(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィラメントワインディング装置であって、
繊維の繰出部と、
前記繊維が巻かれる対象物に前記繊維を送出する繊維送出装置と、
前記対象物に前記繊維を巻くときの位置指令値に基づいて前記繊維送出装置の移動を制御する制御部と、
を備え、
前記対象物は、前記繊維が巻かれる領域が略円筒形のストレート部と、前記繊維が巻かれる領域が略半球形のドーム部とを有し、
前記制御部は、前記位置指令値から速度指令値を算出し、前記ストレート部に前記繊維を巻くときに、前記速度指令値の移動平均を算出することで、前記速度指令値における変化を抑制するように、前記速度指令値をスムージングする、フィラメントワインディング装置。
【請求項２】
請求項１に記載のフィラメントワインディング装置において、
前記制御部は、前記スムージングを行う第１の領域と前記スムージングを行わない第２の領域との境界付近において、前記第２の領域の速度指令値を前記移動平均の算出に用いず、前記第１の領域の速度指令値のみを前記移動平均の算出に用いる、フィラメントワインディング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィラメントワインディング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ドーム部とストレート部とを有するライナーの外周面に繊維束を巻きつけるフィラメントワインディング装置が知られている（例えば特許文献１）。このフィラメントワインディング装置では、ライナーのドーム部とストレート部のそれぞれにおいて、繊維束ガイド（「繊維束供給口」とも呼ぶ。）の移動速度を変化させることで、各工程において、限界速度を超えること無く、フィラメントワインディング工程全体の時間を短縮している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−６３５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、繊維束ガイドを移動させる制御を繊維束ガイドの位置指令値で制御する場合、位置指令値に基づいた繊維束ガイドの指令速度値が細かく増減し、繊維束ガイドの加速度が大きく変動する。この加速度の変動が繊維束ガイドの速度変動に対するノイズとなる場合がある。かかる場合、繊維束ガイドの速度変動が激しく、滑らかに繊維束ガイドを加減速することが出来ないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、フィラメントワインディング装置が提供される。このフィラメントワインディング装置は、繊維の繰出部と、前記繊維が巻かれる対象物に前記繊維を送出する繊維送出装置と、前記対象物に前記繊維を巻くときの位置指令値に基づいて前記繊維送出装置の移動を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記位置指令値から速度指令値を算出し、前記速度指令値における変化を抑制するように、前記速度指令値をスムージングする。この形態によれば、繊維送出装置の速度指令値をスムージングするので、繊維送出装置の速度変動が抑制され、なめらかな加速が実現できるので、繊維送出装置の移動を容易に高速化できる。
【０００７】
（２）上記形態のフィラメントワインディング装置において、前記制御部は、１個の前記対象物について、前記繊維を巻く全工程のうち、一部の工程について前記スムージングを行ってもよい。繊維を巻く全工程のうち、一部の工程、例えば精度よりも速度を優先する領域に繊維を巻く工程において、スムージングを行うことにより、繊維送出装置をより高速にできる。
【０００８】
（３）上記形態のフィラメントワインディング装置において、前記対象物は、前記繊維が巻かれる領域が略円筒形のストレート部と、前記繊維が巻かれる領域が略半球形のドーム部とを有し、前記制御部は、前記ストレート部に繊維を巻くときに、前記スムージングを行ってもよい。ストレート部は、巻かれる領域が略円筒形をしており、高速化しても十分な精度を維持できるため、スムージングにより高速化する効果が大きい。
【０００９】
（４）上記形態のフィラメントワインディング装置において、前記速度指令値の移動平均を算出することで、前記スムージングを行ってもよい。この形態によれば、移動平均を算出して繊維送出装置の制御を行うので、繊維送出装置の速度変動を抑制できる。
【００１０】
（４）上記形態のフィラメントワインディング装置において、前記制御部は、前記スムージングを行う第１の領域と前記スムージングを行わない第２の領域との境界付近において、前記第２の領域の速度指令値を前記移動平均の算出に用いず、前記第１の領域の速度指令値のみを前記移動平均の算出に用いてもよい。この形態によれば、スムージングを行う領域と、行わない領域との境界で速度変動が発生することを抑制出来る。
【００１１】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、フィラメントワインディング装置の他、タンクの製造方法、タンクへの繊維の巻き方等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】フィラメントワインディング装置を示す説明図。
【図２】繊維送出装置を拡大して示す説明図。
【図３】繊維束が巻かれるタンクを示す説明図。
【図４】繊維送出装置の制御フローチャートを示す説明図。
【図５】繊維送出装置の位置と速度と加速度を示す説明図。
【図６】繊維送出装置のトラバース方向と前後方向の位置、速度と、スムージングを行う領域の関係を示す説明図。
【図７】スムージングを行う領域と行わない領域の境界における速度の移動平均の算出を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１の実施形態：
図１は、フィラメントワインディング装置１０００を示す説明図である。フィラメントワインディング装置１０００は、タンク１００に繊維束１０を巻き付ける装置である。なお、繊維束１０の巻き付け対象は、タンク１００でなくても良い。フィラメントワインディング装置１０００は、巻出しボビン１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと、中継ローラ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１６と、ダンサー１８と、アクティブダンサー２０と、中継ローラ２２、２４、２６と、繊維収束治具２８と、繊維送出装置３０と、制御部５０と、を備える。
【００１４】
巻出しボビン１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは、それぞれ、プリプレグ繊維１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを巻いており、プリプレグ繊維１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを繰り出す繰出部である。炭素繊維等の繊維にエポキシなどの樹脂をしみ込ませたものを「プリプレグ繊維」と呼ぶ。繊維は、炭素繊維以外の繊維であっても良く、樹脂もエポキシ以外の樹脂であっても良い。また、巻出しボビン１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは、樹脂をしみこませていない繊維を繰り出してもよい。この場合、繊維送出装置３０までの途中で樹脂槽を設け、樹脂槽に繊維を浸すことで、樹脂をしみ込ませても良い。以下プリプレグ繊維を単に「繊維」とも呼ぶ。
【００１５】
中継ローラ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１６、２２、２４、２６は、繊維１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを搬送するときの中継ローラである。第１段目の中継ローラ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは、繊維１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ毎に独立して設けられているが、２段目以降の中継ローラ１６、２２、２４、２６は、繊維１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ毎に独立せず、共通して設けられている。
【００１６】
ダンサー１８は、所定の圧力に設定されたシリンダ１９を有している。アクティブダンサー２０は、ボビン軸２１を有し、ダンサー１８が水平になるようにボビン軸２１を移動させることで繊維１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの張力を調整する。繊維収束治具２８は、４本の繊維１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが収束し易いように、４本の繊維１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを揃える。
【００１７】
繊維送出装置３０は、４本の繊維１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを収束し、繊維束１０として、繊維の巻き付けの対象物であるタンク１００に送出する。なお、繊維送出装置３０は、繊維束１０でなく、束ねられていない繊維を送出しても良い。繊維送出装置３０は、タンク１００の位置、タンク１００のどの部分に繊維束１０を巻くか、により、トラバース方向ＴＲ（タンク１００の軸に平行な方向）と、前後方向ＦＲ（タンク１００と繊維送出装置３０が近づく方向）と、揺動方向ＦＬ（前後方向ＦＲを中心とした回転方向）に移動可能である。タンク１００についても、そのトラバース方向ＴＴＲ（タンク１００の軸に沿った方向）に移動可能であってもよい。なお、タンク１００は、繊維束１０が巻き付けられるために、所定の方向に回転するので、タンク１００の回転速度が可変であっても良い。
【００１８】
制御部５０は、アクティブダンサー２０の動作、繊維送出装置３０の移動、タンク１００の移動や回転を制御する。
【００１９】
図２は、繊維送出装置３０を拡大して示す説明図である。繊維送出装置３０は、幅広ローラ３２、３４と、ガイドローラ３６と、を備える。幅広ローラ３２、３４の繊維束１０が接する面は、円筒面の中央が円周に沿って膨らんだ樽形をしている。これに対し、ガイドローラ３６は、円筒面に、円周に沿って中央部が凹んだ略Ｕ字形状の溝３６ａを有しており、繊維束１０は、溝３６ａの底部を通る。繊維束１０を溝３６ａに通すことより、繊維束１０の位置決めが可能となる。繊維送出装置３０は、トラバース方向ＴＲ、前後方向ＦＲ、揺動方向ＦＬに移動可能である。
【００２０】
図３は、繊維束１０が巻かれるタンク１００を示す説明図である。タンク１００は、ストレート部１００ａと、ドーム部１００ｂと、を備える。ストレート部１００ａは、タンク１００の軸に沿った方向の略中心部の略円筒形をした部分である。ドーム部１００ｂは、ストレート部１００ａの軸に沿った方向の両端にそれぞれ設けられた略半球形をした部分である。タンク１００の軸に沿った方向の両端には、口金１０２が設けられている。繊維束１０が巻かれるとき、口金１０２に回転軸１１０が接続され、回転軸１１０が回転することで、タンク１００を回転させる。また、タンク１００上の繊維束１０を巻く位置により、回転軸１１０を、トラバース方向や前後方向、揺動方向に移動させても良い。ストレート部１００ａに繊維束１０を巻くときは、タンク１００に対する繊維送出装置３０の相対的位置の変化が小さいので、精度よりも、高速に繊維束を巻くことが好ましい。一方、ドーム部１００ｂに繊維束１０を巻くときは、タンク１００に対する繊維送出装置３０の相対的位置の変化が大きいので、速度よりも精度を重視することが好ましい。
【００２１】
図４は、繊維送出装置３０の制御フローチャートを示す説明図である。ステップＳ１００では、制御部５０は、繊維送出装置３０の位置指令値を取得する。この位置指令値は、繊維束１０のタンク１００への巻きはじめから巻き終わりまで、繊維送出装置３０の位置として予めメモリ（図示せず）に格納されている。
【００２２】
ステップＳ１１０では、制御部５０は、位置指令値から速度指令値を算出する。ステップＳ１２０では、制御部５０は、対象とする点が、スムージング領域内の点か否かを判断する。スムージング領域内の場合には、ステップＳ１３０に移行して、スムージング処理を行い、新たな速度指令値を算出する。ここで、スムージング処理の例としては、後述するように、移動平均をとる処理、補間する処理、補間して移動平均をとる処理等があげられる。
【００２３】
ステップＳ１４０では、制御部５０は、ステップＳ１２０で算出された新たな速度指令値がある場合には、その速度指令値を用い、新たな速度指令値がない場合には、ステップＳ１１０で算出された速度指令値を用いて、繊維送出装置３０を制御する。制御部５０は、その後、ステップＳ１００に移行する。
【００２４】
図５は、繊維送出装置３０の位置と速度と加速度を示す説明図である。ここで、図５の横軸は、時間を示している。なお、図５のストレート部、ドーム部の記載は、その時間において、タンク１００のどの部分に繊維束１０が巻かれるかを意味している。図５の（Ａ−１）は、比較例における繊維送出装置３０のトラバース位置と速度、（Ａ−２）は、比較例における繊維送出装置３０の速度と加速度を示し、（Ｂ−１）は、本実施形態における繊維送出装置３０のトラバース位置と速度、（Ｂ−２）は、本実施形態における繊維送出装置３０の速度と加速度を示している。
【００２５】
比較例、本実施形態のいずれにおいても、ドーム部１００ｂに繊維束１０を巻く時には、繊維送出装置３０のトラバース位置の変動は小さいが、ストレート部１００ａに繊維束１０を巻く時には、繊維送出装置３０のトラバース位置の変動は大きい。タンク１００に繊維を巻き付ける全工程のうち、ドーム部１００ｂを巻く工程では、半球に繊維束１０を巻くため、トラバース方向の長さが短い。そのため、精度良く繊維束１０を巻くために、繊維送出装置３０の速度を低くしている。一方、ストレート部１００ａに繊維束１０を巻く時は、円筒に繊維を巻くため、トラバース方向の長さが長い。そのため、繊維送出装置３０の速度を高くしても、ある程度の精度を維持できる。そのため、精度よりも速度を優先して繊維束１０を巻き付ける。
【００２６】
図５の（Ａ−１）の速度のグラフを見れば解るように、比較例では、ストレート部１００ａのほぼ真ん中で２つのピークが現れている。この間では、速くなった繊維送出装置３０の速度が、一旦遅くなって、その後また速くなっている。図５の（Ａ−２）の加速度のグラフを見ればわるように、比較例（Ａ−２）では、繊維送出装置３０の加速度の変化が大きい。加速度のプラス方向の最大値とマイナス方向の最大値との差は、約１５０００００ｍｍ／ｓｅｃ２である。また、プラスの加速度からマイナスの加速度に遷移し、逆に、マイナスの加速度からプラスの加速度に遷移する場合がある。そのため、繊維送出装置３０が加速したり、減速したりして、加速が滑らかではない場合がある。その結果として繊維送出装置３０の速度を速くし難い。
【００２７】
本実施形態では、繊維送出装置３０の位置指令値から、速度指令値を算出し、繊維送出装置３０の位置が所定の範囲を移動する場合に、速度指令値をスムージングして、速度指令値を平滑化している。具体的には、繊維送出装置３０の速度指令値の移動平均を算出し、この移動平均を用いて繊維送出装置３０の移動を制御している。そのため、従来であれば、繊維送出装置３０の加速中に、加速度が一瞬マイナスとなる時でも、本実施形態では、移動平均により速度が平滑化される結果、加速度がマイナスになりにくいので、減速になりにくい。その結果、繊維送出装置３０の滑らかな加速が実現でき、繊維送出装置３０の速度を速くし易い。なお、繊維送出装置３０の減速中に、加速度が一瞬プラスとなる場合も同様である。
【００２８】
また、本実施形態では、繊維送出装置３０がプラスの加速度からマイナスの加速度に遷移し、逆に、マイナスの加速度からプラスの加速度に遷移することが、頻繁に発生しない。図５の（Ｂ−２）を見ればわかるように、繊維送出装置３０の速度がマイナス方向に大きくなるとき（グラフが右下がりの領域）では、加速度は、マイナスの値であり、０を越えてプラスになることは少なく、プラスになってもその値はわずかである。また、繊維送出装置３０の速度がプラス方向に大きくなるとき（グラフが右上がりの領域）では、加速度は、プラスの値であり、０を越えてマイナスになることは少なく、マイナスになってもその値はわずかである。なお、本実施形態では、加速度のプラス方向の最大値とマイナス方向の最大値との差は、約８０００００ｍｍ／ｓｅｃ２であり、比較例の約半分である。したがって、滑らかな加速が実現できる。その結果として繊維送出装置３０の速度を速くし易い。
【００２９】
以上、本実施形態によれば、制御部５０は、繊維送出装置３０の速度指令値をスムージングして、速度指令値を平滑化するので、繊維送出装置３０を滑らかに加速できるので、繊維送出装置３０の速度を速くできる。
【００３０】
平滑化は、タンク１００のストレート部１００ａに繊維束１０を巻く時に実行することが好ましい。ストレート部１００ａに繊維束１０を巻く時は、円筒に繊維を束１０巻くため、トラバース方向の長さが比較的長く、繊維送出装置３０の速度を高くしても、精度を維持できる。
【００３１】
上記実施形態では、繊維送出装置３０のトラバース方向の移動について説明したが、前後方向の移動についても同様にスムージングを行っても良い。
【００３２】
第２の実施形態：
第１の実施形態では、繊維送出装置３０のトラバース方向の移動を例にとり、スムージングを説明した。繊維送出装置３０は、トラバース方向だけでなく、前後方向（繊維送出装置３０とタンク１００とが近づく方向）にも移動する。第２の実施形態では、トラバース方向、前後方向のいずれもスムージングする領域の場合にスムージングを行う。トラバース方向、前後方向のいずれか一方しかスムージングを行う条件を満たさない場合には、スムージングを行わない。
【００３３】
図６は、繊維送出装置３０のトラバース方向と前後方向の位置、速度と、スムージングを行う領域の関係を示す説明図である。図６の横軸は、図５と同様に、時間を示している。図６（Ａ）は、トラバース方向のみスムージングが行われる場合における繊維送出装置３０の位置と、速度と、スムージング領域を示している。領域Ａ１、Ａ３、Ａ５が、スムージングが行なわれる領域であり、領域Ａ２、Ａ４が、スムージングが行われない領域である。図６（Ｂ）は、前後方向のみススムージングが行われる場合における繊維送出装置３０の位置と、速度と、スムージング領域を示している。領域Ｂ１、Ｂ３、Ｂ５が、スムージングが行なわれる領域であり、領域Ｂ２、Ｂ４が、スムージングが行われない領域である。図からわかるよう、領域Ａ１とＢ１とは、大部が重なっているが、一部は重なっていない。スムージングが行われる領域は、タンク１００のストレート部１００ａであり、スムージングが行われない領域は、タンク１００のドーム部１００ｂである。しかし、ストレート部１００ａとドーム部１００ｂとの境界近傍においては、トラバース方向のみスムージングが行われ、前後方向には、スムージングが行われない、あるいは、前後方向のみスムージングが行われ、トラバース方向には、スムージングが行われない場合がある。第２の実施形態では、上述したように、トラバース方向、前後方向のいずれもスムージングする領域の場合にスムージングが行われ、トラバース方向、前後方向のいずれか一方しかスムージングが行われる条件を満たさない場合には、スムージングが行われない。
【００３４】
図６（Ｃ）は、第２の実施形態においてスムージングが行われる領域を示している。第２の実施形態では、トラバース方向、前後方向のいずれにもスムージングが行われる領域において、スムージングが行われる。具体的には、第２の実施形態では、領域Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５において、スムージングが行われる。ここで、領域Ｃ１は、領域Ａ１とＢ１とが重なる領域であり、領域Ｃ３は、領域Ａ３とＢ３とが重なる領域であり、領域Ｃ５は、領域Ａ５とＢ５とが重なる領域である。
【００３５】
以上、第２の実施形態では、トラバース方向、前後方向のいずれにもスムージングが行われる領域において、スムージングが行われるので、繊維送出装置３０を精度良く制御できる。
【００３６】
第３の実施形態：
本実施形態では、スムージングには、速度の移動平均を用いる。本実施形態では、スムージングが行われる領域から行われない領域に切り替わるときに、スムージングが行われる領域の速度データのみを用いて、移動平均を行う。
【００３７】
図７は、スムージングを行う領域と行わない領域の境界における速度の移動平均の算出を示す説明図である。下記に説明するように、本実施形態では、速度の移動平均を行う対象が、全てスムージングを行う領域の場合を通常移動平均時間として実線で移動平均をとる範囲を示し、スムージングを行わない領域を含む場合を繋ぎ用移動平均時間として破線で移動平均をとる範囲を示している。通常移動平均時間＞繋ぎ用移動平均時間である。また、移動平均の算出に用いる速度は、繊維送出装置３０の実際の速度ではなく、位置指令値から算出された速度指令値である。
【００３８】
（１）通常移動平均時間における速度の移動平均の算出：
速度の移動平均を行う対象が、全てスムージングを行う領域の場合、例えば、時刻ｔ１からｔ７までは、９点の速度の移動平均を用いる。例えば、制御部５０は、時刻ｔ５では、時刻ｔ１における速度ｖ１から時刻ｔ９における速度ｖ９までの９個の速度の平均値を速度として用い、時刻ｔ６では、時刻ｔ２における速度ｖ２から時刻ｔ１０における速度ｖ１０までの９個の速度の平均値を速度として用い、時刻ｔ７では、時刻ｔ３における速度ｖ３から時刻ｔ１１における速度ｖ１１までの９個の速度の平均値を速度として用いる。このように、制御部５０は、速度の移動平均を求める。
【００３９】
（２）繋ぎ用移動平均時間における速度の移動平均の算出：
制御部５０は、９点のデータのうち一部が、スムージングを行なわない領域のデータを含む場合、そのデータを除いて平均を算出する。例えば、時刻ｔ８では、時刻ｔ５における速度ｖ５から時刻ｔ１１における速度ｖ１１までの７個の速度の平均値を速度として用い、時刻ｔ１２における速度ｖ１２と、時刻ｔ１３における速度ｖ１３を用いない。また、時刻ｔ１７では、時刻ｔ１５における速度ｖ１５から時刻ｔ１９における速度ｖ１９までの５個の速度の平均値を速度として用い、時刻ｔ１１における速度ｖ１１と、時刻ｔ１２における速度ｖ１２と、時刻ｔ１３における速度ｖ１３と、時刻ｔ１４における速度ｖ１４とを用いない。制御部５０は、スムージングを行なわない領域に近づくと、移動平均に用いるデータの数を減らす。これにより、スムージングを行なう領域からスムージングを行なわない領域に遷移するとき、スムージングを行なわない領域からスムージングを行なう領域に遷移するときに、その境界で、移動平均値と、移動平均が行われていない速度指令値との間で速度変動が発生することを抑制できる。
【００４０】
本実施形態では、移動平均の算出に用いる速度として、位置指令値から算出された速度指令値を用いるが、過去のデータ、例えば、現時点がｔ１０の時に、時刻ｔ９における速度ｖ９や、時刻ｔ８における速度ｖ８等については、速度指令値ではなく、実際の繊維送出装置３０の速度を用いても良い。また、本実施形態では、移動平均を９点のデータを用いて算出したが、一般にｎ点（ｎは２以上の整数）のデータを用いても良い。
【００４１】
変形例：
上記実施形態では、制御部５０は、繊維送出装置３０の位置指令値から速度指令値を算出し、速度指令値の移動平均を取ることによりスムージングを行っている。制御部５０は、繊維送出装置３０の位置指令値について、スプライン補間を行って、位置指令値のデータ数を増加させても良い。なお、スプライン補間に用いる関数の次数は３次を用いても良い。
【００４２】
上記説明では、移動平均として、単純な移動平均を用いたが、各点の重み付けを変えた加重移動平均を用いても良い。
【００４３】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００４４】
１０…繊維束
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ…プリプレグ繊維（繊維）
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ…ボビン
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１６、２２、２４、２６…中継ローラ
１８…ダンサー
１９…シリンダ
２０…アクティブダンサー
２１…ボビン軸
２８…繊維収束治具
３０…繊維送出装置
３２…幅広ローラ
３６…ガイドローラ
３６ａ…溝
５０…制御部
１００…タンク
１００ａ…ストレート部
１００ｂ…ドーム部
１０２…口金
１１０…回転軸
１０００…フィラメントワインディング装置
【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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