(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングに揺動可能に支持されている質量体と、
上記質量体の上記ハウジングに対する相対的な位置の変位を検出して、当該変位に応じた出力を生成する変位検出部と、
上記質量体に固定されており、入力加速度による上記質量体の上記変位に応じたトルカ電流が流れるトルカコイルと
を含み、
磁界中に配置されている上記トルカコイルに上記トルカ電流が流れることによって上記質量体を中立位置に保とうとするサーボ機構が構成されている加速度計であって、
上記変位検出部からの出力を入力とする積分器を含み、
上記積分器の出力が上記トルカコイルに供給され、
上記積分器の入力が上記加速度計の第一出力である
ことを特徴とする加速度計。
【請求項２】
請求項１に記載の加速度計であって、
上記積分器の出力から加速度計の第二出力が得られる
ことを特徴とする加速度計。
【請求項３】
ハウジングに揺動可能に支持されている質量体と、
上記質量体の上記ハウジングに対する相対的な位置の変位を検出して、当該変位に応じた出力を生成する変位検出部と、
上記質量体に固定されており、入力加速度による上記質量体の上記変位に応じたトルカ電流が流れるトルカコイルと
を含み、
磁界中に配置されている上記トルカコイルに上記トルカ電流が流れることによって上記質量体を中立位置に保とうとするサーボ機構が構成されている加速度計であって、
上記変位検出部からの出力を入力とする積分器と、
上記変位検出部からの出力と上記積分器の出力を加算する加算器と
を含み、
上記加算器の出力が上記トルカコイルに供給され、
上記積分器の入力が上記加速度計の第一出力である
ことを特徴とする加速度計。
【請求項４】
請求項３に記載の加速度計であって、
上記加算器の出力から加速度計の第二出力が得られる
ことを特徴とする加速度計。
【請求項５】
加速度計の出力を入力とする加速度計出力フィルタ回路であって、
上記加速度計の出力が入力される加算器と、
上記加算器の出力を入力とする積分器とを含み、
上記加算器は、上記加速度計の出力と上記積分器の出力を加算し、
上記積分器の入力を上記加速度計出力フィルタ回路の出力とする
加速度計出力フィルタ回路。
【請求項６】
加速度計の出力を入力とする加速度計出力フィルタ回路であって、
上記加速度計の出力が入力される加算器と、
上記加算器の出力を入力とする減衰器と、
上記減衰器の出力を入力とする積分器とを含み、
上記加算器は、上記加速度計の出力と上記積分器の出力を加算し、
上記加算器の出力を上記加速度計出力フィルタ回路の出力とする
加速度計出力フィルタ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力加速度を計測する加速度計測技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度計を用いて、例えば、地面の鉛直方向の微動や、半導体製造装置等に用いられる制振制御装置の鉛直方向の振動を計測すると、加速度計は、地球の重力加速度（１Ｇ）に由来する直流成分を出力する。したがって、加速度計の感度は、微小振動電圧を大きい感度で測定したい場合に、上記直流成分で飽和しないような感度に設定されている。例えば、サーボ型加速度計の場合は、上記直流成分に相当するトルカ電流が常時流れており、かつ、読取抵抗の読取値を加速度出力とすることから、上記直流成分で出力飽和しない抵抗値の読取抵抗を取り付ける必要があった。
【０００３】
このような問題に鑑み、微小振動を正確に測定する方法として特許文献１に開示されている技術が知られている（図１４は特許文献１の図２である）。この技術による加速度計は、２つのトルカコイルを持つ。２つのトルカコイルのうち一方には上記直流成分に相当するトルカ電流が流れるため当該一方のトルカコイルには出力飽和しない読取抵抗が接続されているが、他方のトルカコイルには微小振動を検出するトルカ電流が流れるので当該他方のトルカコイルに接続される読取抵抗の抵抗値を大きくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2010-2359号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
直流成分をカットする場合、通常、ハイパスフィルタを使用する。キャパシタ（静電容量：Ｃ）と抵抗（抵抗値：Ｒ）で構成されるハイパスフィルタは、例えば地震の測定の場合、カットオフ周波数を０．００１Ｈｚ以下にするため時定数は大きく設定される（この例では、ＣＲ＝１／２πｆ＝１６０ｓ）。ハイパスフィルタに用いられるキャパシタはリーク電流の小さいフィルムキャパシタが一般的だが、静電容量Ｃを大きくするにはキャパシタを並列に接続することから等価抵抗が小さくなり、リーク電流が大きくなる。リーク電流が大きいと、直流成分の残留出力が大きくなり、微小電圧を測定する妨げとなる。例えば、０．１μＶ以下の振動信号を測定する必要がある場合、１０ｍＶの直流電圧が残留すると、その測定が困難となる。
【０００６】
上述の技術的課題事項に鑑み、本発明は、地球の重力加速度など一定の加速度が常にかかっている状態で精度良く微小加速度を計測できる加速度計測技術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】
本発明の加速度計は、ハウジングに揺動可能に支持されている質量体と、質量体のハウジングに対する相対的な位置の変位を検出して、当該変位に応じた出力を生成する変位検出部と、質量体に固定されており、入力加速度による質量体の変位に応じたトルカ電流が流れるトルカコイルとを含み、磁界中に配置されているトルカコイルにトルカ電流が流れることによって質量体を中立位置に保とうとするサーボ機構が構成されている加速度計であって、変位検出部からの出力を入力とする積分器を含み、積分器の出力がトルカコイルに供給され、積分器の入力が加速度計の第一出力であることを特徴とする。積分器の出力から加速度計の第二出力を得ることもできる。
【０００８】
あるいは、本発明の加速度計は、ハウジングに揺動可能に支持されている質量体と、質量体のハウジングに対する相対的な位置の変位を検出して、当該変位に応じた出力を生成する変位検出部と、質量体に固定されており、入力加速度による質量体の変位に応じたトルカ電流が流れるトルカコイルとを含み、磁界中に配置されているトルカコイルにトルカ電流が流れることによって質量体を中立位置に保とうとするサーボ機構が構成されている加速度計であって、変位検出部からの出力を入力とする積分器と、変位検出部からの出力と積分器の出力を加算する加算器とを含み、加算器の出力がトルカコイルに供給され、積分器の入力が加速度計の第一出力であることを特徴とする。加算器の出力から加速度計の第二出力を得ることもできる。
【０００９】
本発明の加速度計出力フィルタ回路は、加速度計の出力を入力とする加速度計出力フィルタ回路であって、加速度計の出力が入力される加算器と、加算器の出力を入力とする積分器とを含み、加算器は、加速度計の出力と積分器の出力を加算し、積分器の入力を加速度計出力フィルタ回路の出力とする。
【００１０】
あるいは、本発明の加速度計出力フィルタ回路は、加速度計の出力を入力とする加速度計出力フィルタ回路であって、加速度計の出力が入力される加算器と、加算器の出力を入力とする減衰器と、減衰器の出力を入力とする積分器とを含み、加算器は、加速度計の出力と積分器の出力を加算し、積分器の入力を加速度計出力フィルタ回路の出力とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、積分器を利用して直流成分が除去された第一出力を得るので、地球の重力加速度など一定の加速度が常にかかっている状態でも精度良く微小加速度を計測できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第一実施形態の二出力型加速度計の機能構成図。
【図２】第一実施形態の二出力型加速度計の構造を説明する図。
【図３】（ａ）第一実施形態に用いられる積分器の伝達関数の周波数特性。（ｂ）第一実施形態に用いられる積分器の具体例。
【図４】（ａ）入力加速度に対する第一出力の伝達関数の周波数特性。（ｂ）入力加速度に対する第二出力の伝達関数の周波数特性。
【図５】第一実施形態の二出力型加速度計に含まれる変位検出部より後段の具体的な回路構成。
【図６】第二実施形態の二出力型加速度計の機能構成図。
【図７】（ａ）第二実施形態に用いられる積分器の伝達関数の周波数特性。（ｂ）第二実施形態に用いられる積分器の具体例。
【図８】第二実施形態の二出力型加速度計に含まれる変位検出部より後段の具体的な回路構成（その１）。
【図９】第二実施形態の二出力型加速度計に含まれる変位検出部より後段の具体的な回路構成（その２）。
【図１０】第三実施形態の二出力型加速度計の機能構成図。
【図１１】第三実施形態の二出力型加速度計に含まれる加速度計出力フィルタ回路の具体的な回路構成。
【図１２】第四実施形態の二出力型加速度計の機能構成図。
【図１３】第四実施形態の二出力型加速度計に含まれる加速度計出力フィルタ回路の具体的な回路構成。
【図１４】特許文献１の図２に掲載されているサーボ型加速度計の構成。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態について説明する。
【００１４】
＜第一実施形態＞
図１を参照して、第一実施形態の二出力型加速度計１００を説明する。二出力型加速度計１００はサーボ機構を持つ加速度計である。そこで、まず、図２を参照して、サーボ機構に係る構成を概説する。
【００１５】
例えばクオーツで形成されている質量体１０の一端がハウジング１の内壁に固定されている。質量体１０の上記一端の近傍部位にフレクシャ（flexure）部２が形成されている。フレクシャ部２は、質量体１０が肉薄に形成されたくびれ構造を持つ。このため、フレクシャ部２は弾性変形が可能であり板バネのような役割を果たし、質量体１０の、フレクシャ部２に関して上記一端とは反対側の部分は、フレクシャ部２によって振り子のように揺動可能である。質量体１０は、二出力型加速度計１００に外部からの加速度がかかっていない状態で、所定の中立位置に位置する。質量体１０にはトルカコイル６０が固定されている。また、質量体１０の先端（非固定端）の両面には、電極１０ａ，１０ｂが固定されている。なお、ハウジング１は、外部衝撃から保護するケース５の内部に収められている。
【００１６】
ハウジング１の内壁には永久磁石３が固定されており、永久磁石３の周りの空間に磁界が作られている。質量体１０に固定されているトルカコイル６０はこの磁界中の空間に位置している。また、質量体１０の先端に対向するハウジング１の内壁部位には電極支持部４が取り付けられている。電極支持部４は、基部４ａと、基部４ａの両端からハウジング１内部に伸びる脚部４ｂ，４ｃとで構成されている。脚部４ｂ，４ｃは、空隙を介して質量体１０の先端を挟んでいる。脚部４ｂ，４ｃの内側にそれぞれ電極４ｄ，４ｅが固定されている。電極４ｄ，４ｅは、それぞれ質量体１０に設けられた電極１０ａ，１０ｂと対向している。電極４ｄ，４ｅと電極１０ａ，１０ｂとはキャパシタを構成している。
【００１７】
再び図１を参照して、二出力型加速度計１００の機能構成について説明する。
二出力型加速度計１００に外部から入力加速度がかかると、質量体１０は慣性によってその位置に留まろうとするが、ハウジング１はその入力加速度の影響を受けて変位する。これによって、質量体１０の、ハウジング１に対する位置は相対的に変化する。具体的には、ハウジング１を基準として見た場合、フレクシャ部２が弾性変形することによって質量体１０が傾動する。
【００１８】
変位検出部３０は、質量体１０のハウジング１に対する相対的な位置の変位を検出して、その変位に応じた電気信号を出力する。この例では、変位検出部３０は、発振回路３１と検出部３２と復調器３３とで構成されている。発振回路３１は搬送波を生成する。搬送波は、例えばホイートストンブリッジ回路である検出部３２、および復調器３３に供給される。検出部３２は、電極１０ａと電極４ｄとの間の静電容量と、電極１０ｂと電極４ｅとの間の静電容量との差に基づいて搬送波を振幅変調する。変調された搬送波は、復調器３３に送られる。復調器３３は、変調された搬送波を復調して、質量体１０のハウジング１に対する相対的な位置の変位に応じた電気信号を出力する。例えば、質量体１０のハウジング１に対する相対的な位置の変位の大きさは、その電気信号の電圧に対応させられる。
【００１９】
復調器３３の電圧出力は、積分器５０に入力される。積分器５０の出力はトルカコイル６０にトルカ電流を流す。このとき、トルカコイル６０には、永久磁石３が作る磁界との関係で、質量体１０のハウジング１に対する相対的な位置の変位を打ち消す方向に力が発生する。この力は質量体１０に作用する。このように、二出力型加速度計１００では、質量体１０を所定の中立位置に保とうとするフィードバック制御系（つまり、サーボ機構）が構成されている。
【００２０】
二出力型加速度計１００では、積分器５０の出力電流が読取抵抗８０を介して電圧となり、この電圧が第二出力となる。一方、復調器３３の電圧出力が第一出力となる。
【００２１】
積分器５０は、積分器５０の時定数で定まるカットオフ周波数ｆｃを持ち、カットオフ周波数ｆｃより低い周波数は積分特性を示して周波数０[Ｈｚ]（つまり、直流）で十分に大きいゲインを持ち、カットオフ周波数ｆｃより高い周波数では定数倍のゲインを示す積分器である（図３（ａ）参照）。例えば、積分器５０として図３（ｂ）に示す積分器を用いることができる。このため、積分器５０によって復調器３３の出力に含まれる直流成分が０になるように制御される。したがって、第一出力は、カットオフ周波数ｆｃ以下の周波数は減衰して、特に第一出力の直流成分は０となる。入力加速度に対する第一出力の伝達関数の周波数特性を図４（ａ）に示す。
一方、積分器５０の出力は、フィードバック制御系の定数で決まる全周波数帯域の電流信号であるから、読取抵抗８０を介した第二出力は全周波数帯域の加速度電圧信号となる。入力加速度に対する第二出力の伝達関数の周波数特性を図４（ｂ）に示す。
図５に、二出力型加速度計１００における、積分器５０と読取抵抗８０とトルカコイル６０からなる回路部分の具体例を示す。なお、図１と図５を比較すると、読取抵抗８０とトルカコイル６０の位置関係が異なるが、読取抵抗８０、トルカコイル６０の順に積分器５０の出力電流が流れる構成と、トルカコイル６０、読取抵抗８０の順に積分器５０の出力電流が流れる構成の、いずれも採用できる。
このように、二出力型加速度計１００によると、第一出力は直流成分が除去された加速度信号出力となり、第二出力は周波数０[Ｈｚ]からの全周波数帯域での加速度信号出力となる。
【００２２】
なお、二出力型加速度計１００では、変位検出方法として静電容量検出法を採用しているが、この方法に限定されるものでなく、例えば、レーザ光あるいはコヒーレンスの低いＬＥＤ等の光源を使用して質量体１０の変位を検出する方法や、ＭＲ素子等の磁気を利用した変位を検出する方法を採用することもできる。
【００２３】
＜第二実施形態＞
図６を参照して、第二実施形態の二出力型加速度計２００を説明する。二出力型加速度計２００は第一実施形態と同様にサーボ機構を持つ加速度計である。よって、第一実施形態と異なる技術事項について説明し、その他については同一の構成要素には同一の符号を当てて第一実施形態の説明を援用する。
【００２４】
復調器３３の電流出力は第一読取抵抗８１によって電圧になり、この電圧が第一出力になる。第一読取抵抗８１の電圧出力は積分器５１に入力されて積分される。積分器５１の出力は電流出力であり、積分器５１の電流出力は加算器７０で復調器３３の電流出力と加算される。積分器５１の電流出力と復調器３３の電流出力とが加算された加算器７０の出力電流はトルカコイル６０にトルカ電流として流れる。トルカコイル６０には、永久磁石３が作る磁界との関係で、質量体１０のハウジング１に対する相対的な位置の変位を打ち消す方向に力が発生する。この力は質量体１０に作用する。このように、二出力型加速度計２００でも、質量体１０を所定の中立位置に保とうとするフィードバック制御系（つまり、サーボ機構）が構成されている。
【００２５】
積分器５１は、全周波数帯域で積分特性を示して周波数０[Ｈｚ]（つまり、直流）で十分に大きいゲインを持つ積分器である（図７（ａ）参照）。例えば、積分器５１として図７（ｂ）に示す積分器を用いることができる。このため、第一読取抵抗８１の出力に含まれる直流成分が０になるように積分器５１の出力が発生することから、第一読取抵抗８１には直流が流れないように制御され、この結果、第一出力から直流成分が除去される。また、トルカコイル６０に流れるトルカ電流は第二読取抵抗８２に流れ、第二読取抵抗８２の両端電圧は第二出力になる。トルカコイル６０に流れる電流は周波数０[Ｈｚ]からの全周波数帯域の電流であるため、第二出力は全周波数帯域の加速度信号出力となる。図８に、二出力型加速度計２００における、積分器５１と加算器７０と第一読取抵抗８１と第二読取抵抗８２とトルカコイル６０からなる回路部分の具体例（その１）を示す。図８中の符号４０は、第二読取抵抗８２の両端電圧を得るための差動増幅回路である。図９に、二出力型加速度計２００における、積分器５１と加算器７０と第一読取抵抗８１と第二読取抵抗８２とトルカコイル６０からなる回路部分の具体例（その２）を示す。図９に示す構成では、加算器７０の反転入力端子に接続される一つの抵抗が第一読取抵抗８１を兼ねており、積分器５１に含まれる前段の回路、つまり、反転入力端子に第一出力が入力する増幅回路は加算器７０の入力の極性を揃えるための反転増幅回路である。
なお、図８または図９と図６を比較すると、第二読取抵抗８２とトルカコイル６０の位置関係が異なるが、第二読取抵抗８２、トルカコイル６０の順に加算器７０の出力電流が流れる構成と、トルカコイル６０、第二読取抵抗８２の順に加算器７０の出力電流が流れる構成の、いずれも採用できる。
【００２６】
上述のように、第一実施形態および第二実施形態では、サーボループ内に積分器が配置されている。積分器を構成するオペアンプの直流成分に対するゲインが十分に大きいことを利用して直流成分を除去することから直流残留電圧を小さくできる。このため、積分器の入力側からは地球の重力加速度などの一定加速度に起因する直流成分が除去された第一出力が得られる。したがって、微小振動を測定できるように感度を大きくすることができる。
また、積分器の出力側からは直流成分を含む第二出力が得られるので、周波数０[Ｈｚ]からの全周波数帯域の測定ができ、加速度計の傾斜を測定することができる。
このように、本発明では、サーボループ内に積分器を配置することによって、積分器の入力側では直流成分を含まない振動成分が得られ、積分器の出力側では直流成分を含む振動成分が得られるようになっている。
特に、第一実施形態では、カットオフ周波数を低くしたい場合（つまり、積分器の時定数を大きくしたい場合）であっても、次のような利点がある。積分器の直流成分に対するゲインが大きいので、第一出力の残留直流出力はキャパシタのリーク電流の影響が小さくなるように制御され、抵抗の値を大きくすることなく静電容量を大きくすることができる。このため、抵抗の熱雑音が大きくならないので、高精度に微小振動を測定できる。
【００２７】
＜第三実施形態＞
図１０を参照して、第三実施形態の二出力型加速度計３００を説明する。二出力型加速度計３００は従来の加速度計９００、特に、直流成分をその出力に含む加速度計９００、に当該加速度計９００の出力をフィルタする加速度計出力フィルタ回路３１０を付加した構成を持つ。加速度計出力フィルタ回路３１０は、加算器７１と積分器５２で構成される。加速度計９００の構成に制限はない。例えば、加速度計９００は質量体１０と変位検出部３０と読取抵抗８３とトルカコイル６０を含む構成を持つ。変位検出部３０は、質量体１０のハウジング１に対する相対的な位置の変位を検出して、その変位に応じた電気信号を出力する。変位検出部３０の出力はトルカコイル６０に供給される。変位検出部３０とトルカコイル６０との間に直列に読取抵抗８３を接続して、その読取抵抗８３の両端電圧を検出することによって、加速度計９００による電圧出力が得られる。
【００２８】
二出力型加速度計３００では、加速度計９００の電圧出力が第二出力となる。また、加速度計９００の電圧出力は加算器７１に入力される。加算器７１の出力は第一出力であり積分器５２に入力される。例えば、積分器５２として図７（ｂ）に示す積分器を用いることができる。積分器５２は時定数で決まる積分特性を持ち、積分器５２の出力は加算器７１に入力される。積分器５２は、積分器５２の入力の直流成分つまり第一出力の直流成分を０にするように制御するので、第一出力では積分器５２の時定数で決まるカットオフ周波数以下の周波数は減衰し、第一出力から直流成分が除去される。図１１に、二出力型加速度計３００における、積分器５２と加算器７１からなる回路部分の具体例を示す。
【００２９】
＜第四実施形態＞
図１２を参照して、第四実施形態の二出力型加速度計４００を説明する。二出力型加速度計４００は第三実施形態と同様に従来の加速度計９００に当該加速度計９００の出力をフィルタする加速度計出力フィルタ回路４１０を付加した構成を持つ。第四実施形態における加速度計出力フィルタ回路４１０は、加算器７１と積分器５２と減衰器９０で構成される。よって、第三実施形態と異なる技術事項について説明し、その他については同一の構成要素には同一の符号を当てて第三実施形態の説明を援用する。
【００３０】
二出力型加速度計４００は二出力型加速度計３００に減衰器９０が追加された構成を持つ。具体的には、加速度計９００の電圧出力は加算器７１に入力される。加算器７１の出力は第一出力であり、第一出力は減衰器９０に入力される。減衰器９０の出力は積分器５２に入力される。積分器５２は時定数で決まる積分特性を持ち、積分器５２の出力は加算器７１に入力される。
【００３１】
積分器５２の時定数を大きくする場合に積分器５２に含まれる抵抗の値を大きくすると熱雑音が大きくなる。このため、減衰器９０で例えば第一出力を1/100にすると積分器５２の時定数を1/100にすることができる。したがって、積分器５２に含まれる抵抗の抵抗値を小さくすることができ、第一出力の微小信号を正確に測定することができる。図１３に、二出力型加速度計３００における、積分器５２と加算器７１と減衰器９０からなる回路部分の具体例を示す。
【００３２】
上述のように、第三実施形態および第四実施形態でも、積分器を構成するオペアンプの直流成分に対するゲインが十分に大きいことを利用して加速度計の出力から直流成分を除去することから直流残留電圧を小さくできる。このため、加算器の出力からは地球の重力加速度などの一定加速度に起因する直流成分が除去された第一出力が得られる。また、加算器の入力側からは直流成分を含む第二出力が得られるので、周波数０[Ｈｚ]からの全周波数帯域の測定ができ、加速度計の傾斜を測定することができる。また、第三実施形態および第四実施形態に係る発明によると、従来の加速度計の構成を変更することなく、従来の加速度計に本発明の加速度計出力フィルタ回路を付加するだけで、一定の加速度が常にかかっている状態でも精度良く微小加速度を計測できるという利点もある。
【００３３】
＜第三実施形態と第四実施形態の各変形例＞
第三実施形態と第四実施形態ではそれぞれ、読取抵抗８３が従来の加速度計９００の構成要素であったが、読取抵抗８３を加速度計９００の構成要素でなく加速度計出力フィルタ回路としてもよい。
【００３４】
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜の変更が許容される。例えば、上記各実施形態において上記第一出力のみを得る構成に変更することも許容される。
【符号の説明】
【００３５】
１  ハウジング
２  フレクシャ部
３  永久磁石
４  電極支持部
４ａ  基部
４ｂ，４ｃ  脚部
４ｄ，４ｅ  電極
５  ケース
１０  質量体
１０ａ，１０ｂ  電極
３０  変位検出部
３１  発振回路
３２  検出部
３３  復調器
４０  差動増幅回路
５０，５１，５２    積分器
６０  トルカコイル
７０，７１  加算器
８０  読取抵抗
８１  第一読取抵抗
８２  第二読取抵抗
８３  読取抵抗
９０  減衰器
１００  第一実施形態の二出力型加速度計
２００  第二実施形態の二出力型加速度計
３００  第三実施形態の二出力型加速度計
３１０  加速度計出力フィルタ回路
４００  第四実施形態の二出力型加速度計
４１０  加速度計出力フィルタ回路
９００  従来の加速度計
【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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