JP2003100512A - 電磁アクチュエータ - Google Patents
電磁アクチュエータInfo
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- JP2003100512A JP2003100512A JP2001333482A JP2001333482A JP2003100512A JP 2003100512 A JP2003100512 A JP 2003100512A JP 2001333482 A JP2001333482 A JP 2001333482A JP 2001333482 A JP2001333482 A JP 2001333482A JP 2003100512 A JP2003100512 A JP 2003100512A
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- electromagnet
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ２個の電磁石を対向させて使用するアクチュ
エータは、吸引方向の発生力に比較して反撥方向の発生
力が弱く、反撥方向で使用することが困難なため簡単な
位置制御や力制御に応用されることが少なかった。 【解決手段】 対向する磁気空間に磁性流体を充満させ
れば、反撥方向の発生力が１．５倍から２倍にまで増強
され、利便性・実用性が高い小型アクチュエータが得ら
れる。
エータは、吸引方向の発生力に比較して反撥方向の発生
力が弱く、反撥方向で使用することが困難なため簡単な
位置制御や力制御に応用されることが少なかった。 【解決手段】 対向する磁気空間に磁性流体を充満させ
れば、反撥方向の発生力が１．５倍から２倍にまで増強
され、利便性・実用性が高い小型アクチュエータが得ら
れる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電磁石の磁極間に
発生する吸引力及び反撥力を駆動力とする双方向動作用
の電磁アクチュエータに関する。
発生する吸引力及び反撥力を駆動力とする双方向動作用
の電磁アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】ここでいう双方向動作用電磁アクチュエ
ータとは、適度のストロークを有し、ストローク内の任
意の位置において押し方向にも引き方向にも力を発生さ
せることができる電磁アクチュエータである、と定義す
る。ボイスコイル型アクチュエータ、或いは可動永久磁
石を用いたソレノイド・アクチュエータ等がこれに属す
る。
ータとは、適度のストロークを有し、ストローク内の任
意の位置において押し方向にも引き方向にも力を発生さ
せることができる電磁アクチュエータである、と定義す
る。ボイスコイル型アクチュエータ、或いは可動永久磁
石を用いたソレノイド・アクチュエータ等がこれに属す
る。
【０００３】２個の電磁石を対向して使用し、夫々を別
個に励磁してある場合は吸引力を発生させ、ある場合は
反撥力を発生させるようにした対向電磁石型アクチュエ
ータもここで定義した双方向動作型電磁アクチュエータ
に属する。
個に励磁してある場合は吸引力を発生させ、ある場合は
反撥力を発生させるようにした対向電磁石型アクチュエ
ータもここで定義した双方向動作型電磁アクチュエータ
に属する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】図１に代表的な対向電
磁石型アクチュエータの構造の断面図を示す。一方の電
磁石は鉄心１とコイル３よりなり、もう一方の電磁石は
鉄心２とコイル４よりなる。単純な構造で小型化に向
き、如何にも使い勝手が良さそうであるが、現実にこの
ような構造のものが双方向動作型電磁アクチュエータと
して使用されることはない。
磁石型アクチュエータの構造の断面図を示す。一方の電
磁石は鉄心１とコイル３よりなり、もう一方の電磁石は
鉄心２とコイル４よりなる。単純な構造で小型化に向
き、如何にも使い勝手が良さそうであるが、現実にこの
ような構造のものが双方向動作型電磁アクチュエータと
して使用されることはない。
【０００５】その理由は、この構造では凡そ吸引力を３
であるとすると、反撥力は１程度しか得られず、反撥方
向のアクチュエータとしての発生力が弱いから実用的価
値が低いためである。アクチュエータとしては反撥力は
原点からの移動距離が大きくなって両方の電磁石の間隔
が広がるに連れて弱くなるため、スプリング等の負荷と
力を平衡させて位置制御を行なうことができるメリット
がある。また、位置を固定することにより、励磁電流値
を制御して力制御を行なうことができるメリットがあ
る。吸引方向では原点からの移動距離が大きくなる、即
ち両方の電磁石の間隔が縮まるにつれて発生力は加速的
に強くなり、スプリング等の負荷と平衡させることがで
きず、ストッパーで停止させられる位置まで動き切って
しまい、簡単な位置制御を実現することができない。
であるとすると、反撥力は１程度しか得られず、反撥方
向のアクチュエータとしての発生力が弱いから実用的価
値が低いためである。アクチュエータとしては反撥力は
原点からの移動距離が大きくなって両方の電磁石の間隔
が広がるに連れて弱くなるため、スプリング等の負荷と
力を平衡させて位置制御を行なうことができるメリット
がある。また、位置を固定することにより、励磁電流値
を制御して力制御を行なうことができるメリットがあ
る。吸引方向では原点からの移動距離が大きくなる、即
ち両方の電磁石の間隔が縮まるにつれて発生力は加速的
に強くなり、スプリング等の負荷と平衡させることがで
きず、ストッパーで停止させられる位置まで動き切って
しまい、簡単な位置制御を実現することができない。
【０００６】吸引力が反撥力に対して大きい理由を図１
及び図２を使って説明しよう。図１では吸引力が発生す
るようにコイル３及びコイル４が励磁されている。この
時、両コイルを取り巻く磁力線５が発生する。鉄心の透
磁率は高いので、両コイルの起磁力は両電磁石の距離Ｄ
である２ヶ所のギャップに集中する。
及び図２を使って説明しよう。図１では吸引力が発生す
るようにコイル３及びコイル４が励磁されている。この
時、両コイルを取り巻く磁力線５が発生する。鉄心の透
磁率は高いので、両コイルの起磁力は両電磁石の距離Ｄ
である２ヶ所のギャップに集中する。
【０００７】図２では反撥力が発生するようにコイル３
及びコイル４が励磁されている。この時はコイル３を取
り巻く磁力線６とコイル４を取り巻く磁力線７が発生す
る。コイルの起磁力は夫々の磁極間の磁路（長さＬ）に
集中する。
及びコイル４が励磁されている。この時はコイル３を取
り巻く磁力線６とコイル４を取り巻く磁力線７が発生す
る。コイルの起磁力は夫々の磁極間の磁路（長さＬ）に
集中する。
【０００８】図１では２個のコイルが２ヶ所の長さＤの
ギャップに起磁力を与えている。図２では１個のコイル
が長さＬの磁路に起磁力を与えている。両図を比較すれ
ば明らかに図１の方が磁束密度が高くなる寸法関係にあ
る。それ故、対向電磁石型アクチュエータでは吸引力の
方が反撥力に対して不釣合いに大きい。また、反撥方向
の発生力が小さいために簡単に位置制御が実現できるア
クチュエータとして利用することが難しい。
ギャップに起磁力を与えている。図２では１個のコイル
が長さＬの磁路に起磁力を与えている。両図を比較すれ
ば明らかに図１の方が磁束密度が高くなる寸法関係にあ
る。それ故、対向電磁石型アクチュエータでは吸引力の
方が反撥力に対して不釣合いに大きい。また、反撥方向
の発生力が小さいために簡単に位置制御が実現できるア
クチュエータとして利用することが難しい。
【０００９】
【課題を解決するための手段】対向電磁石型アクチュエ
ータにおいては、対向する２個の電磁石の間の空間に磁
性流体を充満させるとその特性が劇的に変化し、吸引力
は殆ど変化しないが、反撥力が１．５倍から２倍にまで
増強される。
ータにおいては、対向する２個の電磁石の間の空間に磁
性流体を充満させるとその特性が劇的に変化し、吸引力
は殆ど変化しないが、反撥力が１．５倍から２倍にまで
増強される。
【００１０】その理由を説明しよう。磁性流体は直径１
０ナノメータ程度の磁性超微粒子を油等の媒体に体積濃
度１０％前後で懸濁させたものである。飽和磁束密度は
磁性体がマグネタイトの場合は５００ガウス程度、磁性
体が鉄、コバルト等の強磁性体及びそれらの合金の場合
は１，５００〜２，０００ガウス程度となる。
０ナノメータ程度の磁性超微粒子を油等の媒体に体積濃
度１０％前後で懸濁させたものである。飽和磁束密度は
磁性体がマグネタイトの場合は５００ガウス程度、磁性
体が鉄、コバルト等の強磁性体及びそれらの合金の場合
は１，５００〜２，０００ガウス程度となる。
【００１１】２個の電磁石間に発生する電磁力は磁気エ
ネルギーを距離で微分した値である。磁気エネルギーは
起磁力Ｈと磁束密度Ｂの積である。磁性流体は空間より
透磁率が高いから磁束密度Ｂを増加させ、磁気エネルギ
ーＨ×Ｂを増加させるので、吸引力或いは反撥力を増加
させる方向に働く。
ネルギーを距離で微分した値である。磁気エネルギーは
起磁力Ｈと磁束密度Ｂの積である。磁性流体は空間より
透磁率が高いから磁束密度Ｂを増加させ、磁気エネルギ
ーＨ×Ｂを増加させるので、吸引力或いは反撥力を増加
させる方向に働く。
【００１２】また、磁性流体が磁界の存在する空間にで
きるだけ大量に集まって磁気エネルギーを最大化しよう
とするために機械的圧力が発生する。この圧力は正の圧
力であるから、力の作用する方向としては電磁的吸引力
とは逆となり、電磁的反撥力とは同じ方向となる。
きるだけ大量に集まって磁気エネルギーを最大化しよう
とするために機械的圧力が発生する。この圧力は正の圧
力であるから、力の作用する方向としては電磁的吸引力
とは逆となり、電磁的反撥力とは同じ方向となる。
【００１３】結論を述べると、磁性流体の存在は電磁的
吸引力に対しては磁束密度を増大させるプラスと、機械
的圧力によるマイナスがほぼ等分に作用して、全体とし
て吸引力は殆ど変化しない。
吸引力に対しては磁束密度を増大させるプラスと、機械
的圧力によるマイナスがほぼ等分に作用して、全体とし
て吸引力は殆ど変化しない。
【００１４】しかしながら電磁的反撥力に対しては磁束
密度を増大させるプラスと、機械的圧力が同じ方向に作
用するプラスが加算されて、電磁的反撥力は著しく増強
される。マグネタイトを用いる磁性流体で反撥力をほぼ
１．５倍に増大させる。強磁性体を用いる磁性流体では
反撥力を２倍以上に増大させる。本発明は磁気空間に磁
性流体を充填することにより、吸引力を大幅に増大させ
て、吸引力と反撥力の絶対値がほぼ等しい対向電磁石型
アクチュエータを得んとするものである。
密度を増大させるプラスと、機械的圧力が同じ方向に作
用するプラスが加算されて、電磁的反撥力は著しく増強
される。マグネタイトを用いる磁性流体で反撥力をほぼ
１．５倍に増大させる。強磁性体を用いる磁性流体では
反撥力を２倍以上に増大させる。本発明は磁気空間に磁
性流体を充填することにより、吸引力を大幅に増大させ
て、吸引力と反撥力の絶対値がほぼ等しい対向電磁石型
アクチュエータを得んとするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につき
図を参照して説明する。
図を参照して説明する。
【００１６】
【実施例】第１の実施の形態
図３は本発明になる対向電磁石型アクチュエータの第１
の実施の形態である。これは最も基本的な単純な構造を
している。一方の電磁石は鉄心１０、コイル１２、スト
ッパー１４よりなり、もう一方の電磁石は鉄心１１、コ
イル１３、ストッパー１５よりなる。強化繊維入りゴム
製の袋体１６が閉鎖空間を作り、その内部に磁性流体１
７が封入されている。この対向電磁石型アクチュエータ
は吸引方向にも反撥方向にも力を発生させることができ
る。反撥方向で使用する場合には、圧縮スプリング等と
組合わせてオープンループ制御で簡単な位置制御を実現
することができて簡易型のアクチュエータとして便利で
ある。この場合、一定の励磁電流における反撥方向の原
点からの距離を直線的に動かすと反撥力は指数関数的に
減衰する。
の実施の形態である。これは最も基本的な単純な構造を
している。一方の電磁石は鉄心１０、コイル１２、スト
ッパー１４よりなり、もう一方の電磁石は鉄心１１、コ
イル１３、ストッパー１５よりなる。強化繊維入りゴム
製の袋体１６が閉鎖空間を作り、その内部に磁性流体１
７が封入されている。この対向電磁石型アクチュエータ
は吸引方向にも反撥方向にも力を発生させることができ
る。反撥方向で使用する場合には、圧縮スプリング等と
組合わせてオープンループ制御で簡単な位置制御を実現
することができて簡易型のアクチュエータとして便利で
ある。この場合、一定の励磁電流における反撥方向の原
点からの距離を直線的に動かすと反撥力は指数関数的に
減衰する。
【００１７】第２の実施の形態
図４は本発明になる対向電磁石型アクチュエータの第２
の実施の形態である。図の左側の鉄心２０と図の右側の
鉄心２１はロッド２４によって一体に連結されている。
フランジが付いた外側リング鉄心２５、内側リング鉄心
２６、コイル２７は前述左右の二つの電磁石に挟まれた
空間を軸方向に自由に移動できる。２個の袋体１６が３
個の電磁石と接合されており、その内部に磁性流体１７
が封入されている。図の左側電磁石と中央電磁石の間で
一つの対向電磁石型アクチュエータを構成しており、図
の中央電磁石と右側電磁石の間でもう一つの対向電磁石
型アクチュエータを構成している。図の左側で構成され
ている対向電磁石型アクチュエータで反撥力を発生さ
せ、右側の対向電磁石型アクチュエータで吸引力を発生
させるとプッシュプル動作を行なうことができる。中央
電磁石が左側電磁石から遠ざかって左側の対向電磁石型
アクチュエータの反撥力が指数関数的に減衰するが、右
側の対向電磁石型アクチュエータの吸引力が急速に強く
なって両方の発生力を合成するとストロークの全長にお
いてある範囲に収まる発生力を得ることができる。基本
的に同一の励磁においては吸引力の方が反発力より強い
ので、吸引側の励磁、図ではコイル２３による励磁を若
干抑制する電流制御を行なえば殆どフラットな力・スト
ローク特性が得られる。
の実施の形態である。図の左側の鉄心２０と図の右側の
鉄心２１はロッド２４によって一体に連結されている。
フランジが付いた外側リング鉄心２５、内側リング鉄心
２６、コイル２７は前述左右の二つの電磁石に挟まれた
空間を軸方向に自由に移動できる。２個の袋体１６が３
個の電磁石と接合されており、その内部に磁性流体１７
が封入されている。図の左側電磁石と中央電磁石の間で
一つの対向電磁石型アクチュエータを構成しており、図
の中央電磁石と右側電磁石の間でもう一つの対向電磁石
型アクチュエータを構成している。図の左側で構成され
ている対向電磁石型アクチュエータで反撥力を発生さ
せ、右側の対向電磁石型アクチュエータで吸引力を発生
させるとプッシュプル動作を行なうことができる。中央
電磁石が左側電磁石から遠ざかって左側の対向電磁石型
アクチュエータの反撥力が指数関数的に減衰するが、右
側の対向電磁石型アクチュエータの吸引力が急速に強く
なって両方の発生力を合成するとストロークの全長にお
いてある範囲に収まる発生力を得ることができる。基本
的に同一の励磁においては吸引力の方が反発力より強い
ので、吸引側の励磁、図ではコイル２３による励磁を若
干抑制する電流制御を行なえば殆どフラットな力・スト
ローク特性が得られる。
【００１８】第３の実施の形態
図５は本発明になる対向電磁石型アクチュエータの第３
の実施の形態である。外側リング鉄心３０、内側リング
鉄心３１、コイル３２、ストッパー３３が中央電磁石を
構成しており、袋体１６の内部に磁性流体１７が封入さ
れている。図５は図３の左右の電磁石の間に複数個の中
央電磁石を入れた構成となっている。図５には中央電磁
石が２個で、３組の対向電磁石型アクチュエータが形成
されている場合を示している。このアクチュエータでは
全ての対向電磁石アクチュエータが同時に吸引力もしく
は反撥力を発生させるように構成されている。このアク
チュエータは図３の基本形に対して、直径に対して全長
が長いアスペクト比を有する設計例を示したもので、図
５の場合は全長が図３のほぼ２倍であるが、動作ストロ
ークはほぼ３倍得られる設計になっている。以上、図３
に基本形、図４及び図５に応用形を示したが、本発明の
応用範囲はこれらの図に示された実施例に限られるもの
でない。
の実施の形態である。外側リング鉄心３０、内側リング
鉄心３１、コイル３２、ストッパー３３が中央電磁石を
構成しており、袋体１６の内部に磁性流体１７が封入さ
れている。図５は図３の左右の電磁石の間に複数個の中
央電磁石を入れた構成となっている。図５には中央電磁
石が２個で、３組の対向電磁石型アクチュエータが形成
されている場合を示している。このアクチュエータでは
全ての対向電磁石アクチュエータが同時に吸引力もしく
は反撥力を発生させるように構成されている。このアク
チュエータは図３の基本形に対して、直径に対して全長
が長いアスペクト比を有する設計例を示したもので、図
５の場合は全長が図３のほぼ２倍であるが、動作ストロ
ークはほぼ３倍得られる設計になっている。以上、図３
に基本形、図４及び図５に応用形を示したが、本発明の
応用範囲はこれらの図に示された実施例に限られるもの
でない。
【００１９】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、構造が単純であるから小型化、超小型化に
好適であり、反撥方向の発生力が従来の同等仕様の電磁
石より遥かに大きい対向電磁石型アクチュエータを提供
することができる。
ているので、構造が単純であるから小型化、超小型化に
好適であり、反撥方向の発生力が従来の同等仕様の電磁
石より遥かに大きい対向電磁石型アクチュエータを提供
することができる。
【００２０】また、本発明によれば、オープンループ制
御方式でも簡単な位置制御や力制御が実現する利便性が
得られる。
御方式でも簡単な位置制御や力制御が実現する利便性が
得られる。
【図１】 回転対称である対向電磁石の基本構造と吸引
力発生時の磁路を示す図である。
力発生時の磁路を示す図である。
【図２】 回転対称である対向電磁石の基本構造と反撥
力発生時の磁路を示す図である。
力発生時の磁路を示す図である。
【図３】 本発明になる請求項１に相当する対向電磁石
アクチュエータの構造を示す図である。
アクチュエータの構造を示す図である。
【図４】 本発明になる請求項２に相当する対向電磁石
アクチュエータの構造を示す図である。
アクチュエータの構造を示す図である。
【図５】 本発明になる請求項３に相当する対向電磁石
アクチュエータの構造を示す図である。
アクチュエータの構造を示す図である。
１ 鉄心及び電磁石
２ 鉄心及び電磁石
３ コイル
４ コイル
５ 磁路
６ 磁路
７ 磁路
１０ 鉄心及び電磁石
１１ 鉄心及び電磁石
１２ コイル
１３ コイル
１４ ストッパー
１５ ストッパー
１６ 袋体
１７ 磁性流体
２０ 鉄心及び電磁石
２１ 鉄心及び電磁石
２２ コイル
２３ コイル
２４ 連結ロッド
２５ 外側リング鉄心
２６ 内側リング鉄心
２７ コイル
３０ 外側リング鉄心
３１ 内側リング鉄心
３２ コイル
３３ ストッパー
Claims (3)
- 【請求項１】軸方向に扁平で中心より外へ向かって中央
磁極、コイル、外周磁極の順で層状に構成された２個の
電磁石が向い合って移動可能に構成されており、 中央磁極と外周磁極は前述向い合った間隙の反対側で継
鉄によって連絡されており、 向い合う前述２個の電磁石の磁極間には磁性流体が充満
しており、 前述２個の電磁石が同一方向に磁化された場合は全長が
縮む方向に力を発生させ、 前述２個の電磁石が逆方向に磁化された場合は全長が伸
びる方向に力を発生させるようにしてなる電磁アクチュ
エータ。 - 【請求項２】軸方向に扁平で中心より外へ向かって中央
磁極、コイル、外周磁極の順で層状に構成されている電
磁石が複数個存在し、 一方から数えて奇数番の電磁石群は互いに機械的に連結
されており、 同じく偶数番目の電磁石群は互いに機械的に連結されて
おり、 前述電磁石群の軸方向の両端に配置された電磁石は中央
磁極と外周磁極を連絡する継鉄を有しており、 隣り合う電磁石の磁極間には磁性流体が充満しており、 前述奇数番目の電磁石群の隣り合う電磁石は互いには反
対方向に磁化するようにしてあり、 同じく前述偶数番目の電磁石群の隣り合う電磁石は互い
には反対方向に磁化するようにしてあり、 前述奇数番目の電磁石群と前述偶数番目の電磁石群に流
す電流の方向を制御することにより軸方向の一方あるい
は逆方向に前述電磁石群の位置関係を移動させる力を発
生させるようにしてなる電磁アクチュエータ。 - 【請求項３】軸方向に扁平で中心より外へ向かって中央
磁極、コイル、外周磁極の順で層状に構成されている電
磁石が複数個、移動できる構造で間隔を設けて軸方向に
群を構成して配置されており、 前述電磁石群の軸方向の両端に配置された電磁石は中央
磁極と外周磁極を連絡する継鉄を有しており、 隣り合う電磁石の磁極間には磁性流体が充満しており、 一方から数えて奇数番目の電磁石群と偶数番目の電磁石
群はお互いに同一方向に磁化される場合は全長が縮む方
向に力を発生させ、 前述奇数番目の電磁石群と偶数番目の電磁石群がお互い
に反対方向に磁化される場合は全長が伸びる方向に力を
発生させるようにしてなる電磁アクチュエータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001333482A JP4817091B2 (ja) | 2001-09-26 | 2001-09-26 | 電磁アクチュエータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001333482A JP4817091B2 (ja) | 2001-09-26 | 2001-09-26 | 電磁アクチュエータ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003100512A true JP2003100512A (ja) | 2003-04-04 |
| JP4817091B2 JP4817091B2 (ja) | 2011-11-16 |
Family
ID=19148732
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001333482A Expired - Fee Related JP4817091B2 (ja) | 2001-09-26 | 2001-09-26 | 電磁アクチュエータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4817091B2 (ja) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5815462A (ja) * | 1981-07-21 | 1983-01-28 | Kouta Watanabe | 電磁石を用いた作動方法 |
| JPS61142708A (ja) * | 1984-12-15 | 1986-06-30 | Diesel Kiki Co Ltd | 電磁アクチュエ−タ |
| JPH01234608A (ja) * | 1988-03-11 | 1989-09-19 | Hitachi Ltd | 磁性流体アクチユエータ |
| JPH01246804A (ja) * | 1988-03-28 | 1989-10-02 | Matsushita Electric Works Ltd | 電磁石装置 |
| JPH0487549A (ja) * | 1990-07-25 | 1992-03-19 | Mitsubishi Electric Corp | アクチユエータ |
-
2001
- 2001-09-26 JP JP2001333482A patent/JP4817091B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5815462A (ja) * | 1981-07-21 | 1983-01-28 | Kouta Watanabe | 電磁石を用いた作動方法 |
| JPS61142708A (ja) * | 1984-12-15 | 1986-06-30 | Diesel Kiki Co Ltd | 電磁アクチュエ−タ |
| JPH01234608A (ja) * | 1988-03-11 | 1989-09-19 | Hitachi Ltd | 磁性流体アクチユエータ |
| JPH01246804A (ja) * | 1988-03-28 | 1989-10-02 | Matsushita Electric Works Ltd | 電磁石装置 |
| JPH0487549A (ja) * | 1990-07-25 | 1992-03-19 | Mitsubishi Electric Corp | アクチユエータ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4817091B2 (ja) | 2011-11-16 |
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