(57)【要約】【課題】コギングトルクを抑制し、振動、騒音の少ない永久磁石型ブラシレスモータ及びそれを用いたハンドル操作フィーリングの良い電動パワーステアリング装置を提供する。【解決手段】回転軸回りに設けられた複数の磁極を形成する複数の永久磁石又は多極着磁された円環状の永久磁石を有する回転子と、前記回転子に対向して設けられ中心軸方向に複数のティースが突設され、前記回転子側に近い前記ティース先端部が隣り合うティース間を連結する連結部を有する閉スロットとして形成された固定子鉄心とを備えた永久磁石型ブラシレスモータであり、本発明の上記目的は、前記回転子に周対向する前記ティースの先端部と連結部とによって形成される前記固定子鉄心の内周面形状が円以外の形状で、前記ティースの各中心線に対して左右対称な形状とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸回りに設けられた複数の磁極を形成する複数の永久磁石又は多極着磁された円環状の永久磁石を有する回転子と、前記回転子に対向して設けられ中心軸方向に複数のティースが突設され、前記回転子側に近い前記ティース先端部が隣り合うティース間を連結する連結部を有する閉スロットとして形成された固定子鉄心とを備えた永久磁石型ブラシレスモータであり、前記回転子に周対向する前記ティースの先端部と連結部とによって形成される前記固定子鉄心の内周面形状が円以外の形状で、前記ティースの各中心線に対して左右対称な形状であることを特徴とする永久磁石型ブラシレスモータ。
【請求項２】
前記左右対称な形状が、前記中心線に対して直交する直線形状を含み、かつ前記連結部の内周面の形状が、隣り合う各ティースの直線形状部を延長させた直線同士を連結することによって成すＳ（Ｓは前記ティースの数）の辺を有する多角形状である請求項１に記載の永久磁石型ブラシレスモータ。
【請求項３】
前記左右対称な形状が、前記中心線に対して直交する直線形状を含み、かつ前記内周面形状がＳ（Ｓは前記ティースの数）×ｍ（整数）の辺を有する多角形である請求項１に記載の永久磁石型ブラシレスモータ。
【請求項４】
前記左右対称な形状が、前記中心線に対して直交する直線形状を含み、かつ前記連結部の内周面の形状が曲線形状である請求項１に記載の永久磁石型ブラシレスモータ。
【請求項５】
前記連結部が、周方向において非等間隔である請求項１乃至４のいずれかに記載の永久磁石型ブラシレスモータ。
【請求項６】
回転軸回りに設けられた複数の磁極を形成する複数の永久磁石又は多極着磁された円環状の永久磁石を有する回転子と、前記回転子に対向して設けられ中心軸方向に複数のティースが突設され、前記回転子側に近い前記ティース先端部が隣り合うティース間を連結する連結部を有する閉スロットとして形成された固定子鉄心と、分布巻された巻線を有する前記固定子とを備えた永久磁石型ブラシレスモータであって、前記回転子の極数ＰがＰ＝２ｎ（ｎは整数）であり、前記回転子のスロット数ＳがＳ＝６ｎであることを特徴とする永久磁石型ブラシレスモータ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の永久磁石型ブラシレスモータを用いた電動パワーステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は永久磁石型ブラシレスモータに関し、特に低コギングで振動、騒音の少ない永久磁石型ブラシレスモータに関するものである。また、永久磁石型ブラシレスモータを用いた電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や車両のステアリング装置をモータの回転力で付勢する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に補助力を付勢するようになっている。かかる電動パワーステアリング装置に用いられるモータは、操舵ホイールの側の車室内に設置されることもあるため、当該モータが操舵補助力を付勢するために回転する際、振動や騒音を発生すると、ドライバに不快な感覚や振動を与えてしまう。また、高速道路などでの高速走行時、操舵補助力を必要としない場合でも、当該モータの有するコギングトルクが、減速機の減速比率倍だけ増幅されて操舵ホイールに伝達され、不快な脈動がドライバに伝達される。また、コギングトルクの大きいモータは、回転時の振動や騒音も大きい。
【０００３】
このような観点から、当該モータには振動や騒音を発生することなく、かつコギングトルクの少ないモータであることが要求される。また、従来は、当該モータには、ブラシ付きモータも使用されていたが、近年の小型大出力化や低摩擦力の要望から、ブラシに起因する問題の無い永久磁石型ブラシレスモータが望まれるようになってきている。
【０００４】
上述より実開平５−４７３８号公報（特許文献１）や特開２００２−１４２３９１号公報（特許文献２）では、固定子を閉スロット構造とし、回転子、各ティース先端部間の空隙を流れる磁束の分布を滑らかにすることで、回転方向の磁気吸引力の変化を滑らかにし、コギングトルクの低減を図っている。特に特許文献２では、隣り合うティース間を連結する連結部を周方向に非等間隔にすることにより、各ティースに発生している回転方向の磁気吸引力が同期して振幅が増加することを防ぐことにより、更なるコギングトルクの低減を図っている。
【０００５】
いずれの例においても、固定子内周面は単一径の円環状形状であり、このような閉スロット構造を使用していると、コギングトルクを低減するためには連結部の厚みを厚くする方法しかない。しかし、連結部の厚みを増すと、連結部を通過する磁束が増加して、その結果鎖交磁束量が低下してしまい、トルクの小さいモータとなってしまう問題がある。
【０００６】
また、別の方法によりコギングトルクを低減することを試みている例として、例えば特開２００３−２５０２５４号公報（特許文献３）がある。コギングトルクは、原理的にはモータの極数Ｐとスロット数Ｓの最小公倍数で発生するので、特許文献３では、コギングトルク脈動数が多いほどその振幅は小さくなることを利用している。特許文献３の例では、１０極１２スロットの例で、そのモータの構成を図１０（Ａ）に示す。１０極１２スロットのモータの場合、極数とスロット数の最小公倍数が“６０”となるため、コギングトルク脈動数は１回転当たり６０回となる。しかし、このような極数とスロット数の比率が１対３或いは２対３の比率でないモータは、機械的誤差及び磁気的誤差に非常に敏感であり、実際に製作してみると、極数或いはスロット数を基とするコギングトルク脈動数が発生してしまい、コギングトルク脈動数は極数とスロット数の最小公倍数にはならないことが多い。従って、１０極１２スロットのモータでは１０又は１２のコギングトルク脈動が発生し、期待したほどコギングトルクは低減されない。
【０００７】
更に、このような極数とスロット数の組み合わせの場合、その最大公約数は“２”であるので、回転子と固定子は機械角で１８０°の周期性を有し、固定子における磁束量の多い部位は対角線上の２ヶ所に分布する。そのため、固定子外周部は、ティースを介して対角線上の２ヶ所のみが強く回転子に吸引され、その結果楕円状に変形する。円環状の構造物は、このような対角線上の２点に力を加えられた際に最も大きく変形するので、振動、騒音の大きなモータになってしまう問題があった。
【特許文献１】実開平５−４７３８号公報
【特許文献２】特開２００２−１４２３９１号公報
【特許文献３】特開２００３−２５０２５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように閉スロット構造の永久磁石型ブラシレスモータを用いても、或いは極数とスロット数の関係に着目した永久磁石型ブラシレスモータを用いても、いずれの場合もコギングトルクを確実に低減できないという問題がある。従って、かかる永久磁石型ブラシレスモータを電動パワーステアリング装置に用いた場合には、ドライバに騒音や振動を伝え、不安感や不快感を与えてしまう。
【０００９】
本発明は上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、大出力でありながらも低コギングで騒音及び振動の少ない永久磁石型ブラシレスモータ、特に電動パワーステアリング装置に適した永久磁石型ブラシレスモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、回転軸回りに設けられた複数の磁極を形成する複数の永久磁石又は多極着磁された円環状の永久磁石を有する回転子と、前記回転子に対向して設けられ中心軸方向に複数のティースが突設され、前記回転子側に近い前記ティース先端部が隣り合うティース間を連結する連結部を有する閉スロットとして形成された固定子鉄心とを備えた永久磁石型ブラシレスモータであり、本発明の上記目的は、前記回転子に周対向する前記ティースの先端部と連結部とによって形成される前記固定子鉄心の内周面形状が円以外の形状で、前記ティースの各中心線に対して左右対称な形状とすることによって達成される。
【００１１】
また、本発明の上記目的は、前記左右対称な形状が、前記中心線に対して直交する直線形状を含み、かつ前記連結部の内周面の形状が、隣り合う各ティースの直線形状部を延長させた直線同士を連結することによって成すＳ（Ｓは前記ティースの数）の辺を有する多角形状であることにより、或いは前記左右対称な形状が、前記中心線に対して直交する直線形状を含み、かつ前記内周面形状がＳ（Ｓは前記ティースの数）×ｍ（整数）の辺を有する多角形であることにより、或いは前記左右対称な形状が、前記中心線に対して直交する直線形状を含み、かつ前記連結部の内周面の形状が曲線形状であることにより、或いは前記連結部が周方向において非等間隔であることにより、より効果的に達成される。
【００１２】
更に、本発明は、回転軸回りに設けられた複数の磁極を形成する複数の永久磁石又は多極着磁された円環状の永久磁石を有する回転子と、前記回転子に対向して設けられ中心軸方向に複数のティースが突設され、前記回転子側に近い前記ティース先端部が隣り合うティース間を連結する連結部を有する閉スロットとして形成された固定子鉄心と、分布巻された巻線を有する前記固定子とを備えた永久磁石型ブラシレスモータであり、本発明の上記目的は、前記回転子の極数ＰをＰ＝２ｎ（ｎは整数）とし、前記回転子のスロット数ＳをＳ＝６ｎとすることにより達成される。
【００１３】
本発明の電動パワーステアリング装置は上記永久磁石型ブラシレスモータを用いており、本発明の上記目的を達成できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、回転子に周対向（周方向に対向）するティースの先端部と連結部とによって形成される固定子鉄心の内周面形状が円以外の形状で、ティースの各中心線に対して左右対称な形状とすることによって、回転子と固定子側の各ティース間に発生する回転方向の磁気吸引力の急峻な変化を防止することができるので、コギングトルクを低減した永久磁石型ブラシレスモータを提供できる。
【００１５】
また、回転子の極数ＰがＰ＝２ｎ（ｎは整数）であり、回転子のスロット数ＳがＳ＝６ｎであることによって、固定子外周部がティースを介して回転子に強く吸引される個所は、極数と等しい個所にまで分散されるので、法線方向成分の電磁力による固定子外周の変形が小さく、振動や騒音を低減した永久磁石型ブラシレスモータを提供できる。
【００１６】
更に、コギングトルクと振動、騒音を低減した永久磁石型ブラシレスモータを電動パワーステアリング装置に用いることによって、ハンドル操作フィーリングが良く、アシスト力が大きいながらも動作が静粛な電動パワーステアリング装置を提供でき、電動パワーステアリング装置の高性能化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
先ずティースの先端部の内周面形状が平坦であることにより、コギングトルクを低減できる本発明の第１実施例について説明する。
【００１８】
本発明の第１実施例について、図１及び図２を参照して説明する。図１はモータの固定子１０及び回転子２０の断面構造例を示しており、図２は固定子１０をより詳細に示すものである。
【００１９】
図１及び図２に示すように、固定子１０の内側に回転子２０が同軸に設置され、回転子２０は回転軸２１と、回転軸２１の表面に等間隔に配設された８個の永久磁石２２−１（Ｓ極）、２２−２（Ｎ極）、…、２２−８（Ｎ極）とによって構成されている。固定子１０の固定子鉄心１１のヨーク部１２は円環状をなし、ヨーク部１２の内側に複数（本例では１２）のティース１−１、１−２、…、１−１２が放射状に設けられ、各ティース１−１〜１−１２の間には複数（本例では１２個）のスロット３−１、３−２、…、３−１２が形成されている。そして、各ティース１−１、１−２、…、１−１２はそれぞれ連結部５−１、５−２、…、５−１２によって連結され、閉スロット構造になっている。なお、各スロット３（３１−〜３−１２）には、巻線４が巻回されている。
【００２０】
本実施例は、ティース１−１〜１−１２の各先端部（内周側）が分割されたタイプの固定子１０であるが、ティース根元部（外周側）が分割されたタイプの固定子については後述する。
【００２１】
図３、図４及び図５はそれぞれ図２の部分Ａを拡大した部分拡大図であり、これらの図を参照して本発明の各特徴について説明する。
【００２２】
図３の例は、回転子２０に周対向するティース１−１、１−２、１−３の各先端部の内周面の形状をそれぞれ平坦とし、固定子１０の内周面を全体として多角形に形成したものである。図示しないが、ティース１−４、…、１−１２の先端部の内周面の形状も平坦になっている。そして、図２の実施例においては、ティース１−２とティース１−３の連結部Ｃの形状は、隣り合う各ティース１−２と１−３の平坦部Ｂを延長させた直線同士を連結することによって成す形状の実施例である。図示しないが、ティース１−３と１−４の連結部Ｃの形状、ティース１−４と１−５の連結部Ｃの形状、…、ティース１−１１と１−１２の連結部Ｃの形状も同様に、隣り合う各ティースの平坦部Ｂを延長させた直線同士を連結することによって成す形状である。なお、平坦部Ｂは各ティース１−１〜１−１２の中心線に対して対称となっている。従って、固定子１０の内周面は全体として正多角形となる。
【００２３】
図４の例は、ティース１−２とティース１−３の連結部Ｃの形状を、平坦部Ｂの交差部分を更に直線化（平坦化）した比較的に短い平坦部Ｄで変形したものである。図示しないが、ティース１−３と１−４の連結部Ｃの形状、ティース１−４と１−５の連結部Ｃの形状、・・・、ティース１−１１と１−１２の連結部Ｃの形状も同様にそれぞれ平坦部Ｄで形成されている。平坦部Ｄは連結部Ｃの中心線に対して対称となっている。従って、固定子１０の内周面は、平坦部Ｂで形成される正多角形（例えば正１２角形）よりも角数の多い多角形（例えば２４角形）となる。
【００２４】
また、図５の例は、ティース１−２とティース１−３の連結部Ｃの形状を、平坦部Ｂの交差部分を短い部分で曲線化した曲線部Ｅで変形したものである。図示しないが、ティース１−３と１−４の連結部Ｃの形状、ティース１−４と１−５の連結部Ｃの形状、・・・、ティース１−１１と１−１２の連結部Ｃの形状も同様に曲線Ｅである。曲線部Ｅは連結部Ｃの中心線に対して対称となっている。従って、固定子１０の内周面は、平坦部Ｂで形成される正多角形（例えば正１２角形）よりも角数の多い多角形（例えば２４角形）となるが、各平坦部Ｂが曲線部Ｅで連結されているため、円形に近い形状となる。
【００２５】
上述したいずれの形状も、回転子２０と各ティース１−１〜１−１２の先端部との間の空隙を流れる磁束の分布、特に回転子２０の極間（永久磁石同士の境目）が各ティース１−１〜１−１２にかかる際の急峻な磁束量の変化を緩和して滑らかにする作用がある。よって、回転子２０及び各ティース１−１〜１−１２に発生する回転方向の磁気吸引力が急峻に変化することを防止できるので、コギングトルクを低減できる。どの形状が最適かは、永久磁石２２−１〜２２−８の形状や固定子１０の磁路形状などによって異なるので、適宜選択すれば良い。
【００２６】
図６は、開スロットで構成された固定子を有する従来のモータと、閉スロットで構成された固定子で、かつティースの先端部の内周面の形状が円である従来のモータと、閉スロットで構成された固定子で、かつティースの先端部の内周面の形状が平坦（多角形）である本発明のモータと（８極１２スロットの例）によって発生する各コギングトルクを比較して示すものである。縦軸がコギングトルクを示し、小さいほど好ましい。横軸はモータ角度を示し、図６では０度から１３５度までを示している。
【００２７】
従来の開スロットのモータで発生するコギングトルクは最も大きく、一番好ましくない。そして、本発明の閉スロットで構成された固定子で、かつティースの先端部の内周面の形状が平坦であるモータで発生するコギングトルクが最も小さく、一番好ましいことが図６から判明する。即ち、図３の例が一番好ましく、次に閉スロットかつ内周面が円の従来のモータが好ましく、従来の開スロットのものはかなりコギングトルクが大きい。
【００２８】
図７は本発明の変形例を示しており、ティース根元部が分割されたタイプの固定子１０Ａで、ティース１−１〜１−１２の各先端部の形状が平坦となって、内周面全体で正多角形を形成している例である。このようにティース根元部が分割されたタイプの固定子１０Ａであっても、ティース１−１〜１−１２の各先端部の形状が平坦であることによってコギングトルクの発生を抑制することができる。さらに、図５のＦ部及びＦ’部のように、前記連結部Ｃが周方向において等間隔でありながらも、その背面形状を非等間隔に構成すれば、コギングトルクの強い部分同士が重なり合うことが少なくなる。言い換えれば、コギングトルクが共振するように発生することがないので、コギングトルクを一層抑制することができる。
【００２９】
次に、モータの極数とスロット数の関係に基づいて、コギングトルクを低減する本発明の第２実施例を説明する。
【００３０】
図８は、回転子２０Ｂの極数ＰがＰ＝２ｎ（ｎは整数）であり、回転子２０Ｂのスロット数ＳがＳ＝６ｎである関係を満足する例として、６極１８スロットのモータを示している。その構成は、回転子２０Ｂは、回転軸２１Ｂと、その表面に配設された６個の永久磁石、即ち永久磁石２２−１Ｂ（Ｓ極）、永久磁石２２−２Ｂ（Ｎ極）、永久磁石２２−３Ｂ（Ｓ極）、…、永久磁石２２−６Ｂ（Ｎ極）とで構成されている。
【００３１】
一方、固定子１０Ｂは、固定子鉄心１１Ｂ、１８個のティース１−１Ｂ〜１−１８Ｂ、１８個のスロット３−１Ｂ〜３−１８Ｂで構成されている。そして、その構成の関係は、固定子鉄心１１Ｂのヨーク部１２Ｂは円環状をなし、ヨーク部１２Ｂの内側に複数のティース１−１Ｂ〜１−１８Ｂが設けられている。１８個のティース１−１Ｂ、…、１−１８Ｂが放射状に設置されると共に、各ティースの間には１８個のスロット３−１Ｂ，３−２Ｂ、…、３−１８Ｂが形成されている。そして、各ティース１−１Ｂ，１−２Ｂ、…、１−１８Ｂは閉スロット構造になっている。なお、各スロット３−１Ｂ〜３−１８Ｂには、図示されていないが、巻線が分布巻で巻回されている。
【００３２】
このように６極１８スロット構成にすると振動や騒音を抑制できるが、その理由について図９及び図１０を参照して以下に説明する。
【００３３】
図９は、本発明に係る６極１８スロット構成のモータに電流を通電させた場合の特性例を示しており、図９（Ａ）は磁束分布を示すと共に、測定点、法線方向及び周方向の関係を示しており、図９（Ｂ）は回転角度（機械角）に対する測定点に作用する電磁力の関係を、法線方向成分及び周方向成分について示しており、図９（Ｃ）は回転角度（機械角）に対する測定点の変位量を法線方向成分及び周方向成分について示している。
【００３４】
一方、図１０は、１０極１２スロットで構成された従来のモータに電流を通電させた場合の特性例を示しており、図１０（Ａ）は磁束分布を示すと共に、測定点、法線方向及び周方向の関係を示しており、図１０（Ａ）は回転角度（機械角）に対する電磁力の関係を法線方向及び周方向について示しており、図１０（Ｃ）は回転角度に対する変位量を法線方向成分及び周方向成分について示している。
【００３５】
図９（Ａ）に示す本発明のモータでは、極数とスロット数の最大公約数は“６”であり、固定子１０Ｂと回転子２０Ｂは機械角で６０度間隔で繰返す磁気的な相似を有している。つまり、固定子１０Ｂの外周部には図９（Ａ）の如く磁束量の多い部位が６ヵ所分布する。この磁束量の多い部位は、回転子２０Ｂと固定子１０Ｂの間の法線方向成分の電磁力が強い所である。後述する従来の１０極１２スロット構成のモータに比べて磁束量の多い部位が多いため、固定子１０Ｂの外周部は６角形に変形するものの、その法線方向成分の電磁力を支えているスパンが外周長の１／６と短い。よって、図９（Ｃ）に示す法線方向成分の変位は０．２μｍ程度と比較的小さい。
【００３６】
一方、図１０（Ａ）に示す従来の１０極１２スロットのモータでは、極数とスロット数の最大公約数は“２”であり、固定子と回転子は機械角で１８０度間隔で繰返す磁気的な相似を有している。つまり、固定子の外周部には、図１０（Ａ）の如く磁束量の多い所が対角線上の２ヶ所にしか分布しない。よって、図９と同等の法線方向成分の電磁力でありながらも、固定子は楕円形に大きく変位を生じて、図１０（Ｃ）に示すように変位量は約３μｍであり、本発明のモータと比較して非常に大きく変形する。なお、図９と図１０では、同じレベルのトルクを出力している状態での比較である。
【００３７】
以上説明したように、固定子の極数Ｐとスロット数Ｓとの関係をＰ＝２ｎ（ｎは整数）、Ｓ＝６ｎとすることにより固定子外周がティースを介して回転子に強く吸引される個所は極数と等しい個所にまで分散されるので、法線方向成分の電磁力を支える固定子外周長のスパンが短くなる。その結果、固定子外周の変形が小さく、モータ回転時の振動、騒音を従来より抑制できる。
【００３８】
なお、第１実施例の永久磁石型ブラシレスモータでも、第２実施例の永久磁石型ブラシレスモータでも、閉スロット構造にすることにより巻線が固定子からはみ出して、回転子がロックされることを防止できる。また、上述の実施例では、回転子を、複数の磁極を形成する複数の永久磁石で構成しているが、多極着磁された円環状の永久磁石を用いて構成することもできる。
【００３９】
さらに、本発明の永久磁石型ブラシレスモータを電動パワーステアリング装置に用いれば、コギングトルクが抑制され、かつモータからの振動、騒音が少なくなるので、ハンドル操作のフィーリングが良く、かつアシスト力が大きいながらも静粛動作を期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係るモータの固定子と回転子の構造例を示す断面構造図である。
【図２】本発明に係るモータの固定子（ティース先端部が分割されたタイプ）の構造例を示す断面構造図である。
【図３】連結部の部分拡大図である。
【図４】直線の連結部の部分拡大図である。
【図５】曲線の連結部の部分拡大図である。
【図６】従来のモータと本発明に係るモータのコギングトルクを比較して示す特性図である。
【図７】本発明に係るモータの固定子（ティース根元部が分割タイプ）の構造例を示す構造図である。
【図８】本発明の別の実施例を示す構造図である。
【図９】本発明に係るモータの特性例を示す図である。
【図１０】従来のモータの特性例を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０、１０Ａ、１０Ｂ      固定子
１１、１１Ａ、１１Ｂ      固定子鉄心
１２、１２Ｂ              ヨーク部
２０、２０Ｂ              回転子
２１、２１Ｂ              回転軸
２２−１〜２２−８        永久磁石
２２−１Ｂ〜２２−８Ｂ    永久磁石
１−１〜１−１２          ティース
３−１〜３−１２          スロット
１−１Ｂ〜１−１２Ｂ      ティース
３−１Ｂ〜３−１２Ｂ      スロット
４                        巻線
５−１〜５−１２          連結部
【図１】
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【図２】
2006320168.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2006320168.tif 000007
【図６】
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【図７】
2006320168.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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