JP2005183094A - 導電性薄膜及び金属層を設けた熱応動部材及びサーマルプロテクタ - Google Patents
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Abstract
【課題】サーマルプロテクタにおいて、スナップ動作を繰り返すうちに導電性薄膜の一部が積層材から剥離してしまい導通不良を起こすという問題に鑑み、電気抵抗が小さく、非常に小型の熱応動素子に加工した場合でも、初期の作動ストロークを減ずることなく多数回、正確に繰り返し、更に導電性薄膜の剥離も起こさず長寿命な熱応動部材とサーマルプロテクタを提供する。
【解決手段】熱膨張係数の異なる二種の材料からなる積層材と、前記積層材の片面若しくは両面に金属層を設け、前記片面もしくは両面に設けた金属層の面上に導電性薄膜を設けたことを特徴とする熱応動部材。
【選択図】図2
【解決手段】熱膨張係数の異なる二種の材料からなる積層材と、前記積層材の片面若しくは両面に金属層を設け、前記片面もしくは両面に設けた金属層の面上に導電性薄膜を設けたことを特徴とする熱応動部材。
【選択図】図2
Description
本発明は、電流経路を有する導電性熱応動部材およびこの熱応動部材を用いたサーマルプロテクタに関するものである。
電流経路を有する導電性熱応動部材は、回路に過剰電流が流れた場合や回路が過熱した場合において、回路を保全するために回路を遮断する働きを示すサーマルプロテクタ、温度により電流のオンオフを行う温度スイッチなどの温度を動作因子とする熱応動素子として広く用いられている。
特に、サーマルプロテクタは、各種モーターや機器類の電源に使用されている二次電池において、過剰電流の発生時や過熱などの異常発生時に、その破壊を防ぐために回路を遮断する保護部品として使用されている。例えば、携帯電話機やノート型パーソナルコンピュータなどの電源に用いられるリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池安全回路用サーマルプロテクタ、自動車車載モーターなどの直流モーター保護回路用サーマルプロテクタ、およびエアコンファン、電気洗濯機などで使用される汎用モーターを保護する交流回路用サーマルプロテクタなどがある。
導電性を有する熱応動素子を利用したサーマルプロテクタは、例えば図6で示されるような構成である。同図はサーマルプロテクタの断面図で、本体22を蓋23で密閉したケース21の内底側の一端部に、ケース21の外部に延び出した固定端子25と接続する固定接点24を設けている。ケース21内には、ほぼ山形状ないし凸球面状に形成され、所定の作動温度でスナップ動作する熱応動素子を兼ねる熱応動可動片1bが収容されている。この熱応動可動片1bの先端部には、前記固定接点24と接触する可動接点2が設けられ、その基端部はケース21の他端部側から外部に延び出している保持端子27に設けられた保持部26で保持端子27と接合されている。
図6のサーマルプロテクタは、固定端子25や保持端子27を例えば図示されていない電池や電子基板等における他の端子と接続した状態で所要箇所に設置される。設置状態において、過充電や過剰電流による過熱により電池本体又はサーマルプロテクタ自体の温度が上昇し、その結果サーマルプロテクタ設置部位の当該温度が熱応動可動片1bの作動温度以上に達すると、当該熱応動可動片1bが、そのスナップ動作により各可動接点2を対応する固定接点24から離反させる状態に反転し、当該部分で回路を遮断するように動作する。
このサーマルプロテクタの熱応動可動片1bを構成する熱応動部材は、電気抵抗を小さくするため、図7で拡大して示すように、熱膨張係数の異なる2種の部材、一方は高熱膨張係数部材10で、他方は低熱膨張係数部材11の間に、Cuなどの高導電性の金属元素からなる導電性薄膜14をサンドイッチ状に挟んで積層した部材である。
このサーマルプロテクタの熱応動可動片1bを構成する熱応動部材は、電気抵抗を小さくするため、図7で拡大して示すように、熱膨張係数の異なる2種の部材、一方は高熱膨張係数部材10で、他方は低熱膨張係数部材11の間に、Cuなどの高導電性の金属元素からなる導電性薄膜14をサンドイッチ状に挟んで積層した部材である。
図7のような従来の熱応動部材を、例えば縦4mm,幅3mm,厚み0.07mm程度の極小型に成形したものを凸球面状に加工して熱応動可動片を形成し、これをその作動温度以上に加熱してスナップ動作を含む熱変形の状態を観察した。その結果、初回はサーマルプロテクタの作動に必要なスナップ動作が認められたが、二回目からは導電性薄膜14が塑性変形し、この導電性薄膜14と高熱膨張係数部材10との界面がスリップすることにより、熱応動素子の全体としての凸球面形状が変形してサーマルプロテクタの作動に必要なスナップ動作をしなくなる傾向を示した。
そこで、特許文献1に示されるように、本発明者らは図8に示す高熱膨張係数部材10と低熱膨張係数部材11との積層材12表面に、導電性薄膜14を被着した熱応動部材を提案した。その結果、熱応動可動片を非常に小型に成形した場合でも、所定の作動温度以上の温度により初期の作動ストロークを減ずることなくスナップ動作を正確に多数回繰り返すことを見出した。
しかしながら、特許文献1に係るサーマルプロテクタは、所定の作動温度以上の温度により初期の作動ストロークを減ずることなくスナップ動作を正確に多数回繰り返すことができたが、スナップ動作を繰り返すうちに導電性薄膜の一部が積層材から剥離してしまい導通不良を起こすという問題が起こっている。
このような問題に鑑み、本発明はなされたもので、電気抵抗が小さく、非常に小型の熱応動素子に加工した場合でも、初期の作動ストロークを減ずることなく多数回、正確に繰り返し、更に導電性薄膜の剥離も起こさず長寿命な熱応動部材を提供するものである。
請求項1記載の発明は、熱膨張係数の異なる二種の材料からなる積層材と、該積層材の片面若しくは両面に金属層を設け、前記片面もしくは両面に設けた金属層の面上に導電性薄膜を設けたことを特徴とする熱応動部材である。
前記金属層が、Ni、Fe、Ni合金、Fe合金のいずれかからなることを特徴とする請求項1記載の熱応動部材である。
請求項3記載の発明は、前記金属層の厚みが、0.05μmから5μmであることを特徴とする請求項1乃至請求項2記載の熱応動部材である。
請求項4記載の発明は、前記金属層が2層以上からなり、各層厚みの最小値が0.05μmで、各層厚みの合計値が5μm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項2記載の熱応動部材である。
請求項5記載の発明は、前記導電性薄膜が、Au、Ag、Cu、Al、Ni、Sn、Rh、Ruからなる群より選ばれる一種又は二種以上の元素を含む金属または合金からなることを特徴とする請求項1乃至請求項4記載の熱応動部材である。
請求項6記載の発明は、前記導電性薄膜の厚みが0.5μmから10μmであることを特徴とする請求項1又は請求項5記載の熱応動部材である。
請求項7記載の発明は、前記積層材の一方が、Mn−Ni−Cu合金又はNi−Cr−Fe合金であって、他方がFe−Ni合金であることを特徴とする請求項1乃至請求項6記載の熱応動部材である。
請求項8記載の発明は、請求項1乃至請求項7いずれかに記載の熱応動部材を用いたサーマルプロテクタ用熱応動可動片である。
請求項9記載の発明は、熱応動素子を兼ねる可動片を備える構造のサーマルプロテクタにおいて、前記可動片が請求項8記載の熱応動可動片であって、その片端部又は両端部に設ける可動接点が所定温度に到達した時若しくは所定温度を超えた時に、前記熱応動可動片の変形により可動接点が固定接点から離反するように構成されていることを特徴とするサーマルプロテクタである。
請求項10記載の発明は、請求項9記載のサーマルプロテクタを用いた携帯電話、ノートパソコン等の携帯用電子機器である。
本発明に係る熱応動部材によれば、熱変形を担う高熱膨張係数部材と低熱膨張係数部材からなる積層材と、電流の流路を担う導電性薄膜との間に金属層を設けることにより、スナップ動作のような繰り返し変形が加えられても積層材と導電性薄膜とが剥離することがなく、且つ熱応動素子と可動片を兼ねる熱応動可動片に用い、それを非常に小型に成形した場合でも、所定の動作量を損なうことなくスナップ動作を正確に多数回繰り返すことができるものである。
更に、本発明に係る熱応動部材から作られた熱応動可動片を組込んだサーマルプロテクタは、小型化した場合でも特性を減ずることなく繰り返しの使用に耐えうるものである。
更に、本発明に係る熱応動部材から作られた熱応動可動片を組込んだサーマルプロテクタは、小型化した場合でも特性を減ずることなく繰り返しの使用に耐えうるものである。
図1〜図5を参照して本発明に係る熱応動部材と、この熱応動部材による熱応動可動片、及びこの熱応動可動片を用いたサーマルプロテクタの実施形態を説明する。
図1は本発明に係る熱応動部材を用いたサーマルプロテクタ用の熱応動可動片の平面図、図2は図1の熱応動可動片を構成する熱応動部材の部分拡大断面図である。
図1、図2に示される熱応動部材を加工した熱応動可動片1aは、長さL=4.7mm、幅W=3.5mm、肉厚t=0.07mm、スナップ動作温度80℃、山形状若しくは上に凸球面状(又は上に凸円弧状)に成形されている。この熱応動可動片1aの長手方向の一端の面に、例えば銀合金からな可動接点2が溶接されている。
図1は本発明に係る熱応動部材を用いたサーマルプロテクタ用の熱応動可動片の平面図、図2は図1の熱応動可動片を構成する熱応動部材の部分拡大断面図である。
図1、図2に示される熱応動部材を加工した熱応動可動片1aは、長さL=4.7mm、幅W=3.5mm、肉厚t=0.07mm、スナップ動作温度80℃、山形状若しくは上に凸球面状(又は上に凸円弧状)に成形されている。この熱応動可動片1aの長手方向の一端の面に、例えば銀合金からな可動接点2が溶接されている。
このような熱応動部材は、スナップ動作温度に調節した組み合わせの異なる熱膨張係数を有する2種の部材(一方を高熱膨張係数部材10、他方を低熱膨張係数部材11とする)からなる積層材12と、その積層材12の高熱膨張係数部材10側の表面に、例えばNiからなる厚みが0.05μmから5μmの金属層13を設け、更に、その金属層13の外層に、例えばCuや他の高導電性の元素からなる厚み0.5μmから10μmの導電性薄膜14を被覆して構成されている。なお、金属層13や導電性薄膜14は、高熱膨張係数部材10側の表面でなく、図3のような低熱膨張係数部材11側の表面に設けても、或いは図4のように積層材12の両側に設けても良い。
前記積層材12を構成する高熱膨張係数部材10及び低熱膨張係数部材11は、スナップ動作を多数回行っても、へたりを生じないばね性を有する材料の中から、設計基準に基づいた部材の組み合わせを選択し、クラッド圧延法を用いて積層材化する。特に、高熱膨張係数部材10にMn−Ni−Cu合金又はNi−Cr−Fe合金を用い、低熱膨張係数部材11にはインバー合金などのFe−Ni合金を組み合わせると良好なスナップ動作を示す積層材が得られる。
前記金属層13は、Ni以外にFeも使用することができる。この金属層13を設けることにより、積層材12と導電性薄膜14との密着性が極めて良好となる。その金属層が1層からなる場合には、厚みが0.05μmから5μmの時に良好な密着性を提供するが、0.05μm未満では密着性への寄与が不十分で、積層材12と導電性薄膜14の剥離を抑えられない。又、5μmを超えて設けられると密着性は良好であるが、この金属層13自体がスナップ動作を繰り返し行ううちに塑性変形を生じてスナップ動作が緩慢になり接点の損傷を招いてその寿命を低下させてしまう。
又、金属層13が2層以上から構成される場合には、各層の厚みが少なくとも0.05μm以上の時に良好な密着性を提供するが、逆に各層の厚みの合計が大きくなると金属層が塑性変形するためにスナップ動作が不安定になることから、金属層の厚みは金属層が2層以上で構成された場合でも、5μm超えないようにする必要がある。
導電性薄膜14に用いるのは、Au、Ag、Cu、Al、Ni、Sn、Rh、Ruからなる群より選ばれる一種又は二種以上の元素を含む金属または合金で、単独若しくは複数の金属又は合金を選択して使用することができる。なお、金属層13および導電性薄膜14を設けるには、湿式めっき法、蒸着法及びスパッタ法などで行われる。
導電性薄膜の厚みは0.5μm〜10μmであることが望ましい。その理由は、導電性薄膜の厚みが0.5μm未満では導電性薄膜が薄いため、熱応動部材の電気抵抗が大きくなって好ましくなく、その値が10μmを超えると、電気抵抗は小さいが、作動による導電性薄膜の塑性変形の部材全体に及ぼす影響が大きくなり、熱応動可動片としての作動を切り返すと、スナップ作動が緩慢になったり、導電性薄膜が剥離したりして、接点の寿命が低下したりする。また、導電性薄膜が厚くなるとコストアップの要因ともなるために、その厚みの上限を10μmとした。
導電性薄膜の厚みは0.5μm〜10μmであることが望ましい。その理由は、導電性薄膜の厚みが0.5μm未満では導電性薄膜が薄いため、熱応動部材の電気抵抗が大きくなって好ましくなく、その値が10μmを超えると、電気抵抗は小さいが、作動による導電性薄膜の塑性変形の部材全体に及ぼす影響が大きくなり、熱応動可動片としての作動を切り返すと、スナップ作動が緩慢になったり、導電性薄膜が剥離したりして、接点の寿命が低下したりする。また、導電性薄膜が厚くなるとコストアップの要因ともなるために、その厚みの上限を10μmとした。
図5は、本発明に係るサーマルプロテクタの一実施形態を示すもので、図1に示した熱応動可動片1aを用いたサーマルプロテクタの断面図である。
このサーマルプロテクタ20のケース21は、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、液晶ポリマー(LCP)、ポリエチレンテレフタレート(PBT)又はその他の耐熱性に優れる樹脂を用いて成形した本体22と該本体22を密閉する蓋23とで構成されている。
このサーマルプロテクタ20のケース21は、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、液晶ポリマー(LCP)、ポリエチレンテレフタレート(PBT)又はその他の耐熱性に優れる樹脂を用いて成形した本体22と該本体22を密閉する蓋23とで構成されている。
本体22の底部の一端部には固定接点24を備える固定端子25が設けられ、ケース21の外部に延び出して外部と接続される。他端部には熱応動可動片1aの保持部26が備えられている保持端子27が設けられ、ケース21の外部に延び出されている。
本体22内には、図1のような熱応動可動片1aが収容され、その一端部に設けられる可動接点2は、対応する固定接点24と接触し、他端部は保持部26と接合されている。
サーマルプロテクタの作製は、本体22を固定端子24や保持端子27などの部品が埋め込み状態になるようにインサート成形によって作製した後、蓋23を超音波溶接法などにより本体22に接合して行われる。
本体22内には、図1のような熱応動可動片1aが収容され、その一端部に設けられる可動接点2は、対応する固定接点24と接触し、他端部は保持部26と接合されている。
サーマルプロテクタの作製は、本体22を固定端子24や保持端子27などの部品が埋め込み状態になるようにインサート成形によって作製した後、蓋23を超音波溶接法などにより本体22に接合して行われる。
図5は熱応動可動片1aにより可動接点2が対応する固定接点24へ押し付けられた状態に接触し、接点間に正常に電流が流れている状態を示している。接点間に異常電流が流れるか、他の原因によりケース21内の温度が上昇し、ケース21内の温度が熱応動可動片1aの作動温度以上になるとそのスナップ動作により上方に凹球面状を呈するようにスナップ動作する。この熱応動可動片1aの前記スナップ動作によりアーム接点2が対応する固定接点24から離反し接点間に流れている電流を遮断する。
表1の組み合わせになる積層材を圧接法によりクラッドして板材を作製した。この板材のいずれか一方の表面に、表2に示す金属層厚みと導電性薄膜厚みの組み合わせで、湿式めっき法によりNi又はFeからなる金属層を厚み0.01μmから1層被覆、2層被覆ともに6μmまでの間で被覆し、更にその表面にCuからなる導電性薄膜を同じく湿式めっき法を用いて0.5μmから12μmの厚みで被覆した表2に示す各熱応動部材試料を各40個作製した。金属層が2層の場合は、積層材とNiの間にFeの金属層を設け、積層材上にFe金属層、Ni金属層を順に被覆した。
なお、導電性薄膜のみを備えるものを40個作製して従来例とした。
これらの試料を図1の形態の熱応動可動片(長さL=4.7mm、幅W=3.5mm、肉厚t=0.07mm)に成形し、一端部にAg合金(Ag−10mass%Ni)の可動接点を溶接して設けた。
この熱応動可動片を図5に示すサーマルプロテクタに組み込み、通電し、10000回のスナップ動作をX線透過装置内での観察下で行い、動作状況を観察した。又、試験終了後、その表面観察を行い導電性薄膜の剥離具合を観察した。その結果を表2に示す。なお、固定接点の材質は可動接点と同じAg合金を用いている。
なお、導電性薄膜のみを備えるものを40個作製して従来例とした。
これらの試料を図1の形態の熱応動可動片(長さL=4.7mm、幅W=3.5mm、肉厚t=0.07mm)に成形し、一端部にAg合金(Ag−10mass%Ni)の可動接点を溶接して設けた。
この熱応動可動片を図5に示すサーマルプロテクタに組み込み、通電し、10000回のスナップ動作をX線透過装置内での観察下で行い、動作状況を観察した。又、試験終了後、その表面観察を行い導電性薄膜の剥離具合を観察した。その結果を表2に示す。なお、固定接点の材質は可動接点と同じAg合金を用いている。
表2から明らかなように、金属層がない従来例No.20では導電性薄膜の剥離が発生したが、金属層の厚みが0.05μm以上の本発明例No.1からNo.6では、剥離の発生が見られなかった。更に、金属層が2層からなる本発明例のNo.7からNo.9では、各金属層の厚みがそれぞれ0.05μm以上で、金属層の厚み合計が5μm以下の場合を示すが、これらでは、剥離の発生は認められず、動作状況も良好であった。
しかしながら、金属層の厚みが0.05μm未満と薄い比較例No.10、No.11では、スナップ動作は良好であったが、導電性薄膜の剥離が顕著となっていた。金属層が2層からなり各金属層の厚みがそれぞれ0.05μmに満たない比較例No.14は金属層が1層のNo.10,No11の場合と同様に導電性薄膜の剥離が発生した。又、金属層が1層、2層の場合ともに金属層の合計の厚みが5μmを超えると、比較例No.12、No.13のように、スナップ動作による金属層の塑性変形が熱応動可動片全体に及ぼす影響が大きくなり、スナップ動作が緩慢になってしまった。導電性薄膜の厚みが10μmを超える比較例No.15では、スナップ動作による導電性薄膜の塑性変形が熱応動可動片全体に及ぼす影響が大きくなり、スナップ動作が緩慢になり、作動不良を起こした。尚、導電性薄膜はコストを考慮すると、通常は5μmで充分であるため、好ましくは5μ以下で充分であるが、100μmまでは塑性変形の影響が殆ど無いために許容される。
なお、積層材の低熱膨張係数部材側および両側に、金属層および導電性薄膜を被覆した熱応動部材についても、先の実施例に記した動作状況観察と剥離具合観察を行い、高熱膨張係数部材側に金属層及び導電性薄膜を被覆した場合と同じように金属層の厚みが0.05μmから5μmの範囲、且つ導電性薄膜の範囲が0.5μmから10μmで好ましい結果が得られた。
しかしながら、金属層の厚みが0.05μm未満と薄い比較例No.10、No.11では、スナップ動作は良好であったが、導電性薄膜の剥離が顕著となっていた。金属層が2層からなり各金属層の厚みがそれぞれ0.05μmに満たない比較例No.14は金属層が1層のNo.10,No11の場合と同様に導電性薄膜の剥離が発生した。又、金属層が1層、2層の場合ともに金属層の合計の厚みが5μmを超えると、比較例No.12、No.13のように、スナップ動作による金属層の塑性変形が熱応動可動片全体に及ぼす影響が大きくなり、スナップ動作が緩慢になってしまった。導電性薄膜の厚みが10μmを超える比較例No.15では、スナップ動作による導電性薄膜の塑性変形が熱応動可動片全体に及ぼす影響が大きくなり、スナップ動作が緩慢になり、作動不良を起こした。尚、導電性薄膜はコストを考慮すると、通常は5μmで充分であるため、好ましくは5μ以下で充分であるが、100μmまでは塑性変形の影響が殆ど無いために許容される。
なお、積層材の低熱膨張係数部材側および両側に、金属層および導電性薄膜を被覆した熱応動部材についても、先の実施例に記した動作状況観察と剥離具合観察を行い、高熱膨張係数部材側に金属層及び導電性薄膜を被覆した場合と同じように金属層の厚みが0.05μmから5μmの範囲、且つ導電性薄膜の範囲が0.5μmから10μmで好ましい結果が得られた。
本発明記載内容を満足する熱応動素子を兼ねる可動片を備え、その片端部又は両端部に設ける可動接点が所定温度に到達した時若しくは所定温度を超えた時に、前記熱応動可動片の変形により可動接点が固定接点から離反するように構成されているサーマルプロテクタを用いて携帯電話、ノートパソコン等の携帯用通信機器の過熱や過電流を所望の条件にて防止することができる。
1a 熱応動可動片(本発明品)
1b 熱応動可動片(従来品)
2 可動接点
10 高熱膨張係数部材
11 低熱膨張係数部材
12 積層材
13 金属層
14 導電性薄膜
20 サーマルプロテクタ
21 ケース
22 ケース本体
23 ケース蓋
24 固定接点
25 固定端子
26 保持部
27 保持端子
1b 熱応動可動片(従来品)
2 可動接点
10 高熱膨張係数部材
11 低熱膨張係数部材
12 積層材
13 金属層
14 導電性薄膜
20 サーマルプロテクタ
21 ケース
22 ケース本体
23 ケース蓋
24 固定接点
25 固定端子
26 保持部
27 保持端子
Claims (10)
- 熱膨張係数の異なる二種の材料からなる積層材と、前記積層材の片面若しくは両面に金属層を設け、前記片面もしくは両面に設けた金属層の面上に導電性薄膜を設けたことを特徴とする熱応動部材。
- 前記金属層が、Ni、Fe、Ni合金、Fe合金のいずれかからなることを特徴とする請求項1記載の熱応動部材。
- 前記金属層の厚みが、0.05μm以上、5μm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項2記載の熱応動部材。
- 前記金属層が2層以上からなり、各層厚みの最小値が0.05μmで、各層厚みの合計値が5μm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項2記載の熱応動部材。
- 前記導電性薄膜が、Au、Ag、Cu、Al、Ni、Sn、Rh、Ruからなる群より選ばれる一種又は二種以上の元素を含む金属または合金からなることを特徴とする請求項1乃至請求項4記載の熱応動部材。
- 前記導電性薄膜の厚みが0.5μmから10μmであることを特徴とする請求項1又は請求項5記載の熱応動部材。
- 前記積層材の一方が、Mn−Ni−Cu合金又はNi−Cr−Fe合金であって、他方がFe−Ni合金であることを特徴とする請求項1乃至請求項6記載の熱応動部材。
- 請求項1乃至請求項7記載のいずれかの熱応動部材を用いたサーマルプロテクタ用熱応動可動片。
- 熱応動素子を兼ねる可動片を備えた構造のサーマルプロテクタにおいて、前記可動片が請求項8記載の熱応動可動片であって、その片端部又は両端部に設ける可動接点が所定温度に到達した時若しくは所定温度を超えた時に、前記熱応動可動片の変形により可動接点が固定接点から離反するように構成されていることを特徴とするサーマルプロテクタ。
- 請求項9記載のサーマルプロテクタを用いた携帯電話、ノートパソコン等の携帯用電子機器。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003420081A JP2005183094A (ja) | 2003-12-17 | 2003-12-17 | 導電性薄膜及び金属層を設けた熱応動部材及びサーマルプロテクタ |
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JP2007268752A (ja) * | 2006-03-30 | 2007-10-18 | Fuji Xerox Co Ltd | 画像形成装置 |
-
2003
- 2003-12-17 JP JP2003420081A patent/JP2005183094A/ja active Pending
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JP4730604B2 (ja) * | 2006-03-30 | 2011-07-20 | 富士ゼロックス株式会社 | 画像形成装置 |
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