(57)【要約】【課題】構成が簡単であり、容器内の液存在状態を、容器外部からより短時間で作業性良く判別できる液体検知装置を提供する。【解決手段】液体検知装置１は、液体Ｌを収容した容器１９０を被測定系として、該容器１９０の側壁部２００外面に定められた測定実施位置に取り付けて使用され、容器１９０の側壁面を介して測定用超音波ビームを入力する超音波トランスジューサ２を有する。超音波トランスジューサ２は、被測定系への測定用超音波ビームの入力を遮断したときの、該被測定系からの残響情報を検出する残響検出手段としても機能する。そして、減衰残響振動波形の積分値を用いて液体の有無を判定することで、突発的なノイズ等により波形が乱れた場合でも判定誤差を低く留めることが可能である。【選択図】図１
2008203206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を収容した容器を被測定系として、該容器の壁部外面に定められた測定実施位置に取り付けて使用され、前記被測定系に前記測定用超音波ビームを予め定められた時間励振入力した後、当該測定用超音波ビームの入力を遮断する超音波出力部と、
前記測定実施位置に取り付けて使用され、前記測定用超音波ビームの入力遮断後の減衰残響振動波形を検出する残響検出手段と、
前記減衰残響振動波形を積分する波形積分手段と、
該積分波形に反映される前記減衰残響振動の減衰特性の差異に基づいて前記容器内の前記測定実施位置における前記液体の有無を判定する液体有無判定手段と、
該判定結果を出力する液体有無判定結果出力手段と、
を備えたことを特徴とする液体検知装置。
【請求項２】
前記液体有無判定手段は、前記測定用超音波ビームの入力を遮断後に予め定められ時間を経過したときの、前記積分波形に反映される該減衰残響振動の減衰レベルを取得し、当該減衰レベルが予め定められた閾値未満の場合に液体有り、同じく閾値を超える場合に液体無しと判定するものである請求項１記載の液体検知装置。
【請求項３】
前記液体有無判定手段は、前記積分波形に反映される該減衰残響振動の減衰レベルを監視するとともに、前記測定用超音波ビームの入力を遮断後に当該減衰レベルが予め定められた参照レベルに到達するまでの減衰時間を計測する減衰時間計測手段を有し、当該減衰時間が予め定められた閾値を超える場合に液体無し、同じく閾値未満となる場合に液体有りと判定するものである請求項１記載の液体検知装置。
【請求項４】
前記減衰残響振動波形を包絡線検波する包絡線検波手段を有し、
前記波形積分手段は、該包絡線検波後の波形を積分処理するものである請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の液体検知装置。
【請求項５】
前記包絡線検波手段は、前記残響検出手段からの前記減衰残響振動波形を増幅する波形増幅部と、増幅された減衰残響振動波形を半波整流する半波整流部と、該半波整流された減衰残響振動波形を包絡線検波部とを有する検波回路にて構成されている請求項４に記載の液体検知装置。
【請求項６】
前記検波回路は、前記波形増幅部からの増幅出力波形からバイアス直流成分を除去するバイアス直流成分除去部を有し、前記半波整流部は、該バイアス直流成分を除去後の増幅入力波形を半波整流するものである請求項５記載の液体検知装置。
【請求項７】
前記波形増幅部の増幅出力を前記測定用超音波ビームの励振周波数に同調させる波形同調部が組み込まれてなる請求項６記載の液体検知装置。
【請求項８】
前記波形増幅部から分岐入力される増幅出力を積分演算する増幅出力積分部と、該増幅出力積分部の積分出力と前記検波回路からの包絡線検波出力との比較に基づいて、前記分岐減衰残響振動の減衰特性を反映した減衰反映信号を出力する積分比較演算部とを有し、前記波形積分手段は該減衰反映信号を積分演算するものである請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の液体検知装置。
【請求項９】
前記積分比較演算部は、前記積分出力と前記包絡線検波出力との二値比較結果を前記減衰反映信号として出力するものである請求項８記載の液体検知装置。
【請求項１０】
前記容器が金属タンクであり、前記超音波出力部は該金属タンクの金属壁部に取り付けられ、当該金属壁部の厚さ方向に前記測定用超音波ビームを出力するものである請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の液体検知装置。
【請求項１１】
前記金属タンクは前記液体として液化ガスを収容するものである請求項１０記載の液体検知装置。
【請求項１２】
前記超音波出力部は、前記被測定系への測定用超音波ビームの出力が可能とされるとともに、前記前記被測定系からの残響超音波の受信も可能な超音波トランスジューサとして、前記残響検出手段に兼用されるものである請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の液体検知装置。
【請求項１３】
前記容器上にて液体無しとなることが予め知れている測定実施位置を選択して前記減衰残響振動の計測を行なったとき、前記測定用超音波ビームの入力を遮断後に当該減衰レベルが予め定められた参照レベルに到達するまでの減衰時間が最大化されるように、前記測定用超音波ビームの周波数が設定される請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の液体検知装置。
【請求項１４】
前記測定用超音波ビームの周波数が、測定対象となる容器に応じて可変設定可能とされてなる請求項１３記載の液体検知装置。
【請求項１５】
該容器内の液体深さ方向において互いに異なる測定実施位置にて前記残響情報を検出し、個々の測定実施位置における前記残響情報の検出結果に基づいて、前記容器内の液面位置を反映した液面位置反映情報が出力可能とされてなる請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載の液体検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液体検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００４−５３５０４号公報
【特許文献２】特開２００２−９０２１０号公報
【特許文献３】特開平７−１８１０７２号公報
【０００３】
従来、タンク内面に超音波の送信面ないし受信面を露出させる形で超音波送信部及び受信部を配置し、超音波ビームが液面位置で反射して戻ってくるまでの時間を計測することにより液面高さを知ることができるようにした液面計が知られている（特許文献１，２）。しかし、この方式の液面計は容器内部に超音波送信部及び受信部を露出配置しなければならず、構造が複雑化する上、液面計を有さない容器へは適用できない難点がある。一方、対象となる容器の外側から非接触で液面を検知する方式として、容器壁を透過させる形で送信された超音波を反対側の壁（正反対側の鋼板材の壁で媒質との境界）で反射させ、再び容器壁を透過してトランスジューサまで戻ってくる反射波を検出し、液の有無を判断する方式が知られている（例えば特許文献３）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記透過型の液面検出方式には、超音波を送信後、反射波が戻ってくるまでの伝播遅延時間があり、反射経路に沿った超音波パルスの伝播距離が長く信号のロスが大きい欠点がある。信号のロスが大きいということは、結局のところ、駆動直後に容器に伝播する機械的振動ノイズや残響ノイズ、温度・経時変化によるトランスジューサの特性劣化（特に、ダンパー特性の劣化）、トランスジューサと容器との機械的な結合状態などの影響を受けやすいことを意味し、感度低下を招きやすいことは必至である。特に、容器壁部を透過する音波の信号レベル低下や、取り付け状態によるノイズの影響をとりわけ受けやすく、液の有無を判定する受信信号を検出する際のＳ／Ｎが悪化する問題がある。
【０００５】
結局、上記透過型方式では、Ｓ／Ｎ比の低下を防止するために、フィルタリングなどの複雑な信号処理や制御が必要となり、回路やソフトウェアの複雑化ひいては高コスト化が避け難い。また、検出周波数の決定や、回路ゲインあるいはコンパレータレベル等の設定・調整にも長時間を要し、液面判定の迅速性も損なわれやすくなる。
【０００６】
本発明の課題は、構成が簡単であり、容器内の液存在状態を、容器外部からより短時間で作業性良く判別できる液体検知装置を提供する。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明の液体検知装置は、
液体を収容した容器を被測定系として、該容器の壁部外面に定められた測定実施位置に取り付けて使用され、被測定系に測定用超音波ビームを予め定められた時間励振入力した後、当該測定用超音波ビームの入力を遮断する超音波出力部と、
測定実施位置に取り付けて使用され、測定用超音波ビームの入力遮断後の減衰残響振動波形を検出する残響検出手段と、
減衰残響振動波形を積分する波形積分手段と、
該積分波形に反映される減衰残響振動の減衰特性の差異に基づいて容器内の測定実施位置における液体の有無を判定する液体有無判定手段と、
該判定結果を出力する液体有無判定結果出力手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
上記本発明の液体検知装置によると、液体を収容した容器を被測定系として、容器の壁部外側に取り付けた超音波出力部からの測定用超音波ビームにより音響励振し、測定用超音波ビームの入力遮断後の被測定系からの減衰残響振動波形に基づいて容器内の測定実施位置における液体の存在状態を検出する。すなわち、従来のごとく液体中へ伝播する励振音波の反射情報を検出するのではなく、駆動直後の被測定系からの残響情報を自由振動波形の形で検出するので、音波が媒質中を伝播する遅延時間が発生せず検出時間が早い。また、従来の透過型検出方式では、検知情報となる反射波に対し駆動直後の残響がノイズとして作用し、特に容器の寸法が小さい場合や、音速が大きい液体の場合、残響ノイズによるＳ／Ｎ比低下が避け難かった。しかし、この発明では、その残響情報がノイズではなく信号（シグナル）として逆に利用されるのであり、しかも、残響情報が検出される際には音響励振のための入力波は遮断された後なので、これがノイズ要因となることは原理的にありえない。従って、極めて安定で高感度な液体検出が可能となり、信頼性が大きく向上する。また、超音波ビームは指向性が高く、波形拡散によるロスも小さいので、より高感度な液体検出が可能である。
【０００９】
具体的には、液体の非存在部では容器壁部の内側が空隙となり、壁部内面を境とした音響インピーダンス差が非常に大きくなる。その結果、容器壁部を外から音響励振した場合、容器壁部は、壁部内に反射して戻る音波が主体的となるため内側の空間からは音響的に分離され、固体で構成された壁部の固有振動に支配された形で振動継続するため振動の減衰が生じにくい。この傾向は、容器側が内部摩擦の小さい金属にて構成されている場合に特に著しい。しかし、液体の存在部では、容器壁部の内側に液体が存在するため、上記の音響インピーダンス差は縮小し、壁部内面を経て内部摩擦の大きい液体内に漏れこむ音波比率が増加して振動減衰は著しくなる。従って、検出される減衰残響振動の減衰特性の差異に基づいて容器内の測定実施位置における液体の有無を容易に判定することができるのである。そして、減衰残響振動波形の積分値を用いて液体の有無を判定することで、突発的なノイズ等により波形が乱れた場合でも判定誤差を低く留めることが可能である。
【００１０】
測定適用対象となる容器が金属タンク（特に鋼鉄製など、内部音響損失の比較的小さい材料で構成されたもの）である場合は、空の状態で残響が減衰し難く、液体を収容した状態との残響特性にも大きな差を生じ易いので、液体検出の精度が高い利点がある。この場合、超音波出力部は該金属タンクの金属壁部に取り付けられ、当該金属壁部の厚さ方向に測定用超音波ビームを出力するように構成しておくとよい。
【００１１】
液の存在部と液の非存在部との間で、減衰残響振動の減衰特性に波形の上で顕著な差が存在すれば、その差を数値化することにより液体の有無に係る判定を容易に実行することが可能となる。振動波形の減衰挙動を数値化する手法は種々存在し、そのいずれを用いてもよい。
【００１２】
例えば、液体有無判定手段は、測定用超音波ビームの入力を遮断後に予め定められ時間を経過したときの、積分波形に反映される該減衰残響振動の減衰レベルを取得し、当該減衰レベルが予め定められた閾値未満の場合に液体有り、同じく閾値を超える場合に液体無しと判定するものとして構成できる。この方式によると、励振を遮断した後の経過時間を固定化して、積分波形のレベルを一律に測定することで、少ない液の存在の有無に係る判定を容易に行なうことができる。
【００１３】
他方、液体有無判定手段は、測定用超音波ビームの入力を遮断後に予め定められ時間を経過したときの、積分波形に反映される該減衰残響振動の減衰レベルを取得し、当該減衰レベルが予め定められた閾値未満の場合に液体有り、同じく閾値を超える場合に液体無しと判定するものとして構成してもよい。この方式では、積分波形の時間変化を監視する必要が有り、そのサンプリング回数は増大するが、積分実行後に重畳するノイズ等による変化を誤差として容易に識別できるので、判定精度を高めることができる利点がある。
【００１４】
次に、本発明の液体検知装置には、減衰残響振動波形を包絡線検波する包絡線検波手段を設けることができる。そして、前述の波形積分手段は、該包絡線検波後の波形を積分処理するものとして構成できる。減衰残響振動波形を包絡線検波することで、その振幅の減衰挙動をより簡単かつ正確に把握でき、また、ノイズ等による波形の乱れの影響も一層受けにくくなるので、液体の有無判定をより正確に行なうことができる。
【００１５】
包絡線検波手段は、残響検出手段からの減衰残響振動波形を増幅する波形増幅部と、増幅された減衰残響振動波形を半波整流する半波整流部と、該半波整流された減衰残響振動波形を包絡線検波部とを有する検波回路にて構成することができる。波形増幅出力を半波整流することで、本来の減衰振動波形の片側のピーク点を選択的に抽出することができ、これを包絡線検波することで、減衰判定に用いるのにより好都合な単調減少型（極性反転すれば単調増加型）の波形減衰曲線を得ることができる。
【００１６】
また、検波回路は、波形増幅部からの増幅出力波形からバイアス直流成分を除去するバイアス直流成分除去部を有するものとして構成でき、半波整流部は、該バイアス直流成分を除去後の増幅入力波形を半波整流するものとして構成できる。バイアス直流成分は、増幅特性を改善するために波形増幅部側で意図的に付加されるものと、定常ノイズやドリフトの影響により不可避的に重畳されるものとの双方を概念として含む。いずれにしても、バイアス直流成分を除去することで、増幅出力波形の振幅中心を確定することができ、半波整流時における切り出し振幅の誤差を低減することができる。
【００１７】
また、波形増幅部の増幅出力を測定用超音波ビームの励振周波数に同調させる波形同調部を組み込むこともできる。これにより、測定用超音波ビームの励振周波数に対応した必要な残響波形を抽出することができ、ノイズ振動や高調波による誤差の影響を低減することができる。
【００１８】
また、波形増幅部から分岐入力される増幅出力を積分演算する増幅出力積分部と、該増幅出力積分部の積分出力と検波回路からの包絡線検波出力との比較に基づいて、分岐減衰残響振動の減衰特性を反映した減衰反映信号を出力する積分比較演算部とを設けることができる。波形積分手段は該減衰反映信号を積分演算するものとして構成する。このように構成すると、増幅出力に温特や定常ノイズ等に由来した波形ドリフトが生じている場合、その積分演算波形との比較演算（差分を概念として含む）を行なうことでドリフト成分をキャンセルでき、その影響を簡単に低減できる。積分比較演算部は、減衰反映信号として積分出力と包絡線検波出力との二値比較結果を出力するものとして構成すれば、液体の有無を判定する演算をより簡便に行なうことができる。
【００１９】
本発明においては、前述の金属タンクが液体として液化ガス（液化石油ガス（ＬＰＧ）や液化天然ガス（ＬＮＧ）などの燃料用液化ガス、液化炭酸ガス、液化アンモニアガス、液体窒素などのボンベ、タンク、コンテナなどが主な用途である）を収容するものである場合、超音波を励振用測定プローブとして採用することの波及効果が高い。すなわち、液化ガスの場合密度が低く、タンク壁部とタンク内部との音響インピーダンス差が液有り状態と液無し状態とでそれほど大きくない。この場合、可聴帯音源を励振用測定プローブとして用いると残響挙動にも差を生じにくく、液体存在状態に係る正確な知見が得にくくなる。しかし、超音波ビームを用いれば液体存在状態に応じて残響挙動に大きな差を生じ、正確な液体検出が可能となる。
【００２０】
本発明においては、超音波ビームによる励振を遮断した後の残響を検出するので、励振期間と残響検出期間とが時系列的に順次行なわれる形になる。従って、超音波出力部は、被測定系への測定用超音波ビームの出力が可能とされるとともに、被測定系からの残響超音波の受信も可能な超音波トランスジューサとして、残響検出手段に兼用されるものとして構成することができる。このようにすると、１個の超音波トランスジューサにより超音波送信部と残響検出部とを兼用でき、装置のコンパクト化及び低コスト化に寄与する。
【００２１】
本発明の液体検出装置の原理においては、容器壁部に対する音響励振の周波数が容器壁部の固有振動数（倍音振動を含む）から大きく隔たっていると、液の非存在部であっても残響振動の減衰が著しくなるので、液存在部との間で減衰特性に差異を生じにくくなり、液体の有無の判定精度が低下することにつながる。従って、測定用超音波ビームの周波数については上記固有振動数に対応した値（例えば、固有振動数を中心とする±１０％以内の所定幅に属する近傍値：望ましくは一致した値）に設定されていることが望ましい。該固有振動数は、容器壁部の材質や厚みにより異なる値を示すので、測定用超音波ビームの周波数も該材質や厚みに応じて最適の値に設定することが望ましいといえる。
【００２２】
いずれにせよ、測定用超音波ビームの周波数を最適化するには、容器上にて液体無しとなることが予め知れている測定実施位置を選択して種々の周波数にて減衰残響振動の計測を行ない、測定用超音波ビームの入力を遮断後に当該減衰レベルが予め定められた参照レベルに到達するまでの減衰時間（残響時間）が最大化されるように周波数を選択するとよい。例えば、容器側壁部の上部や、確実に液が存在しない容器最上面部（天面部）に測定実施位置を定めることで、液無し状態で残響時間が最大となる条件を容易に決定でき、液の有無をより確実に判定できるようになる。
【００２３】
測定対象となる容器が常に同じであれば、上記周波数は、一度最適値に設定してしまえば超音波トランスジューサの経時劣化等に伴う微調整を除けば、以降は同じ周波数での測定を継続すればよい。しかし、１つの検出装置で、容器壁部の材質や厚みの異なる任意の容器での測定に対応できるようにするためには、測定用超音波ビームの周波数を可変に構成し、測定対象容器が変更されるたびに、個々の容器に最適に周波数に調整しつつ用いることが必要である。すなわち、測定用超音波ビームの周波数は、測定対象となる容器に応じて可変設定可能としておくことが望ましい。
【００２４】
本発明の液体検知装置により、該容器内の液体深さ方向において互いに異なる測定実施位置にて残響情報を検出すれば、個々の測定実施位置における残響情報の検出結果に基づいて、容器内の液面位置を反映した液面位置反映情報を出力することができる。この場合、容器壁部に対する音響励振手段及び残響検出手段の取り付け位置を容器深さ方向に順次変えながら測定を行ない、その検出状態が液有り状態（ないし液無し状態）から液無し状態（ないし液有り状態）に変化する位置を読み取ることで、液面位置を知ることができる。例えば、容器側壁部に対し複数の音響励振手段及び残響検出手段を容器深さ方向に所定の間隔で複数組取り付け、どの位置の残響検出手段までが液有り状態となっているかに応じて液面位置を知ることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明に係る液体検知装置の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、測定対象となる容器の一例を示すものであり、ＬＰＧ又はＬＮＧの金属タンク１９０として構成されている。金属タンク１９０は鋼鉄製であり、円筒状の側壁部２００の上下に、底面部２０２及び天面部２０３をそれぞれ溶接部２０１により接合した構造を有する。側壁部２００の壁厚はほぼ一様であるが、溶接部２０１の位置では溶接ビードの形成により局所的に厚みが増した形となっている。底面部２０２及び天面部２０３は、側壁部２００と同一材質及び厚みの鋼板をカップ状にプレス成形したものであり、いずれも外周縁部が側壁部２００との溶接部２０１に向けて滑らかにつながる湾曲面形態とされている。また、天面部２０３の上部中央には圧力制御弁が組み込まれたガス取出部２０３Ｖが形成されている。該金属タンク１９０に上記ＬＰＧないしＬＮＧからなる液体Ｌが収容され、被測定系を構成する。
【００２６】
そして、液体検知装置１は、上記の金属タンク１９０内の液体Ｌの存在状態、具体的には液面ＬＶの位置を、タンク外から測定できるように構成されている。液体検知装置１は、具体的には、該容器１９０の側壁部２００の外面に対し、液深さ方向の任意位置に押し当て可能な（つまり、ユーザーの欲する任意の測定実施位置に取り付け可能な）超音波トランスジューサ２を有している。該超音波トランスジューサ２は、容器１９０の側壁面２００を介して被測定系（液体Ｌを収容した金属タンク１９０）を音響励振する音響励振手段と、該音響励振手段による被測定系への音響励振入力を遮断したときの、該被測定系からの残響情報を検出する残響検出手段とを兼ねる。具体的には、超音波トランスジューサ２は、被測定系を励振する励振用測定プローブとして所定の周波数の測定用超音波ビームＳＷを金属側壁部２００の厚さ方向に出力する超音波出力部の機能と、その測定用超音波ビームＳＷの出力を遮断したときの被測定系からの残響超音波を受信する残響超音波受信部の機能とを合わせ有するものである。
【００２７】
図２は、液体検知装置１の構成例を、その電気的構成とともに示す概念図である。該液体検知装置１は、ユーザーが手で保持可能な樹脂等で構成された筐体３を有し、その先端面に超音波トランスジューサ２がはめ込まれている。超音波放出面となる超音波トランスジューサ２の前端面は、筐体３の前端に形成された開口内に位置し、その表面に密着する形で音響インピーダンス整合層２Ｐが取り付けられている。音響インピーダンス整合層２Ｐは、超音波トランスジューサ２（圧電セラミック）と容器側壁部２００（鋼鉄）との中間（望ましくは両者の幾何学平均値）の音響インピーダンスを有するとともに、容器側壁部２００に押し付けられたときに追従変形してその外面に密着できる柔軟弾性材料（例えば、シリコーン樹脂）にて構成されている。
【００２８】
超音波トランスジューサ２は、駆動回路１０１からの駆動電圧の印加により超音波ビームを送出する超音波送出機能と、残響超音波の受信により電気信号（受信信号）を信号処理回路１０３に出力する超音波受信機能とを複合して備える。具体的には、板厚方向に分極処理された圧電セラミック振動板２１と、該圧電セラミック振動板２１の各主表面を覆う形で該圧電セラミック振動板２１を挟んで対向形成された電極対１ｅ，１ｅとを備える。この電極対１ｅ，１ｅは、超音波ビームの送信駆動時には該圧電セラミック振動板２１を超音波振動させるための駆動電圧が印加される駆動電極となり、残響超音波の受信時には圧電セラミック振動板２１の振動に伴う電気信号を出力する出力電極となる。これら電極対１ｅ，１ｅと、駆動回路１０１及び信号処理回路１０３との接続切替は切替スイッチ１０１ｓにより行なわれる。
【００２９】
駆動回路１０１は、出力周波数が可変に構成された発振回路（ここでは、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）１０１ｂと、その発振回路１０１ｂの出力を増幅して圧電セラミック振動板２１へ駆動信号として出力する主回路（アンプ）１０１ａとを有する。発振回路１０１ｂの出力周波数は、周波数設定部１０２から入力される周波数指示電圧に応じて変更される。
【００３０】
図１８は、駆動回路１０１の構成例を示すものであり、マイコン１００によってデジタル情報として与えられる周波数指示電圧値がＤ／Ａ出力ポートからアナログ指示電圧としてＶＣＯ１０ｂの指示電圧入力端子ＳＣＫに入力される。ＶＣＯ１０ｂは出力端子ＯＵから、当該指示電圧に一義的に対応した周波数の方形波パルス信号からなる基本信号（Ａ）を出力する。一方、マイコン１００からは、バースト波の駆動持続時間を規定する駆動時間パルス信号（Ｂ）が出力され、上記基本信号（Ａ）とともに主回路１０１ａに入力される。主回路１０１ａでは、上記２つの出力（Ａ，Ｂ）が変調制御用ゲートＩＣ５１に入力され、駆動時間パルス信号を上記基本信号で変調したバースト駆動信号が生成される。バースト駆動信号は、バッファ回路（シンク電流確保のため、並列接続された複数のバッファＩＣ（ここでは、論理積ゲートで代用している）で構成している：出力側にはプルダウン抵抗Ｒ５１が挿入されている）ＩＣ５２，ＩＣ５３を介して、信号Ｃとして駆動トランジスタＴｒ５１の制御端子（ここでは、パワーＭＯＳＦＥＴのゲート端子）に入力される。
【００３１】
次に、主回路１０１ａは、一端が駆動電源（ＶＢ）に接続さるとともに、他端がプルダウン抵抗Ｒ５２を介して接地された駆動コイルＬ５１を有する。そして、それら駆動コイルＬ５１とプルダウン抵抗Ｒ５２との接続点からは、超音波トランスジューサ２の駆動ラインが分岐しており、該ライン上には調整抵抗Ｒ５３と、並列の双方向ダイオード対Ｄ５１，Ｄ５２からなるインピーダンス変換用のブートストラップ回路５１が設けられている。そして、上記接続点から別に分岐する駆動制御ライン上に上記の駆動トランジスタＴｒ５１が設けられている。バースト駆動信号（Ｃ）がＬレベルのとき、駆動トランジスタＴｒ５１は遮断状態となり、駆動コイルＬ５１には電磁エネルギーが蓄積される。そして、バースト駆動信号（Ｃ）がＨレベルに変化すると駆動トランジスタＴｒ５１は導通状態となり、駆動コイルＬ５１に蓄積された電磁エネルギーが誘導電流となって放出され、駆動ラインを介して超音波トランスジューサ２に供給される。
【００３２】
図３は信号処理回路１０３の構成例を示すもので、圧電セラミック振動板２１からの減衰振動波形を増幅するアンプ１０３ａ、増幅された減衰振動波形を包絡線検波する検波回路１０３ｂ、その検波出力を積分する積分回路１０３ｃ、該積分回路からの出力を閾値Ｖｔｈと比較して液有無に関する判定信号を出力する判定回路１０３ｄとを有する。検波回路１０３ｂは種々の構成が可能であるが、本実施形態では、入力側にて不要なバイアス直流成分（例えば、アンプ１０３を単極性増幅とする場合に、アンプ入力信号に作為的に重畳される増幅用バイアス電流である）を除去するバイアスカットコンデンサＣ１と、そのバイアスカット後の交流入力波形を半波整流する整流用ダイオードＤ１と、半波整流後の波形をリップル除去して包絡線検波波形とするリップル除去部とを有している。リップル除去部は、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ２とで構成された簡易ローパスフィルタ回路であり、リップルを十分除去しつつも半波整流波形のピーク点を包絡線結合した減衰波形は損なわれないように時定数が設定される。
【００３３】
また、積分回路１０３ｃは、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ３とで構成されているが、コンデンサＣ３の容量は、規定のタイミングｔｍまでの減衰波形入力に伴い、判定に支障のない程度まで出力電圧が上昇する程度に上記のリップル除去部よりも大きく設定されている。判定回路は、この積分出力電圧を、閾電圧Ｖｔｈ（抵抗ハーフブリッジ（Ｒ３，Ｒ４）による電源電圧Ｖｃｃの抵抗分圧電圧として与えられている）と比較して、その比較結果を二値出力するコンパレータＩＣ１にて構成されている。そして、図４に示すように、コンパレータＩＣ１の出力レベルにより液有りと液無しとが判別可能となる。この実施形態では、積分出力電圧が閾電圧Ｖｔｈよりも大きい場合にはコンパレータＩＣ１の出力が液無しを示すＨレベルとなり、逆の場合に液有りを示すＬレベルとなる。
【００３４】
図２に戻り、上記の駆動回路１０１、切替スイッチ１０１ｓ、周波数設定部１０２、信号処理回路１０３は、これらの動作シーケンス制御を司るマイコン１００に接続されている。また、該マイコン１００には入力部１０５と表示部１０４も接続されている。入力部１０５は押しボタンスイッチやキーボードなどで構成され、液体検知の開始トリガー操作や、周波数設定処理に使用される。また、表示部１０４は液体有無の検出判定結果を出力するものであり、例えばＬＥＤ点灯部として構成されている。図１に示すごとく、本実施形態では、液無しの場合に点灯する第一ＬＥＤ１０４ａ（例えば、赤色）と、液有りの場合に点灯する第二ＬＥＤ１０４ｂ（例えば、緑色）とで構成されているが、これを１つのＬＥＤの点灯状態で識別させることも可能である（例えば、液有り＝連続点灯、液無し＝点滅点灯）。また、測定モード表示（例えは、液検出モードと周波数設定処理モード）や操作誘導情報の出力等も可能とするために、表示部１０４を液晶ディスプレイ等の表示パネルにて構成することも可能である。
【００３５】
以下、液体検知装置１の動作について説明する。図１に示すように、まず、超音波トランスジューサ２上の音響インピーダンス整合層２Ｐの表面（以下、検知面という）を、容器１９０上にて液体無しとなることが予め知れている測定実施位置ＰＲ（ここでは容器頂面部２０３の上面に設定されている）に押し付けて周波数設定を行なう。この設定時の動作の詳細は液体有無検知処理と関連が深いので後述する。
【００３６】
周波数設定が完了すれば、容器１９０の側壁部２００の外面に対し、所望の測定実施位置に検知面を押し当て、図２の入力部１０５から測定開始入力を行なう（例えば、入力部１０５に含まれる「測定」ボタンを押すなど）。すると、マイコン１００は測定駆動プログラムを起動し、測定処理を開始する。図５は、その処理の流れを示すフローチャートである。まず、Ｓ１にて、超音波トランスジューサ２を駆動回路１０４に接続する駆動接続状態に切替スイッチ１０１Ｓが切り替わり、駆動回路１０４は設定された周波数にて駆動交流電圧を超音波トランスジューサ２に印加する。これにより、超音波トランスジューサ２から測定用超音波ビームＳＷが上記の測定実施位置にて側壁部２００に向け出力され、これを音響励振する。
【００３７】
図７Ａに示すように、この駆動交流電圧の印加はパルス状のバースト駆動入力波形にて行なわれ、例えば１０〜５０μｓ程度に定められた印加パルス期間ｔｎが完了すれば強制的に遮断される。そして、その遮断とともに切替スイッチ１０１Ｓは、超音波トランスジューサ２を信号処理回路１０３に接続する信号検出接続状態に切り替わり、励振遮断後の容器１９０からの残響振動を超音波トランスジューサ２により検出する。実際には、切替スイッチ１０１Ｓの切替動作に要する期間等を勘案し、励振遮断後一定の遅延時間Δｔ経過してから残響振動の検出が開始される。
【００３８】
図６は、その残響振動の検出波形の一例を示すもので、液体Ｌの非存在部（液無し部）では容器１９０側壁部２００の内側が空隙となり、壁部内面を境とした音響インピーダンス差が非常に大きくなる。側壁部２００に入力された測定用超音波ビームは、壁部内面にてほぼ全反射して金属製の側壁部２００内に戻り、側壁部２００の材質及び厚さにて決まる固有振動に支配された形で振動継続するため振動の減衰が生じにくい。その結果、図６の上に示すように、残響の尾引きが非常に長くなる。しかし、液体Ｌの存在部（液有り部）では、側壁部２００の内側に液体Ｌが存在するため、上記の音響インピーダンス差は縮小し、側壁部２００を透過して内部摩擦の大きい液体Ｌ内に漏れこむ音波比率が増加するので振動減衰は著しくなる。
【００３９】
そこで、液有り部と液無し部との間で、図６のごとく生ずる波形の差を識別するのに好都合な数値パラメータを上記減衰残響振動波形から抽出し、パラメータ値を閾値と比較することで、液体Ｌの有無に係る判定を容易に実行できる。例えば、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、測定用超音波ビームＳＷの入力を遮断後に予め定められ時間ｔｓを経過したときの、該減衰残響振動の減衰レベルを反映したパラメータを減衰レベル情報として取得し、図７Ａのごとく当該パラメータに反映された減衰レベルが予め定められた閾値を超える場合に液体無し、同じく図７Ｂに示すように閾値未満の場合に液体有り、と判定することができる。
【００４０】
図２の信号処理回路では、図８に示すごとく、減衰振動波形をアンプ１０３ａにて増幅し（ステップ１）、検波回路１０３ｂにより半波整流し（ステップ２）、さらにその半波整流波形を包絡線検波し（ステップ３）、その包絡線検波波形を積分回路１０３ｃにより、図７Ａ及び図７Ｂの期間ｔｓに渡って積分演算する（ステップ４）。そして、図９に示すように、その期間ｔｓが終了するタイミング（遮断後Δｔを経過したタイミングを時間起点としてｔｓだけ計測するようにしてもよいし、バースト駆動開始時のタイミングを時間起点として、図７Ａのｔｎ＋Δｔ＋ｔｓに相当するｔｍだけ時間計測するようにしてもよい）にて、その積分出力電圧を閾電圧Ｖｔｈと比較するコンパレータＩＣ１の出力（液面判定信号）を読み取る（図５：Ｓ３）。液有り部では波形減衰が速いので積分出力の増加が鈍くなり、逆に液無し部では波形減衰が遅いので積分出力は素早く増加する。従って、上記時刻での積分出力をサンプリングしたとき、図４に示すように、該液面判定信号がＨレベルであれば液無し出力となり（図５：Ｓ４→Ｓ５）、Ｌレベルであれば液有り出力となる（図５：Ｓ４→Ｓ６）。
【００４１】
表示部１０４は、液面判定信号を受けて対応する表示状態となる。例えば、図１に示すように、Ｈレベルであれば液無しを示す第一ＬＥＤ１０４ａ（例えば、赤色）が点灯し、Ｌレベルであれば液有りを示す第二ＬＥＤ１０４ｂ（例えば、緑色）が点灯する。これにより、装置１の検知面を押し当てた位置、すなわち測定実施位置に液体が存在しているか否かがわかる。そこで、側壁部２００上にて測定実施位置を上側から下方向に変えながら上記測定を順次行なったとき、表示部１０４が液無しを示す表示状態から液有りを示す表示状態に変化したときの位置を液面位置として特定することができる。また、逆に、測定実施位置を下側から上方向に変えながら上記測定を順次行なったとき、表示部１０４が液有りを示す表示状態から液無しを示す表示状態に変化したときの位置を液面位置として特定することができる。
【００４２】
なお、図９に示すように、上記積分出力（減衰残響振動の減衰レベル）が予め定められた参照レベルＶＲに到達するまでの減衰時間ｔｄをマイコン１００にて計測し、当該減衰時間ｔｄが予め定められた閾値を超える場合に液体有り、同じく閾値未満となる場合に液体無しと判定するように処理を行なうこともできる。
【００４３】
前述の周波数設定処理については、図１のように、容器頂面部２０３など、液体無しとなることが予め知れている測定実施位置ＰＲに検知面を押し当て、周波数設定処理モードにて液体検知装置１を動作させる。図３において液体検知装置１は、低周波数側もしくは高周波数側から周波数を段階的にスイープしながら駆動交流電圧をバースト出力し、その遮断後にて時間ｔｓだけ経過したときの前述の積分出力値を、Ａ／Ｄ変換器ＩＣ２を介して直接モニタリングする。そして、その積分出力値が最大となる周波数（つまり、図７Ａに示すように、減衰の尾引きが最も大きくなる周波数）を読み取って、測定用周波数として設定する。
【００４４】
なお、包絡線検波波形の積分値を用いることで、突発的なノイズ等により元の減衰振動波形が乱れた場合でも判定誤差を低く留めることが可能である。しかし、減衰振動波形の乱れの影響がそれほど大きくない場合には、半波整流した減衰振動波形を包絡線検波せずに波形積分するように構成してもよい。この場合の信号処理回路１０３は、図１０に示すごとく、検波回路１０３ｂの包絡線検波部を省略し、半波整流部１０３ｂ’のみを残した構成とすればよい。
【００４５】
次に、図１１は、図３をさらに発展させた信号処理回路１０３の例を示すものである。波形増幅部を構成するアンプ１０３ａは、超音波トランスジューサ２からの減衰振動波形がベース入力される増幅用トランジスタＴｒ１０１を有する。そのコレクタ及びエミッタにはゲイン決定用抵抗Ｒ１０１，Ｒ１０３が挿入されている。また、エミッタ側には、コレクタ側の増幅出力を測定用超音波ビームの励振周波数に同調させる波形同調部が組み込まれている。波形同調部は、この実施形態では、励振周波数近傍で低インピーダンス化するＲＣ直列回路（コンデンサＣ１０１と抵抗Ｒ１０２）をエミッタと並列に挿入する形で設けている。
【００４６】
次に、検波回路１０３ｅは次のように構成されている。まず、アンプ１０３ａからの増幅出力は、半波整流部を兼ねた検波用トランジスタＴｒ２０２のベースに入力される。検波出力は検波用トランジスタＴｒ２０２のエミッタ側にて取り出され、その出力系路上には、波形増幅部からの増幅出力波形からバイアス直流成分を除去する直流カットコンデンサ（バイアス直流成分除去部）Ｃ２０２が挿入されている。そして、そのエミッタ接地経路上には、波形をリップル除去して包絡線検波波形とするリップル除去部が、互いに並列接続された抵抗Ｒ２０６とコンデンサＣ２０３とからなるＲＣローパスフィルタの形で挿入されている。
【００４７】
また、アンプ１０３ａからの増幅出力は、半波整流部を兼ねた積分用トランジスタＴｒ２０１のベースに分岐入力される。該積分用トランジスタＴｒ２０１はプルダウン抵抗Ｒ２０３，Ｒ２０４によりエミッタフォロワ回路を構成し、積分時定数を決定するための抵抗Ｒ２０１及びコンデンサＣ２０１とともに増幅出力積分部を構成するとともに、その積分演算出力がエミッタ側から取り出される。
【００４８】
上記の包絡線検波波形出力と、増幅出力の積分演算出力とは積分比較演算部をなすコンパレータＩＣ２０１に入力される。該コンパレータＩＣ２０１は、積分出力と包絡線検波出力との比較結果を二値出力する。なお、減衰残響振動波形は直流カットコンデンサＣ２０２により接地レベルを基準として振幅中心電圧が定められるが、これをもとに形成される包絡線検波出力電圧に対しＲ２０３，Ｒ２０４の分圧比で定まる積分演算出力の分圧電圧を、調整用抵抗Ｒ２０６を介してバイアス電圧として重畳させることにより、上記包絡線検波出力を任意のベース電圧レベルにシフトさせることができるようになっている（この実施形態では、抵抗Ｒ２０４がベース電圧レベル設定用の可変抵抗とされている）。つまり、包絡線検波出力に対する上記積分出力の相対的な切り出し閾値を可変に設定することができる。
【００４９】
コンパレータＩＣ２０１の二値出力は下段の積分回路１０３ｆに出力されるが、コンパレータＩＣ２０１の出力側には、信号電源ラインＶｃｃとの間に挿入されたプルアップ抵抗Ｒ２０９と、出力制御用コンパレータＩＣ２０２が接続されている。出力制御用コンパレータＩＣ２０２は、マスク信号発生回路１０３ｇからのマスク信号を基準電圧（信号電源Ｖｃｃを抵抗ハーフブリッジＲ２０７，Ｒ２０８により分圧することにより作られる）と比較するものである。そして、マスク信号電圧レベルと基準電圧との大小関係が出力マスク側に有効化される条件を充足すると、出力制御用コンパレータＩＣ２０２の出力はＬ（接地）レベルとなり、検波回路１０３ｅのコンパレータＩＣ２０１の出力が出力制御用コンパレータＩＣ２０２側に引き込む形で接地側にバイパスされる。これにより、コンパレータＩＣ２０１の積分回路１０３ｆ側への出力は遮断される。他方、マスク信号電圧レベルと基準電圧との大小関係が出力許容側に有効化される条件を充足すると、出力制御用コンパレータＩＣ２０２の出力はＨ（接地）レベルとなる。これにより、検波回路１０３ｅのコンパレータＩＣ２０１の出力がプルアップされ、その二値出力（減衰反映信号）が積分回路１０３ｆ側へ出力される。
【００５０】
マスク信号は、超音波トランスジューサ２の駆動遮断後における前述の一定期間ｔｓだけ検波回路１０３ｅの出力を取り出し、他の期間の信号を液有無判定に考慮されないようにマスクするためのものである。この実施形態では、このマスク信号は、コンパレータＩＣ２０２に二値のレベル信号として入力することができ、この場合は、例えば図２のマイコン１００のポートから出力するように構成すればよい。しかし、本実施形態では、マスク信号発生回路１０３ｇは、マイコン１００のポートを節約するために、マイコン１００に対する外付け回路にてマスク信号発生回路１０３ｇを構成している。
【００５１】
具体的には、該マスク信号発生回路１０３ｇは、超音波トランスジューサ２の駆動／遮断を指令する駆動／遮断指令信号を流用してマスク信号を発生するように構成されている。すなわち、規定する駆動／遮断信号にて超音波トランスジューサ２の駆動遮断タイミングを規定するレベルエッジを図示しない単安定回路（図示せず）に入力し、その単安定回路からのパルスを抵抗ハーフブリッジＲ４０１，Ｒ４０２を介してコレクタフォロワ回路をなすマスク信号発生トランジスタＴｒ４０１のベースに入力する（ここでは、遮断後直ちにパルスを発生させるようにしているが、前述の遅延時間Δｔだけ遅延させてパルスを発生させるように構成することもできる）。
【００５２】
マスク信号発生トランジスタＴｒ４０１のコレクタ側は信号電源Ｖｃｃにプルアップ抵抗４０３を介して接続され、接地されるエミッタとの間に信号レベル保持用のコンデンサＣ４０１が挿入されている。マスク信号発生トランジスタＴｒ４０１は単安定回路からのパルス入力期間だけ導通するが、マスク信号となるそのコレクタ出力は、コンデンサＣ４０１の放電時定数で定まる上記パルス長よりも長い所定期間（前述の時間ｔｓとなるように調整される）だけ、マスク信号レベルを閾値未満、すなわち、非マスクとなる条件を充足するように保持される。
【００５３】
積分回路１０３ｆは、次のように構成されている。検波回路１０３ｅのコンパレータＩＣ２０１の出力は、エミッタフォロワ回路を構成する積分制御トランジスタＴｒ３０１のベースに入力される。積分制御トランジスタＴｒ３０１のエミッタには、コンデンサＣ３０１と抵抗Ｒ３０２からなる増幅出力積分部が接続される。なお、コンデンサＣ３０１と並列接続されるＲ３０２は、積分出力遮断時にコンデンサＣ３０１を所定の時定数で放電させる放電用抵抗である。積分制御トランジスタＴｒ３０１はコンパレータＩＣ２０１の出力がＨレベルのとき導通し、同じくＬレベルのとき遮断される。その結果、上記の増幅出力積分部は、コンパレータＩＣ２０１の出力がＨレベルの期間のみ積分制御トランジスタＴｒ３０１のエミッタ側出力電圧を積分する形となる。この積分出力が、判定回路をなす液有無判定用コンパレータＩＣ３０１に入力され、閾電圧（抵抗ハーフブリッジ（Ｒ３０３，Ｒ３０４）による電源電圧Ｖｃｃの抵抗分圧電圧として与えられている）と比較され、その比較結果が液有無判定信号としてコンパレータＩＣ３０１から二値出力される。
【００５４】
図１２及び図１３を用いて、図１１の信号処理回路１０３の動作を説明する。図１２に示すように、マイコン１００からの駆動／遮断指令信号により、超音波トランスジューサは一定期間強制的にバースト駆動され、その後、その駆動が遮断される。そして、その遮断後、一定期間ｔｓだけ、前述のマスク信号発生回路１０３ｇからのマスク信号（図１１：Ｃ）の出力がＬレベル、すなわち、非マスク状態となる。
【００５５】
図１１にＡにて示す包絡線検波出力は、Ｂに示す積分演算出力とコンパレータＩＣ２０１にて比較される。図１３の上に示すように、液なし状態では包絡線検波出力Ａはゆっくりとしか減衰せず、液あり状態では逆に速やかに減衰する。他方、前述の増幅出力積分部の積分時定数は、積分演算出力Ｂの液なし状態と液あり状態との間での電圧の時間増加率の差が包絡線検波出力Ａの減衰率の差よりも十分小さくなるように設定されている。その結果、図１３の中段に示すように、コンパレータＩＣ２０１に入力される包絡線検波出力と積分演算出力との大小関係が反転するまでの時間（つまり、コンパレータＩＣ２０１が出力反転するまでの時間）には、液なし状態と液あり状態とで大きな差を生ずる。
【００５６】
上記の時間を直接計測することにより、液の有り無しを判定することももちろん可能であるが、上記図１１の回路では、図１３の下段に示すように、コンパレータＩＣ２０１の二値出力（減衰反映信号）を上記期間ｔｓだけ積分した値（図１１Ｅ）を液有無判定に用いる。すなわち、積分回路１０３ｆにおいて、該積分値ＥはコンパレータＩＣ３０１にて閾値Ｖｔｈと比較される。このコンパレータＩＣ３０１の出力は、図３の回路と全く同様にして液有無判定出力として使用される。
【００５７】
なお、図３及び図１１の各回路にて使用される包絡線検波回路、半波整流回路あるいは積分回路は、上記開示されたものに限定されない。図１４及び図１５は、検波トランスＴＦ５０１を用いた包絡線検波回路の例を示すものであり、コンデンサＣ５０１にて直流カットされた減衰振動波形信号は検波トランスＴＦ５０１を介して、トランジスタＴｒ５０１（図１４）ないしダイオードＤ５０１（図１５）にて半波整流され、その下段に挿入された並列ＲＣ部（Ｒ５０１，Ｃ５０２）にて包絡線検波される。検波トランスＴＦ５０１は、入力信号に対するインピーダンス変換部を形成するとともに、二次側コイルがコンデンサＣ５０２と結合して同調部を形成する。また、図１６に示す回路では、減衰振動波形信号がインピーダンス変換用のオペアンプＩＣ６０１に入力され、その出力と負期間経路との間に挿入されたダイオードＤ６０１が半波整流部を形成する。また、積分回路は、図１７に示すように、オペアンプＩＣ７０１の負帰還部にコンデンサＣ７０１及び積分時定数決定用の抵抗Ｒ７０１を組み合わせたアクティブ型積分回路として構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の液体検知装置の使用例を示す模式図。
【図２】図１の液体検知装置の第一例を、その電気的構成とともに示す模式図。
【図３】図２の信号処理回路の一例を示す回路図。
【図４】図３のコンパレータの出力と、液有り／液無しの判定結果との関係を示すタイミングチャート。
【図５】図３の構成におけるマイコンの制御流れを示すフローチャート。
【図６】減衰残響振動の波形測定例を示す図。
【図７Ａ】液無し部での残響振動の減衰挙動を示す図。
【図７Ｂ】同じく液有り部での残響振動の減衰挙動を示す図。
【図８】図３の回路の動作を各部の模式的波形にて示す説明図。
【図９】図３の積分回路の出力と、液有り／液無しの判定閾値との関係を示す模式図。
【図１０】図３にて包絡線検波部を省略した構成を示す回路図。
【図１１】図２の信号処理回路の発展例を示す回路図。
【図１２】図１１の回路の動作説明図。
【図１３】図１２に続く説明図。
【図１４】検波回路の第一変形例を示す回路図。
【図１５】検波回路の第二変形例を示す回路図。
【図１６】半波整流回路の変形例を示す回路図。
【図１７】積分回路の変形例を示す回路図。
【図１８】駆動回路の一例を示す回路図。
【符号の説明】
【００５９】
１  液体検知装置
２  超音波トランスジューサ（音響励振手段、残響検出手段）
ＳＷ  測定用超音波ビーム
Ｌ  液体
１００  マイコン（液体有無判定手段）
１０３  信号処理回路（液体有無判定手段）
１０３ｅ  検波回路
１０４  表示部（液体存在状態情報出力手段）
１９０  容器
２００  金属側壁部
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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