(57)【要約】【課題】ガルバニック腐食による水路内壁の構造劣化を防止し、信頼性の向上を図ることができるようにする。【解決手段】水路３内を、接合部４の端部４１のわずかな部分を除いて、各層２１〜２５を構成する薄板（母材）の表面が露出する構成とする。これにより、接合金属５を用いた接合を行っているにもかかわらず、接合金属５の露出は最小限に抑えられ、水路３内には実質的にほとんど異種金属が存在しない構造となる。これにより、ガルバニック腐食による信頼性への影響を少なくすることができる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の薄板を重ね合わせて接合し内部に冷却液が通る水路が形成されたヒートシンクであって、
水路内の表面が、少なくとも前記各薄板間の接合部の端部を除いて、すべて同一の金属材料で構成されている
ことを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】
前記複数枚の薄板は、インサート金属を介して接合されている
ことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項３】
前記複数枚の薄板がすべて単一の金属材料で構成されると共に、前記各薄板が前記インサート金属を介して接合され、
前記水路内において前記接合部の端部を除く表面が、すべて前記各薄板の表面が露出する構成とされている
ことを特徴とする請求項２に記載のヒートシンク。
【請求項４】
前記水路内の表面が、前記接合部の端部を含めてすべて前記インサート金属が露出する構成とされている
ことを特徴とする請求項２に記載のヒートシンク。
【請求項５】
前記各薄板は、固相拡散接合により接合されている
ことを特徴とする請求項２に記載のヒートシンク。
【請求項６】
前記複数枚の薄板がすべて単一の金属材料で構成されると共に、前記各薄板が直接的に重ね合わせられて接合され、
前記水路内の表面が、前記接合部の端部を含めてすべて前記各薄板の表面が露出する構成とされている
ことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項７】
複数枚の薄板を重ね合わせて接合し内部に冷却液が通る水路が形成されたヒートシンクと、前記ヒートシンクに実装された半導体レーザ素子とを備えた半導体レーザ装置であって、
前記ヒートシンクの水路内の表面が、少なくとも前記各薄板間の接合部の端部を除いて、すべて同一の金属材料で構成されている
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数枚の薄板を重ね合わせて接合し内部に冷却液が通る流路（水路）が形成されたヒートシンク、およびそのようなヒートシンクに半導体レーザ素子を実装した半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
数〜数十Ｗクラスの半導体レーザ装置では、高出力化、高信頼性化を実現するため水冷による冷却方式が多用されている。高い排熱効率を実現するためのヒートシンク構造として、マイクロチャネル型のヒートシンクがよく知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
図８は、従来の半導体レーザ装置の断面構造の一例を示している。
この半導体レーザ装置は、マイクロチャネル型の微細流路構造を有するヒートシンク１０１に、半導体レーザチップ１０２を搭載して構成されている。ヒートシンク１０１は、複数枚の薄板を重ね合わせて接合した構造を有し、内部に冷却液が通る水路１０３（供給水路１０３Ａ、中間水路１０３Ｂ、および排出水路１０３Ｃ）が形成されている。図８の例では、最も上側を第１層１２１として、第１層１２１〜第５層１２５の５枚の薄板を積層した構成とされている。第１層１２１は上面に半導体レーザチップ１０２が搭載されるレーザチップ搭載板となっている。第２層１２２および第４層１２４には放熱フィンが形成されている。第２層１２２〜第５層１２５には水路１０３を形成する穴部が形成されている。各層はインサート金属（接合金属）１０５によって接合されている。
【０００４】
このような構造のヒートシンク１０１の具体的な作製手順は、以下のような工程で行われる。
（１）各層の母材シート作製→（２）シート材エッチング（水路構造形成）→（３）シート材にインサート金属（接合金属）のメッキ→（４）シート材の張り合わせ→（５）シート材を加熱・加圧接合
ここで、母材シートとしては、一般に、熱伝導率が高く加工が容易な銅（Ｃｕ）が用いられる。インサート金属１０５としては例えば金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）が用いられる。接合方法としては、液相拡散接合やロウ付け等が用いられる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９４９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の作製手順において、液相拡散接合等を行った際にインサート金属１０５が溶け出して微細な構造部分が埋没することのないよう、インサート金属１０５のメッキは、例えば放熱フィンのパターンが形成された第２層１２２および第４層１２４には施されず、図９に示したように、第１層１２１、第３層１２３、および第５層１２５に施される。このように各層を交互にメッキした後、接合を行うと、図８に示したように、水路１０３の内壁は異なる金属が表出する構造となる。すなわち、水路１０３内には母材の金属（銅等）が露出する部分２０１と、インサート金属１０５（金、銀等）が露出する部分２０２とが混在する構造となる。従来では、このような構造のために、使用時間が経つにつれて、ガルバニック腐食が発生するという問題があった。ガルバニック腐食とは、冷却溶液中において異種金属が接触した際に、イオンが移動し、イオン化傾向の卑なる金属が減肉する（削れる）現象のことである。冷却流体を介しヒートシンク内の異種金属同士に電位差が発生し、数千時間前後の長期的な通水を行うことで、接液部の電気化学的な機構により、ヒートシンク内の貴金属側（例えば金、銀）に減肉が、また、卑金属側（例えば銅）で腐食生成物の堆積および付着が発生してしまう。これにより、水路内の構造破壊（通水時間数千時間での冷却能力低下）や、ヒートシンク外壁との導通（通水時間数千時間程度での漏水）が生じ、ヒートシンクとしての信頼性を著しく低下させる原因となっていた。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ガルバニック腐食による水路内壁の構造劣化を防止し、信頼性の向上を図ることができるようにしたヒートシンクおよび半導体レーザ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のヒートシンクは、複数枚の薄板を重ね合わせて接合し内部に冷却液が通る水路が形成されたヒートシンクであって、水路内の表面が、少なくとも各薄板間の接合部の端部を除いて、すべて同一の金属材料で構成されているものである。
【０００９】
本発明の半導体レーザ装置は、複数枚の薄板を重ね合わせて接合し内部に冷却液が通る水路が形成されたヒートシンクと、ヒートシンクに実装された半導体レーザ素子とを備えた半導体レーザ装置であって、ヒートシンクの水路内の表面が、少なくとも各薄板間の接合部の端部を除いて、すべて同一の金属材料で構成されているものである。
【００１０】
本発明のヒートシンクまたは半導体レーザ装置では、水路内において、接合部の端部を含めて表面がすべて同一の金属材料が露出する構成とされるか、または接合部の端部を除く表面がすべて同一の金属材料が露出する構成とされる。これにより、水路内の表面が実質的にすべて同一の金属材料で構成され、水路内には異種金属が存在しない状態となるか、または異種金属が存在しても水路内表面積に対してごくわずかしか存在しない状態となる。これにより、ガルバニック腐食が最小限に抑えられ、信頼性が向上する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のヒートシンクまたは半導体レーザ装置によれば、水路内の表面を、少なくとも薄板間の接合部の端部を除いて、すべて同一の金属材料で構成するようにしたので、水路内には異種金属が存在しない状態、または異種金属が存在しても水路内表面積に対してごくわずかしか存在しない状態とすることができる。これにより、ガルバニック腐食による水路内壁の構造劣化を防止し、信頼性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ装置の一構成例を示している。また、図２は、この半導体レーザ装置に適用されるヒートシンク１Ａの具体的な内部構造の一例を分解して示している。
【００１４】
この半導体レーザ装置は、マイクロチャネル型の微細流路構造を有するヒートシンク１Ａに、半導体レーザ素子２を搭載して構成されている。ヒートシンク１Ａは、複数枚の薄板を重ね合わせて接合した構造を有し、内部に冷却液が通る水路３（供給水路３Ａ、中間水路３Ｂ、および排出水路３Ｃ）が形成されている。本実施の形態では、最も上側を第１層２１として、第１層２１〜第５層２５の５枚の薄板を積層した構成とされている。
【００１５】
ヒートシンク１Ａの各層２１〜２５は、すべて単一の金属材料（例えば銅、銀または金）の薄板で構成されている。各層２１〜２５はインサート金属を用いることなく、各層２１〜２５を構成する薄板（母材）が直接的に重ね合わせられて接合されている。これにより、水路３内の表面（内壁）が、接合部４の端部４１（各層間の水路３側の端部）を含めてすべて、各層２１〜２５を構成する薄板の表面が露出する構成とされている。
【００１６】
第１層２１は上面に半導体レーザ素子２が搭載されるレーザチップ搭載板となっている。第２層２２は、放熱フィン形成板となっており、図２に示したように、中間水路形成部１５と、放熱フィン１５ｆとを有している。中間水路形成部１５は、第２層２２を上下に貫通して形成されている。放熱フィン１５ｆは、半導体レーザ素子２の搭載位置の下部に対応する位置に複数枚、並列的に配置されている。また、各放熱フィン１５ｆの間を冷却水が通る構成となっている。
【００１７】
第４層２４も同様に放熱フィン形成板となっており、図２に示したように、中間水路形成部１３と、放熱フィン１３ｆとを有している。第４層２４はまた、供給水路形成穴部１２と、排出水路形成穴部１７とを有している。供給水路形成穴部１２と排出水路形成穴部１７は、第４層２４の上下を貫通するように形成されている。
【００１８】
第３層２３は、中間水路形成部１４と排出水路形成穴部１６とを有している。中間水路形成部１４と排出水路形成穴部１６は、第３層２３の上下を貫通するように形成されている。中間水路形成部１４は、矩形状に形成され、第２層２２の放熱フィン１５ｆと第４層２４の放熱フィン１３ｆとの間に位置している。
【００１９】
第５層２５は、供給水路形成穴部１１と排出水路形成穴部１８とを有している。供給水路形成穴部１１と排出水路形成穴部１８は、第５層２５の上下を貫通するように形成されている。
【００２０】
第５層２５の供給水路形成穴部１１と第４層２４の供給水路形成穴部１２は、上下方向に対応する位置に設けられ、これにより下層側から上層側に向けて冷却液が通過する供給水路３Ａが形成されている。また、冷却液が通過する側から順に、第４層２４の中間水路形成部１３および放熱フィン１３ｆと、第３層２３の中間水路形成部１４と、第２層２２の放熱フィン１５ｆおよび中間水路形成部１５とにより、全体として供給水路３Ａを通過した後の冷却液が通過する中間水路３Ｂが形成されている。また、第３層２３の排出水路形成穴部１６と第４層２４の排出水路形成穴部１７と第５層２５の排出水路形成穴部１８は、上下方向に対応する位置に設けられ、これにより全体として、中間水路３Ｂを通過した後の冷却液が上層側から下層側に向けて通過する排出水路３Ｃが形成されている。
【００２１】
ここで、この半導体レーザ装置の動作例を説明する。
この半導体レーザ装置は、ヒートシンク１Ａの供給水路３Ａおよび排出水路３Ｃが、冷却水の給排水を行うチラーと称される図示しない循環装置に接続される。ヒートシンク１Ａは、供給水路３Ａに冷却水が供給されると、上述のように供給水路３Ａから中間水路３Ｂへと冷却水が流れる。その後、冷却水は排出水路３Ｃから排出される。半導体レーザ素子２は、図示しないドライバ素子から受けた電気信号を、光信号に変換して出力する。半導体レーザ素子２が駆動されることで発生した熱は、レーザチップ搭載板（第１層２１）からヒートシンク１Ａ内に伝達される。ヒートシンク１Ａ内には、半導体レーザ素子２が搭載された位置に対応する位置に放熱フィン１３ｆ，１５ｆが設けられているので、水路３を冷却水が流れることで、半導体レーザ素子２から受けた熱が冷却される。これにより、半導体レーザ素子２が冷却される。
【００２２】
次に、図３（Ａ）〜（Ｄ）を参照して本実施の形態におけるヒートシンク１Ａの製造方法を説明する。
ヒートシンク１Ａの具体的な作製手順は、例えば以下のような工程で行われる。
（１）各層の母材シート作製（図３（Ａ））→（２）シート材エッチング（水路構造形成）（図３（Ｂ））→（３）シート材の張り合わせ（図３（Ｃ））→（４）シート材を加熱・加圧接合（図３（Ｄ））
【００２３】
ここで、母材シートは、熱伝導率の高い、例えば銅、銀、または金を用いて薄板状に形成される。また、母材シートは、各層２１〜２５につき、すべて単一（同一）の金属材料を用いる。各層２１〜２５の張り合わせおよび接合は、水路構造のエッチングを行った後の母材シートをインサート金属を用いることなく、直接的に重ね合わせて接合することにより行う。接合には固相拡散接合などの技術が使用可能である。このようにして、全体として完全に単一材料でのヒートシンク１Ａを作成することができる。全体として完全に単一材料で構成されているので、水路３内の表面は、接合部４の端部４１を含めてすべて、各層２１〜２５を構成する母材シートの表面が露出する構成となる。これにより、水路３内には異種金属がまったく存在しない構造となるので、ガルバニック腐食による信頼性への影響は皆無となる。
【００２４】
以上説明したように、本実施の形態のヒートシンク１Ａおよび半導体レーザ装置によれば、ヒートシンク１Ａ内の各層２１〜２５を構成する薄板（母材）をすべて単一の金属材料で構成すると共に、それら単一の金属材料で構成された各薄板をインサート金属を用いることなく直接的に重ね合わせて接合するようにしたので、水路３内の表面を、接合部４の端部４１を含めてすべて同一の金属材料で構成することができる。これにより、水路内には異種金属が存在しない状態となり、ガルバニック腐食による水路内壁の構造劣化を防止し、信頼性の向上を図ることができる。
［第２の実施の形態］
【００２５】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。なお、上記第１の実施の形態と実質的に同一の構成部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００２６】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ装置の一構成例を示している。
本実施の形態に係る半導体レーザ装置は、上記第１の実施の形態におけるヒートシンク１Ａ（図１）に代えてヒートシンク１Ｂを備えたものである。なお、本実施の形態におけるヒートシンク１Ｂは、各層の接合構造が異なるのみで、基本的な構成は上記第１の実施の形態におけるヒートシンク１Ａと同様である。
【００２７】
本実施の形態では、ヒートシンク１Ｂの各層２１〜２５の表面全体が、すべて単一の金属材料（例えば銀、金またはニッケル）による接合金属（インサート金属）５で覆われて接合されている。これにより、水路３内の表面（内壁）が、接合部４の端部４１（各層間の水路３側の端部）を含めてすべて、接合金属５が露出する構成とされている。
【００２８】
このヒートシンク１Ｂの製造方法を図５（Ａ）〜（Ｃ）を参照して説明する。
ヒートシンク１Ｂの具体的な作製手順は、例えば以下のような工程で行われる。
（１）各層の母材シート作製（図５（Ａ））→（２）シート材エッチング（水路構造形成）（図５（Ｂ））→（３）シート材に接合金属５を形成（図５（Ｃ））→（４）各層の張り合わせ→（５）各層を加熱・加圧接合
【００２９】
ここで、シート材に接合金属５を施すこと以外の工程は、基本的に上記第１の実施の形態と同様である。ただし、上記第１の実施の形態とは異なり、母材シートは必ずしも単一（同一）の金属材料を用いる必要はない。接合金属５の形成は、例えばメッキや蒸着により行うことができる。また、本実施の形態では、接合金属５を用いて各層２１〜２５の張り合わせおよび接合を行うが、その接合方法は、固相拡散接合であることが好ましい。固相拡散接合は、固相面間を固相状態で接合するものであり、接合材料の融点以下の温度で接合が行われる。このため、接合の際に水路３内に材料ムラが少ない構造にすることができる。
【００３０】
このようにして、全体として表面が完全に単一材料でのヒートシンク１Ｂを作成することができる。全体として表面が完全に単一材料で構成されているので、水路３内の表面は、接合部４の端部４１を含めてすべて、接合金属５が露出する構成となる。これにより、水路３内には異種金属がまったく存在しない構造となるので、ガルバニック腐食による信頼性への影響は皆無となる。
【００３１】
以上説明したように、本実施の形態のヒートシンク１Ｂおよび半導体レーザ装置によれば、ヒートシンク１Ｂ内の各層２１〜２５の表面をすべて単一の金属材料からなる接合金属５が露出する構成にしたので、水路３内の表面を、接合部４の端部４１を含めてすべて同一の金属材料で構成することができる。これにより、水路内には異種金属が存在しない状態となり、ガルバニック腐食による水路内壁の構造劣化を防止し、信頼性の向上を図ることができる。
［第３の実施の形態］
【００３２】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。なお、上記第１または第２の実施の形態と実質的に同一の構成部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００３３】
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザ装置の一構成例を示している。
本実施の形態に係る半導体レーザ装置は、上記第１の実施の形態におけるヒートシンク１Ａ（図１）に代えてヒートシンク１Ｃを備えたものである。なお、本実施の形態におけるヒートシンク１Ｃは、各層の接合構造が異なるのみで、基本的な構成は上記第１の実施の形態におけるヒートシンク１Ａと同様である。
【００３４】
上記第２の実施の形態におけるヒートシンク１Ｂ（図４）では、ヒートシンク１Ｂの各層２１〜２５の表面全体を、接合金属５で覆って接合するようにしたが、本実施の形態におけるヒートシンク１Ｃでは、必要最小限の部分にのみ接合金属５が形成されるようにしている。これにより、水路３内の表面（内壁）が、接合部４の端部４１（各層間の水路３側の端部）を除いて、各層２１〜２５を構成する薄板（母材）の表面が露出する構成とされている。
【００３５】
このヒートシンク１Ｃの製造方法を図７（Ａ）〜（Ｄ）を参照して説明する。なお、図７（Ａ）〜（Ｄ）では、第４層２４の製造工程のみを代表して示している。
ヒートシンク１Ｃの具体的な作製手順は、例えば以下のような工程で行われる。
（１）各層の母材シート作製（図７（Ａ））→（２）シート材に接合金属５を形成（図７（Ｂ））→（３）接合金属５のエッチング（図７（Ｃ））→（４）シート材エッチング（水路構造形成）（図７（Ｄ））→（４）各層の張り合わせ→（５）各層を加熱・加圧接合
【００３６】
上記第２の実施の形態では、シート材エッチング（水路構造形成）後に接合金属５を形成するようにしたが、本実施の形態では、水路構造を形成する前に接合金属５を形成する。母材シートは、上記第１の実施の形態と同様に、各層２１〜２５につき、すべて単一（同一）の金属材料（例えば銅）を用いる。接合金属５は例えば銀、金またはニッケルであり、その形成は、例えばメッキや蒸着により行うことができる。本実施の形態では、接合金属５を形成した後、２度に分けてエッチング工程を行う。また、本実施の形態においても、上記第２の実施の形態と同様、各層２１〜２５の接合方法は、固相拡散接合であることが好ましい。固相拡散接合では、母材と接合金属５との間で原子相互拡散させることで接合が行われるので、接合金属５の形状変化が極めて少ない。このため、固相拡散接合を用いることで、接合の際に、接合金属５の形状変化や溶け出しを最小限に留めることができる。
【００３７】
このような工程により、水路３内が、接合部４の端部４１のわずかな部分を除いて、各層２１〜２５を構成する薄板（母材）の表面が露出する構成とされる。これにより、接合金属５を用いた接合を行っているにもかかわらず、接合金属５の露出は最小限に抑えられ、水路３内には実質的にほとんど異種金属が存在しない構造となるので、ガルバニック腐食による信頼性への影響を少なくすることができる。本実施の形態によれば、接合金属５を使用した作製の容易さとガルバニック腐食による信頼性の向上とを両立することができる。
＜具体例＞
【００３８】
本実施の形態によれば、従来と比べて水路３内における貴な金属の割合を最小にすることができる。従来の構造（図８）では、水路内壁がヒートシンク材質より貴なインサート金属が露出し、ガルバニック腐食が促進されるのに対し、本実施の形態のヒートシンク１Ｃでは実質的にほぼ１００％、例えば銅のみの水路３を形成することができ、ガルバニック腐食の速度を最小とすることができる。
【００３９】
具体的には、腐食のレートに関して、一般的に次のような関係が成り立つ。
Ｐ＝Ｐ０（１＋Ｂ／Ａ）
ただし、
Ｐ：貴な金属に接触後の卑な金属の腐食速度、Ｐ０：卑な金属の単独での腐食速度
Ａ：卑な金属の表面積、Ｂ：貴な金属の表面積
【００４０】
ここで、貴な金属とは例えば母材側の銅であり、卑な金属とは例えば接合金属５の金である。表面積Ａ，Ｂを水路３内での面積とすることで、水路３内での腐食レートを計算することができる。従来、液相拡散接合を用いて図８のような構成とした場合、表面積Ａが例えば８００ｍｍ2程度、表面積Ｂが１０ｍｍ2程度と仮定すると、腐食レート（Ｐ）は０．０６×１０-3ｍｍ程度になる。これに対して本実施の形態の構造（図６）にすることで、漏水寿命を１６８２５倍にすることができる。
【００４１】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変形実施が可能である。
例えば、上記各実施の形態で示した水路構造は図示した構造に限らず、他の構造であっても良い。また、ヒートシンクの層構造は５層に限らず、４層以下または６層以上であっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ装置の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るヒートシンクの一例を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るヒートシンクの製造方法の一例を示す製造工程図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ装置の一例を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るヒートシンクの製造方法の一例を示す製造工程図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザ装置の一例を示す断面図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係るヒートシンクの製造方法の一例を示す製造工程図である。
【図８】従来の半導体レーザ装置の一例を示す断面図である。
【図９】従来のヒートシンクの製造方法の一例を示す製造工程図である。
【符号の説明】
【００４３】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…ヒートシンク、２…半導体レーザ素子、３…水路、３Ａ…供給水路、３Ｂ…中間水路、３Ｃ…排出水路、４…接合部、５…接合金属、１１，１２…供給水路形成穴部、１３，１４，１５…中間水路形成部、１６，１７，１８…排出水路形成穴部、１３ｆ，１５ｆ…放熱フィン、２１…レーザチップ搭載板（第１層）、２２…放熱フィン形成板（第２層）、２３…水路形成板（第３層）、２４…放熱フィン形成板（第４層）、２５…水路形成板（第５層）、４１…接合部の端部。
【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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