(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音叉型の圧電振動片を有する表面実装型の圧電デバイスであって、
前記音叉型の圧電振動片は、
基部の一端側から所定方向に伸び、前記一端側では幅広く第１くびれ部まで幅が狭くなるように形成され、さらに先端側へ一定幅又はさらに幅が狭くなるように形成された少なくとも一対の振動腕と、
前記一対の振動腕と前記一端側と間に形成され、前記一端側から前記第１くびれ部まで幅が広がる振動根元部と、
前記基部の前記一端側から且つ前記振動腕の両外側において前記所定方向に伸び、前記一端側では幅広く前記所定方向の前記第１くびれ部に対応する位置まで幅が狭くなるように形成された一対の支持腕と、
前記一対の振動腕と前記一対の支持腕と前記一端側との間にそれぞれ形成され、前記一端側から前記第１くびれ部まで幅が広がる支持根元部と、を備え、
前記基部の他端側から前記支持根元部までの距離と、前記基部の他端側から前記振動根元部までの距離とが等しく、前記一端側から前記第１くびれ部まで前記振動根元部と前記支持根元部との形状が同じであることを特徴とする圧電デバイス。
【請求項２】
前記振動腕は溝部を有し、この溝部に振動腕を励振させる励振電極が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は例えば水晶からなる圧電基板を用いて、支持腕を持つ音叉型の圧電振動素子を製造する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、時計や家電製品、各種情報・通信機器やＯＡ機器等の民生・産業用電子機器には、その電子回路のクロック源として圧電振動子、圧電振動片とＩＣチップとを同一パッケージ内に封止した発振器やリアルタイムクロックモジュール等の圧電デバイスが広く使用されている。また、船舶・航空機・自動車等の姿勢制御や航行制御、ビデオカメラ等の手振れ防止・検出等における回転角速度センサとして、圧電振動ジャイロが広く利用され、３次元立体マウス等の回転方向センサにも応用されている。
【０００３】
特に最近、これら圧電デバイスは、それを搭載する電子機器の小型化・薄型化に伴い、より一層の小型化・薄型化が要求されている。また、低いＣＩ（クリスタルインピーダンス）値を確保して、高品質で安定性に優れた圧電デバイスが要求されている。圧電デバイスはＣＩ値を低く保持するために、たとえば振動腕構造を有する音叉型圧電振動片が開発され、さらに小型化するために、基部の長さを短くし、支持腕を持つ音叉型圧電振動片が提供されている。
【０００４】
特許文献１によれば、音叉型水晶振動片２００は図６に示すように基部２２３に振動腕２２１が設けられ、支持腕２２２は基部２２３の幅方向に延長し、さらに振動腕方向に伸びている。この支持腕２２２を形成することで、パッケージ外部の温度変化、又は落下などの衝撃からの影響を減少させ、特に温度特性が良好となる。また、支持腕２２２を形成することはパッケージ内部の振動腕２２１の振動漏れが外部に及ぼす影響を少なくし、ＣＩ値を改善していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、さらに小型化する需要に対して、基部の長さをさらに短くしようとすると、従来の支持腕を追加した形状だけでは十分に振動漏れを吸収することができずにＣＩ値が劣化する。また、音叉型圧電振動片の外形を形成する際のエッチングにおいて、水晶の異方性により音叉型圧電振動片は異型部が発生する。このエッチングによる異形部は小型化するに従い、音叉型圧電振動片の特性に与える影響が大きくなる。エッチングの異型部は音叉型圧電振動片に歪みを発生させ、わずかな寸法の違いで左右の振動腕のバランスが不均一になり振動漏れがおきる。特に一対の振動腕の根元部などは小型になるにつれてエッチングの薬液が流れにくくなり、さらに水晶の異方性により加工が難しくなっている。
【０００６】
本発明の目的は、音叉型圧電振動片をさらに小型化するために、基部の長さを短くして支持腕を設け、またエッチングによる異形部を考慮した外形とすることで、エッチング後においても左右対称の音叉型圧電振動片を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の観点の圧電振動片は、基部の一端側から所定方向に伸びる少なくとも一対の振動腕と、一対の振動腕の間に形成される振動根元部と、基部の一端側から且つ振動腕の両外側において所定方向に伸びる一対の支持腕と、を備え、一対の振動腕と一対の支持腕との間に形成される支持根元部は、振動根元部と所定方向の位置が同じである。
この構成により、振動根元部と支持根元部の所定方向の位置が同じであるため、一対の振動腕の根元部が左右対称に形成することができ、左右でバランスがとれた構造となる。このためＣＩ値が改善しまた振動漏れも小さくできる。
【０００８】
第２の観点の圧電振動片は、基部の他端側から支持根元部までの距離と振動根元部までの距離とが等しい。
この構成により、エッチングを行っても左右対称に形成することができる。
【０００９】
第３の観点の圧電振動片は、基部の一端側から所定方向に伸びる少なくとも一対の振動腕と、一対の振動腕の間に形成される振動根元部と、基部の一端側から且つ振動腕の両外側において、所定方向に伸びる一対の支持腕と、を備え、一対の振動腕と一対の支持腕との間に形成される間隔は一対の振動腕の間隔と同じである。
この構成により、一対の振動腕と一対の支持腕との間に形成される間隔は一対の振動腕の間隔と同じであるため、一対の振動腕の根元部が左右対称に形成することができ、左右でバランスがとれた構造となる。このためＣＩ値が改善し、また振動漏れも小さくできる。
【００１０】
第４の観点の圧電振動片は、一対の振動腕と一対の支持腕との間に形成される支持根元部は、振動根元部と所定方向の位置が同じである。
この構成により、エッチングを行っても左右対称に形成することができる。
【００１１】
第５の観点の圧電振動片の支持根元部は、振動根元部と同一形状である。
支持根元部と振動根元部とを曲線状又は直線状に同一すればよりエッチングで左右が同じバランスとなる。
【００１２】
第６の観点の圧電振動片の振動腕の幅は、一端側から所定方向に向かって縮減しその後第１幅で所定方向に伸び、さらに、第１幅より広い第２幅で先端まで伸びている。
このような振動腕の構成にすることにより、特に高調波のＣＩ値及びＱ値を制御できるため安定した振動周波数を得ることができる。
【００１３】
第７の観点の圧電振動片の振動腕の幅は、一端側から所定方向に向かって縮減しその後先端まで徐々に広がっている。
このような振動腕の構成にすることにより、特に高調波なＣＩ値及びＱ値を制御できるため安定した振動周波数を得ることができる。
【００１４】
第８の観点の圧電振動片は、振動腕は溝部を有し、この溝部に振動腕を励振させる励振電極が形成されている。
この構成により、振動腕を振動させ易くするとともにＣＩ値を下げることができる。
【００１５】
第９の観点の圧電デバイスは、第１ないし第８の観点のいずれかに記載の圧電振動片と、この圧電振動片を覆う蓋部と、支持腕が接続されるとともに圧電振動片を支えるベースと、を備える。
第１ないし第８の観点のいずれかに記載の圧電振動片を使うことで、小型化しても安定した振動周波数を行うことができる圧電デバイスとなる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の圧電振動片は小型化してもＣＩ値の劣化を低減できる。またその圧電振動片を使った圧電デバイスは小型化の要望に応えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の音叉型水晶振動片は、例えば３２．７６８ｋＨｚで信号を発振する振動片でＹ軸方向の長さが１．４５ｍｍ程度、Ｘ方向の長さが０．５ｍｍ程度、Ｚ方向の厚さが０．１２ｍｍ前後の小型な形状となっている。この音叉型水晶振動片の外形を形成する工程のエッチングでわずかな寸法の違いが発生し、このわずかな寸法の違いは小型な形状であるために音叉型水晶振動片に与える影響は大きい。以下の実施例はＣＩ値の劣化の少ない小型な音叉型水晶振動片の形状を示す。
【００１８】
＜実施例１＞
図１（ａ）は本実施例の第１音叉型水晶振動片１００である。第１音叉型水晶振動片１００は第１振動腕４１を持ち、さらに支持腕２２で構成されている。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
第１音叉型水晶振動片１００は基部２３に音叉型の一対の第１振動腕４１を持ち、基部２３の長さＬＫは０．２０ｍｍ程度で、一対の第１振動腕４１の長さは１．２５ｍｍ程度の長さである。
【００１９】
第１振動腕４１は基部よりほぼ平行に伸び、第１振動腕４１の表裏両面には、溝部２４が形成されている。例えば、一本の第１振動腕４１の表面には１つの溝部２４が形成されており、第１振動腕４１の裏面側にも同様に１つの溝部２４が形成されている。つまり、一対の第１振動腕４１には４箇所の溝部２４が形成される。図１（ｂ）に示すように溝部２４の断面は、略Ｈ型に形成され第１音叉型水晶振動片１００のＣＩ値を低下させる効果がある。
【００２０】
第１振動腕４１の根元部分は幅広に形成されている。これは第１振動腕４１の振動が根元部分に集中していた応力を第１くびれ部４６の方に移動させ、基部への振動漏れを減少させることができる。なお本実施例では一対の振動腕に４箇所の溝部２４を形成しているが、より多くの溝部２４を形成してもよく、また溝部２４を形成しない場合においても同様な効果がある。また、溝部２４の形成は以下の実施例２及び実施例３についても同様である。
【００２１】
第１音叉型水晶振動片１００の基部２３は、その全体が略板状に形成されている。基部２３の長さＬＫは第１音叉型水晶振動片１００の全長を短くするために、できるだけ短いほうが望ましい。しかし、基部の長さＬＫを短くすると、第１振動腕４１の振動がパッケージ外部へ振動漏れとして伝わるおそれがあり、またパッケージ外部の温度変化、又は衝撃の影響を受けやすくなる。このため、本実施例では第１音叉型水晶振動片１００に支持腕２２を形成することで、第１振動腕４１の振動漏れや外部変化の影響を少なくしている。さらに、第１音叉型水晶振動片１００とパッケージとの接合部２５は基部より離れた支持腕２２の端部に設置することで、振動漏れや外部変化の影響を少なくしている。さらに第１音叉型水晶振動片１００の外形を以下に示すような構造にすることでエッチングの異形部の影響を抑え、左右均等でバランスのとれた第１音叉型水晶振動片１００を形成することができる。
【００２２】
図１（ａ）で示すように、第１音叉型水晶振動片１００の基部２３は同じ基部の長さＬＫで幅方向に伸び、その伸びた基部２３から支持腕２２が伸びた形状である。また、第１音叉型水晶振動片１００の第１振動腕４１と第１振動腕４１との距離である第２幅Ｗ２は第１振動腕の幅である第１幅Ｗ１と同じであり、また第１振動腕４１と支持腕２２との距離である第３幅Ｗ３も第１幅Ｗ１と同じ長さで形成されている。つまり第１音叉型水晶振動片１００は第１幅Ｗ１と、第２幅Ｗ２と、第３幅Ｗ３とを同一幅で設計する。
【００２３】
第１幅Ｗ１と、第２幅Ｗ２と、第３幅Ｗ３と、を同一幅で設計することはエッチング工程でエッチング液の流れが同一となり、左右でバランスがとれた第１音叉型水晶振動片１００を形成することができる。
【００２４】
基部２３と一対の第１振動腕４１とで成す振動根元部２６の形状は角ばった（直線的な）Ｕ字形状をしている。また、基部２３と第１振動腕４１と支持腕２２とで成す２箇所の支持根元部２７の形状も同一の角ばった（直線的な）Ｕ字形状をしている。また、第１音叉型水晶振動片１００の基部２３は同じ基部の長さＬＫで幅方向に伸ばして設計するため、振動根元部２６の最深部の第１基部の長さＫ１と、２箇所ある支持根元部２７の最深部の第２基部の長さＫ２と、が同じ長さで形成される。
【００２５】
振動根元部２６と支持根元部２７との形状と、第１基部の長さＫ１と第２基部の長さＫ２との長さと、を同一にすることで、水晶の異方性によるエッチングの異型部は同一形状となるため、全体で均一な形状となる。つまり、第１音叉型水晶振動片１００は上記の各幅と、各根元部形状と、各基部の長さとを揃えることで、エッチングを行っても左右対称に形成することができ、左右でバランスがとれた構造となる。
【００２６】
支持腕２２の長さは第１振動腕４１の長さより短く形成し、第１振動腕４１の先端には電極と同時に金属被膜を形成する。また、振動腕の先端の金属被膜は圧電デバイスとして搭載した第１音叉型水晶振動片１００の周波数調整をしやすくするために形成される。これらの第１音叉型水晶振動片１００の外形と溝部２４との形成は公知のフォトリソ・エッチング技術で形成されている。以下は外形及び溝部２４のエッチングによる形成方法の概略を示す。
【００２７】
（外形の形成）
外形のエッチングは、丸型又は角型の水晶ウエハより同時に多数の第１音叉型水晶振動片１００の外形を形成する。第１音叉型水晶振動片１００の外形は図示しない耐蝕膜などのマスクを用いて、マスクから露出した水晶ウエハに対して、例えば、フッ酸溶液をエッチング液として、第１音叉型水晶振動片１００の外形のエッチングを行う。耐蝕膜としては、例えば、クロムを下地として、金を蒸着した金属被膜などを用いることができる。このエッチング工程は、ウエットエッチングで、フッ酸溶液の濃度や種類、温度等により変化する。
【００２８】
エッチング進行上の異方性はこれらのエッチング工程でおこり、図１に示された結晶軸（ＸＹＺ）のＸ軸を第１音叉型水晶振動片１００の幅、Ｙ軸を長さ、Ｚ軸を厚さとし、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸上で異方性がおこる。
すなわち、第１音叉型水晶振動片１００に関するエッチングレートは、Ｚ軸方向が大きく、次にプラスＸ軸方向が大きく、次にマイナスＸ軸方向が大きく、Ｙ軸方向が一番小さい。
【００２９】
このようなエッチング進行上の異方性により、第１音叉型水晶振動片１００には、各振動腕及び各支持腕の外側側面に、ヒレ状に突出した異形部（図示しない）が形成される。
【００３０】
（溝形の形成）
次に、溝形成用レジストにより、各溝部２４を挟む両側の壁部を残す様に、溝部２４を形成しない部分に耐蝕膜を残し、外形エッチングと同じエッチング条件で、第１振動腕４１の表面と裏面とを、それぞれウエットエッチングすることにより溝部２４を形成する。溝部２４の深さは厚みに対して、３０ないし４５パーセント程度とで形成する。
【００３１】
なお、上記の外形エッチングおよび溝エッチングは、その一方もしくは両方をドライエッチングにより形成してもよい。その場合には、例えば、水晶ウエハ上に、第１音叉型水晶振動片１００の外形や、外形形成後には、溝部２４に相当する領域を、その都度メタルマスクを配置して覆う。この状態で、例えば、図示しないチャンバ内に収容し、所定の真空度でエッチングガスを供給して、エッチングプラズマを生成しドライエッチングすることができる。つまり、真空チャンバ（図示せず）には、例えば、フレオンガスボンベと酸素ガスボンベとが接続され、さらに、真空チャンバには、排気管が設けられ、所定の真空度に真空引きされるようになっている。
【００３２】
真空チャンバ内が、所定の真空度に真空排気され、フレオンガスと、酸素ガスが送られ、その混合ガスが所定の気圧になるまで充填された状態にて、直流電圧が印加されると、プラズマが発生する。そして、イオン化された粒子を含む混合ガスは、メタルマスクから露出した圧電材料に当たる。この衝撃により、物理的に削り取られて飛散し、エッチングが進行する。
【００３３】
（電極の形成）
電極は、図１（ａ）で示すように基部電極３１と励振電極３２とで形成され、励振電極３２においては図１（ｂ）で示すように第１振動腕４１の側面にも形成されている。基部電極３１と励振電極３２とは例えばＮｉ膜からなる下地にＡｕ膜を設けた２層構造で形成されている。
【００３４】
電極の形成は蒸着もしくはスパッタリングなどによって、電極となる金属を全面に被覆し、次いで、電極を形成しない箇所を露出したレジストを用いて、フォトリソグラフィの手法により、電極を形成する。その後、第１振動腕２４の先端部には、スパッタリングや蒸着により、錘付け電極（金属被膜）が形成される。錘付け電極は周波数調整に利用される。
以下の実施例では同様に電極を配線するため、電極の図を省いている。
【００３５】
（圧電デバイスの形成）
図２（ａ）は圧電デバイス５０の概略上面図を示し、図２（ｂ）に図２（ａ）の概略断面図を示す。圧電デバイス５０は真空チャンバ内で窪みを持つパッケージＰＫＧに第１音叉型水晶振動片１００入れ、真空状態で蓋体５３とパッケージＰＫＧとを封止材５４により接合する。蓋体５３は硼珪酸ガラスなどで形成することで圧電デバイスを構築した後でも周波数の調整をすることができる。
【００３６】
パッケージＰＫＧは例えばセラミックからなるセラミックパッケージであり、複数枚のセラミックシートを積層して箱状に形成してある。パッケージＰＫＧの底部には外部電極５１が形成され表面実装（ＳＭＤ：Surface Mount Device）できるタイプとなる。
【００３７】
第１音叉型水晶振動片１００は支持腕２２の接合部２５で圧電デバイス５０のパッケージＰＫＧと接合している。例えば、接合部２５はパッケージＰＫＧの電極（図示しない）に塗布した導電性接着剤の上に載置して、導電性接着剤を仮硬化させる。次に、硬化炉で導電性接着剤を本硬化することで接合部２５は、第１音叉型水晶振動片１００とパッケージＰＫＧとに導電性を持たせたまま接合され、パッケージ外部の外部電極５１と電気的に接続される。
【００３８】
圧電デバイス５０は第１音叉型水晶振動片１００の第１振動腕４１の先端にレーザー光を照射して、錘の金属被膜の一部を蒸散・昇華させ、質量削減方式による周波数の調整を行う。また圧電振動デバイス５０は駆動特性などの検査を行うことで完成する。
【００３９】
第１音叉型水晶振動片１００は第１振動腕４１の形状を変えることで、さらにＣＩ値の劣化が少ない圧電デバイス５０を製造することができる。以下の実施例２と実施例３とはさらにＣＩ値の劣化が少ない振動腕形状の具体例を示す。
【００４０】
＜実施例２＞
図３はＣＩ値の劣化が少ない第２振動腕４２を持つ第２音叉型水晶振動片１１０を示す。本実施例の第２音叉型水晶振動片１１０における第２振動腕４２以外の構成部分は実施例１と同様なため同一部分の説明を省く。また、図を分かりやすくするために電極を図示しない。
【００４１】
図３に示すように基部２３から延びる第２振動腕４２は根元部分から徐々に幅狭になり第１くびれ部４６を形成している。さらに、第２振動腕４２は第１くびれ部４６から徐々に幅狭になり第２振動腕４２の先端付近で第２くびれ部４７を形成している。次に第２振動腕４２は第２くびれ部４７から第２振動腕４２の先端にかけて、振動腕同士が互いに衝突しない幅で徐々に幅広に形成される。
【００４２】
第２振動腕４２の幅広な根元部分から第１くびれ部４６、又は第２くびれ部４７にかけて２段階で細くなるため、根元部分に集中していた応力が第２振動腕４２の先端方向に移動することで、基部への振動漏れが減少する。また、第２振動腕４２の先端の幅Ｗ４、又は第２くびれ部４７の幅Ｗ５を調節することでＣＩ値を抑制しつつ、２次の高調波における発振の防止をすることができ、安定した基本波を発振することができる。
【００４３】
本実施例も実施例１と同様に圧電デバイス５０として第２音叉型水晶振動片１１０をパッケージＰＫＧに封入することができる。また封入された後に周波数の調整を行うことができる。
【００４４】
＜実施例３＞
図４はＣＩ値の劣化が少ない第３振動腕４３を持つ第３音叉型水晶振動片１２０を示す。本実施例の第３音叉型水晶振動片１２０の構成部分も第３振動腕４３以外は実施例１と同様なため説明を省く。また、図を分かりやすくするために電極を図示しない。
【００４５】
図４に示すように実施例２と同様に基部２３から延びる第３振動腕４３は根元部分から徐々に幅狭になり第１くびれ部４６を形成し、第２くびれ部４７に向かい徐々に幅狭になっている。第３振動腕４３は第２くびれ部４７で急激に幅広になり、振動腕同士が互いに衝突しない幅でハンマー型の形状をしている。
【００４６】
本実施例においても第３振動腕４３の幅広な根元部分から第１くびれ部４６、又は第２くびれ部４７にかけて２段階で細くなるため、根元部分に集中していた応力が第３振動腕４３の先端方向に移動することで、基部２３への振動漏れが減少する。またハンマー型の幅であるハンマー幅ＨＷ、及びハンマー型の長さであるハンマー長ＨＬ、及び基部からハンマー型までの長さである基部ハンマー長ＫＨを調整することでＣＩ値を抑制しつつ、２次の高調波における発振の防止をすることができ、安定した基本波を発振することができる。
【００４７】
本実施例も実施例１と同様に圧電デバイス５０として第３音叉型水晶振動片１２０をパッケージＰＫＧに封入することができる。また封入された後に周波数の調整を行うことができる。
【００４８】
実施例１及び実施例２及び実施例３では振動根元部２６と支持根元部２７との形状とが角ばったＵ字形状をしているが、それぞれ図５（ａ）及び図５（ｂ）及び図５（ｃ）で示すように滑らかなＵ字形状をしていても良い。また、実施例１及び実施例２及び実施例３では２箇所の第１接合部でパッケージと固定されていたが図５（ａ）及び図５（ｂ）及び図５（ｃ）で示すように、２箇所の第２接合部を追加して形成してもよい。第２接合部を設けることで支持腕２２を支える剛性が増し、各振動腕からの振動漏れがパッケージＰＫＧに伝わりにくく、また温度変化などに起因するパッケージ外部からの応力の変化が各振動腕に伝わりにくい構造となる。なお図５では電極及び溝部２４を図示していない。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上、本発明の好適実施例について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において上記各実施例に様々な変更・変形を加えて実施することができる。たとえば、本発明の圧電振動片は、水晶以外にニオブ酸リチウム等の様々な圧電単結晶材料を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】（ａ）は、第１音叉型水晶振動片１００の上面図である。  （ｂ）は、（ａ）に示した音叉型水晶振動片１００のＡ−Ａ断面図である。
【図３】第２音叉型水晶振動片１１０の上面図である。
【図４】第３音叉型水晶振動片１２０の上面図である。
【図５】（ａ）は、第１音叉型水晶振動片１００の変形例を示す上面図である。  （ｂ）は、第２音叉型水晶振動片１１０の変形例を示す上面図である。  （ｃ）は、第３音叉型水晶振動片１２０の変形例を示す上面図である。
【図６】従来の支持腕を持つ音叉型水晶振動片２００の上面図である。る。
【符号の説明】
【００５１】
２２  …  支持腕
２３  …  基部
２４  …  溝部
２５  …  接合部
２６  …  振動根元部
２７  …  支持根元部
４１  …  第１振動腕
４２  …  第２振動腕
４３  …  第３振動腕
４６  …  第１くびれ部
４７  …  第２くびれ部
５０  …  圧電デバイス
５３  …  蓋体
５４  …  封止材
１００  …  第１音叉型水晶振動片
１１０  …  第２音叉型水晶振動片
１２０  …  第３音叉型水晶振動片
ＨＷ  …  ハンマー幅
ＨＬ  …  ハンマー長
Ｋ１  …  第１基部の長さ
Ｋ２  …  第２基部の長さ
ＫＨ  …  基部ハンマー長
ＬＫ  …  基部の長さ
Ｗ１  …  第１幅
Ｗ２  …  第２幅
Ｗ３  …  第３幅
ＰＫＧ  …  パッケージ
【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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