(57)【要約】【課題】簡単な構成で精度よく電圧を測定することを実現した光導波路型電圧センサを提供することを目的とする。【解決手段】光導波路型電圧センサ１０のコア部１２には、被測定回路１８の電圧が印加される電極１６、１７が設けられている。コア部１２の第２の屈折率ｎ２は、コア部１２の外周部を覆う透明なクラッド部１１の第１の屈折率ｎ１より大きく、コア部１２に入射された光がコア部１２内を伝播可能となっている。また、コア部１２はポッケルス効果を有する材料から形成されており、被測定回路１８の電圧が電極１６、１７に印加されると、ポッケルス効果によってコア部１２内の光がクラッド部１１に透過して外部に漏出する。漏出した光の強度は光受信部１９によって検知され、検知された光の強度に基づいて電圧が求められる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定回路の電圧を測定する光導波路型電圧センサであって、
第１の屈折率を有し、光が透過可能なクラッド部と、
前記第１の屈折率より大きい第２の屈折率を有し、前記クラッド部の内部に設けられるコア部と、
前記コア部に設けられ、前記電圧が印加される電極と、
前記コア部から前記クラッド部の外部に漏出する光の強度を検知可能な光受信部と
を備え、
前記コア部は、前記電極に印加された前記電圧に応じて前記第２の屈折率が変化する電気光学効果を有する材料から形成されることを特徴とする光導波路型電圧センサ。
【請求項２】
前記第２の屈折率の変化は、前記第２の屈折率が小さくなることである請求項１に記載の光導波路型電圧センサ。
【請求項３】
前記電極は、光が透過可能な材料から形成され、
前記光受信部は、前記クラッド部の外側において前記電極に対応する位置に設けられる請求項１または２に記載の光導波路型電圧センサ。
【請求項４】
前記コア部は、少なくとも一部が湾曲する湾曲部を有し、
前記湾曲部には、前記電極及び前記光受信部が設けられる請求項１〜３のいずれか一項に記載の光導波路型電圧センサ。
【請求項５】
前記光受信部は、前記湾曲部の凸面側に配置される請求項４に記載の光導波路型電圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電圧センサにかかり、特に、電気光学効果を有する材料から形成された光導波路を利用して電圧を測定する光導波路型電圧センサの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定回路の二点間に電気的に接続して電圧を測定する電気式の電圧計において、測定値は電圧計の内部抵抗の影響を受けるため、この内部抵抗が無限大であることが理想的とされる。しかしながら、実際の電圧計の内部抵抗は有限であり、僅かではあるが電圧計の内部に電流が流れてしまうため、その分の誤差が測定値に生じる。そこで、近年、ポッケルス効果やカー効果と呼ばれる電気光学効果を利用して電圧の測定を行う光学式の電圧センサが用いられる。ポッケルス効果とは、ある物質に電圧を印加して電場をかけると、電場の強さに比例して物質の屈折率が変化する現象である。一方、カー効果では電場の強さの２乗に比例して物質の屈折率が変化する。
【０００３】
例えば特許文献１には、ポッケルス効果を有するポッケルス材料を用いて電圧を測定する光ファイバ型電圧センサが開示されている。これによれば、入力用及び出力用の光ファイバが、複屈折材料であるルチル平板を介してロッドレンズの一端側に接続されている。また、ロッドレンズの他端側には、ポッケルス材料、１／８波長板及び反射板が設けられており、ポッケルス材料に被測定回路の電圧が印加されている。入力用光ファイバに入射された光はルチル平板を通過する際に直線偏光に変換され、ポッケルス材料及び１／８波長板を通過する。次いで、光は反射板に反射され、再び１／８波長板及びポッケルス材料を通過してからルチル平板に達する。
【０００４】
その際、ポッケルス材料の屈折率は印加されている電圧に応じて変化しているため、ポッケルス材料を通過する光には電圧に応じた位相変化が生じる。また、１／８波長板を二度通過する際に１／４波長の位相差が与えられることにより、反射板に反射されてルチル平板に達する光は楕円偏光に変換される。このように、電圧に応じて位相変化が生じた状態の楕円偏光は、ルチル平板を再び通過する際に常光と異常光とに偏光分離され、異常光が出力用光ファイバに導かれる。また、この異常光の強度変化は、被測定回路の電圧に応じた位相変化に応じたものとなる。すなわち、出力用光ファイバ内を伝播する異常光の強度を測定することにより、被測定回路の電圧が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−１９８７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の光ファイバ型電圧センサでは、ルチル平板によって偏光分離した異常光の強度に基づいて被測定回路の電圧を測定している。そのため、電圧を測定するためには、電気光学効果を有するポッケルス材料の他に、ルチル平板、１／８波長板及び反射板等が必要となり、電圧センサの構成が複雑になるという問題点を有していた。
【０００７】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、簡単な構成で精度よく電圧を測定することを実現した光導波路型電圧センサ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】
【０００８】
この発明に係る光導波路型電圧センサは、被測定回路の電圧を測定するセンサであって、第１の屈折率を有し、光が透過可能なクラッド部と、第１の屈折率より大きい第２の屈折率を有し、クラッド部の内部に設けられるコア部と、コア部に設けられ、電圧が印加される電極と、コア部からクラッド部の外部に漏出する光の強度を検知可能な光受信部とを備え、コア部は、電極に印加された電圧に応じて第２の屈折率が変化する電気光学効果を有する材料から形成されることを特徴とするものである。
【０００９】
コア部の第２の屈折率はクラッド部の第１の屈折率より大きいため、電極への電圧の非印加時にコア部に光が入射されると、光はコア部とクラッド部との境界面で反射されながらコア部内を伝播する。一方、電極に電圧が印加されると、コア部の第２の屈折率が電気光学効果によって変化し、第１の屈折率と第２の屈折率との差が小さくなるため、コア部内を伝播する光がクラッド部に透過されて外部に漏出するようになる。電気光学効果による第２の屈折率の変化量は印加された電圧に応じたものであるため、クラッド部の外部に漏出する光の量も電圧に応じたものとなる。すなわち、漏出した光の強度を光受信部で検知することにより、被測定回路の電圧が求められる。
【００１０】
電気光学効果を利用して被測定回路の電圧を測定するため、被測定回路と光導波路型電圧センサとの間における電気の授受がなく、電圧測定の精度が向上する。また、被測定回路の電圧を、クラッド部の外部に漏出する光の強度の変化量、すなわちコア部の第２の屈折率の変化量に基づいて測定するため、ルチル平板等の複屈折材料や波長板及び反射板等を必要とすることなく、電圧センサを構成できる。したがって、光導波路型電圧センサにおいて、簡単な構成で精度よく電圧を測定することが可能となる。
【００１１】
上記電気光学効果による第２の屈折率の変化は、第２の屈折率が小さくなるような変化でもよい。
また、電極は、光が透過可能な材料から形成され、光受信部は、クラッド部の外側において電極に対応する位置に設けられてもよい。尚、クラッドの外側において電極と対応する位置に光受信部を設けることとは、電極に電圧が印加された場合に、クラッドの外側において、印加された電圧に応じた強さの電場がかかる位置に光受信部を配置することを指し、例えば、クラッド部を介して電極と光受信部とが対向して設けられるような場合を指す。この場合、コア部内の光を、電極及びクラッド部を透過して外部に漏出させることができるため、電極及び光受信部の配置に自由度を持たせることができる。
【００１２】
コア部は、少なくとも一部が湾曲する湾曲部を有し、湾曲部には、電極及び光受信部が設けられてもよい。湾曲部を形成することにより、クラッド部とコア部との境界面に対して臨界角以下の角度で進入する光が増加し、このような光は、電極への電圧の非印加時においてもクラッド部に透過されて外部に漏出する。したがって、電極への電圧の印加時にクラッド部の外部に漏出する光は、湾曲部を形成したことによって外部に漏出するようになった光と、電気光学効果によって外部に漏出するようになった光とを含む。すなわち、光受信部に供給される光の量が増加するため、電圧の測定精度をさらに向上することが可能となる。
また、光受信部は、湾曲部の凸面側に配置されてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、光導波路型電圧センサにおいて、簡単な構成で精度よく電圧を測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１に係る光導波路型電圧センサの構成を示す概略図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図３】実施の形態１に係る光導波路型電圧センサにおいて光がコア部を伝播する様子を示す概略図であり、（ａ）はコア部の直線部、（ｂ）はコア部の湾曲部を示す。
【図４】この発明の実施の形態２に係る光導波路型電圧センサの構成を示す概略図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係る光導波路型電圧センサの構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、この発明の実施の形態について添付図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この実施の形態１に係る光導波路型電圧センサ１０（以下、電圧センサ１０と略称する）の構成を概略的に示す。
電圧センサ１０は、光が透過可能な透明な材料から形成されたクラッド部１１を備えている。クラッド部１１の内部には略Ｌ字状のコア部１２が設けられており、コア部１２の外周部をクラッド部１１が覆った状態となっている。コア部１２の一端には、光ファイバ１３を介して光源１４が接続されており、光源１４が発した光をコア部１２に入射可能となっている。また、コア部１２の他端には光ファイバ１５が接続されており、コア部１２を通過した光が光ファイバ１５内を伝播するようになっている。尚、コア部１２は、光ファイバ１３が接続された直線部１２ａと、光ファイバ１５が接続された直線部１２ｃとが、所定の半径で湾曲した湾曲部１２ｂを介してつながれることによって略Ｌ字状に形成されている。
【００１６】
クラッド部１１とコア部１２とは互いに異なる屈折率を有しており、クラッド部１１の第１の屈折率ｎ１に対し、コア部１２の第２の屈折率ｎ２が大きくなっている。したがって、光源１４からコア部１２に入射された光のうち、クラッド部１１とコア部１２との境界面Ｓに対して臨界角α（図３参照）以上の角度で進入する光は、境界面Ｓで全反射されてコア部１２内を伝播するようになっている。尚、臨界角αは、第１の屈折率ｎ１と第２の屈折率ｎ２とに応じて定まる角度であり、境界面Ｓに対して臨界角α以下の角度で光が進入する場合、その光はコア部１２からクラッド部１１に透過される。
【００１７】
図２に示すように、コア部１２の湾曲部１２ｂにおける上部と下部とには、一対の電極１６、１７が互いに対向するように設けられている。電極１６、１７は、電圧測定の対象である被測定回路１８に電気的に接続されており、これらの電極間に被測定回路１８の電圧が印加されると、その電圧に応じた強さの電場が湾曲部１２ｂにかかるようになっている。また、クラッド部１１の側部において、湾曲部１２ｂの凸面１２ｄ側（外周側）に位置する部位（図１参照）には、例えばフォトカプラやフォトトランジスタ、あるいはフォトダイオード等、光の強度を検知可能な光受信部１９が設けられている。後に詳述するように、電圧センサ１０は、湾曲部１２ｂからクラッド部１１の外部に光を漏出可能となるように構成されており、このように漏出した光の強度が光受信部１９によって検知される。
【００１８】
以上のように構成される電圧センサ１０において、コア部１２は、印加された電圧に応じて第２の屈折率ｎ２が変化する電気光学効果の１つである、ポッケルス効果を有する材料から形成されている。より具体的に説明すると、電極１６と電極１７との間に被測定回路１８の電圧が印加されると、ポッケルス効果によってコア部１２の第２の屈折率ｎ２が小さくなるように変化し、第２の屈折率ｎ２とクラッド部１１の第１の屈折率ｎ１との差が小さくなる。したがって、コア部１２の湾曲部１２ｂ内において、被測定回路１８の電圧に応じた量の光がクラッド部１１に透過するようになる。
【００１９】
ここで、クラッド部１１は、光が透過可能な透明な材料から形成されているため、湾曲部１２ｂからクラッド部１１に透過した光は、図２の矢印Ａで示すように、クラッド部１１をそのまま通過して外部に漏出するようになる。このように漏出するようになった光の一部は光受信部１９に到達し、その強度を検知される。尚、上述したようなコア部１２の材料としては、例えばＬｉＮ（リチウムナイトライド）等のように圧電性があり、等方性且つ交換非対称性の結晶からなる材料が用いられる。また、クラッド部１１の材料としては、例えばシリコン等が用いられる。
【００２０】
また、コア部１２に電場をかける一対の電極１６、１７は、所定の半径で湾曲した湾曲部１２ｂに設けられている。ここで、図３（ａ）において一点鎖線の矢印Ｌで示すように、コア部１２の直線部１２ａに入射された光の大部分は、クラッド部１１とコア部１２との境界面Ｓに対して臨界角α以上の角度で進入し、境界面Ｓにおける全反射を繰り返しながら直線部１２ａ内を伝播する。一方、図３（ｂ）において一点鎖線の矢印Ｌで示すように、コア部１２の湾曲部１２ｂでは、クラッド部１１とコア部１２との境界面Ｓに対して臨界角α以下の角度で進入する光が増加し、このような光は、電極１６、１７（図２参照）間に電圧が印加されていなくてもクラッド部１１に透過される。すなわち、電圧センサ１０において、電極１６、１７間への電圧の印加時にクラッド部１１の外部に漏出する光は、コア部１２に湾曲部１２ｂを形成したことによって漏出するようになった光と、ポッケルス効果によって漏出するようになった光とを含むものとなる。したがって、ポッケルス効果のみを利用して光を外部に漏出させる場合と比較すると、光受信部１９に供給される光の量を増加させることが可能となっている。
【００２１】
次に、この発明の実施の形態１に係る光導波路型電圧センサ１０を用いて被測定回路１８の電圧を測定する方法について説明する。
図１に示すように、まず、光源１４が光ファイバ１３を介して電圧センサ１０に接続され、光源１４から発せられる光がコア部１２の直線部１２ａに入射される。直線部１２ａを通過して湾曲部１２ｂに到達した光の一部は、クラッド部１１とコア部１２との境界面Ｓに対して臨界角α（図３（ｂ）参照）以下の角度で進入し、クラッド部１１に透過されて外部に漏出する。残りの光、すなわち臨界角α以上の角度で境界面Ｓに進入した光は境界面Ｓで反射され、直線部１２ｃを通過して光ファイバ１５内を伝播する。尚、湾曲部１２ｂにおいて、その湾曲方向における外周側に漏出した光は光受信部１９に到達し、その強度を検知される。
【００２２】
次いで、湾曲部１２ｂに設けられた電極１６、１７（図２参照）と被測定回路１８とが電気的に接続され、電極１６と電極１７との間に電圧が印加される。これらの電極１６、１７間に電圧が印加されて湾曲部１２ｂに電場がかかると、コア部１２の第２の屈折率ｎ２がポッケルス効果によって変化し、第２の屈折率ｎ２とクラッド部１１の第１の屈折率ｎ１との差が小さくなる。これらの屈折率の差が小さくなることにより、湾曲部１２ｂ内の光はクラッド部１１に透過される。クラッド部１１は、光が透過可能な材料から形成されているため、湾曲部１２ｂからクラッド部１１に透過した光は、クラッド部１１をそのまま通過して外部に漏出する（矢印Ａ参照））。このように漏出した光のうち、湾曲部１２ｂの凸面１２ｄ側（外周側）に漏出した光は光受信部１９に到達し、その強度を検知される。
【００２３】
ここで、ポッケルス効果によってコア部１２の第２の屈折率ｎ２が変化する量は、湾曲部１２ｂにかかっている電場の強さ、すなわち、電極１６と電極１７との間に印加されている被測定回路１８の電圧の大きさに応じたものとなっている。すなわち、クラッド部１１の外部に漏出する光の強度も被測定回路１８の電圧の大きさに応じたものとなるため、光受信部１９が検知した光の強度に基づいて、被測定回路１８の電圧が求められる。光受信部１９は、検知した光の強度に基づいて電圧を算出する図示しない測定部を有しており、この測定部によって被測定回路１８の電圧が求められる。
【００２４】
以上のように、第１の屈折率ｎ１を有するとともに光が透過可能なクラッド部１１と、第１の屈折率ｎ１より大きい第２の屈折率ｎ２を有するとともに電極１６、１７が設けられた光導波路型電圧センサ１０において、ポッケルス効果を有する材料からコア部１２を形成したので、ポッケルス効果によってクラッド部１１の外部に漏出した光の強度を光受信部１９で検知することにより、被測定回路１８の電圧が求められる。ポッケルス効果を利用して被測定回路１８の電圧を測定するため、被測定回路１８と光導波路型電圧センサ１０との間における電気の授受がなく、電圧測定の精度が向上する。また、被測定回路１８の電圧を、クラッド部１１の外部に漏出する光の強度の変化量、すなわちコア部１２の第２の屈折率ｎ２の変化量に基づいて測定するため、ルチル平板等の複屈折材料や波長板及び反射板等を必要とすることなく、電圧センサ１０を構成できる。したがって、光導波路型電圧センサ１０において、簡単な構成で精度よく電圧を測定することが可能となる。
【００２５】
また、コア部１２は、電極１６、１７が設けられる湾曲部１２ｂを含むため、湾曲部１２ｂにおいて、境界面Ｓに対して臨界角α以下の角度で進入される光が増加し、このような光は、電極１６、１７への電圧の非印加時においてもクラッド部１１に透過されて外部に漏出する。すなわち、湾曲部１２ｂを形成することにより、光受信部１９に供給される光の量が増加するため、電圧の測定精度をさらに向上することが可能となる。
【００２６】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る光導波路型電圧センサについて説明する。
この実施の形態２に係る電圧センサは、実施の形態１に係る電圧センサ１０が略Ｌ字状に形成されたコア部１２を備えていたのに対し、直線状に形成されたコア部を備えるように構成したものである。尚、以下の実施の形態において、図１〜３に示される符号と同一の符号は同一または同様な構成要素であるため、その詳細な説明は省略する。
【００２７】
図４に示すように、電圧センサ２０は、直線状のコア部２２を備えており、コア部２２の外周部をクラッド部２１が覆っている。コア部２２の一部には、被測定回路１８に接続された電極１６、１７が設けられている。また、クラッド部２１の側部において電極１６、１７の近傍に位置する部位には、光受信部１９が設けられている。クラッド部２１は、実施の形態１におけるクラッド部１１と同様に、第２の屈折率ｎ２を有するとともに透明な材料から形成されている。また、コア部２２も、実施の形態１におけるコア部１２と同様に、第２の屈折率ｎ２を有するとともにポッケルス効果を有する材料から形成されている。その他の構成については、実施の形態１と同様である。
【００２８】
すなわち、この実施の形態２に係る電圧センサ２０は、コア部２２からクラッド部２１の外部への光の漏出を、電極１６と電極１７との間に印加される被測定回路１８の電圧によるポッケルス効果のみによって発生させるように構成したものである。このように、直線状のコア部２２を備えるように電圧センサ２０を構成した場合、実施の形態１に係る電圧センサ１０と比較すると、コア部２２が湾曲部を含んでいない分、光の漏出量は少なくなる。しかしながら、クラッド部２１の外部に漏出する光の強度自体は、被測定回路１８の電圧に応じて変化するため、実施の形態１と同様に、簡単な構成で精度よく電圧を測定可能であるという効果を得ることができる。
【００２９】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る光導波路型電圧センサについて説明する。
この実施の形態３に係る電圧センサは、実施の形態１に係る電圧センサ１０に対し、被測定回路の電圧が印加される一対の電極を透明な材料から形成したものである。図５に示すように、電圧センサ３０は、湾曲部１２ｂを含むコア部１２を備えている。また、湾曲部１２ｂにおいて、その湾曲方向の内周側と外周側となる両側部には電極３６及び電極３７が設けられており、これらの電極３６、３７と被測定回路１８とが電気的に接続されている。その他の構成については、実施の形態１と同様である。
【００３０】
このように、コア部１２の湾曲部１２ｂに設けられる電極３６、３７を透明な材料から形成した場合、矢印Ｂで示されるように、湾曲部１２ｂ内の光は電極３６、３７を通過してクラッド部１１に透過し、外部に漏出して光受信部１９に到達する。すなわち、湾曲部１２ｂの周方向において、いずれの方向にも光が漏出するようになるため、電極３６、３７及び光受信部１９の配置に自由度を持たせることが可能となる。例えば、図２に示される電極１６、１７を透明とした場合、光受信部１９をクラッド部１１の側部ではなく、上部または下部等に配置することも可能となる。
【００３１】
実施の形態１、３におけるコア部は略Ｌ字形状に形成され、コア部の形状に沿うようにクラッド部も形成されたが、コア部及びクラッド部の形状を略Ｌ字状に限定するものではない。コア部は、光がクラッド部に透過可能となるような湾曲部を一部に含んでいればよく、例えば、直線状のコア部の途中に略Ｕ字状の湾曲部を形成すること等も可能である。また、クラッド部は、コア部からクラッド部に透過した光を外部に漏出させることが可能であればよいため、例えば矩形等の他の形状とすることも可能である。
【００３２】
実施の形態１〜３におけるクラッド部は、光が透過可能な透明な材料から形成されたが、可視光線に対して完全に透明であることに限定するものではない。光受信部がクラッド部の外部に漏出した光の強度を検知できれば電圧の測定は行えるため、例えば半透明な材料等からクラッド部を形成することも可能である。
【００３３】
実施の形態１、２におけるコア部は、電気光学効果としてポッケルス効果を有する材料から形成されたが、電気光学効果をポッケルス効果に限定するものではない。電場の強さの２乗に比例して物質の屈折率が変化するカー効果等を有する材料からコア部を形成することも可能であり、この場合においても、実施の形態１、２と同様の効果を得ることができる。尚、カー効果を有する材料としては、例えばＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）やＬｉＮｂＯ３（リチウムナイオベート）のように、六方晶や正方晶などの結晶構造を有する材料が挙げられる。
【００３４】
また、実施の形態１〜３における光導波路型電圧センサの構成は、光ファイバに適用することも可能である。光ファイバは、被測定回路の電圧や電流の他に、例えば被測定物のひずみ、振動あるいは温度等、様々な物理量を測定するためのセンサとして適用することが可能である。このような特性から、近年、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＶ）等の車両内に複数の各種センサや車両の制御機器等を設け、光ファイバを介してそれらを接続したセンサネットワークを構築することが注目されている。光ファイバに複数の波長の光を入射し、各波長を複数個所の電圧測定や電圧以外の物理量測定、あるいは測定した物理量以外の情報伝達に振り分ければ、車両内に１本の光ファイバを敷設するだけでセンサネットワークを構築できる。
【００３５】
ここで、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＶ）に搭載されるバッテリーは、数十個から数百個のセルを含んでいるが、これらのセルの電圧をチェックするために従来の電気式の電圧計を各セルに設けることは現実的ではない。一方、電気光学効果を有する材料から光ファイバのコアを形成し、本発明に係る光導波路型電圧センサと同様の構成を有する電圧センサ部を複数箇所に形成すれば、１本の光ファイバ内を伝播する光を利用して各セルの電圧測定を行うことが可能となる。すなわち、本発明に係る光導波路型電圧センサを光ファイバに適用した場合、従来の電気式電圧センサを各セルに設ける必要がなくなるため、電圧を測定するための消費電力を低減することも可能となる。尚、上述したように車両内に光ファイバを敷設した場合、光ファイバの敷設距離は短いため、光ファイバ内を伝播する光が減衰しても、電圧測定等の用途に問題は生じない。
【符号の説明】
【００３６】
１０，２０，３０  光導波路型電圧センサ、１１，２１  クラッド部、１２，２２  コア部、１２ｂ  （コア部の）湾曲部、１６，１７，３６，３７  電極、１８  被測定回路、１９  光受信部、ｎ１  第１の屈折率、ｎ２  第２の屈折率。
【図１】
2013047627.tif 000003
【図２】
2013047627.tif 000004
【図３】
2013047627.tif 000005
【図４】
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【図５】
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