(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンディング対象物に荷重と超音波振動を作用させながら被接合面に圧着する超音波ボンディング装置であって、ボンディング対象物に当接する接合作用部を有するボンディングツールと、このボンディングツールに超音波振動を付与する超音波振動子と、ボンディングツールによってボンディング対象物に荷重を付与する荷重付与手段と、前記接合作用部におけるボンディングツールの振動状態を前記接合作用部に当接した状態で計測する振動計測手段と、電子部品を良好にボンディングできる条件に設定された状態で振動計測手段によって計測されたボンディングツールの振動状態を基準振動パターンとして記憶する記憶手段と、振動計測手段により計測されるボンディングツールの振動状態が前記記憶手段に記憶された基準振動パターンと等価となるように超音波振動子に対する駆動指令値および前記荷重付与手段に対する荷重指令値を演算により求めて設定する振動状態補正手段とを備えたことを特徴とする超音波ボンディング装置。
【請求項２】
ボンディング対象物にボンディングツールの接合作用部を介して荷重と超音波振動を作用させながら被接合面に圧着する超音波ボンディング方法であって、前記接合作用部におけるボンディングツールの振動状態を前記接合作用部に当接した状態で計測する振動計測手段により、電子部品を良好にボンディングできる条件に設定された状態で計測されたボンディングツールの振動状態を基準振動パターンとして記憶手段に記憶させる工程と、振動計測手段により計測されるボンディングツールの振動状態を前記記憶手段に記憶された基準振動パターンとともに表示させ、表示されているボンディングツールの振動状態が前記記憶手段に記憶された基準振動パターンと等価となるようにボンディングツールに超音波振動を付与する超音波振動子に対する駆動指令値およびボンディングツールを介してボンディング対象物に荷重を付与する荷重付与手段に対する荷重指令値の入力を行う工程とを含むことを特徴とする超音波ボンディング方法。
【請求項３】
ボンディング対象物にボンディングツールの接合作用部を介して荷重と超音波振動を作用させながら被接合面に圧着する超音波ボンディング方法であって、前記接合作用部におけるボンディングツールの振動状態を前記接合作用部に当接した状態で計測する振動計測手段により、電子部品を良好にボンディングできる条件に設定された状態で計測されたボンディングツールの振動状態を基準振動パターンとして記憶手段に記憶させる工程と、振動計測手段により計測されるボンディングツールの振動状態が前記記憶手段に記憶された基準振動パターンと等価となるように、ボンディングツールに超音波振動を付与する超音波振動子に対する駆動指令値およびボンディングツールを介してボンディング対象物に荷重を付与する荷重付与手段に対する荷重指令値を演算により求めて設定する工程とを含むことを特徴とする超音波ボンディング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリップチップなどの電子部品や電極接合用ワイヤに超音波振動を作用させて被接合面にボンディングする超音波ボンディング装置及び超音波ボンディング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品を基板の電極などの被接合面にボンディングする方法として、超音波圧接を用いる方法が知られている。この方法は、電子部品を被接合面に対して押圧しながら電子部品に超音波振動を与え、接合面を微小に振動させることにより接合面を密着させるものである。この方法に用いられるボンディングツールは、振動発生源である超音波振動子を有しており、このボンディングツールによって電子部品に荷重と振動を作用させながら、電子部品を被接合面に圧着してボンディングするようになっている。
【０００３】
ところで超音波圧接において安定したボンディング品質を得るためには、電子部品に伝達される振動を一定に保つことが必要であるが、ボンディングツールには、同一のボンディングツールであっても超音波振動子の経時劣化や、構成部品の締結状態の緩みなど、各種の要因により振動特性に変動を生じる場合がある。すなわち、同一の駆動電圧によって振動子を駆動した場合でも、ボンディングツールの固有のインピーダンスのばらつきによって電子部品に実際に伝達される超音波振動の振幅は異なったものとなる。
【０００４】
このため、各ボンディングツールについて振動状態一定に保つための較正処理を適宜行う必要があり、従来より超音波振動子の駆動電圧値や電流値を測定しこれらの測定値を超音波振動の状態を示す代用パラメータとして用いる方法などによってこの較正処理が行われていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記代用パラメータを用いる方法では、電子部品に対して作用する機械的な振動を直接計測するのではなく、この振動の作用点から隔たった位置に装着される超音波振動子の振動を電気的データとして求めるものであることから信頼性が低く、必ずしも良好な較正結果が保証されていなかった。
【０００６】
また、ボンディングツールの振動をレーザ振動計などによって直接計測しようとすれば、高価でスペースを占有する計測機器をボンディングステージに設置する必要があり、実用的方法とはいえないものであった。このように従来の超音波ボンディング装置には、ボンディングツールの振動状態を簡便な機構で計測することができず、振動特性を一定に保つことが困難であるという問題点があった。
【０００７】
そこで本発明は、ボンディングツールの振動状態を簡便な機構で計測することができ、振動特性を一定に保つことができる超音波ボンディング装置及び超音波ボンディング方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の超音波ボンディング装置は、ボンディング対象物に荷重と超音波振動を作用させながら被接合面に圧着する超音波ボンディング装置であって、ボンディング対象物に当接する接合作用部を有するボンディングツールと、このボンディングツールに超音波振動を付与する超音波振動子と、ボンディングツールによってボンディング対象物に荷重を付与する荷重付与手段と、前記接合作用部におけるボンディングツールの振動状態を前記接合作用部に当接した状態で計測する振動計測手段と、電子部品を良好にボンディングできる条件に設定された状態で振動計測手段によって計測されたボンディングツールの振動状態を基準振動パターンとして記憶する記憶手段と、振動計測手段により計測されるボンディングツールの振動状態が前記記憶手段に記憶された基準振動パターンと等価となるように超音波振動子に対する駆動指令値および前記荷重付与手段に対する荷重指令値を演算により求めて設定する振動状態補正手段とを備えた。
【００１０】
請求項２記載の超音波ボンディング方法は、ボンディング対象物にボンディングツールの接合作用部を介して荷重と超音波振動を作用させながら被接合面に圧着する超音波ボンディング方法であって、前記接合作用部におけるボンディングツールの振動状態を前記接合作用部に当接した状態で計測する振動計測手段により、電子部品を良好にボンディングできる条件に設定された状態で計測されたボンディングツールの振動状態を基準振動パターンとして記憶手段に記憶させる工程と、振動計測手段により計測されるボンディングツールの振動状態を前記記憶手段に記憶された基準振動パターンとともに表示させ、表示されているボンディングツールの振動状態が前記記憶手段に記憶された基準振動パターンと等価となるようにボンディングツールに超音波振動を付与する超音波振動子に対する駆動指令値およびボンディングツールを介してボンディング対象物に荷重を付与する荷重付与手段に対する荷重指令値の入力を行う工程とを含む。
【００１１】
請求項３記載の超音波ボンディング方法は、ボンディング対象物にボンディングツールの接合作用部を介して荷重と超音波振動を作用させながら被接合面に圧着する超音波ボンディング方法であって、前記接合作用部におけるボンディングツールの振動状態を前記接合作用部に当接した状態で計測する振動計測手段により、電子部品を良好にボンディングできる条件に設定された状態で計測されたボンディングツールの振動状態を基準振動パターンとして記憶手段に記憶させる工程と、振動計測手段により計測されるボンディングツールの振動状態が前記記憶手段に記憶された基準振動パターンと等価となるように、ボンディングツールに超音波振動を付与する超音波振動子に対する駆動指令値およびボンディングツールを介してボンディング対象物に荷重を付与する荷重付与手段に対する荷重指令値を演算により求めて設定する工程とを含む。
【００１２】
本発明では、接合作用部におけるボンディングツールの振動状態をこの接合作用部に当接した状態で計測する振動計測手段と、電子部品を良好にボンディングできる条件に設定された状態で振動計測手段によって計測されたボンディングツールの振動状態を基準振動パターンとして記憶する記憶手段を備え、振動計測手段により計測されるボンディングツールの振動状態が記憶手段に記憶された基準振動パターンと等価となるように超音波振動子に対する駆動指令値および荷重付与手段に対する荷重指令値を調整するようになっている。このため振動特性を常に一定に保つことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の超音波ボンディング装置の構成を示すブロック図、図２（ａ）は本発明の実施の形態１の超音波ボンディング装置の振動計測ステージの斜視図、図２（ｂ）は本発明の実施の形態１の超音波ボンディング装置の振動計測ステージの断面図、図３は本発明の実施の形態１の超音波ボンディング装置の基準振動パターン取得処理のフローチャート、図４は本発明の実施の形態１の超音波ボンディング装置の基準振動パターン取得処理の説明図、図５は本発明の実施の形態１の超音波ボンディング装置の基準振動パターンを示すグラフ、図６は本発明の実施の形態１の超音波ボンディング装置の振動状態較正処理のフローチャート、図７は本発明の実施の形態１の超音波ボンディング装置の振動状態較正処理の説明図である。
【００１４】
まず図１を参照して超音波ボンディング装置の構成を説明する。図１において、移動テーブル１上の基板保持部１ａには、基板２が保持されている。基板２には電子部品３がボンディングされる。移動テーブル１はテーブル駆動部９によって駆動され、これにより基板２は水平方向に移動する。基板保持部１ａの側方には、振動計測ステージ４が配設されている。振動計測ステージ４は計測手段１０に接続されており、後述するように振動計測ステージ４および計測手段１０はボンディングツール６の振動状態をボンディング対象物との当接位置において計測する振動計測手段となっている。
【００１５】
移動テーブル１の上方には、ボンディング機構５が配設されている。ボンディング機構５は、ボンディングツール６によりボンディング対象物である電子部品３をボンディングする。ボンディングツール６には下方に突出した接合作用部６ａが設けられており、接合作用部６ａは電子部品３の上面に当接し、電子部品３を真空吸着により保持する。またボンディングツール６の一方側の端部には超音波振動子７が装着されており、振動子駆動部１１によって超音波振動子７を駆動することにより、ボンディングツール６には超音波振動が付与される。
【００１６】
ボンディングツール６は昇降ブロック８ａに装着され、更に昇降ブロック８ａは昇降駆動部８に結合されている。接合作用部６ａに電子部品３を保持した状態で、制御部１２によって昇降駆動部８を制御することにより、電子部品３を基板２に対して昇降させることができるとともに、電子部品３を基板２に対して所定の荷重で押圧することができる。したがって、昇降駆動部８は電子部品３に荷重を付与する荷重付与手段となっている。そしてこの状態で超音波振動子７を駆動することにより、電子部品３は基板２に荷重と超音波振動によりボンディングされる。
【００１７】
制御系について説明する。テーブル駆動部９、計測手段１０、振動子駆動部１１および昇降駆動部８は制御部１２に接続されている。制御部１２によってテーブル駆動部９を制御することにより、基板２をボンディング機構５に対して相対的に位置決めし、また振動計測時には振動計側ステージ４をボンディング機構５の下方に位置させる。振動計測ステージ４の歪みゲージ２１からの信号は計測手段１０によって計測され、この計測結果は制御部１２に伝達される。
【００１８】
制御部１２は振動子駆動部１１に対して駆動指令値を送出し、振動子駆動部１１はこの駆動指令値に基づいて超音波振動子７を駆動する。これにより、超音波振動子７は駆動指令値に応じた超音波出力でボンディングツール６に対して超音波振動を付与する。また制御部１２は昇降駆動部８に対して荷重指令値を送出し、昇降駆動部８はこの荷重指令値に応じた荷重でボンディングツール６を基板２または振動計測ステージ４に対して押圧する。
【００１９】
また制御部１２には記憶部１３、表示部１４、操作・入力部１５が接続されている。記憶部１３（記憶手段）は、各電子部品種類毎のボンディング条件や、歪みゲージ２１および計測手段１０によって計測された振動計測結果を記憶する。この振動計測結果には、後述するボンディングツール６の基準振動パターンが含まれる。操作・入力部１５は、駆動指令値や荷重指令値などのボンディング装置の操作入力や記憶部１３に記憶されるデータ入力を行う。操作・入力部１５は、超音波振動子７に対する駆動指令値および昇降駆動部８に対する荷重指令値を入力する入力手段となっている。表示部１４は、操作・入力部１５によるデータ入力時の案内画面の表示や、後述する振動状態較正時の波形表示を行う。表示部１４は、振動計測結果を表示する表示手段となっている。
【００２０】
次に図２を参照して、振動計側ステージ４の構成について説明する。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面を示している。図２（ａ）、（ｂ）に示すように、振動計側ステージ４には、絶縁層２０を介して歪みゲージ２１が埋設されており、歪みゲージ２１には計測線２２が接続されている。計測線２２は、図１に示す計測手段１０に接続されており、図２（ｂ）に示すように、ボンディングツール６の接合作用部６ａの下端部を絶縁層２０の上面に当接させた状態で超音波振動子７を駆動すると、接合作用部６ａによって絶縁層２０に超音波振動が伝達される。歪みゲージ２１は、この超音波振動による水平方向および垂直方向の２方向の歪みを計測する。このような振動計側ステージ４を備えることにより、ボンディングツール６の振動状態計測を簡便な機構で行うことができる。
【００２１】
次に図３を参照して、基準振動パターン取得処理について説明する。この基準振動パターンは、特定状態におけるボンディングツール６の接合作用部６ａの振動状態を示す振動パターン、すなわち電子部品３を良好にボンディングできる条件に設定された状態におけるボンディングツール６の振動パターンである。後述する振動状態較正処理においては、この基準振動パターンが再現されるように、超音波振動の駆動指令値やボンディングツール６の荷重指令値が設定される。
【００２２】
図３において、まずボンディング条件の条件出しを行う（ＳＴ１）。ここではボンディング条件（荷重指令値や駆動指令値）を種々変化させながら、図４（ａ）に示すように電子部品３を基板２に対してボンディングする。そしてボンディング後の品質評価により、最適ボンディング条件を設定する（ＳＴ２）。次いでこの最適ボンディング条件にて、ボンディングツール６の振動計測を行う（ＳＴ３）。
【００２３】
すなわち、図４（ｂ）に示すように、最適ボンディング条件として定めた荷重指令値を昇降駆動部８に送出してボンディングツール６の接合作用部６ａの当接面６ｂを振動計側ステージ４の上面に当接させ、上記最適ボンディング条件として定めた駆動指令値を振動子駆動部１１に送出し、超音波振動子７を駆動させてボンディングツール６を振動させたときの、歪みゲージ２１による出力波形を取得する。
【００２４】
そしてこの振動計測結果を、基準振動パターンとして記憶部１３に記憶させる。これにより、図５に示すような基準振動パターンの波形が記憶される。ここで、図５（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示すように、横振動（歪みゲージ２１の表面に平行な方向の振動）および縦振動（前記方向に直交する方向の振動）を示す波形が記憶される。
【００２５】
以上のように基準振動パターンの波形を記憶したら最適ボンディング条件にて電子部品３のボンディング作業（生産工程）を行う。ボンディング作業を行うに従いボンディングツール６の振動特性は次第に変化して行き、そのまま放置しておくとボンディング不良が頻発してくる。そこでボンディング作業から所定時間もしくは所定回数のボンディングを行ったら、以下に説明する較正処理を行う。
【００２６】
次に図６を参照して、ボンディングツール６の振動状態の較正処理について説明する。まず制御部１２が現時点で最適ボンディング条件として記憶している荷重指令値や駆動指令値を記憶部１３から読み取って設定する。そしてこの荷重指令値を昇降駆動部８へ出力してボンディングツール６の接合作用部６ａを振動計測ステージ４に当接させ、駆動指令値を振動子駆動部１１へ出力して超音波振動子７を駆動させ、ボンディングツール６を振動させる（ＳＴ１１）。そしてこの状態で、計測手段１０による振動計測を実行する（ＳＴ１２）。
【００２７】
計測結果が得られたならば、記憶部１３に記憶された基準振動パターン（図５参照）とともに、取得された振動計測結果を表示部１４のモニタに表示させる（ＳＴ１３）。図７はこの表示画面に表示される計測結果を示しており、横振動および縦振動の基準振動パターンを示す波形および計測波形が同一画面上に表示される。そして波形比較により、ボンディングツール６の振動状態の適否を判定する（ＳＴ１４）。すなわち、作業者が表示された波形を目視観察することにより、計測波形が基準振動パターンに対して所定の許容差異範囲内で等価波形であると判定されたならば、計測波形によって示される振動状態は良好であると判定し、このときの荷重指令値と駆動指令値とを新たなボンディング条件として記憶部１３に記憶させる（ＳＴ１６）。
【００２８】
これに対し、（ＳＴ１４）において基準振動パターンの波形と計測波形が等価でないと判断したならば、各指令値につき補正値を入力する（ＳＴ１５）。例えば計測波形の振幅が基準振動パターンの波形の振幅よりも小さい場合には、超音波出力を増加させる方向に駆動指令値を補正するか、または押圧荷重を減少させる方向に荷重指令値を補正する。
【００２９】
これにより、超音波振動の駆動指令値および荷重指令値が新たに設定される。そしてこの新たな設定に基づいてボンディングツール６を振動させ（ＳＴ１７）、（ＳＴ１２）以降の処理が行われ、（ＳＴ１４）にて振動状態が適正であると判定されるまで同様の処理が反復実行される。
【００３０】
ここで、（ＳＴ１４）に示す振動状態の適否判定について説明する。上述のように、振動状態の適否は、計測波形と基準振動パターンの波形とが等価であるか否かの度合いによって判定されるが、振動状態を示す波形からどのような項目を等価判定における指標として抽出するかは任意である。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態では横振動、縦振動についてそれぞれ振動の最大振幅Ａ０，Ｂ０を等価判定における指標として用いている。
【００３１】
すなわち、計測波形の最大振幅Ａ１，Ｂ１をそれぞれＡ０，Ｂ０と比較し、Ａ１，Ｂ１がＡ０，Ｂ０の許容範囲（例えば、９０％〜１１０％の範囲）内にある場合に、計測波形は基準振動パターンの波形と等価であると判定する。もちろん、最大振幅以外にも、振幅の平均値や波形の面積から求められる振動の実効値など各種の指標を演算により求め、これらを等価判定の指標として用いるようにしてもよい。さらには、横振動と縦振動のいずれか一方を用いて判定してもよい。
【００３２】
（実施の形態２）
図８は本発明の実施の形態２の超音波ボンディング装置の構成を示すブロック図、図９は本発明の実施の形態２の超音波ボンディング装置の振動状態自動較正処理のフローチャートである。本実施の形態２は、実施の形態１における振動状態の較正処理を、作業者による適否判断や指令値の補正入力を行うことなく、自動的に行うようにしたものである。
【００３３】
図８に示す超音波ボンディング装置は、実施の形態１におけるものと同様の構成を備えており、本実施の形態２では、制御部１２に前述の振動状態補正処理を行う振動状態補正処理部１２ａを備えている。振動状態補正処理部１２ａは、任意時点において行われた振動計測の結果を記憶部１３に記憶された基準振動パターンと比較して偏差（例えば最大振幅の差など）を求める演算を行い、この偏差に応じた荷重指令値や駆動指令値の補正値を出力する。したがって本実施の形態２では制御部１２が振動状態補正手段となっている。
【００３４】
次に図９を参照して、ボンディングツール６の振動状態を適正な状態に自動設定する自動較正処理について説明する。まず、現時点のボンディング条件に基づいてボンディングツール６を振動させる（ＳＴ２１）。すなわち、ボンディングツール６の接合作用部６ａを振動計側ステージ４に当接させ、前記荷重指令値にてボンディングツール６を振動計側ステージ４に対して押圧するとともに前記駆動指令値にて超音波振動を印加する。そしてこの状態で、振動計測を実行する（ＳＴ２２）。
【００３５】
この後取得された振動計測結果は制御部１２の振動状態補正処理部１２ａに送られ、ここで計測波形を記憶部１３に記憶された基準振動パターンと比較する処理が行われる（ＳＴ２３）。すなわち、計測波形と基準振動パターンの波形との偏差を求める演算を行う。そして求められた偏差に基づいて、ボンディングツール６の振動状態の適否を判定する（ＳＴ２４）。ここでは、求められた偏差が予め設定された許容値を超えているか否かにより、計測波形が基準振動パターンの波形と等価であるか否かが判定される。そして等価であると判定されたならば、計測波形によって示される振動状態は良好であると判定し、（ＳＴ２１）において設定された指令値をボンディング条件として記憶部１３に記憶させる（ＳＴ２６）。
【００３６】
これに対し、（ＳＴ２４）において基準振動パターンと計測波形のパターンが等価でないと判定されたならば、振動状態補正処理を行う（ＳＴ２５）。すなわち、（ＳＴ２３）において求められた偏差を補正するのに必要な補正値を補正値データテーブルより読み取る。そしてこれらの補正値を加味した上で超音波振動の駆動指令値および荷重指令値が新たに設定される（ＳＴ２５）。
【００３７】
そしてこの新たなボンディング条件に基づいてボンディングツール６を振動させ（ＳＴ２７）、（ＳＴ２２）以降の処理が行われ、（ＳＴ２４）にて振動状態が適正であると判定されるまで同様の処理が反復実行される。これにより、ボンディングツール６の振動状態の較正処理を作業者による補正値の入力などの手動操作を必要とせず、自動的に高精度で効率よく行うことができる。
【００３８】
上記説明したように、本実施の形態１，２に示すボンディングツールの振動状態の較正処理は、ボンディングツール６がボンディング対象物である電子部品３に直接当接する接合作用部６ａにおける機械的な振動状態を計測によって求め、この接合作用部６ａにおける振動状態を、条件出しの結果最適ボンディング品質を与える振動状態として求められた基準振動パターンとできるだけ一致させるよう、超音波出力や押圧荷重を調節するものである。これにより、超音波振動子７の劣化やボンディングツール６の組立状態の経時変化などに拘わらず、ボンディングツール６の振動特性を常に良好に保つことができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明では、接合作用部におけるボンディングツールの振動状態をこの接合作用部に当接した状態で計測する振動計測手段と、電子部品を良好にボンディングできる条件に設定された状態で振動計測手段によって計測されたボンディングツールの振動状態を基準振動パターンとして記憶する記憶手段を備え、振動計測手段により計測されるボンディングツールの振動状態が記憶手段に記憶された基準振動パターンと等価となるように超音波振動子に対する駆動指令値および荷重付与手段に対する荷重指令値を調整するようになっている。このため、超音波振動子の劣化やボンディングツールの組立状態の経時変化などに拘わらず、ボンディングツールの振動特性を常に良好に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の超音波ボンディング装置の構成を示すブロック図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１の超音波ボンディング装置の振動計測ステージの斜視図（ｂ）本発明の実施の形態１の超音波ボンディング装置の振動計測ステージの断面図
【図３】本発明の実施の形態１の超音波ボンディング装置の基準振動パターン取得処理のフローチャート
【図４】本発明の実施の形態１の超音波ボンディング装置の基準振動パターン取得処理の説明図
【図５】本発明の実施の形態１の超音波ボンディング装置の基準振動パターンを示すグラフ
【図６】本発明の実施の形態１の超音波ボンディング装置の振動状態較正処理のフローチャート
【図７】本発明の実施の形態１の超音波ボンディング装置の振動状態較正処理の説明図
【図８】本発明の実施の形態２の超音波ボンディング装置の構成を示すブロック図
【図９】本発明の実施の形態２の超音波ボンディング装置の振動状態自動較正処理のフローチャート
【符号の説明】
２  基板
３  電子部品
４  振動計側ステージ
５  ボンディング機構
６  ボンディングツール
６ａ  接合作用部
７  超音波振動子
８  昇降駆動部
１０  計測手段
１１  振動子駆動部
１２  制御部
１２ａ  振動状態補正処理部
１３  記憶部
１４  表示部
１５  操作・入力部
【図１】
0004013502.tif 000002
【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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