(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状の正極芯体の両面に正極活物質層が形成された正電極板と、帯状の負極芯体の両面に負極活物質層が形成された負電極板とが、これらの間にセパレータを介在して渦巻状に巻回されてなる電池用渦巻状電極群において、
巻回内方側に位置する一方の前記電極板は、巻始めの少なくとも１周分の前記芯体に対する内面側と巻終わりの少なくとも１周分の前記芯体に対する外面側とに、前記活物質層が形成されずに前記芯体が露出した活物質層未形成部が設けられ、
巻回外方側に位置する他方の前記電極板は、前記一方の電極板に対し少なくとも１周分だけ短い位置に終端を有する長さに設定された前記芯体の両面全体に前記活物質層が形成され、
一対の前記セパレータは、前記他方の電極板の終端とほぼ同じ同一位置に終端を有する互いに同一長さに設定されていることを特徴とする電池用渦巻状電極群。
【請求項２】
一方の電極板は、アルミニウム製正極芯体を有する正電極板である請求項１に記載の電池用渦巻状電極群。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電池用渦巻状電極群が一方の極を構成する電池ケース内に挿入されているとともに、最外周に位置する一方の電極板の活物質未形成部における露出状態の少なくとも１周分の芯体が前記電池ケースの内周面に接触されていることを特徴とする電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正電極板と負電極板とをこれらの間にセパレータを介在して積層した帯状電極群を渦巻状に巻回した構成を有する、主としてリチウム電池などの非水電解液電池に用いられる渦巻状電極群およびそれを用いて構成した、主として角形の非水電解液電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、ＡＶ機器あるいはパソコンや携帯形通信機器などの電気機器のポータブル化やコードレス化が急速に促進されている。これら電気機器の駆動用電源としては、従来においてニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池が主に用いられていたが、近年では、特に、急速充電が可能でエネルギ密度が高く、高い安全性を有するリチウム電池に代表される非水電解液（有機溶媒系電解液）電池が主流になりつつある。この非水電解液電池では、高エネルギ密度や負荷特性に優れた密閉型とし、また、機器の薄型化に適し、各スペース使用効果が高い角形とすることが促進されている。さらに、これらの電池には、ポータブル形電気機器の高性能化および高機能化が進むのに伴って、より高電圧および高容量化のものが要望されており、このようなよう要求を満たすために、正電極板と負電極板とをこれらの間にセパレータを介在して積層した帯状電極群を渦巻状に巻回してなる渦巻状電極群を用いて構成したものが広く一般的に用いられている。
【０００３】
さらに、上記の渦巻状電極群を用いる非水電解液電池では、電池としての重量エネルギ密度および体積エネルギ密度を共に大きくすることによって一層の高容量化が促進されている。図３は、そのような高容量化を図った角型電池に用いられている渦巻状電極群の構成要素である正，負の電極板１，２および一対のセパレータ３，３の巻回前の相対位置関係を示した切断側面図である。同図において、正電極板１は、一般にアルミニュウム箔からなる帯状の正極芯体１ａの両面に、正極活物質を塗着したのち圧延および乾燥されてなる正極活物質層１ｂを形成して構成されている。負電極板２は、一般に銅箔からなる帯状の負極芯体２ａの両面に、負極活物質を塗着したのち圧延および乾燥されてなる負極活物質層２ｂを形成して構成されている。
【０００４】
上記両電極板１，２は、負電極板２が巻回内方側に位置する配置でこれらの間にセパレータ３，３を介在して積層した状態で、一対の巻芯４，４が両セパレータ３，３の各始端を両側から挟み込んで図示矢印方向に回転することにより巻回されて、図４の角形電池の横断面図に示すように、偏平な渦巻状電極群７とされたのちに、電池ケース８内に挿入される。この渦巻状電極群７は、電池ケース８内に注入される非水電解液（図示せず）と共に電池の発電要素を構成する。
【０００５】
なお、図３において、Ｒ0 〜Ｒ11は、一対の巻芯４，４が半回転する毎に巻回される長さ分の巻き順を示している。一対の巻芯４，４は、巻回後の渦巻状電極群７を巻芯４，４から取り出し易くすることを目的として、僅かに位置をずらせて配置されており、この両巻芯４，４が半回転するときに巻回される渦巻きの半周分の長さＲ1 〜Ｒ11は両巻芯４，４の各々の外方側の端部間の距離に相当する。また、図４は、渦巻状電極群７の主として巻始め部分と巻終わり部分の構成を容易に理解できるように模式的に図示したものであって、実際の形態とはかなり相違している。例えば、巻き回数は図３に対応させていなく、各電極板１，２およびセパレータ３，３の各間は巻き締め状態とせずに離間して図示してあり、渦巻状電極群７と電池ケース８との間は、図示の便宜上、実際とは異なる大きな隙間になっている。
【０００６】
上記渦巻状電極群７は、電池としての重量エネルギ密度および体積エネルギ密度を共に大きくするために、以下のような構成を設けている。すなわち、負電極板２には、その巻始め側の一周相当部分の内面側に負極活物質層２ｂが形成されずに負極芯体２ａが露出した活物質未形成部２ｃが設けられ、正電極板１には、その巻終わり側の一周相当部分の外面側に正極活物質層１ｂが形成されずに正極芯体１ａが露出した活物質未形成部１ｃが設けられている。
【０００７】
これは、図４から明らかなように、各活物質未形成部１ｃ，２ｃにセパレータ３を介して対向する側に化学反応するための逆極性の活物質層２ｂ，１ｂがそれぞれ存在しないことから、各活物質未形成部１ｃ，２ｃとした芯体１ａ，２ａの部分に活物質層１ｂ，２ｂを形成しても、その活物質層１ｂ，２ｂが充放電に何ら関与しない不要なものとなるだけでなく、その不要な活物質層の厚み分だけ発電要素が厚くなり、電池としての重量エネルギ密度および体積エネルギ密度が減少するからである。これにより、この渦巻状電極群７は、一定容積の電池ケース８に対し不要な活物質層を削除した分だけ両電極板１，２の長さを長く、或いは活物質層１ｂ，２ｂを厚くして容量アップを図ることができる。
【０００８】
また、上記渦巻状電極群７では、負電極板２における巻始め端より突出させた負極芯体２ａに負極リード１０を取り付けるとともに、正電極板１における巻終わり端より突出させた正極芯体１ａに正極リード９を取り付けている。これに対し以前の渦巻状電極群では、正極および負極の各活物質層の一部を削り落とした部分にリードを取り付けたり、リードを活物質層に直接かしめ加工して取り付けていたので、その取り付けられた正，負の各リードがこれらと逆極性の活物質層に対向配置されて、その分だけ容量ダウンを招いていたが、このような欠点は上記渦巻状電極群７において解消されている。
【０００９】
さらに、以前では、セパレータを巻芯のスリットに挿通させて２回程度空巻きしたのちに、正，負の電極板を送り込んで渦巻状に巻回していたので、巻始め部分においてセパレータの無駄な部分が存在していた。これに対し上記渦巻状電極群７では、これの巻回工程の終わりに２枚のセパレータ３，３をテンションをかけた状態で重ねて各々の同一位置をカッタで同時に切断し、つぎの巻回工程において、２枚のセパレータ３，３の各々の同一切断箇所を揃えた巻始め部分と負電極板２における負極リード１０を設けた負極芯体２ａとを一対の巻芯４，４で挟んで巻回しているので、巻始め部分でのセパレータ３，３の無駄が低減されている。なお、２枚のセパレータ３，３を同一位置で切断しているのは、もし仮に異なる位置で切断すると、２枚のセパレータ３，３の巻始め端が不揃いとなって巻芯４，４による巻回作業が装置の構成上から非常に困難になるためである。なお、正，負の電極板１，２は、巻回前に予め所定の長さに切断されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の非水電解液電池では、一般に、電池ケース８をアルミニウムで形成するとともに電池の正極側として構成している。このアルミニウムで電池ケース８を構成しているのは、この種の電池の電池ケースの材料として以前から用いられていたステンレスが長期間の保存中にステンレス中の鉄成分が鉄イオンとなって溶解し、この溶解反応が続くと、一部に腐食孔があく欠点があるためである。これに対しアルミニウムは、ステンレスに比較して溶解され難いことから、腐食を防止することができ、しかも、比重が小さいことから、軽量化に伴い電池としての重量エネルギ密度の向上を図れる利点がある。また、正極芯体１ａの材料としてアルミニウムを用いているのは、軽量化に伴って重量エネルギ密度の向上を図れるからである。
【００１１】
したがって、上記渦巻状電極群７における正電極板１の最外周に位置する活物質未形成部１ｃに露出している正極芯体１ａは、同金属で且つ同じ正極である電池ケース８の内周面に接触しても何ら不都合が生じないだけでなく、むしろ露出した正極芯体１ａの１周分を電池ケース８の内周面に接触させれば、正極端子部分での接触面積が格段に大きなって良好な電気的接続を得られるので、効率的な集電が可能となって放電特性を格段に向上させることが可能となる。
【００１２】
しかしながら、上記渦巻状電極群７では、上述のように２枚のセパレータ３，３の各終端を製造上の関係から同一位置で切断する必要があるとともに、この各セパレータ３，３における最外周の１周部分の間に正電極板１が介在しているため、各セパレータ３，３の終端を正電極板１の終端を過ぎた位置に止むなく設定しなければならない。そのため、上記渦巻状電極群７を用いた電池では、活物質未形成部１ｃの正極芯体１ａを電池ケース８の内周面に接触させられないだけでなく、外側のセパレータ４における最外周の１周分以上が何の機能をも果たさない全く不要なものになっており、このセパレータ４の無駄な不要部分３ａの容積分だけ活物質層１ｂ，２ｂの量が減少することになり、電池としての体積エネルギ密度が低くなっている。また、上記電池では、活物質未形成部１ｃの正極芯体１ａを電池ケース８の内周面に接触させることができず、正極リード９を封口板（図示せず）にレーザ溶接することによって電気的接続しているが、集電効率が悪いことから十分な放電特性が得られない。
【００１３】
上記とは別に、正電極板における最外周の１周分の正極活物質層を脱落させることによって露出した正極芯体を正極のアルミニウム製電池ケースの内周面に接触させる構成を有する非水電解液電池が提案されている（特開平6-163025号公報参照）。ところが、この非水電解液電池では、円形に巻回した渦巻状電極群を偏平形状に強制的に変形させながら角形または長円形の電池ケースに挿入することにより、露出状態の正極芯体と電池ケースの内周面とを、渦巻状電極群の円形に戻ろうとする復元力で接触圧を高めた状態で電気的接続状態に接触させる技術が単に示されているだけである。すなわち、上記公報には、渦巻状電極群の体積エネルギ密度および重量エネルギ密度を高める構成との具体的な関連は何ら開示されていないことから、出来る限り容量アップを図った構成を備えた渦巻状電極群を用いながら放電特性の向上を得ることの電池を具現化できない。
【００１４】
そこで、本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたもので、重量エネルギ密度および体積エネルギ密度の可及的な向上を図った電池用渦巻状電極群およびその電極群を用いて放電特性の向上を図れる構造とした電池を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電池用渦巻状電極群は、帯状の正極芯体の両面に正極活物質層が形成された正電極板と、帯状の負極芯体の両面に負極活物質層が形成された負電極板とが、これらの間にセパレータを介在して渦巻状に巻回されてなるものにおいて、巻回内方側に位置する一方の前記電極板が、巻始めの少なくとも１周分の前記芯体に対する内面側と巻終わりの少なくとも１周分の前記芯体に対する外面側とに、前記活物質層が形成されずに前記芯体が露出した活物質層未形成部が設けられ、巻回外方側に位置する他方の前記電極板が、前記一方の電極板に対し少なくとも１周分だけ短い位置に終端を有する長さに設定された前記芯体の両面全体に前記活物質層が形成され、一対の前記セパレータが、前記他方の電極板の終端とほぼ同じ同一位置に終端を有する互いに同一長さに設定されていることを特徴としている。
【００１６】
この電池用渦巻状電極群では、一方の電極板における二つの活物質未形成部との対向箇所に化学反応するための他方の極の活物質層がそれぞれ存在しないので、充放電に何ら関与しない不要な活物質層を一切削除した構成になっている。また、最外周の１周を一方の電極板の活物質未形成部で形成しているから、電池ケースが一方の電極板と同極である場合には、活物質未形成部において露出している一方の極の１周分の芯体を電池ケースの内周面に接触させることができる。そのため、他方の電極板および一対のセパレータは何れも一方の電極板に対し約１周分だけ短くできるから、製造上の制約から同一位置で切断する必要がある一対のセパレータは、一方の電極板に対し１周分だけ手前の同一位置を終端に設定することが可能となる。その結果、両セパレータは従来と比較して合計で２周分を短縮することができ、そのセパレータを短くできる分だけ正，負両極の活物質層の厚みまたは長さを大きく設定することができるから、電池としての重量エネルギ密度および体積エネルギ密度の増大を図ることができる。
【００１７】
上記発明における一方の電極板は、アルミニウム製正極芯体を有する正電極板とすることが好ましい。これにより、非水電解液電池において一般的に用いられて正極を構成するアルミニウム製電池ケースに挿入して、正極芯体を同金属で同一極の電池ケースの内周面に接触させて極めて良好な電気的接続を得ることができる。また、正極芯体として一般的に用いられているアルミニウム箔は、強度が弱い上に伸びたり切断したりし易いので、間欠的な正極活物質未形成部を形成することが非常に困難であったが、共に１周分の同じ長さに設定された二つの正極活物質未形成部を正極芯体の互いに反対側面における巻始め部分と巻終わり部分とに形成するので、この二つの正極活物質未形成部は、近年において確立された新しい塗工技術である位相差塗工方式を活用して容易に形成することが可能となる。
【００１８】
また、本発明の電池は、上記発明に係る電池用渦巻状電極群が一方の極を構成する電池ケース内に挿入するとともに、最外周に位置する一方の電極板の活物質未形成部における露出状態の少なくとも１周分の芯体を前記電池ケースの内周面に接触させて構成されていることを特徴としている。
【００１９】
この電池では、一方の電極板の１周分の芯体と電池ケースの内周面とが互いに接触することによって電気的接続のための大きな接触面積を確保しているので、良好な電気的接続が得られることから、電池内部で生じた化学エネルギを電気エネルギとして効率良く集電することができ、放電特性が格段に向上する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る渦巻状電極群１３における各構成要素である正，負の電極板１１，１２および一対のセパレータ３，３の巻回前の相対位置関係を示した切断側面図であり、同図において、図３と同一若しくは同等のものには同一の符号を付してある。正電極板１１は、アルミニュウム箔からなる帯状の正極芯体１１ａの両面に、正極活物質を塗着したのち圧延および乾燥されてなる正極活物質層１１ｂを形成して構成されており、負電極板１２は、銅箔からなる帯状の負極芯体１２ａの両面に、負極活物質を塗着したのち圧延および乾燥されてなる負極活物質層１２ｂを形成して構成されている。
【００２１】
上記渦巻状電極群１３は、電池の正極を構成するアルミニウム製電池ケース８内に挿入するものを例示してあり、電池ケース８と同極の正電極板１１を負電極板１２に対し巻回内方側に配置している点において図３と相違している。また、正電極板１１には、巻始め側の一周相当部分の内面側および巻終わり側の１周相当部分の外面側に、正極活物質層１１ｂが形成されずに正極芯体１１ａが露出した活物質未形成部１１ｃ，１１ｄがそれぞれ設けられている。一方、負電極板１２には、活物質未形成部が設けられていない。また、負電極板１２には、巻始め端より突出させた負極芯体１２ａに負極リード１０が取り付けられており、正電極板１１には、巻終わり端より突出させた正極芯体１１ａに正極リード９が取り付けられている。
【００２２】
上記両電極板１１，１２は、これらの間にセパレータ３を介在して積層された状態で、一対の巻芯４，４が両セパレータ３，３の各々の巻始め端および負電極板１２の負極リード１０が取り付けられた負極芯体１２ａ部分を挟み込んで図示矢印方向に回転することにより巻回されて渦巻状電極群１３とされたのちに、図２の角形電池の横断面図に示すように、電池ケース８内に挿入される。この渦巻状電極群１３は、電池ケース８内に注入される非水電解液（図示せず）と共に電池の発電要素を構成する。
【００２３】
なお、図１のＲ0 〜Ｒ13は、一対の巻芯４，４が半回転する毎に巻回される渦巻状電極群１３の半周分の長さの巻き順を示している。一対の巻芯４，４は、巻回後の渦巻状電極群１３を巻芯４，４から取り出し易くすることを目的として、僅かに位置をずらせて配置されおり、この両巻芯４，４が半回転するときに巻回される渦巻きの半周分の長さは両巻芯４，４の各々の外方側の端部間の距離に相当する。この図１の巻き順Ｒ0 〜Ｒ13の長さは図３のＲ0 〜Ｒ13に対応して図示してある。すなわち、上記渦巻状電極群１３と図３に示した渦巻状電極群７とは、共に同一容量の電池ケース８に挿入するものである。
【００２４】
但し、図２は、主として渦巻状電極群１３の巻始め部分と巻終わり部分の構成を容易に理解できるように模式的に図示したものであって、実際の形態とはかなり相違している。例えば、巻き回数は図１に対応させていなく、各電極板１１，１２およびセパレータ３，３の各間は巻き締め状態とせずに離間して図示してあり、渦巻状電極群１３と電池ケース８と間は、図示の便宜上、実際とは異なる大きな隙間になっている。したがって、図２と図４とは、巻き回数などを比較できる図示になっていない。
【００２５】
図２から明らかなように、上記渦巻状電極群１３では、正電極板１１の各活物質未形成部１１ｃ，１１ｄが対向する側に化学反応するための負極活物質層１２ｂがそれぞれ存在しないので、充放電に何ら関与しない不要な正極活物質層１１ｂを削減したことになる。換言すると、上記渦巻状電極群１３に設けられている正，負極の各活物質層１１ｂ，１２ｂは全て化学反応して充放電に関与できる構造になっている。
【００２６】
図１と図３との比較から明らかなように、双方の渦巻状電極群７，１３における正極活物質層１ｂ，１１ｂおよび負極活物質層２ｂ，１２ｂは、正極芯体１ａ，１１ａおよび負極芯体２ａ，１２ａの両面側を合わせた長さの合計が何れも10周分の長さを有しており、長さにおいて同等である。また、上記渦巻状電極群１３の正極芯体１１ａは従来の渦巻状電極群７の正極芯体１ａに対し半周分長くなっているが、負極芯体１２ａが従来の渦巻状電極群７の負極芯体２ａよりも半周分短くなっており、この点においても同等である。
【００２７】
これに対し、上記渦巻状電極群１３では、最外周の１周（第11ターン目Ｒ11と第12ターン目Ｒ12の部分）を正電極板１１の正極活物質未形成部１１ｄで形成しているから、この正極活物質未形成部１１ｄにおいて露出している正極芯体１１ａを同金属で同じ正極の電池ケース８の内周面に接触させることができる。また、負電極板１２は第10ターン目Ｒ10で終わっている。したがって、製造上から共に同一位置で切断する必要がある両セパレータ３，３は、各々の第11ターン目Ｒ11と第12ターン目Ｒ12の部分が何れも不要となって、第10ターン目Ｒ10を過ぎた時点の同一位置で共に切断されている。これにより、図１と図３との比較から明らかなように、両セパレータ３，３は従来の渦巻状電極群７と比較して合計で２周分が短縮されていることになる。
【００２８】
したがって、上記渦巻状電極群１３は、同一容積の電池ケース８を用いる場合において、従来の渦巻状電極群７に対し両セパレータ３，３の長さが合計で２周分短くなった分だけ正，負両極の活物質層１１ｂ，１２ｂの厚みを大きくすることができるから、電池としての体積エネルギ密度の増大を図ることができる。一方、正，負両極の活物質層１１ｂ，１２ｂを従来の渦巻状電極群７と同一の厚みおよび長さに設定した場合には、両セパレータ３，３の長さが合計で２周分短くなる分だけ渦巻状電極群１３の厚みを小さくできるから、やはり電池としての体積エネルギ密度の他に重量エネルギ密度をも増大させることができる。
【００２９】
また、上記渦巻状電極群１３は製作面においても大きな利点を備えている。すなわち、正極芯体１１ａとして一般的に用いられているアルミニウム箔は、強度が弱い上に伸びたり切断したりし易いので、図３のような正極芯体１ａの一面側に部分的に間欠する正極活物質未形成部１ｃを形成することは、非常に困難であって実用化の可能性に乏しい。これに対し、上記渦巻状電極群１３の正電極板１１では、共に１周分の同じ長さに設定された二つの正極活物質未形成部１１ｃ，１１ｄが正極芯体１１ａの互いに反対側面における巻始め部分と巻終わり部分とに形成されている。したがって、二つの正極活物質未形成部１１ｃ，１１ｄは、近年においてロールプレスの改良に伴い確立した新たな活物質塗工技術である位相差塗工方式を活用して容易に形成することができる。
【００３０】
一方、上記渦巻状電極群１３を用いた角形電池では、最外周の１周を正電極板１１の正極活物質未形成部１１ｄで形成しているとともに、この正極活物質未形成部１１ｄの外方側にセパレータ３が介在していないので、正極活物質未形成部１１ｄにおいて露出している正極芯体１１ａの１周分を正極の電池ケース８の内周面に直接的に接触させて電気的接続を図ることができる。そのため、この角形電池は、正極リード９を封口板にレーザ溶接で接続するのに加えて、１周分の正極芯体１１ａと電池ケース８の内周面とが大きな接触面積で互いに接触することによって良好な電気的接続を得られるので、電池内部で生じた化学エネルギを電気エネルギとして効率良く集電することができ、放電特性が格段に向上する。
【００３１】
なお、電池ケースが鉄製であって負極を構成する場合には、図１における正電極板１１と負電極板１２の各々の形状および配置を互いに入れ換えた構成とすれば、上述と同様の効果を得ることができるのは言うまでもない。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明の電池用渦巻状電極群群によれば、巻回内方側に位置する電極板の巻始めの１周分の内面側と巻終わりの１周分の外面側とに活物質層未形成部を設けたので、充放電に何ら関与しない不要な活物質層が一切存在しない。また、最外周の１周を一方の電極板の活物質未形成部で形成できるので、製造上の制約から同一位置で切断する必要がある一対のセパレータを、一方の電極板に対し１周分だけ手前の同一位置を終端に設定することが可能となり、両セパレータは従来と比較して合計で２周分を短縮することができ、そのセパレータを短くできる分だけ正，負両極の活物質層の厚みまたは長さを大きく設定することができるから、電池としての重量エネルギ密度および体積エネルギ密度の増大を図ることができる。
【００３３】
また、本発明の電池によれば、一方の極の１周分の芯体と電池ケースの内周面とが大きな接触面積で互いに接触することによって良好な電気的接続を得られるので、電池内部で生じた化学エネルギを電気エネルギとして効率良く集電することができ、放電特性が格段に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る電池用渦巻状電極群における各構成要素の巻回前の相対位置関係を示した切断側面図である。
【図２】同上渦巻状電極群を電池ケースに挿入した状態を模式的に示した横断面図。
【図３】従来の角型電池の渦巻状電極群における各構成要素の巻回前の相対位置関係を示した切断側面図である。
【図４】同上渦巻状電極群を電池ケースに挿入した状態を模式的に示した横断面図。
【符号の説明】
３  セパレータ
８  電池ケース
１１  正電極板（一方の電極板）
１１ａ  正極芯体（一方の極の芯体）
１１ｂ  正極活物質層（一方の極の活物質層）
１１ｃ，１１ｄ  活物質未形成部
１２  負電極板（他方の電極板）
１２ａ  負極芯体（他方の極の芯体）
１２ｂ  負極活物質層（他方の極の活物質層）
１３  渦巻状電極群
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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