(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷却媒体用流路が形成される複数の冷却フィンと、平形状の半導体素子とを交互に積層した積層体を、その積層方向両側から固定部材で挟持するとともに、前記固定部材間を複数本の締め付けボルトで一体的に固定する半導体スタックであって、
前記積層体の中心軸上に同軸的に配設され、該積層体を前記積層方向に加圧する皿ばねと、
前記皿ばねの表面に、前記中心軸を中心とする円周上に等間隔ずつ離間して配置される少なくとも３個の歪み検出器と、
を備えることを特徴とする半導体スタック。
【請求項２】
請求項１記載の半導体スタックにおいて、前記歪み検出器の雰囲気温度を検出する温度検出器を備えることを特徴とする半導体スタック。
【請求項３】
内部に冷却媒体用流路が形成される複数の冷却フィンと、平形状の半導体素子とを交互に積層した積層体を、その積層方向両側から固定部材で挟持するとともに、前記固定部材間を締め付けボルトで一体的に固定する半導体スタックの加圧力管理装置であって、
前記積層体の中心軸上に同軸的に配設されて該積層体を前記積層方向に加圧する皿ばねの表面に、前記中心軸を中心とする円周上に等間隔ずつ離間して配置される少なくとも３個の歪み検出器と、
前記歪み検出器により検出されたそれぞれの歪みデータが、所定の範囲内にあるか否かを判断する歪みデータ判断部と、
を備えることを特徴とする半導体スタックの加圧力管理装置。
【請求項４】
請求項３記載の加圧力管理装置において、前記歪みデータが所定の範囲から逸脱したと判断された際、警告信号を出力する警告信号出力部を備えることを特徴とする半導体スタックの加圧力管理装置。
【請求項５】
請求項３記載の加圧力管理装置において、前記歪み検出器の雰囲気温度を検出する温度検出器と、
前記温度検出器により検出された温度データに基づいて前記歪みデータを補正し、補正歪みデータを得る補正部と、
前記補正歪みデータが所定の範囲内にあるか否かを判断する補正歪みデータ判断部と、
を備えることを特徴とする半導体スタックの加圧力管理装置。
【請求項６】
請求項５記載の加圧力管理装置において、前記補正歪みデータが所定の範囲から逸脱したと判断された際、警告信号を出力する警告信号出力部を備えることを特徴とする半導体スタックの加圧力管理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に冷却媒体用流路が形成される複数の冷却フィンと、平形状の半導体素子とを交互に積層した積層体を、その積層方向両側から固定部材で挟持するとともに、前記固定部材間を複数本の締め付けボルトで一体的に固定する半導体スタックおよびその加圧力管理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、溶接トランス等に使用される半導体スタックでは、平形状の半導体素子を複数の冷却フィン間に配設した積層体を、その積層方向両側からクランパを介して加圧挟持するように構成されている。
【０００３】
この種の半導体スタックでは、通常、クランパと積層体との間に、荷重計、例えば、ロードセルを挟み込んでおり、このロードセルの出力データをモニタしながら、前記クランパを構成する締め付けボルトを締め付けて、前記積層体に作用する荷重量（加圧力）を調整する作業が行われている。
【０００４】
ところが、この種の技術では、積層体に作用する荷重を直接的に把握できるために荷重量を精度よく調整し得るものの、ロードセルが組み込まれるために積層方向の寸法が長尺化するとともに、半導体スタックが相当に高価なものになるという問題があった。
【０００５】
そこで、ロードセル等の荷重計を使用することがなく、簡単に荷重量を調整するために、種々の提案がなされており、例えば、特開昭５０−１１２７３６号公報に開示されている平形整流素子の加圧装置が知られている。この従来技術では、平形整流素子と液冷式冷却フィンを交互に積み重ね、その一端には絶縁碍子を介してスプリングにより加圧されるスプリングガイドと、このスプリングガイドの移動量を指示する目視ライン指示計とを設け、他端には絶縁碍子および鋼球受け金具を介して鋼球とこの鋼球の押しボルトとを設けている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の従来技術では、クランパに対する積層体の変位量を指示する目視ライン指示計をモニタしながら、締め付けボルトを締め付けて前記積層体に作用する荷重量を調整している。しかしながら、荷重量に対する変位量が微少であるため、前記荷重量の調整誤差やばらつきが大きくなり、高精度な荷重量調整作業が遂行されないという問題が指摘されている。
【０００７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつ安価な構成で、積層体に作用する加圧力を精度よく調整することが可能な半導体スタックおよびその加圧力管理装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体スタックでは、複数の冷却フィンと、平形状の半導体素子とを交互に積層した積層体を、その積層方向に加圧する皿ばねの表面に、前記中心軸を中心とする円周上に等間隔ずつ離間して、例えば、締め付けボルトと同位相の位置に対応して、少なくとも３個の歪み検出器が配置されている。この歪み検出器で検出される歪みデータは、積層体に作用する加圧力の一次関数として設定されるため、前記歪みデータから前記積層体に作用する前記加圧力が容易に得られる。
【０００９】
これにより、歪み検出器で検出される歪みデータをモニタしながら締め付けボルトの締め付け作業を行うことによって、積層体に作用する加圧力を高精度かつ迅速に調整することができる。
【００１０】
また、本発明に係る半導体スタックの加圧力管理装置では、歪み検出器で検出される歪みデータをモニタしながら締め付けボルトの締め付け作業を行う際、前記歪み検出器により検出されたそれぞれの歪みデータが、所定の範囲内にあるか否かが判断される。従って、積層体に作用する加圧力の調整作業が、容易かつ確実に遂行可能になる。
【００１１】
さらに、歪み検出器の雰囲気温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器により検出された温度データに基づいて歪みデータを補正し、補正歪みデータを得る補正部と、前記補正歪みデータが所定の範囲内にあるか否かを判断する補正歪みデータ判断部とを備えている。このため、温度変化に影響されることがなく、積層体に作用する加圧力を精度よく調整することができる。
【００１２】
そこで、歪みデータまたは補正歪みデータが、所定の範囲から逸脱したと判断された際、警告信号を出力する警告信号出力部を備えている。これにより、半導体スタックの運転時に、外部からの衝撃等によって締め付けボルトに弛みが発生したり、半導体素子の熱膨張によって冷却異常等が惹起したりしても、これらの不具合を容易に検出することが可能になる。そして、異常時に警告信号が出力されるため、この警告信号を半導体スタックを制御する制御部にフィードバックしたり、異常警告を表示したりすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体スタック１０が組み付けられた抵抗溶接機１２の概略構成説明図であり、図２は、前記半導体スタック１０の要部正面図である。
【００１４】
抵抗溶接機１２はＡＣ電源１４を備え、このＡＣ電源１４にコンバータ１６およびインバータ１８を介して溶接トランス２０が接続される。この溶接トランス２０に半導体スタック１０が装着されるとともに、前記溶接トランス２０および前記半導体スタック１０に溶接ガン２２を構成するガンアーム２２ａ、２２ｂが接続されている。
【００１５】
溶接トランス２０は、積層鋼板からなるカットコア２４と、このカットコア２４に組み合わされる一次コイル２６および二次コイル２８とを備える。二次コイル２８には、半導体スタック１０が接続される。
【００１６】
図２および図３に示すように、半導体スタック１０は、二次コイル２８のマイナス側端部２８ａ、２８ｂに接続される冷却フィン３２、３４と、前記冷却フィン３２、３４の両側面に配置される平形状の半導体素子３６を挟持固定する冷却フィン３８、４０、４２および４４と、前記冷却フィン３８、４０、４２および４４の側面に一体的に連結されるプラス側電極板４６とを備える。
【００１７】
冷却フィン３２、３４、３８、４０、４２および４４は、銅材で構成されるとともに、それぞれの表面には腐蝕等の発生を防止するためにニッケルメッキ処理が施されている。冷却フィン３８、３２および４０間と、冷却フィン４２、３４および４４間とには、それぞれ絶縁部材４８を介して半導体素子３６が配設され、これらにより積層体５０が構成される。積層体５０の積層方向（矢印Ａ方向）両側には、第１および第２支持板（固定部材）５２、５４が配置されており、前記第１および第２支持板５２、５４間が複数本、例えば、４本の締め付けボルト５６により一体的に固定されている。
【００１８】
冷却フィン３８、３２、４０、４２、３４および４４は、内部に冷却媒体（例えば、冷却水）用流路５８が形成されており、前記流路５８は、それぞれの出口と入口とが積層方向に対向して設けられている。冷却フィン３８、４４では、それぞれの側面３８ａ、４４ａに冷却媒体供給ポート６０ａと冷却媒体排出ポート６０ｂとが形成される。冷却フィン３８、３２、４０、４２、３４および４４のそれぞれの四隅には、締め付けボルト５６を挿入するための孔部６２が形成される。
【００１９】
絶縁部材４８は、樹脂系材料で形成された板状を有しており、その中央部には、半導体素子３６の外形形状と同一形状の開口部６４が形成される。絶縁部材４８の四隅には、開口部６４の外方に位置して締め付けボルト５６を挿入するための孔部６６が形成されるとともに、各流路５８の出入口をそれぞれ連通するための連結通路６８が所定の位置に対応して貫通形成される。
【００２０】
第１および第２支持板５２、５４は、ステンレス鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＳ）で構成されており、この第１支持板５２の四隅には締め付けボルト５６を挿入するための孔部６９が形成される。第２支持板５４には、凹部７０が形成されており、この凹部７０に皿ばね７２が配置されるとともに、この第２支持板５４の四隅には、締め付けボルト５６の先端が螺合するねじ孔７４が形成される。
【００２１】
図４に示すように、皿ばね７２は、積層体５０の中心軸Ｏ上に同軸的に配設されており、この皿ばね７２の表面には、前記中心軸Ｏを中心とする仮想円周７６上に等間隔ずつ離間して（例えば、締め付けボルト５６と同位相の位置に対応して）、少なくとも３個、本実施形態では４個の歪みゲージ（歪み検出器）７８が貼り付けられる。各歪みゲージ７８は、中心軸Ｏと各締め付けボルト５６の軸芯とを結ぶ線上に前記中心軸Ｏから等間隔ずつ離間した位置に配置されている。
【００２２】
図２および図３に示すように、冷却フィン３８、４４の積層方向両側には、絶縁板８０ａ、８０ｂが配置されるとともに、冷却フィン４０、４２間に絶縁板８０ｃが介装されている。
【００２３】
図１に示すように、抵抗溶接機１２には、第１の実施形態に係る加圧力管理装置９０が組み込まれる。この加圧力管理装置９０は、歪みゲージ７８と制御部９２とを備える。
【００２４】
制御部９２は、抵抗溶接機１２を駆動制御するとともに、歪みゲージ７８により検出されたそれぞれの歪みデータが所定の範囲内にあるか否かを判断する歪みデータ判断部９４と、前記歪みデータが所定の範囲から逸脱したと判断された際、警告信号を出力する警告信号出力部１００と、溶接条件、各種のマップデータおよび演算式等が予め記憶されている記憶部１０２とを備えている。
【００２５】
このように構成される半導体スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００２６】
まず、半導体スタック１０に組み付けられた４個の歪みゲージ７８により検出される皿ばね７２の平均歪みと、この半導体スタック１０の積層方向（矢印Ａ方向）の荷重量（圧接力）との関係を設定した。
【００２７】
すなわち、図５に示すように、半導体スタック１０を構成する第１支持板５２にロードセル１１０を配置し、このロードセル１１０に矢印Ａ１方向（締め付け方向）に加圧力を付与した。これにより、皿ばね７２が変形し、この皿ばね７２に設けられている４個の歪みゲージ７８が前記皿ばね７２の歪みを検出する。そして、全ての歪みゲージ７８により検出された歪みを平均した平均歪みと、ロードセル１１０で測定した圧接力（ｋＮ）との関係が、図６に示されている。
【００２８】
なお、上記の実験は１０台の半導体スタック１０を用いて行っており、図６には、その平均値が示されている。従って、歪みδ（μＳ）と圧接力Ｐ（ｋＮ）とは一次関数として設定されることになる。この図６に示す歪みδ（μＳ）と圧接力Ｐ（ｋＮ）との関係、または、目標歪みデータ値が記憶部１０２に記憶されている。
【００２９】
そこで、半導体スタック１０の圧接力をＰ１ｋＮ〜Ｐ２ｋＮの範囲内に調整する際には、各歪みゲージ７８により検出される歪みおよびその平均歪みがδ１μＳ（マイクロストレイン）〜δ２μＳの範囲内になるように調整すればよい。
【００３０】
次いで、半導体スタック１０を所定の荷重量に締め付ける作業について、図７に示すフローチャートを参照しながら、以下に説明する。
【００３１】
まず、半導体スタック１０の積層方向（矢印Ａ方向）に、例えば、Ｐ３ｋＮの予加圧を付与した状態で（ステップＳ１）、トルクレンチ等を介して締め付けボルト５６の仮締め作業が行われる（ステップＳ２）。この仮締め作業が終了した後、予加圧を解除し（ステップＳ３）、各締め付けボルト５６の締め付けが開始される（ステップＳ４）。
【００３２】
締め付けボルト５６が締め付けられることにより、皿ばね７２に変形が惹起し、この皿ばね７２に貼り付けられている各歪みゲージ７８からの出力値が加圧力管理装置９０を構成する制御部９２に送られる。そして、歪みデータ判断部９４では、各歪みゲージ７８からの出力値およびその平均値が所定の範囲内、すなわち、δ１μＳ〜δ２μＳの範囲内にあるか否かが判断され（ステップＳ５）、この範囲内になるように締め付けボルト５６の締め付け動作が行われる。
【００３３】
このように、第１の実施形態では、半導体スタック１０内には皿ばね７８の表面に４個の歪みゲージ７８が配置され、前記歪みゲージ７８により検出される歪みデータをモニタしながら、締め付けボルト５６の締め付け作業を行っている。この歪みゲージ７８で検出される歪みデータは、積層体５０に作用する加圧力（圧接力）の一次関数として設定されるため（図６参照）、前記歪みデータから前記積層体５０に作用する前記加圧力が容易に得られる。
【００３４】
これにより、歪みゲージ７８を用いることにより、積層体５０に作用する加圧力を高精度かつ容易に調整することができるという効果が得られる。しかも、半導体スタック１０内には、歪みゲージ７８を組み込むだけでよく、この半導体スタック１０全体のコンパクト化が図られるとともに、簡単かつ安価な構成で、積層体５０の加圧力を精度よく調整することが可能になる。
【００３５】
さらに、第１の実施形態では、抵抗溶接機１２により図示しないワークに抵抗溶接作業を行っている際に、半導体スタック１０に異常が発生したことを自動的に検出することができる。すなわち、抵抗溶接機１２の運転が開始されると（図８中、ステップＳ１０）、加圧力管理装置９０では、歪みデータ判断部９４を介して、歪みゲージ７８から検出される歪みゲージ７８の出力値および各出力値の平均値が所定範囲内にあるか否かの判断が行われている（ステップＳ１１）。そして、各歪みゲージ７８の出力値とその平均値の少なくともいずれかが所定の範囲を逸脱した際には、ステップＳ１２に進んで、警告信号出力部１００を介して警告信号が出力される。
【００３６】
これにより、半導体スタック１０の運転中に、例えば、外部からの衝撃等によって締め付けボルト５６に弛みが発生した際に、この締め付けボルト５６の弛みを容易かつ確実に検出することができる。さらに、制御部９２を介して抵抗溶接機１２の運転が停止され、あるいは、異常警告の表示が行われる。
【００３７】
一方、歪みゲージ７８の出力値および平均値が所定範囲内であれば（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１３に進んで運転が終了であるか否かが判断される。運転が継続されていれば（ステップＳ１３中、ＮＯ）、ステップＳ１１に戻って半導体スタック１０の異常検出処理が行われる。
【００３８】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る半導体スタック１２０および加圧力管理装置１２２が組み付けられた抵抗溶接機１２３の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る半導体スタック１０および加圧力管理装置９０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３９】
半導体スタック１２０は、歪みゲージ７８の雰囲気温度を検出するために、例えば、冷却フィン４４に組み込まれるサーミスタ（温度検出器）１２４を備える。このサーミスタ１２４で検出される温度データは、加圧力管理装置１２２を構成する制御部１２５に送られる。
【００４０】
この制御部１２５は、サーミスタ１２４により検出された温度データに基づいて歪みデータを補正し、補正歪みデータを得る補正部１２６と、前記補正歪みデータが所定の範囲内にあるか否かを判断する補正歪みデータ判断部１２８と、前記補正歪みデータが所定の範囲から逸脱したと判断された際、警告信号を出力する警告信号出力部１００とを備える。なお、補正歪みデータ判断部１２８を用いずに、歪みデータ判断部９４が補正歪みデータ判断部を兼用してもよい。
【００４１】
歪みゲージ７８の温度特性は、図１０に示すように、温度とΔ歪み値との関係を有している。補正部１２６は、この温度特性に基づいて歪みデータを補正し、所望の補正歪みデータを得る。
【００４２】
このように構成される第２の実施形態では、図１１に示すように、サーミスタ１２４を介して歪みゲージ７８の雰囲気温度が検出され（ステップＳ１ａ）、この温度データに基づいて歪みデータが補正され、補正歪みデータが算出される（ステップＳ２ａ）。そこで、第１の実施形態と同様に、半導体スタック１２０に予加圧が付与された状態で（ステップＳ３ａ）、締め付けボルト５６の仮締め付けが行われる（ステップＳ４ａ）。
【００４３】
次に、予加圧が解除された後（ステップＳ５ａ）、締め付けボルト５６の締め付け作業が行われるとともに（ステップＳ６ａ）、歪みゲージ７８の出力値および各出力値の平均値が、補正歪みデータの所定の範囲内であるか否かの判断が行われる（ステップＳ７ａ）。そして、上記の出力値およびその平均値が所定範囲内に入ることにより（ステップＳ７ａ中、ＹＥＳ）、半導体スタック１２０の締め付け作業が終了する。
【００４４】
このように、第２の実施形態では、サーミスタ１２４を介して歪みゲージ７８の雰囲気温度が検出され、この雰囲気温度に基づいて、前記歪みゲージ７８により検出される歪みデータが補正されて、補正歪みデータが得られている。従って、歪みゲージ７８の雰囲気温度に影響されることがなく、この歪みゲージ７８を介して半導体スタック１２０を所望の加圧力で確実に調整することができるという効果が得られる。
【００４５】
次いで、半導体スタック１２０が運転される際の制御について、図１２を参照して説明する。
【００４６】
抵抗溶接機１２３の運転が開始されると（ステップＳ１０ａ）、半導体スタック１２０内では、サーミスタ１２４による温度の検出が行われる（ステップＳ１１ａ）。そして、サーミスタ１２４により検出される温度データに基づいて歪みデータが補正され、補正歪みデータが算出される（ステップＳ１２ａ）。
【００４７】
このため、歪みゲージ７８により検出される歪みデータは、補正歪みデータとして補正歪みデータ判断部１２８に送られ、この補正歪みデータ判断部１２８では、前記補正歪みデータが所定の範囲内にあるか否かを判断する（ステップＳ１３ａ）。補正歪みデータが所定範囲から逸脱している際には、ステップＳ１４ａに進んで、警告信号が出力される。
【００４８】
一方、補正歪みデータが所定の範囲内であれば、ステップＳ１５ａに進んで運転が終了しているか否かの判断がなされる。その際、運転が継続されていれば、ステップＳ１１ａに戻って上記の処理が繰り返し行われることになる。
【００４９】
このように、第２の実施形態では、抵抗溶接機１２３の運転時に、半導体スタック１２０内で歪みゲージ７８の雰囲気温度がサーミスタ１２４を介して検出される。そして、歪みゲージ７８で検出される歪みデータが補正されて補正歪みデータが得られ、この補正歪みデータが所定の範囲内にあるか否かの判断が行われている。このため、例えば、外部からの衝撃等により締め付けボルト５６に弛みが発生し、あるいは半導体素子３６の熱膨張による冷却異常等が惹起した際には、補正歪みデータ判断部１２８を介して容易かつ確実に検出することができる。
【００５０】
さらに、異常時には、警告信号が警告信号出力部１００から出力されるため、この警告信号を半導体スタック１２０を制御する制御部１２５にフィードバックし、あるいは異常警告を表示することにより、高品質な溶接作業が効率的に遂行されるという効果が得られる。
【００５１】
なお、第１および第２の実施形態では、皿ばね７２に４つの歪みゲージ７８を貼り付けているが、これに限定されるものではなく、前記歪みゲージ７８を３個以上設ければよい。また、各歪みゲージ７８からの出力値およびその平均値が所定の範囲内にあるか否かの判断を行っているが、出力値または平均値の一方のみを使用して所定の範囲内にあるか否かの判断を行ってもよい。さらにまた、歪み検出器としては、歪みゲージ７８の他、電歪素子等を用いてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
本発明に係る半導体スタックでは、複数の冷却フィンと、平形状の半導体素子とを交互に積層した積層体を、その積層方向に加圧する皿ばねの表面に、少なくとも３個の歪み検出器が配置されており、前記歪み検出器で検出される歪みデータをモニタしながら、締め付けボルトの締め付け作業を行っている。これにより、簡単かつ小型な構成で、積層体に作用する加圧力を高精度に調整することができる。
【００５３】
また、本発明に係る半導体スタックの加圧力管理装置では、歪み検出器で検出される歪みデータをモニタしながら、締め付けボルトの締め付け作業を行う際、前記歪み検出器により検出されたそれぞれの歪みデータが所定の範囲内にあるか否かが判断される。このため、積層体に作用する加圧力の調整作業が、容易かつ確実に遂行可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体スタックが組み付けられた抵抗溶接機の概略構成説明図である。
【図２】前記半導体スタックの要部正面図である。
【図３】前記半導体スタックの分解斜視図である。
【図４】前記半導体スタックを構成する皿ばねおよび歪みゲージの正面説明図である。
【図５】前記歪みゲージの検出歪みデータと荷重との関係を算出するための構成図である。
【図６】前記歪みデータとロードセルで測定した圧接力との関係を示す説明図である。
【図７】前記半導体スタックの締め付け作業のフローチャートである。
【図８】前記抵抗溶接機が運転される際の加圧力管理装置の動作を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る半導体スタックおよび加圧力管理装置が組み付けられた抵抗溶接機の概略構成説明図である。
【図１０】前記歪みゲージの温度特性説明図である。
【図１１】前記半導体スタックの締め付け動作を説明するフローチャートである。
【図１２】前記半導体スタックの加圧力管理装置の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１０、１２０…半導体スタック      １２…抵抗溶接機
２０…溶接トランス                ３２、３４…冷却フィン
３６…半導体素子                  ３８、４０、４２、４４…冷却フィン
４６…電極板                      ４８…絶縁部材
５０…積層体                      ５２、５４…支持板
５６…締め付けボルト              ５８…流路
７２…皿ばね                      ７８…歪みゲージ
８０ａ〜８０ｃ…絶縁板            ９０、１２２…加圧力管理装置
９２、１２５…制御部              ９４…歪みデータ判断部
１００…警告信号出力部            １０２…記憶部
１２４…サーミスタ                １２６…補正部
１２８…補正歪みデータ判断部
【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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