(57)【要約】【課題】  樹脂材料とカーボンナノ材料とを混合し、可塑化・計量し、射出する技術において、ペレット化が不要であって、工程数を短縮することができる射出機構を提供することを課題とする。【解決手段】  ホッパー１６に樹脂材料３５とカーボンナノ材料３６とを、一定の割合で供給する。そして、樹脂材料３５及びカーボンナノ材料３６を加熱筒１１へ供給する。一対のプリプラスクリュー１２、１３を回すと、樹脂材料３５及びカーボンナノ材料３６は圧縮、混練化される。圧縮、混練による剪断熱で材料３５、３６の温度が上昇する。この上昇温度分と加熱筒１１の加熱温度分との総和が、樹脂材料３５の融点以上になるように加熱筒１１の温度を制御する。【効果】  ペレット化工程を要することなく、一工程で樹脂材料とカーボンナノ材料との混合物を得ることができ、工程数を大幅に短縮することができる。【選択図】      図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱筒と、この加熱筒に回転自在に収納する左右一対のスクリューと、樹脂材料及びカーボンナノ材料を一括して前記加熱筒へ供給するホッパーとを備え、前記二軸のスクリューを用いて可塑化した混合物を計量した後に射出することを特徴とする射出成形機の射出機構。
【請求項２】
請求項１記載の射出機構は、プリプラ式射出機構であり、予め可塑化を実行するプリプラ部に、前記加熱筒、二軸のスクリュー及びホッパーを備え、前記プリプラ部と前記混合物の射出を行う射出部との間に、可塑化・計量時には開き、射出時に閉じる弁機構を備えたことを特徴とする射出成形機の射出機構。
【請求項３】
請求項１記載の射出機構は、スクリュー式射出機構であり、前記二軸のスクリュー又は一方のスクリューを前後進可能に加熱筒に収納し、二軸のスクリュー又は一方のスクリューを移動する射出手段を備えたことを特徴とする射出成形機の射出機構。
【請求項４】
前記ホッパーは、前記樹脂材料並びにカーボンナノ材料を投入する容器と、この容器の内部温度を前記樹脂材料の表面全体が軟化する温度に保つヒータ及び温度制御部と、容器内の材料を撹拌する撹拌手段と、からなる混合装置付きホッパーであることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の射出成形機の射出機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂材料とカーボンナノ材料との混合物を射出する射出機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カーボンナノ材料と称する特殊な炭素繊維を、プラスチックに混入することで導電性プラスチックにすることや、溶融金属に混入することで繊維強化金属にする技術が注目を浴びている。
【０００３】
図１９はカーボンナノファイバのモデル図であり、カーボンナノファイバ１１０は、六角網目状に配列した炭素原子のシートを筒状に巻いた形態のものであり、直径Ｄが１．０ｎｍ（ナノメートル）〜１５０ｎｍであり、ナノレベルであるため、カーボンナノファイバ又はカーボンナノチューブと呼ばれる。なお、長さＬは数μｍ〜１００μｍである。
【０００４】
炭素原子が立方格子状に並んだものがダイヤモンドであって、ダイヤモンドは極めて硬い物質である。カーボンナノファイバ１１０は、ダイヤモンドと同様に規則的な結晶構造を有するために機械的強度は大きい。また、炭素は電気を良く通すため、電極などに用いられる。
【０００５】
しかし、上述したとおりにカーボンナノ材料は超微細であるために、ミクロンオーダーのカーボン粉末と比較すると、凝集しやすくて分散しにくいという特性があるため、取扱いが難しい。
そこで、ペレット化し、このペレットを用いて射出成形する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−３１９４８８公報（段落番号［００３５］、段落番号［００３６］）
【０００６】
特許文献１の段落番号［００３５］第３行〜第６行に「・・・、初めに接着性の良い樹脂にカーボンナノチューブを二軸混練機で一様に分散させたペレットを作製後、ポリプロピレンに所定量添加し、一様に分散して成形材料にする。・・・」、段落番号［００３６］に「このようにして得られたペレットを一般に用いられる射出成形法、押出成形法等によって本発明の振動板を成形することができる。」と記載されている。
【０００７】
これらの記載から、特許文献１の発明は、材料準備→混練→ペレット→ポリプロピレン添加→射出又は押出成形の工程を経て成形品を製造する技術であることが分かる。
一旦、ペレット化することで、カーボンナノ材料の取扱いを容易にし、ペレットを運搬し、ストックすることで、必要なときにペレットを出発材料にして射出又は押出成形を実行することができるという、利点はある。
【０００８】
しかし、工程数が多いため、製造コストが嵩む。
また、ストックしたペレットにおけるカーボンナノ材料含有率と、成形品に求められるカーボンナノ材料含有率とに、差が出ることは頻繁に起こる。この場合には、ペレットにカーボンナノ材料又は樹脂材料を混合した状態で、成形機へ供給することになる。カーボンナノ材料又は樹脂材料をペレットに均一に分散させることが難しく、成形品の品質に悪影響を及ぼす。
【０００９】
したがって、工程数が短く、ペレット化が不要である射出機構が必要となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、樹脂材料とカーボンナノ材料とを混合し、可塑化・計量し、射出する技術において、ペレット化が不要であって、工程数を短縮することができる射出機構を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に係る射出機構は、加熱筒と、この加熱筒に回転自在に収納する左右一対のスクリューと、樹脂材料及びカーボンナノ材料を一括して前記加熱筒へ供給するホッパーとを備え、前記二軸のスクリューを用いて可塑化した混合物を計量した後に射出することを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る射出機構は、プリプラ式射出機構であり、予め可塑化を実行するプリプラ部に、加熱筒、二軸のスクリュー及びホッパーを備え、前記プリプラ部と前記混合物の射出を行う射出部との間に、可塑化・計量時には開き、射出時に閉じる弁機構を備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る射出機構は、スクリュー式射出機構であり、前記二軸のスクリュー又は一方のスクリューを前後進可能に加熱筒に収納し、二軸のスクリュー又は一方のスクリューを移動する射出手段を備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る射出機構では、ホッパーは、樹脂材料並びにカーボンナノ材料を投入する容器と、この容器の内部温度を前記樹脂材料の表面全体が軟化する温度に保つヒータ及び温度制御部と、容器内の材料を撹拌する撹拌手段と、からなる混合装置付きホッパーであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に係る射出機構は、加熱筒と、左右一対のスクリューと、樹脂材料及びカーボンナノ材料を一括して加熱筒へ供給するホッパーとを備える。そして、加熱筒の加熱作用と二軸のスクリューの混練作用との総合作用により、樹脂材料にカーボンナノ材料を均等に混合する。
【００１６】
すなわち、樹脂材料の周囲にカーボンナノ材料が付着するため、カーボンナノ材料同士が凝集する虞がなく、結果的にカーボンナノ材料を均一に樹脂材料に分散させることができる。
加熱しつつ混合するという、実質的に１つの工程で処理することができるため、混合費用を大幅に低減させることができる。
すなわち、ペレット化工程を要することなく、一工程で樹脂材料とカーボンナノ材料との混合物を得ることができ、工程数を大幅に短縮することができる。
【００１７】
さらに、請求項１によれば、混合から射出までを行う射出機構は、従来の樹脂射出成形に用いる機構をベースとすることができ、構成が単純化でき、設備コストを抑えることができる。
【００１８】
請求項２に係る射出機構は、プリプラ式射出機構であり、予め可塑化を実行するプリプラ部に、加熱筒、二軸のスクリュー及びホッパーを備え、前記プリプラ部と前記混合物の射出を行う射出部との間に、可塑化・計量時には開き、射出時に閉じる弁機構を備えたことを特徴とし、弁機構を備えたので、射出時に混合物がプリプラ部へ逆流することを防止することができる。
【００１９】
請求項３に係る射出機構は、スクリュー式射出機構であり、二軸のスクリュー又は一方のスクリューを前後進可能に加熱筒に収納し、二軸のスクリュー又は一方のスクリューを移動する射出手段を備えたことを特徴とし、スクリューで可塑化・計量、射出の全てを行わせることができる。従って、射出機構の一層の簡略化を図ることができる。
【００２０】
請求項４に係る発明は、ホッパーにヒータ並びに撹拌手段を備えた。この結果、ホッパー内で樹脂材料にカーボンナノ材料を付着させ、混合物にすることができる。例えば、プラプラ式射出機構に適用した場合には、ホッパーで混合物を製造しこの混合物をプリプラ部で可塑化し、射出部で計量し、射出するごとくに、役割を分担させることができ、各種の樹脂材料に応じたきめ細かな条件設定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係るプリプラ式射出機構の側面断面図であり、プリプラ式射出機構１０は、加熱筒１１に二軸のプリプラスクリュー１２、１３を内蔵したプリプラ部１４と、加熱筒１１の基部へ材料を供給するホッパー１６と、射出筒１７にプランジャ１８を内蔵し、このプランジャ１８を射出ラム１９で前後進させるようにした射出部２０と、加熱筒１１の出口と射出筒１７とを連結し、可塑化した材料を移動する傾斜連結部２１と、これらの構成要素を一括して図面左右へ移動する移動手段２２と、からなり、予めプリプラ部１４で可塑化処理した材料を、射出部２０で射出することができる射出機である。
【００２２】
図２は図１の２−２線断面図であり、加熱筒１１に一対のプリプラスクリュー１２、１３を内蔵したことを示す。２３はリング式逆流防止弁であり、その作用は後述する。
図３は図１の３−３線断面図であり、加熱筒１１は横に長い長円断面空間を有し、この空間に、フライト２４、２５が図面表裏方向で重なるようにプリプラスクリュー１２、１３を並列に並べたことを示す。
【００２３】
図４は図１の４−４線断面図であり、一方のプリプラスクリュー１２に駆動ギヤ２６を設け、他方のプリプラスクリュー１２、１３に従動ギヤ２７を設け、この従動ギヤ２７に駆動ギヤ２６を噛み合わせ、この駆動ギヤ２６に、モータ軸ギヤ２８を噛み合わせたことを示す。モータ２９により、モータ軸ギヤ２８を回すと、このモータ軸ギヤ２８により駆動ギヤ２６が回り、この駆動ギヤ２６により従動ギヤ２７が回る。駆動ギヤ２６が図時計方向に回れば、従動ギヤ２７は図反時計方向に回る、如くに駆動ギヤ２６と従動ギヤ２７とは互いに逆方向に回る。
【００２４】
なお、一対のプリプラスクリュー１２、１３を駆動する手段は、ギヤの他、ベルト・プーリ、モータによる直接駆動の何れであっても良い。
また、一対のプリプラスクリュー１２、１３は同一方向へ回すこともできる。
【００２５】
図５はリング式逆流防止弁の構成図兼作用図であり、リング式逆流防止弁２３は、プリプラスクリューの軸部３１に、図左右移動可能に取付けるとともに、内径側に流路３２を備えたリングである。
（ａ）にて、材料が矢印の如く図左向きに流れるときには、材料は流路３２を通じて流れる。すなわち、弁開状態にある。
、（ｂ）にて、リング式逆流防止弁２３に矢印の如く図右向きの圧力が作用すると、リング式逆流防止弁２３は軸部３２に設けた鍔部３３に当たる。これで、弁閉状態になり、材料の逆流を防止することができる。
【００２６】
以上の構成からなるプリプラ式射出機構の作用を次に述べる。
図６は本発明に係るプリプラ式射出機構の作用説明図であり、ホッパー１６に樹脂材料３５とカーボンナノ材料３６とを、一定の割合で供給する。そして、樹脂材料３５及びカーボンナノ材料３６を加熱筒１１へ供給する。
【００２７】
図７は図６の７−７線断面図であり、一対のプリプラスクリュー１２、１３を回すと、樹脂材料３５及びカーボンナノ材料３６は圧縮、混練化される。圧縮、混練による剪断熱で材料３５、３６の温度が上昇する。この上昇温度分と加熱筒１１の加熱温度分との総和が、樹脂材料３５の融点以上になるように加熱筒１１の温度を制御する。
【００２８】
図８は計量工程の説明図であり、プリプラ部１４で混合した混合物は、傾斜連結部２１を通じて、射出筒１７へ送る。射出ラム１９に小さな背圧だけを作用させれば、プランジャ１８及び射出ラム１９は図右へ移動する。
【００２９】
図９は射出工程の説明図であり、射出筒１７に所定量の混合物が溜まったら、射出ラム１９に射出圧力を付与し、射出ラム１９及びプランジャ１８を図左へ移動し、射出筒１７から混合物を射出する。この際、射出圧力により、混合物の一部がプリプラ部１４へ向かう。しかし、リング式逆流防止弁２３があるため、逆流を防止することができる。
【００３０】
ただし、リング式逆流防止弁２３は単純なリングで構成したため、不回避的リークを伴う。このリーク、すなわち僅かな逆流が許容できないときには、次に述べる弁機構が有効となる。
【００３１】
図１０は本発明で採用した弁機構の構成図であり、弁機構４０は、加熱筒１１の出口に取付けた球状又は円柱形状の弁体４１と、この弁体４１に開けた通孔４２と、前記弁体４１の一端に固定したレバー４３と、このレバー４３の先端に連結するピストンロッド４４と、このピストンロッド４４を収納するシリンダ４５と、このシリンダ４５を加熱筒１１に連結するブラケット４６からなる。図では通孔４２が加熱筒１１の軸線に平行であるため、混合物の通過を許容する。すなわち、可塑化・計量工程の図に相当する。
【００３２】
図１１は図１０の作用説明図であり、ピストンロッド４４を後退させ、レバー４３を図時計方向へスイングさせ、弁体４１を９０°回す。これで弁機構４０は、弁閉状態になる。この状態で射出工程を実施すれば、混合物が加熱筒１１へ逆流することを完全に防止することができる。
【００３３】
以上は、プリプラ式射出機構について説明した。
次に、スクリュー式射出機構について説明する。なお、前記プリプラ式射出機構１０と共通する構成要素は、符号を流用する。
図１２は本発明に係るスクリュー式射出機構の要部断面図であり、スクリュー式射出機構５０は、加熱筒１１と、この加熱筒１１に回転自在且つ移動可能に収納する左右一対のスクリュー５１、５２と、樹脂材料及びカーボンナノ材料を一括して加熱筒１１へ供給するホッパー１６と、一対のスクリュー５１、５２の後端に設けた駆動ギヤ２６及び従動ギヤ２７と、駆動ギヤ２６に噛み合うモータ軸ギヤ２８を備えたモータ２９と、一対のスクリュー５１、５２の後端を回転可能に且つ移動不能に支える射出ラム１９と、からなる。
なお、駆動ギヤ２６及び従動ギヤ２７は、歯幅を十分に厚くして、スクリュー５１、５２の移動に備える。
【００３４】
図１３は図１２の作用説明図であり、射出ラム１９に小さな背圧だけを作用させ、モータ２９で一対のスクリュー５１、５２を回しながら、ホッパー１６から材料を供給する。可塑化された材料が加熱筒１１の先端部５３に溜まり、その反力で一対のスクリュー５１、５２が後退する。所定距離後退した時点で計量工程が終了する。計量工程が終了したら、射出ラム１９に射出圧を掛けて、スクリュー５１、５２を前進させ、射出を実行する。
【００３５】
スクリュー式射出機構５０は、プリプラ式射出機構１０とは異なり、１個の加熱筒１１で、可塑化、計量、射出工程の全てを実施することができる。樹脂材料とカーボンナノ材料とを混合し、射出する射出機構として、スクリュー式射出機構５０を採用すれば、機構の簡略化が図れる。
【００３６】
図１４は本発明に係る特殊なスクリュー式射出機構の断面図であり、このスクリュー式射出機構５０Ｂは、加熱筒１１に、回転可能で且つ軸方向移動可能なスクリュー５５及び回転のみ可能なスクリュー５６を収納し、各々をモータ５７、５８で回転するようにし、一方のスクリュー５５に射出ラム１９を連結してなる。
【００３７】
図１５は図１４の作用説明図であり、可塑化計量が終わったら、フライト２４、２５の干渉を避けるためにスクリュー５６を回しながら、射出ラム１９によりスクリュー５５を前進させて、射出を行う。
【００３８】
以上の図１２から図１５をまとめると、スクリュー式射出機構５０又は５０Ｂは、二軸のスクリュー５１、５２又は一方のスクリュー５５を前後進可能に加熱筒１１に収納し、二軸のスクリュー５１、５２又は一方のスクリュー５５を移動する射出手段としての射出ラム１９を備えたことを特徴とする
【００３９】
次に、加熱筒に付属するホッパーを工夫した実施例を説明する。
図１６は本発明に係る混合装置付きホッパーの断面図であり、混合装置付きホッパー６０は、樹脂材料３５の投入口６１並びにカーボンナノ材料３６の投入口６２を備えた蓋６３を有するホッパー形状の容器６４と、この容器６４に貼り付けたヒータ６５・・・（・・・は複数を示す。以下同じ。）と、これらのヒータ６５・・・に被せた保温材６６と、容器６４の内部温度を計測するために容器６４に設けた温度センサ６７と、この温度センサ６７で検出した温度が所定温度になるようにヒータ６５・・・の出力を制御する温度制御部６８と、容器６４内の材料を撹拌する撹拌手段７０と、からなる。
【００４０】
撹拌手段７０は、蓋６３にモータ軸７１が下向きになるように取付けた撹拌モータ７２と、蓋６３に設けた軸受リング７３に下から挿入する回転軸７４と、この回転軸７４の途中に設けたボス７５、７５と、ボス７５、７５から放射方向へ突出した撹拌羽根７６・・・と、容器６４の底部を撹拌する下部撹拌羽根７８、７８と、回転軸７４の下端を回転自在に支持するために容器６４から延ばした軸支持ブラケット７７とからなる。９０は断熱構造体（詳細後述）であり、必須要素ではないが、回転軸７４に介在させることが望ましい。
【００４１】
以上の構成からなる混合装置付きホッパー６０の作用を次に述べる。
先ず、ヒータ６５に通電し、温度制御部６８で制御することで、容器６４の内部温度を樹脂材料の表面全体が軟化する温度に保つ。
この状態で、撹拌モータ７２を始動し、回転軸７４、撹拌羽根７６・・・及び下部撹拌羽根７８・・・を所定の速度で連続的に回す。弁８１、８２、８３は閉じておく。
【００４２】
弁８１を開いて投入口６１から所定量の樹脂材料３５を投入し、弁８２を開いて投入口６２から所定量のカーボンナノ材料３６を投入し、弁８１、８２を閉じる。
撹拌羽根７６・・・及び下部撹拌羽根７８・・・で撹拌しつつ、ヒータ６５で加熱することで、樹脂材料３５の表面が軟化し、粘着性が増す。すると、カーボンナノ材料３６が樹脂材料３５の表面に付着する。必要に応じて、弁８３を開けば、混合物を落下させることができる。
【００４３】
図１７は本発明に係る断熱構造体の拡大図であり、断熱構造体９０は、回転軸７４をごく短い上部軸８４と長い下部軸８５とに熱的に縁切りする部材であって、上部フランジ９１、断熱板９２、下部フランジ９３及びボルト・ナット９４からなる。
【００４４】
回転軸７４、撹拌羽根７６・・・及び下部撹拌羽根７８・・・は、強度の点から炭素鋼やステンレス鋼などの金属部材とする。金属は熱伝導率が、セラミックスや樹脂に比較して大きいため、熱がモータ軸７１を介して上方へ逃げ、その結果、容器６４の中央が低温になる虞がある。
このときに、断熱構造体８０を採用すれば、下部軸８５から上部軸８４への伝熱を遮断することができる。この結果、容器６４内部の温度を均一にすることができる。
【００４５】
図１６に戻って、回転軸７４、撹拌羽根７６・・・及び下部撹拌羽根７８・・・を、炭素鋼より熱伝導率の大きなアルミニウム合金や銅合金で構成することが望ましい。ヒータ６５が発生した熱を速やかに容器６４の中心へ伝えることができるからである。
【００４６】
図１８は本発明の混合装置付きホッパーをプリプラ式射出機構に適用した例を示す図であり、プリプラ式射出機構１０の構成は、図１で説明したとおりである。
このプリプラ式射出機構１０は、加熱筒１１基部に混合装置付きホッパー６０を装着することで、樹脂材料３５にカーボンナノ材料３６を付着させた混合物を、直接的に射出機構１０へ供給することができる。
【００４７】
この場合は、混合装置付きホッパー６０で混合物の製造、プリプラ部１４で混合物の更なる混練と可塑化、射出部２０で射出の要領で、各々役割を分担させ、樹脂の射出を能率良く実施することができる。
【００４８】
尚、請求項１における射出機構は、加熱筒に二軸のスクリューを備えていれば、射出機構の種類、形式は問わない。
【００４９】
請求項２におけるプリプラ式射出機構に備える射出部は、プランジャー、スクリューの何れでも良い。そして、弁機構は、図１０，１２で示したものが理想であるが、図５で説明したリング式逆流防止弁であってもよい。
【００５０】
請求項３における射出手段は、射出機構の駆動手段として射出ラムを例示し油圧駆動としたが、その他、電動モータを用いた電動駆動であってもよく、種類、形式は実施例に限定するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、樹脂材料とカーボンナノ材料との混合物を射出する射出機構に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係るプリプラ式射出機構の側面断面図である。
【図２】図１の２−２線断面図である。
【図３】図１の３−３線断面図である。
【図４】図１の４−４線断面図である。
【図５】リング式逆流防止弁の構成図兼作用図である。
【図６】本発明に係るプリプラ式射出機構の作用説明図である。
【図７】図６の７−７線断面図である。
【図８】計量工程の説明図である。
【図９】射出工程の説明図である。
【図１０】本発明で採用した弁機構の構成図である。
【図１１】図１０の作用説明図である。
【図１２】本発明に係るスクリュー式射出機構の要部断面図である。
【図１３】図１２の作用説明図である。
【図１４】本発明に係る特殊なスクリュー式射出機構の断面図である。
【図１５】図１４の作用説明図である。
【図１６】本発明に係る混合装置付きホッパーの断面図である。
【図１７】本発明に係る断熱構造体の拡大図である。
【図１８】本発明の混合装置付きホッパーをプリプラ式射出機構に適用した例を示す図である。
【図１９】カーボンナノファイバのモデル図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…プリプラ式射出機構、１１…加熱筒、１２、１３…二軸のスクリューを構成するプリプラスクリュー、１４…プリプラ部、１６…ホッパー、１９…射出ラム、２０…射出部、３５…樹脂材料、３６…カーボンナノ材料、４０…弁機構、５０、５０Ｂ…スクリュー式射出機構、５１、５２…二軸のスクリュー、６０…混合装置付きホッパー、６４…容器、６５…ヒータ、６７…温度センサ、６８…温度制御部、７０…撹拌手段。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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