(57)【要約】【課題】ロータ製作時の溶接不良および永久磁石の熱減磁がなく、高出力で安定した高速回転の得られる永久磁石形回転電機およびその製造方法を提供する。【解決手段】電機子鉄心に電機子巻線を巻回して構成したステータ１と、このステータ１の軸心部に回転可能に内装されたロータ５とを有し、前記ロータ５は、軸受７に支承されたシャフト９と、前記シャフト９の周面を覆い前記シャフト９の軸方向に沿って複数設けられ相互に溶接結合されるとともに端部のものは前記シャフトに溶接結合された複数の保持環１３と、前記保持環１３の内周面に固着された界磁用の複数の永久磁石１１とを備えてなる永久磁石形回転電機において、前記保持環同士および保持環とシャフトの溶接結合部２３，２４の内側の空間と機外とを連通する気抜き孔２６を前記シャフト９に設けた構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子鉄心に電機子巻線を巻回して構成したステータと、このステータの軸心部に回転可能に内装されたロータとを有し、前記ロータは、軸受に支承されたシャフトと、前記シャフトの周面を覆い前記シャフトの軸方向に沿って複数設けられ相互に溶接結合されるとともに端部のものは前記シャフトに溶接結合された複数の保持環と、前記保持環の内周面に固着された界磁用の複数の永久磁石とを備えてなる永久磁石形回転電機において、前記保持環同士および保持環とシャフトの溶接結合部の内側の空間と機外とを連通する気抜き孔を前記シャフトに設けたことを特徴とする永久磁石形回転電機。
【請求項２】
前記気抜き孔は、前記シャフトの中心に設けられた中心孔を介して機外と連通することを特徴とする請求項１記載の永久磁石形回転電機。
【請求項３】
前記保持環と前記シャフトとの溶接結合部の半径方向位置は、前記永久磁石の位置より内径側であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石形回転電機。
【請求項４】
前記保持環に前記永久磁石の軸方向位置を決める突起を設けたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石形回転電機。
【請求項５】
前記シャフトに、前記シャフトと前記保持環との溶接により発生する高温金属粒子が前記永久磁石に吹き付けられることを防止する突起を設けたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石形回転電機。
【請求項６】
前記保持環と前記シャフトとの溶接結合部は、前記保持環および前記シャフトとは材質の異なる中間部材が介在されて溶接結合されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石形回転電機。
【請求項７】
前記中間部材は、リング形状または薄肉のシート形状であることを特徴とする請求項６記載の永久磁石形回転電機。
【請求項８】
前記中間部材は、溶接結合前に前記保持環または前記シャフトに肉盛り形成されることを特徴とする請求項６記載の永久磁石形回転電機。
【請求項９】
前記保持環および前記シャフトの材料は各々ＳＵＳ６３０、ＳＣＭ４３５であり、前記中間部材はＳＵＳ３０９であることを特徴とする請求項６記載の永久磁石形回転電機。
【請求項１０】
軸方向に沿って複数設けられた前記保持環同士の溶接結合は、実際のシャフトを使用せず、気抜き孔を有する模擬シャフトによって前記保持環を支持して行うことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形回転電機の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータに設けられた永久磁石の外周表面を保持環で覆った高速回転用の永久磁石形回転電機およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の永久磁石形回転電機は例えば下記特許文献１に記載されており、図７のようになっている。図７において、符号１０１および１０５は、それぞれ永久磁石形回転電機のステータおよびロータを示しており、ステータ１０１は電機子鉄心に電機子巻線（図示していない）を巻回した構造となっている。
【０００３】
ロータ１０５は軸受１０７によりステータ１０１の軸心部に回転可能に支持されると共に、シャフト１０９の周面に配置された複数の界磁用の永久磁石１１１と、この永久磁石１１１を取囲む保持環１１３ａ，１１３ｂとで構成されている。シャフト１０９は、両サイドに円板状のフランジ部１０９ａを有すると共に、中央部位で所定の隙間ｅを有して２つに分割されている。
【０００４】
保持環は、端部と中央部の３つの部分からなり、端部の保持環１１３ａには、前記シャフト１０９のフランジ部１０９ａと対向し合うほぼ同一径のエンドリング部１１５が形成されている。エンドリング部１１５は永久磁石１１１の軸方向の動きを規制すると共に、中心部位には、中心軸心孔１１７が貫通して形成されている。中心軸心孔１１７はシャフト１０９の軸径より若干径大に形成され、シャフト１０９に対して軸心線上に位置決めされた状態で嵌挿している。
【０００５】
中央に位置する保持環１１３ｂの中央部位にはエンドリング部１１９が形成され、その中心部位には中心軸心孔１２１が貫通して形成されている。中心軸心孔１２１は、シャフト１０９の軸径より若干径大に形成され、シャフト１０９に対して軸心線上に位置決めされた状態で嵌挿している。シャフト１０９は中央に位置する保持環１１３ｂのエンドリング部１１９の厚み内において前記した如く左右２つの部分が突き合わせられた形状となっている。
【０００６】
図８は、図７の“ＶＩＩＩ”部拡大図である。図８に示すように、中央に位置する保持環１１３ｂと左右に位置する保持環１１３ａの各突合せ面、および、端部の保持環１１３ａとシャフト１０９のフランジ部１０９ａの突合せ面は、電子ビーム溶接によって溶接部Ｗを形成して一体に結合されている。これにより、溶接部Ｗの幅は数ミリで済むようになっている。
【０００７】
永久磁石１１１は、保持環１１３ａ，１１３ｂの軸心方向の長さより短く設定された断面円弧状に形成されると共に、外周面は保持環１１３ａ，１１３ｂの内周面に接着剤１２２等の手段によって固定支持されている。永久磁石１１１は、内周側がＳ極、外周側がＮ極に磁化されたものと内周側がＮ極、外周側がＳ極に磁化されたものとが極数に応じてシャフト１０９に沿って交互に配置され、界磁を発生する。
【０００８】
永久磁石１１１と永久磁石１１１の対向面は、中間に位置する保持環１１３ｂと端部に位置する保持環１１３ａとの溶接部Ｗに近接しており、端面外縁１１１ａは、リング状に削り落された形状となっている。これにより、保持環溶接時の熱の影響を直接受けるのが回避され、永久磁石１１１の特性の劣化を防ぐことができる。
【０００９】
このように構成された永久磁石形回転電機においては、ステータ１０１によって発生せられた回転磁界とロータ１０５が発生する界磁とにより回転トルクを発生し、ロータ５が回転する。この回転時において保持環１１３ａ，１１３ｂは、ロータ１０５が回転することによって作用する遠心力で永久磁石１１１が飛散するのを防ぐため、高速回転が可能となる。
【００１０】
同時に、保持環１１３ａ，１１３ｂ及びシャフト１０９は一体構造であるため、ロータ１０５は高い強度剛性を有する。また、シャフト１０９が熱の影響で伸びても、分割部の隙間ｅによって、その伸び代を吸収し、振動の突然の変化、熱曲がり等を未然に防ぎ、安定した高速回転が得られる。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−２７８８９８号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
一般的な電子ビーム溶接では、溶接対象物を真空チャンバ内に設置し、チャンバ内を真空状態にして溶接を行なっている。上記のように、従来の永久磁石形回転電機では、ロータ１０５の界磁発生手段として永久磁石１１１を用い、中央に位置する保持環１１３ｂと端部に位置する保持環１１３ａの各突合せ面と、端部の保持環１１３ａとシャフト１０９のフランジ部１０９ａの突合せ面が、電子ビーム溶接によって一体に結合されるが、溶接する際、保持環１１３ａ，１１３ｂとシャフト１０９で囲まれた空間が密封された状態となっているため、保持環１１３ａ，１１３ｂとシャフト１０９で囲まれた空間内は、十分な真空状態にすることが出来ず、且つ溶接により発生する金属蒸気により、内部の圧力が上昇し、金属蒸気が溶接部Ｗより噴出するため、溶接不良が生じやすい。
【００１３】
また、中央に位置する保持環１１３ｂと左右に位置する保持環１１３ａの各突合せ面を溶接する場合、保持環の外周側に電子ビームを照射し、保持環の突合せ溶接を行なうが、溶接時に電子ビーム照射面と反対側（保持環の内周面）から高温金属粒子Ｐ（スパッタ）が放射状に発生する。
【００１４】
従来構造では永久磁石１１１と溶接部Ｗの位置が近接しているので、溶接によって発生する高温金属粒子Ｐが、永久磁石１１１を保持環１１３ａ，１１３ｂに固定している接着剤１２２に付着する。そのため、高温金属粒子Ｐの熱により接着剤１２２が気化し、溶接チャンバ内の真空度が低下して溶接不良が生じる。
【００１５】
従って、従来の永久磁石形回転電機では、保持環１１３ａ，１１３ｂの突合せ溶接、及び保持環１１３ａ，１１３ｂとシャフト１０９の溶接部が不完全な溶接結合となってしまい、高速回転に耐え得る溶接強度を得ることが出来ない状況となりやすい。
【００１６】
同様に、従来構造では永久磁石１１１と溶接部Ｗの位置が近接しているため、溶接により発生する高温金属粒子Ｐ（スパッタ）が永久磁石１１１に付着し、高温金属粒子Ｐの熱により、永久磁石１１１に局部的な熱減磁が生じる。従って、永久磁石１１１の熱減磁を生じた部分から磁束が発生されず、十分な界磁を得ることが出来ないため、永久磁石形回転電機の所定の出力（トルク）が得られない。
【００１７】
このように、従来の永久磁石形回転電機においては、溶接時の金属蒸気によるロータ１０５の内部圧力上昇、及び永久磁石固定用接着剤１２２の気化による溶接チャンバ内真空度低下により、保持環１１３ａ，１１３ｂおよびシャフト１０９の溶接部Ｗの溶接不良が生じやすく、また、永久磁石１１１の熱減磁による回転電機出力の低下が生じがちである。
【００１８】
そこで本発明は、ロータ製作時の溶接不良および永久磁石の熱減磁がなく、高出力で安定した高速回転の得られる永久磁石形回転電機およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、電機子鉄心に電機子巻線を巻回して構成したステータと、このステータの軸心部に回転可能に内装されたロータとを有し、前記ロータは、軸受に支承されたシャフトと、前記シャフトの周面を覆い前記シャフトの軸方向に沿って複数設けられ相互に溶接結合されるとともに端部のものは前記シャフトに溶接結合された複数の保持環と、前記保持環の内周面に固着された界磁用の複数の永久磁石を備えてなる永久磁石形回転電機において、前記保持環同士および保持環とシャフトの溶接結合部の内側の空間と機外とを連通する気抜き孔を前記シャフトに設けた構成とする。
【００２０】
請求項２の発明は、前記気抜き孔は、前記シャフトの中心に設けられた中心孔を介して機外と連通する構成とする。
請求項３の発明は、前記保持環と前記シャフトとの溶接結合部の半径方向位置は、前記永久磁石の位置より内径側である構成とする。
【００２１】
請求項４の発明は、前記保持環に前記永久磁石の軸方向位置を決める突起を設けた構成とする。
請求項５の発明は、前記シャフトに、前記シャフトと前記保持環との溶接により発生する高温金属粒子が前記永久磁石に吹き付けられることを防止する突起を設けた構成とする。
【００２２】
請求項６の発明は、前記保持環と前記シャフトとの溶接結合部は、前記保持環および前記シャフトとは材質の異なる中間部材が介在されて溶接結合されている構成とする。
請求項７の発明は、前記中間部材は、リング形状または薄肉のシート形状である構成とする。
請求項８の発明は、前記中間部材は、溶接結合前に前記保持環または前記シャフトに肉盛り形成される構成とする。
【００２３】
請求項９の発明は、前記保持環および前記シャフトの材料は各々ＳＵＳ６３０、ＳＣＭ４３５であり、前記中間部材はＳＵＳ３０９である構成とする。
請求項１０の発明は製造方法であり、軸方向に沿って複数設けられた前記保持環同士の溶接結合は、実際のシャフトを使用せず、気抜き孔を有する模擬シャフトによって前記保持環を支持して行う構成とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１、図２および図３を参照して本発明の第１の実施の形態を説明する。図１はこの実施の形態の永久磁石形回転電機の概要断面図である。図２はこの実施の形態の永久磁石形回転電機に備えられる保持環の断面図である。図３は図１のＩＩＩ部分の拡大断面図である。
【００２５】
図１において、符号１は、永久磁石形回転電機のステータ、５はロータをそれぞれ示しており、ステータ１は電機子鉄心に電機子巻線（図示していない）を巻回した構造となっている。ロータ５は軸受７に支持されたシャフト９を備えてステータ１の軸心部に回転可能に設けられており、シャフト９の周面を取囲む保持環１３と、保持環１３の内周面に配置された複数の界磁用の永久磁石１１とで構成されている。
【００２６】
保持環１３は軸方向左右の２つが備えられ、左右の保持環１３，１３は保持環突合せ結合部３１で電子ビーム溶接により溶接部２３を形成し結合されている。また、保持環片側軸端側に、シャフト９の軸径より若干径大に形成された嵌合部３２を有し、シャフト９に対し軸心線上に位置決めされた状態で嵌挿され、シャフト９と保持環１３は嵌合部３２で電子ビーム溶接により溶接部２４を形成し結合されている。尚、電子ビーム溶接は、真空チャンバ内にロータ５を設置し、真空チャンバ内を真空状態に保って行なう。
【００２７】
シャフト９は、半径方向中心に中心孔２５を設け、シャフト９の軸方向中央部、及び軸方向両端部に、中心から半径方向外周側に向かってに貫通する気抜き孔２６を複数個設けている。また、気抜き孔２６のシャフト外周側端にはシャフト９を一周する円周方向溝２６ａを形成してあり、円周方向溝２６ａの外径側には保持環１３の内周面との間に環状空間３０が形成されている。
【００２８】
このような構成により、保持環突合せ溶接部２３、及びシャフト９と保持環１３の溶接部２４を電子ビーム溶接にて溶接する際に、保持環１３とシャフト９で閉じられる空間とロータ５の外部とが、環状空間３０、シャフト９に設けられた円周方向溝２６ａ、気抜き孔２６、及び中心孔２５により連通する。
【００２９】
そのため、保持環１３とシャフト９で閉じられた空間の真空度を溶接に必要な真空状態とすることができ、且つ溶接により発生する金属蒸気を十分に排出することが可能となり、内部の圧力上昇を回避し、溶接不良による溶接強度低下を防止することできる。更に気抜き孔２６を複数個設けているため、大量の金属蒸気が発生した場合においても、十分に排出することができ、同様に溶接不良による溶接強度低下を防止することできる。
【００３０】
永久磁石１１の外周面は保持環１３の内周面に接着剤等の手段により固定支持されている。永久磁石１１は、内周側がＳ極、外周側がＮ極に磁化されたものと、内周側がＮ極、外周側がＳ極に磁化されたものとが極数に応じて前記保持環１３内周面に交互に配置され、界磁を発生する。
【００３１】
保持環１３とシャフト９とを溶接結合する溶接部２４の半径方向位置は、永久磁石１１の半径方向位置に対し、より内径側に配置されている。これにより、保持環１３とシャフト９とを溶接結合する際に発生する高温金属粒子（スパッタ）が永久磁石１１及び永久磁石１１を固定支持している接着剤に付着することを防ぐことができる。その結果、接着剤が気化することなく、真空チャンバの真空度を保持することができ、溶接不良を回避することができる。また、永久磁石１１の熱減磁も回避することができるため、回転電機出力の低下をきたすことなく、ロータ５を製作することが出来る。
【００３２】
永久磁石１１の軸方向位置は、保持環内周面に設けられている永久磁石位置決め用突起２７により固定支持されており、保持環１３の内周面に永久磁石１１を貼り付ける際、正確な軸方向位置に永久磁石１１を配置することができ、且つ容易に位置決め調整を行なうことが可能となり、永久磁石貼り付け作業時間を短縮することができる。
【００３３】
また、永久磁石位置決め用突起２７により、溶接時に保持環１３とシャフト９との溶接部２４から発生する高温金属粒子が永久磁石１１及び永久磁石１１を固定している接着剤に付着することを防ぐことができる。その結果、接着剤が気化することなく、真空チャンバの真空度を保持でき、溶接不良を回避することができる。また、永久磁石１１の熱減磁も回避することができるため、回転電機出力の低下をきたすことなく、ロータ５を製作することが出来る。
【００３４】
また、シャフト９の保持環１３と溶接結合する溶接部２４に第３の金属を溶接により予め肉盛りし、その後シャフトと同軸心で、高精度の機械仕上げ加工を行い、保持環１３との嵌合を同一軸線上に、高精度な同芯度で組み立てることが可能となる。これにより、バランスの保たれたロータ５を構成できるため、安定した高速回転を得ることができる。
【００３５】
さらに、材質が異なる保持環１３とシャフト９の間に第３の金属を介在させて溶接することにより、異種材料間の結合を弱くする金属組織の生成が防止され、溶接部の強度が向上する中間層が生成され、高強度の溶接部２４が得られる。従って、高遠心力が発生する高速回転においても、安定した運転が可能となる。
【００３６】
具体的には、保持環１３とシャフト９の材料が各々Ｃｒ−Ｎｉ系ステンレス鋼ＳＵＳ６３０（ＪＩＳ記号）、Ｃｒ−Ｍ鋼ＳＣＭ４３５（ＪＩＳ記号）とした場合、溶接部に挟み込む第３の金属をＣｒ−Ｎｉ系ステンレス鋼ＳＵＳ３０９（ＪＩＳ記号）とすることにより、保持環１３とシャフト９との結合はより強固なものとなり、溶接部２４の溶接強度を格段に向上させることができる。
【００３７】
次に本発明の第２の実施の形態について図４と図５を参照して説明する。図４はこの実施の形態における模擬シャフトを用いた保持環突合せ溶接時の配置を示す軸断面図である。図５はこの実施の形態における永久磁石形回転電機の概要断面図である。
【００３８】
この実施の形態においては図４に示すように、保持環突合せ溶接時には模擬シャフト４１を用い、保持環１３を軸方向両端の嵌合部４２で支持した状態で溶接を行う。模擬シャフト４１は、半径方向中心に中心孔２５を設け、また、保持環突合せ溶接部２３に対応する軸方向中央部中心から半径方向外周側に向かってに貫通する気抜き孔２６を複数個設けている。
【００３９】
これにより、保持環突合せ溶接部２３を電子ビーム溶接にて溶接する際に、保持環１３と模擬シャフト４１で閉じられる空間と外気とが、模擬シャフト４１に設けられた気抜き孔２６及び中心孔２５により通じているため、保持環１３と模擬シャフト４１で閉じられた空間の真空度を溶接に必要な真空状態とすることができ、且つ溶接により発生する金属蒸気を十分に排出することが可能となる。その結果、内部の圧力上昇を回避し、溶接不良による溶接強度低下を防止することできる。更に気抜き孔２６を複数個設けているため、大量の金属蒸気が発生した場合においても、十分に排出することができ、効果的に溶接不良による溶接強度低下を防止することできる。
【００４０】
上記のように、この実施の形態は保持環突合せ溶接時に模擬シャフト４１を用い、保持環１３を軸方向両端の嵌合部４２で支持して溶接を行うため、実際使用するシャフト９の軸中央部に気抜き孔（図１の２６）、及び保持環１３とシャフト９内で閉じられた空間と気抜き孔との連通を促進するための円周方向溝（図１の２６ａ）が不要となり、シャフト剛性を低下させることなく、ロータ５を製作することができる。従って、ロータ５の固有振動数を低下させることなく、高速回転においても、安定した運転が可能となる。
【００４１】
次に本発明の第３の実施の形態について図６を参照して説明する。この実施の形態においては、シャフト９の軸端側に溶接により発生する高温金属粒子が永久磁石１１のほうへ飛散するのを防止する突起２８を設けている。これにより、溶接時に保持環１３とシャフト９との溶接部２４から発生する高温金属粒子が永久磁石１１及び永久磁石１１を固定している接着剤に付着することを防ぐことができる。その結果、接着剤が気化することなく、真空チャンバの真空度を保持でき、溶接不良を回避することができる。また、永久磁石１１の熱減磁も回避することができるため、回転電機出力の低下をきたすことなく、ロータ５を製作することが出来る。
【００４２】
また、この実施の形態においては、保持環１３とシャフト９は、溶接部２４にリング状の中間部材２９を挟み込み、溶接により結合されている。リング状中間部材２９は、シャフト９、若しくは保持環１３の溶接部２４に容易に嵌め込むことが可能であり、作業効率が向上し、製作時間を短縮することができる。また、リング状の中間部材２９は、組立前に機械加工により同芯度を出すことができるため、シャフト９若しくは保持環１３との嵌合を同一軸線上に、高精度な同芯度で組み立てることができる。したがって、バランスの保たれたロータ５を構成できるため、安定した高速回転を得ることができる。
【００４３】
また、この中間部材２９の形状は、薄肉のシート状としてもよい。これにより、シート状の金属は安価で入手が容易であるため、製造コストを低減することができる。また、作業時の取扱いが容易であるため、製作時間を短縮することができる。なお、中間部材２９は前記第１の実施の形態における第３の金属と同じ組成によって同じ効果を生じる。
【００４４】
さらに、保持環１３、及びシャフト９の溶接は、レーザー溶接で溶接するのが良い。レーザ溶接で保持環１３及びシャフト９の溶接を行なうことにより、大気中で溶接することが可能となり、真空に引くための溶接専用容器、若しくは真空引きの作業が不要となり、製造に要する工程、及び時間を短縮することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、ロータ製作時の溶接不良および永久磁石の熱減磁がなく、高出力で安定した高速回転の得られる永久磁石形回転電機およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の永久磁石形回転電機の概要断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の永久磁石形回転電機に備えられる保持環の断面図。
【図３】図１のＩＩＩの部分の拡大図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の永久磁石形回転電機の製造方法を示す概要断面図。
【図５】本発明の第２の実施の形態の永久磁石形回転電機の概要断面図。
【図６】本発明の第３の実施の形態の永久磁石形回転電機の要部を示す断面図。
【図７】従来の永久磁石形回転電機の概要断面図。
【図８】図７のＶＩＩＩの部分の拡大図。
【符号の説明】
１…ステータ、５…ロータ、７…軸受、９…シャフト、１１…永久磁石、１３…保持環、２３…溶接部、２４…溶接部、２５…中心孔、２６…気抜き孔、２６ａ…円周方向溝、２７…永久磁石位置決め用突起、２８…高温金属粒子防止用突起、２９…リング状中間部材、３０…環状空間、３１…保持環突合せ結合部、３２…保持環シャフト嵌合部、４１…模擬シャフト、４２…嵌合部、１０１…ステータ、１０５…ロータ、１０７…軸受、１０９…シャフト、１０９ａ…円板状フランジ部、１１１…永久磁石、１１１ａ…永久磁石端面外縁、１１３ａ，１１３ｂ…保持環、１１５…エンドリング部、１１７…中心軸心孔、１１９…エンドリング部、１２１…中心軸心孔、１２２…接着剤、Ｗ…溶接部、Ｐ…高温金属粒子、ｅ…隙間。
【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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