(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的なセルであって、
セル筐体と、
該セル筐体内に配置された電極アセンブリと、
前記電極アセンブリに電気接続された第１の端部、前記セル筐体の外側に配置された第２の端部および該第２の端部と前記セル筐体との間に配置された弾性的に柔軟な部分を含む、前記セル筐体の外面に配置された導電性を有しかつ弾性的に柔軟な端子と
を含み、
前記弾性的に柔軟な部分は、フォームパッドを含む、電気化学的なセル。
【請求項２】
電気化学的なセルであって、
セル筐体と、
該セル筐体内に配置された電極アセンブリと、
前記電極アセンブリに電気接続された第１の端部、前記セル筐体の外側に配置された第２の端部および該第２の端部と前記セル筐体との間に配置された弾性的に柔軟な部分を含む、前記セル筐体の外面に配置された導電性を有しかつ弾性的に柔軟な端子と
を含み、
前記弾性的に柔軟な部分は、流体を充填されたブラダを含む、電気化学的なセル。
【請求項３】
前記弾性的に柔軟な部分は、前記第２の端部の電気接触面により規定された領域にわたって延びる単一の弾性部材を含む、請求項１または２記載の電気化学的なセル。
【請求項４】
前記弾性的に柔軟な部分は、前記第２の端部の電気接触面により規定された領域にわたって分散された少なくとも２つの別個の弾性部材を含む、請求項１または２記載の電気化学的なセル。
【請求項５】
前記弾性的に柔軟な部分は、導電性を有する、請求項１または２記載の電気化学的なセル。
【請求項６】
前記第２の端部は、ホイルの形態の導電性プレートを備える、請求項１または２記載の電気化学的なセル。
【請求項７】
前記第２の端部の外形は、矩形形状を有している、請求項１または２記載の電気化学的なセル。
【請求項８】
前記第２の端部の外形は、湾曲形状を有している、請求項１または２記載の電気化学的なセル。
【請求項９】
前記電極アセンブリは、負極電極プレートと交互に配置され、かつ中間セパレータプレートにより分離された一連の正極電極プレートを含み、前記第１の端部は、前記正極電極プレートと前記負極電極プレートの一方に電気接続されている、請求項１または２記載の電気化学的なセル。
【請求項１０】
第１の電気化学的なセルと、第２の電気化学的なセルとを備えるバッテリシステムであって、前記第１の電気化学的なセルは、
第１のセル筐体と、
該第１のセル筐体内に配置された第１の電極アセンブリと、
前記第１のセル筐体の外面に配置された導電性を有しかつ弾性的に柔軟な第１の端子と
を含み、
前記第２の電気化学的なセルは、
第２のセル筐体と、
該第２のセル筐体内に配置された第２の電極アセンブリと、
前記第２のセル筐体の外面に配置された導電性を有しかつ弾性的に柔軟な第２の端子と
を含み、
前記第１の端子は、前記第２の端子に直接に接触し、かつ電気接続を形成し、
前記第１の端子および前記第２の端子はそれぞれ、
前記第１の電極アセンブリおよび前記第２の電極アセンブリのうちの対応している一方に対して電気接続された第１の端部と、前記第１のセル筐体および前記第２のセル筐体のうちの対応している一方の外面に配置された第２の端部と、前記第１のセル筐体および前記第２のセル筐体のうちの対応している一方と前記第２の端部との間に配置された弾性的に柔軟な部分とを備え、前記弾性的に柔軟な部分は、フォームパッドを含む、バッテリシステム。
【請求項１１】
第１の電気化学的なセルと、第２の電気化学的なセルとを備えるバッテリシステムであって、前記第１の電気化学的なセルは、
第１のセル筐体と、
該第１のセル筐体内に配置された第１の電極アセンブリと、
前記第１のセル筐体の外面に配置された導電性を有しかつ弾性的に柔軟な第１の端子と
を含み、
前記第２の電気化学的なセルは、
第２のセル筐体と、
該第２のセル筐体内に配置された第２の電極アセンブリと、
前記第２のセル筐体の外面に配置された導電性を有しかつ弾性的に柔軟な第２の端子と
を含み、
前記第１の端子は、前記第２の端子に直接に接触し、かつ電気接続を形成し、
前記第１の端子および前記第２の端子はそれぞれ、
前記第１の電極アセンブリおよび前記第２の電極アセンブリのうちの対応している一方に対して電気接続された第１の端部と、前記第１のセル筐体および前記第２のセル筐体のうちの対応している一方の外面に配置された第２の端部と、前記第１のセル筐体および前記第２のセル筐体のうちの対応している一方と前記第２の端部との間に配置された弾性的に柔軟な部分とを備え、前記弾性的に柔軟な部分は、流体を充填されたブラダを含む、バッテリシステム。
【請求項１２】
システム筐体と、該システム筐体内に配置された筐体弾性装置と備え、
前記第１の電気化学的なセルは、前記システム筐体内に配置されていて、
前記第１の端子が、前記第２の端子に直接に接触し、かつ電気接続を形成するように、前記第２の電気化学的なセルは、前記システム筐体内に前記第１の電気化学的なセルに隣接して配置されており、
前記筐体弾性装置が、前記第１の端子を前記第２の端子に対して押圧する圧縮力を加え、該圧縮力により前記第１の端子と前記第２の端子のうちの少なくとも一方が変形させられるように、前記筐体弾性装置は、少なくとも１つの前記第１の電気化学的なセルと前記システム筐体との間に、かつ前記第２の電気化学的なセルと前記システム筐体との少なくとも１つの間に配置されている、請求項１０または１１記載のバッテリシステム。
【請求項１３】
前記バッテリシステムは、バッテリパックであり、前記システム筐体は、バッテリパック筐体である、請求項１２記載のバッテリシステム。
【請求項１４】
前記弾性的に柔軟な部分は、前記第２の端部の電気接触面により規定された領域にわたって延びる単一の弾性部材を含む、請求項１０または１１記載のバッテリシステム。
【請求項１５】
前記第２の端部は、ホイルの形態の導電性プレートを備える、請求項１０または１１記載のバッテリシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
１．発明の分野
本発明は、２つ以上のバッテリセル間、または１つのバッテリセルと別の装置との間で電気接続を形成するための端子と、特に柔軟な端子を有するバッテリセルとに関する。
【０００２】
２．関連技術の説明
バッテリパックは、携帯型電子機器から再生可能電力システムおよび環境に優しい車両に及ぶ様々な技術のために電力を供給する。たとえばハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）は、燃費を向上させるために、バッテリパックおよび電動モータを内燃機関と組み合わせて使用する。バッテリパックは、複数のバッテリモジュールから形成されており、この場合、各バッテリモジュールは、幾つかの電気化学的なセルを含んでいる。これらのセルは、スタックとして配置されて、直列または並列に電気接続されている。同様に、バッテリパック内の複数のバッテリモジュールも、直列または並列に電気接続されている。
【０００３】
幾つかの従来のバッテリシステムでは、電気接続は、剛性または可撓性であってもよい導電性のジャンパ、リード、バスバー等を使用するバッテリセルの端子により形成されている。バッテリ端子自体は、正確な要求に合わせて形成され、典型的には各セル筐体に固く固定されている。多くの場合、電気接続は溶接により形成されるが、これは、溶接がバッテリセルに上昇させられた温度を導入するので問題である。このような上昇させられた温度は、セルを損傷してしまい、リチウムイオンセルのような幾つかのタイプのセルでは、この上昇させられた温度は爆発を引き起こしてしまう。さらに、一度溶接によってバッテリシステムを形成するために接続されている場合には、個々のセルを交換することは困難である。そのため、該当するバッテリパックの修理は高価になってしまう。別の従来のバッテリパックでは、セルとセルとの電気接続は、ナットおよびねじ山付きピンのような締結具を介してバスバーをセル端子に取り付けるように、機械的な方法により形成され得る。このような方法は、手間がかかり、締結具の過剰締結または過小締結に関して困難になりがちである。
【０００４】
発明の概要
幾つかの態様では、バッテリセルは、セル筐体、該セル筐体内に密封式に配置された電極アセンブリおよび弾性的に柔軟な端子を含んでいる。柔軟な端子は、セル筐体を貫通して延びており、電極アセンブリに電気接続されている。端子は、電極アセンブリに接続されている第１の端部と、隣接する導電体、たとえば隣接するセルの端子への電気接続を形成するために形成されている第２の端部とを含んでいる。さらに、端子は、第１の端子端部と、セル筐体との間に配置された柔軟な部分を含んでいる。幾つかの実施形態では、柔軟な部分は、第１の端子端部とセル筐体との間に配置された、導電性を有しかつ弾性的に柔軟なパッドを含んでいる。
【０００５】
有利には、弾性的に柔軟な端子は、低抵抗の接触を可能にし、精確な整合または（たとえば、所要開口公差を達成するための）研磨のための要求を減らすことにより、製造コストを減じることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】電気化学的なセルのアレイを含むバッテリパックの部分的に分解された斜視図であり、各セルは、柔軟な端子を有している。
【図２】カバーが取り除かれた、図１に示したバッテリパックの完全に分解された斜視図である。
【図３】弾性的に柔軟な端子を含む、電気化学的なセルの概略的な断面図である。
【図４】弾性的に柔軟な端子を含む、択一的な実施形態のセルの斜視図である。
【図５】択一的な弾性的に柔軟な端子を含む、図３に示したセルの斜視図である。
【図６】図３に示したセルの一部の概略的な断面図であり、端子が部分的に分解され、電気接続構造を示している。
【図７】図３に示したセルの一部の概略的な断面図であり、端子が部分的に分解され、択一的な電気接続構造を示している。
【図８】図３に示した第２の弾性的に柔軟な端子の一部を示す断面図である。
【図９】択一的な弾性的に柔軟な端子の一部を示す断面図である。
【図１０】択一的な弾性的に柔軟な端子の一部を示す断面図である。
【図１１】図１２の１１−１１線に沿って見た別の択一的な弾性的に柔軟な端子の図である。
【図１２】図１１の弾性的に柔軟な端子の断面図である。
【図１３】図１４に示した１３−１３線に沿って見た別の択一的な弾性的に柔軟な端子の図である。
【図１４】図１３に示した弾性的に柔軟な端子の断面図である。
【０００７】
詳細な説明
図１から図３に関連して、電力を提供するために使用されるバッテリパック１は、複数の電気化学的なセル２０を含んでいる。これらの電気化学的なセル２０は、電気的に相互接続されており、バッテリパック筐体２内に整えられた形式で格納されている。セル２０は、リチウムイオンセルであり、電極アセンブリ６０（図６）を含んでいる。この電極アセンブリ６０は、発電および蓄電ユニットを形成するために、電解質と一緒にセル筐体２１内に密封されている。幾つかの実施形態では、セル２０の複数のグループが、バッテリモジュール（図示せず）を形成するために一緒に纏められていてもよい。この場合、バッテリモジュール自体は、バッテリパック筐体２内に格納されている。しかし、図示の実施形態では、セル２０はモジュールに纏められるのではなく、その代わりにバッテリパック筐体端子６，７に直接に電気接続されている。バッテリモジュール内かつ／またはバッテリパック筐体２内では、下記でさらに述べるように、セル２０は直列または並列に直接に電気接続されている。
【０００８】
バッテリパック筐体２は、ベースプレート３と、側壁４を含んでいる。側壁４は、ベースプレート３の周辺部に接合されてこの周辺部を取り囲む１つの端部を有している。バッテリパック筐体２は、側壁４の反対側の端部に着脱可能に接続されている蓋５も含んでいる。バッテリパック１は、側壁４の第１の側壁区分４ａに支持され、かつこれを貫通して延びている正極のバッテリパック端子６と、負極のバッテリパック端子７とを含んでいる。
【０００９】
電気的な絶縁シート１１が、セル２０と側壁４との間に、かつ隣接するセル行の間の適切な箇所に配置されており、これにより、セル２０のアレイを通る連続した導電通路の短絡を阻止することができる。
【００１０】
バッテリパックは、センサリードハーネス１０を含んでいてもよい。このセンサリードハーネス１０は、セルアレイの上に置かれて、各セル２０の状態を監視することを可能にする。センサリードハーネス１０は、バッテリパック筐体２の内部または外部の箇所に配置され得るバッテリシステムコントローラ（図示せず）に接続することができる。
【００１１】
セル２０は、金属ラミネートフィルムにより形成されたパウチ型セル筐体２１を含んでいる。このセル筐体２１は、矩形形状を有している。図示の実施形態では、セル筐体２１は立方体形状であり、６つの直交面を含んでいる。これらの面には、第１の端部２２と、該第１の端部２２の反対側にある第２の端部２３と、第１の側面２４と、該第１の側面２４に隣接する第２の側面２５と、第２の側面２５に隣接し、第１の側面２４の反対側にある第３の側面２６と、第３の側面２６および第１の側面２４に隣接し、第２の側面２５の反対側にある第４の側面２７とを含んでいる。第１の側面２４、第２の側面２５、第３の側面２６および第４の側面２７はそれぞれ、第１の端部２２と第２の端部２３との間に延びており、これら６つの面が一緒に、電極アセンブリ６０により占められる密封された内部空間を規定する。
【００１２】
電極アセンブリ６０は、負極の電極プレート６２と交互に積層され、かつ中間セパレータプレート（図示せず）により分離された、一連の正極の電極プレート６１を含んでいる。電極プレートは、全体的なセル厚さ（たとえば数十ミリメートルまたは数百ミリメートルのオーダの厚さを有している）に比べて、極めて薄く（たとえば約０．０９５ミリメートル〜０．１４５ミリメートルのオーダの厚さを有している）、したがって、図３、図６および図７では概略的に図示されている。
【００１３】
各セル２０は、正極の電極プレート６１および負極の電極プレート６２のうちの一方に（たとえば正極の電極プレート６１に）電気接続された導電性の第１のセル端子４０と、正極の電極プレート６１および負極の電極プレート６２のうちの他方に（たとえば負極の電極プレート６２に）電気接続された導電性の第２のセル端子４２とを含んでいる。図示の実施形態では、第１のセル端子４０は、セル筐体２１の一方の側（つまり第１の側２４）に配置されており、第２のセル端子４２は、セル筐体２１の反対の側（つまり第３の側面２６）のような別の側に配置されている。
【００１４】
図６から図８を参照すると、第１のセル端子４０および第２のセル端子４２はそれぞれ、第１の端子端部４３と、第２の端子端部４４と、第２と端子端部４４とセル筐体２１との間に配置された柔軟な部分４６とを有している。各第１のセル端子４０および第２のセル端子４１の第１の端子端部４３は、電極アセンブリ６０の対応する電極プレートに電気接続されており、密封式にセル筐体２１を通過するように形成されている。柔軟な部分４６および第２の端子端部４４は、セル筐体２１の外側に配置されている。
【００１５】
各第１のセル端子４０および第２のセル端子４２の第２の端子端部４４は、ホイル（箔）、たとえば金属ホイルのような薄い導電性プレートである。図示の実施形態では、第２の端子端部４４の外形は、矩形形状を有しているが、この形状に制限されるものではない。たとえば幾つかの実施形態では、第２の端子端部４４の外形が円形形状（図５）を有しているか、または反転したＴ字形のような不規則な形状（図２）を有していてもよい。
【００１６】
柔軟な部分４６は、第２の端子端部４４と、セル筐体２１との間に配置されており、弾性的に柔軟な材料により形成されている。本明細書中で使用されているように、用語「柔軟」とは、十分な力が加えられた際に、撓むまたは屈折する能力に関し、用語「弾性的に柔軟」とは、力が取り除かれた際に、荷重を加えられていない形状へと弾性的に戻る能力に関する。図示の実施形態では、たとえば、柔軟な部分４６は、スタックを形成するために第２の端子端部４４に重ねられ、該第２の端子端部４４に接着剤を用いて結合されたフォームパッド５０である。フォームパッド５０は、第２の端子端部４４と同一の周辺形状および寸法設計を有している。
【００１７】
再び図２を参照すると、バッテリセル２０のアレイが、バッテリパック筐体２内に配置されていて、この場合、たとえば各セル２０の一方の端部、たとえば第２の端部２２がバッテリパック筐体２のベースプレート３に面している。セル２０は、バッテリセル２０の行（rows）Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と、バッテリセル２０の列（columns）Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５を含むように格子パターンに配列されている。セル２０は、１つの行において隣接するセル２０の間およびアレイにおいて隣接する行の間で直列の電気接続を達成するように、配向されている。
【００１８】
セル２０は、１つのセル２０の第１のセル端子４０が隣接するセル２０の第２のセル端子４２に直接に接触して電気接続を形成するように、配列されている。隣接するセル２０間の電気接続は、１つの行の複数のセル２０を押し合わせることにより確保されている。幾つかの実施形態では、セルの行に沿った圧縮力は、その列のセル２０と、バッテリパック筐体２の側壁４との間に弾性部材１３を設けることにより達成されている。たとえば、各行Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の一方または両方の端部に波形ばね１３が配置されていてもよく、これによりこの行の隣接するセル２０間の確実な接触を保障することができる。同様に、各列Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５の一方または両方の端部に波形ばね１３が配置されていてもよく、これによりこの列の隣接するセル２０間の確実な接触を保障することができる。幾つかの実施形態では、波形ばね１３は、柔軟な部分４６、第１のセル端子４０および第２のセル端子４２の少なくとも１つが圧縮力により変形するように、かつ／または十分な力で、第１のセル端子４０を第２のセル端子４２に対して押圧する圧縮力を付与する。
【００１９】
図９を参照すると、択一的なセル端子１４２は、図８に関連して上述したセル端子４２に類似しており、共通の特徴は使用される共通の参照番号で参照される。択一的なセル端子１４２は、第１の端子端部４３、第２の端子端部４４および第２の端子端部４４とセル筐体２１との間に配置された択一的な柔軟な部分１４６を有している。択一的な弾性的に柔軟な部分１４６は、スタックを形成するために第２の端子端部４４に重ねられ、該第２の端子端部４４に接着剤を用いて結合された、流体を充填されたブラダ（袋状部材）１５０である。図示の実施形態では、ブラダ１５０は、第２の端子端部４４と同一の周辺形状および寸法設計を有している。
【００２０】
図１０から図１２を参照すると、別の択一的なセル端子２４２は、図８に関連して上述したセル端子４２に類似しており、共通の特徴は使用される共通の参照番号で参照される。択一的なセル端子２４２は、第１の端子端部４３、第２の端子端部４４および第２の端子端部４４とセル筐体２１との間に配置された択一的な柔軟な部分２４６を有している。択一的な弾性的に柔軟な部分２４６は、一方の端部ではセル筐体２１に、かつ反対側の端部では第２の端子端部４４に接続された１つ以上のばね２５０を含んでいる。図１０に図示の実施形態では、ばね２５０は、圧縮コイルばねである。しかし、ばね２５０が別の構成を有することもできる。たとえば、図１１および図１２に示すように、択一的な柔軟な部分２４６’が、板ばね２５０’のアレイを含んでいてもよく、これらの板ばね２５０’は、第２の端子端部４４により規定された領域に関して均等に分散されている。
【００２１】
図１２および図１３を参照すると、別の択一的なセル端子３４２は、図８に関連して上述したセル端子４２に類似しており、共通の特徴は使用される共通の参照番号で参照される。択一的なセル端子３４２は、第１の端子端部４３、第２の端子端部４４および第２の端子端部４４とセル筐体２１との間に配置された択一的な柔軟な部分３４６を有している。択一的な弾性的に柔軟な部分３４６は、スタックを形成するために第２の端子端部４４に重ねられ、該第２の端子端部４４に接着剤を用いて結合された多孔性の弾性的にパッド３５０である。パッド３５０は、第２の端子端部４４と同一の周辺形状および寸法設計を有していて、パッドの厚みにわたって延びる複数の孔３５２も有している。これらの孔３５２は、第２の端子端部４４により規定された領域に均等に関して分散されている。
【００２２】
全ての実施形態において、柔軟な部分４６，１４６，２４６，３４６は、第２の端子端部４４とセル筐体２１との間に配置されている。この特徴は、端子４０，４２が、１つのアレイの隣接するセル２０間の製造差を調整し、かつ係合する端子の構成（たとえば、位置、サイズ、形状等）に準じることを可能にする。さらに、この特徴は、ばね力を提供し、このばね力は、係合させられた２つの端子間の接触を支援し、コンプライアントの特徴を有しない剛性の端子に比べて低い抵抗力をもたらすことができる。
【００２３】
図３に図示した実施形態では、柔軟な部分４６は、電気絶縁性のフォームパッド５０であり、端子４０，４２の第１の端部４３と、端子４０，４２の第２の端部４４との間の電気的な通路は、柔軟な部分４６を迂回する。しかし、幾つかの実施形態では、柔軟な部分４６が導電性であり、第１の端子端部４３および第２の端子端部４４の間の電気的な通路の一部を形成する（図７）。たとえば、図１０から図１２に図示の実施形態では、柔軟な部分４６が、導電性のばねを含み、柔軟な部分２４６，２４６’は、第１の端子端部４３と第２の端子端部４４との間の電気的な通路内に配置されている。
【００２４】
セル２０は立方体に形成されたセル筐体２１を有しているが、セル筐体２１は立方体形状に制限されていない。たとえば、セル筐体２１は、矩形形状であってもよい（図４）。別の例では、セル筐体２１が、六角形に配置された辺（図示せず）を有する八面構造のような閉鎖包装を可能にする別の多角形形状を有していてもよい。
【００２５】
さらに、セル２０は、リチウムイオンバッテリであることに制限されていない。たとえば、セル２０は、アルミニウムイオン、アルカリ、ニッケル−カドミウム、ニッケル金属ハイブリッドまたはその他のタイプのセルであってもよい。
【００２６】
セル筐体２１は、本明細書では、金属ラミネートフィルムにより形成されたパウチセル筐体であるように記載されているが、セル筐体２１は、この材料または構成に制限されていない。たとえば、セル筐体２１は、別の材料から形成されていてもよく、かつ／または角柱、円柱または他の構成を有して形成されていてもよい。
【００２７】
電極アセンブリ６０は、本明細書では、積層された一連のプレート６１，６２を含む「積層型の」電極アセンブリであるように記載されているが、電極アセンブリ６０は、この構成に制限されていない。たとえば、幾つかの実施形態では、電極アセンブリ６０は、巻回電極アセンブリ（たとえばゼリーロール型アセンブリ）、折り畳み電極アセンブリ（たとえばＺ折りアセンブリ）、または別の電極配列を含んでいてもよい。
【００２８】
弾性的に柔軟なセル端子を含むセルの選択式に図示された実施形態が上記で詳しく説明された。セルの説明のために必要であると考えられる構造のみが本明細書において説明されていると理解すべきである。バッテリシステムの別の従来構造および付随する補助的な構成要素の別の従来構造は、公知であり、当業者により理解されると仮定される。さらに、セルの実施例が上記されているが、セルは、上記実施例に制限されておらず、種々の択一的な設計が本発明の特許請求の範囲に記載された装置から逸脱することなしに実施され得る。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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