(57)【要約】分割及びタップされ、印加される交流電流の導電角度が１又はそれ以上のタップで変化して、モータが制御される方向に起動し、同期速度まで制御されるトルクとなるのを可能にする位相巻線を有する同期モータ。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
極を有する回転子と、固定子とを具える交流駆動モータを起動及び制御する方法であって、前記固定子が極ごとに少なくとも１の励磁コイルを有し、
交流電源と同期するスイッチング手段で、交流電流を少なくとも１の励磁コイルを通して前記モータに一時的に供給し、回転方向に前記モータを起動するステップと；
前記回転方向が異常となる時を検出し、前記交流電源を切断し、前記モータが停止するのを可能にするステップと、
そうでない場合に：
前記励磁コイルのうちの少なくとも１つが、励磁された場合に加速トルクを前記回転子に供給できる時を検出するステップと；
前記コイルが回転加速度を提供する少なくとも一部分の期間、供給電流を前記コイルに接続するステップと；
同期回転速度に向けて前記回転子を加速するステップと；
によって、前記コイルへの供給電流の接続を制御するステップと；
を具えることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法が、一度加速された場合に、前記回転子を同期回転速度で維持するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法が、前記回転子と生成される磁場とが平行になるまで、コイル又はコイルの組合せに印加される供給電流を維持するステップによって、前記回転子を初期調整するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法が、前記コイルの逆ＥＭＦ及び印加電圧の双方が同相である少なくとも一部分の期間に、コイル又はコイルの組合せに前記交流電源を接続するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、１又はそれ以上のコイルが加速トルクを前記回転子に供給できる時を検出する前記ステップが、少なくとも１のコイル又はコイルの組合せでの逆ＥＭＦを検出するステップ、前記モータに印加されるＡＣ電圧を検出するステップ、前記印加電圧が、前記逆ＥＭＦと同一極性である時を検出するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法において、前記スイッチング手段がトライアックであり、当該トライアックのゲート電圧がモニタされて、前記トライアックが非導電である時と、前記トライアックが非導電である場合に前記トライアックを横切る電圧から得られる逆ＥＭＦを表わす値とを決定することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、同期速度で、前記回転加速度が同期性を保持する最小値に維持されることを特徴とする方法。
【請求項８】
交流駆動同期モータ制御回路が、
複数の極を有する回転子と、極ごとに少なくとも１の励磁コイルを有する固定子とを有するモータ内の少なくとも１のコイル又はコイルの組合せに交流電流を供給するスイッチング手段と；
コイル又はコイルの組合せへの逆ＥＭＦが、印加電圧と同一極性となる時を検出する検出手段と；
当該検出手段によって検出される少なくとも一部分の期間に、前記スイッチング手段を動かす起動手段と；
を具えることを特徴とする交流駆動同期モータ制御回路。
【請求項９】
請求項８に記載の交流駆動同期モータ制御回路において、前記スイッチング手段が少なくとも２の隣接したコイルを別個にスイッチングすることを特徴とする交流駆動同期モータ制御回路。
【請求項１０】
請求項８に記載の交流駆動同期モータ制御回路において、当該回路のスイッチング手段が制御電極を有し、前記回路は、スイッチが導電されていないことを、スイッチング手段の前記制御電極での測定値が示す場合に、前記スイッチング手段を横切って測定されるような前記逆ＥＭＦと比較することを特徴とする交流駆動同期モータ制御回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は交流駆動同期モータに関する。
【０００２】
特に、本発明は交流（ＡＣ）駆動式同期モータに関する。
【背景技術】
【０００３】
同期モータはＡＣ電源周波数と正確に比例する走行速度を有するモータとして、あるいは、モータの逆ＥＭＦと同期する電流の波形によって駆動されるモータとしてのいずれかで定義できる。後者の定義は、効率性の理由のために、電気的あるいは他の制御によってＡＣ供給に固定された少なくともいくつかのＡＣ供給型ブラシレス式のＤＣモータを具えている。
【０００４】
ＡＣ駆動型の同期モータは、駆動周波数に依存する回転速度に固定されるため、一定速度の駆動を要求する給電機械の有効かつ公知の方法である。モータ速度が同期速度に近くならない限り、言い換えれば、同期速度が低くならない限り、単方向の起動トルクがないため、このようなモータを起動することは難しい。
【０００５】
一般的にこのことは、低速度でモータを起動可能な様々な周波数の電源の使用、つまり、起動トルクを供給する別のモータ（少なくとも部分的に同一の巻線を用いた誘導モータのような）との前記モータとの組合せ、あるいは初期移動を提供し次いで単一方向のみに移動可能にするいくつかの機械デバイスの使用のいずれかを表している。多くに共通する特徴が同期モータに対する起動方向を決めることにおける困難性であるが、後者の例は様々なクラッチ及び弾き起動器を具えており、いずれの回転方向にも等しく良く固定される。
【０００６】
いくつかの解決は、別個の起動巻線を用いる米国特許第５，８５９，５１３号に、及び、機械的な逆方向保護を用いる米国特許第４，７１６，３２５号に示されている。米国特許第３，５２９，２２１はモータを起動するのにスイッチされる巻線を有する、くま取り磁極モータを示し、方向及びトルクの起動の制限された制御を提供している。これらのモータの性能は要求の少ないアプリケーションの狭い範囲でのみ良好であり、構成が複雑である。
【０００７】
供給周波数に固定するモータを提供する他の方法は、機械回転子の回転を検出するホール効果センサと、必要な情報をモータに与え、主電源に対する回転を固定するコントローラとを有する一般的な多相インバータ駆動装置であるブラシレス式ＤＣモータの使用を含んでいる。このようなモータは駆動及び制御に費用がかかる。
【０００８】
従って、過度の機械的又は電気的な複雑性なく起動し、ＡＣ電源に同期する回転速度に到達しそれを維持する同期モータを提供する問題に対する解決に対するニーズは存在する。
【０００９】
本発明は従来技術を超える利点を提供し、あるいは公衆に有用な選択を少なくとも提供する、この問題及び他の問題に対する解決を提供している。
【００１０】
本明細書中に引用された任意の特許あるいは特許出願を含む総ての文献は、引用によってここに取り込まれている。どの文献も従来技術を構成するという承認がなされていない。文献の考察は、その著者が主張すること及び出願者が権利を受けて、引用文書の精度及び適切度を検証することを述べている。多数の従来技術の刊行物がここに引用されているが、この引用はこれらの文書のいずれかがニュージーランド内あるいはその他の国内で当該技術分野の共通の汎用知識の一部を形成するという承認を構成しないことを理解すべきである。
【００１１】
用語「具える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」は、変化する支配権の下で、排他的あるいは包括的な意味のいずれかで属性づけできることが認容される。本明細書の目的のために、及び、特に断りのない限り、用語「具える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」は包括的な意味を有すべきであり、すなわち、直接的に引用する列挙された構成要素だけではなく、他の特定されない構成要素又は要素の包括を意味するように取られるであろう。用語「具える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」あるいは「具えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」が方法あるいは処理において１又はそれ以上のステップに関連付けて用いられる場合にも、この原理は用いられる。
【００１２】
ここで用いられた用語「モータ位相（ｍｏｔｏｒ  ｐｈａｓｅ）」は、モータに印加されるＡＣ電圧とモータによって精製される逆起電力（ＥＭＦ）との間の位相角である。この値は通常、いずれのモータ構成についても、回転子位置と印加されるＡＣ電圧との間の位相とほぼ等価である。
【発明の概要】
【００１３】
一具体例においては、本発明は、極を有する回転子と、固定子とを具える交流駆動モータを起動及び制御する方法からなり、前記固定子が極ごとに少なくとも１の励磁コイルを有し、
交流電源と同期するスイッチング手段で、交流電流を少なくとも１の励磁コイルを通して前記モータに一時的に供給し、回転方向に前記モータを起動するステップと；
前記回転方向が異常となる時を検出し、前記交流電源を切断し、前記モータが停止するのを可能にするステップと、
そうでない場合に：
前記励磁コイルのうちの少なくとも１つが、励磁された場合に加速トルクを前記回転子に供給できる時を検出するステップと；
前記コイルが回転加速度を提供する少なくとも一部分の期間、供給電流を前記コイルに接続するステップと；
同期回転速度に向けて前記回転子を加速するステップと；
によって、前記コイルへの供給電流の接続を制御するステップと；
を具えている。
【００１４】
好ましくは本発明は、一度加速された場合に、前記回転子を同期回転速度で維持するステップを具えている。
【００１５】
好ましくは本発明は、前記回転子と生成される磁場とが平行になるまで、コイル又はコイルの組合せに印加される供給電流を維持するステップによって、前記回転子を初期調整するステップを具えている。
【００１６】
好ましくは本発明は、コイル又はコイルの組合せに供給電流を一時的に提供するステップによって、ランダムな方向に前記モータを起動させるステップを具えている。
【００１７】
好ましくは本発明は、前記コイルの逆ＥＭＦ及び印加電圧の双方が同相である少なくとも一部分の期間に、コイル又はコイルの組合せに前記交流電源を接続するステップを具えている。
【００１８】
好ましくは、１又はそれ以上のコイルが加速トルクを前記回転子に供給できる時を検出する前記ステップが、少なくとも１のコイル又はコイルの組合せでの逆ＥＭＦを検出するステップ、前記モータに印加されるＡＣ電圧を検出するステップ、前記印加電圧が、前記逆ＥＭＦと同一極性である時を検出するステップ、を具えている。
【００１９】
好ましくは、同期速度に向けて前記回転子を加速する前記ステップは、前記逆ＥＭＦと印加されたＡＣ電圧が同一極性である場合に、前記ＡＣ電圧を前記コイル又はコイルの組合せに接続するステップを具えている。
【００２０】
好ましくは、前記スイッチング手段がトライアックであり、当該トライアックのゲート電圧がモニタされて、前記トライアックが非導電である時と、前記トライアックが非導電である場合に前記トライアックを横切る電圧から得られる逆ＥＭＦを表わす値とを決定している。
【００２１】
好ましくは、同期速度で、前記回転加速度が同期性を保持する最小値に維持されている。
【００２２】
交流駆動同期モータ制御回路が、
複数の極を有する回転子と、極ごとに少なくとも１の励磁コイルを有する固定子とを有するモータ内の少なくとも１のコイル又はコイルの組合せに交流電流を供給するスイッチング手段と；
コイル又はコイルの組合せへの逆ＥＭＦが、印加電圧と同一極性となる時を検出する検出手段と；
当該検出手段によって検出される少なくとも一部分の期間に、前記スイッチング手段を動かす起動手段と；
を具えている。
【００２３】
好ましくは、前記スイッチング手段が少なくとも２の隣接したコイルを別個にスイッチングしている。
【００２４】
好ましくは、前記隣接するコイルが、タップポイントを有する極コイルによって構成されている。
【００２５】
好ましくは、前記回路のスイッチング手段が制御電極を有し、前記回路は、スイッチが導電されていないことを、スイッチング手段の前記制御電極での測定値が示す場合に、前記スイッチング手段を横切って測定されるような前記逆ＥＭＦと比較している。
【００２６】
本発明を特徴付ける同様の利点のこれらの及びその他の特徴は、以下の詳細な説明を読むこと、及び関連する図を見ることで明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、モータ配置の一般的な投射図である。
【図２】図２は、図１のモータで用いるための回路のブロック図である。
【図３】図３は、図２の回路駆動に好適なフロー図である。
【図４】図４は、方向決定のための巻線の逆ＥＭＦの比較を示す。
【図５】図５は、巻線により発生したトルクを示す。
【図６】図６は、低速でのモータ電流の制御を示す。
【図７】図７は、高速でのモータ電流の制御を示す。
【図８】図８は、同期時の回路電流及び電圧を示している。
【図９】図９は、負荷トルクに対する供給トルクのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１によると、同期モータは一般的に磁極片１０１と磁石１０２とを有する回転子からなり、回転子の駆動軸や被駆動連結は図示されていない。
【００２９】
固定子１０２は、積層鋼材のような円環状磁性部材である地鉄１０５と巻線されたボビン１０３、１０４からなり、ボビンはモータの各極上に巻線を形成し、ボビンはボビン１０３の第１の巻線とボビン１０４の第２の巻線を形成し、巻線は全体で固定子の全周縁に内在していない。各側にあるボビン上の巻線は一般的には、総ての４つのボビンに沿って連続的に巻かれた単一電線からなるが、ボビンの両側板上の溝に配置されたタップポイントに延在される。タップポイントは各対のボビン間にあるか、１のタップポイントのみが、ボビン１０３、１０４間に配置されて存在するかである。一般的には単相機器の各極上にある巻線は１２０乃至１３５度で内在する。
【００３０】
単相ＡＣ電源は、モータの各側上にあるボビンに接続され、異なる巻線部分を通る電流が位相制御されて単方向トルクを提供する一方、モータは同期速度未満となる。このことにより、ＡＣ電源周波数に対する回転子速度の検出と、同期速度と異なる速度に依存した、一部分の巻線における電流制御とが要求している。多くの可能な巻線接続を用いて、要求される制御を提供できる。
【００３１】
図２に示したような回路は、交流電源２０１が巻線２０４及び２０５に接続された場合に用いられ、総ての巻線１０３が一般的に直列であり、総ての巻線１０４が直列である場合の巻線１０３及び１０４を表わしている。２０４ｔ０２０５との間の巻線タップはトライアック２０７と接続され、巻線の接続端はトライアック２０６と接続されている。
【００３２】
２１３、２１４を介した印加ＡＣ電圧を供給し測定するマイクロプロセッサ制御２１２は、ＡＣ電圧の位相と、結線２１０を介したタッピングポイントでの電圧と、結線２１１を介したエンドポイントでの電圧と、結線２０８、２０９を介した各トライアックのゲートでの電圧とに基づき、既知の方法でソフトウェア制御下のトライアックの点孤角を制御している。
【００３３】
結線２１０、２１１はトライアックがオンになった場合にトライアックを横切る電圧を、及び、トライアックがオフになった場合に逆ＥＭＦをモニタしている。逆ＥＭＦの検出によって、回転子が印加電圧に応じて回転しているかどうかと、どのような回転速度かと、回転子位置が巻線とどのように関連しているかとを測定できる。選択的に逆ＥＭＦは、トライアックのゲート電圧がトライアックがオフであることを示す場合に、測定できる。
【００３４】
この情報を用いて、まず既知の位置に非回転の回転子を配列させ（通常は双方の巻線を軽く励磁してそれらの間に回転子を中央配置することにより）、次いで巻線の２分の１を励磁して所望の方向に初期の回転子回転を起動し、次いでコイルの周期性励磁を制御して回転子が同期速度になるまで回転子より早い回転磁界を維持することにより、回転子を進めることが可能である。
【００３５】
標準的な同期モータは回転子が９０度まで回転磁界に遅れるまで負荷され、その時点で最大トルクを提供する。その時点を越えて負荷を増大させるどんな試みも、モータに同期性を失って低下させ、停止させるであろう。逆ＥＭＦを感知することによって、回転遅れの検出と個別の巻線の制御とを、９０度以上の遅れ因子と上手く同期する回転子を維持することを可能にするため、２つの巻線の制御された磁界を用いて、９０度の遅れを超えることは可能である。
【００３６】
図３は、（ａ）モータを正確な方向に回転させ起動することと、（ｂ）モータを同期速度まで至らせることと、（ｃ）変化する負荷の下で、モータを同期して維持することと、に関する３の動作領域から本質的に成るマイクロコントローラのフロー図を示している。
【００３７】
初期にスイッチオンされた場合、モータは任意の位置に配列でき、コイルが励磁されるとすぐに、いずれかの方向に回転できる。正確な方向での回転のみが許容されることを保証するために、ステップ３０１で開始する手順がまず生じる。この手順は１の要求された静止位置への初期配列とは異なり、代わりに一方向にシステムをランダムに励磁している。これはコイル２０４及び２０５（フロー図、及び、直列接続でＡＢを有する図におけるそれぞれＢとＡ）を励磁することから成るプロセスを用い（フロー図においてはそれぞれＢとＡ、直列接続でＡＢを用いた図）、このようにして図２でのコイル２０５が単独で提供できるよりも高いアライメント電流を提供する。短期間の励磁のみがステップ３０２に提供され、結果としてコイル２０５（Ｂ）を横切る逆ＥＭＦは３０３、３０４で測定されて、励磁の方向を決定している。
【００３８】
図４はどのようにしてこの測定が実行されるかを示し、初期機動力がモータに供給された場合の、Ａを横切る相対的に正規化された逆ＥＭＦ４０１が４０３に、結線ＡＢを横切るものが４０４に示されている。電圧４０３の位相が４０４より進む場合、モータは一方向に回転する。遅れる場合、モータは他方向に回転する。
【００３９】
逆ＥＭＦの検出を可能にするのに十分な速度で回転子を回転するのに、数周期の印加電流を要求するが、一度測定できた場合、進むか遅れるかを決定すること、ひいては、３０５での回転方向を決定することが可能である。回転方向が不適切な場合、プログラムは３０１にループバックし、短期の待機後、本質的にランダムに励磁電圧を更に印加する。このプロセスによって、モータが適切な方向に最終的に起動するようになる。
【００４０】
この時点で、ステップ３０６で起動された手順が実行され、Ｂのコイルを横切るＥＭＦが更に３０６で測定され、回転子位置が印加電圧と検出電圧との間の位相差から３０７で算出され、回転子速度が印加電圧の連続周期での回転子位置の差から３０８で算出される。３０９での位置の無変化及び零速度の検出は、モータが止まっているため、全手順が３０１から再開され、そうでない場合は、速度が３１１で同期速度未満であると認識された場合、Ａコイルを用いた手順は３０５へ再入力される。
【００４１】
図５は、標準的な同期モータと異なるモータが、どのようにして低速度からでも連続トルクを生成するかを示している。図は５０４でのＡ巻線及び５０３でのＡＢ列の巻線のトルク寄与に対するモータの機械的回転についてプロットして、５０１で正規化トルクを示している。角巻線に対するトルクが回転ごとの２つの零の点を通過する間に、結線は回転中ずっと適切なトルクを生成しており、モータが零に近い回転速度からの負荷を伝えることができることを示している。
【００４２】
最終的に、回転子は同期速度に到達し、更に回転位置及び速度が、コイルＢを横切って、あるいは、電圧が印加されない場合のＡ＋Ｂの直列結線を横切って取得される逆ＥＭＦから算出される、３１２で起動される手順に切り替わる。回転子位置から、どの程度、回転子が同期時の所望の回転子位置と位相のずれがあるかを決定できる。この位相誤差は印加トルクを増減させ、回転子を所望の位置まで戻させるような方法で、コイルに印加される電圧の点孤角を変えることによって補正される。
【００４３】
本方法において、モータは選択された出力速度で設定でき、印加したＡＣと実際に同期したか否かに関わらず、その速度で維持できる。更に位相進みあるいは遅れは、少なくともある角度で制御されて、最大限可能な効率性を提供している。
【００４４】
同期未満の回転子速度では、トライアックが各々の連続的な周期セットの回転子の回転時に同一時点でトリガできるため、回転子の回転ごとのＡＣ周期の数は、磁極の数によって割り算された整数である場合、回転子はトライアックあるいは同様にトリガされるスイッチング装置によって最も容易に制御される。制御が最も簡単に得られる回転速度は従って全同期速度の１／５、１／４、１／３、２／５、１／２、２／３等である。マイクロプロセッサは、回転子を全同期速度にさせる、このような数列を通って増大するように配置できる。
【００４５】
図６は同期未満の速度で十分に生成されたトルクを示し、６０１で測定された印加電圧６０２と、６０３で巻線Ａを横切る逆ＥＭＦと、巻線Ａを通る電流でスイッチすることによって生成される６０４で測定されるトルク６０５とを示している。トライアック２０６、２０７を制御するプロセッサは、適切な方向のトルクが得られ、即時印加電圧及び即時逆ＥＭＦに与えられた場合に、適切なものをオンにスイッチするであろう。このように、ゼロクロススイッチングが用いられるため、時間通りの実際のスイッチは理論的な最大値より低いが、印加電圧及び逆ＥＭＦが同一の極性の場合はいつでも、関連するコイルに対するトライアックは有用にオンにスイッチできる。
【００４６】
図７は図６と同一の読取り値であるが、２倍のモータ回転速度について、つまり２０００ＲＰＭでの読取り値を示している。印加ＡＣ及び逆ＥＭＦが比較的長い間、位相のずれを残す場合、トルクを生成する機会は低減することが留意すべきである。従って、このことにより、モータが速度上昇する場合に、起動トルクと比較してトルクの低減を生ずるであろう。
【００４７】
逆ＥＭＦが印加電圧より進む場合の標準的な同期モータとは対照的に、５０１で測定され、５０２で示されたＡＣ電源がモータに印加されて、印加電圧に遅れる巻線ＡＢを通る逆ＥＭＦ５０３を生成する場合の同調性の一般波形を図８は示している。同期速度より早くモータを動作させることが可能であるため、点孤時間を制御することによってトライアックを通る電流が制御されて、同期状態でモータを維持するのに要求されるトルクを提供している。有用な動作特徴は、最小電力が電源供給線から得られてＡＣ電源と同期してモータを維持するモードで、モータが維持できることである。印加電圧と９０度の位相遅れで、最大トルク及び効率を提供し、負荷が増大した場合に同期せずに低減して、再起動を要求する一般的な同期モータと比較して、本発明のモータは負荷増大時に同期速度まで元通りに制御することだけを要求し、効率性のために要求された位相進み又は遅れで維持できる。波形は進み位相角を有するモータを示している。
【００４８】
図９は一般的なファンの負荷について負荷トルクに対するモータトルクの一般的な変化を示している。４０１では、ニュートンメータでのトルクが、４０３で巻線Ａに対し、４０４で巻線Ｂに対し示され、双方が増加する回転速度４０２と共に減少することを示している。負荷ファンによって吸収されるトルクは、４０５で示され、印加トルクと吸収トルクとの間の平衡が、最終的に安定した動作速度を提供している。
【００４９】
示されたモータは２極モータであるが、この技術は多極モータにも適用でき、増加するタップ数に対する更なるスイッチング装置を有するコントローラのみを要求する。アプリケーションに依存して、単一の極又は１対の極の上にある１対のコイルのみが、起動トルクが非常に小さい場合に起動巻線として設定されるに必要があるため、総ての巻線が制御するには及ばない。
【００５０】
この記載は制御されたコイルを担持する固定子についてであるが、構成は制御回路及び制御されたコイルを担持する回転子に対して等しく適用可能である。
【００５１】
本発明の様々な実施例の数多くの特徴及び利点が、構成の詳細及び本発明の様々な実施例の機能と共に前述において説明してきたが、本開示は例示のみであり、本発明の機能が不利に与えられない限り、変化は詳細に為されうる。例えば、モータの極の数のような特定の要素は、本発明の精神及び範囲内で変更なく用いられる特定のアプリケーションに依存して変更できる。
【００５２】
更に、ここに述べた好ましい実施例は低電力流体ポンプのようなシステム用途の交流電流同期モータに向けられているが、本発明の教示が本発明の範囲及び精神を離れることなく、工業用ファンモータのような他のシステムに適用できることは、当該技術分野の当業者にとって明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明のモータは電気産業分野で用いられ、一般的には例えば、流体ポンプ又はファンモータとして国内ホワイトウェア産業に用いられる。従って本発明は産業上利用可能である。
【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】
2010503367.tif 000007
【図６】
2010503367.tif 000008
【図７】
2010503367.tif 000009
【図８】
2010503367.tif 000010
【図９】
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【国際調査報告】
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2010503367.tif 000013