(57)【要約】【課題】放射照度が向上し、かつ長寿命なショートアーク型放電ランプを提供する。【解決手段】ショートアーク型放電ランプは、所定距離離隔して対向する陰極及び陽極と、陰極及び陽極をそれぞれ外部電源に接続するための電極芯棒と、中央の膨張部と、両端の管形状部とを備える発光管封体であって、膨張部の内部に陰極及び陽極が配置され、各管形状部に電極芯棒が配置された発光管封体とを備え、陰極が、円錐台形状の本体部と、本体部の先端部に一体的に形成された円筒体とを備え、円筒体の先端部に凹部が形成されている。【選択図】  図３
2012074283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定距離離隔して対向する陰極及び陽極と、
該陰極及び陽極をそれぞれ外部電源に接続するための電極芯棒と、
中央の膨張部と、両端の管形状部とを備える発光管封体であって、前記膨張部の内部に前記陰極及び陽極が配置され、各管形状部に前記電極芯棒が配置された発光管封体とを備え、
前記陰極が、円錐台形状の本体部と、該本体部の先端部に一体的に形成された円筒体とを備え、該円筒体の先端部に凹部が形成されている、ショートアーク型放電ランプ。
【請求項２】
請求項１のショートアーク型放電ランプにおいて、前記凹部は、前記陰極の軸線方向の断面形状が、Ｕ字形状又はＶ字形状である、ショートアーク型放電ランプ。
【請求項３】
請求項１又は２のショートアーク型放電ランプにおいて、前記凹部は、前記円筒体の先端部の上端面を横断する溝である、ショートアーク型放電ランプ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかのショートアーク型放電ランプにおいて、前記円筒体の先端部の最大外径ｄに対する前記円筒体の底面の位置の前記陰極の本体部の先端部の最大外径Ｄの値（Ｄ／ｄ）が、以下の関係にある、ショートアーク型放電ランプ。
０．８≦＝Ｄ／ｄ≦＝３．５
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかのショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陰極と前記陽極との間に発生するアークは、前記円筒体の上端面と、該円筒体の先端部の周縁と、前記凹部の内面とから発生する、ショートアーク型放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体、液晶、プリント基板等の製造工程における露光用光源のように光応用分野に用いられるショートアーク型放電ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ショートアーク型放電ランプ、特に半導体露光装置等に用いられるショートアーク型水銀ランプには、放電のゆらぎを抑えたり、集光効率を上げたりする観点から、陰極の先端に突起部を設けたものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３８９９８９８号公報  特許文献１は、陰極コーン部の先端部にさまざまな形状の円柱形の突起部を有するショートアーク型水銀ランプを開示する。
【特許文献２】特開２００３−７７４１６号公報  特許文献２は、陰極のテーパー部に続き突起部が形成されていて、突起部の放電側先端部が平坦面になっているショートアーク型水銀ランプを開示する。
【特許文献３】特開２００３−２５７３６４号公報  特許文献３は、陰極の先端が概略円錐台形状であり、その先端面に概略円柱状の突起が形成されているショートアーク型水銀ランプを開示する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、製品の単位時間当たりの生産量を表す指標となるスループットを高めることが要求されるため、より高い初期照度及び照度維持率が求められている。
【０００５】
高い照度を得るために、電極先端に（円筒状）突起部を設けてアークを細くし集光効率を上げると、電流密度が上がり、照度は向上するが、ランプ点灯で突起部の損耗が激しく、寿命が短くなる。
【０００６】
そこで、本発明は、放射照度が向上し、かつ長寿命なショートアーク型放電ランプ、特にショートアーク型水銀ランプ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】
そこで、本発明に係るショートアーク型放電ランプは、所定距離離隔して対向する陰極及び陽極と、該陰極及び陽極をそれぞれ外部電源に接続するための電極芯棒と、中央の膨張部と、両端の管形状部とを備える発光管封体であって、前記膨張部の内部に前記陰極及び陽極が配置され、各管形状部に前記電極芯棒が配置された発光管封体とを備え、前記陰極が、円錐台形状の本体部と、該本体部の先端部に一体的に形成された円筒体とを備え、該円筒体の先端部に凹部が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
そのショートアーク型放電ランプにおいて、前記凹部は、前記陰極の軸線方向の断面形状が、Ｕ字形状又はＶ字形状となるようにしてもよい。
【０００９】
そのショートアーク型放電ランプにおいて、前記凹部は、前記円筒体の先端部の上端面を横断する溝であってもよい。
【００１０】
そのショートアーク型放電ランプにおいて、前記円筒体の先端部の最大外径ｄに対する前記円筒体の底面の位置の前記陰極の本体部の先端部の最大外径Ｄの値（Ｄ／ｄ）が、０．８≦＝Ｄ／ｄ≦＝３．５の関係にあるようにしてもよい。
【００１１】
そのショートアーク型放電ランプにおいて、前記陰極と前記陽極との間に発生するアークは、前記円筒体の上端面と、該円筒体の先端部の周縁と、前記凹部の内面とから発生するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、放射照度が向上し、かつ長寿命なショートアーク型放電ランプ、特にショートアーク型水銀ランプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るショートアーク型水銀ランプの概略構造を示すための簡略化した一部断面図である。
【図２】図２は、従来のショートアーク型水銀ランプの陰極と陽極との間での放電の状態を説明するための簡略化した正面図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の一実施形態に係るショートアーク型水銀ランプの陰極の先端部の形状の一実施形態を示すための簡略化した断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に陰極と図示せぬ陽極との間での放電状態を説明するための断面図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、本発明に係るショートアーク型水銀ランプにおいて、有底円筒体の表面積が異なる陰極の先端部を比較するための簡略化した断面である。
【図５】図５（ａ）から図５（ｄ）は、本発明に係るショートアーク型水銀ランプにおいて陰極の先端部に有底円筒体を有するものと、従来の陰極に突起部を有するものとを比較するための簡略化した断面である。
【図６】図６は、本発明に係るショートアーク型水銀ランプにおいて、陰極の先端部の有底円筒体の先端部の最大外径ｄと、有底円筒体の底面の位置の陰極の本体部の先端部の最大外径Ｄとの関連性を説明するための簡略化した断面図である。
【図７】図７は、本発明に係るショートアーク型水銀ランプの陰極の先端部の形状の他の実施形態を示すための簡略化した正面図である。
【図８】図８は、本発明に係るショートアーク型水銀ランプの陰極の先端部の形状のさらに他の実施形態を示すための簡略化した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面に基づいて本発明に係るショートアーク型放電ランプの一例としてショートアーク型水銀ランプを説明する。なお、全図において、各部材の厚さ、長さ、形状、部材同士の間隔、隙間等は、理解の容易のために、適宜、拡大・縮小・変形・簡略化等をしている。図の説明の際の上下・左右の表現は、その図を鉛直面内に置いた状態でのその図面の面に沿った方向を表すものとする。
【００１５】
［ショートアーク型水銀ランプの概略構造］
図１は、本発明の一実施形態に係るショートアーク型水銀ランプ１０の概略構造を示すための簡略化した断面図である。ショートアーク型水銀ランプ１０は、膨張した中央部と両端の管状部とを備える。中央部の内部には、陽極２及び陰極３が対向して配置され、両端の管状部には、発光管封体１の内部と外気とを遮断するために封止部７が設けられている。封止部７には電極マウントが固定されており、電極マウントには、陽極２及び陰極３に接続された電極芯棒５が接続されている。電極芯棒５を経由して、陽極２及び陰極３が、外部のリード線６に接続されている。陽極２と陰極３との先端部間の距離は、４〜２０ｍｍの範囲内の例えば６ｍｍである。
【００１６】
発光管封体１は、外径は５０ｍｍから１６０ｍｍの範囲内の例えば９０ｍｍであり、長さは７０ｍｍから１９０ｍｍの範囲内の例えば１２０ｍｍである。発光管封体１内には、０．５ｍｇ/ｃｍ3から５０ｍｇ/ｃｍ3の範囲から選択された例えば４ｍｇ/ｃｍ3の水銀と、キセノン（Xe）、アルゴン（Ar）及びクリプトン（Kr）の中の少なくとも１種類またはそれらを混合した希ガスとが封入されている。希ガスの封入圧は、封入されたガスの種類によっても異なるが、概略１．２×１０2ｋＰａから４．０×１０2ｋＰａの範囲内の例えば３．０×１０2ｋＰａである。
【００１７】
［放電の概念］
図２は、従来のショートアーク型水銀ランプの陰極３ａと陽極２ａとの間での放電の状態を説明するための簡略化した図であり、陰極３ａと陽極２ａとの一部を拡大して示す。陰極３ａは、先細りの円錐台形状（コーン形状）の部分の先端に、円柱形状に形成されたものを備える。図２に示すように、陽極２ａと陰極３ａとの間に、アーク２０が形成されている。アーク２０は、縞模様で表すように部分によって温度が異なり、概略、陰極３ａの上部の端面３ｔから生じたものと、陰極３ａの上部の端面近くの周縁部３ｓから生じたものとからなり、全般として、陰極３ａの上端部を覆うように発生している。
【００１８】
アーク２０の発生により、陰極３ａの上端部は、高温化し、電極物質が時間経過とともに消耗して揮散し、発光管内壁へ付着するため、照度が徐々に低下してしまう。このため、製品の性能としては、例えば、２２５０時間という所定の時間経過時に、照度維持率が９０％以上であることが望ましいとされている。
【００１９】
［本発明に係る陰極の構造］
図３（ａ）は、本発明の一実施形態に係るショートアーク型水銀ランプ１０に用いられる陰極３の一部を簡略化して示す拡大断面図である。陰極３は、先細りの円錐台形状の本体部３０とその先端に一体として形成された有底円筒体３１とを備える。有底円筒体３１は本体部３０から連続して形成されている。
【００２０】
有底円筒体３１の上端面３１ｔには、凹部３１ｈが形成されている。凹部３１ｈは、本体部３０に達するまで穿たれているのではなく、本体部３０から厚さｔだけ残した位置に、有底円筒体３１の底部３１ｂが存在するように形成されている。
【００２１】
その底部３１ｂの形状は、図３（ａ）では球面になっているが、それに代えて、平坦でも、先細り状等、他のいかなる形状にしてもよい。
【００２２】
図３（ｂ）は、陰極３と図示せぬ陽極との間で放電が発生している状態のアークの広がりの一例を簡略化して示す。図３（ｂ）に示すように、アークの広がりの外縁を表すアーク部分２０ａ，２０ｃで表されたアークが、有底円筒体３１の側面３１ｓと凹部３１ｈの内面とから放出され、また、アーク部分２０ｂ，２０ｄで表されたアークが、有底円筒体３１の側面３１ｓと凹部３１ｈの内面とから放出されている。すなわち、アークは、有底円筒体３１の側面３１ｓからの放出に加えて、凹部３１ｈの内面からも放出されている。図示はしていないが、図２の場合と同様に、有底円筒体３１の上端面３１ｔからもアークは放出されている。
【００２３】
一般に、陰極の先端を鋭利にすると、アーク放電の際の照度を高めることはできるが、先端部の放熱効果が得られず、寿命が短くなるということが知られている。
【００２４】
上述のように、図２に示す陰極３ａでは、アーク２０は、陰極３ａの端面３ｔ及び周縁部３ｓのみから発生している。それに対し、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す陰極３では、アークは、有底円筒体３１の側面３１ｓ及び端面３１ｔに加えて、凹部３１ｈの内面からも発生している。そのように、図３（ａ），（ｂ）に示す陰極３では、アークが発生する陰極の表面積が増加しており、図２に示す陰極３ａよりも放熱効果が高まっている。また、電極最先端面の面積で見た場合、図２に示す陰極の端面３ｔに比べて、図３（ａ），（ｂ）に示す陰極３の端面３１ｔは狭くなっており、アークが収斂し、照度が高まっている。
【００２５】
次に、図４において、表面積の異なる２つの有底円筒体を有する陰極のそれぞれの出力を比較する。図４（ａ）は、陰極の先端に、高さが１．０ｍｍ、外径が１．０ｍｍ、凹部の内径が０．５ｍｍの有底円筒体が形成されている構成を示す（第１例）。図４（ｂ）は、陰極の先端に、高さが１．５ｍｍ、外径が１．５ｍｍ、凹部の内径が０．５ｍｍの有底円筒体が形成されている構成を示す（第２例）。それらの有底円筒体の表面積を比較すると、第２例の有底円筒体の上端面３５ｔ−１の半径は、第１例の半径の１．５倍で、凹部３５ｈ−１，３５ｈ−２の開口部の面積は同じなので、第２例の有底円筒体の上端面３５ｔ−１の表面積は、第１例の対応する表面積の約１．５×１．５となる。また、第２例の有底円筒体の高さは、第１例の高さの１．５倍である。そのため、第２例の有底円筒体の表面積は、第１例の約１．５×１．５×１．５＝３．３７５倍となる。第１例の場合に実測すると、出力は１５００Ｗ（２３Ｖ，６５Ａ）であった。そのため、第２例の出力は、１５００Ｗ×３．３７５＝約５０６３Ｗとなると予測することができる。
【００２６】
次に、凹部の有無の効果を検討する。
【００２７】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、それぞれ、直径の異なる従来の円柱状の突起を有する陰極を示す。図５（ｃ）は、本発明に係る凹部３１ｈを形成した陰極３を示す。図５（ｄ）は、従来の円柱状の突起を有する陰極であるが、その先端面は図５（ｃ）の本発明の陰極の先端面の面積と同一の面積を有する。
【００２８】
それぞれの図の下側に、初期照度と比率とを示す。比率は、図５（ａ）に示す形状のランプの初期照度を１００％とした場合に、それに対する他の形状のランプの初期照度の比率を表す。
【００２９】
図５（ａ）と図５（ｂ）とを比較すると、先端面の狭い図５（ｂ）のランプの初期照度が、図５（ａ）より高く、１０７．６％である。ただし、図５（ｂ）の陰極の先端部の消耗が大きく、図５（ｂ）の陰極は、図５（ａ）のよりも寿命が短いことが予想される。
【００３０】
一方、先端面の面積が同一の図５（ｃ）と図５（ｄ）とを比較すると、図５（ｃ）の本発明に係るランプの初期照度は２３７ｍＷ/ｃｍ2であるのに対し、図５（ｄ）のランプの初期照度は２２５ｍＷ/ｃｍ2であり、図５（ｃ）の初期照度が図５（ｄ）の初期照度よりも高いことがわかる。ただし、図５（ａ）及び図５（ｂ）の場合と異なり、図５（ｃ）及び図５（ｄ）は先端面の面積が同一であるため、図５（ｃ）の本発明の陰極においても放熱効果は図５（ｄ）と同様に得られると考えられる。そのため、図５（ｃ）の本発明に係る陰極では、初期照度が向上しただけでなく、先端部の消耗が抑制されることは明らかである。
【００３１】
さらに、図５（ａ）と図５（ｃ）との比較で、ランプの初期照度が高くなったのは次の２つの効果による。すなわち、陰極の最先端部の断面積の減少による電流密度の増加の効果（図５（ａ）と図５（ｄ）の比較）と、陰極先端部の表面積増加によりアークが発生しやすくなることの効果（図５（ｃ）と図５（ｄ）の比較）である。
【００３２】
まとめると、２つの陰極の最先端部の断面積（電流密度）が同じ場合であっても、一方の陰極に、本発明の陰極のような凹部が形成されていると、その陰極においてはアークが発生する表面積が増加するため、ランプの初期照度が向上する。また、本発明の陰極のような凹部が形成されていると、表面積の増加に伴い放熱効果が高まるため、陰極先端部の消耗が抑制されて、所定の点灯時間経過時点においても望ましい照度維持率を実現できるようになる。
【００３３】
図６は、本発明に係るショートアーク型水銀ランプの陰極の先端部の有底円筒体の先端部の最大外径ｄと、有底円筒体の底面の位置の陰極の本体部の先端部の最大外径Ｄとの関連性を説明するための簡略化した断面図である。
【００３４】
図６（ａ）、図６（ｂ）及び図６（ｃ）は、Ｄ／ｄの３つの関係を例示する図である。図６（ａ）では、有底円筒体３１−１の底面の位置の陰極の本体部の先端部の最大外径Ｄが、陰極の先端部の有底円筒体３１−１の先端部の最大外径ｄよりも大きな関係にある。この場合には、Ｄ／ｄは、１より大になる。また、図６（ｃ）は、図６（ａ）の場合よりも、最大外径Ｄがより大きい場合である。この場合には、Ｄ／ｄは、図６（ａ）の場合のＤ／ｄよりもさらに大きな値となる。図６（ｂ）では、逆に、最大外径Ｄが、最大外径ｄよりも小さい。この場合には、Ｄ／ｄは、１より小さくなる。
【００３５】
表１に、Ｄ／ｄと、初期照度及び照度維持率との関係を示す。
【００３６】
【表１】
2012074283.tif 000003
製品として、標準的使用頻度においてランプの寿命末期に、照度維持率が９０％以上であることが望ましいとされている。（ここでは、２４時間点灯で約３ヶ月経過時点に相当する２２５０時間における照度維持率を検討した。）表１において、Ｄ／ｄが０．８未満の０．５の場合、初期照度は１０５で向上しているが、照度維持率は８２であるため、製品の要求仕様を満足していない。また、Ｄ／ｄが３．５を越える３．７の場合には、照度維持率は９５で良好であるが、初期照度が８６と低く、スループットが低下してしまうことになる。
【００３７】
Ｄ／ｄが０．８より小さい場合には、照度は高まるが、陰極先端部が放熱効果を得ることができず温度が上がってしまうため、製品の寿命は短くなる。一方、Ｄ／ｄが３．５より大きい場合には、アークが、有底円筒体の底面の位置にある陰極の本体部の先端部の平坦面から発生してしまうため、照度が低下してしまう。
【００３８】
以上の観点から、Ｄ／ｄは以下の式１の関係を有することが望ましい。
０．８≦＝Ｄ／ｄ≦＝３．５・・・（式１）
［本発明に係る陰極の他の構造］
図７は、本発明に係るショートアーク型水銀ランプの陰極の先端部の形状の他の実施形態を示すための簡略化した断面図である。
【００３９】
図７（ａ）では、陰極の円錐台形状の本体部４０ａ−１の上部の平坦面上に、一体的に、連続して、有底円筒体４１ａ−１が形成されている。また、有底円筒体４１ａ−１には、底部４１ｂ−１を有する凹部４１ｈ−１が形成されている。この実施形態では、Ｄ／ｄは、１．０より大きく、１．５より小さい。
【００４０】
また、図７（ｂ）では、陰極の円錐台形状の本体部４０ａ−２の上部に平坦部は形成されてなく、そこから、連続して、一体的に、有底円筒体４１ａ−２が形成されている。有底円筒体４１ａ−２には、底部４１ｂ−２を有する凹部４１ｈ−２が形成されている。この実施形態では、Ｄ／ｄは、１．０である。
【００４１】
このように、Ｄ／ｄが、上記の式１の関係を満たすのであれば、有底円筒体が形成されている陰極の円錐台形状の本体部上に、平坦部が存在していてもよい。
【００４２】
図８（ａ）、図８（ｂ）及び図８（ｃ）は、本発明に係るショートアーク型水銀ランプの陰極の先端部の形状のさらに他の実施形態を示すための簡略化した断面図である。これらの図に示す陰極の円錐台形状の本体部と有底円筒体との間には平坦部はない。
【００４３】
図８（ａ）は、円錐台形状の本体部５０−１の上端部に、一体的に、連続して、有底円筒体５１−１が形成された陰極を示す。有底円筒体５１−１の上端面５１ｔ−１には、円錐形の頂点を下方に向けた形状の凹部５１ｈ−１が形成されている。言い換えると、上端面５１ｔ−１には、陰極の軸線方向の断面においてＶ字形状の凹部５１ｈ−１が形成されている。その円錐形又はＶ字形状の頂点の位置は、凹部５１ｈ−１の底５１ｂ−１であり、その底は、二点鎖線で示す本体部５０−１の上端部からは一定の距離だけ上方に位置する。
【００４４】
また、図８（ａ）では、有底円筒体５１−１の側面の厚さが、上端面５１ｔ−１から下方にある円錐台形状の本体部５０−１の上端部に向かって線形的に増加する。
【００４５】
図８（ｂ）は、円錐台形状の本体部５０−２の上端部に、一体的に、連続して、有底円筒体５１−２が形成された陰極を示す。有底円筒体５１−２の上端面５１ｔ−２には、陰極の軸線方向の断面Ｕの字形状の凹部５１ｈ−２が形成されている。二点鎖線で示す本体部５０−２の上端部から一定の距離だけ上方の位置に、底部５１ｂ−２が形成されている。また、有底円筒体５１−２の上端面５１ｔ−２の周端面及び断面Ｕの字形状の凹部５１ｈ−２の周端面は、丸められている。
【００４６】
図８（ｃ）は、円錐台形状の本体部５０−３の上端部に、一体的に、連続して、円錐台形状の有底円筒体５１−３が形成された陰極を示す。有底円筒体５１−３の上端面５１ｔ−３には、断面Ｕの字形状の凹部５１ｈ−３が形成されている。二点鎖線で示す本体部５０−３の上端部から一定の距離だけ上方の位置に、底部５１ｂ−３が形成されている。
【００４７】
上記の本発明の実施形態に係るショートアーク型水銀ランプの陰極は、先端面に深く穴が穿たれた有底円筒体を備え、アークが発生する陰極先端部の表面積を広げてアークが太くなるようにした。そのため、照度を高められるとともに、適切な放熱効果を得ることができ、陰極先端部の消耗を抑制することができる。
【００４８】
また、上記の実施形態では、先端部に、底を備える凹部で構成される有底円筒部が形成されている。有底円筒部の先端部の先端周縁部からアークを発生させるのは、陰極のテーパー部の先端寄りの周縁部からアークが発生するのを防ぐためでもある。テーパー部の先端寄りの周縁部からのアーク発生は、特にテーパー部の先端が平坦な面を有する場合に起こりやすいからである。本発明の電極先端形状を採用することにより、アークを適度な太さにしてアークが発生しやすくし、照度を向上させることができる。またランプの働程中、電極の損耗が突起部（底が凹部で構成される有底円筒部）に留めさせる効果が期待できる。
【００４９】
上記の実施形態では、有底円筒部の先端部に凹部を形成したが、凹部に代えて、有底円筒部の先端部の表面を横断する溝を形成してもよい。そのため、凹部には溝を含む。また、凹部の底面は、上記の実施形態の断面Ｕの字形状のものだけでなく、角錐の頂部を逆さにした形状なども採用可能である。
【００５０】
また、上記の実施形態では、ショートアーク型水銀ランプを例示したが、本発明にはこの他に、陽極と陰極の先端間の距離が数ｍｍないし１０数ｍｍである、ショートアーク型キセノンランプ等、水銀ランプ以外のショートアーク型放電ランプも含まれる。
【００５１】
以上、本発明のいくつかの実施形態に係るショートアーク型水銀ランプついて説明したが、本発明はそれらの実施形態に拘束されるものではなく、当業者が容易になしえる追加、削除、改変等は、本発明に含まれるものであり、また、本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の記載によって定められることを承知されたい。
【符号の説明】
【００５２】
１・・・発光管封体
２，２ａ・・・陽極
３，３ａ・・・陰極
５・・・電極芯棒
６・・・外部リード
７・・・封止部
１０・・・ショートアーク型水銀ランプ
２０・・・アーク
３０・・・本体部
３１・・・有底円筒体
３１ｈ・・・凹部
３１ｓ・・・側面
３１ｔ・・・上端面
【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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【図７】
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【図８】
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