(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と第２の電極とを有し、該第２の電極に第１の信号が供給されるコンデンサと、
入力端子が第１の電圧源に接続され、高電位側電源端子と低電位側電源端子とが前記第１の電極と前記第２の電極とに接続される第１のインバータ回路と、
前記第１の電圧源と前記第１の電極との間に接続され、前記コンデンサの充電を制御する充電制御回路と
を備えたチャージポンプ回路において、
前記充電制御回路は第１のＰＭＯＳトランジスタであり、そのゲートは前記第１のインバータの信号出力端子に接続され、
前記第１の電圧源と前記充電制御回路との間に接続され、ゲートに前記第１の信号が入力される第２のＰＭＯＳトランジスタで構成され、電流の流れを制限する電流制限回路と、
前記第１の電圧源と前記第２の電圧源とが高電位側電源端子と低電位側電源端子とに接続され、入力信号に応答して前記第１の信号を出力する第２のインバータ回路と
を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
【請求項２】
第１の電極と第２の電極とを有し、該第２の電極に第１の信号が供給されるコンデンサと、
入力端子が第１の電圧源に接続され、高電位側電源端子と低電位側電源端子とが前記第１の電極と前記第２の電極とに接続される第１のインバータ回路と、
前記第１の電圧源と前記第１の電極との間に接続され、前記コンデンサの充電を制御する充電制御回路と
を備えたチャージポンプ回路において、
前記充電制御回路は第１のＰＭＯＳトランジスタであり、そのゲートは前記第１のインバータの信号出力端子に接続され、
前記第１の電圧源と前記第２の電圧源とが高電位側電源端子と低電位側電源端子とに接続され、入力信号に応答して前記第１の信号を出力する第２のインバータ回路と、
前記第１の電圧源と前記充電制御回路との間に接続され、第２のＰＭＯＳトランジスタと第３のインバータ回路から構成され、前記第３のインバータ回路には前記入力信号が入力され、前記第２のＰＭＯＳトランジスタのゲートは前記第３のインバータ回路の信号出力端子に接続され、電流の流れを制限する電流制限回路と
を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は入力信号の電圧を昇圧させて出力するチャージポンプ回路に関するものである。
【０００２】
近年の半導体集積回路装置においては、高集積化及び開発期間の短縮が要求され、それらに対応するために例えばマクロセルなどの基本データが多く利用されるようになってきている。それら基本データの動作電源電圧は、作成された時の仕様によって異なる場合がある。また、高速化や低消費電力化のために低い電源電圧にて使用されることがある。
【０００３】
こられのため、半導体集積回路装置には異なる複数の電源電圧が供給され、あるいは装置内部にて供給された駆動電源から異なる電圧が生成される。そして、低い第１の電源電圧で動作する第１の回路から高い第２の電源電圧で動作する第２の回路へ信号を受け渡すために、その信号の振幅を変更するレベル変換回路が必要となる。また、第１の電源電圧と第２の電源電圧の電位差が大きい場合、それらの電源電圧の間の第２の電源電圧を生成する電圧生成回路が必要となる。
【０００４】
近年、レベル変換回路や電圧変換回路に入力信号の電圧を昇圧させて出力するチャージポンプ回路が用いられるようになってきている。チャージポンプ回路は入力信号によってチャージポンピングコンデンサを駆動し、入力信号の電圧より高い電圧を持つ出力信号を得る。このような用途に用いられるチャージポンプ回路は、入力信号の低電圧化により出力信号の応答速度（レベル変換の速度）が低下するため、その速度低下を防ぐことが求められている。
【０００５】
【従来の技術】
図６は、従来のチャージポンプ回路１０の回路図である。
チャージポンプ回路１０は、第１及び第２インバータ回路１１，１２、コンデンサＣ１、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＱ１から構成される。
【０００６】
第１インバータ回路１１は高電位側及び低電位側電源端子が高電位電源ＶＤ及びグランドＧＮＤに接続され、入力信号ＶＩＮが入力される。第１インバータ回路１１の出力端子は、第２インバータ回路１２の低電位側電源端子に接続される。
【０００７】
第２インバータ回路１２は、高電位側電源端子が逆流防止回路としてのＰチャネルＭＯＳトランジスタＱ１を介して高電位電源ＶＤに接続され、高電位側及び低電位側電源端子にはコンデンサＣ１の両端子が接続される。第２インバータ回路１２の入力端子は高電位電源ＶＤに接続され、出力端子から出力信号ＶＯＵＴを出力する。
【０００８】
入力信号ＶＩＮの電圧が高電位電源ＶＤの電圧と等しい時、第１インバータ回路１１の出力信号の電圧Ｖ１はグランドＧＮＤと等しい電位（ＧＮＤレベル）になる。第２インバータ回路１２の入力端子には高電位電源ＶＤが供給されその電源電圧（ＶＤレベル）のため、出力信号ＶＯＵＴはＧＮＤレベルとなり、ＰＭＯＳトランジスタＱ１はオンとなる。コンデンサＣ１は、オンしたＰＭＯＳトランジスタＱ１により高電位電源ＶＤから充電され、ＰＭＯＳトランジスタＱ１とコンデンサＣ１との間のノードＮ１の電圧Ｖ２はＶＤレベルまで上昇する。
【０００９】
入力信号ＶＩＮの電圧がグランドＧＮＤとの電圧と等しくなると、第１インバータ回路１１の出力信号の電圧Ｖ１は図７に示すようにＶＤレベルになる。すると、ノードＮ１の電位はコンデンサＣ１は充電された電荷により第１インバータ回路１１の出力信号電圧Ｖ１よりＶＤレベルだけ持ち上げられ、２倍のＶＤレベル（Ｖ２＝２×ＶＤ）となる。
【００１０】
第２インバータ回路１２は、低電位側電源端子に供給される電圧Ｖ１（＝ＶＤ）と、高電位側電源端子に供給される電圧Ｖ２（＝２×ＶＤ）により動作する。そして、入力端子の電位が低電位側電源端子に供給される電圧Ｖ１と等しい（＝ＶＤ）であるため、第２インバータ回路１２は、高電位側電源端子に供給される電圧Ｖ２と等しい、即ち高電位電源ＶＤの２倍の電圧（＝２×ＶＤ）を持つ出力信号ＶＯＵＴを出力する。この時、ＰＭＯＳトランジスタＱ１は、出力信号ＶＯＵＴがゲートに供給されるためオフする。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、入力信号ＶＩＮの電圧をＶＤレベルからＧＮＤレベル値へと変化させたとき、コンデンサＣ１は第１インバータ回路１１の出力信号の電圧Ｖ１がＶＤレベルに上昇することによりノードＮ１の電位を上昇させる。これに対し、第２インバータ回路１２の出力信号の変化は、その第２インバータ回路１２の動作分だけ遅れる。従って、ノードＮ１の電圧Ｖ１が持ち上げられるときにＰＭＯＳトランジスタＱ１がオンしているため、そのトランジスタＱ１によってコンデンサＣ１から電荷が抜けることによりノードＮ１の電圧上昇速度が低下する。これにより、第２インバータ回路１２の出力ＶＯＵＴのＬｏ／Ｈｉの切り替り速度（入力信号ＶＩＮに対応する応答速度）が低下してしまう。
【００１２】
上記のチャージポンプ回路１０を従来の使用目的である高電圧駆動に適用した場合には、コンデンサＣ１の容量値をＰＭＯＳトランジスタＱ１から抜ける電荷に対して十分なマージンを持たせる（容量値を大きくする）ことで対応していた。
【００１３】
一方、半導体集積回路装置へ適用する場合、コンデンサＣ１をチップ上に形成しなければならない。しかしながら、十分なマージンを持つように容量値の大きなコンデンサをチップ上に形成することは困難であった。
【００１４】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は昇圧効率が良く、応答速度の速いチャージポンプ回路を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、第１の電極と第２の電極とを有し、該第２の電極に第１の信号が供給されるコンデンサと、入力端子が第１の電圧源に接続され、高電位側電源端子と低電位側電源端子とが前記第１の電極と前記第２の電極とに接続される第１のインバータ回路と、前記第１の電圧源と前記第１の電極との間に接続され、前記コンデンサの充電を制御する充電制御回路とを備えたチャージポンプ回路において、前記充電制御回路は第１のＰＭＯＳトランジスタであり、そのゲートは前記第１のインバータの信号出力端子に接続され、前記第１の電圧源と前記充電制御回路との間に接続され、ゲートに前記第１の信号が入力される第２のＰＭＯＳトランジスタで構成され、電流の流れを制限する電流制限回路と、前記第１の電圧源と前記第２の電圧源とが高電位側電源端子と低電位側電源端子とに接続され、入力信号に応答して前記第１の信号を出力する第２のインバータ回路とを備える。
従って、第１の信号によるコンデンサのレベルシフト時に、そのコンデンサから第１の電圧源への漏れ電流を電流制限回路が充電回路より早く動作して制限することで、昇圧効率が向上する。
【００２１】
請求項２記載の発明のように、第１の電極と第２の電極とを有し、該第２の電極に第１の信号が供給されるコンデンサと、入力端子が第１の電圧源に接続され、高電位側電源端子と低電位側電源端子とが前記第１の電極と前記第２の電極とに接続される第１のインバータ回路と、前記第１の電圧源と前記第１の電極との間に接続され、前記コンデンサの充電を制御する充電制御回路とを備えたチャージポンプ回路において、前記充電制御回路は第１のＰＭＯＳトランジスタであり、そのゲートは前記第１のインバータの信号出力端子に接続され、前記第１の電圧源と前記第２の電圧源とが高電位側電源端子と低電位側電源端子とに接続され、入力信号に応答して前記第１の信号を出力する第２のインバータ回路と、前記第１の電圧源と前記充電制御回路との間に接続され、第２のＰＭＯＳトランジスタと第３のインバータ回路から構成され、前記第３のインバータ回路には前記入力信号が入力され、前記第２のＰＭＯＳトランジスタのゲートは前記第３のインバータ回路の信号出力端子に接続され、電流の流れを制限する電流制限回路とを備える。
従って、第１の信号によるコンデンサのレベルシフト時に、そのコンデンサから第１の電圧源への漏れ電流を電流制限回路が充電回路より早く動作して制限することで、昇圧効率が向上する。また、第３のインバータ回路は第２のインバータ回路より軽負荷であるため、その第３の出力信号は第１の信号より早く変化し、電流制御回路が充電制御回路より早くオフして漏れ電流を制限する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第一実施形態）
以下、本発明を具体化した第一実施形態を図１〜図４に従って説明する。尚、説明の便宜上、従来の技術と同様の構成については同一の符号を付してその説明を一部省略する。
【００２３】
図１は、本実施形態のチャージポンプ回路２０の回路図である。
チャージポンプ回路２０は、第１及び第２インバータ回路１１，１２、コンデンサＣ１、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＱ１、電流制限回路２１から構成される。
【００２４】
第１インバータ回路１１は高電位側及び低電位側電源端子が高電位電源ＶＤ及びグランドＧＮＤに接続され、入力信号ＶＩＮが入力される。第１インバータ回路１１の出力端子は、第２インバータ回路１２の低電位側電源端子に接続される。
【００２５】
第２インバータ回路１２は、高電位側電源端子が充電制御回路としてのＰＭＯＳトランジスタＱ１の第１の端子に接続され、そのＰＭＯＳトランジスタＱ１の第２の端子は電流制限回路２１を介して高電位電源ＶＤに接続されている。第２インバータ回路１２の高電位側及び低電位側電源端子にはコンデンサＣ１の両端子が接続される。第２インバータ回路１２の入力端子は高電位電源ＶＤに接続され、出力端子から出力信号ＶＯＵＴを出力する。
【００２６】
電流制限回路２１は、入力される制御信号Ｓ１に応答してオン・オフする。制御信号Ｓ１は、少なくとも電流制限回路２１がＰＭＯＳトランジスタＱ１よりも早くオフするように生成され供給される。
【００２７】
入力信号ＶＩＮがＨレベル（高電位電源ＶＤレベル）の時、第１インバータ回路１１の出力信号電圧Ｖ１はグランドＧＮＤレベルとなり、第２インバータ回路１２の出力信号ＶＯＵＴはＧＮＤレベルとなる。出力信号ＶＯＵＴによってゲート電圧を制御されるＰＭＯＳトランジスタＱ１はオンとなる。
【００２８】
この時、電流制限回路２１を制御信号Ｓ１により開放状態とすることで、コンデンサＣ１はＰＭＯＳトランジスタＱ１を介して高電位電源ＶＤにより充電され、ノードＮ１の電圧Ｖ２は高電位電源ＶＤの電圧レベルまで上昇する。
【００２９】
入力信号ＶＩＮをＬレベル（グランドＧＮＤレベル）へ切り替えると、第１インバータ回路１１の出力信号電圧Ｖ１は高電位電源ＶＤレベルとなり、コンデンサＣ１に充電された電荷によりノードＮ１の電位が持ち上げられ、そのノードＮ１の電圧Ｖ２は２倍の電圧（＝２×ＶＤ）となる。
【００３０】
この出力信号ＶＯＵＴの上昇の際に、電流制限回路２１を制御信号Ｓ１によって閉じることにより、コンデンサＣ１から高電位電源ＶＤへの電流の流れを遮断する。
【００３１】
これにより、ノードＮ１の電位上昇開始時にＰＭＯＳトランジスタＱ１はオフとなっていないが、電流制限回路２１による電流経路遮断によってコンデンサＣ１に充電された電荷が高電位電源ＶＤに逆流することがない。このため、ノードＮ１の電位は、第１インバータ回路１１の出力信号電圧Ｖ１よりの出力信号電圧Ｖ１の電圧上昇分と同一な電圧だけ上昇する。
【００３２】
このため、本実施形態のチャージポンプ回路２０では、従来回路に比べ第２インバータ回路１２が入力端子の電位をＬレベルと認識するのに必要な電圧まで高電位側電源端子の電位が上昇するまでの時間が短縮される。それにより、入力信号ＶＩＮの変化に対する第２インバータ回路１２の出力信号ＶＯＵＴのＬｏ／Ｈｉの切り替り速度が向上する。
【００３３】
制御信号Ｓ１は出力信号ＶＯＵＴより早く変化する信号を用いればよく、例えば、本実施形態では、第１インバータ回路１１の出力信号を用いている。即ち、電流制限回路２１は、図２に示すように、第２ＰＭＯＳトランジスタＱ２から構成され、そのゲートは第１インバータ回路１１の出力端子に接続されている。即ち、第２ＰＭＯＳトランジスタＱ２には、第１インバータ回路１１の出力電圧Ｖ１がゲート電圧として印加される。従って、第２ＰＭＯＳトランジスタＱ２は、図１の制御信号Ｓ１として第１インバータ回路１１の出力信号に応答してオン・オフする。
【００３４】
この第１インバータ回路１１の出力信号の電圧Ｖ１の変化は、図３に示すように、出力電圧ＶＯＵＴの変化に比べて早い。従って、第２ＰＭＯＳトランジスタＱ２は、第１ＰＭＯＳトランジスタＱ１より早くオフする。
【００３５】
この様に、本実施形態では、電流制限回路としてＰＭＯＳトランジスタＱ２を挿入したことにより、入力信号ＶＩＮがＨレベルからＬレベルへ移行する際にコンデンサＣ１から高電位電源ＶＤへ漏れる電流を減少させる。その結果、出力信号ＶＯＵＴの電圧上昇速度が従来回路に比べて早くなり、出力信号が変化した時刻ｔ０から出力電圧ＶＯＵＴがノードＮ１の電圧Ｖ２とほぼ等しくなる時刻ｔ２までの時間（従来回路においては図７の時刻ｔ０から時刻ｔ１）が短くなる。即ち、本実施形態のチャージポンプ回路２０は、従来のチャージポンプ回路１０に比べて、入力信号ＶＩＮに応答して出力信号ＶＯＵＴを変更するその応答速度を向上させている。
【００３６】
尚、電流制限回路２１を構成する第２ＰＭＯＳトランジスタＱ２を完全にオフさせるためには、そのトランジスタＱ２のゲートに第１ＰＭＯＳトランジスタＱ１を介して接続されるノードＮ１と同一な電圧値である２倍のＶＤレベルを印加する必要があるが、第１インバータ回路１１の出力信号電圧Ｖ１はＶＤレベルまでしか上昇しない。しかし、図４に示すように、ＭＯＳトランジスタのゲートソース間電圧（ＶＧＳ）−ドレイン電流（ＩＤ）特性は２次曲線を描きく。尚、図４の特性の縦軸は、ゲート−ソース間電圧（ＶＧＳ）とソース−ドレイン間電圧（ＶＤＳ）とが等しい時のドレイン電流（ＩＤ）を１００％として換算したときのドレイン電流である。また、横軸は、ソース−ドレイン間電圧（ＶＤＳ）に対するソース−ゲート間電圧（ＶＧＳ）の割合（％）である。
【００３７】
この特性のように、ＭＯＳトランジスタは、５０％のゲート電圧によりドレイン電流を９０％以上遮断する。従って、第２ＰＭＯＳトランジスタＱ２は、従来回路に比べてコンデンサＣ１から高電位電源ＶＤへの電流漏れを減少させ、出力電圧ＶＯＵＴの電圧上昇速度を向上している。
【００３８】
尚、図２の第１及び第２ＰＭＯＳトランジスタＱ１，Ｑ２に代えてダイオードを用いることが考えられ、そのようなチャージポンプ回路は高電圧駆動には適している。しかし、ダイオードを用いたチャージポンプ回路は、本実施形態を適用する半導体集積回路装置のレベル変換などの用途には使用できない。それは、ダイオードの順方向電圧によってノードＮ１の電位が高電位電源ＶＤより低くなり、昇圧効率が悪くなるからである。
【００３９】
以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）高電位電源ＶＤと第１ＰＭＯＳトランジスタＱ１との間に電流制限回路２１を設けた。そして、第１インバータ回路１１の出力信号によりコンデンサＣ１をレベルシフトして該コンデンサＣ１の第１の電極電圧Ｖ２を高電位電源ＶＤの電圧より昇圧し、そのコンデンサＣ１の第１及び第２の電極が電源端子に接続された第２インバータ回路１２から昇圧した電圧Ｖ２を持つ出力信号ＶＯＵＴを出力する。その結果、コンデンサＣ１のレベルシフト時に、そのコンデンサＣ１から高電位電源ＶＤへの漏れ電流を電流制限回路２１により制限することで、昇圧効率を向上させることができる。これにより出力信号ＶＯＵＴの応答速度が向上する。
【００４０】
（２）電流制限回路２１を第２ＰＭＯＳトランジスタＱ２から構成し、そのゲートに第１インバータ回路１１の出力信号を供給した。その結果、第１インバータ回路１１の出力信号は第２インバータ回路１２の出力信号ＶＯＵＴより早く変化するため、第１ＰＭＯＳトランジスタＱ１より第２ＰＭＯＳトランジスタＱ２を先にオフさせ、漏れ電流を少なくすることができる。
【００４１】
（３）チャージポンプ回路２０は、第２インバータ回路１２の低電位側電源端子に第１インバータ回路１１の出力信号を供給し、高電位側電源端子にその出力信号をＶＤレベルだけ上昇させたノードＮ１の電圧Ｖ２を供給している。従って、第２インバータ回路１２の高電位側及び低電位側電源端子の電位差を、高電位電源ＶＤとグランドＧＮＤとの電位差にすることができる。また、各ＰＭＯＳトランジスタＱ１，Ｑ２の各端子間には、高電位電源ＶＤとグランドＧＮＤとの電位差以上が加わらない。その結果、チャージポンプ回路２０は、高電位電源ＶＤとグランドＧＮＤとの間の電位差に対応する素子にて構成されればよく、各素子のサイズの増加を抑えてチャージポンプ回路２０の面積増加を抑えることができる。
【００４２】
（第二実施形態）
以下、本発明を具体化した第二実施形態を図５に従って説明する。
尚、説明の便宜上、図１，図２と同様の構成については同一の符号を付してその説明を一部省略する。
【００４３】
図５は、本実施形態のチャージポンプ回路３０の回路図である。
チャージポンプ回路３０は、第１及び第２インバータ回路１１，１２、コンデンサＣ１、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＱ１、電流制限回路３１から構成される。
【００４４】
電流制限回路３１は、第３インバータ回路３２と第２ＰチャネルＭＯＳトランジスタＱ２から構成される。第３インバータ回路３２には入力信号ＶＩＮが制御信号Ｓ１として入力され、出力端子は第２ＰＭＯＳトランジスタＱ２のゲートに接続されている。従って、第２ＰＭＯＳトランジスタＱ２のゲートには、入力信号ＶＩＮを第３インバータ回路３２により反転した制御信号Ｓ２が入力される。第２ＰＭＯＳトランジスタＱ２は第１ＰＭＯＳトランジスタＱ１と高電位電源ＶＤの間に接続されている。このように、電流制限回路３１は、入力信号ＶＩＮに応答して第２ＰＭＯＳトランジスタＱ２をオン・オフする。
【００４５】
第１インバータ回路１１が第２インバータ回路１２及びコンデンサＣ１を負荷としているのに対し、第３インバータ回路３２は第２ＰＭＯＳトランジスタＱ２のみを負荷としている。従って、第３インバータ回路３２は、第１インバータ回路１１より軽負荷である。
【００４６】
これにより、第３インバータ回路３２の動作速度は第１インバータ回路１１に対し高速なものとなり、第３インバータ回路３２が出力する制御信号Ｓ２の変化は、第１インバータ回路１１の出力信号の変化に比べて早い。従って、本実施形態のチャージポンプ回路３０は、第一実施形態のチャージポンプ回路２０より出力信号ＶＯＵＴの電圧上昇速度を向上している。
【００４７】
以上記述したように、本実施形態によれば、第一実施形態の効果に加えて以下の効果を奏する。
（１）電流制限回路３１を第３インバータ回路３２と第２ＰＭＯＳトランジスタＱ２から構成し、第３インバータ回路３２に入力信号ＶＩＮを入力し、その第３インバータ回路３２の出力信号にて第２ＰＭＯＳトランジスタＱ２をオン・オフさせるようにした。第３インバータ回路３２は第１インバータ回路１１より軽負荷であるため、その第３インバータ回路３２の出力信号は第１インバータ回路１１の出力信号より早く変化する。その結果、第２ＰＭＯＳトランジスタＱ２が第１ＰＭＯＳトランジスタＱ１より早くオフして漏れ電流を制限するため、昇圧効率が良くなり、出力信号ＶＯＵＴの電圧上昇速度、即ち応答速度を向上させることができる。
【００４８】
尚、前記実施形態は、以下の態様に変更してもよい。
・上記第一実施形態において、第１インバータ回路１１を省略した構成にて実施してもよい。
【００４９】
・上記各実施形態において、充電制御回路及び電流制限回路としてＰＭＯＳトランジスタを用いたが、それらの回路構成を適宜変更して実施してもよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、昇圧効率が良く、応答速度の速いチャージポンプ回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第一実施形態のチャージポンプ回路の回路図である。
【図２】  第一実施形態のチャージポンプ回路の回路図である。
【図３】  チャージポンプ回路の動作波形図である。
【図４】  ＭＯＳトランジスタの特性図である。
【図５】  第二実施形態のチャージポンプ回路の回路図である。
【図６】  従来のチャージポンプ回路の回路図である。
【図７】  従来例の動作波形図である。
【符号の説明】
１１  第２のインバータ回路
１２  第１のインバータ回路
２１，３１  電流制限回路
３２  第３のインバータ回路
Ｃ１  コンデンサ
Ｑ１  充電制御回路としてのＰＭＯＳトランジスタ
Ｑ２  第２のＰＭＯＳトランジスタ
ＶＩＮ  入力信号
ＶＯＵＴ  出力信号
ＶＤ  第１の電圧源
ＧＮＤ  第２の電圧源
【図１】
0004137364.tif 000002
【図２】
0004137364.tif 000003
【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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