(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
天然の黒鉛を圧延してシート状に構成したグラファイトシートにおいて、
その表面に、０．０２〜５．０ｍｍのピッチでこのグラファイトシートの元の厚さの１／２以上の深さの互いに平行な多数の溝状の筋をこのグラファイトシートの長さ方向または幅方向であって熱の伝達方向に延びるように形成したことを特徴とするグラファイトシート。
【請求項２】
筋を形成した表面の一部分に前記筋を形成しない領域によって、あるいは筋加工した後に一部の領域の筋を押潰して平坦部を形成したことを特徴とする請求項１に記載のグラファイトシート。
【請求項３】
天然の黒鉛を圧延してシート状に構成したグラファイトシートの表面に、０．０２〜５．０ｍｍのピッチでこのグラファイトシートの元の厚さの１／２以上の深さの互いに平行な多数の溝状の筋をこのグラファイトシートの長さ方向または幅方向であって熱の伝達方向に延びるように形成したグラファイトシートを発熱部と接触させ、前記グラファイトシートによって前記筋の方向に沿って熱を逃がすことを特徴とする放熱装置。
【請求項４】
半導体素子の表面に接触させて該半導体素子が発生する熱を逃がすことを特徴とする請求項３に記載の放熱装置。
【請求項５】
筋を形成した表面の一部の位置に平坦部を形成し、該平坦部を半導体素子の表面と接触させることを特徴とする請求項４に記載の放熱装置。
【請求項６】
天然の黒鉛を圧延してシート状に構成したグラファイトシートと、高分子フィルムを焼成してシート状にしたグラファイトシートと、から構成され、
前記天然の黒鉛のグラファイトシートの表面に、０．０２〜５．０ｍｍのピッチでこのグラファイトシートの元の厚さの１／２以上の深さの互いに平行な多数の溝状の筋をこのグラファイトシートの長さ方向または幅方向であって熱の伝達方向に延びるように形成し、しかも該天然の黒鉛のグラファイトシートの連結部を高分子フィルムから成るグラファイトシートによって構成したことを特徴とする放熱装置。
【請求項７】
前記天然の黒鉛のグラファイトシートの片面において前記高分子フィルムから成るグラファイトシートによって連結することを特徴とする請求項６に記載の放熱装置。
【請求項８】
前記天然の黒鉛のグラファイトシートの両面において前記高分子フィルムから成るグラファイトシートによって連結することを特徴とする請求項６に記載の放熱装置。
【請求項９】
前記天然の黒鉛のグラファイトシートと前記高分子フィルムから成るグラファイトシートとが異方性導電膜から成る接着層を介して接着されることを特徴とする請求項６に記載の放熱装置。
【請求項１０】
前記異方性導電膜中の導電性粒子によって前記異方性導電膜の厚さ方向に熱が流動することを特徴とする請求項９に記載の放熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はグラファイトシートおよびグラファイトシートを用いた放熱装置に係り、とくに熱伝導性を改善したグラファイトシートおよび半導体素子の放熱に用いて好適な放熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素はダイヤモンド、グラファイト（黒鉛）、および無定形炭素の形態で安定に存在する。この内とくにグラファイトは黒色不透明であって六方晶系の結晶構造を有し、電気および熱の導体である。
【０００３】
このようなグラファイトは天然に存在する。そしてこのような天然のグラファイトを圧延することによってグラファイトシートが得られる。またアクリロニトリルを用いたアクリル系樹脂フィルム等の有機合成フィルムを無酸素下で焼成すると、シート状のグラファイトが得られる。シート状のグラファイトは柔軟性および圧縮弾性があり、しかも相手材となじみがよいために、ガスケットやパッキンの原料として広く利用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方で電子機器の回路基板上に実装された半導体素子、とくに中央演算処理素子（ＣＰＵ）は、その内部を通る電流によるジュール熱によって発熱し、場合によってはその表面の温度が１００℃以上に達する場合がある。また携帯電話等の小型の携帯情報端末において、その回路基板上に搭載されている半導体素子の温度が上昇し易い。そこでこれらの半導体素子の冷却のために、グラファイトシートを用いることが試みられている。ところが従来のグラファイトシートによれば、必ずしも十分な放熱効果が得られなかった。
【０００５】
本願発明者は、シート状をなすグラファイトシートの表面に所定の加工を施すことによって、その熱伝導性が大幅に改善されることを見出した。本願の発明はこのような知見に基いてなされたものである。
【０００６】
従って本願の目的は、熱伝導性に優れたグラファイトシートおよびこのようなグラファイトシートを用いた放熱装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願の一発明は、天然の黒鉛を圧延してシート状に構成したグラファイトシートにおいて、
その表面に、０．０２〜５．０ｍｍのピッチでこのグラファイトシートの元の厚さの１／２以上の深さの互いに平行な多数の溝状の筋をこのグラファイトシートの長さ方向または幅方向であって熱の伝達方向に延びるように形成したことを特徴とするグラファイトシートに関するものである。ここで筋を形成した表面の一部分に前記筋を形成しない領域によって、あるいは筋加工した後に一部の領域の筋を押潰して平坦部を形成してよい。
【０００８】
本願の別の主要な発明は、天然の黒鉛を圧延してシート状に構成したグラファイトシートの表面に、０．０２〜５．０ｍｍのピッチでこのグラファイトシートの元の厚さの１／２以上の深さの互いに平行な多数の溝状の筋をこのグラファイトシートの長さ方向または幅方向であって熱の伝達方向に延びるように形成したグラファイトシートを発熱部と接触させ、前記グラファイトシートによって前記筋の方向に沿って熱を逃がすことを特徴とする放熱装置に関するものである。ここで半導体素子の表面に接触させて該半導体素子が発生する熱を逃がすようにしてよい。また筋を形成した表面の一部の位置に平坦部を形成し、該平坦部を半導体素子の表面と接触させることが好ましい。
【０００９】
本願の別の主要な発明は、天然の黒鉛を圧延してシート状に構成したグラファイトシートと、高分子フィルムを焼成してシート状にしたグラファイトシートと、から構成され、
前記天然の黒鉛のグラファイトシートの表面に、０．０２〜５．０ｍｍのピッチでこのグラファイトシートの元の厚さの１／２以上の深さの互いに平行な多数の溝状の筋をこのグラファイトシートの長さ方向または幅方向であって熱の伝達方向に延びるように形成し、しかも該天然の黒鉛のグラファイトシートの連結部を高分子フィルムから成るグラファイトシートによって構成したことを特徴とする放熱装置に関するものである。
【００１０】
ここで前記天然の黒鉛のグラファイトシートの片面または両面において前記高分子フィルムから成るグラファイトシートによって連結するようにしてよい。また前記天然の黒鉛のグラファイトシートと前記高分子フィルムから成るグラファイトシートとが異方性導電膜から成る接着層を介して接着されるようにしてよい。また前記異方性導電膜中の導電性粒子によって前記異方性導電膜の厚さ方向に熱が流動するようにしてよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本願の発明を図示の実施の形態によって説明する。図１は本願の一実施の形態に係るグラファイトシートを示すものである。ここで用いられているグラファイトシート１０は天然の黒鉛を圧延してシート状に構成したものである。そしてこのようなグラファイトシート１０の表面には互いに平行に無数の筋１１が形成されている。このような筋１１は所定の方向、例えばこのシート１０の長さ方向あるいは幅方向に形成されてよい。
【００１２】
ここで図２Ａに示すように、グラファイトシート１０の一方の表面のみに筋１１を形成してよい。あるいはまた図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、グラファイトシート１０の両側の表面にそれぞれ筋１１を形成するようにしてよい。ここで表面の筋１１と裏面の筋１１とが互いに同相で形成されてよい。あるいはまた図２Ｃに示すように互いに逆相に形成されてよい。
【００１３】
図３は別のグラファイトシート１０を示している。ここではグラファイトシート１０の表面において互いに直交する２方向、すなわちその長さ方向と幅方向とにそれぞれ筋１１を形成している。
【００１４】
図４はグラファイトシート１０の表面に筋１１とともに平坦部１５を形成するようにしている。すなわちグラファイトシート１０の表面の筋１１は平坦部１５においては欠如されている。
【００１５】
ここでグラファイトシート１０に形成される筋１１のピッチは、０．０２〜５．０ｍｍの範囲内であってよく、とくに０．５〜２．０ｍｍの範囲内であることが好ましい。またこのような筋１１の谷の深さは、このグラファイトシートの厚みによって異なるが、グラファイトシート１０の元の厚さの１／２以上の深さとすることが好ましい。また筋１１の深さは、上述の筋１１のピッチに比例し、筋１１のピッチが細かい場合には筋１１の深さが浅くなるとともに、筋１１のピッチが粗い場合にはその深さも深くすることが望ましい。
【００１６】
次にこのようなグラファイトシート１０の筋の形成について説明すると、図５に示すように上下一対のロール２１、２２によってグラファイトシート１０の筋加工を行なう。上下のロール２１、２２にはそれぞれ円周方向に延びる筋２３、２４が所定のピッチでその全幅に形成されている。従ってこれらのロール２１、２２間を上記グラファイトシート１０を通過させると、このグラファイトシート１０の表面に筋１１が形成されることになる。
【００１７】
筋１１とともに平坦部１５を形成する場合には、図６に示すように上下のロール２１、２２にそれぞれ筋２３、２４とともに平坦な突部２５を形成するようにしておけばよい。これらのロール２１、２２間をグラファイトシート１０を通過させると、ロール２１、２２の筋２３、２４によってグラファイトシート１０の表面に筋１１が形成される。このとき同時に平坦な突部２５によってグラファイトシート１０の表面に平坦部１５が形成される。
【００１８】
グラファイトシート１０上における平坦部１５の形成は、ロール２１、２２による筋加工の後に、図７に示すように押圧板３０で形成してもよい。この場合には図７Ａに示すように筋１１を形成したグラファイトシート１０をベース３２上に載置する。そして押圧板３１を上から載せて上方から押圧する。すると押圧板３０の表面に形成されている突部３１がグラファイトシート１０の表面を押圧し、これによって押圧板３０の突部３１と対応する部分が平坦部１５になる。従ってこのような方法によれば、筋加工した後のグラファイトシート１０の表面の所定の位置に平坦部１５が形成される。
【００１９】
このようなグラファイトシート１０に対する筋１１の形成のための加工や平坦部１５の形成の加工の際の圧力は、グラファイトシート１０に対してその表面に１．０Ｋｇ／ｃｍ２  〜１ｔｏｎ／ｃｍ２  の範囲内の圧力を加えることによって形成される。とくに好ましい圧力は、５Ｋｇ／ｃｍ２  〜５０Ｋｇ／ｃｍ２  の範囲内である。
【００２０】
次にこのようなグラファイトシート１０を用いた放熱装置について説明する。図８および図９はこのようなグラファイトシート１０を用いて半導体素子を放熱させる状態を示している。電子機器の回路基板４０上にはチップ部品４１とともに半導体素子４２が搭載されている。なお半導体素子４２はその側端部にそれぞれリード４３を備え、これらのリード４３が図９に示すように回路基板４０の接続用ランドに半田付けされて接続されている。
【００２１】
そして上記半導体素子１０の上面と接するように所定の形状に切断されたグラファイトシート１０が接合される。このときにグラファイトシート１０の表面の平坦部１５を半導体素子４２の表面に圧接することが好ましい。平坦部１５が半導体素子４２に圧接されると、半導体素子４２で発生する熱を効率的にグラファイトシート１０側に逃がすことになる。またこのときにグラファイトシート１０の熱の伝導方向に筋１１が形成されるようにして用いる。なおグラファイトシート１０の先端側の部分は放熱手段、例えばヒートシンクや放熱板に接触される。
【００２２】
従って半導体素子４２、とくにＣＰＵ等のような熱を発生し易い素子４２の熱をグラファイトシート１０によって容易に吸収し、所定の位置に逃がすことが可能になる。これによって半導体素子４２の過度の温度上昇が防止され、発熱に伴うトラブルを解消できるようになる。
【００２３】
図１０および図１１は別の実施の形態を示している。ここでは２枚のグラファイトシート１０を重ねて用いるようにしている。すなわちグラファイトシート１０を単体で用いる代りに、２枚重ねて用いる。このときにそれぞれのグラファイトシート１０の筋１１が互いに対向するとともに、これらが互いに同じ方向に延びるように接合する。このような二重のグラファイトシート１０から成る放熱装置によれば、さらに放熱性が高まることが実験によって確認されている。
【００２４】
図１２はグラファイトシート１０による放熱特性を測定した結果を示すものである。すなわち所定の寸法に切断されたグラファイトシート１０の一端を熱源に接触させるとともに、他端側の部分が熱伝導によって徐々に昇温するのを時間に対して測定したものである。
【００２５】
ここで点線で示す従来のグラファイトシートに対して、筋付きのグラファイトシート１０の場合には、温度の上昇速度が約３０％早くなることが確認された。また筋付きのグラファイトシートを２枚重ねた二重の放熱装置によれば、鎖線で示すように従来のグラファイトシートに比べて約４０％早く温度上昇することが確認された。
【００２６】
従ってこのような実験結果からも明らかなように、従来の平坦なグラファイトシートに比べて、筋１１を表面に形成したグラファイトシート１０を用いることによって、その放熱特性が改善される。また筋付きのグラファイトシート１０を２枚重ねて使用するとさらに放熱性が高まることが明白になっている。
【００２７】
次に別の実施の形態を図１３〜図２１によって説明する。この実施例の形態は天然の黒鉛から成りしかも筋１１を有するグラファイトシート１０と、アクリルやポリイミドのような高分子フィルムを焼成して成るグラファイトシート５０とを組合わせて放熱装置を構成したものである。ここでとくに高分子フィルムから成るグラファイトシート５０は、屈曲に対する強度が大きいことから、天然の黒鉛から成るグラファイトシート１０の連結部であって屈曲される部分に好適に用いられる。しかも放熱装置の大半を安価な天然の黒鉛から成るグラファイトシート１０で構成するために、全体あるいは大半を高分子フィルムから成るグラファイトシート５０で構成するより、大幅にコストダウンを図ることができる。
【００２８】
図１３に示すように筋１１を横方向に形成した一対の天然の黒鉛から成るグラファイトシート１０を短冊状の高分子フィルムから成るグラファイトシート５０によって結合している。なおここで高分子フィルムから成るグラファイトシート５０として、例えば松下電子部品株式会社製のパナソニックグラファイトシートが用いられてよい。そして２枚のグラファイトシート１０を互いに図１４に示すように重なるように配するとともに、これらを連結する高分子フィルムから成るグラファイトシート５０を湾曲させるようにし、これによって天然の黒鉛から成るグラファイトシート１０を高分子フィルムから成るグラファイトシート５０によって連結した構造としている。
【００２９】
あるいはまた図１５および図１６に示すように、２枚の天然の黒鉛から成るグラファイトシート１０を、３枚の小さな短冊状をなす高分子フィルムから成るグラファイトシート５０によって連結している。ここでも高分子フィルムから成るグラファイトシート１０は上下に配される天然の黒鉛から成るグラファイトシート１０の屈曲部を連結するようにＵ字状に湾曲した状態で用いられる。
【００３０】
高分子フィルムから成るグラファイトシート５０は、例えばアクリル樹脂やポリイミド樹脂等の特定の高分子加工物のフィルムを酸素が存在しない雰囲気中で、高温で焼成することによって製造される。例えば高分子フィルムを窒素ガス等の不活性ガス中で２４００℃以上の温度で熱処理することによってグラファイト構造とし、これを高温処理することによって発泡状態とし、さらにこれを圧延処理することによって柔軟性と弾性とを有する高分子フィルムから成るグラファイトシートが得られる。
【００３１】
より具体的に説明すれば、例えばポリイミドフィルムを不活性ガス中で室温から昇温し、２５００℃以上の温度で焼成することによってグラファイトシートを製造することができる。このようなグラファイトシートは、その厚さ方向と直交する面方向に炭素の結晶格子が平面状に延びて厚さ方向に積層するように配列した構造をなしており、高い熱伝導性を有する。すなわちシートの面方向に６００〜８００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を示すものである。しかもこのような高分子フィルムから成るグラファイトシートは、折曲げ試験において高い屈曲強度を有するために、とくに折曲げ部分の連結に用いて好適なものである。
【００３２】
図１７Ａに示すように、高分子フィルムから成るグラファイトシート５０を一対の天然の黒鉛から成るグラファイトシート１０の片面に接合して連結してよい。あるいはまた図１７Ｂに示すように、天然の黒鉛から成るグラファイトシート１０の両面に接合して連結してよい。すなわち高分子フィルムから成るグラファイトシート５０を連結部に単層で用いることができ、あるいはまた複層で用いることができる。
【００３３】
次に上記天然の黒鉛から成るグラファイトシート１０と高分子フィルムから成るグラファイトシート５０との接合構造について説明する。図１８に示すように、ここでは接着シート５２が用いられる。接着シート５２にはその一方の面に離型紙５３が接合され、他方の面にトップフィルム５４が接合されている。
【００３４】
従ってこの接着シート５２によって高分子フィルムから成るグラファイトシート５０と天然の黒鉛から成るグラファイトシート１０との連結を行なう場合には、図１８Ａに示すようにまず接着シート５２の一方の面に接合されている離型紙５３を除去する。そしてこの接着シート５２を天然の黒鉛から成るグラファイトシート１０の表面に接合する。この後に図１８Ｂに示すようにトップフィルム５４を除去する。そして上記接着シート５２の上面に高分子フィルムから成るグラファイトシート５０を接着する。これによって高分子フィルムから成るグラファイトシート５０が接着シート５２を介して天然の黒鉛から成るグラファイトシート１０に連結される。
【００３５】
ここで接着シート５２は図１９に示すように接着剤層の中に導電性粒子５７を多数分散させたものである。導電性粒子５７は図２０に示すように樹脂ボール５８の表面にニッケル層５９を形成し、さらにその上に金層６０を形成している。なおこのような接着層は異方性導電膜と称されており、ソニーケミカル株式会社等によって供給されている。ここでは同社製の例えばＣＰ７６３２Ｋが用いられてよい。
【００３６】
天然の黒鉛から成るグラファイトシート１０と高分子フィルムから成るグラファイトシート５０とを接着シート５２によって接着した後に、図２１に示すようにそれらの厚さ方向に加圧を行なうと、接着シート５２が厚さ方向に圧縮されるとともに、その中に分散されている導電性粒子５７が互いに接触し、これによって厚さ方向の導通が図られるとともに、厚さ方向に高い熱伝導性を発現する。従って接着シート５２の領域においては厚さ方向に熱が流動しながら天然の黒鉛から成るグラファイトシート１０と高分子フィルムから成るグラファイトシート５０との間での熱の流動が行なわれ、これによって優れた放熱性を発揮することになる。
【００３７】
【発明の効果】
グラファイトシートに関する主要な発明は、天然の黒鉛を圧延してシート状に構成したグラファイトシートにおいて、その表面に、０．０２〜５．０ｍｍのピッチでこのグラファイトシートの元の厚さの１／２以上の深さの互いに平行な多数の溝状の筋をこのグラファイトシートの長さ方向または幅方向であって熱の伝達方向に延びるように形成したものである。
【００３８】
従ってこのようなグラファイトシートによれば、その表面の筋の存在によって平坦なグラファイトシートに比べて熱伝導率が改善されるようになり、放熱装置に用いて好適なグラファイトシートが提供される。
【００３９】
放熱装置に関する主要な発明は、天然の黒鉛を圧延してシート状に構成したグラファイトシートの表面に、０．０２〜５．０ｍｍのピッチでこのグラファイトシートの元の厚さの１／２以上の深さの互いに平行な多数の溝状の筋をこのグラファイトシートの長さ方向または幅方向であって熱の伝達方向に延びるように形成したグラファイトシートを発熱部と接触させ、グラファイトシートによって筋の方向に沿って熱を逃がすようにしたものである。
【００４０】
従ってこのような放熱装置によれば、とくに表面に筋が形成されて放熱性が改善されたグラファイトシートによって効果的に放熱が行なわれることになる。
【００４１】
放熱装置に関する別の主要な発明は、天然の黒鉛を圧延してシート状に構成したグラファイトシートと、高分子フィルムを焼成してシート状にしたグラファイトシートと、から構成され、天然の黒鉛のグラファイトシートの表面に、０．０２〜５．０ｍｍのピッチでこのグラファイトシートの元の厚さの１／２以上の深さの互いに平行な多数の溝状の筋をこのグラファイトシートの長さ方向または幅方向であって熱の伝達方向に延びるように形成し、しかも該天然の黒鉛のグラファイトシートの連結部を高分子フィルムから成るグラファイトシートによって構成したものである。
【００４２】
従ってこのような放熱装置によれば、筋を形成した天然の黒鉛から成るグラファイトシートを高分子フィルムから成るグラファイトシートによって連結して放熱装置が構成されるために、とくに高分子フィルムから成るグラファイトシートによって連結部の屈曲強度を改善することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】グラファイトシートの平面図である。
【図２】同グラファイトシートの筋と直交する方向の断面図である。
【図３】別のグラファイトシートの平面図である。
【図４】さらに別のグラファイトシートの平面図である。
【図５】グラファイトシートの筋加工を示す要部斜視図である。
【図６】さらに別の筋加工を示す要部斜視図である。
【図７】押圧板による平坦部の形成を示す縦断面図である。
【図８】グラファイトシートを応用した放熱装置を示す回路基板の斜視図である。
【図９】同半導体素子の放熱装置を示す要部拡大断面図である。
【図１０】別の放熱装置を示す分解斜視図である。
【図１１】同縦断面図である。
【図１２】グラファイトシートによる放熱特性を示すグラフである。
【図１３】別の放熱装置の展開平面図である。
【図１４】同折畳んだ状態の外観斜視図である。
【図１５】さらに別の放熱装置の展開平面図である。
【図１６】同放熱装置を折畳んだ状態の斜視図である。
【図１７】連結部の構造を示す縦断面図である。
【図１８】接着シートによる接着の構造を示す縦断面図である。
【図１９】接着シートの拡大断面図である。
【図２０】接着シート中の導電性粒子の拡大断面図である。
【図２１】加圧された接着シートによる接着の構造を示す要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１０  グラファイトシート
１１  筋
１５  平坦部
２１  ロール（上）
２２  ロール（下）
２３、２４  筋
２５  突部
３０  押圧板
３１  突部
３２  ベース
４０  回路基板
４１  チップ部品
４２  半導体素子
４３  リード
５０  高分子フィルムから成るグラファイトシート
５２  接着シート
５３  離型紙
５７  導電性粒子
５８  樹脂ボール
５９  ニッケル層
６０  金層
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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