JP2019160935A - 電磁成形用絶縁導線の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】コイルの導線を覆う絶縁部材の絶縁性能と肉薄化を両立させる電磁成形用絶縁導線の製造方法を提供する。【解決手段】電磁成形用絶縁導線の製造方法は、導線20に絶縁テープ22a〜22hを巻回して、導線20を複数層の絶縁テープ22a〜22hで絶縁するテープ巻回工程と、絶縁された導線20を巻回して、電磁成形用コイルを形成する導線巻回工程とを含む。そして、テープ巻回工程では、隣接する絶縁テープ22a〜22hの導線側のテープ幅方向端同士が重複しないように絶縁テープ22a〜22hの巻回が行われる。【選択図】図4
Description
本発明は、電磁成形用絶縁導線の製造方法に関し、特に、絶縁コイル導線の製造方法に関する。
中空の金属の内部にコイルを設置して、パルス的に通電することで、金属を拡径させる電磁成形の技術が知られている。
下記特許文献1には、金属の電磁成形に用いるコイルについて記載されている。このコイルは、絶縁被覆を行った導体を絶縁性のボビンに巻回して形成されている。
電磁成形コイルでは、コイル巻き数を増加させることで、磁束密度を高めることが可能となる。また、コイル巻き数を増加させた場合には、印加するパルス電圧を下げても、同程度の磁束密度を作り出すことが可能となる。印加する電圧を下げることで、コイル寿命を長くすることができる。しかしながら、コイル巻き数を増加させるために、導線を覆う絶縁部材を単に肉薄させて導線間距離を縮小させたのでは、導線に対する絶縁性能が低下してしまう。
本発明の目的は、電磁成形用絶縁導線において、コイルの導線を覆う絶縁部材の絶縁性能と肉薄化を両立させることにある。
本発明にかかる電磁成形用絶縁導線の製造方法は、導線に絶縁テープを巻回して、前記導線を複数層の前記絶縁テープで絶縁するテープ巻回工程と、絶縁された前記導線を巻回して、電磁成形用コイルを形成する導線巻回工程と、を含み、前記テープ巻回工程では、隣接する絶縁テープの導線側のテープ幅方向端同士が重複しないように前記絶縁テープの巻回が行われる、ことを特徴とする。
絶縁導線とは、表面が絶縁処理された導線をいう。テープ巻回工程では、導線の絶縁対象部分に絶縁テープが巻回され、複数層の絶縁テープの層が形成される。絶縁テープの導線側のテープ幅方向端とは、絶縁テープの二つのテープ幅方向端のうち、導線との距離が近い側の端をいう。
隣接する絶縁テープとは、その付近において、テープ面の少なくとも一部が互いに接触している二つの絶縁テープをいう。隣接する絶縁テープは、繋がった一本のテープの異なる部位であってもよいし、繋がっていない異なるテープであってもよい。
隣接する絶縁テープの導線側のテープ幅方向端同士が重複する状況とは、隣接する一方の絶縁テープにおける導線側のテープ幅方向端が、他方の絶縁テープにおける導線側のテープ幅方向端と、重複する配置で巻回されていることをいう。単に、テープが交差するような場合には重複するとは言わない。また、重複とは、実質的に重複しているとみなせる範囲をいう。例えば、テープ幅に対して、15%以内の範囲、10%以内の範囲、あるいは5%以内の範囲に両者のテープ幅方向端が配置されている場合には、重複しているとみなすことができる。本装置においては、隣接する絶縁テープの導線側のテープ幅方向端同士が重複しないように巻回が行われる。
本発明の一態様においては、前記テープ巻回工程では、前記導線の絶縁対象箇所の各位置における巻回層数が等しくなるように、導線長方向に位置をずらしながら前記絶縁テープの巻回が行われる、ことを特徴とする。
本発明の一態様においては、前記テープ巻回工程では、前記導線の絶縁対象箇所の各位置における巻回層数が3層となるように、テープ幅が等しい2本の前記絶縁テープが巻回される、ことを特徴とする。
本発明の一態様として、絶縁テープが巻回された導線と、前記導線が巻回されて形成された電磁成形用コイルとを備えた電磁成形用絶縁導線が実現可能となる。この電磁成形用絶縁導線では、隣接する絶縁テープの導線側のテープ幅方向端同士が重複しないように絶縁テープの巻回が行われている。
本発明によれば、絶縁テープによって導線の絶縁を行う場合に、絶縁テープの巻回にともなう空隙を抑制し、絶縁性能と肉薄化を両立することが可能となる。
また、例えば、導線の各位置における巻回層数を等しくした場合には、絶縁部材の厚みが均一化されるため、絶縁性能と肉薄化を図ることができる。
以下に、図面を参照しながら、実施形態について説明する。説明においては、理解を容易にするため、具体的な態様について示すが、これらは実施形態を例示するものであり、他にも様々な実施形態をとることが可能である。
本実施形態にかかる電磁成形装置は、円筒形状に形成された装置である。図1は電磁成形装置10の側断面図であり、図2は電磁成形装置10の正断面図である。これらの図、及び以降の図では、同一または対応する構成には同一の符号を付している。
電磁成形装置10の最内側には、中空の円筒形部材であるボビン12が設けられている。ボビン12は、樹脂などの絶縁性部材によって形成されている。ボビン12の外周には、電磁成形用コイル14が設けられている。電磁成形用コイル14は、絶縁処理された導線をボビン12に巻回して形成されたものである。電磁成形用コイル14の外側は、絶縁テープ16で覆われている。絶縁テープ16は、電磁成形用コイル14の保護や、絶縁性能の向上を図るために設けられている。
図3は、図1に示した電磁成形用コイル14の断面の一部を拡大した図である。電磁成形用コイル14は、銅などの電気伝導性部材で作られた導線20と、その周囲に巻回された絶縁テープ22からなる絶縁導線24を、ボビン12の周囲に巻回して形成されている。導線20は、断面形状がほぼ長方形に形成された平角線であり、絶縁テープ22が巻回された絶縁導線24の外形もほぼ長方形状となっている。このため、並んだ絶縁導線24は、互いの外面を面的に密着させた状態で、ボビン12の周囲に巻回されている。これにより、電磁成形用コイル14では、単位長さあたりの絶縁導線24の密度が高められている。
図4は、絶縁導線24の部分的な側断面図である。図4の左右方向は絶縁導線24の導線長方向であり、図4の下部には導線20の部分断面が図示され、図4の上部には導線20に巻回された絶縁テープ22の断面が図示されている。
絶縁テープ22の材質は特に限定されないが、ここでは、一例として、ガラス繊維あるいはセラミクス繊維を編みこんだものを想定して説明を行う。絶縁テープ22のサイズには任意性があるが、例えば、厚さが0.1mm〜0.3mm程度、幅が5mm〜20mm程度に形成されている。そして、テープ長方向に引っ張りの張力を加えながら、導線20の周囲に巻回される。
図4に示した例では、導線20には、2本の絶縁テープ22が巻回されている。すなわち、濃い色で示した絶縁テープ22a、22c、22e、22gは繋がった一本のテープであり、これを便宜上「濃色テープ」と呼ぶことにする。また、淡い色で示した絶縁テープ22b、22d、22f、22hは繋がった別の一本のテープであり、これを便宜上「淡色テープ」と呼ぶことにする。
これらの絶縁テープ22は、上述の通り、実際には、幅方向に比べて厚さ方向が非常に薄く形成されている。例えば、厚さが0.1mmで幅が10mmの場合には、その比は1:100となる。このため、実際には、各絶縁テープ22は、導線20の表面に平行な状態で、薄く巻回される。しかし、図4では、説明の便宜のために、厚さ方向に拡大して図示していることに注意されたい。また、繊維を用いた絶縁テープ22は、柔軟性があるため、適宜変形して、隣接する導線20あるいは隣接する絶縁テープ22と密着することができる。しかし、図4では、説明の便宜のため、絶縁テープ22をテープ幅方向に直線的に描いており、かつ、隣接する絶縁テープ22同士を若干離して描いている。なお、各絶縁テープ22の断面にはそれぞれ8本の鎖線を引いて領域を9分割しているが、この鎖線は絶縁テープ22同士の相対的な位置関係を説明するための補助線である。
図4に示したように、絶縁テープ22は、導線長方向における一方の方向に徐々に移動しながら、導線20に巻回されている。具体的には、濃色テープである絶縁テープ22aは、1周巻回された後には、絶縁テープ22cとなり、この間にテープ幅の6/9(補助線で9分割されたブロックの6個分)だけ図面の左側に移動している。また、2周巻回された後には、さらにテープ幅の6/9だけ図面の左側に移動して、絶縁テープ22eとなっている。このように、濃色テープは、1周あたりテープ幅6/9の一定の速度で導線長方向を移動しながら巻回されている。
同様にして、淡色テープである絶縁テープ22bも、1周後にはテープ幅の6/9だけ図面の左側に移動して絶縁テープ22dとなり、2周後にはさらにテープ幅の6/9だけ図面の左側に移動して絶縁テープ22fとなっている。すなわち、淡色テープは、濃色テープと同じ速度で導線長方向を移動しながら巻回されている。
隣接する濃色テープと淡色テープは、互いに、テープ幅の3/9だけずらして配置されている。例えば、濃色テープである絶縁テープ22cの上側に隣接する淡色テープである絶縁テープ22dは、絶縁テープ22cよりもテープ幅の3/9だけ導線長方向における進行方向側にずれている。また、この絶縁テープ22dの上側に隣接する濃色テープである絶縁テープ22eは、絶縁テープ22dよりもテープ幅の3/9だけさらに導線長方向における進行方向側にずれて配置されている。
2本の絶縁テープ22を、このようにして巻回する結果として、全体として絶縁テープ22は、導線20の周囲に、テープ幅の3/9の間隔で、次々と巻回されている。例えば、絶縁テープ22cが巻回された上側には、絶縁テープ22dがテープ幅の3/9だけ導線長方向の進行方向側にずらして巻回されている。すなわち、絶縁テープ22dは、進行方向側の3/9は、導線20の表面に接触するように配置され、進行方向逆側の6/9は、下側に隣接する絶縁テープ22cの進行方向側の6/9と互いに重なりあっている。同様にして、絶縁テープ22dの上側には絶縁テープ22eがテープ幅の3/9だけ導線長方向の進行方向側にずらして巻回されている。そして、絶縁テープ22eの上側には絶縁テープ22fがテープ幅の3/9だけ導線長方向の進行方向側にずらして巻回されている。
図4に示されているように、絶縁テープ22と導線20との間に、三角形の隙間空間が形成されている。例えば、絶縁テープ22cと導線20との間には、隙間空間26aが形成されている。また、絶縁テープ22の外側には、絶縁テープの凹凸にともなう隙間空間が形成されている。例えば、絶縁テープ22dの外表面と絶縁テープ22eのテープ幅方向端との間には、隙間空間26bが形成されている。ただし、上述のように、図4は図面の縦方向の倍率を高めて描いていること、また、絶縁テープ22には柔軟性があることから、これらの隙間空間26a、26bはそれほど大きくはない。実際には、絶縁テープ22bにおける導線20側のテープ幅方向端の付近、あるいは、絶縁テープ22eの外側のテープ幅方向端の付近にわずかに形成されるにすぎない。
絶縁テープ22をこのように巻回することで、絶縁導線24では、導線長方向の各位置において、周方向全体にわたって、絶縁テープ22が3層に巻回された状態となっている。例えば、図4に示した矢印28aの位置では、導線20が3層の絶縁テープ22c、22d、22eによって覆われている。したがって、個々の絶縁テープ22の厚みをt=0.1とした場合には、3層でt=0.3の厚みとなる。絶縁導線24の大部分の位置では、矢印28aの位置と同様に、3層の絶縁テープ22によって覆われている。
絶縁テープ22のテープ幅方向端に位置する矢印28bの位置では少し状況が異なる。ここでは、最下層では絶縁テープ22cの導線20側のテープ幅方向端が位置しており、その上側を絶縁テープ22d、22eが覆っており、最上層では絶縁テープ22fの上側のテープ幅方向端が位置した状態にある。すなわち、矢印28bの位置は、最下層の絶縁テープ22cと最上層の絶縁テープ22fが導線長方向(図の左右方向)に見て同じ位置に配置されて、この前後で絶縁テープ22cと絶縁テープ22fの切り替えが行われている。これによって、矢印28b付近においても、3層の絶縁テープによる絶縁が確保されている。
ただし、一般に、導線20の周りに絶縁テープ22を巻回する際には、若干の誤差が生じる。誤差の大きさは、巻回装置の動作制度や、絶縁テープ22の特性などにも依存するが、例えば、テープ幅の15%程度(テープ幅が10mmのときには1.5mm程度)、10%程度あるいは5%程度の大きさとなることも想定される。このため、絶縁テープ22cと絶縁テープ22fが、導線長方向に見て、若干離間して巻回される場合、あるいは、若干重複して巻回される場合が考えられる。
若干離間して巻回される場合、矢印28bの付近において、絶縁テープ22の全体の厚さは、全てt=0.3かt=0.2となる。そして、電磁成形用コイル14の形成にあたって複数の絶縁導線24を並べる際には、t=0.3離れた部分が隣の絶縁導線24と接触して配置されることになる。厚さがt=0.2となる部分、すなわち、絶縁テープ22cのテープ幅方向端と絶縁テープ22fのテープ幅方向端の間の隙間では、周囲と同等の絶縁性能が確保可能である。この理由としては、この狭い範囲では、絶縁テープ22c、22fのテープ幅方向端に沿って電気が流れる傾向にあるため、沿面距離が長くなると考えられるためである。なお、この隙間には、別途絶縁部材を埋め込むなどの追加的処理を行って絶縁性能を高めるようにしてもよい。
他方、矢印28b付近で、絶縁テープ22cと絶縁テープ22fが導線長方向に見て、若干重なる場合には、その部分は4層の絶縁テープ22で覆われるため、周囲に比べて絶縁性能は高まる。しかし、4層となった部分では、絶縁テープ22の層の厚みが増加する。そこで、4層部分を作らないことを優先したい場合には、誤差が考慮した上で、絶縁テープ22cと絶縁テープ22fが重複しないように、両者を若干離間して配置すればよい。あるいは、絶縁テープ22を巻回した後に、4層になっている部分の絶縁テープ22を削りとって、3層の厚みにするような追加的処理を行ってもよい。
ここで、絶縁テープ22を導線20に巻回する工程の一態様について、簡単に説明する。この工程では、導線20の初期位置に絶縁テープ22を例えば接着剤を用いて固定した上で、絶縁テープ22に引っ張り張力をかける。この状態で、導線20を回転させながら導線長方向に移動させれば、絶縁テープ22は導線20に巻回されていく。移動速度や張力などを制御することで、図4に示したような巻回構造を実現することが可能である。複数本の絶縁テープ22を利用する時には、それぞれを所定位置に設置して、張力をかけた上で、導線20を回転させればよい。絶縁テープ22は、張力をかけて巻回されるため、導線20を強固に締め付けており、接着剤などを利用しなくても導線20の上を滑ることはない。しかし、接着剤を用いて、固定強度を強めるようにすることも可能である。
このようにして、導線20の各位置に、3層の絶縁テープ22が巻回された絶縁導線24が形成される。絶縁導線24では、絶縁テープ22の厚さがt=0.3で一定であるため、図3に示したように、両横の絶縁導線24と密着させてボビン12の周囲に巻回することができる。これにより、図1及び図2に示した電磁成形用コイル14において、絶縁導線24の配置密度を高めることが可能になる。また、絶縁導線24では、全面的に3層の絶縁テープ22で覆われているため、例えば、2層で絶縁する場合に比べて、絶縁性能が向上している。そして、電磁成形用コイル14に通電を行った際に、密着した絶縁導線24同士で、絶縁破壊が発生することを抑制ないしは防止することが可能となっている。
次に、図5を用いて、電磁成形装置10の用途の例を説明する。図5は、電磁成形を行う車両用部材を説明する図である。図5には、車両の前方部分において、車両の幅方向に設置されるインパネリインフォースメント50と、それに取り付けられる部材が図示されている。インパネリインフォースメント50は、アルミ合金の押出成形により作られた円筒形の中空部材であり、運転席側に位置する相対的に径が大きいD席パイプ52と、助手席側に位置する相対的に径が小さいP席パイプ53からなる。D席パイプ52には、その端部にD席エクステンション54が取り付けられ、その内側には搭載ブラケットLH56が取り付けられている。さらにその内側には、ステアリングの支持に利用されるステアリング支持部材58が取り付けられている。そして、P席パイプ53の運転席寄りには、操縦安定ブレース60とD席ブレース61が一体となって取り付けられている。また、その助手席寄りにはP席ブレース62が取り付けられている。そして、P席パイプ53の助手席側端部には、搭載ブラケットRH64と、P席エクステンション66が取り付けられている。
図5の例では、これらの部材のうち、D席エクステンション54、搭載ブラケットLH56、ステアリング支持部材58、操縦安定ブレース60とD席ブレース61、搭載ブラケットRH64、及びP席エクステンション66の被固定部材が、電磁成形によって、インパネリインフォースメント50にかしめ固定される。
電磁成形のかしめ固定では、これらの被固定部材がインパネリインフォースメント50の周囲に配置されるとともに、電磁成形装置10がインパネリインフォースメント50の内部に設置される。電磁成形用コイル14にパルス通電(短時間のうちに大きな電流を流す)を行う。このとき、電磁成形用コイル14では磁束が生成され、その磁束によってインパネリインフォースメント50には誘導電流が誘起される。誘導電流と磁束との間に電磁力が働く。この結果、電磁成形用コイル14と対面したインパネリインフォースメント50の壁面は、大きな力を受けて短時間のうちに拡径する。そして、その付近に配置されていた被固定部材がかしめ固定される。
電磁成形によってインパネリインフォースメント50が拡径する力は、電磁成形用コイル14から発生する磁束密度に応じて大きくなる。また、磁束密度は、電磁成形用コイル14における導線20を密に配置することで、高められる。このため、導線20に印加する電圧が同じである場合には、導線20を密に配置した方が、インパネリインフォースメント50を強く拡径することができる。また、導線20を密に配置した場合には、導線20に印加する電圧を低下させても、導線20を粗く配置した場合と同程度の力で、インパネリインフォースメント50を拡径することが可能となる。一般に、導線20に印加する電圧を低くした場合には、電磁成形用コイル14の劣化を抑制し、長寿命化を図ることが可能となる。また、これにより、インパネリインフォースメント50の製造を効率化することも可能となる。
ここで、比較のため、図6を参照して、参考形態について説明する。図6は、図4に対応する図であり、導線20に対して絶縁処理がなされた絶縁導線70の部分断面を示している。図6の例でも、図4の例と同様の素材及びサイズからなる濃色と淡色の2本の絶縁テープ72を使用しているが、図6の例では、絶縁テープ72の巻回の態様が異なっている。そこで、図6の例では、絶縁テープ72の断面に9本の補助線(これにより絶縁テープが10分割される)を引いて説明を行う。
図6の参考例では、淡色の絶縁テープ72a、72c、72e、72g、72iは、それぞれ1周巻回される毎に、テープ幅の6/10だけ導線長方向の一方の方向(図面の左方向)に進行するように巻回されている。そして、濃色の絶縁テープ72b、72d、72f、72h、72jは、それぞれ淡色の絶縁テープ72a、72c、72e、72g、72iの外側(導線20の表面に垂直に外側に向かう方向)に重ねられて巻回されている。
具体的には、淡色の絶縁テープ72cの外側には、濃色の絶縁テープ72dが、全テープ幅に渡って重なるように巻回されている。一周後、淡色の絶縁テープ72eが、テープ幅の6/10が導線20に直接接触し、テープ幅の4/10が濃色の絶縁テープ72dに重ねられるように巻回されている。また、濃色の絶縁テープ72fは、淡色の絶縁テープ72eと全テープ幅に渡って重なるように、淡色の絶縁テープ72eの外側に巻回されている。
このため、図6の参考例では、淡色の絶縁テープ72と導線20との間に、2層分の隙間空間が形成される。具体的には、絶縁テープ72eの下には、絶縁テープ72c、72dにおける導線20側のテープ幅方向端付近に、隙間空間74aが形成されている。また、濃色の絶縁テープ72の外表面側には、部分的に重なり合う絶縁テープ72のテープ幅方向端の付近に隙間空間が形成される。例えば、絶縁テープ72fの外表面側には、絶縁テープ72g、72hのテープ幅方向端付近に、隙間空間74bが形成されている。
このように絶縁テープ72を巻回した結果、絶縁導線70では、導線長方向の位置によって、絶縁テープ72の厚さが異なっている。例えば、矢印76a付近では、絶縁テープ72c、72d、72e、72fによる4層の重なりが形成されている。しかし、矢印76b付近では、絶縁テープ72e、72fによる2層の重なりが形成されているにすぎない。すなわち、絶縁導線70では、絶縁テープ22の厚みがt=0.4である部分と、t=0.2である部分が混在している。
絶縁導線70を用いて電磁成形用コイル14を形成した場合、絶縁導線70同士は、t=0.4の厚み部分によってその距離を規定されてしまう。このため、図4に示した絶縁導線24を用いた場合に比べて、導線20の密度が低下することになる。また、絶縁導線70では、絶縁テープ72が2層であるt=0.2の部分が相当な面積で拡がっており、ここを電気が流れることで、比較的容易に絶縁破壊が起こってしまう。絶縁破壊は、通常、絶縁性能が最弱な部分に弱いコロナ放電が起こることで開始される。そして、次第に電圧の高いスパークに至り、最終的には大きな電流が流れるアーク放電が生じて、導線20の溶断などが発生することになる。
以上に説明したように、本実施形態にかかる電磁成形装置10は、図6の参考例の場合とは異なり、導線20の周囲を絶縁テープ22で均一的に覆うことができている。これにより、絶縁の最弱部を作らず、全体として高い絶縁性能を確保することができている。また、絶縁テープ22を全体的に肉薄化することで、電磁成形用コイル14の電流密度、さらには磁束密度が高められるため、低い印加電圧によって電磁成形を行うことが可能となっている。これは、電磁成形用コイル14の劣化を防止または抑制を行う上で効果的である。
以上の説明においては、本実施形態にかかる電磁成形装置10では、絶縁導線24には、2本の同じ幅の絶縁テープ22が巻回されるものとした。しかし、1本の絶縁テープ22を用いても、図4に示したような巻回を行うことが可能である。この場合には、絶縁テープ22を巻回する際に、例えば、導線長方向に移動する速度を遅くして巻回すればよい。また、3本以上の絶縁テープ22を用いて、図4に示したような巻回を行うことも可能である。この場合には、絶縁テープ22を巻回する際に、例えば、導線長方向に移動する速度を速めることが考えられる。
また、以上の説明においては、絶縁導線24は、3層の絶縁テープ22によって絶縁される例を挙げた。しかし、絶縁テープ22を2層とすることも可能であるし、4層あるいは5層以上とすることも可能である。巻回層数は、絶縁性能の確保と、肉薄化の必要性とを勘案して決めればよい。
導線20は、平角線に代えて、丸線などの他の断面形状をもつものであってもよい。絶縁テープ22の巻回は、断面形状によらずに行うことが可能である。
10 電磁成形装置、12 ボビン、14 電磁成形用コイル、16、22、72 絶縁テープ、20 導線、24、70 絶縁導線、26a、26b、74a、74b 隙間空間、28a、28b、76a、76b 矢印、50 インパネリインフォースメント、52 D席パイプ、53 P席パイプ、54 D席エクステンション、56 搭載ブラケットLH、58 ステアリング支持部材、60 操縦安定ブレース、61 D席ブレース、62 P席ブレース、64 搭載ブラケットRH、66 P席エクステンション。
Claims (3)
- 導線に絶縁テープを巻回して、前記導線を複数層の前記絶縁テープで絶縁するテープ巻回工程と、
絶縁された前記導線を巻回して、電磁成形用コイルを形成する導線巻回工程と、
を含み、
前記テープ巻回工程では、隣接する絶縁テープの導線側のテープ幅方向端同士が重複しないように前記絶縁テープの巻回が行われる、ことを特徴とする電磁成形用絶縁導線の製造方法。 - 請求項1に記載の電磁成形用絶縁導線の製造方法において、
前記テープ巻回工程では、前記導線の絶縁対象箇所の各位置における巻回層数が等しくなるように、導線長方向に位置をずらしながら前記絶縁テープの巻回が行われる、ことを特徴とする電磁成形用絶縁導線の製造方法。 - 請求項2に記載の電磁成形用絶縁導線の製造方法において、
前記テープ巻回工程では、前記導線の絶縁対象箇所の各位置における巻回層数が3層となるように、テープ幅が等しい2本の前記絶縁テープが巻回される、ことを特徴とする電磁成形用絶縁導線の製造方法。
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