(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、
前記誘電体基板の一の面上に形成され、長手方向の長さが使用電波の半波長であるダイポールアンテナ素子と、
前記誘電体基板の前記一の面の裏面に形成された地板導体と、を有し、
前記ダイポールアンテナ素子は、
前記長手方向と直交する軸線に対して一方の側の前記一の面上に設けられたストリップ線路と、
前記軸線に対して他方の側の前記一の面上に設けられたコプレーナ線路と、を備え、
前記コプレーナ線路は、
前記ストリップ線路から所定の間隔をおいて設けられ前記長手方向に延びる第１の帯状導体と、
前記ストリップ線路に接続され、前記第１の帯状導体から所定の間隔をおいて前記第１の帯状導体を挟む第２及び第３の帯状導体と、を備えたアンテナ装置。
【請求項２】
前記第２及び前記第３の帯状導体の前記長手方向における各長さは、前記第１の帯状導体の長さよりも短く、
前記第２及び前記第３の帯状導体の先端部は、丸みを帯びた形状を有する請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記コプレーナ線路及び前記ストリップ線路の上面を覆って電磁界を遮蔽する電磁界遮蔽部材をさらに備え、
前記電磁界遮蔽部材は、前記使用電波の遮断波長よりも短い断面寸法を有する請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記ストリップ線路上に設けられた給電素子と、
前記ストリップ線路の表面から前記誘電体基板及び前記地板導体を貫通し、給電線を通す貫通孔と、をさらに備え、
前記給電素子は、
前記第１の帯状導体に接続される第１端子と、
前記給電線に接続される第２端子と、
前記ストリップ線路に接続されるグランド端子と、を有する請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のアンテナ装置の製造方法であって、
前記誘電体基板の一の面上に前記ダイポールアンテナ素子を形成する工程と、
前記ストリップ線路の表面から前記誘電体基板及び前記地板導体を貫通する貫通孔を形成する工程と、
前記給電素子を前記ストリップ線路上に設ける工程と、
前記第１端子を前記第１の帯状導体に接続する工程と、
前記第２端子を前記給電線に接続する工程と、
前記グランド端子を前記ストリップ線路に接続する工程と、
前記電磁界遮蔽部材により前記コプレーナ線路及び前記ストリップ線路を覆う工程と、を含むアンテナ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、位相配列アンテナ（フェーズドアレーアンテナ）に用いられるアンテナ装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ダイポール素子を用いた位相配列アンテナとしては、図１１に示すものが知られている。すなわち、従来の位相配列アンテナ１は、誘電体基板４の開口面側に放射素子としてのダイポール素子２が複数配列され、各ダイポール素子２と増幅器や移相器などの給電素子６とが接続された構成を有している。ここで、給電素子６は誘電体基板４の裏面側に配置され、ダイポール素子２と給電素子６との間は同軸給電線５などの線路で接続されていた。そのため、ダイポール素子２と同軸給電線５との間の伝搬モードを変換する平衡不平衡変換器（バラン）３が必要であった。その結果、従来の位相配列アンテナ１では、図１２に示すように、ダイポール素子２と誘電体基板４の開口面との距離を約４分の１波長にする必要があり、アンテナをいわゆる低姿勢にできないという課題があった。
【０００３】
この課題の解決を目的として、放射素子中にバラン機能を持たせて、放射素子と開口面との距離を約４分の１波長より遥かに狭くする、いわゆる低姿勢アンテナが提案されている（例えば、非特許文献１、２参照）。図１３に示した従来の低姿勢アンテナ７は、誘電体基板４と、この誘電体基板４を貫通して設けられた同軸給電線８と、同軸給電線８に接合された線状導体９と、を備えている。同軸給電線８は、中心導体８ａ、外側導体８ｂ、折り曲げ部８ｃを有し、折り曲げ部８ｃに線状導体９が接合されている。この構成により、従来の低姿勢アンテナ７は、同軸給電線８の外側導体８ｂを放射素子の一部として用いることでバラン機能を実現している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】A. Thunvichit, T. Takano and Y. Kamata, "Ultra Low Profile Dipole Antenna with a Simplified Feeding Structure and a Parasitic Element", Trans. of Institute of Electronics, Information and Communication and Communication Engineers, vol.89-B, no.2, pp. 576-580, 2006.
【非特許文献２】A. Thunvichit, T. Takano and Y. Kamata, "Characteristics Verification of a Half-wave Dipole Very Close to a Conducting Plane with Excellent Impedance Matching", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.55, No.1, pp.53-58, 2007.
【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、従来の低姿勢アンテナでは、誘電体基板の開口面側から裏面側に同軸給電線が貫通した構成となっており、開口面側に給電素子を設けることはできないので裏面側に給電素子が設けられていた。したがって、従来の低姿勢アンテナでは、開口面側からの作業と裏面側からの作業とを要し、作業が煩雑となって大量生産には対応できないという課題があった。
【０００６】
本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであり、従来のものよりも容易に製造でき、大量生産に対応できるとともに、低姿勢化を図ることができるアンテナ装置及びその製造方法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】
本発明のアンテナ装置は、誘電体基板と、前記誘電体基板の一の面上に形成され、長手方向の長さが使用電波の半波長であるダイポールアンテナ素子と、前記誘電体基板の前記一の面の裏面に形成された地板導体と、を有し、前記ダイポールアンテナ素子は、前記長手方向と直交する軸線に対して一方の側の前記一の面上に設けられたストリップ線路と、前記軸線に対して他方の側の前記一の面上に設けられたコプレーナ線路と、を備え、前記コプレーナ線路は、前記ストリップ線路から所定の間隔をおいて設けられ前記長手方向に延びる第１の帯状導体と、前記ストリップ線路に接続され、前記第１の帯状導体から所定の間隔をおいて前記第１の帯状導体を挟む第２及び第３の帯状導体と、を備えた構成を有している。
【０００８】
この構成により、本発明のアンテナ装置は、誘電体基板の裏面側に給電素子を設ける必要がなく、開口面側からの作業によって製造できるので、従来のものよりも容易に製造でき、大量生産に対応できるとともに、低姿勢化を図ることができる。
【０００９】
また、本発明のアンテナ装置は、前記第２及び前記第３の帯状導体の前記長手方向における各長さは、前記第１の帯状導体の長さよりも短く、前記第２及び前記第３の帯状導体の先端部は、丸みを帯びた形状を有する構成を有している。
【００１０】
この構成により、本発明のアンテナ装置は、第２及び第３の帯状導体の長手方向における各長さを調整することにより、アンテナ素子のインピーダンスと同軸給電線のインピーダンスとを整合させることができる。
【００１１】
さらに、本発明のアンテナ装置は、前記コプレーナ線路及び前記ストリップ線路の上面を覆って電磁界を遮蔽する電磁界遮蔽部材をさらに備え、前記電磁界遮蔽部材は、前記使用電波の遮断波長よりも短い断面寸法を有する構成を有している。
【００１２】
この構成により、本発明のアンテナ装置は、アンテナ素子上に給電素子を設けた場合に給電素子が発生する電磁界を遮蔽することができる。
【００１３】
さらに、本発明のアンテナ装置は、前記ストリップ線路上に設けられた給電素子と、前記ストリップ線路の表面から前記誘電体基板及び前記地板導体を貫通し、給電線を通す貫通孔と、をさらに備え、前記給電素子は、前記第１の帯状導体に接続される第１端子と、前記給電線に接続される第２端子と、前記ストリップ線路に接続されるグランド端子と、を有する構成を有している。
【００１４】
この構成により、本発明のアンテナ装置は、従来のように、誘電体基板の裏面側に給電素子を設ける必要がなく、開口面側からの作業によって製造することができるので、従来のものよりも容易に製造でき、大量生産に対応できるとともに、低姿勢化を図ることができる。
【００１５】
本発明のアンテナ装置の製造方法は、前記誘電体基板の一の面上に前記ダイポールアンテナ素子を形成する工程と、前記ストリップ線路の表面から前記誘電体基板及び前記地板導体を貫通する貫通孔を形成する工程と、前記給電素子を前記ストリップ線路上に設ける工程と、前記第１端子を前記第１の帯状導体に接続する工程と、前記第２端子を前記給電線に接続する工程と、前記グランド端子を前記ストリップ線路に接続する工程と、前記電磁界遮蔽部材により前記コプレーナ線路及び前記ストリップ線路を覆う工程と、を含む構成を有している。
【００１６】
この構成により、本発明のアンテナ装置の製造方法は、誘電体基板の裏面側に給電素子を設ける必要がなく、開口面側からの作業によって製造できるので、従来のものよりも容易に製造でき、大量生産に対応できるとともに、低姿勢化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、従来のものよりも容易に製造でき、大量生産に対応できるとともに、低姿勢化を図ることができるアンテナ装置及びその製造方法を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るアンテナ装置の一実施形態における構成図である。
【図２】本発明に係るアンテナ装置の一実施形態におけるコプレーナ線路の説明図である。
【図３】本発明に係るアンテナ装置の一実施形態におけるアンテナ素子に流れる電流の説明図である。
【図４】本発明に係るアンテナ装置の一実施形態における外側帯状導体先端部の変形例を示す図である。
【図５】本発明に係るアンテナ装置の一実施形態における電磁界遮蔽部材の構成例を示す図である。
【図６】本発明に係るアンテナ装置の一実施形態における製造方法の説明図である。
【図７】本発明に係るアンテナ装置の一実施形態において、シミュレータで解析したアンテナ装置のシミュレーションモデルを示す図である。
【図８】本発明に係るアンテナ装置の一実施形態において、シミュレーション解析による反射損失の周波数特性のデータを示す図である。
【図９】本発明に係るアンテナ装置の一実施形態において、シミュレーション解析によるアンテナ指向性を示す図である。
【図１０】本発明に係るアンテナ装置の一実施形態において、シミュレーション解析における各軸Ｘ、Ｙ及びＺ、角度θ及びφの定義を示す図である。
【図１１】従来の位相配列アンテナを示す図である。
【図１２】従来の位相配列アンテナにおけるダイポール素子及びバランの構成図である。
【図１３】従来の低姿勢アンテナを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【００２０】
まず、本発明に係るアンテナ装置の一実施形態における構成について図１〜図５に基づき説明する。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態におけるアンテナ装置１００は、アンテナ素子１０、誘電体基板２０、地板導体３０、同軸給電線４０、給電素子５０を備えている。
【００２２】
アンテナ素子１０は、中心帯状導体１１、外側帯状導体１２及び１３、ストリップ線路１４、電磁界遮蔽部材１５を備えている。このアンテナ素子１０は、誘電体基板２０の一の面（以下「開口面」という。）２１上に例えば印刷されて形成される。誘電体基板２０の開口面２１の裏面には地板導体３０が形成されている。なお、アンテナ素子１０は、本発明に係るダイポールアンテナ素子を構成する。また、中心帯状導体１１は、本発明に係る第１の帯状導体を構成する。また、外側帯状導体１２及び１３は、それぞれ、本発明に係る第２及び第３の帯状導体を構成する。
【００２３】
同軸給電線４０は、例えば５０Ω〜１００Ωのインピーダンスを有し、中心導体４１、外部導体４２を備えている。
【００２４】
給電素子５０は、その上流側（アンテナ素子１０側）に接続される入出力端子５１及びグランド端子５２、下流側（回路側）に接続される入出力端子５３及びグランド端子５４を有する。ここで、入出力端子５１及び５３は、それぞれ、本発明に係る第１端子及び第２端子を構成する。
【００２５】
図２に示すように、中心帯状導体１１は、外側帯状導体１２及び１３によって挟まれた形状を有する。すなわち、中心帯状導体１１、外側帯状導体１２及び１３は、コプレーナ線路（C0-Planar Wave-line:ＣＰＷ）として構成された部分を含む。
【００２６】
ＣＰＷは不平衡線路であるので、図２に示すように、中心帯状導体１１を同軸給電線４０の中心導体４１に、外側帯状導体１２及び１３を同軸給電線４０の外部導体４２に各々接続した構成とすることができる。この構成において、電流は図３に示すように流れる。
【００２７】
すなわち、図３に示すように、外側帯状導体１２及び１３の各外側（中心帯状導体１１に対して遠い側）である外側帯状導体外縁部１２ａ及び１３ａを流れてきた電流ＩＢ１は、外側帯状導体１２及び１３の各先端部である外側帯状導体先端部１２ｂ及び１３ｂで向きを変えて、外側帯状導体１２及び１３の内側（中心帯状導体１１に近い側）である外側帯状導体内縁部１２ｃ及び１３ｃをＩＢ２として流れていく。ＣＰＷの中心帯状導体１１に流れている電流ＩＡ２は、外側帯状導体先端部１２ｂ及び１３ｂの位置と関係なくそのまま流れていく。したがって、外側帯状導体外縁部１２ａ及び１３ａと、中心帯状導体１１とを一つの線路と見るとこの線路は平衡線路である。よって、ＣＰＷがバランの役目をしていることになる。
【００２８】
中心帯状導体１１は、誘電体基板２０の裏面に設けられた地板導体３０（図１参照）と対で、ストリップ線路を構成する部分を含む。以下、この線路を「小ストリップ線路」という。また、ストリップ線路１４を以下「大ストリップ線路」という。この大ストリップ線路は、アンテナ素子１０の長手方向と直交する軸線１６の位置でＣＰＷの外側帯状導体１２及び１３と接している。また、中心帯状導体１１は、大ストリップ線路から所定の間隔をおいて設けられている。
【００２９】
中心帯状導体１１、外側帯状導体外縁部１２ａ及び１３ａ及び大ストリップ線路上には、同じ方向の電流が流れる。したがって、アンテナ素子１０の長手方向の長さを共振長にすれば、アンテナ素子１０はダイポールアンテナ素子として機能する。本実施形態では、アンテナ素子１０が送信又は受信に使用する使用電波の波長をλで表すと、アンテナ素子１０の長手方向における大ストリップ線路の長さは、λ／４としている。また、同方向におけるＣＰＷと小ストリップ線路との合計の長さもλ／４としている。すなわち、アンテナ素子１０の長手方向の長さはλ／２としている。
【００３０】
中心帯状導体１１と地板導体３０とで構成される小ストリップ線路の電流は、中心帯状導体１１の端部である中心帯状導体先端部１１ａでゼロとなり、インピーダンスは無限大ということになる。したがって、ＣＰＷと小ストリップ線路との境界付近において、ＣＰＷの中心帯状導体１１の電流と小ストリップ線路の中心帯状導体１１の電流とを等しくすることができる。両電流が等しくなった状態がインピーダンス整合状態である。したがって、アンテナ装置１００は、外側帯状導体１２及び１３の長さを中心帯状導体１１より短くし、外側帯状導体１２及び１３の長さを調整することにより、アンテナ素子１０の全体のインピーダンスと同軸給電線４０のインピーダンスとを整合させることができる。
【００３１】
前述のようにインピーダンス整合させることにより、アンテナ装置１００は、図１に示したように、アンプや移相器などの給電素子５０をアンテナ素子１０上、すなわち、開口面２１側に設置することができる。
【００３２】
なお、前述の実施例形態では、外側帯状導体先端部１２ｂ及び１３ｂの形状を直線形状としたが、図４に示すように、各先端部の形状を、丸みを帯びた形状（例えば円弧状の凸形状）としてもよい。
【００３３】
給電素子５０とアンテナ素子１０とを接続するため、入出力端子５１は、中心帯状導体１１の根元（大ストリップ線路側）に接続されている。また、グランド端子５２は、ストリップ線路１４上の、アンテナ素子１０のほぼ中央部に相当する位置に接続されている。
【００３４】
一方、給電素子５０と下流側の回路とを接続するため、入出力端子５３を誘電体基板２０の裏面側の回路に接続する必要がある。そのため、アンテナ素子１０のストリップ線路１４に貫通孔１４ａを設けて同軸給電線４０を通し、同軸給電線４０の中心導体４１と入出力端子５３とが接続されている。また、グランド端子５４は、ストリップ線路１４上の、アンテナ素子１０のほぼ中央部に相当する位置に接続されている。
【００３５】
次に、電磁界遮蔽部材１５について説明する。電磁界遮蔽部材１５は、給電素子５０によって発生する電磁界を遮蔽するようになっている。この電磁界遮蔽部材１５は、図５（ａ）に示すように、例えば金属材料を用いて、その断面形状が半円形で構成される。電磁界遮蔽部材１５によってアンテナ素子１０の大ストリップとＣＰＷとを覆うようにすれば、大ストリップ線路上を流れている電流ＩＡ１は、電磁界遮蔽部材１５上を流れることとなる。また、ＣＰＷの外側帯状導体外縁部１２ａ及び１３ａに流れている電流ＩＢ１も、電磁界遮蔽部材１５上を流れることとなる。したがって、アンテナ装置１００は、ダイポールアンテナの放射特性を損なわない。
【００３６】
電磁界遮蔽部材１５の断面形状は、使用形態に合わせることができ、半円形に限定されない。例えば、図５（ｂ）に示すように、断面形状が長方形であってもよい。ただし、電磁界遮蔽部材１５の内部には、給電素子５０から電磁界が発生するので、その電磁界がアンテナ素子１０と結合して帰還現象を起こすと望ましくない。したがって、電磁界遮蔽部材１５の断面寸法は、電磁界遮蔽部材１５と大ストリップとで形成される導波系が電磁界を伝えない（遮断されている）状態である必要がある。すなわち、電磁界遮蔽部材１５の断面形状が半円形（図５（ａ））なら半径を、長方形（図５（ｂ））なら縦横寸法を、それぞれ使用電波の遮断波長よりも短くする。なお、電磁界遮蔽部材１５の長手方向の２つの端面のうち、ＣＰＷ側の反対側の端面を遮蔽材で覆えば、遮蔽効果をより強くすることができる。
【００３７】
給電素子５０を比較的狭い電磁界遮蔽部材１５の中に設けるので、給電素子５０から生じる熱を防ぐあるいは逆にそれを利用することが重要である。例えば、給電素子５０の発熱により電磁界遮蔽部材１５の内部の温度が所定温度を超える場合は、電磁界遮蔽部材１５に熱を吸収させて電磁界遮蔽部材１５の外に伝導させることが好ましい。そのためには、電磁界遮蔽部材１５の内面に熱放射率が比較的大きい物質を設けるのが好ましい。逆に例えば、寒冷地でアンテナ装置１００を使用する場合は、給電素子５０の発熱で電磁界遮蔽部材１５の内部を暖めることができる。そのためには、電磁界遮蔽部材１５の内部に熱放射率が比較的小さい物質を設けるのが好ましい。
【００３８】
次に、本実施形態におけるアンテナ装置１００の製造方法について図６に基づき説明する。
【００３９】
最初に、中心帯状導体１１、外側帯状導体１２及び１３、ストリップ線路１４により構成されるアンテナ素子１０のパターンを、公知の印刷技術を用いて誘電体基板２０上に形成する（図６（ａ））。なお、誘電体基板２０の裏面には地板導体３０（図１参照）が形成されているものとする。
【００４０】
次いで、ストリップ線路１４の表面から地板導体３０までを貫通する貫通孔１４ａを形成する（図６（ｂ））。
【００４１】
続いて、給電素子５０をアンテナ素子１０上に載せ、同軸給電線４０を貫通孔１４ａに挿入する（図６（ｃ））。
【００４２】
そして、給電素子５０の入出力端子５１をＣＰＷの中心帯状導体１１に、給電素子５０の入出力端子５３を同軸給電線４０の中心導体４１に、グランド端子５２及び５４をストリップ線路１４に、それぞれ半田付けする（図６（ｄ））。
【００４３】
次いで、遮蔽用の電磁界遮蔽部材１５をアンテナ素子１０上に載せる（図６（ｅ））。そして、遮蔽用の電磁界遮蔽部材１５とアンテナ素子１０とを、例えば、半田付けや導電性接着剤、導電性テープなどにより電気的に接続し固定する（図６（ｆ））。
【００４４】
前述のように、本実施形態におけるアンテナ装置１００は、従来のものよりも容易に製造できるので、大量生産に対応できる。
【００４５】
次に、本実施形態のおけるアンテナ装置１００のシミュレーション解析結果について説明する。シミュレータで解析したアンテナ装置１００を図７に示す。また、シミュレーション解析による反射損失の周波数特性のデータを図８に、アンテナ指向性を表す放射パターンを図９に示す。また、図９における角度θ及びφの定義を図１０に示す。
【００４６】
図９に示すように、アンテナ装置１００は、反射損失が最大で−１５．３ｄＢ、３ｄＢ帯域幅は約１０％（約０．３ＧＨｚ）と優れた特性を有している。また、図１０に示すように、アンテナ装置１００は、電界面、磁界面共に満足すべき放射パターンの形状を有している。
【００４７】
次に、本実施形態におけるアンテナ装置１００の試作品の特性について説明する。試作品の電磁界遮蔽部材１５は真鍮製で、断面は長方形とした。電磁界遮蔽部材１５の内側には給電素子５０として低雑音増幅器が入れてあり、その増幅率は１０．９ｄＢである。アンテナ装置１００において、低雑音増幅器を動作させても発振は発生しなかった。アンテナ単体（低雑音増幅器なし）との比較により、低雑音増幅器を設けることで１０ｄＢの受信レベルの増加が確認された。この結果、アンテナ素子１０側に給電素子５０を統合実装した超低姿勢のアンテナ装置１００が実現できた。
【００４８】
以上のように、本実施形態におけるアンテナ装置１００は、アンプや移相器などの給電素子５０をアンテナ素子１０上である開口面２１側に設置する構成としたので、従来のように、誘電体基板２０の裏面側に給電素子５０を設ける必要がなく、開口面２１側からの作業によって製造することができる。
【００４９】
したがって、本実施形態におけるアンテナ装置１００は、従来のものよりも容易に製造でき、大量生産に対応できるとともに、低姿勢化を図ることができる。
【００５０】
その結果、本実施形態におけるアンテナ装置１００は、製造コストの大幅な低減化を図ることが可能となり、位相配列アンテナを民生用への適用に資することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
以上のように、本発明に係るアンテナ装置及びその製造方法は、従来のものよりも容易に製造でき、大量生産に対応できるとともに、低姿勢化を図ることができるという効果を有し、位相配列アンテナや、位相配列アンテナを備えた無線通信レーダ等として有用である。
【符号の説明】
【００５２】
１０  アンテナ素子（ダイポールアンテナ素子）
１１  中心帯状導体（第１の帯状導体）
１１ａ  中心帯状導体先端部
１２  外側帯状導体（第２の帯状導体）
１２ａ、１３ａ  外側帯状導体外縁部
１２ｂ、１３ｂ  外側帯状導体先端部
１２ｃ、１３ｃ  外側帯状導体内縁部
１３  外側帯状導体（第３の帯状導体）
１４  ストリップ線路
１４ａ  貫通孔
１５  電磁界遮蔽部材
１６  軸線
２０  誘電体基板
２１  開口面
３０  地板導体
４０  同軸給電線
４１  中心導体
４２  外部導体
５０  給電素子
５１  入出力端子（第１端子）
５２、５４  グランド端子
５３  入出力端子（第２端子）
１００  アンテナ装置
【図１】
0005739281.tif 000002
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0005739281.tif 000014