JPS6140529A - 圧力・容量トランスデユ−サおよびその製造方法 - Google Patents

圧力・容量トランスデユ−サおよびその製造方法

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JPS6140529A
JPS6140529A JP7366585A JP7366585A JPS6140529A JP S6140529 A JPS6140529 A JP S6140529A JP 7366585 A JP7366585 A JP 7366585A JP 7366585 A JP7366585 A JP 7366585A JP S6140529 A JPS6140529 A JP S6140529A
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JP
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capacitance
sensor
transducer
capacitor
pressure
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JP7366585A
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ステーブン ジヨン カルシロ
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Johnson Service Co
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0075Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a ceramic diaphragm, e.g. alumina, fused quartz, glass

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、概略的に言えば電気トランスデユーサに係わ
り、詳細に言えばそれに印加された圧力の関数として出
力信号電圧を発生するだめの直線性を有する、熱的に安
定な圧力・容量トランスデユーサに関する。
〔従来の技術〕
ダイアフラ人形式の圧力・容量トランスデユーサは広く
使用されて、l=−シ、このトランスデユーサは、通常
は電気回路によって出力電圧に変換される正確に測られ
た静電容量を有しており、この静電容量はこのトランス
デユーサに印加された圧力の関数である。容量性トラン
スデユーサのデザインを選択する場合に考慮される多く
の特性のうちの重要な特性は直線性と熱的安定性である
。もしトランスデユーサが直線性を有するならば、圧力
変化の関数としての出力電圧の変化は1次方程式であら
れすことができ、かつ直交座標を用いたグラフ上にプロ
ットすれば直線として描かれうるであろう。直線性を有
するならば、トランスデユーサの出力の関数として検出
された可変量を確定するために較正曲線また較正表と比
較する必要がなく々る。さらに、もしトランスデユーサ
が熱的に安定であれば、周囲温度の変化とは無関係にな
る。
安定性が欠除していると、容量性の圧力検知形トランス
デユーサは、印加された圧力に比例しない容量変化を呈
するであろうし、その結果誤っfc値を示すであろう。
熱的に安定な圧力・容量トランスデューサを設計するだ
めの一方法が米国特許第3858097号に示されてお
り、そわのトランスデューサは、基準コンデンサを形成
するための対向して取付けられた一対の環状プレートと
、センサー・コンデンサを形成するための対向して取付
けられた一対の中心プレートとを備えている。各センサ
ー・コンデンサのプレートはそれに組合せられた基準コ
ンデンサのプレートと同一平面上にありかつ基準コンデ
ンサのプレートの内方に同心的に設けられている。基準
コンデンサのプレートとセンサー・コンデンサのプレー
トの互いに同一平面上にある各組が共通の基体上に同一
の材料で形成されているため、このトランスデユーサは
、基準コンデンサを別個に外部に取付けらifr、素子
として有するトランスデューサよりも優わた熱的安定特
性を示す。
しかしながら、このようなトランスデユーサの出力は非
直線的であシ、もし直線的出力を得たい場合には、電気
回路内に付加的な補償回路を必要とする。
この直線性の問題の一解決手段が米国特許第42274
1、9号に示されており、それのトランスデユーサは、
センサーの内部に、トランスデユーサの非直線性を相殺
するためのトリマー・コンテンサセクションを備えてい
る。そこに示されているトリマー・コンデンサはセンサ
ー・コンデンサよりも小さい表面積を有し、直線的出力
を得るために、外部に取付けられた大きな基準コンデン
サをトリマー・コンデンサと共に用いることを要する。
この別個に設けられた基準コンデンサは予期不能な温度
係数を有するため、恐らく熱的非安定性を生じるであろ
う。
圧力・容量トランスデユーサを設計するための    
  、。
さらに他の方法が米国特許第4422125号に記載さ
れており、そこに開示されたトランスジューサは、基準
コンデンサを形成するために互いに所定の位置関係を保
持された一対のプレートを備えており、その容量値は、
圧力および温度の変化に対して実質的に不変である。こ
わらトランスジーサは、従来は満足すべきものではあっ
たが、優れた熱的安定性を示し、同時に、電気回路によ
って直線的出力を伴う変換に適合しつる圧力・容量トラ
ンスデユーサが一体素子として構成−ghうるというよ
うなことは考えられていなかった。
〔発明の概要〕
一般的に言って、たわみダイアフラム形式の圧力・容量
トランスデユーサは、容量変換回路に接続されるように
なされ、かつ第1の絶縁性基体上に支持されたほぼ平面
状の導電性ベース・メンバーを備えている。はぼ平面状
の導電性センサー・メンバーがベース・メンバーとほぼ
平行にかっこのベース・メンバーから離れた関係で第2
の絶縁性基体上・に支持されている。このセンサー・メ
ンバーはベース・メンバーと共働してセンサー・コンデ
ンサを形成する。・導電性基準メンバーがセンサー・メ
ンバーとほぼ同一平面上にかつセンサー・メンバーと電
気的に絶縁して設けられ、ベース・メンバーと共働して
基準コンデンサを形成する。
センサー・メンバーおよび基準メンバーは、互いに介挿
された( 1nterposed )複数のセグメント
をそれぞれ備えている。センサー・コンデンサおよび基
準コンデンサは、動作範囲内の圧力の中から選択された
個々の圧力に対する圧力依存容量値CsおよびCrをそ
れぞれ有し、容量変換回路からの出力信号は実質的に直
線的となる。
容量変換回路に結合されるようになされたたわみダイア
フラム形式の圧力・容量トランスデユーサの製造方法で
は、第1の絶縁性基体上釦支持はれたほぼ平面状の導電
性ペース・メンバーを用意することと、このベース・メ
ンバーとほぼ平行にかつこのベース・メンバーから離ね
た関係で配置されるようになされたほぼ平面状の表面を
有する第2の絶縁性基体を用意することとを含む。複数
の同心円か第2の絶縁性基体の平面状の表面に重ね合せ
られて(superimposed )複数の環状リン
グを画定する。各リングは複数のセンサー増分領域と、
複数の基準増分領域とに割当てられる。導電性センサー
・メンバーおよび基準メンバーがそれぞれセンサー増分
領域と基準増分領域とに連続して、かつ互いに電気的に
絶縁して配#σわ、前R己ベース・メンバーと共働して
センサー・コンデンサおよび基準コンデンサをそわ、ぞ
れ画定する。
センサー・コンデンサおよび基準コンデンサは、動作範
囲内の圧力の中から選択さ′hだ個々の圧力に対する圧
力依存容量値を有するような態様で前記割当が行なわね
、容量変換回路からの出力信号は実質的に直線的となる
本発明の1つの目的は、直線性と熱的(で安定な特性と
の双方を有する圧力・容量トランスデユーサを提供する
ことにある。
本発明の他の目的は、互いに介挿ζわた複数のセグメン
トをそれぞれ有するセンサー・メンバーと基準メンバー
を備えた圧力・容量変換器を提供することにある。
本発明のざらに他の目的は、センサー・コンデンサおよ
び基準コンデンサが、動作範囲内の圧力の中から選択さ
れた個々の圧力に対する圧力依存容量値を有し、容量変
換回路からの出力信号が実質的に直線的となる容量性ト
ランスデューサを提供することにある。
本発明のざらに他の目的は、センサー・コンデンサおよ
び基準コンデンサが、動作範囲内の圧力の中から選択−
ghだ個々の圧力に対する圧力依存容量値を有し、容量
変換回路からの出力信号が直交座標を用いたグラフ上で
実質的に直線であられされつる圧力・容量トランスデユ
ーサを提供することにある。本発明のこれらの目的およ
びその他の目的が如伺に達成されるかは、図面を伴った
下記詳細な説明からより明らかとなるであろう。
〔実施例〕
第1図〜第4図に示てれているように、本発明の圧力・
容量トランスデューサ10は、間にキャビティ15を画
定して互いに結合された第1の誘電体基体]]と第2の
誘電体基体13とを備えている。各基体1]、13には
、互いを対向する関係に結合するための環状の肩部17
が突設されている。基体11.13を形成している材料
およびそわら材料の選択された厚さは、多くの要因の中
から、達成はれるべき製造コスト・・やラメータと、変
換されるべき圧力の大きさに依存して定められる。しか
しながら、好ましい材料はアルミナ・セラミックおよび
水晶である。第1の基体11は、その上にベース・メン
バー21を取付けた第1の表面を有し、第2の基体13
は、その上にセンサー・メンバー25および基準メンバ
ー27をそわそわ、取付けた第2の表面23を有する。
好ましいトランスデユーサ10においては、表面19.
23は実質的に平坦であり、かつ基体1】、13が組立
てら力だ場合、互いに平行になる。基体11.13が同
一形状を有するとすれば、製造コストが安くなるであろ
うが、一方の基体上のベース・メンバー21と、他方の
基体上のセンサー・メンバー25および基準メンバー2
7との間に所望とされる間隔に等しい高さの肩部を、第
1の基体11または第2の基体13の何れか一方に設け
てもよい。その場合、肩部を備えない他方の基体は単に
1枚の円板となしつる。捷た、円板状の基体はガラス・
フリットの間隔板あるいは他の手段を用いることによっ
て結合ghうる。
第5フシよび第4図を参照すると、はぼ平坦な導電性ベ
ース・メンバー21は第1の基体11の第1の表面19
上に配置され、はぼ平坦な導電性センサー・メンバー2
5は、ベース・メンバー21とほぼ平行でかつベース・
メンバー21と間隔を保った態様で第2の表面23上に
配置されている。
これによって、センサー・メンバー25はベース・メン
バー21と共働してセンサー・コンデンサを形成してい
る。同様に、導電性基準メンバー27は第2の表面23
上に配置はれ、これによって、ベース・メンバー21と
共働して基準コンデンサを形成している。センサー・メ
ンバー25および基準メンバー27は互いに介挿された
複数のセグメント29および31をそれぞれ、有する。
後述の記載から明らかなように、第4図は、センサー・
メンバー25および基準メンバー27の種々のありうる
構成の中の1つを示しており、それらの寸法は、センサ
ー・コンデンサおよび基準コンデンサの容量の関数であ
る出力信号電圧を発生するのに用いられる別個の電気変
換回路の特性に支配される。
センサー・コンデンサおよび基準コンデンサの容量を変
換するための有用かつきわめて正確な電気回路が、「静
電容量値を測定するための装置および方法」と題して1
983年9月14日付で本出願人により出願された米国
特許出願第532017号に記載でれている。参考のた
めにその出願について述べると、その出願には、センサ
ー・コンデンサおよび基準コンデンサの容量値が次式の
ような関係を有する平均直流出力電圧を発生する二重オ
ツシレータ形式の電子変換回路が示でれている。
ここで、voutはその電子回路の平均直流出力電圧、
Vsupは実質的に一定な供給電圧、C8はセンサー・
コンデンサの容量、Crは基準コンデンサの容量であり
、Vout、C8およびCrは後に(P)が付されてい
るように、トランスデユーサに印加これる圧力の関数で
ある。この式は上記出願に示さねている二重オノシレー
タ容量・電圧変換回路のだめの特性動作方程式と呼ばれ
うる。他の構成を有する容量・電圧変換回路は他の特性
動作方程式を持ちうるであろらし、このような回路の種
々の変形のうちの1つから直線的出力が得られる熱的に
安定な容量性トランスデューサについて以下に述べる。
たわみダイアフラム形式の容量性トランスデユーサにお
いては、本発明で第2の誘電体基体13であるダイアフ
ラムの中心に近い部分が、ダイアフラムの表面と直角方
向に一様に印加1れる圧力に対して、ダイアフラムの周
縁付近の部分よりもより大きくたわむ。この特性は第5
図のグラフに示されており、このグラフの破線で示ざわ
だ垂直軸線33はダイアフラムを形成する第2の基体1
3     .1の中心35をあられし、グラフの横方
向の領域37は支持肩部17近傍の部分をあられす。実
線の曲線39は検知可能な最大圧力が印加されfc*合
のダイアフラムの最大たわみ量をあられし、破線の曲線
41は中位の圧力が印加された場合のたわみ量をあられ
す。図は見易いようにするために著しく拡大されており
、実際にはダイアフラムの中心35における最大たわみ
量は僅か十分の数インチであることを理解されたい。
米国特許第3858097号に示されている形式のトラ
ンスデユーサにおいては、印加された圧力に対するセン
サー・コンデンサの容量変化は基準コンデンサの容量変
化よりもはるかに大きい。これは、基準コンデンサを形
成する環状プレートは保持肩部の近傍に近接して配#ざ
ワヤおシ、センサー−コンデンサを形成するプレートは
最大たわみ領域ヤあるダイアフラム中心の近傍に配置さ
れているためである。本発明のトランスデユーサ10に
おいては、センサー・コンデンサおよび基準コンデンサ
をそれぞれ構成するメンバー25.27の形状が、出力
信号を実質的に直線的とするために用いられる特定の変
換回路の特性動作方程式の観点から決定されている。
第6図を参照する正、第1および第2の絶縁性基体11
、]3の平坦な表面19.23上に複数の同心円43が
重ね合せられており、これによって基体11.13上に
複数の環状リング45が画定されそいる。基体13上に
形成された各リング45ば、複数のセンサー増分領域お
よび複数の基準増分領域に割当てられている。この割当
は、センサー・コンデンサおよび基準コンデンサが、動
作範囲内の圧力の中から選択された個々の圧力に対する
圧力依存容量値を有するような態様で行なわれ、変換回
路からの出力信号は実質的に直線的となる。導電性セン
サー・メンバー25はセンサー増分領域に連続して配置
さね、導電性基準メンバー27は基準増分領域に連続し
て、かつセンサー・メンバー25とは電気的に絶縁して
配置され。
る。センサー・メンバー25および基準メンバー27は
ベース・メンバー21と共働してそれぞれセンサー・コ
ンデンサと基準コンデンサとを画定している。センサー
・メンバー25および基準メンバー27の寸法を決定す
るための実際の作業ば、有限要素分析の採用と、最適化
理論の適用とにより、かつ用いられる特定の変換回路の
だめの特性動作方程式の観点から行なわわる。
何れか2つの隣接する同心円43によって画定される各
リング450割当は、使用ghる変換回路の特性動作式
の観点から選択でれた方程式にしたがってなされる。前
述の特性動作式に関する第1の割当方程式は下記のとお
りである。
Cs(P)=、Σ Fi Ci (P)1=1 ここで08(P)は圧力の関数としてのセンサー・コン
デンサの容量値に等しく、Ci (P)は圧力の関数と
しての対向リング45の各対の容量値に等しく、Fiは
センサー・コンデンサの一部分であるi番目のリング4
5の部分領域(Fraction )に等しく、Nはリ
ング45の総数に等しい。第2の割当方程式は下記のと
おりである。
Cr(P)二Σ(1−Fi) C1(P)1=1 ここでCr(P、)は圧力の関数としての基準容量に等
しい。
前記出願に記載妊れた回路に対してもつとも有用なトラ
ンスデユーサ10の好ましい実施例では、すべてのリン
グ45の領域が互いに等しく、かつ各リング45の領域
が下記の式で規定される態様で割当てらねる。
この式は、前述した特性動作方程式に順次もとづく第1
および第2の割当方程式にもとづいて定められることを
理解されたい。さらに、前述の条件が適合されると、基
準コンデンサおよびセンサー・コンデンサの容量は、こ
のトランスデユーサ10に外部圧力が印加ブれない場合
、互いに等しくなることを理解されたい。もし複数の同
心リング45が、ベース・メンバー21上に第6図のよ
うに形成された同心リングと同一であると仮定すると、
トランスデユーサ10に外部圧力が印加さ     1
れなIn場合は、対向するリング45の各対の容量は等
しいことが明らかである。上述した出願に記載ζhた変
換回路を用いた場合は、その回路は50チデー−ティ・
サイクルの出力信号を発生するであろうア・ら、好寸し
い形であり、それの−ノクアノゾ手段はトランスデュー
サ10に印加ghた圧力に対し容易に較正をれうるであ
ろう。第6図に示された上述の同心円43の形成は分析
的設計段階であって、これら同心円43は最終製品には
あられれないことを理解でねたい。
第4図の実施例は、前述の回路特性動作方程式および上
述のように設定これた割当方程式を用いて完成でれうる
センサー・メンバー25および基準メンバー27の実現
可能な形状のうちの1つである。
ダイアフラム形式の圧力・容量トランスデユーサが、セ
ンサー・メンバー25および基準メンバー27のための
種々の形状のうちの1つを有するように構成ghでいる
にもかかわらず、こわら多数の形状によって決まる特徴
は、それらのセンサー・メンバー25と基準メンバー2
7が、第4図に示されるような態様で互いに介挿される
複数のセグメント29.3工を有することである。セン
サー・メンバー25および基準メンバー27が単一の介
挿されたセグメントを有するように構成することもでき
るが、複数のセグメントを用いれば、例えば表面19卦
よび23の非平行性から生じる誤差を減少または除去す
る助けとなるであろう。
以上は単一の好ましいトランスデユーサ10とその製造
方法を述べたに過ぎず、本発明はこれに限定されるもの
では彦く、請求の範囲によってのみ限定されるものであ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の好ましい実施例によって構成されたダ
イアフラム形式の圧力・容量トランスデユーサの斜視図
、第2図は第1図および第4図の2−2線に沿う断面図
、第6図は第1図に示されたトランスデユーサにおける
第1の基体を第2図の3−3線に沿って見た平面図、第
4図は第1図に示されたトランスデユーサにおける第2
の基体を第2図の4−4線に沿って見た底面図、第5図
は圧力検知ダイアフラムのたわみ量をあられすグラフ、
第6図は基体上に重ね合された複数の円を示す説明図で
ある。 図面において、10はトランスデユーサ、11および1
3は誘電体基体、】7は肩部、19および23は表面、
21はベース・メンバー、25はセンサー・メンバー、
27は基準メンバー、29.31はセグメント、43は
同心円、45は環状リングをそれぞれ示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、容量変換回路に結合されるようになされた圧力・容
    量トランスデューサにおいて、 第1の絶縁性基体上に支持されたほぼ平面状の導電性ベ
    ース・メンバーと、 このベース・メンバーとほぼ平行にかつこのベース・メ
    ンバーから離れた関係で第2の絶縁性基体上に支持され
    、かつ前記ベース・メンバーと共働してセンサー・コン
    デンサを形成するほぼ平面状の導電性センサー・メンバ
    ーと、 このセンサー・メンバーとほぼ同一平面上に、かつこの
    センサー・メンバーと電気的に絶縁して配置され、前記
    ベース・メンバーと共働して基準コンデンサを形成する
    導電性基準メンバーとを備え、 前記センサー・メンバーおよび前記基準メンバーはそれ
    ぞれ互いに介挿された複数のセグメントを有し、 前記センサー・コンデンサおよび前記基準コンデンサは
    、動作範囲内の圧力の中から選択された個々の圧力に対
    する圧力依存容量値を有し、前記容量変換回路からの出
    力信号が実質的に直線的であることを特徴とする圧力・
    容量トランスデューサ。 2、前記センサー・メンバーおよび基準メンバーがそれ
    ぞれ少なくとも3つのセグメントを備えていることを特
    徴とする特許請求の範囲第1項記載のトランスデューサ
    。 3、前記センサー・メンバーおよび基準メンバーのセグ
    メントの数が互いに等しいことを特徴とする特許請求の
    範囲第2項記載のトランスデューサ。 4、前記センサー・メンバーが第1の表面領域を画定し
    、前記基準メンバーが第2の表面領域を画定し、前記第
    1の表面領域と前記第2の表面領域とが互いに実質的に
    等しいことを特徴とする特許請求の範囲第2項記載のト
    ランスデューサ。 5、前記センサー・コンデンサの容量と前記基準コンデ
    ンサの容量とが、このトランスデューサがゼロポンド/
    平方インチの圧力を受けた場合に、互いに実質的に等し
    いことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のトラン
    スデューサ。 6、前記センサー・コンデンサの容量と前記基準コンデ
    ンサの容量とが、このトランスデューサがゼロポンド/
    平方インチの圧力を受けた場合に、互いに実質的に等し
    いことを特徴とする特許請求の範囲第3項記載のトラン
    スデューサ。 7、容量変換回路に結合されるようになされたたわみダ
    イアフラム形式の圧力・容量トランスデューサの製造方
    法において、 第1の絶縁性基体上に支持されたほぼ平面状の導電性ベ
    ース・メンバーを用意し、 このベース・メンバーとほぼ平行にかつこのベース・メ
    ンバーから離れた関係で配置されるようになされたほぼ
    平面状の表面を有する第2の絶縁性基体を用意し、 この第2の絶縁性基体の平面状の表面上に複数の同心円
    を重ね合せて複数の環状リングを画定し、このリングの
    それぞれを複数のセンサー増分領域と複数の基準増分領
    域とに割当て、 前記センサー増分領域に連続して配置され、かつ前記ベ
    ース・メンバーと共働してセンサー・コンデンサを画定
    する導電性センサー・メンバーを用意し、 前記基準増分領域に連続しかつ前記センサー・メンバー
    と電気的に絶縁して配置され、かつ前記ベース・メンバ
    ーと共働して基準コンデンサを画定する導電性基準メン
    バーを用意し、 前記センサー・コンデンサおよび前記基準コンデンサが
    、動作範囲内の圧力の中から選択された個々の圧力に対
    する圧力依存容量値を有するような態様で、前記割当を
    行ない、前記容量変換回路からの出力信号を実質的に直
    線的とすることを特徴とする圧力・容量トランスデュー
    サの製造方法。 8、前記センサー・メンバーおよび基準メンバーが、互
    いに介挿された複数のセグメントをそれぞれ有するよう
    にすることを特徴とする特許請求の範囲第7項記載の方
    法。 9、前記センサー・メンバーの容量と前記基準コンデン
    サの容量とが、このトランスデューサがゼロポンド/平
    方インチの圧力を受けた場合に、互いに実質的に等しく
    なるようにすることを特徴とする特許請求の範囲第8項
    記載の方法。 10、平均直流出力電圧をV_o_u_tとし、圧力の
    関数としての前記センサー・コンデンサの容量をC_s
    (P)とし、圧力の関数としての前記基準コンデンサの
    容量をC_r(P)とし、供給電圧をV_s_u_pと
    した場合、方程式 V_o_u_t=[C_s(P)]/[C_s(P)+
    C_r(P)]×V_s_u_pを特性動作式とする容
    量変換回路を前記容量変換回路として用いることを特徴
    とする特許請求の範囲第9項記載の方法。
JP7366585A 1984-04-10 1985-04-09 圧力・容量トランスデユ−サおよびその製造方法 Pending JPS6140529A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US598727 1984-04-10
US06/598,727 US4542436A (en) 1984-04-10 1984-04-10 Linearized capacitive pressure transducer

Publications (1)

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ID=24396673

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JP (1) JPS6140529A (ja)
AU (1) AU3967485A (ja)
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DE (1) DE3511367A1 (ja)
FR (1) FR2562663A1 (ja)
GB (1) GB2157444A (ja)
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