JP2003005104A - 気体ポンプを利用した液体と気泡の移動による光スイッチ及び光マトリクス・スイッチ - Google Patents
気体ポンプを利用した液体と気泡の移動による光スイッチ及び光マトリクス・スイッチInfo
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- JP2003005104A JP2003005104A JP2001192330A JP2001192330A JP2003005104A JP 2003005104 A JP2003005104 A JP 2003005104A JP 2001192330 A JP2001192330 A JP 2001192330A JP 2001192330 A JP2001192330 A JP 2001192330A JP 2003005104 A JP2003005104 A JP 2003005104A
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- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】スリット内において、光通信用導波路と屈折率
を同じくする液体及び屈折率の異なる気泡とを、気体ポ
ンプを原理とするメカニズムによって高速に移動させる
光スイッチを提供することを目的とする。 【解決手段】液体1と気泡2とがほぼ同体積とするスリッ
ト内3において、図(a)のヒーター401を加熱させること
により液体1と気泡2の界面下部の表面張力を低下させ、
ポンプにおける下部弁が開いた状態を作り出すと共に、
気泡2をヒーター501によって熱膨張させ、気体のポンプ
力によって液体1を気泡2の下部方面に押し出し、それと
共に気泡2が反対方面に移動して気泡2と液体1とが、ヒ
ーター402と502を切った状態にしても慣性の法則により
高速に入れ替わる。このスリットを、交差した光導波路
の交差部に配置する事により光スイッチ素子及び光マト
リクス・スイッチとする事が出来る。
を同じくする液体及び屈折率の異なる気泡とを、気体ポ
ンプを原理とするメカニズムによって高速に移動させる
光スイッチを提供することを目的とする。 【解決手段】液体1と気泡2とがほぼ同体積とするスリッ
ト内3において、図(a)のヒーター401を加熱させること
により液体1と気泡2の界面下部の表面張力を低下させ、
ポンプにおける下部弁が開いた状態を作り出すと共に、
気泡2をヒーター501によって熱膨張させ、気体のポンプ
力によって液体1を気泡2の下部方面に押し出し、それと
共に気泡2が反対方面に移動して気泡2と液体1とが、ヒ
ーター402と502を切った状態にしても慣性の法則により
高速に入れ替わる。このスリットを、交差した光導波路
の交差部に配置する事により光スイッチ素子及び光マト
リクス・スイッチとする事が出来る。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光通信における、光
信号の切り替え及びオン・オフに用いる自己保持機能を
持つ光スイッチに関するものである。 【０００２】 【従来の技術及び発明の解決すべき課題】交差する光導
波路を横断するスリットに屈折率整合液と気泡を設置
し、それぞれ透過及び反射の状態を切り替える光導波路
型の自己保持機能を有する光スイッチが提案されてい
る。これは該スリットを複数の領域に分割して加熱し得
るヒーターとを具え、該スリットを複数の領域に分割し
て加熱し、該屈折率整合液の表面張力にスリットの長さ
方向の勾配を与え、その表面張力の勾配により屈折率整
合液をスリット内で移動させるように構成したことを特
徴としている。たとえばこれは特許公開番号(特許公開
平8-62645号参照)に掲載されている。この特許を構成し
ている物理現象はいわゆるマランゴニ対流と呼ばれるも
ので、マランゴニ対流は表面張力現象の研究として始ま
り、表面現象に関する記録としては古くはアッシリア時
代に始まる。この時代には、水と油の紋様から見る占い
に関するものだったそうである。その後、最初に科学的
に表面張力に関する研究を世に発表したのは、Thmsonで
あると言われている。このThomsonの論文中では、今日
では有名な「ワインの涙(Wine's tear)」と呼ばれる現
象について考察されている。この現象は、ワイングラス
に注がれたお酒がアルコールの蒸発により水分の多くな
った部分に生じる濃度差により発生する対流現象のこと
を示す。一般にはこれはマランゴニ効果(Marangoni eff
ect)或いは表面張力勾配と呼ばれる現象で、気液界面等
の自由表面上で温度・濃度・電位等の物性が局所的に変
化した場合に表面張力が変化して表面張力勾配により生
じる現象である。この現象は、水面に石鹸を落としたと
きに起こる水膜の後退や墨流し、樟脳片の運動、ワイン
グラス等で観察することが出来る。このマランゴニ効果
が起因となって流体内部に発生する対流をマランゴニ対
流(Marangoni convection, Marangoni flow)あるいは表
面張力差対流(flow caused by the surface tension gr
adient)と呼んでいる。つまりマランゴニ対流とは自由
表面上に温度・濃度・電位などの分布が存在する場合、
それに伴い表面張力勾配が生じ、これが要因となって流
体内部にまで対流がせん断力として伝わって行くもので
ある。この対流は表面張力勾配が大きくなるに従い、強
い対流現象となる。しかしながらこれらのマランゴニ対
流が発生し該整合液と気泡が相互に入れ替わるまでに
は、熱により対流現象を引き起こすまでの応答性が悪い
事が挙げられており、これからの光スイッチ高速応答性
に対応させる新たな機構が必要とされており、本発明で
はこれらを解決する高速応答性に富む新たな方法を提供
することを目的としている。 【０００３】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明ではマランゴニ効果をポンプにおける一つの
方向弁として利用する。つまり液体と気泡の界面におけ
る、重力方向下部において、ヒーターによって加熱する
ことによって、該下部の液体の表面張力がマランゴニ効
果によって低下することがわかっており、低下すること
によって液体の濡れ性が高くなり濡れ広がろうとする。
このことは濡れ広がろうとした部位の方向弁が開いたこ
とを意味する。 【０００４】液体の体積は熱によっても、ほとんど変わ
らないので該下部において濡れ広がろうとした分、液体
上部においては該下部とは反対方向に移動しようとす
る。 【０００５】ここでたとえば気泡部分下部において、別
のヒーターによって加熱することにより、該気泡が気体
であるがゆえに急速に膨張する。 【０００６】該気体が膨張すれば、気体が膨張する方向
と同一の方向に移動しようとする液体の面を膨張速度に
応じて、急速に押すこととなる。 【０００７】このことにより液体に上部から下部に至
り、下部から気泡の下を通って移動する液体の流れが発
生する。 【０００８】この流れは気泡膨張や該方向弁を開くため
の加熱を止めたとしても慣性の法則により、且つ又スリ
ット壁面との濡れ性とスリット内部の毛細管現象によっ
て、完全に反対側を満たし安定するまで続けられる。 【０００９】次に液体と気泡とをまた入れ替えるために
は同様な逆方向への動作をさせれば良いことになる。 【００１０】この様にして該液体と気泡の入れ替え動作
をさせる事によって光導波路の透過と反射状態を決定付
け光のスイッチとして働く。 【００１１】以上の事柄はただ単に表面張力勾配により
マランゴニ対流を引き起こし液体の移動に寄与させるこ
とよりも、強力な膨張力によってポンプ移動させたほう
が高速であり、比較的高速な応答性を示す光スイッチを
提供することが出来る。 【００１２】図１を用いて本発明を説明する。簡便な構
造である周囲を囲まれたスリット内において光通信用導
波路と屈折率を同じくする液体及び屈折率の異なる気泡
とを、気体ポンプを原理とするメカニズムによって交互
に移動させるとともに比較的大きな力を発生させる気体
ポンプによって比較的高速で安定した応答をさせる光ス
イッチの動作について図1-(a)(b)(c)によって説明す
る。液体1と気泡2とがほぼ同体積とするスリット内3に
おいて、図(a)のヒーター401を発熱させることにより液
体1と気泡2の界面下部を、マランゴニ効果によって表面
張力を低下させ、ポンプにおける下部弁が開いた状態を
作り出すと共に、気泡2をヒーター501によって熱膨張さ
せ、気体のポンプ力によって液体1を気泡2の下部方面に
押し出し、それと共に気泡2が反対方面に移動して気泡2
と液体1とが、ヒーター402と502を切った状態にしても
慣性の法則により高速に入れ替わる。この事はヒーター
の入り切りが高速で行うことが出来、比較的高速な応答
が実現出来る。このスリットを、交差した光導波路の交
差部に配置する事により、且つ液体1と気泡2との移動に
応じて透過と反射の状態が決定され、光スイッチ素子及
び光マトリクス・スイッチとする事が出来る。 【００１３】 【発明の実施の形態】次に図面を用いて実施例を説明す
る。図2は本発明の第１の実施例を示す。該気体ポンプ
の原理により、液体と気泡とが交互に移動する。図2(a)
(b)は該スリットが光導波路10,11の交差部中央より上方
にずれており上方の交点12から光が漏れない様に該スリ
ットでふさぐように配置されている。かかる構造によ
り、図2(a)は導波路と屈折率を同等とする液体1を矢印1
01,111共に同等の屈折率である液体を透過し第１のスイ
ッチ状態を発生させる。図2(b)は気泡2が該交差部に移
動することにより、導波路と気体との屈折率が異なる事
により、スリットと気泡との界面で光は全反射を起こ
す。又全反射を起こすような角度に交差部を構成する。
このことにより光路102は反射し第２のスイッチ状態を
発生させる。光路111は導波路外に反射し光スイッチ・
オフの状態を発生させる。 【００１４】図3は本発明の第２の実施例を示す。図３
(a)は第１の実施例の図１(a)と同じく透過の状態である
が、図３(b)は該スリットが狭くなり、且つ導波路交差
部を横断する中央にスリットの幅中央を配置したために
光路101,111共に反射の状態を示し光路がオフ状態にな
ることは無い。 【００１５】図4は本発明の第３の実施例を示す。図4は
第１の実施例と第２の実施例の両方での場合を含み(本
図では第１の実施例であるスイッチ素子で記入してある
が、各素子を第２の実施例に置き換えればよい。) 各
スイッチ素子を格子状に配置し多チャンネルでのスイッ
チングを可能とする実施例である。 【００１６】 【発明の効果】以上のように本発明によれば、マランゴ
ニ効果による方向弁と熱膨張による気体ポンプとを、周
囲を囲まれたスリット内での液体と気泡の移動に利用す
る事により簡便な構造で且つ比較的高速な応答性を示す
光スイッチ及び光マトリクス・スイッチを実現すること
が可能であり、格子状光導波路基板上に多数の気体ポン
プを利用した液体と気泡の移動による光マトリクス・ス
イッチを構成することが出来る等の顕著な効果を示す光
スイッチ素子を実現出来る。
信号の切り替え及びオン・オフに用いる自己保持機能を
持つ光スイッチに関するものである。 【０００２】 【従来の技術及び発明の解決すべき課題】交差する光導
波路を横断するスリットに屈折率整合液と気泡を設置
し、それぞれ透過及び反射の状態を切り替える光導波路
型の自己保持機能を有する光スイッチが提案されてい
る。これは該スリットを複数の領域に分割して加熱し得
るヒーターとを具え、該スリットを複数の領域に分割し
て加熱し、該屈折率整合液の表面張力にスリットの長さ
方向の勾配を与え、その表面張力の勾配により屈折率整
合液をスリット内で移動させるように構成したことを特
徴としている。たとえばこれは特許公開番号(特許公開
平8-62645号参照)に掲載されている。この特許を構成し
ている物理現象はいわゆるマランゴニ対流と呼ばれるも
ので、マランゴニ対流は表面張力現象の研究として始ま
り、表面現象に関する記録としては古くはアッシリア時
代に始まる。この時代には、水と油の紋様から見る占い
に関するものだったそうである。その後、最初に科学的
に表面張力に関する研究を世に発表したのは、Thmsonで
あると言われている。このThomsonの論文中では、今日
では有名な「ワインの涙(Wine's tear)」と呼ばれる現
象について考察されている。この現象は、ワイングラス
に注がれたお酒がアルコールの蒸発により水分の多くな
った部分に生じる濃度差により発生する対流現象のこと
を示す。一般にはこれはマランゴニ効果(Marangoni eff
ect)或いは表面張力勾配と呼ばれる現象で、気液界面等
の自由表面上で温度・濃度・電位等の物性が局所的に変
化した場合に表面張力が変化して表面張力勾配により生
じる現象である。この現象は、水面に石鹸を落としたと
きに起こる水膜の後退や墨流し、樟脳片の運動、ワイン
グラス等で観察することが出来る。このマランゴニ効果
が起因となって流体内部に発生する対流をマランゴニ対
流(Marangoni convection, Marangoni flow)あるいは表
面張力差対流(flow caused by the surface tension gr
adient)と呼んでいる。つまりマランゴニ対流とは自由
表面上に温度・濃度・電位などの分布が存在する場合、
それに伴い表面張力勾配が生じ、これが要因となって流
体内部にまで対流がせん断力として伝わって行くもので
ある。この対流は表面張力勾配が大きくなるに従い、強
い対流現象となる。しかしながらこれらのマランゴニ対
流が発生し該整合液と気泡が相互に入れ替わるまでに
は、熱により対流現象を引き起こすまでの応答性が悪い
事が挙げられており、これからの光スイッチ高速応答性
に対応させる新たな機構が必要とされており、本発明で
はこれらを解決する高速応答性に富む新たな方法を提供
することを目的としている。 【０００３】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明ではマランゴニ効果をポンプにおける一つの
方向弁として利用する。つまり液体と気泡の界面におけ
る、重力方向下部において、ヒーターによって加熱する
ことによって、該下部の液体の表面張力がマランゴニ効
果によって低下することがわかっており、低下すること
によって液体の濡れ性が高くなり濡れ広がろうとする。
このことは濡れ広がろうとした部位の方向弁が開いたこ
とを意味する。 【０００４】液体の体積は熱によっても、ほとんど変わ
らないので該下部において濡れ広がろうとした分、液体
上部においては該下部とは反対方向に移動しようとす
る。 【０００５】ここでたとえば気泡部分下部において、別
のヒーターによって加熱することにより、該気泡が気体
であるがゆえに急速に膨張する。 【０００６】該気体が膨張すれば、気体が膨張する方向
と同一の方向に移動しようとする液体の面を膨張速度に
応じて、急速に押すこととなる。 【０００７】このことにより液体に上部から下部に至
り、下部から気泡の下を通って移動する液体の流れが発
生する。 【０００８】この流れは気泡膨張や該方向弁を開くため
の加熱を止めたとしても慣性の法則により、且つ又スリ
ット壁面との濡れ性とスリット内部の毛細管現象によっ
て、完全に反対側を満たし安定するまで続けられる。 【０００９】次に液体と気泡とをまた入れ替えるために
は同様な逆方向への動作をさせれば良いことになる。 【００１０】この様にして該液体と気泡の入れ替え動作
をさせる事によって光導波路の透過と反射状態を決定付
け光のスイッチとして働く。 【００１１】以上の事柄はただ単に表面張力勾配により
マランゴニ対流を引き起こし液体の移動に寄与させるこ
とよりも、強力な膨張力によってポンプ移動させたほう
が高速であり、比較的高速な応答性を示す光スイッチを
提供することが出来る。 【００１２】図１を用いて本発明を説明する。簡便な構
造である周囲を囲まれたスリット内において光通信用導
波路と屈折率を同じくする液体及び屈折率の異なる気泡
とを、気体ポンプを原理とするメカニズムによって交互
に移動させるとともに比較的大きな力を発生させる気体
ポンプによって比較的高速で安定した応答をさせる光ス
イッチの動作について図1-(a)(b)(c)によって説明す
る。液体1と気泡2とがほぼ同体積とするスリット内3に
おいて、図(a)のヒーター401を発熱させることにより液
体1と気泡2の界面下部を、マランゴニ効果によって表面
張力を低下させ、ポンプにおける下部弁が開いた状態を
作り出すと共に、気泡2をヒーター501によって熱膨張さ
せ、気体のポンプ力によって液体1を気泡2の下部方面に
押し出し、それと共に気泡2が反対方面に移動して気泡2
と液体1とが、ヒーター402と502を切った状態にしても
慣性の法則により高速に入れ替わる。この事はヒーター
の入り切りが高速で行うことが出来、比較的高速な応答
が実現出来る。このスリットを、交差した光導波路の交
差部に配置する事により、且つ液体1と気泡2との移動に
応じて透過と反射の状態が決定され、光スイッチ素子及
び光マトリクス・スイッチとする事が出来る。 【００１３】 【発明の実施の形態】次に図面を用いて実施例を説明す
る。図2は本発明の第１の実施例を示す。該気体ポンプ
の原理により、液体と気泡とが交互に移動する。図2(a)
(b)は該スリットが光導波路10,11の交差部中央より上方
にずれており上方の交点12から光が漏れない様に該スリ
ットでふさぐように配置されている。かかる構造によ
り、図2(a)は導波路と屈折率を同等とする液体1を矢印1
01,111共に同等の屈折率である液体を透過し第１のスイ
ッチ状態を発生させる。図2(b)は気泡2が該交差部に移
動することにより、導波路と気体との屈折率が異なる事
により、スリットと気泡との界面で光は全反射を起こ
す。又全反射を起こすような角度に交差部を構成する。
このことにより光路102は反射し第２のスイッチ状態を
発生させる。光路111は導波路外に反射し光スイッチ・
オフの状態を発生させる。 【００１４】図3は本発明の第２の実施例を示す。図３
(a)は第１の実施例の図１(a)と同じく透過の状態である
が、図３(b)は該スリットが狭くなり、且つ導波路交差
部を横断する中央にスリットの幅中央を配置したために
光路101,111共に反射の状態を示し光路がオフ状態にな
ることは無い。 【００１５】図4は本発明の第３の実施例を示す。図4は
第１の実施例と第２の実施例の両方での場合を含み(本
図では第１の実施例であるスイッチ素子で記入してある
が、各素子を第２の実施例に置き換えればよい。) 各
スイッチ素子を格子状に配置し多チャンネルでのスイッ
チングを可能とする実施例である。 【００１６】 【発明の効果】以上のように本発明によれば、マランゴ
ニ効果による方向弁と熱膨張による気体ポンプとを、周
囲を囲まれたスリット内での液体と気泡の移動に利用す
る事により簡便な構造で且つ比較的高速な応答性を示す
光スイッチ及び光マトリクス・スイッチを実現すること
が可能であり、格子状光導波路基板上に多数の気体ポン
プを利用した液体と気泡の移動による光マトリクス・ス
イッチを構成することが出来る等の顕著な効果を示す光
スイッチ素子を実現出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の構成を示す。
【図2】図2は本発明の第１の実施例を示す模式図であ
る。 【図3】図3は本発明の第２の実施例を示す模式図であ
る。 【図4】図4は本発明の第３の実施例を示す模式図であ
る。 【符号の説明】 1 液体 2 気泡 3 周囲を囲まれたスリット 401 加熱状態のヒーター 402 非加熱状態のヒーター 501 加熱状態の他のヒーター 502 非加熱状態の他のヒーター 6 非加熱状態の端のヒーター 7 低表面張力により濡れ広がる状態 8 液体の体積が引っ込んだ状態 9 慣性力 10 導波路 11 他の導波路 101 光の進行方向 102 光の進行方向 111 光の進行方向 112 光の進行方向 12 導波路の上方交差点 13 光路
る。 【図3】図3は本発明の第２の実施例を示す模式図であ
る。 【図4】図4は本発明の第３の実施例を示す模式図であ
る。 【符号の説明】 1 液体 2 気泡 3 周囲を囲まれたスリット 401 加熱状態のヒーター 402 非加熱状態のヒーター 501 加熱状態の他のヒーター 502 非加熱状態の他のヒーター 6 非加熱状態の端のヒーター 7 低表面張力により濡れ広がる状態 8 液体の体積が引っ込んだ状態 9 慣性力 10 導波路 11 他の導波路 101 光の進行方向 102 光の進行方向 111 光の進行方向 112 光の進行方向 12 導波路の上方交差点 13 光路
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】周囲を囲まれたスリット内において光通信
用導波路と屈折率を同じくする液体及び屈折率の異なる
気泡とを交互に移動させる事によって光の透過と反射に
よる経路の切り替えが行える光スイッチであって、該ス
リットは互いに交差した二つの光導波路の交差部を横断
状に設けられたスリットであって、該スリットの中はほ
ぼ同体積を持つ該液体と該気泡を備えており該スリット
の重力方向の下部中央には一つのヒーター・ブロックを
備え、且つ該スリットの長手方向左右には別のヒーター
・ブロックが配置されているが、これらのヒーター・ブ
ロックは少なくとも中央のヒーター・ブロックを含む二
つのブロックはほぼ同時に加熱され該液体と該気泡の相
互移動に関する駆動システムの対をなし、中央の加熱さ
れたヒーター・ブロックは液体下部の表面張力を低下さ
せポンプにおける弁が開いた状態をなし、他のヒーター
・ブロックは該気泡の気体を膨張させ、該弁が開いた方
向に液体を移動させるポンプの役割を担い、且つこの場
合該ヒーター・ブロックの加熱を該液体と該気泡の相互
移動の途中で切断しても、該液体の慣性力によって該ス
リット内における該液体と該気泡の相互移動を完了させ
ることを特徴とした光スイッチ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001192330A JP2003005104A (ja) | 2001-06-26 | 2001-06-26 | 気体ポンプを利用した液体と気泡の移動による光スイッチ及び光マトリクス・スイッチ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001192330A JP2003005104A (ja) | 2001-06-26 | 2001-06-26 | 気体ポンプを利用した液体と気泡の移動による光スイッチ及び光マトリクス・スイッチ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003005104A true JP2003005104A (ja) | 2003-01-08 |
Family
ID=19030795
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001192330A Pending JP2003005104A (ja) | 2001-06-26 | 2001-06-26 | 気体ポンプを利用した液体と気泡の移動による光スイッチ及び光マトリクス・スイッチ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003005104A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7263269B2 (en) | 2004-12-17 | 2007-08-28 | Seiko Epson Corporation | Mounting case for electro-optical device, method of manufacturing mounting case for electro-optical device, electro-optical device, and electronic apparatus |
| JP2008116381A (ja) * | 2006-11-07 | 2008-05-22 | Tokyo Univ Of Agriculture & Technology | マイクロポンプ |
| JP4750113B2 (ja) * | 2004-07-19 | 2011-08-17 | セントレ・ナショナル・デ・ラ・レシェルシェ・サイエンティフィーク | 作用部品を有するマイクロ流体回路 |
| CN111841044A (zh) * | 2019-02-28 | 2020-10-30 | 佳能株式会社 | 超细气泡生成装置以及超细气泡生成方法 |
-
2001
- 2001-06-26 JP JP2001192330A patent/JP2003005104A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4750113B2 (ja) * | 2004-07-19 | 2011-08-17 | セントレ・ナショナル・デ・ラ・レシェルシェ・サイエンティフィーク | 作用部品を有するマイクロ流体回路 |
| US7263269B2 (en) | 2004-12-17 | 2007-08-28 | Seiko Epson Corporation | Mounting case for electro-optical device, method of manufacturing mounting case for electro-optical device, electro-optical device, and electronic apparatus |
| JP2008116381A (ja) * | 2006-11-07 | 2008-05-22 | Tokyo Univ Of Agriculture & Technology | マイクロポンプ |
| CN111841044A (zh) * | 2019-02-28 | 2020-10-30 | 佳能株式会社 | 超细气泡生成装置以及超细气泡生成方法 |
| US11571671B2 (en) | 2019-02-28 | 2023-02-07 | Canon Kabushiki Kaisha | Ultrafine bubble generating apparatus and ultrafine bubble generating method |
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20070410 |