JPH1194542A - 測距モジュール - Google Patents
測距モジュールInfo
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- JPH1194542A JPH1194542A JP25101997A JP25101997A JPH1194542A JP H1194542 A JPH1194542 A JP H1194542A JP 25101997 A JP25101997 A JP 25101997A JP 25101997 A JP25101997 A JP 25101997A JP H1194542 A JPH1194542 A JP H1194542A
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Abstract
を提供する。 【解決手段】 本モジュールでは、第1及び第2発光素
子2A,3Aを異なる時刻に発光させるとともに、第1
発光素子2A発光時にPSDから出力される電流の和及
び差に基づいて所定距離以上にある被測定物までの距離
を求め、和、差及び第2発光素子3A発光時にPSDか
ら出力される電流の和に基づいて所定距離よりも近い被
測定物までの距離が求められる信号を出力する制御回路
11とを備える。
Description
離測定を行う測距モジュールに関する。
Photodetector;PSD)は、ホトダイオードを応用し
た入射スポット光の受光位置を検出するセンサである。
図である。このPSD142は、n型半導体基板403
上にp型半導体層402を有し、n型半導体基板403
のp型半導体層402の形成面と反対の面にn+型半導
体層404を有し、p型半導体層402上に、所定距離
Cだけ離して電極142b,142cが設けられてい
る。n型半導体基板403には、n+型半導体層404
及び電極142b,142cを介して所定のバイアス電
圧が印加されている。p型半導体層402の受光面の一
方の電極142cから所定距離X離れた位置に光hνが
入射すると、PSD内部で発生した光電流は、受光面上
の電極間距離C間の抵抗R及び光入射位置までの抵抗R
xに応じて分割され、両電極142b,142cから電
流IA,IBとして取出される。取出された光電流の比
は、およそ光の入射位置と、電極142b,142cそ
れぞれとの距離の逆数の比となる。また、電流IA、IB
の和は、入射光の光量に比例している。したがって、各
電流の比から光の入射位置を算出する事が出来る。PS
Dは、この位置検出特性を利用して光により物体との距
離を検出する測距センサーに広く利用されている。
ンサーの基本原理を説明するための説明図である。発光
素子141aから投射された光は、投光レンズ143を
介して、被測定物体145の表面に到達して反射され、
反射光の一部が受光レンズ144を介してPSD142
の受光面142aの受光位置SPに入射される。このと
き、受光レンズ144と受光面142aの距離をf、受
光レンズ144と投光レンズ143の光軸の距離(基線
長)をB、受光位置SPの受光レンズ144の光軸中心
からの距離X1とすると、物体145表面と受光レンズ
144の距離Lは、以下の式1で表わされる。
2cからの出力IA,IBより、光の入射位置SP、すな
わちX1を求めることができ、式1から被測定物体14
5までの距離Lを求める事ができる。
の測定距離に限界があった。すなわち、図9より明らか
なように、被測定物145とPSD142の距離が近
い、つまりLが短い場合は、X1が大きくなり、Lが所
定距離LC以下になると、反射光は受光面142aの領
域からそれてしまうので検出できなくなる。所定距離L
Cは、以下の式2で表わされる。
の発光素子141a側の電極142Cとの間の距離であ
る。
合には電流出力が得られず、正確な距離計測ができなか
った。
を可能にする技術は、特開昭62−235518号及び
特公平7−38048号等に記載されている。前者の測
距装置は、前述のLCより近い近接領域の検出を行うP
SDを遠距離用PSDに隣接させて配置したものであ
る。後者は、遠距離用発光素子LEDと近距離用発光素
子LEDの2種類の発光素子を基線長方向の異なる位置
に配置して、それぞれを選択的に発光させ、PSDの出
力をそれぞれに応じて補正する事により、近距離側の測
定を可能としたものである。
Dの設置スペースやコストの面からPSDの受光面積長
さが制限されるので、近距離側を十分に測定する事は困
難である。また、近距離の測定物からの反射スポット光
の光量が強すぎてPSDの出力が飽和して正確な測距が
行えないという問題があった。これを克服するためにL
EDの出力を低下させると、遠距離側の測距が十分に出
来なくなってしまう。
の距離制限が短縮するだけであり、約20cm以内の至
近距離から距離ほぼゼロまでに被測定物体がある場合
は、測距不能であり、被測定物の存在自体を認識する事
が出来なかった。
なされたものであり、至近距離の被測定物までの距離を
も測定可能な測距モジュールを提供することを目的とす
る。
ールは、ハウジング内に配置され受光面上の入射光位置
に応じて2つの電流を出力するPSDと、前記ハウジン
グに設けられ被測定物に光を照射する第1発光素子と、
前記ハウジングに設けられ前記第1発光素子から前記被
測定物に照射される光よりも低い指向性の光を前記被測
定物に照射する第2発光素子と、前記PSDの前記受光
面に対向するとともに前記第1及び第2発光素子から出
射され前記被測定物で反射された光を前記受光面に導く
位置に設けられたレンズと、前記第1及び第2発光素子
を異なる時刻に発光させるとともに、少なくとも前記第
1発光素子発光時に前記PSDから出力される電流の和
及び差、及び前記第2発光素子発光時に前記PSDから
出力される電流の和に基づいて所定距離よりも近い被測
定物までの距離が求められる信号を出力する制御回路と
を備えることを特徴とする。
所定距離よりも近い位置に被測定物がある場合、すなわ
ち、PSD受光面からスポットが一部はみ出してしまう
場合には、第1発光素子発光時のPSDの出力電流の和
及び差、及び第2発光素子発光時のPSDの出力電流の
和に基づいて被測定物までの距離が求められる信号を出
力する。
があることによって、第1発光素子から出射され被測定
物で反射された光がPSD受光面にスポットとして入射
するときには、制御回路は第1発光素子発光時のPSD
の出力電流の和及び差に基づいて所定距離以上にある被
測定物までの距離が求められる信号を出力することが好
ましい。なお、この場合においても、制御回路は、上記
所定距離よりも近い位置に被測定物がある場合と同様
に、第1発光素子発光時のPSDの出力電流の和及び
差、及び第2発光素子発光時のPSDの出力電流の和に
基づいて、所定距離以上にある被測定物までの距離が求
められる信号を出力してもよい。
ュールについて説明する。同一要素又は同一機能を有す
る要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は
省略する。
を示す。本モジュールは、ハウジングHS内に配置され
た半導体位置検出器(PSD)1を備える。PSD1
は、n型Siからなる半導体基板1cと、半導体基板1
cの長手方向に沿って半導体基板1cの表面に形成され
たp型Siからなる高抵抗基幹導電層1fと、基幹導電
層1fから半導体基板1cの幅方向に沿い基幹導電層1
fを横切って延びたp型Siからなる複数の低抵抗分枝
導電層1eと、半導体基板1cの表面の基幹導電層1f
を覆うとともに分枝導電層1eを含む受光領域に光が入
射可能なように半導体基板1cの長手方向に沿って延び
た2つの開口を有する遮光膜1dと、半導体基板1cの
裏面に高濃度n型Siからなるコンタクト層1bを介し
て形成された裏面電極1aと、基幹導電層1fの両端部
に形成された一対の位置信号電極1B,1Cとを備え
る。
交する線分に平行に隣接し、ハウジングHS内に配置さ
れた遠距離測定用発光ダイオード(第1発光素子)2
A,2Cと、その近傍に配置された第1発光素子2A,
2Cの出力モニター用のホトダイオード(受光素子)2
Bと、第1発光素子2A,2Cから出力された光の通過
経路上に配置されて通過光を平行光束とするようにハウ
ジングHSに固定された投光レンズ5と、PSD1の受
光面に対向する位置に設けられハウジングHSに固定さ
れた受光レンズ4及び外乱光をカットする光学フィルタ
6とを備える。また、受光レンズ4と投光レンズ5の光
軸は平行であり、PSD1と第1発光素子2A,2Cの
表面がこれらの光軸と垂直である。
測定物に照射される光よりも指向性が低い拡散光を出射
する発光ダイオード(第2発光素子)3Aと、その近傍
に配置された第2発光素子3Aの出力モニター用のホト
ダイオード(受光素子)3Bとを備えている。ここで、
第1発光素子2A,2Cは小径のスポット光を、第2発
光素子3Aは広角度(例えば±40°)の拡散光を被測
定物にそれぞれ投影するが、それぞれの素子は別種のも
のでなくてもよい。また、本実施の形態では、第1発光
素子を2個用いた例で説明している。これは、第1発光
素子がスポット光の為、目的とする被測定物が人の場
合、大人や子供の違いによって投光スポット光が反射し
て戻ってくる領域が異なる為、必要に応じて第1発光素
子が複数個必要になる場合があるためで、もちろん第1
発光素子は1個であってもかまわない。
Aを順次異なる時間に発光させてその発光タイミングを
制御し、また、その強度を制御し、受光素子2B,3B
の出力をモニターし、入力されるPSD1の位置信号電
極1B,1Cから出力される2つの電流IA及びIBに応
じてコンピュータ42で被測定物までの距離を演算する
ことができる信号を出力するアナログ制御回路11を備
える。
明するための説明図である。まず、遠距離側の距離測定
について説明する。遠距離側の距離測定は、三角測量方
式による。つまり、発光素子2A又は2Cから出射した
光は、投光レンズ5により小径のスポット光に集光され
て、被測定物15に照射される。このスポット光の径
は、投光レンズ5から70cmの距離で約4cmであ
る。被測定物15に照射された光は、表面で一般に乱反
射され、その一部が集光レンズ4及び干渉フィルタ6を
経由して、PSD1の受光面1Aに到達して、光電流を
発生させ、PSD1の両電極1B、1Cからその位置に
応じた電流IA及びIBが出力される。このとき、前述し
たように、受光レンズ4と受光面1Aの距離をf、基線
長をB、受光位置の受光レンズ4の光軸中心からの距離
をx1とすると、被測定物15表面と受光レンズ4の距
離Lは、再掲する以下の式で表される。
IA)/(IA+IB)=2x1/C−1であるから、制御
回路11は両電極の電流出力IA,IBからIB−IA及び
IA+IBを演算し、コンピュータ42が演算結果に基づ
いて上式から受光面上の入射位置x1を演算し、上式に
基づいて距離Lを演算して距離データを出力する。
に被測定物体15”が存在するときはx1が大きくな
り、第1発光素子2A,2Cから受光面1Aに入射する
スポットがはみ出してしまう。距離測定の限界となる位
置が被測定物15’の位置はLcは、本実施の形態では
約20cmである。
いた距離Lc以内の至近距離の測定について説明する。
以下、至近距離に被測定物15”が存在する場合を例に
説明する。第2発光素子3Aは、広角度(例えば±40
°)で光を照射している。したがって、被測定物15”
の広い範囲に光が照射されている。被測定物15”への
第2発光素子3Aの投射光の反射光には、前述の第1発
光素子2Aからの投射光の反射光に比べて受光レンズ4
への入射角(いいかえれば、受光レンズ4の光軸となす
角度)が小さい成分が含まれるため、その一部がPSD
1の受光面1Aに入射する。このとき、受光面1Aの比
較的広い位置に光が入射するため、受光素子1の両電極
1B、1Cから発生する電流IA、IBから一義的に受光
位置x1を求めることは困難になるが、その和IA+IB
は、受光面に入射した光の光量の総和に応じたものとな
る。被測定物15が近距離にあるほど、その反射特性が
同一の場合は、受光面1Aに入射する光量が多くなるの
で、出力電流の和も大きくなる。
しているので、被測定物が遠距離にある場合には、その
反射光のうち、受光レンズ4を経て、受光面1Aに入射
する光量は微弱なものとなり、出力電流の和も小さくな
る。さらに、被測定物が所定の距離内に存在しない場合
は、第2発光素子3Aの光が被測定物に到達するまでに
拡散してしまうので、反射光を検出することはできなく
なる。これらの場合には、出力電流の総和IA+IBも発
生しないか、微弱なものとなる。したがって、測定対象
となる被測定物の反射特性をもとにして、被測定物が距
離Lcにある時の反射光によって発生する電流強度以下
の値をしきい値として、それ以上の電流を検出したとき
に物体が存在すると判定するように設定することによ
り、距離Lc以内の至近距離にある物体の存否を確実に
判定することができる。
場合には総和IA+IBは距離の2乗に反比例して増加す
るので、制御回路11内の増幅器において出力が飽和
し、距離Lc以内の至近距離にある物体の存否を確実に
判定することができるものの、距離自体の測定は正確に
は行うことができない。そこで、制御回路11内におけ
る増幅器の増幅率又は発光素子2A,2C,3Aへの供
給電流量を制御し、PSD1にてモニタされる受光強度
が大きい場合にはコンピュータ42からの信号によって
これらを低下させる。しかし、これらを低下させると、
PSD1における受光光量だけでは至近距離における正
確な距離測定はできなくなり、また、被測定物の反射率
によっても受光光量が大きく変化する。
る被測定物からの総入射光量の違いは、白紙(反射率9
0%):黒幕(反射率4%)=22:1であり、10c
mの位置における被測定物からの総入射光量の違いは、
白紙(反射率90%):黒幕(反射率4%)=100:
1である。
いては、PSD受光面上からスポットがはみ出した場合
においても発光素子2A,2C,3Aから出力され受光
面に入射した光を用いることにより至近距離の距離測定
を行うこととした。
びコンピュータ42を含むシステム構成図であり、図4
は、この装置の動作タイミングを示すタイミングチャー
トである。
されるパルスクロック信号CLKを分周することによ
り、3つの発光素子2A、2C、3Aのそれぞれの発光
を制御するドライブパルス信号LED1〜3を生成す
る。本実施の形態では、図4に示されるように、CLK
信号パルス16個ごとに発光素子2A,2C、3Aのそ
れぞれのパルス信号を切り換えて出力している。また、
タイミング発生回路21は、各発光素子信号のパルスの
立ち上がり前にサンプルホールド制御用のS/H_A信
号をパルス出力し、各発光素子信号のパルス信号の終了
前に同じくサンプルホールド制御用のS/H_B信号を
パルス出力し、各発光素子信号終了後の所定時間後にサ
ンプルホールド終了を示すVALID信号をサンプルホ
ールド回路30〜33に出力している。また、信号LE
D1に対応したパルス信号をSYNC信号として外部に
出力している。
りドライブ回路22は、発光素子2A,2C,3Aを時
分割的にパルス点灯させる。各発光素子から発せられた
光は、被測定物15によって反射されて、遮光膜1dの
開口によって規定されるPSD1の各領域PSD1D,
1Eに入射し、光電流を生成する。それぞれのPSDで
発生した光電流は、その2つの電極から分流されて出力
されるが、それぞれのPSD1D,1Eが並列接続され
ているので、対応する電極の出力電流の合成電流が後続
の回路に送られる。これらの合成後の光電流は、外乱光
によるノイズを含むパルス電流である。
ードバックや容量結合を用いて(図示していない)外乱
光によるノイズ成分を除去された後、電流−電圧変換器
24,25により電圧信号に変換されて、利得調整可能
な増幅器26、27で出力飽和がしないように増幅さ
れ、加算回路28、減算回路29にそれぞれ転送され
る。
信号は、後続のサンプルホールド回路30〜33に送ら
れる。それぞれのサンプルホールド回路のうち回路3
0、32では、発光素子のタイミング回路21から送ら
れてきたサンプルホールド制御信号S/H_Aに基づい
て発光素子発光直前の信号レベルが、回路31、33で
は、サンプルホールド制御信号S/H_Bに基づいて発
光素子発光時の信号レベルがそれぞれ保持される。
ルは、VALID信号がオンになると次段の減算回路3
4、35に送られて、発光素子発光時と発光素子発光直
前との信号レベルの差がとられることにより、ノイズが
除去された加算信号出力Σou t( IA+IBに相当)と、
減算信号出力Δout(IB−IAに相当)が得られ、コン
ピュータ42ではこれらの信号を基にして距離検出を行
うことが可能である。
電流−電圧変換器38で電圧信号に変換された後、増幅
器39を介してサンプルホールド回路40によりサンプ
ルホールドされた後、一定値の信号LEDmonとして出
力される。Vref信号は発光素子非点灯時の基準信号で
ある。両者の差が所定レベル以下であれば、発光素子が
点灯していないとみなせるので、エラー出力を生成する
ことにより、誤作動を防止することができる。
まま処理してもよいし、デジタル信号に変換して処理し
てもよい。また、1周期ごとの出力を直接処理しても複
数周期の出力をもとにして演算処理してもよい。
in X,Y)をデコータ41に出力する。デコーダ4
1から出力されたアナログ制御信号は、PSD1の出力
の増幅率を制御する増幅器26,27,36,37及び
発光素子に供給される駆動電流の供給電流を制御する切
換器23に入力され、それぞれの出力飽和が生じないよ
うにされる。
て、ダイナミックレンジが飽和してしまうのを防ぐため
に、コンピュータ42は、それぞれの発光素子2A,2
C,3Aの発光時の制御回路11の出力を1回測定して
記憶し、出力飽和が起こらないように共通のダイナミッ
クレンジを決定し、デコータ41の指定するゲイン切換
の増幅率を固定する(例えば5V定電源を用いる場合、
0.1V〜4Vにコントロールする)。ゲイン切換の増
幅率が決まり、ダイナミックレンジが決まったら、n回
の測距を行い、第1発光素子2A又は2C点灯時のPS
D1の差信号(PSDΔ=IB−IA)、第1発光素子2
A又は2C点灯時のPSD1の和信号(PSDΣ=IA
+IB)、第2発光素子3A点灯時のPSD1の和信号
(近接Σ)から発光素子非点灯時の基準信号分のリファ
レンス電圧1V引いた信号出力をコンピュータ42に記
憶し、n回の平均値を求めn回平均値を元に測距演算を
行う。なお、この得られたn回の平均値の出力結果をそ
れぞれPSDΔ+、PSDΣ+、近接Σ+とし、これらの
距離依存性を図5に示す。
物であっても、出力信号が飽和してしまい測距不能とい
う事態を避ける事ができ、PSDの測距演算により無限
遠からPSDの受光面に入射するスポット光が欠けを生
じない範囲で近距離(約20cm)まで測距する事が可
能となる。
受光面に入射するスポット光が欠けを生じる距離から距
離ほぼ零の範囲においても測距が出来るように以下の工
夫を行った。すなわち、コンピュータ42は、以下の演
算を行う。
SDの和信号PSDΣ+をそれぞれ加算し、近接Σ+及び
PSDΔ+の和と、近接Σ+及びPSDΣ+の和との比を
取る。すなわち、(近接Σ++PSDΔ+)/(近接Σ+
+PSDΣ+)=Rを演算する。
が2つある。1つは、PSDに入射するスポット光はあ
る大きさの径を持っているため、理想的にはPSDの和
出力と差出力の比が、0≦PSD△/PSDΣ<1の関
係となる。ところが、極端な場合、0≦PSD△/PS
DΣ≦0.5となってしまう場合がある。
測定において一般的にPSD△の出力をK倍増幅するよ
うに増幅率を設定することにより演算を行い易くする。
た際、PSD△出力がA/D変換器のノイズレベル程度
だった場合、PSD△出力がA/D変換器のノイズレベ
ルに隠れてしまい分解能が低下してしまう。このような
場合もPSD△出力がK倍増幅されていれば、PSD△
出力のA/D変換器内での分解能を上げることができ
る。
を行う場合、Rを算出する演算式の分子側の近接Σ+を
K倍してRを算出する。この様にしないと、本来期待さ
れるRの値に対してK倍のRが算出されない。
る。PSD出力及び近接Σ+の出力が、全体として飽和
してしまわないように増幅率を設定していても、被測定
物の反射率や第2発光素子(3A)の広角度の取り方や
アセンブリの仕方により近接Σ+の出力がPSDからの
出力に対して大きくなったり小さくなったりしてしまう
事がある。しかし、本法を適用する場合、近接Σ+の出
力とPSDΣ+の出力とが1Vの時ほぼ同じ位置出力が
得られるように、近接Σ+の出力の増幅率設定がされて
いないと、Rの結果が左上がりの結果を得る事が出来な
い。近接Σ+の出力をN倍増幅し、近接Σ+の出力とPS
DΣ+の出力とが1Vの時ほぼ同じ位置出力となるよう
に調整し、Rの結果が左上がりとなるようにする(Sは
右上がりの結果となる)。
けを生じる距離を示す時のRの値をaとする。
のPSDの測距演算により、無限遠からPSDの受光面
に入射するスポット光が欠けを生じる距離までの測距を
行う。
Δ+)/(近接Σ++PSDΣ+)を元に測距を行う。こ
の式により得られる結果のグラフを図6に示す。このグ
ラフから判るように、この式によって得られる結果は、
左上がりの傾向を示し、このグラフを利用すれば、PS
Dの受光面に入射するスポット光が欠けを生じる距離
(約20cm)から距離ほぼ零の範囲において測距する
事が可能となる。第2発光素子3A点灯時のPSD1の
出力は、被測定物がモジュールに近づくに従い距離の2
乗に反比例して受光強度が増え、第1発光素子2A,2
C点灯時のPSD1の出力はPSD受光面に当たるスポ
ット光が欠ける前まで被測定物がモジュールに近づくに
従い増える。しかしながら、PSDの受光面に当たるス
ポット光が欠け始めると被測定物がモジュールに近づく
に従い、受光強度が減少していく。このPSD受光強度
の減少率が発光素子3A点灯時のPSD1の出力の増加
率に比べ小さいためにこの式のグラフは、左上がりの傾
向を示すグラフとなる。従って、本式を用いる事によ
り、PSDの受光面に入射するスポット光が欠けを生じ
る距離から距離ほぼ零の範囲において測距する事が可能
となる。
いたときの測定距離とPSD出力比Rとの関係を示すグ
ラフである。本グラフから、本モジュールにおいては、
被測定物の反射率に拘らず、至近距離にある被測定物の
距離測定を行うことができることが分かる。ここで、P
SD△を2倍に増幅している。このため、出力比の範囲
が0〜2になっている。
なったが、PSDからの出力が、スポット欠けのために
出力しなかった領域まで出力するようになったため、至
近距離なのか無限遠なのか判別がつかず誤動作の可能性
がある。これを回避するために、無限遠の判定レベルを
任意に設定し(例えば、PSDΣ+=近接Σ+となる時の
値をbとし、bを基準に無限遠の判定レベルを1/5b
とか1/10bとかに設定する)、この判定レベルより
もPSDΣ+および近接Σ+の値が共に小さくなった時、
被測定物が無限遠にあると判定する。
ジングHS内に配置され受光面上の入射光位置に応じて
2つの電流を出力するPSD1と、ハウジングHSに設
けられ被測定物15に光を照射する第1発光素子2A
と、ハウジングHSに設けられ第1発光素子2Aから被
測定物15に照射される光よりも低い指向性の光を被測
定物15に照射する第2発光素子3Aと、PSD1の受
光面1Aに対向するとともに第1及び第2発光素子2
A,3Aから出射され被測定物15で反射された光を受
光面1Aに導く位置に設けられたレンズ4と、第1及び
第2発光素子2A,3Aを異なる時刻に発光させるとと
もに、第1発光素子発光時にPSDから出力される電流
の和及び差に基づいて所定距離以上にある被測定物まで
の距離が求められ、和、差及び第2発光素子発光時にP
SDから出力される電流の和に基づいて所定距離よりも
近い被測定物までの距離が求められる信号を出力する制
御回路11とを備える。
を用いることにより、至近距離の被測定物までの距離を
も測定することができる。
図。
ト。
フ。
フ。
フ。
A…第1発光素子、3A…第2発光素子、4…レンズ、
11…制御回路。
Claims (1)
- 【請求項1】 ハウジング内に配置され受光面上の入射
光位置に応じて2つの電流を出力するPSDと、前記ハ
ウジングに設けられ被測定物に光を照射する第1発光素
子と、前記ハウジングに設けられ前記第1発光素子から
前記被測定物に照射される光よりも低い指向性の光を前
記被測定物に照射する第2発光素子と、前記PSDの前
記受光面に対向するとともに前記第1及び第2発光素子
から出射され前記被測定物で反射された光を前記受光面
に導く位置に設けられたレンズと、前記第1及び第2発
光素子を異なる時刻に発光させるとともに、少なくとも
前記第1発光素子発光時に前記PSDから出力される電
流の和及び差、及び前記第2発光素子発光時に前記PS
Dから出力される電流の和に基づいて所定距離よりも近
い被測定物までの距離が求められる信号を出力する制御
回路とを備えることを特徴とする測距モジュール。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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- 1997-09-16 JP JP25101997A patent/JP3930621B2/ja not_active Expired - Lifetime
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