(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可塑性板状素材の複数箇所をその板厚方向に押圧して変形させることにより多数の凹凸部を形成する多連凹凸板用成形型において、
前記板状素材をその板厚方向に加圧して挟み込む少なくとも一対の挟持部材と、その挟持部材に形成された多数のダイス孔と、前記挟持部材によって加圧されて挟み込まれた前記板状素材に対して前記ダイス孔とは反対側に配置され、前記ダイス孔に向けて嵌入させられる多数のポンチ部とを有し、
前記ポンチ部の先端部の形状と前記ダイス孔の内面の形状とが、前記ポンチ部が前記板状素材に接触してから前記板状素材をその板厚の少なくとも３倍まで凸変形させる間におけるポンチ部とダイス孔との間の最小間隙の減少割合が３０％以下となる形状とされており、
かつ前記一対の挟持部材のうちの一方の挟持部材は、前記ダイス孔が外周部に形成された第１のローラを含み、他方の挟持部材は、前記第１のローラとの間に前記板状素材を挟み込むとともに多数の貫通孔が外周部に形成された中空構造の第２のローラと、該第２のローラの内周側に前記各ローラに対して回転方向にオフセットした位置に回転自在に配置されかつ第２ローラと共に回転することにより外周部に前記ポンチ部が前記貫通孔から第２のローラの外周側に突出するように設けられた成形ローラとを含むことを特徴とする多連凹凸板用成形型。
【請求項２】
前記ポンチ部とダイス孔とが、共にテーパ形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の多連凹凸板用成形型。
【請求項３】
前記ポンチ部と前記ダイス孔とは、前記一対の挟持部材に挟み込まれた前記板状素材における前記一対の挟持部材によって拘束された部位に隣接する位置に張り出し加工を行って前記凸変形を生じさせるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の多連凹凸板用成形型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、全体として板状を成すとともに、少なくとも一方の面に複数の凹部もしくは凸部を形成することにより、相対的に多数の凹凸部が設けられた多連凹凸板を成形するための成形型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば固体電解質型の燃料電池は、平板状の電解質を挟んだ両側に電極を設けて単電池（単セル）を構成し、その単セルを多数積層して燃料電池スタックを構成し、必要とする電圧および電流で電力を取り出すように構成している。その場合、各電極に導通して電力を取り出し、また各電極を介して電解質の表面に燃料ガス（例えば水素ガス）や酸化性ガス（例えば空気）などの反応ガスを供給するために、電極の表面側すなわち各単セルの間にセパレータを配置している。
【０００３】
したがってこのセパレータは、電力を取り出すために導電性材料によって構成され、かつ電極に導通可能に接触するとともに、電極の表面との間に反応ガスを流通させるための流路を形成する構造を備えている必要がある。このような要請を満たすために、金属などの導電性の板材に多数の凹凸部を形成し、その凸部を電極に接触させ、かつ凹部を互いに連通させてガス流路とした多連凹凸板をセパレータとして使用することが考えられる。
【０００４】
多連凹凸板を燃料電池用セパレータとして使用する場合、集電効率や燃料電池の発電効率を高くするために、凸部の先端面（頂面）を平面に形成して電極との接触面積を可及的に拡大し、また反応ガスの流通を促進するために凸部の高さは板厚の１．５倍程度もしくはそれ以上とすることが望まれる。さらに、凸部のピッチは可及的に小さくして電極に対する全体としての接触面積を広くすることが望ましい。
【０００５】
ところで従来、帯状材や線条材など金属条材に凹凸部を連続して加工するための装置が、特開平１０−２６３７１４号公報に記載されている。この公報に記載された装置は、雄型と雌型とをプレス機にセットし、これらの成形型の間に、金属条材を間欠送りして送給し、雄型と雌型とによって金属条材に間欠的に凹凸部を加工成形するように構成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の公報には、金属条材を間欠送りして凹凸部を連続的に成形する技術が記載されているが、その凹凸部の成形加工が、張り出し加工のように材料の伸びを伴う加工かあるいは単なる曲げ加工かなど、如何なる加工であるのかの記述がない。この公報に記載された装置が、曲げ加工によって凹凸部を形成する装置であれば、得られる凹凸部のピッチや高さが大きく制限され、前述したように、凸部の高さを素材板の板厚の１．５倍以上としたり、凸部のピッチをその外径程度の小さい値にすることは殆ど不可能である。また、上記の装置が張り出し加工をおこなう装置であるとしても、従来知られている単純な張り出し加工であれば、凸部もしくは凹部のピッチを可及的に小さくした場合に各凸部もしくは凹部の間で材料の引っ張りが生じ、これが原因で割れが発生する可能性が高く、特に凸部の高さを素材板の板厚の１．５倍以上とした場合、さらには凸部のピッチをその外径程度の小さい値にした場合には、殆ど確実に割れが発生してしまう。
【０００７】
また、上記の公報に記載された装置では、金属条材の間欠送りのピッチに誤差が生じると、これが凹凸部の間隔の誤差となってしまい、このような不都合を防止するために、既に形成されている凹部もしくは凸部を基準として金属条材の位置を決めるとすれば、位置決めの基準となる部分に凹部もしくは凸部を嵌合させる作業が必要になり、困難でかつ生産性の悪い作業を余儀なくされる不都合がある。さらに、送り速度を速くすると、間欠送りに伴う加速度が大きくなって送りピッチの誤差が生じる可能性があり、そのため送り速度が制限されて生産性を高めることが困難である。
【０００８】
この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、間隔が狭くかつ直径に対する深さもしくは高さの大きい多数の凹凸部を、材料の割れや亀裂などを生じることなく効率よく成形することのできる成形型を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段およびその作用】
この発明は、上記の目的を達成するために、板状素材に伸びを生じさせて多数の凹凸部を形成する際に、ポンチ部とダイス孔との間の最小間隙の変化を所定値以下に制限し、材料の過剰な圧縮や引っ張りそれに伴う材料の割れや亀裂を防止するように構成したことを特徴とするものである。すなわち請求項１の発明は、可塑性板状素材の複数箇所をその板厚方向に押圧して変形させることにより多数の凹凸部を形成する多連凹凸板用成形型において、前記板状素材をその板厚方向に加圧して挟み込む少なくとも一対の挟持部材と、その挟持部材に形成された多数のダイス孔と、前記挟持部材によって加圧されて挟み込まれた前記板状素材に対して前記ダイス孔とは反対側に配置され、前記ダイス孔に向けて嵌入させられる多数のポンチ部とを有し、前記ポンチ部の先端部の形状と前記ダイス孔の内面の形状とが、前記ポンチ部が前記板状素材に接触してから前記板状素材をその板厚の少なくとも３倍まで凸変形させる間におけるポンチ部とダイス孔との最小間隙の減少割合が３０％以下となる形状とされており、かつ前記一対の挟持部材のうちの一方の挟持部材は、前記ダイス孔が外周部に形成された第１のローラを含み、他方の挟持部材は、前記第１のローラとの間に前記板状素材を挟み込むとともに多数の貫通孔が外周部に形成された中空構造の第２のローラと、該第２のローラの内周側に前記各ローラに対して回転方向にオフセットした位置に回転自在に配置されかつ第２ローラと共に回転することにより外周部に前記ポンチ部が前記貫通孔から第２のローラの外周側に突出するように設けられた成形ローラとを含むことを特徴とする成形型である。
【００１０】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明における前記ポンチ部とダイス孔とが、共にテーパ形状に形成されていることを特徴とする成形型である。
さらに、請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記ポンチ部と前記ダイス孔とは、前記一対の挟持部材に挟み込まれた前記板状素材における前記一対の挟持部材によって拘束された部位に隣接する位置に張り出し加工を行って前記凸変形を生じさせるように構成されていることを特徴とする多連凹凸板用成形型である。
【００１１】
ポンチ部をダイス孔の方向に移動させることにより、ポンチ部の外面とダイス孔の内面との間の最小間隙が次第に小さくなるが、この発明の成形型では、その最小間隙の減少割合が、ポンチ部が板状素材に接触してからその一部をその板厚の３倍まで凸変形させた場合に３０％以下となるように構成されているので、板状素材がポンチ部とダイス孔とによって過剰に圧縮されたり、過剰に強く拘束されたりすることがなく、その結果、変形加工を受ける部分の全体での材料の伸びが促進されて、凹部の深さもしくは凸部の高さを高くすることができるとともに、材料の割れや亀裂が防止される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
つぎにこの発明を図面を参照して具体的に説明する。図１はこの発明に係る成形型の原理的な構成図であり、加工対象物である被加工材１は、金属板などの導電性のある板状材であり、この被加工材１を送給するパスラインを挟んで上型２と下型３とが配置されている。これらの上型２と下型３とは、クッション圧を受ける中間プレート４，５をそれぞれ備えており、その中間プレート４，５によって圧力盤６，７とダイス８，９とがそれぞれ保持されている。
【００１３】
圧力盤６，７は、比較的剛性の高い板状の部材であって、上下各型２，３のストローク方向に対して垂直な方向すなわち被加工材１と平行な方向に向けて中間プレート４，５によって保持されている。この圧力盤６，７の被加工材１を向く面にダイス８，９が固定されている。各ダイス８，９は、剛性の高いブロック状の部材であって、予め定めた一定間隔ごとにポンチ孔１０，１１とダイス孔１２，１３とが形成されている。なお、上型２におけるポンチ孔１０に下型３におけるダイス孔１３が対向し、かつ上型２におけるダイス孔１２に下型３におけるポンチ孔１１が対向している。
【００１４】
各ポンチ孔１０，１１は、各型２，３のストローク方向（上下方向）に向けてダイス８，９および圧力盤６，７を貫通しており、その内部にポンチ１４，１５が上下動自在に挿入されている。また、各ポンチ１４，１５の後端部は、圧力盤６，７の背面から突出しており、その先端部がラム１６，１７に連結されている。すなわち、圧力盤６，７とラム１６，１７との間に所定の間隔が空いていて、その間隔を限度としてラム１６，１７およびポンチ１４，１５がストロークするようになっている。
【００１５】
また、ダイス孔１２，１３は、被加工材１に接触する面に開口して形成されており、その内部には、ポンチ１４，１５による加工限界位置を規定する待ち受けピン１８，１９が配置されている。すなわち各待ち受けピン１８，１９は、その先端部の位置がダイス孔１２，１３の開口端から所定寸法後退した位置となるように前記圧力盤６，７に取り付けられている。
【００１６】
したがって例えば上型２が下降して上下型２，３が相対的に互いに接近することにより、被加工材１が上下のダイス８，９によって加圧されて挟持され、その状態で各ポンチ１４，１５がラム１６，１７に押されて被加工材１側に前進することにより、ポンチ１４，１５が被加工材１の一部をダイス孔１２，１３内に押して変形させ、凹部もしくは凸部を形成するようになっている。したがって上記のダイス８，９がこの発明の挟持部材に相当している。その加工の過程でポンチ１４，１５の先端部が、ダイス孔１２，１３の内部に進入するが、その際のポンチ１４，１５とダイス孔１２，１３との間の最小間隙の変化割合が以下の値となるように、ポンチ１４，１５およびダイス孔１２，１３の形状が設定されている。
【００１７】
図２はポンチ１４，１５の先端部の形状とダイス孔１２，１３の開口端の形状を模式的に示しており、ポンチ１４，１５の先端部の形状は、ポンチ角度（テーパ角度の１／２）が所定の角度となるテーパ状に形成され、それに合わせてダイス孔１２，１３の開口端部がテーパ状に形成されている。また、各ポンチ１４，１５の先端角部の半径（コーナー部半径）が所定の値に設定されている。これらポンチ角度およびコーナー部半径は、要は、ポンチ１４，１５を被加工材１に対してその板厚の少なくとも３倍、ストロークさせた場合におけるポンチ１４，１５とダイス孔１２，１３との間の最小間隙の変化割合が３０％以下となる値に設定されている。その一例を示すと、以下のとおりである。
【００１８】
先端部の形状が下記の形状を成す４つのポンチを用意し、図１に示す成形型によって凹凸形状の張り出し加工（コイニング加工）をおこない、その加工形状の評価をおこなった。
形状１：先端のポンチ角度が１８度１０分（テーパ角度では３６度２０分）、先端コーナー部の半径が１．０mm。
形状２：先端のポンチ角度が１１度１２分（テーパ角度では２２度２４分）、先端コーナー部の半径が２．５mm。
形状３：先端のポンチ角度が１１度１２分（テーパ角度では２２度２４分）、先端コーナー部の半径が１．０mm。
形状４：ストレート軸部の外径と同一外径の球形。
【００１９】
各ポンチ１４，１５を所定寸法ストロークさせ、その間におけるポンチ１４，１５とダイス孔１２，１３との間の最小間隙（最小クリアランス）の変化を測定し、また成形品における割れの発生状況を観察した。その測定結果を図３に示してある。なお、被加工材の板厚は０．３mmであった。また、板押え力は、被加工材の降伏応力の５０％以上に設定した。さらに、各ポンチ１４，１５の外径は１．０mmとした。
【００２０】
図３は各ポンチを被加工材に接触させた状態から１mmストロークさせた場合のポンチとダイスとの間の最小クリアランスの変化を測定した結果を示しており、上記の形状１のポンチによる最小クリアランスの変化割合は約３０％であり、成形品に割れは生じなかった。これに対して形状２のポンチを使用した場合には、最小クリアランスの減少割合がほぼ５０％となり、かつ成形品に割れが生じた。また、上記の形状３のポンチを使用した場合には、最小クリアランスの減少割合がほぼ４０％となり、かつ成形品に割れが生じた。さらに、上記の形状４のポンチを使用した場合には、最小クリアランスの減少割合がほぼ５０％となり、かつ成形品に割れが生じた。
【００２１】
結局、板厚の３．３倍までコイニング加工による凹凸形状の成形をおこなった場合、加工部位での板厚の変化量、すなわちポンチとダイス孔との最小間隙の変化の割合が約３０％以下となるポンチおよびダイス孔の形状であれば、割れを生じさせることなくコイニング加工による凹形状（もしくは凸形状）の成形加工をおこなうことができる。したがってこの発明では、板状素材を少なくともその板厚の３倍まで凸変形させた場合のポンチとダイス孔との間の最小間隙の減少割合を３０％以下とした。
【００２２】
なおここで、ポンチの先端形状およびダイス孔の形状と張り出し加工における相対限界張り出し高さ（Ｈ／ｔ）との関係を示す。図４は、張り出し加工における板厚ｔと張り出し加工高さＨとの比率を成形温度ごとに、複数種類のポンチおよびダイス孔について測定した結果を示しており、Ａ線は１８度１０分のポンチ角度でかつ先端部のコーナー半径が２．５mmのポンチとテーパ孔のあるダイスを使用した例である。また、Ｂ線は１８度１０分のポンチ角度でかつ先端部のコーナー半径が２．５mmのポンチとストレート孔のあるダイスを使用した例である。Ｃ線は半径１０mmの球形のポンチとストレート孔のあるダイスを使用した例である。Ｄ線は半径１０mmの球形のポンチとテーパ孔のあるダイスを使用した例である。
【００２３】
この図４に示す結果から明らかなように、ポンチの先端形状をテーパ形状とし、かつそのコーナーのラウンド加工（丸み付け加工）の半径を適宜に設定することにより、球形ポンチよりも張り出し限界高さを高くすることができる。特にポンチとダイスとの最小間隙の減少割合が小さくなる形状とすることにより、割れを生じることなく加工寸法を大きくすることが可能になる。
【００２４】
なお、上記の具体例は、上下ストロークタイプのプレス機で使用する構成とした例であるが、この発明の成形型は、凹凸部を連続的に成形するように構成することができる。その例を以下に説明する。図５に示す成形型を備えた装置は、金属板などの導電性のある板状素材に材料の延びあるいは流動を伴うコイニング加工（張り出し加工）を施して多数の凸部（もしくは凹部）を形成するための装置であり、特にその成形加工を連続的におこなうように構成されている。すなわち図５において、一対の大径のローラ２１，２２がその外周部を接触する程度に接近させて配置されており、これらのローラ２１，２２の外周面同士の最も接近した位置での間隔は、金属板などの被加工材１の板厚以下に設定されている。
【００２５】
図５での上側のローラ２１は中空構造であって、その外殻（周壁部）２４に一定ピッチで多数の貫通孔２５が形成されている。また、図５での下側のローラ２２の外周面には、貫通孔２５の開口部に対向して開口する多数の凹部２６が、貫通孔２５と同じピッチで形成されている。そしてこれら一対のローラ２１，２２は、それぞれの貫通孔２５と凹部２６とが一対一に対応して対向するように回転方向の位相が揃えられ、かつ同期して回転するように設定されている。その回転駆動力は、それぞれのローラ２１，２２に付与するように構成してもよいが、後述するようにこれらのローラ２１，２２は実質的に噛み合って回転するので、いずれか一方のローラ２１，２２にのみ回転駆動力を伝達するように構成してもよい。
【００２６】
上記の一対のローラ２１，２２は、被加工材１をその板厚方向に加圧して拘束するとともに、その状態で回転することにより被加工材１を一方向に走行させるためのものである。そこで、被加工材１の拘束面積（拘束範囲）を可及的に大きくするために、被加工材１の板厚に対して外径が遙かに大きく設定されている。また、弾性変形による接触面積の拡大を図るために、各ローラ２１，２２を互いに接近させる方向の荷重が大きく設定されている。このようにして各ローラ２１，２２によって被加工材１を挟持している状態を図６に拡大して示してある。
【００２７】
上記の貫通孔２５を形成した図５における上側のローラ２１の内部に、成形ローラ２７が配置されている。この成形ローラ２７は、被加工材１に対して連続して凸形状もしくは凹形状のコイニング加工を施すためのものであって、前記貫通孔２５を貫通して前記凹部２６に先端部が進入する多数のポンチ部２８を外周部に備えている。そして、そのポンチ部２８が上下のローラ２１，２２の間に突出するように、上側のローラ２１に対して図５での下側に偏心した位置に配置されている。
【００２８】
そして、これらポンチ部２８とダイス孔に相当する凹部２６との形状は、前述した具体例と同様に、ポンチ部２８が被加工材１に対してその板厚の少なくとも３倍、凹部２６に進入した場合の両者の最小間隙の減少割合が３０％以下となる形状とされている。その形状は、具体的には、モデルを作成してシミュレーションすることにより求めることができ、あるいは実験をおこなって求めることができる。
【００２９】
したがってそのポンチ部２８の先端のピッチは、貫通孔２５および凹部２６のピッチと同一に設定されている。また、その長さは、貫通孔２５を通って凹部２６側に突き出して予め定めた深さ（例えば被加工材１の板厚の１．５倍程度）の変形を被加工材１に形成する長さに設定されている。
【００３０】
さらに、成形ローラ２７のポンチ部２８による成形加工が、単なる曲げ加工でなく材料の延びもしくは流動を生じさせるコイニング加工（もしくは張り出し加工）となるように、成形ローラ２７が、ローラ２１に対してその回転方向での前方側に所定寸法δ、オフセットして配置されている。すなわち、前記ポンチ部２８によるコイニング加工は、成形ローラ２７の回転に伴ってポンチ部２８が図５での右方向に進行しつつ実行されるから、被加工材１の材料には、図５の右方向に引っ張り力が作用する。これに対して、上下一対のローラ２１，２２による被加工材１の挟持は、その中心を結んだ線上で最も強くなる。
【００３１】
したがってポンチ部２８が被加工材１に対して最も深く加工を施す位置、すなわち成形ローラ２７の中心の図５での直下の位置が、上下一対のローラ２１，２２による最も強い挟持部より前方側（回転方向での前方側）となるように上記のオフセット量δが設定され、その結果、ポンチ部２８による加工部位のみで材料の延びもしくは流動を生じさせて所定の凹凸形状に加工するようになっている。これは、互いに隣接する加工部位同士での材料の取り合いによる割れを防止し、ひいては加工深さを深くするためである。
【００３２】
上記の３つのローラ２１，２２，２７を主体としたこの発明に係る成形型の作用について次に説明する。上記の各ローラ２１，２２，２７をそれらの周速が同じになるように回転させる。その状態で上下一対のローラ２１，２２の間に被加工材１を、その回転方向での後方側（図５での左側）から送り込む。前述したようにこれらの上下一対のローラ２１，２２の間隔は、被加工材１の板厚以下に設定され、さらに互いに接近して被加工材１を挟みつけるように構成されているので、これらのローラ２１，２２の間に送り込まれた被加工材１は、これらのローラ２１，２２に挟持され、かつその回転に伴って前方（図５での右方向）に送られる。したがってこれら上下一対のローラ２１，２２がこの発明における挟持部材に相当している。
【００３３】
成形ローラ２７は、図５での上側のローラ２１の内周側に配置されていてこのローラ２１よりも小径のローラであり、したがって同期して回転することにより、ポンチ部２８が上側のローラ２１における貫通孔２５に次第に進入し、かつその貫通孔２５から下側のローラ２２側に突出し、その後、貫通孔２５の内部に次第に退入する。このように、上下のローラ２１，２２によって挟持されて拘束され、かつその回転方向に走行させられている被加工材１に対してポンチ部２８が次第に作用し、材料の延びもしくは流動を伴うコイニング加工（もしくは張り出し加工）を施す。その状態を図７に拡大して示してあり、各ローラ２１，２２，２７が、貫通孔２５およびポンチ部２８ならびに凹部２６を介して互いに噛み合った状態となる。
【００３４】
特に上述した構造の装置では、成形ローラ２７が上下一対のローラ２１，２２に対してその回転方向にオフセットして配置されているので、ポンチ部２８による加工部位で材料の延びもしくは流動が生じ、隣接する加工部位同士の間で材料の取り合いが生じない。その結果、割れを生じることなく深さ（もしくは高さ）の大きい凹形状の加工を被加工材１に施すことができる。
【００３５】
したがって図５に示す構成であっても、被加工材１を板厚方向に対して加圧して拘束し、その拘束部位に隣接する位置にコイニング加工を施すから、加工部位のみの材料の延びもしくは流動によって凹形状（もしくは凸形状）の加工をおこなうことになる。そして、ポンチ部２８およびダイス孔に相当する凹部２６の形状が前述した形状とされていることにより、材料の伸びもしくは流動による板厚の減少を可及的に均一にすることにより、割れを生じさせることなく加工高さを高くすることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明の成形型によれば、板状素材を挟んでポンチ部をダイス孔に向けて進入させた場合、そのポンチ部とダイス孔との最小間隙の減少割合が、ポンチ部が板状素材に接触してからその一部をその板厚の３倍まで凸変形させた場合に３０％以下となるように、ポンチ部およびダイス孔の形状を構成したので、多数の凹凸部を形成する際の板状素材の過剰な圧縮やそれに伴う強い拘束が生じず、その結果、変形加工を受ける部分の全体での材料の伸びが促進されて、凹部の深さもしくは凸部の高さを高くすることができるとともに、材料の割れや亀裂を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明による成形型の一例を概略的に示す図である。
【図２】  そのポンチ部の先端形状およびダイス孔の開口部の形状を模式的に示す部分拡大図である。
【図３】  各形状のポンチごとの最小間隙の測定結果を示す線図である。
【図４】  ポンチおよびダイスの形状ごとの相対限界張り出し高さの測定結果を示す線図である。
【図５】  連続成形をおこなうように構成したこの発明による成形型の一例を概略的に示す図である。
【図６】  その上下のローラによって被加工材を挟持している状態の部分図である。
【図７】  被加工材の加工状況を示す部分図である。
１…被加工材、  ２…上型、  ３…下型、  ８，９…ダイス、  １２，１３…ダイス孔、  １４，１５…ポンチ、  ２１，２２…ローラ、  ２６…凹部、  ２７…成形ローラ、  ２８…ポンチ部。
【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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