(57)【要約】【課題】スタイラスペンのペン先の材料および形状を限定することなく、静電容量方式のタッチパネルに対するスタイラスペンの筆圧の変化を検知する。【解決手段】スタイラスペン（１０）は、ペン軸（１１）と導電性のペン先（１２）とを備えている。ペン軸（１１）は、ユーザが把持する筒状の把持部（２１）を備えている。把持部（２１）は、導電性を有し、ペン先（１２）の軸芯部（３２）と導電性リング（１４）を介して電気的に接続しており、かつ、弾性体である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量方式のタッチパネルに用いられるスタイラスペンであって、
導電性のペン先と、ペン軸とを備えており、
該ペン軸は、ユーザが把持する把持部を備えており、
該把持部は、弾性体であることを特徴とするスタイラスペン。
【請求項２】
前記ペン先は、前記把持部の内部まで伸びる導電性の軸芯部を備えることを特徴とする請求項１に記載のスタイラスペン。
【請求項３】
前記把持部は、中空の導電体であることを特徴とする請求項１または２に記載のスタイラスペン。
【請求項４】
前記把持部は、中塞の絶縁体であることを特徴とする請求項１または２に記載のスタイラスペン。
【請求項５】
静電容量方式のタッチパネルと、
該タッチパネルに用いられる、請求項１から４までの何れか１項に記載のスタイラスペンとを備えることを特徴とするタッチパネルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量方式のタッチパネルに用いられるスタイラスペンおよびタッチパネルシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
タッチパネルは、表示装置の表示画面に設けられ、スタイラスペンのペン先、ユーザの指など（以下、「ペン先等」と称する。）によって指示された上記表示画面上の位置を検出し、検出した位置情報を出力する位置入力装置である。このタッチパネルを用いることにより、上記ペン先等による手書き入力が可能となっている。
【０００３】
上記タッチパネルのうち、上記ペン先等と上記タッチパネルの導電膜との間での静電容量の変化を検出することにより、上記タッチパネル上の上記ペン先等の位置を検知する静電容量方式のタッチパネルが、近年普及してきている。このタッチパネルは、例えば、携帯電話機、スマートフォン、タブレット型端末等への搭載が顕著である。上記タッチパネルの普及に伴い、手書き入力の更なる向上が求められている。
【０００４】
例えば、特許文献１に記載のタッチパネル用スタイラスペンでは、ペン先端部は、ペン芯部と、該ペン芯部の周囲に設けられた導電性スポンジとから構成される。上記ペン先端部と静電容量方式のタッチパネルとの接触面は、上記ペン芯部および上記タッチパネルの接触面と、該接触面の周りの、上記導電性スポンジおよび上記タッチパネルの接触面とを含んでいる。
【０００５】
上記の構成によると、シャープペンシル、ボールペン等を使用して紙に手書きするような感覚に近い感覚で、タッチパネルへの入力を行うことができる。また、スタイラスペンのペン先とタッチパネルの導電膜との接触面における何れの位置で入力が行われるのかをユーザが予測することができる。さらに、スタイラスペンでタッチパネルに書く時の摩擦を低減して、ユーザが滑るように書くことが可能となる。
【０００６】
また、特許文献２に記載の情報入力用ペンでは、ペン先尖端を構成する繊維束は、合成繊維または天然繊維を束ね、導電性材料を混合した合成樹脂接着剤により多孔質に結着され、軸本体先端に固定されている。これにより、筆圧によって検知位置がずれず、スライド動作時の滑りがよく、パネル表面を傷つけることがないような入力が可能となる。
【０００７】
また、特許文献３に記載の静電容量方式タッチペンでは、入力尖端は、テーパ繊維から構成され、該テーパ繊維の表面には導電性樹脂の被覆が形成されている。さらに、上記入力尖端は、上記テーパ繊維に収束させた繊維束体から構成されている。これにより、入力パッドから、アナログ的な入力、すなわち、毛筆および絵筆などで描いたような、ごく細い描線から筆幅一杯の太い線まで、線幅を変更しながら描くような入力、あるいは、「止め」や「跳ね」などを行ったときに、極めて予測不可能かつランダムに「掠れた」描線を入力することができる。
【０００８】
また、特許文献４に記載の静電容量方式のタッチパネル用の入力ペンでは、略筒状のペン本体と、該ペン本体の先端部に挿入されたペン先とを備えている。上記ペン本体における少なくともユーザが把持する部分は、導電体からなっており、上記ペン先は、連続気泡を有する吸水性材料、例えばセルローススポンジによって形成されている。上記ペン先と上記ペン本体とは導通している。これにより、筆感が良好で入力ミスの少ない上記タッチパネル用の入力ペンを提供することができる。
【０００９】
このように、特許文献１〜４では、スタイラスペンのペン先の形状等を工夫することにより、当該ペン先と静電容量方式のタッチパネルとの滑り性を改善すると共に、当該ペン先と上記タッチパネルとの接触面積の変化を検知させ易くしている。これにより、上記スタイラスペンの操作性の改善と、上記タッチパネルの筆圧対応とを実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１２−０５３６８１号公報（２０１２年０３月１５日公開）
【特許文献２】特開２０１２−１０８８９５号公報（２０１２年０６月０７日公開）
【特許文献３】特開２０１２−１０８８９４号公報（２０１２年０６月０７日公開）
【特許文献４】特開２０１２−０２７６８９号公報（２０１２年０２月０９日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１〜４の場合、スタイラスペンのペン先と静電容量方式のタッチパネルとの接触面積の変化を、上記ペン先と上記タッチパネルとの筆圧の変化に対応させている。このため、上記ペン先には、例えば、導電性スポンジ、導電性繊維束、セルローススポンジなど、柔軟に変形でき、かつ復元できる材料を利用する必要がある。その結果、上記ペン先が摩耗したり、復元性が劣化したりするため、耐久性に問題がある。また、上記ペン先の材料が限定されることになる。
【００１２】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、スタイラスペンのペン先の材料および形状を限定することなく、上記タッチパネルに対する上記スタイラスペンの筆圧の変化を検知できるスタイラスペンなどを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様に係るスタイラスペンは、静電容量方式のタッチパネルに用いられるスタイラスペンであって、上記課題を解決するために、導電性のペン先と、ペン軸とを備えており、該ペン軸は、ユーザが把持する把持部を備えており、該把持部は、弾性体であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の一態様によれば、静電容量方式のタッチパネルに対しスタイラスペンを押圧すると、上記スタイラスペンの把持部が凹んで、上記スタイラスペンの内部インピーダンスが減少し、上記タッチパネルから上記スタイラスペンを介してユーザに流れる電流量が増加して、静電容量の変化量が増加する。従って、当該変化量を調べることにより、ペン先の材料および形状を限定することなく、上記タッチパネルに対する上記スタイラスペンの筆圧の変化を検知できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るスタイラスペンの構造を示す断面図である。
【図２】投影型静電容量方式のタッチパネルにおけるタッチの検出原理を示す斜視図である。
【図３】上記スタイラスペンを用いた上記タッチパネルにおけるタッチの検出原理を示す断面図である。
【図４】上記タッチパネルにおける静電容量の変化量を示すグラフである。
【図５】本発明の他の実施形態に係るスタイラスペンの構造を示す断面図である。
【図６】上記スタイラスペンの構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
〔実施の形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るスタイラスペンの構造を示す断面図である。本実施形態に係るスタイラスペンは、投影型静電容量方式のタッチパネルに用いられるものである。
【００１７】
（スタイラスペンの構造）
図１に示すように、本実施形態のスタイラスペン１０では、円筒状のペン軸１１の一端部２０に、絶縁性ゴム１３を介してペン先１２が取り付けられた構成である。ペン軸１１の一端部２０付近には、ユーザがスタイラスペン１０を利用するときに把持する把持部２１が存在する。ペン軸１１およびペン先１２は、銅、アルミニウム、導電性ゴム、導電性樹脂などの材料から形成された導電体である。
【００１８】
ペン先１２は、丸みを帯びた円錐体である。ペン先１２の基端部３０は、ペン軸１１の一端部２０に嵌合するように、周縁に切欠き部３１が形成されている。また、基端部３０の中心から、ペン軸１１およびペン先１２の回転軸Ａに沿って軸芯部３２が伸びている。軸芯部３２はペン軸１１の把持部２１を貫通しており、軸芯部３２の先端部３３は、導電性リング１４によってペン軸１１に固定されている。なお、ペン先１２の軸芯部３２とペン軸１１の把持部２１とは離間しており、導電性リング１４を介して電気的に接続している。なお、ペン先１２の先端３４は、上記タッチパネルの表面を傷つけないように、丸みを帯びていることが望ましい。
【００１９】
本実施形態では、把持部２１は、ペン軸１１の他の部分に比べて、薄く形成されている。これにより、把持部２１は、可撓性（弾性）を有する。従って、ユーザの指などにより、把持部２１を外側から内側に押圧すると、把持部２１が撓んで、把持部２１と軸芯部３２とが接触する。これにより、把持部２１と軸芯部３２とが電気的に接続するので、スタイラスペン１０におけるインピーダンスが減少する。その結果、タッチパネル４０に対するスタイラスペン１０の筆圧の変化を検知することができる。その理由を以下に説明する。
【００２０】
（タッチパネルにおけるタッチの検出原理）
図２および図３は、投影型静電容量方式のタッチパネルにおけるタッチの検出原理を示す斜視図および断面図である。なお、図２では、各部材にて形成される容量が示されており、図３では、電気力線が示されている。
【００２１】
図２および図３に示すように、投影型静電容量方式のタッチパネル４０は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などによるマトリクス状の透明電極パターン４１・４２を、ガラス、プラスチックなどの透明基板上に形成したものである。透明電極パターン４１・４２は、ｘ軸方向およびｙ軸方向の一方に沿って配列された複数の駆動電極４１と、他方に沿って配列された複数の受信電極４２とからなる。なお、図２および図３では、上記透明基板が省略されている。
【００２２】
上記構成のタッチパネル４０にスタイラスペン１０が接触または接近すると、その付近の駆動電極４１および受信電極４２間の静電容量が変化する。この点を図２および図３を参照して具体的に説明する。
【００２３】
図３の（ａ）は、タッチパネル４０付近にスタイラスペン１０が存在していない状態を示している。この場合、駆動電極４１および受信電極４２が交差する位置（交差点）の付近に形成される容量は、駆動電極４１および接地間の寄生容量Ｃt0と、受信電極４２および接地間の寄生容量Ｃr0と、駆動電極４１および受信電極４２間の容量Ｃtrとである。
【００２４】
図３の（ｂ）は、タッチパネル４０にスタイラスペン１０が接触または接近した状態を示している。この場合、上記交差点の付近に形成される容量は、上記寄生容量Ｃt0・Ｃr0と上記容量Ｃtrとの他に、駆動電極４１およびスタイラスペン１０間の容量Ｃtpと、受信電極４２およびスタイラスペン１０間の容量Ｃrpと、ユーザを介してのスタイラスペン１０および接地間の寄生容量Ｃp0とが形成されるので、全体の静電容量が変化する。
【００２５】
従って、この静電容量の変化が検出された駆動電極４１および受信電極４２を特定することにより、スタイラスペン１０が接触または接近したタッチパネル４０上の位置を特定することができる。なお、静電容量の変化は、駆動電極４１にて駆動したパルス信号と、受信電極４２にて受信したパルス信号との遅延量を調べることにより、検出できる。
【００２６】
なお、図３の（ｂ）に示すスタイラスペン１０において、タッチパネル４０が接触する先端３４から、ユーザが把持する把持部２１までの内部インピーダンスＺは、次式のようになる。ここで、Ｚ1は、ペン先１２のインピーダンスであり、Ｚ2は、導電性リング１４のインピーダンスであり、かつ、Ｚ3は、ペン軸１１のインピーダンスである。
Ｚ＝Ｚ1＋Ｚ2＋Ｚ3  ・・・（１）。
【００２７】
図３の（ｃ）は、タッチパネル４０にスタイラスペン１０を押圧した状態を示している。この場合、ユーザは、スタイラスペン１０を握り締めることになるので、スタイラスペン１０の把持部２１がユーザの指で撓み、把持部２１と軸芯部３２とが接触し、電気的に接続することになる。これにより、タッチパネル４０が接触する先端３４から、ユーザが把持する把持部２１までの内部インピーダンスＺは、軸芯部３２と把持部２１とが短絡することにより、次式のようになる。
Ｚ＝Ｚ1＋Ｚ3  ・・・（１）。
【００２８】
従って、先端３４から把持部２１までのインピーダンスＺが減少するので、スタイラスペン１０からユーザを介して流れる電流量が増え、その結果、全体の静電容量（を検出する検出信号）の変化量が増加することになる。従って、上記静電容量の変化量を調べることにより、タッチパネル４０に対するスタイラスペンの筆圧の強弱を検知することができる。
【００２９】
図４は、タッチパネル４０における静電容量の変化量を示すグラフである。同図の（ａ）は、通常の状態を示しており、把持部２１が撓んでいない図３の（ｂ）の状態に対応する。一方、同図の（ｂ）は、握った状態を示しており、把持部２１が撓んでいる図３の（ｂ）の状態に対応する。同図のｘ成分およびｙ成分は、タッチパネル４０の位置座標を示し、同図のｚ成分は、静電容量の変化量を示している。同図を参照すれば、通常の状態よりも握った状態の方が、静電容量の変化量が２倍程度増加することが理解できる。
【００３０】
そして、ユーザがタッチパネル４０にスタイラスペン１０を押圧することを中止しようとすると、ユーザが把持部２１を握り締めることを中止することになる。これにより、把持部２１が図３の（ｂ）に示す状態に弾性復帰する。これにより、静電容量の変化量が元に戻る。
【００３１】
以上より、静電容量方式のタッチパネル４０に対し本実施形態のスタイラスペン１０を利用することにより、２段階の書き方の状態を検出をする事ができる。また、耐久性および操作性に優れたスタイラスペン１０を提供することができる。
【００３２】
なお、本実施形態では、ペン軸１１の内部は、中空であるが、例えば、導電性の液体、導電性スポンジ、導電性ゴムなどの導電性物質が充填されていてもよい。この場合、把持部２１が撓むにつれて、ペン先１２の軸芯部３２とペン軸１１の把持部２１との間の上記導電性物質を介してのインピーダンスＺ4が徐々に減少するので、タッチパネル４０が接触する先端３４から、ユーザが把持する把持部２１までの内部インピーダンスＺが徐々に減少する。従って、上記静電容量の変化量を調べることにより、タッチパネル４０に対するスタイラスペンの筆圧の連続的な変化を検知することができる。
【００３３】
なお、上記導電性物質を充填する場合、把持部２１が撓んでいない通常状態では、導電性リング１４のインピーダンスＺ2の方が上記導電性物質を介してのインピーダンスＺ4よりも大きいことが望ましい。また、把持部２１の材料と上記導電性物質の材料とは同じであってもよい。また、導電性リング１４の代わりに絶縁性リングを設けてもよい。
【００３４】
また、本実施形態では、スタイラスペン１０に軸芯部３２が設けられているが、軸芯部３２を省略してもよい。この場合でも、把持部２１が撓むことにより、ペン先１２と把持部２１との間の空間によるインピーダンスが低下するので、静電容量の変化量が増大する。従って、静電容量の変化量を調べることにより、タッチパネル４０に対するスタイラスペンの筆圧の変化を検知することができる。
【００３５】
また、本実施形態では、ペン軸１１を円筒状とし、ペン先１２を丸みを帯びた円錐体としている。すなわち、スタイラスペン１０の回転軸Ａに垂直な平面で断面した形状を円形としているが、これに限定されるものではなく、当該断面の形状が例えば六角形、矩形などであってもよい。
【００３６】
〔実施の形態２〕
次に、本発明の他の実施形態について、図５および図６を参照して説明する。図５および図６は、本実施形態に係るスタイラスペンの構造を示す断面図である。本実施形態のスタイラスペン１１０は、図１に示すスタイラスペン１０に比べて、ペン軸１１、絶縁性ゴム１３、および導電性リング１４に代えて、ペン軸１１１が設けられている点が異なり、その他の構成は同様である。なお、上記実施形態で説明した構成と同様の機能を有する構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００３７】
図５に示すように、ペン軸１１１は、円柱状であり、ペン先１２の基端部３０、切欠き部３１、および軸芯部３２と嵌合するような形状となっている。ペン軸１１１の一端部１２０付近には、ユーザがスタイラスペン１１０を利用するときに把持する把持部１２１が存在する。
【００３８】
本実施形態では、ペン軸１１１の少なくとも把持部１２１は、絶縁性ゴム、絶縁性樹脂などの材料から形成された弾性体かつ絶縁体である。従って、把持部１２１は、ユーザの指５０により外側から押圧されると、図６に示すように、押圧された部分が凹むことになる。これにより、ユーザの指５０とペン先１２の軸芯部３２との距離が短くなるので、スタイラスペン１１０の上記内部インピーダンスＺが減少する。その結果、上述のように、タッチパネル４０に対するスタイラスペン１１０の筆圧の変化を検知することができる。
【００３９】
従って、スタイラスペンの把持部は、通常の状態でペン軸と電気的に絶縁されていれば、図１に示すような中空の導電体であってもよいし、図５および図６に示すような中塞の絶縁体であってもよい。
【００４０】
（付記事項）
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４１】
例えば、上記実施形態では、投影型静電容量方式のタッチパネル４０を利用しているが、本発明は、表面型静電容量方式のタッチパネルにも適用することができる。
【００４２】
〔まとめ〕
本発明の一態様に係るスタイラスペンは、静電容量方式のタッチパネルに用いられるスタイラスペンであって、導電性のペン先と、ペン軸とを備えており、該ペン軸は、ユーザが把持する把持部を備えており、該把持部は、弾性体である。
【００４３】
上記構成のスタイラスペンを、静電容量方式のタッチパネルに接触または接近させると、上記タッチパネルおよび接地間のインピーダンスとして、上記タッチパネルと上記スタイラスペンのペン先との間の静電容量、上記スタイラスペンにおけるペン先と把持部との間の内部インピーダンス、および、ユーザを介しての上記把持部と接地との間の寄生容量が新たに形成され、上記タッチパネルおよび接地間の全体の静電容量が変化する。従って、上記全体の静電容量の変化を検出することにより、上記スタイラスペンが接触または接近した上記タッチパネル上の位置を特定することができる。
【００４４】
より具体的には、上記スタイラスペンを上記タッチパネルに接触または接近させると、上記タッチパネルの送信電極から上記スタイラスペンおよび上記ユーザの側に電流が流れることにより、上記タッチパネルの送信電極から受信電極に流れる電流量が少なくなる。従って、上記受信電極に流れる電流量の減少分（差分）を検出信号として増幅することにより、上記スタイラスペンが接触または接近した上記タッチパネル上の位置を特定することができる。
【００４５】
さらに、上記タッチパネルに対し上記スタイラスペンを押圧すると、ユーザは上記スタイラスペンの把持部にて指に力を入れることになり、上記把持部が押圧されて凹むことになる。これにより、上記スタイラスペンの上記内部インピーダンスが減少する。従って、上記スタイラスペンおよび上記ユーザの側に流れる電流量がさらに増加し、上記受信電極に流れる電流量がさらに減少する。その結果、該減少分を示す上記検出信号の大きさが増加する。
【００４６】
その後、上記タッチパネルに対する上記スタイラスペンでの押圧を解除するために、上記ユーザは上記把持部への押圧を解除すると、上記把持部は弾性復帰するので、上記検出信号の大きさが戻ることになる。従って、上記検出信号の大きさの変化量を調べることにより、上記タッチパネルに対する上記スタイラスペンの筆圧の変化を検知することができる。
【００４７】
従って、上記ペン先の材料および形状を限定することなく、上記タッチパネルに対する上記スタイラスペンの筆圧の変化を検知することができる。その結果、上記ペン先は、柔軟な形状にする必要がないため耐久性の問題がなくなる。また、上記ペン先の材質および形状にも自由度をもたせることができる。
【００４８】
本発明の一態様に係るスタイラスペンでは、前記ペン先は、前記把持部の内部まで伸びる導電性の軸芯部を備えることが好ましい。この場合、上記スタイラスペンにおけるペン先と把持部との間の内部インピーダンスが低くなるので、上記スタイラスペンおよび上記ユーザの側に流れる電流量が多くなり、上記受信電極に流れる電流量が少なくなる。従って、該減少分を示す上記検出信号の大きさが大きくなるので、上記スタイラスペンが接触または接近した上記タッチパネル上の位置を良好に検知することができる。
【００４９】
本発明の一態様に係るスタイラスペンでは、前記把持部は、中空の導電体であってもよい。なお、上記ペン先が上記軸芯部を備える場合、該軸芯部の先端と上記把持部とが導電性部材（導電性リング）を介して電気的に接続していることが好ましい。この場合、上記スタイラスペンの上記内部インピーダンスがさらに低くなるので、上記検出信号の大きさがさらに大きくなり、その結果、上記スタイラスペンが接触または接近した上記タッチパネル上の位置をさらに良好に検知することができる。
【００５０】
また、上記ペン先が上記軸芯部を備える場合、上記軸芯部および上記把持部は、通常は接触せず、上記把持部が凹むと接触することが好ましい。この場合、上記把持部の変形により、上記把持部および上記軸芯部が短絡するので、上記スタイラスペンの上記内部インピーダンスが著しく減少するので、上記検出信号の大きさが著しく大きくなる。その結果、上記筆圧の変化を容易に検知することができる。
【００５１】
また、上記ペン先が上記軸芯部を備える場合、上記軸芯部と上記把持部との間に導電性物質が充填されていてもよい。この場合、上記把持部が凹むにつれて、上記把持部と上記軸芯部との間のインピーダンスが徐々に減少するので、上記検出信号の大きさが徐々に大きくなる。その結果、上記筆圧の連続的な変化を検知することができる。
【００５２】
本発明の一態様に係るスタイラスペンでは、前記把持部は、中塞の絶縁体であってもよい。この場合でも、上記把持部が凹むと、上記スタイラスペン内の静電容量が増大し、上記スタイラスペンの上記内部インピーダンスが減少するので、上記筆圧の変化を検知することができる。
【００５３】
なお、静電容量方式のタッチパネルと、該タッチパネルに用いられる、上記構成のスタイラスペンとを備えるタッチパネルシステムであれば、上述と同様の効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上のように、本発明に係るスタイラスペンは、上記スタイラスペンの把持部が凹むことにより、上記スタイラスペンの内部インピーダンスが減少して、静電容量の変化量が増加するので、当該変化量を調べることにより、ペン先の材料および形状を限定することなく、タッチパネルに対するスタイラスペンの筆圧の変化を検知できる。従って、投影型だけでなく、表面型など、静電容量方式の任意のタッチパネルに本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０・１１０  スタイラスペン
１１・１１１  ペン軸
１２  ペン先
１３  絶縁性ゴム
１４  導電性リング
２０・１２０  一端部
２１・１２１  把持部
３０  基端部
３２  軸芯部
３３  先端部
３４  先端
４０  タッチパネル
４１  駆動電極
４２  受信電極
【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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