(57)【要約】【課題】ワーク上を相対移動する各光照射スポットの端部のスジの発生を防止することができる光加工装置を提供する。【解決手段】ワークＷの加工面の位置を、結像光学系６６によって光ファイバ７の光出射端７２の実像が結ばれる結像位置からずれた位置にする。上記ワークＷの加工面の位置は、上記結像位置よりも結像光学系６６から離間する方向にずれた位置が好ましい。この場合、光ファイバ７の光出射端７２と結像光学系６６との間に、光ファイバ７から出射したレーザ光を部分的に遮光するアパーチャーマスク６４を設け、結像光学系６６でアパーチャーマスク６４の開口６４ａの実像がワークＷの加工面上に結ばれるように、アパーチャーマスク６４を配置するのが好ましい。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光源と、該パルス光源から発した光を伝送する光ファイバと、該光ファイバから出射した光を集光して結像する結像手段と、該加工対象物に対する光照射ポイントと該加工対象物とを相対移動させる相対移動手段を備え、該加工対象物の加工面にある膜を該光の照射によって部分的に除去する光加工装置において、
該加工対象物の加工面の位置が、該結像手段によって該光ファイバの光出射端の実像が結ばれる結像位置からずれた位置にあることを特徴とする光加工装置。
【請求項２】
請求項１の光加工装置において、
上記加工対象物の加工面の位置が、上記結像位置よりも上記結像手段から離間する方向にずれた位置にあり、
上記光ファイバの光出射端と該結像手段との間に、該光ファイバから出射した光を部分的に遮光するアパーチャーマスクを有し、
該結像手段によって該アパーチャーマスクの開口の実像が該加工対象物の加工面上に結ばれるように、該アパーチャーマスクを配置したことを特徴とする光加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源から発した光を光ファイバで伝送し、光ファイバから出射した光を集光して加工対象物上に照射することにより加工対象物を加工する光加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、タッチパネルやプラズマディスプレイパネルに用いられる透明基板は、次のような方法によって製造されるのが一般的であった。即ち、ガラスや透明樹脂等からなる透明の絶縁性基板上に、ＩＴＯ（インジウム酸化スズ）等からなる透明の導電性膜を形成した後、これをフォトリソグラフィー法によって部分的に除去して電極パターンを形成するのである。しかしながら、かかる方法では、フォトレジストの現像液やエッチング液が廃液となって発生するので、環境保護の観点から好ましくない。また、フォトリソグラフィー法において電極パターンの仕様に応じて異なった遮光パターンの遮光マスクを用いる必要があるため、多品種少量受注というオンデマンド型の生産要求に十分に対応することができなかった。
【０００３】
そこで、本出願人は、レーザ光（例えばＹＡＧレーザ光）の照射によって絶縁性基板上の導電性膜を部分的に除去して電極パターンを形成する加工装置を提案した（特許文献１参照）。この加工装置によれば、フォトリソグラフィー法によらずに電極パターンを形成することが可能なので、現像液やエッチング液などによる環境汚染を抑えることができる。また、絶縁性基板上の導電性膜に対するレーザ光走査を制御するための電子データを書き換えるだけで様々な仕様の電極パターンを形成することができるため、オンデマンド型の生産要求にも柔軟に対応することができる。
【０００４】
また、本出願人は特許文献１で、パルス光源から発したパルス光を絶縁性基板上の導電性膜の近傍まで伝送するステップインデックス型の光ファイバを用いた加工装置も提案している。この光ファイバを用いると、パルス光の断面におけるエネルギー分布を均一にすることができるため、加工寸法のばらつき、導電性膜の一部の残留、絶縁性基板の損傷などを少なくすることができる。
この加工装置では、パルス光を伝送する光ファイバの光出射端の像を絶縁性基板上の導電性膜に結像させながら、絶縁性基板に対して光照射ポイントを相対移動させることにより、導電性膜をライン状に除去することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−３２０１４１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の加工装置において上記パルス光を照射しながら絶縁性基板からなるワークＷ上の導電性膜Ｗ’を部分的に除去するとき、図１０に示すように目視可能なスジ１００が発生する場合があることがわかった。このスジ１００は、ワークＷ上に連続して照射される複数の光照射スポットＳそれぞれにおいて、各光照射スポットＳの相対移動方向（図中のＭ方向）の下流側端部に発生する。そして、このスジ１００は、光照射スポットＳの形状が円形の場合は図１０に示すように円弧状（三日月状）に見える。
【０００７】
本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、その目的は、次のような光加工装置を提供することである。すなわち、光ファイバから出射したパルス光を加工対象物に照射しながら加工対象物に対して光照射ポイントを相対移動させて加工する場合に、各光照射スポットの端部のスジの発生を防止することができる光加工装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、パルス光源と、該パルス光源から発した光を伝送する光ファイバと、該光ファイバから出射した光を集光して結像する結像手段と、該加工対象物に対する光照射ポイントと該加工対象物とを相対移動させる相対移動手段を備え、該加工対象物の加工面にある膜を該光の照射によって部分的に除去する光加工装置において、該加工対象物の加工面の位置が、該結像手段によって該光ファイバの光出射端の実像が結ばれる結像位置からずれた位置にあることを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、請求項１の光加工装置において、上記加工対象物の加工面の位置が、上記結像位置よりも上記結像手段から離間する方向にずれた位置にあり、上記光ファイバの光出射端と該結像手段との間に、該光ファイバから出射した光を部分的に遮光するアパーチャーマスクを有し、該結像手段によって該アパーチャーマスクの開口の実像が該加工対象物の加工面上に結ばれるように、該アパーチャーマスクを配置したことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明者らは、上述のスジが発生した部分を光学顕微鏡や電子顕微鏡によって観察したところ、正常に膜が除去された他の部分の表面よりも盛り上がっていることを確認した。また、この盛り上がっているスジの部分の成分を調べたところ、除去すべき膜の成分（ＩＴＯ膜の場合はＩｎ）が検出された。これらの結果により、パルス光の各光照射スポットの端部におけるパワー密度が十分でなく上記スジの部分が除去しきれていないと考えられたため、光源のパワーを上げて加工を行ってみた。ところが、光源のパワーを上げることで上記スジはなくなったが、加工対象物の光が照射された部分に焦げや変色が生じてしまうという問題点が残った。そこで、本発明者らは次のような実験を試みた。即ち、結像手段の位置や加工面の位置等を変えることにより加工対象物の加工面に照射されるパルス光の照射条件を変化させ、上記焦げや変色を抑制しつつ上記スジが発生しない条件を調べた。その結果、加工対象物の加工面が、結像手段によって光ファイバの光出射端の実像が結ばれる結像位置からずれた位置にあるときに、上記焦げや変色がなく、しかも上記スジが発生しなくなることがわかった。
【００１０】
そこで、請求項１及び２の光加工装置では、加工対象物の加工面の位置を、結像手段によって光ファイバの光出射端の実像が結ばれる結像位置からずれた位置にした。これにより、各光照射スポットの端部のスジの発生を防止することができた。
特に、請求項２の光加工装置では、上記光ファイバの光出射端と上記結像手段との間の所定位置にアパーチャーマスクを配置し、結像手段によってアパーチャーマスクの開口の実像が加工対象物の加工面上に結ばれるようにしている。このように光ファイバから出射した光を部分的に遮光するアパーチャーマスクの開口の実像が、加工対象物の加工面上に結ばれるため、光照射スポットの外縁部におけるパワー密度の変化が急峻になる。しかも、アパーチャーマスクの開口と同じ形状の光照射スポットが所定の倍率で加工対象物の加工面に照射されるため、アパーチャーマスクの開口の形状を変えることで加工対象物上の加工パターンの形状を調整することできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、固体レーザであるＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザを用いた光加工装置であるレーザ加工装置に適用した一実施形態について説明する。以下、ガラス板等からなる基体上にＩＴＯ（インジウム酸化スズ）からなる透明導電層を形成した加工対象物であるワークＷに対し、レーザ加工装置を用いて部分的にＩＴＯをガラスから除去して透明電極パターンを形成する場合について説明する。この透明電極パターンが形成されたガラス板は、ＰＤＰ（プラズマディスプレイパネル）、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、タッチパネルなどに用いられる。
【００１２】
図２は、本実施形態に係るレーザ加工装置全体の概略構成図である。このレーザ加工装置は、ＹＡＧレーザ装置１、ワーク保持装置２、ワーク移載装置３、ＸＹテーブル４、制御手段を構成するメインコントローラ５、加工ヘッド装置６、ステップインデックス型の光ファイバ７から主に構成されている。上記ＸＹテーブル４は、ワークＷに対するレーザ光照射ポイントとワークＷとを相対移動させる相対移動手段として用いている。
【００１３】
図３は、上記ＹＡＧレーザ装置１を示す概略構成図である。ＹＡＧレーザ装置１は、光源であるＹＡＧレーザ発振器１０と、ＹＡＧレーザ発振器１０から発したレーザ光を光ファイバ７の光入射端に案内するレーザ光入射ガイド部１１とから構成されている。
ＹＡＧレーザ発振器１０は、適量のＮｄ（ネオジウム）が添加されたＹＡＧの棒状結晶体であるレーザロッド及びこれの励起用のランプを内蔵するレーザチャンバ１２と、これから発せられる誘導放出光の光路に沿って所定の距離を隔てて対向配置されたフロントミラー１３及びリアミラー１４を備えている。また、リアミラー１４とレーザチャンバ１２との間には、シャッタ１５及びＱスイッチ１６が取り付けられている。フロントミラー１３は、一部の光の透過が可能な反射率を有するミラーであり、レーザチャンバ１２の光路にその鏡面の中心を正対せしめて取り付けてある。リアミラー１４は、実質的な全反射が可能な鏡面を有しており、フロントミラー１３と対向するように取り付けてある。シャッタ１５は、レーザチャンバ１２の光路を遮断するものである。Ｑスイッチ１６は、フロントミラー１３とリアミラー１４との間での共振器のＱ値を瞬間的に高め、高出力のレーザパルスを取り出すものである。加工条件によっては、このＱスイッチ１６を用いなくてもよい。
なお、上記ＹＡＧレーザ発振器１０の構成は一例であって、これに限られるものではない。他の構成としては、例えばＬＤ励起を用いたものがある。
【００１４】
レーザ光入射ガイド部１１は、レーザビームエキスパンダ１７及び集光レンズ１８を備えている。ＹＡＧレーザ発振器１０から出射されたレーザ光は、レーザビームエキスパンダ１７によってそのビーム径が拡大された後、集光レンズ１８により、ステップインデックス型の光ファイバ７の光入射端７１（コア部端面）に案内される。光ファイバ７の光出射端（コア部端面）から出射するレーザ光は、後述する加工ヘッド装置６を通ってそれぞれＸＹテーブル４上のワークＷに対して照射される。
【００１５】
上記ステップインデックス型の光ファイバ７は、軸芯部のコアがその外周部のクラッド層よりも屈折率が大きく、そのコアとクラッド層との境界で屈折率がステップ上に変化しているものである。このステップインデックス型の光ファイバ７のコアにレーザ光を絞って入射すると、レーザ光の互いに異なる角度で入射した複数の光成分がコアとクラッド層との境界で多重に反射されながらコア内を伝送される。このようにレーザ光の複数の光成分が光ファイバ７のコア内で多重に反射されながら伝送されることにより、光ファイバ７の光出射端から出射したレーザ光の断面におけるエネルギー密度は均一になっている。
【００１６】
なお、本実施形態では、１つのＹＡＧレーザ発振器１０から出射される１本のレーザ光を用いて加工する構成を採用しているが、複数のレーザ光をワークに照射して加工するように構成してもよい。例えば、１つのＹＡＧレーザ発振器１０から出射されるレーザ光を複数に分割して複数の光ファイバ及び加工ヘッド装置を介してワークＷに照射するように構成してもよい。また、複数のＹＡＧレーザ発振器のそれぞれから出射される複数のレーザ光をワークＷに照射するように構成してもよい。
【００１７】
図４は、ワーク保持装置２を図２中の上側から見た平面図である。このワーク保持装置２は、ワークＷをワーク台２０に保持し、加工中に位置がズレないようにする役割を果たすものである。図２に示したＸＹテーブル本体４１に固設されたワーク台２０には、一対の固定ガイド２１，２２及び一対の可動ガイド２３，２４が配設されている。これらの固定ガイド２１，２２及び可動ガイド２３，２４はコの字状の形態を成している。そのコの字状の先端部にそれぞれ、円筒面が回動可能なカムフォロア２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂが設けられている。これらのカムフォロアの円筒面がワーク端面に転がり接触するので、ガイドがワークに摺動接触する場合に比べ、位置決め時にワークのスムーズな位置決めが可能となる。そして、ワーク台２０にワークＷがセットされると、可動ガイド２３，２４によってワークＷが固定ガイド２１，２２側に押圧され、ワークＷがワーク台２０に保持される。
【００１８】
上記ワーク移載装置３は、ワーク台２０に対するワークの装着及び取外しを行うものである。図２に示すように、複数の吸着パッド３１でワーク上面を真空吸着しながら搬送するようになっている。
上記ＸＹテーブル４は、ＸＹテーブル本体４１、ＸＹテーブル本体４１を制御するＸＹテーブルコントローラ４２とから主に構成されている。ＸＹテーブル本体４１には、上述したようにワーク保持装置２が配設されている。
上記メインコントローラ５は、本レーザ加工装置全体を制御するものであり、ＹＡＧレーザ装置１、ワーク移載装置３、ＸＹテーブルコントローラ４２、後述する加工ヘッド装置６が接続されている。
【００１９】
図５は、本実施形態におけるＸＹテーブル４の要部の概略構成を示す側面図である。
ＸＹテーブル４は、加工ヘッド装置６に対してワークＷが保持されたワーク台２０をＸ軸方向（図中紙面方向）及びＹ軸方向（図中左右方向）に相対移動させるものである。ワーク台２０は、リニアモータ４３の駆動により、ワークＷを載置した状態でＸ軸方向に移動する。この移動の際、ワーク台２０は、ガイド４４に案内されることで、移動台４５上をＸ軸方向に沿って直線状に移動する。一方、移動台４５も、ワーク台２０と同様に、図示しないリニアモータの駆動によりワーク台２０を載置した状態でＹ軸方向に直線状に移動する。
【００２０】
移動台４５の上面には、リニアスケール４６を保持するスケール保持部４７が固定配置されている。リニアスケール４６の目盛り方向はＸ軸方向に平行である。一方、ワーク台２０の下面には、位置検出センサ４８が取り付けられたセンサ保持部４９が固定されている。位置検出センサ４８は、リニアスケール４６と対向するように配置されている。この位置検出センサ４８としては、例えば反射型光学センサを用いることができ、この場合、リニアスケール４６上の目盛りによってＯＮ／ＯＦＦ信号をＸＹテーブルコントローラ４２に出力する。ＸＹテーブルコントローラ４２は、その信号に基づいてリニアモータ４３の駆動を制御し、加工ヘッド装置６に対してワークＷを相対移動させ、Ｘ軸方向における位置決めを行う。なお、Ｙ軸方向についても同様である。
【００２１】
次に、本発明の特徴部分である加工ヘッド装置６について説明する。
図６（ａ）及び図６（ｂ）はそれぞれ加工ヘッド装置６に設けられる加工ヘッド６０の正面図及び側面図である。加工ヘッド６０は、可動ヘッド部６１と、その可動ヘッド部を直線移動させる移動手段としてのリニア駆動装置６２とから構成されている。
可動ヘッド部６１は、光ファイバ７の先端部を保持するファイバ保持部７０、アパーチャーマスク６４、結像手段としての結像光学系６６などから構成されている。アパーチャーマスク６４は、光ファイバ７から出射した光を部分的に遮光してレーザ光の断面形状を所定の形状に整形するものであり、光ファイバ７の光出射端７２から離して配置されている。また、結像光学系６６は、複数のレンズで構成され、アパーチャーマスク６４の開口を通過したレーザ光を集光してワークＷ上に結像するものである。本実施形態では、結像光学系６６の倍率を１／２に設定しているが、この倍率に限られるものではない。
【００２２】
上記リニア駆動装置６２は、リニアモータ６７、２つのリニアガイド６８、支持台６９から主に構成されている。可動ヘッド部６１は、リニアモータ６７の駆動により、図６（ａ）中横方向（図６（ｂ）中では紙面に対して垂直方向）に移動する。この移動の際、可動ヘッド部６１は、リニアガイド６８に案内されることで支持台６９上を直線状に移動する。本実施形態では、可動ヘッド部６１は、リニアガイド６８に案内される方向にのみ移動可能である。
【００２３】
上記支持台６９上には、上述したＸＹテーブル４と同様の図示しないリニアスケールが固定配置されている。このリニアスケールの目盛り方向は、リニアガイド６８と平行である。一方、支持台６９に対向する可動ヘッド部６１の面上には、上述したＸＹテーブル４と同様の位置検出センサが固定されている。位置検出センサは、リニアスケールと対向するように配置されている。この位置検出センサには、上述したＸＹテーブル４と同様のものを用いることができる。本実施形態では、反射型光学センサを用いている。位置検出センサは、リニアスケール上の目盛りによるＯＮ／ＯＦＦ信号を、リニアモータ６７のモータコントローラに出力する。モータコントローラは、その信号に基づいてリニアモータ６７の駆動を制御し、可動ヘッド部６１を直線移動させ、その移動方向における位置決めを行う。
【００２４】
また、本実施形態では、アパーチャーマスク６４を取り外した状態で、ワークＷの加工面の位置が、結像光学系６６によって光ファイバ７の光出射端７２の実像が結ばれる結像位置からずれた位置にくるように構成している。具体的には、図１に示すようにワークＷの加工面Ｗｏの位置が、結像光学系６６によって光ファイバ７の光出射端７２の実像が結ばれる結像位置Ｐｏよりも図中下側の位置、すなわち結像位置Ｐｏよりも更に結像光学系６６から離れる方向にずれた位置にくるように構成している。
また、図７に示すように結像光学系６６によってアパーチャーマスク６４の開口６４ａの実像がワークＷの加工面Ｗｏ上に結ばれるように、アパーチャーマスク６４を配置している。
【００２５】
ここで、本実施形態における光ファイバ７のコア径などの一具体例は次のとおりである。図１において、上記光ファイバ７の光出射端７２のコア径φｃは４００μｍであり、結像面Ｐｏでのビーム径（結像スポット径）φｂは２００μｍであり、ワークＷの加工面Ｗｏ上でのビーム径（照射スポット径）φｗは上記φｂよりも大きい径である。また、図７において、アパーチャーマスク６４の開口６４ａの径φａは１４０μｍであり、ワークＷの加工面Ｗｏ上でのビーム径（照射スポット径）φｗ’は７０μｍである。このビーム径（照射スポット径）φｗ’でワークＷ上のスリット加工が行われる。
【００２６】
図７に示すように、上記光ファイバ７の光出射端（コア部端面）７２から出射されたレーザ光Ｌは、円形の開口６４ａが形成されたアパーチャーマスク６４によって所定形状に整形される。このように整形されたレーザ光Ｌは結像光学系６６によって集光され、ＸＹテーブル４上のワークＷ上に照射される。このレーザ光Ｌの照射により、アパーチャーマスク６４の開口の形状に対応した加工パターンでワークＷ上のＩＴＯ（インジウム酸化スズ）からなる透明導電層が部分的に除去される。
ここで、アパーチャーマスク６４を光ファイバ７の光出射端７２から離して配置することにより、光ファイバ７の光出射端７２から出射した直後の光強度の強い光がアパーチャーマスク６４に当たらないようにしている。従って、光ファイバ７から出射したレーザ光によるアパーチャーマスク６４の損傷を防止することができる。
【００２７】
以上、本実施形態によれば、ワークＷに対してパルスレーザ光Ｌの光照射ポイントを移動させて透明電極層Ｗ’のスリット加工する場合に、各光照射スポットＳ上に焦げや変色がなく、しかも図８に示すように各光照射スポットＳの端部のスジのないスリット１０１を形成することができる。
また、本実施形態によれば、光照射スポットＳの外縁部におけるパワー密度の変化が急峻になるので、ワークＷの加工面Ｗｏに形成されるスリットののエッジのだれを防止できる。しかも、アパーチャーマスク６４の開口６４ａの形状を変えることでワークＷ上の加工パターンの形状を調整することできるので、任意形状の加工が容易になる。
図９は、正方形の開口６４ａを有するアパーチャーマスク６４を用いてワークＷのＩＴＯ透明電極層Ｗ’をライン状に除去するスリット加工の説明図である。図示のようにワークＷ上で正方形の照射スポットＳが一部重なりながら連続して照射されるように、レーザ光の照射タイミング及びワークＷの移動を制御して加工することにより、ワークＷ上の透明電極層Ｗｏにスジのないライン状のスリット１０１を形成できる。なお、図９中の破線は、上述のスジではなく、照射スポットＳの形状を示すための仮想線である。
【００２８】
なお、上記実施形態では、所定形状の開口が形成されたアパーチャーマスクを用いた場合について説明したが、本発明は、開口を形成せずに、例えばガラス板などの透明部材に遮光パターンを形成することにより光通過パターンを形成したアパーチャーマスクを用いる場合にも適用できるものである。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１及び２の発明によれば、光ファイバから出射したパルス光を加工対象物に照射しながら加工対象物に対して光照射ポイントを相対移動させて加工する場合に、各光照射スポットの端部のスジの発生を防止することができるという効果がある。
特に、請求項２の発明によれば、光照射スポットの外縁部におけるパワー密度の変化が急峻になるので、加工対象物の加工面に形成される加工パターンのエッジのだれを防止できる。しかも、アパーチャーマスクの開口の形状を変えることで加工対象物上の加工パターンの形状を調整することできるので、任意形状の加工が容易になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の加工ヘッド装置に設けられる加工ヘッドからアパーチャーマスクを取り外したときの結像面とワーク加工面との関係を示す説明図。
【図２】同レーザ加工装置の全体の概略構成図。
【図３】同レーザ加工装置のＹＡＧレーザ装置の概略構成図。
【図４】同レーザ加工装置のワーク保持装置の平面図。
【図５】同レーザ加工装置のＸＹテーブルの要部の概略構成を示す側面図。
【図６】（ａ）は同レーザ加工装置の加工ヘッド装置に設けられる加工ヘッドの正面図。
（ｂ）は同加工ヘッドの側面図。
【図７】同レーザ加工装置の加工ヘッドを通過するレーザ光の様子を示す説明図。
【図８】同レーザ加工装置で形成したスリットの説明図。
【図９】四角形の開口を有するアパーチャーマスクを用いたライン状のスリット加工の説明図。
【図１０】従来装置で形成したスリットに発生したスジの説明図。
【符号の説明】
１　　　ＹＡＧレーザ装置
２　　　ワーク保持装置
３　　　ワーク移載装置
４　　　ＸＹテーブル
５　　　メインコントローラ
６　　　加工ヘッド装置
７　　　ステップインデックス型の光ファイバ
１０　　ＹＡＧレーザ発振器
１１　　レーザ光入射ガイド部
６０　　加工ヘッド
６１　　可動ヘッド部
６２　　リニア駆動装置
６４　　アパーチャーマスク
６４ａ　開口
６６　　結像光学系
６７　　リニアモータ
６８　　リニアガイド
６９　　支持台
７０　　ファイバ保持部
７１　　光ファイバの光入射端
７２　　光ファイバの光出射端
１００　スジ
１０１　スリット
【図１】
2004122135.tif 000003
【図２】
2004122135.tif 000004
【図３】
2004122135.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2004122135.tif 000008
【図７】
2004122135.tif 000009
【図８】
2004122135.tif 000010
【図９】
2004122135.tif 000011
【図１０】
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