(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象から信号を取得し、接続ケーブルを介して測定装置に供給するプローブにおいて、
前記測定対象と前記接続ケーブルの間に設けられたＬＣ直列共振回路を有し、かつ、前記測定対象のグランド配線と、前記接続ケーブルの外側導体とを接続するための接地機構を有し、
当該ＬＣ直列共振回路の共振周波数は、測定対象となる信号の周波数とは異なる周波数であって、前記信号の周波数における前記ＬＣ直列共振回路のインピーダンスと前記測定装置の入力インピーダンスとの比が、当該プローブの所望の減衰比と等しくなるように設定され、
前記ＬＣ直列共振回路のＣ成分は、前記信号が伝播される信号線と対向する位置に配置された導体板と、前記信号線と前記導体板との間に配置された誘電体ブロックと、を有している
ことを特徴とするプローブ。
【請求項２】
前記ＬＣ直列共振回路のＬ成分は、前記導体板に一端が接続され、他端が前記接続ケーブルの中心導体に接続されたマイクロストリップラインを有していることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
【請求項３】
前記ＬＣ直列共振回路は、Ｑ値を調整するための抵抗成分を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のプローブ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載するプローブを備えることを特徴とする測定装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載するプローブの測定対象となる回路基板であって、測定を行う際に前記接地機構が接触されるグランド構造を有することを特徴とする回路基板。
【請求項６】
前記グランド構造は、測定対象となる信号線の近傍に配置されたグランドパッドであることを特徴とする請求項５に記載の回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プローブ、測定装置、および、回路基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プローブを用いて信号線を伝播する信号を測定する場合、プローブ自体が有するインピーダンス（信号線と測定装置の間のインピーダンス）の周波数特性の乱れによって、測定信号の周波数特性が影響を受けてしてしまい、正確な測定ができない場合がある。また、プローブを接続することで、プローブ自体が有するインピーダンスと測定装置の入力インピーダンスとが信号線の入出力間に新たに付加されるため、測定対象のインピーダンスが変化するので、正確な測定ができない場合がある。
【０００３】
前者の影響を防ぐ方法として、例えば、特許文献１では、プローブピンと測定器の配線とを帯状の配線によって接続し、インピーダンスが過大になることを防ぐことで、インピーダンスの影響を低減する技術が開示されている。
【０００４】
後者の影響を防ぐ方法として、比較的抵抗値が大きいチップ抵抗をプローブピンに直列接続し、測定対象のインピーダンスの変化を低減することで、測定対象に与える影響を少なくする技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２５８４５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前者の技術では、信号線を伝播する信号の一部分を取り出して計測する用途には対応していないという問題点がある。
【０００７】
また、後者の技術では、チップ抵抗自体のインピーダンスが高周波帯域において変化するため、正確な測定ができなくなるという問題点がある。詳細に説明すると、チップ抵抗自体の抵抗値およびインダクタンス値は周波数によって変動する。図１１はチップ抵抗の抵抗値の周波数による変動を示している。この図に示すように、チップ抵抗の抵抗値は周波数によって大きく変動する。このため、このようなチップ抵抗を用いたプローブの減衰率は、図１２に示すように、理想的なチップ抵抗、つまり周波数に依らず抵抗値が一定である場合にはＹで示すように直線であるが、実際にはＸで示すように周波数に応じて大きく変動してしまう。
【０００８】
このため、図１３（Ａ）の上側に示す信号を、２０ｄＢの電力減衰率を有し、特性がフラットな（理想的な）プローブを用いて測定した場合、図１３（Ａ）の下側のような測定結果を得る。一方、図１１に示す特性を有するチップ抵抗を用いて２０ｄＢの電力減衰率のプローブを構成し、図１３（Ａ）の上側に示す信号を測定した場合、チップ抵抗を接続することによって信号自体が影響を受けて波形が変化してしまうため、信号波形が図１３（Ｂ）の上側の図のように変化し、このため、測定波形も図１３（Ｂ）の下側のようになる。つまり、正確な測定ができなくなるという問題点がある。
【０００９】
そこで、本発明は、高周波信号を正確に測定することを可能とするプローブ、測定装置、および、回路基板を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は、測定対象から信号を取得し、接続ケーブルを介して測定装置に供給するプローブにおいて、前記測定対象と前記接続ケーブルの間に設けられたＬＣ直列共振回路を有し、かつ、前記測定対象のグランド配線と、前記接続ケーブルの外側導体とを接続するための接地機構を有し、当該ＬＣ直列共振回路の共振周波数は、測定対象となる信号の周波数とは異なる周波数であって、前記信号の周波数における前記ＬＣ直列共振回路のインピーダンスと前記測定装置の入力インピーダンスとの比が、当該プローブの所望の減衰比と等しくなるように設定され、前記ＬＣ直列共振回路のＣ成分は、前記信号が伝播される信号線と対向する位置に配置された導体板と、前記信号線と前記導体板との間に配置された誘電体ブロックと、を有していることを特徴とする。
このような構成によれば、適切な誘電体を選択することで、高周波信号を正確に測定することが可能となる。
【００１２】
また、他の発明は、上記発明に加えて、前記ＬＣ直列共振回路のＬ成分は、前記導体板に一端が接続され、他端が前記接続ケーブルの中心導体に接続されたマイクロストリップラインを有していることを特徴とする。
このような構成によれば、簡潔な構造によって、精度良くＬ成分を構成することができる。
【００１３】
また、他の発明は、上記発明に加えて、前記ＬＣ直列共振回路は、Ｑ値を調整するための抵抗成分を有していることを特徴とする。
このような構成によれば、Ｑ値を調整し、インピーダンス特性の信号周波数付近の傾きを緩やかにすることで、精度良く測定を行うことができる。
【００１４】
また、他の発明は、上記プローブを備えることを特徴とする測定装置である。
このような構成によれば、高周波信号を正確に測定することが可能となる。
【００１５】
また、他の発明は、上記プローブの測定対象となる回路基板であって、測定を行う際に前記接地機構が接触されるグランド構造を有することを特徴とする回路基板である。
このような構成によれば、高周波信号を正確に測定することが可能となる。
【００１６】
また、他の発明は、上記発明に加えて、前記グランド構造は、測定対象となる信号線の近傍に配置されたグランドパッドであることを特徴とする。
このような構成によれば、高周波信号を正確に測定することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高周波信号を正確に測定することが可能なプローブおよび測定装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係るプローブの構成例を示す図である。
【図２】図１に示すプローブの等価回路を示す図である。
【図３】図１に示すプローブのインピーダンスの周波数特性である。
【図４】図１に示すプローブのインピーダンスのスミスチャートである。
【図５】図１に示す基板のｐｏｒｔ１からｐｏｒｔ２への線路損失の周波数特性である。
【図６】プローブを当てた場合の基板のｐｏｒｔ１からｐｏｒｔ２への線路損失の周波数特性である。
【図７】図１に示す基板のｐｏｒｔ１からｐｏｒｔ３への線路損失の周波数特性である。
【図８】プローブの測定対象となる基板の一例である。
【図９】図８に示す基板の回路構成を示す図である。
【図１０】グランドパッドの他の構成を示す図である。
【図１１】チップ抵抗の抵抗値とインピーダンス値の周波数特性である。
【図１２】チップ抵抗を用いたプローブの減衰率の周波数特性である。
【図１３】理想的なプローブと、チップ抵抗を用いたプローブによって信号を測定した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、本発明の実施形態について説明する。
【００２０】
（Ａ）実施形態の構成の説明
図１は、本発明の実施形態に係るプローブの構成例を示す図である。この図において、プローブ１０は、誘電体ブロック１１、導体板１２，１３、および、グランドピン１４を有し、プローブ１０と図示しない測定装置とを接続する接続ケーブル２０の先端に設けられている。
【００２１】
ここで、誘電体ブロック１１は、厚さＤのブロック形状を有する、例えば、テフロン（登録商標）またはＡＢＳ（Acrylonitrile Butadiene Styrene）系樹脂等によって構成される。誘電体ブロック１１の上面１１ａには、導体板１２および導体板１３が設けられている。また、誘電体ブロック１１の下面１１ｂは、測定時には測定対象となる信号線に接触される。導体板１２は、凸状形状を有する、例えば、銅箔によって構成される。ここで、導体板１２の大きい方の矩形を主板１２ａとし、小さい方の矩形を副板１２ｂと呼ぶ。主板１２ａは面積Ｓを有し、後述するように信号線との間でキャパシタを形成する。副板１２ｂは長さＬを有し、後述するように前述のキャパシタと直列接続されたインダクタとして機能する。
【００２２】
導体板１３には、接続ケーブル２０の外側導体２２が接続されるとともに、導体板１３には４つのグランドピン１４が電気的に接続されている。グランドピン１４は、導体板１３に一端が接続され、他端が誘電体ブロック１１の下面１１ｂから所定の長さだけ突出している。なお、グランドピン１４のそれぞれは、図示しないバネ機構によって図の下方向に付勢されており、誘電体ブロック１１が測定対象である基板３０上に配置された場合には、グランドパッド３３，３４に押圧され、グランドパッド３３，３４との電気的な接続が図られる。これにより、接続ケーブル２０の外側導体２２と基板３０のグランドとが電気的に接続される。
【００２３】
接続ケーブル２０は、外側被覆２１、外側導体２２、内側被覆２３、および、中心導体２４を有しており、図示しない他端は測定装置の入力端に接続される。ここで、外側被覆２１および内側被覆２３は、絶縁性の樹脂によって構成されている。外側導体２２および中心導体２４は、例えば、導電性の高い銅等によって構成される。図１の例では、接続ケーブル２０の一端は、外側被覆２１が除外され、外側導体２２が導体板１３に接触されて固定されている。また、中心導体２４は、副板１２ｂに電気的に接触されて固定されている。
【００２４】
基板３０は、測定対象となる基板である。この例では、基板３０は、誘電体板３１、信号線３２、グランドパッド３３，３４、および、グランド層３５を有している。誘電体板３１は、例えば、エポキシ樹脂、セラミックス等によって構成されている。誘電体板３１の上面３１ａには信号線３２、グランドパッド３３，３４が構成され、下面３１ｂにはグランド層３５が形成されている。信号線３２は、例えば、銅によって構成され、測定対象となる信号が伝播される。グランドパッド３３，３４は、信号線３２を挟んだ両側に配置され、プローブ１０が信号線３２上に配置された場合に、４つのグランドピン１４が当接する位置に配置される。また、グランドパッド３３，３４は、基板３０の裏面に配置されているグランド層３５に対して、例えば、ビアホール（Via Hole）等を介して電気的に接続されている。
【００２５】
図２は、図１に示すプローブ１０の等価回路を示す図である。図１に示すプローブ１０では、面積Ｓの主板１２ａが信号線３２と誘電体ブロック１１を挟んで対向配置されることから、これらによって図２に示すキャパシタ４０が構成される。また、長さＬの副板１２ｂによって図２に示すインダクタ４１が構成される。すなわち、図１に示す導体板１２によって、キャパシタ４０およびインダクタ４１からなるＬＣ直列共振回路が構成される。
【００２６】
（Ｂ）実施形態の動作の説明
つぎに、本実施形態の動作について説明する。なお、以下では、図１に示す回路の信号線３２の特性インピーダンスは５０Ωであり、信号の周波数は３０ＧＨｚであり、プローブの減衰率は電圧比で１：１０であり、測定装置の入力抵抗は５０Ωであるとして説明する。
【００２７】
測定装置の入力抵抗が５０Ωである場合に、電圧比１：１０の減衰率を得るためには、プローブ１０のインピーダンスは４５０Ωである必要がある。すなわち、直列接続されたプローブ１０のインピーダンスと測定装置の入力抵抗が信号線３２に対して接続されるので、入力抵抗に印加される電圧が信号線３２の電圧の１／１０であるためには、プローブ１０のインピーダンスは４５０Ω（５０／（４５０＋５０）＝１／１０）である必要がある。
【００２８】
図１に示す実施形態のインピーダンスを４５０Ωに設定する場合、主板１２ａの面積Ｓを調整するとともに、副板１２ｂの長さＬを調整することによって、図２に示す等価回路のキャパシタとインダクタによって構成されるＬＣ直列共振回路の共振周波数を調整する。そして、図３に示すように、測定対象となる信号の周波数である３０ＧＨｚにおいて、ＬＣ直列共振回路のインピーダンスが４５０Ωになるように設定する。なお、図３の横軸は周波数を示し、縦軸はＬＣ直列共振回路のインピーダンスを示す。図３の例では、ＬＣ直列共振回路の共振周波数は４ＧＨｚ付近とれさている。すなわち、共振周波数（４ＧＨｚ）と信号周波数（３０ＧＨｚ）は異なっている。
【００２９】
なお、ＬＣ直列共振回路のインピーダンスＺは以下の式（１）によって求めることができるので、信号周波数、減衰率、および、測定装置の入力インピーダンスから、キャパシタとインダクタの値を計算することができる。具体的には、信号周波数が３０ＧＨｚで、目的とするインピーダンスが４５０Ωの場合、Ｌ＝２．４ｎＨおよびＣ＝１ｐＦを得る。
【００３０】
0005675461.tif 000002
・・・（１）
【００３１】
図４は、ＬＣ直列共振回路のスミスチャートである。この例では、周波数０〜４ＧＨｚの範囲ではＬＣ直列共振回路は容量性となるので図に実線で示す軌跡の下半分を時計方向に移動し、周波数４〜４０ＧＨｚの範囲では誘導性となるので図に実線で示す軌跡の上半分を時計方向に移動する。
【００３２】
以上のように設定されたプローブ１０を用いて、図１に示す基板３０を測定する場合について説明する。図５はプローブ１０を接続しない場合における線路損失とリターンロスを示している。具体的には、図１に示す基板３０の左端をｐｏｒｔ１とし、右端をｐｏｒｔ２とした場合に、図中四角い点で示すグラフ（Ｓ１２）がｐｏｒｔ１からｐｏｒｔ２への線路損失を示し、丸い点で示すグラフ（Ｓ１１）がリターンロスを示している。
【００３３】
図６は、図１に示す基板３０にプローブ１０を接触させた場合の図５と同様の状態における測定結果を示している。図６と図５の比較から、１０ＧＨｚ以下の特性は、プローブ１０を接触させる前と後で特性が異なっているが、信号周波数である３０ＧＨｚ付近では接触の前後で特性が殆ど変化していない。すなわち、プローブ１０を当てることにより、測定対象は影響を殆ど受けない。
【００３４】
図７は、プローブ１０の出力端をｐｏｒｔ３とした場合において、ｐｏｒｔ１からｐｏｒｔ３への電力の減衰量の周波数特性を示している。この例では、信号周波数である３０ＧＨｚ付近では、電力の減衰率が−２０ｄＢとなっており、目的値である電圧における減衰率１：１０となっていることが分かる。
【００３５】
以上に説明したように、本実施形態によれば、プローブ１０にＬＣ共振回路を設け、その共振周波数を信号周波数とは異なる値に設定するとともに、信号周波数においてＬＣ共振回路のインピーダンスが減衰率に応じた所定の値になるようにしたので、例えば、チップ抵抗を使用した場合のように周波数特性が乱れて精度よい測定ができなくなることを防止できる。すなわち、インダクタおよびキャパシタは、高い周波数帯域での素子値が抵抗の場合に比較すると安定しているので、このような素子を使用することにより、安定かつ精度良い測定を可能とすることができる。
【００３６】
つぎに、実際の基板を用いて測定する場合について説明する。図８は、測定対象となる基板の一例である。図８の基板１３０では、誘電体板１３１の左右（図の左右方向）の両端には入力端子１４０および出力端子１４１が設けられている。入力端子１４０から入力された信号は、信号線１３２を介して増幅器１４２に入力され、そこで、所定の利得で増幅された後、信号線１３２を介して出力され、フィルタ１４３に入力される。フィルタ１４３では、入力した信号に対してフィルタリング処理を施した後、信号線１３２を介して出力する。フィルタ１４３から出力された信号は、出力端子１４１を介して後段の装置に供給される。
【００３７】
図９は、図８に示す基板１３０の詳細な回路図である。この図に示すように、入力端子１４０から入力される信号は、図の左下に示すように、所定の帯域幅と振幅を有している。このような信号が増幅器１４２に供給されると、そこで増幅され、図の中央下に示すように振幅が大きくなって出力される。フィルタ１４３は、増幅器１４２から出力された信号の帯域幅を狭くするような帯域特性を有しており、フィルタ１４３を通過した後の信号は、図の右下に示すように、帯域幅が狭くなる。なお、図８，９に示す回路の信号線１３２の特性インピーダンスは５０Ωであり、信号の周波数は３０ＧＨｚであり、プローブの減衰率は電圧比で１：１０であり、測定装置の入力インピーダンスは５０Ωであるとして以下説明する。図中破線で囲まれているインピーダンス素子および抵抗素子はプローブ１０のインピーダンスと、測定装置の入力インピーダンスを示している。
【００３８】
このような基板１３０に対して、従来のチップ抵抗を有するプローブを用いて増幅器１４２から出力される信号を測定する場合、図１１に示すチップ抵抗のインピーダンス特性により、図１３（Ｂ）に示すように、測定結果が実際の信号波形から大きく乖離してしまう。一方、図１に示す本実施形態のプローブ１０を用いて測定した場合、図３に示すようにプローブ１０のＬＣ直列共振回路のインピーダンスは、信号周波数である３０ＧＨｚ付近では多少の値の傾きは存在するものの、図１２に示すような大きな変動はない。このため、本実施形態のプローブ１０によって測定される波形は、図１３（Ａ）に示す波形に限りなく近い波形となる。このため、従来のプローブに比較すると、本実施形態のプローブ１０によれば、測定対象を擾乱することなく、また、精度良く測定することが可能になる。
【００３９】
以上に説明したように、本実施形態のプローブ１０によれば、ＬＣ共振回路を用いて測定を行うようにしたので、抵抗素子に比較して素子値の安定性が高いキャパシタおよびインダクタを用いることで、対象に影響を与えたり、測定した信号に影響を与えたりすることなく、測定を行うことが可能となる。
【００４０】
また、本実施形態では、ＬＣ直列共振回路を構成するキャパシタおよびインダクタを、誘電体ブロック１１と導体板１２を用いて構成するようにした。このため、例えば、誘電体ブロック１１の材質を調整したり、導体板１２の形状を調整したりすることにより、測定信号の周波数帯域における素子値の安定性を高め、これによって、測定精度を高めることが可能になる。
【００４１】
（Ｃ）変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の実施形態では、誘電体ブロック１１と導体板１３等を用いてインダクタとキャパシタを構成するようにしたが、例えば、コンデンサ素子や、コイル素子を用いてＬＣ直列共振回路を構成するようにしてもよい。なお、コンデンサ素子およびコイル素子として、チップコンデンサおよびチップコイルを用いた場合、チップ抵抗とは異なり、これらの素子は高周波特性を予め考慮して素子が構成されているので、チップ抵抗の場合のように特性が乱れることが少なく、安定したインピーダンスを得ることができる。なお、コンデンサ素子およびコイル素子のいずれか一方のみを採用し、他方を図１の構成としてもよい。
【００４２】
また、以上の実施形態では、ＬＣ共振回路のＱ値については言及していないが、Ｑ値が極端に高い場合（例えば、数百以上の場合）には、図３に示す曲線の傾きが非常に急峻となってしまうことから、キャパシタまたはインダクタの素子値の微妙なずれによって共振周波数が変化し、ＬＣ共振回路のインピーダンスが目的値からずれてしまう場合が想定される。このため、Ｑ値についてはある程度小さい値（例えば、１０前後から１００程度の範囲の値）になることが望ましい。そこで、誘電体ブロック１１として、ｔａｎδが大きい値を取る誘電体（損失が大きい誘電体）を用いたり、あるいは、抵抗素子を接続してＬＣＲ直列共振回路とするようにしたりしてもよい。なお、抵抗素子としては高周波特性が良好な素子を使用することが望ましい。また、抵抗素子を設ける位置としては、例えば、中心導体２４と副板１２ｂの間に設けたり、主板１２ａと副板１２ｂとを分割し、これらの間に設けたりすることができる。
【００４３】
また、以上の実施形態では、測定対象となる回路の特性インピーダンスが５０Ωの場合であって、減衰率が１：１０の場合を例に挙げて説明したが、これ以外の場合であっても本発明を適用可能であることはいうまでもない。例えば、特性インピーダンスが１００Ωの場合には減衰率に応じてＬＣ共振回路のインピーダンスを設定すればよい。また、減衰率が、例えば、１：１００の場合も同様である。
【００４４】
また、以上の実施形態では、図１に示すようにプローブ１０はむき出しの状態としたが、周囲に存在する導体等の影響を受けることが想定されるので、例えば、プローブ１０を図示しないシールドケース等に収容するようにしてもよい。
【００４５】
また、以上の実施形態では、プローブ１０と基板３０との位置決め機構については言及していないが、これらの位置関係によってはキャパシタの素子値が変化することが考えられるので、これらに対して位置決め機構を設けるようにしてもよい。具体的には、グランドパッド３３，３４に対して４つのグランドピン１４が挿入される４つの凹部を設け、これら４つの凹部と４つのグランドピン１４とが係合することにより、位置決めがなされるようにしてもよい。そのような構成によれば、素子値を安定化することにより、より正確に測定を行うとこができる。
【００４６】
また、以上の実施形態では、測定対象基板の信号線、グランドパッド１３３，１３４が、図１０（Ａ）に示される形状の場合を例に挙げて説明したが、例えば、図１０（Ｂ）に示されるような、特定の周波数でショートと見なせる、ラディアルスタブを用いたものでも良い。その際グランドパッドについては、測定対象が、インピーダンス変化によって発振等の不具合を起こさないように適宜形状を定める。
【００４７】
また、以上の実施形態では、共振周波数を測定対象となる信号の周波数とは異なる周波数としているが、測定対象がインピーダンス変化によって発振等の不具合を起こさないようにプローブ１０、信号線１３２、または、グランドパッド１３３，１３４の形状を適宜定めることが望ましい。
【００４８】
また、以上の実施形態では、ＬＣ共振回路を用いた数値の設計を説明したが、λ／４線路を用いたカプラの手法を用いて各部品の寸法を決めても良い。
【００４９】
なお、以上の実施形態では、測定装置については言及していないが、プローブ１０の接続ケーブル２０が接続される測定装置としては、例えば、スペクトラムアナライザやオシロスコープ等がある。もちろん、これ以外の測定装置であってもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１０  プローブ
１１  誘電体ブロック
１２  導体板（ＬＣ共振回路）
１２ａ  主板（Ｃ成分）
１２ｂ  副板（Ｌ成分）
１３  導体板
１４  グランドピン（接地機構）
２０  接続ケーブル
２２  外側導体
２４  中心導体
３０  基板
３２  信号線
３３，３４  グランドパッド
【図１】
0005675461.tif 000003
【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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