(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材料を成形するときに使用される強化基材であって、
強化繊維の繊維方向が一方向に配列された強化層と、
前記繊維方向に対して交差する一つの方向にのみ沿うように前記強化層の片面のみに積層され、前記強化繊維に接合されて前記強化層を保持する補助繊維と、を有し、
前記補助繊維は、前記強化繊維よりも引張破断伸びが大きく、
前記強化層は、前記強化繊維の本数がレギュラートゥよりも多いラージトゥの繊維束が開繊しない状態のまま配列されてなる、複合材料用強化基材。
【請求項２】
前記補助繊維は、前記強化繊維よりも弾性係数が低い、請求項１に記載の複合材料用強化基材。
【請求項３】
前記強化繊維と前記補助繊維とを縫合して接合するステッチ糸をさらに有する、請求項１または請求項２に記載の複合材料用強化基材。
【請求項４】
前記強化層の一層あたりの目付量は、３００〜４００ｇ／ｍ２である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合材料用強化基材。
【請求項５】
強化基材に樹脂が配置されてなる複合材料であって、
前記強化基材は、
強化繊維の繊維方向が一方向に配列された強化層と、
前記繊維方向に対して交差する一つの方向にのみ沿うように前記強化層の片面のみに積層され、前記強化繊維に接合されて前記強化層を保持する補助繊維と、を有し、前記補助繊維が前記強化繊維よりも引張破断伸びが大きく、
前記強化層は、前記強化繊維の本数がレギュラートゥよりも多いラージトゥの繊維束が開繊しない状態のまま配列されてなる、複合材料。
【請求項６】
前記補助繊維は、前記強化繊維よりも弾性係数が低い、請求項５に記載の複合材料。
【請求項７】
前記強化繊維と前記補助繊維とを縫合して接合するステッチ糸をさらに有する、請求項５または請求項６に記載の複合材料。
【請求項８】
樹脂が配置される前の状態の前記強化基材における前記強化層の一層あたりの目付量は、３００〜４００ｇ／ｍ２である、請求項５〜７のいずれか１項に記載の複合材料。
【請求項９】
強化繊維の繊維方向が一方向に配列された強化層を形成するように前記強化繊維を配置し、前記強化層は、前記強化繊維の本数がレギュラートゥよりも多いラージトゥの繊維束を、開繊しない状態のまま配置して形成し、
前記強化繊維よりも引張破断伸びが大きい補助繊維を、前記繊維方向に対して交差する一つの方向にのみ沿うように前記強化層の片面のみに積層し、
前記強化繊維に前記補助繊維を接合して前記強化層を保持する、複合材料用強化基材の製造方法。
【請求項１０】
前記補助繊維は、前記強化繊維よりも弾性係数が低い、請求項９に記載の複合材料用強化基材の製造方法。
【請求項１１】
前記強化繊維と前記補助繊維とをステッチ糸によって縫合して接合する、請求項９または請求項１０に記載の複合材料用強化基材の製造方法。
【請求項１２】
前記強化繊維の配置を基に、前記補助繊維の配置および前記ステッチ糸によって縫合する位置を制御する、請求項１１に記載の複合材料用強化基材の製造方法。
【請求項１３】
前記強化層の一層あたりの目付量を３００〜４００ｇ／ｍ２とする、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の複合材料用強化基材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、複合材料用強化基材、複合材料および複合材料用強化基材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  近年、自動車の車体軽量化のために強化基材に樹脂を含浸させた複合材料が自動車部品として広く用いられている。複合材料の製造方法として、例えば、下記特許文献１には、樹脂が含浸されていないドライ基材を強化基材として使用する方法が開示されている。ドライ基材は、強化基材に樹脂が含浸されたプリプレグに比べて製造コストが低い。このため、強化基材としてドライ基材を使用することによって、複合材料を安価に製造することができる。【０００３】  下記特許文献１に開示された方法では、ドライ基材として、縦糸と横糸を織り込んで織物とするクロス基材を使用している。クロス基材は、縦糸と横糸が交差して編み込まれることによって繊維が屈曲した部分（クリンプ）が形成される。屈曲した繊維は、直線状に延びた繊維に比べて強度が低下することが知られている。このため、クロス基材は、繊維が一方向に配列された基材に比べて強度が低下してしまう。この問題を解決するために、例えば、下記特許文献２や下記特許文献３では、繊維が一方向に配列されてクリンプを形成しないＮＣＦ（ノンクリンプファブリック）基材を使用した複合材料の製造方法が開示されている。【０００４】  ＮＣＦ基材は、クリンプが形成されないため、クロス基材に比べて複合材料の強度を向上させることができる。また、ＮＣＦ基材は、縦糸と横糸を織り込む工程が不要なため、クロス基材に比べて生産性が高く、クロス基材に比べて低コストの基材である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−５５６４２号公報
【特許文献２】特開２０１５−１４５５４７号公報
【特許文献３】特開２００８−１３２７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  特許文献２および特許文献３に開示されたＮＣＦ基材は、一方向に配列された繊維を２方向以上に配向して積層し、交差する繊維同士を縫合（ステッチ）して固定する「多軸基材」が用いられている。しかしながら、多軸基材は、複数の方向に配向された繊維が縫合して固定されることによって、クロス基材に比べて、伸びが少なく、賦形性が悪い。このため、基材を賦形したときに、その形状によっては部分的にシワが生じてしまう。シワが生じると複合材料用の強化基材として十分な機能を発揮できなくなることから、賦形するときの形状の自由度が制限されるという問題がある。【０００７】  そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、賦形性を改善することができる複合材料用強化基材、複合材料および複合材料用強化基材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  上記目的を達成する本発明に係る複合材料用強化基材は、複合材料を成形するときに使用される。強化基材は、強化繊維の繊維方向が一方向に配列された強化層と、繊維方向に対して交差する一つの方向にのみ沿うように強化層の片面のみに積層され、強化繊維に接合されて強化層を保持する補助繊維と、を有している。補助繊維は、強化繊維よりも引張破断伸びが大きい。強化層は、強化繊維の本数がレギュラートゥよりも多いラージトゥの繊維束が開繊しない状態のまま配列されている。【０００９】  上記目的を達成する本発明に係る複合材料は、強化基材に樹脂が配置されてなる。複合材料における強化基材は、強化繊維の繊維方向が一方向に配列された強化層と、繊維方向に対して交差する一つの方向にのみ沿うように強化層の片面のみに積層され、強化繊維に接合されて強化層を保持する補助繊維と、を有している。補助繊維は、強化繊維よりも引張破断伸びが大きい。強化層は、強化繊維の本数がレギュラートゥよりも多いラージトゥの繊維束が開繊しない状態のまま配列されている。【００１０】  上記目的を達成する本発明に係る複合材料用強化基材の製造方法は、強化繊維の繊維方向が一方向に配列された強化層を形成するように強化繊維を配置する。強化層は、強化繊維の本数がレギュラートゥよりも多いラージトゥの繊維束を、開繊しない状態のまま配置して形成する。強化繊維よりも引張破断伸びが大きい補助繊維を、繊維方向に対して交差する一つの方向にのみ沿うように強化層の片面のみに積層する。そして、強化繊維に補助繊維を接合して強化層を保持する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】強化基材の種類と製造コストとの関係を示す系統図である。
【図２】実施形態に係る強化基材を示す概略斜視図である。
【図３Ａ】図２に示した強化基材を使用した複合材料を示す概略断面図である。
【図３Ｂ】補助繊維を配置するときの条件の一例を示す図である。
【図４】強化基材の製造装置を示す概略図である。
【図５】強化基材の製造装置のボビンの配置を示す概略図である。
【図６】複合材料の成形装置を示す概略図である。
【図７Ａ】強化基材の製造方法を示すフローチャートである。
【図７Ｂ】複合材料の成形方法を示すフローチャートである。
【図８Ａ】強化基材の製造装置を用いて強化基材を製造する手順を説明するための図であって、縫合工程を示す概略図である。
【図８Ｂ】強化基材の製造装置を用いて強化基材を製造する手順を説明するための図であって、縫合工程を示す概略図である。
【図８Ｃ】強化基材の製造装置を用いて強化基材を製造する手順を説明するための図であって、縫合工程を示す概略図である。
【図９Ａ】対比例に係る強化基材を製造する手順を説明するための図であって、縫合工程を示す概略図である。
【図９Ｂ】対比例に係る強化基材を製造する手順を説明するための図であって、縫合工程を示す概略図である。
【図１０】本実施形態に係る強化基材を積層した積層体を示す概略断面図である。
【図１１】対比例に係る強化基材を積層した積層体を示す概略断面図である。
【図１２】賦形実験に使用したエンボス賦形型を示す概略断面図である。
【図１３Ａ】実施形態に係る強化基材を積層した積層体を賦形したときの結果を示す図であり、エンボスの凹側を表面にして示す図である。
【図１３Ｂ】実施形態に係る強化基材を積層した積層体を賦形したときの結果を示す図であり、エンボスの凸側を表面にして示す図である。
【図１４Ａ】対比例に係る強化基材を積層した積層体を賦形したときの結果を示す図であり、エンボスの凹側を表面にして示す図である。
【図１４Ｂ】対比例に係る強化基材を積層した積層体を賦形したときの結果を示す図であり、エンボスの凸側を表面にして示す図である。
【図１５】強化基材の伸びと荷重との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】  発明の理解を容易にするために、図１を参照して本発明の実施形態の位置づけを説明する。本実施形態では、より製造コストの低い強化基材として、ラージトゥを用いたＮＣＦ（ノンクリンプファブリック）基材を使用することを特徴としている。以下、図１を参照して、強化基材の種類と製造コストとの関係を説明する。
【００１３】  図１は、製造コストの観点から、複合材料用の強化基材の種類を分類した系統図である。図１中の左から右に向かって製造コストが低くなることを示している。
【００１４】  系統図の上位から説明すると、まず、強化基材は、樹脂が強化基材に含浸されたプリプレグ基材と、樹脂が含浸されていないドライ基材の２つに大きく分類される。プリプレグ基材は、強化基材に樹脂を含浸させるために製造コストがかかる。このため、ドライ基材は、プリプレグ基材に比べて製造コストが低くなる。
【００１５】  一般的に、ドライ基材は、強化繊維が複数本束ねられた繊維束から形成される。繊維束は、強化繊維の本数によって、強化繊維の本数が比較的多いラージトゥと、強化繊維の本数が比較的少ないレギュラートゥに区分される。ここで、ラージトゥの強化繊維の本数は、例えば、４０，０００本以上、レギュラートゥの繊維の本数は、例えば、２４，０００本以下とすることができる。
【００１６】  強化繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維が広く一般に用いられている。ＰＡＮ系炭素繊維は、所定の本数が束ねられたＰＡＮ繊維の繊維束を繊維方向に送る製造ラインによって、耐炎化工程、炭素化工程、黒鉛化工程、表面処理工程、サイジング処理工程を経て連続的に製造される。この際、繊維束の強化繊維の本数が多い程、同じサイクルタイムで製造できる強化繊維の量が増加する。このため、繊維束は、束ねられる強化繊維の本数が多い程、製造コストが低くなる。つまり、ラージトゥを使用した基材は、レギュラートゥを使用した基材に比べて製造コストが低くなる。
【００１７】  また、ドライ基材としては、縦糸と横糸を織り込んで織物とするクロス基材や、強化繊維が一方向に配列されたＮＣＦ基材が一般的に用いられる。
【００１８】  クロス基材は、縦糸と横糸が交差して編み込まれることによって、強化繊維が屈曲したクリンプが形成されており、ラージトゥを使用するとクリンプによる強化繊維の屈曲が大きくなり過ぎてしまう。屈曲した強化繊維は、直線状に延びた強化繊維に比べて強度が低下する。よって、ラージトゥを用いてクロス基材を製造すると強度が極端に低下する虞がある。このため、クロス基材は、レギュラートゥを用いて製造していた。しかしながら、レギュラートゥは、ラージトゥに比べて製造コストが高く、幅が細いため、製造に長い時間を要して生産性が悪いという課題があった。
【００１９】  これに対して、ＮＣＦ基材は、繊維方向が一方向に配向されているため、クロス基材のようなクリンプが形成されない。このため、強化基材にラージトゥを使用することができる。強化基材にラージトゥを使用することによって、レギュラートゥのみを使用する場合に比べて製造コストを大幅に低減することができ、生産性も高くなる。さらに、ＮＣＦ基材は、縦糸と横糸を織り込む工程が不要なため、クロス基材に比べて生産性が高い。
【００２０】  ラージトゥの繊維束を幅広く、薄くする開繊という加工を行うことがある。ラージトゥの繊維束を開繊しない状態のまま使用することによって、開繊工程が不要となり、生産性が高くなる。
【００２１】  ＮＣＦ基材としては、一般的に、一方向に配列された強化繊維を２方向以上に配向して積層し、交差する強化繊維同士を縫合（ステッチ）して固定する「多軸基材」が用いられている。しかしながら、多軸基材は、複数の方向に配向された強化繊維が縫合して固定されることによって、クロス基材に比べて、伸びが少なく、賦形性が悪くなってしまう場合がある。
【００２２】  そこで、本発明の実施形態に係るＮＣＦ基材では、図２に示すように、強化繊維を多軸化することなく、一方向に配向した「一方向基材」を用いる。これにより、強化繊維を縫合して拘束する方向が少なくなるため、強化基材の伸びを向上することができ、賦形性を向上することができる。さらに、ＮＣＦ基材にラージトゥを用いることによって製造コストを大幅に低減することができる。
【００２３】  以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００２４】  図３Ａを参照して、複合材料１０は、強化基材１００に樹脂２００が配置されてなる。周知のように、樹脂２００を強化基材１００と組み合わせることによって、樹脂２００単体に比べて高い強度および剛性を備える複合材料１０となる。複合材料１０は、例えば、自動車の車体の骨格部品や外板部品に適用することができる。複合材料１０は、鉄鋼材料よりも軽量なため、鉄鋼材料からなる部品を組み付けて構成した車体と比べて、車体の軽量化を図ることができる。
【００２５】  樹脂２００は、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂やポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂等の熱可塑性樹脂が用いられる。本実施形態においては、機械的特性、寸法安定性に優れたエポキシ樹脂を用いる。エポキシ樹脂は２液タイプが主流であり、主剤および硬化剤を混合して使用する。主剤はビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂、硬化剤はアミン系のものが一般的に用いられるが、特にこれに限定されるものではなく、所望の材料特性に合わせて適宜選択できる。
【００２６】  また、樹脂２００には、複合材料１０を成形した後の脱型を容易に行い得るように、離型剤を含ませてもよい。離型剤の種類は、特に限定されず、公知のものを使用することができる。
【００２７】  強化基材１００は、概説すれば、図２に示すように、強化繊維１１０の繊維方向が一方向に配列された強化層１１５と、繊維方向に対して交差する一つの方向にのみ沿うように強化層１１５に積層され、強化繊維１１０に接合されて強化層１１５を保持する補助繊維１２０と、を有している。補助繊維１２０は、強化繊維１１０よりも引張破断伸びが大きい。本実施形態では、強化繊維１１０と補助繊維１２０とを縫合して接合するステッチ糸１３０をさらに有している。
【００２８】  強化層１１５は、強化繊維の本数がレギュラートゥよりも多いラージトゥの繊維束が開繊しない状態のまま配列されている。ここで、ラージトゥの強化繊維の本数は、一般的に約４０，０００本以上であり、概ね、約４０，０００〜約５０，０００本である。本実施形態では、約５０，０００本とする。一方、レギュラートゥの強化繊維の本数は、一般的に約２４，０００本以下であり、概ね、約１２，０００〜約２４，０００本である。
【００２９】  強化繊維１１０を構成する材料は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリアミド（ＰＡ）繊維、ポリプロピレン（ＰＰ）繊維、アクリル繊維等が挙げられる。本実施形態では、強化繊維１１０として炭素繊維を使用した例を説明する。炭素繊維は、熱膨張係数が小さく、寸法安定性に優れ、高温下においても機械的特性の低下が少ないという特徴があるため、自動車の車体等の複合材料１０の強化基材として好適に使用することができる。
【００３０】  強化層１１５の一層あたりの目付量（単位面積あたりの繊維重量（ｇ／ｍ２））は、５０〜４００ｇ／ｍ２とすることができ、より好ましくは、３００〜４００ｇ／ｍ２である。強化層１１５の一層あたりの目付量が３００ｇ／ｍ２未満では、ラージトゥを開繊する工程が必要となり、製造コストを低減することが難しくなってしまう。また、強化層１１５の一層あたりの目付量が４００ｇ／ｍ２を超えると同じ板厚とする場合の積層枚数が少なくなり、作業性は良好になるものの、板厚寸法の自由な選択が制限される。そのため、強化層１１５の一層あたりの目付量を３００〜４００ｇ／ｍ２とすることによって、製造コストを低減することができるとともに、製品設計に応じた寸法を柔軟に選択することができる。
【００３１】  補助繊維１２０は、ステッチ糸１３０によって強化繊維１１０の少なくとも一部に接合されて、強化層１１５を保持する。補助繊維１２０は、強化繊維１１０の繊維方向に対して交差する一つの方向にのみ沿うように強化層１１５に積層されている。本実施形態では、補助繊維１２０は、強化繊維１１０の繊維方向に対して直交する方向に配置されている。補助繊維１２０は、一つの方向にのみ沿って配置されることから、メッシュ状の配置は通常含まれない。ただし、補助繊維１２０がメッシュ状に配置されて強化繊維１１０に接合されていても、強化繊維１１０を一方向に配向した「一方向基材」と同程度の伸びが実質的に確保できる場合には、「補助繊維１２０は一つの方向にのみ沿って配置される」と解釈されるべきである。
【００３２】  補助繊維１２０は、強化繊維１１０よりも引張破断伸びが大きい材料を使用している。これにより、補助繊維１２０は、強化繊維１１０よりも破断し難くなるため、強化層１１５を確実に保持することができる。
【００３３】  補助繊維は、強化繊維１１０よりも弾性係数が低い材料を使用することがさらに好ましい。これにより、補助繊維１２０は、強化基材１００を賦形する際の変形に伴って柔軟に変形して、破断することなく強化層１１５を確実に保持することができる。
【００３４】  補助繊維１２０を構成する材料は、例えば、ガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維、ナイロン繊維、ポリエチレン（ＰＥ）繊維等が挙げられる。本実施形態では、強化繊維１１０に炭素繊維を使用しているため、炭素繊維よりも弾性係数が低く、引張破断伸びが大きい、ガラス繊維を使用する。ガラス繊維は、強度が比較的高く、材料コストが低いため、補助繊維１２０として好適に使用することができる。
【００３５】  図３Ｂを参照して、補助繊維１２０を配置するときの条件の一例を説明する。
【００３６】  図３Ｂに示されるように、白抜き矢印によって示される繊維送り方向をＹ軸、繊維送り方向Ｙに直交する方向をＸ軸とする。「ａ１：補助繊維１２０の間隔（平行）」、「ｂ：強化繊維１１０の束の幅（平行）」、「ａ２：補助繊維１２０の間隔（Ｘ軸）」、「ｃ：ステッチ糸１３０の間隔（Ｘ軸）」のそれぞれは、図に示される寸法とする。強化繊維１１０と補助繊維１２０との割合の一例は、次の条件により示すことができる。
【００３７】    ａ１（補助繊維１２０の間隔（平行））：ｂ（強化繊維１１０の束の幅（平行））の３〜６倍の範囲    ａ２（補助繊維１２０の間隔（Ｘ軸））：ｃ（ステッチ糸１３０の間隔（Ｘ軸））の３〜６倍の範囲である。
【００３８】  ｂ（強化繊維１１０の束の幅（平行））が１に対して、ａ１（補助繊維１２０の間隔（平行））を３〜６倍の範囲において設定することができる。ｂ（強化繊維１１０の束の幅（平行））は、ステッチ糸１３０の間隔を用いても示すことができる。この場合には、ｃ（ステッチ糸１３０の間隔（Ｘ軸））が１に対して、ａ２（補助繊維１２０の間隔（Ｘ軸））を３〜６倍の範囲において設定することができる。補助繊維１２０の配置条件を上記のように設定することによって、強化基材１００の賦形性を向上させて、強化基材１００を賦形するときにシワの発生を抑制することができる。
【００３９】  補助繊維１２０の本数や直径は、基材化する際の張力および賦形中に発生する賦形力に耐えうる強度を確保する観点から決定される。ガラス繊維の場合には、５００〜６，０００本程度の本数が望ましい。本実施形態では、１，０００本のガラス繊維を採用した。ただし、必要強度以上の強度を備えた補助繊維１２０は、強化基材の無駄な重量増加を招いたり、コストの増加を招いたりすることになるので好ましくない。
【００４０】  強化繊維１１０と補助繊維１２０との配向角度は、９０°のときが最も補強効果を得ることができる。しかしながら、設計的な要件から、９０°以外の配向角度を設定することも可能である。配向角度は、３０°〜１２０°の範囲において設定することが好ましい。実施形態においては、配向角度が９０°になるように、強化繊維１１０および補助繊維１２０を配向した。
【００４１】  本実施形態では、補助繊維１２０を強化繊維１１０に交差するように積層して、補助繊維１２０と強化繊維１１０とが交差した点をステッチ糸１３０によって固定する。このため、強化繊維１１０がばらけることを防止でき、強化基材１００の運搬・切断・賦形・成形を行う過程において、強化基材１００の取り扱いが容易となる。また、補助繊維１２０およびステッチ糸１３０によって、強化繊維１１０の配列状態を維持することができる。
【００４２】  （強化基材の製造装置）  図４を参照して、強化基材１００の製造装置３００について説明する。
【００４３】  製造装置３００は、複数のボビン３１０と、配向部３２０と、積層部３３０と、ステッチ部３４０と、ベルトコンベア３５０と、巻き取りローラ３６０とを有している。
【００４４】  複数のボビン３１０は、強化繊維１１０および補助繊維１２０を巻回した状態で、引き出し可能に保持している。ボビン３１０は、強化繊維１１０を巻回した第１のボビン３１１および第２のボビン３１２と、補助繊維１２０を巻回した第３のボビン３１３とを備えている。第１のボビン３１１および第２のボビン３１２は、図５に示すように、それぞれのボビン３１１、３１２から引き出された強化繊維１１０が繊維方向に交差する方向に沿って平面的に交互に並べられるように配置されている。
【００４５】  配向部３２０は、強化繊維１１０を所定の繊維方向に配向して配置する。積層部３３０は、配置された強化繊維１１０に補助繊維１２０を積層する。
【００４６】  ステッチ部３４０は、強化繊維１１０と補助繊維１２０とを縫合して接合して強化基材１００を形成する。図８Ａ〜図８Ｃに示すように、ステッチ部３４０は、強化繊維１１０と補助繊維１２０とをステッチ糸１３０によって縫合するための編み針３４１を備えている。
【００４７】  ベルトコンベア３５０は、強化繊維１１０および補助繊維１２０を連続的に搬送する。なお、強化繊維１１０および補助繊維１２０を搬送する構成は、ベルトコンベア３５０に限定されず、例えば、搬送用ロボットによって搬送してもよい。
【００４８】  巻き取りローラ３６０は、強化基材１００を巻き取って、ロール状に保持する。
【００４９】  なお、製造装置３００の作動は、制御部５００によって制御する。制御部５００の構成は、後述において詳細に説明する。
【００５０】  （複合材料の成形装置）  図６を参照して、複合材料１０の成形装置４００について説明する。
【００５１】  複合材料１０の成形装置４００は、強化基材１００、１０１、１０２が複数枚積層された積層体１４０（図１０を参照）が配置されるキャビティ４１４を形成する開閉自在な成形型４１０と、成形型４１０に型締圧力を負荷するプレス部４２０と、キャビティ４１４内に樹脂２００を注入する樹脂注入部４３０と、を有している。
【００５２】  成形型４１０は、開閉可能な一対の上型４１１および下型４１２と、キャビティ４１４内に樹脂２００を注入する注入口４１５と、を有している。
【００５３】  注入口４１５は、キャビティ４１４と樹脂注入部４３０とを連通可能に設けられている。樹脂注入部４３０から注入された樹脂２００は、積層体１４０の表面から内部に含浸する。なお、成形型４１０にキャビティ４１４内を真空引きして空気を吸引する吸引口を別途設けてもよい。
【００５４】  プレス部４２０は、例えば、油圧等の流体圧を用いたシリンダー４２１を備え、油圧等を制御することによって成形型４１０に付与する型締圧力を調整自在なプレス機によって構成することができる。
【００５５】  樹脂注入部４３０は、主剤タンク４３１から供給される主剤と、硬化剤タンク４３２から供給される硬化剤とを循環させつつ、成形型４１０へ供給可能な公知の循環式のポンプ機構により構成することができる。樹脂注入部４３０は、注入口４１５に連通してキャビティ４１４内に樹脂２００を注入する。
【００５６】  制御部５００は、製造装置３００および成形装置４００の各部の作動を制御する。図４、図６を参照して、制御部５００は、記憶部５１０と、演算部５２０と、各種データや制御指令の送受信を行う入出力部５３０と、を有している。入出力部５３０は、ボビン３１０、配向部３２０、積層部３３０、ステッチ部３４０、ベルトコンベア３５０、巻き取りローラ３６０、プレス部４２０、樹脂注入部４３０等の装置各部に電気的に接続している。
【００５７】  記憶部５１０は、ＲＯＭやＲＡＭから構成し、強化繊維１１０、補助繊維１２０およびステッチ糸１３０の配置等のデータを記憶する。演算部５２０は、ＣＰＵを主体に構成され、入出力部５３０を介して強化繊維１１０および補助繊維１２０の配置等のデータを受信する。演算部５２０は、記憶部５１０から読み出したデータおよび入出力部５３０から受信したデータに基づいて、補助繊維１２０の配置やステッチ糸１３０を縫合する位置等を算出する。算出したデータに基づく制御信号は、入出力部５３０を介してボビン３１０、配向部３２０、積層部３３０、ステッチ部３４０、ベルトコンベア３５０、巻き取りローラ３６０、プレス部４２０、樹脂注入部４３０等の装置各部へ送信する。このようにして、制御部５００は、強化基材１００における強化繊維１１０、補助繊維１２０およびステッチ糸１３０の配置等を制御する。
【００５８】  （強化基材の製造方法）  次に、実施形態に係る強化基材１００、１０１、１０２の製造方法を説明する。
【００５９】  本実施形態では、強化繊維１１０の繊維方向θが＋４５°の強化基材１００（図２、図８Ａを参照）、繊維方向θが−４５°の強化基材１０１（図８Ｂを参照）および、繊維方向θが０°の強化基材１０２（図８Ｃを参照）の３種類の強化基材１００、１０１、１０２を製造する。なお、図４、図８Ａ〜図８Ｃ、図９Ａ、図９Ｂ中の矢印は、強化繊維１１０の搬送方向を示し、搬送方向に対する角度を繊維方向θ（図４を参照）としている。
【００６０】  強化基材１００、１０１の製造方法は、図７Ａに示すように、強化繊維１１０を配置する工程（ステップＳ１０）と、補助繊維１２０を積層する工程（ステップＳ２０）と、強化繊維１１０と補助繊維１２０とを縫合して接合する工程（ステップＳ３０）とを有している。以下、各工程について説明する。
【００６１】  まず、図５に示すように、複数の第１のボビン３１１および複数の第２のボビン３１２を交互にセットする。
【００６２】  次に、ステップＳ１０として、図４に示すように、配向部３２０によって、第１のボビン３１１および第２のボビン３１２から強化繊維１１０を引き出す。強化繊維１１０を、繊維方向θが一方向になるように配置する。この際、それぞれのボビン３１１、３１２から引き出された強化繊維１１０が、繊維方向θに交差する方向に沿って平面的に交互に並ぶように配列する。配置された強化繊維１１０は、ベルトコンベア３５０によって積層部３３０へ搬送される。
【００６３】  次に、ステップＳ２０として、積層部３３０によって、強化繊維１１０に補助繊維１２０を積層する。この際、繊維方向θに対して交差する方向に沿うように補助繊維１２０を強化繊維１１０に積層する。本実施形態では、補助繊維１２０を繊維方向θに対して直交する方向に配置する。
【００６４】  次に、ステップＳ３０として、ステッチ部３４０の編み針３４１によって、強化繊維１１０と補助繊維１２０をステッチ糸１３０によって縫合して接合する。図８Ａには、繊維方向θが＋４５°の強化繊維１１０を縫合する様子を示す。図８Ｂには、繊維方向θが−４５°の強化繊維１１０を縫合する様子を示す。これにより、繊維方向θが＋４５°のシート状の強化基材１００と、繊維方向θが−４５°のシート状の強化基材１０１とが完成する。
【００６５】  なお、ステップＳ２０、Ｓ３０では、強化繊維１１０の配置を基に、補助繊維１２０の配置およびステッチ糸１３０によって縫合する位置を制御する。本実施形態では、制御部５００によって、配向部３２０、積層部３３０およびステッチ部３４０の作動を同期させて各工程の動作を行う。これにより、互いに交差する強化繊維１１０と補助繊維１２０とを確実にステッチ糸１３０によって縫合することができる。
【００６６】  その後、巻き取りローラ３６０によって、強化基材１００、１０１を巻き取ってロール状に保持する。
【００６７】  繊維方向θが０°の強化基材１０２は、図８Ｃに示すように、繊維方向θが±４５°の強化基材１００、１０１と同様に、補助繊維１２０を積層し、強化繊維１１０と補助繊維１２０とをステッチ糸１３０によって縫合する。
【００６８】  仮に、強化基材が多軸基材の場合、図９Ａに示すように、一方向に配列された強化繊維１１０を２方向以上に配向して積層し、交差する強化繊維１１０同士をステッチ糸１３０によって縫合する。このため、強化繊維１１０が変形し難くなり、賦形性が大幅に低下してしまう。本実施形態に係る強化基材１００、１０１、１０２は、一方向に配列された強化繊維１１０を用いた一方向基材である。このため、強化基材１００、１０１、１０２は、多軸基材に比べて大幅に賦形性を向上させることができる。
【００６９】  （複合材料の成形方法）  次に、実施形態に係る複合材料１０の成形方法を説明する。複合材料１０の成形方法は、生産性が高く量産に適したＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形法を用いる。ＲＴＭ成形法にあっては、強化基材１００を成形型４１０（図６を参照）に配置し、樹脂２００を含浸させて硬化させることによって複合材料１０を成形する。
【００７０】  複合材料１０の製造方法は、図７Ｂに示すように、積層体１４０を形成する工程（ステップＳ１１０）と、積層体１４０に樹脂２００を含浸する工程（ステップＳ１２０）と、複合材料１０を脱型する工程（ステップＳ１３０）とを有している。以下、各工程について説明する。
【００７１】  まず、巻き取りローラ３６０に巻回された強化基材１００、１０１、１０２を引き出して所定の大きさにカットしたものを準備する。
【００７２】  次に、ステップＳ１１０として、強化基材１００、１０１、１０２を所定の積層構成に積層して積層体１４０を形成する。本実施形態では、図１０に示すように、強化基材１０２を強化基材１００、１０２によって両側から挟み込むように積層する。これにより、積層構成は、＋４５°／０°／−４５°となり、アシンメトリーに積層される。ここで、アシンメトリーとは、積層方向において積層体１４０の中央となる面を基準として繊維方向が非対称に積層されていることを意味する。なお、積層構成は、これに限定されず、成形品である複合材料１０に求められる材料特性によって適宜選択できる。
【００７３】  一般的に、積層体１４５は、図１１に示すように、積層構成を±４５°／０°／０°／±４５°として、シンメトリーに積層することによって、積層間の反りを打ち消すように構成されている。ここで、シンメトリーとは、積層方向において積層体の中央となる面を基準として繊維方向が対称に積層されていることを意味する。本実施形態のように、ラージトゥを用いた強化基材１００、１０１、１０２では、目付量が大きいため、シンメトリーに積層を行うと、複合材料１０の厚さが不必要に大きくなってしまう。これにより、複合材料を所望の厚さに設計することが困難になってしまう。このため、本実施形態では、図１０のようにアシンメトリーに積層を構成する。これにより、複合材料１０の厚さが不必要に大きくなることを抑制することができる。
【００７４】  次に、ステップＳ１２０として、成形型４１０のキャビティ４１４内に樹脂２００を注入して積層体１４０に樹脂２００を含浸させる。その後、成形型４１０の温度を徐々に樹脂２００の硬化温度まで加熱して、樹脂２００を硬化させる。なお、樹脂２００が熱可塑性樹脂の場合は、成形型４１０を冷却して硬化させてもよい。
【００７５】  次に、ステップＳ１３０として、樹脂２００が硬化した後、成形型４１０を開いて、複合材料１０を脱型して、成形が完了する。
【００７６】  （賦形実験）  実施形態に係る強化基材の積層体１４０、対比例に係る強化基材の積層体１４５を用いて行った賦形実験について説明する。
【００７７】  実施形態の積層体１４０は、図１０に示したように、積層構成が＋４５°／０°／−４５°の３層構造を有する。各層の強化基材１００、強化基材１０１、および強化基材１０２は、図８Ａ、図８Ｂ、および図８Ｃにそれぞれ示される。強化繊維１１０に炭素繊維を使用し、補助繊維１２０にガラス繊維を使用した。強化層１１５は、ラージトゥの繊維束が開繊しない状態のまま配列されている。それぞれの強化基材１００、１０１、１０２における強化層１１５の一層あたりの目付量は、３００ｇ／ｍ２である。実施形態に係る強化基材は、３層構造であるので、全体の目付量は９００ｇ／ｍ２である。
【００７８】  対比例の積層体１４５は、図１１に示したように、積層構成が±４５°／０°／０°／±４５°の６層構造を有する。繊維方向θが±４５°の強化基材１４６は、図９Ａに示される。繊維方向θが０°の強化基材１４７は、図９Ｂに示される。強化基材１４７における補助繊維１２０は、メッシュ状に形成し、強化層１１５を保持する。強化繊維１１０に炭素繊維を使用し、補助繊維１２０にガラス繊維を使用した。強化層１１５は、ラージトゥの繊維束を開繊して配列されている。それぞれの強化基材１４６、１４７における強化層１１５の一層あたりの目付量は、１５０ｇ／ｍ２である。対比例に係る強化基材は、６層構造であるので、全体の目付量は９００ｇ／ｍ２である。肉厚は、実施形態に係る強化基材と同じである。
【００７９】  賦形は、図１２に示すように、絞り深さｄ（エンボス深さ）を調整自在なエンボス賦形型１５０を用いて行った。エンボス賦形型１５０は、絞り深さｄが異なる下型１５１を交換して取り付けることができる。これによって、絞り深さｄを調整する。
【００８０】  図１４Ａおよび図１４Ｂは、対比例の積層体１４５を賦形したときにシワ１６０が生じた結果を示している。図１３Ａおよび図１３Ｂは、同じ絞り深さの条件において、実施形態の積層体１４０を賦形したときの結果を示している。なお、図１３Ａおよび図１４Ａは、エンボスの凹側を表面にして示す図であり、図１３Ｂおよび図１４Ｂは、エンボスの凸側を表面にして示す図である。
【００８１】  図１５は、強化基材の伸びと荷重との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は、基材の伸びを表す、せん断角度を示し、縦軸は、せん断荷重を示している、ピクチャーフレーム法によって、実施形態の積層体１４０、および対比例の積層体１４５のそれぞれを試験した。ピクチャーフレーム法とは、正方形に切り出した積層体１４０、１４５の４辺を矩形形状のフレームによって固定し、対角線上に引っ張る試験法である。これによって、積層体１４０、１４５にせん断変形を起こし、そのときの荷重と、せん断角度とを求める。
【００８２】  対比例においては、上下最表層の強化基材１４６のそれぞれは、２方向（±４５°）の強化繊維１１０がステッチ糸１３０によって固定されている。このため、強化基材１４６は、一定方向に引張荷重を加えて伸ばした場合、ステッチ糸１３０が細かく固定されていることが原因となって、均一に伸び難い。また、中央の２層の強化基材１４７は、補助繊維１２０がメッシュ状に形成されている。このため、強化基材１４７は、一定方向に引張荷重を加えて伸ばした場合、補助繊維１２０が強化繊維１１０にメッシュ状に固定されていることが原因となって、均一に伸び難い。
【００８３】  図１５に示すように、強化基材１４６、１４７を積層した対比例の積層体１４５は、せん断初期段階から大きな荷重（符号１６１）が発生していることが確認できた。せん断角度が大きくなるにつれ、つまり強化基材１４６、１４７が伸びるにつれ、せん断荷重が低下した。このことは、強化基材１４６、１４７の破壊が発生したことを示しており、強化層１１５を固定していたステッチ糸１３０や補助繊維１２０が破壊されたと考えられる。したがって、対比例の積層体１４５を賦形すると、賦形初期段階で強化基材が伸びずに、図１４Ａおよび図１４Ｂに示されるようにシワ１６０が発生したと考えられる。
【００８４】  一方、実施形態においては、強化基材１００、１０１、１０２は、いずれも、強化繊維１１０の繊維方向が一方向に配列された強化層１１５と、繊維方向に対して交差する一つの方向にのみ沿うように強化層１１５に積層され、強化繊維１１０に接合されて強化層１１５を保持する補助繊維１２０と、を有している。さらに、補助繊維１２０は、強化繊維１１０よりも引張破断伸びが大きい。強化繊維１１０と補助繊維１２０とは、ステッチ糸１３０によって縫合して接合している。積層間（強化基材１００と１０２との間、強化基材１０１と１０２との間）においては、ステッチによる固定は不要である。
【００８５】  図１５に示すように、強化基材１００、１０１、１０２を積層した実施形態の積層体１４０は、対比例の積層体１４５に比べて少ない荷重で、伸びていることが確認できた。さらに、ステッチ糸１３０による拘束点が少ないため、対比例の積層体１４５において初期に発生したステッチ糸１３０の破壊および補助繊維１２０の破壊が発生していないことが確認できた。実施形態の積層体１４０を賦形しても、図１３Ａおよび図１３Ｂに示されるようにシワのない賦形品を得ることができた。したがって、実施形態の積層体１４０によれば、対比例の積層体１４５に比べて、深絞り量を深くしても、シワなく賦形できる。
【００８６】  以上説明したように、本実施形態の強化基材１００は、強化繊維１１０の繊維方向が一方向に配列された強化層１１５と、繊維方向に対して交差する一つの方向にのみ沿うように強化層１１５に積層され、強化繊維１１０に接合されて強化層１１５を保持する補助繊維１２０と、を有している。補助繊維１２０は、強化繊維１１０よりも引張破断伸びが大きい。
【００８７】  このように構成した強化基材１００によれば、強化繊維１１０を一方向に配向した「一方向基材」となる。強化層１１５は補助繊維１２０によって保持されているため、強化繊維１１０がばらつくことが抑制され、強化繊維１１０の配列状態を維持することができる。また、補助繊維１２０は、強化繊維１１０よりも引張破断伸びが大きく、強化繊維１１０よりも破断し難い。補助繊維１２０は、破壊が発生することなく、強化層１１５を保持し続けることができる。したがって、強化基材１００は、強化繊維１１０を拘束する方向が少なくなるため、伸びが向上し、賦形性が向上する。その結果、強化基材１００を賦形するときにシワの発生が抑制され。シワのない賦形品を得ることができる。さらに、ＮＣＦ基材となるので、クロス基材に比べて、製造コストを低減することができる。
【００８８】  補助繊維１２０は、強化繊維１１０よりも弾性係数が低い。これにより、補助繊維１２０は、強化基材１００を賦形する際の変形に伴って柔軟に変形して、破断することなく強化層１１５を保持することができる。
【００８９】  強化繊維１１０と補助繊維１２０とを縫合して接合するステッチ糸１３０をさらに有する。これにより、強化繊維１１０がばらつくことが一層抑制され、強化繊維１１０の配列状態を一層維持することができる。この結果、強化基材１００を賦形するときにシワの発生を一層抑制することができる。
【００９０】  強化層１１５は、強化繊維１１０の本数がレギュラートゥよりも多いラージトゥの繊維束が開繊しない状態のまま配列されてなる。ラージトゥが使用できること、および開繊工程が不要になることを通して、強化基材の生産性が高くなり、製造コストを一層低減することができる。
【００９１】  強化層１１５の一層あたりの目付量は、３００〜４００ｇ／ｍ２である。これにより、製造コストを低減することができるとともに、製品設計に応じた寸法を柔軟に選択することができる。
【００９２】  本実施形態の複合材料１０は、強化基材１００に樹脂が配置されてなる複合材料１０であって、強化基材１００は、強化繊維１１０の繊維方向が一方向に配列された強化層１１５と、繊維方向に対して交差する一つの方向にのみ沿うように強化層１１５に積層され、強化繊維１１０に接合されて強化層１１５を保持する補助繊維１２０と、を有している。補助繊維１２０は、強化繊維１１０よりも引張破断伸びが大きい。
【００９３】  このように構成した複合材料１０によれば、強化基材１００の賦形性が向上したことから、強化基材１００を賦形するときの形状の自由度が高くなる結果、複合材料１０の外観形状の自由度が高くなる。さらに、強化基材１００の製造コストが低減することを通して、複合材料１０の製造コストを低減することができる。
【００９４】  補助繊維１２０は、強化繊維１１０よりも弾性係数が低い。補助繊維１２０が破断することなく強化層１１５を保持することができる結果、強化基材１００の賦形性が一層向上し、複合材料１０の外観形状の自由度が一層高くなる。
【００９５】  強化繊維１１０と補助繊維１２０とを縫合して接合するステッチ糸１３０をさらに有する。強化基材１００を賦形するときにシワの発生を一層抑制することができる結果、強化基材１００の賦形性が一層向上し、複合材料１０の外観形状の自由度が一層高くなる。
【００９６】  強化層１１５は、強化繊維１１０の本数がレギュラートゥよりも多いラージトゥの繊維束が開繊しない状態のまま配列されてなる。強化基材１００の製造コストが低減することを通して、複合材料１０の製造コストを一層低減することができる。
【００９７】  強化層１１５の一層あたりの目付量は、３００〜４００ｇ／ｍ２である。強化基材１００の製造コストを低減することができるとともに、製品設計に応じた寸法を柔軟に選択することができる。この結果、複合材料１０の製造コストを一層低減することができるとともに、複合材料１０に関する製品設計に応じた寸法を柔軟に選択することができる。
【００９８】  本実施形態の強化基材１００の製造方法は、強化繊維１１０の繊維方向が一方向に配列された強化層１１５を形成するように強化繊維１１０を配置する。強化繊維１１０よりも引張破断伸びが大きい補助繊維１２０を、繊維方向に対して交差する一つの方向にのみ沿うように強化層１１５に積層する。そして、強化繊維１１０に補助繊維１２０を接合して強化層１１５を保持する。
【００９９】  このように構成した強化基材１００の製造方法によれば、賦形性が向上した強化基材１００を製造できる。その結果、強化基材１００を賦形するときにシワの発生が抑制され。シワのない賦形品を得ることができる。さらに、ＮＣＦ基材となるので、クロス基材に比べて、製造コストを低減することができる。
【０１００】  補助繊維１２０は、強化繊維１１０よりも弾性係数が低い。これにより、補助繊維１２０が破断することなく強化層１１５を保持することができる強化基材１００を製造できる。
【０１０１】  強化繊維１１０と補助繊維１２０とをステッチ糸１３０によって縫合して接合する。これにより、強化基材１００を賦形するときにシワの発生を一層抑制することができる強化基材１００を製造できる。
【０１０２】  強化繊維１１０の配置を基に、補助繊維１２０の配置およびステッチ糸１３０によって縫合する位置を制御する。これにより、互いに交差する強化繊維１１０と補助繊維１２０とを確実にステッチ糸１３０によって縫合することができる。この結果、強化繊維１１０の配列状態を一層維持することができる。
【０１０３】  強化繊維１１０の本数がレギュラートゥよりも多いラージトゥの繊維束を、開繊しない状態のまま配置して強化層１１５を形成する。ラージトゥが使用できること、および開繊工程が不要になることを通して、強化基材の生産性が高くなり、製造コストを一層低減することができる。
【０１０４】  強化層１１５の一層あたりの目付量を３００〜４００ｇ／ｍ２とする。これにより、製造コストを低減することができるとともに、製品設計に応じた寸法を柔軟に選択することができる。
【０１０５】  以上、実施形態を通じて複合材料用強化基材、複合材料および複合材料用強化基材の製造方法を説明したが、本発明は実施形態において説明した構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。
【０１０６】  例えば、強化繊維１１０と補助繊維１２０とをステッチ糸１３０によって縫合して接合する形態を示したが、補助繊維１２０が強化層１１５を保持する機能を発揮しうる限りにおいて、適宜の手法を用いて、補助繊維１２０を強化繊維１１０に接合することができる。例えば、補助繊維１２０を接着剤によって強化繊維１１０に接合することができる。縫合以外の接合方法を使用する場合、複合材料用強化基材および複合材料は、ステッチ糸を備える構成に限定されない。
【０１０７】  また、複合材料の成形方法は、ＲＴＭ成形法に限定されず、例えば、オートクレーブ成形法等の公知の成形法を適宜選択することができる。
【符号の説明】
【０１０８】１０    複合材料、１００、１０１、１０２  強化基材（複合材料用強化基材）、１１０  強化繊維、１１５  強化層１２０  補助繊維、１３０  ステッチ糸、１４０  実施形態の積層体、１４５  対比例に係る積層体、１５０  エンボス賦形型、１５１  下型、１６０  シワ、２００  樹脂、３００  強化基材の製造装置、３１０  ボビン、３２０  配向部、３３０  積層部、３４０  ステッチ部、３４１  編み針、３５０  ベルトコンベア、３６０  巻き取りローラ、４１０  成形型、４２０  プレス部、４３０  樹脂注入部、５００  制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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