(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力端子(5)と電池(1)との間に、電池(1)の保護部品(2)を接続しており、この保護部品(2)が、電池(1)と直列に接続されて、設定温度よりも高温になると電気抵抗が大きくなって電池(1)に流れる電流を制限する感熱遮断素子(4)を備えるパック電池であって、
保護部品(2)が電池(1)の凸部電極(1B)の反対側の端面に対向して配設されると共に、保護部品(2)の感熱遮断素子(4)が、基板(7)と、この基板(7)に積層して固定している素子本体(4X)とを備え、素子本体(4X)は設定温度よりも高くなると電気抵抗が大きくなるシート状の感熱層(4A)と、この感熱層(4A)の両面に電気接続して積層している第１電極層(4B)及び第２電極層(4C)とを備え、基板(7)は電池(1)と対向する表面に素子本体(4X)を積層して、電池(1)との対向面の反対側の外側面に出力端子(5)を固定しており、電池(1)と保護部品(2)をケース(16)に収納しており、基板(7)の外側面にケース端面を積層すると共に、このケース(16)に逆挿入阻止部(17)を設けている保護部品を有するパック電池。
【請求項２】
素子本体(4X)がＰＴＣである請求項１に記載の保護部品を有するパック電池。
【請求項３】
感熱遮断素子(4)が、素子本体(4X)の片面に基板(7)を積層して、他の片面に絶縁プレート(8)を積層しており、基板(7)と絶縁プレート(8)に導電パターン層(10)、(11)を設けており、この導電パターン層(10)、(11)は基板(7)と絶縁プレート(8)を貫通するスルーホール(12)を介して第１電極層(4B)と第２電極層(4C)に接続しており、基板(7)の導電パターン層(10)を出力端子(5)に接続して、絶縁プレート(8)の導電パターン層(11)を電池(1)に接続している請求項１に記載の保護部品を有するパック電池。
【請求項４】
電池(1)に接続されて電池電圧が設定電圧よりも高くなると発熱する発熱素子(3)を基板(7)の外側面に設けている請求項１に記載の保護部品を有するパック電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池を加熱から保護する保護部品と、この保護部品を備えるパック電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池は、加熱されると電池としての性能が著しく低下する性質がある。二次電池の異常な温度上昇を防止するために、パック電池は保護部品を内蔵している。保護部品は、電池温度が設定温度よりも高くなると電流を遮断するＰＴＣ等の感熱遮断素子を内蔵している。
【０００３】
図１と図２は保護部品２２を内蔵するパック電池の回路図である。これ等のパック電池に内蔵される保護部品２２は、電池２１と出力端子２５との間に接続している感熱遮断素子２４を備える。図２のパック電池に内蔵される保護部品２２は、電池２１と並列に接続している発熱素子２３を感熱遮断素子２４に熱結合するようにして設けている。発熱素子２３は、図３に示す電圧−電流特性を示し、設定電圧よりも高い状態で電気抵抗が小さくなって電流が増加する定電圧特性を有する素子である。発熱素子２３は、電池電圧が設定電圧よりも高くなると電流が増加して発熱し、熱結合している感熱遮断素子２４を加熱する。感熱遮断素子２４はＰＴＣで、設定温度よりも高温になると、電気抵抗が急激に増加して電池に流れる電流を制限する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図２に示す保護部品２２は、二次電池２１の過充電を保護できる。しかしながら、この構造を実現する保護部品２２は、発熱素子２３とＰＴＣを内蔵し、かつ、発熱素子２３とＰＴＣとを熱結合して独特の配列で配設する必要があって、製造コストが高くなり、また大きくなる欠点がある。また、発熱素子２３と感熱遮断素子２４を理想的な状態で熱結合するのも難しい。熱結合が充分でないと、発熱素子の発熱で感熱遮断素子を有効に加熱できなくなって、感熱遮断素子の抵抗増加に時間遅れが発生し、あるいは、定温で正常に動作しなくなる欠点もある。さらに、図１の保護部品２２は、感熱遮断素子２４でもって電池温度を速やかに検出するようにして、簡単な構造でパック電池に内蔵させるのが難しい。とくに、出力端子２５と感熱遮断素子２４の両方を簡単な構造でパック電池の定位置にしっかりと配置するのが難しい。
【０００５】
本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、極めてシンプルな構造で感熱遮断素子を理想的な状態に配置でき、さらに、加工性を向上して、安価に多量生産できる保護部品を内蔵するパック電池を提供することにある。
さらに、本発明の他の大切な目的は、発熱素子と感熱遮断素子とを理想的な状態に配列してコンパクトにできる保護部品を内蔵するパック電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のパック電池は、出力端子５と電池１との間に、電池１の保護部品２を接続している。この保護部品２は、電池１と直列に接続されて、設定温度よりも高温になると電気抵抗が大きくなって、電池１に流れる電流を制限する感熱遮断素子４を備える。保護部品２は、電池１の凸部電極１Ｂの反対側の端面に対向して配設されている。保護部品２の感熱遮断素子４は、基板７と、この基板７に積層して固定している素子本体４Ｘとを備える。素子本体４Ｘは、設定温度よりも高くなると電気抵抗が大きくなるシート状の感熱層４Ａと、この感熱層４Ａの両面に電気接続して積層している第１電極層４Ｂ及び第２電極層４Ｃとを備える。基板７は、電池１と対向する表面に素子本体４Ｘを積層して、電池１との対向面の反対側の外側面に出力端子５を固定している。
【０００７】
素子本体４Ｘは、ＰＴＣとすることができる。感熱遮断素子４は、素子本体４Ｘの片面に基板７を積層して、他の片面に絶縁プレート８を積層することができる。この感熱遮断素子４は、基板７と絶縁プレート８に導電パターン層１０、１１を設けて、この導電パターン層１０、１１を、基板７と絶縁プレート８を貫通するスルーホール１２を介して第１電極層４Ｂと第２電極層４Ｃに接続すると共に、基板７の導電パターン層１０を出力端子５に接続して、絶縁プレート８の導電パターン層１１を電池１に接続することができる。
【０００８】
さらに、本発明のパック電池は、電池１と保護部品２をケース１６に収納して、基板７の外側面にケース端面を積層すると共に、このケース１６に逆挿入阻止部１７を設けることができる。このパック電池は、逆挿入阻止部１７によって、パック電池の向きを特定できるので、充電器や電気機器等に誤った向きで装着されるのを確実に防止できる。
【０００９】
さらに、本発明のパック電池は、電池１に接続されて電池電圧が設定電圧よりも高くなると発熱する発熱素子３を基板７の外側面に設けることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのパック電池を例示するものであって、本発明はパック電池を以下のものに特定しない。
【００１１】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１２】
図４の回路図に示すパック電池は、二次電池１に保護部品２を接続している。保護部品２は、発熱素子３と感熱遮断素子４とを備え、発熱素子３を二次電池１と並列に接続して、感熱遮断素子４を出力端子５と二次電池１との間に接続している。
【００１３】
発熱素子３は、図３に示すように、電池に並列に接続されて電池電圧が設定電圧よりも高くなると、電流が増加して発熱する特性を示すものが全て使用できる。最も簡単な発熱素子３は、定電圧ダイオード３Ａである。ただ、定電圧ダイオード３Ａのみでは、図３に示す理想的な電圧−電流特性を実現するのが難しい。好ましい発熱素子３は、図４に示すように、定電圧ダイオード３Ａとスイッチング素子３Ｂを組み合わせた回路、あるいは、さらに複雑な回路でより理想に近い定電圧特性のものである。なお、スイッチング素子と並列にダイオードを接続し、当該ダイオードを利用して、二次電池の逆充電時にダイオードが発熱するようにして、これを感熱遮断素子に熱結合するようにしてもよい。スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを使用すれば、当該ＦＥＴの寄生ダイオードが上記ダイオードの代わりとなる。また、スイッチング素子と直列に抵抗素子を接続し、当該抵抗素子の熱も感熱遮断素子に伝えるようにしてもよい。
【００１４】
発熱素子３は、充電される電池１の電圧が設定電圧よりも高くなると電気抵抗が低下して、両端の電圧を一定に保持する。したがって、電池電圧が設定電圧よりも高くなると、充電電流をバイパスして電池１に電流を流さないように制御する。この状態で発熱素子３に流れる電流は、ジュール熱で発熱素子３を加熱する。
【００１５】
感熱遮断素子４は、発熱素子３に熱結合して配設されて、発熱素子３の発熱で加熱される。感熱遮断素子４は、設定温度よりも高温に加熱されると、電気抵抗が急激に増加する素子であって、たとえば、ＰＴＣが使用できる。ただし、感熱遮断素子４には、設定温度よりも高く加熱されると電気抵抗が増加する全ての素子が使用できる。感熱遮断素子４は、出力端子５と二次電池１との間に接続されている。したがって、感熱遮断素子４が設定温度よりも高温になると、電気抵抗が大きくなって二次電池１に流れる電流を制限する。感熱遮断素子４は、設定温度よりも高温になると、電気抵抗が大きくなって実質的に電流を遮断する素子である。したがって、多少は電流が流れることもある。
【００１６】
図４の保護部品２は、充電される電池１の電圧が設定電圧よりも高くなると、発熱素子３に流れる電流が大きくなって発熱素子３が発熱し、発熱した発熱素子３が感熱遮断素子４を加熱して二次電池１に流れる電流を制限する。
【００１７】
保護部品２の断面構造を図５に示す。この保護部品２の感熱遮断素子４は、基板７と、この基板７に積層して固定している素子本体４Ｘと、素子本体４Ｘに積層している絶縁プレート８とを備え、基板７と絶縁プレート８で素子本体４Ｘを挟着する積層構造としている。
【００１８】
基板７と絶縁プレート８は、ガラスエポキシ等のプラスチック製の硬質絶縁基板である。基板７は、出力端子５を固定している。出力端子５は、保護部品２を内蔵するパック電池の出力端子である。図の保護部品２は、正負の出力端子５と検出端子６を基板７に固定しているが、出力端子のみを基板に設けることもできる。基板７は、表面に導電パターン層１０を積層して、この導電パターン層１０に半田付けやスポット溶接して出力端子５と検出端子６を接続している。さらに、基板７は、導電パターン層１０に発熱素子３を半田付けして接続している。さらにまた、基板７と絶縁プレート８は、導電パターン層１０、１１に二次電池１の電極に接続される電極接続リード９を半田付けやスポット溶接で接続している。以上の感熱遮断素子４は、基板７と絶縁プレート８で素子本体４Ｘを挟着するので、発熱素子３と電極接続リード９をしっかりと固定できると共に、素子本体４Ｘの両面を保護できる特長がある。ただ、保護部品は、絶縁プレートを絶縁シートとすることもできる。
【００１９】
素子本体４Ｘは、設定温度よりも高くなると電気抵抗が大きくなるシート状の感熱層４Ａと、この感熱層４Ａの両面に電気接続して積層している第１電極層４Ｂ及び第２電極層４Ｃとを備える。
【００２０】
図６は図５に示す保護部品２の底面図であり、図７は図５に示す保護部品２の感熱遮断素子４を構成している各々の層の平面図である。これ等の図に示す保護部品２は、上から順番に出力端子５、導電パターン層１０、基板７、第１電極層４Ｂ、感熱層４Ａ、第２電極層４Ｃ、絶縁プレート８、導電パターン層１１を積層して接着している。導電パターン層１０、１１は、導電製金属の薄膜で、基板７と絶縁プレート８の表面に積層して固定される。
【００２１】
基板７は、出力端子５と検出端子６と発熱素子３と電極接続リード９を接続するために、絶縁して５つの導電パターン層１０を設けている。第１導電パターン層１０Ａと第３導電パターン層１０Ｃには、＋−の出力端子５を設けている。第１導電パターン層１０Ａは、基板７を絶縁するスルーホール１２を介して、素子本体４Ｘの第１電極層４Ｂに接続している。第２導電パターン層１０Ｂには、検出端子６を設けている。さらに、検出端子６を設けた第２導電パターン層１０Ｂと、一方の出力端子５を設けた第３導電パターン層１０Ｃは、判別抵抗１５を介して接続している。この判別抵抗１５は、図４の回路図で示すように、一方の出力端子５と検出端子６と間に接続された抵抗である。この判別抵抗１５の両端にかかる電圧値が、パック電池が装着される機器側で検出されると、この電圧値と抵抗値から電流値が演算されて、この電流値からパック電池の機種が判別される。したがって、この検出端子６は、パック電池の機種を判別する端子に使用できる。第４導電パターン層１０Ｄと第５導電パターン層１０Ｅには、発熱素子３に設けている一対の電極を接続している。第４導電パターン層１０Ｄは、基板７と第１電極層４Ｂと感熱層４Ａとを絶縁状態で貫通するスルーホール１２を介して、第２電極層４Ｃに接続している。さらに、第５導電パターン層１０Ｅには、第２電極接続リード９Ｂを接続している。
【００２２】
絶縁プレート８は、その表面に、絶縁して二つの導電パターン層１１を設けている。一方の導電パターン層１１である第１導電パターン層１１Ａは、第１電極接続リード９Ａを接続している。さらに、第１導電パターン層１１Ａは、絶縁プレート８を貫通するスルーホール１２を介して、素子本体４Ｘの第２電極層４Ｃに接続している。他方の導電パターン層１１である第２導電パターン層１１Ｂは、絶縁プレート８と素子本体４Ｘと基板７とを絶縁状態で貫通する２つのスルーホール１２を介して、基板７に設けている第３導電パターン層１０Ｃと第５導電パターン層１０Ｅとに接続している。
【００２３】
感熱遮断素子４は、一対の電極接続リード９を介して二次電池１の＋−の電極に接続される。一方の電極接続リード９である第１電極接続リード９Ａは、第１導電パターン層１１Ａ、スルーホール１２、素子本体４Ｘ、スルーホール１２、第１導電パターン層１０Ａを介して出力端子５に接続される。他方の電極接続リード９である第２電極接続リード９Ｂは、第５導電パターン層１０Ｅ、スルーホール１２、第２導電パターン層１１Ｂ、スルーホール１２、第３導電パターン層１０Ｃを介して出力端子５に接続している。図５に示す電極接続リード９は、第１電極接続リード９Ａを基板７の表面に、第２電極接続リード９Ｂを絶縁プレート８の表面に接続している。ただ、一対の電極接続リードは、両方を基板の表面に接続することも、両方を絶縁プレートの表面に接続することもできる。
【００２４】
以上の保護部品２は、図４に示す回路図のパック電池に使用される。このパック電池は、図８に示すように保護部品２を二次電池１に接続している。パック電池に内蔵される二次電池１は、リチウムイオン電池、ニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池等の充電できる二次電池である。さらに、図の二次電池１は、端面の形状を細長い形状とする薄型電池や角型電池である。このパック電池は、二次電池１の凸部電極１Ｂ側の反対側の端面に対向して保護部品２を配設している。保護部品２の外形は、二次電池１の端面形状にほぼ等しく、あるいは端面形状よりもわずかに小さく、二次電池１の端面の外周からはみ出さないように、端面に密着して、あるいは端面に接近して配設される。この保護部品２は、もっとも高いスペース効率でパック電池に内蔵される。
【００２５】
保護部品２は、一方の電極接続リード９である第１電極接続リード９Ａを外装缶１Ａに、他方の電極接続リード９である第２電極接続リード９Ｂを凸部電極１Ｂにスポット溶接等の方法で接続している。図のパック電池は、たとえば、ニッケルとアルミニウムのクラッド材１３を介して、第１電極接続リード９Ａを外装缶１Ａに接続している。この構造は、アルミニウム缶に電極接続リード９を接続するのに適している。第２電極接続リード９Ｂと二次電池１との間には、絶縁シート１４を配設している。ただし、図８では、電極接続リード９と絶縁シート１４とをわかりやすくするために、これらを実際よりも厚く表示している。現実には、電極接続リード９は薄い金属板であり、絶縁シート１４はうすいシート材である。したがって、電池端面に配置される保護部品２は、実際には、電池端面にほぼ密着する状態で配置される。
【００２６】
さらに、パック電池は、図８と図９に示すように、二次電池１と保護部品２とをケース１６に収納している。ケース１６はプラスチック製で、二次電池１と保護部品２を入れることができる形状に成形されている。図のケース１６は、第１ケース１６Ａと第２ケース１６Ｂとからなり、内部に二次電池１と保護部品２とを収納して、第１ケース１６Ａと第２ケース１６Ｂの開口部を閉塞して組み立てられる。第１ケース１６Ａと第２ケース１６Ｂは、超音波溶着して連結される。ただ、第１ケース１６Ａと第２ケース１６Ｂは、接着し、あるいは嵌着して連結することもできる。さらに、ケース１６は、保護部品２が収納される側の端面に位置して、プリント基板４に固定している出力端子５と検出端子６とを外部に表出させる端子窓１８を開口している。
【００２７】
さらに、ケース１６は、パック電池が電気機器等に誤った向きで装着されるのを防止する逆挿入阻止部１７を備える。ケース１６は、保護部品２が収納される側の端部に逆挿入阻止部１７を設けている。図の逆挿入阻止部１７は、ケース１６のコーナー部を切除して成形された凹部である。ただ、逆挿入阻止部は、ケース端面に開口部を有する凹部として、コーナー部以外の部分に設けることもできる。凹部である逆挿入阻止部１７は、これに対向する嵌入凸部が嵌入されてパック電池が正しい向きで装着される。図示しないが、パック電池が装着される電気機器の装着部には、この逆挿入阻止部１７に嵌入される嵌入凸部を設けている。したがって、パック電池が正しい向きで装着部に挿入されると、逆挿入阻止部１７に嵌入凸部が嵌入される状態となって正しく装着される。パック電池が誤った向きで装着部に挿入されると、嵌入凸部の先端面がケース１６の端面に当接してパック電池の装着が阻止される。
【００２８】
図のケース１６は、四隅のコーナー部のうち、長辺の両側に位置して隣り合うコーナー部にそれぞれ逆挿入阻止部１７を設けている。このように２つの逆挿入阻止部１７を離れた位置に配置する構造は、最も簡単な構造で確実にパック電池の逆挿入を阻止できる。ただ、ケースは、１つの逆挿入阻止部を設けることも、３つ以上の逆挿入阻止部を設けることもできる。複数の逆挿入阻止部を設ける構造は、これらの位置関係がケースの端面において点対称とならないように配置して、パック電池が逆向きに装着されるのを阻止できる。
【００２９】
さらに、パック電池は、図１０と図１１に示す構造とすることもできる。図１０に示す保護部品２は、発熱素子を備えていない。この保護部品２は、感熱遮断素子４と温度検出素子１９を備え、感熱遮断素子４を出力端子５と二次電池１との間に接続し、温度検出素子１９を出力端子５と検出端子６の間に接続している。感熱遮断素子４は、図１１に示すように、基板７と絶縁プレート８で素子本体４Ｘを挟着する積層構造としている。この保護部品２も素子本体４Ｘの両面を基板７で挟着するので、一対の電極接続リード９と出力端子５と検出端子６とをしっかりと固定できると共に、素子本体４Ｘの両面を保護できる特長がある。さらに、保護部品２は、感熱遮断素子４の基板７の表面に温度検出素子１９を配設している。温度検出素子１９は、電池温度を検出するサーミスタや温度センサー等である。したがって、このパック電池の検出端子６は、電池の温度検出に使用される。
【００３０】
このパック電池も、二次電池１の凸部電極１Ｂ側の反対側の端面に対向して保護部品２を配設している。保護部品２は、基板７の外側面に温度検出素子１９を固定しているので、二次電池１の端面に密着して、あるいは端面に接近して配設できる。この保護部品２は、発熱素子を備えていないが、感熱遮断素子４を外装缶１Ａに密着して配設できるので、高温となった二次電池１で直接に加熱される。したがって、この保護部品２も、二次電池１が高温になると感熱遮断素子４を確実かつ速やかに動作させて、二次電池１に流れる電流を制限できる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のパック電池は、極めてシンプルな構造で感熱遮断素子を理想的な状態に配置でき、さらに、加工性を向上して、安価に多量生産できる特長がある。それは、本発明のパック電池が、基板に素子本体を積層して固定している感熱遮断素子を備える保護部品を電池の凸部電極の反対側の端面に対向して配設しており、この感熱遮断素子が、基板の電池と対向する表面に素子本体を積層すると共に、反対側の外側面に出力端子を固定しているからである。この構造のパック電池は、保護部品を電池の凸部電極の反対側の端面に対向して配設して、感熱遮断素子の素子本体を電池の端面により接近させる状態で配置できるので、感熱遮断素子を理想的な状態に配置しながら、電池の発熱で効率よく感熱遮断素子を加温して、感熱遮断素子の感温性を向上できる。さらに、感熱遮断素子は、出力端子を設けた基板に、シート状の感熱層の両面に第１電極層と第２電極層を積層した素子本体を積層するので、これらの加工性を向上して安価に多量生産できる。とくに、この保護部品は、熱遮断素子を大きくできるので、通電状態における内部抵抗を小さくできる特長もある。
【００３２】
さらに、本発明の請求項５のパック電池は、発熱素子と感熱遮断素子とを理想的な状態に配列してコンパクトにできる特長がある。それは、このパック電池の保護部品が、電池電圧が設定電圧よりも高くなると発熱する発熱素子を基板の外側面に設けているからである。この保護部品は、極めて簡単な構造として、発熱素子と感熱遮断素子とを理想的に配列できるので、これらを確実に熱結合させて、発熱素子の発熱で感熱遮断素子を有効に加熱して正常に動作できると共に、安価に多量生産して、しかもコンパクトにできる。とくに、発熱素子を基板の外側面に設ける構造は、感熱遮断素子を電池と発熱素子とで両面から加熱できるので、感熱遮断素子を確実かつ速やかに動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の保護部品を内蔵するパック電池の一例を示す回路図
【図２】従来の保護部品を内蔵するパック電池の他の一例を示す回路図
【図３】発熱素子の電圧−電流特性を示すグラフ
【図４】本発明の一実施例にかかるパック電池の回路図
【図５】図４に示すパック電池の保護部品の概略拡大断面図
【図６】図５に示す保護部品の底面図
【図７】図５に示す保護部品の感熱遮断素子を構成している各層の平面図
【図８】図４に示すパック電池の概略断面図
【図９】図８に示すパック電池の斜視図
【図１０】本発明の他の実施例にかかるパック電池の回路図
【図１１】図１０に示すパック電池の概略断面図
【符号の説明】
１…電池                １Ａ…外装缶
１Ｂ…凸部電極
２…保護部品
３…発熱素子            ３Ａ…定電圧ダイオード
３Ｂ…スイッチング素子
４…感熱遮断素子        ４Ｘ…素子本体
４Ａ…感熱層
４Ｂ…第１電極層
４Ｃ…第２電極層
５…出力端子
６…検出端子
７…基板
８…絶縁プレート
９…電極接続リード      ９Ａ…第１電極接続リード
９Ｂ…第２電極接続リード
１０…導電パターン層    １０Ａ…第１導電パターン層
１０Ｂ…第２導電パターン層
１０Ｃ…第３導電パターン層
１０Ｄ…第４導電パターン層
１０Ｅ…第５導電パターン層
１１…導電パターン層    １１Ａ…第１導電パターン層
１１Ｂ…第２導電パターン層
１２…スルーホール
１３…クラッド材
１４…絶縁シート
１５…判別抵抗
１６…ケース            １６Ａ…第１ケース
１６Ｂ…第２ケース
１７…逆挿入阻止部
１８…端子窓
１９…温度検出素子
２１…電池
２２…保護素子
２３…発熱素子
２４…感熱遮断素子
２５…出力端子
【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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