(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接工程を実施するために、電極（３）と、溶接される加工物（４）との間のアーク（Ｌ）を非接触点火する方法であって、
溶接電流（Ｉ）および溶接電圧（Ｕ）が溶接電流源（１）の出力（２）において提供され、
前記溶接電流源（１）が、周期的に変化し、実質的にのこぎり歯型であり、最大電圧（ＵＬＬ，ｍａｘ）が繰り返し率（ｆＷ）で周期的に繰り返される開回路溶接電圧（ＵＬＬ）を生成するための共振コンバータ（５）を含み、
前記共振コンバータ（５）が直並列型共振コンバータによって形成されること、および
時間同期された高周波パルス（ＵＩ，ＨＦ）が、周期的に繰り返される開回路溶接電圧（ＵＬＬ）の最大電圧（ＵＬＬ，ｍａｘ）の少なくともいくらかの領域において開回路溶接電圧（ＵＬＬ）の上に重ね合わせられること、
を特徴とする方法。
【請求項２】
時間同期された高周波パルス（ＵＩ，ＨＦ）が、前記開回路溶接電圧（ＵＬＬ）のｎ番目の最大電圧（ＵＬＬ，ｍａｘ）ごとの領域において前記開回路溶接電圧（ＵＬＬ）の上に重ね合わせられ、
ｎは、１に等しい又はそれ以上の正の整数であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記溶接電圧（Ｕ）が測定され、所定の電圧値（ＵＬＬ，ｄｅｆ）の超過が検出された場合、少なくともいくつかの検出された所定の電圧値（ＵＬＬ，ｄｅｆ）に前記高周波パルス（ＵＩ，ＨＦ）が時間同期された状態で重ね合わせられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記高周波パルス（ＵＩ，ＨＦ）が、前記最大電圧（ＵＬＬ，ｍａｘ）発生の前又は後、特定の期間（Δｔ）だけ時間的にオフセットさせて重ね合わせることを特徴とする、請求項１−３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】
前記特定の期間（Δｔ）が最長５ｍｓであることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
開回路溶接電圧（ＵＬＬ）が、１０Ｈｚと１００Ｈｚの間の繰り返し率（ｆＷ）で提供されることを特徴とする、請求項１−５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項７】
前記高周波パルス（ＵＩ，ＨＦ）が、１００ｋＨｚと１０ＭＨｚの間の周波数で重ね合わせられることを特徴とする、請求項１−６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項８】
電極（３）と、溶接される加工物（４）との間のアーク（Ｌ）を用いて溶接工程を実施するために、溶接電流（Ｉ）および溶接電圧（Ｕ）を出力（２）において提供するための溶接電流源（１）であって、
周期的に変化し、実質的にのこぎり歯型であり、最大電圧（ＵＬＬ，ｍａｘ）が繰り返し率（ｆＷ）で周期的に繰り返される開回路溶接電圧（ＵＬＬ）を生成するための共振コンバータ（５）を有し、
前記共振コンバータ（５）が直並列型共振コンバータによって形成されること、および
高周波パルス（ＵＩ，ＨＦ）を生成するための回路（６）が提供され、
アーク（Ｌ）を非接触点火させるために、回路（６）は、高周波パルス（ＵＩ，ＨＦ）を、周期的に繰り返される開回路溶接電圧（ＵＬＬ）の最大電圧（ＵＬＬ，ｍａｘ）の少なくともいくらかの領域において開回路溶接電圧（ＵＬＬ）の上に時間同期されるように重ね合わせるように構成されること、
を特徴とする溶接電流源。
【請求項９】
前記高周波パルス（ＵＩ，ＨＦ）を生成するための前記回路（６）が、前記開回路溶接電圧（ＵＬＬ）の前記高周波パルス（ＵＩ，ＨＦ）を、前記開回路溶接電圧（ＵＬＬ）のｎ番目の最大電圧（ＵＬＬ，ｍａｘ）ごとの前記領域において時間同期されるように重ね合わせるように設計され、
ｎは、１に等しい又はそれ以上の正の整数であることを特徴とする、請求項８に記載の溶接電流源。
【請求項１０】
溶接電圧（Ｕ）を検出するための測定装置（７）が提供され、
前記測定装置（７）は前記高周波パルス（ＵＩ，ＨＦ）を生成するための前記回路（６）に、制御装置（８）を介して接続され、
前記高周波パルス（ＵＩ，ＨＦ）が時間同期された状態で検出された所定の電圧値（ＵＬＬ，ｄｅｆ）に重ね合わせられ得ることを特徴とする、請求項８又は９に記載の溶接電流源。
【請求項１１】
前記高周波パルス（ＵＩ，ＨＦ）を生成するための前記回路（６）が、前記高周波パルス（ＵＩ，ＨＦ）を前記最大電圧（ＵＬＬ，ｍａｘ）発生の前又は後、特定の期間（Δｔ）だけ時間的にオフセットさせて重ね合わせるように設計されることを特徴とする、請求項８−１０のいずれか１つに記載の溶接電流源。
【請求項１２】
前記特定の期間（Δｔ）が最長５ｍｓであることを特徴とする、請求項１１に記載の溶接電流源。
【請求項１３】
前記共振コンバータ（５）が、周期的に変化する開回路溶接電圧（ＵＬＬ）を１０Ｈｚと１００Ｈｚの間の繰り返し率（ｆＷ）で生成するように設計されることを特徴とする、請求項８−１２のいずれか１つに記載の溶接電流源。
【請求項１４】
前記回路（６）が、１００ｋＨｚと１０ＭＨｚの間の高周波パルス（ＵＩ，ＨＦ）を生成するように設計されることを特徴とする、請求項８−１３のいずれか１つに記載の溶接電流源。
【請求項１５】
前記電極（３）が、非溶解電極で形成されることを特徴とする、請求項８−１４のいずれか１つに記載の溶接電流源。
【請求項１６】
前記非溶解電極が、タングステン電極であることを特徴とする、請求項１５に記載の溶接電流源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、溶接工程を実施するために、電極と、溶接される加工物（ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ）との間のアーク（ａｒｃ）を非接触点火させる方法に関し、溶接電流および溶接電圧は溶接電流源の出力において提供され、溶接電流源は、周期的に変化し、好ましくは、ある繰り返し率（ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ  ｒａｔｅ）で周期的に起こる最大電圧を備えた実質的にのこぎり歯形状の（ｓａｗｔｏｏｔｈ−ｓｈａｐｅｄ）開回路溶接電圧を生成するための共振コンバータ（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を含む。
【０００２】
本願発明はさらに、周期的に変化し、好ましくは、ある繰り返し率で周期的に繰り返される最大電圧を備えた実質的にのこぎり歯形状の開回路溶接電圧を生成するための共振コンバータを含み、電極と、溶接される加工物との間のアークによる溶接工程を実施するために、出力において溶接電流および溶接電圧を提供するための溶接電流源に関する。
【背景技術】
【０００３】
本願発明は、溶接技術のための点火工程、および点火工程を実施するための溶接電流源に関し、溶接技術は、ミグ（ＭＩＧ）溶接工程又はマグ（ＭＡＧ）溶接工程などの溶解電極（ｍｅｌｔｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）による溶接と、ティグ（ＴＩＧ）溶接などの非溶解電極による溶接工程との両方を含んでもよい。
【０００４】
溶接工程に必要なアークを電極と、溶接される加工物との間で非接触点火させるためには、高電圧が有益である。しかし、安全性の理由から、溶接電流源の出力における最大許容連続開回路溶接電圧は、基準によって通常制限される。
【０００５】
したがって、一方で安全法規が満たされ、かつ他方で安全なアーク点火が確かに得られるように溶接電流源を設計することが奨励される。この目的のために、異なる方法が存在するが、そのいくつかは回路を著しく複雑にして、溶接電流源の費用を大きくするだけではなく、点火作用を改善するために使われる回路は溶接電流源のかなりの部分を占め得るから、組み立てられたサイズも大きくなってしまう。
【０００６】
例えば、出力電圧を高めてアーク点火を可能にするため、先行技術の溶接電流源の中では補助電圧源が使われる。
【０００７】
したがって、例えば国際特許出願２００５／０５１５８５、又は米国特許公開第５１１７０８８号の記載のように、非接触点火のために溶接電圧の上に高周波パルスを重ねることが知られている。
【０００８】
米国特許出願第２０１４／０２５１９６８号明細書は、高周波点火の溶接システムを記載し、意図する溶接工程に応じた点火を起動する制御装置が提供される。
【０００９】
本願発明は、上述のような点火工程、および上述のような点火工程を実施するための溶接電流源を目的としており、周期的に変化し、好ましくは、実質的にのこぎり歯形状の開回路溶接電圧を生成するため、共振コンバータは、ある繰り返し率で周期的に繰り返される最大電圧を備える。
【００１０】
共振コンバータは、特定の共振周波数における共振に基づく電気回路である。普通、この共振周波数に近い周波数でパルスが適用され、それにより共振周波数において共振回路を励起し、その結果周期的に変化する出力電圧となる。例えば、国際特許出願２０１６／１４２２１８は、溶接装置の電流源にも適用可能な適切な容量成分および誘導成分を備えた共振コンバータを開示する。
【００１１】
本願発明の目的は、上述の方法、および費用を最低に抑えて安全な点火工程を確かにする上述の溶接電流源を作成することであり、周期的に変化する開回路電圧を発生させるための共振コンバータを備えた上述の費用対効果の優れた溶接電流源により経済的な適用を可能にする。周知の方法の不利な点は回避又は少なくとも低減される。
【発明の概要】
【００１２】
本願発明によれば、共振コンバータが直並列型（ｓｅｒｉｅｓ−ｐａｒａｌｌｅｌ）共振コンバータにより形成されるという事実、および時間同期された（ｔｉｍｅ−ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ）高周波パルスが、少なくとも、いくらかの周期的に繰り返される開回路溶接電圧の最大電圧の領域において開回路溶接電圧の上に重ね合わせられるという事実により、方法に関する目的が達成される。したがって本願の方法は、高周波パルスを時間同期された方法で少なくとも周期的に変化するいくらかの開回路溶接電圧の最大電圧と重ね合わせるように設計され、可能な限り最善の点火特性を達成することが可能となる。溶接電流源の一部としての直並列型共振コンバータによって形成された共振コンバータは、特に簡易であり、したがって低価格でコンパクトな設計を有する。電圧倍加回路又はその他の補助回路などの、点火電圧を高くするための複雑な回路は不要であり、それがこの方法を実施する費用を低く抑え得る理由である。高周波パルスが開回路溶接電圧に時間同期されるように重ね合わせられるので、点火特性は向上され得て、同時に適用される安全法規が満たされ得る。高周波パルスが開回路溶接電圧の全ての最大電圧に重ね合わせられる必要はないので、平均連続適用開回路溶接電圧は法規上限の下に保たれ得る。
【００１３】
高周波パルスが、最大電圧の領域において重ね合わせられるという記述は、高周波パルスは、最大電圧が発生する時間ちょうどに重ね合わせられる必要はなく、代わりに最大電圧の発生の前又は後の領域で起こってもよいという事実を表現することを意図する。経験によれば、最大電圧、又は最大電圧の９０％の領域における高周波パルスの重ね合わせが、最適、及び／又は十分である。
【００１４】
有利なことに、時間同期された高周波パルスは、開回路溶接電圧のｎ番目の最大電圧ごとの領域において開回路溶接電圧に重ね合わせられ、ここでｎは、１に等しい又はそれ以上の正の整数である。適切なｎ値を選択するということは、一方で、溶接電流源の出力において伝達される平均エネルギーが制限され、安全法規を満たすことが可能となり、かつ他方で、この方法は、コンデンサなどの対応する貯蔵部品（ｓｔｏｒａｇｅ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を充電することによる高周波パルスの生成にいくらかの時間が必要であるという事実を許容できることを意味する。
【００１５】
本願発明のさらなる特徴によれば、溶接電圧が測定され、所定の電圧値の超過が検出されると、少なくともいくつかの検出された所定の電圧値に高周波パルスが時間同期された状態で重ね合わせられる。開回路溶接電圧の追加測定によれば現実の条件が計算に入れられるから、少なくともいくらかの最大電圧との高周波パルスの重ね合わせの時間同期は向上され得る。所定の電圧値を、予測される最大電圧の範囲に設定することにより、最大電圧発生の時間が非常に高い信頼度で検出可能であり、高周波パルスを時間同期した方法で最大電圧に重ね合わせることが可能になる。
【００１６】
高周波パルスは、最大電圧発生の前又は後の特定された期間、好ましくは最長５ｍｓの期間、重ね合わせられてもよい。既に上述したとおり、高周波パルスの重ね合わせが、最大電圧の時間ちょうどに実行されず、その前又は後の領域で起こっても、点火特性が著しく劣化することはない。従来のアーク点火工程において、０と５ｍｓの間の範囲の遅延は適切であることがわかっている。
【００１７】
有利なことに、１０Ｈｚと１００Ｈｚの間、特に３３Ｈｚ、の繰り返し周波数の開回路溶接電圧が提供される。これらの周波数帯域は溶接電流源に適切な値である。
【００１８】
理想的には、高周波パルスは、１００ｋＨｚと１０ＭＨｚの間の周波数で重ね合わせられる。そのような周波数の高周波パルスは、点火に十分に点火経路をイオン化するために、数ｋＶの振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  ｏｆ  ｓｅｖｅｒａｌ  ｋＶ）を有する。
【００１９】
本願発明に係る目的は、共振コンバータが直並列型共振コンバータによって形成され、高周波パルスを生成するための回路が提供される上述の溶接電流源によっても達成され、その回路は、アークを非接触点火させるために、少なくとも開回路溶接電圧のいくらかの周期的に繰り返される最大電圧の領域において、高周波パルスを時間同期された状態で開回路溶接電圧に重ね合わせるように設計される。そのような溶接電流源は、比較的簡単で低費用で製造可能な構造、および小さいサイズを特徴とする。結果として達成可能なさらなる有利点の詳細は、上述の本願発明に係る方法の記述を参照されたい。
【００２０】
有利なことに、高周波パルスを生成するための回路は、高周波パルスを時間同期された状態で開回路溶接電圧に開回路溶接電圧のｎ番目の最大電圧ごとの領域において重ね合わせるように設計され、ｎは、１に等しい又はそれ以上の正の整数である。既に上述したとおり、アークの安全で適切な点火を確かにするために、開回路溶接電圧の最大電圧それぞれに対応する高周波パルスを重ね合わせることは、絶対に必要なことではない。
【００２１】
本願発明のさらなる特徴によれば、溶接電圧を検出するための測定装置が提供され、その測定装置は高周波パルスを生成するための回路に制御装置を介して接続され、高周波パルスは、検出された所定の電圧値で時間同期された状態で重ね合わせられ得る。測定装置は、溶接電圧をモニタするための汎用の装置によって形成可能であり、追加のハードウェアは不要である。
【００２２】
さらに、高周波パルスを生成するための回路は、高周波パルスを特定の期間、好ましくは最大電圧発生の前又は後最大５ｍｓの期間、時間的にオフセットさせて重ね合わせるように設計され得る。
【００２３】
有利なことに、周期的に変化する開回路溶接電圧を生成するための回路は、１０Ｈｚと１００Ｈｚの間、特に３３Ｈｚ、の繰り返し周波数で設計される。
【００２４】
理想的には、高周波パルスを発生させるための回路は、１００ｋＨｚと１０ＭＨｚの間で設計される。
【００２５】
電極は、非溶解電極、特にタングステン電極、によって形成されてもよい。特に、非溶解タングステン電極によるティグ溶接工程の場合、低い開回路電圧におけるアークの非接触点火は、かなり難しい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
本願発明は添付の図面を参照してさらに詳細に説明される。
【００２７】
【図１】図１は、本願発明に係る溶接電流源の回路ブロック図である。
【図２】図２は、本願発明に係る溶接電流源のさらなる設計変更の回路ブロック図である。
【図３】図３は、共振コンバータを備えた溶接電流源の開回路溶接電圧の時間波形である。
【図４】図４は、本願発明に係る点火工程を適用したときの開回路溶接電圧の時間波形である。
【図５】図５は、本願発明に係る点火工程の変更例の開回路溶接電圧の時間波形である。
【図６】図６は、点火工程の別の変更例の開回路溶接電圧の時間波形である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、本願発明に係る溶接電流源１の回路ブロック図を示す。溶接電流源１は、電極３と、溶接される加工物４との間のアークＬによる溶接工程を実施するために、溶接電流Ｉおよび溶接電圧Ｕを出力２において提供するために使われる。電極３は、非溶解電極、特にタングステン電極でもよく、また溶解電極でもよい。溶接電流源１は、溶接電圧Ｕを生成するための共振コンバータ５を含む。共振コンバータ５は、特に直並列型共振コンバータによって形成されてもよい。そのような回路は、特に設計が簡単であり、多くの溶接電流源において使用される。共振コンバータ５は、整流器などの適切な上流の回路を介して供給ネットワークに接続される。
【００２９】
電極３と加工物４との間でアークＬを非接触点火させるために、高周波パルスＵＩ，ＨＦを生成するための回路６が提供され、高周波パルスＵＩ，ＨＦは、溶接電流源１の出力２で、開回路溶接電圧ＵＬＬに、特に時間同期された状態で、開回路溶接電圧ＵＬＬの周期的に繰り返される最大電圧ＵＬＬ，ｍａｘの少なくともいくつかの領域において重ね合わせられる。タイミングパラメータが固定されていると仮定すれば、周期的に繰り返される最大電圧ＵＬＬ，ｍａｘの回数は、十分な正確さで判断され得て、高周波パルスＵＩ，ＨＦの重ね合わせは、十分な正確さで実行される。高周波パルスＵＩ，ＨＦを生成するための回路６も、出力２又はアークＬと並列で配置されてもよい（図示せず）。
【００３０】
したがって、重ね合わせの時間同時性を向上させるために、高周波パルスＵＩ，ＨＦを生成するための回路６を制御する制御装置８が提供されてもよい。任意に、溶接電圧Ｕを検出する測定装置７が提供されてもよく、測定装置７は、制御装置８に接続され、高周波パルスＵＩ，ＨＦは、検出された所定の電圧値ＵＬＬ，ｄｅｆで出力２に時間同期された状態で重ね合わせられ得る。
【００３１】
高周波パルスＵＩ，ＨＦは開回路溶接電圧ＵＬＬの最大電圧ＵＬＬ，ｍａｘの領域において重ね合わせられるから、点火電圧を増大させることが可能であり、信頼性が高いアークＬの点火が保証され得る。回路は追加で複雑化することがほとんどなく、したがって、溶接電流源１は、従来の溶接電流源と比較して著しくより大きく、より高価に設計される必要はない。高周波パルスＵＩ，ＨＦは開回路溶接電圧の最大値ＵＬＬ，ＭＡＸに、それが発生する直前又は直後に重ね合わせられ得る。高周波パルスＵＩ，ＨＦは最大電圧ＵＬＬ，ｍａｘそれぞれに重ね合わせられる必要はなく、最大電圧ＵＬＬ，ｍａｘのいくつかにだけ、例えば最大電圧ＵＬＬ，ｍａｘの２つごと、又は３つごとにだけ重ね合わせられれば良い。
【００３２】
図２は、溶接電流源１の、図１と比較して、より詳細な回路ブロック図であり、周期的に変化する開回路溶接電圧ＵＬＬを生成するための共振コンバータ５が、インダクタＬＲ、コンデンサＣＲ、およびコンデンサＣＰを備えた直並列型共振コンバータによって形成される。加えて、共振コンバータ５は変圧器Ｔを有する。スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は共振回路の入力ＵＥにおいて、共振回路ＬＲ、ＣＲ、およびＣＰを励起する電圧パルスを生成する。スイッチＳ１からＳ４に並列に示されるコンデンサはそれらの寄生容量であり、容量ＣＲよりもずっと小さいから共振回路には影響がない。図示された直並列型共振コンバータも、開回路の状態（すなわち、負荷の接続がない）において、ＣＰで形成された共振回路の結果、溶接電圧Ｕが大きくなる特性を有し、開回路の状態では共振コンバータ５の制御も必要である。このため、共振コンバータ５は開回路の状態ではパルスモードで動作する。共振コンバータ５の入力ＵＥにおいて、電圧パルスが特定の期間だけ適用される。ダイオードＤＬ，抵抗ＲＬ，およびコンデンサＣＬを含み、開回路溶接電圧ＵＬＬを維持するための追加回路９は、開回路の状態で直並列型共振コンバータをパルスモードで動作させる一実施例である。共振コンバータ５によって生成されるオシレーションは二次側のダイオードＤＬを介して平滑コンデンサＣＬを充電する。電圧パルスが適用されない期間、平滑コンデンサＣＬは抵抗ＲＬを介して放電する。したがって、共振コンバータ５の出力において、周期的に変化し、最大電圧ＵＬＬ，ｍａｘが周波数ｆＷで周期的に繰り返される、好ましくは実質的にのこぎり歯型の開回路溶接電圧ＵＬＬが生成される（図３を参照）。
【００３３】
図３は、共振コンバータを備えた溶接電流源１の開回路溶接電圧ＵＬＬの時間波形を示す。したがって、溶接電流源１の出力２において、周期的に変化し、繰り返し率ｆＷで最大電圧ＵＬＬ，ｍａｘが繰り返される実質的にのこぎり歯形状の開回路溶接電圧ＵＬＬを有する開回路溶接電圧ＵＬＬの結果となる。
【００３４】
図４は、本願発明に係る点火工程を適用したときの開回路溶接電圧ＵＬＬの時間波形を示す。図中、発生している最大電圧ＵＬＬ，ｍａｘのうちのいくつか（ここにある、全て）に、最大電圧ＵＬＬ，ｍａｘの領域において高周波パルスＵＩ，ＨＦが重ね合わせられる。これにより、溶接電流源１の出力２における最大平均電圧が規定の上限を超えることなく、アークＬの点火が促進される。高周波パルスＵＩ，ＨＦのエネルギー容量の総量が法規の上限値を超えないことが重要である。
【００３５】
図５は、図３に関する点火工程の変更例の、溶接電流源１の出力２における開回路溶接電圧ＵＬＬの時間波形である。この場合、高周波パルスＵＩ，ＨＦが開回路電圧ＵＬＬ，ｍａｘの２つごとの最大値のみに重ね合わせられる。したがって、高周波パルスＵＩ，ＨＦを生成させるための回路６の貯蔵部品を再充電するために使える時間が長くなり、出力２を介して伝達される総エネルギー量が低くなる。
【００３６】
図６は、溶接電流源１の出力２における開回路電圧ＵＬＬの時間波形の抜粋であり、開回路溶接電圧ＵＬＬは、継続的に測定され、所定の電圧値ＵＬＬ，ｄｅｆと比較される。所定の電圧値ＵＬＬ，ｄｅｆは、予測された、又は調節された最大開回路溶接電圧ＵＬＬ，ｍａｘよりも少し低く、最大電圧ＵＬＬ，ｍａｘの領域の検出が信頼性をもって保証され得る。所定の電圧値ＵＬＬ，ｄｅｆの検出後、少なくともいくつかの場合において、高周波パルスＵＩ，ＨＦが重ねられ、それによりアークＬの非接触点火が促進される、又は可能となる。所定の電圧値ＵＬＬ，ｄｅｆの発生と、高周波パルスＵＩ，ＨＦの重ね合わせとの間の遅延は、所定の期間Δｔだけオフセットされ、期間Δｔの長さは、例えば０から５ｍｓであり得る。
【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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