(57)【要約】 【課題】  特性を劣化させることなく小型化が可能な電気二重層コンデンサおよびその製造方法を提供すること。【解決手段】  電解質溶液を含浸させたシート状の多孔質のセパレータ６とその両面にそれぞれ配置された一対の分極性電極４とそれを外側から挟んで配置された一対の集電体５とからなる平板状の基本セル７を複数個積層して構成された平板状のセル積層体８をシート状の材料から構成された外装パッケージに収納し、外装パッケージの周縁部１９が超音波溶着により封止され、その封止された部分がセル積層体８の側面に沿って折り曲げられている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質溶液を含浸させたシート状の多孔質のセパレータと該セパレータの両面にそれぞれ配置された一対の分極性電極と該一対の分極性電極を外側から挟んで配置された一対の集電体とからなる平板状の基本セルを複数個積層して構成された平板状のセル積層体または前記基本セルをシート状の材料から構成された外装パッケージに収納し、前記集電体に接続された端子電極を前記外装パッケージより引出した電気二重層コンデンサであって、前記外装パッケージの周縁部の少なくとも一部が超音波溶着により封止され、該外装パッケージの周縁部の超音波溶着により封止された部分の少なくとも一部が前記セル積層体または基本セルの側面に沿って折り曲げられていることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【請求項２】
シート状の多孔質のセパレータと該セパレータの両面にそれぞれ配置された一対の分極性電極と該一対の分極性電極を外側から挟んで配置された一対の集電体とからなる平板状の基本セルを作製する工程と、前記基本セルまたは前記基本セルを複数個積層して構成された平板状のセル積層体をシート状の材料から構成された外装パッケージ内に設置する工程と、前記多孔質のセパレータに電解質溶液を含浸させる工程と、前記外装パッケージの周縁部の少なくとも一部を超音波溶着により封止する工程と、該外装パッケージの周縁部の超音波溶着により封止された部分の少なくとも一部を前記セル積層体または基本セルの側面に沿って折り曲げる工程とを含むことを特徴とする電気二重層コンデンサの製造方法。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大容量を特徴として電気機器に用いられる電気二重層コンデンサに関し、特に小型電子機器に適した小型化が可能な電気二重層コンデンサおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気二重層コンデンサは、化学反応をともなうことなく１ファラッド以上の大容量を得ることが出来るため、大電流の充放電が可能で充放電サイクルに対して耐性のあるコンデンサとして実用化されている。近年においては、この電気二重層コンデンサの特徴を活かし、携帯電話機等の小型電子機器の補助電源等としての新しい用途が検討されてきており、小型化への要求がより一層高くなっている。従来の電気二重層コンデンサの例が特許文献１および２に示されている。
【０００３】
従来の電気二重層コンデンサについて図３、図６、図７を参照して説明する。図６は、従来の電気二重層コンデンサの一例を示す図であり、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は下面図、図６（ｃ）は上面図、図６（ｄ）、図６（ｅ）は側面図である。図３は、電気二重層コンデンサの基本セルの説明図である。図３（ａ）は電気二重層コンデンサの基本セルの単体を示す断面図であり、図３（ｂ）は基本セルを複数個積層して構成されたセル積層体の断面図である。図３（ｂ）の場合は、基本セル７を２個積層したセル積層体８を示している。図７は、図６に示されている電気二重層コンデンサをＡ−Ａ’面で切断した場合の断面図である。
【０００４】
従来の電気二重層コンデンサは、図６、図７に示すように、図３に示す基本セル７またはセル積層体８をシート状の材料から構成された外装パッケージ２２に収納し、端子電極１を外装パッケージより引出して構成されている。なお、図７においては、基本セル７を２個積層したセル積層体８を使用した場合を示している。
【０００５】
図３（ａ）に示されるように、基本セル７は、非導電性およびイオン透過性を有するシート状の多孔質のセパレータ６とセパレータ６の両面にそれぞれ配置された一対の分極性電極４とその一対の分極性電極４を外側から挟んで接合された一対の集電体５とから構成されている。この結果、基本セルおよびそれを積層したセル積層体は平板状の形状である。
【０００６】
ここで、分極性電極４の材質としては、活性炭粉末または活性炭繊維と導電性付与剤を主成分としたシート状または板状の材料が用いられる。集電体５の材質としては、金属箔および導電性カーボンを含有するゴムまたはプラスチックなどが用いられている。この集電体５は、分極性電極４と接合されている。さらに、図６に示されるように、集電体５の端部には端子電極１が取り付けられ、電気的に外部へ接続できるようになっている。
【０００７】
図７に示されるように、セル積層体８は外装パッケージ２２に収納されている。そして、外装パッケージ２２の内部には、電解質溶液３が封入されており、この電解質溶液３がセパレータ６および分極性電極４にしみ込んでいる。さらにセル積層体８には外装パッケージ２２により、その厚みが小さくなる方向に圧力がかけられて、その圧力状態が外装パッケージ２２の周縁部を熱溶着によって封止固定することにより保持されている。このように外装パッケージ２２によって一定の圧力が保持されることにより、電気二重層コンデンサ内で各構成要素同士の接触面での接触抵抗が下げられている。
【０００８】
図９は、上記の従来の電気二重層コンデンサの作製工程の一例を示す工程フロー図である。基本セル単体もしくは基本セルを複数個積層したセル積層体の作製工程であるＳ６１、基本セルまたはセル積層体の正極、負極それぞれの集電体と端子電極を溶接する工程であるＳ６２、基本セルまたはセル積層体を外装パッケージへ収納する工程であるＳ６３、外装パッケージ内に電解質溶液を入れ、分極性電極およびセパレータへ電解質溶液を含浸させる工程であるＳ６４、外装パッケージの周縁部を熱溶着により封止する工程であるＳ６６、外装パッケージの熱溶着された周縁部を基本セルまたはセル積層体の側面に沿って折り曲げる工程であるＳ６７を順次行なうことにより電気二重層コンデンサが完成する。図８は外装パッケージ２２の周縁部の溶着部２９の一部を示す上面図である。
【０００９】
従来、前述の電気二重層コンデンサの小型化への要求に対し、いくつかの方法が提案されている。例えば、特許文献２には、外装パッケージを袋状にしてセル積層体を収納し、熱溶着を用いて封止する溶着部をセル積層体の中央部に設けることにより封止部を少なくし小型化した構造の電気二重層コンデンサが開示され、特許文献３および４でも薄型電池に関して同様な技術が開示されている。
【００１０】
また、特許文献５には、電気二重層コンデンサと類似の構造の薄型電池に関して、セル積層体を収納し熱溶着して封止した外装パッケージの周縁部でセル積層体の側面に沿って折り曲げた部分を固定するために溶着部を熱硬化性の樹脂で接着した構造が開示されている。
【００１１】
また、特許文献６には、同様に薄型電池に関して、セル積層体を収納し外装パッケージを封止する際に周縁部の外側領域のみを熱溶着し、かつ周縁部の内側折り曲げ領域は熱溶着しないように外装パッケージの周縁部を熱溶着した構造が開示されている。
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−１８８０５０号公報
【特許文献２】特開２００４-３３５７０３号公報
【特許文献３】特開２０００-２１５８６２号公報
【特許文献４】特開平１１−２６０３２７号公報
【特許文献５】特開２００２−２６０６０２号公報
【特許文献６】特開２００６−３４４４５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
電気二重層コンデンサにおいて、市場の要求を満たすようにさらに小型化するためには、外装パッケージの外形をできるだけ小さくして製品外形に対するセル積層体の体積効率を向上させることが必要不可欠である。しかしながら、上述の従来技術における小型化には以下に掲げる問題があった。  
【００１４】
先ず、特許文献２、３、４に開示されている技術では、セル積層体にダメージを与えずに小型化をするのが困難であるという問題があった。その理由を以下に述べる。一般的に、これらの特許文献に示されている熱溶着による封止方法は、封止の時に溶着する樹脂部分に熱が伝わるのに時間がかかるため処理時間が長くなり、溶着部分が硬くなりやすいことが知られている。例えば特許文献２に記載の電気二重層コンデンサでは、袋状に作製した外装パッケージにセル積層体を収納し、電解質溶液を含浸させ、開放部を封止した後にセル積層体の中央部分で封止し、この封止部分をセル積層体の上面に沿ってプレスして折り曲げて作製している。この硬くなった溶着部を折り曲げるためには高い圧力が必要であり、この圧力によりセル積層体にダメージが与えられると電気二重層コンデンサの特性の低下が起こりやすいので、製造が難しい。また、基本セルを構成している材料は全て柔らかく剛性は小さいので、袋状の外装パッケージに収納し封止をする際、セル積層体の端部が応力の影響を受けやすい。応力がかかると基本セルの分極性電極を構成している活性炭粉末が脱粒してセパレータの内部に入り自己放電特性を低下させるなどの問題が生じてしまう。
【００１５】
一方、特許文献５には、セル積層体を収納し熱溶着して封止した外装パッケージの周縁部をセル積層体の側面に沿って折り曲げた封止部分を固定するため熱硬化性の樹脂で接着した構造の薄型電池が開示されている。しかしながら、この技術を電気二重層コンデンサに適用してその基本特性を保ちつつ小型化することは困難である。周縁部を折り曲げることにより小型化は可能であるが、外装パッケージの封止部を熱溶着で封止した場合は上述のように封止部分は硬くなるので折り曲げただけでは折り曲げ部分が元に戻ってしまう可能性が高い。そのため、本特許文献のように接着剤で固定することが必要となる。しかしながら、熱硬化性の接着剤を使用した場合、６０℃以上の温度をかける必要が生じる。その際に、熱溶着した封止部分が一部溶融し離れてしまう可能性が高く、また熱がかかることで外装パッケージの内部の電解質溶液が蒸発したり、分解するなどの問題が生じ電気二重層コンデンサの特性を確保しながら小型化することは非常に困難である。
【００１６】
この問題を解決するために、特許文献６ではセル積層体を収納した外装パッケージの周縁部を熱溶着で封止する際、熱溶着する部分を工夫し周縁部の内側折り曲げ領域は熱溶着せず、折り曲げない外側領域のみを熱溶着する構造が示されている。しかしながら、熱溶着で封止する場合は、処理時間が長いので金型を作って封止部分のみに熱がかかるように工夫しても封止部分の近傍にもある程度熱が伝わってしまう。そのため、未封止部分を作るためには熱溶着する部分から折り曲げ部分まである程度の距離が必要であり、形状が大きくなってしまうため、小型化することは難しく、顕著な効果は得られない。
【００１７】
そこで、本発明の課題は、かかる従来の問題点を解決し、特性を劣化させることなく小型化が可能な電気二重層コンデンサおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するため、本発明の電気二重層コンデンサは、電解質溶液を含浸させたシート状の多孔質のセパレータと該セパレータの両面にそれぞれ配置された一対の分極性電極と該一対の分極性電極を外側から挟んで配置された一対の集電体とからなる平板状の基本セルを複数個積層して構成された平板状のセル積層体または前記基本セルをシート状の材料から構成された外装パッケージに収納し、前記集電体に接続された端子電極を前記外装パッケージより引出した電気二重層コンデンサにおいて、前記外装パッケージの周縁部の少なくとも一部が超音波溶着により封止され、該外装パッケージの周縁部の超音波溶着により封止された部分の少なくとも一部が前記セル積層体または基本セルの側面に沿って折り曲げられていることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明による電気二重層コンデンサの製造方法は、シート状の多孔質のセパレータと該セパレータの両面にそれぞれ配置された一対の分極性電極と該一対の分極性電極を外側から挟んで配置された一対の集電体とからなる平板状の基本セルを作製する工程と、前記基本セルまたは前記基本セルを複数個積層して構成された平板状のセル積層体をシート状の材料から構成された外装パッケージ内に設置する工程と、前記多孔質のセパレータに電解質溶液を含浸させる工程と、前記外装パッケージの周縁部の少なくとも一部を超音波溶着により封止する工程と、該外装パッケージの周縁部の超音波溶着により封止された部分の少なくとも一部を前記セル積層体または基本セルの側面に沿って折り曲げる工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明においては、上記のように外装パッケージの周縁部の折り曲げ部分の封止を超音波溶着により封止することにより溶着時の処理時間が短いため溶着部が硬くならないという効果が得られる。従って、セル積層体に過剰な圧力をかけることなくその超音波溶着した溶着部を容易に折り曲げることが可能となるため、電気二重層コンデンサの特性を劣化させることなく小型化することができる。
【００２１】
よって、本発明により、特性を劣化させることなく小型化が可能な電気二重層コンデンサおよびその製造方法が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本発明による電気二重層コンデンサの一実施の形態を示す図であり、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は下面図、図１（ｃ）は上面図、図１（ｄ）、図１（ｅ）は側面図である。本実施の形態の電気二重層コンデンサに用いられる基本セルまたはセル積層体は図３に示した従来の基本セル７またはセル積層体８と同様である。また、図２は、図１の電気二重層コンデンサのＡ−Ａ’断面図を示す。図２には、一例として基本セルを２個積層したセル積層体を示しているが、本実施の形態の電気二重層コンデンサにおいては積層する基本セルの個数は任意に設定可能である。
【００２４】
図５は、本発明による電気二重層コンデンサの製造方法の一実施の形態を示す製作工程フロー図である。従来と同様に、基本セル単体もしくは基本セルを複数個積層したセル積層体の作製工程であるＳ６１、基本セルまたはセル積層体の正極、負極それぞれの集電体と端子電極を溶接する工程であるＳ６２、基本セルまたはセル積層体を外装パッケージへ収納する工程であるＳ６３、外装パッケージ内に電解質溶液を入れ、分極性電極およびセパレータに電解質溶液を含浸させる工程であるＳ６４を順次行なう。次に、本実施の形態においては、外装パッケージの周縁部を超音波溶着により封止する工程であるＳ６５、外装パッケージの超音波溶着された周縁部を基本セルまたはセル積層体の側面に沿って折り曲げる工程であるＳ６８を順次行なうことにより電気二重層コンデンサが完成する。
【００２５】
基本セル７を製造する方法は、集電体５の上に分極性電極４を形成し、一対の集電体５上に形成された分極性電極４がセパレータ６を介して互いに向き合うようにセパレータ６の両面に配置する。基本セル７を積層してセル積層体８を作製した後、集電体５の正極、負極それぞれに端子電極１が溶接される。
【００２６】
このようにして作製した端子電極１を接続したセル積層体８を外装パッケージ２内に収納し、外装パッケージ２内に電解質溶液３を入れ分極性電極およびセパレータに含浸させる。外装パッケージ２によってセル積層体８を圧縮する方向に圧力がかけられ、その圧力を保持するように外装パッケージ２の周縁部１９を超音波溶着により封止し、超音波溶着された周縁部１９をセル積層体８の側面に沿って折り曲げることにより図１および図２に示す本実施の形態の電気二重層コンデンサが完成する。
【００２７】
ここで、分極性電極４は、高比表面積を有し、かつ導電性を有する活性炭などを主要構成材料とし、それに導電性付与剤やバインダーとしてフェノール樹脂などを添加し、乾燥または焼結することによりシート状、あるいは板状に形成したものを用いることができる。一例として、活性炭粉末とバインダー、分散剤、導電性付与剤を７０：１０：５：１５の配合割合で混合して塗布し乾燥させたシート状の分極性電極を用いることができる。
【００２８】
集電体５を構成する集電体シートは、一例としてアルミのエッチング箔を用いることができ、セパレータ６には一例として不織布のセパレータを用いることができる。
【００２９】
端子電極１には、例えば銅板にＮｉめっきを施したものを用いることができ、外装パッケージ２には、アルミ箔の両側に絶縁樹脂が塗布されているラミネートフィルムを使用できる。また、電解質溶液３としては１．２モルのＴＥＡ−ＢＦ４／ＰＣなどの有機系電解液を使用できる。
【００３０】
本実施の形態の電気二重層コンデンサおよびその製造方法の具体的な実施例を以下に示す。
【実施例】
【００３１】
（実施例１）
基本セル７は四角形の平板状であり、分極性電極４の外形寸法は、長さが１０ｍｍ、幅が１０ｍｍ、厚みが０．０２ｍｍ、集電体５の外形寸法は、長さが１０ｍｍ、幅が１０ｍｍ、厚さが０．０３ｍｍであり、一片に端子電極１を溶接するための幅３ｍｍ、長さ５ｍｍの突出部が形成されている。端子電極１の外形寸法は、長さが５ｍｍ、幅が２ｍｍ、厚さが０．１ｍｍである。外装パッケージ２を構成するラミネートフィルムの外形寸法は、長さが１５ｍｍ、幅が１５ｍｍ、厚さが０．１ｍｍで、外装パッケージの片面の中心部にセル積層体８を収納するための長さ１０ｍｍ、幅１０ｍｍの凹部が設けられている。セル積層体８は基本セル７を２０個積層して形成されている。
【００３２】
本実施例では、外装パッケージ２の周縁部の幅方向のすべてを、また４つの辺のすべてを超音波溶着を用いて封止する。図４は、本発明の外装パッケージの周縁部の溶着部の説明図である。図４（ａ）は本実施例における外装パッケージ２の周縁部の溶着部の一部を示す上面図である。なお、最後の一辺を封止する際は真空中にて実施した。最後に図２に示すように外装パッケージ２の超音波溶着により溶着した周縁部１９の端子電極１を引出した辺以外の辺をセル積層体８の側面に沿って折り曲げ、図１に示す電気二重層コンデンサを作製した。作製した電気二重層コンデンサの耐電圧は２．８Ｖである。
【００３３】
（実施例２）
本実施例の電気二重層コンデンサは外装パッケージの周縁部以外の構造、形状は実施例１と同様である。図４（ｂ）は、本実施例における外装パッケージ２の周縁部の溶着部の一部を示す上面図である。図４（ｂ）に示すように、本実施例で使用する電気二重層コンデンサの溶着部分は、溶着部９の中に幅０．２ｍｍのスリット状に未溶着部１０が設けられている。この未溶着部１０は外装パッケージ２の周縁部１９をセル積層体８の側面に沿って折り曲げる際の折り曲げ部として使用するために設けられたものである。
【００３４】
（比較例）
本発明による電気二重層コンデンサの効果を確認するため、従来の構造の電気二重層コンデンサを比較例として作製した。この比較例においては外装パッケージの周縁部の封止方法は、特許文献１に開示されている熱溶着である。図８は、外装パッケージの周縁部の溶着部の一部を示す上面図である。図８に示すように、外装パッケージの周縁部の見た目は、図４（ａ）の実施例１と、ほとんど変わらない。外装パッケージの周縁部の封止方法以外の構造、形状は実施例１、２と同様である。また熱溶着による封止部は実施例１、２と同様の方法によってセル積層体８の側面に沿って折り曲げられている。
【００３５】
以下に、上述のようにして作製した本実施例１、２および比較例の電気二重層コンデンサについて、ショートチェックおよび自己放電特性を測定した結果について述べる。自己放電特性は、定格電圧２．８Ｖを３０分印加して充電した後、開回路にして５０時間経過後の電圧を測定し電圧保持率を計算した。なお、サンプル数は各水準２０個ずつとし、自己放電特性についてはその平均値を算出した。
【００３６】
実施例１、２および比較例のそれぞれの電気二重層コンデンサに対して、ショートチェック時の不良数および自己放電特性を測定した結果を下記の表１に示す。
【００３７】
【表１】
2010114365.tif 000003
【００３８】
表１より、ショートチェック時の不良数および自己放電特性ともに、比較例に対し実施例１、２の電気二重層コンデンサでは、かなり改善されていることがわかる。
【００３９】
前述のように、比較例の電気二重層コンデンサのように外装パッケージの周縁部の封止を熱溶着で実施した場合は、溶着する部分全面に熱が伝わるのに時間がかかるため処理時間が長くなり溶着部が硬くなりやすいので、その部分を折り曲げるときに大きな力が必要となる。したがって、収納されたセル積層体の側面に沿って溶着部を折り曲げる際にセル積層体に過剰な応力がかかるのでセル積層体のずれ、または電極端面が曲がることなどによりショートが発生しやすい。実際に不良となった素子を分解調査した結果、４個中３個は過剰の応力がかかったことによるセル積層体のずれがショートの原因であり、残り１個は最外層の分極性電極の角部が曲がり、セパレータを貫通して対抗する分極性電極と接触してしまったことによるショート不良であった。
【００４０】
また、比較例の自己放電特性の結果に関しては、自己放電特性が悪かった素子を分解したところ、セパレータの部分に黒い微粒子が付着しているのが観察された。これは、溶着部を曲げるときの応力により分極性電極を構成している活性炭粉末が脱粒しセパレータの内部に入ったものと考えられる。このように、比較例のような従来の製造方法では、小型化するために溶着部を折り曲げる時に内部のセル積層体に過剰な負荷がかかってしまい特性を確保しつつ電気二重層コンデンサを小型化するためには、折り曲げる時に折り曲げ部のみに力が加わるような特殊な方法を採用しないと難しいことがわかる。
【００４１】
これに対し、実施例１、２では外装パッケージの周縁部を超音波溶着により封止している。超音波溶着方法の原理は、封止部分の樹脂に１５〜１００ｋＨｚ程度の縦方向の超音波振動を与え、摩擦熱により局所的かつ瞬間的に昇温し、その熱で溶着するものである。このように摩擦熱による熱を利用しているため処理時間が非常に短く、外装パッケージの樹脂に瞬間的に振動と圧力を与えるだけで溶着ができるので封止部分はやわらかい状態のままで硬くならない。よって、収納されたセル積層体の側面に沿って溶着部を折り曲げてもセル積層体に過剰な負荷がかかることがないため電気二重層コンデンサの特性の劣化やショート不良は発生しない。
【００４２】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、特性を劣化させることなく小型化が可能な電気二重層コンデンサが得られる。  
【００４３】
なお、本発明は、上記の実施の形態や実施例に限られるものではないことはいうまでもなく、電気二重層コンデンサの構造、構成材料、形状などについて、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更が可能である。例えば、外装パッケージの周縁部の超音波による封止部分は外装パッケージのすべての辺であってもよく、また、小型化のために折り曲げを行なう辺のみであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明による電気二重層コンデンサの一実施の形態を示す図、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は下面図、図１（ｃ）は上面図、図１（ｄ）、（ｅ）は側面図。
【図２】図１の電気二重層コンデンサのＡ−Ａ’断面図。
【図３】電気二重層コンデンサの基本セルの説明図。図３（ａ）は電気二重層コンデンサの基本セルの単体を示す断面図、図３（ｂ）は基本セルを２個積層して構成されたセル積層体の断面図。
【図４】本発明の外装パッケージの周縁部の溶着部の説明図。図４（ａ）、図４（ｂ）はそれぞれ実施例１および２における外装パッケージの周縁部の溶着部の一部を示す上面図。
【図５】本発明による電気二重層コンデンサの製造方法の一実施の形態を示す製作工程フロー図。
【図６】従来の電気二重層コンデンサの一例を示す図、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は下面図、図６（ｃ）は上面図、図６（ｄ）、図６（ｅ）は側面図。
【図７】図６の電気二重層コンデンサのＡ−Ａ’断面図。
【図８】外装パッケージの周縁部の溶着部の一部を示す上面図。
【図９】従来の電気二重層コンデンサの作製工程の一例を示す工程フロー図。
【符号の説明】
【００４５】
１    端子電極
２、２２    外装パッケージ
３    電解質溶液
４    分極性電極
５    集電体
６    セパレータ
７    基本セル
８    セル積層体
９、２９    溶着部
１０    未溶着部
１９    周縁部
【図１】
2010114365.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
2010114365.tif 000007
【図５】
2010114365.tif 000008
【図６】
2010114365.tif 000009
【図７】
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【図８】
2010114365.tif 000011
【図９】
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