(57)【要約】【課題】発光ダイオード素子の発光を方向転換するとともに、集光する発光ダイオードおよびこれを用いた照明装置を提供する。【解決手段】発光ダイオード１は、頂面に放物面からなる反射面が形成されている透光性被覆体１ａと、透光性被覆体１ａ内において、頂面の反射面１ａ１の焦点位置に配置された発光ダイオード素子１ｂとを具備している。放物面からなる反射面１ａ１には、透光性被覆体１ａの頂面の外面に密接して配設された反射鏡ｒを具備することもできる。発光ダイオード素子１ｂは、透光性被覆体１ａの中心からオフセットされた位置に配置することができる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂面に放物面からなる反射面が形成されている透光性被覆体と；
透光性被覆体内において、放物面からなる反射面のほぼ焦点位置に配置された発光ダイオード素子と；
を具備していることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
放物面からなる反射面は、透光性被覆体の頂面の外面に密接して配設された反射鏡を具備していることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項３】
照明装置本体と；
照明装置本体に配設された請求項１または２記載の発光ダイオードと；
を具備していることを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオードおよびこれを用いた照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
反射面を備えていて実装面に対して平行な方向に発光するように構成した発光ダイオードは、従来から知られている（例えば特許文献１、２参照。）。
【０００３】
特許文献１に記載されている発光ダイオードは、ＬＥＤチップを封止する樹脂モールドすなわち透光性被覆体の頂面を平面の斜面からなるリフレクタ部としてＬＥＤチップから発生する光をリフレクタ部の内面で反射して透光性被覆体の側面から実装面と平行に導出するように構成されている。
【０００４】
また、特許文献２に記載されている発光ダイオードは、特許文献１とほぼ同様な構成であるが、光透過形被覆体すなわち透光性被覆体の頂面を楕円形の反射面としている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２０２２７０号公報
【特許文献２】
特開平９−９７９２７号公報（００２１）
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１および２に記載されている発光ダイオードは、そのいずれもＬＥＤチップの発光を方向転換することはできても、発光ダイオードの発光を集光して高光度の平行光を主体とする光ビームを得ることができない。
【０００６】
なぜなら、特許文献１では、そのリフレクタ部が平面反射鏡であるから、発光ダイオードから発生する光をそのまま反射するだけであり、発光ダイオードから発生する光は、配光特性が狭いながらも発散していくから、反射した後も発散を継続する。また、反射鏡が平面の場合、透光性被覆体の成形のずれやＬＥＤチップの位置ずれに対して光学特性の変化が大きくなり、甚だしい場合には所望の方向に光を出射できないこともある。
【０００７】
これに対して、特許文献２では、その反射面が楕円反射面であると記載されているのみで、ＬＥＤチップが楕円反射面に対してどのような位置関係にするのか言及されていないので、光学的な作用がどのようになるのか明確でない。そこで、一般的に行われるようにＬＥＤチップが楕円反射面の１次焦点に配置されると仮定した場合、ＬＥＤチップから発生する光は、楕円反射面で反射した後に第２焦点に集光するが、第２焦点を通過した後は再び発散していく。したがって、特許文献２のものも集光することができない。
【０００８】
本発明は、発光ダイオード素子の発光を方向転換するとともに、平行光を主体とする光ビームに集光する発光ダイオードおよびこれを用いた照明装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を達成するための手段】
請求項１の発明の発光ダイオードは、頂面に放物面からなる反射面が形成されている透光性被覆体と；透光性被覆体内において、放物面からなる反射面のほぼ焦点位置に配置された発光ダイオード素子と；を具備していることを特徴としている。
【００１０】
本発明および以下の各発明において、特に指定しない限り用語の定義および技術的意味は次による。
【００１１】
＜透光性被覆体について＞    透光性被覆体は、透明エポキシ樹脂などの透光性絶縁物からなり、その内部に後述する発光ダイオード素子すなわちＬＥＤチップを内蔵して封止している。そして、透光性被覆体の頂面には放物面からなる反射面が形成されている。放物面からなる反射面は、透光性被覆体の頂面を放物面にするだけで発光ダイオード素子からの発光を透光性被覆体の頂面の内面で全反射させることにより、反射面として機能させることができる。しかし、所望により反射性物質からなる反射鏡を頂面の外面に密接して配設することができる。
【００１２】
また、反射面の放物面は、２次元的にのみであってもよいし、２次元の放物面であるとともに、３次元方向に放物面または球面状などをなすものであってもよい。上記のように放物面を３次元的な曲面とすることにより、反射面の面積が大きくなり、反射効率を高めることができる。
【００１３】
一方、透光性被覆体の内部の上記放物面からなる反射面のほぼ焦点位置に発光ダイオード素子を配置する。なお、放物面からなる反射面の「ほぼ焦点位置」とは、焦点位置およびその近傍の集光作用が得られる位置を含む意味である。
ところで、透光性被覆体の頂面と発光ダイオード素子との間を連絡する中間部の横断面形状は特段限定されない。例えば、砲弾形において、従来一般に採用されているのと同様に断面を円形にすることができる。しかし、四角形にすることもでき、この場合、頂面に形成する反射面の面積を円形の場合より大きくできるので、その分集光効率を高くすることができる。
【００１４】
＜発光ダイオード素子について＞    発光ダイオード素子は、透光性被覆体の内部において、放物面位置に封止されているが、例えば一方のリードフレームに電気的に接続するとともに、機械的に支持されていることが許容される。
【００１５】
また、発光ダイオード素子は、反射機能を有する支持部材を介してリードフレームにボンディングすることができる。この場合、支持部材の反射機能を放物面として発光ダイオード素子をその焦点に配置すれば、発光は狭角配光となり、透光性被覆体の頂面に形成される放物面の反射面への光入射効率を高めることができる。
【００１６】
さらに、発光ダイオード素子を一方のリードフレームにボンディングする場合、透光性被覆体の中心からオフセットされた位置に放物面の焦点を形成し、この焦点に発光ダイオード素子を配置することで発光ダイオード素子もオフセットされた位置に配置することができる。これにより、リードフレームをコンパクトにして、かつ、その構造を簡単にすることができる。また、発光ダイオード素子が中心からオフセットされることによって、放物面の反射面に対する入光効率を高めることができる。すなわち、放物面の頂点側は相対的に発光ダイオード素子に近くなり、開口端側は相対的に遠くなるので、発光ダイオード素子から放射される光の発散角度がその光軸を中心とする対称であれば、発光ダイオード素子の位置がオフセットされることにより、放物面の反射面に対する入射角をほぼ等しくすることができ、光の蹴られが少なくなったり、反射面全体が効果的に利用されたりする。
【００１７】
発光ダイオード素子の配光特性は、発光が透光性被覆体の反射面に有効に入射すればよいので、特段限定されない。
【００１８】
また、発光ダイオードは、その発光色が要求される色度に応じて選定される。発光ダイオード単体で所要の発光色が得られないとき、または所望により、複数色の発光ダイオードを用いて、それらの発光を加色混光して所望の発光色を得るように構成することができる。例えば、白色光を得るには、ＲＧＢ３色発光の発光ダイオードを用いて、これらを同時にまたは時分割的に点灯すればよい。なお、後者の場合、時分割点灯であっても、人の眼の残像効果により白色光として感じることができる。しかし、単体で白色光を発光する発光ダイオード用いたり、または補色関係にある２色発光の２種類の発光ダイオードを用いて白色発光を得るようにした発光ダイオードを用いたりすることもできる。
【００１９】
さらに、複数種の発光色の発光ダイオードを備えている場合に、発光色ごとに選択的して点灯することにより、多色の標識光を切り換え可能に発生するように構成することもできる。
【００２０】
さらにまた、発光ダイオードは、砲弾形が好適であるが、本発明の要件を満足する透光性被覆体を備えていれば、表面実装形、集積形など多様な形態のものを用いることができる。なお、本発明において、「砲弾形」とは、プラスチックスレンズの内部に発光ダイオードチップを封入し、背面からリードワイヤが延在する構成である。「表面実装形」とは、延在するリードワイヤに代えて表面実装用の端子が背面およびまたは側面に形成されている。「集積形」とは、複数の発光ダイオードチップが単一の基板に配列されている構成である。
【００２１】
＜本発明のその他の構成について＞    本発明の必須構成要素ではないが、以下の構成を所望に応じて選択的に付加することにより、発光ダイオードとしての性能が向上したり、機能を追加したりすることができる。
【００２２】
１．受電端子    発光ダイオードの受電端子は、リードフレームの一部を透光性被覆体の基部に添接してなる表面実装形端子、リードフレームの一部やリードフレームに接続した導電ワイヤを透光性被覆体の基部から突出していて配線基板に挿入して実装するリードワイヤ形端子など適当な受電端子を備えることができる。
【００２３】
２．カラーフィルタ    発光ダイオード素子の発光色を補正するためのカラーフィルタを配設することができる。カラーフィルタは、透光性被覆体の表面に膜状に形成したり、透光性被覆体中に着色剤を添加したりすることができる。
【００２４】
３．発光ダイオード素子の反射体    発光ダイオード素子の反射体は、透光性被覆体の内部において、発光ダイオード素子の周囲に配設される反射体であって、発光ダイオード素子の発光のうち放物面からなる反射面に入射する光の割合を増加するための手段である。この反射体は、導電性金属からなり、発光ダイオード素子とこれをマウントするリードフレームとの間に電気的、かつ、機械的に介在させることができる。しかし、非導電性物質からなり、発光ダイオード素子の周囲に配設されるような構成であってもよい。
【００２５】
また、発光ダイオード素子の反射体としては、回転放物面反射体からなるのが好ましいが、平板からなる反射体など上記反射面の方向への集光作用を有するものであれば、どのような構成であってもよい。
【００２６】
＜本発明の作用について＞    本発明においては、発光ダイオード素子が放物面からなる反射面のほぼ焦点位置にあるので、そこから放射した光が配光特性にしたがって発散しながら放物面からなる反射面に入射すると、反射して放物面の光軸と平行な平行光を主体とする光ビームに集光されて透光性被覆体から外部へ出射する。
【００２７】
また、反射面が放物面なので、平面からなる反射面より反射面の面積が大きくなり、その分反射効率が高くなる。
【００２８】
さらに、反射面が放物面であることによって、平面からなる反射面の場合より位置ずれなどに対して許容範囲が大きくなる。
【００２９】
請求項２の発明の発光ダイオードは、請求項１記載の発光ダイオードにおいて、放物面からなる反射面は、透光性被覆体の頂面の外面に密接して配設された反射鏡を具備していることを特徴としている。
【００３０】
本発明は、放物面からなる反射面の好適な構成を規定している。この場合の反射鏡は、アルミニウム、銀などの高反射率金属の蒸着、化学的被着または箔の接着などの手段により配設することができる。
【００３１】
そうして、本発明においては、放物面からなる反射面が反射鏡を具備して形成されているため、透光性被覆体の頂面が全反射しないような入射角であっても反射機能を発揮させることができる。
【００３２】
また、発光ダイオード素子から透光性被覆体の頂面への入射光の一部が頂面で全反射しないで透過しても反射鏡により反射して集光されるので、集光効率が高くなる。
【００３３】
請求項３の発明の照明装置は、照明装置本体と；照明装置本体に配設された請求項１または２記載の発光ダイオードと；を具備していることを特徴としている。
【００３４】
本発明において、「照明装置」とは、発光ダイオードの発光を利用するあらゆる装置を含む広い概念であり、例えば標識灯、特に埋込型標識灯、表示灯、照明器具、装飾灯などである。また、「照明装置本体」とは、照明装置から発光ダイオードを除いた残余の部分の全てを意味する。
【００３５】
次に、特に本発明の照明装置として好適な埋込型標識灯について説明する。埋込型標識灯は、路面に埋設されてその上面が路面に露出し、上面に配設された投光窓から低仰角の標識光を投射するように構成されている。また、路面に埋設されるので、内部が外部に対して液密にシールされ、さらに多くの場合には、埋込型標識灯の上面を車両が走行するので、それに耐える強度を備えている。
【００３６】
また、埋込型標識灯は、その投光窓にプリズムまたは素通しのガラス窓が液密に装着され、内部に請求項１または２記載の発明の発光ダイオードが光源として配設される。発光ダイオードは、その発光がプリズムまたはガラス窓に投射され、かつ、投光窓から低仰角で外部に投射されるように、埋込型標識灯の内部空間に配置される。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００３８】
図１および図２は、本発明の発光ダイオードにおける第１の実施の形態を示し、図１は図１（ａ）が正面図、図１（ｂ）が側面図、図１（ｃ）が平面図、図２は正面縦断面図である。
【００３９】
発光ダイオード１は、透光性被覆体１ａ、発光ダイオード素子１ｂ、一対のリードフレーム１ｃ１、１ｃ２、ボンディングワイヤ１ｄおよび一対のリードワイヤ１ｅ１、１ｅ２を具備している。
【００４０】
透光性被覆体１ａは、透明エポキシ樹脂などの透明絶縁体を円柱状に注型してなり、頂面を放物面状に整形することによって形成された放物面からなる反射面１ａ１が配設されている。放物面からなる反射面１ａ１の光軸１ａ２は、透光性被覆体１ａの長軸に対して直角な方向に設定されている。なお、図２において、点線１ａ３は放物線を示している。また、反射面１ａ１は、透明絶縁体を放物面形状に形成してなり、反射面１ａ１に入射した発光ダイオード素子１ｂの発光の殆どが反射面１ａ１の内面で全反射するようになっている。
【００４１】
発光ダイオード素子１ｂは、透光性被覆体１ａの内部の中心位置に封止されるとともに、その発光部側放物面からなる反射面１ａ１のほぼ焦点位置に配置されている。また、発光ダイオード素子１ｂは、後述するようにリードフレーム１ｃ１にボンディングされている。
【００４２】
一対のリードフレーム１ｃ１、１ｃ２は、その一方１ｃ１の上面に発光ダイオード素子１ｂをボンディングすることによって支持するとともに、発光ダイオード素子１ｂの一方の電極に接続し、他方のリードフレーム１ｃ２には後述するボンディングワイヤの一端が溶接している。
【００４３】
ボンディングワイヤ１ｄは、その他端が発光ダイオード素子１ｂの他方の電極に溶接している。
【００４４】
一対のリードワイヤ１ｅ１、１ｅ２は、発光ダイオード１を、例えば図示しない配線基板に実装して支持するとともに、発光ダイオード１を電源に接続する手段である。そして、一方のリードワイヤ１ｅ１は、リードフレーム１ｃ１の一端から折り曲げられて一体に延在している。他方のリードワイヤ１ｅ２は、その先端がリードフレーム１ｃ２を兼ねている。
【００４５】
そうして、発光ダイオード素子１ｂから放射される光は、比較的狭い立体角範囲内で発散するが、その殆どが放物面からなる反射面１ａ１に入射する。発光ダイオード素子１ｂは、その発光部が放物面の焦点に位置しているから、反射面１ａ１に入射した光は、光軸に平行な方向へ反射して平行光を主体とする光ビームになって集光される。
【００４６】
以下、図３ないし図７を参照して本発明の発光ダイオード集光装置の第２ないし第５の実施の形態について説明する。なお、各図において、図１および図２と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。
【００４７】
図３および図４は、本発明の発光ダイオードにおける第２の実施の形態を示し、図３は図３（ａ）が正面図、図３（ｂ）が側面図、図３（ｃ）が平面図、図４は正面縦断面図である。
【００４８】
本実施の形態は、放物面からなる反射面１ａ１の焦点が透光性被覆体１ａの中心から図３（ａ）において左側へオフセットされた位置に設定されている点で異なる。したがって、発光ダイオード素子１ｂをボンディングする方のリードフレーム１ｃ１が小さくてよく、また発光ダイオード素子１ｂをリードワイヤ１ｅ１の上端またはその近傍に位置させることができる。しかも、発光ダイオード素子１ｂから発散する光の殆どを均一に放物面からなる反射面１ａ１に入射させることができる。このため、反射効率が高くなる。
【００４９】
図５は、本発明の発光ダイオードにおける第３の実施の形態を示し、図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は側面図、図５（ｃ）は平面図である。
【００５０】
本実施の形態は、図３および図４の構成に加えて透光性被覆体１ａの横断面形状が四角形である点で異なる。したがって、放物面からなる反射面１ａ１の面積が大きくなる。このため、反射効率が高くなる。
【００５１】
図６は、本発明の発光ダイオードにおける第４の実施の形態を示す正面縦断面図である。
【００５２】
本実施の形態は、放物面からなる透光性被覆体１ａの頂面にアルミニウム箔を貼着して形成した反射膜ｒを付加して放物面からなる反射面１ａ１としている点で異なる。したがって、透光性被覆体１ａの頂面の内面で全反射しない光があっても反射膜ｒで反射される。このため、反射効率が高くなる。
【００５３】
図７は、本発明の発光ダイオードにおける第５の実施の形態を示し、図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は側面図、図７（ｃ）は平面図である。
【００５４】
本実施の形態は、図５の構成に加えて透光性被覆体１ａの頂面の形状が反射面１ａ１の光軸に直交する面内において発光ダイオード素子１ｂの発光部を中心とする球面ｓになっている点で異なる。したがって、放物面からなる反射面１ａ１の面積がより一層大きくなる。このため、反射効率がさらに高くなる。
【００５５】
図８は、本発明の発光ダイオードにおける第６の実施の形態を概略的に示す正面縦断面図である。
【００５６】
本実施の形態は、発光ダイオード素子１ｂの周囲に小さい回転放物面反射体１ｆを付加している点で異なる。そして、発光ダイオード素子１ｂは、その発光部が回転放物面反射体１ｆのほぼ焦点位置に配置されている。
【００５７】
そうして、回転放物面反射体１ｆがないときには透光性被覆体１ａの放物面からなる反射面１ａ１に入射しない光であっても、当該光も回転放物面反射体１ｆにより反射されて上記反射面１ａ１に指向されるので、放物面からなる反射面１ａ１に対する入射光が増加する。このため、反射効率が高くなる。また、埋込型標識灯がコンパクトに構成することができる。
【００５８】
図９は、本発明の照明装置における第１の実施の形態としての空港用埋込型標識灯を概略的に示す断面図である。
【００５９】
本実施の形態において、空港用埋込形標識灯ＭＬは、埋込型標識灯本体１００および発光ダイオード１から構成されている。
【００６０】
埋込型標識灯本体１００は、灯体１０からなる。灯体１０は、上部灯体１１および下部灯体１２を主体として構成されていて、内部空間１０ａを備えている。なお、図中、符号１３はプリズム、１４は押さえ枠、１５はスタッドボルト、１６はカラーフィルタである。
【００６１】
上部灯体１１は、その上面に膨出部１１ａ、光導出溝１１ｂおよび投光窓１１ｃを備えている。膨出部１１ａは、中央に円形の平坦な頂面および頂面から上部灯体１１の周縁にわたる円錐斜面からなる切頭円錐形状をなして上部灯体１１の上面に画成されている。なお、光導出溝１１ｂは、その所望数を配設することができる。そして、光導出溝１１ｂは、膨出部１１ａの切頭円錐斜面に開口するとともに、灯体１０の内部空間１０ａに連通している。投光窓１１ｃは、光導出溝１１ｂと灯体１０の内部空間１０ａとの連通部に配設されていて、透孔窓手段としてプリズム１３が図示しないガスケットおよび押さえ枠１４により上部灯体１１に液密に固着されている。なお、ガスケットについては後述する。
また、灯体１０の周縁部には、上部灯体１１および下部灯体１２を結合して灯体１０を形成する複数のボルト挿通孔１０ｂが形成されている。
【００６２】
下部灯体１２は、皿状をなしていて、スタッドボルト１５によって上部灯体１１の下面に液密に覆合され、上部灯体１１と協働して内部空間１０ａを形成している。また、図示していないが、電源を内部空間１０ａに導入するための端子台が配設される。さらに、下部灯体１２の内面には、後述する発光ダイオード１の支持台２０が配設されている。
【００６３】
発光ダイオード１は、図１ないし図８に示す構成のものを任意に選択して使用でき、またその所望数、例えば図においては２個が灯体１０の内部空間１０ａ内に配設されている。また、発光ダイオード１は、配線基板２に実装され、配線基板２を介して下部灯体１２の支持台２０に支持されている。この状態で、発光ダイオード１は、放物面からなる反射面１ａ１で反射して形成された光ビームがプリズム１３の入光面に対して垂直な方向から入射するように配置されている。
【００６４】
そうして、発光ダイオード１から出光した光ビームは、図において斜め左上側へ向けて出射され、プリズム１３の入光面に入光する。プリズム１３内を透過して出光面から出光する過程で平行光は屈折して透孔窓１１ｃから導光溝１１ｂを通過して標識光として低仰角で灯体１０から外部へ投射される。
【００６５】
図１０は、本発明の照明装置における第２の実施の形態としての空港用埋込型標識灯を概略的に示す断面図である。なお、図において、図４と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。
【００６６】
透孔窓１１ｃは、その透孔窓手段が素通しの窓ガラス１３´からなり、上部灯体１１に液密に装着されている。
【００６７】
発光ダイオード１は、平行光を主体とする集光された光ビームが横向きに出射されるように灯体１０の内部空間１０ａのほぼ中央部に配置されている。そして、複数の発光ダイオード１ｂからの光ビームは、素通しの窓ガラス１３´に垂直に入光するように配置されている。
【００６８】
そうして、発光ダイオード集光装置１から上方へ出射した光ビームは、直接透孔窓１１ｃの窓ガラス１３´に入射し、そのまま窓ガラス１３´を透過して灯体１０から外部へ投射される。
【００６９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、頂面に放物面の反射面が形成されている透光性被覆体と、透光性被覆体内の上記反射面のほぼ焦点位置に配置された発光ダイオード素子とを具備していることにより、発光ダイオード素子の発光を方向転換するとともに、平行光を主体とする光ビームに集光する発光ダイオードを提供することができる。
【００７０】
請求項２の発明によれば、加えて放物面からなる反射面が透光性被覆体の頂面に密接した反射鏡を具備していることにより、反射効率の高い発光ダイオードを提供することができる。
【００７１】
請求項３の発明によれば、照明装置本体と、照明装置本体に配設された請求項１または２記載の発光ダイオードとを具備していることにより、請求項１および２の効果を有する照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光ダイオードにおける第１の実施の形態を示し、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は側面図、図１（ｃ）は平面図
【図２】同じく正面縦断面図
【図３】本発明の発光ダイオードにおける第２の実施の形態を示し、図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は側面図、図３（ｃ）は平面図
【図４】同じく正面縦断面図
【図５】本発明の発光ダイオードにおける第３の実施の形態を示し、図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は側面図、図５（ｃ）は平面図
【図６】本発明の発光ダイオードにおける第４の実施の形態を示す正面縦断面図
【図７】本発明の発光ダイオードにおける第５の実施の形態を示し、図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は側面図、図７（ｃ）は平面図
【図８】本発明の発光ダイオードにおける第６の実施の形態を示す正面縦断面図
【図９】本発明の照明装置における第１の実施の形態としての空港用埋込型標識灯を概略的に示す断面図
【図１０】本発明の照明装置における第２の実施の形態としての空港用埋込型標識灯を概略的に示す断面図
【符号の説明】
１…発光ダイオード、１ａ…透光性被覆体、１ａ１…放物面からなる反射面、１ａ２…光軸、１ａ３…放物面、１ｂ…発光ダイオード素子、１ｃ１…リードフレーム、１ｃ２…リードフレーム、１ｄ…ボンディングワイヤ、１ｅ１…リードワイヤ１ｅ１、１ｅ２…リードワイヤ、ｒ…反射鏡
【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】
2004221390.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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