(57)【要約】      （修正有）【課題】ＵＶＬＥＤ及びＵＶ反射器を備えた光源の提供。【解決手段】半導体光放射源を使用して白色光を生成することが可能な光源。半導体光放射源には、短い波長の光、例えば、紫色に近い色の光、又は、紫外線を放射する紫外線（「ＵＶ」）発光ダイオード（「ＬＥＤ」）を使用する場合がある。リン光体の薄い層をＵＶＬＥＤの表面上に蒸着若しくはコーティングし、あるいは、ＵＶＬＥＤの直上に配置する場合がある。光源は、薄いリン光体の層に光放射によって結合されたＵＶ反射器を更に有する。このＵＶ反射器は、薄いリン光体の層によって放射された目に見える白色光を通過させるとともに、短い波長の光を薄いリン光体の層へ向けて反射させることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視光を放射することが可能な光源(300)であって、
ＵＶ光を放射することが可能なＵＶ発光ダイオード（「ＬＥＤ」）(308)と、
前記ＵＶＬＥＤ(308)の表面の上に配置されたリン光体の層(322)であって、前記ＵＶＬＥＤ(308)からの放射線で刺激され、該放射線がリン光体の層(322)に吸収されたときに光を放射するリン光体の層(322)と、
前記ＵＶＬＥＤ(308)から放射された放射線のうち、前記リン光体の層(322)によって吸収されなかった部分を反射し、前記リン光体の層(322)へ戻すように構成された紫外線（「ＵＶ」）反射器(324)と
からなる光源。
【請求項２】
前記リン光体の層(322)は、前記ＵＶＬＥＤの表面に直接付着されたリン光体の層である、請求項１に記載の光源。
【請求項３】
前記リン光体の層は、ガーネット系、ケイ酸塩系、オキシ硝酸塩系、窒化物系、硫化物系、オルトケイ酸塩系、アルミン酸塩、及び、セレン化物系のリン光体物質からなる群の中から選択されたいずれか１つのリン光体物質を含む、請求項１又は請求項２に記載の光源。
【請求項４】
前記ＵＶ反射器(324)は、前記リン光体の層(322)から受信した所定の大きさ未満の波長の光を反射して前記薄いリン光体の層へ(322)戻すとともに、比較的大きな波長の光は前記ＵＶ反射器(324)を通過させるように構成される、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の光源。
【請求項５】
前記リン光体の層(322)は透明なカプセル材料を含み、該カプセル材料(322)の中に１以上のリン光体が懸濁され、前記透明なカプセル材料は、前記ＵＶＬＥＤ(308)の表面上を被覆するように構成される、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の光源。
【請求項６】
ＵＶＬＥＤ(308)及びＵＶ反射器(324)を使用して可視光を生成する方法であって、
前記ＵＶＬＥＤ(308)から光(330)を放射するステップと、
前記放射光(330)でリン光体の層(322)を刺激することにより、前記放射光(330)を前記放射光(330)とは異なる波長を有する変換光(332,336)に変換するステップと、
前記変換光(332,336)をＵＶ反射器(324)を通してフィルタリングするステップと
からなる方法。
【請求項７】
前記変換光(332,336)をフィルタリングするステップは、
所定の長さ未満の波長を有する光(338)を反射し、前記リン光体の層(322)へ戻すステップと、
前記所定の長さよりも長い波長を有する光(332)を前記ＵＶ反射器(324)を通過させるステップと
を更に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ＵＶフィルタからの前記反射光(338)で前記リン光体の層(322)を刺激することにより、前記反射光(338)を、前記反射光(338)のものとは異なる波長を有する二次変換光(340)に変換するステップと、
前記二次変換光(340)を前記ＵＶ反射器(324)を通して再度フィルタリングするステップと
を更に含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記リン光体の層(322)は、ガーネット系、ケイ酸塩系、オキシ硝酸塩系、窒化物系、硫化物系、オルトケイ酸塩系、アルミン酸塩、及び、セレン化物系のリン光体物質からなる群の中から選択されたいずれか１つのリン光体物質を含む、請求項６〜８のうちのいずれか一項に記載の光源。
【請求項１０】
前記リン光体の層(322)は透明なカプセル材料を含み、該カプセル材料の中に１以上のリン光体が懸濁され、前記透明なカプセル材料は、前記ＵＶＬＥＤ(308)の表面上を被覆するように構成される、請求項６〜９のうちのいずれか一項に記載の光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＵＶＬＥＤ及びＵＶ反射器を備えた光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に発光ダイオード（「ＬＥＤ」）は、半導体物質の電気的刺激により可視光を生成する、電界発光素子の形を有する小型半導体素子である。当初、これらの素子の用途は主に、電子機器における表示機能に限られ、光の色も赤と緑に限られていた。技術の向上に従って、ＬＥＤはより強力になり、幅広いスペクトルの色を使用できるようになった。
【０００３】
１９９０年台初頭における、可視光スペクトルの赤色とは反対の端にあるスペクトルで発光する最初の青色ＬＥＤの製造により、事実上、任意の色の光を作成することが可能になった。原色、すなわち、赤色、緑色、及び、青色を生成する能力をＬＥＤデバイスに与えることで、現在は、白色光を含む任意の色の光を生成することが可能である。白色光を生成することができるため、現在では、白熱灯や蛍光灯の代替の照明としてＬＥＤを使用することができる。白色光は、例えば、外科手術、内視鏡検査、及び、カラー写真評価といった特定の医療用途において非常に有用でもある。ＬＥＤを照明に使用する利点は、従来の照明に比べて非常に効率が高く、丈夫で、非常に小型で、また、白熱灯や蛍光灯のバルブ又はランプに比べて非常に寿命が長い点にある。
【０００４】
白色光は種々の方法で生成することができ、例えば、赤色、緑色、及び、青色を混ぜ合わせることによって、あるいは、紫外線（「ＵＶ」）ＬＥＤを使用してリン光体を刺激することによって生成することができる。青色と黄色の組み合わせで白色光を発するＬＥＤを作成する場合、エポキシ樹脂の半球体に埋め込まれた黄色の光を発するリン光体を刺激する青色発光ダイオードを使用することによって生成することができる。また、白色リン光体ＬＥＤを複数の琥珀色ＬＥＤと組み合わせることで、種々の白色の範囲の光を生成することもできる。
【０００５】
ダイオードの集まりを収容する１つの独立したパッケージ、又は、ランプにおいて赤色、青色、及び、緑色のダイオードチップの組み合わせを使用することは、単一の点光源からフルスペクトルの色が必要とされる用途において好ましい方法である。ただし、この方法では、３つの発光素子から放射される光の色調や輝度のばらつきや、それらの部品から放射される光の混合における生来的な他の問題に起因して、所望の色調の白色光が常に生成されるとは限らない。
【０００６】
大半の白色光ダイオードは、短い波長（青色、紫色、又は、紫外線）の光を発する半導体チップ、及び、波長変換器を備え、波長変換器で、ダイオードからの光を吸収し、より長い波長の二次放射を行っている。したがって、こうしたダイオードは２以上の波長の光を放射し、それらが結合されると、白色に見える。結合後の光の質及びスペクトル特性は、可能な種々の設計変化に従って変化する。最も一般的な波長変換材料は、いわゆるリン光体である。リン光体は一般に、他の放射線源からエネルギーを吸収したときに発光する任意の物質である。通常使用されるリン光体は、光学的に活性なドーパントを含有する無機ホスト物質からなる。イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）は一般的なホスト物質であり、ダイオード用途の場合、通常、希土類元素、又は、希土類化合物がドープされる。セリウムは、白色発光ダイオードに使用されるＹＡＧリン光体における一般的なドーパント元素である。
【０００７】
現在製造されている大半の「白色」ＬＥＤは通常、粉状にされ、ある種の粘着性接着剤に結合された、セリウムがドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（「ＹＡＧ：Ｃｅ」）結晶からなる黄色のリン光体被覆によって覆われた４５０ｎｍ〜４７０ｎｍの青色窒化ガリウム（ＧａＮ）ＬＥＤを使用している。このＬＥＤチップは青色の光を放射し、その一部がＹＡＧ：Ｃｅによって黄色に変換される。この単一結晶形のＹＡＧ：Ｃｅは、実際には、リン光体ではなく、シンチレータであるものと考えられる。黄色の光は、人の目の赤色及び緑色のレセプタを刺激するため、得られる青色の光と黄色の光の混合は白色に見える。
【０００８】
最初の市販の白色発行素子は、黄色のリン光体によって囲まれた青色の光を発する窒化ガリウムインジウム（「ＧａＩｎＮ」）に基づく（日亜化学工業によって製造販売された)ものである。そのようなデバイスの一例は、特許文献１に開示されている。
【０００９】
図１は、そのような一般的な発光素子の断面構造を示す図である。ＬＥＤデバイス１００は、マウントリード１０２、及び、内部リード１０４を備えている。マウントリード１０２は反射カップ１０６を更に備え、そこに青色発光ダイオード１０８が取り付けられる。反射カップ１０６にはエポキシ樹脂が充填され、その中に粉状のリン光体が懸濁される。この発光部品１０８のｎ個の電極、及び、ｐ個の電極は、ボンディングワイヤ１１０及び１１２によってマウントリード１０２及び内部リードにそれぞれ接続される。
【００１０】
リン光体として、セリウムがドープされた粉状のＹＡＧが使用され、ダイを封止するために使用されるエポキシ樹脂の中に懸濁される場合がある。このリン光体とエポキシ樹脂の混合物は、マウントリード１０２上にダイを支持する反射カップ１０６の中に充填される。チップから放射される青色の光の一部は、このリン光体によって吸収された後、より長いリン光波長で再放射される。青色の光による刺激によって黄色の光を生成するという組み合わせは、変換器を１つしか必要としない点で、理想的である。青色の波長と黄色の波長を加法混色によって補完的に結合することにより、所望の白色光が生成される。最終的に得られるＬＥＤの放射光スペクトルは、リン光体の放射光を、リン光体被覆を吸収されることなく通過した青色の放射光と結合させたものに相当する。
【００１１】
白色光ダイオードは、別のメカニズムで光を生成することもでき、例えば、広帯域スペクトルのリン光体を、紫に近い色の光、又は、紫外線によって光学的に刺激することによって、光を生成することができる。そのようなデバイスでは、紫外線を放射するダイオードを使用してエネルギーをリン光体に移動させ、リン光体によって完全な可視光が生成される。白色光を生成するこの方法の利点は、青色の光を発するＬＥＤに比べて色の再現性に優れていることにある。なぜなら、ＵＶＬＥＤは、デバイスによって生成される可視光の色に対しては、大きな影響を与えないからである。
【００１２】
広い範囲の波長の光を発し、白色光を生成するリン光体は、蛍光管や陰極線管の製造に使用されるものと同じ材料であるため、容易に入手することができる。蛍光管は、ＵＶ光をガス放電プロセスによって生成するが、白色光出力を生成するリン光体の発光ステージは、紫外線刺激による白色ダイオードにおけるものと同じである。リン光体は色特性はよく知られているため、この種のデバイスは、厳密な演色性が要求される用途に使用できるという利点を有する。しかしながら、紫外線刺激による白色ダイオードの大きな欠点は、青色の光を使用してリン光体を刺激する白色ダイオードに比べて、その発光効率が低い点にある。その原因は、紫外線を波長の長い可視光にダウンコンバートする際のエネルギー損失が比較的大きいからである。
【００１３】
また、ＵＶＬＥＤを使用するもう１つの欠点は、その高い光エネルギーによって、エポキシ材料に化学結合の崩壊や構造的破壊が発生する可能性があり、パッケージ材料、すなわち、ＬＥＤの封止に使用されるダイオードの周りのエポキシ樹脂の劣化が比較的速いことにある。そのため、リン光体／エポキシ材料がＵＶＬＥＤからの紫外線を受けるのにつれてその輝度は徐々に低下し、光出力が小さくなる。また、紫外線を使用すると、人の目に対する危険も増大し、そうした危険も補償しなければならない。
【００１４】
したがって、ＵＶＬＥＤ内のリン光体／エポキシ材料の劣化の影響を低減し、それによって、光源の発光効率および寿命を改善することが必要とされている。また、人の目に対する安全のために、ＵＶＬＥＤから放射される紫外線のリークを防止することも必要とされている。
【特許文献１】米国特許第５，９９８，９２５号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
紫外線（「ＵＶ」）発光ダイオード（「ＬＥＤ」）及びＵＶ反射器を使用して白色光を生成する光源を開示する。この光源は、その光放射源として、短い波長の光、例えば紫色に近い色の光、又は、紫外線を放射するＵＶＬＥＤを有し、更に、そのＵＶＬＥＤの表面上に配置または被覆されたリン光体の薄膜を有する。また、この光源は、薄いリン光体の層の上に配置されたＵＶ反射材料を更に含む。
【００１６】
動作の一例にとして、ＵＶＬＥＤが短い波長の光を放射すると、その光は薄いリン光体の層に衝突する。この短い波長の光の一部はリン光体の層によって白色光に変換され、短い波長の光の他の部分はリン光体の層を通過する。リン光体の層を通過した光の一部はＵＶ反射器に衝突する。ＵＶ反射器は可視光を通過させ、ＵＶ光は反射してリン光体層へ戻すことができる。リン光体の層は反射されたＵＶ光を白色光に変換し、その白色光がリン光体の層によって再放射される。
【００１７】
本発明の他のシステム、方法、及び、特徴は、添付の図面及び下記の説明から、当業者には明らかであろう。出願人は、この明細書に含まれるそれらの他のシステム、方法、特徴、及び、利点も、本発明の範囲内に含め、特許請求の範囲により保護することを意図している。
【００１８】
本発明は、添付の図面を参照することにより、より簡単に理解することができるであろう。図中の構成要素は、必ずしも同じ縮尺で描かれてはなく、むしろ、本発明の原理を示すために強調が施されている。種々の図面を通じて、同じ参照符号は対応する部材を指している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
好ましい実施形態に関する下記の説明では、本発明を実施することが可能な特定の実施形態を例として示す添付の図面を参照する。本発明の範囲から外れることなく、他の実施形態を使用したり、構造的変更を施したりすることも可能である。
【００２０】
概して、本発明は光放射源を含む光源であり、光放射源には、短い波長の光を放射する紫外線（「紫外線」）発光ダイオード（「ＬＥＤ」）が使用される場合がある。ＵＶＬＥＤは、可視光又は不可視光スペクトルにおける紫色に近い色の光や紫外線のような短い波長の光、すなわち、約４００ナノメートル（「ｎｍ」）の波長以下の波長の光を放射する。概して、「ＵＶ光」という用語は、人の目で見ることができない波長の光を指す。
【００２１】
また、光源は、ＵＶＬＥＤの表面に付着された薄いリン光体の層または被覆を更に有する。上記の薄いリン光体の層は、ＵＶＬＥＤによって放射されたＵＶ光を反射し、比較的長い波長の光を通過させることが可能なＵＶ反射器であってもよい。反射されたＵＶ光は薄いリン光体の層に再び衝突し、それによって反射されたＵＶ光が可視光に変換され、次いで可視光はＵＶ反射器を通過する。その結果、薄いリン光体の層のリン光体材料に応じて異なる明るさの白色光が生成される。
【００２２】
図２は、可視光を生成することが可能な光源の実施形態の一例を示す略断面図である。光源２００は、マウントリード２０２、及び、内部リード２０４を有する。また、マウントリード２０２は反射カップ２０６を備え、その中にＵＶ発光ダイオード２０８が取り付けられる。ＵＶ発光ダイオード２０８のｎ個の電極、及び、ｐ個の電極（図示せず）は、個別のボンディングワイヤ（図示せず）によってマウントリード２０２、及び、内部リード２０４にそれぞれ接続される。
【００２３】
薄いリン光体の層２２２は、ＵＶ発光ダイオード２０８の表面に直接付着される。薄いリン光体の層２２２は、ＵＶ発光ダイオード２０８からＵＶ光の照射を受けたときに白色光を放射する単一のリン光体、又は、複数のリン光体の組み合わせを含む場合がある。他の実施形態において、リン光体は、ＵＶ発光ダイオード２０８の表面全体を覆うように設けられたカプセル材料の中に懸濁される場合がある。半導体デバイス上に材料を蒸着する方法、例えば、リン光体をＬＥＤに蒸着する方法は、２００５年３月８日に発行された「Electrophoretic Processes for the Selective Deposition of Materials on a Semiconducting Device」と題する米国特許第６，８６４，１１０号に記載されており、この文献は参照により本明細書に援用される。
【００２４】
薄いリン光体の層２２２の上には、ＵＶ反射器２２４が配置される。図２において、図示のＵＶ反射器２２４は、薄いリン光体の層２２２に直接取り付けられ、実質的に同じ寸法であるように描かれている。しかしながら、ＵＶ反射器は、薄いリン光体の層２２２の直上に薄いリン光体の層２２２から離して配置してもよく、薄いリン光体の層２２２とは異なる寸法であってもよい。例えば、ＵＶ反射器２２４は、薄いリン光体の層２２２よりも幅が広く、薄いリン光体２２２の上に重ねて配置される場合がある。
【００２５】
図３は、ＵＶＬＥＤ及びＵＶ反射器の詳細を示す、図２に示した光源の略断面図である。図３において、ＵＶ発光ダイオード３０８は、反射カップ３０６によって支持され、例えば３８０ｎｍ〜４１０ｎｍの波長のＵＶ光３３０を放射する。ＵＶ光３３０は、薄いリン光体の層３２２を「刺激」する。ＵＶ光３３０の一部は薄いリン光体の層３２２によって吸収され、より波長の長い光３３２に変換される。この波長の長い光３３２は、ＵＶ反射器３２４を通過し、可視光３３４になる。
【００２６】
ＵＶ光３３０の或る部分は、薄いリン光体の層３２２によって変換されない。その結果、薄いリン光体の層３２２から、比較的短い波長の光３３６が放射される。この短い波長の光３３６は、ＵＶ反射器３２４によって反射され、それによって反射光３３８が生じる。反射光３３６は次いで、薄いリン光体３２２の層を「刺激」し、その結果、より波長の長い光３４０が発生する。この長い波長の光３４０は、薄いリン光体の層３２２を通過し、その結果、生成される可視光３４２の量が増加する。
【００２７】
図４は、図２及び図３に示したＵＶ反射器の実施形態の一例に関する、反射率と光波長の関係をナノメートル（「ｎｍ」）単位でプロットしたグラフである。図４は、約３５０ｎｍ以下の波長の光を実質的に全て反射し、約４５０ｎｍ以上の波長の光を通過させる理想的なＵＶ反射器を示している。
【００２８】
上記の説明は、ＵＶＬＥＤの使用に関するものであったが、本発明の主題は、光放射装置のようなデバイスに限定されない。上で説明した構成要素によって得られる機能から利点が得られるいかなる半導体光放射源でも、半導体レーザーダイオードのような光源において実施することができる。
【００２９】
また、種々の実施形態に関する上記の説明は、図示説明のために提示したものである。この説明は、特許請求の範囲に記載する発明の実施形態を網羅するものでも、本発明を開示した実施形態に厳密に制限するためのものでもない。上記の説明に照らして種々の変更や改変が可能であり、本発明を実施することから、それらを得ることができる。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載、及び、その均等によって規定される。
【００３０】
本発明の種々の例示的実施形態を以下に列挙する。
１．可視光を放射することが可能な光源であって、
半導体光放射源と、
前記半導体光放射源の表面の上に配置されたリン光体の層であって、前記半導体放射源からの放射線で刺激され、該放射線がリン光体の層に吸収されたときに光を放射するリン光体の層と、
前記半導体光放射源から放射された放射線のうち、前記薄いリン光体の層によって吸収されなかった部分を反射し、前記薄いリン光体の層へ戻すように構成された紫外線（「ＵＶ」）反射器と
からなる光源。
２．前記半導体光放射源は、ＵＶ光を放射することが可能なＵＶ発光ダイオード（「ＬＥＤ」）である、１に記載の光源。
３．前記リン光体の層は、前記ＵＶＬＥＤの表面に直接付着されたリン光体の層である、２に記載の光源。
４．前記薄いリン光体の層は、前記ＵＶＬＥＤによって放射されたＵＶ光によって刺激されたときに可視光を放射する１以上のリン光体を含む、３に記載の光源。
５．前記リン光体の層は、前記ＵＶ光によって刺激されたときに白色光を放射する単一の黄色のリン光体である、４に記載の光源。
６．前記リン光体の層は、ガーネット系、ケイ酸塩系、オキシ硝酸塩系、窒化物系、硫化物系、オルトケイ酸塩系、アルミン酸塩、及び、セレン化物系のリン光体物質からなる群の中から選択されたいずれか１つのリン光体物質を含む、４に記載の光源。
７．前記ＵＶ反射器は、前記薄いリン光体の層から受信した所定の大きさ未満の波長の光を反射して前記薄いリン光体の層へ戻すとともに、比較的大きな波長の光は前記ＵＶ反射器を通過させるように構成される、３に記載の光源。
８．前記所定の大きさは、約３８０〜４１０ナノメートル（ｎｍ）の範囲の値を有する、７に記載の光源。
９．前記リン光体の層は透明なカプセル材料を含み、該カプセル材料の中に１以上のリン光体が懸濁され、前記透明なカプセル材料は、前記半導体光放射源の表面上を被覆するように構成される、２に記載の光源。
１０．前記透明なカプセル材料は透明なエポキシ又はシリコン系材料である、９に記載の光源。
１１．半導体光放射源及びＵＶ反射器を使用して可視光を生成する方法であって、
前記半導体光放射源から光を放射するステップと、
前記放射光でリン光体の層を刺激することにより、前記放射光を前記放射光とは異なる波長を有する変換光に変換するステップと、
前記変換光をＵＶフィルタを通してフィルタリングするステップと
からなる方法。
１２．前記変換光をフィルタリングするステップは、
所定の長さ未満の波長を有する光を反射し、前記リン光体の層へ戻すステップと、
前記所定の長さよりも長い波長を有する光を前記ＵＶフィルタを通して通過させるステップと
を更に含む、１１に記載の方法。
１３．前記ＵＶフィルタからの反射光で前記リン光体の層を刺激することにより、前記反射光を、前記反射光のものとは異なる波長を有する二次変換光に変換するステップと、
前記二次変換光を前記ＵＶフィルタを通して再度フィルタリングするステップと
を更に含む、１２に記載の方法。
１４．前記半導体光放射源はＵＶＬＥＤである、１３に記載の方法。
１５．前記リン光体の層は、前記ＵＶＬＥＤによって放射されたＵＶ光によって刺激されたときに可視光を放射する１以上のリン光体を含む、１２に記載の方法。
１６．前記リン光体の層は、前記ＵＶ光によって刺激されたときに白色光を放射する単一の黄色のリン光体を含む、１５に記載の方法。
１７．前記リン光体の層は、ガーネット系、ケイ酸塩系、オキシ硝酸塩系、窒化物系、硫化物系、オルトケイ酸塩系、アルミン酸塩、及び、セレン化物系のリン光体物質からなる群の中から選択されたいずれか１つのリン光体物質である、１５に記載の方法。
１８．前記所定の大きさは、約３８０〜４１０ナノメートル（ｎｍ）の範囲の値を有する、１２に記載の方法。
１９．前記リン光体の層は透明なカプセル材料を含み、該カプセル材料の中に１以上のリン光体が懸濁され、前記透明なカプセル材料は、前記半導体光放射源の表面上を被覆するように構成される、１１に記載の方法。
２０．前記透明なカプセル材料は透明なエポキシ又はシリコン系材料である、１９に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】ＬＥＤを有する従来の光源の実施形態の一例を示す略断面図である。
【図２】ＵＶＬＥＤ及びＵＶ反射器を含む光源の実施形態の一例を示す略断面図である。
【図３】ＵＶＬＥＤ及びＵＶ反射器の詳細を示す、図２に示した光源の略断面図である。
【図４】図２及び図３に示したＵＶ反射器の実施形態の例に関する、反射率と光波長の関係をナノメートル（「ｎｍ」）単位でプロットしたグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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