(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的開口部を備える遮光部材と、
前記遮光部材の一面側に配置され、前記遮光部材に実装される光源と、
前記光源に対向し、かつ該光源の光放出方向側を囲うように設置され、前記光源と前記光学的開口部に焦点をもつ回転楕円面の一部からなる反射面と、を備え、
前記光源からの光は、前記反射面に反射されることにより集光した後、前記遮光部材の前記光学的開口部より放射され、
前記光学的開口部は前記反射面の前記焦点ないしその近傍にのみ形成される、
ことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記反射面は前記光源の光放出方向側の実質的に全部を囲うように設置される、ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記集光した光の焦点は、前記光学的開口部位置ないしその近傍にある、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記遮光部材は複数の前記光学的開口部を備え、かつ該複数の光学的開口部にそれぞれ対応する複数の前記反射面が備えられ、前記光源からの光は、前記複数の反射面により反射されることにより反射面ごとに集光した後、該反射面に対応する前記光学的開口部よりそれぞれ放射される、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光源装置。
【請求項５】
前記光源はＬＥＤである、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光源装置。
【請求項６】
前記ＬＥＤの光放出方向には、光透過性材料からなるレンズであって、該ＬＥＤを構成する半導体発光素子を原点とする半球状のレンズが形成されている、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光源装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の光源装置を１又は２以上備える発光装置。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれかに記載の光源装置を複数マトリックス状に配置した、ことを特徴とする発光装置。
【請求項９】
前記発光装置は、信号灯又はディスプレーである、ことを特徴とする請求項７又は８に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は光源装置に関する。また、光源装置を利用した信号灯、ディスプレー等の発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、信号灯に使用される光源装置として、白熱電球を光源とし、光源からの光を赤、青緑等、各目的色に着色されたフィルターを介して所望の単色光を放出するものが広く一般に用いられている。また、所望の発光色のレンズ型発光ダイオード（ＬＥＤ）を複数個密に基板上に配置した光源装置が知られる。ＬＥＤを光源とした光源装置では、擬似点灯がない、保守点検の手間を大幅に減少させることができるといった利点がある。加えて、ＬＥＤ自体が単色発光するため、発光した光の大部分をフィルターでカットする白熱電球を用いた方式よりも、外部放射効率を高くできる。また、フィルターを用いた場合には、外部より入射する光によりフィルター色が表示され、あたかも点灯しているかのごとく認識されるおそれがあるが、ＬＥＤを光源とした場合にはフィルターを必要とせず、このような擬似点灯のおそれはない。さらに、ＬＥＤは白熱電球のごとき球切れがなく、信頼性の高いものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来知られているＬＥＤを光源とする信号灯は、上記のようにレンズ型ＬＥＤを用いているため、外部放射効率が十分とは言えないものであった。レンズ型ＬＥＤでは、指向性を高めればそれだけ放射光にロスが生じ、外部放射効率が低下するためである。
また、十分な光度を確保するため、及び発光むらをなくして見栄えのよいものとするためにＬＥＤを密に実装することが行われるが、これには手間がかかるのはもとより、大きな熱が発生しかつ放熱が効率的に行われないためＬＥＤが高温状態となる。このようにＬＥＤを高温状態で点灯することは、発光出力の低下を引き起こし、また、寿命特性を低下させるため好ましくない。将来、発光素子の高出力化がなされることにより、一定のエリア内に配置するＬＥＤの使用量を減少できるとしても、ＬＥＤ光源の実装密度が小さくなることによる発光むら、即ち見栄えが悪くなるという問題は解消されない。
また、ＬＥＤの外部放射効率を高めるために設けられる光学系（リードフレーム表面の銀メッキ等）は、外光を反射し、着色した擬似点灯にはならないものの、ＬＥＤ点灯時と消灯時のコントラスト低下をもたらす原因となり得る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以上の課題の少なくとも一つを解決すべくなされたものであり、新規な構成の光源装置を提供するものである。本発明の構成は、次の通りである。
光学的開口部を備える遮光部材と、
前記遮光部材の一面側に配置される光源と、
前記光源に対向し、かつ該光源の光放出方向側を囲うように設置される反射面と、を備え、
前記光源からの光は、前記反射面に反射されることにより集光した後、前記遮光部材の前記光学的開口部より放射される、ことを特徴とする光源装置。
【０００５】
かかる構成によれば、光源からの光は一旦反射面により反射された後、外部放射されることとなるが、反射面が光源の光放出方向側を囲うように設置されるため、光源からの光の多くを反射面で反射し、外部放射光として利用することができる。即ち、外部放射効率の高い光源装置が得られる。このことは同時に、所定の光量を得るべく光源を複数用いる場合において、一定エリアに配置する光源数を減少できることを意味する。その結果、光源全体での発熱量が減少するとともに、各光源からの放熱が容易となり、光源の発熱に起因する発光出力の低下及び光源寿命の低下を効果的に防止することができる。また、光源からの光は反射面に反射されることにより、集光しながら遮光部材方向へ向かい、遮光部材に備えられた光学的開口部を介して外部放射される。即ち、遮光部材により反射面側への光の取り込みを防止しつつ、反射面により反射された光源からの光は効率的に遮光部材の光学的開口部より外部放射される。従って、外部放射効率を低下させることなく、反射面側への光の取り込みを防止できる。その結果、光源の消灯時における擬似点灯を効果的に防止することができ、光源の点灯時と消灯時のコントラストの高い光源装置が提供される。
【発明の実施の形態】
【０００６】
遮光部材には、例えば、板状であって、平面視略円形、略楕円形、略矩形及びこれらを任意に組み合わせた形状のものを用いることができる。遮光部材の材質も遮光に適したものであれば特に限定されることはなく、例えば、遮光効果の高い黒色系に着色された樹脂等を用いることができる。また、遮光部材の全てが遮光性の材料で形成される必要はなく、例えば、外側（外光の照射する側）の面にのみ黒色系の塗装を施して、遮光性を持たせても良い。また、後述の光源としてＬＥＤを用いる場合には、遮光部材として所望の形状の実装用基板を用いることができる。この場合においても基板に遮光性を持たせるために、基板を遮光性の材料で形成するか若しくは基板に黒色系の塗装等を施す。
【０００７】
遮光部材には光学的開口部が設けられる。光学的開口部とは、遮光部材において光を透過することができる部分をいい、例えば、遮光部材の一部に貫通孔を設けることにより形成される。この場合には、貫通孔に透明な樹脂等を充填することができる。かかる構成によれば、埃や塵等が外部より貫通孔を介して光源装置内部へ進入することを防止できる。また、上記のように黒色系の塗装を施して遮光性を持たせる場合には、一部に塗装しない部分を設け、これを光学的開口部とすることもできる。
光学的開口部の数は後述の反射面の数に対応して定められ、好ましくは反射面の数と同数の光学的開口部を設ける。一の反射面に対して複数の光学的開口部を設け、一の反射面により反射された光を複数の光学的開口部を介して外部放射することもできる。
光学的開口部の形状としては種々の形状を採用することができる。例えば、平面視円形、楕円形、矩形等である。光学的開口部の大きさは、遮光部材の遮光性、及び後述の反射面により反射された光の放射効率を考慮して設計される。即ち、十分な量の光を放射できる程度において光学的開口部をできるだけ小さくすることが好ましく、これにより光学的開口部を介した外光の取り込みを少なくしつつ、かつ高い外部放射効率が得られる。好ましくは、後述の反射面により反射され、集光された光の実質的に全部を外部放射できる大きさとする。
【０００８】
遮光部材において外光の照射する側と反対の面側には、光源が配置される。好ましくは、光源を遮光部材の当該面上に直接又は取付け部材を介して取り付ける。また、光源の位置精度を高めるべく、保持具等を用いることもできる。
また、少なくとも、光源の主たる光放出方向が光源から遮光部材に向かう方向とならないように光源を配置する必要がある。
光源には白熱電球、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることができる。小型化の要請、発光効率、省電力、長寿命等の観点からＬＥＤを用いることが好ましい。
光源としてＬＥＤを用いる場合のＬＥＤの種類は特に限定されず、砲弾型（レンズ型）、チップ型等のＬＥＤを用いることができる。また、目的に応じて、赤色、緑色、青色等、所望の発光色のＬＥＤを用いることができる。また、ＲＧＢタイプのＬＥＤを用いることもできる。
【０００９】
ＬＥＤとして発光波長が３８０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲にあり、かつその封止部材に、当該発光波長の光により励起し蛍光を発する蛍光体を含有させて白色系の光を放射させることにより、白色系の光を放射する光源装置とすることができる。さらに、封止部材に拡散剤を含有させても良い。
この場合、好ましくは、発光波長が４２０ｎｍ〜４９０ｎｍのＬＥＤが用いられる。さらに好ましくは、発光波長が４５０ｎｍ〜４７５ｎｍのＬＥＤが用いられる。かかるＬＥＤとして、III族窒化物系化合物半導体からなるものが好適に用いられる。
【００１０】
蛍光体としては、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、ＺｎＳ：Ｃｕ、ＺｎＳ：Ｍｎ、ＺｎＳ：Ｅｕ、ＹＶＯ４：Ｅｕ、ＹＶＯ４：Ｃｅ、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、及びＹ２Ｏ２Ｓ：Ｃｅの中から選ばれる一又は二以上の蛍光体が用いられる。ここで、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌとは、ＺｎＳを母体としてＣｕ、Ａｕ、及びＡｌで付活したＺｎＳ系のフォトルミネセンス蛍光体であり、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、ＺｎＳ：Ｃｕ、ＺｎＳ：Ｍｎ及びＺｎＳ：Ｅｕとは、同じくＺｎＳを母体としてそれぞれＣｕとＡｌ、Ｃｕ、Ｍｎ、及びＥｕで付活したフォトルミネセンス蛍光体である。同様に、ＹＶＯ４：Ｅｕ及びＹＶＯ４：ＣｅはＹＶＯ４を母体としてそれぞれＥｕ及びＣｅで付活した蛍光体であり、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ及びＹ２Ｏ２Ｓ：ＣｅはＹ２Ｏ２を母体としてそれぞれＥｕ及びＣｅで付活した蛍光体である。これらの蛍光体は、青色〜緑色の光に対して吸収スペクトルを有し、励起波長よりも波長の長い光を発光する。
【００１１】
上記蛍光体の中でも、ＺｎＳ：Ｅｕ、ＹＶＯ４：Ｃｅ及びＹ２Ｏ２Ｓ：Ｃｅは、青色〜緑色の励起光に対する発光波長がその他の蛍光体と比較して長いため、即ち、これらの蛍光体からの発光色はより赤色系であって、その結果、これらの蛍光体から発せられる光と当該発光ダイオードからの光との混合により得られる光はより白色に近い色となる。このように、より白色に近い発光色を得るためには、ＺｎＳ：Ｅｕ、ＹＶＯ４：Ｃｅ及びＹ２Ｏ２Ｓ：Ｃｅの中から選ばれる一又は二以上を蛍光体として選択することが好ましい。
【００１２】
光源に対向する位置には反射面が設置される。反射面は光源からの光を反射して集光するために設けられるものであり、上述の遮光部材に備えられる光学的開口部との関係によって設計される。即ち、反射面により反射されて集光した光が光学的開口部を通過して外部放射するように反射面を設計する必要がある。例えば、光源と上記遮光部材の光学的開口部ないしその近傍に焦点をもつ回転楕円面の一部を反射面とする。かかる構成の反射面では、光源からの光は反射面により反射されて集光し、その集光した光の焦点は遮光部材の光学的開口部ないしその近傍にあることとなる。その結果、光学的開口部ないしその近傍の狭い範囲に光を集中させることができ、小さな光学的開口部をもって当該光を外部放射することができる。即ち、光学的開口部を小さく形成することができるため、上で説明したように、擬似点灯が効果的に防止される。さらに好ましくは、反射面により反射されて集光した光の焦点が、遮光部材の光学的開口部にあるように反射面を設計する。このような構成によれば、より小さな光学的開口部をもって、集光された光を外部放射できるため、擬似点灯防止の効果が一層高められるからであるまた、反射面は光源の光放出方向側を囲うようなものとする。光源からの光の実質的に全部を反射面により反射させて外部放射光に利用し、外部放射効率を高めるためである。
【００１３】
反射面は複数設けることができる。この場合においては、上述のように遮光部材に複数の光学的開口部を形成し、各反射面により反射され集光された光を当該反射面に対応する光学的開口部より外部放射する。かかる構成によれば、一の光源に対して、複数の光学的開口部より光の放射がなされる。換言すれば、光源の数に対して見かけの発光点が多くなるため、複数の光源を配置したのと同様の効果、即ち、面積当たりの発光点数が増し、発光むらの少なく、見栄えが良くなるという効果が得られる。
この場合においても、各反射面を、光源と遮光部材において当該反射面に対応する光学的開口部ないしその近傍に焦点をもつ回転楕円面の一部とすることが好ましい。各反射面によりそれぞれ集光された光を小さな光学的開口部をもって外部放射できることとなり、外部放射効率を高く維持しつつ、かつ擬似点灯を効果的に防止できるからである。さらに好ましくは、各反射面により反射されることによりそれぞれ集光した光の焦点が、遮光部材の当該反射面に対応する光学的開口部にあるように、各反射面を設計する。
【００１４】
反射面は樹脂を所望の形状に成形することにより、また、金属板をプレス加工することにより形成することができる。樹脂成形品を用いる場合には、表面に金属蒸着やメッキ等をすることにより、また、表面に金属等を塗布等することにより、その表面を光反射性とする。また、金属板としては光反射率の高い材料からなるものを用いることが好ましいが、プレス加工後に表面の光反射効率を高める処理を施すこともできる。
【００１５】
【実施例】
以下、図１〜図３を参照しながら本発明の実施例である光源装置１について説明する。図１は光源装置１を光の外部放射側よりみた平面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ線断面図である。また、図３は、反射鏡３０の構成を示す図であって、反射鏡３０のみを光の外部放射側からみた平面図である。
本実施例の光源装置１は、遮光板１０、光源であるＬＥＤ２０、及び反射鏡３０より大略構成される。遮光板１０はＬＥＤ実装用の基板であって、その外部放射側の面（図１において観察される面）には黒色の塗装が施され、遮光機能が備えられている。また、本実施例においては遮光板１０を正六角形とし、かかる正六角形の隣合う二つの頂点と中心（Ｆ）とを結ぶことにより形成される各正三角形の重心位置にはそれぞれ貫通孔１１〜１６が設けられている。
【００１６】
図２に示されるように、遮光板１０の反射鏡３０側の面には、ＬＥＤ３０が所定の距離をおいて実装される。本実施例では、ＬＥＤ２０として、III族窒化物系化合物半導体からなる発光素子を備えるＬＥＤを用い、青色系の発光色の光源装置とした。勿論、任意の発光色のＬＥＤを用いることができ、所望の発光色の光源装置を得ることができる。さらには、赤色系、緑色系、青色系の発光色の発光素子を組み合わせたＲＧＢタイプのＬＥＤを用いることにより、任意の色を発光可能な光源装置とすることもできる。
【００１７】
ＬＥＤ２０は、一対のリードフレームの片方に発光素子をマウントし、他方のリードフレームと発光素子とをワイヤにより電気的に接続したものを透明エポキシ樹脂で封止することにより構成され、その光放出方向にはレンズ面２１が形成される。レンズ面２１の形状は、発光素子の位置ｆ０を原点とする球面である。
【００１８】
反射鏡３０は、光反射剤を含有した熱硬化性の樹脂からなり、図３に示されるように反射面３１〜３６を組み合わせて構成される。反射面３１〜３６は、樹脂成形品の表面に金属蒸着の処理を施すことにより鏡面化されている。各反射面の構成について、反射鏡の断面を示す図２を参照しながら、反射面ｒ１及びｒ２を例にとって説明する。まず、反射面３１は、ＬＥＤ２０の発光素子位置（ｆ０）と遮光板１０の貫通孔１１位置（ｆ１）に焦点をもつ回転楕円面の一部である。同様に、反射面３４は、発光素子位置（ｆ０）と貫通孔１４位置（ｆ４）に焦点をもつ回転楕円面の一部である。その他の反射面の構成も同様であって、各反射面と対応する遮光板１０の貫通孔の位置及び発光素子位置（ｆ０）との関係により設計されている。また、反射鏡３０がＬＥＤ２０を囲うように各反射面は形成されている。
【００１９】
反射鏡３０を構成する反射面の構成は、上記のものに限られるものではなく、反射面の数、各反射面の形状を任意に選択することができる。例えば、図４〜図６に示した構成を採用することができる。図４の反射鏡では、３面の反射面が用いられる。この場合には、各反射面に対応する貫通孔（光学的開口部）が遮光板１０に形成される。また、各反射面の形状は、それが対応する貫通孔の位置と発光素子位置（ｆ０）との関係により設定されるものであり、図４の場合では、各反射面は、それが対応する貫通孔の位置と発光素子位置（ｆ０）とに焦点をもつ回転楕円面の一部である。同様に、図５の反射鏡は二つの反射面により構成される。この場合の各反射面の構成は図４の場合と同様である。図６では、２４の反射面からなる反射鏡が示される。この場合の各反射面の構成も図４の場合と同様であり、各反射面は、それに対応して遮光板に設けられる貫通孔位置と発光素子位置（ｆ０）とに焦点を持つ回転楕円面の一部としてある。図６の反射鏡では、各反射面の形状が平面視三角形であるが、図７に示される反射鏡では、平面視矩形、平面視三角形の反射面を組み合わせて反射鏡を構成している。各反射面におけるその他の構成は図６の反射鏡の場合と同様である。
【００２０】
以上のように構成された光源装置１では、まず、ＬＥＤ２０内の発光素子が発する光の実質的に全部がレンズ２１界面で屈折することなく放射され、反射鏡３０の反射面３１ないし３４に至る。各反射面に至った光は、当該反射面に対応する遮光板の貫通孔を焦点として反射面毎に集光され、集光された光は各貫通孔を通過して外部放射される。
このように、各反射面に反射された光は、それぞれ対応する貫通孔の位置を焦点として集光して外部放射されるため、各貫通孔を小さく設計することができる。これにより、遮光板１０の各貫通孔を通って反射鏡３０側へ入射する外光を少なくできる。また、各貫通孔を通って反射鏡側に入射した外光は、反射鏡３０の各反射面に至ることとなるが、上述のように、各反射面はそれに対応する貫通孔位置とＬＥＤ２０の発光素子位置（ｆ０）とに焦点をもつ回転楕円面の一部であるため、各反射面に至った外光は当該反射面に反射されることにより発光素子位置（ｆ０）を焦点として集光し、最終的に遮光板１０の反射面側において吸収される。即ち、仮に各貫通孔より反射鏡側へ外光が入射したとしても、それが反射光として外部放射されることはなく、擬似点灯とはならない。
以上のように、光源装置１は外光に対して遮光効果が高く、擬似点灯を効果的に防止できるものである。これにより、ＬＥＤ２０の点灯時と消灯時のコントラストは大きなものとなる。
また、反射鏡３０がＬＥＤ２０を囲うように設計してあるため、ＬＥＤから放射される光の実質的に全部を反射鏡３０において反射し、外部放射することができる。これにより、外部放射効率の高い光源装置となる。
また、外部放射光の放射角は、各反射面からそれに対応する貫通孔に至る角度範囲となる。即ち、本実施例の各反射面の構成によれば、高い効率で所定の指向特性をもった光として外部放射することができる。
さらに、一つのＬＥＤ２０に対して外部放射用の貫通孔が６つ設けられ、これらが見かけ上の発光点となるため、あたかも６つの光源があるかのごとき、発光むらの小さい見栄えのよい外部放射光が得られる。
【００２１】
上記の光源装置１において、外部放射側にアウターレンズを設けても良い。アウターレンズは、光源装置１からの放射光を制御し、所望の指向性をもたせるために設けられるものである。例えば、遮光板１０の各貫通孔の外部放射側に光透過性の樹脂からなるレンズをそれぞれ取付ける。これにより各貫通孔から外部に放射される光に所望の指向性を持たせることができる。勿論、アウターレンズは遮光板に直接取付けられる必要はなく、一定の間隔を置いて設置してもよい。
【００２２】
光源装置１を複数用いて、信号灯、ディスプレー等の発光装置を構成することができる。勿論、使用目的によっては、一の光源装置１を用いて発光装置を構成すこともできる。以下、光源装置１を用いた発光装置の一例を説明する。
図８は、信号灯に使用される発光装置５０を示した図であり、７個の光源装置１を組み合わせて用いたものである。上記のように、各光源装置１の遮光板の形状を正六角形としてあるので、複数個の光源装置１を比較的密に配置することができる。
各光源装置１は光透過性の材料からなる固定板６０に組付けられている。この発光装置５０において、各光源装置１に内蔵されるＬＥＤ２０に注目すれば、個々のＬＥＤは広い間隔をおいて配列されることになる。このため、各ＬＥＤからの放熱が効率的に行われる。また、発光装置５０全体に使用されるＬＥＤの数は少なく、全体で発生する熱も小さいものである。このように、発光装置５０全体で生ずる熱が小さく、かつ放熱が効率的に行えるため、ＬＥＤを高温状態で駆動した場合に生ずる発光特性の低下等の問題を回避することができ、信頼性の高い発光装置となる。
また、用いられるＬＥＤの数は少ないものの、上述のように各ＬＥＤからの外部放射効率は高く、また、各光源装置１の見かけ上の発光点はそれぞれ６つあり、それらが密に配置されることとなるため、発光装置５０の外部放射効率は高く、かつその外部放射光は発光むらの小さな見栄えの良いものとなる。
【００２３】
尚、将来、発光素子の高出力化が実現した場合においても、本発明の光源装置によれば、所定エリア内に配置するＬＥＤ数を減少できるとともに、発光むらの小さな見栄えの良い外部放射光を得ることができる。
【００２４】
上記実施例の光源装置おいて、光源として白熱電球を用いることもできる。この場合には、例えば、白熱電球の表面を着色することにより、又は白熱電球の表面に着色されたフィルムないしフィルターを被せることにより、所望の色を発光可能な光源装置とすることができる。また、遮光板の貫通口を通過して放出された光を着色されたフィルターを通すことにより、所望の発光色を得ることもできる。以上のような白熱電球を用いた場合であっても、外光の取り込みが遮光板により防止されるため、擬似点灯がなく、光源の消灯時と点灯時のコントラストの高い光源装置となる。また、光源数に対して見かけ上の発光点が増すため、発光むらの小さな見栄えのよい外部放射光が得られる。
【００２５】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一の実施例である光源装置１の平面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】光源装置１における反射鏡３０の構成を示す平面図である。
【図４】他の構成の反射鏡を示した図である。
【図５】同じく、他の構成の反射鏡を示した図である。
【図６】同じく、他の構成の反射鏡を示した図である。
【図７】同じく、他の構成の反射鏡を示した図である。
【図８】光源装置１を用いた発光装置５０を示した図である。
【符号の説明】
１  光源装置
１０  遮光板
１１〜１６  貫通孔
２０  ＬＥＤ
２１  レンズ
３０  反射鏡
３１〜３６  反射面
５０  発光装置
【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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