(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングに振動信号を発生させる装置において、
前記振動信号を創出すべく前記ハウジングに取り付けられるアクチュエータ手段と、
該アクチュエータ手段により創出された前記振動信号を検出すべく前記ハウジングに取り付けられるセンサ手段と、
前記ハウジングの振動の共振モードを含む前記センサ手段からの前記振動信号を増幅し且つ移相するための、前記アクチュエータ手段とセンサ手段とを接続するフィードバック手段とを有し、該フィードバック手段は、前記増幅され且つ移相された信号を前記アクチュエータ手段に供給して、前記ハウジングがその固有共振周波数で振動することを増強することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記フィードバック手段は、
前記センサ手段で検出された前記振動信号を増幅するための、前記センサ手段に接続されたセンサ増幅器と、
負減衰信号を作るため前記センサ増幅器からの前記増幅された振動信号を移相する負減衰補償器と、
前記アクチュエータ手段を駆動し且つ前記負減衰信号を前記アクチュエータに供給する駆動増幅器とを有し、
前記フィードバック手段は前記ハウジングの振動を発生させ、前記フィードバック手段は、前記ハウジングの前記固有共振周波数が前記ハウジングの圧力変化又は温度変化により変化するとき、前記ハウジングの前記固有共振周波数を追跡すべく周波数を変化できることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記アクチュエータ手段は圧電セラミック変換器からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記センサ手段は圧電セラミック変換器からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記センサ手段はポリ二フッ化ビニリデンフィルムからなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記アクチュエータ手段はポリ二フッ化ビニリデンフィルムからなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記ハウジングの前記固有共振周波数は音響周波数であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記ハウジングの前記固有共振周波数は構造周波数であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記アクチュエータ手段及び前記検出手段はアクチュエータ内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記フィードバック手段は前記振動信号を−９０°移相して、前記負減衰信号を作ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記アクチュエータ手段は、第１位置において前記ハウジングの可撓性基板に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記センサ手段は、第２位置において前記ハウジングの可撓性基板に取り付けられることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記フィードバック手段は前記ハウジング内に取り付けられることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
ハウジングと、
該ハウジングの一部を撓ませ且つ前記ハウジング内で振動信号を創出するための、前記ハウジングに取り付けられるアクチュエータと、
該アクチュエータにより前記ハウジング内に創出された前記振動信号を検出するための、前記ハウジングに取り付けられるセンサと、
前記アクチュエータ及びセンサに接続された電子モジュールとを有し、該電子モジュールは、
前記センサにより検出された前記振動信号を電圧信号に変換するためのセンサ増幅器と、
前記ハウジングの振動の共振モードを含むことが知られている通過帯域において、前記センサ増幅器からの前記電圧信号を移相及び増幅するための負減衰補償器と、
前記アクチュエータを駆動し且つ前記通過帯域において増幅され且つ移相された信号を前記アクチュエータに供給して、前記ハウジングをその固有共振周波数で共振させる駆動増幅器とを有し、
前記通過帯域からの前記移相された信号が前記固有共振周波数での前記ハウジングの振動を増強し、
前記ハウジング内の剛性特性及びマス特性の変動による前記ハウジングの固有共振周波数の変化に適合して、固有共振周波数での前記ハウジングの振動を持続させることを特徴とする装置。
【請求項１５】
ハウジングを設け、
該ハウジング内に振動信号を発生させ、
該振動信号を検出し、
前記振動信号を増幅し、
前記ハウジングの振動の共振モードを含む通過帯域において前記振動信号を移相し、
前記ハウジングの前記固有共振周波数における前記振動信号の振幅を増大すべく、前記増幅され且つ移相された信号を前記アクチュエータに供給し、
前記ハウジング内の剛性特性及びマス特性の変化により前記固有共振周波数が変化するときに前記ハウジングの前記固有共振周波数を追跡すべく、前記アクチュエータに供給される前記増幅され且つ移相された信号を変化させることを特徴とする振動の持続共振モードを創出する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広くは共振器に関し、より詳しくはハウジング内の構造振動又は音響振動の発生及び検出の両方を行なう装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
振動の構造モード又は音響モードの持続共振を創出することが望まれる多くの用途がある。このような一用途としてのパーソナルページング装置では、触覚的警報又は可聴警報を作る放射音波を発する構造振動を創出することが望まれている。他の用途では、自動車又はトラックのパネルの共振から音波を発生させ、自動車又はトラックのホーンとして音波を使用することが望まれている。更に別の用途では、一連の小さな振動ステップを通じて大きな相対並進運動又は回転運動を発生させる共振リング又は寸動モータの、又は可撓機構の誘起振動を通じて音響キャビティ内に圧縮波を発生させることにより冷凍装置の一体圧縮機の振動の構造モードの持続共振を発生させることが望まれている。
上記全ての用途において、一構造内の振動の構造モード又は音響モードの持続共振は、振動を発生させるべき構造に一体に取り付けられるアクチュエータのような機構を駆動することにより達成できる。効率的に振動を発生させるには、アクチュエータは、目標構造の固有共振周波数と一致する周波数すなわち振動の音響モードで駆動すべきである。この固有周波数でアクチュエータを駆動すると、駆動機構が非共振状態で駆動される場合よりも大きい振幅の運動を所与のアクチュエータ入力から生じさせることにより、共振の固有ダイナミック増幅定数Ｑの利点が得られる。
【０００３】
従来、機械的に調整される一般的な励振装置が上記種々の用途に使用されている。このような装置では、特定構造の固有共振周波数のできる限り近くに一致するように予調整された一定正弦信号が構造に入力される。しかしながら、このような機械的に調整される装置は、装置自体の製造公差による誤差が生じ易い。また、これらの装置は、装置の剛性及びマス特性に影響を与える温度及び湿度等の種々の不確定要因により有効性が制限される。更に、振動装置が適用される装置が、疲労、クリープ及び微小クラック等により経時変化するため、装置の精度が損なわれる。また、装置の電子部品の温度の変化により、該装置の駆動周波数がしばしばドリフトする。これらの多くの装置は上記条件を補償すべく調節できるけれども、一般的な振動装置は、該装置が使用される構造の共振周波数に一致するように励振周波数を自動的に調節する手段を備えていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記観点から、構造振動又は音響振動をリアルタイムに作動し且つこれらの振動を検出して励振周波数と常時目標周波数とを常時一致させ、これにより誘起振動の発生効率を最大にする装置が要望されている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の技術によれば、所望の通過帯域内の構造物の固有共振周波数で構造振動及び音響振動を発生させると同時に、振動の帯域モードを減衰させる自励振動装置が提供される。本発明の自励振動装置は、ページング装置内の警報又は自動車のホーンとして機能することに特別な有効性を見出すことができる。本発明の自励振動装置はまた、組立てラインで製造される部品の試験装置、冷凍装置の一体圧縮機、及びマイクロ電子冷却用小形ファンとしての機能に特別な有効性を見出すことができる。
本発明のアプローチでは、ハウジング内に振動を発生させる装置が設けられる。該装置は、振動信号を創出するための、ハウジングに取り付けられるアクチュエータ手段を備えている。また、該アクチュエータ手段により創出された振動信号を検出するためのセンサ手段がハウジングに取り付けられる。フィードバック手段がアクチュエータ手段とセンサ手段とを接続し、振動の共振モードを含むセンサ手段からの振動信号を増幅し且つ移相する。フィードバック手段は、増幅され且つ移相された信号をアクチュエータ手段に供給し、この結果として、構造キャビティ又は音響キャビティの固有共振周波数でハウジングの振動が増強される。振動の励振モードは、所望の用途に基づいて、構造振動又は音響振動のいずれでもよい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の種々の長所は、以下の説明を読むことにより及び図面を参照することにより当業者には明らかになるであろう。
本発明の好ましい実施例についての以下の記載は本質的説明に過ぎず、本発明又はその用途又は用法を制限するものではない。
図面を参照すると、図１は、自励振動装置（その全体を番号１０で示す）の側面図である。装置１０はアクチュエータ１２及びセンサ１４を有し、これらは両方共、図示のページング装置のハウジング１６のようなハウジング内に取り付けられている。アクチュエータ１２及びセンサ１４は両方共、圧電磁器（ＰＺＴ）変換器又は圧電ポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＦ２）変換器が好ましい。アクチュエータ１２及びセンサ１４は薄く、従って、装置が取り付けられるハウジングの形状に順応できる。アクチュエータ１２及びセンサ１４は、適当な接着剤又はクランプ機構（図示せず）を用いて、ハウジング１６の可撓性基板１７に取り付けられる。以下に詳細に述べる方法により、アクチュエータ１２はハウジング１６内で振動を発生させるのに使用され、センサ１４はハウジング１６内で発生された振動を検出するのに使用される。アクチュエータ１２及びセンサ１４は、「密封容器内の流体圧力を試験する方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ｆｏｒ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｆｌｕｉｄ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ＩｎＡ  Ｓｅａｌｅｄ  Ｖｅｓｓｅｌ）」という名称に係るＢｌａｃｋｂｕｒｎ等の１９９２年１２月４日付米国特許出願第９８６，０３５号）、及び「「密封容器内の流体圧力を試験する方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ｆｏｒ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｆｌｕｉｄ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｉｎ  Ａ  Ｓｅａｌｅｄ  Ｖｅｓｓｅｌ）」という名称に係るＢｒｏｎｏｗｉｃｋｉ等の１９９４年９月２３日付米国特許出願第０８／３１１，６０７号（該出願は、米国特許出願第９８６，０３５号の一部継続出願である）に記載された形式のものが好ましい。これらの両特許出願は、本願に援用する。
【０００７】
更に図１に示すように、アクチュエータ１２及びセンサ１４は、電子モジュール１８に接続されている。電子モジュール１８は、駆動増幅器２０、センサ増幅器２２及び負減衰補償器２４からなる。
駆動増幅器２０は、アクチュエータ１２に入力電圧を印加する。駆動増幅器２０には電源２６により電力が供給される。電源２６は両電源（ｄｏｕｂｌｅ−ｓｉｄｅｄ  ｐｏｗｅｒ  ｓｕｐｐｌｙ）でもよいし、本発明を自動車に実施する場合には、電源が両電源として機能するように人工接地を行なった片電源（ｓｉｎｇｌｅ−ｓｉｄｅｄ  ｐｏｗｅｒ  ｓｕｐｐｌｙ）で構成することもできる。駆動増幅器２０及び電源２６は、制御ユニット２８により制御される。制御ユニット２８は、指令を受けたときに、駆動増幅器２０によりアクチュエータ１２を駆動させることができる任意の形式の制御ユニットで構成できる。
電子モジュール１８は更に、センサ１４により検出された振動信号を対応する電圧信号に変換するための、センサ１４に接続されたセンサ増幅器２２を有する。センサ増幅器は、演算増幅器又は当業者に良く知られた他の任意の形式の増幅器で構成できる。
【０００８】
また電子モジュール１８は、センサ増幅器２２から受けた電圧信号（該電圧信号は、以下に詳述するように所定の通過帯域内にある）を増幅し且つ移相するための負減衰補償器２４を有している。次に、負減衰補償器２４は、増幅され且つ移相された信号を駆動増幅器２０に出力する。駆動増幅器２０は、これらの信号をアクチュエータ１２に入力して、ハウジング１６内に共振モード振動を励振し且つ非共振モード振動を減衰させる。かくして、電子モジュール１８は正帰還機構として機能し、自励振動装置１０が、ハウジング１６の主モード振動でハウジング１６内に振動を発生することを可能にし、同時に、ハウジング１６内の温度又は圧力の変化、従って主モード振動の変化を自動的に調節することを可能にする。アクチュエータ１２及びセンサ１４と同様に、電子モジュール１８も上記米国特許出願第９８６，０３５号及び第３１１，６０７号に記載されている。
図３には、電子モジュール１８の負減衰補償器２２がより詳細に示されている。負減衰補償器２２は、帯域通過フィルタ３０及び低域通過フィルタ３２を有している。帯域通過フィルタ３０はセンサ増幅器２０の出力に接続され、帯域通過フィルタ３０の出力は低域通過フィルタ３２の入力に接続され、且つ低域通過フィルタ３２の出力は駆動増幅器２０の入力に接続されている。帯域通過フィルタ３０は当業者に良く知られた形式の二極帯域通過フィルタであり、低域通過フィルタ３２も、当業者に良く知られた形式の二極低域通過フィルタである。別の構成として、両フィルタの順序を逆にすることもできる。
【０００９】
帯域通過フィルタ３０及び低域通過フィルタ３２は、協働して、センサ１４により変換され且つセンサ増幅器２０により電圧信号に変換された電圧信号を増幅し且つ移相すべく作動し、これにより、ハウジング１６の固有共振周波数又は主振動モードを増幅し且つ以下に詳述する方法でハウジング１６の共振モードを減衰させる。帯域通過フィルタ３０及び低域通過フィルタ３２は、協働して、共振振動モードを含むことが知られているかなり広い通過帯域において、センサ１４及びセンサ増幅器２２からの信号を増幅し且つ移相する。負減衰補償器２４は、選択された高調波を通過させ且つ増幅すると同時に、所望の固有共振周波数範囲におけるループ不安定性（ｌｏｏｐ  ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）を創出するための−９０°移相を与えるように設計できる。
図１及び図２に示すように、駆動増幅器２０がアクチュエータ１２を駆動すると、アクチュエータ１２がハウジング１６の可撓性基板１７を収縮させ且つ曲げるように、マス３８がアクチュエータ１２に固定される。この結果、マス３８が振動して、人が感知し得るハウジングの初期運動を引き起こす。かくして、ページング装置は、該ページング装置を運ぶ人が感じ得る振動的すなわち触覚的警報を与える。また、電子モジュール１８は、自励振動装置１０の触覚作動と可聴作動とを切り換えるべく、負減衰補償器２４の通過帯域の中心周波数を切り換えるスイッチ４４を有している。可聴モードでは、基板１７のより高次の共振が励振され、図２に番号４２で概略的に示す音波が発生される。
【００１０】
ここで、図１及び図３を参照して、本発明の自励振動装置１０の作動を説明する。制御ユニット２８からの適当な指令を受けると、駆動増幅器２０は、電源２６を介してアクチュエータ１２を駆動し、これにより、番号３４で概略的に示す周囲の低レベルの振動信号をハウジング１６内に創出する。番号３６で概略的に示すように、振動信号３４がハウジング１６の壁で反射されると、センサ１４は反射された振動信号を検出する。センサ増幅器２２は、検出した振動信号を対応する電圧信号に変換し且つ該電圧信号を負減衰補償器２４に供給する。負減衰補償器２４は、ハウジング１６の固有共振周波数で１０ｄｂより大きい利得（ゲイン）が得られるように、従って振幅を成長させるように設計されている。振幅は、究極的には、電源２６から駆動増幅器２０に印加される電圧により制限される。ハウジング１６の固有共振周波数は−９０°移相を呈するので、負減衰補償器２４も付加的な−９０°移相を与え、−１８０°のループ不安定性に必要な条件が得られるように設計されている。減衰補償器２４の通過帯域及び利得帯域幅内に包含される信号は増幅され且つ移相され、一方、通過帯域及び利得帯域幅に包含されない信号は利得及び位相安定化される。
【００１１】
一実施例では、図４及び図５に示すように、二極帯域通過フィルタの周波数は所望の振動周波数範囲より低く設定される。帯域通過フィルタの固有周波数ＦＢＰ以下では＋９０°移相がなされ、これらの低周波振動を安定化又は減衰させる。これより高い周波数では、−９０°移相が共振を不安定化させる。低域通過遮断周波数ＦＬＰは、−２７０°（＋９０°）の全移相に対し別の−１８０°移相を含む、所望の振動周波数範囲より高い周波数に設定され、この場合も高周波数の振動を安定化させる。また、この設計は、帯域通過周波数より低く且つ低域通過遮断周波数より高い振動を利得安定化する。なぜならば、フィルタがこれらの周波数より低い信号及び高い信号をそれぞれ減衰させるからである。次に、駆動増幅器２０がアクチュエータ１２を駆動するとき、負減衰補償器２４からの正帰還が駆動増幅器２０に供給される。
図６は、自動車のホーンとして実施された本発明の自励振動装置を示す。装置１０′は、これが車体パネル６０の内部に取り付けられている点を除き、装置１０と同じである（本発明の装置が取り付けられている車体パネルの部分は、図示の目的のみのため透明として示されている）。装置１０′は、自動車の車体パネル６０の固有共振周波数で車体パネルの振動を引き起こし、これにより自動車用の指向性ホーンが創出される。
【００１２】
図７は本発明の自励振動装置の別の実施例を示し、この実施例では、アクチュエータと、センサ部品とが単一の自動検出アクチュエータとして組み合わされている。自動検出アクチュエータ１２″は、図１及び図２においてアクチュエータ１２及びセンサ１４がハウジング１６に取り付けられているのと同様にして、ハウジング１６″に連結されている。自動検出アクチュエータ１２″は、該アクチュエータ１２″によりハウジング１６″内に発生される振幅に応答して帯電される電極を備えた圧電材料からなる。自動検出アクチュエータ１２″は、論文「自動検出圧電作用：分析及び制御構造への応用（Ｓｅｌｆ−Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ａｃｔｕａｔｉｏｎ：  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）」（Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｈａｇｏｏｄ及びＧｏｏｄｌｉｆｆｅ著、１９９２年、ＡＩＡＡ  ＳＤＭ  協議会会報）に記載されている。この論文は本願に援用する。
自動検出アクチュエータ１２″が接続される電子モジュール１８″は、図１及び図２に示した電子モジュール１８と同様に、駆動増幅器２０″及び負減衰補償器２４″を有している。電子モジュール１８″は、対応コンデンサＣｆ１を備えた電荷増幅器５０と、対応コンデンサＣｆ２を備えた電荷増幅器５２と、基準コンデンサＣｒ  とを有する点で、電子モジュール１８とは異なっている。基準コンデンサＣｒ  は、電荷増幅器７０及びコンデンサＣｆ２と一緒に、電力増幅器２０″の入力ＶＯ  で自動検出アクチュエータ１２″に接続されている。電荷増幅器７０及びコンデンサＣｆ１は、第２位置で自動検出アクチュエータ１２″に接続されている。電荷増幅器７０及びコンデンサＣｆ１は自動検出アクチュエータ１２″に帯電される電荷を決定し、一方、基準コンデンサＣｒ  及び電荷増幅器７２は基準電荷を与える。帯電した電荷及び基準電荷は合計されて、自動検出アクチュエータ１２″の歪みに比例する信号を形成する。次に、この信号は負減衰補償器２４″に入力される。次に負減衰補償器２４″は、負減衰補償器２４と同様にして、自動検出アクチュエータ１２″の歪みに比例する入力信号を移相し且つ増幅して、ハウジング１６″の固有共振周波数で信号を増幅し且つ振動の非共振モードを負に減衰させる。全てのモードに同じ補償器が適用されるので、利得及び移相は励振周波数によってのみ決定される。
【００１３】
図８は、本発明の自励振動装置の作動を示すフローチャートであり、その全体を番号１００で示す。ステップ１０２において、装置は、該装置が取り付けられたハウジング内に振動信号を発生する。ステップ１０４で、装置は、発生された振動信号を検出する。ステップ１０６で、振動信号が負減衰補償器２４の通過帯域外にある場合は、ステップ１０８に示すように、振動信号が減衰され且つ位相安定化される。ステップ１０６で、振動信号が通過帯域内にあるときは、ステップ１１０で引き続き信号が増幅され且つ不安定化に向けて移相される。ステップ１１２で、信号が、振動の主音響モード又は構造モードの信号でない場合には、ステップ１１４に示すように、負減衰補償器２４がこれらの信号を増幅器２０に供給し、該増幅器２０はこれらの振動モードを小さな度合いに増幅する。振動が主固有共振周波数を有する場合には、ステップ１１６に示すように、負減衰補償器２４は信号を大きな度合いに増幅し且つこの増幅された信号を駆動増幅器２０に伝達して、ハウジング内の固有共振モードの振幅を増大させる。
固有共振周波数の振幅は、該周波数が、一定限度（通常、電源２６により駆動増幅器２０に印加される電圧により定まる）に到達するまで増加し続ける。かくして、ハウジング１６は、振動の主音響モード又は構造モードで共振し続ける。ステップ１１８において、特定の適用が完了した場合には、駆動増幅器２０は、アクチュエータ１２の駆動を停止させる。適用が完了していない場合は、駆動増幅器２０は、該増幅器が制御ユニット２８から停止指令を受けるまでアクチュエータ１２を駆動し続ける。
【００１４】
理解されようが、本願に開示の自励振動装置は、広範囲の用途に実施できる。本発明の自励振動装置は、特定ハウジング内に振動の構造モード又は音響モードを発生させるのに使用できる。本発明の自励振動装置は、アクチュエータ自体への最小の電力入力で、駆動機構により、特定ハウジングをその固有共振周波数で共振させることができる。かくして、本発明の自励振動装置は、ハウジング内に持続共振モードを発生し、且つ、装置を機械的に調節して変化を補償することなく、正帰還ループを介して、ハウジング内の温度及び圧力の変動によるハウジング内の固有周波数の変化を自動的に調節する。
特許請求の範囲の記載を考慮に入れて本願明細書及び図面を研究することにより、当業者には本発明の種々の他の特徴が明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】ページング装置に具現した本発明の自励振動装置の好ましい実施例を示す斜視図である。
【図２】ページング装置に具現した本発明の自励振動装置の好ましい実施例を示す側面図である。
【図３】図１及び図２の電子モジュールをより詳細に示すブロック図である。
【図４】本発明の負減衰補償器により得られる利得応答を示すグラフである。
【図５】本発明の負減衰補償器により得られる位相応答を示すグラフである。
【図６】自動車のホーンとして使用される本発明の第１の変更実施例を示す側面図である。
【図７】本発明の第２の変更実施例の一部はブロック図の形態で且つ一部は概略図の形態で示す側面図である。
【図８】本発明の自励振動装置の実施に使用される方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０  自励振動装置
１２  アクチュエータ
１４  センサ
１６  ハウジング
１８  電子モジュール
２０  駆動増幅器
２２  センサ増幅器
２４  負減衰補償器
２６  電源
２８  制御ユニット
３０  帯域通過フィルタ
３２  低域通過フィルタ
５０  電荷増幅器
５２  電荷増幅器
【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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