(57)【要約】【課題】平面構造又は低背構造でありながらアンテナ取付面の材料に関わらず高いアンテナ特性を得ることができるアンテナ装置を提供する。【解決手段】広帯域アンテナ装置１は、グランドプレーン１１と、グランドプレーン１１に設けられた折り返し素子１０と、折り返し素子１０に給電を行う給電部とを備え、折り返し素子１０が、グランドプレーン１１から直立して接続された直立エレメント１２と、当該直立エレメント１２の端部に当該直立エレメント１２と直交して接続された上部エレメント１３と、当該上部エレメント１３の端部と直交して接続された折り返しエレメント１４と、当該折り返しエレメント１４の下方端部と直交して接続された下部エレメント１５とからなり、給電部は、グランドプレーン１１に対して直立し且つ下部エレメント１５に接続された給電ピン１６によって、当該下部エレメント１５に給電を行うことを特徴とする。【選択図】図１
2008244668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接地導体と、
前記接地導体に接続されて形成された折り返し導体と、
前記折り返し導体に給電を行う給電部とを備え、
前記折り返し導体は、前記接地導体に対して直交して接続された第１エレメントと、当該第１エレメントの端部に当該第１エレメントと直交して接続された第２エレメントと、当該第２エレメントの端部と直交して接続された第３エレメントと、当該第３エレメントの端部と直交して接続された第４エレメントとからなり、
前記給電部は、前記接地導体に対して直交し且つ前記第４エレメントに接続された給電ピンによって、当該第４エレメントに給電を行うこと
を特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記折り返し導体は、
前記接地導体に対して立体的に形成されてなり、
前記第１エレメントは、前記接地導体から直立して接続され、
前記第２エレメントは、当該第１エレメントの端部に当該第１エレメントと直交して接続され、
前記第３エレメントは、当該第２エレメントの端部と直交して接続され、
前記第４エレメントは、当該第３エレメントの下方端部と直交して接続され、
前記給電部は、前記接地導体に対して直立し且つ前記第４エレメントに接続された給電ピンによって、当該第４エレメントに給電を行うこと
を特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記折り返し導体は、前記第２エレメントと前記第１エレメントとの間で低周波帯の第１の共振を発生させ、前記第４エレメントと前記給電ピンとの間で高周波帯の第２の共振を発生させ、当該第１の共振と第２の共振とが合成するように構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記第４エレメントでのインピーダンスマッチングを調整するように前記給電ピンの前記第４エレメントの接続点から前記第１エレメントまでの距離が調整され、前記第４エレメントと前記第２エレメントとのカップリングを調整するように前記接地導体に対する前記第４エレメントの高さが調整され、前記共振周波数を調整するように前記第２エレメントの長さ及び前記第４エレメントの長さが調整されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＵＷＢ（Ultra Wide Band）技術を利用した通信システムに用いられるアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）技術を利用したワイヤレスＰＡＮ（Personal Area Network）や高速無線ＬＡＮ等が提案されている。このようなＵＷＢを利用した技術におけるアンテナとしては、下記の非特許文献１に記載されたＵＷＢシステム用の多周波共用直交モノポールアンテナや、非特許文献２に記載された広帯域マイクロストリップダイポールアンテナや、非特許文献３に記載されたＵＷＢ周波数帯用の低ＶＳＷＲアンテナや、非特許文献４に記載された平面型のＵＷＢアンテナが知られている。
【０００３】
非特許文献１に記載されたＵＷＢシステム用の多周波共用直交モノポールアンテナは、エレメントが直交した構造である三周波共用平面モノポールアンテナである。
【０００４】
非特許文献２に記載された広帯域マイクロストリップダイポールアンテナは、誘電体基板の両面に放射素子を配置し、アンテナの側面からマイクロストリップ線路で給電する構造となっている。
【０００５】
非特許文献３に記載されたＵＷＢ周波数帯用の低ＶＳＷＲアンテナは、低ＶＳＷＲのために円錐の底面に内接するような導体性球体を嵌め込んだ形状となっている。
【０００６】
非特許文献４に記載された平面型のＵＷＢアンテナは、放射エレメントとして大小の楕円状エレメント及び逆Ｕ形状のエレメントを有し、同軸ケーブルによって各エレメントに給電を行っている。非特許文献３，４のアンテナ形状は、共にVolcano Smoke アンテナの形状を置き換えたものと考えられる。
【非特許文献１】陸田裕子、河野隆二「ＵＷＢシステム用多周波共用直交モノポールアンテナ」、2005年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会B-1-152.
【非特許文献２】飴谷充隆、山本学、野島俊雄、伊藤精彦「広帯域マイクロストリップダイポールアンテナの基本特性」、2004年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会B-1-120.
【非特許文献３】谷口琢也、小林岳彦「ＦＣＣ認可ＵＷＢ周波数帯の水平面内無指向性・低ＶＳＷＲアンテナ」、2003年電子情報通信学会総合大会B-1-133.
【非特許文献４】倉本晶夫「平面型のＵＷＢアンテナ」ＮＥＣ技報Vol.58 No.2/2005 p.68-73.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した非特許文献１，３に記載されたアンテナは、立体的な構造であるために、例えば壁掛け用途には適用し難い。また、非特許文献２，４に記載されたアンテナは、平面構造であるものの、放射面の裏面に接地部がなく、当該背面の材料などに影響を受ける問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、平面構造又は低背構造でありながらアンテナ取付面の材料に関わらず高いアンテナ特性を得ることができるアンテナ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】
【０００９】
本発明に係るアンテナ装置は、接地導体と、接地導体に接続されて形成された折り返し導体と、折り返し導体に給電を行う給電部とを備え、上述の課題を解決するために、折り返し導体は、接地導体に対して直交して接続された第１エレメントと、当該第１エレメントの端部に当該第１エレメントと直交して接続された第２エレメントと、当該第２エレメントの端部と直交して接続された第３エレメントと、当該第３エレメントの端部と直交して接続された第４エレメントとからなり、給電部は、接地導体に対して直交し且つ第４エレメントに接続された給電ピンによって、当該第４エレメントに給電を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るアンテナ装置によれば、接地導体上に、第１エレメント、第２エレメント、第３エレメント及び第４エレメントからなる折り返し導体を形成、接地導体に対して直交し且つ第４エレメントに接続された給電ピンによって、当該第４エレメントに給電を行う構成とし、当該折り返し導体と接地導体との各形状を調整することによって、平面構造であり且つアンテナ取付面の材料に関わらず高いアンテナ特性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
本発明を適用した広帯域アンテナ装置１は、図１に示すように略平面型として構成され、ＵＷＢアンテナとして機能するものである。
【００１３】
広帯域アンテナ装置１は、例えば図１の斜視図、図２（ａ）の側面図、図２（ｂ）の上面図に示すように、接地平面であるグランドプレーン（接地導体）１１と、当該グランドプレーン１１に設けられた折り返し素子（折り返し導体）１０とを備える。この広帯域アンテナ装置１においては、折り返し素子１０に対して給電が行われることによって、折り返し素子１０が放射部となる。
【００１４】
折り返し素子１０は、銅板を折り返すことによって図１に示す形状とされる。具体的には、折り返し素子１０は、グランドプレーン１１から直立して接続された直立エレメント（第１エレメント）１２と、当該直立エレメント１２の上方端部に当該直立エレメント１２と直交して接続された上部エレメント（第２エレメント）１３と、当該上部エレメント１３の端部と直交して接続された折り返しエレメント（第３エレメント）１４と、当該折り返しエレメント１４の下方端部と直交して接続された下部エレメント（第４エレメント）１５とからなる。このような折り返し素子１０は、上部エレメント１３と下部エレメント１５とが平行の位置関係且つ対向しており、直立エレメント１２と折り返しエレメント１４とが平行の位置関係且つ対向している。
【００１５】
なお、図１及び図２に示す広帯域アンテナ装置１は、グランドプレーン１１上に立体的な折り返し素子１０を取り付けた例を示しているが、接地導体であるプリント基板上に、第１エレメント〜第４エレメントからなる折り返し形状を印刷したものであっても、後述する作用及び効果を得ることができる。
【００１６】
この広帯域アンテナ装置１において、折り返し素子１０の高さである直立エレメント１２の高さｄが数１０ｍｍ程度であり、グランドプレーン１１の幅ｆが約３５ｍｍ×約５５ｍｍといった大きさである。
【００１７】
折り返し素子１０には、当該折り返し素子１０に給電を行う給電部が接続されている。この給電部は、グランドプレーン１１に対して直立した給電ピン１６と、当該給電ピン１６を介して下部エレメント１５に給電を行う給電回路１７とを備える。この給電ピン１６は、直方体形状となっており、その断面が数ミリ角となっている。なお、この給電ピン１６の形状は、直方体形状に限らず、円柱や三角柱形状であっても良い。このような広帯域アンテナ装置１は、下部エレメント１５が給電点となり直立エレメント１２がグランドプレーン１１と接続されていることから、直立エレメント１２が短絡面となっている。
【００１８】
このような広帯域アンテナ装置１は、下部エレメント１５と上部エレメント１３とがカップリングによって共振するような構造となっている。この広帯域アンテナ装置１は、上部エレメント１３と直立エレメント１２との間で低周波での共振（第１の共振）が発生し、下部エレメント１５と給電ピン１６との間で高周波での共振（第２の共振）が発生する。この広帯域アンテナ装置１は、第１の共振と第２の共振の双方の共振がともにインピーダンスマッチングが取れる状態であり、且つ双方の共振のカップリングが取れている状態である時に、当該双方の共振が合成される。この双方の共振が合成された場合に、ＵＷＢアンテナとして機能できる広帯域化を実現できる。
【００１９】
つぎに、第１の共振及び第２の共振を得るための最適な折り返し素子１０の構造について説明する。上述のように第１の共振及び第２の共振を得るためには、上部エレメント１３と下部エレメント１５とのインピーダンスマッチングが取れ、下部エレメント１５と上部エレメント１３とのカップリングを取り、且つ、上部エレメント１３と下部エレメント１５の共振周波数を制御する必要がある。このために、折り返し素子１０の形状の最適化を図る。
【００２０】
折り返し素子１０の形状の最適化を図るため、図３乃至図１２に、上部エレメント１３の長さａ、折り返しエレメント１４の幅ｂ、下部エレメント１５の長さｃ、下部エレメント１５の高さｈ、給電ピン１６の接続点から直立エレメント１２までの距離ｘの４つの形状パラメータをそれぞれ変化させた場合のインピーダンス特性を示すスミスチャート及び整合特性を示すＶＳＷＲ（定在波比、Standing Wave Ratio）特性を示す。以下の図３乃至図１２で得られたインピーダンス特性及びＶＳＷＲ特性は、広帯域アンテナ装置１において上記の第１の共振及び第２の共振が合成されて得られたものである。このインピーダンス特性及びＶＳＷＲ特性は、ＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain method）法を用いて、約３ＧＨｚ〜約７ＧＨｚに亘って解析した。
【００２１】
上部エレメント１３の長さａを変化させた場合のインピーダンス特性を示すスミスチャートを図３に示し、整合特性を示すＶＳＷＲ特性を図４に示す。
【００２２】
この広帯域アンテナ装置１のインピーダンス特性は、図３に示すように、第１の共振及び第２の共振によって得られるサークル状となっている。以下、このサークル状のインピーダンス特性を「二共振サークル」と呼ぶ。また、図４に示すＶＳＷＲ特性は、一般的にＶＳＷＲの値が「３」以下である部分を動作可能帯域として説明する。
【００２３】
折り返し素子１０における上部エレメント１３の長さａを増加させた場合、図３に示すように、二共振サークルの大きさは、大きくなり、且つ、二共振サークルの位置は、スミスチャートにおける右方向に移動した。このことから、上部エレメント１３の長さａを大きく増加させると、広帯域アンテナ装置１のインピーダンスが、スミスチャートにおけるインピーダンス特性の基準値「１」から大きく離れてしまう。また、折り返し素子１０における上部エレメント１３の長さａを増加させた場合、図４に示すように、ＶＳＷＲ特性は、低周波領域における共振周波数がより低周波側に移動し、高周波領域における共振周波数がより高周波側に移動している。
【００２４】
図４の特性より、上部エレメント１３の長さａを調整することによって共振周波数を大きく調整することができることが分かる。
【００２５】
折り返しエレメント１４の幅ｂを変化させた場合のインピーダンス特性を示すスミスチャートを図５に示し、整合特性を示すＶＳＷＲ特性を図６に示す。
【００２６】
折り返し素子１０における折り返しエレメント１４の幅ｂを増加させた場合、図５に示すように、二共振サークルの大きさ、スミスチャートにおける二共振サークルの位置に大きな変化はない。また、折り返し素子１０における折り返しエレメント１４の幅ｂを増加させた場合、図６に示すように、ＶＳＷＲ特性は、低周波領域における共振周波数、高周波領域における共振周波数が共に、若干より低周波側に移動している。
【００２７】
下部エレメント１５の長さｃを変化させた場合のインピーダンス特性を示すスミスチャートを図７に示し、整合特性を示すＶＳＷＲ特性を図８に示す。
【００２８】
折り返し素子１０における下部エレメント１５の長さｃを増加させた場合、図７に示すように、二共振サークルは、スミスチャートにおける左方向に移動した。また、下部エレメント１５の長さｃが増加するほど二共振サークルの大きさが小さくなっている。このことから、下部エレメント１５の長さｃを増加させることによって、広帯域アンテナ装置１のインピーダンスが、スミスチャートにおけるインピーダンス特性の基準値「１」に近づく。また、折り返し素子１０における下部エレメント１５の長さｃを増加させた場合、図８に示すように、低周波領域における共振周波数には大きな変化はないが、高周波領域における共振周波数が大きく低周波側にシフトしている。このことから、あまり下部エレメント１５の長さｃを増加させると、広帯域アンテナを実現できないことが分かり、下部エレメント１５の長さｃを調整することによって共振周波数を大きく調整することができることが分かる。
【００２９】
給電ピン１６の接続点から直立エレメント１２までの距離ｘを変化させた場合のインピーダンス特性を示すスミスチャートを図９に示し、整合特性を示すＶＳＷＲ特性を図１０に示す。
【００３０】
給電ピン１６の接続点から直立エレメント１２までの距離ｘを増加させた場合、図９に示すように、二共振サークルの大きさが小さくなり、且つ、二共振サークルの位置は、スミスチャートにおける左方向に移動した。このことから、給電ピン１６の接続点から直立エレメント１２までの距離ｘを大きく増加させると、広帯域アンテナ装置１のインピーダンスが、スミスチャートにおけるインピーダンス特性の基準値「１」により近づくことが分かる。また、給電ピン１６の接続点から直立エレメント１２までの距離ｘを増加させた場合、図１２に示すように、ＶＳＷＲ特性から、低周波領域における共振周波数が高周波側に移動し、高周波領域における共振周波数が低周波側に移動していることが分かる。
【００３１】
このような図９のインピーダンス特性により、給電ピン１６の接続点から直立エレメント１２までの距離ｘを調整することによって、広帯域アンテナ装置１のインピーダンスを大きく調整できることがわかる。
【００３２】
下部エレメント１５の高さｈを変化させた場合のインピーダンス特性を示すスミスチャートを図１１に示し、整合特性を示すＶＳＷＲ特性を図１２に示す。
【００３３】
下部エレメント１５の高さｈを増加させた場合、図９に示すように、二共振サークルの大きさが小さくなり、且つ、二共振サークルは、スミスチャートにおける左方向に移動した。このことから、下部エレメント１５の高さｈを大きく増加させると、広帯域アンテナ装置１のインピーダンスが、スミスチャートにおけるインピーダンス特性の基準値「１」により近づくことが分かる。また、下部エレメント１５の高さｈを増加させた場合、図１０に示すように、ＶＳＷＲ特性から、第１の共振及び第２の共振の間の整合特性が他の整合特性と異なることが分かる。これにより、下部エレメント１５の高さｈを調整することによって、下部エレメント１５と上部エレメント１３とでそれぞれ発生している第１の共振及び第２の共振のカップリングを調整できることが分かる。
【００３４】
以上のように折り返し素子１０の形状を特定する各パラメータａ，ｂ，ｃ，ｈ，ｘを変化させた結果から、給電ピン１６の接続点から直立エレメント１２までの距離ｘを調整することによって、下部エレメント１５でのインピーダンスマッチングを調整できることが分かる。また、下部エレメント１５の高さｈを調整することによって、下部エレメント１５と上部エレメント１３とのカップリングを調整できることが分かる。更に、上部エレメント１３の長さａ及び下部エレメント１５の長さｃを調整することによって共振周波数を調整することができることが分かる。
【００３５】
また、上部エレメント１３の長さａを変化させた時の図３に示したインピーダンス特性、図４に示したＶＳＷＲ特性から、上部エレメント１３の長さａを変化させると、高周波領域における共振に大きな影響を及ぼすので、折り返し素子１０の形状を最適化する作業においては、上部エレメント１３の長さａを決定した後に、下部エレメント１５の長さｃを決定することが望ましい。
【００３６】
このような折り返し素子１０の最適形状は、例えば、上部エレメント１３の長さａが１６ｍｍ、折り返しエレメント１４の幅ｂが６．５ｍｍ、下部エレメント１５の長さｃが１０ｍｍ、給電ピン１６の接続点から直立エレメント１２までの距離ｘが７．５ｍｍ、下部エレメント１５の高さｈが４ｍｍとなった。
【００３７】
このような折り返し素子１０の広帯域アンテナ装置１のインピーダンス特性を図１３に示し、整合特性を図１４に示す。この結果より、最適形状の広帯域アンテナ装置１によれば、３ＧＨｚ〜７ＧＨｚといった広帯域においてＶＳＷＲの値を３以下とできる。
【００３８】
また、この広帯域アンテナ装置１のｙｚ面での放射パターンは、周波数３．４ＧＨｚでは図１５のようになり、周波数４．８ＧＨｚでは図１６のようになった。このｙｚ面における放射パターンより、Ｅθ成分は＋ｚ方向における利得が高く、Ｅφ成分は±ｙ方向における利得が高いことがわかる。また、低周波帯ではＥθ成分の利得が減衰しており、高周波帯ではＥφ成分の利得が減衰している。
【００３９】
更に、この広帯域アンテナ装置１のｘｚ面での放射パターンは、周波数３．４ＧＨｚでは図１７のようになり、周波数４．８ＧＨｚでは図１８のようになった。ｘｚ平面においてはｚ＜０空間に比べて、ｚ＞０空間で高い利得が得られている。また、放射パターンがｘ＜０領域にチルトしている。なお、Ｅφ成分は非常に小さいために観測されていない。
【００４０】
つぎに、このような最適形状の折り返し素子１０を備えた広帯域アンテナ装置１を壁面に取り付けた場合について、図１９及び図２０を参照して説明する。
【００４１】
この広帯域アンテナ装置１は、底面がグランドプレーン１１となっていることから、図１９（ａ）、（ｂ）に示すように、当該グランドプレーン１１側を壁面１００に取り付けることができる。この壁面１００は、誘電率εｒ＝４，導電率σ＝０．１Ｓ／ｍである。また、グランドプレーン１１と壁面１００との距離は５ｍｍとした。
【００４２】
このように広帯域アンテナ装置１を壁面１００に取り付けた場合のインピーダンス特性、ＶＳＷＲ特性を図２０の特性ａとして示す。図２０に示す特性ａと、広帯域アンテナ装置１を壁面１００に取り付けていなく壁面１００の影響を無視できる時の特性ｂとは、インピーダンス特性、ＶＳＷＲ特性の乖離は発生していない。このように、広帯域アンテナ装置１は、平面構造であり且つアンテナ取付面の誘電体材料に関わらず高いアンテナ特性を得ることができる。
【００４３】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明を適用した広帯域アンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明を適用した広帯域アンテナ装置の構成を示す側面図、上面図である。
【図３】本発明を適用した広帯域アンテナ装置の上部エレメントの長さを変化させた時のインピーダンス特性を示すスミスチャートを示す図である。
【図４】本発明を適用した広帯域アンテナ装置の上部エレメントの長さを変化させた時のＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図５】本発明を適用した広帯域アンテナ装置の折り返しエレメントの幅を変化させた時のインピーダンス特性を示すスミスチャートを示す図である。
【図６】本発明を適用した広帯域アンテナ装置の折り返しエレメントの幅を変化させた時のＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図７】本発明を適用した広帯域アンテナ装置の下部エレメントの長さを変化させた時のインピーダンス特性を示すスミスチャートを示す図である。
【図８】本発明を適用した広帯域アンテナ装置の下部エレメントの長さを変化させた時のＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図９】本発明を適用した広帯域アンテナ装置の給電ピンの接続点から直立エレメントまでの距離を変化させた時のインピーダンス特性を示すスミスチャートを示す図である。
【図１０】本発明を適用した広帯域アンテナ装置の給電ピンの接続点から直立エレメントまでの距離を変化させた時のＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図１１】本発明を適用した広帯域アンテナ装置の下部エレメントの高さを変化させた時のインピーダンス特性を示すスミスチャートを示す図である。
【図１２】本発明を適用した広帯域アンテナ装置の下部エレメントの高さを変化させた時のＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図１３】本発明を適用した広帯域アンテナ装置において、各部を最適形状とした時のインピーダンス特性を示すスミスチャートを示す図である。
【図１４】本発明を適用した広帯域アンテナ装置において、各部を最適形状とした時のＶＳＷＲ特性を示す図である。
【図１５】本発明を適用した広帯域アンテナ装置において、各部を最適形状とした時の低周波帯におけるｙｚ面における放射パターンを示す図である。
【図１６】本発明を適用した広帯域アンテナ装置において、各部を最適形状とした時の高周波帯におけるｙｚ面における放射パターンを示す図である。
【図１７】本発明を適用した広帯域アンテナ装置において、各部を最適形状とした時の低周波帯におけるｘｚ面における放射パターンを示す図である。
【図１８】本発明を適用した広帯域アンテナ装置において、各部を最適形状とした時の高周波帯におけるｘｚ面における放射パターンを示す図である。
【図１９】各部を最適形状とした広帯域アンテナ装置を壁面取り付けた時の様子を示す正面図、側面図ある。
【図２０】各部を最適形状とした広帯域アンテナ装置を壁面取り付けた時のインピーダンス特性、ＶＳＷＲ特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  広帯域アンテナ装置
１０  折り返し素子
１１  グランドプレーン
１２  直立エレメント
１３  上部エレメント
１４  折り返しエレメント
１５  下部エレメント
１６  給電ピン
１７  給電回路
１００  壁面
【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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【図１０】
2008244668.tif 000012
【図１１】
2008244668.tif 000013
【図１２】
2008244668.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2008244668.tif 000018
【図１７】
2008244668.tif 000019
【図１８】
2008244668.tif 000020
【図１９】
2008244668.tif 000021
【図２０】
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