(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミラーが捻り梁により支持され、前記捻り梁を捻り回転軸として前記ミラーを往復振動させる構成の光走査装置において、
前記ミラーの前記捻り回転軸と平行な断面２次モーメントが前記捻り回転軸から遠ざかるに従って減少するように、
前記ミラーのミラー面と反対の面に、複数の同じ面積の肉抜き部を形成し、前記肉抜き部の数を前記捻り回転軸から離れるに従って増加させたことを特徴とする光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロマシニング技術を応用した微小光学系に係り、特に、微小なミラーを捻り梁を回転軸として往復振動させる光走査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
IBM J.Res.Develop Vol.24 (1980)に掲載されている光走査装置では、同一直線上に設けられた２本の梁で支持されたミラーを、それに対向する位置に設けた電極との間の静電引力で、２本の梁をねじり回転軸として往復振動させている。マイクロマシニング技術で形成されるこの光走査装置は、従来のモーターを使ったポリゴンミラーの回転による光走査装置と比較して、構造が簡単で半導体プロセスでの一括形成が可能なため、小型化が容易で製造コストも低く、また単一のミラー面であるため、ポリゴンミラーのような複数のミラー面の精度のばらつきによる影響もなく、さらに往復走査であるため高速化にも対応できる等の利点がある。
【０００３】
このような静電駆動のねじり振動型光走査装置に関しては、特許第２９２４２００号公報に、梁をＳ字型として剛性を下げ、小さな駆動力で大きな振れ角が得られるようにしたものが記載されている。また、特開平７−９２４０９号公報に、梁の厚さをミラー、フレームよりも薄くしたものが記載されている。特許第３０１１１４４号公報、あるいは、The 13th Annual International Workshop on MEMS2000 (2000) 473-478 に、固定電極をミラー部の振動方向に重ならない位置に配置したものが記載されている。また、The 13th Annual International Workshop on MEMS2000 (2000) 645-650 には、対向電極をミラーの振れの中心位置から傾斜させて設置することで、ミラーの振れ角を変えずに駆動電圧を下げたものが記載されている。また、特開２００１−２４９３００号公報に、ミラー部の軽量化を図るとともに反りを生じにくいミラー構造として、ミラー部の裏面に複数の凹部（肉抜き部）を形成し、その凹部を回転軸から離れるにしたがって相対的に小さくしたものが記載されている（同公報の図６）。また、振動空間の封止及び電気的接続に関しては、例えば特許第２９２４２００号公報に、ハーメチックシールとワイヤボンディングによる典型的な構造が記載されている（同公報の図７）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記従来技術に鑑みてなされたものであり、捻り梁をねじり回転軸としてミラーを往復振動させる構成の光走査装置において、ミラーの軽量化を図るとともに反りの発生を効果的に抑え、より安定した光走査を可能にすることを主要な目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
図１乃至図７を参照し、本発明の基本原理について説明する。
図１は本発明に係る光走査装置の基本構造を説明するための概略斜視図である。３１はミラー基板であり、例えば不純物濃度が比較的高いシリコン基板から、フォトエッチング等の半導体プロセス技術によりミラー３３、一対の捻り梁３２及びフレーム３４を一体的に形成してなるものである。ミラー３３は捻り梁３２を捻り回転軸として往復振動が可能である。ミラー３３の一面には、走査光の波長に対して十分な反射率を持つ金属薄膜等からなるミラー面が形成される。なお、光走査装置の組立工程の途中において、フレーム３４に分離溝３７が形成されることにより、フレーム３４は電気的に絶縁された４つの部分３９，４０に分割される。これは、ミラー３３の捻り梁３２と結合されない自由端部に対向したフレーム部分３９を駆動用の固定電極として利用するためである。したがって、固定電極を金属薄膜などで別途形成する場合には、分離溝３７は必ずしも形成しなくともよい。
【０００６】
図２は、ミラー３３の駆動原理を説明するための模式図である。ミラー３３の捻り梁３２と結合していない２つの端部３８と、それに狭いギャップを介して対向するフレーム部分３９とが、それぞれ可動電極と固定電極となる。これらの電極間に駆動パルス発生装置２９により図３（ｂ）に示すような駆動パルスを印加すると、電極間に静電トルクＴrqが作用し、ミラー３３は捻り梁３２を捻り回転軸として往復振動する。図３（ａ）はミラー３３の振動波形である。ミラー３３の振れ角θ（振動振幅）を大きくするため、駆動パルスの周波数は、ミラー３３の慣性モーメントＩと捻り梁３２の捻りバネ定数Ｋθとによって決まる共振周波数ｆoと同一に設定される。この時のミラー３３の共振周波数ｆoと振れ角θは次式で与えられる。
【０００７】
ｆｏ＝（１／２π）√（Ｋθ／Ｉ）        （１）
θ＝（Ｔrq／Ｉ）＊Ｋ（ｆo,Ｃ）          （２）
但し、Ｋ（fo、C）は、共振周波数ｆo、粘性抵抗Ｃの関数でありｆo、Ｃに反比例する。Ｃはミラーが振動する空間の粘性抵抗係数である。
【０００８】
このようなミラー振動時にミラー３３に働く慣性力によって、図４に模式的に示すようなミラー３３の反りが発生する。本発明は、このミラー３３の反りを効果的に抑制しようとするものであるので、ミラー３３の反りについて次に解析する。図５及び図６はその説明図である。
【０００９】
ミラー３３の振動時に作用する加速度をαとすると、ミラー３３の微小要素ｍｊに働く慣性力ｆj は次式で与えられる。
ｆj＝ｍj＊αj        （３）
ｍｊ：ミラーの微小要素質量。
【００１０】
この時、ミラーの微小要素ｍｊを曲げ変形させる曲げモーメントＭはミラー先端部からｊまでの総和で与えられる。
Ｍ＝Σ Ｍｊ＝Σｆｊ＊ｌｊ    （４）
ｌｊ：微小要素ｍｊの捻り回転軸からの距離
【００１１】
曲げモーメントに対する曲げ強さは、断面２次モーメントＩで与えられる。
Ｉ＝ｂ＊ｈ^3／12            （５）
ｈとｂはミラーの厚さと幅である（図６参照）。
【００１２】
ミラー３３の反り量δは次式で表される。
δ∝Ｍ／(Ｅ*Ｉ)                 （６）
Ｅ：ミラー３３のヤング率
【００１３】
ここで、前記特開２００１−２４９３００号公報に示されているミラー構造（同公報の図６参照）では、微小要素質量ｍｊが捻り回転軸から離れるに従って相対的に大きくなるため、（４）式から明らかなように曲げモーメントＭも増大し、よって（６）式から明らかなように反り量δが増加してしまう。
【００１４】
これに対して、本発明では、ミラー３３の捻り回転軸（捻り梁３２）と平行な方向の断面２次モーメントＩ（曲げ強さ）が、例えば図７に示すように捻り回転軸から遠ざかるに従って減少するように、ミラー３３の断面形状を捻り回転軸からの距離に応じて変化させる。すなわち、ミラー３３の実質的な厚さｈ及び／又は実質的なＸ軸方向幅ｂを、捻り回転軸から離れるに従って減少させる。このような断面形状をミラー３３に持たせることにより、捻り回転軸から離れるに従って微小要素質量ｍｊが減少し、したがって曲げモーメントＭも減少するため、捻り回転軸から遠ざかるに従ってミラー３３の断面２次モーメントが減少しても、ミラー３３の反り量δを例えば図４の曲線Ｌ２に示すように減少させることができる（図４中の曲線Ｌ１は断面２次モーメントを均一にした場合の反り量）。かくして、本発明によれば、ミラー３３を軽量化しつつ反り量を減少させることができる。
【００１５】
具体的には、本発明は、ミラーが捻り梁により支持され、前記捻り梁を捻り回転軸として前記ミラーを往復振動させる構成の光走査装置において、前記ミラーの前記捻り回転軸と平行な断面２次モーメントが前記捻り回転軸から遠ざかるに従って減少するように、前記ミラーのミラー面と反対の面に、複数の同じ面積の肉抜き部を形成し、前記肉抜き部の数を前記捻り回転軸から離れるに従って増加させたことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、説明中で参照される複数の図面において、同一符号は同一部分又は同等部分を示す。
【００２４】
《実施例１》  図８は、本発明の実施例１を説明するための斜視図である。図９は、Ｙ軸と平行なある切断線でミラー基板３１を切断した断面形状を示す概略断面図である。図１０は、Ｘ軸（捻り回転軸）と平行なある切断線でミラー３３を切断した断面形状を模式的に示した図である。なお、本実施例が請求項１の発明の構成例を示している。
【００２５】
本実施例においては、図８に見られるように、ミラー３３のミラー面と反対側の面（図８中の上面）に、同じ面積で同じ深さの矩形の肉抜き部（凹部）４４が複数個形成されている。これらの肉抜き部４４は、捻り回転軸（Ｘ軸）から離れるほど個数が増加するように配設されている。すなわち、捻り回転軸から離れるに従ってミラー３３の肉抜き面積が増加するような構成とされている。図１０を参照するならば、ミラー３３の肉厚部分４５の面積が捻り回転軸から離れるにつれて減少する。したがって、捻り回転軸と平行な断面２次モーメントは、捻り回転軸から離れるに従って図１１に示すように階段状に減少する。これ以外は、図１に関連して説明した構成と同様である。
【００２６】
《実施例２》  図１２は、本発明の実施例２を説明するための斜視図である。図１３は、Ｙ軸と平行なある切断線でミラー基板３１を切断した断面形状を示す概略断面図である。図１４は、Ｘ軸（捻り回転軸）と平行なある切断線でミラー３３を切断した断面形状を模式的に示した図である。
【００２７】
本実施例においては、図１２及び図１３に見られるように、ミラー３３のミラー面と反対側の面（図１２中の上面）に略全面にわたって肉抜き部５０が形成されるが、この肉抜き部５０の深さは、捻り回転軸から離れるに従って深さが増加する。すなわち、捻り回転軸から離れるに従ってミラー３３の厚さは減少する。したがって、捻り回転軸と平行な断面２次モーメントは、捻り回転軸から離れるに従って図１５に示すように減少する。これ以外は、図１に関連して説明した構成と同様である。
【００２８】
《実施例３》  図１６は、本発明の実施例３を説明するための一部破断平面図である。ただし、ミラー基板３１のフレーム部分は図示されていない。図１７は、捻り回転軸（Ｘ軸）と平行なある切断線でミラー３３を切断した断面形状を示す概略断面図である。
【００２９】
本実施例においては、図１６及び図１７に見られるように、ミラー３３のミラー面と反対側の略全面にわたって同じ深さの肉抜き部５５が形成されるが、Ｘ軸方向の梁５９とＹ軸方向の梁６０が残されている。ミラー３３の捻り回転軸をはさんだ各半面を見ると、Ｘ軸方向の梁５９は均等な間隔で配置されるが、Ｙ軸方向の梁６０は捻り回転軸から離れるに従って間隔が増加する（本数が減少する）。断面２次モーメントに寄与するのはＹ軸方向の梁６０であり、梁５９は幅が数十μｍであるため断面２次モーメントにはほとんど寄与しない。よって、捻り回転軸と平行な断面２次モーメントは、捻り回転軸から離れるに従って、図１８に示すように階段状に減少する。これ以外は、図１に関連して説明した構成と同様である。
【００３０】
《実施例４》  図１９は、本発明の実施例４を説明するための分解斜視図である。本実施例の光走査装置は、ミラー基板３１の裏面側にベース基板１００を接合してなるもので、接合状態の断面構造を図２０に示す。
【００３１】
本実施例におけるミラー基板３１は、ミラー３３の捻り回転軸と平行な断面２次モーメントを捻り回転軸から離れるに従って減少させるため、ミラー３３の裏面に前記実施例３と同様な肉抜きがなされている。ただし、ミラー３３の裏面に前記実施例１又は２と同様な肉抜きをしてもよく、そのような態様も本発明に包含される。
【００３２】
ベース基板１００は、パイレックスガラス等の絶縁性基板部材からなる。ベース基板１００の裏面には、ミラー３３の振動空間を確保するための凹部が形成され、この凹部の底面にミラー３３と対向する一対の振れ角検出電極１０２が形成されている。また、ベース基板１００の表裏に貫通して、振れ角検出電極１０２と電気的に接続した一対の貫通電極１０４と、ミラー基板３１のフレーム部分３９と電気的に接続するための一対の貫通電極１０６と、ミラー基板３１のフレーム部分４０と電気的に接続するための一対の貫通電極１０８が形成される。振れ角検出電極１０２は、例えばＣｒとＡｕを蒸着した２層の薄膜からなる。貫通電極１０４，１０６，１０８は、貫通孔加工後に貫通孔内部を例えばＮｉメッキで充填してなるものである。このような貫通電極は封止性も良好である。
【００３３】
このようなベース基板１００は図２０に示すようにミラー基板３１と接合される。接合後に、ミラー基板３１に分割溝３７が形成される。この分割溝３７により分割されたフレーム部３９（固定電極として作用する部分）と貫通電極１０６が電気的に接続され、他方のフレーム部分４０と貫通電極１０８が電気的に接続される。したがって、貫通電極１０６，１０８を外部より駆動パルスを印加することができる。このように貫通電極によって駆動パルスを印加するための電気的接続を行う構成は、特許第２９２４２００号公報に示されているようなワイヤボンディングによる接続方法に比べ、一般に低コストであり、また、接続の確実性も優れる。
【００３４】
また、角振れ角検出電極１０２とミラー３３との間の静電容量は、それらの間隔によって変化するため、その静電容量を貫通電極１０４を通じて測定することによりミラー３３の振れ角を検出することができる。検出した振れ角に応じて駆動パルス電圧を制御することにより、外乱によるミラー３３の振れ角の変動を補正できる。
【００３５】
《実施例５》  図２１は、本発明の実施例５を説明するための分解斜視図である。本実施例の光走査装置は、ミラー基板３１の裏面側にベース基板１００を、ミラー基板３１のミラー面側にカバー基板２００をそれぞれ接合し、ミラー３３の振動空間を減圧状態に封止してなるもので、接合状態の断面構造を図２２に示す。封止工法としてはハーメチックシール工法が用いられる。
【００３６】
ミラー基板３１は実施例４のものと同様のものであるが、実施例１，２又は３と同様のものでもよく、そのような態様も本発明に包含される。
【００３７】
ベース基板１００は実施例４のものと同様のものである。
【００３８】
カバー基板２００は、パイレックスガラス等の絶縁性を有する透明部材からなり、その内面側にミラー３３の振動空間を確保するための凹部２０２が形成されている。走査光は、カバー基板２００を通じてミラー基板３３のミラー面に入射し、偏向された光はカバー基板２００を通じて外部に出射される。
【００３９】
本実施例の光走査装置は、ミラー３３の振動空間２０４が封止され、外部からの塵埃等の異物の侵入が防止されるため、異物侵入による放電等の異常動作の発生が生じにくい。また、ミラー３３の振動空間を減圧することにより粘性抵抗が低下し、低い駆動電圧でミラー３３を大きな振れ角で振動させることができる。ミラー３３の振動空間２０４は大気圧以下に減圧されるが、その圧力は０．１(Torr)以上、２(Torr)以下の範囲に選ばれる。
【００４０】
本実施例の光走査装置の封止構造は、特許第２９２４２００号公報に示されているような封止構造に比べ低コストで確実な封止が可能である。
【００４１】
《基板接合方法》  前記実施例５の光走査装置の各基板の接合は、例えば、図２３に略示するような陽極装置を用いて陽極接合法により行うことができる。
【００４２】
図２３において、３５１は接合加重を制御するための重りであり、３５２は接合電圧をコントロールする電源である。３５３はヒーターであり、このヒーター３５３に流れる電流を温度制御装置３５４で制御することよって接合温度を調整する。３５５はバキュームポンプであり、装置内部を負圧に保つ。３５６は観測窓である。
【００４３】
接合工程を説明すると、まず、ミラー基板３３とカバー基板２００を重ねたものをワークＷとして陽極装置にセットし接合する。このようにしてカバー基板２００と接合された状態で、ミラー基板３１の分割溝３７を加工する。
【００４４】
次に、カバー基板２００と接合されたミラー基板３１にベース基板１００を重ねたものをワークＷとして陽極装置にセットし、例えば、加重５０ｇｆ/ｃｍ^2、装置内圧力０．１Torr〜２Torr、接合温度５００℃、接合電圧５００Ｖ×２５分の接合条件で接合する。これにより３つの基板が接合され、ミラー３３の振動空間が０．１torr〜２torrに減圧封止され、同時に、ベース基板１００の貫通電極１０６，１０８がミラー基板３１の対応部分と電気的に接続される。
【００４５】
パイレックスガラスをシリコンとの陽極接合による接合性が良好であるため、ミラー基板３１をシリコン基板で形成し、ベース基板１００とカバー基板２００をパイレックスガラスで形成するならば、基板間を良好に接合して長期間安定な封止を達成できる点で有利である。ただし、一般的には、ミラー基板３１は任意の導電性材料から、ベース基板１００は任意の絶縁性材料から、また、カバー基板２００は絶縁性かつ透明な任意の材料から形成することができる。また、前記実施例４のミラー基板とベース基板の接合も同様に陽極接続法によって行うことができることは当然である。
【００４６】
《振動空間圧力》  前記実施例１乃至４のいずれかの光走査装置（カバー基板２００のないもの）を用い、以下に述べるような実験を行った。実験には図２４に示すような評価装置を用いた。図２４において、４００は減圧容器であり、この中に評価対象の光走査装置４０２がセットされる。光走査装置４０２のミラーのミラー面にレーザ光源４０４からレーザ光ビームが照射され、ミラー面で偏向されたレーザ光ビームは光位置検出器４０６で受光される。光位置検出器４０６の検出信号は波形観測装置４０８に入力される。
【００４７】
まず、減圧容器４００の内部圧力を様々に変えて、光走査装置４０２のミラーを駆動し、光位置検出器４０６の検出信号の波形（ミラーの振動波形）を波形観測装置４０８で観測し、圧力とミラーの振れ角θ（振動波形の振幅に対応）の関係を求めた。その結果をプロットすると、図２５に示すような特性曲線が得られた。この特性曲線から分かるように、振れ角θが最大になる圧力Ｐｏがある。したがって、ミラー振動空間の圧力をＰｏ近辺とすることにより、低い駆動電圧で大きな振れ角を得ることができる。
【００４８】
このような圧力と振れ角との関係となる原因を調べるため、圧力と粘性抵抗係数との関係、圧力と駆動パルス・ミラー振動波形位相差の関係を以下のようにして調べた。
【００４９】
減圧容器４００の内部圧力を様々に変えて、光走査装置４０２のミラーを駆動し、駆動を停止した時点からのミラーの減衰振動波形（図２６参照）を波形観測装置４０８により観測し、この減衰振動波形から各圧力における粘性抵抗係数Ｃを求めた。粘性抵抗係数Ｃをプロットすると、図２７に示すような特性曲線Ｌｃが得られた。
【００５０】
減圧容器４００の内部圧力を様々に変えて、光走査装置４０２のミラーを連続的に駆動し、ミラー振動波形と駆動パルス波形とを波形観測装置４０８により観測し、各圧力における駆動パルス波形とミラー振動波形との位相差Δθを求めた（図２８参照）。求めた位相差Δθをプロットすると、図２７に示すような特性曲線Ｌθが得られた。
【００５１】
以上の実験から、
（１）Ｐｏより圧力の低い領域では、粘性抵抗係数Ｃはほぼ一定であるが、駆動パルスとミラー振動波形の位相差Δθは圧力が小さくなるに応じて大きくなる。このため振れ角が小さくなると考えられる。
（２）Ｐｏより圧力の高い領域では、圧力に関わらず位相差Δθはほぼ一定であるが、粘性抵抗係数Ｃは圧力に比例して大きくなる。これより、圧力が大きくなるにつれて、振れ角θが小さくなっていく。
【００５２】
このようなことから、図２５に示すような圧力と振れ角との関係が生じると理解される。ミラー振動空間の圧力をＰｏに設定するならば、低い駆動電圧で最大の振れ角を得ることができる。実際に設定されるミラー振動空間の最適な圧力は、ミラーの慣性モーメントと捻り梁の捻りバネ定数とによって決まる共振周波数に依存するが、一般に０．１(Torr)〜２(Torr)の範囲が適する。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の光走査装置によれば、ミラーの軽量化を図るとともに反りの発生を効果的に抑え、より安定した光走査が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光走査装置の基本構造を説明するための概略斜視図である。
【図２】ミラーの駆動原理を説明するための模式図である。
【図３】ミラー駆動パルス波形とミラー振動波形を示す波形図である。
【図４】ミラーの反り量とその抑制効果を示す図である。
【図５】曲げモーメントと断面２次モーメントを説明するための模式図である。
【図６】ミラーの断面形状の説明のための模式図である。
【図７】本発明の光走査装置におけるミラーの断面２次モーメントと捻り回転軸からの距離との典型的な関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例１を説明するための概略斜視図である。
【図９】図８のミラー基板の捻り回転軸と直交する切断線で切断した断面図である。
【図１０】図８のミラーの捻り回転軸と平行な切断線で切断した断面形状を示す模式図である。
【図１１】図８のミラーの断面２次モーメントと捻り回転軸からの距離との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例２を説明するための概略斜視図である。
【図１３】図１２のミラー基板の捻り回転軸と直交する切断線で切断した断面図である。
【図１４】図１２のミラーの捻り回転軸と平行な切断線で切断した断面形状を示す模式図である。
【図１５】図１２のミラーの断面２次モーメントと捻り回転軸からの距離との関係を示すグラフである。
【図１６】本発明の実施例３を説明するための一部破断平面図である。
【図１７】図１６のミラーの捻り回転軸と平行な切断線で切断した断面図である。
【図１８】図１６のミラーの断面２次モーメントと捻り回転軸からの距離との関係を示すグラフである。
【図１９】本発明の実施例４を説明するための分解斜視図である。
【図２０】実施例４を説明するための断面図である。
【図２１】本発明の実施例５を説明するための分解斜視図である。
【図２２】実施例５を説明するための断面図である。
【図２３】陽極装置の概略構成図である。
【図２４】ミラー振動空間の圧力に関する実験のための評価装置の構成図である。
【図２５】ミラー振動空間の圧力とミラーの振れ角との関係を示すグラフである。
【図２６】ミラーの減衰振動波形を示す波形図である。
【図２７】ミラーの振動波形と駆動パルスの位相差及び粘性抵抗係数のミラー振動空間圧力との関係を示すグラフである。
【図２８】ミラーの駆動パルスと振動波形を示す波形図である。
【符号の説明】
３１      ミラー基板
３２      捻り梁
３３      ミラー
４４      肉抜き部
５０      肉抜き部
５５      肉抜き部
５９      梁
６０      梁
１００    ベース基板
１０２    振れ角検出電極
１０４    貫通電極
１０６    貫通電極
１０８    貫通電極
２００    カバー基板
【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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【図１３】
0004285725.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0004285725.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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