(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上位装置から発せられる位置指令と制御対象の位置との位置偏差を比例ゲインによって増幅して出力する位置制御手段と、
前記位置制御手段から出力された値を調整ゲインを２乗した値によって増幅して出力する第１の増幅手段と、
前記位置指令と制御対象との位置偏差を微分する微分手段と、
前記微分手段により求められた値を微分ゲインによって増幅して出力する速度制御手段と、
該速度制御手段から出力された値を前記調整ゲインによって増幅して出力する第２の増幅手段と、
前記位置指令を２回微分した値を第１のフィードフォワードゲインにより増幅した値と、前記位置指令を微分した値を第２のフィードフォワードゲインおよび前記調整ゲインにより増幅した値とを加算することにより得られた値を出力するフィードフォワード制御手段と、
前記第１および第２の増幅手段と、前記フィードフォワード手段とからそれぞれ出力された値どうしを加算した値をトルク指令とし、該トルク指令に基づいて前記制御対象を駆動するトルク制御器とを備えた位置制御装置。
【請求項２】
上位装置から発せられる位置指令と制御対象の位置との位置偏差を比例ゲインによって増幅して出力する位置制御手段と、
前記位置制御手段から出力された値を調整ゲインを２乗した値によって増幅して出力する第１の増幅手段と、
前記位置指令と制御対象との位置偏差を微分する微分手段と、
前記微分手段により求められた値を微分ゲインによって増幅して出力する速度制御手段と、
該速度制御手段から出力された値を前記調整ゲインによって増幅して出力する第２の増幅手段と、
前記位置指令と制御対象との位置偏差を積分する積分手段と、
前記積分手段により求められた値を積分ゲインによって増幅して出力する積分制御手段と、
該積分制御手段から出力された値を前記調整ゲインを３乗した値によって増幅して出力する第３の増幅手段と、
前記位置指令を２回微分した値を第１のフィードフォワードゲインにより増幅した値と、前記位置指令を微分した値を第２のフィードフォワードゲインおよび前記調整ゲインにより増幅した値と、前記位置指令を第３のフィードフォワードゲインおよび前記調整ゲインを２乗した値により増幅した値とを加算することにより得られた値を出力するフィードフォワード制御手段と、
前記第１、第２および第３の増幅手段と、前記フィードフォワード手段とからそれぞれ出力された値どうしを加算した値をトルク指令とし、該トルク指令に基づいて前記制御対象を駆動するトルク制御器とを備えた位置制御装置。
【請求項３】
上位装置から発せられる位置指令と制御対象の位置との位置偏差を比例ゲインによって増幅して出力する位置制御手段と、
前記位置制御手段から出力された値を調整ゲインを２乗した値によって増幅して出力する第１の増幅手段と、
前記位置指令と制御対象との位置偏差を微分する微分手段と、
前記微分手段により求められた値を微分ゲインによって増幅して出力する速度制御手段と、
該速度制御手段から出力された値を前記調整ゲインによって増幅して出力する第２の増幅手段と、
前記位置指令と制御対象との位置偏差を積分する積分手段と、
前記積分手段により求められた値を積分ゲインによって増幅して出力する積分制御手段と、
該積分制御手段から出力された値を前記調整ゲインを３乗した値によって増幅して出力する第３の増幅手段と、
前記位置指令と制御対象との位置偏差を２回微分する２回微分手段と、
前記２回微分手段により求められた値を加速度ゲインによって増幅して出力する加速度制御手段と、
前記位置指令を２回微分した値を第１のフィードフォワードゲインにより増幅した値と、前記位置指令を微分した値を第２のフィードフォワードゲインおよび前記調整ゲインにより増幅した値と、前記位置指令を第３のフィードフォワードゲインおよび前記調整ゲインを２乗した値により増幅した値とを加算することにより得られた値を出力するフィードフォワード制御手段と、
前記第１、第２および第３の増幅手段と、前記加速度制御手段と、前記フィードフォワード手段とからそれぞれ出力された値どうしを加算した値をトルク指令とし、該トルク指令に基づいて前記制御対象を駆動するトルク制御器とを備えた位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象の位置決めを行う位置制御装置に関し、特にモータの位置決めを行う位置制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、従来の位置制御装置の構成を示す制御ブロック線図である。図１２に示すように、従来の位置制御装置は、位置制御器１と、速度制御器２と、モータ４と、微分器５とから構成されている。この従来の位置制御装置は、イナーシャがＪ［Ｎ・ｍ・ｓ2］であるモータ４の位置θ［ｒａｄ］を制御するものである。また、通常は、作成されたトルク指令を入力しトルクを発生させてモータ４を駆動するためのトルク制御器が設けられるが、トルク制御器の応答は無視することができるほど充分速いものとして図中からは省略している。
【０００３】
また、説明を簡単にするために、ここでは、制御対象が剛体で制御対象とモータ４の合計イナーシャをＪとすることができるものとする。
【０００４】
モータ４にはエンコーダ（不図示）が備え付けれており、エンコーダによってモータ４の位置θが検出できるようになっている。上位装置（不図示）から発せられる位置指令θrとモータ４の位置θとの位置偏差は、位置制御器１および微分器５に入力される。位置制御器１は、比例ゲインＫp［１／ｓ］によって、その偏差をＫp倍した値を出力する比例制御器である。微分器５は、位置指令θrとモータ４の位置θとの位置偏差を微分した値を出力する。速度制御器２は、微分器５により求められた値を微分ゲインＫd［１／ｓ］によってＫd倍した値を出力する比例制御器である。この従来の位置制御装置は、位置指令θrにモータ４の位置θを追従させるためのものであり、モータ４の位置θは、位置指令θrに対する位置応答である。
【０００５】
そして、この従来の位置制御装置においてモータ４を制御するためのトルクは、位置制御器１と速度制御器２とからそれぞれ出力された値どうしを加算した値をトルク指令として、図示されていないトルク制御器により生成される。
【０００６】
また、図１２に示した従来の位置制御装置に対して、積分器６、積分制御器３を新たに備えるようにした従来の他の位置制御装置を図１３に示す。
【０００７】
積分器６は、位置指令θrとモータ４の位置との位置偏差を積分してその値を出力する。積分制御器３は、積分器３により求められた値を積分ゲインＫiによって増幅して出力する。
【０００８】
そして、この従来の位置制御装置においてモータ４を制御するためのトルクは、位置制御器１、速度制御器２、積分制御器３とからそれぞれ出力された値どうしを加算した値をトルク指令として、図示されていないトルク制御器により生成される。
【０００９】
図１２、図１３に示したような従来の位置制御装置では、位置指令θrに対するθの応答、外乱Ｔdに対するθの応答等に所望の性能を発揮させるためには、ゲインＫp、Ｋd、Ｋiの値を調整して最適な値とする必要がある。この調整は、制御対象（アクチュエータとアクチュエータに接続された機械の合計）が理想的な剛体の場合には、制御理論から容易に求めることができるが、現実の制御対象は摩擦やばね要素が存在するため、調整は試行錯誤で行われているのが一般的である。そのため、パラメータの調整は、手間のかかる作業となっていた。
【００１０】
このような問題を解決するための従来の位置制御装置を図１４および図１５に示す。図１４は、図１２に示した従来の位置制御装置に対して、増幅器７、８を追加したものであり、図１５は、図１３に示した従来の位置制御装置に対して、増幅器７、８、９を追加したものである。
【００１１】
増幅器７は、位置制御器１から出力された値を調整ゲインＫgを２乗した値Ｋg2によって増幅して出力する。増幅器８は、速度制御器８から出力された値を調整ゲインＫgによって増幅して出力する。増幅器９は、積分制御器３から出力された値を調整ゲインＫgを３乗した値Ｋg3によって増幅して出力する。
【００１２】
このような従来の位置制御装置では、比例要素、微分要素、積分要素を同時に変化させるためのパラメータＫgを導入し、一旦、比例ゲインＫp、微分ゲインＫd、積分ゲインＫiを決定すれば、１つのパラメータである調整ゲインＫgを変化させるだけでバランスを保ったままゲイン調整することができるため、要求された応答特性を容易に実現することができた。
【００１３】
しかし、この図１４および図１５に示した従来の位置制御装置では、外乱応答を考慮した場合には問題がある。例えば、図１５に示した従来の位置制御装置では、位置指令θrに対する位置偏差θ1の応答である指令応答と、外乱Ｔdに対する位置偏差θ2の応答である外乱応答を計算してみると、図１６に示すようになる。このような制御系では、外乱Ｔdの影響による位置偏差θ2を小さくしようとして、Ｋp、Ｋd、Ｋi、Ｋgを調整したとしても、位置指令θrから位置偏差θ1までの伝達関数も同じパラメータのみに依存するので、指令応答における位置偏差θ1も外乱応答における位置偏差θ2とともに変化してしまう。つまり、このような構成では、いわゆる１自由度制御系であるため、フィードバック側の調整ゲインＫgだけでは調整がうまくいかない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の位置制御装置では、フィードバック制御系のゲインを１つのパラメータにより調整するために調整ゲインを用いても、外乱応答を調整する場合には要求された応答特性を実現することが困難であるという問題点があった。
【００１５】
本発明の目的は、外乱応答を調整する場合でも要求された応答特性を容易に実現することができる位置制御装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の位置制御装置は、上位装置から発せられる位置指令と制御対象の位置との位置偏差を比例ゲインによって増幅して出力する位置制御手段と、
前記位置制御手段から出力された値を調整ゲインを２乗した値によって増幅して出力する第１の増幅手段と、
前記位置指令と制御対象との位置偏差を微分する微分手段と、
前記微分手段により求められた値を微分ゲインによって増幅して出力する速度制御手段と、
該速度制御手段から出力された値を前記調整ゲインによって増幅して出力する第２の増幅手段と、
前記位置指令を２回微分した値を第１のフィードフォワードゲインにより増幅した値と、前記位置指令を微分した値を第２のフィードフォワードゲインおよび前記調整ゲインにより増幅した値とを加算することにより得られた値を出力するフィードフォワード制御手段と、
前記第１および第２の増幅手段と、前記フィードフォワード手段とからそれぞれ出力された値どうしを加算した値をトルク指令とし、該トルク指令に基づいて前記制御対象を駆動するトルク制御器とを備えている。
【００１７】
本発明によれば、フィードフォワード制御手段を備えるようにして制御系を２自由度系とし、フィードフォワード制御手段のゲインとフィードバック系のゲインを１つのパラメータである調整ゲインにより調整することができるようにしているので、要求された応答特性を決定するためのゲイン調整を簡単化することができる。
【００１８】
また、本発明では、上記の構成に加えて、位置指令と制御対象との位置偏差を積分する積分手段と、積分手段により求められた値を積分ゲインによって増幅して出力する積分制御手段と、積分制御手段から出力された値を前記調整ゲインを３乗した値によって増幅して出力する第３の増幅手段とをさらに備えるようにしてもよい。
【００１９】
さらに、本発明では、上記の構成にさらに加えて、位置指令と制御対象との位置偏差を２回微分する２回微分手段と、２回微分手段により求められた値を加速度ゲインによって増幅して出力する加速度制御手段とを備えるようにしてもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、図１４中の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略するものとする。
【００２２】
本実施形態の位置制御装置は、図１４に示した従来の位置制御装置に対して、フィードフォワード制御器１０を新たに備えるようにして、制御系を２自由度系とし、かつ、そのゲインをフィードバック系の共通パラメータである調整ゲインＫgと関連するようにしたものである。
【００２３】
フィードフォワード制御器１０は、位置指令θrを２回微分した値をフィードフォワードゲインＫff1により増幅した値と、位置指令θrを１回微分した値をフィードフォワードゲインＫff2および調整ゲインＫgにより増幅した値とを加算することにより得られた値を出力する。
【００２４】
そして、本実施形態においてモータ４を制御するためのトルクは、増幅器７，８と、フィードフォワード器１０とからそれぞれ出力された値どうしを加算した値をトルク指令として、図示されていないトルク制御器により生成される。
【００２５】
図１に示した本実施形態の位置制御装置における伝達関数は図２に示すようになるが、このとき外乱応答を決定するのは、外乱Ｔdからθ2までの伝達関数の分母のみである。これをＧdとすると以下のような式（１）により表現することができる。ただし、説明を簡単にするためにＪ＝１とする。
【００２６】
Ｇd＝Ｓ2＋Ｋg・Ｋd・Ｓ＋Ｋg2・Ｋp  ・・・・・・（１）
ここで、制御系の安定性は、特性方程式Ｇd＝０の根、つまり制御系の極ρ+、ρ-により決定される。
【００２７】
式（１）より、
ρ+＝−Ｋg｛Ｋd−（Ｋd2−４Ｋp）0.5｝／２  ・・・・・・（２）
ρ-＝−Ｋg｛Ｋd＋（Ｋd2−４Ｋp）0.5｝／２  ・・・・・・（３）
もし、ここで、ＫdとＫpを一旦決定すると、Ｋgを変化させると極配置における時間に関するスケールのみ変化し、オーバシュートに関する量は変化しない。
【００２８】
これを通常よく用いられる形で説明するため、
Ｇd＝（Ｓ2＋２ζωＳ＋ω2）  ・・・・・・（４）
とおくと、
ω＝Ｋg（Ｋp）0.5  ・・・・・・（５）
ζ＝Ｋd／（２Ｋp0.5）  ・・・・・・（６）
となり、ωだけＫgに関係することが分かる。
【００２９】
このときの極配置は図３のようになり、一旦、Ｋp、Ｋdを決定すれば、Ｋgにより、オーバシュート量は変化しないため応答波形のバランスは変化せず、時間方向（つまりω）だけ変化することがわかる。
【００３０】
一方、指令応答は、位置指令θrから位置偏差θ1までの伝達関数により決定される。この場合の伝達関数をＧ＝Ｇ1／Ｇ2とおく。制御ゲインにより、分母に加えて分子も変化するため、制御系の応答性は、特性方程式Ｇ2＝０の根、つまり制御系の極ρ+、ρ-と、特性方程式Ｇ1＝０の根、つまり制御系の零点により決定される。
【００３１】
極に関しては、Ｇ2＝Ｇdであるため、式（１）から（６）がそのまま同様に当てはまるため、ここでは零点について述べる。ただし、説明を簡単にするためにＪ＝１とする。
【００３２】
Ｇ1＝Ｋff1・Ｓ2＋Ｋg（Ｋd＋Ｋff2）Ｓ＋Ｋg2・Ｋp＝０  ・・・・・（７）
とおくと、この式（７）を解くことにより、零点ｚ+、ｚ-が決定される。
【００３３】
式（７）より、下記の式（８）、（９）が得られる。
ｚ＋＝−Ｋｇ｛（Ｋｄ＋Ｋｆｆ２）−（（Ｋｄ＋Ｋｆｆ２）2−４Ｋｆｆ１・Ｋp）0.5｝／（２Ｋｆｆ１）・・・・・（８）
ｚ−＝−Ｋｇ｛（Ｋｄ＋Ｋｆｆ２）＋（（Ｋｄ＋Ｋｆｆ２）2−４Ｋｆｆ１・Ｋｐ）0.5｝／（２Ｋｆｆ１）・・・・・（９）
もし、ここで、極を決定するＫｄ 、Ｋｐを一旦決定しても、Ｋｆｆ１、Ｋｆｆ２によって応答を変化させることができる。つまり、外乱応答と独立に制御系を決定することができる。一方、一旦、Ｋｄ、Ｋｐ、Ｋｆｆ１、Ｋｆｆ２を決定してしまえば、Ｋｇにより、時間に関するスケールのみ変化し、オーバシュートに関する量は変化しない。
【００３４】
これを通常よく用いられる形で説明するため、
Ｇ1＝Ｋff1（Ｓ2＋２ζ1ω1Ｓ＋ω12）  ・・・・・・（１０）
とおくと、
ω1＝Ｋg（Ｋp／Ｋff1）0.5  ・・・・・・（１１）
ζ1＝（Ｋd＋Ｋff2）／｛２（Ｋff1・Ｋp）0.5｝  ・・・・・・（１２）
となり、ω1だけＫgに関係することが分かる。
【００３５】
このときの極配置は図４のようになり、一旦、Ｋd、Ｋp、Ｋff1、Ｋff2を決定してしまえば、Ｋgにより、バランスは変化せず、時間方向（つまりω1）だけ変化することがわかる。
【００３６】
本実施形態における応答波形を図５に示す。図５は、Ｋg＝０．５からＫg＝１．５まで変化させた場合の応答波形を示したものであるが、全体の波形には変化は無く、応答速度だけ速くなっている。ただし、Ｋd＝４０、Ｋp＝８００、Ｋff1＝０、Ｋff2＝−１６、Ｊ＝１、位置指令θrは最大速度＝２００（ｒａｄ／ｓ）、加速時間、減速時間＝０．０５（ｓｅｃ）、指令払い出し時間０．１（ｓｅｃ）である。
【００３７】
このように、一旦Ｋd、Ｋpを決定した後では、指令応答は、１つのパラメータＫgにより応答特性が決定される。
【００３８】
本実施形態の位置制御装置により得られる効果を、従来例と比較するために、本実施形態におけるフィードフォワードゲインＫff1＝Ｋff2＝０として、Ｋg＝０．５〜１．５まで変化させた場合の応答波形を図６に示す。Ｋff1＝Ｋff2＝０とすることにより、図６の応答波形は図１４に示した従来の位置制御装置の応答波形となる。
【００３９】
フィードフォワード制御器１０が設けられていない従来の位置制御装置の応答波形である図６の応答波形を、図５に示した応答波形と比較すると、従来の位置制御装置による応答波形のほうがオーバーシュート量が大きくなっていることがわかる。
【００４０】
本実施形態による位置制御装置では、フィードフォワード制御器１０のゲインをフィードバック系の共通パラメータである調整ゲインＫｇと関連するようにしたことにより、調整ゲインＫｇいう１つのパラメータにより応答特性の調整可能としたものである。つまり、従来の位置制御装置に対してフィードフォワード制御器をただ設けて、そのフィードフォワード制御器のゲインに調整ゲインＫｇが含まれていない場合には応答特性の調整は困難となり本実施形態のような効果を得ることはできない。このことを説明するために、図１のフィードフォワード制御器１０中のＫｇを１とし、Ｋｇ＝０．５〜１．５まで変化させた場合の応答波形を図７に示す。図７を参照すると、指令応答は、調整ゲインＫｇに応じて波形が大きく変化するため調整が困難なものとなっていることがわかる。本実施形態の位置制御装置では、フィードバック制御系とは独立してフィードフォワードゲインＫｆｆ１、Ｋｆｆ２を設定することができ、さらにフィードバック制御系とフィードフォワード制御系ともに位置の項にはＫｇ２、速度項（１回微分項）にはＫｇが乗算されるようにしているので、一旦応答波形が決定されると調整ゲインＫｇのみを調整することにより、その応答波形を保ったまま動作時間だけを変更することが可能となる。
【００４１】
つまり、本実施形態の位置制御装置では、フィードフォワード制御器１０を備えるようにして制御系を２自由度系とし、フィードフォワード制御器１０のゲインとフィードバック系のゲインを１つのパラメータである調整ゲインＫgにより調整することができるようにしているので、要求された応答特性を決定するためのゲイン調整を簡単化することができる。
【００４２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態の位置制御装置について説明する。図８は、本発明の第２の実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【００４３】
本実施形態の位置制御装置は、図１５に示した従来の位置制御装置に対して、フィードフォワード制御器１１を新たに備えるようにしたものである。
【００４４】
フィードフォワード制御器１１は、位置指令θrを２回微分した値をフィードフォワードゲインＫff1により増幅した値と、位置指令θrを微分した値をフィードフォワードゲインＫff2および調整ゲインＫgにより増幅した値と、位置指令θrをフィードフォワードゲインＫff3および調整ゲインＫgを２乗した値Ｋg2により増幅した値とを加算することにより得られた値を出力する。
【００４５】
そして、本実施形態においてモータ４を制御するためのトルクは、増幅器７，８、９と、フィードフォワード器１１とからそれぞれ出力された値どうしを加算した値をトルク指令として、図示されていないトルク制御器により生成される。
【００４６】
本実施形態の位置制御装置では、フィードフォワード制御器１１を備えるようにして制御系を２自由度系とし、フィードフォワード制御器１１のゲインとフィードバック系のゲインを１つのパラメータである調整ゲインＫgにより調整することができるようにしているので、上記第１の実施形態の位置制御装置と同様に、要求された応答特性を決定するためのゲイン調整を簡単化することができる。
【００４７】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態の位置制御装置について説明する。図１０は、本発明の第３の実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【００４８】
本実施形態の位置制御装置は、図８に示した第３の実施形態の位置制御装置に対して、２回微分器１２および加速度制御器１３を新たに備えるようにしたものである。
【００４９】
２回微分器１２は、位置指令θrと制御対象との位置偏差を２回微分する。加速度制御器１３は、２回微分器１２により求められた値を加速度ゲインＫiによって増幅して出力する。
【００５０】
そして、本実施形態においてモータ４を制御するためのトルクは、増幅器７，８、９と、加速度制御器１３と、フィードフォワード器１１とからそれぞれ出力された値どうしを加算した値をトルク指令として、図示されていないトルク制御器により生成される。
【００５１】
本実施形態の位置制御装置では、フィードフォワード制御器１１を備えるようにして制御系を２自由度系とし、フィードフォワード制御器１１のゲインとフィードバック系のゲインを１つのパラメータである調整ゲインＫgにより調整することができるようにしているので、上記第１の実施形態の位置制御装置と同様に、要求された応答特性を決定するためのゲイン調整を簡単化することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、１つのパラメータを調整するのみでフィードバック制御系とフィードフォワード制御系のゲインの両方のゲインを調整して応答波形の調整を行うことができるため、外乱応答を調整する場合でも要求された応答特性を容易に実現することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の位置制御装置の応答を説明するための図である。
【図３】図１の位置制御装置における外乱応答の動作を説明するための極配置図である。
【図４】図１の位置制御装置における指令応答の動作を説明するための極配置図である。
【図５】図１の位置制御装置において、調整ゲインＫgの値を変化させた場合の応答波形の変化を示す図である。
【図６】フィードフォワードゲインＫff1、Ｋff2を０とした場合の応答波形の変化を示す図である。
【図７】フィードフォワード制御器１０中の調整ゲインＫgを１とした場合の応答波形の変化を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図９】図８の位置制御装置の応答を説明するための図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】図１０の位置制御装置の応答を説明するための図である。
【図１２】従来の位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】従来の他の位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】図１２の従来の位置制御装置に対して調整ゲインＫgによりゲイン調整することができるようにした位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１５】図１３の従来の位置制御装置に対して調整ゲインＫgによりゲイン調整することができるようにした位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１６】図１５の位置制御装置の応答を説明するための図である。
【符号の説明】
１    位置制御器
２    速度制御器
３    積分制御器
４    モータ
５    微分器
６    積分器
７、８、９    増幅器
１０、１１    フィードフォワード制御器
１２    ２回微分器
１３    加速度制御器
【図１】
0004359736.tif 000002
【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】
0004359736.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
0004359736.tif 000012
【図１２】
0004359736.tif 000013
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
0004359736.tif 000016
【図１６】
0004359736.tif 000017