(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
組電池をなす複数の単電池と、
一対のループをなす内壁部と外壁部とにより挟まれた有底の樋状体からなり、上記内壁部と外壁部との間に前記複数の単電池をループ状に並べて収容する樋状容器と、
この樋状容器内に並べて収容された複数の単電池の上部に設けられて組電池の電極リードを導出した端子台と、
この端子台を覆って前記樋状容器の上部開口部を閉塞する蓋体と、
この蓋体の前記電極リードに対向する部位に開口されて該電極リードを外部接続可能に露出させた開口部と
を具備したことを特徴とする電池パック。
【請求項２】
前記樋状容器は、円柱形状をなす複数の単電池を、その周面を互いに接触させて横並びにループをなして配列して収容するものであって、前記樋状体の内壁部および外壁部は、前記単電池の高さに相当する高さを有する請求項１に記載の電池パック。
【請求項３】
前記端子台は、組電池の電極リードに接続された正負一対の電極リード端子および該組電池の補助端子を配置した構造をなす請求項１に記載の電池パック。
【請求項４】
前記端子台に設けられる補助端子は、組電池の充電時に用いられるものであって、
電池温度に感応して組電池の充電路を遮断する温度保護素子を介して前記電極リードの一方に接続された充電用端子と、電池温度を検出する感温素子を介して前記電極リードの一方に接続された温度検出用端子と、電池仕様に応じた抵抗値を有する抵抗を介して前記電極リードの一方に接続された電池種別識別用端子とからなることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【請求項５】
前記温度保護素子は、ループをなして配列される複数の単電池の配列方向に沿った複数の箇所にそれぞれ設けられ、直列に接続されて前記充電用端子と前記一方の電極リードとの間に介装されることを特徴とする請求項４に記載の電池パック。
【請求項６】
前記単電池は、ニッケル・水素二次電池である請求項１または２に記載の電池パック。
【請求項７】
請求項１〜６に記載の電池パックを、その駆動源として装着してなる電動工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池をなす複数の単電池を容器に収容した電池パックに係り、特に各単電池の温度上昇と電池温度のばらつきを抑えながら安定に充電することができ、しかもその電池性能を十分に発揮させることのできる耐久性に優れた構造の電池パックと、この電池パックを駆動源として装着した電動工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、電気自動車や電動アシスト自転車、更には電動工具の駆動源として、ニッケル・水素二次電池が用いられている。この種の駆動源として用いられる電池は、一般的に複数の単電池を直列に接続した組電池を、例えばポリカーボネートやＡＢＳ樹脂からなる容器に収容した電池パックとして提供される。
【０００３】
ところで従来の電池パックにあっては、専ら、複数の単電池を容器内に最密充填状態で収容することでその容積効率を高め、全体形状のコンパクト化が図られている。ちなみに円柱形状をなす複数の単電池を容器に収容して電池パックを構成する場合、一般的にはその収容容積が最小となるように、例えば図５に示すように１２個の単電池１を、その周面を互いに接触させながら３列に俵積み状に配列し、これを四角形状の容器２に収容するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこのような構造の電池パックにおいては、容器２の壁面に沿って配列された単電池１と、その中央部に配列された単電池１との間に温度のバラツキが生じ易いと言う問題がある。即ち、容器２の壁面に沿って配列された単電池１の熱は該容器２の壁面を介して放出され易いが、中央部に配列された単電池１の熱はその内部に蓄熱される傾向にある。このような電池温度のバラツキは、個々の単電池１の電池特性（電池容量）のバラツキの要因となる。そしてこのような状態で電池パックを使用すると、電池容量の小さい単電池１から順に寿命が尽きていくので、例えば寿命が尽きた単電池１に転極が生じたり、その再充電が不可能になる等の事態を招くので、電池パックとしての性能を著しく低下させ、そのサイクル寿命特性が劣化すると言う不具合が生じる。
【０００５】
また単電池１がニッケル・水素電池等の二次電池である場合、その充電時に大きな発熱が生じ、とりわけ大電流で短時間に充電する場合、その発熱現象が顕著である。しかもニッケル・水素二次電池は、電池温度が高くなると充電効率が低下し、その電池容量が低下する。更には温度上昇に伴って、その負極を構成する水素吸蔵合金が電解液で腐食され易くなり、水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出能力が劣化するという問題が発生する。従って容器２に収容した単電池（ニッケル・水素二次電池）１の、特に充電時における温度上昇を防ぐことが重要となる。
【０００６】
また電動工具の駆動源として用いられる電池パックにあっては、一般的に電動工具自体の取り扱いが荒いので、特に落下等の外部衝撃に対して堅牢な構造を有することが要求される。
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、容器内に収納された複数の単電池の温度上昇を防ぐと共に、個々の単電池の温度のバラツキを抑えてその電池性能を十分に発揮させることのできる電池パックを提供することにある。特に本発明は、充電時の電池温度の上昇を効果的に抑えて安全に充電することのできる電池パックを提供することにある。
【０００７】
また本発明は、堅牢で簡易な構造の電池パックを備えた電動工具を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係る電池パックは、例えばニッケル・水素二次電池からなる複数の単電池を容器内に収容したものであって、
一対のループをなす内壁部と外壁部とにより挟まれた有底の樋状体からなり、上記内壁部と外壁部との間に前記複数の単電池をループ状に並べて収容する樋状容器を備え、この樋状容器内に並べて収容された複数の単電池の上部に該複数の単電池がなす組電池の電極リードを導出した端子台を設けると共に、この端子台を覆って前記樋状容器の上部開口部を閉塞する蓋体の前記電極リードに対向する部位に該電極リードを外部接続可能に露出させる開口部を設けたことを特徴としている。
【０００９】
本発明の好ましい態様は、前記樋状容器を、円柱形状をなす複数の単電池を、その周面を互いに接触させて横並びにループをなして配列して収容するように、また前記樋状体の内壁部および外壁部を前記単電池の高さに相当する高さとして形成する（請求項２）。更には前記端子台を、組電池の正負一対の電極リードおよび該組電池のチェック端子を左右対称に配置した構造として実現することを特徴としている（請求項３）。
【００１０】
また本発明は、組電池の正負一対の電極リードに加えて、その充電時に用いられて電池温度に感応して組電池の充電路を遮断する温度保護素子を介して前記電極リードの一方に接続された充電用端子、電池温度を検出する感温素子を介して前記電極リードの一方に接続された温度検出用端子、更には電池仕様に応じた抵抗値を有する抵抗を介して前記電極リードの一方に接続された電池種別識別用端子からなる３つの補助端子を前記端子台に備えた電池パックを提供する（請求項４）。
【００１１】
好ましくは前記温度保護素子を、ループをなして配列される複数の単電池の配列方向に沿った複数の箇所にそれぞれ設け、これらの温度保護素子を直列に接続して前記充電用端子と前記一方の電極リードとの間に介装することを特徴とする（請求項５）。
そして更に本発明は、上記構造の電池パックを、その駆動源として装着した電動工具を提供するものである（請求項７）。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る電池パックについて、例えば１２個の円柱状のニッケル・水素二次電池（単電池１）を直列に接続して容器２に収容した電池パックを例に説明する。
図１はこの実施形態に係る電池パックの全体的な構造を示す分解斜視図で、１は単電池としての１２個の円柱状のニッケル・水素二次電池、２はこれらのニッケル・水素二次電池（単電池）１を並べて収容する容器である。また３はニッケル・水素電池１の上部に設けられる端子台であって、４は端子台３を覆って前記容器２の上部開口部を閉塞する蓋体である。
【００１３】
また図２(ａ)(ｂ)(ｃ)は、図１に示す電池パックの上面構造、側面構造、およびその縦断面構造をそれぞれ示しており、図３は図２(ａ)の矢視Ａ-Ａに沿う断面構造を示している。
容器２は、例えばポリカーボネート樹脂やＡＢＳ樹脂を射出成型して構成されるもので、一対の平行部とその両端部間を曲部にて結んだ、いわゆる小判型にループした一対の内壁部２１と外壁部２２を備え、内壁部２１と外壁部２２との間を底部２３にて連結して回廊形状の電池収納空間を形成した有底の樋状体（樋状容器）からなる。このようにループした回廊形状の電池収納空間を形成した樋状体の内側部、即ち、内壁部２１により囲まれる容器１の中央部は、その上部から底部に掛けて貫通する空洞部をなす。また上記電池収納空間を形成する内壁部２１および外壁部２２の高さ（電池収納空間をなす樋の深さ）は、円柱状の単電池１の高さ（長さ）よりも僅かに高く設定されており、また底部２３の幅は円柱状の単電池１の径よりも僅かに広く設定されている。尚、円柱状の単電池１は、例えば４／５Ａサイズのものであって、直径１７ｍｍ、高さ４３ｍｍの外径寸法を有する。
【００１４】
しかして容器２は、内壁部２１、外壁部２２、および底部２３からなる樋状の電池収納空間に、１２個の単電池１をその周面を互いに接触させて１列にループ状に横並びに配列して収納する。具体的には長手方向に５個の単電池１を横並びに配列した２列の単電池列の端部間に、その外側に若干偏心させてそれぞれ１個の単電池１を配列することで円弧状の短辺部をなし、計１２個の単電池１を小判型にループ配列するように、上記樋状の電池収納空間が設定されている。
【００１５】
尚、外壁部２２の長手方向の壁面をなす部位には、後述するストッパ５を嵌め込む為の切欠き２４が設けられている。また樋状の電池収納空間の内側には、外壁部２２に沿って４本のネジ止め用ボス２５が立設されている。これらのネジ止め用ボス２５は、その周面を互いに接触させて収納される円柱状の単電池１の側部に形成される空間を利用して設けられ、ボス２５の存在によって単電池１の収納を妨げることがないようになっている。むしろこれらのボス２５により単電池１の収納位置が規定されて、そのガタツキが防止されるようになっている。
【００１６】
また内壁部２１の上端部には、樋状の電池収納空間から外側向けて、つまり容器２の中央部に形成された空洞部側に向けて張り出したフランジ２６が設けられている。このフランジ２６は、その上部にて端子台３を支持する役割を担うと共に、後述するように蓋体４の中央部と嵌合して該蓋体４の中央部をその下方から支持する役割を担う。
【００１７】
一方、上述した容器２の樋状の電池収納空間に収納される複数の単電池１は、該収納空間に沿って前述したように小判型にループをなして配列され、図示しないリード体により直列に接続される。そして小判型にループ状に配列された単電池列の上端部は、例えば絶縁性の素材からなるカバー体１１により覆われて、その配列形状が安定に保持されるようになっている。
【００１８】
また単電池列の上部に設けられる端子台３は、絶縁性の素材からなる概略コの字状のブロック体形状を有し、小判型に配列された単電池列の長手方向に沿う両側辺部に正負一対の電極リード端子３１,３２を設け、これらの両側辺部を連結する短手方向に沿った曲辺部に３個の補助端子３３,３４,３５を設けた構造を有する。前記正負一対の電極リード端子３１,３２には、直列に接続された複数の単電池１からなる組電池の電極リードがそれぞれ接続される。また３個の補助端子３３,３４,３５は、単電池の１の充電時に用いられるものであって、これらの補助端子３３,３４,３５には、端子台３の内側に組み込まれた抵抗や、ループ状に配列された単電池１の周面に配設されたサーミスタやサーモスタットを介して前記組電池の電極リードに接続される。これらの補助端子３３,３４,３５の機能については、後で図４を参照して説明する。
【００１９】
さて容器２に収容された単電池列、およびその上部に設けられた端子台３を覆い、容器２の上部開口部を閉塞する蓋体４は、容器２の内壁部２１と外壁部２２の上端部に嵌合する概略平板状の主体部４１と、この主体部４１の端子台３に対向する部位を部分的に盛り上げて、その裏側に該端子台３の収容空間を形成した突出部４２とを有する形状をなす。この突出部４２の側壁部には前述した電極リード端子３１,３２および３個の補助端子３３,３４,３５を、それぞれ外部接続可能に露出させる５個の矩形状の開口部４３（４３ａ,４３ｂ,〜４３ｅ）が設けられている。また主体部４１の中央部には、突出部４２の側方に位置して容器２の空洞部に連通する開口４４が設けられている。更に主体部４１の長手方向の辺部には、前述した容器２の外壁部２２に設けられた切欠き２４と協働して、ストッパ５を嵌め込む為の概略四角形状の開口を形成する立ち下がり壁４５が設けられている。この立ち下がり壁４５は、容器２の上端開口部に蓋体４を被せたとき、切欠き２４の上部に嵌合して該切欠き２４との間に上記開口を形成する。
【００２０】
尚、単電池１を収容した容器２に対する蓋体４の固定は、主体部４１に設けられた貫通孔４７を通して蓋体４の上方から挿通させたネジ４９を、前記ボス２５の頂部に螺合させることによって行われる。また容器２の内壁部２１および外壁部２２の上端部と蓋体４との間には、適宜、パッキング部材（図示せず）が介装されて、電池収納空間が密閉状態に閉塞される。
【００２１】
ここで上記切欠き２４と立ち下がり壁４５との間に形成される開口に設けられるストッパ５について説明すると、このストッパ５は概略四角形状の突出部を形成してなる押圧部５１と、この押圧部５１の辺部から延出されたアーム部５２とからなり、アーム部５２の先端に鈎型のフック５３を形成した形状を有する。このストッパ５は、図３に示すように蓋体４に設けられたフック孔４６から上記フック５３を突出させて上記開口にその裏面側から嵌め込まれる。そしてその裏面に設けられた板ばね５５により容器２の外方に向けて付勢偏倚されて支持され、指等により押圧することにより内側に偏倚して上記フック５３をフック孔４６内に、埋没可能に設けられる。
【００２２】
このフック５３は、電池パックが装着される電動工具の筐体７０に設けられた係合突起に係合して該電池パックの電動工具への装着を実現するものである。即ち、この電池パックは、その上部である蓋体４側を電動工具の筐体７０の下部への装着部としており、フック５３を係合突起に当接させながら内側に弾性偏倚させることで、いわゆるワンタッチで電動工具に対する装着を行い得るように構成されている。そしてその取り外し時には、押圧部５１を内側に向けて押すことによりフック５３を強制的に偏倚させ、電動工具の筐体７０に設けられた係合突起とフック５３との係合を解除することで、該筐体７０の下側に向けて電池パックを取り外し得るようになっている。
【００２３】
ここで前述した端子台３に組み込まれるサーミスタや抵抗、およびサーモスタットについて説明すると、これらの機能素子は電池パックの充電時における安全性を確保するべく設けられる。
即ち、図４に電池パックの電気的な構成を示すように、複数の単電池１は直列に接続されて、その両端の正負一対の電極リードを電極リード端子３１,３２にそれぞれ接続される。そしてこれらの電極リード端子（＋,−）３１,３２を介して電動工具の電動機等の負荷に接続される。しかして容器２に収容されたサーミスタ８１は、単電池１の表面温度を計測する感温素子であり、補助端子（Ｔh）３３と電極リード端子３２との間に介装される。電池パックの充電時には、このサーミスタ８１の抵抗値をモニタすることで、単電池１の温度が監視される。尚、このサーミスタ８１は、予め指定された単電池１の周面に貼付される。
【００２４】
また補助端子（ＩＤ）３４と電極リード端子３２との間に介装された抵抗８２は、電池パックの仕様に応じた抵抗値を有するもので、電池パックの充電時等にこの抵抗８１の抵抗値を計測することで、例えば単電池１の直列接続された本数や、その電流容量等がＩＤ情報として求められるようになっている。このＩＤ情報に従って電池パックの充電を制御することで、その過充電等が未然に防止される。即ち、電池パックの外観形状が同じであっても、収容した単電池１の本数等、その内部構成が異なる場合であっても、上記ＩＤ情報から電子仕様が求められて、最適な状態でその充電を行い得るようになっている。
【００２５】
更に補助端子３５は、電池パックの充電時に前記電極リード端子３２に代えて用いられるもので、電極リード端子３１と補助端子３５との間に充電電流を供給することで、その充電が行われる。しかして補助端子３５と電極リード端子３１との間には、電池温度に感応して電池パックに対する充電路を、電池パック自身において遮断する温度保護素子、具体的には２個のサーモスタット８３,８４が単電池１を介して直列に介装されている。これらのサーモスタット８３,８４は、ループ状に配列された複数の単電池１の配列方向に沿って、例えば前述した２つの円弧状の短辺部をなす単電池１の周面にそれぞれ貼付されて設けられる。そして単電池１がループ状をなして設けられているが故に、仮に電池温度に差が生じた場合であっても、いずれかの単電池１の温度の上昇に伴ってサーモスタット８３,８４を作動させ、その充電路を自ら遮断する機能を呈する。
【００２６】
端子台３に接続されて電池パックを充電する充電装置は、このような補助端子３３,３４,３５から単電池１（電池パック）の充電状態を監視しながら、その充電電流や充電時間等を制御することで、該電池パックを安定に効率良く充電する。そして前述したサーモスタット８３,８４は、このような充電制御の下で電池パックを充電しているにも拘わらず、その電池温度が上昇した場合、自らその充電路を遮断することで、単電池（電池パック）を保護するものとなっている。
【００２７】
かくしてこのように構成された電池パックによれば、ループ状の回廊形状をなす容器２の内壁部２１と外壁部２２との間に複数の単電池１がループ状に横並びに配列されて収容されるので、各単電池１に生じる熱は内壁部２１と外壁部２２とをそれぞれ介して効率的に放出される。しかも容器２の中央部の内壁部２１の外側が、該容器２を上下に貫通する空洞部となっているので、この空洞部を介する単電池１の大きな放熱効果を期待することができる。特に複数の単電池１をループ状に１列に配列した構造であるので、図５に示した従来一般的な単電池の配列構造に比較して、各単電池１に対する放熱効果を略一定に揃えることができる。従って複数の単電池１の温度上昇を効果的に防止しながら、各単電池１の温度のバラツキを抑えることが可能となり、以て、各単電池１が有する電池性能をそれぞれ十分に発揮させて電池パックとしての電池性能を高めることが可能となる。
【００２８】
また容器２内にループ状に配列されて収容される単電池１の上部に端子台３が設けられてその電極リードが導出されるので、複数の単電池１をループ状に配列したことと相俟って一対の電極リードの長さを揃えることができる。しかも直列に接続された単電池１の組電池としての両端部の上方位置に端子台３を設けることで、電極リードの長さ自体を短くすることができる。従って電極リードを介する抵抗損失を最小限に抑えることも可能となる等の効果が奏せられる。更には電極リードを内壁部２１に沿って配設するようにすれば、容器２に加わる外部衝撃等から電極リードを効果的に保護することが可能となるので、機械的・構造的安定性も十分に高めることが可能となる。
【００２９】
またこの電池パックによれば、前述した如くサーミスタ８１や抵抗８２、更にはサーモスタット８３,８４を介して接続された補助端子３３,３４,３５を備えているので、これらの補助端子３３,３４,３５を介して電池パックの仕様を認識し、また電池温度を監視しながらその充電を制御することができるので、電池温度の上昇を防ぎながら安全にその充電を行うことができる。更には電池温度の上昇時に充電制御が間に合わない場合であっても、ループ状に配列された単電池１に沿って複数箇所に設けられたサーモスタット８３,８４のいづれかが、その電池温度に感応して充電路を遮断するので、二重の安全対策を講じることができる。
【００３０】
また上述した構造の電池パックによれば、蓋体４側を電動工具等の筐体７０に装着する構造であり、容器２は蓋体４を挟んで筐体７０に装着される。従って筐体７０から電池パックを取り外さない限り容器２に対する蓋体４の取り外しが不可能である。従って電動工具の使用中に蓋体４が不本意に外れるような不具合が全くない。更には、その裏側に端子台３の収容空間を形成して突出する蓋体４の突出部４２は、筐体７０に装着された状態で該筐体７０にて覆われるので、その使用状態において電池パックは、いわゆる出っ張りのない外観形状をなす。従って容器２の外周面、特に外壁部２２のコーナ部や底部２３との境界部等をそれぞれ曲面加工しておけば、蓋部４における突出部４２の存在に拘わらず全体的な形状を滑らかなものとし、その取り扱い性の向上を図ることが可能となる。
【００３１】
更には突出部４２としては、端子台３をその裏側に収容し、その側壁面に電極リード端子３１,３２や補助端子３３,３４,３５をそれぞれ外部接続可能に露出させれば良いものであるから、その高さをさほど高くする必要はない。従って蓋体４における突出部４２の突出高さを低く抑えることも容易であり、全体形状のコンパクト化を図ることができる。また外部衝撃に対して強い構造とすることが可能となる。
【００３２】
またこのような構造の電池パックを装着した電動工具においては、例えばその電動機の回転力を利用して内蔵ファンを駆動し、容器の空洞部を介して電動機の内部に空気を通流するよう構成することで、この空気流によって電池パック自体を冷却しながら、電動工具の電動機を冷却することも可能となり、その冷却効果を高めることが可能となる等の効果も奏し得る。更には容器１自体が全体的に丸みを帯びた外観形状を有するので、電動工具を用いた作業時にそのコーナ部等が衣服等に引掛かり難く、その取り扱い性が良い。しかも角部がないので、その落下等による衝撃が加わった場合でも局部的な応力集中を少なくすることができ、堅牢な構造とすることができる。
【００３３】
また容器２としては、例えば図２(ｃ)および図３にそれぞれ示すように、その内壁部２１と外壁部２２とをその上端開口部に向けて間口が広くなるように所定のテーパを付けた形状とすれば、その射出成型時における型抜きが容易であり、単電池１の高さに相当した深さの樋状体を容易に実現することができる。しかもボス２５等により樋状体内に収容した単電池１をそれぞれ位置規制するので、各単電池１のガタツキを効果的に抑えることができ、簡易な構造でありながら単電池１の収容状態を安定に維持することができ、強度的にも優れたものとすることができる。
【００３４】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えばここでは１２個の単電池１を収納して構成される電池パックについて説明したが、その本数は仕様に応じて定めれば良いものである。また複数の単電池１を適宜並列に接続して電流容量を増やした電池パックとして実現することも勿論可能である。また温度保護素子（サーモスタット）を、ループ状に配列された単電池１に沿って更に多く設けるようにしても良い。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、複数の単電池を構造的に安定に収容しながら、各単電池の温度上昇、および温度のバラツキを抑えてその電池性能を十分に発揮することの電池パックを提供することができる。しかもその端子台を単電池の上部に組み込むことで電極リードの配線構造を簡易化することができる。また補助端子を介して充電状態、特に電池温度を監視しながら電池パックの充電を安全性良く制御することができる等の利点もある。更には複数の単電池を安定に保持し得るので、外部衝撃等に対して強度的に優れた構造の電池パックを実現することができ、使い勝手の良い電動工具を提供することができる等の効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る電池パックの全体構造を示す分解斜視図。
【図２】図１に示す電池パックの上面構造、側面構造、およびその縦断面構造をそれぞれ示す図。
【図３】図１に示す電池パックの図２(ａ)の矢視Ａ-Ａに沿う断面構造を示す図。
【図４】図１に示す電池パックの電気的な構成を示す図。
【図５】従来の一般的な電池パックにおける単電池の配列構造を示す図。
【符号の説明】
１  単電池
２  容器（樋状容器）
３  端子台
４  蓋体
５  ストッパ体
２１  内壁部
２２  外壁部
２３  底部
３１,３２  電極リード端子
３３,３４,３５  補助端子
４１  主体部
４２  突出部
４３  開口部
７０  電動工具の筐体
８１  サーミスタ（感温素子）
８２  抵抗（ＩＤ情報）
８３,８４  サーモスタット（温度保護素子）
【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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