(57)【要約】【課題】絶縁スイッチング素子の短絡故障を検出して、エラー表示や給電停止を行う。【解決手段】コンデンサ５２よりも前記入力側において、前記コンデンサの高圧側端及び低圧側端それぞれに接続された対の第１絶縁スイッチング素子３１，３３と、前記コンデンサ５２よりも前記出力側において、前記コンデンサ５２の高圧側端及び低圧側端それぞれに接続された対の第２絶縁スイッチング素子３２，３４とを備えた絶縁回路を有する給電システムである。この給電システムは、前記対の第１絶縁スイッチング素子３１，３３及び前記対の第２絶縁スイッチング素子３２，３４の短絡故障を監視する監視部４２を備えており、絶縁スイッチング素子が短絡故障するとエラー表示・給電停止を行う。【選択図】図２
2011103760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力側と出力側とを絶縁しつつ前記入力側から前記出力側へ電力を供給する絶縁回路装置であって、
入力電力が充電されるコンデンサと、
前記コンデンサよりも前記入力側において、前記コンデンサの高圧側端及び低圧側端それぞれに接続された対の第１絶縁スイッチング素子と、
前記コンデンサよりも前記出力側において、前記コンデンサの高圧側端及び低圧側端それぞれに接続された対の第２絶縁スイッチング素子と、
前記対の第１絶縁スイッチング素子と前記対の第２絶縁スイッチング素子とをオン／オフすることで、前記入力側と前記出力側とを絶縁しつつ前記入力側から前記出力側へ電力を供給する制御を行うスイッチング制御手段と、
前記対の第１絶縁スイッチング素子及び前記対の第２絶縁スイッチング素子のうちの少なくともいずれか一つの絶縁スイッチング素子の短絡故障を監視する監視手段と、
を備えていることを特徴とする絶縁回路装置。
【請求項２】
前記監視手段は、前記対の第１絶縁スイッチング素子及び前記対の第２絶縁スイッチング素子のうちの少なくともいずれか一つの絶縁スイッチング素子の素子両端における電位差を測定し、前記絶縁スイッチング素子の前記電位差に基づいて、前記絶縁スイッチング素子の短絡故障を検出する
請求項１記載の絶縁回路装置。
【請求項３】
前記監視手段は、前記絶縁スイッチング素子の素子両端それぞれの電圧を分圧する分圧回路部を備え、分圧された前記絶縁スイッチング素子の素子両端それぞれの電圧の差に基づいて、前記絶縁スイッチング素子の短絡故障を検出する
請求項２記載の絶縁回路装置。
【請求項４】
前記監視手段は、前記絶縁スイッチング素子における素子両端の前記電位差分の電圧で充電される検出用コンデンサを備え、当該検出用コンデンサの電圧に基づいて、前記絶縁スイッチング素子の短絡故障を検出する
請求項２記載の絶縁回路装置。
【請求項５】
前記スイッチング制御手段は、前記絶縁スイッチング素子の短絡故障を監視する際には、前記対の第１絶縁スイッチング素子と前記対の第２絶縁スイッチング素子とを交互にオン／オフするスイッチングの周波数を低くする
請求項１〜４のいずれか１項に記載の絶縁回路装置。
【請求項６】
前記スイッチング制御手段は、前記各絶縁スイッチング素子の短絡故障を監視するモードでは、通常モードとの対比において、前記対の第１絶縁スイッチング素子と前記対の第２絶縁スイッチング素子とを共にオフにするときのオフ時間を延長する
請求項１又は２に記載の絶縁回路装置。
【請求項７】
前記監視手段は、前記絶縁スイッチング素子における素子両端の前記電位差分の電圧で充電される検出用コンデンサを備え、当該検出用コンデンサの電圧に基づいて、前記絶縁スイッチング素子の短絡故障を検出するものであり、
前記スイッチング制御手段が延長する前記オフ時間は、前記検出用コンデンサの充電開始から終了までに要する時間である請求項６記載の絶縁回路装置。
【請求項８】
前記監視手段は、短絡故障を監視するモードの際、前記対の第１絶縁スイッチング素子及び前記対の第２絶縁スイッチング素子のうち一方の監視が完了した後に、他方の監視を実行する請求項６記載の絶縁回路装置。
【請求項９】
ＡＣ電力を整流して直流電力を出力する整流部を備え、整流された前記直流電力が絶縁回路装置を介して出力されるＡＣ／ＤＣコンバータであって、
前記絶縁回路装置として、請求項１に記載の絶縁回路装置を用いたことを特徴とするＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項１０】
請求項９記載のＡＣ／ＤＣコンバータを用いて交流電力を直流電力に変換して給電を行う給電システムであって、
前記監視手段によって前記絶縁スイッチング素子の短絡故障が検出された場合に、給電システムの異常をユーザに知らせるエラーの報知又は給電停止を行う異常処理手段を備えていることを特徴とする給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁回路装置、それを備えたＡＣ／ＤＣコンバータ及び給電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＥＶ（Electric Ｖehicle）やプラグイン方式のＨＶ（Hybrid Ｖehicle）では、一般家庭の電力を用いて駆動用の主電池を充電する。
一方、このようなＥＶ等の主電池への充電を目的とするものではないが、交流電力を直流電力に変換するスイッチング電源装置の提案がなされている（特許文献１〜３）。このスイッチング電源装置は、交流を全波整流する整流回路と、電源側と負荷側を絶縁するための絶縁回路と、を含んでいる。
【０００３】
前記絶縁回路は、全波整流された電力を充電するコンデンサを備え、このコンデンサの前段に一対の前段スイッチング素子が配置され、また後段に一対の後段スイッチング素子が配置されている。
一対の前段スイッチング素子と一対の後段スイッチング素子とを交互にオン／オフすることで、コンデンサは電力の充電と放電とを交互に繰り返すことができる。つまり、前段スイッチング素子をオン・後段スイッチング素子をオフの状態では、全波整流された電力がコンデンサに充電され、前段スイッチング素子をオフ・後段スイッチング素子をオンの状態では、コンデンサに充電された電力が後段へ放電される。
【０００４】
上記のようなバッチ式継電方法によれば、絶縁回路の入力側と出力側との間の絶縁が確保される。つまり、前段スイッチング素子と後段スイッチング素子のいずれかが常にオフ状態となるため、絶縁回路の入力側と出力側とは電気的に切り離された状態となるからである。
【０００５】
また、特許文献４には、ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、上記バッチ式継電方式によって、電源側と負荷側の絶縁を図ったものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−７９４２５号公報
【特許文献２】特開２００８−７９４２６号公報
【特許文献３】特開２００８−７９４２７号公報
【特許文献４】特開２００４−２２２３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、バッチ式継電方式による絶縁回路では、入力側と出力側との間の絶縁は、スイッチング素子がオフになることで実現される。
このため、絶縁を担うスイッチング素子が一つでも故障して短絡してしまった場合、絶縁が維持できなくなる。
しかし、特許文献１〜４には、絶縁を担うスイッチング素子が故障して短絡し、絶縁が確保できなくなった場合への対処は開示されていない。
【０００８】
そこで、本発明は、絶縁を担う絶縁スイッチング素子が故障して短絡し、絶縁が確保できなくなった場合に、それを検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）入力側と出力側とを絶縁しつつ前記入力側から前記出力側へ電力を供給する絶縁回路装置であって、入力電力が充電されるコンデンサと、前記コンデンサよりも前記入力側において、前記コンデンサの高圧側端及び低圧側端それぞれに接続された対の第１絶縁スイッチング素子と、前記コンデンサよりも前記出力側において、前記コンデンサの高圧側端及び低圧側端それぞれに接続された対の第２絶縁スイッチング素子と、前記対の第１絶縁スイッチング素子と前記対の第２絶縁スイッチング素子とをオン／オフすることで、前記入力側と前記出力側とを絶縁しつつ前記入力側から前記出力側へ電力を供給する制御を行うスイッチング制御手段と、前記対の第１絶縁スイッチング素子及び前記対の第２絶縁スイッチング素子のうちの少なくともいずれか一つの絶縁スイッチング素子の短絡故障を監視する監視手段と、を備えていることを特徴とする絶縁回路装置である。
【００１０】
上記本発明によれば、絶縁スイッチング素子の短絡故障を監視する監視手段を備えているため、絶縁スイッチング素子が故障して短絡し、絶縁が確保できなくなった場合に、それを検出することができる。
【００１１】
（２）前記監視手段は、前記対の第１絶縁スイッチング素子及び前記対の第２絶縁スイッチング素子のうちの少なくともいずれか一つの絶縁スイッチング素子の素子両端における電位差を測定し、前記絶縁スイッチング素子の前記電位差に基づいて、前記絶縁スイッチング素子の短絡故障を検出するよう構成されているのが好ましい。この場合、絶縁スイッチング素子の電位差に基づいて、短絡故障を検出することができる。
【００１２】
（３）前記監視手段は、前記絶縁スイッチング素子の素子両端それぞれの電圧を分圧する分圧回路部を備え、分圧された前記絶縁スイッチング素子の素子両端それぞれの電圧の差に基づいて、前記絶縁スイッチング素子の短絡故障を検出することができる。絶縁スイッチング素子の電圧が高い場合であっても、分圧することで、検出するのに適当な電圧まで下げることができ、検出が容易となる。
【００１３】
（４）前記監視手段は、前記絶縁スイッチング素子における素子両端の前記電位差分の電圧で充電される検出用コンデンサを備え、当該検出用コンデンサの電圧に基づいて、前記絶縁スイッチング素子の短絡故障を検出することができる。この場合、絶縁スイッチング素子の素子両端それぞれの電圧が高い場合であっても、素子両端の電位差はさほど大きくないため、検出用コンデンサを、絶縁スイッチング素子における素子両端の電位差分の電圧により充電しておくことで、検出用コンデンサの電圧に基づいて、前記絶縁スイッチング素子の短絡故障を容易に検出することができる。
【００１４】
（５）前記スイッチング制御手段は、前記絶縁スイッチング素子の短絡故障を監視する際には、前記対の第１絶縁スイッチング素子と前記対の第２絶縁スイッチング素子とを交互にオン／オフするスイッチングの周波数を低くするのが好ましい。スイッチング周波数を低くすると、前記対の第１絶縁スイッチング素子と前記対の第２絶縁スイッチング素子との間にある前記コンデンサの充電又は放電がより長い間行われることになる。この結果、絶縁スイッチング素子の前記コンデンサ側端の電位が大きく変動し易くなり、絶縁スイッチング素子の素子両端における電位差を大きくすることができる。このため、短絡故障の検出がより確実に行える。
【００１５】
（６）前記スイッチング制御手段は、前記各絶縁スイッチング素子の短絡故障を監視するモードでは、通常モードとの対比において、前記対の第１絶縁スイッチング素子と前記対の第２絶縁スイッチング素子とを共にオフにするときのオフ時間を延長するようにしてもよい。この場合、延長されたオフ時間に故障監視を実行することができ、オン時間を延長する必要は無い。すなわち、オン時間を延長しない分だけ、無駄な時間を節約し、故障監視のために電力が供給される時間を、最小限に抑制することができる。
【００１６】
（７）前記（６）に関して、前記監視手段は、前記絶縁スイッチング素子における素子両端の前記電位差分の電圧で充電される検出用コンデンサを備え、当該検出用コンデンサの電圧に基づいて、前記絶縁スイッチング素子の短絡故障を検出するものであり、前記スイッチング制御手段が延長するオフ時間は、前記検出用コンデンサの充電開始から終了までに要する時間、であってもよい。この場合、オフ時間の延長を、検出用コンデンサの充電開始から終了までに要する時間に抑制することができる。すなわち、その後、検出用コンデンサの電圧を読み取るステップについては、延長されたオフ時間に行う必要が無いからである。
【００１７】
（８）また、前記（６）に関して、前記監視手段は、短絡故障を監視するモードの際、前記対の第１絶縁スイッチング素子及び対の第２絶縁スイッチング素子のうち一方の監視が完了した後に、他方の監視を実行することが好ましい。この場合、一方の絶縁スイッチング素子の故障監視が確実に終わってから他方のスイッチング素子の故障監視を開始することができる。
【００１８】
（９）他の観点からみた本発明は、ＡＣ電力を整流して直流電力を出力する整流部を備え、整流された前記直流電力が絶縁回路装置を介して出力されるＡＣ／ＤＣコンバータであって、前記絶縁回路装置として、前記（１）に記載の絶縁回路装置を用いたことを特徴とするＡＣ／ＤＣコンバータである。
【００１９】
（１０）さらに他の観点からみた本発明は、前記ＡＣ／ＤＣコンバータを用いて交流電力を直流電力に変換して給電を行う給電システムであって、前記監視手段によって前記絶縁スイッチング素子の短絡故障が検出された場合に、給電システムの異常をユーザに知らせるエラーの報知又は給電停止を行う異常処理手段を備えていることを特徴とする給電システムである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、絶縁スイッチング素子において短絡故障が発生してもそれを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】車両に搭載された給電システムの回路図である。
【図２】ＡＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
【図３】正常時における絶縁スイッチング素子の素子電位差を示す図である。
【図４】故障時における絶縁スイッチング素子の素子電位差を示す図である。
【図５】測定回路の回路図である。
【図６】測定回路から監視部に与えられる信号波形を示す波形図である。
【図７】スイッチング周波数を変化させた場合において、絶縁スイッチング素子の端子両端の電位差の変動の仕方を示す図である。
【図８】測定回路の変形例を示す回路図である。
【図９】通常モードにおける、前段の第１絶縁スイッチング素子（前段ＳＷ）と、後段の第２絶縁スイッチング素子（後段ＳＷ）との、オン／オフのタイムチャートである。
【図１０】故障監視モードにおける、前段の第１絶縁スイッチング素子（前段ＳＷ）と、後段の第２絶縁スイッチング素子（後段ＳＷ）と、選択部と、スイッチと、監視部によるＡ／Ｄ変換とのオン／オフのタイミングを示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
《給電システム》
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
図１は、ＥＶやＨＶなどの車両用の給電システムを示している。この給電システムは、家庭用電源などの商用電源（交流電源）Ｐの電力を、車両Ｖに搭載されたバッテリ（メインバッテリ）Ｂに供給して、当該バッテリＢを充電させるためのものである。
【００２３】
給電システムは、交流電源Ｐの交流電力を直流電力に変換するためのＡＣ／ＤＣコンバータ１を有し、交流電源Ｐから供給される交流電力を直流電力に変換した上で、車両Ｖに搭載されたバッテリＢを充電するよう構成されている。この給電システムは、交流電源Ｐのコンセントに接続されるプラグ付きケーブル（図示省略）を介して、交流電源Ｐに接続される。
【００２４】
なお、本給電システムでは、交流電源ＰとＡＣ／ＤＣコンバータ１との間（のケーブル）、及びＡＣ／ＤＣコンバータ１とバッテリＢとの間のそれぞれのラインに、リレー素子２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂが設けられており、異常時には、これらのリレー２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂを遮断して、バッテリＢへの給電を停止することが可能な構成となっている。
【００２５】
また、車両Ｖには、バッテリＢから供給される電力によって駆動されるモータなどの負荷が設けられている。負荷側の回路の詳細は、省略するが、図１に示すように、負荷側の回路においては、バッテリＢの高圧側及び低圧側の双方に対して、比較的高い抵抗値（数ＭΩ）を持つ抵抗Ｒａ，Ｒｂを介して、車両Ｖの車体（シャーシ）に接地されている。つまり、バッテリＢの低圧側は、車両Ｖの車体ＧＮＤとは電位が異なっており、バッテリＢ及びバッテリＢに接続されたＡＣ／ＤＣコンバータは、車体ＧＮＤに対して、電気的に浮いた状態となっている。
【００２６】
《ＡＣ／ＤＣコンバータ》
図２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１の回路構成を示している。なお、図２では、説明の簡易化のため、ＡＣ／ＤＣコンバータ１の入力側には交流電源Ｐのみ示し、出力側にはバッテリＢのみ示した。
このＡＣ／ＤＣコンバータ１は、整流部１０、昇圧部（力率改善回路）２０、絶縁回路（バッチ式継電部）３０、制御部４０を備えている。
【００２７】
前記整流部１０は、４つのダイオード１１，１２，１３，１４を有しており、全波整流回路として構成されている。この整流部１０によって、交流電源Ｐの交流電力が脈流の直流電力へ整流される。
【００２８】
前記昇圧部（昇圧コンバータ）２０は、昇圧部２０の入力側電圧Ｖ−１よりも高い出力電圧Ｖ−２を出力するためのものであり、インダクタ２１と、出力側に向く方向を順方向とするダイオード２２と、昇圧部スイッチング素子２３と、を有している。
【００２９】
この昇圧部スイッチング素子２３のゲートには、制御部４０から、交流電源Ｐの周波数に対して十分に大きい数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚのスイッチング信号が与えられ、昇圧部スイッチング素子２３がインダクタ２１を流れる電流のチョッピングを行って、昇圧が行われる。昇圧部２０によって昇圧された電圧は、昇圧用コンデンサ（第１コンデンサ）５１に蓄えられる。
昇圧部２０が設けられていることで、交流電源Ｐの電圧（１００Ｖ又は２００Ｖ程度）よりもバッテリＢの定格電圧（例えば、３３０Ｖ程度）が大きい場合であっても、効率よく充電することが可能となる。
【００３０】
前記絶縁回路（バッチ式継電部）３０は、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力側と出力側との間を絶縁して、バッテリＢへ給電しつつも、交流電源ＰとバッテリＢとの間の絶縁を維持させるためのものである。
【００３１】
この絶縁回路３０は、絶縁回路３０に入力された電力が充電される中央コンデンサ（第２コンデンサ）５２を備えている。このコンデンサ５２と昇圧用コンデンサ５１との間には、両コンデンサ５１，５２の高圧側端及び低圧側端それぞれに接続された対の第１絶縁スイッチング素子３１，３３が設けられている。また、中央コンデンサ５２の出力側には、中央コンデンサ５２の高圧側端及び低圧側端それぞれに接続された対の第２絶縁スイッチング素子３２，３４が設けられている。
【００３２】
これらの絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４は、ＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴなどのスイッチング素子に逆阻止用ダイオードを接続して構成されている。なお、絶縁スイッチング素子としては、逆阻止能力を有する逆阻止用ＩＧＢＴ等を用いて構成してもよい。
さらに、対の第２絶縁スイッチング素子３２，３４よりも出力側には、メインバッテリへの充電の電圧等を平滑化するために、平滑コンデンサ（第３コンデンサ）５３が設けられている。
【００３３】
バッチ式継電部である絶縁回路３０は、対の第１絶縁スイッチング素子３１，３３がオンであり、かつ、対の第２絶縁スイッチング素子３２，３４がオフのときに、昇圧部２０（昇圧用コンデンサ５１）から絶縁回路３０に入力された電力を、中央コンデンサ５２に充電する。
中央コンデンサ５２への充電時には、対の第２絶縁スイッチング素子３２，３４がオフであるため、中央コンデンサ５２と絶縁回路３０出力側との間が絶縁された状態となる。
【００３４】
一方、対の第１絶縁スイッチング素子３１，３３がオフであり、かつ、対の第２絶縁スイッチング素子３２，３４がオンのときに、中央コンデンサ５２に充電された電荷は、バッテリＢを充電するため、放電される。中央コンデンサ５２の放電時には、対の第１絶縁スイッチング素子３１，３３がオフであるため、絶縁回路３０入力側と中央コンデンサ５２との間が絶縁された状態となる。
【００３５】
対の第１絶縁スイッチング素子３１，３３及び対の第２絶縁スイッチング素子３２，３４のオン／オフ切替は交互に繰り返し行われるため、中央コンデンサ５２への充電及び放電は交互に繰り返し行われる。なお、絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４のオン／オフのスイッチング周波数は、通常、１００ｋＨｚである。
【００３６】
この絶縁回路３０では、中央コンデンサ５２への充電及び放電が交互に繰り返し行われるため、絶縁回路３０の入力側から出力側へ電力を供給可能である。したがって、交流電源Ｐから電力が供給されると、継続的にバッテリＢへの充電を行うことができる。しかも、絶縁回路３０では、対の第１絶縁スイッチング素子３１，３３及び対の第２絶縁スイッチング素子３２，３４のいずれか一方が、オフ状態となるため、絶縁回路３０の入力側と出力側との間の絶縁が、常時、確保される。この結果、交流電源ＰとバッテリＢとの間の絶縁が確保される。
【００３７】
このような絶縁確保に、絶縁スイッチング素子ではなく、トランスを用いた場合、回路が大型化したり電力損失が増大したりするおそれがあるが、絶縁スイッチング素子を用いると、小型化や電力損失低減に有利である。
【００３８】
前記制御部４０は、ＡＣ／ＤＣコンバータの制御のほか、給電システム全体を制御するためのものであり、マイクロコンピュータ等によって構成されている。
制御部４０は、絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４に与えるオン／オフの制御信号を生成するスイッチング制御部（スイッチング制御手段）４１を備えている。図示は省略しているが、制御部４０は、各スイッチング素子３１，３２，３３，３４の制御電極（ゲート）に接続されており、スイッチング制御部４１によって、各絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４がオン／オフされる。
なお、スイッチング制御部４１は、前記スイッチング周波数を変更可能に構成されている。スイッチング周波数の変更については後述する。
【００３９】
さらに、制御部４０は、絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４の異常を監視する監視部４２と、絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４に異常が起こったときの処理を行う異常処理部４３と、を備えている。
【００４０】
絶縁回路３０における絶縁効果は、絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４が正常にオフすることを前提としているため、絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４が何らかの原因によって故障し、短絡してしまった場合には、絶縁回路３０における入力側と出力側との間の絶縁が保てなくなる。
【００４１】
《絶縁回路装置としての構成・動作》
図３（ａ）（ｂ）は、正常時（短絡故障していない時）における、高圧端側の第１絶縁スイッチング素子３１の素子両端の電位差Ｖ１を示している。なお、図３（ａ）では、図２に示すＡＤ／ＤＣコンバータ１のうち、主に絶縁回路３０のみ示し、他の構成は簡略化して示した。
【００４２】
図３（ｂ）に示すように、第１絶縁スイッチング素子３１（及び第１絶縁スイッチング素子３３）がオンのときは、素子抵抗が非常に小さくなるため、スイッチング素子３１の両端の電位差Ｖ１は比較的小さくなる。つまり、スイッチング素子３１がオンになると、第１コンデンサ５１から第２コンデンサ５２へ電流が流れて第２コンデンサ５２充電されていくにつれて電位差Ｖ１が小さくなる。そして、第２コンデンサ５２の充電が完了すると、電位差Ｖ１が小さい状態で安定する。
【００４３】
また、第１絶縁スイッチング素子３１（及び第１絶縁スイッチング素子３３）がオフのときは、第１コンデンサ５１が充電されるとともに、第２絶縁スイッチング素子３２，３４がオンになっているため第２コンデンサ５２の放電が生じることから、スイッチング素子３１の両端の電位差Ｖ１は徐々に大きくなっている。
このように、スイッチング素子３１が正常のときは、素子３１のオン／オフに伴って、素子３１の抵抗が変化するため、素子両端の電位差Ｖ１が変動する。
【００４４】
一方、図４（ａ）に示すように、第１絶縁スイッチング素子３１が故障して、短絡すると、図４（ｂ）に示すように、素子３１がオンのときもオフのときも、素子両端の電位差Ｖ１は、ほぼ一定となる。
本実施形態のような車両用の給電システムでは、絶縁回路３０の故障によってＡＣ／ＤＣコンバータの絶縁が維持できなくなると、図１に示すように交流電源Ｐ側から、負荷側へ短絡電流が流れるおそれがある。
【００４５】
本実施形態では、上記のように、正常時と短絡故障時とで、絶縁スイッチング素子の両端の電位差の状態が異なることを利用して、短絡故障の監視を行う。
短絡故障の監視は、図５に示すように、測定回路４４と、制御部４０の監視部４２とによって行われる。
【００４６】
《監視手段の構成・動作：第１例》
測定回路４４は、図５に示すように、４つのスイッチング素子３１，３２，３３，３４の素子端に相当する６箇所にそれぞれ接続された分圧回路部４４ａを備えている。素子端の電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄ，Ｖｅ，Ｖｆは、後述の差動増幅器４４ｂに直接入力するには、電圧が高すぎるため、それぞれの分圧回路部４４ａによって、各位置の電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄ，Ｖｅ，Ｖｆを分圧し、差動増幅器４４ｂに入力するのに適した電圧Ｖａ’，Ｖｂ’，Ｖｃ’，Ｖｄ’，Ｖｅ’，Ｖｆ’にまで下げる。なお、複数の分圧回路部４４ａそれぞれにおける分圧抵抗比は、同一となっている。
【００４７】
分圧された電圧Ｖａ’，Ｖｂ’が入力される差動増幅器４４ｂは、高圧側の第１絶縁スイッチング素子３１の両端電圧Ｖ1に対応する電圧Ｖ1’を出力する。また、分圧された電圧Ｖｂ’，Ｖｃ’ が入力される差動増幅器４４ｂは、高圧側の第２絶縁スイッチング素子３２の両端電圧Ｖ２に対応する電圧Ｖ２’を出力する。分圧された電圧Ｖｄ’，Ｖｅ’が入力される差動増幅器４４ｂは、低圧側の第１絶縁スイッチング素子３３の両端電圧Ｖ３に対応する電圧Ｖ３’を出力する。分圧された電圧Ｖｅ’，Ｖｆ’ が入力される差動増幅器４４ｂは、低圧側の第２絶縁スイッチング素子３４の両端電圧Ｖ４に対応する電圧Ｖ４’を出力する。
【００４８】
各差動増幅器４４ｂの出力は、それぞれ、アナログスイッチ４４ｃを介して、監視部４２に与えられる。なお、アナログスイッチ４４ｃの後段には、コンデンサ４４ｄがそれぞれ接続されている。
【００４９】
図６に示すように、アナログスイッチ４４ｃへの制御信号（スイッチのオン／オフ信号）は、絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４がオン及びオフである状態それぞれにおいて、所定の期間、アナログスイッチ４４ｃをオンにするものである。アナログスイッチ４４ｃがオンであるときには、絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４の両端の電位差に対応した電圧Ｖ１’，Ｖ２’，Ｖ３’，Ｖ４’が、コンデンサ４４ｄにチャージされ、コンデンサ４４ｄにチャージされた電圧が監視部４２に与えられる。また、アナログスイッチ４４ｃがオフであるときには、コンデンサ４４ｄにチャージされた電圧が保持される。
【００５０】
なお、アナログスイッチ４４ｃをオンするタイミングは、図６に示すように、絶縁スイッチング素子がオン状態のときにあっては、第２コンデンサ５２への充電が完了するなどして、素子両端の電位差が低い状態で安定したときにするのが好ましく、絶縁スイッチング素子がオフ状態のときにあっては、素子両端の電位差が十分に高くなったときとするのが好ましい。
【００５１】
監視部４２は、アナログスイッチ４４ｃを介して入力された絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４の両端の電位差に対応した電圧Ｖ１’，Ｖ２’，Ｖ３’，Ｖ４’それぞれについて、絶縁スイッチング素子がオン状態のときの電圧と、オフ状態のときの電圧との差を求めたり、絶縁スイッチング素子がオフ状態のときの電圧がしきい値Ｔｈよりも高いか否かを判定したりするなどして、絶縁スイッチング素子がオフ状態のときに正常に電圧が上昇しているか否かを判定する。
【００５２】
仮に、絶縁スイッチング素子が短絡故障すると、絶縁スイッチング素子がオン状態のときの電圧と、オフ状態のときの電圧との差がほとんど無くなったり、絶縁スイッチング素子がオフ状態のときの電圧がしきい値Ｔｈよりも低くなったりするため、監視部４２は、絶縁スイッチング素子が短絡故障したことを検出することができる。
このように、本実施形態の測定回路４４及び監視部４２は、絶縁スイッチング素子故障の監視手段を構成している。また、この監視手段やスイッチング制御部４１は、絶縁回路３０とともに、本発明の絶縁回路装置を構成している。
【００５３】
監視部４２が複数の絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４のうちの少なくとも一つの短絡故障を検出した場合、異常処理部４３は、所定の異常処理を行う。
異常処理としては、リレー２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂに対して、リレー断とする指令信号を出力し、交流電源ＰからバッテリＢへの給電を強制的に停止させる給電停止処理、及び／又は、表示画面装置・表示ランプ・音声出力装置などの適宜の報知手段によって給電システムの異常をユーザに知らせるエラー報知処理を行うことができる。
なお、給電停止のためのリレーは、前記リレー３ａ，３ｂ，３ａ，３ｂに加えて又は代えて、ＡＣ／ＤＣコンバータ内に設けても良い。
【００５４】
ここで、絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４の短絡故障が生じても、バッテリＢへの充電自体が阻害されるわけではないので、エラー報知処理行いつつ、バッテリＢへの給電を継続してもよい。なお、エラー報知の際には、給電システムを修理すべき旨をユーザに報知するのが好ましい。
【００５５】
また、本実施形態では、複数の絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４それぞれの短絡故障を個別に検出可能であるため、故障した絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４の数に応じて、異常処理の内容を異ならせても良い。例えば、第１絶縁スイッチング素子３１，３３及び第２絶縁スイッチング素子３２，３４のうち、いずれか一方側だけが故障したのであれば、エラー報知処理だけを行い、第１及び第２絶縁スイッチング素子の双方が故障した場合には、エラー報知処理とともに給電停止処理を行うことができる。
【００５６】
前記監視部４２は、絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４の監視を常時行っても良いが、本実施形態の監視部４２は、給電の間、常に監視を行うのではなく、給電開始時及びその他給電中の必要なときに故障監視モードとなって、絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４の監視を行う。
【００５７】
故障監視モードになると、スイッチング制御部４１は、故障監視モード以外の通常モードのときよりも、スイッチング周波数を低くする。故障監視モードにおいて、スイッチング周波数を低くすると、絶縁スイッチング素子がオフとなっている時間が長くなり、絶縁スイッチング素子の両端電位差が大きくなる。この結果、故障の監視が容易となる。
【００５８】
ここで、スイッチング周波数は、コンデンサ５２の容量を小さくするという観点からは、高く設定されているのが好ましい。かかる観点から、図７（ａ）に示すように、通常モードにおけるスイッチング周波数を例えば１００ｋＨｚとすると、絶縁スイッチング素子のオフ時間は５μｓｅｃとなる（オフ時間とオン時間が等しい場合）。
【００５９】
この５μｓｅｃという比較的短い時間では、素子両端間の電位差が大きくなるための十分な時間とならず、絶縁スイッチング素子のオフ状態の素子両端間電圧差が小さいために、故障精度が低下するおそれがある。また、比較的安価なマイクロコンピュータで監視部４２を構成した場合、監視対象の信号が高速であると、監視部４２が処理しきれずに、やはり監視制度が低下するおそれがある。
【００６０】
そこで、本実施形態では、通常モードでは、スイッチング周波数を比較的高く維持しつつも、監視部４２が故障監視モードになると、スイッチング制御部４１は、スイッチング周波数を、例えば、１／２の５０ｋＨｚに低下させて、絶縁スイッチング素子のオフ時間を長くする。この場合、絶縁スイッチング素子のオフ時間は１０μｓｅｃとなって、長くなり、素子両端間の電位差を大きくすることができる。しかも、監視対象の信号が低速化するため、監視部４２を比較的安価なマイクロコンピュータで構成することも可能となる。
【００６１】
《監視手段の構成・動作：第２例》
図８は、監視手段を構成する測定回路４４の他の例を示している。図８の測定回路４４では、各絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４における素子両端の電位差分の電圧で充電される検出用コンデンサ４４ｅが設けられている。
【００６２】
絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４の各端における電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄ，Ｖｅ，Ｖｆが比較的大きくても、素子両端の電位差はさほど大きくなく、監視部４２に入力可能な程度の大きさである。
そこで、図８の測定回路４４では、検出用コンデンサ４ｅを、各絶縁スイッチング素子３１，３２，３３，３４における素子両端の電位差分の電圧で充電することで、図５に示す測定回路４４における分圧回路部４４ａを省略している。
【００６３】
また、図８の測定回路４４では、検出用コンデンサ４４ｅの前段側に、フォトカプラを用いることで絶縁を確保した選択部４４ｆ，４４ｆが設けられている。一方の選択部４４ｆには、高圧側のＶａ，Ｖｂ，Ｖｃの３つの電圧が入力され、他方の選択部４４ｆには、低圧側のＶｄ，Ｖｅ，Ｖｆの３つの電圧が入力される。
【００６４】
高圧側の第１絶縁スイッチング素子３１の両端の電位差Ｖａ−Ｖｂによって、検出用コンデンサ４４ｅを充電させる場合、一方の選択部４４ｆは、電圧Ｖａが検出用コンデンサ４４ｅの高圧側に、電圧Ｖｂが検出用コンデンサ４４ｅの低圧側に生じるように、選択部４４ｆの内部スイッチの切替を行う。具体的には、図８において、一方の選択部４４ｆの１段目及び３段目の内部スイッチをオンとし、他の内部スイッチをオフとする。
検出用コンデンサ４４ｅに蓄積された電圧は、スイッチ４４ｇを介して、監視部４２に与えられる。スイッチ４４ｇは、検出用コンデンサ４４ｅへの充電中は、オフとなって、検出用コンデンサ４４ｅと監視部４２とを切り離しているが、検出用コンデンサ４４ｅへの充電が終了して、絶縁回路３０と検出用コンデンサ４４ｅとが選択部４４ｆによって切り離されると、スイッチ４４ｇはオンとなって、検出用コンデンサ４４ｅにおける電圧を、監視部４２へ与える。
【００６５】
また、高圧側の第２絶縁スイッチング素子３２の両端の電位差Ｖｂ−Ｖｃによって、検出用コンデンサ４４ｅを充電させる場合、一方の選択部４４ｆは、電圧Ｖｂが検出用コンデンサ４４ｅの高圧側に、電圧Ｖｃが検出用コンデンサ４４ｅの低圧側に生じるように、選択部４４ｆの内部スイッチの切替を行う。具体的には、図８において、一方の選択部４４ｆの２段目及び４段目の内部スイッチをオンとし、他の内部スイッチをオフとする。検出用コンデンサ４４ｅに蓄積された電圧は、上記と同様に、スイッチ４４ｇを介して、監視部４２に与えられる。
【００６６】
さらに、低圧側の第１絶縁スイッチング素子３３の両端の電位差Ｖｄ−Ｖｅによって、検出用コンデンサ４４ｅを充電させる場合、他方の選択部４４ｆは、電圧Ｖｄが検出用コンデンサ４４ｅの高圧側に、電圧Ｖｅが検出用コンデンサ４４ｅの低圧側に生じるように、選択部４４ｆの内部スイッチの切替を行い、低圧側の第２絶縁スイッチング素子３３の両端の電位差Ｖｅ−Ｖｆによって、検出用コンデンサ４４ｅを充電させる場合、一方の選択部４４ｆは、電圧Ｖｅが検出用コンデンサ４４ｅの高圧側に、電圧Ｖｆが検出用コンデンサ４４ｅの低圧側に生じるように、選択部４４ｆの内部スイッチの切替を行う。
これらの場合も、検出用コンデンサ４４ｅに蓄積された電圧は、上記と同様に、スイッチ４４ｇを介して、監視部４２に与えられる。
【００６７】
ここで、前記選択部４４ｆは、フォトカプラを介して、各電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄ，Ｖｅ，Ｖｆを、検出用コンデンサ４４ｅ側へ与える。フォトカプラが介在していることで、検出用コンデンサ４４ｅに蓄電が行えるようにしても、絶縁回路３０と検出用コンデンサ４４ｅとの間の絶縁が確保される。
【００６８】
なお、上記のような選択部４４ｆ及びスイッチ４４ｇの制御は、監視部４２から与えられる指令信号に従って行われる。
選択部４４ｆ及びスイッチ４４ｇの制御すなわち故障監視を行う際には、第１例と同様に、スイッチング周波数を低くすることにより、故障の監視を容易なものとすることができる。但し、このスイッチング周波数を低くする、という考え方とは異なる制御手法で故障監視を行おうとするのが、以下の第３例である。
【００６９】
《監視手段の構成・動作：第３例》
第３例としての監視手段の回路構成は、例えば第２例の図８と同一である。前述のように、絶縁スイッチング素子３１〜３４の故障が発生した場合は、図４（ｂ）に示すように、オフの際の両端電位差に変動が無くなるため、電圧変動の有無を測定することで、故障を検知することができる。
【００７０】
図９は、通常モードにおける、前段の第１絶縁スイッチング素子３１，３３（前段ＳＷと表記）と、後段の第２絶縁スイッチング素子３２，３４（後段ＳＷと表記）との、オン／オフのタイムチャートである。この図は、ここまでは省略したデッドタイムも表記したものである。デッドタイムとは、前段の第１絶縁スイッチング素子３１，３３及び後段の第２絶縁スイッチング素子３２，３４が共にオフである時間である。ここで、数値例を挙げると、１周期は１０μ秒、オン時間４．２μ秒、デッドタイムは１周期内に２回有り、各０．８μ秒である。デッドタイムを含めたオフ時間は、５．８（＝４．２＋０．８×２）μ秒である。
【００７１】
例えば、前段の第１絶縁スイッチング素子３１，３３がオンからオフになった後に、当該素子のそれぞれの両端での電位差Ｖ１及びＶ３を測定するにあたって、測定開始できる状態となるまでを故障監視の第１ステップとすると、この第１ステップに、選択部４４ｆを構成するフォトカプラのターンオン時間（例えば０．３ｍ秒）、検出用コンデンサ４４ｅのチャージ時間（０．２ｍ秒、但し容量に依存する。）、及び、当該フォトカプラのターンオフ時間（例えば０．１ｍ秒）を要する。通常モードの１周期が前述の例えば１０μ秒であることを考慮すれば、第１ステップに要する時間は明らかに長い。
【００７２】
また監視部４２にて実際に電圧検知するには、故障監視の第２ステップとして、スイッチ４４ｇの制御や、監視部４２におけるＡ／Ｄ変換処理時間等の時間を要する。従って、電位差Ｖ１やＶ３を測定するには、上記第１ステップの時間と、第２ステップの時間とが必要である、ということになる。しかしながら、ここで、第１ステップの時間さえ経過すれば、第２ステップの時間を要する各動作は、第１絶縁スイッチング素子３１，３３及び第２絶縁スイッチング素子３２，３４を通常モードと同様にオン／オフ動作させながら、これと並行して行うことが可能である。
【００７３】
そこで、少なくとも第１ステップの時間を確保すべく、第１絶縁スイッチング素子３１，３３がターンオフした瞬間から、第２絶縁スイッチング素子３２，３４がターンオンを開始するまで、第１絶縁スイッチング素子３１，３３及び第２絶縁スイッチング素子３２，３４共にオフの時間を、通常モード時よりも長く設定する必要がある。
【００７４】
図１０は、故障監視モードにおける、前段の第１絶縁スイッチング素子３１，３３（以下、前段ＳＷという。）と、後段の第２絶縁スイッチング素子３２，３４（以下、後段ＳＷという。）と、選択部４４ｆと、スイッチ４４ｇと、監視部４２によるＡ／Ｄ変換とのオン／オフのタイミングを示すタイムチャートである。故障監視モードは、前半の前段ＳＷの故障監視と、後半の後段ＳＷの故障監視とに分けられる。
【００７５】
（前段ＳＷ／第１ステップ）
図において、まず、前段ＳＷは、通常モードと同じオン時間の後、時刻ｔ１にターンオフする。この時刻ｔ１以後の時刻ｔ２に、選択部４４ｆのフォトカプラを、オフからオンに動作させる（正確には動作開始させる。）。前段ＳＷは、通常モードには無い、長いオフ時間に入る。また、このとき、後段ＳＷもオフのままの状態が続く。選択部４４ｆは、時刻ｔ３でオフに転じる。選択部４４ｆがオンになっている時間（ｔ２〜ｔ３）に、検出用コンデンサ４４ｅはチャージされている。すなわち、検出用コンデンサ４４ｅに、前段ＳＷである第１絶縁スイッチング素子３１，３３の両端の電位差に基づく電荷が蓄積され、監視部４２による電圧検知が可能な状態となる。
【００７６】
（前段ＳＷ／第２ステップ）
ここで、絶縁回路３０では、一旦、前段ＳＷ及び後段ＳＷが交互にオン／オフ制御される状態に戻る。一方、時刻ｔ４からｔ５まで、スイッチ４４ｇがオンとなり、その間にコンデンサ４４ｄがチャージされる。次に、時刻ｔ６からｔ７までの間に、監視部４２はコンデンサ４４ｄにチャージされた電圧のＡ／Ｄ変換を実行する。そして、時刻ｔ７には、前段ＳＷである第１絶縁スイッチング素子３１，３３の両端の電位差に基づく電圧が、監視部４２にデジタル値で取り込まれる。
【００７７】
なお、上記のように、スイッチ４４ｇをオンにしてコンデンサ４４ｄをチャージし、さらに、Ａ／Ｄ変換を行う時間が必要であるため、前段ＳＷの故障監視に引き続いて直ちに後段ＳＷの故障監視を実行することは困難である。そこで、前段ＳＷの故障監視開始後、Ａ／Ｄ変換が終わるまでは、後段ＳＷの故障監視を開始せず、待機する。これにより、前段ＳＷの故障監視が確実に終わってから後段ＳＷの故障監視を開始することができる。
【００７８】
（後段ＳＷ／第１ステップ）
次に、後段ＳＷの故障監視について説明する。後段ＳＷは、例えば、通常モードと同じオン時間の後、時刻ｔ８にターンオフする。この時刻ｔ８以後の時刻ｔ９に、選択部４４ｆのフォトカプラを、オフからオンに動作させる（正確には動作開始させる。）。後段ＳＷは、通常モードには無い、長いオフ時間に入る。また、このとき、前段ＳＷもオフのままの状態が続く。選択部４４ｆは、時刻ｔ１０でオフに転じる。選択部４４ｆがオンになっている時間（ｔ９〜ｔ１０）に、検出用コンデンサ４４ｅはチャージされている。すなわち、検出用コンデンサ４４ｅに、後段ＳＷである第２絶縁スイッチング素子３２，３４の両端の電位差に基づく電荷が蓄積され、監視部４２による電圧検知が可能な状態となる。
【００７９】
（後段ＳＷ／第２ステップ）
ここで、絶縁回路３０では、一旦、前段ＳＷ及び後段ＳＷが交互にオン／オフ制御される状態に戻る。一方、時刻ｔ１１からｔ１２まで、スイッチ４４ｇがオンとなり、その間にコンデンサ４４ｄがチャージされる。次に、時刻ｔ１３からｔ１４までの間に、監視部４２はコンデンサ４４ｄにチャージされた電圧のＡ／Ｄ変換を実行する。そして、時刻ｔ１４には、後段ＳＷである第２絶縁スイッチング素子３２，３４の両端の電位差に基づく電圧が、監視部４２にデジタル値で取り込まれる。
【００８０】
以上のような、前段ＳＷ及び後段ＳＷの故障監視モードの動作において、選択部４４ｆのオンに対応して前段ＳＷ／後段ＳＷのオフ時間は通常モード時より延長され、長くなる。このとき延長に必要な最低限のオフ時間は、選択部４４ｆのオンによって検出用コンデンサ４４ｅに必要な電荷を蓄え、選択部４４ｆがオフに戻るまでの時間である。但し、上記の第２ステップは、通常モードと同様に前段ＳＷ及び後段ＳＷをオン／オフ制御しながら、同時進行で行われるので、オフ時間の延長を、概ね第１ステップ相当の時間に抑制することができる。
【００８１】
一方、前段ＳＷ又は後段ＳＷがオンのときは、故障監視を行わない。従って、オン時間を延長する必要はなく、前段ＳＷ及び後段ＳＷのオン時間は、モードに関わらず一定である。
【００８２】
このように、上記第３例では、前段ＳＷ及び後段ＳＷに関するオン時間は変更せず、オフ時間のみを延長することで故障監視を実行する。かかる制御によれば、故障監視にあたってスイッチング周波数を低くするよりも、オン時間を延長しない分だけ、無駄な時間を節約することができる。すなわち、オン時間には故障監視を行わないので、故障監視モードでオン時間を延長することには意義がなく、故障監視のために商用電源から電力供給される時間が長くなる一因である。そこで、上記第３例のように、オン時間は変更せず、オフ時間のみを延長することで故障監視のために商用電源から電力が供給される時間を、最小限に抑制することができる。その結果、バッテリＢ（図１）の充電時間を短縮することができる。
【００８３】
なお、故障監視の順序は、上記とは逆に、後段ＳＷを先に行って、続いて前段ＳＷについて行うようにしてもよい。
また、そもそも前段ＳＷと後段ＳＷについて故障監視を、時間をずらして順番に行うのは図８の回路構成において検出用コンデンサ４４ｅや、コンデンサ４４ｄが２個しかないことに基づいている。仮に４つの電圧を同時に処理できる構成（例えば図５）であれば、順番に行う必要は無い。但し、図８の構成は、その分、回路構成が簡素であるという利点がある。
【００８４】
《その他》
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００８５】
例えば、絶縁スイッチング素子の短絡故障の監視は、絶縁スイッチング素子の両端の電位差を測定する他、絶縁スイッチング素子に流れる電流を測定することで行っても良い。絶縁スイッチング素子が正常であれば、絶縁スイッチング素子がオフのときは、絶縁スイッチング素子に電流は流れないが、短絡故障すると絶縁スイッチング素子をオフとする制御信号が与えられても、絶縁スイッチング素子に電流が流れてしまうので、この電流を検出することで短絡故障を検出することが可能である。
【００８６】
なお、上記第３例のようにオフ時間のみを延長することで故障監視を実行する制御は、第１例の回路構成（図５）にも適用可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１：ＡＣ／ＤＣコンバータ、２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ：リレー、１０：整流回路、１１，１２，１３，１４：ダイオード、２０：昇圧部、２１：インダクタ、２２：ダイオード、２３：昇圧部スイッチング素子、３０：絶縁回路、３１，３３：第１絶縁スイッチング素子、３２，３４：第２絶縁スイッチング素子、４０：制御部、４１：スイッチング制御部、４２：監視部、４３：異常処理部、４４：測定回路、４４ａ：分圧抵抗部、４４ｂ：差動増幅器、４４ｃ：アナログスイッチ、４４ｄ：平滑コンデンサ、４４ｆ：選択部、４４ｅ：検出用コンデンサ、４４ｇ：スイッチ、Ｐ：交流電源、Ｂ：バッテリ
【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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【図１０】
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