(57)【要約】【課題】本発明は、主振動の近傍に全くｓｐｕｒｉｏｕｓ　ｍｏｄｅが存在しない水晶振動子を開発する。主振動の近傍に全くｓｐｕｒｉｏｕｓ　ｍｏｄｅが存在しないということは、温度変化の如何によらず、または重力加速度であるＧが急激に変化しても、主振動と副振動が結合して主振動が副振動にｊｕｍｐする現象が起こらなくなる。【解決手段】撓みの現象と動圧の現象を同時に使用して、表面に凸レンズ形状を、裏面に凹レンズ形状を同時に形成した溝型凹−凸レンズ形状高周波水晶振動子。【選択図】　　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撓みの現象と動圧の現象を同時に使用して、表面に凸レンズ形状を、裏面に凹レンズ形状を同時に形成した溝型凹−凸レンズ形状高周波水晶振動子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一波長の弾性振動・電磁波発振のための溝型凹−凸レンズ形状高周波水晶振動子の新しい設計法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来においては、凹−凸レンズ形状物体を形成する場合、一方の片面である表面に、例えば凸レンズ形状を加工して仕上げた後、もう一方の片面である裏面に、凹レンズ形状を加工して、凹−凸レンズ形状を形成している。この従来の加工方法では、表面と裏面を別々に２回の加工手段にて、凹−凸レンズ形状を形成することになるので、凸レンズ形状の加工軸である中心軸線と、凹レンズ形状の加工軸である中心軸線を、完全に一致させることができない欠点がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、主振動の近傍に全くｓｐｕｒｉｏｕｓ　ｍｏｄｅが存在しない水晶振動子を開発することを目的とする。主振動の近傍に全くｓｐｕｒｉｏｕｓ　ｍｏｄｅが存在しないということは、温度変化の如何によらず、または重力加速度であるＧが急激に変化しても、主振動と副振動が結合して主振動が副振動にｊｕｍｐする現象が起こらなくなる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、溝型凹−凸（ｃｏｎｃａｖｏ−ｃｏｎｖｅｘ）レンズ形状水晶物体を形成するのに、撓みの現象と動圧の現象を同時に使用して、表面に凸レンズ形状を、裏面に凹レンズ形状を同時に形成する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の目的は、Ｐ．＆Ｊ．Ｃｕｒｉｅ兄弟が１８８０年に水晶の圧電気効果を発見して、固体弾性振動の超音波ならびに電磁波の発振への端緒を切り開いて以来の人々の夢であり悲願であった、単一波長で指向性のある弾性波を水晶振動子で発振させることである。この単一波長で指向性のある高周波弾性波を最初に発振させることに成功したキーポイントは、溝型凹−凸（ｃｏｎｃａｖｏ−ｃｏｎｖｅｘ）レンズ形状水晶物体を形成するのに、撓みの現象と動圧の現象を同時に使用して、表面に凸レンズ形状を裏面に凹レンズ形状を同時に加工する設計法を発見したことによる。すなわち、凸レンズ形状の加工軸である中心軸線と凹レンズ形状の加工軸である中心軸線が、同時に形成可能な設計法を提案する。その結果、２つの中心軸線は、極く自然に完全に一致することになる。さらに水晶の光軸又は回転光軸と、２つの中心軸線が完全に一致する設計法も提案する。これにより、２段階形状をした片面溝型（ｓｉｎｇｌｅ−ｓｉｄｅｄ　ｇｒｏｏｖｅｄ　ｔｙｐｅ）の振動部分として、極く小さい凹−凸レンズ形状でありながら、２つの中心軸線と水晶の光軸又は回転光軸の３つの軸線が完全に一致した水晶振動子が完成する。
【０００６】
【実施例】
本設計法に基づいて開発に成功した水晶振動子は、２段階溝型水晶母材の中に、片面が凸レンズ形状で、他の面が凹レンズ形状をした極く小さい凹−凸レンズ形状の振動部分を有する。この振動部分は、適切に設計された上下蒸着電極の基に、厚み−すべりｍｏｄｅで振動し（ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ−ｓｈｅａｒ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ）、主振動の近傍に全く　ｓｐｕｒｉｏｕｓ　ｍｏｄｅ
が存在しない、かつＱ値の高いＡＴカット水晶振動子である。
【０００７】
水晶振動子の振動部分が、同時に凹−凸レンズ形状に形成される設計原理を、図１に基づいて説明する。
【０００８】
図１（ａ）は、水晶板の素材（ｑｕａｒｔｚ　ｂｌａｎｋ）である。試料水晶ブランクとして、厚さが９０μｍ、縦幅が３．５８ｍｍ、横幅が３．５８ｍｍの、素材がＡＴ−ｃｕｔのものを用いた。
【０００９】
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示している水晶ブランクの中心部分に、最初に、口径が１．６ｍｍで深さが５７．０μｍの、１０角形状の大きい面積をフッ酸を使用してｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｔｃｈｉｎｇ加工を行って、１段階形状をしたｇｒｏｏｖｅｄ　ｔｙｐｅの水晶ブランクを加工している状態を示している。図１（ｃ）は、図１（ｂ）に示している１段階形状で１０角形状をしたｇｒｏｏｖｅｄ　ｔｙｐｅの中心部分に、さらに２番目の加工工程としてフッ酸を使用して、２回目のｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｔｃｈｉｎｇ加工にて、円形形状をした、口径が０．５９ｍｍで、深さが１５．０μｍの２段階形状部分（図中、斜線で示している部分）を形成している状態を示している。
【００１０】
図１（ｄ）は、図１（ｂ）及び図１（ｃ）にて、フッ酸を使用しての２回のｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｔｃｈｉｎｇ加工を行ってできた、２段階形状をしたｓｉｎｇｌｅ−ｓｉｄｅｄ　ｇｒｏｏｖｅｄ−ｔｙｐｅの水晶ブランクを示している。この図１（ｄ）に示している形状の水晶振動子を完成させる過程で、興味ある発見をした。最初に小さい面積の円形形状の口径が０．５９ｍｍの振動部分をｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｔｃｈｉｎｇ加工して、次に２番目の加工工程として大きい面積の口径が１．６ｍｍの１０角形状をした溝部分をｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｔｃｈｉｎｇ加工で製作すると、水晶の異方性が発生して、振動部分に水晶の結晶方向が発生することにより、水晶振動子としては全く使用することができなかった。通常考えられないｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｔｃｈｉｎｇ加工方法にて、２段階形状をしたｓｉｎｇｌｅ−ｓｉｄｅｄ　ｇｒｏｏｖｅｄ−ｔｙｐｅの水晶振動子を完成させることができた。
【００１１】
図１（ｄ）に示した水晶ブランクを設計・製作した後、図１（ｅ）に示しているように、上下の研磨盤の間に水晶ブランクをある一定の圧力をかけて挟み、ｄｕａｌ−ｆａｃｅ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅを使用して研磨加工をする。研磨剤としては、酸化セリウムを使用する。そうすると、図１（ｆ）にその拡大図と圧力分布図を示しているように、凹形状をした水晶ブランクを上下の研磨盤で圧力を掛けて挟むために、ｄｕａｌ−ｆａｃｅ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅに挟まれた凹形状の水晶ブランクの圧力分布は、矢印にて示しているように、フレーム部分は上下の両側からの圧力を受けるが、振動部分の反対側は空洞となっているので、下からのみの圧力を受ける。その結果、１０角形状をした溝部分及び円形形状の振動部分の中心を頂点として、上方向に撓む。こうして、上方向に逃げた撓みの分だけ、圧力は中心部分を最小として、両端で最大となる。また両部分の間の研磨量は、球面の一部のように曲率をもって変化する。研磨量は圧力に比例する。したがって、加工後の２段階形状をしたｓｉｎｇｌｅ−ｓｉｄｅｄ　ｇｒｏｏｖｅｄ−ｔｙｐｅの水晶ブランクは、振動部分の中心部分を最大として飛び出し、膨らんだ凸レンズ形状となる事が解明できた。この結果、図１（ｇ）に示しているような、平−凸レンズ形状、または図１（ｈ）に示しているような凹−凸レンズ形状が完成した。
【００１２】
図１（ｇ）は、前記の設計方法で３０分間研磨加工した状態で作られた、一方の片面が凸レンズ形状で他方の片面が平面形状をしたｐｌａｎｏ−ｃｏｎｖｅｘ形状の２段階形状をした水晶ブランクを示している。
【００１３】
図１（ｈ）は、前記の設計方法で６０分間研磨加工した状態で作られた、一方の片面が凸レンズ形状で他方の片面が凹レンズ形状をしたｃｏｎｃａｖｏ−ｃｏｎｖｅｘ形状の２段階形状をした水晶ブランクを示している。
【００１４】
図１（ｇ）に示しているようなｐｌａｎｏ−ｃｏｎｖｅｘ形状になるのか、または図１（ｈ）に示しているようなｃｏｎｃａｖｏ−ｃｏｎｖｅｘ形状になるのかは、研磨加工の加工時間の設計によって決定される。
【００１５】
その理由は、図１（ｄ）に示している、２段階形状の凹形状をした水晶ブランクの内部である１０角形状の溝部分の内部及び円形形状をした振動部分である凹形状内部の溝部分に研磨剤として使用している酸化セリウムの砥粒が入り、ｄｕａｌ−ｆａｃｅ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅの上下の研磨盤に挟まれた研磨圧力によりｆｌｏａｔｐｏｌｉｓｈｉｎｇ加工の加工現象と全く同じ現象が２段階形状の凹形状内部で起こって、２段階形状の凹形状をした水晶ブランクの凹形状内部にて、強い動圧が発生するために、２段階形状をした水晶ブランクの凹形状内部の圧力分布は、凹形状の溝部分内部の中心部分が最も動圧が高く、両端部分が最も動圧が低いことが解明された。研磨量は圧力に比例するので、両端部分の間の研磨量は、球面の一部のように曲率をもって変化することが解明される。その結果、２段階形状をした凹形状溝部分内部の形状は、球面の一部の曲率を持った凹レンズ形状になるように設計が出来た。この動圧の現象が凹形状溝部分内部で起きることと、撓みの現象により凸レンズ形状になることで、研磨加工の加工時間が長くなればなるほど、水晶振動子としては理想的な、両面が凹−凸レンズ形状のｃｏｎｃａｖｏ−ｃｏｎｖｅｘ形状となることが判明した。
【００１６】
この加工方法により設計・製作した水晶振動子の最大の特徴は、凹形状をしたｓｉｎｇｌｅ−ｓｉｄｅｄ　ｇｒｏｏｖｅｄ−ｔｙｐｅの水晶ブランクをｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｔｃｈｉｎｇ加工にて製作した後は、ｄｕａｌ−ｆａｃｅ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅを使用して１回研磨加工するだけで、一方の面が１つの中心軸線をもっている凸レンズ形状で、他方の面が１つの中心軸線を持っている凹レンズ形状である凹−凸レンズ形状の２つの中心軸線が極く自然に完全に一致すると言うことである。
【００１７】
そこで、水晶板の素材の光軸を水晶板に対して直角またはその他の決められた角度に切断した水晶板を使用して、凹形状をした水晶ブランクさえ製作すれば、この凹形状をした水晶ブランクを、ｄｕａｌ−ｆａｃｅ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅを使用して研磨加工することで、水晶の光軸又は回転光軸と、振動部分を構成する片面の凸レンズ形状の中心軸線と、他面の凹レンズ形状の中心軸線の３つの線軸が完全に一致する設計法を確立した。さらに、ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｔｃｈｉｎｇ加工でダメージを受けた層を適切な時間研磨加工することにより除去することができることを発見した。また本研磨加工の時間設計により、最終仕上げをして、図２に示しているような、主振動の近傍に全くｓｐｕｒｉｏｕｓ　ｍｏｄｅの発生がない、凹−凸レンズ形状の水晶振動子が出来上がる設計法を確立できた。これにより、上記水晶振動子は、基本波で単一波長の高周波弾性振動波を圧電的に発生できることが判明した。
【００１８】
主振動の近傍に全くｓｐｕｒｉｏｕｓ　ｍｏｄｅが存在しないと言うことは、温度変化の如何によらず、または重力加速度であるＧが急激に変化しても、主振動と副振動が結合して主振動が副振動にｊｕｍｐする現象が起こらなくなる。
【００１９】
もし水晶振動子の主振動が副振動にｊｕｍｐする現象が、温度変化、または力学的重力加速度によって発生すれば、ロケット、人工衛星などの宇宙機器に使用するレーダー、計測器、センサ、コンピューター、通信機器などの高精度電子デバイスが誤動作を起こす原因となる。
【００２０】
また、水晶振動子の形状を２段階形状としたことにより、容易に、振動部分の口径ｄと、振動部分の板厚ｔの比である口径比（ｄ／ｔ）を、最適設計ができ、副振動の発生を取り除き、かつ、この２段階形状の構造が、耐衝撃性である重力加速度に耐え得る構造でもある。
【００２１】
さらに、２段階形状をした水晶振動子の特徴としては、振動部分に印加したエネルギーが効率よく利用される構造である。
【００２２】
図２は、上記の方法で加工された凹−凸レンズ形状の振動部分を有する２段階形状の水晶ブランクに、幅が０．２６ｍｍで厚さが２０００Åの、アルミニウムの電極を表の面と裏の面から蒸着により電極を交互に形成した水晶振動子に、０．６Ｖｐｐの交流電圧を印加して測定した測定図である。
【００２３】
図２の測定に使用した測定器は、Ａｄｖａｎｔｅｓｔ社製の、型式がＲ３７６５ＣＧのＮｅｔｗｏｒｋアナライザーである。測定結果は、主振動周波数が１０８．９ＭＨｚで、±７ＭＨｚ以内にはｓｐｕｒｉｏｕｓが全く発生していない、設計通りの単一波長の共振周波数特性であった。
【００２４】
図３は、ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｔｃｈｉｎｇ加工を使用して製作した、２段階形状をしたｓｉｎｇｌｅ−ｓｉｄｅｄ　ｇｒｏｏｖｅｄ　ｔｙｐｅの水晶ブランクをＺｙｇｏ社製の型式がＮｅｗ　Ｖｉｅｗ５０００の操作型白色干渉計を使用して形状を測定した形状測定図である。測定結果は、図１（ｂ）及び１（ｃ）に示している。この形状測定図によると、最初のｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｔｃｈｉｎｇ加工で、口径が１．６ｍｍで、深さが５７．０μｍの１０角形状をしたｇｒｏｏｖｅが形成されている。さらに、次の加工工程として２回目のｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｔｃｈｉｎｇ加工を行うことにより、口径が０．５９ｍｍで、深さが１５．０μｍの円形形状部分が加工されている。
【００２５】
図４は、図３に示している２段階形状をした凹形状の水晶ブランクを、ｄｕａｌ−ｆａｃｅ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅを使用して、３０分間研磨加工をした状態の凸レンズ形状になった表面を示している。
【００２６】
図４から、底辺が１．６ｍｍで頂点が１．２５μｍ盛り上がっている凸レンズ形状となっていることが確認された。
【００２７】
図５は、図４の水晶ブランクの凹形状の溝部分側を、Ｚｙｇｏ社製の型式がＮｅｗＶｉｅｗ５０００の操作型白色干渉計を使用して測定した形状測定図である。この形状測定図から判るように、２段階形状をした凹形状の溝部分内部は、平面形状である。
【００２８】
このことにより、図４に示している凸レンズ形状は、片面が１．２５μｍ盛り上がった凸レンズ形状で、もう一方の片面は図５に示している平面形状である。図１（ｇ）に示しているｐｌａｎｏ−ｃｏｎｖｅｘ形状と同じような形状であることが確認された。
【００２９】
図６は、図３の水晶ブランクを前述の研磨加工を６０分行った水晶ブランクの凹形状の溝部分とは反対側を、Ｚｙｇｏ社製の型式がＮｅｗ　Ｖｉｅｗ５０００の操作型白色干渉計を使用して測定した形状測定図である。この形状測定図から判るように、水晶ブランクの平面側を研磨した中央部は、底辺が１．６ｍｍで頂点が３．５μｍ盛り上がった凸レンズ形状となっていることが確認された。
【００３０】
図７は、図６の水晶ブランクの凹形状の溝部分側を、Ｚｙｇｏ社製の型式がＮｅｗＶｉｅｗ５０００の操作型白色干渉計を使用して測定した形状測定図である。この形状測定図から判るように、２段階形状をした凹形状の溝部分内部は、口径が０．４８ｍｍで、深さが１２ｎｍの凹みができて凹レンズ形状である。これは、図１（ｈ）に示しているｃｏｎｃａｖｏ−ｃｏｎｖｅｘ形状である事が確認された。
【００３１】
図８は、表面が凸レンズ形状となっている図６及び裏面が凹レンズ形状となっている図７の形状である２段階形状をした水晶ブランクに、幅が０．２６ｍｍで厚さが２０００Åの、アルミニウムの電極を表の面と裏の面から蒸着により電極を交互に形成した水晶振動子の写真を示している。この写真は、ライカ社製の型式がＬｅｉｔｚ−Ｄｍｒｍのノマルスキ微分干渉顕微鏡で撮影されたものである。
【００３２】
この図８をデバイスとして完成させた水晶振動子の共振特性図を図２に示している。この図２の測定に使用した水晶振動子は、表の面が凸レンズ形状となっている図６及び裏の面が凹レンズ形状となっている図７に示している水晶ブランクを使用しているので、振動部分の口径が０．５９ｍｍで、１０角形状の溝部分の口径が１．６ｍｍで、振動部分の厚さが１５．３μｍであったので、口径比（ｄ／ｔ）は３８であり、主振動は１０８．９ＭＨｚで、その主振動周波数の±７ＭＨｚ以内には全くｓｐｕｒｉｏｕｓ　ｍｏｄｅｓの発生がなく、単一波長の圧電弾性波の共振であることがわかる。
【００３３】
【発明の効果】
発明の効果としては、従来にない撓みの現象と動圧の現象に基づいて、適切な応力状態を実現して、２段階形状をしたｓｉｎｇｌｅ−ｓｉｄｅｄ　ｇｒｏｏｖｅｄ−ｔｙｐｅの凹−凸レンズ形状の振動部分をもつ水晶振動子を製造・完成することができた。
【００３４】
この結果、主振動の近傍に、副振動が全く存在しない凹−凸レンズ形状をした振動部分を持つ水晶振動子を得ることができた。
【００３５】
これにより、１８８０年にピエール＆ジャック・キュリー兄弟が水晶の圧電気効果を発見して、水晶振動子の発振への端緒を切り開いて以来、人々の夢であり悲願であった、単一波長で指向性がある水晶振動子を用いた高周波弾性振動波の共振に成功した。
【００３６】
単一波長を発生でき得る高周波水晶圧電振動子の設計ができて、高Ｑ、高周波、良好な共振周波数特性、良好な温度特性、力学的衝撃、加速に強い、溝型凹−凸レンズ形状をしたＡＴ−ｃｕｔ水晶振動子が得られる可能性が出来た。
【００３７】
これらは、優れた水晶振動子、水晶共振子、あるいはセンサとして応用が可能である。さらに、将来、基本波がＧＨｚ帯の単一波長の共振波を発生させるための、今回試作に成功したものよりも１桁程度小さい凹−凸レンズ形状の高周波水晶振動子を設計・開発すれば、下記のような応用が可能であると考えられる。
【００３８】
１．飛躍的に解像力を高めた電波望遠鏡、電子顕微鏡、レーダー、センサを実現するための発振子及び共振子。
【００３９】
２．温度変化、重力加速度変化などが激しいロケット、人工衛星などの宇宙機器に使用する発振子及び共振子。
【００４０】
３．基本波にて通話が可能な携帯電話の発振子及び共振子。
【００４１】
４．誤作動の発生がない、パソコン用のクロックを実現するための発振子。
【００４２】
５．大容量、光通信用のフィルターを実現するための共振子。
【００４３】
６．宇宙空間にて太陽光を使用して発電した電力を、宇宙から地上に電力送電するために必要な、電波の発振子。
【００４４】
７．宇宙を経由して、大陸間の電力送電をするための電波の発振子。
【００４５】
８．耐衝撃性、耐加速性に優れたレーダー等を実現するための発振子及び共振子。
【００４６】
９．宇宙空間にて使用する、初速が音速以上で飛行する、太陽系または他の惑星を探査するためのロケットに使用するための発振子及び共振子。
【図面の簡単な説明】
【図１】開発に成功した水晶振動子の製造工程を示す流れ図である。
【図２】上記の方法で加工された２段階形状の水晶振動子の凹−凸レンズ形状の振動部分の表と裏の面に電極を交互に設け、電極間に０．６Ｖｐｐの交流電圧を印加し、Ａｄｖａｎｔｅｓｔ社製の、型式がＲ３７６５ＣＧのＮｅｔｗｏｒｋアナライザーで測定した測定図である。
【図３】前記の方法で製作した２段階形状をしたｓｉｎｇｌｅ−ｓｉｄｅｄ　ｇｒｏｏｖｅｄ　ｔｙｐｅの未研磨状態の水晶ブランクの凹形状の溝部分内部を、Ｚｙｇｏ社製の型式がＮｅｗ　Ｖｉｅｗ５０００の操作型白色干渉計を使用して測定した形状測定図である。
【図４】図３の水晶ブランクを前述の研磨加工を３０分行った水晶ブランクの凹形状の溝部分内部とは反対側を、Ｚｙｇｏ社製の型式がＮｅｗ　Ｖｉｅｗ５０００の操作型白色干渉計を使用して測定した形状測定図である。
【図５】図４の水晶ブランクの凹形状の溝部分内部側を、Ｚｙｇｏ社製の型式がＮｅｗ　Ｖｉｅｗ５０００の操作型白色干渉計を使用して測定した形状測定図である。
【図６】図３の水晶ブランクを前述の研磨加工を６０分行って水晶ブランクの凹形状の溝部分内部とは反対側を、Ｚｙｇｏ社製の型式がＮｅｗ　Ｖｉｅｗ５０００の操作型白色干渉計を使用して測定した形状測定図である。
【図７】図６の水晶ブランクの凹形状の溝部分内部側を、Ｚｙｇｏ社製の型式がＮｅｗ　Ｖｉｅｗ５０００の操作型白色干渉計を使用して測定した形状測定図である。
【図８】表面が凸レンズ形状となっている図６及び裏面が凹レンズ形状となっている図７の形状である２段階形状をした水晶ブランクに、アルミニウムの電極を表面と裏面に電極を交互に形成した水晶振動子の写真を示している。この写真は、ライカ社製の型式がＬｅｉｔｚ−Ｄｍｒｍのノマルスキ微分干渉顕微鏡で撮影されたものである。
【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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