(57)【要約】【課題】従来の交換結合素子と比較してより大きな磁化の一方向異方性を備えた新規な構成の交換結合素子およびこの交換結合素子を用いた磁気抵抗効果素子、磁気記憶装置を提供する。【解決手段】規則型の反強磁性層１２と、前記反強磁性層１２と交換結合し、磁化が一方向異方性を有する磁化固定層１３とを有し、前記磁化固定層１３は、面心立方格子となる組成の第１の磁化固定層１３ａと、体心立方格子となる組成の第２の磁化固定層１３ｂとから構成されている。前記規則型の反強磁性層１２としては、L12型規則合金Mn3Irが使用でき、前記第１の磁化固定層１３ａとしては、CoxFe1-x(ｘ＝1〜0.7)、前記第２の磁化固定層１３ｂとしては体心立方格子となる組成のCoFeが用いられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
規則型の反強磁性層と、
前記反強磁性層と交換結合し、磁化が一方向異方性を有する磁化固定層とを有し、
前記磁化固定層は、面心立方格子となる組成の第１の磁化固定層と、体心立方格子となる組成の第２の磁化固定層とから構成されていることを特徴とする交換結合素子。
【請求項２】
前記第１の磁化固定層が前記反強磁性層と接し、前記第１の磁化固定層に前記第２の磁化固定層が積層されていることを特徴とする請求項１記載の交換結合素子。
【請求項３】
前記規則型の反強磁性層が、L12型規則合金Mn3Irであることを特徴とする請求項１または２記載の交換結合素子。
【請求項４】
前記第１の磁化固定層が、CoxFe1-x(ｘ＝1〜0.7)からなり、前記第２の磁化固定層が体心立方格子となる組成のCoFeからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の交換結合素子。
【請求項５】
前記第１の磁化固定層の膜厚が、1nm以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の交換結合素子。
【請求項６】
規則型の反強磁性層と、
前記反強磁性層と交換結合し、磁化が一方向異方性を有する磁化固定層と、
外部磁界に応じて磁化が回転する自由磁性層と、
前記自由磁性層と前記磁化固定層との間に設けられた非磁性層とを有し、
前記磁化固定層は、面心立方格子となる組成の第１の磁化固定層と、体心立方格子となる組成の第２の磁化固定層とから構成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第１の磁化固定層が前記反強磁性層と接し、前記第１の磁化固定層に前記第２の磁化固定層が積層されていることを特徴とする請求項６記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記規則型の反強磁性層が、L12型規則合金Mn3Irであることを特徴とする請求項６または７記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記第１の磁化固定層が、CoxFe1-x(ｘ＝1〜0.7)からなり、前記第２の磁化固定層が体心立方格子となる組成のCoFeからなることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記第１の磁化固定層の膜厚が、1nm以下であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
媒体に記録された情報を読み込むための磁気ヘッドを備えたヘッドスライダと、
前記ヘッドスライダを媒体上で支持するサスペンションと、
前記サスペンションの端部を固定し、回動自在なアクチュエータアームと、
前記サスペンション及び前記アクチュエータアーム上の絶縁された導電線を通じて、前記磁気記録ヘッドに電気的に接続され、媒体に記録された情報を読み込むための電気信号を受信する回路とを有し、
前記磁気ヘッドが、規則型の反強磁性層と、前記反強磁性層と交換結合し、磁化が一方向異方性を有する磁化固定層と、外部磁界に応じて磁化が回転する自由磁性層と、前記自由磁性層と前記磁化固定層の間に設けられた非磁性層とを有し、
前記磁化固定層は、面心立方格子となる組成の第１の磁化固定層と、体心立方格子となる組成の第２の磁化固定層とから構成されていることを特徴とする磁気記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は交換結合素子および磁気抵抗効果素子に関し、より詳細には、反強磁性層と交換結合することによって、磁化が一方向異方性を有する固定磁性層を備えた交換結合素子およびこれを用いた磁気抵抗効果素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果素子は、媒体の磁化信号に応答して抵抗が変化する素子であり、媒体の記録信号を読み出す素子として広く使用されている。この磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定されている磁化固定層と、外部の磁界によって磁化方向が変動する自由磁性層を備える。媒体の記録信号の読み出しは、媒体の磁化信号によって自由磁性層の磁化方向が変化し、磁化固定層の磁化方向との相対的な角度が変化することによって生じる抵抗変化を読み取ることによってなされる。このような作用を利用する磁気抵抗効果素子は、スピンバルブ素子と呼ばれている。
【０００３】
スピンバルブ素子の構成としては、種々の構成が提案されている。以下に、CIP(Current-in-plane)型GMR(Giant Magneto Resistance)素子と、CPP(Current-perpendicular-in-plane)型TMR(Tunnel Magneto Resistance)素子についての構成例を示す。
CIP-GMR素子
下部シールド層／絶縁層／下地層／反強磁性層／第一磁化固定層／反強磁性結合層／第二磁化固定層／中間層／自由磁性層／キャップ層／絶縁層／上部シールド層
CPP-TMR素子
下部シールド層／下地層／反強磁性層／第一磁化固定層／反強磁性結合層／第二磁化固定層／トンネルバリア層／自由磁性層／キャップ層／上部シールド層
CIP-GMR素子では水平方向にセンス電流を流すため、下部シールド層及び上部シールド層と磁化抵抗効果素子との間を電気的に絶縁する。そのため、下部シールド層上方及び上部シールド層下方に絶縁層が積層される。一方、CPP-TMR素子は積層膜の膜面に垂直にセンス電流を流すため、下部シールド層と上部シールド層は電極を兼ねた構成となり、絶縁層は設けられない。下地層は反強磁性層を成膜するための下地層である。
【０００４】
上記構成において、反強磁性層は第一磁化固定層との交換結合作用によって第一磁化固定層の磁化方向を固定する（ピン止めする）ためのものである。磁化固定層の磁化方向を固定するために反強磁性層に磁化固定層を積層する構成とすることは公知である。
【特許文献１】特開２００４−１０３８０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、記録媒体の記録密度の向上とともに、磁気抵抗効果素子は小型化が求められる。しかしながら、素子が小型化すると、素子を構成する磁化固定層には反磁界の影響が強くあらわれ、媒体面に対して垂直方向に固定されていた磁化固定層の磁化方向が、反磁界によって回転し、媒体面に対して垂直方向から傾いた配置となることが生じ得る。このように、磁化固定層の磁化方向が傾くと、磁気ヘッドの出力の非対称性が大きくなったり、磁化方向が反転したりして、磁気ヘッドの特性劣化をきたすようになる。
【０００６】
このため、素子が小型化して反磁界による影響があらわれるようになった場合でも、磁化固定層の磁化方向を強固に保持することができる反強磁性材料、すなわち、一方向異方性定数Jk(Jk=Ms*d*Hex、Ms:飽和磁化、d：膜厚、Hex:シフト磁界）の大きな反強磁性材料が求められる。
本発明は、従来の交換結合素子と比較してより大きな磁化の一方向異方性を備えた新規な構成の交換結合素子を提供し、この交換結合素子を用いた磁気抵抗効果素子およびこの磁気抵抗効果素子を備えた磁気記憶装置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】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するため次の構成を備える。
すなわち、本発明に係る交換結合素子は、規則型の反強磁性層と、前記反強磁性層と交換結合し、磁化が一方向異方性を有する磁化固定層とを有し、前記磁化固定層は、面心立方格子となる組成の第１の磁化固定層と、体心立方格子となる組成の第２の磁化固定層とから構成されていることを特徴とする。
【０００８】
前記第１の磁化固定層が前記反強磁性層と接し、前記第１の磁化固定層に前記第２の磁化固定層が積層されている構成とすることが有効である。
また、前記規則型の反強磁性層としては、L12型規則合金Mn3Irが好適に使用できる。
また、前記第１の磁化固定層が、CoxFe1-x(ｘ＝1〜0.7)からなり、前記第２の磁化固定層が体心立方格子となる組成のCoFeから交換結合素子は、好適な磁化の一方向異方性を備えるものとなる。
また、前記第１の磁化固定層の膜厚としては1nm以下に設定することが有効である。
【０００９】
また、磁気抵抗効果素子として、規則型の反強磁性層と、前記反強磁性層と交換結合し、磁化が一方向異方性を有する磁化固定層と、外部磁界に応じて磁化が回転する自由磁性層と、前記自由磁性層と前記磁化固定層との間に設けられた非磁性層とを有し、前記磁化固定層は、面心立方格子となる組成の第１の磁化固定層と、体心立方格子となる組成の第２の磁化固定層とから構成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、磁気記憶装置として、媒体に記録された情報を読み込むための磁気ヘッドを備えたヘッドスライダと、前記ヘッドスライダを媒体上で支持するサスペンションと、前記サスペンションの端部を固定し、回動自在なアクチュエータアームと、前記サスペンション及び前記アクチュエータアーム上の絶縁された導電線を通じて、前記磁気記録ヘッドに電気的に接続され、媒体に記録された情報を読み込むための電気信号を受信する回路とを有し、前記磁気ヘッドが、規則型の反強磁性層と、前記反強磁性層と交換結合し、磁化が一方向異方性を有する磁化固定層と、外部磁界に応じて磁化が回転する自由磁性層と、前記自由磁性層と前記磁化固定層の間に設けられた非磁性層とを有し、前記磁化固定層は、面心立方格子となる組成の第１の磁化固定層と、体心立方格子となる組成の第２の磁化固定層とから構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る交換結合素子によれば、従来の反強磁性層と磁化固定層とからなる交換結合素子と比較して、より大きな磁化の一方向異方性を得ることができる。これによって、磁気抵抗効果素子を微小化した際に、磁気抵抗効果素子のリード特性を劣化させることがなく、媒体の高密度記録に対応することができる磁気抵抗効果素子、磁気記憶装置として提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（磁気抵抗効果素子）
図１は、本発明に係る交換結合素子と磁気抵抗効果素子の実施の形態として、CPP-TMR素子についての構成例を示す。
この磁気抵抗効果素子３０は、下部シールド層１０、下地層１１、反強磁性層１２、第１の磁化固定層１３ａ、第２の磁化固定層１３ｂ、反強磁性結合層１５、第３の磁化固定層１６、非磁性層としてのトンネルバリア層１７、自由磁性層１８、キャップ層１９および上部シールド層２０をこの順に積層して形成されている。
この磁気抵抗効果素子３０において特徴的な構成は、反強磁性層１２と、第１の磁化固定層１３ａおよび第２の磁化固定層１３ｂからなる磁化固定層１３とから構成される交換結合素子１４についての構成である。なお、本明細書では、反強磁性層１２と磁化固定層１３とからなる積層膜構造を交換結合素子１４という。
【００１３】
反強磁性層と磁化固定層とを積層し、反強磁性層と磁化固定層との交換結合作用を利用して磁化固定層の磁化方向を固定させる（ピン止めする）構成は、従来の磁気抵抗効果素子における構成として周知である。
本実施形態の交換結合素子１４において特徴的な構成の一つは、反強磁性層１２に積層する磁化固定層１３を、第１の磁化固定層１３ａと第２の磁化固定層１３ｂの２層構造とし、第１の磁化固定層１３ａについては結晶構造が面心立方格子（fcc)となる組成の磁性層によって形成し、第２の磁化固定層１３ｂについては結晶構造が体心立方格子(bcc)となる組成の磁性層によって形成した点にある。
【００１４】
磁化固定層１３を形成する第１の磁化固定層１３ａと第２の磁化固定層１３ｂとしては、たとえばCoFe合金を使用することができる。CoFe合金は、Co65Fe35の組成においては体心立方格子の結晶構造となり、Coの組成が70(at%)以上（たとえば、Co70Fe30、Co85Fe15）になると面心立方格子の結晶構造となることが知られている。
したがって、第１の磁化固定層１３ａをCo70Fe30合金によって形成し、第２の磁化固定層１３ｂをCo65Fe35合金によって形成することによって、交換結合素子１４の磁化固定層１３を構成することができる。
【００１５】
本実施形態の交換結合素子１４において特徴とする他の構成は、反強磁性層１２を構成する反強磁性材料として規則型の反強磁性材料を使用する点にある。
磁気抵抗効果素子においては、反強磁性層１２に用いられる反強磁性材料としてMnIrが知られている。このMnIrは、結晶構造によって不規則型と規則型となる。MnIrはMn原子とIr原子がランダム配置の場合不規則型であり、Mn原子が面心位置に、Ir原子が単位格子の頂点に位置した場合、すなわちMn3Irの場合は規則型（L12型規則合金）となる。
本実施形態の交換結合素子１４は、反強磁性層１２を構成する反強磁性材料として規則型の反強磁性材料を使用するものであり、例として、L12型規則合金であるMn3Irを使用して反強磁性層１２を形成することができる。
すなわち、交換結合素子１４は、L12型規則合金であるMn3Irからなる反強磁性層１２に、面心立方格子となる組成の第１の磁化固定層１３ａと、体心立方格子となる組成の第２の磁化固定層１３ｂを積層して形成される。
【００１６】
図１に示す磁気抵抗効果素子３０では、第２の磁化固定層１３ｂに積層して反強磁性結合層１５を設け、さらに第３の磁化固定層１６を積層している。反強磁性結合層１５と第３の磁化固定層１６は、磁化固定層全体としての磁化方向をさらに安定させ、磁化方向を固定する作用を強化するために設けられている。反強磁性結合層を介して磁化固定層を積層することによって、磁化方向をより強く固定させている。
【００１７】
磁気抵抗効果素子を構成する磁性層等の材料には、種々の材料を選択して利用することができる。以下に、図１に示す磁気抵抗効果素子３０の構成例を示す。
下部シールド層１０：NiFe、下地層１１：TaおよびRu 厚さ3nm、反強磁性層１２:Mn3Ir 1nm、第１の磁化固定層１３ａ:Co85Fe15 1nm、第２の磁化固定層１３ｂ:Co65Fe35 2nm、反強磁性結合層１５:Ru 1nm、第３の磁化固定層１６:CoFeB 3nm、トンネルバリア層１７:MgO 1nm、自由磁性層１８:CoFeまたはCoFeB 3nm、キャップ層１９:TaまたはRu 5nm,上部シールド層２０:NiFe。
【００１８】
図２は、反強磁性層と磁化固定層との積層構造からなる交換結合素子の一方向異方性定数Ｊkが、磁化固定層によってどのように変化するかを測定した結果を示す。
反強磁性層を構成する反強磁性材料として不規則型のMnIrと規則型のMn3Irを使用し、これらに磁化固定層として面心立方格子の組成となるCoFeと、体心立方格子の組成となるCo65Fe35をこの順に積層し、積層膜（３層構造）について一方向異方性定数Ｊkを測定した。不規則型MnIrと規則型Mn3Irの膜厚は10nmであり、面心立方格子となる組成の下層（挿入層）のCoFeの膜厚は０．５nm、体心立方格子となる組成の上層のCo65Fe35の膜厚は4nmである。
【００１９】
図２に示すグラフにおいて、Co65Fe35についての測定データA1は、不規則型MnIr層に、Co65Fe35を挿入層として上層にCo65Fe35を積層したものであり、Co65Fe35についての測定データB1は、規則型Mn3Ir層に、Co65Fe35を挿入層として上層にCo65Fe35を積層したものである。この場合は、Co65Fe35を挿入層としているから、下層と上層のCoFe層は同一材料であるCo65Fe35からなり、従来の反強磁性層に磁化固定層を積層した交換結合素子の構成と同一となる
図２に示すグラフは、この従来構造の交換結合素子に対して、Co65Fe35層との間に面心立方格子となる組成のCoFe層を挿入した場合に、交換結合素子の一方向異方性定数Ｊkがどのように変化するかを示している。
【００２０】
図２に示すグラフにおいて、データA2は、不規則型のMnIr層に、Co90Fe10層を挿入層として上層にCo65Fe35を積層して形成した交換結合素子についての測定データである。この交換結合素子は、従来構造による場合（データA1)と比較して、一方向異方性定数Ｊkは若干は向上しているが、それほど特性が改善されていない。
これに対して、規則型Mn3Ir層に、Co70Fe30を挿入層としたもの（データB2)、Co85Fe15を挿入層としたもの（データB3)、Co90Fe10を挿入層としたもの（データB4)、Co95Fe5を挿入層としたもの（データB5）について見ると、従来構造（データB1)と比較して、結合交換素子の一方向異方性定数Ｊkが大きく向上することがわかる。
【００２１】
前述したように、Co70Fe30、Co85Fe15、Co90Fe10、Co95Fe5はいずれも、本来、結晶構造としては面心立方格子となるものである。図２の測定結果は、反強磁性層と体心立方格子となる組成のCo65Fe35層との間に、挿入層として面心立方格子となるCoFe層を形成することによって、結合交換素子の一方向異方性定数Ｊkを改善させることができることを示している。
また、不規則型のMnIr層を反強磁性層に使用した場合と比較して、規則型のMn3Irを反強磁性層に使用することによって、結合交換素子の一方向異方性定数Ｊkが２〜３倍以上となり、規則型のMn3Irを反強磁性層とする結合交換素子の特性上の優位性が示されている。
【００２２】
図３は、規則型のMn3Irを反強磁性層とし、Co90Fe10を挿入層として結合交換素子を形成した場合に、挿入層の厚さによって結合交換素子の一方向異方性定数Ｊkがどのように変化するかを測定した結果を示す。グラフで、挿入するCo90Fe10の厚さが０オングストロームとは、Co90Fe10を挿入していない状態、すなわち従来構造の交換結合素子の構成を示す。
図３から、上記構成の交換結合素子における挿入層の厚さとしては１０オングストローム以下、とくに５〜１０オングストローム程度が有効と考えられる。
【００２３】
図４は、不規則型MnIrを反強磁性層とし、CoFe合金を磁化固定層とした場合の一方向異方性定数ＪkがFeの含有率によってどのように変化するかを測定した結果である（Journal of Magnetism and Magnetic Materials 239(2002)182-184)。この結果は、CoFe合金のFeの組成比率が３０（at.%)程度よりも減少していく、すなわちCoの組成比率では７０（at.%)程度よりも大きくなると、結合交換素子の一方向異方性定数Ｊkが極端に小さくなっていくことを示している。
【００２４】
図５は、CoFe合金の結晶構造がFeの組成によってどのようになるかを示す。この図は、CoFe合金は、Feの組成が２０（at.%)前後で体心立方格子（bcc)と面心立方格子(fcc)との間で結晶構造が変わることを示している。
図４と図５を対比して見ると、図５においてCoFeの結晶構造が体心立方格子（bcc)から面心立方格子(fcc)に変化する境界付近のCoFe合金のCoの組成が７０(at.%)程度以下では徐々に体心立方格子（bcc)の中に面心立方格子(fcc)が混在してきていると考えられる。一方、図４において、CoFe合金のCoの組成が７０(at.%)程度以下になると一方向異方性定数Ｊkが急激に減少している。このことから、図４に示す測定結果において、CoFe合金のCoの組成が７０(at.%)程度以上になると、一方向異方性定数Ｊkが急激に小さくなるのは、CoFe合金の結晶構造が、体心立方格子（bcc)から面心立方格子(fcc)に変わることが原因であると考えられる。
【００２５】
このことからCoFe合金のCoの組成を７０(at.%)程度以上としても、体心立方格子（bcc)の結晶構造を維持することができれば、一方向異方性定数Ｊkを大きくさせることが可能であると予想することができる。
上述した実験結果は、規則型のMn3Irを反強磁性層とし、この反強磁性層に面心立方格子(fcc)となる組成のCoFe合金を積層し、さらに体心立方格子（bcc)の組成となるCo65Fe35を積層する構成とすると、従来構造と比較して一方向異方性定数Ｊkが大きくなることを示している。この実験結果は、反強磁性層に積層した面心立方格子(fcc)となる組成のCoFe層が、膜厚が薄いことから、上層の体心立方格子(bcc)構造のCo65Fe35によって、体心立方格子（bcc)の構造を保っていることを推定させる。また、図３に示したように、本構造で、面心立方格子(fcc)となる組成のCoFe層が体心立方格子(bcc)の構造を備える膜厚としては1nm程度以下であると考えられる。
【００２６】
本明細書において、面心立方格子(fcc)となる「組成の」CoFe層、と表現しているのは、反強磁性層に積層するCoFe層が、組成上は本来、面心立方格子(fcc)の構造をとるものであり、上述した実施形態のように、膜厚を薄くし、上層に体心立方格子（bcc)となる構造のCoFe層を設けた場合には、（bcc)構造をとり得ると考えられることによる。
図１に示した磁気抵抗効果素子３０は、上述した構成の交換結合素子１４を備えることから、磁化固定層の一方向異方性が向上し、磁気抵抗効果素子３０を小型化した際においてもリード特性を劣化させることがなく、優れた磁気抵抗効果素子として利用することが可能である。
【００２７】
（磁気記憶装置）
図６は、上述した磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッドを用いた磁気記憶装置の構成例を示す。
磁気記憶装置４０は、矩形の箱状に形成されたケーシング内に、スピンドルモータによって回転駆動される複数の磁気記録ディスク４２を備える。磁気記録ディスク４２の側方には、ディスク面に平行に揺動可能に支持されたアクチュエータアーム４４が配されている。アクチュエータアーム４４の先端には、アクチュエータアーム４４の延長方向にサスペンション４６が取り付けられ、サスペンション４６の先端にヘッドスライダ４８が取り付けられている。ヘッドスライダ４８は、サスペンション４６のディスク面に対向する面に取り付けられる。
【００２８】
ヘッドスライダ４８には前述した磁気抵抗効果素子が形成された磁気ヘッドが搭載されている。磁気ヘッドはサスペンション４６に形成された配線、およびアクチュエータアーム４４に付設された導電線を介して、磁気記録媒体に記録された信号を読み込む電気信号を受信する回路に接続する。
ヘッドスライダ４８に設けられた磁気ヘッドにより磁気記録ディスク４２に情報を記録し、磁気記録ディスク４２に記録されている情報を再生する処理は、制御部によって制御されるアクチュエータ５０により、アクチュエータアーム４４を所定位置に揺動させる操作（シーク動作）とともになされる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る磁気抵抗効果素子の積層構造を示す説明図である。
【図２】交換結合素子の一方向異方性定数Ｊkが挿入層によってどのように変化するかを測定した結果を示すグラフである。
【図３】規則型のMn3Irを反強磁性層とし、Co90Fe10を挿入層として形成した結合交換素子について、挿入層の膜厚による一方向異方性定数Ｊkの変化を測定した結果を示すグラフである。
【図４】不規則型反強磁性層に磁化固定層を積層して形成した積層膜についての一方向異方性定数の測定結果を示すグラフである。
【図５】CoFe合金のFeの組成と結晶構造との関係を示すグラフである。
【図６】磁気記憶装置の平面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  下部シールド層
１２  反強磁性層
１３  磁化固定層
１３ａ  第１の磁化固定層
１３ｂ  第２の磁化固定層
１４  交換結合素子
１５  反強磁性結合層
１６  第３の磁化固定層
１７  トンネルバリア層
１８  自由磁性層
１９  キャップ層
２０  上部シールド層
３０  磁気抵抗効果素子
４０  磁気記憶装置
４２  磁気記録ディスク
４４  アクチュエータアーム
４６  サスペンション
４８  ヘッドスライダ
５０  アクチュエータ
【図１】
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【図３】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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