(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれに軟磁性コアとコイルを有する一次側磁気ユニットと二次側磁気ユニットを装脱着可能に磁気結合させることにより、一次側から二次側へ電気的に非接触で電力伝送を行わせるようにした非接触給電カプラにおいて、次の構成手段（１）〜（５）を備えたことを特徴とする非接触給電カプラ。
（１）一次側コアは鍔部と柱部を有して断面が略Ｔ字状に形成されている。
（２）上記柱部の先端にはその柱部よりも細径の棒状ガイド部が同軸に突出するように取り付いている。
（３）二次側のコアは壺型に形成され、一次側のコアと共に閉磁路を形成する。
（４）上記棒状ガイド部の長さが上記壺型に形成された二次側のコアの深さよりも大きい。
（５）上記壺型に形成された二次側のコアの底面中央に上記棒状ガイド部の貫挿を案内するガイド孔を有する。
【請求項２】
請求項１において、前記鍔部が円盤状であることを特徴とする非接触給電カプラ。
【請求項３】
請求項１または２において、前記柱部が円柱状であることを特徴とする非接触給電カプラ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記柱部に一次側コイルが巻回されていることを特徴とする非接触給電カプラ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記壺型コアが円筒状であることを特徴とする非接触給電カプラ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、前記壺型コアの内側面に沿って二次側コイル巻回されていることを特徴とする非接触給電カプラ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、前記棒状ガイド部が非磁性かつ非導電性であることを特徴とする非接触給電カプラ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかにおいて、前記鍔部の上面にその鍔部よりも大径の枠部が取り付いていることを特徴とする非接触給電カプラ。
【請求項９】
請求項８において、前記枠部がフランジ状であることを特徴とする非接触給電カプラ。
【請求項１０】
請求項８または９において、前記枠部が非磁性かつ非導電性であることを特徴とする非接触給電カプラ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかにおいて、一次側コイルと二次側コイルの少なくとも一方が非磁性かつ非導電性の物質でモールドされていることを特徴とする非接触給電カプラ。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかにおいて、一次側コイルと二次側コイルの少なくとも一方がエッジワイズコイルであることを特徴とする非接触給電カプラ。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかにおいて、一次側コアと二次側コアの合せ面がテーパ面であることを特徴とする非接触給電カプラ。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかにおいて、前記棒状ガイド部の先端にまるみ、または曲面テーパ形状を持たせたことを特徴とする非接触給電カプラ。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかにおいて、前記ガイド孔は前記柱部の先端部分が嵌合する形状であることを特徴とする非接触給電カプラ。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかにおいて、前記ガイド孔にテーパ面が形成されていることを特徴とする非接触給電カプラ。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれかにおいて、一次側コアおよび／または二次側コアの内部に、外部に通じる通気路を設けたことを特徴とする非接触給電カプラ。
【請求項１８】
請求項１７において、一次側から送気された冷却用空気を流通させるような通気路が形成されていることを特徴とする非接触給電カプラ。
【請求項１９】
請求項１８において、二次側の壺型コアの外側から吸気して冷却用空気を流通させるような通気路が形成されていることを特徴とする非接触給電カプラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は磁気結合方式の非接触給電カプラに関し、たとえば電気自動車や電気機器等への給電や充電を非接触で行うのに利用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車や電気自転車、あるいはその他の電気機器への給電や充電を非接触で行う手段として、磁気結合方式の非接触給電カプラが提供されている。
この非接触給電カプラは、トランスの一次コイルと二次コイルに相当する一次側磁気ユニットと二次側磁気ユニットからなり、両ユニット間を磁気的に結合させることにより、電気的に非接触状態を保ちながら交流（高周波）電力の伝送を行わせることができる。この方式の給電カプラは、漏電や感電の危険が少ない、接触不良等の故障要因が少ない、といったメリットを期待できる。また、スパーク火花による引火事故の防止に有効で、火気厳禁の場所での使用にも適している。たとえば、既存のガソリンスタンドにて電気自動車の給電サービスを行うのには、引火の危険が少ない非接触型給電カプラが適している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
磁気結合方式の非接触給電カプラは上述したように多くのメリットが期待されるが、磁気結合で電力伝送を行わせるためには、給電側と受電側の双方にそれぞれコイルと磁性コアからなる磁気ユニットが必要である。これに加えて、両ユニットを正しく磁気結合させるための位置合わせ手段も必要となる。このため、非接触給電カプラは、コンセントやプラグなどの通常の接触式給電具と異なり、構成が複雑で大型になりやすく、その扱いも簡単でないという問題があった。
【０００４】
従来においても、たとえばコードレス電話機の充電台のように、きわめて小規模の給電では、磁気結合式の非接触給電カプラが実用化されている。しかし、電気自動車の充電のように、比較的大電力の給電用途では、たとえばガソリンスタンドのアルバイト従業員や客が簡単に操作して使用できるようなものはなかった。
【０００５】
電気自動車では、充電をできるだけ短時間に完了させるために大電力の給電が必要となる。この給電を非接触給電カプラを使って行うためには、給電側（充電スタンド）と受電側（電気自動車）の双方にそれぞれ上記磁気ユニットを設置するが、各ユニットはそれぞれ必要な給電電力に見合う容量規模のものでなければならない。
【０００６】
受電側である電気自動車は、一般のガソリン車の車体を流用して製作するのが製造コスト的に有利で合理的である。また、電気自動車への給電を一般のガソリン車（ディーゼル車を含む内燃機関動力の自動車）のようにスタンドで行わせるためには、給電を受ける受電口を一般のガソリン車の給油口と同じ場所に配置するのが合理的である。
【０００７】
電気自動車の製作に際しては、技術伝統と使用実績があるガソリン車の車体構造や使用様式をなるべくそのままの形で流用するのが経済的で合理的ある。このため、非接触給電カプラの磁気ユニットはガソリン車の給油口に収まるようなものが望ましい。また、磁気ユニットを外し忘れて自動車を発進させても、カプラや充電装置を破損する恐れがないようなものが望まれる。そして、非熟練のアルバイト従業員や客でも、簡単に手際良く操作できることが必要である。
【０００８】
この発明は以上のような背景を鑑みてなされたもので、比較的大電力の給電にも適しているとともに、たとえば既存のガソリン車の給油口に収めることができようにコンパクト化することができ、さらに非熟練者でも簡単に手際良く操作できて、仮に誤使用があっても破損しにくいような非接触給電カプラを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明が提供する解決手段は、それぞれに軟磁性コアとコイルを有する一次側磁気ユニットと二次側磁気ユニットを装脱着可能に磁気結合させることにより、一次側から二次側へ電気的に非接触で電力伝送を行わせるようにした非接触給電カプラにおいて、次の構成手段（１）〜（５）を備えたことを特徴とする非接触給電カプラ。
【００１０】
（１）一次側コアは鍔部と柱部を有して断面が略Ｔ字状に形成されている。
（２）上記柱部の先端にはその柱部よりも細径の棒状ガイド部が同軸に突出するように取り付いている。
（３）二次側のコアは壺型に形成され、一次側のコアと共に閉磁路を形成する。
（４）上記棒状ガイド部の長さが上記壺型に形成された二次側のコアの深さよりも大きい。
（５）上記壺型に形成された二次側のコアの底面中央に上記棒状ガイド部の貫挿を案内するガイド孔を有する。
【００１１】
上記手段により、比較的大電力の給電にも適しているとともに、たとえば既存のガソリン車の給油口に収めることができようにコンパクト化することができ、さらに非熟練者でも簡単に手際良く操作できて、仮に誤使用があっても破損しにくい非接触給電カプラを提供することができる。また、棒状ガイド部の長さを二次側の壺型コアの深さよりも大きくすることにより、そのガイド部がガイド孔に挿入されて案内される状態になるまでは、一次側のコイルを二次側のコアおよびコイルのどちらからも離した状態にすることができ、一次側のコイルが二次側のコア内に入るのは、ガイド部とガイド孔による案内が確実に作用する状態のときであるから、一次側磁気ユニットを二次側磁気ユニットに装着する際に、一次側コイルが二次側コアあるいは二次側コイルに当たるのを確実に回避させることができる。
【００１２】
さらに、上記効果をより高めるために、本発明は上記手段に関連して次のような手段も提供する。
すなわち、上記鍔部は円盤状とし、上記柱部は円柱状とする。上記壺型コアは円筒状とする。これにより、たとえば、回転方向の位置合せを不要にできるなどの利点が得られる。
【００１３】
一次側コイルは上記柱部に巻回する。二次側コイルは上記壺型コアの内側面に沿って巻回する。磁気損失および渦電流損失の発生を防止するため、上記棒状ガイド部は非磁性かつ非導電性とする。上記鍔部の上面にはその鍔部よりも大径の枠部を取り付ける。その枠部はたとえばフランジ状にする。そして、その枠部も非磁性かつ非導電性にすることが好ましい。
【００１４】
一次側コイルと二次側コイルの少なくとも一方、望ましくは両方共に、非磁性かつ非導電性の物質でモールドして耐衝撃性を高める。また、一次側コイルと二次側コイルの少なくとも一方、望ましくは両方共に、エッジワイズコイルにして大電力使用に適応させる。一次側コアと二次側コアの合せ面をテーパ面とすることで、磁路抵抗を低くすることができる。棒状ガイド部の先端にまるみ、または曲面テーパ形状を持たせると、ガイド孔への挿入を行いやすくすることができる。
【００１５】
ガイド孔は、上記柱部の先端部分が嵌合する形状とすることにより、コアの磁気的結合状態を良好にすることができる。さらに、ガイド孔にはテーパ面を形成するとよい。ガイド部がガイド孔に挿入される際には、一次側コイルと二次側コイル間に常に一定以上の間隙が保たれるようにする。
【００１６】
一次側コアおよび／または二次側コアの内部に、外部に通じる通気路を設けると、コアの温度上昇による損失増加を抑えることができる。通気路としては、一次側から送気された冷却用空気を流通させるような通気路、または二次側の壺型コアの外側から吸気して冷却用空気を流通させるような通気路がある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による非接触給電カプラの一実施例を示す。
同図に示す非接触給電カプラは磁気結合方式であって、一次側磁気ユニット１０と二次側磁気ユニット２０とによって構成される。両ユニット１０，２０はトランスの一次コイルと二次コイルに相当し、互いに磁気結合することによって、電気的に非接触状態を保ちながら交流（高周波）電力の伝送を行う。
【００１８】
一次側磁気ユニット１０は、フェライトからなる軟磁性コア１１、このコア１１を励磁する一次側コイル１２、非磁性かつ非導電体からなる棒状ガイド部１５、および非磁性および非導電体からなるフランジ状枠部１６によって構成されている。各部材（１１，１２，１５，１６）は一体に組み立てられている。
【００１９】
一次側のコア１１は、円盤状の鍔部１１ａとこの鍔部１１ａの中央から垂直に突出する円柱部１１ｂとを一体に有して断面が略Ｔ字状（錘状）に形成されている。鍔部１１ａの外周縁部には、円柱部１１ｂ側から見て斜めに後退するテーパ面１３が形成されている。また、円柱部１１ｂの先端部分には、円柱径が先端に向かって連続的に縮小するテーパ面１４が形成されている。
【００２０】
一次側コイル１２は、上記Ｔ字状コア１１の円柱部１１ｂに一定の厚みで巻回されている。このコイル１２は、大電力使用に適したエッジワイズコイルであって、衝撃等による損傷を防止するために非磁性かつ非導電性の物質でモールドされている。棒状ガイド部１５は上記円柱部１１ｂよりもやや細径の丸棒状で、上記円柱部１１ｂの先端からその円柱部と同軸にまっすぐ伸びて突出するように取り付けられている。この棒状ガイド部１５は円柱部１１ｂよりも細径であるが、円柱部１１ｂの先端部分に上記テーパ面１４が形成されていることにより、円柱部１１ｂとの間は段差が無く連続している。
【００２１】
フランジ状枠部１６は上記鍔部１１ａより大径の円盤状で、鍔部１１ａの外郭を保護するような状態で、その鍔部１１ａの上面に取り付けられている。この枠部１６は鍔部１１ａを補強および保護するほかに、コイル１２のリード線引き出し部にもなっている。
【００２２】
上記棒状ガイド部１５の材質としては非磁性かつ非導電性のものを使用する。これは磁気損失および渦電流損失の発生を防止するためである。さらには、耐衝撃性と表面潤滑性のある材質、たとえばポリアミドやポリエステル系の高強度樹脂が望ましい。上記フランジ状枠部１６も同様の理由で非磁性かつ非導電性のものを使用するが、これは耐衝撃性と表面潤滑性のある材質が望ましい。具体的は、たとえばポリアミドやポリエステル系の高強度樹脂が使用できる。ガイド部１５と枠部１６は共に、接着等によってコア１１と強固に一体化されている。
【００２３】
二次側磁気ユニット２０は上記一次側磁気ユニット１０に対応して、フェライトからなる軟磁性コア２１とこのコア２１を磁心とする二次側コイル２２を有する。
二次側コア２１は直円筒状の壺型であって、壺の内側面に沿って二次側コイル２２が巻回されている。このコイル２２は、大電力使用に適したエッジワイズコイルであって、衝撃等による損傷を防止するために非磁性かつ非導電性の物質でモールドされている。壺型コア２１の開口部は一次側コア１１の鍔部１１ａに寸法および形状的に適合し、その鍔部１１ａによって密に施蓋されるようになっている（図２）。このため、壺型コア２１の開口縁には、上記鍔部１１ａのテーパ面１３に形状対応して面接触するテーパ面２３が形成されている。また、壺型コア２１の底面中央には、上記棒状ガイド部１５を挿通させて上記円柱部１１ｂを中心位置に案内するガイド孔２５が設けられている。このガイド孔２５にはテーパ面２４が形成されている。このテーパ面２４は、上記棒状ガイド部１５の挿入ガイドをなすとともに、上記円柱部１１ｂのテーパ面１４に形状対応して面接触する。つまり、上記円柱部１１ａの先端部分が嵌合するようになっている。
【００２４】
図２は、上述した非接触給電カプラの給電結合状態を示す。
同図に示す結合状態では、一次側のコア１１と二次側のコア２１が、一次側のガイド部１５と二次側のガイド孔２５により互いに位置決めされて、断面がＥＩ型あるいはＥＥ型の閉磁路を形成する。この状態で一次側のコイル１２に交流を通電すると、その通電による励磁によって二次側のコイル２２に起電力が生じ、これにより、一次側から二次側へ非接触の電力伝送が行われる。
【００２５】
一次側と二次側の両コア１１，２１は立体的な筒状閉磁路を形成するので、体積の割に大きな磁路面積を得ることができる。これにより、非接触給電カプラは、その外径Ｒの割に大きな伝送電力を扱うことができる。一般のガソリン車の給油口に納めるためには外径を１０ｃｍ以下にすることが望まれるが、そのような比較的小さな外径（Ｒ≦１０ｃｍ）でも、電気自動車の急速充電に対応できるだけの電力定格を持たせることができる。
【００２６】
また、実施例では、Ｔ字状コア１１と壺型コア２１が互いにテーパ面１３，２３同士で合わさるようになっているが、このテーパ面同士の面接触は、コア１１，２１間の接触面積を大きく確保して磁路抵抗を低くするのに適している。磁路抵抗の低下は等価的に磁路面積を大きくするのと同じ効果をもたらす。さらに、実施例では、二次側コイル２２を壺型コア２１の内側面に配置しているが、これにより、カプラ全体を筒状の磁性体で磁気シールドした状態にすることができる。このことは、電磁ノイズの輻射防止および磁束漏れによる効率低下の回避にそれぞれ有効である。
【００２７】
上述した給電結合状態の形成は、一次側磁気ユニット１０を上記ガイド部１５と上記ガイド孔２５による案内に任せながら二次側磁気ユニット２０に装着することにより、簡単かつ正確に行うことができる。給電が終わって結合を解除するときは、一次側磁気ユニット１０を引き上げて外せばよい。この装脱着の操作は、ガソリン車の給油口に給油ノズルを差し込むのと同様の操作感覚で、非熟練者にも簡単に手際良く行わせることができる。また、給電中に誤って自動車を発進させても、一次側磁気ユニット１０が外れるだけで、それによってカプラや充電装置が直ちに破損するようなことにはならない。
【００２８】
また、二次側の壺型コア２１を円筒状に形成し、これに合せて一次側のＴ字状コア１１も円柱部１１ｂと円盤状の鍔部１１ａを持つように形成しているが、これにより、一次側磁気ユニット１０と二次側磁気ユニット２０は互いにどの方向からでも結合することができる。つまり、一次側磁気ユニット１０を二次側磁気ユニット２０に装着する操作において、回転方向の位置合せが不要になっている。これにより、操作性をさらに高めることができる。
【００２９】
上記棒状ガイド部１５の長さｈ１は、二次側の壺型コア２１の深さｈ２よりも大きくしてある（図１）。これにより、そのガイド部１５がガイド孔２５に挿入されて案内される状態になるまでは、一次側のコイル１２を二次側のコア２１およびコイル２２のどちらからも離した状態にすることができる。一次側のコイル１２が二次側のコア２１内に入るのは、ガイド部１５とガイド孔２５による案内が確実に作用する状態のときである。これにより、一次側磁気ユニット１０を二次側磁気ユニット２０に装着する際に、一次側コイル１２が二次側コア２１あるいは二次側コイル２２に当たるのを確実に回避させることができる。
【００３０】
図３は、上記一次側磁気ユニット１０を二次側磁気ユニット２０に装置するときの状態とその装着を案内するガイド孔２５付近の拡大断面を示す。
上述したように、一次側磁気ユニット１０は、ガイド部１５とガイド孔２５による案内に任せながら、二次側磁気ユニット２０に正確に装着することができるが、その装着に際しては、同図に示すように、一次側コイル１２と二次側コイル２２間に常に一定以上の間隙（＞ｄ）が保たれるようにすることが望ましい。つまり、一次側磁気ユニット１０を二次側磁気ユニット２０に装着するときに、一次側コイル１２の端が二次側コイル２２の端に当たらないようにする。
【００３１】
このためには、同図に示すように、ガイド孔２５に挿入されたガイド部１５の傾斜可能範囲を規制することができるように、そのガイド孔２５の長さや形状を決めればよい。ガイド孔２５にはテーパ面２４が形成されていて、そのテーパ面２４がガイド部１５の挿入を行いやすく案内するが、そのテーパ面２４の傾斜をある程度以大きくすれば、それによって上記間隙（＞ｄ）が確保できるような傾斜可能範囲を設定することができる。テーパ面２４の傾斜を大きくした場合、そのテーパ面２４によるガイド部１５の挿入案内範囲が狭まるが、これはガイド部１５の先端にまるみを持たせるか、あるいはその先端を曲面状のテーパに形成することによって解決できる。
【００３２】
図４は、上記一次側磁気ユニット１０を地面あるいはコンクリート面に落とした状態を示す。一次側磁気ユニット１０は使用者が誤って落とすことが考えられる。この場合、フェライトからなるコア１１がコンクリート等の固い面に当たると、衝撃によって割れる確率が高い。しかし、上述した一次側磁気ユニット１０は、同図に示すように、地面等の上に置いたときに、その地面等に触れるのは棒状ガイド部１５とフランジ状枠部１６であって、コア１１は地面から離れて浮いた状態にある。したがって、上記一次側磁気ユニット１０が誤って落とされても、コア１１は保護されて破損から免れることができる。
【００３３】
このように、上述した非接触給電カプラは、比較的大電力の給電にも適しているとともに、たとえば既存のガソリン車の給油口に収めることができようにコンパクト化することができ、さらに非熟練者でも簡単に手際良く操作できて、仮に誤使用があっても破損しにくいという利点を備えることができる。
【００３４】
図５は、本発明のさらに好ましい実施例を示す。
同図の（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す非接触給電カプラは、一次側コア１１および／または二次側コア２１の内部に、外部に通じる通気路１７を設けることにより、給電時にコア１１，１２の冷却を行えるようにしてある。図中の矢印はその通気路１７によって形成される空気の流通経路を示す。
【００３５】
冷却は、（ａ）または（ｃ）に示すように、一次側のフランジ状枠部１６側から空気を送るようにすれば、給電側の設備だけでコア１１，２１の強制空冷を行わせることができる。給電側に送気設備を設けることが難しい場合は、（ｂ）に示すように、受電側にて壺型コア２１の外側から吸気を行うようにすればよい。いずれの場合も、コア１１，２１を効率良く空冷することができる。
【００３６】
磁性材料であるコア１１，２１は温度上昇により特性が低下して損失が増えるが、上記冷却により、その特性低下による損失増加を抑えることができる。これにより、非接触給電カプラの電力定格を大きくすることができる。
【００３７】
また、強制的な送気または吸気を行わなくても、（ａ）〜（ｃ）のように、外部に通じる通気路１７を設けるだけで、自然対流による冷却効果をある程度得ることができる。
【００３８】
図６は本発明の別の実施例を示す。この実施例の非接触給電カプラは、一次側コア１１の鍔部１１ａと二次側コア２１の開口縁部をそれぞれテーパではなく平坦に形成してあるが、このような形状のコア１１，２１であっても、本発明の主要な効果は十分に得ることができる。
【００３９】
以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、一次側のフランジ状枠部１６は、筒状あるいはその他の形状の枠部であってもよい。また、本発明は電気自動車に限らず、電気自転車や電動工具等の非接触給電にも適用可能である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、比較的大電力の給電にも適しているとともに、たとえば既存のガソリン車の給油口に収めることができようにコンパクト化することができ、さらに非熟練者でも簡単に手際良く操作できて、仮に誤使用があっても破損しにくい非接触給電カプラを提供することができる。また、棒状ガイド部の長さを二次側の壺型コアの深さよりも大きくすることにより、そのガイド部がガイド孔に挿入されて案内される状態になるまでは、一次側のコイルを二次側のコアおよびコイルのどちらからも離した状態にすることができ、一次側のコイルが二次側のコア内に入るのは、ガイド部とガイド孔による案内が確実に作用する状態のときであるから、一次側磁気ユニットを二次側磁気ユニットに装着する際に、一次側コイルが二次側コアあるいは二次側コイルに当たるのを確実に回避させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による非接触給電カプラの一実施例を示す断面図および斜視図である。
【図２】本発明に係る非接触給電カプラの給電結合状態を示す断面図である。
【図３】一次側磁気ユニットを二次側磁気ユニットに装着するときの状態とその一部を拡大した断面図である。
【図４】本発明に係る非接触給電カプラを地面等に落とした状態を示す断面図である。
【図５】本発明に係る非接触給電カプラのさらに望ましい実施例を示す断面図である。
【図６】本発明の別の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１０  一次側磁気ユニット
１１  一次側コア（軟磁性コア）
１１ａ  鍔部
１１ｂ  円柱部
１２  一次側コイル
１３  テーパ面
１４  テーパ面
１５  棒状ガイド部
１６  フランジ状枠部
１７  通気路
２０  二次側磁気ユニット
２１  二次側コア（軟磁性コア）
２２  二次側コイル
２３  テーパ面
２４  テーパ面
２５  ガイド孔
ｈ１  棒状ガイド部１５の長さ
ｈ２  二次側の壺型コア２１の深さ
【図１】
0003864094.tif 000002
【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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