(57)【要約】【課題】強風に対する強度および剛性を向上し、弱風における発電量を改善した風力発電用羽を提供する。【解決手段】羽３０は大別して３つの部材から構成されており、アルミニウム合金などの金属製の剛体からなる（作製された）円柱状の心材３２と、同じく剛体からなる中間部材３４と、繊維強化プラスチックやグラスファイバやカーボンファイバなどの可撓性の本体３６を備えている。心材３２の根元部はピッチ角調整部材２８に固定されており、ピッチ角調整部材２８によって心材３２の全体が一様にそのピッチ角を調整（変更）される。心材３２はその根元部から。ロータヘッド２６を中心にした放射方向に延びている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向に延びる支柱と、その上端部に回転自在に固定されたロータヘッドと、該ロータヘッドに収容されたピッチ角調整部材とを備えた風力発電装置における、前記ロータヘッドにその根元部が固定されると共に、前記ロータヘッドを中心にした放射方向に延びる風力発電用羽において、
前記ピッチ角調整部材にその根元部が固定されると共に前記放射方向に延びる、剛体からなる心材と、
その根元部が前記ロータヘッドに固定されて前記心材を取り囲むように前記放射方向に延びる、その先端部が前記心材の先端部に固定された可撓性で筒状の本体と、
前記心材の外周面に接触してこの外周面を覆うと共に、この外周面上を摺動する摺動部と、
該摺動部を前記本体に接続させる接続部とを備えたことを特徴とする風力発電用羽。
【請求項２】
前記本体、前記摺動部、及び前記連結部は一体に構成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の風力発電用羽。
【請求項３】
前記心材は、前記本体の横断面の中心位置よりもその回転方向及び風上方向にそれぞれ偏心した位置に、その中心が配置されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電用羽。
【請求項４】
前記本体は、前記放射方向及びこれに直交する方向に延びる複数の繊維で構成されたものであることを特徴とする請求項１、２、又は３に記載の風力発電用羽。
【請求項５】
鉛直方向に延びる支柱と、その上端部に回転自在に固定されたロータヘッドと、該ロータヘッドに収容されたピッチ角調整部材とを備えた風力発電装置における、前記ロータヘッドにその根元部が固定されると共に、前記ロータヘッドを中心にした放射方向に延びる風力発電用羽において、
前記ピッチ角調整部材にその根元部が固定されると共に前記放射方向に延びる、剛体からなる心材と、
その根元部が前記ロータヘッドに固定されて前記心材を取り囲むように前記放射方向に延びる、剛体からなる中間部材と、
該中間部材を取り囲むように前記放射方向に延びると共に、その先端部が前記心材の先端部に固定された可撓性で筒状の本体と、
前記中間部材の外周面に接触してこの外周面を覆うと共に、この外周面上を摺動する摺動部と、
該摺動部を前記本体に接続させる接続部とを備えたことを特徴とする風力発電用羽。
【請求項６】
前記本体、前記摺動部、及び前記接続部は一体に構成されたものであることを特徴とする請求項５に記載の風力発電用羽。
【請求項７】
前記中間部材は、その横断面の形状が楕円形のものであることを特徴とする請求項５又は６に記載の風力発電用羽。
【請求項８】
前記本体は、風下側の面が風上側の面よりも撓み易いものであることを特徴とする請求項１から７までのうちのいずれか一項に記載の風力発電用羽。
【請求項９】
請求項１から８までのうちのいずれか一項に記載の風力発電用羽を備えたことを特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力によって発電する風力発電に用いられる風力発電用羽及びこの風力発電用羽を備えた風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力によって羽を回転させて発電する風力発電装置が知られている。この風力発電装置の高出力型の一例について図７を参照して説明する。図７は、従来の高出力型の風力発電装置の一例を示す斜視図である。
【０００３】
風力発電装置１０は、鉛直方向に延びる支柱１２と、風向きに応じて自在に回転するように支柱１２の上端部１２ａに固定された回転軸１４と、風力に応じて回転するように回転軸１４の長手方向一端部１４ａに固定された複数（図１では３枚）の羽１６とを備えた構造をしている。
【０００４】
上記したような大型の風力発電装置１０は、定格出力を安定的に維持するために、定格風速近傍での羽の回転速度は一定に保たれるように構成されている。また、この定格風速の範囲内の風速の変化に対しては、羽の回転による周速によって羽が相対的に受ける風の風速と自然の風による風速との合成速度の方向が、その風速によって変化する。
【０００５】
このため、羽１６の受ける抗力（風に対する抵抗力）を最小にすると共に揚力を最大にするために、羽１６のピッチ角を上記の合成速度の方向に追随させる風力発電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この風力発電装置では、ブレード（羽）用軸受を介して羽１６の全体をロータヘッドに固定しておき、ロータの回転軸に直交する羽１６の長手方向に延びるピッチ調整軸の周りに羽１６を回転させる構造になっている。このようなピッチ調整構造の場合、羽１６をロータヘッドに回転自在に連結しなければならない。従って、羽１６の受ける風圧に伴って変化するモーメントの全てをブレード（羽）用軸受で支持する必要があり、十分な耐久性を確保するためにはブレード（羽）用軸受として大型の特殊な軸受を使用する必要がある。このような大型の特殊な軸受は、消耗品であるシールやグリス交換等にかかる保守費用も少なくないという問題も生じる。
【０００６】
一方、定格風速における一般的な従来の羽１６の半径方向各部の横断面形状は、図８（ａ）（先端部近傍）及び（ｂ）（根元部近傍）に示すようになっている。羽１６の各部における風速と羽１６の回転周速の合成方向に、それぞれの部位の横断面長手方向を一致させることによって、それぞれの部位での抗力を最小にしている。即ち、羽１６は、揚力と抗力の合成力のうち回転方向の分力が最大となるような形状を有している。しかし、従来の羽１６は剛体で形成されているので、風速が変化したときは、羽１６の先端部で回転方向分力が最大になるように羽１６のピッチを調整しても、羽１６の回転時の半径方向全ての部位で回転方向の分力が最大になるとは限らない。
【０００７】
例えば図９（ａ）及び（ｂ）に示したように、風力が定格風速を超えた場合（強風時）には、羽１６の根元部近傍の断面はピッチ過大となり、羽１６の抗力の増加に伴って羽１６が破損したり、場合によっては支柱まで破損、転倒したりして発電装置全体を修復不能に失陥させるとともに、装置周辺の安全を脅かす事態まで招くことがある。
【特許文献１】特開２００1−９９０４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑み、強風に対する強度及び剛性を向上し、弱風における発電量を改善した風力発電用羽及び風力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の風力発電用羽は、鉛直方向に延びる支柱と、その上端部に回転自在に固定されたロータヘッドと、該ロータヘッドに収容されたピッチ角調整部材とを備えた風力発電装置における、前記ロータヘッドにその根元部が固定されると共に、前記ロータヘッドを中心にした放射方向に延びる風力発電用羽において、
（１）前記ピッチ角調整部材にその根元部が固定されると共に前記放射方向に延びる、剛体からなる心材と、
（２）その根元部が前記ロータヘッドに固定されて前記心材を取り囲むように前記放射方向に延びる、その先端部が前記心材の先端部に固定された可撓性で筒状の本体と、
（３）前記心材の外周面に接触してこの外周面を覆うと共に、この外周面上を摺動する摺動部と、
（４）該摺動部を前記本体に接続させる接続部とを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、
（５）前記本体、前記摺動部、及び前記連結部は一体に構成されたものであってもよい。
【００１１】
さらに、
（６）前記心材は、前記本体の横断面の中心位置よりもその回転方向及び風上方向にそれぞれ偏心した位置に、その中心が配置されたものであってもよい。
【００１２】
さらにまた、
（７）前記本体は、前記放射方向及びこれに直交する方向に延びる複数の繊維で構成されたものであってもよい。
【００１３】
上記目的を達成するための本発明の他の風力発電用羽は、鉛直方向に延びる支柱と、その上端部に回転自在に固定されたロータヘッドと、該ロータヘッドに収容されたピッチ角調整部材とを備えた風力発電装置における、前記ロータヘッドにその根元部が固定されると共に、前記ロータヘッドを中心にした放射方向に延びる風力発電用羽において、
（８）前記ピッチ角調整部材にその根元部が固定されると共に前記放射方向に延びる、剛体からなる心材と、
（９）その根元部が前記ロータヘッドに固定されて前記心材を取り囲むように前記放射方向に延びる、剛体からなる中間部材と、
（１０）該中間部材を取り囲むように前記放射方向に延びると共に、その先端部が前記心材の先端部に固定された可撓性で筒状の本体と、
（１１）前記中間部材の外周面に接触してこの外周面を覆うと共に、この外周面上を摺動する摺動部と、
（１２）該摺動部を前記本体に接続させる接続部とを備えたことを特徴とするものである。
【００１４】
ここで、
（１３）前記本体、前記摺動部、及び前記接続部は一体に構成されたものであってもよい。
【００１５】
さらに、
（１４）前記中間部材は、その横断面の形状が楕円形のものであってもよい。
【００１６】
さらにまた、
（１５）前記本体は、風下側の面が風上側の面よりも撓み易いものであってもよい。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に係る発明（中間部材を備えていない風力発電用羽）によれば、ピッチ角調整部材にその根元部が固定された心材は剛体であるので、ピッチ角調整部材によって心材全体のピッチ角が一様に（均一に）調整（変更）される。この心材の先端部には本体の先端部が固定されているので、心材のピッチ角が調整されたときは心材の先端部と共に本体の先端部もそのピッチ角が調整される。しかし、本体の先端部のピッチ角が調整された場合であっても、本体は可撓性であるので、その先端部よりも根元部に近い部分（先端部以外の部分）では、その先端部のピッチ角と同じようには調整されない。一方、摺動部は心材の外周面上を摺動でき、この摺動部に接続されている接続部も摺動部と共に動けるので、可撓性の本体に受ける風力や風向に応じて摺動部が心材の外周面上を摺動して、この摺動に伴って接続部も動くと共に本体も心材の回りを一定角度だけ回転する（回動する）。即ち、風を直接に受ける本体は風力や風向に応じて、本体の各部分において風に対する抵抗力（抗力）が最小となるように撓んで自動的にピッチ角が調整されることとなる。従って、羽の受ける風圧や、この風圧に起因して発生する支柱の曲げモーメントの増加が抑制されるので、風力発電装置を構成する各部品・部材の破損や故障を防止できる。
【００１８】
請求項５に係る発明（中間部材を備えた風力発電用羽）によれば、ピッチ角調整部材にその根元部が固定された心材は剛体であるので、ピッチ角調整部材によって心材全体のピッチ角が一様に調整（変更）される。この心材の先端部には本体の先端部が固定されているので、心材のピッチ角が調整されたときは心材の先端部と共に本体の先端部もそのピッチ角が調整される。しかし、本体の先端部のピッチ角が調整された場合であっても、本体は可撓性であるので、その先端部よりも根元部に近い部分（先端部以外の部分）では、その先端部のピッチ角と同じようには調整されない。また、ロータヘッドには剛体の中間部材の根元部が固定されており、この中間部材と本体との間には摺動部及び接続部が配置されている。摺動部は中間部材の外周面上を摺動でき、この摺動部に接続されている接続部も摺動部と共に動けるので、本体に受ける風力や風向に応じて摺動部が中間部材の外周面上を摺動して、この摺動に伴って接続部も動くと共に本体も心材の回りを回転する（回動する）。即ち、風を直接に受ける本体は風力や風向に応じて、本体の各部分において風に対する抵抗力（抗力）が最小となるように撓んで自動的にピッチ角が調整されることとなる。従って、羽の受ける風圧や、この風圧に起因して発生する支柱の曲げモーメントの増加が抑制されるので、風力発電装置を構成する各部品・部材の破損や故障を防止できる。ここで、中間部材の横断面の形状を楕円形にすると共に、定格風速よりも強風に対応するように本体先端部のピッチ角が調整された場合は、摺動部が中間部材の外周面上を摺動して中間部材によって本体の横断面が扁平に変形するように本体が撓み、この逆に、定格風速よりも弱風に対応するように本体先端部のピッチ角が調整された場合は、摺動部が中間部材の外周面上を摺動して中間部材によって本体の横断面が厚く変形するように本体が撓む。この結果、強風に対する抗力や揚力の増加が抑制されて強度及び剛性が向上し、弱風における揚力の減少が前記横断面の変形で緩和されて発電量が改善される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、垂直方向に延びる支柱を備えた風力発電装置に実現された。
【実施例１】
【００２０】
図１から図４までを参照して、本発明の風力発電装置の一例を説明する。図１は、本発明の風力発電装置の一例の概略構成を示す斜視図である。図２（ａ）は、定格風速時の羽を示す横断面図（図１の二点鎖線で示す断面図）であり、（ｂ）は、強風時の羽を示す横断面図（図１の二点鎖線で示す断面図）である。図３は、羽をその長手方向に切断して示す縦断面図である。図４は、補強材を組み込んだ羽を示す横断面図である。
【００２１】
風力発電装置２０は、図１に示すように、鉛直方向に延びる支柱２２を備えている。支柱２２の上端部２２ａには回転体２４が固定されている。この回転体２４は、風向きに応じて自在に回転するように上端部２２ａに固定されている。回転体２４の長手方向一端部２４ａに取り付けられたロータヘッド２６（図３参照）には、風力に応じて回転するように羽３０が固定されている。図１では羽３０は３枚であるが、何枚でもよい。なお、ロータヘッド２６は回転体２４に回転自在に固定されており、ロータヘッド２６の内部には、羽３０のピッチ角を調整する周知のピッチ角調整部材２８が配置されている。
【００２２】
羽３０の構造を説明する。羽３０は大別して３つの部材から構成されており、アルミニウム合金などの金属製の剛体からなる（作製された）円柱状の心材３２と、同じく剛体からなる中間部材３４と、繊維強化プラスチックやグラスファイバやカーボンファイバなどからなる可撓性の本体３６を備えている。
【００２３】
図３に示すように心材３２の根元部はピッチ角調整部材２８に固定されており、ピッチ角調整部材２８によって心材３２の全体が一様にそのピッチ角を調整（変更）される。心材３２はその根元部から。ロータヘッド２６を中心にした放射方向に延びている。
【００２４】
中間部材３４は、その根元部がロータヘッド２６に固定されており、心材３２を取り囲むように上記の放射方向に延びている。従って、中間部材３４はロータヘッド２６の回転に伴って回転するが、ピッチ角調整部材２８には接続されていない（連結されていない）ので、ピッチ角調整部材２８によってそのピッチ角を調整（変更）されることはない。また、中間部材３４の横断面は、図２に示すように楕円形である。図２に示すように、この楕円形の長軸は風の方向に延びて（風向にほぼ平行になるように延びて）おり、短軸は、風向きに直交するように延びている。中間部材３４は剛体であるので、楕円の長軸及び短軸は常に上記方向に延びていることとなる。
【００２５】
中間部材３４の外周面に接触してこの外周面を覆うように、横断面が楕円形の摺動部３８が配置されている。摺動部３８は中間部材３４よりもやや薄い厚さであり、両者はほぼ相似形状である。摺動部３８は、繊維強化プラスチックやグラスファイバやカーボンファイバなどの可撓性の材料から作製されており、中間部材３４の外周面上をその周方向に摺動する。この摺動部３８の外周面には、繊維強化プラスチックやグラスファイバやカーボンファイバなどの可撓性の材料から作製された接続部３９が固定されている。接続部３９は、楕円の中心を挟んでほぼ対称な２ヶ所に固定されており、羽３０の長手方向に延びている。接続部３９は、摺動部３８を本体３６の内周面に接続させている。即ち、摺動部３８は接続部３９を介して本体３６に接続されている。従って、摺動部３８が中間部材３４の外周面をその周方向に摺動するときは、接続部３９と共に本体３６も中間部材３４に対して相対的に移動することとなる。ここでは、本体３６、摺動部３８、及び接続部３９を異なる名称で別体にしたが、これらを一体の構成にしてもよい。
【００２６】
本体３６は、図３に示すように、その根元部が中間部材３４の根元部に摺動自在に固定されており、中間部材３４を取り囲むように放射方向に延びている筒状のものである。本体３６はロータヘッド２６には直接に固定されておらず（接続されておらず）、本体３６の根元部は、中間部材３４の根元部に固定されている。また、本体３６の先端部は、図３に示すように心材３２の先端部に固定されている。従って、心材３２のピッチ角が調整されたときは、このピッチ角調整は本体３６の先端部には伝達されるが、本体３６は可撓性であるので、後述するように本体３６の全体が同一のピッチ角になるわけではない。また、本体３６は、図２に示すように、その横断面形状が羽３０の回転方向に長い楕円形状であるが、風下方向に揚力を発生させるように風上側と風下側とが非対称の形状になっている。
【００２７】
上記した心材３２、中間部材３４、及び本体３６の位置関係を説明する。
【００２８】
本体３６は、羽３０の各部の回転周速と風速の合成速度によって抗力が最小となるように、即ち、羽３０の受ける抗力と揚力の合成力でピッチが自動調整される位置が回転中心となるように、図２に示すように、摺動部３８及び接続部３９を介して中間部材３４に回転自在に連結されている。この回転中心となる位置Ｒは、本体３６の横断面形状の長手中心における厚さの中心Ｃに対し、風上側及び本体３６の回転方向にそれぞれ本体３６の厚さ及び幅の５％以上１２％以下の範囲内の距離だけ離れた位置である。この偏心量（厚さ及び幅の５％以上１２％以下の範囲内の距離）が５％未満のときはピッチが自動調整されず、１２％を超えたときはピッチ方向に羽３０が回転振動し、騒音発生の原因となる。
【００２９】
上述したように、中間部材３４の横断面は楕円形であり、この楕円形の長軸は風の方向に延びて（風向にほぼ平行になるように延びて）おり、短軸は、風向きに直交するように延びている。このため、図２（ｂ）に示すように、本体３６の横断面形状の長手方向が強風側（即ち、ピッチ角の増加側）に調整されたとき（この長手方向が風向きに平行になろうとしたとき）に、本体３６の横断面形状の厚さ側が、中間部材３４の楕円形状の短軸側に近づくように移動するので抗力と揚力を同時に減少できる。従って、強風時には羽３０の回転数が減少し、羽３０の受ける風圧やこれを介して受ける支柱２２の曲げモーメントの増加を抑制できるので、これら構造部材の破損を効果的に防止できる。このような場合、羽３０の本体３６の横断面形状の変形が風下側により多く発生するように、横断面形状の風下側の材料（面）を撓み易くするために、この材料を低剛性材または薄肉材を使用したり、この逆に、風上側に図４に示すような補強材４０を追加したりすることにより、よりいっそうの効果を期待できる。
【００３０】
上記したように、羽３０では、簡単な構造でピッチ調整用の構造部材（心材３２）が風圧によって発生する曲げモーメントから開放されるので、これらの可動構成部材を小型、軽量化できる。また、強風時にも羽３０の全ての部位で最適なピッチ角に調整できるだけでなく、羽３０の厚さ（本体３６の厚さ）を風力に応じて変化できるので、強風時の羽３０の抗力だけでなく揚力の増加も抑制でき、羽３０や支柱２２の許容風速をこれらの断面強度を増加させずに高めることができる。
【実施例２】
【００３１】
図５と図６を参照して、本発明の風力発電装置の他の例を説明する。図５は、羽を示す横断面図（図１の二点鎖線で示す断面図と同様）であり、図６は、図５の羽の縦断面図である。
【００３２】
実施例２の風力発電装置の概略構成は，図１に示す実施例１の風力発電装置と同様であるが、実施例２の羽６０は、実施例１の羽３０とはその構造が異なる。
【００３３】
羽６０の構造を説明する。羽６０は、アルミニウム合金などの金属製の剛体からなる（作製された）円柱状の心材６２と、繊維強化プラスチックやグラスファイバやカーボンファイバなどの可撓性の本体６４と、繊維強化プラスチックやグラスファイバやカーボンファイバなどの可撓性の材料から作製されて横断面が楕円形の摺動部６６と、繊維強化プラスチックやグラスファイバやカーボンファイバなどの可撓性の材料から作製された接続部６８とを備えている。摺動部６６は、心材６２の外周面に接触してこの外周面を覆うように構成されており、心材６２の外周面上をその周方向に摺動する。この摺動部６６の外周面には接続部６８が固定されている。接続部６８は、円柱状の心材６２の中心を挟んでほぼ対称な２ヶ所に固定されており、羽６０の長手方向に直交する方向に延びている。接続部６８は、摺動部６６を本体６４の内周面に接続させている。即ち、摺動部６６は接続部６８を介して本体６４に接続されている。従って、摺動部６６が心材６２の外周面をその周方向に摺動するときは、接続部６８と共に本体６４も心材６２に対して相対的にその周方向に移動することとなる。ここでは、本体６４、摺動部６６、及び接続部６８を異なる名称で別体にしたが、これらを一体の構成にしてもよい。また、心材６２は、本体６４の横断面の中心位置Ｃよりもその回転方向及び風上方向にそれぞれ偏心した位置Ｒに配置されている。この点は、実施例１と同じである。
【００３４】
図６に示すように心材６２の根元部はピッチ角調整部材２８に固定されており、ピッチ角調整部材２８によって心材６２の全体が一様にそのピッチ角を調整（変更）される。心材６２はその根元部から、ロータヘッド２６を中心にした放射方向に延びている。
【００３５】
本体６４は、その根元部がロータヘッド２６に固定されており、心材６２を取り囲むように放射方向に延びている筒状のものである。また、本体６４の先端部は、図６に示すように心材６２の先端部に固定されている。従って、心材６２のピッチ角が調整されたときは、このピッチ角調整は本体６４の先端部には伝達されるが、本体６４は可撓性であるので本体６４の全体が同一のピッチ角になるわけではない。また、本体６４は、図５に示すように、その横断面形状が羽６０の回転方向に長い楕円形状であるが、風下方向に揚力を発生させるように風上側と風下側とが非対称の形状になっている。
【００３６】
羽６０では、ピッチ角の調整時に本体６４の断面形状を変化させたり、羽６０の曲げ強度や剛性を、実施例１の中間材３４に依存することはできない。しかし、本体６４の根元部をロータヘッド２６に直接に固定し、羽６０の曲げ強度や剛性に比べて捩れ剛性の低い構造、例えば図５に示すような開断面構造とすることにより、本体の端部６４ａ，６４ｂが風力に応じて補助本体６５を摺動するので、羽６０の全ての部位で最適なピッチ角に調整できる。なお、本体６４を、上記の放射方向及びこれに直交する方向に延びる複数の繊維で構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の風力発電装置の一例の概略構成を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、定格風速時の羽を示す横断面図（図１の二点鎖線で示す断面図）であり、（ｂ）は、強風時の羽を示す横断面図（図１の二点鎖線で示す断面図）である。
【図３】羽をその長手方向に切断して示す縦断面図である。
【図４】補強材を組み込んだ羽を示す横断面図である。
【図５】実施例２の羽を示す横断面図（図１の二点鎖線で示す断面図と同様）である。
【図６】図５に示す羽の縦断面図である。
【図７】従来の高出力型の風力発電装置の一例を示す斜視図である。
【図８】定格風速における一般的な従来の羽の半径方向各部の横断面形状を示す模式図である。
【図９】風力が定格風速を超えた場合（強風時）における従来の羽の長手方向中央部の断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
２０  風力発電装置
２６  ロータヘッド
２８  ピッチ角調整部材
３０，６０  羽
３２，６２  心材
３４  中間部材
３６，６４  本体
３８，６６  摺動部
３９，６８  接続部
【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】
2010038049.tif 000007
【図６】
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【図７】
2010038049.tif 000009
【図８】
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【図９】
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