JP2008119873A - Liquid droplet delivery apparatus and liquid droplet delivery method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、液滴吐出装置及び液滴吐出方法に関するものである。 The present invention relates to a droplet discharge device and a droplet discharge method.
従来から、高画質、高速描画を可能にするプリンタとして、液滴吐出装置を用いたものが知られている。液滴吐出装置は、内容積が変化する液室を備えた液滴吐出ヘッドを備え、このヘッドを走査させつつ、そのノズルから液滴を吐出することにより、描画するものである。 2. Description of the Related Art Conventionally, printers using a droplet discharge device are known as printers that enable high image quality and high-speed drawing. The droplet discharge device includes a droplet discharge head having a liquid chamber whose internal volume changes, and draws by discharging droplets from the nozzle while scanning the head.
このようなヘッドにおけるヘッドアクチュエータとしては、従来、PZT(Pb(ZrxTi1−x)O3)に代表される圧電素子が用いられている。また、圧電素子を用いる場合の他に、例えば、特許文献1,2に示すように、形状記憶高分子薄膜と発熱素子を用い、発熱素子に電圧印加することにより、発熱素子の発熱とともに形状記憶高分子薄膜が加熱され、この形状記憶高分子薄膜が膨張収縮変形することによりインク滴を吐出するような液滴吐出ヘッドがある。
しかしながら、上述の特許文献1,2に示す液滴吐出ヘッドにおいては、発熱素子の温度変化を介して形状記憶高分子薄膜が体積変化してインク滴を吐出するものであるため、形状記憶高分子薄膜の膨張収縮変形の応答性が悪く、描画品質の低下及び高速描画を行うことができないという問題がある。
また、圧電素子を用いたヘッドアクチュエータにおいては、駆動電圧が20〜30Vと高く、また駆動構造が複雑なため、装置自体が大きくなってしまうという問題がある。
However, in the above-described liquid droplet ejection heads disclosed in Patent Documents 1 and 2, since the shape memory polymer thin film changes its volume through the temperature change of the heating element and ejects ink droplets, the shape memory polymer There is a problem that the responsiveness of the expansion and contraction deformation of the thin film is poor, the drawing quality is deteriorated and high-speed drawing cannot be performed.
In addition, a head actuator using a piezoelectric element has a problem that the drive voltage is as high as 20 to 30 V and the drive structure is complicated, so that the device itself becomes large.
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、高画質、高速描画に対応しつつ、低電圧で駆動することが可能であり、また小型化が可能な液滴吐出装置及び液滴吐出方法を提供するものである。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and is capable of being driven at a low voltage while being compatible with high image quality and high-speed drawing, and capable of miniaturization. An apparatus and a droplet discharge method are provided.
上記目的を達成するために、本発明に係る液滴吐出装置は、極性を有する液状体を吐出する液滴吐出ノズルと、前記液滴吐出ノズルに連通するとともに、前記液状体が充填される液室と、を備えた液滴吐出装置において、前記液室内に、通電により膨張収縮変形可能な導電性高分子膜が設けられていることを特徴とする。
導電性高分子膜は、通電によるドーパントイオンの導電性高分子膜への出入りや、導電性高分子膜の高分子鎖の構造変化等によって膨張伸縮変形する。この導電性高分子膜を液室内に配置することにより、液室内の容積の変化による圧力変化を生じさせて液滴を吐出することが可能になる。したがって、高画質、高速描画に対応しつつ、液滴吐出装置の駆動構造を簡素化することができ、装置の小型化が可能になるとともに、ノズルピッチを高密度に形成することができる。また、導電性高分子膜は低電圧で膨張伸縮変形するので、電源を小型化することができる。したがって、液滴吐出装置の小型化が可能になり、ポータブル機器を実現することができる。
In order to achieve the above object, a liquid droplet ejection apparatus according to the present invention includes a liquid droplet ejection nozzle that ejects a liquid material having polarity, a liquid that communicates with the liquid droplet ejection nozzle and is filled with the liquid material. And a chamber, wherein the liquid chamber is provided with a conductive polymer film capable of expanding and contracting when energized.
The conductive polymer film expands and contracts due to a dopant ion entering and exiting the conductive polymer film by energization, a structural change in the polymer chain of the conductive polymer film, and the like. By disposing the conductive polymer film in the liquid chamber, it is possible to cause a change in pressure due to a change in the volume in the liquid chamber and discharge a droplet. Accordingly, the drive structure of the droplet discharge device can be simplified while supporting high image quality and high-speed drawing, the device can be miniaturized, and the nozzle pitch can be formed with high density. Further, since the conductive polymer film expands and contracts at a low voltage, the power source can be reduced in size. Therefore, the droplet discharge device can be miniaturized and a portable device can be realized.
また、前記導電性高分子膜は、前記液室を構成する第1壁に装着され、前記液室を構成する第2壁の少なくとも一部には、半導体材料で形成された通電部が設けられ、前記導電性高分子膜と前記通電部との間に電圧を印加する電圧印加手段が設けられていることを特徴とする。
このように構成することで、通電部を介して液状体と導電性高分子膜との間に電圧を印加することができ、導電性高分子膜を膨張収縮変形させることができる。したがって、液室内に電極を形成する必要がなく、製造コストを低減することができる。
The conductive polymer film is attached to a first wall constituting the liquid chamber, and at least a part of the second wall constituting the liquid chamber is provided with a current-carrying portion formed of a semiconductor material. A voltage applying means for applying a voltage is provided between the conductive polymer film and the energizing portion.
By comprising in this way, a voltage can be applied between a liquid body and a conductive polymer film via an electricity supply part, and a conductive polymer film can be expanded-contracted and deformed. Therefore, it is not necessary to form an electrode in the liquid chamber, and the manufacturing cost can be reduced.
一方、本発明に係る液滴吐出方法は、極性を有する液状体を吐出する液滴吐出ノズルと、前記液滴吐出ノズルに連通するとともに、前記液状体が充填された液室と、前記液室内に設けられた、通電により膨張収縮変形可能な導電性高分子膜と、を備えた液滴吐出装置の液滴吐出方法であって、前記液室内に充填された前記液状体と前記導電性高分子膜との間に電圧を印加することにより、前記導電性高分子膜を膨張収縮変形させて前記液状体を吐出することを特徴とする。
導電性高分子膜は、通電によるドーパントイオンの導電性高分子膜への出入りや、導電性高分子膜の高分子鎖の構造変化等によって膨張伸縮変形する。この導電性高分子膜を液室内に配置することにより、液室内の容積の変化による圧力変化を生じさせて液滴を吐出することができる。したがって、高画質、高速描画に対応しつつ、液滴吐出装置を低電圧で駆動することが可能になり、また液滴吐出装置を小型化することができる。
On the other hand, a droplet discharge method according to the present invention includes a droplet discharge nozzle that discharges a liquid material having polarity, a liquid chamber that communicates with the droplet discharge nozzle and is filled with the liquid material, and the liquid chamber A droplet discharge method of a droplet discharge device provided with a conductive polymer film that can be expanded and contracted by energization, wherein the liquid material filled in the liquid chamber and the conductive high film The liquid material is discharged by expanding and contracting the conductive polymer film by applying a voltage to the molecular film.
The conductive polymer film expands and contracts due to a dopant ion entering and exiting the conductive polymer film by energization, a structural change in the polymer chain of the conductive polymer film, and the like. By disposing the conductive polymer film in the liquid chamber, it is possible to cause a change in pressure due to a change in the volume in the liquid chamber and eject a droplet. Accordingly, it is possible to drive the droplet discharge device with a low voltage while supporting high image quality and high-speed drawing, and it is possible to reduce the size of the droplet discharge device.
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
(第1実施形態)
図1は、液滴吐出装置の分解斜視図であり、図2は、液滴吐出装置の平面図である。また、図3は、図2のA−A線に沿う断面図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each drawing used for the following description, the scale of each member is appropriately changed to make each member a recognizable size.
(First embodiment)
FIG. 1 is an exploded perspective view of the droplet discharge device, and FIG. 2 is a plan view of the droplet discharge device. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
図1〜3に示すように、液滴吐出装置1は、流路形成基板20(第2壁)と、この流路形成基板20に対向配置されたアクチュエータ形成基板30(第1壁)とから形成されている。各基板20,30には、液状体(以下、インクという)を吐出する液滴吐出ノズル21(以下、ノズルという)と、ノズル21に連通するとともに、インクが充填される液室23とが配列形成されている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the droplet discharge device 1 includes a flow path forming substrate 20 (second wall) and an actuator forming substrate 30 (first wall) disposed to face the flow
流路形成基板20は、電子の移動が可能なn型半導体材料で構成されている。具体的には、高濃度にリン(P)やヒ素(As)等のイオンを注入されたシリコン単結晶基板からなり、厚さが例えば200μmに形成されている。この流路形成基板20は、流路形成基板20全体を高濃度にイオン注入することにより、流路形成基板20全体が通電可能な通電部として構成されている。流路形成基板20の下面には、インクを吐出するノズル21が配列形成されている。ノズル21は、例えば、直径約10μm、深さ50μmで形成されており、この大きさは、インクを吐出するインクの量、吐出スピード、吐出周波数に応じて変更可能である。
The flow
また、ノズル21は、流路形成基板20の上面へ向けて連通部22が形成され、この連通部22を介して、液室23に連通している。液室23は、流路形成基板(第2壁)20と、後述するアクチュエータ形成基板(第1壁)30との間隙に形成され、流路形成基板20のノズル配列方向に平面視櫛歯状に並設されている。この液室23は、例えば幅約50μm、間隔約20μm、長さ約500μm、高さ約100μmで形成されている。
Further, the
液室23には極性を有するインクが充填される。そのインクは、水性溶液又は極性有機溶媒溶液であることが望ましい。極性有機溶媒は、インク溶液にジメチルホルムアミド(C3H7NO)、又は、ジメチルスルホキシド((CH3)2SO)、1,4−ジオキサン(C4H8O2)を10〜30%の割合で添加することにより得ることができる。
The
また、液室23を介して連通部22の反対側には、リザーバ24が形成されている。このリザーバ24は、液室23に供給するインクを予備的に保持するものであって、流路形成基板20のノズル配列方向に連続形成されており、各液室23と連通している。リザーバ24と液室23とを連通する流路は、液室23よりも狭い幅で形成されており、リザーバ24から液室23に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
In addition, a
一方、流路形成基板20に対向配置されたアクチュエータ形成基板30は、シリコン単結晶基板からなり、このアクチュエータ形成基板30の端部近傍には、インク供給路31が形成されている。このインク供給路31は、アクチュエータ形成基板30の上面の開口部32から下面まで貫通しており、リザーバ24に連通するものである。
On the other hand, the
また、アクチュエータ形成基板30の下面側には、段差を介してアクチュエータ保持部39が形成されている。アクチュエータ保持部39の表面には、二酸化珪素等からなる絶縁層33が形成されている。絶縁層33の表面には、アルミ等からなる第一配線34が形成され、この第一配線34の一端は、液室23外に配置された駆動用IC35の端子に接続され、他端は、液室23内に引き出されて、後述する導電性高分子膜50に接続されている。駆動用IC35の他の端子からは、図示しない共通配線が引き出され、流路形成基板20に接続されている。
An
液室23内に引き出された第一配線34の表面には、二酸化珪素等からなる絶縁層37が被覆されている。この絶縁層37には、第一配線34を露出させるコンタクト部38が形成されている。
The surface of the
ここで、液室23内の絶縁層33,37の表面には、導電性高分子材料からなるアクチュエータとして導電性高分子膜50が形成されている。導電性高分子膜50は、例えば、厚さ約1.0μm、幅約30μm、長さ約500μmで形成されている。また、導電性高分子膜50の形成材料としては、ポリピロールをはじめ、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセチレン等を用いることができるが、分子鎖にピロール及び/またはピロール誘導体を含む導電性高分子であることが望ましい。
Here, a
この導電性高分子膜50は、コンタクト部38から露出した第一配線34に接続され、通電可能に載置されている。そして駆動用ICは、第一配線34に接続された導電性高分子膜50と、共通配線に接続された流路形成基板(通電部)20との間に電圧を印加する。すなわち駆動用ICは、電圧印加手段として機能する。これにより、液室23に充填された極性を有するインクを介して導電性高分子膜50に通電し、導電性高分子膜50が伸縮変形するものである。
The
(液滴吐出装置の液滴吐出方法)
次に、本実施形態における液滴吐出装置1の液滴吐出方法を、図3を援用して説明する。
まず、インク供給路31に接続された図示しないインク供給装置を駆動する。すると、インク供給装置から送出されたインクは、インク供給路31を介してリザーバ24に供給された後、ノズル21に至るまでの内部流路に充填される。
次に、図示しない電源により電圧を印加する。すると、液室23内に充填された極性を有するインクが電解液となり、このインクを介して流路形成基板20と導電性高分子膜50との間で通電する。これにより、導電性高分子膜50は膨張収縮変形する。
(Droplet discharge method of droplet discharge device)
Next, a droplet discharge method of the droplet discharge apparatus 1 in the present embodiment will be described with reference to FIG.
First, an ink supply device (not shown) connected to the
Next, a voltage is applied by a power source (not shown). Then, the ink having the polarity filled in the
導電性高分子膜50の膨張収縮は、電圧の印加と極性の入れ替えによる、ドーパントイオンの導電性高分子への出入りと、高分子鎖の構造変化等により行われる。つまり、導電性高分子に正電圧を印加すると、インク中の負イオンの取り込みと同時に構造変化が起こり、導電性高分子膜50は膨張する。一方、導電性高分子膜に負電圧を印加すると、インク中の正イオンの取り込みと同時に構造変化が起こり、導電性高分子膜50は収縮する。
The expansion and contraction of the
そして、電圧波形でこの構造変化を制御することにより、液室23内の容積を変化させ、液室23内の圧力変化を生じさせてノズル21よりインクが吐出される。この時の導電性高分子膜50の体積変化率は、従来の圧電素子(例えば、PZT(Pb(ZrxTi1−x)O3))と比べ30%以上の増加が可能である。
Then, by controlling this structural change with a voltage waveform, the volume in the
(液滴吐出装置の製造方法)
次に、本実施形態における液滴吐出装置の製造方法を、図1,3を援用して説明する。図4は、図2のB−B線に沿う断面図であり、液滴吐出装置の工程図である。なお、図4においては、アクチュエータ形成基板30内部には導電性高分子膜50のみを図示し、絶縁層33等は省略する。
まず、図4(a)に示すように、流路形成基板20を形成する。
具体的には、高濃度にイオン注入したシリコン単結晶基板を、例えば厚さ約200μmまで研削する。
(Manufacturing method of droplet discharge device)
Next, the manufacturing method of the droplet discharge device in the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 2 and is a process diagram of the droplet discharge device. In FIG. 4, only the
First, as shown in FIG. 4A, the flow
Specifically, a silicon single crystal substrate into which ions are implanted at a high concentration is ground to a thickness of about 200 μm, for example.
次に、流路形成基板20の下面にフォトリソグラフィ技術を利用してノズル21を形成する。具体的には、流路形成基板20の下面全体にレジスト膜を形成し、露光、現像することにより、ノズル21を形成すべき領域のレジスト膜を除去する。次に、そのレジスト膜をマスクとして流路形成基板20のドライエッチングを行い、ノズル21を形成する。
Next, the
次に、流路形成基板20の上面に液室23を形成する。具体的にはノズル21の形成方法と同様に、フォトリソグラフィ工程により露光、現像したレジストマスクを介して流路形成基板20のドライエッチングを行い、液室23を形成する。
また、液室23と同様の形成方法により連通部22及びリザーバ24を形成する。
Next, the
Further, the
次に、アクチュエータ形成基板30を形成する。
具体的には、フォトリソグラフィ工程により露光、現像したレジストマスクを介して、アクチュエータ形成基板30の下面のドライエッチングを行い、インク供給路31とアクチュエータ保持部39を形成する。次に、アクチュエータ形成基板30の上面からも同様にドライエッチングを行い、インク供給路31の開口部32を形成し、インク供給路31を連通させる。
Next, the
Specifically, the
次に、アクチュエータ保持部39の表面に33絶縁層33を形成する。具体的には、CVD法等により流路形成基板20の下面全体に絶縁層33を成膜後、フォトリソグラフィ工程により露光、現像したレジストマスクを介してドライエッチングを行い、絶縁層33をパターニングする。
次に、絶縁層33上に第一配線34を形成する。具体的には、スパッタ法等により第一配線34を成膜後、フォトリソグラフィ工程により露光、現像したレジストマスクを介してドライエッチングを行い、第一配線34をパターニングする。
Next, the 33 insulating
Next, the
そして、第一配線34上に、絶縁層37を成膜する。具体的には、絶縁層33の形成方法と同様に、CVD法により流路形成基板20の下面全体に絶縁層37を成膜する。次に、フォトリソグラフィ工程により露光、現像したレジストマスクを介してドライエッチングを行い、絶縁層37をパターニングする。その際、第一配線34の一部を露出させて、第一配線34と導電性高分子膜50とのコンタクト部38を形成する。一方、第一配線34の他端は、液室23外のアクチュエータ保持部39に配置された駆動用IC35の端子に接続する。
Then, an insulating
次に、絶縁層33及び絶縁層37の表面に導電性高分子膜50を形成する。具体的には、電界重合法又はスピンコート法により導電性高分子膜50の形成材料を塗布する。その後、フォトリソグラフィ工程により露光、現像したレジストマスクを介してドライエッチングを行い、導電性高分子膜50をパターニングする。この導電性高分子膜50の寸法は、例えば厚さ約1.0μm、幅約30μm、長さ約500μmであり、従来の圧電素子と略同形状の寸法である。
Next, the
次に、図4(b)に示すように、流路形成基板20とアクチュエータ形成基板30を、接着剤を介して貼り合わせる。そして、駆動用IC35の他の端子を、共通配線を介して流路形成基板20に接続することにより本実施形態における液滴吐出装置1を得ることができる。
Next, as shown in FIG. 4B, the flow
したがって、上述の実施形態によれば、液室23内に、通電により膨張収縮変形可能な導電性高分子膜50が設けられている構成とした。この構成により、導電性高分子膜50と極性を有するインクの間に電圧を印加することで、導電性高分子膜50のドーパントイオンの導電性高分子膜50への出入りと高分子鎖の構造変化等によって導電性高分子膜50自体が膨張収縮変形し、これにより液室23内の容積の変化による圧力変化を生じさせてインクを吐出することができる。従来の液滴吐出装置は、可撓性のある振動板の外側に圧電素子が配置され、振動板を介して液室に圧力変化を生じさせる構造であった。これに比べて、本実施形態の液滴吐出装置1は、液室23内に導電性高分子膜50が設けられているので、振動板が不要になる。これにより、高画質、高速描画に対応しつつ、駆動構造を簡素化することができ、装置の小型化が可能になる。さらに、ノズルピッチの高密度化が可能となる。
Therefore, according to the above-described embodiment, the
また、導電性高分子膜50は、1〜3Vで膨張伸縮変形するので、圧電素子が20〜30Vの駆動電圧を必要とする場合と比べ、低電圧で駆動させることができ、電源を小型化することができる。したがって、液滴吐出装置の小型化が可能になり、乾電池等などで駆動するポータブル機器を実現することができる。
In addition, since the
さらに、静電アクチュエータを配置した液滴吐出装置との比較においても同様に、振動板が不要になるため、駆動構造が簡素化されるとともに、低電圧で駆動させることができるため、装置の小型化が可能になる。 Further, in comparison with a droplet discharge device provided with an electrostatic actuator, similarly, since a diaphragm is not required, the drive structure is simplified and the device can be driven at a low voltage, so that the size of the device can be reduced. Can be realized.
また、ノズル21が流路形成基板20に一体形成されているため、この流路形成基板20と、導電性高分子膜50が配置されたアクチュエータ形成基板30を貼り合わせるのみで液滴吐出装置1を形成することができる。
さらに、アクチュエータ形成基板30および流路形成基板20により液室23が構成されるとともに、導電性高分子膜50がアクチュエータ形成基板30に装着され、流路形成基板20には半導体材料で形成された通電部が設けられ、導電性高分子膜50と通電部との間に電圧を印加する構成とした。このように構成することで、通電部を介してインクと導電性高分子膜50との間に電圧を印加することができ、導電性高分子膜50を膨張収縮変形させることができる。したがって、液室23内に電極を形成する必要がなく、製造コストを低減することができる。
Further, since the
Further, the
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。例えば、係る液滴吐出装置を組み込むことによってハンディターミナル(携帯用端末)等のプリンタユニットにも適用できる。 It should be noted that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes those in which various modifications are made to the above-described embodiments without departing from the spirit of the present invention. For example, it can be applied to a printer unit such as a handy terminal (portable terminal) by incorporating such a droplet discharge device.
また、導電性高分子膜の膜厚を厚くすることにより、体積変化量を向上させることができるので、インク室の寸法を小さくしても同じ量の吐出量が得られる。さらに、本実施形態においては、流路形成基板の全体を高濃度にイオン注入して通電部を形成したが、液室に面する一部のみを高濃度にイオン注入して通電部を形成してもよい。また、液室内に電極を形成しても良い。 Further, since the volume change amount can be improved by increasing the film thickness of the conductive polymer film, the same discharge amount can be obtained even if the dimensions of the ink chamber are reduced. Furthermore, in the present embodiment, the entire flow path forming substrate is ion-implanted at a high concentration to form a current-carrying part, but only a part facing the liquid chamber is ion-implanted to a high concentration to form a current-carrying part. May be. An electrode may be formed in the liquid chamber.
1…液滴吐出装置 20…流路形成基板(第2壁) 21…ノズル(液滴吐出ノズル) 23…液室 30…アクチュエータ形成基板(第1壁) 50…導電性高分子膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (3)
前記液滴吐出ノズルに連通するとともに、前記液状体が充填される液室と、
を備えた液滴吐出装置において、
前記液室内に、通電により膨張収縮変形可能な導電性高分子膜が設けられていることを特徴とする液滴吐出装置。 A droplet discharge nozzle for discharging a liquid material having polarity;
A liquid chamber communicating with the droplet discharge nozzle and filled with the liquid material;
In a liquid droplet ejection apparatus comprising:
A liquid droplet ejection apparatus, wherein a conductive polymer film capable of expanding and contracting when energized is provided in the liquid chamber.
前記液室を構成する第2壁の少なくとも一部には、半導体材料で形成された通電部が設けられ、
前記導電性高分子膜と前記通電部との間に電圧を印加する電圧印加手段が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の液滴吐出装置。 The conductive polymer film is attached to a first wall constituting the liquid chamber,
At least a part of the second wall constituting the liquid chamber is provided with an energization part made of a semiconductor material,
The liquid droplet ejection apparatus according to claim 1, further comprising a voltage application unit configured to apply a voltage between the conductive polymer film and the energization unit.
前記液滴吐出ノズルに連通するとともに、前記液状体が充填された液室と、
前記液室内に設けられた、通電により膨張収縮変形可能な導電性高分子膜と、
を備えた液滴吐出装置の液滴吐出方法であって、
前記液室内に充填された前記液状体と前記導電性高分子膜との間に電圧を印加することにより、前記導電性高分子膜を膨張収縮変形させて前記液状体を吐出することを特徴とする液滴吐出方法。 A droplet discharge nozzle for discharging a liquid material having polarity;
A fluid chamber communicating with the droplet discharge nozzle and filled with the liquid material;
A conductive polymer film provided in the liquid chamber and capable of being expanded and contracted by energization;
A droplet discharge method for a droplet discharge apparatus comprising:
Applying a voltage between the liquid material filled in the liquid chamber and the conductive polymer film to expand and contract the conductive polymer film to discharge the liquid material, Droplet discharging method.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
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