(57)【要約】【課題】軸の抜け止めや横ずれ防止構造に起因した発塵の虞や低速回転時等に生じる摩耗及び焼き付き現象の虞を確実になくし、又、簡易性やメンテナンス性に優れたものを実現する。【解決手段】回転体１の軸１５が軸受面２８に支持されると共に、流体供給手段３から軸受面２８と軸１５との間に供給される流体Ｓにより非接触状態で支持されるようにする流体軸受装置において、回転体１の軸線上と交差する側面１１に対向して設けられ、かつ流体供給手段３に接続されている横ずれ防止用噴射部２９を有し、流体供給手段３から供給される流体Ｓを噴射部２９より噴射して軸受本体２と回転体１との間の距離を保つようにした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体の軸が軸受本体の軸受面に支持されると共に、流体供給手段から前記軸受面と前記軸との間に供給される流体により非接触状態で支持されるようにする流体軸受装置において、
前記回転体の軸線上に交差する側面と対向して設けられ、かつ前記流体供給手段に接続されている横ずれ防止用噴射部を有し、前記流体供給手段から供給される流体を前記噴射部より噴射して、前記軸受本体と前記回転体との間の距離を保つことを特徴とする流体軸受装置。
【請求項２】
前記回転体がハウジングに収容された流体中で回転され、前記流体供給手段が前記ハウジング内の流体を直接又は前記ハウジング外へ一旦取り出してから前記噴射部へ供給する請求項１に記載の流体軸受装置。
【請求項３】
前記横ずれ防止用噴射部が前記軸受本体に設けられている請求項１又は２に記載の流体軸受装置。
【請求項４】
前記流体供給手段に接続されている回転用噴射部を有し、前記流体供給手段から供給される流体を前記噴射部より前記回転体又は前記軸へ噴射して回転体を回転する請求項１から３の何れかに記載の流体軸受装置。
【請求項５】
前記回転用噴射部が前記軸受本体に設けられ、前記流体を前記回転体の側面に突設された流体受部へ向けて噴射する請求項４に記載の流体軸受装置。
【請求項６】
前記軸受本体が、前記ハウジング内の底部又は該ハウジング内に設けられる設置板に取り付けられる保持具と、軸受面を形成して前記保持具に対し回転自在に取り付けられている軸受とからなる請求項２から５の何れかに記載の流体軸受装置。
【請求項７】
前記軸受本体が、前記流体供給手段を構成している流体供給用配管部と前記噴射部等とを接続する中継用配管部を有している請求項１から６の何れかに記載の流体軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体の軸を流体圧を利用して非接触状態で支持する流体軸受装置に関し、特に回転体と共に液中で使用する場合に好適な流体軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体軸受装置は、回転体の軸と軸受本体の軸受面との間に油や水などの流体を供給し、流体圧を利用して非接触で軸を支持するもので、滑り軸受や転がり軸受等の採用が困難な場合に用いられている。流体潤滑方式からは動圧軸受系及び静圧軸受系に大別される。動圧軸受系は、例えば、流体が回転体の回転に伴って軸受面との間の狭い隙間へと引きずり込まれる、いわゆるくさび作用によって圧力が発生し、該圧力で回転体の軸を支える構造である。静圧軸受系は、例えば、外部の流体供給機構により加圧流体を軸と軸受面との隙間に供給し軸全周を定圧（静圧）で支持する構造である。これらには磁気軸受も含まれる。軸受特徴は、回転体の軸を軸受本体に対し非接触で支持することにより、軸受部の回転摩耗が小さく焼き付き現象も防止でき発塵も少ないこと、製造において軸及び軸受面の仕上げ加工精度が緩和させること、摩擦力及びその変動が小さくなるため寿命を長く維持できること、回転雑音の問題がないこと等の利点を有している。
【０００３】
ところで、流体軸受装置は、軸を非接触で支持することに起因して、回転体が振動等の影響を受けて支持状態が不安定になり易く、又、一つの軸受装置でラジアル方向とスラスト方向の荷重を受けることが難しい。このため、例えば、ラジアル方向の荷重を支えるものでは、スラスト方向の荷重を受けた場合に回転体の軸が水平又は横方向へ移動し、該移動を抑えるものがなければ軸受本体から外れたり横ずれが生じる。なお、このような、軸の抜け止めや横ずれ防止構造としては、例えば、特開平８−１８２２８７号に開示されているごとく機械的な抜け止め（回転体であるロータのスラスト方向の抜けを防ぐためモータの外部に抜止部材、つまりロータフレームのフランジ部で係止するようにした構成）となるため、回転体が抜止部材に接触して、接触部分より発塵が生じ、上記した発塵防止の利点が生かされない。
【０００４】
また、回転に伴って形成される流体潤滑膜により軸を支持する場合には、汎用性に優れているが、高回転でなければ軸と軸受本体との間が流体潤滑状態にならず、回転開始時や停止時及び低速回転では境界潤滑（軸が軸受面に接触）状態となり、焼き付き現象が生じてしまうため、これらを頻繁に繰り返す軸系には使用できない。なお、このような対処例としては下記文献１に開示の支持装置がある。この構造は、低速回転時には軸を転がり軸受で支持し、高速回転時には軸を流体軸受で支持するようにして、低速回転から高速化回転まで対応できるようにしたものであるが、転がり軸受及び流体軸受の両者を備えるため構造が複雑となりコスト面及びメンテナンス性に問題がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１３８４０７号公報
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の流体軸受装置では、部材同士を接触させる機械的な抜け止めや横ずれ防止構造に起因した発塵、低速回転時等の焼き付き現象の虞があり適用分野が限られている。そこで、本発明の目的は、以上の流体軸受装置の長所、つまり非摩耗性、長寿命、低騒音に加え、前記した抜け止めや横ずれ防止構造に起因した発塵の虞や低速回転時等に生じる摩耗及び焼き付き現象の虞を確実になくし、しかも簡易性やメンテナンス性に優れた流体軸受装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するため本発明は、図面を参照し特定すると、回転体１の軸１５が軸受本体２の軸受面２８に支持されると共に、流体供給手段３から前記軸受面２８と前記軸１５との間に供給される流体Ｓにより非接触状態で支持されるようにする流体軸受装置において、前記回転体１の軸線上に交差する側面１１と対向して設けられ、かつ前記流体供給手段３に接続されている横ずれ防止用噴射部２９を有し、前記流体供給手段３から供給される流体Ｓを前記噴射部２９より噴射して、前記軸受本体２と前記回転体１との間の距離を保つ（距離をほぼ一定に調整し維持する）ことを特徴としている。
【０００７】
以上の流体軸受装置では、流体供給手段を介し噴射部より噴射される流体により、軸受本体と回転体との間の距離が保たれて、従来の流体軸受で生じ易い軸の抜けや横ずれを防ぐことができる。構造的には、流体供給手段が軸受面と軸との間に流体を供給して非接触（以下、これを「浮上」と称することもある）状態にするものを兼用しているため製造費を抑えることができ、流体式であるためメンテナンス等も容易になる。作動的には、上記した部材同士を接触させる機械的ではなく、流体噴射つまり流体圧を利用しているため摩耗や発塵の虞が全くない。ここで、本発明の回転体において、「側面」とは横ずれ防止用噴射部より噴射される流体圧又は噴射圧を受ける箇所を意味し、図面の側面１１に限られず、軸部１５の軸線上に交差する側面（端面）も含まれる。後者の場合は、例えば、軸受本体が略Ｌ形であり、該Ｌ形の水平片部を軸受面にし、該Ｌ形の垂直片部側に横ずれ防止用噴射部を設けるようにする。従って、請求項５の「流体受部」も図面の側面１１に限られず、軸部１５の側面（端面）であってもよい。
【０００８】
以上の本発明は請求項２〜７のように展開することが可能である。すなわち、
・請求項２は、前記回転体１がハウジング２０に収容された流体Ｓ中で回転され、前記流体供給手段３が前記ハウジング内の流体を直接又は前記ハウジング外へ一旦取り出してから前記噴射部２９へ供給する構成である。この場合は、噴射する流体がハウジング内で使用している気体や液であることから、又、ハウジング内の流体総量が減じないことから、維持費を抑えることができる。また、専用流体を用いるのに比べてハウジング内の流体への不純物混入の虞がない。
・請求項３では、前記横ずれ防止用噴射部２９が前記軸受本体２に設けられているため、噴射部を支持する専用部材を不要にでき、装置構造やハウジング内を煩雑化することなく、取扱性に優れ、設置の簡素化も可能にする。
・請求項４は、前記流体供給手段３に接続されている回転用噴射部４を有し、前記流体供給手段３から供給される流体Ｓを前記噴射部４より前記回転体１又は軸１５へ噴射して回転体１を回転する構成である。この場合は、浮上用の流体供給手段が、横ずれ防止用及び回転駆動用として利用されるため、簡素化が図られ、経費を合理的に抑える。
・請求項５は、前記回転用噴射部４が前記軸受本体２に設けられ、前記回転体１の側面１１に設けられた流体受部１７へ向けて流体を噴射する構成である。この場合は、回転用噴射部から噴射される流体圧を流体受部で受けて、回転体を効率よく回転できるようにする。
【０００９】
・請求項６は、前記軸受本体２が、前記ハウジング２０内の底部又は該ハウジング２０内に設けられる設置板３５に取り付けられる保持具２５と、軸受面２８を形成して前記保持具２５に対し回転自在に取り付けられている軸受２７とからなる構成である。これは、例えば、回転体を回転停止するため浮上用の流体供給を止めると、回転体が自重により軸受面に着地するが、その際、軸が浮上及び着地過程で軸受面の軸線上からずれると正常に着地できない虞がある。このため、この構造では、軸受が保持具に対し回転自在にして、軸が着地する際、軸線上からずれていても軸受の回転を伴って軸を確実に受け止め可能にする。ここでの「回転自在」には、例えば、ピボット軸受のような揺動に近い回転構成も含む。
・請求項７では、前記軸受本体２が、前記流体供給手段３を構成している流体供給用配管部３３と前記噴射部２８ａ，２９等とを接続する中継用配管部３７を有しているため、装置の簡素化、設置の容易性、取扱性等を共に向上できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態としての流体軸受装置を図面を参照しながら説明する。図１は流体軸受装置と回転体の軸との関係を模式的に示す原理図であり、図２は一変形例である。図３〜図６は流体軸受装置の適用例を示し、図３はハウジングの片側を断面した模式図、図４はハウジングの正面側を断面しかつ一部省略した模式図、図５は流体軸受装置の配置例を示す概略外観図、図６は図５の装置のうち軸受本体の箇所で断面した縦断面図である。以下の説明では、流体軸受装置の基本構造及び図２の変形例、図３〜図６に基づいて図１の装置を使用した適用例、該適用例に基づく作動に言及する。
【００１１】
（基本構造）本発明の流体軸受装置は、図１及び図６で説明すると、回転体１の軸１５を軸受本体２で支持し、流体供給手段３から軸受本体２の軸受面２８と軸１５との間に供給される流体Ｓにより軸１５（回転体１）を浮上させて非接触で支持する。図１の例では、軸受本体２が保持具２５と、保持具２５上に取り付けられる抑え部材２６と、抑え部材２６の中央に回転自在に位置決め規制される軸受２７とで構成されている。保持具２５は、上下方向の配管箇所を空洞にしそこに下流配管部３７を配置し、上中央部に設けられた軸受配置用の凹状部と、軸受本体片側に設けられた回転用噴射部４を有している。下流配管部３７は、上流側の配管部３６の一方に接続されて保持具２５上に設けられる軸受２７の下面である前記凹状部に通じている管部３７ａと、配管部３６の他方に接続されて保持具２５の略上下中間まで延び、更に前記液吐出部４に通じている管部３７ｂとで構成されている。噴射部４は、図５のごとく略Ｌ形の上向きノズル４ａを装着したり、上向きに傾斜した孔として形成される。これらは、後述する横ずれ防止用噴射部２９の孔線上から少しずれている。
【００１２】
抑え部材２６は保持具２５の上面に固定される。中央部には、軸受用の貫通孔及び該貫通孔の下側を一回り径大にした径大孔が設けられている。上面には、軸１５の外径より大きな隙間を保っている対の規制棒２６ａが設けられている。各規制棒２６ａは、軸受２７上の軸１５が水平又は左右方向へ大きく動こうとしたとき、該軸１５の動きを規制する。軸受２７は、円柱体形であり、上面に形成されている凹円弧の軸受面２８と、周囲に形成されて前記抑え部材２６の径大孔に嵌合する鍔部２７ａと、下面に形成されて前記下流配管部３７の管部３７ａから導入される流体Ｓを受け入れる円錐状の空洞部２７ｂと、空洞部２７ｂから軸受本体片側に略水平に貫通されている横ずれ防止用の噴射部２９と、軸受面２８と空洞部２７ｂとの間に多数設けられている上下方向の貫通孔である浮上用噴射部２８ａとを一体に有している。噴射部２９には、図４のごとくノズル２９ａが必要に応じて装着される。
【００１３】
以上の軸受２７は、下側が前記保持具２５の凹状部に嵌合配置された後、抑え部材２６が保持具２５上に固定（図１及び図２では省略したが、図５に図示したねじ２６ｂ等で固定）される。すると、軸受２７は、鍔部２７ａを抑え部材２６の径大孔に位置規制した状態で保持具２５に組み付けられ、本発明の流体軸受装置となる。これに対し、流体供給手段３は、適用例で述べるように使用条件によって設計される。要は、流体をポンプ等を通じて設計圧及び流量で配管部３３、３６及び３７等を通じて、噴射部４、噴射部２９、噴射部２８ａへ供給できればよい。また、流体としては、不活性ガスや反応用ガス等の気体、油や薬液等の液体であっても差し支えない。そして、以上の流体軸受装置では、流体供給手段３から供給される流体が噴射部４、噴射部２９、噴射部２８ａへそれぞれ圧送されて噴射される。このうち、噴射部２８ａは、軸１５の外周囲に向けて流体を噴射し、該流体圧により軸１５を軸受面２８から浮かして非接触状態にする。噴射部４は、回転体１の側面１１（に設けられた流体受部１７）に向けて流体を噴射して、該流体圧により回転体１を一方向へ回転する。噴射部２９は、回転体１の側面１１に向けて流体を噴射して、該流体圧により軸受本体２と回転体１との間の距離が不用意に近づかないようにする。要は、流体軸受系で生じ易い軸の抜けや横ずれ防止構造である。この利点としては簡易であり、最小経費で実施可能で、しかも流体式であるため保守が簡単に行える等である。
【００１４】
（変形例）図２の流体軸受装置において、図１の装置と異なる点は、まず、上記した抑え部材２６を省略し、軸受２７Ａを保持具２５Ａに対し固定することで部材数を少なくして簡略化した。また、軸受２７Ａは、抑え部材２６を省略したため、軸受面２８の凹円弧状と連続して上に延びた規制面２６ｄを形成している。軸受面２８の形状は軸１５の浮上効率を考慮し、規制面２６ｄの形状は軸１５の外径より若干径大でかつ軸１５の浮上高さを考慮して設計される。このように、本発明の流体軸受装置は必要に応じ変更可能なもので、例えば、浮上用噴射部２８ａとして、噴射部４や２９と同様に孔にノズルを付設したり、該ノズルの角度や位置等も任意に設計される。また、軸受本体２の配管部３７は、当該軸受本体に形成した通し孔自体で構成する態様、つまり専用配管３７ａ，３７ｂでなくとも何ら差し支えない。
【００１５】
（適用例）ここでは、上記図１の流体軸受装置を使用した態様、つまり実際に回転体の軸受要素として実施される場合の有用性を明らかにするため、水力機械や処理容器等を構成している回転体１を油中で支持する例で説明する。この例では、回転体１が両側に軸部１５を有し、ハウジング２０内に設けられて上記軸受本体２をユニット化した軸受組立体５に支持され、又、ハウジング２０内に入れられた油Ｓに浸漬された状態で、浮上及び回転される。
【００１６】
このうち、回転体１は、周囲１０が機器類や溶液等を内部に出し入れ可能な略円筒形であり、両側面１１に設けられて端面中心外側へ突出されている円柱状軸（回転軸と同じ）１５と、両側面１１の外端面に設けられた流体受部１７とを有している。流体受部１７は、全体が水車形に設計され、外端面に対し軸１５と同心円上に設けられており、軸１５よりかなり径大となった胴部外周に複数の羽根１８を有している。各羽根１８は全体がギヤの長い歯形状となっている。要は、羽根１８が外部から流体圧を受けたとき、その流体圧を面的に受け易くする形状であればよい。なお、回転体１の軸部１５は、回転体１が自動搬送機でセットされたり移動されるため、ロボットハンドで把持できるよう軸受本体２の軸受面２８より外へ突出する長さに形成されている。
【００１７】
ハウジング２０は、周囲側壁２０ａ及び底壁２０ｂで区画され、回転体１が内部に設置される軸受組立体５に対し余裕を持ってセットされる大きさとなっている。この例では、上開口が必要に応じて蓋２１により開閉され、又、上記流体供給手段３がハウジング２０内の油Ｓを循環する経路として構成されている。この循環経路は、処理部３０と、液圧送用ポンプ３１と、弁装置３２等を有し、それらがハウジング２０側のジョイント２２に連結した配管部３３等で接続されている。処理部３０は、例えば、ハウジング２０内から取り出した油Ｓについて、加熱又／及び濾過等を行う。勿論、構造的には、処理部３０を利用して、ハウジング２０に対し外部設備より油Ｓを導入したり、不図示の排出部に代え、ジョイント２２内側に底部２０ｂへ延びる配管部を接続してハウジング２０内の油Ｓを交換可能にしてもよい。弁装置３２は、ポンプ３１と軸受組立体５との間に介在されており、細部を省略したが、三方弁及びその分配流量を調整する制御部等からなる。このように、この流体供給手段３は、本発明の流体軸受装置を構成すると共に、ハウジング２０内の油Ｓを制御する機能も兼ねている。そして、ハウジング２０の油Ｓは、上流側配管３３ａから取り出され、処理部３０及びポンプ３１から配管３３ｂ、弁装置３２から分岐された２つの配管３３ｃ、ハウジング２０の底壁２０ｂ上に設けられた軸受組立体５を通じ、上記した各噴射部４、２９、２８ａよりハウジング２０内へ戻される。なお、構造的には、流体供給手段３を流体軸受装置専用として構成したり、又、ハウジング２０内にポンプ３１等の必要部を内蔵して外部より制御するようにしても差し支えない。
【００１８】
軸受組立体５は、以上の回転体１に対応してユニット化され、上記軸受本体２を対に設置板３５に設けて両側の軸１５を支持可能となっている。細部は、図５及び図６のごとく設置板３５と、設置板３５上の左右に取り付けられた軸受本体２と、設置板３５に内設されて配管３３ｃと接続されている配管部３６と、各軸受本体２に内設されて前記対応する配管部３６と接続される下流配管部３７とを有している。設置板３５は矩形板状で、配管箇所を空洞にしそこに各配管部３６を配置している。設置板３５には、両側の軸受本体２に対応した取付孔及び配管部３６を軸受本体２側に連通する連通孔、ハウジング２０の底壁２０ｂにねじ等で固定する取付孔３５ａ等が設けられている。図５の符号３４は、前記各配管３３ｃに対応する配管部３６を接続するジョイントである。このジョイント３４は、模式化しているが、例えば設置板３５の側面や底面側に付設されることもある。
【００１９】
（作動）以上の構造では、ハウジング２０の油Ｓが処理部３０で適宜に処理された後、ポンプ３１から配管３３ｂを通って弁装置３２により２方向に分岐され、各配管３３ｃから設置板３５に配管されている２本の配管部３６へ設計流量及び液圧で圧送される。そして、油Ｓは、一方の配管部３６から保持具２５の管部３７ａ、軸受２７の空洞部２７ｂへ圧送された後、一部が噴射部２８ａより上方へ噴射され、一部が噴射部２９（のノズル２９ａ）より略水平方向へ噴射される。同時に、油Ｓは、他方の配管部３６から保持具２５の管部３７ｂより噴射部４（のノズル４ａ）から斜め上方へ噴射される。なお、以上の構造では、ハウジング２０から取り出した油Ｓを全て噴射部２８ａ、２９、４から噴射している。しかし、使用設計によっては、ハウジング２０から取り出した油Ｓのうち、過剰液部分をハウジング２０へ直に戻すよう構成される。
【００２０】
そして、流体軸受構造としては、回転体１が両側の軸受本体２に保持させていると、噴射部２８ａから噴射される油Ｓの噴射流又は液圧により軸１５を軸受面２８上へ押し上げる力として作用する。回転体１は、軸受本体２の軸受面２８から浮上され、非接触状態となるため軸受面２８に対する当接力がなくなる。これは、静圧軸受系に属する浮上態様であり、回転体１が回転されていると、軸受面２８に対する摩擦力がなくなって軸保持部に生じ易い不純物発生の虞を解消できる。同時に、回転体１は、噴射部４（のノズル４ａ）から噴射されて流体受部１７の対応する羽根１８に向かう噴射流又は液圧により回転を開始する。回転体１の回転は、浮上状態であるため、噴射部４の噴射力として弱い力でも回転され、該噴射力を制御することにより回転速度も可変される。これが流体軸受の長所である。この構造では、回転動力源が既設のポンプ３１で行え、機械式に比べて不純物混入の虞が全くない。なお、回転体１を交換する場合は、例えば、弁装置３２を介し管部３７ａへの通路を閉じて噴射部４等からの噴射を停止する。すると、回転体１は自重により軸受面２８に着地する。この構造では、軸受２７が保持具２５及び抑え部材２６に対し回動自在であるため、回転体１が浮上後に着地する際、軸受２７が必要に応じて向きを変えて対応軸１５を軸受面２８で確実に受け止めることができる。同時に、この構造では、以上の回転体１の浮上及び回転過程において、両軸受本体２の各噴射部２９（のノズル２９ａ）から噴射される油Ｓの噴射流又は液圧により、回転体１が両軸受本体２の間にセンタリング調整される。これは、例えば、回転体１が浮上状態において水平又は軸１５の軸線方向へ動くと、回転体１の側面１１（この例では流体受部１７）が対応する軸受本体６に衝突する虞、衝突に起因した不純物発生の虞がある。しかし、この構造では、従来の抜け止めや横ずれ防止構造に代えて、前記した流体圧によるセンタリング調整によりそのような虞を全て解消できる。
【００２１】
なお、本発明は以上の形態により何ら制約されない。発明の流体軸受装置は請求項１で特定した要件を具備しておればよく、以上の形態を参考にして必要に応じ変更可能なものである。例えば、各部材の材質は対象流体に応じて適宜選定されること、軸受本体の構成部材及び形状を変更すること、回転体は何でもよいこと等である。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の流体軸受装置は、流体軸受の長所を損なうことなく課題に挙げた抜け止めや横ずれ防止構造に起因した発塵の虞と、低速回転時や停止時等の焼き付き現象、それに起因した発塵の虞とを確実に解消でき、また、構成部材も少なく簡易性、低コスト化、メンテナン性に優れたものを提供できる。これにより、本発明は流体軸受の採用機会及び応用分野を拡大して、例えば、水力機械等を構成している回転体を液中で長期継続して支持する場合、各種反応や分散等を温度等安定した液中で行う回転体を支持する場合等に有益となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明形態の流体軸受装置と軸との関係を示す原理図である。
【図２】図１の装置を変形した一例を示す図である。
【図３】上記流体軸受装置の適用例を示す模式断面図である。
【図４】上記適用例における模式断面図である。
【図５】上記適用例における軸受本体の組立体を示す模式外観図である。
【図６】図４の組立体の要部を示す模式縦断面図である。
【符号の説明】
１…回転体（１５は軸、１７は流体受部、１８は羽根）
２…軸受本体（２５は保持具、２７は軸受）
３…流体供給手段（３１はポンプ、３２は弁装置、３３と３７は配管部）
４…ハウジング
７…浮上用噴射部（流体供給手段）
８…横ずれ防止用噴射部（流体供給手段）
９…回転用噴射部（流体供給手段）
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ…配管
３７ａ，３７ｂ…配管
Ｓ…油（流体）
【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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