(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射板と、
前記反射板の前面に前記反射板と略平行に配置されるダイポール素子と、
前記ダイポール素子の前記反射板と反対の側に、前記ダイポール素子と間隔をおいて、前記ダイポール素子と略平行に配置される第１および第２の無給電素子とを備えるアンテナであって、
前記ダイポール素子は、前記第１および第２の無給電素子を前記ダイポール素子が配置される面に投影したときに、一方の開放端が前記第１の無給電素子の投影面と、また、他方の開放端が前記第２の無給電素子の投影面と重なるように配置され、
前記第１および第２の無給電素子は、周囲長をＬ、使用周波数の自由空間波長をλｏとするとき、λｏ≦Ｌ≦２λｏを満足することを特徴とするアンテナ。
【請求項２】
反射板と、
前記反射板の前面に前記反射板と略平行で、点対称に配置される第１および第２のダイポール素子と、
前記第１のダイポール素子の前記反射板と反対の側に、前記第１のダイポール素子と間隔をおいて、前記第１のダイポール素子と略平行に配置される第１および第２の無給電素子と、
前記第２のダイポール素子の前記反射板と反対の側に、前記第２のダイポール素子と間隔をおいて、前記第２のダイポール素子と略平行に配置される第３および第４の無給電素子とを備えるアンテナであって、
前記第１のダイポール素子は、前記第１および第２の無給電素子を前記第１のダイポール素子が配置される面に投影したときに、一方の開放端が前記第１の無給電素子の投影面と、また、他方の開放端が前記第２の無給電素子の投影面と重なるように配置され、
前記第２のダイポール素子は、前記第３および第４の無給電素子を前記第２のダイポール素子が配置される面に投影したときに、一方の開放端が前記第３の無給電素子の投影面と、また、他方の開放端が前記第４の無給電素子の投影面と重なるように配置され、
前記第１ないし第４の無給電素子は、周囲長をＬ、使用周波数の自由空間波長をλｏとするとき、λｏ≦Ｌ≦２λｏを満足することを特徴とするアンテナ。
【請求項３】
前記第１ないし第４の無給電素子は、外形形状が、円形形状、あるいは、多角形形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンテナに係わり、特に、広帯域や多周波数で周波数特性が安定しているとともに、平面形状で、かつ、高利得な性能が要求される移動電話基地局アンテナの基本放射素子や一般固定通信用アンテナに適用して有効なアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１４は、移動電話基地局アンテナの基本放射部として使用されている、従来の無給電素子付マイクロストリップアレイアンテナの一例を示す斜視図である。
同図において、１１１，１１２は、不平衡平面回路からなるマイクロストリップ素子、１２１，１２２は、マイクロストリップ線路、１３１，１３２は、同軸接栓（図示せず）に入力された電力をマイクロストリップ線路（１２１，１２２）に伝送さするための給電端子、１４１，１４２は無給電素子、１５は誘電体基板である。
同図に示すように、一面が金属箔で覆われた誘電体基板１５の他方の面に、使用周波数に於いて基本モード（図中の座標で、最も小さい形状で、かつ、Ｚ方向で放射が最大となるモード）で励振される不平衡平面回路からなるマイクロストリップ素子１１を配置し、少なくとも一端面に給電を行うと、低姿勢で単一方向放射となるアンテナを実現することは周知の通りである。
また、指向性積の原理に基づき、図１４に示すＸ方向に、マイクロストリップ素子（１１１，１１２）を配列し、等振幅等位相給電を行うことにより、Ｘ−Ｚ面の指向特性が先鋭化され、利得が上昇し、また、図１４に示すＹ方向に、マイクロストリップ素子（１１１，１１２）を配列し、等振幅等位相給電を行うことにより、Ｙ−Ｚ面の指向特性が先鋭化され、利得が上昇するので、低姿勢で高利得な特性を要求される場合に多用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述のアンテナにおいて、不平衡平面回路からなるマイクロストリップ素子（１１１，１１２）は、共振特性を有するため、周波数特性が狭帯域である。
そして、移動電話基地局のアンテナを送受信共用で用いる場合には広い周波数に渡って安定した特性が求められるため、図１４に示すように、無給電素子（１４１，１４２）をマイクロストリップ素子（１１１，１１２）に対して平行となるように配置し、周波数特性を改善したり、あるいは、誘電体基板１５の誘電体の厚さを厚くして、共振特性を緩やかにする等の対策が講じられている。
しかしながら、いずれの場合に於いても、マイクロストリップ素子１１を形成するには、高周波特性が良好で、高価な誘電体基板１５を用いなければならず、複数の素子を配列して高利得化を図る場合には、コストが増大するという問題点があった。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、従来のアンテナに使用される、高周波特性が良好で、高価な誘電体基板の使用を限定し、非常に軽量で、かつ、経済的なアンテナを提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
即ち、本発明は、反射板と、前記反射板の前面に前記反射板と略平行に配置されるダイポール素子と、前記ダイポール素子の前記反射板と反対の側に、前記ダイポール素子と間隔をおいて、前記ダイポール素子と略平行に配置される第１および第２の無給電素子とを備えるアンテナであって、前記ダイポール素子は、前記第１および第２の無給電素子を前記ダイポール素子が配置される面に投影したときに、一方の開放端が前記第１の無給電素子の投影面と配置され、また、他方の開放端が前記第２の無給電素子の投影面と重なるように配置され、前記第１および第２の無給電素子は、周囲長をＬ、使用周波数の自由空間波長をλｏとするとき、λｏ≦Ｌ≦２λｏを満足することを特徴とする。
【０００５】
また、本発明は、反射板と、前記反射板の前面に前記反射板と略平行で、点対称に配置される第１および第２のダイポール素子と、前記第１のダイポール素子の前記反射板と反対の側に、前記第１のダイポール素子と間隔をおいて、前記第１のダイポール素子と略平行に配置される第１および第２の無給電素子と、前記第２のダイポール素子の前記反射板と反対の側に、前記第２のダイポール素子と間隔をおいて、前記第２のダイポール素子と略平行に配置される第３および第４の無給電素子とを備えるアンテナであって、前記第１のダイポール素子は、前記第１および第２の無給電素子を前記第１のダイポール素子が配置される面に投影したときに、一方の開放端が前記第１の無給電素子の投影面と、また、他方の開放端が前記第２の無給電素子の投影面と重なるように配置され、前記第２のダイポール素子は、前記第３および第４の無給電素子を前記第２のダイポール素子が配置される面に投影したときに、一方の開放端が前記第３の無給電素子の投影面と、また、他方の開放端が前記第４の無給電素子の投影面と重なるように配置され、前記第１ないし第４の無給電素子は、周囲長をＬ、使用周波数の自由空間波長をλｏとするとき、λｏ≦Ｌ≦２λｏを満足することを特徴とする。
【０００６】
ダイポール素子を反射板に平行になるように近接させると、ダイポール素子の開放端の端部から反射板との間にそれぞれのベクトルの向きは異なるが大きな電界が発生する。また、無給電素子が共振した場合には、無給電素子の対向する端部と反射板との間に強い電界が発生する。
従って、本発明のように、一対の無給電素子を反射器に平行となるように配置し、無給電素子と反射器との間にダイポール素子を介在させて励振した時に、ダイポール素子の開放端の端部が、無給電素子と反射板で挟まれるような配置で適当に調整をすれば、ダイポール素子の開放端の端部で発生する電界が、端部に対応するそれぞれの無給電素子に結合させることができる。
ダイポール素子と無給電素子の共振周波数と、それぞれの位置関係を適当に調整すれば、複同調回路の原理に基づき、周波数特性が安定する帯域を調整することができる。
【０００７】
無給電素子は、不平衡平面回路によるマイクロストリップアンテナの基本モードで励振させるため、例えば、正方形とした場合には、無給電素子と反射板との間に誘電体が介在しない場合の１辺の長さは、使用する自由空間波長で１／２波長となり、輪郭の周囲長は２波長となる。
無給電素子からの放射は、素子の輪郭と、これに対応する反射板との空間で発生する磁流によるものであるので、無給電素子の外形形状は正方形に限定されるものではなく、正方形以外の形状であっても、無給電素子の輪郭の長さが、最大２波長であれば、円形、多角形などの形状であってもよい。
無給電素子と反射板との間に誘電体を介在させると、無給電素子の大きさを小さくさせることができ、ある程度広帯域化には効果があるが、あまり大きな比誘電率の誘電体を介在させると、広帯域性が失われるとともに、素子の利得も低下するため、好ましくは無給電素子の輪郭の長さは、使用する自由空間波長で１波長より長く２波長より小さくなる程度にすべきである。
即ち、無給電素子の周囲長をＬ、使用周波数の自由空間波長をλｏとするとき、１λｏ≦Ｌ≦λｏを満足する必要がある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１のアンテナを示す斜視図である。
図１において、１１〜１３は板状導体、２は誘電体基板、３はマイクロストリップ線路、４は給電端子、５１，５２は一対の無給電素子、７は反射板、１０はダイポール素子、２０は切込みである。
ダイポール素子１０は、誘電体基板２の一方の面に、２つの板状導体（１１，１２）を配置し、各々の導体を、図１に示す２０の箇所で、切り欠き部分のある板状導体１３に接続して構成される。
２つの板状導体（１１，１２）と、板状導体１３とは、誘電体基板２の一方の面（図１では、反射板７と対向する面）に設けられる。
２つの板状導体（１１，１２）と切り欠き部分のある板状導体１３とによって形成される形状は、平衡電流を励振するために、Ｙ−Ｚ面に対して対称になることが望ましい。
【０００９】
誘電体基板２は、反射板７の反射面に対して平行になるように配置される。
反射板７と誘電体基板２の平行間隔を維持するためには、例えば、反射板７と誘電体基板２との間に、適宜固体誘電体を充填するか、あるいは、適当な材質なるスペーサを介在させて両者を一体に結合する。
図２は、図１に示す２つの板状導体（１１，１２）、板状導体１３、およびマイクロストリップ線路３の形状を示す図である。
図２（ａ）に示すように、板状導体１３は、その前端部に、板状導体１３の長手方向のスロット２１が設けられる。
２つの板状導体（１１，１２）の相対向する端部と、板状導体１３の前端部における、長手方向のスロット２１で分割された部分とは連続的に設けられる。
即ち、２つの板状導体（１１，１２）の相対向する端部間には、板状導体の幅方向の切込み２０が設けられ、切込み２０によって分割された導体の内端（図２（ａ）の２２；給電点）に、板状導体１３の前端部における、長手方向のスロット２１で分割された部分がそれぞれ接続される。
【００１０】
マイクロストリップ線路３は給電回路を構成し、図２（ｂ）に示すように、誘電体基板２の他方の面（図１では、無給電素子（５１，５２）と対向する面）に設けられる。
このマイクロストリップ線路３は、板状導体１３の一部とともに、それぞれ分岐導体による平衡−不平衡変換回路（マイクロストリップ線路による平衡−不平衡変換回路）を構成する。
マイクロストリップ線路３は、同軸給電管６１によって、無線機に接続された信号を給電端子４を介して、ダイポール素子１０を励振する。
なお、図１では、誘電体基板２を用いて、ダイポール素子１０を構成した一例を図示しているが、平衡給電されるダイポール素子であれば、素子の形状は、板状、円柱状、円筒状等いずれでも良く、平衡−不平衡変換器の種類も形状や損失等から適切なものを選択すれば良い。
【００１１】
反射器７に平行になるように配置された一対の無給電素子（５１，５２）は、ダイポール素子１０によって、各々の素子に誘起される電力を一致させるために、ダイポール素子１０を構成する２つの板状導体（１１，１２）と、切り欠き部分のある板状導体１３の対称面（Ｙ−Ｚ面）に対称に配置することが望ましい。
また、ダイポール素子１０の端部（即ち、２つの板状導体（１１，１２）の相対向しない端部）が、一対の無給電素子（５１，５２）と反射器７とで挟まれるように配置される。
即ち、一対の無給電素子（５１，５２）を、ダイポール素子１０を構成する２つの板状導体（１１，１２）が配置される面に投影したときに、板状導体１１の板状導体１３と接続されない端部が、第１の無給電素子５１の投影面と重なるように配置され、板状導体１２の板状導体１３と接続されない端部が、第２の無給電素子５２の投影面と重なるように配置される。
【００１２】
ダイポール素子１０や、一対の無給電素子（５１，５２）を配置するには、誘電体板上に導体を被着させ、プリント配線板の形成方法で用いられるエッチング手法によって、導体箔パターンを形成し、要所に絶縁体の支持材を介在させて、機械的に反射器７と連結させる方法がある。
また、ダイポール素子１０の場合には、同軸管６１の一部に、フランジ６２を付加させて、これと反射器７を固定させても良い。
また、無給電素子（５１，５２）の中心部分は、電界分布が最小となるため、この部分であれば、無給電素子（５１，５２）に鉛直となるように、金属等の導電体を用いて、反射器７と接続させても何ら問題はない。
【００１３】
図３は、本実施の形態のアンテナの反射減衰量の周波数特性の一例を示すグラフである。
図３に示すグラフは、図１に示すアンテナの各部の寸法として、（１）無給電素子（５１，５２）を、１辺が０．３４λｏ（λｏ；使用中心周波数における自由空間波長）の正方形、（２）無給電素子（５１，５２）と反射器７との間隔を、０．１０６λｏ、（３）無給電素子５１と無給電素子５２との間隔を、０．４７２λｏ、（４）板状導体（１１，１２）の幅を、０．０４７λｏ、（５）板状導体（１１，１２）の全長を、０．３９５λｏ、（６）ダイポール素子１０が作る面と反射器７との間隔を、０．０４７λｏ、（７）反射器７を、ダイポール素子１０に平行な辺の長さが１．１８λｏ、これに直交する辺の長さが０．８８５λｏからなる矩形の反射器とした場合の、給電端子４における反射減衰量の周波数特性を示したものである。
なお、使用中心周波数（ｆｏ）は、使用することが予定されている上限周波数と下限周波数の中心の周波数である。
図３に示すグラフから、反射減衰量が１４ｄＢより良好（ＶＳＷＲｌ．５以下）となる、使用中心周波数（λｏ）に対する比帯域幅は、３０％以上と広帯域化が図られていることが判る。
【００１４】
図４は、前述の図３に示すグラフを測定する際に使用したアンテナの磁界面内（図１に示すＹ−Ｚ面）の指向特性を示すグラフであり、０．９１５ｆｏの周波数における測定結果を示している。
また、図５は、前述の図３に示すグラフを測定する際に使用したアンテナの磁界面内（図１に示すＹ−Ｚ面）の指向特性を示すグラフであり、１．０８５ｆｏにおける測定結果を示している。
いずれの指向特性もともに、約７０°程度の電力半値角（ビーム幅）を有しており、周波数の変化に対して安定していることが判る．
図６は、前述の図３に示すグラフを測定する際に使用したアンテナの電界面内（図１に示すＸ−Ｚ面）の指向特性を示すグラフであり、０．９１５ｆｏの周波数における測定結果を示している。
図７は、前述の図３に示すグラフを測定する際に使用したアンテナの電界面内の（図１に示すＸ−Ｚ面）指向特性を示すグラフであり、１．０８５ｆｏの周波数における測定結果を示している。
いずれの指向特性もともに、約４５°程度の電力半値角を有しており、周波数の変化に対して安定していることが判る。
電界面内指向特性のビーム幅が、磁界面内指向特性に比べて鋭い理由は、指向性積の原理に基づいており、ダイポール素子１０によって、Ｘ方向に並べられた一対の無給電素子（５１，５２）が効果的に励振されていることの証でもある。
【００１５】
［実施の形態２］
図８は、本発明の実施の形態２のアンテナを示す斜視図である。
図８において、１１〜１３は板状導体、３１，３２はマイクロストリップ線路、４は給電端子、５１〜５４は無給電素子、７は反射板、１０１，１０２はダイポール素子である。
第１のダイポール素子１０１、および第２のダイポール素子１０２は、給電端子４を中心にして点対称に配置されるが、第１のダイポール素子１０１、および第２のダイポール素子１０２は、図１に示すダイポール素子１０と構造は同じである。
ダイポール素子１０１の端部（即ち、２つの板状導体（１１，１２）の相対向しない端部）が、一対の無給電素子（５１，５２）と反射器７とで挟まれるように配置され、また、ダイポール素子１０２の端部（即ち、２つの板状導体（１４，１５）の相対向しない端部）が、一対の無給電素子（５３，５４）と反射器７とで挟まれるように配置される。
即ち、一対の無給電素子（５１，５２）を、２つの板状導体（１１，１２）が配置される面に投影したときに、板状導体１１の板状導体１３と接続されない端部が、第１の無給電素子５１の投影面と重なるように配置され、板状導体１２の板状導体１３と接続されない端部が、第２の無給電素子５２の投影面と重なるように配置され、一対の無給電素子（５３，５４）を、２つの板状導体（１４，１５）が配置される面に投影したときに、板状導体１４の板状導体１６と接続されない端部が、第３の無給電素子５３の投影面と重なるように配置され、板状導体１５の板状導体１６と接続されない端部が、第４の無給電素子５４の投影面と重なるように配置される。
【００１６】
本実施の形態のアンテナは、図１に示すアンテナを、Ｙ方向に０．４７２λｏ離して２列並べたものである。
図９は、本実施の形態のアンテナの反射減衰量の周波数特性の一例を示すグラフである。
図９に示すグラフは、図８に示すアンテナの各部の寸法として、図１に示すアンテナと同様に、（１）無給電素子（５１〜５４）を、１辺が０．３４λｏの正方形、（２）無給電素子（５１〜５４）と反射器７との間隔を、０．１０６λｏ、（３）無給電素子５１と無給電素子５２との間隔、および、無給電素子５３と無給電素子５４との間隔を、０．４７２λｏ、（４）板状導体（１１，１２，１４，１５）の幅を、０．０４７λｏ、（５）板状導体（１１，１２，１４，１５）の全長を、０．３９５λｏ、（６）ダイポール素子（１０１，１０２）が作る面と反射器７との間隔を、０．０４７λｏ、（７）反射器７を、１辺の長さが１λｏからなる正方形の反射器とした場合の、給電端子４における反射減衰量の周波数特性を示したものである。
図９に示すグラフから、反射減衰量が１４ｄＢより良好（ＶＳＷＲｌ．５以下）となる、使用中心周波数に対する比帯域幅は、約３５％と広帯域化が図られていることが判る。
【００１７】
図１０は、前述の図９に示すグラフを測定する際に使用したアンテナの磁界面内（図８に示すＹ−Ｚ面）の指向特性を示すグラフであり、０．９１５ｆｏの周波数における測定結果を示している。
また、図１１は、前述の図９に示すグラフを測定する際に使用したアンテナの磁界面内（図８に示すＹ−Ｚ面）の指向特性を示すグラフであり、１．０８５ｆｏにおける測定結果を示している。
いずれの指向特性もともに、約５０°程度の電力半値角（ビーム幅）を有しており、周波数の変化に対して安定していることが判る。
図１２は、前述の図９に示すグラフを測定する際に使用したアンテナの電界面内（図８に示すＸ−Ｚ面）の指向特性を示すグラフであり、０．９１５ｆｏの周波数における測定結果を示している。
図１３は、前述の図９に示すグラフを測定する際に使用したアンテナの電界面内（図８に示すＸ−Ｚ面）の指向特性を示すグラフであり、１．０８５ｆｏの周波数における測定結果を示している。
いずれの指向特性もともに、約５０°程度の電力半値角を有しており、周波数の変化に対して安定していることが判る。
本実施の形態のアンテナのように、無給電素子（５１〜５４）を縦横、等間隔で配置することで、磁界面内、電界面内ともにほぼ等しい指向特性が得られることが判る。
【００１８】
以上説明したように、ダイポール素子（１０，１０１，１０２）に、対を成す無給電素子（５１〜５４）を配置するといった簡単な方法により、アンテナの高利得化を図ることができ、さらに、ダイポール素子（１０，１０１，１０２）と、無給電素子（５１〜５４）との複同調回路の原理に基づく、広帯域化も実現可能なため、これまで、マイクロストリップアレイアンテナで使用する必要があった高周波特性が良好で、高価な誘電体基板の使用を限定することができ、非常に軽量で経済的なアンテナを実現することができる。
なお、前述したように、無給電素子（５１〜５４）からの放射は、素子の輪郭と、これに対応する反射板との空間で発生する磁流によるものであるので、無給電素子（５１〜５４）の外形形状は、正方形に限定されるものではなく、正方形以外の形状であっても、無給電素子の輪郭の長さが、最大２波長であれば、円形、多角形などの形状であってもよい。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００１９】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明によれば、従来のアンテナに使用される、高周波特性が良好で、高価な誘電体基板の使用を限定することができ、非常に軽量で、かつ、経済的なアンテナを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１のアンテナを示す斜視図である。
【図２】図１に示す２つの板状導体（１１，１２）、板状導体１３、およびマイクロストリップ線路３の形状を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１のアンテナの反射減衰量の周波数特性の一例を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態１のアンテナの磁界面内（図１に示すＹ−Ｚ面）の指向特性の一例を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態１のアンテナの磁界面内（図１に示すＹ−Ｚ面）の指向特性の他の例を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態１のアンテナの電界面内（図１に示すＸ−Ｚ面）の指向特性の一例を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態１のアンテナの電界面内（図１に示すＸ−Ｚ面）の指向特性の他の例を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態２のアンテナを示す斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態２のアンテナの反射減衰量の周波数特性の一例を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態２のアンテナの磁界面内（図８に示すＹ−Ｚ面）の指向特性の一例を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施の形態２のアンテナの磁界面内（図８に示すＹ−Ｚ面）の指向特性の他の例を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態２のアンテナの電界面内（図８に示すＸ−Ｚ面）の指向特性の一例を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施の形態２のアンテナの電界面内（図８に示すＸ−Ｚ面）の指向特性の他の例を示すグラフである。
【図１４】従来の無給電素子付マイクロストリップアレイアンテナの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１１〜１６…板状導体、２…誘電体基板、３，３１，３２，１２１，１２２…マイクロストリップ線路、４，１３１，１３２…給電端子、５１〜５４，１４１，１４２…無給電素子、６１…同軸給電管、６２…フランジ、７…反射板、１０，１０１，１０２…ダイポール素子、１１１，１１２…マイクロストリップ素子、１５…誘電体基板、２０…切込み、２１…スロット、２２…給電点。
【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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