(57)【要約】【課題】  Ｘ線など電磁波の回折法によるひずみ測定において、測定中に被測定物の移動や変形により電磁波照射位置が変化した場合に、照射位置のずれを補正し、回折によるひずみ測定を精度良くする装置を提供する。【解決手段】  試験片の表面の高さを非接触式の距離センサで計測し、試験片位置の変化に応じて同じ位置になるようにステージを移動することで、測定中に試験片に応力を印加するなどしても電磁波の照射位置が同じになるようにする。電磁波照射中に試験片の表面高さを測定する機構と、試験片高さ位置を最初と同じ位置に移動する機構、回折電磁波の回折角を測定する機構を備え、電磁波照射位置を試験片表面の同一位置となるように補正できることから、表面位置変化による測定誤差を回避し、正確な回折角測定が可能となる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の一表面に電磁波を照射し、被測定物から発生する回折電磁波を測定する装置であって、
前記被測定物の一表面に所定の光束の電磁波を照射する照射手段と、
前記被測定物の表面が移動した時に、電磁波照射位置の位置変化を計測する計測手段と、
前記位置変化を補正し、電磁波照射位置が同一になるように被測定物と電磁波発生・検出装置の両方またはいずれかの位置を移動する移動手段と、
前記移動手段によって補正された電磁波照射位置から発生する回折電磁波を検出する手段を備えたことを特徴とする電磁波回折測定装置。
【請求項２】
被測定物の一表面に電磁波を照射し、被測定物から発生する回折電磁波を測定する装置であって、
前記被測定物の一表面に所定の強度の電磁波を照射する照射装置と、
前記被測定物の表面が移動した時に、電磁波照射位置の位置変化を計測する計測装置と、
前記位置変化を補正し、電磁波照射位置が同一になるように被測定物と電磁波発生・検出装置の両方またはいずれかの位置を移動する移動装置と、
前記移動手段によって補正された電磁波照射位置から発生する回折電磁波を検出する装置を備えたことを特徴とする電磁波回折測定装置。
【請求項３】
前記電磁波照射位置の位置変化を計測するために、非接触式の距離センサを使用することを特徴とした、請求項１または２の電磁波回折測定装置。
【請求項４】
前記位置変化を補正するための移動手段に、電動モータを利用したアクチュエータを使用することを特徴とした、請求項１または２の電磁波回折測定装置。
【請求項５】
被測定物として工業材料を対象とすることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波回折測定装置。
【請求項６】
被測定物として歯表面のエナメル質を対象とし、表面の応力分布を測定することを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波回折測定装置。
【請求項７】
回折電磁波の回折角を測定し、骨及び歯の象牙質のひずみ分布を測定することを特徴とする請求項１または２に記載に電磁波回折測定装置。
【請求項８】
外部から被測定物に負荷を与えることで被測定物内部にひずみ分布を与え、そのひずみ特性を測定することを特徴とした、請求項５ないし７のいずれか１項に記載の電磁波回折測定装置。
【請求項９】
照射電磁波としてX線を利用することを特徴とした請求項５ないし７のいずれか１項に記載の電磁波回折測定装置。
【請求項１０】
照射電磁波としてガンマ線を利用することを特徴とした請求項５ないし７のいずれか１項に記載の電磁波回折測定装置。
【請求項１１】
照射電磁波としてレーザ光を利用することを特徴とした請求項５ないし７のいずれか１項に記載の電磁波回折測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線等のエネルギー波である電磁波を被測定物（例えば、多結晶体材料）に照射し、被測定物から回折される電磁波の回折角を測定することで、被測定物を構成する元素成分や、被測定物に発生しているひずみを測定する測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の構成元素を調べる方法にＸ線回折法がある。規則的に整列した原子配列（例えば、結晶構造）や規則的な周期構造の原子または分子配列（例えば、高分子鎖の周期構造）を持つ被測定物にＸ線を照射すると、各原子から散乱したＸ線同士が干渉し、原子配列が密に配列する面（以下、格子面という）の間隔に応じた特定の方向に回折Ｘ線を生じる。このＸ線回折現象はブラッグ則で表され、格子面間隔ｄ、Ｘ線波長λ、ブラッグ角θ、整数（例えば、１、２、３・・・）となる回折の次数ｎ（ｎλが波長の整数倍を示す）の間で、２ｄｓｉｎθ＝ｎλの関係が成り立つ。格子面間隔は物質の種類と物質の状態により固有の大きさを持ち、複数の格子面が存在する。被測定物に照射するＸ線の方向から、回折Ｘ線が発生する方向までの角度２θ（ブラッグ角の２倍）を回折角として測定すると、格子面間隔の大きさに応じ、複数の回折角の位置にＸ線強度分布のピークが現れる。
【０００３】
上述した、回折角の測定において、被測定物が負荷を受け、伸展または縮小し、被測定物内部の格子面間隔ｄが変化すると回折角２θが変化する。この回折角の変化量から被測定物に発生している変形量（ひずみ）を測定することができる。
【０００４】
被測定物の構成元素を正確に調べる際や被測定物に発生しているひずみを精度よく測定するためには、被測定物にＸ線を照射したときの、回折Ｘ線の回折角を精度良く検出する必要がある。
【０００５】
回折角を測定する際には、Ｘ線検出器（例えば、シンチレーションカウンタ）を被測定物のＸ線照射位置を中心とする回転方向に走査し、Ｘ線強度の分布がピークを示す方向を探し、その方向の角度を回折角とする。
【０００６】
図１に示すように、被測定物１の移動や変形により表面のＸ線照射位置が変化し、表面位置の誤差１ａがある場合、及び表面に凹凸や曲率がある被測定物の測定箇所の変更に際しては、Ｘ線照射位置のずれ（例えば、回折面垂直方向に位置ずれ）が生じる。検出器の走査により得られる回折Ｘ線強度と角度のプロファイル１ｂ上のピーク位置から決定される回折角の測定に誤差が生じ、格子面間隔があやまって測定される。この誤差により、ひずみの大きさに誤差が生じる。
【０００７】
図２は被測定物に横向きに圧縮負荷を加えた際の、無負荷時の被測定物１ｃと負荷時の被測定物１ｄの表面の変形状態と回折Ｘ線の発生方向を示している。圧縮により、負荷方向と直交する方向には膨張が生じる。被測定物の膨張により、内部の格子面間隔が大きくなるため、ブラッグ則により回折角は小さくなる。この格子面間隔の変化に伴う回折角変化をΔθεとする。一方、被測定物表面の移動（図２中の上方向の移動）に伴い、被測定物に照射するＸ線が元の照射面より手前に照射され、回折Ｘ線の経路が平行移動する。この平行移動をΔＬとすると、半径Ｒ離れた位置の検出器で検出する平行移動により生じる見かけ上の回折角変化ΔθＬは、近似的にΔθＬ≒ΔＬ／Ｒとして測定される。この見かけ上の回折角変化の測定値Δθε＋ΔθＬから、ひずみ測定に関するΔθεを幾何学条件から近似的に推定ことは可能であるが、照射位置の移動に伴う測定中心のずれを補正することはできないことから、正確な回折角変化Δθεは得られない。
【０００８】
このＸ線照射位置のずれの影響を低減するため、照射位置がずれた部分からの回折Ｘ線をＸ線検出器で検出しないように除去し、照射範囲内の特定の位置のみからの回折Ｘ線を透過させるためのスリット（例えば、ソーラスリット）がある。このようなスリットを介した回折角測定は平行ビーム法と呼ばれている（例えば、特許文献１）。
【０００９】
しかしながら、ひずみが微小な場合など、回折角変化が小さいときには、スリットの幅よりも小さな回折角変化となるため、充分な精度で測定ができない。また、検出される回折Ｘ線がスリットを通過できる経路に限定されるため、ピーク位置を決定するために充分な回折Ｘ線強度が得られないことがある。
【００１０】
被測定物のＸ線照射部を検出器の走査中心位置に合わせるため、長さの決まった接触子を回折Ｘ線装置から突出させ、先端を被測定物に接触させることで照射位置を確認する方法（以下、接触法という）がある。しかしながら、接触法では接触による被測定物の変形や破損の危険性が伴う。また、接触子がＸ線回折経路中に存在するため、回折Ｘ線測定時には撤去するか、窓の設置などにより回折Ｘ線経路を確保する必要がある。
【００１１】
また、被測定物表面の位置合わせに顕微鏡画像の視野焦点（例えば、ピントの調整）を利用することもできる。顕微鏡の焦点による方法は非接触法であるため、被測定物の変形や破損の危険性は少ないが、照射面が顕微鏡観察可能な鏡面になっていること、表面に特徴となる微小な凹凸パターン（例えば、結晶粒境界やクラック）が存在する必要がある。さらに、照射中に画像を確認しながら、手動で位置を修正するか、高度な画像処理手法によるアルゴリズムを組み込んだ位置制御法の開発が必要になる。
【００１２】
本発明が成される以前のひずみ測定法の従来例として、歯のひずみ測定が挙げられる。従来、歯のかみ合わせの診断には、図３のように、被験者１０１が紙や樹脂、シリコンなど変形可能な材料（例えば、咬合紙１０２）を噛んだ際の歯型１０３から、医師の経験により上下のかみ合わせを評価し、治療の診断をしていた。現在では、図４のように、被験者１０１が歯をかみ合わせた時の顎の咀嚼筋の筋力を、皮膚に貼り付けた筋電位測定電極１０４で検出し、筋電図測定装置１０５にて記録、分析する筋電図計測が導入されている。上記、測定によって得られた筋電図から筋力を推定し、左右の筋力の不均一性から、歯の片あたり等の状態を判断する手法である。しかしながら、どちらも間接的な測定であり、かみ合わせ時に歯にどの程度の負荷がかかっているかを判断することができず、適切な治療データの提供が困難である。
【００１３】
Ｘ線回折法を患者の歯に適用することで、歯表面のひずみ分布が明らかになり、歯に作用する負荷状態を診断することが可能となる。ただし、従来のＸ線回折装置では、Ｘ線照射位置の変動をなくすため、測定中に患者が動かないように身体を完全に拘束する必要がある。
【特許文献１】特開２００６−１７７７３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、被測定物の移動や変形による表面の変動に合わせ、電磁波の照射位置を補正し、正しい回折角を測定できる技術を提供することを目的とする。加えて、補正のための位置検出の際に、測定対象に変形や破壊を生じさせず、正確なひずみ測定が可能な技術を提供することを目的とする。被測定物が物理的に変化する場合に起きる表面のひずみの変化を調べることにより、強度機能の低下などの物理的変形特性を知ることが可能となる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１の発明は、被測定物の一表面に電磁波を照射し、被測定物から発生する回折電磁波を測定する装置であって、前記被測定物の一表面に所定の強度の電磁波を照射する照射手段と、前記被測定物の表面が移動した時に、電磁波照射位置の位置変化を計測する計測手段と、前記位置変化を補正し、電磁波照射位置が同一になるように被測定物と電磁波発生・検出装置の両方またはいずれかの位置を移動する移動手段と、前記移動手段によって補正された電磁波照射位置から発生する回折電磁波を検出する手段を備えたことを特徴とする電磁波回折測定装置である。
【００１６】
請求項２の発明は、被測定物の一表面に電磁波を照射し、被測定物から発生する回折電磁波を測定する装置であって、前記被測定物の一表面に所定の光束の電磁波を照射する照射装置と、前記被測定物の表面が移動した時に、電磁波照射位置の位置変化を計測する計測装置と、前記位置変化を補正し、電磁波照射位置が同一になるように被測定物と電磁波発生・検出装置の両方またはいずれかの位置を移動する移動装置と、前記移動手段によって補正された電磁波照射位置から発生する回折電磁波を検出する装置を備えたことを特徴とする電磁波回折測定装置である。
【００１７】
請求項３の発明は、前記電磁波照射位置の位置変化を計測するために、非接触式の距離センサを使用することを特徴とした、請求項１〜２のいずれか１項の電磁波回折測定装置である。
【００１８】
請求項４の発明は、前記位置変化を補正するための移動手段に、電動モータを利用したアクチュエータを使用することを特徴とした、請求項１〜２のいずれか１項の電磁波回折測定装置である。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１〜２のいずれか１項の電磁波回折測定装置により回折電磁波の回折角を測定し、金属、プラスチック、木材、セラミックス、複合材料などの工業材料のひずみ分布を測定する電磁波回折測定装置である。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項１〜２のいずれか１項の電磁波回折測定装置により回折電磁波の回折角を測定し、歯表面のエナメル質のひずみ分布を測定する電磁波回折測定装置である。
【００２１】
請求項７の発明は、請求項１〜２のいずれか１項の電磁波回折測定装置により回折電磁波の回折角を測定し、骨及び歯の象牙質のひずみ分布を測定する電磁波回折測定装置である。
【００２２】
請求項８の発明は、請求項５〜７のいずれか１項のひずみ分布測定において、外部から被測定物に負荷を与えることで被測定物内部にひずみ分布を与え、そのひずみ特性を知ることを特徴とした電磁波回折測定装置である。
【００２３】
請求項９の発明は、請求項５〜７のいずれか１項のひずみ分布測定において、照射電磁波としてＸ線を利用することを特徴とした電磁波回折測定装置である。
【００２４】
請求項１０の発明は、請求項５〜７のいずれか１項のひずみ分布測定において、照射電磁波としてガンマ線を利用することを特徴とした電磁波回折測定装置である。
【００２５】
請求項１１の発明は、請求項５〜７のいずれか１項のひずみ分布測定において、照射電磁波としてレーザ光を利用することを特徴とした電磁波回折測定装置である。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１の発明の構成によれば、被測定物の移動、変形、表面の凹凸により、照射位置がずれることで回折電磁波がシフトし、回折角の誤測定により、見かけ上のひずみが測定され、測定誤差を生じるが、回折電磁波の測定中に被測定物表面の照射位置の変化を補正することで、正確な測定が可能となる。
【００２７】
また、請求項２の発明の構成によれば、被測定物または電磁波発生装置及び回折波検出装置を、電磁波照射位置を修正するように移動し、回折波発生位置のずれを補正し、正確な回折電磁波の測定が可能となる。
【００２８】
また、請求項３の発明の装置によれば、被測定物の表面変化を非破壊的に検出し、電磁波の照射を妨げない回折電磁波の検出が可能となる。
【００２９】
また、請求項４の発明の装置によれば、被測定物の照射位置補正のための、被測定物または電磁波発生装置及び回折波検出装置の移動を外部制御で行うことが可能となる。
【００３０】
また、請求項５の発明の方法によれば、被測定物である工業材料のひずみを正確に測定することが可能となる。
【００３１】
また、請求項６の発明の方法によれば、被測定物である歯表面のエナメル質のひずみを正確に測定することが可能となる。
【００３２】
また、請求項７の発明の方法によれば、被測定物である骨及び歯の象牙質のひずみを正確に測定することが可能となる。
【００３３】
また、請求項８の発明の装置によれば、被測定物にひずみを与え、被測定物のひずみ特性を測定することが可能となる。
【００３４】
また、請求項９の発明の方法によれば、電磁波としてＸ線を利用することで、結晶格子の面間隔を利用したひずみ測定が可能となる。
【００３５】
また、請求項１０の発明の方法によれば、電磁波としてガンマ線を利用することで、結晶格子の面間隔を利用したひずみ測定が可能となる。
【００３６】
また、請求項１１の発明の方法によれば、電磁波としてレーザ光を利用することで、結晶格子よりも大きな２面間の間隔を利用したひずみ測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明における好適な実施の形態について、添付図を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。
【００３８】
本発明のひずみ測定装置の構成例を図５、図６に示す。本発明のひずみ測定装置は、前述の問題点を解決するため、被測定物１の表面を非接触式距離センサ３によって測定し、測定位置の位置ずれを図５のように、被測定物１を被測定物用駆動台５により移動することで補正する機構である。また、図６は測定位置の位置ずれを、Ｘ線発生装置２及び回折Ｘ線検出装置４をＸ線装置用駆動台６により移動することで補正する機構であり、回折Ｘ線角度の測定誤差を位置ずれの補正により解決したものである。
【００３９】
図５に本発明における装置の構成を示す。本発明のひずみ測定装置は、被測定物１の一表面に所定の強度の電磁波を照射するＸ線発生装置２と、被測定物１の電磁波照射位置の位置変化を計測する位置測定手段３と、被測定物１と電磁波の相対位置を同一になるように被測定物１または電磁波発生装置２及び、Ｘ線検出装置４の位置を移動する手段５と、前記検出手段で発生する回折電磁波を検出するＸ線検出装置を備えたことを特徴とする回折法によるひずみの測定装置である。被測定物が負荷を受けると、被測定物の測定表面が変形されることになる。そこで、本発明の装置では、位置測定手段３により被測定物１の電磁波照射位置の位置変化を計測し、被測定物１の位置を移動させる手段５により、被測定物１と電磁波の相対位置を同一になるようにする。より具体的には、被測定物の変形が膨張による表面移動の場合（図１）、測定物１の位置を移動させる手段５により、測定物１を下方に移動することで、照射位置の高さを同一にする。また、図６のように、電磁波発生２、Ｘ線検出装置４の位置を移動する手段６により、被測定物１と電磁波の相対位置を同一になるようにしてもよい。
【００４０】
図５及び図６のような構成において、位置測定手段である非接触式距離センサ３としては、レーザ光式変位計が挙げられる。非接触式であるから、被測定物に損傷を与える危険性が少ない。また、Ｘ線照射経路を遮蔽する影響もない。位置移動手段５及び６の駆動台としては、サーボモータまたはステッピングモータによる位置決めアクチュエータが挙げられる。なお、被測定物１としては、工業用材料や歯表面のエナメル質や骨や歯の象牙質といった生体材料が挙げられる。
【００４１】
図７及び図８に歯を測定する際の機器構成を示す。被験者１１は姿勢調整機構１７を有する椅子の上に座り、頭を駆動型のヘッドシートアクチュエータ１６に固定する。Ｘ線発生装置１３と回折Ｘ線検出装置１５は角度走査用の走査ガイド１２上を、Ｘ線照射位置を中心とする円弧状に移動する。回折電磁波検出時の照射位置の変動は非接触式距離センサ１４により測定され、位置情報として制御装置１９に送られる。制御装置ではこの情報をもとに、位置補正量を計算し、ヘッドシートアクチュエータ１６及び走査ガイド用アクチュエータ１８に制御量を出力する。変動量が大きい場合や、変化が著しく測定が困難な場合には、制御装置からＸ線発生装置及び回折Ｘ線検出装置に制御信号（例えば、一時停止）を送信する。このような構成により、被測定物が動くような場合（例えば、ヒト）でも、ひずみを高精度に測定できる。
【実施例】
【００４２】
（実施例１）次に、上述したひずみ測定法を活用した実施例として、摘出した歯のエナメル質のひずみ測定を説明する。歯の表層のエナメル質は９５.％以上がハイドロキシアパタイト（以下、HＡpという）であり、歯の組織の強度特性はHＡp結晶構造や結晶配向に依存する。また、エナメル質−象牙質といった構造特性が組織の荷重伝達に大きく関わる。このような歯の構造は局所的な応力集中発生の原因となり、歯の組織の損傷や破壊の原因となる。歯の組織に作用する応力分布がわかれば、治療評価や欠損予測といった診断技術に有益な情報となる。
【００４３】
図９により示したものが、実施例のＸ線測定システムの概要である。被測定物であるヒトから摘出した歯試験片１ｅを圧縮した際の変形によるＸ線照射位置のずれを、変位計３ｅで計測し、被測定物用昇降駆動台５ｅで補正する。なお、図９における圧縮負荷方向は歯軸方向になる。また、負荷時の変形を確認するため歯表面にひずみゲージを貼り付けて、歯試験片１ｅを圧縮負荷治具に搭載する。
【００４４】
図１０に上述した歯のエナメル質の回折Ｘ線強度測定結果の一例が示されている。負荷条件として、ひずみゲージ読みにて圧縮０．２００％を与えた際のハイドロキシアパタイト結晶格子ひずみを測定した。Ｘ線照射位置はひずみゲージ貼付け位置と異なる場所である。図１０に圧縮負荷を増加させた際の(００４)回折パターン変化の一例を示している。本例においては圧縮負荷により格子ひずみは引張方向（前述の格子面間隔が大きくなる方向）に増大し、０．０６７％を示した。本発明の機器構成により、歯牙試験片を負荷した際のエナメル質内HApの(００４)格子ひずみを測定し、歯軸方向の圧縮負荷によって表面垂直方向に引張ひずみの発生が確認できた。
【００４５】
以上の測定方法により、歯のエナメル質のひずみが測定できる。本システムを図７及び図８にて示したシステムで実行することで、ヒトの歯のひずみ分布の診断ができる。
【００４６】
なお、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば本実施例では、負荷による被測定物の表面移動を補正していたが、被測定物が自ら運動する場合の格子面間隔測定や、変位測定部を微小領域に絞ることで、表面に微小な凹凸を持つ被測定物の照射位置決定に用いてもよい。また、電磁波発生装置及び回折電磁波検出装置を固定する台が変動するような場合の測定においても、被測定物照射表面の相対的位置を補正することで、正確なひずみを測定することが可能となる。加えて、電磁波としてＸ線だけでなく、中性子線のように回折現象を持つ他の放射線に関しても同様の回折波測定装置を構築できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】被測定物表面位置変化による回折Ｘ線発生方向変化の説明図である。
【図２】被測定物表面位置変化による表面移動が回折Ｘ線経路に与える影響の説明図である。
【図３】従来法である、咬合紙によるかみ合い状態の診断方法の説明図である。
【図４】従来法である、筋電位測定によるかみ合い状態の診断方法の説明図である。
【図５】照射位置を被測定物の移動により補正する機構の説明図である。
【図６】照射位置をＸ線発生装置及び検出装置の移動により補正する機構の説明図である。
【図７】本発明の装置構成にて、ヒトの歯の測定を行う装置を正面からみた説明図である。
【図８】本発明の装置構成にて、ヒトの歯の測定を行う装置を側面からみた説明図である。
【図９】本発明の実施例１を示す、被測定物をヒトから摘出した歯のエナメル質とした際の測定装置の構成である。
【図１０】本発明の装置構成にて、負荷された歯のエナメル質の回折プロファイルの変化を示した図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  被測定物
１ａ  被測定物の表面位置の誤差（表面位置の誤差）
１ｂ  被測定物からの回折Ｘ線強度と角度のプロファイル（回折Ｘ線強度と角度のプロファイル）
１ｃ  無負荷時の被測定物
１ｄ  負荷時の被測定物
１ｅ  歯の試料
２，１３  Ｘ線発生装置
３，１４  非接触式距離センサ
３ｅ  変位計
４，１５  回折Ｘ線検出装置
５  被測定物用駆動台
５ｅ  被測定物用昇降駆動台
６  Ｘ線装置用駆動台
１１  被験者
１２  Ｘ線回折装置用走査ガイド（走査ガイド）
１６  ヘッドシートアクチュエータ
１７  姿勢調整機構
１８  走査ガイド用アクチュエータ
１９  制御装置
１０１  かみ合い診断の被験者（被験者）
１０２  咬合紙
１０３  咬合紙をかむことで生じる歯型（歯型）
１０４  筋電位測定電極
１０５  筋電図測定装置
【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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