(57)【要約】【課題】光モジュールの筐体を構成する放熱カバーの放熱接触面と、光サブアセンブリを構成するセラミックパッケージの背面の放熱面部とが、簡単で安価な構造で熱的に結合され、効果的に放熱することができる光モジュールを提供する。【解決手段】光電変換素子が実装された光サブアセンブリ２１」、電気信号の授受を行う電子部品群が実装されている回路基板１５を、放熱カバー１１により覆った光モジュールであって、少なくとも発光素子が実装される光サブアセンブリ２１がセラミックパッケージ２２で形成され、放熱カバー１１の放熱接触面１１ｂと直交するパッケージの背面の放熱面部２５に、弾性部材１７により放熱ブロック１６が押圧接触され、且つ放熱ブロック１６と放熱カバー１１の放熱接触面とが熱結合されている【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子が実装された光サブアセンブリ、電気信号の授受を行う電子部品群が実装されている回路基板を、放熱カバーにより覆った光モジュールであって、
少なくとも発光素子が実装される光サブアセンブリがセラミックパッケージで形成され、前記放熱カバーの放熱接触面と直交する前記セラミックパッケージの背面の放熱面部に、弾性部材により放熱ブロックが押圧接触され、且つ、前記放熱ブロックと前記放熱カバーの放熱接触面とが熱結合されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記放熱ブロックと前記放熱カバーの放熱接触面とが伝熱シートを介して熱結合されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
前記放熱ブロックと前記放熱カバーの放熱接触面とが放熱ゲルを介して熱結合されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項４】
前記セラミックパッケージの背面に電子冷却器が搭載されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載の光モジュール。
【請求項５】
前記放熱ブロックは、前記放熱カバーの放熱接触面と直交する方向に移動可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載の光モジュール。
【請求項６】
前記弾性部材は、金属板により形成され、前記セラミックパッケージに着脱可能に係着されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか1項に記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信のための光サブアセンブリを備えた光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信に用いられる光モジュールは、光信号を送信する送信用光サブアセンブリ（ＴＯＳＡ：Transmitter Optical Sub-Assembly）、光信号を受信する受信用光サブアセンブリ（ＲＯＳＡ：Receiver Optical Sub-Assembly）、または、光信号を送受信する構成を持つ送受信用光サブアセンブリ等の光サブアセンブリを、多数の電子部品を実装した回路基板と共にハウジング内に搭載して構成される。この場合、送受信の双方の機能を備えるものは、一般に光トランシーバとも言われている。
【０００３】
光モジュールを構成する光サブアセンブリには、光通信のための発光素子、受光素子等の光電変換素子が実装されている。これらの光電変換素子のうちで、大きな発熱を伴う素子、あるいは温度制御を必要とする素子に対しては、放熱機構が必要とされる。このための放熱機構として、例えば、特許文献１には、発熱部品の熱を放熱シートと放熱ブロックにより、金属製カバーに伝えて放熱することが開示されている。また、特許文献２には、ＴＯＳＡ、ＲＯＳＡからの熱を伝熱シートと放熱部材を介して外装用の金属製カバーの内壁面に接触させて、放熱することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９２２１５２号公報
【特許文献２】特開２００７−２２７７０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１２は、従来の放熱機構を模式的に示した図で、ＴＯＳＡ等の光サブアセンブリ１０１を回路基板１０５と共に、上部カバー１０２と下部カバー１０３からなる筐体内に搭載した例を示している。光サブアセンブリ１０１は、発熱部品（例えば、レーザダイオードを用いた発光素子）が実装されるパッケージ部１０１ａ、回路基板への配線のための端子部１０１ｂ、光ファイバとの接続のためのスリーブ部１０１ｃからなる。端子部１０１ｂには、フレキシブル回路基板（ＦＰＣ）１０４が接続され、リジッドな回路基板１０５に電気的に接続される。
【０００６】
発熱部品が実装されたパッケージ部１０１ａ内の熱は、パッケージ側面と金属製の上部カバー１０２の放熱接触面１０２ａまたは下部カバー１０３の放熱接触面１０３ａとの間に、熱伝導性の良い伝熱シート（または、放熱シート）１０６ａまたは１０６ｂを介在させて熱結合させることにより、放熱することができる。この場合、パッケージ部１０１ａの放熱面と上下部カバーの放熱接触面１０２ａ，１０３ｂは平行になっている。
【０００７】
しかしながら、近年、より小さくて安価な矩形状のセラミック枠を積層したセラミックパッケージの開発が進められている。このセラミックパッケージを用いた光サブアセンブリはその構造上、外部への放熱面が、信号光の送受側を前面とするとパッケージの背面側となる。このため、パッケージの放熱面が上下部カバーの放熱接触面と平行とならず、従来のように伝熱シートを介して熱結合することが難しいという問題がある。
【０００８】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、光モジュールの筐体を構成する放熱カバーの放熱接触面と、光サブアセンブリを構成するセラミックパッケージの背面の放熱面部とが、簡単で安価な構造で熱的に結合され、効果的に放熱することができる光モジュールの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による光モジュールは、光電変換素子が実装された光サブアセンブリ、電気信号の授受を行う電子部品群が実装されている回路基板を、放熱カバーにより覆った光モジュールであって、少なくとも発光素子が実装される光サブアセンブリがセラミックパッケージで形成され、放熱カバーの放熱接触面と直交するパッケージの背面の放熱面部に、弾性部材により放熱ブロックが押圧接触され、且つ放熱ブロックと放熱カバーの放熱接触面とが熱結合されていることを特徴とする。
【００１０】
また、放熱ブロックと放熱カバーの放熱接触面とは、伝熱シートまたは放熱ゲルを介して熱結合させるようにしてもよい。
なお、セラミックパッケージの背面に電子冷却器を搭載して、発熱素子の温度調節を行うようにする。また、放熱ブロックを放熱カバーの放熱接触面と直交する方向に摺動可能とすることで、製造誤差を吸収できるようにし、弾性部材は、金属板で形成されセラミックパッケージに着脱可能に係着する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光モジュール筐体を構成する放熱カバーの放熱接触面と光サブアセンブリを構成するセラミックパッケージの背面の放熱面部とが、互いに直交していても、放熱ブロックを介して容易に熱的に結合させることができる。この結果、セラミックパッケージ内で発生する熱を放熱カバーに効果的に伝熱させて放熱させることが可能となる。また、このための放熱ブロック、弾性部材は簡単な形状で安価な材料で形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明が適用される光モジュールの一例を示す図である。
【図２】図１の光モジュールの放熱カバー（上部カバー）を外した状態を示す図である。
【図３】本発明の特徴部分の一例を説明する図である。
【図４】本発明の特徴部分の他の例を説明する図である。
【図５】本発明の特徴部分のその他の例を説明する図である。
【図６】本発明に用いる光サブアセンブリ（ＴＯＳＡ）の一例を説明する図である。
【図７】図６の光サブアセンブリの外観を示す図である。
【図８】光モジュールに搭載される、ＴＯＳＡとＲＯＳＡの一例を示す図である。
【図９】本発明に用いる放熱ブロックと弾性部材の組付けを説明する図である。
【図１０】本発明に用いる放熱ブロックの一例を説明する図である。
【図１１】本発明に用いる弾性部材の一例を説明する図である。
【図１２】従来技術を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図により、本発明の実施の形態を説明する。本発明による光モジュールは、例えば、図１に一例として示すような形状の光トランシーバ１０に適用することができる。この光トランシーバ１０は、後述する光電変換素子が実装されたＴＯＳＡ、ＲＯＳＡおよび電気信号の伝送・制御等を行う電子部品群が搭載された回路基板を、上部カバー（放熱カバー）１１と下部カバー１２により覆って構成される。
【００１４】
上部カバー１１および下部カバー１２は、光トランシーバの筐体を兼ね、金属製とすることにより内部に搭載される発熱部品の放熱体としての機能を備える。特に、上部カバーには放熱フィン１１ａを設けて、放熱性能を高めるようにしている。上下部カバー１１，１２の前部には、ホスト装置の挿着口を塞ぐようにして取付けるためのフランジ部１３を有し、また、光コネクタを装着するレセプタクル部１４を備えている。上下部カバー１１，１２の後部には、回路基板の後端に形成された電気コネクタ部１５ａが突き出ていて、ホスト装置との電気接続に供される。
【００１５】
図２は、図１の上部カバー１１を取り外した状態の図で、光トランシーバ１０の概略を示している。下部カバー１２には、回路基板１５が搭載され、光電変換や電気信号の授受のための電子部品群やＩＣ１９等が実装されている。下部カバー１２の前部側には、光信号を送信するＴＯＳＡ２１および光信号を受信するＲＯＳＡ３１が搭載され、フレキシブル回路板２７，３４を介して、回路基板１５に電気的に接続されている。
【００１６】
光トランシーバ１０を構成する部品の中で、主な発熱部品としては、後述するＴＯＳＡ２１内に実装される発光素子（例えば、レーザダイオード）と、回路基板１５上に実装されるＩＣ１９とがある。本発明においては、特に、ＴＯＳＡ２１からの発熱を効果的に放熱するための放熱機構を提供することにあり、その概略としては、ＴＯＳＡ２１のセラミックパッケージ（以下、単にパッケージ部という）に弾性部材１７を用いて放熱ブロック１６を熱的に密着させている。そして、放熱ブロック１６と放熱カバーとを直接接触させるか、伝熱シートや伝熱ゲルを介して、ＴＯＳＡ２１からの熱を放熱カバーに伝熱させる。
【００１７】
図３〜５は、上述したＴＯＳＡ２１の放熱機構を説明する図で、部分断面で示してある。ＴＯＳＡ２１の詳細は次の図６〜図８で説明するが、パッケージ部２２にジョイントスリーブ２３を介してスリーブ２４を結合して構成される。この構成のＴＯＳＡでは、パッケージ部２２内の熱は、パッケージ側面ではなくパッケージ背面から放熱させる構成となる。このため、放熱カバー１１の内壁面（放熱接触面）１１ｂとパッケージ背面の放熱面部２５とは平行ではなく、直交する形態となる。
【００１８】
本発明においては、放熱ブロック１６をＴＯＳＡ２１のパッケージ背面の放熱面部２５に弾性部材１７を用いて熱的に接触させる。すなわち、ＴＯＳＡ２１の軸方向に放熱ブロック１６を配し、例えば、図３に示すように、放熱カバー１１の放熱接触面１１ｂに平行となる放熱ブロック１６の上面を直接接触させる。放熱ブロック１６は、後述する弾性部材１７により、パッケージ背面の放熱面部２５に押圧されて熱的に結合される。この構成により、パッケージ部２２内で発生する熱は、放熱ブロック１６と放熱カバー１１の放熱接触面との接触部１８により放熱カバー１１に伝熱され、外部に放熱することができる。
【００１９】
放熱ブロック１６は、アルミニウムや銅などの金属、または窒化アルミなどのセラミック等の熱伝導性の良い材料で形成される。この放熱ブロック１６と熱的に接触する放熱カバー１１は、アルミニウムや銅などの金属で形成されるが、直接接触させる構成とすることにより、部品点数が少なくすることができ、部品の管理が容易で、組み立て工程の簡素化を図ることができる。しかし、放熱ブロック１６と放熱カバー１１の接触面が粗いと、熱接触面間に空気の層が入り熱伝導率が低下するので、面精度を管理する必要がある。また、金属面同士の接触を確保するための厳密な寸法管理が必要とされる。
【００２０】
図４は、放熱ブロック１６と放熱カバー１１を伝熱シート１８ａを介して、熱的に結合する例である。伝熱シート１８は、例えば、エラストマのような弾性を有するシリコーンゴムに、金属やセラミック粒子等の熱伝導性の微粒子を混入して熱伝導率を高めた弾力性を有する樹脂シートで形成される。伝熱シート１８は、放熱ブロック１６と放熱カバー１１の放熱接触面１１ｂ間の凹凸のある空隙を埋めるように弾性変形し、上記の放熱ブロック１６と放熱カバー１１を直接接触させるときの難点を補ってＴＯＳＡ２１からの熱を放熱カバー１１に良好に伝熱させることができる。ただ、放熱シートは金属材に比べて熱伝導率が低いので、厚みが厚いと放熱性が低下する。
【００２１】
図５は、放熱ブロック１６と放熱カバー１１を伝熱ゲル１８ｂを介して、熱的に結合する例である。伝熱ゲル１８ｂは、半固体で柔軟性がよく、厚みを薄くすることが可能で良好な熱伝導性を確保することができる。また、構成部品の寸法公差を容易に吸収することができ、構成部品にストレスを与えないという利点がある。しかし、図３の直接接触や図４の伝熱シートと比較すると、塗布量の管理等で取り扱いが容易でなく、また、一度付与されると取り除くことが容易でなく、分解、掃除等に工数を要する。
【００２２】
なお、図３〜５に示すように、ＴＯＳＡ２１は、スリーブ２４の部分を放熱カバー１１と下部カバー１２で保持固定し、軸方向位置に対する位置決めがされる。ＴＯＳＡ２１は軸方向の調心が行われるので、製品ごとにパッケージ部２２の位置にバラツキがあるが、放熱ブロック１６はパッケージ背面を基準面として結合されるので、パッケージ部２２の軸方向の位置変動に追従し、軸方向位置に関係なく取付けることができる。また、放熱ブロック１６は、矢印ａで示す上下方向（放熱カバーに接離する方向）に移動可能とすることにより、組付けや製造誤差を吸収して、良好な熱結合を確保することができる。
【００２３】
図６〜図８は、本発明で使用されるＴＯＳＡ２１の一例で、複数の矩形状のセラミック枠を積層してなるパッケージ部２２に、ジョイントスリーブ２３を介して、光ファイバとの光結合を形成するためのスリーブ２４を結合して構成される。ＴＯＳＡ２１のパッケージ部２２は、図６の破断面図で示すように、複数の矩形状セラミック枠を積層して側壁部２２ａを形成し、その一部は外部回路との電気接続を形成する端子部２２ｂとされ、背面に底壁として金属板を用い放熱面部２５としている。側壁部２２ａの上部には、補助壁２２ｃ介してジョイントスリーブ２３と嵌合連結する連結部２２ｄが設けられている。
【００２４】
パッケージ部２２の底壁を形成する放熱面部２５には、ペルチェ素子等の電子冷却装置（ＴＥＣ）２６が実装され、発熱電極側が放熱面部２５に接合される。ＴＥＣ２６の吸熱電極側には、発熱部品であるレーザダイオード（ＬＤ）等が実装され、ＬＤの動作温度が調整制御される。なお、パッケージ部２２内には、ＬＤの他にＬＤの発光状態をモニタするフォトダイオード、ＬＤからの信号光を集光して光ファイバに光結合させるための集光レンズ等が実装されている。
【００２５】
ジョイントスリーブ２３は、パッケージ部２２とスリーブ２４とを調心して連結するためのものである。パッケージ部２２とは、連結部２２ｄの筒状の嵌合部分において矢印Ｚで示す軸方向に対する調心が行われる。スリーブ２４とは、矢印ＸＹ方向の調心で、スリーブ端の面方向の接合位置を調整することにより行われる。
【００２６】
スリーブ２４は、外部に光信号を送出するための光ファイバを接続するものである。このスリーブ２４は、光ファイバの端部に取付けられたフェルールが挿入されるフェルール挿着孔２４ａを有し、短尺の光ファイバ２４ｃが収納されたスタブ２４ｂを備えている。そして、パッケージ部２２内のＬＤから送出された信号光は、短尺光ファイバ２４ｃの入力端に集光され、出力端からフェルール挿着孔２４ａに挿着された光ファイバに送出されて送信される。
【００２７】
パッケージ部２２の背面の底壁を形成する放熱面部２５は、図７に示すように、矩形状でパッケージ部の背面から多少突出するように形成される。また、パッケージ部２２の背面には、放熱面部２５を避けた２辺のＬ字状の領域に、端子部２２ｂが設けられている。この端子部２２ｂには、図６に示すように、放熱面部２５を避けるように形成された回路端子部２７ａを有するフレキシブル回路板２７が接続され、前述した回路基板１５に電気的に接続される。
【００２８】
なお、図８には、ＲＯＳＡ３１を、ＴＯＳＡ２１と比較のため並置した状態で示してある。ＲＯＳＡ３１は、同軸型のパッケージ部（ＣＡＮ型パッケージ）３２に、スリーブ３３を結合して構成される。また、回路基板１５との接続にはピン接続タイプの回路端子部３４ａを有するフレキシブル回路板３４が用いられる。
【００２９】
図９は、ＴＯＳＡ２１に放熱ブロック１６を組付けた状態を２方向から示した図で、放熱ブロック１６は弾性部材１７を用いて組付けられる。放熱ブロック１６は、本体部１６ａが矩形状で、その一つの面がパッケージ部２２の底壁側に露出する放熱面部２５と熱的に接触するように組付けられる。放熱ブロック１６の組付けには、Ｕ字状の弾性部材１７が用いられる。弾性部材１７の一方の支持アーム１７ａをパッケージ部２２の上壁側に係着させ、他方の弾性アーム１７ｂに形成された係合部１７ｇを、放熱ブロック１６の本体部１６ａの放熱面部２５に接触する面と反対の面側に形成された係止溝１６ｃに係合させる。この結果、放熱ブロック１６は、弾性アーム１７ｂにより放熱面部２５に押付けられ、熱的に接触保持される。
【００３０】
なお、弾性部材１７は、二股状の支持アーム１７ａがジョイントスリーブ２３を跨ぐようにしてパッケージ部２２の上部側に矢印ｂ方向から嵌めこみ、舌片１７ｅ，１７ｆにより係着させる。次いで、他方の弾性アーム１７ｂとパッケージ部２２の放熱面部２５との間に放熱ブロック１６を矢印ｃの方向から挿入し、弾性アーム１７ｂの弾性と係合部１７ｇにより保持させる。放熱ブロック１６は、本体部１６ａの下面両側に設けた一対の脚部１６ｄ，１６ｅが下部カバー１２の台部に当接させることで位置決めされる。なお、フレキシブル回路板２７は、脚部１６ｄ，１６ｅの間に形成される空間を利用して引き出され、回路基板１５に接続される。
【００３１】
図１０は、放熱ブロック１６の一例を説明する図で、図１０（Ａ）は上面側から見た図、図１０（Ｂ）は下面側から見た図である。この放熱ブロック１６は、熱伝導性の良い金属またはセラミック材を用い、成型、鋳造、焼結または機械加工等で形成することができる。形状としては、矩形状の本体部１６ａの一つの面をパッケージ部２２の放熱面部２５に接触する接触面１６ｂとし、この反対側の面に弾性部材の係合凸部が係合する係止溝１６ｃが形成される。
【００３２】
本体部１６ａの下面側の両側には、光トランシーバの下部カバーに当接して位置決めされる一対の脚部１６ｄ，１６ｅが一体に形成される。なお、一対の脚部１６ｄと１６ｅは下部カバーの形状に応じて、その長さを異ならせてもよい。本体部１６ａの上面１６ｆは、放熱カバーの内壁面（放熱接触面）と平行に向き合い、直接または伝熱シート、伝熱ゲルを介して熱を伝達する伝熱面とされる。接触面１６ｂは、放熱面部２５の接触面における熱抵抗を一層低減するため、放熱シート、伝熱ゲル等の部材を適用することもできる。
【００３３】
図１１は、弾性部材１７の一例を説明する図である。この弾性部材１７は、例えば、ステンレス板のような弾性を有する金属板で形成され、所定の形状に打ち抜いた後、プレスして成形される。弾性部材１７は、支持アーム１７ａと弾性アーム１７ｂとを連結片１７ｃで連結したＵ字状で形成される。支持アーム１７ａは、切り欠き１７ｄにより二股状とされ、それぞれのアーム片に係止用の舌片１７ｅ，１７ｆが設けられる。この支持アーム１７ａは、図７で説明したように、切り欠き１７ｄの部分をＴＯＳＡ２１のジョイントスリーブ２３に側面方向から嵌合させ、舌片１７ｅ，１７ｆをパッケージ部２２に係着させることで支持される。
【００３４】
弾性アーム１７ｂは、自由端に内側に弧状に突出させた係合部１７ｇを有し、中間部分に舌片１７ｈが設けられている。この弾性アーム１７ｂは、図９に示したように、舌片１７ｈが下側になるように配され、弾性アーム１７ｂを外側に押し開いて、パッケージ部２２の放熱面部２５との間に放熱ブロック１６が上方から挿入され、舌片１７ｈにより挿入が規制される。弾性アーム１７ｂの押し開きを解放することにより、係合部１７ｇがパッケージ部２２の係止溝１６ｃに係合して、放熱ブロック１６をパッケージ部２２側に弾性的に押圧して保持する。
【００３５】
また、弾性部材１７は、切欠き１７ｄとＴＯＳＡ２１のジョイントスリーブ２３が嵌合することによって位置決めされる。ＴＯＳＡ２１は光結合を調整する作業（調心作業）の結果、放熱面２５の位置は製品ごとにバラツキがある。一方、放熱ブロック１６は筐体に対して一定の位置に配置する必要があることから、ＴＯＳＡ２１の放熱面２５と放熱ブロック１６の接触面１６ｂは接触面に沿った方向に相対的に位置がずれる可能性がある。
【００３６】
したがって、適切に放熱を行うためには、想定されるズレ量の分だけ、接触面１６ｂの大きさを放熱面２５より大きくしておき、上記の相対的な位置ズレが生じても接触面積が小さくならないようにすることが望ましい。また、弾性部材１７の係合部１７ｇと放熱ブロック１６の係止溝１６ｃは、上記のズレが生じても係止できるように、係止溝１６ｃは係合部１７ｇとの接触部分よりも大きく形成されていて、ズレを許容できるガイドとして機能できることが望ましい。
【００３７】
本発明は、上述した放熱ブロック１６を、図９に示すように弾性部材１７によりセラミックパッケージからなるＴＯＳＡ２１のパッケージ背面の放熱面部２５に密着させ、放熱ブロック１６の脚部１６ｄ，１６ｅを下部カバー１２で支えるようにして組付ける。次いで、図３〜図５で示すように、放熱ブロック１６の上面と放熱カバー１１の内壁面とを直接に接触、あるいは伝熱シート１８ａ、伝熱ゲル１８ｂを介在させて、放熱カバー１１を固定することにより、発熱部品の放熱を良好にした光モジュールとすることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１０…光トランシーバ、１１…上部カバー（放熱カバー）、１２…下部カバー、１３…フランジ部、１４…レセプタクル部、１５…回路基板、１６…放熱ブロック、１７…弾性部材、１８…接触部、１８ａ…伝熱シート、１８ｂ…伝熱ゲル、１９…ＩＣ、２１…光サブアセンブリ（ＴＯＳＡ）、２２…セラミックパッケージ（パッケージ部）、２３…ジョイントスリーブ、２４…スリーブ、２５…放熱面部、２６…電子冷却装置、２７…フレキシブル回路板。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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