JP2010276478A - Acceleration sensor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、耐衝撃性を向上させた加速度センサ装置に関するものである。 The present invention relates to an acceleration sensor device with improved impact resistance.
図6に従来の加速度センサ装置の断面図を示す。同図に示す加速度センサ装置は、主にシリコン基板を加工して作製された加速度センサ200と、加速度センサ200を載置する実装基体250とを備えた構成を有している。
FIG. 6 shows a cross-sectional view of a conventional acceleration sensor device. The acceleration sensor device shown in the figure has a configuration including an
加速度センサ素子200は、重り部201と、重り部201を囲繞する枠状の固定部202と、重り部201と固定部202とに連結される梁部203と、梁部203に形成されるピエゾ抵抗素子(図示せず)とを備えている。
The
このような加速度センサ200を有する加速度センサ装置に加速度に応じた外力が加わると重り部201が動き、それに伴って梁部203が変形し、ピエゾ抵抗素子も変形する。このピエゾ抵抗素子の変形による抵抗値の変化に基づいて加速度が検出されることとなる。
When an external force corresponding to acceleration is applied to the acceleration sensor device having such an
このような加速度センサ200は、固定部202の下面と実装基体250の実装面との間に介在された接着材300によって実装基体250に固定されている(例えば、特許文献1参照)
Such an
図6に示すような従来の加速度センサ装置は、加速度センサ200を固定部202の底面と実装基体250との間に接着材300を介在させるようにして実装基体250に接合していた。そのため、実装基体250の実装面に対して水平方向の加速度が印加された場合、加速度センサ200が水平方向に位置ずれして、実装基体250の内側面に接触することがあった。
In the conventional acceleration sensor device as shown in FIG. 6, the
実装基体250と加速度センサ200とが接触すると、加速度検出に不具合を生じさせる恐れがあった。
When the
本発明は、以上のような諸事情を鑑みて案出されたものであり、その目的は、加速度が印加された際に、加速度センサの位置ずれを招きにくい加速度センサ装置を提供することである。 The present invention has been devised in view of the various circumstances as described above, and an object thereof is to provide an acceleration sensor device that is less likely to cause displacement of the acceleration sensor when acceleration is applied. .
本発明にかかる加速度センサ装置は、固定部と、前記固定部に対し変位可能な重り部と、一端が前記固定部に、他端が前記重り部にそれぞれ連結され、前記重り部の変位に伴って撓む梁部と、を備えた加速度センサと、前記加速度センサが収容される、主面をもつ凹部を有する基体と、前記加速度センサと前記基体とを接合する接着材と、を備え、前記固定部は、底面の外周辺の少なくとも一部に面取り部を有し、前記接着材は、前記面取り部と前記主面との間に介在するように設けられている。 The acceleration sensor device according to the present invention includes a fixed portion, a weight portion that is displaceable with respect to the fixed portion, one end connected to the fixed portion, and the other end connected to the weight portion, along with the displacement of the weight portion. An acceleration sensor including a beam portion that bends, a base body having a concave portion having a main surface in which the acceleration sensor is accommodated, and an adhesive that joins the acceleration sensor and the base body, The fixing portion has a chamfered portion at least at a part of the outer periphery of the bottom surface, and the adhesive is provided so as to be interposed between the chamfered portion and the main surface.
本発明の加速度センサ装置によれば、固定部の底面の外周辺の少なくとも一部に面取り部を設け、面取り部と基体の主面との間に介在する接着材を有することにより、固定部の側面方向にも接着することができる。このように加速度センサを固定することができることから、実装面に対して水平方向の加速度が印加された場合でも、加速度センサを実装面に対して水平方向に位置ずれしにくくすることができる。 According to the acceleration sensor device of the present invention, the chamfered portion is provided on at least a part of the outer periphery of the bottom surface of the fixed portion, and the adhesive member interposed between the chamfered portion and the main surface of the base body is provided. It can also be bonded in the lateral direction. Since the acceleration sensor can be fixed in this way, even when an acceleration in the horizontal direction is applied to the mounting surface, the acceleration sensor can be hardly displaced in the horizontal direction with respect to the mounting surface.
以下に図面を参照して、本発明にかかる加速度センサ及び加速度センサ装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率は現実のものとは必ずしも一致していない。また、本発明は以下の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、改良等が可能である。なお、本実施形態ではピエゾ抵抗効果を利用した三次元加速度センサ装置を例に説明する。 Exemplary embodiments of an acceleration sensor and an acceleration sensor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the drawings used in the following embodiments are schematic, and the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match the actual ones. Further, the present invention is not limited to the following embodiments, and various changes and improvements can be made without departing from the gist of the present invention. In this embodiment, a three-dimensional acceleration sensor device using the piezoresistance effect will be described as an example.
<加速度センサ装置>
図1は本実施形態にかかる加速度センサ装置100の斜視図、図2は図1の加速度センサ装置100の蓋10を外した状態の平面図である。また、図3は図2に示す加速度センサ装置100の断面図であり、図3(a)は図2のA−A’線で切断したときの断面に相当し、図3(b)は図2のB−B’線で切断したときの断面に相当する。これらの図に示すように本実施形態にかかる加速度センサ装置100は、加速度センサ20と基体1とから主に構成されている。
<Acceleration sensor device>
FIG. 1 is a perspective view of the
まず加速度センサ20について説明する。図4は加速度センサ20の斜視図である。図4に示すように加速度センサ20は、枠状の固定部13と、固定部13に対し変位可能な重り部11と、一方端が固定部13に、他端が重り部11に連結される梁部12と、を有している。
First, the
加速度センサ20に加速度が加わると、加速度に応じた力がこの重り部11に作用し、重り部11が動くことで梁部12が撓むようになっている。本実施形態における重り部11には、その四隅に連結された4個の付属重り部11´が設けられている。付属重り部11´は、重り部11と一体形成されるものであり、付属重り部11´を設けることによって加速度に対する梁部12の撓みが大きくなり、加速度の検出感度を向上させることができる。なお、重り部11および付属重り部11´の構成、機能および形成方法は、同一又は類似することから、以下では、付属重り部11´の説明を省略することがある。
When acceleration is applied to the
重り部11は、平面形状が略正方形をなし、その一辺の長さは例えば0.25mm〜0.5mmに設定される。また重り部11の厚みは例えば0.2mm〜0.625mmに設定される。付属重り部11´は、重り部11と同様に平面形状が、略正方形をなし、その一辺の長さは例えば0.1mm〜0.4mmに設定される。また付属重り部11´の厚みは、重り部11と同じ厚みを有するように例えば0.2mm〜0.625mmに設定される。なお、重り部11および付属重り部11´の平面形状は正方形に限られず、円や長方形など任意の形状が可能である。また、重り部11と付属重り部11´は、例えばSOI(Silicon on Insulator)基板を加工することにより一体的に形成されている。
The
このような重り部11および付属重り部11´を囲繞するようにして枠状の固定部13が形成されている。固定部13は、平面形状が略正方形をなし、中央部に重り部11および付属重り部11´より若干大きい略正方形の開口部を有している。固定部13は、その一辺が例えば1.0mm〜3.0mmに設定され、固定部13を構成するアームの幅(アームの長手方向と直交する方向の幅)は例えば0.3mm〜1.8mmに設定される。また固定部13の厚みは、例えば0.2mm〜0.625mmに設定される。
A frame-
さらに固定部13には、底面の外周辺の少なくとも一部に面取り部5が形成されている。この面取り部5と後述する基体1との間に接着材4が介在して、加速度センサと基体1とが接合される。
Further, the
このような固定部13と重り部11との間には図4に示されるように梁部12が設けられている。梁部12は、一方端が重り部11の側面の各辺の上面側中央部に連結され、他方端が固定部13の側面の内周における各辺の上面側中央部に連結されている。また、図2にも示すように本実施形態における加速度センサ20では、4本の梁部12が設けられている。なお、梁部12は固定部13の側面の内周における各辺の上面側4隅に設けてもよい。
A
梁部12は可撓性を有し、加速度センサ20に加速度が加わると重り部11が動き、重り部11の動きに伴って梁部12が撓むようになっている。梁部12は、例えば長手方向の長さが0.15mm〜0.8mmに設定され、幅(長手方向と直交する方向の長さ)が0.04mm〜0.2mmに設定されている。このように梁部12を細長く且つ薄く形成することによって可撓性が発現される。
The
梁部12の上面には、図2に示すように複数の抵抗素子9が形成されている。抵抗素子9は、例えばシリコン基板にボロンを打ち込むことにより形成されたピエゾ抵抗素子である。本実施形態では、3軸方向(図2に示した3次元直交座標系におけるX軸方向、Y軸方向、Z軸方向)の加速度を検出できるように梁部12の所定の位置にこれらの抵抗素子9が形成されている。例えば、X軸方向に伸びる2つの梁部12には、X軸方向の加速度を検出するための4個の抵抗素子9が設けられており、それぞれの梁部12に2個ずつ配置されている。これら4個の抵抗素子9のうち、固定部13側に配された抵抗素子同士を直列に接続し、重り部11側に配された抵抗素子同士を直列に接続し、これらを並列に接続することでブリッジ回路を構成している。
On the upper surface of the
またY軸方向に伸びる2つの梁部12には、Y軸方向の加速度を検出するための4個の抵抗素子9が設けられており、これらの抵抗素子9を、X軸方向の加速度検出用の抵抗素子9と同様に配置し、抵抗素子同士の接続を行うことによってブリッジ回路を構成している。
The two
また、Z軸方向の加速度を検出するための4個の抵抗素子9が、X軸方向に伸びる2つの梁部12に、X軸方向の加速度を検出するための4個の抵抗素子9それぞれと並ぶようにして形成されている。このZ軸方向の加速度検出用の抵抗素子9は、X軸方向の加速度検出用の抵抗素子9とは、抵抗素子同士の接続の仕方が異なっており、本実施形態では、X軸方向に伸びる2本の梁部12のうち一方の梁部12に設けられた固定部13側の抵抗素子9と、他方の梁部12に設けられた重り部11側の抵抗素子9とを直列接続してブリッジ回路を構成している。なおZ軸方向の加速度検出用の抵抗素子9は、X軸方向に伸びる梁部12に設けたのと同様にして、Y軸方向に伸びる2つの梁部12に設けるようにしてもよい。
In addition, the four resistance elements 9 for detecting the acceleration in the Z-axis direction are respectively connected to the four resistance elements 9 for detecting the acceleration in the X-axis direction on the two
このようなブリッジ回路が組まれた加速度センサ20に加速度が加わると、上述したように梁部12が撓み、この撓みに伴って抵抗素子9が変形するため、ブリッジ回路で検出する出力電圧が変化する。この抵抗値の変化に基づく出力電圧の変化を電気信号として取り出し、ICチップ23で演算処理することによって印加された加速度の方向並びに大きさを検知することができる。固定部13の上面には、抵抗素子9と電気的に接続される素子側電極パッド15が設けられており、この素子側電極パッド15を介して抵抗素子同士の接続や抵抗素子9からの電気信号の外部への取り出しなどを行っている。
When acceleration is applied to the
かかる加速度センサ20は、図3に示すように基体1に実装されている。基体1は加速度センサ20を保護する機能を有し、内部には加速度センサ20を収容する凹部2が設けられている。基体1は、例えば、セラミック材料などからなる4枚の絶縁層1a〜1dを積層することにより構成されている。絶縁層1aは平板状の部材からなり、その主面1Aに加速度センサ20が載置される。絶縁層1bは、主面1A上に載置された加速度センサ20を収容するように、加速度センサ20より若干大きい貫通孔を有する枠状の部材であり、絶縁層1aと接合されている。ここで、基体1の凹部2は、絶縁層1aの主面1Aおよび絶縁層1bの貫通孔により形成されている。絶縁層1cは、絶縁層1bの貫通孔より広い開口部を有する枠状の部材であり、絶縁層1bの主面の一部が露出するようにして絶縁層1bと接合されている。さらに、絶縁層1aの主面1Aと対向する他方主面には絶縁層1dが接合されており、絶縁層1dは絶縁層1bと同様に孔部を有する枠状の部材からなる。このように形成された絶縁層1dの孔部にはICチップ23が収容される。
The
絶縁層1cの開口部から露出する絶縁層1bの主面には、複数の基板側電極パッド16が形成されている。基板側電極パッド16は金属細線17によって加速度センサ20の固定部13上面に設けた素子側電極パッド15と電気的に接続されている。また基体1の下面には、複数の外部端子18が設けられており、外部端子18は基体1の内部に設けたビアホール導体19を介して基板側電極パッド16と接続されている。すなわち、加速度センサ20の電気信号は、素子側電極パッド15、金属細線17、基板側電極パッド16、ビアホール導体19、ICチップ23、外部端子18などを介して外部へ取り出されることとなる。ICチップ23は基体1に設けたビアホール導体19や配線導体(図示せず)などを介して加速度センサ20及び外部端子18と電気的に接続されている。ICチップ23は、例えば加速度センサ20の出力信号を増幅する増幅回路、加速度センサ20の温度特性を補正する温度補正回路、ノイズを除去するノイズ除去回路などが集積化されたものである。
A plurality of substrate-
本実施形態においては、面取り部5が固定部13の底面の外周をなす辺の端部に形成されている。具体的には、面取り部5は固定部13の底面の外周辺で隣接する2辺を通る仮想直線の交点の位置に対応する固定部13の角部が面取りされるように形成されている。
In the present embodiment, the chamfered
本実施形態の加速度センサ装置100は、接着材4が固定部13に設けられた面取り部5と基体1との間に介在し、加速度センサ20と基体1とが接合されている。このように、面取り部5と基体1との間に接着材4が介在していることから、主面1Aに対して水平方向(以下、単に水平方向と表す)への加速度センサ20の位置ずれを抑制することができる。加速度センサ20の水平方向への位置ずれを抑制することができることから、加速度センサ20と基体1とが衝突しにくくなり、加速度センサ装置100の耐衝撃性を向上させることができる。
In the
さらに、固定部13の面取り部5に接着材4を設けることにより、接着材4を面取り部5と主面1Aとの間に配置することができる。そのことから、加速度センサ20を平面視した際に、接着材4が固定部13からはみ出しにくくなるため、加速度センサ装置100の小型化にも対応することができる。また、面取り部5に接着材4を配置することから、接着面積の増加を招くことなく主面1Aに対して垂直方向の接合強度を維持して加速度センサ20の水平方向への位置ずれを抑えることができる。
Furthermore, by providing the adhesive 4 on the chamfered
本実施形態では、固定部13の上面の外周をなす辺の端部にも面取り部5が設けられている。このように、固定部13の角部が面取りされることから、基体1と固定部13とが衝突した際にも応力が1点に集中しにくくなるため、固定部13が欠けにくくなり加速度センサ20の耐衝撃性を向上させることができる。
In the present embodiment, the chamfered
このような面取り部5は、基体1側に張り出すようにして湾曲した曲面を有するように形成することが好ましい。このように、面取り部5を湾曲した曲面により形成することによって、面取り部5と接着材4との接着面積をより増やすことができるので加速度センサの水平方向への位置ずれをより少なくすることができる。また、面取り部5を曲面にすることから、形状により集中する応力を緩和することができるので、加速度センサ20と基体1とが衝突した際に固定部13が欠けにくくなり、加速度センサ20の耐衝撃性をさらに向上させることができる。
Such a chamfered
なお、本実施形態では面取り部5が固定部13の底面の外周をなす辺の端部に形成されている場合について述べたが、面取り部5は固定部13の底面の外周辺であればどこに設けられていてもよい。このように、固定部13の底面の外周辺に形成された面取り部5と基体1の主面1Aとの間に接着材4が介在して、加速度センサ20と基体1とが接合されていることによって、加速度センサ20の水平方向への位置ずれを抑えることができる。
In the present embodiment, the case where the chamfered
接着材4は、例えば、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などを使用することができる。また、接着材4には、重り部11の下面と基体1の主面1Aとの間に所定の大きさのギャップが形成されるように、所定の径を有する球状のスペーサ部材3が混合されている。すなわち、重り部11の下面と基体1の主面1Aとの間のギャップの大きさをスペーサ部材3によって制御することができる。スペーサ部材3は、例えばシリカ、シリコン、ジビニルベンゼンなど所定の硬さを有する球状の部材であり、その直径は例えば2〜30μmである。
For example, a silicone resin or an epoxy resin can be used as the adhesive 4. The adhesive 4 is mixed with a
本実施形態の加速度センサ20のように梁部12が重り部7の上面四辺の中央部に連結されている場合、加速度センサ20と基体1との接合は、固定部13の4隅において行うことが好ましい。これにより加速度センサ20の基体1への接合箇所と梁部12との間の距離が離れるため、接着材4による接合に起因して発生し得る残留応力が梁部12に与える影響を小さくすることができ、加速度センサ装置100の電気的な特性が劣化するのを抑えることができる。
When the
そして、上述のような加速度センサ20が接合された基体1の開口部を塞ぐようにして蓋10が基体1の主面1Aに固着されている。これにより加速度センサ20が気密封止されることとなる。蓋10は、例えば42アロイやステンレスなどの金属板からなり、銀ロウやエポキシ樹脂などの接合剤により基体1に接合されている。
The
また、基体1の凹部2に、面取り部5の形状に沿うように形成した基体側面取り部を形成してもよい。面取り部5と基体側面取り部との間に接着材4を介在させるようにして、加速度センサ20と基体1とを接合することによって、面取り部5と対向する位置で基体1と接着することができるため、加速度センサの水平方向への位置ずれをより少なくすることができる。
In addition, a substrate side chamfered portion that is formed along the shape of the chamfered
以上、本実施形態では、ピエゾ抵抗効果を加速度検出に利用した加速度センサについて説明したが、静電容量効果を利用して加速度検出を行う加速度センサに適宜応用することができる。
(変形例)
図5は上述した実施形態にかかる加速度センサの変形例を示す斜視図である。この変形例にかかる加速度センサ20は、固定部13の外周をなす辺の端部に形成されていた面取り部5を、端部から外周をなす辺に沿ってさらに面取りした第2面取り部6を有する。
As described above, in the present embodiment, the acceleration sensor using the piezoresistive effect for acceleration detection has been described. However, the present invention can be appropriately applied to an acceleration sensor that performs acceleration detection using the capacitance effect.
(Modification)
FIG. 5 is a perspective view showing a modification of the acceleration sensor according to the above-described embodiment. The
このように第2面取り部6を有することから、固定部13の外周をなす辺において加速度センサ20の耐衝撃性をさらに向上させることができる。
Since the second chamfered
<加速度センサ装置の製造方法>
次に本発明の本実施形態にかかる加速度センサ装置の製造工程を説明する。
<Method for manufacturing acceleration sensor device>
Next, the manufacturing process of the acceleration sensor device according to this embodiment of the present invention will be described.
(基体作製工程)
まず、基体1を用意する。基体1はアルミナなどのセラミック材料からなる複数の絶縁層1a〜1dを積層することにより形成される。具体的には、主面1Aを有する平板状の絶縁層1a、貫通孔を有する枠状の絶縁層1b、絶縁層1bの貫通孔より大きな開口部を有する絶縁層1cを順次積層し、絶縁層1aの主面1Aと対向する他方主面に絶縁層1dを接合することより基体1が作製される。絶縁層1aの主面1Aおよび絶縁層1bの貫通孔が基体1の凹部2となる。
(Substrate manufacturing process)
First, the
(センサ作製工程)
基体1を作製する一方で、まず重り部11と、重り部11を囲繞する枠状の固定部13と、一方端が固定部13の側面に連結され、且つ他方端が重り部11の側面に連結される梁部12と、梁部12に設けられる抵抗素子9と、固定部13の底面の外周辺の少なくとも一部に面取り部5と、を有する加速度センサ20を準備する。一方で、シリコン層からなり、加速度センサ20が載置される基体1を準備する。
(Sensor manufacturing process)
While the
加速度センサ20は例えば、シリコン層の間にSiO2層を有するSOI基板を用いて作製される。まず、SOI基板表面のシリコン層にイオン注入法によりボロンを注入することでピエゾ抵抗からなる抵抗素子9を形成する。抵抗素子9を形成した後、ピエゾ抵抗素子に連結する配線を金属スパッタ、ドライエッチング装置を用いて作製する。次に、従来周知の半導体微細加工技術、例えばフォトリソグラフィ法やディープドライエッチングによりSOI基板の裏面側に穿孔部を設けることにより固定部13および重り部11を形成し、その後、表面側から穿孔部まで貫通する加工を施すことにより梁部12を形成する。
The
次に固定部13の角部を、研磨やエッチングなどを利用して面取りすることにより面取り部5を形成する。なお、面取り部5をシリコンの(111)劈開面となるように設定することで、容易に形成することができる。固定部13は(111)劈開面に沿って欠けやすいため、面取り部5を(111)劈開面とすることにより、加速度センサ20の耐衝撃性を向上させることができる。
Next, the chamfered
(実装工程)
次に、基体1の主面1Aに接着材4を塗布する。接着材4は硬化前のシリコーン樹脂やエポキシ樹脂であり、ディスペンサーなどを用いて基体1の主面1Aに塗布される。接着材4には、シリカ、シリコン、ジビニルベンゼンなどからなる直径が2μm〜30μm程度の球状のスペーサ部材3が混合されており、このスペーサ部材3が固定部13の下面と基体1の主面1Aとの間に介在されることにより基体1の主面1Aと重り部7の下面との間に隙間を形成することができる。
(Mounting process)
Next, the adhesive 4 is applied to the
次に面取り部5と主面1Aとの間に接着材4が介在するように、加速度センサ20を基体1の主面1Aの所定位置に載置する。このように加速度センサ20を基体1に実装する際、固定部13の底面が基体1の主面1Aに対して傾きを有しながら載置された場合でも、固定部13の底面の角部を面取りすることにより、固定部13の底面の1部分に集中する応力を緩和させることができる。その結果、加速度センサ20の実装の際に発生しやすい固定部13の欠けなどを防止することができる。
Next, the
このように加速度センサ20を基体1の主面1Aに載置させた後、接着材4を硬化させることにより加速度センサ20と基体1とを接合する。加速度センサ20を基体1に接合した後、金、銅、アルミニウムなどからなる金属細線17により加速度センサ20に設けた素子側電極パッド15と基体1に設けた基板側電極パッド16とを接続する。最後に42アロイなどからなる金属製の蓋10を銀ロウやエポキシ樹脂などの接合剤により基体1の上面(絶縁層1cの上面)に接合することより製品としての加速度センサ装置100が完成する。
After the
本発明は以上の実施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、改良等が可能である。 The present invention is not limited to the above embodiments, and various changes and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.
1 基板
1a〜1d 絶縁層
2 凹部
3 スペーサ部材
4 接着材
5 面取り部
6 第2面取り部
11 重り部
11´ 付属重り部
9 抵抗素子
10 蓋
11 重り部
11´ 付属重り部
12 梁部
13 固定部
15 素子側電極パッド
16 基板側電極パッド
17 金属細線
18 外部端子
19 ビアホール導体
20 加速度センサ
22 スペーサ部材
23 ICチップ
100 加速度センサ装置
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記加速度センサが収容される、主面をもつ凹部を有する基体と、
前記加速度センサと前記基体とを接合する接着材と、を備え、
前記固定部は、底面の外周辺の少なくとも一部に面取り部を有し、
前記接着材は、前記面取り部と前記主面との間に介在する加速度センサ装置。 A fixed portion; a weight portion that is displaceable with respect to the fixed portion; and a beam portion having one end connected to the fixed portion and the other end connected to the weight portion, and being bent in accordance with the displacement of the weight portion. Acceleration sensor,
A base body having a recess having a main surface in which the acceleration sensor is housed;
An adhesive that joins the acceleration sensor and the substrate;
The fixing portion has a chamfered portion at least at a part of the outer periphery of the bottom surface,
The said adhesive material is an acceleration sensor apparatus interposed between the said chamfering part and the said main surface.
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JP2009129330A Pending JP2010276478A (en) | 2009-05-28 | 2009-05-28 | Acceleration sensor device |
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JP (1) | JP2010276478A (en) |
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2009
- 2009-05-28 JP JP2009129330A patent/JP2010276478A/en active Pending
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