(57)【要約】【課題】低コストで良好な指向性が得られる超音波送受波器を提供する。【解決手段】複数に分割されたエリアにまたがって振動子１０が同心円状に配列された送受波器１において、隣接するエリア間の境界線Ａ，Ｂ上に、当該境界線に沿って配列される振動子１０の一部が位置し、かつ、エリアの中心Ｏから外に向かって、配列ピッチα１〜α５が不等間隔となるように振動子１０が配列されている。また、配列ピッチα１〜α５に対しては、空間的な重み付け処理がされている。これにより、振動子配列をできるだけ均等にし、かつ振動子間隔をできるだけ狭くすることができるので、サイドローブやグレーティングローブが抑制され、良好な指向性を得ることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中へ超音波を送信するとともに当該超音波のエコーを受信する複数の振動子を備え、前記振動子の配列されたエリアが複数に分割されている超音波送受波器において、
隣接するエリア間の境界線上に、当該境界線に沿って配列される振動子の一部が位置するように各振動子を配列し、かつ、前記エリアの中心から外に向かって振動子の配列ピッチを不等間隔としたことを特徴とする超音波送受波器。
【請求項２】
水中へ超音波を送信するとともに当該超音波のエコーを受信する複数の振動子を備え、前記振動子の配列されたエリアが複数に分割されている超音波送受波器において、
隣接するエリア間の境界線上に、当該境界線に沿って配列される振動子の一部が位置するように各振動子を配列したことを特徴とする超音波送受波器。
【請求項３】
水中へ超音波を送信するとともに当該超音波のエコーを受信する複数の振動子を備え、前記振動子の配列されたエリアが複数に分割されている超音波送受波器において、
前記エリアの中心から外に向かって振動子の配列ピッチを不等間隔としたことを特徴とする超音波送受波器。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の超音波送受波器において、
前記振動子は、分割された各エリアにまたがって同心円状に配列されており、
一部の同心円については前記境界線上に振動子が存在し、他の同心円については前記境界線上に振動子が存在しないように各振動子を配列したことを特徴とする超音波送受波器。
【請求項５】
請求項１または請求項３に記載の超音波送受波器において、
前記振動子は、分割された各エリアにまたがって同心円状に配列されており、
前記不等間隔の配列ピッチは、空間的な重み付け処理がされていることを特徴とする超音波送受波器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば計量魚群探知機などに用いられる超音波送受波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
海中の資源量を調査するために、従来から音響手法を利用した計量魚群探知機が用いられている。計量魚群探知機は、送受波器から送信した超音波の音圧レベルと、魚群で反射したエコーの音圧レベルとの比、すなわち反射強度ＴＳ（Target Strength）が魚の体長の２乗に比例することを利用して、水中の魚量を求める装置である。
【０００３】
このような計量魚群探知機で魚量を求めるには、反射強度ＴＳの値を正確に測定する必要があるが、送受波器の受信感度は音波の到来方向によって異なり、メインローブ方向（音軸方向）に対する感度が最大であって、この方向からずれるに従って受信感度は低下する。このため、任意の方向から到来するエコーから求めた反射強度は正確な反射強度ではなく、測定誤差が含まれているので、反射強度を到来方向に応じて補正する必要がある。そこで、この到来方向を測定するために、計量魚群探知機ではスプリットビーム方式が広く採用されている。スプリットビーム方式については、例えば後掲の特許文献１に記載されている。
【０００４】
図８は、スプリットビーム方式によるエコー到来方向の測定原理を説明する図である。図８（ａ）は４つのチャンネルＣｈ１〜Ｃｈ４に分割された円盤型の送受波器５０の下面図を示している。図８（ｂ）のように、例えばチャンネルＣｈ１とチャンネルＣｈ４で受信された各受信信号の位相差をφ、エコーの到来角をθ、チャンネルＣｈ１，Ｃｈ４の中心間距離をＬとしたとき、これらの間には次式が成立する。
φ＝ｋ・Ｌ・ｓｉｎθ                （１）
ここで、ｋは波数であって、ｋ＝２π／λ（λ：超音波の波長）である。
上式より、
θ＝ｓｉｎ−１  （φ／ｋＬ）          （２）   
【０００５】
よって、式（２）より、チャンネルＣｈ１，Ｃｈ４の中心間距離Ｌが分かっておれば、受信信号の位相差φを測定することによって、エコーの到来角θを算出することができる。そして、この算出された到来角θに応じて、送受波器５０の指向特性が補正され、エコーから求めた反射強度ＴＳ0は、正確な反射強度ＴＳに換算される。送受波器５０の指向特性をＤ(θ)としたとき、反射強度ＴＳは次式のように表される。
ＴＳ＝Ｄ(θ)2・ＴＳ0                 （３）
【０００６】
このようなスプリットビーム方式により反射強度を測定する場合、従来は、図９に示すような円盤型の送受波器５０が用いられていた。図９において、送受波器５０は、例えば３１６個の振動子５１を備えており、これらの振動子５１が密集して送受波器５０上に配列されている。後掲の特許文献２には、このように振動子を密集配列した超音波送受波器が記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−８２１５５号公報
【特許文献２】特開平８−２０１５１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図９のような送受波器５０では、振動子間の間隔が半波長（λ／２）以下となるように振動子５１を均等に配列（円形配列の場合は、等間隔ピッチで同心円状に配列）することにより、エコーのサイドローブやグレーティングローブを抑制することができるが、その一方で、振動子５１の数が非常に多くなって、コストが大幅に上昇するという問題がある。
【０００９】
そこで、図１０に示したように、ある程度大きな振動子５１を同心円状に所定間隔をおいて配列することで、振動子５１の数を少なくした送受波器５０が考えられる。しかしながら、この送受波器５０では、振動子５１の径が大きいために振動子間のピッチを半波長以下にすることが困難である。そして、チャンネルＣｈ１〜Ｃｈ４の各エリアに属する振動子５１が境界線Ａ，Ｂにより完全に分割され、境界線Ａ，Ｂ上に振動子配列の粗い部分が生じることから、図１１に示すように、メインローブＭＬ以外に、サイドローブＳＬやグレーティングローブＧＬの信号レベルが高くなって指向性が低下する。この結果、サイドローブＳＬやグレーティングローブＧＬの映像が表示部に雑音として現われ、本来のエコーによる映像を正確に識別できなくなるおそれがある。これは、スプリットビーム方式に限らず、複数の送受信装置により振動子に与える電気信号の振幅や位相を制御してビームを任意の方向へ形成する場合（スタビライズ機能）においても同様である。
【００１０】
このようなサイドローブやグレーティングローブを抑制する方法として、振動子に与える電気信号の振幅に対して、例えばチェビシェフ（Chebyshev）関数のような重み付けを行うことが知られている。しかしながら、これを実現するためには、トランスなどの部品やチャンネルごとの振幅制御機能が必要となるため、構造や回路が複雑となってコスト高になるという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的とするところは、低コストで良好な指向性が得られる超音波送受波器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、水中へ超音波を送信するとともに当該超音波のエコーを受信する複数の振動子を備え、これらの振動子の配列されたエリアが複数に分割されている超音波送受波器において、隣接するエリア間の境界線上に、当該境界線に沿って配列される振動子の一部が位置するように各振動子を配列し、かつ、エリアの中心から外に向かって振動子の配列ピッチを不等間隔としたものである。
【００１３】
本発明では、従来と同数の振動子を用いても、エリア間の境界線上に振動子の一部を位置させ、また、配列ピッチをエリア中心から外に向って不等間隔とすることによって、振動子配列をできるだけ均等にし、かつ振動子間隔をできるだけ狭くすることが可能となる。このため、多数の振動子を敷き詰めなくても、振動子の配列を工夫するだけで、サイドローブやグレーティングローブを有効に抑制することができ、低コストで良好な指向性を得ることができる。
【００１４】
本発明においては、隣接するエリア間の境界線上に、当該境界線に沿って配列される振動子の一部が位置するように各振動子を配列するだけでも、従来に比べてサイドローブやグレーティングローブを抑制できる効果があり、振動子の数を増加させることなく、良好な指向性を得ることができる。
【００１５】
また、本発明においては、エリアの中心から外に向かって振動子の配列ピッチを不等間隔とするだけでも、従来に比べてサイドローブやグレーティングローブを抑制できる効果があり、振動子の数を増加させることなく、良好な指向性を得ることができる。
【００１６】
また、本発明においては、分割された各エリアにまたがって振動子が同心円状に配列されている場合、一部の同心円についてはエリア間の境界線上に振動子が存在し、他の同心円については境界線上に振動子が存在しないように各振動子が配列される。これによると、振動子が同心円状に配列された従来のものにおいて、所定の同心円の全振動子を一定角度回転した位置にずらすだけで、本発明の送受波器を得ることができ、振動子配列の設計が容易となる。
【００１７】
また、本発明においては、分割された各エリアにまたがって振動子が同心円状に配列されている場合、エリアの中心から外に向かう不等間隔の配列ピッチは、空間的な重み付け処理がされている。これによると、トランスなどの部品やチャンネルごとの振幅制御機能を必要とせず、振動子配列を工夫するだけで重み付けによる指向性の改善を図ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、多数の振動子を用いなくても、振動子の配列を工夫するだけで、安価で良好な指向性を有する超音波送受波器を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図に従って説明する。図１は、本発明が適用される計量魚群探知機１００の実施形態を示した電気ブロック図である。１は本発明に係る超音波送受波器（以下、単に「送受波器」という。）であって、電気／音響変換により水中へ超音波１１を送信するとともに、水中の魚群Ｆで反射したエコー１２を受信して音響／電気変換を行う複数の振動子（後述）を備えている。２は送信と受信とを切り替える送受切替部、３は送受波器１へ与える送信信号を出力する送信回路、４は送信信号の波形を生成する波形生成部である。５は送受波器１で音響／電気変換されたエコー１２による信号を受信する受信回路、６は受信回路５から出力される信号に対してＡ／Ｄ変換、ビーム形成、単体魚分離、魚体長算出等の処理を行う演算処理部、７は演算処理部６で算出された魚体長のデータや魚群の映像などを画面上に表示する表示部である。
【００２０】
図２は送受波器１の構成の一例を示しており、（ａ）は斜視図、（ｂ）は下面図である。図２（ａ）のように、送受波器１の下面には多数の振動子１０が配列されている。振動子１０は、例えば円柱状の圧電セラミック等の電歪素子からなり、これに高周波または低周波の電圧を印加すると、素子が振動して超音波が送信される。８はケーブルであって、振動子１０と電気的に接続されている。送受波器１は、図２（ｂ）に示すように４つに分割されたチャンネルＣｈ１〜Ｃｈ４を有しており、各チャンネルには複数の振動子１０が図３に示すように配列されている。この配列の詳細については後述する。図１においては、送信回路３と受信回路５はそれぞれ１つのブロックで示しているが、実際には、複数の振動子１０のそれぞれに対して送信回路３と受信回路５が設けられる。送受波器１は、超音波１１の送信時には、全てのチャンネルＣｈ１〜Ｃｈ４の振動子１０から同相の超音波を送信し、エコー１２の受信時には、チャンネルＣｈ１，Ｃｈ２の組と、チャンネルＣｈ３，Ｃｈ４の組、およびチャンネルＣｈ１，Ｃｈ４の組と、チャンネルＣｈ２，Ｃｈ３の組により、前後・左右方向からのエコーを受信する。それぞれのチャンネルに属する振動子１０が受信した信号は、チャンネルごとに加算され、この加算された信号が当該チャンネルで受信された信号となる。
【００２１】
次に、図３を参照して、送受波器１における振動子１０の配列について説明する。図３において、ＡおよびＢは隣接するエリア間の境界線であって、Ａは右半分のチャンネルＣｈ２，Ｃｈ３と、左半分のチャンネルＣｈ１，Ｃｈ４との境界線、Ｂは上半分のチャンネルＣｈ１，Ｃｈ２と、下半分のチャンネルＣｈ３，Ｃｈ４との境界線である。振動子１０は、分割された各エリアにまたがって同心円状に配列されており、エリアの中心Ｏ（境界線Ａ，Ｂの交点）を中心とする同心円上において、円周方向に等間隔で配列されている。この例では、同心円が５周となっており、各同心円上に配列されている振動子１０の数は、中心Ｏから数えて第１周目が４個、第２周目が８個、第３周目が１６個、第４周目が２０個、第５周目が２４個となっており、合計７２個の振動子１０が配列されている。
【００２２】
図３における振動子配列の第１の特徴は、隣接するエリア間の境界線Ａ，Ｂ上に、当該境界線に沿って配列される振動子１０の一部が位置するように各振動子が配列されていることである。すなわち、中心Ｏから数えて第３周目と第５周目の各同心円については、境界線Ａ，Ｂ上に斜線で示した振動子が存在するように振動子１０が配列され、他の同心円については境界線Ａ，Ｂ上に振動子が存在しないように振動子１０が配列されている。ここで、１６個の振動子１０が存在する第３周目の同心円上の振動子配列は、図１０の従来例における第３周目の同心円上の振動子配列を円周方向に半ピッチ、すなわち（３６０°÷１６）／２＝１１．２５°回転させた配列に相当している。また、２４個の振動子１０が存在する第５周目の同心円上の振動子配列は、図１０における第５周目の同心円上の振動子配列を円周方向に半ピッチ、すなわち（３６０°÷２４）／２＝７．５°回転させた配列に相当している。したがって、従来の送受波器５０において、第３周目と第５周目の全振動子を一定角度回転した位置にずらすだけで、本発明の送受波器１を得ることができ、振動子配列の設計が容易となる。
【００２３】
図３における振動子配列の第２の特徴は、エリアの中心Ｏから外に向かって、振動子１０の配列ピッチが不等間隔となっていることである。すなわち、この例では、各同心円の半径は、同心円間のピッチ（配列ピッチ）α１〜α５が中心Ｏから外に向かって増加するように設定されており、α１＜α２＜α３＜α４＜α５の関係となっている。この結果、同心円の径方向における振動子１０の配列ピッチは、中心Ｏから外に向って大きくなっている。そして、この配列ピッチに対しては、空間的な重み付け処理がされている。この重み付け処理にあたっては、例えば、各同心円の半径の比をそのまま重み付けの値とすることができる。重み付けの値としては、実験から求めた任意の値を用いてもよいし、チェビシェフ関数などの既存の重み付け関数から決まる値を用いてもよい。
【００２４】
図３と図１０とを対比すればわかるように、図３の振動子配列では、振動子１０の数は図１０の従来のものと同じであるが、境界線Ａ，Ｂ上に振動子１０の一部を位置させたことから、境界線Ａ，Ｂ上で振動子配列の粗い部分が少なくなる。また、図１０の振動子配列では、同心円間のピッチが等間隔であるため、中心部分の配列が粗く外側部分の配列が密となって、振動子の配列がまばらとなるが、図３の振動子配列では、同心円間のピッチが外に向って大きくなっているので、粗密が緩和されて振動子の配列を均一なものに近づけることができる。
【００２５】
この結果、図３の振動子配列によれば、全体として振動子配列をできるだけ均等にし、かつ振動子間隔をできるだけ狭くすることができるので、図１０の従来のものと比較して、サイドローブやグレーティングローブが抑制され、良好な指向性を得ることができる。図４は、図３の振動子配列による指向特性の一例であって、図１１の従来の指向特性に比べて、サイドローブＳＬやグレーティングローブＧＬが改善されているのがわかる。特に、グレーティングローブＧＬの抑制効果は大きく、図１１では大きく目立っていたグレーティングローブＧＬが、図４ではほとんど目立たなくなっている。
【００２６】
なお、スプリットビーム方式を用いる場合、図３の境界線Ａ，Ｂ上にある斜線で示した振動子は両方のエリア（チャンネル）に跨っているので、それぞれの境界線で分割されるエリアに１／２ずつ属するものとして演算処理を行うことにより、音波の到来角度や反射強度を従来通り正しく測定することができる。
【００２７】
このようにして、図３の実施形態によれば、従来と同数の振動子を用いて、振動子の配列を工夫することにより、振動子をできるだけ均等に配置してサイドローブやグレーティングローブを抑制することができ、また、トランスなどの部品やチャンネルごとの振幅制御機能を必要とせずに重み付けができるので、低コストで良好な指向性を備えた送受波器を得ることができる。また、スプリットビーム方式に限らず、複数の送受信装置により振動子に与える電気信号の振幅や位相を制御してビームを任意の方向へ形成する場合（スタビライズ機能）においても同様の効果が得られる。
【００２８】
図５は、本発明の他の実施形態に係る送受波器の振動子配列を示した図である。図５において、図３と同一部分には同一符号を付してある。図５の送受波器１では、図３の送受波器１と同様に、エリアの中心Ｏから外に向かって、振動子１０の配列ピッチが不等間隔となっている。すなわち、各同心円の半径は、同心円間のピッチ（配列ピッチ）α１〜α５が中心Ｏから外に向かって増加するように設定されており、α１＜α２＜α３＜α４＜α５の関係となっている。この結果、同心円の径方向における振動子１０の配列ピッチは、中心Ｏから外に向って大きくなっている。ただし、図５の場合は、図３のように境界線Ａ，Ｂ上に振動子１０の一部を位置させる配列にはなっておらず、同心円の周方向の振動子配列に関しては、図１０の従来のものと同様である。
【００２９】
図５において、同心円の径方向の配列ピッチに関しては、図３と同様の空間的な重み付け処理がされている。この重み付け処理にあたっては、前述のように、例えば各同心円の半径の比をそのまま重み付けの値とすることができる。この場合も、重み付けの値としては、実験から求めた任意の値を用いてもよいし、チェビシェフ関数などの既存の重み付け関数から決まる値を用いてもよい。
【００３０】
図５と図１０とを対比すればわかるように、図５の振動子配列では、振動子１０の数は図１０の従来のものと同じであるが、図１０の振動子配列では、同心円間のピッチが等間隔であるため、中心部分の配列が粗く外側部分の配列が密となって、振動子の配列がまばらとなるのに対し、図５の振動子配列では、同心円間のピッチが外に向って大きくなっているので、粗密が緩和されて振動子の配列を均一なものに近づけることができる。
【００３１】
したがって、図５の振動子配列によれば、全体として振動子配列をできるだけ均等にし、かつ振動子間隔をできるだけ狭くすることができるので、図１０の従来のものと比較して、サイドローブやグレーティングローブが抑制され、良好な指向性を得ることができる。図６は、図５の振動子配列による指向特性の一例であって、先の図４で示した指向特性には及ばないものの、図１１の指向特性に比べて、サイドローブＳＬやグレーティングローブＧＬが改善されているのがわかる。
【００３２】
このようにして、図５の実施形態によれば、従来と同数の振動子を用いて、振動子の配列を工夫することにより、振動子をできるだけ均等に配置してサイドローブやグレーティングローブを抑制することができ、また、トランスなどの部品やチャンネルごとの振幅制御機能を必要とせずに重み付けができるので、低コストで良好な指向性を備えた送受波器を得ることができる。また、スプリットビーム方式に限らず、複数の送受信装置により振動子に与える電気信号の振幅や位相を制御してビームを任意の方向へ形成する場合（スタビライズ機能）においても同様の効果が得られる。
【００３３】
図７は、本発明の他の実施形態に係る送受波器の振動子配列を示した図である。図７において、図３と同一部分には同一符号を付してある。図７の送受波器１では、図３の送受波器１と同様に、隣接するエリア間の境界線Ａ，Ｂ上に、当該境界線に沿って配列される振動子１０の一部が位置するように各振動子が配列されている。すなわち、中心Ｏから数えて第３周目と第５周目の各同心円については、境界線Ａ，Ｂ上に斜線で示した振動子が存在するように振動子１０が配列され、他の同心円については境界線Ａ，Ｂ上に振動子が存在しないように振動子１０が配列されている。ここで、１６個の振動子１０が存在する第３周目の同心円上の振動子配列は、図１０の従来例における第３周目の同心円上の振動子配列を円周方向に半ピッチ、すなわち（３６０°÷１６）／２＝１１．２５°回転させた配列に相当している。また、２４個の振動子１０が存在する第５周目の同心円上の振動子配列は、図１０における第５周目の同心円上の振動子配列を円周方向に半ピッチ、すなわち（３６０°÷２４）／２＝７．５°回転させた配列に相当している。ただし、図７の場合は、図３のようにエリアの中心Ｏから外に向かって、振動子１０の配列ピッチが不等間隔となっておらず、同心円の径方向の振動子配列に関しては、図１０の従来のものと同様に、等間隔の配列ピッチとなっている。
【００３４】
図７と図１０とを対比すればわかるように、図７の振動子配列では、振動子１０の数は図１０の従来のものと同じであるが、境界線Ａ，Ｂ上に振動子１０の一部を位置させたことから、境界線Ａ，Ｂ上で振動子配列の粗い部分が少なくなる。この結果、図７の振動子配列によれば、全体として振動子配列をできるだけ均等にし、かつ振動子間隔をできるだけ狭くすることができるので、先の図４で示した指向特性には及ばないものの、図１０の従来のものと比較して、サイドローブやグレーティングローブが抑制され、良好な指向性（図示省略）を得ることができる。
【００３５】
なお、図７においても、スプリットビーム方式を用いる場合、境界線Ａ，Ｂ上にある斜線で示した振動子は両方のエリア（チャンネル）に跨っているので、図３の場合と同様に、それぞれの境界線で分割されるエリアに１／２ずつ属するものとして演算処理を行うことにより、音波の到来角度や反射強度を従来通り正しく測定することができる。
【００３６】
このようにして、図７の実施形態によれば、従来と同数の振動子を用いて、振動子の配列を工夫することにより、振動子をできるだけ均等に配置してサイドローブやグレーティングローブを抑制することができるので、低コストで良好な指向性を備えた送受波器を得ることができる。また、スプリットビーム方式に限らず、複数の送受信装置により振動子に与える電気信号の振幅や位相を制御してビームを任意の方向へ形成する場合（スタビライズ機能）においても同様の効果が得られる。
【００３７】
上述した各実施形態では、エリアを４分割した送受波器１の例を示したが、本発明はこれに限らず、エリアを３分割した送受波器や、エリアを５以上に分割した送受波器にも適用することができる。
【００３８】
また、上記実施形態においては、合計７２個の振動子１０を用いた送受波器１を例に挙げたが、これは一例であって、振動子１０の数は７２個以上でも７２個未満でもよい。
【００３９】
また、上記実施形態においては、振動子１０を円形に配列した送受波器１を例に挙げたが、本発明はこれに限らず、ラインアレイや矩形アレイのような他の振動子配列を備えた送受波器にも適用することができる。
【００４０】
さらに、上記実施形態においては、水中の魚量を求める計量魚群探知機に本発明の送受波器を用いた例を挙げたが、本発明の送受波器は、計量魚群探知機以外の魚群探知機にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明が適用される計量魚群探知機の実施形態を示した電気ブロック図である。
【図２】送受波器の構成の一例を示す図である。
【図３】送受波器における振動子配列を示した図である。
【図４】図３の振動子配列による指向特性の一例である。
【図５】他の実施形態による送受波器の振動子配列を示した図である。
【図６】図５の振動子配列による指向特性の一例である。
【図７】他の実施形態による送受波器の振動子配列を示した図である。
【図８】スプリットビーム方式の原理を説明する図である。
【図９】従来の振動子配列を示した図である。
【図１０】従来の他の振動子配列を示した図である
【図１１】図１０の振動子配列による指向特性の一例である。
【符号の説明】
【００４２】
１    超音波送受波器
２    送受切替部
３    送信回路
４    波形生成部
５    受信回路
６    演算処理部
７    表示部
１０  振動子
１１  超音波
１２  エコー
１００  計量魚群探知機
Ａ，Ｂ  境界線
Ｃｈ１〜Ｃｈ４  チャンネル
α１〜α５  配列ピッチ
【図１】
2007127561.tif 000003
【図２】
2007127561.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007127561.tif 000006
【図５】
2007127561.tif 000007
【図６】
2007127561.tif 000008
【図７】
2007127561.tif 000009
【図８】
2007127561.tif 000010
【図９】
2007127561.tif 000011
【図１０】
2007127561.tif 000012
【図１１】
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