JP2011009323A - 紫外線センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、所望の波長領域においてUV感度が高い特性を有する紫外線センサを提供する。
【解決手段】本発明に係る紫外線センサ1は、酸化物半導体で構成された基板2と、基板2内に形成された内部電極6と、基板2の一面の所定領域3aに、所定の形状に形成された外部電極3とを備え、外部電極3は、基板2と外部電極3との境界線の長さが、所定領域3aの外周の長さよりも長くなるような形状に形成してある。さらに、基板2は、ZnOがNiOに固溶してなる酸化物半導体で構成されている。
【選択図】図1
【解決手段】本発明に係る紫外線センサ1は、酸化物半導体で構成された基板2と、基板2内に形成された内部電極6と、基板2の一面の所定領域3aに、所定の形状に形成された外部電極3とを備え、外部電極3は、基板2と外部電極3との境界線の長さが、所定領域3aの外周の長さよりも長くなるような形状に形成してある。さらに、基板2は、ZnOがNiOに固溶してなる酸化物半導体で構成されている。
【選択図】図1
Description
本発明は、紫外線を検知する紫外線センサに関し、特に、紫外線を受光する部分に酸化物半導体を用いた紫外線センサに関する。
従来の紫外線を検知する紫外線センサには、紫外線を受光する部分に紫外線光電管が用いられていた。しかし、紫外線光電管は、非常に高い駆動電圧が必要であり、紫外線センサ自体が大型化する問題があった。近年、当該問題点を解消するために、紫外線を受光する部分に酸化物半導体を用いた紫外線センサが開発されている。
例えば、特許文献1及び特許文献2に、紫外線を受光する部分に酸化物半導体を用いた紫外線センサが開示されている。特許文献1には、ZnOを含む酸化物半導体で構成されたZnO層と、ZnOがNiOに固溶してなる酸化物半導体で構成された(Ni,Zn)O層と、ZnO層に電気的に接続される第1の端子電極と、(Ni,Zn)O層に電気的に接続される第2の端子電極とを備えた紫外線センサが開示されている。なお、特許文献1に開示されている紫外線センサは、ZnO層と(Ni,Zn)O層との接合部に紫外線が当たった場合、光電効果により接合部に光電子が生じることで第1の端子電極と第2の端子電極との間の抵抗値が低下する。したがって、第1の端子電極と第2の端子電極との間の変化した電圧(電流)の値を測定することにより紫外線を検知することができる。
特許文献2では、ZnO層と(Ni,Zn)O層との積層体の端部に第1の端子電極及び第2の端子電極が設けられ、(Ni,Zn)O層内に、第1の端子電極に電気的に接続される第1の電流経路付与電極及び第2の端子電極に電気的に接続される第2の電流経路付与電極が所定の間隔を隔てて設けられ、ZnO層の外表面に第3電流経路付与電極が設けられた紫外線センサが開示されている。特許文献2に開示されている紫外線センサでは、ZnO層、(Ni,Zn)O層、ZnO層が、多結晶体であるセラミックで構成されているので、検知できる紫外線の波長領域が広くなる。
特許文献1及び特許文献2に開示されている紫外線センサでは、紫外線を検知するためにZnO層と(Ni,Zn)O層との接合部に紫外線を当てる必要がある。そのため、ZnO層は、紫外線を透過する性質を有している必要がある。
しかし、ZnO層が紫外線を透過する性質を有していても、ZnO層を透過する際に紫外線がZnO層に吸収され減衰することにより、紫外線を100%透過することはできない。そのため、特許文献1及び特許文献2に開示されている紫外線センサは、ZnO層での紫外線の減衰分だけ、UV感度が低くなる。特に、ZnO層の代わりに紫外線を遮蔽する材料を用いた紫外線センサでは、UV感度がさらに低くなるという問題があった。
また、特許文献1に開示されている紫外線センサでは、紫外線を検知可能な波長領域が198nm〜365nmと広い。特許文献2に開示されている紫外線センサでも、紫外線を検知可能な波長領域が200nm〜400nmと広い。
紫外線は、中波長紫外線UVB(290nm〜320nm)、長波長紫外線UVA(320nm〜400nm)等に分類されるが、特許文献1及び特許文献2に開示されている紫外線センサでは、検知することが可能な波長領域が中波長紫外線UVB及び長波長紫外線UVAを含む広い領域となるので、中波長紫外線UVB又は長波長紫外線UVAのいずれかのみを選択して検知することができないという問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、所望の波長領域においてUV感度が高い特性を有する紫外線センサを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために第1発明に係る紫外線センサは、酸化物半導体で構成された基板と、該基板内に形成された内部電極と、前記基板の一面の所定領域に、所定の形状に形成された外部電極とを備え、前記外部電極は、前記基板と前記外部電極との境界線の長さが、前記所定領域の外周の長さよりも長くなるような形状に形成してある。
また、第2発明に係る紫外線センサは、第1発明において、前記酸化物半導体は、ZnOがNiOに固溶してなる。
また、第3発明に係る紫外線センサは、第1又は第2発明において、前記外部電極は、ストライプ形状、メッシュ形状、ミアンダ形状のいずれかの形状に形成してある。
また、第4発明に係る紫外線センサは、第1乃至第3発明のいずれか一つにおいて、前記外部電極は、紫外線を遮蔽する材料で形成してある。
また、第5発明に係る紫外線センサは、第4発明において、前記外部電極は、前記基板の前記一面に入射する紫外線を、前記基板と前記外部電極との略境界で強めあう回折格子として機能する形状に形成してある。
また、第6発明に係る紫外線センサは、第5発明において、前記外部電極は、複数の線材で形成してあり、隣接して形成してある前記線材間の距離をd、前記基板からの前記線材の厚みをL、回折次数をnとした場合、(式1)を満たす波長の光を、前記基板と前記外部電極との略境界で強めあう回折格子として機能する形状に形成してある。
第1発明では、基板と外部電極との境界線の長さが所定領域の外周の長さよりも長くなるような形状に外部電極を形成することにより、所定領域の全面に紫外線を遮蔽する材料を設けた外部電極を用いた紫外線センサに比べて、基板と外部電極との境界に紫外線が入射したときに光電効果により生じる光電子が増加し、所望の波長領域においてUV感度が高い特性を有することができる。
第2発明では、基板は、ZnOがNiOに固溶してなる酸化物半導体で構成することにより、酸化物半導体を焼成して形成する際に、ZnOがNiOに固溶されるので、揮発成分であるZnが揮発するのを防止して、UV感度が安定した特性を有する紫外線センサを得ることができる。
第3発明では、外部電極は、ストライプ形状、メッシュ形状、ミアンダ形状のいずれかの形状に形成することにより、基板と外部電極との境界線の長さが所定領域の外周の長さよりも長くなるので、所望の波長領域においてUV感度が高い特性を有することができる。
第4発明では、外部電極は、紫外線を遮蔽する材料として、AgペーストやCuペースト等を用いて形成することができるので、ZnOで形成する場合に比べて製造コストを安くすることができる。
第5発明では、外部電極は、基板の一面に入射する紫外線を、基板と外部電極との略境界で強めあう回折格子として機能する形状に形成することにより、特定の波長を有する紫外線を高いUV感度で検知することができる。
第6発明では、外部電極は、複数の線材で形成してあり、隣接して形成してある前記線材間の距離をd、基板からの線材の厚みをL、回折次数をnとした場合、(式1)を満たす波長の光を、基板と外部電極との略境界で強めあう回折格子として機能する形状に形成することにより、特定の波長を有する紫外線を高いUV感度で検知することができる。
本発明に係る紫外線センサは、基板と外部電極との境界線の長さが所定領域の外周の長さよりも長くなるような形状に外部電極を形成することにより、所定領域の全面に紫外線を遮蔽する材料を設けた外部電極を用いた紫外線センサに比べて、基板と外部電極との境界に紫外線が入射したときに光電効果により生じる光電子が増加し、所望の波長領域においてUV感度が高い特性を有することができる。
以下、本発明の実施の形態における紫外線センサについて、図面を用いて具体的に説明する。以下の実施の形態は、特許請求の範囲に記載された発明を限定するものではなく、実施の形態の中で説明されている特徴的事項の組み合わせの全てが解決手段の必須事項であるとは限らないことは言うまでもない。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る紫外線センサの構成を示す概略図である。図1(a)は、本発明の実施の形態1に係る紫外線センサの平面図である。図1(b)は、図1(a)に示す紫外線センサのA−A断面図である。図1(a)に示すように、紫外線センサ1は、直方体の酸化物半導体で構成された基板2と、基板2の一面に、基板2の長手方向に対して平行に複数の線材31が形成されたストライプ形状の外部電極3と、基板2の長手方向の両端面にそれぞれ形成された端子電極4、5とを備えている。また、図1(b)に示すように、紫外線センサ1は、基板2内に、外部電極3と平行に形成された内部電極6を備えている。
図1は、本発明の実施の形態1に係る紫外線センサの構成を示す概略図である。図1(a)は、本発明の実施の形態1に係る紫外線センサの平面図である。図1(b)は、図1(a)に示す紫外線センサのA−A断面図である。図1(a)に示すように、紫外線センサ1は、直方体の酸化物半導体で構成された基板2と、基板2の一面に、基板2の長手方向に対して平行に複数の線材31が形成されたストライプ形状の外部電極3と、基板2の長手方向の両端面にそれぞれ形成された端子電極4、5とを備えている。また、図1(b)に示すように、紫外線センサ1は、基板2内に、外部電極3と平行に形成された内部電極6を備えている。
基板2を構成する酸化物半導体は、20〜40モル%のZnOがNiOに固溶してなる(Ni,Zn)Oの酸化物半導体である。ただし、基板2を構成する酸化物半導体は、(Ni,Zn)Oに限定されるものではなく、NiO、ZnO、TiO2 等でも良い。なお、紫外線センサ1は、基板2を構成する酸化物半導体のバンドギャップ値によって検知することができる紫外線の波長領域が異なる。例えば、基板2を構成する酸化物半導体がNiOである紫外線センサ1は、波長が280nm以下の紫外線を検知することができ、酸化物半導体がZnOである紫外線センサ1は、波長が380nm以下の紫外線を検知することができる。また、基板2を構成する酸化物半導体が(Ni,Zn)Oである紫外線センサ1は、波長が400nm以下の紫外線を検知することができる。
ここで、基板2を形成する方法について、以下に説明する。図2は、本発明の実施の形態1に係る紫外線センサ1の基板2を形成する方法を説明するための概略図である。まず、(Ni,Zn)Oの酸化物半導体からなるグリーンシート21を形成する。グリーンシート21の形成処理は、NiOとZnOとの割合が65モル%と35モル%となるように、原料のNiO及びZnOの無機粉末を秤量し、秤量した無機粉末に純水を加え、PSZ(安定化ジルコニア)ビーズをメディア(粉砕用ボール(球石))として、ボールミルにて平均粒径0.5μm以下となるように混合粉砕する。さらに、混合粉砕によりスラリーとなった無機粉末を、脱水乾燥し、50μm程度の粒径の粉末に造粒した後、1200℃の温度で2時間仮焼する。仮焼した無機粉末に、純水を加え、PSZビーズをメディアとしてボールミルにて平均粒径0.5μmになるまで混合粉砕する。混合粉砕した無機粉末は、脱水乾燥した後、有機溶剤及び分散剤を加えて混合し、さらにバインダ及び可塑剤を加えスラリーとし、ドクターブレード法を用いて、厚み10μmのシートに成形する。成形したシートを板状にカットし、複数枚のグリーンシート21として形成する。
次に、形成した複数枚のグリーンシート21のいずれか1枚に、Pdペーストをスクリーン印刷し、60℃の温度で1時間乾燥して内部電極6を形成する。図2に示すように、内部電極6を形成したグリーンシート21は、内部電極6を形成した面側に他のグリーンシート21を1枚積層し、反対の面側に他のグリーンシート21を複数枚積層する。なお、積層したグリーンシート21の厚みが0.5mmとなるように、積層するグリーンシート21の枚数を調整する。
次に、積層したグリーンシート21を、金型に入れて20MPaの圧力で圧着した後、所定の形状に合わせてカットする。カットしたグリーンシート21は、300℃の温度でゆっくりと、十分に脱脂した後、1200℃の温度で1時間焼成し、基板2として形成する。
図1(a)に戻って、外部電極3は、紫外線を遮蔽する材料としてAgを用いて、基板2の一面の所定領域3aに、基板2の長手方向に対して平行に線幅3bの線材31を複数(図1(a)では4本)設けたストライプ形状に形成されている。例えば、基板2の一面の広さは4.5mm×3.2mm、所定領域3aは3.1mm×1.7mmとする。なお、外部電極3が形成される基板2の一面が、紫外線を受光する部分である。
ここで、フォトリソグラフィ法を用いて外部電極3を形成する方法について、以下に説明する。図3は、本発明の実施の形態1に係る紫外線センサ1の外部電極3を形成する方法を説明するための概略図である。まず、図3に示すように、基板2の一面の全面に、感光性Agペースト34を塗布する。塗布した感光性Agペースト34をパターニングマスク32を用いてUV光33で露光することで、塗布された感光性Agペースト34がストライプ形状に感光される。感光された感光性Agペースト34以外をエッチングして、残った感光性Agペースト34を800℃の温度で焼成することで基板2の所定領域3aに線材31を形成し、ストライプ形状の外部電極3を形成する。なお、外部電極3は、厚みが10μm、線材31の線幅3bが50〜500μm(隣接して形成してある線材31間の距離である線間は50μm)のストライプ形状に形成してある。
図1に戻って、端子電極4は、外部電極3と電気的に接続し、端子電極5は内部電極6と電気的に接続する。そのため、端子電極4は、基板2の一面に形成した外部電極3の一部と重なるように、基板2の長手方向の端面にAgペーストを塗布して、800℃の温度で10分間焼成して形成されている。端子電極5は、内部電極6の一部が露出した基板2の長手方向の端面にAgペーストを塗布して、800℃の温度で10分間焼成して形成してある。
次に、本実施の形態1に係る紫外線センサ1の動作について、以下に説明する。図4は、本発明の実施の形態1に係る紫外線センサ1の回路構成を示す模式図である。図4に示すように、紫外線センサ1は、外部電極3がプラス、内部電極6がマイナスとなるように、電源11のプラス側が端子電極4に、電源11のマイナス側が端子電極5にそれぞれ接続している。また、紫外線センサ1は、紫外線センサ1に印加されるバイアス電圧を測定するために電圧計12、紫外線センサ1に流れる光電流を測定するために電流計13がそれぞれ接続してある。
電源11により紫外線センサ1に1Vのバイアス電圧を印加し、暗室において、分光器を装着した紫外線光源から特定波長の光15を、紫外線センサ1の基板2の外部電極3を形成した面に照射する。照射した光15により基板2と外部電極3(線材31)との境界近傍に光電子が生じる。生じた光電子は、外部電極3から端子電極4、そして端子電極5、内部電極6への経路を流れる。紫外線センサ1は、特定波長の光15毎に、当該経路を流れる光電子による電流を電流計13で測定し、所定の演算で変換したUV感度を出力する。
図5は、本発明の実施の形態1に係る紫外線センサ1が、特定波長の光15毎に出力するUV感度を示すグラフである。図5に示すように、紫外線センサ1は、外部電極3に紫外線を透過するZnOを用いた紫外線センサ(以下、ZnOの紫外線センサという)のUV感度の特性と同じように波長が約350nm付近でUV感度のピークが現れ、波長が短くなるに従いUV感度が低下しているUV感度の特性を有している。つまり、紫外線センサ1は、所望の波長領域においてZnOの紫外線センサと同じUV感度の特性を有することができる。なお、紫外線センサ1は、外部電極3の線材31の線幅3bを100μm、特定波長の光15の放射強度を1μW/cm2 〜10mW/cm2 、測定温度を25℃±1℃としている。
図6は、本発明の実施の形態1に係る紫外線センサ1の外部電極3の線材31の線幅3bと、紫外線センサ1のZnOの紫外線センサに対する相対感度との関係を示すグラフである。なお、紫外線センサ1のZnOの紫外線センサに対する相対感度とは、波長が約350nm付近での紫外線センサ1のUV感度のZnOの紫外線センサのUV感度に対する割合を示している。図6に示しているように、線材31の線幅3bが約100μmで相対感度が1となり、ZnOの紫外線センサのUV感度と紫外線センサ1のUV感度とはほぼ同じになる。線材31の線幅3bが約100μmより太いと相対感度が1より小さくなり、ZnOの紫外線センサのUV感度に比べて紫外線センサ1のUV感度が低くなる。線材31の線幅3bが約100μmより細いと相対感度が1より大きくなり、ZnOの紫外線センサのUV感度に比べて紫外線センサ1のUV感度が高くなる。よって、紫外線センサ1は、線材31の線幅3bを約100μmより細くすることで、所望の波長領域においてZnOの紫外線センサと比べてUV感度が高い特性を有することができる。
線材31の線幅3bを細くすることで、基板2と外部電極3(線材31)との境界線の長さが長くなり、照射した光により生じる光電子が増加するので、所望の波長領域においてUV感度が高い特性を有することができる。例えば、3.1mm×1.7mmの所定領域3aに、線材31の線幅3bが100μm(隣接して形成してある線材31間の距離である線間は50μm)のストライプ形状の外部電極3を形成した場合、11本の線材31を設けることができる。そのため、基板2と外部電極3(線材31)との境界線の長さは、11本の線材31の外周(11本×(3.1mm+0.1mm)×2)=70.4mmとなる。つまり、紫外線センサ1は、基板2と外部電極3(線材31)との境界線の長さが略70mmであれば、ZnOの紫外線センサのUV感度の特性と同様の特性を示すので、基板2と外部電極3(線材31)との境界線の長さが略70mmよりも長ければ、所望の波長領域においてZnOの紫外線センサと比べてUV感度が高い特性を有することができる。
なお、所定領域の全面に紫外線を遮蔽する材料を設けた外部電極を用いた紫外線センサ(以下、全面外部電極の紫外線センサという)は、所定領域の外周が基板と外部電極との境界となる。そのため、紫外線センサ1は、所定領域3aの外周よりも基板2と外部電極3(線材31)との境界線の長さが長くなるような形状に外部電極3を形成すれば、全面外部電極の紫外線センサよりもUV感度を高くすることができる。例えば、3.1mm×1.7mmの所定領域3aに、線材31の線幅3bが100μm(線間は50μm)のストライプ形状の外部電極3を形成した場合、基板2と外部電極3(線材31)との境界線の長さは70.4mm、所定領域3aの外周の長さは9.6mmとなり、基板2と外部電極3(線材31)との境界線の長さが所定領域3aの外周の長さよりも長くなっているので、紫外線センサ1は、所望の波長領域において全面外部電極の紫外線センサと比べてUV感度が高い特性を有することができる。
以上のように、本実施の形態1に係る紫外線センサ1は、基板2と外部電極3(線材31)との境界線の長さが、所定領域3aの外周の長さよりも長くなるような形状に外部電極3を形成しているので、全面外部電極の紫外線センサよりもUV感度を高くすることができる。また、紫外線センサ1は、基板2と外部電極3(線材31)との境界線の長さが略70mmより長ければ、ZnOの紫外線センサよりもUV感度を高くすることができる。
なお、外部電極3の形状は、ストライプ形状に限定されるものではなく、基板2と外部電極3(線材31)との境界線の長さが、所定領域3aの外周の長さよりも長くなるような形状であればメッシュ形状でも、ミアンダ形状でも良い。図7は、本発明の実施の形態1に係る紫外線センサ1の外部電極3の形状がメッシュ形状である構成を示す平面図である。図8は、本発明の実施の形態1に係る紫外線センサ1の外部電極3の形状がミアンダ形状である構成を示す平面図である。
また、外部電極3は、感光性Agペーストを用いて、フォトリソグラフィ法で形成される場合に限定されるものではなく、紫外線を遮蔽する材料であれば、Cuペースト等の他のペーストでも良く、外部電極3を形成する方法もめっき法を用いても良い。
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2に係る紫外線センサ1は、図1に示した実施の形態1に係る紫外線センサ1の構成と同じであるため、詳細な説明は省略する。しかし、本実施の形態2に係る紫外線センサ1の外部電極3は、外部電極3が形成される基板2の一面に入射する紫外線を、基板2と外部電極3(線材31)との略境界で強めあう回折格子として機能する形状に形成してある点が、実施の形態1に係る紫外線センサ1と異なる。
本発明の実施の形態2に係る紫外線センサ1は、図1に示した実施の形態1に係る紫外線センサ1の構成と同じであるため、詳細な説明は省略する。しかし、本実施の形態2に係る紫外線センサ1の外部電極3は、外部電極3が形成される基板2の一面に入射する紫外線を、基板2と外部電極3(線材31)との略境界で強めあう回折格子として機能する形状に形成してある点が、実施の形態1に係る紫外線センサ1と異なる。
図9は、図1(a)に示す紫外線センサ1のB−B断面図である。なお、図9は、図1(a)に示す紫外線センサ1を略2倍に拡大した拡大断面図である。図9に示すように、外部電極3は、隣接して形成してある線材31間の距離(線間)をd、基板2からの線材31の厚み(外部電極3の厚み)をLとした場合、(式1)を満たす波長λの光を、基板2と外部電極3(線材31)との略境界で強めあう回折格子として機能する形状に形成してある。なお、(式1)に示すnは、回折次数である。
例えば、線材31をd=10μm、L=190μmとして形成した場合、基板2と外部電極3(線材31)との略境界で強めあう光の波長λが350nmとなる回折格子として機能する形状の外部電極3を形成することになる。なお、回折次数はn=1とする。
図10は、本発明の実施の形態2に係る紫外線センサ1が、特定波長の光15毎に出力するUV感度を示すグラフである。図10に示すように、紫外線センサ1のUV感度の特性は、ZnOの紫外線センサのUV感度の特性と異なり、波長が約350nm付近でUV感度のピークが現れるが、それ以外の波長ではUV感度が低い。なお、紫外線センサ1は、外部電極3の線材31をd=10μm、L=190μm、回折次数をn=1とし、特定波長の光15の放射強度を1μW/cm2 〜10mW/cm2 、測定温度を25℃±1℃としている。
以上のように、本実施の形態2に係る紫外線センサ1の外部電極3は、外部電極3が形成される基板2の一面に入射する紫外線を、基板2と外部電極3(線材31)との略境界で強めあう回折格子として機能する形状に形成してあることにより、特定の波長を有する紫外線(例えば、波長が約350nm付近の紫外線)においてUV感度が高い特性を有することができる。
なお、外部電極3の形状は、ストライプ形状に限定されるものではなく、入射する紫外線を、基板2と外部電極3(線材31)との略境界で強めあう回折格子として機能するような形状であればメッシュ形状でも、ミアンダ形状でも良い。
1 紫外線センサ
2 基板
3 外部電極
4、5 端子電極
6 内部電極
11 電源
12 電圧計
13 電流計
21 グリーンシート
31 線材
32 パターニングマスク
33 UV光
34 Agペースト
2 基板
3 外部電極
4、5 端子電極
6 内部電極
11 電源
12 電圧計
13 電流計
21 グリーンシート
31 線材
32 パターニングマスク
33 UV光
34 Agペースト
Claims (6)
- 酸化物半導体で構成された基板と、
該基板内に形成された内部電極と、
前記基板の一面の所定領域に、所定の形状に形成された外部電極と
を備え、
前記外部電極は、前記基板と前記外部電極との境界線の長さが、前記所定領域の外周の長さよりも長くなるような形状に形成してあることを特徴とする紫外線センサ。 - 前記酸化物半導体は、ZnOがNiOに固溶してなることを特徴とする請求項1に記載の紫外線センサ。
- 前記外部電極は、ストライプ形状、メッシュ形状、ミアンダ形状のいずれかの形状に形成してあることを特徴とする請求項1又は2に記載の紫外線センサ。
- 前記外部電極は、紫外線を遮蔽する材料で形成してあることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の紫外線センサ。
- 前記外部電極は、前記基板の前記一面に入射する紫外線を、前記基板と前記外部電極との略境界で強めあう回折格子として機能する形状に形成してあることを特徴とする請求項4に記載の紫外線センサ。
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ID=43565668
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009149340A Pending JP2011009323A (ja) | 2009-06-24 | 2009-06-24 | 紫外線センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2011009323A (ja) |
-
2009
- 2009-06-24 JP JP2009149340A patent/JP2011009323A/ja active Pending
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