説明

面発光素子

【課題】 光の取出し効率を向上することのできる面発光素子を提供する。
【解決手段】 ガラス基板2上に形成されるとともに電圧の印加または電流の注入により発光する発光層5と、屈折率の異なる第1、第2媒質31、32を配列した2次元回折格子30とを備えた面発光素子1において、2次元回折格子30は、IUC記号がp1、pm、pg、cmのいずれかで表わされた回転対称性を有さない平面群から成る。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発光層を有する有機EL素子、無機EL素子等の面発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
従来各種の面発光素子が提案されている。例えば、有機EL素子や無機EL素子等のエレクトロルミネッセンスを利用する面発光素子は、ガラス基板に形成されたITO等から成る透明電極上に電圧の印加により発光する発光層が形成される。発光層上にはアルミニウム等から成る背面電極が形成される。
【0003】
発光層は有機化合物等から成り、透明電極から注入された正孔と背面電極から注入された電子が再結合して発光する。発光層で発光した光は透明電極及びガラス基板を透過してガラス基板の出射面から出射される。また、一部の光は背面電極で反射して透明電極に到達し、出射面から出射される。
【0004】
この面発光素子は、発光層と透明電極との界面、透明電極とガラス基板との界面、及び出射面で入射角が臨界角以下の光が全反射して導波する。このため、出射面から出射される光が少なく、光の取出し効率が低い問題があった。特に有機EL素子は、寿命等の観点から光取出し効率の一層の向上が求められている。光取出し効率の向上は他の面発光素子(例えば、LEDも一種の面発光素子である)にも求められる共通の課題である。
【0005】
上記問題を解決するために、特許文献1には2次元回折格子を有した面発光素子が開示されている。この面発光素子は、透明電極とガラス基板との境界に2次元回折格子が設けられる。発光層で発光した光は2次元回折格子で回折し、ガラス基板の出射面に到達する光の入射角を臨界角よりも大きく可変する。これにより、透明電極とガラス基板との界面及び出射面で全反射する光を低減して光の取出し効率を向上することができる。
【特許文献1】特開平11−283751号公報(第5頁−第8頁、第7図)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
2次元回折格子は一般に図18や図19に示すように構成される。図18に示す2次元回折格子30は第1媒質中31に断面円形の第2媒質32が2次元配列された正方格子から成っている。図19に示す2次元回折格子30は第1媒質中31に断面円形の第2媒質32が2次元配列された六方格子から成っている。
【0007】
これらの2次元回折格子30に対して、光は様々な分布を示すが、波長が図18の正方格子のピッチと一致する光であれば垂直方向への回折効率が高くなる。このような光は、例えば、2次元屈折率周期分布上に分布する光の電界成分だけを取り出して図示した場合に、図20や図21に示すような分布となる波長の光である。図20、図21において、円弧状の矢印が電界成分を示している。
【0008】
これらの図において、2次元回折格子30の中心部Aでは、回折により光が垂直方向に曲げられても、電界が互いに打ち消しあうので、光の強度は弱められる。一方、2次元回折格子30の周辺部Bでは電界が互いに打ち消しあうことができないため矢印Cに示すように光を取り出すことができる。
【0009】
これにより、回折によって取り出された光の電界分布は例えば図22、図23に示すようになる。ベクトルは電界の向き及び大きさを示し、図22、図23はそれぞれ図20、図21の場合を示している。従って、2次元回折格子30の周辺部Bの光は多く取り出されるが、中心部Aの光を多く取り出すことができないため光の取り出し効率を充分向上させることができない問題があった。
【0010】
本発明は、光の取出し効率をより向上できる面発光素子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】
【0011】
上記目的を達成するために本発明は、基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第1、第2媒質を2次元的に配列した2次元回折格子とを備えた面発光素子において、前記2次元回折格子は、回転対称性がないことを特徴としている。
【0012】
この構成によると、第1、第2媒質を周期的に2次元配列して2次元回折格子が構成される。2次元回折格子は回転対称性がない。発光層で発光した光は2次元回折格子で回折して面発光素子から出射される。
【0013】
また本発明は、基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第1、第2媒質を2次元的に配列した2次元回折格子とを備えた面発光素子において、前記2次元回折格子の周期構造がp1、pm、pg、cmのいずれかの平面群から成ることを特徴としている。
【0014】
この構成によると、第1、第2媒質を周期的に2次元配列して2次元回折格子が構成される。2次元回折格子はp1、pm、pg、cmのいずれかのIUC記号で表わされる平面群から成り、回転対称性を有していない。発光層で発光した光は2次元回折格子で回折して面発光素子から出射される。
【0015】
また本発明は、上記構成の面発光素子において、前記2次元回折格子のピッチを0.1μm〜4μmにしたことを特徴としている。
【0016】
また本発明は、上記構成の面発光素子において、前記2次元回折格子は前記基板を第1媒質とする正方格子から成り、前記基板に設けられた断面形状が三角形の孔に第2媒質を充填したことを特徴としている。この構成によると、基板から成る第1媒質中に第2媒質が配列される。孔に充填される第2媒質が空気から成ってもよい。
【0017】
また本発明は、上記構成の面発光素子において、第1、第2媒質の一方がガラスから成るとともに、他方が空気または透明電極から成ることを特徴としている。この構成によると、面発光素子は、ガラスから成る第1媒質中に空気またはITO等の透明電極から成る第2媒質を配列した2次元回折格子を有する。また、面発光素子は、空気または透明電極から成る第1媒質中にガラスから成る第2媒質を配列した2次元回折格子を有する。
【0018】
また本発明は、上記構成の面発光素子において、第1、第2媒質の一方が透明電極から成るとともに、他方が空気または発光層を構成する材料から成ることを特徴としている。この構成によると、面発光素子は、透明電極から成る第1媒質中に空気または発光層を構成する有機化合物等から成る第2媒質を配列した2次元回折格子を有する。また、面発光素子は、空気または発光層を構成する有機化合物等から成る第1媒質中に透明電極から成る第2媒質を配列した2次元回折格子を有する。
【発明の効果】
【0019】
本発明によると、2次元回折格子は、回転対称性がないので、2次元回折格子に垂直な光を多く取り出すことができ、光の取出し効率をより向上することができる。
【0020】
また本発明によると、2次元回折格子の周期構造がp1、pm、pg、cmのいずれかの平面群から成るので、2次元回折格子に垂直な光を多く取り出すことができ、光の取出し効率をより向上することができる。
【0021】
また本発明によると、2次元回折格子のピッチを0.1μm〜4μmにしたので、所定方向に光を回折する2次元回折格子を容易に実現することができる。
【0022】
また本発明によると、2次元回折格子は基板を第1媒質とする正方格子から成り、基板に設けられた断面形状が三角形の孔に第2媒質を充填したので、光の取出し効率を向上する2次元回折格子を容易に実現することができる。
【0023】
また本発明によると、第1、第2媒質の一方がガラスから成るとともに、他方が空気または透明電極から成るので、2次元回折格子を容易に形成することができる。
【0024】
また本発明によると、第1、第2媒質の一方が透明電極から成るとともに、他方が空気または発光層を構成する材料から成るので、2次元回折格子を容易に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図1は一実施形態の面発光素子を示す側面図である。面発光素子1は透明基板であるガラス基板2上に回折層3、透明電極4、発光層5、背面電極6が順に設けられている。透明電極4はITOやIZO等の透明導電性材料から成っている。尚、ここではガラス基板を用いているが、透明基板として例えば透明樹脂等の他の材料から成る基板を用いてもよい。
【0026】
発光層5は有機化合物の発光材料から成っている。これにより、面発光素子1は有機EL素子を構成する。以下、有機EL素子の場合について説明するが、これに限らず各種の面発光型の発光素子であってもよく、例えば、無機EL素子やLEDであってもよい。発光層5は機能分離された複数の有機物層を積層して構成されていてもよいし、発光層5と各電極との間に電荷注入層、電荷輸送層、バッファ層等の他の機能層を設けてもよい。また、図では所謂ボトムエミッションタイプの有機EL素子を示したが、トップエミッションタイプの有機EL素子であってもよい。
【0027】
背面電極6はアルミニウム等の光を反射する材料から成っている。透明電極4と背面電極6間に電圧を印加することにより、透明電極4から注入された正孔と背面電極6から注入された電子が再結合して発光層5が発光する。
【0028】
回折層3は屈折率の異なる媒質が周期的に2次元配列された2次元回折格子から成っている。図2、図3は回折層3の2次元回折格子30を示す平面図及び側面断面図である。2次元回折格子30はガラス基板2に所定ピッチTで断面形状が二等辺三角形の孔2bをフォトリソ法によるマスクパターンの形成及びドライエッチング等の方法で形成されている。
【0029】
これにより、2次元回折格子30は屈折率が1.5のガラス基板2から成る第1媒質31中に屈折率が1の空孔から成る第2媒質32が配列された2次元周期構造を有した正方格子になっている。また、2次元回折格子30は、国際結晶学連合(International Union of Crystallography(IUCr))で決められたIUC記号で表わされるpmの平面群に形成される。これにより、2次元回折格子30は回転対称性がなく、互いに一致する鏡映軸R及びすべり鏡映軸Sを有している。また、2次元周期構造のピッチTは0.1μm〜4μmで形成されている。
【0030】
上記構成の面発光素子1において、透明電極4と背面電極6との間に電圧が印加されるか電流が注入されると発光層5が発光する。発光した光は透明電極4を透過し、回折層3で出射面2a(図1参照)の方向に回折する。そして、ガラス基板2を透過して出射面2aから出射される。また、一部の光は背面電極6で反射して透明電極4に到達し、同様に回折層3で回折して出射面2aから出射される。
【0031】
ピッチTが光の波長と一致している場合には、例えば、2次元屈折率周期分布上に分布する光の電界成分だけを取り出して図示すると図4や図5に示すような分布を示す。図4、図5において、円弧状の矢印が電界成分を示している。図4において、2次元回折格子30の周辺部Bでは電界が互いに打ち消しあうことができないため光を取り出すことができる。2次元回折格子30の中心部Aでは、図6に示すように、横方向はベクトルC1、C2で示す電界が互いに打ち消しあうので光の強度は弱められる。しかし、縦方向は構造が非対称であるためベクトルC3、C4のいずれかが打ち勝って光を取り出すことができる。図5の場合も同様である。
【0032】
これにより、回折によって取り出された光の電界分布は例えば図7、図8に示すようになる。ベクトルは電界の向き及び大きさを示し、図7、図8はそれぞれ図4、図5の場合を示している。従って、前述の図18、図19に示す従来例の2次元回折格子(これらはそれぞれp4m、p6mの平面群から成っている。)よりも光の取出し効率を向上することができる。
【0033】
2次元回折格子30が回折格子として機能するには、屈折率の分布に何らかの繰り返し性(いわゆる並進対称性)を持たせる必要がある。本実施形態は、IUC記号がpmの平面群から成るため、回折により垂直方向に取り出される光の電界分布の構造中心部での光の打ち消しあいを低減することができる。
【0034】
同様に、2次元回折格子30が並進対称性があり、回転対称性がない構造であれば構造中心部での光の打ち消しあいを低減することができる。即ち、IUC記号がp1、pm、pg、cmのいずれかの対称性を持った平面群から成る2次元回折格子30とすることで、従来例よりも構造中心部での光の打ち消しあいを低減することができる。
【0035】
本実施形態によると、2次元回折格子30は回転対称性がないので、光の取出し効率を向上することができる。また、2次元回折格子30のピッチTを0.1μm〜4μmにしたので、所定方向に光を回折する2次元回折格子30を容易に実現することができる。
【0036】
回折層3は透明電極4とガラス基板2との間に設けると製造が比較的容易であり且つ発光層5に近い位置に配置されるため高い効果が得られやすいが、出射面2aに設けてもよい。また、第2媒質32は第1媒質31と屈折率が異なっていればよく、孔2b(図2参照)にITO等の透明導電性材料を充填してもよい。これにより、屈折率が1.5のガラスを第1媒質31として、例えば屈折率が1.9のITOを第2媒質32とする2次元回折格子30が得られる。
【0037】
また、図9に示すように、2次元回折格子30はガラス基板2の一部を除去して柱状部2cを形成し、柱状部2cの周囲にガラス基板2と屈折率の異なる空気やITO等の透明導電性材料を充填してもよい。この時、柱状部2cの周囲に充填される媒質が第1媒質31となり、柱状部2cが第2媒質32となる。
【0038】
尚、回折層3を透明電極4と発光層5との界面に設けることも可能であり、この場合も光取出し効率を向上することができる。この場合、第1媒質31がITO等の透明導電性材料から成り、第2媒質32が空気或いは発光層5を構成する材料から成る。
【0039】
次に、図10は第2実施形態の面発光素子1の2次元回折格子30を示す平面図である。本実施形態の2次元回折格子30は正方格子から成り、第2媒質32は周期方向に一致する対称軸を有した断面凸型の空孔により形成されている。これにより、2次元回折格子30はIUC記号がpmで表わされる平面群から成り、回転対称性がなく、互いに一致する鏡映軸R及びすべり鏡映軸Sを有している。本実施形態においても第1実施形態と同様に、構造中心部での光の打ち消しあいを低減して光の取出し効率を向上することができる。
【0040】
図11は第3実施形態の面発光素子1の2次元回折格子30を示す平面図である。本実施形態の2次元回折格子30は正方格子から成り、第2媒質32は孔2b、2b’から成る断面円形の大小2つの空孔を周期方向に並んで配置して形成されている。これにより、2次元回折格子30はIUC記号がpmで表わされる平面群から成り、回転対称性がなく、互いに一致する鏡映軸R及びすべり鏡映軸Sを有している。本実施形態においても第1実施形態と同様に、構造中心部での光の打ち消しあいを低減して光の取出し効率を向上することができる。
【0041】
図12は第4実施形態の面発光素子1の2次元回折格子30を示す平面図である。本実施形態の2次元回折格子30は単位格子Uが正方形の正方格子から成り、断面円形の孔2bから成る空孔が配列されている。また、隣々接した孔2bに対して周期方向に並んで小さい孔2b’から成る空孔が配置され、孔2b、2b’により第2媒質32が形成されている。これにより、2次元回折格子30はIUC記号がpmで表わされる平面群から成り、回転対称性がなく、互いに一致する鏡映軸R及びすべり鏡映軸Sを有している。本実施形態においても第1実施形態と同様に、構造中心部での光の打ち消しあいを低減して光の取出し効率を向上することができる。
【0042】
図13は第5実施形態の面発光素子1の2次元回折格子30を示す平面図である。本実施形態の2次元回折格子30は正方格子から成り、第2媒質32は断面半円形の空孔により形成されている。また、第2媒質32に隣接して第1、第2媒質31、32と屈折率の異なる断面半円形の第3媒質33が設けられている。
【0043】
これにより、2次元回折格子30はIUC記号がpmで表わされる平面群から成り、回転対称性がなく、互いに一致する鏡映軸R及びすべり鏡映軸Sを有している。本実施形態においても第1実施形態と同様に、構造中心部での光の打ち消しあいを低減して光の取出し効率を向上することができる。
【0044】
図14は第6実施形態の面発光素子1の2次元回折格子30を示す平面図である。本実施形態の2次元回折格子30は正方格子から成り、第2媒質32が周期方向に対して対称軸が傾斜した断面二等辺三角形の空孔により形成されている。これにより、2次元回折格子30はIUC記号がcmで表わされる平面群から成り、回転対称性がなく鏡映軸Rと鏡映軸Rに一致しないすべり鏡映軸Sとを有している。
【0045】
構造中心部では鏡映軸Rに平行な方向は電界が互いに打ち消しあうので光の強度は弱められる。しかし、鏡映軸Rに垂直な方向は構造が非対称であるため上下のいずれかが打ち勝って光を取り出すことができる。従って、第1実施形態と同様に、構造中心部での光の打ち消しあいを低減して光の取出し効率を向上することができる。
【0046】
図15は第7実施形態の面発光素子1の2次元回折格子30を示す平面図である。本実施形態の2次元回折格子30は単位格子Uが正方形の正方格子から成り、第2媒質32は90゜回転した2つの向きで並ぶ断面L字型の空孔により形成されている。これにより、2次元回折格子30はIUC記号がpgで表わされる平面群から成り、回転対称性及び鏡映軸がなくすべり鏡映軸Sを有している。
【0047】
構造中心部ではすべり鏡映軸Sに平行な方向は電界が互いに打ち消しあうので光の強度は弱められる。しかし、すべり鏡映軸Sに垂直な方向は構造が非対称であるため各格子点ですべり鏡映軸Sに対して上下のいずれかが打ち勝って光を取り出すことができる。従って、第1実施形態と同様に、構造中心部での光の打ち消しあいを低減して光の取出し効率を向上することができる。
【0048】
図16は第8実施形態の面発光素子1の2次元回折格子30を示す平面図である。本実施形態の2次元回折格子30は正方格子から成り、第2媒質32は断面が直角を挟む2辺の長さが異なる直角三角形の空孔により形成されている。これにより、2次元回折格子30はIUC記号がp1で表わされる平面群から成り、回転対称性がなく、鏡映軸及びすべり鏡映軸がない。
【0049】
本実施形態によると、構造中心部で図中、縦方向だけでなく、横方向の電界の打ち消しあいが第1〜第7実施形態に比して低減される。従って、構造中心部での光の打ち消しあいをより低減して光の取出し効率を更に向上することができる。
【0050】
図17は第9実施形態の面発光素子1の2次元回折格子30を示す平面図である。本実施形態の2次元回折格子30は正方格子から成り、第2媒質32は断面が縦と横の長さが異なるL字型の空孔を配列して形成されている。これにより、2次元回折格子30はIUC記号がp1で表わされる平面群から成り、回転対称性がなく、鏡映軸及びすべり鏡映軸がない。本実施形態においても第8実施形態と同様に、構造中心部での光の打ち消しあいを低減して光の取出し効率を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【0051】
本発明は、有機EL素子、無機EL素子等の面発光素子に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0052】
【図1】本発明の第1実施形態の面発光素子を示す正面図
【図2】本発明の第1実施形態の面発光素子の2次元回折格子を示す平面図
【図3】本発明の第1実施形態の面発光素子の2次元回折格子を示す正面断面図
【図4】本発明の第1実施形態の面発光素子の2次元回折格子の2次元屈折率周期分布上に分布する光の電界成分だけを取り出した例を示す図
【図5】本発明の第1実施形態の面発光素子の2次元回折格子の2次元屈折率周期分布上に分布する光の電界成分だけを取り出した例を示す図
【図6】本発明の第1実施形態の面発光素子の2次元回折格子の電界の打ち消し合う状態を説明する図
【図7】本発明の第1実施形態の面発光素子の2次元回折格子の電界分布を示す図
【図8】本発明の第1実施形態の面発光素子の2次元回折格子の電界分布を示す図
【図9】本発明の第1実施形態の面発光素子の2次元回折格子他の構成を示す斜視図
【図10】本発明の第2実施形態の面発光素子の2次元回折格子を示す平面図
【図11】本発明の第3実施形態の面発光素子の2次元回折格子を示す平面図
【図12】本発明の第4実施形態の面発光素子の2次元回折格子を示す平面図
【図13】本発明の第5実施形態の面発光素子の2次元回折格子を示す平面図
【図14】本発明の第6実施形態の面発光素子の2次元回折格子を示す平面図
【図15】本発明の第7実施形態の面発光素子の2次元回折格子を示す平面図
【図16】本発明の第8実施形態の面発光素子の2次元回折格子を示す平面図
【図17】本発明の第9実施形態の面発光素子の2次元回折格子を示す平面図
【図18】従来の面発光素子の2次元回折格子を示す平面図
【図19】従来の面発光素子の2次元回折格子を示す平面図
【図20】従来の面発光素子の2次元回折格子の2次元屈折率周期分布上に分布する光の電界成分だけを取り出した例を示す図
【図21】従来の面発光素子の2次元回折格子の2次元屈折率周期分布上に分布する光の電界成分だけを取り出した例を示す図
【図22】従来の面発光素子の2次元回折格子の電界分布を示す図
【図23】従来の面発光素子の2次元回折格子の電界分布を示す図
【符号の説明】
【0053】
1 面発光素子
2 ガラス基板
2a 出射面
2b、2b’ 孔
2c 柱状部
3 回折層
4 透明電極
5 発光層
6 背面電極
30 2次元回折格子
31 第1媒質
32 第2媒質
33 第3媒質
T ピッチ
U 単位格子
R 鏡映軸
S すべり鏡映軸

【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第1、第2媒質を2次元的に配列した2次元回折格子とを備えた面発光素子において、前記2次元回折格子は、回転対称性がないことを特徴とする面発光素子。
【請求項2】
基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第1、第2媒質を2次元的に配列した2次元回折格子とを備えた面発光素子において、前記2次元回折格子の周期構造がp1、pm、pg、cmのいずれかの平面群から成ることを特徴とする面発光素子。
【請求項3】
前記2次元回折格子のピッチを0.1μm〜4μmにしたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の面発光素子。
【請求項4】
前記2次元回折格子は前記基板を第1媒質とする正方格子から成り、前記基板に設けられた断面形状が三角形の孔に第2媒質を充填したことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の面発光素子。
【請求項5】
第1、第2媒質の一方がガラスから成るとともに、他方が空気または透明電極から成ることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の面発光素子。
【請求項6】
第1、第2媒質の一方が透明電極から成るとともに、他方が空気または発光層を構成する材料から成ることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の面発光素子。

【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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【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14】
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【図15】
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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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【公開番号】特開2006−128011(P2006−128011A)
【公開日】平成18年5月18日(2006.5.18)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−317214(P2004−317214)
【出願日】平成16年10月29日(2004.10.29)
【出願人】(000001270)コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Fターム(参考)】