(57)【要約】【課題】  発光の均一性が良好で発光効率の良い導光板を用いた光源装置を提供する。【解決手段】  本光源装置は、光源（ＬＥＤ）１と、ＬＥＤ１を保持するための保持部材２と、ＬＥＤ１からの光を端面２５より導入し側面２６から出射させるための導光板３とを備える。導光板３は、側面２６の長さが端面２５の幅よりも長く、かつ端面２５のサイズがＬＥＤ１の発光部２７のサイズよりも大きく構成される。また導光板３は、側面２６に対向する面２８に端面２５から離れるに従って粗から密に配置されたシルク印刷やＶ溝等の乱反射機構を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源を保持するための保持部材と、前記光源からの光を端面より導入し側面から出射させるための導光板とを備え、前記導光板は、前記側面の長さが前記端面の幅よりも長く、かつ前記端面のサイズが前記光源の発光部のサイズよりも大きく構成され、前記側面に対向する面に前記端面から離れるに従って粗から密に配置された乱反射機構を具備することを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記光源が、１つまたは複数の発光ダイオードを用いて構成されたことを特徴とする請求項１記載の光源装置。
【請求項３】
前記光源が、１Ｗ以上の入力電力をもつ白色発光ダイオードを用いて構成されたことを特徴とする請求項１記載の光源装置。
【請求項４】
前記光源が複数の発光ダイオードを用いて構成され、前記複数の発光ダイオードが複数の異なる発光波長の発光ダイオードであることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
【請求項５】
前記導光板の厚みが、４ｍｍ以上であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の光源装置。
【請求項６】
前記保持部材が、前記光源で発生する熱を放熱する機能を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光源装置。
【請求項７】
前記導光板が、多角柱であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光源装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の光源装置と、前記光源装置の長手方向両端部に配置された直管形蛍光ランプと同形状の口金とを備えたことを特徴とするランプ装置。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれかに記載の少なくとも１つの光源装置と、前記光源装置を駆動する駆動回路と、前記駆動回路に給電するための電球口金とを備えたことを特徴とするランプ装置。
【請求項１０】
前記駆動回路を収容する筐体を備え、前記筐体と前記電球口金とを一体的に構成したことを特徴とする請求項９記載のランプ装置。
【請求項１１】
請求項１〜７のいずれかに記載の少なくとも１つの光源装置と、前記光源装置を駆動する駆動回路と、前記駆動回路に天井から給電するための天井取り付け用部材とを備えたことを特徴とするランプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源からの光を端面より導入し側面から出射させるための導光板を備えた光源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光源装置としては従来から蛍光ランプ等を用いたものが多用されているが、このところ蛍光ランプ等の既存のランプを発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す）に置き換える提案が種々の分野でなされている。ＬＥＤは蛍光ランプと異なり水銀を使用しておらず、しかも小型で低電力駆動が可能であり、近年ではその発光効率の向上が目覚しい。従来のＬＥＤデバイスの形状は砲弾型が主流であったが徐々に面実装タイプが増え、ＬＥＤデバイスが小型化することで、その利用が幅広く期待されている。ＬＥＤは、これまでインジケータなどの表示に用いられることが多かったが、その効率向上に伴い照明用途としても展開され、徐々に普及し始めている。
【０００３】
従来、例えば、蛍光ランプが使用されていたものに小型のＬＥＤを使用し、線状あるいは面状の光源を実現するためには、多数のＬＥＤを等間隔に配置する方法が一般的である。しかしながら、この方法では光源が粒状に発光しているのが視認され、滑らかな線状あるいは面状の光源にはならない。そこでＬＥＤ光源の前面に拡散効果をもつシートあるいは板を配置し、ＬＥＤの直進光を拡散することで滑らかな線状あるいは面状光源とすることが可能であるが、この場合は拡散シートあるいは板の透過率が６０％程度であることから、光の利用効率が極端におちてしまう。
【０００４】
また、ＬＥＤを並べることで線状あるいは面状の光源を実現させた場合、ＬＥＤの数量を削減することが困難である。密に並べればそれだけ光源が近接するため、線状あるいは面状とした際の発光の均一さが良好となるが、それだけ多くのＬＥＤを使用する必要が生じる。一方、ＬＥＤの数量を減らすためにはＬＥＤ同士の間隔を粗にして配列する必要が生じ、この場合は発光面での均一さが損なわれてしまう。
【０００５】
これに対して、導光技術を用いた線状光源が、例えばファクシミリ等の画像入力装置用の光源として提案されている。例えば、特許文献１のものは、ランプの光を凹面反射鏡で反射させ、その光を透明材料からなる円柱状のロッド端面から導入し、ロッド内で散乱させてロッド長手方向の表面において線状の光を得るものである。また、特許文献２のものは、円柱状の導光部の一端に複数の発光ダイオード素子を配置し、導光部の表面に軸方向に沿って直線状に拡散反射部を有し、前記導光部の周囲に円筒状の反射部材を備え、この反射部材の軸方向に沿った直線状の間隙から線状の光を得るものである。
【特許文献１】特開平１−２３７５３４号公報
【特許文献２】特開平９−９００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、ＬＥＤを用いて線状光源を形成する場合、ＬＥＤを複数個使用し列状に配置することで実現する方法があるが、この方法では複数の光源を使用しているため、明るさの均一性が低い線状光源となり、ＬＥＤを配置する間隔次第で、粒状に光る点光源の集合体として視認されてしまう問題がある。また同時に、ＬＥＤの発光色にバラツキがあると、隣接するＬＥＤの色度の差により、明るさだけでなく色味の均一性も低くなるという問題がある。
【０００７】
一方、上記従来の技術には、導光技術を使用することで均一性の高い線状光源を実現する方法がファクシミリ等の画像入力装置用の光源において提案されているが、その発光効率は十分とはいえない。導光体入光部よりも光源部分の発光面積を大きくすると、導光体への入光効率が著しく低下する。導光体に入光するまでに光の損失が多いと光源装置としての発光効率が極端に悪くなる。さらに筐体を含めた光源装置として考えた場合、光源部分が大きくなるため、蛍光ランプの代替光源や照明器具としての使用には適さないという問題も挙げられる。
【０００８】
従って本発明の目的は、発光の均一性が良好で発光効率の良い導光板を用いた光源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的は、光源と、前記光源を保持するための保持部材と、前記光源からの光を端面より導入し側面から出射させるための導光板とを備え、前記導光板は、前記側面の長さが前記端面の幅よりも長く、かつ前記端面のサイズが前記光源の発光部のサイズよりも大きく構成され、前記側面に対向する面に前記端面から離れるに従って粗から密に配置された乱反射機構を具備する光源装置により達成される。
【００１０】
前記光源は、１つまたは複数の発光ダイオードを用いて構成することができる。前記光源は、１Ｗ以上の入力電力をもつ白色発光ダイオードを用いて構成することができる。前記光源は複数の発光ダイオードを用いて構成することができ、前記複数の発光ダイオードは複数の異なる発光波長の発光ダイオードとすることができる。前記導光板の厚みは、４ｍｍ以上が好ましい。前記保持部材は、前記光源で発生する熱を放熱する機能を有することが好ましい。前記導光板は、多角柱とすることができる。
【００１１】
本発明に係るランプ装置は、前記光源装置と、前記光源装置の長手方向両端部に配置された直管形蛍光ランプと同形状の口金とを備えることができる。また、本発明に係るランプ装置は、少なくとも１つの光源装置と、前記光源装置を駆動する駆動回路と、前記駆動回路に給電するための電球口金とを備えることができる。ここで、前記駆動回路を収容する筐体を備え、前記筐体と前記電球口金とを一体的に構成するができる。また、本発明に係るランプ装置は、少なくとも１つの前記光源装置と、前記光源装置を駆動する駆動回路と、前記駆動回路に天井から給電するための天井取り付け用部材とを備えることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、発光の均一性が良好で発光効率の良い導光板を用いた光源装置を得ることができる。１つまたは複数のＬＥＤを用いることで小型軽量かつ省エネルギーとすることができる。１Ｗ以上の入力電力をもつ白色ＬＥＤを用いることで明るい照明を得ることができる。複数の異なる発光波長のＬＥＤを用いることで演出効果あるいは装飾性等を向上させることができる。導光板の厚みを４ｍｍ以上とすることで寸法の大きなハイパワーＬＥＤを用いる場合でも発光効率を良くすることができる。保持部材に光源で発生する熱を放熱する機能を持たせることで光源の発光効率や寿命に悪影響を及ぼさないようにすることができる。導光板を多角柱とすることで光出射面を平面とすることができる。
【００１３】
また、本発明のランプ装置は、前記光源装置の長手方向両端部に直管形蛍光ランプと同形状の口金を備えることで直管形蛍光ランプ器具に装着可能となる。また、前記光源装置を駆動する駆動回路に給電するための電球口金を備えることで電球用ソケットに装着可能となる。前記駆動回路を収容する筐体と前記電球口金とを一体的に構成することでコンパクトなランプ装置が可能となる。また、前記駆動回路に天井から給電するための天井取り付け用部材を備えることで天井から直接給電することができる。
【００１４】
さらに、本発明により細形の光源装置を得ることができるので、省スペースな光源として利用することが可能となる。例えば、従来蛍光ランプが使用されているところへの代替光源としての利用をはじめとし、これまで蛍光ランプ等の取り付けが出来ないような環境や場所での使用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明に係る光源装置の一実施例を示す図である。図２は、図１の光源装置の分解図である。
本実施例は、図示のように、光源であるＬＥＤ１と、ＬＥＤ１を保持するための保持部材２と、ＬＥＤ１からの光を端面２５より導入し側面２６から出射させるための導光板３とを備える。導光板３は、反射シート８を介して筐体４に収容される。筐体４は、導光板３と保持部材２を位置固定する。ＬＥＤ１は基板９に実装され、基板９を介して保持部材２に保持される。導光板３の側面２６に対向する面２８には、端面２５から離れるに従って粗から密に配置された乱反射機構（図示しない）を具備する。この乱反射機構については後述する。また、ＬＥＤ１に接続された配線５の他端はＬＥＤを駆動する駆動回路６に接続され、駆動回路６は電源７に接続される。
【００１６】
光源装置の作動時には、電源７より駆動回路６に給電され、駆動回路６により配線５および基板９を介してＬＥＤ１に電圧が印加され、ＬＥＤ１は発光する。このとき、ＬＥＤ１の発光量を安定させるためには、駆動回路６は定電流制御あるいは定電圧制御で動作することが望ましい。ＬＥＤ１の発光により放射された光は導光板３の端面２５より導入され導光板３内を伝搬する。導光板３内を伝搬する光は、導光板の面２８の各部に配置された乱反射機構（図示しない）により乱反射され、導光板３の側面２６から出射する。この原理については後述する。
【００１７】
本例の導光板３は、図示のように断面が矩形の四角柱であるが、これ以外の断面を有する多角柱とすることもできる。導光板３の側面２６の長さＬは、端面２５の幅Ｗよりも長く構成される。また、端面２５のサイズは、ＬＥＤ１の発光部２７のサイズよりも大きく構成される。このように、導光板の幅を狭くし長さを長尺とし、端面のサイズを光源発光部のサイズよりも大きく構成することで、輝度の高い照明に適した光を得ることができる。
【００１８】
ここで、サイズとは、導光板の端面２６における厚みと幅の両方の寸法をいい、またＬＥＤ１（光源）の発光部２７における厚みと幅の両方の寸法をいう。図２に示すように、導光板の端面２６の幅をＷ、厚みをＴとし、図９に示すようにＬＥＤ１の発光部２７の幅をｗ、厚みをｔとした場合に、端面２６のサイズがＬＥＤ１の発光部２７のサイズよりも大きく構成されるとは、Ｗ＞ｗ、かつＴ＞ｔであることをいう。
【００１９】
図９（ａ）〜（ｃ）は、ＬＥＤ１の発光部２７のサイズについて説明するための図である。ＬＥＤ１は、ＬＥＤ素子９１とそれを封止する樹脂部を備える。ＬＥＤ素子９１からの光はこの樹脂部を通して発光するので、ここではこの樹脂部を発光部２７とする。図９（ａ）はＬＥＤが１つの場合の発光部２７のサイズ（幅ｗ、厚みｔ）を示す。図９（ｂ）はＬＥＤが横に２つ配置された場合の発光部２７のサイズを示す。この場合、左側の発光部の左端から右側の発光部の右端の間の幅を発光部２７の幅ｗとする。図９（ｃ）はＬＥＤが縦横２つずつ合計４つ配置された場合をそれぞれ示す。この場合、上側の発光部の上端から下側の発光部の下端の間の厚みを発光部２７の厚みｔとする。ＬＥＤ１の数が増加した場合もこの要領で幅と厚みが決められる。例えば、ハイパワーＬＥＤの場合、発光部２７はφ４〜５ｍｍ程度で構成されていることが多い。これは、使用するＬＥＤ素子に１ｍｍ角前後のものを使用し、このＬＥＤ素子に通電するためのワイヤーを張るための領域として、ＬＥＤ素子周囲１ｍｍ程度の距離が必要となり、さらにそのワイヤーにストレスを与えない距離として１ｍｍ程度の距離を設けて透明樹脂で封止される界面または透明樹脂を封止するための壁面が構成されている。このため、ＬＥＤ１の発光部２７の径がφ４〜５ｍｍとなる。従って、発光部２７に合わせて導光板の厚みも４ｍｍ以上にする必要がある。
【００２０】
上述のとおり、導光板３の側面２６に対向する面２８には、端面２５から離れるに従って粗から密に配置された乱反射機構を具備する。この乱反射機構について以下詳述するが、その前に導光板３内での光の伝搬の原理をまず説明する。
【００２１】
図３は、ＬＥＤから導入された光が導光板内を伝搬する様子を示す図である。図示のように、ＬＥＤ１で発光した光は、導光板３の端面より入光される。導光板３に入光された光は、導光板３と空気の間の屈折率差により、導光板と空気の界面にて全反射が生じる。全反射が生じるためには、導光板３と空気の間の屈折率差で生じる臨界角以上の角度にて、界面に光が当たる必要があるが、ＬＥＤ１から導光板３に入光する時点の屈折率差により、入光角度は一定角以内になっているため、前述の導光板３から空気との界面に光が当たるときには臨界角以上の角度が保持されている。また、この関係を維持するため、導光板の表面は凹凸のない平滑面であることが望ましい。
【００２２】
導光板３より、外部すなわち空気に対して光を射出するためには、前述の全反射を崩して光の反射の角度を意図的に変えてやる必要がある。このために導光板３の側面２６に対向する面２８に乱反射機構が設けられる。乱反射機構は、例えば端面２５から離れるに従って粗から密に配置された光を乱反射する平面的パターンあるいは凹凸部で構成することができる。
【００２３】
図４は、導光板に乱反射機構として平面的パターンを形成した場合の例を示す図である。本例では、平面的パターンは白色シルク印刷１０で構成されているが、これに限定されず、他の印刷または塗布でもよい。導光板３とシルク印刷１０の間には空気層が介在しないため、導光板３内の光がシルク印刷１０に当たった場合、導光板３と空気間の屈折率差は存在しない。またシルク印刷１０自体光透過性が少なく、反射率の高いものを使用するのが通例である。したがって、導光板３内からの光がシルク印刷１０に当たった場合は、シルク印刷が白色であることから、散乱反射が生じる。よってシルク印刷１０が施された面２８と対向する側面２６の方向に反射された光は、側面２６において臨界角以下で入射するため、全反射が生じず側面２６より光が射出されることとなる。シルク印刷１０は、背面全面に印刷するものでなく、ドットや線などによって印刷する部分としない部分を存在させる必要がある。印刷がされた部分に当たった光は、前述のように散乱して側面２６より射出され、印刷されていない部分に当たった光は全反射が維持され、光源より遠方方向に光が導光されることとなる。入光部（端面２５）近傍での印刷面積は少なめにし、徐々に遠方になるにつれ、印刷面積の割合を多めにすることで、すなわち、平面的パターンの面積を端面２５から離れるに従って粗から密に配置することで、導光距離に対して均一性の高い発光を得ることが可能となる。
【００２４】
図５は、導光板に乱反射機構として凹凸部を形成した場合の例を示す図である。本例では、凹凸部は、Ｖ溝１１で構成されているが、これに限定されず、例えばシボ加工等でもよい。図５におけるＶ溝１１は導光板３を削るあるいは凹ませることによって形成した溝である。導光板３内からの光が溝に当たることで、反射角度が変わり側面２６より射出する。図４のシルク印刷と同様に、溝の密度や深さを入光部（端面２５）からの距離によって変化させ、すなわち、溝を端面２５から離れるに従って粗から密に配置することで、均一性の高い光を得ることができる。
【００２５】
図４および図５に示すように、シルク印刷や溝を導光板背面に設けることで、出光面からの発光を得ることができるが、一方で導光板側面部からの発光も生じてしまうと同時に、背面方向へ抜ける光が生じてしまう。そこで、図２に示す反射シート８によって出光面と入光面以外の面を反射性の高い部材により覆うことで、側面や背面に抜けてしまう光の漏れをなくすことが可能となる。ただし、反射シート８と導光板３の間には空気層を存在させる必要があるため、接着等での固定は望ましくない。そこで、筐体４などによる別部材によって導光板３および反射シート８の位置関係を保持するための機構を設けることが望ましい。同時に導光板３とＬＥＤ１の位置関係も保持する必要があるため、ＬＥＤ１を実装した基板９を筐体４に取り付けるための保持部材２によって固定することで、導光板３および反射シート８およびＬＥＤ１の位置関係を保持する構成が実現できる。
【００２６】
またＬＥＤ１の発熱を放熱することが重要である。この点については、保持部材２および筐体４にはアルミニウム等の熱伝導性の良い金属部材を用いることで、筐体４の全体に放熱機構を担わせることが可能となる。
ＬＥＤ１に白色ＬＥＤデバイスを使用すれば、図１の実施例は白色の光源装置として成立する。近年製品化または発表されている大電力供給が可能な１Ｗ以上の入力電力をもつ白色発光ＬＥＤを使用すれば、より明るい光源装置を実現することができる。
一方、赤・青・緑のＬＥＤ素子を一つのパッケージにしたＬＥＤデバイスをＬＥＤ１として使用すれば、前記赤・青・緑の各々のＬＥＤに流す電流を制御することで、可変色を実現する光源装置を提供することが可能となる。
【００２７】
図６は、本発明に係る光源装置を用いたランプ装置の一実施例を示す図である。本ランプ装置は、本発明に係る光源装置の長手方向両端部に直管形蛍光ランプと同形状の口金１２、１３を配置したものである。口金１２、１３には直管形蛍光ランプと同形状の口金端子が設けられている。図６に示す光源装置の全長を直管形蛍光ランプの寸法に合わせることで、本光源装置を既存の直管形蛍光ランプ用照明器具に取り付けることが可能となる。
【００２８】
図７は、本発明に係る光源装置を用いたランプ装置の他の実施例を示す図である。本ランプ装置は、４つの本発明に係る光源装置１４，１５，１６，１７を備え、これらの光源装置を駆動する駆動回路６と、駆動回路６に給電するための電球口金１８とを具備するものである。本例では、駆動回路６は筐体１９に収容され、筐体１９と電球口金１８とが一体的に構成されている。電球口金１８は電球用ソケットに挿入可能のものである。アーム２０，２１，２２，２３は、光源装置１４〜１７の各々を筐体１９に固定する機構と給電する機構とを兼ね備えたものである。口金１８より給電される電圧は筐体１９に収納された駆動回路６およびアーム２０〜２３を介して、光源装置１４〜１７に供給され、これにより光源装置が発光する。本構成とすることで、電球代替の光源装置としての使用が可能となる。また、アーム２０〜２３を可動する構成とすれば、本実施例で実現される光源装置は、配光特性を可変させることが可能となる。本例では、光源装置は４つとしたが、これに限定されず、少なくとも１つであればよい。
【００２９】
図８は、本発明に係る光源装置を用いたランプ装置の他の実施例を示す図である。本ランプ装置は、４つの本発明に係る光源装置１４，１５，１６，１７を備え、これらの光源装置を駆動する駆動回路６と、駆動回路６に天井からコード３２を介して給電するための天井取り付け用部材（シーリングタップ）３３とを備える。天井取り付け用シーリングタップ３３は、ケース２４に収容されている。図示しない電源から電圧がケース２４内に収容されたシーリングタップ３３、コード３２、筐体１９に収納された駆動回路６、およびアーム２０〜２３を介して光源装置１４〜１７に供給され、これにより光源装置が発光する。本構成とすることで、吊り下げ形照明器具と同等のものを実現することが可能となる。また、アーム２０〜２３を可動する構成とすれば、本実施例で実現されるランプ装置は、配光特性を可変させることが可能となる。本例では、光源装置は４つとしたが、これに限定されず、少なくとも１つであればよい。
【００３０】
以上のように、従来の線状光源で生じる、線状に配列された多数の光源が粒状に見えてしまうという問題や、色の不均一性については、導光技術を用いることで解決することができる。光の利用効率を高めるべく、導光体入光部分の面積よりも光源の発光部面積を小さくすることで、入光効率を高めることができる。光源の発光部の面積を小さくし、かつ光源装置から出射される光の明るさを確保するためには、より発光量の大きい光源を使うことが望ましい。近年ではハイパワーＬＥＤと呼ばれるような大電力の投入が可能なＬＥＤデバイスが存在しており、これらを使用することなどで実現が可能となる。しかし、発光面積が小さく大光量が出せるような光源は、光源自体の発熱量も大きいため光源を保持するための部材に金属等の放熱性の高い材質を採用し、光源の発熱を光源装置外部へ放熱することが必要である。
【００３１】
また、近年一般的な液晶用バックライトなどで用いられる導光板は厚みが薄く、本発明に使用すると仮に導光板の入光面面積よりも小さな発光面積の光源を使用しても、導光板の厚み方向で光源の方が厚くなってしまう。そこで、導光板入光面積と光源発光面積との大小関係を維持すると同時に、厚みと幅の両方の寸法でも導光板入光部寸法よりも光源発光部の寸法を小さくする必要がある。このような構成とすることで、発光部分の小形化を図った、明るさと色の均一性を高めた線状光源が達成できる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、光源からの光を端面より導入し側面から出射させるための導光板を備えた光源装置に関するものであり、産業上の利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る光源装置の一実施例を示す図である。
【図２】図１の光源装置の分解図である。
【図３】ＬＥＤから導入された光が導光板内を伝搬する様子を示す図である。
【図４】導光板に乱反射機構として平面的パターンを形成した場合の例を示す図である。
【図５】導光板に乱反射機構として凹凸部を形成した場合の例を示す図である。
【図６】本発明に係る光源装置を用いたランプ装置の一実施例を示す図である。
【図７】本発明に係る光源装置を用いたランプ装置の他の実施例を示す図である。
【図８】本発明に係る光源装置を用いたランプ装置の他の実施例を示す図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、ＬＥＤ１の発光部２７のサイズについて説明するための図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…光源、２…保持部材、３…導光板、４…筐体、５…配線、６…駆動回路、７…電源、８…反射シート、９…基板、１０…シルク印刷、１１…Ｖ溝、１２，１３…口金、１４，１５，１６，１７…光源装置、１８…電球口金、１９…筐体、２０，２１，２２，２３…アーム、２４…ケース
【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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