(57)【要約】【課題】照射効率の高い超音波照射装置を提供する。【解決手段】音響レンズ３２の内周部を円弧状に形成するとともに、外周部を内周部に沿って屈曲した多面体で構成し、外周部の各面３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃに平板状に形成された超音波振動子３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃを取り付ける。これにより、音響レンズ３２の厚さ変化を少なくすることができ、超音波の透過効率を高めて、照射効率を高めることができる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子から発生させた超音波を音響レンズでライン状に集束させて照射する超音波照射装置において、
前記音響レンズは、内周部が円弧状に形成されるとともに、外周部が内周部に沿って屈曲した多面体で形成され、該音響レンズの外周部の各面に平板状に形成された超音波振動子が取り付けられることを特徴とする超音波照射装置。
【請求項２】
前記音響レンズは、外周部の各面の中心部の厚さが、音響レンズ中の超音波の波長の１／２の整数倍で形成されるとともに、全域にわたって少なくとも１％以上の超音波の透過率が得られる厚さで形成されることを特徴とする請求項１に記載の超音波照射装置。
【請求項３】
超音波振動子から発生させた超音波を音響レンズでライン状に集束させて照射する超音波照射装置において、
前記音響レンズは、内周部と外周部が互いに平行な多面体で形成され、該音響レンズの外周部の各面に平板状に形成された超音波振動子が取り付けられることを特徴とする超音波照射装置。
【請求項４】
前記音響レンズは、外周部の各面に発生周波数の異なる超音波振動子が取り付けられるとともに、各面の厚さが、その面に取り付けられた超音波振動子から発生される超音波の該音響レンズ中での波長の１／２の整数倍で形成されることを特徴とする請求項３に記載の超音波照射装置。
【請求項５】
超音波振動子から発生させた超音波を音響レンズでライン状に集束させて照射する超音波照射装置において、
前記音響レンズは、内周部と外周部が、ほぼ同じ曲率の円弧状に形成され、該音響レンズの外周部に円弧状に形成された超音波振動子が取り付けられることを特徴とする超音波照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波照射装置に係り、特に超音波振動子から発生させた超音波を音響レンズでライン状に集束させて照射する超音波照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置や半導体の製造工程には、ガラス基板や半導体ウエハなどの基板を高い清浄度で洗浄することが要求される工程がある。このような工程では、従来、薬品を用いた洗浄と超純水を用いたリンスを繰り返す方法が用いられていた。
【０００３】
しかし、このような方法でガラス基板や半導体ウエハなどの基板を洗浄すると、薬品や超純水が大量に必要になるという問題があった。このため、近年は超音波を利用して基板を洗浄する方法が広く用いられており、その洗浄効果を高める方法も種々提案されている。たとえば、特許文献１では、洗浄液中に機能性のガスを溶解させ、この機能性のガスを溶解させた洗浄液に所定周波数（たとえば、２０ｋＨｚ以上）の超音波を照射して、基板に供給する方法が提案されている。この方法によれば、洗浄液中の溶存ガスとキャビティの生成圧壊効果により、反応性の高いラジカルを発生させることができ、基板上の汚染物を効果的に分解除去することができる。
【０００４】
ところで、このように超音波を利用して基板を洗浄する方法では、一般に平板状に形成された超音波振動子が用いられるが、このような平板状の超音波振動子は、発生面全域に超音波が照射されるため、洗浄対象領域以外にも超音波が照射されてしまい、照射効率が悪いという欠点があった。
【０００５】
そこで、特許文献２では、平板状の超音波振動子に音響レンズを取り付け、超音波振動子から発生させた超音波を音響レンズでライン状に集束させて基板に照射する方法が提案されている。この方法に用いられる音響レンズ１は、図１１に示すように、下面が円弧状に形成されるとともに、上面が平坦に形成されており、超音波振動子２は、その平坦な上面に直接取り付けられていた。
【特許文献１】特許３５２１３９３号公報
【特許文献２】特開２００６−１１０４１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の音響レンズのように、レンズの中心部の厚さ（ｈ）と周辺部の厚さ（Ｈ）が大きく異なると、効率よく超音波を照射することができないという欠点がある。すなわち、音響レンズは、レンズ中を伝播する超音波の波長λに応じて最適な厚さが存在し、この最適な厚さを外れると、超音波の透過性能が急激に低下するという性質がある。このため、従来の音響レンズのように、レンズの中心部の厚さと周辺部の厚さが大きく異なると、効率よく超音波を照射することができなくなる。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、照射効率の高い超音波照射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】
【０００８】
請求項１に係る発明は、前記目的を達成するために、超音波振動子から発生させた超音波を音響レンズでライン状に集束させて照射する超音波照射装置において、前記音響レンズは、内周部が円弧状に形成されるとともに、外周部が内周部に沿って屈曲した多面体で形成され、該音響レンズの外周部の各面に平板状に形成された超音波振動子が取り付けられることを特徴とする超音波照射装置を提供する。
【０００９】
請求項１に係る発明によれば、音響レンズの内周部が円弧状に形成されるとともに、外周部が内周部に沿って屈曲した多面体で形成される。そして、その音響レンズの外周部の各面に平板状に形成された超音波振動子が取り付けられる。これにより、音響レンズの厚さ変化を少なくすることができ、超音波の透過効率を高めて、照射効率を高めることができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前記目的を達成するために、前記音響レンズは、外周部の各面の中心部の厚さが、音響レンズ中の超音波の波長の１／２の整数倍で形成されるとともに、全域にわたって少なくとも１％以上の超音波の透過率が得られる厚さで形成されることを特徴とする請求項１に記載の超音波照射装置を提供する。
【００１１】
請求項２に係る発明によれば、音響レンズは、外周部の各面の中心部の厚さが、音響レンズ中の超音波の波長の１／２の整数倍で形成されるとともに、全域にわたって少なくとも１％以上の超音波の透過率が得られる厚さで形成される。このように、音響レンズの厚みの比率を超音波透過率で規定することにより、超音波の透過率の高い最適な形状の音響レンズを製作することができる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、前記目的を達成するために、超音波振動子から発生させた超音波を音響レンズでライン状に集束させて照射する超音波照射装置において、前記音響レンズは、内周部と外周部が互いに平行な多面体で形成され、該音響レンズの外周部の各面に平板状に形成された超音波振動子が取り付けられることを特徴とする超音波照射装置を提供する。
【００１３】
請求項３に係る発明によれば、音響レンズの内周部と外周部が互いに平行な多面体で形成され、その音響レンズの外周部の各面に平板状に形成された超音波振動子が取り付けられる。これにより、音響レンズの厚さを均一にすることができ、超音波の透過効率を最大限に高めることができる。
【００１４】
請求項４に係る発明は、前記目的を達成するために、前記音響レンズは、外周部の各面に発生周波数の異なる超音波振動子が取り付けられるとともに、各面の厚さが、その面に取り付けられた超音波振動子から発生される超音波の該音響レンズ中での波長の１／２の整数倍で形成されることを特徴とする請求項３に記載の超音波照射装置を提供する。
【００１５】
請求項４に係る発明によれば、音響レンズの外周部の各面に発生周波数の異なる超音波振動子が取り付けられる。そして、その音響レンズの各面の厚さが、その面に取り付けられた超音波振動子から発生される超音波のレンズ中の波長の１／２の整数倍で形成される。これにより、異なる周波数の超音波を効率よく照射することができる。
【００１６】
請求項５に係る発明は、前記目的を達成するために、超音波振動子から発生させた超音波を音響レンズでライン状に集束させて照射する超音波照射装置において、前記音響レンズは、内周部と外周部が、ほぼ同じ曲率の円弧状に形成され、該音響レンズの外周部に円弧状に形成された超音波振動子が取り付けられることを特徴とする超音波照射装置を提供する。
【００１７】
請求項５に係る発明によれば、音響レンズの内周部と外周部が、ほぼ同じ曲率の円弧状に形成され、その音響レンズの外周部に円弧状に形成された超音波振動子が取り付けられる。これにより、音響レンズの厚さを均一にすることができ、超音波の透過効率を最大限に高めることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、音響レンズの厚さ変化を少なくすることにより、超音波の透過効率を高めて、照射効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面に従って本発明に係る超音波照射装置の好ましい実施の形態について詳説する。
【００２０】
図１は、本発明に係る超音波照射装置が組み込まれた超音波洗浄装置の一例を示す模式図である。
【００２１】
この超音波洗浄装置１０は、たとえば、液晶表示装置用の大型ガラス基板の洗浄装置として構成され、水平に搬送されるガラス基板Ｇの表面に超音波を照射した洗浄液を供給して、ガラス基板Ｇを洗浄する。ガラス基板Ｇの搬送は、たとえばコンベアによって行われ、そのコンベアの上方に設置された洗浄用ヘッド１２から超音波が照射された洗浄液がカーテン状に供給される。
【００２２】
図２、図３は、それぞれ洗浄用ヘッド１２の概略構成を示す正面断面図と側面断面図である。
【００２３】
同図に示すように、洗浄用ヘッド１２は、先端がテーパ状に加工された横長の箱型形状に形成されており、その先端（下端）にスリット状の洗浄液吐出口１４が形成されている。
【００２４】
洗浄用ヘッド１２の内部には、長手方向（基板の搬送方向と直交する方向）に沿って複数の超音波照射装置３０が並列して取り付けられており、この超音波照射装置３０から所定の集束焦点にライン状に集束させた超音波が、内部の洗浄液に照射される。このように、超音波を集束させることにより、集束焦点近傍で効率よく洗浄に寄与するラジカルを発生させることができる。したがって、この集束焦点は、ガラス基板Ｇの表面近傍に設定することが好ましい。この超音波照射装置３０の構成については、後に詳述する。
【００２５】
洗浄用ヘッド１２の側面には、供給口１２Ａが形成されており、この供給口１２Ａから洗浄用ヘッド内に洗浄液が供給される。洗浄液には、たとえば超純水が用いられ、図示しない供給源から脱気膜モジュール２０、ガス溶解膜モジュール２２を介して供給口１２Ａに供給される。
【００２６】
脱気膜モジュール２０は、洗浄液中に溶け込んでいる余分なガスを脱気し、この脱気膜モジュール２０で脱気した洗浄液にガス溶解膜モジュール２２で機能性のガスを溶解させて供給口１２Ａに供給する。このように、洗浄液中に溶け込んでいる余分なガスを脱気後、機能性のガスを供給し、水中に溶存させることで、洗浄に寄与するガスの溶存量を増加させることができ、洗浄効率を一層向上させることができる。なお、溶存させるガスについては、特に限定されない。また、このように脱気した洗浄液に機能性のガスを溶解させる構成に代えて、洗浄液に空気を飽和させる構成としてもよい。
【００２７】
供給口１２Ａから洗浄用ヘッド内に供給された洗浄液は、超音波照射装置３０から集束超音波が照射されて、洗浄液吐出口１４からカーテン状に吐出される。
【００２８】
ガラス基板Ｇは、洗浄液吐出口１４を直交するように搬送され、その洗浄液吐出口１４の下部を通過する際、洗浄液吐出口１４から吐出された洗浄液が表面に供給されて、表面が洗浄される。
【００２９】
以上のように構成された超音波洗浄装置１０の作用は次のとおりである。
【００３０】
洗浄対象のガラス基板Ｇは、図示しないコンベアによって所定の搬送経路を水平に搬送される。そして、洗浄用ヘッド１２の下部を通過する際、洗浄液吐出口１４からカーテン状に吐出される洗浄液が表面に供給されて、表面が洗浄される。
【００３１】
この洗浄液は、図示しない供給源から供給され、この供給源から供給された洗浄液が、脱気膜モジュール２０で脱気後、ガス溶解膜モジュール２２で機能性のガスが溶解されて洗浄用ヘッド１２に供給される。洗浄用ヘッド１２に供給された洗浄液は、超音波照射装置３０よって集束超音波が照射された後、洗浄液吐出口１４から吐出され、ガラス基板Ｇに供給される。
【００３２】
図４は、超音波照射装置３０の構成を示す側面図である。同図に示すように、超音波照射装置３０は、ライン状の焦点Ｐを有する音響レンズ３２と、その音響レンズ３２に取り付けられた３枚の超音波振動子３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃとで構成されている。
【００３３】
音響レンズ３２は、全体として樋状に形成されており、内周部が所定の曲率半径の円弧状に形成されるとともに、外周部が、その内周部に沿って屈曲した多面体（本実施の形態では３面）で形成されている。
【００３４】
外周部の各面３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃは、ライン状に形成された音響レンズ３２の焦点Ｐを臨むようにして、左右対称に形成されている。そして、その各面３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃの中心部での厚さｈ０が、音響レンズ中における超音波（超音波振動子３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃから発生させた超音波）の波長λの１／２の整数倍で形成されている。
【００３５】
超音波振動子３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃは、それぞれ平板状に形成されており、音響レンズ３２の外周部の各面３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃの中央に取り付けられている。この超音波振動子３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃからは、それぞれ所定周波数（たとえば、２０ｋＨｚ以上）の超音波が発生される。
【００３６】
以上のように、本実施の形態の超音波照射装置３０では、音響レンズ３２の内周部が円弧状に形成されるとともに、外周部が多面体で形成される。そして、その多面体で形成された外周部の各面３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃに平板状に形成された超音波振動子３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃが取り付けられる。これにより、音響レンズ３４の厚さ変化を少なくすることができ、超音波の透過効率を高めることができる。すなわち、音響レンズは、レンズ中を伝播する超音波の波長λに応じて最適な厚さが存在し、この最適な厚さを外れると、超音波の透過性能が急激に低下するという性質があるが、本実施の形態の音響レンズ３２のように外周部を多面体で構成することにより、厚さ変化を少なくすることができ、超音波の透過効率を高めることができる。
【００３７】
なお、レンズの厚さは、レンズ中を伝播する超音波（超音波振動子３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃから発生させた超音波）の波長λの１／２の整数倍に設定することで、最も効率よく超音波を透過させることができる。このため、本実施の形態の音響レンズ３２では、外周部を構成する各面３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃの中心部での厚さｈ０が超音波の波長λの１／２の整数倍となるように形成されている。これにより、効率よく超音波を透過させることができる。
【００３８】
なお、本実施の形態では、音響レンズ３２の外周部を３面で構成しているが、外周部を構成する多面体の数は、これに限定されるものではない。たとえば、図５に示すように、５面で構成し、各面に平板状の超音波振動子を取り付けるようにしてもよい。同様に６面、７面、…等で構成するようにしてもよい。
【００３９】
また、超音波の透過効率をさらに向上させるためには、外周部の各面３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃの中心部での厚さｈ０を音響レンズ中の超音波の波長の１／２の整数倍で形成するとともに、全域で１％以上の透過率が得られるように形成することが好ましい。以下、この点について、さらに説明する。
【００４０】
図６は、音響レンズの厚さに対する超音波の透過率を表したグラフである。このグラフは、同図に示した音響レンズの超音波透過率を表す算出式から求めたグラフである。
【００４１】
このグラフに示されるように、音響レンズは、超音波の波長に応じて最適な厚さが存在し、その前後数ｍｍの範囲（超音波透過範囲）でのみ超音波を透過する。
【００４２】
したがって、音響レンズを製作する際は、外周部の各面の中心部での厚さが音響レンズ中の超音波の波長の１／２の整数倍となるように形成するととともに、全域でその厚さが超音波透過範囲内に収まるように、すなわち、全域で少なくとも１％以上の透過率が得られるように形成することで、その形状を最適化することができる。この場合、内周部の曲率等に応じて、外周部に形成する面の幅、数等を調整して、少なくとも１％以上の透過率が得られるように形成することができる。
【００４３】
本実施の形態の音響レンズ３２の場合、外周部の各面３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃの中心部で最も厚さが薄くなり、各面３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃの両端部で最も厚さが厚くなる。したがって、外周部の各面３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃの中心部の厚さｈ０を音響レンズ中の超音波の波長の１／２の整数倍で形成するとともに、両端部において、少なくとも１％以上の透過率が得られる厚さｈ１で形成することにより、その形状を最適化することができる。そして、この両端部での厚さｈ１が、中心部での厚さｈ０に近づけば近づくほど、全体の透過性能を向上させることができ、最適な形状に形成することができる。
【００４４】
このように、音響レンズの厚みの比率を超音波の波長に応じた透過性能で規定することにより、超音波の透過率の高い最適な音響レンズを作成することができる。
【００４５】
図７は、本発明に係る超音波照射装置の第２の実施の形態の構成を示す側面図である。
【００４６】
同図に示すように、本実施の形態の超音波照射装置４０は、音響レンズ４２が、円弧状に形成され、その外周部に円弧状に形成された一枚の超音波振動子４４が取り付けられて構成される。
【００４７】
音響レンズ４２は、内周部と外周部が同じ曲率の円弧状に形成されており、その厚さｈ０が均一に形成されている。
【００４８】
超音波振動子４４は、音響レンズ４２の外周部とほぼ同じ曲率の円弧状に形成されており、音響レンズ４２の外周部に貼り付けられている。この超音波振動子４４からは、所定周波数（たとえば、２０ｋＨｚ以上）の超音波が発生される。
【００４９】
以上のように構成された本実施の形態の超音波照射装置４０によれば、音響レンズ４２の厚さが均一に形成されるので、超音波の透過効率を最大限に高めることができ、超音波振動子４４から発生させた超音波を効率よく照射することができる。
【００５０】
なお、上記のように、音響レンズ４２は、その厚さを音響レンズ中の超音波の波長の１／２の整数倍とすることで、透過率を最大にすることができるので、本実施の形態の音響レンズ４２においても、その厚さｈ０は超音波振動子４４から発する超音波の波長の１／２の整数倍に設定される。これにより、超音波の透過効率を最大限に高めることができる。
【００５１】
図８は、本発明に係る超音波照射装置の第３の実施の形態の構成を示す側面図である。
【００５２】
同図に示すように、本実施の形態の超音波照射装置５０は、音響レンズ５２の外周部と内周部が共に多面体（本例では３面）で構成され、外周部の各面に平板状に形成された超音波振動子５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃが取り付けられて構成される。
【００５３】
音響レンズ５２は、全体として樋状に形成されており、内周部の各面５６Ａ、５６Ｂ、５６Ｃは、ライン状に形成された音響レンズ５２の焦点Ｐを臨むようにして、左右対称に形成されている。外周部の各面５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｃは、それぞれ対応する内周部の各面５６Ａ、５６Ｂ、５６Ｃと平行に形成されており、これにより、音響レンズ５２は、全体として厚さｈ０が均一に形成されている。
【００５４】
超音波振動子５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃは、それぞれ平板状に形成されており、音響レンズ５２の外周部の各面５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｃの中央に取り付けられている。この超音波振動子５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃからは、それぞれ所定周波数（たとえば、２０ｋＨｚ以上）の超音波が発生される。
【００５５】
以上のように構成された本実施の形態の超音波照射装置５０によれば、音響レンズ５２の厚さ（外周部の各面と内周部の各面との間の厚さｈ０）が均一に形成されるので、超音波の透過効率を最大限に高めることができ、各超音波振動子５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃから発生させた超音波を効率よく照射することができる。
【００５６】
なお、上記同様、音響レンズ５２は、その厚さを音響レンズ中の超音波の波長の１／２の整数倍とすることで、透過率を最大にすることができるので、本実施の形態の音響レンズ５２においても、その厚さ（外周部の各面と内周部の各面との間の厚さ）ｈ０は、各超音波振動子５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃから発する超音波の波長の１／２の整数倍に設定される。
【００５７】
したがって、外周部の各面５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｃに設置する超音波振動子５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃの発生周波数が異なる場合は、図９に示すように、各面５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｃに取り付けられる超音波振動子５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃの発生周波数λＡ、λＢ、λＣに応じて、各面における厚さｈＡ、ｈＢ、ｈＣを変えて音響レンズ５２を製作することが好ましい。すなわち、外周部の各面５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｃの厚さｈＡ、ｈＢ、ｈＣは、そこに取り付けられる超音波振動子５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃの音響レンズ中の波長の１／２の整数倍に設定する。これにより、各超音波振動子５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃから発生された超音波を効率よく照射することができる。また、このように異なる周波数の超音波振動子を取り付けることにより、異なる周波数での洗浄を同時に行うことができ、洗浄効率も向上させることができる。
【００５８】
なお、上記実施の形態では、音響レンズ５２の外周部を３面で構成しているが、外周部を構成する多面体の数は、これに限定されるものではない。たとえば、図１０に示すように、５面で構成し、各面に平板状の超音波振動子を取り付けるようにしてもよい。同様に６面、７面、…等で構成するようにしてもよい。
【００５９】
また、上記一連の実施の形態では、超音波洗浄装置に組み込まれた超音波照射装置に本発明を適用した場合を例に説明したが、本発明の適用は、これに限定されるものではなく、他の機器に組み込まれる超音波照射装置にも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】超音波洗浄装置の一例を示す模式図
【図２】洗浄用ヘッドの概略構成を示す正面断面図
【図３】洗浄用ヘッドの概略構成を示す側面断面図
【図４】超音波照射装置の構成を示す側面図
【図５】超音波照射装置の他の実施の形態の構成を示す側面図
【図６】音響レンズの厚さに対する超音波の透過率を表したグラフ
【図７】超音波照射装置の第２の実施の形態の構成を示す側面図
【図８】超音波照射装置の第３の実施の形態の構成を示す側面図
【図９】超音波照射装置の他の実施の形態の構成を示す側面図
【図１０】超音波照射装置の他の実施の形態の構成を示す側面図
【図１１】従来の超音波照射装置の構成を示す側面図
【符号の説明】
【００６１】
１０…超音波洗浄装置、１２…洗浄用ヘッド、１４…洗浄液吐出口、２０…脱気膜モジュール、２２…ガス溶解膜モジュール、３０…超音波照射装置、３２…音響レンズ、３４Ａ〜３４Ｅ…超音波振動子、３６Ａ〜３６Ｅ…音響レンズの外周部の各面、４０…超音波照射装置、４２…音響レンズ、４４…超音波振動子、５０…超音波照射装置、５２…音響レンズ、５４Ａ〜５４Ｃ…超音波振動子、５６Ａ〜５６Ｂ…音響レンズの内周部の各面、５８Ａ〜５８Ｂ…音響レンズの外周部の各面
【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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