(57)【要約】【課題】振動、揺動を利用して永久磁石の磁束を周期的に変化させることにより電磁誘導を誘起させて発電することができる新しい構造の振動発電機を提供する。更に詳しくは、人間が歩くときの振動、揺動或いは自動車や鉄道車両の振動で発電することができる軽薄簡便、高出力で、充電も可能な振動発電機に係わる。【解決方法】非磁性材料からなる凹局面を持つガイドと、該ガイドの凹局面に載置され、該凹局面の上を自在に転動する永久磁石と、該永久磁石の磁束を横切る位置に配置された電磁誘導コイルの組合せからなることを特徴とする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性材料からなる凹局面を持つガイドと、該ガイドの凹局面に載置され、該凹局面の上を自在に転動する永久磁石と、該永久磁石の磁束を横切る位置に配置された電磁誘導コイルの組合せからなることを特徴とする振動発電機。
【請求項２】
非磁性材料からなるリング状のガイドと、該ガイド内面を自在に転動する永久磁石と、該永久磁石の磁束を横切る位置に配置された電磁誘導コイルの組合せからなることを特徴とする振動発電機。
【請求項３】
上記ガイドの底面に垂直振動するバネを取付けてなることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の振動発電機。
【請求項４】
振り子と、該振り子の先に取付けた永久磁石と、該永久磁石の磁束を横切る位置に配置された電磁誘導コイルの組合せからなることを特徴とする振動発電機。
【請求項５】
上記振動発電機を複数併設するに際して、隣り合う発電機の間に磁力線の遮蔽壁を設けて成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の振動発電機。
【請求項６】
上記振動発電機を複数併設するに際して、各発電機の外側を高透磁率材料の連続体で包囲してなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の振動発電機。
【請求項７】
上記遮蔽壁の遮蔽面が反磁性材料からなることを特徴とする請求項５に記載の振動発電機。
【請求項８】
上記高透磁率材料が（パーマロイ、センダスト、電磁軟鉄、ケイ素鋼板、アモルファス合金、軟磁性フェライト）から選択された材料である請求項７に記載の振動発電機。
【請求項９】
上記各コイルの誘起電流を直流変換後、極性を整合させて各コイルを直列あるいは並列に接続してなることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の振動発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動発電機に係わり、更に詳しくは、人間が歩くときの振動、揺動あるいは自動車や鉄道車両の振動で発電することが出来る発電機の構造に係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年携帯型電子機器の普及は目覚しく、とりわけ携帯型の通信機器の普及は目覚しいものがある。これら携帯型の電子機器の電源には充電できる小型の電池が使用されているが、問題は、これら電池の容量が小さいために、頻繁な充電作業が必要になることである。使用頻度にもよるが、１〜３時間に１回程度の充電が必要になる場合もある。
そこで、どこででも簡便に充電できる携帯型の充電器の開発が待望されているが、現状は、特開平１０−２１０６７３に開示されている手動式の発電機を利用したものが開発されている程度である。この発明は手動による充電の煩わしさと併せ、機器そのものが大型化し携帯は極めて困難である。又その他特開平１０−３１３９３３の発明も開示されているが、いずれの従来技術も実用的には未完成のものである。
かかる問題点に鑑みて本発明者は先に歩行時の振動を利用する、いわゆる携帯型の振動発電機を発明（特願２００１−１８０９６６号）したが、この発明は、棒磁石をスプリングで懸吊して、スプリングの振動で棒磁石を上下振動させるために重たくて小型化に限界があり、単位重量あたりの発電電力も小さい欠点がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、第一の目的は、スプリングを使用することなく永久磁石の磁束を周期的に変化させることができる軽薄簡便、高出力で、充電しながら使用もできる新しい構造の振動発電機を提供することである。第二の目的は、軽薄簡便、高出力の特徴を生かして、複数個集合させて、自動車、鉄道車両等に積載できる高出力の振動発電機を提供せんとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記問題に関して鋭意研究を行い、下記（１）〜（９）の手段で問題を解決できることを見出した。
すなわち、
（１）　非磁性材料からなる凹局面を持つガイドと、該ガイドの凹局面に載置され、該凹局面の上を自在に転動する永久磁石と、該永久磁石の磁束を横切る位置に配置された電磁誘導コイルの組合せからなることを特徴とする振動発電機。
（２）　非磁性材料からなるリング状のガイドと、該ガイド内面を自在に転動する永久磁石と、該永久磁石の磁束を横切る位置に配置された電磁誘導コイルの組合せからなることを特徴とする振動発電機。
（３）　上記ガイドの底面に垂直振動するバネを取付けてなることを特徴とする上記（１）あるいは（２）に記載の振動発電機。
（４）　振り子と、該振り子の先に取付けた永久磁石と、該永久磁石の磁束を横切る位置に配置された電磁誘導コイルの組合せからなることを特徴とする振動発電機。
（５）　上記振動発電機を複数併設するに際して、隣り合う発電機の間に磁力線の遮蔽壁を設けて成ることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の振動発電機。
（６）　上記振動発電機を複数併設するに際して、各発電機の外側を高透磁率材料の連続体で包囲してなることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の振動発電機。
（７）　上記遮蔽壁の遮蔽面が反磁性材料からなることを特徴とする上記（５）に記載の振動発電機。
（８）　上記高透磁率材料が（パーマロイ、センダスト、電磁軟鉄、ケイ素鋼板、アモルファス合金、軟磁性フェライト）から選択された材料である上記（７）に記載の振動発電機。
（９）　上記各コイルの誘起電流を直流変換後、極性を整合させて各コイルを直列あるいは並列に接続してなることを特徴とする上記（１）〜（８）のいずれかに記載の振動発電機。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図面によって本発明の作用、機能を説明する。
図１は本発明の代表的構造の作用、機能を説明した図である。
１は凹局面を持つガイドであり、樹脂、非磁性金属等の非磁性材料からなる。永久磁石２は車輪のように丸く加工されており、凹局面の上をコロのように左右に自在に転動する。
凹局面底部での磁石の転動周期が人の歩行周期あるいは積載する車の振動周期と一致するように凹局面の曲面半径を決定すると、永久磁石の転動速度と転動距離を最大にすることが出来、コイルに誘起される起電力が最大になる。
【０００６】
磁石が転動時、凹局面から外に逸脱するのを防ぐには、凹局面を挟むように二枚の横板３を取付けると有効である。この時磁石は、人が携帯する時の振動、揺動で、あるいは車や鉄道の振動、揺動で、凹局面と二枚の横板で画成される空間の中を左右自在に動くこととなる。
【０００７】
２枚の横板の外側には、電磁誘導用のコイルが配置されている。
コイルは永久磁石の磁束を横切る位置に配置する。具体的には永久磁石を間に挟んで左右に対向させて配置する。あるいはガイドと永久磁石の外側からコイルを巻回するように配置する。要は磁束を横切る位置であればいかなる配置でも良い。
【０００８】
コイルの数は、片面のみに１個あるいは複数個並べても良いし、また磁石を挟んで左右に一個づつ、合計二個配置しても良いし、あるいは左右に複数個ずつ配置しても良い。またガイドと永久磁石の外側から一つの連続したコイルで巻回しても良いし、また途中で複数のコイルに分割して巻回しても良い。
【０００９】
電磁誘導で誘起される電圧は、コイルの巻き数に比例するのでコイル巻線は隙間なく集積するほうが良い。
【００１０】
横板を間に挟んで左右に配置されたコイルと同一横板上の隣同士のコイルには逆の電流が誘起されるので、隣り合うコイルは電流が打ち消されないように接続する。
【００１１】
本発明の振動源が常に一定した振動が得られない場合、たとえば、人の歩行時の振動、常時使用しない車に積載する場合等の様に常時一定した振動が得られない場合は、発電した電力は一旦電池に充電して使用するほうが好ましい。コイルには交流が誘起されるので、コイルの最終端末に整流器を接続して直流に変換して、あるいは変換した直流は更にレギュレーターで電圧を昇圧して、電池に充電する。
【００１２】
発電電圧を高くする場合、一坦直流に変換して、極性を整合させて直列に接続して電圧を高くする。
【００１３】
図１に示した凹曲面を持つガイドは半割り構造であるが、凹曲面を持つガイドは、図２に示す様に半割したものを向かい合わせて重ねた楕円形の連続曲面を持つ構造でも良い。あるいは図３のようにリング内面の連続曲面をガイドとして利用しても良い。図１の構造では発電機が倒立すると、磁石がガイドから外れてしまうが、図２、図３では、倒立しても発電機は作動する特徴がある。特に図３の構造では、いかなるポジションでも永久磁石は回転して発電する。
【００１４】
図４、５は、１個の発電機だけでは電力不足のときに、発電機を上下左右に併設したときの説明図である。
図４は上下に配列したときの説明図、図５は左右に並列したときの説明図である。
【００１５】
複数個併設するとき、隣り合う永久磁石の磁力線の影響を受けないように各コイルは磁気的に隔離する。
隔離は、下記▲１▼、▲２▼、▲３▼の構造が好ましい。
▲１▼　発電機の外側、つまり永久磁石、ガイド、コイルの外側から包囲するように高透磁率材料の連続体でシールする構造。磁力線を連続体の中を選択的に透過させて外に漏洩させない構造である。
▲２▼　各コイルの間に遮蔽壁を設けて遮蔽する構造。
反磁性材料の遮蔽壁を設けて磁力線を反射させて外に漏洩させない構造である。反磁性材料には、真鍮、マグネシウム合金等を用いる。遮蔽壁は全体が反磁性材でも良いし、遮蔽面に反磁性材の被膜を被覆する形でも良い。
▲３▼　▲１▼と▲２▼の折衷型つまり高透磁率材料の連続体でシールして、その外側を反磁性材料で被覆する構造である。
【００１６】
図６、図７、図８は上記▲１▼、▲２▼、▲３▼の構造の説明図である。
図６は、高透磁率材料の連続体で包囲する構造の説明図である。
図７は、反磁性材料の遮蔽壁で包囲する構造の説明図である。
図８は、図６、図７の折衷構造の説明図である。
【００１７】
図６で、車輪状の永久磁石はガイドの上に載置され、ガイドから車輪が逸脱しないようにガイド側面には、横板が取付けられている。横板の外側にはコイルが配置され、永久磁石の車輪、ガイド、コイルの外側は高透磁率材料の連続体で包囲されている。
図６は、磁束を高透磁率材料の連続体の中に集中的に通して外への漏洩を少なくする構造である。
図７は、図６の高透磁率材料の連続体に替えて反磁性材料で包囲して磁束を反射させる構造である。
図８は、高透磁率材料の連続体の外側を更に反磁性材料で包囲して磁束を反射させる構造である。
本発明では▲１▼〜▲３▼、いずれを採用しても良いが、▲３▼が最も好ましい。
【００１８】
高透磁率材料としては、電磁軟鉄、珪素鋼板、パーマロイ、センダスト、Ｆｅ−Ａｌ合金、アモルファス合金、軟磁性フェライト等、通常この種の用途に使用されている材料は全て使用できる。
【００１９】
反磁性材料としては、亜鉛、真鍮、マグネシウム、マグネシウム合金等を適宜使用することが出来る。
【００２０】
図９は、自動車等に積載するいわゆる車載型発電機の構造を説明した図である。
本図では、個々の発電機を複数個上下左右に並べて多数個集積したものを発電モジュールと命名した。
本発明発電機は、基本的には左右方向の振動で永久磁石が転動して発電するものであるが、車両等では走行時、左右の振動のほか、道路の凸凹で大きな縦振動も追加されてくる。本図で、発電モジュールを取付けた固定盤は、走行時の上下振動で回転軸を中心として上下動する。これによって結果的には個々の発電機に左右の振動が惹起されることとなる。本構造は、縦振動を左右振動に転化する縦方向のバネ機構である。バネ機構は巻き線型、板バネ、いずれでも良い。
【００２１】
図１０は、ガイドに弾性帯体を使用してガイドそのものも振動させて永久磁石により大きな変位を起こさせるようにしたものである。更に図１１は弾性帯体からなるガイドをバネでつるしたものである。永久磁石には更に大きな変位が発生し、発電電圧はより高くなる。いずれの構造も車載型に最も有効である。
【００２２】
弾性体および支持バネの系には、固有振動数が２つ存在する。すなわち、２つの共振周波数がある。人間の歩行時、あるいは車の走行時、人体や車に発生する振動の周波数は１つだけでなく複数ある。図１０、１１の構造は、これらの複数の振動に対して共振する発電機を作成することが可能になり、発電能力を向上させることが可能になる。弾性体の材料には、非磁性の金属帯を使用すると良い。
【００２３】
また図１２のように、金属帯の底に風で揺動する揺動子を結んでおくと、非携帯時、風のあたるところに架けておくだけで、風の動きで弾性帯体が振動して永久磁石が回転して電磁誘導がおこる。
【００２４】
以上図１〜１２の構造は、いずれも永久磁石がガイドの上を転動するものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。図１３のようにガイドを用いず、永久磁石をつるして時計の振り子のように揺動させる構造でも良い。
この場合、吊るす材料は糸でも剛体でもよい。
振り子を共振させるためには、振り子の回転軸と永久磁石重心との距離、つまり振り子の長さは、０．５〜１００ｍｍの範囲が好ましい。振動周波数が５〜２０Ｈｚでは、振り子の長さは、０．５〜１０ｍｍでよい。
【００２５】
また図１〜１３ではコイルは固定されているが、コイルを揺動しても良い。あるいはコイルと永久磁石を両方揺動しても良い。
図１４はコイルを揺動させるときの一例で、コイルホルダーで保持し、コイルホルダーを左右に揺動させるものである。ストッパーを兼ねるスプリングの反力でホルダーは左右に揺動する。
このとき磁石も転動あるいは振り子のように揺動させると磁石とコイルの相対的な変位量が増幅されてより大きな電力が発電される場合もある。
【００２６】
本発明は、携帯型あるいは車載型電子機器の電源として直接利用しても良いし、又電池に充電するだけのために利用しても良いし、あるいは直接電源と充電の両方に同時に利用できるようにしてもよい。
【００２７】
本発明の発電機は、歩行時の振動、揺動、あるいは車、鉄道車両、船等の交通機関に載せて発生する振動、揺動を利用して発電するものであり、特定の振動源、揺動源の種類に何ら限定されるものではなく、少なくとも振動揺動を発生させるものであればすべて本発明に適用可能である。
【００２８】
本発明に使用するコイルは巻き線型のコイルからシート状のコイルまで形状に何ら制約を受けることなく使用できる。また巻線方向は、ガイドを挟んで左右にシート状に巻回したコイルから図１５に示すように、ガイド、永久磁石、コイルを外側から包囲するように巻回したコイルまで、少なくとも磁束を横切る位置になるように巻回したものであればいかなる方向でも本発明に包含されるものである。
又シート状コイルでは、丸、四角、楕円形状等いかなる形状でも良い。
【００２９】
ガイドの曲面の一番高い位置から永久磁石が転がり降りるとき、位置のエネルギーが最低になる位置、つまり曲面の一番低い底面で永久磁石の動くスピードが最大になる。あるいは前記した振り子型の発電機では、一番低い位置、つまり振り子の回転軸の垂直直下で永久磁石の動くスピードが最大になる。従ってこの位置で誘起される起電力は最大になるので、電磁誘導コイルはこの位置により密に集積させるほうが良い。コイル形状も縦方向で楕円形にするのも効果的である。またこの位置でコイルの巻き数を増やすのも効果的である。
【００３０】
永久磁石が転動する面の形状は、要は永久磁石が振動で左右に転動すればよいので、凹曲面のみに限定されるものではない。たとえば図　１６に示すように単純な凹形状あるいはＶ型形状等でも勿論かまわない。単純な凹形状では、人が携帯時の上下動でガイドがシーソーの様に上下動して丸い永久磁石が左右に転動して発電させる場合等に利用できる。
【００３１】
永久磁石は、鋳造磁石、焼結磁石、永久磁石粒子をプラスチックで固めた磁石等、いかなる製法のものでも使用することができる。
永久磁石の形状は円板状からリング状まで適宜採用できる。
図１７に示すように、磁化方向は、円板厚み方向でＮ，Ｓ、直径方向でＮ，Ｓ、あるいは円板両面４極、円板片面２極、円板片面多極、円板外周多極、あるいはリング厚み方向Ｎ，Ｓ、直径方向Ｎ，Ｓ、リング内周２極、リング内周多極等、磁化方向に何ら制約を受けるものではない。
【００３２】
【実施例】
実施例１
図１８，１９に示した構造の発電機を試作した。
【００３３】
［ガイド部分］
厚さ５ｍｍのアクリル製ガイド板の内面を図１８の様にくり抜き、くり抜いた部分の転動面に半径９ｍｍ、厚さ４．９ｍｍの円柱状永久磁石（ネオジウム磁石）を載せて、両端から横板で挟んで固定した。円柱状永久磁石は転動面を左右自在に転がって転動することが出来た。
なお、くり抜いた転動面の半径は６６．３ｍｍ、転動面の長さは１００ｍｍである。
次に図１９に示すように、表の横板と裏の横板の各々に、角型に巻回した角コイルを各３個づつ貼り付けた。この時、隣同士のコイルには逆相の起電力が発生するので、コイルの巻き方は交互に反対にした。
【００３４】
［磁石とコイル］
永久磁石の着磁方向は、円柱方向でＮＳとした。
コイルは、線径０．１ｍｍのエナメル被覆銅線を２０００回巻いたものを使用した。
各コイルはお互いの誘導電圧を打ち消さないように接続した。整流器と小型の昇圧形チョッパに接続して整流および昇圧を行い、電池の充電に使用した。
【００３５】
図１９の振動発電機に１．７Ｈｚ、振幅２．５ｍｍ（Ｐｅａｋ　ｔｏ　Ｐｅａｋ）の振動を与えたときの発生電圧を図２０に示す。
縦軸は発生電圧、横軸は時間（秒）を表す。
平均電圧は０．８Ｖであった。
この電圧を小型の昇圧形チョッパに接続して昇圧を行い、直流に整流して電池の充電を行うことができた。
図２１は永久磁石をガイドの端において手を放し、自由振動させたときの発電電圧の減衰する状態を示したものである。
【００３６】
実施例２（図９の構造）
実施例１の振動発電機を厚さ１ｍｍの鉄板で作ったケースの中に収め、これを横に１００個並べて図９のモジュール固定盤に固定して自動車に積載して発電テストした。
発電電圧の平均値は７６Ｖであった。
【００３７】
実施例３（携帯型発電機）
図１の構造の下記の発電機を試作した。
［ガイド部分］
凹曲面の幅が９　ｍｍ、凹面の長さが１００ｍｍの凹曲面（半径５５ｍｍ）を持つガイドをアクリルで試作し、凹曲面の両面には厚さ１ｍｍのアクリル製の横板を接着した。
【００３８】
［磁石］
直径１８ｍｍ，厚さ８ｍｍの小さな円板型永久磁石を上記ガイド部の溝の中に装入した。磁化方向は厚み方向Ｎ，Ｓとした。
【００３９】
［コイル］
Ф０．２　ｍｍの銅線で外径９ｍｍ、巻き回数１００回の銅線によるコイルを６本試作した。コイルをガイドの横板の両端にそれぞれ３個づつ密に並べて接着剤で固定した。コイルはお互いの誘導電圧を打ち消さないように接続し、小型の昇圧形チョッパを使用して、整流および昇圧を行い、電池の充電に使用した。
【００４０】
発電機を腰に取り付けた状態で歩行した時の、当該発電機の発電性能を調べた。
発電機は磁石が転動する方向と進行方向が一致するように人体に取り付けた。
発電機に８Ωの電気抵抗器を取り付けて消費される電力を調べた。
【００４１】
平均電圧は０．３４Ｖであった。
この電圧を昇圧，直流に整流して充電を行うことができた。
平均電力は６．５ｍＷであった。
【００４２】
実施例４（薄型携帯発電機）
［ガイド部分］
厚さ２．５ｍｍのアクリル製ガイド板の内面を図１８の様にくり抜き、くり抜いた部分の転動面に半径３ｍｍ、厚さ１ｍｍの小型の円柱状永久磁石（ネオジウム磁石）を載せて、両端から横板で挟んで固定した。くり抜いた転動面の半径は５１．０ｍｍ、転動面の長さは２４ｍｍである。小型の円柱状永久永久磁石は転動面を左右自在に転がって転動することが出来た。
実施例１と同様に、表の横板と裏の横板の各々に、角型に巻回した角コイルを貼り付けて発電させた。この電圧を昇圧，直流に整流して充電を行うことができた。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明は、構造が極めて簡単で、軽薄簡便で携帯に便利であって、かつ複数個組合わせて車に載せて、大きな電圧を得ることも出来るものであり、電子機器、通信機器の携帯化に大いに貢献するものである。また車や鉄道、船に積載してこれら交通機関の振動を利用して発電することが出来、エネルギーを有効に活用することが出来るものであり、省エネに多大な貢献をなすものである。
【００４４】
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の代表的構造の作用、機能を説明した図である。
【図２】図２は、本発明の別の構造の作用、機能を説明した図である。
【図３】図３は、本発明の別の構造の作用、機能を説明した図である。
【図４】図４は、１個の発電機だけでは電力不足のときに、発電機を上下に併設したときの説明図である。
【図５】図５は、１個の発電機だけでは電力不足のときに、発電機を左右に併設したときの説明図である。
【図６】図６は、コイルを磁気的に隔離する構造で、高透磁率材料の連続体で包囲する構造の説明図である。
【図７】図７は、コイルを磁気的に隔離する構造で、反磁性材料の遮蔽壁で包囲する構造の説明図である。
【図８】図８は、コイルを磁気的に隔離する構造で、図６、図７の折衷構造の説明図である。
【図９】図９は、自動車等に積載するいわゆる車載型発電機の構造を説明した図である。
【図１０】図１０は、ガイドに弾性帯体を使用してガイドそのものも振動させて永久磁石により大きな変位を起こさせるようにしたものである。
【図１１】図１１は弾性帯体からなるガイドをバネでつるしたものである。
【図１２】図１２は風の動きで弾性帯体が振動して永久磁石が回転して電磁誘導がおこる構造の説明図である。
【図１３】図１３は、時計の振り子構造の振動発電機の説明図である。
【図１４】図１４は、コイルを揺動させる構造の一例を示したものである。
【図１５】図１５は、コイルの巻回構造の一例を示したものである。
【図１６】図１６は、ガイド底面の色々な形状を説明する図である。
【図１７】図１７は、永久磁石の磁化方向の説明図である。
【図１８】図１８は、実施例の構造の説明図である。
【図１９】図１９は、実施例の構造の説明図である。
【図２０】図２０は、実施例の発電電圧の説明図である。
【図２１】図２１は、実施例の発電電圧の説明図である。
【符号の説明】
１…ガイド　　　　　　２…永久磁石
３…横板　　　　　　　４…コイル
【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】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2004129476.tif 000018
【図１７】
2004129476.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2004129476.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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