(57)【要約】【課題】安定した振動特性を実現することができるボンディング装置およびボンディングツールを提供することを目的とする。【解決手段】接合対象物を荷重と振動によって圧着するボンディングツールにおいて、振動子１７を備えた横長のホーン１５に設けられた装着孔１５ｅの内径ｄをヒータ１８の外径Ｄよりも僅かに大きく設定し、ヒータ１８を装着孔１５ｅの内面との間に隙間を保って装着する。これによりヒータ１８のホーン１５への装着状態を常に一定に保って、ホーン全体の剛性分布の変動を防止することができ、安定した振動特性を実現することができる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合対象物に荷重と振動を作用させながらこの接合対象物を被接合面に圧着するボンディング装置であって、前記接合対象物に当接するボンディングツールと、このボンディングツールを前記接合対象物に押圧する押圧手段とを備え、前記ボンディングツールは、横長のホーンと、このホーンに対してホーンの長手方向に沿った第１方向に縦振動を付与する振動子と、前記ホーンから前記第１方向と略直交する第２方向に突出して設けられた凸状部と、この凸状部の端部に設けられ前記接合対象物に当接する接合作用部と、前記ホーンに設けられた装着孔に挿入された加熱手段とを備え、前記加熱手段は、前記装着孔の内面との間に隙間を保って装着されることを特徴とするボンディング装置。
【請求項２】
接合対象物に荷重と振動を作用させながらこの接合対象物を被接合面に圧着するボンディングツールであって、横長のホーンと、このホーンに対してホーンの長手方向に沿った第１方向に縦振動を付与する振動子と、前記ホーンから前記第１方向と略直交する第２方向に突出して設けられた凸状部と、この凸状部の端部に設けられ前記接合対象物に当接する接合作用部と、前記ホーンに設けられた装着孔に挿入された加熱手段とを備え、前記加熱手段は、前記装着孔の内面との間に隙間を保って装着されることを特徴とするボンディングツール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品などの接合対象物を基板の電極などの被接合面にボンディングする電子部品のボンディング装置およびボンディングツールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品などの接合対象物を基板の電極などの被接合面にボンディングする方法として、超音波圧接を用いる方法が知られている。この方法は、電子部品を被接合面に対して押圧しながら電子部品に超音波振動を与え、接合面を微小に振動させて密着させるものである。この方法に用いられるボンディングツールは、振動発生源の振動を電子部品に伝達させる細長形状のホーンを有しており、このホーンに設けられた接合作用部によって電子部品に荷重と振動を作用させながら、電子部品を被接合面に圧着してボンディングするようになっている。
【０００３】
このようなボンディングツールとして、ホーンにヒータを内蔵したものが知られている。これにより、ボンディング時に接合作用部を介して電子部品を加熱することができ、ボンディング効率を向上させることができるという利点がある。従来より、このようなヒータのホーンへ装着方法として、ホーンの長手方向に直交する方向に設けられた装着孔に、棒状のヒータを挿入して固定する方法が用いられていた（たとえば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２００９６１号公報（図３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで電子部品のボンディングにおいて、安定した接合品質を確保するためには、振動発生源からホーンに伝達される超音波振動の伝播特性を安定させて、電子部品に常に安定した振動を付与することが必要である。しかしながら、このような安定した振動特性が求められるボンディングツールに対し、上述の従来のヒータ装着方法の構成をそのまま適用すると、以下のような問題が生じる。
【０００６】
すなわち、従来の構成では、棒状のヒータを装着孔の内部に挿入した状態でヒータをホーンに固定していたため、ヒータは装着孔の内面に常に押し付けられた状態にある。ところが、ヒータを装着孔内面に押し付ける接触圧は必ずしも常に一定でなく、温度変化や締結手段の弛みなどによって変動する場合が多い。このためホーン全体の剛性分布が変動し、安定した振動特性が保たれない場合があった。
【０００７】
そこで本発明は、安定した振動特性を実現することができるボンディング装置およびボンディングツールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のボンディング装置は、接合対象物に荷重と振動を作用させながらこの接合対象物を被接合面に圧着するボンディング装置であって、前記接合対象物に当接するボンディングツールと、このボンディングツールを前記接合対象物に押圧する押圧手段とを備え、前記ボンディングツールは、横長のホーンと、このホーンに対してホーンの長手方向に沿った第１方向に縦振動を付与する振動子と、前記ホーンから前記第１方向と略直交する第２方向に突出して設けられた凸状部と、この凸状部の端部に設けられ前記接合対象物に当接する接合作用部と、前記ホーンに設けられた装着孔に挿入された加熱手段とを備え、前記加熱手段は、前記装着孔の内面との間に隙間を保って装着される。
【０００９】
請求項２記載のボンディングツールは、接合対象物に荷重と振動を作用させながらこの接合対象物を被接合面に圧着するボンディングツールであって、横長のホーンと、このホーンに対してホーンの長手方向に沿った第１方向に縦振動を付与する振動子と、前記ホーンから前記第１方向と略直交する第２方向に突出して設けられた凸状部と、この凸状部の端部に設けられ前記接合対象物に当接する接合作用部と、前記ホーンに設けられた装着孔に挿入された加熱手段とを備え、前記加熱手段は、前記装着孔の内面との間に隙間を保って装着される。
【００１０】
本発明によれば、ホーンに設けられた装着孔に加熱手段を挿入する構成において、加熱手段を装着孔の内面との間に隙間を保って装着することにより、装着状態を常に一定に保ってホーン全体の剛性分布の変動を防止することができ、安定した振動特性を実現することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態１のボンディング装置の正面図、図２（ａ）は本発明の実施の形態１のボンディングツールの斜視図、図２（ｂ）は本発明の実施の形態１のボンディングツールの部分上下反転斜視図、図３は本発明の実施の形態１の電子部品のボンディングツールの正面図である。
【００１２】
まず、図１を参照して電子部品のボンディング装置の全体構造を説明する。１は支持フレームであって、その前面には第１昇降板２と第２昇降板３が昇降自在に設けられている。第１昇降板２にはシリンダ４が装着されており、そのロッド５は第２昇降板３に結合されている。第２昇降板３にはボンディングヘッド１０が装着されている。支持フレーム１の上面にはＺ軸モータ６が設けられている。Ｚ軸モータ６は垂直な送りねじ７を回転させる。送りねじ７は第１昇降板２の背面に設けられたナット８に螺合している。したがってＺ軸モータ６が駆動して送りねじ７が回転すると、ナット８は送りねじ７に沿って上下動し、第１昇降板２や第２昇降板３も上下動する。
【００１３】
図１において、上面が電子部品の被接合面である基板４６は基板ホルダ４７上に載せられており、基板ホルダ４７はテーブル４８上に載せられている。テーブル４８は可動テーブルであって、基板４６をＸ方向やＹ方向へ水平移動させ、基板４６を所定の位置に位置決めする。テーブル４８は電子部品４０に対して基板４６を相対的に移動させる位置決め手段となっている。
【００１４】
４２はカメラであって、一軸テーブル４３に装着されている。４４はカメラ４２から前方へ延出する鏡筒である。カメラ４２を一軸テーブル４３に沿って前進させ、鎖線で示すように鏡筒４４の先端部をボンディングツール１４の下面に吸着して保持されたバンプ付きの電子部品４０と基板４６の間に位置させ、その状態で電子部品４０と基板４６の位置をカメラ４２で観察する。
【００１５】
５３は認識部であり、カメラ４２で撮像された電子部品４０や基板４６の画像を認識してこれらの位置を検出する。５０は主制御部であり、モータ駆動部５１を介してＺ軸モータ６すなわちボンディングヘッド１０の昇降動作を制御し、テーブル制御部５２を介してテーブル４８すなわち基板４６の位置決めを行う。また主制御部５０は、認識部５３によって検出された電子部品４０と基板４６の位置より、水平面内における両者の位置ずれを演算し、この位置ずれを補正するようにテーブル４８を駆動する。さらに主制御部５０には、荷重制御部５４と吸引装置５６が接続されている。
【００１６】
押圧手段としてのシリンダ４は荷重制御部５４を介して主制御部５０に接続されており、シリンダ４のロッド５の突出力すなわちボンディングツール１４で電子部品４０のバンプを基板４６に押し付ける押圧荷重が制御される。吸引装置５６は主制御部５０からの指令によってボンディングツール１４による電子部品４０の吸引・吸引解除を行う。振動子１７は、超音波振動子駆動部５５を介して主制御部５０に接続されており、主制御部５０からの指令に従って振動子１７が超音波振動子駆動部５５によって駆動されることにより、ボンディングツール１４には超音波振動が付与される。このとき、ボンディングツール１４の振動は共振状態となっており、振動子１７に印加される電圧と電流の位相差はほぼゼロとなっている。
【００１７】
ボンディングヘッド１０の本体１１の下端部にはホルダ１２が結合されている。ホルダ１２にはブロック１３が装着され、ブロック１３にはボンディングツール１４が固定されている。ブロック１３の側部の突部１３ａは吸引装置５６に接続されている。突部１３ａには吸着パッド１９が設けられており、後述するように吸着パッド１９がホーン１５に当接することにより、吸引装置５６によって電子部品４０の吸着保持ができるようになっている。
【００１８】
以下、図２、図３を参照してボンディングツール１４について説明する。図２（ａ）はブロック１３から取り外した状態のボンディングツール１４の斜め上方からの斜視図であり、図２（ｂ）は、ボンディングツール１４を上下反転した状態のホーン１５を部分的に示している。また図３は、ボンディングツール１４の正面図とともに、振動子１７によってホーン１５に誘起される定在波振動の振幅のグラフを示している。
【００１９】
図２（ａ）に示すように、ボンディングツール１４は横長のホーン１５を主体としている。ホーン１５は金属材料（例えばステンレス、アルミニウム、チタン等）等から成り、矩形断面を有する棒状体となっており、ホーン１５の一方側の側端部には振動子１７が装着されている。なお、矩形断面の高さおよび幅寸法は、ホーンの長手方向に沿って寸法を連続的にまたは段階的に変化させてもよい。これにより、振動付与手段によって与えられる振動をホーン１５において拡大・縮小する調整が可能となる。振動子１７を駆動することにより、ホーン１５の長手方向に沿った第１方向（矢印ａ方向）に縦振動が付与される。従って振動子１７は、ホーン１５の長手方向に沿った第１方向に振動を付与する振動付与手段となっている。
【００２０】
ホーン１５の両側面１５ｂには、それぞれ肉薄のリブ１５ｃがホーン１５と一体的に２カ所づつ中心振り分け配置で設けられている。２つのリブ１５ｃの間の寸法は、振動成分を固定することによる振動の減衰を極小にするために、振動子１７によって付与される縦振動の半波長（Ｌ／２）に等しくなるように設定される（図３参照）。なお、当該寸法は振動の減衰が許容できる範囲であればよく、必ずしもＬ／２に等しくなくてもよい。
【００２１】
リブ１５ｃはホーン１５から外側に突出して設けられており、リブ１５ｃに設けられた取付穴１５ｄにボルト（図示省略）を挿入してブロック１３に締結することにより、ホーン１５はブロック１３に両持ち支持状態で固定される。すなわち、４個の（２組の）リブ１５ｃは、ホーン１５をブロック１３に固定する固定部となっている。
【００２２】
このホーン５の固定において、４個のリブ１５ｃをホーン１５の中心点に関して対称に配置していることから、ボンディングツール１４をブロック１３へバランスよく固定することができ、また押圧手段からホーン１５に負荷された荷重をバランスよく支持することができる。なお、リブ１５ｃの個数は４個に限られず、例えばホーン１５の節の上方に２個設けてもよい。
【００２３】
要は、ホーン１５に負荷された荷重をバランスよく支持できればよく、この限りにおいてはリブの個数は何個であっても構わない。また取付穴１５ｄにボルトを挿入して締結した状態においてボルトがホーン１５の下面から突出しない構造となっており、ボンディング時に基板上の電子部品などとの干渉を生じることなく固定できるようになっている。
【００２４】
２組（４個）のリブ１５ｃの略中央位置には、凸状部３０が第１方向と直交する第２方向（矢印ｂ方向）に凸出して形成されている。凸状部３０の材質はホーン１５と同じ材質である方がホーン１５と一体的に形成できて望ましいが、異なる材質でもよい。異なる材質の場合は、ホーン１５の材質との、密度、ヤング率およびポアソン比の差を考慮して凸状部３０の形状・寸法を設定する。
【００２５】
凸状部３０の端部には、接合対象物としての電子部品４０に当接する接合作用部３１が設けられている。接合作用部３１に電子部品４０が当接した状態で、ボンディングツール１４に押圧荷重を作用させることにより、電子部品４０のバンプは基板４６に押しつけられる。そしてこの状態で振動子１７を駆動してホーン１５に縦振動を付与することにより、電子部品４０は基板４６に荷重と振動により圧着される。このとき、凸状部３０は４つのリブ１５ｃの中央に位置していることから、大きい押圧荷重を必要とする大型部品を対象とする場合にあっても、均一な押圧状態が実現される。
【００２６】
図２（ｂ）に示すように、接合作用部３１の下面の接合作用面３１ａには、吸着孔３１ｂが開孔している。吸着孔３１ｂは、図３に示すようにホーン１５の内部に形成された吸引路１６ａ、１６ｂを介して、ホーン１５の上面１５ａに開口した吸引孔１６ｃ（図２（ａ）参照）に連通している。
【００２７】
ボンディングツール１４がブロック１３に固定された状態において、突部１３ａに設けられた吸着パッド１９がホーン１５の上面１５ａに当接することにより（図１参照）、吸着孔３１ｂは吸引路１６ａ、１６ｂおよび吸引孔１６ｃを介して吸着パッド１９と連通する。したがって吸着パッド１９に接続された吸引装置５６（図１参照）を駆動してエアを吸引することにより、吸着孔３１ｂから真空吸引し、接合作用面３１ａに電子部品４０を真空吸着して保持することができる。すなわち凸状部３０は、電子部品４０を基板４６に対して押圧すると共に、電子部品４０の上面に当接して電子部品４０を吸着して保持する吸着子としての機能を併せ有している。
【００２８】
またホーン１５の長手方向の凸状部３０の反対側には、凸状部３０とほぼ同一形状で凸出した振動バランス部３２が設けられている。振動バランス部３２の材質はホーン１５と同じ材質である方がホーン１５と一体的に形成できて望ましいが、異なる材質でもよい。異なる材質の場合は、ホーン１５の材質との、密度、ヤング率およびポアソン比の差を考慮して振動バランス部３２の形状・寸法を設定する。
【００２９】
振動バランス部３２は、ボンディングツール１４において、主として質量バランスを保つことによりホーン１５の上下の振動バランスを保つために設けられており、ホーンの厚み方向に貫通して設けられた貫通孔３２ａの位置・形状・サイズによってバランス量を調整できるようになっている。この振動バランス部３２により、ホーン１５の振動分布および質量分布は第１方向の中心軸に対してほぼ対称となり、均一な振動伝達が確保される。
【００３０】
次に、ホーン１５の振動特性について説明する。超音波振動子駆動部５５により振動子１７をホーン１５に応じた適切な周波数（ホーン１５を共振状態にする周波数であれば足りるが、望ましくは４０ｋＨｚ以上７０ｋＨｚ以下であって、さらに６０ｋＨｚ程度であると電子部品のボンディング上望ましい。）で駆動してホーン１５に第１方向の縦振動を付与して共振状態を作り出すことにより、ホーン１５には図３のグラフに示すような定在波振動が発生する。
【００３１】
すなわちホーン１５の定在波振動において、リブ１５ｃの位置は水平方向の変位がほとんどない節となり、リブ１５ｃの中心に位置する凸状部３０の位置は水平方向の振幅が最大となる腹に相当する。なお、凸状部３０の位置はこの定在波振動の腹の位置に一致していることが望ましいが、ホーン１５を固定するリブ１５ｃの略中央に位置している限りにおいては、定在波振動の腹の位置から多少ずれていても良い。
【００３２】
そして凸状部３０の振動は接合作用面３１ａを介して電子部品４０に伝達される。この電子部品４０への振動伝達においては、振動子１７によってホーン１５に付与された縦振動のみならず、後述するようにホーン１５の縦振動によって凸状部３０に誘起される曲げ振動が重畳して伝達される。
【００３３】
次に、ホーン１５に備えられた加熱手段について説明する。図３に示すように、ホーン１５の右半部には、円形断面の装着孔１５ｅが長手方向（第１方向）に設けられており、装着孔１５ｅには棒状の加熱手段であるヒータ１８が長手方向に沿って挿入されている。ヒータ１８を作動させることによりホーン１５が加熱され、これにより接合作用面３１ａを介して電子部品４０が加熱される。この加熱により、ボンディング動作において電子部品４０の基板４６への圧着を短時間で効率よく行うことができる。
【００３４】
ホーン１５の右端面近傍には、複数のスリット１５ｇが長手方向に直交する水平方向（図３において紙面に垂直方向）に設けられている。ヒータ１８を連続して作動させると、ヒータ１８から発生した熱はホーン１５を伝わって振動子１７に伝達され、振動子１７を昇温させる。振動子１７の昇温は振動特性の変動を招く要因となることから、振動子１７への伝熱はできるだけ抑制することが望ましい。このため、本実施の形態に示すホーン１５においては、この伝熱方向の振動子１７の手前側にスリット１５ｇを設けることにより、ホーン１５を介して伝達される熱をスリット１５ｇによって放散して、振動子１７への伝熱量を極力少なくするようにしている。
【００３５】
次にヒータ１８のホーン１５への装着方法について説明する。装着孔１５ｅの内径ｄはヒータ１８の外径Ｄよりも僅かに大きく設定されており、ヒータ１８を装着孔１５ｅ内に挿入した状態において、ヒータ１８の外面と装着孔１５ｅの内面との間に僅かな隙間を保って装着される。すなわち、ヒータ１８はホーン１５に固着されずに移動可能な状態、すなわちルーズな取り付け状態で装着されるようになっている。
【００３６】
ホーン１５の端部の装着孔１５ｅの開孔側端部には、ヒータ１８の端面との隙間を確保した状態でエンドプレート６０がボルト６１によって固定されており、ヒータ１８が装着孔１５ｅから抜け落ちるのを防止する。すなわち、エンドプレート６０は、ヒータ１８が装着孔１５ｅから抜け落ちるのを防止する抜け落ち防止手段となっている。
【００３７】
このように、ヒータ１８の装着をルーズな取り付け状態とすることにより、ヒータ１８を装着孔１５ｅの内面に押し付ける接触圧が発生しない。このため温度変化によるホーン１５の膨張・収縮が生じた場合においても装着状態が変動することなく、常に一定の装着状態が保たれる。したがって、ボンディング作業を反復して実行する過程においてホーン１５全体の剛性分布の変動が発生せず、安定した振動特性が保たれる。
【００３８】
またヒータ１８はホーン１５に固着されないことから、ホーン１８には超音波振動が直接伝達されない。このためホーン１８には振動に起因する破損が生じにくく、ホーン１８の部品寿命を延長することができる。
【００３９】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２のボンディングツールの正断面図である。本実施の形態２は、実施の形態１に示すボンディングツール１４と同様の外形形状・外形構成を有するボンディングツール１４１において、実施の形態１のヒータ１８と同等または大きいサイズのヒータ１８Ａを、ホーン１５１内に略左右対称配置で装着する構成としたものである。
【００４０】
図４においてホーン１５１には、円形断面の装着孔１５１ｅが右端面から吸引孔１６ｃの手前側まで長手方向（第１方向）に設けられており、装着孔１５１ｅには棒状の加熱手段であるヒータ１８Ａが長手方向に沿って挿入されている。ヒータ１８Ａの機能および装着方法は、実施の形態１に示すヒータ１８と同様であり、ヒータ１８Ａの外面と装着孔１５１ｅの内面との間に僅かな隙間を保って装着される。ホーン１５１の右端面近傍には、実施の形態１のスリット１５ｇと同様のスリット１５１ｇが設けられている。
【００４１】
ヒータ１８Ａの抜け落ち防止は、装着孔１５１ｅの内面にカラー部材６２を嵌着し、このカラー部材６２をセットボルト６３でホーン１５１に固定することにより行われる。すなわちカラー部材６２は、ヒータ１８Ａが装着孔１５１ｅから抜け落ちるのを防止する抜け落ち防止手段となっている。この構成においても、実施の形態１と同様に安定した振動特性を確保する効果を得る。なお、抜け落ち防止の方法として、カラー部材６２を嵌着する替わりに、装着孔１５１ｅ内にボルトを突出させる方法（実施の形態３参照）を用いてもよい。この場合、このボルトが抜け落ち防止手段となる。
【００４２】
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３のボンディングツールの正断面図である。実施の形態１，２においては、ホーンを長手方向において複数の支持位置で固定支持する両持ち支持型のボンディングツールの例を示したが、本発明は両持ち支持型のボンディングツールに限定されることなく、図５に示すような片持ち型のボンディングツールに対しても適用可能である。
【００４３】
図５において片持ち型のボンディングツール１４２は、実施の形態２に示すボンディングツール１４１において凸状部３０から右側の部分を切除した構成となっており、両持ち型の場合と同様に定在波の節に相当する位置で固定支持され、定在波の腹に相当する位置に接合作用部３１が配置された構成となっている。
【００４４】
ホーン１５２には、円形断面の装着孔１５２ｅが右端面から吸引孔１６ｃの手前側まで長手方向（第１方向）に設けられており、装着孔１５２ｅには棒状の加熱手段であるヒータ１８Ｂが長手方向に沿って挿入されている。ヒータ１８Ｂの機能および装着状態は、実施の形態１に示すヒータ１８と同様であり、ヒータ１８Ｂの外面と装着孔１５２ｅの内面との間に僅かな隙間を保って装着される。ホーン１５２の右端面近傍には、実施の形態１のスリット１５ｇと同様のスリット１５２ｇが設けられている。
【００４５】
ヒータ１８Ｂの抜け落ち防止は、装着孔１５２ｅ内にボルト６４を突出させてストッパとして機能させることによって行われる。すなわちボルト６４は、ヒータ１８Ｂが装着孔１５２ｅから抜け落ちるのを防止する抜け落ち防止手段となっている。この構成においても、実施の形態１と同様に安定した振動特性を確保する効果を得る。なお、抜け止め防止の方法として、ボルトを用いる替わりに、図３に示すように、エンドプレートをホーン１５２の開孔側端部に取り付ける方法を用いてもよい。この場合このエンドプレートが抜け落ち防止手段となる。
【００４６】
上記説明したように、本発明の各実施の形態に示すボンディングツールにおいては、加熱用のヒータをホーンの長手方向に沿った第１方向に設けられた装着孔に挿入して装着する構成において、ヒータの外面と装着孔の内面との間に僅かな隙間を保って装着するようにしている。これにより、装着状態を常に一定に保ってホーン全体の剛性分布の変動を防止することができ、安定した振動特性を実現することができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、ホーンに設けられた装着孔に加熱手段を挿入する構成において、加熱手段を装着孔の内面との間に隙間を保って装着するようにしたので、装着状態を常に一定に保ってホーン全体の剛性分布の変動を防止することができ、安定した振動特性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の電子部品のボンディング装置の正面図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１の電子部品のボンディングツールの斜視図
（ｂ）本発明の実施の形態１の電子部品のボンディングツールの部分上下反転斜視図
【図３】本発明の実施の形態１の電子部品のボンディングツールの正面図
【図４】本発明の実施の形態２の電子部品のボンディングツールの正断面図
【図５】本発明の実施の形態３の電子部品のボンディングツールの正断面図
【符号の説明】
１４、１４１，１４２  ボンディングツール
１５、１５１、１５２  ホーン
１５ｅ，１５１ｅ、１５２ｅ  装着孔
１７  振動子
１８，１８Ａ．１８Ｂ  ヒータ
３０  凸状部
３１  接合作用部
４０  電子部品
【図１】
2004327590.tif 000003
【図２】
2004327590.tif 000004
【図３】
2004327590.tif 000005
【図４】
2004327590.tif 000006
【図５】
2004327590.tif 000007