(57)【要約】【課題】金属スリーブとアンテナ用の誘電体ロッドを用いて、電波によって被測定物のレベルを測定する電波レベル計において、温度変化による影響を低減する。【解決手段】給電素子からの給電を受けると共に金属スリーブ１６に連通する導波管Ｗ１，Ｗ２と、導波管Ｗ２と金属スリーブ１６との間を跨るようにして導波管Ｗ２内と金属スリーブ１６内に配置された誘電体ロッド４０と、導波管Ｗ２と金属スリーブ１６との間に介挿された絶縁用誘電体プレート４２とを備え、金属スリーブ１６の下端にアンテナ用の誘電体ロッド１４の上端が配置され、アンテナ用の誘電体ロッド１４と誘電体ロッド４０との間には、金属スリーブ１６によって中空の導波管Ｗ３が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電素子を内蔵する筐体と、筐体から延びる金属スリーブと、金属スリーブの下端から突出したアンテナ用の誘電体ロッドと、を備える電波レベル計において、
給電素子からの給電を受けると共に金属スリーブに連通する導波管と、導波管と金属スリーブとの間を跨るようにして導波管内と金属スリーブ内に配置された第２誘電体ロッドと、導波管と金属スリーブとの間に介挿された絶縁用誘電体とを備え、金属スリーブの下端にアンテナ用の誘電体ロッドの上端が挿入され、アンテナ用の誘電体ロッドと第２誘電体ロッドとの間には、金属スリーブによって中空の導波管が形成されることを特徴とする電波レベル計。
【請求項２】
金属スリーブの下端の内周面は、下端に向かうに従って拡径されたホーン面となっており、アンテナ用の誘電体ロッドは、該ホーン面に対応して、下方に向かうに従って拡径された円錐台部を備えることを特徴とする請求項１記載の電波レベル計。
【請求項３】
アンテナ用の誘電体ロッドは、円錐台部の下側に、下方に向かうに従って縮径された第２円錐台部をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の電波レベル計。
【請求項４】
アンテナ用の誘電体ロッドは、金属スリーブの外側に配設された合成樹脂製のチューブの下端に溶着され、金属スリーブの下端部の外周面には拡径部が形成されており、合成樹脂製のチューブは、拡径部よりも上方から拡径部の段差を乗り越えてアンテナ用の誘電体ロッドへと延設されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電波レベル計。
【請求項５】
金属スリーブの下端から突出したアンテナ用の誘電体ロッドは、下端に向かうに従って肉薄になった楔形部を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電波レベル計。
【請求項６】
金属スリーブの下端から突出したアンテナ用の誘電体ロッドの下端部は、下端に向かうに従って幅が狭くなった先細り部を備えることを特徴とする請求項５記載の電波レベル計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ用の誘電体ロッドを用いて、電波によって被測定物のレベルを測定する電波レベル計に関する。
【背景技術】
【０００２】
電波レベル計は、被測定物を収納するタンクのノズルに取付けられることが多く、その小型化を図るためにマイクロ波が割り当てられて使用されているが、さらなる小型化が切望されており、誘電体ロッドアンテナを用いて小型化することが行われている。
【０００３】
この種の誘電体ロッドアンテナを備えマイクロ波で動作する電波レベル計としては、特許文献１に記載された充填状態測定装置が知られている。特許文献１では、被測定物が充填された容器のノズル（パイプ）が測定装置固定部となり、ノズルの端部にフランジが設けられており、このフランジにねじによって充填状態測定装置のケーシングに設けられたフランジが取付けられるようになっている。そして、充填状態測定装置のケーシングには給電素子が設けられると共に給電素子からの給電を受けるように誘電体ロッドアンテナが固定されており、誘電体ロッドアンテナはノズルを通過して容器の内部にまで延在している。また、誘電体ロッドアンテナからアンテナ軸に対して垂直に放射される電波が、ノズル内面で反射され、またはノズルと誘電体ロッドアンテナとの間で多重反射が繰り返されて、誘電体ロッドアンテナに受信されることによるノイズや、誘電体ロッドアンテナとノズルとの間で凝水や湿気等による直接的電気接触を防ぐために、誘電体ロッドアンテナのケーシングに隣接する部分、特にノズルによって囲まれる部分は、金属スリーブによって取り囲まれるようになっている。
【０００４】
また、金属スリーブの外側は、化学的に安定性の高い合成樹脂材料からなる保護スリーブによって取り囲まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１１１１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、このような電波レベル計は、設置される環境に対応するべく−５０℃〜＋２００℃といった広い温度範囲での作動が要求されることもあり、誘電体ロッドアンテナと金属スリーブとの間の熱膨張の差が測定に影響を及ぼすという問題がある。一般的に誘電体ロッドアンテナの方が金属スリーブよりも熱膨張率が高いため、金属スリーブの先端と誘電体ロッドアンテナまたは保護スリーブとの間に隙間が形成されて、その部分において不要な反射が発生するおそれがあり、また、誘電体ロッドアンテナ自身の伸び縮みによって誘電体ロッドアンテナの伝送路上での位置が変化するために計測誤差が発生する、といった問題がある。
【０００７】
本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、温度変化による影響を低減することができる電波レベル計を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、給電素子を内蔵する筐体と、筐体から延びる金属スリーブと、金属スリーブの下端から突出したアンテナ用の誘電体ロッドと、を備える電波レベル計において、
給電素子からの給電を受けると共に金属スリーブに連通する導波管と、導波管と金属スリーブとの間を跨るようにして導波管内と金属スリーブ内に配置された第２誘電体ロッドと、導波管と金属スリーブとの間に介挿された絶縁用誘電体とを備え、金属スリーブの下端にアンテナ用の誘電体ロッドの上端が挿入され、アンテナ用の誘電体ロッドと第２誘電体ロッドとの間には、金属スリーブによって中空の導波管が形成されることを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、金属スリーブの下端の内周面は、下端に向かうに従って拡径されたホーン面となっており、アンテナ用の誘電体ロッドは、該ホーン面に対応して、下方に向かうに従って拡径された円錐台部を備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、アンテナ用の誘電体ロッドは、円錐台部の下側に、下方に向かうに従って縮径された第２円錐台部をさらに備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発明において、アンテナ用の誘電体ロッドは、金属スリーブの外側に配設された合成樹脂製のチューブの下端に溶着され、金属スリーブの下端部の外周面には拡径部が形成されており、合成樹脂製のチューブは、拡径部よりも上方から拡径部の段差を乗り越えてアンテナ用の誘電体ロッドへと延設されることを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発明において、金属スリーブの下端から突出したアンテナ用の誘電体ロッドは、下端に向かうに従って肉薄になった楔形部を備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、金属スリーブの下端から突出したアンテナ用の誘電体ロッドの下端部は、下端に向かうに従って幅が狭くなった先細り部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、金属スリーブの下端にアンテナ用の誘電体ロッドの上端を挿入して、アンテナ用の誘電体ロッドと第２誘電体ロッドとの間には、金属スリーブによって中空の導波管を形成するようにしたことから、誘電体ロッドの伸縮が発生したとしても、金属スリーブと誘電体ロッドとの間に発生し得る隙間を低減することができると共に、各誘電体ロッドの長さを短縮化することができるため、誘電体ロッド自体の伸張による伝送路上での位置の変動の影響を低減することができる。
【００１５】
さらに、第２誘電体ロッドによって導波管と金属スリーブとが絶縁されるため、防爆を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態による電波レベル計の概略断面図である。
【図２】（ａ）は図１の上部断面図であり、（ｂ）は（ａ）中のｂ矢視図、（ｃ）は（ａ）中のｃ−ｃ線に沿って見た断面図、（ｄ）は（ａ）中のｄ−ｄ線に沿って見た断面図である。
【図３】誘電体ロッドの斜視図である。
【図４】図１の下部断面図である。
【図５】アンテナ用誘電体ロッドと取付部の断面図である。
【図６】アンテナ用誘電体ロッドと取付部の図５と９０度異なる方向から見た断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
図１及び図２に示すように、本実施形態による電波レベル計１０は、大まかに、上側に金属からなる筐体１２を備え、下側にアンテナ用誘電体ロッド１４を備えており、さらに、その上下中間部分に金属スリーブ１６を、金属スリーブ１６の外側に、被測定物を収容する容器Ｔに取付けるための取付部１８を備えている。
【００１９】
アンテナ用誘電体ロッド１４は、その先端から、容器Ｔに収容された被測定物に向かって電波を放射し、被測定物までの電波の往復時間を送受信回路で計測することにより、被測定物までの距離を測り、被測定物のレベルを求めるようになっている。
【００２０】
筐体１２はその内部に、中心軸が鉛直方向を向いた略円柱状内部空間１２ａを画成している（図１参照）。また、筐体１２の略円柱状内部空間１２ａの上部開口を覆うようにキャップ２４が着脱自在に被着される。
【００２１】
筐体１２の略円柱状内部空間１２ａ内には、回路ユニット３０が内蔵される。回路ユニット３０は、図２に部分拡大して示したように、送受信回路が形成された送受信回路基板３２と、基板３２の裏面に設けられたグランド導体３４と、グランド導体３４の裏面にさらに取り付けられた導体ケース３６と、これら送受信回路基板３２、グランド導体３４及び導体ケース３６を少なくとも部分的に包囲するプラスチック等からなる非導電性ケース３８と、誘電体ロッド４０と、を有する。回路ユニット３０には、さらに他の基板等を含めることも可能である。
【００２２】
送受信回路基板３２上には、マイクロ波を伝送するマイクロストリップ線路が形成されており、その端部には給電素子３２ａが形成される（図２（ｂ））。給電素子３２ａの位置に対応してグランド導体３４には、円形貫通孔３４ａが形成される。さらに導体ケース３６には、グランド導体３４の裏面に対向する面に断面方形の方形溝３６ａが形成されており（図２（ｃ））、この方形溝３６ａの一端が円形貫通孔３４ａに連通している。
【００２３】
これによって、円形貫通孔３４ａによって水平方向に延びる円形導波管Ｗ１が形成され、方形溝３６ａによって鉛直方向に延びる方形導波管Ｗ２が形成される（図２（ａ））。
【００２４】
直交する円形導波管Ｗ１と方形導波管Ｗ２との整合をとるために、方形溝３６ａの上端の端面は、方形溝３６ａの長手方向に垂直な垂直面ではなくやや傾斜した傾斜面３６ｂとなっている。これによって、円形導波管Ｗ１から垂直の方形導波管Ｗ２へと円滑に電波を伝送していくことができる。このような傾斜面等を形成することにより、円形導波管同士を直交に連結するよりも、効率よく電波の伝送を行うことができる。
【００２５】
但し、この例では、鉛直方向に配置された送受信回路基板３２の給電素子３２ａから円形導波管Ｗ１及びこれに直交する方形導波管Ｗ２が形成されているが、これに限るものではなく、送受信回路基板３２を水平方向に配置することもでき、その場合には、給電素子３２ａから鉛直方向に延びる導波管のみとすることも可能であり、導波管の構造は任意とすることができる。
【００２６】
筐体１２の下端には、金属スリーブ１６が任意の連結手段で連結され、金属スリーブ１６の上端面が、略円柱状内部空間１２ａの底面を画成するようになっている。尚、図では金属スリーブ１６は、一部品としているが、組立を容易にするために、複数の部品で構成することも可能である。金属スリーブ１６は、その中心軸に沿って前述の方形溝３６ａに連通する断面円形の円形中心孔１６ａを有しており、円形中心孔１６ａによって円形導波管Ｗ３が形成される。
【００２７】
金属スリーブ１６の内周面の下端は、下方に向うに従って漸次内径が広がるように拡径されたホーン面１６ｂが形成される。また、このホーン面１６ｂが形成された部分に対応して、金属スリーブ１６の下端部の外周面は他の部分よりも拡径された拡径部１６ｃとなっており、拡径部１６ｃと拡径部１６ｃより上側の部分との間に段差１６ｄが形成されている。
【００２８】
方形導波管Ｗ２と金属スリーブ１６との間を跨るようにして、これらの内部に誘電体ロッド４０が挿入される。誘電体ロッド４０は、誘電体ロッド４０を水平方向に貫通してグランド導体３４及び導体ケース３６の間に架設される脱落防止ピン４１によって回路ユニット３０からの脱落が防止されている。但し、誘電体ロッド４０は、脱落防止ピン４１以外の任意の脱落防止手段で脱落を防止するようにしてもよい。誘電体ロッド４０は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／ペルフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）といった化学的に耐性のある材料から構成される。
【００２９】
誘電体ロッド４０の上部４０ａは、方形溝３６ａの断面に一致した方形断面となっており、誘電体ロッド４０の下部４０ｂは、金属スリーブ１６の円形中心孔１６ａの断面に一致した円形断面となっている。
【００３０】
また、図３に示すように、誘電体ロッド４０の上部４０ａの上端部には、その一部が切り欠かれて段部４０ｃが形成されており、さらに、段部４０ｃよりも上端部側には、その幅が上方に向かうに従って漸次狭くなった先細り部４０ｅが形成されている。このような誘電体ロッド４０の上部４０ａの上端部の先細り部４０ｅといった付形形状によって、前記方形溝３６ａの端部の傾斜面３６ｂの付形形状と共に、円形導波管Ｗ１と方形導波管Ｗ２との移行部及び誘電体ロッド４０の上部４０ａといった非連続部における整合をとることができ、反射を低減させることができる。
【００３１】
また、誘電体ロッド４０の下部４０ｂの下端部には、下方に向かうに従って漸次外径が小さくなった円錐部４０ｄが形成されている。このような誘電体ロッド４０の下部４０ｂの下端部の円錐部４０ｄといった付形形状によって、円形導波管Ｗ３内における非連続部としての誘電体ロッド４０の下部４０ｂにおける整合をとることができ、反射を低減させることができる。
【００３２】
非導電性ケース３８は、回路ユニット３０のグランド導体３４が筐体１２と電気的に直接接触しないように設けられており、非導電性ケース３８が筐体１２に直接締着されることで、回路ユニット３０が筐体１２の略円柱状内部空間１２ａ内に固定される（図１参照）。
【００３３】
略円柱状内部空間１２ａの底面を画成する金属スリーブ１６の上端面には円形凹部１６ｅが形成されており、円形凹部１６ｅには、ディスク形状をした絶縁用誘電体プレート４２が嵌入される（図２（ｄ））。絶縁用誘電体プレート４２によって、導波管Ｗ１及びＷ２を構成するグランド導体３４及び導体ケース３６と、金属スリーブ１６とは、電気的に直接接触しないようになっており、容量結合によってのみ結合される。絶縁用誘電体プレート４２は、ＰＴＦＥ、ＰＦＡまたはこれらの組み合わせによって構成することができ、１部品または複数部品から構成することができる。
【００３４】
この例では、絶縁用誘電体プレート４２は、階段状に二段になって、円形凹部１６ｅより外側に広がる鍔部４２ａを備えている。誘電体ロッド４０は、この絶縁用誘電体プレート４２を貫通するようにして配設される。従って、絶縁用誘電体プレート４２は、方形導波管Ｗ２と金属スリーブ１６との境界部分に設けられ、その形状等を調整することで、誘電体ロッド４０と共にこの境界部分の整合を図り、反射を抑制している。
【００３５】
金属スリーブ１６の下端にはアンテナ用誘電体ロッド１４の上端が挿入される。アンテナ用誘電体ロッド１４は、誘電体ロッド４０と同様に、ＰＴＦＥ、ＰＦＡといった化学的に耐性のある材料から構成される。
【００３６】
アンテナ用誘電体ロッド１４は、図５と図６に示すように、その基本形状は円形導波管Ｗ３に合致した円柱形状であるが、その上部の周囲に、少なくとも前記ホーン面１６ｂに合致して、下方に向かうに従って漸次外径が広がるように拡径された上側円錐台部１４ａと、上側円錐台部１４ａの下側に、下方に向かうに従って漸次外径が縮まるように縮径された下側円錐台部１４ｂと、が設けられる。上側円錐台部１４ａと下側円錐台部１４ｂとは、図示の例のように、上下対称であっても、または非対称であってもよい。アンテナ用誘電体ロッド１４は、成形により一体部品として作製してもよいが、成形品をさらなる機械加工により精密仕上げをして作製してもよい。または、円柱形状の素材を機械加工することにより作製してもよく、その場合には、別途に作製した上側円錐台部１４ａ及び下側円錐台部１４ｂを円柱形状の素材の周囲に溶着するとよい。
【００３７】
また、アンテナ用誘電体ロッド１４の上端部には、上方に向かうに従って漸次外径が小さくなった円錐部１４ｃが形成されている。一方、アンテナ用誘電体ロッド１４の下側円錐台部１４ｂよりも下部には、円柱形状を円周方向の対向する２箇所で切り落として下方に向かうに従って漸次肉薄になった楔形部１４ｄが形成されている。さらに、アンテナ用誘電体ロッド１４の下端部には、楔形部１４ｄの切り落とした側から見た幅が下方に向かうに従って漸次狭くなった先細り部１４ｅが形成されている。このようなアンテナ用誘電体ロッド１４の金属スリーブ１６との境界における円錐台部１４ａ、１４ｂといった付形形状により、金属スリーブ１６先端部での反射を低減し、横方向に放射される電波を抑制することができる。同様に、アンテナ用誘電体ロッド１４の円錐部１４ｃ、楔形部１４ｄ、先細り部１４ｅといった付形形状により、反射を低減させることができる。楔形部１４ｄとすることによって、円錐部とするよりも、アンテナ用誘電体ロッド１４の長い部分に亘り、加工性良く且つ強度を持たせて、連続的に先鋭化を図ることができる。アンテナ用誘電体ロッド１４の各部分の長さを適宜設定することにより、下側円錐台部１４ｂから放射される電波と、アンテナ用誘電体ロッド１４の楔形部１４ｄから放射される電波とが同位相で伝搬されるようにする。
【００３８】
アンテナ用誘電体ロッド１４の取付固定は、取付部１８によって行われる。取付部１８は、図４ないし図６に示すように、金属スリーブ１６の下部の外側を取り囲む合成樹脂製の第１チューブ８０と、第１チューブ８０の下側に接続されて金属スリーブ１６の下端の拡径部１６ｃを取り囲む合成樹脂製の第２チューブ８２と、第１チューブ８０の上端に接続される合成樹脂製のフランジ８４と、合成樹脂製のフランジ８４の上側に載置されると共に、合成樹脂製のフランジ８４と金属スリーブ１６の外周面に螺着されるナット８６とによって挟み付けられる取付フランジ８８と、を備える。
【００３９】
第１チューブ８０、第２チューブ８２及びフランジ８４は、誘電体ロッド１４、４０と同様に、ＰＴＦＥ、ＰＦＡといった化学的に耐性のある材料から構成され、溶着点９０、及び９２において第１チューブ８０と第２チューブ８２、及び第１チューブ８０とフランジ８４とが互いに溶着される。これによって、第１チューブ８０と第２チューブ８２は、フランジ８４から金属スリーブ１６の下部の外周囲を取り囲み、拡径部１６ｃの段差１６ｄを乗り越えて、溶着点９４において第２チューブ８２とアンテナ用誘電体ロッド１４とが溶着され、アンテナ用誘電体ロッド１４を保持すると共に、タンクＴ内部に曝される金属スリーブ１６の下部の外周囲を外気から保護する。
【００４０】
以上の電波レベル計１０を容器Ｔに取り付けるにあたっては、容器Ｔから上方に延出されたノズルＮ内に、アンテナ用誘電体ロッド１４及び金属スリーブ１６の下部を挿入し、ノズルＮの上端に設けられた取付フランジＦに取付部１８の取付フランジ８８を載せて、ボルトＢによって両フランジを締着する。この取付により、ノズルＮ内には、金属スリーブ１６によって構成される中空の円形導波管Ｗ３が配置される。また、アンテナ用誘電体ロッド１４は、ノズルＮよりも下側において、金属スリーブ１６から下方に延出するようになっている。この電波レベル計１０は、アンテナ用誘電体ロッド１４を用いることで小型化が図られており、２４〜２６ＧＨｚのマイクロ波を用いた場合、そのノズルＮ内に挿入される部分の最大外径を、１インチ（２５ｍｍ以下）、好ましくは２３ｍｍ以下（２１ｍｍ〜２３ｍｍ）とすることができ、内径が１インチ以下の小径のノズルＮにも取付けることができる。
【００４１】
以上のように構成される電波レベル計においては、送受信回路が形成された送受信回路基板３２の給電素子３２ａから円形導波管Ｗ１、方形導波管Ｗ２に給電され、誘電体ロッド４０を介して、さらに、中空の円形導波管Ｗ３を伝搬して、アンテナ用誘電体ロッド１４から電波が放射される。
【００４２】
給電素子３２ａとアンテナ用誘電体ロッド１４との間が、導波管を介して接続されているため、損失を小さく抑えることができるようになっている。
【００４３】
金属スリーブ１６の下端部に形成されたホーン面１６ｂによって電波を反射して、アンテナの利得を向上させることができ、また、誘電体ロッド４０及びアンテナ用誘電体ロッド１４の端部の付形形状によって、各不連続地点における反射を防ぐことができる。
【００４４】
温度の変動があった場合、合成樹脂で形成される部品は、金属で形成される部品よりも熱膨張率が高いため、大きく伸び縮みする。例えば、互いに溶着された第１チューブ８０と第２チューブ８２とは、その長手方向に大きく伸長する場合があり得る。しかしながら、金属スリーブ１６の拡径部１６ｃの段差１６ｄによって、第１チューブ８０の下方への伸張は阻止される。このため、短い第２チューブ８２のみが下方に伸張するのでアンテナ用誘電体ロッド１４の下方の変位が抑制される。また、アンテナ用誘電体ロッド１４が、誘電体ロッド４０と分離して構成され、これらロッド１４、４０が中空の円形導波管Ｗ３を介して接続されるために、各誘電体ロッド１４、４０自体の長さが短縮化されている。そのため、誘電体ロッド１４、４０自体の伸張による伝送路上での位置の変動の影響を低減することができる。
【００４５】
方形導波管Ｗ２から中空の円形導波管Ｗ３へと変化する部分に誘電体ロッド４０を設けているので、誘電体ロッド４０の周囲に設けられた  絶縁用誘電体プレート４２によって方形導波管Ｗ２と金属スリーブ１６との絶縁を行い防爆に対応している。このときに、導波管内を伝搬する電波を誘電体ロッド４０内に拘束して、この絶縁部分における反射及び漏れを抑えることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０  電波レベル計
１２  筐体
１４  アンテナ用誘電体ロッド
１４ａ  円錐台部
１４ｂ  円錐台部（第２円錐台部）
１４ｄ  楔形部
１４ｅ  先細り部
１６  金属スリーブ
１６ｂ  ホーン面
１６ｃ  拡径部
１６ｄ  段差
３２ａ  給電素子
４０  誘電体ロッド
４２  絶縁用誘電体プレート
８０  第１チューブ
８２  第２チューブ
Ｗ１，Ｗ２  導波管
Ｗ３  中空の円形導波管
【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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