(57)【要約】【課題】モータのみの損失最小化だけでなく、モータ駆動における動作領域での洗濯機全体での損失を最小化した洗濯機を提供すること。【解決手段】衣類を収納するドラム３と、ドラム３を駆動するモータ１２と、モータ１２とドラム３を特定の減速比で減速させる減速機構部６と、モータ１２を制御する制御部１３とを備え、制御部１３は、モータ損失を算出する第１損失算出部２０１と、減速機構部６の減速損失を算出する第２損失算出部２０２と、制御部１３の駆動部１３２が損失する駆動損失を算出する第３損失算出部２０３とを備え、制御部１３は、ドラム３に加わる動作領域の負荷条件で、第１損失算出部２０１および第２損失算出部２０２および第３損失算出部２０３の合計が常に最小となるようにｄ軸電流とｑ軸電流とからなるモータ電流を調整することで、洗濯機全体の損失を最小化することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
衣類を収納するドラムと、
前記ドラムを駆動するモータと、
前記モータと前記ドラムを特定の減速比で減速させる減速機構部と、
前記モータを制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記モータ損失を算出する第１損失算出部と、
前記減速機構部の減速損失を算出する第２損失算出部と、
前記制御部の駆動部が損失する駆動損失を算出する第３損失算出部とを備え、
前記制御部は、前記ドラムに加わる動作領域の負荷条件で、前記第１損失算出部および前記第２損失算出部および前記第３損失算出部の合計が常に最小となるようにｄ軸電流とｑ軸電流とからなるモータ電流を調整する洗濯機。
【請求項２】
第２損失算出部は、減速機構部の減速損失を回転数に応じた損失の一次比例定数として保持する減速損失定数部を有し、
制御部が、ドラムの回転数に応じて前記減速損失定数部から損失値を選定する請求項１に記載の減速機構を備えた洗濯機。
【請求項３】
第３損失算出部は、駆動部の駆動損失をｄ軸電流とｑ軸電流の合成値に応じた損失の二次比例定数として保持する駆動損失定数部を有し、
制御部が、ｄ軸電流とｑ軸電流からなる電流値に応じて前記駆動損失定数部から損失値を選定する請求項１に記載の減速機構を備えた洗濯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は洗濯工程から脱水工程および乾燥工程において、モータ駆動における損失をモータおよび制御部、減速機構部の損失を考慮したモータ駆動電流制御を行う洗濯機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の洗濯機は、モータの駆動電流を制御してモータの回転制御おこない、トルクを制御するｑ軸電流と、磁束制御するｄ軸電流とからモータの負荷条件に応じて、最大効率になるように制御を行う。その際の損失となる鉄損と銅損の合計を最小化することが最大効率となるため、駆動電流の周波数に影響する鉄損と、駆動電流の電流値に影響する銅損とをそれぞれ算出し、その合計を最小化することでモータの効率は最大となる。
【０００３】
高速回転でモータを駆動する際、ｄ軸電流を最小化することで銅損は最小化できるが、鉄損は最大となり、高速回転時における銅損と鉄損の合計値を考えた場合には、必ずしもｄ軸電流を最小化することが損失最小化とはならない。従って、ｄ軸電流を流すことによって、鉄損を小さくし、銅損との合計値を最小化することが弱め界磁制御として一般的に用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図６は、従来の洗濯機のモータ制御装置のブロック図である。図６に示すように、モータ１１５を駆動するために、制御マイコン３６から回転数ωとｄ軸電流値の指令を行う。その指令値に基ついて、駆動されたモータ１１５への電流値から銅損算出部５７および鉄損算出部５６で算出した銅損Ｐｃおよび鉄損Ｐｉの合成値を最小化するためのｄ軸電流をｄ軸電流制御手段５８で算出し、座標変換４８でモータ駆動信号に変換し、最小損失でのモータ駆動を行っている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２３６９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の構成では、洗濯機にモータを搭載した際には、駆動回路における制御回路損失が含まれ、ほぼモータ電流に依存する損失があるが、この損失は考慮されていない。さらにドラム式洗濯機では最も多く採用されているベルト駆動方式のモータでは、内部に減速機構を備え、回転数に依存して減速機構損失が発生する。従って、モータの銅損および鉄損のみではなく、それらも含めた損失を考慮する必要がある。
【０００７】
制御回路損失および減速機構損失は、モータ電流と回転数に依存するため、ｄ軸電流とｑ軸電流の調整により大きく影響する。鉄損を軽減するためにｄ軸電流を大きくするが、そのために銅損が増加し、さらに制御回路損失が増加する。さらには、電流に関係なく回転数に依存する減速機構損失も含まれるため、ｄ軸電流の調整をこれらの損失合計値から最適に行うことが、洗濯機全体の損失軽減に必要である。
【０００８】
従って、モータの銅損と鉄損の合計値からのみ損失の最小値を求めることが洗濯機として損失を最小にする条件とは限らないという課題があった。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、モータの銅損および鉄損とモータ駆動を
行う電力変換部やＰＷＭ信号生成部を含むモータ制御回路での電流値依存の制御回路損失とを合計した損失の最小化を行うことが可能であり、さらには減速機構を搭載した洗濯機では回転数依存の減速機構損をも含めた合計損失の最小化を算出し、洗濯機としての損失最小化を行うことができるドラム式洗濯機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記従来の課題を解決するために、本発明の洗濯機は、衣類を収納するドラムと、前記ドラムを駆動するモータと、前記モータと前記ドラムを特定の減速比で減速させる減速機構部と、前記モータを制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記モータ損失を算出する第１損失算出部と、前記減速機構部の減速損失を算出する第２損失算出部と、前記制御部の駆動部が損失する駆動損失を算出する第３損失算出部とを備え、前記制御部は、前記ドラムに加わる動作領域の負荷条件で、前記第１損失算出部および前記第２損失算出部および前記第３損失算出部の合計が常に最小となるようにｄ軸電流とｑ軸電流とからなるモータ電流を調整するものである。
【００１１】
これによって、モータの損失である銅損および鉄損を算出するだけでなく、モータを制御する制御部の制御損失および減速機構部の減速機構損失をそれぞれ算出し、その合計値が最小となるｄ軸電流値とｑ軸電流値となるように制御を行うことができる。よって、モータのみの損失最小化だけでなく、モータ駆動における動作領域での洗濯機全体での損失を最小化した状態で動作を行うことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の洗濯機は、洗濯機のドラム回転数が動作領域全般で最小損失として動作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１におけるドラム式洗濯機の構成図
【図２】本発明の実施の形態１におけるドラム式洗濯機の制御ブロック図
【図３】本発明の実施の形態１におけるドラム式洗濯機の減速機構部の回転数と損失を示す減速機構部損失特性図
【図４】本発明の実施の形態１におけるドラム式洗濯機の駆動部の流れる電流と損失を示す駆動部損失特性図
【図５】本発明の実施の形態１におけるドラム式洗濯機の磁化電流（Ｉｄ）による各部損失を示す損失特性図
【図６】従来のドラム式洗濯機のモータ制御装置のブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の発明の洗濯機は、衣類を収納するドラムと、前記ドラムを駆動するモータと、前記モータと前記ドラムを特定の減速比で減速させる減速機構部と、前記モータを制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記モータ損失を算出する第１損失算出部と、前記減速機構部の減速損失を算出する第２損失算出部と、前記制御部の駆動部が損失する駆動損失を算出する第３損失算出部とを備え、前記制御部は、前記ドラムに加わる動作領域の負荷条件で、前記第１損失算出部および前記第２損失算出部および前記第３損失算出部の合計が常に最小となるようにｄ軸電流とｑ軸電流とからなるモータ電流を調整することにより、制御部が、ドラムに加わる動作領域の負荷条件で、第１損失算出部と第２損失算出部および第３損失算出部の合計が常に最小となるようにｄ軸電流とｑ軸電流からなるモータ電流を調整することとなり、洗濯機の動作時の電力を最小化することができる。
【００１５】
第２の発明は、特に、第１の発明の洗濯機の第２損失算出部は、減速機構部の減速損失を回転数に応じた損失の一次比例定数として保持する減速損失定数部を有し、
制御部が、ドラムの回転数に応じて前記減速損失定数部から損失値を選定する請求項１に記載の減速機構を備えたものである。これにより、制御部が、ドラムの回転数に応じて減速損失定数部から損失値を選定することとなり、回転数に応じた最適な損失値を算出することができ、損失の最小化を行うことができる。
【００１６】
第３の発明は、特に、第１の発明の洗濯機の第３損失算出部は、駆動部の駆動損失をｄ軸電流とｑ軸電流の合成値に応じた損失の二次比例定数として保持する駆動損失定数部を有し、制御部が、ｄ軸電流とｑ軸電流からなる電流値に応じて前記駆動損失定数部から損失値を選定するものである。これによって、制御部が、ｄ軸電流とｑ軸電流の合成値に応じて駆動損失定数部から損失値を選定することとなり、電流値に応じて駆動損失の算出を正確に行うことができ、損失の最小化を行うことができる。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるドラム式洗濯機１の構成図である。図１において、ドラム式洗濯機１は、洗濯物１８を収納するドラム３と、そのドラム３を内部に収納する洗濯槽２２と、その洗濯槽２２を支えるダンパ１９とを備えている。モータ１２は、ベルト６を介してドラム３の同一軸に設けたドラムプーリ４にモータ１２の駆動を伝達することで、ドラム３を回転させる構成としている。
【００１９】
さらに、モータ１２はロータ位置を検出する位置検出部１５を設け、制御部１３がモータ１２のロータ位置を検出して制御をおこない、ドラム３の回転は、位置検出部１５とベルト６によるドラムプーリ４とモータプーリ５の減速比から算出する構成としている。
また、図２は、本発明の実施の形態１におけるドラム式洗濯機の制御ブロック図である。図２に示すように、ドラム式洗濯機１は、ドラム式洗濯機１の駆動制御を行う制御部１３と、ドラム３を回転させるモータ１２と、モータ１２のロータ位置を検出する位置検出部１５と、モータ１２の動力（トルクおよび回転）をドラム３に伝達する減速機構部６を備えている。
【００２０】
次に、制御部１３は、判定部１３１と、モータ１２を駆動する駆動部１３２と、駆動する際にモータ１２に流れる電流を検出する電流検出部１３３とを有している。判定部１３１は、モータ１２の損失である銅損および鉄損を算出する第１損失算出部２０１と、減速機構部６の損失を算出する第２損失算出部２０２と、駆動部１３２で発生する損失を算出する第３損失算出部２０３とを備えている。
【００２１】
駆動部１３２は、モータ１２に印加する電圧を、インバータ部１３２１を用いて波形を成形して印加し、そのもととなる電源が不足しないように洗濯機の入力電源の電圧を昇圧して、駆動部１３２の電源にする昇圧部１３２２とから構成されている。
【００２２】
第２損失算出部２０２は、減速機構部６の構成によりドラム３の回転数に応じて一次比例として発生する損失をあらかじめ実験値で求めておき、回転数と損失のデータを保持する減速損失定数部２０２１を設けている。第２損失算出部２０２は、ドラム３の回転数に応じて減速損失定数部２０２１から損失値を選定する。
【００２３】
第３損失算出部２０３は、駆動部１３２のインバータ部１３２１の種類に応じて、すなわち、ｄ軸電流とｑ軸電流の合成値に応じて、損失が二次比例となるデータを保持する駆動損失定数部２０３１を設けている。第３損失算出部２０３は、ｄ軸電流とｑ軸電流からなる電流値に応じて駆動損失定数部２０３１から損失値を選定する。
【００２４】
図３は、本発明の実施の形態１におけるドラム式洗濯機の減速機構部の回転数と損失を示す減速機構部損失特性図である。図３は、減速機構部６がドラム３の回転数によって発生する損失を示す回転数‐減速損失図を示すものである。図３において、横軸がドラム３の回転数（ｒｐｍ）を示し、縦軸を減速機構部６の減速機構損失（Ｗ）を示している。減速比を変更することでドラム３の回転数に対してモータ１２の回転数が変わるため、モータプーリ５およびドラムプーリ４とベルト６の接触および屈曲性が変化して損失が変わるため、ここでは例えば減速比６の損失（ａ）、減速比８の損失（ｂ）、減速比１０の損失（ｃ）として示している。
【００２５】
また、図４は、本発明の実施の形態１におけるドラム式洗濯機の駆動部の流れる電流と損失を示す駆動部損失特性図である。図４は、駆動部１３２がモータ１２を駆動する際に流れる電流により、インバータ部１３２１で発生する損失および昇圧部１３２２で派生する損失を示している。図４において、横軸がモータ１２に流れる電流（Ａ）を示し、縦軸は駆動部１３２で発生する駆動部損失（Ｗ）を示している。インバータ部１３２１および昇圧部１３２２の種類、容量により、駆動部損失が変わるため、ここでは例えば小容量インバータ（ｄ）、中容量インバータ（ｅ）、大容量インバータ（ｆ）の損失例を示している。
【００２６】
また、図５は、本発明の実施の形態１におけるドラム式洗濯機の磁化電流（Ｉｄ）による各部損失を示す損失特性図である。図５は、モータ１２への磁化電流Ｉｄを横軸にし、縦軸に損失を示している。図５の（ｇ）はモータの銅損、（ｈ）はモータの鉄損、（ｉ）はインバータ損、（ｊ）はモータ１２の銅損および鉄損の合成値、（ｋ）はモータ１２の銅損および鉄損およびインバータ損の合成値を示している。
【００２７】
以上のように構成されたドラム式洗濯機について、以下にその動作、作用を説明する。
【００２８】
まず、ドラム式洗濯機１が洗濯物１８をドラム３内に収納し、洗濯から脱水までの工程を行う場合において、洗濯工程ではドラム３の回転数を約３５〜５５ｒｐｍでの低速回転で回転させ、洗濯物１８をバッフル７でドラム３内を持ち上げ、落下させることで、洗濯物１８の汚れを落としている。その際、制御部１３は、駆動部１３２を制御し、モータ１２を回転動作させ、減速機構部６（モータプーリ５とドラムプーリ４の大きさにより減速比が決まる）で回転数を減速させ、ドラム３を所定の回転数で動作させる。
【００２９】
また、脱水工程では、約１０００〜１６００ｒｐｍなど高速にドラム３を回転させることで、洗濯物１８に含まれた水分を除去する動作を行う。その際に、モータ１２は高速に駆動されるため、モータ１２内の永久磁石による誘導電圧が発生するが、その誘起電圧を抑制することで高速回転での安定動作が行われる。その際、モータ１２へは磁化電流Ｉｄをマイナス方向に流し、弱め界磁を行う。この結果、鉄損も抑制することとなるが、磁化電流Ｉｄは弱め界磁として動作するため、モータ電流を増加させるため銅損および駆動部１３２の損失を増加させることとなる。
【００３０】
一般的にモータの銅損は、モータの巻線抵抗（Ｒ１）による損失のため、式（１）に示すように、抵抗とモータ電流（Ｉ）の二乗の積に比例した損失が発生する。
【００３１】
銅損  ∝  Ｉ２＊Ｒ１      （１）
また、モータの鉄損は、モータのコア等に発生する渦電流損が主であり、式（２）に示すように、周波数（ｆ）の二乗に比例した損失が発生する。
【００３２】
渦電流損  ∝  ｋ１＊（ｔ＊ｆ＊Ｂｍ）２／ρ      （２）
また、減速機構損失は、モータ回転数（ω）に比例して損失が増加するため、式（３）に示すように、ドラム回転数に比例する。
【００３３】
減速機構損失  ∝  ｋ２＊ω      （３）
また、インバータ部損失は、回路に流れる電流による損失のため、式（４）に示すように、回路抵抗（Ｒ２）とモータへの電流（Ｉｍ）の二乗の積に比例した損失が発生する。
【００３４】
インバータ損  ∝  Ｉｍ２＊Ｒ２      （４）
ここで、ｋ１およびｋ２は定数、ｔはコア板厚、Ｂｍは磁束密度、ρは磁性体の抵抗率である。また、モータ電流Ｉは、磁化電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑから合成された値としており、Ｉ＝√（Ｉｄ２＋Ｉｑ２）で示される。
【００３５】
次にドラム３を駆動するために、モータ１２を駆動部１３２内の昇圧部１３２２が電源電圧からインバータ部１３２１の駆動電圧を変換するために電圧を昇圧し、モータ１２の駆動に必要な電圧まで上昇させる。その上昇した電圧を駆動部１３２がインバータ部１３２１を制御してモータ１２に三相の制御電圧として電圧を印加する。そしてモータ１２に流れる電流値を電流検出部１３３で検出し、モータ回転数は位置検出部１５（例えばホールセンサ）で検出し、モータ１２を駆動するために必要なトルクおよび回転数に応じてトルク電流Ｉｑおよび磁化電流Ｉｄを決定することでモータ１２を制御する。
【００３６】
この時、モータ１２を制御する際、損失を最小化するためにトルク電流Ｉｑおよび磁化電流Ｉｄを決定する際、１周期前の電流値から第１損失算出部２０１が、モータ１２の銅損および鉄損を算出し、同時にその電流値から第３損失算出部２０３が、内部に保持している駆動損失定数部２０３１のモータ電流値−損失データから駆動部１３２で発生する損失値を求める。さらに、第２損失算出部２０２が、例えば図４に示す減速機構部６による損失値を減速損失定数部２０２１に保持し、ドラム回転数−損失データからドラム３の回転数に応じて減速機構部６で発生する損失値を求める。判定部１３１は、第１損失算出部２０１＋第２損失算出部２０２＋第３損失算出部２０３の損失の合計値から、ドラム回転数における損失最小となる条件の磁化電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑを決定する。
【００３７】
この時、図３に示すように減速損失定数部２０２１では、あらかじめ減速機構部６の減速比によって減速損失特性が異なるため、搭載している減速機構の減速比に応じた定数を保持している。例えば減速比６の場合は、（ａ）に示すように５００ｒｐｍでは（ａ）１の損失、１０００ｒｐｍでは（ａ）２の損失、１５００ｒｐｍでは（ａ）３の損失が発生することになり、第２損失算出部２０２はドラム３の回転数に応じて損失値を減速損失定数部２０２１から算出する。
【００３８】
また、図３に示すように減速機構損失は回転数に一次比例するため、第２損失算出部２０２は、必要回転数での損失が、減速比６であれば、（ａ）、減速比８であれば（ｂ）、減速比１０であれば（ｃ）のように決定され、実験値として減速損失定数部２０２１に保持されていることから必要回転数での損失値を算出することは可能である。従って、１０００ｒｐｍでは、減速比が６では（ａ）２、減速比１０では（ｃ）２の損失として算出する。
【００３９】
また、図４に示すように駆動損失はモータ電流に二次比例するため、例えば中容量インバータを使用した場合、図４の（ｅ）の損失特性をあらかじめ駆動損失定数部２０３１に保持し、第３損失算出部２０３が電流検出部１３３で検出したモータ電流値でのインバータ部１３２１での損失を図４の（ｅ）から決定することで損失値を算出できる。制御部１３が搭載している駆動部の容量が大容量インバータの場合は（ｆ）、小容量インバータの場合は（ｄ）の損失特性を得るため、あらかじめ搭載した容量のインバータの損失特性を
駆動損失定数部２０３１に保持しておくことで第３損失算出部２０３は駆動部１３２の損失を決定できる。
【００４０】
図５に示すように、第１損失算出部２０１および第３損失算出部２０３の損失からドラム式洗濯機１のモータ１２および駆動部１３２の損失および合成損失となる。
例えば、脱水工程でドラム３を高速回転させる場合には、磁化電流Ｉｄをマイナス方向に流し、弱め界磁することで鉄損（ｈ）は、減少する。しかし、モータ電流は、磁化電流増加により増加するため銅損（ｇ）は二次比例で増加する。同様にインバータ損（ｉ）も二次比例で増加するため、モータ１２の損失である銅損および鉄損の合計のみで最小損失を考える場合、図５の（ｊ）に示すように損失最小点（ｌ）の電流値となる。しかし、インバータ損（ｉ）を含めて最小損失を算出する場合、図５の（ｋ）に示すように損失最小点（ｍ）の電流値となる。
【００４１】
従って、駆動部１３２を含む損失を考慮した場合とモータ１２のみの損失で考慮した場合では、モータ１２を制御する磁化電流Ｉｄの値が異なる。さらに減速機構部６の回転数による損失も含めた洗濯機全体の損失の場合、図５の（ｋ）に示す損失特性に、さらにドラム３の任意の回転数による減速機構損失（例えば図３）が加算されるため、さらに最小損失点（ｍ）が変化することになる。
【００４２】
また、モータ１２の鉄損は、ドラム３の回転周波数が大きくなることで増加するが、磁化電流Ｉｄによる弱め界磁を行うことでも減少する。このため、ドラム３の回転数および磁化電流Ｉｄが変化することで、鉄損の変化および電流による銅損および駆動部損の変化および回転数による減速機構損の変化が発生するため、あらかじめモータ１２の制御周期の１周期前のモータ電流値から第１損失算出部２０１および第２損失算出部２０２、第３損失算出部２０３の合計値から損失を算出し、最小損失となる磁化電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑを決定することにより、ドラム式洗濯機１の損失を最小にすることができる。
以上、本発明の実施の形態１について説明したが、本発明はこの実施の形態１に限定されるものではない。
【００４３】
例えば、ここでは、駆動部１３２内の昇圧部１３２２の損失も含めて説明しているが、電洗濯機の源電圧がＡＣ２００Ｖ以上などで昇圧部１３２２が必要のない場合は、インバータ部１３２１の損失を考慮する第３損失算出部２０３としてよく、ここでは駆動部１３２内のインバータ部１３２１としているが、交流を直流に変換（コンバータ）し、モータ駆動電圧である直流から交流への変換（インバータ）も含まれた構成での損失を考慮していても作用、効果は同じである。
【００４４】
また、モータ１２はここでは永久磁石同期モータを使用していることを説明したが、誘導モータを用いて、インバータ制御を行う場合であっても同じである。
【００４５】
ここでは、ドラム式洗濯機について説明したが、ドラム式洗濯乾燥機および縦型洗濯機であってもインバータ式駆動のモータを搭載している場合やベルト駆動式の場合でも同じであるため、同様の作用、効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明にかかるドラム式洗濯機は、洗濯および脱水でドラムを駆動する際に発生するモータおよび駆動部および減速機構部のそれぞれが発生する損失を算出し、その合計が最小となる条件で動作させることで、洗濯機全体の損失を最小化でき、省エネ性の向上を行うものであり、家庭用および業務用ドラム式洗濯機やドラム式洗濯乾燥機にも有用である。
【符号の説明】
【００４７】
１  ドラム式洗濯機
３  ドラム
４  ドラムプーリ
５  モータプーリ
６  ベルト（減速機構部）
７  バッフル
１２  モータ
１３  制御部
１３１  判定部
１３２  駆動部
１３２１  インバータ部
１３２２  昇圧部
１３３  電流検出部
１４  排水弁
１５  位置検出部
１７  排水管
１８  洗濯物
１９  ダンパ
２２  洗濯槽
２０１  第１損失算出部
２０２  第２損失算出部
２０２１  減速損失定数部
２０３  第３損失算出部
２０３１  駆動損失定数部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013085797.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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