(57)【要約】【課題】高容量、高出力の二次電池を構成するのに適した電流遮断機構を備えた二次電池を提供する。【解決手段】有底円筒形に形成された外装ケース２内に、正極板と負極板とをセパレータを介して巻回して一端に正極集電板１４を接合し、他端に負極集電板５を接合した極板群３を正極集電板１４側にスペーサ４を配して収容し、正極集電板１４の突出部１４ａと外装ケース２の底部２ｂとの間を溶接点Ａで溶接し、外装ケース２の開口部を封口部材２０で封口して二次電池１に構成される。過充電等の原因により電池温度が上昇して電池内圧が異常上昇したとき、底部２ｂに膨らみが生じ、その膨らみが大きくなったとき溶接点Ａが破断して正極集電板１４と外装ケース２との間の電気的接続が破断して電流回路が遮断される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板と負極板とをセパレータを介して円筒状に巻回して極板群が形成され、
前記極板群の一方端に正極板又は負極板のいずれか一方に接続して極板群の直径と略同径で中央に突出部を形成した一方集電板が配置され、
前記極板群の他方端に前記一方集電板が接続されていない正極板又は負極板のいずれか一方に接続して中央に電極端子を設けた他方集電板が配置され、
前記一方集電板にその突出部を貫通させる中央開口部が形成されたスペーサを配して有底円筒形に形成された外装ケース内にその底部側に一方集電板が位置するように極板群が収容され、
外装ケースの底部と一方集電板の突出部との間が溶接接合され、極板群に電解液が含浸され、外装ケースの開口端が前記電極端子を外部露出させて封口部材により封口されてなることを特徴とする二次電池。
【請求項２】
スペーサは、陽極酸化処理されたアルミニウムにより形成されてなる請求項１に記載の二次電池。
【請求項３】
スペーサは、耐熱性で且つ耐電解液性の樹脂により形成されてなる請求項１に記載の二次電池。
【請求項４】
スペーサは、金属に耐熱性、耐電解液性の樹脂をコーティングして形成されてなる請求項１に記載の二次電池。
【請求項５】
スペーサは、セラミックにより形成されてなる請求項１に記載の二次電池。
【請求項６】
封口部材は、電極端子を貫通させる開口部及び外装ケース内の異常内圧を外部放出する防爆手段が設けられ、周縁部で外装ケースの開口端に固定される蓋板と、この蓋体と電極端子との間を封止する封止手段と、蓋体と電極端子との間を絶縁する絶縁手段と、蓋体に電極端子を固定する固定手段とが設けられてなる請求項１に記載の二次電池。
【請求項７】
極板群の周面を絶縁被覆する絶縁被覆材が設けられてなる請求項１に記載の二次電池。
【請求項８】
極板群の中心部に形成される円筒空間に筒状体が嵌挿されてなる請求項１に記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、５Ａ／ｈ以上の高容量、高出力の電池を構成するのに好適な構造を備えた二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車や、内燃機関と電動機とを併用するハイブリッド車の電源となる電池は、現時点において鉛蓄電池やニッケル−水素蓄電池を用いた電源装置が実用化されているが、更なる小型軽量化と同時に高容量化、高出力化が要求されており、これを実現する電池としてリチウムイオン二次電池に期待が寄せられている。しかし、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、可燃性の非水電解液を用いる電池であるため、過充電や外部短絡等の電気的な障害が発生したとき、速やかに電流回路を遮断する構造を設ける必要がある。また、何らかの原因によって電池温度が上昇し、電池内部の圧力が上昇したときに、それが限界圧力に達する以前に異常内圧を外部に放出し、電流回路を遮断する構造を設ける必要がある。
【０００３】
図８は、従来技術に係るリチウムイオン二次電池における異常内圧の放出及び電流遮断の構成を示すもので、発電要素を収容した円筒形の外装ケース６１の開口部を封口する封口板６２に異常内圧放出構造と電流遮断構造とが設けられている。
【０００４】
封口板６２は、電極端子となるキャップ６８と、リング状に形成されたＰＴＣ素子６７と、防爆弁６６とする薄板とを重ね合わせた周辺部が内ガスケット６９により包まれ、電流遮断弁６５とする薄板と共にディスクホルダ６４の周辺部を折り返してカシメられることにより一体に構成されている。この封口板６２は外装ケース６１に外ガスケット６３を介してカシメ固定されることにより、外装ケース６１の開口部を封口する。前記防爆弁６６にはＣの字状に薄肉形成された易破断部６６ａが形成され、電池内部側に膨出させた中央部分の溶接点Ａで電流遮断弁６５に溶接されている。前記ディスクホルダ６４には極板群から引き出された正極又は負極のリードが接合されているので、電流回路はディスクホルダ６４から電流遮断弁６５、溶接点Ａから防爆弁６６、ＰＴＣ素子６７を通じてキャップ６８に至るように接続され、キャップ６８が正極又は負極の端子となる。
【０００５】
上記構成になる封口板６２を備えた二次電池が過充電や外部加熱等の原因によって温度上昇して高温状態になったとき、正負極活物質と電解液との反応や電解液の気化、分解などによってガスが発生し、それらによる発熱のために異常反応が加速され、更なる温度上昇によって外装ケース６１内の圧力が異常上昇する。外装ケース６１内の圧力上昇はディスクホルダ６４に形成された開口部から電流遮断弁６５に及び、電流遮断弁６５を外方に押し上げるので、それに溶接された防爆弁６６にも上昇した内圧が作用する。防爆弁６６に加わる押し上げ圧力が所定圧力を越えると、防爆弁６６の膨出部分が反転するので、溶接点Ａでの電流遮断弁６５との溶接が破断して防爆弁６６と電流遮断弁６５との間の接続が切れて電流回路は遮断され、温度上昇の原因が過充電等の電気的なものであった場合には、その原因要素が排除される。温度上昇の原因が電気的なものでない場合や更なる内圧の上昇があったときには、防爆弁６６はその易破断部６６ａから破断するので、外装ケース６１内のガスはキャップ６８に形成された開口部から外部放出されるので、外装ケース６１が破壊されることは防止される。
【０００６】
上記のような電流遮断構造及び防爆構造を封口板に設けた二次電池は、本願出願人が提案したもの（特許文献１参照）の他にも、多数の提案がなされている（特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０９−１２９１９５号公報（第２〜３頁、図１）
【０００８】
【特許文献２】
特開平０８−３１５７９８号公報（第３〜４頁、図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術に係る封口板に設けられた電流遮断構造は、比較的小型のリチウムイオン二次電池に適用するのに有効なものとなるが、本発明が目的とするような高容量、高出力の二次電池に適用するには適したものとはいえない。即ち、電流経路がディスクホルダ６４、電流遮断弁６５、防爆弁６６、ＰＴＣ素子６７、キャップ６８となり、その間の接触抵抗や長い電流路が形成されるため、大きな電流を流すと電力損失や発熱が生じる問題がある。
【００１０】
また、このような封口板６２の構造を高容量、高出力の電池に適用するには封口性の問題もあり、構成部品が多いことから組立て工数が多く、コスト高になる問題がある。
【００１１】
また、電池が異常状態に陥る原因は、上述のような過充電などの電気的要因の他、機械的あるいは熱的な要因があり、リチウムイオン二次電池のようにエネルギー密度の高い電池では、それらに伴う安全性を確保する必要がある。特に、高容量、高出力の電池を構成する上では重要な課題となる。電気的要因とは前述した過充電や外部短絡、内部短絡であり、熱的要因とは高温環境に曝されたような場合であり、電池温度が上昇するので、二次電池が充放電している状態でなくても電池内圧が上昇するので、内圧上昇が限界まで上昇したとき電流遮断機構が作動して高温に曝されて機能が低下した二次電池の使用が停止される。また、更なる内圧上昇が進行すると防爆弁が作動し、異常内圧を外部放出して電池の破裂が防止される。また、機械的要因とは押し潰しなどによる二次電池の損傷であって、外的圧力が加わったときに障害が発生することを抑制する。これには外装ケースの強度を増加させることで解決できるが、徒に電池重量が増加する。従って、外圧によっても潰れ難い構造とし、僅かな変形では障害に発生に至らないように構成することが必要となる。
【００１２】
本発明が目的とするところは、簡単な構造により確実な電流遮断機能を備え、高容量、高出力の二次電池に適した電流遮断構造を設けた二次電池を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係る二次電池は、正極板と負極板とをセパレータを介して円筒状に巻回して極板群が形成され、前記極板群の一方端に正極板又は負極板のいずれか一方に接続して極板群の直径と略同径で中央に突出部を形成した一方集電板が配置され、前記極板群の他方端に前記一方集電板が接続されていない正極板又は負極板のいずれか一方に接続して中央に電極端子を設けた他方集電板が配置され、前記一方集電板にその突出部を貫通させる中央開口部が形成されたスペーサを配して有底円筒形に形成された外装ケース内にその底部側に一方集電板が位置するように極板群が収容され、外装ケースの底部と一方集電板の突出部との間が溶接接合され、極板群に電解液が含浸され、外装ケースの開口端が前記電極端子を外部露出させて封口部材により封口されてなることを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、何らかの原因によって電池内圧が上昇したとき、内圧上昇によって最も変形が生じやすい外装ケースの底部は外方に膨らみが生じる。外装ケースの底部はスペーサの中央開口部を貫通した一方集電板の突出部に溶接されているので、外装ケースの底部の膨らみはスペーサを介した一方集電板によって拘束されるが、溶接強度を越える膨らみが生じたとき、一方集電板の突出部と外装ケースとの間の溶接が破断する。外装ケースは溶接により一方集電板に接続されて電池の一方電極を構成しているので、溶接部位の破断により接続が絶たれるため二次電池の電流回路は遮断される。従って、過充電等の電気的原因によって外装ケース内の圧力が異常上昇したときに電流回路が遮断されるので、高容量、高出力の二次電池を簡単な構造で構成できる。
【００１５】
上記構成におけるスペーサは、陽極酸化処理されたアルミニウム、あるいは耐熱性で且つ耐電解液製の樹脂、あるいは金属に耐熱性、耐電解液性の樹脂をコーティングしたもの、あるいはセラミックで構成するのが好適で、外装ケースの底部に膨らみが生じたときに、それに追従して一方集電板が移動することを抑える強度が得られると同時に、外装ケースの底部と一方集電板との間は突出部の溶接部位だけで、その他の部位は絶縁された状態にあるように構成することができる。
【００１６】
また、封口部材は、電極端子を貫通させる開口部及び外装ケース内の異常内圧を外部放出する防爆手段が設けられ、周縁部で外装ケースの開口端に固定される蓋板と、この蓋体と電極端子との間を封止する封止手段と、蓋体と電極端子との間を絶縁する絶縁手段と、蓋体に電極端子を固定する固定手段とを設けて構成することにより、高容量、高出力の発電要素を収容した外装ケースの開口端を確実に封口することができ、外装ケース内の圧力が異常上昇したときには防爆手段から異常内圧を外部に放出して外装ケースの破裂を防止することができる。
【００１７】
また、極板群の周面を絶縁被覆する絶縁被覆材を設けることにより、極板群と外装ケースとの間の絶縁を確実にして内部短絡を防止することができる。
【００１８】
また、極板群の中心部に形成される円筒空間に筒状体を嵌挿して構成することにより、外装ケースに外圧が加わったときや内部圧力によって極板群が円筒空間に向けて変形が生じることを防止することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、本実施の形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２０】
図１は、本実施形態に係る二次電池１の構成を示すもので、リチウムイオン二次電池として構成されている。有底円筒形に形成された外装ケース２内には電解液と共に極板群３が収容され、外装ケース２の底部２ｂ側には、極板群３を構成する正極板に接続された正極集電板（一方集電板）１４に設けられた突出部１４ａが溶接され、正極集電板１４と外装ケース２の底部との間にはスペーサ４が介装されている。また、極板群３の他方面には極板群３を構成する負極板に接続して負極集電板（他方集電板）５が配設され、負極集電板５には負極端子（電極端子）１１が接合されている。外装ケース２の開口端は、前記負極端子１１を外部露出させて、蓋板６と、Ｏリング（封止手段）７と、絶縁リング（絶縁手段）８と、絶縁板（絶縁手段）９とからなる封口部材２０により、蓋板６と負極端子１１との間を絶縁すると共に封口がなされ、プッシュナット（固定手段）１０により絶縁封口状態が固定され、蓋板６の周辺部が外装ケース２のフランジ部２ａにカシメ固定されている。本構成により、外装ケース２を正極とし、負極端子１１を負極とする二次電池１に構成される。
【００２１】
前記極板群３は、正極板と負極板とをセパレータを介して巻回し、円筒形に形成される。ここでは、正極板は、アルミニウム箔で形成された正極芯材の両面に、正極活物質としてのコバルト酸化物リチウムと、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを含む正極合剤を塗着して形成されている。正極芯材に正極合剤を塗着するとき、前記正極集電板１４が接合される端辺には正極合剤が塗着されず、端辺に正極芯材が露出した状態になるようにする。また、負極板は、銅箔で形成された負極芯材の両面に、負極活物質としてのグラファイトと、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを含む負極合剤を塗着して形成されている。負極芯材に負極合剤を塗着するとき、前記負極集電板５が接合される端辺には負極合剤が塗着されず、端辺に負極芯材が露出した状態になるようにする。
【００２２】
上記構成になる極板群３を外装ケース２内に収容したとき、外装ケース２の底部２ｂ側に位置する一端面に正極集電板１４が接合される。正極集電板１４は、図２に示すように、円板の中央に外装ケース２の底部２ｂ側となる面に底部２ｂ側に向けて突出する突出部１４ａが形成され、直径方向に極板群３側に突出する溶接部１４ｂが形成されている。前述したように正極板の一方の端辺には正極芯材が露出しているので、巻回して極板群３に形成されたとき、極板群３の一端面に渦巻き状に正極板の芯材が露出している。前記溶接部１４ｂを露出している正極芯材に押し付け、正極芯材と溶接部１４ｂとの間を複数箇所で溶接することにより、正極集電板１４は極板群３の正極板に内部抵抗が少ない状態に接続される。
【００２３】
また、極板群３を外装ケース２内に収容したとき、外装ケース２の開口端側に位置する他端面に負極集電板５が接合される。負極集電板５は、図３に示すように、直径方向に極板群３側に突出する溶接部５ａが形成され、二次電池１の外方に向く面側に２箇所の切起し部５ｂが形成されている。前述したように負極板の他方の端辺には負極芯材が露出しているので、巻回して極板群３に形成されたとき、極板群３の他端面に渦巻き状に負極板の芯材が露出している。前記溶接部５ａを露出している負極芯材に押し付け、負極芯材と溶接部５ａとの間を複数箇所で溶接することにより、負極集電板５は極板群３の負極板に内部抵抗が少ない状態に接続される。また、前記切起し部５ｂの下には、負極端子１１に形成された鍔部１１ａが嵌挿され、切起し部５ｂと鍔部１１ａとの間は溶接され、負極集電板５に負極端子１１が固定されると同時に電気的接続がなされる。
【００２４】
また、外装ケース２は、アルミニウム板を深絞り加工により有底円筒形に形成すると共に、図４、図５に示すように、開口端に外側に開いたフランジ部２ａが形成される。この外装ケース２内に正極集電板１４と負極集電板５とを接合した極板群３を挿入するとき、外装ケース２の底部２ｂ側にはスペーサ４が配設される。
【００２５】
スペーサ４は、図２に示すように、中央に正極集電板１４に形成された突出部１４ａを通すための開口部４ａが形成され、スペーサ４の厚さは前記突出部１４ａの高さ寸法と同等に形成されている。スペーサ４は絶縁性であると同時に、耐熱性、耐電解液性が要求され、ここでは陽極酸化されたアルミニウムを適用しているが、樹脂をコーティングした金属や、全体を樹脂あるいはセラミック等で形成したものを使用することもできる。
【００２６】
前述のように外装ケース２の底部２ｂにスペーサ４を配設し、正極集電板１４と負極集電板５とを接合した極板群３を挿入すると、正極集電板１４の突出部１４ａはスペーサ４の開口部４ａを貫通して頂部が外装ケース２の底部２ｂに当接する。当接した突出部１４ａと外装ケース２の底部２ｂとの間は、底部２ｂの外方から照射されるレーザ光によりレーザ溶接される。この溶接は、電子ビーム溶接を適用することもできる。極板群３を収容した外装ケース２内には電解液が注入され、極板群３に電解液が含浸される。
【００２７】
電解液は、溶質として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、ホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ４）などのリチウム塩を、エチレンカーボネイト（ＥＣ）、プロピレンカーボネイト（ＰＣ）、ビニレンカーボネイト（ＶＣ）、ガンマブチロラクトン（ＧＢＬ）、ジメチルカーボネイト（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネイト（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネイト（ＥＭＣ）などの非水溶媒に溶解したものである。
【００２８】
電解液を含浸させた極板群３を収容した外装ケース２の開口部は、図４に示すように、封口部材２０により封口される。外装ケース２を負極端子１１と絶縁して封口するために、図５に示すように、負極端子１１の段差上にＯリング７を配置し、絶縁リング８を配置した後、開口部上に前記Ｏリング７を圧縮するようにして蓋板６を配し、その上に絶縁板９を配置し、最後にプッシュナット１０を負極端子１１に圧着させる。この封口構造により負極端子１１は蓋板６と絶縁リング８及び絶縁板９により蓋板６と絶縁され、負極端子１１を外装ケース２内から外部に露出させた状態での密閉状態はＯリング７により維持される。
【００２９】
前記蓋板６は、図６（ａ）（ｂ）に示すように、その周囲に形成された薄肉部６ａを外装ケース２のフランジ部２ａにカシメ加工することにより外装ケース２の開口部を封口する。まず、図６（ａ）に示すように、蓋板６の薄肉部６ａをフランジ部２ａを包み込むように折り曲げる一次カシメ加工を行う。次に、図６（ｂ）に示すように、フランジ部２ａを包み込んだ薄肉部６ａとフランジ部２ａとを共に折り曲げる二次カシメ加工により外装ケース２の開口部は封止される。このとき、薄肉部６ａの周面にシール剤を塗布しておくことにより、微細な隙間も封じられるので、完全な封止がなされる。
【００３０】
前記蓋板６には、図４に示すように、防爆弁１２が設けられ、封止した外装ケース２内の圧力が異常上昇したとき、後述する電流遮断機構が作動した後にも内圧上昇が進行した場合に、防爆弁１２を開放して異常上昇した内圧を外部に放出できるように構成されている。
【００３１】
上記構成になる二次電池１が接続された充放電回路や制御回路に障害が発生して過充電等に曝される状態になったとき、外装ケース２内では正負極活物質と電解液との反応や電解液の分解などが生じ、ガスの発生により外装ケース２内の圧力が異常上昇する。外装ケース２は円筒形であるため、内圧が上昇したとき変形が及ぶのは主に底部２ｂとなる。
【００３２】
図７（ａ）に示すように、平常状態では底部２ｂは平坦面になっているが、外装ケース２の内圧が異常上昇すると膨らみが生じる。外装ケース２の底部２ｂは、その中央で正極集電板１４の突出部１４ａと溶接されているので、内圧上昇に伴う膨らみは、図７（ｂ）に示すように、溶接点Ａを中心としたリング状の膨らみとなる。このとき、正極集電板１４と底部２ｂとの間にスペーサ４が配設されているため、底部２ｂの外方への膨らみに正極集電板１４が追従して移動することが抑えられるため、図７（ｂ）に示すようなリング状の膨らみとなる。外装ケース２内の圧力が更に上昇すると、リング状の膨らみの高さは増加し、スペーサ４によって正極集電板１４の移動は抑えられるため、溶接点Ａにおける底部２ｂと突起部１４ａとの間に溶接を破断させる方向の力が作用する。底部２ｂの膨らみが溶接点Ａの溶接強度を越えたとき、図７（ｃ）に示すように、溶接点Ａは破断して底部２ｂは円弧状の膨らみとなる。
【００３３】
溶接点Ａで突出部１４ａと底部４ｂとの間の接合が破断することにより、正極端子となる外装ケース２と正極集電板１４との間の電気的接続が遮断されるので、二次電池１は過充電等の状態から解放される。これにより二次電池１の過充電は停止されるが、内圧の上昇が収まらない状態や外部加熱による電池温度の上昇に伴う内圧上昇があった場合には、内圧が限界状態まで上昇すると、蓋板６に設けられた防爆弁１２が開放されて異常内圧は外部に放出されるので、二次電池１が破裂に至る状態は防止される。
【００３４】
電池が異常状態に陥る原因は、上述のような過充電などの電気的要因の他、機械的あるいは熱的な要因があり、リチウムイオン二次電池のようにエネルギー密度の高い電池では、それらに伴う安全性を確保する必要がある。特に、高容量、高出力の電池を構成する上では重要な課題となる。本実施形態に係る二次電池１では、極板群３の外周面を熱収縮チューブ等の絶縁材料によって被覆すると、外装ケース２に加わった外圧により極板群３に変形が及んだ場合に、極板群３の負極板が外装ケース２に接触して内部短絡が発生することが防止できる。また、正極板と負極板とをセパレータを介して円筒形に巻回したとき、中心部に生じる円筒形の空間は、外圧によって極板群３が変形しやすくなる空間となるので、中心部の円筒空間には絶縁性の円筒部材を挿入して極板群３の変形を防止することが好ましい構造となる。前記円筒部材は、正極板と負極板とをセパレータを介して巻回する巻芯として構成してもよい。
【００３５】
以上説明した構成において、外装ケース２はアルミニウムにより形成して軽量化を図っているが、ニッケルメッキ板あるいはステンレス板を深絞り加工して形成することもできる。この場合には、極板群３を構成する負極板は外装ケース２に接続され、外装ケース２を負極とし、極板群を構成する正極板は負極端子１１としている電極端子に接続され、負極端子１１は正極端子に変更される。
【００３６】
また、本実施形態はリチウムイオン二次電池に構成した例を示したが、ニッケル−水素蓄電池等の二次電池や一次電池に同様の構成を適用しても有効なものとなる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明によれば、簡単な構成により電池内圧の異常上昇時に電流回路を遮断する電流遮断機能を設けた二次電池を構成でき、電流遮断機能を設けるために内部抵抗が大きくなることがないので、自動車電源などの動力用の電池電源を構成する高容量、高出力の二次電池を構成するのに好適なものとなる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る二次電池の構成を示す断面図。
【図２】正極集電板及びスペーサの構成を示す斜視図。
【図３】負極集電板及び負極端子の構成を示す斜視図。
【図４】封口部材の構成を示す斜視図。
【図５】外装ケースの開口部を封口する封口構造を示す部分断面図。
【図６】外装ケースと蓋板とのカシメ構造を示す部分断面図。
【図７】電流遮断機能の作動を順を追って示す断面図。
【図８】従来技術に係る電流遮断機構の構成を示す断面図。
【符号の説明】
１  二次電池
２  外装ケース
３  極板群
４  スペーサ
５  負極集電板（他方集電板）
６  蓋板
７  Ｏリング（封止手段）
８  絶縁リング（絶縁手段）
９  絶縁板（絶縁手段）
１０  プッシュナット（固定手段）
１１  負極端子（電極端子）
１４  正極集電板（一方集電板）
２０  封口部材
【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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