(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの磁歪部材と、永久磁石と、コイルとを含む磁歪装置であって、
前記磁歪部材は、相反する方向にある両端が拘束され、前記両端の少なくとも一端側に、外力が与えられ、または、磁歪変位を出力する端部を有しており、
前記永久磁石は、前記磁歪部材に対して、前記両端の方向のバイアス磁界、または、前記両端の方向にとられた主軸を周る方向のバイアス磁界を印加し、
前記コイルは、巻軸の方向が、前記バイアス磁界の方向と交差する関係で、前記磁歪部材に結合されている
磁歪装置。
【請求項２】
請求項１に記載された磁歪装置であって、
前記磁歪部材は、一個の筒状体であり、
前記コイルは、前記磁歪部材の筒部に対し、その内側と外側との間で周回するように巻装されている
磁歪装置。
【請求項３】
請求項２に記載された磁歪装置であって、
前記永久磁石は、前記磁歪部材に対して同軸状に配置され、前記主軸の方向の両端に磁極を生じるように着磁されている
磁歪装置。
【請求項４】
請求項３に記載された磁歪装置であって、
前記永久磁石は、前記磁歪部材の内部に配置されている
磁歪装置。
【請求項５】
請求項３に記載された磁歪装置であって、
前記永久磁石は、前記磁歪部材の外部に配置されている
磁歪装置。
【請求項６】
請求項１に記載された磁歪装置であって、
前記磁歪部材は、前記主軸の方向の両端側から圧力が加えられている
磁歪装置。
【請求項７】
請求項１に記載された磁歪装置であって、
前記磁歪部材及び前記永久磁石は、互いに組み合わされて一つの筒状体を構成しており、
前記コイルは、前記筒状体に対して同軸状に配置されている
磁歪装置。
【請求項８】
請求項７に記載された磁歪装置であって、
前記永久磁石は、前記筒状体を同一方向に周る磁界を生じる
磁歪装置。
【請求項９】
請求項７に記載された磁歪装置であって、
前記永久磁石は、前記筒状体の略半周を、同一方向に回る磁界と、逆方向に回る磁界とを生じる
磁歪装置。
【請求項１０】
請求項７に記載された磁歪装置であって、
前記永久磁石は、前記筒状体の周方向に位置する両端に磁極が生じるように着磁されている
磁歪装置。
【請求項１１】
請求項７に記載された磁歪装置であって、
前記コイルは、前記筒状体の内部に配置されている
磁歪装置。
【請求項１２】
請求項７に記載された磁歪装置であって、
前記コイルは、前記筒状体の外部に配置されている
磁歪装置。
【請求項１３】
請求項１に記載された磁歪装置であって、
前記コイルは、外部から電流が供給され、それによって交番磁界を生じ、
前記磁歪部材は、前記交番磁界に応じた磁歪捻りを生じる
磁歪装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載された磁歪装置であって、
アクチュエータとして用いられる
磁歪装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載された磁歪装置であって、
モータとして用いられる
磁歪装置。
【請求項１６】
請求項１に記載された磁歪装置であって、
前記コイルは、前記磁歪部材が前記主軸の周りの捻りを受けたとき、その捻りに応答する信号を出力する
磁歪装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載された磁歪装置であって、
トルクセンサとして用いられる
磁歪装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁歪素子を用いた磁歪装置に関する。本発明に係る磁歪装置は、アクチュエータ、モータまたはトルクセンサ等に用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】
この種の磁歪装置は、例えば、モータやアクチュエータ例にとると、磁歪材料でなる筒状体に対して、軸方向の磁界及び周方向の磁界を印加し、これらの２つの磁界の合成によって磁歪材でなる筒状体に磁歪捻りを生じさせ、この磁歪捻りを利用して、回転子を回転させるようになっている。磁歪捻りを生じさせるための軸方向の磁界及び周方向の磁界は、例えば特開平７ー２３２９０号公報に開示されているように、共に、コイルを利用して発生させる。
【０００３】
トルクセンサとして用いる場合は、同一の構造において、２つのコイルの何れか一方を、検出コイルとして利用する。
【０００４】
上述した従来の磁歪装置の問題点の一つは、軸の方向の磁界及び周方向の磁界を発生させるために、２つのコイルを備えることが必須であり、構造が複雑になることである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、コイルの数を低減し、構造を簡略化した磁歪装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題解決のため、本発明に係る磁歪装置は、少なくとも一つの磁歪部材と、永久磁石と、コイルとを含む。前記磁歪部材は、相反する方向にある両端が拘束され、前記両端の少なくとも一端側に、外力が与えられまたは磁歪変位を出力する端部を有している。前記永久磁石は、前記磁歪部材に対して、前記両端の方向にとられた主軸の方向のバイアス磁界、または、前記主軸を周る方向のバイアス磁界を印加する。前記コイルは、巻軸の方向が、前記バイアス磁界の方向と交差する関係で、前記磁歪部材に結合されている。
【０００７】
上述した磁歪装置について、モータまたはアクチュエータとして用いる場合と、トルクセンサとして用いる場合とに分けて、その作用を説明する。まず、モータまたはアクチュエータとして用いる場合、磁歪部材は、相反する方向にあって、拘束されている両端の少なくとも一端側に磁歪変位を出力する端部が備えられる。
【０００８】
永久磁石により、磁歪部材に対して、両端の方向にとられた主軸の方向のバイアス磁界を印加する場合、コイルは、巻軸の方向が、磁歪部材中において、バイアス磁界の方向と交差する関係、即ち、主軸を周る方向に一致するように、磁歪部材に結合される。
【０００９】
従って、コイルに周期性電流を流して励磁した場合、磁歪部材には、永久磁石による一方向のバイアス磁界と、コイル電流によって生じる周回磁界とが発生する。その合成磁界により、磁歪部材に、主軸の周りの磁歪捻り変位を発生する。磁歪捻り変位はコイルに流れる電流の周期に従って変化する。
【００１０】
磁歪部材は主軸の方向にとられた一端側に磁歪捻り変位を出力する端部が備えられているから、この端部に回転子を配置することにより、回転子を回転させることができる。
【００１１】
永久磁石により、磁歪部材に対して、主軸を周る方向のバイアス磁界を印加する場合、コイルは、巻軸の方向が、主軸の方向に一致するように、磁歪部材に結合される。コイルに周期性電流を流して励磁した場合、磁歪部材には、永久磁石による周方向磁界と、コイル電流によって生じる軸磁界とが発生する。その合成磁界により、磁歪部材は、コイル電流の周期に従って、主軸の周りに磁歪捻り変位を発生する。
【００１２】
次に、アクチュエータとして用いる場合、磁歪部材の主軸の方向の一端側に、外力を受ける端部が備えられる。永久磁石が、磁歪部材に対して、主軸の方向のバイアス磁界を印加する場合、コイルは、巻軸の方向が、主軸を周る方向に一致するような関係で、磁歪部材に結合される。
【００１３】
磁歪部材の端部に外力が加わり、磁歪部材を主軸の周りに捻る変位が生じると、磁歪部材の透磁率が変化する。このため、磁歪部材の磁束密度が変化し、コイルと鎖交する磁束が変化し、コイルに電圧が誘起する。この誘起電圧から、加えられたトルクを検知することができる。
【００１４】
永久磁石が、磁歪部材に対して、主軸を周る方向のバイアス磁界を印加する場合、コイルは、巻軸の方向が、主軸の方向に一致するように、磁歪部材に結合される。この場合も、磁歪部材の端部にトルクが加わり、磁歪部材に主軸の周りの捻りを生じると、磁歪部材の磁束密度が変化し、コイルに電圧が誘起する。この誘起電圧から、加えられた外力を検知することができる。磁歪部材、永久磁石及びコイルの配置は、種々の態様があり得る。
【００１５】
何れの場合も、従来は２個必要であったコイルの一つが永久磁石によって置換され、一個のコイルを備えるだけでよいから、構造を簡略化できる。
【００１６】
本発明の他の目的、構成及び効果は、添付図面を参照して、以下に更に詳しく説明する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る磁歪装置の分解拡散斜視図、図２は図１に図示された磁歪装置において、一部を取り除いて示す平面図、図３は図２のＡ３ーＡ３線上における断面図である。実施例に示す磁歪装置は、一つの磁歪部材１と、永久磁石２と、コイル３とを含む。
【００１８】
磁歪部材１は、相反する方向にある両端が拘束され、両端の少なくとも一端側に、外力が与えられ、または、磁歪変位を出力する端部を有している。図示された磁歪部材１は、一個の筒状体であり、その主軸Ｏ１の方向の両端に、下側ヨーク４１及び上側ヨーク４２が備えられており、上側ヨーク４２が、外力が与えられまたは磁歪変位を出力する端部を構成する。また、下側ヨーク４１及び上側ヨーク４２を磁歪部材１の主軸Ｏ１の方向の両端面に当接させた上で、締め付け具５によって締め付け固定してあり、これによって、磁歪部材１は、相反する方向にある両端が下側ヨーク４１及び上側ヨーク４２によって拘束される。
【００１９】
磁歪部材１、永久磁石２及び下側ヨーク４１の外側にはハウジング６が備えられており、下側ヨーク４１は、ハウジング６の底部６１と共に、締め付け具５によって締め付けられている。磁歪部材１の軸の方向の両端面は、突起１０１と凹部１０２とを交互に配置した凹凸面を構成しており、突起１０１が上側ヨーク４２及び下側ヨーク４１に押し付けられている。
【００２０】
永久磁石２は、磁歪部材１に対して、両端の方向にとられた主軸Ｏ１の方向のバイアス磁界Ｈｍを印加する。実施例において、永久磁石２は、主軸Ｏ１の方向の両端に磁極Ｎ、Ｓを生じるように着磁され、磁歪部材１の内部に同軸状に配置されている。
【００２１】
コイル３は、巻軸Ｏ２の方向が、磁歪部材１中において、バイアス磁界Ｈｍの方向とほぼ直角に交差する関係で、磁歪部材１に結合されている。実施例に示された磁歪部材１は、一個の筒状体であり、コイル３は、磁歪部材１の筒部１０に対し、その内側と外側との間で周回するように巻装されている。従って、コイル３の巻軸Ｏ２の方向は、磁歪部材１の周方向Ｈｃと一致する。コイル３は磁歪部材１の主軸Ｏ１の方向の両端面に設けられた凹部１０２の内部に巻装されている。これにより、コイル３の線径による影響を受けることなく、上側ヨーク４２を磁歪部材１の端面に接触させることができる。
【００２２】
実施例において、永久磁石２は、磁歪部材１に対して、主軸Ｏ１の方向のバイアス磁界Ｈｍを印加する構成となっており、コイル３は、巻軸Ｏ２の方向が、バイアス磁界Ｈｍの方向と交差する関係、即ち、磁歪部材１の主軸Ｏ１を周る方向Ｈｃに一致するように、磁歪部材１に結合される。
【００２３】
従って、コイル３に周期性電流を流して励磁した場合、磁歪部材１には、永久磁石２による一方向のバイアス磁界Ｈｍと、コイル電流によって生じる周回磁界Ｈｃとが印加される。その合成磁界により、磁歪部材１には、コイル電流の周期に従って、主軸Ｏ１の周りの磁歪捻り変位が発生する。
【００２４】
磁歪部材１は、主軸Ｏ１の方向の一端側に磁歪捻り変位を出力する上側ヨーク４２が備えられているから、上側ヨーク４２に回転子を接触して配置することにより、回転子を回転させることができる。
【００２５】
次に、トルクセンサとして用いる場合、磁歪部材１の主軸Ｏ１の方向の一端側に設けられた上側ヨーク４２が外力を受ける。実施例において、永久磁石２により、磁歪部材１に対して、主軸Ｏ１の方向のバイアス磁界Ｈｍを印加し、コイル３は、巻軸Ｏ２の方向が、磁歪部材１の主軸Ｏ１を周る方向Ｈｃに一致するような関係で、磁歪部材１に結合されている。
【００２６】
磁歪部材１の端部を構成する上側ヨーク４２に外力が加わり、磁歪部材１に主軸Ｏ１の周りの捻りを生じると、磁歪部材１の透磁率が変化する。このため、磁歪部材１の磁束密度が変化し、コイル３と鎖交する磁束が変化し、コイル３に電圧が誘起する。この誘起電圧から、加えられたトルクを検知することができる。
【００２７】
上記実施例によれば、従来は２個必要であったコイル３の一つが永久磁石２によって置換され、一個のコイル３を備えるだけでよいから、構造を簡略化できる。
【００２８】
磁歪部材１は、Ｎｉ−Ｆｅ系磁歪材料、ＲＦｅ系磁歪材料等で構成できる。特にＲＦｅ系磁歪材料で構成することが望ましい。この場合は、極めて大きな磁気抵抗の変化、大きな出力電圧、安定した温度特性等を有するセンサが得られる。  磁歪部材１は主軸Ｏ１の方向の両端が拘束され、かつ、加圧される。加圧により磁歪部材１にプレストレスＦ１が印加される（図３参照）。このプレストレスＦ１は磁歪部材１の抵抗変化を増大させ、効率を向上させる。
【００２９】
図４は本発明に係る磁歪装置の別の実施例を示す平面図、図５は図４のＡ５ーＡ５線上における部分断面図である。図において、図１〜図３と同一の構成部分は同一の参照符号を付し、説明に代える。この実施例の特徴は、永久磁石２が筒状になっていることである。この構造によれば、図１〜図３に示した実施例の場合よりも、軽量化できる。永久磁石２の配置、着磁方向及び他の構成は、図１〜図３に示した実施例と同じであり、よって、図１〜図３と同様の作用効果を奏する。
【００３０】
図６は本発明に係る磁歪装置の別の実施例を示す部分断面図である。図において、図４と同一の構成部分は同一の参照符号を付し、説明に代える。この実施例の特徴は、コイル３が磁歪部材１と永久磁石２の両者を包むように巻かれていることである。他の構成は、図４に示した実施例と同じであり、図４と同様の作用効果を奏する。
【００３１】
図７は本発明に係る磁歪装置の別の実施例を示す平面図、図８は図７のＡ８ーＡ８線上における部分断面図である。図において、図１〜図３と同一の構成部分は同一の参照符号を付し、説明に代える。この実施例の特徴は、永久磁石２が筒状になっていて、磁歪部材１の外側に同軸状に配置されていることである。他の構成は、先に説明した実施例と同じであり、同様の作用効果を奏する。
【００３２】
図９は本発明に係る磁歪装置の別の実施例を示す平面図、図１０は図９のＡ１０ーＡ１０線上における部分断面図である。図において、先に示された実施例と同一の構成部分は同一の参照符号を付し、説明に代える。この実施例では、永久磁石２は、磁歪部材１に対して、主軸Ｏ１を周る方向のバイアス磁界Ｈｍを印加する。永久磁石２は、筒状に形成された磁歪部材１の一部を切り欠いて、その部分に嵌め込まれ、磁歪部材１と共に、筒状体を構成している。永久磁石２は、筒状体の周方向に位置する両端に磁極Ｎ、Ｓが生じるように着磁されている。
【００３３】
コイル３は、巻軸Ｏ２の方向が、主軸Ｏ１の方向に一致するように、磁歪部材１に結合される。その具体的手段として、実施例では、ソレノイド状に巻かれたコイル３を、磁歪部材１の外側に同軸状に配置した構造をとっている。コイル３に流れる電流によって生じる磁束に対する磁気効率を向上させるため、筒状体の外側にヨーク４３が配置されている。ヨーク４３の両端は、下側ヨーク４１及び上側ヨーク４２と接触しまたは近接している。
【００３４】
コイル３に周期性電流を流して励磁した場合、磁歪部材１には、永久磁石２による周方向磁界Ｈｍと、コイル電流によって生じる軸の方向磁界Ｈｃとが印加される。その合成磁界により、磁歪部材１には、コイル電流の周期に従って、主軸Ｏ１の周りの磁歪捻り変位を発生する。
【００３５】
次に、トルクセンサとして用いる場合、永久磁石２により、磁歪部材１に対して、主軸Ｏ１を周る方向のバイアス磁界Ｈｍが印加される。コイル３は、巻軸Ｏ２の方向が、主軸Ｏ１の方向に一致するように、磁歪部材１に結合される。
【００３６】
磁歪部材１にトルクが加わり、磁歪部材１に軸Ｏ１の周りの捻りを生じると、磁歪部材１の磁束密度が変化し、コイル３に電圧が誘起する。この誘起電圧から、加えられた外力を検知することができる。
【００３７】
図１１は本発明に係る磁歪装置の別の実施例を示す平面図である。図において、図９及び図１０と同一の構成部分は同一の参照符号を付し、説明に代える。この実施例では、２個の永久磁石２１、２２を用い、磁歪部材１１、１２に対して、主軸Ｏ１を周る方向のバイアス磁界Ｈｃを印加する。永久磁石２１、２２及び磁歪部材１１、１２は、互いに組み合わされたとき、一つの筒状体を構成する円弧状片となっている。永久磁石２１、２２は、筒状体において、互いに対向する位置に配置される。磁歪部材２１、２２も同様である。永久磁石２１、２１は筒状体の周方向に位置する両端に磁極Ｎ、Ｓが生じるように着磁され、一方向に周回するバイアス磁界Ｈｍが生じるように配置されている。
【００３８】
コイル３は、巻軸Ｏ２の方向が、主軸Ｏ１の方向に一致するように、磁歪部材１に結合されている（図１０参照）。実施例では、図９及び図１０に図示したと同様に、ソレノイド状に巻かれたコイル３を、磁歪部材１の外側に同軸状に配置してある。
【００３９】
この実施例の場合も、図９及び図１０に示した実施例と同様の作用効果を奏することは明らかである。
【００４０】
図１２は本発明に係る磁歪装置の別の実施例を示す平面図である。図において、図１１と同一の構成部分は同一の参照符号を付し、説明に代える。実施例では、多数個の永久磁石２１〜２８を用い、磁歪部材１１〜１８に対して、軸Ｏ１を同一方向に周るバイアス磁界Ｈｍを印加する。永久磁石２１〜２８及び磁歪部材１１〜１８は、互いに組み合わされたとき、一つの筒状体を構成する円弧状片となっている。永久磁石２１〜２８は筒状体の周方向に位置する両端に磁極Ｎ、Ｓが生じるように着磁され、一方向に周回するバイアス磁界Ｈｍが生じるように配置されている。
【００４１】
コイル３は、図１０に示したように、巻軸Ｏ２の方向が、主軸Ｏ１の方向に一致するように、磁歪部材１に結合されている。実施例では、ソレノイド状に巻かれたコイル３を、磁歪部材１の外側に同軸状に配置してある。
【００４２】
この実施例の場合も、図９〜図１１に示した実施例と同様の作用効果を奏することは明らかである。
【００４３】
図１３は本発明に係る磁歪装置の別の実施例を示す平面図、図１４は図１３のＡ１４ーＡ１４線上断面図である。図において、図１２と同一の構成部分は同一の参照符号を付し、説明に代える。実施例では、多数個の永久磁石２１〜２８を用い、磁歪部材１１〜１８に対して、主軸Ｏ１を同一方向に周るバイアス磁界Ｈｍを印加する。永久磁石２１〜２８及び磁歪部材１１〜１８は、互いに組み合わされたとき、一つの筒状体を構成する円弧状片となっている。永久磁石２１〜２８は筒状体の周方向に位置する両端に磁極Ｎ、Ｓが生じるように着磁され、一方向に周回するバイアス磁界Ｈｍが生じるような関係で配置されている。
【００４４】
コイル３は、図１０に図示されたと同様に、巻軸Ｏ２の方向が、主軸Ｏ１の方向に一致するように、筒状体に結合されている。但し、図１２に示された実施例と異なって、コイル３を、永久磁石２１〜２８及び磁歪部材１１〜１８によって構成される筒状体の内側に同軸状に配置してある。コイル３に流れる電流によって生じる磁束に対する磁気効率を向上させるため、筒状体の軸心部にヨーク４４が配置されている。ヨーク４３の両端は、下側ヨーク４１及び上側ヨーク４２と接触し、または近接している。
【００４５】
この実施例の場合も、図９〜図１２に示した実施例と同様の作用効果を奏することは明らかである。
【００４６】
図１５は本発明に係る磁歪装置の別の実施例を示す平面図である。図において、図１３及び図１４と同一の構成部分は同一の参照符号を付し、説明に代える。永久磁石２１〜２４は、磁歪部材１１、１２との組み合わせによって構成される筒状体の略半周を、時計方向に回る磁界Ｈｍ１と、反時計に回る磁界Ｈｍ２とを生じる。具体的には、２個一組の永久磁石２１、２２及び２３、２４を、２つの磁歪部材１１、１２の間に配置する。これらは、組み合わされたとき、一つの筒状体を構成する円弧状片となっている。永久磁石２１、２２の組みと、永久磁石２３、２４の組みは、筒状体において、互いに対向する位置に配置される。磁歪部材１１、１２はその間に配置される。永久磁石２１及び永久磁石２２ではＳ極とＳ極とが対向し、永久磁石２３及び永久磁石２４ではＮ極とＮ極が対向する。永久磁石２１、２２の組みと、永久磁石２３、２４の組みの間では、磁歪部材１１、１２を介して異極が向き合う。
【００４７】
上記構成によれば、時計方向に回る磁界Ｈｍ１と、反時計方向に回る磁界Ｈｍ２とを生じさせることができる。磁歪の大きさは、磁界の方向に依存しないから、この実施例においても、図１３及び図１４に示した実施例と同様の作用効果を得ることができる。
【００４８】
以上好ましい実施例を参照して、本発明を説明したが、本発明に基本的技術思想及び範囲等に基づいて、種々の変更をなし得ることは、当業者であれば、自明である。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、コイルの数を低減し、構造を簡略化した磁歪装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁歪装置の分解拡散斜視図である。
【図２】図１に図示された磁歪装置において、１部を取り除いて示す平面図である。
【図３】図２のＡ３ーＡ３線上における断面図である。
【図４】本発明に係る磁歪装置の別の実施例を示す平面図である。
【図５】図４のＡ５ーＡ５線上における部分断面図である。
【図６】本発明に係る磁歪装置の更に別の実施例を示す部分断面図である。
【図７】本発明に係る磁歪装置の更に別の実施例を示す平面図である。
【図８】図７のＡ８ーＡ８線上における部分断面図である。
【図９】本発明に係る磁歪装置の更に別の実施例を示す平面図である。
【図１０】図９のＡ１０ーＡ１０線上における部分断面図である。
【図１１】本発明に係る磁歪装置の更に別の実施例を示す平面図である。
【図１２】本発明に係る磁歪装置の更に別の実施例を示す平面図である。
【図１３】本発明に係る磁歪装置の更に別の実施例を示す平面図である。
【図１４】図１３のＡ１４ーＡ１４線上断面図である。
【図１５】本発明に係る磁歪装置の更に別の実施例を示す平面図である。
【符号の説明】
１、１１〜１８                        磁歪部材
２、２１〜２８                        永久磁石
３                                    コイル
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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