JP2023113339A - 測定装置及び測定システム - Google Patents
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Abstract
【課題】測定しようとする物性が温度依存性を有する場合でも、良好な精度で測定することができる測定装置及び測定システムを提供する。【解決手段】測定装置は、第1面と、前記第1面とは反対側の第2面とを有する基板と、前記基板に設けられた第1電極及び第2電極と、前記第1面に設けられ、前記第1面に接する物質の熱を検知する感熱部と、前記第2面に設けられた温度センサと、前記基板を貫通し、前記感熱部の熱を前記温度センサに伝達する伝熱部材と、を有する。【選択図】図2
Description
本開示は、測定装置及び測定システムに関する。
溶液中の溶質の濃度の測定方法として、溶液中に電極を挿入し、電極間の抵抗等を測定する方法がある。
しかしながら、従来の測定方法では、電極の腐食等により良好な測定精度が得られないことがある。また、測定しようとする物性が温度依存性を有する場合には、溶液の温度を調整しなければ、良好な測定精度を得ること難しい。
本開示は、測定しようとする物性が温度依存性を有する場合でも、良好な精度で測定することができる測定装置及び測定システムを提供することを目的とする。
本開示の一形態によれば、第1面と、前記第1面とは反対側の第2面とを有する基板と、前記基板に設けられた第1電極及び第2電極と、前記第1面に設けられ、前記第1面に接する物質の熱を検知する感熱部と、前記第2面に設けられた温度センサと、前記基板を貫通し、前記感熱部の熱を前記温度センサに伝達する伝熱部材と、を有する測定装置が提供される。
開示の技術によれば、測定しようとする物性が温度依存性を有する場合でも、良好な精度で測定することができる。
以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。また、本開示においては、X1-X2方向、Y1-Y2方向、Z1-Z2方向を相互に直交する方向とする。X1-X2方向及びY1-Y2方向を含む面をXY面と記載し、Y1-Y2方向及びZ1-Z2方向を含む面をYZ面と記載し、Z1-Z2方向及びX1-X2方向を含む面をZX面と記載する。なお、便宜上、Z1-Z2方向を上下方向とし、Z1側を上側、Z2側を下側とする。また、平面視とは、Z1側から対象物を視ることをいい、平面形状とは、対象物をZ1側から視た形状のことをいう。
(第1実施形態)
第1実施形態は測定装置に関する。図1及び図2は、第1実施形態に係る測定装置を示す図である。図1(a)は上面図であり、図1(b)は下面図である。図2は図1中のII-II線に沿った断面図に相当する。
第1実施形態は測定装置に関する。図1及び図2は、第1実施形態に係る測定装置を示す図である。図1(a)は上面図であり、図1(b)は下面図である。図2は図1中のII-II線に沿った断面図に相当する。
図1及び図2に示すように、第1実施形態に係る測定装置1は、基板10と、第1電極21と、第2電極22と、第1銅(Cu)膜31と、第2銅膜32と、伝熱ビア40と、温度センサ50と、複数のスペーサ60を有する。
基板10は、第1面11と、第1面11とは反対側の第2面12とを有する。第1面11はZ1側の面、すなわち上面である。第2面12はZ2側の面、すなわち下面である。基板10は、例えば円形状の平面形状を有する。基板10は、絶縁性の基板である。例えば、基板10の材料はガラスエポキシ等である。基板10の厚さは、例えば600μm~1500μm程度である。
測定装置1は、図2に示すように、第1面11に測定対象物90が載置されて使用される。測定対象物90は、例えば、温度依存性を有する物性を備える。このような物性としては、誘電率及び導電率が挙げられる。測定対象物90は、例えばガラス容器と、このガラス容器に封入された水等の物質とを有する。
第1電極21及び第2電極22は、例えば第1面11に設けられている。第1電極21及び第2電極22は、互いに電気的に絶縁されている。第1電極21及び第2電極22は、例えば略円弧の帯状の平面形状を有する。第1電極21は、一方の端部21Aと、他方の端部21Bとを有し、第2電極22は、一方の端部22Aと、他方の端部22Bとを有する。第1電極21の一方の端部21Aと第2電極の他方の端部22Bとが対向し、第1電極21の他方の端部21Bと第2電極の一方の端部22Aとが対向している。第1電極21及び第2電極22は、互いから離れるように湾曲している。第1電極21及び第2電極22は、例えば銅膜等を有する。第1電極21及び第2電極22の厚さは、例えば12μm~30μm程度である。
第1銅膜31は第1面11に設けられている。第1銅膜31は、第1電極21の一方の端部21Aと第2電極22の他方の端部22Bとの間に設けられている。第1銅膜31は、例えば矩形状の平面形状を有する。第1銅膜31の厚さは、例えば12μm~30μm程度である。第1銅膜31は感熱部の一例である。
第2銅膜32は第2面12に設けられている。第2銅膜32は、例えば矩形状の平面形状を有する。第2銅膜32は、第1面11に垂直な方向からの平面視で第1銅膜31と重なる。第2銅膜32の厚さは、例えば12μm~30μm程度である。
基板10に、複数のビアホール13が形成されている。ビアホール13は、第1面11に垂直な方向からの平面視で第1銅膜31の輪郭及び第2銅膜32の輪郭の内側に形成されている。ビアホール13は、第1面11に垂直な方向(Z1-Z2方向)に延び、第1銅膜31及び第2銅膜32に達する。ビアホール13の直径は、例えば150μm~300μm程度である。
伝熱ビア40は、ビアホール13内に設けられており、第1銅膜31及び第2銅膜32に直接接触する。伝熱ビア40は、第1面11に垂直な方向(Z1-Z2方向)に延びる。伝熱ビア40は、例えばビアホール13の内壁面を覆う第3銅膜41と、第3銅膜41の内側を埋める埋込材42とを有する。第3銅膜41は第1銅膜31及び第2銅膜32に直接接触する。埋込材42は、例えば樹脂製である。第3銅膜41の厚さは、例えば12μm~20μm程度である。第2銅膜32及び伝熱ビア40は伝熱部材の一例である。
温度センサ50は第2面12に設けられている。温度センサ50は、第2銅膜32に接触する。第1面11に垂直な方向からの平面視で、例えば、第1銅膜31と温度センサ50とが重なる。温度センサ50は第2銅膜32の温度を測定する。温度センサ50は、例えば熱電対を含み、第2銅膜32、伝熱ビア40及び第1銅膜31を通じて、第1面11に載置された測定対象物90の温度を測定する。
スペーサ60は第2面12に設けられている。スペーサ60は、3個以上、ここでは4個設けられている。スペーサ60は温度センサ50の周囲に設けられている。スペーサ60の高さは温度センサ50の厚さよりも大きい。
上述のように、測定装置1は、図2に示すように、第1面11に測定対象物90が載置されて使用される。測定対象物90は、第1銅膜31に接触し、かつ第1電極21及び第2電極22を用いて所望の物性を測定できるように第1面11に載置される。
第1実施形態によれば、第1電極21及び第2電極22を用いて測定対象物90の物性及び温度を同時に測定することができる。このため、当該物性が温度依存性を有する場合でも、温度に応じて物性を高精度で測定することができる。
例えば、測定対象物90が、ガラス容器と、このガラス容器に封入された水とを有する場合、水に含まれる炭酸塩(炭酸カルシウム及び炭酸マグネシウム等)の濃度を測定することができる。このとき、炭酸塩の濃度に応じて、第1電極21と第2電極22との間の誘電率が相違する。従って、第1電極21と第2電極22との間の誘電率を測定することで、炭酸塩の濃度を非接触で測定できる。従って、第1電極21及び第2電極22の腐食等による精度の低下を抑制することができる。また、水中の炭酸塩の濃度は温度依存性を有するが、温度センサ50により水の温度を測定できるため、高精度で炭酸塩の濃度を測定することができる。更に、基板10を貫通する伝熱ビア40が第1銅膜31の熱を温度センサ50に伝達するため、低損失で測定対象物90の熱が温度センサ50に伝達される。
次に、第1電極21及び第2電極22が接続される検出回路の一例について説明する。この検出回路は、第1電極21と第2電極22との間の誘電率の検出に用いられる。図3は、検出回路の一例を示す回路図である。
図3に示すように、第1電極21及び第2電極22が接続される検出回路70は、可変容量コンデンサ71と、水晶振動子(Xtal)72と、抵抗素子73と、抵抗素子74と、コンデンサ75と、コンデンサ76と、インバータ77とを有する。検出回路70は、更に、節点N1、N2、N3及びN4を有する。可変容量コンデンサ71は第1電極21及び第2電極22を含み、第1電極21と第2電極22との間の誘電率に応じて可変容量コンデンサ71の容量が変化する。
節点N1と節点N2との間に可変容量コンデンサ71及び水晶振動子72が直列に接続されている。節点N1にコンデンサ75の一端が接続され、コンデンサ75の他端は接地されている。節点N2にコンデンサ76の一端が接続され、コンデンサ76の他端は接地されている。節点N1と節点N3との間に抵抗素子73が接続されている。節点N2と節点N4とが短絡され、節点N3と節点N4との間に抵抗素子74及びインバータ77が並列に接続されている。インバータ77の入力が節点N4に接続され、出力が節点N3に接続されている。
検出回路70では、第1電極21と第2電極22との間の誘電率に応じて可変容量コンデンサ71の容量が変化し、可変容量コンデンサ71の容量に応じて節点N3から出力される交流信号の周波数が変化する。従って、交流信号の周波数を解析することで第1電極21と第2電極22との間の誘電率を特定することができる。上述のように、測定対象物90が、ガラス容器と、このガラス容器に封入された水とを有する場合、第1電極21と第2電極22との間の誘電率から水中の炭酸塩の濃度を特定することができる。節点N3から出力される交流信号は、クロック信号とよばれることがある。
水中の炭酸塩の濃度の測定に好適な測定システムは、図3に示すように、検出回路70と、演算装置51とを有する。
演算装置51は、例えばコンピュータであり、中央処理装置(central processing unit:CPU)52と、メモリ等の記録媒体53と、入力インタフェース(I/F)54と、出力インタフェース(I/F)55とを有する。記録媒体53には、測定システムにおいて実行される各種の処理を制御するプログラムが格納される。演算装置51は、入力インタフェース54を通じて外部からの信号を受信し、出力インタフェース55を通じて外部に信号を送信する。演算装置51は、温度センサ50の出力信号及び検出回路70の出力信号(交流信号)を受信し、CPU52が記録媒体53に記憶されたプログラムを実行する。このようにして、測定システムは、測定対象物90に含まれる水中の炭酸塩の濃度を測定する。
上記プログラムは、例えばコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶され、その記録媒体から演算装置51の記録媒体53にインストールされる。コンピュータによって読み取り可能な記録媒体としては、例えば、ハードディスク(HD)、フレキシブルディスク(FD)、コンパクトディスク(CD)、マグネットオプティカルデスク(MO)、メモリカード等が挙げられる。なお、プログラムは、インターネットを介してサーバからダウンロードされ、演算装置51の記録媒体53にインストールされてもよい。
記録媒体53には、上記のプログラムの他に、予め取得された検量線のデータを用いて作成された参照データも記録されている。図4は、検量線のデータの一例を示す図である。図4中のグラフの横軸は温度を示し、縦軸は差分周波数を示す。図4に示すデータは、硬度が既知の水を用いて取得されたデータである。硬度Xは、炭酸塩の濃度がX[mg/l]であることを示す。ここで、差分周波数は、節点N3から出力される交流信号の周波数の基準周波数からの差であり、基準周波数は、硬度が25で、温度が25℃の水の測定を行った時に節点N3から出力される交流信号の周波数である。従って、差分周波数を測定することは、第1電極21と第2電極22との間の誘電率を測定することに相当する。
図4に示すように、硬度25の水の検量線C11の傾きは-0.1Hz/℃であり、硬度35の水の検量線C12の傾きは-1.0Hz/℃であり、硬度50の水の検量線C13の傾きは-1.4Hz/℃であり、硬度70の水の検量線C14の傾きは-1.7Hz/℃であり、硬度100の水の検量線C15の傾きは-2.0Hz/℃である。
図5は、差分周波数と硬度との関係を示す図である。図5には、温度が25℃の時の差分周波数と硬度との関係が示されている。この関係は、図4において温度が25℃の時の各硬度の差分周波数の値から取得される。
図6は、参照データの一例を示す図である。図6に示す参照データは、図4に示す検量線のデータ及び図5に示す関係を用いて作成されている。参照データは、XYZの直交座標系を用いた3次元データである。X軸は温度を示し、Y軸は差分周波数を示し、Z軸は算出硬度を示す。なお、この直交座標系のXYZは、図1等におけるX1、X2、Y1、Y2、Z1及びZ2とは関連しない。記録媒体53には、図5のような参照データが記録されている。
図6は、次のようにして作成される。例えば、図4中の任意の検量線上の点Aを選択し、点Aの温度TA及び差分周波数FAを読み取る。次に、図5から差分周波数FAに対応する硬度を算出硬度HAとして読み取る。そして、座標が(TA,FA,HA)となる点を図6中にプロットする。この演算を図4中の各検量線上の各点について行うことにより、図6の参照データが作成される。算出硬度とは、このような演算により算出された硬度である。また、図6中の5本の取得検量線C21、C22、C23、C24及びC25は、それぞれ図4中の検量線C11、C12、C13、C14及びC15からの演算により取得されている。
次に、記録媒体53に記憶されたプログラムの一例について説明する。図7は、記録媒体53に記憶されたプログラムの一例を示すフローチャートである。図8~図12は、記録媒体53に記憶されたプログラムと参照データとの関係を示す図である。
まず、CPU52は、入力インタフェース54を通じて、測定対象物90の温度T0と、検出回路70から出力される交流信号の差分周波数F0とを取得する(ステップS1)。図8に、温度T0及び差分周波数F0に対応する点P0(T0,F0,0)を示す。
次に、CPU52は、参照データ中の複数の取得検量線のうちから、点P0(T0,F0,0)を通りZ軸に平行な直線L0との距離が最も小さい2本の取得検量線L1及びL2を抽出する(ステップS2)。図9に、直線L0と、2本の取得検量線L1及びL2とを示す。ここでは、取得検量線C24が一方の取得検量線L1であり、取得検量線C23が他方の取得検量線L2である。
次に、CPU52は、取得検量線L1に温度T0を入力して、温度T0に対応する差分周波数F1及び算出濃度H1を取得するとともに、取得検量線L2に温度T0を入力して、温度T0に対応する差分周波数F2及び算出濃度H2を取得する(ステップS3)。この結果、図10に示すように、2点の座標が得られる。すなわち、取得検量線L1上の点P1の座標(T0,F1,H1)と、取得検量線L2上の点P2の座標(T0,F2,H2)とが取得される。
次に、CPU52は、点P1と点P2とを通る直線L3の式を算出する(ステップS4)。図11に、直線L3を示す。直線L3の式は、次のように表される。
次に、CPU52は、直線L0と直線L3との交点P3の座標(T0,F0,H3)を算出する(ステップS5)。具体的には、CPU52は、直線L3のYに、ステップS1で取得した差分周波数F0を代入することで、図12に示すように、点P3のZ座標(H3)を算出する。
次に、CPU52は、点P3のZ座標(H3)の値を水中の炭酸塩の濃度として、出力インタフェース55を通じて出力する(ステップS6)。
記録媒体53に記憶されたプログラムは、演算装置51にこのような動作を行わせる。
測定装置1と、検出回路70と、演算装置51とを備えた測定システムによれば、記録媒体53に記憶されたプログラムに基づく処理により、温度依存性を有する水中の炭酸塩の濃度を高精度で測定することができる。
図13は、炭酸塩の濃度の測定結果の例を示す図である。図13(a)は、温度が25℃のときの濃度と差分周波数との関係を示す検量線を用いて測定した場合の結果を示す。図13(b)は、上記の検出システムを用いて測定した場合の結果を示す。図13(a)及び(b)中の試料No.1は、硬度が19であるとして市販されている水であり、試料No.2は、硬度が30であるとして市販されている水であり、試料No.3は、硬度が40であるとして市販されている水であり、試料No.4は、硬度が59であるとして市販されている水である。
図13に示すように、上記の検出システムを用いた測定によれば、ばらつきを抑制し、優れた測定精度を得ることができた。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態は測定装置に関する。図14及び図15は、第2実施形態に係る測定装置を示す図である。図14(a)は上面図であり、図14(b)は下面図である。図15は図14中のXV-XV線に沿った断面図に相当する。
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態は測定装置に関する。図14及び図15は、第2実施形態に係る測定装置を示す図である。図14(a)は上面図であり、図14(b)は下面図である。図15は図14中のXV-XV線に沿った断面図に相当する。
図14及び図15に示すように、第2実施形態に係る測定装置2は、測定装置1と同様に、基板10と、第1電極21と、第2電極22と、第1銅膜31と、第2銅膜32と、伝熱ビア40と、温度センサ50と、複数のスペーサ60とを有する。測定装置2は、更に、第3電極23と、第4電極24と、第1バッファ回路81と、第2バッファ回路82とを有する。
第3電極23及び第4電極24は、例えば第2面12に設けられている。第3電極23及び第4電極24は、互いに電気的に絶縁されている。第3電極23及び第4電極24は、例えば略円弧の帯状の平面形状を有する。第3電極23及び第4電極24は、互いから離れるように湾曲している。第1面11に垂直な方向からの平面視で第3電極23が第1電極21と重なり、第4電極24が第2電極22と重なる。第3電極23及び第4電極24は、例えば銅膜等を有する。第3電極23及び第4電極24の厚さは、例えば12μm~30μm程度である。
第1バッファ回路81は、第1電極21と第3電極23との間に接続されている。第1バッファ回路81の入力が第1電極21に接続され、出力が第3電極23に接続されている。第2バッファ回路82は、第2電極22と第4電極24との間に接続されている。第2バッファ回路82の入力が第2電極22に接続され、出力が第4電極24に接続されている。
他の構成は第1実施形態と同様である。
第2実施形態によっても第1実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第2実施形態によれば、第3電極23が第1電極21に対するシールド電極として機能し、第4電極24が第2電極22に対するシールド電極として機能する。このため、第1電極21及び第2電極22への、基板10の第2面12側からの電界の影響を抑制することできる。従って、第1電極21及び第2電極22への電界のノイズを抑制し、より優れた精度での測定を行うことが可能となる。
第2実施形態に係る測定装置2も、測定装置1と同様に測定システムに用いることができる。
(参考例)
次に、参考例について説明する。参考例は測定装置に関する。図16及び図17は、参考例に係る測定装置を示す図である。図16(a)は上面図であり、図16(b)は下面図である。図17は図16中のXVII-XVII線に沿った断面図に相当する。
次に、参考例について説明する。参考例は測定装置に関する。図16及び図17は、参考例に係る測定装置を示す図である。図16(a)は上面図であり、図16(b)は下面図である。図17は図16中のXVII-XVII線に沿った断面図に相当する。
図16及び図17に示すように、参考例に係る測定装置3は、測定装置2と同様に、基板10と、第1電極21と、第2電極22と、第3電極23と、第4電極24と、第1バッファ回路81と、第2バッファ回路82とを有する。ただし、測定装置3は、第1銅膜31と、第2銅膜32と、伝熱ビア40と、温度センサ50と、複数のスペーサ60とを有しない。
他の構成は第2実施形態と同様である。
参考例に係る測定装置3においても、第2実施形態と同様に、第3電極23が第1電極21に対するシールド電極として機能し、第4電極24が第2電極22に対するシールド電極として機能する。このため、第1電極21及び第2電極22への、基板10の第2面12側からの電界の影響を抑制することできる。従って、第1電極21及び第2電極22への電界のノイズを抑制し、優れた精度での測定を行うことが可能となる。
参考例に係る測定装置3も、測定装置1及び2と同様に測定システムに用いることができる。
なお、第1実施形態及び第2実施形態において、ビアホール13及び伝熱ビア40が複数設けられている必要はなく、基板10に1個のビアホール13が形成され、このビアホール13内に1個の伝熱ビア40が設けられていてもよい。
また、測定しようとする物性は誘電率に限定されず、例えば電気抵抗であってもよい。また、水以外の液体中の物質の濃度を測定してもよい。
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
1、2、3 測定装置
10 基板
11 第1面
12 第2面
21 第1電極
22 第2電極
23 第3電極
24 第4電極
31 第1銅膜
32 第2銅膜
40 伝熱ビア
41 第3銅膜
50 温度センサ
51 演算装置
81 第1バッファ回路
82 第2バッファ回路
10 基板
11 第1面
12 第2面
21 第1電極
22 第2電極
23 第3電極
24 第4電極
31 第1銅膜
32 第2銅膜
40 伝熱ビア
41 第3銅膜
50 温度センサ
51 演算装置
81 第1バッファ回路
82 第2バッファ回路
Claims (9)
- 第1面と、前記第1面とは反対側の第2面とを有する基板と、
前記基板に設けられた第1電極及び第2電極と、
前記第1面に設けられ、前記第1面に接する物質の熱を検知する感熱部と、
前記第2面に設けられた温度センサと、
前記基板を貫通し、前記感熱部の熱を前記温度センサに伝達する伝熱部材と、
を有することを特徴とする測定装置。 - 前記第1電極及び前記第2電極は、前記第1電極と前記第2電極との間の誘電率の検出に用いられることを特徴とする請求項1に記載の測定装置。
- 前記感熱部は、第1銅膜を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の測定装置。
- 前記第1面に垂直な方向からの平面視で、前記感熱部と前記温度センサとが重なり、
前記伝熱部材は、前記第1面に垂直な方向に延びる伝熱ビアを有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の測定装置。 - 前記伝熱部材は、前記第2面に設けられ、前記伝熱ビアが接する第2銅膜を有し、
前記温度センサは、前記第2銅膜に接することを特徴とする請求項4に記載の測定装置。 - 前記伝熱部材は、前記感熱部に接する第3銅膜を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の測定装置。
- 前記第2面に設けられた第3電極及び第4電極と、
前記第1電極と前記第3電極との間に電気的に接続された第1バッファ回路と、
前記第2電極と前記第4電極との間に電気的に接続された第2バッファ回路と、
を有し、
前記第1面に垂直な方向からの平面視で、
前記第1電極と前記第3電極とが重なり、
前記第2電極と前記第4電極とが重なることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の測定装置。 - 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の測定装置と、
前記第1電極と前記第2電極との間の誘電率を検出する検出回路と、
前記温度センサの出力信号及び前記検出回路の出力信号から前記第1面に載置された測定対象物の物性を演算する演算装置と、
を有することを確認する測定システム。 - 前記測定対象物は、
容器と、
前記容器に封入された水と、
を有することを特徴とする請求項8に記載の測定システム。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022015632A JP2023113339A (ja) | 2022-02-03 | 2022-02-03 | 測定装置及び測定システム |
US18/154,366 US20230243772A1 (en) | 2022-02-03 | 2023-01-13 | Measuring device and measuring system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2022015632A JP2023113339A (ja) | 2022-02-03 | 2022-02-03 | 測定装置及び測定システム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2023113339A true JP2023113339A (ja) | 2023-08-16 |
Family
ID=87431842
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022015632A Pending JP2023113339A (ja) | 2022-02-03 | 2022-02-03 | 測定装置及び測定システム |
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Country | Link |
---|---|
US (1) | US20230243772A1 (ja) |
JP (1) | JP2023113339A (ja) |
-
2022
- 2022-02-03 JP JP2022015632A patent/JP2023113339A/ja active Pending
-
2023
- 2023-01-13 US US18/154,366 patent/US20230243772A1/en active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20230243772A1 (en) | 2023-08-03 |
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