(57)【要約】【課題】圧電アクチュエータ９および駆動信号増幅回路４の故障を判定し、圧電アクチュエータ９を故障時の異常な印加電圧から保護する圧電アクチュエータ駆動装置を得る。【解決手段】駆動信号発生器１により発生された駆動信号に基づいて圧電アクチュエータ９への印加電圧および電流を推定すると共に、それら推定電圧および推定電流と電圧検出回路８による検出電圧および電流検出回路１０による検出電流との比較により圧電アクチュエータ９および駆動信号増幅回路４の故障を判定する故障判定器１１と、その判定結果に応じて駆動信号増幅回路４から圧電アクチュエータ９への電圧供給を切り替えるスイッチ切り替え判定回路１６とを備え、スイッチ切り替え判定回路１６は、故障判定器１１で故障が判定された場合に駆動信号増幅回路４から圧電アクチュエータ９への電圧供給を遮断し、圧電アクチュエータ９を故障時の異常な印加電圧から保護することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加電圧に応じて伸縮する圧電アクチュエータと、
上記圧電アクチュエータが所望の伸縮動作をするように駆動信号を発生する駆動信号発生器と、
上記駆動信号発生器により発生された駆動信号を高電圧電源に基づいて増幅し上記圧電アクチュエータに供給する駆動信号増幅回路と、
上記圧電アクチュエータへの印加電圧を検出する電圧検出回路と、
上記圧電アクチュエータに流れる電流を検出する電流検出回路と、
上記駆動信号発生器により発生された駆動信号に基づいて上記圧電アクチュエータへの印加電圧および電流を推定すると共に、それら推定電圧および推定電流と上記電圧検出回路による検出電圧および上記電流検出回路による検出電流との比較によりその圧電アクチュエータおよび上記駆動信号増幅回路の故障を判定する故障判定器と、
上記故障判定器による判定結果に応じて上記駆動信号増幅回路から上記圧電アクチュエータへの電圧供給を切り替える切り替え回路とを備えた圧電アクチュエータ駆動装置。
【請求項２】
駆動信号増幅回路から圧電アクチュエータに流れる電流を制限する出力電流制限回路と、
上記圧電アクチュエータへの印加電圧を制限する出力電圧制限回路とを備えたことを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ駆動装置。
【請求項３】
故障判定器による判定結果を出力する状態出力器と、
上記故障判定器による判定結果を保存する故障状態保存器と、
上記故障状態保存器に保存された判定結果をリセットするリセット信号発生器とを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電アクチュエータ駆動装置。
【請求項４】
電圧検出回路により検出される電圧の電気的ノイズを除去する第１の誤検出防止回路と、
電流検出回路により検出される電流の電気的ノイズを除去する第２の誤検出防止回路とを備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の圧電アクチュエータ駆動装置。
【請求項５】
駆動信号増幅回路から圧電アクチュエータに供給される電圧の電気的ノイズを除去するノイズ除去回路を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の圧電アクチュエータ駆動装置。
【請求項６】
ノイズ除去回路を電流検出回路と共用することを特徴とする請求項５記載の圧電アクチュエータ駆動装置。
【請求項７】
高電圧電源は、駆動信号増幅回路を駆動する複数の高電圧電源から構成されたことを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の圧電アクチュエータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電アクチュエータおよび圧電アクチュエータに電源を供給する側の故障を判定し、異常時の電源から圧電アクチュエータを保護する圧電アクチュエータ駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の圧電アクチュエータ駆動電源の保護回路では、圧電アクチュエータ駆動用の高電圧電源と制御用電源が高電圧電源回路に接続され、高電圧電源回路と入力信号が電圧制御回路に接続され、電圧制御回路の出力信号は保護回路を介して圧電アクチュエータに接続されており、保護回路において圧電アクチュエータに流れる電流を検出し、その電流検出値が規定値よりも大きい場合は、保護回路内に設けられたスイッチング素子により電流制限を行う構成としている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２７１１３６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の圧電アクチュエータ駆動装置は以上のように構成されているので、保護回路にて検出される電流値が０の場合に、圧電アクチュエータ駆動回路開放故障と圧電アクチュエータ開放故障との区別ができないという課題があった。また、保護回路にて検出される電流値が規定値よりも大きい場合に、圧電アクチュエータ駆動回路短絡故障と圧電アクチュエータ短絡故障との区別ができないという課題があった。さらに、圧電アクチュエータに定格以上の電圧が印加されることにより圧電アクチュエータが故障するという課題があった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、圧電アクチュエータおよび駆動信号増幅回路の故障を判定し、圧電アクチュエータを故障時の異常な印加電圧から保護する圧電アクチュエータ駆動装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る圧電アクチュエータ駆動装置は、駆動信号発生器により発生された駆動信号に基づいて圧電アクチュエータへの印加電圧および電流を推定すると共に、それら推定電圧および推定電流と電圧検出回路による検出電圧および電流検出回路による検出電流との比較により圧電アクチュエータおよび駆動信号増幅回路の故障を判定する故障判定器と、その判定結果に応じて駆動信号増幅回路から圧電アクチュエータへの電圧供給を切り替える切り替え回路とを備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図であり、図において、駆動信号発生器１は、圧電アクチュエータが所望の伸縮動作をするように圧電アクチュエータ駆動信号を発生し、高電圧電源２は、高電圧電源を発生し、圧電アクチュエータ駆動回路３における駆動信号増幅回路４は、圧電アクチュエータ駆動信号を高電圧電源に基づいて増幅するものである。圧電アクチュエータ駆動回路３におけるオン・オフスイッチ（切り替え回路）５は、後述するスイッチ切り替え判定器（切り替え回路）１６によりオン・オフが切り替えられるものである。
出力電流制限回路６は、圧電アクチュエータ駆動回路３から圧電アクチュエータ９に流れる電流を制限し、出力電圧制限回路７は、圧電アクチュエータ駆動回路３から圧電アクチュエータ９への印加電圧を制限するものである。
電圧検出回路８は、圧電アクチュエータ駆動回路３から圧電アクチュエータ９への印加電圧を検出し、圧電アクチュエータ９は、印加電圧に応じて伸縮するものであり、電流検出回路１０は、圧電アクチュエータ９に流れる電流を検出するものである。
故障判定器１１は、駆動信号発生器１により発生された圧電アクチュエータ駆動信号に基づいて圧電アクチュエータ９への印加電圧および電流を推定すると共に、それら推定電圧および推定電流と電圧検出回路８による検出電圧および電流検出回路１０による検出電流との比較により圧電アクチュエータ９および駆動信号増幅回路４の故障を判定するものである。状態出力器１２は、その故障判定器１１による判定結果を外部に出力し、故障状態保存器１３は、その故障判定器１１による判定結果を保存し、リセット信号発生器１４は、操作に応じて故障状態保存器１３に保存された判定結果をリセットするリセット信号を発生するものである。
圧電アクチュエータ駆動回路オン・オフ信号発生器１５は、圧電アクチュエータ９を動作させたい場合に、オン信号を発生するものであり、スイッチ切り替え判定器１６は、圧電アクチュエータ駆動回路オン・オフ信号発生器１５からオン信号が発生され、且つ、故障状態保存器１３に保存される故障判定器１１による判定結果が圧電アクチュエータ９への電圧供給を許可するものである場合に、オン・オフスイッチ５をオンするものである。
【０００８】
次に動作について説明する。
図１において、駆動信号発生器１により圧電アクチュエータ駆動信号が生成され、駆動信号増幅回路４により圧電アクチュエータ駆動信号が増幅される。圧電アクチュエータ９は高電圧駆動する必要があるため、駆動信号増幅回路４は高電圧電源２により駆動される。
圧電アクチュエータ駆動回路オン・オフ信号発生器１５が駆動回路オン信号を発生し、且つ駆動信号増幅回路４および圧電アクチュエータ９が正常である場合、スイッチ切り替え判定器１６は圧電アクチュエータ駆動回路オン・オフスイッチ５をオンに切り替え、圧電アクチュエータ駆動回路３がオン状態となり、圧電アクチュエータ９に所望の電圧を印加することができる。
圧電アクチュエータ９に流れる電流は出力電流制限回路６により制限され、また、圧電アクチュエータ９へ印加される電圧は出力電圧制限回路７によって制限される。圧電アクチュエータ９に印加される電圧は電圧検出回路８によって検出され、圧電アクチュエータ９に流れる電流は電流検出回路１０によって検出される。
図２は電流検出回路の構成を示す回路図であり、圧電アクチュエータ（Ｃ）９の一方に電圧検出回路８を接続し、他方に電流検出回路１０の電流検出用抵抗Ｒの一方を接続し、電流検出用抵抗Ｒの他方を接地する。この電流検出用抵抗Ｒの両端電圧Ｖを検出することにより、圧電アクチュエータ９に流れる電流Ｉを検出することができる。
駆動信号発生器１の圧電アクチュエータ駆動信号と電圧検出回路８で得られる圧電アクチュエータ印加電圧と電流検出回路１０によって得られる圧電アクチュエータ９に流れる電流を故障判定器１１に入力し、故障判定器１１は駆動信号発生器１の圧電アクチュエータ駆動信号に基づいて圧電アクチュエータ印加電圧および圧電アクチュエータに流れる電流を推定し、それら推定電圧および推定電流と、電圧検出回路８で得られる圧電アクチュエータ印加電圧および電流検出回路１０によって得られる圧電アクチュエータに流れる電流とが異なっている場合は、圧電アクチュエータ９あるいは駆動信号増幅回路４が異常であると判断し、故障検知信号を故障状態保存器１３に出力すると共に状態出力器１２に出力する。駆動信号発生器１の圧電アクチュエータ駆動信号をｖ、駆動信号増幅回路４の増幅率をＡ、圧電アクチュエータ９に印加される電圧をＶ０、圧電アクチュエータ９に流れる電流をＩ、圧電アクチュエータ９の容量をＣ、電流検出回路１０の抵抗値をＲ、電流検出回路１０の抵抗の両端電圧をＶとすると、圧電アクチュエータ印加電圧推定値は式（１）で表される。
Ｖ０＝Ａ・ｖ                                                （１）
また、圧電アクチュエータ９に流れる電流推定値は式（２）で表される。
Ｃ・Ｖ０＝∫Ｉ・ｄｔ
Ｉ＝Ｃ・（ｄＶ０／ｄｔ）＝Ｖ／Ｒ                            （２）
Ｖ＝Ｒ・Ｃ・（ｄＶ０／ｄｔ）
図３は故障判定器で判定される異常検知パターンを示す説明図である。
電圧検出回路８で得られる電圧検出値、電流検出回路１０で得られる電流検出値が推定値と等価である正常値を示す場合、故障判定器１１は圧電アクチュエータ９および駆動信号増幅回路４が正常であると判断する。電圧検出回路８で得られる電圧検出値が推定値と等価である正常値を示し、電流検出回路１０で得られる電流検出値が０を示す場合、故障判定器１１は圧電アクチュエータ開放故障であると判断する。電圧検出回路８で得られる電圧検出値がパルスを示し、電流検出回路１０で得られる電流検出値が過電流を示す場合、故障判定器１１は圧電アクチュエータ短絡故障であると判断する。電圧検出回路８で得られる電圧検出値が０を示し、電流検出回路１０で得られる電流検出値が０を示す場合、故障判定器１１は駆動信号増幅回路開放故障であると判断する。電圧検出回路８で得られる電圧検出値が高電圧電源電圧を示し、電流検出回路１０で得られる電流検出値がパルスを示す場合、故障判定器１１は駆動信号増幅回路短絡故障であると判断する。よって故障判定器１１は図３で示す異常検知パターンにより、圧電アクチュエータおよび駆動信号増幅回路正常、圧電アクチュエータ開放故障、圧電アクチュエータ短絡故障、駆動信号増幅回路開放故障、駆動信号増幅回路短絡故障を識別する。
故障状態保存器１３は圧電アクチュエータ９あるいは駆動信号増幅回路４に故障が発生すると故障検知情報を保存し、圧電アクチュエータ９あるいは駆動信号増幅回路４が正常状態に復帰した場合においても故障検知情報をリセットしない。故障状態保存器１３からの故障検知情報と圧電アクチュエータ駆動回路オン・オフ信号発生器１５による駆動回路オンあるいはオフ信号をスイッチ切り替え判定器１６に入力し、圧電アクチュエータ駆動回路オン・オフ信号発生器１５から駆動回路オフ信号が出力される場合、あるいは故障状態保存器１３から故障検知情報が出力される場合は圧電アクチュエータ駆動回路オン・オフスイッチ５をオフに切り替える。状態出力器１２による故障情報に基づいて圧電アクチュエータ９あるいは駆動信号増幅回路４の故障箇所および故障原因を推定し、故障修理等により圧電アクチュエータ９あるいは駆動信号増幅回路４が正常状態に復帰するとリセット信号発生器１４により故障状態保存器１３の故障検知情報をリセットし通常動作を行う。
【０００９】
以上のように、この実施の形態１によれば、出力電圧制限回路７を設けることにより圧電アクチュエータ９に印加される電圧を制限することができ、圧電アクチュエータ９へ想定外の大きな電圧が印加されることを防止でき、圧電アクチュエータ９の破壊を防止することができる。また、出力電流制限回路６を設けることにより圧電アクチュエータ９に流れる電流を制限することができる。圧電アクチュエータ９に流れる電流が大きくなるとその圧電アクチュエータ９の機械的振動周波数が高くなり、その機械的振動周波数が圧電アクチュエータ９の共振周波数に達してしまうことが課題となるが、出力電流制限回路６において電流制限値を適当な値に設定することによって、圧電アクチュエータ駆動装置の駆動周波数帯域を圧電アクチュエータ９の共振周波数よりも低く設定することができ、圧電アクチュエータ９の破壊を防止することができる。
また、電圧検出回路８を設けることにより圧電アクチュエータ９に印加される電圧を検出でき、電流検出回路１０を設けることにより圧電アクチュエータ９に流れる電流を検出することができ、故障判定器１１を設けることにより、駆動信号発生器１の圧電アクチュエータ駆動信号に基づいて圧電アクチュエータ印加電圧および圧電アクチュエータ９に流れる電流を推定しそれらの推定値と、電圧検出回路８で得られる圧電アクチュエータ印加電圧と電流検出回路１０によって得られる圧電アクチュエータに流れる電流とを比較して、異常検知パターンにより、圧電アクチュエータおよび駆動信号増幅回路正常、圧電アクチュエータ開放故障、圧電アクチュエータ短絡故障、駆動信号増幅回路開放故障、駆動信号増幅回路短絡故障を識別することができ、故障箇所および故障原因を推定することができる。
さらに、状態出力器１２を設けることにより圧電アクチュエータ９あるいは駆動信号増幅回路４に故障が発生した場合に、その故障を即座に理解することができる。また、故障状態保存器１３を設けることにより圧電アクチュエータ９あるいは駆動信号増幅回路４に故障が発生した場合に故障検知情報を保存することができ、圧電アクチュエータ９あるいは駆動信号増幅回路４が正常状態に復帰した場合においても故障検知情報を自動的にリセットせず、故障状態が保存されるために故障検知情報に基づいて圧電アクチュエータ９あるいは駆動信号増幅回路４の故障箇所および故障原因を推定することができる。また、リセット信号発生器１４を設けることにより故障が発生した場合において故障箇所および原因を特定後に故障状態保存器１３を初期化することができる。
さらに、スイッチ切り替え判定器１６を設けることにより故障が発生した場合において圧電アクチュエータ駆動回路をオフすることができ、圧電アクチュエータ９を故障時の異常な印加電圧から保護することができる。
【００１０】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図であり、図において、第１の誤検出防止回路２１は、電圧検出回路８により検出される電圧の電気的ノイズを除去するものであり、第２の誤検出防止回路２２は、電流検出回路１０により検出される電流の電気的ノイズを除去するものである。その他の構成については図１と同等である。
【００１１】
次に動作について説明する。
図４において、圧電アクチュエータ９に印加される電圧は電圧検出回路８によって検出され、圧電アクチュエータ９に流れる電流は電流検出回路１０によって検出される。電圧検出回路８によって検出される電圧は、例えば、ローパスフィルタで構成される第１の誤検出防止回路２１を経由して故障判定器１１に入力され、電流検出回路１０によって検出される電流は、例えば、ローパスフィルタで構成される第２の誤検出防止回路２２を経由して故障判定器１１に入力され、故障判定器１１はそれら第１の誤検出防止回路２１および第２の誤検出防止回路２２を経由した検出電圧および検出電流に応じた圧電アクチュエータ９あるいは駆動信号増幅回路４の故障を判定する。
【００１２】
以上のように、この実施の形態２によれば、第１の誤検出防止回路２１および第２の誤検出防止回路２２を設けることにより圧電アクチュエータ９に印加される電圧の電気的ノイズを除去して電圧を検出でき、圧電アクチュエータ９に流れる電流の電気的ノイズを除去して電流を検出でき、故障判定器１１において誤って故障検知することを防止することができる。
【００１３】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図であり、図において、ノイズ除去回路３１は、圧電アクチュエータ駆動回路３から圧電アクチュエータ９に供給される電圧の電気的ノイズを除去するものである。その他の構成については図１と同等である。
【００１４】
次に動作について説明する。
図５において、駆動信号増幅回路４の出力電圧はノイズ除去回路３１を経由して圧電アクチュエータ９に印加される。
図６はノイズ除去回路の構成を示す回路図であり、圧電アクチュエータ９に直列に抵抗Ｒ１を挿入することにより、抵抗Ｒ１と圧電アクチュエータ９の容量Ｃとでローパスフィルタを構成することができ、圧電アクチュエータ９に印加される電圧はローパスフィルタを通過した電圧信号となる。
【００１５】
以上のように、この実施の形態３によれば、ノイズ除去回路３１を設けることにより圧電アクチュエータ９に印加される電圧の電気的ノイズを除去することができ、圧電アクチュエータ９の想定外の動作を防止することができ、圧電アクチュエータ９の所望の動作を実現することができる。
【００１６】
実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図であり、図において、電流検出回路１０を削除し、ノイズ除去回路４１は、その電流検出回路と共用するようにしたものである。その他の構成については図５と同等である。
【００１７】
次に動作について説明する。
図５においては、圧電アクチュエータ９の後段に電流検出回路１０を設けて圧電アクチュエータ９に流れる電流を検出する構成としたが、図７に示すように、ノイズ除去回路４１を電流検出回路と共用する構成としても良い。
図８はノイズ除去回路の構成を示す回路図であり、ローパスフィルタを構成する抵抗Ｒ１の両端電圧Ｖ１を検出することにより、Ｉ＝Ｖ１／Ｒ１の関係式から圧電アクチュエータ９に流れる電流を検出することができる。
【００１８】
以上のように、この実施の形態４によれば、ノイズ除去回路４１を電流検出回路と共用することで電流検出回路１０が不要となり、回路構成を簡素化することができる。
【００１９】
実施の形態５．
図９はこの発明の実施の形態５による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図であり、図において、高電圧電源は、第１の高電圧電源用電源５１、第２の高電圧電源用電源５２、第３の高電圧電源用電源５３からなる駆動信号増幅回路４を駆動する複数の高電圧電源から構成されるものである。その他の構成については図１と同等である。
【００２０】
次に動作について説明する。
図９においては、圧電アクチュエータ９は高電圧駆動する必要があるため、駆動信号増幅回路４は第１の高電圧電源用電源５１、第２の高電圧電源用電源５２、第３の高電圧電源用電源５３により駆動される。
図１０は高電圧電源の構成を示すブロック構成図であり、高電圧電源用電源は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータの３段直列接続で構成する。駆動信号増幅回路４に必要な高電圧をＶ０とし、各高電圧電源用電源５１〜５３の電圧をそれぞれＶ１，Ｖ２，Ｖ３とすると、Ｖ０＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３が成り立つように各高電圧電源用電源を調整する。一般的には、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ３＝Ｖ０／３となるように各高電圧電源用電源を調整する。
【００２１】
以上のように、この実施の形態５によれば、駆動信号増幅回路４の高電圧電源として第１の高電圧電源用電源５１、第２の高電圧電源用電源５２、第３の高電圧電源用電源５３を直列接続して実現することにより、高電圧電源用電源が１つあるいは２つ故障した場合において出力電圧は低減するが圧電アクチュエータ駆動回路３は動作することができ、電源系を冗長とすることができ、電源故障に強固な回路構成を実現することができる。
なお、この実施の形態５では、駆動信号増幅回路４の高電圧電源として第１の高電圧電源用電源５１、第２の高電圧電源用電源５２、第３の高電圧電源用電源５３の３個を直列接続して実現しているが、高電圧電源用電源は２個以上の複数個を含めるものとする。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、故障判定器では、推定電圧および推定電流と検出電圧および検出電流との比較に応じて圧電アクチュエータおよび駆動信号増幅回路の故障箇所および故障原因を判定することができる。例えば、異常検知パターンにより、圧電アクチュエータおよび駆動信号増幅回路正常、圧電アクチュエータ開放故障、圧電アクチュエータ短絡故障、駆動信号増幅回路開放故障、駆動信号増幅回路短絡故障等を識別することができる。
また、切り替え回路は、故障判定器で故障が判定された場合に駆動信号増幅回路から圧電アクチュエータへの電圧供給を遮断し、圧電アクチュエータを故障時の異常な印加電圧から保護することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図である。
【図２】電流検出回路の構成を示す回路図である。
【図３】故障判定器で判定される異常検知パターンを示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態２による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図である。
【図５】この発明の実施の形態３による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図である。
【図６】ノイズ除去回路の構成を示す回路図である。
【図７】この発明の実施の形態４による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図である。
【図８】ノイズ除去回路の構成を示す回路図である。
【図９】この発明の実施の形態５による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図である。
【図１０】高電圧電源の構成を示すブロック構成図である。
【符号の説明】
１  駆動信号発生器、２  高電圧電源、３  圧電アクチュエータ駆動回路、４駆動信号増幅回路、５  オン・オフスイッチ（切り替え回路）、６  出力電流制限回路、７  出力電圧制限回路、８  電圧検出回路、９  圧電アクチュエータ、１０  電流検出回路、１１  故障判定器、１２  状態出力器、１３  故障状態保存器、１４  リセット信号発生器、１５  圧電アクチュエータ駆動回路オン・オフ信号発生器、１６  スイッチ切り替え判定器（切り替え回路）、２１  第１の誤検出防止回路、２２  第２の誤検出防止回路、３１  ノイズ除去回路、４１ノイズ除去回路、５１  第１の高電圧電源用電源、５２  第２の高電圧電源用電源、５３  第３の高電圧電源用電源。
【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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