(57)【要約】【課題】被測定物の測定面の面状態に影響されずに高精度に測定が可能な硬さ計を提供する。【解決手段】押針の先端を被測定物の測定面に当接させ、被測定面に生じた窪みの深さから硬度を求めるようにした硬さ計において、押針１６を保持する押針固定部材１５を押針軸線に沿って移動可能に保持する固定部材１０と、固定部材１０を挟んで一定の間隔を設けて対向配置される一対の板バネ１ａ、１ｂとを備え、板バネ１ａ、１ｂは中央バネ部３と中央バネ部３の両側に位置する両側バネ部４ａ、４ｂとを有し、中央バネ部３の中心点７が押針固定部材１５に固定され、両側バネ４ａ、４ｂの中心点８ａ、８ｂが固定部材１０にそれぞれ固定され、かつ一対の板バネ１ａ、１ｂは各々のバネ部の中心点７、８ａ、８ｂを通る直線が互いに略９０度をなすように配置されていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
押針と、該押針を保持する押針固定部材と、該押針固定部材を押針軸線に沿って移動可能に保持する固定部材と、該固定部材を挟んで一定の間隔を設けて対向配置される一対の板バネと、該一対の板バネの間に配置され前記押針の変位を検出する位置検出部とを備え、前記押針の先端を被測定物に接触させ前記押針と被測定物との相対的な位置変化による前記位置検出部の変位に基づき被測定物の硬さを求める硬さ計であって、前記板バネは中央バネ部と該中央バネ部の両側に位置する両側バネ部とを有し、前記中央バネ部の中心点が前記押針固定部材に固定され、前記両側バネの中心点が前記固定部材にそれぞれ固定され、かつ前記一対の板バネは各々のバネ部の中心点を通る直線が互いに略９０度をなすように配置されていることを特徴とする硬さ計。
【請求項２】
前記位置検出は、前記押針軸線上又はその近傍に位置すると共に、前記一対の板バネ間の略中央位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の硬さ計。
【請求項３】
前記位置検出は、差動トランスまたはホール素子を用いた磁電変換式であることを特徴とする請求項１または２に記載の硬さ計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料等の硬いものではなく、ゴム、プラスチックス等の工業製品や例えば肌、筋肉、果実、食品等の医療、健康、食品産業において利用する硬さ測定器に関する。特に、押針を被測定物に当接させて測定を行なう接触式の硬さ計であって、押針を板バネによって保持する機構を備えた硬さ計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
硬さ測定値に対応する押針変位を検出する手段としては、電子式あるいはデジタル式のものでは、光学式リニアゲージを用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、ゴム硬度計のバネ荷重装置として片持ち梁状の板バネ、あるいはループ状の板バネ、あるいは短冊形の細長板を２枚平行に配した板バネを用い、この板バネの表面に歪ゲージを貼り付けて板バネ表面の伸縮を検出することで、押針の変位を検出する方式も公知である（例えば、特許文献２〜３参照。）。
【０００３】
特許文献１の光学式リニアゲージを用いる方式は、次の構造を有する。一方向に移動可能なスピンドルが備えられ、このスピンドルには格子が形成されたガラススケールが取り付けられる。このガラススケール上の格子に対向して隙間をなす位置で、先のガラススケール上の格子と同様の格子が形成された固定スケールと受光素子が本体に固定され、この受光素子に対向してガラススケールを挟んだ位置に発光素子が本体に固定される。そして、スピンドルと本体間には、ガラススケールが固定スケールに対して正しい位置に保てるように、回り止めピンが取り付いた構造をしている。
【０００４】
特許文献２に片持ち梁状の板バネ、あるいはループ状の板バネを用いる方式は、次の構造を有する。支持部材の一端が本体に固定され、この支持部材の他端にはループ状の板ばねが取り付けられる。このループ状の板バネに押針が取り付けられ、押針がループ板バネを介して本体より吊り下げられた構造をしている。
【０００５】
特許文献３における硬さ計の短冊形の板バネを用いたバネ荷重機構について図５を用いて説明する。２つの平行な長孔を形成して３つに区分してなる両側バネ部１５０ａと中央バネ部１５０ｂを有した板バネ１５０であって、この板バネ１５０の両側バネ部１５０ａの一部が支持部材１５１に取り付けられ、２枚の板バネ１５０が隙間を成して平行に同一方向に配置している。そして２枚の板バネ間の中央バネ部１５０ｂの面には、連結部材１５２が配され、上側の中央バネ部１５０ｂとはネジ１５６によって固定され、下側の中央バネ部１５０ｂとは押針支持部材１５３によって固定され、押針支持部材１５３の一方の端面には押針１５４が取り付けられる。そして上側の板バネ１５０の両側バネ部１５０ａの上面には固定部材１５５が取り付けられ、固定部材１５５の一部が図示していない硬さ計本体に固定される。そして板バネ１５０の中央バネ部１５０ｂ上に歪みゲージ１６０が張り付けられ、中央バネ部１５０ｂ表面の伸縮を検出することで、押針の変位を求める構造をしている。
【０００６】
【特許文献１】特開昭６１−４９４２号（第７頁、図３）
【特許文献２】特開平１−２８４７３４号（第６頁、図３）
【特許文献３】特開２００１−５０８８２号（第５頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の光学式リニアゲージを用いる方式では、変位検出用の可動部として一定方
向に移動するスピンドルと、このスピンドルを保持する軸受けが必要であり、さらにスピンドルの変位を検出するリニアゲージの移動側ガラススケールを正しい位置に保持するための回り止めピンなども必要である。これらはいずれも本体ケースなどの固定部と摺動あるいは噛み合う形で接触し、作動時の摩擦によりやがて摩耗する。
【０００８】
そのため、摩耗そのものによるガタツキ及び変位検出誤差だけでなく、汚損によって摩擦力が著しく増大し、この摩擦力が原因となってスピンドルに連結された硬さ計のバネ荷重装置の力が押針先端に伝達されず、被測定物を変形させるべき押針先端の力に大きな誤差を生じることになる。
【０００９】
一方、特許文献２の片持ち梁状の板バネ、あるいはループ状の板バネに押針を吊り下げた構造では、摩擦及び摩耗の問題は生じないが、いずれも押針が固定部から中間を拘束されていないため、押針先端はかなり自由に横方向にも動いてしまう。更に、片持ち梁状の板バネでは、押針先端に垂直上向きの力だけが作用した場合でも、その先端は円弧状に動くので、上下の動きと同時に横方向にも動き、しかも押針の先端面は傾くことになる。このような挙動は硬度計本来の動きから外れ、測定上の誤差となる。
【００１０】
また、特許文献３の短冊形の細長板を２枚平行に配した板バネを押針の軸線に対して垂直に配した構造では、上述した押針の挙動は抑えられるが、被測定物の押針の接触面の形状によって生じる横方向の力の作用に対する抗力は作用を受ける方向で異なることになる。従って、測定器に対して被測定物をその測定点を基準に回転させ、同一箇所を測定した場合に、厳密には被測定物の硬さ値に差を生じることになる。
【００１１】
そして、上述した種々の板バネ構造において、板バネの平面には歪ゲージが貼り付けられ、押針の位置に応じ変形した板ばねの撓み量を歪みゲージで捉えることで押針の変位を求める構成では、押針先端に僅かな横方向の力が働いても板バネの表面に歪が生じ、歪ゲージはこれを押針先端の上下方向の変位による歪と区別せずに検出してしまう。また、押針の変位は、板バネの撓みによる歪み量から間接的に求められるため、測定上の誤差となる。
【００１２】
以上から、上記のような光学式リニアゲージを用いた方式では、機構部分の摩擦や摩耗による変位検出誤差が発生し、測定上の誤差を生じる問題がある。片持ち梁状の板バネやループ状の板バネを用いた方式においては、押針先端の横移動による誤差が発生し、この場合にも測定上の誤差を生じる問題がある。また、短冊形の細長板を２枚平行に配した板バネを押針の軸線に対して垂直に配した方式においては、横方向の力の作用に対する抗力は作用を受ける方向により異なり、この場合にも測定上の誤差を生じるという問題がある。
【００１３】
本発明の目的は上記従来技術の問題点を解決し、被測定物の測定面の面状態に影響されずに高精度の測定が可能な硬さ計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる硬さ計は、押針と、該押針を保持する押針固定部材と、該押針固定部材を押針軸線に沿って移動可能に保持する固定部材と、該固定部材を挟んで一定の間隔を設けて対向配置される一対の板バネと、該一対の板バネの間に配置され押針の変位を検出する位置検出部とを備え、押針の先端を被測定物に接触させ押針と被測定物との相対的な位置変化による位置検出部の変位に基づき被測定物の硬さを求める硬さ計であって、板バネは中央バネ部と該中央バネ部の両側に位置する両側バネ部とを有し、中央バネ部の中心点が押針固定部材に固定され、両側バネの中心点が固定部材にそれぞれ固定され、かつ一対の板バネは各々のバネ部の中心点を通る直線
が互いに略９０度をなすように配置されていることを特徴とするものである。
【００１５】
この構成により、押針の軸方向に対する垂直な横方向からの力に対しては、軸受けやガイド機構のような摺合的な位置保持手段を用いることなく、一対の板バネが強い剛性を持った部材として働き、押針先端の横方向の動きはほとんど生じることがない。更に、被測定物の押針の接触面の形状によって生じる横方向の力の作用に対する抗力は、少なくとも板バネの支持点がある４方向からの作用に対しては同一の抗力を備えていることになる。その結果、測定誤差のない高精度の硬さ計を提供することができる。
【００１６】
そして、押針軸線方向に極めて小さな荷重から与えることができるので、正確で再現性のある測定結果を得ることができる。
【００１７】
また、位置検出部は、押針軸線上又はその近傍に位置すると共に、一対の板バネ間の略中央位置に設けられることを特徴とするものである。
【００１８】
この構成により、押針が横方向の力を受けた場合に、押針やこれに連なるリンク部材は一対の板バネ間の中心位置を基点にして動かされるので、位置検出部を構成する能動部の横方向への変動は最小に抑えられる。その結果、測定誤差の少ない高精度の硬さ計を提供することができる。
【００１９】
また、位置検出部は、差動トランスまたはホール素子を用いた磁電変換式であることを特徴とするものである。
【００２０】
この構成により、押針の軸線方向の変位量を直接的に求められるため、測定誤差の少ない高精度の硬さ計を提供することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、押針の軸方向に対する垂直な横方向からの力に対しては、軸受けやガイド機構のような摺合的な位置保持手段を用いることなく、一対の板バネが強い剛性を持った部材として働き、押針先端の横方向の動きはほとんど生じることがない。その結果、測定誤差がなく、高精度の測定が可能な硬さ計を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる硬さ計の好適な実施形態を詳細に説明する。図１、図２、図３は、本発明の第１の実施形態における硬さ計を示す図で、図４は第２の実施形態における硬さ計を示す図である。なお、以下の実施形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２３】
（第１の実施形態）
図１は本実施形態における硬さ計のバネ荷重機構を示す斜視図、図２は本実施形態における硬さ計のバネ荷重機構を示す分解斜視図、図３は本実施形態における硬さ計のバネ荷重機構板の板バネを示し、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面を示すと共に板バネの変形状態を示す図である。図１、図２に示すように、本実施形態における硬さ計のバネ荷重機構は、押針１６と、押針１６を保持する押針固定部材１５と、押針固定部材１５を押針軸線に沿って移動可能に保持する固定部材１０と、固定部材１０を挟んで一定の間隔を設けて対向配置される一対の板バネ１ａ、１ｂと、一対の板バネ１ａ、１ｂの間に配置され、押針１６の変位を検出する位置検出部２０とを備えている。一対の板バネ１ａ、１ｂはそれぞれ中央バネ部３と中央バネ部３の両側に位置する両側バネ部４ａ、４ｂとを有し、中央バネ部３の中心点７がリンク部材１３を介して押針固定部材１５に固定され、両側バネ４ａ、４ｂの中心点８ａ、８ｂが支持部材１１を介して固定部材１０にそれぞれ固定
されている。さらに、この一対の板バネ１ａ、１ｂは各々のバネ部３、４ａ、４ｂの中心点７、８ａ、８ｂを通る直線Ａ、Ｂが互いに略９０度をなすように配置されている。このように構成されたバネ荷重機構が図示しない硬さ計本体に内蔵して固定され硬さ計として動作を成すものである。本実施形態における硬さ計は押針１６の先端を被測定物に接触させ押針１６と被測定物との相対的な位置変化による位置検出部２０の変位に基づき被測定物の硬さを求めるものである。
【００２４】
次に、本実施形態の硬さ計におけるバネ荷重機構に用いる板バネの形状及び変形について説明する。なお、板バネ１ａと板バネ１ｂとは同一形状であるため纏めて説明する。図３に示すように、板バネ１ａ、１ｂは、薄板で長方形を成しており、その長手方向に平行して延びる対称配置された一対の長孔２ａ、２ｂを有している。長孔２ａ、２ｂを境に3つに区分してなる中央バネ部３と両側バネ部４ａ、４ｂとが形成されている。中央バネ部３は一対の長孔２ａ、２ｂの間に設けられ、両側バネ部４ａは長孔２ａの外側に、両側バネ部４ｂは長孔２ｂの外側に設けられている。また、中心バネ部３の中心点７の位置に固定用の孔５が形成され、両側バネ部４ａ、４ｂの中心点８ａ、８ｂの位置には、それぞれ固定用の孔６ａ、６ｂが形成されている。
【００２５】
次に、このように形成した板バネ１ａ、１ｂの変形状態について説明する。板バネ１ａ、１ｂの２つの両側バネ部４ａ、４ｂの中心点８ａ、８ｂを固定点とし、中央バネ部３の中心点７を可動点とし、中央バネ部３の中心点７に図３（ｂ）に示すように矢印の方向の力を加えると一点鎖線で示したような変形が生じる。力が矢印Ｃの方向に加わる場合には、２つの両側バネ部４ａ、４ｂは中心点８ａ、８ｂを基点としてその長手方向の両端部の平面が矢印Ｃの方向に湾曲した形状となり、中央バネ部３はその長手方向の両端部の平面を基点として中心点７を頂点とする凸型に湾曲した形状となる。一方、力が矢印Ｄの方向に加わる場合には、２つの両側バネ部４ａ、４ｂは中心点８ａ、８ｂを基点としてその長手方向の両端部の平面が矢印Ｄの方向に湾曲した形状となり、中央バネ部３はその長手方向の両端部の平面を基点として中心点７を底点とする凹型に湾曲した形状となる。
【００２６】
固定部材１０は、角部４箇所に面取りを施して中心位置に孔２１が設けられた平板状の長方形を成し、孔２１を中心にして円周上に９０度間隔で等距離の位置に４つの雌ネジ部２２が形成されている。固定部材１０の雌ネジ２２には、支持部材１１の一方の端面に形成されている雄ネジが係合され、支持部材１１は、固定部材１０の両平面に夫々２つずつその中心位置を基準にして同一線上の位置に取り付けられる。また、支持部材１１の他方の端面に形成されている雌ネジ部には板バネ１ａ、１ｂの孔６ａ、６ｂを通してネジ１２が取り付けられ、板バネ１ａ、１ｂが支持部材１１に固定される。
【００２７】
また、固定部材１０の中心位置に設ける孔２１には板バネ１ａ、１ｂ同士を繋ぐためのリンク部材１３が配置され、リンク部材１３の一端には調整部材２５が設けられ、この調整部材２５に雄ネジが形成されている。この雄ネジ部を一方の板バネ１ａの中央バネ部３の孔５に通して、一方の板バネ１ａとリンク部材１３の一端とをナット１４によって係合し固定する。リンク部材１３の他端にはコア支持部材２３が設けられ、このコア支持部材２３に雌ネジが形成されている。また、押針支持部材１５の一方の端部には雄ネジ部が形成されている。この押針支持部材１５の雄ネジ部を他方の板バネ１ｂの孔５に通してコア支持部材２３の雌ネジ部に係合し固定する。このようにして、リンク部材１３は、板バネ１ａ、１ｂの平面に対して垂直に取り付けられ、２枚の板バネ１ａ、１ｂが共動するように構成されている。
【００２８】
位検出器２０は、一方の板バネ１ａと他方の板バネ１ｂとから略等しい距離に設けられており、位置検出器２０の受動部は、固定部材１０に取り付けられており、位置検出器２０の能動部は、リンク部材１３上の位置検出器２０の受動部に対応する位置に配置されて
押針１６の動きに連動している。
【００２９】
また、位置検出器２０の外筒部は固定部材１０の中心に形成された孔２１に接着によって取り付けられている。位置検出器２０の受動部には、差動トランスを形成する２つのコイル２０ａが内蔵されている。差動トランスの２つのコイル２０ａは、図示しない回路部より交流電圧が印加された励磁状態でコア２０ｂが移動すると、２つのコイル２０ａのリアクタンスが変化して、コア２０ｂの移動量に応じた出力電圧が得られる。
【００３０】
押針支持部材１５は固定部材１０の平面に対して鉛直方向に配置され、押針固定部材１５の一方の端部は他方の板バネ１ｂを挟んでコア支持部材２３に固定され、他方の端部には、被測定物に当接する押針１６が着脱可能に取り付けられている。押針１６は図示しない被測定物の形状や硬さ等に応じて最適なものに交換可能なようになっている。
【００３１】
また、リンク部材１３に設けられている調整部材２５とコア支持部材２３との間にはコア２０ｂとコア固定部材２４とが配置されている。コア支持部材２３の雌ネジ部の反対側に設ける凹部（図示せず）には、磁性材料のコア２０ｂの一端が係合し、コア２０ｂはコア固定部材２４とコア支持部材２３に挟まれて固定される。さらにコア固定部材２４が調整部材２５にそれぞれに形成されたネジによって結合される。このようにして結合されたコア２０ｂと、コア支持部材２３と、コア固定部材２４と、調整部材２５とによってリンク部材１３が形成されている。
【００３２】
このようにして、リンク部材１３によって板バネ１ａ、１ｂ同士が強固に連結され、押針１６に加わった力の伝達が効率的になされ、繰り返し安定した測定が可能となる。
【００３３】
この構成により、板バネ１ａ、１ｂは押針１６の軸線方向でバネ定数の低い変位量の大きな変形が可能となり、押針１６の軸線方向に沿って動作することが可能となり、横方向の力に対しては板バネ１ａ、１ｂのバネ部の平面が強い剛性を持った部材として働き、軸受けやガイド機構のような摺合的な位置保持手段を用いることなく、押針１６の軸線方向に極めて小さな荷重から与えることができ、正確で再現性のある測定結果を得ることができる。
【００３４】
また、押針１６の軸線方向の変位量を直接的に求めることができる。更に、押針１６が横方向の力を受けた場合に、押針１６やこれに連なるリンク部材１３は板バネ１ａ、１ｂ間の略等しい距離の位置を基点にして動かされるので、位置検出部２０を構成する能動部の上下方向の変動を抑えることができる。その結果、測定誤差のない高精度の硬さ計を提供することができる。
【００３５】
以上述べたように第１の実施形態におけるバネ荷重機構は、図示しない硬さ計本体に内蔵して固定されて硬さ計として動作を成すものである。押針１６の先端を図示しない被測定物の表面に当接し、更に硬さ計本体が所定距離だけ被測定物側に押し下げられると、硬度、即ち被測定物面の窪みにくさに応じて押針１６が相対的に持ち上げられる。
【００３６】
そして、図３で示したように板バネ１ａ、１ｂの中央バネ部３と両側バネ部４ａ、４ｂに撓みが生じ、その撓みに応じて図１に示す押針１６に連なる位置検出器２０を構成する能動部であるコア２０ｂの位置が、位置検出器２０を構成する受動部であるコイル２０ａの位置に対して変位するため、位置検出器２０の出力が変化する。その出力が適当な増幅回路において増幅され、かつ適当な表示計において硬度として表示される。
【００３７】
（第２の実施形態）
図４は本発明の第２の実施形態を示す斜視図である。この第２の実施形態では、位置検出部とリンク部材とが第１の実施形態とは異なる形態を示す。図４に示すように、本実施
形態におけるリンク部材としての支持軸１０１の一端には雄ネジが形成されており、第１の実施形態と同様に、この支持軸１０１の雄ネジ部を一方の板バネ１ａにおける中央バネ部の孔に通して、一方の板バネ１ａと支持軸１０１の一端とをナットによって係合し固定する。支持軸１０１の他端には雌ネジが形成されており、押針支持部材１５の一方の端部に形成されている雄ネジ部を他方の板バネ１ｂの孔に通して支持軸１０１の雌ネジに係合し固定する。このようにして、支持軸１０１は、板バネ１ａ、１ｂの平面に対して垂直に取り付けられ、２枚の板バネ１ａ、１ｂが共動するように構成されている。
【００３８】
位置検出部１１０は、ホール素子１００と磁石１０３と磁石保持部材１０２とを備えている。ホール素子１００は、固定部材１０の板バネ１ｂと対向する平面に、直接または図示しない保持部材を介して取り付けられている。また、磁石保持部材１０２は支持軸１０１に固定されており、磁石保持部材１０２には、円筒状の磁石１０３が固定されている。磁石１０３は、その円筒中心軸が支持軸１０１の軸線方向と平行を成す向きで、かつ磁石１０３の円筒中心とホール素子１００の検出部中心が揃う位置に配置されている。さらに、磁石１０３のホール素子１００側の端面と、ホール素子１００の端面（モールド面）とは一定の間隙を持たせて対向配置されている。
【００３９】
このように構成された位置検出部１１０によれば、押針１６がその軸線方向に移動することにより、磁石１０３とホール素子１００の間の隙間の距離が変化し、隙間に対する磁束密度の変化によってホール出力電圧が変化する。この変化によって、押針１６の変位量を直接的に検出することができる。その結果、測定誤差のない高精度の硬さ計を提供することができる。
【００４０】
以上述べたように第２の実施形態におけるバネ荷重機構は、第１の実施形態と同様に、図示しない硬さ計本体に内蔵して固定されて動作を成すものである。押針１６の先端を図示しない被測定物の表面に当接し、更に硬さ計本体が所定距離だけ被測定物側に押し下げられると、硬度、即ち被測定物面の窪みにくさに応じて押針１６が相対的に持ち上げられる。
【００４１】
そして、図３で示したように板バネ１ａ、１ｂの中央バネ部３と両側バネ部４ａ、４ｂに撓みを生じ、その撓みに応じて図４に示す押針１６に連なる位置検出器１１０を構成する能動部である磁石１０３の位置が、位置検出器１１０を構成する受動部であるホール素子１００の位置に対して変位するため、位置検出器１１０の出力が変化する。その出力が適当な増幅回路において増幅され、かつ適当な表示計において硬度として表示される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態である硬さ計を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態である硬さ計を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の硬さ計のバネ形状及び変形を示す２面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態である硬さ計を示す斜視図である。
【図５】従来技術の硬さ計を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４３】
１ａ、１ｂ  板バネ
２ａ、２ｂ  長孔
３  中央バネ部
４ａ、４ｂ  両側バネ部
５、６ａ、６ｂ、２１  孔
７、８ａ、８ｂ  中心点
１０  固定部材
１１  支持部材
１２  ネジ
１３  リンク部材
１４  ナット
１５  押針固定部材
１６  押針
２０、１１０  位置検出器
２０ａ  コイル
２０ｂ  コア
２２  雌ネジ
２３  コア支持部材
２４  コア固定部材
２５  調整部材
１００  ホール素子
１０１  支持軸
１０２  磁石保持部材
１０３  磁石
【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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