(57)【要約】【課題】  アーク式の溶射装置において、溶滴に溶射気流を噴射して良好に溶射できる技術を提供する。【解決手段】  溶射装置１０は、複数本のワイヤー状の溶射材を先端同士が近接する位置に送出す送出機構と、複数本のワイヤー状の溶射材間に電位差を与える通電機構と、溶射材の先端近傍に発生する溶滴を引き伸ばす気流を吹出す溶滴延長気流吹出機構と、溶滴延長気流吹出機構が吹出す気流で引き伸ばされた溶滴の先端近傍の溶滴を溶射面に向けて飛散させる気流を噴射する溶射気流噴射機構とを備えている。  溶滴延長気流吹出機構が溶滴を引き伸ばし、その引き伸ばされた溶滴の先端近傍を溶射気流が飛散させると、溶射材の近接位置に溶射気流が直接当たらないので、アークが安定して発生する。よって、良好に溶射することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本のワイヤー状の溶射材を先端同士が近接する位置に送出す送出機構と、
複数本のワイヤー状の溶射材間に電位差を与える通電機構と、
溶射材の先端近傍に発生する溶滴を引き伸ばす気流を吹出す溶滴延長気流吹出機構と、
溶滴延長気流吹出機構が吹出す気流で引き伸ばされた溶滴の先端近傍の溶滴を溶射面に向けて飛散させる気流を噴射する溶射気流噴射機構とを備えていることを特徴とする溶射装置。
【請求項２】
２本のワイヤー状の溶射材の左右対称面に沿って溶射気流噴射機構が配置されていることを特徴とする請求項１の溶射装置。
【請求項３】
送出機構と通電機構と溶滴延長気流吹出機構と溶射気流噴射機構の全体を回転させる回転機構を備えていることを特徴とする請求項１または２の溶射装置。
【請求項４】
溶射気流噴射機構は、溶射材に近い側に配置されている低速溶射気流噴射機構と溶射材から遠い側に配置されている高速溶射気流噴射機構を備えており、
送出機構と通電機構と溶滴延長気流吹出機構と溶射気流噴射機構の全体を、高速溶射気流噴射機構側から低速溶射気流噴射機構側に向かう方向に沿って移動させる移動機構が付加されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの溶射装置。
【請求項５】
溶射材の先端位置から溶射面までの距離が最適化されるように、溶射材の先端位置が回転中心からオフセットされていることを特徴とする請求項３の溶射装置。
【請求項６】
複数本のワイヤー状の溶射材間に電位差を与えた状態で複数本のワイヤー状の溶射材を先端同士が近接する位置に送出す工程と、
溶射材の先端近傍に発生する溶滴を引き伸ばす溶滴延長気流を吹出す工程と、
溶滴延長気流で引き伸ばされた溶滴の先端近傍の溶滴を溶射面に向けて飛散させる溶射気流を噴射する工程とを備えている溶射方法。
【請求項７】
前記の溶射気流噴射工程では、溶射材に近い側に低速溶射気流を噴射するとともに溶射材から遠い側に高速溶射気流を噴射し、低速溶射気流による溶射範囲がその後に高速溶射気流による溶射範囲に変化する向きに溶射範囲を移動させることを特徴とする請求項６の溶射方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶射被膜を形成する装置と方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばアルミ製のシリンダーブロックのボア内周面には、鉄等の金属を溶射して内面を補強する手法が採用されることがあり、溶射技術が盛んに研究されている。
運転コストが高価なプラズマ溶射技術に代えて、安価に運転できるアーク溶射技術の研究が活発化している。アーク溶射技術では、電位差を与えた２本のワイヤー状の溶射材を先端同士が近接する位置に送出す。すると先端近傍でアークが発生し、溶射材の溶滴が形成される。この溶滴に向けて溶射面に向かう溶射気流を噴射する。溶滴は溶射気流によって飛散されて溶射面に吹き付けられる。消耗していくワイヤー状の溶射材の先端同士が近接する位置関係を維持できるように、ワイヤー状の溶射材を送出して補給する。特許文献１には、２本の溶射材の近接位置に形成される溶滴に向かって溶射気流を噴射し、溶滴を飛散させて溶射する技術が記載されている。
ボア内周面等に溶射する場合には、溶射範囲がボア内周面を一巡するように溶射しなければならない。溶射装置は、ワイヤー状の溶射材の送出し機構と通電機構と溶射気流噴射機構を必要とするのでシリンダーブロック等に比して大型であり、また外部から空気や電力を供給するケーブル類を接続しなければならないことから、溶射装置を固定しておいてその回りをボア内周面が一巡するようにシリンダーブロックを回転させる。
シリンダーブロックを回転させる方式では、１気筒づつ溶射しなければならず、溶射処理に時間を要するという問題が存在する。
この問題に対処するために、特許文献２の技術が開発されている。この技術では、ワイヤー状の溶射材の先端近傍位置位置を中心として、複数の溶射気流噴射ノズルを放射状に配置する。各溶射気流噴射ノズルは内側に向けて溶射気流を噴射する。放射状に配置された複数の溶射気流噴射ノズル群を利用し、溶射気流を噴射するノズルを例えば時計方向に一巡するように切換えていけば、溶射方向を時計方向に一回転させることができる。この技術によれば、シリンダーブロック等を回転させる必要がない。また、大型でケーブル類が接続されている溶射装置を回転させる必要もない。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６０９１０４２号公報
【特許文献２】米国特許第５７１４２０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、特許文献１の技術は、２本の溶射材の近接位置に形成される溶滴に向かって溶射気流を噴射し、溶滴を飛散させて溶射する。溶滴を飛散させるためには、溶射気流を強く噴射する必要がある。しかしながら、溶射気流を強く噴射すると、溶射材の先端同士の短絡が維持されにくくなり、アークの発生が不安定になる。このため、溶滴が飛散された溶射粒子が均質でなくなり、良質な溶射被膜が形成されない。
本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、溶滴に溶射気流を噴射して良好に溶射できる技術を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の溶射装置は、複数本のワイヤー状の溶射材を先端同士が近接する位置に送出す送出機構と、複数本のワイヤー状の溶射材間に電位差を与える通電機構と、溶射材の先端近傍に発生する溶滴を引き伸ばす気流を吹出す溶滴延長気流吹出機構と、溶滴延長気流吹出機構が吹出す気流で引き伸ばされた溶滴の先端近傍の溶滴を溶射面に向けて飛散させる気流を噴射する溶射気流噴射機構とを備えている。
溶射気流噴射機構は、溶滴を溶射粒子化するために強く噴射する。強く噴射された気流が溶射材の近接位置に当たると、アークが安定して発生せず、良好に溶射できない。
溶滴延長気流吹出機構が溶滴を引き伸ばし、その引き伸ばされた溶滴の先端近傍を溶射気流が飛散させると、溶射材の近接位置に溶射気流が直接当たらないので、アークが安定して発生する。よって、良好に溶射することができる。
なお、ここで「近接」とは、溶射材の先端同士が非接触の状態で近接している状態のみならず、接触している状態も意味している。
【０００６】
上記の溶射装置において、２本のワイヤー状の溶射材の左右対称面に沿って溶射気流噴射機構が配置されていることが好ましい。
このように構成されていると、２本の溶射材の対称面内に配置された溶射気流噴射機構から気流を噴射することができる。通常はＶ字状に配置されている２本の溶射材を正面から見た状態で溶射気流を噴射することができる。この関係で溶射すると、溶滴の微粒化が促進され、緻密な溶射面を形成することができる。
【０００７】
特許文献２の技術によれば、溶射気流を噴射するノズルを時計方向に一巡するように切換えていけばよく、大型の溶射装置自体を回転させる必要はない。
しかしながら、複数の溶射気流噴射ノズルを放射状に配置しておき、噴射するノズルを切換えることによって溶射方向を一巡させる方式を検証してみると、良質な溶射被膜が形成されず、溶射被膜が剥がれやすいことが判明した。その理由は、溶射気流噴射ノズルの切換え時に溶射方向が急変するためであると推測される。
そこで本発明者らは、一本の溶射気流噴射ノズルを連続的に移動させて一巡する改良を試みた。しかしながら、後記する参考例の項で詳述するように、大きな改善は得られなかった。噴射方向を連続的に一巡させる方式でもうまくいかなければ、シリンダーブロックを回転させて１気筒づつ溶射するという効率の悪い方式を採用せざるを得ない。
【０００８】
本発明者らは、噴射方向を連続的に一巡させても良好に溶射できない理由を種々研究した。その結果、複数のワイヤー状の溶射材の位置と溶射方向の関係が重要であることを見出した。
例えば２本のワイヤー状溶射材を利用する場合、ワイヤー状の溶射材の先端同士を近接させるために、２本のワイヤー状溶射材がＶ字を形成するように配置する。このとき、Ｖ字を正面から見て溶射気流を噴射する場合と、Ｖ字を側面から見て溶射気流を噴射する場合とでは、溶射被膜の性状が大きく相違してくることを見出した。そのことが、噴射方向を連続的に一巡させても良好に溶射できない理由であることが判明した。
【０００９】
上述した請求項に係る溶射装置において、送出機構と通電機構と溶滴延長気流吹出機構と溶射気流噴射機構の全体を回転させる回転機構を備えていることが好ましい。
この溶射装置の回転機構は、送出機構と通電機構と溶滴延長気流吹出機構と溶射気流噴射機構の全体を回転させる。よって、溶射材と溶射方向の位置関係が変化しない状態で溶射し続けることができ、良質な溶射被膜を均質に形成することができる。
【００１０】
上述した請求項に係る溶射装置において、溶射気流噴射機構は、溶射材に近い側に配置されている低速溶射気流噴射機構と溶射材から遠い側に配置されている高速溶射気流噴射機構を備えており、送出機構と通電機構と溶滴延長気流吹出機構と溶射気流噴射機構の全体を、高速溶射気流噴射機構側から低速溶射気流噴射機構側に向かう方向に沿って移動させる移動機構が付加されていることが好ましい。
低速溶射気流噴射機構が噴射した低速気流によって溶射される溶射粒子は、高速溶射気流噴射機構が噴射した高速気流によって溶射される溶射粒子よりも大きい。従って、この溶射装置のように、送出し機構と通電機構と溶滴延長気流吹出機構と溶射気流噴射機構の全体を、高速溶射気流噴射機構側から低速溶射気流噴射機構側に向かう方向に沿って移動させる移動機構が付加されていると、大きな溶射粒子が溶射されて形成された溶射被膜の上に、小さな溶射粒子によって形成された溶射被膜が形成される。大きな溶射粒子によって形成された溶射被膜は、母材に強く密着する。小さな溶射粒子によって形成された溶射被膜は、大きな溶射粒子によって形成された溶射被膜に強く密着する。小さな溶射粒子は、組織が緻密な溶射被膜を形成する。よって密着強度が強くて剥がれにくく、表面組織が緻密で良質な溶射被膜を形成することができる。
【００１１】
上述した請求項に係る溶射装置において、溶射材の先端位置から溶射面までの距離が最適化されるように、溶射材の先端位置が回転中心からオフセットされていることが好ましい。
この装置によると、溶射材の先端位置から溶射面までの距離が最適化された状態で溶射作業を継続することができる。
【００１２】
本発明の溶射方法は、複数本のワイヤー状の溶射材間に電位差を与えた状態で複数本のワイヤー状の溶射材を先端同士が近接する位置に送出す工程と、溶射材の先端近傍に発生する溶滴を引き伸ばす溶滴延長気流を吹出す工程と、溶滴延長気流で引き伸ばされた溶滴の先端近傍の溶滴を溶射面に向けて飛散させる溶射気流を噴射する工程とを備えている。
このように溶射すると、溶射材の近接位置に溶射気流が直接当たらないので、アークが安定して発生する。よって、良好に溶射することができる。
【００１３】
上記の溶射方法の溶射気流噴射工程において、溶射材に近い側に低速溶射気流を噴射するとともに溶射材から遠い側に高速溶射気流を噴射し、低速溶射気流による溶射範囲がその後に高速溶射気流による溶射範囲に変化する向きに移動させることが好ましい。
このように溶射すると、大きな溶射粒子が溶射されて形成された溶射被膜の上に、小さな溶射粒子によって形成された溶射被膜が形成され、密着強度が強く、かつ表面組織が緻密で良質な溶射被膜を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の好適な実施形態を例示する。
（形態１）
溶滴延長気流吹出機構は、２本のワイヤー状の溶射材の左右対称面内でワイヤー状の溶射材の送出し方向に向かって空気を吹き出す。
このように構成されていると、溶射材の送出し方向に向かって溶滴を引き伸ばすことができる。なお、ここで「溶射材の送出し方向」とは、２本の溶射材の平均的な送出し方向を意味する。
（形態２）
延長気流吹出機構は、各溶射材に沿って空気を吹き出す。
（形態３）
延長気流吹出機構は、下流側で合流する２以上の空気流を吹き出し、それら空気流が作り出す負圧が溶滴を引き伸ばす。
（参考例）
【００１５】
発明者は、本願発明を完成させる過程で種々の形態の溶射装置を用いて試験を繰り返した。以下、それらの試験結果について説明する。
図１４、図１５は、既に説明した米国特許第５７１４２０５号公報に相当する溶射装置を用いて形成した溶射被膜１３２と母材１３３（シリンダーブロック）の切断面写真を示している。図１４に示す溶射被膜１３２は、ワイヤー材３２が形成するＶ字に直交する方向（以下、「Ｖ字直交方向」と言う）に向けて噴射するアトマイズ空気に正対するボア内面に形成された溶射被膜１３２を示している。図１５に示す溶射被膜１３２は、ワイヤー材３２が形成するＶ字の側方方向（以下、「Ｖ字平行方向」と言う）に向けて噴射するアトマイズ空気に正対したボア内面に形成された溶射被膜１３２を示している。図１４、図１５から明らかなように、溶射被膜１３２の表面には大きな凹凸が認められ、好ましくない。このような大きな凹凸が生じているのは、溶射ノズルが１つずつ空気を噴射するので溶射方向が急変すること、および溶射ノズルが斜め下方に向けて空気を噴射するので、溶射粒子が母材に対して直角に溶射されないためと考えられる。母材に対して直角に溶射が行われないと、溶射されて形成された溶射被膜の表面の凹凸に、その後に溶射された溶射粒子が引っかかりやすくなり（遮蔽効果）、凹凸が大きくなるからである。
また、米国特許第５７１４２０５号に記載の溶射装置では、溶射ノズル群が放射状に配置され、かつ溶射ノズルが斜め下方に空気を噴射するという構成上、ワイヤー材と溶射ノズルの距離を大きく設定せざるを得ない。ワイヤー材と溶射ノズルの距離を小さくすると、アトマイズされた溶射粒子が溶射されるスペースを確保できないからである。ワイヤー材と溶射ノズルの距離を大きく設定すると、溶滴を十分にアトマイズするために、アトマイズ空気を強く噴射しなければならない。アトマイズ空気を強く噴射すると、溶滴が冷えすぎてしまい、良質な溶射被膜を形成することができない。このため、米国特許第５７１４２０５号には、アトマイズ空気を暖めることが記載されている。詳しくは後述するが、本発明に係る溶射装置では、アトマイズ空気を暖めることなく、良質な溶射被膜を形成することができる。
【００１６】
図１６は、発明者が試作した溶射装置のツール本体の先端部１２０を模式的に図示している。先端部１２０は、固定部１２２と、固定部１２２の廻りを回転する回転部１２３を備えている。固定部１２２は、２本のワイヤー材３２を先端が接触した状態に支持している。固定部１２２には、ワイヤー材３２の先端接触部に向けて補助空気１２７を吹き付ける補助ノズル１２８が設けられている。回転部１２３は、回転部本体１２５と、回転部本体１２５の外周部から下方に向かって突出したノズル部１２６を有している。ノズル部１２６の先端部には、アトマイズノズル１１４が開口している。アトマイズノズル１１４は、アトマイズ空気１１３を噴射する。
この溶射装置を用いて、ワイヤー材３２に通電した状態で補助ノズル１２８から空気を吹き出すとともに、回転部１２３を回転させながらアトマイズノズル１１４からアトマイズ空気１１３を噴射する。アトマイズ空気１１３は、補助空気１２７によって下方側に引き伸ばされた溶滴８８に吹き付けられる。アトマイズ空気１１３が吹き付けられ溶滴は、アトマイズされて溶射粒子になる。溶射粒子は、ボア内面に溶射される。
【００１７】
図１７は、図１８に示すように、溶滴８８にＶ字直交方向からアトマイズ空気１１３を噴射する位置にアトマイズノズル１１４が位置したときに、その溶滴８８がアトマイズされた溶射粒子１３１によってボア内面に形成された溶射被膜１３２を示している。図１７から明らかなように、溶射粒子の大きさが均一な、良質な溶射被膜が形成されている。
図１９は、図２０に示すように、溶滴８８にＶ字平行方向からアトマイズ空気１１３を噴射する位置にアトマイズノズル１１４が位置したときに、その溶滴８８がアトマイズされた溶射粒子１３１によって形成された溶射被膜１３２を示している。この場合には、溶射被膜１３２に十分にアトマイズされなかった大きな溶射粒子１３４が多く含まれている。すなわち、ボア内面に部分的に良質な溶射被膜を形成することはできたものの、ボア内面の全周に亘って良質な溶射被膜を形成することができなかった。
【００１８】
ボア内面の全周に良質な溶射被膜を形成することができなかった理由は、以下のように推測される。
図１８に示すように、Ｖ字平行方向から見た溶滴８８の幅ａは小さい。図２０に示すように、Ｖ字直交方向から見た溶滴８８の幅ａは大きい。溶滴８８の幅ａは、ワイヤー材３２の先端部の幅に依存するからである。すなわち、ワイヤー材３２のＶ字直交方向の先端部幅は小さいので、溶滴８８のＶ字直交方向の幅ａも小さくなる。ワイヤー材３２のＶ字平行方向の先端部幅は大きいので、溶滴８８のＶ字平行方向の幅ａは大きくなる。図１８の状態では、幅ａが小さい（薄い）溶滴８８にアトマイズ空気１１３が噴射されるので、溶滴８８は細かくアトマイズされて大きさが均一な溶射粒子１３１になる。図２０の状態では、幅ａが大きい（厚い）溶滴８８にアトマイズ空気１１３が噴射されるので、溶滴８８が十分にアトマイズされない。従って、大きな溶射粒子１３１が溶射されてしまう。このように、ワイヤー材３２に対してアトマイズ空気が噴射する方向が変化すると、ボア内面の全周に亘って良質な溶射被膜１３２を形成することができない。溶射被膜１３２に含まれている大きな溶射粒子１３４は、ボア内面にホーニング加工を施すときに脱落し、溶射被膜１３２の表面に大きな凹み欠陥を生じさせる。
【実施例】
【００１９】
以上の経緯を経て、本発明の実施例が完成した。
（第１実施例）
本発明の第１実施例に係る溶射装置１０について、図面を参照しながら説明する。
図１は、溶射装置１０を模式的に示している。溶射装置１０は、基台１１と、支持部１２と、溶射ツール部１４と、コントローラ１５と、パレット１６を備えている。支持部１２は、基台１１上に設置されているとともに、溶射ツール１４部に設けられているスライダー１９を上下方向にスライド可能に支持している。コントローラ１５は、支持部１２の上部に装着された昇降用モータ２０や回転用モータ２４（後述する）等に接続されている。昇降用モータ２０の回転軸には、螺旋が形成されているスクリュウ２２が取付けられている。スクリュウ２２には、スライダー１９に固定されたサポート２１が螺合している。コントローラ１５は、昇降用モータ２０の回転方向や回転速度を制御する。このように構成されているので、昇降用モータ２０が回転すると、溶射ツール部１４は昇降する。
溶射ツール部１４のツール本体２５は、回転用モータ２４に駆動されて軸廻りに回転する（ツール本体２５を回転させる構成については、後述にて詳細に説明する）。パレット１６は、基台１１上に装着されており、シリンダーブロック２６を載置する。ツール本体２５は、シリンダーブロック２６のボア２９内を昇降しながら回転し、ボア２９内面に溶射粒子を溶射する。
【００２０】
溶射ツール部１４について詳細に説明する。図２に示すように、溶射ツール部１４のツール本体２５の上部には、リール支持部材３３が設けられている。リール支持部材３３は、第１リール３０と第２リール３１を支持している。リール３０、３１には、捲回した状態のワイヤー材３２が収容されている。リール支持部材３３には、２つの偏向ローラ３４が装着されている。それぞれの偏向ローラ３４の下には、矯正器３５が設けられている。矯正器３５は、２つの第１矯正ローラ３６と、第１矯正ローラ３６よりも小さい第２矯正ローラ３９を備えている。それぞれの矯正器３５の下方には、上部パイプ４１が設けられている。ワイヤー材３２は、送給ローラ４０（後述する）が回転すると、リール３０、３１から引き出される。引き出されたワイヤー材３２は、偏向ローラ３４によって直下方に偏向される。直下方に偏向されたワイヤー材３２は、矯正器３５の第１矯正ローラ３６と第２矯正ローラ３９に挟まれた状態でそれらの間を通過する。リール３０、３１に捲回されていたワイヤー材３２には、曲がり癖が付いている。矯正器３５の第１矯正ローラ３９と第２矯正ローラ３９の間を挟まれながら通過したワイヤー材３２は、曲がり癖が矯正されて真っ直ぐになる。矯正器３５を出たワイヤー材３２は、上部パイプ４１を通過する。
【００２１】
リール支持部材３３の下端は、断面が略コの字状のブラケット４２に固定されている。ブラケット４２内には、送給モータ４４が装着されている。送給モータ４４の回転速度は、コントローラ１５によって制御される。送給モータ４４の回転軸には、第１プーリ４５が固定されている。送給モータ４４の上方には、ブラケット４２に回転可能に装着されたシャフト４６が配置されている。シャフト４６の一端には、第２プーリ４７が固定されている。第１プーリ４５と第２プーリ４７には、ベルト４８が巻き付けられている。シャフト４６の他端側には、送給ローラ４０が２つ固定されている。送給ローラ４０の外周部には、軸方向に延びるとともに周方向に繰り返す複数の溝が形成されている。上部パイプ４１を出たワイヤー材３２は、送給ローラ４０の外周部に接触する。送給モータ４４が駆動されると、第１プーリ４５が回転する。第１プーリ４５が回転すると、ベルト４８を介して第２プーリ４７が回転する。第２プーリ４７の回転にともなって、シャフト４６が回転する。シャフト４６とともに送給ローラ４０が回転すると、送給ローラ４０に接触しているワイヤー材３２が下方に送られる。送給ローラ４０の外周部に複数の溝が形成されているので、送給ローラ４０とワイヤー材３２との間で滑りが生じてしまうのが防止されている。
【００２２】
ブラケット４２の下部には、略円筒状の第１円筒部材４９が装着されている。第１円筒部材４９は、絶縁材料から形成されている。第１円筒部材４９の外周部には、上部通電体５０と下部通電体３８が取付けられている。上部通電体５０は、鍔状に膨出したスリップリング５０ａを有している。下部通電体３８も、鍔状に膨出したスリップリング３８ａを有している。上部通電体５０と下部通電体３８の間には、リング状の絶縁体２７が介装されている。第１円筒部材４９の上端内部には、電気的な絶縁体である上部絶縁体５１が取付けられている。上部絶縁体５１には、２本の中間パイプ５２が挿着されている。ワイヤー材３２は、中間パイプ５２内を通過している。また、第１円筒部材４９の下端内部には、中間絶縁体５３が取付けられている。中間絶縁体５３には、第１下部パイプ５４と、第２下部パイプ５７が挿着されている。そして、一方の中間パイプ５２の下端と第１下部パイプ５４の上端は、第１円筒部材４９の内部で結合されている。他方の中間パイプ５２の下端と第２下部パイプ５７の上端も、第１円筒部材４９の内部で結合されている。一方のワイヤー材３２は、第１下部パイプ５４を通過している。他方のワイヤー材３２は、第２下部パイプ５７を通過している。上部通電体５０のスリップリング５０ａと第１下部パイプ５４は、第１通電部材５５を介して電気的に接続されている。なお、下部通電体３８のスリップリング３８ａと第１通電部材５５は、それらの間に介装されている絶縁体２３によって絶縁されている。下部通電体３８のスリップリング３８ａと第２下部パイプ５７は、第２通電部材５６を介して電気的に接続されている。
【００２３】
第１円筒部材４９の下端には、略円筒状の第２円筒部材５９が取付けられている。第２円筒部材５９は、空気供給部材６０に挿通されている。空気供給部材６０は、サポート６１を介して基台１１に固定されている。空気供給部材６０には、カップリング６２によって第１ホース６４が接続されている。第１ホース６４は、空気供給部材６０に形成された水平方向に延びる第１水平流路６０ａと連通している。第１水平流路６０ａは、第２円筒部材５９に形成された垂直方向に延びるアトマイズ空気用流路６８と連通している。第１水平流路６０ａの下流端には、リング状の弾性体であるシール５８が装着されている。シール５８は、第２円筒部材５９の外周面と圧接している。このため、第１ホース６４から供給された空気が外部に漏れるのが防止されている。さらに空気供給部材６０には、カップリング６３によって第２ホース６５が接続されている。第２ホース６５は、空気供給部材６０に形成された水平方向に延びる第２水平流路６０ｂと連通している。第２水平流路６０ｂは、第２円筒部材５９に形成された垂直方向に延びる第１補助空気流路６６と連通している。第２水平流路６０ｂの下流端には、シール２８が装着されている。シール２８は、第２円筒部材５９の外周面と圧接している。このため、第２ホース６５から供給された空気が外部に漏れるのが防止されている。第２円筒部材５９の下部外周には、ケース部材６７が装着されている。
【００２４】
図３〜図５は、ツール本体２５の先端部を図示している。なお、図５では、通電チップ７２、７３（後述する）と、ワイヤー材３２の図示を省略している。第２円筒部材５９の下部には、下部絶縁体６９が装着されている。下部絶縁体６９には、第１下部パイプ５４と第２下部パイプ５７の下端が挿着されている。また、下部絶縁体６９には、上下方向に延びる貫通孔が形成された第１接続部材７０と第２接続部材７１が挿着されている。第１接続部材７０の上端は、第１下部パイプ５４と接続されている。第２接続部材７１の上端は、第２下部パイプ５７と接続されている。第１接続部材７０と第２接続部材７１は、下部が互いに接近する方向に折れ曲がっている。第１接続部材７０下端には、第１通電チップ７２が取付けられている。第２接続部材７１の下端には、第２通電チップ７３が取付けられている。第１通電チップ７２と第２通電チップ７３には、軸方向に延びる貫通孔が形成されている。
【００２５】
第２円筒部材５９とケース部材６７の下端には、先端部材７４が装着されている。先端部材７４には、円板状のキャップ部７４ａと、キャップ部７４ａから下方に突出したノズル部７４ｂが形成されている。第１通電チップ７２と第２通電チップ７３は、先端部材７４のキャップ部７４ａに形成された２つの貫通孔７４ｃに、それぞれ差し込まれている。図３に示すように、第１接続部材７０と第１通電チップ７２の貫通孔、および第２接続部材７１と第２通電チップ７３の貫通孔には、それぞれワイヤー材３２が通されている。ワイヤー材３２は、その先端同士が第１通電チップ７２と第２通電チップ７３に導かれて接触することにより、短絡されている。図４に良く示されているように、ワイヤー材３２の先端部分は、ツール本体２５の回転軸７５に対して、ノズル部７４ｂ寄りに配置される。
図３に示すように、先端部材７４のノズル部７４ｂには、Ｕ字状のアトマイズノズル７６が開口している。第２円筒部材５９のアトマイズ空気用流路６８とアトマイズノズル７６は、図示しない流路によって連通されている。従って、第１ホース６４に外部から供給された空気は、アトマイズノズル７６から水平方向に噴射される。
【００２６】
図５に示すように、先端部材７４のキャップ部７４ａには、補助ノズル７７が開口している。補助ノズル７７は、ワイヤー材３２の先端接触部の真上に開口している。
図３に示すように、補助ノズル７７は、第２補助空気流路７９によって第２円筒部材５９の第１補助空気流路６６と連通している。従って、第２ホース６５に外部から空気が供給されると、その空気は、補助ノズル７７から下方に向けて吹き出す。補助ノズル７７から吹き出した空気は、ワイヤー材３２の先端接触部に吹き付けられる。
【００２７】
以上、ツール本体２５の構成について説明した。続いて、ツール本体２５を支持する構成について説明する。
図２に示すように、スライダー１９には、断面が略コの字状のサポート８０が取付けられている。サポート８０には、その上部で水平方向に延びる上水平部８０ａと、下部で水平方向に延びる下水平部８０ｂが形成されている。上水平部８０ａとツール本体２５のリール支持部材３３の間には、ベアリング８１が介装されている。下水平部８０ｂには、略円板状の上部カバー８２が取付けられている。上部カバー８２とツール部２５の第１円筒部材４９の上端部との間には、ベアリング８３が２つ介装されている。第１円筒部材４９の下端部には、ベアリング８６を介して略円板状の下部カバー８５が装着されている。上部カバー８２と下部カバー８５は、円筒状の中間カバー８４を介して結合されている。このように構成されているので、ツール本体２５は、サポー８０に支持された状態で軸廻りに回転することができる。
【００２８】
下部カバー８５の外周部には、上方に向かって延びる柱状のホルダー８７が２つ固定されている。ホルダー８７は、電気的な絶縁材料で形成されている。それぞれのホルダー８７には、上部電力体９０と下部電力体９２が取付けられている。上部電力体９０には、電力線９３が接続されている。下部電力体９２には、電力線９１が接続されている。電力線９１、９３には、直流電力が通電される。中間カバー８４には、電力体９０、９２を通す貫通孔が設けられている。上部電力体９０は、通電ブラシ（図示省略）を介して上部通電体５０のスリップリング５０ａと接触している。下部電力体９２も、通電ブラシを介して下部通電体３８のスリップリング３８ａと接触している。このように構成されているので、電力線９３から、上部電力体９０、スリップリング５０ａ、第１通電部材５５、第１下部パイプ５４、第１接続部材７０、第１通電チップ７２を経て、一方のワイヤー材３２に到る電気流路が形成される。さらには、一方のワイヤー材３２と先端で接触している他方のワイヤー材３２から、第２通電チップ７３、第２接続部材７１、第２下部パイプ５７、第２通電部材５６、スリップリング３８ａ、下部電力体９２を経て、電力線９１に到る電気流路が形成される。
【００２９】
図３に示すように、サポート８０の上水平部８０ａの上面には、回転用モータ２４が装着されている。回転用モータ２４の回転軸には、第３プーリ１０１が取付けられている。ツール本体２５のリール支持部材３３には、第４プーリ１０２が取付けられている。第３プーリ１０１と第４プーリ１０２には、ベルト１０３が巻き付けられている。従って、回転用モータ２４が駆動されると、その駆動力が第３プーリ１０１、ベルト１０３を介して第４プーリ１０２に伝わり、ツール本体２５が回転する。
既に説明したように、ツール本体２５の第２円筒部材５９が挿通されている空気供給部材６０は、サポート６１を介して基台１１に固定されている。このため、ツール本体２５が回転すると、第２円筒部材５９は、その外周面で空気供給部材６０と摺動しながら回転する。このときには、空気供給部材６０のシール２８、５８も第２円筒部材５９と摺動する。また、ツール本体２５が回転すると、上部通電体５０のスリップリング５０ａは、上部電力体９０と摺動しながら回転する。下部通電体３８のスリップリング３８ａも、下部電力体９２と摺動しながら回転する。
【００３０】
溶射装置１０が溶射を行う際には、電力線９１、９３に直流電力を通電する。通電されると、ワイヤー材３２の先端接触部でアークが発生し、その熱によってワイヤー材３２の先端が溶融する。溶融して消耗した分のワイヤー材３２は、送給ローラ４０が回転することによってリール３０、３１から引き出され、補充される。第１ホース６４と第２ホース６５には、空気が供給される。空気が供給されると、補助ノズル７７から補助空気が吹き出すとともに、アトマイズノズル７６からアトマイズ空気が噴射する。
図６は、ワイヤー材３２の先端が溶融し、補助ノズル７７から補助空気４３が吹き出した状態を模式的に図示している。この状態では、ワイヤー材３２が溶融した溶滴８８に補助空気４３が吹き付けられることによって、溶滴８８は下方に向けて引き伸ばされるように変形する。そして、図７に示すように、アトマイズノズル７６から噴射するアトマイズ空気３７が溶滴８８に吹き付けられることによって、溶滴８８は細かな溶射粒子８９に分散される（アトマイズされる）。この状態でツール本体２５を回転させながら溶射ツール部１４がシリンダーブロック２６のボア２９内を僅かずつ上昇、あるいは降下すると、ボア２９内面に溶射粒子８９が溶射される。溶射された溶射粒子８９は、ボア２９内面に付着して溶射被膜を形成する。なお、溶滴をアトマイズするのは空気に限られない。空気以外の気体で溶滴をアトマイズすることもできる。
シリンダーブロックのボアに溶射を行う場合、ツール本体が固定されていると、シリンダーブロック自体を高速で回転させなければならない。しかしながら、シリンダーブロックは重量が大きいので、それ自体を高速回転させるのは、回転させる装置が大規模なものになってしまい、現実的でない。また、シリンダーブロックを回転させると、１度に１つのボアにしか溶射できない。本実施例の溶射装置１０は、ツール本体２５が回転するので装置の規模も大きくならない。また、溶射装置１０を複数用意することにより、多気筒のシリンダーブロックのボアに、同時に溶射を行うことができる。
本溶射装置１０は、平面溶射を行うこともできる。
【００３１】
図８に示されているように、補助ノズル７７とノズル部７４ｂの前面７４ｄとの間のキャップ部７４ａにノズル７８を設け、下方に空気を噴射してもよい。ノズル７８が空気を噴射すると、補助ノズル７７から吹き出した補助空気４３がノズル部７４ｂ側に偏向するのが防止され、補助空気４３を確実にワイヤー材３２の先端接触部に吹き付けることができる。ノズル７８を設けて空気を噴射しないと補助空気４３がノズル部７４ｂ側に偏向するのは、壁面（ノズル部７４ｂの前面７４ｄ）に沿って流体（補助空気４３）を噴射すると、噴射した流体が壁面側に引付けられるという流体力学的効果が存在するからである。
【００３２】
（第２実施例）
本発明の第２実施例に係る溶射装置について説明する。なお、本第２実施例として特徴的な部分のみを説明し、第１実施例と重複する説明は省略する。
図９に示すように、第１補助空気流路６６は、第３補助空気流路１１９によって第２通電チップ７３の貫通孔と連通している。さらに第１補助空気流路６６は、図示しない流路によって第４補助空気流路１０４と連通している。第４補助空気流路１０４は、第１通電チップ７２の貫通孔と連通している。従って、第２ホース６５に空気が供給されると、第１通電チップ７２と第２通電チップ７３の先端から補助空気が吹き出す。
図１０は、ワイヤー材３２の先端が溶融し、第１通電チップ７２と第２通電チップ７３の先端から補助空気４３が吹き出した状態を模式的に図示している。ワイヤー材３２が溶融した溶滴８８は、補助空気４３が吹き付けられることによって、下方に向けて引き伸ばされる。アトマイズノズル７６からアトマイズ空気が噴射すると、溶滴８８は細かな溶射粒子にアトマイズされる。
【００３３】
（第３実施例）
本第３実施例として特徴的な部分のみを説明する。
図１１は、本実施例のツール本体の先端部分を模式的に図示している。本実施例では、第１補助空気パイプ１０６と、第２補助空気パイプ１０７が設けられている。第１補助空気パイプ１０６と第２補助空気パイプ１０７は内方に向かって屈曲しており、ワイヤー材３２の先端接触部の下方に向けて補助空気４３を吹き出す。吹き出した補助空気４３は、ワイヤー材３２の先端接触部の下方位置に負圧を作り出す。負圧が作り出されると、ワイヤー材３２が溶融した溶滴８８は、下方に向けて引き伸ばされる。アトマイズノズル７６からアトマイズ空気３７が噴射すると、溶滴８８は細かな溶射粒子にアトマイズされる。
本実施例によれば、溶滴８８に補助空気４３が直接吹き付けられないので、液滴８８の形状がより安定する。従って、アトマイズ空気３７によって分散された溶射粒子の形状がより均一になる。
【００３４】
（第４実施例）
本第４実施例として特徴的な部分のみを説明する。
図１２は、ツール本体の先端部分を図示している。ノズル部７４ｂには、２つの上部ノズル１０９と、Ｖ字状の下部ノズル１１０が開口している。上部ノズル１０９と下部ノズル１１０からは、第１ホース６４に供給されたアトマイズ空気が噴射する。上部ノズル１０９の上流側の流路には、リストリクタ（絞り）が設けられている。このため、上部ノズル１０９から噴射するアトマイズ空気の勢いは、下部ノズル１１０から噴射するアトマイズ空気よりも弱い（流速が遅い）。
図１３に示すように、ワイヤー材３２の先端接触部が溶融した溶滴８８には、上部ノズル１０９と下部ノズル１１０からアトマイズ空気１１２が噴射される。この場合、上部ノズル１０９からのアトマイズ空気１１２が噴射された溶滴８８は、アトマイズ空気１１２の勢いが弱いので大きな溶射粒子８９にアトマイズされる。下部ノズル１１０からのアトマイズ空気１１２が噴射された溶滴８８は、アトマイズ空気１１２の勢いが強いので小さな溶射粒子８９にアトマイズされる。このため、ツール本体２５を回転させつつ溶射ツール１４を上昇させると、ボア２９内面には、まず上部ノズル１０９から噴射したアトマイズ空気１１２がアトマイズした大きな溶射粒子８９が溶射される。溶射ツール１４が上昇しているので、大きな溶射粒子８９が形成した溶射被膜の上に、下部ノズル１１０から噴射したアトマイズ空気１１２がアトマイズした小さな溶射粒子８９が溶射される。
【００３５】
大きな溶射粒子８９は、質量が大きいので運動エネルギーと熱エネルギーが大きい。運動エネルギーが大きい溶射粒子８９は、ボア２９内面に強く衝突する。熱エネルギーが大きい溶射粒子８９は、より溶融した状態でボア２９内面に衝突する。このため、大きな溶射粒子８９は、ボア２９内面に強く密着する。大きな溶射粒子８９が形成した溶射被膜は、表面の凹凸が大きいので、その上に溶射された小さな溶射粒子８９と強く密着する。小さな溶射粒子８９は、組織が密な溶射被膜を形成する。組織が密な溶射被膜にホーニング加工を施すと、適度な凹凸を有するオイルピットが形成される。本実施例の溶射装置によれば、ツール本体を１パス上昇させるだけで、密着強度が強く、かつ組織が密な溶射被膜を形成することができる。
上部ノズル１０９から勢いが強いアトマイズ空気１１２を噴射し、下部ノズル１１０から勢いが弱いアトマイズ空気１１２を噴射するように構成することもできる。この場合には、ツール本体を下降させながら溶射する。このようにしても、大きな溶射粒子８９が形成した溶射被膜の上に、小さな溶射粒子８９が形成した溶射被膜を設けることができる。
横方向に並んで、弱いアトマイズ空気を噴射するノズルと、強いアトマイズ空気を噴射するノズルを設けてもよい。この場合には、弱いアトマイズ空気を噴射するノズル側にツール本体を回転させる。すると、大きな溶射粒子が形成した溶射被膜の上に、小さな溶射粒子による溶射被膜が形成される。
上述したアトマイズ空気１１２に加えて、第１実施例〜第３実施例に記載されているような補助空気４３を吹き出すこともできる。補助空気４３を吹き出すと、液滴８８が下方に引き伸ばされ、アトマイズ空気１１２によるアトマイズが効果的に行われる。
【００３６】
第１実施例、第２実施例、第３実施例の溶射装置は、ワイヤー材とアトマイズ空気の吹き付け方向の位置関係が固定されており、溶滴に対して常にＶ字直交方向からアトマイズ空気が噴射される。上述したように、溶滴にＶ字直交方向からアトマイズ空気を噴射すると、溶滴は大きさが均一な溶射粒子になる。そして、ツール本体２５が回転して溶射することにより、ボア内面の全周に溶射被膜が形成される。従って、良質な溶射被膜を形成することができる。
図２１は、第１実施例、第２実施例、第３実施例の溶射装置を用いて、アトマイズ空気と補助空気の流量を変えながら試験した結果をまとめたものである（以下においては、第１実施例の溶射装置を「タイプ１」、第２実施例の溶射装置を「タイプ２」、第３実施例の溶射装置を「タイプ３」と言う）。図２４の最上段の「Ｗ」は、アトマイズ空気と補助空気の総流量（リットル／分）を示している。その下段のＲａｔｉｏは、総流量Ｗに対する補助空気の割合（％）を示している。「○、△、×」は、タイプ１、タイプ２、タイプ３のそれぞれについて、ワイヤー材３２の先端部分の短絡状況を示している。具体的には、「○」は、正常な短絡が行われたことを意味している。「△」は、短絡が停止しないが、時々バチバチと音がしたことを意味している。「×」は、短絡が行われず、溶射に不適当な状態であったことを意味している。図２１から明らかなように、補助空気の割合が大きくなると、短絡が生じにくくなる。補助空気の割合が大きくなると、補助空気が勢いよくワイヤー材３２の先端部に吹き付けられ、ワイヤー材３２の先端同士が離れてしまうからである。補助空気の割合が５〜２０（％）の場合には、タイプ１、タイプ２、タイプ３のいずれでも、正常な短絡が行われた。
タイプ１で「○」が記載されている場合の溶射被膜は、ほぼ良質に形成されていたが、時折大きな溶射粒子が混じることがあった。タイプ２とタイプ３で「○」と記載されている場合の溶射被膜は、良質に形成されていた。
【００３７】
図２２は、タイプ１の溶射装置を用いて形成した溶射被膜１３２を示している。図２２から明らかように、溶射粒子の大きさが均一な、良質な溶射被膜１３２が形成されている。図２３は、図２２の溶射被膜１３２の位置からボアの軸廻りに９０度移動した位置の溶射被膜１３２を示している。この溶射被膜１３２も良質に形成されている。図２２、図２３の溶射被膜の密着強度を剪断法で試験した結果は１００（ＭＰａ）であり、十分な密着強度を有していた。なお、図２２、図２３の溶射被膜を形成したときの溶射条件は、溶射材料（ワイヤー材）が「Ｆｅ−０．８％Ｃ」であり、ワイヤー材の経が１．６（ｍｍ）であり、ワイヤー材の送給速度が８０（ｍｍ／ｓｅｃ）であり、電流が２１０（Ａ）であり、供給空気圧力は６．０（Ｋｇ／ｃｍ２）、供給空気温度は常温であった。
【００３８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１実施例に係る溶射装置の模式図。
【図２】第１実施例に係る溶射ツール部の縦断面図。
【図３】第１実施例に係るツール本体先端部の詳細図。
【図４】図３のIV−IV線矢視図。
【図５】図４のV−V線矢視図。
【図６】第１実施例に係るツール本体先端部で溶射が行われている状態の模式図。
【図７】図６のVII−VII線矢視図。
【図８】第１実施例のキャップ部にノズルを追加した形態の説明図。
【図９】第２実施例に係るツール本体先端部の詳細図。
【図１０】第２実施例に係るツール本体先端部で溶射が行われている状態の模式図。
【図１１】第３実施例に係るツール本体先端部で溶射が行われている状態の模式図。
【図１２】第４実施例に係るツール本体先端部を示す図。
【図１３】第４実施例に係るツール本体先端部で溶射が行われている状態の模式図。
【図１４】参考例に係る溶射被膜の切断面写真。
【図１５】参考例に係る溶射被膜の切断面写真。
【図１６】参考例に係る溶射装置の模式図。
【図１７】参考例に係る溶射被膜の切断面写真。
【図１８】参考例に係る溶射装置で溶射している状態の模式図。
【図１９】参考例に係る溶射被膜の切断面写真。
【図２０】参考例に係る溶射装置で溶射している状態の模式図。
【図２１】第１実施例、第２実施例、第３実施例の溶射装置で溶射したときの、ワイヤー材の先端同士の短絡状況をまとめた表。
【図２２】実施例の溶射装置で溶射した溶射被膜の切断面写真。
【図２３】同上。
【符号の説明】
【００４０】
１０：溶射装置
１１：基台
１２：支持部
１４：溶射ツール部
１５：コントローラ
１６：パレット
１９：スライダー
２０：昇降用モータ
２１：サポート
２２：スクリュウ
２３：絶縁体
２４：回転用モータ
２５：ツール本体
２６：シリンダーブロック
２７：絶縁体
２８：シール
２９：ボア
３０：第１リール
３１：第２リール
３２：ワイヤー材
３３：リール支持部材
３４：偏向ローラ
３５：矯正器
３６：第１矯正ローラ
３７：アトマイズ空気
３８：下部通電体、３８ａ：スリップリング
３９：第２矯正ローラ
４０：送給ローラ
４１：上部パイプ
４２：ブラケット
４３：補助空気
４４：送給モータ
４５：第１プーリ
４６：シャフト
４７：第２プーリ
４８：ベルト
４９：第１円筒部材
５０：上部通電体、５０ａ：スリップリング
５１：上部絶縁体
５２：中間パイプ
５３：中間絶縁体
５４：第１下部パイプ
５５：第１通電部材
５６：第２通電部材
５７：第２下部パイプ
５８：シール
５９：第２円筒部材
６０：空気供給部材、６０ａ：第１水平流路、６０ｂ：第２水平流路
６１：サポート
６２、６３：カップリング
６４：第１ホース
６５：第２ホース
６６：第１補助空気流路
６７：ケース部材
６８：アトマイズ空気用流路
６９：下部絶縁体
７０：第１接続部材
７１：第２接続部材
７２：第１通電チップ
７３：第２通電チップ
７４：先端部材、７４ａ：キャップ部、７４ｂ：ノズル部、７４ｃ：貫通孔
７５：回転軸
７６：アトマイズノズル
７７：補助ノズル
７８：ノズル
７９：第２補助空気流路
８０：サポート、８０ａ：上水平部、８０ｂ：下水平部
８１：ベアリング
８２：上部カバー
８３：ベアリング
８４：中間カバー
８５：下部カバー
８６：ベアリング
８７：ホルダー
８８：溶滴
８９：溶射粒子
９０：上部電力体
９１：電力線
９２：下部電力体
９３：電力線
１０１：第３プーリ
１０２：第４プーリ
１０３：ベルト
１０４：第４補助空気流路
１０６：第１補助空気パイプ
１０７：第２補助空気パイプ
１０９：上部ノズル
１１０：下部ノズル
１１２、１１３：アトマイズ空気
１１４：アトマイズノズル
１１９：第３補助空気流路
１２０：先端部
１２２：固定部
１２３：回転部
１２５：回転部本体
１２６：ノズル部
１２７：補助空気
１２８：補助ノズル
１３１：溶射粒子
１３２：溶射被膜
１３３：母材
【図１】
2005199201.tif 000003
【図２】
2005199201.tif 000004
【図３】
2005199201.tif 000005
【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】
2005199201.tif 000012
【図１１】
2005199201.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2005199201.tif 000015
【図１６】
2005199201.tif 000016
【図１８】
2005199201.tif 000017
【図２０】
2005199201.tif 000018
【図２１】
2005199201.tif 000019
【図１４】
2005199201.tif 000020
【図１５】
2005199201.tif 000021
【図１７】
2005199201.tif 000022
【図１９】
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【図２２】
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【図２３】
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