(57)【要約】【課題】デンドライトによる内部短絡を抑制し、高容量化を図ったアルカリ電池を提供することにある。【解決手段】電池ケース１内に配設された中空筒状の正極２と、正極２の中空部内に充填された亜鉛粉末を含む負極３と、正極２と負極３との間に配されたセパレータ４とを備え、セパレータ４は、不織布からなる基材をｎ回巻回して筒状に成形されており、かつ、セパレータ４の巻き始め部位４ａと巻き終わり部位４ｂとがオーバーラップしない（ｎ−１）回の巻回数に相当する非オーバーラップ領域Ｃを有し、セパレータ４の非オーバーラップ領域Ｃは、正極２の中空部内面２ａに接していない。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池ケース内に配設された中空筒状の正極と、
前記正極の中空部内に充填された亜鉛粉末を含む負極と、
前記正極と前記負極との間に配されたセパレータと
を備えたアルカリ電池であって、
前記セパレータは、不織布からなる基材をｎ回巻回して筒状に成形されており、かつ、前記セパレータの巻き始め部位と巻き終わり部位とがオーバーラップしない（ｎ−１）回の巻回数に相当する非オーバーラップ領域を有し、
前記セパレータの非オーバーラップ領域は、前記正極の中空部内面に接していない、アルカリ電池。
【請求項２】
前記非オーバーラップ領域の周方向の長さは、０．５〜２．１ｍｍの範囲にある、請求項１に記載のアルカリ電池。
【請求項３】
前記セパレータは、セルロース繊維を主材料とした不織布からなる、請求項１に記載のアルカリ電池。
【請求項４】
前記セパレータの坪量は、２０〜５０ｇ／ｍ２の範囲にある、請求項１に記載のアルカリ電池。
【請求項５】
前記セパレータの巻回数は、２回（ｎ＝２）である、請求項１に記載のアルカリ電池。
【請求項６】
前記アルカリ電池は、円筒形アルカリ電池である、請求項１に記載のアルカリ電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高容量化を図ったアルカリ電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なアルカリ電池は、正極と負極との間にセパレータを介在させて、正極と負極との内部短絡の防止を図っている。
【０００３】
従来、負極活物質に亜鉛粉末を含むアルカリ電池において、特定の放電条件で使用した場合、負極に酸化亜鉛の針状結晶が生成し、この結晶がセパレータを突き破って、いわゆるデンドライトに起因した内部短絡が生じることがある。
【０００４】
デンドライトに起因した内部短絡を防止する技術は、種々提案されているが、セパレータについても、デンドライト耐久性を高めた種々の材料等が提案されている（特許文献１、２等を参照）。
【０００５】
ところで、セパレータは、セパレータの基材を巻回して筒状に成形したものを、正極と負極との間に配されるが、アルカリ電池の高容量化を図るために、セパレータの薄膜化が要求されている。しかし、デンドライト耐久性の高いセパレータを採用して薄膜化を図った場合、セパレータの巻き始めと巻き終わりでズレが生じると、巻き数の足らない領域が発生する。かかる領域では、正極と負極との距離が短くなるため、セパレータのデンドライト耐久性が不充分となり、内部短絡が発生するおそれがある。
【０００６】
従来、このようなセパレータの巻き始めと巻き終わりとのズレを考慮して、通常は、セパレータの基材を巻回して筒状に成形する際に、巻き始め部位と巻き終わり部位とをオーバーラップさせた領域を設けておくことが行われている（特許文献３、４等を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２６９７９５号公報
【特許文献２】特開２００５−１８３０６０号公報
【特許文献３】特開２００３−１５７８５９号公報
【特許文献４】特開平７−１５３４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図７は、正極と負極との間に配されたセパレータの一部を示した部分断面図である。図７に示すように、筒状に巻回されたセパレータ１０４において、巻き始め部位１０４ａと巻き終わり部位１０４ｂとがオーバーラップしている領域Ａが設けられている。セパレータ１０４の外周面は、正極１０２の中空部内面１０２ａに内接しており、セパレータ１０４の内周側には、ゲル状負極１０３が充填されている。
【０００９】
図７に示すように、セパレータ１０４の一部に設けられたオーバーラップ領域Ａは、電池ケース内で余分な占有領域となるため、その分、ゲル状負極の充填体積の減少が余儀なくされる。
【００１０】
また、筒状に巻回されたセパレータは、電池ケース内に中空筒状の正極１０２を配設した後、正極１０２の中空部に挿入されるが、その際、オーバーラップ領域Ａが、他の領域よりも厚くなっているため、セパレータ１０４の巻き終わり部位１０４ｂの端部が正極１０２の中空部内面１０２ａを削ってしまうおそれがある。
【００１１】
図８は、正極１０２及びゲル状負極１０３をセパレータ１０４を介して電池ケース１０１内に収容して形成したアルカリ電池の断面を撮影したＸ線写真である。図８に示すように、領域Ｂにおいて、正極１０２の中空部内面に、セパレータ１０４の巻き終わり部位１０４ｂの端部によって削られた箇所が観察される。
【００１２】
このように、筒状に巻回されたセパレータの一部にオーバーラップ領域が設けられていると、ゲル状負極１０３または／および正極１０２の体積が減少するため、アルカリ電池の高容量化が充分に図れないという問題がある。
【００１３】
本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、デンドライトによる内部短絡を抑制し、高容量化を図ったアルカリ電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明は、セパレータで正極及び負極を分離したアルカリ電池において、筒状に巻回されたセパレータに非オーバーラップ領域を設けた構成を採用する。
【００１５】
すなわち、本発明の一側面におけるアルカリ電池は、電池ケース内に配設された中空筒状の正極と、正極の中空部内に充填された亜鉛粉末を含む負極と、正極と負極との間に配されたセパレータとを備え、セパレータは、不織布からなる基材をｎ回巻回して筒状に成形されており、かつ、セパレータの巻き始め部位と巻き終わり部位とがオーバーラップしない（ｎ−１）回の巻回数に相当する非オーバーラップ領域を有し、セパレータの非オーバーラップ領域は、正極の中空部内面に接していないことを特徴とする。
【００１６】
ある好適な実施形態において、非オーバーラップ領域の周方向の長さは、０．５〜２．１ｍｍの範囲にある。
【００１７】
ある好適な実施形態において、セパレータは、セルロース繊維を主材料とした不織布からなる。また、セパレータの坪量は、２０〜５０ｇ／ｍ２の範囲にあることが好ましい。また、セパレータの巻回数は、２回（ｎ＝２）であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、デンドライトによる内部短絡を抑制しつつ、高容量化を図ったアルカリ電池を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態におけるアルカリ電池の構成を示した半断面図である。
【図２】図２（ａ）は、未使用のセパレータの表面を観察したＳＥＭ写真、図２（ｂ）は、デンドライトが発生した箇所のセパレータの表面を観察したＳＥＭ写真、図２（ｃ）は、デンドライトを拡大して観察したＳＥＭ写真である。
【図３】本実施形態における正極と負極との間に配されたセパレータの一部を示した部分断面図である。
【図４】本実施形態における正極及び負極をセパレータを介して電池ケース内に収容して形成したアルカリ電池の断面を撮影したＸ線写真である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の他の実施形態における正極と負極との間に配されたセパレータの一部を示した部分断面図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、本発明に使用されるセパレータの基材の形状を例示的に示した平面図である。
【図７】従来の正極と負極との間に配されたセパレータの一部を示した部分断面図である。
【図８】従来の正極及び負極をセパレータを介して電池ケース内に収容して形成したアルカリ電池の断面を撮影したＸ線写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態におけるアルカリ電池の構成を示した半断面図である。
【００２２】
図１に示すように、アルカリ電池は、有底円筒状の電池ケース１内に配設された中空筒状の正極２と、正極２の中空部内に充填された亜鉛粉末を含む負極３と、正極２と負極３との間に配されたセパレータ４とを備えている。そして、電池ケース１の開口部は、ガスケット５と、負極集電子６が接続された負極端子板７とで構成された封口ユニット９で封口されている。
【００２３】
本願発明者が、デンドライトによる内部短絡の発生したアルカリ電池について、その発生箇所を検討していたところ、以下のような知見を得た。
【００２４】
図２（ａ）は、未使用のセパレータの表面を観察したＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真、図２（ｂ）は、デンドライトが発生した箇所のセパレータの表面を観察したＳＥＭ写真、図２（ｃ）は、デンドライトを拡大して観察したＳＥＭ写真である。ここで、セパレータは、セルロース繊維とポリビニルアルコール系繊維とを混抄して形成した不織布からなる。
【００２５】
図２（ａ）に示すように、セパレータは、細長い繊維１０が絡み合って構成されているが、図２（ｃ）に示すような無数の針状結晶であるデンドライト１１が、図２（ｂ）に示すように、繊維１０の表面を這うように成長していることが分かる。これは、別の見方をすれば、セパレータを構成する繊維１０がないところは、デンドライトが成長する支持体（繊維１０）がないため、セパレータの表面から外方に向けて長く成長することはない。
【００２６】
ところで、デンドライトの成長に起因する内部短絡は、負極で析出したデンドライトがセパレータを突き破って正極に至ることによって発生するが、そもそも、セパレータの外周面が正極の中空部内面に接していなければ、デンドライトがセパレータの表面から外方に向けて長く成長することがない限り、内部短絡は発生しないことになる。
【００２７】
本願発明者は、このような知見から、筒状に巻回して形成されたセパレータに、あえてオーバーラップ領域を設けず、逆に、一定幅の非オーバーラップ領域を設けることによって、デンドライトに起因した内部短絡の発生を抑制し得ることに気がつき、本発明を想到するに至った。
【００２８】
図３は、本実施形態における正極と負極との間に配されたセパレータの一部を示した部分断面図である。
【００２９】
図３に示すように、セパレータ４は、不織布からなる基材を２回巻回して筒状に成形されており、かつ、セパレータ４の巻き始め部位４ａと巻き終わり部位４ｂとがオーバーラップしていない、すなわち、１回の巻回数に相当する非オーバーラップ領域Ｃを有している。ここで、セパレータ４の非オーバーラップ領域Ｃは、正極２の中空部内面（破線で示した面）２ａに接していないことを要する。また、セパレータ４の内周側には、負極３が充填されている。
【００３０】
セパレータ４の非オーバーラップ領域Ｃが、正極２の中空部内面２ａに接しないようにするには、次のようにして実現できる。
【００３１】
まず、電池ケース１内に、中空筒状の正極２を配設する。次に、筒状に巻回されたセパレータ４を、正極２の中空部内に挿入する。このとき、セパレータ４の最外層は、正極２の中空部内面２ａに押し付けられるため、図３に示すように、セパレータ４の最外層の面は、正極２の中空部内面２ａと略一致する。そのため、セパレータ４の非オーバーラップ領域Ｃは、正極２の中空部内面２ａから離れて、負極３側に滑らかに曲がった状態で維持される。従って、非オーバーラップ領域Ｃの周方向の長さＬを、適当な長さに設定することによって、セパレータ４の非オーバーラップ領域Ｃを、正極２の中空部内面２ａに接しないようにすることができる。
【００３２】
このように、セパレータ４に一定幅の非オーバーラップ領域Ｃを設けて、この非オーバーラップ領域Ｃを、正極２の中空部内面２ａに接しないようにすることによって、非オーバーラップ領域Ｃにおいて、デンドライトの成長による内部短絡の発生を抑制することができる。なお、非オーバーラップ領域Ｃ以外のセパレータ４においては、所定の巻回数（図３では、２回）に相当するセパレータ４の膜厚が確保されているため、正極２と負極３との距離が充分に保たれており、デンドライトの成長による内部短絡は、もともと抑制されているので、中空部内面２ａに接していても問題はない。
【００３３】
また、筒状に巻回して成形されたセパレータ４は、従来のようなオーバーラップ領域が設けられていないため、負極３の充填体積を減少させる余分な占有領域をなくすことができる。
【００３４】
さらに、筒状に成形されたセパレータ４を、正極２の中空部に挿入する際、従来のようなオーバーラップ領域が設けられていないため、セパレータ４の巻き終わり部位４ｂの端部が正極２の中空部内面２ａを削るおそれはない。
【００３５】
図４は、正極２及び負極３をセパレータ４を介して電池ケース１内に収容して形成したアルカリ電池の断面を撮影したＸ線写真である。図４に示すように、正極２の中空部内面に、セパレータ４の巻き終わり部位４ｂの端部によって削られた箇所は観察されない。
【００３６】
このように、非オーバーラップ領域Ｃを有するセパレータ４を用いることによって、従来のようなオーバーラップ領域を有するセパレータに比べて、負極３または／および正極２の体積を増加させることができ、その結果、アルカリ電池の高容量化を図ることが可能となる。
【００３７】
本発明において、セパレータ４は、不織布からなる基材を巻回して筒状に成形されるが、その巻回数は、使用するセパレータ４の基材の材料特性や膜厚等によって適宜決めることができる。この際、デンドライトの成長による内部短絡が生じない程度に、セパレータ４が余分な占有領域を取ることがない厚みに相当する巻回数に設定することが好ましい。
【００３８】
以上のことから、本発明におけるセパレータ４は、不織布からなる基材をｎ回巻回して筒状に成形されており、かつ、セパレータ４の巻き始め部位４ａと巻き終わり部位４ｂとがオーバーラップしない（ｎ−１）回の巻回数に相当する非オーバーラップ領域Ｃを有し、かつ、セパレータ４の非オーバーラップ領域Ｃが、正極２の中空部内面２ａに接していないことを要する。
【００３９】
正極２の中空部内面２ａに接していない非オーバーラップ領域Ｃは、上述したように、通常のアルカリ電池の製造過程において必然的に実現可能であるが、この際、非オーバーラップ領域Ｃの周方向の長さＬは、使用するセパレータ４の基材の材料特性や膜厚等によって適宜決めることが好ましい。もちろん、他の方法を用いて、正極２の中空部内面２ａに接していない非オーバーラップ領域Ｃを形成してもよい。
【００４０】
なお、本発明において、「非オーバーラップ領域Ｃは、正極２の中空部内面２ａに接していない」とは、全ての非オーバーラップ領域Ｃにおいて、正極２の中空部内面２ａに接していない状態のみを意味するのではなく、例えば、セパレータ４の巻き始め部位４ａ近傍の非オーバーラップ領域Ｃが、正極２の中空部内面２ａに接した状態のものも含む。この場合、セパレータ４の巻き始め部位４ａ近傍を除く非オーバーラップ領域Ｃは、セパレータ４の巻き終わり部位４ｂの方向に沿って、正極２の中空部内面２ａから離れていくため、ほとんどの非オーバーラップ領域Ｃは、正極２の中空部内面２ａに接していない状態となる。それ故に、デンドライトの成長に起因する内部短絡の抑制効果は損なわれず、また、アルカリ電池の高容量化も図ることができる。
【００４１】
本発明におけるセパレータ４は、不織布からなる基材で構成されるが、その材料は特に制限されない。セパレータ４の材料としては、セパレータ４の要求機能に合わせて適宜選択可能であるが、例えば、セルロース繊維を主材料とした不織布、あるいは、他の繊維（例えば、ポリビニルアルコール系繊維）との混抄で形成した不織布等が挙げられる。また、セパレータ４の坪量は、電解液の吸収性の観点から５０ｇ／ｍ２以下が好ましく、また、強度の観点から２０ｇ／ｍ２以上が好ましい。
【００４２】
本発明における負極３は、亜鉛粉末を含むものであれば特に制限はなく、例えば、亜鉛粉末を含むゲル状負極等が挙げられる。なお、亜鉛粉末は、Ｉｎ、Ａｌ、Ｂｉ等を含むものであってもよく、また、亜鉛合金であってもよい。
【００４３】
本発明における正極２は中空筒状であればよく、その材料は特に制限されない。例えば、二酸化マンガン等の正極活物質とアルカリ電解液とを含有する正極合剤粉末を中空筒状に加圧成形した成形体（正極ペレット）が挙げられる。
【００４４】
本発明における「筒状」に成形されたセパレータ４は、円筒状の他、扁平筒状に形成されたセパレータ４を含む。従って、本発明におけるアルカリ電池は、円筒形アルカリ電池の他、角形アルカリ電池にも適用できる。
【００４５】
図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の他の実施形態における正極と負極との間に配されたセパレータの一部を示した部分断面図である。
【００４６】
図５（ａ）は、不織布からなる基材を３回巻回して筒状に成形したセパレータ４を例示したもので、セパレータ４の巻き始め部位４ａと巻き終わり部位４ｂとがオーバーラップしない２回の巻回数に相当する非オーバーラップ領域Ｃを有している。
【００４７】
図５（ｂ）は、不織布からなる基材を２枚重ねた状態で、２回巻回して筒状に成形したセパレータ４を例示したもので、セパレータ４の巻き始め部位４ａと巻き終わり部位４ｂとがオーバーラップしない１回の巻回数に相当する非オーバーラップ領域Ｃを有している。なお、本例示のセパレータ４は、非オーバーラップ領域Ｃが２枚の基材で構成され、非オーバーラップ領域Ｃ以外が４枚の基材で構成されるが、これは、ｎ回巻回して筒状に形成し、（ｎ−１）回の巻回数に相当する非オーバーラップ領域Ｃを設けたセパレータ４と、実質的に同一である。
【００４８】
図６（ａ）〜（ｃ）は、本発明に使用されるセパレータ４の基材の形状を例示的に示した平面図である。図６（ａ）は、長方形の基材、図６（ｂ）は、巻き終わり部位４ｂの端に相当する長方形の角部に切欠けを設けた基材、図６（ｃ）は、平行四辺形の基材をそれぞれ示す。勿論、セパレータ４の基材の形状をこれに限らず、種々の形状を取りうる。また、巻回の仕方も、図３、図５（ａ）、（ｂ）に例示した形態の他に、例えば、１枚の基材を４回巻回したもの、２枚に重ねた基材を３回巻回したもの等、種々の形態を取りうる。
【実施例】
【００４９】
以下、本発明の実施例を挙げて本発明の構成及び効果をさらに説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００５０】
図１に示した構造の単３形アルカリ電池（ＬＲ６）を、以下の＜１＞乃至＜５＞の手順で作製した。
【００５１】
＜１＞電池ケース
厚さ０．３５ｍｍのニッケルめっき鋼板から、外径が１３．９２ｍｍ、高さ５１．８ｍｍをプレス加工して、有底円筒形の電池ケース１を作製した。
【００５２】
＜２＞セパレータ
セルロース繊維と、ポリビニルアルコール系繊維と、バインダーとしてポリビニルアルコールとを、５０：３５：１５の質量比で混抄して、坪量３９ｇ／ｍ2、厚さ０.１５ｍｍの不織布を作製し、幅５１ｍｍの長方形状の基材を作製した。
【００５３】
得られた基材１枚を２回巻回して円筒状に成形し、幅方向の端面を折り曲げて、有底円筒状のセパレータ４を作製した。このとき、非オーバーラップ領域Ｃの周方向の長さＬは、０．５〜３．２ｍｍの範囲で変化させた。なお、周方向に３．０ｍｍの長さのオーバーラップ領域を設けたセパレータを、比較例として作製した。
【００５４】
＜３＞正極
電解二酸化マンガン粉末と、黒鉛粉末と、電解液（３２質量％の水酸化カリウムと、２質量％の酸化亜鉛を含有する水溶液）とを、９５．５：３．５：１．０の質量比で混合し、充分に攪拌した後、フレーク状に圧縮成形した。その後、フレーク状の正極合剤を粉砕し、これを加圧成形して中空円筒状の正極２を作製した。
【００５５】
＜４＞ゲル状負極
ゲル化剤（ポリアクリル酸の粉末からなる増粘剤、及び架橋分岐型ポリアクリル酸ナトリウムの粉末からなる吸水性ポリマーからなる）と、電解液と、亜鉛合金粉末（２５０ｐｐｍのインジウム、５０ｐｐｍのビスマス、１００ｐｐｍのアルミニウムを含む）とを、０．２６：０．５４：３５．２：６４．０の質量比で混合して、ゲル状負極３を作製した。
【００５６】
＜５＞アルカリ電池の組立
１０．５ｇの正極２を電池ケース１内に挿入し、加圧治具により、高さが４１．０ｍｍ、中空部の内径が９．０ｍｍのなるように加圧して電池ケース１の内壁に密着させた。その後、正極２の中空部にセパレータ４を配置した後、１．６５ｇの電解液をセパレータ４内に注液した。その後、ゲル状負極３をセパレータ４内に、高さが４１ｍｍになるように充填した。そして、封口ユニット９を介して電池ケース１の開口部をかしめ封口した。
【００５７】
表１は、このようにして作製したアルカリ電池１〜５において、以下の２つの特性１）、２）を測定した結果を示した表である。なお、表１中のＬ寸法は、負の値が、非オーバーラップ領域Ｃの周方向の長さを示し、正の値が、オーバーラップ領域Ａの周方向の長さを示す。
【００５８】
【表１】
2011108591.tif 000003
【００５９】
１）負極の充填質量
電池ケース１内に一定の高さに充填したゲル状負極３の質量を測定した。
【００６０】
２）放電性能
２０±２℃の環境下で、３．３Ωの負荷で４分間放電した後、５６分間休止する工程を１サイクルとして、１日に８サイクル繰り返し行って、閉路電圧が０．９Ｖに達するまでの放電時間（４分間の放電の累積時間）を測定した。
【００６１】
表１に示すように、非オーバーラップ領域Ｃを有するセパレータ４を用いた電池２〜５の負極３の充填質量は、従来のオーバーラップ領域Ａを有するセパレータを用いた電池１の負極の充填質量に比べて、約２％の増量が図られていることが分かる。
【００６２】
その結果、表１に示すように、非オーバーラップ領域Ｃを有するセパレータ４を用いた電池２〜４の放電性能は、従来のオーバーラップ領域Ａを有するセパレータを用いた電池１の放電性能に比べて、約４％の向上が図られている。この放電性能の向上は、負極３の充填質量が増加したことに加え、非オーバーラップ領域Ｃを設けたことによるセパレータ４の内部抵抗が低減されたことによるものと考えられる。
【００６３】
なお、表１に示すように、非オーバーラップ領域Ｃの周方向の長さが３．２ｍｍの電池５の放電性能は、電池１の放電性能よりも低下しているのが分かる。これは、非オーバーラップ領域Ｃの周方向の長さが大きすぎると、非オーバーラップ領域Ｃの正極２の中空部内面２ａに接する領域が増え、その結果、デンドライトの成長に起因した内部短絡を起こしたためと考えられる。
【００６４】
このことから、非オーバーラップ領域Ｃの周方向の長さは、０．５〜２．１ｍｍの範囲にあることが好ましい。
【００６５】
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施例では、単３形アルカリ電池を例に説明したが、これに限らず、他のサイズのアルカリ電池にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、高容量のアルカリ電池に有用である。
【符号の説明】
【００６７】
１      電池ケース 
２      正極 
２ａ    正極の中空部内面 
３      ゲル状負極 
４      セパレータ 
４ａ    セパレータの巻き始め部位
４ｂ    セパレータの巻き終わり部位
５      ガスケット 
６      負極集電子 
７      負極端子板 
９      封口ユニット 
１０    セパレータの繊維 
１１    デンドライト 
【図１】
2011108591.tif 000004
【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図２】
2011108591.tif 000009
【図４】
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【図８】
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