(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置されたオーバーコート層と、
前記オーバーコート層内にある少なくとも一つの空気領域と、
内側表面及び向かい合う外側表面とを有し、前記内側表面は前記空気領域の少なくとも一部分と係合し、前記向かい合う外側表面は前記オーバーコート層と係合するフレーミング層とを含み、
前記基板の一部と前記空気領域の一部とが直接接することを特徴とするマイクロ構造体。
【請求項２】
前記オーバーコート層が、ポリイミド、ポリノルボルネン、エポキシド、ポリアリーレンエーテル、ポリアリーレン、無機ガラス及びこれらの組み合わせから選択される、請求項１のマイクロ構造体。
【請求項３】
前記フレーミング層が、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯｘＮｙ、ここでｘは０．０１乃至２であり、ｙは０．０１乃至１．３３である、及びＡｌ２Ｏから選択される、請求項１または請求項２のマイクロ構造体。
【請求項４】
前記空気領域は高さが０．０１乃至１００マイクロメートルであり、幅が０．１乃至１０，０００マイクロメートルである、請求項１から請求項３のいずれか１項のマイクロ構造体。
【請求項５】
第１の空気領域が、第２の空気領域の上方で前記第２の空気領域からほぼオフセットして配置される、請求項１から請求項４のいずれか１項のマイクロ構造体。
【請求項６】
犠牲ポリマー層が配置された基板を提供することと、
前記犠牲ポリマー層をパターニングして複数の犠牲ポリマー領域を形成すること、
各犠牲ポリマー領域の少なくとも一部分の上に、その内側表面が各犠牲ポリマー領域の少なくとも一部分と係合するフレーミング層を配置することと、
前記フレーミング層の上にオーバーコート層を配置し、前記オーバーコート層は前記フレーミング層の外側表面と係合して各犠牲ポリマー領域を前記オーバーコート層から実質的に分離させることと、
を含む、マイクロ構造体を製造する方法。
【請求項７】
熱分解により各領域から前記犠牲ポリマーを除去して空気領域を形成する請求項６の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２００２年１０月３１日出願の出願番号６０/４２２，５３０号を有する「ＭＥＭＳ用マイクロエアチャンネルの製造における非相容性の問題を解決するための構造材料としての二酸化珪素(Silicon-di-oxide as a Structural Material to Resolve Incompatibility Issues in the Fabrication of Micro-Airchannels for MEMS)」というタイトルの同時係属の米国仮出願の優先権を主張するものであり、この出願は全て本願に援用される。
【０００２】
政府委託の研究及び開発に関する記述
米国政府は、本発明において払込済ライセンスを持つことができ、限られた状況下で米国政府の国立科学財団（認可番号ＤＭＩ−９９８０８０４）によって与えられるＭＤＡの条件により提供されるような適当な条件で他者に使用を許可することを特許権者に要求する権利がある。
【０００３】
本発明は概してポリマーに関し、より詳細には、ポリマー、マイクロエアチャンネル、そしてポリマーを使用したマイクロエアチャンネルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
マイクロ流体デバイスは、薬の発見、生医学的な実験、化学合成及び化学分析を含む種々の分野への応用に対して非常に大きな可能性を持っている。このようなデバイスでは、数十乃至数百マイクロメートルの断面寸法を有するマイクロチャンネル内で液体と気体が操作される。このようなマイクロチャンネルデバイスで処理することにより、試薬や分析物の低消費量、非常にコンパクトで携帯可能なシステム、速い処理時間、そして使い捨てシステムの可能性を含む多くの利点がもたらされる。しかし、マイクロ流体デバイスが非常に有望であるにもかかわらず、マイクロ流体デバイスは現在限られた用途でしか使用されておらず、操作の複雑さや能力に関しては概して今でもかなり単純なデバイスである。マイクロ流体デバイスの使用が限られている理由の１つは、明確な形のマイクロチャンネルを形成することが難しいことにある。
【０００５】
例えば、マイクロチャンネルを通る流体マイクロ動力学は混合を必要としないシステムでの混合の回避に重要であり、従って、マイクロチャンネルは必要とされる流体マイクロ動力学と一致する明確な断面を有するべきである。しかし、明確な断面を作ることは難しい場合がある。例えば、マイクロチャンネルの製造に用いられる犠牲ポリマーとオーバーコートの選択は、犠牲ポリマーとオーバーコートの溶媒非相容性のために制限されることがある。オーバーコートの溶媒が犠牲ポリマーを溶解すると、犠牲材料によって画定される形状が損なわれる。また、オーバーコート層は、たわむことなくエアチャンネルの寸法にわたり十分な機械的強度を提供すべきである。従って、より広範囲のポリマーの組み合わせを用いて明確なマイクロチャンネルを製造する汎用的な技術がこの産業に必要である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
簡単に説明すると、本開示内容の実施の形態は特にマイクロ構造とマイクロ構造の製造方法を含む。１つの例示的なマイクロ構造は特に、基板と、基板上に配置されたオーバーコート層と、オーバーコート層の少なくとも一部分内にある空気領域と、内側で空気領域の少なくとも一部分と係合し、外側でオーバーコート層と係合するフレーミング材料層と、を含む。
【０００７】
他の例示的なマイクロ構造は特に、基板と、基板上に配置されたオーバーコート層と、オーバーコート層の少なくとも一部分内に配置され、その除去後に空気領域が形成される犠牲ポリマー層と、内側で犠牲ポリマー層の少なくとも一部分と係合し、外側でオーバーコート層と係合するフレーミング材料層と、を含む。
【０００８】
マイクロ構造の製造方法も提供される。１つの例示的な方法は特に、犠牲ポリマー層が配置された基板を提供することと、犠牲ポリマー層の少なくとも一部分の上にフレーミング材料を配置することと、フレーミング材料の上にオーバーコート層を配置し、フレーミング材料が犠牲ポリマー層をオーバーコート層から実質的に分離させることと、を含む。
【０００９】
マイクロ構造の他の製造方法は特に、基板、オーバーコート層、オーバーコート層内の一領域にある犠牲ポリマー層、及び犠牲ポリマー層の少なくとも一部分とオーバーコート層との間にあるフレーミング材料を有する構造を提供することと、犠牲ポリマー層を除去し、犠牲材料によって画定された領域内に空気領域を形成することと、を含む。
【００１０】
他の構造、システム、方法、特徴及び利点が当業者にとって明らかであるか、又は下記の図面の説明や詳細な説明を考察するにつれて明らかになる。このような付加的な構造、システム、方法、特徴及び利点は全てこの説明の中に含まれ、本発明の範囲内であり、添付の請求の範囲により保護されることが意図される。
【００１１】
本開示内容の多くの態様は、以下の図面を参照して更に良く理解することができる。図面の構成要素は必ずしも一定の尺度をもつわけではなく、代わりに本開示内容の原理を明確に例示することが強調されている。更に、図面において、同様の参照番号はいくつかの図にわたって対応する部分を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
総じて、構造及びその製造方法を開示する。構造の実施の形態は特に、少なくとも１つの空気領域を有するオーバーコート層を含む。空気領域は、空気領域とオーバーコート層との間で空気領域の１つ以上の部分（例えば面）と係合するフレーミング材料層を有する。フレーミング材料層は少なくとも、オーバーコート層と犠牲ポリマー層との間に障壁層を提供するように機能する。犠牲ポリマー層は領域を画定し、この領域は犠牲ポリマー層の除去後に空気領域を画定する。また、フレーミング材料層は少なくとも、オーバーコート層を機械的に支持するように機能する。更に、以前は溶媒非相容性のために併用することのできなかったオーバーコート及び犠牲ポリマーを、フレーミング材料層を用いて併用することができる。
【００１３】
一般に、フレーミング材料層と少なくとも部分的に接した空気領域を有する構造を、マイクロエレクトロニクス（例えばマイクロプロセッサチップ、通信チップ及び光電子チップ）、マイクロ流体工学、センサ及び分析デバイス（例えばマイクロクロマトグラフィー）などの技術分野において使用することができるが、これらに限定されない。
【００１４】
図２は、３つの空気領域１８を含む典型的な構造１０の断面図である。オーバーコート層１４が基板１２の上に配置されており、空気領域１８を含む。空気領域は、ガスやガスの混合物が充填されていてもよいし、真空でもよい。フレーミング材料層１６は空気領域１８とオーバーコート層１４との間に配置されている。他の実施の形態では特に、空気領域１８及びフレーミング材料層１６を基板１２から隔てて位置づけし、オーバーコート層１４内に配置することができる（図３Ａ及び図３Ｂ）。更に他の実施の形態では特に、複数の空気領域１８をオーバーコート層１４内の複数の高さに位置づける（例えば、図５Ａ及び図５Ｂに示すように互いの上に積み重ねるか又はオフセットして積み重ねる）ことができる。
【００１５】
図１に示すように、空気領域１８は、空気領域１８が設けられる領域から犠牲ポリマー層を除去（例えば分解）することによって形成される。構造１０の製造方法の際、犠牲ポリマー層を基板１２上に付着させ、パターン化する。次いで、フレーミング材料層１６を犠牲ポリマー層の周囲に形成する。その後、オーバーコート層１４をフレーミング材料層１６の周囲に付着させる。続いて犠牲ポリマー層を除去し、空気領域１８を形成する。犠牲ポリマーの付着方法と除去方法を更に詳しく後述する。
【００１６】
長方形の断面が空気領域１８に関連して示されている。しかし、空気領域の３次元境界は、長方形断面、非長方形断面、多角形断面、非対称断面、湾曲断面、円弧状断面、先細断面、楕円又はそのセグメントに対応する断面、放物線又はそのセグメントに対応する断面、双曲線又はそのセグメントに対応する断面及びこれらの組み合わせなどの断面積を有することができるが、これらに限定されない。例えば、空気領域１８の３次元構造は、長方形構造、多角形構造、非長方形構造、非正方形構造、湾曲構造、先細構造、楕円又はそのセグメントに対応する構造、放物線又はそのセグメントに対応する構造、双曲線又はそのセグメントに対応する構造及びこれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。また、空気領域１８は空間的に高さの異なる断面積を有することができる。更に、複数の空気領域を相互接続し、例えばマイクロチャンネルやマイクロチャンバを形成することができる。
【００１７】
空気領域１８の高さを約０．０１乃至約１００マイクロメートルとすることができ、特に約２乃至約２５マイクロメートルとすることができる。空気領域１８の幅を約０．０１乃至約１０，０００マイクロメートルとすることができ、特に約０．１乃至約１００マイクロメートルとすることができる。
【００１８】
マイクロプロセッサチップ、マイクロ流体デバイス、センサ、分析デバイス及びこれらの組み合わせなどのシステムに基板１２を使用することができるが、これらに限定されない。よって、基板１２を検討中のシステムに適した材料で構成することができる。材料の例としては、ガラス、シリコン、珪素化合物、ゲルマニウム、ゲルマニウム化合物、ガリウム、ガリウム化合物、インジウム、インジウム化合物、他の半導体材料及び／又は化合物、ならびにこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。また、基板１２は、例えばプリント配線板において見出される誘電材料、金属（例えば銅やアルミニウム）、セラミック又は有機材料を含む非半導体基板材料を含むことができる。
【００１９】
オーバーコート層１４の形成に用いるオーバーコート材料を、空気領域１８を形成する間犠牲ポリマーの分解によって生じる分解ガスに対して透過性であるか又は半透過性である、という特徴を含むモジュラーポリマーとすることができる。また、オーバーコート材料は、犠牲ポリマーが分解する温度範囲において安定していることが好ましい。更に、オーバーコートを後述する犠牲ポリマーに対して溶媒非相容性とすることができる（例えば、オーバーコート及び犠牲ポリマーを同一又は類似した溶媒に溶解させるか又は部分的に溶解させることができる）。
【００２０】
オーバーコートの例としては、ポリイミド、ポリノルボルネン、エポキシド、ポリアリーレンエーテル、ポリアリーレン、無機ガラス及びこれらの組み合わせなどの化合物が挙げられるが、これらに限定されない。より詳しくは、オーバーコートは、アモコ社(Amoco) のＵｌｔｒａｄｅｌ（商品名）７５０１、プロメラス社(Promerous)のＡｖａｔｒｅｌ（商品名）誘電ポリマー、デュポン(DuPont、登録商標)２６１１、デュポン２７３４、デュポン２７７１、デュポン２５５５、二酸化珪素、窒化珪素及び酸化アルミニウムなどの化合物を含む。例えばスピンコーティング、ドクターブレーディング、スパッタリング、ラミネーション、スクリーン又はステンシル印刷、蒸着、化学蒸着法（ＣＶＤ）、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）及びプラズマベースの蒸着システムなどの技術を用いてオーバーコートを付着させることができる。
【００２１】
フレーミング材料層１６の形成に用いるフレーミング材料は、犠牲ポリマーと実質的に相互作用しない（即ち、犠牲ポリマー層の３次元境界を損なわない）材料を含むことができる。特に、フレーミング材料はＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＯxＮy（ｘを０．０１乃至２とすることができ、ｙを０．０１乃至１．３３とすることができる）及びこれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。また、フレーミング材料は、犠牲ポリマーと実質的に相互作用しないポリマー（例えばＡｖａｔｒｅｌ（ポリノルボルネン系のポリマー）やＣＶＤパリレン）を含むが、これらに限定されない。
【００２２】
フレーミング材料層１６は、フレーミング層がなければオーバーコートと接触し、寸法完全性に敏感である犠牲ポリマーの部分を覆うことができる。犠牲ポリマーの特定部分に対するフレーミング材料層１６の被覆率は約５０乃至１００％の範囲に及ぶことができる。即ち、フレーミング材料層１６はオーバーコート材料に対して不浸透性である必要はないが、オーバーコートが硬化するまで犠牲ポリマーとオーバーコートとの間の障壁として作用し、空気領域１８の寸法完全性を維持するべきである。フレーミング材料層１６は、約０．００１乃至約１０マイクロメートル、特に約０．０１乃至約２マイクロメートルの厚さを有することができる。
【００２３】
犠牲材料層の製造に用いる犠牲ポリマーを、周囲の材料内に空気領域を形成する間ゆっくり分解して過度の圧力増加を生じないポリマーとすることができる。また、犠牲ポリマーの分解により、フレーミング材料層１６及びオーバーコート層１８を透過するのに十分小さいガス分子が生じる。更に、犠牲ポリマーの分解温度はフレーミング材料及びオーバーコート材料の分解温度又は劣化温度よりも低い。また、犠牲ポリマーは、オーバーコート材料の蒸着温度又は硬化温度よりも高いが、犠牲ポリマーが使用されている構造の構成要素の劣化温度よりも低い分解温度を有するべきである。
【００２４】
犠牲ポリマーは、ポリノルボルネン、ポリカーボネート、ポリエーテル、ポリエステル、各々の機能化化合物及びこれらの組み合わせなどの化合物を含むことができるが、これらに限定されない。ポリノルボルネンはアルケニル置換ノルボルネン（例えばシクロ−アクリレートノルボルネン）を含むが、これに限定されない。ポリカーボネートは、炭酸ノルボルネン、炭酸ポリプロピレン、炭酸ポリエチレン、炭酸ポリシクロヘキセン及びこれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。
【００２５】
また、犠牲ポリマーは、犠牲ポリマーの加工性を変える（例えば、熱放射及び／又は光放射に対する犠牲ポリマーの安定性を増減する）追加の成分を含むことができる。この点で、これらの成分として光開始剤及び光酸開始剤を含むことができるが、これらに限定されない。
【００２６】
前述のように、オーバーコートを犠牲ポリマーに対して溶媒非相容性とすることができる。以前は、溶媒非相容性のために、問題を生じずにオーバーコートと犠牲ポリマーの組み合わせを用いることはできなかった。例えば、Ａｖａｔｒｅｌ：炭酸ポリシクロヘキセン、Ａｖａｔｒｅｌ：炭酸ポリノルボルネン、ポリイミド：炭酸ポリプロピレン及びポリイミド：炭酸ポリエチレンといったオーバーコート及び犠牲ポリマーの組み合わせは以前は使用できなかったが、これらの組み合わせをフレーミング材料層と共に使用することができる。
【００２７】
例えば、図２Ａ及び図２Ｂはフレーミング材料層によって囲まれていない空気領域のＳＥＭ画像を示しており、図３Ａ及び図３Ｂはフレーミング材料層によって囲まれた空気領域のＳＥＭ画像を示している。図２Ａ及び図２Ｂでは、オーバーコート層が崩壊し、くぼみ、及び／又は犠牲ポリマーの一部を溶解させたために空気領域が損なわれており、空気領域を多くの用途において使用不可能にしている。対照的に、図３Ａ及び図３Ｂでは、フレーミング材料層（例えばＳｉＯ2）があることでオーバーコート層が実質的に崩壊したり、くぼんだり、及び／又は犠牲ポリマーの一部を溶解させたりしなかったため、空気領域は損なわれていない。
【００２８】
例えばスピンコーティング、ドクターブレーディング、スパッタリング、ラミネーション、スクリーン又はステンシル印刷、融液分配(melt dispensing)、蒸着、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ及びプラズマベースの蒸着システムなどの技術を用いて犠牲ポリマーを基板上に付着させることができる。
【００２９】
犠牲ポリマーの熱分解は、構造１０を犠牲ポリマーの分解温度に加熱し、一定期間（例えば１乃至２時間）この温度に保持することによって行うことができる。その後、分解生成物はオーバーコート層１４を介して拡散し、実質的に残留物のない中空構造（空気領域１８）が残る。
【００３０】
図示していないが、空気領域１８を他の空気領域やエアチャンネルと共に形成し、例えばマイクロ流体デバイス、センサ及び分析デバイスを形成することができる。基板１２、オーバーコート層１４、犠牲ポリマー層及び／又は空気領域１２の上や中に追加の構成要素を配置できることに注目すべきである。追加の構成要素としては、電子的要素（例えばスイッチ及びセンサ）、機械的要素（例えばギア及びモータ）、電気機械的要素（例えば可動の梁や鏡）、光学素子（例えばレンズ、格子及び鏡）、光電子要素、流体要素（例えばクロマトグラフや、冷却剤を供給できるチャンネル）及びこれらの組み合わせを挙げることができるが、これらに限定されない。
【００３１】
空気領域１８を有する構造１０を全般的に説明したので、構造１０を製造するための例示的な実施の形態を以下に説明する。明確にするため、製造方法のいくつかの部分が図４Ａ乃至図４Ｄに含まれていないことに注意すべきである。そのため、以下の製造方法は、構造１０の製造に必要とされる工程を全て含む網羅的なリストであることを意図していない。また、この製造方法の工程を図４Ａ乃至図４Ｄに示す順序以外の順序で行ったりいくつかの工程を同時に行ったりすることができるため、この方法は柔軟性がある。
【００３２】
図４Ａ乃至図４Ｄは、図１に示す空気領域１８を有する構造１０の典型的な製造方法を例示した断面図である。明確にするため、製造方法のいくつかの部分が図４Ａ乃至図４Ｄに含まれていないことに注意すべきである。そのため、以下の製造方法は、構造１０の製造に必要とされる工程を全て含む網羅的なリストであることを意図していない。また、この製造方法の工程を図４Ａ乃至図４Ｄに示す順序以外の順序で行ったりいくつかの工程を同時に行ったりすることができるため、この方法は柔軟性がある。
【００３３】
図４Ａは、パターン化された犠牲ポリマー層２２が配置された基板１２を示している。例えばスピンコーティング、ドクターブレーディング、スパッタリング、ラミネーション、スクリーン又はステンシル印刷、融液分配、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ及びプラズマベースの蒸着システムなどの技術を用いて犠牲ポリマー層２２を基板１０の上に付着させることができる。
【００３４】
図４Ｂは、犠牲ポリマー層２２及び基板１２上へのフレーミング材料層１６の形成を示している。ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、蒸着及びプラズマ支援蒸着などの技術を用いてフレーミング材料層１６を形成できるが、これらに限定されない。
【００３５】
図４Ｃは、フレーミング材料層１６上へのオーバーコート層２４の形成を示している。例えばスピンコーティング、ドクターブレーディング、スパッタリング、ラミネーション、スクリーン又はステンシル印刷、融液分配、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ及びプラズマベースの蒸着システムなどの技術を用いてオーバーコート層２４を基板上に付着させることができる。
【００３６】
図４Ｄは、空気領域１８を形成するための犠牲ポリマー層２２の熱分解を示している。前述のように、ポリマーを分解するのに十分な温度（例えば約５０乃至４２５℃）に犠牲ポリマー層２２を加熱することにより、犠牲ポリマー層２２を分解することができる。
【００３７】
図５Ａ及び図５Ｂは、多層構造４０及び５０の２つの実施の形態の断面図を示している。図５Ａは、フレーミング材料層１６及び４２を含む空気領域１８及び４８の交互のスタッキング（オフセットスタッキング）を有する多層構造４０の断面図である。空気領域１８である第１層が基板１２上及びオーバーコート層１４内に配置されている。フレーミング材料層１６が空気領域１８とオーバーコート層１４との間に配置されている。空気領域４８である第２層がオーバーコート層４６と共に配置されている。フレーミング材料層４２が空気領域４８とオーバーコート層４６との間に配置されている。フレーミング材料層１６及び４２は同一材料でも異なった材料でもよく、オーバーコート層１４及び４６も同一ポリマーでも異なったポリマーでもよい。
【００３８】
図５Ｂは空気領域１８及び４８の平行スタッキング（下にある他の空気領域のほぼ上に一列に並んだスタッキング）を有し、フレーミング材料層１６及び４２を含む多層構造５０の断面図である。空気領域１８である第１層が基板１２上及びオーバーコート層１４内に配置されている。フレーミング材料層１６が空気領域１８とオーバーコート層１４との間に配置されている。空気領域４８である第２層がオーバーコート層４６と共に配置されている。フレーミング材料層４２が空気領域４８とオーバーコート層４６との間に配置されている。フレーミング材料層１６及び４２は同一材料でも異なった材料でもよく、オーバーコート層１４及び４６も同一ポリマーでも異なったポリマーでもよい。
【００３９】
本開示内容の上記の実施の形態は単なる実施可能な実施例であり、本開示内容の原理を明確に理解するために述べられたものであることが強調されるべきである。本開示内容の趣意及び原理から実質的に逸脱せずに、多くの変形及び変更を本開示内容の前述の実施の形態に対して行うことができる。このような変形や変更は全て本明細書の本開示内容の範囲内に含まれ、以下の請求項によって保護されるように意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】フレーミング材料によって囲まれた空気領域を有する典型的な構造の断面図である。
【図２Ａ】フレーミング材料によって囲まれない空気領域を有する構造のＳＥＭ画像を示す図である。
【図２Ｂ】フレーミング材料によって囲まれない空気領域を有する構造のＳＥＭ画像を示す図である。
【図３Ａ】フレーミング材料によって囲まれた空気領域を有する構造のＳＥＭ画像を示す図である。
【図３Ｂ】フレーミング材料によって囲まれた空気領域を有する構造のＳＥＭ画像を示す図である。
【図４Ａ】図１に示される構造の典型的な製造方法を示す断面図である。
【図４Ｂ】図１に示される構造の典型的な製造方法を示す断面図である。
【図４Ｃ】図１に示される構造の典型的な製造方法を示す断面図である。
【図５Ｄ】図１に示される構造の典型的な製造方法を示す断面図である。
【図５Ａ】フレーミング材料を含む空気領域を有する多層構造の実施の形態の断面図である。
【図５Ｂ】フレーミング材料を含む空気領域を有する多層構造の別の実施の形態の断面図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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