(57)【要約】【課題】紫外線の照射により発光する蛍光体を用いた液晶表示装置において、紫外線による液晶劣化と、明るさの低下と、透過時と反射時の光路差による透過率とＮＴＳＣ比の差を改善する。【解決手段】第１の基板と第２の基板との間に、少なくとも２色以上の波長帯域にパターン化されたカラーフィルターと、前記カラーフィルターの下方に半透過反射膜と蛍光体を配置した。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と第２の基板との間に、２色以上の波長帯域にパターン化されたカラーフィルターと、半透過反射膜と、紫外線の照射により発光する蛍光体と、を備える半透過型表示装置であって、
前記半透過反射膜と前記蛍光体は、カラーフィルターの下方に設けられ、
前記第１の基板側から入射した可視光線を前記半透過反射膜によって反射して表示するとともに、
前記第２の基板側から入射した紫外線を吸収して前記蛍光体が発光した光の波長がパターン化された前記カラーフィルターの透過波長帯域にあり、前記蛍光体が発光した光を透過させて表示することを特徴とする半透過型液晶表示装置。
【請求項２】
前記第２の基板の背面側に紫外線を発するバックライトが設けられたことを特徴とする請求項１に記載の半透過型液晶表示装置。
【請求項３】
前記半透過反射膜は光透過領域を有する反射膜であり、前記蛍光体が前記光透過領域に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半透過型液晶表示装置。
【請求項４】
前記光透過領域は前記反射膜に設けられた孔又はスリットで構成され、前記孔又はスリットに前記蛍光体が設けられたことを特徴とする請求項３に記載の半透過型液晶表示装置。
【請求項５】
前記半透過反射膜は選択反射膜により構成され、紫外線を透過し可視光を反射することを特徴とする請求項１または２に記載の半透過型液晶表示装置。
【請求項６】
前記カラーフィルターは、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）３色の各画素パターンより構成され、前記蛍光体も前記カラーフィルターの各画素パターンに対応するように、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）３色に蛍光発光する蛍光体でパターン化され、前記カラーフィルターの彩度がＤ６５光源に対して２１以下であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
【請求項７】
前記蛍光体は半導体ナノ粒子を分散したガラスでできた蛍光体をＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）３色にパターン化したことを特徴とする請求項６に記載の液晶表示装置。
【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、特に反射時と透過時の明るさと色再現性に優れた半透過型液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の液晶表示装置は、ＵＶ（以後紫外線と標記）の照射により発光する蛍光体を用いて、紫外線と可視光の両方の放射エネルギーを利用している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特表２００１−５１２２４８号公報（第１２〜１３頁、第３、４、６図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に記載された技術だけでは、液晶装置として使用すると次のような欠点があった。紫外線と可視光が入射し透過する表示装置の構成要素である、基板、透明電極、偏光板、液晶などに、紫外線に対する透明性、耐光性が求められる。しかしながら、透明電極として一般に使用されるＩＴＯは可視光では透明であるが、紫外域では吸収が大きくなり、効率良く紫外線を蛍光体に透過できなくなる。同様に、透明電極が蛍光体の手前にある構成では、効率良く紫外線を蛍光体に透過できなくなる。従って、紫外線による蛍光発光を充分に利用できず、また、反射で観測する場合の明るさは可視光のみを利用した場合と比較して改善効果は少ない。また、一般に使用される液晶は長時間紫外線の照射を受けると、液晶分子の一部が分解され、この分解生成物により焼付きなどの不具合を発生させる。従って、現状では偏光板に紫外線を吸収する機能を持たせて、液晶を紫外線から保護しているのが現状である。然るに、特許文献１にはこの様な課題に対する解決方法の記載は無い。さらに、特許文献１では透過型の構成と反射型の構成が開示されているが、透過時と反射時の表示機能を同時に実現する構成とはなっていない。
【０００５】
さらに、透過時と反射時の表示機能を同時に実現する構成でＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）のカラーフィルターを用いた加法混色を用いてカラー表示する場合、カラーフィルターは反射時と透過時で兼用することになる。反射で観察する場合、透過で観察する場合と比較して、外光はカラーフィルターを２回透過する光路をとる。そのため、カラーフィルターの発色は透過時と反射時で大きな差が生ずることとなる。この差を問題視する記述は従来技術には無く、解決方法の記載も無い。カラーフィルターの彩度と明度の差に関して、国際照明委員会の勧告によるＣＩＥ１９３１・ＸＹＺ表色系によれば、彩度は、ＸＹＺ表色系における色度座標ｘｙにおいて、Ｒ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）の各々の色度座標を結んで得られる三角形の面積に、全米テレビジョン方式委員会の定めるＮＴＳＣ１９５３方式のＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）各々の色度座標を結んで得られる三角形の面積の比率で表現する。一般にＮＴＳＣ比として使用されている。明度はＹ値で表現し、カラーフィルターの場合はＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）の各々のＹ値を合計した白色のＹ値を透過率として使用する。また、反射時の透過率は、光源としてＤ６５を用いたときのダブルパスの透過率を示す。
【０００６】
図４は、透過型液晶ディスプレイで使用される色の濃い透過用カラーフィルターと反射型液晶ディスプレイで使用される色の薄い反射用カラーフィルターの透過率とＮＴＳＣ比の関係を示すグラフである。ここでは、カラーフィルターの色材をコントロールして、透過率とＮＴＳＣ比を調整している。図中菱形でプロットするように、透過用カラーフィルターで反射表示を観察する場合、透過用カラーフィルターを行きと帰りのダブルパスで使用することになるため透過率が下がり、ＮＴＳＣ比は大きくなる。反対に図中丸印でプロットするように、反射用カラーフィルターで透過表示を観察する場合、反射用カラーフィルターをシングルパスで使用することになるため透過率は大きくなり、ＮＴＳＣ比は小さくなる。図４で示すように、カラーフィルターの色材をコントロールしても、透過時と反射時の光路差による透過率とＮＴＳＣ比の差を調整する事は不可能である。
【０００７】
本発明の目的は、特許文献１に開示された構成において、液晶表示素子の外から入射した光を反射し表示するとともに、外光の反対側から入射する光を透過させて表示する機能を有する構成を実現し、さらに、反射時の紫外線による液晶劣化と明るさの低下を改善する。また、カラーフィルターを用いた加法混色時のカラーフィルターの透過時と反射時の光路差による透過率とＮＴＳＣ比の差を改善することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の液晶表示装置は、第１の基板と第２の基板との間に、２色以上の波長帯域にパターン化されたカラーフィルターと、半透過反射膜と、紫外線の照射により発光する蛍光体と、を備える半透過型表示装置であって、半透過反射膜と蛍光体をカラーフィルターの下方に設け、第１の基板側から入射した可視光線を半透過反射膜によって反射して表示するとともに、第２の基板側から入射した紫外線を吸収して蛍光体が発光した光の波長がパターン化されたカラーフィルターの透過波長帯域にあり、蛍光体が発光した光を透過させて表示することにした。このような構成により、外から入射した光を反射し表示するとともに、外光の反対側から入射する光を透過させて表示する機能を実現できる。更に、反射時は可視光のみを利用し、透過時は紫外線を蛍光体で可視光に変換することで、透明電極や液晶を紫外線が透過しない構造として、液晶の劣化と紫外線の吸収を改善している。
【０００９】
さらに、第２の基板の背面側に紫外線を発するバックライトを配置した。このバックライトは第２の基板の側から蛍光体に紫外線を照射するとともに、蛍光体で吸収されず反射した紫外線を反射層で反射させて、再度蛍光体に照射するので、紫外線を無駄なく蛍光体に照射出来て、透過時の輝度向上を可能とする。
【００１０】
また、半透過反射膜を光透過領域が形成された反射膜で構成し、光透過領域に蛍光体を配置することとした。さらに、光透過領域を反射膜に設けられた孔又はスリットで構成し、この孔又はスリットに蛍光体を設けることとした。この様な構成の半透過反射膜は、紫外線を透過しないアルミニュウム等の金属反射膜で、光透過領域としての孔又はスリットで紫外線を可視光に変換し透過光として利用し、液晶に紫外線が入射しない構造にして、液晶の劣化を防止している。また、反射時は可視光を孔又はスリット以外の反射領域で反射して表示する。
【００１１】
また、半透過反射膜は、誘電体多層膜による選択反射膜やコレステリックの選択反射を利用した選択反射膜により構成され、紫外線を透過し可視光を反射する構成にした。この様な構成においても、紫外線を可視光に変換し透過光として利用し、液晶に紫外線が入射しない構造にし、液晶の劣化を防止している。また、反射時は可視光を反射して表示する事も可能としている。
【００１２】
さらに、カラーフィルターを、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）３色の各画素パターンより構成し、蛍光体もカラーフィルターの各画素パターンに対応するようにＲ、Ｇ、Ｂ３色にパターン化され、カラーフィルターの彩度がＤ６５光源に対して２１以下になるようにしている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明による液晶表示装置は、第１の基板と第２の基板との間に、２色以上の波長帯域にパターン化されたカラーフィルターと、半透過反射膜と、紫外線の照射により発光する蛍光体と、を備え、半透過反射膜と蛍光体をカラーフィルターの下方に配置した。さらに、蛍光体が発光する光の波長がパターン化されたカラーフィルターの透過波長帯域にあるようにすることで、第１の基板側から入射した可視光線を半透過反射膜によって反射して表示するとともに、第２の基板側から入射した紫外線を吸収して蛍光体が発光した光を透過させて表示することとした。すなわち、このような構成の液晶表示装置は、カラーフィルターの下方に半透過反射膜と蛍光体を配置し、反射時は第１の基板側から外光を照射して、可視光のみ利用して半透過反射膜で反射させて表示を行う。透過時は第２の基板側から紫外線を照射し、半透過反射膜を透過した紫外線を蛍光体で可視光に変換して可視光のみで透過表示を実現している。液晶は可視光のみ利用して、可視光の偏光状態を変調することで表示する。外光から可視光のみ選択するには、第１の基板側に紫外線を吸収する上偏光板もしくは紫外線吸収フィルターを配置すれば良い。この構成で、液晶を紫外線より保護出来るようにしている。
【００１４】
さらに、第２の基板の背面側に紫外線を照射するバックライトを配置することで、明るい屋外では反射型で使用し、暗い場所ではバックライトを点灯させて透過型で表示出来る液晶表示装置を実現している。反射時の明るさは、半透過反射膜の透過と反射の比率を変える事で調整出来る。また、バックライトの紫外線強度をコントロールする事で透過時の明るさを調整できる。
【００１５】
また、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）３色の各画素パターンにより加法混色を用いたカラー表示を行うに当たり、本液晶表示装置は以下の改善がなされている。まず、蛍光体もカラーフィルターの３色の各画素パターンに対応したＲ、Ｇ、Ｂ３色に蛍光発光するようにパターン化され、第１の基板と第２の基板の間に内設している。この構成によれば、カラーフィルターの画素と蛍光体の距離が画素サイズに比較して充分短く設定可能なために、透過時では、蛍光体の特定色のパターンで発光する光がカラーフィルターの同色パターンに効率良く入射し、その他の色のパターンには少なく入射させることが可能となる。Ｒ（赤色）を例に挙げて説明すると、赤色の蛍光体で発光した光はＲ（赤色）のカラーフィルターの画素のみに効率良く入射し、隣接するＧ（緑色）、Ｂ（青色）の画素には少なく入射する。他の色（緑色、青色）でも同様に作用する。従って、透過時に色の濃いカラーフィルターを使用しなくても濃い色を表示できる。そのため、カラーフィルターの色の濃さは反射時の明るさのみ考慮して決めることができるようになった。カラーフィルターの彩度がＤ６５光源に対して反射でＮＴＳＣ比２１％以下になるようにすれば、反射は明るくでき、かつ、透過時の色は濃いレベルを維持できる。
【００１６】
結果、透過時でのカラーフィルターのＮＴＳＣ比は向上する。従って、色の薄い反射用カラーフィルターで、彩度としてのＮＴＳＣ比がＤ６５光源に対して２１以下のカラーフィルターを用いても、透過時のＮＴＳＣ比を反射時のＮＴＳＣ比に以上に濃くできる。しかし、カラーフィルターのＮＴＳＣ比を２１以上に大きくすると、反射時の透過率が悪くなり反射時の表示が暗くなる。反射時の明るさを確保するためには、カラーフィルターのＮＴＳＣ比を２１以下に設定する事が望ましい。
【００１７】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、本実施例の液晶表示装置の主要構成を示す模式図である。図示するように、第一の基板５と第２の基板１３の間に液晶が挟持されている。ガラス、プラスチック等の透明基板を上基板２として、その裏側表面にカラーフィルター３が設けられている。カラーフィルター３は、染料や顔料の色材層によって赤色のＲ３、緑色のＧ３および青色のＢ３がパターニングされている。パターニングされた各着色層が画素を構成している。更に、カラーフィルター上には上透明電極４が設けられている。一般的な液晶表示素子と同様に図示しない配向膜や絶縁膜などの製膜処理及びラビングなどの配向処理がされていても良い。
【００１８】
一方、下基板１２にもガラス、プラスチック等の透明基板が使用され、紫外線の吸収を低減するために薄板を使用する。下基板１２の表面には半透過反射膜１１が形成される。半透過反射膜１１にはアルミニウム、銀等の金属膜を用いることができる。半透過反射膜１１には、第一の基板５にあるカラーフィルター３の画素に対向して透過領域としての孔が設けられている。この透過領域はパターニングにより形成できる。透過領域には蛍光体１０が設けられ、その上面をアクリル樹脂やエポキシ樹脂等からなる透明樹脂層９が覆い、更にその上には下透明電極８が、その上には内面偏光板７が設けられている。第２の基板１３はこのように構成されている。
【００１９】
蛍光体１０はカラーフィルターの赤色のＲ３、緑色のＧ３および青色のＢ３に対向するように、同じ色の希土類３波長蛍光体が塗布されている。ここでは無機の希土類３波長蛍光体を使用したが、より塗布性に優れた透明な有機蛍光体を使用してもよい。また、カラーフィルター３、蛍光体１０は、カラー表示の色数に応じて使用する色を決めれば良く、モノカラーの場合は１色でも良い。
【００２０】
また、下基板１２側に薄膜トランジスタや薄膜ダイオードなどの素子が有る場合には、素子の開口部に蛍光体１０をホトリソグラフィーによるパターニングで形成し、さらにその上に透明樹脂層９と下透明電極８を形成する。この場合、半導体ナノ粒子を分散したガラスでできた蛍光体を微粒子化して、溶媒で希釈して使用するとより塗布性が向上し、パターニング精度と生産性が改善できる。
【００２１】
内面偏光板７は分子結晶化薄膜偏光板であり、また、液晶の配向膜の機能も併せ持つものである。従って、液晶６にはＴＮ型を使用して上透明電極４の上には通常の配向膜を使用している。内面偏光板７を使用しない場合は、２色性色素を液晶に混入させたゲスト−ホスト型液晶を使用しても良い。また、ＴＮ型の代わりにＳＴＮ型の液晶を用いても良い。
【００２２】
第１の基板５と第２の基板１３はスペーサの混入されたシール材によって一定の間隙を保った状態で貼付されるとともに、これらの基板の間隙に液晶６が封入され、液晶表示素子を構成している。また、第１の基板５の前面側には上偏光板１が貼着され、その偏光軸は、貼着された基板に形成される配向膜のラビング方向に応じて設定され、必要に応じて位相差板を積層しても良い。
【００２３】
このような構成において、第１の基板側から外光１４（すなわち、太陽光や室内照明の光等）が入射した場合、この入射光は液晶表示素子の半透過反射膜１１によって反射し、再度液晶表示素子を逆向きに透過し、これにより反射表示を行うことができる。一方、第２の基板側から照射される紫外線１５は、蛍光体１０で可視光に変換され、これにより透過型表示を行うことができる。
【００２４】
図１の構成で、カラーフィルター３を第２の基板１３側に配置した構成を図２に模式的に示す。このような構成は、図１の構成と比較してカラーフィルター３と蛍光体１０の距離を更に短縮できて、透過の色を濃くすることができる。
【００２５】
また、更に別の構成を図３に模式的に示す。図示するように、第１の基板５の前面側には紫外線吸収フィルター１６が貼着され、図１で示した上偏光板１は、内面偏光板７として上透明電極４の背面に形成される。半透過反射膜１１は高屈折率層と低屈折率層とを積層した誘電体多層膜より構成され、紫外線を透過し、可視光を反射する。高屈折率層の屈折率は２．０〜２．５の範囲がよく、例えばＴｉＯ２  、ＺｒＯ２  、ＳｎＯ２  などで構成するとよい。これに対する低屈折率層の屈折率は１．３〜１．６の範囲がよく、例えばＳｉＯ２  、ＡｌＦ３  、ＣａＦ２  などで構成するとよい。そして、複合蛍光体１７は、図１で示した蛍光体１０とカラーフィルター３を積層したものである。蛍光体としては、半導体ナノ粒子を分散したガラスでできた蛍光体を微粒子化した蛍光体の上に顔料を分散したカラーフィルターが積層されている。このような構成によるメリットは、図１の構成と比較して半透過反射膜１１が透過領域と反射領域に分割されていないので、反射時も透過時も画素の全開口で表示出来、反射率と透過輝度の改善を可能とする。
【００２６】
次に、図１で示した構成の液晶表示素子にバックライトを用いた構成を図６に模式的に示す。ここで、バックライト２１には光源１８として紫外線光源を使用している。紫外線光源には、紫外線発光ＬＥＤやブラックライトを用いることができる。導光板１９は紫外線の吸収が少ない樹脂を使用して、背面に反射層２０を配置している。このバックライト２１は第２の基板１３の側から蛍光体で吸収される紫外線２２を照射するとともに、蛍光体で吸収されない紫外線２３を照射する。蛍光体で吸収されない紫外線２３は半透過反射膜で反射される紫外線２４となり、再度反射層で反射される紫外線２５となり再度蛍光体を照射することになる。そのため、紫外線を無駄なく蛍光体に照射でき、透過時の輝度向上を可能とする。
【００２７】
次に、カラーフィルターを用いた加法混色時のカラーフィルターの透過時と反射時の光路差によるによる透過率とＮＴＳＣ比の差を改善できるしくみを詳細に説明する。本発明では、カラーフィルターとして反射用の透過では色の薄いカラーフィルターを使用でき、反射を明るくすることができるにも係わらず透過時の色を濃くすることが可能になる。反射用カラーフィルターを透過時で使用するとＮＴＳＣ比が小さくなるという従来の課題に対して、本発明では、バックライト２１の光源１８に紫外線光源を用いて、反射用のカラーフィルター３の赤、緑、青の３色の各画素パターンに対応した赤、緑、青の３色の蛍光体１０からなるパターンが、カラーフィルター３の下部に形成されている。蛍光体１０のＲＧＢパターンはカラーフィルター３のＲＧＢとアライメント調整されている。したがって、紫外線が導光板１９を経て蛍光体１０のパターンＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）で蛍光発光し、蛍光体の特定色のパターンで蛍光発光する光がカラーフィルターの同色パターンに効率良く入射し、その他の色のパターンには少なく入射させる。赤色蛍光体を例にすれば、紫外線を受けた赤色蛍光体は赤色の蛍光発光し、カラーフィルター３のＲに効率良く入射し、ＧやＢには少なく入射する。Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）についても同様に同じ色のカラーフィルターに効率良く入射する。このような構成では、蛍光体１０とカラーフィルター３の距離を２０μｍ以内にできるので、蛍光体から発せられる蛍光発光は、ほとんど同じ色のカラーフィルターに入射することになる。そのため、色の薄いカラーフィルターを使用しても透過時のカラーフィルターのＮＴＳＣ比は蛍光発光の光源の色が支配的となる。
【００２８】
本実施例では反射型のカラーフィルターとして図５の表に示す膜厚０．８μｍのカラーフィルターを使用している。その分光スペクトルを図５にＲ、Ｇ、Ｂで示す。また、蛍光体の発する蛍光光源のスペクトルも図７のＲ光源、Ｇ光源、Ｂ光源として示す。反射時と透過時のＮＴＳＣ比と透過率の改善効果を同じく図７の表に示す。図中、方式項目にＲＧＢ蛍光体混色と記載の条件は、カラーフィルターのＲＧＢ３色の各画素パターンに対応したＲＧＢ３色の蛍光体がパターンされていなく、混色した白色発光する場合である。この場合は、透過時のＮＴＳＣ比が小さくなり色が薄い。方式項目にＲＧＢ蛍光体カラーフィルターなしと記載の条件は、カラーフィルターは無いが、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）３色の蛍光体がパターン化されている場合である。この場合、ＮＴＳＣ比は大きくなり、透過の色は濃くなる。しかし、反射はカラーフィルターが無いので白黒表示になってしまう。従って、表中には数値が記載されていない。方式項目にＲＧＢ蛍光体カラーフィルターと記載の条件は、透過時のＮＴＳＣ比は最も大きく、透過率も大きい。反射時もカラー表示可能で明るさも明るくできる。従って、色の薄い反射用カラーフィルターを用いても、透過時のＮＴＳＣ比を大きく出来濃い表示を可能とし、反射時の明るさを維持できる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による液晶表示装置によれば、従来技術の構成と比較して、外から入射した光を反射し表示するとともに、外光の反対側から入射する光を透過させて表示する機能を実現できる。更に、反射時は可視光のみを利用し、透過時は紫外線を蛍光体で可視光に変換することで、透明電極や液晶を紫外線が透過しない構造として、液晶の劣化と紫外線の吸収を改善している。
【００３０】
また、濃いカラーフィルターを使用しなくても、カラーフィルターの色の濃さは反射時の明るさのみ考慮して決めることができる。つまり、カラーフィルターの彩度がＤ６５光源に対して反射でＮＴＳＣ比２１％以下になるようにすれば、反射は明るく、また、透過時の色は濃いレベルを維持できる液晶表示装置が実現できる。これによって、民生品市場で液晶表示装置が多用されているパソコン、カメラ、携帯電話、時計をはじめとする電子機器分野で商品価値を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶表示装置の構成を示す模式図の例である。
【図２】本発明の液晶表示装置の構成を示す模式図の別の例である。
【図３】本発明の液晶表示装置の構成を示す模式図の別の例である。
【図４】従来の技術におけるカラーフィルターの透過率とＮＴＳＣ比の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の液晶表示装置に係わるカラーフィルターでのＮＴＳＣ比と透過率の改善効果を示す図である。
【図６】本発明の液晶表示装置にバックライトを用いた構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１  上偏光板
２  上基板
３  カラーフィルター
４  上透明電極
５  第１の基板
６  液晶
７  内面偏光板
８  下透明電極
９  透明樹脂層
１０  蛍光体
１１  半透過反射膜
１２  下基板
１３  第２の基板
１４  外光
１５  紫外線
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004287324.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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