(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の導電性糸同士を所定の距離に保持するために、前記導電性糸に絶縁性繊維を配置した配線層を作製する第１の工程と、
超音波を放射する音響放射面及び前記音響放射面の背面側に設けられた複数の電極を有する振動子アレイ部に、前記複数の導電性糸の一端を電気的に接続する第２の工程と、
少なくとも前記振動子アレイ部と前記導電性糸との接続部位が埋没するよう、剛性を有するとともに不要な超音波を減衰させる第２の背面材を設けた後に、流動性を有するとともに硬化可能である、不要な超音波を減衰させる第１の背面材を設ける第３の工程と、
前記振動子アレイ部及び前記配線層を固定するよう、前記背面材を硬化する第４の工程と、
を有することを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【請求項２】
前記第２の工程は、前記接続部位から所定の距離まで、前記導電性糸が前記振動子アレイ部の電極の配列方向に対し、非平行且つ非垂直に配置すること
を特徴とする請求項１に記載の超音波振動子の製造方法。
【請求項３】
前記第１の工程は、前記導電性糸が表面に露出しないように前記絶縁性繊維を配置し、前記複数の配線層を備えさせること
を特徴とする請求項１に記載の超音波振動子の製造方法。
【請求項４】
前記第１の工程は、前記導電性糸と少なくとも１本の前記絶縁性繊維とを織り込むこと
を特徴とする請求項１に記載の超音波振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子の製造方法に関し、詳しくは電極に配線する超音波振動子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、超音波内視鏡等を用いて人体等の被検体に向けて超音波を送信し、当該被検体によって反射したエコーを受信して信号処理をすることで、その被検体内の断層像を得る超音波診断装置がある。この超音波診断装置は、非侵襲かつ即時的に被検体内部の断層像の画像情報を得ることができるという利点から、診断医療の分野において広く用いられている。【０００３】
このような超音波内視鏡に用いられる超音波振動子は、複数の振動子エレメントをアレイ状に配列して構成されるが、日本国特開２００７−３０７２８９号公報の符号６０に示されるように個々の振動子エレメントに超音波送受信のための配線を行う必要がある。【０００４】
しかしながら、振動子エレメントの数や、配置や、大きさによっては、配線作業が困難となることがあった。【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、配線作業を容易にすることのできる超音波振動子の製造方法を提供することを目的としている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る超音波振動子の製造方法は、複数の導電性糸同士を所定の距離に保持するために、前記導電性糸に絶縁性繊維を配置した配線層を作製する第１の工程と、超音波を放射する音響放射面及び前記音響放射面の背面側に設けられた複数の電極を有する振動子アレイ部に、前記複数の導電性糸の一端を電気的に接続する第２の工程と、少なくとも前記振動子アレイ部と前記導電性糸との接続部位が埋没するよう、剛性を有するとともに不要な超音波を減衰させる第２の背面材を設けた後に、流動性を有するとともに硬化可能である、不要な超音波を減衰させる第１の背面材を設ける第３の工程と、前記振動子アレイ部及び前記配線層を固定するよう、前記背面材を硬化する第４の工程と、を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】超音波振動子の概略構成を示す説明図
【図２】配線層の基本構成を示す説明図
【図３Ａ】振動子エレメントへの配線を示す説明図
【図３Ｂ】振動子エレメントへの配線を示す説明図
【図４】配線層を埋設した背面材を示す説明図
【図５】複数の導電性糸の配列ピッチを示す説明図
【図６】導電性糸の配線角度を示す説明図
【図７】複数の同軸線で構成した配線層の説明図
【図８】マトリクスアレイに適用した複数枚の配線層を示す説明図
【図９】超音波内視鏡の概略図
【図１０】コンベックス型の超音波振動子ユニットを示す説明図
【図１１】コンベックス型の超音波振動子ユニットの配線例を示す説明図
【図１２】ラジアル型の超音振動子ユニットを示す説明図
【図１３】ラジアル型の超音波振動子ユニットの配線例を示す説明図
【図１４】図８における複数の振動子アレイ部で１枚の配線層を共有する例を示す説明図
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。【００１０】
図１において、符号１は超音波振動子であり、超音波をＺ方向に放射すると共に、被検部位から反射された音波を受信する複数の振動子エレメント２をＸ方向に配列した振動子アレイ部１０をハウジング５０内に設けている。振動子エレメントは、超音波を送受信する最小単位である。振動子エレメント２は、例えば、公知の圧電素子を上部電極および下部電極で挟み込んだ圧電型のもの、または柱により上部電極および下部電極の間に所定距離空隙ができるよう離間した静電容量型のものが挙げられる。ハウジング５０の材質は特に限定されないが、例えば絶縁部材により形成することにより電気安全性を高めることができる。【００１１】
尚、本実施の形態においては、複合圧電体の分野で２−２構造と呼ばれるＹ方向に伸びる細長の角柱状に形成された複数の振動子エレメント２を樹脂等の絶縁材３でＸ方向に所定間隔毎に固定して振動子アレイ部１０を形成する例を説明するが、これに限定されるものではなく、例えば、円柱状や短冊状の振動子エレメントを樹脂によって所定間隔毎に固定して２−３構造の振動子アレイ部１０を形成しても良いし、その他の構造であっても良い。【００１２】
振動子アレイ部１０において、各圧電素子１１の音響放射面を構成する上面側には上部電極４が設けられ、音響放射面と反対側の底面側には下部電極５が設けられている。圧電型の振動子アレイを用いた本実施の形態においては、各圧電素子１１の上部電極４は１個の共通電極として設けられ、下部電極５は圧電素子１１毎に個別に設けられている。上部電極４はＧＮＤ電極を構成し、下部電極５は各圧電素子１１に対する信号送受のシグナル電極を構成している。ただし、上部電極４がシグナル電極、下部電極５がＧＮＤ電極となるように構成することもできる。【００１３】
ただし、静電容量型の振動子アレイの場合、図１を用いて説明すると、上部電極４と下部電極５との間に配置された符号２に該当する部分は空隙、符号３に該当する部分は絶縁材からなる柱状部材、となる。【００１４】
尚、上部電極４は、各圧電素子１１毎に個別に形成しても良く、また、所定個数の圧電素子１１で共有するように設けるようにしても良い。【００１５】
また、ハウジング５０内において、振動子エレメント２の上面と底面とを結ぶＺ方向において、上部電極４の上方、具体的には、上部電極４の上面に、第１の音響整合層６が設けられ、第１の音響整合層６の上面に、第２の音響整合層７が設けられている。さらに、第２の音響整合層７の上面に音響レンズ８が設けられている。【００１６】
尚、超音波振動子１において、第１の音響整合層６、第２の音響整合層７、音響レンズ８は必ずしも必要ではないが、図１においては、第１の音響整合層６、第２の音響整合層７、音響レンズ８を設ける例を図示している。【００１７】
さらに、ハウジング５０内において、各振動子エレメント２の底面側の下方に、布状の配線層２０が配設されている。配線層２０は、図２に示すように、信号線を形成する導電性部材である複数の導電性糸２１と、各導電性糸２１が互いに接触しないように所定の距離を保って各導電性糸２１を保持する絶縁性部材である複数の絶縁性繊維２２とを用いて形成した柔軟な布状の部材として形成されている。【００１８】
本実施の形態においては、配線層２０は絶縁性繊維２２と糸状の導電性糸２１とを縦横に組み合わせた布状に形成されており、柔軟である。導電性糸２１同士が接触しないように導電性糸２１同士の間に絶縁性繊維２２が介在するように形成されており、布状とは、織物状であってもよいし、不織布状であってもよい。【００１９】
尚、導電性糸２１は、糸状に限らず帯状であっても良く、導電性糸２１は、隣接する導電性糸２１との接触が抑止されていれば、直線ではなく波打つ形状であっても良い。【００２０】
また、絶縁性繊維２２は、糸状であっても良いし、帯状であっても良いし、フェルト状であっても良い。絶縁性繊維２２は、熱伝導率が高く、振動子エレメント２及び導電性糸２１の熱を効率的に放熱できる材料であっても良い。絶縁性繊維の材質として、ケブラー繊維、またはアラミド繊維等が挙げられ、これらは強度に優れるという利点を有している。【００２１】
配線層２０の各導電性糸２１は、一端が各振動子エレメント２の下部電極５に接続され、他端が例えば超音波観測装置から延出された信号ケーブルに接続されている。そして、超音波観測装置から送信されたパルス信号が導電性糸２１を介して下部電極５に伝達されるとともに、振動子エレメント２からの受信信号が導電性糸２１を介して信号ケーブルに伝達される。【００２２】
振動子エレメント２と導電性糸２１とは、例えば、図３Ａ,３Ｂに例示されるような方法で接続される。図３Ａの例では、導電性糸２１の先端部を僅かに折り曲げて振動子エレメント２の下部電極５に這わせ、両者の重なり部分Ｌを、半田、導電性接着剤、或いはメッキ等を用いて機械的に固定しながら電気的に接続する。また、図３Ｂの例では、導電性糸２１の先端部端面を振動子エレメント２の下部電極５に突き当て、その突き当て部Ｔを、半田、導電性接着剤、或いはメッキ等で固定しながら電気的に接続する。【００２３】
また、ハウジング５０内において、振動子エレメント２の下部電極５よりもＺ方向の下方には、不要な超音波を減衰させる背面材９が設けられている。背面材９は、図４に示すように、配線層２０の少なくとも下部電極５に電気的に接続している部分が埋没するように設けられ、不要な超音波の減衰機能に加えて、ハウジング５０に対して振動子アレイ部１０及び配線層２０を固定する固定部としても機能する。背面材９と絶縁性繊維２２とは、絶縁性繊維２２による反射を防止するために、背面材９の音響インピーダンスをＺ1、絶縁性繊維２２の音響インピーダンスをＺ2とした場合、（式１）で求められる反射率は小さい程好ましいが、例えば、０．３以下であることが好ましく、より好ましくは０である。【００２４】
反射率＝│(Ｚ2−Ｚ1)/(Ｚ2＋Ｚ1)│…（式１）
配線層２０を形成する導電性糸２１と絶縁性繊維２２との隙間は、背面材９が浸入可能な粗さとなっており、背面材９を形成する材料として比較的硬い材料を使用する場合、導電性糸２１及び絶縁性繊維２２の隙間に浸入して両者を接着する接着材として、初期では流動性を有する液体状で、充填後に硬化させもの（例えば、エポキシ樹脂等）を使用することが望ましい。この接着材の音響インピーダンスは背面材９と実質同程度であることが望ましい。【００２５】
またさらに、背面材９として、注型タイプの材料を使用する場合には、導電性糸２１と絶縁性繊維２２との隙間に充填できるように充填の際には流動性を有する液体状で、充填後に硬化する材料を用いる。具体的には、ゲル状のエポキシ、または、シリコーン、ウレタン、もしくは各種エラストマ等の各種の柔軟な樹脂材で形成するか、または前記樹脂材をベースとして、アルミナ、ジルコニア、または酸化チタン等のフィラー材を配合して用い注型により背面材９を形成する。更に硬化のための触媒を含んでいてもよい。硬化の方法として、熱硬化、または光硬化など従来公知の技術を用いることができる。
【００２６】
また、硬化作業そのものを行わなくても良いし、完全に硬化する前に硬化作業を止めて流動性を有した状態を最終形態としても良い。【００２７】
ここで、導電性糸２１及び絶縁性繊維２２によって形成される配線層２０は、前述したように、本実施の形態においては布状に形成されているが、各導電性糸２１同士の絶縁を確保可能な距離を保持できるのであれば、特に、織り方は問わない。絶縁性繊維２２は、波打つ形状である等して振動子エレメント２からの音波を素子方向以外に散乱させる形状であることが望ましい。さらに、配線層２０は、導電性糸２１と絶縁性繊維２２とを、熱・機械的又は化学的な作用によって接着又は絡み合わせることで布状に形成した、所謂不織布として形成することも可能である。【００２８】
また、複数の導電性糸２１の配列は、均一ピッチを基本とするが、図５に例示するように、複数の導電性糸２１が所定のピッチで離間していれば、一定である必要はない。図５の例では、振動子エレメントの間隔に応じて定まる振動子エレメント近傍の導電性糸２１のピッチｐ1を、振動子エレメントからは離れた部位ではピッチｐ2（ｐ2＞ｐ1）に拡大している。【００２９】
この場合、絶縁性繊維２２を構成する材料の太さ（幅、厚み）を数μｍ〜数１０μｍの範囲で調節することにより、導電性糸２１のピッチを調節することができる。また、絶縁性繊維２２としては、導電性糸２１のピッチを調節する太さの絶縁材料に加えて、その他のより細い絶緑材料等を混ぜ込んで構成しても良い。こうすることで、背面材９或いは接着剤が絶縁性繊維２２の間に複雑に入り込んでアンカー効果を高めることができ、背面材９と導電性糸２１が剥離することによる音響特性の低下を防止することができ、背面材９を省略することもできる。【００３０】
また、図６に示すように、配線層２０の導電性糸２１は、振動子エレメント２の複数の下部電極の配列方向（Ｄ）に対して垂直に配線されている必要はなく、所定の角度θで非並行かつ非垂直に配線されていても良い。特に、下部電極との接続部分から所定距離まで、前記配列方向（Ｄ）に対して非並行かつ非垂直に配線されていることで、振動子エレメント２の背面側に放射された超音波が配線層２０内の配線間をジグザグに反射しながら伝達するような経路Ｓを通り、背面材９の厚さが薄い場合でも、不要な音波の伝播距離を長くすることができ、不要な音波を効果的に減衰させることができる。【００３１】
更に、図７に示すように、信号ケーブルである複数の同軸線２３の芯線２３ａを露出させて導電性糸２１として用い、芯線２３ａを絶縁性繊維２２で織ることにより、配線層２０を形成するようにしても良い。これにより、短絡防止しながら信号ケーブルを直接、振動子エレメント２に接続して使用することができる。尚、各同軸線２３のグランド線同士を短絡させて各振動子エレメント２の上部電極４に接続する等して使用する場合には、各同軸線２３のグランド線に導電材２５を織り込んで短絡させたグランド配線部を形成するようにしても良い。【００３２】
また、図８に示すように、振動子エレメント２をマトリックスアレイとして配列する場合には、複数枚の配線層２０を利用することで対応することができる。図８においては、マトリクスを形成する振動子アレイ部１０#1,１０#2,１０#3に対応して、３枚の配線層２０#1,２０#2,２０#3が背面材９に埋設されて積層状態にされている。各配線層２０は、側部から導電性糸２１が露出しないように絶縁性繊維２２が配置されており、互いの接触が防止されている。【００３３】
ただし、振動子アレイ部１０と配線層２０とは必ずしも１対１である必要はなく、図１４に示すように、複数の振動子アレイ部１０#1および振動子アレイ部１０#2が１枚の配線層２０を共有するように構成することも可能である。【００３４】
図１４では、振動子アレイ部１０#1に電気的に接続された導電性糸２１#1と、振動子アレイ部１０#2に電気的に接続された導電性糸２１#2とが同じ絶縁性繊維２２により互いに接触しないように織られている
次に、以上の超音波振動子１を内視鏡に設けた例について、図９〜図１３を用いて説明する。尚、以下では、超音波振動子１は、内視鏡に組み込まれた超音波振動子ユニットとして説明する。【００３５】
図９に示す超音波内視鏡１０１は、細長管状に形成されて被検体に挿入される挿入部１０２の先端側に、超音波振動子ユニット１０３を備えている。この超音波内視鏡１０１の挿入部１０２の基端側には、把持部を兼用する操作部１０４が連設され、この操作部１０４の側部から延出されるユニバーサルコード１０５の先端側に、コネクタ部１０６が配設されている。【００３６】
挿入部１０２は、先端側の超音波振動子ユニット１０３に連設される硬質部１０７と、この硬質部１０７の後端側に連設され、例えば上下方向に湾曲自在に構成される湾曲部１０８と、この湾曲部１０８の後端側に連設される可撓管部１０９とを有して構成されている。可撓管部１０９は、湾曲部１０８から操作部１０４に至るまでの間に設けられ、受動的に可撓可能となるように柔軟性を持たせて形成される細径且つ長尺形状の管状部材である。【００３７】
操作部１０４は、可撓管部１０９の基端を覆って可撓管部１０９と接続される折れ止め部１０４ａと、この折れ止め部１０４ａに連設され、使用者が超音波内視鏡１０１を使用するときに手によって把持する把持部１０４ｂとを有している。把持部１０４ｂの上端側には、各種の操作部材が配設され、把持部１０４ｂの下端側に位置して折れ止め部１０４ａの上部となる部位には、処置具を被検体内に導くための処置具挿通口１１０等が設けられている。操作部１０４に設けられる操作部材としては、例えば湾曲部１０８の湾曲操作を行う湾曲レバー１１１、送気送水操作又は吸引操作、撮像、照明等の各対応する操作を行うための複数の操作ボタン１１２等がある。【００３８】
ユニバーサルコード１０５は、挿入部１０２の先端から湾曲部１０８及び可撓管部１０９の内部を挿通して操作部１０４に至り、さらに操作部１０４から延出する各種信号線等を内部に挿通すると共に、光源装置（図示せず）のライトガイドを挿通し、さらに送気送水装置（図示せず）から延出される送気送水用チューブを挿通する複合ケーブルである。このユニバーサルコード１０５の先端側に配設されるコネクタ部１０６は、超音波観測装置（図示せず）との間を接続する超音波コネクタ１０６ａ、各種信号ケーブルが接続される電気コネクタ部１０６ｂ、光源装置や送気送水装置（図示せず）との間を接続する光源側コネクタ１０６ｃを備えて構成されている。【００３９】
一方、挿入部１０２先端側の硬質部１０７に連設される超音波振動子ユニット１０３は、例えばコンベックス型の振動子ユニットである場合、図１０に示すように、振動子アレイ部１３０と、この振動子アレイ部１３０を収容するハウジングであるノーズピース１３１とを備えて構成されている。振動子アレイ部１３０は、ノーズピース１３１の略中央部に形成された切り欠き部に一体的に配設されて保持され、挿入部１０２の長手軸方向にコンベックス型の超音波走査面を形成する音響レンズ部１３２と、この音響レンズ部１３２の内側でコンベックス面に沿って配置された複数の振動子エレメント１３３とにより、超音波送受信部を形成している。【００４０】
尚、ノーズピース１３１の先端には略円筒状の突出部１３１ａが設けられ、この突出部１３１ａの基部側外周に第１のバルーン保持溝１３４ａが形成されると共に、ノーズピース１３１の硬質部１０７との連結部外周に、第２のバルーン保持溝１３４ｂが形成されている。【００４１】
第１のバルーン保持溝１３４ａと第２のバルーン保持溝１３４ｂとの間には、例えばシリコンゴムやラテックスゴム等で形成された肉薄で収縮性に富むバルーンがノーズピース１３１を覆って着脱自在に介装されるようになっている。【００４２】
また、図示を省略するが、第２のバルーン保持溝１３４ｂに連結される硬質部１０７の先端側には、観察光学系を構成する対物レンズ窓、照明光学系を構成する照明レンズ窓、穿刺針等の処置具が導出される処置具導出口等が設けられている。【００４３】
コンベックス型に配列された複数の振動子エレメント１３３は、図１１に示すような配線層１４０に接続されている。配線層１４０は、複数の導電性糸１４１を並行に配列した並行部１４０ａと、この並行部１４０ａの先端側を、複数の振動子エレメント１３３の配列に対応して扇形に展開した展開部１４０ｂとを有している。【００４４】
展開部１４０ｂにおいて徐々に拡大される各導電性糸１４１の間隔は、周方向に織り込まれた複数の絶縁性繊維１４２によって保持され、各導電性糸１４１の先端部が各振動子エレメント１３３の下部電極１３３ｂに接続され、半田、導電性接着剤、或いはメッキ等を用いて固定されている。配線層１４０は、背面材内１４３に埋設されて保持されている。尚、各振動子エレメント１３３の上部電極１３３ａは、共通接続されてＧＮＤ線に接続されている。下部電極１３３ｂと上部電極１３３ａとの間には圧電素子１３５が配置されている。【００４５】
また、超音波振動子ユニット１０３がラジアル型の振動子ユニットである場合には、図１２に示すように、硬質部１０７に、例えば円筒状のポリエチレンから構成された先端が閉塞されたハウジング１５０が連結されている。円筒状のハウジング１５０は、外壁部が音響レンズ１５１を構成しており、この音響レンズ１５１の内側に、複数の振動子エレメント１５２がラジアル配列されて保持されている。【００４６】
以下では、同軸線を径方向に延出し、圧電素子に直接配線する方法が記載されているが、径方向に放射状に配列した導電性糸を同心円状の絶縁性繊維で固定した配線材料を経由して同軸線に配線する方法でも良い。【００４７】
コンベックス型の超音波観察部を製造する場合にも、同軸線の芯線を導電性糸として直接配線する方法を採用することもできる。【００４８】
このラジアル配列の振動子エレメント１５２は、図１３に示すような配線層１５３に接続されている。配線層１５３は、例えば、上述した図７の複数の同軸線を用いた配線層２０に準じて形成することができる。すなわち、配線層１５３は、複数の同軸線を束ねたケーブル束１５３ａと、このケーブル束１５３ａに対して、各同軸線の芯線１５４を露出させてケーブル束１５３ａの径方向に延出させ、各芯線１５４の間に複数の絶縁性繊維１５５を周方向に織り込んだ拡開部１５３ｂとを有している。【００４９】
そして、ラジアル配列された複数の振動子エレメント１５２の中に配線層１５３の拡開部１５３ｂを挿入し、各芯線１５４の先端部を各振動子エレメント１５２の下部電極１５２ｂに接続して、半田、導電性接着剤、或いはメッキ等を用いて固定する。ラジアル配列された複数の振動子エレメント１５２の内側（下部電極１５２ｂ側）には背面材１５６が充填され、振動子エレメント１５２及び配線層１５３が保持される。尚、各振動子エレメント１５２の上部電極１５２ａは共通接続され、ＧＮＤ線に接続されている。【００５０】
このように本実施の形態においては、振動子アレイ部１０を、複数の導電性糸２１と、複数の導電性糸２１が互いに接触しないように導電性糸２１同士を所定の距離に保つ絶縁性繊維２２を含む配線層２０を用いて配線する。これにより、振動子エレメントの数や、配置や、大きさに左右されることなく容易に配線を行うことができ、作業性が向上するばかりでなく、配線材料同士の短絡及び音響特性の低下を防止しつつ高密配線を実現することが可能となる。【００５１】
しかも、配線層２０を背面材等に埋め込み、硬化収縮等による応力がかかったとしても、導電性糸２１同士が短絡することがなく、織物状に形成した配線層２０の隙間に背面材を流し込むことで、ダンピング性能を確保することができる。また、織り込まれた絶縁性繊維２２のアンカー効果により、背面材が導電性糸２１から剥離して音響特性が低下することを防止できる。さらには、振動子アレイ部１０で発生した熱を効率良く放熱することもできる。
【００５２】
尚、上部電極および下部電極の間に圧電素子が介在する圧電型の超音波振動子を例示したが、本発明はこれに限定されず、上部電極と下部電極との間に空隙が介在する静電容量型の超音波振動子にも適用することが可能である。【００５３】
本出願は、２０１３年９月４日に日本国に出願された特願２０１３−１８３２８８号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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