JP3463377B2 - 厚板の延性材料の切断加工法 - Google Patents
厚板の延性材料の切断加工法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、厚板の延性材料をレー
ザー光を用いて切断する厚板の延性材料の切断加工法に
関するものである。
ザー光を用いて切断する厚板の延性材料の切断加工法に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】材料の切断加工法として、ガス切断（酸
化反応と溶断）、プラズマ切断（プラズマアークによる
溶断）、機械切断（鋸歯やシャーリングによる物理的切
断）があるが、これらは板厚の厚い大型の構造物の切断
には適していないため、レーザー切断（母材の加熱溶融
と除去）が検討されてきている。
化反応と溶断）、プラズマ切断（プラズマアークによる
溶断）、機械切断（鋸歯やシャーリングによる物理的切
断）があるが、これらは板厚の厚い大型の構造物の切断
には適していないため、レーザー切断（母材の加熱溶融
と除去）が検討されてきている。
【０００３】従来のレーザー切断法は、レーザー照射に
よる母材の加熱溶融とレーザー光と同軸状にガスジェッ
トを吹き付け、ガスジェットの運動エネルギーを利用し
て溶融物を除去することで分離・切断を行うものであ
る。
よる母材の加熱溶融とレーザー光と同軸状にガスジェッ
トを吹き付け、ガスジェットの運動エネルギーを利用し
て溶融物を除去することで分離・切断を行うものであ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、材料が
厚くなると切断に必要な照射エネルギーが大きくなり、
吹き付けるガスの消費量が著しく増え、レーザー切断の
経済性が損なわれる問題がある。
厚くなると切断に必要な照射エネルギーが大きくなり、
吹き付けるガスの消費量が著しく増え、レーザー切断の
経済性が損なわれる問題がある。
【０００５】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、少ないエネルギーのレーザー光の照射で厚板の延性
材料を切断できる厚板の延性材料の切断加工法を提供す
ることにある。
し、少ないエネルギーのレーザー光の照射で厚板の延性
材料を切断できる厚板の延性材料の切断加工法を提供す
ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１の発明は、厚板の延性材料に、その厚板の延
性材料の切断に必要な照射エネルギーより少ないエネル
ギーのレーザー光を照射してその延性材料を切断するた
めの切断加工法であって、延性材料に集光したレーザー
光を照射すると共にその切断方向に延性材料或いはレー
ザー光を往復移動させ、かつその照射部の近傍に冷却材
を噴射して短時間で急速な加熱と冷却を繰り返し行っ
て、切断方向に溶融・凝固による割れを発生させて延性
材料を切断することを特徴とする厚板の延性材料の切断
加工法である。
に請求項１の発明は、厚板の延性材料に、その厚板の延
性材料の切断に必要な照射エネルギーより少ないエネル
ギーのレーザー光を照射してその延性材料を切断するた
めの切断加工法であって、延性材料に集光したレーザー
光を照射すると共にその切断方向に延性材料或いはレー
ザー光を往復移動させ、かつその照射部の近傍に冷却材
を噴射して短時間で急速な加熱と冷却を繰り返し行っ
て、切断方向に溶融・凝固による割れを発生させて延性
材料を切断することを特徴とする厚板の延性材料の切断
加工法である。
【０００７】請求項２の発明は、厚板の延性材料に、そ
の厚板の延性材料の切断に必要な照射エネルギーより少
ないエネルギーのレーザー光を照射してその延性材料を
切断するための切断加工法であって、延性材料に集光し
たレーザー光を照射すると共にその切断方向に延性材料
或いはレーザー光を往復移動させ、かつ溶融層に不純物
を混入させて切断方向に溶融層の凝固時の物理的変化で
割れを生じさせて切断することを特徴とする厚板の延性
材料の切断加工法である。
の厚板の延性材料の切断に必要な照射エネルギーより少
ないエネルギーのレーザー光を照射してその延性材料を
切断するための切断加工法であって、延性材料に集光し
たレーザー光を照射すると共にその切断方向に延性材料
或いはレーザー光を往復移動させ、かつ溶融層に不純物
を混入させて切断方向に溶融層の凝固時の物理的変化で
割れを生じさせて切断することを特徴とする厚板の延性
材料の切断加工法である。
【０００８】請求項３の発明は、厚板の延性材料に、そ
の厚板の延性材料の切断に必要な照射エネルギーより少
ないエネルギーのレーザー光を照射してその延性材料を
切断するための切断加工法であって、延性材料に集光し
たレーザー光を照射すると共にその切断方向に延性材料
或いはレーザー光を往復移動させ、かつ溶融層に不純物
を混入させると共に照射部の近傍に冷却材を噴射して、
切断方向に溶融層の凝固時の物理的変化で割れと溶融・
凝固による割れとを発生させて延性材料を切断すること
を特徴とする厚板の延性材料の切断加工法である。
の厚板の延性材料の切断に必要な照射エネルギーより少
ないエネルギーのレーザー光を照射してその延性材料を
切断するための切断加工法であって、延性材料に集光し
たレーザー光を照射すると共にその切断方向に延性材料
或いはレーザー光を往復移動させ、かつ溶融層に不純物
を混入させると共に照射部の近傍に冷却材を噴射して、
切断方向に溶融層の凝固時の物理的変化で割れと溶融・
凝固による割れとを発生させて延性材料を切断すること
を特徴とする厚板の延性材料の切断加工法である。
【０００９】
【作用】請求項１の発明によれば、集光したレーザー光
を延性材料の切断方向に対して相対的に往復移動させて
照射すると共に冷却材を噴射することで、延性材料の切
断方向に対して短時間に急速な加熱と冷却を行い、その
溶融・凝固過程で起こる冶金的な化学反応や膨張・収縮
などの物理的変化の結果生じた欠陥（割れ）によって延
性材料を分離・切断することが可能となる。
を延性材料の切断方向に対して相対的に往復移動させて
照射すると共に冷却材を噴射することで、延性材料の切
断方向に対して短時間に急速な加熱と冷却を行い、その
溶融・凝固過程で起こる冶金的な化学反応や膨張・収縮
などの物理的変化の結果生じた欠陥（割れ）によって延
性材料を分離・切断することが可能となる。
【００１０】請求項２の発明によれば、集光したレーザ
ー光を延性材料の切断方向に対して相対的に往復移動さ
せて照射すると共に、その溶融層に水素、硫黄、炭素な
どの不純物を故意に混入させることで、延性材料の切断
方向に対して加熱溶融と凝固を繰り返し行い、溶融・凝
固の際に生じる欠陥（割れ）によって延性材料を分離・
切断することが可能となる。請求項３の発明によれば、
不純物の混入と冷却材の噴射を併用して行うことにより
良好な延性材料の分離・切断が可能となる。
ー光を延性材料の切断方向に対して相対的に往復移動さ
せて照射すると共に、その溶融層に水素、硫黄、炭素な
どの不純物を故意に混入させることで、延性材料の切断
方向に対して加熱溶融と凝固を繰り返し行い、溶融・凝
固の際に生じる欠陥（割れ）によって延性材料を分離・
切断することが可能となる。請求項３の発明によれば、
不純物の混入と冷却材の噴射を併用して行うことにより
良好な延性材料の分離・切断が可能となる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
詳述する。
詳述する。
【００１２】図１は本発明の一実施例を示し、冷却材に
よる凝固割れで、延性材料を分離・切断する例を示した
ものである。
よる凝固割れで、延性材料を分離・切断する例を示した
ものである。
【００１３】図１において、１０は、延性材料で、急速
加熱・急冷による冶金的性質の変化を受けやすい、構造
用材料であり、例えば低合金鋼、低合金高張力鋼などか
らなる。
加熱・急冷による冶金的性質の変化を受けやすい、構造
用材料であり、例えば低合金鋼、低合金高張力鋼などか
らなる。
【００１４】この延性材料１０の切断位置に対して照射
光学装置１２からレーザー光Ｌが集光されて照射部１１
に照射される。
光学装置１２からレーザー光Ｌが集光されて照射部１１
に照射される。
【００１５】このレーザー光Ｌが照射部１１に照射され
る際に、延性材料１０が往復移動するよう或いは延性材
料１０に対して照射光学装置１２が切断方向に沿って往
復移動するようにされる。
る際に、延性材料１０が往復移動するよう或いは延性材
料１０に対して照射光学装置１２が切断方向に沿って往
復移動するようにされる。
【００１６】またレーザー光Ｌの照射位置の近傍、すな
わち移動方向後方或いは前方に冷却水、冷却空気或いは
液体窒素などの冷却材１３を噴射する冷却材噴出ノズル
１４が設けられ、照射光学装置１２の移動と共に移動す
るよう、或いは延性材料１０が移動する時には固定して
設けられる。
わち移動方向後方或いは前方に冷却水、冷却空気或いは
液体窒素などの冷却材１３を噴射する冷却材噴出ノズル
１４が設けられ、照射光学装置１２の移動と共に移動す
るよう、或いは延性材料１０が移動する時には固定して
設けられる。
【００１７】次に実施例の作用を述べる。
【００１８】先ず、延性材料１０としては、急速加熱・
急冷による金属の冶金的性質の変化を受けやすい、構造
材料である低合金高張力鋼で、高張力鋼が、レーザー光
Ｌの照射により溶融し溶融層１６となる。この溶融層１
６に、冷却材噴出ノズル１４より冷却水などの冷却材１
３を噴射することで、溶融層１６が凝固層１８となり、
その際の急激な温度変化により硬度が著しく増し、脆く
なり割れ２０が生じ、これにより延性材料１０を切断す
ることができる。このレーザ光Ｌの照射と冷却とは繰り
返し行うことで、より深い割れを生じさせることがで
き、延性材料１０が厚くても容易に切断できる。
急冷による金属の冶金的性質の変化を受けやすい、構造
材料である低合金高張力鋼で、高張力鋼が、レーザー光
Ｌの照射により溶融し溶融層１６となる。この溶融層１
６に、冷却材噴出ノズル１４より冷却水などの冷却材１
３を噴射することで、溶融層１６が凝固層１８となり、
その際の急激な温度変化により硬度が著しく増し、脆く
なり割れ２０が生じ、これにより延性材料１０を切断す
ることができる。このレーザ光Ｌの照射と冷却とは繰り
返し行うことで、より深い割れを生じさせることがで
き、延性材料１０が厚くても容易に切断できる。
【００１９】このような冷間割れの発生は、材料の温度
上昇後の冷却速度（冷却時間）と密接に関係している。
冷却速度が速ければ速いほど材料の延性が低下して硬度
が増し、割れが生じやすくなる。ただし、割れの発生が
始まる冷却速度は、材料の種類とその板厚によって異な
り、割れを生じる材料の硬度も材料によってそれぞれ異
なる。
上昇後の冷却速度（冷却時間）と密接に関係している。
冷却速度が速ければ速いほど材料の延性が低下して硬度
が増し、割れが生じやすくなる。ただし、割れの発生が
始まる冷却速度は、材料の種類とその板厚によって異な
り、割れを生じる材料の硬度も材料によってそれぞれ異
なる。
【００２０】次に割れについての実験例を説明する。
【００２１】実験例１
材料（ＨＴ８００）、板厚（２０ｍｍ）、板の初温（２
０℃）の延性材料１０にレーザー光（レーザーパワー３
ｋｗ）を照射した。この延性材料１０の溶融は１３００
度以上で起こり、溶融状態からの冷却特性は、図２に示
した通りである。
０℃）の延性材料１０にレーザー光（レーザーパワー３
ｋｗ）を照射した。この延性材料１０の溶融は１３００
度以上で起こり、溶融状態からの冷却特性は、図２に示
した通りである。
【００２２】また、この材料に割れが発生する硬度は、
ビッカース硬さで３００〜４００である。従って、割れ
を発生させるのに必要な硬度を得るためには、冷却速度
をできるだけ速くする必要がある。ビッカース硬度を３
００以上にするための冷却速度は、材料の板厚および初
温の関係から１８度／ｓｅｃ以上が必要となる。
ビッカース硬さで３００〜４００である。従って、割れ
を発生させるのに必要な硬度を得るためには、冷却速度
をできるだけ速くする必要がある。ビッカース硬度を３
００以上にするための冷却速度は、材料の板厚および初
温の関係から１８度／ｓｅｃ以上が必要となる。
【００２３】レーザーパワー３ｋＷで照射し、その移動
速度（加工速度）を０．３ｍ／ｓｅｃとした時の冷却速
度は、空冷で約１００℃／ｓｅｃ、水冷（約２０℃）で
約１５０℃／ｓｅｃであり、加工速度によっても異なる
が、割れを生じさせるためには十分であり、１ｍ／ｓｅ
ｃに加工速度を上げても、冷却速度１８℃／ｓｅｃを確
保でき、割れを生じさせることが可能となる。
速度（加工速度）を０．３ｍ／ｓｅｃとした時の冷却速
度は、空冷で約１００℃／ｓｅｃ、水冷（約２０℃）で
約１５０℃／ｓｅｃであり、加工速度によっても異なる
が、割れを生じさせるためには十分であり、１ｍ／ｓｅ
ｃに加工速度を上げても、冷却速度１８℃／ｓｅｃを確
保でき、割れを生じさせることが可能となる。
【００２４】冷却速度を促進させるために、レーザー光
Ｌの照射に先立って、液体窒素（−１９６℃）を冷却材
として延性材料１０を予冷するようにしてもよい。ここ
では、液体窒素で予め予冷することで温度差を大きくで
きる。また温度差は稼げないが冷却水で予冷するように
してもよい。この場合、水分があると加工時に発生する
プラズマによって水が分解して水素が発生し、これが不
純物となって割れを促進することになる。
Ｌの照射に先立って、液体窒素（−１９６℃）を冷却材
として延性材料１０を予冷するようにしてもよい。ここ
では、液体窒素で予め予冷することで温度差を大きくで
きる。また温度差は稼げないが冷却水で予冷するように
してもよい。この場合、水分があると加工時に発生する
プラズマによって水が分解して水素が発生し、これが不
純物となって割れを促進することになる。
【００２５】実験例２
低合金鋼（ＪＩＳ ＳＮＭＣ ４２０）を用いて割れの
影響を実験した。
影響を実験した。
【００２６】図３は、レーザー出力を３ｋＷと一定に保
ち、溶融速度（ｍｍ／ｓｅｃ）を変化させたときのクラ
ック長さ（ｍｍ）を示したものである。
ち、溶融速度（ｍｍ／ｓｅｃ）を変化させたときのクラ
ック長さ（ｍｍ）を示したものである。
【００２７】図３より、溶融速度が速い程クラック長が
長く、割れやすいことが分かる。
長く、割れやすいことが分かる。
【００２８】図４は、溶融速度を一定（３５ｍｍ／ｓｅ
ｃ）とし、レーザーパワーを変化させたときのクラック
長さを示したものである。
ｃ）とし、レーザーパワーを変化させたときのクラック
長さを示したものである。
【００２９】図４よりレーザー出力が大きい程割れやす
いことが分かる。
いことが分かる。
【００３０】図５は本発明の他の実施例を示すものであ
る。
る。
【００３１】本例においては、冷却材の代わりに、不純
物供給ノズル１７より不純物材料１９を噴射して溶融層
１６に混入し、溶融層１６が凝固層１８となる時、溶融
−凝固過程で起こる冶金的な化学反応や膨張、収縮等の
物理変化の結果、割れ２０を生じさせるようにしたもの
である。
物供給ノズル１７より不純物材料１９を噴射して溶融層
１６に混入し、溶融層１６が凝固層１８となる時、溶融
−凝固過程で起こる冶金的な化学反応や膨張、収縮等の
物理変化の結果、割れ２０を生じさせるようにしたもの
である。
【００３２】割れ２０を促進させるための不純物材料１
９としては、延性材料によりその種類が相違するが、以
下の通りとする。
９としては、延性材料によりその種類が相違するが、以
下の通りとする。
【００３３】
被加工材料 不 純 物
ａ．軟鋼（低酸素鋼） 硫黄、水素、炭素
ｂ．中・高炭素鋼 炭素、マンガン、水素
ｃ．低合金高張力鋼 ニッケル、クロム、水素、リン、硫黄
ｄ．ステンレス鋼 リン、硫黄、シリコン、マグネシウム
ｅ．アルミ合金 シリコン、マグネシウム
ｄ．銅合金 鉛
ｃ．チタン合金 窒素、酸素、炭素、水素
これらの不純物は、代表的な例を示したもので、これ以
外にも種々の組み合わせで使用することができる。
外にも種々の組み合わせで使用することができる。
【００３４】図６は、実際に不純物を添加する際の変形
例を示したものである。
例を示したものである。
【００３５】先ず、照射光学装置１２は、レーザー発生
装置３０と、そのレーザー発生装置３０からのレーザー
光Ｌを９０度反射する反射鏡３１と加工ノズル３２と集
光レンズ３３とからなり、９０度反射されたレーザー光
Ｌを集光レンズ３３で集光して延性材料１０に照射する
ようになっている。
装置３０と、そのレーザー発生装置３０からのレーザー
光Ｌを９０度反射する反射鏡３１と加工ノズル３２と集
光レンズ３３とからなり、９０度反射されたレーザー光
Ｌを集光レンズ３３で集光して延性材料１０に照射する
ようになっている。
【００３６】この照射部１１に不純物を供給するには、
不純物をフィラーワイヤー３５の中に化合物として混入
させ、フィラーワイヤー供給装置３６より供給ローラ３
７、ガイド部材３８にて案内させて直接照射部１１にフ
ィラーワイヤー３５を供給して不純物を供給するように
したものである。
不純物をフィラーワイヤー３５の中に化合物として混入
させ、フィラーワイヤー供給装置３６より供給ローラ３
７、ガイド部材３８にて案内させて直接照射部１１にフ
ィラーワイヤー３５を供給して不純物を供給するように
したものである。
【００３７】このように不純物をフィラーワイヤー３５
中に化合物として混入することで、水素等のガスのよう
に直接吹き付けるものに対して、取り扱いやすいと共に
混入量の制御が確実となる。
中に化合物として混入することで、水素等のガスのよう
に直接吹き付けるものに対して、取り扱いやすいと共に
混入量の制御が確実となる。
【００３８】上述の実施例においては冷却材の噴射と不
純物の混入を別個に行うことで説明したが双方を組合せ
て行うようにしてもよいことは勿論である。
純物の混入を別個に行うことで説明したが双方を組合せ
て行うようにしてもよいことは勿論である。
【００３９】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、集光した
レーザー光を延性材料の切断方向に対して相対的に往復
移動させて照射すると共に冷却材を噴射することで、延
性材料の切断方向に対して短時間に急速な加熱と冷却を
繰返し、その溶融・凝固過程で起こる冶金的な化学反応
や膨張・収縮などの物理的変化の結果生じた欠陥（割
れ）によって延性材料を分離・切断することが可能とな
る。また、溶融層に水素、硫黄、炭素などの不純物を故
意に混入させることで、延性材料の切断方向に対して加
熱溶融と凝固を行い、溶融・凝固の際に生じる欠陥（割
れ）によって延性材料を分離・切断することが可能とな
る。さらに冷却と不純物混入を組み合わせることで、欠
陥の発生を促進させ、延性材料を分離切断することが可
能となる。
レーザー光を延性材料の切断方向に対して相対的に往復
移動させて照射すると共に冷却材を噴射することで、延
性材料の切断方向に対して短時間に急速な加熱と冷却を
繰返し、その溶融・凝固過程で起こる冶金的な化学反応
や膨張・収縮などの物理的変化の結果生じた欠陥（割
れ）によって延性材料を分離・切断することが可能とな
る。また、溶融層に水素、硫黄、炭素などの不純物を故
意に混入させることで、延性材料の切断方向に対して加
熱溶融と凝固を行い、溶融・凝固の際に生じる欠陥（割
れ）によって延性材料を分離・切断することが可能とな
る。さらに冷却と不純物混入を組み合わせることで、欠
陥の発生を促進させ、延性材料を分離切断することが可
能となる。
【図１】本発明の一実施例を示す概略図である。
【図２】本発明において、溶融層の冷却速度を示す図で
ある。
ある。
【図３】本発明において、溶融速度とクラック長との関
係を示す図である。
係を示す図である。
【図４】本発明において、レーザーパワーとクラック長
との関係を示す図である。
との関係を示す図である。
【図５】本発明の他の実施例を示す図である。
【図６】図５において不純物を供給する際の変形例を示
す図である。
す図である。
１０ 延性材料
１１ 照射部
１２ 照射光学装置
１３ 冷却材
１４ 冷却材噴射ノズル
１６ 溶融層
１７ 不純物供給ノズル
１８ 凝固層
１９ 不純物材料
２０ 割れ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 大脇 桂
神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地
石川島播磨重工業株式会社 技術研究所
内
(56)参考文献 特開 昭61−74795（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−33891（ＪＰ，Ａ)
特開 昭58−218373（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
B23K 26/38 - 26/40
Claims (3)
- 【請求項１】 厚板の延性材料に、その厚板の延性材料
の切断に必要な照射エネルギーより少ないエネルギーの
レーザー光を照射してその延性材料を切断するための切
断加工法であって、延性材料に集光したレーザー光を照
射すると共にその切断方向に延性材料或いはレーザー光
を往復移動させ、かつその照射部の近傍に冷却材を噴射
して短時間で急速な加熱と冷却を繰り返し行って、切断
方向に溶融・凝固による割れを発生させて延性材料を切
断することを特徴とする厚板の延性材料の切断加工法。 - 【請求項２】 厚板の延性材料に、その厚板の延性材料
の切断に必要な照射エネルギーより少ないエネルギーの
レーザー光を照射してその延性材料を切断するための切
断加工法であって、延性材料に集光したレーザー光を照
射すると共にその切断方向に延性材料或いはレーザー光
を往復移動させ、かつ溶融層に不純物を混入させて切断
方向に溶融層の凝固時の物理的変化で割れを生じさせて
切断することを特徴とする厚板の延性材料の切断加工
法。 - 【請求項３】 厚板の延性材料に、その厚板の延性材料
の切断に必要な照射エネルギーより少ないエネルギーの
レーザー光を照射してその延性材料を切断するための切
断加工法であって、延性材料に集光したレーザー光を照
射すると共にその切断方向に延性材料或いはレーザー光
を往復移動させ、かつ溶融層に不純物を混入させると共
に照射部の近傍に冷却材を噴射して、切断方向に溶融層
の凝固時の物理的変化で割れと溶融・凝固による割れと
を発生させて延性材料を切断することを特徴とする厚板
の延性材料の切断加工法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26655994A JP3463377B2 (ja) | 1994-10-31 | 1994-10-31 | 厚板の延性材料の切断加工法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26655994A JP3463377B2 (ja) | 1994-10-31 | 1994-10-31 | 厚板の延性材料の切断加工法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08118052A JPH08118052A (ja) | 1996-05-14 |
| JP3463377B2 true JP3463377B2 (ja) | 2003-11-05 |
Family
ID=17432525
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26655994A Expired - Fee Related JP3463377B2 (ja) | 1994-10-31 | 1994-10-31 | 厚板の延性材料の切断加工法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3463377B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW200934602A (en) * | 2008-02-01 | 2009-08-16 | Contrel Technology Co Ltd | Laser processing machine having cutting and guiding functions |
-
1994
- 1994-10-31 JP JP26655994A patent/JP3463377B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08118052A (ja) | 1996-05-14 |
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