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公開番号2021052514
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210401
出願番号2019174222
出願日20190925
発明の名称異物検出装置
出願人オムロン株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H02J 50/60 20160101AFI20210305BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】送電側の装置の送信コイルと受電側の装置の受信コイルとの間に混入した異物の検出精度を向上できる異物検出装置を提供する。
【解決手段】異物検出装置は、非接触にて電力が伝送される、送電装置2の送信コイル12と受電装置3の受信コイル21との間に、互いに電磁結合可能に配置され、第1のコンデンサとともに第1の共振周波数を有する共振回路を構成する複数の第1の検出コイル(42-1〜42-n)と、互いに電磁結合可能に配置され、第2のコンデンサとともに第2の共振周波数を有する共振回路を構成する複数の第2の検出コイル(44-1〜44-m)と、各検出コイルにその検出コイルが共振する周波数を持つ交流電力を供給する電力供給回路(41-1、41-2)と、各検出コイルを介して伝達された交流電力の電圧に応じて送信コイル12と受信コイル21の間に混入した異物を検出する検出回路(46-1、46-2)とを有する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
非接触にて電力が伝送される、送電装置の送信コイルと受電装置の受信コイルとの間に配置される基板上に、互いに電磁結合可能に配置される複数の第1の検出コイルと、
前記複数の第1の検出コイルのそれぞれについて、当該第1の検出コイルとともに第1の共振周波数を有する第1の共振回路を構成する複数の第1のコンデンサと、
前記基板上に、互いに電磁結合可能に配置される複数の第2の検出コイルと、
前記複数の第2の検出コイルのそれぞれについて、当該第2の検出コイルとともに前記第1の共振周波数と異なる第2の共振周波数を有する第2の共振回路を構成する複数の第2のコンデンサと、
前記複数の第1の検出コイルのうちの第1の入力コイルに、前記第1の共振回路のそれぞれが共振可能な第1の周波数を持つ交流電力を供給し、かつ、前記複数の第2の検出コイルのうちの第2の入力コイルに、前記第2の共振回路のそれぞれが共振可能な第2の周波数を持つ交流電力を供給する少なくとも一つの電力供給回路と、
前記複数の第1の検出コイルのうちの前記第1の入力コイルと異なる第1の出力コイルから、前記複数の第1の検出コイルを介して伝達された前記交流電力の第1の電圧を検出し、かつ、前記複数の第2の検出コイルのうちの前記第2の入力コイルと異なる第2の出力コイルから、前記複数の第2の検出コイルを介して伝達された交流電力の第2の電圧を検出し、検出された前記第1の電圧または前記第2の電圧に応じて前記送信コイルと前記受信コイルの間に混入した異物を検出する検出回路と、
を有する異物検出装置。
続きを表示(約 190 文字)【請求項2】
前記複数の第1の検出コイルと前記複数の第2の検出コイルとは、前記基板の法線方向から見て互いに交互に配置される、請求項1に記載の異物検出装置。
【請求項3】
前記第1の周波数は、前記第2の共振回路のそれぞれが共振しない周波数であり、かつ、前記第2の周波数は、前記第1の共振回路のそれぞれが共振しない周波数である、請求項1または2に記載の異物検出装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、非接触にて電力が伝送される電力伝送システム内の異物を検出する異物検出装置に関する。
続きを表示(約 10,000 文字)【背景技術】
【0002】
従来より、金属の接点などを介さずに、空間を通じて電力を伝送する、いわゆる非接触給電(ワイヤレス給電とも呼ばれる)技術が研究されている。このような非接触給電技術の一つとして、電磁誘導により給電する方式が知られている。電磁誘導により給電する方式では、一次側(送電側あるいは給電側)のコイル(以下、送信コイルと呼ぶ)と二次側(受電側)のコイル(以下、受信コイルと呼ぶ)とが電磁結合することにより、送信コイルから受信コイルへ電力が伝送される。
【0003】
このような非接触給電技術を利用した電力伝送システムにおいて、送信コイルと受信コイルの間に、金属などの異物が入り込んでしまうことがある。このような場合、電力伝送中にその異物が誘導加熱されて発火し、あるいは、異物の発熱に起因して装置が故障することがある。また、このような電力伝送システムでは、電力伝送中に送信コイルと受信コイルとの相対的な位置関係が変動し、その結果として、送信コイルと受信コイル間の結合度が変化することがある。そこで、送信コイルと受信コイル間の結合度が変化する場合でも、送信コイルと受信コイルの間に混入した異物による故障を防止する技術が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。この技術では、非接触給電装置が有する送電装置の送信コイルに供給される交流電力の周波数を所定の周波数領域にわたって変化させても、非接触給電装置が定電圧出力動作しない場合、非接触給電装置は、送信コイルと、受電装置が有する受信コイルとの間に何らかの異物が混入したと判定して、送信コイルへの電力供給を停止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2018−207764号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、送信コイルと受信コイルの間に、非常に小さい異物が混入した場合、送電装置から受電装置への電力伝送特性が変化せず、その結果として、送信コイルと受信コイルの間に混入した異物が検出されないことがある。
【0006】
そこで、本発明は、送電側の装置の送信コイルと受電側の装置の受信コイルの間に混入した異物の検出精度を向上できる異物検出装置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】
【0007】
本発明の一つの形態として、異物検出装置が提供される。この異物検出装置は、非接触にて電力が伝送される、送電装置の送信コイルと受電装置の受信コイルとの間に配置される基板上に、互いに電磁結合可能に配置される複数の第1の検出コイルと、複数の第1の検出コイルのそれぞれについて、その第1の検出コイルとともに、第1の共振周波数をを有する第1の共振回路を構成する複数の第1のコンデンサと、その基板上に、互いに電磁結合可能に配置される複数の第2の検出コイルと、複数の第2の検出コイルのそれぞれについて、その第2の検出コイルとともに、第1の共振周波数と異なる第2の共振周波数を有する第2の共振回路を構成する複数の第2のコンデンサと、複数の第1の検出コイルのうちの第1の入力コイルに、第1の共振回路のそれぞれが共振可能な第1の周波数を持つ交流電力を供給し、かつ、複数の第2の検出コイルのうちの第2の入力コイルに、第2の共振回路のそれぞれが共振可能な第2の周波数を持つ交流電力を供給する少なくとも一つの電力供給回路と、複数の第1の検出コイルのうちの第1の入力コイルと異なる第1の出力コイルから、複数の第1の検出コイルを介して伝達された交流電力の第1の電圧を検出し、かつ、複数の第2の検出コイルのうちの第2の入力コイルと異なる第2の出力コイルから、複数の第2の検出コイルを介して伝達された交流電力の第2の電圧を検出し、検出された第1の電圧または第2の電圧に応じて送信コイルと受信コイルの間に混入した異物を検出する検出回路とを有する。
本発明に係る異物検出装置は、このような構成を有することにより、送電側の装置の送信コイルと受電側の装置の受信コイルとの間に混入した異物の検出精度を向上することができる。
【0008】
この異物検出装置において、複数の第1の検出コイルと複数の第2の検出コイルとは、基板の法線方向から見て互いに交互に配置されることが好ましい。
これにより、異物検出装置は、送信コイルと受信コイル間に混入した異物は、複数の第1の検出コイル及び複数の第2の検出コイルの何れかの近傍に位置することになるので、異物の混入により第1の電圧または第2の電圧の何れかが、異物検知に十分な程度に変動する。そのため、この異物検出装置は、混入した異物の位置によらず、その異物を精度良く検出できる。
【0009】
また、この異物検出装置において、第1の周波数は、第2の共振回路のそれぞれが共振しない周波数であり、かつ、第2の周波数は、第1の共振回路のそれぞれが共振しない周波数であることが好ましい。
これにより、第1の周波数を持つ交流電力は第2の共振回路のそれぞれに影響せず、逆に、第2の周波数を持つ交流電力は第1の共振回路のそれぞれに影響しない。そのため、複数の第1の検出コイルの何れかの近傍に異物が位置する場合、第1の電圧は、異物検知に十分な程度に変動する。同様に、複数の第2の検出コイルの何れかの近傍に異物が位置する場合、第2の電圧は、異物検知に十分な程度に変動する。そのため、この異物検出装置は、混入した異物の位置によらず、その異物を精度良く検出できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
本発明の一つの実施形態に係る異物検出装置を含む電力伝送システムの概略構成図である。
異物検出装置の概略構成図である。
異物検出装置が設けられる基板と送信コイルとの位置関係の一例を示す概略側面断面図である。
異物検出装置が有する、各検出コイルの配置の一例を示す概略平面図である。
電力供給回路の一例を示す回路構成図である。
検出回路の一例を示す回路構成図である。
異物混入の有無による、検出回路にて検出される電圧の周波数特性の変化を示すシミュレーションにおける、第1及び第2の検出コイルの配置の一例を示す図である。
異物混入の有無による、第1の検出コイル間を伝達される交流電力に対する、検出回路による検出電圧の周波数特性の変化を示すシミュレーション結果の一例を示す図である。
異物混入の有無による、第1の検出コイル間を伝達される交流電力に対する、検出回路による検出電圧の周波数特性の変化を示すシミュレーション結果の一例を示す図である。
異物混入の有無による、第2の検出コイル間を伝達される交流電力に対する、検出回路による検出電圧の周波数特性の変化を示すシミュレーション結果の一例を示す図である。
異物混入の有無による、第2の検出コイル間を伝達される交流電力に対する、検出回路による検出電圧の周波数特性の変化を示すシミュレーション結果の一例を示す図である。
(a)及び(b)は、比較例における、異物混入の有無による、検出電圧の周波数特性の変化を示すシミュレーション結果を示す図である。
変形例による電力供給回路の回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の一つの実施形態による異物検出装置を、図を参照しつつ説明する。この異物検出装置は、非接触により電力を伝送する電力伝送システムが有する、送電側の装置(以下、単に送電装置と呼ぶ)の送信コイルと、受電側の装置(以下、単に受電装置と呼ぶ)の受信コイルとの間に配置される基板を有し、その基板上に形成される、互いに電磁結合可能に配置される複数の第1の検出コイルと、互いに電磁結合可能に配置される複数の第2の検出コイルとを有する。複数の第1の検出コイルのそれぞれは、その第1の検出コイルと接続される第1のコンデンサとともに第1の共振回路を構成する。そしてその第1の共振回路のそれぞれは、送電装置の送信コイルに供給される電力の周波数(以下、説明の便宜上、伝送周波数と呼ぶ)とは異なり、かつ、送信コイルを含む共振回路(送電側に共振回路が設けられる場合)及び受信コイルを含む共振回路の何れもが共振しない第1の共振周波数を有する。同様に、複数の第2の検出コイルのそれぞれは、その第2の検出コイルと接続される第2のコンデンサとともに第2の共振回路を構成する。そしてその第2の共振回路のそれぞれは、伝送周波数及び第1の周波数とは異なり、かつ、送信コイルを含む共振回路及び受信コイルを含む共振回路の何れもが共振しない第2の共振周波数を有する。この異物検出装置は、複数の第1の検出コイルの何れか一つである第1の入力コイルに、第1の共振回路のそれぞれが共振可能な第1の周波数を持つ交流電力を供給し、一方、複数の第1の検出コイルの他の一つである第1の出力コイルから出力される第1の電圧を検出する。同様に、この異物検出装置は、複数の第2の検出コイルの何れか一つである第2の入力コイルに、第2の共振回路のそれぞれが共振可能な第2の周波数を持つ交流電力を供給し、一方、複数の第2の検出コイルの他の一つである第2の出力コイルから出力される第2の電圧を検出する。
【0012】
送信コイルと受信コイルの間に金属などの導電性を有する異物が混入すると、複数の第1の共振回路または複数の第2の共振回路の何れかの共振特性が変化し、その結果として、検出される第1の電圧及び第2の電圧の少なくとも一方が変化する。特に、複数の第1の共振回路の何れについても共振特性の変動が少ない位置に異物が混入しても、複数の第2の共振回路の何れかの共振特性が相対的に大きく変化し、逆に、複数の第2の共振回路の何れについても共振特性の変動が少ない位置に異物が混入しても、複数の第1の共振回路の何れかの共振特性が相対的に大きく変化する。その結果として、異物が混入すると、第1の電圧及び第2の電圧の少なくとも一方が大きく変化する。
【0013】
そこで、この異物検出装置は、検出される第1の電圧及び第2の電圧を監視して、その第1の電圧及び第2の電圧の少なくとも一方が、異物が混入していない場合に相当する所定の基準範囲から外れると、送信コイルと受信コイルの間に異物が混入したと判定する。これにより、この異物検出装置は、送信コイルと受信コイルとの間に混入した異物の位置によらず、その異物を精度良く検出できる。
【0014】
図1は、本発明の一つの実施形態に係る異物検出装置を含む電力伝送システムの概略構成図である。図1に示されるように、電力伝送システム1は、送電装置2と、受電装置3と、異物検出装置4とを有する。送電装置2と受電装置3とは、非接触給電装置を構成し、送電装置2から受電装置3へ、空間を介して非接触で電力が伝送される。送電装置2は、電力供給回路11と、送信コイル12とを有する。一方、受電装置3は、受信コイル21と、共振コンデンサ22と、受電回路23とを有する。電力伝送システム1は、例えば、いわゆる一次直列二次直列共振コンデンサ方式(SS方式)、または一次直列二次並列共振コンデンサ方式(SP方式)の非接触給電装置とすることができる。あるいは、電力伝送システム1は、一次側の共振を利用せず、二次側において受信コイルと共振コンデンサとが直列共振する方式(NS方式)、または、一次側の共振を利用せず、二次側において受信コイルと共振コンデンサとが並列共振する方式(NP方式)の非接触給電装置であってもよい。
【0015】
先ず、送電装置2について説明する。
電力供給回路11は、交流電力を送信コイル12へ供給する。そのために、電力供給回路11は、例えば、直流電力を供給する直流電源と、直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換して送信コイル12へ供給するインバータ回路と、インバータ回路を制御する制御回路とを有する。インバータ回路は、4個のスイッチング素子(例えば、MOSFET)がフルブリッジ状に接続されるフルブリッジインバータであってもよく、あるいは、2個のスイッチング素子がハーフブリッジ状に接続されるハーフブリッジインバータであってもよい。制御回路は、送信コイル12に供給される交流電力の周波数が所定の周波数(例えば、受電装置3の共振回路が共振する周波数)となるように、インバータ回路が有する各スイッチング素子のオン/オフの切り替えを制御する。電力供給回路11は、さらに、直流電源とインバータ回路との間に、DC−DCコンバータを有してもよい。あるいは、電力供給回路11は、直流電源の代わりに、交流電源と接続され、交流電源からの交流電力を整流する整流回路と、整流回路と接続され、整流回路から出力される脈流電力を直流電力に変換する力率改善回路とを有していてもよい。この場合には、制御回路は、例えば、受電装置3が受電する電力の電圧を一定に保つために、力率改善回路を制御して、インバータ回路へ供給される直流電力の電圧を調整してもよい。
【0016】
送信コイル12は、電力供給回路11から供給された交流電力を、空間を介して受電装置3の受信コイル21へ伝送する。なお、送電装置2は、送信コイル12と電力供給回路11のインバータ回路との間に、送信コイル12と直列に接続されるコンデンサを有してもよい。このコンデンサは、直流電力を遮断するためのものであってもよく、あるいは、送信コイル12に供給される交流電力の周波数において送信コイル12とともに共振する共振回路を構成するためのものであってもよい。
【0017】
なお、送電装置2は、受電装置3による受電状況を表す信号を受信する通信器をさらに有してもよい。この場合には、電力供給回路11の制御回路は、受電状況に応じて、送信コイル12に供給される交流電力の周波数を変更するよう、インバータ回路の各スイッチング素子のオン/オフの切り替えタイミングを変更してもよい。
【0018】
さらに、電力供給回路11の制御回路は、異物検出装置4から、送信コイル12と受信コイル21の間に混入した異物が検出されたことを表す信号を受信すると、インバータが有する各スイッチング素子をオフにして、電力供給回路11から送信コイル12への電力供給を停止してもよい。
【0019】
次に、受電装置3について説明する。
受信コイル21は、共振コンデンサ22とともに共振回路を構成し、送電装置2の送信コイル12に流れる交流電流と共振することで、送信コイル12から電力を受信する。そのために、共振コンデンサ22は、受信コイル21と直列に接続されてもよく、あるいは、受信コイル21と並列に接続されてもよい。そして受信コイル21と共振コンデンサ22とにより形成される共振回路から出力される交流電力は、受電回路23へ出力される。なお、受信コイル21の巻き数と、送信コイル12の巻き数は同じでもよく、あるいは、互いに異なっていてもよい。
【0020】
受電回路23は、受信コイル21と共振コンデンサ22とにより形成される共振回路からの交流電力を直流電力に変換して、直流電力を受電回路23と接続される負荷回路(図示せず)へ出力する。そのために、受電回路23は、例えば、共振回路からの交流電力を脈流電力に変換する全波整流回路と、全波整流回路から出力される脈流電力を平滑化して負荷回路へ出力するための平滑コンデンサとを有する。さらに、受電回路23は、負荷回路へ出力される電圧を測定するための電圧計、電圧計により測定された電圧など、受電状況を表す信号を送電装置2へ送信するための通信器、負荷回路と受電回路23との接続または切断を切り替えるためのスイッチング素子、及び、そのスイッチング素子のオン/オフの切り替えを制御する制御回路などを有してもよい。
【0021】
次に、本実施形態による、異物検出装置4について説明する。異物検出装置4は、送電装置2と受電装置3とが、電力伝送可能な位置関係、すなわち、送信コイル12と受信コイル21とが電磁結合可能な位置関係となっている場合における、送信コイル12と受信コイル21の間に配置される。そして異物検出装置4は、送信コイル12と受信コイル21の間に混入した、金属などの導電性を有する異物を検出する。
【0022】
図2は、異物検出装置4の概略構成図である。図3は、異物検出装置4が設けられる基板と送信コイル12との位置関係の一例を示す概略側面断面図である。さらに、図4は、異物検出装置4が有する、各検出コイルの配置の一例を示す概略平面図である。
【0023】
図2に示されるように、異物検出装置4は、二つの電力供給回路41−1、41−2と、複数の第1の検出コイル42−1〜42−n(nは2以上の整数)と、複数の第1のコンデンサ43−1〜43−nと、複数の第2の検出コイル44−1〜44−m(mは2以上の整数)と、複数の第2のコンデンサ45−1〜45−mと、検出回路46とを有する。本実施形態では、検出回路46には、二つの検出回路46−1、46−2が含まれる。異物検出装置4が有するこれらの各素子は、送信コイル12と受信コイル21とが電磁結合可能な位置関係となっている場合における、送信コイル12と受信コイル21の間に位置する基板47上に設けられる。本実施形態では、基板47は、送電装置2に取り付けられる。そして検出回路46−1、46−2からの異物の検出結果を表す信号は、送電装置2の電力供給回路11へ出力される。
【0024】
次に、電力供給回路41−1、41−2の詳細について説明する。本実施形態では、電力供給回路41−1、41−2は、供給する交流電力の周波数が互いに異なること以外、同じとすることができる。そこで以下では、主として電力供給回路41−1について説明し、電力供給回路41−2については、電力供給回路41−1と相違する点について説明する。
【0025】
図5は、電力供給回路41−1の一例を示す回路構成図である。電力供給回路41−1は、例えば、直流電力を供給する直流電源51と、給電コイル52と、コンデンサ53と、インバータ回路54と、インバータ回路54を制御する制御回路55とを有する。
【0026】
給電コイル52は、その一端がコンデンサ53を介してインバータ回路54と接続され、他端が接地される。そして給電コイル52は、複数の第1の検出コイル42−1〜42−nの何れかである第1の入力コイル(本実施形態では、検出コイル42−1)と電磁結合可能なように配置され、インバータ回路54から供給された交流電力を第1の入力コイルへ供給する。なお、給電コイル52とコンデンサ53の接続順序は入れ替わってもよい。なお、電力供給回路41−2については、給電コイル52は、複数の第2の検出コイル44−1〜44−mの何れかである第2の入力コイル(本実施形態では、検出コイル44−1)と電磁結合可能なように配置され、インバータ回路54から供給された交流電力を第2の入力コイルへ供給する。
【0027】
インバータ回路54は、直流電源51から供給された直流電力を交流電力に変換して給電コイル52へ供給する。この例では、インバータ回路54は、2個のスイッチング素子(例えば、MOSFET)がハーフブリッジ状に接続されるハーフブリッジインバータとして構成されるが、インバータ回路54は、4個のスイッチング素子がフルブリッジ状に接続されるフルブリッジインバータであってもよい。制御回路55は、給電コイル52に供給される交流電力の周波数が、第1の検出コイル42−i(i=1,2,...,n)と第1のコンデンサ43−iとから構成され、第1の共振周波数を有する第1の共振回路が共振可能な第1の周波数となるように、インバータ回路が有する各スイッチング素子のオン/オフの切り替えを制御する。すなわち、第1の周波数は、供給された交流電力が第1の検出コイルのそれぞれを伝搬可能な周波数であればよく、例えば、第1の共振周波数そのものとすることができる。また、電力供給回路41−2については、制御回路55は、給電コイル52に供給される交流電力の周波数が、第2の検出コイル44−i(i=1,2,...,m)と第2のコンデンサ45−iとから構成され、第2の共振周波数を有する第2の共振回路が共振可能な第2の周波数となるように、インバータ回路が有する各スイッチング素子のオン/オフの切り替えを制御する。すなわち、第2の周波数は、供給された交流電力が第2の検出コイルのそれぞれを伝搬可能な周波数であればよく、例えば、第2の共振周波数そのものとすることができる。
【0028】
上記のように、電力供給回路41−1に関して、給電コイル52を介して電力供給回路41−1から第1の入力コイルへ供給される交流電力の第1の周波数は、送電装置2の送信コイル12に供給される交流電力の伝送周波数とは異なり、かつ、送信コイル12を含む共振回路及び受信コイル21を含む共振回路の何れもが共振しない周波数とすることが好ましい。さらに、電力供給回路41−2に関して、給電コイル52を介して電力供給回路41−2から第2の入力コイルへ供給される交流電力の第2の周波数は、伝送周波数とは異なり、かつ、送信コイル12を含む共振回路及び受信コイル21を含む共振回路の何れもが共振しない周波数とすることが好ましい。さらに、第1の周波数と第2の周波数とは互いに異なり、第1の周波数は、第2の共振回路のそれぞれが共振しない周波数であり、かつ、第2の周波数は、第1の共振回路のそれぞれが共振しない周波数であることが好ましい。
【0029】
例えば、電力供給回路41−1が供給する交流電力の第1の周波数及び電力供給回路41−2が供給する交流電力の第2の周波数は、伝送周波数(例えば、85kHzまたは150kHz)よりも高い周波数、例えば、ISMバンドに属する、13.56MHz、27.12MHzまたは40.68MHzとすることができる。さらに、第1の周波数を13.56MHzとし、第2の周波数を27.12MHzとすることができる。これにより、電力供給回路41−1から供給される交流電力及び電力供給回路41−2から供給される交流電力が送電装置2から受電装置3への電力伝送に影響することが防止される。またこのように第1の周波数及び第2の周波数が設定されることで、異物検出装置4が有する複数の第1の検出コイル42−1〜42−n及び複数の第2の検出コイル44−1〜44−mのそれぞれのインダクタンスを相対的に小さくできるので、各検出コイルのサイズを送信コイル12のサイズよりも小さくすることが容易となる。
【0030】
さらに、第1の周波数と第2の周波数とが異なり、第1の周波数は、第2の共振回路のそれぞれが共振しない周波数であり、かつ、第2の周波数は、第1の共振回路のそれぞれが共振しない周波数であることで、第1の共振回路の何れについても、その共振特性が異物によってあまり変化しない場合でも、第2の共振回路の何れかの共振特性が、異物によって比較的大きく変化する。逆に、第2の共振回路の何れについても、その共振特性が異物によってあまり変化しない場合でも、第1の共振回路の何れかの共振特性が、異物によって比較的大きく変化する。そのため、異物の検出精度が向上する。
(【0031】以降は省略されています)

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信号処理装置
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検出システム
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流量測定装置
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