(57)【要約】  【課題】タップ切替機構を用いずに、停電時や電源電圧の変動時にも出力電圧を一定に保つ。  【解決手段】中間タップ１ａを有する変圧器１と、二次巻線１Ｂに順次接続された整流器２、平滑コンデンサ３、インバータ４と、充放電回路６及びバッテリ７と、インバータ４の出力側の交流フィルタ５と、インバータ４の制御回路８と、切替スイッチ１０と、停電発生時に充放電回路６に放電指令を与えると共に切替スイッチ１０を一次巻線１Ａの一端側に切替える停電監視回路９とを備える。非停電時には、中間タップ１ａの発生電圧にフィルタ５のコンデンサ５ｂの電圧を重畳して電源電圧の変動を補償した一定電圧を負荷に供給し、停電時には、バッテリ７を電力供給源とするインバータ４の出力電圧を負荷に供給する。また、中間タップ１ａによる発生電圧が出力電圧設定値よりも常に低い電圧になるように中間タップ１ａ間の位置を設定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中間タップを有する一次巻線に交流電源電圧が印加される変圧器と、
この変圧器の二次巻線に接続されて前記二次巻線に発生する交流電圧を整流する整流器と、
この整流器の出力側に接続された平滑コンデンサと、
この平滑コンデンサに接続されて平滑コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記平滑コンデンサに接続された充放電回路と、
この充放電回路に接続されて充放電されるバッテリと、
前記インバータの出力側に接続されてその交流出力電圧の高周波脈動成分を除去するリアクトル及びコンデンサからなり、このコンデンサが前記中間タップと負荷との間に直列接続される交流フィルタと、
前記インバータの出力電圧を制御する制御回路と、
前記交流フィルタを構成するコンデンサの非負荷側の一端の接続先を、前記中間タップと前記一次巻線の一端との何れかに切り替える切替スイッチと、
交流電源電圧を監視し、非停電時には前記充放電回路に充電指令を与えると共に前記切替スイッチを前記中間タップ側に切り替え、停電発生時には前記充放電回路に放電指令を与えると共に前記切替スイッチを前記一次巻線の一端側に切り替える停電監視回路と、
を備え、
交流電源の非停電時には、前記中間タップによる発生電圧に前記フィルタを構成するコンデンサの電圧を重畳することにより電源電圧の変動を補償した一定電圧を負荷に供給し、交流電源の停電時には、前記バッテリを電力供給源とする前記インバータによって出力される一定電圧を負荷に供給するようにした無停電電源装置であって、
前記中間タップによる発生電圧が、負荷に供給する出力電圧設定値よりも常に低い電圧になるように前記中間タップの位置を設定したことを特徴とする無停電電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載した無停電電源装置において、
前記整流器を、２個のダイオードの順方向直列接続回路により構成し、かつ、前記平滑コンデンサを、２個のコンデンサの直列接続回路により構成すると共に、これらの直列接続回路を並列に接続し、
前記２個のダイオードの直列接続点と前記２個のコンデンサの直列接続点とを前記二次巻線の両端にそれぞれ接続し、前記２個のコンデンサの直列接続回路の両端を前記インバータの直流入力側にそれぞれ接続し、前記２個のコンデンサの直列接続点を、前記フィルタを構成するコンデンサの負荷側の一端に接続すると共に、前記インバータの出力端子を、前記フィルタを構成するリアクトルの非コンデンサ側の一端に接続したことを特徴とする無停電電源装置。
【請求項３】
請求項１に記載した無停電電源装置において、
前記整流器を、２個のダイオードの順方向直列接続回路を２組並列に接続して構成し、前記順方向直列接続回路内の各直列接続点を前記二次巻線の両端にそれぞれ接続したことを特徴とする無停電電源装置。
【請求項４】
請求項１または３に記載した無停電電源装置において、
前記平滑コンデンサを、２個のコンデンサの直列接続回路により構成し、かつ、前記インバータを、還流ダイオードがそれぞれ逆並列接続された自己消弧形半導体素子からなる２個のスイッチング素子の直列接続回路により構成すると共に、
前記２個のコンデンサの直列接続点を、前記フィルタを構成するコンデンサの負荷側の一端に接続すると共に、前記インバータの出力端子を、前記フィルタを構成するリアクトルの非コンデンサ側の一端に接続したことを特徴とする無停電電源装置。
【請求項５】
請求項１または３に記載した無停電電源装置において、
前記インバータを、還流ダイオードがそれぞれ逆並列接続された自己消弧形半導体素子からなる２個のスイッチング素子の直列接続回路を２組並列接続して構成し、２個のスイッチング素子の直列接続回路内の各直列接続点を、前記フィルタを構成するコンデンサの負荷側の一端と前記リアクトルの非コンデンサ側の一端とにそれぞれ接続したことを特徴とする無停電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧変動や停電といった交流電源の状態に関わらず、負荷に対して一定の交流電圧を供給可能とした無停電電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
交流電源電圧が変動しても出力電圧を一定に保つ目的の装置として、例えば、図９〜図１１に記載された静止形電圧調整装置が知られている。これらの電圧調整装置は、後述する特許文献１に記載されているものである。
【０００３】
図９〜図１１に示す電圧調整装置はすべて、タップ切替機構３１（図１１では、更に３２）を備えた調整変圧器３０により交流電源電圧を変圧し、調整変圧器３０と負荷との間に直列に挿入された直列変圧器４０の二次巻線の両端電圧と、調整変圧器３０の出力電圧とを加えた電圧を負荷電圧として供給している。そして、タップ切替機構３１（３２）により調整変圧器３０の変圧比を調整すると共に、電圧調整回路５０によって直列変圧器４０の一次側電圧ひいては二次側電圧を調整することにより、交流電源電圧の変動を補償し、負荷に供給される出力電圧を一定に保っている。
なお、図９〜図１１において、６０，６１は電流検出器、７０，７１は電圧検出器を示す。
【０００４】
一方、上述したようなタップ切替による機械的な電圧調整機構を静止化し、電源電圧の変動時にも負荷に供給される出力電圧を一定に保つようにした変圧器が、例えば特許文献２に記載されている。
この従来技術は、変圧器の一次巻線または二次巻線に直列接続されたコンデンサの電圧をインバータ等からなる電源装置の運転により操作することで、前記二次巻線に接続された負荷への供給電圧を一定に保つものである。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１２６２０３号公報（図１、図３、図５）
【特許文献２】特開平１１−１３６９４５号公報（図１、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に係る電圧調整装置では、調整用変圧器のタップ切替えと、直列変圧器及び電圧調整回路による電圧補償とを併用することにより、広範囲の電源電圧変動に対して出力電圧を一定に保つ能力を有している。
しかしながら、電源側に開放や短絡が発生した場合（停電）に出力電圧を一定に保つ機能を持っておらず、また、回路構成上も変圧器を複数個使用していると共に、少なくとも１個の変圧器はタップ切替機構を備えているため、回路規模が大きく、価格も高価になるという問題がある。
【０００７】
これに対し、特許文献２に係る変圧器によれば、タップ切替機構に伴う上記問題点は解決されるが、特許文献１と同様に、停電発生時にも負荷に一定電圧を供給するようにした具体的な回路構成は開示されていない。
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題点を解決し、タップ切替機構を用いることなく、しかも停電時や電源電圧の著しい変動時にも出力電圧を一定に保つことができる無停電電源装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、中間タップを有する一次巻線に交流電源電圧が印加される変圧器と、この変圧器の二次巻線に接続されて前記二次巻線に発生する交流電圧を整流する整流器と、この整流器の出力側に接続された平滑コンデンサと、この平滑コンデンサに接続されて平滑コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記平滑コンデンサに接続された充放電回路と、この充放電回路に接続されて充放電されるバッテリと、前記インバータの出力側に接続されてその交流出力電圧の高周波脈動成分を除去するリアクトル及びコンデンサからなり、このコンデンサが前記中間タップと負荷との間に直列接続される交流フィルタと、前記インバータの出力電圧を制御する制御回路と、前記交流フィルタを構成するコンデンサの非負荷側の一端の接続先を、前記中間タップと前記一次巻線の一端との何れかに切り替える切替スイッチと、交流電源電圧を監視し、非停電時には前記充放電回路に充電指令を与えると共に前記切替スイッチを前記中間タップ側に切り替え、停電発生時には前記充放電回路に放電指令を与えると共に前記切替スイッチを前記一次巻線の一端側に切り替える停電監視回路と、を備え、
交流電源の非停電時には、前記中間タップによる発生電圧に前記フィルタを構成するコンデンサの電圧を重畳することにより電源電圧の変動を補償した一定電圧を負荷に供給し、交流電源の停電時には、前記バッテリを電力供給源とする前記インバータによって出力される一定電圧を負荷に供給するようにした無停電電源装置であって、
前記中間タップによる発生電圧が、負荷に供給する出力電圧設定値よりも常に低い電圧になるように前記中間タップの位置を設定したものである。
【００１０】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した無停電電源装置において、前記整流器を、２個のダイオードの順方向直列接続回路により構成し、かつ、前記平滑コンデンサを、２個のコンデンサの直列接続回路により構成すると共に、これらの直列接続回路を並列に接続し、
前記２個のダイオードの直列接続点と前記２個のコンデンサの直列接続点とを前記二次巻線の両端にそれぞれ接続し、前記２個のコンデンサの直列接続回路の両端を前記インバータの直流入力側にそれぞれ接続し、前記２個のコンデンサの直列接続点を、前記フィルタを構成するコンデンサの負荷側の一端に接続すると共に、前記インバータの出力端子を、前記フィルタを構成するリアクトルの非コンデンサ側の一端に接続したものである。
【００１１】
請求項３に記載した発明は、請求項１に記載した無停電電源装置において、前記整流器を、２個のダイオードの順方向直列接続回路を２組並列に接続して構成し、前記順方向直列接続回路内の各直列接続点を前記二次巻線の両端にそれぞれ接続したものである。
【００１２】
請求項４に記載した発明は、請求項１または３に記載した無停電電源装置において、前記平滑コンデンサを、２個のコンデンサの直列接続回路により構成し、かつ、前記インバータを、還流ダイオードがそれぞれ逆並列接続された自己消弧形半導体素子からなる２個のスイッチング素子の直列接続回路により構成すると共に、
前記２個のコンデンサの直列接続点を、前記フィルタを構成するコンデンサの負荷側の一端に接続すると共に、前記インバータの出力端子を、前記フィルタを構成するリアクトルの非コンデンサ側の一端に接続したものである。
【００１３】
請求項５に記載した発明は、請求項１または３に記載した無停電電源装置において、前記インバータを、還流ダイオードがそれぞれ逆並列接続された自己消弧形半導体素子からなる２個のスイッチング素子の直列接続回路を２組並列接続して構成し、２個のスイッチング素子の直列接続回路内の各直列接続点を、前記フィルタを構成するコンデンサの負荷側の一端と前記リアクトルの非コンデンサ側の一端とにそれぞれ接続したものである。
【発明の効果】
【００１４】
上記のように構成された本発明によれば、非停電時には、交流電源電圧の変動に起因する変圧器の中間タップの電圧の変動を、インバータの出力側に接続された交流フィルタのコンデンサの電圧によって補償することにより、負荷に供給される出力電圧を一定に保つことができる。また、負荷に供給する一定の出力電圧設定値に対して、中間タップの電圧が常に小さくなるように中間タップを設定することにより、インバータを常に電圧を上げる方向に動作させることができ、これによって高価な自己消弧形素子ではなく安価なダイオードを用いて整流器を構成することが可能になる。更に、電圧変動を補償する回路要素として、特許文献１に示される直列変圧器の代わりに交流フィルタを用いているため、装置全体として変圧器の個数を減少させ、回路規模の小形化、低コスト化を達成することができる。
【００１５】
停電発生時や電源電圧の変動時には、停電監視回路の動作により切替スイッチを切り替えて変圧器側を回路から切り離すと共に、非停電時に充電されたバッテリの電力を充放電回路により平滑コンデンサに供給し、この平滑コンデンサの直流電圧をインバータが一定の交流電圧に変換して負荷に供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示す回路図であり、変圧器１の一次巻線１Ａの両端子は交流電源電圧が入力される入力端子９０ａ，９０ｂにそれぞれ接続され、二次巻線１Ｂの両端子１ｂ，１ｃは整流器２の交流入力側に接続されている。
【００１７】
整流器２の直流出力側の両端子間には平滑コンデンサ３が接続され、その両端はインバータ４の直流入力端子に接続されている。なお、８はインバータ４の制御回路である。
また、平滑コンデンサ３の両端には、充放電回路６を介してバッテリ７が接続されている。
【００１８】
１０は切替スイッチであり、その一方の切替接点１０ａは前記一次巻線１Ａの中間タップ１ａに接続され、他方の切替接点１０ｂは入力端子９０ｂ及び出力端子９１ｂに接続されている。また、共通接点１０ｃは、交流出力電圧の高周波脈動成分を除去するための交流フィルタ５を構成するリアクトル５ａとコンデンサ５ｂとの相互接続点に接続されている。
【００１９】
インバータ４の交流出力側の両端子は、リアクトル５ａの非コンデンサ側の一端と、コンデンサ５ｂの負荷側の一端に接続されており、コンデンサ５ｂの負荷側の一端は出力端子９１ａに接続されている。図示されていないが、出力端子９１ａ，９１ｂには負荷が接続されている。
更に、９は交流電源の停電監視回路であり、この停電監視回路９からは、充放電回路６及び切替スイッチ１０に対する制御信号が出力されるようになっている。なお、停電監視回路９は、交流電源の停電だけでなく、交流電源電圧が大幅に変動したことを検出して上記制御信号を出力可能である。
【００２０】
次に、この実施形態の動作を説明する。
まず、図２は非停電時の回路図、図３は停電発生時の回路図である。この実施形態において、非停電時は切替スイッチ１０が図１に示す状態にあるため、実質的に図２の回路が構成される。また、停電発生時や、電源電圧が大きく変動した時には停電時と同様に対応することとして、停電監視回路９からの制御信号により切替スイッチ１０の接点１０ｂ，１０ｃを接続し、実質的に図３の回路を構成する。
説明の便宜上、図１に記載された回路要素のうちで、図２（非停電時）及び図３（停電発生時）における電力の流れに関与しない回路要素については図示を省略してある。
【００２１】
始めに、非停電時の動作について図２、図４を参照しつつ説明する。
図２において、変圧器１の一次巻線１Ａには交流電圧が供給され、中間タップ１ａを介して電源電圧より低い電圧がフィルタ５のコンデンサ５ｂの一端に発生する。出力端子９１ａ，９１ｂに接続された負荷には、中間タップ１ａの電圧Ｖｉｎにコンデンサ５ｂの両端電圧Ｖｃを重畳した電圧Ｖｏｕｔ（Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ＋Ｖｃ）が供給される。なお、図４はこれらの電圧波形図である。
【００２２】
ここで、変圧器１の二次巻線１Ｂ、整流器２、平滑コンデンサ３、インバータ４、及び交流フィルタ５によって構成されている電力変換回路の出力電圧は、コンデンサ５ｂの両端電圧Ｖｃに等しく、交流電源電圧の変動に伴う変圧器１の中間タップ１ａの電圧Ｖｉｎの変動を、上記電力変換回路の出力電圧であるコンデンサ５ｂの電圧Ｖｃによって補償すれば、負荷に供給される出力電圧Ｖｏｕｔを一定に保つことができる。
【００２３】
このとき、負荷に供給する一定の出力電圧設定値に対して、中間タップ１ａの電圧Ｖｉｎが常に小さくなるような位置に中間タップ１ａを設けることにより、電力変換回路を常に電圧を上げる方向（コンデンサ５ｂ側に電力を供給する方向）に動作させることができる。その場合、整流器２をダイオードによって構成することが可能であり、自己消弧形半導体素子を用いる場合に比べて整流器２の低価格化が図れるという効果が生じる。これと同時に、整流器２の出力側に接続された充放電回路６を図２に示す如く充電回路６ｃとして動作させ、交流電源から供給される電力によりバッテリ７を充電することも可能になる。
更に、本実施形態では、特許文献１に示されるような直列変圧器の代わりに交流フィルタ５を用いているため、装置全体としての変圧器の個数減少、回路規模の小形化に効果的である。
【００２４】
次に、停電発生時の動作について図３を参照しつつ説明する。
停電発生時や電源電圧に大きな変動が発生したときには、停電監視回路９からの制御信号により切替スイッチ１０が切り替わって実質的に図３の回路が構成され、図１の充放電回路６が放電回路６ｄとして動作することにより、バッテリ７の電力を平滑コンデンサ３に供給する。
そして、インバータ４は、平滑コンデンサ３の直流電圧を交流電圧に変換し、フィルタ５を構成するコンデンサ５ｂの両端の一定電圧を出力電圧として負荷に供給することになる。
【００２５】
次いで、図５は本発明の第２実施形態を示す回路図である。この図５は、図２と同様に非停電時の構成を示しており、本実施形態でも、図１における制御回路８、停電監視回路９、切替スイッチ１０を備えているが、非停電時の電力の流れに関与しないこれらの回路要素については図示を省略してある。
【００２６】
本実施形態では、図５に示す如く、整流器２がダイオード２ａ，２ｂを順方向に直列接続して構成され、平滑コンデンサ３がコンデンサ３ａ，３ｂを直列接続して構成され、インバータ４が、ＩＧＢＴ等の自己消弧形半導体素子と還流ダイオードとの逆並列回路からなるスイッチング素子４ａ，４ｂを直列接続して構成されている。
また、変圧器１の二次巻線１Ｂの端子１ｂ，１ｃは、ダイオード２ａ，２ｂの直列接続点とコンデンサ３ａ，３ｂの直列接続点とにそれぞれ接続され、交流フィルタ５の両端はコンデンサ３ａ，３ｂの直列接続点とスイッチング素子４ａ，４ｂの直列接続点とにそれぞれ接続されている。
【００２７】
上記構成において、整流器２は周知のハーフブリッジ形整流器として動作し、変圧器１の二次巻線１Ｂの端子１ｂ，１ｃ間の交流電圧をコンデンサ３ａ，３ｂの直流電圧に変換する。ハーフブリッジ形整流器の詳細な動作波形等は公知であるため、説明を省略する。
また、インバータ４は周知のハーフブリッジ形インバータとして動作し、コンデンサ３ａ，３ｂの直流電圧を交流電圧に変換して交流フィルタ５のコンデンサ５ｂの両端に発生させる。ハーフブリッジ形インバータの詳細な動作波形等についても公知であるため、説明を省略する。
【００２８】
この実施形態においても、非停電時における変圧器１の中間タップ１ａの電圧Ｖｉｎの変動をコンデンサ５ｂの電圧Ｖｃによって補償すれば、負荷に供給される出力電圧Ｖｏｕｔを一定に保つことができる。
また、停電発生時の回路構成及び動作は、図３における平滑コンデンサ３がコンデンサ３ａ，３ｂの直列回路により構成され、インバータ４がスイッチング素子４ａ，４ｂの直列回路によりハーフブリッジ形インバータとして構成される点を除けば基本的に図３と同様であり、インバータ４が平滑コンデンサ３の直流電圧を交流電圧に変換してコンデンサ５ｂの両端電圧を一定に保ちながら負荷に供給するものである。
【００２９】
図６は、本発明の第３実施形態を示す回路図であり、図５と同様に非停電時の状態を示している。この図６においても、非停電時の電力の流れに関与しない制御回路８、停電監視回路９、切替スイッチ１０の図示を省略してある。
【００３０】
この第３実施形態が図５の第２実施形態と異なるのは、整流器２がダイオード２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄによりフルブリッジ形として構成されている点のみであり、変圧器１の二次巻線１Ｂの端子１ｂ，１ｃは、ダイオード２ａ，２ｂの直列接続点とダイオード２ｃ，２ｄの直列接続点とにそれぞれ接続される。フルブリッジ形整流器の詳細な動作波形等は公知であるため、説明を省略する。
なお、非停電時、停電発生時とも、基本的な動作は第１，第２実施形態と同様である。
【００３１】
図７は、本発明の第４実施形態を示す回路図であり、図５、図６と同様に非停電時の状態を示している。図７においても、非停電時の電力の流れに関与しない制御回路８、停電監視回路９、切替スイッチ１０の図示を省略してある。
【００３２】
この第４実施形態が図５の第２実施形態と異なるのは、インバータ４がスイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄによりフルブリッジ形として構成されている点のみであり、交流フィルタ５の両端はスイッチング素子４ａ，４ｂの直列接続点とスイッチング素子４ｃ，４ｄの直列接続点とにそれぞれ接続されている。
なお、フルブリッジ形インバータの詳細な動作波形等は公知であるため、説明を省略する。
本実施形態の基本的な動作は、非停電時、停電発生時とも第１〜第３実施形態と同様である。
【００３３】
図８は、本発明の第５実施形態を示す回路図であり、図５〜図７と同様に非停電時の状態を示している。図８においても、非停電時の電力の流れに関与しない制御回路８、停電監視回路９、切替スイッチ１０の図示を省略してある。
【００３４】
この第５実施形態が図２の第１実施形態と異なるのは、整流器２がダイオード２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄによりフルブリッジ形として構成され、かつ、インバータ４がスイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄによりフルブリッジ形として構成されている点であり、変圧器１の二次巻線１Ｂの端子１ｂ，１ｃは、ダイオード２ａ，２ｂの直列接続点とダイオード２ｃ，２ｄの直列接続点とにそれぞれ接続され、また、交流フィルタ５の両端はスイッチング素子４ａ，４ｂの直列接続点とスイッチング素子４ｃ，４ｄの直列接続点とにそれぞれ接続されている。
なお、フルブリッジ形整流器及びフルブリッジ形インバータの詳細な動作波形等は公知であるため、説明を省略する。
本実施形態の基本的な動作は、非停電時、停電発生時とも前記各実施形態と同様である。
【００３５】
第３〜第５実施形態においても、それぞれの停電発生時の回路構成は実質的に図３と同様であり、インバータ４は、第３実施形態ではハーフブリッジ形インバータとして、第４，第５実施形態ではフルブリッジ形インバータとして動作するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態を示す回路図である。
【図２】第１実施形態における非停電時の回路図である。
【図３】第１実施形態における停電発生時の回路図である。
【図４】図２における各部の電圧波形図である。
【図５】本発明の第２実施形態における非停電時の回路図である。
【図６】本発明の第３実施形態における非停電時の回路図である。
【図７】本発明の第４実施形態における非停電時の回路図である。
【図８】本発明の第５実施形態における非停電時の回路図である。
【図９】従来技術を示す回路図である。
【図１０】従来技術を示す回路図である。
【図１１】従来技術を示す回路図である。
【符号の説明】
【００３７】
１：変圧器
１Ａ：一次巻線
１Ｂ：二次巻線
１ａ：中間タップ
２：整流器
２ａ，２ｂ：ダイオード
３：平滑コンデンサ
３ａ，３ｂ：コンデンサ
４：インバータ
４ａ，４ｂ：スイッチング素子
５：交流フィルタ
５ａ：リアクトル
５ｂ：コンデンサ
６：充放電回路（６ｃ：充電回路，６ｄ：放電回路）
７：バッテリ
８：制御回路
９：停電監視回路
１０：切替スイッチ
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ：接点
９０ａ，９０ｂ：入力端子
９１ａ，９１ｂ：出力端子
【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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