JP2009220292A - 光造形装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高精度の光造形を容易に行う。
【解決手段】ミラー81は光源からの光ビームを偏向する。ミラー91は、ミラー81により偏向された光ビームをさらに偏向し、光硬化性樹脂に照射する。制御部82は、光源からの光ビームの光軸と、ミラー81による偏向後の全ての光ビームの光線が同一面内に含まれるように、ミラー81を回転させることにより、紫外線硬化樹脂62に照射される光ビームをx方向に走査する。制御部92は、ミラー81による偏向の中心の光軸と、その光軸を通るミラー81からの光のミラー91による偏向後の全ての光ビームの光線が同一面内に含まれるように、ミラー91を回転させることにより、紫外線硬化樹脂62に照射される光ビームをx方向に直交するz方向に走査する。本発明は、例えば、ビームスキャン露光を行う光造形装置に適用することができる。
【選択図】図9
【解決手段】ミラー81は光源からの光ビームを偏向する。ミラー91は、ミラー81により偏向された光ビームをさらに偏向し、光硬化性樹脂に照射する。制御部82は、光源からの光ビームの光軸と、ミラー81による偏向後の全ての光ビームの光線が同一面内に含まれるように、ミラー81を回転させることにより、紫外線硬化樹脂62に照射される光ビームをx方向に走査する。制御部92は、ミラー81による偏向の中心の光軸と、その光軸を通るミラー81からの光のミラー91による偏向後の全ての光ビームの光線が同一面内に含まれるように、ミラー91を回転させることにより、紫外線硬化樹脂62に照射される光ビームをx方向に直交するz方向に走査する。本発明は、例えば、ビームスキャン露光を行う光造形装置に適用することができる。
【選択図】図9
Description
本発明は、光造形装置に関し、特に、高精度の光造形を容易に行うことができるようにした光造形装置に関する。
従来、2つのガルバノミラーを用いて、互いに直交する2つの方向に光を走査する装置がある(例えば、特許文献1参照)。
ガルバノミラーにより出射される光の軌跡は、入射光の光軸とガルバノミラーの回転軸の方向の関係によって変化する。例えば、図1Bに示すように、ガルバノミラー11が、z方向を軸として所定の角度ずつ回転しながら、x方向から入射する入射光を偏向する場合、即ち、偏向後の全ての光の光線が入射光の光軸と同一のxy面内に含まれている場合、ガルバノミラー11により出射され、xz面内にある照射面12に照射される光の軌跡は、図1Aに示すようにx方向に直線状に並ぶ。なお、図1において、x方向、y方向、およびz方向とは互いに直交する方向である。このことは、以下の全ての図においても同様である。
一方、図2Bに示すように、ガルバノミラー21が、xy面内でx方向からy方向に45度傾いた方向を軸として所定の角度ずつ回転しながら、x方向から入射する入射光を偏向する場合、即ち、偏向後の全ての光の光線が入射光の光軸と同一の面内に含まれていない場合、ガルバノミラー21により出射され、xz面内にある照射面22に照射される光の軌跡は、図2Aに示すようにz方向に曲線状に並ぶ。
従って、図3に示すように、ガルバノミラー11とガルバノミラー21を用いて、y方向から入射した光をx方向とz方向に走査する光学系30では、xz面内にある照射面32に照射される光の軌跡は、図4に示すように、x方向およびz方向に直線状に並ばず、歪んでしまう。
なお、図3の光学系30では、ガルバノミラー11とガルバノミラー21の間にリレーレンズ31が配置されている。このリレーレンズ31は、1つまたは複数のレンズを有するレンズ群から構成される。リレーレンズ31は、ガルバノミラー11により光ビームがスキャンされるスキャン角度にわたり、平行入射光ビームを平行に出射し、ガルバノミラー11で偏向された光ビームを、ガルバノミラー21上に結像する。
図5は、図4の光学系30を備えた光造形装置50の構成例を示している。
図5の光造形装置50は、光源51、コリメータレンズ52、アナモルフィックレンズ53、ビームエキスパンダ54、ビームスプリッタ55、シャッタ56、照射部57、反射光モニタ部58、および駆動部59から構成される。
光造形装置50は、後述する照射部57の光硬化性樹脂としての紫外線硬化樹脂62の液面に対して、レーザの光ビームを走査してビームスキャン露光を行うことにより硬化層を形成し、その硬化層を積層することにより立体モデルを造形する。
詳細には、光源51は、例えば、青から紫外域程度の比較的波長の短い紫外光のレーザを放射する半導体レーザにより構成される。光源51は、ビームスキャン露光を行うための紫外光のレーザの光ビームを放射する。なお、光源51としては、半導体レーザ以外に、ガスレーザなどを用いてもよい。
コリメータレンズ52は、光源51から放射される光ビームの発散角を変換して略平行光とする。アナモルフィックレンズ53は、コリメータレンズ52により略平行光とされた楕円形状の光ビームを整形して略円形状にする。
ビームエキスパンダ54は、複数のレンズを有しており、アナモルフィックレンズ53により略円形状にされた光ビームの直径であるビーム径を、後述する照射部57の対物レンズ61の開口、NA(開口数)等に適した所望のビーム径に変換してビーム径のサイズ調整を行う。
ビームスプリッタ55は、光源51から照射される光ビームを透過させて、紫外線硬化樹脂62に向かわせるとともに、紫外線硬化樹脂62で反射され、各光学系を通過してくる戻り光を、反射光モニタ部58に向かって反射する。
シャッタ56は、ビームスプリッタ55を透過した光ビームの通過または遮蔽を制御し、ビームスキャン露光のオン/オフを制御する。なお、シャッタ56を設けて、光ビームの通過または遮断を制御して、ビームスキャン露光のオン/オフを制御するのではなく、光源51における光ビームの放射の直接変調を制御して、ビームスキャン露光のオン/オフを制御するようにしてもよい。
照射部57は、光学系30、対物レンズ61、および、収容容器に収容された紫外線硬化樹脂62により構成される。
シャッタ56を透過してy方向から入射された光ビームは、光学系30のガルバノミラー11に入射されて偏向され、ガルバノミラー11により紫外線硬化樹脂62の液面でx方向に走査される。ガルバノミラー11により偏向された光ビームは、リレーレンズ31を通って、ガルバノミラー21に入射される。ガルバノミラー21は、入射された光ビームを偏向し、光ビームを紫外線硬化樹脂62の液面でz方向に走査する。
対物レンズ61は、1または複数のレンズを有するレンズ群からなり、ガルバノミラー21からの光ビームを集光する。また、対物レンズ61は、ガルバノミラー11および21により偏光された光ビームが、紫外線硬化樹脂62の液面において等速度で走査されるように、即ち、紫外線硬化樹脂62の液面において均一な走査速度で走査されるように構成されている。
例えば、対物レンズ61としては、入射角θに比例した像高Yを有し、焦点距離fと入射角θとの積が像高Yとなるような関係(Y=f×θ)を有する、いわゆるfθレンズが用いられる。この場合、光ビームの走査速度が、対物レンズ61への入射位置によらず常に一定となるため、走査速度がばらつくことにより設計形状と実際の硬化層の形状とに違いが発生することを防止し、高精度の造形を行うことができる。
反射光モニタ部58は、紫外線硬化樹脂62の液面で反射された戻り光を、例えば、非点収差法や三角測量法を用いて検出する。
駆動部59は、反射光モニタ部58により検出された戻り光に基づいて、対物レンズ61をy方向に駆動し、対物レンズ61から紫外線硬化樹脂62の液面に照射される光ビームのフォーカスを調整する。具体的には、駆動部59は、対物レンズ61の後側焦点位置が、紫外線硬化樹脂62の液面に一致するように、対物レンズ61を光軸方向(図5ではy方向)に駆動する。
なお、光造形装置においては、1つの反射鏡を用いて、光ビームを互いに直交する2つの方向に走査するものもある(例えば、特許文献2参照)。
図4に示したように、ガルバノミラー11およびガルバノミラー21を用いて走査される光ビームの軌跡には歪みが発生するので、図5の光造形装置50において紫外線硬化樹脂62の液面における光の走査ラインは歪んでしまう。従って、高精度な光造形を行うためには、走査ラインの歪みを電気的またはソフトウェア的に補正する必要があり、高精度な光造形を行うことは困難であった。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、高精度の光造形を容易に行うことができるようにするものである。
本発明の一側面の光造形装置は、光源と、前記光源からの光を偏向する第1のミラーと、前記第1のミラーにより偏向された光をさらに偏向し、光硬化性樹脂に照射する第2のミラーと、前記光源からの光の光軸と、前記第1のミラーによる偏向後の全ての光の光線が同一面内に含まれるように、前記第1のミラーを回転させることにより、前記光硬化性樹脂に照射される光を第1の方向に走査する第1の制御部と、前記第1のミラーによる偏向の中心の光軸と、その光軸を通る前記第1のミラーからの光の前記第2のミラーによる偏向後の全ての光の光線が同一面内に含まれるように、前記第2のミラーを回転させることにより、前記光硬化性樹脂に照射される光を前記第1の方向に直交する第2の方向に走査する第2の制御部とを備える。
本発明の一側面の光造形装置は、前記光源からの光を偏向して前記第1のミラーに照射する第3のミラーをさらに備え、前記第1の制御部は、前記光源から前記第3のミラーを介して照射される光の光軸と、前記第1のミラーによる偏向後の全ての光の光線が同一面内に含まれるように、前記第1のミラーを回転させることにより、前記光硬化性樹脂に照射される光を前記第1の方向に走査することができる。
本発明の一側面の光造形装置は、前記第1のミラーと前記第2のミラーの間に配置されるリレーレンズをさらに備えることができる。
本発明の一側面においては、光源からの光の光軸と、第1のミラーによる偏向後の全ての光の光線が同一面内に含まれるように、第1のミラーが回転することにより、光硬化性樹脂に照射される光が第1の方向に走査され、第1のミラーによる偏向の中心の光軸と、その光軸を通る第1のミラーからの光の第2のミラーによる偏向後の全ての光の光線が同一面内に含まれるように、第2のミラーが回転することにより、光硬化性樹脂に照射される光が第1の方向に直交する第2の方向に走査される。
以上のように、本発明の一側面によれば、高精度の光造形を容易に行うことができる。
まず最初に、図6と図7を参照して、本発明を適用した光造形装置で用いられる2つのガルバノミラーの回転について説明する。図6Aは、x方向から見た2つのガルバノミラーの構成を示しており、図6Bは、y方向から見た2つのガルバノミラーの構成を示している。なお、図6において、図3と同一のものには同一の符号を付してあり、説明は繰り返しになるので省略する。
図6に示すように、ガルバノミラー71は、所定の方向に回転可能とされたミラー81(第1のミラー)と、ミラー81の回転を制御する制御部82(第1の制御部)とを備えている。ミラー81は、x方向から入射される光ビームを偏向する。制御部82は、入射される光ビームの光軸と、ミラー81による偏向後の全ての光ビームの光線が同一面内に含まれるように、ミラー81の回転を制御する。
具体的には、制御部82は、入射される光ビームの光軸であるx方向の軸と、ミラー81による偏向後の全ての光ビームの光線が同一のxz面内に含まれるように、入射される光ビームの光軸と交わるy方向の軸を回転軸として、ミラー81を回転させる。これにより、後述するガルバノミラー72から出射される光ビームはx方向(第1の方向)に走査される。ガルバノミラー71のミラー81により偏向された光ビームは、リレーレンズ31を通ってガルバノミラー72に入射する。
ガルバノミラー72は、所定の方向に回転可能とされたミラー91(第2のミラー)と、ミラー91の回転を制御する制御部92(第2の制御部)とを備えている。ミラー91は、ガルバノミラー71からリレーレンズ31を介して入射される光ビームを偏向する。制御部92は、ミラー81による偏向の中心の光軸と、その光軸を通るミラー81からの光のミラー91による偏向後の全ての光ビームの光線が同一面内に含まれるように、ミラー91の回転を制御する。
具体的には、制御部92は、ミラー81による偏向の中心の光軸であるz方向の軸と、そのz方向の軸を通るミラー81からの光のミラー91による偏向後の全ての光ビームの光線が同一のyz面内に含まれるように、ミラー81による偏向の中心の光軸と交わるx方向の軸を回転軸として、ミラー91を回転させる。これにより、ガルバノミラー72のミラー91から出射される光ビームは、z方向(第2の方向)に走査される。
以上のようにしてガルバノミラー72からy方向に出射される光ビームの軌跡は、図7に示すように、x方向とz方向に略直線状に並ぶ。即ち、ガルバノミラー71および72により走査される光の走査ラインの歪みは、図4で示したガルバノミラー11および21を用いた場合の走査ラインに比べて大変小さくなる。
次に、図8乃至図10を参照して、本発明を適用した光造形装置の第1の実施の形態の構成について説明する。なお、図8乃至図10において、図5や図6と同一のものには同一の符号を付してあり、説明は繰り返しになるので適宜省略する。
図8に示すように、光造形装置110は、光源51、コリメータレンズ52、アナモルフィックレンズ53、ビームエキスパンダ54、ビームスプリッタ55、シャッタ56、反射光モニタ部58、駆動部59、および照射部111により構成される。光造形装置110は、紫外線硬化樹脂62の液面に対して、光源51からの光ビームを走査してビームスキャン露光を行うことにより硬化層を形成し、その硬化層を積層することにより立体モデルを造形する。
次に、照射部111の詳細な構成について、図9と図10を参照して説明する。図9Aは、図8のx方向から見た照射部111の構成を示しており、図9Bは、図8のz方向から見た照射部111の構成を示している。また、図10は、照射部111の斜視図である。
図9と図10に示すように、照射部111は、リレーレンズ31、対物レンズ61、紫外線硬化樹脂62、ガルバノミラー71および72、並びに反射ミラー121により構成される。
シャッタ56から入射されるy方向に進む光ビームは、反射ミラー121(第3のミラー)に入射され、x方向に偏向される。反射ミラー121により偏向されたx方向に進む光ビームは、ガルバノミラー71のミラー81に入射される。
ミラー81は、制御部82の制御により、入射される光ビームの光軸と交わるy方向の軸を回転軸として回転しながら、入射される光ビームを偏向する。これにより、紫外線硬化樹脂62の液面に照射される光ビームがx方向に走査される。
ミラー81により偏向されたxz面内を進む光ビームは、ガルバノミラー71と72の間に配置されるリレーレンズ31を通って、ガルバノミラー72のミラー91に入射される。ミラー91は、制御部92の制御により、ミラー81による偏向の中心の光軸と交わるx方向の軸を回転軸として回転しながら、入射される光ビームを偏向する。これにより、紫外線硬化樹脂62の液面に照射される光ビームがz方向に走査される。
ガルバノミラー72により偏向された略yz面内を進む光ビームは、対物レンズ61により集光され、紫外線硬化樹脂62の液面上で焦点を結ぶ。これにより、紫外線硬化樹脂62の所定の領域が露光され、その結果、硬化層が形成される。光造形装置110は、この硬化層の形成を繰り返し行い、複数の硬化層を積層することにより、立体モデルを造形する。
以上のように、照射部111では、制御部82が、ミラー81に入射される光ビームの光軸であるx方向の軸と、ミラー81による偏向後の全ての光ビームの光線が同一のxz面内に含まれるようにミラー81を回転させ、制御部92が、ミラー81による偏向の中心の光軸であるz方向の軸と、そのz方向の軸を通るミラー81からの光のミラー91による偏向後の全ての光ビームの光線が同一のyz面内に含まれるようにミラー91を回転させるので、図7で示したように歪みの小さい走査ラインを、紫外線硬化樹脂62の液面に形成することができる。その結果、光造形装置110は、走査ラインの歪みの電気的またはソフトウェア的な補正を行わずに、高精度な光造形を容易に行うことができる。
また、照射部111では、反射ミラー121が設けられているので、光源51を照射部111に対して任意の位置に設けることができる。
次に、図11乃至図13を参照して、本発明を適用した光造形装置の第2の実施の形態の構成について説明する。なお、図11乃至図13において、図5や図9と同一のものには同一の符号を付してあり、説明は繰り返しになるので適宜省略する。
図11の光造形装置200では、ビームスキャン露光だけでなく、紫外線硬化樹脂62の液面を一括して露光する一括露光が可能になっている。光造形装置200は、ビームスキャン露光および一括露光の少なくとも一方を用いて、紫外線硬化樹脂62の液面を露光することにより硬化層を形成し、その硬化層を積層することにより立体モデルを造形する。
具体的には、図11に示すように、光造形装置200は、光源51、コリメータレンズ52、アナモルフィックレンズ53、ビームエキスパンダ54、ビームスプリッタ55、シャッタ56、反射光モニタ部58、駆動部59、光源211、シャッタ212、偏光板213、ビームインテグレータ214、ミラー215、空間光変調器216、集光レンズ217、駆動部218、および照射部219により構成される。
光源211、シャッタ212、偏光板213、ビームインテグレータ214、ミラー215、空間光変調器216、集光レンズ217、および駆動部218は、一括露光を行うための光学系である。
光源211としては、例えば、高出力な青色LED(Light Emitting Diode)をアレイ状に配置したものを用いることができる。なお、光源211としては、ビームスキャン用の光源51と異なり、コヒーレントなレーザ光源を用いる必要はない。光源211は、一括露光を行うための紫外光を放射する。
シャッタ212は、光源211から放射される紫外光の通過または遮蔽を制御することにより、一括露光のオン/オフを制御する。偏光板213は、シャッタ212を通過した紫外光を所定の偏光光とする。即ち、偏光板213は、空間光変調器216が光源211からの紫外光を空間変調することができるように、その光を偏光する。
ビームインテグレータ214は、偏光板213により偏光された紫外光を均一化する。ビームインテグレータ214としては、複数のレンズエレメントを配列してなるフライアイタイプや、四角柱等の柱状のロッドレンズの内部を全反射させるライトロッドタイプなどの一般的なものが用いられる。
ミラー215は、ビームインテグレータ214により均一化された紫外光を空間光変調器216に向かって反射させる。空間光変調器216は、例えば、透過型の液晶パネルからなり、ミラー215により反射された紫外光が、造形する立体モデルの断面形状データに応じた形状で紫外線硬化樹脂62の液面に投影されるように、その紫外光の一部を空間変調する。
即ち、空間光変調器216は、液晶パネルの各画素を制御する駆動信号に基づいて、投影しようとする断面形状データに応じた形状の画像に対応して、画素ごとに液晶の分子の配列を変えて透過する偏光方向を変化させることで通過する紫外光を空間変調する。
その結果、紫外線硬化樹脂62の液面への紫外光の照射が、断面形状データに応じた形状に対応して、液晶パネルの1画素に対応する矩形の領域(以下、露光単位領域という)ごとにオン/オフされ、紫外光の照射がオンとされる露光単位領域に一括して紫外光が照射される。これにより、紫外線硬化樹脂62の液面に、断面形状データに応じた形状の紫外光が照射される。
なお、空間光変調器216は、透過型の液晶パネルではなく、入力信号に応じて傾き角度が変化する微小な反射ミラーが画素ごとに配列されることにより構成されるDMD、反射型液晶素子(LCOS(Liquid crystal on silicon))などにより構成されるようにしてもよい。
集光レンズ217は、空間光変調器216と後述する照射部219の偏光ビームスプリッタ222との間に設けられ、対物レンズ61とともに、空間光変調器216で空間変調された紫外光を紫外線硬化樹脂62上に結像するための投影光学系として機能する。
また、集光レンズ217は、空間光変調器216により空間変調された紫外光が対物レンズ61を通過する際のディストーションを補正するためのレンズ群により構成され、投影光学系として機能するとともに、ディストーションを低減させることができる。
例えば、集光レンズ217は、集光レンズ217と対物レンズ61とが対称光学系となるように、それぞれのレンズ群を構成することで、空間光変調器216により空間変調された紫外光を、偏光ビームスプリッタ222の反射透過面上の対物レンズ61の前側焦点位置に集光し、これによりディストーションを低減する。
駆動部218は、反射光モニタ部58により検出される戻り光に基づいて、空間光変調器216を光軸方向であるx方向に駆動し、光源211から紫外線硬化樹脂62の液面に照射される紫外光のフォーカスを調整する。
次に、照射部219の詳細な構成について、図12と図13を参照して説明する。図12Aは、図11のx方向から見た照射部219の構成を示しており、図12Bは、図11のz方向から見た照射部219の構成を示している。また、図13は、照射部219の斜視図である。
図12と図13に示すように、照射部219では、図9と図10に示した照射部111と異なり、ガルバノミラー72と対物レンズ61の間に、リレーレンズ221および偏光ビームスプリッタ222が配置されている。
即ち、照射部219では、シャッタ56から入射され、反射ミラー121、ガルバノミラー71、リレーレンズ31、およびガルバノミラー72を介して出射された光ビームは、リレーレンズ31と同様に構成されるリレーレンズ221を通って、偏光ビームスプリッタ222に入射される。これにより、ガルバノミラー72で偏向された光ビームが、偏光ビームスプリッタ222上に結像される。
偏光ビームスプリッタ222は、光源211からの一括露光用の紫外光と、光源51からのビームスキャン露光用の光ビームとを合成し、それらの光を紫外線硬化樹脂62に導く。なお、偏光ビームスプリッタ222は、その反射透過面が、対物レンズ61の前側焦点位置に一致するように配置される。
以上のように、光造形装置200では、光造形装置110と同様に、ガルバノミラー71および72が設けられるので、図7で示したように歪みの小さい走査ラインを、紫外線硬化樹脂62の液面に形成することができる。その結果、光造形装置200は、走査ラインの歪みの電気的またはソフトウェア的な補正を行わずに、高精度な光造形を容易に行うことができる。
また、光造形装置200では、ビームスキャン露光と一括露光の両方を行うことができるので、例えば、一括露光を行った後に、造形する立体モデルの断面形状の輪郭線に沿ってビームスキャン露光を行うことにより、短時間で、輪郭がきれいな立体モデルを造形することができる。
なお、光造形装置110および200は、走査ラインの歪みの電気的またはソフトウェア的な補正を行い、さらに高精度な光造形を行うようにしてもよい。この場合、補正前の歪みが小さいため、補正前の歪みが大きい場合に比べて、精度良く補正することができる。
また、本発明は、紫外線硬化樹脂の上から光を照射し、液面で紫外線硬化樹脂62を硬化させる自由液面法で光造形を行う光造形装置だけでなく、底面が透明の収容容器に入った紫外線硬化樹脂を収容容器の下側から光を照射し、収容容器の底面で紫外線硬化樹脂を硬化させる規制液面法で光造形を行う光造形装置にも適用することができる。
さらに、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
31 リレーレンズ, 71,72 ガルバノミラー, 81 ミラー, 82 制御部, 91 ミラー, 92 制御部, 110 光造形装置, 121 反射ミラー, 200 光造形装置
Claims (3)
- 光源と、
前記光源からの光を偏向する第1のミラーと、
前記第1のミラーにより偏向された光をさらに偏向し、光硬化性樹脂に照射する第2のミラーと、
前記光源からの光の光軸と、前記第1のミラーによる偏向後の全ての光の光線が同一面内に含まれるように、前記第1のミラーを回転させることにより、前記光硬化性樹脂に照射される光を第1の方向に走査する第1の制御部と、
前記第1のミラーによる偏向の中心の光軸と、その光軸を通る前記第1のミラーからの光の前記第2のミラーによる偏向後の全ての光の光線が同一面内に含まれるように、前記第2のミラーを回転させることにより、前記光硬化性樹脂に照射される光を前記第1の方向に直交する第2の方向に走査する第2の制御部と
を備える光造形装置。 - 前記光源からの光を偏向して前記第1のミラーに照射する第3のミラー
をさらに備え、
前記第1の制御部は、前記光源から前記第3のミラーを介して照射される光の光軸と、前記第1のミラーによる偏向後の全ての光の光線が同一面内に含まれるように、前記第1のミラーを回転させることにより、前記光硬化性樹脂に照射される光を前記第1の方向に走査する
請求項1に記載の光造形装置。 - 前記第1のミラーと前記第2のミラーの間に配置されるリレーレンズ
をさらに備える
請求項1に記載の光造形装置。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2015033774A (ja) * | 2013-08-08 | 2015-02-19 | ローランドディー.ジー.株式会社 | 三次元造形装置および三次元造形方法 |
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2008
- 2008-03-13 JP JP2008064219A patent/JP2009220292A/ja active Pending
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