JP2673546B2 - 光干渉角速度計及び慣性装置 - Google Patents
光干渉角速度計及び慣性装置Info
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- JP2673546B2 JP2673546B2 JP63170588A JP17058888A JP2673546B2 JP 2673546 B2 JP2673546 B2 JP 2673546B2 JP 63170588 A JP63170588 A JP 63170588A JP 17058888 A JP17058888 A JP 17058888A JP 2673546 B2 JP2673546 B2 JP 2673546B2
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- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
- G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
- G01C19/72—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
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Description
【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明はロケット、飛行機などの飛しょう体の姿勢
制御、姿勢計測、慣性航法などに用いられる光干渉角速
度計及び慣性装置に関する。
制御、姿勢計測、慣性航法などに用いられる光干渉角速
度計及び慣性装置に関する。
「従来の技術」 第1図に光干渉角速度計を示す。光源11からの光18は
第1光分配結合器12、偏光子13を通って第2光分配結合
器14によって、少なくとも一周する光ファイバコイル16
をそれぞれ逆方向に伝播する光19,20に分岐される。両
光は光ファイバコイル16の片端に配置された位相変調器
15によって位相変調を受けて第2光分配結合器14で結合
される。
第1光分配結合器12、偏光子13を通って第2光分配結合
器14によって、少なくとも一周する光ファイバコイル16
をそれぞれ逆方向に伝播する光19,20に分岐される。両
光は光ファイバコイル16の片端に配置された位相変調器
15によって位相変調を受けて第2光分配結合器14で結合
される。
この結合によって生じた干渉光は、偏光子13、第1光
分配結合器12を経て光電変換回路17に到達する。光電変
換回路17に到達した干渉光I0は、 ここで C:定数 Jn:n次のベッセル関数(n=0,1,2,3…) X:2Asinπfmτ A:位相変調の振幅 τ:光ファイバコイル16を伝播する光の伝播時間 fm:位相変調周波数 t′(=t−τ/2) となる。
分配結合器12を経て光電変換回路17に到達する。光電変
換回路17に到達した干渉光I0は、 ここで C:定数 Jn:n次のベッセル関数(n=0,1,2,3…) X:2Asinπfmτ A:位相変調の振幅 τ:光ファイバコイル16を伝播する光の伝播時間 fm:位相変調周波数 t′(=t−τ/2) となる。
(1)式における位相差Δφは光ファイバコイル16に
印加される角速度によって生じる非可逆的効果(サニャ
ック効果)によって生じる両光間の位相差で、次式で表
わされる。
印加される角速度によって生じる非可逆的効果(サニャ
ック効果)によって生じる両光間の位相差で、次式で表
わされる。
A:光ファイバコイル16が囲む面積の総和 C:光速 λ:光源の波長 となる。
(1)式から明らかなように干渉光I0には、cosΔφ
に比例する項とsinΔφに比例する項が含まれている。
通常、光干渉角速度計では、入力角速度の微少範囲にお
いて高感度化をはかるためsinΔφに比例する成分が発
振器25の出力で同期検波して取り出される。
に比例する項とsinΔφに比例する項が含まれている。
通常、光干渉角速度計では、入力角速度の微少範囲にお
いて高感度化をはかるためsinΔφに比例する成分が発
振器25の出力で同期検波して取り出される。
第1図では、同期検波回路22において光電変換出力の
内位相変調と同じ周波数成分が同期検波しローパスフィ
ルタ23を通じて出力端子24に出力されている。この時の
出力は、次式で表わされる。
内位相変調と同じ周波数成分が同期検波しローパスフィ
ルタ23を通じて出力端子24に出力されている。この時の
出力は、次式で表わされる。
V1=KJ1(x)sinΔφ …(3) K:定数 J1(x):一次の第1種ベッセル関数 (3)式から明らかなように出力V1は、位相差Δφ即
ち入力角速度に対しSIN関数に比例するため、さらに直
線化の補正が施こされるのが普通である。
ち入力角速度に対しSIN関数に比例するため、さらに直
線化の補正が施こされるのが普通である。
偏光子13は第2図に示すように、直交する偏波モード
間において光伝送損失の曲げ損失が異なる光ファイバ74
を円筒状の巻枠73に巻回し一つの偏波モードを消光しも
う一方の偏波モードの光を低損失で伝搬するようにした
光ファイバタイプ偏光子である。
間において光伝送損失の曲げ損失が異なる光ファイバ74
を円筒状の巻枠73に巻回し一つの偏波モードを消光しも
う一方の偏波モードの光を低損失で伝搬するようにした
光ファイバタイプ偏光子である。
位相変調器15は第3図に示すように、円筒状の電歪振
動子75に光ファイバ77を巻回したもので、この位相変調
器は、駆動周波数で光ファイバ77を伸縮させ光ファイバ
77を通過する光の位相を変調する機能を有する。
動子75に光ファイバ77を巻回したもので、この位相変調
器は、駆動周波数で光ファイバ77を伸縮させ光ファイバ
77を通過する光の位相を変調する機能を有する。
第4図は、少なくとも光源チップと光源からの出射光
の一部をモニタするフォトディテクタと光ファイバ81か
らなる光源モジュールを示す。第5図は、少なくともア
ンプ付フォトディテクタ83と光ファイバ81からなる受光
器モジュールを示す。
の一部をモニタするフォトディテクタと光ファイバ81か
らなる光源モジュールを示す。第5図は、少なくともア
ンプ付フォトディテクタ83と光ファイバ81からなる受光
器モジュールを示す。
第6図及び第7図は、光分配結合器を示し、これは二
本の光ファイバ87a,87bをプロパン酸炎などで融着し光
ファイバを適当な力が延伸し作製される。その結果二本
の光ファイバのコアは細くなり、お互に接近するので片
方のファイバに入射された光は、コアからしみだしやす
くなり他方の光ファイバに結合しやすくなる。即ち光分
配結合機能を有するようになる光ファイバカプラを構成
する。融着延伸された光ファイバカプラは、ガラス板93
に紫外線硬化接着剤90などで接着固定される。ガラス板
93に固定された光ファイバカプラは、スリーブ86で保護
される。
本の光ファイバ87a,87bをプロパン酸炎などで融着し光
ファイバを適当な力が延伸し作製される。その結果二本
の光ファイバのコアは細くなり、お互に接近するので片
方のファイバに入射された光は、コアからしみだしやす
くなり他方の光ファイバに結合しやすくなる。即ち光分
配結合機能を有するようになる光ファイバカプラを構成
する。融着延伸された光ファイバカプラは、ガラス板93
に紫外線硬化接着剤90などで接着固定される。ガラス板
93に固定された光ファイバカプラは、スリーブ86で保護
される。
第8図は、光ファイバ96を巻枠95に巻回した光ファイ
バコイル16を示す。光干渉角速度計の構造は、従来光フ
ァイバコイル16の中空部分に偏光子、位相変調器、光源
モジュール、受光器モジュール、光ファイバカプラを配
置する方法が一般的に採用されていた。
バコイル16を示す。光干渉角速度計の構造は、従来光フ
ァイバコイル16の中空部分に偏光子、位相変調器、光源
モジュール、受光器モジュール、光ファイバカプラを配
置する方法が一般的に採用されていた。
なお偏波モード間の光伝送損失の曲げ特性の違いによ
って作製される偏光子13は、伝送モードの曲げ損失を小
さく抑えるためあまり小さい径で曲げることができな
い。実用的には、20mmφ以上ぐらいである。一方位相変
調器15は、巻回による偏波面保持光ファイバの伝送損失
の増大、偏波モード間のクロストークの増大をさけるた
めあまり小径に巻回できない。実用的には、曲げに強い
偏波保持光ファイバを使った場合、10mmφ以上が実用的
である。光源モジュールは、8mm×8mm×12mm程度で、受
光器モジュールは、10mm×10mm×12mm程度である。光フ
ァイバカプラは、4mmφ×(30〜40)mm程度である。光
ファイバコイル16は、(2)式から明らかなように感度
が光ファイバが囲む総面積に比例するため光干渉角速度
計の要求性能によって直径、幅等が調整される。
って作製される偏光子13は、伝送モードの曲げ損失を小
さく抑えるためあまり小さい径で曲げることができな
い。実用的には、20mmφ以上ぐらいである。一方位相変
調器15は、巻回による偏波面保持光ファイバの伝送損失
の増大、偏波モード間のクロストークの増大をさけるた
めあまり小径に巻回できない。実用的には、曲げに強い
偏波保持光ファイバを使った場合、10mmφ以上が実用的
である。光源モジュールは、8mm×8mm×12mm程度で、受
光器モジュールは、10mm×10mm×12mm程度である。光フ
ァイバカプラは、4mmφ×(30〜40)mm程度である。光
ファイバコイル16は、(2)式から明らかなように感度
が光ファイバが囲む総面積に比例するため光干渉角速度
計の要求性能によって直径、幅等が調整される。
従来よりロケットや飛行機などの飛しょう体に搭載さ
れている姿勢制御装置、姿勢計測装置、慣性装置などに
対し小型化が要望されている。当然のこととしてそこで
使用する角速度センサ(シャイロスコープ)に対し小型
化が要求されてくる。光干渉角速度計は、従来の機械式
ジャイロのような回転部分がなく、かつ精密加工組立が
不要ということで寿命、ローコスト化に関し従来の機械
式ジャイロに比べ期待されている。しかしサイズに関し
ては従来の光部品の構造のままだと光コンポーネントの
大きさに制限されて、光干渉角速度計の小型化をはばん
でいた。
れている姿勢制御装置、姿勢計測装置、慣性装置などに
対し小型化が要望されている。当然のこととしてそこで
使用する角速度センサ(シャイロスコープ)に対し小型
化が要求されてくる。光干渉角速度計は、従来の機械式
ジャイロのような回転部分がなく、かつ精密加工組立が
不要ということで寿命、ローコスト化に関し従来の機械
式ジャイロに比べ期待されている。しかしサイズに関し
ては従来の光部品の構造のままだと光コンポーネントの
大きさに制限されて、光干渉角速度計の小型化をはばん
でいた。
この発明は、従来の欠点を除去し、光干渉角速度計の
小形化をはかったものである。
小形化をはかったものである。
「課題を解決するための手段」 この発明によれば、光源と、その光源に結合された第
1光分配結合器と、その第1光分配結合器と結合した偏
光子と、その偏光子と結合した第2光分配結合器と、そ
の第2光分配結合器と結合した少なくとも1周する光フ
ァイバコイルと、その光ファイバコイルの片端に配され
て右回り光及び左回り光に位相変化を与える位相変調器
と、上記第1光分配結合器と結合し、上記光ファイバコ
イルを伝播してきた右回り光と左回り光との干渉光を光
電変換する受光器とを有する光干渉角速度計において、 上記偏光子は、直交する偏波モード間において光伝送
損失の曲げ損失が異なる光ファイバを使用したものであ
り、その偏光子の光ファイバが上記光ファイバコイルを
巻回した巻枠に巻回される。
1光分配結合器と、その第1光分配結合器と結合した偏
光子と、その偏光子と結合した第2光分配結合器と、そ
の第2光分配結合器と結合した少なくとも1周する光フ
ァイバコイルと、その光ファイバコイルの片端に配され
て右回り光及び左回り光に位相変化を与える位相変調器
と、上記第1光分配結合器と結合し、上記光ファイバコ
イルを伝播してきた右回り光と左回り光との干渉光を光
電変換する受光器とを有する光干渉角速度計において、 上記偏光子は、直交する偏波モード間において光伝送
損失の曲げ損失が異なる光ファイバを使用したものであ
り、その偏光子の光ファイバが上記光ファイバコイルを
巻回した巻枠に巻回される。
上記光源を収納した光源モジュール又は上記受光器を
収納した受光器モジュールに、上記偏光子の光ファイバ
が直接巻回される。
収納した受光器モジュールに、上記偏光子の光ファイバ
が直接巻回される。
少なくとも1軸の光干渉角速度計を有するプラットフ
ォーム形慣性装置において、上記光干渉角速度計の光フ
ァイバコイルがジンバル軸に巻き付けられる。
ォーム形慣性装置において、上記光干渉角速度計の光フ
ァイバコイルがジンバル軸に巻き付けられる。
少なくとも1軸の光干渉角速度計を有するプラットフ
ォーム形慣性装置において、上記光干渉角速度計の光フ
ァイバコイルがジンバル軸に回転を伝達するギアに巻き
付けられる。
ォーム形慣性装置において、上記光干渉角速度計の光フ
ァイバコイルがジンバル軸に回転を伝達するギアに巻き
付けられる。
「実施例」 第9図はこの発明の一実施例を示し、角速度検知用光
ファイバコイル16として巻枠31に光ファイバ30が巻かれ
てなり、この光ファイバコイル中に偏光子13の光ファイ
バも巻回される。その巻回の位置としては巻き易さの点
から第1層目又は第n層目が適当である。
ファイバコイル16として巻枠31に光ファイバ30が巻かれ
てなり、この光ファイバコイル中に偏光子13の光ファイ
バも巻回される。その巻回の位置としては巻き易さの点
から第1層目又は第n層目が適当である。
第10図は従来の光源モジュール34の外側に、偏光子用
光ファイバ33を巻枠32に巻回した偏光子13を配置した図
である。偏光子13は光源モジュール34にポッティング又
は機械的に固定される。光源モジュール34の代りに受光
器モジュールを用いてもよい。このような場合において
請求項2は、光源モジュール34又は受光器モジュールの
ケースの外周面に丸味を付けて、偏光子用光ファイバ33
を直接巻回するものである。
光ファイバ33を巻枠32に巻回した偏光子13を配置した図
である。偏光子13は光源モジュール34にポッティング又
は機械的に固定される。光源モジュール34の代りに受光
器モジュールを用いてもよい。このような場合において
請求項2は、光源モジュール34又は受光器モジュールの
ケースの外周面に丸味を付けて、偏光子用光ファイバ33
を直接巻回するものである。
第11図のように3軸のための光源モジュール45の外側
に3軸のための偏光子を巻枠44に光ファイバ46を巻回し
て構成する場合において、請求項3及び4は3軸のため
の光源モジュールまたは3軸のための受光器モジュール
のケースの外周面に丸味を付けて3軸のための偏光子用
光ファイバを直接巻回するものである。
に3軸のための偏光子を巻枠44に光ファイバ46を巻回し
て構成する場合において、請求項3及び4は3軸のため
の光源モジュールまたは3軸のための受光器モジュール
のケースの外周面に丸味を付けて3軸のための偏光子用
光ファイバを直接巻回するものである。
第12図はこの発明による2軸検出のプラットフォーム
形慣性装置を示す。ヨー軸ジンバル131にピッチ軸ジン
バルシャフト132を介してピッチ軸ジンバル133が保持さ
れ、ピッチ軸ジンバル133に慣性空間に対し静止される
対象物134が保持され、ピッチ軸ジンバルシャフト132は
ピッチ軸回転モータ135で回転され、ヨー軸回転モータ1
36の回転が回転伝達ギア137を介してヨー軸ジンバルシ
ャフト138に伝達される。この実施例においてはピッチ
軸ジンバルシャフト132に光干渉角速度計の光ファイバ1
39が直接巻回され、回転伝達ギヤ138に光ファイバコイ
ル141が直接巻回される。ピッチ軸、ヨー軸の2軸の角
速度を、光干渉角速度計により検出し、ジンバル構成に
より、ジンバル上のプラットフォームを前記2軸に対し
て安定させる。
形慣性装置を示す。ヨー軸ジンバル131にピッチ軸ジン
バルシャフト132を介してピッチ軸ジンバル133が保持さ
れ、ピッチ軸ジンバル133に慣性空間に対し静止される
対象物134が保持され、ピッチ軸ジンバルシャフト132は
ピッチ軸回転モータ135で回転され、ヨー軸回転モータ1
36の回転が回転伝達ギア137を介してヨー軸ジンバルシ
ャフト138に伝達される。この実施例においてはピッチ
軸ジンバルシャフト132に光干渉角速度計の光ファイバ1
39が直接巻回され、回転伝達ギヤ138に光ファイバコイ
ル141が直接巻回される。ピッチ軸、ヨー軸の2軸の角
速度を、光干渉角速度計により検出し、ジンバル構成に
より、ジンバル上のプラットフォームを前記2軸に対し
て安定させる。
「発明の効果」 以上説明したようにこの発明によれば光干渉角速度計
や慣性装置の構成品ができるだけ一体化され、光干渉角
速度計や慣性装置を小形化することができる。
や慣性装置の構成品ができるだけ一体化され、光干渉角
速度計や慣性装置を小形化することができる。
第1図は光干渉角速度計の構成を示すブロック図、第2
図は従来の偏光子を示す斜視図、第3図は従来の位相変
調器を示す斜視図、第4図は従来の光源モジュールを示
す斜視図、第5図は従来の受光器モジュールを示す斜視
図、第6図は従来の光ファイバカプラを示す断面図、第
7図は第6図のAA線断面図、第8図は従来の光ファイバ
コイルを示す斜視図、第9図は光ファイバコイルの断面
図、第10図は従来の光源モジュールと偏光子とを一体化
した例を示す斜視図、第11図は3軸の光源モジュールと
3軸の偏光子とを一体化した例を示す斜視図、第12図は
この発明のプラットフォーム形慣性装置を示す斜視図で
ある。
図は従来の偏光子を示す斜視図、第3図は従来の位相変
調器を示す斜視図、第4図は従来の光源モジュールを示
す斜視図、第5図は従来の受光器モジュールを示す斜視
図、第6図は従来の光ファイバカプラを示す断面図、第
7図は第6図のAA線断面図、第8図は従来の光ファイバ
コイルを示す斜視図、第9図は光ファイバコイルの断面
図、第10図は従来の光源モジュールと偏光子とを一体化
した例を示す斜視図、第11図は3軸の光源モジュールと
3軸の偏光子とを一体化した例を示す斜視図、第12図は
この発明のプラットフォーム形慣性装置を示す斜視図で
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G01C 21/18 G01C 21/18 (72)発明者 大野 有孝 東京都渋谷区道玄坂1丁目21番6号 日 本航空電子工業株式会社内 (72)発明者 一杉 則昭 東京都渋谷区道玄坂1丁目21番6号 日 本航空電子工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−82317(JP,A) 特開 昭62−56908(JP,A) 特開 昭61−95574(JP,A) 特開 昭62−61022(JP,A) 特開 昭62−165377(JP,A) 特開 昭62−90606(JP,A) 特開 昭61−25014(JP,A) 特開 昭63−18216(JP,A) 特開 昭61−266911(JP,A) 特開 昭62−123310(JP,A) 特開 昭63−16218(JP,A) 特開 昭62−198712(JP,A) 特開 昭60−88311(JP,A) 「出力の安定化をはかった光ファイバ ジャイロ」,岡野健一,西野雅士,1987 年6月25日,応用物理学会・光ファイバ センサ研究資料
Claims (6)
- 【請求項1】光源と、その光源に結合された第1光分配
結合器と、その第1光分配結合器と結合した偏光子と、
その偏光子と結合した第2光分配結合器と、その第2光
分配結合器と結合した少なくとも1周する光ファイバコ
イルと、その光ファイバコイルの片端に縦続的に配され
て右回り光及び左回り光に位相変化を与える位相変調器
と、上記第1光分配結合器と結合し、上記光ファイバコ
イルを伝播してきた右回り光と左回り光との干渉光を光
電変換する受光器とを有する光干渉角速度計において、 上記偏光子は、直交する偏波モード間において光伝送損
失の曲げ損失が異なる光ファイバを使用したものであ
り、その偏光子の光ファイバが上記光ファイバコイルを
巻回した巻枠に巻回されている光干渉角速度計。 - 【請求項2】光源と、その光源に結合された第1光分配
結合器と、その第1光分配結合器と結合した偏光子と、
その偏光子と結合した第2光分配結合器と、その第2光
分配結合器と結合した少なくとも1周する光ファイバコ
イルと、その光ファイバコイルの片端に縦続的に配され
て右回り光及び左回り光に位相変化を与える位相変調器
と、上記第1光分配結合器と結合し、上記光ファイバコ
イルを伝播してきた右回り光と左回り光との干渉光を光
電変換する受光器とを有する光干渉角速度計において、 上記光源を収納した光源モジュール又は上記受光器を収
納した受光器モジュールに、上記偏光子の光ファイバが
直接巻回されている光干渉角速度計。 - 【請求項3】光源と、その光源に結合された第1光分配
結合器と、その第1光分配結合器と結合した偏光子と、
その偏光子と結合した第2光分配結合器と、その第2光
分配結合器と結合した少なくとも1周する光ファイバコ
イルと、その光ファイバコイルの片端に縦続的に配され
て右回り光及び左回り光に位相変化を与える位相変調器
と、上記第1光分配結合器と結合し、上記光ファイバコ
イルを伝播してきた右回り光と左回り光との干渉光を光
電変換する受光器とを有する光干渉角速度計が少なくと
も二つ以上設けられた多軸光干渉角速度計において、 上記偏光子は、直交する偏波モード間において光伝送損
失の曲げ損失が異なる光ファイバを巻回したものであ
り、この光ファイバが上記光源モジュールに直接巻回さ
れている多軸光干渉角速度計。 - 【請求項4】光源と、その光源に結合された第1光分配
結合器と、その第1光分配結合器と結合した偏光子と、
その偏光子と結合した第2光分配結合器と、その第2光
分配結合器と結合した少なくとも1周する光ファイバコ
イルと、その光ファイバコイルの片端に縦続的に配され
て右回り光及び左回り光に位相変化を与える位相変調器
と、上記第1光分配結合器と結合し、上記光ファイバコ
イルを伝播してきた右回り光と左回り光との干渉光を光
電変換する受光器とを有する光干渉角速度計が少なくと
も二つ以上設けられた多軸光干渉角速度計において、 上記偏光子は、直交する偏波モード間において光伝送損
失の曲げ損失が異なる光ファイバを巻回したものであ
り、この光ファイバが上記受光器モジュールに直接巻回
されている多軸光干渉角速度計。 - 【請求項5】少なくとも1軸の光干渉角速度計を有する
プラットフォーム形慣性装置において、上記光干渉角速
度計の光ファイバコイルがジンバル軸に巻き付けられて
いる慣性装置。 - 【請求項6】少なくとも1軸の光干渉角速度計を有する
プラットフォーム形慣性装置において、上記光干渉角速
度計の光ファイバコイルがジンバル軸に回転を伝達する
ギアに巻き付けられている慣性装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63170588A JP2673546B2 (ja) | 1988-07-08 | 1988-07-08 | 光干渉角速度計及び慣性装置 |
EP89112134A EP0349961A2 (en) | 1988-07-08 | 1989-07-03 | Inertial equipment using fiber optic gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63170588A JP2673546B2 (ja) | 1988-07-08 | 1988-07-08 | 光干渉角速度計及び慣性装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0221213A JPH0221213A (ja) | 1990-01-24 |
JP2673546B2 true JP2673546B2 (ja) | 1997-11-05 |
Family
ID=15907620
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
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「出力の安定化をはかった光ファイバジャイロ」,岡野健一,西野雅士,1987年6月25日,応用物理学会・光ファイバセンサ研究資料 |
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