(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波モータと、前記超音波モータの接触子と摩擦接触して駆動される被動部材とを有する超音波駆動機構において、前記接触子を部分安定化ジルコニアで形成し、前記被動部材の前記接触子との接触部をアルミナジルコニアで形成し、かつ前記接触子の形状を軸方向に垂直な横断面が軸方向に沿って同じ形状および横断面積に形成したことを特徴とする超音波駆動機構。
【請求項２】
前記アルミナジルコニアが、アルミナ粉末９０〜９７質量％と部分安定化ジルコニア粉末２〜９質量％を混合し、かつこれに焼結助剤０．５〜３質量％を加えて焼成した焼結体である請求項１に記載の超音波駆動機構。
【請求項３】
前記アルミナジルコニアが、アルミナ粉末９４質量％と部分安定化ジルコニア粉末５％を混合し、かつこれに焼結助剤１質量％を加えて焼成した焼結体である請求項２に記載の超音波駆動機構。
【請求項４】
前記焼結助剤が、ＣａＯ １０〜１６質量％、ＭｇＯ ２０〜２６質量％、ＳｉＯ2 ６０〜６５質量％からなる粉末状組成物である請求項１〜３のいずれかに記載の超音波駆動機構。
【請求項５】
前記焼結助剤が、ＣａＯ １３質量％、ＭｇＯ ２４質量％、ＳｉＯ2 ６３質量％からなる粉末状組成物である請求項４に記載の超音波駆動機構。
【請求項６】
前記超音波モータの接触子は表面粗さＲａ＜０．０５の鏡面仕上げとし、前記被動部材の前記接触子との接触面を表面粗さＲａ＜０．０４の鏡面仕上げ面とした請求項１〜５のいずれかに記載の超音波駆動機構。
【請求項７】
前記接触子が台の上に設けたピン形接触子である請求項１〜６のいずれかに記載の超音波駆動機構。
【請求項８】
前記ピン形接触子が、円柱形または角がＲ面取りされた角柱である請求項７に記載の超音波駆動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波モータを用いた駆動機構、特に前記超音波モータの振動子先端の接触子との摩擦接触で被動部材が駆動される超音波駆動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子・情報技術の急速な進展に伴い、精密部品の更なる微細化、高集積化が求められており、ナノオーダ（１０-9ｍ）での検査や超微細加工に対応する超精密位置決め装置が必要となっている。また、医療やバイオ研究においても、タンパク質や細胞の制御による応用技術開発が進み、より微細な領域での位置決めが可能な顕微鏡用ステージに対するニーズが高まっている。さらに、近年では高精密化への要求と併せて、検査、加工、測定などの対象物が小さくなるに伴い、位置決め装置やその駆動源の小形化、軽量化も求められてきている。
【０００３】
このようなナノオーダでの微細領域に対処する駆動装置として、従来の電磁モータに代わって、特許文献１〜３に記載されるような圧電振動子を用いた超音波モータが開発されている。これらの超音波モータはいずれも電磁モータとは全く異なる駆動原理に基づく駆動装置であり、低速、高トルク、無音、停止時の位置保持性など優れた特長を有している。また、前記振動子の構造が単純なことから小形化に有利であり、小型アクチュエータとしても期待されている。
【０００４】
超音波モータはこのように種々の優れた特長を有する反面、振動子先端の押付部材（接触子）や、前記接触子と摩擦接触する被動部材の材質、硬度、摩擦特性などについて種々の問題が指摘され、これらの点を解決するために多くの試みがなされている。特許文献１では振動子先端の接触子の材質を、アルミナ含有量が９９．５質量％以上でビッカース硬度が１５．２ＧＰａ以上のアルミナセラミックスまたは単結晶アルミナで形成し、これによって接触子の摩耗を極力抑えるとともに、被動部材との間で適度な摩擦力が確保されるようにしている。
【０００５】
また、特許文献２には、超音波モータの振動子先端の接触子および被動部材の当接面をそれぞれ緻密質のセラミックスまたはサーメットにより形成し、かつ双方の当接面のうちいずれか一方に硬質炭素からなる耐摩耗層を設けた超音波駆動装置が開示されている。さらに特許文献３には、略Ｖ字形に配置された振動子の先端を結合部材で連結し、この結合部材と摩擦接触する被動部材に突起状の保護部材を設け、かつこの突起部材の長さを該被動部材の移動方向に沿って２ｍｍ以下にした超音波モータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２７７６８号公報
【特許文献２】特開平１１−１３６９６８号公報
【特許文献３】特開２００４−３０４８９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
超音波モータでは動作特性が安定し、かつ振動子と被動部材との間の摩耗が少なく、しかも振動子側の接触子は摩耗によっても接触面積が一定となるようにすることが必要である。上述の特許文献１においては、振動子先端の接触子の材質や表面粗さ、機械的強度など摩耗量低減についての対策はなされているものの、もっぱら接触子側の摩耗や脱粒を防ぐ構成であり、その反面、被動部材側の摩耗が大きくなるという問題がある。
【０００８】
また特許文献２では、振動子先端の接触子および被動部材の双方に極めて高い耐摩耗性の硬質炭素からなる耐摩耗層を形成することにより、高速での摩擦駆動において優れた耐摩耗性を確保することとしているものの、接触子、被動部材とも高硬度の材質で形成しているため、動作が安定せず、静止保持性の点で問題があった。また、特許文献３では被動部材の接触部位に半円柱形あるいは半球状ないし柱状の突起部を設けており、摩耗によって接触子との接触面積が増加するため動作特性が変化し、安定した動作が得られないおそれがあった。
【０００９】
本発明は、上述の問題を解決し、動作が安定し、被動部材の抗折強度が高く、かつ被動部材の良好な鏡面が得られ易く、焼成時に反り等の変形も起きにくい超音波駆動機構を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明はまた、振動子先端の接触子の形状により、初期動作状態が持続して安定した速度、推力、安定な共振周波数が保たれ、安定した動作特性が長期にわたって得られる超音波駆動機構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】
【００１１】
上記目的を達成するため本発明に係る超音波駆動機構（１）は、超音波モータと、前記超音波モータの接触子と摩擦接触して駆動される被動部材とを有する超音波駆動機構において、前記接触子を部分安定化ジルコニアで形成し、前記被動部材の前記接触子との接触部をアルミナジルコニアで形成したことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の１つの形態によれば、上記（１）記載の超音波駆動機構において、前記アルミナジルコニアが、アルミナ粉末９０〜９７質量％と部分安定化ジルコニア粉末２〜９質量％を混合し、かつこれに焼結助剤０．５〜３質量％を加えて焼成した焼結体である超音波駆動機構（２）が提供される。この形態において、アルミナ粉末９４質量％と部分安定化ジルコニア粉末５％を混合し、かつこれに焼結助剤１質量％を加えて焼成した焼結体であるアルミナジルコニアからなる超音波駆動機構（３）が好ましい。
【００１３】
また本発明の他の形態によれば、上記（１）〜（３）の超音波駆動機構において、前記焼結助剤が、ＣａＯ１０〜１６質量％、ＭｇＯ２０〜２６質量％、ＳｉＯ2６０〜６５質量％からなる粉末状組成物である超音波駆動機構（４）が提供される。この形態においては、前記焼結助剤がＣａＯ１３質量％、ＭｇＯ２４質量％、ＳｉＯ2６３質量％からなる粉末状組成物である超音波駆動機構（５）が好ましい。
【００１４】
さらに本発明の他の形態によれば、上記（１）〜（５）の超音波駆動機構において、前記超音波モータの接触子は表面粗さＲａ＜０．０５の鏡面仕上げとし、前記被動部材の前記接触子との接触面を表面粗さＲａ＜０．０４の鏡面仕上げ面とした超音波駆動機構（６）が提供される。
【００１５】
さらに本発明の他の形態によれば、上記（１）〜（６）の超音波駆動機構において、前記接触子を該接触子の軸方向に垂直な横断面が軸方向に沿って同じ形状および横断面積に形成した超音波駆動機構（７）が提供される。
【００１６】
さらに本発明の他の形態によれば、上記（１）〜（７）の超音波駆動機構において、前記接触子がピン形接触子である超音波駆動機構（８）が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、前記接触子を部分安定化ジルコニアで形成し、前記被動部材をアルミナジルコニアで形成したことにより、前記被動部材の動作が安定し、かつ抗折強度が高く、また前記被動部材側の摩耗が抑制され、さらに焼結助剤添加により反りやゆがみ等がなく前記被動部材製品の歩留まりが高くなり品質も向上する。
【００１８】
さらに本発明では、超音波モータの振動子先端の接触子が摩耗しても、被動部材との接触面積が一定となり、動作特性が安定する。また、前記接触子の稜部でのチッピングが起きにくく、前記接触子の毀損が抑制され、寿命の長い超音波駆動機構が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例（被動部材：アルミナジルコニア、接触子：部分安定化ジルコニア）における被動部材の駆動距離に対する移動速度（ｍｍ／ｓ）および共振周波数（ＫＨｚ）の変化を示した図である。
【図２】従来のアルミナを被動部材とし、部分安定化ジルコニアを接触子とした場合の移動速度（ｍｍ／ｓ）および共振周波数（ＫＨｚ）の変化を示した図である。
【図３】接触子および被動部材を部分安定化ジルコニアで形成した場合の駆動距離に対する移動速度（ｍｍ／ｓ）および共振周波数（ＫＨｚ）を示した図である。
【図４】本発明の実施例による被動部材を構成する各種アルミナジルコニアの焼成温度に対する抗折強度を示した図である。
【図５】本発明の実施例による被動部材を構成する各種アルミナジルコニアの焼成温度に対する焼成工程での反り量を示した図である。
【図６】アルミナジルコニアのジルコニア置換量と抗折強度との関係を示した図である。
【図７】アルミナジルコニアのジルコニア置換量と熱伝導率との関係を示した図である。
【図８】本発明の実施例による超音波モータ用振動子の平面図（Ａ）および側面図（Ｂ）である。
【図９】図７に示す振動子先端の接触子（ピン形部材）で摩耗が進行していく状態を示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施例による角柱形のピン形接触子の拡大平面図である。
【図１１】本発明が適用される超音波モータの作動原理を模型的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、図面を参照して本発明の実施形態に係る超音波駆動機構について説明する。図１１（Ａ），（Ｂ）は本発明が適用される超音波駆動機構の作動原理を模型的に示した図である。この超音波駆動機構は振動子１と被動部材２を含み、振動子１は圧電振動素子で構成され、この側面に設けた電極（図示省略）を印加することにより、伸縮動作と屈曲動作が同時にそれぞれ独立して生成され、その組み合せにより、少なくともその一部が、特に被動部材２と摩擦接触する振動子先端の接触子３が楕円運動を行って被動部材２を間欠的に移動動作させる。例えば、図１１（Ａ）中のｐ点（振動子の左端面の中心点）は、（ａ）〜（ｄ）の４つの状態を経て同図（Ｂ）に示す軌跡を描く。図中、ｘは振動子の長手方向軸線、ｙは振動子の上下側面１ａに垂直な軸線である。
【００２１】
振動子１の楕円運動している先端部分には、接触子３が固着（接着）されている。振動子１の楕円運動は接触子３を介して被動部材２に伝達され、被動部材２を動作させる駆動力となる。図１１の例では、この楕円運動の反復により被動部材２はガイド４のまわりの回転運動を生じさせることも可能である。また、被動部材２を円環状にすれば、ガイド４のまわりの回転運動を生じさせることも可能である。なお、楕円運動の大きさは前記圧電振動素子１の電極への入力電圧によって制御される。
【００２２】
次に、接触子および被動部材の材質として９９％アルミナ、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）を3mol％前後添加してジルコニア（Ｚ2Ｏ3）の結晶構造を部分的に安定化させた部分安定化ジルコニア、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、アルミナの一部を部分安定化ジルコニアで置換したアルミナジルコニアを組み合せて予備実験を行ったときの動作安定性および摩耗量の実験結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
この予備実験は駆動距離を１０００ｍの連続駆動（合計）として行ったものであり、振動子長さを３０ｍｍ、接触子を半球形状とし、押付けバネ圧を４０Ｎ（ただしＰＰＳのみ押付け圧を１５Ｎとした。）で実験した。表中の摩耗量（μｍ）は接触子の摩耗量である。この予備実験で接触子と被動部材の材質の組み合せのうち、比較的良好と思われるものを３種選び、これらについて駆動距離数１００Ｋｍに対して本実験を行った。予備実験での表１の結果から良好と思われるものとして、接触子−被動部材の材質を、（Ａ）部分安定化ジルコニア−アルミナジルコニアとしたもの、（Ｂ）部分安定化ジルコニア−９９％アルミナとしたもの、および（Ｃ）部分安定化ジルコニア−部分安定化ジルコニアとしたもの３種類を選び、それぞれについて本実験を行った。その結果を図１〜図３に示す。
【００２５】
本実験の結果、被動部材をアルミナジルコニアで形成し、この被動部材と接触する振動子先端の接触子を部分安定化ジルコニアで形成した場合が最も良い結果が得られた。なお、上述の予備実験でも接触子と被動部材の材質を部分安定化ジルコニア−アルミナジルコニアとした場合に、駆動距離１０００ｍの範囲では接触子の摩耗量は殆ど計測不能な程度に極少であり、動作が最も安定していることが確認できている。図１は本発明による接触子と被動部材の材質を部分安定化ジルコニア−アルミナジルコニアとした場合の実験結果であり、被動部材の移動速度（ｍｍ／ｓｅｃ）および共振周波数（ＫＨｚ）を被動部材の駆動距離について示したものである。図２はアルミナを被動部材とし、接触子を部分安定化ジルコニアとした場合の被動部材の移動速度および共振周波数を示している。また、図３は接触子および被動部材ともに部分安定化ジルコニアで形成した場合の駆動距離に対する移動速度（ｍｍ／ｓｅｃ）および共振周波数（ＫＨｚ）を示した図である。
【００２６】
図１の例におけるアルミナジルコニアは、アルミナ粉末９４質量％、ジルコニア粉末５質量％、および後述する焼結助剤１質量％を混合して焼成した焼結体であり、前記焼結助剤としては、例えばＣａＯ１３質量％、ＭｇＯ２４質量％、ＳｉＯ2６３質量％からなる粉末状組成物が、被動部材の反りを防止するのに用いられる。また、部分安定化ジルコニアとしては、ジルコニア（ＺｒＯ2）９７．４モル％と酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）２．６モル％からなる、比表面積（ＳＡ）が７．８ｍ2／ｇ、平均粒径(Ｄ50)が０．５２μｍの市販品（第一稀元素製）を使用した。図１では、被動部材への接触子の押し付ける押付けバネ圧を２０Ｎ、静止保持力を６Ｎとし、被動部材の面粗さＲａを０．０５μｍとした。また、この例で用いたアルミナジルコニアは、抗折強度（ＭＰａ）が６００、ビッカース硬度（Ｈｖ）が１５５２、密度（ｇ／ｃｍ3）が４．０３８である。なお、前記焼結体の焼成において、１５５０℃での焼成では原料として比表面積（ＳＡ）が１３．１ｍ2／ｇ、平均粒径(Ｄ50)が０．５μｍのジルコニア（第一稀元素製）を使用すると、若干強度が向上する傾向が認められる。
【００２７】
これに対し、図２の例における従来のアルミナの被動部材では、抗折強度（ＭＰａ）、ビッカース硬度（Ｈｖ）、および密度（ｇ／ｃｍ3）は、それぞれ２００、１４２９、３．７８５である。また、部分安定化ジルコニアの被動部材では、抗折強度（ＭＰａ）は１２００、ビッカース硬度（Ｈｖ）は１２８０、密度（ｇ／ｃｍ3）は６．０９９である。なお、本発明では、振動子の長さは３０ｍｍ、接触子は０．５ｍｍ径のピン形（２ｍｍ径のピン台付き）とし、静止保持力は６Ｎであり、繰返し往復動作における合計駆動距離１００Ｋｍ〜３００Ｋｍまで試験した。これに対し、図２の従来例の場合は振動子長さ３０ｍｍ、接触子径０．８ｍｍのピン形（２ｍｍ径のピン台付き）、静止保持力は１０Ｎであり、駆動距離２００Ｋｍ〜８００Ｋｍまで試験した。図３の例では、振動子長さ、接触子径は図２の場合と同様であるが、押付けバネ力は２０Ｎ、静止保持力は１５Ｎ、被動部材の面粗さＲａを０．０５μｍの鏡面とした。
【００２８】
図１で駆動開始の立上がり時の速度、共振周波数の変化が急峻であるのは、立上がり時に接触子と被動部材の接触する面と面がなじむ時間が必要なためであり、この問題は製造後にエージングを施すことで解消できる。
【００２９】
これらの図を比較しても分かるように、本発明の場合は移動速度、共振周波数とも駆動距離の全域にわたって一定で安定した動きとなるが、図２の従来例では速度のばらつきが見られ、また共振周波数も移動距離１〜３００Ｋｍの間で大きなばらつきが見られる。本発明の場合、駆動距離１０００Ｋｍでの接触子の摩耗量は５μｍであり、従来と比べると極めて微少である。被動部材側の摩耗は、これよりさらに小さく、殆ど測定不可能である。なお、共振周波数はインピーダンスの変化として測定したものであり、摩耗が大きいと値がふらつく。図２の従来例共振周波数のばらつきが大きいのは摩耗が大きいためと推察される。図３の例でも、駆動距離２００Ｋｍ〜１０００Ｋｍの範囲で共振周波数の大きなばらつきが見られる。
【００３０】
次に、本発明の実施例に係る超音波駆動機構における被動部材を構成するアルミナジルコニアの抗折強度（ＭＰａ）および焼成時の反り量（ｍｍ）について行った種々の実験結果を、図４および図５を参照して説明する試料として用いたアルミナジルコニアは、
Ａ：アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）９５質量％と部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ2）５質量％の割合で混合して（焼結助剤を使用せず）焼成したもの、
Ｂ：アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）９４質量％と部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ2）５質量％の割合で混合し、前記焼結助剤を１質量％として焼成したもの、
Ｃ：アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を９２質量％、部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ2）を５質量％で前記焼結助剤を３質量％としたもの、
Ｄ：アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を９０質量％、部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ2）を５質量％、前記焼結助剤を５質量％としたもの、をそれぞれ用いた。
以上のＡ〜Ｄに対して焼成温度を１５００℃、１５３０℃および１５８０℃としたときの抗折強度（ＭＰａ）を測定した。図４に示す測定結果によれば、上記Ａの助剤０％および上記Ｂの助剤１質量％の前記Ｂのものが抗折強度に優れ、かつ焼成温度１５００℃〜１５３０℃の範囲で良好な値を示した。ただし、助剤０質量％では反りが大きく、実際上、助剤を用いないで焼成することは難しいため、上記Ｂのものが最も良好である。
【００３１】
図５は上述の試料Ａ〜Ｄについて焼成温度１５３０〜１５６０℃で焼成した際の６インチ（１５．２４ｃｍ）当りの最大反り量（ｍｍ）を示した図である。この図から、助剤１〜５質量％のＢ〜Ｄのものが焼成時の反り量（最大値）が少ないことが分かる。これらの結果から、本発明の被動部材として、上述のＢの組成、すなわち９４質量％のアルミナと５質量％の部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ2）の混合物に焼結助剤を１質量％添加したものが抗折強度が高く、かつ焼成時の反り量も小さいことが分かる。したがって本発明では被動部材として上述の助剤を１質量％とした組成Ｂのアルミナジルコニアを用いるのが最も好ましい。
【００３２】
次に、アルミナジルコニアの部分安定化ジルコニアの含有量（部分安定化ジルコニア置換量）を変えた場合の、抗折強度および熱伝導率の変化について図６および図７を参照して説明する。図６はアルミナジルコニアの部分安定化ジルコニア置換量と抗折強度との関係を示した図である。焼成温度は、１５５０℃の場合である。この測定結果から、部分安定化ジルコニア置換量５質量％以上で抗折強度が約７００ＭＰａの一定値を示すことがわかる。また、アルミナジルコニアのジルコニア置換量と熱伝導率との関係については、図７に示すように、比表面積７．８ｍ2／ｇ、平均粒径０．５２μｍの部分安定化ジルコニアの場合、部分安定化ジルコニア置換量が増加するにつれて熱伝導率が低下する。熱伝導率の評価をしているのは、摩擦熱の放熱性を評価しており、熱ドリフトの小さな駆動装置を提供するためである。以上の結果から、本発明に係るアルミナジルコニアとしては、アルミナ９４質量％とジルコニア５質量％を混合し、かつ、これに焼結助剤１質量％を加えて焼成した焼結体とするのがよい。
【００３３】
本発明における振動子側の接触子および被動部材の接触部材は鏡面仕上げとなるように研磨される。表面粗さＲａが０．３程度の未研磨の状態では振動子先端の接触子の摩耗が激しく、動きが安定しなくなる。したがって、安定した動作を得るために、本発明では前記接触子の表面粗さＲａをＲａ＜０．０５の鏡面仕上げ研磨とし、被動部材の表面粗さＲａをＲａ＜０．０４の鏡面仕上げとすることで、被動部材の材質と併せて該被動部材の摩耗を防止している。
【００３４】
次に、本発明の実施例に係る超音波駆動機構の超音波モータにおける振動子先端の摩耗状態について図８および図９を参照して説明する。図８、図９の実施例では振動子１の先端に円柱形のピン台５が固着され、ピン台５の先端に被動部材と摩擦接触する円柱形のピン形接触子６が設けられている。このピン形接触子６は横断面が軸方向に沿って同一の外径をなす円柱形に形成されている。本発明では既に述べたように超音波モータの接触子を被動部材（アルミナジルコニア）よりも摩耗性の大きい材料（部分安定化ジルコニア）としており、被動部材よりも接触子の方が摩耗する。被動部材との摩擦接触で接触子６が摩耗して図９に示すように初期状態（ａ）から（ｂ）、（ｃ）へと摩耗が進んでいっても長さが減少するだけで被動部材との接触面積は変わらず、これにより、初期動作が持続して安定した速度、推力、共振周波数が保たれる。
【００３５】
接触子６を固着したピン台５は円柱形に限定されるものではなく、角柱形であってもよい。また、ピン形の接触子６もその横断面が矩形状の角柱であってもよい。図１０は角柱形のピン形接触子７の拡大平面図であり、この場合は、角柱の４側部７ａがＲ面取りが施されている。この実施例における角柱の一辺の長さは前述した円柱形のピン形接触子の直径とほぼ同じでよい。また、角柱形の場合もピン長さは２ｍｍ以下が好ましい。角柱形の稜部にＲ面取りがなされない場合は、摩擦接触中に稜部でチッピングが起こり、この部分で摩耗が加速され、初期動作を維持するのが困難になるが、稜部の面取りにより、このような問題の起きる心配はなくなる。
【符号の説明】
【００３６】
１  振動子
２  被動部材
３  接触子
４  ガイド
５  ピン台
６  ピン型接触子
７  角柱形のピン形接触子
【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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