(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気回路の電流を検出するための装置であって、
一方の主面とこの一方の主面に対向する他方の主面とを有する板状半導体から成り、前記一方の主面側にホ−ル素子構成半導体領域（２６、２７、２８）が配置されている半導体基体（２３）と、
前記半導体基体（２３）の前記他方の主面を被覆しているシ−ルド層（１７）と、
前記半導体基体（２３）の前記一方の主面側に配置された被検出電流を流すための電流通路形成用導体（１５）と
を備えていることを特徴とするホ−ル素子を備えた電流検出装置。
【請求項２】
電気回路の電流を検出するための装置であって、
一方の主面とこの一方の主面に対向する他方の主面とを有する板状半導体から成り、前記一方の主面側にホ−ル素子構成半導体領域（２６、２７、２８）が配置されている半導体基体（２３）と、
前記半導体基体（２３）の一方の主面を被覆する絶縁膜（３２ａ）と、
前記半導体基体（２３）の前記一方の主面側に配置された被検出電流を流すための電流通路形成用導体（１５）と、
前記電流通路形成用導体（１５）と前記絶縁膜との間に配置され且つ導電性物質で形成されているシ−ルド層（５０）と、
を備えていることを特徴とするホ−ル素子を備えた電流検出装置。
【請求項３】
前記半導体基体（２３）の前記他方の主面側に金属板（２）が配置されていることを特徴とする請求項２記載のホ−ル素子を備えた電流検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、ホール素子を備えた電流検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホール素子は、ここに印加される磁界に正比例した電圧即ちホール電圧を発生する。従って、ホール素子を電流通路に沿って配置すると、電流通路を流れる電流に比例して発生する磁界がホール素子に作用し、ホール素子から電流に比例した電圧を得ることができる。
【０００３】
ところで、本件出願人は、電流の検出感度を向上させるために、ホール素子を含む半導体基体の上面に絶縁膜を設け、この絶縁膜の上に被検出電流の通路としての導体層を設けることをＰＣＴ／ＪＰ９９／０５４０８で提案した。この様に半導体基体上に導体層を被検出電流の通路とすれば、ホール素子の主動作領域に電流通路を近接させることが可能になり、検出感度が向上する。
しかしながら半導体基体上の導体層に例えば１００Ａのような大電流を流すことは困難である。
【０００４】
この問題を解決するために、本件出願人は、プリント回路基板上のプリント導体から成る検出電流通路を第１及び第２の電流通路に分割し、第２の電流通路にホール素子の導体層に接続することを試みた。この方法において第１及び第２の電流通路の抵抗値の比が予め判れば、第２の電流通路の電流を検出することによって被検出電流の値を知ることができる。また、被検出電流の変化を第２の電流通路の電流検出によって知ることができる。
しかし、この方法では、第１の電流通路と第２の電流通路との間の距離が比較的長くなり、両者間に温度差が生じ易くなり、第１及び第２の電流通路の電流の
分流比が変動し、電流検出精度が悪くなった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ホ−ル素子を使用した電流検出装置には、更に、ノイズが電流検出を妨害するという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的はノイズによる妨害を抑制することができるホール素子を使用した電流検出装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し、上記目的を達成するための本発明は、電気回路の電流を検出するための装置であって、一方の主面とこの一方の主面に対向する他方の主面とを有する板状半導体から成り、前記一方の主面側にホ−ル素子構成半導体領域（２６、２７、２８）が配置されている半導体基体（２３）と、前記半導体基体（２３）の前記他方の主面を被覆しているシ−ルド層（１７）と、前記半導体基体（２３）の前記一方の主面側に配置された被検出電流を流すための電流通路形成用導体（１５）とを備えていることを特徴とするホ−ル素子を備えた電流検出装置に係わるものである。
【０００８】
なお、請求項２に示すように、電気回路の電流を検出するための電流検出装置は、一方の主面とこの一方の主面に対向する他方の主面とを有する板状半導体から成り、前記一方の主面側にホ−ル素子構成半導体領域（２６、２７、２８）が配置されている半導体基体（２３）と、前記半導体基体（２３）の一方の主面を被覆する絶縁膜（３２ａ）と、前記半導体基体（２３）の前記一方の主面側に配置された被検出電流を流すための電流通路形成用導体（１５）と、前記電流通路形成用導体（１５）と前記絶縁膜との間に配置され且つ導電性物質で形成されているシ−ルド層（５０）とを備えていることが望ましい。
また、請求項３に示すように、前記半導体基体（２３）の前記他方の主面側に金属板（２）が配置されていることが望ましい。
【０００９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、シ−ルド層（１７）によって、半導体基体（２３）の他方の主面側に作用する外部磁界をシ−ルドすることができる。
また、電流通路形成用導体（１５）の電流に基づく磁界をホ−ル素子構成半導体領域（２６、２７、２８）に良好に作用させることができる。また、電流通路形成用導体（１５）の電流に基づいて生じた磁束の経路の磁気抵抗をシ−ルド層（１７）の働きで低減させることができる。
また、請求項２の発明によれば、半導体基体（２３）の一方の主面側に作用する外来の電界ノイズ又は電磁ノイズをシ−ルド層（５０）によって抑制し、耐ノイズ性を向上させることができる。また、シ−ルド層（５０）が電流通路形成用導体（１５）と半導体基体（２３）の一方の主面との間に配置されているので、電流通路形成用導体（１５）の電圧変動に基づいてホ−ル素子に電圧が誘起することを抑制することができる。
また、請求項３の発明によれば、ホ−ル素子構成半導体領域（２６、２７、２８）が、一方の主面側のシ−ルド層（５０）と他方の主面側の金属板（２）とに挟まれ、高いシ−ルド効果を得ることができる。
【００１０】
【第１の実施形態】
次に、図１〜図８を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。
図１及び図２に示す電流検出装置は、大別してホール素子１と、金属製支持板２と、第１及び第２の電流通路用端子３、４と、第１、第２、第３、第４、第５及び第６の外部リード端子６、７、８、９、１０、１１と、第１の電流通路形成用導体としての第１の金属ワイヤ１２、第２の電流通路形成用導体としての第２及び第３の金属ワイヤ１３、１４及び導体層１５と、絶縁板１６と、シールド層１７と、絶縁性外囲体としての樹脂封止体１８とを備えている。
【００１１】
ホール素子１は、図３及び図８に示すように平面的に見て即ちホール素子１の主面及び支持板２の主面に対して垂直な方向から見て四角形であって、第１、第２、第３及び第４の電極１９、２０、２１、２２を有している。ホール素子１を使用する時には、第１及び第２の電極１９、２０に周知の制御電流供給回路が接続される。第３及び第４の電極２１、２２には周知の増幅器が接続される。第１、第２、第３及び第４の電極１９、２０、２１、２２は、図７及び図８に示す半導体基体２３の第１、第２、第３及び第４の半導体領域２４、２５、２６、２７にそれぞれ接続されている。
【００１２】
半導体基体２３は、平面的に見て四角形の板状のシリコンから成り、ｎ型の第１、第２、第３及び第４の半導体領域２４、２５、２６、２７の他に、第５、第６、第７及び第８の半導体領域２８、２９、３０、３１を有する。第５の半導体領域２８はｎ型導電型を有し、半導体基体２３の大部分を占めるｐ型の第８の半導体領域３１の中に島状に形成され、図７に示すように平面的に見て十字状のパターンを有する。第１及び第２の半導体領域２４、２５は第５の半導体領域２８の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有するｎ＋型半導体領域であって、図７に示すようにＹ軸方向において互いに離間して対向配置され且つ第５の半導体領域２８の中に島状に形成されている。この第１及び第２の半導体領域２４、２５には第１及び第２の電極１９、２０がオーミック接触している。第１及び第２の電極１９、２０に制御電流供給回路を接続すると、第１の半導体領域２４から第２の半導体領域２５に向かう方向又はこれと逆の方向性を有して第５の半導体領域２８に周知の制御電流Ｉｃが流れる。従って、第１及び第２の半導体領域２４、２５を制御電流供給用半導体領域と呼ぶこともできる。
【００１３】
第３及び第４の半導体領域２６、２７は、第５の半導体領域２８のｎ型不純物濃度よりも高い不純物濃度を有するｎ＋型半導体領域であって、第５の半導体領域２８のＹ軸方向の中央部分の両端の近くに配置されている。この第３及び第４の半導体領域２６、２７の一部は第５の半導体領域２８に隣接し、残部はｐ型半導体から成る第６及び第７の半導体領域２９、３０に隣接している。Ｘ軸方向において互いに対向している第３及び第４の半導体領域２６、２７には第３及び第４の電極２１、２２がオーミック接触している。第３及び第４の半導体領域２６、２７はホール電圧検出用半導体領域と呼ぶこともできる。ｐ型の第６及び第７の半導体領域２９、３０はｎ＋型の第３及び第４の半導体領域２６、２７の第５の半導体領域２８に対する接触面積を制限するものである。
【００１４】
第１及び第２の半導体領域２４、２５間に制御電流Ｉｃが流れ、この制御電流Ｉｃに対して直交するように磁界を印加すると、第３及び第４の半導体領域２６、２７間に周知のホール効果の原理に従ってホール電圧が得られる。従って、ホール素子１のホール電圧を発生させるための主動作領域は、第５の半導体領域２８における第１及び第２の半導体領域２４、２５の相互間及び第３及び第４の半導体領域２６、２７の相互間である。しかし、概略的には第５の半導体領域２８の全体をホール素子の主動作領域と呼ぶことができる。
【００１５】
半導体基体２３の一方の主面には例えばシリコン酸化物から成る多層絶縁膜３２が設けられ、他方の主面には例えばアルミニウムから成る金属層３３が設けられている。但し、この金属層３３は省略することもできる。絶縁膜３２は第１及び第２の絶縁膜３２ａ、３２ｂから成る。例えばアルミニウムから成る第１、第２、第３及び第４の電極１９、２０、２１、２２の一部は第１及び第２の絶縁膜３２ａ、３２ｂの間に配置され、これ等の一方の端は第１の絶縁膜３２ａの開口を介して第１、第２、第３及び第４の半導体領域２４、２５、２６、２７に接触している。また、第１、第２、第３及び第４の電極１９、２０、２１、２２の他端は第２の絶縁膜３２ｂの開口を介してこの上方に導出されている。第２の電流通路形成用の導体層１５は第２の絶縁膜３２ｂの上に形成されている。
【００１６】
支持板２は図５から明らかなように、この主面に垂直な方向から見て即ち平面的に見て全体的に四角形のパターンに形成され、ホール素子１よりも僅かに大きい面積を有する。この支持板２は０．５〜１．０ｍｍ程度の厚さを有する表面にニッケルメッキ層を有する銅板等から成る金属板であって、ホール素子１を機械的に支持する機能を有する他に、放熱板としての機能も有し、更に静電シールドとしても機能する。支持板２の対向する対の縁から第５及び第６の外部リード端子１０、１１が導出されている。この外部リード端子１０、１１はグランドに対する接続に使用される。第１及び第２の電流通路用端子３、４は支持板２の１つの縁に沿って配置されている。ホール素子を外部に接続するための第１〜第４の外部リード端子６〜９は支持板２から僅かに離間している。支持板２、第１及び第２の電流通路用端子３、４、第１〜第６の外部リード端子６〜１１は図５で破線で示す樹脂封止体１８によって被覆され、機械的に相互に連結される。
【００１７】
支持板２と第１及び第２の電流通路用端子３、４とホール素子用の第１〜第６の外部リード端子６〜１１とは図６に示すリードフレーム４０に基づいて形成されており、同一の材料且つ同一厚みの金属板から成る。リードフレーム４０は図６で左側の端子３、６、８、１０を相互に連結するための第１の帯状連結部分４１と、右側の端子４、７、９、１１を相互に連結するための第２の帯状連結部分４２と、第１及び第２の帯状連結部分４１、４２を連結するための第３の帯状連結部分４３とを有する。図６には１個のホール素子の端子３、４、６〜１１を含むリードフレーム４０が示されているが、実際には１つのリードフレーム４０に複数のホール素子のための多数の端子が設けられている。第１及び第２の電流通路用端子３、４及び第１〜第６の外部リード端子６〜１１は樹脂封止体１８が形成された後に図６の鎖線の位置で切断される。
【００１８】
絶縁板１６は平面形状がホール素子１よりも少し大きい四角形の例えばセラミック板であって、ホール素子１を支持板２から絶縁する機能の他に、磁性体層１７及びホール素子１を機械的に支持する機能を有する。絶縁板１６の上面にホール素子とほぼ同一の平面パターンを有するように形成されたシールド層１７は例えば鉄、ニッケル、コバルト等の導電性を有する磁性体から成り、外部電界及び磁界をシールドする機能を有する。このシールド層１７はワイヤ１７ａによって外部リード端子１０に接続されている。このシールド層１７は磁気シールド効果の他に、導体層１５の電流に基づいて生じた磁束の経路の磁気抵抗を低下させる機能即ち集磁機能も有する。なお、導電体層と磁性体層との積層体をシールド層１７とすることができる。また、シールド層１７をＣｕ等の非磁性導体とすることもできる。また、シ−ルド層１７をフェライト等の絶縁性磁性体層とすることができる。
【００１９】
シールド層１７を備えた絶縁板１６は、図２及び図８に示すように支持板２の主面上に絶縁性接着層３４によって固着されている。ホール素子１の下面の金属層３３は半田等の導電性接合材層３５によってシ−ルド層１７に固着されている。
【００２０】
ホール素子１の例えばアルミニウムから成る第１、第２、第３及び第４の電極１９、２０、２１、２２は、図１に示すように第１、第２、第３及び第４の外部リード端子６、７、８、９に金属ワイヤ３６、３７、３８、３９によって接続されている。
【００２１】
第１及び第２の電流通路用端子３、４の相互間に接続された第１の金属ワイヤ１２は第１の電流通過を形成するためのアルミニウム線であって、被検出電流Ｉｓを第１及び第２の電流Ｉs1、Ｉs2に分流した時の第１の電流Ｉs1を流すことができるように形成されている。
【００２２】
第１の電流通路に並列接続された第２の電流通路の電流Ｉs2に基づく磁束をホール素子１に与えるために、例えばアルミニウムから成る導体層１５が半導体基体２３の主面に対して垂直な方向から見て即ち平面的に見て略Ω状に形成され、ホール素子１の主動作領域としての第５の半導体領域２８が導体層１５の内側に配置されている。この導体層１５の一端部と第１の電流通路用端子３とがアルミニウムから成る第２の金属ワイヤ１３によって接続されている。また、導体層１５の他端部と第２の電流通路用端子４とがアルミニウムから成る第３の金属ワイヤ１４によって接続されている。第１の金属ワイヤ１２の一端から他端までの抵抗値をＲ1 、第２の金属ワイヤ１３と導体層１５と第３の金属ワイヤ１４との直列回路の一端から他端までの抵抗値をＲ2 とし、第１及び第２の電流通路用端子３、４の抵抗は無視できるほど小さいとすれば、第１及び第２の電流通路の電流Ｉs1、Ｉs2は次式に示す値になる。
Ｉs1＝Ｉｓ｛Ｒ2 ／（Ｒ1 ＋Ｒ2 ）｝
Ｉs2＝Ｉｓ｛Ｒ1 ／（Ｒ1 ＋Ｒ2 ）｝
【００２３】
図１に示す電流検出装置で電流Ｉs を検出又は測定する時には、第１及び第２の電流通路用端子３、４を電気回路に直列に接続し、且つ第１及び第２の外部リード端子６、７に周知の制御電流供給回路を接続し、制御電流Ｉc を第１及び第２の半導体領域２４、２５間に流し、第３及び第４の外部リード端子８、９に周知の増幅器を接続する。これにより、被検出電流Ｉｓの一部から成る電流Ｉs1が導体層１５に分流し、アンペアの右ネジの法則に従って図８で破線で示す向きの磁界Ｈが発生する。この磁界Ｈの向きは第５の半導体領域２８の制御電流Ｉc の向きに垂直であるので、第３及び第４の半導体領域２６、２７間即ち第３及び第４の電極８、９間にホール電圧が発生する。このホール電圧は磁界Ｈに比例し、磁界Ｈは被検出電流Ｉｓに比例するので、ホール電圧によって被検出電流Ｉｓを検出することができる。
【００２４】
本実施例の電流検出装置は次の利点を有する。
（１）  被検出電流Ｉｓを第１及び第２の電流Ｉs1、Ｉs2に分割し、この一方の電流Ｉs2を検出するので、半導体基体２３の上の導体層１５に例えば１００Ａのような比較的大きな電流を流さずに、例えば１０Ａ程度の小さい電流を流して被検出電流Ｉｓを検出することができる。なお、Ｒ1 とＲ2 の比を１：９にすることによってＩｓが１００Ａの時にＩs2が１０Ａになる。
（２）  第１の電流通路形成導体としての第１の金属ワイヤ１２と、第２の電流通路形成導体としての第２及び第３の金属ワイヤ１３、１４及び導体層１５とが同一の樹脂封止体１８によって被覆された構成であるので、両者の温度差を小さくすることができ、温度変化による第１及び第２の電流Ｉs1、Ｉs2の比の変化が少なくなり、精度の高い電流検出が可能になる。
（３）  第１、第２及び第３の金属ワイヤ１２、１３、１４は同一材料であるから、温度による抵抗変化率も同一となり、分流比の精度が高くなり、高精度の電流検出ができる。
（４）  ホール素子１が形成されている半導体基体２３の表面の絶縁膜３２の上に電流通路としての導体層１５を設け、この導体層１５をホール素子１に隣接配置したので、電流通路をホール素子１に対して近接配置することが可能になり、電流Ｉｓの検出感度の向上を図ることができる。
（５）  電流通路としての導体層１５をホール素子１の全周の３／４以上の、約９５％を囲むように配置したので、平面的に見て略四角形の第５の半導体領域２８の４つの辺の全ての方向から磁界即ち磁力線Ｈを第５の半導体領域２８に作用させることができ、電流Ｉs1の検出感度の向上を図ることができる。
（６）  樹脂封止体１８でホール素子１、支持板２、第１及び第２の電流通路用端子３、４、外部リード端子６〜１１、及びワイヤ１２〜１４、３６〜３９を被覆しているので、これ等の一体化及び保護を良好に達成できる。
（７）  絶縁板１６を設けたので、ホール素子１と支持板２の電気的分離を良好に達成することができる。
（８）  シールド層１７を設けたので、磁気及び電界に基づく外来ノイズを除去することができる。
（９）  支持板２、第１及び第２の電流通路用端子３、４、第１〜第６の外部リード端子６〜１１をリードフレーム４０に基づいて形成することができるので、電流検出装置の製造が容易になり、このコストの低減を図ることができる。
【００２５】
【第２の実施形態】
次に、図９を参照して第２の実施形態の電流検出装置を説明する。但し、図９において図８と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。また、第２の実施形態の説明おいて、第１の実施例と共通する部分は図１〜図７を参照する。
【００２６】
第２の実施形態の電流検出装置は、図８の第１の実施形態の電流検出装置から、絶縁板１６、シールド層１７、金属層３３、絶縁  性接着層３４及び導電性接合層３５を省き、支持板２をＡｇペーストから成る導電性接合層３５ａによってＧａＡｓから成る半導体基体２３の下面に固着し、半導体基体２３の上面側にシールド層５０、集磁体（集磁器）５１、第３及び第４の絶縁膜３２ｃ、３２ｄを追加し、この他は第１の実施形態と同一に構成したものである。
【００２７】
厚さ約０．１μｍのモリブデン（Ｍｏ）層から成る導電性物質のシールド層５０は、第２の絶縁膜３２ｂの上に例えば蒸着又はスパッタリング又はメッキで形成されている。なお、このシールド層５０は平面的に見て少なくとも第５の半導体領域２８を覆うように配置され、且つグランドに接続される第４の電極２２に対して電気的に接続されている。第３の絶縁膜３２ｃは蒸着又はスパッタリングで形成され、シールド層５０を覆うように配置されている。第２の電流通路を形成するための導体層１５は厚さ約５〜１３μｍの金（Ａｕ）層から成り、第３の絶縁膜３２ｃの上にメッキ又は蒸着又はスパッタリングで形成されている。空気よりも透磁率の高い板状磁性体（例えばフェライト、Ｆｅ，Ｎｉ等）から成る集磁体５１は導体層１５の上に形成された第４の絶縁膜３２ｄの上に配置されている。なお、集磁体５１は平面的に見て少なくとも第５の半導体領域２８を覆うように配置され導体層１５の上に絶縁性樹脂接着材から成る第４の絶縁膜３２ｄによって固着されている。集磁体５１を板状磁性体とする代りに、第４の絶縁膜３２ｄ上に蒸着、塗布等によって磁性体膜を形成し、これを集磁体とすることもできる。
【００２８】
第２の実施形態の電流検出装置は第１の実施形態の上記（１）〜（６）及び（９）と同一の利点を有する他に次の利点も有する。
（１）  ホール素子の第５の半導体領域２８を含む主動作領域の表面側がシールド層５０で覆われているので、導体層１５の電圧変動に基づいてホ−ル素子に電圧が誘起し、第３及び第４の電極２１、２２間の電圧が変化する現象即ち誘導ノイズ、及び外来の電界ノイズ又は電磁ノイズをこのシールド層５０で吸収即ち抑制することができ、ホール素子の第５の半導体領域２８を含む主動作領域の耐ノイズ性を向上させることができる。
（２）  支持板２及び導電性接合層３５ａがホール素子の下側の誘導ノイズのシールド層として作用するので、これと上側のシールド層４１とがホール素子の主動作領域を挟み込んだ状態となり、高いシールド効果を得ることができる。
（４）  集磁体５１を有するので、導電層１５の電流に基づいて発生した磁束を第５の半導体領域２８に良好に導くことができ、電流検出感度を上げることができる。
【００２９】
【変形例】
本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なものである。
（１）  半導体基体２３をシリコン又はＧａＡｓ以外の３−５族化合物半導体等の別の半導体で形成することができる。３−５族化合物半導体の場合は外部磁界や誘導ノイズの影響を受け易いので、シールド層１７、５０の価値がより高くなる。
（２）  第１の実施例の構造の電流検出装置においても、ホール素子１の絶縁膜３２の上に磁性体即ち集磁器を配置し、検出感度を高めることができる。
（３）  半導体基体２３中にホール素子１の出力電圧（ホール電圧）を増幅させるための増幅器を形成することができる。
（４）  半導体基体２３に複数のホール素子を形成し、複数のホール素子の組合せで電流を検出し、この検出感度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の電流検出装置を樹脂封止体を省いて示す平面図である。
【図２】図１の電流検出装置をＡ−Ａ線に相当する部分で示す断面図である。
【図３】図１のホール素子を示す平面図である。
【図４】図１のシールド層を有する絶縁板を示す平面図である。
【図５】図１の支持板、第１及び第２の電流通路用端子、及び第１〜第６の外部リード端子を示す平面図である。
【図６】図１の電流検出装置のためのリードフレームの一部を示す平面図である。
【図７】図１のホール素子の半導体基体を拡大して示す平面図である。
【図８】図１のホール素子の１部を図１のＢ−Ｂ線によって示す拡大断面図である。
【図９】第２の実施例の電流検出装置を図８と同様に示す断面図である。
【符号の説明】
１  ホール素子
２  支持板
３、４  第１及び第２の電流通路用端子
６、７、８、９、１０、１１  外部リード端子
１２〜１４  ワイヤ
１５  導体層
【図１】
0004200358.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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