(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の永久磁石を有する可動子と、固定子コアと複数のコイルを有する固定子から構成され、前記永久磁石を２以上の偶数からなる極数ＰとなるようにＸ方向に並べて配置し、前記コイルをＸ方向駆動用コイルとＺ方向駆動用コイルの２種類で構成し、前記Ｚ方向駆動用コイルを前記永久磁石の磁極と対向する位置にＰ個配置するとともに、前記Ｘ方向駆動用コイルを前記永久磁石の磁極間の中心と対向する位置にＰ／２個配置して構成し、前記固定子コアにＰ個のティースを一体に形成するとともに、前記Ｚ方向駆動用コイルを前記ティースに挿入し、前記Ｘ方向駆動用コイルを、前記ティースの先端に配置したことを特徴とする多自由度アクチュエータ。
【請求項２】
前記Ｘ方向駆動用コイルを１台のアンプを用いてＸ方向に駆動制御し、前記Ｚ方向駆動用コイルを１台のアンプを用いてＺ方向に駆動制御することを特徴とした請求項１記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項３】
前記Ｘ方向駆動用コイルを１台のアンプを用いてＸ方向に駆動制御し、２組に分けた前記Ｚ方向駆動用コイルのうち、一つの前記Ｚ方向駆動用コイルを１台のアンプを用いてＺ方向に駆動制御することに加え、もう一つの前記Ｚ方向駆動用コイルをもう１台のアンプを用いてθＹ方向に駆動制御することを特徴とした請求項１記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一つに記載の多自由度アクチュエータを少なくとも３台用いて浮上体を多自由度に移動させることを特徴としたステージ装置。
【請求項５】
３台の前記多自由度アクチュエータを水平ＸＹ面に１２０度ずつ回転させて配置したことを特徴とする請求項４記載のステージ装置。
【請求項６】
４台の前記多自由度アクチュエータのうち２台を水平Ｘ方向に沿って配置し、もう２台を水平Ｙ方向に沿って配置したことを特徴とする請求項４記載のステージ装置。
【請求項７】
一方向に大きく移動可能なリニアモータを付加したことを特徴とする請求項４記載のステージ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置、液晶製造装置などの精密装置に用いられる多自由度アクチュエータおよびステージ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の多自由度アクチュエータとして、ＸＹ平面上に永久磁石を配列した可動子とコイルを配列した固定子によって構成し、隣接するコイルに位相差の異なる制御電流を供給することで、電磁力により可動子をＸ方向に推進させ、Ｚ方向に浮上させるものがある。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−２５４４８９号公報（第１９頁、図１、２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
半導体製造装置、液晶製造装置などに用いられる精密ステージには、水平Ｙ方向に推進動作を行うリニアモータと、垂直Ｚ方向に浮上させ、水平Ｘ方向に推進するためのアクチュエータが使用されている。現在では、これらのリニアモータとアクチュエータに小型化が要求されており、特に、垂直Ｚ方向と水平Ｘ方向の２方向を１つのアクチュエータで行う多自由度アクチュエータを用いた精密ステージが要望されている。
しかし、従来の多自由度アクチュエータは、コイルの空心部があり、ＸＹの２方向に推進、Ｚ方向に浮上、さらにθＸ、θＹ、θＺ方向に駆動させるためには、コイルを積層する必要があった。また６層のコイルすべてが積層されているため磁気ギャップが大きくなり、体格の割に推力、浮上力、可変浮上力が小さくなってしまう問題があった。
また、従来のステージ装置は、１方向のみに推力もしくは浮上力が発生可能なアクチュエータを複数台配置して構成していたため、Ｘ、Ｙ、Ｚの直線３方向と各軸周りのθＸ、θＹ、θＺの回転３方向の移動を行う６自由度のステージ装置の場合、アクチュエータを６台用いる必要があった。そのため、６台の可動子が取り付いた浮上体の重量が極めて大きくなり、浮上体を安定して浮上させることや、高速に位置決めすることが困難であった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、小型でありながら推力、浮上力、可変浮上力が大きく、Ｚ方向の浮上動作とＸ方向の推進動作とθＹ方向の駆動動作を行う多自由度アクチュエータおよびそれを用いた精密ステージを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、複数の永久磁石を有する可動子と、固定子コアと複数のコイルを有する固定子から構成され、前記永久磁石を２以上の偶数からなる極数ＰとなるようにＸ方向に並べて配置し、前記コイルをＸ方向駆動用コイルとＺ方向駆動用コイルの２種類で構成し、前記Ｚ方向駆動用コイルを前記永久磁石の磁極と対向する位置にＰ個配置するとともに、前記Ｘ方向駆動用コイルを前記永久磁石の磁極間の中心と対向する位置にＰ／２個配置して構成し、前記固定子コアにＰ個のティースを一体に形成するとともに、前記Ｚ方向駆動用コイルを前記ティースに挿入し、前記Ｘ方向駆動用コイルを、前記ティースの先端に配置したものである。
請求項２に記載の発明は、前記Ｘ方向駆動用コイルを１台のアンプを用いてＸ方向に駆動制御し、前記Ｚ方向駆動用コイルを１台のアンプを用いてＺ方向に駆動制御するものである。
請求項３に記載の発明は、前記Ｘ方向駆動用コイルを１台のアンプを用いてＸ方向に駆動制御し、２組に分けた前記Ｚ方向駆動用コイルのうち、一つの前記Ｚ方向駆動用コイルを１台のアンプを用いてＺ方向に駆動制御することに加え、もう一つの前記Ｚ方向駆動用コイルをもう１台のアンプを用いてθＹ方向に駆動制御するものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一つに記載の多自由度アクチュエータを少なくとも３台用いて浮上体を多自由度に移動させるステージ装置とするものである。
請求項５に記載の発明は、３台の前記多自由度アクチュエータを水平ＸＹ面に１２０度ずつ回転させて配置したステージ装置とするものである。
請求項６に記載の発明は、４台の前記多自由度アクチュエータのうち２台を水平Ｘ方向に沿って配置し、もう２台を水平Ｙ方向に沿って配置したステージ装置とするものである。
請求項７に記載の発明は一方向に大きく移動可能なリニアモータを付加したステージ装置とするものである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によると、Ｚ方向駆動用コイルを各磁極の中心に配置し、Ｘ方向駆動用コイルを磁極間の中心に配置させ、Ｘ方向駆動用コイルのコイル辺を、Ｚ方向駆動用コイルの空心に埋め込むように配置する構造としているため、磁気ギャップを小さくすることが出来、コンパクトでありながら推力、浮上力、可変浮上力が大きいアクチュエータを提供することができる。
また、固定子コアにティースを一体に形成するとともに、Ｚ方向駆動用コイルをティースに挿入し、Ｘ方向駆動用コイルを、ティースの先端に配置する構造となっているため、磁気ギャップを大きくすることなくＺ方向の浮上力、可変浮上力と、Ｘ方向の推力が大きいアクチュエータを提供することができる。
また、Ｘ方向駆動用コイルを１台のアンプを用いてＺ方向に駆動制御し、Ｚ方向駆動用コイルを１台のアンプを用いてＸ方向に駆動制御するため、Ｚ方向の浮上動作とＸ方向の推進動作を行う多自由度アクチュエータを提供することができる。
また、Ｘ方向駆動用コイルを１台のアンプを用いてＺ方向に駆動制御し、Ｚ方向駆動用コイルを２台のアンプを用いてＸ方向とθＹ方向（Ｘ軸とＺ軸に直交したＹ軸の回転周りの方向）に駆動制御するため、Ｚ方向の浮上動作とＸ方向の推進動作の２自由度動作に加え、θＹ方向の駆動を加えた３自由度動作を行う多自由度アクチュエータを提供することができる。
また、２方向もしくは３方向に推力や浮上力が発生可能な多自由度アクチュエータを少なくとも３台用いて浮上体を多自由度に移動させるステージ装置としているので、浮上体に取り付ける可動子の台数を減らし、浮上体を軽量化することができる。ひいては、浮上体を安定して浮上させることや、高速に位置決めすることができる。
また、３台の多自由度アクチュエータを水平ＸＹ面に１２０度ずつ回転させて配置させているので、請求項１記載の効果を最小限の多自由度アクチュエータによって実現することができる。
また、４台の多自由度アクチュエータのうち２台を水平Ｘ方向に沿って配置し、もう２台を水平Ｙ方向に沿って配置させているので、請求項６記載の効果を得ることができる。さらに、テーブルの４隅に４台の多自由度アクチュエータを配置することができるので、テーブルエリアが大きな浮上体であっても安定して浮上させることができる。
また、一方向に大きく移動可能なリニアモータを付加しているので、浮上体を広範囲に移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の第１の実施例を示す多自由度アクチュエータの下面図
【図２】本発明の第１の実施例を示す多自由度アクチュエータの側面図
【図３】本発明の第１の実施例を示す多自由度アクチュエータの正面から見た断面図
【図４】本発明の第１の実施例における可変浮上力と推力の発生原理を示す図
【図５】本発明の第１の実施例を示す多自由度アクチュエータとアンプとの接続構成図
【図６】本発明の第２の実施例を示す多自由度アクチュエータの下面図
【図７】本発明の第２の実施例を示す多自由度アクチュエータの側面図
【図８】本発明の第２の実施例を示す多自由度アクチュエータの正面から見た断面図
【図９】本発明の第３の実施例を示すθＹ動作の発生原理を示す図
【図１０】本発明の第３の実施例における可変浮上力と推力の発生原理を示す図
【図１１】本発明の第４実施例を示すステージ装置の斜視図
【図１２】本発明の第５実施例を示すステージ装置の斜視図
【図１３】本発明の第５実施例を示すステージ装置の斜視図
【図１４】本発明の第６実施例を示すステージ装置の斜視図
【図１５】本発明の第６実施例を示すステージ装置の浮上体の斜視図
【符号の説明】
【０００７】
１００  固定子
１０４  Ｚ方向駆動用コイル
１０５  Ｘ方向駆動用コイル
１０６  ティース
１０７ａ、１０７ｂ  Ｚ方向駆動用アンプ
１０８  Ｘ方向駆動用アンプ
１１０  可動子
１１２  可動子ヨーク（天板）
１１４  永久磁石
１１６  ６層のコイル
１１８  固定子コア（ベース）
１１９  磁石磁束線
２００  浮上体
２０１  テーブル
３００  リニアモータ固定子
３１０  リニアモータ可動子
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１、図２は本発明の第１の実施例を示す多自由度アクチュエータの下面図と側面図、図３は正面から見た断面図である。
可動子１１０は永久磁石１１４、可動子ヨーク１１２から構成され、固定子１００は固定子コア１１８とＸ方向駆動用コイル１０５とＺ方向駆動用コイル１０４から構成されている。
永久磁石１１４を極数Ｐ＝２、極性が逆となるようにＸ方向に交互に並べて配置し、Ｚ方向駆動用コイル１０４を永久磁石１１４の磁極と対向する位置にＰ＝２個配置するとともに、Ｘ方向駆動用コイル１０５のコイル辺がＺ方向駆動用コイル１０４の中心と一致する位置にＸ方向駆動用コイル１０５をＰ／２＝１個配置する構成となっている。
また、図２に示すように、Ｘ方向駆動用コイル１０５は、コイルエンドを折り曲げ、コイル辺をＺ方向駆動用コイル１０４の空心に埋め込むように配置する構成となっている。
固定子コア１１８は磁性体であり、例えば鉄損の低減を目的として電磁鋼板を積層したものや、圧粉磁心による成形体を使用する。
図４は浮上力、可変浮上力、推力の発生原理を示す図である。点線は永久磁石１１４による磁束線１１９を示している。
まず、永久磁石１１４と固定子コア１１８間には磁気吸引力が発生する。これが浮上力となる。
次に、永久磁石１１４による磁束線１１９に示す通り、Ｘ方向駆動用コイル１０５には磁束密度の±Ｚ方向の磁束が通り、Ｚ方向駆動用コイル１０４には磁束密度の±Ｘ方向の磁束が通る。
図４に示した方向に電流を流した場合、Ｚ方向駆動用コイル１０４には−Ｚ方向のローレンツ力が発生し、その結果、可動子１１０はＺ方向に可変浮上力が発生する。
また、Ｘ方向駆動用コイル１０５に−Ｘ方向のローレンツ力が発生し、その結果、可動子１１０は＋Ｘ方向に推力が発生する。
多自由度アクチュエータとアンプとの接続構成を図５に示す。Ｘ方向駆動用コイル１０５を１台のアンプを用いてＸ方向に駆動制御し、Ｐ＝２個のＺ方向駆動用コイル１０４を直列に接続して１台のアンプ１０７ａを用いてＺ方向に駆動制御し、Ｘ方向駆動用コイル１０５を接続して１台のアンプ１０８でＸ方向に駆動制御する構成となっている。
このような構成としたことによって、Ｘ方向に推進動作とＺ方向の浮上動作の２自由度動作を実現することができる。また、Ｚ方向の浮上動作とＸ方向の推進動作を行う多自由度アクチュエータを実現するとともに、磁気ギャップを小さくすることが出来、コンパクトでありながら推力、浮上力、可変浮上力が大きいアクチュエータを実現することができる。
【実施例２】
【００１０】
次に本発明の第２の実施例について説明する。
図６、図７、図８は本発明の第２の実施例を示す多自由度アクチュエータの下面図と側面図、正面から見た断面図である。
固定子コア１１８にティース１０６を一体に形成するとともに、Ｚ方向駆動用コイル１０４をティース１０６に挿入し、Ｘ方向駆動用コイル１０５を、ティース１０６の先端に配置した。従来の構成では積層したコイルの上部に固定子コアが配置されていたため、すべてのコイル厚分、磁気ギャップが大きくなっていた。しかし、Ｚ方向駆動用コイル１０４の空心部にティースを配置する構成としたことで、磁気ギャップがＸ方向駆動用コイル１０５の厚み分のみとなるため、磁気ギャップを大きくすることなくＺ方向駆動コイルを厚くして巻き数を増やし、Ｘ方向駆動用コイルの幅を広くして巻き数を増やすことができる。よって、Ｘ方向の推力とＺ方向の浮上力、可変浮上力が大きい多自由度アクチュエータを提供することができる。
【実施例３】
【００１１】
次に本発明の第３の実施例について説明する。
図９は本発明の第３の実施例を示す多自由度アクチュエータとアンプとの接続構成図である。
Ｐ＝２個のＺ方向駆動用コイルを２台のアンプ１０７ａ、１０７ｂを用いてＺ方向とθＹ方向（Ｘ軸とＺ軸に直交したＹ軸の回転周りの方向）にも駆動制御し、Ｘ方向駆動用コイル１０５を接続して１台のアンプ１０８でＸ方向に駆動制御する構成とした。
図１０はθＹ動作の発生原理を示す図である。点線は永久磁石１１４による磁束線１１９を示している。
永久磁石１１４による磁束線１１９に示す通り、Ｘ方向駆動用コイル１０５には±Ｚ方向の磁束が通り、Ｚ方向駆動用コイル１０４には±Ｘ方向の磁束が通る。
図１０に示した方向に電流を流した場合、Ｚ方向駆動用コイル１０４には−Ｚ方向のローレンツ力が発生し、その結果、可動子１１０はＺ方向に可変浮上力が発生する。
また、Ｘ方向駆動用コイル１０５に−Ｘ方向のローレンツ力が発生し、その結果、可動子１１０は＋Ｘ方向に推力が発生する。
ここで、図１０に示しているように、２個のＺ方向駆動用コイル１０４に流す電流を２台のアンプを用いて、Ｚ方向駆動用アンプ１０７aに接続されたＺ方向駆動用コイル１０４（図１０左側）の電流を、Ｚ方向駆動用アンプ１０７bに接続されたＺ方向駆動用コイル１０４（図１０右側）の電流より大きくすることによって、Ｘ軸方向左右の可変浮上力に差をつけることが出来、図中に示したθＹ方向にも駆動することが出来る。
以上のように構成したことで、Ｘ方向の浮上動作とＸ方向の推進動作の２自由度動作に加えて、θＹ方向の駆動動作の３自由度動作を行う多自由度アクチュエータを提供することができる。
また、本実施例ではＰ＝２の場合で説明したが、本実施例の構成をＸ方向に並べてＰ＝４、６、…として構成しても、本発明の効果が得られることは言うまでもない。【００１２】
次に、これらの多自由度アクチュエータを用いた精密ステージについて説明する。
【実施例４】
【００１３】
図１１は、本発明の第４実施例を示すステージ装置の斜視図である。
本発明の第４実施例は実施例１もしくは実施例２の多自由度アクチュエータを３台用いてステージ装置として構成したものである。浮上体２００はテーブル２０１と３台の可動子１１０から構成されており、テーブル２０１の水平ＸＹ面上に可動子１１０が１２０度ずつ回転して設置されている。そして、可動子１１０と対向する上部にギャップを介して３台の固定子１００が固定用の不図示の天板に設置されている。各可動子１１０に発生する推力と浮上力の方向は、図１１において各固定子１００上に示した矢印（→）のとおりである。可動子１１０は３台ともＺ方向に浮上力を発生する。さらに、水平ＸＹ面におけるＸ方向を０度とした場合、各可動子１１０は０度、１２０度、２４０度の方向に推力を発生する。
また、浮上体２００の位置は、不図示のレーザ干渉計などの光学式距離検出装置によりＸ、Ｙ、Ｚの直線３方向と各軸周りのθＸ、θＹ、θＺの回転３方向の位置を高精度に検出できるようになっている。
以上のような構成のステージ装置は、多自由度アクチュエータが推力と浮上力の２方向に力を発生できるので、３台の多自由度アクチュエータによって合計６つの力を制御できる。これら６つの力の大きさと各力の発生点、浮上体の重心位置を考慮しながら制御することで、浮上体２００をＸ、Ｙ、Ｚの直線３方向とθＸ、θＹ、θＺの回転３方向に移動させることができる。
よって、従来のステージ装置に比べ、浮上体に取り付ける可動子の台数を減らし、浮上体を軽量化することができる。そして、浮上体を安定して浮上させることや、高速に位置決めすることができる。
【実施例５】
【００１４】
図１２は、本発明の第５実施例を示すステージ装置の斜視図である。
浮上体２００はエリアの大きな略四角形状のテーブル２０１と、その４隅に設けられた可動子１１０から構成されている。４台の可動子１１０のうち、２台は水平Ｘ方向に沿ってテーブル２０１の対角位置に配置されており、もう２台は水平Ｙ方向に沿って同じくテーブル２０１の対角位置に配置されている。そして、４台の固定子１００がそれら可動子１１０と対向する上部にギャップを介して固定用の不図示の天板に設置されている。各可動子１１０に発生する推力と浮上力の方向は、図１２において各固定子１００上に示した矢印（→）のとおりである。可動子１１０は４台ともＺ方向に浮上力を発生する。さらに、ＸＹ平面において各可動子１１０がＸ方向とＹ方向に推力を発生する。
また、浮上体２００の位置は、不図示のレーザ干渉計などにより、Ｘ、Ｙ、Ｚの直線３方向と各軸周りのθＸ、θＹ、θＺの回転３方向の位置を高精度に検出できるようになっている。
以上のような構成のステージ装置は、多自由度アクチュエータが推力と浮上力の２方向に力を発生できるので、４台の多自由度アクチュエータによって合計８つの力を制御できる。これら８つの力の大きさと各力の発生点、浮上体の重心位置を考慮しながら制御することで、浮上体２００をＸ、Ｙ、Ｚの直線３方向とθＸ、θＹ、θＺの回転３方向に移動させることができる。
よって、従来のステージ装置に比べ、浮上体に取り付ける可動子の台数を減らし、浮上体を軽量化することができる。そして、浮上体を安定して浮上させることや、高速に位置決めすることができる。さらに、テーブルの４隅に４台の多自由度アクチュエータを配置しているので、テーブルのエリアが大きな浮上体であっても安定して浮上させることができる。
【実施例６】
【００１５】
図１３は、本発明の第６実施例を示すステージ装置の斜視図である。
本実施例では、４台の可動子１１０のうち、２台は水平Ｘ方向に沿ってテーブル２０１の対角位置に配置されており、もう２台は水平Ｙ方向に沿って同じくテーブル２０１の対角位置に配置されていた。これに対し、第６実施例では、４台の可動子１１０のうち、２台は水平Ｘ方向に沿ってテーブル２０１の左右２辺に配置されており、もう２台は水平Ｙ方向に沿って同じくテーブル２０１の上下２辺に配置されている。
以上のような構成においても、第５実施例と同様に浮上体を制御することができるとともに、同様の効果を得ることができる。
【実施例７】
【００１６】
図１４、１５は本発明の第７実施例を示すステージ装置とその浮上体の斜視図である。これら図において、リニアモータ固定子が３００、リニアモータ可動子が３１０である。
浮上体２００には、まず、略四角形状のテーブル２０１と４台の可動子１１０が配置されている。４台の可動子１１０は、水平Ｙ方向に沿って２台直列に配置され、それと同じものがＸ方向に並列に配置されている。そして、４台の固定子１００が可動子１１０と対向する上部にギャップを介して固定用の不図示の天板に設置されている。各可動子１１０に発生する推力と浮上力の方向は、図１４において各固定子１００上に示した矢印（→）のとおりである。可動子１１０は４台ともＺ方向に浮上力、Ｘ方向に推力を発生する。なお、固定子１００は、浮上体２００がＹ方向に大きく移動しても推力と浮上力が発生可能なように浮上体２００のＹ方向移動量分だけ長く構成されている。
さらに、テーブル２０１の中央部にはリニアモータ可動子３１０が設置されており、それと対向する上部にギャップを介してリニアモータ固定子３００が固定用の天板（図示しない）に設置されている。リニアモータ可動子３１０に発生する推力の方向は、図１４においてリニアモータ固定子３００上に示した矢印（→）のとおりＹ方向である。
また、浮上体２００の位置は、不図示のレーザ干渉計などにより、Ｘ、Ｙ、Ｚの直線３方向と各軸周りのθＸ、θＹ、θＺの回転３方向の位置を高精度に検出できるようになっている。
以上のような構成のステージ装置は、多自由度アクチュエータが推力と浮上力の２方向に力を発生できるので、４台の多自由度アクチュエータによって合計８つの力を制御できる。ただし、４台の多自由度アクチュエータとも推力はＸ方向であるために、浮上体をＹ方向に移動させる力だけは得ることができない。つまり、８つの力の大きさと各力の発生点、浮上体の重心位置を考慮しながら制御することで、浮上体２００をＸ、Ｚの直線２方向とθＸ、θＹ、θＺの回転３方向に移動させることができる。さらに、リニアモータによってＹ方向の力を制御できるようになっているので、Ｙ方向に大きく移動させることができる。
よって、従来のステージ装置に比べ、浮上体に取り付ける可動子の台数を減らしつつ、安定した浮上と一方向の大きな移動を可能にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
Ｚ方向の浮上動作とＸ方向の推進動作を行うことができ、コンパクトでありながら推力、浮上力、可変浮上力が大きいアクチュエータを実現することができるので、真空用搬送装置という用途にも適用できる。
【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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