(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台に圧電素子を設け、該圧電素子に、ばね部を有するキャップを被せると共に、該キャップの下端部を該基台に気密に接合せしめた密封式精密微動装置であって；
該キャップの下端部の内面が、該基台の側面に形成された突起状のリング部に溶接手段により接合され、
前記キャップは、鍔部のないキャップであり、
該圧電素子が、その両端を直接挟み込む予圧調整ブロックにより予圧力を付与され、
該予圧調整ブロックの頭部には、前記キャップのばね部に嵌着されるボールジョイントの球体が設けられていることを特徴とする密封式精密微動装置。
【請求項２】
基台が、円柱状、又は、円錐台状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の密封式精密微動装置。
【請求項３】
溶接手段が、電気溶接、シーム溶接、又は、レーザービーム溶接のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の密封式精密微動装置。
【請求項４】
予圧調整ブロックが、ばね部と、胴部と、該胴部の両端に形成され、該圧電素子の両端面に係止される頭部及び底部と、から構成されていることを特徴とする請求項１記載の密封式精密微動装置。
【請求項５】
ばね部が、頭部、胴部、又は、底部に設けられていることを特徴とする請求項４記載の密封
式精密微動装置。
【請求項６】
基台に圧電素子を設け、該圧電素子に、ばね部を有するキャップを被せると共に、該キャップの下端部を該基台に気密に接合せしめた密封式精密微動装置であって；
該キャップの下端部の内面が、該基台の側面に形成された突起状のリング部に溶接手段により接合され、
前記キャップは、鍔部のないキャップであり、
該圧電素子が、その両端を直接挟み込む予圧調整ブロックにより予圧力を付与され、
該予圧調整ブロックの頭部には、前記キャップの蓋部に設けられた受部に圧接するボールジョイントの球体が設けられていることを特徴とする密封式精密微動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、密封式精密微動装置に関するもので、光ファイバ用接合装置、磁気ヘッド加工用ダイシング装置、半導体用露光装置などのＸＹステージに利用される。
【０００２】
近年、光通信の高度化に伴い長距離伝送しても損失が低い光ファイバが要求されるが、この様な光ファイバを作るためには、光ファイバのコア同士を接合する時にサブミクロン領域（１μｍ以下）の位置決め精度が必要となる。
【０００３】
そこで、この要求を満たすために次のような精密位置決め装置が用いられている。即ち、
有底筒体内に圧電素子を収納し、その先端に出力軸を固着するとともに、該出力軸を前記筒体先端に被せたキャップから摺動自在に突出させ、該キャップと出力軸のばね係止部との間にコイルばねを介在せしめた精密位置決め装置。（特開平４−１６５６８３号参照）
【０００４】
従来の位置決め装置では、圧電素子の出力部材がキャップを貫通する構造となっているので、軸摺動部の密封が完全でなく長期間の高湿環境では空気中の水蒸気の侵入を遮断できない。そのため、圧電素子がショートすることがある。
【０００５】
そこで、圧電素子が金属ケースと金属部材及びガラス端子によって封止された圧電アクチュエータが用いられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来例では、金属ケースの外周に設けた鍔状取付部と、金属部材の外周に設けた鍔状取付部から一定寸法だけ突出させて環状に設けた突起部がつき合わされ、前記突起部が一定寸法だけつぶされ溶接されている。
しかし、この様な接合方法では金属ケースと金属部材とに鍔が必要となるので、この鍔の存在により大幅な小型化は困難となる。
又、圧電素子が伸縮すると、接合部にたわみ応力が働くので、該接合部が破断し、シール漏れする恐れがある。
【０００７】
この発明は、上記事情に鑑み、基台とキャップとの接合部の破断を防止すると共に、簡単に正確な予圧力を付与出来るようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、基台に圧電素子を設け、該圧電素子に、ばね部を有するキャップを被せると共に、該キャップの下端部を該基台に気密に接合せしめた密封式精密微動装置であって； 該キャップの下端部の内面が、該基台の側面に形成された突起状のリング部に溶接手段により接合され、前記キャップは鍔部のないキャップであり、該圧電素子が、その両端を直接挟み込む予圧調整ブロックにより予圧力を付与され、該予圧調整ブロックの頭部には、前記キャップのばね部に嵌着されるボールジョイントの球体が設けられていることを特徴とする密封式精密微動装置、である。
【０００９】
この発明は、 基台に圧電素子を設け、該圧電素子に、ばね部を有するキャップを被せると共に、該キャップの下端部を該基台に気密に接合せしめた密封式精密微動装置であって； 該キャップの下端部の内面が、該基台の側面に形成された突起状のリング部に溶接手段により接合され、前記キャップは、鍔部のないキャップであり、該圧電素子が、その両端を直接挟み込む予圧調整ブロックにより予圧力を付与され、該予圧調整ブロックの頭部には、前記キャップの蓋部に設けられた受部に圧接するボールジョイントの球体が設けられていることを特徴とする密封式精密微動装置、である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
密封式精密微動装置の圧電素子は金属部材で形成した基台に固定され、該基台には前記圧電素子を覆うキャップが固定されている。
このキャップの下端部の内面は、基台の側面に気密に接合されている。この両面を接合する場合には、電気溶接、シーム溶接、又は、レーザービーム溶接などの接合手段を用い、基台の側面とキャップの下端部内周面とを溶接する。この溶接の場合には、前記両面のいずれか一方の面にリング部を形成し、該リング部を他方の面でつぶして溶接してもよい。
【００１１】
この圧電素子に圧縮力を加えるため予圧調整ブロックを用いても良い。この予圧調整ブロックは、板ばねタイプであり、ばね材であるリン青銅、ステンレス、鋼材などにより方形状に形成され、頭部と底部及び該両部を連結する胴部とを備えている。
【００１２】
その頭部にはばね部が設けられ、底部は対向する一対の係止片から構成されている。胴部は圧電素子の伸縮方向の長さより少し短く、例えば、０．１〜０．３ｍｍ短く形成されている。
【００１３】
この予圧調整ブロックを圧電素子に被せ、該ばねの頭部と底部とにより圧電素子の両端を直接挟み圧縮力を与える。
この予圧調整ブロックの形状、板厚、板幅などは、ばね力などを考慮して適宜選択でき、例えば、頭部と底部とをそれぞれ対向する一対の係止片から構成したり、頭部及び底部をそれぞれ一対の係止片に分割することなく、一体にしてもよい。又、圧電素子の側面に該ばねの胴部を密着させセンターリングしやすくするが、必ずしもこの様にする必要はなく両者を離してもよい。
【００１４】
予圧調整ブロックのばね部は、必要に応じて適宜な位置に形成され、例えば、胴部や底部又は頭部及び底部に形成される。
このばね部の形状も必要に応じて適宜選択され、例えば、半円形、４分の３円形、く字状等が採用される。又、胴部にばね穴を設けてばね部とすることもできる。
【００１５】
この圧電素子２の予圧力を変える場合には、予圧調整ブロックの予圧力を変える、即ち、予圧調整ブロックを必要なばね力を有する予圧調整ブロックに交換すればよい。
【００１６】
【実施例１】
この発明の第１実施例を図１〜図４により説明する。精密微動装置Ｓは、基台１に固定された圧電素子２と、該圧電素子２に被せられた予圧調整ブロック３と、該基台１に固定され、かつ、前記圧電素子２を密封するキャップ５と、から構成されている。
【００１７】
基台１は、金属部材などにより形成した円柱状体であり、該圧電素子２のプラスとマイナスのリード線に半田付けされる電流導入端子（図示しない）が設けられている。該基台１の上面にはキャップ５と、予圧調整ブロック３を被った圧電素子２と、が固定されている。また、その側面１Ｇには突起状のリング部１Ｒが設けられている。
【００１８】
この圧電素子２は、圧電、電歪、磁歪などの素子を指称し、変位方向に直列に接続されている。この圧電素子２の個数は、必要に応じて適宜選択される。
この圧電素子２として、例えば、プラスとマイナスの内部電極が交互に積層し、圧電セラミック電極が一体焼成され、圧電素子端面の外部電極で直列につないだ積層型圧電素子が用いられ、予め高い直流電圧、例えば、３ｋｖ／ｍｍで分極処理されている。
【００１９】
圧電素子２の頭部２ａにはボールジョイントの球体７が設けられ、この球体７はキャップ５のばね部５ａに嵌着されている。このキャップ５は金属製で、その下端部にはフランジ部５ｂが設けられている。このキャップ５の肉厚や形状、材質等は必要に応じて適宜選択される。
【００２０】
次に本実施例の作動について説明する。圧電素子２を基台１に固着した後、該圧電素子２の上面２ａに球体７を載せ、該球体７をキャップ５のばね部５ａに嵌着しながらキャップ５を圧電素子２に被せる。
該基台１を下部電極２０に載置し、該キャップ５に切欠スリーブ２１と上部電極２５とを順次挿入する。
【００２１】
上部電極２５をキャップ５の鍔５ｂに当接させ下部電極２０に向かって押し下げると、該下部電極２０の内側傾斜面２５ａは切欠スリーブ２１の外側傾斜面２１ａを押圧するため、該切欠スリーブ２１は、内方に移動し、突起状のキャップ５のリング部５ａを押しつぶす。
【００２２】
この状態において、該電極２０、２５に電流を流すると、基台１のリング部１Ｒはキャップ５の下端部の内面５ｎに溶接され、接合部Ｙが形成される。
【００２３】
次に、キャップ５から上部電極２５、切欠スリーブ２１を順次外した後、該キャップ５に円筒状のカッタ２６を挿入するとともに、該カッタ２６を矢印方向に回転させて、カッタの刃先２６ａでフランジ部５ｂを切断する。
その後、該カッタ２６をキャップ５から外すととともに、該基台１を下部電極２０から外す。
【００２４】
従来はキャップの伸縮方向と接合面が垂直であったので、圧電素子の伸縮によりキャップの接合部に引っ張り応力がかかり、接合面で破断することがあったが、本発明の密封式微動装置ではキャップ５の下端部の内面５ｈと基台１の側面に設けられたリング部１Ｒを溶接することにより、接合面（又は接合部）がキャップの伸縮方向と同じ方向となり、圧電素子２の伸縮によりキャップが伸縮しても引っ張り応力は接合面に垂直にかからず、接合面に平行にかかるので破断しにくい。
【００２５】
圧電素子２に所定の電圧、例えば、１４０Ｖを印加すると、該圧電素子２は、矢印Ａ方向に伸長する。この時の伸び量は、例えば、４０μｍである。
【００２６】
この圧電素子２の伸長により、球体７を介して図示しない出力部材が矢印Ａ方向に移動し、被移動物を同方向に微動させる。この出力部材の移動に伴いキャップ５は引っ張られ、接合部Ｙに力がかかるが、たわみ応力は発生しない。
圧電素子２の印荷電圧をゼロにすると、該圧電素子２はゆっくりともとの長さに戻る。
【００２７】
出力部材に加わる引っ張り力が前記圧縮力より大きな場合は、キャップ５に形成されているばね部５ａと圧電素子２に固着されている球体７とが離れる。そのため、圧電素子２に引っ張り力が加わることはない。
【００２８】
該装置に圧電素子２の変位方向Ａ１と異なる方向、例えば矢印Ａ２方向からの力が加わると、該力はキャップ５を変位させるが、ボールジョイントの球体７とキャップのばね部５ａとにより吸収されるので圧電素子２に伝達されることはない。
【００２９】
【実施例２】
この発明の第２実施例を図５〜図１０により説明する。この実施例と第１実施例（図１〜図４）との相違点は、次の通りである。
（１）圧電素子に圧縮力を与えるための予圧調整ブロック３が圧電素子２に被せられていること。
予圧調整ブロック３は、板状のばね材で方形状に形成され、頭部３ａと底部３ｂと、該両部３ａ、３ｂを連結する胴部３ｃと、を備えている。
【００３０】
この胴部３ｃ、３ｃ間の長さＷ3は圧電素子２の縦幅Ｗ2より大きく形成されているが、必ずしもこの様に形成する必要はなく、その長さＷ3と幅Ｗ2とを等しく形成してもよい。
【００３１】
頭部３ａと胴部３ｃとの間には半円状のばね部３ｄが設けられているが、このばね部３ｄの形状や大きさ、ばね定数等は板厚、板幅などを変更することにより適宜変更される。例えば、ばね定数は圧電素子形状が長さ５ｍｍ、幅７ｍｍ、の場合、２０〜１５０ｋｇ／ｍｍになる様に調整され、圧電素子には、例えば、１０〜１２０ｋｇｆの圧縮力が加えられる。
【００３２】
胴部３ｃの長さＬ３は圧電素子２の長さＬ２より少し小さく形成されている。この長さＬ３は、ばね力を考慮して適宜決定され、例えば、圧電素子の長さＬ２より、０．１ｍｍ程度短く形成される。
【００３３】
底部３ｂは間隔ｔをおいて対向する一対の係止片３ｅ、３ｆからなる。この係止片３ｅ、３ｆ間の間隔ｔは必要に応じて適宜選択されるが、必ずしも間隔ｔを設ける必要はない。この予圧調整ブロック３の肉厚や横幅Ｍは必要に応じて適宜選択されるが、例えば、横幅Ｍは圧電素子の横幅Ｎと同一に形成される。
【００３４】
予圧調整ブロック３の頭部３ａには、ボールジョイントの球体７が設けられ、この球体７はキャップ５のばね部５ａに嵌着されている。このキャップ５は金属製で、その下端部の内面に溶着されている。
【００３５】
予圧調整ブロック３を圧電素子３に装着する場合は、予圧調整ブロック３の係止部３ｅ、３ｆを大きく開いて圧電素子２を挿入し、その上面２ａを頭部３ａに圧接させるとともにその上面２ｂを係止片３ｅ、３ｆに圧接し、図９の状態にする。
そうすると、圧電素子２は予圧調整ブロック３のばね部３ｄのばね力により圧縮力、即ち、予圧力を受ける。この圧電素子２を基台１に固定する。
【００３６】
圧電素子２の印加電圧をゼロにすると、該圧電素子２はゆっくりと元の長さに戻る。この時、圧電素子２は予圧調整ブロック３により圧縮力、即ち予圧を受けているので、出力部材に該圧縮力より小さな引っ張り力が加わっても、圧電素子２がこの引っ張り力の影響を受けることはない。
【００３７】
（２）キャップと基台との溶接に切欠スリーブを用いないこと。
基台１は、円錐台状に形成され、又、上部電極２５は、その下端内側に傾斜面２５ｂを備えている。
【００３８】
図１０に示す様に、上部電極２５を下部電極２０に向かって押圧すると、上部電極２５の傾斜面２５ｂはキャップ５の鍔５ｂを介してリング部１Ｒの傾斜面１Ｂを押しつぶす。
【００３９】
この状態において、電極２０、２５に電流を流して溶接した後、該精密微動装置Ｓを固定台に載置し、先端が鋭利な刃部となっている円筒状のカッタをキャップ５に被せる。その後、該カッタを下方に動かしてキャップの鍔部５ｂを切り落とす。
【００４０】
【実施例３】
この発明の第３実施例を図１１〜図１３により説明するが、第２実施例の図５〜図１０と同一図面符号は、その名称も機能も同一である。
この実施例と第２実施例との相違点は次の通りである。
（１）予圧調整ブロック３の胴部間の長さＷ4が圧電素子２の縦幅Ｗ4と同じであり、該胴部３ｃが圧電素子２の側面に密着していること。この様にすると、予圧調整ブロック３のセンタリングがしやすく、設計位置に正確にセットしやすい。
【００４１】
（２）ばね部３ｄが、頭部３ａと胴部３ｃとの間に形成された４分の３円形状体であり、その一部が頭部３ａの両端に突出していること。
（３）ボールジョイントの球体７がキャップ５の蓋部５ｂに設けた受部５ｃに圧接され、又、該受部５ｃに出力部材１０が固定されていること。
【００４２】
【実施例４】
この発明の第４実施例を図１４、図１５により説明するが、この実施例と第２実施例（図５〜図１０）との相違点は次の通りである。
（１）予圧調整ブロック３の胴部３Ｃ、３Ｃ間の長さＷ4が圧電素子２の縦幅Ｗ4と等しいこと。
【００４３】
（２）予圧調整ブロック３の横幅Ｍが圧電素子２の横幅Ｎより小さいこと。
（３）予圧調整ブロックが、その胴部３ｃ全長にわたって波形状のばね部３ｄとなっていること。
【００４４】
【実施例５】
この発明の第５実施例を図１６、図１７により説明するが、この実施例と第２実施例（図５〜図１０）との相違点は次の通りである。
（１）予圧調整ブロック３の胴部３Ｃ、３Ｃ間の長さＷ4が圧電素子２の縦幅Ｗ4と等しいこと。
【００４５】
（２）予圧調整ブロック３の頭部全体が円弧状のばね部３ｄとなっていること。
（３）底部３ｃの対向する係止片３ｅ、３ｆが上方に向かって傾斜しばね部３ｄを構成していること。この傾斜角度は必要に応じて適宜選択される。
【００４６】
【実施例６】
この発明の第６実施例を図１８、図１９により説明するが、この実施例と第２実施例（図５〜図１０）との相違点は、次の通りである。
（１）予圧調整ブロック３の胴部３Ｃ、３Ｃ間の長さＷ4が圧電素子の縦幅Ｗ4と等しいこと。
【００４７】
（２）予圧調整ブロック３の頭部３ａが皿ばね状のばね部３ｄとなっており、又、底部３ｂの係止部３ｅ、３ｆも皿ばね状のばね部３ｄを形成していること。
（３）予圧調整ブロック３の頭部３ａの横幅Ｍが、圧電素子２の横幅Ｎより小さいこと。
【００４８】
【実施例７】
この発明の第７実施例を図２０、図２１により説明するが、この実施例と第２実施例との相違点は次の通りである。
（１）予圧調整ブロックの胴部３ｃがく字状に形成され、ばね部３ｄをなしていること。このばね部３ｄの胴部３Ｃ、３Ｃ間の最小長さはＷ6であるが、圧電素子２が挿着された時には該圧電素子２の側面に沿って垂直状に変形し、胴部３Ｃ、３Ｃ間の幅Ｗは広げられて圧電素子２の縦幅Ｗ5と等しくなる。
（２）予圧調整ブロックの横幅Ｍは圧電素子２の横幅Ｎより小さいこと。
【００４９】
【実施例８】
この発明の第８実施例を図２２、図２３により説明するが、この実施例と第２実施例との相違点は次の通りである。
（１）予圧調整ブロック３の頭部３ａに左右対称な一対の半円形状ばね部３ｄが形成されていること。
【００５０】
（２）予圧調整ブロック３の底部３ｃの係止片３ｅ、３ｆにそれぞれ半円形状のばね部３ｄが形成されていること。
【００５１】
（３）予圧調整ブロック３の胴部３Ｃ、３Ｃ間の長さＷ4が圧電素子の縦幅Ｗ4と等しいこと。
（４）予圧調整ブロック３の横幅Ｍが圧電素子の横幅Ｎより小さいこと。
【００５２】
【実施例９】
この発明の第９実施例を図２４、図２５により説明するが、この実施例と第２実施例との相違点は次の通りである。
（１）予圧調整ブロック３の胴部間の長さＷ4が圧電素子２の縦幅Ｗ4と等しいこと。
【００５３】
（２）予圧調整ブロック３の胴部３ｃにばね穴３ｈが形成され、この胴部３ｃがばね部をなしていること。このばね穴３ｈの形状や数は必要に応じて適宜選択される。
【００５４】
【実施例１０】
この発明の第１０実施例を図２６、図２７により説明するが、この実施例と第２実施例との相違点は次の通りである。
（１）予圧調整ブロック３の頭部３ａと底部３ｂがそれぞれ間隔をおいて対向する係止片３ｅ、３ｆから構成されていること。
（２）胴部３ｃがく字状のばね部３ｄとなっていること。
【００５５】
（３）胴部３ｃの両端が４分の３円状のばね部３ｄを介して頭部３ａ及び底部３ｂの係止片３ｅ、３ｆに連結されていること。
（４）頭部３ａ及び底部３ｂの係止片３ｅ、３ｆが、内方に向かって傾斜していること。
【００５６】
【実施例１１】
この発明の第１１実施例を図２８、図２９により説明するが、この実施例と第７実施例（図２０、図２１）との相違点は予圧調整ブロック３の底部３ｂが閉じており、第７実施例の様に間隔をおいて対向する二つの係止片から構成されていないことである。この予圧調整ブロック３に圧電素子２を挿着する場合には、例えば、該ブロックに熱をかけて膨張させ、圧電素子を挿入した後常温に戻すようにする。
【００５７】
【発明の効果】
この発明は以上の様に構成したので、次のような顕著な効果を奏する。
（１）基台の側面にキャップの下端部の内面を接合したので、キャップが伸縮しても従来例のようなたわみ応力は発生しない。
従って、シール漏れが発生しないので、完全な密封状態を維持することができる。
【００５８】
（２）予圧調整ブロックを圧電素子に被せ、該圧電素子の両端を直接挟むだけで簡単に該圧電素子に予圧力を与えることができる。
（３）所望のばね定数を有する予圧調整ブロックを簡単に製作することができるので、このブロックを用いると、圧電素子に設計通りの予圧力をかけることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す縦断面図である。
【図２】溶接に用いる上部電極と切欠スリーブを示す縦断面図である。
【図３】溶接時の状態を示す縦断面図である。
【図４】キャップの鍔の切断時の状態を示す縦断面図である。
【図５】この発明の第２実施例を示す縦断面図である。
【図６】予圧調整ブロックの拡大正面図である。
【図７】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【図８】キャップの拡大断面図である。
【図９】予圧調整ブロックの装着時の圧電素子を示す図である。
【図１０】キャップと基台との溶接時の状態を示す縦断面図である。
【図１１】この発明の第３実施例を示す断面図である。
【図１２】予圧調整ブロックの拡大正面図である。
【図１３】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【図１４】この発明の第４実施例の予圧調整ブロックを示す拡大正面図である。
【図１５】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【図１６】この発明の第５実施例の予圧調整ブロックを示す拡大正面図である。
【図１７】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【図１８】この発明の第６実施例の予圧調整ブロックを示す拡大正面図である。
【図１９】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【図２０】この発明の第７実施例の予圧調整ブロックを示す拡大正面図である。
【図２１】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【図２２】この発明の第８実施例の予圧調整ブロックを示す拡大正面図である。
【図２３】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【図２４】この発明の第９実施例の予圧調整ブロックを示す拡大正面図である。
【図２５】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【図２６】この発明の第１０実施例の予圧調整ブロックを示す拡大正面図である。
【図２７】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【図２８】この発明の第１１実施例の予圧調整ブロックを示す拡大正面図である。
【図２９】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【符号の説明】
Ｓ      精密微動装置
１      基台
２      圧電素子
３      予圧調整ブロック
３ａ    頭部
３ｂ    底部
３ｃ    胴部
５      キャップ
Ｙ      接合部
【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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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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