(57)【要約】【課題】大型化を抑制しつつ、破壊応力に達することを抑制できる振動発電装置を提供する。【解決手段】振動源からの振動が入力される入力部２と、固定部に対向して固定されるベース部３と、入力部２とベース部３との間に配置され、入力部２から入力される振動を電力に変換する変換手段４と、を備え、変換手段４は、対向方向に軸を沿わせた磁気コイル７と、磁気コイル７の内側又は外側に配置される磁歪部材５と、磁気コイル７の外側又は内側に配置され磁気回路を形成するための磁気回路形成部と、を備え、入力部２から変換手段４に入力される振動により伸縮する弾性部材９を、変換手段４とベース部３との間に備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動源からの振動が入力され、磁性材料で構成される入力部と、該入力部に対向して固定部に固定されるベース部と、前記入力部と前記ベース部との間に配置され、前記入力部から入力される振動を電力に変換する変換手段と、を備え、
前記変換手段は、前記入力部と前記ベース部との対向方向に軸を沿わせた磁気コイルと、該磁気コイルの内側又は外側に配置され磁歪材料で構成される磁歪部材と、前記磁気コイルの外側又は内側に配置され磁気回路を形成するための磁気回路形成部と、を備え、
前記入力部から前記変換手段に入力される振動により伸縮する弾性部材を、前記変換手段と前記ベース部との間に備えていることを特徴とする振動発電装置。
【請求項２】
前記変換手段は、中心部に位置する前記磁歪部材と、該磁歪部材の外側に配置される前記磁気コイルと、該磁気コイルの外側に配置される前記磁気回路形成部と、を備え、前記磁気回路形成部は、少なくとも永久磁石を備えていることを特徴とする請求項１に記載の振動発電装置。
【請求項３】
前記変換手段は、中心部に位置する前記磁気回路形成部と、該磁気回路形成部の外側に配置される前記磁気コイルと、該磁気コイルの外側に配置される前記磁歪部材と、を備え、前記磁気回路形成部は、少なくとも永久磁石を備えていることを特徴とする請求項１に記載の振動発電装置。
【請求項４】
前記変換手段と前記弾性部材との間に配置され、一端が前記変換手段に接続され、他端が前記弾性部材に接続される錘を備えていることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の振動発電装置。
【請求項５】
請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の振動発電装置を橋梁に電気防食用の電流を流すための電源として用いることを特徴とする電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動を利用して発電する振動発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年において、維持可能な循環型社会を目指し、各種エネルギーを環境発電電力で代替することが検討されている。例えば、交通インフラにおいて高度成長期に急速に建設されたものが一斉に５０年を経過するため、急速に老朽化率が進んでいる。その一方、日本の人口増加はすでに鈍化し、近い将来には減少に転じるため、メンテナンス作業員の確保がますます困難になることは明らかである。したがって、例えば橋梁のメンテナンスを効率的に行う必要性から、コンクリートの亀裂や損傷を自動的にモニタリングするシステムの開発が進んでいる。そのシステムを駆動する電源には、低炭素社会を目指して、環境発電装置を用いることが検討されている。
【０００３】
上記環境発電装置として振動発電装置が注目されており、その振動発電装置の発電素子には、磁歪材料を用いたものが数多く検討されている。磁歪材料を用いた例として、磁歪材料にコイルを巻回した発電素子に電車の通過荷重を加える構造が開示されている。具体的には、レール固定用の枕木に形成した穴内にコイルを巻いた磁歪素子を設置し、この磁歪素子を穴の底面とレールとで挟み込むようにして配置している。そして、この振動発電装置は、レール上を列車が通過した際に、その列車の荷重によりレールと枕木の穴の底面との間に配置された磁歪素子を歪ませ、この歪に応じた電力が発生するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２７１８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１では、線路や枕木等が、通過する車両から荷重の大きな部分を受けることになる。したがって、発電装置のベース部に対して入力部に一定の変位を与える強制変位モデルとして表されるような力学系となることが一般的である。このとき、強制変位が過度に大きくなると、発電素子に加わる応力が変位に比例して大きくなるため、破壊応力に達してしまう恐れがあり、改善の余地があった。因みに、破壊応力に達することを避けるために、発電素子の全長を長くして、発電素子に加わる歪み（単位長さ当たりの変形量）を小さくすることが考えられるが、発電装置の大型化を招き、実施し難いものである。
【０００６】
そこで、本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであって、大型化を抑制しつつ、破壊応力に達することを抑制できる振動発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
即ち、本発明の振動発電装置は、前述の課題解決のために、振動源からの振動が入力され、磁性材料で構成される入力部と、該入力部に対向して固定部に固定されるベース部と、前記入力部と前記ベース部との間に配置され、前記入力部から入力される振動を電力に変換する変換手段と、を備え、前記変換手段は、前記入力部と前記ベース部との対向方向に軸を沿わせた磁気コイルと、該磁気コイルの内側又は外側に配置され磁歪材料で構成される磁歪部材と、前記磁気コイルの外側又は内側に配置され磁気回路を形成するための磁気回路形成部と、を備え、前記入力部から前記変換手段に入力される振動により伸縮する弾性部材を、前記変換手段と前記ベース部との間に備えていることを特徴としている。
【０００８】
上記構成によれば、磁気回路形成部により、磁歪部材の歪から効果的に磁束密度の変化を生じさせることができる。この状態において、振動源からの振動が入力部に入力されると、磁歪部材に圧縮応力が加わる。この圧縮応力により、磁歪部材の内部の磁束密度が変化し、磁気コイルを通過する磁束が変化することで発電する。また、入力部に加わる力を受けて弾性部材が変形することで、磁歪部材が受ける圧縮応力が緩和される。これにより、磁歪部材の全長を長くすることなく、過負荷による磁歪部材の破損を抑制することができる。
【０００９】
また、本発明の振動発電装置は、前記変換手段が、中心部に位置する前記磁歪部材と、該磁歪部材の外側に配置される前記磁気コイルと、該磁気コイルの外側に配置される前記磁気回路形成部と、を備え、前記磁気回路形成部は、少なくとも永久磁石を備えていてもよい。
【００１０】
また、本発明の振動発電装置は、前記変換手段は、中心部に位置する前記磁気回路形成部と、該磁気回路形成部の外側に配置される前記磁気コイルと、該磁気コイルの外側に配置される前記磁歪部材と、を備え、前記磁気回路形成部は、少なくとも永久磁石を備えていてもよい。
【００１１】
また、本発明の振動発電装置は、前記変換手段と前記弾性部材との間に配置され、一端が前記変換手段に接続され、他端が前記弾性部材に接続される錘を備えていてもよい。
【００１２】
上記のように、錘と弾性部材との作用により継続的な振動を発生させることで、発電量を増大させることができる。
【００１３】
また、本発明は、上記振動発電装置が橋梁に電気防食用の電流を流すための電源として用いる電子デバイスであってもよい。
【００１４】
上記構成によれば、振動発電装置を橋梁に電気防食用の電流を流すための電源として用いる電子デバイスとすることで、橋梁に使用される鋼材に錆が早期に発生することを抑制することができ、橋梁を定期的に点検する時期を延長することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、磁歪部材に加わる圧縮応力を弾性部材により緩和することによって、大型化を抑制しつつ、破壊応力に達することを抑制できる振動発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る振動発電装置の斜視図である。
【図２】同振動発電装置の縦断面図である。
【図３】同振動発電装置を橋梁に据え付けた概略図である。
【図４】同振動発電装置に蓄電回路を介して蓄電池を接続したブロック図である。
【図５】同振動発電装置に整流器を介して蓄電キャパシタを接続した回路図である。
【図６】正弦半波の作用時間が０．１〜０．５ｍｓのときの同振動発電装置の錘の重量に対する発電量を解析した結果を示すグラフである。
【図７】正弦半波の作用時間が１〜２ｍｓのときの同振動発電装置の錘の重量に対する発電量を解析した結果を示すグラフである。
【図８】高速道路の高架橋の支承部付近における車両通過に伴う橋梁の変位量を示すグラフである。
【図９】図８の橋梁の変位量に対する発電量の計算結果を示すグラフである。
【図１０】同振動発電装置の別の構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る振動発電装置の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１及び図２に示すように、振動発電装置１は、振動源（後述する橋梁１４）からの振動が入力され、磁性材料で構成される入力部２と、固定部（後述する橋脚１５）に固定され入力部２と上下方向で対向して配置されるベース部３と、入力部２とベース部３との間に配置され、入力部２から入力される振動を電力に変換する変換手段４と、を備えている。なお、振動発電装置１の外周を覆う円筒状のケーシング（図示せず）を設けて実施してもよい。
【００１９】
入力部２は、磁性を有するフェライト系ステンレス鋼の一例であるＳＵＳ４３０で作られているが、マルテンサイト系ステンレス鋼や炭素鋼、珪素鋼のような磁性材料であってもよい。また、入力部２は、平面視において円形状の板状に構成され、振動源（後述する橋梁１４）からの振動が入力されて後述する磁歪部材５に圧縮応力を加える機能を有する。また、入力部２の下端の中心部には、下方に突出して後述する磁歪部材５の上端部の外面に当接して磁歪部材５を水平方向で位置決めするための突起部２Ｔを備えている。突起部２Ｔは、平面視において周方向に沿って複数個備えていてもよいし、円環状のものから構成されていてもよい。
【００２０】
ベース部３は、後述するコイルバネ９を収容する上方が開放された円筒部３Ａと、この円筒部３Ａの下端に外側に突出する略円盤状のフランジ部３Ｂと、を備えている。フランジ部３Ｂには、ベース部３を固定部（後述する橋梁１４の橋脚１５）にボルト固定するための複数のボルト孔３ｂが周方向に沿って形成されている。尚、ベース部３の材料は、特に限定されるものではないが、各種の金属で構成してもよいし、場合によっては各種の合成樹脂で構成してもよい。
【００２１】
変換手段４は、磁歪材料で構成される磁歪部材５と、磁歪部材５との外側に配置される磁性部材６と、磁歪部材５の外側に配置される（巻かれる）磁気コイル７と、磁歪部材５に磁気バイアスを加える永久磁石８と、を備えている。磁性部材６と永久磁石８とで、磁気回路形成部を構成しているが、少なくとも永久磁石８のみで磁気回路形成部を構成してもよい。
【００２２】
磁歪部材５としては、本実施形態では、Ｇａｌｆｅｎｏｌ（Ｆｅ（鉄）−Ｇａ（ガリウム）合金）を用いているが、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ系合金）を用いてもよいし、これら以外の磁歪材料を用いてもよい。
【００２３】
磁性部材６は、断面形状矩形状で円環状（リング状）に構成され、磁性を持つＳＵＳ４３０で作られたヨークから構成されている。この実施形態では、優れた強度と耐食性を有するフェライト系ステンレス鋼の一例であるＳＵＳ４３０で磁性部材６を作っているが、マルテンサイト系ステンレス鋼や炭素鋼、珪素鋼のような磁性材料であってもよい。
【００２４】
永久磁石８としては、軸方向に着磁された断面形状が矩形状で円環状（リング状）に構成されたサマリウムコバルト磁石を用いている。サマリウムコバルト磁石は、強い磁力を有し、錆び難く温度特性に優れるといった利点があるが、ネオジム磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石であってもよい。
【００２５】
さらに、入力部２から変換手段４に入力される振動により伸縮する弾性部材としてのコイルバネ９を、変換手段４とベース部３との間に備えるとともに、変換手段４とコイルバネ９との間に配置される磁性材料で構成される錘１０を備えている。コイルバネ９は、錘１０を介して磁歪部材５と上下方向で直列状に配置され、ベース部３の内側に収容されている。錘１０は、一端（上端）が変換手段４に接続され、他端（下端）がコイルバネ９に接続されている。これら錘１０とコイルバネ９との作用により継続的な振動を発生させることで、発電量を増大させることができる。
【００２６】
また、錘１０は、略円柱状に構成され、変換手段４を構成するすべての部材を載置可能な受け部から構成されている。錘１０の上端の中心部には、上方に突出して磁歪部材５の下端部の外面に当接して磁歪部材５を水平方向で位置決めするための突起部１０Ｔを備えている。突起部１０Ｔは、平面視において周方向に沿って複数個備えていてもよいし、円環状のものから構成されていてもよい。
【００２７】
また、ベース部３の円筒部３Ａの上端３ａと錘１０の下端１０Ａとの間には、上下方向の隙間１１が形成されている。この隙間１１は、入力部２に入力される振動により錘１０の下端１０Ａがベース部３の円筒部３Ａの上端３ａに当接することで、錘１０が上下動することができなくなることを防止するために形成された隙間である。隙間１１は、後述する隙間１２，１３よりも大きな上下寸法を有する隙間に設定されている。また、コイルバネ９の剛性は、入力部２に入力される振動により磁歪部材５が破壊されないように設定される。具体的には、後述する橋梁１４で発生する振動を予め測定し、橋梁１４の振動振幅の最大値を見積もっておき、その最大の振動振幅によっても磁歪部材５が破壊されないようにコイルバネ９の剛性を調整する。これにより磁歪部材５の破壊を防止できる。
【００２８】
磁歪部材５は、入力部２と錘１０との間に配置され、錘１０の中心部に配置されている。この磁歪部材５の外側に入力部２とベース部３との対向方向に軸を沿わせた磁気コイル７が同心円状に配置され、この磁気コイル７の外側に永久磁石８及び磁性部材６が同心円状に配置されている。なお、図２では、永久磁石８をベース部３側に配置し、磁性部材６を入力部２側に配置しているが、永久磁石８を入力部２側に配置し、磁性部材６をベース部３側に配置してもよい。したがって、永久磁石８により磁歪部材５にバイアス磁界を加えることによって、永久磁石８、磁性部材６、入力部２、磁歪部材５、錘１０で磁気回路が構成される。
【００２９】
入力部２へ振動が入力されると、入力部２から磁歪部材５に圧縮応力が加わることになるが、この圧縮応力が磁気コイル７の上端７Ａ及び磁性部材６の上端６Ａに加わって磁気コイル７及び磁性部材６が破損することがないように、磁気コイル７の上端７Ａ及び磁性部材６の上端６Ａを磁歪部材５の上端よりも低くしている。つまり、入力部２へ振動が入力されていない状態では、入力部２の下端２Ｂに磁歪部材５の上端５Ａが当接しているが、磁気コイル７の上端７Ａと入力部２の下端２Ｂとの間に隙間１２が形成されるとともに、磁性部材６の上端６Ａと入力部２の下端２Ｂとの間に隙間１３が形成されている。これら隙間１２，１３は、最大振動が入力された状態において、入力部２の下端２Ｂが磁気コイル７の上端７Ａ及び磁性部材６の上端６Ａに当接しないように設定することが好ましい。
【００３０】
上記構成の振動発電装置１を、図３に示すように、橋梁１４（この実施形態では、道路高架橋）に取り付けている。具体的には、ベース部３が橋脚１５の上端に固定され、入力部２が、鋼床版１６の重量の一部を支えるように鋼床版１６の下端１６Ｂに当接している。鋼床版１６は、デッキプレートと呼ばれる鋼板を使用した床版であり、支承２６，２６を介して橋脚１５に支持されている。前記床版の上に車両Ｃが通過可能な舗装道路（図示せず）が載置される。振動源である鋼床版１６からの振動が入力部２に入力されると、磁歪部材５に圧縮応力が加わる。これによって、磁歪部材５の内部の磁束密度が変化し、磁歪部材５に巻かれている磁気コイル７を通過する磁束が変化することで発電する。また、入力部２に加わる力を受けて弾性部材（図２では、コイルバネ９）が変形することで磁歪部材５が受ける圧縮応力を緩和することができる。よって、磁歪部材５の全長を長くすることなく、過負荷による磁歪部材５の破損を抑制することができる。しかも、錘１０と弾性部材（図２では、コイルバネ９）との作用により継続的な振動を発生させることで、発電量を増大させることができる。
【００３１】
図３では、振動発電装置１で発電した電力を蓄積する蓄電池１７を振動発電装置１に接続するとともに、蓄電池１７からの電力により通電するための電極１８が蓄電池１７に接続されている。電極１８は、鋼床版１６の端部の鋼板部分に設けられており、通電することにより、鋼床版１６が錆びることを抑制している。尚、電極１８を通電するタイミングは、予め設定されているタイミングで行ってもよいし、雨が降っていることを検出するセンサ（図示せず）からの検出情報に基づいて雨が降っているときのみ、通電するように構成してもよい。
【００３２】
実際には、図４に示すように、振動発電装置１が蓄電池１７に蓄電回路１９を介して接続されている。この蓄電回路１９は、振動発電装置１で発生する電圧又は電流を制御しながら蓄電池１７に効率よく蓄電できるようにしている。
【００３３】
また、図５では、前記蓄電池１７に替えて蓄電キャパシタ（コンデンサ）２０を用いる場合を示している。この場合には、振動発電装置１からの電流を半波整流するための整流器２１を備えている。なお、図５では、振動発電装置１を構成する磁気コイル７（図５ではＬの符号と同じ）に含まれる抵抗成分を符号Ｒで示している。
【００３４】
図６及び図７に、振動発電装置１の錘１０の質量と発電量との関係を解析した結果を示すグラフを示している。なお、これらグラフでは、入力部２に入力される強制変位を正弦半波として求めた結果を示している。また、図６では、正弦半波が作用する作用時間を、０．１ｍｓ（実線）、０．２ｍｓ（１点鎖線）、０．３ｍｓ（破線）、０．５ｍｓ（２点鎖線）の４つの作用時間とし、図７では、正弦半波が作用する作用時間を１．０ｍｓ（実線）、１．２ｍｓ（１点鎖線）、１．５ｍｓ（破線）、２．０ｍｓ（２点鎖線）の４つの作用時間としている。振動発電装置１のコイルバネ９の剛性は、磁歪部材５の軸方向剛性の１／１０とし、入力部２への強制変位入力を１／１１に低減するように設定している。上記２つのグラフから、作用時間が短い入力波形の場合は磁束密度変化が速いため、発電電力が大きくなる。また、錘１０の質量が重くなると、錘１０の慣性力が大きくなって錘１０の振動振幅が大きくなるため、発電電力が大きく得られることがわかる。
【００３５】
また、橋梁で発生している振動をセンサで実際に測定した橋梁の変位を図８に示している。この図８の橋梁の変位を本発明の振動発電装置１に入力したときの発電量を図９のグラフに示している。この場合も、前記正弦半波の結果と同様に、錘１０の質量が増加するにつれて、発電量が大きくなっている。
【００３６】
尚、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、変換手段４が、入力部２と錘１０との間に配置され、錘１０の中心部に位置する磁気回路形成部を構成する永久磁石２２及び磁性部材２３と、磁気回路形成部の外側に同心円状に配置される磁気コイル２４と、磁気コイル２４の外側に同心円状に配置される磁歪部材２５と、を備えていてもよい。図２と同様に、入力部２の下端２Ｂに磁歪部材２５の上端２５Ａが当接しているが、磁気コイル２４の上端２４Ａと入力部２の下端２Ｂとの間に隙間１２が形成されるとともに、磁性部材２３の上端２３Ａと入力部２の下端２Ｂとの間に隙間１３が形成されている。この場合、永久磁石２２により磁歪部材２５にバイアス磁界を加えることで、永久磁石２２、磁性部材２３、入力部２、磁歪部材２５、錘１０によって磁気回路が構成される。ここでは、磁気回路形成部が、永久磁石２２と磁性部材２３とを備えているが、少なくとも永久磁石２２があればよく、磁性部材２３を省略してもよい。なお、磁歪部材２５は、図１及び図２に示す磁歪部材５よりも直径が大きく構成され、体積も大きく構成されている。入力部２の下端の中心部には、下方に突出して磁気コイル２４の上端部の外面に当接して磁気コイル２４を水平方向で位置決めするための突起部２Ｔを備えている。突起部２Ｔは、平面視において周方向に沿って複数個備えていてもよいし、円環状のものから構成されていてもよい。また、錘１０の上端の中心部には、上方に突出して磁気コイル２４の下端部の外面に当接して磁気コイル２４を水平方向で位置決めするための突起部１０Ｔを備えている。突起部１０Ｔは、平面視において周方向に沿って複数個備えていてもよいし、円環状のものから構成されていてもよい。また、永久磁石２２をベース部３側に配置し、磁性部材２３を入力部２側に配置しているが、永久磁石２２を入力部２側に配置し、磁性部材２３をベース部３側に配置してもよい。なお、図１０で説明しなかった部分は、図２と同様である。
【００３７】
前記実施形態では、振動発電装置１を、道路高架橋において錆の発生により鋼板部分が腐食することを抑制するための電源として用いる他、道路高架橋や鉄橋等の交通インフラにおけるＩｏＴデバイス用電源として用いてもよい。これによって、橋梁の構造物の劣化をモニタリングするための電源として用いる、又は、橋梁の構造物の特定部分を照らす照明器具の電源として用いる、あるいは自動運転のサポート情報送信システムなどの交通インフラのメカトロニクスの実現のための電源としても利用することができる。また、自動車のタイヤに振動発電装置１を設置することで、路面状態検出システムの電源に利用する、あるいは靴の踵部に設置することで、歩行による発電を行い、人体情報をモニタリングすることに利用してもよい。
【００３８】
また、前記実施形態では、錘１０を設けたが、場合によっては錘１０を省略して実施することもできる。
【００３９】
また、前記実施形態では、弾性部材としてコイルバネ９を用いたが、板バネや、金属ブロック、合成樹脂などで構成される弾性部材であってもよい。
【００４０】
また、前記実施形態では、入力部２及び錘１０に部材の位置決めを行うための突起部２Ｔ，１０Ｔを備えたが、それら突起部２Ｔ，１０Ｔを省略して実施してもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１…振動発電装置、２…入力部、２Ｂ…下端、２Ｔ…突起部、３…ベース部、３Ａ…円筒部、３Ｂ…フランジ部、３ａ…上端、３ｂ…ボルト孔、４…変換手段、５…磁歪部材、５Ａ…上端、６…磁性部材、６Ａ…上端、７…磁気コイル、７Ａ…上端、８…永久磁石、９…コイルバネ（弾性部材）、１０…錘、１０Ａ…下端、１０Ｔ…突起部、１１，１２，１３…隙間、１４…橋梁、１５…橋脚、１６…鋼床版、１６Ｂ…下端、１７…蓄電池、１８…電極、１９…蓄電回路、２０…蓄電キャパシタ（コンデンサ）、２１…整流器、２２…永久磁石、２３…磁性部材、２３Ａ…上端、２４…磁気コイル、２４Ａ…上端、２５…磁歪部材、２５Ａ…上端、２６…支承、Ｃ…車両
【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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【図９】
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【図１０】
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