JP2006170318A - 電動リニアアクチュエータ - Google Patents

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恵介 数野
Hironori Imanaka
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Abstract

【課題】
ボールねじに振動を伴う荷重や交番荷重が負荷されても振動や騒音の発生を抑え、品質の向上を図った電動リニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】
電動モータ5と同軸状に連結され、ねじ軸7と、外周にリンク2の一端部を支持する支持軸12を有するナット8と、このナット8とねじ軸7間に収容されたボール9とからなり、支持軸12を介してリンク2を揺動運動させるボールねじ3と、ねじ軸7を回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承する一対の支持軸受10、11とを備えた電動リニアアクチュエータ1において、電動モータ5側の支持軸受10の軸方向すきまが他方よりも小さく設定され、これを4点接触玉軸受とすると共に、その転走面に所定の表面粗さを有する超仕上面が形成されている。これにより、ボールねじ3に振動を伴う荷重や交番荷重が負荷されても振動や騒音の発生を抑えることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば、自動車のブレーキ、エンジン、トランスミッション等の駆動部に使用される電動リニアアクチュエータ、特に電動モータの回転をボールねじ機構を介して直線運動に変換して用いる電動リニアアクチュエータに関するものである。
自動車等の車両の各種駆動部に使用される電動リニアアクチュエータにおいて、電動モータの回転運動を軸方向の直線運動に変換する機構として、台形ねじあるいはラックアンドピニオン等の歯車機構が一般的に使用されている。これらの変換機構は、滑り接触部を伴うため動力損失が大きく、電動モータの大型化や消費電力の増大を余儀なくされている。そのため、より効率的なアクチュエータとしてボールねじ機構が採用されるようになってきた。
従来、この種の電動リニアアクチュエータでは、駆動側の作用線はボールねじの軸心と同一であり、純アキシアル荷重がボールねじに負荷されるが、ボールねじに負荷される荷重が純アキシアル荷重でない場合には、ボールねじにラジアル荷重が直接負荷されないように、リニアガイド等が併用されていた。
しかしながら、一般産業機器の用途では比較的大きな空間スペースがあり、構成部品の配置や大きさに対する自由度が大きいが、自動車のエンジンルーム等ではそれが厳しく制限される。したがって、ボールねじに純アキシアル荷重のみが負荷される構造の電動リニアアクチュエータを組み込むことは困難であった。
こうした問題点を解決したものとして、図5に示すような電動リニアアクチュエータが知られている。この電動リニアアクチュエータ50は、一対のリンク51と、このリンク51を介して被駆動部材を揺動駆動するボールねじ52と、このボールねじ52を駆動する電動モータ53とを主たる構成としている。
ボールねじ52は、図6に示すように、電動モータ53により回転駆動されるねじ軸54と、このねじ軸54の外周面に形成された螺旋状のねじ溝54aと対向する螺旋状のねじ溝55aが内周面に形成されたナット55と、これら両ねじ溝54a、55a間に収容された多数のボール56とを備えている。また、図5に示すように、ナット55には、リンク51の一端部を回転自在に支承する支持軸57が設けられている。この支持軸57は、ナット55の重心を通り、ねじ軸54の軸心に対して直角に設けられている。
また、ボールねじ52は、螺旋状のねじ溝54a、55aとの間にボール56の無限循環路を形成する循環部材としてのリターンチューブ58を備えている(図6参照)。このリターンチューブ58は、ナット55に装着されており、支持軸57を介してナット55に作用する負荷荷重Fのラジアル方向成分Frが作用する側(図中上側)と反対側(図中下側)に配置されている。
これにより、ラジアル方向成分Frが作用する反対側(図中下側)に位置するボール数より、ラジアル方向成分Frが作用する側(図中上側)に位置するボール数が多くなる。したがって、支持軸57を介してナット55に作用する負荷荷重Fのラジアル方向成分Frによってボールねじ52の寿命が低下するのを防止することができる。
特開2004−84827号公報
しかしながら、こうした従来の電動リニアアクチュエータ50において、ボールねじ52のねじ軸54を回転自在に支承する支持軸受として一対の深溝玉軸受59、60が配設されているが、この場合、電動リニアアクチュエータ50のボールねじ52には、作用点からの反力として振動を伴う荷重や交番荷重が負荷されるため、振動や騒音発生が問題となっていた。
この種の問題を解決するには軸方向のガタを抑えることが有効である。このボールねじ52の軸方向のガタを抑えるには、電動モータ53が許容できる範囲内でボールねじ52に軽予圧を付与したり、軸方向すきまを小さく規制することで可能となる。また、ボールねじ52を支持する軸受をアンギュラ玉軸受(図示せず)とすることで軸方向のガタを抑えることができる。しかしながら、電動リニアアクチュエータ50に両軸方向の交番荷重が負荷される場合においては、少なくとも電動モータ53側の支持軸受を複列アンギュラ玉軸受とするか、ねじ軸54の両端にアンギュラ玉軸受を配設する必要がある。
前者の場合、複列アンギュラ玉軸受とすることで従来の深溝玉軸受59に比べて軸方向サイズが大きくなって電動リニアアクチュエータ50が大型化する。また、後者の場合、予圧またはすきまの管理のために、軸受平面差やシム調整等の煩雑な寸法管理が必要となり、組立作業性の低下と相俟ってコスト高騰が余儀なくされる。
本発明は、こうした従来の課題を解消し、ボールねじに振動を伴う荷重や交番荷重が負荷されても振動や騒音の発生を抑え、品質の向上を図った電動リニアアクチュエータを提供することを目的とする。
係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項1に記載の発明は、ハウジングに取り付けられた電動モータと、この電動モータのモータ軸に同軸状に連結され、外周に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外挿され、外周にリンクの一端部を支持する支持軸を有し、内周に前記ねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、両ねじ溝間に収容された多数のボールと、前記両ねじ溝間にボールの無限循環路が形成されたボールの循環部材とからなり、前記電動モータの回転運動を軸方向運動に変換すると共に、前記支持軸を介して連結されたリンクを揺動運動させるボールねじと、前記ねじ軸を前記ハウジングに対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承する一対の支持軸受とを備えた電動リニアアクチュエータにおいて、前記支持軸受のうち、一方の支持軸受の軸方向すきまが他方の支持軸受よりも小さく設定され、少なくともこの支持軸受を4点接触玉軸受とした構成を採用した。
このように、ナットの外周面に支持軸が設けられ、この支持軸を介して連結されたリンクを揺動運動させるボールねじを備え、このボールねじのねじ軸が一対の支持軸受で支承された電動リニアアクチュエータにおいて、支持軸受のうち、一方の支持軸受の軸方向すきまが他方の支持軸受よりも小さく設定され、少なくともこの支持軸受を4点接触玉軸受としたので、単列の玉軸受でありながら両方向のアキシアル荷重を負荷することができると共に、軸受の径方向すきまに対して軸方向すきまの範囲を抑制することができ、ボールねじに振動を伴う荷重や交番荷重が負荷されても、電動リニアアクチュエータの振動や騒音の発生を抑えることができ、品質の向上を図った電動リニアアクチュエータを提供することができる。
また、請求項2に記載の発明のように、前記支持軸受の転走面に所定の表面粗さを有する超仕上面が形成されていれば、電動リニアアクチュエータの振動や騒音の発生を一層抑えることができる。
好ましくは、請求項3に記載の発明のように、前記表面粗さが0.1Ra以下に規制されていれば、摩擦トルク低減と摩耗防止および寿命を向上させると共に、軸受の昇温や異音の発生を防止することができ、電動リニアアクチュエータの振動や騒音の発生を一層抑えることができる。
また、請求項4に記載の発明のように、前記ボールねじに軽予圧が付与されていれば、ボールねじの回転トルクの上昇を抑制し、温度上昇を防止することができると共に、ボールねじに振動を伴う荷重や交番荷重が負荷されても振動や騒音の発生を一層抑えることができる。
また、請求項5に記載の発明のように、前記支持軸受が前記電動モータ側に配設されていれば、ねじ軸の端部に配設される支持軸受が自由側となり、運転中に温度上昇が生じてねじ軸が膨張しても、この支持軸受の内部すきまにより許容することができ、ボールねじの回転トルクの上昇を防止することができる
本発明に係る電動リニアアクチュエータは、ハウジングに取り付けられた電動モータと、この電動モータのモータ軸に同軸状に連結され、外周に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外挿され、外周にリンクの一端部を支持する支持軸を有し、内周に前記ねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、両ねじ溝間に収容された多数のボールと、前記両ねじ溝間にボールの無限循環路が形成されたボールの循環部材とからなり、前記電動モータの回転運動を軸方向運動に変換すると共に、前記支持軸を介して連結されたリンクを揺動運動させるボールねじと、前記ねじ軸を前記ハウジングに対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承する一対の支持軸受とを備えた電動リニアアクチュエータにおいて、前記支持軸受のうち、一方の支持軸受の軸方向すきまが他方の支持軸受よりも小さく設定され、少なくともこの支持軸受を4点接触玉軸受としたので、単列の玉軸受でありながら両方向のアキシアル荷重を負荷することができると共に、軸受の径方向すきまに対して軸方向すきまの範囲を抑制することができ、ボールねじに振動を伴う荷重や交番荷重が負荷されても、電動リニアアクチュエータの振動や騒音の発生を抑えることができ、品質の向上を図った電動リニアアクチュエータを提供することができる。
ハウジングに取り付けられた電動モータと、この電動モータのモータ軸に同軸状に連結され、外周に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外挿され、外周にリンクの一端部を支持する支持軸を有し、内周に前記ねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、両ねじ溝間に収容された多数のボールと、前記両ねじ溝間にボールの無限循環路が形成されたボールの循環部材とからなり、前記電動モータの回転運動を軸方向運動に変換すると共に、前記支持軸を介して連結されたリンクを揺動運動させるボールねじと、前記ねじ軸を前記ハウジングに対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承する一対の支持軸受とを備えた電動リニアアクチュエータにおいて、前記支持軸受のうち、前記電動モータ側の支持軸受の軸方向すきまが前記ねじ軸の端部側の支持軸受よりも小さく設定され、この支持軸受を4点接触玉軸受とすると共に、その転走面に所定の表面粗さを有する超仕上面が形成されている。
以下、本発明の実施の形態を図面に基いて詳細に説明する。
図1は、本発明に係る電動リニアアクチュエータの一実施形態を示す縦断面図、図2は、本発明に係るボールねじを示し、(a)は縦断面図、(b)は駒部材の斜視図、図3は、図1の要部拡大図である。
この電動リニアアクチュエータ1は、リンク2と、このリンク2を介して図示しない被駆動部材を揺動駆動するボールねじ3と、このボールねじ3を駆動し、ハウジング4に取付けられた電動モータ5とから構成されている。
ボールねじ3は、電動モータ5のモータ軸5aにカップリング6を介して連結され、図2(a)に示すように、電動モータ5により回転駆動されるねじ軸7と、このねじ軸7の外周面に形成された螺旋状のねじ溝7aと対向する螺旋状のねじ溝8aが内周面に形成されたナット8と、これら両ねじ溝7a、8a間に収容された多数のボール9とを備えている。各ねじ溝7a、8aの断面形状は、サーキュラアーク形状であってもゴシックアーク形状であっても良いが、ここでは、各ねじ溝7a、8aの断面形状は、ボール9との接触角が大きくとれ、軸方向すきまが小さく設定できるゴシックアーク形状に形成されている。これにより、アキシアル荷重に対する剛性が高くなり、かつ振動を抑制することができる。
円筒状のナット8の胴部には、内外の周面に貫通してねじ溝8aの一部を切欠く楕円状の駒窓13が穿設され、この駒窓13に楕円状の駒部材14が装着されている。また、図2(b)に示すように、駒部材14の内方には、ねじ溝8aの隣合う1周分同士を連結する連結溝15が形成され、この連結溝15とねじ溝8aの略1周の部分とでボール9の転動路を構成している。そして、転動路内の内外のねじ溝7a、8a間に介在された多数のボール9は、ねじ溝7a、8aに沿って転動し、駒部材14の連結溝15に案内されてねじ軸7のねじ山を乗り越え、隣接するねじ溝7aに戻り、再びねじ溝7a、8aに沿って転動する。
駒部材14の連結溝15は、ナット8の隣接するねじ溝8a間を滑らかに接続するようにS字状に湾曲して形成されている。したがって、その両端の開口縁16は、ナット8の隣接するねじ溝8aの窓開口縁部に合致するように、ナット8のねじ溝8aに接続されている。また、連結溝15の深さは、ボール9が連結溝15内でねじ軸7におけるねじ溝7aのねじ山を越えることができる深さとされている。
この駒部材14は、金属粉末を可塑状に調整し、射出成形機で成形される焼結合金からなる。この射出成形に際しては、まず、金属粉と、プラスチックおよびワックスからなるバインダとを混練機で混練し、その混練物をペレット状に造粒する。造粒したペレットは、射出成形機のホッパに供給し、金型内に加熱溶融状態で押し込むことにより成形される。前記金属粉としては、後に浸炭焼入が可能な材質が好ましく、例えば、C(炭素)が0.3wt%、Ni(ニッケル)が1〜2wt%、残りがFe(鉄)からなるものとする。なお、駒部材14の材質はこれに限らず、例えば、PA(ポリアミド)66等の射出成形可能な熱可塑性樹脂によって形成しても良い。
図1に示すように、ねじ軸7は、一対の転がり軸受からなる支持軸受10、11を介してハウジング4に対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承されている。一方、ナット8は、その外周面に一対の支持軸12が突設されている。この支持軸12は、リンク2の一端部を回転自在に支承し、ねじ軸7の軸心に対して直角に突設されている。したがって、ナット8は、軸方向移動自在に、かつ回転不可に支持されている。
このような構成により、電動モータ5の回転に伴ってねじ軸7が回転し、このねじ軸7の回転によりナット8が軸方向(図中左右方向)に移動される。すなわち、このボールねじ3により、モータ軸5aの回転運動がボールねじ3を介してナット8の軸方向運動に変換され、ナット8の支持軸12を介して連結されたリンク2が揺動運動する。
ここで、ボールねじ3には所定の軽予圧が付与されている。すなわち、両ねじ溝7a、8a間に収容されるボール9として大径サイズを選択している。これにより、ボールねじ3に振動を伴う荷重や交番荷重が負荷されても振動や騒音の発生を抑えることができる。なお、ボールねじ3に予圧を付与する手段としては、このように、大径サイズのボール9を収容する以外に、図示しないが、ナット8を一対のナットで構成し、このナット間にすきま調整用の間座を介装する、所謂ダブルナット方式、あるいは、ねじ軸7におけるねじ溝7aのリードを連続的に変化させ、ねじ軸7とナット8との間に予圧を付与する方式であっても良い。
本実施形態では、ねじ軸7を回転自在に支承する一対の支持軸受10、11のうち、少なくとも電動モータ5側に配設される支持軸受10に4点接触玉軸受が使用されている。この支持軸受10は、ねじ軸7の端部に配設され、同じく4点接触玉軸受からなる支持軸受11と共に、ねじ軸7をハウジング4に対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承している。
この四点接触玉軸受からなる支持軸受10は、図3に拡大して示すように、内周に外側転走面17aが形成された外輪17と、この外側転走面17aに対向する内側転走面18aが形成された内輪18と、両転走面17a、18a間に転動自在に収容されたボール19とを備えている。
外側転走面17aの断面形状は、軸受の幅中心に対して軸方向に等距離オフセットした一対の曲率中心を有する円弧面で構成された、所謂ゴシックアーク形状に形成されている。一方、内輪18は、互いに突き合された一対の内リング部材20、21からなり、各内リング部材20、21の外周には所定の曲率半径を有する円弧状の断面形状からなる転走面20a、21aがそれぞれ形成されている。これら各転走面20a、21aは互いに協働してゴシックアーク形状の内側転走面18aが構成されている。
本実施形態における支持軸受10、11のうち、少なくとも電動モータ5側の支持軸受10が四点接触玉軸受からなり、外側転走面17aおよび内側転走面18aの断面形状がゴシックアークに形成されているので、所定の接触角αを有し、単列の玉軸受でありながら両方向のアキシアル荷重を負荷することができると共に、軸受の径方向すきまに対して軸方向すきまの範囲を抑制することができ、ボールねじ(図示せず)に振動を伴う荷重や交番荷重が負荷されても、電動リニアアクチュエータ1の振動や騒音の発生を抑えることができる。
一方、ねじ軸7の端部に配設される支持軸受11の軸方向すきまが電動モータ5側の支持軸受10よりも大きく設定されているため、運転中に温度上昇が生じてねじ軸7が膨張しても、この支持軸受11の内部すきまにより許容することができると共に、外輪17はハウジング4に対してすきまばめで嵌合されているため、軸方向にスライド可能である。したがって、ねじ軸7に無理な変形が生じ、ボールねじ3の回転トルクが上昇するのを防止することができる。
ここでは、支持軸受10、11のうち、電動モータ5側の支持軸受10の軸方向すきまがねじ軸7の端部側の支持軸受11よりも小さく設定され、電動モータ5側の支持軸受10で両方向のアキシアル荷重を負荷するようにしているが、これに限らず、反対に端部側の支持軸受11の軸方向すきまを小さく設定して両方向のアキシアル荷重を負荷するようにしても良い。また、支持軸受10、11を4点接触玉軸受としたものを例示したが、両方向のアキシアル荷重を負荷する側の支持軸受10のみを4点接触玉軸受とし、他方を深溝玉軸受で構成しても良い。
さらに、本実施形態では、外輪17および内輪18の各転走面17a、18aが、研削加工にて所定の断面形状に形成された後、超仕上加工が施されている。これにより、深溝玉軸受等の一般的な玉軸受と同じ水準、すなわち、転走面の表面粗さは、研削加工後の0.2〜0.4Raに対して、超仕上加工後で0.05〜0.1Raの範囲に規制することが可能となる。したがって、摩擦トルク低減と摩耗防止および寿命を向上させると共に、軸受の昇温や異音の発生を防止することができ、電動リニアアクチュエータ1の振動や騒音の発生を一層抑えることができる。
図4は、サイズの異なる3つの電動リニアアクチュエータにおいて、ねじ軸7を回転自在に支承する支持軸受10、11のうち、アキシアル荷重を負荷する側の支持軸受10に4点接触玉軸受を使用した場合と、従来の支持軸受を使用した場合の音響値比較をした試験結果を示す。なお、音響測定は、ナット8にリンク2からの入力荷重を想定した交番荷重を負荷した状態で、ナット8の近傍にマイク(図示せず)を配置して行った。
このグラフから明確なように、支持軸受10に複列アンギュラ玉軸受を使用した場合とほぼ同等の効果、すなわち、支持軸受10に深溝玉軸受を使用した場合、音響値が90〜92.5dB−Aであったのに対し、4点接触玉軸受を使用した場合は、音響値が86〜88.7dB−Aと、略4dB−Aの低減を確認することができた。なお、この試験では、ボールねじ(BS)3の軸方向すきまは、支持軸受10に深溝玉軸受を使用した場合は0.03mmに設定され、また、支持軸受10に複列アンギュラ玉軸受あるいは4点接触玉軸受を使用した場合は、0.01mmに設定されている。
以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。
本発明に係る電動リニアアクチュエータは、電動モータのモータ軸と同軸状に連結され、モータ軸の回転運動を軸方向運動に変換するボールねじを備え、このボールねじにおけるねじ軸を、一対の支持軸受でハウジングに対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承した電動リニアアクチュエータに適用できる。
本発明に係る電動リニアアクチュエータの一実施形態を示す縦断面図である。 (a)は、本発明に係るボールねじを示す縦断面図である。 (b)は、同上駒部材を示す斜視図である。 図1の要部拡大図である。 ナット近傍の音響値を比較した試験結果を示すグラフである。 従来の電動リニアアクチュエータを示す一部を断面した正面図である。 図5のボールねじを示す縦断面図である。
符号の説明
1・・・・・・・・・・・・・・・・・電動リニアアクチュエータ
2・・・・・・・・・・・・・・・・・リンク
3・・・・・・・・・・・・・・・・・ボールねじ
4・・・・・・・・・・・・・・・・・ハウジング
5・・・・・・・・・・・・・・・・・電動モータ
5a・・・・・・・・・・・・・・・・モータ軸
6・・・・・・・・・・・・・・・・・カップリング
7・・・・・・・・・・・・・・・・・ねじ軸
7a、8a・・・・・・・・・・・・・ねじ溝
8・・・・・・・・・・・・・・・・・ナット
9、19・・・・・・・・・・・・・・ボール
10、11・・・・・・・・・・・・・支持軸受
12・・・・・・・・・・・・・・・・支持軸
13・・・・・・・・・・・・・・・・駒窓
14・・・・・・・・・・・・・・・・駒部材
15・・・・・・・・・・・・・・・・連結溝
16・・・・・・・・・・・・・・・・開口縁
17・・・・・・・・・・・・・・・・外輪
17a・・・・・・・・・・・・・・・外側転走面
18・・・・・・・・・・・・・・・・内輪
18a・・・・・・・・・・・・・・・内側転走面
20、21・・・・・・・・・・・・・内リング部材
20a、21a・・・・・・・・・・・転走面
50・・・・・・・・・・・・・・・・電動リニアアクチュエータ
51・・・・・・・・・・・・・・・・リンク
52・・・・・・・・・・・・・・・・ボールねじ
53・・・・・・・・・・・・・・・・電動モータ
54・・・・・・・・・・・・・・・・ねじ軸
54a、55a・・・・・・・・・・・ねじ溝
55・・・・・・・・・・・・・・・・ナット
56・・・・・・・・・・・・・・・・ボール
57・・・・・・・・・・・・・・・・支持軸
58・・・・・・・・・・・・・・・・リターンチューブ
59、60・・・・・・・・・・・・・深溝玉軸受
F・・・・・・・・・・・・・・・・・負荷荷重
Fr・・・・・・・・・・・・・・・・ラジアル方向成分
α・・・・・・・・・・・・・・・・・接触角

Claims (5)

  1. ハウジングに取り付けられた電動モータと、
    この電動モータのモータ軸に同軸状に連結され、外周に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外挿され、外周にリンクの一端部を支持する支持軸を有し、内周に前記ねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、両ねじ溝間に収容された多数のボールと、前記両ねじ溝間にボールの無限循環路が形成されたボールの循環部材とからなり、前記電動モータの回転運動を軸方向運動に変換すると共に、前記支持軸を介して連結されたリンクを揺動運動させるボールねじと、
    前記ねじ軸を前記ハウジングに対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承する一対の支持軸受とを備えた電動リニアアクチュエータにおいて、
    前記支持軸受のうち、一方の支持軸受の軸方向すきまが他方の支持軸受よりも小さく設定され、少なくともこの支持軸受を4点接触玉軸受としたことを特徴とする電動リニアアクチュエータ。
  2. 前記支持軸受の転走面に所定の表面粗さを有する超仕上面が形成されている請求項1に記載の電動リニアアクチュエータ。
  3. 前記表面粗さが0.1Ra以下に規制されている請求項2に記載の電動リニアアクチュエータ。
  4. 前記ボールねじに軽予圧が付与されている請求項1乃至3いずれかに記載の電動リニアアクチュエータ。
  5. 前記支持軸受が前記電動モータ側に配設されている請求項1乃至4いずれかに記載の電動リニアアクチュエータ。
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