(57)【要約】【課題】氷点下の環境下であっても駆動装置が円滑に作動するように構成した画像投影装置。【解決手段】画像パターンを形成する空間光変調素子と、  前記空間光変調素子を照明する照明光学系と、  前記画像パターンを投影する投影光学系と、を有する画像投影装置において、  前記投影光学系における可動レンズを保持する鏡枠に電気機械変換素子と一体化された駆動軸が摩擦係合し、パルス電圧の印加によって該電気機械変換素子が伸縮し該駆動軸が変位することにより前記鏡枠を該駆動軸に沿って駆動する駆動装置を備え、  前記照明光学系と前記投影光学系との間に前記駆動軸を配置したことを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像パターンを形成する空間光変調素子と、
前記空間光変調素子を照明する照明光学系と、
前記画像パターンを投影する投影光学系と、を有する画像投影装置において、
前記投影光学系における可動レンズを保持する鏡枠に電気機械変換素子と一体化された駆動軸が摩擦係合し、パルス電圧の印加によって該電気機械変換素子が伸縮し該駆動軸が変位することにより前記鏡枠を該駆動軸に沿って駆動する駆動装置を備え、
前記照明光学系と前記投影光学系との間に前記駆動軸を配置したことを特徴とする画像投影装置。
【請求項２】
前記照明光学系と前記駆動軸は同一の部材に接続していることを特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。
【請求項３】
前記同一の部材は金属により形成されていることを特徴とする請求項２に記載の画像投影装置。
【請求項４】
前記照明光学系はＬＥＤユニットと該ＬＥＤユニットが接続されたヒートシンクとから構成され、該ヒートシンクの一端にて前記駆動軸を支持することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の画像投影装置。
【請求項５】
前記空間光変調素子は液晶表示素子であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の画像投影装置。
【請求項６】
前記空間光変調素子はデジタル・マイクロミラー・デバイスであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の画像投影装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の画像投影装置を備えたことを特徴とするプロジェクタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像をスクリーン等に投影するための画像投影装置に関し、特にモバイル機器に搭載可能な小型の画像投影装置に関する。また、該画像投影装置を備えたプロジェクタ装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型のプロジェクタ装置の開発が進んでおり、ポケットプロジェクタと呼ばれる手の平サイズの製品も登場している。また、プロジェクタ機能を有する画像投影装置を携帯電話機やノートパソコン等のモバイル機器に搭載する動きも出始めており、一部のスマートフォンには搭載されている。
【０００３】
画像投影装置を携帯電話機等の小型機器へ搭載する場合には、その画像投影装置にかなりの小型化が要求され、例えば体積は５ｃｍ３以下で可能ならば３ｃｍ３以下、厚みは７ｍｍ以下で可能ならば５ｍｍ以下が要求される。特に携帯電話機は薄型化が一つのトレンドとして確立されており、画像投影装置も更なる薄型化が要求され、例えば厚みが５ｍｍ以下の要求も想定される。
【０００４】
また、画像投影装置の光源としては、小型化を考慮するとランプを用いることは困難であり、ＬＥＤが望ましい。
【０００５】
このようにして小型化した場合、光量を確保するためには照明光学系及び投影光学系を明るく、即ちＦナンバーを小さくする必要がある。これにより、焦点深度が浅くなり、焦点合わせに微小な分解能が要求される。
【０００６】
このように高分解な焦点合わせが必要な場合には手動による操作は困難であり、アクチュエータによる電動駆動が望ましい。加えて、利便性、防塵、防水等の観点からも電動駆動が望ましい。投影光学系にズームレンズを採用した場合の変倍動作も同様である。
【０００７】
なお、複数のレンズ群が２本のガイドシャフトにより案内され、焦点合わせにステッピングモータを用いてレンズ群を移動し、プロジェクタ等に搭載されるレンズ駆動装置が特許公報に開示されている（特許文献１参照）。
【０００８】
また、電気機械変換素子の伸縮方向一端に固定された駆動摩擦部材と、駆動摩擦部材に摩擦係合する係合部材とを備え、電気機械変換素子に駆動信号を印加して伸縮させることにより駆動摩擦部材と係合部材とを相対移動させる駆動装置であって、経時的な摩耗を低減させるために、駆動摩擦部材と係合部材との係合部分に所定の基油動粘度のグリースを塗布した駆動装置が知られている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−３３７８８４号公報
【特許文献２】特開２００７−２８７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載のレンズ駆動装置を上述の如く小型化すると、当然のことながらステッピングモータも小さくする必要があるが、動作原理的に発生トルクが小さくなるので、小型化には限度がある。特に、画像投影装置の厚みを５ｍｍ以下にすると、ステッピングモータの直径を４ｍｍ以下にする必要がある。この結果、トルクが小さくなり、焦点合わせのために移動するレンズの重量に制限が生じ、また移動機構の僅かな摩擦によりステッピングモータの脱調を招き、所望の動作を行えなくなる虞がある。
【００１１】
また、ステッピングモータを小さくしてゆくと、回転角分解能が低くなってしまう。即ち、１回転当たりのステップ数（分解数）が減少してしまうので、レンズ移動分解能が低くなってしまう。投影光学系の設計によっては、焦点合わせのためのレンズ移動分解能として例えば４〜７μｍ程度が要求される可能性がある。リードスクリューで構成される一般的なステッピングモータ機構は、ステッピングモータの直径を４ｍｍ以下にした場合、１回転当たりのステップ数が１８、リードスクリューのリードが０．２ｍｍ程度となり、移動分解能が約１１μｍとなって、所望の分解能を満たせないという問題がある。
【００１２】
一方、ステッピングモータをマイクロステップ駆動することにより分解能を上げる方法もあるが、焦点合わせのためのレンズを所定の位置で保持するためには、通電し続ける必要がある。携帯電話機等の小型機器においては、画像投影装置も機器自身の電池を利用することが予想され、焦点合わせの後にレンズを所定の位置で保持し続けることは多大な電力を消費するので、実用的ではない。
【００１３】
以上の如く、画像投影装置を小型化した場合、焦点合わせ等の駆動装置としてステッピングモータを用いたのではトルク及び分解能の点で実用化が困難である。
【００１４】
そこで、ステッピングモータに代えて、特許文献２に記載の如き電気機械変換素子を有する駆動装置を画像投影装置の焦点合わせ等の駆動装置として用いることが考えられる。これにより、上述の如きステッピングモータを用いたときの問題は解消する。
【００１５】
一方、携帯電話機等のモバイル機器は氷点下の環境下でも使用されることがある。電気機械変換素子を有する駆動装置を備えた画像投影装置をモバイル機器に搭載し、氷点下の環境下で使用される場合は、特許文献２に記載の如きグリースを塗布しても、駆動摩擦部材の変位に対して係合部材が円滑に作動せず、移動速度が低下して、焦点合わせの精度に影響するといった問題が生ずる。
【００１６】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、電気機械変換素子を有する駆動装置により投影光学系を駆動する画像投影装置であって、氷点下の環境下であってもこの駆動装置が円滑に作動するように構成した画像投影装置、及び該画像投影装置を備えたプロジェクタ装置を提案することを発明の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的は下記に記載した発明により達成される。
【００１８】
１．画像パターンを形成する空間光変調素子と、
前記空間光変調素子を照明する照明光学系と、
前記画像パターンを投影する投影光学系と、を有する画像投影装置において、
前記投影光学系における可動レンズを保持する鏡枠に電気機械変換素子と一体化された駆動軸が摩擦係合し、パルス電圧の印加によって該電気機械変換素子が伸縮し該駆動軸が変位することにより前記鏡枠を該駆動軸に沿って駆動する駆動装置を備え、
前記照明光学系と前記投影光学系との間に前記駆動軸を配置したことを特徴とする画像投影装置。
【００１９】
２．前記照明光学系と前記駆動軸は同一の部材に接続していることを特徴とする前記１に記載の画像投影装置。
【００２０】
３．前記同一の部材は金属により形成されていることを特徴とする前記２に記載の画像投影装置。
【００２１】
４．前記照明光学系はＬＥＤユニットと該ＬＥＤユニットが接続されたヒートシンクとから構成され、該ヒートシンクの一端にて前記駆動軸を支持することを特徴とする前記１〜３の何れか１項に記載の画像投影装置。
【００２２】
５．前記空間光変調素子は液晶表示素子であることを特徴とする前記１〜４の何れか１項に記載の画像投影装置。
【００２３】
６．前記空間光変調素子はデジタル・マイクロミラー・デバイスであることを特徴とする前記１〜４の何れか１項に記載の画像投影装置。
【００２４】
７．前記１〜６の何れか１項に記載の画像投影装置を備えたことを特徴とするプロジェクタ装置。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の画像投影装置、及び該画像投影装置を備えたプロジェクタ装置によれば、照明光学系より発する熱が投影光学系を駆動する駆動軸に伝達されるので、氷点下の環境下であっても投影光学系を円滑に駆動することが可能になる。従って、移動速度が低下して、焦点合わせの精度に影響するといった問題は生じない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】駆動装置の正面図である。
【図２】駆動装置の斜視図である。
【図３】駆動装置の作動原理を示す図である。
【図４】画像投影装置の斜視図である。
【図５】画像投影装置の上面図である。
【図６】可動レンズ枠の断面図である。
【図７】デジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた画像投影装置の上面図である。
【図８】ヒートシンクで熱伝導する画像投影装置の上面図である。
【図９】プロジェクタ装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明における画像投影装置の投影光学系は電気機械変換素子を有する駆動装置により駆動される。そこで、画像投影装置の説明に先立って、この駆動装置について説明する。
【００２８】
この駆動装置の構成と作動を図１〜３を参照して説明する。図１は駆動装置の正面図、図２は駆動装置の斜視図、図３は駆動装置の作動原理を示す図である。
【００２９】
駆動装置は、図１に示す如く、主として電気機械変換素子１、駆動軸２、保持部材３及びフレキシブルプリント基板４等から成り、小型に構成されている。
【００３０】
電気機械変換素子１は、圧電セラミックからなる複数の圧電材料と内部電極とが交互に積層された圧電素子である。電圧が印加されると圧電材料が厚み方向に変位するので、電気機械変換素子１は図の軸方向に伸縮する。
【００３１】
駆動軸２は、電気機械変換素子１の伸縮方向の一端に接着剤Ｓ１で接合されたロッド状の部材であって、滑り性が良く表面硬度の高い材料から形成されている。
【００３２】
保持部材３は、電気機械変換素子１の伸縮方向の他端に接着剤Ｓ２で接合され、電気機械変換素子１と駆動軸２を片持ちで保持し、比重の大きい金属材料から形成されている。なお、電気機械変換素子１と保持部材３とが導通しないように接着剤Ｓ２は絶縁性である。
【００３３】
フレキシブルプリント基板４は、導電性接着剤Ｓ３により電気機械変換素子１に接合され、電気機械変換素子１に給電を行う。
【００３４】
図２において、図２（Ａ）は移動部材５等を組み立てる前の駆動装置の斜視図、図２（Ｂ）は移動部材５等を組み立てた後の駆動装置の斜視図である。
【００３５】
移動部材５は駆動装置により駆動されるべき部材に接合されるか、又は一体に形成されており、駆動されるべき部材とは例えば投影光学系を保持するレンズ枠である。移動部材５にはＶ溝５ａが形成され、駆動軸２と対向している。また、駆動軸２を挟んで反対側にも駆動軸２と対向するＶ溝６ａを有する挟持部材６が配置されている。そして、コの字形の板バネ７を移動部材５と挟持部材６の横方向から装着し、移動部材５と挟持部材６が所定の摩擦力で駆動軸２を狭着するようにする。これにより、移動部材５は駆動軸２に圧接する。
【００３６】
なお、駆動軸２に対して移動部材５を摩擦摺動させることに関しては種々の構成が考えられ、板バネ７を用いずに、移動部材５と挟持部材６との間に引っ張りバネや圧縮バネを設け、移動部材５が駆動軸２に圧接するようにしてもよい。
【００３７】
このように構成した駆動装置の作動原理を図３に基づいて説明する。図３（Ｂ）に示す如き鋸歯形の波形のパルス電圧を、図１，２に示すフレキシブルプリント基板４を介して図３（Ａ１）に示す電気機械変換素子１に連続的に印加する。これによって電気機械変換素子１は伸縮振動し、同時に駆動軸２も軸方向に振動する。そして、図３（Ａ２）に示す如く、パルス電圧の緩やかな立ち上がりＵにおいては、電気機械変換素子１は比較的ゆっくり伸長する。従って、駆動軸２は保持部材３から離れる方向（α方向）に繰り出され、これに伴って駆動軸２に圧接している移動部材５は同方向に摩擦摺動する。一方、パルス電圧の急速な立ち下がりＤにおいては、電気機械変換素子１は急速に収縮して初期長さに戻る。このとき、図３（Ａ３）に示す如く、駆動軸２も急速に保持部材３に向かう方向（β方向）に戻るが、移動部材５は慣性によってその位置に留まるか、又は僅かだけ保持部材３の方向に摺動する。従って、このようなパルス電圧を連続的な印加することによって、移動部材５はパルス数に応じて少しずつα方向に移動する。
【００３８】
また、移動部材５をβ方向に移動させるときは、電気機械変換素子１に印加する鋸歯形の波形のパルス電圧を逆にして、急速な立ち上がりと緩やかな立ち下がりにすればよい。
【００３９】
以上の如き駆動装置は、高精度で高応答性を有し、作動が静粛であるので、小型の撮像装置、例えば携帯電話機に搭載する撮像装置に好適である。即ち、移動部材と投影光学系を保持するレンズ枠とを一体に成形して投影光学系を光軸方向に移動させ、合焦動作や変倍動作を行わせることができる。
【００４０】
次に上記の如き電気機械変換素子を有する駆動装置を備えた画像投影装置について、図４〜６を参照して説明する。図４は画像投影装置の斜視図、図５は画像投影装置の上面図、図６は可動レンズ枠の断面図である。
【００４１】
本画像投影装置は、主として照明光学系１０、反射鏡２０、偏光変換素子３０、偏光ビームスプリッタ４０、液晶表示素子５０、投影レンズユニット６０及び駆動装置７０から構成され、これらの部材は基材８０により保持される。
【００４２】
照明光学系１０は、Ｒ（例えば波長６２０ｎｍ）、Ｇ（例えば波長５３０ｎｍ）、Ｂ（例えば波長４６０ｎｍ）から成る３色の発光部を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）及び光学レンズ等から成るＬＥＤユニット１１と、ＬＥＤユニット１１が接続されたヒートシンク１２とから構成される。そして、ＬＥＤユニット１１が光を照射するときは、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色を時分割発光、即ち、各色を順次パルス発光させる。また、ヒートシンク１２は熱抵抗が小さいアルミニウムや銅から形成される。
【００４３】
反射鏡２０は、ＬＥＤユニット１１から照射された光の方向を９０度変えて反射する。
【００４４】
偏光変換素子３０は、ＰＣＳ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）とも称せられる光学素子で、ＬＥＤユニット１１から出射される光の偏光方向を揃える光学素子である。このＰＣＳを用いると、ＬＥＤユニット１１から出射される光の利用効率を向上させることができる。
【００４５】
偏光ビームスプリッタ４０は、所定の振動方向の光を反射させる機能を有するビームスプリッタであり、本例では、偏光変換素子３０を経た直線偏光光を反射させて液晶表示素子５０に導き、液晶表示素子５０での反射により偏光状態が変えられた光を透過させる。
【００４６】
液晶表示素子５０は、空間光変調素子の一例であり、シリコン基板上に液晶を形成した反射型の液晶パネルであって、投影すべき画像の画像パターンを形成し、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）とも称される。
【００４７】
投影レンズユニット６０は、固定レンズＬ１と可動レンズＬ２とから成る投影光学系を有する。固定レンズＬ１は基材８０に保持され、可動レンズＬ２は可動レンズ枠６１に保持されている。また、可動レンズ枠６１は投影光学系の光軸Ｏと平行に基材８０に配設されたガイド軸６２と、後述する駆動装置７０の駆動軸７２により支持され、光軸方向に移動可能に構成されている。
【００４８】
基材８０は金属から形成され、上述の各部材を保持する。
【００４９】
かくして、液晶表示素子５０はＬＥＤユニット２１にて発光した光により反射鏡２０、偏光変換素子３０及び偏光ビームスプリッタ４０を介して照明され、ピクセル毎に偏光状態が制御された液晶表示素子５０からの反射光は再び偏光ビームスプリッタ４０を透過した後、固定レンズＬ１と可動レンズＬ２とから成る投影光学系によってスクリーン等に投影される。
【００５０】
また、駆動装置７０により可動レンズＬ２を光軸方向に移動し、液晶表示素子５０に表示された画像がスクリーン等に適切に投影されるようにピント調整をする。
【００５１】
ここで、駆動装置７０は図１〜３を参照して説明した前述の駆動装置と同様の構成であり、駆動装置７０における電気機械変換素子７１、駆動軸７２、保持部材７３、挟持部材７６及び板バネ７７は、前述の駆動装置における電気機械変換素子１、駆動軸２、保持部材３、挟持部材６及び板バネ７と同等の作用を行う。
【００５２】
図６に示す如く、可動レンズ枠６１の一方に延在する腕部６１ａに設けられたＶ溝６１ｂと、挟持部材７６に設けられたＶ溝７６ａとにより駆動軸７２を狭着する。そして、板バネ７７を腕部６１ａと挟持部材７６を抱えるように装着し、板バネ７７の付勢力によってＶ溝６１ｂとＶ溝７６ａとを駆動軸７２に圧接する。従って、可動レンズ枠６１は電気機械変換素子７１と一体化された駆動軸７２と摩擦係合する。そして、電気機械変換素子７１にパルス電圧を印加することにより保持部材７３に固定された電気機械変換素子７１が軸方向に伸縮するので、駆動軸７２が変位し、可動レンズ枠６１は駆動軸７２に沿って移動する。また、可動レンズ枠６１は、可動レンズ枠６１の他方に延在する二股部６１ｃに挿入されたガイド軸６２によっても支持されているので、回転することなく光軸Ｏに沿って直進移動する。なお、保持部材７３は基材８０に固定されている。
【００５３】
依って、電気機械変換素子７１の所定のパルス電圧を印加することにより、可動レンズ枠６１即ち可動レンズＬ２が光軸Ｏに沿って移動し、スクリーン等に対してピント調整を行うことができる。
【００５４】
なお、このような駆動装置により投影光学系のズーミングを行ってもよい。
【００５５】
また、駆動軸７２は基材８０に立設した二つの支持部８０ａ，８０ｂに設けた不図示の孔に挿入されて支持されている。一方、ＬＥＤユニット１１と接合されたヒートシンク１２も基材８０に保持されている。そして、駆動軸７２は、ＬＥＤユニット１１と投影光学系の間に配置され、ＬＥＤユニット１１の近傍に配置されている。
【００５６】
従って、点灯したＬＥＤユニット１１より発する熱が駆動軸７２に熱輻射され、駆動軸７２が加熱される。また、発生した熱はヒートシンク１２及び基材８０を通じて駆動軸７２に熱伝導され、これによっても駆動軸７２は加熱される。具体的には室温２５℃でＬＥＤユニット１１は点灯すると約５０℃になる。依って、充分な熱が駆動軸７２に伝達され、このような画像投影装置を携帯電話機等のモバイル機器に搭載し、氷点下の環境下で使用しても、駆動軸７２の変位に対して可動レンズ枠６１は円滑に作動する。
【００５７】
ここで、画像投影装置において、各部材の配置や構成は図４〜６に示す形態に限定されるものではない。例えば、前述の画像投影装置は空間光変調素子として反射型の液晶表示素子を用いたが、透過型の液晶表示素子であってもよい。
【００５８】
更に異なる形態の画像投影装置について説明する。
【００５９】
図７はデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた画像投影装置の上面図である。
【００６０】
図７に示す画像投影装置において、照明光学系１０、反射鏡２０、投影レンズユニット６０及び駆動装置７０は前述と同様であるので、重複した詳細な説明は省略する。但し、液晶表示素子５０に代えて、空間光変調素子としてデジタル・マイクロミラー・デバイス（略称ＤＭＤ）１５０を用いている。
【００６１】
デジタル・マイクロミラー・デバイス１５０はヒンジにマウントされた１００万個以上の極小のマイクロミラーを有し、光源と連動してミラーがピクセル毎の画像を反射して投影するものである。
【００６２】
即ち、照明光学系１０より射出し反射鏡２０及び反射鏡１３０で反射した光でデジタル・マイクロミラー・デバイス１５０を照明する。デジタル・マイクロミラー・デバイス１５０でマイクロミラーがオンのピクセルにて反射した光は投影レンズユニット６０によりスクリーンに投影され、マイクロミラーがオフのピクセルにて反射した光は投影レンズユニット６０を通過しない方向に反射される。
【００６３】
この場合も、駆動軸７２はＬＥＤユニット１１の近傍に配置されているので、点灯したＬＥＤユニット１１より発する熱が熱輻射や熱伝導により駆動軸７２に伝達され、氷点下の環境下で使用しても駆動軸７２の変位に対して可動レンズ枠６１は円滑に作動する。
【００６４】
また、以上の形態は、ＬＥＤユニット１１の点灯により発生した熱が基材８０を介して駆動軸７２に熱伝導されたが、必ずしも基材８０を介す必要はない。このように構成した画像投影装置の上面図を図８に示す。
【００６５】
図８において主たる構成は図５と同様である。図５と相違するのは、駆動軸７２を支持する二つの支持部８０ａ，８０ｂのうち支持部８０ａを基材８０に設けていないことである。その代わり、ヒートシンク１１２の左部を駆動軸７２の方向に延長し、駆動軸７２を支持する支持部１１２ａをヒートシンク１１２と一体に形成している。
【００６６】
これにより、点灯したＬＥＤユニット１１より発する熱はヒートシンク１１２のみを介して駆動軸７２に直接熱伝導されるので、基材８０を介する場合と比較して熱伝導効率が優れ、駆動軸７２が低温になっていても直ちに昇温する。
【００６７】
以上の如き画像投影装置を内蔵したプロジェクタ装置の一例を図９の斜視図に示す。
【００６８】
プロジェクタ装置８００の正面には投影光学系８０Ｌが配置され、上面にはパワーオンオフ切換釦８０１とメニュー切換釦８０２が配置され、側面には明るさ調整やフォーカス調整のアップ釦８０３とダウン釦８０４が配置されている。
【符号の説明】
【００６９】
１，７１  電気機械変換素子
２，７２  駆動軸
３，７３  保持部材
５  移動部材
５ａ，６ａ，６１ｂ，７６ａ  Ｖ溝
６，７６  挟持部材
７，７７  板バネ
１０  照明光学系
１１  ＬＥＤユニット
１２，１１２  ヒートシンク
５０  液晶表示素子
６０  投影レンズユニット
６１  可動レンズ枠
７０  駆動装置
８０  基材
８０ａ，８０ｂ，１１２ａ  支持部
１５０  デジタル・マイクロミラー・デバイス
８００  プロジェクタ装置
【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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