(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧変換器（１０４）であって、
−第１及び第２バスバー（１０６、１０８）と、
−少なくとも１つの電力モジュール（１１０）と、を有し、
前記電力モジュール（１１０）は、
−少なくとも一対の第１及び第２コマンド可能スイッチ（１１２、１１４）であって、２つの主端子（１１６、１１８）と、前記２つの主端子（１１６、１１８）間において前記コマンド可能スイッチ（１１２、１１４）を選択的に開閉するための制御端子（１２０）とをそれぞれ有し、前記第１コマンド可能スイッチ（１１２）の前記第１主端子（１１６）が前記第１バスバー（１０６）に接続され、前記第２コマンド可能スイッチ（１１４）の前記第２主端子（１１８）が前記第２バスバー（１０８）に接続される、第１及び第２コマンド可能スイッチ（１１２、１１４）と、
−コマンド可能スイッチ（１１２、１１４）の各対に対する第３バスバー（１２２）であって、前記第１コマンド可能スイッチ（１１２）の前記第２主端子（１１８）及び前記第２コマンド可能スイッチ（１１４）の前記第１主端子（１１６）が接続される第３バスバー（１２２）と、
−前記第１及び第２バスバー（１０６、１０８）にそれぞれ接続される第１及び第２端子（１２６、１２８）を有する少なくとも１つのキャパシタ（１２４）と、を有し、
１つのキャパシタ（１２４）が、各電力モジュール（１１０）に設けられており、
前記キャパシタ（１２４）は、少なくとも５００マイクロファラッド、好適には少なくとも５６０マイクロファラッドの値を有するとともに、前記コマンド可能スイッチ（１１２、１１４）に十分に近接して配置されることにより、前記バスバー（１０６、１０８、１２２）が、コマンド可能スイッチ（１１２、１１４）の各対に対して、前記キャパシタ（１２４）の前記第１端子（１２６）から２つの前記コマンド可能スイッチ（１１２、１１４）のそれぞれを連続して通過して前記キャパシタ（１２４）の前記第２端子（１２８）で終端する導電性パス（４０８）を画定し、
前記導電性パス（４０８）は、最大で４０ナノヘンリー、好適には最大で３０ナノヘンリーのインダクタンスを有し、
各電力モジュール（１１０）の前記コマンド可能スイッチ（１１２、１１４）のそれぞれは、前記キャパシタ（１２４）がセンタリングされる軸（４０２）から、１０乃至３０ｍｍ、好適には１５乃至２５ｍｍの距離を置いて配置される、
ことを特徴とする電圧変換器（１０４）。
【請求項２】
各導電性パス（４０８）は、最大で１００ｍｍ、好適には最大で７０ｍｍの長さを有する、
請求項１に記載の電圧変換器（１０４）。
【請求項３】
前記電圧変換器（１０４）は、単数又は複数の前記電力モジュール（１１０）及び対応する単数又は複数の前記キャパシタ（１２４）を包囲する水平周縁部を有するヒートシンクハウジング（５０２）を更に有し、
前記ヒートシンクハウジング（５０２）は、前記水平周縁部に空気入口開口（５０６）を有するとともに、中央に下向きの空気出口開口（５０８）を有し、
単数又は複数の前記キャパシタ（１２４）は、前記コマンド可能スイッチ（１１２、１１４）よりも、前記空気出口開口（５０８）を通る鉛直軸（５１０）に近接して配置される、
請求項１又は２に記載の電圧変換器（１０４）。
【請求項４】
各対の前記コマンド可能スイッチ（１１２、１１４）は、チョッピングアームを形成するように配設される、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電圧変換器（１０４）。
【請求項５】
２対のコマンド可能スイッチ（１１２、１１４）をそれぞれ有する３つの電力モジュール（１１０）を有する、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電圧変換器（１０４）。
【請求項６】
電気システム（１００）であって、
−請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電圧変換器（１０４）と、
−前記電力モジュール（１１０）にそれぞれ対応付けられる相を有する電気モータ（１３０）と、を有し、
前記電気モータ（１３０）の各相は、対応する前記電力モジュール（１１０）の２つの前記第３バスバー（１２２）にそれぞれ接続される２つの端部を有する、
電気システム（１００）。
【請求項７】
前記電気モータ（１３０）は、自動車の車輪を駆動するように設計される、
請求項６に記載の電気システム（１００）。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の電気システム（１００）を有する自動車。
【請求項９】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電圧変換器（１０４）を製造するための方法（６００）であって、
−各電力モジュール（１１０）に対して、対応する前記キャパシタ（１２４）の位置を決定するステップ（６０２）であって、前記位置が前記コマンド可能スイッチ（１１２、１１４）に十分に近接していることにより、前記バスバー（１０６、１０８、１２２）は、前記コマンド可能スイッチ（１１２、１１４）の各対に対して、前記キャパシタ（１２４）の前記第１端子（１２６）から前記２つのコマンド可能スイッチ（１１２、１１４）のそれぞれを連続的に通過して前記キャパシタ（１２４）の前記第２端子（１２８）で終端する導電性パス（４０８）を画定し、前記導電性パス（４０８）は、最大で４０ナノヘンリー、好適には最大で３０ナノヘンリーのインダクタンスを有する、ステップ（６０２）と、
−各電力モジュール（１１０）に対して、対応する前記キャパシタ（１２４）を決定された前記位置に配置することにより、前記電圧変換器（１０４）を製造するステップ（６０４）と、
を備える、方法（６００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧変換器、電気システム、自動車、及び関連する製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧変換器であって、
−第１及び第２バスバーと、
−少なくとも１つの電力モジュールと、
を有するタイプの電圧変換器であって、
前記電力モジュールは、
−少なくとも１対の第１及び第２コマンド可能スイッチであって、２つの主端子と、前記２つの主端子間において前記コマンド可能スイッチを選択的に開閉するための制御端子とをそれぞれ有し、前記第１コマンド可能スイッチの前記第１主端子が前記第１バスバーに接続され、前記第２コマンド可能スイッチの前記第２主端子が前記第２バスバーに接続されている、第１及び第２コマンド可能スイッチと、
−コマンド可能スイッチの各対に対する第３バスバーであって、前記第１コマンド可能スイッチの第２主端子及び前記第２コマンド可能スイッチの前記第１主端子が接続される第３バスバーと、
−前記第１及び第２バスバーにそれぞれ接続される第１及び第２端子を有する少なくとも１つのキャパシタと、を有する、電圧変換器を使用することが知られている。
【０００３】
第１及び第２バスバーは、高いＤＣ供給電圧を受けることが意図されている。単数又は複数のキャパシタの役割は、この供給電圧をフィルタリングすることである。フィルタリングを有効にすべく、単数又は複数のキャパシタは、少なくとも５００マイクロファラッドに等しい高い静電容量を有するとともに、供給電圧が印加される第１及び第２バスバーの端部に近接して配置されたキャパシタブロックに配置される。
【０００４】
本発明の目的は、供給電圧のフィルタリングを向上させた電圧変換器を提案することである。
【発明の概要】
【０００５】
この目的のために、上述のタイプの電圧変換器において、キャパシタが各電力モジュールに設けられ、前記キャパシタは、少なくとも５００マイクロファラッド、好適には少なくとも５６０マイクロファラッドの値を有するとともに、前記コマンド可能スイッチに十分に近接して配置されることにより、前記バスバーが、コマンド可能スイッチの各対に対して、前記キャパシタの前記第１端子から２つの前記コマンド可能スイッチのそれぞれを連続して通過して前記キャパシタの前記第２端子で終端する導電性パスを画定し、前記導電性パスは、最大で４０ナノヘンリー、好適には最大で３０ナノヘンリーのインダクタンスを有することを特徴とするものが提案される。
【０００６】
本発明によれば、キャパシタを各電力モジュールの前記コマンド可能スイッチに可能な限り近接して配置することにより、フィルタリングを改善できる。この解決策は、キャパシタブロックの他に、セラミックキャパシタ等の小型のキャパシタを電力モジュールに近接して追加配置することにより構成され得る解決策よりはるかに有益である。具体的には、本発明が提案する解決策は、電子部品の点数、ひいては電圧変換器のコスト及び大きさを制限しつつ、同時に同じ結果を達成することができる。
【０００７】
選択的に、各導電性パスは、最大で１００ｍｍ、好適には最大で７０ｍｍの長さを有する。
【０００８】
同じく選択的に、各電力モジュールの前記コマンド可能スイッチのそれぞれは、前記キャパシタがセンタリングされる軸から、１０乃至３０ｍｍ、好適には１５乃至２５ｍｍの距離を置いて配置される。
【０００９】
同じく選択的に、前記電圧変換器は、単数又は複数の前記電力モジュール及び対応する単数又は複数の前記キャパシタを包囲する水平周縁部を有するヒートシンクハウジングを更に有し、前記ヒートシンクハウジングは、前記水平周縁部に空気入口開口を有するとともに、中央に下向きの空気出口開口を有し、単数又は複数の前記キャパシタは、前記コマンド可能スイッチよりも、前記空気出口開口を通る鉛直軸に近接して配置される。
【００１０】
同じく選択的に、各対の前記コマンド可能スイッチは、チョッピングアームを形成するように配設される。
【００１１】
同じく選択的に、前記電圧変換器は、２対のコマンド可能スイッチをそれぞれ有する３つの電力モジュールを有する。
【００１２】
同様に提案されるものは、電気システムであって、
−本発明による電圧変換器と、
−前記電力モジュールにそれぞれ対応付けられる相を有する電気モータと、
を有する電気システムであって、前記電気モータの各相は、対応する前記電力モジュールの２つの前記第３バスバーにそれぞれ接続される２つの端部を有する、電気システムである。
【００１３】
選択的に、前記電気モータは、自動車の車輪を駆動するように設計される。
【００１４】
同様に提案されるものは、本発明による電気システムを有する自動車である。
【００１５】
同様に提案されるものは、本発明による電圧変換器を製造するための方法であって、
−各電力モジュールに対して、対応する前記キャパシタの位置を決定するステップであって、前記位置が前記コマンド可能スイッチに十分に近接していることにより、前記バスバーは、前記コマンド可能スイッチの各対に対して、前記キャパシタの前記第１端子から前記２つのコマンド可能スイッチのそれぞれを連続的に通過して前記キャパシタの前記第２端子で終端する導電性パスを画定し、前記導電性パスは、最大で４０ナノヘンリー、好適には最大で３０ナノヘンリーのインダクタンスを有する、ステップと、
−各電力モジュールについて、対応する前記キャパシタを決定された前記位置に配置することにより、前記電圧変換器を製造するステップと、
を備える、方法である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明を実施する電圧変換器を有する電気システムの回路図。
【図２】電圧変換器に配置された電力モジュール及び対応するキャパシタの三次元図。
【図３】キャパシタのみの三次元図。
【図４】キャパシタを省略した電力モジュールの三次元図。
【図５】電圧変換器の三次元図。
【図６】電圧変換器を製造するための方法のステップを示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明を実施する電気システム１００について、図１を参照して説明する。
【００１８】
電気システム１００は、例えば自動車に設置されることが意図されている。
【００１９】
電気システム１００は、例えば２０Ｖ乃至１００Ｖ、例えば４８ＶのＤＣ電圧Ｕを供給するように設計された電源１０２を有する。電源１０２は、例えばバッテリを有する。
【００２０】
電気システム１００は、複数の相（図示せず）を有する電気機械１３０を更に有する。これらの相は、それぞれの相電圧を有することが意図されている。
【００２１】
電気システム１００は、ＤＣ電圧Ｕと相電圧との変換を実行するように電源１０２と電気機械１３０との間に接続された電圧変換器１０４を更に有する。
【００２２】
電圧変換器１０４は、正バスバー１０６と負バスバー１０８とを有し、これらは、ＤＣ電圧Ｕを受けるように電源１０２に接続されることが意図されている。正バスバー１０６は高電位を受け、負バスバー１０８は低電位を受ける。
【００２３】
電圧変換器１０４は、単数又は複数の相バスバー１２２を有する少なくとも１つの電力モジュール１１０を更に有する。単数又は複数の相バスバー１２２は、電気機械１３０の単数又は複数の相にそれぞれ接続されることで、そのそれぞれの相電圧を提供することが意図されている。
【００２４】
説明例において、電圧変換器１０４は、３つの電力モジュール１１０を有し、各電力モジュール１１０は、電気機械１３０の２つの相に接続される２つの相バスバー１２２を有する。
【００２５】
より正確には、説明例において、電気機械１３０は、２つの三相システムを有する。各三相システムは、３つの相を有するとともに、１２０°で互いに電気的に相オフセットされることが意図されている。好適には、電力モジュール１１０の第１相バスバー１２２は、第１三相システムの３つの相にそれぞれ接続される。また、電力モジュール１１０の第２相バスバー１２２は、第２三相システムの３つの相にそれぞれ接続される。
【００２６】
各電力モジュール１１０は、各相バスバー１２２について、ハイサイドスイッチ１１２とローサイドスイッチ１１４とを有する。ハイサイドスイッチ１１２は、正バスバー１０６と相バスバー１２２との間に接続され、ローサイドスイッチ１１４は、相バスバー１２２と負バスバー１０８との間に接続される。したがって、スイッチ１１２、１１４は、相バスバー１２２がセンタータップを形成するチョッピングアームを形成するように配設される。
【００２７】
各スイッチ１１２、１１４は、第１及び第２主端子１１６、１１８と、制御端子１２０とを有する。制御端子１２０は、適用される制御信号に応じて、２つの主端子１１６、１１８の間でスイッチ１１２、１１４を選択的に開閉することが意図されている。好適には、スイッチ１１２、１１４は、制御端子１２０を形成するゲートと、主端子１１６、１１８をそれぞれ形成するドレイン及びソースとを有する、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴｓ）等のトランジスタである。
【００２８】
説明例において、スイッチ１１２、１１４は、例えば実質的に長方形のプレートであって上面及び下面を有するプレートの形状をそれぞれ有する。第１主端子１１６は下面を覆って延び、第２主端子１１８は上面を覆って延びる。更に、下面はヒートシンク面を形成する。
【００２９】
電圧変換器１０４は、各電力モジュール１１０について、正端子１２６と負端子１２８とを有するキャパシタ１２４を更に有する。正端子１２６及び負端子１２８は、正バスバー１０６及び負バスバー１０８にそれぞれ接続される。
【００３０】
正バスバー１０６、負バスバー１０８、及び相バスバー１２２は、少なくとも１Ａの電力に耐えるように設計された剛性要素であることを理解されたい。これらは、好適には少なくとも１ｍｍの厚さを有する。
【００３１】
更に、説明例において、電気機械１３０は、オルタネータ及び電気モータ機能を同時に有している。より具体的には、自動車は、出力軸を有する熱燃焼機関（図示せず）を更に有する。出力軸には、電気機械１３０がベルト（図示せず）を介して接続される。熱燃焼機関は、その出力軸を介して自動車の車輪を駆動することが意図されている。したがって、オルタネータモードでの動作中、電気機械は、出力軸の回転から電源１０２の方向に電気エネルギーを供給する。この時、電圧変換器１０４は、整流器として動作する。電気モータモードでの動作中、電気機械は、（熱燃焼機関に加えて、又はこれに代えて）出力軸を駆動する。この時、電圧変換器１０４は、インバータとして動作する。
【００３２】
電気機械１３０は、例えば、自動車のトランスミッション又はクラッチに、或いはオルタネータの代わりに配置される。
【００３３】
以下の説明において、電圧変換器１０４の諸要素の構造及び配置を、「Ｈ」が上方を示し「Ｂ」が下方を示す鉛直方向Ｈ‐Ｂを基準としてより詳細に説明する。
【００３４】
図２を参照すると、説明例において、バスバー１０６，１０８、１２２は、互いに隣接して延びる水平方向の同一平面にある平面部分２０２、２０４、２０６をそれぞれ有している。
【００３５】
更に、各コマンド可能スイッチ１１２、１１４は、実質的に長方形のプレートの形状を有する。その第１主端子１１６は、下面（図示せず）を少なくとも部分的に覆って延び、その第２主端子１１８は、上面を覆って延びる。
【００３６】
コマンド可能スイッチ１１２、１１４の各対について、第１スイッチ１１２の後面は、第１バスバー１０６の平面部分２０２及び第３バスバー１２２の平面部分２０６のうちの一方に対して押し付けられることで、その第１主端子１１６は、第１バスバー１０６又は第３バスバー１２２に接続される。説明例において、第１コマンド可能スイッチ１１２の後面は、第１バスバー１０６の平面部分２０２に対して押し付けられている。更に、第１スイッチ１１２の上面は、少なくとも１つの導電性タブ２０８を介して、第１バスバー１０６の平面部分２０２及び第３バスバー１２２の平面部分２０６のうちの他方に接続されることで、その第２主端子１１６は、第１バスバー１０６又は第３バスバー１２２に接続される。説明例において、第１スイッチ１１２の上面は、３つのタブ２０８を介して、第３バスバー１２２の平面部分２０６に接続されている。
【００３７】
更に、コマンド可能スイッチ１１２、１１４の各対について、第２コマンド可能スイッチ１１４の後面は、第２バスバー１０８の平面部分２０４及び第３バスバー１２２の平面部分２０６のうちの一方に対して押し付けられることで、その第１主端子１１６は第２バスバー１０８又は第３バスバー１２２に接続される。説明例において、第２スイッチ１１４の後面は、第３バスバー１２２の平面部分２０６に対して押し付けられている。更に、第２スイッチ１１４の上面は、少なくとも１つのタブ２１０を介して、第２バスバー１０８の平面部分２０４及び第３バスバー１２２の平面部分２０６のうちの他方に接続されることで、その第２主端子１１８は、第２バスバー１０８又は第３バスバー１２２に接続される。説明例において、第２スイッチ１１４の上面は、少なくとも１つの導電性タブ２１０を介して、第２バスバー１０８の平面部分２０４に接続されている。
【００３８】
したがって、積み重なるのではなく互いに隣接して延びるバスバー１０６、１０８、１２２の構成配置により、電力モジュール１１０の鉛直方向の大きさを制限することができる。
【００３９】
更に、コマンド可能スイッチ１１２、１１４の制御端子１２０は、説明例において、それらの上面を覆って延びるとともに、制御ピン２１２に接続されている。
【００４０】
図３を参照すると、各キャパシタ１２４は、少なくとも５００マイクロファラッド、好適には少なくとも５６０マイクロファラッドの値を有する。各キャパシタ１２４は、例えばケミカルコンデンサである。
【００４１】
キャパシタ１２４は、大きいサイズを有する。例えば、各キャパシタ１２４の最大寸法は、少なくとも１５ｍｍである。一般的には、この最大寸法は、少なくとも３０ｍｍである。例えば、各キャパシタ１２４は、５乃至１５ｍｍの半径、及び１８ｍｍ乃至４０ｍｍ、好適には２０ｍｍ乃至３５ｍｍの高さを有する円筒形状を全体として有する。
【００４２】
更に、各キャパシタ１２４は、下方円形面に、その第１端子１２６を形成する中央ピンと、その第２端子１２８を形成する２つのラグを有する。
【００４３】
図４を参照すると、各電力モジュール１１０に対して、対応するキャパシタ１２４は、軸４０２にセンタリングされることが意図されている。更に、第１バスバー１０６は、キャパシタ１２４の第１端子１２６を形成するピンを受容することが意図された貫通孔４０４を有する。また、第２バスバー１０８は、その第２端子１２８を形成する２つのラグをそれぞれ受容することが意図された２つの貫通孔４０６を有する。
【００４４】
コマンド可能スイッチ１１２、１１４の各対に対して、バスバー１０６、１０８、１２２は、導電性パス４０８を画定する。導電性パス４０８は、（図４に貫通孔４０４を介して示す）キャパシタ１２４の第１端子１２６を始点として、これら２つのコマンド可能スイッチ１１２、１１４を連続して通過し、（図４に貫通孔４０６のうちの一方を介して示す）キャパシタ１２４の第２端子で終端する。図４では、２対のコマンド可能スイッチ１１２、１１４のうちの一方の導電性パス４０８のみを示す。当然ながら、もう１つの同様の導電性パスが、他方の対のコマンド可能スイッチ１１２、１１４にも存在する。
【００４５】
軸４０２、したがってキャパシタ１２４は、コマンド可能スイッチ１１２、１１４に十分に近接して配置されることにより、各導電性パス４０８は最大で４０ナノヘンリー、好適には最大で３０ナノヘンリーのインダクタンスを有す。このような低いインダクタンスを達成するように、導電性パス４０８は、好適には最大で１００ｍｍ、より好適には最大で７０ｍｍの長さを有する。更に、同じくこのような低いインダクタンスを達成するように、各コマンド可能スイッチ１１２、１１４は、好適には、軸４０２から１０乃至３０ｍｍ、より好適には１５乃至２５ｍｍの距離を置いて配置される。したがって、コマンド可能スイッチ１１２、１１４は、キャパシタ１２４の設置を可能とするように軸４０２から十分に離間していると同時に、各誘導パス４０８を比較的短いものとして所望のインダクタンスを呈すべく十分に近接している。説明例において、コマンド可能スイッチ１１２、１１４は、短い底部（２つのハイサイドスイッチ１１２間の距離）と長い底部（２つのローサイドスイッチ間の距離）とを有する台形の四隅に配置されている。軸４０２は、長い底部の中央から１０ｍｍ未満離間している。このように、スイッチ１１２、１１４は、キャパシタ１２４を包囲することで、キャパシタ１２４に近接して配置され得る。
【００４６】
図５を参照すると、電圧変換器１０４は、電力モジュール１１０及びキャパシタ１２４を包囲する水平周縁部を有するヒートシンクハウジング５０２を更に有している。この水平周縁部には複数のフィン５０４が設けられ、フィン同士の間に空気入口開口が画成されている。ヒートシンクハウジング５０２は、中央に下向きの空気出口開口５０８を更に有する。この空気は、電気機械１３０を冷却することが意図されている。
【００４７】
好適には、キャパシタ１２４は、電力モジュール１１０よりも、特にコマンド可能スイッチ１１２、１１４よりも、空気出口開口５０８に近接して配置される。したがって、キャパシタ１２４は中央に位置し、電力モジュール１１０は電圧変換器１０４の周縁部に位置する。
【００４８】
説明例において、電圧変換器１０４は、電気モータ１３０に装着される。電気モータ１３０は、空気出口開口５０８を介して空気を引き込むファンを形成するロータ（図示せず）を有する。これにより、空気入口開口５０６から空気出口開口５０８に延びる空気流であって、電力モジュール１１０、特にコマンド可能スイッチ１１２、１１４を冷却する空気流が形成される。
【００４９】
キャパシタ１２４は、電力モジュール１１０にできるだけ近接してそれぞれ配置されていつつも電圧変換器１０４の中央に位置しているため、このような空気流が電力モジュール１１０を通過することが妨げられることはない。
【００５０】
次に、図６を参照して、電圧変換器１０４を製造するための方法を説明する。
【００５１】
各電力モジュール１１０に対して、ステップ６０２において、対応するキャパシタ１２４の位置が決定される。この位置がコマンド可能スイッチ１１２、１１４に十分に近接していることにより、バスバー１０６、１０８、１２２は、コマンド可能スイッチ１１２、１１４の各対に対して、キャパシタ１２４の第１端子１２６を始点として、これら２つのコマンド可能スイッチ１１２、１１４のそれぞれを連続的に通過し、キャパシタ１２４の第２端子１２８で終端する導電性パス４０８であって、最大で４０ナノヘンリー、好適には最大で３０ナノヘンリーのインダクタンスを有する導電性パス４０８を画定する。
【００５２】
ステップ６０４において、各電力モジュール１１０に対して、対応するキャパシタ１２４をステップ６０２で決定された決定位置に配置することにより、電圧変換器１０４が製造される。
【００５３】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲により定義される。実際に、当業者には、上述の実施形態を変更し得ることが明らかであろう。
【００５４】
更に、特許請求の範囲で使用される用語は、上述の実施形態の要素に限定されると理解されるべきではなく、当業者がその一般知識から推測可能な同等の全ての要素を包含すると理解されるべきである。
【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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