(57)【要約】【課題】送信光学系においての部品点数，調心の時間及び組立時間を削減することによりコスト削減することを目的とする。【解決手段】半導体レーザ素子１０２を搭載するための電極パターン４が設けられるテラス部２と、このテラス部２に対し所定の位置に形成され、かつ第１レンズ１０３が取り付けられるくぼみ５とを有するシリコン基板１と、前記シリコン基板１が搭載され、前記シリコン基板１の前記くぼみ５に取り付けられる第１レンズの光軸に垂直な第２レンズ取り付け面７ｅを有する金属ホルダ７とを備えてなる光通信用送信光学系組み立て具における前記電極パターン４に半導体レーザ素子１０２を搭載し、前記くぼみ５に第１レンズ１０３を取り付け、前記第１レンズ１０３に光軸を合わせて前記第２レンズ取り付け面７ｅに第２レンズ１０８を接合してなる光通信用送信光学系。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子を搭載するための半導体レーザ素子搭載部と、この半導体レーザ素子搭載部に対し所定の位置に形成され、かつ第１レンズが取り付けられる第１レンズ取り付け部とを有する基板と、
前記基板が搭載され、前記基板の前記第１レンズ取り付け部に取り付けられる第１レンズの光軸に垂直な第２レンズ取り付け面を有するホルダと
を備えることを特徴とする光通信用送信光学系組み立て具。
【請求項２】
請求項１に記載の光通信用送信光学系組み立て具において、前記基板の前記第１レンズ取り付け部が前記半導体レーザ素子搭載部より低い位置に形成されていることを特徴とする光通信用送信光学系組み立て具。
【請求項３】
請求項２に記載の光通信用送信光学系組み立て具において、前記第１レンズ取り付け部がくぼみであることを特徴とする光通信用送信光学系組み立て具。
【請求項４】
請求項１に記載の光通信用送信光学系組み立て具において、前記基板の前記第１レンズ取り付け部がＶ溝であることを特徴とする光通信用送信光学系組み立て具。
【請求項５】
請求項４に記載の光通信用送信光学系組み立て具において、前記半導体レーザ素子搭載部と前記Ｖ溝との間にレンズの当接面を有することを特徴とする光通信用送信光学系組み立て具。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光通信用送信光学系組み立て具において、前記基板がシリコン基板であることを特徴とする光通信用送信光学系組み立て具。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の光通信用送信光学系組み立て具において、前記ホルダが金属製であることを特徴とする光通信用送信光学系組み立て具。
【請求項８】
請求項１乃至４，６，７のいずれかに記載の光通信用送信光学系組み立て具における前記半導体レーザ素子搭載部に半導体レーザ素子を搭載し、前記第１レンズ取り付け部に第１レンズを取り付け、前記第１レンズに光軸を合わせて前記第２レンズ取り付け面に第２レンズを接合してなることを特徴とする光通信用送信光学系。
【請求項９】
請求項８に記載の光通信用送信光学系おいて、前記半導体レーザ素子が前記半導体レーザ素子搭載部にフリップチップボンディング法により搭載されていることを特徴とする光通信用送信光学系。
【請求項１０】
請求項９に記載の光通信用送信光学系において、前記第１レンズが角型部を有するレンズ又は球状レンズであることを特徴とする光通信用送信光学系。
【請求項１１】
請求項５に記載の光通信用送信光学系組み立て具における前記半導体レーザ素子搭載部に前記半導体レーザ素子を搭載し、前記当接面に端面を当てて円筒形の第１レンズを前記Ｖ溝に取り付け、前記第１レンズに光軸を合わせて前記第２レンズ取り付け面に第２レンズを接合してなることを特徴とする光通信用送信光学系。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光通信用送信光学系おいて、前記半導体レーザ素子が前記半導体レーザ素子搭載部にフリップチップボンディング法により搭載されていることを特徴とする光通信用送信光学系。
【請求項１３】
請求項８乃至１２のいずれかに記載の光通信用送信光学系において、前記第２レンズは光ファイバ付きレンズであることを特徴とする光通信用送信光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２レンズ光学系を用いた送信光学系の組み立て用治具及びそれを用いて組み立てた送信光学系に関し、例えばレーザを用いた光通信モジュールに利用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在の光送信モジュールに使われる送信光学系では、半導体レーザと光ファイバの結合方法として４通りの方法が用いられている。中でも、半導体のレーザの出力を２つのレンズを介してファイバに結合させる２レンズ光学系は理論的に最も高い結合効率を得られる結合方法である。また、従来の２レンズ光学系では下記の特許文献１や２などに記載されているように、半導体レーザと第１レンズが載ったブロックを組み立て、これをパッケージに搭載し、その後にパッケージに第２レンズを接合して固定するという手法を取っている。
【０００３】
従来の２レンズ光学系を用いた送信モジュールの一般的な構成を図１１によって説明する。金属などで作られたブロック１０１に半導体レーザ素子１０２を搭載し、この半導体レーザ素子１０２を駆動して出射されるビームを観察しながら第１レンズ１０３の位置を調整し、第１レンズ１０３をブロック１０１に固定する。次にこのブロック１０１を枠状のパッケージ１０４内に精度良く固定し、さらにファイバ付き第２レンズ１０５を光軸調整しながら、パッケージ１０４に接合する。ファイバ付き第２レンズ１０５は、フェルール付きファイバ１０６をスリーブ１０７に差し込み、第２レンズ１０８に固定したものである。フェルール付きファイバ１０６をスリーブ１０７内で摺動させつつ第２レンズ１０８とスリーブ１０７が接する面を摺動させることで、第２レンズを通った光が効率良くファイバ１０９に入射される位置にスリーブ１０７は固定される。
【０００４】
このように従来の送信モジュールは、その製作に複雑な工程を経るため、光学系の組み立て工数が多くなっていた。また、パッケージ１０４を基準としたファイバ付き第２レンズ１０５とブロック１０１を搭載するため、パッケージ１０４にも高い寸法精度が必要となり、その結果光送信モジュールが高価になるという問題があった。
【０００５】
また、パッケージを用いず、金属ベースに光学系を組み立て、これをパッケージに組み込む特許文献３のような構成のものもあるが、これは１レンズ光学系であり、安価な２レンズ光学系を実現するには、低コストで正確な位置に第１レンズが搭載できる方法を考案する必要がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−１７９１７０号公報
【特許文献２】
特開平７−１３０４７号公報
【特許文献３】
特開平７−２８７１４９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、２レンズ光学系においては、部品点数が多く、二つのレンズとファイバのそれぞれの光軸調整を行わなくてはならず、コストが高くなる問題があった。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、送信光学系の部品点数，調心の時間及び組立時間を削減することによりコスト削減を目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第１の本発明に係る光通信用送信光学系組み立て具は、半導体レーザ素子を搭載するための半導体レーザ素子搭載部と、この半導体レーザ素子搭載部に対し所定の位置に形成され、かつ第１レンズが取り付けられる第１レンズ取り付け部とを有する基板と、
前記基板が搭載され、前記基板の前記第１レンズ取り付け部に取り付けられる第１レンズの光軸に垂直な第２レンズ取り付け面を有するホルダと
を備えることを特徴とする。
半導体レーザ素子搭載部は、例えばフォトプロセスによる高精度な電極パターンとして具現化される。また、第１レンズ取り付け部は、例えば、異方性エッチィングにより立体的に形成される。
【０００９】
上記課題を解決する第２の本発明に係る光通信用送信光学系組み立て具は、第１の発明に係る光通信用送信光学系組み立て具において、前記基板の前記第１レンズ取り付け部が前記半導体レーザ素子搭載部より低い位置に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
上記課題を解決する第３の本発明に係る光通信用送信光学系組み立て具は、第２の発明に係る光通信用送信光学系組み立て具において、前記第１レンズ取り付け部がくぼみであることを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決する第４の本発明に係る光通信用送信光学系組み立て具は、第１の発明に係る光通信用送信光学系組み立て具において、前記基板の前記第１レンズ取り付け部がＶ溝であることを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する第５の本発明に係る光通信用送信光学系組み立て具は、第４の発明に係る光通信用送信光学系組み立て具において、前記半導体レーザ素子搭載部と前記Ｖ溝との間にレンズの当接面を有することを特徴とする。
従って、第１レンズ取り付け部においては、くぼみもしくはＶ溝のどちらかを用いても可能であり、同様の効果が得られる。
【００１３】
上記課題を解決する第６の本発明に係る光通信用送信光学系組み立て具は、第１乃至５の発明に係る光通信用送信光学系組み立て具において、前記基板がシリコン基板であることを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する第７の本発明に係る光通信用送信光学系組み立て具は、第１乃至６の発明のいずれかに係る光通信用送信光学系組み立て具において、前記ホルダが金属製であることを特徴とする光通信用送信光学系組み立て具。
【００１５】
上記課題を解決する第８の本発明に係る光通信用送信光学系は、第１乃至４，６，７の発明のいずれかに係る光通信用送信光学系組み立て具における前記半導体レーザ素子搭載部に半導体レーザ素子を搭載し、前記第１レンズ取り付け部に第１レンズを取り付け、前記第１レンズに光軸を合わせて前記第２レンズ取り付け面に第２レンズを接合してなることを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する第９の本発明に係る光通信用送信光学系は、第８の発明に係る光通信用送信光学系おいて、前記半導体レーザ素子が前記半導体レーザ素子搭載部にフリップチップボンディング法により搭載されていることを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する第１０の本発明に係る光通信用送信光学系は、第９の発明に係る光通信用送信光学系において、前記第１レンズが角型部を有するレンズ又は球状レンズであることを特徴とする。
【００１８】
上記課題を解決する第１１の本発明に係る光通信用送信光学系は、第５の発明に係る光通信用送信光学系組み立て具における前記半導体レーザ素子搭載部に前記半導体レーザ素子を搭載し、前記当接面に端面を当てて円筒形の第１レンズを前記Ｖ溝に取り付け、前記第１レンズに光軸を合わせて前記第２レンズ取り付け面に第２レンズを接合してなることを特徴とする。
【００１９】
上記課題を解決する第１２の本発明に係る光通信用送信光学系は、第１１の発明に係る光通信用送信光学系おいて、前記半導体レーザ素子が前記半導体レーザ素子搭載部にフリップチップボンディング法により搭載されていることを特徴とする。
【００２０】
上記課題を解決する第１３の本発明に係る光通信用送信光学系は、第８乃至１２の発明のいずれかに記載の光通信用送信光学系において、前記第２レンズは光ファイバ付きレンズであることを特徴とする。
【００２１】
上記のような構成をとることにより、第１レンズをアクティブ調心することなく、シリコンの異方性エッチィングにより高精度に形成されたくぼみもしくはＶ溝に嵌め込むだけで第１レンズを正確な位置に搭載でき、調心時間の短縮が図れコスト削減に繋がる。
また、第２レンズの調心も、垂直面に押し付けて面方向の位置調整を行えば良く、アオリを調整する必要がなくなる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図１は第１の実施形態に係る送信光学系の側面図であり、図２はその斜視図である。図３はシリコン基板の詳細斜視図である。説明上、図１における紙面の上下方向をＹ方向、紙面に垂直な方向をＸ方向、紙面の左右方向をＺ方向とする。
【００２３】
シリコン基板１は、半導体レーザ素子１０２を搭載するためのテラス部２とレンズを搭載するためにテラス部２の表面より低くなっているレンズ搭載部３とを有する。テラス部２の表面には、半導体レーザ素子１０２を搭載するための電極パターン４がフォトプロセスにより高精度に形成されている。レンズ搭載部３には、第１レンズ取り付け部としてレンズ用くぼみ５が形成されている。このレンズ用くぼみ５は、電極パターン４に対し所定の位置（距離）に形成されている。また、シリコン基板１は、表面に形成された電極パターンやフリップチップボンディングされた半導体レーザ素子の電極との寄生容量を減らし、高周波特性を良好にするために、抵抗率１０００Ω・ｃｍ以上、望ましくは３０００Ω・ｃｍ以上の抵抗率をもつ高抵抗シリコン基板の表面に１μｍ以上の厚い酸化膜を形成したものが望ましい。
【００２４】
第１レンズ１０３は、前述のレンズ用くぼみ５に嵌め込まれて位置決めされ、接着剤あるいは半田などで固定されている。半導体レーザ素子１０２は、電極パターン４上に、活性層が下側になる形でフィリップボンディング法により固定されている。この、シリコン基板１上に半導体レーザ素子１０２と第１レンズ１０３を載せた物を以後シリコンベンチと呼び、符号６で表す。
【００２５】
シリコンベンチ６は金属ホルダ７に固定される。金属ホルダ７は、水平部７ａと垂直部７ｂからなり、横から見た断面がＬ字型をしており、垂直部７ｂには光を通すための穴８が開けられている。
垂直部７ｂの両面は水平部７ａの表面７ｃに対し精確な垂直面７ｄ，７ｅとなっている。シリコンベンチ６は水平部７ａの表面７ｃ上に乗せられ、水平な表面７ｃにつながる垂直面７ｄに当接されて取り付けられる。
【００２６】
垂直面７ｄと反対側の垂直面７ｅには第２レンズ１０８が取り付けられる。フェルール付きファイバ１０６は、フェルール部分をスリーブ１０７に差し込んだ形で固定されおり、このスリーブ１０７が第２レンズ１０８に固定されている。
【００２７】
上述した構成のシリコンベンチ６への半導体レーザ素子１０２の実装にはフリップチップボンディング法を用いる。フィリップチップボンディング法を用いることにより、テラス部２の表面に対する半導体レーザ素子１０２の光出射部のＹ軸方向の位置を、半導体レーザ素子の厚み誤差に左右されることなく、正確に搭載することができる。また、テラス部２上に形成された電極パターン４と半導体レーザ素子１０２の位置関係をカメラ等で確認しつつ半導体レーザ素子を搭載するビジュアルアライメント法を利用することで、Ｘ方向とＺ方向に関してもテラス部２上の正確な位置に搭載可能である。このように、フリップチップボンディング法とビジュアルアライメント法を併用することにより、半導体レーザ素子１０２の光出射部を、シリコン基板１上の所望の位置に正確に搭載可能となる。
【００２８】
前述のように第１レンズ１０３は、シリコンの異方性エッチングにより形成されたレンズ用くぼみ５に嵌め込まれ固定されている。本実施形態では第１レンズ１０３として外形が角型のレンズを用いている。レンズ用くぼみ５は、第１レンズ１０３の角型部１０３ａの幅、長さと同じ、あるいは１μｍ程度大きい寸法に作製してあり、このレンズ用くぼみ５に角型部１０３ａを嵌め込むことで第１レンズ１０３のＸ方向とＺ方向の位置決めが正確に行える。また、Ｙ方向に関しては、異方性エッチングにより加工するレンズ用くぼみ５の深さを制御することで正確に制御できる。このように、このレンズ用くぼみ５にレンズを嵌め込むだけで正確にレンズのＸ，Ｙ，Ｚ位置を決めて固定することができる。
なお、図４に示すように、レンズ用くぼみ５として角型部１０３ａより大きめの穴を形成しておき、このうちの２辺５ａ，５ｂに角型部１０３ａの辺を突き当てることでレンズ位置を正確に決める構成も可能である。
更に、レンズ取り付け部としてくぼみ５の変わりに凸状部を設ける一方、第１レンズ１０３にそれと合致する凹部を形成し、凸状部に第１レンズ１０３の凹を嵌め合わせることにより、第１レンズ１０３の位置決めを行うようにしてもよい。
【００２９】
第１レンズとして、図５に示すように球レンズ９を用いてもよい。この場合においても、異方性エッチングで形成されたレンズ用くぼみ５に球レンズ９を嵌め込むことで第１レンズを正確に位置合わせすることができる。つまり、この場合いつも球状レンズ９の直径等に合わせてレンズ用くぼみ５の寸法が決められる。
【００３０】
このような構造をとることにより、半導体レーザ素子１０２の光出射位置と第１レンズ１０３がそれぞれシリコン基板１を基準として、半導体レーザ素子を動作させ光線を観察しながらレンズの位置を調整するアクティブ調心の必要が無くなり、組み立て時間の短縮と組み立てコストの削減が図れる。
【００３１】
また、金属ホルダ７にシリコンベンチ６を搭載する際には、図６に示すようにシリコンベンチ６を金属ホルダ７の垂直部７ｂの垂直面７ｄに突き当てることによりＺ軸方向の位置決めを行う。これにより、金属ホルダ７の垂直面７ｅと半導体レーザ素子１０２、第１レンズ１０３の間の距離が正確に保たれる。
【００３２】
垂直部７ｂと第１レンズの距離が正確に保たれているため、垂直面７ｅに第２レンズ１０８を取り付けるだけで第１レンズ１０３と第２レンズ１０８の距離が正確に決まり、第２レンズ１０８のＺ方向の調整が不要になる。
【００３３】
理想的には、半導体レーザ素子１０２と第１レンズ１０３の位置合わせが正確にできているため、第２レンズ１０８も設計値通りの位置に固定すれば良好な光結合が得られるはずであるが、本実施形態の系では半導体レーザ素子１０２の搭載精度が±１μｍ程度、第１レンズ１０３の搭載精度が±１μｍ程度、レンズの外形に対する光軸中心の精度が±２−３μｍ程度あり、半導体レーザ素子の発光位置に対する第１レンズの中心位置は最悪±５μｍ程度外れる可能性がある。このズレは、第１レンズを通過した光軸のチルト角となって現れ、チルトした光は第１レンズから離れるに従い設計値の光軸位置からずれる結果になる。このため、より良い結合効率を得るためには第２レンズの位置を光軸のチルトに合わせて動かすことが望ましい。
【００３４】
このため、第２レンズ１０８は、第１レンズを通過した光を最大限受光できるようにＸ方向およびＹ方向にアクティブ調心して垂直面７ｅに取り付ける。垂直面７ｅに第２レンズを押し当てながら調心を行うことで、Ｚ軸方向の位置の調整は不要になる。また、第２レンズの光軸と垂直面７ｅに接触する第２レンズの面を精度良く垂直ができるように作っておけば、第２レンズの光軸角度の調整も不要になり、調心作業が容易になる。
【００３５】
なお、図７に示すように、金属ホルダ７の一部を張り出させて形成したファイバホルダ１０によりスリーブ１０７とフェルール付きファイバ１０６の重量を支える構成とすれば、垂直部７ｂと第２レンズ１０８の接合面にかかるモーメントを小さくできるため、より望ましい。
【００３６】
半導体レーザ素子を冷却する必要がある場合は、金属ホルダ７をペルチェ冷却素子上に載せることにより冷却が可能になる。この場合、金属ホルダ７は半導体レーザ素子が発生した熱を拡散するヒートスプレッダの役割も果たし、半導体レーザ素子の発生した熱を大面積のペルチェ冷却素子により効率的に冷却できるという利点もある。
【００３７】
以上、この実施例によれば、半導体レーザ素子と第１レンズをアクティブアライメントする必要が無くなり、調心の時間とコストが削減できる。また、第２レンズもＸ軸とＹ軸の調整だけでよくなり、組み立て時間の削減に繋がる。
また、送信光学系１１上で全ての光学系の調心が完了しているため、これを組み込むパッケージに光学アライメント用の高精度加工は不要となる。また、パッケージを変更しても光学部品を変更する必要が無くなり、パッケージ設計の自由度が大きくなる。
【００３８】
本発明の第２の実施形態を図８，図９，図１０にて説明する。図８は、本発明の第２の送信光学系を横から見た図面であり、図９はその斜視図である。図１０はシリコン基板の拡大図である。第１の実施の形態と共通する部分には同じ番号を割り当て、その部分の説明は省略する。
【００３９】
本実施形態と第１の実施形態との違いは、第１レンズとして円筒形レンズを用いる点である。また、この円筒形レンズを固定するために、シリコン基板の形状も異なっている。
シリコン基板１に、円筒形をした第１レンズ１０３を嵌め込むためのレンズ取り付け部としてＶ溝１２が形成されている。Ｖ溝１２とテラス部２との間にはダイシング溝１３が形成されている。このダイシング溝１３を形成するテラス部２側の面がレンズ当接面１４となっている。円筒形第１レンズ１６は、このＶ溝１２に嵌め込まれ、端面を当接面１４に突き当てて固定される。
【００４０】
また、半導体レーザ素子１０２からの出射光は広がりながら円筒形第１レンズ１６に入射するため、この出射光を妨げないようにテラス部２とＶ溝１２との間にダイシングなどにより段差１５を形成しておく。段差１５を形成する代わりに、レンズ用Ｖ溝１２より浅いＶ溝を光軸に沿って形成し、出射光を妨げないようにしても良い。
【００４１】
Ｖ溝１２およびダイシング溝１３は１μｍ以下の精度で加工することが出来るため、この構成により実施例１と同様に、円筒形第１レンズ１６を精度良く固定することができる。
この実施の形態によれば、角型レンズより安価な円筒レンズを用いることで、第１の実施形態よりさらに低価格な光学系を構成できる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体レーザ素子と第１レンズをアクティブアライメントする必要が無くなり、調心の時間とコストが削減できる。また、第２レンズもＸ軸とＹ軸の調整で固定でき、組み立て時間の削減に繋がる。
また、ホルダ上に全ての光学系が組み立てられているため、光学系を組みこむパッケージに光学アライメント用の高精度加工は不要となる。また、パッケージを変更しても光学部品を変更する必要が無くなり、パッケージ設計の自由度が大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の光通信用送信光学系の側面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の光通信用送信光学系の斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の光通信用送信光学系のシリコン基板の斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の光通信用送信光学系のレンズ用くぼみの一例の図である。
【図５】本発明の光通信用送信光学系で、球レンズを用いた場合の図である。
【図６】本発明の光通信用送信光学系の、シリコンベンチと金属ホルダの位置合わせ方法を説明する図である。
【図７】本発明の光通信用送信光学系で、金属ホルダにファイバホルダを設けた場合の図である。
【図８】本発明の第２の実施形態の光通信用送信光学系の側面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の光通信用送信光学系の斜視図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態の光通信用送信光学系のシリコン基板の斜視図である。
【図１１】従来の例を示す側面に沿う断面図である。
【符号の説明】
１        シリコン基板
２        テラス部
３        レンズ搭載部
４        電極パターン
５        レンズ用くぼみ
５ａ      レンズ用くぼみの辺
５ｂ      レンズ用くぼみの辺
６        シリコンベンチ
７        金属ホルダ
７ａ      金属ホルダ水平部
７ｂ      金属ホルダ垂直部
７ｃ      金属ホルダ水平部の表面
７ｄ      金属ホルダ垂直部の垂直面
７ｅ      金属ホルダ垂直部の垂直面
８        穴
９        球レンズ
１０      ファイバホルダ
１１      送信光学系
１２      Ｖ溝
１３      ダイシング溝
１４      レンズ当接面
１５      段差
１６      円筒形第１レンズ
１０１    ブロック
１０２    半導体レーザ素子
１０３    第１レンズ
１０３ａ  第１レンズ角型部
１０４    パッケージ
１０５    ファイバ付き第２レンズ
１０６    フェルール付きファイバ
１０７    スリーブ
１０８    第２レンズ
１０９    ファイバ
【図１】
2004258057.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】
2004258057.tif 000009
【図８】
2004258057.tif 000010
【図９】
2004258057.tif 000011
【図１０】
2004258057.tif 000012
【図１１】
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