(57)【要約】【課題】車輪に摩擦を与えることなく発電し、その電力をＬＥＤや半導体レーザーなどの光源に供給し、その光を集光して外部へ出射することができる、バルク型レンズを用いた自転車用ライトを提供する。【解決手段】バルク型レンズ２０と、このバルク型レンズ２０に収納される光源１と、磁石の磁束の変化によって生じる起電力を基に光源１に電流を供給する発電部３０とをそなえた自転車用ライトであって、バルク型レンズ２０が、頂部と、底部と、外周部と、底部から頂部に向かって形成された天井部と内周部とからなる凹部とを有している光学媒体からなり、凹部が光源の収納部であり、天井部が第１のレンズ面として、内周部が光入射面として、外周部が全反射面として、底部が反射面として、頂部が第２のレンズ面として機能する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルク型レンズと、このバルク型レンズに収納される光源と、磁石の磁束の変化によって生じる起電力を基に上記光源に電流を供給する発電部と、をそなえ、
上記バルク型レンズが、頂部と、底部と、外周部と、上記底部から上記頂部に向かって形成された天井部と内周部とからなる凹部とを有している光学媒体からなり、上記凹部が上記光源の収納部であり、上記天井部が第１のレンズ面として、上記内周部が光入射面として、上記外周部が全反射面として、上記底部が反射面として、また、上記頂部が第２のレンズ面として機能することを特徴とする、バルク型レンズを用いた自転車用ライト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規な構造の光学レンズの提案に基づき、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子用の光学レンズとして好適なレンズを用いた自転車用ライトに関する。さらに、ライト点灯用の光源として、半導体素子の発光を新規な構造のレンズで集光して外部へ出射する光源を用いた自転車用ライトに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子は電気エネルギーを直接光エネルギーに変換するため、ハロゲンランプ等の白熱球や蛍光灯に比し、高効率で、しかも発光に際し発熱を伴わないという特徴を有する。白熱球においては、電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、その発熱に伴う光の輻射を利用しているのであり、電気エネルギーの光への変換効率は低く１％を超えることはない。蛍光灯においては、電気エネルギーは放電エネルギーに変換されており、その光への変換効率はまだ低い。一方、ＬＥＤにおいては、電気エネルギーの光への変換効率は２０％を超える程度が可能で、白熱球や蛍光灯に比し１００倍を超える変換効率が容易に達成できる。さらに、ＬＥＤ等の半導体発光素子は、半永久的とも言える長寿命であり、かつ蛍光灯のようなちらつきの問題もないので、目や人体に悪影響を及ぼさない、人にやさしい光源ということが言える。
【０００３】
ＬＥＤはこのように優れた特徴を有するものの、光の出射面積が、１ｍｍ2 程度の小さな面積であるため、照明光やライト光源として利用する場合は１個のＬＥＤでは光束が不足し、多数のＬＥＤを配列する必要がある。また、ＬＥＤの発散角が、チップ状態では９０度、パッケージタイプのものでも４０度前後と大きいため、光を収束するためのレンズを必要とする。このため、多数のＬＥＤをマトリックス状に配列し、個々のＬＥＤに光収束用レンズを装着しなければならない。しかしながら、凸形状の球面レンズなどを使用する従来の光学系を使用したのではＬＥＤの発散角が大きいために、低光損失で収束しようとすればレンズ系が巨大化してＬＥＤを密に配列できない、あるいは、レンズ系を小さくしてＬＥＤを密に配列すると極端に光損失が大きくなるといった問題が生ずる。また、従来のレンズ系を利用する場合は、ＬＥＤとレンズを光軸を合わせて保持する保持具が必要であり、このような保持具は精密加工を必要とするからコストが高くなる。また、ＬＥＤとレンズを保持具に固定するときには、光軸合わせの調整工程を必要とするのでコストが高くなる。
上記問題点は、ＬＥＤが照明光やライト光源として利用されていない主要な原因である。
【０００４】
ところで、従来の自転車のライトとしては、発電機の回転部（特にローラー）をタイヤに当接させて、そのローラーの回転によりライトの電力を発電するものが一般に知られており、このライトの発光源としては電球が用いられている（特許文献１参照）。回転部としてのローラーは、その表面が摩擦係数が大きくなるように、複数の溝等を設ける粗面処理が施されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平０７−１０８９６７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような自転車用ライトにおいては、電球を用いているため、消費電力が大きくなり、発電量も大きくなければならないので、発電機自体大型になる。
また、発電に際し、発電量の大きな発電機を用いているので、車輪を回転させるのにペダルを踏む力を大きくしなければならない。
また、電球の代わりにＬＥＤなどの光源を用いた場合、上記したようにＬＥＤから出射される光の照度はライト点灯用には充分ではない。
【０００７】
そこで、本発明は上記課題を解決するために創作されたものであり、車輪に摩擦を与えることなく発電し、その電力をＬＥＤや半導体レーザーなどの光源に供給し、その光を集光して外部へ出射することができる、バルク型レンズを用いた自転車用ライトを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため本発明のバルク型レンズを用いた自転車用ライトは、バルク型レンズと、このバルク型レンズに収納される光源と、磁石の磁束の変化によって生じる起電力を基に上記光源に電流を供給する発電部と、をそなえ、上記バルク型レンズが、頂部と、底部と、外周部と、前記底部から前記頂部に向かって形成された天井部と内周部とからなる凹部とを有している光学媒体からなり、上記凹部が上記光源の収納部であり、上記天井部が第１のレンズ面として、上記内周部が光入射面として、上記外周部が全反射面として、上記底部が反射面として、上記頂部が第２のレンズ面として機能することを特徴としている。
凹部の内部に光源を収納した場合は、天井部がレンズの入射面として、頂部がレンズの出射面として機能する。内周部から光学媒体に入射した光は、全反射して、又は底部で反射されて頂部に伝送される。「バルク型」とは、砲弾型、卵型、繭型、蒲鉾型等、ある程度の厚み又は膨らみを有する固形体を意味する。光軸方向に垂直な断面の形状は、真円、楕円、三角形、四角形、多角形等が可能である。バルク型のレンズ本体の外周部は、円柱、角柱の円周部のような光軸に平行な面でも良く、光軸に対してテーパを有していてもかまわない。また、天井部及び頂部のレンズ面は、凸面、凹面、平面、フレネルレンズ面のいずれかを適宜選択できる。
【０００９】
本自転車用ライトに用いるバルク型レンズは、レンズ作用及び入射面と出射面とを接続する光伝送作用を有するので、光の波長に対して透明な材料であり、かつ、屈折率が空気の屈折率とは異なる必要がある。このような材料としては、アクリル樹脂等の透明樹脂（透明プラスチック材料）、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等の種々のガラス材料等が使用可能である。或いは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の結晶性材料を用いてもかまわない。又、可とう性、屈曲性や伸縮性のある透明ゴムのような材料でもかまわない。なお、光源として、ハロゲンランプ等の白熱球を用いる場合は、これによる発熱を考慮し、耐熱性光学材料を用いるべきである。耐熱性光学材料としては、石英ガラス、サファイアガラス等の耐熱ガラスが好ましい。或いは、ポリサルホン樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリエーテルエステルアミド樹脂、メタクリル樹脂、非晶性ポリオレフィン樹脂、パーフルオロアルキル基を有する高分子材料等の耐熱性樹脂等の耐熱性光学材料が使用可能である。ＳｉＣ等の結晶性材料も耐熱性に優れている。
【００１０】
光源としては、ＬＥＤや半導体レーザ等のように、発光に際して顕著な発熱作用を伴わない光源が好ましい。ＬＥＤ等を用いれば、本発明の第１の特徴に係るバルク型レンズの凹部（収納部）の内部に、「光源」を収納した場合において、その発熱作用によって、バルク型レンズに熱的影響を与えることがない。
【００１１】
前記バルク型レンズを使用すれば、自転車用ライトの光源の数を多数必要とすることなく、所望の照度を有する自転車用ライトを簡単に得ることが出来る。この照度は、光源の数を同一として較べれば、従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。本発明は、従来の技術では達成出来ない照度を、簡単且つ小型な構成で実現出来る。詳細は後述するが、従来の「両凸レンズ」、「平凸レンズ」、「メニスカス凸レンズ」、「両凹レンズ」、「平凹レンズ」、「メニスカス凹レンズ」等の薄型レンズでは、直径が無限大の大型なレンズを用いなければ、本発明の自転車用ライトに用いるバルク型レンズに等価な機能を達成出来ない。
【００１２】
ＬＥＤには内部量子効率と外部量子効率があるが、通常、外部量子効率は内部量子効率よりも低い。本発明に用いるバルク型レンズにより、ＬＥＤを収納部（凹部）に収納することにより、内部量子効率とほぼ等しい効率で、潜在的なＬＥＤの光エネルギを有効に取り出すことが可能となる。
その原理は、（ａ）バルク型レンズの頂部及び天井部であるレンズ面、及び外周部での反射光（迷光）が外周部で全反射することによりバルク型レンズ外にほとんど散逸しない、（ｂ）上記反射光（迷光）の一部が頂部及び天井部であるレンズ面にもどる、（ｃ）上記反射光（迷光）の一部が底部で反射されて頂部及び天井部であるレンズ面にもどる、（ｄ）上記反射光（迷光）の一部がＬＥＤ光源に吸収され再発光する、さらに、（ｅ）内側面に入射する光も全反射により導光し有効利用している、ことなどが考えられる。
【００１３】
また、本発明に用いるバルク型レンズによれば、ＬＥＤ等の光源それ自身は、何ら手を加えることなく、容易に、光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能である。すなわち、本発明の第１の特徴に係る光源の発散角が既知であれば、第１及び第２の湾曲面の曲率半径等の選定が簡単に出来る。なお、第１及び第２の湾曲面のいずれか一方は、曲率半径が無限大、若しくは無限大に近い平坦な面であっても良い。第１及び第２の湾曲面のいずれか一方が無限大ではない所定の（有限の）曲率半径を有していれば、光の収束、発散の制御が可能である。又、「所定の発散角」は０°、即ち平行光線であっても良い。また発散角が９０度であっても、収納部が光源の発光部を完全に光学的に覆っているため、有効にその光を集光することが可能である。これは、従来のレンズ等の光学系では不可能な作用である。即ち、天井部以外の収納部の内周部も、有効な光の入射部として機能し得る。
【００１４】
具体的には、本発明の第１の目的に係る光源は、チップ状の半導体発光素子、透明材料でモールドされた半導体発光素子、又は、他の光源から光を導く光ファイバの出射端面である。これらの光源を光学媒質を介して収納部に収納しても良い。屈折率によって光学媒質を適宜選択することによっても、光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能であり、また、内周面から凹部に入射する光の屈折角を変えることができ、凹部の全反射をより効果的にすることもできる。
ここで、光学媒質には、固体、液体、気体、のみならず、ゾル状、コロイド状若しくはゲル状の光の波長に対して透明な物質も含まれる。
【００１５】
また、上記目的を達成するために、本発明のバルク型レンズを用いた自転車用ライトは、バルク型レンズと、このバルク型レンズに収納される光源と、磁石の磁束の変化によって生じる起電力を基に上記光源に電流を供給する発電部とをそなえ、上記バルク型レンズが、頂部と、底部と、外周部と、上記底部から上記頂部に向かって形成された天井部と内周部からなる凹部とを有している光学媒体からなり、上記凹部が光源の収納部であり、上記天井部が第１のレンズ面として、上記内周部が光入射面として、上記外周部が全反射面として、上記底部が反射面として、また、上記頂部が第２のレンズ面として機能するとともに、上記内周部の光入射面が所定の傾きを有する少なくとも光波長以上の大きさの凹凸面で構成されていることを特徴としている。
この構成によれば、例えば、端面発光ＬＥＤのように、ほとんどの出射光がチップの側面から出射するようなＬＥＤを使用する場合においても、全ての出射光を集光できる。また所定の傾きφは、凹部の屈折率をｎ１、光学媒体の屈折率をｎ２ 、光学媒体内の外周部面における全反射角をθｔ光源の発散角をθｄ として、ｓｉｎ−１｛ｎ１ ／ｎ２ ｃｏｓ（θｄ ＋φ）｝＝θｔ から定まる角度であることを特徴とする。
【００１６】
さらに、前記発電部は、好ましくは、車輪の少なくとも一本のスポークに取り付けられた磁石と、車輪の回転面に垂直に軸を向けて車体に取り付けられたコイルと、をそなえて構成され、前記発光素子に供給される電流が、車輪の回転により上記コイルの開口付近を横切る上記磁石の磁束の変化によって生じる起電力に基づくことを特徴としている。
また、本自転車用ライトは、好ましくは、前記発電部によって生ずる電流の前記光源への供給を制御する制御部と、光を検知するとともに上記制御部へ光検知信号を送る検知部とをそなえて構成され、上記制御部が上記検知部からの信号に基づき、前記光源の点灯と消灯との切り替えを自動に行うようになっている。
【００１７】
また、本自転車用ライトは、好ましくは、前記発電部によって生ずる交流電流を直流電流に変換するダイオードが設けられている。
さらに、本自転車用ライトは、前記発電部によって生ずる交流電圧を前記光源に供給するコンデンサーが設けられて構成されても良い。さらに、本発明の自転車用ライトは、コイル内に磁性体が設けられて構成されるのが望ましい。さらに、前記磁石が馬蹄形状に形成されても良い。
【００１８】
本発明の自転車用ライトは、バルク型レンズを用いることにより、ライトの照明強度を、半導体素子を増やすことなく大幅に上げることができ、ＬＤ，ＬＥＤなどの半導体素子の発光を有効に利用することができ、比較的高価な発光素子でも、実用として十分に利用できる。
【発明の効果】
【００１９】
このように本発明の自転車用ライトによれば、ＬＥＤなどの発光源を用いているので、電球に比べて消費電力を小さくすることができ、その結果、発電機を小さくできる。また、光源から出射される光をバルク型レンズが集光して外部へ出射するので、照度の高い光を得ることができる。
さらに、自転車用ライトは、磁束変化に基づく起電力を光源に供給するように構成されているので、従来の発電機のローラーとタイヤとの摩擦がないため、従来のローラーがタイヤに接触している場合に比べて自転車のペダルを軽く踏むことができる。
また、ＬＥＤなどの光源の消費電力は、電球に比べて１／１０〜１／１００であるので、例えばコイルと磁性体と磁石とで構成される簡単な構造の発電機で良く、簡素な構造で構成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一の符号または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００２１】
図１は本発明の実施形態に係るバルク型レンズを用いた自転車用ライトを示すブロック図であり、この図１に示す自転車用ライト１００は車輪に摩擦を与えることなく発電し、その電力をＬＥＤや半導体レーザーなどの光源に供給し、その光を集光して外部へ出射するものである。
このため、自転車用ライト１００は、図１に示すように、光源１と、バルク型レンズ２０と、発電部３０とを備えて構成されている。
光源１は発光に際し発熱作用の少ない、ＬＥＤなどの半導体素子であり、発電部３０は磁束の変化によって生じる起電力を基に光源１に電圧（電流）を供給するものである。
バルク型レンズ２０は、ＬＥＤ等の市販されている光源を用いることが可能で、且つ、集光効率が高いので、バルク型レンズ２０を用いれば、光源の数を多数必要とすることなく、所望の照度を得ることが可能である。
ここで、自転車用ライト１００に用いるバルク型レンズ２０の第一の実施例と第二の実施例とそれらの変形例とに分けて説明する。
【００２２】
バルク型レンズの第１の実施例を説明する。
図２は、本発明の実施形態に使用する、照明ライトの光源１とバルク型レンズ２０との模式的な断面図である。図２に示すように、この照明ライトは、所定の波長帯域の光を発するＬＥＤ等の光源１と、この光源１を完全に囲むバルク型レンズ２０とから少なくとも構成されている。そして、このバルク型レンズ２０は、頂部３と底部７と外周部９と、底部７から頂部３に向かって形成された天井部２と内周部５とから成る凹部６とから成る光学媒体であり、この凹部６にスペーサ８を介して光源１がバルク型レンズ２０と同心的に且つ完全に収納、固定され、上記天井部２がレンズの光入射面として、上記頂部３がレンズの出射面として機能するように構成されている。
【００２３】
図２の光源１は、ＬＥＤチップ１３と、このＬＥＤチップ１３を載置する電極を兼ねた支持ピン１１と、ＬＥＤチップ１３のもう一方の電極に電力を供給する電極ピン１２と、チップ１３、支持ピン１１及び電極ピン１２を覆う透明な樹脂モールド１４で構成されている。樹脂モールド１４は、側部が円筒形を成しており、バルク型レンズ２０の凹部６の円筒形を成す内周部５とスペーサ８を介して嵌合している。
【００２４】
樹脂モールド１４の側面は、例えば、直径（２ｒ）が２〜３ｍｍφの円柱形状であり、バルク型レンズ２０の凹部６の内周部５は、例えば直径が２．５〜４ｍｍφの円柱形状となっている。ＬＥＤ１とバルク型レンズ２０とを固定するために、ＬＥＤ１とバルク型レンズ２０の凹部６との間には、厚さ０．２５〜０．５ｍｍ程度のスペーサ８が挿入されている。スペーサ８はＬＥＤ１の発光部を除く位置、即ち、図２においてＬＥＤチップ１３の底面より底部７側に配置する。
【００２５】
バルク型レンズ２０は、例えば頂部３が凸形状球面を有し、外周部９が円柱形状を成している。この外周部９の直径（２Ｒ０）は、例えば、１０〜３０ｍｍφであるが、使用目的に応じて任意に選択できる。しかしながら、より集光効率を高くするためには、
１０ｒ＞Ｒ０ ＞３ｒ                                  （１）
の関係を満足することが好ましい。バルク型レンズ２０の外周部９の直径（２Ｒ０ ）は、凹部６の内周部５の内径（２ｒ）の１０倍以上でも、本発明の実施形態に係るバルク型レンズは機能するが、必要以上に大きくなり、小型化を目的とする場合は好ましくない。
【００２６】
上記構成の本発明に使用するバルク型レンズは、以下に説明する理由により、従来の凸型形状の球面レンズを用いた光学系よりも極めて低損失で収束できる。ＬＥＤは発散角の大きな光源であるため、従来の凸型形状の球面レンズによって、ＬＥＤから発する全ての光を平行光線とすると光損失が避けられない。
図３は、従来の凸型形状球面レンズによる集光作用を示す図で、図３（Ａ）は凸型片球面レンズを使用して、ＬＥＤ光源からの光を平行光とする状態を示している。図において、レンズは曲率半径ｒを有し、光源から焦点距離ｆに配置している。片球面レンズの焦点距離は、レンズの屈折率をｎとして、ｆ＝ｒ／（ｎ−１）であるから、屈折率ｎ＝１．５とした場合、ｆ＝２ｒとなる。従って、図から明らかなように、レンズが受光できる発散角の最大は３０°となり、図のＢに示す光線は平行光とすることができない。すなわち、従来のレンズを使用したのでは、焦点距離と曲率半径の関係から定まる開口角以上の光は取り込むことができないので、損失が大きい。
ＬＥＤ光源は３０°以上の発散角を有するものが多く、この場合には、上記理由により、大きな損失が生じる。従来はこのような場合、高屈折率レンズを使用して改善しているが、コストが高くなる。あるいは、レンズを複雑に組み合わせて対処している例もあるが、この場合には、下記に説明するフレネル反射損が増大してしまう。
【００２７】
図３（Ｂ）は、従来の凸型片球面レンズ入射面における反射の状況を示す図である。図において、矢印のついた線は、ＬＥＤ１から出射し、凸型形状球面レンズの光入射面で反射される光線を表す。θ（θ１、θ２ ）はＬＥＤから出射角、すなわち発散角を表し、φ（φ１、φ２ ）はそれぞれの光線のレンズ面での入射角を表す。
図４は、フレネルの反射の法則を表した図である。図において、横軸は光線の入射角であり、縦軸は光強度の反射率であり、レンズの屈折率を１．５とし、空気中から光線がレンズ面に入射する場合を表している。図から明らかなように、入射角が５０°あたりまでは反射率が低く一定であるが、５０°を越えたあたりから急激に反射率が増加するのがわかる。
図３（Ｂ）に示した入射角が大きい光線は、図４のフレネルの反射の法則から明らかなように反射される割合が高い。例えば、屈折率１．５の片凸型球面レンズを使用し、このレンズの焦点距離に、発散角３０°の光源をおいて平行光を作る場合には、上記の反射光による損失は全光量の３０％近くに達する。
従って、従来の光学系におけるように、レンズを多段に接続したのでは、フレネル反射が多段に生ずることになり、損失が増えてしまう。これらの反射光は空間に散逸してしまい、収束光として利用することはできない。
【００２８】
一方、本発明の実施形態に係るバルク型レンズにおいては、発散角が大きい光束であっても、全ての光束をレンズ面に入射させることができ、バルク型レンズの幾何学構造の設計により、全ての光束を平行光線にできるから、極めて損失の少ないレンズである。
また、フレネルの反射を起こす反射面は、天井部２及び頂部３であるから、これらの面で反射した反射光（迷光）はバルク型レンズ内に反射される。これらの反射光（迷光）は、外周部９で全反射することによりバルク型レンズ外に散逸せず、一部が頂部３及び天井部２であるレンズ面にもどり収束光となる。また、他の一部は、底部７で反射されて頂部３又は天井部２にもどり、収束光となる。また、他の一部はＬＥＤ光源で吸収されて再発光し、収束光となる。
【００２９】
図５は、ＬＥＤ光源１にもどった光が再発光する過程を示す図である。
図において、もどってきた光はＰＮ接合で吸収されてホールと電子を生じ、このホールと電子が再結合して再発光する。特にこの効果は、ヘテロ構造を有するＬＥＤの場合に大きい。ヘテロ構造のＬＥＤは、発光部であるＰＮ接合部のバンドギャップ・エネルギーが、Ｐ及びＮ領域のバンドギャップ・エネルギーよりも小さく形成されているので、反射光（迷光）はＰ又はＮ領域では吸収されずに、ＰＮ接合部のみで吸収され、再発光する。
さらにまた、本発明の実施形態に係るバルク型レンズにおいては、内周部５に入射する光も外周面９における全反射によって頂部３に導かれ、収束光となって出射する。この効果は、ＬＥＤ光源１を、バルク型レンズの光学媒質よりも屈折率の高い光学媒質を介して収納部に収納するとさらに効果が高まる。
本発明の実施形態に係るバルク型レンズにおいては上記に説明した相乗効果により、内部量子効率とほぼ等しい効率で、ＬＥＤ光源の光を有効に収束光として取り出しているため、従来の凸型形状の球面レンズに較べ極めて低損失になると考えられる。
【００３０】
図６は、本発明の実施形態に係るバルク型レンズの第１の実施例と従来の凸形状の球面レンズとで平行光を作成した場合の特性を比較するための測定系を示す図である。図６（Ａ）は、バルク型レンズ２０を用いた場合の、光軸方向に対して垂直方向に光強度（照度）分布を測るための測定系を示す模式図である。バルク型レンズ２０の出射面からの出力光の強度（照度）を、ＬＥＤ１からの測定距離ｘ＝一定とし、照度計１０２をｙ軸方向に移動して測定する。測定距離（ｘ）は、光軸方向に測る。一方、図６（Ｂ）は、同様な測定を従来の両凸レンズを用いて行うことを示す図である。
【００３１】
図６（Ａ）及び（Ｂ）に示す測定においては、本発明に用いるバルク型レンズ２０の外径は３０ｍｍφとし、比較に用いた両凸レンズ１０１の外径は、この２倍強の６３ｍｍφとした。両凸レンズ１０１は、焦点距離１５０ｍｍのものを用い、ＬＥＤ１からｘ方向に１５０ｍｍの位置に配置した。また、ＬＥＤ光源１の発散角は約１２度のものを使用した。
【００３２】
図７は、本発明の実施形態に係るバルク型レンズの第１の実施例と従来の凸形状の球面レンズとで平行光を作成した場合の特性を比較した図であり、本発明の実施形態に係るバルク型レンズ２０、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）１０１、及びバルク型レンズを用いない裸のＬＥＤのそれぞれの出力光のｙ方向に沿った強度（照度）分布を、測定距離ｘ＝１ｍにおいて測定した場合の結果を示す。本発明の第１の実施の形態に係るバルク型レンズ２０が、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）１０１の２倍の照度が得られている。
この結果は、本発明の実施形態に係るバルク型レンズが従来の光学系では実現できない効果を有することを示している。
【００３３】
図８は、本発明に実施形態に係るバルク型レンズの第１の実施例と従来の凸形状の球面レンズとで作成した平行光の平行度を評価した図である。
図６と同様にｙ方向に沿った強度（照度）分布を、測定距離ｘを変化させて測定したデータをまとめたものである。図の横軸は、測定距離ｘの逆数の２乗、即ち１／ｘ2 を示し、縦軸は測定距離ｘにおける最大強度（ピーク強度）を示す。図から明らかなように、本発明の実施形態に係るバルク型レンズの場合は、逆２乗則、即ち１／ｘ2 を示す線上にきれいに測定点がプロットされる。一方、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）１０１の場合は、逆２乗則からずれていることがわかる。
この結果は、バルク型レンズ２０は、平行度においても十分であり、従来のレンズ系に較べ、勝るとも劣らない性能を実現できることを示している。
【００３４】
図９は本発明に用いるバルク型レンズ（第１の実施例）の幾何学的構造と集光率の関係を示す図である。ここで、「集光率」とは、「バルク型レンズからの±１°以内の発散角における出力光の光量」を、「光源（ＬＥＤ）からの±１２°以内の発散角における光量」で除した量で定義している。すなわち光線ビーム径に対応する量である。頂部３の曲率半径Ｒ、バルク型レンズの全長Ｌ、媒体長（頂部と天井部のレンズ間距離）Ｄ、収納部内径（凹部の内周部系）ｒ、天井部２の曲率部分長さΔをパラメータとして、集光率を測定した。尚ここで、Δの符号は図２に示すように、天井部２が凹である場合を負とし、凸の場合を正と定義する。
図１０は、作製した本発明の実施形態に係るバルク型レンズの幾何学的構造を示す図である。図９から、集光率を向上するためには、
０．９３  ＜  ｋ（Ｒ／Ｌ）  ＜  １．０６    ・・・・・（２）
ｋ  ＝  １／（０．３５・ｎ  −０．１６８）  ・・・・・（３）
を満足することが好ましいことが実験的にわかる。ここで、ｎは、バルク型レンズの材料である光学媒質の屈折率である。なお、バルク型レンズ２０の円柱形状部分の半径Ｒｏと、頂部３の曲率半径をＲとは、必ずしも等しい必要はない。
【００３５】
次に、本発明のバルク型レンズの第２の構造例を説明する。
図１１は、天井部２を凸形状にした本発明のバルク型レンズの構造を示す図である。図１１において、バルク型レンズ２２は、天井部２の形状が異なる外は、図２に示したバルクレンズ２０と同等である。測定に用いたバルク型レンズ２２の円柱形状部分の外径２Ｒｏは１５ｍｍφ、バルク型レンズの全長Ｌは、２５ｍｍ、頂部と天井部のレンズ間距離Ｄは１６ｍｍ、収納部６の内径ｒは５．２ｍｍ、バルク型レンズの屈折率ｎは１．５４である。このバルク型レンズの頂部３の曲率半径Ｒは８．２５ｍｍである。又、測定に用いた樹脂モールドされたＬＥＤ１の外径は５ｍｍφである。
【００３６】
図１２（Ａ）〜（Ｃ）及び図１３（Ａ）〜（Ｃ）は、天井部２の凸部の高さΔと、ビーム強度プロファイルとの関係を示す図である。光源からの距離ｘ＝１ｍで照度を測定した。図から明らかなように、天井部２を凸形状のレンズとしても集光特性が得られることがわかる。
【００３７】
このようにして、本発明に用いる第１及び第２の実施例に係る発光体によれば、樹脂モールドされたＬＥＤ１の数を多数必要とすることなく、照明に寄与する光ビームとして所望の照射面積の光束を確保し、且つ所望の照度を簡単に得ることが出来る。この照度は従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。驚くことに、現在市販されているハロゲンランプを用いた細身の懐中電灯と同程度の照度がたった１個のＬＥＤで実現出来たのである。このように、本発明に用いる第１の実施例の発光体によれば、従来の技術では実現できない照度を、図２に示すような簡単な構造で実現できる。
【００３８】
なお、本発明に用いる第１及び第２の実施例に係る発光体に用いる樹脂モールドされたＬＥＤ１としては、種々の色（波長）のＬＥＤが使用可能である。但し、自転車用ライトとして点灯目的のためには、白色ＬＥＤが人間の目には自然である。白色ＬＥＤは種々の構造のものが使用出来る。例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の３個のＬＥＤチップを縦に積層して構成しても良い。この場合、樹脂モールド１４から、それぞれの色のＬＥＤチップに対応し、合計６本のピンが導出されても良く、樹脂モールド１４の内部配線として６本のピンを２本にまとめ、外部ピンとしては２本設けられた構造としてもかまわない。又、一方の電極（接地電極）を共通とすれば、外部ピンは４本でよい。又、赤（Ｒ）色、緑（Ｇ）色及び青（Ｂ）色の３枚のＬＥＤチップの駆動電圧を互いに独立に制御出来るようにしておけば、あらゆる色の混合が可能であるので、色合いの変化を楽しむことが可能である。
【００３９】
本発明に用いる第１及び第２の実施例に係る発光体のバルク型レンズ２０としては、アクリル樹脂等の透明プラスチック材料、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等の種々のガラス材料等が使用可能である。或いは、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＳｉＣ等の結晶性材料を用いてもかまわない。又、可とう性、屈曲性や伸縮性のあるゾル、ゲル、ゾル・ゲル混合物、或いは透明ゴムのような材料でもかまわない。また、ゾル、ゲル、ゾル・ゲル混合物等を、透明ゴムやフレキシブルな透明プラスチック材料等に格納して用いても良い。アクリル樹脂等の透明プラスチック材料等は、バルク型レンズ２０を大量生産するのに好適な材料である。即ち、一度金型を作り、この金型により成形加工すればバルク型レンズ２０が簡単に大量生産出来る。
【００４０】
次に、第１及び第２の実施例の変形例について説明する。
第１及び第２の実施例の変形例で使用するバルク型レンズは、端面放射型ＬＥＤのように、ＬＥＤチップの側面から発光する光源であっても使用できる。端面放射型ＬＥＤはＬＥＤチップの側面から発光するため、上記実施例１及び２のバルク型レンズにこのＬＥＤチップを装着した場合には、バルク型レンズの内周部５に垂直に入射する成分が多くなるため、全反射されずにバルク型レンズの外部に散逸する光が多くなる。
第１及び第２の実施例の変形例のバルク型レンズはこのような光源に対しても、極めて低損失で収束光を得ることができる。
【００４１】
図１４は、本発明のバルク型レンズの内周部５と外周部９とが傾きを有する場合の光線の光路を示す図である。
図において、光源の発散角をθｄ 、内周部５と外周部９との傾き角をφ、外周部９の全反射角をθｔ 、内周部５における光線の入射角、屈折角をθ１ 及びθ２、そしてバルク型レンズの光学媒質の屈折率、収納部（凹部）６の屈折率をｎ２ 及びｎ１ とする。図は、光源の最大出射角、すなわち、発散角の光線が傾き角をφにより、全反射条件を満たし、全反射されている状態を表している。
内周部５において、スネルの屈折の法則より、θ１ とθ２の間には、
ｓｉｎθ１ ／ｓｉｎθ２ ＝ｎ２ ／ｎ１               （４）
が成り立ち、また、図から明らかなように、θｔ 、φ、θ２の間には、
θｔ ＝φ＋θ２                                   （５）
が成り立つ。また、図から明らかなように、θｄ 、θ１ 、φの間には、
θｄ ＝９０°−（θ１ ＋φ）                      （６）
の関係が成り立つ。上記（４）、（５）、（６）式よりθ１ とθ２を消去すると、バルク型レンズが全反射角θｔ を有し、光源の発散角がθｄ である場合の、全反射するために必要な傾き角φを与える関係式として、
ｓｉｎ−１｛ｎ１ ／ｎ２ ｃｏｓ（θｄ ＋φ）｝＝θｔ   （７）
が得られる。すなわち、（７）式を満たす傾き角φ以上で内周部５と外周部９が傾いていれば、たとえ、内周部５に垂直に光が入射する場合（θｄ＝９０°）でも全反射され、頂部３へあるいは底面７で反射して頂部３へ導かれるから、収束光を得ることができる。
【００４２】
図１５は上記のバルク型レンズの構成を示す図である。
図１５（Ａ）は、バルク型レンズ２０の内周部５の表面に微細な凹凸を設けた例を示している。この凹凸は少なくとも（７）式を満足するφ以上の傾き角を有しており、また、この凹凸の大きさは光波長程度でよい。また、この凹凸は、内周部５の光源近傍に設けるだけでよい。
このような凹凸は、適切な粒径の研磨剤を用いて、内周部５の表面を磨くことによって簡単に形成できる。
図１５（Ｂ）は、ほぼ真横方向に出射した光線がバルク型レンズ内を全反射して又は底面７で反射してかつ側壁で全反射して頂部３に導かれる様子を示している。このように、例えば、端面発光ＬＥＤのようにほとんどの出射光がチップの側面から出射するようなＬＥＤを使用する場合においても、全ての出射光を収束できる。
さらにまた、レンズ部と光源を収納する収納部とが一体で形成されているため、従来のレンズ系では必要であったレンズと光源を光学的位置合わせをして保持する保持部を必要とせず、また、光学的位置合わせ工程を必要とせず、ただ光源にかぶせるだけでよいので、極めて低コストである。
【００４３】
次に、発電部３０の構成を例示して本発明の自転車用ライトの実施例を説明する。図１６は本発明の実施例に係る自転車用ライト１１１を示す斜視図であり、図１７は図１６の断面図であり、図１８は自転車用ライトを自転車に取り付けた状態を示す斜視図である。
【００４４】
図１７に示すように、自転車用ライト１１１は、樹脂成形されたケース４０の内部に、複数のバルク型レンズ２０と、それらの収納部（凹部）６に収容される光源１と、回路４１が搭載された回路基板４２と、円筒状のコイル４３と、その筒内に挿入される磁性体４４と、ケース４０外部に配置される磁石５０とを備えて構成される。
【００４５】
ケース４０は、端部に光出射口が形成されており、この光出射口に発光源防滴用の防滴カバー４５が嵌め込まれている。この防滴カバー４５は、光透過性の良いアクリル板やプラスチック板が用いられる。
各バルク型レンズ２０は、図１７に示すように、ケース４０に嵌め込まれたレンズ固定板４６に穿設された穴４６ａに底部７を嵌挿されて取り付けられており、取り付けに際し、バルク型レンズ２０とレンズ固定板４６とは、接着或いは溶融により固着されるようになっている。
【００４６】
回路４１は複数の光源１にそれぞれ同じ電圧（電流）を供給するように設計されており、この回路４１とコイル４３とは配線材４７，４７によって短絡されている。この回路４１に接続されている各光源１は、レンズ固定板４６の穴４６ａに挿入されて、バルク型レンズ２０の収納部（凹部）６内に収容されるようになっている。
なお、コイル４３は、Ｎ（＞０）巻きの円筒形状に形成されているが、直方体状などに形成されても良い。
【００４７】
図１７に示すように、ケース４０の光出射口と対向する端部は、自転車軸６０を挟持するために、端部が分離できるようになっている。すなわち、ケース４０の端部には、ボルト４８ａとナット４８ｂとによって着脱可能な挟持部４０ａが取り付けられるようになっている。この挟持部４０ａとケース４０とが衝接する面には、それぞれ自転車軸６０を挟む為の溝４０１，４０２が凹設されている。ケース４０と挟持部４０ａとの間に、すなわち、溝４０１と溝４０２とで形成される固定穴に自転車軸６０を挟み、ケース４０と挟持部４０ａとをボルト４８ａとナット４８ｂとで固定することで、ケース４０は自転車に取り付けられる。なお、各ケース４０と挟持部４０ａとには、ボルト４８ａやナット４８ｂが外部に突出しないように、凹み４９が形成されている。
【００４８】
次に、コイル４３や磁性体４４は、それらの円筒軸を車輪の回転面に対して垂直になるようにケース４０内に設けられ、ケース４０はその内部でコイル４３や磁性体４４とが固定されるように樹脂成形される。
一方、ケース４０外部に設けられる磁石５０は永久磁石であり、例えば（１）ストロンチウム・フェライト磁石、（２）サマリウム・コバルト磁石、（３）ネオジウム・鉄・ホウ素磁石、（４）サマリウム・鉄・窒素磁石、（５）アルニコ磁石などを用いることができる。
【００４９】
なお、磁石５０は、図１９に示すように、円盤状に形成され、二つの磁石５０が純鉄、ケイ素鋼或いは方向性ケイ素鋼などの高透磁率の板５１の片面に取り付けられて全体で馬蹄形状を呈するように形成されている。なお、板５１に取り付けられる二つの磁石５０は、外部に露呈する面が対極となるように取り付けられている。また、図１７や図２０に示すように、磁石５０，５０や板５１は砂鉄や水などの付着防止のために保護カバー５２に収容されており、この保護カバー５２とともに、車輪のスポーク６１に取り付けられている。なお、保護カバー５２は二つに分離可能になっており、これらがスポーク６１を挟持し、ビス５３等で一体にすることで、磁石５０はスポーク６１に取り付けられる。この保護カバー５２は、樹脂やテフロン（登録商標）やプラスチックなどでできている。また、図１９に示す磁石５０を載置した板５１は、図１７に示すように、磁石５０，５０載置面をコイル４３や磁性体４４側へ向けてスポーク６１に取り付けられている。
【００５０】
一方、上記バルク型レンズ２０や光源１などを収納したケース４０は、図１８に示すように保護カバー５２を取り付けた車輪を支持する自転車軸６０に、コイル４３や磁性体４４を設けた側を近接させて取り付けられている。なお、磁石５０は、車軸の轂（こしき）からコイル４３や磁性体４４が取り付けられた高さ位置でスポーク６１に取り付けられるようになっている。
さらに、図１６や図２１に示すように、保護カバー５２を取り付けたスポーク６１がコイル４３と最も近接した際に、コイル４３や磁性体４４が収納されているケース４０と磁石５０が収納されている保護カバー５２との隙間間隔Ｌ１が、１ｍｍ〜５ｍｍとなるように設計するのが望ましい。
【００５１】
図１８に示す保護カバー５２と磁石５０との取り付け例としては、車輪の輪と車軸の轂をつなぐ２本のスポーク６１，６１にそれぞれ一つ取り付けた例を示しているが、他の複数のスポークに保護カバー５２と磁石５０と板５１を取り付けても良い。
【００５２】
上述の如く構成された自転車用ライト１１１の動作を説明する。
保護カバー５２に収納された磁石５０は、車輪の回転に伴って、車軸の轂を中心に回転して円運動を行い、図２１に示すように、コイル４３と磁性体４４とを収容したケースの横を横切る。
その際、コイル４３や磁性体４４の筒内を通過する磁束が変化する。このように、ケース４０の横を磁石５０が一つ横切ると、コイル４３に起電力が生じる。ここで、図２２は、ケース４０の横を保護カバー５２が二つ横切った時に生じた起電力を示すグラフである。この起電力が光源１に供給されて光が出射される。そして、光源１から放射状に出射された光がバルク型レンズ２０によって集光されて、照度の高い光が防滴カバー４５を経由して外部へ照射される。
また、複数のスポーク６１に磁石５０を取り付けた場合、車輪の回転に伴って、ケース４０の横を横切る磁石５０は複数になるため、コイル４３に生じる起電力は図２３に示すように連続的になる。
【００５３】
このように本発明の実施例に係る自転車用ライト１１１によれば、光源１としてＬＥＤ等を用いているので、電球に比べて消費電力を小さくすることができ、そのため発電機を小さくできる。また、光源１から出射される光をバルク型レンズ２０が集光して外部へ出射するので、照度の高い光を得ることができる。
さらに、自転車用ライト１１１は、コイル４３と磁性体４４と磁石５０とによって、発電部３０として磁束変化に基づく起電力を光源１に供給するように構成されているので、従来の発電機のローラーとタイヤとの摩擦がないため、従来のローラーがタイヤに接触している場合に比べて自転車のペダルを軽く踏むことができる。
また、光源１の消費電力は、電球に比べて１／１０〜１／１００であるので、上記の如くコイル４３と磁性体４４と磁石５０とで構成される簡単な構造の発電機で良く、簡素な構造で構成できる。
【００５４】
次に、本発明の他の実施例について説明する。
なお、上記の説明で用いた符号と同一の符号を示すものは、上記と同一のものであるので、その説明は省略する。
図２４は本発明の他の実施例に係る自転車用ライト１１２の内部構造を示す図であり、この図に示すように、自転車用ライト１１２は、ケース４０内にバルク型レンズ２０、コイル４３、磁性体４４、ダイオード７１、コンデンサー７２、制御部７３、をそなえ、制御部７３と短絡されたセンサ７４と、車輪のスポーク６１に取り付けられた磁石５０，５０と板５１とをそなえて構成される。
なお、図２４においては、図１７に示す回路４１、回路基板４２、防滴カバー４５などの記載を省略するが、自転車用ライト１１２は、それらを内蔵して構成されても良い。また、図２４に示す自転車用ライト１１２は、光源１やバルク型レンズ２０を一つずつ設ける場合を例示するが、図１７に示すように光源１とバルク型レンズは複数設けられても良い。
【００５５】
この図２４に示すダイオード７１はコイル４３から送られてくる交流電流を直流電流に変換するものであり、コンデンサー７２はコイル４３から送られてくる交流電流を直流電流にして光源１に供給するものである。また、センサ７４は、光源１の光以外の自然光などを検知するホトセンサーであり、例えば、フォトダイオードなどを用いることができる。制御部７３は、センサ７４からの信号を基に、コイル４３から供給される電圧（電流）を光源１に送る制御を行うものであり、例えば、センサ７４としてのフォトダイオードから信号が送られてきたときには、コイル４３からの電圧（電流）を光源１に供給しないようになっている。具体的に言えば、太陽光などの自然光をセンサ７４が検知した時には、光源１は光を出射しないようになっている。
【００５６】
図２４に示すように構成された自転車用ライトによれば、ダイオード７１を設けることで、ＬＥＤなどの光源１を交流電流による損壊を確実に免れることができ、また、コンデンサー７２を設けることで、交流電流をも有効に光源１が発光するためのエネルギーに用いることができる。さらに、センサ７４と制御部７３とを設けることで、ライトの点灯と消灯との切り替えを自動に行える。
なお、自転車用ライトは制御部７３とセンサ７４とを備えずに構成されても良く、また、制御部７３とセンサ７４とコンデンサー７２とを備えずに構成することもできる。
【００５７】
上記説明では、自転車用ライト１１１，１１２に設けられる複数のバルク型レンズ２０は、個々に別体に設けられる場合を示したが、図２５に示すように、複数のバルク型レンズ２０を一体にしたバルク型レンズ２０Ａを用いて構成してもよい。
なお、図２６（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ本発明の実施例に係るバルク型レンズ２０Ａの構成例を示す正面図であり、図２６（Ａ）に示すバルク型レンズ２０Ａは５つのバルク型レンズ２０を放射状に配置して一体に形成したものであり、図２６（Ｂ）に示すバルク型レンズ２０Ａは３つのバルク型レンズ２０を直列配置して一体に構成したものである。
図２６（Ａ）及び（Ｂ）に示すバルク型レンズ２０Ａによっても、各光源１から発光された光を集光して外部へ出射できる。
また、図２５に示す自転車用ライトは、ケース４０の光出射口にＯリングを用いてバルク型レンズ２０Ａを挟持するように構成することもできる。
上記詳述した以外に、本発明は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な形態で実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施形態に係る自転車用ライトを示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る光源とバルク型レンズとの模式的な断面図である。
【図３】従来技術のレンズ系による損失の状況を示す図である。
【図４】フレネル反射を示す図である。
【図５】ＬＥＤのＰＮ接合において反射光（迷光）が再発光する過程を示す図である。
【図６】本発明の自転車用ライトに用いるバルク型レンズの第１の実施例と従来のレンズとの特性比較に用いた測定系を示す図である。
【図７】本発明の自転車用ライトに用いるバルク型レンズの第１の実施例と従来のレンズの集光特性を比較した図である。
【図８】本発明の自転車用ライトに用いるバルク型レンズの第１の実施例と従来のレンズの集光特性を比較した図である。
【図９】本発明の自転車用ライトに用いるバルク型レンズの幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図である。
【図１０】図９の測定に用いたバルク型レンズの幾何学形状を示す図である。
【図１１】本発明の自転車用ライトに用いるバルク型レンズの第２の実施例の構成を示す断面図である。
【図１２】バルク型レンズの第２の実施例の幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図である。
【図１３】バルク型レンズの第２の実施例の幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図である。
【図１４】第１及び２の変形例に係るバルク型レンズの原理を説明する模式図である。
【図１５】第１及び２の変形例に係るバルク型レンズの構成を示す図である。
【図１６】本発明の実施例に係る自転車用ライトを示す斜視図である。
【図１７】図１６の断面図である。
【図１８】本発明の実施例に係る自転車用ライトを自転車に取り付けた状態を示す斜視図である。
【図１９】本発明の実施例に係る磁石を示す斜視図である。
【図２０】本発明の実施例に係る磁石を車輪のスポークに取り付け状態を示す斜視図である。
【図２１】本発明の実施例に係る磁石とコイルとの配置例を示す図である。
【図２２】本発明の実施例に係るケース２の横を保護カバーが二つ横切った時に生じた起電力を示すグラフである。
【図２３】本発明の実施例に係るケースの横を保護カバーが複数横切った時に生じた起電力を示すグラフである。
【図２４】本発明の他の実施例に係る自転車用ライトの内部構造を示す図である。
【図２５】本発明の他の実施例に係る自転車用ライトを示す部分断面図である。
【図２６】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ本発明の実施例に係るバルク型レンズの構成例を示す正面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１      光源
２      天井部
３      頂部
４      光学媒体
５      内周部
６      凹部
７      底部
８      スペーサ
９      外周部
２０    バルク型レンズ
３０    発電部
４０    ケース
４０ａ  挟持部
４１    回路
４２    回路基板
４３    コイル
４４    磁性体
５０    磁石
６０    自転車軸
６１    スポーク
７１    ダイオード
７２    コンデンサー
７３    制御部
７４    センサ
１００，１１１，１１２  バルク型レンズを用いた自転車用ライト
【図１】
2009001277.tif 000003
【図２】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図３】
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【図１４】
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【図１５】
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