(57)【要約】  電力変換装置（１）において、陽極リード板（８）と陰極リード板（９）を絶縁板（３）の内部で対向配置することにより、各々の電流方向が対向し磁界を打ち消すため、インダクタンスが低減される。また、陽極リード板（８）と陰極リード板（９）の端部である外部接続端子（１３）は、絶縁板（３）の内部を通って絶縁板（３）の下部からケース（２）の他方の空間に配置されているので、コンデンサ素子（４）とパワー半導体モジュール（１６）の配線距離を短くすることができ、インダクタンスを低減することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
４つの側壁面及び底面を有する上面開放のケース、
前記ケースの前記底面と２つの前記側壁面に当接し前記ケースの内部を二分する絶縁板、
前記ケースの一方の空間に収納された第１の電子部品であるコンデンサ素子、
前記コンデンサ素子が収納された前記一方の空間を封止する第１の封止樹脂、
前記コンデンサ素子の一対の端子に接続された一対の電極板と前記コンデンサ素子を他の電子部品と接続するための外部接続端子とを含む配線板を備え、
前記配線板は、その一部が前記絶縁板の内部に配置され、且つ前記絶縁板を貫通して前記ケースの他方の空間に配置されており、前記配線板の端部である前記外部接続端子は、前記他方の空間において前記ケースの前記底面と平行に配置されたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記配線板は、前記一対の電極板である陽極板及び陰極板と、一方の端部が前記陽極板に接続され他方の端部が前記外部接続端子である陽極リード板と、一方の端部が前記陰極板に接続され他方の端部が前記外部接続端子である陰極リード板とを含むことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記陽極リード板と前記陰極リード板は、前記絶縁板の内部で対向配置されていることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記陽極リード板と前記陰極リード板は、前記コンデンサ素子の下面と前記ケースの前記底面との間に絶縁体を介して対向配置されていることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記陽極リード板と前記陰極リード板は、いずれか一方が前記コンデンサ素子の下面に、他方は前記コンデンサ素子の上面に配置されていることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記絶縁板は、樹脂成型品であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記絶縁板は、プリント基板であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記絶縁板は、前記ケースとの当接面に凸部を有し、前記ケースに設けられた溝部と前記凸部とが係合した状態で前記ケースに固定されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記絶縁板は、前記ケースとの当接面に溝部を有し、前記ケースに設けられた凸部と前記溝部とが係合した状態で前記ケースに固定されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記ケースの前記他方の空間に収納された第２の電子部品と、前記第２の電子部品が収納された前記他方の空間を封止する第２の封止樹脂とを備え、前記第２の電子部品の端子は、前記ケースの前記底面と平行に配置され、前記コンデンサ素子の前記外部接続端子と接続されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記第２の電子部品が収納された前記他方の空間を形成している前記側壁面の高さ寸法は、前記コンデンサ素子が収納された前記一方の空間を形成している前記側壁面の高さ寸法より小さいことを特徴とする請求項１０記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記第２の封止樹脂の高さ寸法は、前記第１の封止樹脂の高さ寸法より小さいことを特徴とする請求項１０または請求項１１記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記第２の電子部品は、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを搭載したパワー半導体モジュールであることを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記一対の電極板は、前記ケースの上面開口部から突出した一対の端子部を有し、前記端子部は、第３の電子部品と接続されることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記第３の電子部品は、リアクトルであることを特徴とする請求項１４記載の電力変換装置。
【請求項１６】
前記ケースは、冷却器を備えていることを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関し、特に、プラグインハイブリッド車、電気自動車等に搭載されるインバータ装置に用いられる電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ装置に用いられる電力変換装置は、スイッチング素子としてのパワー半導体素子、コンデンサ、リアクトル及び抵抗等で構成される。従来のコンデンサとして、コンデンサ素子を電極板と共にケース内に収納し、樹脂を充填したものがある。【０００３】
例えば特許文献１に開示されたコンデンサは、上面が開口されたケースにコンデンサ素子が収納され、コンデンサ素子に接続された陽極板と陰極板の本体部は、絶縁体を介して重ね合わされた状態で、ケースの底面部とコンデンサ素子との間に配置されている。また、陽極板と陰極板の外部接続端子は、本体部の端部から略Ｌ字状に延びてケースの開口部から外へ引き出されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５１９０６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワー半導体素子が搭載されたパワー半導体モジュールは、通常、コンデンサモジュールに比べて高さ寸法が小さい。このため、特許文献１に開示されたコンデンサ素子にパワー半導体モジュールを配線する場合、コンデンサ素子に接続された陽極板と陰極板は、ケース底面から上方向へ配線されて上面開口部から引き出され、さらにケース側壁面に沿って下方向に配線されてパワー半導体モジュールと接続される。従って、配線距離が長くなり、インダクタンスが大きくなる。【０００６】
ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを用いてインバータを高速スイッチングさせた場合、インダクタンスが大きいと、ノイズによって電子機器の誤動作が発生したり、サージ電圧が絶縁耐圧を超えてパワー半導体モジュールが破壊したりする問題がある。また、コンデンサ素子の外部接続端子はケース上面側から引き出されており、放熱部までの距離が長いため、配線の発熱を効率的に冷却することができない。このため、高温動作しているパワー半導体モジュールの熱的な影響によって、コンデンサモジュールが破壊するという問題がある。【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑み、コンデンサ素子と他の電子部品との配線におけるインダクタンスを低減することができ、且つ電子部品の動作による発熱を効率的に冷却することが可能な電力変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る電力変換装置は、４つの側壁面及び底面を有する上面開放のケースと、ケースの底面と２つの側壁面に当接しケースの内部を二分する絶縁板と、ケースの一方の空間に収納された第１の電子部品であるコンデンサ素子と、コンデンサ素子が収納された一方の空間を封止する第１の封止樹脂と、コンデンサ素子の一対の端子に接続された一対の電極板とコンデンサ素子を他の電子部品と接続するための外部接続端子とを含む配線板を備え、配線板は、その一部が絶縁板の内部に配置され、且つ絶縁板を貫通してケースの他方の空間に配置されており、配線板の端部である外部接続端子は、他方の空間においてケースの底面と平行に配置されたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る電力変換装置によれば、コンデンサ素子に接続された配線板が絶縁板を貫通してケースの他方の空間に配置され、この配線板の端部である外部接続端子が他方の空間においてケースの底面と平行に配置されているので、コンデンサ素子と他の電子部品との配線距離を短くすることが可能となり、配線におけるインダクタンスを低減することができる。また、外部接続端子をケースの底面に近接して平行に配置することにより、電子部品の動作による発熱を効率的に冷却することが可能である。
この発明の上記以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置のコンデンサを示す分解斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の陽極リード板と陰極リード板を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の陽極リード板と陰極リード板を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の内部を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る電力変換装置を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る電力変換装置を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係る電力変換装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置について、図面に基づいて説明する。図1及び図２は、本実施の形態１に係る電力変換装置を示す断面図及び斜視図、図３は、本実施の形態1に係る電力変換装置のコンデンサを示す分解斜視図である。なお、各図において、図中、同一、相当部分には同一符号を付している。
【００１２】
電力変換装置１は、上面開放の箱型のケース２の内部に、絶縁板３、第１の電子部品であるコンデンサ素子４、陽極板６、陰極板７、及び第２の電子部品であるパワー半導体モジュール１６等が収納され、第１の封止樹脂１５及び第２の封止樹脂１８により封止されたものである。パワー半導体モジュール１６は、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  ｇａｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ダイオード等のパワー半導体素子を搭載している。
【００１３】
ケース２は、図３に示すように、底面２１と、第1の側壁面２２、第２の側壁面２３、及び側壁面２４を含む４つの側壁面を含んで構成される。ケース２は、放熱機能を有するものであり、その底面２１の下方に、水冷式の冷却器として冷却水パイプ２６を備えている。なお、冷却器の種類はこれに限定するものではなく、空冷式、ヒートパイプ、ペルチェ素子等であっても良い。また、ケース２と冷却器は別部品であっても良いし、一体成形されていても良い。
【００１４】
絶縁板３は、ケース２の底面２１と２つの側壁面２４に当接している。絶縁板３は、図３に示すように、ケース２との当接面に凸部３１を有し、ケース２に設けられた溝部２５と凸部３１とが係合した状態でケース２に固定される。
【００１５】
なお、凸部３１と溝部２５は、逆に設けても良い。すなわち、絶縁板３のケース２との当接面に溝部を設け、ケース２に設けられた凸部と係合するようにしても良い。このような構成とすることで、ケース２と絶縁板３との間のシール性が確保される。なお、シール性を確保する他の手段として、接着剤、Ｏリング、液体パッキング等を用いても良い。
【００１６】
絶縁板３により仕切られたケース２の一方の空間には、コンデンサ素子４が収納され、第１の封止樹脂１５により封止される。また、他方の空間には、パワー半導体モジュール１６が収納され、第２の封止樹脂１８により封止される。ただし、他方の空間に収納される部品は、パワー半導体モジュール１６に限定されるものではなく、他の電子部品であっても良い。
【００１７】
第１の封止樹脂１５と第２の封止樹脂１８には、硬化炉において一括で硬化させることができる樹脂が選択される。第１の封止樹脂１５としては、吸湿性が低い封止材、例えばエポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン等が用いられる。また、第２の封止樹脂１８としては、例えばシリコーン系ゲルが用いられる。
【００１８】
パワー半導体モジュール１６の高さ寸法は、コンデンサ素子４の高さ寸法よりも小さいため、パワー半導体モジュール１６が収納された空間を形成している第２の側壁面２３の高さ寸法は、コンデンサ素子４が収納された空間を形成している第１の側壁面２２の高さ寸法より小さく形成される。同様に、第２の封止樹脂１８の高さ寸法は、第１の封止樹脂１５の高さ寸法より小さく形成される。
【００１９】
本発明に係る電力変換装置においては、本実施の形態１から実施の形態４に共通して、配線板の少なくとも一部が絶縁板３の内部に配置され、且つ、絶縁板３を貫通してケース２の他方の空間に配置されることを特徴としている。なお、配線板とは、コンデンサ素子４の一対の端子に接続された一対の電極板と、一対の電極リード板と、コンデンサ素子４を他の電子部品と接続するための外部接続端子１３とを含んでいる。
【００２０】
コンデンサ素子４は、フィルムを積層または巻回して構成された積層型または巻回型のフィルムコンデンサである。ただし、コンデンサ素子４の種類は限定されるものではなく、セラミックコンデンサ、アルミ電解コンデンサ等を用いることもできる。コンデンサ素子４の厚み方向に沿った側面には、一対の端子であるコンデンサ端子５が設けられる。コンデンサ端子５は、例えばメタリコン電極として形成され、一対の電極板である陽極板６及び陰極板７と接続される。
【００２１】
図３に示すように、５個のコンデンサ素子４は、各々のコンデンサ端子５が対向するように配列される。コンデンサ端子５の一方の端子は陽極板６に接続され、他方の端子は陰極板７に接続される。コンデンサ端子５と陽極板６または陰極板７との接合には、はんだが用いられる。なお、コンデンサ素子４の数は５個に限定されるものではなく、端子の接合方法ははんだ接合に限定されるものではない。
【００２２】
陽極板６と陰極板７の端部は、コンデンサ端子５と直交する側面に沿ってＬ字状に折れ曲がり、第１の端子１１を形成している。第１の端子１１は、陽極リード板８と陰極リード板９の一方の端部に形成された第２の端子１２とはんだを用いて接合される。
【００２３】
図４及び図５は、絶縁板３と一体成形される前の陽極リード板８と陰極リード板９を示している。図５は、図４に示す陽極リード板８と陰極リード板９を裏側から見た図である。陽極リード板８と陰極リード板９は、絶縁板３の内部において、約２ｍｍの間隔をあけて対向配置されている。
【００２４】
樹脂成型品である絶縁板３は、インサート成形により製造することができる。すなわち、成形金型に陽極リード板８と陰極リード板９を装着し、その周りに溶融樹脂を注入して固化することにより形成される。さらに、本実施の形態１では、絶縁板３は、外部接続端子１３を支持する端子支持部１４と一体成形されている。これにより、部品点数を削減することができ、組立てが容易になる。
【００２５】
陽極リード板８の一方の端部は、第２の端子１２を形成し、陽極板６の端部である第１の端子１１と接合される。同様に、陰極リード板９の一方の端部は、第２の端子１２を形成し、陰極板７の端部である第１の端子１１と接合される。また、陽極リード板８の他方の端部と陰極リード板９の他方の端部は、それぞれ陽極側と陰極側の外部接続端子１３を形成する。
【００２６】
図６は、樹脂封止する前の電力変換装置１の内部を示している。コンデンサ素子４をパワー半導体モジュール１６と接続するための外部接続端子１３は、絶縁板３の内部を通って絶縁板３の下部からケース２の他方の空間に引き出され、ケース２の底面２１と略平行に配置される。そして、同じくケース２の底面２１に対して略平行に配置されたパワー半導体モジュール１６の端子１７と接合される。
【００２７】
なお、図示していないが、陽極板６と陰極板７は、ケース２の上面開口部から突出した一対の端子部を有するように構成しても良い。具体的には、陽極リード板８と陰極リード板９の端部をケース２の上面開口部から突出させ、第３の電子機器、例えばリアクトルと接続することができる。このような構成とすることにより、複数の電子機器との配線が可能であり、配線自由度が向上する。
【００２８】
また、本実施の形態１では、陽極リード板８と陰極リード板９を用いて配線したが、これらを陽極板６または陰極板７と一体化することにより、部品点数を削減することができる。ただし、陽極リード板８と陰極リード板９を別部品とすることにより、コンデンサ素子４と陽極板６及び陰極板７との寸法公差を吸収し、はんだ接合部の残留応力を無くすことができる。
【００２９】
電力変換装置１において、ノイズの発生を抑制し、パワー半導体素子のスイッチング時に生じるサージ電圧を下げるためには、コンデンサ素子４とパワー半導体モジュール１６の配線におけるインダクタンスを低減する必要がある。インダクタンスを低減するためには、陽極板６（または陽極リード板８）と陰極板７（または陰極リード板９）を互いに平行に対面させ、且つ配線距離を短くすることが有効である。
【００３０】
本実施の形態１によれば、陽極リード板８と陰極リード板９を絶縁板３の内部で対向配置することにより、各々の電流方向が対向し磁界を打ち消すため、配線におけるインダクタンスを低減することができる。また、陽極リード板８と陰極リード板９の端部である外部接続端子１３が絶縁板３の内部を通ってケース２の他方の空間に配置されているので、コンデンサ素子４とパワー半導体モジュール１６の配線距離が短く、低インダクタンスを実現することができる。
【００３１】
よって、本実施の形態1に係る電力変換装置１は、ノイズの低減が図られ、ノイズに起因する電子機器の誤動作やパワー半導体モジュール１６の破壊等を防止することができ、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを搭載したパワー半導体モジュール１６の高速スイッチングが可能である。
【００３２】
また、外部接続端子１３を、放熱機能を有するケース２の底面２１と平行に近接して配置しているので、十分な放熱効果が得られ、陽極リード板８と陰極リード板９に大電流が流れることによる発熱を効率良く冷却することができる。また、パワー半導体モジュール１６の発熱によるコンデンサ素子４への熱干渉を抑制することができる。特に、高温動作するＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの熱がコンデンサ素子４に伝導し、コンデンサ素子４が熱破壊することを防止することができる。
【００３３】
さらに、絶縁板３でケース２の内部を仕切り、一方の空間にコンデンサ素子４、他方の空間にパワー半導体モジュール１６を収納することにより、第２の封止樹脂１８の高さ寸法を第１の封止樹脂１５の高さ寸法よりも小さくしているので、電力変換装置１の小型化及び軽量化、封止樹脂の削減による材料費の低減、放熱性の向上等の効果を奏する。
【００３４】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置を示す断面図である。上記実施の形態１では、絶縁板３として樹脂成型品を用いたが、本実施の形態２に係る電力変換装置１Ａは、絶縁板３Ａとしてプリント基板を用いたものである。また、外部接続端子１３を支持する端子支持部１４Ａは、絶縁板３Ａとは別部品で構成している。それ以外の構成については、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００３５】
本実施の形態２では、絶縁板３Ａとしてプリント基板を用いることにより、コンデンサ素子４の他、放電抵抗、スナバ回路、フィルター回路等の回路を構成するために必要な小部品を実装することができる。さらに、それらを第１の封止樹脂１５で封止することにより、効率的な冷却が可能である。
【００３６】
電力変換装置１Ａは、小部品を実装するプリント基板を別に設ける必要がないため、小型化が図られる。また、パワー半導体素子との近接配置が必要なスナバ回路を絶縁板３Ａに実装することができるため、パワー半導体モジュール１６の動作中のサージ電圧の低減に有効である。本実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、さらに効率的な冷却と小型化が可能な電力変換装置１Ａが得られる。
【００３７】
実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置を示す断面図である。上記実施の形態１では、陽極リード板８と陰極リード板９を絶縁板３の内部で対向配置したが、本実施の形態３では、電力変換装置１Ｂの陽極リード板８と陰極リード板９は、コンデンサ素子４の下面とケース２の底面２１との間に絶縁体を介して対向配置されている。なお、図８に示す例では、絶縁体は第１の封止樹脂１５であるが、絶縁紙を挟む方法もある。
【００３８】
コンデンサ素子４をパワー半導体モジュール１６と接続するための外部接続端子１３は、絶縁板３を貫通して絶縁板３の下部からケース２の他方の空間に引き出され、ケース２の底面２１と略平行に配置されている。それ以外の構成については、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００３９】
電力変換装置１Ｂにおけるコンデンサ素子４の配列方向は、上記実施の形態１と同様であり、各々のコンデンサ端子５が対向するように配列される（図３参照）。コンデンサ端子５の一方の端子は陽極板６に接続され、他方の端子は陰極板７に接続される。コンデンサ端子５と陽極板６または陰極板７との接合には、はんだが用いられる。
【００４０】
ただし、本実施の形態３では、陽極板６と陰極板７の端部は、コンデンサ端子５と直交するコンデンサ素子４の下面に沿ってＬ字状に折れ曲がり、第１の端子１１を形成している。第１の端子１１は、陽極リード板８と陰極リード板９の一方の端部である第２の端子１２に対し、はんだを用いて接合される。
【００４１】
陽極リード板８と陰極リード板９は、コンデンサ素子４の下面において約２ｍｍの間隔をあけて対向配置され、さらに、絶縁板３を貫通し、パワー半導体モジュール１６へ直線的に配線されている。このように、陽極リード板８と陰極リード板９の大部分がケース２の底面２１に沿って配線されているため、効率的な冷却が可能である。本実施の形態３によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、さらに効率的な冷却が可能な電力変換装置１Ｂが得られる。
【００４２】
実施の形態４．
図９は、本発明の実施の形態４に係る電力変換装置を示す断面図である。本実施の形態４に係る電力変換装置１Ｃは、陽極リード板８がコンデンサ素子４の下面に、陰極リード板９がコンデンサ素子の上面に配置されている。ただし、その逆も可能であり、陰極リード板９がコンデンサ素子４の下面に、陽極リード板８がコンデンサ素子４の上面に配置されていれも良い。
【００４３】
電力変換装置１Ｃにおけるコンデンサ素子４の配列方向は、上記実施の形態１とは異なり、図３に示すコンデンサ素子４を９０度回転させ、コンデンサ端子５が上下にくるように配列している。このため、一方のコンデンサ端子５は、ケース２の底面２１と対面している。コンデンサ端子５の一方の端子は陽極板６に接続され、他方の端子は陰極板７に接続される。
【００４４】
コンデンサ素子４の下面に配置された陽極リード板８は、そのまま絶縁板３を貫通し、パワー半導体モジュール１６へ直線的に配線されている。また、コンデンサ素子４の上面に配置された陰極リード板９は、絶縁板３の内部を通って絶縁板３の下部まで到達し、９０度折れ曲がって陽極リード板８と平行に配線されている。それ以外の構成については、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００４５】
本実施の形態４においても、コンデンサ素子４をパワー半導体モジュール１６と接続するための外部接続端子１３は、絶縁板３を貫通して絶縁板３の下部からケース２の他方の空間に引き出され、ケース２の底面２１と略平行に配置されている。
【００４６】
本実施の形態４によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、コンデンサ端子５が同一面内に配置されているので、複数のコンデンサ素子４の結線が容易であり、簡易な構造の電力変換装置１Ｃが得られる。なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【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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【国際調査報告】
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