(57)【要約】【課題】検知精度が高くしかも小型化可能な構造を有する、圧電フィルムを用いた体動検知センサの提供。【解決手段】圧電フィルムを有するセンサ部と、センサ部の右側から延びる右ベルト部材と、センサ部の左側から延びる左ベルト部材と、右ベルト部材の端部および左ベルト部材の開端部を係合する係合部材と、を備えた体動検知センサにおいて、前記圧電フィルムが、長さ方向に圧電効果を示す圧電フィルムであり、前記右ベルト部材および前記左ベルト部材が、実質的に伸縮性を有しておらず、さらに、前記右ベルト部材および前記左ベルト部材と直接または間接的に接続された弾性シートを備え、前記圧電フィルムおよび前記弾性シートが、側面から視ると実質的に凹凸なく配置されており、前記弾性シートが、呼吸時の胸郭の変化量を上回る最大伸長量を有し、かつ、前記右ベルト部材および左ベルト部材の合計長さの１／６以下の長さである体動検知センサ。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電フィルムを有するセンサ部と、
センサ部の右側から延びる右ベルト部材と、
センサ部の左側から延びる左ベルト部材と、
右ベルト部材の端部および左ベルト部材の開端部を係合する係合部材と、を備えた体動検知センサにおいて、
前記圧電フィルムが、長さ方向に圧電効果を示す圧電フィルムであり、
前記右ベルト部材および前記左ベルト部材が、実質的に伸縮性を有しておらず、
さらに、前記右ベルト部材および前記左ベルト部材と直接または間接的に接続された弾性シートを備え、
前記圧電フィルムおよび前記弾性シートが、側面から視ると実質的に凹凸なく配置されており、
前記弾性シートが、呼吸時の胸郭の変化量を上回る最大伸長量を有し、かつ、前記右ベルト部材および左ベルト部材の合計長さの１／６以下の長さであることを特徴とする体動検知センサ。
【請求項２】
前記弾性シートの最大伸長量が３０〜１２０ｍｍであり、大人用であること、
前記弾性シートの最大伸長量が１０〜２０ｍｍであり、乳幼児用であること、または、
前記弾性シートの最大伸長量が２０〜６０ｍｍであり、子供用であることを特徴とする請求項１に記載の体動検知センサ。
【請求項３】
さらに、前記右ベルト部材および／または前記左ベルト部材の長さを調節可能とするスライド部材を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の体動検知センサ。
【請求項４】
前記センサ部が、前記圧電フィルムを覆うケースを備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の体動検知センサ。
【請求項５】
前記弾性シートが、前記弾性シートの一方の端部が前記ケース内でスライド移動可能となるように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の体動検知センサ。
【請求項６】
前記弾性シートが、複数の弾性シートからなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の体動検知センサ。
【請求項７】
前記弾性シートが、胸部前面の範囲内に位置するように設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の体動検知センサ。
【請求項８】
呼吸、心拍または体動の計測機能を持つ回路部を備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の体動検知センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電フィルムと圧電フィルムに可変張力を与える弾性シートを用いた体動検知センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の体動検知手段としては、大別するとセンサに電流を流し電気抵抗の変化を測定するものと、体動により圧電体に生じる電圧の変化を測定するものがある。
【０００３】
前者は、身体にストレインゲージ（カーボン粒子等の導電物質が注入された細いチューブ）を巻き付けた状態で電流を流してその電圧変化を測定する手法や、細い導線をバンドに縫いつけたコイルセンサーのインダクタンスの変化を測定するというものである。
しかしながら、身体の周囲に電流を流すことに伴う安全性の問題や、他の機器へのノイズの影響の問題が指摘されている。また、呼吸時の胸郭の体積変化により導電ゴムセンサを伸縮させて抵抗値の変化を検出する構成の場合、一定の力以上で導電ゴムセンサを引っ張ると導電ゴムセンサの特性が不可逆に変化してしまうという課題があり、他方で導電ゴムセンサの特性が変化しない範囲で使用すると、感度が悪いという課題がある。
【０００４】
後者は、圧電体にたわみが生じる必要があるため、圧電体には可撓性のあるフィルム形状のものが利用される。圧電フィルムとしてはＰＶＤＦ（Polyvinylidene fluoride film：ポリフッ化ビリニデン）やチタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などからなる圧電セラミックまたは圧電セラミック薄膜が用いられる。ＰＶＤＦを用いて筋肉活動を監視することで、分晩のタイミングを検知する方法および装置が提言されている（特許文献１）。
【０００５】
また、体動を検知するのに適した体動検知センサとしては、発明者が提案したブリッジ状に撓ませた圧電フィルムと、圧電フィルムの両端を結ぶ圧電フィルムより短い伸縮可能な部材とから構成され、被検体に当接する伸縮可能な部材の伸縮動に追従して、圧電フィルムの撓みが変化する体動検知センサがある（特許文献２）。
しかしながら、特許文献２に開示される体動検知センサは、圧電フィルムをブリッジ状に撓ませるためのスペースが必要であり、小型化には制約があった。
【０００６】
そこで、発明者は、圧電フィルムを収納するカバー部材と、カバー部材に接続され、被検体の体動に伴い長手方向に伸縮されるバンド部材と、巻回部材と、係回部材と、巻回部材および係回部材に係回される弾性部材とを有し、圧電フィルムの第一の端部を巻回部材に巻回し、圧電フィルムの第二の端部をバンド部材の端部に接続して構成され、巻回部材が回動することにより圧電フィルムが伸縮して電圧が生じる体動検知センサを提案した（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公昭６３−５０１１９６号公報
【特許文献２】特許第４０４５３４４号公報
【特許文献３】特許第５２９９６６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献３により、圧電フィルムをカバー部材内にコンパクトに収納することができる体動検知センサの提供が可能となったが、巻回部材と係回部材とを備える構成であることから、カバー部材を肉薄にすることには構造上の限界があった。
【０００９】
上記課題を解決するべく、本発明は、検知精度が高くしかも小型化可能な構造を有する、圧電フィルムを用いた体動検知センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の体動検知センサは、圧電フィルムを有するセンサ部と、センサ部の右側から延びる右ベルト部材と、センサ部の左側から延びる左ベルト部材と、右ベルト部材の端部および左ベルト部材の開端部を係合する係合部材と、を備えた体動検知センサにおいて、前記圧電フィルムが、長さ方向に圧電効果を示す圧電フィルムであり、前記右ベルト部材および前記左ベルト部材が、実質的に伸縮性を有しておらず、さらに、前記右ベルト部材および前記左ベルト部材と直接または間接的に接続された弾性シートを備え、前記圧電フィルムおよび前記弾性シートが、側面から視ると実質的に凹凸なく配置されており、前記弾性シートが、呼吸時の胸郭の変化量を上回る最大伸長量を有し、かつ、前記右ベルト部材および左ベルト部材の合計長さの１／６以下の長さであることを特徴とする。
上記体動検知センサにおいて、前記弾性シートの最大伸長量が３０〜１２０ｍｍであり、大人用であること、前記弾性シートの最大伸長量が１０〜２０ｍｍであり、乳幼児用であること、または、前記弾性シートの最大伸長量が２０〜６０ｍｍであり、子供用であることを特徴としてもよい。
【００１１】
上記体動検知センサにおいて、さらに、前記右ベルト部材および／または前記左ベルト部材の長さを調節可能とするスライド部材を備えることを特徴としてもよい。
上記体動検知センサにおいて、前記センサ部が、前記圧電フィルムを覆うケースを備えることを特徴としてもよい。
上記体動検知センサにおいて、前記弾性シートが、前記弾性シートの一方の端部が前記ケース内でスライド移動可能となるように構成されていることを特徴としてもよい。
上記体動検知センサにおいて、前記弾性シートが、複数の弾性シートからなることを特徴としてもよい。
上記体動検知センサにおいて、前記弾性シートが、胸部前面の範囲内に位置するように設けられていることを特徴としてもよい。
上記体動検知センサにおいて、呼吸、心拍または体動の計測機能を持つ回路部を備えることを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、検知精度が高くしかも小型化可能な構造を有する、圧電フィルムを用いた体動検知センサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態例に係る体動検知センサの構成図である。
【図２】実施形態例に係るセンサ部の要部平面図である。
【図３】実施形態例に係る体動検知センサの測定原理を説明する要部側面図であり、（ａ）は息を吐いた状態、（ｂ）は息を吸った状態を示している。
【図４】（ａ）は、実施形態例に係る体動検知センサの測定結果を示すデータであり、（ｂ）は（ａ）のデータを処理して得られた呼吸データのグラフであり、（ｃ）は（ａ）のデータを処理して得られた心拍データのグラフである。
【図５】比較例に係る体動検知センサの平面図である。
【図６】（ａ）は、比較例に係る体動検知センサの測定結果を示すデータであり、（ｂ）は（ａ）のデータを処理して得られた呼吸データのグラフであり、（ｃ）は（ａ）のデータを処理して得られた心拍データのグラフである。
【図７】変形例に係る体動検知センサの要部側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、実施形態例に係る体動検知センサ１を説明する。
＜構成＞
図１に示すように、実施形態例に係る体動検知センサ１は、ベルト部材２と、センサ部３と、スライド部材４と、環状具５とを備えて構成される。この体動検知センサ１は、被測定者の胸部に装着され、呼吸の有無を監視するために用いられる。
【００１５】
ベルト部材２ａ、２ｂは、伸縮性を実質的に有さない素材（例えば、化学繊維高密度織物）からなり、スライド部材４による長さ調節と面ファスナ２１ａ、２１ｂによる長さ調節が可能である。ベルト部材２ａのセンサ部３側の端部はスライド部材４と連結されており、スライド部材４と環状具５との間は環状具５に挿通されたベルト部材２ａが二枚重なって配置されている。ベルト部材２ｂの開端部２２ｂの近傍には雄の面ファスナ２１ｂが設けられており、ベルト部材２ａの表面に形成された雌の面ファスナ２１ａと係合することが可能である。実施形態例の面ファスナ２１ａ，２１ｂに代えて、ベルト部材（２ａ，２ｂ）の開端部（２２ａ，２２ｂ）を係合する係合部材を、バックル等の器具により構成してもよい。
【００１６】
センサ部３は、図２に示すように、樹脂または金属からなるケース３１に収納された圧電フィルム３２と、弾性シート３３と、連結具３４と、回路部３５とを備えて構成される。ケース３１内に収納される圧電フィルム３２および弾性シート３３は、撓むことなくベルトの一部を構成するように（すなわち、側面から視ると実質的に凹凸なく）配置されている）ので、ケース３１を肉薄に構成することが可能である。ケース３１の両側面には、環状具５が挿通された一対の可動用孔３１１が形成されており、弾性シート３３の伸縮に伴い、環状具５が長さ方向にスライド移動することを可能としている。
【００１７】
圧電フィルム３２は、ベルト部材２と実質的に同幅またはベルト部材２と比べ細幅のフィルム状の部材であり、一方の端部が連結具３４に他方の端部が回路部３５に連結されている。
圧電フィルム３２は、長さ方向（図２の矢印方向）に幅方向（図２の矢印方向と直交する方向）よりも強い圧電効果（ピエゾ効果）を示すものであればその種別を問わず、例えば、ＰＶＤＦ（Polyvinylidene fluoride film：ポリフッ化ビリニデン）やチタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などからなる圧電セラミックまたは圧電セラミック薄膜があげられる。また、Pb(Zr・Ti)O3、PbTiO3、（Pb,La)(ZR，Ti)O3等の無機圧電材料の微粉末を熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂等の高分子材料中に分散させたものを用いてもよい。中でもＰＶＤＦは軽量で柔軟性に富み、応答帯域も広く、固有の共振周波数を持ちにくいという特徴を有するので、好適である。圧電フィルム３２は、導電布テープによりシールドすることでノイズ対策を施してもよい。
なお、圧電フィルム３２は、平行に並んで配置された複数枚の圧電フィルムにより構成してもよい。
【００１８】
弾性シート３３は、ベルト部材２または圧電フィルム３２と実質的に同幅の弾性部材（例えば、ゴムシート、ゴムバンド）であり、一方の端部が連結具３４に他方の端部が環状具５に連結されている。弾性シート３３は、その張力変化を圧電フィルム３２に直接作用させることができるように、ベルト部材２と比べ十分に短く構成されている。他方で、弾性シート３３の伸び量が小さいと、装着者の呼吸運動の妨げになることから、一定の長さを有する必要がある。弾性シート３３の長さをどの程度とすればよいかは、その素材の選択にも左右されるが、少なくとも弾性シート３３の最大伸長量を呼吸時の胸郭の変化量より大きく設定しないと装着者の呼吸運動が阻害される点に注意が必要である。他方で、弾性シート３３の長さが一定の長さ以上になると、衣服等の摩擦により弾性シート３３の張力が圧電フィルム３２に充分に伝達されないことが考えられ、特に胴側部の曲率が変化する部分に弾性シート３３が配置された場合にこの問題は顕著になると考えられる。従って、弾性シート３３の長さは胸部前面（または背面）に収まる長さとすることが好ましく、例えば、ベルト部材２の全長の１／６以下（好ましくは１／８以下、より好ましくは１／１０以下）とすることが開示される。
なお、弾性シート３３は、平行に並んで配置された複数枚の弾性シートにより構成してもよい。
【００１９】
弾性シート３３の長さについて考察する。
大人の場合、呼吸時の胸郭の一般的な変化量は３０〜６０ｍｍである。弾性シート３３を編みゴムで構成した場合、編みゴムは長さ方向に２倍程度の伸縮が可能であるので、弾性シート３３の長さを少なくとも３０〜６０ｍｍとする必要があり、余裕を持たせた場合は６０〜１２０ｍｍとすることが開示される。ここで、あるメーカのアンダーウェアの規格では、男性の胸囲規格が７８〜１３６ｃｍであり、女性の胸囲規格は７４〜１１０ｃｍであるところ、６０ｍｍの長さは男性の胸囲規格の４．４１〜７．６９％に相当し、女性の胸囲規格の５．４５〜８．１１％に相当する。
【００２０】
乳幼児の場合、呼吸時の胸郭の一般的な変化量は５〜１０ｍｍである。弾性シート３３を編みゴムで構成した場合、編みゴムは長さ方向に２倍程度の伸縮が可能であるので、弾性シート３３の長さを少なくとも５〜１０ｍｍとする必要があり、余裕を持たせた場合は１０〜２０ｍｍとすることが開示される。ここで、あるメーカの乳幼児の胸囲規格は２９〜３５ｃｍであるところ、１０ｍｍの長さは乳幼児の胸囲規格の２．８６〜３．４５％に相当する。乳幼児の場合は、不測の事故を避けるべく、弾性シート３３の長さに余裕を持たせた設計を行うことが好ましい。
【００２１】
呼吸時の胸郭の変化量と弾性シート３３の最大伸長量が一致する場合に圧電フィルム３２に電圧を発生させるのに最適な張力変化が得られるが、呼吸時の胸郭の変化量には個人差もあるため、一定の遊びを設けることも必要である。
以上より、呼吸時の胸郭の一般的な変化量の１〜２倍の最大伸長量を有し、かつ、ベルト部材２の全長の１／６以下（好ましくは１／８以下、より好ましくは１／１０以下）の長さの弾性シート３３を採用することが好ましいと思料する。具体的には、大人の場合、最大伸長量が３０〜１２０ｍｍとなる長さの弾性シート３３を採用することが開示され、乳幼児の場合、最大伸長量が１０〜３０ｍｍとなる長さの弾性シート３３を採用すること、子供の場合、最大伸長量が２０〜６０ｍｍとなる長さの弾性シート３３を採用することが開示される。
【００２２】
回路部３５は、圧電フィルム３２の端子と電気的に接続される電極と、チャージアンプやＦＥＴ（電界降下トランジスタ）などの測定回路に電気信号を送出するための出力端子を備えている。回路部３５に、測定回路と、呼吸、心拍または体動の計測機能を持つマイクロコンピュータを設けてもよい。実施形態例の回路部３５はケース３１に固定されているため、呼吸により胸囲が変動しても移動することはない。
【００２３】
スライド部材４は、「日」の字形部材であり、例えば金属や樹脂により構成される。スライド部材４の位置を移動させることにより、ベルト部材２ａの長さを調節することが可能である。
環状具５は、ケース３１の側面端部にスライド移動可能に挿通され、例えば金属や樹脂により構成される。環状具５が可動用孔３１１，３１１内で長さ方向にスライド移動することにより、弾性シート３３の張力が変化する。なお、環状具５は必ずしも連続している必要は無く、ベルト部材２ａ側または弾性シート３３側に切り欠きが形成されていてもよい。
また、実施形態例では、弾性シート３３のベルト部材２ａ側の端部を移動可能な構成を採用したが、これとは異なり、弾性シート３３のベルト部材２ａ側の端部または当該端部と連結される部材をスライド移動不可に固定し、弾性シート３３のベルト部材２ｂ側の端部を移動可能な構成（例えば、環状具５をスライド移動不可に固定し、回路部３５をケース３１内でスライド移動可能とする構成）を採用してもよい。この場合、スライド部材４および環状具５は必須の構成要素ではなく、例えば、ベルト部材２ａと弾性シート３３とを直接連結してもよい。
【００２４】
＜測定原理＞
図３を参照しながら、体動検知センサ１の測定原理を説明する。
体動検知センサ１は、胸郭の円周の変化を弾性シート３３の張力に変換し、圧電フィルム３２に電圧変化を生じさせている。ここで、非伸縮性のベルト部材２にベルト部材２と比べ十分に短く構成された弾性シート３３を組み合わせることにより、一定以上の張力を圧電フィルム３２の長さ方向に印加させることが重要である。
【００２５】
図３（ａ）は、被測定者が息を吐いた状態の弾性シート３３の伸長状態を示す図である。この状態では、弾性シート３３の伸びは小さく、従って圧電フィルム３２に印加される張力変化も小さいので、発生する電圧も小さい。
図３（ｂ）は、被測定者が息を吸った状態の弾性シート３３の伸長状態を示す図である。この状態では、弾性シート３３の伸びは大きく、従って圧電フィルム３２に印加される張力変化も大きいので、発生する電圧も大きい。
なお、引っ張りにより生じる圧電フィルム３２の伸びは、ごく僅かである。
【００２６】
＜測定実験＞
体動検知センサ１の圧電フィルム３２に東京センサ社のピエゾフィルム（ＤＴ２−０２８）を採用し、弾性シート３３にサクライ貿易（SAKURAI）社のプロマーク トレーニングバンド レベル１（TPT0077）を採用し、チャージアンプ、プリアンプを使用し呼吸の測定実験を行った。圧電フィルム３２の幅は１６ｍｍであり、長さは７３ｍｍである。弾性シート３３の材質は天然ラテックスゴムであり、幅は１５０ｍｍ、長さは５０ｍｍである。
図４（ａ）は、体動検知センサ１の測定結果を示すデータであり、図４（ｂ）は図４（ａ）のデータに０．２Ｈｚのローパスデジタルフィルタ処理をして得られた呼吸データのグラフであり、図４（ｃ）は図４（ａ）のデータに１Ｈｚのハイパスデジタルフィルタ処理をして得られた心拍データのグラフである。
【００２７】
図５は、特許文献２に示す体動検知センサの圧電フィルムを二重化した、比較例に係る体動検知センサ１０１の平面図である。実施形態例に係る体動検知センサ１０１は、非伸縮性のベルト１０２ａ，１０２ｂと、圧電フィルム１３２ａ，１３２ｂと、弾性シート１３３とを備えて構成される。
圧電フィルム１３２ａ，１３２ｂは、ブリッジ状に撓ませたものを弾性シート１３３を挟んで対称に配置することで構成した。圧電フィルム１３２ａ，１３２ｂには、東京センサ社のLDT2-028K/Lを採用した。弾性シート１３３は上述のサクライ貿易（SAKURAI）社のプロマーク トレーニングバンド レベル１（TPT0077）を採用し、両端部をベルト１０２ａ，１０２ｂと連結している。図５に示す体動検知センサを用いて成人の呼吸をチャージアンプ、プリアンプを使用し呼吸の測定実験を行った。
【００２８】
図６（ａ）は、比較例に係る体動検知センサ１０１の測定結果を示すデータであり、図６（ｂ）は図６（ａ）のデータに０．２Ｈｚのローパスデジタルフィルタ処理をして得られた呼吸データのグラフであり、図６（ｃ）は図６（ａ）のデータに１Ｈｚのハイパスデジタルフィルタ処理をして得られた心拍データのグラフである。
【００２９】
図４および図６を比較すると分かるように、体動検知センサ１および１０１のいずれにおいても、呼吸データを高精度に測定することが確認できた。他方で、センサ部の大きさについて、圧電フィルムを撓ませる必要が無い実施形態例の方が大幅に小体積化することができ、優れている。さらに、比較例の体動検知センサ１０１は撓ませた圧電フィルム１３２ａの撓みがなくなる長さから弾性シート１３３が縮んだ状態の長さの差までしか体動を高感度に検出できない。そのため成人の体動を検出するためには、例えば約３０ｍｍ〜６０ｍｍの差が必要となり厚みが非常に大きくなる。しかし、実施形態例の体動検知センサ１は、成人の体動を検出するための胸郭の円周の変化量が例えば約３０ｍｍ〜６０ｍｍであっても弾性シート３３の長さを調整すれば足り、厚みを増加させる必要がない。この厚みを薄くできるという特徴は、特に体動検知センサを乳幼児用に応用する場合などに非常に有用である。
【００３０】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態の記載に限定されるものではない。上記実施形態には様々な変更・改良を加えることが可能であり、そのような変更または改良を加えた形態のものも本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、図７（ａ）に示すように圧電フィルム３２の左側のベルト部材（２ｂ，２ｃ）の途中に弾性シート３３ｂを配置すること、図７（ｂ）に示すように圧電フィルム３２の両側に配された２つのベルト部材（２ｂ，２ｃ）を介して２つの弾性シート（３３ａ，３３ｂ）を連結することが開示される。この場合、２つの弾性シート（３３ａ，３３ｂ）の合計伸長量を、上述の１つの弾性シートで構成する場合の伸長量（大人の場合、３０〜１２０ｍｍ）と同程度に設定することが重要である。
また、衣服等の摩擦で感度が低下することがあることから、弾性シートはできるだけ圧電フィルム３２に近い場所に配置することが好ましい。
なお、図７は模式図であり、各部材の長さは正しく描写されていない。また、実施形態例と同様の構成要素には同じ符号を付し、説明を割愛する。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、温度変化の生じる環境下での振動検出の用途であればあらゆる場面に適用可能である。具体例としては、電磁弁付きの防塵マスクのスイッチ、人口呼吸器使用者の呼吸監視、筋ジストロフィー患者の在宅人工呼吸療法、車両運転者の呼吸状態を監視する居眠り検知システム、人間や動物の分娩タイミングの監視における利用があげられる。
【符号の説明】
【００３２】
１  体動検知センサ
２  ベルト部材
３  センサ部
４  スライド部材
５  環状部材
【図１】
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【図２】
2018038704.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2018038704.tif 000007
【図６】
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【図７】
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