(57)【要約】【課題】軟質磁性粉体材料と樹脂とを混練したコンパウンド材料を金型に注入し、未硬化のコンパウンド材料に対して磁界を印加してコンパウンド材料内の軟質磁性粉体材料をステータコアにおける磁路方向に配列して成形するステータコアの製造において、フランジを備えるティースでは、フランジにおいて軟質磁性粉体材料が整列するとヨークを短絡する磁路を生じることがあった。【解決手段】ヨークと、ヨークの内周側から突出する複数のティースと、隣接するティースの先端を接続するティースフランジとを備えるステータコアの製造方法であって、樹脂と軟質磁性体とを混合した流体をステータコアの成形のための型枠に流し込み、型枠内の少なくともティースとなる未硬化の流体に磁界を印加し、型枠内のティースフランジとなる未硬化の流体にティースとなる未硬化の流体に印加する磁界を遮断するように磁界を印加し、流体内の軟質磁性体を整列させて流体を硬化させる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヨークと、ヨークの内周側から突出する複数のティースと、隣接するティースの先端を接続するティースフランジとを備えるステータコアの製造方法であって、
樹脂と軟質磁性体とを混合した流体をステータコアの成形のための型枠に流し込み、
型枠内の少なくともティースとなる未硬化の流体に磁界を印加し、
型枠内のティースフランジとなる未硬化の流体にティースとなる未硬化の流体に印加する磁界を遮断するように磁界を印加し、
流体内の軟質磁性体を整列させて流体を硬化させるステータコアの製造方法。
【請求項２】
ティースとなる未硬化の流体に印加する磁界は、ティースの幅より大なる幅を有するものであり、ティースフランジとなる未硬化の流体に印加する磁界は、ティースフランジ間に磁界が作用しない部分を形成する幅を有するものである請求項１記載のステータコアの製造方法。
【請求項３】
ヨークと、ヨークの内周側から径方向に放射状に突出する複数のティースと、隣接するティースの先端を接続するティースフランジとを備えるステータコアの製造装置であって、
樹脂と軟質磁性体とを混合した流体が流し込まれる型枠と、
型枠内の、ティースに対向する位置にそれぞれ配置して少なくともティースとなる未硬化の流体に磁界を印加する第一磁界発生手段と、
ティースフランジに対向する位置に配置して第一磁界発生手段により磁界を未硬化の流体に印加している間に第一磁界発生手段による磁界を遮断するように磁界をティースフランジとなる未硬化の流体に印加する第二磁界発生手段とを備え、
流体内の軟質磁性体を整列させて流体を硬化させるステータコアの製造装置。
【請求項４】
第一磁界発生手段は、ティースの幅より大なる幅を有する磁界を発生するものであり、第二磁界発生手段は、ティースフランジ間に磁界が作用しない部分を形成する幅を有する磁界発生するものである請求項３記載のステータコアの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機や永久磁石同期モータなどに好適に用いることができるステータコアを製造するための製造方法、及び製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータのステータに用いるステータコアとして、例えば特許文献１に記載のもののように、軟質磁性粉体材料と樹脂とを混練したコンパウンド材料を金型に射出注入し、冷却固化して成形することが知られている。このようなステータコアの製造において、金型の注入された未硬化のコンパウンド材料に対して磁界を印加して、コンパウンド材料内の軟質磁性粉体材料をステータコアにおける磁路方向に配列させる方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００６‐２１７７０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、ヨークとそのヨーク内周側から中心に向けて突出するティースを有するステータコアにおいて、モータの出力を向上させるために、又ステータコアの強度を増すために、ティースの先端に隣接するティースの先端同士を連結するフランジを設けるものも知られている。このようなフランジを備えるティースにあっては、上述の方法によりステータコアを製造する場合、そのフランジにおいて印加された磁界の向きに軟質磁性粉体材料が整列するものである。この結果、モータが作動する場合に、そのようなフランジにより、ティースの先端同士を短絡する磁路を生じることがある。そしてこのようなティース先端の短絡磁路があると、ロータのマグネット磁束がコイルに鎖交せず、モータの出力が低下することになった。加えて、ステータの漏れインダクタンスが増加し、出力や力率の低下を招くことになった。
【０００４】
そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
すなわち、本発明のステータコアの製造方法は、ヨークと、ヨークの内周側から突出する複数のティースと、隣接するティースの先端を接続するティースフランジとを備えるステータコアの製造方法であって、樹脂と軟質磁性体とを混合した流体をステータコアの成形のための型枠に流し込み、型枠内の少なくともティースとなる未硬化の流体に磁界を印加し、型枠内のティースフランジとなる未硬化の流体にティースとなる未硬化の流体に印加する磁界を遮断するように磁界を印加し、流体内の軟質磁性体を整列させて流体を硬化させることを特徴とする。
【０００６】
このような構成によれば、流体が硬化していない状態において、少なくともティースとなる部分に磁界を印加するとともに、ティースフランジとなる部分に対してはその磁界を遮断するように磁界を印加するので、磁界が遮断された部分は軟質磁性体が整列しない。この結果、流体が硬化して得られるステータコアを使用するモータにあっては、ティースフランジ間での磁路の短絡を抑制することが可能になる。また、隣接するティースを接続するように製作するので、ステータの強度を高くすることが可能になり、その結果、ステータコアの成形以後の加工を容易にするものである。
【０００７】
上記の構成において、ティースフランジにおける軟質磁性体の配列を効果的なものにするためには、ティースとなる未硬化の流体に印加する磁界は、ティースの幅より大なる幅を有するものであり、ティースフランジとなる未硬化の流体に印加する磁界は、ティースフランジ間に磁界が作用しない部分を形成する幅を有するものが好ましい。
【０００８】
又、本発明のステータコアの製造装置は、ヨークと、ヨークの内周側から径方向に放射状に突出する複数のティースと、隣接するティースの先端を接続するティースフランジとを備えるステータコアの製造装置であって、樹脂と軟質磁性体とを混合した流体が流し込まれる型枠と、型枠内の、ティースに対向する位置にそれぞれ配置して少なくともティースとなる未硬化の流体に磁界を印加する第一磁界発生手段と、ティースフランジに対向する位置に配置して第一磁界発生手段により磁界を未硬化の流体に印加している間に第一磁界発生手段による磁界を遮断するように磁界をティースフランジとなる未硬化の流体に印加する第二磁界発生手段とを備え、流体内の軟質磁性体を整列させて流体を硬化させることを特徴とする。
【０００９】
このような構成によれば、第一磁界発生手段が磁界を発生することにより、硬化していない流体の少なくともティースとなる部分に、磁界が印加される。加えて、第二磁界発生手段が、ティースフランジとなる部分に対してはその磁界を遮断するように磁界を印加するので、第一磁界発生手段が発生した磁界が遮断されて、ティースフランジなる部分に挟まれた部分は軟質磁性体が整列しない。この結果、流体が硬化して得られるステータコアを使用するモータにあっては、ティースフランジ間での磁路の短絡を抑制することが可能になる。また、隣接するティースを接続するように製作するので、ステータの強度を高くすることが可能になり、その結果、ステータコアの成形以後の加工を容易にするものである。
【００１０】
このような構成にあっては、第一磁界発生手段は、ティースの幅より大なる幅を有する磁界を発生するものであり、第二磁界発生手段は、ティースフランジ間に磁界が作用しない部分を形成する幅を有する磁界発生するものであるものが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、以上説明したような構成であり、部分的に磁界を遮断することで、その磁界の遮断された部分の流体内で軟質磁性体を整列させないため、流体が硬化して得られるステータコアを使用するモータにあっては、ティースフランジ間での磁路の短絡を抑制することができる。また、隣接するティースをティースフランジにより接続するように製作するので、ステータの強度を高くすることが可能になり、その結果、ステータコアの成形以後の加工を容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１３】
以下に説明する実施形態の回転機器であるモータ１００は、図１に示すように、三相交流用の分数スロット多極モータであり、ステータ１と、ステータ１の内部に回転可能に配置され、Ｓ磁極とＮ磁極とを交互に周方向に配置し、かつその極数をステータ１のティース２の数の２／３より大きい数としたロータ３とを備える構成である。この実施形態では、ステータ１のティース２の数を１２とし、ロータ３の極数を１４とするものである。ロータ３は、ロータ鉄心４と、そのロータ鉄心４の表面に固定される磁極となる永久磁石５とからなるものである。
【００１４】
ステータ１は、ステータコア６とステータコア６に巻かれるコイル７とを備えている。なお、図１において、コイル７は、模式的に図示するもので、詳細については、図２に示す。ステータコア６は、環状のヨーク８と、ヨーク８の内周側からヨーク８の中心部すなわち内側に向かって集中するように突出し周方向に所定間隔をあけて設けられる複数のティース２と、隣接したティース２に挟まれたヨーク８の内周側に設けられる内周側スロット９と、内周側スロット９に対応してヨーク８の外周側に設けられる外周側スロット１０と、径方向に設けられる磁路遮断部としてのスリット１１とを備えている。ヨーク８とそれぞれのティース２とは、一体に形成されるものである。それぞれのティース２は、そのヨーク８とは反対側のロータ３に対向する端部すなわちロータ側端部２ａにおいて、隣接するティース２を接続するティースフランジ２ｂを備えている。外周側スロット１０は、正面から見た場合のティース２の幅方向のほぼ中央位置から延長した線分の間におけるヨーク８の外周部に、コイル７を構成する電線１２の直径とほぼ同じ深さを有して形成される。
【００１５】
この実施形態のステータ１にあっては、それぞれのスリット１１は中空であり、正面から見た場合のティース２の幅方向のほぼ中央位置において、ティース２の先端つまりロータ側端部２ａ近傍から、ヨーク８の外周近傍に延びる長さを有して設けてある。すなわち、スリット１１は、ティース２及びヨーク８を介して短絡する磁路が形成されないように、隣接するコイル７の間に位置するように設けられるものである。
【００１６】
コイル７が巻かれるヨーク８は、図３に示すように、コイル７の電線１２を巻く方向の断面形状を、逆台形形状にしてある。すなわちヨーク８の外周部分の奥行き寸法（モータ１００の回転軸方向の寸法）がその内周部分の奥行き寸法より大きくなっている。このヨーク８の断面形状は、ステータ１の正面側と背面側とにおいて、ヨーク８に巻かれたコイル７の外面がほぼ平坦になるように形成してある。つまり、コイル７を構成する電線１２は、内周側スロット９で重なるとともに、内周側スロット９と外周側スロット１０との間の正面側と背面側とにおいて重なることになる。このような電線１２の重なり具合を考慮して、ステータ１のヨーク８の内周側スロット９側の奥行き寸法は、例えば電線１２が三本重なった状態でコイル７の外形が形成されるように設定し、又外周側スロット１０の奥行き寸法は、電線１２一本の状態でコイル７の外側が形成されるように設定される。
【００１７】
コイル７は、内周側スロット９と外周側スロット１０との間でヨーク８の周りに巻かれ、複数位相の交流における同相で異極性のものを隣接して配置するものである。すなわち、コイル７は、三相交流のＵ＋相とＵ−相とが隣接して対をなして配置され、同様にして、Ｖ＋相とＶ−相とが隣接して対をなし、さらにＷ＋相とＷ−相とが隣接して対をなして、それぞれ配置されるものである。図１において、反時計方向にロータ３が回るものである場合、その回転方向に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順でそれぞれのコイル７が配置されるものである。それぞれのコイル７は、図２に示すように、ヨーク８の外周側つまり外周側スロット１０内での巻幅が、ヨーク８の内周側つまり内周側スロット９内での巻幅より広く、かつ外周側スロット１０での巻厚さが、内周側スロット９での巻厚みよりも薄いものである。
【００１８】
このような構成において、ステータ１を構成するステータコア６は、例えば不飽和ポリエステルや二液混合式エポキシ樹脂などの合成樹脂に、鉄、ケイ素鋼、パーマロイなどの軟質磁性体の粉体を混合させた流動体１３をステータ成形用型枠１４内に流し込み、硬化させて形成するものである（図４）。なお、図４及び図５においては、流動体１３が硬化した後のステータコア６に対応する部位の符号を、括弧を付して示している。ステータ成形用型枠１４は、例えば厚み方向に二分割可能な型枠で、ステータコア６の内周側スロット９及びスリット１１を形成するための引き抜き型部分を備えて、ほぼ円環状形状をするものである。
【００１９】
具体的には、モータ１００のロータ３に対応する大きさの磁界印加装置１５を、ステータ成形用型枠１４の内部に配置する。この磁界印加装置１５は、第一磁界印加手段としてのステータ１のティース数に一致して交互に反対極性となる複数の磁界印加用コイル１６と、ティース２のロータ側端部２ａのティースフランジ２ｂ間に中立部分２ｃを形成する第二磁界印加手段を構成する反対極性の一対の中立部磁石１７と、それぞれの磁界印加用コイル１６に電力を供給して第一磁界印加手段の一部として機能する電源（図示しない）とを備えるものである。この後、ステータ成形用型枠１４内に流動体１３を流し込む。そして、流動体１３の流し込みが完了した時点から流動体１３が硬化するまでの間、それぞれの磁界印加用コイル１６に電源から電力を供給して、磁界を発生させる。この磁界は流動体内の軟質磁性粉体を整列させるものであり、隣接する磁界印加用コイル１６はそれぞれ、逆極性にするものである。磁界印加用コイル１６に印加する電力は、所定時間だけもしくはインパルス状の直流である。なお、図５においては、中立部磁石１７の位置を容易に把握し得るように図示している。又、磁界印加装置１５の磁界印加用コイル１６は、永久磁石により構成するものであってもよい。この場合、上記電源は不要である。又、中立部磁石１７をコイルすなわち電磁石で構成するものであってもよい。
【００２０】
このように磁界印加用コイル１６に通電している間、硬化後にティース２及びヨーク８となる未硬化の流動体１３内において軟質磁性粉体が磁界印加用コイル１６により形成される磁界の方向に整列する。磁界は、ティース２となる部分の幅よりも大なる幅で、かつティース２となる部分の間が内周部分で磁気的には短絡しない幅に形成するものである（図５中、点線にて磁界を示す）。ただし、中立部磁石１７に対応するティースフランジ２ｂ間部分の未硬化の流動体１３内では、中立部磁石１７が磁界印加用コイル１６により形成される磁界とは反対の磁界を形成していることにより、軟質磁性粉体は整列されない。これにより、モータ１００を運転する場合に、隣接するティースフランジ２ｂ間において磁束が通過しにくくなり、磁束の短絡が発生しない。
【００２１】
このように、磁界印加手段１５を使用して未硬化の流動体１３に磁界を印加する場合に、中立部磁石を設けているので、ティースフランジ２ｂ間に軟質磁性粉体を整列させない中立部分２ｃを形成することができる。このような中立部分２ｃをティースフランジ２ｂに設けることにより、モータ１００が動作した場合に、ティースフランジ２ｂ間での短絡磁路が生じることを防止することができる。よって、漏れインダクタンスによるモータ１００の特性が低下することを抑制することができる。しかも、ティースフランジ２ｂによりロータ磁束を集めて、有効にコイル７に鎖交させることができ、モータ出力を向上させることができる。このような電気的特性の改良に加え、隣接するティース２のロータ側端部２ａがティースフランジ２ｂと中立部分２ｃとにより接続してあることにより、それぞれのティース２が分離した状態にならないため、ステータ１の強度を高くすることができ、流動体１３の硬化後の機械加工を容易にするものである。
【００２２】
この後、流動体１３が硬化した時点で、磁界印加用コイル１６への通電を停止し、硬化した流動体１３すなわち成形されたステータコア６をステータ成形用型枠１４から取り出す。この後、ステータコア６のそれぞれの内周側スロット９と外周側スロット１０とで挟まれる部分のヨーク８に、コイル７を形成する。それぞれのコイル７は、所定太さの電線１２を、所定回数巻いて形成するものである。コイル７の巻き方はトロイダル巻きであり、内周側スロット９及び外周側スロット１０内に電線１２を納めて、ティース２の周りに巻くのではなくヨーク８の周りに電線１２を巻くものである。
【００２３】
この場合、図２に示すように、内周側スロット９は外周側スロット１０に対してその内側の幅が小さいので、内周側スロット９内では電線１２が重ね合わされて巻かれるとともに、外周側スロット１０内では電線１２は重ね合わされることなく巻かれるものである。電線１２は、内周側スロット９の幅方向の一方の端部（以下、巻き始め側と称する）から他方の端部（以下、巻き終わり側と称する）に向かって、同一方向（図において矢印で示す）すなわち巻き始め側から巻き終わり側に向かって巻くものである。そして、内周側スロット８において巻き終わり側まで巻き着いた後は、電線１２は、改めて巻き始め側に戻って重ねて巻くものである。したがって、巻き始め側には、その段における巻き順の早いものが重なるものとなる。
【００２４】
以上の構成によるモータ１００は、ステータ１にトロイダル巻きによりコイル７が設けられているので、従来のティース２にコイル７を巻く構造に比較して、内周側スロット９の径方向長を短くすることができる。この結果、ヨーク径、ひいてはステータ１の径を小さくすることができ、モータ１００を小型化することができ、ヨーク径が小さくなることでステータコア６の材料を減量することができ、よって軽量化することができる。
【００２５】
又、コイル７をトロイダル巻きすることにより、コイル７の一部がステータ１の外周部分に露出するものとなる。この場合に、この実施形態にあっては、コイル７は、外周側スロット１０において、電線１２が径方向に重なりあうことがないので、ステータ１の外径を小さくすることに貢献している。このため、コイル７を構成する電線１２と空気との接触面積が増え、放熱をより効率よくすることができる。このように、コイル７を放熱により温度上昇を抑えることで、モータ出力を向上させることができる。
【００２６】
加えて、コイル７は、電線１２をヨーク８に巻く場合に、巻き始め側から巻き終わる側の一方向に向かって巻くので、電線１２は巻き順の近いものが重なり合っている。このため、モータ１００を作動させた場合に、コイル７にサージ電圧がかかっても、それぞれの電線１２つまり各ターンを構成する電圧間の分担電圧差を小さくすることができる。このため、このような電圧差に起因するコイル７内での部分放電を抑制することができ、コイル７の絶縁性能を向上させることができる。さらに、上述したように、ヨーク８の断面が、逆台形をしているので、ヨーク８とコイル７との接触面積を大きくすることができ、コイル７の放熱効果を向上させることができる。しかも、ヨーク８が外周部分において、奥行き寸法が大きくしてあるので、ステータコア６の外径を小さくすることができる。また、ヨーク８の断面を逆台形にしていることで、ステータコア６の前後端面（モータ１００の回転軸方向の端面）からコイル７の突出を最小限に抑えることができ、よってステータ１を小型化することができる。
【００２７】
このように、コイル７の絶縁性能を、電線１２の巻き方により向上させることで、コイル７を構成する電線１２の被覆、具体的にはエナメルやポリアミドイミドなどの皮膜を薄くすることが可能になり、電線１２のコストを低減することができる。加えて、重ね合わせる電線１２間（巻線層間）に絶縁シート（絶縁紙）を挟み込む必要がなくなる。したがって、従来のコイルに比べて、それぞれのコイル７自体の重量を低減することができ、ひいてはステータ１を軽量化することができるものである。
【００２８】
このようなコイル７に対して、ステータコア６は、それぞれの相のコイル７の間にスリット１１を備えているので、それぞれのコイル７に通電した場合に生じる磁界は、スリット１１により短絡することがない。したがって、短絡磁路による磁力の低下がないため、モータ出力を向上させることができる。又、それに伴って、振動を抑制することができる。
【００２９】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。
【００３０】
上述の実施形態では、磁路遮断部たるスリット１１を、ティース２毎に設けるものを説明したが、スリット１１は、少なくともいずれか一つのティース２に設けるものであってよい。すなわち、コイル７に通電した場合に、ヨーク８の周回方向に発生する磁路を遮断してヨーク８を短絡する磁路の発生を防ぐ位置に、少なくとも一つのスリット１１を設ければ、その数は限定されない。また、スリット１１は、必ずしも中空である必要はなく、空気と同等の透磁率を有する非磁性体をスリット１１に充填するものであってもよい。
【００３１】
ステータコア６は、非磁性体に圧力を加えて成形する圧粉磁心や例えばケイ素鋼板などの鋼板を重ね合わせて形成するものであってもよい。また、ステータコアは、上述の実施形態におけるスリット１１間の部分を単位となるコアとして、それらの単位となるコアを複数、連結することにより環状のステータコアに形成するものであってもよい。この場合、単位となるコア間にはスリットが形成されるようにしてもよいし、非磁性体を挟み込むものであってもよい。
【００３２】
上述の実施形態におけるモータ１００では、表面に磁極が設けられたロータ３を説明したが、磁極がロータ３を構成するロータコアに埋め込まれる永久磁石埋込型のロータであってもよい。
【００３３】
また、ステータコア６を製造するに際して、あらかじめそれぞれのコイル７を作製しておき、上述したステータ成形用型枠１４内の所定場所に配置し、その状態で流動体１３をステータ成形用型枠１４内に流し込んで製造するものであってもよい。この場合、コイル７以外は、上述の実施形態において説明したものと同じであるので、それらについては、説明を省略する。
【００３４】
まず、上述のコイル７に相当する必要個数のコイルを製作しておき、ステータのヨークとなる部分に対応するステータ成形用型枠内の位置にコイルを配置する。そして、合成樹脂と軟質磁性粉体とを混合した流動体を、コイルを配置したステータ成形用型枠内にコイルが浸漬するまで流し込む。流動体が硬化するまでの間、磁束印加手段により磁束を印加して、軟質磁性粉体を整列させる。流動体が硬化した後、磁束印加手段の動作を停止し、ステータ成形用型枠を分解することにより、ステータが完成する。
【００３５】
コイルは、絶縁ワニス又は樹脂モールド材で固めて形成したもの、あるいは樹脂製ボビン内に収納したものであってよい。さらには、それぞれのコイルを機械的に結合して、流動体を流し込む以前に、相互の位置決めをあらかじめするものであってもよい。
【００３６】
このようなステータの製造方法において、磁路遮断部はスリット以外に、その位置に非磁性体をステータ成形用型枠内に配置しておき、流動体が硬化した時点で磁路遮断部がステータコア内に一体に形成するものであってよい。
【００３７】
このように、コイルをあらかじめ準備しておき、流動体が硬化することによりステータコアに埋め込まれるようにしてコイルがステータコアと一体になるので、コイルで発生した熱がステータコアに伝導しやすく、放熱性を向上させることができる。軟質磁性粉体を混合した合成樹脂からなる流動体によりステータコアを形成するので、高精度なプレス板金が不要であり、製造設備費を削減することができる。
【００３８】
なお、上述の実施形態及び製造方法の変形例におけるコイルは、断面形状が四角形の平角線を使用するものであってもよい。
【００３９】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の活用例として、永久磁石同期モータに活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態のモータを示す構成説明図。
【図２】同実施形態のコイルの巻状態を示す図。
【図３】同実施形態のヨークの断面図。
【図４】同実施形態のステータコアの製造装置を示す構成説明図。
【図５】同実施形態のステータコアの製造装置におけるティースフランジの対応部分を拡大して示す拡大構成説明図。
【符号の説明】
【００４２】
１…ステータ
２…ティース
２ｂ…ティースフランジ
３…ロータ
６…ステータコア
７…コイル
８…ヨーク
９…内周側スロット
１０…外周側スロット
１１…スリット
１２…電線
１３…流動体
１４…ステータ成形用型枠
１５…磁界印加装置
【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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