JP6214232B2 - 振動型アクチュエータ、交換用レンズ、撮像装置、及び自動ステージ - Google Patents

振動型アクチュエータ、交換用レンズ、撮像装置、及び自動ステージ Download PDF

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Description

本発明の一様態は、振動型アクチュエータに関する。具体的には、例えば、振動子が平板状に形成されており、平板状の一面に摩擦部材である突起が形成されている振動型アクチュエータに関する。また、本発明の別の一様態は、上記振動型アクチュエータを備えた交換用レンズ、撮像装置、または自動ステージに関する。
振動型アクチュエータの一例として、被駆動部を直線状に駆動する振動型アクチュエータについて、従来から様々な提案が行われており、例えば、特許文献1のような振動型アクチュエータが提案されている。その駆動原理について、図5、図6を用いて説明する。図5に示すように振動子は電気−機械エネルギー変換素子107を振動子106に貼り付けた構成を備えている。
図6は、該圧電振動子の二つの曲げ振動モードを表した図である。図6(a)に示される振動モードは、二つの曲げ振動モードのうちの一方の曲げ振動モード(Aモードとする)を表している。このAモードは、矩形の振動子106の長辺方向(矢印X方向)における二次の屈曲運動であり、短辺方向(矢印Y方向)と平行な3本の節を有している。
ここで、突起部108はAモードの振動で節となる位置の近傍に配置されており、Aモードの振動により矢印X方向に往復運動を行う。また、図6(b)に示される振動モードは、二つの曲げ振動モードのうちの他方の曲げ振動モード(Bモードとする)を表している。
このBモードは、矩形の振動子106の短辺方向(矢印Y方向)における一次の屈曲振動であり、長辺方向(矢印X方向)と平行な2本の節を有している。ここで、Aモードにおける節とBモードにおける節は、XY平面内において略直交するようになっている。また、突起部108はBモードの振動で腹となる位置の近傍に配置されており、Bモードの振動により矢印Z方向に往復運動を行う。
上記したAモードとBモードの振動を所定の位相差で発生させることにより、突起部108の先端に楕円運動を発生させることができる。突起部108の先端には被駆動部であるスライダ116が加圧接触するようになっており、スライダ116は突起部108の楕円運動によって、振動子106に対して矢印L方向に相対的に移動することができる。
この振動型アクチュエータは、振動を発生する振動子に被駆動部を加圧接触させることで、振動を受けて被駆動部が相対運動を行う構成となっている。そのため、振動子が発生する振動を受けた被駆動部が跳ねることによる異音の発生や、相対移動が不安定になるなどの現象が発生することがある。
これらの問題に対処するための構成について、図7を用いて説明する。図7において、振動子106は、突起部108及び、電気−機械エネルギー変換素子に接合される接合部を有する。接触部と、突起部と接合される前記電気−機械エネルギー変換素子との間には、空間部が形成されている。突起部は、被駆動体と接触するための接触部と、接触部と接合部との間に形成された、接触部が被駆動体との接触で加圧された際、突起部にバネ性をもたせるためのバネ部を有する。また、接触部と、前記電気−機械エネルギー変換素子との間は、空間部となっている。
その際、このようなバネ部として、接触部とバネ部との間をつなぐ立ち上げ部を形成し、接触部、立ち上げ部、及び接合部よりも、バネ部を薄い厚みで形成する。
これらにより、接触部が被駆動体との接触で加圧された際、バネ部が弾性変形することで、振動子106を、バネ性を有する構造とすることが可能となる。よって、振動子と被駆動部との相対移動時の不安定性を改善することができる。
特開2011−200051号公報
ここで、振動型アクチュエータに給電するためには例えばフレキシブルプリント基板が電気−機械エネルギー変換素子に接着剤や異方性導電フィルム、異方性ペースト等で接着する必要がある。いずれの接着の場合も導通や所定の厚み、強度を得るためには、接着時にフレキシブルプリント基板及び電気―機械エネルギー変換素子を加圧しなければならない。しかしながら、従来例(図7)に示したような、電気−機械エネルギー変換素子と突起部の間に空間部がある場合、接着時に、電気−機械エネルギー変換素子のうち、空間部に面する部分に応力が集中し、割れてしまうという問題があった。
本発明の一様態は、弾性体、及び前記弾性体の1つの面に接された電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子と、電極部を備え、前記電気−機械エネルギー変換素子に固定されたフレキシブルプリント基板と、を有し、前記弾性体は、前記電気−機械エネルギー変換素子が接合された接合部と、接触部及び前記接合部と前記接触部との間の立ち上がり部を含む突起部と、を備え、前記接触部、前記立ち上がり部及び前記電気−機械エネルギー変換素子に囲まれている空間部があり、少なくとも前記電極部の端は、前記面に垂直な方向において、前記空間部と重なっていないことを特徴とする振動型アクチュエータに関する。
また、本発明の別の一様態は、弾性体、及び前記弾性体の1つの面に接された電気−機械エネルギー変換素子、を備えた振動子と、電極部を備え、前記電気−機械エネルギー変換素子に固定されたフレキシブルプリント基板と、を有し、前記弾性体は、前記電気−機械エネルギー変換素子が接合された接合部と、接触部及び前記接合部と前記接触部との間の立ち上がり部を含む突起部と、を備え、前記接触部、前記立ち上がり部及び前記電気−機械エネルギー変換素子に囲まれている空間部があり、前記電極部は、前記面に垂直な方向において、前記空間部と重なっていないことを特徴とする振動型アクチュエータに関する。
更に、本発明の別の一様態は、弾性体、及び前記弾性体の1つの面に接され、電極層を有する電気−機械エネルギー変換素子、を備えた振動子と、前記電気−機械エネルギー変換素子に固定されたフレキシブルプリント基板と、を有し、前記弾性体は、前記電気−機械エネルギー変換素子が接合された接合部と、接触部及び前記接合部と前記接触部との間の立ち上がり部を含む突起部と、を備え、前記接触部、前記立ち上がり部及び前記電気−機械エネルギー変換素子に囲まれている空間部があり、前記電極層は、前記面に垂直な方向において、前記空間部と重なっていないことを特徴とする振動型アクチュエータに関する。
また、本発明の一様態は、上記振動型アクチュエータを備えた交換用レンズ、撮像装置、または自動ステージに関する。
本発明の一様態によれば、弾性体と電気−機械エネルギー変換素子との間に空間部がある振動子に、フレキシブル基板を固定する場合でも、電気−機械エネルギー変換素子における応力集中を低減することができる。応力集中を低減できることで、電気−機械エネルギー変換素子の割れが少なく、安定して振動型アクチュエータを製造することができる。
本発明の実施例1における振動子の構成を説明する斜視図である。 (a)は本発明の実施例1における振動型アクチュエータの構成を説明する上面図である。(b)は図2(a)におけるC−C断面図である。 本発明の実施例2における振動子の構成を説明する上面図である。 (a)は本発明の実施例3における振動子の構成を説明する上面図である。(b)は本発明の実施例3における振動子の構成を説明する下面図である。 従来例の振動型アクチュエータの構成を示す図である。 振動型アクチュエータの曲げモードを説明する図である。 (a)は従来例の振動型アクチュエータの構成を説明する上面図である。(b)は図2(a)におけるC−C断面図である。 振動型アクチュエータの適用例を示す図である。 振動型アクチュエータの適用例を示す図である。
(実施例1)
本実施例を、図1を用いて説明する。図1はリニア型の振動型アクチュエータの概観斜視図である。図1において、リニア型の振動型アクチュエータは振動子1および被駆動体であるスライダ5によって構成されている。
振動子1は薄板状に形成された電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子3と、圧電素子3の一つの面に接合された弾性体2で構成されている。弾性体2は、圧電素子3と接合する面を有する接合部22、及び突起部21を有している。突起部21は、振動子1の駆動時に被駆動体(スライダ)5と接触する接触部21aと、接触部21aと接合部22の間の立ち上がり部21bを有し、接触部21aと立ち上がり部21bの間には、バネ部21cを有する。従って、突起部21は、内部に空間部を有する。図1では、立ち上がり部21bは突起部21の側面全体で連続しているが、立ち上がり部21bは、例えば開口を有する等、いくつかの側面を有し、その間が空隙となっていてもよい。つまり、立ち上がり部21bは、接触部21aの周囲に空隙を有していてもよい。また、ここでは、弾性体2が突起部21を2つ有する例を示すが、弾性体2は、突起部を1つ有していてもよく、また、3つ以上有していてもよい。前記2つの突起部21は、例えば振動子1の長手方向の振動の節部に設けられ、突起部21を節に違い位置に設ける程、より大きな長手方向への駆動量を得られる。また、振動子1の短手方向の振動の腹部に設けられ、より腹に近い位置に設けることで、より大きな振動子の厚み方向(突き上げ方向)の駆動量を得られる。振動の節部とは、振動の腹より節に近い位置を示し、振動の腹部とは、振動の節より腹に近い位置を示す。
圧電素子3への給電用として、圧電素子3の、弾性体2と逆の面にはフレキシブルプリント基板4が固定されている。
弾性体2は金属やセラミックスなどの振動の減衰が小さい材料で形成されることが好ましい。弾性体2の製造に関して、プレス成型や切削などで突起部21を一体で設けてもよいし、突起部21を別に設けて、後から溶接や接着などで固定することも可能である。また突起部21は本実施例のように複数設けてもよいし、1つでもよい。
圧電素子3はチタン酸ジルコン酸鉛を用いる。また、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸ビスマスナトリウムなどの鉛を、含有しない圧電材料を用いてもよい。圧電素子3には弾性体2とは反対面に銀等で構成される電極パターンが形成されているが、本実施例では簡単のためにこの電極パターンの図示を省力する。
フレキシブルプリント基板4のベース部41にはポリイミドやポチエチレンテレフタラート、電極パターンには銅や銀、カーボン等を使用することが可能である。このベース部41は、弾性体の圧電素子が固定される面に垂直な方向(振動子の厚さ方向とも言い、ここでは、図2(a)の紙面と垂直方向)において、突起部21の内部に存在する空間と重ならないように配置されている。具体的には、フレキシブルプリント基板4の形状が、突起部21の空間部と重ならないような形状となっている。なお、ここで、フレキシブルプリント基板4が突起部21の空間部と、振動子の厚さ方向において重ならないというのは、振動子の厚さ方向から、振動子1を見た時に、フレキシブルプリント基板4の像が突起部21の内部の空間と重ならないことを意味する。
次に振動子1の製造方法について説明する。まず弾性体2と圧電素子3とを、接着剤を用いて固定する。続いて、圧電素子3とフレキシブルプリント基板4を固定する。この固定手段としては、接着剤または異方性導電フィルム、異方性導電ペーストなどがある。
接着の場合は、所望の接着強度及び厚さを得るために、常温〜180℃程度の中で所定の面圧で加圧する必要がある。また異方性導電フィルム、異方性導電ペーストでは導通を得るために180〜200℃で加圧する必要がある。
ベース部41上に、導電材料から成る電極部42が形成されている。ここでは、電極部42の厚みは17.5〜35μm、ベース部41の厚みは12.5〜25μmである。ゴムや樹脂などの、比較的軟らかい材料から成る部材を介してフレキシブルプリント基板4を加圧する場合、フレキシブルプリント基板4のうち、電極部42だけでなく、ベース部41全体に応力が発生することになる。
このとき、本実施例では、ベース部41が、振動子の厚さ方向で突起部の空間部と重ならない位置に配置されているため、振動子1は、弾性体2の突起部21の空間部と重ならない面で加圧力を受ける。ここで仮にフレキシブルプリント基板4が圧電素子3の全体に配置されていた場合、突起部21の内部は空間になっているために、この部分に面した圧電素子3の剛性が低く、過度の応力が集中してしまう。
しかし、本実施例では、前述したように突起部21の空間部と振動子の厚さ方向で重なる領域を避けるように、フレキシブルプリント基板4のベース部41が配置されているので、圧電素子3への応力集中を緩和することができる。よって圧電素子3が割れることない、安定した製造が可能となる。
ここでは、フレキシブルプリント基板4のベース部41が、突起部21の空間部と、振動子1の厚さ方向において重ならないように配置される例を説明した。しかし、少なくともフレキシブルプリント基板4のベース部41の端が、突起部21の空間部と、振動子1の厚さ方向において重ならないように配置されれば、圧電素子3への応力集中を緩和することができる。
振動型アクチュエータの駆動原理は従来例と同様なので、ここでは省略する。
ただし、本発明のリニア型の振動型アクチュエータにおいて、接触面に楕円運動を生成する方法は上記方法に限られない。例えば、上記とは異なる曲げ振動モードの振動同士を組み合わせてもよいし、弾性体を長手方向に伸縮させる縦の振動モードの振動と曲げ振動モードの振動とを組み合わせてもよい。
接触面を送り方向に変位させる振動モードを主とする振動と、接触面を突上げ方向に変位させる振動モードの振動との組み合わせにより、接触面に楕円運動を生成する方式であれば、どのような駆動方式を用いても良い。
本実施例では、矩形状の薄板状に形成された圧電素子の例を示したが、圧電素子の形状はこれに限定されず、矩形状の角が丸くなっている形状等、上記駆動方式のいずれかにより、振動子と被駆動体を相対移動することができる形状であればよい。
(実施例2)
本実施例について、図3を用いて説明する。なおフレキシブルプリント基板4以外の構成及び駆動原理については実施例1と同様である。本実施例では、フレキシブルプリント基板の加圧を、剛性の高い材料から成る部材で行う場合について述べる。
電極部42の厚みは17.5〜35μm、ベース部41の厚みは12.5〜25μmである。フレキシブルプリント基板4と圧電素子3との接着において、金属などの剛性の高い材料から成る部材で直接フレキシブルプリント基板4を加圧する場合、電極の厚み分があるので、応力は電極部42に集中することになる。
よって電極部42が突起部21の内部の空間と重ならないように配置することで、圧電素子3への応力集中を緩和することができる。
この場合、ベース部41は突起部21の位置に拘束されることなく自由に配置できるので、ベース部41の面積を広げることで接着強度の調節が可能となる。
ここでは、フレキシブルプリント基板4の電極部42が、突起部21の空間部と、振動子1の厚さ方向において重ならない位置に配置される例を説明した。しかし、少なくともフレキシブルプリント基板4の電極部42の端が、突起部21の空間部と、振動子1の厚さ方向において重ならないように配置されることで、圧電素子3への応力集中を緩和することができる。これによって、電極部42とベース部41とで形成される段差部により振動子1に不均一に加圧力がかかり、振動子の厚さ方向において段差部と重なる圧電素子3の部分に応力が集中するのを、緩和することができる。
(実施例3)
本実施例では、圧電素子3の電極層31の構成によって応力集中を緩和する方法を述べる。その他構成、駆動原理は実施例1と同様である。
本実施例では、図4に示すように、ベース部41が突起部21の空間と重なる位置に配置されているが、圧電素子3の電極層31がこの空間部と重ならないように配置されている。電極部42は分かりやすくするために図示していない。この電極パターン31の厚みは2〜10μm程度あるので、電極パターンによって形成される段差部が、加圧方向において、突起部21の空間部と重なる位置にないことで、圧電素子3への応力集中を緩和することができる。ここでは、圧電素子3の電極層31が、突起部21の空間部と、振動子1の厚さ方向において重ならないように配置される例を説明した。しかし、少なくとも圧電素子3の電極層31の端が、突起部21の空間部と、振動子1の厚さ方向において重ならないように配置されれば、圧電素子3への応力集中を緩和することができる。
(実施例4)
本発明の振動型アクチュエータの適用例として、カメラなどの撮像装置(光学機器)のレンズ鏡筒に、レンズを駆動しオートフォーカスする為の振動型アクチュエータを組み込んだ例を図8を用いて説明する。
図8は、レンズ鏡筒のレンズの駆動機構部を説明する図である。本実施例の振動型アクチュエータによる被駆動体の駆動機構は、実施例1乃至3のいずれかに記載の振動型アクチュエータと、被駆動体と、この被駆動体を摺動自在に保持する、平行に配された第一ガイドバーと第二ガイドバーとを備えている。
そして、この電気−機械エネルギー変換素子に対する駆動電圧の印加によって生成された振動子の突起部の楕円運動によって、振動子と弾性体の突起部と接触する第二ガイドバーとの間に相対移動力を発生させる。これによって、被駆動体を第一及び第二ガイドバーに沿って移動可能に構成されている。
具体的には、図8に示すように、本実施例の振動型アクチュエータによる被駆動体の駆動機構100は、主にレンズ保持部材であるレンズホルダ52、レンズ57、フレキシブルプリント基板が結合された振動子1、加圧磁石55、2つのガイドバー53、54及び不図示の基体から構成される。
2本のガイドバーで構成された第一のガイドバー53、第二ガイドバー54は、互いに平行に配置されるようにそれらの各ガイドバーの両端が、不図示の基体により保持固定されている。
レンズホルダ52は、円筒状のホルダ部52a、振動子1及び加圧磁石55を保持固定する保持部52b、第一ガイドバー53と嵌合してガイドの作用をなす第一のガイド部52cから構成される。
加圧手段を構成するための加圧磁石55は永久磁石及び永久磁石の両端に配置される2つのヨークから構成される。加圧磁石55とガイドバー54との間に磁気回路が形成され、これら部材間に吸引力が発生する。加圧磁石55はガイドバー54とは間隔を設けて配置されており、ガイドバー54は振動子1と接するように配置されている。前記の吸引力によりガイドバー54と振動子1との間に加圧力が与えられる。
弾性体の2箇所の突起部21が第二ガイドバー54と加圧接触して第二のガイド部を形成する。第二のガイド部は磁気による吸引力を利用してガイド機構を形成しており、外力を受ける等により振動子1とガイドバー54が引き離される状態が生じるが、これに対しては、つぎのように対処されている。すなわち、レンズホルダ52に備えられる脱落防止部52dがガイドバーに当たることで、レンズホルダ52が所望の位置に戻るように対応が施されている。
振動子1に所望の電気信号を与えることで振動子1とガイドバー54との間に駆動力が発生し、この駆動力によりレンズホルダの駆動が行われる。振動型アクチュエータとしては、実施例1乃至3で示した振動型アクチュエータのいずれも用いることができる。
本実施例では、振動型アクチュエータを撮像装置のオートフォーカス用のレンズ駆動に用いる例を説明したが、本発明の適用例はこれに限定されない。例えば、ズーム用レンズの移動のためのレンズホルダの駆動に用いることもできる。したがって、本願発明の振動型アクチュエータは、レンズ駆動用に、撮像装置に加えて、交換用レンズにも搭載することができる。また、撮像素子の駆動に用いることもでき、手ぶれ補正時のレンズや撮像素子の駆動に用いることもできる。
(実施例5)
図8では、本発明の振動型アクチュエータを撮像装置に用いた例を示したが、応用例はこれに限定されず、顕微鏡等の各種ステージの駆動にも用いることができる。例えば、顕微鏡のステージの駆動に用いた例を図9を用いて説明する。
図9は、本発明の第2の実施例に係る撮像装置としての顕微鏡の斜視図である。図9の顕微鏡は、撮像素子と光学系を内蔵する撮像部60と、基台上に設けられ、振動型アクチュエータにより移動されるステージ62を有する自動ステージ61と、を有する。被観察物をステージ62上に置いて、拡大画像を撮像部60で撮影する。観察範囲が広範囲に有る場合には、振動型アクチュエータで、ステージ62を移動させることで被観察物を図中のX方向やY方向に移動させて、多数の撮影画像を取得する。不図示のコンピュータにて、撮影画像を結合し、観察範囲が広範囲で、かつ、高精細な1枚の画像を取得できる。
振動型アクチュエータとしては、実施例1乃至3で示した振動型アクチュエータのいずれも用いることができる。
1 振動子
2 弾性体
21 突起部
3 圧電素子
31 電極パターン
4 フレキシブルプリント基板
41 ベース部
42 電極部
106 振動子
107 電気−機械エネルギー変換素子
108 突起部
109 フレキシブルプリント基板
116 スライダ

Claims (17)

  1. 性体、及び前記弾性体の1つの面に接された電気−機械エネルギー変換素子、を備えた振動子と、
    電極部を備え、前記電気−機械エネルギー変換素子に固定されたフレキシブルプリント基板と、を有し、
    前記弾性体は、前記電気−機械エネルギー変換素子が接合された接合部と、接触部及び前記接合部と前記接触部との間の立ち上がり部を含む突起部と、を備え、
    前記接触部、前記立ち上がり部及び前記電気−機械エネルギー変換素子に囲まれている空間部があり、
    少なくとも前記電極部の端は、前記弾性体の前記面に垂直な方向において、前記空間部と重なっていないことを特徴とする振動型アクチュエータ。
  2. 前記電極部は、前記面に垂直な方向において、前記空間と重なっていないことを特徴とする請求項1に記載の振動型アクチュエータ。
  3. 前記フレキシブルプリント基板は、ベース部を備え、
    前記電極部は、前記ベース部に設けられており、
    少なくとも前記ベース部の端は、前記面に垂直な方向において、前記空間部と重なっていないことを特徴とする請求項1または2に記載の振動型アクチュエータ。
  4. 性体、及び前記弾性体の1つの面に接された電気−機械エネルギー変換素子、を備えた振動子と、
    電極部を備え、前記電気−機械エネルギー変換素子に固定されたフレキシブルプリント基板と、を有し、
    前記弾性体は、前記電気−機械エネルギー変換素子が接合された接合部と、接触部及び前記接合部と前記接触部との間の立ち上がり部を含む突起部と、を備え、
    前記接触部、前記立ち上がり部及び前記電気−機械エネルギー変換素子に囲まれている空間部があり、
    前記電極部は、前記面に垂直な方向において、前記空間部と重なっていないことを特徴とする振動型アクチュエータ。
  5. 前記フレキシブルプリント基板は、ベース部を備え、
    前記電極部は、前記ベース部に設けられており、
    前記ベース部は、前記面に垂直な方向において、前記空間部と重なっていないことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の振動型アクチュエータ。
  6. 前記フレキシブルプリント基板は、ベース部を備え、
    前記電極部は、前記ベース部に設けられており、
    前記ベース部は、前記面に垂直な方向において、前記空間部と重なっていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の振動型アクチュエータ。
  7. 前記フレキシブルプリント基板は、前記面に垂直な方向において、前記空間部と重なっていないことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の振動型アクチュエータ。
  8. 性体、及び前記弾性体の1つの面に接され、電極層を有する電気−機械エネルギー変換素子、を備えた振動子と、
    前記電気−機械エネルギー変換素子に固定されたフレキシブルプリント基板と、を有し、
    前記弾性体は、前記電気−機械エネルギー変換素子が接合された接合部と、接触部及び前記接合部と前記接触部との間の立ち上がり部を含む突起部と、を備え、
    前記接触部、前記立ち上がり部及び前記電気−機械エネルギー変換素子に囲まれている空間部があり、
    前記電極層は、前記弾性体の前記面に垂直な方向において、前記空間部と重なっていないことを特徴とする振動型アクチュエータ。
  9. 前記弾性体は、前記立ち上がり部と前記接触部の間に、バネ部を更に有することを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の振動型アクチュエータ。
  10. 前記立ち上がり部は、前記接触部の周囲において空隙を有することを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の振動型アクチュエータ。
  11. 前記突起部は、前記振動子の長手方向における振動の、節部に設けられることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の振動型アクチュエータ。
  12. 前記突起部は、前記振動子の短手方向における振動の、腹部に設けられることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の振動型アクチュエータ。
  13. レンズと、前記レンズを保持するレンズ保持部材を駆動する請求項1乃至12のいずれか1項に記載の振動型アクチュエータと、を備えことを特徴とする交換用レンズ。
  14. 撮像素子と、レンズと、前記レンズを保持するレンズ保持部材を駆動する請求項1乃至12のいずれか1項に記載の振動型アクチュエータと、を備えことを特徴とする撮像装置。
  15. レンズと、撮像素子と、前記撮像素子を駆動する請求項1乃至12のいずれか1項に記載の振動型アクチュエータと、を備えことを特徴とする撮像装置。
  16. ステージと、前記ステージを駆動する請求項1乃至12のいずれか1項に記載の振動型アクチュエータと、を備えことを特徴とする自動ステージ。
  17. 請求項1乃至12のいずれか1項に記載の振動型アクチュエータを備えことを特徴とする電子機器。
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