(57)【要約】【課題】高圧で連続吐出が可能なラジアルピストン型水圧ポンプを提供する。【解決手段】  筒状内面を有するケーシングと、  前記ケーシング内に該ケーシングの軸心より所定量偏心して配設され、内部に吸入ポート、及び吐出ポートを備える偏心シャフトと、  前記偏心シャフト上に回転自在に配設され、内部にシリンダを放射状に形成したシリンダバレルと、  前記シリンダバレル内に形成され、一端が前記シリンダに開口し、他端が前記吸入ポート又は吐出ポートに連通可能な吸排口と、  前記シリンダ内に摺動自在に配設され、その一端がケーシングの円筒面に配設された摺動プレートと摺接し、他端が前記シリンダバレルの回転に応じて前記シリンダ内を往復動するピストンとを備え、  前記摺動プレート側のピストン端面につば部を設けたことを特徴とする。【選択図】図１
2014203962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状内面を有するケーシングと、
前記ケーシング内に該ケーシングの軸心より所定量偏心して配設され、内部に吸入ポート、及び吐出ポートを備える偏心シャフトと、
前記偏心シャフト上に回転自在に配設され、内部にシリンダを放射状に形成したシリンダバレルと、
前記シリンダバレル内に形成され、一端が前記シリンダに開口し、他端が前記吸入ポート又は吐出ポートに連通可能な吸排口と、
前記シリンダ内に摺動自在に配設され、その一端がケーシングの円筒面に配設された摺動プレートと摺接し、他端が前記シリンダバレルの回転に応じて前記シリンダ内を往復動するピストンとを備えたラジアルピストン型水圧ポンプにおいて、
前記摺動プレート側のピストン端面につば部を設けたことを特徴とするラジアルピストン型水圧ポンプ。
【請求項２】
前記ピストンは、前記摺動プレートに向かって角度θで傾斜するテーパー状の、前記シリンダとの摺動面を有することを特徴とする請求項１に記載のラジアルピストン型水圧ポンプ。
【請求項３】
前記偏心シャフトと前記シリンダバレルとの間に、樹脂からなる軸受部材を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のラジアルピストン型水圧ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラジアルピストン型水圧ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
筒状内面を有するケーシングと、前記ケーシング内に該ケーシングの軸心より所定量偏心して配設され、内部に吸入ポート、及び吐出ポートを備える偏心シャフトと、前記偏心シャフト上に回転自在に配設され、内部にシリンダを放射状に形成したシリンダバレルと、前記シリンダバレル内に形成され、一端が前記シリンダに開口し、他端が前記吸入ポート又は吐出ポートに連通可能な吸排口と、前記シリンダ内に摺動自在に配設され、その一端がケーシングの円筒面に配設された摺動プレートと摺接し、他端がシリンダバレルの回転に応じて前記シリンダ内を往復動するピストンとを備えたラジアルピストン型油圧ポンプが知られている（特許文献１・２）。【０００３】
しかしながら、これらのポンプは作動液が油であるため、油漏れなどの汚染の問題を有しており、近年の地球環境保全の流れに適合しないものであった。【０００４】
これに対し、作動液が水である水圧ポンプは、漏れが生じた場合でも環境汚染や火災の危険性がない。さらに、水は人体に対して無害であり、医療・食品分野などに応用することが可能である。そのため、水圧ポンプをはじめ、水圧アクチュエータ、水圧制御弁などとともに構成される水圧駆動システム（アクアドライブシステム）は、環境・衛生などへの要求度が高い産業分野において非常に高いニーズを有しており、油圧、空気圧、電動に並ぶ第４の駆動方式として注目されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７６６９８号公報
【特許文献２】昭５４−６２９７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
水圧ポンプは、油圧ポンプと基本的な構造は同じであるため、油圧ポンプに水を用いて作動させることは可能である。しかしながら、水は油に比べて低粘度で潤滑性に乏しいことから、ポンプ部品間の摩擦が大きくなる。ラジアルピストン型液圧ポンプは、ピストンがシリンダ内を往復動することにより作動液を吸入・吐出するものであるが、ピストンは、その一端が摺動プレートに常時押圧され、液密性を保ちながらこのプレート上を摺動する。このような構造から、作動液に水を用いた場合は、ピストンと摺動プレートとの間の摩耗・焼付きなどが問題となり、この問題はポンプの吐出圧力が高い場合に特に顕著となる。【０００７】
それ故、この発明の課題は、高吐出圧で連続運転が可能なラジアルピストン型水圧ポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかるラジアルピストン型水圧ポンプでは、
筒状内面を有するケーシングと、
前記ケーシング内に該ケーシングの軸心より所定量偏心して配設され、内部に吸入ポート、及び吐出ポートを備える偏心シャフトと、
前記偏心シャフト上に回転自在に配設され、内部にシリンダを放射状に形成したシリンダバレルと、
前記シリンダバレル内に形成され、一端が前記シリンダに開口し、他端が前記吸入ポート又は吐出ポートに連通可能な吸排口と、
前記シリンダ内に摺動自在に配設され、その一端がケーシングの円筒面に配設された摺動プレートと摺接し、他端が前記シリンダバレルの回転に応じて前記シリンダ内を往復動するピストンとを備えたラジアルピストン型水圧ポンプにおいて、
前記摺動プレート側のピストン端面につば部を設けたことを特徴とする。【０００９】
ここで、シリンダバレルが「回転」するとは、シリンダバレルが偏心シャフトに対して相対的に回転することをいうものとし、偏心シャフトを固定した状態でシリンダバレルを回転させるだけではなく、シリンダバレルを固定した状態で偏心シャフトを回転させることも含むものとする。また、シリンダバレルと偏心シャフトをそれぞれ速度に差をつけて回転させてもよい。【００１０】
このような構成によれば、ピストンの一端に設けられたつば部により、摺動プレートと摺接するピストンの摺動面部の圧力バランス（詳細は後述する。）を上げることができ、ピストンと摺動プレートの間に水膜が形成されやすくなる。このため、摺動抵抗による焼付き・摩耗などを軽減することができ、これらの部品の耐久性、ひいてはポンプ自体の耐久性を向上させることができる。【００１１】
なお、本発明にかかるラジアルピストン型水圧ポンプは、作動液として水を前提としているが、必要に応じて潤滑剤などを添加してもよい。【００１２】
また、上記構成にあっては、
前記ピストンは、前記摺動プレートに向かって角度θで傾斜するテーパー状の、前記シリンダとの摺動面を有してもよい。【００１３】
ラジアルピストン型水圧ポンプのピストンは、摺動プレートとの摺動により、ピストンの摺動プレート側ほどラジアル方向に大きな力が加わり、ピストン・シリンダ間の摺動面に摩擦が発生するが、このような構成を有することにより、ピストンに加わるラジアル方向の力がピストン・シリンダ間の摺動面全体に分散し、ピストン摺動時の接触抵抗を低減することができる。そのため、ピストン及びシリンダバレルの耐久性を向上させることができるとともに、ピストンの摺動効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明にかかるラジアルピストン型水圧ポンプによれば、作動液として水を用いて、高吐出圧での連続運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施例の内部構造を説明する図である。
【図２】本発明の一実施例の内部構造を説明する図である。
【図３】本発明の一実施例を軸方向から見た図である。
【図４】ピストンを示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図である。
【図５】（ａ）図４（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。（ｂ）（ａ）のＥ部の拡大図である。
【図６】ピストンの寸法を示す図である。
【図７】偏心シャフトを示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図である。
【図８】ポンプの作動原理を説明する図である。
【図９】ポンプの作動原理を説明する図である。
【図１０】ポンプの作動原理を説明する図である。
【図１１】ポンプ内の作動液の流れを説明する図である。
【図１２】本発明の変形例の内部構造を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳述する。但し、これらの実施形態はいずれも例示であり、本発明についての限定的解釈を与えるものではない。なお、図面において、同一又は対応する部分については同一の符号を付すものとする。
【００１７】
（本実施形態の構成について）
図２は本実施形態にかかるラジアルピストン型水圧ポンプ２０の内部構造を示す説明図であり、図７は偏心シャフト２を示す図である。偏心シャフト２は、内部に吸入ポート２Ａ、及び吐出ポート２Ｂを備え、偏心部２Ｃと非偏心部２Ｄ及び２Ｅで構成される。偏心シャフト２の偏心部分２Ｃはケーシング１内のシリンダバレル３と係合し、非偏心部２Ｄはリアケース１１及びベアリング１２と、非偏心部２Ｅはベアリング１３と係合する。
【００１８】
偏心シャフト２の偏心部２Ｃは、非偏心部２Ｄ・２Ｅの軸心、すなわちケーシング１の軸心より所定量ｅだけ偏心している。
【００１９】
図３（ａ）は、本実施形態にかかる水圧ポンプ２０を、図２におけるＢ方向から見た図であり、図３（ｂ）は図２におけるＣ方向から見た図である。本実施形態では、偏心シャフト２を固定し、フロントケース１４を回転させる。フロントケース１４は、電動サーボモータやインバータモータといった電動機などに接続できる構造となっている。シリンダバレル３は、タイミングピン１５及びタイミングリング１６によってフロントケース１１と同期をとる。
【００２０】
なお、本実施形態にかかる水圧ポンプ２０は、フロントケース１４を固定し、偏心シャフト２を回転することによっても、同様のポンプ効果が得られる。
【００２１】
図１は、図２のＡ−Ａ断面を示す説明図である。ケーシング１は、筒状内面を有する。シリンダバレル３は、この面内に、偏心シャフト２の偏心部２Ｃに回転自在に配設され、偏心シャフト２の偏心量ｅだけ偏心して回転する。シリンダバレル３内には、吸排口３Ａが形成されている。この吸排口３Ａは、一端がシリンダ３Ｂに開口し、他端は偏心シャフト２の吸入ポート２Ａ又は吐出ポート２Ｂに連通可能である。
【００２２】
シリンダバレル３のシリンダ３Ｂ内には、ピストン４が摺動自在かつ液密に配設される。ピストン４は、一端がケーシング１の内筒面に配設された摺動プレート５と摺接しながら往復動する。ピストン４は、スプリング１７によって摺動プレート５に押圧される。
【００２３】
図４は、ピストン４を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図である。また図５は、図４（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。ピストン４は、作動液の貫通孔４Ｂに加えて、ピストン４と摺動プレート５との間に作動液膜を形成するための直線状の溝４Ｃ及び円状の溝４Ｄが設けられている。
【００２４】
なお、本明細書において、「作動液」とは、油圧ポンプの場合は油を、水圧ポンプの場合は水を意味するものとし、「作動液膜」とは、油圧ポンプの場合は油膜を、水圧ポンプの場合は水膜を意味するものとする。ただし、「水」は従来の油に対立する概念として広義に解し、油に比べて低粘度で潤滑性に乏しい液体を意味する。
【００２５】
ピストン４は、シリンダバレル３の偏心回転にしたがって、シリンダ３Ｂ内を往復動する。この往復動により、シリンダバレル３、ピストン４、及び摺動プレート５で区画されるシリンダ室の容積が順次増減し、ポンプ作用が発生することで、作動液の吸入・吐出が実現される。
【００２６】
（ピストンの圧力バランスについて）
ポンプ２０作動時は、ピストン４と摺動プレート５との間に作動液膜が形成され、ピストン４と摺動プレート５は作動液膜を介して摺動する。この場合、作動液膜の形成されやすさは、ピストンの摺動面部の圧力バランスにより決まる。
【００２７】
「ピストンの摺動面部の圧力バランス」は、ピストン４が摺動プレート５に押しつけられる力に対する、ピストン４が作動液圧によって摺動プレート５側から押し返される力の比率（単位［％］）、を表すものとする。ピストン４は、スプリング１７の反力、ピストン４自体の回転による遠心力、及び作動液の圧力によって、摺動プレート５に押しつけられるが、ポンプ２０作動時は、作動液の圧力が支配的となる。そこで、ピストンの摺動面部の圧力バランスＫｐは、ピストン４の摺動プレート５側の端面の外径ｄ１、ピストン４と摺動プレート５との間に作動液膜を形成するための円状の溝４Ｄの外径ｄ２、及びピストン４の偏心シャフト２側の端面の外径ｄを用いて、下記計算式により求めることができる。
Ｋｐ＝（ｄ１２＋ｄ１ｄ２＋ｄ２２）／３ｄ２×１００    ・・・・・（１）
【００２８】
なお、本明細書において、単に「圧力バランス」という場合は、ピストンの摺動面部の圧力バランスを指すものとする。
【００２９】
一般的に、油を作動液とするラジアルピストン型油圧ポンプにおいては、圧力バランスが８０％程度で設計されている。しかしながら、水を作動液とするラジアルピストン型水圧ポンプ２０においては、前記の圧力バランスでポンプ２０を作動すると、水は油に比べて低粘度で潤滑性に乏しいことから、摺動面において十分な摺動性を確保できず、摩耗・焼付きなどが発生しやすくなる。
【００３０】
そこで、本実施形態におけるピストン４は、油圧ポンプに用いられるピストン４を一部変更し、摺動プレート５と摺動する側のピストン４の端面につば部４Ａを設けた。すなわち、図６におけるｄ１を拡大するようにピストン４の形状を変更した（ｄ２、ｄは変更せず）。こうすることで、ピストン４と摺動プレート５の接触面積が増加し、ピストン４が摺動プレート５に押しつけられる力を変えることなく、作動液圧によって摺動プレート５側からピストン４が押し返される力を大きくすることができ、圧力バランスを上げることができる。つまり、つば部４Ａは、圧力バランス調整部として機能する。
【００３１】
圧力バランスが上がると、ピストン４と摺動プレート５との間に水膜が発生しやすくなり、かかる水膜によってピストン４と摺動プレート５の摺動性を向上させることができる。その結果、ピストン４と摺動プレート５の摩耗が低減され、これらの部品の耐久性、ひいてはポンプ２０自体の耐久性が向上する。
【００３２】
なお、圧力バランスが１００％に近くなると、ピストン４が摺動プレート５に押しつけられる力と、摺動プレート５がピストン４を押し返す力が拮抗し、ピストン４と摺動プレート５の間で十分な液密性を得られなくなる。この場合、ピストン４と摺動プレート５の間から作動液が漏れ、吐出圧力やポンプ効率が低下するなどの弊害が生じる。よって、圧力バランスは、ピストン４と摺動プレート５の間の液密性が得られる範囲内で設定することが望ましい。
【００３３】
（ピストンのテーパー形状について）
図５は、ピストン４の形状を説明する図である。図５（ｂ）は同図（ａ）のＥ部を拡大したものであり、つば部４Ａ近傍、すなわち摺動プレート５側のピストン４端面付近の形状を示している。この図に示すように、ピストン４は、前記摺動プレート５に向かって角度θで傾斜するテーパー状の、前記シリンダ３Ｂとの摺動面を有している。
【００３４】
ピストン４は、摺動プレート５との摺動により、ピストン４の摺動プレート５側ほどラジアル方向に大きな力が加わり、ピストン４とシリンダ３Ｂとの間の摺動面に摩擦が発生するが、摺動面を摺動プレート５に向かって傾斜するテーパー形状とすることで、ピストン４に加わるラジアル方向の力が摺動面全体に分散し、ピストン４摺動時の接触抵抗を低減することができる。そのため、ピストン４及びシリンダバレル３の耐久性を向上させることができるとともに、ピストン４の摺動効率を向上することができる。
【００３５】
以上のような構成を有することにより、本実施形態にかかる水圧ポンプ２０は、１００気圧を超える吐出圧力で１０００時間以上の連続運転が可能である。
【００３６】
（ポンプの作動原理について）
図８〜１０はポンプの作動原理を説明した図である。ケーシング１は反時計回りに回転するものとする。シリンダバレル３はケーシング１の軸心に対し、図面下方向に所定量ｅだけ偏心して回転する。
【００３７】
図８（ａ）において、ピストン４１は、シリンダバレル３が反時計回りに偏心回転することにより、シリンダ３Ｂ内を摺動プレート５１方向に摺動し、シリンダバレル３、ピストン４１、及び摺動プレート５１で区画されるシリンダ室６１の容積が増加する。シリンダ室６１は、吸排口３Ａに連通する開口部を除いて液密に保たれており、シリンダ室６１が負圧となることで、作動液が吸排口３Ａを介して吸入ポート２Ａから吸入される。また同様の原理で、シリンダ室６２にも作動液が吸入される。
【００３８】
ピストン４３は、シリンダバレル３の偏心回転により、シリンダバレル３Ｂ内を偏心シャフト２側に摺動し、シリンダ室６３の容積が減少する。そのため、作動液はピストン４３及び摺動プレート５３の圧力により吸排口３Ａを通って吐出ポート２Ｂへ吐出される。また同様の原理で、シリンダ室６４から作動液が吐出される。
【００３９】
ピストン４５は、シリンダ室６５の容積が最も小さくなる位置（いわゆる下死点）にあり、吸入も吐出も行わず、シリンダ室６５の開口部は、吸入ポート２Ａ及び吐出ポート２Ｂのいずれとも連通しない。なお、ピストンがシリンダ室の容積が最も大きくなる位置（いわゆる上死点）にある場合も同様である。
【００４０】
図８（ｂ）、図９（ｃ）・（ｄ）、図１０（ｅ）は、ケーシング１を図８（ａ）の状態からそれぞれ７２°ずつ反時計回りに回転させたときの状態を示す図である。これらの状態における各ピストンの吸入・吐出状態を表１にまとめる。
【００４１】
[表１]
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【００４２】
なお、ケーシング１を逆方向に回転させることで、それぞれのピストン４の吸入・吐出が反転する。よって、本実施形態における水圧ポンプ２０は、ケーシング１、すなわちフロントケース１４の回転方向を変えることにより、吸入ポート２Ａ及び吐出ポート２Ｂにおける吸入・吐出方向を切り替えることが可能である。
【００４３】
（ポンプ内の水の流れについて）
図１１はポンプ２０内の水の流れを説明する図である。図１１（ａ）における各ピストンは図８（ａ）と同じ状態にある。図１１（ｂ）は同図（ａ）のＨ−Ｈ断面図である。図８（ａ）を用いて説明したように、ピストン４１・４２が吸入工程、ピストン４３・４４が吐出工程にある。
【００４４】
ピストン４１・４２は、シリンダバレルの開口部３Ａを介して、偏心シャフト２の吸入ポート２Ａと連通しており、ピストン４１・４２の吸入作用により、作動液が吸入ポート２Ａから吸入される（図９における右上がり斜線部）。同様に、ピストン４３・４４は、シリンダバレルの開口部３Ａを介して、偏心シャフト２の吐出ポート２ＢＡと連通しており、ピストン４３・４４の吐出作用により、作動液が吸入ポート２Ｂから吐出される（図９における右下がり斜線部）。いわゆる下死点の位置にあるピストン４５は、吸入も吐出も行わず、吸入ポート２Ａ・吐出ポート２Ｂのいずれにも連通していない。
【００４５】
なお、本実施形態における水圧ポンプ２０は５つのピストン４を備えるが、必要に応じて増減してもよい。この場合、ピストン４の数が多いほど、偏心シャフト２の吸入ポート２Ａ・吐出ポート２Ｂにおける脈動幅を低減することができる。さらに、ピストン４の数を奇数とすることで、吸入・吐出の位相をずらすことができ、同様の脈動を低減することができる。ただし、ピストン４の数を増やすと部品点数が増加し、構造が煩雑となるため、ピストン４の数を増やしすぎることは現実的ではない。
【００４６】
また、本実施形態では、従来のラジアルピストン型油圧ポンプにおけるピストン４の形状変更によって油圧ポンプから水圧ポンプ２０への転換を試みたが、必要に応じて、材質変更や表面処理を実施してもよい。
【００４７】
（変形例）
変形例として、上述の実施形態にかかるラジアルピストン型水圧ポンプ２０において、さらに、偏心シャフト２とシリンダバレル３との間に、樹脂からなる軸受部材１８を備えてもよい。図１２は、本変形例にかかるラジアルピストン型水圧ポンプ３０の内部構造を説明する図である。軸受部材１８が偏心シャフト２とシリンダバレル３との間に配設されることにより、ポンプ作動時の偏心シャフト２とシリンダバレル３との摩擦による疲労や発熱を抑制でき、これらの部品の耐久性を向上させることができる。軸受部材１８に用いられる樹脂としては、フェノール樹脂、フッ素樹脂、カーボン等が例示されるが、耐摩耗性及び耐荷重性に優れるという点でフェノール樹脂を用いることが好ましい。
【００４８】
なお、シリンダバレル３の形状は、図面に示されたものに限定されず、製造時の加工性等を考慮し、その作用効果を奏する範囲内で適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１  ケーシング
２  偏心シャフト
２Ａ  吸入ポート
２Ｂ  吐出ポート
２Ｃ  偏心部
２Ｄ  非偏心部
２Ｅ  非偏心部
３  シリンダバレル
３Ａ  吸排口
３Ｂ  シリンダ
４  ピストン
４Ａ  つば部
４Ｂ  貫通孔
４Ｃ  溝
４Ｄ  溝
５  摺動プレート
１１  リアケース
１２  ベアリング
１３  ベアリング
１４  フロントケース
１５  タイミングピン
１６  タイミングリング
１７  スプリング
１８  軸受部材
２０，３０  水圧ポンプ
４１，４２，４３，４４，４５  ピストン
５１，５２，５３，５４，５５  摺動プレート
６１，６２，６３，６４，６５  シリンダ室  
【図１】
2014203962.tif 000004
【図２】
2014203962.tif 000005
【図３】
2014203962.tif 000006
【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】
2014203962.tif 000013
【図１１】
2014203962.tif 000014
【図１２】
2014203962.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成27年12月14日(2015.12.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状内面を有するケーシングと、
前記ケーシング内に該ケーシングの軸心より所定量偏心して配設され、内部に吸入ポート、及び吐出ポートを備える偏心シャフトと、
前記偏心シャフト上に回転自在に配設され、内部にシリンダを放射状に形成したシリンダバレルと、
前記シリンダバレル内に形成され、一端が前記シリンダに開口し、他端が前記吸入ポート又は吐出ポートに連通可能な吸排口と、
前記シリンダ内に摺動自在に配設され、その一端がケーシングの円筒面に配設された摺動プレートと摺接し、他端が前記シリンダバレルの回転に応じて前記シリンダ内を往復動するピストンとを備えたラジアルピストン型水圧ポンプにおいて、
前記摺動プレート側のピストン端面につば部が設けられ、
前記偏心シャフトと前記シリンダバレルとの間に、樹脂からなる軸受部材を備えることを特徴とするラジアルピストン型水圧ポンプ。
【請求項２】
前記ピストンは、前記摺動プレートに向かって角度θで傾斜するテーパー状の、前記シリンダとの摺動面を有することを特徴とする請求項１に記載のラジアルピストン型水圧ポンプ。
【国際調査報告】
2014203962.tif 000016
2014203962.tif 000017