(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円偏波を送信及び／又は受信する複数のアンテナと、
上記各アンテナの受信レベルを示す受信レベル情報に基づいて、実際に送信及び／又は受信を行うアンテナを選択するアンテナ選択手段とを備え、
上記複数のアンテナは、それぞれ、半球面状の放射パターンを有し、機器本体の一方の面には、該放射パターンのうちで最も利得が得られる前面側を外向きにして、該一方の面の対角線上に一対のアンテナが配設されるとともに、該機器本体の一方の面と相対向する他方の面には、該放射パターンのうちで最も利得が得られる前面側を外向きにして、該他方の面の対角線上に一対のアンテナが配設され、全体として全球面状の放射パターンを有し、
上記一方の面及び他方の面にそれぞれ配設された一対のアンテナは、送信及び／又は受信に用いる電磁波の波長λに対して互いにλ／４以上離れた位置に配設され、
上記アンテナ選択手段は、上記複数のアンテナから入力された各アンテナにおける受信レベルの大小を比較し、最も受信レベルが良好なアンテナを選択するレベル比較器と、当該レベル比較器により選択された最も受信レベルが良好なアンテナに切り換え、送信及び／又は受信を行うアンテナ切換器とを有するダイバシティアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種通信技術の分野で用いられ、特に円偏波を用いて送信及び／又は受信を行うダイバシティアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えば携帯電話などの携帯型通信機器においては、ダイバシティアンテナ装置が用いられている。ダイバシティアンテナ装置は、複数のアンテナを選択して用いることにより、耐マルチパス特性を向上させることが可能とされている。
【０００３】
このようなダイバシティアンテナ装置を採用した携帯型通信機器としては、例えば、図７に示すような携帯型通信機器１００を挙げることができる。携帯型通信機器１００は、２つのアンテナ１０１，１０２を備え、これらアンテナ１０１，１０２が送信及び／又は受信（以下、送受信という。）に用いる電磁波の波長λに対して、互いにλ／４以上離れた位置に配設されている。そして、携帯型通信機器１００は、２つのアンテナ１０１，１０２のうちで、受信状態が良好な方のアンテナを用いて送受信を行う。
【０００４】
携帯型通信機器１００は、このように複数のアンテナを選択して用いるために、図８に示すような回路構成とされている。すなわち、２つのアンテナ１０１，１０２が、それぞれ受信機１０３，１０４に接続されている。そして、受信機１０３，１０４からの出力が、レベル比較器１０５に入力されて比較され、出力特性が良好な方のアンテナからの出力が、アンテナ切替器１０６によって切り替えて用いられる。
【０００５】
携帯型通信機器１００は、このように所定の間隔で配設された２つのアンテナ１０１，１０２を選択して用いることにより、「アンテナの配設位置が離れていると、各々のアンテナがフェージングを受ける様子は独立に変化する。」という事実、いわゆる空間ダイバシティ効果を利用して、良好な送受信状態を確保することを可能としている。すなわち、これら２つのアンテナ１０１，１０２の受信状態が、両方ともフェージングの谷に落ちていない限り、良好な送受信状態を確保することができる。
【０００６】
また、ダイバシティアンテナ装置を採用した携帯型通信機器としては、例えば、図９に示すような携帯型通信機器１１０を挙げることができる。携帯型通信機器１１０は、２つのアンテナ１１１，１１２を備えている。携帯型通信機器１１０では、上述した携帯型通信機器１００と同様にして、２つのアンテナ１１１，１１２のうちで受信状態が良好な方のアンテナを用いて送受信を行う。
【０００７】
また、携帯型通信機器１１０では、アンテナ１１２の利得を向上させるために指向性を鋭く設定されており、送受信に用いる電磁波の到達距離の拡大を図るとともに、耐マルチパス特性の向上を図られている。そして、携帯型通信機器１１０は、２つのアンテナ１１１，１１２のうちで、受信状態が良好な方のアンテナを用いて送受信を行うことにより、いわゆる指向性ダイバシティ効果を利用して、良好な送受信状態を確保することを可能とされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年では、家庭内においても様々な機器同士の間で無線通信を行うことが実用化されつつある。この場合に、例えば、建物内における同じ階での送受信だけでなく、１階と２階との間での送受信を良好な状態で行うことが要求される。
【０００９】
また、携帯型通信機器は、その使用状況によって機器本体が地面に対してあらゆる角度に傾けて用いることを想定する必要がある。この場合に、機器本体にアンテナが固定されていると、機器本体の傾きに応じてアンテナの傾きも変化してしまう。
【００１０】
しかしながら、上述したような従来のダイバシティアンテナ装置は、基本的に屋外での使用や、建物内部においても同一階での使用を想定しているため、一般に、地面と水平な方向で良好な利得が得られるような放射パターンを有している。具体的には、上述した従来の携帯型通信機器１００や携帯型通信機器１１０におけるアンテナは、例えば図１０或いは図１１に示すような放射パターンを有している。なお、図１０は、アンテナ１０１，１０２，１１１における放射パターンの例であり、図１１は、アンテナ１１２における放射パターンの例である。
【００１１】
図１０及び図１１から明らかであるように、従来のダイバシティアンテナ装置では、ｚ軸方向、すなわち上方又は下方に対する電磁波の送受信を行うことが困難である。このため、同一平面内におけるマルチパスに対しては良好な耐性を備えるものの、３次元的にあらゆる方向に対しての送受信には適していない。また、従来のダイバシティアンテナ装置は、水平偏波や垂直偏波といった直線偏波を用いて送受信を行っていることから、地面に対するアンテナの角度変化によって送受信状態が大きく変動してしまうといった問題があった。
【００１２】
したがって、従来のダイバシティアンテナ装置は、家庭内での無線通信や、各種携帯型通信機器に用いるとした場合に、偏波面が使用状況に応じて変化してしまうことから、安定した送受信を行うことが困難であるといった問題があった。
【００１３】
そこで、本発明は、上述した実状を鑑みて提案されるものであり、３次元的にあらゆる方向に対して良好な送受信状態を確保することが可能なダイバシティアンテナ装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述した目的を実現するために鋭意検討を重ねた末に、全体として全球面状の放射パターンを有する複数のアンテナを選択して用いるとともに、各アンテナで円偏波を送受信するように構成することにより、３次元的にあらゆる方向に対して良好な送受信状態を確保することが可能であるという知見を得るに至った。
【００１５】
すなわち、本発明に係るダイバシティアンテナ装置は、円偏波を送信及び／又は受信する複数のアンテナと、上記各アンテナの受信レベルを示す受信レベル情報に基づいて、実際に送信及び／又は受信を行うアンテナを選択するアンテナ選択手段とを備え、上記複数のアンテナは、それぞれ、半球面状の放射パターンを有し、機器本体の一方の面には、該放射パターンのうちで最も利得が得られる前面側を外向きにして、該一方の面の対角線上に一対のアンテナが配設されるとともに、該機器本体の一方の面と相対向する他方の面には、該放射パターンのうちで最も利得が得られる前面側を外向きにして、該他方の面の対角線上に一対のアンテナが配設され、全体として全球面状の放射パターンを有し、上記一方の面及び他方の面にそれぞれ配設された一対のアンテナは、送信及び／又は受信に用いる電磁波の波長λに対して互いにλ／４以上離れた位置に配設され、上記アンテナ選択手段は、上記複数のアンテナから入力された各アンテナにおける受信レベルの大小を比較し、最も受信レベルが良好なアンテナを選択するレベル比較器と、当該レベル比較器により選択された最も受信レベルが良好なアンテナに切り換え、送信及び／又は受信を行うアンテナ切換器とを有する。
【００１６】
以上のように構成された本発明に係るダイバシティアンテナ装置は、複数のアンテナによって全球面状の放射パターンが確保されていることにより、あらゆる方向に対しても良好な送信状態及び／又は受信状態を確保することができる。また、円偏波を用いて送信及び／又は受信を行うことから、地面に対するアンテナの角度変化によって送受信状態が大きく変動してしまうことがない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るダイバシティアンテナ装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、本発明を適用した一構成例として、図１及び図２に示すような携帯型通信機器１について説明する。携帯型通信機器１は、無線通信により各種情報信号の送信及び／又は受信（以下、送受信という。）を行う端末装置であり、携帯して用いるに十分小型軽量とされている。また、携帯型通信機器１は、無線通信を行うために、本発明に係るダイバシティアンテナ装置を搭載している。なお、本発明は、図示するような携帯型通信機器１への適用に限定されるものではなく、無線通信により各種情報の送受信を行うようなあらゆる機器に対して、広く適用することができる。
【００１８】
携帯型通信機器１は、図１に示すように、機器本体２の一側面に、第１乃至第４のアンテナ１０，１１，１２，１３を備え、機器本体２の内部に、図２に示すような受信回路３を備えている。そして、第１乃至第４のアンテナ１０，１１，１２，１３と受信回路３とによって無線通信を行うことを可能とされており、これら第１乃至第４のアンテナ１０，１１，１２，１３と受信回路３とが、いわばダイバシティアンテナ装置としての機能を備えている。
【００１９】
また、機器本体２には、図示を省略するが、例えば、液晶表示装置、各種入力ボタンやキーボード、各種の情報処理装置などが、当該携帯型通信機器１に必要となる構成に応じて搭載される。
【００２０】
第１乃至第４のアンテナ１０，１１，１２，１３は、円偏波を送受信するアンテナであり、例えば、いわゆるパッチアンテナによって構成される。パッチアンテナは、金属地板に対して所定の間隔を隔てて平行に配置された正方形金属素子を備え、この正方形金属素子の隣り合う２辺にそれぞれ給電点を備えて構成される。なお、パッチアンテナの構造は、周知であるので、ここでの詳細な説明を省略する。また、本発明は、パッチアンテナを用いることに限定されるものではなく、円偏波により送受信を行うアンテナを適宜用いるとすればよい。
【００２１】
受信回路３は、図２に示すように、それぞれ第１乃至第４のアンテナ１０，１１，１２，１３に接続された第１乃至第４の受信機２０，２１，２２，２３と、これら第１乃至第４の受信機２０，２１，２２，２３により受信した受信信号の受信レベルが入力されるレベル比較器２４と、第１乃至第４の受信機２０，２１，２２，２３により受信した受信信号を選択して出力するアンテナ切替器２５とを備える。
【００２２】
第１乃至第４の受信機２０，２１，２２，２３は、それぞれ、第１乃至第４のアンテナ１０，１１，１２，１３により受信した電磁波が入力されるとともに、この電磁波に含まれる信号成分を抽出して受信信号として出力する。また、この受信信号の受信レベルを示す受信レベル信号をレベル比較器２４に出力する。
【００２３】
レベル比較器２４は、第１乃至第４の受信機２０，２１，２２，２３から出力された受信レベル信号がそれぞれ入力されるとともに、これら各受信レベル信号に基づいて、各アンテナにおける受信レベルの大小を比較することによって、第１乃至第４のアンテナ１０，１１，１２，１３のうち、何れのアンテナの受信状態が最も良好であるかを判断する。そして、この判断の結果に応じた信号をアンテナ切替器２５に出力する。
【００２４】
アンテナ切替器２５は、レベル比較器２４から入力される信号に応じて、最も受信状態が良好なアンテナからの受信信号を選択するとともに、選択した受信信号を、携帯型通信機器１に備えられる他の電子回路や情報処理装置に出力する。
【００２５】
受信回路３は、以上のように構成されてなり、最も受信レベルが大きいアンテナ、すなわち最も受信状態が良好なアンテナから出力された受信信号を選択して出力する。
【００２６】
なお、本実施の形態においては、第１乃至第４の受信機２０，２１，２２，２３から出力される受信レベル信号が、各アンテナの受信レベルを示しており、いわば受信レベル情報として機能している。また、レベル比較器２４及びアンテナ切替器２５が、受信レベル情報に基づいてアンテナを選択するアンテナ選択手段として機能している。
【００２７】
また、ここでは、受信回路３が、複数の受信機２０，２１，２２，２３と、レベル比較器２４と、アンテナ切替器２５とを備える場合について説明し、複数のアンテナ１０，１１，１２，１３によって受信を行うとしている。しかしながら、本発明を適用した携帯型通信機器１においては、複数のアンテナ１０，１１，１２，１３に対して、受信機２０，２１，２２，２３の他に送信機（図示せず。）をさらに接続し、これら複数のアンテナ１０，１１，１２，１３によって送信と受信との両方を行うように構成することも容易である。なお、送信を行う場合には、受信時に選択されたアンテナを用いることが望ましい。
【００２８】
一方、携帯型通信機器１において、第１のアンテナ１０と第４のアンテナ１３、及び第２のアンテナ１１と第３のアンテナ１２は、それぞれ対をなしており、送受信に用いる電磁波の波長λに対して、互いにλ／４以上離れた位置に配設されている。このように、対をなるアンテナが、送受信に用いる電磁波の波長λに対してλ／以上離れて配設されていることにより、対をなすアンテナの両方がフェージングの谷に落ちてしまうことを防止することができる。
【００２９】
そして、携帯型通信機器１では、このように対をなして配設された第１乃至第４のアンテナ１０，１１，１２，１３を選択して送受信に用いるように構成されていることにより、「アンテナの配設位置が離れていると、各々のアンテナがフェージングを受ける様子は独立に変化する。」という事実、いわゆる空間ダイバシティ効果を利用して、良好な送受信状態を確保することを可能とされている。
【００３０】
また、携帯型通信機器１において、第１のアンテナ１０と第４のアンテナ１３、及び第２のアンテナ１１と第３のアンテナ１２は、それぞれ、図３及び図４に示すような放射パターンを有している。なお、図３及び図４は、携帯型通信機器１を図５に示すような方向、すなわち各アンテナが形成された面をｘ軸の正方向に向けた状態で、直交座標系に置いた場合における放射パターンを示している。また、図３及び図４に示す放射パターンは、各アンテナを座標原点に位置させた場合の放射パターンである。
【００３１】
図３及び図４に示すように、第１及び第４のアンテナ１０，１３と、第２及び第３のアンテナ１１，１２とは、それぞれｘ軸の正方向と負方向とに指向性が向いた放射パターンとされている。すなわち、携帯型通信機器１においては、ｘ軸正方向に指向性が向いた第１及び第４のアンテナ１０，１３と、ｘ軸負方向に指向性が向いた第２及び第３のアンテナ１１，１２とのうちで、受信状態が良好な方のアンテナを選択して送受信に用いる構成とされていることにより、いわゆる指向性ダイバシティ効果を利用して、良好な送受信状態を確保することを可能とされている。
【００３２】
また、携帯型通信機器１は、図３及び図４に示すように、第１及び第４のアンテナ１０，１３と、第２及び第３のアンテナ１１，１２とが、それぞれ半球面状の放射パターンを有しているとともに、指向性を逆向きとされており、第１乃至第４のアンテナ１０，１１，１２，１３の全体として全球面状の放射パターンを有している。
【００３３】
携帯型通信機器１は、このように、アンテナ全体として全球面状の放射パターンを有していることにより、３次元的にあらゆる方向に対して良好な送受信状態を確保することが可能となる。
【００３４】
なお、第１乃至第４のアンテナ１０，１１，１２，１３の放射パターンを、図３及び図４に示すような半球面状の放射パターンとするに際しては、各アンテナを構成する金属地板と金属素子との大きさの比率を調整することにより、容易に実現することができる。
【００３５】
一方、本発明を適用した携帯型通信機器１では、第１乃至第４のアンテナ１０，１１，１２，１３が全体として全球面状の放射パターンを有しているとともに、各アンテナが円偏波を用いて送受信する構成とされている。
【００３６】
一般に、円偏波を用いて送受信を行う場合には、直線偏波を用いて送受信を行う場合と比較して、耐マルチパス特性を向上させることが可能である。これは、円偏波は物体に当たって反射する際に回転方向が逆向きに変化するため、送信後に奇数回反射して受信された円偏波は逆向きの回転方向となる。また、理想的な右旋アンテナは、左旋偏波を受信しない。すなわち、送信後に反射していない円偏波、又は偶数回だけ反射した円偏波だけが受信されるため、理論的にはマルチパスによる影響を半減することができる。
【００３７】
ところで、従来の携帯型通信機器は、直線偏波を用いて送受信を行っており、一般に偏波の方向が地面に対して垂直な方向とされていた。そのため、地面に対するアンテナの向きに角度変化が生じると、送受信状態が大きく変動してしまい、良好な送受信状態を確保することが困難となる場合があった。
【００３８】
しかしながら、本発明を適用した携帯型通信機器１では、円偏波を用いて送受信を行っており、偏波の方向が常に回転しているため、地面に対するアンテナの角度変化によって送受信状態が大きく変動してしまうことがない。したがって、地面に対するアンテナの向きに依らず、良好な送受信状態を容易に確保することができる。
【００３９】
したがって、携帯型通信機器１は、各アンテナが円偏波を用いて送受信する構成とされていることによって、マルチパスによる影響を低減できるとともに、地面に対するアンテナの角度変化によって送受信状態が大きく変動してしまうことがないことから、良好な送受信状態を確保することができる。
【００４０】
以上で説明したように、携帯型通信機器１は、アンテナ全体として全球面状の放射パターンを有していることにより、３次元的にあらゆる方向に対して良好な送受信状態を確保することが可能とされているとともに、各アンテナが円偏波を用いて送受信する構成とされていることにより、マルチパスによる影響を低減してアンテナの向きに依存せずに超乞うな送受信状態を確保することができることから、この２つの相乗効果により、優れた送受信特性を発揮することができる。
【００４１】
本発明を適用した携帯型通信機器１は、以上のような特徴的な効果を有することから、特に、図６に示すように家庭内での送受信を行う用途に適用した場合に効果的である。すなわち、図６（ａ）に示すように、同一階同士の平面的な送受信だけでなく、図６（ｂ）に示すように、例えば１階と２階とで送受信を行う場合のように、上下方向での送受信を行う場合であっても、良好な送受信状態を確保することができる。なお、図６においては、携帯型通信機器１における全球面状の放射パターンを、円ＥPとして点線で概略的に示す。
【００４２】
また、特に家庭内などのような屋内での送受信を行う場合には、一般に、床面、天井、及び壁面などの反射物が多いため、反射波によるマルチパスの影響が顕著となる。しかしながら、本発明を適用した携帯型通信機器１では、円偏波を用いていることから、反射波によるマルチパスの影響を低減して、常に良好な状態で送受信を行うことができる。
【００４３】
なお、以上の説明においては、携帯型通信機器１に第１乃至第４のアンテナ１０，１１，１２，１３を備えるとし、第１及び第４のアンテナ１０，１３と、第２及び第３のアンテナ１１，１２とをそれぞれ対として用いることにより、空間ダイバシティ効果を利用している。しかしながら、例えば、半球面状の放射パターンを有する第１及び第２のアンテナ１０，１１だけを備え、これらアンテナの放射パターンの背面側、すなわち利得が得られる側の反対側同士を相対向して配設する構成としてもよい。これにより、２つのアンテナだけで全球面状の放射パターンを実現することができ、本発明の効果を最大限に得ることができるとともに、装置構成を簡略化することができる。
【００４４】
また、本発明において、各アンテナは、図３及び図４に示すような半球面状の放射パターンとすることに限定されるものではなく、例えば、鋭い指向性を有する放射パターンとすることによって大きな利得を得るとしてもよい。ただし、この場合には、各アンテナが広い範囲をカバーすることが困難となるため、最も利得が得られる前面側を外向きにして、複数のアンテナを球面状又は円柱状に配設することにより、アンテナ全体として全球面状の放射パターンを得ることができる。
【００４５】
このように、本発明は、各アンテナ毎の放射パターンに限定されるものではなく、複数のアンテナが全体として、全球面状の放射パターンを有するように構成されていればよい。したがって、放射パターンを各アンテナ毎にそれぞれ異なるように設定してもよい。
【００４６】
また、以上の説明においては、図２に示すように、各アンテナの後段にそれぞれ受信機を接続し、受信機の後段にアンテナ切替器２５を配設するとした。しかしながら、本発明は、このような構成に限定されるものではなく、各アンテナと受信機との間にアンテナ切替器２５を配設し、このアンテナ切替器２５の後段に受信機を１つだけ配設するとしてもよい。この場合には、レベル比較器２４によって各アンテナの受信レベルを比較するために、アンテナ切替器２５によって各アンテナを順次切り替えて受信機と接続し、各アンテナの受信レベルを示す受信レベル信号を時系列的にレベル比較器２４に入力させる。そして、レベル比較器２４により受信レベルを比較した結果に応じて、改めてアンテナ切替器２５を切り替えることにより送受信に用いるアンテナを選択する。
【００４７】
このように、各アンテナと受信機との間にアンテナ切替器２５を配設した構成とすることにより、受信レベルの比較時にアンテナの接続を切り替える必要が生じるが、受信機が１つだけとすることができ、低コスト化・小型化を図ることができる。
【００４８】
また、上述の説明においては、携帯型通信機器１同士で円偏波を用いて送受信を行うことを想定しているが、本発明においては、送信側と受信側とのうちのいずれか一方の携帯型通信機器１が直線偏波を用いて送受信を行うとしてもよい。
【００４９】
これは、円偏波を用いるアンテナが、直線偏波を用いるアンテナに対しても送受信を行うことができるためである。一般に、直線偏波を用いるアンテナ装置は、円偏波を用いるアンテナ装置と比較して、装置構成を簡略化することができる。したがって、送信側と受信側とのうちのいずれか一方のアンテナを直線偏波を用いる構成とすることによって、装置構成を簡略化して、送受信システム全体として低コスト化を実現することができる。
【００５０】
この場合には、送信側と受信側との両方が円偏波を用いるアンテナにより構成した場合と比較して、アンテナの送受信効率が劣化するとともに耐マルチパス特性が劣化するが、地面に対するアンテナの角度変化によって送受信状態が大きく変動してしまうことがない。したがって、地面に対するアンテナの向きに依らず、良好な送受信状態を容易に確保することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明に係るダイバシティアンテナ装置は、複数のアンテナによって全球面状の放射パターンが確保されていることにより、あらゆる方向に対しても良好な送信状態及び／又は受信状態を確保することができる。また、円偏波を用いて送信及び／又は受信を行うことから、耐マルチパス特性を向上させることができるとともに、偏波面とアンテナとの角度の変化によって送受信状態が大きく変動してしまうことがない。したがって、本発明に係るダイバシティアンテナ装置によれば、３次元的にあらゆる方向に対して、常に安定して確実な送受信を行うことが可能となる。このため、家庭内での無線通信や、各種携帯型通信機器のアンテナ装置として採用するに好適であり、この場合にも安定して確実な送受信を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した一構成例として示す携帯型通信機器を示す概略斜視図である。
【図２】同携帯型通信機器における受信回路の概略を示す機能ブロック図である。
【図３】同携帯型通信機器における第１及び第４のアンテナの放射パターンを示す図である。
【図４】同携帯型通信機器における第２及び第３のアンテナの放射パターンを示す図である。
【図５】同携帯型通信機器におけるアンテナの放射パターンを説明するための図であり、図３及び図４で示す放射パターンの座標系を示す図である。
【図６】同携帯型通信機器の使用例を示す概略図であり、（ａ）は屋内における同一階同士での送受信を示し、（ｂ）は、屋内における異なる階同士での送受信を示す。
【図７】従来の携帯型通信機器の一例を示す概略斜視図である。
【図８】従来の携帯型通信機器に備えられる受信回路の一構成例を示す機能ブロック図である。
【図９】従来の携帯型通信機器の別の一例を示す概略斜視図である。
【図１０】従来の携帯型通信機器におけるアンテナの放射パターンの一例を示す図である。
【図１１】従来の携帯型通信機器におけるアンテナの放射パターンの別の一例を示す図である。
【符号の説明】
１  携帯型通信機器、２  機器本体、３  受信回路、１０  第１のアンテナ、１１  第２のアンテナ、１２  第３のアンテナ、１３  第４のアンテナ、２０  第１の受信機、２１  第２の受信機、２２  第３の受信機、２３  第４の受信機、２４  レベル比較器、２５  アンテナ切替器
【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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