JP2007134233A - 電池端子構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡易な構成で、異種金属間の接合部分で腐食が発生することを防止する電池端子構造を提供する。
【解決手段】電池端子構造は、電池素子を収容する内部空間18を規定し、内部空間18に連通する孔13が形成された角型電槽12と、電池素子に接続され、孔13を通じて内部空間18から内部空間18の外側に延出する正極端子21とを備える。正極端子21は、アルミニウムから形成された部分23と、銅から形成された部分24とを有する。部分23は、内部空間18から孔13に向かって延びている。部分24は、部分23に接合され、孔13から内部空間18の外側に向かって延びている。電池端子構造は、さらに、部分23と部分24との接合部25を覆うように孔13に設けられ、孔13を封止する樹脂シール36を備える。
【選択図】図4
【解決手段】電池端子構造は、電池素子を収容する内部空間18を規定し、内部空間18に連通する孔13が形成された角型電槽12と、電池素子に接続され、孔13を通じて内部空間18から内部空間18の外側に延出する正極端子21とを備える。正極端子21は、アルミニウムから形成された部分23と、銅から形成された部分24とを有する。部分23は、内部空間18から孔13に向かって延びている。部分24は、部分23に接合され、孔13から内部空間18の外側に向かって延びている。電池端子構造は、さらに、部分23と部分24との接合部25を覆うように孔13に設けられ、孔13を封止する樹脂シール36を備える。
【選択図】図4
Description
この発明は、一般的には、電池端子構造に関し、より特定的には、リチウムイオン電池の電池端子構造に関する。
従来の電池端子構造に関して、たとえば、特開2002−358945号公報には、リチウム2次単電池同士の接続抵抗を低減したままで電池構造を簡便にすることにより、生産性の向上を図ることを目的としたリチウム2次単電池の接続構造体が開示されている(特許文献1)。特許文献1では、リチウム2次単電池が、アルミニウムからなる正極外部端子と、銅からなる負極外部端子とを有する。複数のリチウム2次単電池間で、正極外部端子と負極外部端子とを接続する場合に、アルミニウム材および銅材の異種金属を接合して作製されたブスバー(バスバー)が使用されている。ブスバーのアルミニウム材部分が正極外部端子に接続され、ブスバーの銅材部分が負極外部端子に接続されている。
また、特開2004−247244号公報には、組電池の端子間接合部における異種金属結合に伴って、電極端子が腐食することを防止するラミネート型電池が開示されている(特許文献2)。特許文献2に開示されたラミネート型電池は、アルミニウムの薄膜からなる正極側活電極と、銅の薄膜からなる負極側活電極とを有する。正極側活電極には、負極側活電極と同じ材質からなる接続部材が接合されている。正極側活電極と接続部材との接合部分は、非導電性の被覆樹脂によって覆われている。特許文献2では、被覆樹脂が負極側活電極に設けられていない。
また、特開2005−183070号公報には、端子の接合部への水分の浸入を防止し、端子の腐食を防止することを目的とした端子接合構造が開示されている(特許文献3)。また、特開2004−319306号公報には、長期間にわたって漏液の発生を防止することを目的とした角型密閉式2次電池が開示されている(特許文献4)。
特開2002−358945号公報
特開2004−247244号公報
特開2005−183070号公報
特開2004−319306号公報
上述の特許文献1では、ブスバーの異種金属が接合された部分が外気に露出している。このため、その部分が水分に晒され、電食(電気化学的腐食)が発生することで、ブスバーが腐食するおそれが生じる。一方、上述の特許文献2では、電極端子の腐食を抑えることを目的に、正極側活電極と接続部材との接合部分が被覆樹脂によって覆われている。しかしながら、新たに被覆樹脂を設ける必要があるため、電池構造の複雑化や製造工程の煩雑化を招くおそれがある。
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、簡易な構成で、異種金属間の接合部で腐食が発生することを防止する電池端子構造を提供することである。
この発明に従った電池端子構造は、電極群を収容する内部空間を規定し、内部空間に連通する孔が形成された電槽と、電極群に接続され、孔を通じて内部空間から内部空間の外側に延出する第1の接続端子とを備える。第1の接続端子は、金属から形成された第1の部分と、第1の部分とは異なる金属から形成された第2の部分とを有する。第1の部分は、内部空間から孔に向かって延びている。第2の部分は、第1の部分に接合され、孔から内部空間の外側に向かって延びている。電池端子構造は、さらに、第1の部分と第2の部分との境界位置を覆うように孔に設けられ、孔を封止するシール部材を備える。
このように構成された電池端子構造によれば、孔を封止するシール部材により、異種金属間の接合部となる第1の部分と第2の部分との境界位置を覆う。このため、簡易な構成で、第1の接続端子で腐食が発生することを防止できる。
また、第1の接続端子は、正極端子および負極端子のいずれか一方である。電池端子構造は、さらに、内部空間から内部空間の外側に延出し、正極端子および負極端子のいずれか他方である第2の接続端子を備える。好ましくは、第2の部分を形成する金属と、第2の接続端子を形成する金属とは、同じである。
また、互いに電気的に接続される複数の電槽が並べられている。電池端子構造は、隣り合う複数の電槽間で、第1の接続端子と第2の接続端子とを内部空間の外側で接続し、第2の部分および第2の接続端子を形成する金属と同じ金属から形成されたバスバーをさらに備える。
また、第1の接続端子は、正極端子および負極端子のいずれか一方である。電池端子構造は、さらに、内部空間から内部空間の外側に延出し、正極端子および負極端子のいずれか他方である第2の接続端子を備える。好ましくは、シール部材は、第1の接続端子および第2の接続端子のいずれにも設けられている。
また好ましくは、電槽は、金属製のケース体、樹脂製のケース体およびラミネートシートのいずれかより形成されている。
以上説明したように、この発明に従えば、簡易な構成で、異種金属間の接合部分で腐食が発生することを防止する電池端子構造を提供することができる。
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
(実施の形態1)
図1は、この発明の実施の形態1における電池端子構造が適用された電池セルを示す斜視図である。図中に示す電池セルは複数、組み合わされて組電池とされ、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な2次電池とを動力源とするハイブリッド自動車に搭載される。
図1は、この発明の実施の形態1における電池端子構造が適用された電池セルを示す斜視図である。図中に示す電池セルは複数、組み合わされて組電池とされ、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な2次電池とを動力源とするハイブリッド自動車に搭載される。
図1を参照して、電池セル10は、リチウムイオン電池から構成されている。電池セル10は、内部空間18を形成し、内部空間18に図示しない電池素子を収容する角型電槽12と、内部空間18から内部空間18の外側に延出する正極端子21および負極端子31とを備える。角型電槽12は、略直方体の外形を有する。角型電槽12は、金属から形成されている。角型電槽12は、樹脂材料から形成されていても良い。
角型電槽12は、開口部が形成された本体15と、その開口部を塞ぐように本体15に取り付けられた蓋体16とから構成されている。本体15と蓋体16とは、溶接やかしめ等の手段により固定されている。角型電槽12は、内部空間18を形成する複数の部材としての本体15および蓋体16を含む。正極端子21および負極端子31は、蓋体16の互いに離れた位置からそれぞれ突出している。
なお、本実施の形態では、正極端子21および負極端子31が、角型電槽12の同じ側面から突出する形状としたが、これに限定されず、角型電槽12の異なる側面から突出する形状であっても良い。正極端子21および負極端子31は、たとえば、角型電槽12の隣り合う側面からそれぞれ突出しても良いし、角型電槽12の向い合う側面からそれぞれ突出しても良い。
図2は、図1中の角型電槽の内部空間に収容された電池素子を示す斜視図である。図3は、図2中に示す電池素子の分解組み立て図である。図2および図3を参照して、図1中の角型電槽12に収容された電池素子40は、正極シート41および負極シート45と、これらのシート間に介在するセパレータ50とを備える。
正極シート41は、略矩形形状を有する、たとえばアルミニウム箔から形成されている。正極シート41の両面には、正極活物質を含有するペースト43が塗布されている。正極活物質としては、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO3等、リチウムイオン電池に用いられる正極活物質の1種もしくは2種以上を特に限定することなく使用できる。正極シート41の長手方向に沿った一方の周縁には、ペースト43が塗布されていないペースト未塗布部42が、帯状に延びて形成されている。
負極シート45は、正極シート41と同一形状を有する、たとえば銅箔から形成されている。負極シート45の両面には、負極活物質を含有するペースト48が塗布されている。負極活物質としては、アモルファスカーボン、グラファイトカーボン等、リチウムイオン電池に用いられる負極活物質の1種もしくは2種以上を特に限定することなく使用できる。負極シート45の長手方向に沿った一方の周縁には、ペースト48が塗布されていないペースト未塗布部47が、帯状に延びて形成されている。
セパレータ50は、短手方向の長さが正極シート41および負極シート45よりも小さく形成された略矩形形状を有する。セパレータ50としては、たとえば、多孔質のポリプロピレン樹脂シートを使用することができる。
正極シート41、負極シート45および2枚のセパレータ50が、負極シート45、セパレータ50、正極シート41、セパレータ50の順に重ね合わされている。このとき、正極シート41にペースト43が塗布された領域と、負極シート45にペースト48が塗布された領域とが、セパレータ50を介して向い合う。また、正極シート41のペースト未塗布部42が、セパレータ50の長手方向に延びる一方の端辺から露出し、負極シート45のペースト未塗布部47が、セパレータ50の長手方向に延びる他方の端辺から露出する。
電池素子40は、正極シート41、負極シート45および2枚のセパレータ50からなる積層体が、中心軸101を中心に巻回されることによって形成されている。積層体は、中心軸101に直交する平面で切断した場合の断面形状が長円となるように、中心軸101を中心に巻回された後、押圧されている。
中心軸101の軸方向に隔てた電池素子40の両端には、正極シート41のペースト未塗布部42が中心軸101を中心とした半径方向に多層に重なってなる正極集電部51と、負極シート45のペースト未塗布部47が中心軸101を中心とした半径方向に多層に重なってなる負極集電部52とが形成されている。正極集電部51には、正極端子21が接続されており、負極集電部52には、負極端子31が接続されている。電池素子40には、リチウム塩を有機溶媒に溶かした有機電解質が含浸させられている。
正極端子21は、正極集電部51に接続される部分23と、部分23に接合される部分24とから構成されている。部分23は、アルミニウムから形成されており、部分24は、銅から形成されている。部分23と部分24との境界には、異種金属接合となる接合部25が形成されている。すなわち、正極端子21は、複数の金属としてのアルミニウムおよび銅からなるクラッド材から構成されている。
負極端子31は、全体が銅から形成されている。負極端子31は、単一の金属から形成されている。部分23は、負極端子31を形成する金属とは異なる金属から形成されている。部分24は、負極端子31を形成する金属と同一の金属から形成されている。
図4は、図1中のIV−IV線上に沿った電池セルの断面図である。図4を参照して、蓋体16には、内部空間18とその外側とを連通させる孔13および14が形成されている。正極端子21は、孔13を通って内部空間18からその外側に向けて延出している。負極端子31は、孔14を通って内部空間18からその外側に向けて延出している。
正極端子21の部分23は、内部空間18から孔13に向かって延びている。正極端子21の部分24は、さらに、孔13から内部空間18の外側に向かって延びている。部分23は、内部空間18に配置されており、部分24は、内部空間18の外側に配置されている。本実施の形態では、接合部25が孔13に位置決めされている。
なお、接合部25が位置決めされる位置は、図4中に示す位置に限定されず、孔13に対して内部空間18側にずれた位置であっても良いし、内部空間18の外側にずれた位置であっても良い。
孔13には、樹脂シール36が設けられている。樹脂シール36は、接合部25を覆うように設けられている。樹脂シール36は、孔13を塞いでいる。樹脂シール36は、孔13の周縁と正極端子21の表面との間を充填している。樹脂シール36は、内部空間18から内部空間18の外側にまでわたって設けられている。樹脂シール36は、角型電槽12および正極端子21の双方に接触している。孔14には、樹脂シール36と同様の形態で樹脂シール37が設けられている。
樹脂シール36および37は、樹脂材料により形成されており、たとえば、ポリフェニレンスルフィド(PPS:poly phenilen sulfide)から形成されている。樹脂シール36および37は、正極端子21および負極端子31や蓋体16に所定の表面処理がなされた後、孔13および14をそれぞれ塞ぐ図中の位置に成形されている。樹脂シール36および37により、孔13および14が封止されている。すなわち、樹脂シール36および37によって、内部空間18で電池素子40に含浸させられた電解質が孔13および14を通じて漏出することを防止している。
図5は、図4中のV−V線上に沿った電池セルの断面図である。図5を参照して、部分23は、内部空間18から孔13に向かって延びる先端に端面23pを有する。部分24は、端面23pに向い合い、端面23pに突き合わされた端面24pを有する。端面23pと端面24pとが冷間圧接されることによって、部分23と部分24とが互いに接合されている。本実施の形態では、端面23pと端面24pとの境界位置に接合部25が形成されている。樹脂シール36は、その接合部25を完全に覆うように形成されている。
図6は、図5中に示す正極端子に用いられる接合方法の変形例を示す断面図である。図6を参照して、本変形例では、部分23が、内部空間18から孔13に向かって延びる方向に延在する表面23aを有する。部分24が、孔13から内部空間18の外側に向かって延びる方向に延在し、表面23aと向い合う表面24aを有する。表面23aと表面24aとが超音波接合されることによって、部分23と部分24とが互いに接合されている。本変形例では、表面23aと表面24aとの境界位置に接合部25が形成されている。樹脂シール36は、その接合部25を完全に覆うように形成されている。
図7は、図1中の電池セルが複数、組み合わされて構成された組電池を示す平面図である。図7を参照して、組電池200は、互いに電気的に直列に接続された複数の電池セル10を備える。複数の電池セル10は、矢印202に示す方向に2つ並んだ状態で、その方向に直交する矢印201に示す方向に積層されている。複数の電池セル10は、矢印201および202に示す方向にそれぞれ隣り合う位置で、正極端子21と負極端子31とが互いに対峙するように配置されている。
矢印202に示す方向に隣り合う電池セル10sの正極端子21と、電池セル10tの負極端子31とが、バスバー(導帯)61によって互いに接続されている。矢印201に示す方向に隣り合う電池セル10tの正極端子21と、電池セル10uの負極端子31とが、バスバー62によって互いに接続されている。バスバー61および62は、正極端子21の部分24と負極端子31とに接合されている。
バスバー61および62は、正極端子21の部分24および負極端子31を形成する金属と同じ金属から形成されている。バスバー61および62は、正極端子21の部分23を形成する金属と異なる金属から形成されている。本実施の形態では、バスバー61および62は、銅から形成されている。
このような構成により、バスバー61および62と正極端子21の部分24および負極端子31との接合は、同一金属の接合となるため、両者の接合に採り得る手段を増やすことができる。バスバー61および62と正極端子21の部分24および負極端子31とは、たとえば、接合部分に突起物を形成し、その突起物に電気抵抗を与えて溶着するプロジェクション溶接により接合される。バスバー61および62と正極端子21の部分24および負極端子31とは、プロジェクション溶接以外の溶接法、かしめ、圧入、ロウ付け等によって接合されても良いし、冷間圧接や超音波接合によって接合されても良い。
この発明の実施の形態1における電池端子構造は、電極群としての電池素子40を収容する内部空間18を規定し、内部空間18に連通する孔13が形成された電槽としての角型電槽12と、電池素子40に接続され、孔13を通じて内部空間18から内部空間18の外側に延出する第1の接続端子としての正極端子21とを備える。正極端子21は、金属としてのアルミニウムから形成された第1の部分としての部分23と、部分23とは異なる金属としての銅から形成された第2の部分としての部分24とを有する。部分23は、内部空間18から孔13に向かって延びている。部分24は、部分23に接合され、孔13から内部空間18の外側に向かって延びている。電池端子構造は、さらに、部分23と部分24との境界位置としての接合部25を覆うように孔13に設けられ、孔13を封止するシール部材としての樹脂シール36を備える。
本実施の形態では、部分23と部分24との接合は異種金属の接合となるため、接合部25には、脆弱な金属間化合物が形成される。このため、部分23と部分24との接合は、図5および図6中に示した通り、冷間圧接もしくは超音波接合によることが好ましい。また、たとえば、バスバー61および62に電圧検出用端子を接続するためのメッキ処理がなされている場合には、超音波接合による接合が難しくなるため、冷間圧接によることが好ましい。
このように構成された、この発明の実施の形態1における電池端子構造によれば、異種金属の接合部分となる接合部25が樹脂シール36によって覆われているため、正極端子21が接合部25で腐食することを防止できる。この際、接合部25を覆う部材として、孔13を封止する樹脂シール36を併用しているため、電池セル10を簡易に構成することができる。
図8は、図1中の電池セルの変形例を示す斜視図である。図8を参照して、本変形例における電池セル65は、図1中の角型電槽12に替えて、内部空間18を形成する電槽として円筒型電槽66を備える。円筒型電槽66は、略円柱の外形を有する。
円筒型電槽66は、円筒形状を有し、その軸方向の両側に開口部が形成された本体67と、その開口部を塞ぐように本体67に取り付けられた蓋体68mおよび68nとから構成されている。内部空間18には、図示しない電池素子が、図3中の正極シート41、負極シート45および2枚のセパレータ50からなる積層体が円柱状に巻回された状態で、収容されている。
蓋体68mには、正極端子21が挿通される孔13が形成されており、蓋体68nには負極端子31が挿通される孔14が形成されている。孔13には、正極端子21の接合部25を覆うように樹脂シール36が設けられている。孔14には、樹脂シール37が設けられている。このような構成を備える円筒型の電池セル65においても、図1中の角型の電池セル10と同様の効果を得ることができる。
なお、電池素子40を収容する電槽は、図1および図8中にそれぞれ示す角型および円筒型に限定されず、様々な形状を採り得る。また、正極端子21の部分23は、銀(Ag)、白金(Pt)およびステンレス鋼等、アルミニウム以外の金属から形成される場合がある。負極端子31は、ニッケル(Ni)およびステンレス鋼等、銅以外の金属から形成される場合がある。また、本発明が適用される2次電池は、代表的にはリチウムイオン電池であるが、これ以外の2次電池であっても良い。
また、本実施の形態では、図7中に示す組電池が、内燃機関と2次電池とを動力源とするハイブリッド自動車に搭載されることとしたが、これに限定されず、燃料電池と2次電池とを動力源とする燃料電池ハイブリッド自動車(FCHV:Fuel Cell Hybrid Vehicle)または電気自動車(EV:Electric Vehicle)に搭載されても良い。内燃機関と2次電池とを動力源とするハイブリッド自動車では、燃費最適動作点で内燃機関を駆動するのに対して、燃料電池ハイブリッド自動車では、発電効率最適動作点で燃料電池を駆動する。また、2次電池の使用に関しては、両方のハイブリッド自動車で基本的に変わらない。
(実施の形態2)
図9は、この発明の実施の形態2における電池端子構造が適用された電池セルを示す斜視図である。図10は、図9中のX−X線上に沿った電池セルの断面図である。本実施の形態における電池端子構造は、実施の形態1における電池端子構造と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。
図9は、この発明の実施の形態2における電池端子構造が適用された電池セルを示す斜視図である。図10は、図9中のX−X線上に沿った電池セルの断面図である。本実施の形態における電池端子構造は、実施の形態1における電池端子構造と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。
図9および図10を参照して、本実施の形態における電池セル70は、図1中の角型電槽12に替えて、内部空間18を形成する電槽としてラミネート外装体71を備える。ラミネート外装体71は、たとえば、アルミニウム等の金属からなる基材にポリエチレンテレフタラート樹脂(PET:poly ethylene terephthalate)等の樹脂材料が被膜されたラミネートシートから形成されている。実施の形態1では、角型電槽12の内壁と電池素子40との間にクリアランスが確保されているのに対して、本実施の形態では、ラミネート外装体71の内面と電池素子とが密着している。
ラミネート外装体71は2枚のラミネートシート71mおよび71nが、電池素子を挟み込んだ状態で重ね合わされ、シートの周縁が熱溶着されることによって形成されている。ラミネート外装体71は、ラミネートシート71mおよび71nが熱溶着された周縁部72を有する。周縁部72は、略矩形形状を有するラミネート外装体71の4辺に沿って形成されている。周縁部72には、正極端子21および負極端子31がそれぞれ挿通される孔13および14が形成されている。
なお、周縁部72は、図9中に示す位置に限定されず、たとえばラミネート外装体71の対向する2辺に沿って形成されていても良い。この場合、ラミネート外装体71は、円筒形状を有するラミネートシートから形成される。
図11は、図9中の電池セルに設けられた正極端子を示す図である。図9から図11を参照して、孔13には、接合部25を覆うように正極端子21の表面に巻回されたタブシール76が配置されている。孔14には、負極端子31の表面に巻回されたタブシール77が配置されている。タブシール76および77は、内部空間18から内部空間18の外側にまで延びるように設けられている。タブシール76は、ラミネート外装体71および正極端子21の双方に密着しており、タブシール77は、ラミネート外装体71および負極端子31の双方に密着している。
タブシール76および77は、孔13および14をそれぞれ封止するシール部材として設けられている。タブシール76および77は、樹脂材料から形成されており、たとえば、ポリプロピレン(PP:poly propylene)から形成されている。タブシール76および77は、タブシールおよび端子の両方に所定の表面処理がなされた後、正極端子21および負極端子31にそれぞれ設けられる。タブシール76および77に実施される表面処理は、たとえば、架橋処理である。タブシール76により、正極端子21が接合部25で腐食することを防止している。
このように構成された、この発明の実施の形態2における電池端子構造によれば、実施の形態1に記載の効果と同様の効果を得ることができる。
なお、実施の形態1および2において説明した電池端子構造を適宜、組み合わせて、別の電池端子構造を構成しても良い。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10,65,70 電池セル、12 角型電槽、13,14 孔、18 内部空間、21 正極端子、23,24 部分、25 接合部、31 負極端子、36,37 樹脂シール、40 電池素子、61,62 バスバー、66 円筒型電槽、71 ラミネート外装体、76,77 タブシール。
Claims (5)
- 電極群を収容する内部空間を規定し、前記内部空間に連通する孔が形成された電槽と、
前記電極群に接続され、前記孔を通じて前記内部空間から前記内部空間の外側に延出する第1の接続端子とを備え、
前記第1の接続端子は、前記内部空間から前記孔に向かって延び、金属から形成された第1の部分と、前記第1の部分に接合され、前記孔から前記内部空間の外側に向かって延び、前記第1の部分とは異なる金属から形成された第2の部分とを有し、さらに、
前記第1の部分と前記第2の部分との境界位置を覆うように前記孔に設けられ、前記孔を封止するシール部材を備える、電池端子構造。 - 前記第1の接続端子は、正極端子および負極端子のいずれか一方であり、さらに、
前記内部空間から前記内部空間の外側に延出し、正極端子および負極端子のいずれか他方である第2の接続端子を備え、
前記第2の部分を形成する金属と、前記第2の接続端子を形成する金属とは、同じである、請求項1に記載の電池端子構造。 - 互いに電気的に接続される複数の前記電槽が並べられており、
隣り合う複数の前記電槽間で、前記第1の接続端子と前記第2の接続端子とを前記内部空間の外側で接続し、前記第2の部分および前記第2の接続端子を形成する金属と同じ金属から形成されたバスバーをさらに備える、請求項2に記載の電池端子構造。 - 前記第1の接続端子は、正極端子および負極端子のいずれか一方であり、さらに、
前記内部空間から前記内部空間の外側に延出し、正極端子および負極端子のいずれか他方である第2の接続端子を備え、
前記シール部材は、前記第1の接続端子および前記第2の接続端子のいずれにも設けられている、請求項1から3のいずれか1項に記載の電池端子構造。 - 前記電槽は、金属製のケース体、樹脂製のケース体およびラミネートシートのいずれかより形成されている、請求項1から4のいずれか1項に記載の電池端子構造。
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