(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
封入量０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入された発光部と該発光部に連設された封止部とを備える発光管と、それぞれが頭部と該頭部に連設された軸部とよりなり、それぞれの頭部が発光部の内部空間において対向するように配置された一対の電極と、それぞれが前記封止部に埋設されると共に、前記軸部の端部に接続された金属箔と、前記封止部を構成するガラスと前記軸部との間に軸部の周方向に設けられた微小空隙とを備え、定常点灯モードと、定格消費電力に対して２０〜５０％の範囲内の電力値でランプを駆動する低電力点灯モードとを切り替え可能に駆動される超高圧水銀ランプであって、
前記封止部には、少なくとも前記発光部と前記封止部との境界部から前記軸部の前記金属箔に接続された端部までに対応する領域に亘り、紫外線反射膜が形成されていることを特徴とする超高圧水銀ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超高圧水銀ランプに関し、特に、液晶ディスプレイ装置、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス・登録商標）を用いたＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ・登録商標）等の投射型プロジェクタ装置のバックライトに使用する超高圧水銀ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、プロジェクタ装置に供給する電力を必要に応じて可変することが要求されている。例えば、会議等においてスクリーンに画像を映し出すときには、プロジェクタ装置から出射する光量を高くし、スクリーンに画像を鮮明に映し出すことが必要である。一方、スクリーンに画像を映し出すことが不要なときには、プロジェクタ装置から出射する光量を低くすることが望ましい。例えば、会議等においては、参加者同士でディスカッションを行うときに、スクリーンに対する画像の投影を一時中断することがあり、中断時には消費電力をセーブするためにプロジェクタ装置の光量を落とすことが好ましい。この場合に、プロジェクタ装置に内蔵された光源に給電する電力を零にし、光源を消灯することは好ましくない。この種の光源は一旦消灯すると、再点灯するために要する時間が長いためである。したがって、プロジェクタ装置においては、定常点灯モード（定格電力での点灯）と低電力点灯モード（定格電力よりも低い電力で点灯）とを必要に応じて切り換えることが望ましい。
【０００３】
特許文献１には、放電ランプに交流電圧を印加して放電ランプを駆動する方法が記載されている。この駆動方法によれば、第１動作モードと第２動作モードとを備え、第２動作モードにおいて、放電ランプに供給される電力を第１動作モードに比して小さくすることが記載されている。
【０００４】
通常、プロジェクタ装置用の光源として使用される超高圧水銀ランプは、その放射輝度を高めるために発光部内に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上という高密度の水銀が封入されている。この種のランプの放射輝度は、発光部内の水銀蒸気圧に比例し、発光部内の水銀蒸気圧が低いほど低下する。発光部の水銀蒸気圧は発光部の温度に主として依存する。つまり、発光部が低温であるほど、水銀が発光空間において未蒸発の状態となって水銀蒸気圧が低下するため、次に説明するような問題が生じる。第１に、低電力点灯モードから定常点灯モードに切り替える際に、超高圧水銀ランプの光量の立ち上がりが遅くなり、画像が瞬時にスクリーン上に投影されない。第２に、一対の電極間の抵抗値が水銀蒸気圧が低下することに伴って低下し、電極間に電流が流れ易くなる。そのため、電極に対して電子が頻繁に衝突して電極がスパッタされることにより、電極構成物質が放電空間内に飛散すると共に発光部の管壁に付着し、発光部が黒化する。
【０００５】
特許文献１に示した放電ランプの駆動方法では、第２動作モードにおいて放電ランプに供給する電力を第１動作モードに比して小さくしたときに、放電ランプの発光部の温度が低下するため、発光空間において水銀が未蒸発になることが避けられず、その結果として、上記の第１及び第２の問題を引き起こす惧れがある。しかし、同文献においては、水銀が未蒸発になることが原因で発生する問題及びその解決策について何ら言及されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００９−５２７８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
通常、上記で指摘した未蒸発となった水銀は、発光空間内で最も温度が低い箇所より凝縮する。一方、超高圧水銀ランプは、電極の軸部が熱膨張することにより封止部が破損することを防止するために、封止部を構成するガラスと電極の軸部との間に軸部の周方向に微小空隙が設けられており、この微小空隙が発光空間内で最も温度が低い箇所となる。そのため、超高圧水銀ランプにおいては、ランプに供給する電力を下げたときには、未蒸発の水銀はこの微小空隙で凝縮し、上記に指摘した第１及び第２の問題を引き起こす惧れがある。
【０００８】
本発明の目的は、上記の従来技術の問題点に鑑みて、超高圧水銀ランプを定常点灯モードから低電力点灯モードに切り換えたときに、超高圧水銀ランプの封止部のガラスと電極の軸部との間に形成される周方向の微小空隙における水銀の凝集を防止することにより、超高圧水銀ランプの光量の立ち上がり速度の向上を図ると共に、発光管内壁の黒化を防止することを可能にした超高圧水銀ランプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、封入量０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入された発光部と該発光部に連設された封止部とを備える発光管と、それぞれが頭部と該頭部に連設された軸部とよりなり、それぞれの頭部が発光部の内部空間において対向するように配置された一対の電極と、それぞれが前記封止部に埋設されると共に、前記軸部の端部に接続された金属箔と、前記封止部を構成するガラスと前記軸部との間に軸部の周方向に設けられた微小空隙とを備え、定常点灯モードと、定格消費電力に対して２０〜５０％の範囲内の電力値でランプを駆動する低電力点灯モードとを切り替え可能に駆動される超高圧水銀ランプであって、
前記封止部には、少なくとも前記発光部と前記封止部との境界部から前記軸部の前記金属箔に接続された端部までに対応する領域に亘り、紫外線反射膜が形成されていることを特徴とする超高圧水銀ランプである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低電力点灯モード時において、封止部のガラス内面と電極の軸部との間の微小空隙に凝集した水銀の液滴を、封止部に形成した紫外線反射膜によって反射される紫外光を利用して、電極軸部及び電極の温度を上昇させて蒸発させ、よって、放電空間における水銀蒸気圧が高いものとし、定常点灯モードに切り換えられた時の超高圧水銀ランプの光量の立ち上がりを速くすると共に、電極に対する負荷を軽減して発光部の管壁の黒化を防止する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る超高圧水銀ランプの構成を示す平面図である。
【図２】図１に示した超高圧水銀ランプの発光部と一方の封止部を拡大して示した正面断面図である。
【図３】定常点灯モード時と低電力点灯モード時のそれぞれについて超高圧水銀ランプの発光スペクトルを示す図である。
【図４】超高圧水銀ランプに紫外線反射膜を形成するための製造装置の一例を示す図である。
【図５】本発明に係る超高圧水銀ランプが適用される点灯装置の構成例を示す図である。
【図６】紫外線反射膜を封止部の外表面に形成した超高圧水銀ランプ（実施例）と、紫外線反射膜を有しない超高圧水銀ランプ（比較例）とのそれぞれについて、定常点灯モードと低電力点灯モードで点灯した時の実験結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態を図１〜図６を用いて説明する。
図１は、本実施形態に係る超高圧水銀ランプの構成を示す平面図、図２は、図１に示した超高圧水銀ランプの発光部と一方の封止部を拡大して示した正面断面図である。
図１に示すように、超高圧水銀ランプ１００は、石英ガラスからなる発光管１を有しており、発光管１は、球状の発光部２と、その両端に連設された一対の封止部３、３とで構成されている。発光部２内には、定常点灯モードで点灯したときの水銀蒸気圧が１５０気圧以上となるように、水銀が０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上封入されていると共に、それぞれの先端が向き合うように一対の電極４、４が配置されている。更に、封止部３、３の周囲には、超高圧水銀ランプ１００から放射される紫外光を反射する紫外線反射膜５、５が形成されている。
【００１３】
図２に示すように、電極４は、突起が形成された球状の頭部４１と、頭部４１の後方に連なるコイル部４２と、コイル部４２の後方に連なる軸部４３とを備え、これらがタングステンによって一体的に構成されている。封止部３は、モリブデンからなる金属箔６が埋設されることで気密に封止されている。金属箔６は、一端に軸部４３の端部が接続されると共に、他端に外部リード７が接続されている。外部リード７は封止部３の外方へと伸び出ている。
【００１４】
封入される水銀は、必要な可視光波長、例えば、波長３８０〜７８０ｎｍという放射光を得るためのものであり、０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上封入されている。この封入量は、温度条件によっても異なるが、点灯時１５ＭＰａ以上という極めて高い蒸気圧を形成するためのものである。また、水銀をより多く封入することで点灯時の水銀蒸気圧を２０ＭＰａ以上、更には３０ＭＰａ以上という高い水銀蒸気圧の放電ランプを作ることができ、水銀蒸気圧が高くなるほどプロジェクタ装置に適した光源を実現することができる。
【００１５】
希ガスは、静圧で約１０〜２６ｋＰａ封入される。具体的には、アルゴンガスであり、このように希ガスを封入するのは、点灯始動性を改善するためである。また、ハロゲンは、沃素、臭素、塩素などが封入され、ハロゲンの封入量は、１０−６〜１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲から選択される。その機能は、ハロゲンサイクルを利用した長寿命化（黒化防止）にあるが、本発明の超高圧水銀ランプ１００のように極めて小型で高い内圧を有するものの場合は、発光部２の失透を防止するためでもある。
【００１６】
次に、図２を用いて、封止部３のガラス内面３１と電極４の軸部４３との間に形成される中空円筒状の微小空隙８における水銀の凝集について説明する。
同図に示すように、封止部３を構成するガラスと電極４の軸部４３との間に中空円筒状の微小空隙８が形成されるが、これは、軸部４３を構成するタングステンの熱膨張率が封止部３のガラスの熱膨張よりも１桁以上も大きいため、ランプ点灯時に軸部４３が熱膨張して封止部３のガラスを押圧することによって、封止部３にクラックが生じないようにするためである。微小空隙８は、一対の電極４、４間に形成されるプラズマから遠方に位置するため、放電空間の内部において最冷点となる。放電空間における水銀蒸気圧は、最冷点の温度に依存するので、微小空隙８の温度が低下するにつれて低いものとなる。そして、超高圧水銀ランプ１００を低電力点灯モードで点灯したときは、微小空隙８が低温状態になるので、微小空隙８に水銀の液滴が凝集する。
【００１７】
図３は、定常点灯モード時と低電力点灯モード時のそれぞれについて超高圧水銀ランプの発光スペクトルを示す図であり、縦軸は発光強度、横軸は波長である。
同図において、Ａは定常点灯モードより低電力が超高圧水銀ランプ１００に供給される低電力点灯モード時の発光スペクトルであり、Ｂは定常点灯モード時の発光スペクトルである。同図に示すように、例えば、定常点灯モード時の供給電力の２５％の低電力点灯モード時においては、定常点灯モード時には見られなかったピークが３００ｎｍ付近の短波長域の紫外光が出現しており、低電力点灯モード時の３００〜３５０ｎｍの波長域における放射強度が、定常点灯モード時の当該波長域の放射強度よりも高いことが分かる。
【００１８】
本発明の超高圧水銀ランプは、図３に示したように、低電力点灯モード時に出現する超高圧水銀ランプ１００から放射される短波長域の紫外光を利用することにある。そのために、図１及び図２に示すように、超高圧水銀ランプ１の封止部３、３の周囲に、超高圧水銀ランプ１から放射される紫外光を反射する紫外線反射膜５、５を設ける。紫外線反射膜５、５は、封止部３、３の外表面において、少なくとも発光部２と封止部３、３との境界部から電極４、４の軸部４３、４３の金属箔に接続された端部までに対応する領域に亘り形成される。
【００１９】
超高圧水銀ランプ１は、低電力点灯モードで点灯中は、発光部２の温度が低温になり、電極４、４の軸部４３、４３と封止部３、３のガラスとの間の微小空隙８、８において水銀の液滴が凝集し易い。そこで、紫外線反射膜５、５は、低電力点灯モード時に微小空隙８、８に凝集した水銀の液滴を蒸発させる機能を有する。つまり、低電力点灯モード時においては、超高圧水銀ランプ１から放射された紫外線が、紫外線反射膜５、５によって微小空隙８、８に向けて反射されるので、水銀の液滴は反射された紫外線を受けて蒸発する。そのため、低電力点灯モードから定常点灯モードに切り替えた際に、超高圧水銀ランプ１の放電空間における水銀蒸気圧が高いものとなっているので、光量の立ち上がりが速くなると共に、水銀蒸気圧が低下していないので、電極４、４に対する負荷が軽減され、発光部２の管壁の黒化を防止することができる。
【００２０】
なお、紫外線反射膜５、５は、封止部３、３の外表面だけでなく封止部３、３及び発光部２の一部に亘り形成することが好ましい。特に、紫外線反射膜５、５が発光部２内に配置される電極４、４の周囲を覆うことが理想的である。発光部２の一部にも紫外線を照射するようにすると、紫外線反射膜５、５で反射した紫外線を電極４、４外表面にも照射することができ、電極４、４を高温にすることができる。
ただし、紫外線反射膜５、５は、発光部２から放射される光を邪魔することのないように、発光部２において電極４、４の周囲のみに形成することが好ましい。
【００２１】
紫外線反射膜５、５は、ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５とを交互に積層した多層膜によって形成される。封止部３、３の外表面に形成する第１層目はＳｉＯ２層とし、第２層目をＴａ２Ｏ５にすることが好ましい。ＳｉＯ２層は封止部３、３のガラスに密着し易いためである。なお、紫外線反射膜としては、ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５を使用した多層膜は以外にも、ＺｒＯ２とＳｉＯ２を使用した多層膜やＨｆＯ２とＳｉＯ２とを使用した多層膜を使用することも可能である。ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５を使用した多層膜は反射率が波長３００（３５０）〜４００ｎｍから次第に減少する特性を有し、ＺｒＯ２とＳｉＯ２とを使用した多層膜は反射率が波長３００（３３０）〜４００ｎｍから次第に減少する特性を有し、ＨｆＯ２とＳｉＯ２とを使用した多層膜は反射率が波長２００〜４００ｎｍから次第に減少する特性を有している。特性上、ＨｆＯ２とＳｉＯ２とを使用した多層膜の方が優れているが、価格等を考慮すると、実際は、ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５とを使用した多層膜が使用される。なお、紫外線照射膜５は、通常５〜２０層であり、その厚さは、０．３〜１．５μｍである。
【００２２】
図４は、超高圧水銀ランプ１００に紫外線反射膜５、５を形成するための製造装置の一例を示す図である。
同図に示すように、この紫外線反射膜の製造装置は、真空チャンバ９と、超高圧水銀ランプ１００を設置する基板１０と、原料及びキャリアガスを給排気するための導入部１１及び排出部１２と、加熱用の熱源１３とを有する。熱源は、例えば、ハロゲンヒータである。
紫外線反射膜５は以下の手順により作製される。まず、（１）超高圧水銀ランプ１００の紫外線反射膜５を形成しない領域にマスキングする。つまり、紫外線反射膜５が必要な箇所のみが露出した状態にする。次に、（２）マスキングした超高圧水銀ランプ１００を真空チャンバ９内の基板１０上に配置し、真空チャンバ９を排気する。次に、（３）熱源１３のハロゲンヒータを駆動し、真空チャンバ９内の温度を６００〜８００℃まで上昇させる。次に、（４）ＳｉＯ２を含む原料ガスを真空チャンバ９内に約２分間供給する。次に、（５）Ｔａ２Ｏ５を含む原料ガスを真空チャンバ９内に約２分間供給する。次に、（６）上記（４）及び（５）の手順を繰り返すことによって、積層された紫外線反射膜５が超高圧水銀ランプ１００の所定の箇所に形成される。なお、上記（４）及び（５）の手順において、原料ガスの流速および供給時間を適宜変更することによって、紫外線反射域が２００ｎｍ〜４２０ｎｍの範囲に制御される。
【００２３】
図５は、本発明に係る超高圧水銀ランプが適用される点灯装置の構成例を示す図である。
同図に示すように、この点灯装置１４は、直流電圧が供給される降圧チョッパ回路１５と、降圧チョッパ回路１５の出力側に接続され、直流電圧を交流電圧に変換して超高圧水銀ランプ１００に供給するフルブリッジ型インバータ回路１６（以下、「フルブリッジ回路」ともいう。）と、超高圧水銀ランプ１００に直列接続されたコイルＬ１、コンデンサＣ１、及びスタータ回路１７と、フルブリッジ回路１６のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動するドライバ１８と、制御部１９とから構成される。制御部１９は、例えば、マイクロプロセッサ等の処理装置で構成される。
【００２４】
降圧チョッパ回路１５は、直流電圧が供給される＋側電源端子に接続されたスイッチング素子ＱｘとリアクトルＬｘと、スイッチング素子ＱｘとリアクトルＬｘの接続点と−側電源端子間にカソード側が接続されたダイオードＤｘと、リアクトルＬｘの出力側に接続された平滑コンデンサＣｘと、平滑コンデンサＣｘの−側端子とダイオードＤｘのアノード側の間に接続された電流検出用の抵抗Ｒｘから構成される。スイッチング素子Ｑｘを所定のデューティで駆動することにより、入力直流電圧ＶＤＣを、デューティに応じた電圧に降圧する。降圧チョッパ回路１５の出力側には、電圧検出用の抵抗Ｒ１、Ｒ２の直列回路が設けられている。フルブリッジ回路１６は、ブリッジ状に接続したスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４から構成され、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３を交互にオンにすることにより、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点と、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の接続点間に矩形波状の交流電圧が発生する。
【００２５】
スタータ回路１７は、抵抗Ｒ３とスイッチング素子Ｑ５の直列回路と、コンデンサＣ２とトランスＴ１から構成される。スイッチング素子Ｑ５をオンにすると、コンデンサＣ２に充電されていた電荷がスイッチング素子Ｑ５、トランスＴ１の一次側巻線を介して放電し、トランスＴ１の２次側にパルス状の高電圧が発生する。この高電圧は、超高圧水銀ランプ１００の補助電極１７１に印加され、超高圧水銀ランプ１００は点灯する。
【００２６】
出力電力の制御は、降圧チョッパ回路１５のスイッチング素子Ｑｘの動作デューティを調整することで達成される。つまり、降圧チョッパ回路１５のスイッチング素子Ｑｘのゲート信号Ｇｘをデューティに応じてオン／オフすることによって、超高電圧水銀ランプ１に供給される電力が変化する。
【００２７】
制御部１９は、駆動信号発生部１９１とコントローラ１９２から構成される。駆動信号発生部１９１は、フルブリッジ回路１６のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動するための駆動信号を発生する。コントローラ１９２は、超高圧水銀ランプ１００の点灯動作を制御し、外部からの点灯電力指令に応じて、降圧チョッパ回路１５のスイッチング素子Ｑｘを設定されたデューティで駆動する機能を備える。また、コントローラ１９２は、電流検出用の抵抗Ｒｘの両端電圧と、電圧検出用の抵抗Ｒ１，Ｒ２により検出された電圧から、ランプ電流Ｉ、ランプ電圧Ｖを求めてランプ電力を演算し、この電力が点灯電力指令により指令された電力と一致するように降圧チョッパ回路１５のスイッチング素子Ｑｘのデューティを制御する。駆動信号発生部１９１は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動するための駆動信号を発生し、ドライバ１８に送信する。フルブリッジ回路１６は、ドライバ１８からのドライブ信号に応じた極性反転動作を行う。
【００２８】
次に、点灯装置１４の動作を図５を用いて説明する。
まず、コントローラ１９２に点灯指令が与えられると、超高圧水銀ランプ１００への給電が開始されると共に、コントローラ１９２は、始動回路駆動信号を発生し、スタータ回路１７をトリガして超高圧水銀ランプ１００を点灯させる。次に、超高圧水銀ランプ１００が点灯すると、コントローラ１９２は、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２により検出される電圧値Ｖと、抵抗Ｒｘにより検出される電流値Ｉにより点灯電力を演算する。次に、コントローラ１９２は、点灯電力指令信号により指令された電力値と、上記演算された電力値に基き、降圧チョッパ回路１５のスイッチング素子Ｑｘを制御して、点灯電力を制御する。すなわち、降圧チョッパ回路１５のスイッチング素子Ｑｘは、ゲート信号Ｇｘのデューティに応じて変化し、外部から点灯電力指令に応じて、電力アップならスイッチング素子Ｑｘのデューティを上げ、電力ダウンならスイッチング素子Ｑｘのデューティを下げて、入力された点灯電力指令に合致する電力値になるようにゲート信号Ｇｘの制御を行う。
【００２９】
より詳細には、点灯電力指令により定常点灯モードが指令された時は、コントローラ１９２は、降圧チョッパ回路１５のスイッチング素子Ｑｘのデューティを制御して定格電力の７０％以上の電力が出力されるように制御し、また、点灯電力指令により低電力点灯モードが指令された時は、コントローラ１９２は、降圧チョッパ回路１５のスイッチング素子Ｑｘのデューティを制御して定格電力の２０〜５０％の電力が出力されるように制御する。ここで、低電力点灯モードにおいて指令された電力値が定格電力の２０〜５０％の範囲とするのは、２０％以下では超高圧水銀ランプが不点灯となってしまい、また５０％以下とするのは、定常点灯モード時に比べて紫外線の出力が顕著に増大するためである。
【００３０】
図６は、紫外線反射膜を封止部の外表面に形成した超高圧水銀ランプ（実施例）と、紫外線反射膜を有しない超高圧水銀ランプ（比較例）とのそれぞれについて、定常点灯モードと低電力点灯モードで点灯した時の実験結果を示す表である。
なお、実験条件は以下のとおりである。（１）紫外線反射膜の材質：ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５、（２）定常点灯モード：定格電力の１００％の電力を供給、（３）低電力点灯モード：定格電力の２５％の電力を供給、（４）温度測定箇所：電極の軸部周囲の封止部、（５）冷却条件：定常点灯モード時の封止部温度が９００℃になるように設定。
同図に示すように、紫外線反射膜を有する実施例の超高圧水銀ランプは、低電力点灯モード時において、紫外線反射膜を有しない比較例の超高圧水銀ランプよりも、電極の軸部周囲の封止部の温度が高くなることが確認された。
つまり、紫外線反射膜を有する実施例の超高圧水銀ランプは、低電力点灯モード時において、封止部を構成するガラスと電極の軸部との間の微小空隙への水銀の凝縮が防止されるため、超高圧水銀ランプの光量の立ち上がり速度が向上すると共に、発光管内壁の黒化を防止することができると考えられる。
【符号の説明】
【００３１】
１００  超高圧水銀ランプ
１  発光管
２  発光部
３  封止部
３１  内面
４  電極
４１  頭部
４２  コイル部
４３  軸部
５  紫外線反射膜
６  金属箔
７  外部リード
８  微小空隙
９  真空チャンバ
１０  基板
１１  導入部
１２  排出部
１３  熱源（ハロゲンヒータ）
１４  点灯装置
１５  降圧チョッパ回路
１６  フルブリッジ回路
１７  スタータ回路
１７１  補助電極
１８  ドライバ
１９  制御部
１９１  駆動信号発生部
１９２  コントローラ
【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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