(57)【要約】【課題】形状が均一で特性の揃った傍熱型感温抵抗素子を提供すること。また、前記傍熱型感温抵抗素子を用い、応答スピードが速く、高精度で機械的強度に優れた絶対湿度センサを提供すること。【解決手段】傍熱型感温抵抗素子は、基板と、該基板上に形成された絶縁膜と、該絶縁膜上に形成された感温抵抗膜と、該感温抵抗膜の周囲を取り囲む前記絶縁膜上に形成された加熱用抵抗膜と、前記感温抵抗膜と前記加熱用抵抗膜とをそれぞれ外部に電気的に導出するために前記基板上に形成された電極パッドとから構成されている。絶対湿度センサは、二つの凹部が対称に形成され、一方の凹部に貫通孔が形成されたケースと、該ケースの凹部のそれぞれに配置された前記傍熱型感温抵抗素子と、前記傍熱型感温抵抗素子を前記ケースとで閉塞する蓋部とから構成さている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に形成された絶縁膜と、該絶縁膜上に形成された感温抵抗膜と、該感温抵抗膜の周囲を取り囲む前記絶縁膜上に形成された加熱用抵抗膜と、前記感温抵抗膜と前記加熱用抵抗膜とをそれぞれ外部に電気的に導出するために前記基板上に形成された電極パッドとから構成されていることを特徴とする傍熱型感温抵抗素子。
【請求項２】
空洞部が形成された基板と、前記空洞部を覆う絶縁膜と、該絶縁膜上に形成された感温抵抗膜と、該感温抵抗膜の周囲を取り囲む前記絶縁膜上に形成された加熱用抵抗膜と、前記感温抵抗膜と前記加熱用抵抗膜とをそれぞれ外部に電気的に導出するために前記絶縁膜上、もしくは前記基板上に形成された電極パッドとから構成されていることを特徴とする傍熱型感温抵抗素子。
【請求項３】
前記感温抵抗膜が、薄膜サーミスタで形成されていることを特徴とする請求項１，２に記載の傍熱型感温抵抗素子。
【請求項４】
前記加熱用抵抗膜が、薄膜サーミスタ、若しくは白金測温抵抗体で形成されていることを特徴とする請求項１，２に記載の傍熱型感温抵抗素子。
【請求項５】
前記基板と前記電極パッドの間に下地電極層が形成されていることを特徴とする請求項１，２に記載の傍熱型感温抵抗素子。
【請求項６】
前記絶縁膜と前記感温抵抗膜、及び前記加熱用抵抗膜との間に櫛歯状電極が形成されたことを特徴とする請求項１，２に記載の傍熱型感温抵抗素子。
【請求項７】
前記感温抵抗膜と前記加熱用抵抗膜上に絶縁保護膜が形成され、該絶縁保護膜上にガラス保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１，２に記載の傍熱型感温抵抗素子。
【請求項８】
請求項１乃至７に記載の傍熱型感温抵抗素子を用いて構成される絶対湿度センサにおいて、二つの凹部が対称に形成され、一方の凹部に貫通孔が形成されたケースと、該ケースの凹部のそれぞれに配置された前記傍熱型感温抵抗素子と、前記傍熱型感温抵抗素子を前記ケースとで閉塞する蓋部とから構成さていることを特徴とする絶対湿度センサ。
【請求項９】
請求項１乃至７に記載の傍熱型感温抵抗素子を用いて構成される絶対湿度センサにおいて、二つの凹部が対称に形成されたケースと、該ケースの凹部のそれぞれに配置された前記傍熱型感温抵抗素子と、一つの凹部を密封する蓋部とから構成さていることを特徴とする絶対湿度センサ。
【請求項１０】
請求項１乃至７に記載の傍熱型感温抵抗素子を用いて構成される絶対湿度センサにおいて、貫通孔が形成されたメタルＣＡＮと密閉されたメタルＣＡＮとが熱的に結合されたケースと、前記二つのメタルＣＡＮの内部にそれぞれ配置された前記傍熱型感温抵抗素子とから構成されていることを特徴とする絶対湿度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子レンジなどの調理器具や、空調機器や各種産業機器などの絶対湿度の計測を行うために使用される絶対湿度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子レンジにおいては、マイクロ波加熱によって食品から発生する水蒸気に基づく加熱室内の湿度の変化を測定することによって、食品の加熱仕上がりを検出する。例えば、このような目的に使用する仕上がり検知センサのひとつとして、特開平９−３２５１２６号公報によって開示された絶対湿度センサがある。このセンサは、図１１に示すように、上面が平坦な躯体中に二つの凹部１Ｂ，１Ｃを対称に形成し、一方の凹部１Ｂに上面に対して貫通した開口部１Ｄを設けた均熱ケース１Ａに対して、カバー１Ｊを、それぞれの鍔部を接合して一体化するとともに、自己加熱型の二つの感温素子１Ｅ，１Ｆを、基板１Ｐを貫通して設けた二つの端子１Ｑの先端間に接続して支持し、一方の感温素子１Ｅを開口部を有する凹部１Ｂに基板を介して封止して感湿素子を形成し、他方の感温素子１Ｆを他方の凹部１Ｃに基板を介して封止して温度補償素子を形成して構成されている。この絶対湿度センサを構成する感温素子１Ｅ，１Ｆは、予め抵抗選別されて特性の揃ったサーミスタを用いることが開示されている（特開平９−３２５１２６号公報５頁［００４１］）。この絶対湿度センサは、感温素子１Ｅ，感温素子１Ｆをそれぞれ自己発熱させて、感温素子１Ｅが水蒸気量に応じた熱伝導の変化を検知し、他方で感温素子１Ｆが密閉された空間の熱伝導を補償して、二つの感温素子の電圧変化量の差分を絶対湿度に換算するものである。
【０００３】
また、他方で本出願人が検討した図１２に示した傍熱型の絶対湿度センサがある。この傍熱型の絶対湿度センサは、基板７１ａにサーミスタ膜７２ａを形成し、そのサーミスタ膜７２ａの周囲に白金測温抵抗体膜７３ａを形成し、ワイヤー７４ａによって金属フレーム７５ａとサーミスタ膜７２ａ，白金測温抵抗体膜７３ａとを電気的に接続して中空に釣った状態でガラス管７６ａによって密封したものと、基板７１ｂにサーミスタ膜７２ｂを形成し、そのサーミスタ膜７２ｂの周囲に白金測温抵抗体膜７３ｂを形成し、ワイヤー７４ｂによって金属フレーム７５ｂとサーミスタ膜７２ｂ，白金測温抵抗体膜７３ｂとを電気的に接続して中空に釣った状態で開口部７７ｂが形成されたガラス管７６ｂによって封入したものとで構成されている。本出願人が検討した傍熱型の絶対湿度センサは、それぞれの白金測温抵抗体膜７３ａ、７３ｂとを共に自己加熱させて、開口部７７ｂが形成されたガラス管７６ｂ内の白金測温抵抗体膜７３ｂからの熱伝導によって加熱されたサーミスタ膜７２ｂが水蒸気量に応じた熱伝導の変化を検知し、他方の密封されたガラス管７６ａ内の白金測温抵抗体膜７３ａの熱伝導によって加熱されたサーミスタ膜７２ａが空間の熱伝導を補償して、二つのサーミスタ膜７２ａ、７２ｂの電圧変化量の差分を絶対湿度に換算するものである。
【特許文献１】特開平９−３２５１２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の特開平９−３２５１２６号公報に開示された絶対湿度センサは、予め抵抗選別されて特性の揃った感温素子１Ｅ，１Ｆを用意する必要があり、工数がかかってしまう。更に、抵抗選別された感温素子１Ｅ，１Ｆでも、形状（体積、表面積）のばらつきによってそれぞれ熱放散定数にばらつきが生じ、出来上がった絶対湿度センサの検知精度のばらつきを生じる問題がある。また、図１１から分かるとおり、感温素子１Ｅ，１Ｆは、二つの端子１Ｑの先端間に接続されて中空に支持されているため電機的接続の難しさや外部からの振動による機械的強度が問題となる。
【０００５】
また、本出願人が検討した図１２の傍熱型の絶対湿度センサも感温素子が中空に支持されているため電気的接続の難しさや外部からの振動による機械的強度が問題となる。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、形状が均一で特性の揃った傍熱型感温抵抗素子を提供することを目的とする。また、前記傍熱型感温抵抗素子を用い、応答スピードが速く高精度で機械的強度に優れた絶対湿度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１に係わる発明は、基板と、該基板上に形成された絶縁膜と、該絶縁膜上に形成された感温抵抗膜と、該感温抵抗膜の周囲を取り囲む前記絶縁膜上に形成された加熱用抵抗膜と、前記感温抵抗膜と前記加熱用抵抗膜とをそれぞれ外部に電気的に導出するために前記基板上に形成された電極パッドとから構成されている傍熱型感温抵抗素子である。
【０００８】
本発明の請求項２に係わる発明は、空洞部が形成された基板と、前記空洞部を覆う絶縁膜と、該絶縁膜上に形成された感温抵抗膜と、該感温抵抗膜の周囲を取り囲む前記絶縁膜上に形成された加熱用抵抗膜と、前記感温抵抗膜と前記加熱用抵抗膜とをそれぞれ外部に電気的に導出するために前記絶縁膜上、もしくは前記基板上に形成された電極パッドとから構成されている傍熱型感温抵抗素子である。
【０００９】
本発明の請求項３に係わる発明は、前記感温抵抗膜が、薄膜サーミスタで形成されている請求項１，２に記載の傍熱型感温抵抗素子である。
【００１０】
本発明の請求項４に係わる発明は、前記加熱用抵抗膜が、薄膜サーミスタ、若しくは白金測温抵抗体で形成されている請求項１，２に記載の傍熱型感温抵抗素子である。
【００１１】
本発明の請求項５に係わる発明は、前記基板と前記電極パッドの間に下地電極層を形成されている請求項１，２に記載の傍熱型感温抵抗素子である。
【００１２】
本発明の請求項６に係わる発明は、前記絶縁膜と前記感温抵抗膜、及び前記加熱用抵抗膜との間に櫛歯状電極が形成された請求項１，２に記載の傍熱型感温抵抗素子である。
【００１３】
本発明の請求項７に係わる発明は、前記感温抵抗膜と前記加熱用抵抗膜上に絶縁保護膜が形成され、該絶縁保護膜上にガラス保護膜が形成されている請求項１，２に記載の傍熱型感温抵抗素子である。
【００１４】
本発明の請求項８に係わる発明は、請求項１乃至７に記載の傍熱型感温抵抗素子を用いて構成される絶対湿度センサにおいて、二つの凹部が対称に形成され、一方の凹部に貫通孔が形成されたケースと、該ケースの凹部のそれぞれに配置された前記傍熱型感温抵抗素子と、前記傍熱型感温抵抗素子を前記ケースとで閉塞する蓋部とから構成さている絶対湿度センサである。
【００１５】
本発明の請求項９に係わる発明は、請求項１乃至７に記載の傍熱型感温抵抗素子を用いて構成される絶対湿度センサにおいて、二つの凹部が対称に形成されたケースと、該ケースの凹部のそれぞれに配置された前記傍熱型感温抵抗素子と、一つの凹部を密封する蓋部とから構成さている絶対湿度センサである。
【００１６】
本発明の請求項１０に係わる発明は、請求項１乃至７に記載の傍熱型感温抵抗素子を用いて構成される絶対湿度センサにおいて、貫通孔が形成されたメタルＣＡＮと密閉されたメタルＣＡＮとが熱的に結合されたケースと、前記二つのメタルＣＡＮの内部にそれぞれ配置された前記傍熱型感温抵抗素子と、から構成されている絶対湿度センサである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の傍熱型感温抵抗素子は、基板上の同一平面上に感温抵抗膜の周囲を取り囲むようにして加熱用抵抗膜を形成することで熱分布を均一化させ、応答スピードを向上させることが出来る。
【００１８】
本発明の傍熱型感温抵抗素子は、基板上にスパッタ法で薄膜サーミスタを同時に多数形成するので、相互の薄膜サーミスタの抵抗値ばらつきを少なくすることができ、ペアリングの工数を削減し、コストダウンすることが出来る。
【００１９】
本発明の傍熱型感温抵抗素子は、相互の感温抵抗素子の形状が均一なので熱放散定数を揃えることができ、検知精度が向上する。
【００２０】
本発明の傍熱型感温抵抗素子は、加熱用抵抗膜に感温抵抗膜と同じ薄膜サーミスタを用いることにより、材料点数が少なくなり、工数削減が実現できる。
【００２１】
本発明の傍熱型感温抵抗素子は、感温抵抗膜と加熱用抵抗膜が形成された基板の裏面を薄く形成することで熱容量を小さくし、検知感度を向上させることが出来る。
【００２２】
本発明の傍熱型感温抵抗素子は、絶縁膜と感温抵抗膜、及び加熱用抵抗膜との間に櫛歯状電極を形成することにより、抵抗調整が容易にできる。
【００２３】
本発明の絶対湿度センサは、ケース内に感温素子を中空に配置すること無しに基板上に検知部を形成するので、機械的強度を向上させることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に係る傍熱型感温抵抗素子の第１実施態様を図１〜図６を参照して説明する。図１は本発明の傍熱型感温抵抗素子の第１の実施形態の外観を示す上面図である。図２〜図６は、図１に示した傍熱型感温抵抗素子の薄膜形成工程の一実施形態を示す図である。図２において、基板１は、１．０ｍｍ角で、厚さが５０〜３００μｍ程度のアルミナ基板からなる。次に、基板１の一表面上にスパッタ法、プラズマＣＶＤ法などを用いて二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等からなる絶縁被膜層が、厚さ０．１〜０．５μｍに成膜される。そしてフォトエッチング法を用いてパターニングし、基板１上に絶縁膜２が形成される。絶縁膜２は、熱処理時に後述する感温抵抗膜、及び加熱用抵抗膜と基板１との化学反応を防止して傍熱型感温抵抗素子としての安定な電気的特性を得るために必要なものである。
【００２５】
次に、図３に示すように、外部へ電気的に導出するための電極パッドを形成するための金属下地膜形成の工程に進む。基板１上にスパッタリングまたは蒸着等の方法によって、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、Ｎｉ−Ｃｒ合金の少なくとも一種からなる金属薄膜層が形成される。続いて、フォトエッチング法によって、積層された前記金属薄膜層の不要部分を除去して、金属下地膜３ａ、３ｂが形成される。
【００２６】
続いて、図４に示すように、電極パッド３ａ，３ｂと前記絶縁膜２上に感温抵抗膜となる薄膜サーミスタ、及び加熱用抵抗膜となる薄膜サーミスタと電気的に接続するための配線パターンを形成する工程に進む。まず、絶縁膜２と金属下地膜３ａ、３ｂ上に、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）またはパラジウム合金等の少なくとも一種からなる金属薄膜層を成膜する。前記金属薄膜層を成膜後、フォトエッチング法によって、前記金属薄膜層の不要部分を除去して、金属下地膜３ａ、３ｂ上に電極パッド３ｃ、３ｄがそれぞれ形成され、電極パッド３ｃから延びる絶縁膜２上に対向する櫛型の電極４ａが、電極パッド３ｄから延びる絶縁膜２上に対向する電極４ｂが形成される。
【００２７】
続いて、図５に示すように、感温抵抗膜、及び加熱用抵抗膜を形成する工程へ進む。前工程で形成された絶縁膜２と櫛型の電極４ａと電極４ｂとを覆うように、スパッタ法などによって、０．３〜２．０μｍの厚さに薄膜サーミスタを成膜し、パターニング法を用いて絶縁膜２上に感温抵抗膜となる薄膜サーミスタ５、および加熱用抵抗膜となる薄膜サーミスタ６が形成される。加熱用抵抗膜６は、感温抵抗膜を取り囲むように成膜されている。その後、薄膜サーミスタ５，６は４００〜１２００℃の温度で１〜５時間の熱処理が行われる。成膜される薄膜サーミスタは、マンガン、ニッケル、コバルト、鉄などからなる複合酸化物の焼結体をターゲットとして、スパッタリング法を用いる。
【００２８】
続いて、図６に示すように、絶縁保護膜と後述するガラス保護膜を形成する工程に進む。まず、０．５〜２．０μｍの二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等からなる絶縁保護膜７を感温抵抗膜、及び加熱用抵抗膜上に形成する。絶縁保護膜７は、ガラス保護膜と薄膜サーミスタ５，６との反応を防止する目的で成膜させている。さらに、薄膜サーミスタ５，６に対する耐湿性を向上させるために絶縁保護膜７上にガラスペーストをスクリーン印刷等の手段で塗布した後、４００〜８００℃で熱処理してガラス保護膜８を形成する。
【００２９】
なお、本発明の傍熱型感温抵抗素子の基板には、アルミナ基板を用いたが、シリコン基板でもよく、図７に示すように、感温抵抗膜５と加熱用抵抗膜６が形成された絶縁膜の裏面を公知のエッチング技術を用いて空洞部９を形成しても良い。基板１に空洞部９を形成した傍熱型感温抵抗素子は、感温抵抗膜５、及び加熱用抵抗膜６が成膜された基板部の熱容量が減少し、応答スピードが向上する。また、アルミナ基板でも切削などの方法で空洞部をつくり、感温抵抗膜５、及び加熱用抵抗膜６が成膜された基板部の熱容量を減少させ応答スピードを向上させても良い。またアルミナ基板以外には、窒化アルミニウム、ジルコニア、石英、ムライト、ステアタイト等のセラミック基板でもよい。また、加熱用抵抗膜６は、薄膜サーミスタを形成したが、白金測温抵抗体や、ニクロム抵抗体などの金属抵抗膜を形成して加熱用抵抗膜としてもよい。
【００３０】
上記した傍熱型感温抵抗素子は、ひとつの傍熱型感温抵抗素子の構造を示したものである。実際は基板上に上記構造を有する傍熱型感温抵抗素子が多数配列された傍熱型感温抵抗素子集合基板が形成され、個々の傍熱型感温抵抗素子に切断分離するために、ダイシングテープ等に貼着してからレーザースクライブ装置またはダイシングソー等を用いて切断する。このようにして図１に示すような個々の傍熱型感温抵抗素子が完成する。分割されたそれぞれの傍熱型感温抵抗素子は、同一バッチで製造されるので抵抗値ばらつきが少なくでき、ペアリングの工数を削減し、量産化を可能とすることが出来る。
【００３１】
次に絶対湿度センサを組み立てる。先ず、図８に示すメタルＣＡＮに前述した本発明の傍熱型感温抵抗素子を配置した絶対湿度センサの組み立て方法を説明する。図８（ｂ）は、図８（ａ）のＹ−Ｙで切り取られる断面図である。図８（ａ），（ｂ）において、貫通孔２１ａが形成されたメタルＣＡＮ２１Ａと密閉されたメタルＣＡＮ２１Ｂとが熱的に結合されたケース２０と、前記二つのメタルＣＡＮ２１Ａ、２１Ｂの内部にそれぞれ配置された前記傍熱型感温抵抗素子Ｓ１、Ｓ２と、から構成されている。組み立て手順は、先ずメタルＣＡＮ２１Ａ、２１Ｂのそれぞれのステム２２Ａ、２２Ｂに傍熱型感温抵抗素子Ｓ１、Ｓ２それぞれを樹脂系の接着剤で接着固定し、ワイヤボンディングにより感温抵抗膜を電気的に導出する電極パッド、及び加熱用抵抗膜を電気的に導出する電極パッドとステムのリード３０とを電気的に接続する。次にキャップ２３Ａ、２３Ｂとステム２２Ａ、２２Ｂとをそれぞれ接着し、キャップ２３Ａとキャップ２３Ｂとを接着剤などで熱的に結合させて、絶対湿度センサＨＳ１が完成する。
【００３２】
また、メタルＣＡＮを用いる代わりに、図９に示すようにセラミックパッケージに傍熱型感温抵抗素子を配置し絶対湿度センサＨＳ２を組み立てても良い。図９（ｂ）は、蓋部５２を取り除いた際の上面図であり、図９（ｃ）は、図９（ａ）のＺ−Ｚで切り取られる絶対湿度センサの断面図である。図９（ａ），（ｂ），（ｃ）において、対称に作られた凹部５１ａが形成された筐体部品５１と、貫通孔５２ａと２つの空間を形成するために仕切り部５２ｂが形成された蓋部５２と、傍熱型感温抵抗素子Ｓ１，Ｓ２とから構成されている。傍熱型感温抵抗素子Ｓ１，Ｓ２は、図に示すようにひとつの基板１の上に形成されている。組み立て手順は、先ず筐体部品５１の凹部５１ａに傍熱型感温抵抗素子Ｓ１、Ｓ２の基板１を樹脂系の接着剤で接着固定し、ワイヤボンディングにより感温抵抗膜を電気的に導出する電極パッド３ｃ、及び加熱用抵抗膜を電気的に導出する電極パッド３ｄと取り出し電極５３とをそれぞれ電気的に接続する。次に蓋部５２を筐体部品５１に接着剤で接着固定し、絶対湿度センサＨＳ２が完成する。なお、図９においては、傍熱型感温抵抗素子Ｓ１、Ｓ２がひとつの基板上に形成したが、基板を分離した傍熱型感温抵抗素子Ｓ１、Ｓ２であってもよい。その際には、蓋部５２の仕切り部５２ｂが、筐体部品５１まで到達し、Ｓ２を密閉させる構造となる。
【００３３】
次に、絶対湿度センサの出力特性を開示する。図１０（ａ）に示すように回路を接続し、本発明の絶対湿度センサＨＳ１と、従来の絶対湿度センサ（図１１）の出力電圧を計測した。大気温度２５℃で、相対湿度０％のときの絶対湿度センサの出力をオフセットし、絶対湿度２０．７５ｇ／ｍ＾３の出力をプロットした結果が図１０（ｂ）である。図１０（ｂ）から分かるとおり、本発明の絶対湿度センサのほうが、約４倍の出力電圧が計測され、検出感度が向上することができた。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、電子レンジなどの調理器具や、空調機器や各種産業機器などの絶対湿度の計測を行うために使用される絶対湿度センサに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係わる傍熱型感温抵抗素子を説明する図である。
【図２】本発明に係わる傍熱型感温抵抗素子の製造過程を説明する図である。
【図３】本発明に係わる傍熱型感温抵抗素子の製造過程を説明する図である。
【図４】本発明に係わる傍熱型感温抵抗素子の製造過程を説明する図である。
【図５】本発明に係わる傍熱型感温抵抗素子の製造過程を説明する図である。
【図６】本発明に係わる傍熱型感温抵抗素子の製造過程を説明する図である。
【図７】本発明に係わる傍熱型感温抵抗素子の他の例を説明する図である。
【図８】本発明に係わる絶対湿度センサを説明する図である。
【図９】本発明に係わる絶対湿度センサの他の例を説明する図である。
【図１０】絶対湿度センサの出力特性を測定した回路図、及び特性図である。
【図１１】従来の絶対湿度センサを説明する図である。
【図１２】従来の絶対湿度センサの他の例を説明する図である。
【符号の説明】
【００３６】
Ｓ１，Ｓ２  傍熱型感温抵抗素子
１  基板
２  絶縁膜
３ｃ，３ｄ  電極パッド
４ａ，４ｂ  櫛歯状電極
５  感温抵抗膜
６  加熱用抵抗膜
７  絶縁保護膜
８  ガラス保護膜
ＨＳ１、ＨＳ２  絶対湿度センサ
【図１】
2009168649.tif 000003
【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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