(57)【要約】【課題】高効率かつ安価なアキシャルギャップ型回転電機用ロータを提供すること。【解決手段】回転軸を中心に回転可能なフレーム１と、フレーム１の回転軸心Ｃの周りに配設され、軸方向端面に磁極面を有する複数の界磁部２と、を備えたアキシャルギャップ型回転電機用ロータ１０において、各界磁部２を、矩形の磁極面を有する複数の永久磁石片２１１、２１２をフレーム１の外周側における幅Ｗ１が回転軸心Ｃ側における幅Ｗ２よりも大きくなるように並べて構成した。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を中心に回転可能なフレームと、該フレームの回転軸心の周りに配設され、軸方向端面に磁極面を有する複数の界磁部と、を備えたアキシャルギャップ型回転電機用ロータであって、
前記各界磁部が、矩形の磁極面を軸方向端面に向けて有する複数の永久磁石片を、前記フレームの外周側における幅が前記回転軸心側における幅よりも大きくなるように並べて構成されていることを特徴としたアキシャルギャップ型回転電機用ロータ。
【請求項２】
前記各界磁部が、前記複数の永久磁石片に重ねられた略扇形状の磁性体コアを備えている請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機用ロータ。
【請求項３】
前記磁性体コアの前記永久磁石片が接する面に、該永久磁石片を位置決めする凹部又は凸部が設けられている請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機用ロータ。
【請求項４】
前記複数の界磁部同士の間に、各界磁部の側縁形状に沿って所定の間隔を隔てて磁性体磁極が配設されている請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機用ロータ。
【請求項５】
前記各界磁部が、前記複数の永久磁石片に重ねられた、該複数の永久磁石片の全体形状と略同一形状の磁性体コアを備えている請求項４に記載のアキシャルギャップ型回転電機用ロータ。
【請求項６】
前記永久磁石片が前記フレームの周方向に並んでいる請求項１〜請求項５のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機用ロータ。
【請求項７】
前記永久磁石片が前記フレームの周方向に３つ以上並んでおり、
該フレームの周方向の両外側の永久磁石片の残留磁束密度が、該フレームの周方向の内側の永久磁石片の残留磁束密度よりも小さい請求項６記載のアキシャルギャップ型回転電機用ロータ。
【請求項８】
前記永久磁石片が前記フレームの周方向に３つ以上並んでおり、
該フレームの周方向の両外側の永久磁石片の保磁力が、該フレームの周方向の内側の永久磁石片の保磁力よりも大きい請求項６記載のアキシャルギャップ型回転電機用ロータ。
【請求項９】
前記フレームの回転方向後進側の永久磁石片の保磁力が、該フレームの回転方向前進側の永久磁石片の保磁力よりも大きい請求項６記載のアキシャルギャップ型回転電機用ロータ。
【請求項１０】
前記永久磁石片が前記フレームの径方向に並んでいる請求項１〜請求項５のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機用ロータ。
【請求項１１】
前記フレームの外周側の永久磁石片の残留磁束密度が、該フレームの回転軸心側の永久磁石片の残留磁束密度よりも大きい請求項１０記載のアキシャルギャップ型回転電機用ロータ。
【請求項１２】
前記フレームの回転軸心側の永久磁石片の保磁力が、該フレームの外周側の永久磁石片の保磁力よりも大きい請求項１０記載のアキシャルギャップ型回転電機用ロータ。
【請求項１３】
前記永久磁石片が、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石である請求項１〜請求項１２のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機用ロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アキシャルギャップ型回転電機用ロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
アキシャルギャップ型回転電機は、回転軸を中心として回転可能に配設されたロータと、このロータの回転軸方向にギャップを隔てて配設されたステータとを備える回転電機である。アキシャルギャップ型回転電機は、その構造から薄型化できる点や磁極面積を大きくしてトルク密度を向上できる点で他の構造の回転電機より好ましい。
【０００３】
下記の特許文献１には、アキシャルギャップ型回転電機のロータの界磁部を構成する永久磁石として、垂直磁場プレスで成形した希土類焼結磁石を使用することが記載されている。垂直磁場プレスは、プレス方向に対し垂直方向に磁場をかけて磁石粉末をプレス成形するものであり、プレス方向と平行に磁場をかける平行磁場プレスに比べ、磁石粉末の配向の乱れを少なくでき、磁気特性に優れた永久磁石を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−３３９４６号公報、段落「００１９」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、垂直磁場プレスで成形された永久磁石は、プレス方向に対し垂直方向に磁場をかける関係から、直方体形状に成形されることになり、その磁極面が矩形状を成すことになった。したがって、アキシャルギャップ型回転電機のロータの磁極面積を最大限に大きくするためには、各界磁部の磁極面を略扇形状にする必要があるところ、従来では、垂直磁場プレスで得られた永久磁石を使用する場合、この直方体形状の永久磁石を略扇形状に切削加工する等しなければならず、磁石材料の無駄が多く、ロータの製造コストを押し上げることになった。
【０００６】
本発明は、垂直磁場プレスで成形された永久磁石を使用した従来のアキシャルギャップ型回転電機用ロータに上記のような難点があることに鑑みて為されたもので、高効率かつ安価なアキシャルギャップ型回転電機用ロータ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】
【０００７】
本発明は、回転軸を中心に回転可能なフレームと、該フレームの回転軸心の周りに配設され、軸方向端面に磁極面を有する複数の界磁部と、を備えたアキシャルギャップ型回転電機用ロータであって、
前記各界磁部が、矩形の磁極面を有する複数の永久磁石片を、前記フレームの外周側における幅が前記回転軸心側における幅よりも大きくなるように並べて構成されていることを特徴としている。
【０００８】
なお、本願において、矩形とは長方形または正方形を意味するものである。また、角部の微小な面取りや丸めは任意である。
【０００９】
また、本発明は、前記各界磁部が、前記複数の永久磁石片の磁極面に重ねられた略扇形状の磁性体コアを備えていることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明は、前記磁性体コアの前記永久磁石片が接する面に、該永久磁石片を位置決めする凹部又は凸部が設けられていることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明は、前記複数の界磁部同士の間に、各界磁部の側縁形状に沿って所定の間隔を隔てて磁性体磁極が配設されていることを特徴としている。
【００１２】
また、本発明は、前記各界磁部が、前記複数の永久磁石片に重ねられた、該複数の永久磁石片の全体形状と略同一形状の磁性体コアを備えていることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明は、前記永久磁石片が前記フレームの周方向に並んでいることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明は、前記永久磁石片が前記フレームの周方向に３つ以上並んでおり、該フレームの周方向の両外側の永久磁石片の残留磁束密度が、該フレームの周方向の内側の永久磁石片の残留磁束密度よりも小さいことを特徴としている。
【００１５】
また、本発明は、前記永久磁石片が前記フレームの周方向に３つ以上並んでおり、該フレームの周方向の両外側の永久磁石片の保磁力が、該フレームの周方向の内側の永久磁石片の保磁力よりも大きいことを特徴としている。
【００１６】
また、本発明は、前記フレームの回転方向後進側の永久磁石片の保磁力が、該フレームの回転方向前進側の永久磁石片の保磁力よりも大きいことを特徴としている。
【００１７】
また、本発明は、前記永久磁石片が前記フレームの径方向に並んでいることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明は、前記フレームの外周側の永久磁石片の残留磁束密度が、該フレームの回転軸心側の永久磁石片の残留磁束密度よりも大きいことを特徴としている。
【００１９】
また、本発明は、前記フレームの回転軸心側の永久磁石片の保磁力が、該フレームの外周側の永久磁石片の保磁力よりも大きいことを特徴としている。
【００２０】
また、本発明は、前記永久磁石片が、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機用ロータは、複数の界磁部がそれぞれ、矩形の磁極面を有する複数の永久磁石片を、フレームの外周側の幅が回転軸心側の幅よりも大きくなるように並べて構成されているので、垂直磁場プレスで成形されて直方体形状を成す永久磁石を、例えば略扇形状等に切削加工等しなくても利用することができ、高効率で安価なアキシャルギャップ型回転電機用ロータを提供することができる。
【００２２】
しかも、各界磁部を複数の永久磁石片を並べて構成しているので、例えば、残留磁束密度や保磁力等の特性の異なる複数の永久磁石片を、必要に応じて適宜、組み合わせることが簡単にでき、より高効率なアキシャルギャップ型回転電機用ロータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態のロータを備えたアキシャルギャップ型回転電機の概略断面図である。
【図２】本実施形態のロータの分解状態の斜視図である。
【図３】本実施形態のロータの組立状態の平面図である。
【図４】本実施形態のロータにおける複数の永久磁石片の配列状態を説明する要部断面図である。
【図５】本発明に係るロータの変形例における複数の永久磁石片の配列状態の説明図である。
【図６】本発明に係るロータの他の変形例における複数の永久磁石片の配列状態の説明図である。
【図７】本発明に係るロータの更に他の変形例における複数の永久磁石片の配列状態の説明図である。
【図８】本発明に係るロータの更に他の変形例における磁性体磁極の形状を示す説明図である。
【図９】本発明に係るロータの更に他の変形例における永久磁石片の位置決めをするための凸部及び凹部を示す要部斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明に係るロータは、アキシャルギャップ型回転電機に使用されるものである。図１の概略図に示すように、アキシャルギャップ型回転電機１００は、回転軸４０（回転軸心Ｃ）を中心として回転可能に配設されたロータ１０と、このロータ１０の回転軸方向の両側に所定のギャップを隔てて配設された第一ステータ２０及び第二ステータ３０と、を備えている。第一ステータ２０は、バックヨーク２０１と、バックヨーク２０１に立設されたティース２０２と、ティース２０２に巻回されたコイル２０３とから構成されており、第二ステータ３０は、バックヨーク３０１から構成されている。第一ステータ２０及び第二ステータ３０は、不図示の容器に固定され、回転軸４０が回転可能に貫通している。
【００２５】
本実施形態のロータ１０は、図１〜図３に示すように、回転軸４０に固定され、回転軸心Ｃを中心に回転可能な非磁性体から成るフレーム１と、このフレーム１の回転軸心Ｃの周りに配設され、軸方向端面に磁極面を有する複数の界磁部２と、同じく回転軸心Ｃの周りに配設された複数の磁性体磁極３と、これら複数の界磁部２及び磁性体磁極３をフレーム１に固定する押さえ部材４と、から構成されている。
【００２６】
フレーム１は、図２の分解斜視図に示すように、回転軸４０（不図示）を挿通可能な軸孔１１を有する内周部１２と、この内周部１２の外側面から放射状に突設されたスポーク部１３と、このスポーク部１３の先端に設けられた外周部１４とから構成されており、これら内周部１２の外側面と、各スポーク部１３の側面と、外周部１４の内側面とで仕切られた計６つの界磁部保持孔１５を有している。また、各スポーク部１３には、板状の磁性体磁極３を保持するための磁極保持孔１６が形成されている。
【００２７】
界磁部２は、図２に示すように、上記フレーム１の界磁部保持孔１５内に保持される永久磁石部２１と、この永久磁石部２１に重ねられ、同じ界磁部保持孔１５内に保持される略扇形状の磁性体コア２２と、から構成されている。そして、永久磁石部２１は、図４に示すように、矩形の磁極面を有する複数の永久磁石片２１１、２１２を、フレーム１の外周側（外周部１４側）における周方向の幅Ｗ１が回転軸心Ｃ側（内周部１２側）における周方向の幅Ｗ２よりも大きくなるように並べて構成されている。ここで磁性体コア２２の磁性体とは、鉄などの軟磁性体をさす。
【００２８】
これら永久磁石片２１１、２１２は、垂直磁場プレスで成形されたＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系（ネオジウム・鉄・ボロン系）焼結磁石から成り、直方体形状に成形されている。この希土類焼結磁石は、導電率が高く、第一ステータ２０から発生する回転磁界により渦電流損が生じ易い。このため、磁性体コア２２は希土類磁石に比べて導電率の小さい磁性材から構成されており、永久磁石部２１に対し第一ステータ２０側に配置されることによって、渦電流損を低減できる。特に、ＰＷＭ制御する場合、キャリア成分の高周波の磁束の変化による渦電流損を低減できる。また、磁性体コア２２を磁気的に等方性を有する圧粉磁心から構成すれば、磁性体コア２２において渦電流損を生じ難くすることができる。また、永久磁石部２１が第一ステータ２０側で発生させる界磁磁束のうちの殆どが磁性体コア２２を通るので、略扇形状の磁性体コア２２の第一ステータ２０側の表面は、実質的に界磁部２の極磁面として機能する。
【００２９】
また、本実施形態では、図４に示すように、各永久磁石部２１を、大小二つの永久磁石片２１１、２１２をフレーム１の径方向に並べて構成している。そして、フレーム１の外周側（外周部１４側）の永久磁石片２１１の残留磁束密度（Ｂｒ）を、フレーム１の回転軸心Ｃ側（内周部１２側）の永久磁石片２１２の残留磁束密度よりも大きくしている。これは、フレーム１の回転軸心Ｃ側ほど、前記第一ステータ２０のティース２０２の周方向の幅が小さくなり（巻線がある分、磁石の外周、内周の幅の比率よりも、ティース２０２の外周、内周の幅の比率の方が大きい）、磁気飽和を起こし易い一方、フレーム１の外周側ほど径が大きい分トルクを大きく発生するからである。
【００３０】
また、本実施形態では、フレーム１の回転軸心Ｃ側（内周部１２側）の永久磁石片２１２の保磁力（Ｈｃ）を、フレーム１の外周側（外周部１４側）の永久磁石片２１１の保磁力よりも大きくしている。このことで、フレーム１の回転軸心Ｃ側ほど磁路が短くて減磁しやすいところ、これに対処することができる。
【００３１】
磁性体磁極３は、図４に示すように、フレーム１の各スポーク部１３に形成された磁極保持孔１６内に収容されている。磁性体磁極３は、軟磁性体から構成され、いわゆるｑ軸インダクタンスを高くすることで、ｑ軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスの差に起因して発生するリラクタンストルクを増す働きを有する。
【００３２】
押さえ部材４は、図１及び図２に示すように、フレーム１の複数の界磁部保持孔１５内にそれぞれ保持された界磁部２と、複数の磁極保持孔１６内にそれぞれ保持された磁性体磁極３とをフレーム１に固定するものである。本実施形態では、フレーム１の回転軸線Ｃ方向の両側にそれぞれ、押さえ部材４がレーザ溶接されることによって、複数の界磁部２及び磁性体磁極３が固定されている。
【００３３】
本実施形態では、フレーム１の第一ステータ２０側で界磁部２及び磁性体磁極３を固定する押さえ部材４が、小径のリング部品４１、及び大径のリング部品４２から形成されており、フレーム１の第二ステータ３０側で界磁部２及び磁性体磁極３を固定する押さえ部材４が、ディスク部品４３から形成されている。図１に示すように、小径のリング部品４１が界磁部２の第一ステータ２０側の磁極面の内縁の一部を押さえた状態でフレーム１にレーザ溶接されており、大径のリング部品４２が界磁部２の第一ステータ２０側の磁極面の外縁の一部を押さえた状態でフレーム１にレーザ溶接されている。そして、ディスク部品４３が界磁部２の第二ステータ３０側の磁極面の全部を押さえた状態でフレーム１にレーザ溶接されている。接合手段はレーザ溶接に限らず、例えば、リベットによる締結等、異なる手段を用いても良い。
【００３４】
ディスク部品４３は、軟磁性の電磁鋼板から形成されており、界磁部２の第二ステータ３０側の磁束を部分的に短絡する機能を有する。この機能によって、第二ステータ３０とロータ１０との間に働く磁気吸引力が、第一ステータ２０とロータ１０との間に働く磁気吸引力よりも強い場合に、第二ステータ３０とロータ１０との間に働く磁気吸引力を弱めることができる。この機能が不要であれば、ディスク部品４３の代わりにリング部品を使用してもよい。
【００３５】
なお、界磁部２の永久磁石部２１の着磁は、押さえ部材４で界磁部２をフレーム１に固定した後に行ってもよく、固定する前に行ってもよいが、固定した後に着磁するのが、永久磁石片２１１、２１２の取り扱いの面で好ましい。互いに反発力が働くため、着磁した後に永久磁石片２１１、２１２を並べるのは作業上困難であるからである。
【００３６】
このように本実施形態のアキシャルギャップ型回転電機用ロータ１０は、複数の界磁部２がそれぞれ、矩形の磁極面を有する複数の永久磁石片２１１、２１２をフレーム１の外周側における幅が前記回転軸心側における幅よりも大きくなるように並べて構成されているので、垂直磁場プレスで成形されて直方体形状を成す特性に優れた永久磁石を、例えば略扇形状等に切削加工等をしなくても利用することができ、高効率で安価なアキシャルギャップ型回転電機用ロータを提供することができる。
【００３７】
しかも、各界磁部２を複数の永久磁石片を並べて構成しているので、例えば残留磁束密度や保磁力等の特性の異なる複数の永久磁石片を、必要に応じて適宜組み合わせることが簡単にでき、より高効率なアキシャルギャップ型回転電機用ロータを提供することができる。
【００３８】
以上、本実施形態のアキシャルギャップ型回転電機用ロータについて説明したが、本発明はその他の形態でも実施することができる。
【００３９】
例えば、上記実施形態では、フレーム１の各界磁部保持孔１５内に、大小二つの永久磁石片２１１、２１２をフレームの径方向に並べているが、本発明は勿論これに限定されるものではなく、図５（ａ）に示すように、界磁部保持孔１５内に、等幅の長短三つの永久磁石片２１３Ａ、２１３Ｂ、２１３Ｃをフレームの径方向に並べて界磁部を構成しても良く、また、図５（ｂ）に示すように、界磁部保持孔１５内に、等幅の長短六つの永久磁石片２１４Ａ〜２１４Ｆをフレームの径方向に並べて界磁部を構成しても良い。これら長さが異なる等幅の永久磁石片は、直方体形状の永久磁石片をそのまま、または、その長手方向に分断して得ることができるので、ロータをより低コストに製造することできる。
【００４０】
また、図６に示すように、フレームの界磁部保持孔１５内に、例えば三つの永久磁石片２１５Ａ〜２１５Ｃをフレームの周方向に並べて界磁部を構成しても良い。このように矩形（長方形および正方形）の磁極面を有する複数の永久磁石片をフレームの周方向に並べる場合には、フレームの周方向の両外側の永久磁石片２１５Ａ、２１５Ｃの残留磁束密度を、フレームの周方向の内側の永久磁石片２１５Ｂの残留磁束密度よりも小さくすることが好ましい。このことで、エアギャップ磁束密度を正弦波に近づけて分布させることができ、誘起電圧を正弦波化してトルクリプルを低減することができる。
【００４１】
また、フレームの周方向の両外側の永久磁石片２１５Ａ、２１５Ｃの保磁力を、フレームの周方向の内側の永久磁石片２１５Ｂの保磁力よりも大きくすることが好ましい。このことで、フレームの周方向の両外側の永久磁石片ほど減磁しやすいところ、これに対処することができる。
【００４２】
また、フレームの回転方向後進側の永久磁石片２１５Ｃの保磁力を、フレームの回転方向前進側の永久磁石片２１５Ａの保磁力よりも大きくすることが好ましい。このことで、フレームの回転方向後進側の永久磁石片ほど駆動時の逆磁界が大きく減磁しやすいところ、これに対処することができる。
【００４３】
また、図７に示すように、フレームの界磁部保持孔１５内に、例えば三つの永久磁石片２１６Ａ〜２１６Ｃを、フレームの径方向に対し斜めの方向に並べて界磁部を構成しても良い。このようにロータの界磁部を構成する複数の永久磁石片の配列数、配列方向、各永久磁石片の大きさや、磁気特性の組合せ等については、アキシャルギャップ型回転電機に要求される性能等に応じて種々の設計変更が可能である。
【００４４】
また、図８に示すように、複数の界磁部２同士の間に、各界磁部２の側縁形状に沿って所定の間隔を隔てて磁性体磁極６を配設してもよい。即ち、図８に示す変形例のロータのフレーム５は、軸孔５１を有する内周部５２と、この内周部５２の外側面から放射状に突設された鋸歯状のスポーク部５３と、このスポーク部５３の先端に設けられた外周部５４とから構成されており、これら内周部５２の外側面と、各スポーク部５３の側面と、外周部５４の内側面とで仕切られた計６つの凸状の界磁部保持孔５５を有している。そして、各スポーク部５３には、一定厚みの壁部を介して鋸歯状の磁極保持孔５６が形成されている。このフレーム５の界磁部保持孔５５内にほぼ隙間なく大小二つの永久磁石片２１１、２１２が並んで収容されており、磁極保持孔５６内にほぼ隙間なく鋸歯状の磁性体磁極６が収容されている。このことで、リラクタンストルクをより効率的に利用することが可能となる。この場合、各界磁部２が、複数の永久磁石片２１１、２１２に重ねられた、複数の永久磁石片２１１、２１２の全体形状（凸状）と略同一形状の磁性体コアを備えていても良い。
【００４５】
また、図９に示すように、各界磁部において、磁性体コア２２の複数の永久磁石片２１１、２１２が接する面に、これら永久磁石片２１１、２１２を位置決めする凹部又は凸部を設けても良い。即ち、図９（ａ）に示すように、磁性体コア２２に凹部２２１を形成し、この凹部２２１内に複数の永久磁石片２１１、２１２を嵌め込んで永久磁石片２１１、２１２の位置決めをしてもよく、また、図９（ｂ）に示すように、磁性体コア２２に複数の凸部２２２を形成し、これら凸部２２２の間に複数の永久磁石片２１１、２１２を嵌め込んで位置決めをしてもよい。このことで、より安定かつ確実に複数の永久磁石片を組み合わせてフレームに固定することができる。なお、図９において、磁性体コア２２は、永久磁石片２１１，２１２に対してデフォルメして大きく描いているが、実際は、永久磁石片２１１，２１２が外接する程度で十分である。
【００４６】
また、上記実施形態では、フレーム１の界磁部保持孔５内に複数の永久磁石片２１１、２１２を収容して押さえ部材４で固定しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば円盤形状のフレームに複数の永久磁石片を接着剤を用いて固定してもよい。
【００４７】
また、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内で、当業者の知識に基づいて種々の改良、修正、変形を加えた態様で実施し得る。同一の作用又は効果が生じる範囲内でいずれかの発明特定事項を他の技術に置換した形態で実施しても良く、また、一体に構成されている発明特定事項を複数の部材から構成したり、複数の部材から構成されている発明特定事項を一体に構成した形態で実施しても良い。
【符号の説明】
【００４８】
１００：アキシャルギャップ型回転電機
１０：ロータ
１：フレーム
２：界磁部
２１：永久磁石部
２１１、２１２、２１３Ａ〜２１３Ｃ、２１４Ａ〜２１４Ｆ、２１５Ａ〜２１５Ｃ、２１６Ａ〜２１６Ｃ：永久磁石片
２２：磁性体コア
２２１：凹部
２２２：凸部
３：磁性体磁極
４：押さえ部材
２０：第一ステータ
３０：第二ステータ
４０：回転軸
Ｃ：回転軸心
Ｗ１：界磁部のフレーム外周側における幅
Ｗ２：界磁部のフレーム回転軸心側における幅
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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