(57)【要約】【課題】上空に繋留した浮体を利用した風力発電装置において、発電機を軽量化し設置の自由度を高めるとともに、エネルギー変換効率を向上させた風力発電装置を提供する。【解決手段】繋留ロープ１４０で上空に回転自在に繋留されると共に外周面にスクープパドル１１２が一体に形成された浮体１１０を気流を利用して回転させることによって発電機１２０を回転させて発電する風力発電装置１００において、発電機１２０が浮体１１０に連結された回転軸と、回転軸に固設されたカムと、カムと当接することによって伸張するように張設された第１の電場応答性高分子膜とからなることによって上記の課題を解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繋留ロープで上空に回転自在に繋留されると共に外周面にスクープパドルが一体に形成された浮体を気流を利用して回転させることによって発電機を回転させて発電する風力発電装置において、
前記発電機が、浮体に連結された回転軸と該回転軸に固設されたカムと該カムと当接することによって伸張するように張設された第１の電場応答性高分子膜とからなることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記浮体が、気流によって変形することにより伸縮し発電する第２の電場応答性高分子膜によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記繋留ロープが、浮体の移動により伸縮し発電する第３の電場応答性高分子膜によって形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記スクープパドルが浮体の外周面に螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記浮体に凧が結合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力エネルギーを利用して発電を行う風力発電装置に関し、特に、電場応答性高分子（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ）膜を用いて、風力エネルギーを電気エネルギーとして取り出す風力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油などの化石燃料の枯渇と地球温暖化に象徴されるような環境対策が、深刻な問題として認識されるようになり、石油に替わる風力や太陽エネルギーなどの環境に優しい再生可能エネルギー（自然エネルギー）を利用した発電が注目を集めている。再生可能エネルギーの一つである風力エネルギーは、地球環境の保全、エネルギーセキュリティーの確保、経済成長の維持を同時に実現可能なエネルギー源として、世界各地で普及が進んでいる（図１０参照）。
【０００３】
特に、風車が発生するエネルギーは風速の３乗に比例するので、地表に比べて風速が大きい上空に繋留した浮体に風車を搭載し、上空の高速風を利用して発電しケーブルを介して地上に送電する風力発電装置は、発電電力が大幅に増幅される点できわめて有利である（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、本発明者らは、発電機などの既存の発電手法では実現が難しい低周波数帯（例えば、０．３Ｈｚ）や非定周波振動（周期が定まっていない振動）、高負荷、高ストロークなどの条件下においても利用可能な発電装置として電場応答性高分子膜を用いた発電装置の開発に成功し、各方面から注目を集めている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２５５５４号公報
【特許文献２】特開２００８−１４１８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の風力発電装置では、風車型が主流であり、周辺環境への悪影響の問題があり、設置場所の選定に注意を要すると共に、建設コストが高いなどの課題があった。また、風車設置による風切り音による人体及び動物への健康被害の問題があった。また、野鳥が風車のブレードに衝突し死んでしまうなどの被害も多い。
また、従来の上空に繋留した浮体を利用した風力発電装置は、発電機が重いため浮体を大型化する必要があり、設置の自由度が制約されるという課題があった。
【０００７】
さらに、従来の上空に繋留した浮体を利用した風力発電装置は、浮体が受ける風力エネルギーを回転エネルギーに変換して発電するだけであるので、発電効率が低いという課題があった。
【０００８】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、上空に繋留した浮体を利用した風力発電装置において、発電機を軽量化し設置の自由度を高めるとともに、発電効率を向上させた風力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、エネルギー変換手段に電場応答性高分子膜を用い、これを風力エネルギーにより伸張収縮させることが、前記課題の解決にきわめて効果的であることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成するに到った。
【００１０】
まず、本請求項１に係る発明は、繋留ロープで上空に回転自在に繋留されると共に外周面にスクープパドルが一体に形成された浮体を気流を利用して回転させることによって発電機を回転させて発電する風力発電装置において、前記発電機が、浮体に連結された回転軸と該回転軸に固設されたカムと該カムと当接することによって伸張するように張設された第１の電場応答性高分子膜とからなることによって、前記課題を解決するものである。
【００１１】
また、本請求項２に係る発明は、請求項１に係る風力発電装置において、前記浮体が、気流によって変形することにより伸縮し発電する第２の電場応答性高分子膜によって形成されていることによって、前記課題をさらに解決するものである。
【００１２】
また、本請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に係る風力発電装置において、前記繋留ロープが、浮体の移動により伸縮し発電する第３の電場応答性高分子膜によって形成されていることによって、前記課題をさらに解決するものである。
【００１３】
また、本請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに係る風力発電装置において、前記スクープパドルが浮体の外周面に螺旋状に形成されていることによって、前記課題をさらに解決するものである。
【００１４】
また、本請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに係る風力発電装置において、前記浮体に凧が結合されていることによって、前記課題をさらに解決するものである。
【００１５】
なお、本発明における電場応答性高分子膜とは、誘電エラストマーを主たる構成要素としてクーロン力によって機械的変形から起電力を得たり、逆に電位差を与えることにより機械的な駆動力が得られる、いわゆる、エレクトロアクティブポリマー（ＥＡＰ）の総称を意味しており、例えば、米国のカリフォルニア州に本拠を構えるＳＲＩインターナショナルで開発されたアクリル系樹脂やシリコーン系樹脂などからなるゴム状の薄い高分子（誘電体）を伸び縮み可能な柔軟な電極で挟んだ構造をしたＥＰＡＭ（イーパム：Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  Ｍｕｓｃｌｅ）という商品名で提供されているものなどがある。
【発明の効果】
【００１６】
本請求項１に係る発明によれば、繋留ロープで上空に回転自在に繋留されると共に外周面にスクープパドルが一体に形成された浮体を気流を利用して回転させることによって発電機を回転させて発電する風力発電装置において、発電機が浮体に連結された回転軸と、回転軸に固設されたカムと、カムと当接することによって伸張するように張設された第１の電場応答性高分子膜とからなることによって、発電機の重量が軽量化されるので、浮体を小型化でき設置の自由度が向上する。
【００１７】
また、電場応答性高分子膜は、低周波数帯（例えば、０．３Ｈｚ）や非定周波振動（周期が定まっていない振動）でも発電可能であるので、平均風力エネルギーが小さい地域においても、高い発電効率を実現することができる。さらに、従来の風力発電装置のように増速歯車を必要としないので、装置の小型軽量化が図られる。
【００１８】
また、本請求項２に係る発明によれば、請求項１に係る風力発電装置において、浮体が、気流によって変形することにより伸縮し発電する第２の電場応答性高分子膜によって形成されていることによって、浮体の回転運動のみならず、浮体の変形から電気エネルギーを取り出すことができるので、発電効率の高い風力発電が実現できる。また、浮体が電場応答性高分子膜で形成されることによって、浮体がクッション性をもつので、野鳥が衝突した場合でも、衝突死することがない。さらに、第２の電場応答性高分子膜の静電容量を検知することにより、浮体内部の気圧をモニタリングすることが可能である。
【００１９】
また、本請求項３に係る発明によれば、請求項１又は請求項２に係る風力発電装置において、繋留ロープが、浮体の移動により伸縮し発電する第３の電場応答性高分子膜によって形成されていることによって、気圧の変化による浮体の上昇下降運動から電気エネルギーを取り出すことができる。さらに繋留ロープを風が切ることによってカルマン渦が発生し渦励振が発生し、この振動からも電気エネルギーを取り出すことができる。その結果、より発電効率の高い風力発電装置が実現できる。
【００２０】
また、本請求項４の風力発電装置によれば、請求項１乃至請求項３のいずれかに係る風力発電装置において、スクープパドルが浮体の外周面に螺旋状に形成されていることによって、風速が小さい場合でも回転トルクを支軸にかけることができるので、より一層発電効率が高い風力発電装置が実現できる。
【００２１】
また、本請求項５に風力発電装置によれば、請求項１乃至請求項４のいずれかに係る風力発電装置において、浮体に凧が結合されていることによって、浮体にヘリウムを充填しなくても浮力を得ることができるので、ヘリウム圧を適切に保つためのメンテナンス作業負担が軽減されるとともにランニングコストが削減できる。浮体に結合した凧が発生する浮力によって浮体を上空に維持することができるのは、本発明の風力発電装置が重量の重い発電機や増速歯車などを必要しないことによるからであり、従来の風力発電装置では実現困難なきわめて特異な効果である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の電場応答性高分子膜を用いた風力発電装置の概念図。
【図２】図１の矢視ＩＩ方向から見たときの断面図。
【図３】本発明の発電機を説明する概念図。
【図４】本発明の発電機を構成する発電ユニット部の垂直断面図。
【図５】本発明の発電機を構成するＥＰＡＭカートリッジの垂直断面図。
【図６】本発明の発電機の別の実施態様を示す正面図。
【図７】本発明の浮体の構造を示した斜視図。
【図８】本発明のスクープパドルの別の実施態様を示す斜視図。
【図９】本発明の別の実施形態を示す概念図。
【図１０】各種エネルギーの関係図。
【図１１】電場応答性高分子膜の発電原理を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の風力発電装置は、繋留ロープで上空に回転自在に繋留されると共に外周面にスクープパドルが一体に形成された浮体を気流を利用して回転させることによって発電機を回転させて発電するものであって、発電機が浮体に連結された回転軸と、回転軸に固設されたカムと、カムと当接することによって伸張するように張設された第１の電場応答性高分子膜とからなることによって、発電機を軽量化し設置の自由度を高めるとともに、エネルギー変換効率を向上させた風力発電装置を提供するものであれば、その具体的な実施の態様は、如何なるものであっても何ら構わない。
【００２４】
例えば、本発明の風力発電装置は、上空の気流を利用して発電することを主たる目的としているが、浮体に広告媒体や監視カメラなどを装着して浮体を多目的に利用しても何ら支障はない。
【００２５】
ここで、本発明の風力発電装置のエネルギー変換手段となる電場応答性高分子膜（以下、ＥＰＡＭと称す）が、発電する原理の概要について、図１１に基づき説明する。
【００２６】
ＥＰＡＭ１は、２つの柔軟な電極１ｂ、１ｃに挟まれたアクリル系樹脂やシリコーン系樹脂等の高分子膜１ａで構成されている。従来、多用されていたアクチュエーション（駆動）モードでは、図１１（ａ）に示すように電極間に電位差を与えると、静電力により高分子膜１ａが厚さ方向に収縮し、その結果として、ＥＰＡＭ１が面方向に伸張し、アクチュエータとして機能する。
【００２７】
一方、発電モードでは、図１１（ｂ）に示すようにアクチュエーション（駆動）モードと逆の動き、すなわち、ＥＰＡＭ１に風力に由来する圧力変化を与えて、ＥＰＡＭ１を伸張させることにより発電する。
【００２８】
これらモードでは、ＥＰＡＭ１は、可変容量コンデンサーのように機能していると考えられる。ＥＰＡＭ１が伸張された際に発電の元となる微量の電荷をＥＰＡＭ１に与える。この電荷は、ＥＰＡＭ１の高分子膜１ａの表面上に現れる。そして、この膜が弛緩する際、ＥＰＡＭ１の弾性力が電場圧力に対抗して働き、その結果、電気エネルギーが増加する。ミクロ的には、高分子膜１ａの弾性力により電荷を各電極１ｂ、１ｃに向けて押し出し（収縮状態で高分子膜１ａの厚さが増加）、また電極１ｂ、１ｃ上において各電荷間の距離が短くなる（収縮状態で高分子膜１ａの平面領域が減少）。
【００２９】
このような電荷の変化が電圧差を増加させ、その結果、静電エネルギー量が増加し、電気エネルギーとして外部の負荷に供給可能になり、ＥＰＡＭ１が発電要素として機能する。
【００３０】
なお、ＥＰＡＭから電気エネルギーを取り出す具体的回路構成については、前述した特許文献２において開示しているので、ここでは、説明を割愛する。
【００３１】
以下、本発明のＥＰＡＭを用いた風力発電装置について、図１乃至図８に基づいて説明する。
【００３２】
本発明の風力発電装置１００は、図１に示すように、外周面にスクープパドル１１２が一体に形成された浮体１１０を上空（９０〜３００ｍ）にある気流を利用して回転させることによって発電機１２０を回転させて発電する。
【００３３】
図２は、図１の矢視ＩＩ方向から見たときの側面図である。図２に示すように、浮体１１０の形状が円筒状であるため、回転しながら、気流中に置かれた場合、浮体１１０に接する気流Ｗが粘性によって回転運動に引きずられ、回転速度及び粘性に相応することで気流Ｗに対して垂直の力Ｆを発生するという、いわゆるマグヌス効果が作用することによって、浮体１１０を一定の位置に保持することができる。
【００３４】
（第１のＥＰＡＭを用いた発電機）
次に本発明の第１の特徴である発電機について説明する。
本発明の風力発電装置１００に搭載される発電機は、浮体に連結された回転軸と、回転軸に固設されたカムと、カムと当接することによって伸張するように張設された第１のＥＰＡＭとからなっている。
【００３５】
発電機の構造について、図３乃至図６に基づいて説明する。
本発明の発電機は、図３及び図４に示すようにピストン軸１１の軸方向の運動をＥＰＡＭ１２を伸張させたり、弛緩させたりする力に変換すると共に、ＥＰＡＭ１２の変形状態に応じてＥＰＡＭ１２への初期電気エネルギーの供給とＥＰＡＭ１２からの出力電気エネルギーの出力との切換を行う機能を兼ね備えた発電ユニット部１０を有している。
【００３６】
そして、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの蓄電池や大容量コンデンサなどからなる蓄電部３０から出力される初期電気エネルギーが、電圧変換部２０の昇圧回路２２によって昇圧され、発電ユニット部１０の底板１０ａに固着された銅板などからなる充電端子１３とＥＰＡＭプラス端子１６ａとが接触することにより、伸張状態にあるＥＰＡＭ１２に供給される。
【００３７】
一方、ピストン軸１１に加わる力が解消し、ＥＰＡＭ１２が弛緩状態になるとＥＰＡＭ１２は、弾性力により、面積が小さい状態となる。その結果、発電ユニット部１０の天板１０ｂに固着された放電端子１４とＥＰＡＭプラス端子１６ａとが接触することにより、ＥＰＡＭ１２により発生した出力電気エネルギーは、電圧変換部２０の降圧回路２４によって降圧され蓄電部３０に蓄電され、必要に応じて外部負荷に放電される。
【００３８】
ピストン軸１１には、図４に示すように、押し板１５が垂直に接合されており、このピストン軸１１が、気流によって回転する浮体に固設された回転軸１７の近傍に設置されると共に、回転軸１７に固設されたカム１８と当接することにより軸方向に運動し、ＥＰＡＭ１２を伸張させたり、弛緩させたりする。
【００３９】
ここで、図４及び図５に基づき発電ユニット部１０の構造について、さらに詳しく説明する。発電ユニット部１０は、略円形形状をしたＥＰＡＭ１２の高分子膜１２ａと、それに接合した柔軟なＥＰＡＭプラス電極膜１２ｂとＥＰＡＭマイナス電極膜１２ｃとが一体となって周辺サポート部材１６ｃによって支持されているＥＰＡＭカートリッジ１６を有している。この時、ＥＰＡＭプラス電極膜１２ｂとＥＰＡＭマイナス電極膜１２ｃとは、偏心して高分子膜１２ａに接合されている。そして、周辺サポート部材１６ｃの中心を挟んで対向する位置、すなわち１つの直径上の位置にＥＰＡＭプラス電極膜１２ｂと導通するＥＰＡＭプラス電極１６ｄとＥＰＡＭマイナス電極膜１２ｃと導通するＥＰＡＭマイナス電極１６ｅが設けられている。
【００４０】
そして、ＥＰＡＭ１２は、その中央において樹脂などの絶縁材料からなる中央サポート部材１６ｂにより挟持され、その両外側に銅などの導電材料からなるＥＰＡＭプラス端子１６ａにより挟持され、導電材料からなる貫通ボルト１６ｆにより、ＥＰＡＭプラス端子１６ａと中央サポート部材１６ｂとＥＰＡＭ１２とが共締めされている。さらに、ＥＰＡＭプラス電極１６ｄとＥＰＡＭプラス端子１６ａとは、導線１６ｇで接続されており、さらにＥＰＡＭ１２を挟持するように設けられた２つのＥＰＡＭプラス端子１６ａは、前述したように導電材料からなる貫通ボルト１６ｆによって導通しているため、ＥＰＡＭカートリッジ１６の中央両面にＥＰＡＭプラス電極膜１２ｂと導通しているＥＰＡＭプラス端子１６ａが配設される。このＥＰＡＭプラス端子１６ａが、発電ユニット部１０の充電端子１３あるいは放電端子１４と接触することにより、ＥＰＡＭ１２の変形状態に応じたＥＰＡＭ１２への初期電気エネルギーの供給とＥＰＡＭ１２からの出力電気エネルギーの出力との切換が行われる。
【００４１】
なお、図６に示すようにカム１８０を固設した回転軸１７０の回りに、複数の発電ユニット部１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄを配設して、回転軸１７０が回転することによって、カム１８０が、ピストン軸１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄに順次当接するようにして発電出力を上げることができる。
【００４２】
図３に示した昇圧回路２２及び降圧回路２４は、市販されている汎用の昇圧回路及び降圧回路を用いることができる。
【００４３】
以上のように、本発明の風力発電装置に搭載される発電機は、きわめて軽量なＥＰＡＭを主たる構成部材としており、従来の電磁気学に基づいた発電機のように、重くて嵩張る回転子や磁石などを必要としないため、軽量化することができる。しかも、低速回転であっても発電することができる。
【００４４】
（第２のＥＰＡＭを用いた浮体）
次に本発明の第２の特徴である浮体の構造について、図７に基づいて、説明する。
浮体１１０は、複数のスポーク１１６により離間配置されたフレーム１１５の外周面にＥＰＡＭを包む構造をしている。両端のフレーム１１５には、固定部材１１４によって、支軸１１３が固設されている。そして、浮体１１０は、内部にヘリウムガスを充填することにより上空へ上昇する。上空で、浮体１１０に気流が当たって、浮体１１０の形が変形することにより、ＥＰＡＭが伸縮し発電することができる。また、ＥＰＡＭの静電容量の変化をセンシングすることにより、浮体内のヘリウム圧の増減などの情報を取得することができる。
【００４５】
（第３のＥＰＡＭを用いた繋留ロープ）
次に本発明の第３の特徴である繋留ロープについて説明する。
図１において、繋留ロープ１４０をＥＰＡＭで形成する。浮体１１０が、気圧の変化により上昇したり下降したりすると繋留ロープ１４０が伸縮する。これにより、ＥＰＡＭが伸縮し発電することができる。なお、繋留ロープ１４０に過大な張力が加わって破損することを防止するため、図１に示すように、繋留ロープ１４０に制限ロープ１５０を併設する。
【００４６】
（螺旋状のスクープパドル）
次に本発明の第４の特徴であるスクープパドルについて説明する。
本発明の風力発電装置の浮体に設けるスクープパドルは、図１及び図２に示すように、回転軸方向に延びるパドル形状のものが多用される。これを、図８に示すように、浮体２１０の外周面に螺旋状に形成することにより、風量が少ない場合であっても、大きな回転トルクを得ることができる。
【００４７】
（浮体に結合した凧）
次に本発明の別の実施例について、図９に基づいて説明する。本実施例は、浮体に凧を結合させる以外は、図１に示した実施例と同じであるので、共通する部材の符号を１００番台から２００番台に変えることによって、その説明は省略する。
【００４８】
本実施例の風力発電装置２００は、浮体２１０に凧２６０が結合されている。上空では定常的に風が吹いているので、この風を凧２６０が受けて浮体２１０を上空に維持する浮力が発生する。本実施例の風力発電装置２００は、従来の風力発電装置のように重量の重い発電機や増速歯車などを必要としないので、凧２６０が受ける風により発生する浮力で浮体２１０を安定的に浮上させることができる。したがって、浮体２１０の中には、ヘリウムを注入する必要がないため、ヘリウム圧を適切に保つためのメンテナンス作業負担が軽減されるとともに、ランニングコストが削減される。
【００４９】
以上のように、本発明の風力発電装置によれば、上空の気流を利用する風力発電装置に電場応答性高分子膜を適用することにより、設置場所の制約並びに建設コストの問題を解消することができ、従来型風力発電装置の欠点の一つであった発電コストの軽減にも貢献できる。また、上昇下降、回転、変形など浮体が受ける様々な風力エネルギーを電気エネルギーに変換することができるので、発電効率の高い風力発電装置が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の風力発電装置は、簡単な構成で、メンテナンスもほとんど必要なく、さまざまな地域及びさまざまな気象条件で利用可能である発電装置を提供するものであるのみならず、既存の太陽光発電装置の発電効率の落ちる悪天候のときには、風が強いことが多いため太陽光発電装置と併用したときの補完性にも優れており、地球温暖化の原因である二酸化炭素などの温室効果ガスの発生が皆無であるため、その産業上の利用可能性は、きわめて高い。
【符号の説明】
【００５１】
１  ・・・  電場応答性高分子膜（ＥＰＡＭ）
１ａ  ・・・  高分子膜
１ｂ、１ｃ  ・・・  電極
１０  ・・・  発電ユニット部
１０ａ  ・・・  底板
１１  ・・・  ピストン軸
１２  ・・・  ＥＰＡＭ
１３  ・・・  充電端子
１４  ・・・  放電端子
１５  ・・・  押し板
１６  ・・・  ＥＰＡＭカートリッジ
１６ａ  ・・・  ＥＰＡＭプラス端子
１６ｂ  ・・・  中央サポート部材
１６ｃ  ・・・  周辺サポート部材
１６ｄ  ・・・  ＥＰＡＭプラス電極
１６ｅ  ・・・  ＥＰＡＭマイナス電極
１６ｆ  ・・・  貫通ボルト
１６ｇ  ・・・  導線
１７、１７０  ・・・  回転軸
１８、１８０  ・・・  カム
２２  ・・・  昇圧回路
２４  ・・・  降圧回路
１００、２００  ・・・  風力発電装置
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ  ・・・  発電ユニット部
１１０、２１０  ・・・  浮体
１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ  ・・・  ピストン軸
１１２、２１２  ・・・  スクープパドル
１１３  ・・・  支軸
１１４  ・・・  固定部材
１１５  ・・・  フレーム
１２０、２２０  ・・・  発電機
１４０、２４０  ・・・  繋留ロープ
１５０、２５０  ・・・  制限ロープ
２６０  ・・・  凧
【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】
2011001883.tif 000009
【図８】
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【図９】
2011001883.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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