JP2005026090A - 電気化学セル - Google Patents
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Abstract
【課題】扁平型の電気化学セルを組み立てる際、セパレータの配設位置がずれたりすると、正極と負極の電気的ショートが起こり、自己放電の大きな電池やさらには使用不能の電池がしばしば発生していた。
【解決手段】ガスケットの溝底部1bから上で且つガスケット内側の先端1cより低い位置に環状突起部1aを設け、環状突起部1aの上部または下部とセパレータの外周部を接触させ、接触面が正極缶底面に対して水平で且つ平坦である電気化学セルを組み立てる。
【選択図】 図3
【解決手段】ガスケットの溝底部1bから上で且つガスケット内側の先端1cより低い位置に環状突起部1aを設け、環状突起部1aの上部または下部とセパレータの外周部を接触させ、接触面が正極缶底面に対して水平で且つ平坦である電気化学セルを組み立てる。
【選択図】 図3
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池やキャパシタなどの扁平型電気化学セルに関し、特に、ガスケットの構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
扁平型(コイン型、ボタン型)の非水電解質二次電池及び電気二重層キャパシタは、小型機器のバックアップ用の電源としての用途が増加している。その理由としては、扁平型の非水電解質二次電池は高い電気容量と耐電圧特性を持つためであり、扁平型の電気二重層キャパシタはサイクル寿命が長く且つ低インピーダンスであり、しかも両者とも軽量であるからである。非水電解質二次電池を例にとり、図5を用いて説明する。図中、リチウムを吸蔵放出可能な正極5は正極缶ケース6に収納(正極ユニット)され、リチウム金属などをドーピングしたリチウムを吸蔵放出可能な負極3(負極ユニット)と正極の間に電気的絶縁のためのセパレータ4が設けられている。非プロトン性の電解液を注入後、正極ユニットまたは負極ユニットにポリプロピレン製のガスケット11介して正極ユニットと負極ユニットを合体させ、正極缶端周部を内方にかしめて電池を組み立てる(例えば特許文献1、2参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平11−273742号公報(第5頁、第2図)
【0004】
【特許文献2】
特公3258181号公報(第2頁、第2図)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前述した扁平型二次電池やキャパシタを組み立てる際、正極5と負極3がセパレータ4より隔離されるようにセパレータを配設されなければならない。正極5と負極3から、セパレータ4の配設位置がずれた例を図6に示す。このようにセパレータの配設位置がずれると、正極5と負極3の電気的ショートが起こり、自己放電が大きくなり、使用できなくなることがあった。このセパレータの配置ずれ対策として、ガスケット11の内側径とセパレータ4の外径のクリアランス4bcをできるだけ小さくし、正極5と負極3が直接対向する個所を無くすよう設計した。しかし、正極ユニットまたは負極ユニットにセパレータを載置してガスケット11を挿入する時に、セパレータ端周部の一部が押し上げられるか又は押し下げられることがあった。この押し上げまたは押し下げられた反対周辺は、正極5と負極3がセパレータ4を介さず直接対向することになるので、ショートが起こり、対策前に比較して改善が見られるもののショート防止を解決できないでいた。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、ガスケットを介して正極ケースと負極キャップをかしめることにより発電要素を封口した電気化学セルにおいて、ガスケットの溝底部から上方で、且つ、ガスケットの内側の先端より低い位置に、環状突起部を設けることとした。さらに、ガスケットの環状突起部に平坦部をも設け、平坦部にセパレータを載置することとした。
【0007】
すなわち、ガスケットの環状突起部の上面または下面のいずれか一方がセパレータの外周部と接触するようにし、この接触面が正極ケースの底面に対して水平且つ平坦であることとした。さらに、環状突起部の厚みを0.1mm〜0.2mmとした。また環状突起部が形成する円の内径をセパレータの外径より5〜20%小さくなるようにした。
【0008】
このように、正極と負極と電解液とセパレータを内部に含み、ガスケットを介して正極ケースと負極キャップをかしめて封口してなる電気化学セルにおいて、ガスケットの溝底部から上方で、且つ、ガスケット内側の先端より低い位置に環状突起部を設け、環状突起部の上面または下面とセパレータの外周部とを接触させ、この接触面が正極缶の底面に対して水平、且つ、平坦である電気化学セルを組み立てる。
【0009】
【発明実施の形態】
本発明の電気化学セルを図面に基づいて説明する。電気化学セルの断面の概要を図1に示す。図示するように、プラスチック製のガスケット1には環状突起部1aが設けられている。図2は電気化学セルの部分拡大図であり、図3はガスケット1の形状を示す断面図である。図2に示すように、ガスケット1の環状突起部高さの上面にセパレータ4が設けられている。すなわち、セパレータ4は図3で示したガスケット1の環状突起部高さ1ah1の上面1dに設けられている。環状突起部高さ1ah1の水平部とセパレータ4が重なり合う部分1ah3の一部は正極缶底面6aに対して水平で且つ平坦である。また、少なくとも重なり合う部分1ah3の一部はセパレータ4の端周部に接触していなければならない。また、環状突起部高さの水平部1ah2が斜面の場合には、セパレータ4の落ち着きが悪いために隙間ができることとなり、ショート防止の効果が減少して自己放電が大きい電池となる。このような場合は、セパレータ4の外周部を載置前に斜面に合わせた癖つけをして組み込む方法もあるが、電池組み立て工数が増えコストアップとなる欠点を有する。また、環状突起部高さの水平部1ah2とセパレータ4の端周部が外れない安全な設計とするため、水平部1ah2は環状突起高さ1ah1の40%以上がよく、重なり合う部分1ah3hは水平部1ah2の50%以上がよい。さらに、環状突起部1aの位置がガスケット溝1bより下であったり、あるいは反対にガスケット内側の立ち上がり部先端1cより上であったりすると、所定量の正極及び負極を充填できない。環状突起部1aの面積は電池内容積に効いてくるため小さいほどよく、正極及び負極をより多く充填できるので電池の電気容量を多くできる利点がある。ガスケット最内周部1fの径はセパレータの直径より5〜20%程度小さく設計され、好ましく10%程度が良い。5%以下になるとセパレータ最端周部が突起部先端1fに接触しないことがある。また突起部厚さ1atは薄い程電池内容積を稼げるが0.1mm程度が好ましい。0.1mm以下になると先端形状は射出成形上作りにくくなる。また先端形状1fは任意で良い。図4には、環状突起部高さの下面1eにセパレータ4が設けられた電気化学セルの断面構成を部分的に示す。
【0010】
セパレータ4をガスケット環状突起部高さ1d上に配設する場合の電池の組み方は、予め負極キャップ2と一体化させた負極3の上部にセパレータ4を載置させ、上述した形状のガスケット1を負極キャップ3に押し込み、あらかじめ準備しておいた正極ユニットと合体させる。一方、環状突起部高さの下面1eの下にセパレータ4を配設する場合は、正極ケース2と正極6を一体化後、ガスケット1を押し込み、その上部にセパレータ4を載置する。その後、あらかじめ準備しておいた負極ユニットと合体させる。環状突起部1aを有するガスケットを用いた電池組み立ての長所は、セパレータ4が正極又は負極ユニットの中央からずれても、両ユニットの外側にはみ出すことがなければセパレータ端周部はガスケット環状突起部1aの1d面または1e面に確実に接触することになるので、正極と負極のショートは回避できる。
【0011】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。本実施例では、図1で示した構成のボタン型の非水電解質二次電池を説明する。すなわち、正極として酸化モリブデン、負極として酸化シリコンを用いた発電要素を収納した非水電解質電池である。正極5は酸化モリブデン粉に導電剤としてグラファイトを、結着剤としてポリアクリル酸を混合し、直径2.1mmのペレットに加圧成形する。この正極5を導電性樹脂接着剤からなる電極集電体を用いて正極端子を兼ねる正極ケース6に圧着し一体化した(正極ユニット)後、250℃で8時間減圧加熱乾燥する。酸化シリコン粉に、導電剤としてのグラファイトと結着剤としてのポリアクリル酸を混合して、直径2.1mmのペレットに加圧成形し、負極3とする。この負極5を導電性樹脂接着剤からなる電極集電体を用いて負極キャップ2に圧着し一体化した(負極ユニット)後、250℃で8時間減圧加熱乾燥した。この負極上にデスク状のリチウムフォイルを載置して圧着した。ガラス繊維からなる厚み0.2mmの不織布を乾燥させ、直径3.0mmに打ち抜いたものをセパレータ4としてリチウムフォイル上に載置する。電解液にはエチレンカーボネイト、γ―ブチルラクトンの混合溶媒にホウ弗化リチウムを1mol/lの割合で溶解させたものを所定量使用した。ガスケット4はポリフェニレンサルファイド(PPS)で射出成形法により形成する。外形4.5mm、最内周部径である環状突起部先端1fを2.9mm、突起部高さ1ah1を0.2mmとして作製し、このガスケットを負極ユニットに押し込み、さらに正極ユニットと合体させ電池を組み立てた。電池に組み込み後の断面構造は図1、図2に示した通りである。この構成によって得られた電池を電池Aとした。そのサイズは直径4.8mm、厚さ1.4mmである。
【0012】
また、図4に示したようにガスケット4の環状突起部高さ1e部にセパレータを配設して、電池Bとして組み込んだ。環状の突起部1aの形状以外は電池Aと同様である。さらに、比較例として、図5で示した従来のガスケット11を用いて電池C、Dを作製した。ガスケット以外は電池A、Dと同一の材料、構成である。尚、電池Cは正極5及び負極3の間に、セパレータが正常の位置に配設された例(図5)であり、電池Dは正極5と負極3からセパレータ4の配設位置がずれた例(図6)である。
【0013】
上記の電池A〜Dについて充放電サイクル特性および電圧の経時変化を測定した。充放電サイクルテストは、常温常湿において、充電上限電圧3.0V、放電下限電圧2.0V、0.025mAの定電流に設定し、充放電を20回繰り返した。放電1回目の容量を100としたとき、20サイクル後の電気容量維持率を表1に示す。
【0014】
【表1】
【0015】
本発明の電池A、Bでは充放電2サイクル後で電気容量維持率は99%以上、20サイクル後で95%以上を維持していた。以上のことからガスケット1の突起部1aとセパレータ4の外周部が積層し密着状態にあると、正極6と負極5が完全に隔離されるため、充放電サイクル特性の向上に効果があると認められる。比較例として電池Cは電池A、Bより若干劣るが正極6、負極5との間に正常にセパレータ4がそれぞれの中央に配設されると充放電サイクル寿命の向上には効果がある。また電池Dでは正極5と負極3がセパレータ4を介さず対向している個所があるためにショート状態にあり充電がほとんどできず、2サイクル後でも電気容量維持率は10%以下であり、20サイクル後での容量維持率はゼロであった。
【0016】
【発明の効果】
以上のように、正極5と負極3と電解液とセパレータ4を内部に含み、プラスチック製のガスケット1を介し正極ケース6と負極キャップ2をかしめて封口してなる電気化学セルにおいて、ガスケット1の内側面に環状突起部1aを設けることにより、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のボタン型電池の構成を示す断面図。
【図2】本発明によるボタン型電池のガスケットの周辺を拡大して示す断面図である。
【図3】本発明のガスケットの構成を示す部分断面図である。
【図4】本発明によるボタン型電池のガスケットの周辺を拡大して示す断面図である。
【図5】従来のボタン型電池の構成を示す断面図である。
【図6】従来のボタン型電池の構成に関し、セパレータの載置不良を示す部分断面図である。
【符号の説明】
1 ガスケット
1a 環状突起部
1ah1 環状突起部高さ
1ah2 環状突起部高さの水平部
1ah3 環状突起部高さの水平部とセパレータ積層部分
1at 環状突起部厚さ
1b ガスケット溝の底面
1c ガスケット内側立ち上がり部の先端
1d 環状突起部高さの上面
1e 環状突起部高さの下面
1f 環状突起部先端
2 負極キャップ
3 負極
4 セパレータ
5 正極
6 正極ケース
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池やキャパシタなどの扁平型電気化学セルに関し、特に、ガスケットの構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
扁平型(コイン型、ボタン型)の非水電解質二次電池及び電気二重層キャパシタは、小型機器のバックアップ用の電源としての用途が増加している。その理由としては、扁平型の非水電解質二次電池は高い電気容量と耐電圧特性を持つためであり、扁平型の電気二重層キャパシタはサイクル寿命が長く且つ低インピーダンスであり、しかも両者とも軽量であるからである。非水電解質二次電池を例にとり、図5を用いて説明する。図中、リチウムを吸蔵放出可能な正極5は正極缶ケース6に収納(正極ユニット)され、リチウム金属などをドーピングしたリチウムを吸蔵放出可能な負極3(負極ユニット)と正極の間に電気的絶縁のためのセパレータ4が設けられている。非プロトン性の電解液を注入後、正極ユニットまたは負極ユニットにポリプロピレン製のガスケット11介して正極ユニットと負極ユニットを合体させ、正極缶端周部を内方にかしめて電池を組み立てる(例えば特許文献1、2参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平11−273742号公報(第5頁、第2図)
【0004】
【特許文献2】
特公3258181号公報(第2頁、第2図)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前述した扁平型二次電池やキャパシタを組み立てる際、正極5と負極3がセパレータ4より隔離されるようにセパレータを配設されなければならない。正極5と負極3から、セパレータ4の配設位置がずれた例を図6に示す。このようにセパレータの配設位置がずれると、正極5と負極3の電気的ショートが起こり、自己放電が大きくなり、使用できなくなることがあった。このセパレータの配置ずれ対策として、ガスケット11の内側径とセパレータ4の外径のクリアランス4bcをできるだけ小さくし、正極5と負極3が直接対向する個所を無くすよう設計した。しかし、正極ユニットまたは負極ユニットにセパレータを載置してガスケット11を挿入する時に、セパレータ端周部の一部が押し上げられるか又は押し下げられることがあった。この押し上げまたは押し下げられた反対周辺は、正極5と負極3がセパレータ4を介さず直接対向することになるので、ショートが起こり、対策前に比較して改善が見られるもののショート防止を解決できないでいた。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、ガスケットを介して正極ケースと負極キャップをかしめることにより発電要素を封口した電気化学セルにおいて、ガスケットの溝底部から上方で、且つ、ガスケットの内側の先端より低い位置に、環状突起部を設けることとした。さらに、ガスケットの環状突起部に平坦部をも設け、平坦部にセパレータを載置することとした。
【0007】
すなわち、ガスケットの環状突起部の上面または下面のいずれか一方がセパレータの外周部と接触するようにし、この接触面が正極ケースの底面に対して水平且つ平坦であることとした。さらに、環状突起部の厚みを0.1mm〜0.2mmとした。また環状突起部が形成する円の内径をセパレータの外径より5〜20%小さくなるようにした。
【0008】
このように、正極と負極と電解液とセパレータを内部に含み、ガスケットを介して正極ケースと負極キャップをかしめて封口してなる電気化学セルにおいて、ガスケットの溝底部から上方で、且つ、ガスケット内側の先端より低い位置に環状突起部を設け、環状突起部の上面または下面とセパレータの外周部とを接触させ、この接触面が正極缶の底面に対して水平、且つ、平坦である電気化学セルを組み立てる。
【0009】
【発明実施の形態】
本発明の電気化学セルを図面に基づいて説明する。電気化学セルの断面の概要を図1に示す。図示するように、プラスチック製のガスケット1には環状突起部1aが設けられている。図2は電気化学セルの部分拡大図であり、図3はガスケット1の形状を示す断面図である。図2に示すように、ガスケット1の環状突起部高さの上面にセパレータ4が設けられている。すなわち、セパレータ4は図3で示したガスケット1の環状突起部高さ1ah1の上面1dに設けられている。環状突起部高さ1ah1の水平部とセパレータ4が重なり合う部分1ah3の一部は正極缶底面6aに対して水平で且つ平坦である。また、少なくとも重なり合う部分1ah3の一部はセパレータ4の端周部に接触していなければならない。また、環状突起部高さの水平部1ah2が斜面の場合には、セパレータ4の落ち着きが悪いために隙間ができることとなり、ショート防止の効果が減少して自己放電が大きい電池となる。このような場合は、セパレータ4の外周部を載置前に斜面に合わせた癖つけをして組み込む方法もあるが、電池組み立て工数が増えコストアップとなる欠点を有する。また、環状突起部高さの水平部1ah2とセパレータ4の端周部が外れない安全な設計とするため、水平部1ah2は環状突起高さ1ah1の40%以上がよく、重なり合う部分1ah3hは水平部1ah2の50%以上がよい。さらに、環状突起部1aの位置がガスケット溝1bより下であったり、あるいは反対にガスケット内側の立ち上がり部先端1cより上であったりすると、所定量の正極及び負極を充填できない。環状突起部1aの面積は電池内容積に効いてくるため小さいほどよく、正極及び負極をより多く充填できるので電池の電気容量を多くできる利点がある。ガスケット最内周部1fの径はセパレータの直径より5〜20%程度小さく設計され、好ましく10%程度が良い。5%以下になるとセパレータ最端周部が突起部先端1fに接触しないことがある。また突起部厚さ1atは薄い程電池内容積を稼げるが0.1mm程度が好ましい。0.1mm以下になると先端形状は射出成形上作りにくくなる。また先端形状1fは任意で良い。図4には、環状突起部高さの下面1eにセパレータ4が設けられた電気化学セルの断面構成を部分的に示す。
【0010】
セパレータ4をガスケット環状突起部高さ1d上に配設する場合の電池の組み方は、予め負極キャップ2と一体化させた負極3の上部にセパレータ4を載置させ、上述した形状のガスケット1を負極キャップ3に押し込み、あらかじめ準備しておいた正極ユニットと合体させる。一方、環状突起部高さの下面1eの下にセパレータ4を配設する場合は、正極ケース2と正極6を一体化後、ガスケット1を押し込み、その上部にセパレータ4を載置する。その後、あらかじめ準備しておいた負極ユニットと合体させる。環状突起部1aを有するガスケットを用いた電池組み立ての長所は、セパレータ4が正極又は負極ユニットの中央からずれても、両ユニットの外側にはみ出すことがなければセパレータ端周部はガスケット環状突起部1aの1d面または1e面に確実に接触することになるので、正極と負極のショートは回避できる。
【0011】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。本実施例では、図1で示した構成のボタン型の非水電解質二次電池を説明する。すなわち、正極として酸化モリブデン、負極として酸化シリコンを用いた発電要素を収納した非水電解質電池である。正極5は酸化モリブデン粉に導電剤としてグラファイトを、結着剤としてポリアクリル酸を混合し、直径2.1mmのペレットに加圧成形する。この正極5を導電性樹脂接着剤からなる電極集電体を用いて正極端子を兼ねる正極ケース6に圧着し一体化した(正極ユニット)後、250℃で8時間減圧加熱乾燥する。酸化シリコン粉に、導電剤としてのグラファイトと結着剤としてのポリアクリル酸を混合して、直径2.1mmのペレットに加圧成形し、負極3とする。この負極5を導電性樹脂接着剤からなる電極集電体を用いて負極キャップ2に圧着し一体化した(負極ユニット)後、250℃で8時間減圧加熱乾燥した。この負極上にデスク状のリチウムフォイルを載置して圧着した。ガラス繊維からなる厚み0.2mmの不織布を乾燥させ、直径3.0mmに打ち抜いたものをセパレータ4としてリチウムフォイル上に載置する。電解液にはエチレンカーボネイト、γ―ブチルラクトンの混合溶媒にホウ弗化リチウムを1mol/lの割合で溶解させたものを所定量使用した。ガスケット4はポリフェニレンサルファイド(PPS)で射出成形法により形成する。外形4.5mm、最内周部径である環状突起部先端1fを2.9mm、突起部高さ1ah1を0.2mmとして作製し、このガスケットを負極ユニットに押し込み、さらに正極ユニットと合体させ電池を組み立てた。電池に組み込み後の断面構造は図1、図2に示した通りである。この構成によって得られた電池を電池Aとした。そのサイズは直径4.8mm、厚さ1.4mmである。
【0012】
また、図4に示したようにガスケット4の環状突起部高さ1e部にセパレータを配設して、電池Bとして組み込んだ。環状の突起部1aの形状以外は電池Aと同様である。さらに、比較例として、図5で示した従来のガスケット11を用いて電池C、Dを作製した。ガスケット以外は電池A、Dと同一の材料、構成である。尚、電池Cは正極5及び負極3の間に、セパレータが正常の位置に配設された例(図5)であり、電池Dは正極5と負極3からセパレータ4の配設位置がずれた例(図6)である。
【0013】
上記の電池A〜Dについて充放電サイクル特性および電圧の経時変化を測定した。充放電サイクルテストは、常温常湿において、充電上限電圧3.0V、放電下限電圧2.0V、0.025mAの定電流に設定し、充放電を20回繰り返した。放電1回目の容量を100としたとき、20サイクル後の電気容量維持率を表1に示す。
【0014】
【表1】
【0015】
本発明の電池A、Bでは充放電2サイクル後で電気容量維持率は99%以上、20サイクル後で95%以上を維持していた。以上のことからガスケット1の突起部1aとセパレータ4の外周部が積層し密着状態にあると、正極6と負極5が完全に隔離されるため、充放電サイクル特性の向上に効果があると認められる。比較例として電池Cは電池A、Bより若干劣るが正極6、負極5との間に正常にセパレータ4がそれぞれの中央に配設されると充放電サイクル寿命の向上には効果がある。また電池Dでは正極5と負極3がセパレータ4を介さず対向している個所があるためにショート状態にあり充電がほとんどできず、2サイクル後でも電気容量維持率は10%以下であり、20サイクル後での容量維持率はゼロであった。
【0016】
【発明の効果】
以上のように、正極5と負極3と電解液とセパレータ4を内部に含み、プラスチック製のガスケット1を介し正極ケース6と負極キャップ2をかしめて封口してなる電気化学セルにおいて、ガスケット1の内側面に環状突起部1aを設けることにより、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のボタン型電池の構成を示す断面図。
【図2】本発明によるボタン型電池のガスケットの周辺を拡大して示す断面図である。
【図3】本発明のガスケットの構成を示す部分断面図である。
【図4】本発明によるボタン型電池のガスケットの周辺を拡大して示す断面図である。
【図5】従来のボタン型電池の構成を示す断面図である。
【図6】従来のボタン型電池の構成に関し、セパレータの載置不良を示す部分断面図である。
【符号の説明】
1 ガスケット
1a 環状突起部
1ah1 環状突起部高さ
1ah2 環状突起部高さの水平部
1ah3 環状突起部高さの水平部とセパレータ積層部分
1at 環状突起部厚さ
1b ガスケット溝の底面
1c ガスケット内側立ち上がり部の先端
1d 環状突起部高さの上面
1e 環状突起部高さの下面
1f 環状突起部先端
2 負極キャップ
3 負極
4 セパレータ
5 正極
6 正極ケース
Claims (5)
- 正極と負極と電解液とセパレータを内部に含み、ガスケットを介して正極ケースと負極キャップをかしめにより封口された電気化学セルであって、前記ガスケットの溝底部から上方で、且つ、前記ガスケットの内側の先端より低い位置に、環状突起部が設けられたことを特徴とする電気化学セル。
- 前記ガスケットの環状突起部には平坦部が形成され、前記平坦部に前記セパレータが載置されたことを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記ガスケットの環状突起部の上面または下面のいずれか一方は前記セパレータの外周部と接触しており、この接触面が前記正極ケースの底面に対して水平、且つ、平坦であることを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記ガスケットの環状突起部の厚みが0.1mm〜0.2mmであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の電気化学セル。
- 前記ガスケットの環状突起部が形成する円の内径は、前記セパレータの外径より5〜20%小さいことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の電気化学セル。
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- 2003-07-03 JP JP2003190740A patent/JP2005026090A/ja active Pending
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