(57)【要約】【課題】生体を近づけるだけで、生体を通信経路とするデータ通信を可能にする。【解決手段】データ通信用電極１００は、第１の電極板１１０と、第２の電極板１２０と、誘電体層１３０と、を備える。第１の電極板１１０は、凹部１４０を有することにより、凹部１４０に差し入れられた生体の一部を囲む形状を持つ。第２の電極板１２０は、第１の電極板１１０に対向している。誘電体層１３０は、第１の電極板１１０と第２の電極板１２０との間にある。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極板と、
前記第１の電極板に対向している第２の電極板と、
を備え、
前記第１の電極板は、凹部を有することにより、前記凹部に差し入れられた生体の一部を囲む形状を持つ、
データ通信用電極。
【請求項２】
前記第１の電極板と前記第２の電極板との間に誘電体層をさらに備える、
請求項１に記載のデータ通信用電極。
【請求項３】
前記第２の電極板の面積は前記第１の電極板の面積の半分以下である、
請求項１又は２に記載のデータ通信用電極。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のデータ通信用電極と、
前記データ通信用電極からデータを受信するデータ受信部と、
を備えるデータ通信装置。
【請求項５】
請求項４に記載のデータ通信装置と、
前記データ通信装置と生体を通して通信する通信タグと、
を備えるデータ通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、データ通信用電極、データ通信装置及びデータ通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
人体等の生体を通信経路としてデータ通信を行う生体通信技術が開発されている。例えば、特許文献１には、人間の姿勢にかかわらず安定した人体通信を可能にする人体通信端末装置を用いた認証システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２８３４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
生体通信においては、生体通信に用いる電極と生体との間の距離が通信の安定性に大きな影響を与え、両者の距離が大きくなると通信ができなくなってしまう。特許文献１に開示されている認証システムでは、ユーザが携帯する人体通信端末装置を首から吊り下げるための紐部材に導線を挿入し、この導線の一端部を該人体通信端末装置の電極に電気的に接続している。このようにすることにより、ユーザが携帯する人体通信端末装置とユーザとの間の通信の安定化を図っている。
【０００５】
しかし、特許文献１に開示されている認証システムでは、ユーザに入室等の権限を与える権限書込装置の電極とユーザとの間、また、出入り口等のロックを解除する認証ロック装置の電極とユーザとの間に関しては、特段の仕組みは用意されていない。よって、ユーザは、入室権限を得たり出入り口のロックを解除したりするためには、権限書込装置や認証ロック装置の電極に触れる必要がある。そして、これらの電極には出入り口を利用する多数の人が触れることになる。したがって、衛生面等を考慮すると、ユーザがこれらの電極に触れなくても、例えば電極に手を近づけるだけで、人体通信端末装置と認証ロック装置とがデータ通信可能になって、出入り口のロックが解除されるようになることが望ましい。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、生体を近づけるだけで、生体を通信経路とするデータ通信を可能にするデータ通信用電極、データ通信装置及びデータ通信システム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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るデータ通信用電極は、第１の電極板と、前記第１の電極板に対向している第２の電極板と、を備え、前記第１の電極板は、凹部を有することにより、前記凹部に差し入れられた生体の一部を囲む形状を持つものである。
【０００８】
好ましくは、前記第１の電極板と前記第２の電極板との間に誘電体層をさらに備えてもよい。
【０００９】
好ましくは、前記第２の電極板の面積は前記第１の電極板の面積の半分以下であってもよい。
【００１０】
また、本発明の第２の観点に係るデータ通信装置は、第１の観点に係るデータ通信用電極と、前記データ通信用電極からデータを受信するデータ受信部と、を備える。
【００１１】
また、本発明の第３の観点に係るデータ通信システムは、第２の観点に係るデータ通信装置と、前記データ通信装置と生体を通して通信する通信タグと、を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、生体を近づけるだけで、生体を通信経路とするデータ通信が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るデータ通信システムの全体構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係るデータ通信用電極を説明する図である。
【図３】第１の実施形態に係るデータ通信システムの等価回路を説明する図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るデータ通信用電極を説明する図である。
【図５】本発明の実施形態に係るデータ通信装置の外観を説明する図である。（Ａ）はデータ通信装置を横方向に設置した場合の外観を示す図である。（Ｂ）はデータ通信装置を縦方向に設置した場合の外観を示す図である。
【図６】実施形態に係るデータ通信装置に手を差し入れる時の様子を示す図である。（Ａ）はデータ通信装置を横方向に設置した場合の図である。（Ｂ）はデータ通信装置を縦方向に設置した場合の図である。
【図７】実施形態に係るデータ通信装置に足を差し入れる時の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態に係るデータ通信用電極、データ通信装置及びデータ通信システムについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付す。
【００１５】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係るデータ通信用電極及びデータ通信装置が適用されるデータ通信システムの全体構成について図１を参照して説明する。
【００１６】
図１に示すように、第１の実施形態に係るデータ通信システム３００は、ユーザ４００が携帯する通信タグ３１０と、データ通信装置２００と、を備える。そして、データ通信装置２００は、データ通信用電極１００と、通信タグ３１０のデータの読み書きを行うリーダライタ（Ｒｅａｄｅｒ／Ｗｒｉｔｅｒ）２１０と、データ通信用電極１００とリーダライタ２１０のインピーダンスを整合させる整合部２２０と、を備える。リーダライタ２１０は、通信タグ３１０のデータを受信するデータ受信部と、通信タグ３１０にデータを送信するデータ送信部と、を備える。整合部２２０は、コンデンサとコイルとを備え、データ通信用電極１００のインピーダンスを５０Ωにマッチングさせる。
【００１７】
データ通信用電極１００はユーザ４００の手４１０を差し入れることができる凹部１４０を有する。ユーザ４００が手４１０をデータ通信用電極１００の凹部１４０に差し入れることにより、通信タグ３１０とデータ通信装置２００との間でデータ通信が可能になる。
【００１８】
通信タグ３１０は、ユーザ４００のＩＤ（Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）等のデータを記憶する記憶部と、データの読み書きや通信等の制御を行う制御部と、制御部からの指示に基づいてデータを送受信する通信回路部と、人体と接触又は静電結合する電極と、を備える。通信タグ３１０は、電極を通じて信号を受信すると、その信号を通信回路部で復調して制御部に与え、制御部が記憶部のデータを読み書きする。受信した信号がデータ（例えばＩＤ）の送信指示であった場合は、制御部は記憶部からＩＤを読み込み、通信回路部で変調して、変調した信号を電極に出力する。
【００１９】
通信タグ３１０は、このようにして、人体を通してデータ通信装置２００と通信可能である。通信タグ３１０と通信することにより、データ通信装置２００は、通信タグ３１０が記憶している情報をリーダライタ２１０のデータ受信部で受信することができる。また、データ通信装置２００は、リーダライタ２１０のデータ送信部で通信タグ３１０にデータを送信し、通信タグ３１０に記憶されているデータを書き換えることができる。
【００２０】
データ通信システム３００の用途としては、例えば入室管理の認証システム、キャビネットの施錠管理の認証システム等、様々なものが考えられるが、ここでは入室管理の認証システムを想定することとする。この場合、ユーザ４００が手４１０をデータ通信用電極１００に差し入れることにより、通信タグ３１０に記憶されているＩＤがデータ通信装置２００に送信される。そして、該ＩＤが入室権限を有するユーザ４００のＩＤであれば扉が開けられ、そのようなＩＤでなければ警報が発せられる、というような処理が行われる。
【００２１】
なお図１において、ユーザ４００は建物の床３２０の上に立っており、リーダライタ２１０は建物の壁や柱の中にある鉄骨３３０等と静電結合等により、電気的に接続していることを想定している。建物の床３２０の下にも鉄骨３３０等が存在するので、ユーザ４００や通信タグ３１０は床３２０の下の鉄骨３３０等と静電結合等により電気的に接続していると想定でき、床３２０や鉄骨３３０の電位が、後述する等価回路において、データ通信システム３００の基準電位となる。
【００２２】
次に、データ通信用電極１００について、図２を参照して説明する。図２に示すように、データ通信用電極１００は、第１の電極板１１０と、第１の電極板１１０と対向している第２の電極板１２０と、第１の電極板１１０と第２の電極板１２０との間に挟まれている誘電体層１３０と、を備える。
【００２３】
第１の電極板１１０と第２の電極板１２０は金属などの導電体である。誘電体層１３０はガラスエポキシ、セラミック、プラスチック等の誘電体の層であるが、特段の誘電体を挟むことなく、空気自体を誘電体層１３０としても良い。
【００２４】
第１の電極板１１０は、凹部１４０を有し、この凹部１４０に差し入れられた手、足等の生体を囲むことができる形状になっている。第１の電極板１１０がこのような形状になっていることにより、差し入れられた生体と第１の電極板１１０とが静電結合しやすくなり、第１の電極板１１０から送受信される信号が外部に逃げにくくなる。そのため、ユーザ４００は第１の電極板１１０に触れなくても、手や足を第１の電極板１１０に近づける（かざす、差し入れる）だけで、データ通信装置２００とユーザ４００が携帯する通信タグ３１０とがデータ通信できるようになる。
【００２５】
また、第１の電極板１１０に接続された導線１１１と第２の電極板１２０に接続された導線１２１とは、データ通信用電極１００とリーダライタ２１０のインピーダンスを整合させる整合部２２０と接続している。第１の電極板１１０と第２の電極板１２０の面積及び距離、誘電体層１３０に用いる誘電体の種類等を適切に設定することにより、データ通信用電極１００のインピーダンスを５０Ωにマッチングさせることができる場合は、整合部２２０は無くても良い。
【００２６】
なお、データ通信用電極１００のサイズは、設置される場所や向きに応じて適切なサイズを設定することができる。例えば、手を前方に差し入れる形で使用するデータ通信用電極１００では、図２に示す高さを３ｃｍ以上１０ｃｍ以下程度、横幅を１０ｃｍ以上２０ｃｍ以下程度、奥行きを１５ｃｍ以上２５ｃｍ以下程度に設定すると良い。また、足（履いた状態の靴）を前方に差し込む形で使用するデータ通信用電極１００では、高さを５ｃｍ以上１５ｃｍ以下程度、横幅を１０ｃｍ以上２０ｃｍ以下程度、奥行きを１０ｃｍ以上２０ｃｍ以下程度に設定すると良い。手用と足用とを共用したい場合は、高さを５ｃｍ以上１０ｃｍ以下程度、横幅を１０ｃｍ以上２０ｃｍ以下程度、奥行きを１５ｃｍ以上２０ｃｍ以下程度に設定すると良い。
【００２７】
次に、データ通信システム３００の等価回路について、図３を参照して説明する。図３は、図１に示すデータ通信システム３００の等価回路を示したものである。図３において、等価回路５１０は、通信タグ３１０と基準電位（床３２０、鉄骨３３０）との間の静電結合を示す等価回路である。また、等価回路５２０は、ユーザ４００の人体の等価回路である。通信タグ３１０の電極がユーザ４００に静電結合により電気的に接続していることを、通信タグ３１０の上から出ている線が等価回路５２０の途中に接続していることによって示している。
【００２８】
等価回路５３０は、ユーザ４００と基準電位（床３２０、鉄骨３３０）との間の静電結合を示す等価回路である。また、等価回路５４０は、ユーザ４００の手４１０とデータ通信用電極１００との間の静電結合を示す等価回路である。図３では、等価回路５４０により、手４１０の甲とデータ通信用電極１００の第１の電極板１１０の上面との間の静電結合と、手４１０の平とデータ通信用電極１００の第１の電極板１１０の下面との間の静電結合と、により手４１０がデータ通信用電極１００に接続していることを示している。
【００２９】
データ通信用電極１００は、第１の電極板１１０と第２の電極板１２０とによってコンデンサを形成しているので、図３では電極板１１０，１２０で、コンデンサを示している。また、図３は、データ通信用電極１００が整合部２２０を介してリーダライタ２１０に接続していることも示している。そして、等価回路５５０は、リーダライタ２１０と基準電位（床３２０、鉄骨３３０）との間の静電結合を示す等価回路である。
【００３０】
次に、図３に示す等価回路を用いて、データ通信用電極１００により、通信タグ３１０とデータ通信装置２００との間で安定したデータ通信が行えることを示す。まず、前提として、リーダライタ２１０を信号源とし、人体の等価回路を抵抗値Ｒｈの抵抗と静電容量Ｃｈのコンデンサとの並列接続で表すこととする。ここで、抵抗値Ｒｈ＝８５３Ω、静電容量Ｃｈ＝９１ｐＦとする。なお、この値は「中間周波数帯の電磁界と人体との間接結合に関する数値ドシメトリ評価  報告書  平成２４年３月  名古屋工業大学」（http://www.tele.soumu.go.jp/resource/j/ele/body/report/pdf/040.pdf）に基づく。また、真空の誘電率としてε０＝８．８５４１９×１０−１２、空気の比誘電率としてεｒ＝１．０００５９を採用する。
【００３１】
さらに、手４１０の面積ＳをＳ＝０．００２４５ｍ２（７ｃｍ×７ｃｍ÷２）、手４１０とデータ通信用電極１００との間の距離をｄ、データ通信に用いる信号の周波数ｆをｆ＝３．２ＭＨｚ、データ通信用電極１００のインピーダンスＺｅを（整合部２２０によりマッチングを取った後の値として）Ｚｅ＝５０Ωとする。また、ω＝２πｆとし、虚数単位をｊで表すこととする。
【００３２】
すると、データ通信用電極１００と手４１０との間の静電容量Ｃａｉｒは、以下のように表すことができる。
Ｃａｉｒ＝ε０・εｒ・Ｓ／ｄ×２＝０．０４３４１／ｄ（ｐＦ）
そして、静電容量Ｃａｉｒの周波数ｆにおけるインピーダンスＺａｉｒは、以下のように表すことができる。
Ｚａｉｒ＝１／（ｊω・Ｃａｉｒ）
【００３３】
また、人体のアドミタンスＹｈは、
Ｙｈ＝１／Ｒｈ＋（ｊω・Ｃｈ）
と表すことができ、人体のインピーダンスは、
Ｚｈ＝１／Ｙｈ
と表すことできる。
【００３４】
以上に基づき、手４１０をデータ通信用電極１００に接触した時と、手４１０とデータ通信用電極１００との距離ｄを１ｃｍ、３ｃｍ、５ｃｍ、１０ｃｍと変化させた時とで、通信タグ３１０とリーダライタ２１０との間のインピーダンスを求めると、以下のようになる。
【００３５】
手４１０をデータ通信用電極１００に接触した時のインピーダンス
Ｚｈ＋Ｚｅ＝４６．８８１３４−４．０５１３８ｊ
【００３６】
手４１０をデータ通信用電極１００と１ｃｍまで近接した時のインピーダンス
Ｚｈ＋Ｚａｉｒ＋Ｚｅ＝４９．６９４３４−１．５７１１５ｊ
【００３７】
手４１０をデータ通信用電極１００と３ｃｍまで近接した時のインピーダンス
Ｚｈ＋Ｚａｉｒ＋Ｚｅ＝４９．９４９３３−０．６４９７２ｊ
【００３８】
手４１０をデータ通信用電極１００と５ｃｍまで近接した時のインピーダンス
Ｚｈ＋Ｚａｉｒ＋Ｚｅ＝４９．９８０１１−０．４０７８ｊ
【００３９】
手４１０をデータ通信用電極１００と１０ｃｍまで近接した時のインピーダンス
Ｚｈ＋Ｚａｉｒ＋Ｚｅ＝４９．９９４６９−０．２１０９４ｊ
【００４０】
なお、上記のような厳密な計算をしなくても、データ通信用電極１００のインピーダンスＺｅが、データ通信用電極１００と手４１０との間の静電容量ＣａｉｒによるインピーダンスＺａｉｒよりも格段に小さい値であることは明らかである。そして、ＺｅとＺａｉｒとが並列に接続されていることから、ＺｅとＺａｉｒの合成インピーダンスは、Ｚａｉｒの値にほとんど影響されず、Ｚｅの値よりわずかに小さくなるだけであることがわかる。
【００４１】
つまり、手４１０をきちんとデータ通信用電極１００に差し入れていれば、手４１０とデータ通信用電極１００との距離が変化しても、通信タグ３１０とリーダライタ２１０との間のインピーダンスは、ほとんど変化しないことがわかる。
【００４２】
したがって、データ通信用電極１００により、ユーザ４００は手４１０をデータ通信用電極１００に近づける（かざす、差し入れる）だけで、通信タグ３１０とデータ通信装置２００とは安定したデータ通信を行うことができる。
【００４３】
（第２の実施形態）
データ通信用電極１００においては、第２の電極板１２０と誘電体層１３０が、第１の電極板１１０と同様に下面から上面まで延びている。しかし、手４１０と直接的に静電結合するのは第１の電極板１１０だけなので、第２の電極板１２０と誘電体層１３０については、全面に延びていなくても問題ないと考えられる。そこで、第２の電極板１２０と誘電体層１３０を下面のみに備える本発明の第２の実施形態について説明する。
【００４４】
図４に示すように、本発明の第２の実施形態に係るデータ通信用電極１０１は、第２の電極板１２０と誘電体層１３０が下面の一部にのみ存在する構造になっており、第２の電極板１２０の面積は第１の電極板１１０の面積の半分以下になっている。この点以外は、第２の実施形態に係るデータ通信用電極１０１は、第１の実施形態に係るデータ通信用電極１００と同じである。なお、図４に示すデータ通信用電極１０１では、第２の電極板１２０と誘電体層１３０が、下面の一部に存在する構造になっているが、これに限られず、例えば、上面の一部にのみ存在する構造になっていても良い。
【００４５】
第１の実施形態に係るデータ通信用電極１００を製造するには、第２の電極板１２０及び誘電体層１３０に、第１の電極板１１０と同様の（曲げる等の）加工を施す必要があるが、データ通信用電極１０１ならその必要はない。したがって、第２の実施形態に係るデータ通信用電極１０１の製造コストは、第１の実施形態に係るデータ通信用電極１００を製造コストよりも低く抑えることができる。ただし、データ通信用電極１０１では、第１の電極板１１０の、第２の電極板１２０で覆われていない部分が、他の金属と静電結合しやすいため、第１の電極板１１０がアース等に接続されている金属（建物の鉄骨、水道管等）と近接しないように注意する必要がある。
【００４６】
（データ通信装置）
次に、本発明の実施形態に係るデータ通信用電極１００，１０１とリーダライタ２１０とを一体化したデータ通信装置２００の外観の一例について、図５を参照して説明する。
【００４７】
図５の（Ａ）に示すように、本発明の実施形態に係るデータ通信装置２００は、外観上、内部のリーダライタ２１０等を覆う樹脂製ケース６１０と、表示部６２０と、金属製の第１の電極板１１０と、を備える。表示部６２０はＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）を備え、データ通信装置２００の電源の状態、データ通信の状態、認証結果等をＬＥＤの点灯及び消灯によって示す。第１の電極板１１０は、手、足等の生体を近接させる部分である。
【００４８】
図５の（Ａ）に示すように、データ通信用電極１００，１０１の構成要素のうち、外部に露出しているのは第１の電極板１１０のみである。ただし、第１の電極板１１０も必ずしも露出させる必要はなく、例えば第１の電極板１１０がその湾曲に沿って樹脂等で覆われるようになっていても良い。また、第２の電極板１２０は、図３に示した等価回路５５０を通して基準電位と静電結合されているため、第２の電極板１２０に囲まれている第１の電極板１１０は周囲の影響を受けにくくなっている。データ通信用電極１０１では、第２の電極板１２０の面積が小さいため、第１の電極板１１０が周囲の影響を受けにくくなるように、外部と近接する箇所に第２の電極板１２０が配置されるようにすると良い。
【００４９】
図５の（Ａ）は、データ通信装置２００を横方向に設置した場合の外観を示している。このように設置した場合は、ユーザは手や足を前方に差し入れることになる。また、図５の（Ｂ）は、データ通信装置２００を縦方向に設置した場合の外観を示している。このように設置した場合は、ユーザは手を下方向に差し入れることになる。もっとも設置方法はこれらに限られない。例えば、図５の（Ｂ）に示すデータ通信装置２００とは上下逆に設置すれば、ユーザは手を上方向に差し入れるようにできる。また、図５の（Ａ）に示すデータ通信装置２００の設置方向と図５の（Ｂ）に示すデータ通信装置２００の設置方向の間の角度で、斜め方向にデータ通信装置２００を設置することも考えられる。
【００５０】
データ通信装置２００に手４１０を差し入れる時の様子を図６に示す。図６の（Ａ）は、横方向に設置したデータ通信装置２００に手４１０を差し入れる時の様子を示している。また、図６の（Ｂ）は、縦方向に設置したデータ通信装置２００に手４１０を差し入れる時の様子を示している。このように、どちらの方向に設置した場合でも、ユーザ４００は、第１の電極板１１０に触れないように手４１０をデータ通信装置２００に差し入れることができる。
【００５１】
また、データ通信装置２００に足４２０を差し入れる時の様子を図７に示す。データ通信装置２００は、第１の電極板１１０が、差し入れられた生体を囲む形状になっているため、靴を履いたままでも足４２０と静電結合し、安定した通信を行うことができる。
【００５２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、上述したデータ通信用電極１００，１０１の形状は一例に過ぎない。凹部１４０に手等の生体を差し入れることが可能で、凹部１４０に差し入れた生体が第１の電極板１１０に直接触れないような形状であれば良く、図２に示す、高さ、横幅及び奥行きは、それぞれ一定で無くても良い。例えば、上面や下面が上下方向や横方向に波打つような形状になっていても良い。
【００５３】
また、第１の電極板１１０は、上述した実施形態では上面と下面とで凹部を形成し、左右が空いている形状になっているが、これに限られない。例えば、上下だけでなく左右にも金属面を有した四角柱や四角錐のような形状になっていても良いし、全体的に丸みを有したお椀のような形状になっていても良い。
【００５４】
また、上述した実施形態では、データ通信装置２００及び通信タグ３１０はそれぞれお互いにデータの送受信が可能であるとして説明した。しかし、データ通信装置２００及び通信タグ３１０はデータの送信又は受信のどちらか一方しかできないものでも良い。例えば、通信タグ３１０はデータ送信のみが可能で、データ通信装置２００はデータ受信のみが可能であっても良い。この場合でも、通信タグ３１０は記憶済みのＩＤ情報を送信でき、データ通信装置２００はこのＩＤ情報を受信できるので、通信タグ３１０に記憶されているＩＤ情報を書き換えることができない点を除けば、上述した入室管理の認証システムと同様の認証システムを構築できる。
【符号の説明】
【００５５】
１００，１０１…データ通信用電極、１１０…第１の電極板、１１１，１２１…導線、１２０…第２の電極板、１３０…誘電体層、１４０…凹部、２００…データ通信装置、２１０…リーダライタ、２２０…整合部、３００…データ通信システム、３１０…通信タグ、３２０…床、３３０…鉄骨、４００…ユーザ、４１０…手、４２０…足、５１０，５２０，５３０，５４０，５５０…等価回路、６１０…樹脂製ケース、６２０…表示部
【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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