(57)【要約】【課題】直流電源の過放電を防ぐことができ、これにより信頼性の高い無停電電源装置を提供する。【解決手段】直流電源として複数のセルからなるリチウムイオン電池を使用し、この放電を行う放電回路において、放電電圧検出回路の出力から放電電圧が過電圧レベルを超えたときに1を出力する放電電圧比較器と、前記放電電圧比較器の反転出力とゲート信号生成回路の出力を比較する論理積素子により構成し、放電電圧が過電圧レベルを超えたときに放電回路を駆動する信号の発信をブロックするようにし、また、インバータ駆動の信号を発信する回路において、電池電圧検出回路の出力から電池電圧が放電終止レベルを下回った時に1を出力する放電終止電圧比較器と、前記放電終止電圧比較器の反転出力とインバータのゲート信号生成回路の出力を比較する論理積素子により構成し、電池電圧が放電終止レベルを下回ったときにインバータを駆動する信号をブロックする構成とした無停電電源装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータで変換された直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給するインバータと、
前記インバータのゲートに与えるゲート信号を生成するゲート信号生成回路と、
前記インバータと前記コンバータの接続点に接続された充放電可能な複数のセルからなるリチウムイオン電池と、
前記リチウムイオン電池の電圧を放電する放電回路と、
前記リチウムイオン電池の放電電圧を検出する放電電圧検出回路と、
前記リチウムイオン電池の放電終止レベルを設定する放電終止レベル設定器と、
前記放電電圧検出回路の出力と前記放電終止レベル設定器の放電終止レベルとを比較し、前記放電電圧検出回路の出力が前記放電終止レベル設定器の放電終止レベルを超えたことを報知する報知信号を出力する放電終止電圧比較器と、
前記リチウムイオン電池のセル単体の放電終止電圧の検出回路と、
前記比較器からの報知信号と、前記放電終止電圧の検出回路の検出信号と、前記インバータのゲートに与えるゲート信号生成回路からのゲート生成信号を入力し、前記比較器及び前記セル単体の放電終止電圧の検出回路からの出力信号の少なくとも一つが入力されたとき前記ゲート信号生成回路からのゲート信号が消弧されるようにしたインバータ点弧消弧回路と、
を備えた無停電電源装置。
【請求項２】
交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータで変換された直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給するインバータと、
前記インバータのゲートに与えるゲート信号を生成するゲート信号生成回路と、
前記インバータと前記コンバータの接続点に接続された充放電可能な複数のセルからなるリチウムイオン電池と、
前記リチウムイオン電池の電圧を放電する放電回路と、
前記リチウムイオン電池の放電電圧を検出する放電電圧検出回路と、
前記放電電圧検出回路からの出力から前記セル単体の電池電圧を算出するセル単体電池電圧算出回路と、
前記セル単体の放電終止レベルを設定するセル単体放電終止レベル設定器と、
前記セル単体電池電圧算出回路の出力である電池電圧が前記セル単体放電終止レベル設定器で設定されたセル単体放電終止レベルを下回ったことを報知する報知信号を出力するセル単体放電終止電圧比較器と、
前記セル単体放電終止電圧比較器からの報知信号と、前記ゲート信号生成回路の出力を入力し、前記セル単体放電終止電圧比較器からの報知信号が入力されたとき前記インバータを駆動する前記ゲート信号生成回路からのゲート信号を阻止する放電動作阻止回路と、
を備えた無停電電源装置。
【請求項３】
交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータで変換された直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給するインバータと、
前記インバータと前記コンバータの接続点に接続された充放電可能な複数のセルからなるリチウムイオン電池と、
前記リチウムイオン電池を充電するものであってゲート信号を供給可能な半導体素子を含む充電回路と、
前記充電回路の半導体素子のゲートにゲート信号を与えることで前記充電回路を活かす充電回路用ゲート信号生成回路と、
前記リチウムイオン電池のセル単体の過電圧を検出するセル単体過電圧検出回路と、
前記リチウムイオン電池の充電電圧を検出する充電電圧検出回路と、
前記リチウムイオン電池の過電圧レベルを設定する過電圧レベル設定器と、
前記充電電圧検出回路の充電電圧が前記過電圧レベル設定器で設定された過電圧レベルを超えたことを報知する過電圧比較器と、
前記過電圧比較器の出力と、前記セル単体過電圧検出回路の出力と、前記充電回路用ゲート信号生成回路のゲート信号を入力し、前記過電圧比較器からの報知信号及び前記セル単体過電圧検出回路からの過電圧検出信号の少なくとも一つが入力されたとき前記充電回路に与えられる前記充電回路用ゲート信号生成回路からのゲート信号を阻止する充電回路駆動停止信号発生回路と、
を備えた無停電電源装置。
【請求項４】
交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータで変換された直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給するインバータと、
前記インバータと前記コンバータの接続点に接続された充放電可能な複数のセルからなるリチウムイオン電池と、
前記リチウムイオン電池を充電するものであってゲート信号を供給可能な半導体素子を含む充電回路と、
前記充電回路の半導体素子のゲートにゲート信号を与えることで前記充電回路を活かす充電回路用ゲート信号生成回路と、
前記リチウムイオン電池の充電電圧を検出する充電電圧検出回路と、
前記充電電圧検出回路の出力からセル単体の充電電圧を算出するセル単体充電電圧算出回路と、
前記リチウムイオン電池のセル単体の過電圧レベルを設定するセル単体過電圧レベル設定器と、
前記セル単体充電電圧算出回路の出力が前記セル単体過電圧レベル設定器で設定されたセル単体過電圧レベルを超えたことを報知する過電圧比較器と、
前記ゲート信号生成回路からのゲート信号と前記過電圧比較器からの報知信号を入力し、この報知信号が入力されたとき前記充電回路に与えられる前記ゲート信号生成回路からのゲート信号を阻止する充電回路動作阻止回路と、
を備えた無停電電源装置。
【請求項５】
前記リチウムイオン電池は、これを構成するセル単体の過電圧及び又は過放電を管理する機能を有するもの、或いはセル単体の過電圧及び又は過放電を管理する機能を有していないもののいずれかである請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の無停電電源装置。
【請求項６】
前記インバータ点弧消弧回路と、前記放電動作阻止回路と、前記充電回路駆動停止信号発生回路と、前記充電動作阻止回路は、いずれも論理積素子で構成した請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の無停電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、無停電電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、交流電源例えば交流電力系統から供給された電力を電力変換して負荷機器へ供給すると共に、交流電源に異常が生じた場合、直流電源例えば二次電池により一定時間停電することなく電力を供給し続ける無停電電源装置としては種々ある。この一例として、直流電源の二次電池として鉛蓄電池を使用した無停電電源装置では、鉛蓄電池の電圧は管理放電終止電圧検出回路による終止電圧のみの１点管理で行っていた。
【０００３】
このため、管理放電終止電圧検出回路が何等かの理由により異常が発生することがあり、鉛蓄電池が過電圧及び又は過放電となることが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２―２７６８４号公報
【特許文献２】特開２０１１―６２０３８号公報
【特許文献３】特開２００６―２０３９７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本実施形態は、直流電源の過電圧及び又は過放電を防ぐことができ、これにより信頼性の高い無停電電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施形態の代表例は、交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータで変換された直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給するインバータと、前記インバータのゲートに与えるゲート信号を生成するゲート信号生成回路と、前記インバータと前記コンバータの接続点に接続された充放電可能な複数のセルからなるリチウムイオン電池と、前記リチウムイオン電池の電圧を放電する放電回路と、前記リチウムイオン電池の放電電圧を検出する放電電圧検出回路と、前記リチウムイオン電池の放電終止レベルを設定する放電終止レベル設定器と、前記放電電圧検出回路の出力と前記放電終止レベル設定器の放電終止レベルとを比較し、前記放電電圧検出回路の出力が前記放電終止レベル設定器の放電終止レベルを超えたことを報知する報知信号を出力する放電終止電圧比較器と、前記リチウムイオン電池のセル単体の放電終止電圧の検出回路と、前記比較器からの報知信号と、前記放電終止電圧の検出回路の検出信号と、前記インバータのゲートに与えるゲート信号生成回路からのゲート生成信号を入力し、前記比較器及び前記セル単体の放電終止電圧の検出回路からの出力信号の少なくとも一つが入力されたとき前記ゲート信号生成回路からのゲート信号が消弧されるようにしたインバータ点弧消弧回路と、を備えた無停電電源装置である。
【０００７】
本実施形態の代表例によれば、充放電可能な複数のセルからなるリチウムイオン電池の過電圧及び又は過放電を防ぐことができ、これにより信頼性の高い無停電電源装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態１における無停電電源装置を説明するための概略構成図。
【図２】実施形態２における無停電電源装置を説明するための概略構成図。
【図３】実施形態３における無停電電源装置を説明するための概略構成図。
【図４】実施形態４における無停電電源装置を説明するための概略構成図。
【図５】実施形態５における無停電電源装置を説明するための概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下実施形態について図面を参照して説明する。始めに図1を参照して実施形態１について説明する。交流電源１６例えば交流電力系統から供給された交流電力を直流電力に変換するコンバータ１と、コンバータ１で変換された直流電力を交流電力に変換して負荷３０へ供給するインバータ３と、コンバータ１とインバータ３の間に電圧波形を平滑する平滑コンデンサ２と、インバータ３を構成している半導体素子のゲートに与えるゲート信号を生成するゲート信号生成回路(インバータ用ゲート信号生成回路)１０と、インバータ３とコンバータ１の接続点に接続された充放電可能な直流電源１７例えば複数のリチウムイオン電池セルからなるリチウムイオン電池(以下単に電池と称する)と、直流電源１７を充電するための後述する充電回路６と、直流電源１７と充電回路６の出力との間に直流電源１７を保護するためにヒューズ２８、２９を備えている。
【００１０】
充電回路６は、交流電源１６の交流電圧を昇圧するトランス６１と、トランス６１の二次電圧の力率を改善するための力率改善回路(PFC)６２と、力率改善回路６２の出力をチョッピングするチョッパ回路６３を備えている。
【００１１】
充電回路６の力率改善回路６２の半導体素子にゲート信号を与えて充電回路６を活かす充電回路用ゲート信号生成回路１４と、直流電源１７の充電電圧を検出する充電電圧検出回路１８と、直流電源１７の過電圧レベルを設定する過電圧レベル設定器１２と、充電電圧検出回路１８の出力と過電圧レベル設定器１２の過電圧設定レベルとを比較し、充電電圧検出回路１８の出力が過電圧設定レベルを超えたことを報知する報知信号を出力する第１の比較器(過電圧比較器)１３と、比較器１３からの報知信号と、充電回路用ゲート信号生成器１４からのゲート信号に基づき充電回路６の充電動作を阻止する充電動作阻止回路１５例えば充電回路用論理積素子を備えている。この充電回路用論理積素子は、２つの入力端子を備え、一方の入力端子である反転端子には比較器１３の出力が入力され、他方の入力端子である非反転端子には充電回路用ゲート信号生成器１４からのゲート信号が入力されるようになっている。
【００１２】
また、直流電源１７の電圧を放電するものであって後述する構成の放電回路５と、直流電源１７の放電電圧を検出する放電電圧検出回路７と、直流電源１７の放電終止レベルを設定する放電終止レベル設定器８と、放電電圧検出回路７の出力と放電終止レベル設定器８の放電終止レベルとを比較し、放電電圧検出回路７の出力が放電終止レベル設定器８の放電終止レベルを超えたことを報知する報知信号を出力する第２の比較器(放電終止レベル設定器)９と、第２の比較器９からの報知信号とインバータ３を構成する半導体素子のゲートにゲート信号を与えるインバータ用ゲート信号生成回路１０と、比較器９からの報知信号とゲート信号生成回路１０からのゲート信号に基づき放電回路の放電動作を阻止する放電動作阻止回路１１例えばインバータ用論理積素子とを備えている。インバータ用論理積素子は、２つの入力端子を備え、一方の入力端子である反転端子には比較器９の出力が入力され、他方の入力端子である非反転端子にはインバータ用ゲート信号生成器１０からのゲート信号が入力されるようになっている。
【００１３】
放電回路５は、直流電源１７の放電電圧を昇圧するトランス５１と、トランス５１の二次電圧の力率を改善するための力率改善回路５２と、力率改善回路５２の出力電圧を昇圧するリアクトル５３を備えている。
【００１４】
次に図１の構成の実施形態の動作について説明する。交流電源１６が正常時、コンバータ１により交流電力を直流電力に変換して平滑コンデンサ２で平滑化し、インバータ用ゲート信号生成回路１０による制御によりインバータ３を駆動して直流電力から交流電力に変換して負荷３０に電力を供給するとともに、充電回路用ゲート信号生成回路１４による制御により充電回路６から直流電源１７への充電を行う。停電等の交流電源１６の異常によりコンバータ１からの電力供給が停止した場合は直流電源１７に蓄えられた電力を放電回路５により昇圧して供給することで、負荷３０へ電力を供給する。直流電源１７は放電電圧検出回路７により電圧検出されており、放電時は放電終止電圧比較器９により放電終止レベル設定器８と電圧値の比較が行われ、直流電源１７の電圧が放電終止レベルを下回った時にインバータ用論理積素子１１にインバータ駆動を停止する信号を発信することで直流電源１７の深放電を防いでいる。
【００１５】
また、充電時は過電圧比較器１３により過電圧レベル設定器１２と電圧値の比較が行われ、直流電源１７の電圧が過電圧レベルを上回ったときに充電回路用論理積素子１５に充電回路６の駆動を停止する信号を発信することで直流電源１７の過電圧を防いでいる。
【００１６】
このように構成された図１の直流電源１７への充電を行う充電回路６において、充電電圧検出回路１８の出力からの充電電圧が、過電圧レベル設定器１２で設定された過電圧レベルを超えたときに、過電圧比較器１３から信号「１」が出力され、信号「１」が充電回路用論理積素子１５で反転され、充電回路用ゲート信号生成回路１４からの信号が存在しても充電回路６に対する充電回路用論理積素子１５からの信号がブロックされる。この結果、直流電源１７の充電が阻止され、直流電源１７の過電圧が防がれ、無停電電源装置の信頼性が向上する。
【００１７】
また、図１の放電電圧検出回路７で検出された出力が、放電終止レベル設定器８で設定された放電終止レベルを下回った時に、放電終止電圧比較器９から信号「１」が出力されるが、放電動作阻止回路１１により反転され、インバータ用ゲート信号生成回路１０からの信号が出力されていても、放電動作阻止回路１１からの信号が出力されないので、インバータ３を駆動する信号がブロックされる。この結果、直流電源１７の過放電を防がれ、無停電電源装置の信頼性が向上する。
【００１８】
以上説明したように、実施形態１によれば、直流電源１７としてリチウムイオン電池を使用した場合において、電池電圧が放電終止レベルを下回った時にインバータ駆動を停止させる信号を発することで、リチウムイオン電池の過放電を防ぐことができる。また、充電電圧が過電圧レベルを超えた時に充電回路駆動を停止させる信号を発することで、リチウムイオン電池の過電圧を防ぐことができる。
【００１９】
次に、実施形態２について図２を参照して説明する。図１と異なる点は、充電電圧検出回路１８を設けず、この代わりに直流電源１７のセル単体の放電終止電圧を検出するセル単体放電終止電圧検出回路１９を設け、また図１の放電動作阻止回路１１を設けず、この代わりにインバータを点弧、消弧するインバータ点弧消弧回路２０例えばインバータ用３入力論理積素子を設け、このインバータ用３入力論理積素子に、放電終止電圧比較器９からの報知信号と、セル単体放電終止電圧検出回路１９の検出信号と、インバータ３のゲートに与えるインバータ用ゲート信号生成回路１０からのゲート生成信号に基づき、インバータ3を点弧、消弧するように構成したものである。これ以外の構成は、図1と同一であるので、ここではその説明を省く。
【００２０】
具体的には、インバータ点弧消弧回路２０は、２つの反転入力端子と、１つの非反転入力端子を備え、２つの反転入力端子には比較器９からの報知信号及びセル単体放電終止電圧検出回路１９の検出信号をそれぞれ入力し、非反転入力端子にはインバータ用ゲート信号生成回路１０からのゲート生成信号を入力し、インバータ用３入力論理積素子の出力でインバータ３を点弧、消弧するように構成したものである。比較器９からの報知信号及びセル単体放電終止電圧検出回路１９の検出信号がともに「０」のときで、ゲート信号生成回路１０からのゲート信号が存在するとき、インバータ３が点弧され、これ以外のときはインバータ３が消弧される。
【００２１】
以上述べた実施形態２によれば、直流電源１７の電圧を検出し、この検出電圧が放電終止レベルを下回るか、直流電源１７からのセル単体放電終止電圧検出信号を受け取った時にインバータ３の駆動を停止させる信号を発生することで、直流電源１７の全体だけでなく、直流電源１７を構成するセル単体の過放電も防ぐことができる。
【００２２】
以上説明したように、実施形態２によれば、直流電源１７としてリチウムイオン電池を使用した場合、リチウムイオン電池から発信されるセル単体放電終止電圧検出回路１９の出力を制御に取り入れることで、リチウムイオン電池の全体電圧だけでなく、セル単体電圧の面からもリチウムイオン電池の過放電を防ぐことができる。
【００２３】
次に、実施形態３について図３を参照して説明する。図１と異なる点は、放電電圧検出回路７と放電終止電圧比較器９の間に、放電電圧検出回路７からの検出値により直流電源１７を構成するセル単体の電圧を算出するセル単体電池電圧算出回路２１を設け、図１の放電終止電圧比較器９の入力側に設けてある放電終止レベル設定器８を設けず、この代わりにセル単体放電終止レベル設定器２２を設けたものである。
【００２４】
ここで、セル単体電池電圧算出回路２１について説明する。セル単体電池電圧算出回路２１は次の計算式により求めるものである。
【００２５】
セル単体放電電圧算出値  ＝  電池電圧  ／  セル数  ＋  許容差  (式)
ここで、許容差は、直流電源１７の特性、具体的には電池特性によって決まった値である。
【００２６】
このように図３の実施形態において、次のような作用効果が得られる。直流電源１７例えばリチウムイオン電池について、放電電圧検出回路７の出力からセル単体電池電圧算出回路２１によりセル単体電池電圧を出力する。セル単体電池電圧の出力と、セル単体放電終止レベル設定器２２の値が放電終止電圧比較器９により比較され、電池電圧が放電終止レベルを下回った時に「１」が出力される。この時、放電動作阻止回路１１例えばインバータ用論理積素子の値が「０」となり、インバータ３の駆動を停止させる信号が発信される。
【００２７】
この結果、実施形態３によれば、電池からのセル単体放電終止電圧検出信号が得られない場合においても、電池の全体電圧からセル単体電池電圧を算出し、電池のセル単体の過放電を防ぐことができる。
【００２８】
次に、実施形態４について図４を参照して説明する。図１と異なる点は、図１の放電電圧検出回路７と、放電終止レベル設定器８と、放電終止電圧比較器９と、インバータ用ゲート信号生成回路１０と、放電動作阻止回路１１であるインバータ用論理積素子を省き、図１の過電圧比較器１３の出力と充電回路６の間に、充電回路駆動停止信号発生回路２４例えば充電回路用３入力論理積素子を設けたものである。リチウムイオン電池１７側にセル単体過電圧検出回路２３を新たに設けたものである。充電回路６と過電圧比較器１３の入力との間に充電電圧検出回路１８を設けたものである。
【００２９】
充電回路駆動停止信号発生回路２４である充電回路用３入力論理積素子は、２つの反転入力端子と１つの非反転入力端子を備え、２つの反転入力端子には過電圧比較器１３の出力及びセル単体過電圧検出回路２３の出力が、また非反転入力端子には充電回路用ゲート信号生成回路１４の出力がそれぞれ入力され、充電回路駆動停止信号発生回路２４である充電回路用３入力論理積素子の出力は充電回路６に有する半導体素子のゲートに与えるように構成したものである。
【００３０】
このように構成した図４の実施形態によれば、リチウムイオン電池１７について、セル単体過電圧検出回路２３によりリチウムイオン電池１７のセル単体電圧が過電圧レベルを超えた時に「１」が出力される。セル単体過電圧検出回路２３の出力が「１」となった時か、過電圧比較器１３の出力が「１」となった時、充電回路駆動停止信号発生回路２４の値が「０」となり、充電回路６の駆動を停止させる信号が発信される。
【００３１】
この結果、リチウムイオン電池１７から発信されるセル単体過電圧検出回路２３の出力を制御に取り入れることで、リチウムイオン電池１７の全体電圧だけでなく、セル単体電圧の面からもリチウムイオン電池１７の過電圧を防ぐことができる。
【００３２】
次に、実施形態５について図５を参照して説明する。図１と異なる点は、図１の放電電圧検出回路７と、放電終止レベル設定器８と、放電終止電圧比較器９と、インバータ用ゲート信号生成回路１０と、放電動作阻止回路１１を省き、図１の充電電圧検出回路１８の出力と過電圧比較器１３の入力との間に、充電電圧検出回路１８からの検出値からリチウムイオン電池１７の充電電圧を算出するセル単体電池充電電圧算出回路２５を設け、図１の過電圧比較器１３の入力側の過電圧レベル設定器１２を設けず、この代わりにセル単体過電圧レベル設定器２６を設けた点以外は、図１と同一構成である。
【００３３】
この場合のセル単体電池充電電圧算出回路２５は、次の式により求めるものである。
【００３４】
セル単体充電電圧算出値  ＝  充電電圧  ／  セル数  −  許容差    (式)
であり、この場合の許容差はリチウムイオン電池１７の特性によって決まっているものである。
【００３５】
このように構成した図５の実施形態によれば、リチウムイオン電池１７について、充電電圧検出回路１８の出力からセル単体充電電圧算出回路２５によりセル単体充電電圧を出力する。セル単体充電電圧算出回路２５の出力と、セル単体過電圧レベル設定器２６の値が過電圧比較器１３により比較され、充電電圧が過電圧レベルを超えた時に「１」が出力される。この時、充電回路動作阻止回路１５の値が「０」となり、充電回路６の駆動を停止させる信号が発信される。
【００３６】
この結果、実施形態５によれば、リチウムイオン電池１７からのセル単体過電圧検出信号が得られない場合においても、リチウムイオン電池１７の全体電圧からセル単体充電電圧を算出し、リチウムイオン電池１７のセル単体の過電圧を防ぐことができる。
【符号の説明】
【００３７】
１…コンバータ、２…平滑コンデンサ、３…インバータ、５…放電回路、６…充電回路、７…放電電圧検出回路、８…放電終止レベル設定器、９…放電終止電圧比較器、１０…インバータ用ゲート信号生成回路、１１…放電動作阻止回路、１２…過電圧レベル設定器
、１３…過電圧比較器、１４…充電回路用ゲート信号生成回路、１５…充電動作阻止回路
、１６…交流電源、１７…直流電源、１８…充電電圧検出回路、１９…セル単体放電終止電圧検出回路、２０…インバータ点弧消弧回路、２１…セル単体電池電圧算出回路、２２…セル単体放電終止レベル設定器、23…セル単体過電圧検出回路、２４…充電回路駆動停止信号発生回路、２５…セル単体電池充電電圧算出回路、２５…セル単体充電電圧算出回路、２６…セル単体過電圧レベル設定器、２８、２９…ヒューズ、３０…負荷、５１…トランス、５２…力率改善回路、５３…リアクトル、６１…トランス、６２…力率改善回路
、６３…チョッパ回路。
【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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