(57)【要約】【課題】検出できる電流の大きさ、及びダイナミックレンジの広さを向上させることができる電流センサの提供。【解決手段】電流センサ１は、電流を流通させる導線２と、コア部材３と、コンデンサ４とを備える。コア部材３は、間隙を有する環状に形成された磁性体であり、中央部分には、導線２がコイル状に巻きつけられている。また、コア部材３の両端には、互いに対向して配置される２つの対向面３１がそれぞれ形成されている。コンデンサ４は、各対向面３１に絶縁層４１Ａを介してそれぞれ当接する２つの電極板４１１，４１２を備える。そして、電流センサ１は、コンデンサ４における各電極板４１１，４１２間の電圧を検出することで導線２に流れる電流を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流を検出する電流センサであって、
前記電流を流通させる導線と、
前記導線がコイル状に巻きつけられる磁性体からなるコア部材と、
互いに対向して配置され、前記導線に電流が流れることで前記コア部材に生じる磁力に応じて近接する２つの対向面と、
前記各対向面に絶縁層を介してそれぞれ当接する２つの電極板を有する第１のコンデンサとを備え、
前記第１のコンデンサにおける各電極板間の電圧を検出することで前記導線に流れる電流を検出することを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の電流センサであって、
前記コア部材は、間隙を有する環状に形成され、
前記コア部材の両端には、前記各対向面がそれぞれ形成されていることを特徴とする電流センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の電流センサであって、
前記各対向面のうち一方の対向面を有する円盤状に形成され、前記一方の対向面が前記コア部材と対向するように配設される磁性体からなる円盤部材を備え、
前記コア部材は、
前記導線が巻きつけられる円柱状の軸部と、
前記軸部の一端から径方向に沿って外側に延出した後、前記軸部の周面に沿って延出する筒状の筒状部とを備え、
前記各対向面のうち他方の対向面は、前記軸部の他端と、前記筒状部の先端とで形成されていることを特徴とする電流センサ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の電流センサであって、
前記各対向面には、互いに近接する方向に圧力が付加されていることを特徴とする電流センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の電流センサであって、
互いに近接する方向に前記圧力が付加される２つの電極板を有する第２のコンデンサを備え、
前記第１のコンデンサにおける各電極板間の電圧と、前記第２のコンデンサにおける各電極板間の電圧との差を検出することで前記導線に流れる電流を検出することを特徴とする電流センサ。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の電流センサであって、
前記コンデンサは、エレクトレットコンデンサとされていることを特徴とする電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、抵抗素子、電流トランス、ＭＲ（Magneto Resistive）素子、光ファイバ、及びホール素子等を用いて電流を検出する電流センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載のホール素子を用いた電流センサでは、電流を流通させる巻き線（導線）と、間隙を有する環状に形成されるとともに、巻き線がコイル状に巻きつけられたトロイダルコア（コア部材）と、トロイダルコアの間隙部分に配置されたホール素子とを備えている。そして、ホール素子は、巻き線に電流が流れることでトロイダルコアに生じる磁力に応じて電圧を出力し、電流センサは、ホール素子から出力される電圧を検出することで巻き線に流れる電流を検出している。
このようなホール素子を用いた電流センサでは、抵抗素子、電流トランス、ＭＲ素子、及び光ファイバを用いた電流センサと比較して、電流を流通させる導線と、電流に応じた電圧を出力するホール素子とが絶縁されている、直流電流を検出することができる、電流に応じてホール素子から出力される電圧を直接検出することで電流を検出することができる、小型であるという利点がある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１７３４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ホール素子を用いた電流センサでは、検出できる電流の大きさ、及びダイナミックレンジの広さは、ホール素子の特性に依存するため原理的な限界があるという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、検出できる電流の大きさ、及びダイナミックレンジの広さを向上させることができる電流センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電流センサは、電流を検出する電流センサであって、前記電流を流通させる導線と、前記導線がコイル状に巻きつけられる磁性体からなるコア部材と、互いに対向して配置され、前記導線に電流が流れることで前記コア部材に生じる磁力に応じて近接する２つの対向面と、前記各対向面に絶縁層を介してそれぞれ当接する２つの電極板を有する第１のコンデンサとを備え、前記第１のコンデンサにおける各電極板間の電圧を検出することで前記導線に流れる電流を検出することを特徴とする。
【０００７】
このような構成によれば、各対向面は、導線に電流が流れることでコア部材に生じる磁力に応じて近接するので、各対向面に絶縁層を介して当接する各電極板もコア部材に生じる磁力に応じて近接する。ここで、コンデンサの静電容量は、各電極板間の距離に反比例するので、導線に電流が流れることでコア部材に生じる磁力に応じて変化する。したがって、第１のコンデンサにおける電極板間に電圧が印加されている場合には、導線に電流が流れることで電圧が変化するので、電流センサは、第１のコンデンサにおける各電極板間の電圧を検出することで導線に流れる電流を検出することができる。
【０００８】
また、本発明の電流センサによれば、ホール素子を用いた電流センサと比較して、検出できる電流の大きさ、及びダイナミックレンジの広さを原理的に向上させることができる。なお、検出できる電流の大きさ、及びダイナミックレンジの広さは、コア部材の材質、第１のコンデンサにおける各電極板間に介在する誘電体の材質、各電極板の面積、及び各電極板間の距離等によって異なる。
さらに、本発明の電流センサによれば、検出できる電流の大きさ、及びダイナミックレンジの広さを向上させつつ、ホール素子を用いた電流センサと同様に、電流を流通させる導線と、電流に応じた電圧を出力するコンデンサとが絶縁されている、直流電流を検出することができる、電流に応じてコンデンサから出力される電圧を直接検出することで電流を検出することができる、小型であるという利点もある。
【０００９】
本発明では、前記コア部材は、間隙を有する環状に形成され、前記コア部材の両端には、前記各対向面がそれぞれ形成されていることが好ましい。
【００１０】
このような構成によれば、間隙部分において対向するコア部材の両端に形成された各対向面は、導線に電流が流れることでコア部材に生じる磁力によって互いに引きつけあう。このため、コア部材は、導線に電流が流れることで生じる磁力に応じて各対向面が近接するように変形する。したがって、電流センサは、第１のコンデンサにおける各電極板間の電圧を検出することで導線に流れる電流を検出することができ、検出できる電流の大きさ、及びダイナミックレンジの広さを向上させることができる。
【００１１】
本発明では、前記各対向面のうち一方の対向面を有する円盤状に形成され、前記一方の対向面が前記コア部材と対向するように配設される磁性体からなる円盤状の円盤部材を備え、前記コア部材は、前記導線が巻きつけられる円柱状の軸部と、前記軸部の一端から径方向に沿って外側に延出した後、前記軸部の周面に沿って延出する筒状の筒状部とを備え、前記各対向面のうち他方の対向面は、前記軸部の他端と、前記筒状部の先端とで形成されていることが好ましい。
【００１２】
本発明の電流センサによれば、コア部材における対向面には、導線に電流が流れることで円盤部材における対向面を引きつけるように磁力が生じる。このため、各対向面は、導線に電流が流れることでコア部材に生じる磁力に応じて近接する。したがって、電流センサは、第１のコンデンサにおける各電極板間の電圧を検出することで導線に流れる電流を検出することができ、検出できる電流の大きさ、及びダイナミックレンジの広さを向上させることができる。
なお、軸部と、筒状部とを備えるコア部材としては、いわゆるポッド型コアを採用することができる。
【００１３】
本発明では、前記各対向面には、互いに近接する方向に圧力が付加されていることが好ましい。
このような構成によれば、各対向面と、第１のコンデンサにおける各電極板とを確実に当接させることができる。したがって、電流センサによる電流の検出精度を向上させることができる。
【００１４】
本発明では、互いに近接する方向に前記圧力が付加される２つの電極板を有する第２のコンデンサを備え、前記第１のコンデンサにおける各電極板間の電圧と、前記第２のコンデンサにおける各電極板間の電圧との差を検出することで前記導線に流れる電流を検出することが好ましい。
【００１５】
ここで、各対向面に圧力を付加すると、第１のコンデンサにおける各電極板には、各対向面に付加される圧力と、導線に電流が流れることでコア部材に生じる磁力に応じて各対向面が近接する力とを合成した力が付加される。このため、第１のコンデンサにおける各電極板間の電圧を検出することで導線に流れる電流を検出する場合には、電流センサは、各対向面に付加される圧力による電圧を除去する必要がある。
本発明の電流センサによれば、第２のコンデンサにおける各電極板には、各対向面に付加される圧力のみが付加され、電流センサは、第１のコンデンサにおける各電極板間の電圧と、第２のコンデンサにおける各電極板間の電圧との差を検出することで導線に流れる電流を検出する。したがって、各対向面に付加される圧力による電圧を除去することができる。
【００１６】
本発明では、前記コンデンサは、エレクトレットコンデンサとされていることが好ましい。
ここで、エレクトレットコンデンサは、半永久的に電気分極された誘電体を各電極板間に介在させたコンデンサである。
したがって、本発明の電流センサによれば、コンデンサにおける各電極板間に電圧を印加する必要がないので、電流センサの回路構成を簡素化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
〔電流センサの概略構成〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る電流センサ１を示す模式図である。
電流センサ１は、電流を検出するものであり、図１に示すように、電流を流通させる導線２と、コア部材３と、コンデンサ４と、非反転増幅回路５と、加算回路６と、電圧調整回路７とを備える。
【００１８】
コア部材３は、間隙を有する環状に形成された磁性体であり、中央部分には、導線２がコイル状に巻きつけられている。また、コア部材３の両端には、互いに対向して配置される２つの対向面３１がそれぞれ形成されている。さらに、図示は省略するが、コア部材３には、各対向面３１が互いに近接する方向に圧力が付加されている（図１中矢印Ａ方向）。なお、コア部材３に圧力を付加する構成としては、例えば、コア部材３を外装ケースで覆うとともに、この外装ケースにてコア部材３を挟持するような構成を採用することができる。
【００１９】
第１のコンデンサとしてのコンデンサ４は、コア部材３における各対向面３１と略同一の形状を有し、各対向面３１にそれぞれ当接する２つの電極板４１１，４１２と、各電極板４１１，４１２の間に介在する誘電体４２とを備える。また、各電極板４１１，４１２における各対向面３１側の面には、絶縁層４１Ａが形成されている。したがって、各電極板４１１，４１２は、各対向面３１に絶縁層４１Ａを介して当接している。そして、電極板４１１は接地され、電極板４１２は、正（＋）の高電圧を印加する電源Ｖ１にプルアップ抵抗Ｒ１を介して接続されるとともに、非反転増幅回路５に接続される。
【００２０】
非反転増幅回路５は、オペアンプ５１と、オペアンプ５１における反転入力端子、及び出力端子の間に接続されるフィードバック抵抗５２と、オペアンプ５１における反転入力端子に一端が接続されるとともに、他端が接地される抵抗５３とを備える。この非反転増幅回路５は、オペアンプ５１の非反転入力端子に入力された電圧を、フィードバック抵抗５２、及び抵抗５３の抵抗値に応じて増幅して出力する回路である。
ここで、コンデンサ４の電極板４１２は、オペアンプ５１の非反転入力端子に接続されているので、非反転増幅回路５は、電極板４１２にかかる電圧を増幅してオペアンプ５１の出力端子から出力する。
【００２１】
加算回路６は、オペアンプ６１と、オペアンプ６１における反転入力端子、及び出力端子の間に接続されるフィードバック抵抗６２と、オペアンプ６１における反転入力端子に一端が接続されるとともに、他端がオペアンプ５１の出力端子に接続される抵抗６３と、オペアンプ６１における反転入力端子に一端が接続されるとともに、他端が電圧調整回路７に接続される抵抗６４とを備える。なお、オペアンプ６１における非反転入力端子は接地されている。この加算回路６は、各抵抗６３，６４の他端にかかる電圧を加算して出力する回路である。
【００２２】
電圧調整回路７は、負（−）の電圧を印加する電源Ｖ２と、この電源Ｖ２に一端が接続されるとともに、他端が接地される可変抵抗７１とを備える。そして、可変抵抗７１の抵抗値を調整すると、加算回路６における抵抗６４の他端にかかる電圧が調整される。
したがって、加算回路６は、非反転増幅回路５にて増幅された電極板４１２にかかる電圧（抵抗６３の他端にかかる電圧）と、電圧調整回路７にて調整された電圧（抵抗６４の他端にかかる電圧）とを加算してオペアンプ６１の出力端子から出力する。
なお、可変抵抗７１の抵抗値は、導線２に電流が流れていない状態において、加算回路６からの出力電圧が０となる抵抗値に調整されている。すなわち、電流センサ１は、加算回路６、及び電圧調整回路７によって、各対向面３１に付加される圧力による電圧を除去している。
【００２３】
〔電流の検出原理〕
次に、電流センサ１による電流の検出原理について説明する。
コア部材３には、導線２がコイル状に巻きつけられているので、コア部材３の両端に形成された各対向面３１は、導線２に電流が流れることでコア部材３に生じる磁力によって互いに引きつけあう。このため、コア部材３は、導線２に電流が流れることで生じる磁力に応じて各対向面３１が近接するように変形する。
【００２４】
また、コンデンサ４における各電極板４１１，４１２は、各対向面３１に絶縁層４１Ａを介して当接しているので、導線２に電流が流れることでコア部材３に生じる磁力に応じて近接する。ここで、コンデンサ４の静電容量は、各電極板４１１，４１２間の距離に反比例するので、導線２に電流が流れることでコア部材３に生じる磁力に応じて変化する。したがって、コンデンサ４における電極板４１２にかかる電圧は、導線２に電流が流れることで変化する。
そして、コンデンサ４における電極板４１２にかかる電圧は、非反転増幅回路５にて増幅され、加算回路６にて各対向面３１に付加される圧力による電圧を除去されて出力されるので、電流センサ１は、加算回路６から出力される電圧を検出することで導線２に流れる電流を検出することができる。
【００２５】
このような本実施形態によれば以下の効果がある。
（１）電流センサ１によれば、ホール素子を用いた電流センサと比較して、検出できる電流の大きさ、及びダイナミックレンジの広さを原理的に向上させることができる。なお、検出できる電流の大きさ、及びダイナミックレンジの広さは、コア部材３の材質、誘電体４２の材質、各電極板４１１，４１２の面積、及び各電極板４１１，４１２間の距離等によって異なる。
（２）電流センサ１によれば、電流を流通させる導線２と、電流に応じた電圧を出力するコンデンサ４とが絶縁されている、直流電流を検出することができる、電流に応じてコンデンサ４から出力される電圧を直接検出することで電流を検出することができる、小型であるという利点がある。
（３）コア部材３には、各対向面３１が互いに近接する方向に圧力が付加されているので、各対向面３１と、コンデンサ４における各電極板４１１，４１２とを確実に当接させることができる。したがって、電流センサ１による電流の検出精度を向上させることができる。
【００２６】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
図２は、本発明の第２実施形態に係る電流センサ１Ａを示す模式図である。なお、図２では、説明の便宜上、コンデンサ４、円盤部材８、及びポッド型コア９を分解している。
前記第１実施形態では、各対向面３１は、コア部材３の両端にそれぞれ形成されていた。これに対して、本実施形態では、各対向面８１，９３は、円盤部材８と、ポッド型コア９とにそれぞれ形成されている点で異なる。
【００２７】
円盤部材８は、円盤状に形成された磁性体であり、コンデンサ４における電極板４１１と対向する対向面８１（一方の対向面）を有している。
コア部材としてのポッド型コア９は、導線２が巻きつけられる円柱状の軸部９１と、軸部９１の一端から径方向に沿って外側に延出した後、軸部９１の周面に沿って延出する筒状の筒状部９２とを備える。筒状部９２には、径方向に貫通する２つの孔９２Ａが形成され、軸部９１に巻きつけられた導線２の両端がポッド型コア９の内側から外側に向かって挿通されている。そして、軸部９１の他端と、筒状部９２の先端とで対向面９３（他方高対向面）を形成している。
また、円盤部材８、及びポッド型コア９には、各対向面８１，９３が互いに近接する方向に圧力が付加されている（図２中矢印Ａ方向）。
【００２８】
このような本実施形態においても、前記第１実施形態における作用、効果と同様の作用、効果を奏することができる。
【００２９】
〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態を図面に基づいて説明する。
図３は、本発明の第３実施形態に係る電流センサ１Ｂを示す模式図である。なお、図３では、説明の便宜上、コンデンサ４，４Ｂ、円盤部材８，８Ｂ、及びポッド型コア９を分解している。
前記第２実施形態では、電流センサ１Ａは、加算回路６、及び電圧調整回路７を備えることで各対向面３１に付加される圧力による電圧を除去していた。これに対して、本実施形態では、電流センサ１Ｂは、コンデンサ４Ｂと、非反転増幅回路５Ｂと、円盤部材８Ｂと、差動増幅回路１０とを備えることで各対向面８１，９３に付加される圧力による電圧を除去している点で異なる。
【００３０】
第２のコンデンサとしてのコンデンサ４Ｂは、コンデンサ４と同様の構成を有し、コンデンサ４に当接する円盤部材８と、この円盤部材８と同様の構成を有する円盤部材８Ｂとの間に介在配置されている。そして、コンデンサ４Ｂにおける電極板４１２にかかる電圧は、非反転増幅回路５と同様の構成を有する非反転増幅回路５Ｂにて増幅されて出力される。
【００３１】
差動増幅回路１０は、オペアンプ１０１と、オペアンプ１０１における反転入力端子、及び出力端子の間に接続されるフィードバック抵抗１０２と、オペアンプ１０１における非反転入力端子に一端が接続されるとともに、他端が接地される抵抗１０３と、オペアンプ１０１における反転入力端子に一端が接続されるとともに、非反転増幅回路５におけるオペアンプ５１の出力端子に他端が接続される抵抗１０４と、オペアンプ１０１における非反転入力端子に一端が接続されるとともに、非反転増幅回路５Ｂにおけるオペアンプ５１の出力端子に他端が接続される抵抗１０５とを備える。ここで、フィードバック抵抗１０２、及び抵抗１０３の抵抗値は略同一に設定され、抵抗１０４，１０５の抵抗値も略同一に設定されている。
この差動増幅回路１０は、各抵抗１０４，１０５の他端にかかる電圧の差を、フィードバック抵抗１０２、及び抵抗１０３の抵抗値と、抵抗１０４，１０５の抵抗値とに応じて増幅して出力する回路である。
【００３２】
ここで、円盤部材８Ｂ、及びポッド型コア９には、各対向面８１，９３が互いに近接する方向に圧力が付加されている（図３中矢印Ａ方向）。
円盤部材８Ｂ、及びポッド型コア９に圧力を付加すると、コンデンサ４における各電極板４１１，４１２には、円盤部材８Ｂ、及びポッド型コア９に付加される圧力と、導線２に電流が流れることでポッド型コア９に生じる磁力に応じて各対向面８１，９３が近接する力とを合成した力が付加される。また、コンデンサ４Ｂにおける各電極板４１１，４１２には、円盤部材８Ｂ、及びポッド型コア９に付加される圧力が付加される。そして、差動増幅回路１０は、コンデンサ４における電極板４１２に係る電圧（抵抗１０４の他端にかかる電圧）と、コンデンサ４Ｂにおける電極板４１２に係る電圧（抵抗１０５の他端にかかる電圧）との差を増幅して出力するので、電流センサ１は、差動増幅回路１０から出力される電圧を検出することで導線２に流れる電流を検出することができる。
【００３３】
このような本実施形態においても、前記第２実施形態における作用、効果と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（４）電流センサ１Ｂによれば、コンデンサ４Ｂにおける各電極板４１１，４１２には、各対向面８１，９３に付加される圧力のみが付加され、電流センサ１Ｂは、コンデンサ４における各電極板４１１，４１２間の電圧と、コンデンサ４Ｂにおける各電極板４１１，４１２間の電圧との差を検出することで導線２に流れる電流を検出するので、各対向面８１，９３に付加される圧力による電圧を除去することができる。
【００３４】
〔第４実施形態〕
以下、本発明の第４実施形態を図面に基づいて説明する。
図４は、本発明の第４実施形態に係る電流センサ１Ｃを示す模式図である。なお、図４では、説明の便宜上、エレクトレットコンデンサ４Ｃ、円盤部材８、及びポッド型コア９を分解している。
前記第２実施形態では、電流センサ１Ａは、コンデンサ４を備え、コンデンサ４における電極板４１２は、正（＋）の高電圧を印加する電源Ｖ１にプルアップ抵抗Ｒ１を介して接続されていた。これに対して、本実施形態では、電流センサ１Ｃは、半永久的に電気分極された誘電体４２Ｃを各電極板４１１，４１２間に介在させた第１のコンデンサとしてのエレクトレットコンデンサ４Ｃを備え、エレクトレットコンデンサ４Ｃにおける電極板４１２は、プルダウン抵抗Ｒ２を介して接地されている点で異なる。
【００３５】
このような本実施形態においても、前記第２実施形態における作用、効果と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（５）電流センサ１Ｃによれば、エレクトレットコンデンサ４Ｃにおける各電極板４１１，４１２間に電圧を印加する必要がないので、電流センサ１Ｃの回路構成を簡素化することができる。
【００３６】
〔実施形態の変形〕
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。また、前記各実施形態を組み合わせることは自由である。
例えば、前記各実施形態では、コア部材３、及びポッド型コア９をコア部材として採用していたが、コア部材の形状は、これら以外の形状であってもよい。要するに、コア部材は、導線に電流が流れることで生じる磁力に応じて各対向面を近接させることができる形状であればよい。
【００３７】
前記各実施形態では、各対向面３１，８１，９３には、互いに近接する方向に圧力が付加されていたが、圧力は付加されていなくてもよい。
前記第３実施形態では、電流センサ１Ｂは、コンデンサ４，４Ｂ、及び円盤部材８，８Ｂを備え、円盤部材８Ｂ、及びポッド型コア９に対して各対向面８１，９３が互いに近接する方向に圧力を付加することで、各対向面８１，９３に付加される圧力のみがコンデンサ４Ｂにおける各電極板４１１，４１２に付加される構成としていた。これに対して、他の構成により各対向面に付加される圧力のみが第２のコンデンサにおける各電極板に付加される構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、電流センサに利用でき、特に、大電流を検出する電流センサに好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電流センサを示す模式図。
【図２】本発明の第２実施形態に係る電流センサを示す模式図。
【図３】本発明の第３実施形態に係る電流センサを示す模式図。
【図４】本発明の第４実施形態に係る電流センサを示す模式図。
【符号の説明】
【００４０】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…電流センサ
２…導線
３…コア部材
４…コンデンサ（第１のコンデンサ）
４Ｂ…コンデンサ（第２のコンデンサ）
４Ｃ…エレクトレットコンデンサ（第１のコンデンサ）
８，８Ｂ…円盤部材
９…ポッド型コア（コア部材）
３１，８１，９３…対向面
４１Ａ…絶縁層
９１…軸部
９２…筒状部
４１１，４１２…電極板。
【図１】
2009270967.tif 000003
【図２】
2009270967.tif 000004
【図３】
2009270967.tif 000005
【図４】
2009270967.tif 000006