(57)【要約】【課題】第１電極部と第２電極部とが接触するのを抑制しながら、電極に誘導された電荷がスペーサ（凸部）を介して放電してしまうのを抑制することが可能な静電動作装置を提供する。【解決手段】この静電動作装置１は、集電電極２２を含む可動電極部２０と、可動電極部２０の電極２２と対向するように配置されたエレクトレット膜１２を含む固定電極部１０と、固定電極部１０から可動電極部２０側に突出するように設けられたスペーサ１１ａと、スペーサ１１ａの少なくとも側面１１ｂを覆うように形成されたエレクトレット膜１２ａとを備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を含む第１電極部と、
前記第１電極部の電極と対向するように配置されたエレクトレット膜を含む第２電極部と、
前記第２電極部から前記第１電極部側に突出するように設けられた凸部と、
前記凸部の少なくとも側面を覆うように形成された絶縁層とを備えた、静電動作装置。
【請求項２】
前記凸部は、前記第１電極部と前記第２電極部とを所定の間隔以上に隔てるためのスペーサを含む、請求項１に記載の静電動作装置。
【請求項３】
前記エレクトレット膜の上面を部分的に覆うように形成された導電体層をさらに備える、請求項１または２に記載の静電動作装置。
【請求項４】
前記絶縁層は、前記エレクトレット膜を構成する膜からなり、前記エレクトレット膜と一体的に形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の静電動作装置。
【請求項５】
前記エレクトレット膜の上面を部分的に覆うように形成された導電体層をさらに備え、
前記導電体層は、前記凸部を覆う前記絶縁層としてのエレクトレット膜の上面を平面的に見て部分的に覆うように形成されている、請求項４に記載の静電動作装置。
【請求項６】
前記凸部は、前記第２電極部側の部分の幅よりも前記第１電極部側の部分の幅の方が細くなるような形状を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の静電動作装置。
【請求項７】
前記凸部を覆う絶縁層の前記第１電極部側の端部は、曲面形状を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の静電動作装置。
【請求項８】
前記絶縁層の硬度は、前記凸部の硬度よりも高い、請求項１〜７のいずれか１項に記載の静電動作装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電動作装置に関し、特に、エレクトレット膜を備えた静電動作装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エレクトレット膜を備えた静電動作装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、第１基板および第１基板の表面上に設けられた導電性部材（電極）を含む第１電極部と、第２基板および第２基板の第１基板側の表面上に設けられたエレクトレットを含む第２電極部とを備えた静電動作装置が開示されている。この静電動作装置では、第２電極部に対して第１電極部を移動させることにより、エレクトレットにより導電性部材に静電誘導された電荷の量を変化させる。これにより、第１電極部と第２電極部との間に接続された回路に電流を流すことが可能である。しかしながら、上記特許文献１では、第１電極部と第２電極部とが接触することにより、導電性部材およびエレクトレットなどが破損してしまう場合があるという不都合がある。
【０００４】
そこで、上記不都合を解決するために、第１電極部と第２電極部とを所定の間隔に隔てるためのスペーサ（凸部）を設けることも考えられる。
【０００５】
【特許文献１】特表２００５−５２９５７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記スペーサを設ける構造では、第１電極部の導電性部材（電極）とスペーサ（凸部）とが接触してしまう場合がある。この場合、導電性部材（電極）に誘導された電荷がスペーサ（凸部）を介して放電してしまう場合があるという問題点がある。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、第１電極部と第２電極部とが接触するのを抑制しながら、電極に誘導された電荷がスペーサ（凸部）を介して放電してしまうのを抑制することが可能な静電動作装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の一の局面による静電動作装置は、電極を含む第１電極部と、第１電極部の電極と対向するように配置されたエレクトレット膜を含む第２電極部と、第２電極部から第１電極部側に突出するように設けられた凸部と、凸部の少なくとも側面を覆うように形成された絶縁層とを備えている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による静電動作装置１の断面図である。図２は、図１の１００−１００線に沿った断面図である。図３は、図２の固定電極部の平面図である。
【００１１】
この第１実施形態による静電動作装置１は、図１および図２に示すように、固定電極部１０とＡ方向（図２の紙面垂直方向）に振動可能な可動電極部２０とが所定の間隔を隔てて対向するように配置されている。なお、固定電極部１０および可動電極部２０は、それぞれ、本発明の「第２電極部」および「第１電極部」の一例である。
【００１２】
また、図１に示すように、固定電極部１０では、シリコン（Ｓｉ）からなる基板１１の表面上に、約１００μｍ〜約１０００μｍの厚みを有するシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなるエレクトレット膜１２が形成されている。また、エレクトレット膜１２は、コロナ放電により全面に負電荷が注入されることによって電荷が全体的に分布されて約−２０Ｖ〜約−２０００Ｖの電位に調整されている。また、第１実施形態では、図２に示すように、可動電極部２０と固定電極部１０とを所定の間隔以上に隔てるための一対のスペーサ１１ａが、基板１１の可動電極部２０側の表面から突出するように形成されている。このスペーサ１１ａは、図３に示すように、Ａ方向（可動電極部２０の振動方向）と直交するＢ方向の両端の近傍の位置にＡ方向に連続的に延びるように形成されている。また、スペーサ１１ａは、シリコンからなる基板１１と一体的に形成されている。スペーサ１１ａは、約１μｍ〜約１００μｍの高さＨ１と約１００μｍ〜約１００００μｍの幅Ｗ１とを有する。また、エレクトレット膜１２は、スペーサ１１ａの側面１１ｂを覆うエレクトレット膜１２ａを含んでいる。また、スペーサ１１ａの上面１１ｃは、エレクトレット膜１２により覆われずに露出している。なお、エレクトレット膜１２（エレクトレット膜１２ａ）は、約１００μｍ〜約１０００μｍの厚みを有する。また、エレクトレット膜１２の表面上には、アルミニウム（Ａｌ）またはタングステン（Ｗ）からなるガード電極１３が櫛歯状（図３参照）に複数形成されている。また、この複数のガード電極１３は、図３に示すように、Ａ方向に約１００μｍ〜約１０００μｍの間隔Ｄ１を隔てて、一対のスペーサ１１ａ間の領域にＢ方向に延びるように形成されている。このガード電極１３は、約０．０５μｍ〜約１μｍの厚みと約１００μｍ〜約１０００μｍの幅Ｗ２とを有する。なお、スペーサ１１ａ、エレクトレット膜１２ａおよびガード電極１３は、それぞれ、本発明の「凸部」、「絶縁層」および「導電体層」の一例である。
【００１３】
また、図１に示すように、可動電極部２０側では、絶縁性のガラスからなる可動基板２１の下面上には、ＡｌまたはＷからなる複数の集電電極２２が櫛歯状に形成されている。この複数の集電電極２２は、Ａ方向に約１００μｍ〜約１０００μｍの間隔Ｄ２を隔ててＢ方向に延びるように形成されている。また、集電電極２２は、約０．０５μｍ〜約１μｍの厚みと約１００μｍ〜約１０００μｍの幅Ｗ３とを有する。なお、集電電極２２が形成される間隔Ｄ２は、ガード電極１３の幅Ｗ２以下である。この集電電極２２は、可動基板２１がＡ方向に振動することにより、固定電極部１０の一対のスペーサ１１ａの間の領域を振動するように構成されている。なお、集電電極２２は、本発明の「電極」の一例である。
【００１４】
また、静電動作装置１は、発電された電力を整流するためのブリッジ整流回路２と、直流電流の電圧を変えるためのＤＣ−ＤＣコンバータ３とを備えている。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ３には、静電動作装置１によって発電された電力により駆動される負荷４が接続されている。また、ブリッジ整流回路２の端子２ａおよびガード電極１３は、接地されている。また、ブリッジ整流回路２の端子２ｂは、集電電極２２に接続されている。また、ブリッジ整流回路２の端子２ｃは、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の端子３ａと接続されている。また、ブリッジ整流回路２の端子２ｄは、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の端子３ｂと接続されるとともに、接地されている。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の端子３ｃは、負荷４の端子４ａと接続されているとともに、負荷４の端子４ｂは、接地されている。
【００１５】
第１実施形態では、上記のように、スペーサ１１ａの側面１１ｂを覆うように形成されたエレクトレット膜１２ａを設けることによって、電荷が誘導された集電電極２２とシリコン（Ｓｉ）からなるスペーサ１１ａとが誤って接触しようとした場合にも、集電電極２２とＳｉＯ２からなる絶縁性のエレクトレット膜１２ａとを接触させることができる。これにより、可動電極部２０の集電電極２２とスペーサ１１ａとが接触するのを抑制することができる。その結果、集電電極２２に誘導された電荷がスペーサ１１ａを介して放電してしまうのを抑制することができる。
【００１６】
また、第１実施形態では、上記のように、スペーサ１１ａの側面１１ｂをエレクトレット膜１２ａにより覆うことによって、スペーサ１１ａの側面１１ｂを覆う絶縁層を別途形成する場合と異なり、構造を簡素化することができる。
【００１７】
また、第１実施形態では、上記のように、スペーサ１１ａの側面１１ｂを覆うエレクトレット膜１２ａをスペーサ１１ａの材料であるシリコン（Ｓｉ）よりも硬度の高いシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）により形成することにより、集電電極２２がスペーサ１１ａに接触しようとした場合に、スペーサ１１ａよりも硬度の高いエレクトレット膜１２ａと集電電極２２とを接触させることができる。これにより、スペーサ１１ａと集電電極２２とが接触する場合と異なり、集電電極２２との接触による衝撃に起因してスペーサ１１ａの機械的破損が生じるのを抑制することができる。
【００１８】
また、第１実施形態では、上記のように、固定電極部１０と可動電極部２０とを所定の間隔以上に隔てるためのスペーサ１１ａを設けることによって、固定電極部１０と可動電極部２０とが接触するのを抑制することができる。これにより、固定電極部１０と可動電極部２０とが接触することに起因するガード電極１３および集電電極２２などの機械的破損が生じるのを抑制することができる。
【００１９】
また、第１実施形態では、上記のように、エレクトレット膜１２の上面を櫛歯状のガード電極１３により覆うことによって、エレクトレット膜１２のガード電極１３により覆われていない領域から出る電気力線がエレクトレット膜１２のガード電極１３により覆われた領域の上方に広がるのを抑制することができる。これにより、エレクトレット膜１２のガード電極１３により覆われていない領域の電界強度と、エレクトレット膜１２のガード電極１３により覆われた領域の電界強度との差を大きくすることができる。これにより、可動電極部２０の振動に伴って集電電極２２に誘導された電荷の移動量を大きくすることができるので、発電量を大きくすることができる。
【００２０】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態による静電動作装置１０１の断面図である。この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、スペーサ１１１ａをテーパー形状を有するように形成した例を説明する。
【００２１】
第２実施形態による静電動作装置１０１は、固定電極部１１０と、図４の紙面垂直方向に振動可能な可動電極部２０とが対向するように配置されている。なお、固定電極部１１０は、本発明の「第２電極部」の一例である。
【００２２】
また、図４に示すように、シリコン（Ｓｉ）からなる基板１１１の表面上に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなるエレクトレット膜１１２が形成されている。また、第２実施形態では、図４に示すように、スペーサ１１１ａが基板１１１の可動電極部２０側の表面から突出するように形成されている。また、スペーサ１１１ａは、固定電極部１１０側から可動電極部２０側にかけて次第に細くなるようなテーパー形状を有する。また、スペーサ１１１ａは、垂直方向に対して約２０度〜５０度傾いたテーパー角θを有する。スペーサ１１１ａの根元部分の幅Ｗ４および先端部分の幅Ｗ５は、約１００μｍ〜約１００００μｍであり、かつ、Ｗ５＜Ｗ４である。また、エレクトレット膜１１２は、スペーサ１１１ａの側面１１１ｂを覆うエレクトレット膜１１２ａを含んでいる。また、スペーサ１１１ａの上面１１１ｃは、エレクトレット膜１１２により覆われずに露出している。なお、スペーサ１１１ａおよびエレクトレット膜１１２ａは、それぞれ、本発明の「凸部」および「絶縁層」の一例である。また、静電動作装置１０１の上記した構成以外の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００２３】
第２実施形態では、上記のように、スペーサ１１１ａを、固定電極部１１０側の部分の幅Ｗ４よりも可動電極部２０側の部分の幅Ｗ５が細くなるようなテーパー形状に形成することによって、集電電極２２がスペーサ１１１ａの側面１１１ｂを覆うエレクトレット膜１１２ａに接触した場合に、集電電極２２がエレクトレット膜１１２ａに引っ掛かるのを抑制することができる。これにより、集電電極２２を滑らかに振動させることができる。
【００２４】
第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００２５】
（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態による静電動作装置２０１の断面図である。この第３実施形態では、上記第１実施形態と異なり、スペーサ２１１ａを覆うエレクトレット膜２１２の可動電極部２０側の端部が曲面形状を有するように形成した例を説明する。
【００２６】
第３実施形態による静電動作装置２０１は、固定電極部２１０と、図５の紙面垂直方向に振動可能な可動電極部２０とが対向するように配置されている。なお、固定電極部２１０は、本発明の「第２電極部」の一例である。
【００２７】
また、図５に示すように、シリコン（Ｓｉ）からなる基板２１１の表面上に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなるエレクトレット膜２１２が形成されている。また、第３実施形態では、スペーサ２１１ａが、基板２１１の可動電極部２０側の表面から突出するように形成されている。また、エレクトレット膜２１２は、スペーサ２１１ａの側面２１１ｂを覆うエレクトレット膜２１２ａを含んでいる。第３実施形態では、スペーサ２１１ａの側面２１１ｂを覆うエレクトレット膜２１２ａの可動電極部２０側の端部２１２ｂおよびスペーサ２１１ａの根元部分２１１ｃは曲面形状を有する。この端部２１２ｂおよび根元部分２１１ｃのそれぞれの曲率半径Ｒ１およびＲ２は、約０．１μｍ〜約１μｍである。また、エレクトレット膜２１２の上面上には、ガード電極１３が複数形成されている。なお、スペーサ２１１ａおよびエレクトレット膜２１２ａは、それぞれ、本発明の「凸部」および「絶縁層」の一例である。静電動作装置２０１の上記した構成以外の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００２８】
第３実施形態では、上記のように、スペーサ２１１ａの側面２１１ｂを覆うエレクトレット膜２１２ａの可動電極部２０側の端部２１２ｂを曲面形状を有するように形成することによって、集電電極２２がエレクトレット膜２１２ａに接触した場合に、集電電極２２がエレクトレット膜２１２ａに引っ掛かるのを抑制することができる。これにより、集電電極２２を滑らかに振動させることができる。また、集電電極２２がエレクトレット膜２１２ａに接触した場合の集電電極２２に加わる衝撃を曲面によって逃がすことができるので、集電電極２２の機械的破損が生じるのを抑制することができる。
【００２９】
第３実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００３０】
（第４実施形態）
図６および図７は、本発明の第４実施形態による静電動作装置３０１の断面図である。図８は、静電動作装置３０１の固定電極部３１０を示す平面図である。この第４実施形態では、上記第１実施形態と異なり、ガード電極３１３をスペーサ１１ａを覆うエレクトレット膜３１２を覆うように部分的に形成した例を説明する。
【００３１】
第４実施形態による静電動作装置３０１は、固定電極部３１０と、Ａ方向（図７の紙面垂直方向）に振動可能な可動電極部２０とが対向するように配置されている。なお、固定電極部３１０は、本発明の「第２電極部」の一例である。
【００３２】
また、図６〜図８に示すように、シリコン（Ｓｉ）からなる基板１１の表面上に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなるエレクトレット膜３１２が形成されている。また、第４実施形態では、エレクトレット膜３１２は、スペーサ１１ａの側面１１ｂおよび上面１１ｃを含む基板１１の全面を覆うように形成されており、スペーサ１１ａの上面１１ｃを覆うエレクトレット膜３１２ａとスペーサ１１ａの側面１１ｂを覆うエレクトレット膜３１２ｂとを含んでいる。また、エレクトレット膜３１２ａは、エレクトレット膜３１２ｂよりも小さい厚みを有する。また、エレクトレット膜３１２の上面上には、ガード電極３１３（ガード電極３１３ａ）が平面的に見てＡ方向（図８参照）に所定の間隔を隔ててＢ方向に延びるように複数形成されている。また、第４実施形態では、エレクトレット膜３１２ａおよび３１２ｂ上をそれぞれ覆うガード電極３１３ｂおよび３１３ｃがガード電極３１３ａと一体的に形成されている。なお、エレクトレット膜３１２およびガード電極３１３は、それぞれ、本発明の「絶縁層」および「導電体層」の一例である。また、静電動作装置３０１の上記した構成以外の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００３３】
第４実施形態では、上記のように、スペーサ１１ａの上面１１ｃおよび側面１１ｂをそれぞれ覆うエレクトレット膜３１２ａおよび３１２ｂ上を覆うガード電極３１３を所定の間隔を隔てて複数形成することによって、基板１１の表面に形成されたエレクトレット膜３１２のみならず、スペーサ１１ａの上部に形成されたエレクトレット膜３１２ａおよび３１２ｂによっても、集電電極２２に電荷を静電誘導することができる。これにより、発電効率を向上させることができる。
【００３４】
第４実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００３５】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００３６】
たとえば、上記第１実施形態では、基板１１とスペーサ１１ａとをシリコン（Ｓｉ）により一体的に形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、図９に示す第１実施形態の第１変形例による静電動作装置４０１のように、固定電極部４１０の基板４１１とスペーサ４１２とを別の部材により形成してもよい。
【００３７】
また、上記第１実施形態では、スペーサ１１ａの上面１１ｃをエレクトレット膜１２により覆わない例を示したが、本発明はこれに限らず、図１０に示す第１実施形態の第２変形例による静電動作装置５０１のように、固定電極部５１０のエレクトレット膜５１２をスペーサ１１ａの上面１１ｃを覆うように形成してもよい。また、この場合、スペーサ１１ａの上面１１ｃを覆うエレクトレット膜５１２ａの厚みは、スペーサ１１ａの側面１１ｂを覆うエレクトレット膜５１２ｂの厚みよりも薄くすることが好ましい。スペーサ１１ａの上面１１ｃを覆うエレクトレット膜５１２ａの厚みを、スペーサ１１ａの側面１１ｂを覆うエレクトレット膜５１２ｂの厚みよりも小さくすることによって、エレクトレット膜５１２ａの厚みとエレクトレット膜５１２ｂの厚みとが同じ場合と異なり、スペーサ１１ａの上面１１ｃを覆うエレクトレット膜５１２ａによりスペーサ１１ａの上部の電位が上がるのを抑制することができる。これにより、スペーサ１１ａを含む基板１１と集電電極２２との電位差が小さくなるのを抑制することができるので、発電効率を高めることができる。
【００３８】
また、上記第１実施形態では、スペーサ１１ａをＡ方向に連続的に延びるように形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、断続的に延びるように形成してもよい。
【００３９】
また、上記第１実施形態では、スペーサ１１ａをＢ方向の両端の近傍の位置のみにＡ方向に延びるように形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、基板１１の周縁に沿って可動電極部２０が振動する領域を囲むようにスペーサを形成してもよい。また、このスペーサは、連続的に延びるように形成してもよいし、断続的に延びるように形成してもよい。
【００４０】
また、上記第４実施形態では、エレクトレット膜３１２をスペーサ１１ａの上面１１ｃを覆うように形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、図１１に示す第４実施形態の変形例による静電動作装置６０１のように、固定電極部６１０のエレクトレット膜６１２によりスペーサ１１ａの側面１１ｂのみを覆うように形成してもよい。
【００４１】
また、上記第４実施形態では、断面が矩形状のスペーサ１１ａを覆うエレクトレット膜３１２上にガード電極３１３を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、図４に示した第２実施形態の静電動作装置１０１のような断面がテーパー形状のスペーサ１１１ａを覆うエレクトレット膜１１２上にガード電極を形成してもよい。これにより、ガード電極をエレクトレット膜上に形成する際に、ガード電極が断線するのを抑制することができる。
【００４２】
また、上記第１〜第４実施形態では、スペーサをエレクトレット膜により覆う例を示したが、本発明はこれに限らず、エレクトレット膜とは別個に設けられた帯電していない絶縁性の膜によりスペーサを覆ってもよい。
【００４３】
また、上記第１〜第４実施形態では、エレクトレット膜をシリコン酸化膜により形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素系樹脂を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１実施形態による静電動作装置を示す断面図である。
【図２】図１の１００−１００線に沿った断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態による静電動作装置の固定電極部を示す平面図である。
【図４】本発明の第２実施形態による静電動作装置を示す断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態による静電動作装置を示す断面図である。
【図６】本発明の第４実施形態による静電動作装置を示す断面図である。
【図７】図５の２００−２００線に沿った断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態による静電動作装置の固定電極部を示す平面図である。
【図９】本発明の第１実施形態の第１変形例による静電動作装置を示す断面図である。
【図１０】本発明の第１実施形態の第２変形例による静電動作装置を示す断面図である。
【図１１】本発明の第４実施形態の変形例による静電動作装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１  静電動作装置
１０、１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０  固定電極部（第２電極部）
２０  可動電極部（第１電極部）
１１ａ、１１１ａ、２１１ａ、４１２  スペーサ（凸部）
１２ａ、１１２ａ、２１２ａ、３１２ｂ、６１２  エレクトレット膜（絶縁層）
１３、３１３  ガード電極（導電体層）
２２  集電電極（電極）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2009076613.tif 000006
【図５】
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【図６】
2009076613.tif 000008
【図７】
2009076613.tif 000009
【図８】
2009076613.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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