(57)【要約】【課題】熱電素子とこれが接合される電極との接合部分の接合強度を確実に維持できる熱電発電モジュールを提供すること。【解決手段】熱電発電モジュール１は、表裏の一方に冷却面が設けられ、他方に加熱面が設けられた熱電発電モジュール１であって、複数の熱電素子４と、熱電素子４を挟持し冷却面および加熱面を形成する一対のフレキシブル基板と、フレキシブル基板の互いの対向面に設けられて熱電素子４を電気的に接続する複数の素子間電極３Ａと、電気的な配列の端部に位置する端部素子４Ｃが接続される端部電極３Ｂに電気的に接続されたリード線６と、フレキシブル基板間に介装された補強用素子５とを備え、補強用素子５は、端部素子４Ｃよりもリード線６が引き出される側に設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表裏の一方に冷却面が設けられ、他方に加熱面が設けられた熱電発電モジュールであって、
複数の熱電素子と、
前記熱電素子を挟持し前記冷却面および前記加熱面を形成する一対のフレキシブル基板と、
前記フレキシブル基板の互いの対向面に設けられて前記熱電素子を電気的に接続する複数の素子間電極と、
電気的な配列の端部に位置する熱電素子が接続される素子間電極に電気的に接続されたリード線と、
前記フレキシブル基板間に介装された補強部材とを備え、
前記補強部材は、前記端部に位置する熱電素子よりも前記リード線が引き出される側に設けられている
ことを特徴とする熱電発電モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電発電モジュールにおいて、
前記補強部材は、前記熱電素子と略同一の熱物性および形状を有する
ことを特徴とする熱電発電モジュール。
【請求項３】
請求項２に記載の熱電発電モジュールにおいて、
前記補強部材は、前記熱電素子と同一の素子である
ことを特徴とする熱電発電モジュール。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の熱電発電モジュールにおいて、
前記フレキシブル基板の対向面に前記リード線と交差する方向に延び前記補強部材が固定される固定用ベース、および前記フレキシブル基板の対向面に前記リード線と交差する方向に延び前記補強部材とは独立した補強用パターンの少なくとも何れか一方を備える
ことを特徴とする熱電発電モジュール。
【請求項５】
請求項４に記載の熱電発電モジュールにおいて、
前記固定用ベースおよび前記補強用パターンは、一つの導体から前記素子間電極とともに形成される
ことを特徴とする熱電発電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電発電モジュールに係り、特に互いに対向するフレキシブル基板間に複数の熱電素子を介装させた熱電発電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電発電モジュールは、ゼーベック効果によって２つの物体の温度差を利用して発電するものである。従来の熱電発電モジュールとして、例えば特許文献１のものが知られている。
特許文献１の熱電発電モジュールは、いわゆるΠ（パイ）型構造を有し、複数の熱電素子を平面状に配列し、それらを電極によって電気的に直列に接続した上で、対向して設けられたフレキシブル基板間に介装させた構造である。熱電素子と電極とを含んで構成された直列回路の端部には、リード線が接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２７０４２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の従来の熱電発電モジュールでは、一方のフレキシブル基板が低熱源と接触し、他方のフレキシブル基板が高熱源と接触するので、高熱源側のフレキシブル基板と低熱源側のフレキシブル基板とで熱膨張の度合いに差が生じやすく、熱電素子と電極との間の接合部分に外力が加わったり、応力が生じたりして当該熱電素子が電極から剥がれるおそれがある。特に電気的な配列の端部に位置する熱電素子は、周囲を囲う他の熱電素子の数が少ないことから、リード線を介して外力が加わったときに、その外力に影響されて同様な状況に陥る可能性が高く、問題である。
【０００５】
本発明の目的は、熱電素子とこれが接合される電極との接合部分の接合強度を確実に維持できる熱電発電モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の熱電発電モジュールは、表裏の一方に冷却面が設けられ、他方に加熱面が設けられた熱電発電モジュールであって、複数の熱電素子と、前記熱電素子を挟持し前記冷却面および前記加熱面を形成する一対のフレキシブル基板と、前記フレキシブル基板の互いの対向面に設けられて前記熱電素子を電気的に接続する複数の素子間電極と、電気的な配列の端部に位置する熱電素子が接続される素子間電極に電気的に接続されたリード線と、前記フレキシブル基板間に介装された補強部材とを備え、前記補強部材は、前記端部に位置する熱電素子よりも前記リード線が引き出される側に設けられていることを特徴とする。
【０００７】
熱電発電モジュールは、電気的な配列において端部に位置する熱電素子よりもリード線が引き出される側に補強部材が設けられているので、リード線を介して外力が加わったときには、熱電素子と素子間電極との接合部分に生じるはずの応力が補強部材とフレキシブル基板との接合部分に分散される。このため、熱電素子と素子間電極との接合部分に作用する応力を抑制することができ、熱電素子とこれが接合される素子間電極との接合部分の接合強度を確実に維持できる。
【０００８】
本発明の熱電発電モジュールにおいて、前記補強部材は、前記熱電素子と略同一の熱物性および形状を有することが好ましい。
【０００９】
本発明の熱電発電モジュールにおいて、前記補強部材は、前記熱電素子と同一の素子であることが好ましい。
【００１０】
本発明の熱電発電モジュールにおいて、前記フレキシブル基板の対向面に前記リード線と交差する方向に延び前記補強部材が固定される固定用ベース、および前記フレキシブル基板の対向面に前記リード線と交差する方向に延び前記補強部材とは独立した補強用パターンの少なくとも何れか一方を備えることが好ましい。
【００１１】
本発明の熱電発電モジュールにおいて、前記固定用ベースおよび前記補強用パターンは、一つの導体から前記素子間電極とともに形成されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱電発電モジュールを示す側面図。
【図２】熱電発電モジュールの平断面図。
【図３】熱電発電モジュールの正面図。
【図４】変形例１に係る熱電発電モジュールの要部を示す側面図。
【図５】変形例１に係る熱電発電モジュールの要部の平断面。
【図６】変形例１に係る熱電発電モジュールの要部の正面図。
【図７】変形例２に係る熱電発電モジュールの要部を示す側面図。
【図８】変形例２に係る熱電発電モジュールの要部の平断面図。
【図９】変形例２に係る熱電発電モジュールの要部の正面図。
【図１０】変形例３に係る熱電発電モジュールの要部を示す側面図。
【図１１】変形例３に係る熱電発電モジュールの要部の平断面図。
【図１２】変形例３に係る熱電発電モジュールの要部の正面図。
【図１３】変形例４に係る熱電発電モジュールの要部を示す側面図。
【図１４】変形例４に係る熱電発電モジュールの要部の平断面図。
【図１５】変形例４に係る熱電発電モジュールの要部の正面図。
【図１６】変形例５に係る熱電発電モジュールの要部を示す側面図。
【図１７】変形例５に係る熱電発電モジュールの要部の平断面図。
【図１８】変形例５に係る熱電発電モジュールの要部の正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る熱電発電モジュール１の側面図であり、図２は熱電発電モジュール１を図１中の矢印II方向から見た平断面図であり、図３は熱電発電モジュール１を図１中の右方から見た正面図である。
【００１４】
熱電発電モジュール１は、複数の熱電素子４と、熱電素子４を挟持する一対のフレキシブル基板２と、フレキシブル基板２の互いの対向面に設けられて熱電素子４を電気的に接続する複数の素子間電極３Ａと、電気的な配列の端部に位置する熱電素子４が接続される素子間電極３Ａに電気的に接続されたリード線６と、フレキシブル基板２間に介装された補強部材としての補強用パターン８とを備える。
【００１５】
フレキシブル基板２は、柔軟性を有する絶縁体（例えばポリイミド）によって形成されており、図１中の下側に配置され放熱側と接触する冷却面２Ｃが設けられた低温側基板２Ｂと、図１中の上側に配置され熱源と接触する加熱面２Ｈが設けられた高温側基板２Ａとから構成されている。
【００１６】
熱電素子４は、Ｎ型熱電素子４ＡおよびＰ型熱電素子４Ｂから構成されている。これらのＮ型熱電素子４ＡおよびＰ型熱電素子４Ｂは、例えばビスマス・テルル系（Bi-Te系）の材料により、同一の大きさの断面正方形の直方体に形成されている。また、Ｎ型熱電素子４ＡとＰ型熱電素子４Ｂとは交互に配設され、図１および図２における左右方向に並設されるとともに、図２における上方に向かって折り返されながら、フレキシブル基板２の全面に縦横を揃えて敷設されている。図１中に矢印で示すように、Ｎ型熱電素子４Ａにはゼーベック効果により高温側から低温側（上方向）に電流が流れ、Ｐ型熱電素子４Ｂには低温側から高温側（下方向）に電流が流れる。このように、熱電素子４で生じた電流をリード線６に流すことで、熱電発電モジュール１は発電を行う。
【００１７】
フレキシブル基板２内における配列に関し、以下の説明において、横の並びを「行（Ｒと図示）」、縦の並びを「列（Ｃと図示）」と呼び、行列の１単位を１区画と呼び、図１中の右下隅を原点［第１行、第１列］とする（図２参照）。本実施形態では、フレキシブル基板２上に２０行×２１列の行列が形成されている。ただし、本実施形態において、熱電素子４が設けられているのは第２列目以降である。
【００１８】
図１に示すように、熱電発電モジュール１は、Π（パイ）型構造を有し、隣接するＮ型熱電素子４ＡとＰ型熱電素子４Ｂとは、素子間電極３Ａに上端および下端が交互に接続されており、Ｎ型熱電素子４Ａ→素子間電極３Ａ→Ｐ型熱電素子４Ｂの順の接続を繰り返し、全ての熱電素子４が電気的に直列に接続されている。この直列回路が熱電発電回路として機能する。
【００１９】
発電回路の端部（［第１行，第３列］［第２０行，第３列］）に位置する熱電素子４は端部素子４Ｃであり、端部素子４Ｃとリード線６とを接続する素子間電極３Ａは端部電極３Ｂである。また、本実施形態では、［第１行，第３列］に位置する端部素子４ＣがＮ型熱電素子４Ａであり、［第２０行，第３列］に位置する端部素子４ＣがＰ型熱電素子４Ｂである。端部電極３Ｂは、［第１行，第２〜３列］［第２０行，第２〜３列］の各２区画に亘って設けられている。リード線６は、端部電極３Ｂおよび後述する高温側固定用ベース７Ａに半田付けされている。
【００２０】
補強用素子５としては、熱電素子４（Ｎ型熱電素子４ＡおよびＰ型熱電素子４Ｂの何れでもよい）が用いられている。つまり、Ｎ型熱電素子４Ａ、Ｐ型熱電素子４Ｂ、および補強用素子５の熱物性および形状は、互いに同じである。
図１に示すように、補強用素子５は、フレキシブル基板２における端部素子４Ｃよりもリード線６が引き出される側（図中の右側）の領域（具体的には第１〜２列）に含まれる区画である［第２〜３行，第１列］［第１８〜１９行，第１列］に計４個設けられている。
【００２１】
補強用素子５は、固定用ベース７を介して両フレキシブル基板２に接続されている。この固定用ベース７は、補強用素子５とフレキシブル基板２との接合を補助するためのものである。本来、補強用素子５とフレキシブル基板２との接合強度は比較的小さいが、間に固定用ベース７が設けられることで、接合強度が高くなっている。
【００２２】
固定用ベース７は、低温側基板２Ｂの対向面に設けられる２つの低温側固定用ベース７Ｂと、高温側基板２Ａの対向面に設けられる２つの高温側固定用ベース７Ａとから構成されている。低温側固定用ベース７Ｂは、［第２〜３行，第１列］［第１８〜１９行，第１列］の各２区画に亘って設けられ、高温側固定用ベース７Ａは、［第１〜３行，第１列］［第１８〜２０行，第１列］の各３区画に亘って設けられている。低温側固定用ベース７Ｂおよび高温側固定用ベース７Ａは、リード線６と交差する方向に延びているので、リード線６を介して伝えられる外力の影響を受けやすい端部素子４Ｃ近傍の領域において、リード線６と交差する方向（図２中の上下方向）のフレキシブル基板２の曲がりを抑制することができる。
【００２３】
低温側基板２Ｂにおいて、低温側固定用ベース７Ｂは素子間電極３Ａと離間しており、高温側基板２Ａにおいて、高温側固定用ベース７Ａは素子間電極３Ａと離間している。本実施形態の補強用素子５および固定用ベース７の構成では、補強用素子５に電流が流れない。
【００２４】
補強用パターン８は、リード線６と交差する方向に延びており、フレキシブル基板２の両対向面に［第４〜１７行，第１列］の１４区画に亘って帯状に設けられている。各フレキシブル基板２において、素子間電極３Ａと端部電極３Ｂと固定用ベース７と補強用パターン８とは、フレキシブル基板２の対向面に貼付された一枚の導体（例えば銅）からエッチング処理によって形成される。
図示しないが、エッチング処理の特性により、素子間電極３Ａと端部電極３Ｂと固定用ベース７と補強用パターン８とは、基部に向かうほど断面積が大きくなっている。つまり、放熱面積および受熱面積が大きくなっている。従って、低温側基板２Ｂへの熱移動および高温側基板２Ａからの熱移動が容易になっている
また、補強用パターン８が、端部素子４Ｃよりもリード線６が引き出される側の領域の中央に設けられていることにより、変形量が大きくなりがちな当該領域において、リード線６と交差する方向のフレキシブル基板２の曲がりを抑制することができる。なお、補強用パターン８は、他の電極および熱電素子４と電気的に離間して設けられているので、補強用パターン８に電気は流れない。
【００２５】
［実施形態の効果］
以上の本実施形態によれば、熱電発電モジュール１は、端部素子４Ｃよりもリード線６が引き出される側に補強用素子５が設けられているので、リード線６を介して外力が加わったときには、熱電素子４と素子間電極３Ａとの接合部分に生じるはずの応力が補強用素子５と固定用ベース７との接合部分に分散される。このため、熱電素子４と素子間電極３Ａとの接合部分に作用する応力（特に端部素子４Ｃと端部電極３Ｂとの接合部分に作用する応力）を抑制することができ、熱電素子４とこれが接合される素子間電極３Ａとの接合部分の接合強度を確実に維持できる。
【００２６】
なお、補強用素子５の配置および数量、それに伴う構成は、前記実施形態のものに限られない。例えば、以下に示す変形例１〜５のようなパターンが考えられる。
【００２７】
［変形例１の説明］
変形例１に係る熱電発電モジュール１０１を、図４〜図６に基づいて説明する。ただし、前記実施形態の熱電発電モジュール１と同じ構成については、その説明を省略する（変形例２〜５についても同じ）。
図４は熱電発電モジュール１０１の要部の側面図であり、図５は熱電発電モジュール１０１の要部を図４中の矢印V方向から見た平断面図であり、図６は熱電発電モジュール１０１の要部を図４中の右方から見た正面図である。
変形例１に係る熱電発電モジュール１０１は、補強用素子５の配置、およびそれに付随する構成の配置が、前記実施形態の熱電発電モジュール１と異なる。
【００２８】
熱電発電モジュール１０１の端部素子４Ｃは、［第１行，第３列］［第２０行，第３列］に設けられ、補強用素子５は、端部素子４Ｃよりもリード線６が引き出される側の区画である［第２〜３行，第２列］［第１８〜１９行，第２列］に計４個設けられている。
【００２９】
低温側固定用ベース７Ｂは、３区画に亘ってＬ字状に設けられており、高温側固定用ベース７Ａは、２区画に亘って帯状に設けられている。
端部電極３Ｂは、２区画に亘って帯状に設けられており、リード線６は、［第１行，第１〜２列］［第２０行，第１〜２列］において、端部電極３Ｂおよび高温側固定用ベース７Ａにはんだ付けされている。
補強用パターン８は、フレキシブル基板２の両対向面に［第３〜１８行，第１列］の１６区画に亘って帯状に設けられている。
【００３０】
［変形例２の説明］
変形例２に係る熱電発電モジュール２０１を、図７〜図９に基づいて説明する。
図７は熱電発電モジュール２０１の要部の側面図であり、図８は熱電発電モジュール２０１の要部を図７中の矢印VIII方向から見た平断面図であり、図９は熱電発電モジュール２０１の要部を図７中の右方から見た正面図である。
【００３１】
熱電発電モジュール２０１の端部素子４Ｃは、［第１行，第４列］［第２０行，第４列］に設けられ、補強用素子５は、端部素子４Ｃよりもリード線６が引き出される側の区画である［第１行，第２〜３列］［第２行，第２列］［第２０行，第２〜３列］［第１９行，第２列］に計６個設けられている。
【００３２】
低温側固定用ベース７Ｂは、２区画に亘って帯状に設けられている。一方、変形例２において、端部電極３Ｂが延びており、高温側固定用ベース７Ａは存在しない。各端部電極３Ｂには、１個の端部素子４Ｃと３個の補強用素子５とが接続されている。各端部電極３Ｂは、それらを結ぶように略Ｔ字状に形成されている。
【００３３】
リード線６は、［第１行，第１列］［第２０行，第１列］において、端部電極３Ｂにはんだ付けされている。このため、図８に示すように、リード線６のはんだ付け部と端部素子４Ｃとの間に端部素子４Ｃが配置される。
補強用パターン８は、フレキシブル基板２の両対向面に［第３〜１８行，第１列］の１６区画に亘って帯状に設けられている。
【００３４】
［変形例３の説明］
変形例３に係る熱電発電モジュール３０１を、図１０〜図１２に基づいて説明する。
図１０は熱電発電モジュール３０１の要部の側面図であり、図１１は熱電発電モジュール３０１の要部を図１０中の矢印XI方向から見た平断面図であり、図１２は熱電発電モジュール３０１の要部を図１０中の右方から見た正面図である。
【００３５】
熱電発電モジュール３０１の端部素子４Ｃは、［第１行，第４列］［第２０行，第４列］に設けられ、補強用素子５は、端部素子４Ｃよりもリード線６が引き出される側の区画である［第１行，第２〜３列］［第３行，第２列］［第２０行，第２〜３列］［第１８行，第２列］に計６個設けられている。
【００３６】
低温側固定用ベース７Ｂは、３区画に亘って帯状に設けられている。変形例３においても、高温側固定用ベース７Ａは端部電極３Ｂと一体になっている。各端部電極３Ｂには、１個の端部素子４Ｃと３個の補強用素子５とが接続されている。各端部電極３Ｂは、それらを結ぶようにＬ字状に形成されている。
【００３７】
リード線６は、［第２行，第１列］［第１９行，第１列］において、端部電極３Ｂにはんだ付けされている。つまり、リード線６は、端部素子４Ｃの隣の行において、端部電極３Ｂにはんだ付けされている。このため、図１１に示すように、リード線６のはんだ付け部と端部素子４Ｃとの間に端部素子４Ｃが配置される。
補強用パターン８は、フレキシブル基板２の両対向面に［第４〜１７行，第２列］の１４区画に亘って帯状に設けられている。
【００３８】
［変形例４の説明］
変形例４に係る熱電発電モジュール４０１を、図１３〜図１５に基づいて説明する。
図１３は熱電発電モジュール４０１の要部の側面図であり、図１４は熱電発電モジュール４０１の要部を図１３中の矢印XIV方向から見た平断面図であり、図１５は熱電発電モジュール４０１の要部を図１３中の右方から見た正面図である。
【００３９】
熱電発電モジュール４０１の端部素子４Ｃは、［第１行，第４列］［第２０行，第４列］に設けられ、補強用素子５は、端部素子４Ｃよりもリード線６が引き出される側の区画である［第１行，第３列］［第１〜４および６行，第２列］［第２０行，第３列］［第１５および１７〜２０行，第２列］に計１２個設けられている。
【００４０】
低温側固定用ベース７Ｂは、６区画に亘って帯状に設けられている。変形例４においても、高温側固定用ベース７Ａは端部電極３Ｂと一体になっている。各端部電極３Ｂには、１個の端部素子４Ｃと６個の補強用素子５とが接続されている。各端部電極３Ｂは、それらを結ぶようにＬ字型に形成されている。
【００４１】
リード線６は、［第５行，第１列］［第１６行，第１列］において、端部電極３Ｂにはんだ付けされている。つまり、リード線６は、端部素子４Ｃの４行隣において、端部電極３Ｂにはんだ付けされている。このため、図１４に示すように、リード線６のはんだ付け部と端部素子４Ｃとの間に端部素子４Ｃが配置されるとともに、リード線６のはんだ付け部を挟むように端部素子４Ｃが配置される。
補強用パターン８は、フレキシブル基板２の両対向面に［第７〜１４行，第２列］の８区画に亘って帯状に設けられている。
【００４２】
［変形例５の説明］
変形例５に係る熱電発電モジュール５０１を、図１６〜図１８に基づいて説明する。
図１６は熱電発電モジュール５０１の要部の側面図であり、図１７は熱電発電モジュール５０１の要部を図１６中の矢印XVII方向から見た平断面図であり、図１８は熱電発電モジュール５０１の要部を図１６中の右方から見た正面図である。
【００４３】
熱電発電モジュール５０１の端部素子４Ｃは、［第１行，第４列］［第２０行，第４列］に設けられ、補強用素子５は、端部素子４Ｃよりもリード線６が引き出される側の区画である［第１行，第３列］［第４および６行，第２列］［第２０行，第３列］［第１５および１７行，第２列］に計６個設けられている。
【００４４】
低温側固定用ベース７Ｂは、６区画に亘って帯状に設けられている。変形例５においても、高温側固定用ベース７Ａは端部電極３Ｂと一体になっている。各端部電極３Ｂには、１個の端部素子４Ｃと６個の補強用素子５とが接続されている。各端部電極３Ｂは、それらを結ぶようにＬ字型に形成されている。
【００４５】
リード線６は、［第５行，第１列］［第１６行，第１列］において、端部電極３Ｂにはんだ付けされている。つまり、リード線６は、端部素子４Ｃの４行隣において、端部電極３Ｂにはんだ付けされている。このため、図１７に示すように、リード線６のはんだ付け部と端部素子４Ｃとの間に端部素子４Ｃが配置されるとともに、リード線６のはんだ付け部を挟むように端部素子４Ｃが配置される。
補強用パターン８は、フレキシブル基板２の両対向面に［第７〜１４行，第２列］の８区画に亘って帯状に設けられている。
【００４６】
［変形例の効果］
以上の変形例１〜５では、前記実施形態とは補強用素子５の配置およびリード線の接続位置が異なるが、前記実施形態と同様に、熱電素子４と素子間電極３Ａとの接合部分に作用する応力を抑制することができ、熱電素子４とこれが接合される素子間電極３Ａとの接合部分の接合強度を確実に維持できる。
【００４７】
なお、本発明は前述の実施形態および変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態および変形例では、補強用素子５として熱電素子４を用いたが、熱電素子４と略同一の熱物性および形状を有する代替部材を用いてもよい。
【００４８】
前記実施形態および変形例では、補強用素子５が発電を行わない構成としたが、補強用素子５が固定用ベース７から剥がれた場合でも熱電素子４による発電が行われる構成であればよく、補強用素子５が発電を補助する構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、廃熱を電気エネルギーとして再生する再生装置に利用できる。
【符号の説明】
【００５０】
１，１０１，２０１，３０１，４０１，５０１…熱電発電モジュール、２…フレキシブル基板、２Ｃ…冷却面、２Ｈ…加熱面、３Ａ…素子間電極、４…熱電素子、５…補強用素子（補強部材）、６…リード線、７…固定用ベース、８…補強用パターン。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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