(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻線を収納する複数のスロットを有する固定子と、この固定子に対向して配置され、複数交互に噛み合う等辺台形状の爪状磁極片を有する回転子とを備えた交流発電機において、
前記複数交互に噛み合う等辺台形状の爪状磁極片の各々には、回転方向前縁側に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する前縁側面取り部と、回転方向後縁側に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する後縁側面取り部とが設けられ、前記前縁側面取り部と前記後縁側面取り部とは面取り形状が略同一であると共に、先端部に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する先端面取り部が設けられ、その先端面取り部は、中心線を挟んで回転方向前方側が相対的に小さく且つ回転方向後方側が相対的に大きく形成されたことを特徴とする交流発電機。
【請求項２】
巻線を収納する複数のスロットを有する固定子と、この固定子に対向して配置され、複数交互に噛み合う等辺台形状の爪状磁極片を有する回転子とを備えた交流発電機において、
前記複数交互に噛み合う等辺台形状の爪状磁極片の各々には、回転方向前縁側に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する前縁側面取り部と、回転方向後縁側に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する後縁側面取り部とが設けられ、前記前縁側面取り部と前記後縁側面取り部とは面取り形状が略同一であると共に、先端部の前記固定子に対向する面の回転方向後方側に凹部を形成したことを特徴とする交流発電機。
【請求項３】
巻線を収納する複数のスロットを有する固定子と、この固定子に対向して配置され、複数交互に噛み合う等辺台形状の爪状磁極片を有する回転子とを備えた交流発電機において、
前記複数交互に噛み合う等辺台形状の爪状磁極片の各々には、回転方向前縁側に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する前縁側面取り部と、回転方向後縁側に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する後縁側面取り部とが設けられ、前記前縁側面取り部と前記後縁側面取り部とは面取り形状が略同一であると共に、先端部の前記固定子に対向する面の回転方向後方側に貫通孔を形成したことを特徴とする交流発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば複数の爪状磁極片で励磁巻線を保持する回転子を具備した交流発電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、騒音となる磁気音の発生が、負荷時の磁束波形の歪による第３次高調波に大きく影響されていることに着眼し、負荷時の磁束波形を正弦波に近くなるように、磁束歪を持たせるために爪状磁極片の形状を予め中心線に対して非対称となるように不等辺台形状に冷鍛成形してなる回転子を備えた交流発電機（特公昭６１−１１０６６号公報）が知られている。
【０００３】
また、交流発電機における回転子の各々の爪状磁極片に対し、回転方向後縁側に回転方向前縁側に比べて相対的に大きな面取りを施すことにより磁気音を低減するようにした交流発電機が提案されている（特許第３２２３５３６号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特公昭６１−１１０６６号公報に記載された前記従来の交流発電機においては、爪状磁極片の形状が中心線に対して非対称であるため、冷鍛成形する際に回転方向の前縁側と後縁側とで成形圧のアンバランスが大きく、爪状磁極片の形状が不揃いとなってしまい、爪状磁極片の形状精度が確保できないという問題点がある。
【０００５】
一方、特許第３２２３５３６号公報に記載された前記従来の交流発電機では、対向する磁極片間における磁束変動が大きいことが磁気音発生の一因となっているという問題点がある。すなわち、前記従来の交流発電機では、一方の磁極片における面取りの小さい回転方向前縁側と、他方の磁極片における面取りの大きい後縁側とが対向する状態で交互に噛み合う構造となっているために、磁束変動が大きく、これにより磁気音が発生するという問題がある。さらに、爪状磁極片の回転方向後縁側全体に大きく面取りが施されることにより、交流発電機の電流出力が低下するという問題点もある。
【０００６】
本発明は、電流出力の低下を抑えつつ、対向する磁極片間における磁束変動を少なくして磁気音の発生を低減した交流発電機を提供することを解決すべき課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項１に記載の交流発電機は、巻線を収納する複数のスロットを有する固定子と、この固定子に対向して配置され、複数交互に噛み合う等辺台形状の爪状磁極片を有する回転子とを備えた交流発電機において、前記複数交互に噛み合う等辺台形状の爪状磁極片の各々には、回転方向前縁側に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する前縁側面取り部と、回転方向後縁側に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する面取り形状が前記前縁側面取り部と略同一の後縁側面取り部とが設けられると共に、先端部に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する先端面取り部が設けられ、その先端面取り部は、中心線を挟んで回転方向前方側が相対的に小さく且つ回転方向後方側が相対的に大きく形成されたことを特徴とする。
【０００８】
従って、複数交互に噛み合う等辺台形状の爪状磁極片の各々には、回転方向前縁側に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する前縁側面取り部と、回転方向後縁側に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する面取り形状が前記前縁側面取り部と略同一である後縁側面取り部とが設けられているので、対向する磁極片間における磁束の変化が少なく、磁気音の発生が抑制される。
【０００９】
また、爪状磁極片の各々には、先端部に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する先端面取り部が設けられ、その先端面取り部は、中心線を挟んで回転方向前方側が相対的に小さく且つ回転方向後方側が相対的に大きく形成されているので、爪状磁極片の先端部付近の回転方向前方側の面取りの小さい部分で磁束が急増し、後方側の面取りの大きい部分で磁束が徐減することとなり、磁気音発生の一因となる第三高調波の逆位相の磁束変化が生じ、結果として爪形磁極片を不等辺台形状とした従来の交流発電機と同様の磁束分布を得ることができ、磁気音が低減される。
【００１０】
さらに、爪状磁極片全体において固定子とのギャップが大きい部分（面取り形成部分）の占める比率が小さいので、電流出力の低下が抑制される。
【００１１】
また、請求項２に記載の交流発電機は、巻線を収納する複数のスロットを有する固定子と、この固定子に対向して配置され、複数交互に噛み合う等辺台形状の爪状磁極片を有する回転子とを備えた交流発電機において、前記複数交互に噛み合う等辺台形状の爪状磁極片の各々には、回転方向前縁側に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する前縁側面取り部と、回転方向後縁側に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する面取り形状が前記前縁側面取り部と略同一の後縁側面取り部とが設けられると共に、先端部の前記固定子に対向する面の回転方向後方側に凹部を形成したことを特徴とする。
【００１２】
従って、複数交互に噛み合う等辺台形状の爪状磁極片の各々には、回転方向前縁側に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する前縁側面取り部と、回転方向後縁側に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する面取り形状が前記前縁側面取り部と略同一である後縁側面取り部とが設けられているので、対向する磁極片間における磁束の変化が少なく、磁気音の発生が抑制される。
【００１３】
また、爪状磁極片の各々には、先端部の固定子に対向する面の回転方向後方側に凹部を形成したので、爪状磁極片の先端部における凹部が形成されていない回転方向前方側で磁束が急増し、凹部が形成された後方側で磁束が徐減することとなり、磁気音発生の一因となる第三高調波の逆位相の磁束変化が生じ、結果として爪形磁極片を不等辺台形状とした従来の交流発電機と同様の磁束分布を得ることができ、磁気音が低減される。
【００１４】
さらに、爪状磁極片全体において固定子とのギャップが大きい部分（凹部）の占める比率が小さいので、電流出力の低下が抑制される。
【００１５】
また、請求項３に記載の交流発電機は、巻線を収納する複数のスロットを有する固定子と、この固定子に対向して配置され、複数交互に噛み合う等辺台形状の爪状磁極片を有する回転子とを備えた交流発電機において、前記複数交互に噛み合う等辺台形状の爪状磁極片の各々には、回転方向前縁側に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する前縁側面取り部と、回転方向後縁側に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する面取り形状が前記前縁側面取り部と略同一の後縁側面取り部とが設けられると共に、先端部の前記固定子に対向する面の回転方向後方側に貫通孔を形成したことを特徴とする。
【００１６】
従って、複数交互に噛み合う等辺台形状の爪状磁極片の各々には、回転方向前縁側に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する前縁側面取り部と、回転方向後縁側に前記固定子の内周面と対向する距離が徐増する面取り形状が前記前縁側面取り部と略同一である後縁側面取り部とが設けられているので、対向する磁極片間における磁束の変化が少なく、磁気音の発生が抑制される。
【００１７】
また、爪状磁極片の各々には、先端の固定子に対向する面の回転方向後方側に貫通孔を形成したので、爪状磁極片の先端部における貫通孔が形成されていない回転方向前方側で磁束が急増し、貫通孔が形成された後方側で磁束が徐減することとなり、磁気音発生の一因となる第三高調波の逆位相の磁束変化が生じ、結果として爪形磁極片を不等辺台形状とした従来の交流発電機と同様の磁束分布を得ることができ、磁気音が低減される。また、爪状磁極片全体において固定子とのギャップが大きい部分（貫通孔）の占める比率が小さいので、電流出力の低下が抑制される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した交流発電機の各実施形態について説明する。
【００１９】
まず、本発明の第１の実施形態について、図１乃至図６を参照しつつ説明する。尚、図１および図２は第１の実施形態における回転子の爪状磁極片を示した図、図３および図４は固定子と回転子とを示した図、図５は交流発電機の回転数と磁気音の騒音レベルとの関係を示したグラフ、図６は変形例における回転子の爪状磁極片を示した図である。
【００２０】
交流発電機１は、自動車に搭載され、電機子を構成する固定子２、および界磁を構成する回転子３を備える。固定子２は、多数のけい素鋼板を積層した円環状の電機子鉄心４、およびこの電機子鉄心４を保持するヨーク（図示せず）等から構成されている。電機子鉄心４は、全内周に亘って複数の突条（歯）５が形成され、これらの突条５間には、三相電機子巻線６が収納される複数のスロット７が形成されている。なお、複数のスロット７は、所定のスロットピッチで形成されている。
【００２１】
回転子３は、エンジンに回転駆動される回転軸８、およびこの回転軸８の外周に固着されたランデル型ポールコア１０等から構成される。ポールコア１０は、冷鍛成形により製造され、一方の爪状磁極片１１と他方の爪状磁極片１２とが複数交互に噛み合うように配列され、中央部に励磁巻線１３を巻回するための円筒部１４、１５が形成されている。ポールコア１０は、励磁巻線１３に電流を流すと、励磁巻線１３の起磁力により一方の爪状磁極片１１が全てＳ極となり、他方の爪状磁極片１２が全てＮ極となる。
【００２２】
一方の爪状磁極片１１および他方の爪状磁極片１２は、まず回転方向の前縁側と後縁側とのスロット７の中心線に対するスキュー角度θF0、θR0が共に等しくなるように（図１参照）、冷鍛成形により等辺台形状に形成される。なお、本実施形態では、このスキュー角度をθF0＝θR0＝ tan-1（τs ／Ｌ）と規定している。但し、τs ：スロットピッチ、Ｌ：電機子鉄心の積層厚さである。そして、冷鍛成形後には、一方の爪状磁極片１１および他方の爪状磁極片１２の回転方向の前縁側となる固定子２との対向面に固定子２との距離が徐増する第１面取り部１６、１７が、回転方向の後縁側となる固定子２との対向面に固定子２との距離が徐増する第２面取り部１８、１９が、磁極片先端部に固定子２との距離が徐増する第３の面取り部２０、２１がそれぞれ形成される。
【００２３】
第１面取り部１６、１７は、切削加工またはサイジング（しごき成形）加工によって施され、スロット７の中心線に対して第１スキュー角度θF （＝スキュー角度θF0）を持つように形成されている（図１参照）。第２面取り部１８、１９は、切削加工またはサイジング（しごき成形）加工によって施され、スロット７の中心線に対して第２スキュー角度θR （＝スキュー角度θR0）を持つように形成されている（図１参照）。第３面取り部２０、２１は、切削加工またはサイジング（しごき成形）加工によって施され、第１面取り部１６、１７によって形成される辺線と第３面取り部２０、２１によって形成される辺線との交点と先端縁との距離をｔ２、第２面取り部１８、１９によって形成される辺線と第３面取り部２０、２１によって形成される辺線との交点と先端縁との距離をｔ１としたとき、ｔ１＞ｔ２となるように形成されている。従って、第３面取り部２０、２１の面積は、一方の爪状磁極片１１および他方の爪状磁極片１２の各々の中心線Ｃを挟んで、回転方向前方側が相対的に小さく、且つ回転方向後方側が相対的に大きく設定されている。尚、本実施形態における第３面取り部の中心線Ｃを挟んで回転方向前方側の面積と後方側の面積との比率は約１：２に設定されているが、この比率は諸条件により適宜変更して設定される。
【００２４】
次に、この交流発電機１の作動を図３ないし図４に基づき説明する。励磁巻線１３に電流が流されると、励磁巻線１３の起磁力により一方の爪状磁極片１１が全てＳ極となり、他方の爪状磁極片１２が全てＮ極となる。
【００２５】
そして、回転子３が所定の回転方向に回転駆動されて交流発電機１が発電した場合、一方の爪状磁極片１１および他方の爪状磁極片１２にそれぞれ形成された第３面取り部２０、２１により、一方の爪状磁極片１１および他方の爪状磁極片１２の各先端部付近の回転方向前方側の面取りの小さい部分で磁束が急増し、後方側の面取りの大きい部分で磁束が徐減することとなり、磁気音発生の一因となる第三高調波の逆位相の磁束変化が生じ、結果として爪形磁極片を不等辺台形状とした従来の交流発電機と同様の磁束分布を得ることができ、磁気音が低減される。
【００２６】
また、爪状磁極片の回転方向後縁側に大きく面取りを施した従来の交流発電機と比較して、各爪状磁極片１１、１２全体における固定子２とのギャップの大きい部分（面取り部分）の占める比率が小さいので、電流出力の低下が抑制される。
【００２７】
さらに、一方の爪状磁極片１１における回転方向後縁側の第２面取り部１８と、他方の爪状磁極片１２における回転方向前縁側の第１面取り部１７とが対向するように配置されるが、これら第１と第２の面取り部は面取り形状が同一であるため、対向する磁極片間における磁束の変化が少なく、磁気音の発生が抑制される。尚、一方の爪状磁極片１１における第３面取り部２０も、他方の爪状磁極片１２における回転方向前縁側の第１面取り部１７に対向しており、両者は面取り形状が異なっているが、第３面取り部２０は一方の爪状磁極片１１の先端部付近のみに形成され、他方の爪状磁極片１２との対向部分が小さいので、磁束変動を大きくする要因とはならない。
【００２８】
また、第１面取り部１６、１７、第２面取り部１８、１９、および第３面取り部２０、２１は、冷鍛成形された等辺台形状のポールコア１０の一方の爪状磁極片１１および他方の爪状磁極片１２に、比較的簡単な切削加工またはサイジング（しごき成形）加工を施すことによって形成できるので、冷鍛成形する際に一方の爪状磁極片１１および他方の爪状磁極片１２の回転方向の前縁側と後縁側とで成形圧のアンバランスが生ずることはなく、一方の爪状磁極片１１および他方の爪状磁極片１２の形状精度を実装可能な範囲内に容易に確保することができる。
【００２９】
この実施形態の磁気音の低減効果を図４のグラフを用いて説明する。このグラフは、上述した第１、第２、第３の面取り部を一切設けていない従来の等辺台形状の爪状磁極片を有する回転子Ａを採用した交流発電機と、図１に示される本実施形態の回転子Ｂを採用した交流発電機とを、回転数を変化させながら騒音レベルを測定した結果を表している。グラフより、従来の回転子Ａを採用したものと比較して、本実施形態の爪状磁極片を持つ回転子Ｂでは、磁気音の騒音レベルが低下していることがわかる。
【００３０】
本実施形態では、θF 、θR 、ｔ１、ｔ２の具体的な数値については、磁気音を低減したい交流発電機の回転数域のねらいどころ、また交流発電機の電機子のインピーダンスによって適宜最適値が異なるとともに、励磁力の強さ、ギャップの寸法設計、磁極基本形状の設計によって多少ずれた最適値となることは言うまでもない。
【００３１】
また、前記実施形態では、一方の爪状磁極片１１および他方の爪状磁極片１２に、第１面取り部１６、１７、第２面取り部１８、１９を設けたが、これらの面取り部を省略して、第３面取り部２０、２１のみを設ける構成でも構わない。
【００３２】
さらに、第１面取り部１６、１７、第２面取り部１８、１９、及び第３面取り部２０、２１が互いに辺線によって区切られず連続して形成されていてもよい。例えば、図６の変形例に示すように、先端部において回転方向前方側に偏った１本の双曲線状の辺線を形成する曲線状面取り部２２、２３を一方の爪状磁極片１１および他方の爪状磁極片１２に設ける構成としてもよい。要するに、各爪状磁極片１１１、１２の先端部に形成された面取り部が、中心線Ｃを挟んで回転方向前方側が相対的に小さく且つ回転方向後方側が相対的に大きく設定されていればよいのである。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施形態について、図７を参照しつつ説明する。尚、第１の実施形態と同様の部材については共通の符号を付し、説明を省略する。
【００３４】
第２の実施形態では、上述した第１の実施形態における第３面取り部２０、２１に代えて、一方の爪状磁極片１１および他方の爪状磁極片１２の先端部の固定子２に対向する面において、中心線Ｃより回転方向後方側に断面略円弧状の凹部２４、２５がそれぞれ形成されている。
【００３５】
そして、回転子３が所定の回転方向に回転駆動されて交流発電機１が発電した場合、一方の爪状磁極片１１および他方の爪状磁極片１２にそれぞれ形成された凹部２４、２５により、一方の爪状磁極片１１および他方の爪状磁極片１２の各先端部付近における凹部２４、２５が形成されていない回転方向前方側で磁束が急増し、凹部２４、２５が形成された後方側で磁束が徐減することとなり、磁気音発生の一因となる第三高調波の逆位相の磁束変化が生じ、結果として爪形磁極片を不等辺台形状とした従来の交流発電機と同様の磁束分布を得ることができ、磁気音が低減される。
【００３６】
また、爪状磁極片の回転方向後縁側に大きく面取りを施した従来の交流発電機と比較して、各爪状磁極片１１、１２全体における固定子２とのギャップの大きい部分（凹部２４、２５）の占める比率が小さいので、電流出力の低下が抑制される。
【００３７】
さらに、上述した第１の実施形態と同様に、一方の爪状磁極片１１における回転方向後縁側の第２面取り部１８と、他方の爪状磁極片１２における回転方向前縁側の第１面取り部１７とが対向するように配置されるが、これら第１と第２の面取り部は面取り形状が同一であるため、対向する磁極片間における磁束の変化が少なく、より一層、磁気音の発生が抑制される。
【００３８】
尚、凹部２４、２５は、ポールコア１０の冷鍛成形時に凸状部材が当接することにより形成されるが、冷鍛成型後に切削加工等により形成しても構わない。また、凹部２４、２５の断面形状は、略円弧Ｕ字状に限られず、Ｕ字状、矩形状、Ｖ字状等であってもよい。また、凹部は一つの爪状磁極片について１箇所に限られず、それぞれ２箇所以上に形成してもよい。
【００３９】
次に、本発明の第３の実施形態について、図８を参照しつつ説明する。尚、第１の実施形態と同様の部材については共通の符号を付し、説明を省略する。
【００４０】
第３の実施形態では、第２の実施形態における凹部２４、２５に代えて、一方の爪状磁極片１１および他方の爪状磁極片１２の先端部の固定子２に対向する面において、中心線Ｃより回転方向後方側に上面と下面との間を貫通する貫通孔２６、２７がそれぞれ形成されている。尚、貫通孔２６、２７は、ポールコア１０の冷鍛成型後に、切削加工等により形成される。
【００４１】
そして、回転子３が所定の回転方向に回転駆動されて交流発電機１が発電した場合、一方の爪状磁極片１１および他方の爪状磁極片１２にそれぞれ形成された貫通孔２６、２７により、一方の爪状磁極片１１および他方の爪状磁極片１２の各先端部付近における貫通孔２６、２７が形成されていない回転方向前方側で磁束が急増し、貫通孔２６、２７が形成された後方側で磁束が徐減することとなり、磁気音発生の一因となる第三高調波の逆位相の磁束変化が生じ、結果として爪形磁極片を不等辺台形状とした従来の交流発電機と同様の磁束分布を得ることができ、磁気音が低減される。
【００４２】
また、爪状磁極片の回転方向後縁側に大きく面取りを施した従来の交流発電機と比較して、爪状磁極片全体における固定子とのギャップの大きい部分（貫通孔２６、２７）の占める比率が小さいので、電流出力の低下が抑制される。
【００４３】
さらに、上述した第１と第２の実施形態と同様に、一方の爪状磁極片１１における回転方向後縁側の第２面取り部１８と、他方の爪状磁極片１２における回転方向前縁側の第１面取り部１７とが対向するように配置されるが、これら第１と第２の面取り部は面取り形状が同一であるため、対向する磁極片間における磁束の変化が少なく、より一層、磁気音の発生が抑制される。
【００４４】
尚、貫通孔は、一つの爪状磁極片について１箇所に限られず、それぞれ２箇所以上に形成してもよい。
【００４５】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。
【００４６】
例えば、前記各実施形態では、本発明を自動車用の交流発電機に適用したが、本発明を他の車両用の交流発電機や定置式の交流発電機に適用しても良い。さらに、前記各実施形態では、固定子が電機子を構成し、回転子が界磁を構成するようにしたが、固定子が界磁を構成し、回転子が電機子を構成するようにしても良い。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の請求項１乃至３のいずれかに記載の交流発電機によれば、対向する磁極片間における磁束の変化が少なく、磁気音の発生が抑制されるという効果を奏する。
【００４８】
また、磁気音発生の一因となる第三高調波の逆位相の磁束変化が生じ、結果として爪形磁極片を不等辺台形状とした従来の交流発電機と同様の磁束分布を得ることができ、磁気音が低減されるという効果を奏する。さらに、爪状磁極片全体において固定子とのギャップが大きい部分の占める比率が小さいので、電流出力の低下が抑制されるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態の交流発電機における回転子の爪状磁極片を示した平面図である。
【図２】  回転子の爪状磁極片を示した側面図である。
【図３】  固定子および回転子を示した側面図である。
【図４】  固定子および回転子を示した断面図である。
【図５】  交流発電機の回転数と磁気音の騒音レベルとの関係を示したグラフである。
【図６】  第１の実施形態の変形例における爪状磁極片を示した平面図である。
【図７】  第２の実施形態における爪状磁極片を示した平面図である。
【図８】  第３の実施形態における爪状磁極片を示した平面図である。
【符号の説明】
１…交流発電機、２…固定子、３…回転子、６…三相電機子巻線、７…スロット、１１…一方の爪状磁極片、１２…他方の爪状磁極片、１６…第１面取り部（前縁側面取り部）、１７…第１面取り部（前縁側面取り部）、１８…第２面取り部（後縁側面取り部）、１９…第２面取り部（後縁側面取り部）、２０…第３面取り部（先端面取り部）、２１…第３面取り部（先端面取り部）、２２…曲線状面取り部（先端面取り部）、２３…曲線状面取り部（先端面取り部）、２４…凹部、２５…凹部、２６…貫通孔、２７…貫通孔。
【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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