(57)【要約】　　　（修正有）【課題】黒表示における光抜けを防止してコントラスト比を改善した２層セル型のＳＴＮ型液晶表示装置を提供する。【解決手段】ＳＴＮ型液晶表示装置は、第１の液晶セルと、前記第１の液晶セルと同一の光路中に前記第１の液晶セルと重ねて配置された第２の液晶セルとを有し、前記第１と第２の液晶セルとは光学的特性が互いに同一であって、かつ互いに配向膜の配向方向が直交し、液晶分子のねじれ方向が逆であり、前記第１と第２の液晶セルは、前記第１と第２の液晶セルの内の一方の液晶セル内で内部反射した光成分による黒表示時の透過光スペクトルの極小値成分の内の一つが、視感度が最大の波長域に含まれる波長域になるようにリタデーションの値を設定した。【選択図】　　図９
2004109981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の液晶セルと、前記第１の液晶セルと同一の光路中に前記第１の液晶セルと重ねて配置された第２の液晶セルとを有し、前記第１と第２の液晶セルとは光学的特性が互いに同一であって、かつ互いに対向する配向膜の配向方向が直交し、液晶分子のねじれ方向が逆であるノーマリブラック表示の２層ＳＴＮ型液晶表示装置において、
前記第１と第２の液晶セルは、前記第１と第２の液晶セルの内の一方の液晶セル内で内部反射した光成分による黒表示時の透過光スペクトルの幾つかある極小値成分の内の一つが、視感度が最大の波長域に含まれる波長域になるようにリタデーションの値を設定した２層ＳＴＮ型液晶表示装置。
【請求項２】
第１の液晶セルと、前記第１の液晶セルと同一の光路中に前記第１の液晶セルと重ねて配置された第２の液晶セルとを有し、前記第１と第２の液晶セルとは光学的特性が互いに同一であって、かつ互いに対向する配向膜の配向方向が直交し、液晶分子のねじれ方向が逆であるノーマリブラック表示の２層ＳＴＮ型液晶表示装置において、
前記第１と第２の液晶セルは、前記第１と第２の液晶セルの内の一方の液晶セル内で内部反射した光成分による黒表示時の透過光スペクトルの幾つかある極小値成分の内の一つが、５３０ｎｍから５９０ｎｍの範囲である２層ＳＴＮ型液晶表示装置。
【請求項３】
第１の液晶セルと、前記第１の液晶セルと同一の光路中に前記第１の液晶セルと重ねて配置された第２の液晶セルとを有し、前記第１と第２の液晶セルとは光学的特性が互いに同一であって、かつ互いに配向膜の配向方向が直交し、液晶分子のねじれ方向が逆であるノーマリブラック表示の２層ＳＴＮ型液晶表示装置において、
前記第１と第２の液晶セルは、前記第１と第２の液晶セルの内の一方の液晶セル内で内部反射した光成分による黒表示時の透過光スペクトルの幾つかある極小値成分の内の一つが、前記透過光の光源の発光スペクトルのピーク波長成分の領域にあるように設定された２層ＳＴＮ型液晶表示装置。
【請求項４】
第１の液晶セルと、前記第１の液晶セルと同一の光路中に前記第１の液晶セルと重ねて配置された第２の液晶セルとを有し、前記第１と第２の液晶セルとは光学的特性が互いに同一であって、かつ互いに配向膜の配向方向が直交し、液晶分子のねじれ方向が逆であるノーマリブラック表示の２層ＳＴＮ型液晶表示装置において、
前記第１と第２の液晶セルは、前記第１と第２の液晶セルの内の一方の液晶セル内で内部反射した光成分による黒表示時の透過光スペクトルの幾つかある極小値成分の内の一つが、前記透過光の光源の複数の発光スペクトルの内の視感度が最大の波長域に最も近いピーク波長成分の領域にあるように設定された２層ＳＴＮ型液晶表示装置。
【請求項５】
前記第１と第２の液晶セルの液晶分子のねじれ角が約１８０度であり、前記各セルのリタデーション値を９００〜１０００ｎｍの範囲に設定した請求項１〜４のいずれかに記載の２層ＳＴＮ型液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置に係わり、特にＳＴＮ型の光学的補償液晶セルと駆動液晶セル（表示セル）とを重ねて配置した２層ＳＴＮ型液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＴＮ型ＬＣＤ（Ｓｕｐｅｒ−Ｔｗｉｓｔｅｄ　Ｎｅｍａｔｉｃ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｄｉｓｐｌａｙ）は、１９８４年にＴ．Ｊ．Ｓｃｈｅｆｆｅｒ他により提案された。ＳＴＮ型ＬＣＤにおける不要な色付を防止してクリアな白黒表示を実現する方法として、２層型のＳＴＮ−ＬＣＤが提案されている。
【０００３】
図１を参照して２層型ＳＴＮ−ＬＣＤの構造について説明する。図１は２層型ＳＴＮ−ＬＣＤの電圧無印加時の断面を模式的に描いたものである。上側のＳＴＮ型液晶セル（以下、単にセルと称する）２は補償セルであり、下側のセル３は駆動セル（表示セル）である。補償セル２と駆動セル３は、それぞれ対向する透明ガラス基板１の間に液晶分子４を配置している。
【０００４】
図１では液晶分子４の長軸方向を表している。上下の基板１間の液晶分子４のツイスト（ねじれ）方向（向き）は上下セルで互いに逆になっている。ツイスト角はいずれも１６０〜２７０度程度である。また、上下セルの対向基板の配向方向は直交している。駆動セル３だけが透明電極（図示せず）を有し、電極への電圧の印加により液晶分子４の配列を変えて光の透過率を制御する。駆動セル３から補償セル２に入射する光は、常光線が異常光線に、異常光線が常光線に変換される。上下セル２、３を互いに直交する偏光軸方向の偏光板５が挟持している。
【０００５】
補償セル２と駆動セル３とは、基板の配向方向と液晶分子のツイスト方向以外は、互いに同一のの光学的特性を有する。すなわち、上下のセルは、ツイスト角、プレティルト角、液晶材料、液晶の屈折率（Δｎ）、セル厚（ｄ）などが同一となっている。しかも、両セルの対向する液晶分子４ａと４ｂとは配向方向が直交している。
【０００６】
両セルはお互いに相手のセルの光学的性質（状態）を補償しあっているので、直交ニコル配置の偏光板５と組み合わせると、光学的補償が完全になされた高コントラストなノーマリブラックの表示が実現できる。高透過率でかつ高コントラストな表示を実現するには、光の入射側における偏光板５の偏光軸とセル基板界面の液晶分子の配向方向とのなす角度は、４５度とするのが通常である。
【０００７】
図２に、ツイスト角１８０度の２層ＳＴＮ型ＬＣＤの配向方向（ラビング方向）及び偏光板の透過軸（偏光軸）方向の一例を示す。これは図１の補償セル２の上方から見た平面図である。この例では、駆動セル３に電圧を印加しない時（駆動電圧オフ時）に黒表示が得られる。電圧を印加すると、駆動セル３の液晶分子４が立ち上がり、駆動セルのリタデーション（Ｒ値）が小さくなって補償セル２による光学補償がなくなるために、光透過状態（白表示）となる。
【０００８】
図３に駆動セル３での印加電圧の変化に対する光の透過率変化の特性の例を示す。印加電圧を増加していくと、約１．７Ｖ程度から透過率が増加し、約２．２Ｖで最大透過率を示す。オフ電圧として、黒表示状態の一定の電圧を印加してもよい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、理論的には上下のセル間で互いに完全に補償し合っているので、電圧無印加時には、完全な黒表示が得られるはずであるが、実際にこのような２層セルを製作して表示を行ってみたところ、かなりの光抜けがあることがわかった。光抜けがあると、黒表示でのセルの光透過率の値が上昇し、白表示と黒表示の比率（白表示透過率／黒表示透過率）により決まるコントラスト比が低下して表示品位が低下することになる。
【００１０】
本発明の目的は、黒表示における光抜けを防止してコントラスト比を改善した２層セル型のＳＴＮ型液晶表示装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のＳＴＮ型液晶表示装置は、第１の液晶セルと、前記第１の液晶セルと同一の光路中に前記第１の液晶セルと重ねて配置された第２の液晶セルとを有し、前記第１と第２の液晶セルとは光学的特性が互いに同一であって、かつ互いに対向した配向膜の配向方向が直交し、液晶分子のねじれ方向が逆であるノーマリブラック表示の２層ＳＴＮ型液晶表示装置において、
前記第１と第２の液晶セルは、前記第１と第２の液晶セルの内の一方の液晶セル内で内部反射した光成分による黒表示時の透過光スペクトルの幾つかある極小値成分の内の１つが、視感度が最大の波長域に含まれる波長域になるようにリタデーションの値を設定した。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態、実施例を説明する。本発明による実施形態、実施例の液晶表示装置は、基本構成として図１，２，３に示す構成を有する。図１，２，３を参照した説明は、実施例の説明でもある。
【００１３】
図１，２，３に示す液晶表示装置において、光抜けの原因解明のために、駆動セル３と補償セル２のセル厚を同じ割合で変化させて黒表示での透過率を測定する実験を行った。セル厚を５．２μｍから７．４μｍまで０．２μｍ毎に変化させた。
【００１４】
図４は、黒表示時の光透過率の結果を示す。この実験で用いた液晶の複屈折率Δｎは０．１５０である。図４の実験結果から、セル厚の変化、すなわちリタデーション変化に伴って透過率も変化することがわかった。
【００１５】
２層ＳＴＮ型ＬＣＤの原理からは駆動セル３と補償セル２のリタデーションが同じであるにもかかわらず、リタデ−ションの値が変わると透過率が変わるという現象は説明できない。次に、黒表示での透過光スペクトルのセル厚依存性について測定を行った。
【００１６】
図５は、セル厚５．６μｍ、６．０μｍ、６．４μｍの３つのサンプルについての黒表示時の光透過率のスペクトル分布を示す。図５で縦軸は透過率を、横軸は透過光の波長を示す。セル厚５．６μｍでリタデーション８４０ｎｍの２層セルと、セル厚６．０μｍでリタデーション９００ｎｍの２層セルと、セル厚６．４μｍでリタデーション９６０ｎｍの２層セルの結果を示している。測定結果から明らかなように、２層セルの黒表示時の透過率は波長依存性があり、透過光のスペクトルはセルのリタデーション（セル厚）が大きくなると長波長側にシフトしている。
【００１７】
この現象から、２層セルを透過した光には各セルを１回ずつ透過して完全に補償された光以外に、別の光が透過していることが予想される。
【００１８】
図６に示すように、各セルを１回ずつ透過して完全に補償された光１０のほかに、駆動セル３あるいは補償セル２のいずれか一方のセルで内部反射した光１１，１２が存在し、さらに内部反射してから出射することが推察された。内部反射光は３回以上セルを透過することになり、リターデーションも比例して増大する。このような内部反射光は、他方のセルで完全に補償されずに漏れ光として出射されることが推察された。
【００１９】
図７は、このように内部反射を含んで伝播した透過光のスペクトルのシミュレーション結果を、実際のセルでの実験結果と併せて示したものである。図７で、実線が実際のセルの透過光スペクトル、点線がシミュレーションによる透過光スペクトルを示す。この結果から、実際のデータとシミュレーション結果との間では、スペクトルの個々のピークの大きさや小さなピークの有無に違いがあるものの、波長に対するスペクトルの大きな周期など基本的特性において、互いに非常によい一致が見られることが判る。
【００２０】
黒表示での光抜けの原因が、上記のようにセル内を余計に一往複した光によるものであるとすれば、セルのリタデーションの増加に依存して長波長方向にスペクトル波形がシフトすることに関しても簡単に理解できる。確認のため、セル厚（リターデーション）を変化させてシミュレーションを行なった。
【００２１】
図８は、セルの厚みｄを変えて４つの異なるリタデーション値Ｒでの透過光スペクトル（黒表示時）をシミュレーションしたものである。セル厚ｄは、６．０μｍ（Ｒ＝９００ｎｍ）、６．４μｍ（Ｒ＝９６０ｎｍ）、６．８μｍ（Ｒ＝１０２０ｎｍ）、７．２μｍ（Ｒ＝１０８０ｎｍ）に変化させた。セル厚の増加にほぼ比例して、透過率の振動波形が長波長側に移動することが判る。この結果からリタデーション値Ｒが大きくなるにつれてスペクトルが長波長側にシフトすることが理解される。
【００２２】
以上の図５及び図８の結果から明らかなように、黒表示時の透過光スペクトルはセルのリタデーションの増加に応じて長波長側にシフトするが、その大きさ（透過率）はほとんど変化しない。すなわち、スペクトルの振幅方向には変化がない。
【００２３】
図４に示した２層セルにおける黒表示時透過率のリタデーションに依存した変化は、一見この現象では説明できないように思える。しかし、実際のセルの透過率は、各波長の透過率に人間の視感度を掛け合わせたものとして定義される（色彩光学でのＹ値のため）。視感度が高い波長（最大は５５０ｎｍ）付近でのスペクトルの透過率が高い場合にセルの透過率は高くなり、逆に視感度が高い波長での透過率が低い場合には、セル全体の透過率は低くなる。これが、セルの透過率のリタデーション依存性として現れると考えられる。
【００２４】
上述の解釈、測定結果、シミュレーション結果に基づき、同一光学特性を持った２つのＳＴＮ型液晶セルを積層した２層ＳＴＮ型液晶表示装置において、セルのリタデーション値を適切に選択し、一方のセル内を余計に一往複した光を含む黒表示時の透過光スペクトルを最適に設定することによって、黒表示時のセルの透過率を最少にしてコントラスト比を改善することが可能と判る。
【００２５】
本発明の一実施形態によれば、黒表示時のセルの透過光のスペクトルの幾つかある極小値成分（下向きのピーク）の内の少なくとも一つが視感度が最大となる波長付近、例えば５００〜６００ｎｍの範囲になるようにセル（補償セルと駆動セル両方）のリタデーション値を適切に設定する。より好ましくは、上記極小値成分の波長範囲が５３０〜５９０ｎｍとなるようにセルのリタデーション値が選ばれる。
【００２６】
本発明の別の実施形態によれば、透過光のスペクトルの極小値成分波長をＳＴＮ液晶表示装置の表示用光源の発光ピーク（スペクトルの極大成分）に一致させるようにする。
【００２７】
本発明のさらに別の実施形態によれば、表示用光源が複数の発光ピークを有する場合には、その複数の発光ピークのうち視感度が最大の波長成分の発光ピークに透過光スペクトルの極小値成分波長を一致させるようにする。
【００２８】
【実施例】
次に、ＳＴＮ型液晶表示装置の具体的な実施例について、実際に発明者が行った実験結果を参照しながら説明する。なお、効果を明らかにするために、黒表示の光抜けについて考慮していない従来のＳＴＮ液晶表示装置も比較例として比較実験を行った。実施例による２層型のＳＴＮ型液晶表示装置の構造は基本的には図１に示したものと同一である。但し、実施例ではリタデーション値を特定の条件に基づき選択している。
【００２９】
まず、実験に使用した各セルの諸条件を次に示す。
【００３０】
（従来の２層セル）
駆動セル
基板：透明電極付ガラス基板
配向膜：日立化成工業製ＨＬ−１１０４（プレティルト角２度）
ラビング：レーヨン製ラビング布使用
配向方向：図２と同様（１８０度ツイスト）
セル厚ｄ：５．４μｍ
液晶：ロリク製ＲＤＰ−００３３３にカイラル材としてメルク製Ｓ−８１１を０．５５ｗｔ％添加（左ツイスト）複屈折率＝０．１５０
補償セル
基板：ガラス基板（透明電極なし）
配向膜：日立化成工業製ＨＬ−１１０４（プレティルト角２度）
ラビング：レーヨン製ラビング布使用
配向方向：図２と同様（１８０度ツイスト）
セル厚ｄ：５．４μｍ
液晶：ロリク製ＲＤＰ−００３３３にカイラル材としてメルク製ＺＬＩ−３７８６を０．５５ｗｔ％添加（右ツイスト）
複屈折率＝０．１５０　（リターデーションＲ＝０．８１μｍ）
偏光板
偏光板：日東電工製Ｇ−１２２０
偏光板配置角度：図２と同様
（実施例による２層セル）
駆動セル
基板：透明電極付ガラス基板
配向膜：日立化成工業製ＨＬ−１１０４（プレティルト角２度）
ラビング：レーヨン製ラビング布使用
配向方向：図２と同様（１８０度ツイスト）
セル厚ｄ：６．２μｍ
液晶：ロリク製ＲＤＰ−００３３３にカイラル材としてメルク製Ｓ−８１１を０．５５ｗｔ％添加（左ツイスト）複屈折率＝０．１５０
補償セル
基板：ガラス基板（透明電極なし）
配向膜：日立化成工業製ＨＬ−１１０４（プレティルト角２度）
ラビング：レーヨン製ラビング布使用
配向方向：図２と同様（１８０度ツイスト）
セル厚ｄ：６．２μｍ
液晶：ロリク製ＲＤＰ−００３３３にカイラル材としてメルク製ＺＬＩ−３７８６を０．５５ｗｔ％添加（右ツイスト）
複屈折率＝０．１５０　（リターデーションＲ＝０．９３μｍ）
偏光板
偏光板：日東電工製Ｇ−１２２０
偏光板配置角度：図２と同様
次に、実験結果について説明する。バックライト光源として連続波長光源であるハロンゲンランプを使用し、１／６４デューディ駆動における従来の２層ＳＴＮ型液晶表示装置と実施例の２層ＳＴＮ型液晶表示装置の実験結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
2004109981.tif 000003
【００３２】
図９は、両２層ＳＴＮ型液晶表示装置の黒表示時の透過光スペクトルを示す。実線は実施例による２層ＳＴＮ型液晶表示装置の透過率スペクトルであり、点線は従来の２層ＳＴＮ型液晶表示装置の透過率スペクトルである。実施例の２層ＳＴＮ型液晶表示装置のスペクトルでは、スペクトルの極小値成分（下向きピーク）が視感度最大となる波長である５５０ｎｍ付近にあることが判る。従来の２層ＳＴＮ型液晶表示装置のスペクトルでは逆に視感度最大波長で極大ピークとなっている。
【００３３】
その結果、表１に示したように実施例の２層ＳＴＮ型液晶表示装置の黒表示時の透過率が、従来の２層ＳＴＮ型液晶表示装置の黒表示時の透過率よりも相当低くなり、コントラスト比が大幅に改善されている。
【００３４】
次に、バックライト光源として液晶表示用に一般的に用いられている３波長タイプの冷陰極蛍光（ＣＣＦＬ）管を用いたときの１／６４デューディ駆動における従来の２層ＳＴＮ型液晶表示装置と実施例の２層ＳＴＮ型液晶表示装置の実験結果を表２に示す。
【００３５】
【表２】
2004109981.tif 000004
【００３６】
図１０は、この場合の黒表示時の透過光スペクトルを示す。実線は実施例のサンプルのスペクトルを示し、細かい点線が従来のサンプルのスペクトルを示す。荒い破線はＣＣＦＬ管の発光スペクトルを示す。実施例による２層ＳＴＮ型液晶表示装置のスペクトルでは、スペクトルの極小値成分（下向きピーク）がＣＣＦＬ管の発光ピークの１つである５４５ｎｍ付近に一致していることがわかる。しかも、それが視感度最大となる波長である５５０ｎｍ付近にある。従来の２層ＳＴＮ型液晶表示装置のスペクトルでは、逆にＣＣＦＬ管の５４５ｎｍ付近の発光ピークが透過光のスペクトルの極大ピークと一致している。
【００３７】
波長４３５ｎｍ付近の発光ピークに対してもほぼ同様の状態が成立している。波長６１０ｎｍ付近の発光ピークに対しては、従来のものより高い透過率を示しているがその差は小さい。その結果、表２に示したように実施例による２層ＳＴＮ型液晶表示装置の黒表示時の透過率が従来の２層ＳＴＮ型液晶表示装置の黒表示時の透過率よりも相当低くなり、コントラスト比が大幅に改善されていることが明らかになった。
【００３８】
実施例による２層ＳＴＮ型液晶表示装置では、ＣＣＦＬ管の発光ピークの少なくとも１つと視感度最大となる波長とがほぼ一致していたので、透過率極小成分の波長選択の効果が十分発揮された。光源の発光ピーク波長が視感度最大となる波長と異なる場合には、発光ピーク波長に合わせるようにリタデーション値（セル厚）を設定すればよい。
【００３９】
また、表示光源に３波長管のような複数の発光ピークを持っているものを使用する場合には、視感度最大の波長に最も近い波長付近に、黒表示時透過光スペクトルの極小値の波長成分が合うように設定することが望ましい。
【００４０】
さらに、ネオン管やＬＣＤのように、ある特定波長に発光ピークを持つ光源を使用する場合には、セルの黒表示時透過光スペクトルの極小値の波長成分がその特定波長にできるだけ一致するようにリタデーション値を選択することが望ましい。また白熱電球にカラーフィルタを用いて単色光源として使用する場合、セルの黒表示時透過光スペクトルの極小値の波長成分がそのカラーフィルタを透過後の単色光源の最大波長にできるだけ一致するようにリタデーション値を選択することが望ましい。
【００４１】
以上、実施例に沿って発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＳＴＮ型液晶表示装置は、同一光学特性を持った２つのＳＴＮ型液晶セルを積層し、黒表示時の透過光スペクトルの極小値成分の内の一つが、視感度が最大の波長域に含まれる波長域になるようにセルのリタデーション値を適切に選択したことにより、黒表示時のセルの透過率を最少にしてコントラスト比を改善し、表示品質を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２層セル型のＳＴＮ型液晶表示装置の断面図である。
【図２】図１の２層セル型のＳＴＮ型液晶表示装置の液晶の配向方向を表した平面図である。
【図３】駆動セルの印加電圧に対する光透過率の変化を示す特性図である。
【図４】セルのセル厚に対する光透過率の変化を示す特性図である。
【図５】リタデーション値の違いにより透過光スペクトルの変化を測定した結果を示す図である。
【図６】２層セルの光の透過状態を示す断面図である。
【図７】黒表示時の透過光スペクトルの実測値とシミュレーション値との比較を示す特性図である。
【図８】黒表示時の透過光スペクトルのリタデーション値依存性をシミュレーションした結果を示す。
【図９】黒表示時の透過光の透過率スペクトルを従来の２層セルと本発明の実施例の２層セルとで比較した結果を示す。
【図１０】ＣＣＦＬ管をバックライト光源として使用した場合の、黒表示時の透過光の透過率スペクトルを従来の２層セルと本発明の実施例の２層セルとで比較した結果を示す。
【符号の説明】
１　ガラス基板
２　補償セル
３　駆動セル
４　液晶分子
５　偏光板
６　上側偏光板光透過軸
７ａ　補償セル上側基板ラビング方向
７ｂ　補償セル下側基板ラビング方向
８ａ　駆動セル上側基板ラビング方向
８ｂ　駆動セル下側基板ラビング方向
９　下側偏光板透過軸
１０　透過光
１１、１２　内部反射透過光
【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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【図９】
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【図１０】
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