JP5197011B2 - スキャン誘導加熱 - Google Patents

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Description

本発明は、誘導コイルでスキャニングすることによる、細長い工作物の誘導加熱に関する。
ドライブシャフトのような細長い工作物の場合、工作物の選択された機能構造部分を加熱処理する必要がある。ドライブシャフトの一端には、例えば、ピニオンギアのような第1機能構造部分が、そして他端にはユニバーサルカップリングのような第2機能構造部分が設けられるが、ピニオンギヤやユニバーサルカップリングはその物理的構成が異なるのでこれらを冶金学的に硬化させるための加熱処理パターンは異なったものとなる他、加熱処理した機能構造部分は、これを焼き戻してその材料から冶金学的な応力を除去する必要もある。
工作物と、その機能構造部分とを加熱処理する一つの方法は、電磁誘導スキャン(あるいはプログレッシブ)加熱処理法によるものである。この方法では、静置させた工作物の長手方向に沿って一つ以上のスキャンインダクタ(コイル)を移動させる。スキャンインダクタに交流電力を印加するとスキャンインダクタの周囲に磁界が発生し、この磁界が工作物と磁気的に連結して工作物を誘導加熱する。スキャンインダクタに印加する交流電力は工作物がスキャンインダクタを通過する際に変動され得る。例えば米国特許第3,743,808号には、瞬間電力値と瞬間速度値とを既知のエネルギー分布プロファイルと比較して、誘導電力及びまたはスキャンインダクタのスキャン速度を制御することが教示される。工作物の、磁界とカップリングされる断面位置での加熱の度合いが、スキャンインダクタを通過する工作物の移動速度(スキャン速度)を用いて制御される。
工作物の誘導加熱の侵入深さ(誘起電流の侵入深さδ)は以下の式から算出され得る。
Figure 0005197011
ここで、δはメーター値、ρは工作物のオーム計での電気抵抗値、μは工作物の透磁率、Fは供給される誘導電力のヘルツ周波数値である。つまり、磁界の透過深さは印加する電流の周波数の平方根に反比例するのである。仮に工作物が2つの機能構造部分を有し、一方を浅く(例えば2.5mm)加熱し、他方をもっと深く(例えば4.5mm)加熱する必要がある場合、従来法では出力周波数を、例えば10,000ヘルツに固定したインバーターを用いて浅い加熱を行う。上記式によれば、工作物の第2機能構造部分へのもっと深い加熱を行うにはインバーターの出力周波数は10,000ヘルツよりも低くなければならないが、周波数は固定されているので、そうした深い加熱を実現するためには第2機能構造部分に対する誘導加熱のスキャン速度を下げる必要がある。しかし、スキャン速度を遅くした場合に第2機能構造部分の表面が過熱するのを避けるため、誘導コイルへのインバーターの出力電力値を下げる必要がある。また、加熱処理した機能構造部分はその応力を減少させるための焼き戻し処理が必要となる。機能構造部分は代表的には、先ず、低電力の且つ高い周波数に固定した第1スキャンで必要な透過深さまで加熱処理し、次いで低い周波数に固定した第2スキャンで加熱して焼き戻しを行う。
米国特許第3743808号明細書
工作物を誘導スキャンするに際して工作物の色々の機能構造部分を異なる透過深さで誘導加熱し及びまたは焼き戻すために、必要に応じてパルス幅変調を用いてインバーターの出力電力レベルを調節しつつインバーターの出力周波数を変化させるようにすることである。
本発明の一様相によれば、スキャン誘導コイルを貫いて移動する工作物の断面の加熱条件に基づいて、スキャン誘導コイルに異なる周波数の交流電力とデューティー比とを供給するための装置及び方法が提供される。プロセッサに工作物の瞬間位置のある値を入力するためにサーボモーターのような位置検出手段が使用され得る。プロセッサは、工作物の瞬間位置の入力値を、記憶している工作物位置の値の表と比較する。記憶される各工作物位置は、その位置で付加する必要熱エネルギーに相当する、周波数、電力レベル、時間長さ、と相関され得る。本発明の一実施例ではプロセッサは、低周波時にインバーターの電圧パルス幅が減少すると、インバーターの出力電力値を低下させてインバーターの出力電力値の増大が相殺されるようにするパルス幅変調コマンドを、インバーターのスイッチングゲート回路に出力するアルゴリズムを使用する。このアルゴリズムによれば、逆に高周波時にインバーターの電圧パルス幅が大きくなると、インバーターの出力電力値が増大されてインバーターからの出力電力値の減少が相殺される。
本発明のその他の様相は本明細書及び付随する請求項に記載されるとおりのものである。
本発明のスキャン誘導加熱装置の一例が図面に示され、図1に示すインバーター10が、バスバーのような好適な伝導体を介して単相の交流電力をスキャンインダクタ(コイル)12に供給している。スキャンインダクタは斯界に既知の任意形式のインダクタを含み得、例えば、シングルあるいはマルチ型のターンインダクタ、あるいは、一つ以上の交流電源に連結した個別のインダクタのアセンブリであり得る。工作物14は、工作物をインダクタを通して移動させるための手段によって然るべく保持されるが、そうした手段は、例えば、工作物の各端部を保持する延長アーム16aを持つネジ駆動アセンブリ16であり得る。あるいは工作物を静置してインダクタを工作物に沿って移動させ得、あるいは工作物とインダクタとを共に複合的且つ協調して移動させることもできる。工作物を回転させるための、例えば電気モーター18のような手段を設け、インダクタを通り抜ける工作物を回転させることも可能である。位置検出用の、例えばサーボ機構20のような手段がプロセッサ22に位置出力信号21を提供する。この位置出力信号は工作物の、インダクタ内の断面のY座標位置(即ち、工作物の、インダクタ内の電流流れにより生ずる磁界と有効にカップリングする部分)を表示する。
工作物は、インダクタを通過する際に異なる誘導電流透過深さで加熱処理及び又は焼き戻しを行う必要が生じ得る、例えば機能構造部分14a、14b、14cのような一つ以上の機能構造部分を有し得る。工作物のこれらの機能構造部分間の領域は加熱処理が必要かあるいは無用である。多数の機能構造部分は図1に示すように離間されるかあるいは相互に隣り合わせて位置付けられる。
プロセッサ22が位置検出手段からの出力信号をプロセス処理し、以下に説明するように、誘導コイルに関する入力された工作物位置で達成されるべき誘導加熱の電力レベル、周波数及び時間長さを決定する。
図2は、インバーターにDC電力を供給するための一方法を例示する、インバーター10を用いたDC電力供給の一例の簡易概略図である。整流器セクション30が、ラインA、B、Cを介してユーティリティ電源のような好適な電源の交流電力を受ける全波整流器32を含み、フィルターセクション34が、電流制御装置(LCLR)と、DCフィルターキャパシタ(CFIL)とを含み、インバーターセクション10が、4つのスイッチング装置S1、S2、S3、S4と、関連するアンチパラレルダイオードD1、D2、D3、D4とを夫々含んでいる。各スイッチング装置は任意の好適なソリッドステート装置、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)のようなものであって良い。インバーター10の出力に連接した負荷回路はスキャンインダクタ(Lコイル)と工作物14とを含み、工作物は、この工作物かあるいはインダクタが相対移動したときにインダクタの周囲に発生する磁界とカップリングされる領域、あるいは機能構造部分を有する。工作物とスキャンインダクタ(Rコイル)の抵抗は負荷抵抗(R負荷)を含む。
図3(a)には、パルス幅を変調しない、図2に示すブリッジインバーターの代表的な出力電圧波形(全出力電圧)が例示される。第1時間T1ではスイッチング装置S1及びS4が導通され、オーバーラップしない第2時間T2ではスイッチング装置S2及びS3が導通され、例示した、1/2T1に等しい周波数での全出力電圧波形が創出される。図3(b)には、ブリッジインバーターの、50パーセントデューティー比(α)での代表的な出力電圧波形(HALFV出力)が例示される。各スイッチング装置は図3(a)におけると同じ時間T1に渡り継続して導通されるが、スイッチング装置S3及びS4の導通時間は、例示した全出力電圧の半分を発生するために、半分時間(即ち、デューティー比が50パーセントに等しい)だけ先行される。こうすることで各半分時間毎に負荷がショートする。スイッチング装置S3及びS4の導通時間のオーバーラップ部分の長さを変化させることでデューティー比の値が異なってくる。電力は供給電圧の二乗に比例することから、インダクタに負荷される電力もデューティー比の変化に従い変化する。本発明では、デューティー比を変化させて電圧(電力)の大きさを調節する間の時間T1を変化させることで、可変周波数制御を達成する。
本発明のパルス幅変調制御を用いないで出力周波数を変化させた場合の電源の出力特性上の効果が、特定の工作物のための基準負荷回路と共に例示される。電圧635ボルト(V出力)、周波数(f0)10,000ヘルツで電力出力値が100,000ワット(P(f0))であるインバーターでの基準負荷回路特性は;
0=30×10-6H(インバーター負荷のインダクタンス値)
0=0.4Ω(インバーター負荷の抵抗値)
0=(2・π・f0・L0)/R0=4.712(負荷回路のQ係数)
基準ピーク負荷電流I0は、以下の式(1)から772.45アンペアと算出され得る。
Figure 0005197011
図4(a)には、インバーターの出力周波数fを増大させるに従うインダクタ電流I(f)の減少状況が、基準電流に対して標準化して例示される。I(f)は以下の式(2)から求められる。
Figure 0005197011
図4(b)には、インバーターの出力周波数fを増大させるに従う誘導加熱電力P(f)の減少状況が、基準電流に対して標準化して例示される。P(f)は以下の式(3)から求められる。
Figure 0005197011
図4(c)には、インバーターの出力周波数fを増大させるに従う負荷抵抗値R(f)の増大状況が、基準電流に対して標準化して例示される。R(f)は以下の式(4)から求められる。
Figure 0005197011
図4(d)には、インバーターの出力周波数fを増大させるに従う負荷回路のQ係数の増大状況が例示される。Q係数は以下の式(5)から求められる。
Figure 0005197011
図5(a)には、本発明のパルス幅変調制御を用いない特定例での、図4(a)〜図4(d)に示す関係を一般化して例示したものであり、図5(c)には、パルス幅変調制御を用いずに全電力及び周波数30,000ヘルツで動作するインバーターの電圧及び電流の各出力が図で表される。
図5(a)ではインバーターの出力周波数が3,000ヘルツに落とされ、電流(及び電力)出力値が、パルス幅変調制御を用いることなく相対的に高められている。本発明ではインバーター出力のパルス幅変調制御は、比較的大きなデューティー比を使用してインバーターの電力出力値を下げるために使用され得る。
図5(b)は、インバーターの出力周波数は10,000ヘルツであり、電力出力値は、パルス幅変調制御を用いない、出力周波数3,000ヘルツ時のそれよりも小さいが、尚、図5(c)に示すインバーターの定格全電力(電流)よりも大きい。本発明では、出力周波数3,000ヘルツ時に使用するそれよりも低いデューティー比と共にインバーター出力のパルス幅変調制御を使用して、インバーターの電力出力値を定格値あるいはそれ以下に維持する。
一般に、本発明ではパルス幅変調制御は、インバーターの任意の運転周波数における出力電力値を、このパルス幅変調制御を使用しない場合に生じ得る出力電力値から変化させるために使用される。一般に、デューティー比は、周波数が減少するに従い増大し、かくしてインバーターの出力電力値を低下させ、また、デューティー比は、周波数が増大するに従い減少してインバーターの出力電力値を増大させる。
図6には、パルス幅変調制御を使用する場合の負荷電流の特性が例示される。インバーターの出力電圧値がゼロではない場合、負荷電流I負荷は以下の式(6)から求める。
Figure 0005197011
インバーターの出力電圧値がゼロの場合は負荷電流は以下の式(7)から求められる。
Figure 0005197011
ここで、I初期値はインバーター出力電圧値がゼロに移行した場合の電流の大きさである。
図6から、デューティー比が短い程、出力電圧値がゼロとなって負荷電流値が降下する以前の負荷電流(及び電力)のピーク値が小さくなることが分かる。逆に、デューティー比が長くなると、出力電圧値がゼロになって負荷電流が降下する以前の負荷電流(及び電力)のピーク値は大きくなる。
図7には、本発明のスキャン誘導加熱法の非限定例としての簡易フローチャートが示される。このフローチャートの各ルーチンは好適なハードウェアを使用して実施され得るコンピューターソフトウェアにおいて実行され得る。ルーチン100でインダクタ12内の工作物位置を表す工作物(WP)スキャン座標値(Y)を入力し、ルーチン(102)でY座標位置での誘導加熱のための電力(PY)、周波数(FY)及び時間(TY)の各値を入力する。これらの値は、装置を使用した工作物の実証試験によって確立した値に基づく、例えばルックアップ表として記憶装置に予め記憶させておくことができる。あるいは、スキャン誘導装置のオペレーターがこれらの値を手動入力しても良いし、あるいはその他の方法を用いて、工作物を各位置で誘導加熱処理するために必要な周波数、電力レベル、また、使用するのであれば可変時間、の各値を決定することができる。ルーチン104では、以下の式(8)で得られるインバーター出力値に対する必要なデューティー比(DCy)を計算する。
Figure 0005197011
P(FY)は、誘導加熱処理する実際の工作物から決定した適宜の基準負荷回路を使用して式(3)から求める。
ルーチン106では電源のスイッチング装置の切替を制御して、所望の出力周波数とデューティー比とを達成する。この非限定例ではルーチン106はインバーターのスイッチング装置のためのゲート回路に、必要な周波数FY及びデューティー比DCYを達成するためのゲートインバーター制御信号を出力する。ルーチン108では、実測した出力電力値が設定電力値PYであるかを決定する。実測した出力電力値は好適な検出装置を使用して入力され得る。実測電力値が要求設定電力値と等値ではないときはルーチン110でデューティー比を適宜調節し、次いでルーチン108を反復する。実測電力値が要求設定電力値と等値の場合はルーチン112が設定時間TYが過ぎていないかどうかをチェックし、仮に設定時間を過ぎていない場合はルーチン108を反復し、設定時間を過ぎていたときはルーチン114が工作物位置決め用システムに制御信号を出して工作物を次の誘導加熱処理のための増分位置に前進させ、ルーチン100に戻して誘導加熱処理を実行させる。本発明の別の実施例では各Y座標位置での誘導加熱時間はインダクタ内での工作物の全位置において同じであり、この構成上、周波数変化に従う周波数制御及びデューティー比制御が、工作物の各位置がインダクタを通して一定速度で段階的に進むに従い、これらの各位置を誘導加熱するために使用される。
本発明の他の実施例では、インダクタを通り抜ける工作物の移動及び位置が、例えば、誘導スキャン装置が多数の同じ工作物を逐次的に誘導加熱処理する場所に予め決定され得る。この構成では、工作物の各位置での電力、周波数、時間、デューティー比の設定値が、工作物及び本発明の誘導スキャン装置を使用した実証試験によって予め決定され、次いで、引き続く同じ工作物の各々のためのこれらの設定値の任意の或いは全てを更に入力或いは計算することなく、誘導スキャン装置を使用しての誘導加熱処理が実行される。インダクタ内の工作物の各部分或いは機能構造部分の増分的あるいは逐次的な位置決めは、工作物あるいはインダクタあるいはその組み合わせが、連続的に移動して見えるように細かく、微細に、あるいは段階的に移動して見えるように粗く、不連続に段階的に動くことで達成され得る。ここで、“選択された部分”、“多数の機能構造部分”、“位置”とは、インダクタ内に配置した工作物の、様々な周波数及びデューティー比で誘導加熱処理する各セクションを説明するために使用されるが、本発明には、そうした各部分、機能構造部分あるいは位置がインダクタを通過する間に周波数及びまたはデューティー比を変化させることが含まれる。即ち、工作物の各部分、機能構造部分あるいは位置は、それらがインダクタを通過する間に可変の周波数及びデューティー比を使用して加熱処理され得る。
本発明の別の実施例では、インバーターの出力周波数値が工作物の所定の位置で変化した場合にインバーターの電力出力値を制御して、例えば、工作物の機能構造部分のための加熱処理及び焼き戻しを達成させるべく、パルス幅変調制御を使用する。工作物に含まれる機能構造部分の逐次的な加熱処理は、工作物に位置決めされる順番で実施することに限定されるものではない。例えば、図1の工作物14を参照するに、機能構造部分14a、14b、14cはインダクタ12を通してこの順で逐次的に位置決めされ、加熱処理され得る。あるいは、例えば機能構造部分14a、14c、14bの順で逐次的に位置決め及び加熱処理することもできる。
本発明の方法実施例には、
(1)少なくとも一つのインダクタに電力を供給して該少なくとも一つのインダクタの周囲に磁界を発生させること、工作物の多数の機能構造部分の各々を磁界付近で逐次的に位置決めし、位置決めした機能構造部分を磁界に磁気的にカップリングさせて、該位置決めした機能構造部分を誘導加熱処理すること、工作物の多数の機能構造部分の一つ以上が夫々磁界付近に逐次的に位置決めされる間、電力の周波数を選択的に変動させること、工作物の多数の機能構造部分の一つ以上が夫々磁界付近に逐次的に位置決めされ、電力の周波数が調節される間、電力のデューティー比を変動させて電力の大きさを選択的に変動させること、を含む方法及び、
(2)少なくとも一つのインダクタを通して工作物を複数の位置に逐次的に位置決めすること、該少なくとも一つのインダクタに電力を供給して工作物上の複数の位置にカップリングさせるための磁界を発生させること、工作物の、磁界と現在カップリングされている位置を識別すること、工作物の前記識別された位置に対する電力の周波数を調節すること、工作物の前記識別された位置に対する電力の周波数が調節されたとき、電力のデューティー比を調節して電力の大きさを調節すること、を含む方法、も含まれる。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。
本発明のスキャン誘導加熱装置の一例を略示するダイヤグラム図である。 本発明のスキャン誘導加熱装置と共に使用する電源及び負荷回路の一例を略示するダイヤグラム図である。 インバーター出力をフルパワーからハーフパワーに変化させるパルス幅変調の適用例の例示図である。 パルス幅変調を適用してインバーター出力をフルパワーからハーフパワーに変化させた場合の例示図である。 パルス幅変調を用いない場合の、インバーターの周波数出力変化に伴う負荷電流の大きさの変化を表す例示図である。 パルス幅変調を用いない場合の、インバーターの周波数出力変化に伴う負荷電力の大きさの変化を表す例示図である。 パルス幅変調を用いない場合の、インバーターの周波数出力変化に伴う負荷抵抗の大きさの変化を表す例示図である。 パルス幅変調を用いない場合の、インバーターの周波数出力変化に伴う負荷回路のQ係数の変化を表す例示図である。 パルス幅変調無しでの、インバーターの周波数出力を3,000ヘルツとした場合のインバーターの出力電圧と負荷電流との間の関係を表す例示図である。 パルス幅変調無しでの、インバーターの周波数出力を10,000ヘルツとした場合のインバーターの出力電圧と負荷電流との間の関係を表す例示図である。 パルス幅変調無しでの、インバーターの周波数出力を30,000ヘルツとした場合のインバーターの出力電圧と負荷電流との間の関係を表す例示図である。 本発明の一実施例の、パルス幅変調を用いるインバーターにおける、出力電圧と負荷電流との間の関係を表す例示図である。 スキャン中にインバーターの出力周波数が変化するに際してスキャン誘導電力を制御するための、本発明の誘導電力制御スキームの一例を略示するフローチャートである。
10 インバーター
12 スキャンインダクタ
14 工作物
14a、14b、14c 機能構造部分
16 ネジ駆動アセンブリ
18 電気モーター
20 サーボ機構
21 位置出力信号
22 プロセッサ

Claims (16)

  1. 工作物を誘導加熱するための装置であって、
    パルス幅変調制御を使用する交流出力を有する電源と、
    交流出力に連結され、交流磁界を発生するためのインダクタと、
    インダクタと工作物との間における相対移動を生じさせて工作物の少なくとも1つの選択した機能構造部分を交流磁界にカップリングさせて加熱処理するための相対移動発生手段と、
    インダクタと工作物と少なくとも1つの相対位置を検出するための相対位置検出手段と、
    工作物の1つ以上の選択した機能構造部分の各々が誘導加熱処理のために交流磁界とカップリングされた場合に、相対位置検出手段からの1つ以上の出力信号を処理し、交流出力の周波数を誘導加熱処理のための所望の周波数に選択的に調節するよう該交流出力の周波数及び出力電圧を制御するプロセッサ周波数調節手段にして、前記相対位置検出手段からの1つ以上の出力信号が、前記工作物の加熱処理する機能構造部分に相当する出力信号を含むプロセッサ周波数調節手段と、
    誘導加熱処理のための前記所望の周波数に従い交流出力のデューティー比を変化させて交流出力の電力を選択的に調節するための交流出力調節手段と、
    を含む装置。
  2. 相対移動発生手段が、工作物をインダクタを通して移動させる構成を有している請求項1の装置。
  3. 相対移動発生手段が、インダクタを工作物に沿って移動させる構成を有している請求項1の装置。
  4. 相対移動発生手段が、工作物をインダクタを通して移動させると共にインダクタを工作物に沿って移動させる構成を有している請求項1の装置。
  5. 工作物の、加熱処理するべく選択された1つ以上の機能構造部分の各々が誘導加熱処理のために交流磁界とカップリングされる時間の長さを選択的に調節するためのカップリング時間調節手段を含む請求項1〜4の何れかの装置。
  6. 交流出力の実際の出力を検出し、検出した実際の交流出力を交流出力調節手段に出力するためのセンサを含む請求項1〜5の何れかの装置。
  7. 工作物を誘導加熱処理するための方法であって、
    少なくとも一つのインダクタに関する複数の位置に工作物を逐次的に位置決めすること、
    該少なくとも一つのインダクタに電力を供給して、複数の相対位置における工作物にカップリングさせるための磁界を発生させること、
    磁界と現在カップリングされている工作物の少なくとも1つの機能構造部分を識別すること、
    工作物の識別された機能構造部分のための1つ以上の出力信号を処理し、電源の出力周波数及び電圧を調節すること、
    工作物の識別された機能構造部分のための所望の熱処理周波数に電力の周波数を調節する間、供給される電力をパルス幅変調すること、
    電力の周波数が前記所望の熱処理周波数に調節されるとき、電力のデューティー比を調節して電力の大きさを調節すること、
    を含む方法。
  8. 工作物とインダクタとが、インダクタを通して工作物を移動させることにより逐次的に
    位置決めされることを含む請求項7の方法。
  9. 工作物とインダクタとが、インダクタを工作物に沿って移動させることにより逐次的に位置決めされることを含む請求項7の方法。
  10. 工作物とインダクタとが、工作物をインダクタを通して移動させると共にインダクタを工作物に沿って移動させることにより逐次的に位置決めされることを含む請求項7の方法。
  11. 工作物の、磁界とカップリングしていることが識別された機能構造部分が磁界とカップリングされる時間の長さを調節することを含む請求項7〜10の何れかの方法。
  12. 工作物の、磁界とカップリングしていることが識別された機能構造部分に対する電力の周波数を、該識別された機能構造部分のために記憶装置に記憶された周波数値に調節すること、該識別された機能構造部分のために記憶装置に記憶された電力値に対して必要とされる電力のデューティー比を調節することを含む請求項7〜11の何れかの方法。
  13. 工作物の、磁界とカップリングしていることが識別された機能構造部分に対する電力の周波数を、該識別された機能構造部分のために記憶装置に記憶された周波数値に調節すること、
    該識別された機能構造部分のために記憶装置に記憶された電力値に対して必要とされる電力のデューティー比を調節すること、
    工作物の、磁界とカップリングしていることが識別された機能構造部分が磁界とカップリングされる時間の長さを、該識別された機能構造部分のために記憶装置に記憶された時間に調節すること、
    を含む請求項11の方法。
  14. 実際の電力値を測定すること、
    測定した実際の電力値を記憶装置に記憶した電力値と比較すること、
    測定した電力値と記憶装置に記憶した電力値との間の差が無くなるように電力のデューティー比を更に調節すること、
    を含む請求項13の方法。
  15. 記憶装置に記憶された時間値に対する、工作物の識別された機能構造部分が磁界に連結される実際の時間長さを測定し、
    実際の時間長さが記憶装置に記憶された時間長さと等しいとき、複数の相対位置の別の一つの位置に工作物を前進させること、
    を含む請求項14の方法。
  16. 周波数の調節及び電力の調節が、周波数が減少した場合に電力のデューティー比を増大させること及び、周波数が増大した場合に電力のデューティー比を減少させることを含む請求項7〜15の何れかの方法。
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