JPH0731232B2 - 磁界測定装置 - Google Patents
磁界測定装置Info
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- JPH0731232B2 JPH0731232B2 JP63144263A JP14426388A JPH0731232B2 JP H0731232 B2 JPH0731232 B2 JP H0731232B2 JP 63144263 A JP63144263 A JP 63144263A JP 14426388 A JP14426388 A JP 14426388A JP H0731232 B2 JPH0731232 B2 JP H0731232B2
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- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
- G01R33/0322—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect using the Faraday or Voigt effect
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は磁気光学素子によるファラデー回転を観測して
磁界を検出し、その磁界強度を測定する装置に関するも
のである。
磁界を検出し、その磁界強度を測定する装置に関するも
のである。
従来の技術 最近、磁界強度を光を用いて測定する方法として、ファ
ラデー効果を利用する方法が提案されている。例えば久
間らによる文献IE3QE−181619(1982)がある。
ラデー効果を利用する方法が提案されている。例えば久
間らによる文献IE3QE−181619(1982)がある。
特に電流が流れている導体の周りの磁界強度を測定して
電流を検知する方法は、光を媒体とするために絶縁性が
良好である、電磁誘導ノイズを受けないなどの特徴を持
ち、送配電設備への適用が考えられている。
電流を検知する方法は、光を媒体とするために絶縁性が
良好である、電磁誘導ノイズを受けないなどの特徴を持
ち、送配電設備への適用が考えられている。
第9図にファラデー効果を用いた磁界の測定方法の原理
図を示す。第2図において磁界H中に磁気光学素子1が
配置されている。この磁気光学素子1に偏光子2で直線
偏光とされた光を通過させる。ファラデー効果により偏
光面は磁界強度Hに比例して回転を受ける。回転を受け
た偏光は偏光子2と透過偏光方向を45゜異ならしめた検
光子3を通過し、回転角θの大きさが光量変化に変換さ
れる。その時の光出力は次式で与えられる。
図を示す。第2図において磁界H中に磁気光学素子1が
配置されている。この磁気光学素子1に偏光子2で直線
偏光とされた光を通過させる。ファラデー効果により偏
光面は磁界強度Hに比例して回転を受ける。回転を受け
た偏光は偏光子2と透過偏光方向を45゜異ならしめた検
光子3を通過し、回転角θの大きさが光量変化に変換さ
れる。その時の光出力は次式で与えられる。
Pout=K(1+sin2θ) ……(1) θ=CHl ここで、Poutは光出力、Kは比例定数、θはファラデー
回転角[度]、Cは感度定数で単位は[度/cmOe]であ
り、磁気光学素子の感度を示すものである。
回転角[度]、Cは感度定数で単位は[度/cmOe]であ
り、磁気光学素子の感度を示すものである。
この様な原理を応用した磁界測定装置を応用したものと
して、複数点に磁界測定器を配置して、各測定器からの
電気出力を演算器に入力し、その波形の和あるいは差を
取って参照信号とし、例えば零相電流を検出して事故の
判定を行なう様なものが提案されている。
して、複数点に磁界測定器を配置して、各測定器からの
電気出力を演算器に入力し、その波形の和あるいは差を
取って参照信号とし、例えば零相電流を検出して事故の
判定を行なう様なものが提案されている。
さて、この様な磁界測定装置に用いれられる磁気光学素
子としては、代表的なものとして、一般式Y3Fe5O12で示
されるYIG結晶がある。しかしながら、第8図に示す様
に感度定数Cの温度変化は大きく、使用温度付近の−20
℃〜120℃の温度範囲で+16%もの変化を示し、精度が
周囲温度の変化に対して大きく変化するという実用上の
問題がある。これを解決するものとして、一般式TbXY
3-XFe5O12で示されxの値が0.3≦x≦0.9である希土類
鉄ガーネット結晶を磁気光学素子として用いるものがあ
る。この磁気光学素子を用いた装置における測定精度の
温度変化は−25℃〜120℃で±1%とかなり改善されて
いる。
子としては、代表的なものとして、一般式Y3Fe5O12で示
されるYIG結晶がある。しかしながら、第8図に示す様
に感度定数Cの温度変化は大きく、使用温度付近の−20
℃〜120℃の温度範囲で+16%もの変化を示し、精度が
周囲温度の変化に対して大きく変化するという実用上の
問題がある。これを解決するものとして、一般式TbXY
3-XFe5O12で示されxの値が0.3≦x≦0.9である希土類
鉄ガーネット結晶を磁気光学素子として用いるものがあ
る。この磁気光学素子を用いた装置における測定精度の
温度変化は−25℃〜120℃で±1%とかなり改善されて
いる。
一方、Biで置換した希土類鉄ガーネット結晶のファラデ
ー回転能は大きく、磁気光学素子として用いる事によっ
て、磁界測定装置の感度も向上し、又量産性も向上する
利点が有るが、実現された例がない。
ー回転能は大きく、磁気光学素子として用いる事によっ
て、磁界測定装置の感度も向上し、又量産性も向上する
利点が有るが、実現された例がない。
発明が解決しようとする課題 従来の技術で述べてきた様に、磁界測定装置に用いられ
る磁気光学素子については、感度が大きくとれるBi置換
希土類鉄ガーネットにおいて、実用上問題のない、感度
定数の温度変化を持つ磁気光学素子が得られていないの
が現状である。また、その製造上の問題点として、従来
のYIGの様なBiを含まない希土類鉄ガーネット結晶の場
合、長さ2mm程度の素子が必要であるため、フラックス
法やFZ法の製造方法をとっていたために、製造時間が長
く、測定装置の量産性が損なわれるといった問題があっ
た。しかしながら、Bi置換希土類鉄ガーネット結晶にお
いて、感度定数の温度変化が小さいものを提供すれば、
必要な素子の厚みも50〜300μm程度で良く、量産性に
富んだLPE法,気相法を用いる事ができる。さらに、磁
気光学素子の厚みが薄くできる事によって、従来吸収係
数が大きくて、使用不可能であった0.8μm帯の波長を
持つ光源を用いる事ができる。従って、ファラデー効果
の大きな短波長側で使用する事により、低価格な光源及
び受光器を用いる事ができ、さらに低価格化が実現する
ものである。
る磁気光学素子については、感度が大きくとれるBi置換
希土類鉄ガーネットにおいて、実用上問題のない、感度
定数の温度変化を持つ磁気光学素子が得られていないの
が現状である。また、その製造上の問題点として、従来
のYIGの様なBiを含まない希土類鉄ガーネット結晶の場
合、長さ2mm程度の素子が必要であるため、フラックス
法やFZ法の製造方法をとっていたために、製造時間が長
く、測定装置の量産性が損なわれるといった問題があっ
た。しかしながら、Bi置換希土類鉄ガーネット結晶にお
いて、感度定数の温度変化が小さいものを提供すれば、
必要な素子の厚みも50〜300μm程度で良く、量産性に
富んだLPE法,気相法を用いる事ができる。さらに、磁
気光学素子の厚みが薄くできる事によって、従来吸収係
数が大きくて、使用不可能であった0.8μm帯の波長を
持つ光源を用いる事ができる。従って、ファラデー効果
の大きな短波長側で使用する事により、低価格な光源及
び受光器を用いる事ができ、さらに低価格化が実現する
ものである。
本発明は、かかる点を鑑みてなされたものであり、感度
定数が大きく、さらにその温度変化が実用上問題となら
ないBi置換型希土類鉄ガーネットを実現し、この結晶を
磁気光学素子として用いた磁界測定装置を提供するもの
であり、さらに量産性を向上させ、低価格化も実現させ
ることを目的としている。
定数が大きく、さらにその温度変化が実用上問題となら
ないBi置換型希土類鉄ガーネットを実現し、この結晶を
磁気光学素子として用いた磁界測定装置を提供するもの
であり、さらに量産性を向上させ、低価格化も実現させ
ることを目的としている。
課題を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するため、透過偏光方向を互
いに異ならしめた偏光子と検光子との間に一般式BiXGdy
Y3-(x+y)Fe5O12(1.0≦x≦1.4,0.43≦y≦0.86)で示
されるBi置換希土類鉄ガーネット結晶よりなる磁気光学
素子を配置した磁気光学変換部と、前記磁気光学変換部
の両端に設けられた光伝送路と、前記光伝送路に光を入
射する光発生手段と、前記入射光が前記磁気光学変換部
を透過した後の光出力を検知して電気信号に変換する検
知手段と、前記検知手段からの電気信号を処理する電気
回路を備え、前記磁気光学変換部を磁界中に配置する事
により、磁界強度を検知する磁界測定装置であり、さら
に、磁気光学変換部を被測定磁界の数だけ具備し、それ
ぞれの前記号に変換する検知手段を被測定磁界の数だけ
設け、各々の前記検知手段からの電気信号を加減算する
信号処理回路を備え、複数の被測定磁界中に各々の磁気
光学変換部を配置することにより、磁界強度の変化を検
知する磁界測定装置であり、望むらくは、Ca−Mg−Zr置
換型Gd3Ga5O12基板又はNd3Ga5O12基板上にエピタキシャ
ル成長してなる磁気光学素子を用いるものであり、波長
0.7μmから0.9μmの間に発光ピーク波長を持つ光発生
手段を用いるものである。
いに異ならしめた偏光子と検光子との間に一般式BiXGdy
Y3-(x+y)Fe5O12(1.0≦x≦1.4,0.43≦y≦0.86)で示
されるBi置換希土類鉄ガーネット結晶よりなる磁気光学
素子を配置した磁気光学変換部と、前記磁気光学変換部
の両端に設けられた光伝送路と、前記光伝送路に光を入
射する光発生手段と、前記入射光が前記磁気光学変換部
を透過した後の光出力を検知して電気信号に変換する検
知手段と、前記検知手段からの電気信号を処理する電気
回路を備え、前記磁気光学変換部を磁界中に配置する事
により、磁界強度を検知する磁界測定装置であり、さら
に、磁気光学変換部を被測定磁界の数だけ具備し、それ
ぞれの前記号に変換する検知手段を被測定磁界の数だけ
設け、各々の前記検知手段からの電気信号を加減算する
信号処理回路を備え、複数の被測定磁界中に各々の磁気
光学変換部を配置することにより、磁界強度の変化を検
知する磁界測定装置であり、望むらくは、Ca−Mg−Zr置
換型Gd3Ga5O12基板又はNd3Ga5O12基板上にエピタキシャ
ル成長してなる磁気光学素子を用いるものであり、波長
0.7μmから0.9μmの間に発光ピーク波長を持つ光発生
手段を用いるものである。
作用 本発明は上記の構成により、高感度で測定精度の温度変
化が小さく、量産性に富んだ磁界測定装置を与えるもの
である。この理由を以下に実施例で詳細に述べる。
化が小さく、量産性に富んだ磁界測定装置を与えるもの
である。この理由を以下に実施例で詳細に述べる。
実施例 本発明に用いる磁気光学素子は、一般式BiXGdyY3-(x+y)
Fe5O12で示されるものであるが、この結晶の感度定数の
温度変化を第3図に示す。0.43≦y≦0.86の範囲では、
−20〜80℃の温度範囲で良好な特性を有する。特にBi
1.3Gd0.43Y1.27Fe5O12においては、±0.5%以内という
良好な特性を示している。この様な良好な結果を得る前
に、この組成範囲で、感度定数の温度変化が小さくなる
事を提案したが、その理由を以下に述べる。
Fe5O12で示されるものであるが、この結晶の感度定数の
温度変化を第3図に示す。0.43≦y≦0.86の範囲では、
−20〜80℃の温度範囲で良好な特性を有する。特にBi
1.3Gd0.43Y1.27Fe5O12においては、±0.5%以内という
良好な特性を示している。この様な良好な結果を得る前
に、この組成範囲で、感度定数の温度変化が小さくなる
事を提案したが、その理由を以下に述べる。
希土類鉄ガーネットは強磁性体であり、ファラデー効果
は第4図の様にある一定の磁界で飽和する。磁界測定に
は、外部磁界に対して直線的に変化する部分を用いる。
この場合、外部磁界に対する回転角θは、 θ=θF(H/MS)l ……(2) θF:ファラデー回転能 MS:飽和磁化 l:結晶長 で示される。従って感度定数C及びその温度依存性は、 C(T)=θF(T)/MS(T) ……(3) と定規できる。(3)式からもをわかる様に、感度定数
の温度変化は、θFとMSの双方の温度変化によって決定
される。
は第4図の様にある一定の磁界で飽和する。磁界測定に
は、外部磁界に対して直線的に変化する部分を用いる。
この場合、外部磁界に対する回転角θは、 θ=θF(H/MS)l ……(2) θF:ファラデー回転能 MS:飽和磁化 l:結晶長 で示される。従って感度定数C及びその温度依存性は、 C(T)=θF(T)/MS(T) ……(3) と定規できる。(3)式からもをわかる様に、感度定数
の温度変化は、θFとMSの双方の温度変化によって決定
される。
第5図にBiXGdyY3-(x+y)Fe5O12のθFの温度変化を示
す。測定結果は室温のθFで規格化して示してある。Gd
の量yに対してθFの温度変化は変化していない。これ
は、Bi置換量x(この場合x=1.0〜1.3)によって決ま
っているからである。第6図に、BiXGdyY3-(x+y)Fe5O12
のMSの温度変化を示す。MSはGdの量yを増加する事によ
り室温付近での温度変化が小さくなっている。従って、
BiXY3-xFe5O12の系の感度定数の温度変化をGdの添加で
改善する事ができた。その結果を第7図に示す。この図
から明かなとおり、室温付近で、Gdの量yが0.43≦y≦
0.86である場合、温度変化の改善が顕著である。さらに
第3図にも示した様に、Bi1.3Gd0.43Y1.27Fe5O12にお
いては、±0.5%以下の良好な温度変化を示している。
これらの結晶は量産性の良いLPE法でCa−Mg−Zr置換Gd3
Ga5O12基板上に成長させたものである。又その感度定数
はC=1.4゜/cmOe(λ=1.3μm),及びC=5.0゜/cmO
e(λ=0.85μm)と従来のYIGに比較して大きく、λ=
0.85μmの場合の様に短波長光源を用いる事により、さ
らに感度が向上する。従って、この磁気光学素子を用い
る事によって、高感度で、温度安定性,量産性に優れた
磁界測定装置が実現できるものである。
す。測定結果は室温のθFで規格化して示してある。Gd
の量yに対してθFの温度変化は変化していない。これ
は、Bi置換量x(この場合x=1.0〜1.3)によって決ま
っているからである。第6図に、BiXGdyY3-(x+y)Fe5O12
のMSの温度変化を示す。MSはGdの量yを増加する事によ
り室温付近での温度変化が小さくなっている。従って、
BiXY3-xFe5O12の系の感度定数の温度変化をGdの添加で
改善する事ができた。その結果を第7図に示す。この図
から明かなとおり、室温付近で、Gdの量yが0.43≦y≦
0.86である場合、温度変化の改善が顕著である。さらに
第3図にも示した様に、Bi1.3Gd0.43Y1.27Fe5O12にお
いては、±0.5%以下の良好な温度変化を示している。
これらの結晶は量産性の良いLPE法でCa−Mg−Zr置換Gd3
Ga5O12基板上に成長させたものである。又その感度定数
はC=1.4゜/cmOe(λ=1.3μm),及びC=5.0゜/cmO
e(λ=0.85μm)と従来のYIGに比較して大きく、λ=
0.85μmの場合の様に短波長光源を用いる事により、さ
らに感度が向上する。従って、この磁気光学素子を用い
る事によって、高感度で、温度安定性,量産性に優れた
磁界測定装置が実現できるものである。
第1図に本発明による一実施例を示す。磁気光学素子1
はBi1.3Gd0.43Y1.27Fe5O12で、厚み90μmのものをCa
−Mg−Zr置換Gd3Ga5O12基板上にエピタキシャル成長し
たものを用いた。2は磁気光学素子1の端面に設けた偏
光子であり、3は磁気光学素子のもう一方の端面に、偏
光子2に対して透過偏光方向が45゜傾くように設置した
検光子である。偏光子2,検光子3としては、グラントム
ソンプリズム又は偏光ビームスプリッタを用いた。磁気
光学素子1,偏光子2,検光子3より構成される磁気光学変
換部は、測定磁界(H)中に配置される。4はセルフォ
ックレンズで、磁気光学変換部に入射する光又は磁気光
学変換部を透過した光を平行光源にするためのものであ
る。5は光伝送路を形成するオプチカルファイバであ
る。6は光発生手段であり、0.8μm帯又は1.3μm帯の
LED又はLDを用いる。今回はλ=0.85μmのピーク波長
を持つ発光ダイオードを用いた。7は素子1を通過した
後の光を検知し電気信号に変換する検知手段であり、Ge
−PD,Si−PIN−PD等を用いるが、今回は0.85μmのLED
を用いるので、Si−PIN−PDを用いた。8は電気回路で
ある。この様な構成において、磁界強度を測定したとこ
ろ、150Oe以下の磁界を周囲温度−20〜+80℃の範囲
で、±1%以下の精度で測定する事が出来た。
はBi1.3Gd0.43Y1.27Fe5O12で、厚み90μmのものをCa
−Mg−Zr置換Gd3Ga5O12基板上にエピタキシャル成長し
たものを用いた。2は磁気光学素子1の端面に設けた偏
光子であり、3は磁気光学素子のもう一方の端面に、偏
光子2に対して透過偏光方向が45゜傾くように設置した
検光子である。偏光子2,検光子3としては、グラントム
ソンプリズム又は偏光ビームスプリッタを用いた。磁気
光学素子1,偏光子2,検光子3より構成される磁気光学変
換部は、測定磁界(H)中に配置される。4はセルフォ
ックレンズで、磁気光学変換部に入射する光又は磁気光
学変換部を透過した光を平行光源にするためのものであ
る。5は光伝送路を形成するオプチカルファイバであ
る。6は光発生手段であり、0.8μm帯又は1.3μm帯の
LED又はLDを用いる。今回はλ=0.85μmのピーク波長
を持つ発光ダイオードを用いた。7は素子1を通過した
後の光を検知し電気信号に変換する検知手段であり、Ge
−PD,Si−PIN−PD等を用いるが、今回は0.85μmのLED
を用いるので、Si−PIN−PDを用いた。8は電気回路で
ある。この様な構成において、磁界強度を測定したとこ
ろ、150Oe以下の磁界を周囲温度−20〜+80℃の範囲
で、±1%以下の精度で測定する事が出来た。
また、第2図に示すように、電気回路8を除く同じ構成
の磁気光学変換部9を備えた磁界測定装置を3個用い、
電気信号処理回路に加算減算処理回路10を用いて3つの
被測定磁界を測定した結果、3つの被測定磁界強度の和
及び差を精度良く測定する事ができた。第2図におい
て、5−a,5−b,5−cはオプティカルファイバ、6−a,
6−b,6−cは光源、7−a,7−b,7−cは光検出器、9−
a,9−b,9−cは磁気光学変換部である。
の磁気光学変換部9を備えた磁界測定装置を3個用い、
電気信号処理回路に加算減算処理回路10を用いて3つの
被測定磁界を測定した結果、3つの被測定磁界強度の和
及び差を精度良く測定する事ができた。第2図におい
て、5−a,5−b,5−cはオプティカルファイバ、6−a,
6−b,6−cは光源、7−a,7−b,7−cは光検出器、9−
a,9−b,9−cは磁気光学変換部である。
発明の効果 以上述べてきたことから明らかな様に、本発明の磁界測
定装置によれば、感度良くかつ周囲温度の変化に影響さ
れずに高精度に測定できるものであり、その工業的価値
は大なるものである。
定装置によれば、感度良くかつ周囲温度の変化に影響さ
れずに高精度に測定できるものであり、その工業的価値
は大なるものである。
第1図,第2図は本発明による磁界測定装置のそれぞれ
実施例の概略図、第3図,第7図は本発明に用いた磁気
光学素子の感度定数の温度変化を説明する図、第4図は
希土類鉄ガーネットのファラデー効果を説明する図、第
5図はθFの温度変化を示す図、第6図はMSの温度変化
を示す図、第8図は従来のYIG(Y3Fe5O12)の感度定数
の温度変化を示す図、第9図はファラデー効果を用いた
磁界の測定原理を示す図である。 1……磁気光学素子、2……偏光子、3……検光子、4
……セルフォックレンズ、5……オプティカルファイ
バ、6……光源、7……光検出器、8……電気回路、9
……磁気光学変換部、10……電気演算回路。
実施例の概略図、第3図,第7図は本発明に用いた磁気
光学素子の感度定数の温度変化を説明する図、第4図は
希土類鉄ガーネットのファラデー効果を説明する図、第
5図はθFの温度変化を示す図、第6図はMSの温度変化
を示す図、第8図は従来のYIG(Y3Fe5O12)の感度定数
の温度変化を示す図、第9図はファラデー効果を用いた
磁界の測定原理を示す図である。 1……磁気光学素子、2……偏光子、3……検光子、4
……セルフォックレンズ、5……オプティカルファイ
バ、6……光源、7……光検出器、8……電気回路、9
……磁気光学変換部、10……電気演算回路。
フロントページの続き (72)発明者 峯本 尚 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 戸田 和郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 石河 大典 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 石塚 訓 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−107900(JP,A) 特開 昭62−186220(JP,A) 特開 昭62−143893(JP,A) 特開 昭62−110162(JP,A)
Claims (4)
- 【請求項1】透過偏光方向を互いに異ならしめた偏光子
と検光子との間に一般式BiXGdYY3−<X+Y>Fe5O12
(1.0≦x≦1.4、0.43≦y≦0.86)で示されるBi置換希
土類鉄ガーネット結晶よりなる磁気光学素子を配置した
磁気光学変換部と、前記磁気光学変換部の両端に設けら
れた光伝送路と、前記光伝送路に光を入射する光発生手
段と、前記入射光が前記磁気光学変換部を透過した後の
光出力を検知し、電気信号に変換する検知手段と、前記
検知手段からの電気信号を処理する電気回路を備え、前
記磁気光学変換部を磁界中に配置することにより、磁界
強度を検出することを特徴とする磁界測定装置。 - 【請求項2】前記記載の磁気光学変換部を被測定磁界の
数だけ具備し、それぞれの前記磁気光学変換部を透過し
た後の光出力を検知し、電気信号に変換する検知手段を
被測定磁界の数だけ設け、各々の前記検知手段からの電
気信号を加減算する信号処理回路を備えたことを特徴と
する請求項1記載の磁界測定装置。 - 【請求項3】Ca−Mg−Zr置換型Gd3Ga5O12基板上又はNd3
Ga5O12基板上に、BiXGdYY3−(X+Y>Fe5O12で示さ
れ、xの値が1.0≦x≦1.4及びyの値が0.43≦y≦0.86
であるBi置換希土類鉄ガーネット結晶をエピタキシャル
成長して得られる磁気光学素子を用いることを特徴とす
る請求項1記載の磁界測定装置。 - 【請求項4】波長0.7μmから0.9μmの間に発光ピーク
波長を持つ光発生手段を用いることを特徴とする請求項
1記載の磁界測定装置。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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