(57)【要約】【課題】小型でありながらも、容易に形成でき、しかも高い効率を得ることのできる流体ダイオード等を提供することを目的とする。【解決手段】上流側の第二の室１１０に対し、オフセットした位置に開口するノズル部１１０ａを備えた第二の室１１０Ｆを設ける。これにより、下流側から上流側に流体が流れるときには、第二の室１１０Ｆのノズル部１１０ａから吹き出したガスは、第二の室１１０Ｆの上流側の他の第二の室１１０あるいは第一の室１００において、非対称な流れによって渦や乱流が生じ、流れの抵抗が大きくなる。その結果、ガスが逆方向に流れるときと順方向に流れるときとでは、流れの抵抗に差が生じ、これによって流体ダイオードとして機能する。【選択図】図４
2009216141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端から流体が導入される第一の室と、
前記第一の室の他端において、前記第一の室の他端よりも小さな断面積のノズル部を介して前記第一の室に連通し、前記ノズル部側の一端から他端に向けてその断面積が漸次拡大するテーパ状の第二の室と、
を備えることを特徴とする流体ダイオード。
【請求項２】
前記第二の室の前記ノズル部は、前記第一の室の幅方向中心に対し、一方の側にオフセットして設けられていることを特徴とする請求項１に記載の流体ダイオード。
【請求項３】
前記第二の室の他端において、前記第二の室の他端よりも小さな断面積のノズル部を介して前記第二の室に連通し、前記ノズル部側の一端から他端に向けてその断面積が漸次拡大するテーパ状の他の第二の室を備えることを特徴とする請求項１に記載の流体ダイオード。
【請求項４】
前記第二の室の前記ノズル部は、前記第一の室の幅方向中心に対し、一方の側にオフセットして設けられ、
前記他の第二の室の前記ノズル部は、前記第二の室の幅方向中心に対し、他方の側にオフセットして設けられていることを特徴とする請求項３に記載の流体ダイオード。
【請求項５】
前記第二の室の前記ノズル部は、前記第一の室の幅方向中心に設けられ、
前記第一の室側と前記第二の室側との圧力差が、予め定められた範囲内で用いられることを特徴とする請求項１に記載の流体ダイオード。
【請求項６】
前記流体の流れを、前記第一の室側から前記第二の室側に規制することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の流体ダイオード。
【請求項７】
前記流体はガスであり、前記流体はガス状態のまま搬送されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の流体ダイオード。
【請求項８】
固定状態で設けられ、流体の導入口と吐出口とを有したチャンバーと、
前記導入口から前記チャンバー内に導入された前記流体に体積変化を生じさせる体積変化発生部と、
前記チャンバーの上流側と下流側の少なくとも一方に設けられ、前記体積変化発生部により前記流体に体積変化が生じたとき、前記導入口側から前記吐出口側に向かう方向に前記流体の流れ方向を規制するダイオード部と、を備え、
前記ダイオード部は、
前記流体の流れ方向上流側に設けられた第一の室と、
前記第一の室に対して前記流体の流れ方向下流側に設けられて、前記第一の室よりも小さな断面積のノズル部を介して前記第一の室に連通し、前記ノズル部側から前記流体の流れ方向下流側に向けてその断面積が漸次拡大するテーパ状の第二の室と、を備えることを特徴とするポンプ。
【請求項９】
前記体積変化発生部は、前記チャンバー内の前記流体に対し、加熱・冷却を繰り返すことで前記流体を膨張・収縮させることを特徴とする請求項８に記載のポンプ。
【請求項１０】
外部から流体を吸い込み、前記流体を濃縮する濃縮ポンプと、
前記濃縮ポンプで濃縮された前記流体に含まれる分子を吸着する吸着部と、
前記吸着部で吸着した前記分子のうち特定種の前記分子の付着または吸着により振動特性が変化することで前記分子を認識する分子認識部と、
前記分子認識部における振動の変化を検出することで、前記分子を検出する検出部と、を備え、
前記濃縮ポンプは、
固定状態で設けられ、流体の導入口と吐出口とを有したチャンバーと、
前記導入口から前記チャンバー内に導入された前記流体に体積変化を生じさせる体積変化発生部と、
前記チャンバーの上流側と下流側の少なくとも一方に設けられ、前記体積変化発生部により前記流体に体積変化が生じたとき、前記導入口側から前記吐出口側に向かう方向に前記流体の流れ方向を規制するダイオード部と、を備え、
前記ダイオード部は、
前記流体の流れ方向上流側に設けられた第一の室と、
前記第一の室に対して前記流体の流れ方向下流側に設けられて、前記第一の室よりも小さな断面積のノズル部を介して前記第一の室に連通し、前記ノズル部側から前記流体の流れ方向下流側に向けてその断面積が漸次拡大するテーパ状の第二の室と、を備えることを特徴とする分子検出センサ。
【請求項１１】
少なくとも前記濃縮ポンプ、前記吸着部、前記分子認識部が基板上に一体に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の分子検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路において流体の流れる方向を制限する流体ダイオード、およびそれを用いたポンプ、分子検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
流路において、流体を一方向に流すための手段としては、いわゆる１ＷＡＹバルブのようにメカニカルな機構を有したものの他、流路内を流体が通過する方向によって流動抵抗が変化する構造により、整流効果を得る流体ダイオードとして、例えばＴｅｓｌａバルブと称されるもの等が存在する（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第１３２９５５９号
【非特許文献１】Forster, F. K., et al., "Design, Fabrication and Testing of Fixed-Valve Micro-Pumps," Proc. of ASME Fluids Engineering Division, IMECE'95, Vol.234,、pp.39-44, １９９５年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術などの微細加工技術の進展により、マイクロポンプと称される、極めて小さなポンプの開発も行われている。
これに伴い、マイクロポンプにおける、流入・吐出方向を制限するバルブあるいは流体ダイオードの開発も要求されている。これらのバルブや流体ダイオードは、当然のことながら極めて小型化する必要がある。これら現存するバルブや流体ダイオードを単に小型化したのでは、加工が困難であったり、流体の流れが現存するサイズのものとは異なって要求する整流効率が得られない、等の問題がある。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、小型でありながらも、容易に形成でき、しかも高い効率を得ることのできる流体ダイオード等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】
【０００５】
かかる目的のもとになされた本発明の流体ダイオードは、一端から流体が導入される第一の室と、第一の室の他端において、第一の室の他端よりも小さな断面積のノズル部を介して第一の室に連通し、ノズル部側の一端から他端に向けてその断面積が漸次拡大するテーパ状の第二の室と、を備えることを特徴とする。
このような流体ダイオードは、第二の室から第一の室に流体が流れ込むときに、ノズル部によって第一の室内で流体の流れが乱れ、流動抵抗が大きくなる。これにより、第一の室から第二の室に流体が流れるときと、第二の室から第一の室に流体が流れるときとでは、流量に差が生じる。流体の流動方向が、第一の室から第二の室に向かう方向と、第二の室から第一の室に向かう方向とで繰り返し切り替わると、前記の流量の差により、全体として流体の流れる方向を規制する流体ダイオードとして機能する。このとき、流体の流れは、全体として第一の室側から第二の室側に規制される。すなわち、このような流体ダイオードは、流体が脈動するような用途に用いるのに適している。
【０００６】
ここで、第二の室の他端において、第二の室の他端よりも小さな断面積のノズル部を介して第二の室に連通し、ノズル部側の一端から他端に向けてその断面積が漸次拡大するテーパ状の他の第二の室を備えることも可能である。つまり、第二の室と同様の形状を有した他の第二の室を、第二の室に連続して設けるのである。さらに、第二の室は、３段以上の多段に設けても良い。
【０００７】
第二の室のノズル部は、第一の室の幅方向中心に対し、一方の側にオフセットして設けるのが好ましい。ノズル部をオフセットすると、第二の室から第一の室に向けて流体が流れるとき、第一の室内で流体の流れが乱れる。
第二の室に連続して他の第二の室を設ける場合、第二の室のノズル部は、第一の室の幅方向中心に対し、一方の側にオフセットして設け、他の第二の室のノズル部は、第二の室の幅方向中心に対し、他方の側にオフセットして設けるのが好ましい。つまり、複数段に設ける第二の室において、互いに前後する第二の室で、ノズル部は互いに異なる方向にオフセットさせる。これにより、第二の室から第一の室に向かう方向に流体が流れるとき、他の第二の室から第二の室に流れ込んだ流体は、第二の室内で流れが乱れ、第二の室から第一の室に向けて流体が流れるとき、第一の室内で流体の流れが逆方向に乱れる。これによって、流動抵抗をさらに大きくすることができる。
【０００８】
第二の室のノズル部は、第一の室の幅方向中心に設けることもできる。ただしこの場合、第一の室側と第二の室側との圧力差が、予め定められた範囲内となるように用いられる。第一の室側と第二の室側との圧力差が小さいと、第二の室から第一の室に向けて流体が流れるとき、第一の室の幅方向中心を直線的に流れ、第一の室内で流体の流れが乱れないために流動抵抗が増大せず、第一の室から第二の室に流体が流れるときと、第二の室から第一の室に流体が流れるときとでは、流量に差が生じにくい。また、第一の室側と第二の室側との圧力差が過大になると、第二の室から第一の室に向けて流体が流れるときに第一の室において流れが乱れるだけでなく、第一の室から第二の室に向けて流体が流れるときにも第二の室において流れが乱れ、流動抵抗が増大する。その結果、第一の室から第二の室に流体が流れるときと、第二の室から第一の室に流体が流れるときとでは、流量に差が生じにくい。したがって、第一の室から第二の室に流体が流れるときと、第二の室から第一の室に流体が流れるときとで、流量の差が大きくなるよう、第一の室側と第二の室側との圧力差が、予め定められた範囲内で用いる必要がある。このような第一の室側と第二の室側との圧力差の範囲は、各種条件によって変り得るので、予め実験等で定めるのが好ましい。
【０００９】
このような流体ダイオードは、流体が液体である場合にも用いることが可能であるが、流体がガスであり、しかもガス状態のまま搬送される場合に用いるのが特に有効である。
【００１０】
本発明の流体ダイオードは、様々な用途に用いることができるが、例えば以下のようなポンプに用いることができる。
このポンプは、固定状態で設けられ、流体の導入口と吐出口とを有したチャンバーと、導入口からチャンバー内に導入された流体に体積変化を生じさせる体積変化発生部と、チャンバーの上流側と下流側の少なくとも一方に設けられ、体積変化発生部により流体に体積変化が生じたとき、導入口側から吐出口側に向かう方向に流体の流れ方向を規制するダイオード部と、を備え、ダイオード部は、流体の流れ方向上流側に設けられた第一の室と、第一の室に対して流体の流れ方向下流側に設けられて、第一の室よりも小さな断面積のノズル部を介して第一の室に連通し、ノズル部側から流体の流れ方向下流側に向けてその断面積が漸次拡大するテーパ状の第二の室と、を備えることを特徴とする。
ここで、体積変化発生部は、いかなる構成のものを用いても良いが、チャンバー部が体積の変化しない固定状態であるため、チャンバー内の流体に対し、加熱・冷却を繰り返すことで流体を膨張・収縮させるのが好ましい。
このようなポンプは、可動部のないメカレスの構成とすることができる。その結果、基板上への実装が可能となるとともに、ＭＥＭＳ技術、半導体製造技術を適用することで、微細化、大量生産による低コストが可能となり、高い信頼性を得ることもできる。
なお、このようなポンプは、その用途を限定するものではない。
【００１１】
本発明は、以下のような分子検出センサにも適用できる。
すなわち、この分子検出センサは、外部から流体を吸い込み、流体を濃縮する濃縮ポンプと、濃縮ポンプで濃縮された流体に含まれる分子を吸着する吸着部と、吸着部で吸着した分子のうち特定種の分子の付着または吸着により振動特性が変化することで分子を認識する分子認識部と、分子認識部における振動の変化を検出することで、分子を検出する検出部と、を備える。そして、濃縮ポンプは、固定状態で設けられ、流体の導入口と吐出口とを有したチャンバーと、導入口からチャンバー内に導入された流体に体積変化を生じさせる体積変化発生部と、チャンバーの上流側と下流側の少なくとも一方に設けられ、体積変化発生部により流体に体積変化が生じたとき、導入口側から吐出口側に向かう方向に流体の流れ方向を規制するダイオード部と、を備え、ダイオード部は、流体の流れ方向上流側に設けられた第一の室と、第一の室に対して流体の流れ方向下流側に設けられて、第一の室よりも小さな断面積のノズル部を介して第一の室に連通し、ノズル部側から流体の流れ方向下流側に向けてその断面積が漸次拡大するテーパ状の第二の室と、を備えることを特徴とする。
ここで、少なくとも濃縮ポンプ、吸着部、分子認識部を基板上に一体に形成し、分子検出センサをチップ状とすることができ、小型化が可能となるとともに、ＭＥＭＳ技術、半導体製造技術を適用することで、微細化、大量生産による低コストが可能となる。
そして、濃縮ポンプで流体を濃縮することによって、分子検出センサの検出感度を向上させることが可能となる。このとき、濃縮ポンプを、可動部のないメカレスの構成とすることができ、基板上への実装が可能となるとともに、高い信頼性を得ることができる。
【００１２】
このような分子検出センサは、特定種の分子として、ガスや生体由来の分子、生活空間の浮遊分子、揮発性分子等を対象とすることで、例えば、爆発危険性や有害性のあるガス等の存在、あるいはその定量的な濃度を検出するガス検出センサとして用いることができる。このような分子検出センサは、ガス等を取り扱う施設、設備、装置等に設置され、ガスの漏れやガス量のコントロールに用いられる。また近年開発が盛んに行われている、燃料電池用の水素ステーションや、燃料電池を使用する車両や装置、機器等において、水素の漏れが無いか監視する用途にも、上記分子検出センサは適用できる。
これ以外にも、特定種の分子、あるいは特定の特性または特徴を有する複数種の分子を吸着することで、その吸着の有無あるいは吸着量を検出する分子検出センサは、例えば食物の鮮度や成分分析、快適空間を提供・維持するための環境制御、さらには、人体等、生体の状態検知等に用いることが考えられる。また、人体から出る様々な物質、呼気や腸内フローラの代謝成分等を高感度に検出することで、健康状態のモニタリング、疾患の簡易なスクリーニング、生活習慣性疾患の診断、感染症のモニタリング等といったことを行うことが可能になると考えられる。
また、グローバル認識と称される、特定の特徴を持った分子群や、同じ側鎖を持つ分子群等を検出することもできる。さらに、ガスに限らず、液体を対象とした場合にも本発明の分子検出センサにおいては同様の機能を発揮することができる。
また、本発明の分子検出センサは、その製品形態としても、従来の業務用のセンサに限らず、小型で安定な高感度な家庭用、個人用のセンサや、携帯性に優れる使い捨て型のセンサ等とすることも可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、第一の室から第二の室に流体が流れるときと、第二の室から第一の室に流体が流れるときとでは、流量に差が生じる。流体の流動方向が、第一の室から第二の室に向かう方向と、第二の室から第一の室に向かう方向とで繰り返し切り替ると、前記の流量の差により、全体として流体の流れる方向を規制する流体ダイオードとして機能する。このような流体ダイオードは、形状が複雑ではないので加工が容易であり、また、小型化で効率の良いものとすることができる。
また、このような流体ダイオードを用い、ポンプや分子検出センサを構成すれば、従来に無い小型のポンプ、分子検出センサを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
［第一の実施の形態］
図１は、本実施の形態におけるセンサ（分子検出センサ）１０の構成を説明するための図である。
この図１に示すセンサ１０は、検知対象となる特定種の分子を吸着することで、ガス自体あるいはガスに含まれる特定物質や匂い等の存在（発生）の有無、あるいはその濃度の検出を行うものである。このセンサ１０は、周囲の雰囲気ガス（以下、単にガスと称する：流体）を吸い込むポンプ（濃縮ポンプ）２０と、ポンプ２０で吸い込んだガスを吸着する吸着部３０と、吸着部３０で吸着したガス中から、特定種のガス成分を分離するガスクロマトグラフィ部（分子量分析部）４０と、分離したガス成分中に含まれる特定種の分子を吸着し、その分子の吸着を検出するセンサ部（分子認識部）５０と、センサ部５０における検出レベルに基づき、特定種の分子の有無またはその量を測定する測定処理部（検出部）６０と、センサ１０の各部をコントロールする制御部７０と、を備えている。
【００１５】
図２に示すように、これらのうち、ポンプ２０、吸着部３０、ガスクロマトグラフィ部４０、センサ部５０は、Ｓｉ、またはＳｉＯ２製の基板８０上に、所定のパターン形成を行い、さらに基板８１を積層することで実装されている。
【００１６】
図３に示すように、ポンプ２０は、所定の容積を有したチャンバー部（チャンバー）２２、このチャンバー部２２に外部からガスを導入する入口側チャンネル２３、チャンバー部２２からガスを送り出す出口側チャンネル２４、チャンバー部２２と入口側チャンネル２３の間に設けられた入口側逆流防止部（ダイオード部）２５、チャンバー部２２と出口側チャンネル２４の間に設けられた出口側逆流防止部（ダイオード部）２６が形成され、チャンバー部２２に、ヒータ（体積変化発生部）２９が設けられた構成を有している。
【００１７】
図２に示したように、このポンプ２０は、基板８０と、これに対向するように設けられた基板８１との間に形成されている。これら基板８０、８１のいずれか一方または双方の合わせ面に所定形状の凹部を形成することで、チャンバー部２２、入口側チャンネル２３、出口側チャンネル２４、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６が形成されているのである。
【００１８】
図３に示すように、チャンバー部２２は、例えば円形状断面を有している。このチャンバー部２２の一方の側には、入口側逆流防止部２５が形成され、他方の側に出口側逆流防止部２６が形成されている。
入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６は、それぞれ全体として入口側チャンネル２３から出口側チャンネル２４に向けて一方向にガスを流すべく、その流れ方向を規制するものである。
【００１９】
このようにして、ポンプ２０には、入口側チャンネル２３から、入口側逆流防止部２５、チャンバー部２２、出口側逆流防止部２６を経て、出口側チャンネル２４までが連通したガス流路が形成されている。
【００２０】
チャンバー部２２に設けられたヒータ２９は、チャンバー部２２の上面側または下面側に配設されたもので、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ等の貴金属、高融点金属や、ＩＴＯ、ＳｎＯ、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ等の金属酸化膜や半導体、単結晶シリコン、不純物を拡散したシリコン等からなる電熱線であり、基板８０の外部に配置される電源（図示無し）に電気的に接続される。そして、電源（図示無し）におけるヒータ２９への電圧の印加は、制御部７０によって制御されるようになっている。
制御部７０の制御により電源から電圧が印加されるとヒータ２９が発熱し、これによってチャンバー部２２内の温度が上昇してガスが膨張し、ヒータ２９への電圧の印加を停止するとヒータ２９の発熱が中止され、チャンバー部２２内の温度が低下してガスが収縮する。ポンプ２０では、ヒータ２９、制御部７０が、温度変化手段、体積変化発生部として機能し、ガスの膨張・収縮を利用することで、ガスの送給を行うようになっている。以下、これについて詳述する。
【００２１】
ポンプ２０においては、外部のガスを入口側チャンネル２３、入口側逆流防止部２５からチャンバー部２２に導入し、出口側逆流防止部２６から吐出する。チャンバー部２２にガスが導入された状態で、ヒータ２９が発熱すると、チャンバー部２２内の温度が上昇してガスが膨張する。すると、膨張したガスは、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６からチャンバー部２２の外部に流出しようとする。このとき、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６において、ガスの流れ方向は、入口側チャンネル２３から出口側チャンネル２４に向かう方向に規制される。
これにより、チャンバー部２２内のガスが膨張し、ポンプ２０の外部に流出しようとした場合、ガスは、より抵抗（圧力損失）の小さい出口側逆流防止部２６からチャンバー部２２の外部に流出する。
【００２２】
この後、ヒータ２９への電圧の印加を停止するとヒータ２９の発熱が中止され、チャンバー部２２内の温度が低下してガスが収縮する。すると、ガスの収縮に伴い、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６からチャンバー部２２内にガスを導入しようとする。このとき、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６において、前述したような、ガスの流れ方向が規制されるため、ガスは、入口側逆流防止部２５からチャンバー部２２の内部に導入される。
【００２３】
このようにして、ヒータ２９の加熱時にはチャンバー部２２内のガスが膨張して出口側逆流防止部２６から出口側チャンネル２４に流出し、ヒータ２９の停止時にはチャンバー部２２内のガスが収縮して入口側チャンネル２３から入口側逆流防止部２５を介してチャンバー部２２内にガスが導入されるようになっている。
したがって、ポンプ２０では、このヒータ２９の加熱・停止を繰り返すことで入口側チャンネル２３からガスを吸い込み、出口側チャンネル２４からガスを吐出することができ、ポンプとして機能することになる。
このため、制御部７０では、所定のサイクルで、ヒータ２９のＯＮ／ＯＦＦを交互に切り替えるようになっている。例えば、制御部７０では、ヒータ２９のＯＮ／ＯＦＦを１００マイクロ秒〜１ミリ秒のサイクルで繰り返すように制御することができる。また、制御部７０では、ヒータ２９をＯＮ／ＯＦＦさせたときに、室温〜１０００℃、好ましくは室温〜５００℃の幅で温度変化が生じるように制御するのが好ましい。
【００２４】
このとき、ヒータ２９のパワーを高めれば、ＯＮ／ＯＦＦ時の温度差が大きくなり、ポンプ２０における流量が増大する。また、ＯＮ／ＯＦＦの切り替え周波数を高めれば流量が増大する。これらＯＮ／ＯＦＦ時の温度差と切り替え周波数は、ポンプ２０の適用対象、用途等に応じて適宜設定すればよい。例えば、高温でガスが分解するような用途に用いる場合には、温度を下げて使うことが必要である。
【００２５】
このように、ポンプ２０は、ガスの熱膨張を利用することで、確実に体積変化を生じさせ、微量な流量であってもガスを確実に搬送することができる。このとき、ポンプ２０中の搬送過程において、ガスは液体状態となることなく、ガス状態のまま搬送される。しかも、ガスを搬送させるためには、チャンバー部２２、入口側チャンネル２３、出口側チャンネル２４、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６からなる流路と、ヒータ２９を備えるのみでよく、機械的な可動部分が不要であるため、高い信頼性を得ることができ、また可動部分を備える場合のように作動音や作動による発熱等が問題になるのも回避できる。
【００２６】
ポンプ２０の出口側チャンネル２４から吐出されたガスは、吸着部３０に送り込まれ、濃縮されることになる。
ポンプ２０から送り込まれたガスを吸着する吸着部３０は、例えば、有機系材料や無機系材料で形成された吸着膜３１で形成されており、ガス中の分子を、低い選択性で物理吸着により吸着する。
【００２７】
このような吸着膜３１の下面または上面には、ヒータ３２が設けられている。このヒータ３２は、ヒータ２９と同様の材料で形成され、基板８０の外部に配置される電源（図示無し）に電気的に接続される。そして、電源（図示無し）におけるヒータ３２への電圧の印加は、制御部７０によって制御されるようになっている。
ポンプ２０側からガスが送り込まれ、吸着膜３１に接触すると、ガス中に含まれる分子（主に揮発性有機化合物）は吸着膜３１に吸着される。そして、制御部７０の制御により電源から電圧が印加されるとヒータ３２が発熱すると、これによって吸着膜３１に吸着された分子が揮発し、吸着膜３１から離脱するようになっている。
このような吸着部３０においては、ポンプ２０を所定時間作動させ、その作動中に送り込まれたガス中の分子を吸着膜３１で吸着する。このポンプ２０の作動時間、すなわち吸着部３０における吸着時間の長さにより、ガスのサンプリング量を決定することができる。
【００２８】
吸着部３０の上流側に設けられたガスクロマトグラフィ部４０は、基板８０に形成された溝４１をカラムまたはキャピラリとする。これにより、カラムまたはキャピラリは、基板８０の材料、すなわちＳｉ、またはＳｉＯ２によって形成され、これを固定相とする。このような溝４１を形成するには、基板８０に所定のフォトレジスト工程を行ったあと、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching)等の手法により、例えば深さ５０〜１００μｍ、幅５〜２０μｍの溝４１を形成する。ここで、Ｓｉは他の金属と比較的低温であっても反応を起こすので内部が酸化し表面に酸化膜が形成される。また必要に応じ、ＳｉＮ４等のバリア膜を形成することもできる。
【００２９】
カラムまたはキャピラリを構成する溝４１には、ガス吸着材料４２が充填されている。このガス吸着材料４２としては、微粉化したカーボン、シリコンや金属（アルミ、亜鉛、錫、チタン）等の酸化物、或いは同じく微粉化した高分子、更に表面に金属をコーティングしたナノ粒子等が考えられる。
【００３０】
ガスクロマトグラフィ部４０には、ヒータ２９と同様の材料で形成されたヒータ４３が備えられている。このヒータ４３により、カラムまたはキャピラリを構成する溝４１が所定温度に加熱され、ガス吸着材料４２に吸着された分子を揮発（離脱）させることで、分子量分析を行う。すなわち、分子量の小さな分子は早く溝４１のカラムまたはキャピラリを脱出し、分子量の大きな分子は溝４１から脱出するのに時間を要するので、この分子の脱出時間（の差）により、分子量を分析することができるのである。
【００３１】
センサ部５０は、ガスクロマトグラフィ部４０で分離したガス中に含まれる分子を吸着する吸着膜５１と、吸着膜５１への分子の吸着を検出するための振動子５２と、を備える。
吸着膜５１は、吸着部３０と同様、有機系材料や、無機系材料で形成することができる。
このような吸着膜５１は、振動子５２の表面に形成するのが好ましい。
振動子５２は、基端部が固定されて片持ち梁状とされたカンチレバー型や、全体として円形、矩形、あるいは適宜他の形状を有したディスク状のディスク型とすることができる。
振動子５２は、これを駆動するための駆動源（図示無し）を備えている。このような駆動源としては、静電容量方式と、ピエゾ駆動方式等があり、いずれも所定周波数で振動子５２を振動させるようになっており、測定処理部６０は、このための駆動回路（図示無し）を有している。振動子５２は、駆動源によって所定周波数で振動させた状態で、吸着膜５１に質量を有した分子等の検出対象物が付着すると、振動周波数が変化するようになっている。
また、センサ部５０には、ヒータ２９と同様の材料で形成されたヒータ５３が設けられ、吸着膜５１で吸着した分子を離脱できるようになっている。
【００３２】
上記の、振動子５２の振動周波数の変化を、センサ部５０で検出する。
センサ部５０では、静電容量方式等により、振動子５２の振動周波数の変化を、電気信号として検出することができる。なお、ここでは、静電容量による読み出しを例としたが、読み出し方法は圧電素子の電歪を用いても、シリコンや圧電素子のピエゾ効果を用いても良い。
【００３３】
測定処理部６０は、センサ部５０から出力される電気信号を受け、その電気信号の変化を検出することで、吸着膜５１への特定種の分子の吸着の有無またはその量を測定する。センサ１０においては、測定処理部６０における測定結果を、ランプ、ブザー等のＯＮ／ＯＦＦ、測定値、測定レベルの表示等によって出力できるようにするのが好ましい。
【００３４】
制御部７０では、センサ１０の各部をコントロールする。例えば、各部において吸着した分子、成分を揮発させるためのヒータ２９、３２、４３、５３、振動子５２の作動制御等を行うことができる。
【００３５】
このようなセンサ１０においては、制御部７０のコントロールによって、ポンプ２０で周囲のガスを吸い込んで濃縮し、ガスに含まれる分子を吸着部３０で吸着する。そして、吸着部３０で吸着した分子中から、ガスクロマトグラフィ部４０で特定種の分子を分離し、分離した特定種の分子をセンサ部５０の吸着膜５１で吸着する。吸着膜５１への分子の吸着をセンサ部５０で検出し、その検出レベルに基づき、測定処理部６０で特定種の分子の有無またはその量を測定する。このようにして、特定種の分子の有無の検出、またはその量を測定することができる。これにより、特定のガスや匂いや特定の物質等の存在の検出、あるいはその量、濃度の検出を行うことが可能となる。このとき、ポンプ２０においてガスを圧縮して送り込むことで、微小なガス量でも高感度な検出が可能となり、センサ１０を、ワンチップで超小型ながら、従来にない高感度な検出性能を備えるものとすることができる。
このようなセンサ１０は、ＭＥＭＳ技術等の微細加工技術により製造することが可能であり、これによって大量生産による低コスト化が可能となる。
【００３６】
さて、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６は、以下に示すような構成を有したものとすることができる。
図４に示すように、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６は、第一の室１００と、少なくとも１段の第二の室１１０を備える。入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６においてガスの流れ方向を規制すべき方向（入口側チャンネル２３から出口側チャンネル２４に向かう方向）において、上流側（入口側チャンネル２３）に第一の室１００が配置され、下流側（出口側チャンネル２４）に第二の室１１０が配置される。図４においては、第二の室１１０が１段のみ設けられた例を示したが、第二の室１１０を複数段設ける場合、複数段の第二の室１１０は直列に設ける。
【００３７】
第一の室１００は、上流側から下流側に向けて断面積が一定のストレート形状であり、入口側逆流防止部２５においては、第一の室１００は入口側チャンネル２３を兼ねる構成とすることも可能である。
第二の室１１０は、ガスの流れ方向において、上流側から下流側に向けて断面積が漸次拡大するテーパ形状とされている。第二の室１１０は、上流側の第一の室１００あるいは他の第二の室１１０に対しノズル部１１０ａを介して連通している。そして、少なくとも１段の第二の室１１０において、ノズル部１１０ａは、上流側に隣接する他の第二の室１１０あるいは第一の室１００の幅方向の中心に対し、一方の側にオフセットした位置で開口している。ここで、ノズル部１１０ａが、上流側に隣接する他の第二の室１１０あるいは第一の室１００の幅方向の中心に対し、一方の側にオフセットした位置で開口している第二の室１１０を、第二の室１１０Ｆと適宜称する。
【００３８】
これにより、上流側から下流側に流体が流れるとき（以下、これを順方向と称する）には、第二の室１１０Ｆに隣接する他の第二の室１１０あるいは第一の室１００から、ガスはノズル部１１０ａを通って第二の室１１０Ｆに流れ込む。この場合、第二の室１１０Ｆに対しては、ノズル部１１０ａは中心軸上に位置しているため、第二の室１１０Ｆ内における流れは細かい渦による乱れのないものとなる。
一方、上記と逆方向の流れにおいては、第二の室１１０Ｆのノズル部１１０ａから吹き出したガスは、第二の室１１０Ｆの上流側の他の第二の室１１０あるいはチャンバー部２２、出口側チャンネル２４において、断面方向に非対称な流れとなる。より具体的には、第二の室１１０Ｆのノズル部１１０ａから吹き出したガスは、第二の室１１０Ｆの上流側の他の第二の室１１０あるいは第一の室１００において、第二の室１１０Ｆのノズル部１１０ａが形成されている側の側面に沿うように流れる。これによって、第二の室１１０Ｆの上流側の他の第二の室１１０あるいは第一の室１００においては、流れによって小さな渦が生じて乱流状態となり、順方向の場合よりも流れの抵抗が大きくなる。
その結果、順方向に流れるときとガスが逆方向に流れるときとでは、流れの抵抗に差が生じ、これによって流体ダイオードとして機能する。
【００３９】
このように、上流側に対してオフセットした位置に開口するノズル部１１０ａを備えた第二の室１１０Ｆは、少なくとも１段を設ければよいが、好ましくは図５に示すように２段以上設けるのが良い。その場合、全体としての流れがジグザグ状に蛇行するよう、互いに前後する第二の室１１０Ｆ、１１０Ｆにおいて、ノズル部１１０ａの開口位置は、チャンバー部２２、出口側チャンネル２４の中心軸線に対して一方の側と他方の側の交互に開口するのが好ましい。
【００４０】
［実施例１］
上記のような構成について、数値シミュレーションによる実験を行った。
ここで、上流側の第一の室１００に対してオフセットした位置に開口するノズル部１１０ａを備えた第二の室１１０Ｆは、１段だけ設けた。
第一の室１００の長さは４００μｍ、幅は１００μｍ、第二の室１１０Ｆの長さは４００μｍ、下流側の幅は１００μｍ、ノズル部１１０ａの開口の幅は１０μｍとした。また、第二の室１１０Ｆのノズル部１１０ａのオフセット寸法は２５μｍとした。
【００４１】
このような条件において、逆方向と順方向のそれぞれにおいて、雰囲気温度を３００Ｋ、流体として圧縮性流体である窒素を用い、二次元（図６の紙面に沿った面内。紙面に直交する方向については第二の室１１０Ｆ，１００、チャンバー部２２、出口側チャンネル２４の深さを無限大とする。）、下流側と上流側の差圧を０．０２ＭＰａとし、これらの条件において、「有限要素法」を用いたシミュレーションにより、初期の過渡状態の後の状態（以下定常状態と呼ぶ）での質量流量の時間的変化、流速分布を調べた（質量流量の算出においては２０μｍの奥行き（厚み）を仮定した。また、その平均値は１５０μ秒〜２００μ秒の間の質量流量を用いて算出した。以降の質量流量とその平均値の算出も同様）。
その結果を図６に示す。
【００４２】
図６（ａ）に示すように、逆方向と順方向とでは、差圧が０．０２ＭＰａのときに質量流量の平均値が３．０３％異なり、順方向の方が流れの効率が良い。
【００４３】
上記の条件における流れの様子を、流速分布により示す。
図６において、（ｂ）は逆方向における流速分布、（ｃ）は順方向における流速分布を示すものである。
図６（ｂ）に示すように、差圧が０．０２ＭＰａであるときには、逆方向のときに、第二の室１１０Ｆのノズル部１１０ａから出た流れは、上流側の第一の室１００内において、ノズル部１１０ａがオフセットしている側に偏って湾曲・蛇行するように流れている。一方、図６（ｃ）に示すように、順方向のときには、第一の室１００からノズル部１１０ａを通って第二の室１１０Ｆに流れ込んだガスは、第二の室１１０Ｆ内をほぼ直線状に流れている。この、逆方向と順方向の流れの違いにより、質量流量が異なっていると言える。
【００４４】
さらに、図７に示すように、上流側に対してオフセットした位置に開口するノズル部１１０ａを備えた第二の室１１０Ｆを、２段を連続して設けた場合について上記と同様のシミュレーションを行った。２段の第二の室１１０Ｆの上流側には、第一の室１００に対し、幅方向の中心に開口する第二の室１１０を設けた。
第一の室１００、第二の室１１０、１１０Ｆのサイズは図６の場合と同様である。また、１段目と２段目の第二の室１１０Ｆにおいて、ノズル部１１０ａのオフセット方向を異ならせ、そのオフセット寸法はそれぞれ２５μｍとした。
そして、雰囲気温度３００Ｋ、流体として窒素を用い、二次元、下流側と上流側の差圧を０．０５ＭＰａとし、これらの条件において、「有限要素法」を用いたシミュレーションにより、定常状態での流れの様子を調べた。
【００４５】
上記の条件における流れの様子を、流速分布により示す。
図７において、（ａ）は質量流量の時間的変化、（ｂ）は逆方向における流速分布、（ｃ）は順方向における流速分布を示すものである。
図７（ｂ）に示すように、逆方向のときに、第二の室１１０Ｆのノズル部１１０ａから出た流れは、隣接する他の第二の室１１０Ｆ、１１０、第一の室１００内において、ノズル部１１０ａがオフセットしている側に偏って湾曲・蛇行するように流れている。一方、図７（ｃ）に示すように、順方向のときには、第一の室１００から第二の室１１０、１１０Ｆに順次流れ込むガスは、それぞれの第二の室１１０、１１０Ｆ内をほぼ直線状に流れている。この、逆方向と順方向の流れの違いにより、質量流量が異なっていると言える。
ここで、逆方向と順方向とでは、質量流量の平均値が２０．１６％異なり、順方向の方が流れの効率が良いことが確認された。
【００４６】
［第二の実施の形態］
次に、本発明の第二の実施の形態について説明する。ここで、上記第一の実施の形態と異なるのは、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６の構成のみであるため、以下においては、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６のみの説明を行い、第一の実施の形態と共通する他の構成については説明を省略する。
図８に示すように、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６は、少なくとも１段の第二の室１１０を備える。各第二の室１１０は、ガスの流れ方向（入口側チャンネル２３から出口側チャンネル２４に向かう方向）において、下流側から上流側に向けて断面積が漸次小さくなるテーパ形状とされている。そして、第二の室１１０のノズル部１１０ａは、上流側に隣接する他の第二の室１１０あるいは第一の室１００の幅方向の中心に開口している。
【００４７】
このような構成において、下流側から上流側に流体が流れるとき（以下、これを逆方向と称する）には、第二の室１１０のノズル部１１０ａから吹き出したガスは、第二の室１１０の上流側の他の第二の室１１０あるいは第一の室１００において、下流側と上流側との差圧の大きさによって、以下のように流れが変化する。
下流側と上流側との差圧が小さいときには、ノズル部１１０ａから吹き出したガスは、第二の室１１０の上流側の他の第二の室１１０あるいは第一の室１００において、その幅方向の中心を直線的に流れる。
下流側と上流側との差圧が大きくなると、ノズル部１１０ａから吹き出したガスは、第二の室１１０の上流側の他の第二の室１１０あるいは第一の室１００において、その幅方向の一方の側の壁面に沿うように流れる。これは、ノズル部１１０ａが、上流側に隣接する他の第二の室１１０あるいは第一の室１００の幅方向の中心に開口していながらも、その両側の壁面の表面状態のばらつき、ガスの流れが完全に均一ではないこと等に起因し、コアンダ効果によって、一方の側の壁面に引き寄せられることによる。
下流側と上流側との差圧がさらに大きくなると、ノズル部１１０ａから吹き出したガスは、第二の室１１０の上流側の他の第二の室１１０あるいは第一の室１００において、渦や乱流が生じ、流れが大きく乱れる。
【００４８】
一方、上記と逆の順方向の流れにおいては、第二の室１１０に隣接する他の第二の室１１０あるいは第一の室１００から、ガスはノズル部１１０ａを通って第二の室１１０に流れ込む。この場合、第二の室１１０に対しては、ノズル部１１０ａは中心軸上に位置しているため、第二の室１１０内における流れは大きな乱れのないものとなる。その結果、ガスが逆方向に流れるときと順方向に流れるときとでは、上流側と下流側との差圧によっては、流れの抵抗に差が生じ、これによって流体ダイオードとして機能する。
このとき、上流側と下流側との差圧が大きくなれば、順方向の流れにおいても、第二の室１１０に隣接する他の第二の室１１０あるいは第一の室１００から、ノズル部１１０ａを通って第二の室１１０に流れ込んだガスの流れに乱れが生じる。流体ダイオードとして機能させるには、ガスが逆方向に流れるときと順方向に流れるときとの流れの抵抗に大きな差が生じているのが好ましい。したがって、上流側と下流側との差圧は、ある特定の範囲内に設定して用いるのが好ましい。ただし、第二の室１１０や、第二の室１１０の上流側の他の第二の室１１０あるいは第一の室１００の各部寸法や、表面状態等の各種条件によって流れの抵抗は変わり得るため、差圧の範囲を条件に関わらず特定の範囲に一概に定義するのは困難であり、種々条件に応じ、シミュレーションや実験によって差圧の範囲を設定するのが好ましい。
【００４９】
［実施例２］
上記のような構成について、数値シミュレーションによる実験を行った。
ここで、ノズル部１１０ａを備えた第二の室１１０は、１段だけ設け、その上流側に、第一の室１００を設けた。第二の室１１０のノズル部１１０ａは、第一の室１００の幅方向の中心に開口するよう形成した。
第二の室１１０の長さは４００μｍ、下流側の幅は１００μｍ、ノズル部１１０ａの開口の幅は１０μｍとした。
【００５０】
このような条件において、逆方向と順方向のそれぞれにおいて、雰囲気温度を３００Ｋ、流体として圧縮性流体である窒素を用い、下流側と上流側の差圧を０．００１ＭＰａ、０．０２ＭＰａ、０．０５ＭＰａの３通りとし、これらの条件において、「有限要素法」を用いたシミュレーションにより、二次元面内における定常状態での質量流量の時間的変化、流速分布を調べた。
その結果を図９〜図１１に示す。図９は、差圧０．００１ＭＰａ、図１０は、差圧０．０２ＭＰａ、図１１は差圧０．０５ＭＰａの場合の結果である。
【００５１】
その結果、逆方向と順方向とでは、図９（ａ）に示すように、差圧が０．００１ＭＰａのときに質量流量の平均値が４．３７％異なっており、図１０（ａ）に示すように、差圧が０．０２ＭＰａのときには１６．２６％、図１１（ａ）に示すように、差圧が０．０５ＭＰａのときには８．２３％であり、いずれも順方向の方が質量流量の平均値が高い。これにより、流体ダイオードとして機能し得ることが確認された。
【００５２】
上記の条件における流れの様子を、流速分布により示す。
図９〜図１１において、（ｂ）は逆方向における流速分布、（ｃ）は順方向における流速分布を示すものである。
図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、差圧が０．００１ＭＰａであるときには、逆方向、順方向いずれの場合も、ノズル部１１０ａから出たガスは、そのまま、第一の室１００、あるいは第二の室１１０の中央部を直線的に流れている。
図１０（ｂ）に示すように、差圧が０．０２ＭＰａであるときには、逆方向のときに、第二の室１１０のノズル部１１０ａから出た流れは、上流側の第一の室１００内において、一方の側に偏って湾曲・蛇行するように流れている。一方、図１０（ｃ）に示すように、順方向のときには、第一の室１００からノズル部１１０ａを通って第二の室１１０に流れ込んだガスは、第二の室１１０内をほぼ直線状に流れている。この、逆方向と順方向の流れの違いにより、質量流量が異なっていると言える。
図１１（ｂ）に示すように、差圧が０．０５ＭＰａであるときには、逆方向のときに、第二の室１１０のノズル部１１０ａから出た流れは、上流側の第一の室１００内において大きく乱れている。一方、図１１（ｃ）に示すように、順方向のときには、第一の室１００からノズル部１１０ａを通って第二の室１１０に流れ込んだガスは、第二の室１１０内の一方の側に偏ってほぼ直線状に流れている。この、逆方向と順方向の流れの違いにより、質量流量が異なっていると言える。しかし、図１１（ａ）に示したように、質量流量が大きく上下動する結果、順方向と逆方向の平均値の差は、差圧が０．０２ＭＰａの場合よりも小さくなっている。
【００５３】
０．００１ＭＰａ〜０．０５５ＭＰａの差圧において、さらに詳細に計算を行った時の差圧と質量流量の平均値の差（順方向を正とする）が図１２である。図１２の計算では、「中央部での直線的な流れ」から「偏って湾曲・蛇行する流れ」に遷移する差圧は０．００２〜０．００３ＭＰａの間であり、「偏って湾曲・蛇行する流れ」から「上流側の第一の室１００内において小さくではあるが質量流量が上下動する流れ」に遷移する差圧は０．０３２〜０．０３３ＭＰａの間であり、「上流側の第一の室１００内において小さくではあるが質量流量が上下動する流れ」から「質量流量が大きく上下動する流れ（逆方向の質量流量が順方向の質量流量よりも一時的に大きくなる場合が生じるような流れ）」 に遷移する差圧は０．０４１〜０．０４２ＭＰａの間であった。
これにより上記条件に限って言えば、上流側と下流側の差圧は、０．００２ＭＰａより大きく０．０４２ＭＰａ未満とするのが好ましいと言える。
【００５４】
なお、上記第二の実施の形態では、第二の室１１０を一段のみ設ける構成を例に示したが、もちろん、複数段に備える構成としてもよい。
【００５５】
また、第一および第二の実施の形態において、各部の寸法、材質等は適宜変更して設定することが可能である。流体ダイオードとしての効率が高くなるよう、種々の条件に応じて適宜設定すればよい。
さらに、センサ１０は、上記入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６以外の構成は、上記に挙げた構成以外に適宜変更することが可能である。
加えて、上記したような流体ダイオードとしての構成は、センサ１０の入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６としてだけでなく、適宜他の用途にも用いることが可能である。取り扱う流体も、ガスに限らず、液体状態のものであってもよい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本実施の形態におけるセンサの構成を示す図である。
【図２】センサの断面図である。
【図３】ポンプの構成を示す図である。
【図４】入口側逆流防止部、出口側逆流防止部の構成の例を示す図である。
【図５】入口側逆流防止部、出口側逆流防止部の構成の他の例を示す図であり、第二の室を複数段設けた例である。
【図６】図４に示した構成におけるシミュレーション結果を示す図であり、差圧０．０２ＭＰａの場合における、（ａ）は質量流量の時間的変化、（ｂ）は逆方向の流れにおける流速分布、（ｃ）は順方向の流れにおける流速分布を示す図である。
【図７】図５に示した構成におけるシミュレーション結果を示す図であり、差圧０．０５ＭＰａの場合における、（ａ）は質量流量の時間的変化、（ｂ）は逆方向の流れにおける流速分布、（ｃ）は順方向の流れにおける流速分布を示す図である。
【図８】入口側逆流防止部、出口側逆流防止部の構成の他の例を示す図であり、第二の室のノズル部をオフセットさせず中心に設けた例である。
【図９】図８に示した構成におけるシミュレーション結果を示す図であり、差圧０．００１ＭＰａの場合における、（ａ）は質量流量の時間的変化、（ｂ）は逆方向の流れにおける流速分布、（ｃ）は順方向の流れにおける流速分布を示す図である。
【図１０】図８に示した構成におけるシミュレーション結果を示す図であり、差圧０．０２ＭＰａの場合における、（ａ）は質量流量の時間的変化、（ｂ）は逆方向の流れにおける流速分布、（ｃ）は順方向の流れにおける流速分布を示す図である。
【図１１】図８に示した構成におけるシミュレーション結果を示す図であり、差圧０．０５ＭＰａの場合における、（ａ）は質量流量の時間的変化、（ｂ）は逆方向の流れにおける流速分布、（ｃ）は順方向の流れにおける流速分布を示す図である。
【図１２】０．００１ＭＰａ〜０．０５５ＭＰａの差圧において、差圧と質量流量の平均値の差について、詳細に計算を行った結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０…センサ（分子検出センサ）、２０…ポンプ（濃縮ポンプ）、２２…チャンバー部（チャンバー）、２３…入口側チャンネル、２４…出口側チャンネル、２５…入口側逆流防止部（ダイオード部）、２６…出口側逆流防止部（ダイオード部）、２９…ヒータ（体積変化発生部）、３０…吸着部、４０…ガスクロマトグラフィ部（分子量分析部）、５０…センサ部（分子認識部）、５２…振動子、６０…測定処理部（検出部）、７０…制御部、８０…基板、１００…第一の室、１１０…第二の室、１１０Ｆ…第二の室、１１０ａ…ノズル部
【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８】
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【図１２】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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