(57)【要約】      （修正有）【課題】電子ペーパー等として利用できる、読みやすく、目に優しい表示素子および表示装置を提供すること。【解決手段】表示面部材２と背面部材３と側面部材４とで密閉された中空部５が画成されたセル６と、前記中空部５に収容された、互いに混ざり合わず、屈折率の異なる導電性液体７および絶縁性液体８と、前記導電性液体７と前記絶縁性液体８との界面９の形状を変化させる界面変更手段とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示面部材と背面部材と側面部材とで密閉された中空部が画成されたセルと、
前記中空部に収容された、互いに混ざり合わず、屈折率の異なる導電性液体および絶縁性液体と、
前記導電性液体と前記絶縁性液体との界面の形状を変化させる界面変更手段と
を備え、
前記表示面部材は、略透明体から構成され、
前記背面部材の中空部側表面の略中央部には、該背面部材とは異なる色の着色部が配置され、
前記の界面変更手段は、前記導電性液体と電気的に接触しないように、前記中空部の外側に設置された第１電極と、前記導電性液体と電気的に接触するように、前記中空部に少なくとも一部分が臨むように配置された第２電極とを備えた、前記導電性液体に対する電圧印加手段から構成され、
前記側面部材の内側表面は、前記電圧印加手段の非印加時において、前記導電性液体との接触角が９０°よりも大きくなるように設定されている
ことを特徴とする表示素子。
【請求項２】
請求項１に記載された表示素子を複数個配列させてなる表示装置。
【請求項３】
前記表示素子として、前記着色部の色が赤色である前記表示素子、緑色である前記表示素子および青色である前記表示素子を備えることを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は表示素子および表示装置に関し、より詳しくは、液体レンズを備える表示素子およびこれを複数個配置してなる表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ペーパーの表示方式として、液晶、マイクロカプセル、電子紛流体、クロミズム、有機ＥＬ等の様々な方法の応用が検討されている。
一方、特許文献１には、電圧の印加により絶縁層上の液体マイクロレンズの位置や形状を変化させる、エレクトロウェッティングの技術が記載されている。
【０００３】
また、特許文献２、非特許文献１，２には、エレクトロウェッティングを応用し、互いに混ざり合わず屈折率および導電率の異なる２種の液体を封入したセルに電圧を印加することにより、これらの２種の液体の界面形状を変化させ、これらの２種の液体を焦点距離可変の液体レンズ（流体レンズ）として機能させる技術が開示されている。
【０００４】
これらのうち、特許文献２には、上記の液体レンズをレンチキュラ素子として多数配置し、その背後の画像を立体表示あるいは平面表示させることが記載されている。
【特許文献１】特開２００３−１７７２１９号公報
【特許文献２】特表２００５−５１７９９１号公報
【非特許文献１】“Philips' fluid lenses bring things into focus”、[online]、2004年6月24日、Royal Philips Electronics、[2005年8月12日検索]、インターネット<URL:http://www.research.philips.com/newscenter/archive/2004/fluidlenses.html>
【非特許文献２】“技術情報”、[online]、バリオプティック（Varioptic）、[2005年8月27日検索]、インターネット<URL: http://www.varioptic.com/jp/technology.php>
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の電子ペーパーなどの表示装置には、読みにくい、目が疲れるなどの問題があった。
本発明は、このような従来技術における問題点を解決し、読みやすく、目に優しい電子ペーパーとして利用できる表示装置、およびこのような表示装置に用いられる表示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】
【０００６】
本発明の表示素子は、
表示面部材と背面部材と側面部材とで密閉された中空部が画成されたセルと、
前記中空部に収容された、互いに混ざり合わず、屈折率の異なる導電性液体および絶縁性液体と、
前記導電性液体と前記絶縁性液体との界面の形状を変化させる界面変更手段と
を備え、
前記表示面部材は、略透明体から構成され、
前記背面部材の中空部側表面の略中央部には、該背面部材とは異なる色の着色部が配置され、
前記の界面変更手段は、前記導電性液体と電気的に接触しないように、前記中空部の外側に設置された第１電極と、前記導電性液体と電気的に接触するように、前記中空部に少なくとも一部分が臨むように配置された第２電極とを備えた、前記導電性液体に対する電圧印加手段から構成され、
前記側面部材の内側表面は、前記電圧印加手段の非印加時において、前記導電性液体との接触角が９０°よりも大きくなるように設定されている
ことを特徴としている。
【０００７】
本発明の表示装置はこのように構成されているため、前記導電性液体へ外部電圧を印加すると、前記中空部に収容された屈折率の異なる２種の液体の界面形状が変化する。すなわち、電圧の印加により、前記導電性液体と前記絶縁性液体とからなる液体レンズ（流体レンズ）の曲率半径が変化し、このため、前記表示面部材から前記セル内を観測する際の焦点位置が変化する。
【０００８】
この焦点位置を前記背面部材表面の着色部に近づけるほど、前記表示面部材側からは前記着色部が大きく観測されるようになる。すなわち、この表示素子は着色部の色を表示するようになる。一方、焦点位置を前記表示面部材の着色部から遠ざけるほど、前記表示面部材側からは、着色部が小さくなると共にその周囲の背面部材表面が観測されるようになる。すなわち、この表示素子は背面部材の色を表示するようになる。
【０００９】
たとえば、背面部材が黒色で、着色部が白色であれば、前記液体レンズが凸レンズとなる場合には、焦点位置を着色部に近づけるほど、表示素子は白色を呈すようになり、焦点位置を着色部から遠ざけるほど、表示素子は黒色を呈すようになる。一方、前記液体レンズが凹レンズとなる場合には、虚の焦点距離が小さいほど、白色の着色部が縮小されるために、黒色が深まるようになる。
【００１０】
本発明の表示装置は、前記表示素子が複数個配列されてなることを特徴としている。
このため、この表示装置を構成する各表示素子に対して印加する電圧をそれぞれ独立に制御することによって、表示素子全体として、所望の画像を表示することができる。
【００１１】
前記表示装置においては、前記表示装置として前記着色部の色が赤色である前記表示素子、緑色である前記表示素子および青色である前記表示素子を備えることが好ましい。着色部の色が異なる表示素子を配列させると共に、これらに対して印加する電圧をそれぞれ独立に制御することによって、表示装置全体として、所望の色彩の画像を表示することができる。また、この場合の背面部材の色は、たとえば黒色、または白色とすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の表示素子を用いた表示装置は、非発光表示であるため、読みやすく、目に疲れを生じさせず、しかも表示を切り替える際の応答速度が速いため、動画表示が可能である。
【００１３】
また本発明の表示素子および表示装置は、電圧印加の有無のみで表示を切り替えることができるために電力をほとんど消費しないので、省電力、省資源にも寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の表示素子および表示装置についてより詳細に説明する。
図１は、本発明の表示素子の一実施形態を示す概略断面図である。
この表示素子１は、表示面部材２と背面部材３と側面部材４とで密閉された中空部５が画成されたセル６と、この中空部５に収容された、互いに混ざり合わず、屈折率の異なる導電性液体７および絶縁性液体８と、この導電性液体７とこの絶縁性液体８との界面９の形状を変化させる界面変更手段１０とを備えている。
【００１５】
図１に示す表示素子においては、セル６は、表示面部材２と平行な断面が円形状である
、円柱状のセルである。セル６の形状は、後述するようにこのような円柱に限られず、角柱等の任意の形状とすることができる。
【００１６】
セル６を構成する表示面部材２は、透明であれば特に限定はなく、その材料としてはガラス、アクリル樹脂等の透明樹脂などが挙げられる。
表示面部材２は、着色されていてもよいが、無色であることが好ましい。
【００１７】
表示面部材２からは、液体レンズとして機能する、導電性液体７と絶縁性液体８とを介して、背面部材３およびその中央部に設けられた着色部１１が観測される。２液の界面９での光の屈折が大きい場合には、背面部材３だけでなく、第２電極１３および側面部材４が観測される場合もある。そのような場合には、第２電極１３および側面部材４の中空部側表面の色は、背面部材３の中空部側表面と同一であることが好ましい。
【００１８】
背面部材３は、不透明であることが好ましい。背面部材３が不透明であれば、背面部材３を透過してセル外部から光がセル内に入射し、本発明の表示素子１が、所望の色とは異なる色を呈すことが無い。
【００１９】
背面部材３の中空部側表面の略中央部に設けられた着色部１１は、特に制限は無く、たとえば塗料によって描かれた、円などの図形、あるいは点であってもよい。この図形（あるいは点）の面積は、背面部材４の、中空部５と接する部分の面積に対して、たとえば１／５０〜１／４、好ましくは１／２０〜１／１０である。また、図形等を描く代わりに、所望の色の部材を背面部材３の表面に設置することにより着色部１１を形成してもよい。
【００２０】
セル６の中空部５には、液体レンズとして機能する、導電性液体７と絶縁性液体８とが収容されている。導電性液体７および絶縁性液体８としては、互いに屈折率が異なり、かつ互いに混ざり合わず、互いに２相に分離する液体が選択される。
【００２１】
導電性液体７としては、水、水とアルコールとの混合溶液、食塩水、硝酸カリウム水溶液などを使用することができる。
絶縁性液体８としては、シリコーンオイル、炭化水素液体などを使用することができ、市販品であればIsoper-G（ExxonMobil社製）などの炭化水素液体、TSF451-10（東芝シリ
コーン社製）などのシリコーンオイル、  PF-5052（３Ｍ社製）などのフッ素系の不活性
な液体を使用することができる。
【００２２】
導電性液体７と絶縁性液体８とは、屈折率が異なるため、これらの液体はその界面形状に応じてレンズ（液体レンズ）として機能する。
このレンズの形状は、導電性液体７と絶縁性液体８との組み合わせ、印加電圧などによって制御することができ、凸レンズおよび凹レンズだけでなく、フラット（曲率半径が無限大、もしくはマイナス無限大）またはフラットに近いレンズを形成することもできる。
【００２３】
両者の屈折率比は、好ましくは１．０５以上、さらに好ましくは１．１以上である。
導電性液体７と絶縁性液体８との組み合わせとしては、硝酸カリウム水溶液とシリコーンオイルとの組み合わせが好ましい。
【００２４】
界面変更手段１０は、第１電極１２と、第２電極１３とを備えた電圧印加手段１４から構成され、導電性液体７への外部電圧の印加を可能としている。
第１電極１２は、導電性液体７と電気的に接触しないように、中空部５の外側に設置される。図１に示す実施形態では、この第１電極１２は、絶縁性の材料（絶縁層）１５を介して中空部５を取り囲むように設置されているが、後述するように、２枚の第１電極１２を絶縁性の材料（絶縁層）１５および中空部５を介して対向するように配置しても良い。
【００２５】
第１電極１２と導電性液体７との電気的接触の回避は、たとえば以下のようにして達成できる；
（１）側面部材４を絶縁性の材料１５で形成し、側面部材４の内部に第１電極１２を埋め込む、もしくは側面部材４の外表面に第１電極１２を配置する、あるいは
（２）側面部材４の内側表面に第１電極１２を配置し、さらに第１電極１２の内側表面に絶縁層１５を形成する。
【００２６】
第２電極１３は、導電性液体７と電気的に接触するように、中空部５に少なくとも一部分が臨むように配置される。図１に示す実施形態では、この第２電極１３はリング状の形状であって、中空部５を取り囲み、かつ一部が導電性液体７に接触するように、背面部材３側に設置されている。
【００２７】
図１に示す実施形態のように、第１電極１２および第２電極１３が、ともに中空部５を取り囲むように配置されていると、導電性液体７と絶縁性液体８との界面９の形状が特に均一になる点で好ましい。
【００２８】
印加電圧は、たとえば３０〜５０００Ｖ、好ましくは３００〜７００Ｖである。
側面部材４の内側表面（中空部５側表面）１６は、図１（ａ）に示すように、電圧印加手段１４の非印加時において、導電性液体７との接触角が９０°よりも大きいこと、すなわち側面部材４の内側表面１６は、導電性液体７に対して撥液性を有することが必要である。たとえば、導電性液体７が水、あるいは硝酸カリウム等の塩の水溶液であるならば、側面部材４の内側表面１６は、撥水性を有することが必要である。
【００２９】
側面部材４の内側表面１６に導電性液体７に対する撥液性を発揮させるには、たとえば（１）側面部材４自体を撥液性の材料で形成する、あるいは
（２）側面部材４の中空部５側表面に撥液性の層を形成する
などの手段が有効である。
【００３０】
たとえば導電性液体７が水、あるいは硝酸カリウム等の塩の水溶液であるならば、側面部材４の内側表面１６は、撥水性（疎水性）の材料からなる。この材料はさらに絶縁性も備えていることが好ましく、このような材料としては、テフロン（登録商標）等のフッ素樹脂などを挙げることができる。
【００３１】
次に、電圧印加に基づく作用を説明する。
図１に示す実施形態では、導電性液体７は低屈折率（絶縁性液体８よりも低屈折率。以下同様。）の液体であり、絶縁性液体８は高屈折率（導電性液体７よりも高屈折率。以下同様。）の液体である。このような導電性液体７と絶縁性液体８との組み合わせとしては、たとえば水（導電性液体７）とシリコーンオイル（導電性液体８）との組み合わせが挙げられる。また、背面部材３および着色部１１の色は任意に選択できるが、ここでは、背面部材３が黒色、着色部１１が白色であるものとする。
【００３２】
図１（ａ）に示すように、電圧非印加時には、側面部材の内側表面１６に対する導電性液体７の接触角は９０°よりも大きいため、界面９は表示面部材２方向に凸の形状となる。導電性液体７が水である場合には、側面部材の内側表面１６はテフロン（登録商標）等のフッ素樹脂とすることができる。
【００３３】
絶縁性液体８よりも導電性液体７の方が屈折率が低いため、表示面部材２側から背面部材３側を観測すると、図２（ａ）に示すように、着色部１１周囲の黒色の背面部材３表面が観測され、白色の着色部１１は小さく観測されるため、表示素子１は黒色を呈する。な
お、図２（ａ）、（ｂ）では、表示面部材から観測される背面部材３表面の像を３ａ、着色部１１の像を１１ａと表す。
【００３４】
一方、図１（ｂ）に示すように、電圧印加手段１４により導電性液体７に電圧を印加すると、側面部材４付近において、界面９が表示面部材２の方向へと移動するため、界面９は背面部材３方向に凸の形状となる。そして、絶縁性液体８よりも導電性液体７の方が屈折率が低いため、表示面部材２側から背面部材３側を観測すると、図２（ｂ）に示すように、白色の着色部１１が大きく観測されるようになり、表示素子１は白色を呈する。
【００３５】
セル６の、表示面部材２と平行な断面の形状が略円形、すなわち、セル６の形状が円柱であれば、側面部材４として円形断面を有するチューブ状材料を用いることができるため、個々の表示素子を比較的容易に作製可能である点で好ましい。
【００３６】
またセル６の、表示面部材２と平行な断面の形状が略正方形、略矩形または略正六角形、すなわち、セル６の形状が、底面が略正方形、略矩形または略正六角形の角柱であれば、隙間無く複数の表示素子を配列させて表示装置を形成できる点で好ましい。
【００３７】
図３は、図１（ａ）、（ｂ）に示す実施形態と同じセル構造を備え、導電性液体７として高屈折率の液体を、絶縁性液体８として低屈折率の液体を用いた場合の、本発明の表示素子の一実施形態を示す模式断面図である。
【００３８】
図３（ａ）に示すように、電圧非印加時には、側面部材の内側表面１６に対する導電性液体７の接触角は９０°よりも大きいため、界面９は表示面部材２方向に凸の形状となる。表示面部材２側から背面部材３側を観測すると、図２（ｂ）に示すように、白色の着色部１１が大きく観測され、表示素子１は白色を呈する。
【００３９】
一方、図３（ｂ）に示すように、電圧印加手段１４により導電性液体７に電圧を印加すると、側面部材４付近において、界面９が表示面部材２の方向へと移動するため、界面９は背面部材３方向に凸の形状となる。表示面部材２側から背面部材３側を観測すると、図２（ａ）に示すように、着色部１１周囲の黒色の背面部材３表面が観測され、白色の着色部１１は小さく観測されるため、表示素子１は黒色を呈する。
【００４０】
図４は、図１（ａ）、（ｂ）に示す実施形態と同じセル構造を備え、導電性液体７として高屈折率の液体を、絶縁性液体８として低屈折率の液体を用い、第２電極１３を表示面部材２側に配置した場合の、本発明の表示素子の一実施形態を示す模式断面図である。
【００４１】
図４（ａ）に示すように、電圧非印加時には、側面部材の内側表面１６に対する導電性液体７の接触角は９０°よりも大きいため、界面９は背面部材３方向に凸の形状となる。表示面部材２側から背面部材３側を観測すると、図２（ｂ）に示すように、白色の着色部１１が大きく観測され、表示素子１は白色を呈する。
【００４２】
一方、図４（ｂ）に示すように、電圧印加手段１４により導電性液体７に電圧を印加すると、側面部材４付近において、界面９が背面部材３の方向へと移動するため、界面９は表面部材３方向に凸の形状となる。表示面部材２側から背面部材３側を観測すると、図２（ａ）に示すように、着色部１１周囲の黒色の背面部材３表面が観測され、白色の着色部１１は小さく観測されるため、表示素子１は黒色を呈する。
【００４３】
図５は、図４（ａ）、（ｂ）に示す実施形態と同じセル構造を備え、導電性液体７として低屈折率の液体を、絶縁性液体８として高屈折率の液体を用い、第２電極１３を表示面部材２側に配置した場合の、本発明の表示素子の一実施形態を示す模式断面図である。
【００４４】
図５（ａ）に示すように、電圧非印加時には、側面部材の内側表面１６に対する導電性液体７の接触角は９０°よりも大きいため、界面９は背面部材３方向に凸の形状となる。表示面部材２側から背面部材３側を観測すると、図２（ａ）に示すように、着色部１１周囲の黒色の背面部材３表面が観測され、白色の着色部１１は小さく観測されるため、表示素子１は黒色を呈する。
【００４５】
一方、図５（ｂ）に示すように、電圧印加手段１４により導電性液体７に電圧を印加すると、側面部材４付近において、界面９が背面部材３の方向へと移動するため、界面９は表面部材３方向に凸の形状となる。表示面部材２側から背面部材３側を観測すると、図２（ｂ）に示すように、白色の着色部１１が大きく観測され、表示素子１は白色を呈する。
【００４６】
図６は、図３に示した表示素子１を複数個を配置してなる表示装置における、各表示素子１の界面９の形状と、表示画像１８との関係を説明するための模式図である。
各表示素子１に印加する電圧を、それぞれ独立に制御することによって、各表示素子１の界面９形状を制御し、各表示素子１が呈する色を切り替え、表示装置全体として、様々な画像１８を表示することができる。
【００４７】
各表示素子１に印加する電圧を制御する手段としては、従来公知の手段を適用することができる。
図７は、セル６の断面形状が円である本発明の表示素子１を多数配列してなる表示装置が示す画像１８の一例を説明するための模式図である。表示素子１の背面部材３が黒色、着色部１１が白色であれば、黒色の背景の中に白色で「口」いう図形が描かれてなる画像１８が表示される。
【００４８】
図８は、セル６の断面形状が正六角形である本発明の表示素子１を多数配列してなる表示装置が示す画像１８の一例を説明するための模式図である。表示素子１の背面部材３が黒色、着色部１１が白色であれば、黒色の背景の中に白色で「口」いう図形が描かれてなる画像１８が表示される。
【００４９】
図９−１および９−２は、本発明の表示素子の一実施形態を示す模式図である。
この表示素子１は、表示面部材２と平行な断面（図９−１（ａ）参照）が矩形であるセル６を備えている。そして、２枚の第１電極１２が中空部５を介して対向するように配置され、２枚の第２電極１３が中空部５を介して対向するように配置されている。また、背面部材３表面の着色部１１としては、２枚の第１電極１２と平行になるように、背面部材の中央部に矩形（直線）が描かれている。
【００５０】
導電性液体７および絶縁性液体８などを適切に選び、印加電圧を制御すれば図１０（ａ）、（ｂ）に示されるような表示が行なわれる。
図１１は、図９−１および９−２に示した矩形の表示素子１を多数配列してなる表示装置が示す画像１８の一例を説明するための模式図である。表示素子１の背面部材３が黒色、着色部１１が白色であれば、黒色の背景の中に白色で「口」いう図形が描かれてなる画像１８が表示される。
【００５１】
［実施例］
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００５２】
表示面部材２としてアクリル樹脂を、背面部材３として黒色に着色された塩化ビニル樹脂を、側面部材４として黒色に着色された塩化ビニル樹脂をそれぞれ用いて、内径６ｍｍ
、外径８ｍｍ、高さ（外形）１５ｍｍのセルを作成した。側面部材４の内面は、撥水性を発現させるためにフッ素樹脂を含む塗料でコーティングし、着色部１１は、白色の塗料で背面部材３の中央部に直径約２．７ｍｍの円を描くことにより形成した。
【００５３】
また、ニッケル製電極１２および１３を図１（ａ）に示すように設置し、電圧印加手段を設けた。
このセルには、導電性液体７として硝酸カリウム水溶液（濃度：１重量％）を約０．２０ｍｌと、絶縁性液体８としてシリコーンオイル（TSF451-10（東芝シリコーン社製））
を約０．２２ｍｌ収容し、表示素子を作成した。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の表示素子および表示装置は、電子ペーパー等における表示手段として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による表示素子の模式断面図である。
【図２】図２は、図１に示す表示素子が表示する像の模式図である。
【図３】図３は、本発明のさらに別な実施形態による表示素子の模式断面図である。
【図４】図４は、本発明のさらに別な実施形態による表示素子の模式断面図である。
【図５】図５は、本発明のさらに別な実施形態による表示素子の模式断面図である。
【図６】図６は、本発明の表示素子を複数個配置してなる表示装置における、各表示素子の界面形状と、表示画像との関係を説明するための模式図である。
【図７】図７は、本発明の表示装置が示す画像の模式図である。
【図８】図８は、本発明の表示装置が示す画像の模式図である。
【図９−１】図９−１は、本発明のさらに別な実施形態による表示素子の模式図である。
【図９−２】図９−２は、本発明のさらに別な実施形態による表示素子の模式図である。
【図１０】図１０は、図９−１および９−２に示す表示素子が表示する像の模式図である。
【図１１】図１１は、本発明の表示装置が示す画像の模式図である。
【符号の説明】
【００５６】
１・・・表示素子
２・・・表示面部材
３・・・背面部材
３ａ・・表示面部材２から観測される背面部材３表面の像
４・・・側面部材
５・・・中空部
６・・・セル
７・・・導電性液体
８・・・絶縁性液体
９・・・導電性液体７と絶縁性液体８との界面
１０・・・界面変更手段
１１・・・着色部
１１ａ・・表示面部材２から観測される着色部１１の像
１２・・・第１電極
１３・・・第２電極
１４・・・電圧印加手段
１５・・・絶縁性の材料（絶縁層）
１６・・・側面部材４の内側（中空部５側）表面
１７・・・入射光
１８・・・表示画像
【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９−１】
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【図９−２】
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【図１０】
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【図１１】
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