JP2006271167A - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電素子の振動により可動体を駆動させる圧電アクチュエータに係り、特に、応答性を向上するとともに可動体の位置決めを高精度に行うのに好適な圧電アクチュエータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator that drives a movable body by vibration of a piezoelectric element, and more particularly, to a piezoelectric actuator that improves responsiveness and is highly accurate for positioning the movable body.
従来、圧電アクチュエータとしては、例えば、特許文献1記載のマイクロモータが知られている。
図8は、従来の圧電アクチュエータの構造を示す図である。
圧電アクチュエータ7は、図8に示すように、圧電素子12と、圧電素子12の一方の面に4分割して設けられた電極膜10a〜10dと、圧電素子12の他方の面のほぼ全面に設けられた電極膜(図示せず)と、圧電素子12の先端部に設けられたフィンガ8とを備えている。
圧電素子12は、筐体に収められており、筐体内部で側面が4つの点で支持されている。また、圧電素子12の後端と筐体との間に設けられたコイルばね14によってフィンガ8が走行プレート6に押し付けられるようになっている。
Conventionally, as a piezoelectric actuator, for example, a micromotor described in
FIG. 8 is a diagram showing the structure of a conventional piezoelectric actuator.
As shown in FIG. 8, the
The
図9は、従来の圧電アクチュエータの駆動状態を示す図である。
電極膜10a〜10dは、互いに対角に位置する電極膜10aと電極膜10d、および電極膜10bと電極膜10cが結線されている。電極膜10aと電極膜10bには、周波数が圧電素子12の共振周波数でかつ位相が180°異なる電圧波形の電圧を印加するとともに、他方の面に配置された電極膜を接地することにより、図9に示すように、圧電素子12に縦振動と横振動を交互に発生させてこれらの振動の合成によりフィンガ8を楕円運動させる。これにより、圧電素子12の振動がフィンガ8を介して走行プレート6に伝達されて走行プレート6上に設置された可動体が駆動されるようになっている。
In the
しかしながら、特許文献1記載の発明では、共振原理を応用しているので、可動体に対して停止状態から送り動作を実行させるためには、圧電素子12の先端で合成振動が整列するまで電力注入が必要であり、印加電圧に対する不感帯が存在するという問題があった。
また、共振振動の1サイクル中で圧電素子12の振動を停止させるのが困難なので、可動体の最適位置を検出してもその位置で可動体を正確に停止させることができない。したがって、可動体の位置決めを高精度に行うことができないという問題があった。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、応答性を向上するとともに可動体の位置決めを高精度に行うのに好適な圧電アクチュエータを提供することを目的としている。
However, in the invention described in
Further, since it is difficult to stop the vibration of the
Therefore, the present invention has been made paying attention to such an unsolved problem of the prior art, and is a piezoelectric actuator suitable for improving responsiveness and positioning a movable body with high accuracy. The purpose is to provide.
上記目的を達成するために、本発明に係る請求項1記載の圧電アクチュエータは、圧電素子に電圧を印加することにより前記圧電素子を振動させ、その振動によって可動体を駆動する圧電アクチュエータにおいて、前記圧電素子の対向する2つの面の一方に設けられた第1電極および第2電極と、前記圧電素子の前記対向する2つの面の他方に設けられた第3電極と、前記第1電極および前記第2電極に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記電圧印加手段は、周波数が前記圧電素子の共振周波数未満でかつ位相が90°異なる2つの電圧波形の電圧を前記第1電極および前記第2電極にそれぞれ印加するようになっている。
In order to achieve the above object, a piezoelectric actuator according to
このような構成であれば、電圧印加手段により、周波数が圧電素子の共振周波数未満でかつ位相が90°異なる2つの電圧波形の電圧が第1電極および第2電極にそれぞれ印加される。これにより、圧電素子が非共振駆動して縦振動と横振動が交互に発生し、その振動の合成により可動体が駆動する。
圧電素子の駆動が非共振駆動であるので、圧電素子の先端で合成振動が整列するのを待たずに振動を開始することができるとともに、圧電素子の振動を1サイクル中で容易に停止することができる。また、第1電極および第2電極に印加する電圧波形の位相が90°異なるので、圧電素子に4つの変位が形成され、楕円運動ではなく円運動を形成することができる。
If it is such a structure, the voltage of a voltage waveform will be applied to the 1st electrode and the 2nd electrode by the voltage application means, and the voltage of two voltage waveforms from which the phase differs by 90 degrees will be respectively applied. As a result, the piezoelectric element is driven non-resonantly to generate longitudinal vibration and lateral vibration alternately, and the movable body is driven by the synthesis of the vibration.
Since the driving of the piezoelectric element is non-resonant driving, the vibration can be started without waiting for the combined vibration to be aligned at the tip of the piezoelectric element, and the vibration of the piezoelectric element can be easily stopped in one cycle. Can do. In addition, since the phases of the voltage waveforms applied to the first electrode and the second electrode differ by 90 °, four displacements are formed in the piezoelectric element, and circular motion can be formed instead of elliptical motion.
さらに、本発明に係る請求項2記載の圧電アクチュエータは、請求項1記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第1電極および前記第2電極に印加する電圧波形の極性を反転させる極性反転手段をさらに備える。
このような構成であれば、極性反転手段により、第1電極および第2電極に印加する電圧波形の極性が反転する。これにより、圧電素子の回転方向が逆転する。
Furthermore, a piezoelectric actuator according to a second aspect of the present invention is the piezoelectric actuator according to the first aspect, further comprising polarity inverting means for inverting the polarity of the voltage waveform applied to the first electrode and the second electrode.
With such a configuration, the polarity of the voltage waveform applied to the first electrode and the second electrode is reversed by the polarity reversing means. Thereby, the rotation direction of the piezoelectric element is reversed.
さらに、本発明に係る請求項3記載の圧電アクチュエータは、請求項1および2のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電素子を設置する筐体をさらに備え、前記圧電素子の端部のうち前記可動体とは反対側の端部が前記筐体に固定されている。
このような構成であれば、圧電素子の可動体とは反対側の端部が固定されているので、圧電素子の振動を効率的に可動体に伝達することができる。
Furthermore, a piezoelectric actuator according to a third aspect of the present invention is the piezoelectric actuator according to any one of the first and second aspects, further comprising a housing for installing the piezoelectric element, and an end portion of the piezoelectric element. Of these, the end opposite to the movable body is fixed to the casing.
With such a configuration, since the end of the piezoelectric element opposite to the movable body is fixed, the vibration of the piezoelectric element can be efficiently transmitted to the movable body.
さらに、本発明に係る請求項4記載の圧電アクチュエータは、請求項3記載の圧電アクチュエータにおいて、ばね部材をさらに備え、前記圧電素子の前記端部が前記ばね部材を介して前記筐体に固定されている。
このような構成であれば、ばね部材によって圧電素子が可動体側に押し付けられるので、圧電素子の振動を効率的に可動体に伝達することができる。
Furthermore, a piezoelectric actuator according to a fourth aspect of the present invention is the piezoelectric actuator according to the third aspect, further comprising a spring member, wherein the end portion of the piezoelectric element is fixed to the housing via the spring member. ing.
With such a configuration, the piezoelectric element is pressed against the movable body by the spring member, so that the vibration of the piezoelectric element can be efficiently transmitted to the movable body.
さらに、本発明に係る請求項5記載の圧電アクチュエータは、請求項3および4のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータにおいて、支持体をさらに備え、前記圧電素子の変位方向と直交する面が前記支持体を介して前記筐体に固定されている。
このような構成であれば、支持体により圧電素子の変位方向と直交する方向の振動が抑制される。
Furthermore, the piezoelectric actuator according to claim 5 according to the present invention is the piezoelectric actuator according to any one of
With such a configuration, vibration in a direction orthogonal to the displacement direction of the piezoelectric element is suppressed by the support.
さらに、本発明に係る請求項6記載の圧電アクチュエータは、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記可動体を設置する走行プレートと、前記圧電素子の端部のうち前記可動体に面する端部に設けられた駆動体とをさらに備え、前記駆動体を前記走行プレートに押し付けて前記圧電素子が設置されている。
このような構成であれば、駆動体が走行プレートに押し付けられているので、圧電素子の振動を効率的に可動体に伝達することができる。
Furthermore, a piezoelectric actuator according to a sixth aspect of the present invention is the piezoelectric actuator according to any one of the first to fifth aspects, wherein a traveling plate on which the movable body is installed and an end portion of the piezoelectric element. A driving body provided at an end facing the movable body, and the piezoelectric element is installed by pressing the driving body against the travel plate.
With such a configuration, since the driving body is pressed against the traveling plate, the vibration of the piezoelectric element can be efficiently transmitted to the movable body.
さらに、本発明に係る請求項7記載の圧電アクチュエータは、請求項1ないし6のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータにおいて、複数の前記圧電素子を備え、前記複数の圧電素子を振動させ、その振動によって前記可動体を駆動するようになっている。
このような構成であれば、複数の圧電素子が駆動し、その振動によって可動体が駆動するので、一の圧電素子が可動体または走行プレート等から離れていても、他の圧電素子が可動体または走行プレート等に接して駆動するため、可動体を常に保持することができ、より安定した駆動が可能となる。
Furthermore, a piezoelectric actuator according to a seventh aspect of the present invention is the piezoelectric actuator according to any one of the first to sixth aspects, comprising a plurality of the piezoelectric elements, and vibrating the plurality of piezoelectric elements. The movable body is driven by vibration.
With such a configuration, a plurality of piezoelectric elements are driven, and the movable body is driven by the vibrations. Therefore, even if one piezoelectric element is separated from the movable body or the traveling plate, the other piezoelectric elements are movable bodies. Or since it drives in contact with a travel plate etc., a movable body can always be hold | maintained and the more stable drive is attained.
以上説明したように、本発明に係る請求項1記載の圧電アクチュエータによれば、圧電素子の駆動が非共振駆動であるので、圧電素子の先端で合成振動が整列するのを待たずに振動を開始することができるとともに、圧電素子の振動を1サイクル中で容易に停止することができる。したがって、従来に比して、応答性を向上することができるとともに可動体の位置決めを高精度に行うことができるという効果が得られる。 As described above, according to the piezoelectric actuator according to the first aspect of the present invention, since the driving of the piezoelectric element is non-resonant driving, the vibration is not waited for the combined vibration to be aligned at the tip of the piezoelectric element. While being able to start, the vibration of the piezoelectric element can be easily stopped in one cycle. Therefore, the response can be improved and the movable body can be positioned with high accuracy as compared with the prior art.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図1ないし図7は、本発明に係る圧電アクチュエータの実施の形態を示す図である。
まず、本発明に係る圧電アクチュエータ7の構造を説明する。
図1は、圧電アクチュエータ7の構造を示す側面図である。
圧電アクチュエータ7は、図1に示すように、圧電素子12を有して構成されている。圧電素子12としては、非積層の直方体圧電素子を用いる。これにより、圧電素子12自体の耐久性を向上することができる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 7 are diagrams showing an embodiment of a piezoelectric actuator according to the present invention.
First, the structure of the
FIG. 1 is a side view showing the structure of the
As shown in FIG. 1, the
圧電素子12の一方の面には、図1(a)に示すように、電極膜10a,10bが横並びに設けられ、電極膜10a,10bには、電圧を印加するための導線11a,11bが接続されている。圧電素子12の他方の面には、図1(b)に示すように、電極膜10cが全面を覆うようにして設けられ、電極膜10cには、グランドに接地するための導線11cが接続されている。
圧電素子12の先端には、圧電素子12の振動を可動体に伝達するためのフィンガ8が設けられている。フィンガ8および圧電素子12は、一体に構成してもよいし、フィンガ8と圧電素子12が個別の部品からなり、それらを接合することで構成してもよい。
As shown in FIG. 1A,
A
図2は、圧電アクチュエータ7の構造を示す斜視図である。
図3は、圧電アクチュエータ7の構造を示す側面図である。
圧電素子12は、図2に示すように、筐体16に収納されている。また、圧電素子12の後端が板ばね18を介して筐体16に固定されており、図3に示すように、板ばね18によってフィンガ8が走行プレート6に押し付けられるようになっている。圧電素子12の固定方法としては、板ばね18に代えて弾性ヒンジを使用してもよいし、圧電素子12が片持ち梁のように一端を完全に固定してもよい。走行プレート6の押付予圧力は、駆動条件に応じて設定する。
FIG. 2 is a perspective view showing the structure of the
FIG. 3 is a side view showing the structure of the
The
また、図2に示すように、圧電素子12の変位方向と直交する側面が支持部材20a,20bを介して筐体16に固定されている。図2の例では、1つの側面に対して1カ所しか支持していないが、1つの側面に対して複数の支持部材を用いてもよい。
図4は、圧電アクチュエータ7の構造を示すブロック図である。
圧電アクチュエータ7は、図4に示すように、導線11aに接続し電極膜10aに電圧を印加する電源22aと、導線11bに接続し電極膜10bに電圧を印加する電源22bと、電源22a,22bの電圧波形の極性を反転させる極性反転部24と、電源22a,22bおよび極性反転部24を制御する制御部26とを有して構成されている。
As shown in FIG. 2, the side surface orthogonal to the displacement direction of the
FIG. 4 is a block diagram showing the structure of the
As shown in FIG. 4, the
制御部26は、位相が90°異なる2つの電圧波形を発生させ、発生させた電圧波形の電圧を電極膜10a,10bにそれぞれ印加するように電源22a,22bを制御する。電圧波形の周波数は、DC(0[Hz])から圧電素子12の共振周波数未満の範囲で設定する。これは、圧電素子12を共振周波数領域で使用すると、圧電素子12が共振振動を起こしてしまうので、これを抑制するためである。
制御部26は、フィンガ8の回転方向を逆転させるときは、極性反転部24により電圧波形の極性を反転する。
The
When the
次に、圧電アクチュエータ7の駆動原理を説明する。
図5は、圧電アクチュエータ7の駆動状態を示す図である。
図5の例は、位相が90°異なるパルス電圧を電極膜10a,10bに印加した場合である。
まず、電極膜10a,10bにそれぞれマイナスの電圧が印加されると、図5(a)に示すように、圧電素子12の左半面(電極膜10aが設けられている部位)および右半面(電極膜10aが設けられている部位)が伸長し、フィンガ8が上方向に変位する。
次いで、電極膜10bに印加する電圧がプラスになると、図5(b)に示すように、圧電素子12の左半分が伸長した状態で右半面が収縮し、フィンガ8が右方向に変位する。
Next, the driving principle of the
FIG. 5 is a diagram illustrating a driving state of the
The example of FIG. 5 is a case where pulse voltages having a phase difference of 90 ° are applied to the
First, when a negative voltage is applied to each of the
Next, when the voltage applied to the
次いで、電極膜10aに印加する電圧がプラスになると、図5(c)に示すように、圧電素子12の右半分が収縮した状態で左半面が収縮し、フィンガ8が下方向に変位する。
そして、電極膜10bに印加する電圧がプラスになると、図5(d)に示すように、圧電素子12の左半面が収縮した状態で右半面が伸長し、フィンガ8が左方向に変位する。
この4つの変位を繰り返すことにより、フィンガ8の先端は、円運動を描くように駆動する。この運動により可動体を移動させることができる。運動の速度は、電極膜10a,10bに印加する電圧の周波数を変化させることで調整することができる。また、電極膜10a,10bに印加する電圧波形は、パルス波に限らず、正弦波または三角波にすることもできる。
Next, when the voltage applied to the
When the voltage applied to the
By repeating these four displacements, the tip of the
図6は、圧電アクチュエータ7をDC駆動した場合の駆動状態うを示す図である。
圧電アクチュエータ7をDC駆動する場合は、例えば、図6に示すように、電極膜10a,10bのうち一方にプラスの電圧を、他方にマイナスの電圧をそれぞれ印加し、圧電素子12を変位させることができる。また、電極膜10a,10bのいずれか一方にのみプラスまたはマイナスの電圧を印加し、圧電素子12を変位させることもできる。
FIG. 6 is a diagram illustrating a driving state when the
When the
微動の際、移動量は、印加する電圧の大きさを変化させることにより、圧電素子12の変位量を調整することができる。その結果、可動体を極微少な変位量で動かすことができる。
このようにして、本実施の形態では、圧電素子12と、圧電素子12の一方の面に設けられた2つの電極膜10a,10bと、圧電素子12の他方の面に設けられた電極膜10cと、電極膜10a,10bに電圧を印加する電源22a,22bと、電源22a,22bを制御する制御部26とを備え、制御部26は、周波数が圧電素子12の共振周波数未満でかつ位相が90°異なる2つの電圧波形の電圧を電極膜10a,10bにそれぞれ印加するように電源22a,22bを制御する。
During fine movement, the amount of movement can adjust the amount of displacement of the
Thus, in the present embodiment, the
これにより、圧電素子12の駆動が非共振駆動であるので、圧電素子12の先端で合成振動が整列するのを待たずに振動を開始することができるとともに、圧電素子12の振動を1サイクル中で容易に停止することができる。したがって、従来に比して、応答性を向上することができるとともに可動体の位置決めを高精度に行うことができる。
さらに、本実施の形態では、電極膜10a,10bに印加する電圧波形の極性を反転させる極性反転部24を備える。
Thereby, since the driving of the
Further, in the present embodiment, a
これにより、圧電素子12の回転方向を逆転させることができる。
さらに、本実施の形態では、圧電素子12の後端が板ばね18を介して筐体16に固定されており、板ばね18によってフィンガ8が走行プレート6に押し付けられるようになっている。
これにより、圧電素子12の振動を効率的に可動体に伝達することができる。
さらに、本実施の形態では、圧電素子12の変位方向と直交する側面が支持部材20a,20bを介して筐体16に固定されている。
これにより、支持部材20a,20bにより圧電素子12の変位方向と直交する方向の振動を抑制することができる。
Thereby, the rotation direction of the
Further, in the present embodiment, the rear end of the
Thereby, the vibration of the
Furthermore, in the present embodiment, the side surface orthogonal to the displacement direction of the
Thereby, the vibration of the direction orthogonal to the displacement direction of the
上記実施の形態において、電極膜10aは、請求項1または2記載の第1電極に対応し、電極膜10bは、請求項1または2記載の第2電極に対応し、電極膜10cは、請求項1記載の第3電極に対応し、電源22a,22bおよび制御部26は、請求項1記載の電圧印加手段に対応している。また、極性反転部24は、請求項2記載の極性反転手段に対応し、フィンガ8は、請求項6記載の駆動体に対応し、支持部材20a,20bは、請求項5記載の支持体に対応している。
なお、上記実施の形態においては、1つの圧電素子12を用いて可動体を駆動するように構成したが、これに限らず、複数の圧電素子12を用いて可動体を駆動するように構成することもできる。
In the above embodiment, the
In the above-described embodiment, the movable body is driven using one
図7は、2つの圧電素子12を用いて可動体を駆動する場合を示す図である。
2つの圧電素子12を用いて可動体を駆動する場合、互いの圧電素子12は、図7に示すように、位相差を有して駆動する。その結果、一方の圧電素子12が走行プレート6から離れていても、他方の圧電素子12が走行プレート6に接して駆動するため、走行プレート6を常に保持することができ、より安定した駆動が可能となる。駆動力を増したときは、さらに多数の圧電素子12を用いるとよい。
FIG. 7 is a diagram illustrating a case where a movable body is driven using two
When the movable body is driven using the two
また、上記実施の形態においては、圧電素子12の一方の面に2つの電極膜10a,10bを設けたが、これに限らず、さらに複数の電極膜を設けてもよい。この場合、2つの電極膜をセットにして、各セットごとに上記実施の形態と同様の電圧印加方法により電極膜に電圧を印加してもよい。また、電極膜がn(n≧3)枚の場合、それぞれの位相がπ/nずつ異なる電圧波形の電圧を各電極膜に印加してもよい。これにより、圧電素子12に2n個の変位を形成することができる。
また、本発明に係る圧電アクチュエータは、上記実施の形態の限らず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で他の場合にも適用可能である。
In the above embodiment, the two
The piezoelectric actuator according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be applied to other cases without departing from the gist of the present invention.
7 圧電アクチュエータ
6 走行プレート
8 フィンガ
10a〜10c 電極膜
12 圧電素子
16 筐体
18 板ばね
20a,20b 支持部材
22a,22b 電源
24 極性反転部
26 制御部
7
Claims (7)
前記圧電素子の対向する2つの面の一方に設けられた第1電極および第2電極と、前記圧電素子の前記対向する2つの面の他方に設けられた第3電極と、前記第1電極および前記第2電極に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、
前記電圧印加手段は、周波数が前記圧電素子の共振周波数未満でかつ位相が90°異なる2つの電圧波形の電圧を前記第1電極および前記第2電極にそれぞれ印加するようになっていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 In the piezoelectric actuator that vibrates the piezoelectric element by applying a voltage to the piezoelectric element and drives the movable body by the vibration.
A first electrode and a second electrode provided on one of the two opposing surfaces of the piezoelectric element; a third electrode provided on the other of the two opposing surfaces of the piezoelectric element; and the first electrode and Voltage applying means for applying a voltage to the second electrode,
The voltage applying means applies voltages of two voltage waveforms whose frequencies are less than the resonance frequency of the piezoelectric element and whose phases are different by 90 ° to the first electrode and the second electrode, respectively. A piezoelectric actuator.
前記第1電極および前記第2電極に印加する電圧波形の極性を反転させる極性反転手段をさらに備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。 In claim 1,
A piezoelectric actuator, further comprising polarity inverting means for inverting the polarity of a voltage waveform applied to the first electrode and the second electrode.
前記圧電素子を設置する筐体をさらに備え、
前記圧電素子の端部のうち前記可動体とは反対側の端部が前記筐体に固定されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 In any one of Claim 1 and 2,
A housing for installing the piezoelectric element;
A piezoelectric actuator, wherein an end of the piezoelectric element opposite to the movable body is fixed to the casing.
ばね部材をさらに備え、
前記圧電素子の前記端部が前記ばね部材を介して前記筐体に固定されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 In claim 3,
A spring member;
The piezoelectric actuator, wherein the end of the piezoelectric element is fixed to the housing via the spring member.
支持体をさらに備え、
前記圧電素子の変位方向と直交する面が前記支持体を介して前記筐体に固定されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 In any one of Claims 3 and 4,
Further comprising a support,
A piezoelectric actuator characterized in that a surface orthogonal to the displacement direction of the piezoelectric element is fixed to the housing via the support.
前記可動体を設置する走行プレートと、前記圧電素子の端部のうち前記可動体に面する端部に設けられた駆動体とをさらに備え、
前記駆動体を前記走行プレートに押し付けて前記圧電素子が設置されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
A travel plate for installing the movable body; and a driving body provided at an end of the piezoelectric element facing the movable body,
A piezoelectric actuator, wherein the piezoelectric element is installed by pressing the driving body against the traveling plate.
複数の前記圧電素子を備え、
前記複数の圧電素子を振動させ、その振動によって前記可動体を駆動するようになっていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 In any one of Claims 1 thru | or 6,
A plurality of the piezoelectric elements;
A piezoelectric actuator characterized in that the plurality of piezoelectric elements are vibrated and the movable body is driven by the vibrations.
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US9742313B2 (en) | 2013-10-30 | 2017-08-22 | Seiko Epson Corporation | Piezoelectric motor, robot hand, robot, finger assist apparatus, electronic component conveying apparatus, electronic component inspecting apparatus, liquid feeding pump, printing apparatus, electronic timepiece, and projection apparatus |
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2005
- 2005-03-25 JP JP2005089088A patent/JP2006271167A/en active Pending
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