(57)【要約】【課題】  コギング力を抑えた電動発電機を提供する。【解決手段】  中心部に回転軸を有する円板状非磁性体物７，８の外周近辺の内側周方向に、少なくとも１個以上の開口部を有するリング状磁石３２を該開口部を有するリング状磁石３２の中心を合わせ同極を隣接して配置した回転子１と、前記開口部を有するリング状磁石３２の中心に貫き合うように配置された環状コア２１と該環状コア２１の外周に巻回された少なくとも１個以上のコイル２０を持つ固定子４からなる電動発電機。【選択図】  図１ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心部に回転軸を有する円板状非磁性体物７，８の外周近辺の内側周方向に、少なくとも１個以上の開口部を有するリング状の磁気を帯びた部材３２（以後開口部を有するリング状磁石という）を該開口部を有するリング状磁石３２の中心を合わせ同極を隣接して配置した回転子１と、前記開口部を有するリング状磁石３２の中心に貫き合うように配置された環状コア２１と該環状コア２１の外周に巻回された少なくとも１個以上のコイル２０を持つ固定子４からなる電動発電機。
【請求項２】
中心部に回転軸を有する円板状非磁性体物１０７の外周に沿って配置された環状コア２１と該環状コア２１の外周に巻回された少なくとも１個以上のコイル２０を持つ回転子１０１と、前記環状コア２１の中心に貫き合うように同極を隣接して配置された少なくとも１個以上の開口部を有するリング状磁石３２を持つ固定子１０４からなる電動発電機。
【請求項３】
前記開口部を有するリング状磁石３２が、異極を隣接して配置された請求項１または２記載のいずれか一つの電動発電機。
【請求項４】
前記開口部を有するリング状磁石３２の両側を、表面に該開口部の有するリング状磁石３２の中心線上で外側に中心を配置した球曲面形状か回転楕円体形状の凹形状を施した強磁性体３３で挟んだ請求項１から３記載のいずれか一つの電動発電機。
【請求項５】
前記開口部を有するリング状磁石３２が、所定半径の環状チューブで中心に対して所定の角度で切断して製作された請求項１から４記載のいずれか一つの電動発電機。
【請求項６】
前記開口部を有するリング状磁石３２が，複数個で構成された請求項１から５記載のいずれか一つの電動発電機。
【請求項７】
前記開口部を有するリング状磁石３２が電磁石である請求項１から６記載のいずれか一つの電動発電機。
【請求項８】
前記構成が回転子１の回転軸に対して軸方向に複数連なる請求項１から７記載のいずれか一つの電動発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電動発電機に係り、特に電磁誘導による電動発電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電動機の例として、図２に示すように固定子の内側に回転子が回転できるようになっている。固定子は、積層された電磁鋼板などの鉄芯と鉄芯に巻かれたコイルを備えており、回転子は永久磁石などを備えている。このような永久磁石型電動機は、固定子のコイルが作る磁界と回転子の永久磁石が作る磁界との相互の作用で回転する。
【０００３】
このような永久磁石型電動機は、回転子の永久磁石と固定子の鉄芯との間で、吸引によるコギング力が発生しエネルギー損失を生じ、振動騒音などの原因となることがある。（特許文献１を参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許公開２００４−１７３４１５号公報
【特許文献２】特願２０１２−１４０１８６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
永久磁石型電動機は、出力を高めるために強力な磁石を用いられることが多く、永久磁石の磁力と固定子の鉄芯との相互作用によって、無負荷時や負荷時に関係なく脈動トルクが発生する。この脈動トルクいわゆるコギング力が、エネルギーを損失させ振動騒音などの原因となることがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために発明した請求項１に記載する電動発電機は、中心部に回転軸を有する円板状非磁性体物７，８の外周近辺の内側周方向に、少なくとも１個以上の開口部を有するリング状磁石３２を該開口部を有するリング状磁石３２の中心を合わせ同極を隣接して配置した回転子１と、前記開口部を有するリング状磁石３２の中心に貫き合うように配置された環状コア２１とその環状コア２１の外周に巻回された少なくとも１個以上のコイル２０を持つ固定子４からなる電動発電機である。
【０００７】
また、請求項２に記載する電動発電機は、中心部に回転軸を有する円板状非磁性体物１０７の外周に沿って配置された環状コア２１とその環状コア２１の外周に巻回された少なくとも１個以上のコイル２０を持つ回転子１０１と、前記環状コア２１の中心に貫き合うように同極を隣接して配置された少なくとも１個以上の開口部を有するリング状磁石３２を持つ固定子１０４からなる電動発電機である。
【０００８】
請求項３に記載する電動発電機は、前記開口部を有するリング状磁石３２が、異極を隣接して配置された請求項１または２記載のいずれか一つの電動発電機である。
【０００９】
請求項４に記載する電動発電機は、前記開口部を有するリング状磁石３２の両側を、表面に該開口部の有するリング状磁石３２の中心線上で外側に中心を配置した球曲面形状か回転楕円体形状の凹形状を施した強磁性体３３で挟んだ請求項１から３記載のいずれか一つの電動発電機である。
【００１０】
請求項５に記載する電動発電機は、前記開口部を有するリング状磁石３２が、所定半径の環状チューブで中心に対して所定の角度で切断して製作された請求項１から４記載のいずれか一つの電動発電機である。
【００１１】
請求項６に記載する電動発電機は、前記開口部を有するリング状磁石３２が，複数個で構成された請求項１から５記載のいずれか一つの電動発電機である。
【００１２】
請求項７に記載する電動発電機は、前記開口部を有するリング状磁石３２が電磁石である請求項１から６記載のいずれか一つの電動発電機である。
【００１３】
請求項８に記載する電動発電機は、前記構成が回転子１の回転軸に対して軸方向に複数連なる請求項１から７記載のいずれか一つの電動発電機である。
【発明の効果】
【００１４】
磁石の磁化方向とコイルの軸方向を合わせ、開口部を有するリング状磁石の中心線とコイルおよび環状のコアの中心線を同一にし、磁石とコアの距離を一定にすることによりコギング力を極力抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１ａ】本発明の代表的な例の斜視図を示す。
【図１ｂ】図１ａ内のＡ―Ａの断面図を示す。
【図２】従来の永久磁石型電動機と断面の模式図を示す。
【図３】本発明のイメージを示す。
【図４】本発明の基本構成を示す。
【図５】磁石ホルダーの作成例を示す。
【図６】実施例１のコイル保持板の斜視図を示す。
【図７】実施例１のコイル接続例を示す。
【図８】実施例２の断面図を示す。
【図９ａ】実施例４の強磁性体を取り付けた例を示す。
【図９ｂ】図９ａ内のＡ―Ａの断面図を示す。
【図１０】実施例５の開口部を有するリング状磁石の断面図を示す。
【図１１】実施例６の断面図を示す。
【図１２ａ】実施例７の電磁石の斜視図を示す。
【図１２ｂ】実施例７の電磁石の構成図を示す。
【図１２ｃ】実施例７の断面図を示す。
【図１３】実施例８の例を示す。
【図１４】実施例１の発電機の例の断面図を示す。
【図１５】実施例２の発電機の例の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を図の具体例を用いて説明する。
【実施例１】
【００１７】
まず、本例の電動機の構成例について、図１ａは全体の斜視図で一部破断にしたものである。この図内ＡＡ断面を縦に示したものが図１ｂである。図１ｂを参照しながら説明すると、１は回転子、２，３は夫々軸受けを有する一対の側板、５，６はコイル保持板２２を支持し側板２，３を繋ぐ枠板、７，８は円板状非磁性体物、９は開口部を有するリング状磁石３２を含む磁石ホルダー３１を固定する蓋、１１，１２は端子である。
【００１８】
回転子１は、回転軸周りに回転可能に構成されたものであり、円板状非磁性体物７と円板状非磁性体物８と開口部を有するリング状磁石３２を含む磁石ホルダー３１と蓋９からなる。円板状非磁性体物７と円板状非磁性体物８には、開口部を有するリング状磁石３２を含む磁石ホルダー３１が外周近辺の内側周方向に同極を隣接して配置される溝が設けられている。配置のピッチは、出力によって決定される。また、円板状非磁性体物７と円板状非磁性体物８には、環状コア２１とコイル２０を取り付けたコイル保持板２２が通過可能な環状の空間部１０が設けられ、干渉しないクリアランスが設定されている。円板状非磁性体物７と円板状非磁性体物８の材料は、非磁性の材料（例えば樹脂やアルミニウム）であるものが適している。
【００１９】
また、図示してはないが、回転子１は、回転軸から放射状に伸びるアームからなるものでも良い。アームの先端に位置決めを兼ねた取り付けベースを備え、開口部を有するリング状磁石３２を含む磁石ホルダー３１を取り付ける。前記の円板状非磁性体物７，８に比べ軽量化が図れるとともに、組立が容易になる。
【００２０】
アンペールの右ねじの法則によると、直線状の導線に電流を流すと導線に垂直な平面内で導線を中心とする同心円状の磁界ができる。そして、ソレノイドコイルに電流を流すとコイルの中に棒磁石に似た磁界ができる。そこで、コギング力の発生を防ぐ為に、コイルの磁界に沿って磁石を動作させる。コギング力の原因となる磁石とコアの端面との接近離脱がないため、コギング力を極力抑えられる。
【００２１】
コイルの軸方向に磁石を動作させる方法としては、図３のようにコイル２０の外周をリング状磁石３０が矢印で示すような方向で通過させ、コイル２０のコイル軸方向とリング状磁石３０の磁化方向を合わせ、夫々の中心線を同一にする。
【００２２】
図４のようにコイル２０はコイル保持部を付属し、リング状磁石３０はその通過する間隙分をスリット加工し開口部を設け、これを開口部を有するリング状磁石３２とする。また、開口部を有するリング状磁石３２の磁力線を効果的に利用するため、コイル２０の中心に環状コア２１を備える。環状コア２１と開口部を有するリング状磁石３２の中心を合わせることにより、環状コア２１と開口部を有するリング状磁石３２の距離が一定になり、互いに引き合う力が極力抑えられる。環状コア２１は開口部を有するリング状磁石３２の中心を貫くような状態になる。
【００２３】
また、コイル２０の中心に環状コア２１を備えている為、開口部を有するリング状磁石３２の磁力線が環状コア２１に引き込まれる。よって、開口部を有するリング状磁石３２の厚みの寸法については、特に制限はない。
【００２４】
開口部を有するリング状磁石３２は、外形が円形のために取り付け時に位置が決まりにくく、また、開口部を有するリング状磁石３２は成形焼結品なので壊れやすい。そこで、図５を参照して説明すると、リング状磁石３０の厚みが収まる掘り込み加工した磁石ホルダー３１にリング状磁石３０挿入固定後、コイル保持板２２が通過する間隙をスリット加工する。磁石ホルダー３１の厚みは、リング状磁石を十分保持できるものである。磁石ホルダー３１の材質は、非磁性体が適している。また、開口部を有するリング状磁石３２の外形および内形が、四角形あるいは多角形でも問題はない。部品数の削減が図れる。
【００２５】
前記磁石ホルダー３１の代わりに、開口部を有するリング状磁石３２と同じ形状の磁性体のプレートを貼り合わせても良い。これに取り付け用のアームを備えると組立が容易になる。また、磁石を成形するときに、これを一体成形したものでも良い。
【００２６】
コイル２０の取付け方法を図６を参照して説明すると、コイル保持板２２の内周方向にコイル２０を外周に巻いた環状コア２１を合わせるように装着する。この例では、コイル保持板２２の内周にコイル２０の嵌合溝を設け、環状コア２１の外側と接するように取り付けられている。コイル２０の取り付ける間隔および配線は、生成したい出力により決定される。環状コア２１は、強磁性体の単一材料でも良いが、うずまき電流の発生を防止するため珪素鋼板などの電磁鋼板が適している。コイル保持板２２の材質は、非磁性体が適している。また、環状コア２１へコイルを巻回する方法として、別部品のボビンにコイルを巻回しこれを環状コア２１に通して作成しても良く、部品点数が増加するが生産が容易になる。
【００２７】
環状コア２１は基本的に環状であり、１周連続したものでも良いし、分割されていても良く、複数個に分割することによって容易に組み立てられる。分割部分は、コアの断面積に大きな変化がないようにする。また、図６内で示すように、コアピース２３とコアピース嵌合部２４に分割しても良い。開口部を有するリング状磁石３２の中に貫き合うように環状コア２１を組付ける為に、環状コア２１にコアピース嵌合部２４を設ける。コアピース嵌合部２４の厚みは、開口部を有するリング状磁石３２の開口部よりも薄くなっている。この部分に開口部を有するリング状磁石３２の開口部を通過させ、環状コア２１と貫き合うように組み付ける。環状コア２１に厚みの差があると開口部を有するリング状磁石３２との間でコギング力が発生する。よって、コアピース２３を取り付け、環状コア２１の厚みを一様にする。
【００２８】
コイルの接続例として図７を参照して説明すると、同じ向きに巻かれたコイルが３個連続して配置され、次に逆向きに巻かれたコイルが３個連続して配置され、同じパターンで１周している。この１番目に相当するコイルの５１ａと５１ｂと５１ｃを夫々順に接続し、図示してはいないが同じパターンで一周している。これを１番目のコイル群とする。次に２番目に相当するコイルの５２ａと５２ｂと５２ｃを同様に接続し、１周したものを２番目のコイル群とする。最後に３番目に相当するコイルの５３ａと５３ｂと５３ｃを同様に接続し、１周したものを３番目のコイル群とする。一方、回転子の開口部を有するリング状磁石３２の取り付けピッチは、接続したコイル（例えば５１ａと５１ｂと５１ｃ）のピッチと同じにし、互いの向きは同極になっている。
【００２９】
電流の流し方とコイルに発生する磁力の関連を図７を参照して説明する。コイルの巻き方向と電流の向きと発生する磁力の向きは、アンペールの右ねじの法則により明らかであり詳細な条件の説明が必要であるが、ここではこれを省略し条件の変更によって生ずる相対的な結果により電流の流し方とコイルに発生する磁力の関連を説明する。最初に、前記１番目のコイル群と前記２番目のコイル群と前記３番目のコイル群に正の電流を流すと、５１ａ，５２ａ，５３ａのコイルに右向きの磁力が発生し、５１ｂ，５２ｂ，５３ｂのコイルに左向きの磁力が発生したとする。このとき磁力の境界は、５３ａと５１ｂの間にある。次に、１番目のコイル群だけ負の電流に変え、２番目のコイル群と３番目のコイル群に正の電流を流すと、１番目のコイル群の磁力の向きが逆になり、５２ａ，５３ａ，５１ｂのコイルに右向きの磁力が発生し、５２ｂ，５３ｂ，５１ｃのコイルに左向きの磁力が発生する。このとき磁力の境界は、５１ｂと５２ｂの間にある。さらに、１番目のコイル群と２番目のコイル群に負の電流を流し、３番目のコイル群に正の電流を流すと、１番目のコイル群と２番目のコイル群の磁力の向きが逆になり、５３ａ，５１ｂ，５２ｂのコイルに右向きの磁力が発生し、５３ｂ，５１ｃ，５２ｃのコイルに左向きの磁力が発生する。このとき磁力の境界は、５２ｂと５３ｂの間にある。このように電流の流す向きを順次変化させると磁力の境界も順次変化していく。この磁力の境界に開口部を有するリング状磁石３２が引き付けられ、磁力の境界が回転すれば、追うように開口部を有するリング状磁石３２も回転する。接続の仕様は、目的により多種あり、この例に限るものではない。よって、コイル２０の周方向の長さも特に制限はない。
【実施例２】
【００３０】
開口部を有するリング状磁石３２は、一般的にフェライト磁石やネオジウム磁石などが用いられる。中でもネオジウム磁石は比重が７．４ｇ／ｃｍ3あり、これを回転子に備えると慣性モーメントが大きくなる。図８を参照して説明すると、図の例は、回転子１０１にコイル２０と環状コア２１を、固定子１０４に開口部を有するリング状磁石３２を取り付ける構成になっている。円板状非磁性体物１０７は、その外周に沿ってコイル２０と環状コア２１を取り付け、その内側は開口部を有するリング状磁石３２の開口部を通過するため薄くしてある。端子１１，１２で電流を受け、ブラシ１３，１４で回転子１０１に備えられた接触板１５，１６に伝わり、導線１７，１８でコイル２０に供給される。コイル２０が励磁し開口部を有するリング状磁石３２と相互作用が働き、回転子１０１が回転する。回転子の慣性モーメントを小さくし回転の効率が良くなる。
【００３１】
また、ブラシ１３，１４の代わりにスリップリングを使用しても良い。また、回転軸の中央で絶縁し、両側から電源を供給してもよい。
【実施例３】
【００３２】
実施例３は、図示していないが回転子１に異極を隣接して配置したものである。回転子１に開口部を有するリング状磁石３２を取り付ける際、同極を隣接する場合は互いの反発力により組立が困難である。これに対し、異極同士を隣接すると反発力はなくなり組立が容易になる。また、開口部を有するリング状磁石３２の磁化方向が同一の配置になるので、コイル２０に流す電流のパターンが単純化され出力の制御が容易になるとともに、複雑な出力が可能となる。
【実施例４】
【００３３】
図９ａは、開口部を有するリング状磁石３２の両側の表面に強磁性体を貼り付けた例である。開口部を有するリング状磁石３２の磁力線を充実させる手段として、図９ｂのように開口部を有するリング状磁石３２の両側にコイル通過孔が開いた強磁性体３３を貼り付けたものが好適である。磁石から発した磁力線は、鉄などの強磁性体の内部を通過し、表面の曲面形状に直角の向きで空気中に出ていき、周りの磁力線の応力を受けながら最寄りの異極に向かう。開口部を有するリング状磁石３２の磁力線は通常では外側を回りこむ磁力線と内側を回りこむ磁力線があり、これらは互いに及ぼしながらバランスのとれた状態でＮ極からＳ極に向かうが、開口部を有するリング状磁石３２の表面に中心線上で外側に中心を配置した球曲面形状か回転楕円体形状で凹形状にした強磁性体を装着することで内側に回り込む磁力線増加させることが可能になる。製作方法としては、強磁性体の鉄などをＮＣ旋盤で前述曲面加工後、コイル保持板が通過する間隙を機械加工し、リング状磁石３０を挟み込み固定後、リング状磁石３０にスリット加工し開口部を設ける。前記磁石ホルダー３１を使用したものに比べ小型化することが可能で、強化することができる。また、表面が平らなプレートを使用しても磁力線の集中効果は無いが、コンパクト化が可能になる。
【実施例５】
【００３４】
図１０は開口部を有するリング状磁石３２に回転半径に対応した曲がりを設けた例である。開口部を有するリング状磁石３２とコイル２０は互いに回転運動による接近離脱をするため、周方向に直線形状であると干渉を避けるため互いの間隙を大きくする必要がある。そこで、回転半径Ｒに相当する環状のチューブを所定の角度αで切断したリング状磁石を使用して開口部を有するリング状磁石３２を製作することによって改善可能となる。所定の角度で切断すれば、同幅のものに対しデッドスペースを無くすことが可能となり、回転子に収まる開口部を有するリング状磁石３２の数量を増やすことにつながる。間隙を小さくでき性能向上になる。
【実施例６】
【００３５】
図１１は、開口部を有するリング状磁石３２が複数個で構成された例の中で、環状コアのほぼ中心で分割したものを組み込んだ例である。開口部を有するリング状磁石３２を半分に分割したものを２３２ａ，２３２ｂとし、磁石ホルダーを半分に分割したものを２３１ａ，２３１ｂとしている。円板状非磁性体物２０７に開口部を有するリング状磁石２３２ａを含む磁石ホルダー２３１ａを取り付け、円板状非磁性体物２０８に開口部を有するリング状磁石２３２ｂを含む磁石ホルダー２３１ｂを取り付け、環状コア２１とコイル２０を含むコイル保持板２２を挟み込むように組み立てる。これにより、環状コア２１を１周連続したものにすることが可能で、部品点数の削減と組み立てを容易にすることができる。
【実施例７】
【００３６】
開口部を有するリング状磁石３２の例には、フェライト磁石・ネオジム磁石・サマリウムコバルト磁石などがあるが、保磁力が夫々ほぼ一定のため出力のさらなる増加が望めない。これに代わって電磁石を用いると磁力の増加ができ、磁石を使用するより高い出力が得られる。図１２ｂに示すように、鉄芯に巻線を施した電磁石３４を複数並べカバー３６で覆い、両側に保護板３５で固定し図１２ａのように組み立てた電磁石ユニット３７を作成する。図１２ｃに示すように回転子３０１の外周に電磁石ユニット３７を取り付ける。界磁電流は、外部電源から得て夫々の電磁石に供給される。界磁電流の強さを変えると電磁石の強さが変わり、出力の増加が可能となる。
【実施例８】
【００３７】
図１３は、以上述べた単位を回転子の回転軸に対して軸方向に複数連結した例である。連結することにより出力を上げることが可能である。
【実施例９】
【００３８】
図１４を参照しながら説明すると、実施例１を発電機として使用した例で、回転子１を図示以外の動力源で回転させ、開口部を有するリング状磁石３２が固定子４のコイル２０を通過し、電磁誘導によりコイル２０に電圧が生じる。
【実施例１０】
【００３９】
図１５を参照しながら説明すると、実施例２を発電機として使用した例で、回転子１を図示以外の動力源で回転させ、コイル２０が固定子４の開口部を有するリング状磁石３２を通過し、電磁誘導によりコイル２０に電圧が生じる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
電気エネルギーは他のエネルギーに比べ効率の良い伝送が容易なため、社会では広く利用されており、本発明は電気エネルギーを効率よく運動エネルギーに変換するものであり、ポンプや圧縮機の機器、運搬機械など産業上の幅広い分野で利用される可能性を有する。
【符号の説明】
【００４１】
１          回転子
２，３      側板
４          固定子
５，６      枠板
７          円板状非磁性体物
８          円板状非磁性体物
９          蓋
１０        空間部
１１，１２  端子
１３，１４  ブラシ
１５，１６  接触板
１７，１８  導線
２０        コイル
２１        環状コア
２２        コイル保持板
２３        コアピース
２４        コアピース嵌合部
３０        リング状磁石
３１        磁石ホルダー
３２        開口部を有するリング状磁石
３３        強磁性体
３４        電磁石
３５        保護板
３６        カバー
３７        電磁石ユニット
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ  １番目のコイル
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ  ２番目のコイル
５３ａ，５３ｂ，５３ｃ  ３番目のコイル
１０１      回転子
１０４      固定子
１０７      円板状非磁性体物
２０１      回転子
２０７      円板状非磁性体物
２０８      円板状非磁性体物
２３１ａ，２３１ｂ  分割された磁石ホルダー
２３２ａ，２３２ｂ  分割された開口部を有するリング状磁石
３０１      回転子
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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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９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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