(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
予備充電される初段コンデンサから半導体スイッチによる放電でパルス電流を発生するパルス発生回路と、前記パルス電流で充電されるコンデンサを可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作により磁気パルス圧縮したパルス電流を得る磁気パルス圧縮回路とを組み合わせたパルス電源において、
前記パルス発生回路は複数台構成とし、各パルス発生回路の時分割運転でそれぞれパルス電流を発生し、
前記磁気パルス圧縮回路は、前記複数台のパルス発生回路のパルス電流出力を並列入力して各パルス電流を磁気パルス圧縮することを特徴とするパルス電源。
【請求項２】
前記磁気パルス圧縮回路は、前記各パルス発生回路のパルス電流出力をそれぞれ入力とした複数台構成とし、各磁気パルス圧縮回路の出力を並列接続してパルス電流出力を得ることを特徴とする請求項１に記載のパルス電源。
【請求項３】
前記磁気パルス圧縮回路は、前記可飽和リアクトルに電流回り込み防止用ダイオードを直列接続してパルス電流を並列入力することを特徴とする請求項１または２に記載のパルス電源。
【請求項４】
前記磁気パルス圧縮回路は、前記各パルス発生回路のパルス電流出力を並列入力する部位に並列に、誘起電圧抑制用インピーダンス回路を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパルス電源。
【請求項５】
前記各パルス発生回路は、前記磁気パルス圧縮回路側からのキックバックエネルギを前記初段コンデンサに回生する回生回路を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパルス電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体スイッチ、可飽和リアクトル等を用いたパルス発生回路と、可飽和リアクトルとコンデンサによる磁気パルス圧縮回路を組み合わせ、高繰り返しで狭幅の大電流パルスを発生するパルス電源に係り、特にパルス電流出力の高繰り返し化を図ったパルス電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は従来のパルス電源の回路例を示す。パルス発生回路１は、電力用の初段コンデンサＣ０を設け、このコンデンサＣ０を充電器２により初期充電しておき、半導体スイッチＳＷのオン制御でコンデンサＣ０から可飽和リアクトルＳＩ１を経て昇圧・磁気パルス圧縮回路３の入力段パルストランスＰＴにパルス電流Ｉ0を供給する。可飽和リアクトルＳＩ１は、半導体スイッチＳＷの完全なオン後に飽和することで半導体スイッチＳＷのスイッチングロスを軽減する磁気アシストになる。
【０００３】
昇圧・磁気パルス圧縮回路３は、パルストランスＰＴで昇圧したパルス電流Ｉ1でコンデンサＣ１を高圧充電し、このコンデンサＣ１の充電電圧で可飽和リアクトルＳＩ２が磁気スイッチ動作することによりコンデンサＣ１からコンデンサＣ２へ磁気パルス圧縮したパルス電流Ｉ2を発生させてコンデンサＣ２を高圧充電し、さらにコンデンサＣ２の充電電圧で可飽和リアクトルＳＩ３が磁気スイッチ動作することによりコンデンサＣ２からエキシマレーザなどの負荷４に磁気パルス圧縮した高電圧のパルス電流Ｉ3を供給する。
【０００４】
なお、パルス電源の回路構成は、種々のものがある。例えば、可飽和リアクトルＳＩ２、ＳＩ３とコンデンサＣ１、Ｃ２の２段縦続回路は、それぞれの段で磁気パルス圧縮動作によりパルス幅を狭くするもので、必要に応じて段数を増した構成にされる。また、パルストランスＰＴの部分を可飽和トランスとする構成やパルストランスと可飽和トランスの２段構成とするものがある。
【０００５】
以上のような構成にされるパルス電源において、出力パルスエネルギーの増大（大電流化や高電圧化）や出力パルスの高繰り返し化が要望されてきている。これらの要求に応えるためには、半導体スイッチＳＷの電気的性能（耐電圧、可制御電流、スイッチング速度など）の向上、初段コンデンサＣ０の大容量化、充電器２の高精度／高速充電機能などが必要となる。
【０００６】
回路構成上で上記の要求に応える方式として、例えば出力パルスエネルギーの増大には、半導体スイッチＳＷの並列接続で電流容量を高め、または直列接続で耐電圧を高めることが知られている。しかし、この方式では、半導体スイッチの直並列接続には各スイッチの分担電圧や電流の均等化のために種々の対策回路（タイミング調整回路など）が必要となるし、確実で安定した動作が難しくなる。
【０００７】
他の方式として、初段スイッチ回路１を２回路設け、これらのパルストランスの出力巻線を直列接続して可飽和トランスの一次巻線入力としてその二次巻線出力を磁気パルス圧縮回路に印加するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、他の方式として、図１０に例を示すように、２つの充電器２ａ、２ｂと２つの初段スイッチ回路１ａ、１ｂを設け、これらのパルストランス出力巻線を並列接続して磁気パルス圧縮回路に印加するものがある。同様の方式として、図１１に例を示すように、磁気パルス圧縮回路３の初段コンデンサを初段パルス発生回路別に分割したものもある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平７−１２２９７９号公報
【特許文献２】特開２００２−２８０６４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の図１０または図１１の方式は、パルスエネルギーの増大に伴う回路部品責務を下げるために設けた２並列のパルス発生回路を同時に動作させる方式である。このため、半導体スイッチＳＷを同時にオン／オフ制御し、両パルストランスＰＴの二次巻線に同じタイミングでパルス電流出力を得ることになり、このタイミング調整が非常に難しくなるし、安定した動作を得るのが難しくなる。
【００１０】
また、動作タイミングのずれ発生は、パルストランスの二次巻線側で横流が発生したり、初段スイッチ回路に短絡電流が流れて半導体スイッチを破損するおそれがある。
【００１１】
さらに、パルス発生の繰り返し周波数が高くなるほど動作時間の確保が難しくなり、例えば可飽和リアクトル（ＳＩ１〜ＳＩ３）、およびパルストランス（ＰＴ）のリセット（直流励磁して、所定の電流方向に対して飽和させること）の時間がなくなり、パルス圧縮回路が正常に動作しなくなる。
【００１２】
本発明の目的は、複数台のパルス発生回路の並列接続方式における動作タイミングの調整及び動作時間確保を容易にして高繰り返しでパルス出力を得ることができるパルス電源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、前記の課題を解決するため、パルス発生回路さらには磁気パルス圧縮回路を複数台構成とし、これらパルス発生回路を時分割運転し、磁気パルス圧縮回路は各パルス電流出力を並列入力して各パルス電流を磁気パルス圧縮するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
【００１４】
（１）予備充電される初段コンデンサから半導体スイッチによる放電でパルス電流を発生するパルス発生回路と、前記パルス電流で充電されるコンデンサを可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作により磁気パルス圧縮したパルス電流を得る磁気パルス圧縮回路とを組み合わせたパルス電源において、
前記パルス発生回路は複数台構成とし、各パルス発生回路の時分割運転でそれぞれパルス電流を発生し、
前記磁気パルス圧縮回路は、前記複数台のパルス発生回路のパルス電流出力を並列入力して各パルス電流を磁気パルス圧縮することを特徴とする。
【００１５】
（２）前記磁気パルス圧縮回路は、前記各パルス発生回路のパルス電流出力をそれぞれ入力とした複数台構成とし、各磁気パルス圧縮回路の出力を並列接続してパルス電流出力を得ることを特徴とする。
【００１６】
（３）前記磁気パルス圧縮回路は、前記可飽和リアクトルに電流回り込み防止用ダイオードを直列接続してパルス電流を並列入力することを特徴とする。
【００１７】
（４）前記磁気パルス圧縮回路は、前記各パルス発生回路のパルス電流出力を並列入力する部位に並列に、誘起電圧抑制用インピーダンス回路を設けたことを特徴とする。
【００１８】
（５）前記各パルス発生回路は、前記磁気パルス圧縮回路側からのキックバックエネルギを前記初段コンデンサに回生する回生回路を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
以上のとおり、本発明によれば、パルス発生回路さらには磁気パルス圧縮回路を複数台構成とし、これらパルス発生回路を時分割運転し、磁気パルス圧縮回路は各パルス電流出力を並列入力して各パルス電流を磁気パルス圧縮するようにしたため、複数台のパルス発生回路の並列接続方式における動作タイミングの調整及び動作時間確保を容易にして高繰り返しでパルス出力を得ることができる。具体的には、
（１）パルス発生回路を並列接続し、時分割運転することで、高繰り返し化が可能となる。
【００２０】
（２）磁気パルス圧縮回路は、可飽和リアクトルに電流回り込み防止用ダイオードを直列に介挿することで、各パルス発生回路のパルス出力動作中に、他方の回路に影響を与えることはない。
【００２１】
（３）各パルス発生回路さらには磁気パルス圧縮回路は、互いに影響しない構成にされるため、それぞれ独立した、リセット時間および充電時間が確保され、１台あたりの繰り返し周波数は低く抑えられる（簡単に高繰り返し化が実現される）。
【００２２】
（４）各パルス発生回路は、充電器から初段コンデンサへの充電時間を長く確保できるため、充電電流ピークが抑えられ、等価的に充電のデッドタイム（パルス発生回路動作中など充電ができない期間）も少なくなる。
【００２３】
（５）パルス発生回路を並列に接続した部位に、並列にインピーダンス回路を接続することで、後段の可飽和リアクトルのリセットによる誘起電圧を抑制することで、他方のパルス発生回路に影響を与えることはない。
【００２４】
（６）各パルス発生回路は、回生回路を設けることで、電源効率を高めるとともに、トランスの偏磁を防止できる。
電源効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
（実施形態１）
図１は、本実施形態１を示すパルス電源の回路図であり、図１０と同等の部分は同一符号で示す。
【００２６】
図１において、初段の磁気パルス圧縮回路３ａ、３ｂはそれぞれコンデンサＣ１ａ、Ｃ１ｂと可飽和リアクトルＳＩ２ａ、ｓ１２ｂおよび電流回り込み防止用ダイオードＤ１ａ、Ｄ１ｂを有した２並列構成とし、２並列のパルス発生回路１ａ、１ｂから発生するパルス電流を個別に磁気パルス圧縮する。これら磁気パルス圧縮回路３ａ、３ｂにより狭幅にしたパルス電流は合成し（突き合わせ）、後段の磁気パルス圧縮回路３に印加する。
【００２７】
以上の構成において、充電器２ａ、２ｂおよびパルス発生回路１ａ、１ｂを並列構成とし、これらを時分割運転することで、高繰り返しのパルス電流出力を得る。また、初段磁気パルス圧縮回路３ａ、３ｂを２並列とし、可飽和リアクトルＳＩ２ａ、ＳＩ２ｂと電流回り込み防止用ダイオードＤ１ａ、Ｄ１ｂを介挿することにより、パルス発生回路１ａ、１ｂのパルス出力に対して、他方の回路への回り込みを阻止する。
【００２８】
例えば、コンデンサＣ１ａからＣ２へエネルギが転送されるとき（電流ｉ1）、ダイオードＤ１ｂを設けない場合には、コンデンサＣ１ａからＣ２へ移るべきエネルギの一部がコンデンサＣ１ｂへ移行され、結果として、必要なエネルギが負荷へ供給されなくなる。同様に、コンデンサＣ１ｂからＣ２へエネルギが転送されるとき、ダイオードＤ１ａを設けない場合には、コンデンサＣ１ｂからＣ２へ移るべきエネルギの一部がコンデンサＣ１ａへ移行され、結果として、必要なエネルギが負荷へ供給されなくなる。
【００２９】
次に、コンデンサＣ２のエネルギは負荷４に供給されるが、負荷で吸収されなかったエネルギ（キックバックエネルギと呼ばれる）が、コンデンサＣ２に逆極性の電圧となり現れる（図１中で電流ｉ2によりＣ２の上側が＋となる）。このエネルギはコンデンサＣ２からＣ１ａへ移行され（電流ｉ3）、パルス発生回路１ａの前段で消費あるいは、次パルス発生時のエネルギとして再利用される。ここで、可飽和リアクトルＳＩ２ｂが無い場合、このうちの一部がＣ１ｂへ移行され、パルス発生回路１ｂへ供給される（ダイオードは順方向の電圧となるため阻止できない）。このとき、パルス発生回路１ｂ内の可飽和リアクトルやパルストランスに電圧がかかり、この影響で初期状態へ戻すためのリセットに時間を要することになる。このコンデンサＣ２からＣ１ｂへのエネルギ移行を可飽和リアクトルＳＩ２ｂで阻止し、パルス発生回路１ａの動作時はパルス発生回路１ｂのリセットを確実、容易にする。
【００３０】
同様に、パルス発生回路１ｂの動作時は、可飽和リアクトルＳＩ２ａがエネルギ移行を阻止し、パルス発生回路１ａのリセットを確実、容易にする。
【００３１】
したがって、本実施形態によれば、パルス発生回路を並列接続する方式における動作タイミングの調整及び動作時間確保を容易にして高繰り返しのパルス発生ができる。具体的には、以下の効果がある。
【００３２】
（１）パルス発生回路を並列接続し、時分割運転することで、高繰り返し化が可能となる。
【００３３】
（２）並列接続したパルス発生回路は、そのパルス出力動作中に、可飽和リアクトルとダイオードによって他方のパルス発生回路に影響を与えない。
【００３４】
（３）パルス発生回路は、互いに影響しないように接続されるため、それぞれ独立した、リセット時間および充電時間が確保され、１台あたりの繰り返し周波数は低く抑えられる。つまり、簡単に高繰り返し化が実現される。
【００３５】
（４）充電器からパルス発生回路の初段コンデンサヘの充電時間を長くできるため、充電電流ピークが抑えられる。つまり、等価的に充電のデッドタイム（パルス発生回路動作中など充電ができない期間）も少なくなり、充電効率を高めることができる。
【００３６】
図２は、本実施形態の変形例を示す。同図は、図１における初段の磁気パルス圧縮回路の出力端を並列接続した部位に並列に、インピーダンス回路Ｚ１を接続する。
【００３７】
図１の構成において、可飽和リアクトルＳＩ３をリセットする際、コンデンサＣ２に正極性の電圧が発生する。この電圧は可飽和リアクトルＳＩ２ａおよびＳＩ２ｂを初期状態と逆方向に励磁する。このため、パルス発生前に適正な初期状態に戻す必要が生じる。この可飽和リアクトルＳＩ３のリセット時の電圧を抑制するため、図２ではインピーダンス回路Ｚ１を接続する。インピーダンス回路Ｚ１は、例えば、「抵抗」、「ダイオード」、「リアクトル」、「コンデンサ」やその複合回路で構成される。
【００３８】
したがって、インピーダンス回路Ｚ１を設けることで、後段の可飽和リアクトルＳＩ３のリセットによる誘起電圧を抑制し、他方のパルス発生回路の動作を確実にすることができる。
【００３９】
なお、図１、図２は負荷４に負極性の電圧を供給する回路の場合で示すが、正極性の電圧を供給する回路でもダイオードＤ１ａ、Ｄ１ｂの極性の向きと可飽和リアクトルＳＩ２ａ、ＳＩ２ｂの初期励磁の向きを逆にすることで容易に対応できる。
【００４０】
（実施形態２）
図３は、本実施形態２を示す回路図であり、図１と異なる部分は、初段の磁気パルス圧縮回路３ａ、３ｂの２並列構成に加えて、後段の磁気パルス圧縮回路も２並列構成とした点にある。
【００４１】
後段の磁気パルス圧縮回路３ｃ、３ｄは、それぞれコンデンサＣ２ａ、Ｃ２ｂと可飽和リアクトルＳＩ３ａ、ＳＩ３ｂおよび電流回り込み防止用ダイオードＤ１ａ、Ｄ１ｂを有した２並列構成とし、これらの出力を合成（突き合わせ）して負荷４にパルス電流を印加する。なお、初段の磁気パルス圧縮回路３ａ、３ｂには電流回り込み防止用ダイオードを省く。
【００４２】
図３の構成において、例えば、コンデンサＣ２ａから負荷４へエネルギが転送されるとき（電流ｉ4）、ダイオードＤ１ｂを設けない場合には、コンデンサＣ２ａから負荷４へ移るべきエネルギの一部がコンデンサＣ２ｂへ移行され、結果として、必要なエネルギが負荷へ供給されなくなる。同様に、コンデンサＣ２ｂから負荷４へエネルギが転送されるとき、ダイオードＤ１ａを設けない場合には、コンデンサＣ２ｂから負荷へ移るべきエネルギの一部がコンデンサＣ２ａへ移行され、結果として、必要なエネルギが負荷へ供給されなくなる。
【００４３】
これらコンデンサＣ２ａ、Ｃ２ｂへの不必要なエネルギ移行があると、上位のパルス発生回路１ａ、１ｂ内の可飽和リアクトルやパルストランスに電圧がかかり、これらを初期状態に戻すためのリセットに時間を要することになり、パルス発生回路１ａ、１ｂでのリセットを確実、容易にする。
【００４４】
したがって、本実施形態によれば、前記の実施形態１と同様の効果がある。
【００４５】
なお、図２のように、並列接続点にインピーダンス回路Ｚ１を設けることで、後段の可飽和リアクトルのリセットによる誘起電圧を抑制し、他方のパルス発生回路の動作を確実にすることができる。
【００４６】
また、図３は負荷４に負極性の電圧を供給する回路の場合で示すが、正極性の電圧を供給する回路でもダイオードＤ１ａ、Ｄ１ｂの極性の向きと可飽和リアクトルＳＩ３ａ、ＳＩ３ｂの初期励磁の向きを逆にすることで容易に対応できる。
【００４７】
（実施形態３）
図４は、本実施形態３を示す回路図であり、図９（従来）と異なる部分は、２並列構成のパルス発生回路１ａ、１ｂの出力端と磁気パルス圧縮回路３との間に電流回り込み防止用ダイオードＤ１ａ、Ｄ１ｂを介挿した点にある。
【００４８】
図４の構成において、例えば、コンデンサＣ０ａからコンデンサＣ１へエネルギが転送されるとき（電流ｉ0、ｉ1）、ダイオードＤ１ｂを設けない場合には、コンデンサＣ０ａからコンデンサＣ１へ移るべきエネルギの一部がパルストランスＰＴｂ→可飽和リアクトルＳＩ１ｂ→スイッチＳＷの経路でコンデンサＣ０ｂへ移行され、結果として、必要なエネルギが負荷へ供給されなくなる。同様に、コンデンサＣ０ｂからコンデンサＣ１へエネルギが転送されるとき、ダイオードＤ１ａを設けない場合には、コンデンサＣ０ｂからコンデンサＣ１へ移るべきエネルギの一部がコンデンサＣ０ａへ移行され、結果として、必要なエネルギが負荷へ供給されなくなる。
【００４９】
したがって、本実施形態によれば、前記の実施形態１と同様の効果がある。
【００５０】
図５は、本実施形態の変形例を示す。同図は、図４における可飽和リアクトルＳＩ１ａ、ＳＩ１ｂをパルストランスＰＴａ、ＰＴｂの二次側に移設したものであり、同様の作用効果を得ることができる。
【００５１】
なお、図２のように、並列接続点にインピーダンス回路Ｚ１を設けることで、後段の可飽和リアクトルのリセットによる誘起電圧を抑制し、他方のパルス発生回路の動作を確実にすることができる。
【００５２】
また、図４、図５は負荷４に負極性の電圧を供給する回路の場合で示すが、正極性の電圧を供給する回路でもダイオードＤ１ａ、Ｄ１ｂの極性の向きと可飽和リアクトルＳＩ２、ＳＩ３の初期励磁の向きを逆にすることで容易に対応できる。
【００５３】
（実施形態４）
図６は、本実施形態４を示す回路図であり、図１と異なる部分はパルス発生回路１ａ、１ｂに前記のキックバックエネルギを回生する回生回路５ａ、５ｂを設けた点にある。
【００５４】
この回生回路５ａ、５ｂは、パルストランスに設けた３次巻線に直列に電流回り込み防止用ダイオードＤ２ａ、Ｄ２ｂを設け、この直列回路をコンデンサＣ０ａ、Ｃ０ｂに並列に接続した構成とする。この構成により、キックバックエネルギがパルストランスＰＴａ、ＰＴｂを通してコンデンサＣ０ａ、Ｃ０ｂを逆極性に充電する。この充電時に、ダイオードダイオードＤ２ａ、Ｄ２ｂを通して半周期の振動電流を流し、コンデンサＣ０ａ、Ｃ０ｂを初期充電極性に充電することで回生を得る。なお、回生電流をパルストランスＰＴａ、ＰＴｂの３次巻線に流すことで、該トランスの偏磁を防止する。
【００５５】
したがって、本実施形態によれば、前記の実施形態１と同様の効果に加えて、電源効率を高めること、およびトランスの偏磁を防止できる。
【００５６】
なお、図２のように、並列接続点にインピーダンス回路Ｚ１を設けることで、後段の可飽和リアクトルのリセットによる誘起電圧を抑制し、他方のパルス発生回路の動作を確実にすることができる。
【００５７】
また、図６は負荷４に負極性の電圧を供給する回路の場合で示すが、正極性の電圧を供給する回路でもダイオードＤ１ａ、Ｄ１ｂの極性の向きと可飽和リアクトルＳＩ２、ＳＩ３の初期励磁の向きを逆にすることで容易に対応できる。
【００５８】
また、以上までの各実施形態１〜４においては、パルス発生回路さらには磁気パルス圧縮回路を２並列構成とする場合を示すが、これらを３並列以上の構成にしてパルス出力の高繰り返し効果を一層高めることができる。この構成例を図７に示し、パルス発生回路と磁気パルス圧縮回路を４並列接続で構成したものであり、各部の動作タイムチャートは図８に示すように互いの動作時間をオーバラップさせた時分割処理（タイムシェアリング）により高繰り返しパルスの発生を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施形態１を示すパルス電源の回路図。
【図２】実施形態１の変形例を示すパルス電源の回路図。
【図３】本発明の実施形態２を示すパルス電源の回路図。
【図４】本発明の実施形態３を示すパルス電源の回路図。
【図５】実施形態３の変形例を示すパルス電源の回路図。
【図６】本発明の実施形態４を示すパルス電源の回路図。
【図７】実施形態１の変形例を示すパルス電源の回路図。
【図８】図７の動作タイムチャート。
【図９】従来のパルス電源例。
【図１０】従来のパルス電源の回路例（その１）。
【図１１】従来のパルス電源の回路例（その２）。
【符号の説明】
【００６０】
１、１ａ、１ｂ  パルス発生回路
２、２ａ、２ｂ  充電器
３、３ａ、３ｂ  磁気パルス圧縮回路
４  負荷
ＳＷａ〜ＳＷｄ  半導体スイッチ
ＰＴａ〜ＰＴｄ  パルストランス
Ｃ０ａ〜Ｃ０ｄ  初段コンデンサ
ＳＩ２ａ〜ＳＩ２ｄ、ＳＩ３、ＳＩ３ａ、ＳＩ３ｂ  可飽和リアクトル
Ｄ１ａ、Ｄ１ｂ  電流回り込み防止用ダイオード
Ｚ１  誘起電圧抑制用インピーダンス回路
【図１】
0004702156.tif 000002
【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】
0004702156.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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