(57)【要約】      （修正有）【課題】弁体のねじれ角を容易に計算することができる電動アクチュエータを提供する。【解決手段】電動アクチュエータ１０は、弁体２２を回動するための出力軸１６と、動力伝達部１４を介して出力軸を回動するモータ１３と、モータを駆動制御することにより弁体の開度を制御する制御回路１９とを備え、制御回路は、所定の計測タイミングにおける出力軸の出力軸トルクに基づいて、弁体のねじれ角を計算する計算処理部１９Ｂを有する。【選択図】図１
2020154528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁体を回動するための出力軸と、
動力伝達部を介して前記出力軸を回動するモータと、
前記モータを駆動制御することにより前記弁体の開度を制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
所定の計測タイミングにおける前記出力軸の出力軸トルクに基づいて、前記弁体のねじれ角を計算する計算処理部を有する
ことを特徴とする電動アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の電動アクチュエータにおいて、
前記出力軸のうち、前記動力伝達部と前記弁体との間の前記出力軸の出力軸トルクを検出するトルクセンサをさらに備えることを特徴とする電動アクチュエータ。
【請求項３】
請求項２に記載の電動アクチュエータにおいて、
前記計算処理部は、前記計測タイミングに前記トルクセンサで検出された出力軸トルクに基づいて、前記計測タイミングに前記弁体で生じた弁体トルクを計算し、得られた前記弁体トルクに基づいて前記ねじれ角を計算することを特徴とする電動アクチュエータ。
【請求項４】
請求項３に記載の電動アクチュエータにおいて、
前記計算処理部は、前記出力軸トルクを前記弁体トルクとして計算することを特徴とする電動アクチュエータ。
【請求項５】
請求項４に記載の電動アクチュエータにおいて、
前記計算処理部は、前記電動アクチュエータと前記弁体とを連結する一連の連結軸のうち前記トルクセンサから前記弁体までの軸長をＬとし、前記弁体トルクをＴｖとし、前記弁体の横弾性係数および断面二次極モーメントをＧおよびＩｐとした場合、前記ねじれ角Δθｎを次の式で計算することを特徴とする電動アクチュエータ。
【数１】
2020154528.tif 000010
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の電動アクチュエータにおいて、
前記出力軸の回動角度を出力側開度として検出する出力側角度センサをさらに備え、
前記制御回路は、前記計算処理部で計算した前記ねじれ角に基づいて、前記出力側角度センサで検出した前記出力側開度を補正することを特徴とする電動アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の電動アクチュエータにおいて、
前記出力軸の回動角度を出力側開度として検出する出力側角度センサと、
前記弁体の回動角度を弁側開度として検出する弁側角度センサとをさらに備え、
前記制御回路は、前記出力側開度と前記弁側開度との差分からなる開度偏差と、前記計算処理部で計算した前記ねじれ角との開度誤差を計算することを特徴とする電動アクチュエータ。
【請求項８】
弁体を回動するための出力軸と、動力伝達部を介して前記出力軸を回動するモータと、前記モータを駆動制御することにより前記弁体の開度を制御する制御回路とを備える電動アクチュエータで用いられるねじれ角計算方法であって、
前記制御回路が、
所定の計測タイミングにおける前記出力軸の出力軸トルクを取得する第１のステップと、
前記出力軸トルクに基づいて、前記弁体の劣化指標として、前記弁体のねじれ角を計算する第２のステップとを備える
ことを特徴とするねじれ角計算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動アクチュエータに関し、特に、電動アクチュエータで制御する弁体のねじれ角を計算するためのねじれ角計算技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
バルブやダンパーなどの操作端を電動で開閉制御する電動アクチュエータは、動力伝達部を介してモータで出力軸を回動させて操作端の開度を調整する。例えば、電動アクチュエータの適用例の１つである流量制御弁は、空調システム等の設備で用いられて、配管を流れる冷温水の流量を制御する電動バルブであり、主に弁本体とアクチュエータとから構成されている。
【０００３】
弁本体は、流体が流れる流路が内部に形成された金属管からなり、流路の途中には流体の流量を制御するための弁体が回動自在に取り付けられている。アクチュエータは、この弁体の実際の弁開度を検出し、得られた弁開度に基づいて弁体を回動制御することにより、流量制御を行うものとなっている（例えば、特許文献１など参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１９４１６６号公報
【特許文献２】特開２０１５−１２５０３８号公報
【特許文献３】特開２０１５−１１４１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常、電動アクチュエータと電動アクチュエータから制御する操作端の弁体とは、電動アクチュエータ側の出力軸、弁体側の弁軸、および出力軸と弁軸とを連結するための継手からなる、一連の連結軸を介して連結されている。この連結軸の軸長はある程度の長さを持つため、弁体に対して負荷がかかっている場合には連結軸がねじれて、連結軸の両端間で回動角度の差、すなわちねじれ角が生じる。このような弁体のねじれ角は、連結軸のうち電動アクチュエータ側の上端で検出した出力側開度と、連結軸のうち弁体側の下端に連結されている弁体の弁側開度との間で開度誤差となって現れることになる。このため、出力側開度に基づき流量制御を行った場合、流量誤差が生じる原因となる。
【０００６】
連結軸を構成する出力軸、継手、弁軸や弁体は、耐食性を有する材料からなり、長期間にわたり十分な耐久性を持つと考えられる。このため、実際に発生するねじれ角は無視できる程度の微細な量であり、一般的な流量制御の場合には誤差の範囲内に収まる程度である。
一方、電動アクチュエータや操作端には保証期間が設定されていて、保証期間の満了に応じて新たなものに交換する必要がある。しかし、実際には保証期間を超えて長期間にわたり使用される場合もある。
【０００７】
このような保証期間を超えて長期にわたり使用した場合、出力軸、継手、弁軸や弁体が劣化して変形、故障、経年変化などにより設計当初の性能が得られない場合も考えられる。このような場合、ねじれ角が無視できない程度まで大きくなり、高精度な流量制御を行う場合には、流量誤差となって現れることになる。また、弁体が劣化してねじれ角が大きくなると、電動アクチュエータから弁体を精度よく開閉制御できなくなったり、弁体を全閉位置や全開位置などの所定の回動位置まで確実に戻せなくなったりする可能性がある。このため、弁体の劣化状態を把握しておくことが重要となる。
【０００８】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、電動アクチュエータで制御する弁体のねじれ角を容易に計算できるねじれ角計算技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的を達成するために、本発明にかかる電動アクチュエータは、弁体を回動するための出力軸と、動力伝達部を介して前記出力軸を回動するモータと、前記モータを駆動制御することにより前記弁体の開度を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、所定の計測タイミングにおける前記出力軸の出力軸トルクに基づいて、前記弁体のねじれ角を計算する計算処理部を有している。
【００１０】
また、本発明にかかる上記電動アクチュエータの一構成例は、前記出力軸のうち、前記動力伝達部と前記弁体との間の前記出力軸の出力軸トルクを検出するトルクセンサをさらに備えている。
【００１１】
また、本発明にかかる上記電動アクチュエータの一構成例は、前記計算処理部が、前記計測タイミングに前記トルクセンサで検出された出力軸トルクに基づいて、前記計測タイミングに前記弁体で生じた弁体トルクを計算し、得られた前記弁体トルクに基づいて前記ねじれ角を計算するようにしたものである。
【００１２】
また、本発明にかかる上記電動アクチュエータの一構成例は、前記計算処理部が、前記出力軸トルクを前記弁体トルクとして計算するようにしたものである。
【００１３】
また、本発明にかかる上記電動アクチュエータの一構成例は、前記計算処理部が、前記電動アクチュエータと前記弁体とを連結する一連の連結軸のうち前記トルクセンサから前記弁体までの軸長をＬとし、前記弁体トルクをＴｖとし、前記弁体の横弾性係数および断面二次極モーメントをＧおよびＩｐとした場合、前記ねじれ角Δθｎを後述の式で計算するようにしたものである。
【００１４】
また、本発明にかかる上記電動アクチュエータの一構成例は、前記出力軸の回動角度を出力側開度として検出する出力側角度センサをさらに備え、前記制御回路は、前記計算処理部で計算した前記ねじれ角に基づいて、前記出力側角度センサで検出した前記出力側開度を補正するようにしたものである。
【００１５】
また、本発明にかかる上記電動アクチュエータの一構成例は、前記出力軸の回動角度を出力側開度として検出する出力側角度センサと、前記弁体の回動角度を弁側開度として検出する弁側角度センサとをさらに備え、前記制御回路は、前記出力側開度と前記弁側開度との差分からなる開度偏差と、前記計算処理部で計算した前記ねじれ角との開度誤差を計算するようにしたものである。
【００１６】
また、本発明にかかるねじれ角計算方法は、弁体を回動するための出力軸と、動力伝達部を介して前記出力軸を回動するモータと、前記モータを駆動制御することにより前記弁体の開度を制御する制御回路とを備える電動アクチュエータで用いられるねじれ角計算方法であって、前記制御回路が、所定の計測タイミングにおける前記出力軸の出力軸トルクを取得する第１のステップと、前記出力軸トルクに基づいて、前記弁体の劣化指標として、前記弁体のねじれ角を計算する第２のステップとを備えている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、弁体や連結軸の劣化指標として、弁体のねじれ角を容易に計算できるため、当初の設計値からの乖離幅に応じて、弁体の劣化状態を容易に把握することができる。したがって、乖離幅が大きくなって劣化が進んだ場合には、故障発生する前に適切な対応をとることができ、極めて効果的な予知保全を実現することが可能となる。これにより、保証期間を超える長期使用を想定した場合でも、一定の信頼性を提供することが可能となる。また、ねじれ角の経時変化を、計算処理部や上位装置でモニタすることにより、弁体や連結軸の劣化時期すなわち交換時期を予測でき、操作端の予知保全に極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、電動アクチュエータの構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、トルクセンサ（歪みゲージ）を示す説明図である。
【図３】図３は、流量制御処理を示すフローチャートである。
【図４】図４は、出力側センサ出力値と出力側開度との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、ねじれ角計算処理を示すフローチャートである。
【図６】図６は、ねじれ角計算処理動作を示す説明図である。
【図７】図７は、劣化指標処理を示すフローチャートである。
【図８】図８は、開度誤差処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
［本実施の形態］
まず、図１を参照して、本実施の形態にかかる電動アクチュエータ１０について説明する。図１は、電動アクチュエータの構成を示すブロック図である。
【００２０】
この電動アクチュエータ１０は、例えば、空調システム等の設備において、配管を流れる冷温水の流量を制御する流量制御バルブや、空気の風量を調整する風量調整ダンパーなどの弁体を電動制御する装置である。以下では、図１に示すように、流量制御バルブの弁本体２０に電動アクチュエータ１０を取り付けた場合を例として説明するが、これに限定されるものではなく、風量調整ダンパーなど、電動制御可能な弁体を有する他の機器に取り付けた場合にも、同様にして適用可能である。
【００２１】
［弁本体］
弁本体２０は、流体が流れる流路２１が内部に形成された金属管からなり、流路２１の途中には流体の流量を制御するための弁体２２が回動自在に取り付けられている。弁体２２には、弁本体２０の外部へ一端が導出された弁軸２６が結合されており、この弁軸２６の回動操作により弁体２２が回動し、流路２１の断面積、すなわち弁開度が変化して、流体の流量が制御される。
【００２２】
流路２１の内壁２３のうち、弁体２２の一次側（流体上流側）には圧力センサＳ１が配置されており、弁体２２の二次側（流体下流側）には圧力センサＳ２が配置されている。これら圧力センサＳ１，Ｓ２は、それぞれ流路２１の一次側圧力Ｐ１および二次側圧力Ｐ２を検出し、得られた検出結果を示す圧力検出信号を電動アクチュエータ１０へ出力する。これら一次側圧力Ｐ１および二次側圧力Ｐ２と、弁開度に相当する出力側開度θａからなる開度現在値θとに基づいて流路２１を流れる流体の流量が計測される。
【００２３】
［電動アクチュエータ］
電動アクチュエータ１０は、ヨーク３１を介して弁本体２０の本体上面２４に取り付けられており、継手３０を介して弁軸２６と接続されている出力軸１６を回動制御することにより、弁体２２の弁開度を制御して、流体の流量制御を行う機能を有している。
電動アクチュエータ１０には、主な構成として、設定回路１１、モータ駆動回路１２、モータ１３、動力伝達部１４、出力軸１６、出力側角度センサ１７Ａ、トルクセンサ１７Ｔ、記憶回路１８、および制御回路１９が設けられている。
【００２４】
設定回路１１は、上位装置（図示せず）から受信した流量目標信号などの設定信号に含まれる、流量目標値Ｑｒｅｆなどの設定値を取得し、制御回路１９へ出力する機能を有している。
モータ駆動回路１２は、制御回路１９から出力されたモータ制御信号に基づいて、モータ１３を駆動する機能を有している。
【００２５】
モータ１３は、ＤＣモータ、ＡＣモータ、ステッピングモータなどの制御用モータからなり、モータ駆動回路１２からの駆動信号により、指定された方向へ指定された角度分だけシャフト１３Ａを回転させる機能を有している。
動力伝達部１４は、歯数の異なる複数の歯車が噛合されたギヤボックスなどの動力伝達機構からなり、モータ１３のシャフト１３Ａの回転速度を減速して出力軸１６を回動させる機能を有している。
【００２６】
これにより、制御回路１９から出力されたモータ制御信号に基づいて、モータ駆動回路１２から駆動信号がモータ１３に出力される。また、この駆動信号に応じてモータ１３のシャフト１３Ａが回転し、その回転出力が動力伝達部１４で減速されて出力軸１６を回動させ、継手３０および弁軸２６を介して弁体２２が所定の回動角度すなわち弁開度まで回動することになる。
【００２７】
出力軸１６は、電動アクチュエータ１０から弁本体２０の弁体２２を回動するための軸であり、一端が動力伝達部１４に連結され、他端が継手３０および弁軸２６を介して弁体２２と連結されている。
【００２８】
出力側角度センサ１７Ａは、動力伝達部１４または出力軸１６に取り付けられて、出力軸１６の回動角度を検出し、回動角度に応じた出力側センサ出力値Ｓａを制御回路１９へ出力する角度センサである。
以下では、出力側角度センサ１７Ａとして、例えば円形差動トランス型角度センサ（特許文献２）や磁気抵抗型角度センサ（特許文献３）を用いた場合を例として説明する。本発明は、これら特許文献２および特許文献３に記載されたすべての内容を含むものとする。なお、出力側角度センサ１７Ａは、これに限定されるものではなく、ポテンショメータ、インクリメンタルエンコーダ、アブソリュートエンコーダなど、回転角度が計測できるセンサを出力側角度センサ１７Ａとして用いてもよい。
【００２９】
トルクセンサ１７Ｔは、出力軸１６に取り付けられて、出力軸１６の出力軸トルクを検出し、その出力軸トルクに応じたトルクセンサ出力値Ｖｏを電動アクチュエータ１０へ出力するセンサである。本実施の形態では、トルクセンサ１７Ｔが、出力軸１６のうち、動力伝達部１４と弁体２２との間の出力軸１６に取り付けられており、動力伝達部１４と弁体２２との間の出力軸１６の出力軸トルクＴｏを検出する場合を例として説明する。
【００３０】
トルクセンサ１７Ｔの具体例の１つとして歪みゲージがある。図２は、トルクセンサ（歪みゲージ）を示す説明図である。図２に示すように、歪みゲージ４０は、樹脂などの薄い電気絶縁物からなるベース４１に、折り返しパターンでパターン形成された金属箔などの抵抗体Ｒからなるゲージ４２と、抵抗体Ｒの端部のそれぞれに電気的に接続された２本のリード４３とからなる。
歪みゲージ４０からなるトルクセンサ１７Ｔは、出力軸１６の表面に接着剤で接着されており、出力軸１６の出力軸トルクＴｏに応じて出力軸１６が歪むと、その歪んだ分だけベース４１も伸縮するため、結果としてゲージ４２の抵抗体Ｒの抵抗値が変化する。
【００３１】
抵抗値の変化率と歪み量は比例関係にあるため、抵抗体Ｒの抵抗値を検出すれば歪み量を計算でき、これにより出力軸トルクＴｏを検出できる。抵抗体Ｒの抵抗値は、一般的なホイートストーンブリッジ回路４５を用いて電圧に変換でき、これを制御回路１９で検出すればよい。ホイートストーンブリッジ回路４５は、制御回路１９内に設けてもよく、制御回路１９とトルクセンサ１７Ｔとの間に設けてもよい。一定の入力電圧Ｖｉｎをホイートストーンブリッジ回路４５に入力しておけば、抵抗体Ｒの抵抗値の変化に応じて出力電圧すなわちトルクセンサ出力値Ｖｏが変化する。
【００３２】
なお、トルクセンサ１７Ｔについては、歪みゲージ４０を用いた方式に限定されるものではない。例えば、トルク検出部位の両側に設けた歯車やシリンダーの位相差（ねじれ）の大きさに基づいてトルクを検出する方式など、他の方式に基づく公知のトルクセンサを用いてもよい。
【００３３】
記憶回路１８は、不揮発性の半導体メモリからなり、流量現在値Ｑの計算に用いる弁体２２に固有の流量係数Ｃｖを特定するための特性テーブルなど、流量制御や劣化指標計算に用いる各種の処理データを記憶する機能を有している。この特性テーブルには、流路２１の一次側圧力Ｐ１および二次側圧力Ｐ２の差圧ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２と弁体２２の開度現在値θとの組み合わせごとに、弁体２２に固有の流量係数Ｃｖが予め登録されている。これら特性テーブルの各データは、形状や材質などの弁体２２の特徴に基づいて別途計算されたものである。
【００３４】
制御回路１９は、ＣＰＵとその周辺回路を有し、ＣＰＵとプログラムとを協働させることにより、流量制御や劣化指標計算のための処理を実行する各種の処理部を実現する機能を有している。
制御回路１９は、主な処理部として、開度制御部１９Ａと計算処理部１９Ｂとを備えている。
【００３５】
開度制御部１９Ａは、圧力センサＳ１，Ｓ２から出力された圧力検出信号が示す一次側圧力Ｐ１および二次側圧力Ｐ２と開度現在値θとに基づいて、流路２１を流れる流体の流量現在値Ｑを計算する機能と、この流量現在値Ｑと流量目標値Ｑｒｅｆとの流量偏差ΔＱに基づいて、所定のモータ制御信号をモータ駆動回路１２へ出力してモータ１３を駆動制御することにより、弁体２２の弁開度を調整して流量現在値Ｑを制御する機能と、任意の制御開度に出力軸１６を回動する機能とを有している。
【００３６】
計算処理部１９Ｂは、所定の計測タイミングにおける出力軸１６の出力軸トルクＴｏに基づいて、弁体２２の劣化指標として、弁体２２のねじれ角Δθｎを計算する機能と、得られたねじれ角Δθｎと予め設定されている正常範囲Ｅとに基づいて、弁体２２の劣化状態を判定する機能とを有している。
【００３７】
本発明において、電動アクチュエータ１０側の出力軸１６、弁体２２側の弁軸２６、および出力軸１６と弁軸２６とを連結するための継手３０からなる、一連の連結構造を連結軸という。また、連結軸のうち電動アクチュエータ１０側の上端で検出される出力側開度θａと、連結軸のうち弁体２２側の下端で検出される弁側開度θｖとの差異は、弁体２２のねじれ角Δθｎと同等となる。
【００３８】
以下では、計測タイミングにおける制御開度がθｘであり、その時の出力側開度がθａであるものとする。計測タイミングについては、予め設定した一定周期に同期したタイミングや、電動アクチュエータ１０や操作端の延べ使用期間が予め離散的に設定した期間長に到達したタイミングなど、時間に基づき特定してもよい。このほか、出力軸１６が所定の開度まで回動されたタイミングなど、出力軸１６の開度に基づき特定してもよい。また、計測タイミングにおいて、出力軸１６は回動中であってもよく、一時停止して一定開度に保持されている状態であってもよい。
【００３９】
また、計算処理部１９Ｂは、計測タイミングにトルクセンサ１７Ｔにより検出された、動力伝達部１４と弁体２２との間の出力軸１６の出力軸トルクＴｏに基づいて、計測タイミングに弁体２２で生じた弁体トルクＴｖを計算する機能と、得られた弁体トルクＴｖに基づいてねじれ角Δθｎを計算する機能と、出力軸トルクＴｏそのものを弁体トルクＴｖとして計算する機能とを有している。
【００４０】
具体的には、計算処理部１９Ｂは、電動アクチュエータ１０と弁体２２とを連結する一連の連結軸のうちトルクセンサ１７Ｔから弁体２２までの軸長をＬとし、弁体トルクをＴｖとし、弁体２２の横弾性係数および断面二次極モーメントをＧおよびＩｐとした場合、ねじれ角Δθｎを後述する式（５）で計算する機能を有している。
【００４１】
また、計算処理部１９Ｂは、計算して得られたねじれ角Δθｎに基づいて、出力側角度センサ１７Ａで検出した出力側開度θａを補正し、補正後出力側開度θ’ａを計算する機能を有している。
【００４２】
また、計算処理部１９Ｂは、弁本体２０の外側である本体上面２４または本体底面２５に、弁体２２付近の弁軸２６の回動角度を検出する弁側角度センサが取り付けられている場合、弁側角度センサから弁側開度θｖを取得し、出力側開度θａと弁側開度θｖとの差分である開度偏差Δθａｖを計算する機能と、得られた開度偏差Δθａｖと補正後出力側開度θ’ａとの開度誤差Δθｅを計算する機能と、開度誤差Δθｅと予め設定されている正常範囲ｅとに基づいて、弁側角度センサの劣化状態を判定する機能とを有している。
【００４３】
本発明において、制御開度は、開度制御部１９Ａが開度制御に用いる目標値であり、出力側開度は、出力側角度センサ１７Ａで検出された出力軸１６の回動角度を示す検出値であるものとする。なお、開度は全閉状態と全開状態との間を百分率で表した値であり、回動角度は開度を角度で表した値であるが、両者は一意に対応するものであり、本発明において、制御開度、出力側開度、あるいは弁側開度を、単に回動角度という場合もある。
【００４４】
［流量制御動作］
次に、図３を参照して、出力側角度センサ１７Ａで検出した出力側開度θａを用いた、本実施の形態にかかる電動アクチュエータ１０の流量制御動作について説明する。図３は、流量制御処理を示すフローチャートである。
制御回路１９は、流路２１を流れる流体の流量を制御する場合、図３の流量制御処理を実行する。
【００４５】
図３の流量制御処理の開始時において、設定回路１１には、予め流量目標値Ｑｒｅｆが設定されているものとする。また、記憶回路１８には、弁体２２に関する特性テーブルが予め登録されているものとする。
また、制御回路１９内の記憶部（図示せず）には、出力側角度センサ１７Ａの出力側センサ出力値Ｓａと弁体２２の弁開度との対応関係の基準となる出力側出力基準値Ｓｂが予め設定されているものとする。
【００４６】
図４は、出力側センサ出力値と出力側開度との関係を示すグラフである。出力側角度センサ１７Ａとして用いられる、円形差動トランス型角度センサおよび磁気抵抗型角度センサは、出力軸１６の中間位置角度すなわち５０％開度を中心として、全閉方向および全開方向に対称となる出力側センサ出力値Ｓａを出力する構造を有している。したがって、図４に示すように、出力側センサ出力値Ｓａと、出力側開度θａとの関係は線形比例するとともに、全閉および全開を示す電圧値は、５０％開度を示す電圧値＝０ｖを中心として、等しい電圧幅Ｓｂだけ離れた電圧値−Ｓｂ，Ｓｂとなる。
【００４７】
まず、開度制御部１９Ａは、出力側角度センサ１７Ａから出力側センサ出力値Ｓａを取得し（ステップＳ１００）、予め設定されている出力側出力基準値Ｓｂに基づいて、Ｓａから開度現在値θ（出力側開度θａ）＝５０×（１＋Ｓａ／Ｓｂ）［％］を計算する（ステップＳ１０１）。
【００４８】
なお、弁体２２のねじれ角Δθｎを考慮して流量制御する場合、制御回路１９の内部メモリ（図示せず）または記憶回路１８から、後述するねじれ角計算処理で得られた出力側開度θａにおける補正後出力側開度θ’ａを取得して、開度現在値θとして用いればよい。この際、出力側開度θａにおける補正後出力側開度θ’ａが保存されていない場合、例えば出力側開度θａに近しい他の開度における、保存されている補正後出力側開度を補間処理することにより、出力側開度θａにおける補正後出力側開度θ’ａを計算してもよい。
【００４９】
次に、開度制御部１９Ａは、圧力センサＳ１，Ｓ２から出力された圧力検出信号が示す一次側圧力Ｐ１および二次側圧力Ｐ２を取得し（ステップＳ１０２）、これらＰ１，Ｐ２の差圧ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２を計算する（ステップＳ１０３）。
続いて、開度制御部１９Ａは、差圧ΔＰと開度現在値θに対応する流量係数Ｃｖを記憶回路１８の特性テーブルから取得し（ステップＳ１０４）、流量係数Ｃｖと差圧ΔＰに基づいて、流路２１を流れる流体の流量現在値Ｑを計算する（ステップＳ１０５）。この際、流路２１の口径などによって定まる定数をＡとした場合、流量現在値Ｑは、Ｑ＝Ａ・Ｃｖ・（ΔＰ）1/2で求められる。
【００５０】
この後、開度制御部１９Ａは、ＱとＱｒｅｆの流量偏差ΔＱ＝Ｑ−Ｑｒｅｆを計算し（ステップＳ１０６）、ΔＱとゼロとを比較する（ステップＳ１０７）。
ここで、ΔＱがゼロと等しくΔＱ＝０である場合（ステップＳ１０７：ΔＱ＝０）、開度制御部１９Ａは、弁開度を変更することはないが、流量目標値Ｑｒｅｆが変更にならなくても、管路の状態により流量現在値Ｑが変化するため、ステップＳ１００に戻る。
【００５１】
一方、ΔＱがゼロより小さくΔＱ＜０である場合（ステップＳ１０７：ΔＱ＜０）、開度制御部１９Ａは、所定のモータ制御信号をモータ駆動回路１２へ出力することにより、モータ１３をΔＱに相当する弁開度分だけ開方向に駆動し（ステップＳ１０８）、ステップＳ１００に戻る。
また、ΔＱがゼロより大きくΔＱ＞０である場合（ステップＳ１０７：ΔＱ＞０）、開度制御部１９Ａは、所定のモータ制御信号をモータ駆動回路１２へ出力することにより、モータ１３をΔＱに相当する弁開度分だけ閉方向に駆動し（ステップＳ１０９）、ステップＳ１００に戻る。
【００５２】
以上では、図３を参照して、出力側角度センサ１７Ａで検出した出力側開度θａを用いた流量制御動作について説明したが、弁本体２０の外側である本体上面２４または本体底面２５に、弁体２２付近の弁軸２６の回動角度を検出する弁側角度センサが取り付けられている場合、弁側開度θｖに代えて弁側角度センサで検出した弁側開度θｖを用いて、流量制御動作を実行してもよい。
【００５３】
具体的には、図３のステップＳ１００−Ｓ１０１において、弁側角度センサから弁側センサ出力値Ｓｖを取得し（ステップＳ１００）、予め設定されている弁側出力基準値Ｓｓに基づいて、Ｓｖから開度現在値θ（弁側開度θｖ）＝５０×（１＋Ｓｖ／Ｓｓ）［％］を計算する（ステップＳ１０１）。なお、制御回路１９内の記憶部（図示せず）には、弁側角度センサの弁側センサ出力値Ｓｖと弁体２２の弁開度との対応関係の基準となる弁側出力基準値Ｓｓが予め設定されているものとする。
【００５４】
弁側出力基準値Ｓｓは、出力側出力基準値Ｓｂに代えて用いられるものである。弁側角度センサとして、円形差動トランス型角度センサや磁気抵抗型角度センサを用いた場合、前述した図４と同様に、弁側センサ出力値Ｓｖと弁側開度θｖとの関係は線形比例するとともに、全閉および全開を示す電圧値は、５０％開度を示す電圧値＝０ｖを中心として、等しい電圧幅Ｓｖだけ離れた電圧値−Ｓｖ，Ｓｖとなる。
【００５５】
この際、弁側角度センサに取り付けられた温度センサで検出された検出温度Ｔｘに基づいて、弁側角度センサの開度現在値θ（弁側開度θｖ）が温度補正される。なお、開度現在値θの温度補正は、本実施の形態において必須ではなく、弁側角度センサのセンサ出力が周囲温度の影響を受けない場合には、温度補正を省くこともできる。
図３におけるこのほかのステップについては、前述と同様であり、ここでの説明は省略する。
【００５６】
［ねじれ角計算処理動作］
次に、図５および図６を参照して、本実施の形態にかかる電動アクチュエータ１０のねじれ角計算処理動作について説明する。図５は、ねじれ角計算処理を示すフローチャートである。図６は、ねじれ角計算処理動作を示す説明図である。
制御回路１９は、弁体２２のねじれ角Δθｎを計算する際、図５のねじれ角計算処理を実行する。
【００５７】
まず、計算処理部１９Ｂは、計測タイミングが到来するまで待機する（ステップＳ１５０：ＮＯ）。計測タイミングが到来した場合（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、計算処理部１９Ｂは、出力側角度センサ１７Ａの出力側センサ出力値Ｓａから得られた出力側開度θａを取得するとともに（ステップＳ１５１）、計測タイミングにトルクセンサ１７Ｔで検出されたトルクセンサ出力値Ｖｏに基づいて、出力側開度θａにおける出力軸トルクＴｏを取得する（ステップＳ１５２）。
【００５８】
この際、計測タイミングにおいて、出力軸１６は回動中であってもよく、あるいは、任意の一定開度で保持されている状態であってもよい。したがって、ねじれ角計算処理動作と並行して実行している動作、例えば流量制御動作により、計測タイミングに出力軸１６が回動されている場合、ねじれ角計算処理動作で出力軸１６を一時的に保持する必要はない。なお、計測タイミングにおいて、弁側角度センサ１７Ｖの弁側センサ出力値Ｓｖから得られた弁側開度θｖを取得し、以下のねじれ角計算処理において、出力側開度θａの代わりに弁側開度θｖを用いてもよい。
【００５９】
続いて、計算処理部１９Ｂは、得られた出力側開度θａと出力軸トルクＴｏとに基づいて、弁体２２にかかる弁体トルクＴｖを計算し（ステップＳ１５３）、得られた弁体トルクＴｖに基づいて、出力側開度θａにおける弁体２２のねじれ角Δθｎを計算し（ステップＳ１５４）、得られたねじれ角Δθｎを制御回路１９の内部メモリ（図示せず）または記憶回路１８に保存する（ステップＳ１５５）。
また、計算処理部１９Ｂは、得られたねじれ角Δθｎに基づいて、出力側開度θａを補正した補正後出力側開度θ’ａを計算し（ステップＳ１５６）、得られた補正後出力側開度θ’ａを上記内部メモリまたは記憶回路１８に保存し（ステップＳ１５７）、一連のねじれ角計算処理を終了する。
【００６０】
通常、出力軸１６が回動している場合、あるいは、出力軸１６を任意の一定開度で保持した場合、モータ１３、動力伝達部１４、および弁体２２に発生するそれぞれのトルクは、互いにつり合った状態にあり、これらトルクの総和はゼロとなる。図６に示すように、例えば、任意の出力側開度θａにおけるモータ１３のモータトルクをＴｍとし、動力伝達部１４における動力伝達トルクをＴｄとし、弁体２２の弁体トルクをＴｖとした場合、任意の制御開度θｘにおけるこれらトルクのつり合いは、次の式（１）で表される。
【００６１】
【数１】
2020154528.tif 000003
【００６２】
一方、動力伝達部１４と弁体２２との間の出力軸１６の出力軸トルクＴｏは、トルクのつり合いで見れば、次の式（２）に示すように、モータ１３のモータトルクＴｍと動力伝達部１４の動力伝達トルクＴｄとの和に等しい。
【００６３】
【数２】
2020154528.tif 000004
【００６４】
したがって、これら式（１）と式（２）に基づけば、弁体トルクＴｖは、次の式（３）に示すようになる。このため、出力軸トルクＴｏを検出すれば、弁体トルクＴｖが得られることになる。
【００６５】
【数３】
2020154528.tif 000005
【００６６】
また、弁体２２に対して負荷がかかっている場合、出力軸１６、継手３０、弁軸２６からなる一連の連結軸に対してねじれ角Δθｎが生じる。連結軸のうち動力伝達部１４から弁体２２までの軸長をＬとし、弁体トルクをＴｖとし、弁体２２の横弾性係数および断面二次極モーメントをＧおよびＩｐとした場合、ねじれ角Δθｎは次の式（４）で表される。
【００６７】
【数４】
2020154528.tif 000006
【００６８】
この際、連結軸のうち弁体２２の上端までのねじれ角Δθｎを求める場合、軸長Ｌとして動力伝達部１４から弁体２２上端までの長さＬ１を用いればよい。また、連結軸のうち弁体２２の下端までのねじれ角Δθｎを求める場合、軸長Ｌとして動力伝達部１４から弁体２２下端までの長さＬ２を用いればよい。
このようにして得られたねじれ角Δθｎは、出力側開度θａと弁側開度θｖとの偏差と見なせるため、次の式（５）に示すように、出力側開度θａにねじれ角Δθｎを加算することにより、弁側開度θｖに相当する補正後出力側開度θ’ａを得ることができる。
【００６９】
【数５】
2020154528.tif 000007
【００７０】
［劣化指標処理動作］
次に、図７を参照して、本実施の形態にかかる電動アクチュエータ１０の劣化指標処理動作について説明する。図７は、劣化指標処理を示すフローチャートである。
保証期間を超えて長期にわたり使用した場合、連結軸を構成する出力軸１６、継手３０、弁軸２６や弁体２２が劣化して変形、故障、経年変化などにより設計当初の性能が得られない場合も考えられる。このような場合、ねじれ角Δθｎが無視できない程度まで大きくなるため、ねじれ角Δθｎは、弁体２２や連結軸に関する劣化状態の判定に用いる劣化指標となる。
制御回路１９は、弁体２２や連結軸の劣化状態を判定する際、図５のねじれ角計算処理を実行後、図７の劣化指標処理を実行する。
【００７１】
まず、計算処理部１９Ｂは、制御回路１９の内部メモリまたは記憶回路１８からねじれ角Δθｎを取得して（ステップＳ１６０）、得られたねじれ角Δθｎと予め設定されているねじれ角Δθｎの正常範囲Ｅとを比較し（ステップＳ１６１）、ねじれ角Δθｎが正常範囲Ｅ内である場合には（ステップＳ１６１：ＹＥＳ）、弁体２２や連結軸の劣化状態は正常であると判定し（ステップＳ１６２）、一連の劣化指標処理を終了する。正常範囲Ｅについては、弁体２２や連結軸の設計時に算出した、ねじれ角Δθｎの初期値と許容範囲とに基づいて決定すればよい。
【００７２】
一方、ねじれ角Δθｎが正常範囲Ｅ外である場合には（ステップＳ１６１：ＮＯ）、弁体２２や連結軸の劣化状態は異常であると判定し（ステップＳ１６３）、一連の劣化指標処理を終了する。得られた劣化状態判定結果については、計算処理部１９ＢがＬＣＤやＬＥＤを用いた表示部（図示せず）でアラーム表示してもよく、データ通信により上位装置へ通知してもよい。
【００７３】
この際、計算処理部１９Ｂが、ねじれ角Δθｎの経時変化を定期的に計算し、データ通信により上位装置へ順次通知してもよい。さらには、計算処理部１９Ｂが、計算したねじれ角Δθｎを記憶回路１８に時系列データとして順次保存しておき、この時系列データから生成した近似関数に基づき将来のねじれ角Δθｎの推定値Δθ’ｎを推定し、推定値Δθ’ｎが正常範囲Ｅから離脱する時期を注意点として予測するようにしてもよい。これにより、連結軸を構成する出力軸１６、継手３０、弁軸２６や弁体２２の劣化時期すなわち交換時期を予測することができる。
【００７４】
［開度誤差処理動作］
次に、図８を参照して、本実施の形態にかかる電動アクチュエータ１０の開度誤差処理動作について説明する。図８は、開度誤差処理を示すフローチャートである。
弁本体２０の外側である本体上面２４または本体底面２５に、弁体２２付近の弁軸２６の回動角度を検出する弁側角度センサが取り付けられている場合、弁体２２の弁側開度θｖを弁側角度センサで直接検出することができ、流量制御の開度現在値θとして用いれば高い精度で流量制御を行うことができる。
【００７５】
一般に、弁側角度センサは、弁本体２０の外側である本体上面２４または本体底面２５に取り付けられるため、周囲環境や弁本体２０の流路２１を流れる流体の影響を受けやすい。このような影響により弁側角度センサに異常が発生した場合、出力側角度センサ１７Ａで検出した出力側開度θａと弁側開度θｖとの開度偏差Δθａｖが、通常の範囲のねじれ角Δθｎを超えることになる。図８の開度誤差処理は、開度偏差Δθａｖとねじれ角Δθｎとの差分である開度誤差Δθｅに基づいて、弁側角度センサの劣化状態を判定するようにしたものである。
【００７６】
制御回路１９は、弁側角度センサの劣化状態を判定する際、図５のねじれ角計算処理を実行後、図８の開度誤差処理を実行する。
まず、計算処理部１９Ｂは、出力側角度センサ１７Ａから出力側開度θａを取得するとともに（ステップＳ１７０）、弁側角度センサから弁側開度θｖを取得し（ステップＳ１７１）、次の式（６）に基づいて、出力側開度θａと弁側開度θｖとの開度偏差Δθａｖを計算する（ステップＳ１７２）。
【００７７】
【数６】
2020154528.tif 000008
【００７８】
次に、計算処理部１９Ｂは、制御回路１９の内部メモリまたは記憶回路１８からねじれ角Δθｎを取得して（ステップＳ１７３）、次の式（７）に基づいて、開度偏差Δθａｖと得られたねじれ角Δθｎとの開度誤差Δθｅを計算する（ステップＳ１７４）。
【００７９】
【数７】
2020154528.tif 000009
【００８０】
続いて、計算処理部１９Ｂは、開度誤差Δθｅを予め設定されている開度誤差Δθｅの正常範囲ｅと比較し（ステップＳ１７５）、開度誤差Δθｅが正常範囲ｅ内である場合には（ステップＳ１７５：ＹＥＳ）、弁側角度センサの劣化状態は正常であると判定し（ステップＳ１７６）、一連の開度誤差処理を終了する。正常範囲Ｅについては、弁体２２や連結軸の設計時に算出した、ねじれ角Δθｎの初期値と許容範囲とに基づいて決定すればよい。
【００８１】
一方、開度誤差Δθｅが正常範囲ｅ外である場合には（ステップＳ１７５：ＮＯ）、弁側角度センサの劣化状態は異常であると判定し（ステップＳ１７７）、一連の開度誤差処理を終了する。得られた劣化状態判定結果については、計算処理部１９ＢがＬＣＤやＬＥＤを用いた表示部（図示せず）でアラーム表示してもよく、データ通信により上位装置へ通知してもよい。
【００８２】
この際、計算処理部１９Ｂが、開度誤差Δθｅの経時変化を定期的に計算し、データ通信により上位装置へ順次通知してもよい。さらには、計算処理部１９Ｂが、計算した開度誤差Δθｅを記憶回路１８に時系列データとして順次保存しておき、この時系列データから生成した近似関数に基づき将来の開度誤差Δθｅの推定値Δθ’ｅを推定し、推定値Δθ’ｅが正常範囲ｅから離脱する時期を注意点として予測するようにしてもよい。これにより、連結軸を構成する出力軸１６、継手３０、弁軸２６や弁体２２の劣化時期すなわち交換時期を予測することができる。
【００８３】
［本実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、計算処理部１９Ｂが、所定の計測タイミングにおける出力軸１６の出力軸トルクＴｏに基づいて、弁体２２のねじれ角Δθｎを計算するようにしたものである。
【００８４】
電動アクチュエータで制御する操作端を、保証期間を超えて長期にわたり使用した場合、弁体２２が劣化して変形、故障、経年変化などにより設計当初の性能が得られない場合も考えられる。このような場合、電動アクチュエータ１０から弁体２２を精度よく開閉制御できなくなったり、弁体２２を全閉位置や全開位置などの所定の回動位置まで確実に戻せなくなったりする可能性がある。このため、弁体２２の劣化状態を把握しておくことが重要となる。
【００８５】
本実施の形態によれば、弁体２２や連結軸の劣化指標として、弁体２２のねじれ角Δθｎを容易に計算できるため、当初の設計値からの乖離幅に応じて、弁体２２や連結軸の劣化状態を容易に把握することができる。したがって、乖離幅が大きくなって劣化が進んだ場合には、故障発生する前に適切な対応をとることができ、極めて効果的な予知保全を実現することが可能となる。
これにより、保証期間を超える長期使用を想定した場合でも、一定の信頼性を提供することが可能となる。また、ねじれ角Δθｎの経時変化を、計算処理部１９Ｂや上位装置でモニタすることにより、弁体２２や連結軸の劣化時期すなわち交換時期を予測でき、操作端の予知保全に極めて有用である。
【００８６】
また、本実施の形態において、出力軸１６のうち、動力伝達部１４と弁体２２との間の出力軸１６の出力軸トルクＴｏを検出するトルクセンサ１７Ｔをさらに備え、計算処理部１９Ｂで、計測タイミングにトルクセンサ１７Ｔで検出された出力軸トルクＴｏに基づいて、計測タイミングに弁体２２で生じた弁体トルクＴｖを計算し、得られた弁体トルクＴｖに基づいてねじれ角Δθｎを計算するようにしてもよい。この際、出力軸トルクＴｏそのものを弁体トルクＴｖとして計算するようにしてもよい。
【００８７】
具体的には、計算処理部１９Ｂで、電動アクチュエータ１０と弁体２２とを連結する一連の連結軸のうちトルクセンサ１７Ｔから弁体２２までの軸長をＬとし、弁体トルクをＴｖとし、弁体２２の横弾性係数および断面二次極モーメントをＧおよびＩｐとした場合、ねじれ角Δθｎを前述した式（５）で計算するようにしてもよい。
【００８８】
これにより、電動アクチュエータ１０の既存構成にトルクセンサ１７Ｔを加えるだけでねじれ角Δθｎを容易に計算でき、回路規模さらには製品コストの大幅な増大を必要とすることなく、電動アクチュエータ１０の信頼性を高めることが可能となる。また、トルクセンサ１７Ｔを電動アクチュエータ１０の内部に実装でき、トルクセンサ１７Ｔの劣化を低減できるとともに、電動アクチュエータ１０と弁本体２０との全体の小型化や、トルクセンサ１７Ｔと制御回路１９との間の配線を短縮できるため、耐ノイズ性の向上に貢献できる。
【００８９】
また、本実施の形態では、トルクセンサ１７Ｔを電動アクチュエータ１０の内部に実装する例について説明したが、トルクセンサ１７Ｔを電動アクチュエータ１０の外部に実装してもよい。これにより、既設の電動アクチュエータ１０の外部に後付でトルクセンサ１７Ｔを実装でき、電動アクチュエータ１０の小型化や初期投資の抑制、および予知保全の向上に貢献できる。
【００９０】
また、ねじれ角計算処理動作の所要時間は、トルクセンサ１７Ｔで出力軸トルクＴｏを検出するという、極めて短い時間で済むため、アプリケーションによっては、通常の運転動作中であってもねじれ角計算処理動作を行うことができる。したがって、ねじれ角計算処理動作を定期的に実行することにより、弁体２２の劣化状態の変化をいち早く検出でき、迅速な対応をとることが可能となる。
【００９１】
また、本実施の形態において、出力軸１６の回動角度を出力側開度θａとして検出する出力側角度センサ１７Ａをさらに備え、制御回路１９の開度制御部１９Ａが、計算処理部１９Ｂで計算したねじれ角Δθｎに基づいて、出力側角度センサ１７Ａで検出した出力側開度θａを補正するようにしてもよい。
これにより、補正した出力側開度θａとして弁体２２付近で検出した弁側開度θｖとほぼ同じ開度が得られるため、補正した出力側開度θａすなわち補正後出力側開度θ’ａを、流量制御における開度現在値θとして用いることができる。具体的には、前述した図３のステップ１０１において、ねじれ角Δθｎを計算し、出力側角度センサ１７Ａで検出した出力側開度θａをねじれ角Δθｎで補正し、得られた補正後出力側開度θ’ａを開度現在値θとして用いればよい。このため、出力側開度θａを開度現在値θとして用いる場合と比較して、弁側角度センサを必要とすることなく、極めて高い精度で流量制御を行うことが可能となる。
【００９２】
また、本実施の形態において、出力軸１６の回動角度を出力側開度θａとして検出する出力側角度センサ１７Ａと、弁体２２の回動角度を弁側開度θｖとして検出する弁側角度センサとをさらに備え、制御回路１９の計算処理部１９Ｂが、出力側開度θａと弁側開度θｖとの差分からなる開度偏差Δθａｖと、計算したねじれ角Δθｎとの開度誤差Δθｅを計算するようにしてもよい。
【００９３】
これにより、弁側角度センサの劣化指標として、開度誤差Δθｅを容易に計算できるため、当初の設計値からの乖離幅に応じて、弁側角度センサの劣化状態を容易に把握することができる。したがって、乖離幅が大きくなって劣化が進んだ場合には、故障発生する前に適切な対応をとることができ、極めて効果的な予知保全を実現することが可能となる。
また、保証期間を超える長期使用を想定した場合でも、一定の信頼性を提供することが可能となる。また、開度誤差Δθｅの経時変化を、計算処理部１９Ｂや上位装置でモニタすることにより、弁側角度センサの劣化時期すなわち交換時期を予測でき、操作端の予知保全に極めて有用である。
【００９４】
［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００９５】
１０…電動アクチュエータ、１１…設定回路、１２…モータ駆動回路、１３…モータ、１３Ａ…シャフト、１４…動力伝達部、１５…リターンスプリング、１６…出力軸、１７Ａ…出力側角度センサ、１７Ｔ…トルクセンサ、１８…記憶回路、１９…制御回路、１９Ａ…開度制御部、１９Ｂ…計算処理部、２０…弁本体、２１…流路、２２…弁体、２３…内壁、２４…本体上面、２５…本体底面、２６…弁軸、３０…継手、３１…ヨーク、４０…歪みゲージ、４１…ベース、４２…ゲージ、４３…リード、４５…ホイートストーンブリッジ回路、Ｒ…抵抗体、Ｓ１，Ｓ２…圧力センサ、Ｑｒｅｆ…流量目標値、Ｑ…流量現在値、ΔＱ…流量偏差、Ｓａ…出力側センサ出力値、Ｓｂ…出力側出力基準値、Ｓｖ…弁側センサ出力値、Ｓｓ…弁側出力基準値、Ｔｘ…検出温度、Ｐ１…一次側圧力、Ｐ２…二次側圧力、ΔＰ…差圧、Ｖｏ…トルクセンサ出力値、θｘ…制御開度、θａ…出力側開度、θｖ…弁側開度、Ｔｍ…モータトルク、Ｔｄ…動力伝達トルク、Ｔｓ…スプリングトルク、Ｔｖ…弁体トルク、Ｔｏ…出力軸トルク、Δθｎ…ねじれ角、Ｌ…軸長、Ｇ…横弾性係数、Ｉｐ…断面二次極モーメント、θ’ａ…補正後出力側開度、Δθａｖ…開度偏差、Δθｅ…開度誤差。
【図１】
2020154528.tif 000011
【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】
2020154528.tif 000016
【図７】
2020154528.tif 000017
【図８】
2020154528.tif 000018