(57)【要約】【課題】フィルムを外装体とする電池において、異常時に電池内部でガスが発生した際に、安全にガスを外部に排出する圧力安全弁を、電池の信頼性を低下させることなく提供する。【解決手段】外装フィルム８ａ、８ｂにより電池要素９を収容し、前記電池要素の周囲の前記外装フィルムの融着面を熱融着して密閉されてなるフィルム外装電池において、熱融着部５の一部に電池要素収納方向に突出した熱融着部６を設け、かつ該突出熱融着部に近接するガス放出部７を形成する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外装フィルムにより電池要素を収容し、前記電池要素の周囲の前記外装フィルムの接合面を熱融着して密封形成されたフィルム外装電池において、熱融着部の一部に前記電池要素方向に向けて突出熱融着部を形成し、該突出熱融着部及び／又は隣接する熱融着部にガス放出部を有することを特徴とするフィルム外装電池。
【請求項２】
請求項１記載のフィルム外装電池において、前記ガス放出部が、熱融着部中の熱融着されない部分として形成されることを特徴とするフィルム外装電池。
【請求項３】
請求項１記載のフィルム外装電池において、前記ガス放出部が熱融着部の外周に達する切り込みによって形成されることを特徴とするフィルム外装電池。
【請求項４】
請求項１記載のフィルム外装電池において、前記ガス放出部が熱融着部の外周に達する切り欠きによって形成されることを特徴とするフィルム外装電池。
【請求項５】
請求項１記載のフィルム外装電池において、前記ガス放出部が前記外装フィルムにあけられた穴であることを特徴とするフィルム外装電池。
【請求項６】
請求項１乃至５記載のフィルム外装電池において、前記突出熱融着部及び前記ガス放出部が電極リード線を導出する辺に形成されていることを特徴とするフィルム外装電池。
【請求項７】
請求項１乃至５記載のフィルム外装電池において、前記突出熱融着部及び前記ガス放出部が電極リード線導出部に形成されていることを特徴とするフィルム外装電池。
【請求項８】
請求項１乃至５記載のフィルム外装電池において、前記突出熱融着部及び前記ガス放出部が外装フィルムの角部に形成されていることを特徴とするフィルム外装電池。
【請求項９】
請求項１乃至５記載のフィルム外装電池において、前記突出熱融着部及び前記ガス放出部が前記外装フィルムの辺のほぼ中央に形成されていることを特徴とするフィルム外装電池。
【請求項１０】
請求項１乃至９記載のフィルム外装電池において、前期ガス放出部が他の熱融着部よりも耐圧強度の小さい封止部を有することを特徴とするフィルム外装電池。
【請求項１１】
請求項１０記載のフィルム外装電池において、前記封止部が、他の熱融着部よりも低い温度にて熱融着されていることを特徴とするフィルム外装電池。
【請求項１２】
請求項１０記載のフィルム外装電池において、前記封止部が、他の熱融着部よりも融着幅が狭いことを特徴とするフィルム外装電池。
【請求項１３】
請求項１０記載のフィルム外装電池において、前記封止部が、接着剤または樹脂によって封止されていることを特徴とするフィルム外装電池。
【請求項１４】
請求項１３記載のフィルム外装電池において、前記接着剤または前記樹脂は、前記電池要素の少なくとも１成分によって溶解または分解することを特徴とするフィルム外装電池。
【請求項１５】
請求項１０記載のフィルム外装電池において、前記封止部が、前記ガス放出部を覆うテープまたはシールであることを特徴とするフィルム外装体。
【請求項１６】
外装フィルム内に電池要素を収容し、前記電池要素の周囲の前記外装フィルムの接合面を熱融着して密閉形成されたフィルム外装電池を製造する方法において、前記接合面の熱融着と同時に、熱融着部の一部に前記電池要素方向に向けて連続する突出熱融着部を熱融着により形成し、更に該突出熱融着部及び／又は隣接する熱融着部にガス放出部を形成することを特徴とするフィルム外装電池の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６記載のフィルム外装電池の製造方法において、ガス放出部を、突出熱融着部の形成と同時に、熱融着部の一部を熱融着しないことにより形成することを特徴とするフィルム外装電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池要素をフィルム外装体に収容したフィルム外装電池及びその製造方法に関し、より詳細には、異常時のガス発生に適正に対処できるフィルム外装電池及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯機器等の電源としての電池は、軽量化、薄型化が強く要求されており、電池の外装体に関しても、軽量化、薄型化に限界のある従来の金属缶に代わり、軽量化、薄型化が可能であり、金属缶に比べて自由な形状を採ることが可能である外装体として、金属薄膜フィルムまたは金属薄膜と熱融着性樹脂フィルムからなるラミネートフィルムが使用されるようになった。
ラミネートフィルムとしては、金属薄膜としてアルミニウムを、熱融着性樹脂フィルムとして電池外側表面にナイロンを、内側表面にポリエチレンやポリプロピレンを用いたものが一般的に使われる。このラミネートフィルムからなる外装体の内部に、正極、負極、電解質からなる電池要素が収納され、当該外装体周囲が熱融着によって接合される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般的な外装体として金属缶を用いた電池の多くは、異常時にガスが発生して電池内部の圧力が上昇した際に、ガスを外部に逃がす圧力安全弁を有している。しかし、フィルムを外装体とするフィルム外装電池においては、圧力安全弁を設けることが構造上難しいため、異常時に限界まで発生ガスによる外装体の膨張が起こり、どこから破裂して機器内部にガスを噴き出すかわからないことが問題となっていた。
特開２０００−１００３９９号公報には熱融着部の一部を低い温度にて封止して安全弁とする手段が、特開平１１−０９７０７０号公報には非熱融着製樹脂シートを介在させて熱融着して剥離強度を下げて安全弁とする手段が提案されているが、上記手段においては、圧力上昇のない通常時での封止信頼性も低下し、封止部の劣化により電解液の漏出等の不具合が発生する恐れがある。また、異常発生時の安全弁開放圧力を正確に設定することができないという難点もあった。特開２００１−３２５９２６号公報にはラミネートシートに凹状溝を形成して発生ガスを電池外に取り出す手法が開示されている。しかしこの提案でも前記凹状溝の形成に手間が掛かるだけでなく、対面のラミネートシートへの溶着を２段階で行わなければならず、非常に手間の掛かる作業を必要としている。
【０００４】
本発明の目的は、異常時のガス発生による電池膨張時に正確な開封圧力を設定でき、通常使用時の電池特性劣化の原因とならない封止信頼性を有する圧力安全弁として機能する部材を容易に設けることのできるフィルム外装電池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、第１に外装フィルムにより電池要素を収容し、前記電池要素の周囲の前記外装フィルムの接合面を熱融着して密封形成されたフィルム外装電池において、熱融着部の一部に前記電池要素方向に向けて突出熱融着部を形成し、該突出熱融着部及び／又は隣接する熱融着部にガス放出部を有することを特徴とするフィルム外装電池であり、第２に外装フィルム内に電池要素を収容し、前記電池要素の周囲の前記外装フィルムの接合面を熱融着して密閉形成されたフィルム外装電池を製造する方法において、前記接合面の熱融着と同時に、熱融着部の一部に前記電池要素方向に向けて連続する突出熱融着部を熱融着により形成し、更に該突出熱融着部及び／又は隣接する熱融着部にガス放出部を形成することを特徴とするフィルム外装電池の製造方法である。
【０００６】
以下本発明を詳細に説明する。
本発明のフィルム外装電池では、電池周囲の熱融着部の一部に電池収納方向に突出した熱融着部を有しているため、異常時のガス発生による外装体膨張時に、突出した熱融着部に引き剥がす方向の応力が集中し、この突出熱融着部から選択的に熱融着部が剥離してゆく。剥離がガス放出部に達すると、電池内部と外気が連通されて内部のガスが外部へと排出され、電池の破裂や意図しない方向へのガスの噴出が防止される。この機能を本発明で圧力安全弁の機能ということがある。
【０００７】
前記突出熱融着部は、熱融着部と連続し熱融着部の形成と同時に単一工程で形成できるため、作業効率が向上するだけでなく、熱融着部と突出熱融着部の融着強度が実質的に同一になり、内部で発生するガスが確実に突出熱融着部から剥離を進行させるため、意図しない方向へのガスの噴出が更に確実に防止される。
又ガス放出部は、圧力上昇による外装体膨張による突出熱融着部６の剥離が規定の部位まで進行した際に、電池内部のガスを外部に放出する機能を有し、突出熱融着部又はそれに隣接する熱融着部に、又は両者に渡って存在していても良い。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【０００９】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態によるフィルム外装電池の外観を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線縦断面図、図３は図１のフィルム外装電池の熱融着部及び突出熱融着部をハッチングで示した斜視図、図４は図１及び図３のフィルム外装電池の分解斜視図である。
図４に示すように、フィルム外装電池１は電池要素９を収納した外装体２と、電池要素９と接続されて外装体２の外部に突出した正極リード端子３および負極リード端子４とを有する。前記外装体２は、図２に示すように上側フィルム８ａと下側フィルム８ｂから成り、両フィルム８ａ及び８ｂは電池要素９周囲で図３のハッチングで示すように熱融着されて熱融着部５を構成し、互いに接合されている。熱融着部５の前記正極リード端子３および負極リード端子４が形成されている辺の中央には、電池要素９の収納方向に突出した突出熱融着部６を連続的に形成し、更に該突出熱融着部６にその先端が達している三角形状のガス放出部７が形成されている。このガス放出部７は、外気とフィルム熱融着界面を連通する機能を有している。
【００１０】
突出熱融着部６は、外装体周囲の封止時に熱融着して熱融着部５と同時に形成することができるため、特別の工数を必要とせずに設けることができる。また、前記突出熱融着部６は外装体２周囲の熱融着部５と同じ強度で熱融着することができるため、電解液の漏出など、圧力安全弁としての信頼性がその他の融着部５と比べて低下することもない。
本実施形態のガス放出部７は、図３に示すように、熱融着をしない部分を設けることによって形成されている。熱融着時に用いる融着ヘッドを、突出熱融着部６を熱融着し、熱融着部５のうちのガス放出部７を熱融着しないような形状にすることで、容易に両者を形成できる。
【００１１】
以上説明したように、本実施形態では電池周囲の熱融着部の一部に電池要素収納方向に突出した突出熱融着部６を形成しているため、異常時のガス発生による外装体膨張時に、突出熱融着部６に引き剥がす方向の応力が集中し、この突出熱融着部６から選択的に熱融着部が剥がれてゆく。そして剥がれが突出熱融着部６に近接しかつ外装体２を構成するフィルム８ａ及び８ｂが互いに融着されずに外気と連通しているガス放出部７に達すると、電池内部と外気が連通されて内部のガスが外部へと排出され、電池の破裂や意図しない方向へのガスの噴出が防止される。
【００１２】
［第２及び第３の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態によるフィルム外装電池の外観を示す斜視図、図６は、本発明の第３の実施形態によるフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
第２の実施形態では、図５に示すように、その先端が突出熱融着部６に達するガス放出部７ａの形状が第１の実施形態と異なっている。該ガス放出部７ａは、非融着部で形成するのではなく、外装体２の縁部から突出熱融着部６に達する直線状切込みによって形成されている。切り込み形成は融着工程の前後どちらでも良く、また融着工程前に切り込む場合は対向するフィルムの片方のみに切り込みが形成されていても良い。この実施形態でも、異常時にガス発生によって外装体が膨張すると、突出熱融着部６に引き剥がす方向の応力が集中し、この突出熱融着部６から選択的に熱融着部５が剥がれ、ガス放出部７から内部のガスが外部へと排出される。
【００１３】
第３の実施形態では、図６に示すように、突出熱融着部６にその先端が達する鋭角的な三角形の切り欠きでガス放出部７ｂが形成されている。この実施形態でも、発生ガスによる応力が突出熱融着部６に集中し、かつガス放出部７ｂから発生ガスが外部へ排出されるので、電池の破裂や意図しない方向へのガスの噴出が防止される。
【００１４】
［第４の実施形態］
図７は、本発明の第４の実施形態によるフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
本実施形態では、図７に示すように、ガス放出部７ｃが突出熱融着部６内に穿設された穴として形成されている。この穴は対向するフィルム２枚のうち少なくとも１枚に形成されていれば良く、２枚とも貫通した穴でも良い。この例でも他の実施形態の場合と同様に、電池内部で発生することのあるガスが突出熱融着部６の２枚のフィルムを剥離させ、穴として形成されたガス放出部７ｃから外部へ排出される。
【００１５】
［第５の実施形態］
図８は、本発明の第５の実施形態によるフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
本実施形態は、図８に示すように、突出熱融着部６ｄ及びガス放出部７ｄが第１〜第４の実施形態のように、正・負極リード端子３及び４の間ではなく、正極リード端子３上に形成している点で異なっている。熱融着部５の接合強度は、一般的にフィルム同士の接合部よりも、フィルムとリード端子との接合部のほうが弱く、突出熱融着部６ｄおよびガス放出部７ｄをリード端子３上に設けることで、弁開封圧力の設定を低くすることが可能である。図８では正極リード端子上に突出熱融着部６ｄおよびガス放出部７ｄを形成しているが、これらは負極リード端子４上に形成しても良い。又突出熱融着部６ｄがすべて電極リード端子３上にある必要はなく、一部のみが電極リード端子上にあっても良い。
【００１６】
［第６の実施形態］
図９は、本発明の第６の実施形態によるフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
本実施形態は、図９に示すように、突出熱融着部６ｅ及びガス放出部７ｅが第１〜第４の実施形態のように正・負極リード端子３及び４の間に形成し、あるいは第５の実施形態のように正極リード端子３上に形成するのではなく、外装体角部に形成している点で異なっている。突出熱融着部は外装体周囲の任意の位置に設けることができるが、電池要素９や電極リード端子３及び４の引き回しを考慮して、電池の外形に影響を与えない場所が望ましい。本実施形態のように外装体角部に突出熱融着部６ｅ及びガス放出部７ｅを形成しても同様の効果が得られる。
【００１７】
［第７の実施形態］
図１０は、本発明の第７の実施形態によるフィルム外装電池の要部を示す平面図である。
本実施形態では、第１の実施形態のようにして形成されたガス放出部７の外気側端部を熱融着によって封止部１３として形成している。封止部１３を形成することにより、外部からのゴミなどがガス放出部７に詰まって圧力安全弁の作動に支障を与えたり、ガス放出部７が水蒸気の外部から電池内部への侵入パスとなって電池特性の劣化原因となることを防ぐことができる。
封止部１３は、圧力安全弁としての作動時のガス排出を妨げない程度の弱い強度にて封止されていなければならない。図１０では、その他の熱融着部５よりも狭い幅で融着して封止部１３を形成している。接合強度を下げるために、他の熱融着部５よりも低い温度で融着して封止部１３を形成しても良い。
【００１８】
［第８の実施形態］
図１１は、本発明の第８の実施形態によるフィルム外装電池の要部を示す平面図である。
本実施形態では、第７の実施形態と異なり、封止部１３ａをガス放出部７中に塗布した接着剤で形成している。熱硬化性樹脂を充填するなど、その他の公知の方法を用いてもよい。この接着剤または樹脂は、圧力安全弁としての作動時のガス排出を妨害しないように、弱い力で接着されていることが望ましい。また、電解液などの電池要素９成分によって溶解または分解する接着剤または樹脂を用いても良い。
【００１９】
［第９の実施形態］
図１２は、本発明の第９の実施形態によるフィルム外装電池の要部を示す平面図である。
本実施形態では、第７及び第８の実施形態と異なり、ガス放出部７をテープにて覆って封止部１３ｂを形成している。テープやシールを用いることで、容易にガス放出部７に封止部１３ｂを形成することができる。テープは金属箔や金属薄膜を含むラミネートフィルムを用いてもよく、テープの接合方法も、粘着剤や接着剤、熱融着など、公知の方法を用いることができる。
【００２０】
なお、図１〜図１２では突出熱融着部およびガス放出部を１つずつ形成しているが、２箇所以上の任意の場所に形成しても良い。
【００２１】
【実施例】
次に、本発明のフィルム外装電池の構成及び動作を実施例として説明する。
【００２２】
〈正極の製作〉
スピネル構造を持つマンガン酸リチウム粉末、炭素質導電性付与材、およびポリフッ化ビニリデンを９０：５：５の重量比でＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）に混合分散、攪拌してスラリーとした。ＮＭＰの量はスラリーが適当な粘度になるように調整した。このスラリーを、ドクターブレードを用いて、正極集電体となる厚さ２０ミクロンのアルミニウム箔の片面に均一に塗布した。塗布時には、わずかに未塗布部（集電体が露出している部分）が筋状にできるようにした。次にこれを１００℃で２時間真空乾燥させた。同様にもう一方の面にもスラリーを塗布し、真空乾燥させた。この際、表裏の未塗布部が一致するようにした。このようにして両面に活物質を塗布したシートをロールプレスした。これを未塗布部を含めて矩形に切り出して正極の電極板１０とした。活物質未塗布部は片側の一部を矩形に残した他は切り取り、残った部分をリード部とした。
【００２３】
〈負極の製作〉
アモルファスカーボン粉末、ポリフッ化ビニリデンを９１：９の重量比でＮＭＰに混合、分散、攪拌してスラリーとした。ＮＭＰの量はスラリーが適当な粘度になるように調整した。このスラリーを、ドクターブレードを用いて負極集電体となる厚さ１０ミクロンの銅箔の片面に均一に塗布した。塗布時には、わずかに未塗布部（集電体が露出している部分）が筋状にできるようにした。次にこれを１００℃で２時間真空乾燥した。なお、このとき負極層の単位面積あたりの理論容量と正極層の単位面積あたりの理論容量を１：１となるように活物質層の膜厚を調整した。同様にもう一方の面にもスラリーを塗布し真空乾燥した。このようにして両面に活物質を塗布したシートをロールプレスした。これを正極のサイズよりも縦横２ｍｍずつ大きいサイズに、未塗布部を含めて矩形に切り出したものを負極板１１とした。活物質未塗布部は片側の一部を矩形に残した他は切り取り、残った部分をリード部とした。
【００２４】
〈電池要素の製作〉
上記のようにして作製した正極と負極、およびポリプロピレン／ポリエチレン／ポリプロピレンの三層構造を持つマイクロポーラスセパレーターを交互に積層した。図１３に示すように、電極の最外側は負極となるようにし、その負極のさらに外側にセパレーターを設置した（セパレーター１２／負極１１／セパレーター１２／正極１０／セパレーター１２／・・・・・・／負極１１／セパレーター１２、という順番）。積層した正極の電極板リード部と正極リード端子３としてアルミニウム板を一括して超音波溶接した。同様に負極のリード部と負極リード端子４としてニッケル板を一括して超音波溶接した。
【００２５】
〈フィルム外装電池の製作〉
次に、図４を参照してフィルム外装電池の製作について説明する。
ナイロン／アルミニウム／ポリプロピレンの三層構造を持つアルミラミネートフィルムであるフィルム８ａに、電池要素９よりも一回り大きいサイズの深絞り加工による収納部をポリプロピレン側が凹状となるように設けた。
上記の電池要素９を、正極リード端子３および負極リード端子４のみがフィルム外装体から突出するようにして、フィルム８ａの電池要素収納部に収納し、もう一方のフィルム８ｂで電池要素９を覆い、接合部を重ね合わせて熱融着によって外装体の周囲三辺を接合した。リード端子を導出する辺の融着部５については、正・負極のリード端子の間に、電池要素９方向に突出する突出熱融着部６と、この突出熱融着部６から熱融着部５外周に達する非融着部からなるガス放出部７を形成するための融着ヘッドを有する熱融着機によって接合を行なった。
次に接合してない残りの１辺から電池要素９収納部に電解液を注液した。電解液は１ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ６を支持塩とし、プロピレンカーボネートとエチレンカーボネートの混合溶媒（重量比５０：５０）を溶媒とした。電解液注液後、真空中にて外装体を封止し、ラミネートフィルム外装体を有するリチウムイオン二次電池を得た。
【００２６】
〈圧力安全弁の作動〉
フィルム外装電池１において、外部短絡などの異常発生時に電池内部の温度が急上昇し、ガス発生による外装体２の膨張が発生すると、膨張による応力は突出した融着部６に集中する。そのため、熱融着部５の剥がれは突出熱融着部６にて選択的に進行し、剥がれがガス放出部７に至ると電池内部と外気とが連通し、電池内部にて発生したガスはガス放出部７を通って外部に排出される。安全弁としての作動圧力は、突出部６やガス放出部７の位置や形状にて任意に設定することが可能であり、さらにガス発生のない通常時では、その他の融着部５と同等の信頼性を保つことができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電池要素方向に突出した融着部を形成し、さらにその突出熱融着部に近接してガス放出部を形成することで、ガス発生による電池内圧力上昇時に、選択的に突出融着部の剥離が進行し、ガス放出部まで剥離が達することで電池内ガスを外部に排出することができる。突出熱融着部やガス放出部の位置や形状によって、弁の開封圧力を任意に設定でき、通常使用時の封止信頼性の高い圧力安全弁としての機能を有するフィルム外装電池を容易に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線縦断面図である。
【図３】図１のフィルム外装電池の熱融着部及び突出熱融着部をハッチングで示した斜視図である。
【図４】図１のフィルム外装電池の分解斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係るフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係るフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に係るフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
【図９】本発明の第６の実施形態に係るフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
【図１０】本発明の第７の実施形態によるフィルム外装電池の要部を示す平面図である。
【図１１】本発明の第８の実施形態によるフィルム外装電池の要部を示す平面図である。
【図１２】本発明の第９の実施形態によるフィルム外装電池の要部を示す平面図である。
【図１３】実施例における積層状態を示すフィルム外装電池の分解斜視図である。
【符号の説明】
１　フィルム外装電池
２　外装体
３　正極リード端子
４　負極リード端子
５　熱融着部
６、６ｄ、６ｅ　突出熱融着部
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ　ガス放出部
８ａ、８ｂ　フィルム
９　電池要素
１０　正極
１１　負極
１２　セパレーター
１３、１３ａ、１３ｂ　封止部
【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】
2004055290.tif 000012
【図１１】
2004055290.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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