(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体と、少なくとも一つの反射面を持つ支持体とは厚さの異なる可動板と、可動板と支持体とを揺動可能に連結する弾性部材とを備えており、支持体に対して可動板を揺動させるための駆動手段と共働して、可動板の反射面で反射される光ビームを走査する光スキャナーを構成する揺動体の製造方法であり、
複数の加工基板とそれらの間に介在する少なくとも一つのマスクとで構成されている積層構造体を形成する工程と、
積層構造体の主面の一方に別のマスクを形成する工程と、
これらのマスクを通して加工基板を選択的にエッチングすることにより互いに厚さの異なる支持体と可動板とを形成する工程とを有している、揺動体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、厚さの異なる複数の部分を含む三次元構造体、例えば光スキャナーに適用される揺動体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１−２４２１８０号は、半導体基板を選択的にエッチングして作製された三次元構造体いわゆる揺動体を含む光スキャナーを開示している。この光スキャナーの構成を図１８に示す。
【０００３】
図１８に示されるように、この光スキャナーは、可動板５１２とこれを取り囲む支持枠５１４と両者を連結する一対の弾性部材５１６とから成る揺動体５１０と、可動板を周回するコイル５２２と、一対の弾性部材５１６の中をそれぞれ延びる一対の配線５２４と、支持枠５１４に形成された一対の給電パッド５２６と、支持枠５１４に固定された磁石５３２とを備えている。可動板５１２には、光ビームを反射するための反射面５２８が形成されている。各配線５２４は、それぞれ、一端がコイル５２２の一方の端部に接続され、他端が一方の給電パッド５２６に接続されている。弾性部材５１６はポリイミド樹脂等の絶縁性の弾性膜で構成され、これは、可動板５１２の表面にも形成されており、コイル５２２と配線５２４の層間絶縁膜としても機能する。
【０００４】
図１８において、一対の給電パッド５２６に交流電圧を印加すると、コイル５２２に交流電流が流れる。コイル５２２に流れる電流と磁石５３２が発生する磁界との相互作用によりローレンツ力が発生する。このため、可動板５１２は弾性部材５１６の内部を通る軸の周りに偶力を受け、その向きはコイル５２２に流れる電流の方向に依存する。コイル５２２には交流電流が流れるため、可動板５１２は弾性部材５１６の内部を通る軸の周りに揺動する。可動板５１２の揺動によって、可動板５１２の反射面５２８で反射された光ビームは走査される。
【０００５】
次に、この光スキャナーの揺動体５１０の製造工程を図１９〜図２２を参照して説明する。
【０００６】
まず、図１９に示されるように、シリコン基板５４２の主面（おもて面とうら面）に窒化シリコン膜５４４を成膜した後、うら面側の窒化シリコン膜を選択的にエッチングして、可動板と支持枠を形成するためのマスク５４８を形成する。
【０００７】
次に、図２０に示されるように、シリコン基板５４２のおもて面側の窒化シリコン膜５４４の上にコイル５２２、ポリイミド膜５５２、配線５２４と給電パッド５２６、ポリイミド膜５５４、ポリイミドエッチングマスク５５６を順次形成する。配線５２４の端部はポリイミド膜５５２に形成されたビアホールを通ってコイル５２２の端部に電気的に接続されている。
【０００８】
続いて、図２１に示されるように、シリコン基板５４２のおもて面側を封止した状態で、シリコン基板５４２のうちマスク５４８に被覆されていない部分をＴＭＡＨ（Tetramethyl ammonium hydroxide）等によってうら面側からエッチングすることにより、可動板５１２と支持枠５１４を形成する。
【０００９】
さらに、ポリイミドエッチングマスク５５６を介してポリイミド膜５５２と５５４をエッチングすることにより、弾性部材５１６（図２２参照）を形成する。最後に、ポリイミドエッチングマスク５５６と残っている窒化シリコン膜５４４と５４８を除去して、図２２に示される光スキャナー用の揺動体５１０が得られる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図２２に示される光スキャナー用の揺動体５１０においては、その製造方法から分かるように、可動板５１２と支持枠５１４の厚さは必ずシリコン基板５４２の厚さと同一である。可動板５１２を小型化した場合、すなわち可動板５１２の幅Ｗや長さＡの寸法を小さくした場合、可動板５１２の体積に対するコイルの面積が相対的に減少するため、揺動体（スキャナー）の駆動効率が低下する。
【００１１】
可動板５１２の小型化に伴い、可動板５１２の幅Ｗや長さＡの寸法がシリコン基板５４２の厚さ寸法に近づくため、可動板５１２は図２３に示されるようにブロック状の形状になる。その結果、可動板の重心５６４の位置は揺動軸５６２から離れていく。つまり、可動板５１２の小型化に伴い、その重心位置の揺動軸５６２からの距離Ｄは増大していく。これは、駆動時に不要な振動モードを発生させる要因となる。
【００１２】
また、シリコンのエッチングに最も一般的に適用されるＴＭＡＨによるエッチングでは、エッチング速度がシリコンの面方位によって異なるため、作製する構造体の形状に応じてシリコンの面方位が選択される。前述の可動板の形成には面方位（１００）のウエハーが使用され、図２３に示されるように、可動板の側面にテーパーが形成される。コイルが形成される可動板の上側の面の幅ＷＬや長さＬＬは、これを形成するためのマスク５６６の幅ＷＳや長さＬＳにテーパー部の幅（長さ）ＬＴの二倍を加えた寸法に等しい。従って、ＴＭＡＨを使用するエッチングでは、上側の幅ＷＬや長さＬＬの寸法が２×ＬＴより小さい可動板を形成することはできない。
【００１３】
ＬＴの値は使用するシリコン基板の厚さに依存している。従って、小さい可動板を形成するためには薄いシリコン基板５４２を使用すればよいが、薄いシリコン基板５４２は剛性が低いため、作製時の取り扱いに対して強度不足となりやすい。また、形成される支持枠５１４の厚さは使用するシリコン基板５４２の厚さに等しいので、作製された揺動体５１０は強度の低いものとなり、その取り扱いが難しいものとなってしまう。
【００１４】
このような理由から、前述した揺動体５１０（三次元構造体）の製造方法では、非常に小さい可動板（部材）を作製することが難しい。
【００１５】
本発明の主な目的は、互いに厚さの異なる部分を一回のエッチングで形成し得る三次元構造体の製造方法を提供することである。
【００１６】
本発明の他の目的は、非常に小さい部材（例えば可動板）をウエットエッチングによって形成し得る三次元構造体（揺動体）の製造方法を提供することである。
【００１７】
本発明の別の目的は、小さい可動板を有していながらも駆動効率の高い揺動体を作製し得る揺動体の製造方法を提供することである。
【００１８】
本発明の他の目的は、小さい可動板を有していながらも不要な振動モードを発生し難い揺動体の製造方法を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、支持体と、少なくとも一つの反射面を持つ支持体とは厚さの異なる可動板と、可動板と支持体とを揺動可能に連結する弾性部材とを備えており、支持体に対して可動板を揺動させるための駆動手段と共働して、可動板の反射面で反射される光ビームを走査する光スキャナーを構成する揺動体の製造方法であり、複数の加工基板とそれらの間に介在する少なくとも一つのマスクとで構成されている積層構造体を形成する工程と、積層構造体の主面の一方に別のマスクを形成する工程と、これらのマスクを通して加工基板を選択的にエッチングすることにより互いに厚さの異なる支持体と可動板とを形成する工程とを有している。
【００２０】
最初、積層構造体の外側に設けられたマスクで覆われていない部分がエッチングされてゆき、やがて積層構造体の内部に設けられたマスクが現れ、その後は、これに覆われていない部分のみがエッチングされる。その結果、厚い部分と薄い部分とを持つ三次元構造体が形成される。薄い部分の厚さは積層構造体中のマスクの位置によって決まるため、三次元構造体の薄い部分の厚さを独立かつ高精度に制御することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００２２】
第一実施形態
本発明の第一実施形態に係る三次元構造体である光スキャナー用揺動体の製造方法について図１〜図９を参照して説明する。
【００２３】
まず、図１に示されるように、支持層１１２と埋め込み酸化膜層１１４と活性層１１６を有するＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１１０を用意し、活性層１１６と支持層１１２の外側面すなわち非接合面にそれぞれ酸化膜１２４と酸化膜１２２を形成した後、酸化膜１２４の上にレジストパターン１２６を形成する。ＳＯＩ基板１１０の活性層１１６は形成する可動板に対応する厚さを有している。
【００２４】
次に、図２に示されるように、酸化膜１２４のうちレジストパターン１２６に被覆されていない部分をバッファードフッ酸等によって除去することにより、マスク１２８を形成する。
【００２５】
続いて、レジストパターン１２６を除去した後、図３に示されるように、この構造体のマスク１２８にシリコン基板１３２を接触させ、加重を印加して両者を仮接合する。言い換えれば、マスク１２８を挟んでＳＯＩ基板１１０とシリコン基板１３２とを仮接合する。
【００２６】
この工程において、仮接合の直前に、両者の基板のシリコンが露出した部分に形成された自然酸化膜をフッ酸等によって予め除去しておくことが望ましい。接合作業は大気中で行なってもよいが、マスク１２８の形状等の影響で接合面にボイドが発生する場合には減圧雰囲気中で行なうとよい。
【００２７】
さらに、仮接合された構造体に対して酸化雰囲気中で熱処理を行なうことにより、両者を完全に接合する。さらに、熱酸化を行ない、図３に示されるように、接合された構造体の外側の面に、すなわちＳＯＩ基板１１０とシリコン基板１３２の非接合面にそれぞれ酸化膜１３６と酸化膜１３４を形成する。
【００２８】
次に、ＳＯＩ基板１１０の支持層１１２に形成された酸化膜１３４を除去する。シリコン基板１３２の非接合面に残る酸化膜１３６は、次の工程におけるエッチングの保護膜として機能する。続いて、支持層１１２をＴＭＡＨ等によって除去することにより、図４に示されるように、シリコン基板１３２と活性層１１６の間にマスク１２８が埋め込まれた構造体が得られる。つまり、二つのシリコン層とその間に介在するエッチングマスクとで構成された積層構造体が形成される。
【００２９】
次に、酸化膜１３６と埋め込み酸化膜層１１４を除去した後、シリコン基板１３２と活性層１１６の外側面すなわち非接合面にそれぞれ窒化シリコン膜１４２と窒化シリコン膜１４４を成膜する。さらに窒化シリコン膜１４４を選択的にエッチングすることにより、図５と図６に示されるように、シリコン基板１３２の非接合面にマスク１４６を形成する。
【００３０】
次に、図７に示されるように、活性層１１６側の窒化シリコン膜１４２の表面にコイル１５２、ポリイミド膜１５４、配線１５６と給電パッド１５８、ポリイミド膜１６０、ポリイミドエッチングマスク１６２を順次形成する。配線１５６の端部は、図示されていないが、ポリイミド膜１５４に形成されたビアホールを通ってコイル１５２の端部に電気的に接続されている。
【００３１】
次に、コイル１５２等が形成された面を封止し、シリコン基板１３２側の面からＴＭＡＨ等によってマスク１４６を通してエッチングを行なう。最初、マスク１４６に覆われていない部分のシリコン基板１３２がエッチングされてゆき、やがてマスク１２８が現れる。マスク１２８が現れた後は、マスク１２８に覆われていない部分の活性層１１６のみがエッチングされる。その結果、図８に示されるように、支持枠１７４と可動板１７２が形成される。
【００３２】
図８から分かるように、支持枠１７４の厚さは、シリコン基板１３２の厚さと活性層１１６の厚さを合計した値にほぼ等しく、可動板１７２の厚さは、活性層１１６の厚さにほぼ等しい。図５と図６の工程で形成された窒化シリコン膜１４２は、図８に示される工程において、エッチングによってシリコンが完全に除去された後に、コイルやポリイミド膜をエッチング液から遮蔽するエッチング停止層として機能する。
【００３３】
次に、ポリイミドエッチングマスク１６２を通してポリイミド膜１５４と１６０をエッチングすることにより、弾性部材であるねじりバネ１７６（図９参照）を形成するとともに、給電パッド１５８の部分に開口を形成する。最後に、ポリイミドエッチングマスク１６２と、可動板１７２と支持枠１７４の間に残っている窒化シリコン膜１４２と、支持枠１７４に残っている窒化シリコン膜１４６とを除去することによって、図９に示される光スキャナー用の揺動体１８０が完成する。
【００３４】
本実施形態では、エッチングマスクが間に埋め込まれた積層構造体、より詳しくは、可動板の厚さを主に決定する第一のシリコン層と、第一のシリコン層と共働して支持枠１７４の厚さを主に決定する第二のシリコン層と、それらの間に位置するエッチングマスクとで構成される積層構造体を形成し、この積層構造体に対してエッチングを行なうことにより揺動体を作製している。
【００３５】
これにより、たった一回のエッチングによって、可動板１７２と支持枠１７４が異なる厚さに形成される。つまり、可動板１７２のみが薄く形成される。これにより、ＴＭＡＨによるエッチングにおいて、可動板を非常に小さく形成することが可能になる。従って、非常に小さい可動板を持つ揺動体を容易に作製することができる。
【００３６】
また、可動板１７２のみを薄く形成できるので、通常であれば可動板の小型化に伴って生じる可動板の体積に対するコイルの面積の相対的な減少を抑えることができ、駆動効率の高いスキャナーを構成することができる。
【００３７】
さらに、可動板１７２のみを薄く形成できるので、揺動軸から可動板１７２の重心位置までの距離を小さくでき、不要な振動モードを発生し難い揺動体を得ることができる。
【００３８】
上述した本実施形態では、形成する可動板にほぼ同じ厚さのシリコン層がエッチングマスクを介して別のシリコン層と接合されている積層構造体を、図１〜図３を参照して説明したように、マスク１２８を設けたＳＯＩ基板に別のシリコン基板を接合した後、ＳＯＩ基板の支持層をエッチングにより除去することによって形成している。これは、形成する可動板とほぼ同じ厚さの単一のシリコン基板は、これを処理する工程に耐え得る十分な機械的強度を有していないためであり、このような理由から、形成する可動板とほぼ同じ厚さの活性層とその機械的強度を補う働きをする支持層とで構成されたＳＯＩ基板を用いている。
【００３９】
しかし、上述の積層構造体を形成する手法はこれに限定されるものではない。例えば、図１０に示されるように、比較的厚い二枚のシリコン基板１９２、１９４をマスク１９６を間に挟んで接合した後、一方のシリコン基板１９２を形成する可動板に相当する厚さまで研磨することにより形成してもよい。
【００４０】
第二実施形態
本明細書ではこれまでスキャナー用の揺動体を作製対象として述べてきたが、本発明の適用先はこれに限定されるものではなく、厚さの異なる部分を有している任意の三次元構造体に広く適用可能である。以下では、第二実施形態として、特開平５−２６４５７７号に開示されている加速度センサーに対する適用例について述べる。
【００４１】
この加速度センサーは、図１１に示されるように、シリコン構造体２１０と、ガラス基板２３０とから構成されている。シリコン構造体２１０は、支持枠２１２と、中央支持部２１４と、連結部２１８と、カンチレバー２１６と、可動電極２２０とを有している。ガラス基板２３０は、各々の可動電極２２０に対向する位置に形成されている固定電極２３２を有している。
【００４２】
図１１と図１２に示されるように、シリコン構造体２１０は厚さの異なる複数の部分を有しており、支持枠２１２と中央支持部２１４が最も厚く、カンチレバー２１６と連結部２１８が最も薄く、可動電極２２０はそれらの間の厚さである。
【００４３】
シリコン構造体２１０の作製方法は特開平５−２６４５７７号には記載されていないが、シリコン構造体２１０は本発明を適用することにより容易に作製することができる。以下、この作製工程について図１３〜図１７を参照して説明する。
【００４４】
まず、図１３に示されるように、第一実施形態と同様の工程を二回繰り返すことにより、シリコン基板２４２とシリコン基板２４４を、カンチレバー２１６と連結部２１８を形成するためのマスク２５２を間に挟んで接合した後、続いてシリコン基板２４４にシリコン基板２４６を、可動電極２２０を形成するためのマスク２５４を間に挟んで接合する。すなわち、シリコン基板２４２とシリコン基板２４４とシリコン基板２４６の間にそれぞれマスク２５４とマスク２５２が埋め込まれている積層構造体を形成する。
【００４５】
次に、図１３の工程で得られた積層構造体の主面（おもて面とうら面）、すなわちシリコン基板２４２の非接合面とシリコン基板２４６の非接合面にそれぞれ酸化膜２６２と酸化膜（２６６）を形成した後、図１４に示されるように、シリコン基板２４６の非接合面に形成された酸化膜を選択的に除去することにより、支持枠２１２と中央支持部２１４の形成用のマスク２６６を形成する。
【００４６】
次に、ＴＭＡＨ等によりマスク２６６を通して積層構造体をエッチングする。このエッチングでは、最初、マスク２６６を通してシリコン基板２４６の露出している部分が除去される。エッチングが進行すると、図１５に示されるように、マスク２５４が露出する。それ以降は、マスク２５４を通してシリコン基板２４４の露出している部分が除去される。
【００４７】
さらにエッチングが進行すると、図１６に示されるように、マスク２５２が露出する。それ以降は、マスク２５２を通してシリコン基板２４２の露出している部分が除去される。その結果、最終的に図１７に示される構造体が得られる。
【００４８】
最後に、酸化膜２６２とマスク２５２とマスク２５４とマスク２６６をフッ酸等で除去することにより、図１２に示されるように、複数の厚さの異なる部分を有しているシリコン構造体２１０、すなわち、最も厚い支持枠２１２と中央支持部２１４と、中間的な厚さの可動電極２２０と、最も薄い連結部２１８とカンチレバー２１６とを有しているシリコン構造体２１０が完成する。
【００４９】
このシリコン構造体２１０は、可動電極２２０の各々に対向する固定電極２３２が形成されたガラス基板２３０と接合されて、加速度センサーが完成される。
【００５０】
本実施形態では、複数のシリコン層とそれらの間に介在するエッチングマスクとで構成されている積層構造体、より詳しくは、連結部２１８とカンチレバー２１６の厚さを主に決定する第一のシリコン層と、第一のシリコン層と共働して可動電極２２０の厚さを主に決定する第二のシリコン層と、第一のシリコン層および第二のシリコン層と共働して支持枠２１２と中央支持部２１４の厚さを主に決定する第三のシリコン層と、第一のシリコン層と第二のシリコン層の間に位置するエッチングマスクと、第二のシリコン層と第三のシリコン層の間に位置するエッチングマスクとで構成される積層構造体を形成し、この積層構造体に対してエッチングすることにより、加速度センサー用のシリコン構造体２１０を作製している。
【００５１】
これにより、最も厚い支持枠２１２と中央支持部２１４と、中間的な厚さの可動電極２２０と、最も薄い連結部２１８とカンチレバー２１６とを一回のエッチングで形成することができる。従って、異なる厚さの部分を持つ三次元構造体を容易に作製することができる。
【００５２】
本実施形態においても、エッチングマスクを含む積層構造体の形成には、第一実施形態と同様、ＳＯＩ基板を利用する代わりに、二枚のシリコン基板をマスクを介して接合した後、一方のシリコン基板を適当な厚さになるまで研磨する手法を採用してもよい。シリコン基板のエッチングには、ＴＭＡＨ等によるウエットエッチング法を用いているが、酸化膜をマスクとして使用可能であれば、ドライエッチング法を用いてもよい。
【００５３】
これまで、いくつかの実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、互いに厚さの異なる部分を一回のエッチングで形成し得る三次元構造体の製造方法が提供される。また、本発明によれば、任意の部分を任意の厚さに形成できるので、非常に小さい部材をウエットエッチングによって形成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態に関する三次元構造体である光スキャナー揺動体の製造方法の最初の工程に示す側断面図である。
【図２】第一実施形態の揺動体の製造方法の図１の工程に続く工程に示す側断面図である。
【図３】第一実施形態の揺動体の製造方法の図２の工程に続く工程に示す側断面図である。
【図４】第一実施形態の揺動体の製造方法の図３の工程に続く工程に示す側断面図であり、二枚のシリコン層とそれらの間に介在する一枚のマスクとで構成される積層構造体が示されている。
【図５】第一実施形態の揺動体の製造方法の図４の工程に続く工程に示す側断面図であり、一方の主面にマスクが形成された積層構造体が図４とは上下が逆に描かれている。
【図６】図５に示されている積層構造体の部分断面斜視図であり、本図中のＳ−Ｔ線に沿った断面が図５に示されている。
【図７】第一実施形態の揺動体の製造方法の図５と図６の工程に続く工程に示す部分断面斜視図である。
【図８】第一実施形態の揺動体の製造方法の図７の工程に続く工程に示す部分断面斜視図である。
【図９】第一実施形態の揺動体の製造方法の図８の工程に続く工程に示す部分断面斜視図であり、完成品の揺動体が示されている。
【図１０】図４と図５示された積層構造体を形成するための別の工程を示す側断面図である。
【図１１】特開平５−２６４５７７号に開示されている加速度センサーの部分断面斜視図である。
【図１２】図１１に示されているシリコン構造体をガラス基板の側から見た斜視図である。
【図１３】本発明の第二実施形態である図１２に示される三次元構造体のシリコン構造体の製造方法の最初の工程を示している図であり、三枚のシリコン層とそれらの間に介在する二枚のマスクとで構成される積層構造体の部分断面斜視図である。
【図１４】本発明の第二実施形態であるシリコン構造体の製造方法の図１３の工程に続く工程を示している斜視図である。
【図１５】本発明の第二実施形態であるシリコン構造体の製造方法の図１４の工程に続く工程を示している斜視図である。
【図１６】本発明の第二実施形態であるシリコン構造体の製造方法の図１５の工程に続く工程を示している斜視図である。
【図１７】本発明の第二実施形態であるシリコン構造体の製造方法の図１６の工程に続く工程を示している斜視図であり、完成品のシリコン構造体が示されている。
【図１８】特開平１１−２４２１８０号に開示されている光スキャナーの部分断面斜視図である。
【図１９】図１８の光スキャナーに含まれる従来の揺動体の製造方法の最初の工程を示している部分断面斜視図である。
【図２０】従来の揺動体の製造方法の図１９に続く工程を示している部分断面斜視図である。
【図２１】従来の揺動体の製造方法の図２０に続く工程を示している部分断面斜視図である。
【図２２】図２１の工程の後に得られる従来の揺動体の完成品の斜視図である。
【図２３】可動板が小型化された従来の揺動体の部分断面斜視図である。
【符号の説明】
１１６  活性層
１２８  マスク
１３２  シリコン基板
１４２  窒化シリコン膜
１４６  マスク
【図１】
0004890689.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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【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】
0004890689.tif 000016
【図１６】
0004890689.tif 000017
【図１７】
0004890689.tif 000018
【図１８】
0004890689.tif 000019
【図１９】
0004890689.tif 000020
【図２０】
0004890689.tif 000021
【図２１】
0004890689.tif 000022
【図２２】
0004890689.tif 000023
【図２３】
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