(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行方向に隣接した辺を接合して接合部（１１ａ）とした複数の樋状湾曲面（１ａ），（１ｂ），…で構成され、前記の接合した接合部（１１ａ）の反対側の外辺部（１１ｂ），（１１ｂ）でフレーム（３）に接着して取付けられているフィルム状の振動板（１）と、周辺部をフレーム（３）に接着して支持されたバイモルフ型又はユニモルフ型の圧電素子（２）とからなり、前記振動板（１）の接合部（１１ａ）が前記圧電素子（２）に接着結合されている圧電型スピーカユニット（１０）からなることを特徴とする圧電型スピーカ。
【請求項２】
平行方向に隣接した辺を接合して接合部（１１ａ）とした複数の樋状湾曲面（１ａ），（１ｂ），…で構成され、前記の接合した接合部（１１ａ）の反対側の外辺部（１１ｂ），（１１ｂ）でフレーム（３）に接着して取付けられているフィルム状の振動板（１）と、周辺部をフレーム（３）に接着して支持されたバイモルフ型又はユニモルフ型の圧電素子（２）とからなり、前記振動板（１）の複数の樋状湾曲面（１ａ），（１ｂ），…の外辺部（１１ｂ）と接合部（１１ａ）間及び樋状湾曲面相互の接合部（１１ａ）間の幅と湾曲深さとが夫々異なった大きさであり、前記振動板（１）の接合部（１１ａ）が前記圧電素子（２）に接着結合されている圧電型スピーカユニット（２０）からなることを特徴とする圧電型スピーカ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造が簡単、小型、軽量であって、且つ高次振動波の乗りやすい形状により、能率よく超高周波音を、良好な周波数特性並びに指向特性で、広帯域で再生する圧電型のスピーカの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電型発音体は従来、構造的に２種類に大別されるが、いずれも電気−機械振動変換機構としては、図２１に示す従来例１のごとく、電極を兼ねた金属板２ａの片面に圧電セラミック薄板２ｂを貼着し、他の面にもう一方の電極板２ｃを貼着した、周知の構造のユニモルフ型の圧電素子２’、あるいは、図２２に示す従来例２のごとく、前記金属板２ａの他の面に別の圧電セラミック薄板２ｂと電極板２ｃを形成したバイモルフ型の圧電素子２が使用されている。
【０００３】
従来の発音体としてのスピーカユニットの構造の一例は、前記圧電素子２又は圧電素子２’を直接振動板として利用するものであるが、圧電素子そのままでは変換能率が低いので、図２１に示す従来例１の構造では、圧電素子２’の前面に当該圧電素子２’の共振周波数に等しい共振周波数を有し、且つ放音穴５ａが形成された共鳴器５が結合され、当該共振周波数の音を共鳴によって増幅し、変換能率を高めている。
【０００４】
上記の圧電型発音体は、単一の周波数の音を放射するには，小型でありながら比較的能率は高いが再生周波数帯域が狭く、スピーカとして広帯域の音声を再生するには適当でないので、この様な欠点を解消する目的で、図２２に示す従来例２の発音体即ち圧電型スピーカが実用化されている。その構造を同図で説明すると、周縁部がフレーム６により支持されている円錐形振動板７の頂点部に圧電素子２が取付けられており、圧電素子２に金属板２ａに接続された導線２１ａ，及び電極板２ｃに接続した導線２１ｂを通じて電気信号が印加されると、圧電素子２は面に垂直方向に屈曲振動をし、反動によってコーン形振動板７が振動して音響を放射する。この構造であると音響エネルギーはコーン形振動板７から直接放射されるので変換能率は若干高くなり、又、前面に共鳴器が無いので再生帯域も広くなって、スピーカとして使用する事が可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のうち、図２１に示す従来例１は、単一周波数の音を放射するのみであるから、狭帯域の信号音発生器としては使用可能であるが、スピーカとして使用するには適当でない。
【０００６】
図２２に示した従来例２は、或る程度音域再生用のスピーカとして使用可能であるが、音を放射するコーン形振動板７が、従来から質量制御の帯域で使用することを目的としているので比較的剛性が高く、圧電素子２と共に一体となって振動するため最低共振周波数では或る程度高能率で再生するが、それ以上の周波数帯域では振動系の質量が増加しているため能率は低く、高域共振周波数以上の帯域では更に著しく能率が低下するので、実質的には最低共振周波数のみをハイレベルで再生し、それ以外の帯域は周波数特性が平坦でなく、しかも再生音域があまり広くないと言う欠点があった。
【０００７】
そこで本発明は、上記従来例に付する欠点を解消するべく、振動板の形状と、当該振動板と圧電素子との結合構造、及び振動板、圧電素子のフレームへの取り付け構造に工夫改良を加え、周波数特性が平坦で、能率よく広帯域を再生する、製造コストの低廉な圧電型スピーカを提供する事を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る圧電型スピーカについて、第１発明を示す図１〜図３、及び第２発明を示す図１２〜図１３をもとに説明すると、
第１発明は、平行方向に隣接した辺を接合して接合部１１ａとした複数の樋状湾曲面１ａ，１ｂ，…で構成され、前記の接合した接合部１１ａの反対側の外辺部１１ｂ，１１ｂでフレーム３に接着して取付けられているフィルム状の振動板１と、周辺部をフレーム３に接着して支持されたバイモルフ型又はユニモルフ型の圧電素子２とからなり、前記振動板１の接合部１１ａが前記圧電素子２に接着結合されている圧電型スピーカユニット１０からなることを特徴とする圧電型スピーカである。
【０００９】
第２発明は、平行方向に隣接した辺を接合して接合部１１ａとした複数の樋状湾曲面１ａ，１ｂ，…で構成され、前記の接合した接合部１１ａの反対側の外辺部１１ｂ，１１ｂでフレーム３に接着して取付けられているフィルム状の振動板１と、周辺部をフレーム３に接着して支持されたバイモルフ型又はユニモルフ型の圧電素子２とからなり、前記振動板１の複数の樋状湾曲面１ａ，１ｂ，…の外辺部１１ｂと接合部（１１ａ）間及び樋状湾曲面相互の接合部１１ａ間の幅と湾曲深さとが夫々異なった大きさであり、前記振動板１の接合部１１ａが前記圧電素子２に接着結合されている圧電型スピーカユニット２０からなることを特徴とする圧電型スピーカである。
【００１０】
【発明の実施の態様】
そして、この様な構成の圧電型スピーカでは、通常の円形振動板に比して、音波の放射方向から見て面積占積率の良好な方形の振動板１を採用しているため、全音域にわたって音圧が向上し、特に最低共振周波数近傍の帯域を高能率で再生することが出来る。
【００１１】
又、図１〜図３に示す本第１発明に属する実施例１のスピーカユニット１０の振動板１が圧電素子２と結合されている接合部１１ａの立上がり角αは急峻であるから振動方向に対し剛性が大きく、高域共振周波数が高くなって再生周波数帯域を高い方へ広くする作用を有すると共に、円錐形振動板に於ける点接合とは異なって、圧電素子２との結合部は線状で大面積であるため、電気音響変換能率が向上し、高域共振周波数即ち再生帯域の高域限界周波数に於いても再生レベルは高くなる。且つ、製造コストの低廉な、音色の優れた圧電型スピーカとなる。
【００１２】
更に、振動板１が樋状湾曲面形状であるため振動板の傾斜角は前記接合部１１ａの立上がり角αから振動板周辺方向に向かって連続的に変化し、しかも樋状湾曲面の長手方向部位が同位相で振動するので、円錐形状の場合と比較して前記最低共振周波数と高域共振周波数との間の帯域でも連続してハイレベルで再生することが可能である。又、指向特性も単体のスピーカユニットの場合、振動板の接合部１１ａに直角方向にブロードになる。
【００１３】
又、図１２〜図１３に示す本第２発明に属する実施例２のスピーカユニツト２０は、平行方向に隣接した辺を接合して接合部１１ａとした複数の樋状湾曲面１ｄ，１ｅ，１ｆで構成され、前記の接合した接合部１１ａの反対側の外辺部１１ｂ，１１ｂでフレーム３に接着して取付けられているフィルム状の振動板１と、周辺部をフレーム３に接着して支持されたバイモルフ型又はユニモルフ型の圧電素子２とからなり、振動板１の３分割された樋状湾曲面の両端の樋状湾曲面１ｄ及び樋状湾曲面１ｆの寸法を大きく、中央の樋状湾曲面１ｅの寸法を樋状湾曲面１ｄ、樋状湾曲面１ｆより小さく採つて、各湾曲面の音圧周波数特性を変化させている。この場合中心の樋状湾曲面１ｅの輻射音を他の樋状湾曲面１ｄ，１ｆの輻射音より高い音域とすることができる。一方、寸法の大きい両端の樋状湾曲面１ｄ及び樋状湾曲面１ｆは放射面積が大きいので低音域再生に適しているので、全体として広帯域の再生音が得られる。尚、各実施例は接合部１１ａを圧電素子２の面に直接に結合させているが、実施例１の変形例は、振動板１が、接合部１１ａの中間点に於いて、結合ロッド４により外周縁部がフレーム３に固定された圧電素子２の中心に結合されている。周辺固定の圧電素子は円形膜類似のモードで振動し、直径に沿って拘束されることがないので能率よく振動し、特に中心部は最大振幅となる。従ってこの実施例は電気音響変換能率が高くなる。
【００１４】
その上、前述した第１発明の振動板の特徴である、高域共振周波数が高くなって再生周波数帯域を高い方へ広くする作用、及び最低共振周波数と高域共振周波数との間の帯域でも連続してハイレベルで再生する作用、並びに指向特性も単体のスピーカユニットの場合、振動板の接合部１１ａに直角方向にブロードになるという作用を併せ持つと共に、更に製造コストの低廉な、音色の優れた変換能率が高い圧電型スピーカを提供するという特徴を有する。
【００１５】
図２０に、前記の本第１発明実施例１の圧電型スピーカユニツトの周波数特性を示す。表示されているとおり、再生周波数帯域は、代表的に図示した第３次調波により、通常の高音用スピーカの最高限界の２０ＫＨｚよりも遥かに高い５０ＫＨｚの高域周波数まで再生できるので、複合型スピーカのトゥィーターに用いられる。
【００１６】
【実施例】
本発明圧電型スピーカの実施例並びに変形例の構成を図１〜図１８により詳述する。図１は実施例１の上面図、図２は側面の断面図、図３は実施例１の斜視図、図４は変形例の側面一部断面図、図５は上面図、図６は同じく変形例の他の側面の一部断面図、図７は実施例１の製造工程を示す分解図、図８は実施例１、実施例２の振動板の成形金型の模式斜視図、図９は実施例１の他の製造工程分解図である。
【００１７】
又、図１０は本発明の上記実施例１の他の変形例の一つの上面図、図１１はその側面図、図１２は本発明スピーカの実施例２の上面図、図１３はその側面図であり、更に、前記実施例１、実施例２並びにその変形例を使用した、各種の応用例として、図１４は平面の表裏両面に夫々直角に向きを変えて取り付けたスピーカの外観図、図１５はその分解斜視図、図１６は平面の同一平面上に夫々直角に向きを変えて取り付けたスピーカの外観図、図１７はその上面図、図１８は本発明スピーカユニットを放射状四角面の外側に同一方向に取り付けたスピーカの上面図、図１９は本発明スピーカユニットを放射状三角面の外側に同一方向に取り付けたスピーカの上面図である。
【００１８】
実施例１の圧電型スピーカユニット１０の構造を示す図１〜図３、並びに分解した状態を示す図７において、１は本発明スピーカの振動板で、本実施例では厚さ３８ミクロンのポリイミド又はポリエーテルイミドフィルムＡの外形を方形に切り抜いて、接合部１１ａとなる中心線を中心にして折り曲げ（Ｂ）、両側を樋状湾曲面１ａ，１ｂに隣接して必要あれば加熱して整形する。しかして、両端縁に外辺部１１ｂ、１１ｂを成形する（Ｃ）。
【００１９】
又は、前記したフィルムＡを、図８に示した熱押し金型２５，２６によって押圧して加熱成型し、周囲をカットして成形したものを２枚、単体の樋状湾曲面１ａ，１ｂとして製作し、図９に示すとおり、別工程で接合部１１ａとなる端縁を接着剤で接着し、その両端縁に外辺部１１ｂ、１１ｂを成形して得ることが出来る。更に、前記した熱押し金型２５，２６の押し形状を、前記図７の振動板１の形状（Ｃ）のごとく、両側を樋状湾曲面１ａ，１ｂに隣接してワンショットで押圧成型することもできる。
【００２０】
本発明スピーカのバイモルフ型の圧電素子２（又はユニモルフ型の圧電素子２’であっても可）の中心を通る線上に、前記振動板１の接合部１１ａが全長に亙って接着されている。従って、圧電素子２との結合部は線状で、接合面積が大であるため、高域共振周波数即ち再生帯域の高域限界周波数においても再生レベルは高くなる。圧電素子２は、フレーム３を構成する外枠３ａの内側に具備されている取付け枠３ｂと押え枠３ｃとに挟持された状態で、当該フレーム３に取り付けられている。
【００２１】
又、振動板１が樋状湾曲面形状であるため振動板１の傾斜角は、前記接合部１１ａの立上がり角αから頂部迄連続的に変化し、しかも樋状湾曲面の長手方向部位が同位相で振動するので、円錐形状の場合と比較して前記最低共振周波数と高域共振周波数との間の帯域でも連続してハイレベルで再生することが可能である。従ってこの間の周波数特性は高いレベルで平坦となる。前記したごとく、圧電素子２と結合されている接合部１１ａの立上がり角αは急峻であるから振動方向に対し剛性が大きく、振動板１が複数の樋状湾曲面１ａ，１ｂで構成されているので、その高域共振周波数が高くなって再生周波数帯域が広くなる。
【００２２】
また、音波の輻射方向から見て、方形の振動板１を採用しているため、同一外形寸法（方形の一片の長さ＝円形の直径）の場合振動板面積が大きく、最低共振周波数近傍の帯域で従来の円形（円錐形）振動板のスピーカよりも高能率で再生することが出来る。
【００２３】
さらに、本発明スピーカに使用される振動板１は、方形の振動板を得るに際し、円錐形の振動板とする場合より製造が容易である。又、外形寸法（直径と一辺）が同一とした場合、音の放射方向から見た音響放射面の単位面積当たりの価格は相対的に安価である。
【００２４】
図４〜図６に構造を示す変形例の圧電型スピーカユニットは、振動板１、圧電素子２、フレーム３は前記実施例１と同形状であるが、振動板１が、接合部１１ａに於て結合ロッド４を介して圧電素子２の中心に結合されている点が異なる。この変形例は、振動板１が圧電素子２の最も振幅が大きい部位によって駆動されるため、変換能率が高い特徴を有する。
【００２５】
図１０、図１１は他の変形例の正面図及び側面断面図である。この変形例の振動板１は、樋状湾曲面１ａ、樋状湾曲面１ｂ及び樋状湾曲面１ｃの３つの樋状湾曲面からなり、夫々の樋状湾曲面の長さ、幅、曲率半径は同一で、従って各湾曲面の音圧周波数特性がいずれも等しい振動板１であって、大きな出力を発する圧電型スピーカとして好適である。この振動板１は２箇所の接合部１１ａ，１１ａによって、圧電素子２と当該圧電素子２の面上の、中心から離れた位置に於いて線状で接着により結合されている。
【００２６】
また、図１２，図１３に示す第２実施例は、両端の樋状湾曲面１ｄ及び樋状湾曲面１ｆの寸法を大きく、中央の樋状湾曲面１ｅの寸法を樋状湾曲面１ｄ、樋状湾曲面１ｆより小さく採つて、各湾曲面の音圧周波数特性を変化させている。この場合中心の樋状湾曲面１ｅの輻射音を他の樋状湾曲面１ｄ，１ｆの輻射音より高い音域とすることができる。一方、寸法の大きい両端の樋状湾曲面１ｄ及び樋状湾曲面１ｆは放射面積が大きいので低音域再生に適している。この他の変形例も振動板１と圧電素子２とは前述の変形例と同じく、圧電素子２の中心から離れた２箇所で線状に接着結合されている。
【００２７】
このように、図１２，１３に示した第２実施例は、それぞれ形状寸法が異なる樋状湾曲面部１ｄ，１ｅ，１ｆが組合わされているので、それぞれの部位の振動モードが異なり、その周波数特性も異なったものとなり、その結果全体として再生帯域がより広く、指向特性もブロードで、且つ周波数特性が平坦であるという効果を有する。特に中央の樋状湾曲面１ｅの寸法が小さくて超高音域の再生に適する。
【００２８】
又、両外辺部１１ｂ，１１ｂ間の寸法を圧電素子２の接合部の長さ（直径）より大きくして、振動板１ａ，１ｂ，（１ｃ）の表面積を大にして変換能率を高くして、大出力用にすることもできる。このように、本発明の圧電型スピーカユニットを使用したスピーカは、用向きに応じて、その音圧周波数特性及び指向特性を自由に選択して輻射し得る利点がある。
【００２９】
以上のごとく、本発明の圧電型スピーカの各実施例、変形例は、最低共振周波数近傍の帯域で高能率で、最低共振周波数と高域共振周波数との間の帯域でも連続してハイレベルで再生することが可能であり、さらにまた、再生帯域がより広く、且つ周波数特性が平坦であることから、スーパートゥイータとしての特性を有しており、ウーファ、スコーカ、トゥイータと組み合わせて超高音再生の優れたマルチウエイスピーカとすることができる。
【００３０】
前記した本発明の圧電型スピーカの各実施例、変形例の構成に関しては、上記実施例の構造に限定されるものではない。例えば、振動板１の材料では前記ポリイミド、ポリエーテルイミド以外に、プラスチックフィルム、アルミまたはアルミ合金、紙、布等、適度の剛性と内部ロスとを有する成形可能な材料であればいずれも使用することができる。したがつて、加工も容易に行える利便がある。又、変形例スピーカユニットの場合、夫々の樋状湾曲面の寸法、曲率などは必ずしも同一である必要はなく、中心線に対して対称的である必要もない。
【００３１】
以下に、前述した実施例１の圧電型スピーカユニット１０、実施例２の圧電型スピーカユニット２０及び夫々の変形例スピーカユニットを使用した応用例を説明する。
【００３２】
先ず、図１４，１５に示すように、上記した樋状湾曲面の振動板１，１を、圧電素子２を挟んで背中合わせに配置したスピーカユニットを使用したスピーカは、双方向性スピーカとすることができ、且つ表裏のスピーカユニットを互いに軸方向を直角に配置した、例えば同図に示すようなスピーカの場合、指向特性を変化できる。勿論、複数個を平面上に同一方向に並べて指向性を鋭くし、平面に垂直な特定方向に超高音を集中して輻射することもできる。
【００３３】
さらに、図１６，１７に示すとおりの、圧電型スピーカユニット１０，１０，…（又は圧電型スピーカユニット２０，２０，…、或いはその変形例スピーカ）を多数同一平面上に、互いに直角方向に並べて配置した多ユニットスピーカは、実質的な振動板面積の増加によって、電気音響変換能率を高めると共に、指向性を鋭くして所望の箇所に音を集中させることができる。この応用例の変形例として、スピーカユニットの配列を、例えば縦方向に１列だけとすれば、トーンゾイレと同じく横方向に超高音を、ブロードな指向特性で、輻射するいわゆる立体音輻射方式とすることも容易に可能となる。
【００３４】
さらにまた、図１８，１９に示すように、圧電型スピーカユニット１０，１０，…（又は圧電型スピーカユニット２０，２０，…、或いはその変形例スピーカ）を平板上に取り付けた集合体を、例えば３角柱又は４角柱などの多角柱状支持体８、又は多面体支持体（図示省略）に組み込んで、３方向、４方向又はそれ以上の多方向に輻射するように多面体形状に配置して、呼吸球振動をする球面輻射体を構成するように組み込むことが容易にできる等の利点を多々有する。
【００３５】
このように、本発明スピーカは、構造簡単で、組成材料が軽量で、構成数量も少なくて済むので、全体にコストが低廉で、組み立ても極めて容易であり、上記したような多数ユニット駆動の応用例スピーカとしても、全体的に軽量、組み立て容易、安価の利点は失わない。
【００３６】
又、振動板１の樋状湾曲面部の形状寸法も、図面記載のごとく全て等しく、或いは対称的に同一寸法、同一形状である必要はなく、前記した特許請求の範囲に記載の構成要件を具備し、本発明にいう作用を呈し、以下に述べる効果を有する限りにおいて、適宜改変して実施しうるものである。
【００３７】
【発明の効果】
本発明に係る圧電型スピーカは、上述したとおり、基本的に従来の方形の樋状湾曲面振動板のスピーカとしての効果を保有するとともに、本来の本発明スピーカ独特の構造に基づく特有の効果として、次のような効果が期待できる。
【００３８】
(1) 振動板が紙、金属、布、合成樹脂等の薄いシート状の素材で構成されているので、入手が容易で、切断、曲げ、接着等の加工が容易である。
(2)駆動源に、セラミック振動子等の安価に入手し易い材料を使用して構成して、全体に安価に製作できる。
(3) 前記(1)(2)に関連して、スピーカユニットが振動エレメントとして、軽材料を組み合わせて使用しているので、成品スピーカは、軽量にして、安価に大量生産が可能になる。
(4) 振動板の成形の容易な形状に自由に設計できる。
(5) 振動板の成形に、加熱、型押し等の設備を必要としない。
(6) スピーカ組み立て製造工程に、大きな設備が不要で、製造スペースも狭くて済む。
(7) 他のスピーカとの組み合わせが容易にでき、場所をとらないからマルチウエイスピーカのスーパートウイータとして、他のスピーカと組み合わせが容易である。
(8) 縦、横の指向特性が明瞭に現れるので、必要なサービスエリアに対する最適な指向特性を有するスピーカとして構成できる。
【００３９】
以上に述べた諸効果により、本発明の圧電型スピーカは、結果として再生周波数帯域が広く、最低共振周波数と高域共振周波数との間の広い帯域で比較的平坦な周波数特性を得ることができて、能率が高く、且つ音色の優れた圧電形スピーカを、安価に提供することができるという総合的な効果を有するのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明実施例１の構造を示す上面図である。
【図２】  同じく実施例１の側面断面図である。
【図３】  同じく実施例１の斜視図である。
【図４】  変形例の側面一部断面図である。
【図５】  同じく変形例の上面図である。
【図６】  同じく変形例の他の側面の一部断面図である。
【図７】  実施例１の製造工程を示す分解図である。
【図８】  実施例１、実施例２の振動板の成形金型の模式斜視図である。
【図９】  実施例１の他の製造工程分解図である。
【図１０】  本発明実施例の他の変形例の一つの上面図である。
【図１１】  同上の側面図である。
【図１２】  本発明実施例２の上面図である。
【図１３】  同上の側面図である。
【図１４】  平面の表裏両面に夫々直角に向きを変えて取り付けた応用例スピーカの外観図である。
【図１５】  同上の分解斜視図である。
【図１６】  平面の同一平面上に夫々直角に向きを変えて取り付けた他の応用例スピーカの外観図である。
【図１７】  同上の上面図である。
【図１８】  本発明スピーカユニットを放射状四角面の外側に同一方向に取り付けた応用例スピーカの上面図である。
【図１９】  本発明スピーカユニットを放射状三角面の外側に同一方向に取り付けた応用例スピーカの上面図である。
【図２０】  本発明実施例１の周波数特性図である。
【図２１】  従来例１スピーカの側断面図である。
【図２２】  従来例２スピーカの側断面図である。
【符号の説明】
１    振動板
２    圧電素子（バイモルフ型）
２’  圧電素子（ユニモルフ型）
３    フレーム
４    結合ロッド
５    共鳴器
６    従来例２のフレーム
７    コーン形振動板
８    多角柱状支持体
【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】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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