(57)【要約】【課題】簡便な構造で、急加熱が可能であるとともにヒータの耐食性に優れた赤外線ガスセンサを提供する。【解決手段】赤外線ガスセンサ１は、赤外線光源部１１、ガス流通部１３、及び赤外線受光部１５を備え、赤外線光源部１１から放射された赤外線のうち、ガス流通部１３内の被測定ガスによって吸収された赤外線量を、赤外線受光部１５で検出して、被測定ガスに含まれた成分ガスの濃度を測定する赤外線ガスセンサであって、ガス流通部１３の内部空隙Ｘを構成するとともに、内部空隙Ｘと外部雰囲気Ｙの間で被測定ガスを流通できる通気部１３３を有したセラミック製の構造体１３１を備え、構造体１３１は、構造体１３１を構成する壁１３２内に埋設されたヒータパターン１４１を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線光源部、ガス流通部、及び赤外線受光部を備えた赤外線ガスセンサであり、
前記赤外線光源部から放射された赤外線のうち、前記ガス流通部内の被測定ガスによって吸収された赤外線量を、前記赤外線受光部で検出して、前記被測定ガスに含まれた成分ガスの濃度を測定する赤外線ガスセンサであって、
前記ガス流通部の内部空隙を構成するとともに、該内部空隙と外部雰囲気の間で前記被測定ガスを流通できる通気部を有したセラミック製の構造体を備え、
前記構造体は、該構造体を構成する壁内に埋設されたヒータパターンを備えることを特徴とする赤外線ガスセンサ。
【請求項２】
前記構造体は、筒形状をなし、
前記赤外線光源部は前記構造体の一端側に配置され、前記赤外線受光部は前記構造体の他端側に配置されて、前記赤外線光源部及び前記赤外線受光部が前記ガス流通部を介して対向して配置する請求項１に記載の赤外線ガスセンサ。
【請求項３】
前記構造体は、該構造体を構成する壁内に埋設された温度測定用導電パターンを備える請求項１又は２に記載の赤外線ガスセンサ。
【請求項４】
前記構造体は、該構造体の外表面に前記赤外線光源部を駆動する光源部制御用導電パターンを備える請求項１乃至３のうちのいずれかに記載の赤外線ガスセンサ。
【請求項５】
前記ヒータパターンは、その埋設箇所により発熱量が異なる請求項１乃至４のうちのいずれかに記載の赤外線ガスセンサ。
【請求項６】
前記構造体の外表面、前記構造体の内壁面、及び、前記構造体の壁内、のうちの少なくともいずれかの部位に金属層を備える請求項１乃至５のうちのいずれかに記載の赤外線ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は赤外線ガスセンサに関する。更に詳しくは、放射された赤外線のうち被測定ガスによって吸収される赤外線量を検出し、被測定ガス中の成分ガス濃度を測定する赤外線ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、測定環境下において、直接的且つ連続的に測定を行うことができる赤外線ガスセンサが求められている。特に被測定ガスによって吸収される赤外線量を検出し、被測定ガス中の成分ガス濃度を測定できる高い起動性を有する赤外線ガスセンサが望まれている。
この測定環境下において、直接的且つ連続的に成分ガスの濃度を測定しようとした場合、結露及び氷結が問題となる。即ち、被測定ガスに水蒸気が含まれるとともに、結露によって水を生じることや、氷結によって氷を生じることがある。しかし、水｛液体及び固体（氷）の状態等を含む｝は、赤外線を吸収したり、反射や屈折したりする特性を有する。このため、赤外線ガスセンサのガス流通部や空隙の内表面に水が存在すると、赤外線の吸収や乱反射を生じて、ガスの濃度を測定する際の妨げとなる。このため、被測定ガス中の水蒸気による結露及び氷結をどのように防止するかが問題となる。このような問題に対して、下記特許文献１に開示された技術が知られている。
尚、下記特許文献２として、赤外線光源にセラミックヒータを用いた赤外線ガスセンサが、更に、下記特許文献３として、赤外線ガスセンサの赤外線受光部に好適に利用できる赤外線検知素子が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−１０５９４７号公報
【特許文献２】特開平９−３３４３１号公報
【特許文献３】特開２０１０−１０７２９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１の赤外線ガス分析計は、測定セル部とヒータにより所定の温度に加熱された筒状フィルタと、測定ガスの出入口を持ち、内面が同軸の筒状外筐体とで構成し、さらに外筐体の両側面に赤外線透過窓を配置した構成を有する（特許文献１の図３参照）。この赤外線ガス分析計は、ヒータを有するためにヒータで筒状フィルタを加熱することにより、結露防止を行うことができる点で優れている。
【０００５】
しかし、上述の構造を得るためには、筒状フィルタにヒータを巻回する必要があること、加えて、複雑な二重管構造を呈していることから、このような赤外線ガスセンサを得るには高いコストを生じる。更に、ヒータが筒状フィルタの表面に巻回されているために、ヒータの熱が筒状フィルタの外側へと逃げてしまう一方、急加熱を行うとヒータが溶断してしまうおそれがあり、ヒータの熱を筒状フィルタ内に十分に伝達し難いという問題ある。ヒータからの熱伝達が劣ると結果的に筒状フィルタ内の温度を上昇させるのに時間を要し、赤外線ガスセンサとしての起動時間を増大させることとなる。このため、より優れた起動性を得る観点からより早い加熱特性が望まれる。また、ヒータが被測定雰囲気に曝されているため、腐食され易く耐久性の観点からこれを抑制することが望まれる。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、より簡便な構造で、急加熱が可能であるとともにヒータの耐食性に優れた赤外線ガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
即ち、本発明は以下に示す通りである。
〈１〉赤外線光源部、ガス流通部、及び赤外線受光部を備えた赤外線ガスセンサであり、
前記赤外線光源部から放射された赤外線のうち、前記ガス流通部内の被測定ガスによって吸収された赤外線量を、前記赤外線受光部で検出して、前記被測定ガスに含まれた成分ガスの濃度を測定する赤外線ガスセンサであって、
前記ガス流通部の内部空隙を構成するとともに、該内部空隙と外部雰囲気の間で前記被測定ガスを流通できる通気部を有したセラミック製の構造体を備え、
前記構造体は、該構造体を構成する壁内に埋設されたヒータパターンを備えることを特徴とする赤外線ガスセンサ。
〈２〉前記構造体は、筒形状をなし、
前記赤外線光源部は前記構造体の一端側に配置され、前記赤外線受光部は前記構造体の他端側に配置されて、前記赤外線光源部及び前記赤外線受光部が前記ガス流通部を介して対向して配置する前記〈１〉に記載の赤外線ガスセンサ。
〈３〉前記構造体は、該構造体を構成する壁内に埋設された温度測定用導電パターンを備える前記〈１〉又は〈２〉に記載の赤外線ガスセンサ。
〈４〉前記構造体は、該構造体の外表面に前記赤外線光源部を駆動する光源部制御用導電パターンを備える前記〈１〉乃至〈３〉のうちのいずれかに記載の赤外線ガスセンサ。
〈５〉前記ヒータパターンは、その埋設箇所により発熱量が異なる前記〈１〉乃至〈４〉のうちのいずれかに記載の赤外線ガスセンサ。
〈６〉前記構造体の外表面、前記構造体の内壁面、及び、前記構造体の壁内、のうちの少なくともいずれかの部位に金属層を備える前記〈１〉乃至〈５〉のうちのいずれかに記載の赤外線ガスセンサ。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の赤外線ガスセンサによれば、簡便な構造で、急加熱が可能であるとともにヒータの耐食性に優れた赤外線ガスセンサとすることができる。即ち、セラミック製の構造体の内部にヒータが埋設されているために、構造体の外表面にヒータが配設されている場合に比べて構造体内部に対して熱を伝達し易い。このために、構造体内のガス流通部の温度をより高速に制御でき、被測定ガスの結露を防止することができる。このため、高い起動性を得ることができる。加えて、セラミック製の構造体内にヒータパターンが埋設されているために、ヒータパターンが直接被測定ガスに曝されることがなく耐食性に優れた赤外線ガスセンサを得ることができる。
【０００９】
構造体が筒形状をなし、赤外線光源部が構造体の一端側に配置され、赤外線受光部が構造体の他端側に配置されて、赤外線光源部及び赤外線受光部がガス流通部を介して対向して配置されている場合には、赤外線の反射による減衰を小さく抑制でき、より大きな信号を得ることができるために、より正確な濃度測定を行うことができる。
【００１０】
構造体を構成する壁内に埋設された温度測定用導電パターンを備える場合は、実際に測定される被測定ガスに近い位置で温度測定を行うことができ、ガス流通部の温度をより正確且つ早く制御できる。加えて、セラミック製の構造体内に温度測定用導電パターンが埋設されているために、温度測定用導電パターンが直接被測定ガスに曝されることがなく耐食性に優れた赤外線ガスセンサを得ることができる。
【００１１】
構造体の外表面に赤外線光源部を駆動する光源部制御用導電パターンを備える場合は、リードフレーム等の別体の導体を用いる場合に比べて、部品点数を減らすことができコスト面及び製造工程上有利である。加えて、別体の導体を用いる場合に比べて断線のおそれが低減され、より信頼性に優れた赤外線ガスセンサとすることができる。
【００１２】
ヒータパターンが、その埋設箇所により発熱量が異なる場合には、本赤外線ガスセンサ（特に構造体）の構成、構造、形状等に起因して、本赤外線ガスセンサの各部位による比熱や熱引きが異なる場合であっても、本赤外線ガスセンサ全体の温度をより適切に制御できる。とりわけ、全体により均一な温度に制御しつつ（温度分布を抑制しながら）、すみやかに所望の温度に昇温させることができる。これにより、赤外線検出部の出力安定性を向上させて、測定精度をよりよくすることができる。
【００１３】
構造体の外表面、構造体の内壁面、及び、構造体の壁内、のうちの少なくともいずれかの部位に金属層を備える場合は、この金属層を熱伝導層として機能させて、本赤外線ガスセンサの温度をより均一に制御でき、これによってより精度の高い測定を行うことができる。また、特に構造体の内壁面に金属層を備える場合には、この金属層が赤外線反射層として機能されて、赤外線光源部から赤外線受光部まで減衰をより抑えて赤外線を到達させることができる。そして、これにより測定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の赤外線ガスセンサを説明する模式的な断面図である。
【図２】図１に備えられた赤外線受光部を説明する模式的な断面図である。
【図３】本発明に用いられる構造体の構成を説明するとともに、本赤外線ガスセンサの製造方法を説明する模式的な斜視図である。
【図４】本発明に用いられる構造体の構成を説明するとともに、本赤外線ガスセンサの製造方法を説明する模式的な斜視図である。
【図５】本発明に用いられる構造体の構成を説明するとともに、本赤外線ガスセンサの製造方法を説明する模式的な斜視図である。
【図６】本発明に用いられる構造体の構成を説明するとともに、本赤外線ガスセンサの製造方法を説明する模式的な斜視図である。
【図７】本発明に用いられる構造体の構成を説明するとともに、本赤外線ガスセンサの製造方法を説明する模式的な斜視図である。
【図８】赤外線ガスセンサのバリエーションを説明する模式的な断面図である。
【図９】赤外線ガスセンサのバリエーションを説明する模式的な断面図である。
【図１０】ヒータパターンのバリエーションを説明する模式的な斜視図である。
【図１１】ヒータパターンのバリエーションを説明する模式的な斜視図である。
【図１２】ヒータパターンのバリエーションを説明する模式的な斜視図である。
【図１３】ヒータパターンのバリエーションを説明する模式的な斜視図である。
【図１４】ヒータパターンのバリエーションを説明する模式的な斜視図である。
【図１５】ヒータパターンのバリエーションを説明する模式的な斜視図である。
【図１６】金属層のバリエーションを説明する模式的な断面図である。
【図１７】金属層のバリエーションを説明する模式的な断面図である。
【図１８】金属層のバリエーションを説明する模式的な断面図である。
【図１９】赤外線ガスセンサのバリエーションを説明する模式的な断面図である。
【図２０】赤外線ガスセンサのバリエーションを説明する模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明について、図１〜図２０を参照しながら以下詳細に説明する。
〈１〉赤外線ガスセンサ
本発明の赤外線ガスセンサ１は、赤外線光源部１１、ガス流通部１３、及び赤外線受光部１５を備え、赤外線光源部１１から放射された赤外線のうち、ガス流通部１３内の被測定ガスによって吸収された赤外線量を、赤外線受光部１５で検出して、被測定ガスに含まれた成分ガスの濃度を測定する赤外線ガスセンサであって、
ガス流通部１３の内部空隙Ｘを構成するとともに、内部空隙Ｘと外部雰囲気Ｙの間で被測定ガスを流通できる通気部１３３を有したセラミック製の構造体１３１を備え、
構造体１３１は、構造体１３１を構成する壁１３２内に埋設されたヒータパターン１４１を備えることを特徴とする。
【００１６】
上記「赤外線光源部（１１）」は、赤外線を放射する部位である。通常、赤外線光源部１１は、少なくとも１つ以上の赤外線光源１１１を有する。赤外線光源１１１は、１つのみを有してもよく、２つ以上を有してもよい。また、赤外線光源１１１の態様は特に限定されず、赤外線を放射することができるものであればどのようなものを用いてもよい。
【００１７】
即ち、赤外線光源１１１としては、（１）抵抗体を発熱させて赤外線を放射する赤外線光源、（２）赤外線を放射する半導体レーザーなどを利用することができる。これらの赤外線光源１１１は１種のみを用いてもよく２種以上を併用してもよい。これらのなかでも、（１）抵抗体を発熱させて赤外線を放射する赤外線光源が好ましい。この（１）の赤外線光源としては、金属抵抗体を発熱源とする赤外線光源、セラミックス抵抗体を発熱源とする赤外線光源が挙げられる。これらのうちでは、応答性の観点から金属抵抗体を発熱源とする赤外線光源が好ましい。
【００１８】
赤外線光源部１１は、上記赤外線光源１１１を備える他、他の構成を備えることができる。他の構成としては、赤外線光源１１１に電源を供給するための光源配線１１２が挙げられる。この光源配線１１２としては、通常の線材を用いてもよく、また、リードフレーム等を用いてもよい。
【００１９】
上記「赤外線受光部（１５）」は、通常、少なくとも１つ以上の受光素子１５０を有する。受光素子１５０は、１つのみを有してもよく、２つ以上を有してもよい。また、受光素子１５０の態様は特に限定されず、赤外線の光量を検知できるものであればどのようなものを用いてもよい。即ち、受光素子１５０としては、（１）サーモパイル素子、（２）焦電素子、（３）フォトダイオード素子などを利用することができる。これらの受光素子１５０は１種のみを用いてもよく２種以上を併用してもよい。これらのなかでも、赤外線ガスセンサ全体の小型化が容易であることから（１）サーモパイル素子を用いることが好ましい。
【００２０】
この赤外線受光部１５は、上記受光素子１５０を備える他、他の構成を備えることができる。他の構成としては、フィルタ１５５が挙げられる。フィルタ１５５としては、受光素子１５０へ到達する光を選択するためのバンドパスフィルタが挙げられる。フィルタ１５５は、１種のみを用いてもよく、２種以上を併用してもよい。２種以上を備える場合には、透過帯域の異なる２種以上のフィルタを併用することができる。
【００２１】
より具体的には、例えば、被測定ガスに含まれる成分ガスによって吸収されない帯域（即ち、成分ガスに影響されない帯域）の赤外線を透過させつつ、被測定ガスに含まれる成分ガスによって吸収される帯域の赤外線を透過させないバンドパスフィルタ（例えば、図２におけるバンドパスフィルタ１５６）をフィルタ１５５として利用することができる。このようなフィルタ１５５を、赤外線光源１１１と受光素子１５０（例えば、図２の受光素子１５１）の間に介在させた場合には、成分ガスに影響されない帯域の赤外線を測定し、赤外線量の基準値を測定する受光素子１５１として機能させることができる。
【００２２】
また、被測定ガスに含まれる成分ガスによって吸収され易い所定の帯域（即ち、成分ガスに影響される帯域）の赤外線のみを透過させるバンドパスフィルタ（例えば、図２におけるバンドパスフィルタ１５７）をフィルタ１５５として利用することができる。このようなフィルタ１５５を、赤外線光源１１１と受光素子１５０（例えば、図２の受光素子１５２）の間に介在させた場合には、成分ガスによって吸収された後の赤外線の光量を測定する受光素子１５２として機能させることができる。
【００２３】
更に、これらを組合せて用いた赤外線受光部１５（図２参照）を用いた場合には、高い測定精度を有する赤外線ガスセンサ１を得ることができる。即ち、バンドパスフィルタ１５６と受光素子１５１とによって赤外線光源部１１から放射された赤外線量の総量Ａ（基準値）に基づいて、バンドパスフィルタ１５７と受光素子１５２とが成分ガスによって吸収された後の赤外線量Ｂを補正することができる。これにより、バンドパスフィルタ１５７と受光素子１５２とが成分ガスによって吸収された後の赤外線量Ｂのみを測定する場合に比べて高い精度の測定を行うことができる。
【００２４】
上記「ガス流通部（１３）」は、被測定ガスを滞留できる内部空隙Ｘを有する部位である。このガス流通部１３は後述するセラミック製の構造体１３１により構成される。ガス流通部１３は、構造体１３１全体を利用して構成されてもよく、構造体１３１の一部を利用して構成されてもよい。
ガス流通部１３及び内部空隙Ｘの態様は特に限定されず、例えば、図８に例示されるように、赤外線光源部１１と赤外線受光部１５との間に挟まれるようにして配置することができる。このような態様である場合には、一端１３４側に配置された赤外線光源部１１から放射された赤外線は、ガス流通部１３の内部空隙Ｘを通過して、他端１３５側に配置された赤外線受光部１５へ到達されることとなる。
【００２５】
更に、図９に例示されるように、赤外線光源部１１と赤外線受光部１５とが備えられた一端に対して、その他の部位をガス流通部１３として利用してもよい。このような態様である場合には、一端１３４側に配置された赤外線光源部１１から放射された赤外線は、ガス流通部１３の内部空隙Ｘを通過して、他端１３５側で反射されて再び一端１３４側に戻ってきた赤外線を赤外線受光部１５で受光することとなる。
【００２６】
上記「構造体（１３１）」は、ガス流通部１３の内部空隙Ｘを構成するとともに、内部空隙Ｘと外部雰囲気Ｙの間で被測定ガスを流通できる通気部１３３を有したセラミック製の構造体である。更に、構造体１３１は、この構造体１３１を構成する壁１３２（以下、単に「構成壁１３２」ともいう）内に埋設されたヒータパターン１４１を備える。即ち、構造体１３１は、それ自体がセラミックヒータとして機能するものである。
【００２７】
この構造体１３１の形状は特に限定されず、例えば、筒形状、立方体形状などとすることができるが、筒形状であることが好ましい。筒形状とは、略均一な厚さの構造壁１３２によって囲まれた細長い内部空間Ｘを有する形状である。この構造体１３１の端部は各々開放されていてもよく、閉じられていてもよいが、通常、開放されている。即ち、例えば、図１に例示されるように、一端１３４側には、赤外線光源１１１を収容するための開口を有し、他端１３５側には、赤外線受光素子部１５を収容するための開口を有することができる。
構造体１３１が、筒形状である場合には、赤外線光源１１から放射された赤外線がガス流通部１３の内部空隙Ｘの壁面を反射して一端１３４から他端１３５の方向に進む際に、効率よく反射できることから赤外線の反射による減衰を少なくすることができ、より精度の高い赤外線ガスセンサ１とすることができる。
【００２８】
更に、構造体１３１が筒形状である場合には、図１及び図８に例示されるように、赤外線光源部１１は構造体１３１の一端１３４側に配置され、赤外線受光部１５は構造体１３１の他端１３５側に配置されて、赤外線光源部１１及び赤外線受光部１５がガス流通部１３を介して対向して配置された態様を容易に図ることができる。このような態様である場合には、一端１３４側に配置された赤外線光源部１１から放射された赤外線は、内部空隙Ｘを通過して、他端１３５側に配置された赤外線受光部１５へ到達されることとなる。
【００２９】
一方、構造体１３１が筒形状である場合には、図９に例示されるように、赤外線光源部１１及び赤外線受光部１５の両方を、構造体１３１の一端１３４側に配置して、他端１３５側を赤外線の反射に利用（即ち、例えば、構造体１３１の他端１３５の内側に赤外線反射層を設ける）することができる。このような態様である場合には、一端１３４側に配置された赤外線光源部１１から放射された赤外線は、内部空隙Ｘを通過して、他端１３５側へ到達し、他端１３５で反射されて、再び内部空隙Ｘを通過して、一端１３４側に戻ってきた赤外線を赤外線受光部１５で受光することとなる。この図９に例示される態様は、図１及び図８に例示される様態と同じ大きさの構造体１３１で比較すると、復路分の光路長を長くすることができ好ましい。
【００３０】
更に、構造体１３１に形成された内部空隙Ｘは、図１及び図８に例示されるように、赤外線光源部１１の側（即ち、構造体１３１の一端１３４の側）においてＲ形状をなすことができる。図１及び図８のように赤外線光源部１１の側においてＲ形状をなす場合には、赤外線光源部１１から放射された赤外線を集光して、他端１３５により効率的に放射でき、赤外線受光部１５に到達される赤外線量をより大きくできる。同様に、図９に例示されるように、一端１３４側に赤外線光源部１１及び赤外線受光部１５を備える場合には、他端１３５側をＲ形状とすることで、赤外線受光部１５に到達される赤外線量をより大きくできる。
【００３１】
構造体１３１を構成するセラミックス（セラミック焼結体）は特に限定されないが、高温（特に温度２００〜３００度）においても絶縁性を十分に得ることができるセラミックスであることが好ましい。このようなセラミックスとしては、例えば、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素等が挙げられる。これらのなかでは、熱伝導率に優れ、耐食性にも優れていることからアルミナが好ましい。更に、このアルミナは、通常、緻密であり、内部空隙Ｘと外部雰囲気Ｙとの間は上記通気部１３３以外の部位においては非通気であることが好ましい。具体的には、例えば、アルミナにおいては、相対密度の割合（理論密度３．９ｇ／ｃｍ３に対する実際の密度の割合）が９０〜１００％の緻密性を有することが好ましい。
【００３２】
また、構造体１３１の内表面には、赤外線を反射するのに適した金属層（以下、単に「内部金属層」ともいう）を備えることができる。内部金属層を備えることにより、赤外線光源部１１から放射された赤外線が構造体１３１内部でより効率的に反射されて赤外線受光部１５へ到達する光量を大きくすることができる。この内部金属層を構成する金属の種類は特に限定されないが、銀、アルミニウム、金、銅、ニッケル等が挙げられる。これらは１種のみを用いてもよく併用してもよい。内部金属層の形成手段は特に限定されないがめっき、蒸着、塗装、焼付け、或いは樹脂等の母材上に金属層を形成したシートや金属箔を内表面に接着して形成する手段などが挙げられる。これらは１種のみを用いてもよく併用してもよい。
尚、後述する、構造体の外表面、構造体の内壁面、及び、構造体の壁内、のうちの少なくともいずれかの部位に備える金属層のうちの、構造体の内壁面に備えられた金属層は、上記赤外線を反射するのに適した金属層を含むものである。
【００３３】
上記「ヒータパターン（１４１）」は、構造体１３１の構成壁１３２内に埋設された導電パターンであって、通電により発熱するパターンである。このヒータパターン１４１を構造体１３１がその構造壁１３２内に備えることにより、構造体１３１はセラミックヒータとして機能される。これにより、構造体１３１の外側に熱源を備える場合に比べて熱効率に優れ、より優れた起動性を得ることができる。
即ち、前述のように、赤外線ガスセンサ１では、赤外線の光路内に水を生じると赤外線の吸収や乱反射を誘発しガス濃度測定の妨げとなるため、各測定のたびに早く結露及び氷結等を防止できる環境を形成する必要がある。この環境は、被測定ガスの温度よりも構造体１３１内の温度を高くすることで形成できる。従って、この昇温時間を短縮することで濃度測定を開始できるまでの時間を短縮（即ち、暖気時間の短縮）できることとなる。本構造では、構造体１３１の構造壁１３２内にヒータパターン１４１を有することで、優れた熱効率が発揮され、ヒータからの熱を構造体１３１内へ効率的に伝搬でき、従来に比べてより早く構造体１３１内の温度を非測定ガスの温度よりも高くすることができる。
【００３４】
また、このヒータパターン１４１は、構造壁１３２とともに一体的に焼成されたものであることが好ましい。構造壁１３２とともに一体的に焼成されたヒータパターン１４１は、構造壁１３２を構成するセラミックス内に密閉された状態にあるため、とりわけヒータパターン１４１から内部空隙Ｘへの熱伝達性に優れ、赤外線ガスセンサ自体の立ち上がり時間を短縮することができる。また、急速な加熱を行ったとしてもヒータパターン１４１の部分的な過加熱が防止される。更に、外気（被測定ガスを含む）及び水等に曝されないためヒータパターン１４１の酸化や浸食を防止できヒータパターン１４１の耐久性を向上させることができる。これらの作用により、内部空隙Ｘ内の被測定ガスの温度をより的確且つ早く制御することができ、高い起動性と高い信頼性を得ることができる。
【００３５】
更に、ヒータパターン１４１は、構造壁１３２内にどのように配置されてもよいが、図１に例示されるように、赤外線光源部１１の少なくとも一部をカバーするように配置されることが好ましく、更には、赤外線光源１１１の全部をカバーするように配置されることがより好ましい。これにより赤外線光源部１１に対する結露を防止でき、より正確な測定を行うことができる。
また、ヒータパターン１４１は、図１に例示されるように、赤外線受光部１５の少なくとも一部をカバーするように配置されることが好ましい。更には、図１に例示されるようにバンドパスフィルタ（図２における符号１５６）を備える場合には、バンドパスフィルタ（図２における符号１５６）をカバーするように配置されることがより好ましい。これにより赤外線受光部１５に対する結露を防止でき、より正確な測定を行うことができる。
【００３６】
更に、ヒータパターン１４１は、その埋設箇所により発熱量が異なるものとすることができる。即ち、換言すれば、２箇所以上の発熱量が異なる領域を有することができる。ヒータパターン１４１が、その埋設箇所により発熱量が異なる場合には、本赤外線ガスセンサ１（特に構造体１３１）の構成、構造、形状等に起因して、本赤外線ガスセンサ１の各部位における比熱や熱引きなどが異なる場合であっても、本赤外線ガスセンサ全体の温度をより適切に制御できる。とりわけ、昇温時にヒータの発熱量に分布を持たせることで、構造体１３１全体においては温度分布を生じることを抑制しつつ所望の温度にまですみやかに昇温させることができる。これによって、ヒータ通電後に、赤外線ガスセンサ１の出力を早期に安定させることができ、赤外線ガスセンサ１の起動時間を短縮できるとともに、より優れた測定精度を得ることができる。
尚、必要であれば、特定の箇所の温度を他の部位に比べて高く制御することや、特定の箇所の温度を他の部位に比べて低く制御すること等もできる。
【００３７】
このようなヒータパターン１４１は、（１）ヒータパターンを構成するパターン配線の単位面積あたりの抵抗値が異なること、（２）ヒータパターンのパターン密度が異なること、などによって得ることができる。より具体的には、上記（１）の場合として、（１−１）パターン配線の断面積が異なること、（１−２）パターン配線に配合される金属成分の含有量が異なること、などによって、単位面積あたりの抵抗値を所望の領域で変化させることができる。また、上記（２）の場合として、（２−１）ヒータパターンのパターン密度（パターン配線の粗密）が異なることによって、上記発熱量を所望の領域で変化させることができる。
【００３８】
即ち、例えば、図１０及び図１１に例示されるように、ヒータパターン１４１を構成する配線の断面積を中央部１４６ｂで大きく（配線幅を広く）し、端部１４６ａで小さく（配線幅を狭く）することにより、ヒータパターン１４１内で抵抗値が低い領域１４６ｂと、この領域に対して抵抗値がより高い領域１４６ａとを形成できる。これによって発熱量の小さい領域１４６ｂと、この領域に対して発熱量がより大きい領域１４６ａとを形成できる。
また、図１２〜図１５に例示されるように、ヒータパターン１４１を構成する配線密度（単位面積あたりに占める配線面積の割合）を中央部１４６ｂで粗くし、端部１４６ａで密とすることにより、発熱量の小さい領域１４６ｂと、この領域に対して発熱量がより大きい領域１４６ａとを形成できる。
更には、これらを組み合わせて、配線の断面積と配線密度との両方を所望の領域で各々変化させて、発熱量の小さい領域と、この領域に対して発熱量がより大きい領域とを形成することもできる。
【００３９】
更に、通常、ヒータパターン１４１は、このヒータパターン１４１に対して外部から電力を供給するためにランドパターン１４４を備える。このランドパターン１４４は、図１０、図１２及び図１４に例示されるように、発熱量がより大きい領域１４６ａに配置してもよいし、図１１、図１３及び図１５に例示されるように、発熱量がより小さい領域１４６ｂに配置してもよい。このうちでは、後者であれば、発熱ロスを抑制して、埋設箇所により発熱量が異なるヒータパターン１４１をより効果的に活用することができる。
【００４０】
尚、図１０〜図１５における点線１４１ａは、ヒータパターン１４１を、図３に適用した場合におけるヒータ用未焼成シート１７２の外形に相当する線である。更に、図１０〜図１５におけるヒータパターン１４１は、図３におけるヒータパターン１７２ｂに対応し、図１０〜図１５におけるランドパターン１４４は、図３におけるランドパターン１７２ｃに、対応する。
【００４１】
また、特に図１０〜図１５に例示されたヒータパターン１４１は、図１、図１６−図１８に例示された筒形状をなす構造体１３１に適用することがとりわけ好ましい。即ち、構造体１３１が筒形状をなし、赤外線光源部１１が構造体１３１の一端側１３４に配置され、赤外線受光部１５が構造体１３１の他端側１３５に配置されて、赤外線光源部１１及び赤外線受光部１５がガス流通部１３を介して対向して配置された形態（図１、図１６−図１８参照）の赤外線ガスセンサ１に対して好適である。このような赤外線ガスセンサ１の構造体１３１では、一端側１３４及び他端側１３５の熱引きが中央部に比べて大きいために、両端部の温度が低下し易い。これに対して、図１０〜図１５に例示されたヒータパターン１４１を、筒形状をなす構造体１３１を備えた赤外線ガスセンサ１に適用した場合には、熱引きの大きい構造体１３１の両端部にヒータパターン１４１のうちのより発熱量が大きい領域１４６ａが配置されることとなり、熱引きの大きい両端部で多くの熱量を加えることができる。更に、熱引きが相対的に小さい領域では熱供給を抑えることもでき、構造体１３１の全体をより均一な温度に維持することができる。
【００４２】
更に、通気部１３３は、構造体１３１の構造壁１３２に設けられた通気路であって、内部空隙Ｘと外部雰囲気Ｙの間で被測定ガスを流通できる部位（経路）である。この通気部１３３は、少なくとも１つを備えればよいが、２つ以上を備えてもよい。また、通気部１３３は、貫通孔であってもよく、また、貫通孔が通気性材料により充填された形態であってもよい。通気性材料により通気部１３３が充填されている場合には、通気性材料がフィルタとして機能され、内部空隙Ｘ内に塵などが侵入することを防止できる。
【００４３】
構造体１３１は、上記構造壁１３２、上記通気部１３３及び上記ヒータパターン１４１以外に、他部を備えることができる。他部としては、例えば、温度測定用導電パターン１４２が挙げられる。温度測定用導電パターン１４２は、構造体の温度を測定できる導体パターンである。この温度測定用導体パターン１４２を備える場合には、このパターン１４２により測定される温度情報をフィードバックして、ヒータパターン１４１への通電制御を行うことで、より正確な温度コントロールを行うことができる。
【００４４】
温度測定用導体パターン１４２は、ヒータパターン１４１とどのような位置関係で配置されてもよい。即ち、例えば、温度測定用導体パターン１４２をヒータパターン１４１よりも内側（内部空隙Ｘにより近い側）に配置することができる。また、温度測定用導体パターン１４２をヒータパターン１４１よりも外側（内部空隙Ｘにより遠い側）に配置することができる。これらのうちでは前者が好ましい。即ち、温度定用導体パターン１４２がヒータパターン１４１よりも内部空隙Ｘに近く配置されることが好ましい。このように配置することで、内部空隙Ｘ内の温度をより正確にコントロールすることができる。
【００４５】
更に、構造体１３１は、他部として、赤外線光源部１１を駆動する光源部制御用導電パターン１４３を備えることができる。光源部制御用導電パターン１４３は、構造体１３１の内部に備えてもよいが、図１に例示されるように、構造体１３１の外表面に配置できる。これにより、赤外線ガスセンサ１の大きさをより小さく抑制して、コンパクトなセンサとすることができる。光源部制御用導電パターン１４３は、構造体１３１を構成するセラミックスとともに一体的に焼成されていてもよいし、めっき等の方法を用い構造体１３１の焼成後に形成されてもよい。
【００４６】
また、構造体１３１は、構造体１３１の外表面（図１８参照）、構造体の内壁面、及び、構造体の壁内（図１６及び図１７参照）、のうちの少なくともいずれかの部位に、ヒータパターン１４１と接続しない形で金属層２０を備えることができる。このように金属層２０を備える場合には、金属層２０を熱伝導体として機能させて、ヒータパターン１４１による熱をより無駄なく利用して、本赤外線ガスセンサ１の温度をより均一に制御することができる。そして、これによってより精度の高い測定を行うことができる。
また、特に構造体１３１の内壁面に金属層２０を備える場合（図１６及び図１７参照）には、この金属層２０（詳細には金属層２０の最表面）が赤外線反射部として機能されて、赤外線光源部１１から赤外線受光部１５まで減衰をより抑えて赤外線を到達させることができる。そして、これにより測定精度を向上させることができる。
【００４７】
上記金属層２０の材質及び形状等は特に限定されない。その材質としては、アルミニウム、銅、金、銀、ニッケル等を利用することができる。これらの金属は１種のみを用いてもよく２種以上を併用してもよく、更には、これらの金属を主成分（当該金属を５０質量％以上を含有）とする合金を用いてもよい。更に、この金属層２０の形成手段は特に限定されず、めっき、蒸着、塗装、焼付け、或いは樹脂等の母材上に金属層を形成したシートや金属箔を接着して形成する手段などが挙げられる。また、特に構造体の壁内に金属層２０を配置する場合には、ヒータパターン１４１等の形成と同様に未焼成ペーストをグリーンシートに対して印刷した層を他層と一体的に焼成して得ることもできる。
尚、構造体の壁内に金属層２０を配置したときには、金属層２０の最表面を用いて赤外線を効果的に反射させられる態様にできるが、赤外線の反射率の向上を図る目的で、金属層２０の最表面を研磨するようにしても良い。この研磨は適宜の手法で行えばよい。また、金属層を形成したシートや金属箔を接着して形成する場合には、金属層２０の形成前又は後に研磨を行い、それ以外の手法（めっき、蒸着、焼付け等）では金属層２０の形成後に研磨を行えばよい。
【００４８】
この金属層２０の平面形状は特に限定されず、構造体１３１の外表面、構造体の内壁面、及び、構造体の壁内の各々全面に配置されてもよく、これらの一部の領域にのみ配置されてもよい。また、構造体１３１の内壁面に配置される場合には、金属層２０は、前述の通り赤外線反射層として機能されるとともに、熱伝導層（均熱層とも言える）としても機能されるために、その全面に配置されることが好ましい。
【００４９】
また、構造体の内壁面に金属層２０を配置した場合には、金属層２０を耐食性被膜で被覆することができる。耐食性被膜で金属層２０を覆うことにより、被検ガスや環境ガスによる腐食を防止して、長期間安定した測定を行うことができる。この耐食性被膜の材質は特に限定されないものの、化学的な安定性に優れ、赤外線の反射率が高い材質が好ましく、更には、熱伝導率が高い材質であることが好ましいことから、金（Ａｕ）が好適である。
【００５０】
本発明の赤外線ガスセンサ１は、上記以外の他の構成を更に備えることができる。他の構成としては、外部雰囲気Ｙから内部空隙Ｘへの異物の混入を防止するためのエアフィルタ２２が挙げられる。このエアフィルタ２２は、通気部１３３を覆うように配置することができる（図１６〜図１８参照）。更に、図１７に例示するように、構造体の一端側１３４（赤外線光源部１１の側）に、赤外線光源部１１から発射された赤外線をより効果的に赤外線受光部１５側へ反射させるための反射鏡２１を備えることができる。このような反射鏡２１としては、内部表面が鏡面とされた金属等を用いることができる。
【００５１】
更に、上記以外の他の構成としては、断熱材１６０（断熱層）が挙げられる（図１９参照）。断熱層１６０は、構造体１３１を覆うように配置することが好ましい。即ち、例えば、構造体１３１を巻回するように配置できる。断熱材１６０の材質は特に限定されないが、温度１００度以上の耐熱性を有する材料であることが好ましい。より具体的には、シリコン樹脂、ウレタン樹脂、フッ素樹脂、ガラスウール等を利用できる。これらの材質は、緻密体として利用してもよく、発泡体として利用してもよい。
【００５２】
また、本発明の赤外線ガスセンサ１は、他の構成として、温度スイッチ１６５を備えることができる（図１１参照）。温度スイッチを備えることで過加熱を確実に防止してより高い安全性を得ることができる。この温度スイッチは、例えば、断熱材１６０を備える場合には、断熱材１６０と構造体１３１との間に介在させることができる。また、温度スイッチとしては、温度ヒューズ（電力ヒューズ）、バイメタルスイッチなどを利用できる。これらは１種のみを用いてもよく２種以上を併用してもよい。
【００５３】
更に、その他、赤外線ガスセンサ１の外部機能として、内部空隙Ｘと外部雰囲気Ｙとの間で被測定ガスを流通させるためのポンプ（排気ポンプ又は給気ポンプ）を用いることができる。更に、赤外線ガスセンサに搭載された受光素子１５０から出力された信号を処理するための演算回路を用いることができる。加えて、温度測定用導電パターン１４２を備える場合には、温度測定用導電パターン１４２から得られる情報を処理するとともに、その情報をフィードバックして、光源部制御用導電パターン１４３への通電を制御する演算回路を用いることができる。
【００５４】
本発明の赤外線ガスセンサは、その用途も特に限定されない。例えば、呼気センサ（呼気中のＣＯ２濃度測定、呼気中のアルコール濃度測定など）、生体センサ（呼気中のＣＯ２濃度測定）、農業用センサ（植物育成環境のＣＯ２濃度測定）、家庭内の各種燃焼機器用センサ（燃焼排気中のＣＯ濃度測定、燃焼排気中のＣＨ４濃度測定）、自動車用センサ（排気ガス中のＣＯ濃度測定、排気ガス中のＮＯ濃度測定）などが挙げられる。
【実施例】
【００５５】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
〈１〉赤外線ガスセンサの製造
（１）温度測定用未焼成シート１７１の作製
セラミックグリーンシート（アルミナ粉末、バインダ及び可塑剤など含む）に対して、１組の貫通孔１７１ａを孔設する。更に、一方の表面に導体ペースト（タングステン粉末、アルミナ粉末、バインダ及び溶剤などを含む）を印刷して、温度測定用導電パターン１７１ｂ及びランドパターン１７１ｃを形成する。
【００５６】
（２）ヒータ用未焼成シート１７２の作製
セラミックグリーンシート（アルミナ粉末、バインダ及び可塑剤など含む）に対して、１組の貫通孔１７２ａを孔設する。更に、一方の表面に導体ペースト（タングステン粉末、アルミナ粉末、バインダ及び溶剤などを含む）を印刷して、ヒータパターン１７２ｂ及びランドパターン１７２ｃを形成する。
【００５７】
（３）外側未焼成シート１７３の作製
セラミックグリーンシート（アルミナ粉末、バインダ及び可塑剤など含む）に対して、１組の貫通孔１７３ａを孔設する。更に、一方の表面に導体ペースト（タングステン粉末、アルミナ粉末、バインダ及び溶剤などを含む）を印刷して、光源部制御用導電パターン１７３ｂ及びランドパターン１７３ｃを形成する。
【００５８】
（４）未焼成積層体の作製
上記（１）−（３）までに得られた各未焼成シートの他面（一方の表面には各種未焼成導体パターン等が形成されている）に溶剤を塗布し、上記（１）で得られた温度測定用未焼成シート１７１を最下層とし、図３に示す順に順次積層して、更に、圧着プレスして未焼成積層体１７を得る。得られる未焼成積層体１７は、未焼成積層体の表面１７Ａ側に外側未焼成シート１７３が配置され、未焼成積層体の裏面１７Ｂ側に温度測定用未焼成シート１７１が配置される（図３及び図４参照）。
尚、図示されないスルーホールがランドパターン１７１ｃ、１７２ｃ及び１７３ｃに形成されており、各未焼成シートを積層した後に、導体ペーストを印刷充填することで、焼成後に各層間に配置されたパターン同士の導通を得ることができる。
【００５９】
（５）未焼成内管１８の作製
アルミナ粉末をバインダとともに造粒した造粒粉末を円筒型内に投入し、次いで、この円筒型内に投入された造粒粉末を、先窄まりに前端が絞り込まれた略円柱形状をなすプレス内型で押圧して、一端側（図１における符号１３４の側）において集光可能なＲ付けされた内部形状（図１参照）を有する未焼成プレス体を得る。
次いで、貫通孔１８１ａ及び赤外線光源部収容孔１８１ｂとなる各貫通孔をドリル形成して、１組の貫通孔１８１ａと赤外線光源部収容孔１８１ｂと赤外線受光部収容孔１８１ｃとを有した未焼成内管１８を得る（図５参照）。尚、この後、（４）までに得られた未焼成積層体１７の裏面１７Ｂ（図５参照）を、得られた未焼成内管１８の外表面に当接させるようにして未焼成積層体１７を未焼成内管１８に巻回する（図６参照）こととなる。
【００６０】
（６）未焼成構造体１９の作製
上記（４）で得られた未焼成積層体１７の裏面１７Ｂに溶剤を塗布した後、上記（５）で得られた未焼成内管１８の表面に、この未焼成積層体１７を貫通孔同士が対応するように巻回（図６参照）し、未焼成積層体１７が内管１８の表面に巻回された一体となった未焼成構造体１９（図７参照）を得る（図９に示す通気部１３３は、焼成後の符号を共通して用いる）。尚、各未焼成シートの貫通孔１７１ａ、１７２ａ、１７３ａ及び未焼成内管１８に形成された貫通孔１８１ａが対応して積層・巻回されることで、各貫通孔は連通されて焼成されて通気部１３３となる経路を形成する。
【００６１】
（７）未焼成構造体１９の焼成
上記（６）までに得られた未焼成構造体１９を焼成炉に投入し、所定の温度で焼成することにより構造体１３１を得る。この構造体の断面は図１に示される。
【００６２】
（８）赤外線光源部１１及び赤外線受光部１５の配設
予め組み立てられた赤外線光源部１１及び赤外線受光部１５を上記（７）で得られた構造体１３１に配設する。即ち、図１に示すように、カップ状の導体の中心部に赤外線光源１１１が取り付けられた状態の赤外線光源部１１を、構造体１３１の一端１３４に被せるようにして取り付けることで、赤外線光源１１１が赤外線光源部収容孔１８１ｂ内に収容されて、カップ状の導体の先端が構造体１３１の外表面の光源部制御用導電パターン１４３の端部と接続部１４９として接続されることとなる（図１参照）。
【００６３】
更に、図２に示すように、２つのバンドパスフィルタ１５５と、２つの赤外線受光素子１５０とを備える赤外線受光部１５を、構造体１３１の赤外線受光部収容孔１８１ｃに収容する。赤外線受光部１５は、成分ガスによって吸収されない帯域の赤外線を透過するバンドパスフィルタ１５６と、成分ガスによって吸収される帯域の赤外線を透過するバンドパスフィルタ１５７と、を各々赤外線受光素子としてのサーモパイル１５１とサーモパイル１５２の前方（赤外線光源１１１が配置される側）に備えるものである。
このようにして、赤外線ガスセンサ１を得ることができる。
【００６４】
本実施例の赤外線ガスセンサ１は、赤外線光源１１１から放射された赤外線のうち、内部空隙Ｘに滞留された成分ガスによって吸収されない帯域の光は、バンドパスフィルタ１５６を透過して、サーモパイル１５１（参照側、即ち、基準側）に到達し、この赤外線の光量が測定される。更に、赤外線光源１１１から放射された赤外線のうち、内部空隙Ｘに滞留された成分ガスによって吸収される帯域の光は、バンドパスフィルタ１５７を透過して、サーモパイル１５２（検知側、即ち、測定側）に到達し、この赤外線の光量が測定される。サーモパイル１５１で測定される光量は、成分ガスの影響を受けないため赤外線光源１１１の放射量に応じた値となる。一方、サーモパイル１５２で測定される光量は、成分ガスによって吸収された残部の値となる。従って、これらの２つのサーモパイル１５０の出力を比較することによって成分ガスの濃度を測定できる。
【００６５】
そして、上記測定の際に、構造体１３１内に密閉されたヒータパターン１４１を発熱させることによって、極めて早い時間で内部空隙Ｘ内の温度を昇温させることができる。この時には、例えば、被測定ガスの露点よりも僅かに高い温度に内部空隙Ｘ内の温度を維持することで結露を防止した測定を行うことができる。更に、ヒータパターン１４１が、図１に示すように赤外線光源部１１及び赤外線受光部１５を覆って配置されているために確実に内部空隙Ｘ内の温度を全域にわたって制御することができ、特に高い精度で測定を行うことができる。また、温度測定用導電パターン１４２を備えるために、温度測定用導電パターン１４２から得られる情報をフィードバックして、光源部制御用導電パターン１４３への通電を制御して、特に正確に内部空隙Ｘ内の温度を制御できる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の赤外線ガスセンサは、その用途も特に限定されない。例えば、呼気センサ（呼気中のＣＯ２濃度測定、呼気中のアルコール濃度測定など）、生体センサ（呼気中のＣＯ２濃度測定）、農業用センサ（植物育成環境のＣＯ２濃度測定）、家庭内の各種燃焼機器用センサ（燃焼排気中のＣＯ濃度測定、燃焼排気中のＣＨ４濃度測定）、自動車用センサ（排気ガス中のＣＯ濃度測定、排気ガス中のＮＯ濃度測定）などが挙げられる。
【符号の説明】
【００６７】
１；赤外線ガスセンサ、
１１；赤外線光源部、１１１；赤外線光源、１１２；光源配線、
１３；ガス流通部、
１３１；構造体、１３２；構造壁（構造体を構成する壁）、１３３；通気部、１３４；構造体の一端、１３５；構造体の他端側、
１４１；ヒータパターン、１４２；温度測定用導電パターン、１４３；光源部制御用導電パターン、１４９；接続部（光源配線と光源部制御用導電パターンとの接続部）、１４４；ランドパターン、１４６ｂ；発熱量の小さい領域、１４６ａ；発熱量が大きい領域、
１５；赤外線受光部、１５０；受光素子、１５１；第１の受光素子、１５２；第２の受光素子、１５５；フィルタ、１５６；第１のバンドパスフィルタ、１５７；第２のバンドパスフィルタ、
１６０；断熱材、１６５；温度スイッチ、
１７；未焼成積層体、１７Ａ；未焼成積層体の表面、１７Ｂ；未焼成積層体の裏面、
１７１；温度測定用未焼成シート、１７１ａ；貫通孔、１７１ｂ；温度測定用導電パターン、１７１ｃ；ランドパターン、
１７２；ヒータ用未焼成シート、１７２ａ；貫通孔、１７２ｂ；ヒータパターン、１７２ｃ；ランドパターン、
１７３；外側未焼成シート、１７３ａ；貫通孔、１７３ｂ；光源部制御用導電パターン、１７３ｃ；ランドパターン、
１８；未焼成内管、１８１ａ；貫通孔、１８１ｂ；赤外線光源部収容孔、１８１ｃ；赤外線受光部収容孔、
１９；未焼成構造体、
２０；金属層、
２１；反射鏡、
２２；エアフィルタ
Ｘ；内部空隙、Ｙ；外部雰囲気。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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