(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a)  内部に非酸化性雰囲気の発熱体収納空間を有し、端部に気密シール部が形成されている外囲器と、
(b)  前記発熱体収納空間内に収納され、その両端部分が前記気密シール部内に埋設されている炭素繊維体からなる発熱体と、
(c)  前記発熱体に接続されている内部リード棒を有する給電部とで構成されているヒーターにおいて、
(d)  前記内部リード棒と前記発熱体とが前記気密シール部内にて接続されており、且つ、前記内部リード棒の前記発熱体との接続端が前記気密シール部内に位置している事を特徴とするヒータ。
【請求項２】
発熱体と給電部との接続部分が気密シール部の圧着部分に配設されている事を特徴とする請求項１に記載のヒータ。
【請求項３】
(a)  内部に非酸化性雰囲気の発熱体収納空間を有し、端部に気密シール部が形成されている外囲器と、
(b)  前記発熱体収納空間内に収納され、その両端部分が前記外囲器に形成された突部間に挟持されている炭素繊維体からなる発熱体と、
(c)  その一部が発熱体収納空間内に突出し、前記突部間に挟持されている発熱体の被挟持部分において接続され、他端が気密シール部から外部に導出されている給電部とで構成されている事を特徴とするヒータ。
【請求項４】
(a)  内部に非酸化性雰囲気の発熱体収納空間を有し、端部に気密シール部が形成されている外囲器と、
(b)  前記発熱体収納空間内に収納され、その両端部分が前記外囲器に形成された突部間に挟持されている炭素繊維体からなる発熱体と、
(c)  その一部が発熱体収納空間内に突出し、前記突部間に挟持されている発熱体の被挟持部分の外側近傍部分において接続され、他端が気密シール部から外部に導出されている給電部とで構成されている事を特徴とするヒータ。
【請求項５】
給電部の発熱体との接続部分に係止部が形成されている事を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭素繊維体からなる発熱体を用いたヒータの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の炭素繊維体からなる発熱体を用いたヒータ(B)は、図15に示すように両端部の気密シール部(22)から外囲器(21)の発熱体収納空間(23)内に給電部(26)の内部リード棒(27)を突出させ、発熱体収納空間(23)内に収納されている炭素繊維体からなる発熱体(24)の端部(33)に前記内部リード棒(27)の突出端(32)を差し込み、給電部(26)の内部リード棒(27)と発熱体(24)との電気的導通を取っていた。
【０００３】
この状態で通電すると、細い炭素繊維の低密度集合体である発熱体(24)の端部(33)に内部リード棒(27)の突出端(32)を単に差し込んで導通を確保しているだけであるから、両者の接触が不十分で差し込み部分(33)の接触抵抗が大きく且つ通電時に内部リード棒(27)の差し込み部分(33)の先端から発熱体(24)に集中的に電流が流れ、前記先端から１〜２ｍｍ離れた箇所(31)に他の部分より一際明るい高温スポット(30)が表れ、その部分(30)が次第に蒸発し、円形のスポット的空洞が形成される。
【０００４】
通電時間の経過と共に前記円形スポット的空洞は次第にその体積を増加させ、ついには発熱体(24)の断線を引き起こす。また、前述のように内部リード棒(27)と発熱体(24)との電気的導通は、細い炭素繊維の低密度集合体である発熱体(24)の端部(33)に内部リード棒(27)の突出端(32)を単に差し込んで確保しているだけであるから、外部からの振動で発熱体(24)が移動したり変形すると抜け易いというような問題もあった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は係る従来例に鑑みてなされたもので、給電部と発熱体の電気的接触をより確実に出来て通電時における発熱体の断線を生じる事がなく且つ発熱体が給電部から脱落するというような事もない炭素繊維体からなる発熱体を使用したヒータの開発にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のヒータ(A1-1〜A1-4；図１〜７)は、
(a)  内部に非酸化性雰囲気の発熱体収納空間(3)を有し、端部に気密シール部(2)が形成されている外囲器(1)と、
(b)  前記発熱体収納空間(3)内に収納され、その両端部分(5)が前記気密シール部(2)内に埋設されている炭素繊維体からなる発熱体(4)と、
(c)  発熱体(4)に接続されている内部リード棒(7)を有し、電源と発熱体(4)とを電気的に接続する給電部(6)とで構成されているヒータ(A1-1〜A1-4)において、
(d)  内部リード棒(7)と発熱体(4)とが気密シール部(2)内にて接続されており、且つ、内部リード棒(7)の発熱体(4)との接続端が気密シール部(2)内に位置している事を特徴とする。
【０００７】
これによればまず第１に、気密シール部(2)に埋設されている発熱体(4)の埋設端(5)と給電部(6)の埋設部分(7a)が互いに気密シール部(2)内で接続されているので、シール時の収縮或いはピンチングにより炭素繊維体からなる発熱体(4)の埋設部分(5)が圧縮されて密度を増し、発熱体(4)の埋設端(5)と給電部(6)の埋設部分(7a)の接続部分(C)が互いにより良く密着することで接触抵抗を低くして導通性を高め、加えて発熱体(4)の埋設端(5)に接続されている給電部(6)の接続部分(C)が発熱体収納空間(3)内に突出していないので、発熱体(4)の接続部分(C)の外側近傍部分の熱が気密シール部(2)によって奪われ、従来例のような高温スポット(30)の発生が解消され、発熱体(4)の断線を生じることがない。
【０００８】
また、これと同時に発熱体(4)の埋設端(5)が気密シール部(2)に拘束されて抜けにくくなり、外部振動を受けても発熱体(4)の埋設端(5)が給電部(6)の一部から脱落するというような事がなくなる。なお、全実施例を通じて発生しないのであるが、高温スポット(30)が発生すべき部分を図面に白丸で表した。また、全実施例を通じて言える事であるが、外囲器(1)の両端に気密シール部(2)が形成されている両口タイプ及び図７に示すような外囲器(1)の一端に気密シール部(2)が形成されている片口タイプの両方が含まれる。本明細書に於いては、両口タイプを代表例として説明する。また、給電部(6)は、図の実施例では金属箔(8)を使用するタイプが示されているが、外囲器(1)をハードガラスとし、給電部(6)を単なるモリブデン棒とする事も出来る。
【０００９】
請求項２に記載のヒータ(A1-2；図３、４)は、請求項１の改良に関し、「発熱体(4)と給電部(6)との接続部分(C)が気密シール部(2)の圧着部分(P)に配設されている」事を特徴とするもので、圧着部分(P)により炭素繊維体である発熱体(4)の埋設部分(5)が圧縮されて請求項１に比べてより密度を増し、接触抵抗を下げると同時に抜けにくくなり、耐振性がより向上する。
【００１０】
「請求項３」に記載のヒータ(A2-1,A2-2；図８〜11)は、
(a)  内部に非酸化性雰囲気の発熱体収納空間(3)を有し、端部に気密シール部(2)が形成されている外囲器(1)と、
(b)  前記発熱体収納空間(3)内に収納され、その両端部分(5)が前記外囲器(1)に形成された突部(11)間に挟持されている炭素繊維体からなる発熱体(4)と、
(c)  その一部が発熱体収納空間(3)内に突出し、前記突部(11)間に挟持されている発熱体(4)の被挟持部分(11a)に接続され、他端が気密シール部(2)から外部に導出されている給電部(6)とで構成されている事を特徴とする。
【００１１】
この場合は、給電部(6)と発熱体(4)との接続が気密シール部(2)内でなく、発熱体収納空間(3)内で、発熱体収納空間(3)内に対向して突き出された突部(11)間で行われている場合である。この場合、(i)突部(11)が高温スポット(30)が発生すべき部分をカバーする場合(図８、９)と、(ii)発熱体(4)と給電部(6)との接続部分(C)を含むが高温スポット(30)を含まない場合(図10、11)とがある。(i)の場合、請求項１と同様の作用が得られる。(ii)の場合、高温スポット(30)部分を直接突部(11)で挟持しないが、発熱体(4)と給電部(6)の電気的接触性が向上する事と、突部(11)によってある程度熱が奪われるため、高温スポット(30)の発生もある程度抑制される。
【００１２】
「請求項４」に記載のヒータ(A3；図12,13)は、
(a)  内部に非酸化性雰囲気の発熱体収納空間(3)を有し、端部に気密シール部(2)が形成されている外囲器(1)と、
(b)  前記発熱体収納空間(3)内に収納され、その両端部分(5)が前記外囲器(1)に形成された突部(11)間に挟持されている炭素繊維体からなる発熱体(4)と、
(c)  その一部が発熱体収納空間(3)内に突出し、前記突部(11)間に挟持されている発熱体(4)の被挟持部分(11a)の外側近傍部分において接続され、他端が気密シール部(2)から外部に導出されている給電部(6)とで構成されている事を特徴とするもので、これにより「外側近傍部分」、即ち、高温スポット(30)の発生領域を突部(11)で直接挟持する事でこの部分の熱を突部(11)で吸収し、高温スポット(30)の発生を抑制する。
【００１３】
請求項５に記載のヒータ(A)は、請求項１〜４の改良に関し、「給電部(6)の発熱体(4)との接続部分(C)に係合部(7a)が形成されている」事を特徴とするもので、このように給電部(6)に係合部(7a)が形成されていると、発熱体(4)の接触部分に給電部(6)の係合部(7a)が係合して給電部(6)と発熱体(4)との接続をより強固にすることが出来、耐振性の向上に寄与する。係合部(7a)の形状は特に限定されるものではなく、例えば凹凸状のものが考えられる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示実施例に従って説明する。図１，２は本発明の第１実施例の基本形(A1-1)であり、これを中心に説明した後、第１実施例の変形例(A1-2〜A1-4)及び第２実施例(A2)以下を順次説明する。第１実施例の変形例(A1-2〜A1-4)以下の説明に際し、煩雑を避ける意味で第１実施例の基本形(A1-1)と重複する部分の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
【００１５】
外囲器(1)は石英ガラス管で形成されており、その両端部に収縮或いはピンチングによる気密シール部(2)が形成されており、気密シール部(2)間が発熱体収納空間(3)となっており、内部に窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスが充填され、或いは略真空に保持された非酸化性雰囲気となっている。不活性ガスを充填する場合は、通電時、不活性ガスが膨張するため例えば０.４〜０.６気圧程度の負圧に設定されている。本実施例ではピンチングによる気密シール部(2)をその代表例として説明する。
【００１６】
発熱体(4)は低密度の炭素繊維体、例えば不織布、厚みのあるマット状のもの、炭素繊維の織布など様々な形態のものがあるが、本実施例では不織布、厚みのあるマット状のものを切断して断面矩形の紐状又は帯状の発熱体(4)を使用する。
【００１７】
炭素繊維体は、細い炭素繊維の集合体でその種類は特に制限されないが、炭素繊維の例を挙げれば木綿のような天然繊維を原料とする天然繊維系炭素繊維、ポリアクリル系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、フラン系炭素繊維、ポリカルボジイミド系炭素繊維などのガラス状炭素繊維、異方性ピッチ、等方性ピッチ、合成ピッチ等のピッチ系炭素繊維、ポリビニルアルコール系炭素繊維、活性炭繊維、コイル状炭素繊維などが挙げられる。
【００１８】
また、前記炭素材料の分子構造も特に限定されるものでなく、例えば黒鉛質系炭素、非晶質系炭素或いはこれらの中間的結晶構造を有する炭素などが挙げられる。炭素繊維の繊維径は所望の効果を得られる限り特に制限はないが、通常５〜20μｍ程度、好ましくは７〜15μｍ程度、より好ましくは７〜11μｍ程度である。
【００１９】
発熱体(4)の密度も特に制限されないが、通常1.5ｇ/cm3程度或いはそれ以下、好ましくは0.01〜0.6ｇ/cm3、より好ましくは0.05〜0.25g/cm3が好ましい。このように密度の低い炭素材料は見かけの体積が大きいので、遠赤外線量が多くなり、より優れた発熱能を有する。
【００２０】
給電部(6)は、一般的にはモリブデン箔(8)、モリブデン製の内部リード棒(7)及びモリブデン製の外部リード棒(9)とで構成されており、モリブデン箔(8)の一端に内部リード棒(7)の一端がスポット溶接されており、モリブデン箔(8)の他端に外部リード棒(9)の一端がスポット溶接されている。そして、気密シール部(2)内にモリブデン箔(8)及び内部リード棒(7)の全体が埋設されており、外部リード棒(9)の他端が気密シール部(2)から外部に導出されている。
【００２１】
前述のように内部リード棒(7)の全体は気密シール部(2)内に埋設されており、その埋設部分(7a)が気密シール部(2)内に埋設された発熱体(4)の埋設端(5)に挿入されて接続されている。その挿入代は(C)であり、内部リード棒(7)の挿入端と発熱体収納空間(3)の端部との間にはある一定の幅(s)が設けられており、この範囲に高温スポット(30)の発生すべき部分が含まれる事になる。
【００２２】
次に、本発明に係るヒータ(A1-1)の製造方法の一例に付いて簡単に説明する。まず、モリブデン箔(8)に外部リード棒(9)及び内部リード棒(7)をスポット溶接して給電部(6)を形成し、発熱体(4)の両端に内部リード棒(7)の端部を挿入する。続いて、所定寸法に切断された直管型の外囲器(1)を構成する石英ガラス内に前記の組立体を挿入し、石英ガラスの中央部分に接続されているチップ管(図３で、チップ管の根本を封切した封切痕(10)が示されている。)に窒素ガスやアルゴンガスのような不活性ガス供給源(図示せず)に接続し、石英ガラス内に不活性ガスを通流させながら石英ガラスの端部を加熱しピンチャ(図示せず)でピンチングする。石英ガラスの端部のピンチングは両端同時でもよいし、１つずつでもよい。
【００２３】
ピンチャは加熱軟化した石英ガラスの端部を圧着封止するもので、圧着封止された気密シール部(2)は図のように全体が矩形板状に形成され、内部にモリブデン箔(8)と内部リード棒(7)の全体及び外部リード棒(9)のスポット溶接近傍部分並びに発熱体(4)の端部(5)が埋設される。
【００２４】
石英ガラスの端部の封止が終了すると、チップ管を真空源に接続して内部を真空にし、続いて窒素ガスやアルゴンガスのような不活性ガスを充填し、最後にチップ管の根本を封切する。このようにして、図１、２に示すヒータ(A1-1)が形成される事になる。
【００２５】
次に、ヒータ(A1)の通電状態に付いて説明する。給電部(6)の外部リード棒(9)を電源に接続し通電すると、内部リード棒(7)を通って発熱体(4)に電流が流れる。内部リード棒(7)の発熱体(4)との接続端部(C)は気密シール部(2)内に埋設されているので、前述のように発熱体(4)の埋設部分(5)の十分な圧縮により十分な導通が確保され且つ前記高温スポット(30)の発生位置が埋設部分(5)内に位置する事による高温スポット(30)の発生部分の冷却が行われ、発熱体(4)に従来例のような高温スポット(30)の発生を生じる事なく通電が行われる。従って、長時間の使用にあっても発熱体(4)の断線を生じることがない。
【００２６】
又、ヒータ(A1-1)を加熱装置に組み込んで使用したり、ヒータ(A1-1)を搬送したりする時に、ヒータ(A1-1)に外部振動が加わり、発熱体(4)に外力が加わって発熱体(4)が変形したり移動したりしようとするが、発熱体(4)の両端部(5)が気密シール部(2)に埋設されて拘束されているため、前記変形や移動が完全に阻止され、耐振性が格段に向上する。
【００２７】
なお、全実施例を通じて言える事であるが、ヒータ(A1-1)では、給電部(6)は金属箔(8)を使用するタイプの実施例ではが示されているが、外囲器(1)をハードガラスとし、給電部(6)を単なるモリブデン棒とする事も出来る。また、図示していないが、給電部(6)の内部リード棒(7)が発熱体(4)の端部(5)を貫通して発熱体収納空間(3)に至る場合も考えられる場合もあるが、このような場合でも内部リード棒(7)と発熱体(4)との接続は気密シール部(2)内で行われることになる。
【００２８】
図３，４は本発明の第１実施例の変形例(A1-2)で、この場合は気密シール部(2)に圧着部分(P)を形成する場合である。この場合、前記ピンチャの圧着面は、気密シール部(2)の圧着部(P)に対応する部分が突出しており、ピンチング時に圧着部(P)を形成する。この場合、前記ピンチャの圧着面は、気密シール部(2)の圧着部(P)に対応する部分が突出しており、ピンチング時に圧着部(P)を形成する。
【００２９】
この圧着部分(P)は気密シール部(2)に形成されており、図４のから分かるように気密シール部(2)の他の部分より一段と圧縮されており、この部分(P)に埋設されている発熱体(4)の埋設端(5)はより強く圧縮され高密度となっている。この部分の厚みを(T)で示す。それ故、発熱体(4)と内部リード棒(7)との接続がより強固に行われ、両者の導通がよう良好になると同時に抜けにくくもなる。
【００３０】
図５，６は本発明の第１実施例の変形例(A1-3)で、この場合は給電部(6)の内部リード棒(7)を省略し、モリブデン箔(8)の一端を直接発熱体(4)の端部(5)に挿入或いは接触させた例であり、前記端部(5)は圧縮されてモリブデン箔(8)の一端との接触性の向上が図られている。
【００３１】
図７は本発明の第１実施例の変形例(A1-4)で片口タイプの例である。この場合は、略逆Ｕ字状に成形された炭素繊維体からなる発熱体(4)が外囲器(1)内に収納され、外囲器(1)の一端に設けられた気密シール部(2)に一対の給電部(6)のモリブデン箔(8)とその溶接近傍部分が埋設されており、発熱体(4)の両端部分(5)が前記気密シール部(2)に埋設されており、発熱体(4)の埋設部分(5)に給電部(6)の前記埋設部分(7a)が接続され、他端が気密シール部(2)から外部に導出されている。また、発熱体(4)の屈曲部分は外囲器(1)の頂部に形成された封切跡(10)に取り付けられたフック(15)に係止固定されている。外囲器(1)の発熱体収納空間(3)は前述同様窒素やアルゴンガス等が０.４〜０.６気圧程度の減圧状態で封入され、非酸化性雰囲気となっている。
【００３２】
図８〜11は本発明の第２実施例の基本形(A2-1)とその変形例(A2-2)で、この場合は外囲器(1)の気密シール部(2)近傍の発熱体収納空間(3)に１対の突部(11)が発熱体収納空間(3)内に突設され、発熱体(4)の端部(5)が前記突部(11)間に挟持され且つ給電部(6)の発熱体収納空間(3)内に突出している端部(C)が、発熱体(4)の端部(5)に挿入されて電気的に接続されている場合で、前述のように、給電部(6)と発熱体(4)との接続が気密シール部(2)内で行われていない場合である。
【００３３】
図８，９の基本形(A2-1)の場合は、突部(11)による挟持範囲が、発熱体(4)と給電部(6)との接続部分(C)及び高温スポット(30)を含む場合で、給電部(6)の接続端部(C)が突部(11)間に配設され、発熱体収納空間(3)内に突出していない。この場合、突部(11)が高温スポット(30)が発生すべき部分をカバーするので、前述の通電性の向上と内部リード棒(7)の抜け難さ、高温スポット(30)の発生抑制という作用が得られる。
【００３４】
図10，11の変形例(A2-2)の場合は、突部(11)による挟持範囲が、発熱体(4)と給電部(6)との接続部分(C)を含むが高温スポット(30)の発生場所を含まない場合である。この場合は、高温スポット(30)の発生場所を含まないが、突部(11)がある程度高温スポット(30)の発生場所から熱を奪うので、高温スポット(30)の発生抑制という作用が得られる。勿論、前述の通電性の向上と内部リード棒(7)の抜け難さなどの作用も得られる。
【００３５】
図12，13は本発明の第３実施例(A3)で、この場合は発熱体(4)の端部(5)のみが突部(11)間に配設され、給電部(6)の接続端部(C)が突部(11)間から気密シール部(2)側に突きだした部分のみに接続しており、突部(11)間に挟持されていない場合である。「外側近傍部分」は、高温スポット(30)の発生領域を指し、突部(11)で挟持する事でこの部分の熱を突部(11)で吸収し、高温スポット(30)の発生を抑制する。なお、発熱体(4)の端部(5)は突部(11)間に挟持されているので、固定される事になる。一方、給電部(6)の内部リード棒(7)はある程度太い棒材であるから、発熱体(4)の端部(5)が固定されている以上、内部リード棒(7)が外部振動により端部(5)から脱落する事もない。
【００３６】
図14は本発明の第４実施例(A4)で、この場合は給電部(6)の内部リード棒(7)の挿入端(C)に係止部(7a)を形成した例であり、係止部(7a)の存在により発熱体(4)との密着性が向上し導通が良くなると同時に抜けにくくなる。係止部(7a)は図のように挿入端(C)を屈曲させて蛇行させたものに限られず、一部を切欠又は切り起こして係止部(7a)としたものなど各種のものが考えられる。
【００３７】
なお、給電部(6)と発熱体(4)との接続は、内部リード棒(7)を発熱体(4)の端部(5)に差し込む形式のものを中心に説明したが、これだけに限られず、例えば、内部リード棒(7)の代わりに二つ折りの内部リードプレート(図示せず)のようなものを用意し、発熱体(4)の端部(5)を挟持するようにしてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
本発明に係るヒータは、発熱体の端部と給電部の端部とが互いに気密シール部内或いは突部間で接続され且つ給電部の接続端が発熱体収納空間内に突出していないので、発熱体の埋設端と給電部の一端が互いにより良く密着して接触抵抗が低下し、従来例のような高温スポットの発生が解消されるため長時間の使用においても発熱体の断線を生じることがない。また、これと同時に発熱体の埋設端が気密シール部に拘束されて抜けにくくなり、耐振性が格段に向上する。
【００３９】
又、発熱体の端部と給電部の端部との接続部に近接する部分を突部で挟持した場合でも、高温スポット部分の熱が突部に吸収されることになるので、高温スポットの発生が抑制される。
【００４０】
また、気密シール部により強く押圧して形成される圧着部分を設けることで接触抵抗の更なる低下と耐振性の向上を得る事が出来るし、給電部に係合部を設けることで、より強い耐振性を付与する事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るヒータの第１実施例の基本形の部分中央断面図
【図２】図１の直角方向の中央断面図
【図３】本発明に係るヒータの第１実施例の変形例の中央断面図
【図４】図３の直角方向の中央断面図
【図５】本発明に係るヒータの第１実施例の他の変形例の部分中央断面図
【図６】図５の直角方向の中央断面図
【図７】本発明に係るヒータの第１実施例の更に他の変形例である片口タイプの中央断面図
【図８】本発明に係るヒータの第２実施例の基本形の部分中央断面図
【図９】図８の直角方向の中央断面図
【図１０】本発明に係るヒータの第２実施例の変形例の部分中央断面図
【図１１】図１０の直角方向の中央断面図
【図１２】本発明に係るヒータの第３実施例の部分中央断面図
【図１３】図１２の直角方向の中央断面図
【図１４】本発明に係るヒータの第４実施例の部分中央断面図
【図１５】従来ヒータの部分中央断面図
【符号の説明】
(A)…ヒータ
(1)…外囲器
(2)…気密シール部
(3)…発熱体収納空間
(4)…発熱体
(5)…埋設端
(6)…給電部
【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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【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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