(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の薄型単電池で構成される組電池の温度を検出する温度検出装置において、
前記単電池を挟むように支持するとともに前記単電池による熱を伝導する熱伝導部材と、
前記熱伝導部材に配設されて温度を検出する第１の温度検出手段と、
前記第１の温度検出手段による検出温度を用いて前記単電池の温度を演算する演算回路とを備えることを特徴とする薄型電池による組電池の温度検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の薄型電池による組電池の温度検出装置において、
前記熱伝導部材から所定間隔離れた位置の気温を検出する第２の温度検出手段と、
前記第１の温度検出手段による検出温度と前記単電池の温度との関係を示す情報を、前記第２の温度検出手段により検出される温度に対応させてあらかじめ記憶する記憶回路とをさらに備え、
前記演算回路は、前記第２の温度検出手段による検出温度に対応する情報を前記記憶回路から読み出し、読み出した情報と前記第１の検出手段による検出温度とに基づいて前記単電池の温度を演算することを特徴とする薄型電池による組電池の温度検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の薄型電池による組電池の温度検出装置において、
前記熱伝導部材に冷却風を送る送風装置と、
前記送風装置の作動状態を検出する作動状態検出手段とをさらに備え、
前記記憶回路は、前記第１の温度検出手段による検出温度と前記単電池の温度との関係を示す情報を、前記第２の温度検出手段により検出される温度、および前記作動状態検出手段によって検出される前記送風装置の作動状態のそれぞれに対応させてあらかじめ記憶し、
前記演算回路は、前記第２の温度検出手段による検出温度および前記送風装置の作動状態のそれぞれに対応する情報を前記記憶回路から読み出し、読み出した情報と前記第１の温度検出手段による検出温度とに基づいて前記単電池の温度を演算することを特徴とする薄型電池による組電池の温度検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の薄型電池による組電池の温度検出装置において、
前記熱伝導部材は、前記複数の単電池による熱をそれぞれ伝導し、
前記第１の温度検出手段は、前記熱伝導部材上の異なる位置に複数配設された温度センサを有し、
前記記憶回路は、前記複数の温度センサによる検出温度と前記複数の単電池のそれぞれの温度との関係を示す情報を記憶し、
前記演算回路は、前記複数の単電池の温度をそれぞれ演算することを特徴とする薄型電池による組電池の温度検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の薄型電池による組電池の温度検出装置において、
前記演算回路による演算結果から前記複数の単電池の温度分布を求めることにより組電池の温度異常の有無を判定する異常判定回路をさらに備えることを特徴とする薄型電池による組電池の温度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラミネート電池などの薄型電池で構成される組電池の温度を検出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の単電池を用いて構成する組電池の一例として、特開２００１−２６６８２５公報に開示されているものがある。上記公報による組電池は、円筒形状の単電池（バッテリセル）が所定の間隔でバッテリケース内に配設される。組電池の温度は、単電池の表面に配設された温度センサによって検出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ラミネート構造を有する薄型形状のラミネート電池が知られている。このラミネート電池を円筒電池の代わりに用い、複数のラミネート電池で組電池を構成する場合、従来の技術のように単電池の表面に温度センサを配設することが困難である。すなわち、ラミネート電池は所定の寸法および所定の圧力で配設するので、ラミネート電池の表面に温度センサを配設することは定寸および定圧の妨げになる。さらに、温度センサをラミネート電池の表面に配設すると、電池の表面層を傷つけるおそれがある。
【０００４】
本発明の目的は、単電池の表面以外で検出した温度から当該単電池の温度を得るようにした薄型電池で構成される組電池の温度検出装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の薄型単電池で構成される組電池の温度を検出する温度検出装置に関し、単電池を挟むように支持するとともに単電池による熱を伝導する熱伝導部材を設け、この熱伝導部材に温度検出手段を配設し、当該温度検出手段で検出した温度を用いて単電池の温度を演算で求めるようにしたものである。
【０００６】
【発明の効果】
本発明によれば、薄型単電池で構成される組電池の電圧検出装置において、単電池の表面以外で検出した温度から当該単電池の温度を得ることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施の形態による組電池の温度検出装置を搭載した車両の全体構成図である。以下の実施の形態では、組電池を電気自動車の電源として適用した例を説明する。図１において、車両の制御システムは、車両システムと電池制御ユニットとで構成される。図中の太い実線は強電ライン（強電系の配線）を表し、通常の実線は弱電ライン（弱電系の配線）を示す。破線は各ブロック間で送受される信号ラインを示す。
【０００８】
車両システムは、電流センサ２０１と、電圧センサ２０２と、温度センサ２０３と、冷却ＦＡＮ２０４と、冷却風温センサ２０５と、駆動用モータ３０１と、補機システム３０２と、メインリレー３０３Ａ，３０３Ｂとを有する。組電池は、単電池（セル）Ｃ１〜Ｃｎによって構成される。電池制御ユニットは、電池温度検出部１０１と、ＣＰＵ１０２とを有する。
【０００９】
駆動用モータ３０１は、組電池から供給される電力によって車両の駆動力を発生する一方、組電池に対する回生電力を発生する。補機システム３０２は、組電池から供給される電力によって車両に搭載される不図示のエアコンディショナ（Ａ／Ｃ）などを駆動する。メインリレー３０３Ａ，３０３Ｂは、ＣＰＵ１０２の指令により開閉制御され、駆動モータ３０１および補機システム３０２への電力供給をオン／オフする。
【００１０】
電流センサ２０１は、強電ラインに流れる電流を検出し、検出信号をＣＰＵ１０２へ送出する。電圧センサ２０２は、組電池の電圧（総電圧）を検出し、検出信号をＣＰＵ１０２へ送出する。温度センサ２０３は、組電池に対して所定数配設され、それぞれの温度検出信号を電池温度検出部１０１へ送出する。冷却ＦＡＮ２０４は、ＣＰＵ１０２の指令により駆動制御され、組電池を冷却する。冷却風温センサ２０５は、冷却ＦＡＮ２０４による風温を検出し、検出信号をＣＰＵ１０２へ送出する。
【００１１】
温度検出部１０１は、温度センサ２０３からの温度検出信号を集めて組電池の温度を求め、組電池の温度情報をＣＰＵ１０２へ送出する。ＣＰＵ１０２は、組電池の温度情報、および冷却風温センサ２０５による風温情報を用いて組電池の温度を所定の温度範囲に収めるように冷却ＦＡＮ２０４のデューティ比を演算し、冷却指令を冷却ＦＡＮ２０４へ送出する。デューティ比は冷却ＦＡＮ２０４に対する制御量であり、デューティ比に応じてＦＡＮ２０４よる風量が調節される。ＣＰＵ１０２は、組電池の温度が異常の場合に車両システムＣＰＵ３０４へ温度異常を報知する。
【００１２】
車両システムＣＰＵ３０４は、駆動用モータ３０１および補機システム３０２へ出力される電力の出力制限、駆動モータ３０１から回生される電力の回生制限を行い、車両システムを制御する。車両警告灯３０５は、車両システムＣＰＵ３０４の指令により点灯し、車両システムの異常発生を運転者に報知する。補助電池４０１は、ＣＰＵ１０２および車両システムＣＰＵ３０４へ電力を供給する。スイッチＳＷは、運転者によるイグニション（ＩＧＮ）スイッチ４０２のオン／オフに連動し、補助電池４０１からの電力供給をオン／オフする。
【００１３】
図２は、組電池の構造を説明する図である。図２において、位置決め板２１上の所定位置にラミネート電池などで構成される薄型の単電池Ｃ１およびＣ２が載置されている。同様に、位置決め板２２上の所定位置に単電池Ｃ３およびＣ４が載置されている。位置決め板２１および２２は、ヒートシンク４１および４２によって所定の間隔で支持される。位置決め板２１および２２の間隔は、単電池の寸法に応じて設定される。これにより、各単電池は、所定の寸法および所定の圧力で配設される。なお、単電池は、負極箔の表裏面からそれぞれ負極活物質を塗布した負極材と、正極箔の表裏面からそれぞれ正極活物質を塗布した正極材とをセパレータを介して積層し、これをアルミニウム薄膜でラミネートして薄板状ににしたものである。
【００１４】
なお、図２の例では、単電池Ｃ１〜Ｃ４までの２段分の構造を説明したが、組電池を構成する段数、および同じ段に載置する単電池の数は、それぞれ組電池の仕様に応じて適宜設定される。また、実際の組電池では各段の単電池をそれぞれ並列に接続するバスバー、段間を直列に接続する段間接続用のバスバーなどが設けられるが、図２では省略している。バスバーは、強電用配線部材の一例である。位置決め板２１および２２は、単電池Ｃ１〜Ｃ４の表面層に接して単電池で発生した熱を吸収し、その熱をヒートシンク４１および４２へ伝えるヒートシンクの役目も備える。
【００１５】
ヒートシンク４１および４２には、それぞれ温度センサ２０３１〜２０３４が設けられている。各温度センサは、ヒートシンク４１および４２上でそれぞれのセンサが設けられている地点の温度を検出する。温度センサ２０３１〜２０３４は、たとえば、サーミスタによって構成される。各温度センサはそれぞれ電池温度検出部１０１（図１）に接続されており、電池温度検出部１０１は各温度センサ（サーミスタ）の抵抗値から当該温度センサが設けられている地点の温度を求める。サーミスタの温度と抵抗値との関係は、あらかじめ電池温度検出部１０１内に記憶されている。なお、上述した冷却ＦＡＮ２０４（図１）による冷却風は、ヒートシンク４１および４２に向けて送風されるように構成されている。冷却風がヒートシンク４１および４２に当たることにより、組電池が冷却される。冷却風温センサ２０５（図１）は、ヒートシンク４１および４２に到達する前の風温を検出するように構成される。
【００１６】
本発明は、上記組電池の温度検出に特徴を有する。
【００１７】
図３は、ＣＰＵ１０２で行われる組電池の温度検出処理の流れを説明するフローチャートである。図３による処理は、ＣＰＵ１０２に補助電池４０１から電力が供給されると繰り返し行われる。補助電池４０１がＣＰＵ１０２に電力を供給するのは、システム起動（ＩＧＮオン）時、もしくは組電池の充電時である。車両の走行が終了し（ＩＧＮオフ）、組電池の充電も行われない場合には図３による処理は終了する。
【００１８】
図３のステップＳ１において、ＣＰＵ１０２は、ヒートシンクの温度検出指令を電池温度検出部１０１へ送出してステップＳ２へ進む。これにより、電池温度検出部１０１が各温度センサの抵抗値からヒートシンク各地点の温度を求めてＣＰＵ１０２へ送出する。
【００１９】
ステップＳ２において、ＣＰＵ１０２は、セル温度（電池温度）を推定する。セル温度ＢＴは、次式（１）によって算出する。
【数１】
ＢＴ＝ＨＴ＋ΔＢＴ                        （１）
ただし、ＨＴは電池温度検出部１０１から送出された温度情報に含まれるヒートシンクの温度、ΔＢＴはヒートシンクの温度とセル温度との温度差である。
【００２０】
図４は、図２の単電池Ｃ２付近を拡大した図である。温度センサ２０３２は単電池Ｃ２と離れた位置に配設されるので、単電池Ｃ２の表面温度と温度センサ２０３２による検出温度との間に差異が生じる。単電池Ｃ２で発生した熱は、単電池Ｃ２に接する位置決め板２１（ヒートシンクを兼ねる）を介してヒートシンク４１へ伝わるので、通常、単電池Ｃ２の表面温度に対してヒートシンク温度ＨＴの方が低くなる。ここで、ヒートシンク温度ＨＴは、温度センサ２０３２が設けられている地点の温度である。
【００２１】
図５は、ヒートシンク（位置決め板２１およびヒートシンク４１）において図中左右方向の位置と温度との関係を示す図である。横軸は、ヒートシンク上の位置を表し、縦軸は、冷却ＦＡＮ２０４のＦＡＮデューティがＸ％時のヒートシンク上の温度を表す。図５において、温度は位置決め板２１の左右方向にほぼ一定であり、ヒートシンク４１に近づくにつれて低下する。温度センサ２０３２の位置に対応する点Ａの温度が、上述したヒートシンク温度ＨＴに対応する。セル温度ＢＴは、単電池Ｃ２の中央部の点Ｂに対応する温度とする。ヒートシンク４１の右側の位置Ｃで検出される冷却風温は、外気温に相当する。つまり、上記冷却風温センサ２０５は位置Ｃに対応するように配設される。
【００２２】
図６は、ヒートシンク（位置決め板２１およびヒートシンク４１）の位置とＦＡＮデューティが１．２Ｘ％時の温度との関係を示す図である。図５に比べて、ヒートシンク４１に近づいた位置で温度の低下率が大きくなる。つまり、ＦＡＮデューティが高いほど冷却効果が高いので、セル温度ＢＴおよびヒートシンク温度ＨＴ間の差異ΔＢＴが大きくなる。
【００２３】
図５および図６のような温度データを複数の条件ごとに集め、各条件におけるΔＢＴをマップ化した表を図７に示す。図７の例では、外気温０度、１０度、２０度、３０度および４０度の場合に、それぞれＦＡＮデューティ０、０．２５、０．５、０．７５および１とした場合の温度差ΔＢＴを示す。図７のマップデータは、あらかじめ実験データとして計測し、ＣＰＵ１０２内のメモリに記憶させておく。
【００２４】
ＣＰＵ１０２は、冷却風温センサ２０５による外気温、および演算したＦＡＮデューティに応じて図７のマップからΔＢＴを読み出し、このΔＢＴと電池温度検出部１０１による温度情報とを用いてセル温度を推定する。図７のマップデータは、温度を推定するセル（単電池）ごとに複数組のデータを設けてもよいし、各単電池に共通に使用できる場合は１組のみデータを設けてもよい。ＣＰＵ１０２は、上式（１）によって各単電池の温度を推定すると、ステップＳ３へ進む。
【００２５】
ステップＳ３において、ＣＰＵ１０２は、温度異常値を設定してステップＳ４へ進む。温度異常値は、たとえば、各単電池の推定温度の平均値より１σ大きい値とする。ここで、σは標準偏差である。ＣＰＵ１０２は、温度異常値（異常判定値）を設定するとステップＳ４へ進む。ステップＳ４において、ＣＰＵ１０２は、セル温度が異常か否かを判定する。ＣＰＵ１０２は、セル温度が正常な場合にステップＳ４を否定判定してステップＳ５へ進み、セル温度が異常の場合にステップＳ４を肯定判定してステップＳ６へ進む。
【００２６】
図８は、正常なセル温度分布の一例を示す図である。図８において、横軸は、ヒートシンク４１上の位置を表し、縦軸は、推定されたセル温度を表す。６個の単電池で組電池を構成する場合を例にとれば、図２のように１枚の位置決め板に２つの単電池を並べて載置し、このような２個１組の電池を３段重ねると６個の単電池による組電池が得られる。図２では２段分を記したが、位置決め板２２の下段に単電池Ｃ５（不図示）およびＣ６（不図示）を載置した位置決め板２３（不図示）がさらに重ねられているとする。温度センサは、ヒートシンク４２側のものを省略し、ヒートシンク４１側にのみ配設する。この場合には、上段の温度センサ２０３２、中段の温度センサ２０３４、および下段の温度センサ２０３６（不図示）の３つの温度センサによって３点でヒートシンク温度ＨＴを得る。
【００２７】
図８の横軸でモジュール位置「上」側にプロットされている点は、温度センサ２０３２に対応するヒートシンク温度ＨＴである。モジュール位置「下」側にプロットされている点は、温度センサ２０３６（不図示）に対応するヒートシンク温度ＨＴである。両者の中央にプロットされている点は、温度センサ２０３４に対応するヒートシンク温度ＨＴである。単電池Ｃ１およびＣ２のセル温度は、温度センサ２０３２に対応するヒートシンク温度ＨＴを用いて算出したものである。単電池Ｃ３およびＣ４のセル温度は、温度センサ２０３４に対応するヒートシンク温度ＨＴを用いて算出したものである。単電池Ｃ５（不図示）およびＣ６（不図示）のセル温度は、温度センサ２０３６（不図示）に対応するヒートシンク温度ＨＴを用いて算出したものである。この場合には、図７のマップデータが単電池Ｃ１〜Ｃ６ごとに用意される。
【００２８】
ＣＰＵ１０２は、単電池Ｃ１〜Ｃ６に対応するセル温度の推定値（推定電池温度）の全てが推定異常判定値より低ければ、セル温度分布が正常であるとみなし、上述したステップＳ４を否定判定する。一方、ＣＰＵ１０２は、単電池Ｃ１〜Ｃ６に対応するセル温度の推定値（推定電池温度）の少なくとも１つが推定異常判定値を超えると、セル温度分布が異常であるとみなし、上述したステップＳ４を肯定判定する。
【００２９】
図９は、異常なセル温度分布の一例を示す図である。図９において、単電池Ｃ６（不図示）の推定セル温度が推定電池温度の平均値に対して＋１σの範囲を超えている。
【００３０】
図３のステップＳ５において、ＣＰＵ１０２は、車両システムＣＰＵ３０４へセル温度正常を示す情報を送出し、図３による処理を終了する。車両システムＣＰＵ３０４は、所定の演算を行って組電池に対する充放電制御を行う。
【００３１】
ステップＳ６において、ＣＰＵ１０２は、車両システムＣＰＵ３０４へセル温度異常を示す情報を送出するとともに、メインリレー３０３Ａおよび３０３Ｂを遮断させて図３による処理を終了する。車両システムＣＰＵ３０４は、セル温度異常を示す情報を受けると、組電池に対する充放電制御を停止するとともに警告灯３０５を点灯させる。
【００３２】
以上説明した実施の形態についてまとめる。
（１）薄型のラミネート電池で構成される単電池Ｃ１、Ｃ２を位置決め板２１上に載置し、同様の位置決め板２２とともに重ねて組電池を構成する。各単電池は、上下の位置決め板に挟まれ、発生した熱を位置決め板へ伝導（放熱）する。位置決め板２１，２２はヒートシンク４１、４２によって支持され、位置決め板２１，２２の熱をヒートシンク４１，４２へ伝導（放熱）する。ヒートシンク４１および４２は、位置決め板２１，２２からの熱を吸収する一方で、吸収した熱を外部へ放熱する。位置決め板２１、２２が単電池から熱を吸収するヒートシンクも兼ねるので、各単電池を所定の寸法、所定の圧力で支持する上に各単電池で発生した熱を効果的に吸収することができる。
（２）冷却ＦＡＮ２０４により冷却風をヒートシンク４１および４２に向けて送風するようにしたので、組電池で発生した熱の放熱効率をより高めることができる。
【００３３】
（３）ヒートシンク４１に温度センサ２０３２、２０３４…を設けるようにしたので、単電池の表面にセンサを設けなくも単電池による温度変化を検出することができる。単電池の表面にセンサを設けないので、各単電池を定寸、定圧で支持しやすくなる上に、単電池の表面層を傷つけるおそれもない。
（４）外気温０度、１０度、２０度、３０度および４０度の場合に、それぞれＦＡＮデューティ０、０．２５、０．５、０．７５および１とした場合の温度差ΔＢＴをあらかじめ実験データとして計測し、マップ化してＣＰＵ１０２内のメモリに記憶させておく。ΔＢＴは、実際のセル温度（単電池温度）と温度センサ２０３２、２０３４…による検出温度との差異である。ＣＰＵ１０２は、冷却風温センサ２０５による外気温、および演算したＦＡＮデューティに応じてメモリからΔＢＴを読み出し、このΔＢＴと温度センサ２０３２、２０３４…による検出温度とを用いて単電池温度を上式（１）で算出する。これにより、単電池の表面温度を直接検出しなくても、単電池温度を推定することができる。さらに、外気温の変化や冷却時の温度変動を考慮して正確に単電池温度を推定することができる。
【００３４】
（５）複数の温度センサを設け、単電池ごとの電池温度を推定するようにしたので、組電池を構成する全ての単電池について温度分布を把握することができる。組電池を構成する一部の単電池のみの温度を推定すると、当該単電池以外のものに温度異常が発生しても検出できないが、全ての単電池について温度分布を把握すると、どの単電池に異常が発生してもこれを検出することができる。
（６）温度センサは、ヒートシンク４２側のものを省略し、ヒートシンク４１側にのみ配設してもよい。この場合には、ヒートシンク４１および４２の両方に温度センサを設ける場合に比べてコストを低減することができる。
【００３５】
温度センサの配設位置は、ヒートシンク４１側のものを省略し、ヒートシンク４２側にのみ配設してもよい。
【００３６】
単電池を載置する位置決め板の各段に対応してそれぞれ温度センサを配設する例を示したが、たとえば、１段おきに間隔をあけて設けてもよい。
【００３７】
また、ヒートシンク４１側に位置決め板の奇数段に対応して温度センサを配設し、ヒートシンク４２側に位置決め板の偶数段に対応して温度センサを配設するようにしてもよい。
【００３８】
異常なセル温度分布の判定条件として、少なくとも１つの単電池の推定セル温度が全単電池の推定セル温度の平均値に対して＋１σの範囲を超える場合を説明したが、＋１σの代わりに＋２σとしてもよい。
【００３９】
上述したステップＳ６における異常処理は、車両システムＣＰＵ３０４に警告灯３０５を点灯させる処理と、メインリレー３０３Ａおよび３０３Ｂに強電ラインを遮断させる処理との両方を行うようにしたが、いずれか一方でもよい。
【００４０】
温度差ΔＢＴをあらかじめ実験データとして計測し、離散的なデータをマップ化してＣＰＵ１０２内のメモリに記憶するようにしたが、ＦＡＮデューティおよび外気温の関数として記憶するようにしてもよい。
【００４１】
特許請求の範囲における各構成要素と、発明の実施の形態における各構成要素との対応について説明する。薄型単電池は、たとえば、ラミネート電池Ｃ１〜Ｃ４それぞれが対応する。熱伝導部材は、たとえば、位置決め板２１、２２およびヒートシンク４１、４２によって構成される。第１の温度検出手段は、たとえば、温度センサ２０３（２０３１〜２０３４）および電池温度検出部１０１によって構成される。演算回路、記憶回路、作動状態検出手段および異常判定回路は、たとえば、ＣＰＵ１０２によって構成される。第２の温度検出手段は、たとえば、冷却風温センサ２０５によって構成される。第１の温度検出手段による検出温度と単電池の温度との関係を示す情報は、たとえば、ΔＢＴをマップ化したデータ（図７）が対応する。送風装置は、たとえば、冷却ＦＡＮ２０４によって構成される。送風装置の作動状態は、たとえば、ＦＡＮデューティが対応する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による組電池の温度検出装置を搭載した車両の全体構成図である。
【図２】組電池の構造を説明する図である。
【図３】ＣＰＵで行われる組電池の温度検出処理の流れを説明するフローチャートである。
【図４】図２の一部を拡大した図である。
【図５】ヒートシンク上の位置と温度との関係を示す図である。
【図６】ヒートシンク上の位置と温度との関係を示す図である。
【図７】ΔＢＴをマップ化した図である。
【図８】正常なセル温度分布の一例を示す図である。
【図９】異常なセル温度分布の一例を示す図である。
【符号の説明】
２１,２２…位置決め板、             ４１,４２…ヒートシンク、
１０１…電池温度検出部、            １０２…ＣＰＵ、
２０３（２０３１〜２０３４）…温度センサ、
２０４…冷却ＦＡＮ、                ２０５…冷却風温センサ、
３０４…車両システムＣＰＵ、        Ｃ１〜Ｃ４…単電池
【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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