(57)【要約】【課題】封入された液体の温度変化に伴う膨張、収縮の影響を低減できるメタルダイアフラムの変位特性を得る。【解決手段】圧力センサチップ５をオイル１８により液封状態とするための円板状のメタルダイアフラム１６を設ける。メタルダイアフラム１６の板面に、外周側に位置して、径方向断面が円弧状をなす２本のリング状凸部１６ａを同心円状に形成する。各部の寸法関係を、次式で定義される形状係数αの値を２．５〜３．５の範囲内とするように構成する。α＝（ｂ／Ｈ）×（ｂ／Ｗ）／Ｐ×（ｒ０  ／Ｒ）但し、ｂはリング状凸部１６ａの円弧長さ、Ｈはリング状凸部１６ａの高さ、Ｗはリング状凸部１６ａの径方向幅、Ｐは２つのリング状凸部１６ａ間の径方向のピッチ、ｒ０  は最外周に位置するリング状凸部１６ａの中心からの距離、Ｒはメタルダイアフラム１６の実効半径である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力センサチップを液封状態とするためのメタルダイアフラムを備える液封型圧力センサであって、
前記メタルダイアフラムには、径方向の断面が円弧状をなす複数本のリング状凸部が同心円状に形成されていると共に、
前記メタルダイアフラムの各部の寸法関係が、下記の式で定義される形状係数αの値が２．５〜３．５の範囲内となるように構成されていることを特徴とする液封型圧力センサ。
α＝（ｂ／Ｈ）×（ｂ／Ｗ）／Ｐ×（ｒ０  ／Ｒ）
但し、ｂはリング状凸部の円弧長さ、Ｈはリング状凸部の高さ、Ｗはリング状凸部の径方向幅、Ｐは隣合うリング状凸部間の径方向のピッチ、ｒ０  は最外周に位置するリング状凸部の中心からの距離、Ｒはメタルダイアフラムの実効半径
【請求項２】
前記メタルダイアフラムに形成されるリング状凸部の数が２個とされていることを特徴とする請求項１記載の液封型圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力センサチップを液封状態とするためのメタルダイアフラムを備える液封型圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車における排出ガス規制が強化されてきており、特にディーゼルエンジン車においては、排出する煤煙を低減する必要があり、そのための技術としてＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）が注目を集めている。この技術は、排気管途中に煤煙をトラップするフィルタを設け、一定量が溜まったら燃やすことにより空気中への煤煙の放出を防ぐものである。
【０００３】
このＤＰＦのシステムには、フィルタ前後の圧力損失を検出するための圧力センサが設けられるのであるが、排気ガス環境という過酷な環境で使用されるため、従来のゲル等で圧力を検出するＩＣチップ（圧力センサチップ）を保護した程度では保護が不十分である。そのため、圧力センサチップをメタルダイアフラムで液封する構成の液封型圧力センサを採用することが考えられる。
【０００４】
この種の液封型圧力センサは、圧力導入室内のポート側と圧力センサチップとの間をメタルダイアフラムで区画し、圧力センサチップ側の空間に液体（オイル）を封入する構造を備えるため、圧力媒体が圧力センサチップに直接触れることがなく、上記のような腐食環境で使用するに適するものとなる。しかしその反面、環境温度の変化に伴う封入されたオイルの熱膨張、収縮が、圧力センサチップに作用して検出誤差となってしまう事情がある。
【０００５】
この種の液封型圧力センサを、比較的高い圧力レンジ（１ＭＰａ以上）で使用する場合には、上記した検出誤差の影響が小さく、さほど問題となることはないが、上記したＤＰＦのシステムに採用する場合、比較的低い圧力レンジ（１００ｋＰａ程度）で使用されるため、上記誤差の影響が大きいものとなってしまう不具合が生ずる。
【０００６】
ここで、メタルダイアフラムを変位（変形）し易い形状にすれば、封入されたオイルの温度変化による膨張、収縮がメタルダイアフラムの変位で吸収されるため、検出誤差を小さくすることができる。一般に、メタルダイアフラムを変位しやすくするためには、その径を大きくすることが有効であるが、それではセンサ全体が大型化してしまうため、その径を大きくするには限度がある。そこで、別の有効な手段として、金属製のダイアフラムに、同心円状の凸部（コルゲート形状）を形成することにより、変位特性を高めることが考えられている（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−１３２８８７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような凸部を形成したメタルダイアフラムにおいては、本来、温度変化に伴うオイルの膨張、収縮を吸収するべく大きな変位を得ることができるように、凸部の大きさや本数が設計されるべきであるが、従来では、凸部の形状等については経験的に決められており、凸部の形状等と変位特性との関係が明確ではなかった。
【０００９】
この場合、上記特許文献１には、上記凸部の高さ寸法を０．０７５〜０．１５ｍｍとすると共に、凸部の形成位置をダイアフラムの有効径の外側２／３の領域とすることが有効であることも開示されているが、凸部の高さと幅等との相関は考慮されておらず、また、凸部の形成位置についても広い範囲が示されているだけで、その範囲内であってもばね特性が大きく変化することが予測される。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、圧力センサチップを液封状態とするためのメタルダイアフラムを備えるものにあって、封入された液体の温度変化に伴う膨張、収縮を吸収するべくメタルダイアフラムの大きな変位を得ることができる液封型圧力センサを提供するにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者は、径方向の断面が円弧状をなす複数本のリング状凸部を同心円状に形成したメタルダイアフラムにあって、良好な変位特性を得ることができる、メタルダイアフラムの有効径、リング状凸部の高さ、幅、位置等についての相関を求めるべく、様々な試作、研究を重ねた。その結果、メタルダイアフラムの最適な形状を得ることができる形状係数αを定義し、この形状係数αの値を２．５〜３．５の範囲内とすることにより、メタルダイアフラムにおける良好な変位特性を得ることができることを見出したのである。
【００１２】
即ち、形状係数αは、リング状凸部の円弧長さをｂ、リング状凸部の高さをＨ、リング状凸部の径方向幅をＷ、隣合うリング状凸部間の径方向のピッチをＰ、最外周に位置するリング状凸部の中心からの距離をｒ０  、メタルダイアフラムの実効半径をＲとしたときに（図２、図３参照）、
α＝（ｂ／Ｈ）×（ｂ／Ｗ）／Ｐ×（ｒ０  ／Ｒ）
で定義される。
【００１３】
この形状係数αの値を２．５〜３．５の範囲内とするようにダイアフラムの各部の寸法を設定すれば、変位特性の優れたメタルダイアフラムを容易に得ることができるものである（請求項１の発明）。この場合、上記式の右辺のうち、（ｒ０  ／Ｒ）は１未満の値となるが、形状係数αを２．５〜３．５にしようとすれば、（ｒ０  ／Ｒ）の値を極力大きくする、言い換えれば、リング状凸部をメタルダイアフラムのできるだけ外周側に配置することが望ましいのである。
【００１４】
また、本発明者の研究によれば、メタルダイアフラムに形成されるリング状凸部の数を２個とすることにより、メタルダイアフラムにおける最も良好な変位特性が得られることが明らかとなった（請求項２の発明）。これは、リング状凸部が１個では、メタルダイアフラムを変位させるに不十分であり、リング状凸部を３個以上の多数設けると、メタルダイアフラムの内周側つまり中央部分にリング状凸部が形成されることになってこの部分の剛性が上がり、逆に変位しにくくなるためであると推測される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、例えば差圧式の液封型圧力センサに適用した一実施例について、図面を参照しながら説明する。尚、本実施例の圧力センサは、例えばディーゼルエンジン車のＤＰＦシステムの排気ガス圧検出用に用いられ、比較的低い圧力レンジ（１００ｋＰａ程度）で使用されるものとなっている。
【００１６】
まず、図１は、本実施例に係る液封型圧力センサ１の全体構成を示している。この圧力センサ１は、ケース２内に、第１の圧力室３と第２の圧力室４との２つの圧力室を有していると共に、圧力センサチップ５を配設して構成されている。前記ケース２は、ケース主部６と、上ケース７と、下ケース８とを結合して構成されるようになっている。
【００１７】
そのうちケース主部６は、例えばプラスチックからほぼ矩形の板状に形成されると共に、その図で右端部に突出するように位置してコネクタハウジング部９を一体に有して構成されている。このケース主部６の中央部には前記圧力センサチップ５が取付けられる凹部６ａが形成されており、その凹部６ａの底部には、上下に貫通する貫通孔６ｂが形成されている。また、このケース主部６の４つのコーナー部には、連結用のインサートナット１０がインサート成形により設けられている。
【００１８】
さらに、このケース主部６には、複数本のターミナル１１がインサート成形により設けられており、そのターミナル１１の基端部（図で左端部）が前記圧力センサチップ５（凹部６ａ）の近傍（右側）に露出して配置されると共に、中間部がケース主部６内を右方に延び、先端部が前記コネクタハウジング部９内に位置されてコネクタを構成するようになっている。尚、ターミナル１１の基端部のケース主部６から突出する部分は、シリコーン等のシール材でシールされるようになっている。
【００１９】
前記圧力センサチップ５は、周知のように、単結晶シリコン基板の中央部に薄肉状の感圧部（ダイアフラム部）を形成すると共に、その感圧部の上面部に４個のピエゾ抵抗をブリッジ接続するように形成し、このものを台座上に接合して構成されている。
【００２０】
この圧力センサチップ５は、前記ケース主部６の凹部６ａに接着により取付けられ、この圧力センサチップ５上の各電極と、前記各ターミナル１１の基端部とがボンディングワイヤ１２により電気的に接続されるようになっている。尚、このとき、圧力センサチップ５の台座に形成された貫通孔と前記貫通孔６ｂとが連続し、ケース主部６の下面側が、圧力センサチップ５の感圧部の裏面側（下面側）に連通するようになっている。
【００２１】
前記上ケース７は、円形の凹部を有する蓋状をなし、ケース主部６の上面側に取付けられることによって前記第１の圧力室３を形成するようになっている。このとき、前記圧力センサチップ５の上面（感圧部）がこの第１の圧力室３に臨むようになっている。また、この上ケース７には、ケース主部６のインサートナット１０に対応したねじ挿通孔が設けられている。さらに、この上ケース７には、第１の圧力室３に連通する第１のポート７ａが一体に設けられている。
【００２２】
前記下ケース８は、前記上ケース７と上下対称的な形状をなし、ケース主部６の下面側に取付けられることによって前記第２の圧力室４を形成するようになっている。このとき、貫通孔６ｂを通して圧力センサチップ５の感圧部の裏面側が、この第２の圧力室４に連通するようになっている。また、この下ケース８には、やはりケース主部６のインサートナット１０に対応したねじ挿通孔が設けられている。さらに、この下ケース８には、第２の圧力室４に連通する第２のポート８ａが一体に設けられている。
【００２３】
これら上ケース７及び下ケース８は、外周側が前記ケース主部６の上面及び下面に夫々宛がわれ、この状態で、ねじ１３を上方から上ケース７のねじ挿通孔を通してインサートナット１０に締付けると共に、下ケース８のねじ挿通孔の下面側からそのねじ１３の先端部にナット１４を締付けることにより、ケース主部６、上ケース７、下ケース８の三者が一体的に連結されるようになっている。このとき、夫々の接合面には、Ｏリング１５が設けられており、各圧力室３及び４の気密性が確保されるようになっている。
【００２４】
そして、このとき、前記第１の圧力室３内には、円板状をなすメタルダイアフラム１６が、その外周縁部が上ケース７の外周側下面とケース主部６の上面との間に挟まれるようにして取付けられる。このとき、メタルダイアフラム１６の上面と上ケース７の下面との間は図示しないフロロシリコン等の接着剤により接着され、また、メタルダイアフラム１６の下面とケース主部６の上面との間には、Ｏリング１７が設けられて気密性が確保されるようになっている。前記メタルダイアフラム１６の詳細については後述する。
【００２５】
これにて、第１の圧力室３内は、メタルダイアフラム１６により上下に仕切られて前記圧力センサチップ５側にオイル封入室が形成され、このオイル封入室内に、液体たるオイル１８が満たされて封入されるようになっている。このオイル１８としては、例えばフッ素オイル等の圧力センサチップに影響を与えない材料が採用される。
【００２６】
同様に、前記第２の圧力室４内にも、メタルダイアフラム１６が、前記第１の圧力室３側とは上下反転した状態で、その外周縁部が下ケース８の外周側上面とケース主部６の下面との間に挟まれるようにして取付けられる。このとき、やはり、メタルダイアフラム１６の下面と下ケース８の上面との間は図示しないフロロシリコン等の接着剤により接着され、また、メタルダイアフラム１６の上面とケース主部６の下面との間には、Ｏリング１７が設けられて気密性が確保されるようになっている。
【００２７】
これにて、第２の圧力室４内も、メタルダイアフラム１６により上下に仕切られてケース本体６側にオイル封入室が形成され、このオイル封入室内に、オイル１８が満たされて封入されるようになっている。この場合、オイル１８は、貫通孔６ｂを通って圧力センサチップ５の感圧部の裏面側まで満たされるようになっている。
【００２８】
尚、図示はしないが、この圧力センサ１は例えばディーゼル車のエンジンの排気管部分に組付けられ、前記第１、第２のポート７ａ、８ａ（第１の圧力室３、第２の圧力室４）が、夫々排気管途中に設けられた煤煙をトラップするフィルタの上流、下流に接続され、フィルタの前後における排気ガスの圧力差（圧力損失）を検出するようになっている。
【００２９】
さて、ここで、前記メタルダイアフラム１６について、図２及び図３も参照して詳述する。このメタルダイアフラム１６は、図２に示すように、金属例えば厚み２５μｍのステンレスから、円板状に構成されており、その板面には、外周側に位置して、径方向断面が円弧状をなす複数本この場合２本のリング状凸部１６ａが、図で上面側に凸となるように同心円状に形成されている。
【００３０】
このとき、このメタルダイアフラム１６の各部（リング状凸部１６ａ）の寸法関係が、次の式で定義される形状係数αの値を２．５〜３．５の範囲内とするように構成されている。
α＝（ｂ／Ｈ）×（ｂ／Ｗ）／Ｐ×（ｒ０  ／Ｒ）
【００３１】
但し、図２（ａ）及び図３に示すように、ｂはリング状凸部１６ａの円弧長さ、Ｈはリング状凸部１６の高さ、Ｗはリング状凸部１６ａの径方向幅、Ｐは２つのリング状凸部１６ａ間の径方向のピッチ、ｒ０  は最外周に位置するリング状凸部１６ａの中心からの距離、Ｒはメタルダイアフラム１６の実効半径（圧力を受ける円形領域の半径）である。
【００３２】
具体的には、本実施例では、リング状凸部１６ａの高さ寸法Ｈが０．２２ｍｍ、リング状凸部１６ａの径方向幅寸法Ｗが１．４４ｍｍ、リング状凸部１６ａ間の径方向のピッチ寸法Ｐが２．１ｍｍ、外周側に位置するリング状凸部１６ａの中心からの距離ｒ０  が７．７５ｍｍ、メタルダイアフラム１６の実効半径Ｒが９．３ｍｍとされている。
【００３３】
次に、上記構成の作用について述べる。上記構成の圧力センサ１においては、上述のように、第１のポート７ａを通して第１の圧力室３内に導入された圧力は、メタルダイアフラム１６及びオイル１８を介して圧力センサチップ５の感圧部の上面側に作用し、一方、第２のポート８ａを通して第２の圧力室４内に導入された圧力は、メタルダイアフラム１６及びオイル１８を介して圧力センサチップ５の感圧部の裏面側に作用し、もって圧力センサチップ５によってそれらの差圧が検出される。
【００３４】
この場合、各圧力室３，４内にディーゼルエンジンの排気ガスが導入されるという、過酷な環境で使用される事情があるが、メタルダイアフラム１６及びオイル１８による液封構造とされていることにより、圧力媒体が圧力センサチップ５に直接触れることがなく、圧力センサチップ５の腐食環境からの保護を図ることができる。
【００３５】
しかし、この圧力センサ１は車載環境で使用されるため、環境温度の変化が比較的大きくなり、封入されたオイル１８の熱膨張、収縮が、圧力センサチップ１５（感圧部）に作用して圧力検出の誤差となってしまう虞がある。特に、比較的低い圧力レンジ（１００ｋＰａ程度）で使用されるものでは、上記誤差の影響が大きいものとなってしまう事情がある。
【００３６】
そこで、本実施例では、メタルダイアフラム１６のリング状凸部１６ａの高さ寸法Ｈや幅寸法Ｗ、ピッチＰ、形成する位置（メタルダイアフラム１６の実効半径Ｒに対する外周側に位置するリング状凸部１６ａの中心からの距離ｒ０  ）等を、形状係数αの値が２．５〜３．５となるように設定し、これと共に、形成するリング状凸部１６ａの本数を２本としたので、メタルダイアフラム１６を徒に大型化することなく、最も良好な変位特性を得ることができ、封入されたオイル１８の温度変化に伴う膨張、収縮によってメタルダイアフラム１６が容易に変位（変形）することでオイルの膨張、収縮を吸収して圧力センサチップ１５への影響を小さくすることが可能となったのである。
【００３７】
ここで、本実施例における、メタルダイアフラム１６のリング状凸部１６ａを外周寄りの位置に２本形成すると共に、形状係数αの値を２．５〜３．５とするように各部の寸法などを設定することの適正について、図４〜図７を参照しながら述べる。これら図４〜図７は、本発明者らが、実効半径寸法Ｒを９．３ｍｍとしたメタルダイアフラムに関する、リング状凸部の形成位置等と変位特性との関係を調べた結果を示している。
【００３８】
まず、図４は、リング状凸部を１個のみ設ける場合、どこに配置すればメタルダイアフラムの変位が最大になるかをシミュレーションしたものである。ここでは、リング状凸部の形成位置を外周側から順に、Ｎｏ１（ｒ０  ＝７．７５ｍｍ）、Ｎｏ２（ｒ０  ＝５．６５ｍｍ）、Ｎｏ３（ｒ０  ＝３．５５ｍｍ）、Ｎｏ４（ｒ０  ＝１．４５ｍｍ）としたものについて（（ａ）参照）、２５℃で３０ｋＰａの圧力を印加したときの変位量を夫々調べ、この結果を（ｂ）に示している。
【００３９】
この結果から、リング状凸部を１個のみ設ける場合には、外周側（Ｎｏ１及びＮｏ２の位置）に配置した方が変位量を大きく取れることが理解できる。尚、ここでは、リング状凸部の幅寸法Ｗを１．４４ｍｍ、高さ寸法Ｈを０．２ｍｍとしている。また、これら幅寸法Ｗ及び高さ寸法Ｈ、並びに図４（ａ）に示した上記Ｎｏ１〜Ｎｏ４の位置については、図５及び図６でも共通して使用している。
【００４０】
次に、図５は、リング状凸部の個数とメタルダイアフラムの変位量との関係を、２５℃で圧力を変化させながらシミュレーションしたものである。ここでは、Ｎｏ１〜Ｎｏ４の位置に４個設けたもの（Ａ）、Ｎｏ１〜Ｎｏ３の位置に３個設けたもの（Ｂ）、Ｎｏ１，Ｎｏ２の位置に２個設けたもの（Ｃ）、Ｎｏ１の位置に１個設けたもの（Ｄ）について調べている。
【００４１】
この結果から、外周側に２個のリング状凸部を設けたもの（Ｃ）が、変位が最も大きかった。これは、リング状凸部が１個のもの（Ｄ）では、メタルダイアフラムを変位させるに不十分であり、リング状凸部を３個以上の多数設けると（Ａ），（Ｂ）、メタルダイアフラムの内周側つまり中央部分にリング状凸部が形成されることになってこの部分の剛性が上がり、逆に変位しにくくなるためであると推測される。
【００４２】
更に、図６は、リング状凸部を２個設ける場合、それらの配置と、２５℃で３０ｋＰａの圧力を印加したときの変位量との関係をシミュレーションしたものである。この結果から、リング状凸部を２個設ける場合には、Ｎｏ１とＮｏ２の位置に設ける組合せが、変位量が最も大きかった。従って、リング状凸部を２個設ける場合においても、それらを極力外周側に並べて設けることが有効であることが理解できる。
【００４３】
そして、図７は、リング状凸部の幅寸法Ｗ、ピッチＰ、最外周のリング状凸部の中心からの距離ｒ０  、個数を異ならせた４種類のメタルダイアフラムにおいて、夫々形状係数αの値（言換えればリング状凸部の高さ寸法Ｈの値）と、２５℃で３０ｋＰａの圧力を印加したときの変位量との関係をシミュレーションしたものである。
【００４４】
この結果から、各部の個々の寸法などが異なっていても、いずれも形状係数αの値が２．５〜３．５のときに、変位量が最大になることが判る。また、リング状凸部の幅寸法Ｗが１．４４ｍｍ（高さ寸法Ｈが０．２２ｍｍ）のときに変位量が最大となることも判る。尚、図示はしていないが、本発明者の研究によれば、高さ寸法Ｈを０．１６〜０．２８ｍｍ、幅寸法Ｗを１．３〜１．５ｍｍとすることが好ましいことも明らかとなった。
【００４５】
このように本実施例によれば、圧力センサチップ５をオイル１８により液封状態とするためのメタルダイアフラム１６を備える圧力センサ１にあって、メタルダイアフラム１６の最適な形状を得ることができる形状係数αを定義し、この形状係数αの値を２．５〜３．５の範囲内としたことにより、封入されたオイル１８の温度変化に伴う膨張、収縮を吸収するべくメタルダイアフラム１６の良好な変位特性を得ることができるという優れた効果を得ることができる。
【００４６】
この場合、リング状凸部１６ａを形成したメタルダイアフラム１６にあって、メタルダイアフラム１６の実効半径Ｒや、リング状凸部１６ａの高さ寸法Ｈ、幅寸法Ｗ、形成位置等についての最適な相関関係を求めたことにより、メタルダイアフラム１６の有効径をさほど大きくすることなく、つまり圧力センサ１全体が大型化することもなく、良好な変位特性を得ることができるのである。また、特に本実施例では、リング状凸部１６ａの数を２本としたことにより、メタルダイアフラム１６の最も良好な変位特性を得ることができたのである。
【００４７】
尚、上記実施例では、差圧式の圧力センサ１に本発明を適用し、２つの圧力室３、４の双方にメタルダイアフラム１６を設けて液封構造とする構成としたが、本発明は、圧力センサチップの下部側を大気圧とするタイプのもの等、圧力センサ全般に適用することができ、圧力センサチップの上面側だけを液封構造とする、つまりメタルダイアフラムを１個だけ設けるものであっても良い。また、圧力センサの用途としても、車両用（排気ガス圧検出用）などに限らず、様々な用途に適用可能である。
【００４８】
その他、ケースの形状、構造などについても種々の変形が可能であることは勿論であり、メタルダイアフラムの各部の寸法などについても、上記実施例ではあくまでも一例を示したに過ぎず、形状係数αの値を２．５〜３．５の範囲内とするものであれば、リング状凸部の本数を３本以上とすることも含めて様々な変更が可能であるなど、本発明は要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すもので、液封型圧力センサの全体構成を示す縦断正面図
【図２】メタルダイアフラムの縦断正面図（ａ）及び平面図（ｂ）
【図３】メタルダイアフラムのリング状凸部部分の拡大縦断正面図
【図４】リング状凸部の形成位置とメタルダイアフラムの変位量との関係を調べた結果を示す図
【図５】リング状凸部の個数とメタルダイアフラムの変位量との関係を調べた結果を示す図
【図６】２個のリング状凸部の配置とメタルダイアフラムの変位量との関係を調べた結果を示す図
【図７】形状係数αとメタルダイアフラムの変位量との関係を調べた結果を示す図
【符号の説明】
図面中、１は液封型圧力センサ、２はケース、３，４は圧力室、５は圧力センサチップ、１６はメタルダイアフラム、１６ａはリング状凸部、１８はオイル（液体）を示す。
【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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