(57)【要約】【課題】  占積率を向上することができる分割ステータおよびそれを用いたステータを提供する。【解決手段】  ティース３を有する分割コア１と、分割コア１に、複数列、複数層、巻き回された平角線５のコイルとを備え、ティース３がスキュー形であり、平角線のコイルがスキュー形の９０°未満の角部を起点として一面でクロスしていることを特徴とする。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ティースを有する分割コアと、
前記分割コアに、複数列、複数層、巻き回された平角線のコイルとを備え、
前記ティースがスキュー形であり、前記平角線のコイルが前記スキュー形の９０°未満の角部を起点として一面でクロスしていることを特徴とする、分割ステータ。
【請求項２】
前記分割コアは、ティースの一端につばを、またティースの他端にバックヨークを有し、該ティースは、両サイド面が前記バックヨーク側からつば側に向かって、連続的または断続的に、互いに近づくような形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の分割ステータ。
【請求項３】
前記平角線のコイルは、分割コアを被覆するインシュレータの上に形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の分割ステータ。
【請求項４】
前記インシュレータは、前記分割コアのスキュー形に対応して、４つの角部にアールが付され、前記スキュー形の９０°未満の角部のアールが９０°超えの角部のアールより小さいことを特徴とする、請求項３に記載の分割ステータ。
【請求項５】
前記クロスする一面の前記インシュレータ角部のアールには、前記平角線用のターン毎の溝が付されていることを特徴とする、請求項３または４に記載の分割ステータ。
【請求項６】
前記インシュレータの溝は、前記バックヨーク側からつば側へ向かう溝幅方向に沿って、浅くなっていることを特徴とする、請求項５に記載の分割ステータ。
【請求項７】
前記分割コアと前記インシュレータとが、一体成形されていることを特徴とする、請求項３〜６のいずれかに記載の分割ステータ。
【請求項８】
前記請求項１〜７のいずれかに記載の分割ステータを、複数、環状に配置したことを特徴とする、ステータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分割ステータおよびステータに関し、より具体的には自動車等に用いられるモータの分割ステータおよびステータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車や電気自動車では、自動車駆動のために電動機が用いられる。この駆動用電動機は、自動車に搭載されるため、高出力・高効率化は当然のこととして、小型化及び軽量化が、他の用途に比べて格段に強く求められる。このため、出力を低下させることなく、むしろ高出力化した上で、グラム単位およびミリメートル単位の減量および減寸が絶えず行われている。
【０００３】
電動機においては、電流で磁界を発生する場合、巻線によりコイルを構成するが、高出力で、かつより小型化を実現するために、ステータ等のスロットにおける巻線の占積率を極限まで向上させることが求められる。また、磁界の強さを高めるために、その巻線に流す電流も大電流とすることが要求される。上記占積率についていえば、５０％を超え、理論最大値に近づく状況になっている。
【０００４】
上記の状況下において、占積率の改良は、モータの高出力化、燃費向上等に直結するため、なおその向上が求められている。たとえばティース部の周方向幅が、軸方向に沿って小さくなる形状の分割コアと、大きくなる形状の分割コアとを隣り合うように巻線した後で組み合わせたステータが提案されている（特許文献１）。この構造によれば、無駄な空間がなくなり、ステータのスロット部に対してなされた巻線の占積率が十分でない場合が発生するのを防止することができる。また、分割ステータのティースの側面に階段状に段差部を形成するとともに、巻線の平角線を、インシュレータを用いずに直接ティースに巻き回す構成が提案された（特許文献２）。この構成であれば、平角線の直巻きによって高占積率を確保しながら、部品点数を減らし、巻き乱れを防止することができる。
【０００５】
また、本発明に関連してスキュー形のティースについての公知技術として、次のものがある。環状のヨークに一体成形で設けた複数のスキュー形ティースにコイルを集中巻きし、異なる相の巻線同士の間に巻線制振体を挿入することによって、振動および騒音を抑制する構造が提案されている（特許文献３）。これによれば、高効率の集中巻電動機において、上記の巻線同士の間に挿入された巻線制振体により、振動および騒音を抑制することができる。
【特許文献１】特開２００６−２１７７０２号公報
【特許文献２】特開２００５−３１８６６９号公報
【特許文献３】特開２００３−３２９３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のティース部の周方向幅が、軸方向に沿って大または小となる分割コアを交互に配置するステータでは、次の問題がある。通常、集中巻きの分割ステータでは、コイル巻き始めと巻き終わりは、配線しやすいように、上面または下面のいずれか一方で行われる。上記の構造のステータでは、周方向に沿って上面または下面に、狭い周方向幅の分割ステータの面が一つおきに現れるが、狭い周方向幅の面で巻き始めて、当該狭い周方向幅の面を次のターンに移行するクロス処理面とすることは実際上できない。その結果、整列巻きができず、占積率が低下することになる。また、これを避けるために、広い周方向幅の分割ステータの面に限定してクロス処理を行うと、配線が上下に分かれてしまい複雑な配線をせざるをえず、ステータが大型化する。
【０００７】
また、分割ステータのティースの側面に階段状の段差部を付したティースに平角線を直巻きする分割ステータでは、ティースがテーパ状であるため、クロス処理をして段差を下げるときに平角線が滑りやすい。このため巻き乱れが生じて、占積率が低下する。滑り防止のために押さえ治具等を用いることも考えられるが、生産性が低下する。
【０００８】
また、一体成形された環状配置の複数のスキュー形ティースについては、ノズルを隙間に通して各ティースに集中巻きする方法があるが、線がねじれるため整列巻きは困難である。また、予め巻いておいたコイルを挿入する方法を用いることもできるが、この方法の場合、コイルとティース間に挿入によるクリアランスが生じ、整列に並べることも困難となる。いずれの方法の場合も、占積率が低下する。また、コアにつばを付けることができなくなる。
【０００９】
上記のような先行技術の存在下、製造しやすく、占積率を向上することができるステータの開発が要望されている。この要望に応えるため、本発明は、製造しやすく、占積率を向上することができる分割ステータおよびそれを用いたステ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】
【００１０】
本発明の分割ステータは、ティースを有する分割コアと、分割コアに、複数列、複数層、巻き回された平角線のコイルとを備え、ティースがスキュー形であり、平角線のコイルがスキュー形の９０°未満の角部を起点として一面でクロスしていることを特徴とする。
【００１１】
上記の構成により、占積率を高めるが巻き回しにくい平角線を用いて、鋭角の角部をクロス処理起点とすることにより、滑り防止、線間ピッチの短縮および張力整列巻きの容易化、を実現して、占積率を向上することができる。また分割ステータであるため、線ぐせが制御しやすく巻き回しやすい利点も得ることができる。さらにティースがスキュー形なので、集中巻き分割ステータのコギングトルクを抑制して滑らかにすることができる。
【００１２】
また、上記の分割コアは、ティースの一端につばを、またティースの他端にバックヨークを有し、該ティースは、両サイド面がバックヨーク側からつば側に向かって、連続的または断続的に、互いに近づくような形状を有することができる。ここで、サイド面は、ティースのステータ軸方向成分とステータ径方向成分とで張られる面であり、ステータ周方向に交差する面である。この構成により、ステータ軸線に直交させて、つば側をステータ軸線（中心）側にしてコイル軸を径方向にして複数個の分割ステータを環状配置した構造において、隣り合う分割ステータの巻線どうしが重なるのを防止しながら、バックヨーク側からつば側にかけてのコイルの層数を均一化することになり、コイルの軸長方向の長さを短くすることができる。また、バックヨーク側のティースの幅が広くなることにより磁束が増え、バックヨークの外径を小さくすることができる。
【００１３】
上記の平角線のコイルを、分割コアを被覆するインシュレータの上に形成することができる。これにより、分割コアとの絶縁性に大きな注意を払うことなく、巻線（平角線）を分割コアに巻き回すことができる。
【００１４】
上記のインシュレータは、分割コアのスキュー形に対応して、４つの角部にアールが付され、スキュー形の９０°未満の角部のアールが９０°超えの角部のアールより小さいようにできる。これにより、コイルを巻き回すときの張力による角部への応力集中の緩和、巻線と分割コアとの絶縁劣化の防止、インシュレータの割れ防止等を実現することができる。
【００１５】
上記のクロスする一面のインシュレータ角部のアールには、平角線用のターン毎の溝を付すことができる。これにより、ストレートコア（スキュー形）の場合は平角線のクロス処理のアール部分における位置決めを確実にすることができる。また、テーパコア（スキュー形）の場合は、平角線のクロス処理の位置決めおよびテーパ巻き下ろし時の滑り防止に有効である。
【００１６】
上記のインシュレータの溝は、バックヨーク側からつば側に向かう溝幅方向に沿って浅くなるようにできる。これにより、テーパコアまたは段付きコアにおいて、平角線のテーパ巻き下ろし時の滑りをより確実に防止することができ、整列巻きが容易となる。なお、クロス処理面に付す溝幅方向は、厳密にはバックヨーク側からつば側に向かう方向に一致しないが、その方向の相違は非常に小さいので、上記の表現のままクロス処理面の溝にも適用することができる。
【００１７】
上記の分割コアとインシュレータとを、一体成形することができる。これにより、スキュー、テーパ等を付され複雑形状化した分割コアへのインシュレータの組み付け性を改善し、その結果、生産性を向上することができる。
【００１８】
本発明のステータは、上記のいずれかの分割ステータを、複数、環状に配置したステータであることを特徴とする。これにより、小型で高性能の電動機を得ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、製造しやすく、占積率を向上することができる分割ステータおよびそれを用いたステータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における分割ステータ１０を示す図である。図１において、分割ステータ１０は、つば部２とバックヨーク４と隠れて見えないティースとを有する分割コア、その分割コアを被覆するインシュレータ６および平角線の巻線５が巻き回されて形成されたコイルを備える。上記の分割ステータ１０は、スキュー形であり、巻線に平角線を用いている点に特徴がある。もう一つの特徴であるクロス処理を特定の一面でのみ行っていることについては、この後、説明する。
【００２１】
図２は、図１の分割ステータを上から見た上面図である。また、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。スキュー形は、図３に示すようにティース３の断面形状が平行四辺形であり、それに伴い、インシュレータ６およびバックヨーク４もその断面形状および２次元形状が平行四辺形となっている。コイルは、巻線が平行四辺形断面のティースに巻き回されて形成されるので、当然、平行四辺形に沿うような断面形状を有する。図２において、平角線５は、ティースを被覆するインシュレータ６の上に巻き回されるが、クロス処理を特定の一面（図２では上面）でのみ行う。巻線をらせん状のコイルに巻き回す際に、らせん軸（コイル軸）の方向への巻線のずらしを巻き回しと並行して行う必要があり、この巻き回しを行いつつらせん軸方向への巻線のずらしを行うことをクロス処理と称する。本実施の形態では、クロス処理を特定の角部を起点として、上面のクロス処理面Ｓｃでのみ行う点に特徴を有する。
【００２２】
図３に示すように、スキュー形の場合、ティース３の断面の平行四辺形の角部に、２種類の内角を生じる。すなわち鋭角（９０°未満：角度α）と鈍角（９０°超え：角度β）の２種類の角部を生じる。ティース３を被覆するインシュレータ６については、角部にアールを付すが、ティース３の内角の大小を反映させて、鋭角αの角部のアール値Ｒ１は、鈍角βの角部のアール値Ｒ２よりも小さくする。図２および図３によれば、巻線５は、鋭角αに対応する角部を起点として、すなわちアール値Ｒ１が付されたインシュレータ６の角部を起点として、上面のクロス処理面Ｓｃへとクロスしながら巻き回される。したがって、起点となる角部では、ティースの内角は鋭角であり、インシュレータ６のアール値Ｒ１は小さいため、平角線５は、その起点の角部で滑りにくくなる。これは、角部のアール値が小さいほうが、巻線と角部との間に局所的により大きな応力（圧力）が作用し合い、互いに相手を拘束する摩擦力が大きく生じるからである。なお、スキュー形は、その断面は、必ずしも平行四辺形でなくてもよく、鋭角および鈍角の角部が形成され、分割ステータを円周に沿って配置して、ステータ軸方向に沿って見て隣と磁束を部分的に重ねながら、ステータを形成するのに不都合がない形状であれば、どのようなものでもよい。
【００２３】
本実施の形態で用いる平角線５は、コイルを形成した状態で隣接する巻線間の隙間が、丸断面線のコイルに比べて、小さく、占積率を向上できるものの、巻き回しの際に巻き乱れが生じ易く、扱いにくい巻線であった。とくにクロス処理の際に角部で滑りを生じ易く、巻き乱れが生じ易かった。しかし、上記の構成によれば、スキュー形の鋭角の角部をクロス処理の起点として、上面のみをクロス処理面Ｓｃとするので、占積率を高めた上で、巻き乱れを防止することができる。
【００２４】
また、ティースがスキュー形であることによって、集中巻き分割ステータのコギングトルクを抑制して滑らかにすることができる。すなわち、スキュー形でない場合、隣接する分割ステータの内周側のロータ位置では、高い密度の磁束分布が、分割ステータ毎に明確に区画されて分布するのでコギングトルクが発生する。しかし、スキュー形では、隣接する分割ステータが互いに磁束を隣と部分的に重ねながら分布させるので、コギングトルクを抑制して滑らかな回転を得ることができる。
【００２５】
図４は、図１の分割ステータ１０の水平断面図（ステータ軸の横断面）である。図４によれば、ティース３は、バックヨーク４からつば２にかけて、断面一定のストレート状とされ、巻線のティース単位長さ当りのターン数、すなわちターン数密度はバックヨーク側で大きい。このため、起磁力ＮＩ（Ｎ：総ターン数、Ｉ：電流）は、バックヨーク側により大きい割合で分布することになる。
【００２６】
本発明の実施の形態では、クロス処理が重要であるので、次に、クロス処理について説明する。図５は、１層目の巻線のクロス処理を説明するための概念図である。また図６は、２層目および３層目の一部の巻線を示す図である。図５および図６ともに、水平断面図をベースにしてクロス処理の線の方向は、上面すなわちクロス処理面Ｓｃでの巻線の巻き回し方向を示す。１層目のクロス処理は、図５に示すように、巻線番号（２）→（３）また（４）→（５）のように、矢印の方向（図５で左下がり方向）に、らせん軸方向にずらしながら巻き回しが行われる。つば２側の端にまで巻き回されると、巻線は２層目となり、戻り方向へのずらしと巻き回しが行われる。この戻り方向のずらしは、端で巻線番号（１６）→（１７）のように傾きなし（ずらしなし）の１ターンを経て、図６の矢印の方向（左上がり方向）へと傾きの向きを反転させる。そして、バックヨーク４側の端で、同じように傾きなし（ずらしなし）の１ターン（巻線番号（３２）→（３３））を経て、巻線番号（３４）→（３５）のように傾きを左下がりに反転させて３層目を、ずらしながら巻き回してゆく。なお、巻線番号は、図面では字体を変えて表示したが、本説明では（２）のようにカッコを付して、部位表示数字と区別した。
【００２７】
１層目のクロス処理は、コイルの巻線層の基礎となり、インシュレータの表面で滑りやすいので、とくに重要であるが、上記のように、スキュー形ティースの鋭角に対応する角部を起点にクロス処理を行うので、滑りを抑制して、巻き乱れを防止することができる。また、２層目以降については、下層の巻線上のクロス処理は、インシュレータ上でのクロス処理に比べて、滑りが生じにくいといっても、下層の巻線層はスキュー形に沿って形成されているので、やはりマクロ的に鋭角の角部に対応した角部を起点にしており、滑りをより確実に防止することができる。
【００２８】
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２における分割ステータを説明するための図である。本実施の形態における分割ステータ１０では、（１）インシュレータ６に被覆されているティースが、バックヨーク４側からつば２側にかけて、上面および下面の幅が狭くされ、両サイド面が互いに近づくように、テーパが付されていること、および（２）インシュレータ６のクロス処理の起点と終点のクロス面に平角線用の溝６ａが付されていること、に特徴を有する。
【００２９】
図８および図９は、それぞれ図７におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線およびＩＸ−ＩＸ線に沿う断面図である。これらの断面図は、いずれもコイル軸の横断面であり、バックヨーク４側からつば２側にかけて、ティース３の両サイド面が互いに近づくテーパ形状となっている。この構成により、ステータ軸線に直交させて、つば側をステータ軸線（中心）側にしてコイル軸を径方向に沿わせて複数個の分割ステータを環状配置した構造において（図１４参照）、隣り合う分割ステータの巻線どうしが重なるのを防止しながら、バックヨーク側からつば側にかけてのコイルの層数を均一化することになり、コイルの軸長方向の長さを短くすることができる。また、バックヨーク側のティースの幅が広くなることにより磁束が増え、バックヨークの外径を小さくすることができる。
【００３０】
上記のインシュレータの溝６ａは、ティース３に上記テーパが付されている場合、巻線５に対する位置決め作用を有し、さらに上記テーパに沿って巻き下ろす時の滑り防止作用を有する。溝６ａの形状については、後で説明する。また、上記の溝は、上記テーパがない実施の形態１におけるストレート形のティースにも付すことはできるが、この場合には、溝はクロス処理の位置決め作用を有する。位置決め作用とは、クロス処理の起点および終点をティース全体の中で定め、起点や終点において平角線が滑ってずれて、巻き乱れを生じるのを抑制する作用である。なお、図７において、インシュレータの溝６ａは、クロス処理面の両端部にのみ設けられ、クロス処理面の中央付近には設けられていない。これは、起点と終点とで滑りを防止してしっかり巻き回せば、クロス処理面Ｓｃの中央付近ではフリーにしておいたほうが、滑りを防止する摩擦力が角部で局所的に高くなり、また起点と終点との間でクロスする平角線の複雑なねじれ等の変形にスムースに対応することができるからである。
【００３１】
図１０は、図７に示す分割ステータの水平断面図、すなわちステータ軸の横断面の図である。複数個の分割ステータ１０の環状円周配置で形成されるステータにおいて、ティース３が、内周側で狭くなり、巻線を隣り合う分割ステータどうしで重なりにくいため、巻線をティースの外周（バックヨーク４）側から内周（つば２）側にかけて、ティース単位長さ当りのターン数を大略均等にしていることが分かる。このように起磁力ＮＩを大略均等分布させることにより、局所的な磁気飽和を防止して、無駄な電力消費を防ぐことができる。
【００３２】
図１１は、図７のＸＩ−ＸＩ線に沿う断面図である。図１２は、部分拡大図である。クロス処理面Ｓｃに対向する底面側では、インシュレータ６の底面中央付近にも角部と連続して溝６ｂが設けられている。このクロス処理面に対向する底面側の溝６ｂは、溝幅方向と、コイル軸の方向またはティース長さ方向とが大略揃っている。溝６ｂは、溝幅方向に同じ深さであってもよいが、溝幅方向の深さが、つば（内周）側で浅くなるようにテーパが付されているようにしてもよい。内周側に向かって溝幅方向の深さが浅くなる溝６ｂを設けることにより、上記テーパ付きまたは段付ティースにおいて平角線を巻き下ろす際に、滑りを効果的に防止することができる。なお、クロス処理面Ｓｃの角部に設ける溝６ａの形についても、底面の溝６ｂと同様に溝幅方向（バックヨーク側からつば側に向かう方向に大略並行方向）に浅くしてもよいし、また同じ深さであってもよい。
【００３３】
上記の分割ステータから巻線を除いた部分（分割コア＋インシュレータ）の一体成形による製造方法について説明する。この一体成形では、樹脂の射出成形機を用いる。図１３は、射出成形によって、分割コア１とインシュレータとを一体成形で製造する方法を説明する図である。この一体成形では、金型３１内に予め製造しておいた分割コア１を配置しておき、インシュレータ部分は、絶縁性樹脂が充填される空間３６とする。絶縁性樹脂は、加熱され圧力を付加されて湯口であるゲート３１ａからインシュレータ部分の空間３６に注入し、成形する。インシュレータ６に溝６ａ，６ｂを設け、また角部にアールを付す場合には、金型３１に溝６ａ，６ｂまたはアールに対応する雌型形状を形成しておく。
【００３４】
絶縁樹脂は、電気抵抗が高く、耐熱性を備えるものがよい。また、熱硬化性樹脂を用いた場合、上記の注入工程の後、熱処理炉等で、所定温度×所定時間を保持する必要があるが、使用中に電動機が高温になっても軟化せず、熱的安定性という点で優れている。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等がよい。また、熱可塑性樹脂を用いた場合、上記の注入工程の後で急速冷却して固化させることができるので、製造能率を大きく向上させることができるが、軟化温度に注意を払い、電動機が高温になる範囲に軟化温度を有するものは用いないほうがよい。熱可塑性樹脂としては、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルスルフォン樹脂、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、液晶ポリマー等がよい。
【００３５】
インシュレータ６を別途作製した上で、分割コア１に組み付ける方法を用いてもよいことは言うまでもない。しかし、上記の分割コア１とインシュレータ６との一体成形加工によって、組み付け性を改善して生産性を大きく向上することができる。
【００３６】
上記のようにして製造した分割ステータ１０を、つば２側を軸芯側に、放射状に配置して、複数個、環状配置して形成したステータ５０を図１４に示す。ステータ５０に囲まれた内側には、ステータ軸方向に沿って図示しない電機子または回転子が配置されて、ステータ周方向に回転する回転部分を構成する。上記実施の形態１または２の分割ステータ１０を用いることにより、占積率を高めて、電動機の出力およびエネルギ効率を向上させることができる。
【００３７】
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明により、製造しやすく、信頼性、磁気特性に優れた分割ステータおよびステータを安価に提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態１における分割ステータを示す図である。
【図２】図１の分割ステータを説明するための上面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】図２の分割ステータのステータ軸方向に直交する面（水平断面）による断面図である。
【図５】クロス処理を説明するための図である（１層目）。
【図６】クロス処理を説明するための図である（２層目および３層目の一部）。
【図７】本発明の実施の形態２における分割ステータを説明するための図である。
【図８】図７のＩＩＩＶ−ＩＩＩＶ線に沿う断面図である。
【図９】図７のＩＸ−ＩＸ線に沿う断面図である。
【図１０】本発明の実施形態２の分割ステータのステータ軸方向に直交する面（水平断面）による断面図である。
【図１１】図７のＸＩ−ＸＩ線に沿う断面図である。
【図１２】図１１の部分拡大図である。
【図１３】図７の分割ステータとインシュレータとを一体成形で製造する方法を説明するための図である。
【図１４】本発明の実施の形態の分割ステータを用いたステータを示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  分割コア、２  つば、３  ティース、４  バックヨーク、５  平角線（巻線）、６  インシュレータ、６ａ，６ｂ  溝、１０  分割ステータ、３１  金型、３１ａ  ゲート（湯口）、３６  インシュレータ空間、５０  ステータ、Ｒ１，Ｒ２  インシュレータ角部のアール、Ｓｃ  クロス処理面。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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