JP4316143B2 - 推進ユニット回転用装置とその方法 - Google Patents
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Description
発明の分野
本発明は、水上運送に使用される船舶のためのプロペラ駆動装置に関し、特に、船体に関連して回転されることが可能な推進ユニットを組み込んだ装置に関する。本発明はまた、水上を航行する船舶を移動させ操舵する方法に関する。
【0002】
発明の背景
ほとんどの場合、様々な船または同種の船舶(旅客船、旅客フェリー、貨物船、艀、石油タンカー、砕氷船、外洋船、軍用艦、その他)は、回転式の1つまたは複数のプロペラで生成される推進または引きによって動かされる。船舶は、分離されたラダーギヤを使用して操舵されてきた。
【0003】
伝統的に、プロペラ作動式、即ち回転式の装置は、船体内部に配置されたディーゼル、ガスまたは電動式エンジン等のプロペラ軸駆動装置を包含しており、プロペラ軸はこの駆動装置から防水のために密閉されたダクトを通って船体の外側に通じている。プロペラ自体は、エンジンに直接接続された、もしくは可能な歯車装置に接続されたプロペラ軸の他端、即ち船舶の外側を伸長する端部に位置づけられている。この方法は、水上運送に使用されるあらゆる船舶の大部分で、移動に必要な力を取得するために採用されている。
【0004】
最近では、プロペラ軸用の推進力を生成する装置(通常は電動機)及び任意の歯車装置が船体外で船体に関連して回転するように支持された特別なチャンバまたはポッド内に位置づけられたプロペラユニットを船舶に設置するような配置も行われている。このユニットは船体に関連して回転されることが可能であり、これは、同ユニットが独立したラダーギヤの代わりに船舶の舵取りにも使用可能であることを意味している。より正確に言えば、エンジンを含むポッドは、特別な管状もしくはこれに類似する軸で支持されて船体に関連して回転する。この管状の軸は、船底から配置されている。この種の推進ユニットは、特に本出願人によるFI特許第76977号においてより詳細に開示されている。これらのユニットは、概してアジマス推進ユニットとも呼ばれ、また例えば同出願の出願人は、この種のアジマスユニットをAZIPODという商標で提供している。
【0005】
長いプロペラ軸と独立したラダーギヤとを省くことによって取得される優位点に加えて、この装置は、船舶の操縦性の根本的な改良を達成することも分かっている。船舶のエネルギー節約もまた、改善されることが分かっている。水上運送用に設計された様々な船舶におけるアジマス推進ユニットの使用は、実際にこの数年でより一般的になっており、その人気は高まり続けるものと思われる。
【0006】
周知の解決法では、アジマス推進ユニットの回転装置は、概して、歯車付きの舵柄リングまたは同種の舵柄リムが管状軸に付着されて同ユニットの旋回軸を形成し、舵柄は舵柄と協働するように適合化された油圧エンジンの助力で回転されるように実施されている。舵柄の回転動作はまた、同じ油圧エンジンによって操舵動作が実行されないと停止され、かつ停止位置に維持される。この理由により、油圧システム内には常に標準作業圧力が掛かっており、船舶が直進航行する場合も同様である。
【0007】
ある周知の解決法によれば、4基の油圧エンジンが回転リムに接続されて配置されている。エンジンに必要な油圧を生成する作動機関は、油圧ポンプと油圧ポンプを回転させる電動機とで構成されている。回転ギヤの作動上の信頼度を高めるため、油圧エンジンは、各々が油圧を生成するその独自の作動機関を保有している2つの別々の油圧回路に配列されることが可能である。
【0008】
油圧式の回転システムが使用される理由は、とりわけ、油圧装置ではアジマス推進ユニットの回転に必要な比較的高いトルクが比較的低い回転速度で容易に取得できるためである。同時に、油圧装置による船舶の回転及び操縦は、伝統的なバルブ装置及び対応する油圧構成要素の助力で容易かつ比較的正確に制御されることが可能である。既に述べたように、油圧システムによって取得される1つの特徴は、これが推進ユニットの軸の回転移動の所望位置における迅速かつ正確な停止を可能にするという事実にある。次いで、この位置は維持されることが可能であり、これは、船舶の操縦にとって極めて重要なこととされてきた。
【0009】
発明の概要
しかしながら、このように効果的で高信頼性であることが分かっている周知の油圧解決法にも、多くの問題及び欠陥が観察されている。回転システムを実施するためには、プロペラの回転自体は電動機によって実行されるという事実にも関わらず、船舶に膨大な数の構成要素を組み込んだ高価で複雑な別個の油圧システムを取り付けなければならない。これは特に、船外のアジマス推進ユニットによって取得される空間使用の効率における便益の幾分かが失われることを意味している。油圧システムはまた、定期的で比較的頻繁な保全及び検査が必要であってコストを発生させ、また保全作業が続く間は船舶の航行を取り止めなければならなくさせる場合もある。油圧システムの他の欠陥は、油圧システムがオイルまたは同種の油圧流体を、特にホース及び様々な接合面及びシール面からその周囲に漏らす/滴らせる周知の傾向を有するという事実にある。油圧流体の漏れ及び消費から発生するコストを別にしても、これは環境及び清浄度の問題をも引き起こす。漏れはまた、油圧流体で汚された表面は滑りやすくなって危険であることから安全面で著しいリスクを生じさせ、かつ漏れた油圧流体は火災を引き起こすリスクも秘めている。油圧システムの内圧は比較的高く、よって例えばホースにおける漏れは高圧でしばしば先端の鋭い(針状の)オイルジェットになる可能性があり、これが作業要員に強く当たると重傷を負わせる場合もある。油圧システムはまた作動中の騒音が大きく、これは特に作業要員の作業状態を悪化させる。船舶が動いていれば同システムは常時作動していなければならないために、騒音は止むことがない。さらに油圧システムは、推進ユニット用の定速回転動作(即ち、単速度)しか実現しない。とはいえ、少なくとも1つの他の回転速度の可能性が所望されるような状況は存在する。
【0010】
本発明の目的は、周知技術の欠陥を除去し、アジマス推進ユニットを船体に関連して回転させるための新たな解決法を作り上げることにある。
【0011】
本発明の目的の1つは、別個の油圧システムの使用及びアジマス推進ユニットの回転に付随する問題を回避する解決法を樹立することにある。
【0012】
本発明の目的の1つは、周知の解決法に比べてアジマス推進ユニットの回転機関の信頼度及び全体的経済性を改善する解決法を樹立することにある。
【0013】
本発明の目的の1つは、周知の解決法に比べてアジマス推進ユニットの回転機関の騒音レベルを低下させる解決法を取得することにある。
【0014】
本発明の目的の1つは、アジマス推進ユニットの回転速度の変更及び/または調整を可能にする解決法を樹立することにある。
【0015】
本発明の他の目的は、周知の解決法よりも回転機関によって生じる環境上のリスクを低減させ、かつ清浄度及び安全に関するその全体レベルを向上させる解決法を取得することにある。
【0016】
本発明の基礎は、アジマス推進ユニットは、船舶用に発行される操縦命令、及びアジマス推進ユニットの位置を検出するセンサ装置によって供給される位置情報の双方を処理するように適合化された制御ユニットによって制御される直接的な電気駆動装置によって回転される、という基本的洞察にある。電動機の作動は、この処理に基づく制御ユニットを使用して電動機の電源ユニットを制御することにより制御される。
【0017】
より正確には、本発明による装置は、特に添付の独立請求項1における特徴表示部分に開示された内容を特徴としている。本発明による方法は、添付の独立請求項6における特徴表示部分に開示された内容を特徴としている。
【0018】
本発明の1つの効果的な実施形態によれば、アジマス推進ユニットを回転させる伝動装置は、軸ユニットに取り付けられたギヤリムと、ピニオンギヤと、上記ギヤリムと協働するように適合化されたウォームまたはこれに類似するものとを備え、ギヤホイールは、電動機に接続された減速歯車装置を介して回転される。好適には、本装置は、アジマス推進ユニットの回転を停止して停止位置を維持するための適正な制動手段と、上記制動手段と上記制御手段との間にある上記制動手段向けの制御命令を伝達するための機能的接続とをさらに備えている。ある好適な実施形態によれば、電動機の回転速度は、ACインバータ駆動装置によって調整される。
【0019】
本発明は、重要な利点を幾つか提供している。本発明によれば、油圧装置の使用を基礎とする周知装置を置換することが可能であり、従って、油圧装置の使用に付随する上述の問題点を除去することができる。電動機の使用を基礎とする解決法の全体的経済性は良好であり、保全要件はほとんど存在しない。電気式駆動装置を基礎とする回転システムもまた、極めて信頼度が高い。最新式の船舶では、電気は容易に入手可能であって多くの異なる場所で使用され(アジマス推進ユニットも電動機を組み込んでいる)、別個の(高価な)油圧システムの建設が回避されている。電気式駆動装置を使用すれば、アジマス推進ユニットのための調整可能な速度を有する回転装置を実現することができる。
【0020】
本発明及び本発明の他の態様及び利点は、以下の例示的かつ添付の図面をも参照する提示においてより詳細に説明されている。但し、添付の図面において別々の図面に記された対応する参照番号は、同じ機能を示している。
【0021】
図面の詳細な説明
図1は、本発明による回転機関の1実施形態を線図の形式で原理的に開示し、図2は、これをブロック図の形式で開示している。図3は、船舶9内に搭載されたアジマス推進ユニット6を開示している。より正確に言えば、図1は、水密ポッド1を備えるアジマス推進ユニット6を開示している。上記ポッド1内には、電動機2が設置されている。電動機2は、任意の種類の電動機構造であることが可能である。上記電動機2は、軸3を介して本来周知の方法でプロペラ4に接続されている。
【0022】
ある代替例によれば、上記ポッド1内には、上記電動機2と上記プロペラ4との間にギヤで構造物を取り付けることができる。ある代替例によれば、各ポッドには複数のプロペラが存在する。この場合は、例えばプロペラがポッドの前部に1つ、後部に1つの2つ存在することが可能である。
【0023】
上記ポッド1は、縦軸を中心とする回転に対して、本質的に縦方向である軸手段8(ベアリング類はこの図には示されていない。この代替例は、参照用として本明細書に包含されている引用文献FI特許第76977号等に示されている)によって船体(船体はここには示されていない。図3等参照)に支持されている。上記軸手段8(中空の管状軸等)は、例えばポッドの下部に配置されたモータ、予測される歯車装置及びプロペラ軸の保全を見込んだ直径を有することが可能である。
【0024】
360゜のギヤリム10または対応する舵柄リムは上記軸手段8に接続され、軸手段8を船体に関連して回転させるために必要な動力を上記軸手段8に伝達する。軸手段8が回転されると、上記アジマス推進ユニット8が対応して回転する。図1の場合、上記ギヤリム10のための回転機関40は、ピニオンギヤ12、ベベルギヤ14、スイッチ24、歯車装置22、電動機20及びこれらの間の複数の軸を備えている。この図にはさらに、上記軸21に配置された制動手段が示されており、本手段は、ここではディスクブレーキ26及び同ブレーキに必要な駆動装置で構成されている。本発明を実施するための回転機関には、上述の要素全てが必要なわけではなく、そのうちの幾つかは省略され得る、もしくは他の要素に置換され得ることは理解されなければならない。
【0025】
電動機20のための駆動力は、電源として機能するACインバータ30から導線28を介して供給される。ACインバータの作動原理は当業者には周知の技術であり、ここで説明する必要はないが、ACインバータの一般的な主要構成要素が整流器、直流電圧中間回路及びインバータ整流器(=インバータ成分)であることは述べておく。現在、ACインバータは概して、特に交流モータ用の入力装置として使用されており、様々な制御式電気駆動装置において特に効果的である。最も一般的に使用されているACインバータには、パルス幅変調を基礎としかつ電圧中間回路が取り付けられたPWMインバータが含まれる。
【0026】
ACインバータの使用は、特にこれが上記回転機関40の回転速度の調整、延いては上記軸8の回転速度の調整を供給することから効果的である。ある解決法によれば、少なくとも2つの異なる使用速度が存在する。他の解決法によれば、回転速度は、0から公称回転速度まで等の予め限定された速度範囲内で調整されることが可能である。
【0027】
上記ACインバータ30の作動は、制御ユニット34(サーボ操縦式等)により結線32を介して制御される。上記制御ユニット34は、ブリッジ上またはこれに類似する位置に配置された舵輪38等の操舵制御装置へと機能的に接続されている。同操舵制御装置は、船舶に対する実際的な操舵命令の発行に使用される。舵輪を使用して手動で発行された操舵命令は、例えば別個のアナログ式サーボ手段によって進路命令に変換される。他の解決法によれば、操舵命令は、舵輪に接続された変成器を使用してデジタル式の操舵信号に変換され、これが結線36を介して制御ユニットに送信される。
【0028】
上記制御ユニット34は、舵輪38によって与えられた操舵命令情報を使用してACインバータ30を制御し、ACインバータ30は次いで電動機20に電流を供給し、電動機20の所望の(進路、速度)時計方向または反時計方向への回転が上記軸8の所望の回転角度変更をもたらし、これにより推進ユニット6の回転角度も変更される。
【0029】
制御ユニット34は、マイクロプロセッサ、サーボ操舵手段(いわゆるアナログ式サーボ等)、または操舵命令及び操舵に影響を及ぼす後述の他の情報の処理を実行しかつこの処理に基づいてACインバータまたは同種の電源ユニットを制御することが可能な相当装置等の任意の種類の適正なデータ処理装置及び/または制御装置であることが可能である。
【0030】
図1及び2はまた、上記軸8の回転角度を検出するためにアジマス推進ユニット6に接続されて(この場合はギヤリム10の頂上に)配置された位置または角度センサ16を示している。この目的に適合する位置センサは本来多種が周知であり、上記位置センサ16は、回転角度を限定するいわゆるサイン/コサインセンサである光−視覚センサまたはマシンまたはコンピュータ視覚システムベースのセンサを基礎とすることが可能である。センサ16のタイプは本発明の実施に何ら基本的な影響を及ぼさないこと、及び重要な点は、使用されるセンサ装置によって限定されるアジマス推進ユニットの方向の高信頼性にあることは理解されなければならない。
【0031】
位置センサ16は、位置信号を送信する目的で制御ユニット34に繋がる機能的結線18を有している。上記結線18は、例えばケーブル接続または無線リンクであることが可能である。本装置はまた、使用される制御ユニットがA/D変換を必要とする場合には、センサ16からのアナログ位置信号を上記制御ユニット34による処理が可能なデジタル形式に変換するためのアナログ/デジタル(A/D)変換器35を備えることができる。
【0032】
制御ユニット34は、図2が示すように、プロセッサまたはこれに類似する処理装置33において、上記位置センサ16から受信する情報と上記操舵制御装置38から取得される操舵命令とを組合せ、かつこの処理に基づいて上記ACインバータ30または同種の電源ユニットの作動を制御するように配置されている。
【0033】
図1及び2はまた、上述のような上記制動手段26を示している。これは、推進ユニットの回転動作を所望の位置で停止させ、かつ操舵命令が何ら発されていない場合には同推進ユニットを定位置に維持するように配置されている。上記制動手段26の作動(制動と維持の調時及び実施等)は、機能的結線を介してシステムの作動を制御する制御ユニットによって制御されることが可能である。図2が示す好適な解決法によれば、上記制動手段26の作動は上記ACインバータ30によって制御され、ACインバータ30は、制御ユニット34から操舵命令を受信する。本制動装置はまた、制動の制御において位置センサ16から発生する情報の利用を可能にすることから、プロペラの方向、即ち船舶を動かす推進力の方向を正確に修正することができる。
【0034】
制動手段は、例えば機械的な摩擦ブレーキ(ディスクブレーキまたはドラムブレーキ、ブレーキシュー等)或いは磁気ブレーキの形式で実施されることが可能であって、伝動装置40の適正部分に配置される、または推進ユニット6の上記軸手段8を直接制動/維持するように配置されることも可能である。ある代替例によれば、上記ギヤリム10を動かす上記歯車装置22またはコギングは、推進ユニット6から発生する回転動作を制動するが、上記電動機20から発生する回転は可能にするように選択されている。即ちこれは、1方向からの回転力のみを前に進めるタイプである。
【0035】
その他、上記電動機20を制動/維持に使用するという可能性もある。この場合、電動機20の出力は、例えば上記ACインバータ30及び上記制御ユニット34を使用して制御され、所望の制動/維持効果が所望されかつ制御された方法で取得される。本電動機20を使用すれば、完全な制動/維持を取得すること、もしくは必要な制動力を幾らか部分的に生成することの何れもが可能であり、後者の場合、制動は別個の制動手段によって完了される。この実施形態によれば、制動において機械的ブレーキから必要な制動力を軽減/低減することができる。ある解決法によれば、上記電動機20は、制動の間に発電器として使用され、制動の間にこうして生成された電気エネルギーは電気ネットワークへと供給される。効果的には、電気ネットワークは、電気機械が電動機として機能する場合に回転システム40における電気機械にその動作電力を供給するものと同一である。
【0036】
図4は、可能な限り小型で単純な構造を目指した解決法を示すものである。図4によれば、上記回転性ギヤリム10は、上記歯車装置22に直に接続されたウォーム12によって回転される。但しこの接続の場合に注目される点は、図1及び4による解決法がギヤリム10及び協働する回転手段12を示しているにも関わらず、ギヤリムの使用は必ずしも必要でなく、上記推進ユニット6の軸ユニット8への動力伝達を可能にする他の解決法に置換され得ることである。この種の解決法の1つは例えばリムモータであり、これは、上記軸8のリムに配置された本質的に大型であるステータコイルを有する電動機を意味している。この場合、伝動機関は上記モータから上記軸8へ動力を伝達する任意の手段で構成されると考えられる。
【0037】
図4はまた、推進ユニットの軸手段に近接して、しかもこれとは分離されて取り付けられた非接触センサ16を採用するセンサ解決法を示している。上記センサ16は、軸ユニットの周りに配置された位置マークを検出し、この検出された情報に基づいて位置信号を生成する。
【0038】
図5は、本発明による回転装置の作動を示すフロー図である。本発明の原理に従って、船舶はアジマス推進ユニットによって移動される。アジマス推進ユニットの位置は、センサ装置によって検出される。センサ装置によって供給される情報は、アナログ形式で利用されることも可能であり、また必要であればデジタル形式に変換されることも可能である。進路を変更する新たな命令が発されない限り、アジマス推進ユニットの位置は、ブリッジから発された最近の位置に維持される。位置情報の観察が位置修正の必要を指摘する場合(所定の進路からの逸脱、ブレーキのスリップ或いは他の類似した理由)、これは自動的に実行される。
【0039】
船舶が回転を余儀なくされる場合には、これに対応する命令が制御ユニットに向けて発行される。命令は、制御ユニットにおいて、センサから取得される最新の位置情報も利用しながら予め決められた方法で処理される。上記処理の後、制御装置は、上記電動機を備えるアジマス推進ユニットの回転機関に向けて命令を出す。電動機は、インバータ等の電源操作を制御することによって制御され、次には電動機の所望の回転により、アジマス推進ユニットが回転機関の機械的伝達を介して要求通りに回転され、船舶はこれに応じてその進路を変更する。
【0040】
従って本発明は、アジマス推進ユニットが取り付けられた船舶を操舵するための新たな解決法をもたらす装置と方法を提供する。本解決法は、先行技術における多くの欠陥を回避し、かつより単純な構造、より優れた全体的経済性及び快適な操作性と安全性といった利点をもたらしている。本発明の上述の例示的実施形態は、本発明の保護の範囲を特許請求の範囲に開示されているものに限定するものではないこと、及び特許請求の範囲は、添付された請求の範囲において定義されている本発明の精神と範囲内にある全ての改造物、同等物及び代替物を包含すべく意図されていることは理解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の1実施形態による視覚化された簡易図である。
【図2】 図1による装置のブロック図である。
【図3】 船舶に搭載されたプロペラユニットを示している。
【図4】 回転装置の1つの代替例を線図として視覚化したものである。
【図5】 本発明による回転装置の作動のフロー図である。
Claims (11)
- 水上を航行する船舶を移動させかつ操舵するためのプロペラ駆動装置であって、
海面の下で前記船舶の外側に配置されたポッド(1)と、前記ポッドに接続されたプロペラ(5)を回転させるために前記ポッド内に配置された第1電動機(2)と、前記ポッドを前記船舶(9)の船体に対して回転可能な方法で支持するために前記ポッドに接続された軸手段(8)とを備えるアジマス推進ユニット(6)と、
船舶の操舵制御装置(38)から発生する操舵命令に従って、前記アジマス推進ユニット(6)を前記船舶(9)の前記船体に対して回転させて前記船舶を操縦するための操作手段とを備えるものにおいて、
前記操作手段は、第2電動機(20)に接続された機械式伝動装置(40)を介して前記アジマス推進ユニット(6)を回転させるための第2電動機(20)を備え、
本装置はさらに、
前記第2電動機(20)に電力を供給するための電源ユニット(30)と、
前記電源ユニット(30)を制御することによって前記第2電動機の作動を制御するための制御ユニット(34)と、
前記アジマス推進ユニット(6)の回転位置を検出するために前記制御ユニット(34)に機能的に接続された(18)センサ手段(16)とを備え、
前記制御ユニット(34)は、前記操舵制御装置(38)から発生する操舵命令情報及び前記センサ手段(16)から発生する回転位置情報の両方を処理し、かつ前記処理に基づいて第2電動機(20)の作動を制御するように配置されていることを特徴とするプロペラ駆動装置。 - 機械式伝動装置は、前記軸手段に配置された360゜のギヤリム(10)と、前記ギヤリムと協働するように配置されたピニオンギヤまたはウォーム装置(12)と、前記ピニオンギヤまたはウォーム装置(12)と前記第2電動機(20)の間に配置された歯車装置(22)とを備えることを特徴とする請求項1に記載のプロペラ駆動装置。
- 前記電源装置(30)はACインバータを備えることを特徴とする請求項1または2に記載のプロペラ駆動装置。
- 制動手段(26)と、前記制動手段(26)に制御命令を伝達するための前記制動手段及び前記ACインバータ間の機能的接続とを備えることを特徴とする請求項3に記載のプロペラ駆動装置。
- 前記制動手段は、摩擦ブレーキまたは磁気ブレーキのような、前記第2電動機とは別個のブレーキであることを特徴とする請求項4に記載のプロペラ駆動装置。
- 水上を航行する船舶を移動させかつ操舵するための方法であって、
前記船舶(9)は、海面の下で前記船舶の外側に配置されたポッド(1)と、前記ポッドに配置されたプロペラ(4)を回転させるために前記ポッド内に配置された第1電動機(2)と、前記ポッドを前記船舶(9)の船体に対して回転可能な方法で支持するために前記ポッドに接続された軸ユニット(8)とを備えるアジマス推進ユニット(6)を使用して移動され、
前記アジマス推進ユニット(6)は、船舶の操舵制御装置(38)によって与えられる操舵命令に従って、前記船舶(9)の前記船体に対して回転されて前記船舶が操縦される方法において、
制御装置(34)に機能的に接続された(18)センサ手段(16)によってアジマス推進ユニット(6)の回転位置を検出することと、
前記制御装置(34)において、前記制御装置(38)からの操舵命令情報と前記センサ手段(16)からの回転位置情報とを処理することと、
前記制御装置(34)において実行された前記処理に基づいて、第2電動機(20)に接続された機械式伝動装置によって前記アジマス推進ユニット(6)を回転させることと、
前記制御ユニット(34)によって実行された前記処理に応答して前記第2電動機(20)に電力を供給することを特徴とする方法。 - 360゜のギヤリム(10)と、前記ギヤリムと協働するように配置されたピニオンギヤまたはウォーム装置(12)と、前記ピニオンギヤまたはウォーム装置(12)と前記第2電動機(20)の間に配置された歯車装置(22)との共同作動によって前記アジマス推進ユニット(6)を回転させることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- ACインバータを介して前記第2電動機に電力を供給することと、前記ACインバータによって供給される電力の対応する調節によって、前記アジマス推進ユニット(6)の回転速度を要求された方法で調節することを特徴とする請求項6または7に記載の方法。
- 前記アジマス推進ユニット(6)の回転を停止させること、及び/またはACインバータ(30)によって制御される制動装置(26)によってその回転位置を維持することを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記制御装置において、前記操舵命令及び前記位置情報をマイクロプロセッサまたは電力制御装置のようなデータ処理装置によって処理することを特徴とする請求項6乃至9の何れかに記載された方法。
- 発電機によって前記アジマスユニットの回転を制動することと、生成された電気エネルギーを電気ネットワークに供給することを特徴とする請求項6乃至10の何れかに記載された方法。
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