(57)【要約】【課題】ガラス形成ガス供給しガラス微粒子堆積体を製造するにあたり、配管、部品等をより耐熱性の低いものの使用を可能とし、部品コスト、光熱費コストを低減でき、しかも流量を安定できる方法及びそのための装置。【解決手段】ガラス形成ガスを生成させるに際し、ガラス形成原料を減圧下で気化させ、生成したガラス形成ガスを減圧下で流量制御して基材又は反応容器へ送る。またこのように構成された装置。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス形成原料を減圧下で気化させ、生成したガラス形成ガスを減圧下で流量制御して基材へ送ることを特徴とするガラス形成ガスの供給方法。
【請求項２】
ガラス形成原料を減圧下で気化させ、生成したガラス形成ガスを減圧下で流量制御して反応容器へ送ることを特徴とするガラス形成ガスの供給方法。
【請求項３】
前記基材を前記ガラス形成原料が置かれている雰囲気よりも高い気圧下に置くことを特徴とする請求項１に記載のガラス形成ガスの供給方法。
【請求項４】
前記気化したガラス形成ガスを基材または反応容器に送る配管に減圧手段を配置し、該減圧手段の２次側（下流側）でガラス形成ガス圧の急激な変化（脈動）を防止することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガラス形成ガスの供給方法。
【請求項５】
前記ガラス形成ガスが前記基材または前記反応容器に到達する前に、該ガラス形成ガスに希釈ガスを混合することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のガラス形成ガスの供給方法。
【請求項６】
ガラス形成原料を減圧下で気化し、生成したガラス形成ガスを減圧下で流量制御して基材に供給し、前記基材近傍で前記ガラス形成ガスを加水分解または酸化してガラス微粒子を生成して、前記ガラス微粒子を前記基材に堆積させることを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造方法。
【請求項７】
ガラス形成原料を減圧下で気化し、生成したガラス形成ガスを減圧下で流量制御して反応容器に供給し、前記反応容器内で前記ガラス形成ガスを加水分解または酸化してガラス微粒子を生成して、前記ガラス微粒子を基材に堆積させることを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造方法。
【請求項８】
ガラス形成ガスを供給する装置において、ガラス形成原料を減圧下で気化させるガラス形成ガスを生成する手段、生成したガラス形成ガスの流量を減圧下で制御する手段、該ガラス形成ガスを基材へ送る手段を有することを特徴とするガラス形成ガスの供給装置。
【請求項９】
ガラス形成ガスを供給する装置において、ガラス形成原料を減圧下で気化させるガラス形成ガスを生成する手段、生成したガラス形成ガスの流量を減圧下で制御する手段、該ガラス形成ガスを反応容器へ送る手段を有することを特徴とするガラス形成ガスの供給装置。
【請求項１０】
ガラス形成原料を減圧下で気化させるガラス形成ガスを生成する手段、生成したガラス形成ガスの流量を減圧下で制御する手段、該ガラス形成ガスを基材近傍へ送る手段、及び前記基材近傍で前記ガラス形成ガスを加水分解または酸化してガラス微粒子を生成し、前記ガラス微粒子を前記基材に堆積させる手段を有することを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造装置。
【請求項１１】
ガラス原料液体またはガラス原料固体を減圧下で気化する手段、生成したガラス形成ガスの流量を減圧下で制御する手段、前記ガラス形成ガスを反応容器に供給する手段、前記反応容器内で前記ガラス形成ガスを加水分解または酸化してガラス微粒子を生成する手段、前記ガラス微粒子を基材に堆積させる手段を有することを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス形成ガスを生成させ、これを基材または反応容器へ送るガラス形成ガスの供給方法および供給装置、さらに前記ガラス形成ガスを加水分解または酸化してガラス微粒子を生成して該ガラス微粒子を基材に堆積させる方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、石英系光導波路や光ファイバ用母材を製造するのに必要とされるガラス形成ガスは、例えば、図６に示されるようなガス生成装置によって生成されていた。すなわち、このガス生成は周知のキャリアガス流量制御方式によって行われる。原料容器１には例えばＳｉＣｌ４  ，ＧｅＣｌ４  等のガラス形成原料３が収容されており、この原料容器１はこれを囲むヒータ２によって加熱されている。流量制御装置２４により特定流量に制御されたキャリアガス２５が原料容器１のガラス形成原料３中に吹き込まれており（バブリング）、ヒータ２の温度に加熱され気化したガラス形成ガスはこのキャリアガス２５と共に上部空間４、配管２９ａ、を経てコンデンサ２８へ送られ、ここでガラス形成ガスは特定温度にまで冷却されることにより、飽和蒸気のガスとして配管２９ｂを経てガラス微粒子合成用バーナ１８に送出される。結露を防ぐために配管２９ｂはテープヒータ８で加熱されている。ガラス微粒子合成用バーナ１８の先端部は反応容器１９の壁面を貫通しており、詳細な図示は省略した別の配管から供給される例えばＨ２  等の燃焼ガス及び例えばＯ２  等の助燃性ガスとガラス形成ガスとの混合ガスを該バーナ１８の先端部から噴出させると、ガラス形成ガスは燃焼ガスによる火炎中で加水分解され、ガラス微粒子（例えばＳｉＯ２  、ＧｅＯ２  等）になる。
光ファイバを製造するには、前記バーナ１８から噴出されるガラス微粒子を、反応容器１９内において前記バーナ１８に対向する位置にある種棒（出発材）２０に堆積する。ここで堆積しきれなかった余剰のガラス微粒子は排気管２１に吸引され、排気管２１に連結した排気処理装置２２によって処理される（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図７は従来の石英系光導波路の製造を説明するものであり、ガラス形成ガスの生成部の構成は図６に示される構成と同様であり、図７において図６と同一または相当する部分には同一の符号が付されており、その説明は省略する。
図７において、バーナ２３より噴出された酸化物ガラス微粒子を、ターンテーブル３１上に載置された対向する基材２７の表面に堆積させる。各基材２７は、ターンテーブル３１の下に設けられた下部ヒータ３２によって一様に加熱されている。基材２７に堆積しきれなかった余剰のガラス微粒子は排気管２１に吸引され、反応容器３０の外部にあり、反応容器３０内を大気圧以下に減圧する排気処理装置３３によって処理される（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−８１９６５号公報（第３頁、第９図、第８図）
【発明が解決しようとする課題】
従来公知のガス供給装置では、ガラス形成ガスの液化を防ぐために、配管の温度やヒータ温度を上げている。しかし、配管温度やヒータ温度を上げると、ａ）高耐熱性の高価な部品を用いる必要がある、ｂ）高温のため部品の寿命が短くなる、等の理由から装置コストおよび光熱費がかかるため、製造コストが高くなる問題があった。
本発明はこのような問題を解決し、より耐熱性の低い部品を使用可能とし、かつ部品寿命を延長することができて装置コストを低減できると共に光熱費等も低減でき、しかもガラス形成ガスを基材または反応容器に安定して供給できるガラス形成ガスの供給方法、ガラス微粒子堆積体の製造方法およびそれぞれの装置を目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、下記の各発明によって達成することができる。
（１）ガラス形成原料を減圧下で気化させ、生成したガラス形成ガスを減圧下で流量制御して基材へ送ることを特徴とするガラス形成ガスの供給方法。
（２）ガラス形成原料を減圧下で気化させ、生成したガラス形成ガスを減圧下で流量制御して反応容器へ送ることを特徴とするガラス形成ガスの供給方法。
【０００６】
（３）前記基材を前記ガラス形成原料が置かれている雰囲気よりも高い気圧下に置くことを特徴とする上記（１）に記載のガラス形成ガスの供給方法。
（４）前記気化したガラス形成ガスを基材または反応容器に送る配管に減圧手段を配置し、該減圧手段の２次側（下流側）でガラス形成ガス圧の急激な変化（脈動）を防止することを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載のガラス形成ガスの供給方法。
（５）前記ガラス形成ガスが前記基材または前記反応容器に到達する前に、該ガラス形成ガスに希釈ガスを混合することを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載のガラス形成ガスの供給方法。
【０００７】
（６）ガラス形成原料を減圧下で気化し、生成したガラス形成ガスを減圧下で流量制御して基材に供給し、前記基材近傍で前記ガラス形成ガスを加水分解または酸化してガラス微粒子を生成して、前記ガラス微粒子を前記基材に堆積させることを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造方法。
（７）ガラス形成原料を減圧下で気化し、生成したガラス形成ガスを減圧下で流量制御して反応容器に供給し、前記反応容器内で前記ガラス形成ガスを加水分解してガラス微粒子を生成して、前記ガラス微粒子を基材に堆積させることを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造方法。
【０００８】
（８）ガラス形成ガスを供給する装置において、ガラス形成原料を減圧下で気化させるガラス形成ガスを生成する手段、生成したガラス形成ガスの流量を減圧下で制御する手段、該ガラス形成ガスを基材へ送る手段を有することを特徴とするガラス形成ガスの供給装置。
（９）ガラス形成ガスを供給する装置において、ガラス形成原料を減圧下で気化させるガラス形成ガスを生成する手段、生成したガラス形成ガスの流量を減圧下で制御する手段、該ガラス形成ガスを反応容器へ送る手段を有することを特徴とするガラス形成ガスの供給装置。
【０００９】
（１０）ガラス形成原料を減圧下で気化させるガラス形成ガスを生成する手段、生成したガラス形成ガスの流量を減圧下で制御する手段、該ガラス形成ガスを基材近傍へ送る手段、及び前記基材近傍で前記ガラス形成ガスを加水分解または酸化してガラス微粒子を生成し、前記ガラス微粒子を前記基材に堆積させる手段を有することを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造装置。
（１１）ガラス原料液体またはガラス原料固体を減圧下で気化する手段、生成したガラス形成ガスの流量を減圧下で制御する手段、前記ガラス形成ガスを反応容器に供給する手段、前記反応容器内で前記ガラス形成ガスを加水分解または酸化してガラス微粒子を生成する手段、前記ガラス微粒子を基材に堆積させる手段を有することを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造装置。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明をＭＣＶＤ法に適用する一実施形態を示す図１に従って本発明を具体的に説明する。図１において図６，図７と同一の構成または相当する部分には同一の符号を付している。
図１において、原料容器１には例えばＳｉＣｌ４  、ＧｅＣｌ４  等の液状のガラス形成原料３が収容されており、原料容器１を囲むヒータ２によって加熱されている。ヒータ２の温度に加熱されガラス形成原料が気化して生成するガラス形成ガス３′は、上部空間４、配管５ａを経て例えばマスフローコントローラ（ＭＦＣと略記する）等の流量制御装置６に入り、そこで特定流量に制御されるが、本発明では、例えば真空ポンプまたはアスピレータ等を有する減圧手段１１により原料容器１ないし減圧手段１１の間を減圧する〔上記発明（１）〕。
【００１１】
望ましい減圧の程度は１００〜１５００Ｐａ、特に望ましくは３００〜７００Ｐａである。これによりガラス形成原料の沸点が下がり、ガラス形成原料、例えばＧｅＣｌ４  は低温で気化を開始する。従って、配管等は従来より耐熱性の低い材質を用いることができる。１０は圧力測定装置である。
【００１２】
ガラス形成原料が気化を開始すると容器内圧力は上昇するが、このときの容器内圧力としては２１，５００〜８７，０００Ｐａの範囲内であることが望ましい。容器内圧力が２１，５００Ｐａ未満（容器内原料温度：約４０℃）では、ＭＦＣを安定に動作させる為の差圧を充分にとることができず、また容器内圧力が８７，０００Ｐａを超える（容器内原料温度：約８０℃）と、容器〜消費端設備間で使用する部品に、１００℃以上の耐熱性が必要となり、部品数が制限されるとともに、その寿命の観点から好ましくない。
【００１３】
例えば図１において、真空ポンプで減圧手段１１〜原料容器１内までを約３００Ｐａまで減圧し、かつガラス形成原料（例えばＧｅＣｌ４  ）を４５℃程度の低温度で気化させると、生成されたガラス形成ガス３′は流量制御装置（ＭＦＣ）６に入り、そこで特定流量（例えば５〜４５０ｍｌ／ｍｉｎ）に制御される。
ところで、ＭＦＣでの結露を防止してその動作を安定化させるために、ＭＦＣの入口側の圧力を二次側より少なくとも０．０２〜０．１ＭＰａ程度大きくせねばならない。上記のように減圧手段で一旦約３００Ｐａに減圧しておいて気化を開始させると、ヒータ２による加熱が約４５℃の場合には、ガラス形成原料の気化により原料容器１内の圧力が約２７，０００Ｐａになるので、ＭＦＣ６を動作させるのに十分な圧力差が得られる。つまり、低温で気化できることに加え、ＭＦＣの安定した動作が確保できるのである。この際、テープヒータ８により、配管５ａは５０℃、配管５ｂは５５℃に保温してガラス形成ガスが液化するのを防止する。
【００１４】
基材７は常圧下、減圧下のいずれにおかれてもよい。通常、内付け法（ＭＣＶＤ法）や気相軸付け法，外付け法（ＶＡＤ法，ＯＶＤ法）では常圧下におかれる。プラズマ積層法（ＰＣＶＤ法）では減圧下におかれる。基材７が常圧下におかれている場合〔上記発明（３）〕、減圧手段１１の２次側（下流側）で常圧に戻すが、この時液化しないように加熱するか若しくは希釈ガス１２を混合して希釈する。
【００１５】
ガラス形成ガスが減圧から常圧に戻るときに急激に体積が増えるので、減圧下での僅かな流量変化が、常圧下では爆発的な流量変化（脈動）となる。また減圧手段にロータリーポンプ等を使用する場合にも、二次側で同様の現象が生じる。そこで常圧に戻したガスを、脈動解消手段として設けた容積の大きなバッファタンク１３に一旦収めることで、この流量変化を吸収する〔上記発明（４）〕。またバッファタンク１３をヒータ１４で加温してガスが液化しないようにする。この加温は例えば１００℃である。
【００１６】
前記バッファタンク１３の材質としては、例えばステンレス、ニッケル等の金属、フッ素系樹脂、シリコン系樹脂等の樹脂などが挙げられる。
前記バッファタンクの容量は特に限定されるところはないが、例えばＭＦＣ設定ガス流量の１０〜２０倍程度とする。
【００１７】
前記したようにガラス形成ガス３′の液化を防止するために、該ガラス形成ガス３′が基材７に到達する前に該ガラス形成ガス３′に希釈ガス１２を混合するとよい〔上記発明（５）〕。好ましくは脈動解消手段（バッファタンク）の一次側で混合する。これによりガラス形成ガス３′の分圧が小さくなり、ガラス形成ガス３′が液化するのを防ぐことができる。この希釈ガス１２としては例えばＡｒ，Ｎ２  ，Ｈｅ等の不活性ガスや酸素（Ｏ２  ）を使用することができる。不活性ガスは前記のようにガラス形成ガスの分圧を小さくして液化を防止する作用をするが、希釈ガスとして酸素を用いるとこの作用に加えて、ガラス形成ガス３′を酸化反応させる際に必要な酸素ガスとして利用できるので、ガラス微粒子生成反応のために酸素の供給配管を別途設ける必要がなく好都合である。また、減圧ＰＣＶＤ法においてはプラズマ源ガス（Ａｒプラズマ、Ｏ２  プラズマ等）として利用できる。
【００１８】
ガラス微粒子堆積体を製造するには、前記のようにガラス形成ガス３′を酸素（Ｏ２  ）と混合することで酸化してガラス微粒子を生成させる、あるいはガラス形成ガスを加水分解してガラス微粒子を生成させることにより得られたガラス微粒子を基材に堆積させてガラス微粒子堆積体を得る。基材７としては、ガラス管、ガラス棒またはガラス板を用いることが一般的である。〔上記発明（６），（７）〕。その他、Ｓｉ系、Ｇｅ系のウェハなども使用することができる。
【００１９】
前記のように本発明では配管材質、その他部品材質を従来法の場合より、より耐熱性の低い材質とすることができる。例えば耐熱性が７０℃程度の塩化ビニル系（ＰＶＣ系）の材質も使用可能となり、コスト削減につながる。
【００２０】
図１において、ガラス形成ガス３′に希釈ガス１２として酸素（Ｏ２  ）ガスを混合されてなる混合ガスは、バッファタンク１３に一旦収容された後に配管５ｄを経て基材（ガラス管）７内に供給され、基材７内で外部の熱源１７により加熱されることにより酸化反応を起こしガラス微粒子を生成する。このガラス微粒子は基材７内壁に堆積してガラス微粒子堆積体１５を形成する。外部熱源の加熱強度によりこのガラス微粒子堆積体は透明ガラス化されてガラス層１６となる場合もある。反応により生成するガス及び未堆積ガラス微粒子は排気９として基材７から排出され、図示は省略した排気処理装置で清浄化される〔上記発明（８），（１０）〕。
【００２１】
図２は本発明をＶＡＤ法、ＯＶＤ法に適用する実施態様を説明する概略図であって、図２において図１，図６及び図７と同一の構成または相当する部分には同一の符号を付している。
ガラス形成原料３を減圧下で気化し、希釈ガス１４を混合した後、バッファタンク１３、配管５ｄに至るまでは図１の例と同様である。配管５ｄを経て混合ガスはガラス微粒子合成用バーナ１８に導入され、詳細な図示は省略しているが別途配管を経由して導入される燃焼用ガス（Ｈ２  ）と助燃性ガス（Ｏ２  ）〔ただし希釈ガスとしてＯ２  を用いている場合には燃焼用ガスのみでもよい〕と共にバーナ１８先端から反応容器１９内の種棒（ガラス棒）２０に向かい噴出される。ここでバーナ先端に形成される火炎中でガラス形成ガス３′は加水分解されてガラス微粒子を生成し、これを種棒２０をターゲットとして堆積させることによりガラス微粒子堆積体１５が形成される。
反応生成ガス及び未堆積ガラス微粒子を含む排気９は、排気管２１を経て排気処理装置２２で清浄化処理される〔上記発明（９），（１１）〕。
【００２２】
図３は本発明を平面状ガラスの製造に適用する実施形態を説明する概略図であって、図３において図１，図２，図６及び図７と同一の構成または相当する部分には同一の符号を付している。
ガラス形成原料３を減圧下で気化し、希釈ガス１２を混合した後、バッファタンク１３、配管５ｄに至るまでは図１の例と同様である。配管５ｄを経て混合ガスはバーナ２３に導入され、ガラス形成ガス３′が加水分解してガラス微粒子を生成し、基材（ガラス板）２７上にガラス微粒子を堆積し、ガラス微粒子堆積体を得る。
【００２３】
図４は本発明をＰＣＶＤ法に適用する実施態様を説明する概略図であって、図４において図１，図２，図３，図６及び図７と同一の構成または相当する部分には同一の符号を付している。
ガラス形成原料３を減圧下で気化し、流量制御装置６，配管５ｂに至るまでは図１〜図３の例と同様である。配管５ｂにおいて希釈ガス１２を混合されたガラス形成ガスは、ガラス管３４（基材）内に導入される。ガラス管３４は、電磁波や光を遮蔽できる隔壁３９内に配置されており、高周波発振器３５及びレゾネイタ３６により希釈ガス１２（例えばＡｒ，Ｏ２  等）をプラズマ源としてプラズマ（例えばアルゴンプラズマ，Ｏ２  プラズマ等）をガラス管内で発生させ、これによりガラス形成ガスが酸化されるので、ガラス管内壁に直接ガラス膜が生成する。なお、ＰＣＶＤ法の場合には基材は減圧下雰囲気に置かれるため、減圧手段１１は図示のようにガラス管（基材）３４の下流に設けられている。ガラス管３４内は減圧状態であるため、バッファタンクは不要である。
【００２４】
本発明において減圧手段としてアスピレータを用いることも好ましい実施の態様であり、この場合には図５に示すように、希釈ガス１２（Ｎ２  、Ｏ２  等）の取り入れ口とガラス形成ガス３′、ガス排出口を有する分岐管に図示のように各ガスを流す。希釈ガス１２の流速（流量）をガラス形成ガスの流速（流量）に対して適正な値とすると、アスピレータの一次側を３００Ｐａ程度とできる。
【００２５】
前記のように、ＭＦＣでの結露を防止してその動作を安定化させるために、ＭＦＣの入口側の圧力を大きくせねばならず（例えば、２次側より０．０２〜０．１ＭＰａ程高くする）、従来はそのために原料容器の温度を高くしていた。
例えば、１次側を０．２ＭＰａ（２次側：０．１ＭＰａ≒大気圧）とするためには原料容器の温度を約１１５℃、０．１３ＭＰａとするためには９５℃にする必要がある。通常、下流側の温度はこれよりも５℃以上高くするので配管に使用されるエアバルブ等の部品は耐熱性を有する高価なものを使用せざるを得ず、その寿命が短いという問題があったが、本発明ではこのような問題はない。
【００２６】
本発明の原料液体としては、例えばＳｉＣｌ４  、ＧｅＣｌ４  の他にＴｉＣｌ４  等が挙げられ、また原料固体としては例えばＡｌＣｌ３  、ＥｒＣｌ３  等の希土類塩化物が挙げられる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明により石英系光導波路または光ファイバ母材の製造用のガラス形成ガスを供給し製造するに当り、原料液体または原料固体を減圧下で気化させ、気化したガラス形成ガスの流量を減圧下で制御することでガス流量制御装置の動作を安定化させることができ、同時に部品寿命延長により部品代低減、光熱費低減を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明をＭＣＶＤ法に適用したガラス形成ガス供給方法及びガラス微粒子堆積体製造方法とそれぞれの装置を説明するための概略図である。
【図２】本発明をＶＡＤ法またはＯＶＤ法に適用したガラス形成ガス供給方法及びガラス微粒子堆積体製造方法とそれぞれの装置を説明するための概略図である。
【図３】本発明を平面状ガラスの製造に適用したガラス形成ガス供給方法及びガラス微粒子堆積体製造方法とそれぞれの装置を説明するための概略図である。
【図４】本発明を減圧プラズマＣＶＤ法に適用したガラス形成ガス供給方法及びガラス微粒子堆積体製造方法とそれぞれの装置を説明するための概略図である。
【図５】本発明において減圧手段としてアスピレータを用いる場合を説明する図である。
【図６】従来法によるガラス形成ガスの供給及びガラス微粒子堆積体の製造を説明するための概念図である。
【図７】他の従来法によるガラス形成ガスの供給およびガラス微粒子堆積体の製造装置を説明するための概念図である。
【符号の説明】
１  原料容器
２  ヒータ
３  ガラス形成原料
３′ガラス形成ガス
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ  配管
６  流量制御装置
７  基材
８  テープヒータ
９  排気
１０  ゲージ
１１  減圧手段
１２  希釈ガス
１３  バッファタンク
１４  ヒータ
１５  ガラス微粒子堆積体
１６  ガラス層
１７  熱源
１８  ガラス微粒子合成用バーナ
１９  反応容器
２０  種棒（出発材）
２１  排気管
２２  排気処理装置
２３  バーナ
２４  流量制御装置
２５  キャリアガス
２６  配管
２７  基材
２８  コンデンサー
２９ａ，２９ｂ  配管
３０  反応容器
３１  ターンテーブル
３２  下部ヒータ
３３  排気処理装置
３４  ガラス管（基材）
３５  高周波発振器
３６  レゾネイタ
３７  プラズマ
３８  ガラス膜
【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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