明による摩擦撹拌溶接方法を可変容量型斜板式圧縮機用ピストンの製造過程における半製品であるヘッド部素材４４０とブリッジ部素材４３０に適用した場合を示す。ヘッド部素材４４０とブリッジ素材４３０はその断面が円形の部材で、図８〜図１０に示した方法と同じ方法によって適用される場合を示す。
【００３７】
ブリッジ部素材４３０がヘッド部素材４４０の内側に若干挿入される形態で結合され、接合界面４４５は傾斜するように形成され、摩擦ツール５００は接合界面４４５の所定分割点に挿入されて摩擦することによって摩擦撹拌溶接を行う。
【００３８】
このような方法で摩擦撹拌溶接を行うと、若干凹んだディボットは接合界面４４５から離れて形成されて、ディボットを埋めるための他の装置や手段なしに上述した本発明による最大効果を奏するようになる。
【００３９】
以上で説明した本発明は前述した実施例及び添付された図面によって限定されるのではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で各種置換、変形及び変更が可能であることは本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者にとって明確である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は多様な材料で構成されるドライブシャフトに適用されることができ、その外にも円筒状の部品、回転されるパイプ形態の部品を互いに付着して結合する技術に応用されることができる。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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