(57)【要約】      （修正有）【課題】土壌中の水分状態の測定精度を向上させることができるセンサモジュール、測定システム、及び測定方法を提供する。【解決手段】センサモジュール１０は、測定対象である土壌に接触する接触面が親水性を有する筐体１２と、筐体１２の接触面に設けられ、土壌中の水分状態を測定するセンサチップ１６とを備え、測定対象と前記センサチップ１６との密着性が均等になるように、制御部２４は前記センサチップ毎に突出量を調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象に接触する接触面が親水性を有する筐体と、
前記筐体の前記接触面に設けられ、前記測定対象中の水分状態を測定するセンサチップと、
を備えた、センサモジュール。
【請求項２】
前記センサチップを、前記筐体の前記接触面から前記測定対象中に突出させる可動部をさらに備えた、
請求項１に記載のセンサモジュール。
【請求項３】
前記センサチップは複数備えられており、
前記可動部は、前記センサチップ毎に、突出量が調整可能である、
請求項２に記載のセンサモジュール。
【請求項４】
前記可動部は、前記測定対象と前記センサチップとの密着性が均等になるように、前記センサチップ毎に突出量を調整する、
請求項３に記載のセンサモジュール。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のセンサモジュールと、
前記センサモジュールのセンサチップに前記測定対象中の水分状態を測定させる制御を行う制御装置と、
を備えた測定システム。
【請求項６】
測定対象に接触する接触面が親水性を有する筐体と、前記筐体の前記接触面に設けられ、前記測定対象中の水分状態を測定するセンサチップと、を備えた、センサモジュールに対して、前記測定対象の水分状態を測定させる測定指示を出力し、
前記センサモジュールにより、前記測定指示に基づいてセンサチップが前記測定対象の水分状態を測定して測定結果を出力する、
工程を含む、測定方法。
【請求項７】
前記測定対象の水分状態を測定する前に、前記センサモジュールのセンサチップを測定対象中に突出させる工程をさらに含む、
請求項６に記載の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサモジュール、測定システム、及び測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、土壌の状態を測定することが行われている。例えば、農地における農薬の散布状態等を観測するために、土壌中の塩類濃度が上昇すると、電気伝導度が高くなることから土壌の電気伝導度（Electric Conductivity：ＥＣ）等を測定することが行われている。例えば、特許文献１には、土壌中のＥＣ値の分布をリアルタイムで計測することができる土壌用センサが記載されている。
【０００３】
また、電気伝導度、静電容量、及びＴＤＲ（Time Domain Reflectometry）等は、土壌の体積含水率との間に相関関係があるため、これらを測定することにより、土壌の水分状態を測定することも可能である。
【０００４】
そこで、土壌中の体積含水率の経時変化から土砂災害の発生の予測を行うことも試みられている。ここで、電気伝導度や静電容量は土壌のインピーダンスを計測することにより測定することができる。周波数が低い場合には、抵抗成分としての電気伝導度が、周波数が高い場合には静電容量が測定できる。一般的に、電気伝導度は水の中のイオンの量を、静電容量は水分量を測定する場合が多い。
【０００５】
しかしながら電気伝導度は土壌中の水分含有量によって変化することから、測定時の土壌の水分含有量を一定にする等、条件を整えて測定することが好ましい。また、土壌中の水分含有量が少ないと、電気伝導度をセンサで正しく測定できない場合がある。
【０００６】
そのため、特許文献１では、土壌センサに給水手段を備え、土壌の体積含水率の計測結果に基づいて、給水手段による給水を制御する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１３０２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
土壌中の水の流路について考察すると、水は土壌中の空気が存在する間隔部を通り地中深くに流れるが、その際にどの個所でも流れるわけではなく、疎水性の高い部分、言い換えると保水力の低い部分を通って流れている。また、一度流路が形成されると後続の水も当該流路を通過するために、センサの電極部周辺に流路が形成されないと、単に特許文献１に記載の技術のように給水手段を設けただけでは、電気伝導度等を正確に測定することができない。
【０００９】
本発明は、測定精度を向上させることができるセンサモジュール、測定システム、及び測定方法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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明のセンサモジュールは、測定対象に接触する面が親水性を有する筐体と、前記筐体の表面に設けられ、前記測定対象中の水分状態を測定するセンサチップと、を備える。
【００１１】
また、本発明の測定システムは、本発明のセンサモジュールと、前記センサモジュールのセンサチップに前記測定対象中の水分状態を測定させる制御を行う制御装置と、を備える。
【００１２】
また、本発明の測定方法は、測定対象に接触する面が親水性を有する筐体と、前記筐体の表面に設けられ、前記測定対象中の水分状態を測定するセンサチップと、を備えた、センサモジュールに対して、前記測定対象の水分状態を測定させる測定指示を出力し、前記センサモジュールにより、前記測定指示に基づいてセンサチップが前記測定対象の水分状態を測定して測定結果を出力する、工程を含む。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、測定精度を向上させることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態の測定システムの一例の概略構成図である。
【図２】本実施形態のセンサモジュールの一例の概略構成を示す断面図である。
【図３】本実施形態のセンサモジュールの他の例の概略構成を示す断面図である。
【図４】本実施形態の筐体の表面が疎水性の場合のセンサモジュールにおける、筐体の表面における水の流れについて説明する模式図である。
【図５】砂を充填した透明なチューブの砂中に本実施形態のセンサモジュールを埋設した状態で、チューブの上部から水を注いだ場合の親水状況を模式的に示した模式図である。
【図６】比較例である筐体の表面が疎水性の場合のセンサモジュールにおける、筐体の表面における水の流れについて説明する模式図である。
【図７】砂を充填した透明なチューブの砂中に比較例のセンサモジュールを埋設した状態で、チューブの上部から水を注いだ場合の親水状況を模式的に示した模式図である。
【図８】本実施形態の測定システム１における水分状態の測定の流れの一例を表すフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下では、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。
【００１６】
まず、本実施形態の測定システム１の構成について説明する。図１に示すように本実施形態の測定システム１は、センサモジュール１０及び制御装置２０を備える。
【００１７】
図１に示すようにセンサモジュール１０は、端子部１４を介して配線２により制御装置２０と接続されており、筐体１２の表面に３つのセンサチップ１６（１６１〜１６３、以下、個々を区別しない場合は個々を区別するための符号を省略して「センサチップ１６」という）が設けられている。なお、センサチップ１６の数は、３つに限定されるものではなく、その数は特に限定されるものではない。なお、センサチップ１６を複数備える場合、センサチップ１６の配置は、図１に示すように筐体１２の長さ方向に対して直線上に並んだ配置としてもよいし、螺旋状に並んだ配置としてもよく、配置の仕方も限定されるものではない。
【００１８】
本実施形態のセンサモジュール１０では、３つのセンサチップ１６が所定の間隔（具体例として２０ｃｍ間隔等）で筐体１２の表面に配置されており、外側に向け突出が可能とされている（詳細後述）。
【００１９】
本実施形態のセンサチップ１６は、いわゆるマルチモーダルセンサである。本実施形態のセンサチップ１６は、土壌の水分状態として、土壌のインピーダンス、温度、及びｐＨを検出する。そのため、センサチップ１６は、インピーダンスを検出するための電極と、ｐＨを測定するための電極とを備える。なお、土壌のインピーダンスを検出することにより、土壌の電気伝導度を測定することができ、ｐＨを検出することにより土壌の酸性度を測定することができる。
【００２０】
図２に示すようにセンサモジュール１０は、筐体１２の内部に、センサチップ１６、可動部５０、突起部６０、基材６２、及びコネクタ６４を備えている。
【００２１】
各センサチップ１６は、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits：フレキシブルプリント基板）等の配線部材６６を用いて、基材６２に設けられたコネクタ６４に電気的に接続されている。
【００２２】
可動部５０は、可動部材５２と、台座５６上に設けられた押出部５４を備えている。押出部５４は、センサチップ１６の裏面（土壌と接触しない側の面）に設けられた突起部６０に接触している。
【００２３】
可動部５０は、制御装置２０の指示に基づいて、センサチップ１６をセンサモジュール１０の表面から外部に向けて突出させる。具体的には、図２（２）に示すように、押出部５４が楔形形状を有しているため、可動部材５２が矢印Ａ方向に移動すると、押出部５４により突起部６０及びセンサチップ１６が矢印Ｂ方向に押し出される。
【００２４】
なお、図２に示した一例では、可動部５０が、全てのセンサチップ１６を一括してセンサモジュール１０の外部へ突出させる場合を示しているが、センサチップ１６毎にセンサモジュール１０の外部に突出させるようにしてもよい。例えば、図３に示すように、押出部５４（センサチップ１６）毎に可動部材５２を設け、可動部材５２毎に矢印Ａ方向に移動させればよい。また例えば、突起部６０と押出部５４との間にばね等を設け、当該ばね等を介して突出量や土壌に対する圧力を調整してもよい。
【００２５】
この場合、センサチップ１６毎に突出量を異ならせることができる。例えば、図３に示すように各センサチップ１６に圧力センサを設け、圧力センサの測定結果に応じて、土壌との密着性（具体的には圧力）が各センサチップ１６間で均等になるように、制御装置２０が可動部５０によりセンサチップ１６の突出量を調整してもよい。
【００２６】
また例えば、土壌に深く埋設される先端部側のセンサチップ１６１よりも、端子部１４側のセンサチップ１６３の方が突出量が多くなるように突出させてもよい。また例えば、上記とは逆に、先端部側のセンサチップ１６１よりも、端子部１４側のセンサチップ１６３の方が突出量が少なくなるように突出させてもよい。また、測定対象の土壌の土質や水分量等に応じて、突出量を決定するようにしてもよい。突出量をどのようにするかは、実験等により得られた結果に基づいて定めるようにしてもよい。なお、上記突出量の調整は、制御装置２０ではなく、センサモジュール１０が行ってもよい。
【００２７】
なお、本実施形態のセンサモジュール１０は、センサチップ１６を表面から外部に突出させるため、センサチップ１６と筐体１２との隙間から水分等が筐体１２の内部に侵入しないように、センサチップ１６と筐体１２との境界を覆うシール部材等により防水機構を設けることが好ましい。
【００２８】
また、本実施形態の筐体１２は、円筒形状を有しており、親水性の材料により形成されている。本実施形態では、一例として、筐体１２の大きさを、長さが約１００ｃｍ、及び直径が５ｃｍ〜６ｃｍとしている。また、本実施形態では、筐体１２を形成する親水性の材料の一例として、グラスファイバ等を用いている。なお、筐体１２は、土壌と接する表面が親水性を有していればよく、例えば、疎水性の素材の表面に親水性のコーティング（例えば、親水性シリカ系コーティング等）を施したものであってもよい。
【００２９】
筐体１２の表面を親水性とした場合、図４に模式図を示したように、筐体１２の表面が周囲の土壌と同様の状態となり、土壌粒子と筐体１２の表面との間に水が留まり、筐体１２の表面全体に拡散するように水が流れる。図５は、透明なチューブ９０の中に砂を充填し、当該砂中に本実施形態のセンサモジュール１０を埋設した状態で、チューブ９０の上部から水を注いだ場合の親水状況を模式的に示している。図５に示すように、本実施形態のセンサモジュール１０を埋設した場合、チューブ９０の側壁にそって、ゆっくりと水が下方向に流れていく。
【００３０】
一方、比較例として図６には、筐体１１２の表面が疎水性の場合のセンサモジュール１００における、筐体１１２の表面における水の流れについて説明する模式図を示す。図６に示すように、筐体１１２の表面が疎水性の場合、水が界面を伝わって流れることにより流路を形成し、当該流路に沿って水が流れるようになる。そのため、流路以外の筐体１１２の表面には、水が流れず、センサチップ１６の表面が乾いた状態になる場合がある。このように、筐体１１２の表面が疎水性の場合、センサチップ１６の周囲の環境が、実際の測定対象である土壌中の環境と異なった状態になることがある。図７は、上記図５に示した場合と同様に、透明なチューブ９０の中に砂を充填し、当該砂中に比較例のセンサモジュール１００を埋設した状態で、チューブ９０の上部から水を注いだ場合の親水状況を模式的に示している。図７に示すように、比較例のセンサモジュール１００を埋設した場合、流路が形成された場所を通過して水が下方向に流れていくため、チューブ９０の下部に水が溜まっていってしまう。
【００３１】
このように、本実施形態のセンサモジュール１０では、筐体１２の表面を親水性としたことにより、センサモジュール１０の表面の保水力を高めることができるため、センサチップ１６が設けられた場所以外の流れる水がそのまま下方向に流れずに、筐体１２の表面に拡散するように流れる。その結果、筐体１２全面に水がいきわたりセンサチップ１６近傍の水分量を測定毎に一定とすることができ、測定結果が大きく変動することを防止できる。
【００３２】
一方、図１に示すように、制御装置２０は、測定部２２、制御部２４、記憶部２６、表示部２８、及び通信部３０を備えている。
【００３３】
制御部２４は、制御装置２０の全体的な動作を司る。制御部２４は、具体的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びＲＡＭ（Random Access Memory）等により構成されている。測定部２２は、制御部２４の指示により、センサモジュール１０に土壌の水分状態の測定を行わせる。センサモジュール１０から出力された測定結果は、配線２を介して制御装置２０に入力され、記憶部２６に記憶される。記憶部２６は、フラッシュメモリ等の不揮発性の記憶部である。
【００３４】
また、センサモジュール１０のセンサチップ１６によるインピーダンスの測定は、温度による影響を受けるため、本実施形態では、制御装置２０の記憶部２６には、温度毎の補正値が記憶されている。測定部２２は、センサチップ１６が検出した温度に対応する補正値を用いて、センサチップ１６が検出したインピーダンスの補正を行うことで、より正確に土壌のインピーダンスを検出し、電気伝導度を測定することができる。電気伝導から土壌中の体積含水率を導出することができるため、より正確に土壌中の体積含水率を導出することができるようになる。これにより、例えば、土砂災害の発生予測の精度を向上させることが可能となる。なお、当該補正は、センサモジュール１０に記憶部を設けて補正値を記憶させておき、センサモジュール１０内で当該記憶部から読み出した補正値に基づいて補正を行い、補正後の測定結果を出力するようにしてもよい。
【００３５】
なお、電気伝導から土壌中の体積含水率を導出する方法は特に限定されない。例えば、センサチップ１６が備える１対の電極の位相変化θによりイオン濃度を特定し、特定されたイオン濃度を基準にして、測定された電気伝導度より土壌の水分量を特定する方法（例えば、国際公開２０１１／１５８８１２号）が挙げられる。また例えば、２点間の電磁波の伝播速度から、その間の水分量を求めるＴＤＲ法（例えば、特開平１０−６２３６８号公報参照）や、土壌の静電容量を測定する方法（例えば、特開２００１−２１５１７号公報参照）等が挙げられる。
【００３６】
上記と同様に土壌中のｐＨを検出し、その値を観測することで、より正確に土壌中の水分の変化を捉えることができる。そのため、急激な水の置換や地下水の上昇等の兆候を知ることができ。本実施形態の測定システム１では、このように土砂災害の発生予測を多角的にとらえることができる。
【００３７】
土壌中のｐＨを測定する方法も特に限定されない。例えば、センサチップ１６が、参照電極及びｐＨ感応膜を有する場合、土壌中の水素イオン濃度に応じて当該参照電極とｐＨ感応膜との間の電圧変化に応じてセンサチップ１６を流れる電流が変化するので、その変化を電圧変化に変換して検出することによりｐＨを検出する方法が挙げられる。
【００３８】
表示部２８は、測定に関する情報や、センサモジュール１０自身に関する情報等を表示するものであり、具体例としては、液晶ディスプレイ等が挙げられる。通信部３０は、ネットワーク３を介して外部の管理装置４０と通信を行うためのものであり、いわゆる通信インターフェースである。
【００３９】
なお、本実施形態の測定システム１では、センサモジュール１０及び制御装置２０は隣接した位置に設けられている。具体例としては、制御装置２０は、測定対処の土壌中に埋設されたセンサモジュール１０と数１０ｃｍ〜数ｍ離れた位置に設けられる。一方、管理装置４０は、センサモジュール１０及び制御装置２０から離れた場所に設けられていてもよい。
【００４０】
次に、本実施形態の測定システム１による土壌の水分状態の測定方法を説明する。図８には、本実施形態の測定システム１における水分状態の測定の流れの一例を表すフローチャートを示す。
【００４１】
図８に示すように、まず、ステップＳ１００でセンサモジュール１０を土壌中に埋設する。センサモジュール１０を土壌に埋設するにあたっては、まずドリル等で地面に開口部を形成する。その際に開口部の径は、センサモジュール１０の径とほぼ同じ若しくは、センサモジュール１０の系よりも小さくなるように開口を行う。具体的に、どの程度の径とするかは、土質に基づいて決定することができる。一例として、土壌の土質が硬質の場合、開口部の径とセンサ本体の径とをほぼ同じ径とする。一方、土質が軟質の場合、開口部から下方に掘り進めていくにあたって、上側の径が広がっていく傾向にある。この場合、センサモジュール１０の端子部１４側に設けたセンサチップ１６の土壌との密接性が低下する可能性があるため、開口部側の径を小さくすることが好ましい。そのため、土質が軟質の場合は、例えば開口部の径をセンサ本体の径よりも１０％程度小さくする。
【００４２】
開口部から下方に掘り進めてボーリングした穴にセンサモジュール１０を挿入し、土壌中に埋設する。
【００４３】
次のステップＳ１０２では、センサチップ１６を土壌中に突出させる。本実施形態では、制御装置２０から出力された指示に基づいて、センサモジュール１０の可動部５０が上述のように、センサチップ１６を土壌中に突出させる。
【００４４】
なお、センサチップ１６を突出させる前と突出させた後で測定を行い、突出前後の測定結果を比較することにより、センサチップ１６の土壌への接触具合を評価し、突出量を調整することが好ましい。
【００４５】
次のステップＳ１０４では、制御装置２０の制御部２４が測定タイミングであるか否かを判定する。測定タイミングは特に限定されない。測定タイミングは、例えば、１日１回や、２４時間毎等、予め定められた所定のタイミングとしてもよい。また例えば、管理装置４０等から、測定の指示を受信した場合であってもよい。
【００４６】
測定タイミングではない場合（ステップＳ１０４のＮ）、待機状態となる。一方、測定タイミングの場合（ステップＳ１０４のＹ）、次のステップＳ１０６では、土壌中の水分状態を測定し、制御装置２０の記憶部２６に記憶する。具体的には、上述したように制御装置２０の指示に応じてセンサモジュール１０がセンサチップ１６を用いて土壌中の水分状態の測定を行い、測定結果を制御装置２０に出力する。
【００４７】
制御装置２０は、受信した測定結果に対して、上述したように記憶部２６に記憶されている補正値を用いて補正を行い、補正した測定結果から土壌中の体積含水率を求めて、体積含水率を測定結果として記憶部２６に記憶させる。
【００４８】
次のステップＳ１０８では、制御装置２０の制御部２４が測定結果（体積含水率）を管理装置４０に送信するか否かを判定する。管理装置４０に測定結果を送信するタイミングは特に限定されない。例えば、体積含水率を求める毎に、管理装置４０に送信してもよい。また例えば、３日に１回や、７２時間毎等、予め定められた所定のタイミングであってもよい。
【００４９】
測定結果を送信するタイミングではない場合（ステップＳ１０８のＮ）、ステップＳ１１２へ移行する。一方、測定結果を送信するタイミングの場合（ステップＳ１０８のＹ）、次のステップＳ１１０では、測定結果を管理装置４０に送信する。
【００５０】
管理装置４０では、制御装置２０から土壌の体積含水率を元に、土砂災害の起こる確率や危険度等を総合的に判断し、各種警報や指示を行う指標として用いることができる。なお、上記判断結果を管理装置４０等に接続されるディスプレイ等の表示装置に表示させるようにしてもよいし、携帯端末装置やパソコン等、他の装置に送信するようにしてもよい。
【００５１】
測定を繰り返す場合（ステップＳ１１２でＮ）は、上記ステップＳ１０４〜Ｓ１１０の工程を繰り返す。一方、センサモジュール１０を土壌中から取り出す場合等は、ステップＳ１１２で肯定判定となり、本実施形態の測定システム１による測定が終了する。
【００５２】
以上説明したように本実施形態のセンサモジュール１０は、測定対象である土壌に接触する接触面が親水性を有する筐体１２と、筐体１２の接触面に設けられ、土壌中の水分状態を測定するセンサチップ１６と、を備える。
【００５３】
本実施形態のセンサモジュール１０では、筐体１２の土壌と接触する表面を親水性としたため、上述のように、センサモジュール１０の表面の保水力を高めることができる。これにより、筐体１２全面に水がいきわたりセンサチップ１６近傍の水分量を測定毎に一定とすることができ、測定結果が大きく変動することを防止できる。
【００５４】
従って、本実施形態のセンサモジュール１０によれば、測定精度を向上させることができる。
【００５５】
また、本実施形態のセンサモジュール１０によれば、可動部５０によりセンサチップ１６を筐体１２の表面から土壌中に突出させるため、土壌との密接性が高まることで観測精度を向上させることが可能となる。
【００５６】
また、本実施形態のセンサモジュール１０では、土壌中の水分状態を検出するためのセンサを半導体チップであるセンサチップ１６としたことにより、小型化が実現でき、直径の小さな筐体１２において高機能な計測素子を任意の位置に形成できる。また、センサチップ１６を用いることにより、比較的小面積な領域に温度センサ並びにｐＨセンサも配置することができるため、より高精度の測定が可能となる。
【００５７】
なお、本実施形態では、測定システム１を土砂災害の監視に適用する場合を例として説明したが、測定システム１の適用範囲は特に限定されるものではない。例えば、農地のイオン状態を監視し、適切な農薬散布量を求める等、農地の監視に適用することも可能である。
【００５８】
また、本実施形態では、測定対象が土壌である場合について説明したが、測定対象は特に限定されるものではない。
【００５９】
また、本実施形態のセンサモジュール１０は、測定結果を制御装置２０に出力していたが、これに限らず、例えば、センサモジュール１０が通信インターフェースを備え、管理装置４０に直接、測定結果を出力するようにしてもよい。
【００６０】
また、本実施形態では、センサモジュール１０の筐体１２の形状が円筒形状である場合について説明したが、筐体１２の形状は特に限定されない。例えば、土壌中に埋設する場合、上述したように土壌の開口部から下方に掘り進めていくにあたって、上側の径が広がっていく傾向に対応するために、筐体１２の形状を先端部側に行くにしたがって小径となるような円錐形状としてもよい。
【００６１】
また、本実施形態では、センサチップ１６が、土壌中のインピーダンス、ｐＨ、及び温度を検出する場合について説明したが、これらに限らず、その他の土壌中の水分の状態に関する検出を行ってもよい。また、センサモジュール１０は、その他のセンサ等を備えていてもよい。その他のセンサ等としては、例えば、雨量計、圧力センサ、加速度センサ、及びＧＰＳ（Global Positioning System）等が挙げられる。
【００６２】
また、本実施形態では、制御装置２０の指示に応じて、センサモジュール１０の可動部５０がセンサチップ１６を筐体１２の表面から土壌中に突出させていたが、突出方法はこれに限らない。例えば、手動で可動部材５２を移動させてセンサチップ１６を突出させるようにしてもよい。
【００６３】
また、その他の上記各実施の形態で説明した測定システム１、センサモジュール１０、及び制御装置２０等の構成、動作、及び測定方法等は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において状況に応じて変更可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００６４】
１    測定システム
１０  センサモジュール
１２  筐体
１６  センサチップ
２０  制御装置
５０  可動部
【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７】
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【図８】
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