(57)【要約】【課題】  電解による酸素ガスの発生や微粒子の凝縮による詰まり等の作動液に関連する不具合を解消し、長期に安定して作動することができるマイクロポンプ装置を提供する。【解決手段】  このマイクロポンプ装置は、流路中に配置された多孔質薄膜２２と、多孔質薄膜の両側に設置された一対の電極２４，２６と、流路に作動液Ｌｗを供給する手段と、一対の電極間に直流電圧を印加する直流電源３４とを備えている。これらの一対の電極２４，２６は複数の貫通孔２７が形成された板状であり、一対の電極２４，２６間に直流電圧を印加することにより多孔質薄膜２２を経由した作動液Ｌｗの流れを発生させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路中に配置された多孔質薄膜と、該多孔質薄膜の両側に設置された一対の電極と、前記流路に作動液を供給する手段と、前記一対の電極間に直流電圧を印加する直流電源とを備えており、
前記一対の電極は複数の貫通孔が形成された板状であり、
前記一対の電極間に直流電圧を印加することにより前記多孔質薄膜を経由した前記作動液の流れを発生させることを特徴とするマイクロポンプ装置。
【請求項２】
前記作動液は、電気分解が発生しないように処理された溶液であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ装置。
【請求項３】
前記作動液は、液体中に微粒子を分散させたコロイド状溶液であることを特徴とする請求項２に記載のマイクロポンプ装置。
【請求項４】
前記作動液は、イオン交換水又は蒸留水であることを特徴とする請求項２に記載のマイクロポンプ装置。
【請求項５】
前記多孔質薄膜の下流側に可撓性を有する分離膜を設置し、この分離膜の他方側に設けた吐出室に吐出液を収容して、作動液の駆動力を分離膜を介して吐出液に伝達するようにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のマイクロポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体の流量を精密に制御することができるマイクロポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、マイクロチャネル内に血液やＤＮＡ、細胞等を含む溶液を流し、対象物を顕微鏡によって拡大し観察する作業を行う場合、流量に変動や脈動があると像がプレて精確な観察ができない。このため、脈動や変動のない微少流量を制御できるマイクロポンプ装置の開発が渇望されていた。
【０００３】
このようなマイクロポンプ装置として、発明者等は、先に全く新しい原理を用いた装置を開発した（特許文献１）。これは、図１１に示すように、電解質水溶液やコロイド溶液等の作動液８０の流路を構成する外被８２中に多孔質薄膜８４を配置し、さらにこの多孔質薄膜８４の両側に一対の電極８６，８８を配置し、これら一対の電極８６，８８間に直流電圧を印加することにより、作動液が多孔質薄膜８４を通過して微少流量流れを発生することを利用するものである。
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の技術では、電極としてリング状の部材を用いており、多孔質薄膜の中央部分で電圧分布が小さくなり、周辺部に比べて流量が低下する不具合が有った。また、作動液として電解質水溶液を用いる場合、電気分解が発生しやすく、陰極で酸素が発生して動作不良となる場合がある。一方、作動液としてコロイド溶液を用いる場合、微粒子が凝縮して、多孔質膜の詰まりを生じるという問題も有る。
【０００５】
また、このような原理を用いてマイクロポンプを構成するために、特許文献１では、作動液と吐出液の間に緩衝液を導入しているので、緩衝液が吐出液を変質・汚染する可能性が有り、場合によっては、作動液が吐出液に混合する可能性がある。さらに、マイクロポンプの始動、吐出液の補充、メンテナンス等の際に３つの液をハンドリングしなければならず、作業が煩雑である、あるいは、緩衝液を保持するための曲管部を形成するために、構造が複雑となり、マイクロチップへの組み込みが難しい、等の問題も有った。
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００５／０５２３７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、電解による酸素ガスの発生や微粒子の凝縮による詰まり等の作動液に関連する不具合を解消し、長期に安定して作動することができるマイクロポンプ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明の他の目的は、吐出液が汚染される危険性を減少させ、かつ、始動、吐出液の補充、メンテナンス等の作業が容易であるような実用性の高いマイクロポンプ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために、請求項１に記載のマイクロポンプ装置は、流路中に配置された多孔質薄膜と、該多孔質薄膜の両側に設置された一対の電極と、前記流路に作動液を供給する手段と、前記一対の電極間に直流電圧を印加する直流電源とを備えており、前記一対の電極は複数の貫通孔が形成された板状であり、前記一対の電極間に直流電圧を印加することにより前記多孔質薄膜を経由した前記作動液の流れを発生させることを特徴とする。
【００１０】
請求項１に記載の発明においては、一対の電極が複数の貫通孔が形成された板状であり、一対の電極間に直流電圧を印加することにより、多孔質薄膜の全面に均一な電圧分布が形成される。従って、多孔質薄膜の全面において作動液の微少流れが形成され、効率の良いポンプ動作がなされる。
【００１１】
請求項２に記載のマイクロポンプ装置は、請求項１に記載の発明において、前記作動液は、電気分解が発生しないように処理された溶液であることを特徴とする。
請求項３に記載のマイクロポンプ装置は、請求項２に記載の発明において、前記作動液は、液体中に微粒子を分散させたコロイド状溶液であることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載のマイクロポンプ装置は、請求項２に記載のマイクロポンプ装置において、前記作動液はイオン交換水又は蒸留水であることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明においては、作動液がイオン交換水又は蒸留水であるので、一対の電極間に直流電圧を印加した場合に、電気分解や微粒子の凝縮が起こらない。従って、これらによる動作不良が起きず、長期に安定動作する。なお、作動液がイオン交換水である場合の動作原理は、特許文献１におけるものとは異なると考えられ、詳細は究明中である。
【００１４】
請求項５に記載のマイクロポンプ装置は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の発明において、前記多孔質薄膜の下流側に可撓性を有する分離膜を設置し、この分離膜の他方側に設けた吐出室に吐出液を収容して、作動液の駆動力を分離膜を介して吐出液に伝達するようにしたことを特徴とする。
請求項３に記載の発明においては、作動液と吐出液が分離膜により分離されているので、吐出液が汚染されたりすることが防止され、また、各液の補給等の作業を独立に行うことができるので、作業が軽減される。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、より効率のよいマイクロポンプ装置が提供される。
請求項２に記載の発明によれば、長期にわたり安定的に稼動するマイクロポンプ装置が提供される。
請求項３に記載の発明によれば、吐出液が汚染される危険性を減少させ、かつ、始動、吐出液の補充、メンテナンス等の作業が容易であるような実用性の高いマイクロポンプ装置を提供が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の１つの実施の形態のマイクロポンプ装置を模式的に示す図である。これは、作動液の微少流れを形成する作動部１と、作動液の駆動力を吐出液に伝達する伝達部２とを有している。
【００１７】
作動部１を構成する作動容器１ａの中央部には、多孔質薄膜２２が内部空間を二分する（以下、図において左側を上流室２８、右側を下流室３０と呼ぶ。）ように配置され、この多孔質薄膜２２の両側に一対の電極２４，２６が配置されている。多孔質薄膜２２の両側の空間には、作動液Ｌｗが充填されている。作動液Ｌｗとしては、液体中で帯電する性質を有している粒径０．０１μｍ〜０．５μｍの微粒子を浮遊させた液体、例えば、溶液中に微粒子を分離させたコロイド状溶液、電解質水溶液、あるいはイオン交換水（蒸留水）等を用いることができる。
【００１８】
多孔質薄膜２２は、一例として、厚さが１１μｍのニッケル製で、直径８ｍｍの円形の領域内に孔径約５μｍの穴が５５６００個規則的に設けられたものである。多孔質の孔径は１μｍ〜１００μｍの範囲が望ましい。多孔質薄膜２２としては、金属製だけでなく、樹脂、セラミックス等の適宜の素材を用いることができる。
【００１９】
電極２４，２６は、図２（ａ）に示すように、円板の中央に１つとその周囲に８個の円形の穴２７を周方向等間隔に形成したものである。この実施の形態では、中央が直径２．０ｍｍ、周囲が直径１．５ｍｍである。穴２７の寸法や形状、数は適宜に決めることができる。径が小さすぎると、液流れの抵抗となり、また、初期の空気抜きが困難になる。図２（ｂ）に示すのは、従来のリング形の電極の形状であり、中央に直径５ｍｍの穴が形成されている。
【００２０】
各電極２４，２６と多孔質薄膜２２との間隔は、１ｍｍないし１ｃｍ程度の範囲が望ましい。これら一対の電極２４，２６は切替えスイッチ３２を介して直流電源３４に接続されている。直流電源３４は、一対の電極２４，２６に１００Ｖ程度以下の直流電圧を供給するための電源であり、電池を用いることができる。あるいは、直流電源３４として、交流電源からコンバーターを介して直流電源を得る電源装置であっても良い。また、可変抵抗器などの電圧調整手段を具備しているものとする。
【００２１】
このマイクロポンプ装置は、切替えスイッチ３２によって、基本的には、上側電極２４を＋、下側電極２６を−として動作する。すなわち、液中で＋に荷電したように挙動する微粒子を多孔質薄膜２２の微細孔から押し出すことにより、上流室２８から下流室３０に送液される。流量は、多孔質薄膜２２や作動液Ｌｗの条件が同じであれば、電極間電圧によって制御される。勿論、切替えスイッチ３２によって、電圧を逆にして逆流させることもできる。
【００２２】
伝達部２は、伝達容器２ａの中央に分離膜４８が設けられている。分離膜４８の左側は、作動液管３を介して下流室３０に連通する作動液空間４であり、右側は、吐出液Ｌｈが収容される吐出液空間５である。吐出液空間５は吐出管６を介して、マイクロチップ等の吐出液被供給装置に連絡している。
【００２３】
分離膜４８は、樹脂、各種ゴム等からなる可撓性を有する部材で、平坦ではなく、中央が膨らんだ形状である。この実施の形態ではポリエチレン製であるが、作動液Ｌｗや吐出液Ｌｈと反応せず、ヘッドｈ程度の圧力に対して圧縮や伸張しない強度が有ればよい。分離膜４８は、この実施の形態では、断面楕円状のドーム型であるが、円形、コーン型、あるいは不定形であってもよく、形状を変えることで突出した部分の容積を変えられるものであればよい。
【００２４】
（実施例１）
図２（ａ）および（ｂ）に示す２つの電極２４，２６を用いて、流量を比較するための実験を行った。作動液は、シリカ微粒子を０．１％含むコロイド溶液とし、多孔質薄膜２２としては、２μｍのポリカーボネイト膜を用いた。印加電圧は、１０Ｖである。結果を図３に示す。
この図より、本発明の多穴電極２４，２６は、従来のリング状の電極に比べて、約２倍の流量が得られることが分かる。
【００２５】
（実施例２）
図４（ａ）は、作動液Ｌｗとして、イオン交換水を用いた場合の実施例の結果である。電極は、図２（ａ）に示す形状であり、多孔質薄膜２２としては、２μｍのポリカーボネイト膜を用いた。印加電圧は、１０Ｖである。図４（ｂ）は、作動液として０．０１％のシリカ微粒子を含むコロイド溶液を用いた比較例で、印加電圧１０Ｖ、多孔質薄膜２２として２μｍのポリカーボネイト膜を用いた点は、図４（ａ）の場合と同じである。
【００２６】
図４（ａ）に示すイオン交換水を用いた場合は、図４（ｂ）に示すコロイド溶液を用いた場合に比べて流量は約半分である。しかしながら、長時間にわたって、流量は少ないが一定流量が安定して流れることが分かった。
【００２７】
図５ないし図８は、この発明のマイクロポンプ装置の他の実施の形態を示すもので、図５はポンプ本体１０を、図６はその要部を、図７および図８はこのマイクロポンプ装置を用いたシステムとその液フローを示す図である。
【００２８】
ポンプ本体１０は、筒状の外被１２および蓋１３と、その下側の２枚の板部材１４，１６を備えている。２枚の板部材（以下、上板１４および下板１６と呼ぶ。）は、このマイクロポンプ装置が使用されるマイクロチップ１８の一部であって、上板１４の下面に形成された溝によって、上板１４および下板１６の間に吐出液流路２０が形成されている。マイクロチップ１８は、例えば血液やＤＮＡ、細胞等を含む溶液を検査するための装置であって、このマイクロポンプ装置はそのような溶液を吐出液Ｌｈとして上記吐出液流路２０に微少流量ずつ送液するものである。
【００２９】
縦型筒状の外被１２の高さ方向中央部には、多孔質薄膜２２が内部空間を上下に二分するように配置され、この多孔質薄膜２２の上下に一対の電極２４，２６が配置されている。多孔質薄膜２２の上下の空間（以下、上側を上流室２８、下側を下流室３０と呼ぶ。）には、作動液が充填されている。
【００３０】
多孔質薄膜２２によって内部の空間は上下に分割されているが、電極２４，２６の多孔質薄膜２２に対向する部分は実質的に液流動を許容するように開口が形成されている。多孔質薄膜２２および電極２４，２６が傾斜して取り付けられているのは、作動液Ｌｗを供給する際に内部に空気が残らないようにするためである。
【００３１】
上流室２８および下流室３０の中段部以下の部分には、それぞれ作動液供給管３６，３８が設けられ、これらは開閉弁Ｖ１，Ｖ２を介して作動液タンク４０に接続されている。作動液タンク４０と多孔質薄膜２２の高さ、すなわちヘッドｈ（図８参照）は、用途に応じて適宜に設定することにより、用途に応じた所望の流量特性を得ることができる。また、上流室２８および下流室３０の上段部近傍の部分には、それぞれ空気抜き管４２，４４が設けられ、これらは開閉弁Ｖ３，Ｖ４を介して作動液回収容器４６に開口している。なお、下流室３０の空気抜き管４４は、後述するように、吐出液Ｌｈを補充する際の作動液排出管としても用いられる。
【００３２】
筒状の外被１２の下方には、上板１４を貫通する開口が形成され、その上端を覆う分離膜４８が設けられている。この分離膜４８は、樹脂、各種ゴム等からなる可撓性を有する部材で、平坦ではなく、中央が膨らんだ形状である。この実施の形態ではポリエチレン製であるが、作動液Ｌｗや吐出液Ｌｈと反応せず、ヘッドｈ程度の圧力に対して圧縮や伸張しない強度が有ればよい。分離膜４８は、この実施の形態では、断面楕円状のドーム型であるが、円形、コーン型、あるいは不定形であってもよく、形状を変えることで突出した部分の容積を変えられるものであればよい。
【００３３】
分離膜４８の下側の空間は吐出液流路２０と連絡しており、ここに吐出液Ｌｈを貯留し、多孔質薄膜２２の膨出によりこれを押し出す吐出室５０が形成されている。上板１４には、吐出液流路２０の他に、吐出室５０に通じる２つの流路が設けられており、一方は、吐出室５０に吐出液Ｌｈを補給する補給路５２であり、他方は空気抜き路５４である。図６に示すように、補給路５２は吐出室５０の底部近傍に開口しているが、空気抜き路５４は多孔質薄膜２２の付け根の部分、つまり、吐出室５０の頂部に開口している。すなわち、空気抜き路５４は上板１４の上面に形成した溝で構成されているので、これを覆うように取り付けた継手５６によって密封されている。
【００３４】
補給路５２は開閉弁Ｖ５を有する補給管５３を介して、手押しポンプ５８付きの吐出液タンク６０に連絡している。空気抜き路５４は、開閉弁Ｖ６を有する空気抜き管６３を介して吐出液回収容器６４に開口している。空気抜き管６２は、例えば、垂直部分がガラス等の透明部材で形成し、液面の上昇を目視できるようにしてもよい。なお、上述した開閉弁Ｖ１〜Ｖ６は、マイクロポンプの動作に影響するものであるので、閉鎖時には漏れがないような精密な構造のものが使用される。また、吐出液流路２０には、始動作業や補給作業の際に補給液が下流側に流れないようにするための開閉弁Ｖ７が設けられている。
【００３５】
分離膜４８は、外被１２下端と上板１４の開口の縁部との間に、接着剤等で固着させてもよいし、交換のための取り外しが可能なように、ねじやクランプで挟着してもよい。なお、ポンプ本体１０の外被１２は、樹脂や金属で作製され、上板１４はpolydimethylsiloxane（ＰＤＭＳ）等の樹脂により好適に作製される。
【００３６】
以下、上記のように構成されたマイクロポンプ装置およびポンプシステムの動作を説明する。図７又は図８に示すシステムを、ポンプ本体１０の作動液Ｌｗ、吐出液Ｌｈが空の状態で始動する際には、まず、開閉弁Ｖ１，Ｖ２および吐出液タンク６０の開放弁Ｖ８と、吐出液流路２０へ通じる開閉弁Ｖ７を閉じ、開閉弁Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６を開いて、吐出液タンク６０の手押しポンプ５８を操作し、吐出液Ｌｈを吐出室５０に送る。空気抜き路５４の先端側から液が出て来たら、吐出室５０内の空気が押し出されたので、開閉弁Ｖ７を閉じる。吐出室５０内には、吐出液Ｌｈが溜まっていき、分離膜４８を上方に押し出し、例えば、図８に破線で示すようになる。なお、この図では分離膜４８を誇張して描いている。吐出室５０内に充分な量の吐出液Ｌｈが溜まったら、吐出液タンク６０からの送液を止め、開閉弁Ｖ５を閉じる。
【００３７】
次に、作動液タンク４０に連絡する開閉弁Ｖ１，Ｖ２と空気抜き用の開閉弁Ｖ３，Ｖ４を開いて、作動液Ｌｗを上流室２８と下流室３０に供給する。開閉弁Ｖ３，Ｖ４から作動液Ｌｗが出るようになったら、空気抜きが終わったので、開閉弁Ｖ１〜Ｖ４を閉じて、マイクロポンプ動作を開始することができる。なお、特に、多孔質薄膜２２や電極２４，２６近傍の空気抜きを充分に行うには、しばらくマイクロポンプを準備運転してから、もう一度上記の作動液供給動作を行うとよい。
【００３８】
上記において、吐出液Ｌｈの充填を作動液Ｌｗの充填より先に行ったのは、開閉弁Ｖ４を開いた状態で作動液Ｌｗを供給すると、分離膜４８が作動液Ｌｗの自重で下方に膨らんで、充分に吐出液Ｌｈを供給できないからである。しかしながら、下流室３０への作動液Ｌｗの供給を所定量で止め、その後に開閉弁Ｖ２を閉、Ｖ４を開とした状態で吐出液Ｌｈを供給すれば、やがて作動液が開閉弁Ｖ４より押し出されるので、このようにしてもよい。上流室２８、下流室３０および吐出室５０のいずれにも、空気が抜けた状態で液が充填されれば良いので、やり方は任意である。
【００３９】
このようにして、各室にそれぞれの液が供給された状態で、開閉弁Ｖ１とＶ７のみを開いて電極２４，２６間に所定電圧を印加して、マイクロポンプを作動させる。開閉弁Ｖ１を開とするのは、ヘッドｈを一定に維持するためである。これにより多孔質薄膜２２を作動液Ｌｗ中の微粒子が通過し、これに伴って上流室２８から下流室３０へ作動液Ｌｗが微少流量ずつ流れる。これにより、分離膜４８が下方に膨らみ、下流室３０の容積が増えて吐出室５０の容積が減り、吐出液Ｌｈが吐出室５０から吐出液流路へと送り出される。分離膜４８が非圧縮性であるので、作動液Ｌｗと吐出液Ｌｈの流量は常に一致する。
【００４０】
マイクロポンプの動作に伴い、下流室３０の容積が増加し、やがて、分離膜４８が図８で実線で示す原形に近付く。そこで、所定のタイミングで運転を停止し、吐出液Ｌｈの補給作業を行う。これは、補給管５３の開閉弁Ｖ５と、下流室３０の空気抜き／作動液排出のための開閉弁Ｖ４とを開とし、他の開閉弁を閉じた状態で、手押しポンプ５８を作動すれば良い。これにより、吐出室５０に圧送された吐出液Ｌｈは分離膜４８を押し上げ、下流室３０内の作動液Ｌｗを空気抜き／作動液排出管４４および開閉弁Ｖ４より作動液回収容器４６へと押し出す。所定量が供給されたところで、開閉弁Ｖ４，Ｖ５を閉じ、開閉弁Ｖ７を開として、マイクロポンプの動作を再開すればよい。
【００４１】
図９は、マイクロポンプ装置およびポンプシステムの他の実施の形態を示すもので、マイクロチップ１８の下板１６に貫通口を設けるとともに、その下方にカップ状の容器６６を取り付けたものである。分離膜４８は、吐出室５０の深さに応じてドームの高さを大きくする。吐出液流路２０は、分離膜４８によって覆われないような位置に開口させている。このようにして、吐出室５０の深さを大きくすることにより、１回の吐出液補給によって動作可能な期間を延長することができる。
【００４２】
図１０は、マイクロポンプ装置を用いたポンプシステムの他の実施の形態を示すもので、先の実施の形態では、吐出液Ｌｈの補給を手押しポンプ５８で人手により行ったが、この実施の形態では、所定のアクチュエータで動作する補給ポンプ６８を用いている。さらに、この実施の形態では、この補給ポンプ６８の動作と開閉弁Ｖ１〜Ｖ７の開閉動作を必要に応じて制御し、所定のタイミングで補給動作を行う制御装置７０が設けられている。補給動作を行うタイミングは、マイクロポンプの動作時間を測定する、流量計等により総流量を測定する、分離膜４８の変形をセンサで測定する等の方法が考えられる。このような構成により、長期に自動化したマイクロポンプ運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】この発明のマイクロポンプ装置の原理を示す模式図である。
【図２】（ａ）は図１の装置の電極を示す図、（ｂ）は従来の電極を示す図である。
【図３】この発明の第１の実施例の結果を従来の場合と比較して示すグラフである。
【図４】（ａ）はこの発明の実施例の結果を示すグラフ、（ｂ）は従来の場合の結果を示すグラフである。
【図５】この発明の１実施の形態のマイクロポンプ装置の本体部の構成を示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。
【図６】図５の本体部の要部を示すもので、（ａ）は図５（ｂ）のａ矢視図、（ｂ）は図５（ｂ）のｂ矢視図である。
【図７】図５のマイクロポンプ装置を用いたポンプシステムを示す図である。
【図８】図５のマイクロポンプ装置を用いたポンプシステムにおける液フローを模式的に示す図である。
【図９】この発明の他の実施の形態のマイクロポンプ装置およびポンプシステムを示す図である。
【図１０】この発明のさらに他の実施の形態のマイクロポンプ装置およびポンプシステムを示す図である。
【図１１】マイクロポンプ装置の原理を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  ポンプ本体
１２  外被
２２  多孔質薄膜
２４，２６  電極
２７  穴
２８  上流室
３０  下流室
３２  スイッチ
３４  直流電源
３６，３８  作動液供給管
４０  作動液タンク
４２  空気抜き管
４４  空気抜き／作動液排出管
４８  分離膜
５０  吐出室
５２  補給路
５３  補給管
５４  空気抜き路
６０  吐出液タンク
６２  空気抜き管
７０  制御装置
Ｌｈ  吐出液
Ｌｗ  作動液
Ｖ１〜Ｖ７  開閉弁
Ｖ８  開放弁
【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】
2007177769.tif 000009
【図８】
2007177769.tif 000010
【図９】
2007177769.tif 000011
【図１０】
2007177769.tif 000012
【図１１】
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