(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円周状に配置された永久磁石と、
前記永久磁石の内周側に配置されたリング状のコイルと、
前記コイルの軸方向一方側に設けられたそれぞれが複数の板状積層片からなる複数組の第１積層ヨークと、前記コイルの軸方向他方側に設けられたそれぞれが複数の板状積層片からなる複数組の第２積層ヨークとを有し、前記コイルの周囲を囲むように配置されたヨークとを備え、
前記複数の板状積層片のそれぞれは、軸方向一方側又は他方側から逆側に延び前記永久磁石とコイルとの間に配置されたヨーク外周部と、前記ヨーク外周部と磁気的に結合され前記コイル内周の軸方向一方側又は他方側に配置されたヨーク内周部とを有し、
複数組の前記第１及び第２積層ヨークは、前記ヨーク内周部で構成される前記両積層ヨークの内周部が軸方向に対向し、かつ前記ヨーク外周部で構成される前記両積層ヨークの外周部はそれぞれ円周方向に間隔をあけて配置されるとともに円周方向に互いに交互に位置するように設けられており、
前記各積層ヨークを構成する板状積層片は、軸方向に沿う方向視で、前記ヨーク内周部とヨーク外周部とが異なる放射線上に位置するように形成されている、
クローポール形発電機。
【請求項２】
軸方向に延びる筒状部と、前記筒状部の軸方向両端に設けられた１対のフランジ部とを有し、前記筒状部の外周に前記コイルが巻かれたボビンをさらに備えている、請求項１に記載のクローポール形発電機。
【請求項３】
前記ボビンを構成する１対のフランジにおける軸方向外側の側面には、略放射状に延びる複数の溝が円周方向に並べて形成されるとともに、前記１対のフランジの外周部には、前記複数の溝に対応して複数の切欠が形成されており、
前記各積層ヨークを構成する複数の板状積層片は、ヨーク外周部とヨーク内周部とを連結する連結部をさらに有し、前記板状積層片は、前記連結部が前記１対のフランジの溝に嵌合され、前記ヨーク外周部の一部が前記１対のフランジの切欠に嵌合されている、
請求項２に記載のクローポール発電機。
【請求項４】
前記ボビンを構成する１対のフランジの外周部には、他方のフランジの外周部に形成された前記切欠に対向する位置に複数の凹部が形成されており、
前記凹部には、前記他方のフランジ側に設けられた積層ヨークのヨーク外周部の先端が保持されている、
請求項３に記載のクローポール形発電機。
【請求項５】
自転車の車輪中央部に設けられるハブダイナモであって、
自転車のフレームに装着されるハブ軸と、
前記ハブ軸の軸方向に延びる筒状のケース本体と、前記ケース本体の軸方向両端部に設けられた１対のハブフランジとを有するケーシングと、
前記ケーシングを前記ハブ軸に対して回転自在に支持するための１対の軸受と、
前記ケース本体の内周面に円周状に設けられた永久磁石と、
前記永久磁石の内周側に配置され、前記ハブ軸に固定された内側固定ユニットとを備え、
前記内側固定ユニットは、
前記永久磁石の内周側に配置されたリング状のコイルと、
前記コイルの軸方向一方側に設けられたそれぞれが複数の板状積層片からなる複数組の第１積層ヨークと、前記コイルの軸方向他方側に設けられたそれぞれが複数の板状積層片からなる複数組の第２積層ヨークとを有し、前記コイルの周囲を囲むように配置されたヨークとを備え、
前記複数の板状積層片のそれぞれは、軸方向一方側又は他方側から逆側に延び前記永久磁石とコイルとの間に配置されたヨーク外周部と、前記ヨーク外周部と磁気的に結合され前記コイル内周の軸方向一方側又は他方側に配置されたヨーク内周部とを有し、
複数組の前記第１及び第２積層ヨークは、前記ヨーク内周部で構成される前記両積層ヨークの内周部が軸方向に対向し、かつ前記ヨーク外周部で構成される前記両積層ヨークの外周部はそれぞれ円周方向に間隔をあけて配置されるとともに円周方向に互いに交互に位置するように設けられており、
前記各積層ヨークを構成する板状積層片は、軸方向に沿う方向視で、前記ヨーク内周部とヨーク外周部とが異なる放射線上に位置するように形成されている、
自転車用ハブダイナモ。
【発明の詳細な説明】
本発明は、クローポール形発電機及び自転車用ハブダイナモ、特に板状部材を積層して形成されたヨークを有するクローポール形発電機及び自転車用ハブダイナモに関する。
【０００１】
【従来の技術】
従来のクローポール形発電機は、形状やコスト面を考慮して、一般に、ヨーク部分を板金プレス加工によって形成する場合が多い。しかし、従来のこの種の発電機は渦電流の発生による効率の低下が問題となっている。
【０００２】
そこで、特開２００１−３７１０８号公報に示されるように、ヨーク部分を薄板の積層構造で構成し、渦電流の発生を抑えることが提供されている。この公報に示された発電機は、ハブ軸に固定された発電コイルと、ハブ軸に対して回転自在に設けられ内周面に磁石が配置されたケーシングとを有している。そして、発電コイルを収容するヨークが、複数の板状部材を積層して構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
薄板を用いた積層構造を採用することにより、渦電流の発生を抑えることができる。しかし、クローポール形発電機の場合、軸方向の両端から互いに近づく方向にヨーク外周部が延びるような構造であるために、効率的に積層構造にするのが困難である。前記公報に記載された発電機においても、円周方向に交互に配置されたヨークの接続部分に他の磁性材料を必要とする。このような他の磁性材料を設けた場合、磁気抵抗が増加し、効率が低下してしまう。また、新規に他の磁性材料を作る必要があるので、コスト高になる。
【０００４】
本発明の課題は、クローポール形発電機において、発電時に発生する渦電流を抑え、発電効率を向上させることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
発明１に係るクローポール形発電機は、円周状に配置された永久磁石と、永久磁石の内周側に配置されたリング状のコイルと、コイルの周囲を囲むように配置されたヨークとを備えている。ヨークは、コイルの軸方向一方側に設けられたそれぞれが複数の板状積層片からなる複数組の第１積層ヨークと、コイルの軸方向他方側に設けられたそれぞれが複数の板状積層片からなる複数組の第２積層ヨークとを有している。
【０００６】
そして、複数の板状積層片のそれぞれは、軸方向一方側又は他方側から逆側に延び永久磁石とコイルとの間に配置されたヨーク外周部と、ヨーク外周部と磁気的に結合されコイル内周の軸方向一方側又は他方側に配置されたヨーク内周部とを有している。また、複数組の第１及び第２積層ヨークは、ヨーク内周部で構成される両積層ヨークの内周部が軸方向に対向し、かつヨーク外周部で構成される両積層ヨークの外周部はそれぞれ円周方向に間隔をあけて配置されるとともに円周方向に互いに交互に位置するように設けられており、各積層ヨークを構成する板状積層片は、軸方向に沿う方向視で、ヨーク内周部とヨーク外周部とが異なる放射線上に位置するように形成されている。
【０００７】
この発電機では、永久磁石とヨーク外周部とが対向しており、これらが相対回転することによって、ヨーク内周部に交番磁束が発生する。これによりコイルに電流が流れて発電される。具体的には、第１積層ヨークのヨーク外周部がＮ極となり第２積層ヨークのヨーク外周部がＳ極となる状態と、第１積層ヨークのヨーク外周部がＳ極となり第２積層ヨークのヨーク外周部がＮ極となる状態とを交互に入れ替えて交番磁束を発生させている。この発電時には、交番磁束に加えて、渦電流も発生する。
【０００８】
この渦電流は発電効率を低下させるものであるが、本発電機においては、ヨークを複数の板状積層片から構成しているので、渦電流の発生を抑えることができる。すなわち、このような発電機においては、渦電流の発生はヨークの厚み（板厚）の二乗に反比例して減少することが知られているが、ヨークを板状積層片で構成することによって厚みが薄くなり、渦電流の発生を抑えることができる。また、ここでは、ヨーク内周部が軸方向に対向して配置されているので、第１積層ヨークと第２積層ヨークとが、それぞれのヨーク内周部によって磁気的に直接接続されることとなり、両積層ヨークを接続するための他の磁性体が不要となる。しかも、両積層ヨーク間を磁束が通過する磁路断面積を十分に確保して磁気飽和を避けることができる。したがって、磁気抵抗等のロスを大幅に低減でき、出力と効率が向上し、無負荷回転トルクを低減できる。
【０００９】
発明２に係るクローポール形発電機は、請求項１の発電機において、軸方向に延びる筒状部と、筒状部の軸方向両端に設けられた１対のフランジ部とを有し、筒状部の外周にコイルが巻かれたボビンをさらに備えている。
【００１０】
発明３に係るクローポール形発電機は、発明２の発電機において、ボビンを構成する１対のフランジにおける軸方向外側の側面には、略放射状に延びる複数の溝が円周方向に並べて形成されるとともに、１対のフランジの外周部には、前記複数の溝に対応して複数の切欠が形成されており、各積層ヨークを構成する複数の板状積層片は、ヨーク外周部とヨーク内周部とを連結する連結部をさらに有している。そして、板状積層片は、連結部が１対のフランジの溝に嵌合され、ヨーク外周部の一部が１対のフランジの切欠に嵌合されている。ここでは、各積層ヨークを構成する複数の板状積層片を確実に保持できる。
【００１１】
発明４に係るクローポール発電機は、発明３の発電機において、ボビンを構成する１対のフランジの外周部には、他方のフランジの外周部に形成された切欠に対向する位置に複数の凹部が形成されており、この凹部には、他方のフランジ側に設けられた積層ヨークのヨーク外周部の先端が保持されている。ここでは、各積層ヨークを構成する板状積層片を半径方向において確実に保持できる。
【００１２】
発明５係る自転車用ハブダイナモは、自転車の車輪中央部に設けられるものであって、自転車のフレームに装着されるハブ軸と、ケーシングと、１対の軸受と、永久磁石と、内側固定ユニットとを備えている。ケーシングは、ハブ軸の軸方向に延びる筒状のケース本体と、ケース本体の軸方向両端部に設けられた１対のハブフランジとを有している。１対の軸受はケーシングをハブ軸に対して回転自在に支持する。永久磁石はケース本体の内周面に円周状に設けられている。内側固定ユニットは、永久磁石の内周側に配置され、ハブ軸に固定されている。
【００１３】
そして、内側固定ユニットは、永久磁石の内周側に配置されたリング状のコイルと、コイルの周囲を囲むように配置されたヨークとを備えている。ヨークは、コイルの軸方向一方側に設けられたそれぞれが複数の板状積層片からなる複数組の第１積層ヨークと、コイルの軸方向他方側に設けられたそれぞれが複数の板状積層片からなる複数組の第２積層ヨークとを有している。また、複数の板状積層片のそれぞれは、軸方向一方側又は他方側から逆側に延び永久磁石とコイルとの間に配置されたヨーク外周部と、ヨーク外周部と磁気的に結合されコイル内周の軸方向一方側又は他方側に配置されたヨーク内周部とを有している。そして、複数組の前記第１及び第２積層ヨークは、ヨーク内周部で構成される両積層ヨークの内周部が軸方向に対向し、かつヨーク外周部で構成される両積層ヨークの外周部はそれぞれ円周方向に間隔をあけて配置されるとともに円周方向に互いに交互に位置するように設けられており、各積層ヨークを構成する板状積層片は、軸方向に沿う方向視で、ヨーク内周部とヨーク外周部とが異なる放射線上に位置するように形成されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態であるクローポール形発電機を用いたハブダイナモを図１及び図２に示す。図１はハブダイナモ１の片側縦断面図であり、図２はその側面図である。
【００１５】
図１に示すハブダイナモ１は、自転車の前輪とともに、左右のフロントフォーク２ａ，２ｂの先端に装着されるものである。このハブダイナモ１は、フロントフォーク２ａ，２ｂに両端部が固定されたハブ軸５と、ハブ軸５に対して１対の軸受６，７によって回転自在に支持されたケーシング８と、永久磁石９と、ハブ軸５に固定された内側固定ユニット１０とを備えている。
【００１６】
ケーシング８は、ケース本体１１と、１対のハブフランジ１２，１３とを有している。ケース本体１１は、ハブ軸５の軸方向に延びて形成された筒状の部材であり、軸方向の中央部に、両端部に比較して外周側に膨らんだ膨出部１１ａを有している。１対のハブフランジ１２，１３はケース本体１１の軸方向両端部の外周面に固定されており、これらのハブフランジ１２，１３には、それぞれスポーク（図示せず）の内側端部を装着するための複数の装着孔１１ａ，１２ａが円周方向に等角度間隔で形成されている。なお、ケーシング８の軸方向両端部には、ケーシング内部にゴミ、埃、水等の異物が侵入しないように、シール部材１４，１５が軸受６，７との間に設けられている。
【００１７】
永久磁石９は、ケーシング８の膨出部１１ａ内面に固定されており、円周方向に等間隔に分割された４個の磁石体からなる。この永久磁石９には、等間隔で交互にＮ極とＳ極とが着磁されており、それぞれが後述するヨーク外周部と対向している。
【００１８】
内側固定ユニット１０は、リング状のコイル２０と、コイル２０の周囲を囲むように設けられたヨーク２１とを有している。そして、これらのコイル２０及びヨーク２１は、ハブ軸５の外周に形成されたねじ部に螺合する１対のナット２２ａ，２２ｂにより挟まれるようにしてハブ軸５に固定され、かつ軸方向において膨出部１１ａ内に収納されるような位置関係に位置決めされている。
【００１９】
コイル２０は、図３に示すようなボビン２５に巻かれている。ボビン２５は、図３及び図３の拡大部分図である図４で示すように（図３、図４ともに、ヨークは取り外して示している）、外周にコイル２０が巻かれた筒状の胴部２６と、胴部２６の軸方向両端部に形成された第１フランジ２７及び第２フランジ２８とを有している。第１及び第２フランジ２７，２８において、軸方向外側の側面には、ほぼ放射状に延びる複数の溝２７ａ，２８ａが形成されている。これらの溝２７ａ，２８ａは、外周側では、軸方向視で互いにずれるように、すなわち、第１フランジ２７の隣接する２つの溝２７ａの間に第２フランジ２８の溝２８ａが位置するように、また半径方向のほぼ中間部においては両溝２７ａ，２８ａが軸方向視で部分的に重なるように、さらに、内周側では、両溝２７ａ，２８ａの軸方向視でほぼ全部が重なるように形成されている。そして、各溝２７ａ，２８ａの外周側一部は、切り欠かれて切欠部２７ｂ，２８ｂとなっている。また、各フランジ２７，２８の外周面において、溝２７ａ，２８ａが形成されていない部分には、図４及び図４の斜視部分図である図５に示すように、軸方向の内側から外側に所定長さの複数の凹部２７ｃ，２８ｃが形成されている。なお、図５では、説明の便宜のために、一部のヨークを取り外して示している。
【００２０】
図６にボビン２５に装着されたヨーク２１を示し、図７及び図８にヨーク２１のみを取り出して示す。このヨーク２１は、図５及び図６に示すように、ボビン２５の第１フランジ２７の溝２７ａに嵌め込むようにして装着された複数組の第１積層ヨーク３０と、同様にボビン２５の第２フランジ２８の溝２８ａに嵌め込むようにして装着された複数組の第２積層ヨーク３１とを有している。
【００２１】
各積層ヨーク３０，３１は、図７及び図８に示すような複数の板状積層片３２を積層することにより構成されている。各積層片３２は、表面に酸化被膜が形成されている珪素鋼板（より詳しくは無方向性珪素鋼板）で形成されている。各積層片３２の基本的な形状は同じであり、コア外周部３２ａと、コア内周部３２ｂと、連結部３２ｃとを有している。コア外周部３２ａは、連結部３２ｃの一方の端部からハブ軸５の軸方向（図７におけるＯ−Ｏ方向）に沿って延びるように設けられ、先端側にいくにしたがって細くなるような形状である。また、コア内周部３２ｂは、連結部３２ｃの他方の端部から同様に軸方向に沿って延びて設けられている。そして、これらの積層片３２は、図８に示すように、軸方向視で、ヨーク外周部３２ａとヨーク内周部３２ｂとが異なる放射線上に位置するように形成されている。
【００２２】
また、各積層片３２の厚みは０．２５〜１mmのものが使用され、０．５mmのものがコスト的にも性能的にも利用価値が高い。各積層片３２は長さが異なっている。すなわち、各積層ヨーク３０，３１は、８枚の積層片３２を積層することによって構成されているが、各積層ヨーク３０，３１において、図８に示すように、最も外側の１対の積層片３２１，３２８は内周側の長さが最も短く、その内側の１対の積層片３２２，３２７はその次に短く、さらにその内側の１対の積層片３２３，３２６はその次に短く、最も内側の１対の積層片３２４，３２５は最も長く形成されている。このような長さに設定することによって、円周方向において隣接する積層ヨークの内周部が互いに接触しないように、かつ磁路の断面積が最も広くとれるような効率の良い構成とすることができる。
【００２３】
さらに、図５から明らかなように、各積層ヨーク３０，３１を構成する積層片３２のうち、円周方向の両外側に位置する積層片３２１，３２８は、コア外周部３２ａの長さが他の積層片と比較してほぼ１／２程度に短く形成されている。これは、円周方向において隣接する積層片３２１，３２８同士が近接するのを防止し、両者の間で磁束が漏れるのを抑えるためである。
【００２４】
さらにまた、図７から明らかなように、各積層片３２は、コア外周部３２ａと連結部３２ｃとを接続する部分の外側（図７におけるＰ部分）が、円弧形状ではなく、鋭角状に形成されている。したがって、この部分においても永久磁石９との距離が近くなり、従来の板金プレスによって形成されたヨークに比較して磁束量が増えることになる。
【００２５】
なお、以上のような各積層片３２は、第１積層ヨーク３０及び第２積層ヨーク３１に共通で用いることができる。
【００２６】
このような積層片３２は積層されて、ボビン２５の各フランジ２７，２８に形成された溝２７ａ，２８ａに嵌め込まれている。また、各積層片３２のヨーク外周部３２ａの先端部は、ボビン２５の対向する側のフランジ２７，２８に形成された凹部２７ｃ，２８ｃに嵌め込まれて保持されている。
【００２７】
このようなヨーク２１によって、図１に示すように、コイル２０の内周側に第１及び第２積層ヨーク３０，３１のヨーク内周部３２ｂが位置し、コイル２０と永久磁石９との間にヨーク外周部３２ａが位置することになる。また、図６及び図１から明らかなように、第１積層ヨーク３０と第２積層ヨーク３１のヨーク内周部３２ｂは、互いに直接的に接続されることになる。したがって、第１積層ヨーク３０と第２積層ヨーク３１とを接続するための他の磁性材料からなる部材が不要となり、抵抗を非常に小さく抑えることができる。
【００２８】
なお、図１に示すように、コイル２０及びヨーク２１を固定するためのナット２２ｂには、発電された電力を外部に取り出すための接続片３５がハブ軸５に沿って設けられている。この接続片３５は、一端がナット２２ｂの側面に接触し、他端が軸受７の内周を通過してケーシング８外部に引き出され、外部に設けられた取り出し端子３６に連結されている。
【００２９】
次に、ハブダイナモ１による発電について説明する。
自転車の走行にしたがって、ハブ軸５に対して前輪すなわちケーシング８が回転すると、ハブ軸５に固定されている内側固定ユニット１０に対して永久磁石９が回転する。これにより、コイル２０及びヨーク２１のヨーク外周部３２ａの外周側を永久磁石９が回転することになる。
【００３０】
ここで、第１積層ヨーク３０のヨーク外周部３２ａと、第２積層ヨーク３１の外周部３２ａとは、一方が永久磁石９からＮ極の磁束供給を受けるときには他方がＳ極の磁束供給を受け、一方が永久磁石９からＳ極の磁束供給を受けるときには他方がＮ極の磁束供給を受ける。すなわち、第１及び第２積層ヨーク３０，３１のヨーク外周部３２ａの外周側を永久磁石９が回転することにより、第１積層ヨーク３０がＮ極で第２積層ヨーク３１がＳ極である第１状態、及び第１積層ヨーク３０がＳ極で第２積層ヨーク３１がＮ極である第２状態が繰り返されて、両者３０，３１を磁気的に連結している両積層ヨーク３０，３１のヨーク内周部３２ｂに交番磁束が発生する。このコイル２０の内側に発生する交番磁束によって、コイル２０に電流が発生し、発電がされる。
【００３１】
この実施形態によるハブダイナモでは、ヨークを板状の積層片３２を積層して構成しているので、従来の板金プレス成形によって構成した場合に比較して、渦電流の発生を抑えることができる。
【００３２】
また、本実施形態のように、クローポール構造では、ヨーク部分を単純に積層構造に置き換えただけでは、従来技術で示した先行公報に示されたように、対向するヨーク同士を接続するために他の磁性材料を必要とし、そのために磁気抵抗が増加して効率が低下する。しかし、本実施形態では、ヨークの形状を工夫し、対向する第１及び第２積層ヨークの内周側部分を互いに直接的に接続可能としたので、第１及び第２積層ヨークを接続するための他の部材が不要となり、しかも磁束が通過するのに必要充分な断面積を確保することができる。したがって、磁気抵抗を非常に小さくでき、効率を向上することができる。
【００３３】
【実施例】
図９及び図１０に、従来及び本発明の実施例によるハブダイナモの出力電力特性と無負荷回転トルク特性とを示す。従来のハブダイナモとしては、ヨークとして、特開2000-069731号公報に示されるような構成のプレス成型品のヨークを用い、かつ材料は電磁軟鉄とした。また、実施例は前記実施形態と同様の構成で、珪素鋼板の積層型のヨークを用いた。なお、永久磁石としては、フェライト磁石を用いた。
【００３４】
図９及び図１０において、◆が実施例であり、■が従来品である。これらの実験結果から明らかなように、出力電力特性及び無負荷回転トルク特性において、自転車の車速が高速になるほどその効果が大きくなっていることがわかる。
【００３５】
［他の実施形態］
前記実施形態では、コア外周部３２ａ、コア内周部３２ｂ及び連結部３２ｃが一体で形成された積層片３２を用いたが、積層片３２の形状等は前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、コア外周部、コア内周部及び連結部がそれぞれ分割して形成されたものでも良い。このような分割積層片を採用することによって、珪素鋼板から積層片を製作する際の歩留まりの向上を図ることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明では、クローポール形発電機におけるヨークを、複数の板状積層片から構成しているので、渦電流の発生を抑えることができる。しかも、互いに対向する第１積層ヨークと第２積層ヨークとを、ヨーク内周部が軸方向に対向して配置できるようにしたので、第１積層ヨークと第２積層ヨークとを直接接続でき、磁気抵抗を大幅に低減でき、出力と効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態であるハブダイナモの片側縦断面図。
【図２】  前記ハブダイナモの側面図。
【図３】  ボビンの断面側面図及び正面図。
【図４】  図３の拡大部分図。
【図５】  ボビン及びヨークの斜視部分図。
【図６】  ボビン及びヨークの正面図。
【図７】  積層片の側面図。
【図８】  積層片の正面図。
【図９】  従来及び本発明の実施例によるハブダイナモの出力電力特性を示す図。
【図１０】  従来及び本発明の実施例によるハブダイナモの無負荷回転トルク特性を示す図。
【符号の説明】
１      ハブダイナモ（クローポール形発電機）
２ａ，２ｂ    フロントフォーク
５      ハブ軸
８      ケーシング
１１    ケース本体
１２，１３    ハブフランジ
２０    コイル
２１    ヨーク
２５    ボビン
２７，２８    フランジ
２７ａ，２８ａ  溝
２７ｃ，２８ｃ  凹部
３０，３１    第１及び第２積層ヨーク
３２    積層片
３２ａ  ヨーク外周部
３２ｂ  ヨーク内周部
【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】
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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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【図１０】
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