(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の内部空間を有するハウジングと、
該ハウジング内に軸回転自在に支持されて外部への出力部を備えたシャフトと、
該シャフトに固定支持されて該シャフトの軸と垂直な揺動面をもって所定の回転角度範囲で円心揺動する平盤状の揺動アームと、
該揺動アームの揺動方向に沿って並設し、かつ互いに異なる磁極面を前記揺動面上に配設した２個の永久磁石と、
該永久磁石の両端側の磁極面とそれぞれエアギャップをもって対面配置した２個の電磁コイルと、
該各電磁コイルの外周囲の前記揺動行程の両端部付近において、並設した一方側の永久磁石を、エアギャップをもって挟むようにして対向配置した一対の磁性体の補極と、から成り、
該補極は、前記ハウジングと一体形成であると共に、前記一対の補極と永久磁石の対向位置が、前記並設した永久磁石の揺動外側の縁辺部であることを特徴とした揺動型アクチュエータ。
【請求項２】
前記ハウジングが、
有底筒状のケースとその開口側に蓋状に嵌合して閉塞するプレートからなることを特徴とした請求項１記載の揺動型アクチュエータ。
【請求項３】
前記補極の形成が、
前記ケースの底板及び前記プレートからの折り曲げ形成であることを特徴とした請求項１又は２記載の揺動型アクチュエータ。
【請求項４】
前記補極の対向面の形状が、
前記永久磁石の縁辺形に倣った線状端面形であることを特徴とした請求項１、２、又は３記載の揺動型アクチュエータ。
【請求項５】
前記揺動アームを挟持するように対向配置した一対の電磁コイルが、
揺動空間を設けて対面状態で連結させて一体化したものであることを特徴とする請求項１、２、３、又は４記載の揺動型アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、無通電時の停止保持力の強化を図った円心揺動するアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、所定の回転角度範囲で往復回転運動（「円心揺動」）する揺動型アクチュエータ（以下、「アクチュエータ」と略称。）は、ハウジング内に固定子と可動子とを収納し、該固定子には電流方向の正逆変換手段と回路接続した電磁コイルを配設し、可動子には永久磁石を配置して構成している。そして、前記電磁コイルへの通電方向の切り換えにより磁界（又は磁束）の向きを変更し、これと永久磁石との間に吸引又は反発の推進磁力を生じさせることによって、可動子を所定の中心角の範囲内で円弧状の往復運動（「円心揺動」）をさせている。
【０００３】
このようなアクチュエータは、産業用各種機器においての動力源として広く利用されており、例えば、ＡＴＭ（現金自動預け払い機）やプリンター、等の紙送り方向の変更用フラップの駆動手段としても用いられている。
【０００４】
これらのフラップは、常時継続的に揺動させるよりも、揺動行程の両端側（揺動の終始点、又は揺動の反転位置）の一方側で停止させて置く場合が多く、その保持方法としては、通電によって電磁コイルを励起させて永久磁石と磁気吸着させて置く仕様（通電保持）と、一旦通電を遮断して電磁コイルのコア（磁性体）と永久磁石との間で磁気吸着させる仕様（無通電保持）とがある。
【０００５】
しかしながら、かかる通電保持仕様のアクチュエータは、近年の節電・省エネルギーの観点からは好ましいものでなく、特に待機時間が長いＡＴＭへの利用においては無通電保持仕様のものが要請されている。
かかる要請に応じたものとして、例えば、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３において発明が開示されている。
【０００６】
先ず、特許文献１に開示された発明は、本出願人の先行出願にかかるものであり、本願と同様、無通電時の保持力を発明の目的の一つとしたものである。
その構成は、図９に示す公報添付の代表図面によれば、ケース（２）内に単一の電磁コイル（３）と、ケース（２）内に回動自在に軸支したシャフトに保持固定した揺動アーム（５）と、該揺動アーム（５）に装着され前記電磁コイル（３）と所定のエアギャップを介して異極並列状態で配置した２個の永久磁石とからなる。かかる構成により通電励起させた電磁コイル（３）と揺動アーム（５）の永久磁石（７）との間に吸引又は反発の磁力作用によってストッパ（８）で規程された範囲間を円心揺動するものであった。そしてこの揺動力を出力シャフト（４）とから動力源として外部に出力させるものであった。さらに、永久磁石（７）を保持した揺動アーム（５）の反電磁コイル（３）側には磁性体のバックヨーク（６）を配置して、永久磁石（７）の磁束方向を制御して磁力を高めたものである。この構成により、揺動アーム（５）が揺動してストッパ（８）で規制された位置で、無通電での電磁コイル（３）の磁性心材であるコア（３１）と永久磁石（７）との残留磁束による磁気吸着力によって安定保持するものであった。
【０００７】
次に、特許文献２に開示された発明は、図１０に示す公報添付の代表図面によれば、シャフト（１２）に保持されて揺動するコイルホルダ（１４）を可動コイル（１６）で構成し、そのコイルホルダ（１４）の揺動方向の外側端部にラッチ用永久磁石（１７）を設け、この磁石を揺動行程の両端部に行程を規程するためのストッパとしてケース内壁に磁性体を配設したものである。かかる構成により、前記ラッチ用永久磁石（１７）と磁性体のストッパとを磁気吸着させることによって無通電時の保持力を確保するものである。
【０００８】
さらに、特許文献３に開示された発明は、上記特許文献１で開示した発明を基にして成された発明と思われる。図１１に示す公報添付図面によれば、２個のマグネット（５１，５２）を並べて固着させたスイングヨーク（５０）と、両側に突起部（３１，３２）を有する固定ヨーク（３０）を具備し、固定ヨーク（３０）中央部に主磁極（４１）を有する電磁コイル（４３）を配置する構成を取ることにより、何れか一方のマグネット（５１、又は５２）から主磁極（４１）、固定ヨーク（３０）、突起部（３１，３２）、他方のマグネット（５２、又は５１）への順路で最短距離の磁気回路を形成することを特徴としたものである。かかる構成を採ることにより、グレード（残留磁束密度等）が低い材質のマグネット（例えば、ボンドマグネット等）を使用しても、従来と同等以上の特性を得ることを目的としたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−３８８７４号
【特許文献２】特開平１１−２９９２１１号
【特許文献３】特開２０１２−１７５７３５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記無通電時の保持力の強化を目的とする場合において、特許文献１、及び特許文献２で開示された発明の構成を採る限り、残留磁束密度の高い永久磁石を用いるほどより効果的と成らざるを得ないものであった。そのため、現在のモータやアクチュエータ（「モータ製品」）では、既に製品化されている高磁束密度の磁石を用いるのが、小型軽量化の追及からも一般的であった。
【００１１】
しかし、これら高磁束密度を追及して開発された磁石の多くは、産出量が非常に少ないレア・アース（希土類）に命名分類される原材料（オネジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、等）を用いるものが主流である。これら希土類磁石は、磁力が大きく、かつこの磁束を一方方向に揃える力（保磁力）も強いため、従来型のフェライト磁石などと比べて非常に強力なものとなっている。
【００１２】
しかしこのような永久磁石に用いるレア・アースは、自然界の資源枯渇の懸念から最近価格が非常に高騰してきており、かつこれらの資源に乏しいわが国においてはそのほとんどを輸入に頼らざるを得えないものであった。そのため、様々な世界情勢から安定的な確保に不安があり、モータ製品を低価格でかつ安定的に市場へ提供することに課題があった。
【００１３】
また、特許文献３で開示されている発明は、図面からも明らかなように、主磁極（４１）に対面したマグネット（５１、５２）とスイングヨーク（５０）との一体物が出力軸に片持ち状態で支持されているため、揺動時の磁気吸引力（又は磁気吸着力）により、スイングヨークの出力軸への取り付け部に曲げモーメントが作用する問題があった。そのため当該開示発明では、バックヨークを兼ねてスイングヨークの背面側を曲げに強い金属材料で出力軸までの全体を形成する必要があった。しかしこのように強固な金属材料を用いたとしても、上記曲げモーメントは、磁気吸引と磁気反発により正逆が繰り返して生じるため、長年の使用によって徐々に曲げ状態が定常化して、主磁極とのエアギャップが無くなり、場合によっては接触して破損する恐れもあった。この対策としては、スイングヨークを肉厚にして曲げに強い金属板で形成すればある程度解決できる可能性はあるが、これではかえって重量が増してスイング部の慣性モーメントが大きくなって、当該発明の目的である軽量化と慣性力を小さくして応答性を向上させることに、反するものとなってしまうものであった。
【００１４】
そこで、本願発明は上記課題や問題点に鑑みて、希土類磁石を用いない低価格で低磁束密度の磁石でも、非通電時における従来と同等の停止保持力の確保と、揺動アームの安定作動と起動速答性の確保、及び高耐久性を実現した新規なアクチュエータを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本出願に係る発明（以下、「本願発明」）であるアクチュエータは、以下のように構成している。
すなわち、所定の内部空間を有するハウジングと、該ハウジング内に軸回転自在に支持されて外部出力部を備えたシャフトと、該シャフトに固定支持されて該シャフトの軸と垂直な揺動面をもって所定の回転角度範囲で円心揺動する平盤状の揺動アームと、該揺動アームの揺動方向に沿って並設し、かつ互いに異なる磁極面を前記揺動面上に配設した２個の永久磁石と、該永久磁石の両端側の磁極面とそれぞれエアギャップをもって対面配置した２個の電磁コイルと、該各電磁コイルの外周囲の前記揺動行程の両端部付近において、並設した一方側の永久磁石を、エアギャップをもって挟むようにして対向配置した一対の磁性体の補極と、から構成したことを特徴としている。
【００１６】
特に、前記一対の補極と永久磁石とを対向させる位置を、前記並設した永久磁石の揺動外側の縁辺部としたことを特徴としている。
【００１７】
この補極の形成は、ハウジングを磁性体で形成したときはハウジングと一体形成としても良く、又はハウジングを非磁性体で形成したときは補極と磁気回路を形成し得るように配設した磁性体の基板に形成するようにしても良い。
【００１８】
前記ハウジングは、所定の内部空間を有する箱体状を成し、例えば、有底筒状のケースとその開口側に蓋状に嵌合して閉塞するプレートとで構成してもよい。このようにハウジングを構成した場合、補極の形成を前記ケースの底板、及び蓋プレートの内面側から折り曲げ立設させた一体形成としてもよい。
さらに、対向配置する補極の対向面の形状は、前記永久磁石の縁辺形に倣った線状端面形であることが好ましい。
さらにまた、前記揺動アームを挟持するように対面配置した一対の電磁コイルは、
揺動空間を介して対面状態で連結させて一体化しても良い。
【発明の効果】
【００１９】
本願発明のアクチュエータは、上記の構成を採ることにより、以下に列挙した効果を奏する。
【００２０】
ａ）一対の補極を、揺動する異極並設の２個の永久磁石の何れかを、揺動の終始点（又は揺動行程の両端部）の位置で挟持するように対向配置しているため、揺動の終始点位置で停止した何れかの永久磁石を、その残留磁束と補極とで最短磁路を形成することができ、この位置での磁気吸着力による揺動アームの停止保持をより強力に行うことができる。
【００２１】
ｂ）また、一対の補極の先端面と揺動アームに並設した永久磁石の外側縁部と対向させた場合は、縁部への磁束集中と線状端面の補極との間により強力な磁気吸着力を生じさせることができる。
【００２２】
ｃ）さらに永久磁石を並設配置した揺動アームを、２個の電磁コイルで挟むようにして対面配置しているため、永久磁石との間に生じる磁気力（吸引力又は反発力）を、互いに反対方向へ均等に作用させることができる。別言すると、永久磁石に対して揺動方向と直交方向に同じ磁気力に基づいた吸着力（又は反発力）が揺動アームの表裏に作用するため、シャフト軸方向（スラスト方向）の作用力を相殺することができる。このため、揺動アームのシャフト取り付け部に作用する曲げモーメントをゼロとすることができる。これにより、揺動アームは安定的に揺動面に沿って揺動すると共に、高耐久とすることができる。
【００２３】
ｄ）加えて、比較的豊富で入手が容易な磁性材料として広く用いられている低価格なフェライト（酸化鉄を主成分とするセラミックス）を永久磁石として用いているため、経済的なメリットと共に、希少資源の保護に役立つものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本願発明「揺動型アクチュエータ」の実施形態例（以下、「本実施例」）の構成要素を分解して示した斜視図である。
【図２】本実施例の構成要素を分解して側面から示した平面図である。
【図３】本実施例の構成要素の電磁コイルを示す斜視図（Ａ）と縦断面図（Ｂ）である。
【図４】本実施例に係るアクチュエータの正面外観を示した平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】図４のＢ−Ｂ線断面図である。
【図７】図５のＣ−Ｃ線断面図である。
【図８】他の実施例を示す構成分解斜視図である。
【図９】特許文献１の代表図である。
【図１０】特許文献２の代表図である。
【図１１】特許文献３の代表図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
次に、本願発明の実施形態例（「本実施例」）について説明する。本実施例は、少なくとも一部に磁路を形成し得る磁性体で形成したハウジング１と、該ハウジング１内に軸回転自在に支持（以下、「軸支」）して架設したシャフト２と、該シャフト２に環装状に取り付けた揺動アーム３と、該揺動アーム３に埋め込み保持した永久磁石４と、該永久磁石４と相互に磁気作用を及ぼす電磁コイル５と、及び該電磁コイル５の外周囲に配置した一対の補極６と、から成るものである。なお、本実施例には、機能上において天地の向き指定は無いが、本明細書では説明の便宜上、図面表示を基に上下左右の向きを用いて説明する。
【実施例１】
【００２６】
本実施例の外観形を構成するハウジング１は、上記主要構成要素を内包する空間を持った有底筒状のケース１０と、該ケース１０の開口側に蓋状に嵌合して閉塞するプレート１１とから成る。該プレート１１には、中央より上位側に変位した位置に配設した軸受１１ｂを配設し、これを介してシャフト２の一端部をプレート１１から露出させて出力部２０を形成している。ケース１０及びプレート１１の材質は、金属等の磁性材で形成するのが一般的であるが、これに限定するものではなく、樹脂材やこれに磁性粉を混入させた樹脂成形品としても良い。
【００２７】
シャフト２は、前記軸受１１ｂとケース１０の内底面１０ｂに形成した軸支部１０ｓとによって、軸回転自在にして架設保持している。なお、本実施例は、プレート１１側のみに出力部２０を設けているが、ケース１０の内底面１０ｂにも軸受を設けてシャフト２の他端側も露出させてハウジング１の対向した両方向に出力部２０を配設してもよい。
【００２８】
揺動アーム３は、中心から偏位した位置を前記シャフト２に環装状に取付固定し、かつ揺動方向に沿った面（「揺動面」）がシャフト２の回転軸と垂直な面と成るように配設している。別言すると、揺動アーム３は、軸方向からの平面視で略扇型状を呈し、かつ該扇形の要部分にシャフト２を貫通させた外観を呈している。この揺動アーム３には、２個の永久磁石４、４を揺動面側に互いに異なる磁極をもって配設し、かつその平坦面の磁極面４０をそれぞれ露出させた状態で揺動方向に並べて配設（「異極並設」）している。この永久磁石４の取り付けは、樹脂等の非磁性材からなる揺動アーム３に、永久磁石４の外形に合わせて形成した凹部に埋め込み又は圧入することにより行っている。取り付けた２個の永久磁石４、４は、それぞれの磁極面が揺動面と面一となるようにしている。また、正面視で略扇型状を成した揺動アーム３の下部側両翼部にはそれぞれ突起部３０を形成している。この突起部３０は、ケース１０の内側面１０ｆと当接して揺動行程を規制するストッパとして機能するものである。
【００２９】
次に、前記揺動アーム３に磁気力を作用させる電磁コイル５は、磁性材からなるコア５０を中心に配置したボビン体５１を枠体として、これに電気回路と接続したコイル５２を配設して電磁コイル５を形成している。該電磁コイル５は、平坦な磁極面５３を前記永久磁石４の磁極面４０とエアギャップもって対面させると共に、前記揺動する揺動アーム３を表裏の両面側から挟むようにして２個を対面配置している。
【００３０】
この電磁コイル５の対面配置は、図８に示したようにそれぞれを別体で形成して組み付け時に揺動アーム３の両面側に配置する構成でもよいが、本実施例では図１に表したように、予め２個の電磁コイル５、５を離隔配置して揺動アーム３の揺動空間５４を設けた枠体状のボビン体５１を用いている。このボビン体５１は下位の底部５１ｂと上位の両肩部５１ｓ、５１ｓを連結して一体構造としている。このように一体化することにより２個の電磁コイル５、５の保形性と配置寸法の安定性、及び組立容易性の向上を図っている。
【００３１】
次に、該電磁コイル５の外周側付近には、揺動行程上に補極６を配置している。この補極６は、対面配置した２個の電磁コイル５、５の一方側が当接するケース１０の内底面１０ｂと、他方側が当接するプレート１１の内側面１１ｆに立設状に形成して成るものである。かつケース１０側とプレート１１側に形成した各補極６、６は、互いの先端面６０が対向するように配設している。なお、この補極６の形成は、別体形成としてもよいが、ケース１０とプレート１１とのプレス加工時において同時に打ち抜き曲げ加工をするようにしてもよい。これにより部品点数の減少と共に製造工程の簡略化を図っている。この補極６の形状は、種々の形態、例えば、ノコギリ歯状、突起状、等としてもよいが、本実施例では、矩形板を立てた状態とし、かつその先端面６０を平坦かつ線条（又は峰状）に形成している。
【００３２】
次に、上記補極６と上記揺動アーム３に並設した２個の永久磁石４及び電磁コイル５との位置関係は、図６に基づいて説明すると、揺動アーム３が右側に振れて揺動行程の一方側の端部（揺動の終始点、又は揺動の反転位置）で停止した状態では、一方側（右側）の永久磁石４の外側縁辺部４１と右側の一対の補極６とが、最接近した位置（又は略重畳した位置）で、かつ前記外側縁辺部４１に沿うように形成している。このとき、他方側（左側）の永久磁石４の内側縁辺部４２は、永久磁石４を両面から挟むようにして対面配置した２個の電磁コイル５のコア面５０ｆと最接近する位置（又は略重畳する位置）となるように設定している。
【００３３】
また、揺動アーム３が反転して左側に振れて停止した状態では、他方側（左側）の永久磁石４の外側縁辺部４１と左側の一対の補極６とが、最接近した位置（又は略重畳した位置）で、かつ前記外側縁辺部４１に沿うようにして形成している。このとき、右側の永久磁石４の内側縁辺部４２が、上記コア面５０ｆと最接近する位置（又は略重畳する位置）となるように設定している。
【００３４】
なお、ここで１対の補極６とは、揺動アーム３の揺動面を挟むように対向させて配置した２個の補極６を意味する。したがって、配置する補極６は、図７より明らかなように、電磁コイル５の外周側を挟むように左右１個として配置しているため、合計４個２対からなるものである。
［本実施例作動］
次に、上記のように構成した本実施例の作動行程を、図６に基づいて説明する。
【００３５】
電磁コイル５に通電すると、電磁コイル５が励磁して磁極面５３から垂直方向（シャフト軸方向）へ磁束が発生する。これにより、異極並設した一方側の永久磁石４との間に磁気吸引力、他方側の永久磁石４との間に磁気反発力がそれぞれ作用し、一方側（図６において右側）に揺動アーム３が振れて（矢印方向）、ケース１０の内側面１０ｆに一方側（右下部）の突起部３０が当接して停止する（図６の状態）。次に、電磁コイル５への通電方向を逆方向に切り換えると、今度は逆向きの磁束が電磁コイル５に生じ、それぞれの永久磁石４との間に生じていた磁気吸引力と磁気反発力とが逆転して、揺動アーム３は他方側（左側）に振れることとなる。この通電方向の適宜の切り換えにより、揺動アーム３は、突起部３０の当接により規制された範囲内で円心揺動し、これを支持するシャフト２の軸回転となって出力部２０から外部機器類（図示省略）へ駆動力を出力させることとなる。
【００３６】
特に、揺動アーム３が揺動行程の両端部の何れかで停止した状態では、通電を遮断（無通電）しても一定の保持力を維持することができる。すなわち、図７を基準にして説明すると、一方側（右側）の永久磁石４を挟むように対向させた右側２個の補極６とケース１０とプレート１１と間で最短磁路を形成して、永久磁石４の残留磁束との間に高い磁気吸着力を発生させることができる。これと同時に左側の永久磁石４においても対面した電磁コイル５のコア５０との間にも磁気吸着力が作用しているため、これらが相乗して無通電時の揺動アーム３の停止保持力をより強力なものとなっている
［本実施例の効果］
本実施例を上記のように構成することにより、以下の列挙した特徴的な効果を奏する。
【００３７】
ア）先ず、第１の特徴的効果としては、揺動アーム３に異極配設した２個の永久磁石４の何れかを停止位置で挟持するように補極６を一対として配設しているため、従来例のように単一の補極６を配置した場合に比べより磁気回路を最短に形成することができる。そのため、永久磁石４の残留磁束がより効果的に作用して強力な磁気吸着力を得ることができ、無通電時においても保持力をもった停止状態を形成することができる。
【００３８】
イ）次に、第２の特徴的効果としては、揺動アーム３を２個の電磁コイル５で挟むようにしているため、電磁コイル５と永久磁石との間に生じる磁気力（吸引力又は反発力）を相殺して揺動アーム３に作用するシャフト軸と平行方向の押圧力（スラスト方向の力）をゼロとすることができる。ここのスラスト方向の力が作用しないことは、シャフト２に片持ち支持された揺動アーム３の環装部３１への曲げ力（又は曲げモーメント力）が作用しないことを意味する。このため揺動アーム３の安定回転（単一の揺動面に沿った往復移動）と付け根部分の破損を防止して高い耐久性を得ることができる。
【００３９】
ウ）また、第３の効果としては、例えば、特許文献１、３で開示している発明のように磁路形成のために揺動アーム３に比較的重量物となるバックヨークを不要とするため、揺動アームのイナーシャ（回転系慣性モーメント）を小さくして、起動時のレスポンス（応答性）の向上、及び停止時の衝撃力の軽減化が図れる。
【００４０】
なお、上記効果を確認するため、特許文献３に開示された発明構成である単一の電磁コイルを用いた仕様構成の場合と、本願発明の主要構成である２個の電磁コイル対向配置仕様の場合とを、比較した結果を下記の表に提示する。
この表からも本願発明構成の有効性が容易に把握できる。
【表１】
0005456136.tif 000002
【符号の説明】
【００４１】
１      ハウジング
１０    ケース  
１１    プレート
２      シャフト
３      揺動アーム
４      永久磁石
４０  磁極面
４１  外側縁辺部
４２  内側縁辺部
５      電磁コイル
５０  コア
５１  ボビン体
５２  コイル
５３  磁極面
６      補極
６０  先端面
【要約】      （修正有）【課題】希土類を用いない磁石でも、非通電時における停止保持力の確保、及び揺動アームの安定性と応答性と高耐久性を実現した新規なアクチュエータを提供する。【解決手段】ハウジング１と、ハウジング１内に軸回転自在に支持されたシャフト２と、シャフト２に固定支持されて所定の回転角度範囲で円心揺動する平盤状の揺動アーム３と、揺動アーム３の揺動方向に沿って異極並設した２個の永久磁石４と、永久磁石４の両端側の磁極面とそれぞれエアギャップをもって対面配置した２個の電磁コイル５と、各電磁コイル５の外周囲の前記揺動行程の両端部付近において、並設した一方側の永久磁石４を、エアギャップをもって挟むようにして対向配置した一対の磁性体の補極６と、から構成している。一対の補極６と永久磁石４との対向位置は、並設した永久磁石４の揺動外側の縁辺部近傍である。【選択図】図１【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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