JP3304451B2 - 積層圧電素子及びこれを用いたインクジェットヘッド - Google Patents
積層圧電素子及びこれを用いたインクジェットヘッドInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電気信号によって発生
する微細な変位と、その高速振動を応用した精密機器用
の積層圧電素子に関する。
する微細な変位と、その高速振動を応用した精密機器用
の積層圧電素子に関する。
【０００２】また、前記積層圧電素子が発生する圧力に
よってインク滴を飛翔させ、記録紙等の記録媒体上にイ
ンク像を形成するプリンタ等の画像記録装置に関し、さ
らに詳細には、インクジェットヘッドに関する。
よってインク滴を飛翔させ、記録紙等の記録媒体上にイ
ンク像を形成するプリンタ等の画像記録装置に関し、さ
らに詳細には、インクジェットヘッドに関する。
【０００３】
【従来の技術】圧電材料と導電（弾性）材料を接合し、
電気信号によって発生する微細な変位、高速振動を応用
した工業製品は多く、クオーツ時計（水晶発振子）、超
音波モータ、インクジェットヘッド等は、その応用例と
して知られている。
電気信号によって発生する微細な変位、高速振動を応用
した工業製品は多く、クオーツ時計（水晶発振子）、超
音波モータ、インクジェットヘッド等は、その応用例と
して知られている。
【０００４】また、図７に示すように、積層圧電素子を
インクジェットヘッドに応用した公知技術は、特開平１
−１１５６３８号公報に開示されている。これは、積層
圧電素子１０を有し、前記積層振動子の振動面をノズル
１開口部に対向して配置したことを特徴とするドロップ
オンデマンド型インクジェットヘッドである。
インクジェットヘッドに応用した公知技術は、特開平１
−１１５６３８号公報に開示されている。これは、積層
圧電素子１０を有し、前記積層振動子の振動面をノズル
１開口部に対向して配置したことを特徴とするドロップ
オンデマンド型インクジェットヘッドである。
【０００５】さらに、図８に示すように、圧電体から成
る底板に溝２３を形成し、該溝２３で区分された凸部の
厚み方向の変位を得る手段を有し、前記溝２３によって
隣接する圧電素子の凸部の変形を防止し、クロストーク
をなくす構造が公知技術として特開平３−２８８６４７
号公報に開示されている
る底板に溝２３を形成し、該溝２３で区分された凸部の
厚み方向の変位を得る手段を有し、前記溝２３によって
隣接する圧電素子の凸部の変形を防止し、クロストーク
をなくす構造が公知技術として特開平３−２８８６４７
号公報に開示されている
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】特開平３−２８８６４
７号公報に開示されているように、ダイシング加工等に
よって溝２３を形成する場合は、内部電極１４と圧電材
料１３との境界部分で剥離現象が頻繁に発生し、完成品
の部留まりが悪くなる。また、溝２３を形成する加工に
は極めて高い精度が要求されるので、加工時間が非常に
長くなると共に、完成率が低いことも重要な課題であ
る。こうした原因で完成品コストを安くすることは非常
に困難である。さらに、こうした問題は、ノズルの数が
増すほど顕著になる傾向にあるので、高品位な記録画像
を高速に得ようとする要求に対して非常に大きな課題で
ある。
７号公報に開示されているように、ダイシング加工等に
よって溝２３を形成する場合は、内部電極１４と圧電材
料１３との境界部分で剥離現象が頻繁に発生し、完成品
の部留まりが悪くなる。また、溝２３を形成する加工に
は極めて高い精度が要求されるので、加工時間が非常に
長くなると共に、完成率が低いことも重要な課題であ
る。こうした原因で完成品コストを安くすることは非常
に困難である。さらに、こうした問題は、ノズルの数が
増すほど顕著になる傾向にあるので、高品位な記録画像
を高速に得ようとする要求に対して非常に大きな課題で
ある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は共通電極と圧電
材料と所定の間隔で複数並列に配置されたセグメント電
極とを交互に積層して成る積層圧電素子において、セグ
メント電極の幅である活性部の幅をWs、セグメント電極
の配列間隔である少なくとも圧電材料からなる不活性部
の幅をDpとする時、Dp≧Wsであることを特徴とする。
材料と所定の間隔で複数並列に配置されたセグメント電
極とを交互に積層して成る積層圧電素子において、セグ
メント電極の幅である活性部の幅をWs、セグメント電極
の配列間隔である少なくとも圧電材料からなる不活性部
の幅をDpとする時、Dp≧Wsであることを特徴とする。
【０００８】
【０００９】また、積層圧電素子が、該積層圧電素子の
ヤング率と比重に対して同等以上のヤング率と比重を有
する部材にて保持されることを特徴とする。
ヤング率と比重に対して同等以上のヤング率と比重を有
する部材にて保持されることを特徴とする。
【００１０】さらに、前記積層圧電素子を駆動する電圧
波形の立ち上がりを時間Ｔ１、立ち下がり時間Ｔ２と
し、前記積層圧電素子の固有振動周期をＴａとすると
き、 Ｔ１≧ＴａまたはＴ２≧Ｔａ なる関係を有することを特徴とする。
波形の立ち上がりを時間Ｔ１、立ち下がり時間Ｔ２と
し、前記積層圧電素子の固有振動周期をＴａとすると
き、 Ｔ１≧ＴａまたはＴ２≧Ｔａ なる関係を有することを特徴とする。
【００１１】本発明のインクジェットヘッドはインクを
吐出するノズルと、これに連通する圧力室と、前記圧力
室に圧力を発生させる圧力発生素子と、前記圧力発生素
子に電圧を印加する電圧印加手段とを有するインクジェ
ットヘッドに於て、請求項１から請求項４各々に記載の
積層圧電素子を前記圧力発生素子として用いる事を特徴
とする。
吐出するノズルと、これに連通する圧力室と、前記圧力
室に圧力を発生させる圧力発生素子と、前記圧力発生素
子に電圧を印加する電圧印加手段とを有するインクジェ
ットヘッドに於て、請求項１から請求項４各々に記載の
積層圧電素子を前記圧力発生素子として用いる事を特徴
とする。
【００１２】また、積層圧電素子の活性部が前記インク
ジェットヘッドの圧力室に対向して設けられていること
を特徴とする。
ジェットヘッドの圧力室に対向して設けられていること
を特徴とする。
【００１３】
【００１４】
【作用】選択的な部分変位を要求する積層圧電素子にお
いて、従来の切断（溝）加工等を施さなくても、電極を
電圧印加手段に接続するだけで要求特性を実現すること
ができる。
いて、従来の切断（溝）加工等を施さなくても、電極を
電圧印加手段に接続するだけで要求特性を実現すること
ができる。
【００１５】また、こうした積層振動子を複数のノズル
を有するインクジェットヘッド等に応用することによっ
て、低価格、高印字品質、且つ生産性に優れたインクジ
ェットヘッドを提供することができる。
を有するインクジェットヘッド等に応用することによっ
て、低価格、高印字品質、且つ生産性に優れたインクジ
ェットヘッドを提供することができる。
【００１６】
【実施例】以下に第１の実施例の詳細を図面を参照して
説明する。
説明する。
【００１７】図１は、第１の実施例を示す積層圧電素子
１０の構造説明斜視図である。
１０の構造説明斜視図である。
【００１８】図２は、第１の実施例を説明する積層圧電
素子１０の部分断面図である（図１に示したＡ−Ａ断面
図である）。
素子１０の部分断面図である（図１に示したＡ−Ａ断面
図である）。
【００１９】図３は、第１の実施例を説明するセグメン
ト電極の配置間隔Dpとクロストーク変位δiの関係図で
ある。
ト電極の配置間隔Dpとクロストーク変位δiの関係図で
ある。
【００２０】図１及び図２に示すように、積層圧電素子
１０は、電極材料からなるセグメント電極１５と、共通
電極１６が圧電材料層１３をはさんで積層成型されるも
のである。セグメント電極１５と、共通電極１６を形成
する電極材料には銀パラジウムが用いられ、１層当たり
の積層方向の厚さは、３〜５μｍ程度に構成される。ま
た、圧電材料層１３には、チタン酸ジルコン酸鉛のパウ
ダーが燒結成型され、１層当たりの積層方向の厚さは、
２０〜５０μｍ程度に構成される。
１０は、電極材料からなるセグメント電極１５と、共通
電極１６が圧電材料層１３をはさんで積層成型されるも
のである。セグメント電極１５と、共通電極１６を形成
する電極材料には銀パラジウムが用いられ、１層当たり
の積層方向の厚さは、３〜５μｍ程度に構成される。ま
た、圧電材料層１３には、チタン酸ジルコン酸鉛のパウ
ダーが燒結成型され、１層当たりの積層方向の厚さは、
２０〜５０μｍ程度に構成される。
【００２１】本実施例の第１の特徴はセグメント電極１
５が、図１及び図２に示すようにそれぞれ独立して構成
されることである。こうした構成によって、電圧が印加
されたときＤに示すような変形挙動を示し、図２に示す
変位δを発生する活性部１１と、変位δを生じない不活
性部１２を、それぞれ任意の位置に設定することができ
る。また、第２の特徴は、図２に示すセグメント電極の
幅Wsと、これらの配列間隔Dpが、Dp≧Wsの関係を有する
ことである。図２に示す活性部１１ａと、１１ｃに電圧
が印加され、それぞれ選択的な変位δを発生するとき、
これらに挾持される活性部１１ｂでは相互干渉による変
位（クロストーク変位δi）を発生する。このクロスト
ーク変位δiは、図３に示すように、セグメント電極の
配列間隔Dpに相関があり、セグメント電極の配列間隔Dp
が、セグメント電極の幅Wsと同等以上であれば、クロス
トーク変位δiは全く発生しなくなることが確認されて
いる。さらに、第３の特徴によれば、図１に示すよう
に、セグメント電極１５と共通電極１６が積層圧電素子
１０の表面に露出して構成されるので、電圧印加手段と
の結線が容易である。また、第４の特徴によれば、図２
に示すように積層圧電素子１０の一壁面が、積層圧電素
子１０のヤング率と比重に対して同等以上のヤング率と
比重を有するベース部材８にて保持される。ベース部材
８は、剛体に近いことが理想的であり、具体的には音響
インピーダンス（ヤング率×比重）が大きいことが望ま
しい。少なくとも積層圧電素子１０の、ヤング率と比重
に対して同等以上のヤング率と比重を有するベース部材
８を用いることによって、十分な変位δと、十分小さな
固有振動周期Ｔａを実現することができる。
５が、図１及び図２に示すようにそれぞれ独立して構成
されることである。こうした構成によって、電圧が印加
されたときＤに示すような変形挙動を示し、図２に示す
変位δを発生する活性部１１と、変位δを生じない不活
性部１２を、それぞれ任意の位置に設定することができ
る。また、第２の特徴は、図２に示すセグメント電極の
幅Wsと、これらの配列間隔Dpが、Dp≧Wsの関係を有する
ことである。図２に示す活性部１１ａと、１１ｃに電圧
が印加され、それぞれ選択的な変位δを発生するとき、
これらに挾持される活性部１１ｂでは相互干渉による変
位（クロストーク変位δi）を発生する。このクロスト
ーク変位δiは、図３に示すように、セグメント電極の
配列間隔Dpに相関があり、セグメント電極の配列間隔Dp
が、セグメント電極の幅Wsと同等以上であれば、クロス
トーク変位δiは全く発生しなくなることが確認されて
いる。さらに、第３の特徴によれば、図１に示すよう
に、セグメント電極１５と共通電極１６が積層圧電素子
１０の表面に露出して構成されるので、電圧印加手段と
の結線が容易である。また、第４の特徴によれば、図２
に示すように積層圧電素子１０の一壁面が、積層圧電素
子１０のヤング率と比重に対して同等以上のヤング率と
比重を有するベース部材８にて保持される。ベース部材
８は、剛体に近いことが理想的であり、具体的には音響
インピーダンス（ヤング率×比重）が大きいことが望ま
しい。少なくとも積層圧電素子１０の、ヤング率と比重
に対して同等以上のヤング率と比重を有するベース部材
８を用いることによって、十分な変位δと、十分小さな
固有振動周期Ｔａを実現することができる。
【００２２】図４（ａ）（ｂ）は、第１の実施例を説明
する積層圧電素子に印加される駆動電圧波形２１と積層
圧電素子の変位挙動２２の比較図である。図４（ａ）に
示すように、駆動電圧波形２１の立ち上がり（充電）時
間Ｔ１と、立ち下がり（放電）時間Ｔ２が、積層圧電素
子の固有振動周期Ｔａより小さい場合、積層圧電素子１
０の変位挙動２２は、過度的な振動挙動をしめす。こう
した場合、本発明の第２の特徴に示したように、セグメ
ント電極の幅を、これらの配列間隔より小さくして静的
なクロストーク変位を緩和しても、動的なクロストーク
変位（表面弾性波の伝搬による干渉）を除去することは
非常に困難である。よって、第５の特徴では、図４
（ｂ）に示すように、積層圧電素子に印加される駆動電
圧波形２１の立ち上がり時間Ｔ１と、立ち下がり時間Ｔ
２を、積層圧電素子の固有振動周期Ｔａより大きく設定
する。こうすることによって、本発明の積層圧電素子
は、過度的な振動を発生しなくなるので、動的なクロス
トーク変位を本質的に除去することができる。
する積層圧電素子に印加される駆動電圧波形２１と積層
圧電素子の変位挙動２２の比較図である。図４（ａ）に
示すように、駆動電圧波形２１の立ち上がり（充電）時
間Ｔ１と、立ち下がり（放電）時間Ｔ２が、積層圧電素
子の固有振動周期Ｔａより小さい場合、積層圧電素子１
０の変位挙動２２は、過度的な振動挙動をしめす。こう
した場合、本発明の第２の特徴に示したように、セグメ
ント電極の幅を、これらの配列間隔より小さくして静的
なクロストーク変位を緩和しても、動的なクロストーク
変位（表面弾性波の伝搬による干渉）を除去することは
非常に困難である。よって、第５の特徴では、図４
（ｂ）に示すように、積層圧電素子に印加される駆動電
圧波形２１の立ち上がり時間Ｔ１と、立ち下がり時間Ｔ
２を、積層圧電素子の固有振動周期Ｔａより大きく設定
する。こうすることによって、本発明の積層圧電素子
は、過度的な振動を発生しなくなるので、動的なクロス
トーク変位を本質的に除去することができる。
【００２３】以下に、第２の実施例を図面を参照して説
明する。
明する。
【００２４】図５は、第２の実施例を示すインクジェッ
トヘッドの構成説明図である。図５に示す２は、複数の
ノズル１を形成したノズル形成基板である。ノズル１の
開口面積とノズル形成基板２の厚さは、インク吐出特性
に及ぼす影響が大きく、優れた印字品質を確保する為に
は、複数のノズル間に於いてこれらのバラツキを低く抑
えなくてはならない。こうした高精度な加工を実現する
為に、ノズル形成基板２は、精密プレス法、ニッケルの
電鋳法、または、シリコンウエハのエッチング加工等に
より形成されるものである。このノズル形成基板２と貼
り合わされる流路基板３は、圧力室４、セグメントイン
ク供給路５、共通インク室６、及びインク供給パイプ７
の連通口を形成して成る部材である。この流路基板３が
ノズル形成基板２と貼り合わされる際は、ノズル１が圧
力室４の中央部に位置するように接合される。ベース部
材８は、本発明による積層圧電素子１０を固定するもの
であり、ヤング率の高いアルミナ等にて形成される。積
層圧電素子１０の内部には、セグメント電極１５と共通
電極１６が交互に積層され、このセグメント電極１５は
ノズル１に対向する位置に配列されている。また、積層
圧電素子１０は、表面に露出したセグメント電極１５と
共通電極１６を形成しているので、駆動回路１７から独
立した電気信号を容易に接続することができる。こうし
て、駆動回路１７から選択的な電気信号がセグメント電
極１５に印加されることによって積層圧電素子１０は選
択的な変位を発生することができる。このとき、圧力室
４内の圧力が高められ、ノズル１からインクが吐出し、
記録媒体上にインク像を形成することができる。以上に
説明したように本発明によるインクジェットヘッドは、
積層圧電素子１０に困難な加工（溝加工）を施さなくて
も印字品質に優れ、低価格なインクジェットヘッドを提
供することができる。
トヘッドの構成説明図である。図５に示す２は、複数の
ノズル１を形成したノズル形成基板である。ノズル１の
開口面積とノズル形成基板２の厚さは、インク吐出特性
に及ぼす影響が大きく、優れた印字品質を確保する為に
は、複数のノズル間に於いてこれらのバラツキを低く抑
えなくてはならない。こうした高精度な加工を実現する
為に、ノズル形成基板２は、精密プレス法、ニッケルの
電鋳法、または、シリコンウエハのエッチング加工等に
より形成されるものである。このノズル形成基板２と貼
り合わされる流路基板３は、圧力室４、セグメントイン
ク供給路５、共通インク室６、及びインク供給パイプ７
の連通口を形成して成る部材である。この流路基板３が
ノズル形成基板２と貼り合わされる際は、ノズル１が圧
力室４の中央部に位置するように接合される。ベース部
材８は、本発明による積層圧電素子１０を固定するもの
であり、ヤング率の高いアルミナ等にて形成される。積
層圧電素子１０の内部には、セグメント電極１５と共通
電極１６が交互に積層され、このセグメント電極１５は
ノズル１に対向する位置に配列されている。また、積層
圧電素子１０は、表面に露出したセグメント電極１５と
共通電極１６を形成しているので、駆動回路１７から独
立した電気信号を容易に接続することができる。こうし
て、駆動回路１７から選択的な電気信号がセグメント電
極１５に印加されることによって積層圧電素子１０は選
択的な変位を発生することができる。このとき、圧力室
４内の圧力が高められ、ノズル１からインクが吐出し、
記録媒体上にインク像を形成することができる。以上に
説明したように本発明によるインクジェットヘッドは、
積層圧電素子１０に困難な加工（溝加工）を施さなくて
も印字品質に優れ、低価格なインクジェットヘッドを提
供することができる。
【００２５】図６は、第２の実施例のインクジェットヘ
ッドによるインクジェットラインプリンタの主要部説明
図である。第１の実施例による積層圧電素子は、困難な
加工を必要とせずに要求特性を得ることができると共
に、飛躍的に生産性の向上を実現するものである。よっ
て、図５に示したインクジェットヘッドをさらに大型化
することが比較的容易である。具体的にはプラテン１７
と同等な幅のインクジェットラインヘッド２０を構成す
ることによって図６に示す様なラインプリンタを容易に
実現することができる。本インクジェットラインプリン
タは、プラテン１７に転写媒体１８を巻き付け、この表
面にインクジェットラインヘッド２０から吐出されるイ
ンク画像を形成した後、記録紙等にインク画像を転写さ
せるものである。こうした転写システムによって非常に
印字品質に優れた画像記録装置を実現することができ
る。
ッドによるインクジェットラインプリンタの主要部説明
図である。第１の実施例による積層圧電素子は、困難な
加工を必要とせずに要求特性を得ることができると共
に、飛躍的に生産性の向上を実現するものである。よっ
て、図５に示したインクジェットヘッドをさらに大型化
することが比較的容易である。具体的にはプラテン１７
と同等な幅のインクジェットラインヘッド２０を構成す
ることによって図６に示す様なラインプリンタを容易に
実現することができる。本インクジェットラインプリン
タは、プラテン１７に転写媒体１８を巻き付け、この表
面にインクジェットラインヘッド２０から吐出されるイ
ンク画像を形成した後、記録紙等にインク画像を転写さ
せるものである。こうした転写システムによって非常に
印字品質に優れた画像記録装置を実現することができ
る。
【００２６】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、困難な加
工技術と、長い加工時間を必要とせずに、均一、且つ十
分な特性の積層圧電素子を飛躍的に低コストで実現する
ことができる。よって、従来、生産技術的に困難である
と考えられていたインクジェットラインヘッドを非常に
高い歩留まりで実現することができるので、より低価格
で高性能な画像記録装置を提供することができる。
工技術と、長い加工時間を必要とせずに、均一、且つ十
分な特性の積層圧電素子を飛躍的に低コストで実現する
ことができる。よって、従来、生産技術的に困難である
と考えられていたインクジェットラインヘッドを非常に
高い歩留まりで実現することができるので、より低価格
で高性能な画像記録装置を提供することができる。
【図１】本発明の第１の実施例を示す積層圧電素子１０
の構造説明斜視図である。
の構造説明斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施例を説明する積層圧電素子
１０のＡ−Ａ部分断面図である。
１０のＡ−Ａ部分断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例を説明するセグメント電
極の配置間隔Dpとクロストーク変位δiの関係図であ
る。
極の配置間隔Dpとクロストーク変位δiの関係図であ
る。
【図４】本発明の第１の実施例を説明する積層圧電素子
１０に印加される駆動電圧波形２１と積層圧電素子の変
位挙動２２の比較図である。
１０に印加される駆動電圧波形２１と積層圧電素子の変
位挙動２２の比較図である。
【図５】本発明の第２の実施例を示すインクジェットヘ
ッドの構成説明図である。
ッドの構成説明図である。
【図６】本発明の第２の実施例を説明するインクジェッ
トラインプリンタの主要部説明図である。
トラインプリンタの主要部説明図である。
【図７】従来の示すインクジェットヘッド主要部の構造
説明図である。
説明図である。
【図８】従来のインクジェットヘッド主要部の構造説明
図である。
図である。
１ ノズル ２ ノズル形成基板 ３ 流路基板 ４ 圧力室 ８ ベース部材 １０ 積層圧電素子 １１ 活性部 １２ 不活性部 ２０ インクジェットラインヘッド
Claims (5)
- 【請求項１】 共通電極と圧電材料と所定の間隔で複数
並列に配置されたセグメント電極とを交互に積層して成
る積層圧電素子において、 前記セグメント電極の幅である活性部の幅をWs、前記セ
グメント電極の配列間隔である少なくとも前記圧電材料
からなる不活性部の幅をDpとする時、Dp≧Wsであること
を特徴とする積層圧電素子。 - 【請求項２】 前記積層圧電素子が、該積層圧電素子のヤ
ング率と比重に対して同等以上のヤング率と比重を有す
る部材にて保持されることを特徴とする請求項１に記載
の積層圧電素子。 - 【請求項３】 前記積層圧電素子を駆動する電圧波形の
立ち上がりを時間Ｔ１、立ち下がり時間Ｔ２とし、前記
積層圧電素子の固有振動周期をＴａとするとき、 Ｔ１≧ＴａまたはＴ２≧Ｔａ なる関係を有することを特徴とする請求項１または請求
項２に記載の積層圧電素子。 - 【請求項４】 インクを吐出するノズルと、これに連通
する圧力室と、前記圧力室に圧力を発生させる圧力発生
素子と、前記圧力発生素子に電圧を印加する電圧印加手
段とを有するインクジェットヘッドにおいて、請求項１
から請求項３各々に記載の積層圧電素子を前記圧力発生
素子として用いる事を特徴とするインクジェットヘッ
ド。 - 【請求項５】 前記積層圧電素子の活性部が前記インク
ジェットヘッドの圧力室に対向して設けられていること
を特徴とする請求項４に記載のインクジェットヘッド。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33749892A JP3304451B2 (ja) | 1992-12-17 | 1992-12-17 | 積層圧電素子及びこれを用いたインクジェットヘッド |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33749892A JP3304451B2 (ja) | 1992-12-17 | 1992-12-17 | 積層圧電素子及びこれを用いたインクジェットヘッド |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06188475A JPH06188475A (ja) | 1994-07-08 |
| JP3304451B2 true JP3304451B2 (ja) | 2002-07-22 |
Family
ID=18309221
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33749892A Expired - Lifetime JP3304451B2 (ja) | 1992-12-17 | 1992-12-17 | 積層圧電素子及びこれを用いたインクジェットヘッド |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3304451B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
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-
1992
- 1992-12-17 JP JP33749892A patent/JP3304451B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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