(57)【要約】【課題】過剰仕様を避けながら現実的に要求される性能を満足できる電動リニアアクチュエータを提供する。【解決手段】小形ＤＣモータ１でネジ棒２を回転させ、ネジ棒２に螺合させたナット４を直線移動させる電動リニアアクチュエータであって、モータ１の出力軸とネジ軸２の入力端とがカップリング３で結合されており、カップリング３の内部には、磁石６が内蔵され、カップリングの外周に沿わせて、リードスイッチ７が配置されているカップリング３は、ネジ棒側端面に円錐形穴の支持凹部３ａが形成されており、ネジ棒は、そのカップリング側端面が円錐形突部の支持凸部２ａが形成され、その他端面に円錐形穴の受け凹部２ｃが形成されており、受け凹部２ｃに押し付け付勢されるボールプランジャ９がアクチュエータフレームに取付けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータでネジ棒を回転させ、該ネジ棒に螺合させたナットを直線移動させる電動リニアアクチュエータであって、
前記モータが、小形直流モータであり、
該モータの出力軸と前記ネジ軸の入力端とがカップリングで結合されており、
該カップリングの内部には、磁石が内蔵され、
該カップリングの外周に沿わせて、リードスイッチが配置されている
ことを特徴とする電動リニアアクチュエータ。
【請求項２】
前記カップリングは、ネジ棒側端面に円錐形穴の支持凹部が形成されており、
前記ネジ棒は、そのカップリング側端面が円錐形突部の支持凸部が形成され、その他端面に円錐形穴の受け凹部が形成されており、
前記受け凹部に押し付け付勢されるボールプランジャがアクチュエータフレームに取付けられている
ことを特徴とする請求項１記載の電動リニアアクチュエータ。
【請求項３】
前記ナットが、ナット体に、その半径方向の割りを入れたものである
ことを特徴とする請求項２記載の電動リニアアクチュエータ。
【請求項４】
前記ネジ棒に沿って配置されたガイド板と、
前記ナットに係合し、前記ガイド板で案内されて直線移動する移動台とを備えており、
前記移動台において、前記ガイド板に対面する部位には、ボール付ネジを取付けており、該ボール付ネジのボールが前記ガイド板に接触した状態で、該移動台が走行する
ことを特徴とする請求項２記載の電動リニアアクチュエータ。
【請求項５】
前記ボール付ネジおよび前記ボールプランジャの代りに、ピン付ネジを用いた
ことを特徴とする請求項４記載の電動リニアアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動リニアアクチュエータに関する。さらに詳しくは、低速で動き、位置決め精度が１ｍｍ以内であれば許容される状況に好適な電動リニアアクチュエータに関する。また、本発明の電動リニアアクチュエータは、あらゆる技術分野で利用でき、特定の分野に制限されない。
【背景技術】
【０００２】
往復動作する電動リニアアクチュエータの開発トレンドは、高度成長期の規格品大量生産から多品種小量生産を経て、今日の適応型複合生産に至るまで、制御の多様化と高精度化を可能とする試みの連続であった。
主な技術開発項目を列挙すると、以下のようである。
（イ）制御性の高いサーボモータやステッピングモータの適用による制御内容の複雑化、高度化の達成。
（ロ）制御プログラムの開発と機械部品の組立精度の精細化による位置制御の高精度化。
（ハ）移動部分におけるガタのない嵌め合いと高精度ベアリングの適用による機械装置の強度と位置制御の高精度化。
【０００３】
上記のトレンドは、産業界も学会も含めた世の中全体の開発方向に沿ったものであり、このような高度化は疑いなく善とされているのが、現時点での技術常識である。
したがって、通常は、上記のような高度化設計が意識するとしないとに拘らずなされるのであり、それゆえ高精度部品（サーボモータや高精度ベアリング）を当たり前のように採用している。そして、それが仮に高コストを招いたとしても、それは許容すべきものと考えるか、あるいは高コスト化した原因であるとの認識さえもないまま放置されているのが現状である。
【０００４】
ところで、モータにより部材を直動させる往復動機構は、技術分野を問わず多用されており、電動リニアアクチュエータの基本構成は、モータでネジ棒を回転させ、ネジ棒に螺合させたナットまたは筒部材を往復動させるものである。
これらの電動リニアアクチュエータの先行技術も、上記トレンドに沿ったものであり、多数あるなかの幾つかは、次のような内容を特徴としている。
【０００５】
特許文献１、２は、制御性が高く、回転数検出機能を内蔵しているサーボモータを用い、高い位置決め精度を保証するため、ねじ軸の支持にベアリングを用いたものである。
特許文献３は回転数制御機能により高い位置決め精度を得るためステッピングモータを用いている。ねじ軸はベアリングで支持されている。
【０００６】
特許文献４、５はＤＣモータを用いたもので、サーボモータ等を用いるものよりは制御性は劣るものの、ねじ軸等の支持にはベアリングを用いており、特許文献１、２の機構よりは低いランクながら高度化トレンドに合うものである。
【０００７】
また、上記従来技術は、いずれも回転部分や直動部分が高い組立精度で組付けられたものである。したがって、本質的に粉塵が排除された環境で使うことが想定されており、ケーシングあるいはハウジングで厳重に保護されている。このため、小型の装置として使用する場合は大きな支障はないが、ストローク等を長大化した装置ではハウジングも大きく長くなるので重量が嵩張り裾付けに余分なスペースが必要となる。しかるに、粉塵の多い環境下では、ハウジングを装備しないままであると、少しでも粉塵が混入すると回転部分は動作不良となるので使用に耐えることはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−２２２２２８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２３２７７号公報
【特許文献３】特開２０００−９２８１１号公報
【特許文献４】特開２００５−２６１０２９号公報
【特許文献５】特開２００８−８４２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、現在の技術トレンドの中では非常識ともいうべき発想の転換により完成されたものである。その課題は、過剰仕様を避けながら現実的に要求される性能を満足できる電動リニアアクチュエータを提供することを目的とする。また、現状ではさほど注目されていない製造コストを大幅に下げることも可能な電動リニアアクチュエータ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】
【００１０】
第１発明の電動リニアアクチュエータは、モータでネジ棒を回転させ、該ネジ棒に螺合させたナットを直線移動させる電動リニアアクチュエータであって、前記モータが、小形直流モータであり、該モータの出力軸と前記ネジ軸の入力端とがカップリングで結合されており、該カップリングの内部には、磁石が内蔵され、該カップリングの外周に沿わせて、リードスイッチが配置されていることを特徴とする。
第２発明の電動リニアアクチュエータは、第１発明において、前記カップリングは、ネジ棒側端面に円錐形穴の支持凹部が形成されており、前記ネジ棒は、そのカップリング側端面が円錐形突部の支持凸部が形成され、その他端面に円錐形穴の受け凹部が形成されており、前記受け凹部に押し付け付勢されるボールプランジャがアクチュエータフレームに取付けられていることを特徴とする。
第３発明の電動リニアアクチュエータは、第２発明において、前記ナットが、ナット体に、その半径方向の割りを入れたものであることを特徴とする。
第４発明の電動リニアアクチュエータは、第２発明において、前記ネジ棒に沿って配置されたガイド板と、前記ナットに係合し、前記ガイド板で案内されて直線移動する移動台とを備えており、前記移動台において、前記ガイド板に対面する部位には、ボール付ネジを取付けており、該ボール付ネジのボールが前記ガイド板に接触した状態で、該移動台が走行することを特徴とする。
第５発明の電動リニアアクチュエータは、第４発明において、前記ボール付ネジおよび前記ボールプランジャの代りに、ピン付ネジを用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１発明によれば、モータの回転に応じて磁石がリードスイッチに対面した時のタイミングでパルス信号を発生させることができる。このため、安価な小形直流モータを用いても、パルス信号をカウントすることによりモータによって回転されるネジ棒上を移動するナットの移動位置を制御することができる。よって、高価なサーボモータを用いることなく、位置決め制御が可能なリニアアクチュエータを構成できる。
第２発明によれば、ボールプランジャの押し付け付勢力でネジ棒をモータ側に押し付けると、ボールプランジャのボールはネジ棒の受け凹部に嵌り、ネジ棒のカップリング側の支持凸部がカップリングの支持凹部に嵌ってネジ棒が支持される。そしてネジ棒の受け凹部とボールプランジャ間の相対回転はボールプランジャのボールが回転することで吸収される。このためベアリングを用いることなくネジ軸を回転自在に支持できるので、安価な装置となる。また、ボールプランジャのボールがネジ棒の受け凹部に嵌ることで、ネジ棒の回転軸としての芯出しが簡単に行える。このため、製造コストを安価に抑えながら動作精度の高いアクチュエータが得られる。
第３発明によれば、ナットに半径方向の割りが入っていることにより、ナットのネジ溝とネジ棒のネジ溝との間の隙間が広がるので、塵挨等が浮遊する悪環境下でも詰りが生じない。また、既存のナットを使えるので、安価な装置となる。
第４発明によれば、ボール付ネジのボールがガイド板の表面に接触していることで、ガイド板の外表面と移動台の内表面との間に隙間が確保され、粉塵の堆積によっても詰りが生じない。また、ボール付ネジのボールは移動台の内表面に対し点接触なので走行抵抗が小さくなり、駆動源であるモータに対し大きな負荷をかけない。
第５発明により、ボール付ネジの代りにピン付ネジを用いても、移動台の走行時の摩擦低減および上下左右方向の位置決めが行え、またボールプランジャの代りにピン付ネジを用いてもネジ棒の回転軸としての芯出しを容易に行い、かつその回転を支持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る電動リニアアクチュエータＡの側面図である。
【図２】（Ａ）は図１の電動リニアアクチュエータＡの底面図、（Ｂ）は同右側面図である。
【図３】図１の電動リニアアクチュエータＡの分解図である。
【図４】（Ａ）はカップリング３とネジ軸２の斜視図、（Ｂ）はカップリングの縦断面斜視図である。
【図５】（Ａ）はボールブランジャ９とネジ棒２の斜視図、（Ｂ）はネジ軸２の他端部の断面図である。
【図６】ナット４と移動台５の斜視図である。
【図７】（Ａ）は移動台５の組立て前の状態説明図、（Ｂ）は組立て状態での正面図である。
【図８】ピン付きネジ８の側面図である。
【図９】電動リニアアクチュエータＡの一利用形態の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１および図２に基づき、本実施形態に係る電動リニアアクチュエータＡの基本構造を説明する。
【００１４】
１はモータ、２はネジ軸で、モータ１の出力軸とネジ軸２とはカップリング３で連結されている。ネジ軸２にはナット４が螺合されており、ナット４には移動台５が係合している。１０は、ガイド板でネジ軸２の長手方向に延びている。ガイド板１０の適所には、ネジ棒等を支持する基板１１が２枚取付けられている。
上記の構造に基づき、モータ１を回転させると、ネジ棒２が回転し、ネジ棒２の回転に基づきナット４がネジ棒２の軸方向に移動して、移動台５を直線移動させることができる。これが、本発明における基本構造である。
【００１５】
なお、図２において、１２は基板１１の両側面に取付けられた取付板である。この取付板１２は各種の機械設備に電動リニアアクチュエータＡを取付けるための部材である。
また、１７はナット４の移動ストロークを規制するスペーサである。１４は、ゴム製のストッパである。図ではスペーサ１３側の１個のみ示しているが、反対側の端部にも取付けることがある。
【００１６】
上記電動リニアアクチュエータＡにおいて、モータ１は小形直流モータが用いられている。本明細書にいう直流モータには、（イ）整流子・ブラシ付きと（ロ）整流子・ブラシなしの２タイプがあり、前者（イ）には巻線界磁形と永久磁石形とがある。これらの直流モータの中で小形のモータは界磁に永久磁石を用いており、寸法が小さく、起動トルクが大きいという利点があり、制御用に多く用いられているが、とくに安価な点で利用価値が高いものである。
【００１７】
図３および図４に示すように、カップリング３は、その外周面に永久磁石６を１個または２個を取付けている。カップリング３の外側空間であって、取付板１２やガイド板１０等の適宜のフレームには、リードスイッチ７が取付けられている。永久磁石６とリードスイッチ７は一種の近接スイッチを構成しており、リードスイッチ７は永久磁石６が接近して通過する度に１回のスイッチング動作を行う。図示の本実施形態では、カップリングの外周面における中心対称の位置に２個の永久磁石６を取付けているので、１回転につき、リードスイッチ７が２回のスイッチング動作を行うことができる。
【００１８】
永久磁石６とリードスイッチ７によるスイッチング動作は、カップリング３が回転する度に、パルス信号を発信できる。このため、高価なサーボモータを用いなくても、安価な小形直流モータで、パルス信号数に基づく位置制御を行うことができる。
【００１９】
つぎに、ネジ軸２の支持構造を説明する。
図３および図４に示すように、ネジ棒２の一端、つまりカップリング側端面は円錐形の突部に形成されており、これが支持凸部２ａとなっている。一方、カップリング３のネジ棒側端部には円錐形の穴が形成されており、これが支持凹部３ａとなっている。
【００２０】
ネジ棒２の支持凸部２ａはカップリング３の支持凹部３ａに嵌って支持される。
支持凹部３ａの円錐角度は４５°が好ましく、支持凸部２ａの円錐角度は４０°が好ましい。このように、支持凹部３ａの円錐角が少し大きいと、支持凸部２ａと支持凹部３ａの嵌め合いは、軸線の多少の交差を許容するので、ユニバーサルジョイントとしての機能を代替することができる。
【００２１】
ネジ棒２の支持凸部２ａの近傍には、ピン２ｅが直径方向に貫通させて取付けられている。カップリング３のネジ棒端面には、前記ピン２ｅが嵌る横溝３ｅが形成されている。支持凸部２ａが支持凹部３ａに嵌っている状態で、ネジ軸２側のピン２ｅがカップリング３側の横溝３ｅに嵌ると、カップリング３の回転トルクをネジ軸２に伝達して、ネジ軸２を回転させることができる。
【００２２】
カップリング３のモータ側端面には、モータ１の主軸を貫入させる軸孔３ｃが形成され、軸孔３ｃには半径方向からの小さなネジ孔３ｄが形成されている。主軸と軸孔３ｃは一般的によくある平坦面を有する非円形なので、トルク伝達可能であるが、抜け止め防止のために、このネジ孔３ｄに止めネジを螺合させることができるようになっている。
【００２３】
図１および図３に示すように、ネジ棒２の他端はボールプランジャ９で支えられるようになっている。ボールプランジャ９は図５に示すように、短い円筒体のネジ体９ａとその内部に挿入れたボール９ｂからなる。ボール９ｂはネジ体９ａ内に形成された凹所に嵌められ、飛び出ないように挿入されている。そして、ボール体９ｂの一部（半分以下の部分）がボール体９ｂの端面から飛び出ている。
【００２４】
ボール体９ｂは外周に雄ネジが形成されているので、図１に示すように、基板１１に形成された雌ネジ孔に螺合させ、かつナット１３で締め付けると落下不能に固定される。また、ボールプランジャ９の軸方向の取付け位置、すなわちネジ棒２の長軸方向における取付位置は、ボール体９ｂの雌ネジ孔に対するねじ込み量を可減することで調整できる。
【００２５】
ネジ棒２の他端、すなわちボールプランジャ側端部には円錐形の穴に形成されており、これが受け凹部２ｂとなっている。
組立て状態においては、図１および図２に示すように、ボールプランジャ９のボール９ｂがネジ棒２の受け凹部２ｂに押し込まれ、その押し込み力によって、ネジ軸２の一端側の支持凸部２ａがカップリング３の支持凹部３ａに押し込まれる。このような状態で、ネジ棒２は落下不能、かつ回転自在に支持される。このように、ボールプランジャ９の押し込みのみで、ネジ棒２とカップリング３の軸芯合わせを行えるので、ネジ棒２の回転軸としての芯出しと組立て作業が容易に行える。このため、製造コストも安く抑えることもできる。
【００２６】
ネジ棒２の一端側における支持凸部２ａとカップリング３の支持凹部３ａによる支持はベアリングを用いない支持構造である。また、ネジ棒２の他端における受け凹部２ｂとボールプランジャ９による支持もベアリングを用いない支持構造である。
この支持構造において、カップリング３の支持凹部３ａとネジ軸２の支持凸部２ａの間には相対回転はない。ピン２ｅと横溝３ｅで回転方向には拘束された状態である。このためカップリング３からネジ軸２に回転トルクが伝わるのであるが、ネジ軸２の他端側では、プランジャ９のボール９ｂが回転することでネジ軸２の回転が許容される。プランジャ９のボール９ｂの回転は、ネジ軸２の受け凹部２ｂに対する回転とプランジャ９内での回転とがあるが、両方の回転によってネジ軸２の回転が許容されている。
このため、本実施形態の電動リニアアクチュエータＡにおいては、高価なベアリングを用いる必要がなく、この点からも製造コストを安く抑えることができる。
【００２７】
ネジ棒２は、どのようなネジの種類を用いてもよいが、台形ネジであると安価となる。なお、ネジのリードは、１回転で１〜３ｍｍ程度であると、リードスイッチ７による制御精度とマッチするので好ましい。
【００２８】
図１〜図３に示すナット４は、工業用品として汎用されているナットを用いたものである。ナット４の外形は、丸でも四角でも六角でもよい。このナット４は、図６に示すように、ナット体４ａに半径方向の割り４ｂを入れたものである。割り４ｂを入れたことで、ナット４の雌ネジ溝とネジ棒２の雄ネジ溝との間に適度な大きさの隙間ができる。この隙間は、微細粉が浮遊する環境下でも目詰まりせずに使用できる耐性を与えることができる。
【００２９】
図３および図６に示すように、ナット４の両側には、溝４ｃが形成されている。移動台５のベース部材は、基板５ａと係止片５ｂからなる１枚物の板材である。側面視において、基板５ａは水平に位置し、係止片５ｂは基板５ａの一端から下垂している。係止片５ｂは２枚の舌片からなり、この係止片５ｂがナット４の溝４ｃに係合する。このため、ナット４の移動に伴って移動台５が移動することとなる。
したがって、図１〜２に示すように、係止片５ｂがナット４に係合した状態で、ネジ棒２の正逆回転によりナット４が往復移動すると、移動台５もナット４と共に往復移動する。
【００３０】
図６および図７（Ａ）に基づき、移動台５の詳細を説明する。
移動台５の基板５ａの４隅には雌ネジ孔５ｃが形成されている。基板５ａの上面には２本のピアノ線１４が渡し掛けられており、後述する横ガイド１５と共にネジ結合されるようになっている。
このピアノ線１４は、ガイド板１０の底面との間に隙間を確保すると共に、ガイド板１０の底面に接触して摩擦抵抗を低減させる部材である。このピアノ線を用いて隙間を作ると、粉塵の堆積による詰りを防止し、かつ移動台５の上面がガイド板１０の底面に接触する場合よりも摩擦を小さくすることができる。
【００３１】
横ガイド１５は角棒状の部材であって、２本が移動台５の基板５ａにおいて左右両側面に取付けられる（図６では横ガイド１５は１本のみ図示）。
２本の横ガイド１５には、横向きにボール付ネジ１６が取付けられている。このボール付ネジ１６はネジ体とボールからなる。ボールは、横ガイド１５の内側の側面から少し突出するようになっている。このボールは球状面がガイド板１０の端面に接触して、移動台５の左右方向の振れを防止すると共に走行中の摩擦抵抗を低減する。
【００３２】
図６に示すように、２本の横ガイド１５の上面には取付板２１が取付けられる。取付板２１は平板部２１ａと垂直に立上った取付部２１ｂとからなる。平板部２１ａには４ヵ所のビス孔２１ｃが形成され、４本のビス２２が挿入できるようになっている。
この平板部２１ａにも、ボール付ネジ１６が取付けられ、そのボールは下面に突出している。
【００３３】
これらのボール付ネジ１６はガイド板１０の表面に接触して、移動台５の内面、すなわち横ガイド１５の内面と取付台２１の内面との間に隙間を確保しつつ、粉塵の堆積による詰りを防止することができる。
【００３４】
図７（Ｂ）に示すように、移動台５は組立てられた状態では、ガイド板１０の下面にはピアノ線１４が接触し、ガイド板１０の両側面と上面にはボール付ネジ１６のボールが接触するので、走行抵抗が小さく非常にスムースな移動が可能となる。また、上下方向も左右方向もブレが生じないようにガイドされているので、移動台５の走行姿勢が安定する。
【００３５】
取付板２１の取付部２１ｂには、どのような機器でも取付けることができるが、たとえばセンサＣなども代表的な取付け例である。センサＣを使う場合、使用位置に移動させた状態での設置位置が重要であるが、本実施形態では、移動位置精度が実用上充分に高いので、センサの検出精度が安定する。
【００３６】
図１に戻って、本実施形態に係る電動リニアアクチュエータＡの使用方法を説明する。モータ１を正逆回転させると、ナット４が右または左に動いて移動台５上のセンサＣも同方向に移動する。一方の端に動いてナット４がストッパ４に当るとモータ１に過電流が流れるので、その過電流を検出としてモータ１を停止させるか逆転すると、停止制御も往復動制御も行える。また、過電流の検出位置をスタート位置とすることもできる。
さらに、移動途中での任意の場所での停止は、リードスイッチ７のパルス信号をカウントすることで移動距離を把握できるので、実用上充分な精度での位置制御が行える。
【００３７】
（他の実施形態）
前記実施形態では、ネジ棒２の支持部材としてボールプランジャ９を用い、移動台５の摩擦低減部材としてピアノ線１４、ボール付ネジ１６を用いたが、これらの代りに、図８に示すピン付ネジを用いてもよい。
同図に示すピン付ネジ８は、ネジ体８ａと、その一端に形成された円錐形のピン８ｂとが一体に形成された部材である。
このピン付ネジ８のピン８ｂをネジ棒２の受け凹部２ｂに押し込んで、ネジ棒２を支することができ、また、ピン付ネジ８のピン８ｂをガイド板１０に接触させて、移動台５を低摩擦で移動でき、かつガイド板１０に対し上下左右の嵌め合い位置を不動に規制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
図８は、本発明の電動リニアアクチュエータＡをウエブガイド用のセンサとして使用した使用例を示している。
Ｗ１はウエブで、図では一部しか示していないが、原反ロールから引き出されて、帯状に長く延びている。このウエブＷ１には走行途中で印刷その他の処置が施され、最終的には製品ロールに巻き取られるか枚葉紙として切断され積み重ねられる。
【００３９】
このような工程の間、ウエブが幅方向に片寄ると、ウエブ走行中の処置にズレが生じたり、最終巻取り等に支障が生ずるので、ウエブの片寄りの補正を行わなければならない。このような片寄り補正には、まずウエブＷ１の片寄りを検出する必要がある。図中のＣはそのような目的で使用するウエブ端検出センサである。
【００４０】
ところで、ウエブは幅広のものＷ１も幅狭のものＷ２のものもあり、ウエブの幅員が変る度にセンサＣの位置を変更しなければならない。
本発明の電動リニアアクチュエータＡは、このようなセンサＣの移動用に適している。
上記のようなウエブ走行設備では、ウエブの幅変えは、数日〜数週間に一度のパターンであり、幅変えがあったときのセンサＣの移動も低速で足りる。本発明の電動リニアアクチュエータＡは、このような時々作動し、走行速度も低速で足りる環境に好適である。
【００４１】
またウエブが紙である場合は、微細な紙粉が浮遊するが、このような微細粉がふり積もっても、本発明の電動リニアアクチュエータＡでは、ナット４はネジ溝間の隙間が大きく、ベアリングを用いてないので、詰りも生じない。
さらに、センサＣの取付台５の内側も上下左右に隙間があるので、紙粉の堆積によっても詰りが生ずることもない。
【符号の説明】
【００４２】
１  モータ
２  ネジ軸
３  カップリング
４  ナット
５  移動台
９  ボールブランジャ
１０  ガイド板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2013002627.tif 000006
【図５】
2013002627.tif 000007
【図６】
2013002627.tif 000008
【図７】
2013002627.tif 000009
【図８】
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【図９】
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