JP2007121464A - Tilt mirror element and method of driving the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信分野やバーコードリーダ,レーザリーダ,エリアセンサ,投写型ディスプレイ,光スイッチ等の光学機器分野に適用して好適な、光ビームの光路を切り替えるチルトミラー素子及びその駆動方法に関する。 The present invention relates to a tilt mirror element that switches an optical path of a light beam and a method for driving the tilt mirror element, which is suitable for application in the optical communication field and optical equipment fields such as a barcode reader, laser reader, area sensor, projection display, and optical switch. .
従来より、静電ギャップクロージング式のアクチュエータを備えるチルトミラー素子として、可動電極として構成されたミラー部に対向させて一対の固定平板電極を設け、電圧が印加されるのに応じて電極間に発生する静電力を利用してミラー部を揺動させることにより光ビームを偏向するものが知られている(特許文献1を参照)。また、静電垂直コム式のアクチュエータを備えるチルトミラー素子として、ミラー部の外周部の一部分とこの一部分に対向する基板面にそれぞれ可動コム(櫛歯)電極と固定コム電極を設け、電極に電圧が印加されるのに応じて電極間に発生する静電力を利用してミラー部を揺動させることにより光ビームを偏向するものが知られている(特許文献2を参照)。
ところで、静電ギャップクロージング式のアクチュエータを備えるチルトミラー素子では、電極間に発生する静電力は電極間の距離の2乗にほぼ反比例するために、この距離が長いとミラー部を揺動させるトルクが小さくなる。このため、ミラー部を大振幅で揺動可能にするためには、電極間の距離は短いことが望ましい。しかしながら、電極間の距離が短い場合には、ミラー部を揺動させた際に電極同士が接触してしまう可能性がある。このような背景から、従来のチルトミラー素子の構成によれば、電極同士が接触しない範囲で電極間の距離を設計しなければならないために、ミラー部を高速、且つ、大振幅で動かすことは困難であった。 By the way, in a tilt mirror element equipped with an electrostatic gap closing actuator, the electrostatic force generated between the electrodes is almost inversely proportional to the square of the distance between the electrodes. Becomes smaller. For this reason, in order to make the mirror portion swingable with a large amplitude, it is desirable that the distance between the electrodes be short. However, when the distance between the electrodes is short, the electrodes may come into contact with each other when the mirror portion is swung. From such a background, according to the configuration of the conventional tilt mirror element, the distance between the electrodes must be designed in a range where the electrodes do not contact each other. It was difficult.
一方、静電垂直コム式のアクチュエータを備えるチルトミラー素子では、初期状態において可動コム電極と固定コム電極とが同一平面上で完全に重なり合っていると、静電力によってはミラー部に対して直交する力が発生しないために、ミラー部の揺動を開始させることができない。従って、ミラー部の揺動を開始させるためには、可動コム電極と固定コム電極が異なる平面上に位置するような段差構造を形成し、電極間に電圧を印加することにより発生する吸引力によってミラー部の揺動を開始させる必要がある。 On the other hand, in a tilt mirror element including an electrostatic vertical comb type actuator, if the movable comb electrode and the fixed comb electrode are completely overlapped on the same plane in the initial state, the electrostatic force is orthogonal to the mirror part. Since no force is generated, the mirror portion cannot be started to swing. Therefore, in order to start the oscillation of the mirror portion, a step structure is formed in which the movable comb electrode and the fixed comb electrode are positioned on different planes, and the suction force generated by applying a voltage between the electrodes is used. It is necessary to start the oscillation of the mirror part.
しかしながら、可動コム電極と固定コム電極の位置を合わせて上記のような段差構造を正確に製造するプロセスは大変複雑であるために、特に電極が微細である場合には、歩留まりが大幅に低下し、デバイス価格が高くなる可能性がある。また、ミラー部の変位量が大きくなって可動コム電極と固定コム電極とが全く重ならなくなると電極間に静電力がほとんど働かなくなるために、アクチュエータの一動作周期における平均的なトルクの大きさには限界があり、ミラー部を高速、且つ、大振幅で動かすことは困難である。 However, the process of accurately manufacturing the step structure as described above by aligning the position of the movable comb electrode and the fixed comb electrode is very complicated, so that the yield is greatly reduced particularly when the electrodes are fine. The device price can be high. In addition, if the displacement of the mirror part increases and the movable comb electrode and the fixed comb electrode do not overlap at all, the electrostatic force hardly acts between the electrodes. Is limited, and it is difficult to move the mirror section at high speed and with a large amplitude.
本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、その目的は、ミラー部を高速、且つ、大振幅で動かすことが可能な安価なチルトミラー素子及びその駆動方法を提供することにある。 The present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide an inexpensive tilt mirror element capable of moving a mirror unit at high speed and with a large amplitude, and a driving method thereof. is there.
上述の課題を解決するために、本発明に係るチルトミラー素子は、ミラー面において光ビームを反射することにより光ビームの光路を切り替えるミラー部と、ミラー部の外周部に形成された支持フレーム部と、支持フレーム部に対しミラー部を移動及び位置保持する連結部と、ミラー部の側壁部分と側壁部分と対向する支持フレーム部の側壁部分とに噛み合うように設けられ、電圧が印加されることにより発生する静電力を利用してミラー部を揺動するコム電極と、ミラー面と対向する位置に設けられ、電圧が印加されることによりミラー部との間に発生する静電力を利用してミラー部を揺動する一対の平板固定電極とを備える。 In order to solve the above-described problems, a tilt mirror element according to the present invention includes a mirror unit that switches an optical path of a light beam by reflecting the light beam on a mirror surface, and a support frame unit that is formed on the outer periphery of the mirror unit. And a connecting portion that moves and holds the mirror portion with respect to the support frame portion, and a side wall portion of the mirror portion and a side wall portion of the support frame portion that faces the side wall portion, and is applied with a voltage. Using the electrostatic force generated between the comb electrode that swings the mirror part using the electrostatic force generated by the mirror part and the mirror part provided at a position facing the mirror surface. A pair of flat plate fixed electrodes that swing the mirror portion.
また、本発明に係るチルトミラー素子の駆動方法は、ミラー面において光ビームを反射することにより光ビームの光路を切り替えるミラー部と、ミラー部の外周部に形成された支持フレーム部と、支持フレーム部に対しミラー部を移動及び位置保持する連結部と、ミラー部の側壁部分と側壁部分と対向する支持フレーム部の側壁部分とに噛み合うように設けられ、電圧が印加されることにより発生する静電力を利用してミラー部を揺動するコム電極と、ミラー面と対向する位置に設けられ、電圧が印加されることによりミラー部との間に発生する静電力を利用してミラー部を揺動する一対の平板固定電極とを備えるチルトミラー素子の駆動方法であって、ミラー部と平板固定電極間に発生する静電力を利用することによりミラー部の揺動を開始するステップと、ミラー部側のコム電極と支持フレーム部側のコム電極間に発生する静電力と共に、ミラー部と平板固定電極間に発生する静電力を利用することによりミラー部の揺動を加速するステップを有する。 In addition, the tilt mirror element driving method according to the present invention includes a mirror part that switches an optical path of a light beam by reflecting the light beam on a mirror surface, a support frame part formed on an outer peripheral part of the mirror part, and a support frame The connecting portion for moving and maintaining the position of the mirror portion relative to the portion and the side wall portion of the mirror portion and the side wall portion of the support frame portion facing the side wall portion are provided to engage with each other, and static electricity generated by applying a voltage is provided. A comb electrode that swings the mirror portion using electric power and a mirror electrode that is provided at a position opposite to the mirror surface and that uses electrostatic force generated between the mirror portion when voltage is applied. A tilt mirror element driving method comprising a pair of moving plate-fixed electrodes, wherein the mirror portion is prevented from swinging by utilizing an electrostatic force generated between the mirror portion and the plate-fixed electrode. Oscillates the mirror part by using the electrostatic force generated between the mirror part and the fixed plate electrode together with the electrostatic force generated between the comb electrode on the mirror part side and the comb electrode on the support frame part side. There is a step to do.
本発明に係るチルトミラー素子及びその駆動方法によれば、ミラー部と一対の平板固定電極間に発生する静電力を利用することによりミラー部の揺動を開始できるので、従来のチルトミラー素子のようなコム電極の段差構造を形成する必要がなく、チルトミラー素子を安価に製造することができる。 According to the tilt mirror element and the driving method thereof according to the present invention, the mirror part can be swung by using the electrostatic force generated between the mirror part and the pair of flat plate fixed electrodes. There is no need to form such a step structure of the comb electrode, and the tilt mirror element can be manufactured at low cost.
また、本発明に係るチルトミラー素子及びその駆動方法によれば、ミラー部側のコム電極と支持フレーム部側のコム電極間に発生する静電力とミラー部と一対の平板固定電極間に発生する静電力を併用することによりミラー部の揺動を加速することができるので、ミラー面を高速、且つ、大振幅で動かすことができる。 Further, according to the tilt mirror element and the driving method thereof according to the present invention, the electrostatic force generated between the comb electrode on the mirror portion side and the comb electrode on the support frame portion side, and generated between the mirror portion and the pair of flat plate fixed electrodes. By using the electrostatic force together, the swinging of the mirror portion can be accelerated, so that the mirror surface can be moved at a high speed and with a large amplitude.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態となるチルトミラー素子の構成及びその駆動方法について説明する。 Hereinafter, a configuration of a tilt mirror element according to an embodiment of the present invention and a driving method thereof will be described with reference to the drawings.
〔チルトミラー素子の構成〕
始めに、図1乃至図3を参照して、本発明の実施形態となるチルトミラー素子1の構成について説明する。なお、図1,図2,及び図3はそれぞれチルトミラー素子1の鳥瞰図,上面図,及び図2に示すA矢印方向から見た側面図を示す。
[Configuration of tilt mirror element]
First, the configuration of the
本発明の実施形態となるチルトミラー素子1は、図1に示すように、金やアルミニウムからなるミラー面2aにおいて光ビームを反射することにより光ビームの光路を切り替えるミラー部2と、ミラー部2の外周部に形成された支持フレーム部3と、支持フレーム部3に対しミラー部2を移動及び位置保持するねじれヒンジ部4とを備える。また、ねじれヒンジ部4と接続していないミラー部2の側壁部分とこの側壁部分と対向する支持フレーム部3の側壁部分とにはそれぞれ、可動コム電極5aと固定コム電極5bが互いに噛み合うように形成されている。
As shown in FIG. 1, a
支持フレーム部3とねじれヒンジ部4の上面には、図1,2に示すように、可動コム電極5a及び固定コム電極5bに電圧を印加することが可能なようにそれぞれ電極パッド6a,6c及び電極パッド6bが設けられている。なお、支持フレーム部3とねじれヒンジ部4の間には絶縁分離ギャップ7が形成され、支持フレーム部3とねじれヒンジ部4間の絶縁性が確保されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the upper surfaces of the support frame 3 and the
支持フレーム部3の下面には、図1,3に示すように、上面に一対の平板固定電極8a,8bが形成されたガラス基板9が接合されいる。さらに、支持フレーム部3の下面には窓部が形成され、可動コム電極5aと一対の平板固定電極8a,8b間に発生した静電力によってミラー部2を揺動させることが可能なようにミラー部2の裏面が露出されている(図8参照)。
As shown in FIGS. 1 and 3, a
なお、本実施形態では、ミラー部2,支持フレーム部3,ねじれヒンジ部4,可動コム電極5a,及び固定コム電極5bは、図1に示すように、下部Si基板10aと上部Si基板10bによってSi酸化膜11を挟持したSOI(Silicon On Insulator)ウエハを用いて一体で形成されている。
In the present embodiment, the
〔チルトミラー素子の製造方法〕
次に、図4乃至図9を参照して、上記チルトミラー素子1の製造方法について説明する。
[Manufacturing method of tilt mirror element]
Next, a manufacturing method of the
上記チルトミラー素子1を製造する際は、始めに、フォトリソグラフィ工程及びSi酸化膜11をストッパとしたICP(Inductively Coupled Plasma)エッチング工程によってSOIウエハの上部Si基板10bをパターニングすることにより、図4(a),(b)に示すように、ミラー部2,支持フレーム部3,ねじれヒンジ部4,可動コム電極5a,固定コム電極5b,及び絶縁分離ギャップ7を一体形成する。
When manufacturing the
なお、上部Si基板10bの膜厚は必要とされるねじれヒンジ部4のバネ定数やミラー面2aの平坦性を考慮して決定する。また、下部Si基板10aの膜厚はミラー部2の振れ角や可動コム電極5aと一対の平板固定電極8a,8bにより形成される静電ギャップクロージング・アクチュエータのトルク及びプロセス中の基板の機械的強度を考慮して決定する。具体的には、本実施形態では、SOIウエハの下部Si基板10a,Si酸化膜11,及び上部Si基板10bの膜厚はそれぞれ、300,2,30[μm]とした。
The film thickness of the
次に、上部Si基板10b表面上に金やアルミニウム等の反射膜をスパッタ法により堆積させた後、フォトリソグラフィ工程により反射膜をパターニングすることにより図5(a),(b)に示すようにミラー面2aと電極パッド6a,6b,6cを形成する。次に、フォトリソグラフィ工程と下部Si基板10aのKOHエッチング処理によって、図6(a),(b)に示すようにミラー部2,ねじれヒンジ部4,可動コム電極5a,及び固定コム電極5bの位置に対応する下部Si基板10aを除去する。
Next, after depositing a reflection film such as gold or aluminum on the surface of the
次に、後述する工程において支持フレーム部3とガラス基板9を接合した際に、ガラス基板9上の一対の平板固定電極8a,8bが下部Si基板10aと重なることによって支持フレーム部3とガラス基板9とが密着しなくなるのを防止するために、図7(a),(b)に示すように、フォトリソグラフィ工程とエッチング処理によって一対の平板固定電極8a,8bに対応する位置の下部Si基板10aを除去することにより切り欠き部21を形成する。なお、切り欠き部21の深さは、一対の平板固定電極8a,8bの厚さより大きければよいが、本実施形態では10[μm]とした。
Next, when the support frame portion 3 and the
次に、図8に示すように、ミラー部2,ねじれヒンジ部4,可動コム電極5a,及び固定コム電極5bの位置に対応する酸化膜11を稀フッ酸によって除去することにより、ミラー部2とねじれヒンジ部4が可動できるようにする。なお、この処理の際、図8に示すように、ミラー部2に対応する位置に開口部を有するマスクを用いてミラー部2の裏面にも表面と同様に反射膜22を形成し、ミラー部2の平坦性を向上させるようにしてもよい。
Next, as shown in FIG. 8, the
次に、ガラス基板9の上面に金等の金属を堆積させた後、フォトリソグラフィ工程によって堆積させた金属をパターニングすることにより、図9(a),(b)に示すようにガラス基板9の上面に一対の平板固定電極8a,8bを形成する。なお、ガラス基板9は上面を酸化膜で被覆することにより絶縁性を持たせたシリコン基板であってもよい。そして最後に、一対の平板固定電極8a,8bがミラー部2とねじれヒンジ部4と対向する位置になるように調整しながら支持フレーム部3とガラス基板9を陽極接合法等により接合する。これにより、チルトミラー素子1の製造工程は完了する。
Next, after depositing a metal such as gold on the upper surface of the
なお、本実施形態では、1つのチルトミラー素子1を含むチップを1単位として図示したが、実際には支持フレーム部3とガラス基板9の接合工程の前又は直後まではチップを複数含んだウエハの状態で製造工程を実施するものとする。そして、製造工程が完了したタイミングでダイシングでチップを個別に分離し、既に接合済みであれば所望のチルトミラー素子1が得られる。またそうでなければ、チップをガラス基板9と接合することによりチルトミラー素子1が得られる。
In the present embodiment, the chip including one
〔チルトミラー素子の駆動方法〕
最後に、図10,11を参照して、上記チルトミラー素子1の駆動方法について説明する。
[Tilt mirror element driving method]
Finally, a driving method of the
上記チルトミラー素子1では、初期状態時(図11に示す時刻T<時刻T1)は、ミラー部2(可動コム電極5a)と固定コム電極5bとは同一平面上にあるために、可動コム電極5aと固定コム電極5bに電圧を加えてもミラー部2と同一平面内の静電力しか発生せず、力のバランスによってミラー部2は動かない。そしてこの状態の時に、ミラー部2と平板固定電極8b間に電圧を加えると(時刻T1<時刻T<0)、ミラー部2と平板固定電極間8bに発生する静電力によって図10(a)に示すようにミラー部2は揺動を開始する。
In the
ミラー部2が揺動を開始すると次に、ミラー部2と固定コム電極5b間に電圧を加えると(時刻T2<時刻T<時刻T3)、可動コム電極5aと固定コム電極5b間に発生する静電力によって可動コム電極5aと固定コム電極5bが引き合うことにより、平面垂直方向にミラー部2を動かす力が発生し、図10(b)に示すようにミラー部2は起動時とは逆方向に回転を開始する。なお、この静電力は、ミラー部2と支持フレーム部3が平行になるまでミラー部2の回転を加速するが、ミラー部2は慣性によって図10(c)に示す平衡状態をすぎても回転を続ける。
When the
次に、ミラー部2と平板固定電極8aとの間に電圧を印加すると(時刻T3<時刻T<時刻T4)、静電力によって回転力が増大し、これとねじれヒンジ部4のバネ力とが釣り合ったタイミングで振れ角は図10(d)に示すように極大となる。次に、ミラー部2はねじれヒンジ部4のバネ力で逆方向に回転して再び平衡状態へと戻っていくが、この時図10(e)に示すように(時刻T5<時刻T<時刻T6)、再びミラー部2と固定コム電極5b間に電圧を加えることにより、ミラー部2の回転が加速される。そして平衡状態をすぎてからミラー部2の振れ角が極大値をとるまでは、図10(f)に示すように(時刻T6<時刻T<時刻T7)、再びミラー部2と平板固定電極8bとの間に電圧を印加する。
Next, when a voltage is applied between the
その後は、図10(g)に示すようにミラー部2はバネ力によって逆方向に回転して再び図10(b)に示す状態に戻るので、同様の方向によりミラー部2と固定コム電極5b間に電圧を加えることにより回転を快速する。以上のように、各電極への電圧供給パターンを繰り返し行うことにより、ミラー部2を継続的に揺動させることができる。特にこの繰り返しの周波数をミラーの機械的共振周波数と一致させることにより、ミラー部2の振れの振幅を大きくすることができる。
Thereafter, as shown in FIG. 10 (g), the
以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となるチルトミラー素子1は、ミラー面2aにおいて光ビームを反射することにより光ビームの光路を切り替えるミラー部2と、ミラー部2の外周部に形成された支持フレーム部3と、支持フレーム部3に対しミラー部2を移動及び位置保持するねじれヒンジ部4と、ミラー部2の側壁部分とこの側壁部分と対向する支持フレーム部3の側壁部分とに噛み合うように設けられ、電圧が印加されることにより発生する静電力を利用してミラー部2を揺動する可動コム電極5a及び固定コム電極5bと、ミラー面2aと対向する位置に設けられ、電圧が印加されることによりミラー部2との間に発生する静電力を利用してミラー部2を揺動する一対の平板固定電極8a,8bとを備える。
As is clear from the above description, the
すなわち、本発明の実施形態となるチルトミラー素子1は、可動コム電極5aと固定コム電極5bからなる静電垂直コム式のアクチュエータと、ミラー部2と一対の平板固定電極8a,8bとからなる静電ギャップクロージング式のアクチュエータを備える。そして、このようなチルトミラー素子1によれば、初期始動時は、静電ギャップクロージング式のアクチュエータを用いることにより、可動コム電極5aと固定コム電極5bとが同一平面上に完全に重なり合って段差のない構造であっても、ミラー部2の揺動を開始させることができる。また、定常動作時は、静電垂直コム式のアクチュエータと静電ギャップクロージング式のアクチュエータをミラー部2の角度に応じて相補的駆動することにより、平均的に高いトルクを発生でき、ミラー部2を高速、且つ、大振幅で動かすことができる。
That is, the
また、本発明の実施形態となるチルトミラー素子1によれば、ミラー部2、支持フレーム部3、ねじれヒンジ部4、可動コム電極5a、及び固定コム電極5bはSOIウエハを用いて一体で形成されているので、電極の寸法精度やミラー部2の平坦性が良好になり、チルトミラー素子1を生産性高く、安価に製造することができる。なお、本実施形態では、SOIウエハを用いたが、ミラー部2、ねじれヒンジ部4、可動コム電極5a、及び固定コム電極5bの部分にシリコン酸化膜上に体積させたポリシリコン膜を用いてもよい。
Further, according to the
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。 As mentioned above, although embodiment which applied the invention made by the present inventors was described, this invention is not limited by the description and drawing which make a part of indication of this invention by this embodiment. That is, it should be added that other embodiments, examples, operation techniques, and the like made by those skilled in the art based on the above-described embodiments are all included in the scope of the present invention.
1:チルトミラー素子
2:ミラー部
2a:ミラー面
3:支持フレーム部
4:ねじれヒンジ部
5a:可動コム電極
5b:固定コム電極
6a,6b,6c:電極パッド
7:絶縁分離ギャップ
8a,8b:平板固定電極
9:ガラス基板
10a:下部Si基板
10b:上部Si基板
11:Si酸化膜
1: tilt mirror element 2: mirror
Claims (3)
前記ミラー部の外周部に形成された支持フレーム部と、
前記支持フレーム部に対し前記ミラー部を移動及び位置保持する連結部と、
前記ミラー部の側壁部分と当該側壁部分と対向する支持フレーム部の側壁部分とに噛み合うように設けられ、電圧が印加されることにより発生する静電力を利用してミラー部を揺動するコム電極と、
前記ミラー面と対向する位置に設けられ、電圧が印加されることによりミラー部との間に発生する静電力を利用してミラー部を揺動する一対の平板固定電極と
を備えることを特徴とするチルトミラー素子。 A mirror unit that switches the optical path of the light beam by reflecting the light beam on the mirror surface;
A support frame portion formed on the outer periphery of the mirror portion;
A connecting part that moves and holds the mirror part relative to the support frame part;
Comb electrode provided so as to mesh with the side wall portion of the mirror portion and the side wall portion of the support frame portion facing the side wall portion, and swings the mirror portion using electrostatic force generated by applying a voltage. When,
A pair of flat plate fixed electrodes provided at a position facing the mirror surface and swinging the mirror portion using an electrostatic force generated between the mirror portion when a voltage is applied. Tilt mirror element.
前記ミラー部と前記平板固定電極間に発生する静電力を利用することによりミラー部の揺動を開始するステップと、
前記ミラー部側のコム電極と前記支持フレーム部側のコム電極間に発生する静電力と共に、ミラー部と前記平板固定電極間に発生する静電力を利用することによりミラー部の揺動を加速するステップと
を有することを特徴とするチルトミラー素子の駆動方法。 A mirror part that switches an optical path of the light beam by reflecting the light beam on the mirror surface; a support frame part formed on the outer periphery of the mirror part; and a connecting part that moves and holds the mirror part with respect to the support frame part The comb electrode is provided so as to mesh with the side wall portion of the mirror portion and the side wall portion of the support frame portion facing the side wall portion, and swings the mirror portion using an electrostatic force generated when a voltage is applied. And a pair of flat plate fixed electrodes that are provided at a position facing the mirror portion and swing the mirror portion using an electrostatic force generated between the mirror portion when a voltage is applied. Driving method,
Starting swinging of the mirror part by utilizing an electrostatic force generated between the mirror part and the flat plate fixed electrode;
By using the electrostatic force generated between the mirror portion side comb electrode and the support frame portion side comb electrode and the electrostatic force generated between the mirror portion and the flat plate fixed electrode, the oscillation of the mirror portion is accelerated. And a step of driving a tilt mirror element.
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JP2008292703A (en) * | 2007-05-23 | 2008-12-04 | Panasonic Electric Works Co Ltd | Movable structure, optical scanning mirror element using the same and method of manufacturing movable structure |
JP2013003560A (en) * | 2011-06-22 | 2013-01-07 | Hitachi Media Electoronics Co Ltd | Mirror device |
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2005
- 2005-10-25 JP JP2005310487A patent/JP2007121464A/en active Pending
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