(57)【要約】【課題】二つの駆動周波数で効率的な動作ができるリニアモータ及びこれを搭載した圧縮機を提供する。【解決手段】永久磁石又はコイルの一方を有する第一の可動部と、永久磁石又はコイルの他方を有する第二の可動部と、固定部と、第一の可動部と第二の可動部とを繋ぐ第一のばねと、第二の可動部と固定部とを繋ぐ第二のばねと、を備え、第一の可動部及び第二の可動部が略同じ方向に往復動するリニアモータであって、低域側共振モード周波数近傍の周波数の交流電流をコイルに流す低域モードと、高域側共振モード周波数近傍の周波数の交流電流をコイルに流す高域モードと、を実行する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石又はコイルの一方を有する第一の可動部と、
永久磁石又はコイルの他方を有する第二の可動部と、
固定部と、
前記第一の可動部と前記第二の可動部とを繋ぐ第一のばねと、
前記第二の可動部と前記固定部とを繋ぐ第二のばねと、を備え、
前記第一の可動部及び第二の可動部が略同じ方向に往復動するリニアモータであって、
低域側共振モード周波数近傍の周波数の交流電流を前記コイルに流す低域モードと、
高域側共振モード周波数近傍の周波数の交流電流を前記コイルに流す高域モードと、を実行することを特徴とするリニアモータ。
【請求項２】
前記第一の可動部の質量をｍ１、前記第二の可動部の質量をｍ２、前記第一のばねのばね定数をｋ１、前記第二のばねのばね定数をｋ２、としたとき、次の数１の関係式を満たすことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
【数１】
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但し、Ａは、０．６以上１．４以下。
【請求項３】
前記第一の可動部の質量をｍ１、前記第二の可動部の質量をｍ２、前記第一のばねのばね定数をｋ１、前記第二のばねのばね定数をｋ２、としたとき、関係式ｍ１＜ｍ２と、関係式ｋ１＜ｋ２と、が成立することを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
【請求項４】
前記高域モードにおける前記第一の可動部及び前記第二の可動部の往復動方向は、互いに逆方向であることを特徴とする請求項１乃至３何れか一項に記載のリニアモータ。
【請求項５】
請求項１乃至４何れか一項に記載のリニアモータを備え、流体を圧縮する圧縮機であって、
前記高域モードから前記低域モードに切り替える際、前記コイルに流している電流の周波数を、流体によるばね定数が０としたときの低域側共振モード周波数以下に切り替え、その後周波数を増加させることを特徴とする圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアモータおよびリニアモータを搭載した圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明に関連する技術として、例えば、特許文献１が挙げられる。
特許文献１は、シリンダを有する基準アッセンブリ、及び基準アッセンブリに対して変位する共振アッセンブリを有し、基準アッセンブリ及びシェル１がスプリング９で接続し、基準アッセンブリ及び共振アッセンブリが共振スプリング３で接続した振動性動システムを開示している（段落０００３−０００５、図１、図２等）。制動スプリング９の機能は、共振アッセンブリの動作によって生じる振動の伝達を最小限に抑えることである旨の開示がある。
【０００３】
また、特許文献１は、シェル１及び基準アッセンブリ２０を接続する第１の釣り合い手段３０、基準アッセンブリ２０及び共振アッセンブリ１０を接続する共振スプリング３、並びに、シェル１及び共振アッセンブリ１０を接続する第２の釣り合い手段４０を開示しており、第１の釣り合い手段３０の弾性係数（バネ定数）ＫＳと第２の釣り合い手段４０の弾性係数ＫＢとの関係に着目している（段落００２４、図８等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００４−５０３７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１は、制動スプリング９の弾性係数及び共振スプリング３の弾性係数の関係、又は、このような弾性係数の関係に基づいたコンプレッサの駆動制御について、特定の技術的思想を開示するものではない。また、特許文献１は、コンプレッサの振動を抑制するものであり、この場合、シェル１への振動の伝達を抑制すべく、スプリング９のバネ定数は小さく、すなわち、スプリング９を柔らかく設定するのが通常である。
特許文献１のように構成すると、共振制御が可能な周波数領域を確保することについて改善の余地が残る。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記事情に鑑みた本発明は、永久磁石又はコイルの一方を有する第一の可動部と、永久磁石又はコイルの他方を有する第二の可動部と、固定部と、前記第一の可動部と前記第二の可動部とを繋ぐ第一のばねと、前記第二の可動部と前記固定部とを繋ぐ第二のばねと、を備え、前記第一の可動部及び第二の可動部が略同じ方向に往復動するリニアモータであって、低域側共振モード周波数近傍の周波数の交流電流を前記コイルに流す低域モードと、高域側共振モード周波数近傍の周波数の交流電流を前記コイルに流す高域モードと、を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、共振制御を効果的に行うことができるリニアモータ及びこれを搭載した圧縮機を提供することができる。
上記以外の課題、構成、および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１のリニアモータの概略図
【図２】実施例１に係るリニアモータをバネマスダンパ系として描いた図
【図３】実施例１のコイルを流れる電流から第一の可動部の変位量までの伝達関数の周波数応答特性を示す図
【図４】実施例１のコイルを流れる電流から第二の可動部の変位量までの伝達関数の周波数応答特性を示す図
【図５】実施例２の圧縮機の基本構造を示す図
【図６】実施例２の二つの可動部の相対変位量に関する周波数応答特性図
【図７】実施例２の変位量の時間波形（駆動周波数＝ｆＬ）
【図８】実施例２の変位量の時間波形（駆動周波数＝ｆＨ）
【図９】比較例１の第一の可動部変位量に関する周波数応答特性図
【図１０】比較例１の第二の可動部変位量に関する周波数応答特性図
【図１１】比較例２の二つの可動部変位量に関する周波数応答特性図
【図１２】比較例２の変位量の時間波形（駆動周波数＝ｆＨ）
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付の図面を用いて本発明の各実施例を説明するが、本発明は、以下で詳述する各実施例の構成に限定されるものではない。また、本発明の各種の構成要素は必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、或る構成要素が他の構成要素の一部であること、或る構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等を許容する。
【実施例１】
【００１０】
［リニアモータ１００］
図１は、本実施例に係るリニアモータ１００の概略図、図２（ａ）、（ｂ）は本実施例に係るリニアモータ１００をバネマスダンパ系として描いた図である。リニアモータ１００は、第一の可動部１、第二の可動部２、固定部３、永久磁石４、磁性体であるヨーク６（６ａ，６ｂ）、ヨーク６に巻回したコイル５（５ａ，５ｂ）、第一のばね１０、第二のばね１１及び減衰部１２を有する。
【００１１】
第一の可動部１は、コイル５に対向可能な永久磁石４を有し、第一のばね１０及び減衰部１２を介して第二の可動部２に接続している。
第二の可動部２は、コイル５及びヨーク６を有し、第二のばね１１を介して固定部３に接続している。コイル５のそれぞれは、第一の可動部１を挟んで互いに対向している。
第一の可動部１及び第二の可動部２はそれぞれ、固定部３に対して略同一方向に往復動可能である。
固定部３は、例えばリニアモータ１００の筐体としてもよいし、リニアモータ１００とは別に、例えば地面としてもよい。固定部３には、第二のばね１１の一端が接続している。
【００１２】
第二のばね１１の他端には、第二の可動部２が接続している。第二の可動部２について、第二の可動部２を挟んで第二のばね１１の伸張方向（図１中の紙面上下方向）の反対側には、第一のばね１０の一端及び減衰部１２の一端が接続している。第一のばね１０の他端及び減衰部１２の他端は、第一の可動部１に接続している。第一の可動部１及び第二の可動部２は、第一のばね１０及び第二のばね１１の略伸張方向に往復動可能である。
【００１３】
リニアモータ１００は、コイル５に交流電流を流すことで発することができる交流磁界により、第二の可動部２に往復動力を与えることができる。第一の可動部１は、この往復動力の反作用により往復動力を受けることができる。
永久磁石４の磁化方向は、図１の紙面左右方向である。また、コイル５に電流が流れた際に発生する磁界の閉ループは、図１の紙面内である。そのため、コイル５に流す電流によって第一の可動部１と第二の可動部２の間に吸引力又は反発力が生じる。本実施例に係るリニアモータ１００では、コイル５に交流電流を流すことで、二つの可動部１，２間の距離を振動させることができる。制御によって可変な交流電流の周波数を動作周波数ｆｏｐと定義する。なお、図１中の紙面下方向は重力方向にしても良いが、必ずしも重力方向に一致する必要はなく、左右方向の何れかが重力方向に平行であっても良い。この場合、第二の可動部２を地面等に対して支持する別の弾性体を設けても良い。
【００１４】
なお、リニアモータ１００の停止状態で永久磁石４の図心を図１中の紙面に垂直な方向から観察した場合、永久磁石４の図心は、ヨーク６の図心より下方又は上方に位置することができる。こうすることで、リニアモータ１００の起動時に、効果的に往復動力を発することができる。
【００１５】
リニアモータ１００は、コイル５に流す交流電流の周波数の通常の範囲が存在する。この範囲はリニアモータ１００の用途によって異なり得るが、例えば後述する圧縮機の場合、冷蔵庫に搭載されるような小型のものであれば、１０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下が用いられ易い。以下、説明するように、二慣性系である本実施例のリニアモータ１００の共振モード周波数の両者が、この数値範囲に収まることが好ましい。こうすることで、リニアモータ１００は、低域側共振モード周波数ｆＬ近傍の交流電流にて駆動する低域モードと、高域側共振モード周波数ｆＨ近傍の交流電流にて駆動する高域モードとを区別して実行可能である。
【００１６】
［二慣性系の共振モード周波数］
リニアモータ１００は、第一の可動部１及び第二の可動部２が固定部３に対して変位可能な二慣性系である。すなわち、第一の可動部１は、第二のばね１１の振動を介して固定部３に対して振動可能であり、第一のばね１０を介して第二の可動部２に対して振動可能である。また第二の可動部２は、第一のばね１０及び第二のばね１１の合成ばねを介して固定部３に対して振動可能である。第一の可動部１及び第二の可動部２の振動方向は、それぞれ略同一方向である。
このようなリニアモータ１００は、２つの共振モードを持つ。共振モード周波数ｆＬおよびｆＨ（ｆＬ＜ｆＨ）は下記の数１で導出可能である。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
なお、説明を簡単にするため、減衰部１２の減衰係数ｃ１を無視した非減衰系での共振モード周波数を明示しているが、減衰係数ｃ１は零でも非零でも、本実施例の要点は維持される。ここで、第一のばね１０のばね定数をｋ１、第二のばね２０のばね定数をｋ２、第一の可動部質量をｍ１、第二の可動部質量をｍ２とする。第一のばね定数と第一の可動部質量より求まる角速度ω１、第二のばね定数と第二の可動部質量より求まる角速度ω２、可動部の質量比μは下記の数２に示す通りである。ここで、ｍ１やｍ２には、可動子に接続しているばねの質量の一部又は全部を加えて計算すると、さらに高精度となる。例えば、ｍ１に第一のばね１０の質量の１／３を含ませることができる。また、ｍ２に第一のばね１０の質量の全てと、第二のばね１１質量の１／３とを含ませることができる。
【００１９】
【数２】
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【００２０】
本実施例では、ｋ１＝５０Ｎ／ｍｍ、ｋ２＝３００Ｎ／ｍｍ、ｍ１＝０．５ｋｇ、ｍ２＝４ｋｇの場合、共振モード周波数は３８．３Ｈｚおよび５７．３Ｈｚとしている。
本実施例は、例えば、ω１とω２を比較的近い値、好ましくは一致させることで、ｆＬとｆＲを近接させることができる。このようにして（ｆＲ／ｆＬ）を１に近くすると、共振モード周波数を互いに近づけることができる。具体的には、下記数３の関係が成立するように、各パラメータを設定することが好ましい。
【００２１】
【数３】
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【００２２】
ここで、Ａは、０．６以上１．４以下、好ましくは０．８以上１．２以下、より好ましくは０．９以上１．１以下である。値Ａをこのような上下限範囲に収めることで、後述するように、二慣性系の共振モード周波数を互いに近いものにしつつ、低域側共振周波数ｆＬを或る程度高い値にすることができる。
【００２３】
ここで、リニアモータ１００は通常、地面に対して大きく往復動する可動部（本実施例では第一の可動部１）の方を、他方の可動部よりも小さい質量となるようにすると好ましい。このため、ｍｋ＜ｍｌの場合、ｋｋ＜ｋｌ（添え字のｋ及びｌは、一方が１、他方が２）とする方が好ましい。
【００２４】
なお、リニアモータ１００の用途として、非常に低出力のモードと非常に高出力のモードとを使い分けたい場合は、（ｆＲ／ｆＬ）が高い値になるようにすればよい。種々の用途に応じて設計することができるが、（ｆＲ／ｆＬ）を１超２０以下にする機器が多いと考えられる。
【００２５】
［可動部の変位］
力及び変位の正方向を、図２中の紙面上向きとする。コイル５に電流を流すことで発生する電磁力Ｆは、第一の可動部１に作用し、第二の可動部２には、電磁力Ｆと同じ大きさかつ反対方向の反力が作用する。以下、第一の可動部１の変位量をｘ１、第二の可動部２の変位量をｘ２とし、減衰定数ｃ１は０．１とする。
【００２６】
図３はコイル５を流れる電流から第一の可動部１の変位量ｘ１までの伝達関数の周波数応答特性を示す図、図４はコイル５を流れる電流から第二の可動部２の変位量ｘ２までの伝達関数の周波数応答特性を示す図である。
可動部１，２の変位量はそれぞれ、共振モード周波数ｆＬおよびｆＨで大きなピークを持つ。第一の可動部１は共振モード周波数ｆＬとｆＨの間にゲインが大きく低下する反共振点を持つ。第一の可動部１と第二の可動部２の位相関係を見ると、低域側の共振モード周波数ｆＬ近傍やそれ以下の周波数では同位相であり、可動部１の反共振点を超えた後は逆位相となっている。
【００２７】
本実施例に係るリニアモータ１００は、コイル５に流す電流の周波数について、低域側の共振モード周波数ｆＬを含む範囲とするモードと、高域側の共振モード周波数ｆＨを含む範囲とするモードを持つ。前者は第一の可動部１と第二の可動部２が同位相の関係にあり、後者は逆位相の関係にある。つまり、本実施例に係るリニアモータ１００では二つの可動部１，２が同じ方向と反対方向に動作する二つの運転モードを持つ。すなわち、低域モードでは、二つの可動部１，２が同じ方向に動作し、高域モードでは、二つの可動部１，２が反対方向に動作する。このように、振動が大きくなりやすい高域モードにおける可動部１，２の動作方向が反対の逆位相であるため、振動の発生を抑制できる。
【実施例２】
【００２８】
本実施例の構成は、以下の点を除き、実施例１と同様にできる。本実施例は、リニアモータ１００を有する圧縮機２００に関する。図５は圧縮機２００の縦断面図である。圧縮機２００は、リニアモータ１００、ピストン２１、シリンダケース２２、シリンダ室２３、吸入口２４、吐出口２５を備える。
【００２９】
リニアモータ１００は、実施例１と同様の構成でも良いし、さらにコイル５ｃ，５ｄ、ヨーク６ｃ，６ｄ、を有しても良い。本実施例では、第一の可動部１は、永久磁石４、ピストン２１、可動子構成材２７を有する。第二の可動部２は、コイル５、ヨーク６、シリンダケース２２を有する。
【００３０】
吸入口２４及び吐出口２５には、それぞれ公知の吸入弁（図示せず）と吐出弁（図示せず）が設けられ、それぞれ吸入配管（図示せず）と吐出配管（図示せず）に接続される。吸入弁及び吐出弁それぞれは、弁の前後に生じる圧力差が設定値を上回る（下回る）際に開閉する。まず、吸入弁が閉じた状態でコイル５に一方向の電流を流し、ピストン２１が図７中の下方に移動すると、シリンダ室２３の容積が増加してシリンダ室２３内圧力が低下し、吸入弁が開いてシリンダ室２３内に作動流体（図示せず）が流入する。次に、吐出弁が閉じた状態でコイル５に逆方向の電流を流すと、ピストン２１が上方に移動してシリンダ室２３の容積が減少してシリンダ室２３内圧力が上昇し、吐出弁が開き吐出口２５より高圧となった作動流体が吐出される。
【００３１】
図６は、ｋ１，ｋ２，ｍ１，ｍ２を実施例１と同様の値にした際の、第一の可動部１の変位量と第二の可動部２との相対変位量をΔｘとし、コイル５に流す電流からΔｘまでの周波数応答特性である。このとき、低域側の共振モード周波数ｆＬは３８．３Ｈｚ、高域側ｆＨは５７．３Ｈｚである。ここで、ｍ２には、シリンダケース２２に設けられた吸入弁及び吐出弁の質量の全部、並びにこれら弁に取付けられた配管の質量の一部又は全部が含まれる。配管の質量のどの程度の割合がｍ２に含まれるかは、配管の取付け態様に依存する。シリンダケース２２にどの程度の重量が加わるかを考慮して決定すべきであることは当業者に明らかである。
【００３２】
図６によれば、シリンダ室２３で大きな圧縮力を生じるのは、低域側の共振モード周波数ｆＬと高域側の共振モード周波数ｆＨの二つある。図７は、駆動周波数をｆＬとした際の第一の可動部１の変位（ピストン２１の変位）ｘ１、第二の可動部２の変位（シリンダケース２２の変位）ｘ２、及び相対変位量Δｘの時間発展を示す図である。第一の可動部１と第二の可動部２は同位相で振動しており、振動振幅は第一の可動部１が第二の可動部２より大きい。Δｘはシリンダ室２３の空間の高さの初期値からの変化量に相当し、ピーク高さが高いほど小電流で大きな圧縮力が得られることを意味する。そのため、相対変位量Δｘが振動し、シリンダケース２２内の作動流体を圧縮できる。
【００３３】
図８は、本実施例で駆動周波数をｆＨとした際の第一の可動部１の変位（ピストン２１の変位）ｘ１、第二の可動部２の変位（シリンダケース２２の変位）ｘ２、及び相対変位量Δｘの時間発展を示す図である。第一の可動部１と第二の可動部２は逆位相で振動しており、振動振幅は第一の可動部１が第二の可動部２より大きい。そのため、相対変位量Δｘが振動し、シリンダ室内の作動流体を圧縮できる。
【００３４】
つまり、二つのバネ定数や二つの可動部の質量の関係を、実施例１で上述したようなものにすることで、二つの共振モード周波数が近接する。それぞれの共振モード周波数を駆動周波数とする運転モードとすることで、小さな電力で大きな圧力が得られる効率のよい圧縮機２００を提供できる。
【００３５】
ところで、反共振点は、二つの共振モード周波数の間に存在する。また、圧縮機２００は流体を圧縮するため、流体によるばね定数が系に加わるため、二つの共振モード周波数は、高周波側に遷移する。よって、高域モードから低域モードに切り替える際は、駆動中の周波数から、流体によるばね定数が０としたときの低域側共振モード周波数以下に切り替え、その後周波数を増加させるようにすると、反共振点での駆動を回避しやすくなり、好ましい。
【００３６】
（比較例１）
比較例１は、リニアモータに関する。パラメータとして、ｋ１＝５０Ｎ／ｍｍ、ｋ２＝０．３Ｎ／ｍｍ、ｍ１＝０．５ｋｇ、ｍ２＝４ｋｇ、すなわちＡ＝３３．３の場合のリニアモータである。このとき、共振モード周波数はｆ１＝１．３Ｈｚおよびｆ２＝５３．４Ｈｚとなる。
比較例１は、第二のばね定数が小さく、また、ｆＬが動作周波数の下限より十分に小さい。
【００３７】
図９、図１０は、電流から各可動部１，２の変位量ｘ１，ｘ２までの伝達関数の周波数応答特性を示す。各可動部１，２の変位量は、共に共振モード周波数ｆＬ、ｆＨで大きなピークを持つことが分かる。低域側の共振モード周波数ｆＬは非常に低く、通常、動作モードから外れる。
【００３８】
また可動部１は低域側の共振モード周波数ｆＬ付近でゲインが大きく低下する反共振点を持つ。可動部１と２の位相関係を見ると、可動部１の反共振点を超えた後は逆位相となっている。比較例１においては、リニアモータが通常駆動する周波数範囲には、共振モード周波数のうち、高域側のｆＨのみが属するため、二つの可動部１，２は反対方向に動作する。
【００３９】
（比較例２）
比較例２は、圧縮機に関する。図１１は、比較例１のパラメータを採用したもとで、コイル５に流す電流からΔｘまでの周波数応答特性を示す図である。このとき、低域側の共振モード周波数ｆＬは１．３Ｈｚ、高域側の共振モード周波数ｆＨは５３．４Ｈｚである。
圧縮機が通常駆動する周波数範囲には、共振モード周波数のうち、高域側共振モード周波数ｆＨのみが属する。
【００４０】
図１２は、駆動周波数をｆＨとした際のピストン変位ｘ１、シリンダ変位ｘ２、及び相対変位量Δｘを示す図である。第二の可動部２はほとんど振動せず、第一の可動部１の振動振幅が二つの可動部間距離とおおよそ等しくなる。比較例２の圧縮機は、ｆＨより実質的に小さい周波数にて共振駆動しようとすると、圧縮機の作動が困難な周波数にまで低下させなければならないため、低出力を効果的に行うことが困難である。
【００４１】
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１…第一の可動部
２…第二の可動部
３…固定部
４…永久磁石
５・５ａ・５ｂ・５ｃ・５ｄ…コイル
６・６ａ・６ｂ・６ｃ・６ｄ…ヨーク
１０…第一のばね
１１…第二のばね
１２…減衰部
２１…ピストン
２２…シリンダケース
２３…シリンダ室
２４…吸入口
２５…吐出口
２７…可動部構成材
【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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