(57)【要約】【課題】  目視による試料の確認と画像処理による圧痕の大きさの演算とを両立することが可能な硬さ試験機を提供する。【解決手段】  オペレータが表示部あるいは接眼レンズ３６を使用して試料１００の表面を観察し、あるいは、圧痕が形成された後の圧痕の様子を観察するときには、照明部７１における３個のＬＥＤ７１Ｒ、７１Ｇ、７１Ｂを同時に点灯させる。これにより、試料１００は白色光で照明されることになり、オペレータは表示部あるいは接眼レンズ３６に表示される試料１００のカラー画像を確認することが可能となる。一方、試料１００に形成された圧痕の大きさを演算する時には、照明部７１におけるＬＥＤ７１Ｂのみを点灯させる。これにより、試料１００はＬＥＤ７１Ｂから照射される青色の光により照明される。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に対して圧痕を形成するための圧子と、
前記試料を照明するための照明部と、
前記試料の表面の画像を取得するための光学系と、
前記光学系により取得された試料の画像を撮影する撮影部と、
前記撮影部により撮影された試料の画像を表示する表示部と、
前記撮影部により撮影された試料の画像から、前記圧痕の大きさを演算する画像処理部と、
を備えた硬さ試験機において、
前記照明部は、前記試料を白色光で照明する状態と、前記試料を単色光で照明する状態とを切り替え可能であることを特徴とする硬さ試験機。
【請求項２】
請求項１に記載の硬さ試験機において、
前記表示部の画像を観察するときには前記照明部により前記試料を白色光で照明し、前記圧痕の大きさを演算する時には前記照明部により前記試料を単色光で照明するための照明切替部を備える硬さ試験機。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の硬さ試験機において、
前記照明部は、各々、赤色、緑色、青色の光を照射する３個のＬＥＤを備え、前記試料を白色光で照明するときには前記３個のＬＥＤを同時に点灯させ、前記試料を単色光で照明するときには前記３個のＬＥＤのうちの一つを点灯させる硬さ試験機。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の硬さ試験機において、
前記照明部は、白色光源と単色光源とを備え、前記試料を白色光で照明するときには前記白色光源を点灯させ、前記試料を単色光で照明するときには前記単色光源を点灯させる硬さ試験機。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の硬さ試験機において、
前記単色光は、青色の光である硬さ試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、試料に形成された圧痕の大きさに基づいて試料の硬さを測定するための硬さ試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
材料の硬さを評価するための試験として、ビッカース圧子を使用するビッカース硬さ試験（ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４）や、ヌープ圧子を使用するヌープ硬さ試験（ＪＩＳ  Ｚ  ２２５１）がある。この２つの試験は、所定の試験力で圧子を試料に押し込んだときに形成された圧痕の対角線長さから圧痕の大きさを測定し、試料の硬さを算出する構成を有する。このような硬さ試験機においては、試料の表面状態は、レンズを介して目視により、あるいは、カメラにより撮影された画像をモニターに表示することにより、確認することができる構成となっている（特許文献１参照）。
【０００３】
このような硬さ試験機においては、従来、試料に形成された圧痕の大きさを、顕微鏡を利用して目視により測定する構成が採用されていた。これに対して、近年、画像処理技術を利用して圧痕の大きさを演算する硬さ試験機も提案されている。特許文献２には、四角錐形状の圧子を所定の荷重のもとに試料表面に押し込み、得られた圧痕の大きさと押し込み荷重とから試料の硬度を求める押し込み型硬度計において、試料表面を照明する照明手段と、照明された試料表面を拡大光学系を介して撮像する撮像手段と、その撮像手段の出力を用いた画像処理により上記圧痕の大きさを求める画像処理手段と、求められた圧痕の大きさと圧子の押し込み荷重とから試料の硬度を算出する演算手段を備えるとともに、照明手段内に試料表面に対して複数本の補助線を写し出す補助線投影要素が設けられ、画像処理手段が撮像手段の出力に現れる補助線の圧痕による変曲点を繋ぐ線から当該圧痕の輪郭を求める硬さ試験機が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１５８４７８号公報
【特許文献２】特開２００５−１２１４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、カメラにより撮影された画像をモニターに表示するときには、試料の画像をモノクロ画像として表示していた。しかしながら、試料の表面状態を観察するときには、試料の表面をカラー画像で観察することにより、試料の状況をより正確に確認することができる。このため、このような硬さ試験機において、試料の表面に白色光を照射し、試料の表面で反射した光をカラー画像として撮影および表示することが要請されている。
【０００６】
一方、白色光には波長の異なる光が含まれていることから、レンズを有する光学系において色収差を生じ、あるいは、最小スポット形が異なることによる像の劣化など、複数の波長が混在することによる観察像の劣化が生じる。このような観察像の劣化は、目視により試料の表面を観察する際には問題とはならないが、この観察像を画像処理することにより圧痕の大きさを演算する場合には、その演算結果に誤差が生じることから、正確な硬さ試験が実行し得ないことになる。
【０００７】
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、目視による試料の確認と画像処理による圧痕の大きさの演算とを両立することが可能な硬さ試験機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】
請求項１に記載の発明は、試料に対して圧痕を形成するための圧子と、前記試料を照明するための照明部と、前記試料の表面の画像を取得するための光学系と、前記光学系により取得された試料の画像を撮影する撮影部と、前記撮影部により撮影された試料の画像を表示する表示部と、前記撮影部により撮影された試料の画像から、前記圧痕の大きさを演算する画像処理部と、を備えた硬さ試験機において、前記照明部は、前記試料を白色光で照明する状態と、前記試料を単色光で照明する状態とを切り替え可能であることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の硬さ試験機において、前記表示部の画像を観察するときには前記照明部により前記試料を白色光で照明し、前記圧痕の大きさを演算する時には前記照明部により前記試料を単色光で照明するための照明切替部を備える。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の硬さ試験機において、前記照明部は、各々、赤色、緑色、青色の光を照射する３個のＬＥＤを備え、前記試料を白色光で照明するときには前記３個のＬＥＤを同時に点灯させ、前記試料を単色光で照明するときには前記３個のＬＥＤのうちの一つを点灯させる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の硬さ試験機において、前記照明部は、白色光源と単色光源とを備え、前記試料を白色光で照明するときには前記白色光源を点灯させ、前記試料を単色光で照明するときには前記単色光源を点灯させる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の硬さ試験機において、前記単色光は、青色の光である。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、目視による確認時には白色光で試料を照明することにより試料を明確に確認することができるとともに、画像処理による圧痕の大きさの演算時においては、単色光で試料を照明することにより、圧痕の大きさを正確に確認することが可能となる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、照明切替部の作用により、照明部による試料の照明態様を、試料の観察または圧痕の大きさの測定の各々に適したものに切り替えることが可能となる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、３個のＬＥＤと１個のＬＥＤとを選択的に点灯させることにより、照明部による試料の照明態様を、試料の観察または圧痕の大きさの測定の各々に適したものに切り替えることが可能となる。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、白色光源と単色光源とを選択的に点灯させることにより、照明部による試料の照明態様を、試料の観察または圧痕の大きさの測定の各々に適したものに切り替えることが可能となる。
【００１７】
請求項５に記載の発明によれば、波長の短い青色の光を使用することにより、平行光を絞るときの限界の径であるスポット形を小さくすることができ、解像度を向上させて圧痕の大きさをより正確に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明に係る硬さ試験機の正面図である。
【図２】この発明に係る硬さ試験機の本体部１の右側面図である。
【図３】ターレット４０に支持された圧子および対物レンズの配置を示す説明図である。
【図４】圧子４１および圧子４７に対して試験力を付与するための負荷機構と、試験片に形成された圧痕を観察するための光学系の概要図である。
【図５】硬さ試験機において照明部７１により白色光と単色光を照明する状態を説明する模式図である。
【図６】照明部７１の正面図である。
【図７】この発明に係る硬さ試験機の主要な制御系を示すブロック図である。
【図８】硬さ試験機において、第２実施形態に係る照明部７１により白色光と単色光を照明する状態を説明する模式図である。
【図９】第２実施形態に係る照明部７１の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る硬さ試験機の正面図である。また、図２は、この発明に係る硬さ試験機の本体部１の右側面図である。
【００２０】
この硬さ試験機は、本体部１に液晶ディスプレイなどのデジタル表示装置である表示部５５が接続された構成を有する。本体部１は、試料１００を載置するための載置台３２と、載置台３２の移動機構および入力・表示部３９等から成る載置部５２と、圧子４１、対物レンズ４２、４３、ターレット４０および接眼レンズ３６等から成る圧痕観察部５１と、載置部５２と圧痕観察部５１を接続する接続部５３により構成されている。この接続部５３は、図２に示すように、側面視において略Ｃ型の形状を有する。そして、この接続部５３には、開口部５４が形成されている。
【００２１】
この載置部５２は、テーブル３１上部に配設された、試料１００を載置するための載置台３２を備える。載置台３２は、試料１００をＸ方向（図１における左右方向であり、図２における紙面に垂直な方向）およびＹ方向（図１における紙面に垂直な方向であり図２における左右方向）に移動させるためのものである。この載置台３２には、試料１００をＸ方向に移動させるためのマイクロメータ式のツマミ３３と、試料１００をＹ方向に移動させるためのマイクロメータ式のツマミ３４とが付設されている。この載置台３２はツマミ３３、３４を操作することにより移動する手動式のＸＹステージである。なお、載置台３２は電動式のＸＹステージであってもよい。また、載置台３２は、昇降ハンドル３５の作用により昇降する構成となっている。
【００２２】
テーブル３１の正面には、入力・表示部３９が配設されている。この入力・表示部３９は、タッチパネル式の液晶表示パネルから構成され、各種データを入力するための入力キーを表示するとともに、試験条件や計測結果などの各種データを表示する。この入力・表示部３９は、入力手段および表示手段として機能する。
【００２３】
また、圧痕観察部５１は、試料１００の表面の拡大画像を目視により観察するための接眼レンズ３６と、試料１００の表面の拡大画像を取得するとともに、この拡大画像を表示部５５に表示させるためのこの発明に係る撮影部としてのカメラ３７を備える。接眼レンズ３６の側方には、接眼レンズ３６を利用して試料１００を観察する際に、ゲージを移動させるために使用される一対のツマミ３８が配設されている。カメラ３７は撮影した試料１００の表面の画像をデジタル画像データとして後述する画像処理部１１に送信するとともに、表示部５５に出力する。
【００２４】
さらに、圧痕観察部５１は、試料１００に一定の試験力で押し込まれる圧子４１、４７と、これらの圧子４１、４７に対して試験力を付与するための負荷機構と、複数の対物レンズ４２、４３と、これらの圧子４１および対物レンズ４２、４３等を支持して回転するターレット４０（図１参照）とを備える。このターレット４０は、ツマミ４６を操作することにより、鉛直方向を向く回転軸Ｃを中心に回転する。
【００２５】
上述した圧子４１は、例えば、試料１００に対してビッカース硬さ試験を実行するためのビッカース圧子であり、その先端は底辺が正方形の四角錐形状となっている。一方、上述した圧子４７は、例えば、試料１００に対してヌープ硬さ試験を実行するためのヌープ圧子であり、その先端は底辺が菱形の四角錐形状となっている。
【００２６】
図３は、ターレット４０に支持された対物レンズ等の配置を示す説明図である。
【００２７】
ターレット４０には、載置台３２上に載置された試料１００に押し込まれる圧子４１、４７が、後述する圧子ユニット９０をターレット４０に接続することにより配設されている。さらに、ターレット４０には、５倍の対物レンズ４２、１０倍の対物レンズ４３、４０倍の対物レンズ４４および１００倍の対物レンズ４５が配設されている。これらの圧子４１、４７および対物レンズ４２、４３、４４、４５は、ターレット４０の回転軸Ｃを中心とした円上に配置されている。試料１００に形成された圧痕のサイズにより、これらの対物レンズ４２、４３、４４、４５が選択的に使用される。
【００２８】
図４は、圧子４１および圧子４７に対して試験力を付与するための負荷機構と、試料１００に形成された圧痕を観察するための光学系の概要図である。なお、図４は、図３において一点鎖線で示す位置における断面を示している。
【００２９】
この硬さ試験機は、圧痕観察部５１に圧子４１、４７の先端を試料１００に対して押し込むための試験力を圧子４１、４７に対して付与する負荷機構と、載置台３２上に載置された試料１００を照明するとともに圧痕を観察するための光学系とを備える。
【００３０】
図４に示すように、ターレット４０は、軸筒４８がベアリング４９を介して回転軸Ｃに接続されており、ツマミ４６を操作することにより、あるいは、図示を省略したモータの駆動により、鉛直方向を向く回転軸Ｃを中心に回転する。図４においては、ターレット４０の回転により圧子軸８６を介して圧子４７に試験力が与えられる場合、すなわち、圧子４７が図１に示す試料１００と対向する位置に配置されている場合を示している。圧子４１に対して試験力を付与する場合には、圧子４１が、図４に示す圧子４７の位置に配置される。
【００３１】
負荷機構は、水平方向を向く軸８１を中心に揺動可能なレバー８２を備える。レバー８２には、中空の押圧部８５が配設されている。この押圧部８５は、レバー８２の揺動に伴って、圧子４７に接続された圧子軸８６の端部に付設された当接部８７を押圧する構成となっている。また、レバー８２の一端には、このレバー８２の揺動に伴って移動する圧子軸８６の移動量を検出する差動トランス式の変位検出機構６０が接続されている。なお、この変位検出機構６０は、試料１００の表面の検出に使用される。すなわち、圧子４７を極めて小さい力で下降させたときの移動量を常に検出し、圧子４７の移動が停止したときに圧子４７の先端が試料１００の表面と当接したと判断している。
【００３２】
レバー８２の他端には、永久磁石８３が付設されている。この永久磁石８３の外部には、電磁コイル８４が配設されている。この永久磁石８３と電磁コイル８４とにより、ボイスコイルモータが構成される。このボイスコイルモータは、電磁式の負荷機構となり、電磁コイル８４に流れる電流を制御することにより、圧子軸８６の先端に配設された圧子４７による試料１００への試験力を制御することが可能となる。
【００３３】
圧子軸８６は、上下の板バネ６１を、板バネ支持部６２を介してターレット４０に接続したロバーバル構造により支持されており、負荷機構により与えられた試験力に応じて昇降可能となっている。なお、板バネ支持部６２はターレット４０に吊設されている。この板バネ支持部６２は、先端がターレット４０に当接するネジ部材６４を操作することにより、圧子軸８６の傾斜を調整する傾き調整部材として機能する。
【００３４】
圧子軸８６の先端は、板バネ６１および板バネ支持部６２を収容するケーシング６３を貫通しており、圧子ホルダ９１を介して圧子軸８６の先端に圧子４７が接続される。なお、負荷機構による試験力を伝達する当接部８７および圧子軸８６、圧子軸８６を支持する板バネ６１および板バネ支持部６２、圧子４７を圧子軸８６に接続する圧子ホルダ９１は、圧子ユニット９０を構成する。圧子軸８６の先端に圧子４１が配設される圧子ユニット９０も、同様の構成を有する。
【００３５】
光学系は、後程詳細に説明する照明部７１と、照明部７１からの光を水平方向に導く光筒７２と、試料１００を上から照明するために光筒７２により導かれた光を押圧部８５の中空部に導光するとともに、試料１００の表面からの反射光をカメラ３７側に透過させるハーフミラー７３と、ハーフミラー７３を透過した試料１００の表面からの反射光を接眼レンズ３６およびカメラ３７に分割するハーフミラー７４とを備える。対物レンズ４２が図４における圧子軸８６の位置、すなわち試料１００に形成された圧痕の観察位置に配置された場合には、試料１００の表面からの反射光が、対物レンズ４２、押圧部８５の中空部、ハーフミラー７３、７４を介して、接眼レンズ３６およびカメラ３７に入射する。これにより、接眼レンズ３６により試料１００の拡大像を観察することができるとともに、カメラ３７により撮影した拡大像を表示部５５に表示することができる。その他の対物レンズ４３、４４、４５が圧痕の観察位置に配置された場合も、対物レンズ４２による場合と同様である。
【００３６】
図５は、上述した硬さ試験機において照明部７１により白色光と単色光を照明する状態を説明する模式図である。また、図６は、照明部７１の正面図である。なお、図５においては、対物レンズ４２を使用した状態を示している。
【００３７】
図６に示すように、照明部７１は、光学系の光軸を中心に均等配置された３個のＬＥＤ７１Ｒ、７１Ｇ、７１Ｂを備える。ＬＥＤ７１Ｒは、赤色の光を照射する。ＬＥＤ７１Ｇは、緑色の光を照射する。ＬＥＤ７１Ｂは、青色の光を照射する。３個のＬＥＤ７１Ｒ、７１Ｇ、７１Ｂが同時に光を照射したときには、加色混合により、試料１００には白色の光が照射される。試料１００の表面で反射した光は、カメラ３７により撮影される。そして、この画像は表示部５５にカラー画像として表示される。また、後述するように、試料１００に形成された圧痕の大きさを演算する時には、青色の光を照射するＬＥＤ７１Ｂのみが点灯される。
【００３８】
図７は、この発明に係る硬さ試験機の主要な制御系を示すブロック図である。
【００３９】
この硬さ試験機は、装置全体を制御する制御部１０を備える。この制御部１０は、カメラ３７により撮影された試料１００の画像から、この試料１００に形成された圧痕の大きさを演算する画像処理部１１を備える。また、この制御部１０は、表示部５５の画像を観察するときには照明部７１により試料１００を白色光で照明し、圧痕の大きさを演算する時には照明部７１により試料１００を単色光（青色の光）で照明するための照明切替部１２を備える。なお、制御部１０は、硬さ試験機の本体に設置されるかわりに、パーソナルコンピュータ２内に設置されてもよい。
【００４０】
以上のような構成を有する硬さ試験機において、オペレータが表示部５５あるいは接眼レンズ３６を使用して試料１００の表面を観察し、あるいは、圧痕が形成された後の圧痕の様子を観察するときには、入力・表示部３９等を操作することにより、制御部１０における照明切替部１２が、照明部７１における３個のＬＥＤ７１Ｒ、７１Ｇ、７１Ｂを同時に点灯させる。これにより、ＬＥＤ７１Ｒから照射される赤色の光、ＬＥＤ７１Ｇから照射される緑色の光およびＬＥＤ７１Ｂから照射される青色の光により、試料１００は白色光で照明されることになり、オペレータは表示部５５あるいは接眼レンズ３６に表示される試料１００のカラー画像を確認することが可能となる。このため、試料１００の状態をより正確かつ明確に確認することが可能となる。
【００４１】
一方、試料１００に形成された圧痕の大きさを演算する時には、入力・表示部３９等を操作することにより、制御部１０における照明切替部１２が、照明部７１におけるＬＥＤ７１Ｂのみを点灯させる。これにより、試料１００はＬＥＤ７１Ｂから照射される青色の光により照明される。
【００４２】
試験片１００に対しては、負荷機構により圧子４１または圧子４７が押し込まれ、圧痕が形成される。そして、ターレット４０の回転により、対物レンズ４２、４３、４４、４５のいずれかが圧痕と対向する位置に配置される。この圧痕を含む試料１００の領域には、ＬＥＤ７１Ｂからの青色の光が照射され、その画像は、カメラ３７により撮像され、画像処理部１１に送信される。画像処理部１１においては、圧痕を含む画像から、圧痕の大きさを演算する。
【００４３】
このときには、試料１００は青色の単色光で照明されていることから、光筒７２や対物レンズ４２、４３、４４、４５から構成される光学系において色収差を生じたり、像の劣化を生じたりすることなく、圧痕を正確に認識することができる。このため、観察像を画像処理することにより圧痕の大きさを演算する場合に、その演算結果に誤差が生じることはなく、正確な硬さ試験を実行することが可能となる。
【００４４】
このとき、３個のＬＥＤ７１Ｒ、７１Ｇ、７１Ｂのうち、青色の光を照射するＬＥＤ７１Ｂを使用している。このように波長の短い青色の光を使用することにより、平行光を絞るときの限界の径であるスポット形を小さくすることができ、解像度を向上させて圧痕の大きさをより正確に測定することが可能となる。
【００４５】
なお、青色の光を照射するＬＥＤ７１Ｂを使用するかわりに、緑色の光を照射するＬＥＤ７１Ｇを使用してもよい。このときには、緑色の光はカメラ３７による感度が高いことから、カメラ３７として安価なものを使用した場合においても、圧痕を認識して、その大きさを演算することが可能となる。
【００４６】
以上のように、この発明に係る硬さ試験機によれば、目視による確認時には白色光で試料１００を照明することにより試料１００を明確に確認することができるとともに、画像処理による圧痕の大きさの演算時においては、青色の光で試料１００を照明することにより、圧痕の大きさを正確に確認することが可能となる。
【００４７】
次に、この発明の他の実施形態について説明する。図８は、上述した硬さ試験機において、第２実施形態に係る照明部７１により白色光と単色光を照明する状態を説明する模式図である。また、図９は、第２実施形態に係る照明部７１の正面図である。なお、図８においては、対物レンズ４２を使用した状態を示している。上述した実施形態と同様の部材については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４８】
図８に示すように、第２実施形態に係る照明部７１は、光学系の光軸に対応する位置に移動可能な光源７１Ｗと、光学系の光軸に対応する位置に移動可能な第１実施形態と同様のＬＥＤ７１Ｂとを備える。なお、光源７１Ｗは、白色光を照射するハロゲンランプや白色に発光するＬＥＤランプ等の光源である。光源７１ＷとＬＥＤ７１Ｂとは、図７に示す照明切替部１２の制御により図８および図９に示す矢印の方向に移動可能であり、光学系の光軸に対応する位置に選択的に配置される。
【００４９】
光源７１Ｗから白色光を照射したときには、試料１００の表面で反射した白色光は、カメラ３７により撮影される。そして、この画像は表示部５５にカラー画像として表示される。また、試料１００に形成された圧痕の大きさを演算する時には、青色の光を照射するＬＥＤ７１Ｂが点灯される。
【００５０】
以上のように、この発明の第２実施形態に係る照明部７１を備えた硬さ試験機によっても、目視による確認時には光源７１Ｗを点灯させて白色光で試料１００を照明することにより試料１００を明確に確認することができるとともに、画像処理による圧痕の大きさの演算時においては、ＬＥＤ７１Ｂを点灯させて青色の光で試料１００を照明することにより、圧痕の大きさを正確に確認することが可能となる。
【符号の説明】
【００５１】
１        本体部
１０      制御部
１１      画像処理部
１２      照明切替部
３１      テーブル
３２      載置台
３６      接眼レンズ
３７      カメラ
３９      入力・表示部
４０      ターレット
４１      圧子
４２      対物レンズ
４３      対物レンズ
４４      対物レンズ
４５      対物レンズ
４７      圧子
５５      表示部
７１      照明部
７１Ｒ    ＬＥＤ
７１Ｇ    ＬＥＤ
７１Ｂ    ＬＥＤ
７１Ｗ    光源
１００    試料
【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】
2019132783.tif 000008
【図７】
2019132783.tif 000009
【図８】
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【図９】
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