(57)【要約】【課題】圧電効果によって膜振動するブレードによって生じさせる空気流の流量や流速を十分に増大させる。【解決手段】膜振動の位相が互いにずれている一対の前記ブレード２，３が所定の間隔を空けて対向しかつそれらの周辺部が連結されて保持されるとともに、これらのブレード２，３の周辺部の間に、所定の一箇所に開口部７が生じるように、シール材６ａ，６ｂ，６ｃが介在させられ、さらにそれら一対のブレード２，３が、それらのブレード２，３の外表面に所定の間隔を空けて対向する上板部８と下板部９とを有するカバー部材の内部に収容され、前記上板部８とこれに対向する一方のブレード２の外表面との間、および前記下板部９とこれに対向する他方のブレード３の外表面との間のそれぞれに、所定の一箇所に開口部７Ａが形成された空間部とされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電効果によって膜振動するブレードによって空気流を生じさせるピエゾファンにおいて、
前記膜振動の位相が互いにずれている一対の前記ブレードが所定の間隔を空けて対向しかつそれらの周辺部が連結されて保持されるとともに、
これらのブレードの周辺部の間に、所定の一箇所に開口部が生じるように、シール材が介在させられ、
さらにそれら一対のブレードが、それらのブレードの外表面に所定の間隔を空けて対向する上板部と下板部とを有するカバー部材の内部に収容され、
前記上板部とこれに対向する一方のブレードの外表面との間、および前記下板部とこれに対向する他方のブレードの外表面との間のそれぞれに、所定の一箇所に開口部が形成された空間部とされている
ことを特徴とするピエゾファン。
【請求項２】
前記一対のブレードは、これらのブレード間の開口部を除いた外周側を取り囲む形状のフレーム部材の内部に配置されるとともに、外周部の複数箇所で前記フレーム部材に連結され、
前記カバー部材は、前記フレーム部材に取り付けられている
ことを特徴とする請求項１に記載のピエゾファン。
【請求項３】
前記各ブレードは、金属板に圧電素子を貼着して構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のピエゾファン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、送風用のブレードを、電圧を印加することにより変形するピエゾ素子によって振動させて空気流を生じさせるピエゾファンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、外力による応力に応じて起電力を生じ、これとは反対に電圧を印加すると変形する。このような圧電効果（ピエゾ効果）を利用して振動板を駆動し、送風を行うように構成したファンが従来知られている。その例が特許文献１ないし４に記載されており、これらの文献のうち特許文献１ないし３に記載された圧電ファンは、一方の端部を一対の圧電素子に挟持された弾性体と、その弾性体の他方の端部に連結された振動板と、それら圧電素子、弾性体および振動板を収容し、空気の吸入口と排出口とが形成されたケースとによって構成されている。このように構成された圧電ファンは、それぞれの圧電素子に位相をずらした交流を通電することにより、弾性体が振動し、その弾性体の振動が振動板に伝達されるので、振動板が上下動して、いわゆる団扇の原理で空気流を生じさせることができる。したがって、特許文献１ないし３に記載された冷却装置は、振動板が振動することができる程度の厚みとすることができる。
【０００３】
また、特許文献４に記載されたファンは、振動板の上面に圧電セラミックを接着し、その振動板の振動が伝達される羽根と、それら振動板と羽根とを収容し、空気の吸入口と排出口とが形成されたケースとによって構成されている。このように構成されたファンは、圧電素子に交流電流を通電することにより、圧電セラミックが収縮・膨張を繰り返して、圧電セラミックが接着された振動板および羽根が振動するので、いわゆる団扇の原理で空気流を生じさせることができる。したがって、上記の特許文献１ないし３に記載されている圧電ファンと同様に、特許文献４に記載されたファンによっても、振動板が振動することができる程度の厚みとすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１３０１９８号公報
【特許文献２】特開２００２−１３０１９９号公報
【特許文献３】特開２００２−３３９９００号公報
【特許文献４】特開２００２−３６４５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、圧電素子を利用したファンは、上記の各特許文献１ないし４に記載されているように、一枚の振動板を空気中で往復移動させ、その振動板の周囲にある空気を撹拌するとともに、撹拌の際に空気に対して所定の方向の押し出し力を作用させるように構成されている。いわゆる団扇の原理で送風するように構成されている。その振動板（もしくは羽根）とその周囲の空気との挙動を更に検討すると、空気は振動板と比較して密度および重量が大幅に小さいから、振動板が動くことによりその周囲の空気が押しのけられて移動する。振動板がその一端部を支点と、これとは反対側の端部を自由端としてその自由端を往復移動させれば、振動板の支点を中心とした撓みにより、空気を一定方向に押すことになり、その結果、空気を単に撹拌するだけではなく、空気流とすることができる。
【０００６】
しかしながら、このようにして生じる空気流は、解放空間における空気が振動板によって押しのけられて生じるものであり、空気を加圧する作用はほとんど生じない。このような事情は、振動板あるいは羽根が特許文献１ないし４に記載されているようにケースの内部に配置されている場合であっても同様であり、それらのケースは複数方向に解放しているので、空気の移動を規制したり、閉じ込めたりする機能がない。このように圧電効果を利用した従来のファンは、送風のために空気を加圧するものではないために、空気の流速や空気流の到達距離が必ずしも十分に大きくはなく、例えば電子装置のケーシングの内部に実装されている電子部品を十分に強制空冷することは困難であった。
【０００７】
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、圧電効果を利用してブレードを振動させて空気量を生じさせるピエゾファンによる空気流の流速および流量を十分大きくすることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、圧電効果によって膜振動するブレードによって空気流を生じさせるピエゾファンにおいて、前記膜振動の位相が互いにずれている一対の前記ブレードが所定の間隔を空けて対向しかつそれらの周辺部が連結されて保持されるとともに、これらのブレードの周辺部の間に、所定の一箇所に開口部が生じるように、シール材が介在させられ、さらにそれら一対のブレードが、それらのブレードの外表面に所定の間隔を空けて対向する上板部と下板部とを有するカバー部材の内部に収容され、前記上板部とこれに対向する一方のブレードの外表面との間、および前記下板部とこれに対向する他方のブレードの外表面との間のそれぞれが、所定の一箇所に開口部が形成された空間部とされていることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記一対のブレードは、これらのブレード間の開口部を除いた外周側を取り囲む形状のフレーム部材の内部に配置されるとともに、外周部の複数箇所で前記フレーム部材に連結され、前記カバー部材は、前記フレーム部材に取り付けられていることを特徴とするピエゾファンである。
【００１０】
さらに、請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記各ブレードは、金属板に圧電素子を貼着して構成されていることを特徴とするピエゾファンである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、一対のブレードが圧電効果によって膜振動し、その振動の位相がずれていて、互いに接近し、また離隔するように振動する。すなわち、ブレード同士の間隔が広狭に繰り返し変化するので、ブレード同士の間の空間部の容積が繰り返し増減する。ブレード同士はその周辺部で連結されるとともに、これらのブレードの間には、所定の一箇所に開口部が生じるように、シール材が介在されていて、その開口部以外は気密状態に閉じられている。すなわち、ブレード同士の間の空間部は解放空間となっておらずに、閉じた構造になっている。したがって、ブレード同士の間の空間部では、ブレードの膜振動に伴う容積の変化によってその内部の空気を加圧し、また減圧する作用が生じる。こうして加圧された空気が開口部から吹き出すので、圧力が高く、また多量の空気が開口部から送り出され、流速および流量が十分に大きい送風を行うことができる。
【００１２】
また、ブレード同士が互いに接近してその内側の空間部の容積が減少した場合、各ブレードの外表面とカバー部材における上板部および下板部との間の空間部の容積が増大し、また反対にブレード同士が互いに離隔してその内側の空間部の容積が増大した場合、各ブレードの外表面とカバー部材における上板部および下板部との間の空間部の容積が減少する。すなわち各ブレードと上板部あるいは下板部との間においても、ブレード同士の間での容積の変化、およびそれに伴う空気の加圧と吸引とが生じる。このように、この発明では、ブレード同士の間、および一対のブレードの上下両側の合計三箇所で空気の加圧と吸引とを生じさせることができるので、送風量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明に係る冷却装置の一例を説明するための図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ線に沿う断面図である。
【図２】図１におけるファンの構成の一例を説明するための図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は（ｂ）におけるｃ−ｃ線に沿う断面図である。
【図３】そのファンの作用を説明するための断面図であり、ファンから空気を排出している状態を示す図である。
【図４】そのファンの作用を説明するための断面図であり、ファンに空気を吸入している状態を示す図である。
【図５】図１におけるファンとフレーム部材とを連結する構成を説明するための図である。
【図６】その冷却装置が冷却対象に向けて空気を排出している状態を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図である。
【図７】ファンとカバー部材とを連結する他の構成例を説明するための断面図である。
【図８】カバー部材とフレーム部材とを連結する他の構成例を説明するための断面図である。
【図９】冷却装置が発熱部とは異なった位置に強制対流を発生させる例を説明するための図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
つぎにこの発明に係るピエゾファンを具体的に説明する。この発明に係るピエゾファンは、圧電素子に加える電圧に応じて変形する一対のブレードからなる駆動部と、その駆動部を収容したカバー部材とによって構成されている。まず、駆動部の構成について説明する。図２に示す駆動部１は、互いに対向して配置された一対のブレード２，３と、それらブレード２，３の外面に設けられた圧電素子４，５と、それぞれのブレード２，３の周縁部２ａ，２ｂ，２ｃ（３ａ，３ｂ，３ｃ）に設けられたシリコンなどの樹脂材料によって形成されたシール部材６ａ，６ｂ，６ｃとによって構成されている。このように構成された駆動部１は、電圧が印加されて圧電素子４，５が変形することにより、その圧電素子４（５）が密着させられているブレード２（３）が伸縮する。
【００１５】
すなわち、各圧電素子４，５は、印加される電圧の極性に応じて、ブレード２，３に密着している面が伸びる変形と、ブレード２，３に密着している面が収縮する変形とが生じるように構成されている。そして、各圧電素子４，５には、ブレード２，３に対するそれぞれの密着面が共に延び、またそれぞれの密着面が共に収縮するように、電圧が印加される。これらのブレード２，３はその周辺部が連結されていて周辺部が拘束されており、しかも圧電素子４，５が中央部に取り付けられているので、圧電素子４，５の上記のような変形により、各ブレード２，３は互いに接近する変形と、互いに離隔する変形とが生じる。すなわち、高周波電圧を印加することにより各ブレード２，３は膜振動し、その振動の位相がずれていることにより、各ブレード２，３が互いに接近して両者の間の空間容積が減少し、また互いに離隔して両者の間の空間容積が増大するようになっている。
【００１６】
なお、各ブレード２，３はステンレス鋼やアルミニウムなどの金属製薄板であってよく、また圧電素子４，５は、従来知られたものと同様に、水晶やセラミックなどの部材を挟んで電極を設け、その電極に通電することによって収縮・膨張するように構成されている。
【００１７】
さらに、各ブレード２，３は、シール部材６ａ，６ｂ，６ｃによりブレード２，３同士に所定の隙間が空くように連結されている。図２に示す例では、断面形状が円形のシール部材６ａ，６ｂ，６ｃが、各ブレード２，３の３つの周縁部２ａ，２ｂ，２ｃ（３ａ，３ｂ，３ｃ）の間に挟み付けられている。これは、ブレード２，３が伸縮変形することをシール部材６ａ，６ｂ，６ｃが阻害しないようにするとともに、各ブレード２，３同士の間の空間部を気密状態にするためである。なお、このシール部材６ａ，６ｂ，６ｃは、ブレード２，３が伸縮変形することを阻害しないように弾性係数の小さいゴムなどの樹脂材料で形成することが好ましい。上記のようにシール部材６ａ，６ｂ，６ｃを設けることにより、互いに対向したブレード２，３およびシール部材６ａ，６ｂ，６ｃにより一方にのみ開口した空間Ｓが形成され、その結果、ブレード２，３が伸縮変形することにより、一方にのみ開口した開口部７から空間Ｓに空気が吸入され、また排出される。
【００１８】
上述した各圧電素子４，５には、図示しない電源が電気的に連結されており、その電源から各圧電素子４，５に掛ける電界の強度や周波数を制御する図示しない電子制御装置が設けられている。具体的には、それぞれの圧電素子４，５には一方の電極が接続され、それら圧電素子４，５が貼付されたそれぞれのブレード２，３には他方の電極が接続されている。この電子制御装置により圧電素子４，５に印加する電圧や周波数を変化させることにより、各圧電素子４，５の収縮・膨張の変位量を制御したり、その変位する周波数、すなわち圧電素子４，５が振動する周波数を制御したりすることができる。また、各圧電素子４，５には同一の電極が接続されているので、各圧電素子４，５に通電する周波数の位相を制御することなく、各圧電素子４，５およびそれら圧電素子４，５が貼付された各ブレード２，３を同時に収縮・膨張させることができる。
【００１９】
ここで、上述した駆動部１の作用について説明する。まず、それぞれの圧電素子４，５に電気的に連結された電源から交流電流が通電される。この交流電流の電圧や周波数は、生じさせるべき空気流の流量や流速などに基づいて任意に定めることができる。ついで、通電された電力に応じて圧電素子４，５が収縮・膨張する。言い換えれば、圧電素子４，５に通電される交流電流の周波数に応じて圧電素子４，５が振動する。また、上述したように各ブレード２，３の外面に圧電素子４，５が貼付されているので、圧電素子４，５と一体に各ブレード２，３が振動する。
【００２０】
図１に示す駆動部１は、ブレード２，３の伸縮変形により、空間Ｓに介在する空気を圧縮・膨張させることによって空気流を生じさせるものであり、そのため、上述した各圧電素子４，５同士の振動周波数の位相は、各ブレード２，３が互いに離隔するようにもしくは互いに接近するように制御されている。すなわち、図１に示す例では、それぞれの圧電素子４，５に同一の電極を連結することにより、双方の圧電素子４，５が同時に収縮し、または双方の圧電素子４，５が同時に膨張するように、各圧電素子４，５に連結された電極には、同一方向の電流を通電するように制御されている。
【００２１】
なお、図３および図４は、ブレード２，３が振動している状態を示したものであり、図３はブレード２，３同士が接近する方向に変形することにより、空間Ｓから空気が排出されている状態を示し、図４はブレード２，３同士が離隔する方向に変形することにより、空間Ｓに空気を吸入している状態を示している。なお、図３および図４は、便宜上、シール部材６ｂの断面を直線状に示している。また、シール部材は直線状のものを複数用いる替わりに、一本のシール部材をブレードの周辺部の形状に合わせて折り曲げて使用してもよい。
【００２２】
各圧電素子４，５および各ブレード２，３に接続された電極など、すなわち駆動部１を外力から保護するため、あるいは各ブレード２，３を保持するためのカバー部材８，９が図１に示すように設けられている。これらのカバー部材８，９はこの発明における上板部と下板部とに相当する部材であって、上述した駆動部１を保持しているフレーム部材１０に取り付けられている。ここで説明している例における駆動部１は、矩形状に形成されており、その一つの側縁部に上述した開口部７が形成されている。フレーム部材１０は、駆動部１における開口部７を除いた外周側を覆う枠体であって、図に示す例では、平面視で「コ」字状をなすように構成されている。前述した駆動部１もしくは一対のブレード２，３は上記のフレーム部材１０の内部に挿入され、その外周側の三辺がフレーム部材１０から僅かに離隔した状態で、タブなどの連結部材１１によってフレーム部材１０に連結されて保持されている。
【００２３】
そのフレーム部材１０における周縁部の表裏両面を挟んで配置されたカバー部材８，９によって図１の（ａ）に示すように各ブレード２，３の上方および下方が囲われている。すなわち、駆動部１の表裏両側にカバー部材８，９が配置されており、図１（ａ）に示すように各カバー部材８，９における三箇所の周縁部がリベット１２などによって連結されている。したがって、各カバー部材８，９の周辺部で前述した開口部７と一致する箇所にはカバー部材８，９による開口部７Ａが形成されている。なお、電極に接続されたリード線をカバー部材８，９の外部に出すための孔１３が形成されているが、図１に示す冷却装置は、後述するようにカバー部材８，９の内部の空間の空気も排出するように構成されており、外部に向けて開口した部分以外から空気が漏洩してしまうことを抑制もしくは防止するために、この孔１３はカバー部材８，９がフレーム部材１０に重なる箇所が好ましい。
【００２４】
このようにカバー部材８，９は駆動部１を保護するとともに、駆動部１の表裏両面側、すなわち各ブレード２，３とカバー部材８，９の内壁面とに所定の隙間が空いている。したがって、各ブレード２，３が互いに接近する方向に変形すると、各ブレード２，３の間に介在する空気が加圧されて排出され、これと同時に各ブレード２，３の外表面と各カバー部材８，９との間の空間の容積が増大して、開口部７Ａから当該空間部分に空気が吸入される。また、各ブレード２，３が互いに離隔する方向に変形すると、各ブレード２，３の間の空間容積が増大して圧力が低下するために外気が吸入され、これと同時に各ブレード２，３とカバー部材８，９との間に介在する空気が加圧されて開口部７Ａから排出される。
【００２５】
このようにこの発明に係るピエゾファンでは、ブレード２，３同士の間の空間部からの空気の吹き出しと各ブレード２，３と各カバー部材８，９との間への空気の吸入とが同時に生じ、またブレード２，３同士の間の空間部への空気の吸入と各ブレード２，３と各カバー部材８，９との間の空間部分からの空気の吹き出しとが同時に生じる。したがって、ブレード２，３同士の間の空間部からの空気の吹き出しあるいは吸入と、各ブレード２，３と各カバー部材８，９との間の空間部への空気の吸入あるいは空気の吹き出しとが干渉しないようにすることにより、連続して空気流を吹き出させることができる。強制空冷のためのファンとして使用する場合には、冷却風量を増大させ、冷却能力もしくは冷却効率を向上させることができる。
【００２６】
図６は、チップセット１４を冷却対象として、そのチップセット１４の上面に一体化されたヒートスプレッダー１５の上面に向けてピエゾファンから空気を吹き出している状態を示している。また、上述したピエゾファンは、圧電素子４，５が収縮・膨張することにより強制対流を生じさせることができ、そのピエゾファンの厚みの変位量は、それら圧電素子４，５が最大に膨張する範囲である。すなわち、ピエゾファンの厚みは、圧電素子４，５が最大に膨張したときにそれら圧電素子４，５と接触しない程度に配置されたカバー部材８，９の厚みである。その結果、ピエゾファン全体としての厚みを薄くすることができるので、携帯型の電子機器などの薄型の電子機器を冷却する装置として用いることができる。
【００２７】
なお、この発明に係る冷却装置は、圧電素子４，５が貼着されたブレード２，３同士が離隔することにより、カバー部材８，９とブレード２，３との間に介在していた空気が圧縮されて排出されるように構成されていればよく、したがって、ブレード２，３がタブ１１を介してフレーム部材１０に連結されていなくてもよい。すなわち、図７に示すようにカバー部材８，９の内壁面にシリコン材料によって形成されたシール部材１６を設け、それらシール部材１６によってカバー部材８，９とブレード２，３とが連結されるように構成されていてもよい。さらに、カバー部材８，９は、リベット１２によって連結されていなくてもよく、例えば、図８に示すようにブレード２，３とフレーム部材１０とをタブ１２によって連結するとともに、そのフレーム部材１０の表面にシリコン材料によって形成されたシール部材１７を介してカバー部材８，９を連結していてもよい。
【００２８】
なお、この発明に係る冷却装置は、上述したようにチップセット１４などの発熱部に直接強制対流を発生させるように構成されていなくてもよい。図９にその構成の一例を示しており、従来知られた平板型のヒートパイプ１８の一端をヒートスプレッダー１５の上面に配置し、その平板型のヒートパイプ１８の他端にヒートシンク１９を設け、そのヒートシンク１９に向けて空気を吹き出すようにこの発明に係るピエゾファンが設けられている。
【００２９】
平板型のヒートパイプ１８は、従来知られたように発熱部から伝達された熱を潜熱として放熱部に熱輸送して放熱するものである。そのため、図に示すように構成することにより、その放熱部に一体に形成されたヒートシンク１９に向けてこの発明に係るピエゾファンから空気を吹き出させて強制対流を発生させることにより、平板型のヒートパイプ１８の放熱部の放熱性能を向上させることができ、その結果、平板型のヒートパイプ１８の熱輸送効率、ひいては発熱部の冷却効率を向上させることができる。すなわち、この発明に係るピエゾファンの冷却対象は、チップセット１４のように発熱する部材であってもよく、上記ヒートシンク１９のように発熱部から熱伝達された部材であってもよい。
【００３０】
さらに、この発明に係るピエゾファンは、圧電素子４，５が収縮・膨張することにより、駆動部１の内部に介在していた空気を加圧して吹き出し、もしくは吸入して強制対流を発生させ、かつ駆動部１に空気を吸引する間に、駆動部１とカバー部材８，９との間の空気を吹き出させて送風できればよいので、上述したように冷却対象の一方にのみ開口したカバー部材８，９でなく、例えば、互いに対向する側壁部に供給口と排出口とを設けた構成であってもよい。すなわち、ブレード２，３同士が離隔する方向に移動することによって開口する弁を冷却対象部に向けて開口した空気排出口に設け、ブレード２，３同士が接近する方向に移動することによって開口する弁を、その空気排出口とは反対側の周縁部に開口した空気吸入口に設けた構成としてもよい。
【００３１】
すなわち、駆動部１とカバー部材８，９との間から空気を排出するときに開弁する弁を空気排出口に設け、駆動部１の内部から空気を排出するときに開弁する弁を空気吸入口に設けてもよい。このように構成することにより、冷却対象の近傍の空気を吸入することがなく、すなわち高温の空気を吸入することがなく、また駆動部１の内部から排出される対流を、駆動部１とカバー部材８，９との間に吸入する空気の対流が阻害することがなく、その結果、冷却対象部に向けて排出される空気の流速や流量を向上させることにより冷却効率を向上させることができる。
【００３２】
また、圧電素子４，５やブレード２，３あるいはシール部材６ａ，６ｂ，６ｃの形状は、上述した形状に限定されず、例えば圧電素子４，５が方形であってもよく、ブレード２，３が円形であってもよい。さらに、上述した例では、上下それぞれのブレード２，３に圧電素子４，５を設けた例を挙げて説明したが、いずれか一方のブレード２（３）に圧電素子４（５）が設けられていればよい。
【符号の説明】
【００３３】
１…駆動部、  ２，３…ブレード、  ２ａ，２ｂ，２ｃ（３ａ，３ｂ，３ｃ）…周縁部、  ４，５，…圧電素子、  ６ａ，６ｂ，６ｃ…シール部材、  ７，７Ａ・・・開口部、  ８，９…カバー部材。
【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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【図９】
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