(57)【要約】【課題】  工具保持器を受けかつ駆動するためのスピンドル装置を提供する。【解決手段】  このスピンドル装置は、駆動体、工具保持器の取り付けのための受器を持つシャフトの前方端を持って駆動体に結合されたシャフト、及びシャフトとの一体的駆動回転のためのシャフトの前方端に支持されたつかみ装置を含む。つかみ装置は、受器内に配置されかつ工具保持器を保持するための活性位置と、工具保持器を挿入及び解放するための不活性位置との間で選択的に作動可能なつかみ要素を持つ。作動器が、つかみ要素の活性位置と不活性位置間の運動を制御するためにつかみ装置と動作可能に連結されている。作動器は、シャフトの前方端に隣接してそれに対して取り囲む関係で配置されており、それは、特に小型で、効率的でかつ信頼性ある設計を容易にする。【選択図】  図４
2013512785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具保持器を受けかつ駆動するためのスピンドル装置であって、
ａ．駆動体、
ｂ．駆動体に結合されたシャフト、但しシャフトの一端は、工具保持器の取り付けのために構成された受器を持つ、
ｃ．シャフトとの一体的な駆動回転のためにシャフトの前記一端に支持されたつかみ装置、但しつかみ装置は、受器内に配置されかつ工具保持器を保持するための活性位置と工具保持器を挿入及び解放するための不活性位置との間で選択的に作動可能なつかみ要素を持つ、及び
ｄ．活性位置と不活性位置の間のつかみ要素の運動を制御するためにつかみ装置と動作可能に連結された作動器、但し作動器はシャフトの前記一端に隣接してそれに対して取り囲む関係で配置されている、
を含むことを特徴とするスピンドル装置。
【請求項２】
シャフトが、前記一端に受器と連通した軸方向内腔を持ち、つかみ装置が、軸方向内腔内に配置されたつかみハウジングと、つかみハウジング内に配置された往復運動可能なボルトとを含み、往復運動可能なボルトが、ボルトの往復運動によってつかみ要素を活性位置と不活性位置の間で動かすためにつかみ要素と動作可能に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の工具保持器を受けかつ駆動するためのスピンドル装置。
【請求項３】
シャフトが自分自身を通る半径方向の開口を含み、作動器が、半径方向開口を通って延びてつかみ装置の往復運動可能なボルトと係合する連結ピンを含むことを特徴とする請求項２に記載の工具保持器を受けかつ駆動するためのスピンドル装置。
【請求項４】
ピンが、シャフト内の軸方向内腔を通してその前記一端でのつかみ装置の外向きの除去を可能にするためにつかみ装置からのピンの選択的分離のために装置の外部から接近するために配置されていることを特徴とする請求項３に記載の工具保持器を受けかつ駆動するためのスピンドル装置。
【請求項５】
シャフトが、その前記一端で前方ベアリング装置によりかつシャフトの反対端で後方ベアリング装置により支持され、作動器が前方ベアリング装置に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の工具保持器を受けかつ駆動するためのスピンドル装置。
【請求項６】
シャフトが実質的に中実シャフトであることを特徴とする請求項１に記載の工具保持器を受けかつ駆動するためのスピンドル装置。
【請求項７】
作動器が、シャフトの周りにそれに固定された関係で共軸配置された第一ピストン、及びシャフトの周りに第一ピストンに向かう及びそれから離れる軸方向運動のために共軸配置された第二ピストンを含み、第二ピストンが、シャフト内の半径方向開口を通してつかみ装置に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の工具保持器を受けかつ駆動するためのスピンドル装置。
【請求項８】
作動器が、半径方向開口を通って延びてつかみ装置と係合する連結ピンを含むことを特徴とする請求項７に記載の工具保持器を受けかつ駆動するためのスピンドル装置。
【請求項９】
駆動体、シャフト、つかみ装置、及び作動器を含むスピンドルハウジングをさらに含み、ハウジングが、つかみ装置からの連結ピンの分離のための連結ピンへの接近のためにその中に開口を持ち、シャフトの前記一端を通してつかみ装置の外向きの除去を可能にすることを特徴とする請求項８に記載の工具保持器を受けかつ駆動するためのスピンドル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の言及
本出願は、２００９年１２月４日に出願され、かつ「小型工業用回転スピンドル及び工具交換システム」と題した米国仮特許出願出願番号第６１／２８３４８８号の恩典を与えられ、かつそれからの優先権を主張し、その出願の全体がここに参考として組み込まれる。
【０００２】
発明の分野
本発明は、一般的に工作機械に関し、より詳細には工具または同様の装置を選択的につかみかつ解放するための方法及び装置、例えば、限定されないが、電気機械スピンドルによって工具保持器を受けかつ駆動するための装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
種々の製造工業において、電気的に操作されるスピンドル装置は、異なる機械加工操作を実施する異なる工作機械を保持しかつ駆動するために利用される。かかる用途では、種々様々な工具が、例えば切断、中ぐり、トリミング、造形、研磨、彫刻、及び／または機械加工の他の態様によって、ワークピースを完成製品に変形するために必要であるかもしれない。従って、スピンドル装置が異なる工具の便利で、単純化した、かつ迅速な交換を与えることは、たとえ必須でないとしても望ましい。かかるスピンドル装置はロボット装置のような計算機制御された機械で利用されることが多く、そこではスピンドル装置は、例えばいわゆる「計算機数値制御された」または「ＣＮＣ」機械制御システムのようなプレプログラムされた計算機制御下に、例えば空気圧または液圧作動によって、操作者の介在なしの自動的な工具の交換のために適合されている。例えば、木工産業では、かかるスピンドル装置はロボット装置で利用されることができ、そこではスピンドル装置は、スピンドル装置によって駆動される一つ以上の工具によって切断、中ぐり、型彫りまたは別な方法で機械加工されるワークピースに対して操縦され、さらにまた一つの工具の別の工具への自動化された交換のための工具支持円形コンベヤーまたはラックに対して操縦されるロボット腕上に支持される。
【０００４】
通常のスピンドル装置は、かかる自動化された計算機制御の機械環境では満足に実施するが、既知のスピンドル装置は、多数の認識された不利を受ける。代表的な従来の電気モータースピンドル装置はスピンドルユニットと作動器ユニットを組み合わせて含み、そこではスピンドルユニットは、多数の異なる工具または器具を交換可能に受けるためにつかみ装置を一端に取り付けられた電気モーター駆動シャフトを持ち、シャフトの長さを通して延びるばね負荷引張り棒の直線状往復運動によってつかみ装置を開閉するためにつかみ装置からスピンドルユニットの対向端に取り付けられた作動器ユニットを持つ。この形のスピンドル装置は、スピンドル及び作動器ユニットの組み立てのために、比較的大きく、かさばり、かつ重く、装置の操縦のために利用可能な空間が限られている設備及び用途での使用のためにはこのスピンドル装置は不適当である。既知のタイプのスピンドル装置が適している設備であっても、装置の寸法及び重量が、自動化された工具交換手順を実施する際に実施しなければならない装置の動きを遅らせる一因となる。かかるスピンドル装置はまた、かなりの数の可動部品を持ち、それは、必然的に、定期的な調整、調節及び他の保守の必要性の対応する増加、及び部品の誤調整の比例して増加する危険及び部品破損の発生を与える。
【０００５】
従って、工作機械の産業において多数の工具の自動化された交換を実施するためのＣＮＣ及び他の機械で使用するために適した改善された形態のスピンドル装置に対して認識された要求が存在する。
【発明の概要】
【０００６】
従って、自動化された工具交換操作及び非自動化工作機械用途のために通常使用されるときの両方で、既知の形態のスピンドル装置について改善することが本発明の目的である。本発明のさらなる目的は、かかる既知のスピンドル装置の認識された不利に対処することである。本発明の別の目的は、より小さい次元寸法及びより少ないかさ及び重量を持ち、しかも既知のスピンドル装置の性能に匹敵するかまたはそれより優れた性能を持つスピンドル装置を提供することである。本発明の関連した目的は、従来のスピンドル装置がこれまで利用されることができなかった設備内で展開されることができるスピンドル装置を提供することである。本発明のなおさらなる目的は、減少した数の操作部品、より少ない頻度の必要な調整、及び他の保守工程、及び既知のスピンドル装置によるより少ない破損の発生及び少ない停止時間を持つ強化された信頼性を持つスピンドル装置を提供することである。本発明のより特別な目的は、中空シャフト、ばね負荷引張り棒及び末端取り付け作動器ユニットの使用を排除するスピンドル装置を提供することである。本発明の別の目的は、標準的な電気モーター、ベルト駆動スピンドルのような電気スピンドル、またはロボット腕以外の機械で使用するために適合されることができるスピンドル装置を提供することである。
【０００７】
簡単にまとめると、本発明は、工具保持器を受けかつ駆動するためのスピンドル装置を提供し、それは基本的に駆動装置、工具保持器の取り付けのために構成された受器を持つシャフトの一端（ここでは前方端と言う）を持つ駆動装置に結合されたシャフト、及びシャフトの前方端に支持された、それとの一体的な駆動回転のためのつかみ装置を含む。つかみ装置は、受器内に配置されかつ工具保持器を保持するための活性位置と工具保持器を挿入かつ解放するための不活性位置との間で選択的に作動可能なつかみ要素を持つ。作動器は、つかみ要素の活性位置と不活性位置の間の運動を制御するためにつかみ装置と動作可能に連結されている。本発明によれば、作動器は、つかみ装置と同じシャフトの前方端に隣接したシャフトに対して取り囲む関係で配置される。
【０００８】
本発明の好適な実施態様によれば、シャフトは、その前方端に受器と連通した軸方向内腔を持ち、つかみ装置は、軸方向内腔内に配置されたつかみハウジングと、つかみハウジング内に配置された往復運動可能なボルトとを含み、往復運動可能なボルトは、つかみ要素をボルトの往復運動によって活性位置と不活性位置の間で動かすためにつかみ要素と動作可能に連結されている。シャフトは自分自身を通る半径方向の開口を含み、作動器は、この半径方向開口を通って延びてつかみ装置の往復運動可能なボルトと係合する連結ピンを含む。ピンは、シャフトの軸方向内腔を通してその前方端でのつかみ装置の外向きの除去を可能にするつかみ装置からのピンの選択的分離のために装置の外部から接近するために配置されている。
【０００９】
シャフトは、好ましくは、その前方端で前方ベアリング装置によりかつシャフトの反対端で後方ベアリング装置により支持され、作動器は前方ベアリング装置に隣接して配置されている。シャフトは、好ましくは、実質的に中実シャフトであることができる。
【００１０】
好適な実施態様では、作動器は、シャフトの周りにそれに固定関係で共軸配置された第一ピストン、及びシャフトの周りに第一ピストンに向かう及びそれから離れる軸方向運動のために共軸配置された第二ピストンを含み、第二ピストンはシャフト内の半径方向開口を通してつかみ装置に連結されている。作動器は、半径方向開口を通って延びてつかみ装置と係合する連結ピンを含むことができる。スピンドルハウジングは、好ましくは、駆動装置、シャフト、つかみ装置、及び作動器を含み、ハウジングは、つかみ装置からの連結ピンの分離のための連結ピンへの接近のためにその中に開口を持ち、シャフトの前方端を通してのつかみ装置の外向きの除去を可能にする。
【００１１】
このようにして理解されるように、本発明のスピンドル装置は、自動化された工具交換工程が機械で使用される異なる工具を迅速かつ人間の介在なしに交換するために利用される製造または産業の環境での機械に使用されるように設計されている。計算機制御された機械加工センターまたはロボット腕は本装置のためのかかる製造または産業の環境の典型的な形であり、そこでは機械加工センターまたはロボットは、ワークピース及び／またはスピンドル装置を他方に対して動かしてワークピースを希望の製品に、例えば切断、彫刻、トリミング、造形、型彫り、研削、研磨、及び多くの場合にはかかる操作の組み合わせにより、形成する。様々な種類の形成工具がかかる製造操作を達成するために通常必要とされる。好適な実施態様では、スピンドル装置は、計算機数値制御された（ＣＮＣ）機械制御システムと関連して作動するセンサーを介して制御された圧縮空気及び電気により動力供給されることができる。設計の追加の変動は、これらの要件の一つ以上を排除することができる。本装置はまた、非自動化設備で及び機械加工センターまたはロボット以外の用途で使用されることができる。かかる代替設備の一例は、成形器またはほぞ成形器のような通し供給切断機械であろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、装置の縦軸を通して取った、従来技術の電気モータースピンドル装置の断面図である。
【００１３】
【図２】図２は、装置の縦軸を通して取った、図１の電気モータースピンドル装置の作動器ユニットの拡大した断面図である。
【００１４】
【図３】図３は、本発明による電気モータースピンドル装置の一つの好適な実施態様の前端立面図である。
【００１５】
【図４】図４は、図３の線４−４に沿って装置の軸の全縦方向の範囲を通して取った、図３の全電気モータースピンドル装置の断面図である。
【００１６】
【図５】図５は、図３の線５−５に沿って装置の工具つかみセンサーを通して取った、図３の電気モータースピンドル装置の前方つかみ端のより拡大した断面図である。
【００１７】
【図６】図６は、図３の線６−６に沿って装置のスピンドル回転センサーを通して取った、図３の電気モータースピンドル装置の前方つかみ端の図５と同様の別の拡大した断面図である。
【００１８】
【図７】図７は、図３の線４−４に沿って取った、工具保持器を解放するためのかつ新しい工具保持器を受けるための伸張した非つかみ位置でのつかみ装置を持つ図３の電気モータースピンドル装置の前方つかみ端の別の拡大した断面図である。
【００１９】
【図８】図８は、工具保持器をつかみかつ保持するための収縮したつかみ位置でのつかみ装置を持つ図３の電気モータースピンドル装置の前方つかみ端を示す、図７と同様の別の拡大した断面図である。
【００２０】
【図９Ａ−９Ｂ】図９Ａ−９Ｂはそれぞれ、図１と２に示されたタイプの通常の従来技術のスピンドル装置の典型的な外部寸法全体を示す、側面立面図及び端面立面図である。
【００２１】
【図１０Ａ−１０Ｂ】図１０Ａ−１０Ｂはそれぞれ、図３〜８に示された本発明の実施態様によるスピンドル装置の典型的な外部寸法全体を示す、側面立面図及び端面立面図である。
【００２２】
【図１１】図１１は、図３〜８の本スピンドル装置の実施態様のための作動器ピストン要素の代替設計の垂直断面図である。
【００２３】
【図１２】図１２は、図３〜８の本スピンドル装置の実施態様のためのセンサーディスクの代替設計の垂直断面図である。
【００２４】
【図１３】図１３は、つかみ装置の除去の工程を示す図３の電気モータースピンドル装置の前方つかみ端の別の拡大した断面図である。
【００２５】
【図１４】図１４は、工具保持器を解放するためのかつ新しい工具保持器を受けるための伸張した非つかみ位置でのつかみ装置を持つ、本発明による電気モータースピンドル装置の別の好適な実施態様の電気モータースピンドル装置の前方つかみ端の拡大した断面図である。
【００２６】
【図１５】図１５は、工具保持器をつかみかつ保持するための収縮したつかみ位置でのつかみ装置を持つ図１４の電気モータースピンドル装置の前方つかみ端を示す、図１４と同様の別の拡大した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
さて添付図面のうち最初に図１及び２を参照すると、選択的な自動化された工具交換操作のために備えられた上述のタイプの典型的な通常の従来技術の電気モータースピンドル装置は、基本的に作動器１２と組み合わされた電気モータースピンドル１０を含む。スピンドル１０は、その対向端で前方ベアリング１５と後方ベアリング１６を介して回転可能に支持されたシャフト１４を含み、シャフト１４の回転を駆動するためにベアリング１５，１６間のシャフト１４を取り囲むステーター１８及びローター２０から構成された電気モーターを持つ。主ハウジング２２は、シャフト１４、ベアリング１５，１６、及び電気モーター１８，２０の組立て体を囲みかつ支持する。シャフト１４の作業端１４Ａは、ハウジング２２の一端（図１で見たときハウジングの左端）から外向きに開き、かつシャフト１４を介して駆動される工具（図示せず）を受けるように構成されている。スピンドル／作動器装置の自動工具交換用途のために、シャフト１４の作業端１４Ａ内に先細り端開口１４Ｂが、交換可能な工具保持器（図示せず）の均一な幾何学的形状とかみ合うように、例えばシャフト１４内の先細り端開口１４Ｂの形で構成されている。
【００２８】
シャフト１４は、中空であり、工具保持器とシャフト１４の間のしっかりとした作業連結を提供するために交換可能な工具保持器をつかむためのシャフト１４の作業端１４Ａに隣接した選択的に作動可能なつかみ装置２４を内部に支持する。幾つかのタイプのつかみ装置が、交換可能な工具保持器をつかむために商業的に利用可能である。かかるつかみ装置のための操作の特別な構造及び方法は変動するが、シャフト１４との一体的回転のために工具保持器をしっかりと保持するようにシャフト１４の作業端１４Ａ中に工具保持器を周辺でつかみかつ軸方向に引張る能力を共通して持つ。図１は、前方端に軸方向凹所２４Ｂを持つ短シャフト２４Ａの形の、凹所２４Ｂ中へのかつ凹所２４Ｂからの動きのために凹所を取り囲む半径方向内腔内に支持された一組の係合ボール２４Ｃを持つかかるつかみ装置２４の最も一般的なタイプの一つを示す。短シャフト２４Ａは、シャフト１４に対してスライド可能な軸方向運動のためのスピンドルシャフト１４のその中空内部の全長を通して延びるようにスピンドルシャフト１４内に支持されている本質的に細い棒である引張り棒２５の前方端に一体的に取り付けられている。引張り棒の遠位端はシャフト１４の遠位端から外向きに延びる。ばね、またはばねの組２７は、シャフト１４内の引張り棒２５を取り囲み、つかみ装置２４に隣接したシャフト１４に対する接合点と、つかみ装置２４とは反対の引張り棒２５の遠位端に隣接したフランジ３０に対する接合点の間で延びる。この態様では、ばね２７は通常、引張り棒２５のフランジ３０に対して軸方向に作用し、引張り棒２５をシャフト１４内でその作業端１４Ａから離れるように後向きに強制し、次に、つかみ装置２４をシャフト１４の作業端１４Ａ内で内向きに引張る。これに代えて、シャフト１４内の引張り棒２５のスライド可能配置は、引張り棒２５の露出した遠位端に対して及びばね２７の偏倚力に対しての軸方向スライド力の付与を可能にし、それによりばね２７を圧縮しかつシャフト１４の端開口１４Ｂ中につかみ装置２４を延ばすように引張り棒２５をシャフト１４内で前向きに延ばす。図１に見えるように、端開口１４Ｂは、引張り棒２５とつかみ装置２４がこのようにして延ばされるときにつかみボール２４Ｃを凹所２４Ｂから半径方向外向きに動かすことを可能にするばね２７の力のもとに法線方向に引張られるようにつかみ装置２４の配置の前方に環状拡張領域１４Ｃを伴なって形成されている。
【００２９】
引張り棒２５及びつかみ装置２４のかかる前方開口運動及び後方閉鎖運動は作動器１２により制御され、それは図１に概略的に示されているにすぎないが、図２ではより詳細な断面で示されている。作動器１２は、シャフト１４の作業端１４Ａのつかみ装置２４とは反対のスピンドル１０の遠位端でスピンドルハウジング２２に取り付けられている。作動器１２は基本的に、ピストン２６と一体的に往復運動するようにピストン２６を通して軸方向に延びるボルト２８に連結された一つ以上の往復運動可能なピストン２６から構成される。図１及び２に示された作動器１２の実施態様では、作動器１２は、ピストン２６とボルト２８の組立て体を往復運動するために空気圧式で操作されるのに適合されているが、電気または水圧により動力を付与された作動器を採用することもまた知られている。ボルト２８の先端は、引張り棒２５の露出された後方に延びる端部と軸方向に整合して作動器１２から前方に突出する。ピストン２６は、作動器１２内で図１及び２に示された完全に収縮した不活性位置（ボルト２８の先端が引張り棒２５との接触から後方に間隔を置かれており、それによりばね２７が引張り棒２５とつかみ装置２４をシャフト１４内に完全に引き込むことを可能にする）と、前方に伸張した位置（ボルト２８が引張り棒２５と接触しかつそれをスライド可能にばね２７の偏倚力に対してシャフト１４内で前方に進め、つかみ装置２４の保持ボール２４Ｃを拡張領域１４Ｃ中に動かす）との間で動くために支持される。
【００３０】
前に示したように、工具保持器は、シャフト１４の作業端１４Ａの先細りの端開口１４Ｂの幾何学的形状及びつかみ装置２４の凹所端開口２４Ｂの幾何学的形状とかみ合う幾何学的形状を持つ交換部品である。工具保持器はそれ自身、工具または同様の作業器具、例えば切断工具要素を剛くかつ一体的に保持するように構成されている。用語「工具」は、工具保持器及び工具要素の小組立部品を集合的に識別するために使用されることが多い。シャフト開口１４Ｂと工具保持器のかみ合った先細り形状は、工具保持器の正確で、繰り返し可能で、かつしっかりした配置及び着座を容易にする。典型的には、工具保持器は、つかみ装置２４のボール２４Ｃにより係合されるように構成された駆動キーを伴なって形成される。従って、ボルト２８及び次に引張り棒２５が作動器１２により進められて、つかみ装置２４をシャフト１４の作業端１４Ａの拡張領域１４Ｃ中に延ばすとき、係合ボール２４Ｃは半径方向外向きに動くのが自由であり、それにより工具保持器はつかみ装置２４中に挿入されるかまたはそれから解放されることができる。次いで、ボルト２８が引き込まれ、ばね２７が引張り棒２５を収縮させるとき、係合ボール２４Ｃは半径方向内向きに動くように強制されて工具保持器の駆動キーと係合し、それにより工具保持器をつかみ、それをシャフト１４の作業端１４Ａ中に引張る。この態様では、つかみ装置２４は、シャフトのかみ合い表面と工具保持器の間の摩擦係合と一緒に、電気モーター１８，２０により発生されたシャフト１４の回転トルクを工具保持器に伝えるのに効果的である。
【００３１】
作動器ピストン２６とボルト２８の組立て体の位置、及びつかみ装置２４の位置は、ＣＮＣ機械制御システムと通信する電気センサー３２により監視される。例えば、典型的なセンサー３２は、センサーの予め決められた認識範囲内の物質の存在または不存在を検出することができる商業的に入手可能な非接触式電子装置であることができる。一般的に、一つのセンサー３２Ａは、スピンドル１０が回転しているかまたは停止しているかどうかを決定するためにスピンドル１０の回転要素を監視するために配置される。一つまたは二つのセンサー３２Ｂが、引張り棒２５の伸張したまたは収縮した位置により示されるような工具の存在または不存在を決定するために引張り棒２５の端部を監視するために配置される。一つまたはそれより多くの追加のセンサーが、ピストン２６及びボルト２８の伸張したまたは収縮した配置を監視するために作動器１２内に配置されることができ、例えば、センサー３２Ｃが、ボルト２８の後方端の場所を、例えばボルト２８の端部に取り付けられたセンサーディスク３４を介して、検出するために配置され、ピストン２６及びボルト２８がそれらの前方または後方位置にあるかどうかを決定する。
【００３２】
典型的なＣＮＣ機械での工具交換工程を完了するためのスピンドル及び作動器装置の通常の操作はこのようにして理解されることができる。まず、ＣＮＣ制御システムが電気モーター１８，２０を奪活してスピンドル１０を停止させ、それはスピンドル回転センサー３２Ａを介して確認されかつＣＮＣ制御システムに通信される。機械は、次いでスピンドル及び作動器装置１０，１２を、多数の交換工具を保持する貯蔵マガジン、円形コンベアー、またはラックに対して工具交換位置に操縦し、そこで作動器１２が起動されて作動器ピストン２６を前方に延ばし、次いで引張り棒２５をばね２７の偏倚力に対して延ばすことにより工具交換工程を始め、それによりつかみ装置２４を延ばして工具をマガジン／円形コンベヤー／ラック上の空の貯蔵場所の上に解放するように工具保持器上のボール２４Ｃの係合を解放する。解放された工具を置いた後、機械はスピンドル及び作動器装置１０，１２を解放された工具から離れるようにかつ異なる工具を受けかつ係合する位置に動かす。作動器ピストン２６上に作用する空気圧力が解放され、ピストン２６及び引張り棒２５をばね２７の偏倚力下にそれらのそれぞれの収縮位置に戻させる。次に、つかみ装置２４がシャフト１４の作業端１４Ａ内に引っ込められ、それにより新しい工具をつかみ、つかみ装置２４内のつかみ位置中に引張る。センサー３２Ｂは、引張り棒２５がその完全に収縮した位置に戻ったときを確認し、工具保持器が正しくつかまれたことを示すと、ＣＮＣ制御システムが電気モーター１８，２０を再起動し、スピンドルの駆動回転を再開し、それにより工具交換の流れを完了する。
【００３３】
さて図３〜８に戻ると、本発明の一好適な実施態様による電気モータースピンドル装置が概括的に５０で示され、図１及び２の既知の従来技術の自動工具交換スピンドル装置に対して構造と操作の両方で実質的に異なることが認められるであろう。スピンドル装置５０は、基本的に長い主スピンドルハウジング５２を含み、その反対端に、主ハウジング５２の内部を通して中央に延びる縦方向シャフト６２を回転可能に支持するために、前方及び後方ボールベアリング組５８，６０をそれぞれ持つ前方ベアリングハウジング５４と後方ベアリングハウジング５６が取り付けられている。シャフト６２は、シャフト６２の前方端が、かみ合う工具保持器６５のつかまれた係合及びつかまれていない解放のために選択的に作動可能な、つかみ装置６４のようなつかみ装置が取り付けられている受器として作用する軸方向空洞６２Ａを持つことのみを除いて中実体であり、全てはより完全に以下に述べられる。概括的に６６で示された作動器装置のような作動器は、以下でより完全に述べられるように、前方ベアリング組５８の直ぐ後方のシャフト６２の前方端を取り囲むように前方ベアリングハウジング５４内に支持され、そのつかみ作動及びつかみを外す作動のためにつかみ装置６４と連結されている。回転駆動力は、シャフト６２の周りに固定されたローター６８と、主ハウジング５２内にローター６８に対して取り囲んで静止的に固定されたステーター７０とからなる電気モーターによりシャフト６２に付与される。連結器ユニット７２は、ハウジング５２の外部にその後方端に隣接して取り付けられ、電気モーターに作動電力を供給し、作動器装置６６の空気圧作動のために圧縮空気を供給する。主ハウジングの遠位後方端はカバー板７４により囲まれている。
【００３４】
つかみ装置６４は、スピンドルシャフト６２の内腔６２Ａ内に取り付けられかつつかみハウジング７６の挿入端上にかつ内腔６２Ａ上の内部端上に形成されたかみあいねじにより所定場所に固定された中空つかみハウジング７６を含み、それによりつかみハウジング７６はシャフト６２と一体的に回転する。つかみハウジング７６の前方端は、シャフト６２の前方端から外向きに面し、かつつかみハウジング７６の中空内部中に軸方向開口を形成されており、それを通してつかみボルト７８がつかみハウジング７６中にスライド可能に延びる。つかみボルト７８は、つかみハウジング７６内の内部肩とボルト７８の周りにねじ山を切られた引張りナット８２との間に延びるコイルばね８０により取り囲まれており、それによりばね８０はボルト７８をつかみハウジング７６内で内向きに促す。つかみボルト７８の内部端は、以下により完全に述べられるように、つかみボルト７８を作動器装置６６と連結してつかみ動作及びつかみを外す動作をつかみ装置６４に伝えるために、直径方向に形成された内腔を持ち、それを通してつかみハウジング７６及びシャフト６２のそれぞれに整合したスロット７６Ａ，６２Ｂを通して半径方向外向きに延びる高強度ピン８４を受ける。
【００３５】
つかみハウジング７６の前方端は、減少した直径の狭い首部７６Ｂとして形成され、その周りにそれぞれの開口内で半径方向内向き及び外向きに可動なつかみボール７５をそれぞれ含む複数の円形開口が形成されている。首部７６Ｂに隣接して半径方向内向きのつかみボルト７８の前方端は、ボルト７８がつかみハウジング７６内で前方にスライドするときにボール７５を半径方向内向きに凹所７７中に動かすように配置された環状凹所７７を形成されている。凹所７７の前方端は、つかみボルト７８がつかみハウジング７６内で後向きにスライドするときにボール７５をそれらの開口内で半径方向外向きに向けるように配置された外向きに先細りとなる表面を形成されている。
【００３６】
つかみ装置６４のこの配置は、それにより、以下に述べられるように、作動器装置６４の選択的作動下に工具保持器６５を選択的につかみかつ解放するために効果的である。工具保持器６５は、通常のように、複数の同様に形成された交換可能な工具要素（図示せず）のいずれかを受けるように構成された凹所６５Ａをその前方端内に形成されている。工具保持器６５の反対の後方端は、シャフト６２の内腔６２Ａの内部逓減率とかみ合う周囲外部逓減率を持って形成される。工具保持器６５の後方端は、つかみボール７５によりそれらの半径方向外向き位置に動かされかつ保持されたときにしっかりと係合してつかまれるのに適合されかつつかみハウジング７６に対してそれらの半径方向内向き位置に動かされるときにつかみボール７５から係合を外されるのに適合された環状唇６５Ｃにより取り囲まれた凹所６５Ｂを内部に形成されている。
【００３７】
作動器装置６６は、前方ベアリングハウジング５４内にスピンドルシャフト６２に対して取り囲み関係で配置された環状の前方及び後方ピストン８５，８６を含む。後方ピストン８６は、電気モーター６８，７０の直ぐ前方でシャフト６２周りに密接して取り付けられ、かつ保持リング８８により前方ベアリングハウジング５４に所定場所で静止して固定される。後方作動器ピストン８６は、前方に突出するハブ部を持ち、その周りに前方ピストン８５が後方ピストン８６に向けてかつそれから離れるように軸方向スライド運動のために取り付けられており、それにより前方ピストン８５は回転シャフトから分離され、後方ピストンに対して封止されることができる。口（図示せず）は、前方ベアリングハウジング５４内で機械加工され、連結器７２を介して送出された圧縮空気源を、後方ピストン８６から前方ピストン８５の離れる動きを作動するために前方及び後方ピストン８５，８６間の空間に連結する。封止リング９０は、前方ピストン８５の内向き及び外向き表面の周り及び後方ピストン８６の外表面の周りに取り付けられ、ピストンを互いに対してかつ前方ベアリングハウジング５４に対して封止し、それによりピストン８５，８６間の空間が気密にされて加圧空気を含む。幾つかの合わせピン９２は、前方ピストン８５の前面及び前方ベアリング組５８内に形成された内腔間に軸方向に延び、前方ピストン８５の往復運動のための案内として役立ち、コイルばね９４は、合わせピン９２を取り囲み、前方ピストン８５を後方ピストン８６に向けてそれに隣接したホーム位置に促す。環状センサーディスク９６は、前方ピストン８５の前方でそれに対してスライド可能に取り囲み、かつ連結ピン８４に好ましくはセンサーディスク９６の本体内のピン８４のねじ係合により固定され、作動器装置６６をつかみ装置６４に連結する。
【００３８】
このようにして、作動器装置６６は、図７及び８に対して最も良く理解されるように、次の方法でつかみ装置６４を操作する。スピンドル装置５０の通常操作では、作動器装置６６が奪活され、それにより前方ピストン８５が、図８に示されるように、ばね９４の影響下に後方ピストンに直ぐ隣接したそのホーム位置にある。従って、つかみ装置６４は、つかみハウジング７６に対して後方に引張られたそのつかみボルト７８と共に配置され、それによりモーター６８，７０の駆動力下にそれと一体的に回転するシャフト６２を持つユニットとしてそれをしっかりとつかむために工具保持器６５をその後方唇６５Ｃの内向きの半径方向及び軸方向の力と係合するようにつかみボルト凹所７７の先細り前方端表面によりつかみボールを係合させかつ外向きに動かす。工具保持器６５を別の工具保持器と交換することが望まれるとき、モーター６８，７０が奪活されてシャフト６２を静止状態にもたらし、そこで作動器装置６６が圧縮空気を前方及び後方ピストン８５，８６間の空間中に送出することにより起動され、前方ピストン８５を後方ピストン８６から離れるように前方に動かし、次に、図７に示されるようにばね９４を圧縮する。前方ピストン８５が前方に動くとき、センサーディスク９６もまた前方にスライドし、次に、連結ピン８４とつかみボルト７８を前方に動かす。つかみボルト７８の前方端内の環状凹所７７がつかみボール７５に隣接して進むとき、ボール７５により工具保持器６５に対して及ぼされるつかみ力は解放され、ボール７５は、工具保持器６５がシャフト６２から前方に引張られることができ、かつ新しい工具保持器がシャフト６２の先細り前方端中に挿入されることができるのに十分なほど環状凹所７７中に半径方向に動かされる。それにより、圧縮空気源が奪活され、ばね９４の圧縮ばね力が前方ピストン８５をそのホーム位置に戻し、同時につかみボルト７８を、つかみばね８０の圧縮ばね力が解放されるとき、つかみハウジング７６内に収縮する。つかみボール７５は、それにより、再度、つかみボルト７８内の凹所７７の前方端の先細り表面により係合され、ボール７５を半径方向外向きに強制させ、交換工具保持器とつかみ係合させる。
【００３９】
作動器装置６６は、好ましくは、前方ピストン８５の前方及び後方運動の限界を制御する安全機能を含む。まず、保持リング９８が前方ベアリングハウジング５４内に取り付けられ、前方ピストン８５によりその移動の前方限界で接触される係合停止具を規定し、それにより作動器装置６６により作られた有意な力の下に前方ベアリング組５８を潜在的に損傷することがありうるばね８０からの過剰ばね力が前方ベアリング組５８に伝達されるのを防ぐ。加えて、第一電子接近センサー１００（図５参照）が所定位置内にスピンドル本体５２及び前方ベアリングハウジング５４を通して半径方向に取り付けられ、センサーディスク９６がその正常な後方つかみ位置にあるかどうかを検出し、スピンドル装置５０が設置されている例えばＣＮＣ機械に連結器７２を介して伝達されることができる対応する制御信号を発生する。第二電子接近センサー１０１（図６参照）が同様にスピンドル本体５２及び前方ベアリングハウジング５４を通して所定位置内に半径方向に取り付けられ、センサーディスク９６が、工具保持器が交換のために解放されたことを示すその前方位置にあるかどうかを検出し、連結器７２を介して伝達するための対応する制御信号を発生する。別のセンサー（図示せず）が、シャフト６２が回転下にあるかどうかを検出するために好適な位置、例えば後方ベアリング組６０の後の後方ベアリングハウジング５６内に設けられることができる。
【００４０】
本スピンドル装置５０がつかみ装置６４と作動器装置６６の間の連結を連結ピン８４を介して達成する方法は、全つかみ装置６４がいかなる他の要素を分解または妨害することなくスピンドル装置５０の前方端から選択的に除去されることを可能にすることにより従来技術のスピンドル設計より有意でかつ明確な改善を提供する。図１３に示されるように、開口１０２は、作動器装置がその収縮したホーム位置にあるときにピン８４の軸方向位置のスピンドル本体５２の側面を通して半径方向に設けられ、それによりピン８４は、希望したとき、センサーディスク９６から抜き取られ、かつスピンドル装置５０から開口１０２を通して外向きに除去されることができる。ピン８４が除去されるとき、つかみハウジング７６はスピンドルシャフト６２から抜き取られることができ、それにより全つかみ装置６４はそのとき迅速かつ容易に引き出され、ユニットとして置換されることができ、スピンドル装置５０が最少停止時間及び製造効率への最少影響で操業に即座に戻されることを可能にする。つかみハウジング７６の前方端とかみ合うことのできる装置工具１０４は、連結ピン８４の挿入及び除去を助けるようにつかみ装置のシャフト６２内の内腔６２Ａ内の適切な位置中への挿入及び除去を達成するために提供されることができる。
【００４１】
本スピンドル装置５０の別の有意な特徴は、つかみ装置６４に対してなされる微細調整のための能力である。つかみハウジング７６のスピンドルシャフト６２へのねじ取り付けは、スピンドル装置５０の静止要素に対するつかみ装置６４の軸方向配置がつかみ装置６４の設置で微細設定されることを可能にする。つかみ装置６４の作動器装置６６への連結ピン８４を介してのつかみ装置６４のいかなるかかる軸方向位置での必要な連結を容易にするために、スピンドルシャフト６２はシャフト６２の周りに周囲に間隔を置かれた二つ以上のスロット６２Ｂを持って形成され、スロット６２Ｂは軸方向に長くなっている。このように、つかみ装置６４の配置のねじ調整に続いて、連結ピン８４は、開口１０２に露出されているスロット６２Ｂを通して設置されることができる。つかみ装置６４に対する追加の調整は、ばね予備負荷ナット８２のつかみボルト７８に沿ってのねじ配置を調整することにより、ばね８０により付与される偏倚力を選択的に増加または減少することが可能である。
【００４２】
従って、本発明のスピンドル装置は、通常のスピンドル装置より多数の有意な利点を提供することが認められるであろう。つかみ装置６４を直接取り囲む装置の前方端及びシャフト６２の前方作業端の作動器装置６６の全機械的要素の配置は、実質的に全ての次元のスピンドル装置の全体的寸法を実質的に減らし、機械的要素の数を減らし、それにより製造及び組み立ての時間及び費用を簡略化しかつ減らし、かつ同等の通常のスピンドル装置と比較したとき、その後の維持費用の比例した減少により操作信頼性を改善する。
【００４３】
図９Ａ，９Ｂ，１０Ａ及び１０Ｂは、本産業内のスピンドルの同じ寸法と部類に属する本発明のスピンドル装置５０の同等の実施態様に対する典型的な従来のスピンドル装置（図９Ａ，９Ｂ）の全体的物理的寸法の比較差を示す。示されるように、本スピンドル装置５０は、あらゆる次元で、しかし最も明白にはスピンドルの長さにおいてより小さい。特に、本スピンドル装置の全体的長さは１０％より多く減らされる（例えば４２０ｍｍから３７７ｍｍまで）。一般的に、（同じ寸法範囲及び冷却方法内での）スピンドル動力の増加は、スピンドル装置の長さを増加する長いステーターを必要とすることは本産業内で予想される。しかし、図１０Ａ及び１０Ｂの本スピンドル装置の設計は、図９Ａ及び９Ｂの従来のスピンドル装置より４６％以上の動力を作り、さらに全長の１０％（例えば４３ｍｍ）以上の減少を達成することができる。全長の減少は、より短いスピンドルが製造される部品の寸法を増大可能にするので、あるロボットの及び進歩したＣＮＣ機械加工用途でのスピンドル装置の用途のために特に著しい。さらに、より短いスピンドル装置は、ある機械加工操作を実施するときにより限定された寸法内で機能することができる。例えば、内部操作（例えばハウジング、ギヤーケース、ボート船体、浴槽、または同様の物体の製造）を必要とする機械加工用途は問題がありうる。なぜならそれらは部品の内側表面上で作業を実施するスピンドルを必要とするからであり、そこでは空間は貴重であることが多いからである。本発明によるスピンドル装置は、これらのタイプの要素を製造するためにかなり大きな融通性を許容する。
【００４４】
装置の前方端に作動器装置を位置させる際の本スピンドル装置の設計は、工具保持器のためのつかみ装置を作動するために内部引張り棒を持つ中空スピンドルシャフトを採用する必要性を有利に排除する。スピンドル引張り棒及びばね装置は製造工程内のみならず、スピンドル装置の全寿命周期を通して固有の困難性を与え、かつ本産業内で高頻度のスピンドル破損を起こすことが認識されている。かかる装置は、シャフトの全長を通してばね、引張り棒、及びシャフト間の精密許容差が維持されることを要求する。特にシャフトの場合、引張り棒のための貫通穴を作るために必要とされる高い許容差の機械加工は高価であり、かつ専用の穿孔及び内部研摩機を要求する。適切な整合、すきま、及び心振れを維持することは、装置の初期組み立ての複雑さを増加し、かつスピンドル装置の後での修理を複雑にする。スピンドルバランスはまた、シャフトの内側のこれらの大きな要素の固有の動きにより影響される。まとめると、作動器装置の前方配置及び本装置で中実のスピンドルシャフトを使用する能力は、使用時の装置のより少ない頻度の及びより少ない費用の保守、及び切断工具寿命の延長を通してより大きな生産性及び改善されたワークピースの表面品質とともに、簡略化されかつ費用の少ない製造、より良好なバランス及びより信頼性のある操作をもたらす。
【００４５】
中実スピンドルシャフトを使用する能力から生じる別の利点は、伝統的な中空シャフト設計では不可能だった独特のスピンドル変形の創造を可能にすることである。例えば、二重端付き自動工具交換スピンドルが本スピンドル装置の一つの塾考した代替実施態様として製造されることができる。かかる二重端付きスピンドル設計は、存在するスピンドル構造では不可能である。なぜなら引張り棒作動器設計は、作動器が中空スピンドルシャフトの一端に位置されることを要求するからである。
【００４６】
スピンドル保守もまた、上述のように、スピンドルを分解しまたはそれをＣＮＣ機またはロボットから除去することなくつかみ装置を除去及び交換することを可能にすることにより本スピンドル装置によってかなり改善される。対照的に、既知のスピンドル装置設計では、引張り棒及び取り囲むばねがスピンドルの後方を通して除去されることができるように、スピンドルを少なくとも後方ベアリングが接近されることができる点まで分解することが必要である。この操作は一般的に、スピンドル装置をロボットまたはＣＮＣ機械から除去すること、作動器を除去すること、及び引張り棒の端部を露出するために必要ないかなるセンサーも分解することを要求する。本発明のつかみ装置６４は、装置の前方端から除去されることができるので、周期的に交換されなければならない多くの摩耗を受けやすい要素がより迅速かつ容易に、少ない装置停止時間で交換されることができる。
【００４７】
本発明はここまで本スピンドル装置の一つの好適な実施態様に関して述べられたが、当業者は、種々の代替実施態様及び他の変形が可能であることを容易に認識しかつ理解するであろう。例えば、本スピンドル装置は、図３〜８の実施態様でのボールタイプのつかみ装置６４以外の他の形の工具保持器つかみ装置を利用することができる。特に、スピンドル装置は、図１４〜１５の追加の例示的実施態様として示されているように、ボールの代わりにフィンガーまたは他のつかみ要素を利用する他の商業的に入手可能なつかみシステムを同様にうまく採用することができる。図１４〜１５では、図３〜８のスピンドル装置の要素に対応する同様な要素が、１００系列の数字の対応する参照数字により識別される。
【００４８】
図１４〜１５のスピンドル装置は全体で１５０で示され、主ハウジング１５２、ベアリング組をそれぞれ持つ前方及び後方ベアリングハウジング（前方ベアリング組１５８を持つ前方ハウジング１５４のみが示されている）、中実スピンドルシャフト１６２、及び実質的に図３〜８の実施態様におけるような作動器装置１６６（それは前方及び後方ピストン１８５，１８６、ピストン保持リング１８８、センサーディスク１９６、ピストン戻しばね１９４、及び連結ピン１８４から構成される）を含む。スピンドル装置１５０は主としてそのつかみ装置１６４の構造でのみ、特につかみハウジング１７６、つかみボルト１７８、及びつかみボール７５の代わりのつかみフィンガー１７５の形状及び配置で異なる。つかみ装置１６４のこの実施態様では、つかみハウジング要素１７６は、スピンドルシャフト１６２内の内腔１６２Ａの前方端中にしっかりと取り付けられた減少した長手方向寸法の中空体であり、かつハウジング１７６の前端内の開口を通して前方に突出する環状配列の複数のつかみフィンガー１７５を内部に持つ。つかみボルト１７８は、つかみハウジング１７６及びそのつかみフィンガー１７５を通してスライド可能に延び、かつ軸方向に整合して一緒にねじ山を付けられた二つのボルト要素１７８Ａ，１７８Ｂから形成されている。後方ボルト要素１７８Ｂは、その後方端に拡大した肩１８２を形成されており、それを通して連結ピン１８４を受ける半径方向内腔が形成されている。ボルト要素１７８Ｂの前方端は、前方ボルト要素１７８Ａの後方端内に形成された内腔中にねじ込まれる。ばね１８０は、つかみハウジング１７６と肩１８２の間のつかみボルト１７８を取り囲み、つかみボルト１７８をつかみハウジング１７６に対して収縮されたホーム位置中に後向きに促す。ボルト要素１７８Ａ，１７８Ｂ間のねじ付き連結は、ばね１８０の選択的予備負荷を可能にする。ボルト要素１７８Ａの前方端は、半径方向に拡大された先細りカム表面１７７を形成されており、それはつかみフィンガー１７５上に作用してそれらを半径方向外向きに動かし、ボルト１７８が後向きに作動器装置１６６（図１４）によりそのホーム位置中に引き込まれるときに工具保持器１６５の内部のつかみ係合をもたらし、フィンガー１７５上のつかみ力を解放し、ボルト１７８が作動器装置１６６（図１５）により前方に拡張されるときに工具保持器１６５の係合を外すための半径方向内向きの動きを可能にする。
【００４９】
本スピンドル装置の多くの他の変形がまた可能である。例えば、ばね９４が前方ピストンをそのホーム位置に戻すために必要でないかもしれないことが考えられるが、代わりに作動器ピストン間の圧縮空気の付与を介して前方ピストンの動きの空気圧作動が後向き戻しピストン運動を実施するために減圧の付与に切り替えられることができる。さらに、述べられた実施態様では圧縮空気が作動器装置を操作するために使用されるが、水圧または電気力がこれに代えて作動器装置を操作するために使用されることができる。さらに、作動器ピストンの他の構成が利用されることができることが考えられる。例えば、図１１に示されるように、後方作動器ピストン２８６が前方ピストン２８５の内径及び外径の周りを包む構成のものであることができ、そのとき前方ベアリングハウジング５４の付加的な機能を実施するために利用されることができる。かかる実施態様では、後方作動器ピストン２８６は、スピンドルハウジング５２に連結されたファスナーにより所定場所に保持されることができる。
【００５０】
作動器装置とセンサーディスクの代替配置が図１２に示される。この変形では、センサーディスク２９６は後方ピストン２８６を通してスピンドル装置の後方に向けて延びる。センサーディスク２９６はまた、後方ピストン２８６とシャフト６２の間に設けられることができ、それは、もし追加の電気センサーまたは作動器装置の背後のエンコーダーを持つ必要があるなら有利であることができ、またさらにより小型のスピンドル設計を容易にすることができる。
【００５１】
本発明はまた、電気モータースピンドル装置に限定されない。シャフトは中実であり、かつ自動工具交換操作を実行するのに必要な全ての要素（作動器、センサー等）はシャフトに対して前方位置に統合され、かなり広い範囲の応用が考えられる。従って、本発明は、後方ピストンの背後に機械結合器を取り付けることにより他の機械及び動力源により操作するのに適合されることができる。例えば、本発明装置は、５０／６０Ｈｚ標準工業モーター、サーボモーター、または空気モーター上に取り付けられることができる。
【００５２】
当業者は、本発明がより広い用途及び応用を許容することができることを認識しかつ理解するであろう。ここに述べられたもの以外の本発明の多くの実施態様及び適応、並びに多くの変形、修正及び均等配置が、本発明の内容または範囲から逸脱することなく、本発明及びその前述の説明から明らかであり、または合理的に示唆されるであろう。従って、前述の開示は、本発明の例証及び適例にすぎず、単に本発明の完全なかつ可能な開示を提供する目的のためになされるにすぎないことは理解されるべきである。前述の開示は、本発明を限定することまたはいかなるかかる他の実施態様、適応、変形、修正及び均等配置を排除することを意図しておらず、または解釈されるべきでなく、本発明はここに添付された請求項及びその均等物によってのみ限定される。
【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９Ａ−９Ｂ】
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【図１０Ａ−１０Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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