(57)【要約】【課題】モータを駆動するための制御に複雑な演算を必要とせずモータ運転を安定して行えるモータ制御装置を提供する。【解決手段】モータ１への相電流Ｉｕ，Ｉｗを検出する相電流検出部８と、相電流Ｉｕ，ｉｗに基づいて電流位相δを演算する電流位相・電流波高値演算部９と、電流位相δに所定の位相差αを加えたものを電圧位相θとして設定する電圧位相設定部１２と、回転数指令７に基づいて指令電圧を決定する指令電圧決定部６と、電圧位相θと指令電圧に基づいてモータ１への相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを設定する相電圧設定部５を備え、モータ軸位置を予測せずに、基本的には電圧を一定に保ち、且つ、電流・電圧位相を常時監視して一定位相差を保ってモータ１を運転する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ軸位置を検出するためのセンサを有しないブラシレスモータ等の同期モータをインバータ等の電力変換器で駆動するモータ制御装置であって、
同期モータへの相電流を検出する相電流検出手段と、
相電流検出手段で検出された相電流に基づいて電流位相を演算する電流位相演算手段と、
電流位相演算手段で求められた電流位相に所定の位相差を加えたものを電圧位相として設定する電圧位相設定手段と、
回転数指令に基づいて指令電圧を決定する指令電圧決定手段と、
電圧位相設定手段で設定された電圧位相と指令電圧決定手段で決定された指令電圧に基づいて同期モータへの相電圧を設定する相電圧設定手段とを備える、
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
相電流検出手段で検出された相電流に基づいてモータ電流波高値を演算する電流波高値演算手段と、
電流位相演算手段で求められた電流位相に基づいて角速度を演算する角速度演算手段と、
電流波高値演算手段で求められたモータ電流波高値と角速度演算手段で求められた角速度に基づいて目標とする電流位相進み角を演算し、この電流位相進み角に基づいて位相差を演算する位相差演算手段とを備え、
電圧位相設定手段は、電流位相演算手段で求められた電流位相に位相差演算手段で求められた位相差を加えたものを電圧位相とする演算を行う、
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
相電流検出手段で検出された相電流に基づいてモータ電流波高値を演算する電流波高値演算手段と、
電流位相演算手段で求められた電流位相に基づいて角速度を演算する角速度演算手段と、
予め用意された位相差データテーブルから電流波高値演算手段で求められたモータ電流波高値と角速度演算手段で求められた角速度をパラメータとして位相差を選択する位相差演算手段とを備え、
電圧位相設定手段は、電流位相演算手段で求められた電流位相に位相差演算手段で求められた位相差を加えたものを電圧位相とする演算を行う、
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
指令電圧決定手段は、回転数指令による指示角速度に角速度演算手段で求められた角速度をフィードバックさせることにより指令電圧を演算する、
ことを特徴とする請求項２または３に記載のモータ制御装置。
【請求項５】
電流波高値演算手段で求められたモータ電流波高値に基づいて出力電圧を制限する最大電圧値制限手段を備える、
ことを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ等の電力変換器を用いてブラシレスモータやリラクタンスモータ等の同期モータの運転を制御するモータ制御装置に関し、特にモータ軸位置を検出するためのセンサを用いずに同期モータの速度等を制御するモータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期モータとして周知のブラシレスモータの駆動方式には、矩形波駆動方式（１２０度通電方式）と、正弦波駆動方式（１８０度通電方式）とが存在する。後者の正弦波駆動方式はモータへの相電流を正弦波にすることで低振動，低騒音，高効率を実現できる点において前者の矩形波駆動方式よりも優れている。
【０００３】
一方、ブラシレスモータのモータ軸位置検出方式には、ロータリーエンコンーダやレゾルバ等の位置検出センサからの信号を利用する方式と、位置検出センサを使用せずにモータへの相電流及び相電圧から位置情報を得る方式とが存在する。後者のセンサレス方式は位置検出センサの設置や配線が不要で低コスト化が可能である点において前者のセンサ方式よりも優れている。
【０００４】
このような事情から最近ではセンサレスの正弦波駆動方式によってブラシレスモータを制御することが検討されており、その一例を図１に示す。
【０００５】
図１中の符号５１はモータ、５２は電力変換部（インバータ）、５３は直流電源、５４はＰＷＭ信号作成部、５５は相電圧決定部、５６は印加電流決定部、５７は回転数指令、５８は電流・電圧検出部、５９はｄｐ軸変換部、６０は軸位置予測部、６１はモータ回転数演算部、６２，６３は加算器である。
【０００６】
印加電流決定部５６は回転数指令５７及びモータ回転数に基づいて印加電流を決定し、相電圧決定部５５は予測された軸位置及び電流位相から相電圧を決定する。電流・電圧検出部５８はモータへの相電流と相電圧を検出し、ｄｐ軸変換部５９は電流・電圧検出部５８からの相電流及び相電圧を軸位置予測部６０からの電流位相情報に基づいてｄｐ軸変換し、軸位置予測部６０はｄｐ軸変換部５９からの電流及び電圧のｄ・ｑ軸成分とモータ回転数からモータ５１の軸位置を演算によって予測する。モータ回転数演算部は軸位置予測部６０からの電流位相情報等に基づいて角速度（ω）を演算する。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２６８９７４号公報
【特許文献２】
特開２００１−２５１８８９号公報
【特許文献３】
特開２０００−３５０４８９号公報
【非特許文献１】
Ｔ．ＩＥＥ  Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．１１７−Ｄ，Ｎｏ．１，’９７（速度起電力推定に基づくセンサレス突極形ブラシレスＤＣモータ制御，竹下・市川・李・松井（名古屋工業大学））
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述のモータ制御装置では、モータへの相電流を一定値に保つようにモータへの相電圧を決定する制御ループと、印加した相電流及び相電圧からモータ軸位置を予測する制御ループと、予測したモータ軸位置からモータ回転数を演算してモータへの相電流の一定値を変更する制御ループ（モータ速度フィードバックループ）によりモータの運転を制御しているが、電流の２重フィードバック制御が必要不可欠でありモータを駆動するための制御に複雑な演算を必要とする不具合があると共に、電流フィードバック及び速度フィードバックとも極めて速いループにて制御しなければならないことから処理速度の速い高価な制御回路が必要となる不具合がある。また、モータ軸位置の予測にも複雑な演算を必要とすることに加え、複雑な演算をしても位置精度はあまり高くないといった不具合がある。
【０００９】
本発明は前記事情に鑑みて創作されたもので、その目的とするところは、モータを駆動するための制御に複雑な演算を必要とせずモータ運転を安定して行えるモータ制御装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明のモータ制御装置は、モータ軸位置を検出するためのセンサを有しないブラシレスモータ等の同期モータをインバータ等の電力変換器で駆動するモータ制御装置であって、同期モータへの相電流を検出する相電流検出手段と、相電流検出手段で検出された相電流に基づいて電流位相を演算する電流位相演算手段と、電流位相演算手段で求められた電流位相に所定の位相差を加えたものを電圧位相として設定する電圧位相設定手段と、回転数指令に基づいて指令電圧を決定する指令電圧決定手段と、電圧位相設定手段で設定された電圧位相と指令電圧決定手段で決定された指令電圧に基づいて同期モータへの相電圧を設定する相電圧設定手段とを備える、ことをその主たる特徴とする。
【００１１】
このモータ制御装置によれば、同期モータへの相電流に基づいて電流位相を求め、この電流位相に所定の位相差を加えたものを電圧位相とし、この電圧位相と回転数指令に基づいて決定された指令電圧に基づいて同期モータへの相電圧を設定することによって、モータ軸位置を予測せずに、基本的には電圧を一定に保ち、且つ、電流・電圧位相を常時監視して一定位相差を保って同期モータを運転することができる。
【００１２】
本発明の前記目的とそれ以外の目的と、構成特徴と、作用効果は、以下の説明と添付図面によって明らかとなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図２は本発明の一実施形態を示すモータ制御装置のブロック図である。
【００１４】
図２中の符号１はモータ、２は電力変換部、３は直流電源、４はＰＷＭ信号作成部、５は相電圧設定部、６は指令電圧決定部、７は回転数指令、８は相電流検出部、９は電流位相・電流波高値演算部、１０は角速度演算部、１１は位相差演算部、１２は電圧位相設定部、１３は最大電圧値制限部、１４は加算器である。
【００１５】
モータ１は３相ブラシレスＤＣモータであり、電力変換部２から各Ｕ，Ｖ，Ｗ相に送出される信号によって駆動される。電力変換部２は、図３に示すように、Ｕ，Ｖ，Ｗ相それぞれに対応する３対のスイッチングトランジスタＵｓ，Ｗｓ，Ｖｓ，Ｙｓ，Ｗｓ，Ｚｓを備えており、各対のスイッチングトランジスタＵｓ及びＷｓ、Ｖｓ及びＹｓ、Ｗｓ及びＺｓはバッテリー等から成る直流電源３の出力端子に並列接続されている。この電力変換部２の６個のスイッチングトランジスタＵｓ，Ｗｓ，Ｖｓ，Ｙｓ，Ｗｓ，ＺｓはＰＷＭ信号作成部４からのＰＷＭ信号によってオンオフ駆動される。
【００１６】
ＰＷＭ信号作成部４は、相電圧設定部５で設定された相電圧に基づきＰＷＭ信号を生成して電力変換部２に送出する。相電圧設定部５における相電圧決定方法と、相電圧設定部５の前段にある指令電圧決定部６における指令電圧決定方法は後に詳述する。
【００１７】
相電流検出部８は、モータ１への３つの相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのうち２つの相電流、例えばＵ相電流ＩｕとＷ相電流Ｉｗを検出する。相電流の検出にはコイルとホール素子等によって構成された周知の電流センサ８ａ，８ｂ（図３参照）が適宜使用できる。
【００１８】
電流位相・電流波高値演算部９は、相電流検出部８で検出された２つの相電流に基づいてモータ電流波高値Ｉと電流位相δを演算する。以下にモータ電流波高値Ｉと電流位相δの演算方法について説明する。
【００１９】
モータ電流波高値をＩ、電流位相をδとしたとき、Ｕ相電流ＩｕはＩｕ＝Ｉ×ｃｏｓ（δ）、Ｖ相電流ＩｖはＩｖ＝Ｉ×ｃｏｓ｛δ−（２／３）π｝、Ｗ相電流ＩｗはＩｗ＝Ｉ×ｃｏｓ｛δ＋（２／３）π｝となるので、３つのうち２つの相電流が分かればＩとδを求めることができる。
【００２０】
例えば、Ｕ相電流ＩｕとＷ相電流Ｉｗを検出した場合には、Ｉｖ＝−Ｉｕ−Ｉｗの関係式と前記式に基づく、
Ｉ＝√｛（２／３）×（Ｉｕ２  ＋Ｉｖ２  ＋Ｉｗ２  ）｝
ｃｏｓ（δ）＝Ｉｕ／Ｉ
ｓｉｎ（δ）＝（Ｉｖ−Ｉｗ）／（√３×Ｉ）
の式によりモータ電流波高値Ｉと電流位相δを求めることができる。
【００２１】
これとは別に、Ｕ相電流ＩｕとＷ相電流Ｉｗを検出した場合には、
Ｉｗ＝｛（−１／２）×Ｉ×ｃｏｓ（δ）｝−｛（√３／２）×Ｉ×ｓｉｎ（δ）｝
Ｉ×ｓｉｎ（δ）＝（−１／√３）×（２×Ｉｗ＋Ｉｕ）
に基づく、
｛Ｉ２  ×ｓｉｎ２  （δ）｝＋｛Ｉ２  ×ｃｏｓ２  （δ）｝＝Ｉｕ２  ＋｛（１／√３）２  ×（２×Ｉｗ＋Ｉｕ）２  ｝
Ｉ２  ＝Ｉｕ２  ＋｛（１／３）×（２×Ｉｗ＋Ｉｕ）２  ｝
Ｉ＝√〔Ｉｕ２  ＋｛（１／３）×（２×Ｉｗ＋Ｉｕ）２｝〕
ｃｏｓ（δ）＝Ｉｕ／Ｉ
ｓｉｎ（δ）＝｛（１／√３）×（２Ｉｗ＋Ｉｕ）｝／Ｉ
の式によりモータ電流波高値Ｉと電流位相δを求めることもできる。
【００２２】
尚、前記のようにして求められた電流位相δには高調波成分の影響で波形に乱れが生じることがあるため、ＬＰＦ（ローパスフィルター）による周知のフィルター処理により高調波成分を除去して波形整形を行うようにすることが望ましい。勿論、前記同様のフィルター処理をＦＩＲフィルターやＩＩＲフィルター等を利用してデジタル演算で実施するようにしても構わない。
【００２３】
角速度演算部１０は、電流位相・電流波高値演算部９で求められた電流位相δに基づいて誘起電圧ωΨ（図４参照）の角速度ωを演算する。詳しくは、角速度ωを
ω（ｒａｄ／ｓｅｃ）＝｛δ（ｔ）−δ（ｔ−１）｝／Δｔ
の式により演算する。ちなみに、前式におけるΔｔ（ｓｅｃ）は電流位相δの取得周期、δ（ｔ−１）はｔ−Δｔで取得した電流位相、δ（ｔ）はｔで取得した電流位相である。
【００２４】
尚、前記のようにして求められた角速度ωはΔｔが小さい値であると１回毎のばらつきが大きくなってしまうことがあるため、ＬＰＦ（ローパスフィルター）やＰＩ制御による周知のフィルター処理によりばらつきを減らす処理を施したものを角速度ωとすることが望ましい。勿論、前記同様のフィルター処理をＦＩＲフィルターやＩＩＲフィルター等を利用してデジタル演算で実施するようにしても構わない。
【００２５】
位相差演算部１１は、電流位相・電流波高値演算部９から得られるモータ電流波高値Ｉと角速度演算部１０で求められた角速度ωと目標とする電流位相進み角βに基づいて位相差α演算する。以下に位相差αの演算方法について図４を引用して説明する。
【００２６】
図４は、電機子鉄心の磁束を基準位置とした回転軸系のモータベクトル図である。同図におけるＩａは電機子のＮ極を基準位置としたときのモータ電流波高値を示し、このモータ電流波高値Ｉａのｄ軸成分Ｉｄとｑ軸成分Ｉｑは下記式により求めることができる。尚、下記式におけるφは、回転軸の基準位置（電機子鉄心の軸位置）と固定軸の基準位置（Ｕ相の巻線位置）との角度差を表す。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
また、モータ電流波高値ＩａはＩａ＝√（Ｉｄ２  ＋Ｉｑ２  ）＝Ｉとなり、座標の角度φによらず先に述べたモータ電流波高値Ｉと同じ値となる。
【００２９】
ここでは電機子鉄心の磁束を基準位置としているため角度φは不明であるが、Ｉａ＝Ｉの関係が成り立ち、しかも、目標とする電流位相進み角はβであるので、モータ電流波高値Ｉと電流位相進み角βよりｄ軸成分Ｉｄとｑ軸成分は、
Ｉｄ＝−Ｉ×ｓｉｎ（β）
Ｉｑ＝Ｉ×ｃｏｓ（β）
の式によって求めることができる。
【００３０】
また、モータ定数であるところのｄ軸インダクタンスをＬｄ、ｑ軸インダクタンスをＬｑ、モータ巻線抵抗をＲａ、磁石の磁束をΨａとし、誘起電圧をωΨとすると、総合電機子鎖交磁束ΨはΨ＝Ψａ＋ＬｄＩｄ＋ＬｑＩｑ、電圧ＥはＥ＝ωΨ＋ＲａＩａによってそれぞれベクトル演算できるので、これによりｑ軸からの電圧位相進み角γを求めることができ、位相差αを
α＝γ−β
の式によって求めることができる。
【００３１】
ちなみに、前記位相差αは前述のような演算で求める代わりに前記のモータ電流波高値Ｉと誘起電圧の角速度ωから決定することも可能である。例えば、角速度ωが１００（ｒａｄ／ｓｅｃ）で、モータ電流波高値Ｉが５０Ａであるときには、位相差αを２０ｄｅｇとするような決定方法である。このような決定方法を行う場合には、予め前述の演算により得た結果を位相差データテーブルとしてメモリに保管するか、或いは、実験により得た結果を位相差データテーブルとしてメモリに保管しておき、位相差データテーブルからモータ電流波高値Ｉと角速度ωをパラメータとして適当な位相差αを選択する方法が利用できる。
【００３２】
電圧位相設定部１２は、電流位相・電流波高値演算部９で求められた電流位相δと位相差演算部１１で求められた位相差αに基づいて電圧位相θを設定する。具体的には、電流位相δ＋位相差α＝電圧位相θとする演算及び設定を行う。この電圧位相θは相電圧設定部５において次に印加する相電圧位相として用いられる。
【００３３】
最大電圧値制限部１３は、電流位相・電流波高値演算部９で求められたモータ電流波高値Ｉを監視し、単位時間当たりの電圧変動（電流変動も同じ）が所定値、例えば１０Ｖ／ｓｅｃを越えないように相電圧設定部５で設定される出力電圧を制限して、電流変動や角速度変動の影響によって図４に示したモータベクトル図が成り立たなくなることを防止する。これ以外にも、モータ電流波高値Ｉが電力変換部２のスイッチングトランジスタに流せる最大電流値を越えたときに出力電圧を徐々に下げていって電流値を制限する方法や、或いは、モータ電流波高値Ｉが電力変換部２のスイッチングトランジスタに流せる最大電流値を越えたときに相電圧設定部５に出力停止の指令を送出する方法を採用しても構わない。
【００３４】
ここで、先に述べた指令電圧決定部６における指令電圧決定方法と、相電圧設定部５における相電圧決定方法について説明する。
【００３５】
指令電圧決定部６は、回転数指令７によって指示された目標モータ回転数（誘起電圧の角速度）に角速度演算部１０で求められた角速度ωを加算器１４を通じてフィードバックさせて、Ｐ制御やＰＩ制御等の処理により指令電圧（電圧のピーク出力値や実効電圧値）を決定する。これとは別に、角速度演算部１０で求められた角速度ωのフィードバックを行わずに、指令電圧＝モータ回転数×Ｋ（Ｋは比例定数）によって指令電圧を決定するようにしても構わない。
【００３６】
相電圧設定部５は、指令電圧決定部６で決定された指令電圧と電圧位相設定部１２で設定された電圧位相θに基づいて各Ｕ，Ｖ，Ｗ相への出力電圧を決定する。ちなみに、ここでの電圧位相θは電流位相・電流波高値演算部９で求められた電流位相δに位相差演算部１１で求められた位相差αを加えたものである。
【００３７】
モータ１への各相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは通常運転ではそれぞれ２／３πずつ位相が遅れているので、電圧位相をθ、電圧のピーク出力値（√２×実効電圧値）をＶとすると、
Ｖｕ＝Ｖ×ｃｏｓ（θ）
Ｖｖ＝Ｖ×ｃｏｓ｛θ−（２／３）π｝
Ｖｗ＝Ｖ×ｃｏｓ｛θ＋（２／３）π｝
となり、電圧のピーク出力値Ｖが所定値であることから電圧位相θが定まれば各相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを決定することができる。
【００３８】
具体的な例を図５を引用して説明すると、モータ運転中における各Ｕ，Ｖ，Ｗ相への出力電流波形は図５の上側のようになる。ある時刻ＰでＵ相及びＷ相の出力電流Ｉｕ，Ｉｗを検出したときの電流位相がδで位相差αが４５ｄｅｇであるときには、同時刻ＰにおけるＵ相電圧Ｖｕは
Ｖｕ＝Ｖ×ｃｏｓ（δ＋４５ｄｅｇ）
となり、Ｖ相電圧Ｖｖは
Ｖｖ＝Ｖ×ｃｏｓ｛δ−（２／３）π＋４５ｄｅｇ｝
となり、Ｗ相電圧Ｖｗは
Ｖｗ＝Ｖ×ｃｏｓ｛δ＋（２／３）π＋４５ｄｅｇ｝
となり、各Ｕ，Ｖ，Ｗ相への出力電圧波形は図５の下側のようになる。
【００３９】
図４を用いて説明した演算方法によって位相差αを求めるケースではｄｐ軸が仮想であって実際のモータ軸位置が不明であることから、求められた電圧・電流位相にてモータ１を運転させても運転が安定しないのではないかの疑問に関して図６を引用して補足説明を行う。
【００４０】
図６は、図４に対応する回転軸系のモータベクトル図である。同図では電流位相進み角βを零としてあるため、総合電機子鎖交磁束Ψはベクトル演算上でΨ＝Ψａ＋ＬｑＩｑ、電圧Ｅはベクトル演算上でＥ＝ωΨ＋ＲａＩａとなり、定常運転で必要な電圧Ｅは図６に示すＥ１となる。
【００４１】
しかし、図４で説明した演算方法では電流位相進み角βがβ＞０の場合を想定して電圧位相進み角γを付加しているため実際に印加される電圧は図６にＥ０で示すものとなり、前記の電圧Ｅ１との間にずれが生じてしまう。このため電流値はＥ０−Ｅ１＝Ｌ×（ｄＩ／ｄｔ）（ベクトル値）に従ってｄ軸成分Ｉｄが増加しｑ軸成分Ｉｑが減少するように変動して結果的に電流位相進み角βは図４の状態に近づいていき、さらにこの影響でモータ回転数が増した場合には角速度ωが増加して安定な状態となる。無論、電流位相進み角βに一定位相αを加えた電圧位相進み角γを持つ電圧を印加しても結果的にモータ１は安定して回転し続けることになる。
【００４２】
このように仮想のｄｐ軸がずれている場合でもモータ１が安定して回転するように電流位相進み角βとｄ・ｐ軸成分Ｉｄ，Ｉｐと角速度ωが変位するため、結果的に電圧Ｅを一定に保った状態でモータ１を安定して回転させることが可能となる。
【００４３】
このように前述のモータ制御装置によれば、モータ軸位置を予測せずに、基本的には電圧を一定に保ち、且つ、電流・電圧位相を常時監視して一定位相差を保ってモータ１を運転することができる。また、モータ１を駆動するための制御に複雑な演算を必要とせず、しかも、モータ軸位置を予測するための複雑な演算も不要であることから、モータ軸位置を検出するためのセンサを有しないモータ１を安価且つ簡単な制御回路によって安定に運転することができる。
【００４４】
尚、前述の実施形態では、モータとして３相ブラシレスＤＣモータを示したが、これ以外の同期モータを駆動する場合でも前記同様の制御方法により同様の作用効果を得ることができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、同期モータを駆動するための制御に複雑な演算を必要とせず、しかも、モータ軸位置を予測するための複雑な演算も不要であることから、モータ軸位置を検出するためのセンサを有しない同期モータを安価且つ簡単な制御回路によって安定に運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のモータ制御装置のブロック図
【図２】本発明の一実施形態を示すモータ制御装置のブロック図
【図３】図２に示した電力変換部の詳細図
【図４】β＞０の回転軸系モータベクトル図
【図５】出力電流波形と出力電圧波形を示す図
【図６】β＝０の回転軸系モータベクトル図
【符号の説明】
１…モータ、２…電力変換部、３…直流電源、４…ＰＷＭ信号作成部、５…相電圧設定部、６…指令電圧決定部、７…回転数指令、８…相電流検出部、９…電流位相・電流波高値演算部、１０…角速度演算部、１１…位相差演算部、１２…電圧位相設定部、１３…最大電圧値制限部、１４…加算器。
【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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