(57)【要約】【課題】スイッチング素子に流れる電流の最大値を抑えることができる電流制御回路を備えた電解水生成装置を提供することにある。【解決手段】電解槽１６の電極間に印加する直流電圧を発生する電源回路２２，２３と、電解槽１６に流れる電流の設定値を設定するための操作回路２８と、電解槽１６に流れる電流を検出する電流検出回路２６と、電解槽１６に流れる電流を制御するスイッチング素子２４と、スイッチング素子２４のオン・オフ制御を行う制御部２７と、電解槽１６の電極間に印加する直流電圧に応じて電源回路２２，２３の動作を制御するフィードバック回路２９が設けられ、制御部２７が、電流検出回路２６によって検出された電流と操作回路２８によって設定された電流の設定値との誤差に基づいてフィードバック回路２９のフィードバック量を段階的に変化させることにより、電源回路２２，２３が発生する直流電圧を段階的に変化させる。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を電気分解することによってイオン水を生成する電解槽と、前記電解槽の電極間に印加する直流電圧を発生する電源回路と、前記電解槽に流れる電流の設定値を設定するための操作回路と、前記電解槽に流れる電流を検出する電流検出回路と、前記電解槽に流れる電流を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオン・オフ制御を行う制御部を備えた電解水生成装置であって、
前記電解槽の電極間に印加する直流電圧に応じて前記電源回路の動作を制御するフィードバック回路を設け、前記制御部が、前記電流検出回路によって検出された電流と前記操作回路によって設定された電流の設定値との誤差に基づいて前記フィードバック回路のフィードバック量を段階的に変化させることにより、前記電源回路が発生する直流電圧を段階的に変化させることを特徴とする電解水生成装置。
【請求項２】
前記制御部は、電源投入直後は前記電源回路が発生する直流電圧を最低値に設定し、前記電流検出回路によって検出された電流が前記操作回路によって設定された電流の設定値に達するまで前記電源回路が発生する直流電圧を段階的に上昇させることを特徴とする請求項１記載の電解水生成装置。
【請求項３】
前記電流検出回路によって検出された電流と前記操作回路によって設定された電流の設定値との誤差に基づいて前記フィードバック回路のフィードバック量を段階的に変化させるための電圧可変回路が設けられ、前記電圧可変回路は、演算増幅器と、その基準電圧を段階的に変化させるための複数の抵抗とを有し、前記複数の抵抗の一端側が前記演算増幅器の入力端子に共通接続されていると共に、他端側が前記制御部の複数の出力端子にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電解水生成装置。
【請求項４】
前記電流検出回路によって検出された電流と前記操作回路によって設定された電流の設定値との誤差に基づいて前記フィードバック回路のフィードバック量を段階的に変化させるための電圧可変回路が設けられ、前記電圧可変回路は、ツェナー電圧の異なる複数のツェナーダイオードと、各ツェナーダイオードにそれぞれ接続された複数のスイッチングトランジスタとを含み、前記複数のスイッチングトランジスタのエミッタがそれぞれの抵抗を介して共通接続されフィードバック出力となると共にベースが前記制御部の複数の出力端子にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電解水生成装置。
【請求項５】
前記電流検出回路によって検出された電流と前記操作回路によって設定された電流の設定値との誤差に基づいて前記フィードバック回路のフィードバック量を段階的に変化させるための電圧可変回路が設けられ、前記電圧可変回路は、シャントレギュレータを有し、前記電源回路が発生する直流電圧を上側分圧抵抗と複数の下側分圧抵抗とで分圧して得られた電圧を前記シャントレギュレータのゲートに印加するように構成され、前記複数の下側分圧抵抗の一端側が前記上側分圧抵抗に共通接続されると共に、他端側が複数のスイッチングトランジスタにそれぞれ接続され、前記複数のスイッチングトランジスタのベースが前記制御部の複数の出力端子にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電解水生成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解水生成装置に関し、さらに詳しくは、電解槽に流れる電流の制御回路の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の電解水生成装置は、浄水器を通した後の水道水を電解槽にて電気分解し、アルカリイオン水（又は酸性イオン水）を生成する。電解槽に流れる電流、すなわち電解槽の陽電極と陰電極との間に供給される電流を制御することにより、電気分解の速度、すなわちイオン水の生成能力を制御することができる。
【０００３】
従来の電解水生成装置は、電解槽に流れる電流（に相当する操作量）の設定値を設定するための操作回路と、電解槽に流れる電流を検出する電流検出回路と、電解槽に流れる電流を制御するスイッチング素子と、スイッチング素子のオン・オフ制御を行う制御部（マイクロコンピュータ）を備えている。制御部は、電解槽に流れる電流の検出値と設定値との誤差が無くなるように、スイッチング素子のデューティ比（通流比）のフィードバック制御を行う。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような電解槽に流れる電流の制御を行う従来の電解水生成装置において、電解槽の陽電極と陰電極との間に印加する電圧をＶとし、電解槽の水の電気抵抗（導電率の逆数）をＲとすれば、スイッチング素子がオンの期間に電解槽に流れる電流Ｉは、Ｉ＝Ｖ／Ｒとなる。したがって、電解槽の陽電極と陰電極との間に印加する電圧を高く設定すれば、電解槽に流れる電流が増加し、単位時間当たりのイオン水の生成能力が向上する。
【０００５】
しかし、電解槽の水の導電率は一定ではなく、導電率が最大のときに最大電流がスイッチング素子に流れることになる。したがって、スイッチング素子の定格は、電極間の最大印加電圧と水の最大導電率（最小抵抗）で決まる最大電流を満たす必要がある。
【０００６】
つまり、電解槽の陽電極と陰電極との間に印加する電圧が高すぎると、操作回路で設定する通常の設定値に相当する電流値よりはるかに大きい電流がスイッチング素子に一時的に流れることになる。これを満たすためには、十分大きい定格電流のスイッチング素子を使用し、かつ、放熱板等の放熱手段を考慮する必要がある。その結果、制御回路のコスト上昇が発生する。
【０００７】
本発明は、上記のような従来の課題を解決し、イオン水の生成能力を維持しながら、スイッチング素子に流れる電流の最大値を抑えることができる電流制御回路を備えた電解水生成装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による電解水生成装置は、水を電気分解することによってイオン水を生成する電解槽と、前記電解槽の電極間に印加する直流電圧を発生する電源回路と、前記電解槽に流れる電流の設定値を設定するための操作回路と、前記電解槽に流れる電流を検出する電流検出回路と、前記電解槽に流れる電流を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオン・オフ制御を行う制御部を備えた電解水生成装置であって、前記電解槽の電極間に印加する直流電圧に応じて前記電源回路の動作を制御するフィードバック回路を設け、前記制御部が、前記電流検出回路によって検出された電流と前記操作回路によって設定された電流の設定値との誤差に基づいて前記フィードバック回路のフィードバック量を段階的に変化させることにより、前記電源回路が発生する直流電圧を段階的に変化させることを特徴とする。
【０００９】
好ましい実施形態において、前記制御部は、電源投入直後は前記電源回路が発生する直流電圧を最低値に設定し、前記電流検出回路によって検出された電流が前記操作回路によって設定された電流の設定値に達するまで前記電源回路が発生する直流電圧を段階的に上昇させる。
【００１０】
前記電流検出回路によって検出された電流と前記操作回路によって設定された電流の設定値との誤差に基づいて前記フィードバック回路のフィードバック量を段階的に変化させるための電圧可変回路の具体的な回路構成として、前記電流検出回路によって検出された電流と前記操作回路によって設定された電流の設定値との誤差に基づいて前記フィードバック回路のフィードバック量を段階的に変化させるための電圧可変回路が設けられ、前記電圧可変回路は、演算増幅器と、その基準電圧を段階的に変化させるための複数の抵抗とを有し、前記複数の抵抗の一端側が前記演算増幅器の入力端子に共通接続されていると共に、他端側が前記制御部の複数の出力端子にそれぞれ接続されている回路が好ましい。
【００１１】
電圧可変回路の他の具体的な回路構成として、ツェナー電圧の異なる複数のツェナーダイオードと、各ツェナーダイオードにそれぞれ接続された複数のスイッチングトランジスタとを含み、前記複数のスイッチングトランジスタのエミッタがそれぞれの抵抗を介して共通接続されフィードバック出力となると共にベースが前記制御部の複数の出力端子にそれぞれ接続されている回路が好ましい。
【００１２】
電圧可変回路の更に別の具体的な回路構成として、シャントレギュレータを有し、前記電源回路が発生する直流電圧を上側分圧抵抗と複数の下側分圧抵抗とで分圧して得られた電圧を前記シャントレギュレータのゲートに印加するように構成され、前記複数の下側分圧抵抗の一端側が前記上側分圧抵抗に共通接続されると共に、他端側が複数のスイッチングトランジスタにそれぞれ接続され、前記複数のスイッチングトランジスタのベースが前記制御部の複数の出力端子にそれぞれ接続されている回路が好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００１４】
図１は、本発明の電解水生成装置の全体構成を示す図である。この電解水生成装置は、フィルター部１２と電解槽１６とが直列に接続された構造を有する。入水管路１１から供給された水道水は、まず、フィルター部１２で浄水される。フィルター部１２は、中空糸カートリッジと活性炭カートリッジを備えている。供給された水道水は中空糸カートリッジで比較的大きい水中のごみや粒子等の不純物が取り除かれ、活性炭カートリッジでにおい成分等の不純物が取り除かれる。フィルター部１２から出た浄水は中継管路１４を通って電解槽１６に供給される。
【００１５】
中継管路１４の途中には、流量センサー１３及びカルシウム（Ｃａ）添加筒１５が挿入されている。流量センサー１３は、フィルター部１２を経て電解槽に供給される浄水の単位時間当たりの流量を検出するためのセンサーであり、その検出値は、後述する操作回路による電流設定値の補正等に使用される。また、カルシウム添加筒１５は、浄水にミネラル成分であるカルシウムを適当に添加するためのものである。
【００１６】
電解槽１６は、水中のイオンが通過可能な隔壁１６ａによって２室に分離されている。一方の室には電気分解電極Ａ（１７）が設けられ、他方の室には電気分解電極Ｂ（１８）が設けられている。アルカリイオン水生成時は、電気分解電極Ａ（１７）が陰極、電気分解電極Ｂ（１８）が陽極となるように両電極間に直流電圧が印加される。プラスイオン水生成時又は電極洗浄時は、電気分解電極Ａ（１７）が陽極、電気分解電極Ｂ（１８）が陰極となるように両電極間に直流電圧が印加される。電気分解電極Ａ（１７）が設けられた室の出口は排水ホース１９に接続され、電気分解電極Ｂ（１８）が設けられた室の出口は吐水出口２０に接続されている。
【００１７】
図２は、電解槽１６（の電極間）に供給する電流の制御回路を示すブロック図である。商用電源からＡＣ１００Ｖ電圧が入力回路２１及びスイッチング電源回路２２を経て二次側整流回路２３に供給される。ＡＣ１００Ｖ電圧は、スイッチング電源回路２２及び二次側整流回路２３によって適切な電圧の直流電圧に変換されることになる。この直流電圧はスイッチング素子２４を介して電解層１６に印加される。
【００１８】
また、二次側整流回路２３の出力電圧は電圧可変回路２５及び電流検出回路２６に入力される。電流検出回路２６は、スイッチング素子２４を介して電解層１６に供給される電流を検出し、その検出出力はマイクロコンピュータ（マイコン）２７に入力される。
【００１９】
マイクロコンピュータ２７の別の入力ポートには操作回路２８の出力信号が入力されている。操作回路２８は、電解槽１６に流れる電流（に相当する操作量）の設定値を設定するための回路であり、電解水生成装置のユーザ又は設置者が設定スイッチ又は可変抵抗等の設定手段を用いて設定した操作量の設定値に相当する信号が操作回路２８からマイクロコンピュータ２７に入力される。
【００２０】
マイクロコンピュータ２７は、電流検出回路２６で検出された電流値と上記の設定値との誤差が無くなるように、スイッチング素子２４のオン・オフ制御を行う。つまり、電流の検出値と設定値との誤差に応じてスイッチング素子２４の通流比（デューティ比）を調節するフィードバック制御（第１のフィードバックループ）を行う。
【００２１】
また、電圧可変回路２５の出力は、フィードバック回路２９を介してスイッチング電源回路２２に入力されている。すなわち、第２のフィードバックループが形成されている。また、マイクロコンピュータ２７の（複数の）出力ポートからの出力信号が電圧可変回路２５に入力されており、マイクロコンピュータ２７の制御によってフィードバック量（電圧）が変更可能に構成されている。
【００２２】
スイッチング電源回路２２へのフィードバック量（電圧）を変えることにより、スイッチング電源回路２２及び二次側整流回路２３によって生成される直流電圧を変えることができる。例えば、始めは低い直流電圧から開始して、徐々に電圧を上昇させるといった制御がマイクロコンピュータ２７のプログラムによって可能になる。これにより、電解槽１６への供給電流の実効値（すなわちイオン水生成能力）を従来の電解水生成装置と同等に維持しながら、スイッチング素子２４に流れる電流の最大値を抑えることができるので、スイッチング素子２４の定格ダウン及び放熱手段の簡略化によるコスト低減を図ることができる。
【００２３】
図３は、従来の電解水生成装置における電解槽１６への供給電流と本発明による電解水生成装置における電解槽１６への供給電流とを比較して示すグラフである。図３（ａ）に示す従来の電解水生成装置では、例えば最大電流２０Ａ、デューティ比１／２０でスイッチング素子２４を駆動することによって実効値１Ａの電流を得ている。これに対して、図３（ｂ）に示す本発明の電解水生成装置では、スイッチング電源回路２２及び二次側整流回路２３によって生成される直流電圧を可変として低く抑えることにより、デューティ比を１にすることが可能である。この場合、十分低い電圧から開始して徐々に直流電圧を上昇することにより、実効値１Ａの電流を得ることができる。
【００２４】
図４は、図２のブロック図における電圧可変回路２５の具体回路の第１構成例を示す回路図である。なお、この回路図では電流検出回路２６の具体構成例も示されている。電流検出回路２６は、電流検出用抵抗２６、演算増幅器３１、平滑回路３２を含む。電流検出用抵抗２６の両端に発生する電圧（電流に対応する）が演算増幅器３１で増幅された後、平滑回路３２で直流電圧とされた後、マイクロコンピュータ２７のアナログ入力端子に入力されるように構成されている。
【００２５】
図４に示すように、電圧可変回路２５は、電圧検出用分圧抵抗３４，３５、基準電圧用分圧抵抗３６，３７、基準電圧可変用抵抗群３８及び演算増幅器３９を含む。二次側整流回路２３から出力される直流電圧を電圧検出用分圧抵抗３４，３５で分圧して得られた電圧が演算増幅器３９の非反転入力端子に入力されている。演算増幅器３９の反転入力端子側にはＤＣ５Ｖを基準電圧用分圧抵抗３６，３７及び基準電圧可変用抵抗群３８で分圧して得られる基準電圧が入力されている。
【００２６】
基準電圧可変用抵抗群３８の各抵抗の一端側は共通接続され基準電圧用分圧抵抗３６及び３７の接続点、すなわち演算増幅器３９の反転入力端子側に接続されている。基準電圧可変用抵抗群３８の各抵抗の他端側はマイクロコンピュータ２７の個別の出力端子にそれぞれ接続されている。したがって、基準電圧可変用抵抗群３８の各抵抗に接続されたマイクロコンピュータ２７の出力端子をＨレベル又はＬレベルに切り替えることにより、各抵抗の値に応じて基準電圧用分圧抵抗３６及び３７の接続点の電位がプラス側に移動したりマイナス側に移動したりする。このような構成はマイクロコンピュータのディジタル出力ポートを用いたＤ／Ａ変換の一種としてよく知られている。
【００２７】
上記のようにして、マイクロコンピュータ２７のプログラムによって演算増幅器３９の基準電圧、ひいてはその出力電圧を多段階に変更することができる。演算増幅器３９の出力電圧（すなわち電圧可変回路２５の出力電圧）は、図２に示されるように、フィードバック回路２９を経てスイッチング電源回路２２に入力されている。フィードバック回路２９は、フォトカップラーによって一次側（制御側）と二次側（スイッチング電源回路側）とを電気的に分離している。
【００２８】
このようにして、スイッチング電源回路２２及び二次側整流回路２３によって生成される直流電圧をマイクロコンピュータ２７のプログラムによって多段階に変えることができる。例えば、基準電圧可変用抵抗群３８の各抵抗に接続されたマイクロコンピュータ２７の出力端子をすべてＬレベルに設定することにより、演算増幅器３９の基準電圧、ひいては出力電圧を最小値に設定し、スイッチング電源回路２２及び二次側整流回路２３によって生成される直流電圧を最小値から開始する。
【００２９】
このとき、電解槽１６に供給される電流は最小値になっており、通常は操作回路２８で設定された電流の設定値に比べて検出値が小さいためにスイッチング素子２４は常時オン（デューティ比が１）となっている。この後、電流の検出値が設定値に達するまで、基準電圧可変用抵抗群３８の各抵抗に接続されたマイクロコンピュータ２７の出力端子が所定の順番でＬレベルからＨレベルに切り替えられる。この結果、図３（ｂ）に示したように、電流の検出値が段階的に上昇して設定値に達する。
【００３０】
このように、マイクロコンピュータ２７のプログラムによってスイッチング電源回路２２及び二次側整流回路２３によって生成される直流電圧を常に最小電圧から開始して段階的に上昇させることができる。したがって、電解槽１６への供給電流の実効値（すなわちイオン水生成能力）を従来の電解水生成装置と同等に維持しながら、スイッチング素子２４に流れる電流の最大値を抑えることができるので、スイッチング素子２４の定格ダウン及び放熱手段の簡略化によるコスト低減を図ることができる。また、回路の省スペース化にも寄与することができる。
【００３１】
図５は、図２のブロック図における電圧可変回路２５の具体回路の第２構成例を示す回路図である。なお、この回路図では電流検出回路２６等の他の回路部分は省略されている。
【００３２】
この回路例では、ツェナー電圧の異なる複数のツェナーダイオード４０を用いて電圧可変回路２５を構成している。各ツェナーダイオード４０のカソード側は二次側整流回路２３のプラス側出力端子に共通接続され、アノード側はそれぞれのスイッチングトランジスタ４１のコレクタに接続されている。各スイッチングトランジスタ４１のエミッタはそれぞれの抵抗を介して共通接続され、フィードバック回路２９の入力端子に接続されている。フィードバック回路２９は、図４に示した回路例と同様にフォトカップラーで構成されている。
【００３３】
各スイッチングトランジスタ４１のベースは、マイクロコンピュータ２７の個別の出力端子にそれぞれ接続されている。したがって、各スイッチングトランジスタ４１のベースに接続されたマイクロコンピュータ２７の出力端子をＨレベル又はＬレベルに切り替えることにより、各スイッチングトランジスタ４１のコレクタに接続されたツェナーダイオード４０の導通・遮断を個別に制御することができる。その結果、導通状態のツェナーダイオード４０のツェナー電圧に応じて、各スイッチングトランジスタ４１が構成するエミッタフォロワ回路の出力電圧の加算電圧として得られる電圧可変回路２５の出力電圧が変化する。
【００３４】
したがって、この回路例でも図４に示した回路例と同様に、スイッチング電源回路２２及び二次側整流回路２３によって生成される直流電圧をマイクロコンピュータ２７のプログラムによって多段階に変えることができる。つまり、マイクロコンピュータ２７のプログラムによってスイッチング電源回路２２及び二次側整流回路２３によって生成される直流電圧を常に最小電圧から開始して段階的に上昇させることができる。
【００３５】
その結果、電解槽１６への供給電流の実効値（すなわちイオン水生成能力）を従来の電解水生成装置と同等に維持しながら、スイッチング素子２４に流れる電流の最大値を抑えることができるので、スイッチング素子２４の定格ダウン及び放熱手段の簡略化によるコスト低減を図ることができる。また、回路の省スペース化にも寄与することができる。
【００３６】
図６は、図２のブロック図における電圧可変回路２５の具体回路の第３構成例を示す回路図である。なお、この回路図では電流検出回路２６等の他の回路部分は省略されている。
【００３７】
この回路例では、シャントレギュレータ４５を用いて電圧可変回路２５を構成している。また、フィードバック回路２９は、図４に示した回路例と同様にフォトカップラーで構成されているが、その一次側フォトダイオードのアノードが二次側整流回路２３のプラス側出力端子に接続されると共に、カソードがシャントレギュレータ４５を介して接地されている。
【００３８】
シャントレギュレータ４５のゲートには、電圧検出用の上側分圧抵抗４２と複数の下側分圧抵抗４３とで分圧された電圧が印加されている。複数の下側分圧抵抗４３の一端側は共通接続されて上側分圧抵抗４２に接続され、他端側は複数のスイッチングトランジスタ４４のコレクタに個別に接続されている。複数のスイッチングトランジスタ４４のエミッタは二次側整流回路２３のマイナス側出力端子に共通接続され、ベースはマイクロコンピュータ２７の個別の出力端子にそれぞれ接続されている。
【００３９】
したがって、各スイッチングトランジスタ４４のベースに接続されたマイクロコンピュータ２７の出力端子をＨレベル又はＬレベルに切り替えることにより、複数の下側分圧抵抗４３の合成抵抗値を段階的に変えることができる。その結果、シャントレギュレータ４５のゲートに印加する電圧が段階的に変化する。
【００４０】
したがって、電源投入時はシャントレギュレータ４５のゲートに印加する電圧を最大値に設定し、この電圧を段階的に上昇させると所定のゲート電圧でシャントレギュレータ４５が導通し出力電圧が安定する。図３を用いて説明した電流検出値と設定値との誤差に基づくスイッチング素子２４のデューティ比のフィードバック制御と併用することにより、この回路例でも、スイッチング素子２４に流れる電流の最大値を抑えることができる。その結果、スイッチング素子２４の定格ダウン及び放熱手段の簡略化によるコスト低減を図ることができる。
【００４１】
なお、本発明は、上記の実施形態及び各図に示した具体的な回路例に限らず、種々の形態及び回路構成で実施することが可能である。
【００４２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の電解水生成装置によれば、電解槽への供給電流の実効値で決まるイオン水生成能力を従来の電解水生成装置と同等に維持しながら、スイッチング素子に流れる電流の最大値を抑えることができるので、スイッチング素子の定格ダウン及び放熱手段の簡略化によるコスト低減を図ることができる。また、回路の省スペース化にも寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電解水生成装置の全体構成を示す図である。
【図２】電解槽に供給する電流の制御回路を示すブロック図である。
【図３】従来の電解水生成装置における電解槽への供給電流と本発明による電解水生成装置における電解槽への供給電流とを比較して示すグラフである。
【図４】図２のブロック図における電圧可変回路の具体回路の第１構成例を示す回路図である。
【図５】図２のブロック図における電圧可変回路の具体回路の第２構成例を示す回路図である。
【図６】図２のブロック図における電圧可変回路の具体回路の第３構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
１６　電解槽
１７，１８　電極
２２，２３　電源回路
２４　電解槽に流れる電流を制御するスイッチング素子
２５　電圧可変回路
２６　電流検出回路
２７　制御部
２８　操作回路
２９　フィードバック回路
３８　複数の抵抗
３９　演算増幅器
４０　複数のツェナーダイオード
４１　複数のスイッチングトランジスタ
４２　上側分圧抵抗
４３　複数の下側分圧抵抗
４４　複数のスイッチングトランジスタ
４５　シャントレギュレータ
【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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