JP3171000B2 - 駆動装置及びその駆動方法 - Google Patents
駆動装置及びその駆動方法Info
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- JP3171000B2 JP3171000B2 JP08979794A JP8979794A JP3171000B2 JP 3171000 B2 JP3171000 B2 JP 3171000B2 JP 08979794 A JP08979794 A JP 08979794A JP 8979794 A JP8979794 A JP 8979794A JP 3171000 B2 JP3171000 B2 JP 3171000B2
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Description
て被駆動部材を駆動するための駆動装置に関する。例え
ば、カメラの撮影レンズやオーバーヘッドプロジェクタ
などの投影レンズ、双眼鏡のレンズ、複写機のレンズな
ど、光学装置におけるレンズの駆動の他、プロッタやX
−Y駆動テーブルのような装置など、駆動部を有する装
置一般に用いる駆動装置に関するものである。
特開平4ー69070に開示されるものがある。その内
容について図1ないし図5を用いて説明する。なお、図
1に示す機械的構成は本願発明にも共通して用いられる
ものである。図1はレンズの駆動装置であり、101は
レンズを保持する鏡筒、103は鏡筒を支持するととも
に光軸方向に案内するガイドバーである。ガイドバー1
03は鏡筒101から伸びる支持部101eに形成され
たフォーク101fを貫通することによって鏡筒101
を支持、案内する。
上記支持部101eと協働して鏡筒101を支持すると
ともに鏡筒101を軸方向に駆動するためのものであ
る。該駆動部材117は駆動部材支持部材113に設け
られた立ち上がり部113a、113cに形成される孔
113b、113dに挿入されており、軸方向に移動可
能となっている。そして、該駆動部材117は、鏡筒1
01から上記指示部101eとは反対方向に伸びるコ字
状部101kの両端101a、101cに形成された孔
101b、101dを貫通している。さらに、駆動部材
117の後端は圧電素子112の前端に固定されてい
る。該圧電素子112の後端は駆動部材支持部材113
のもう一つの立ち上がり部113eに固定されている。
さらに、板バネ114がネジ115及び116により鏡
筒101の上記両端101a、101cに図中下方から
取り付けられている。該板バネ114は駆動部材117
と平行になるようになっている。また、該板バネ114
の略中央には図中上方に突出した摩擦部114cが形成
されており、これが駆動部材117に接触することによ
って鏡筒101と駆動部材117との間に摩擦が発生
し、鏡筒101の駆動が可能であるようになっている。
摩擦は板バネ114のバネ圧により発生するものであ
る。
5から電圧が印加されるようになっており、印加電圧に
従って圧電素子112は伸縮する。108は位置検出回
路であって、鏡筒101の位置を検出する。鏡筒101
が駆動目標位置に到達するとこの検出回路108が駆動
回路105に停止を指示し、圧電素子112への電圧印
加が終了する。この結果、圧電素子112が印加電圧に
よって伸長・収縮して駆動部材117が長手方向に作動
すると、摩擦によって鏡筒101も移動し、目標位置に
到達したときに圧電素子112の伸縮が終了して駆動が
完了する。
バネ114の押付力に対する駆動部材117からの垂直
抗力をN、静摩擦係数をμ、移動部材質量をmmとした
とき、駆動部材117と鏡筒101との間に働く最大静
止摩擦力Fsは Fs=μ(mmg+N) となる。また、動摩擦係数を
μ'とすると動摩擦力Fdは Fd=μ'(mmg+N) となる。駆動部材117が動
くとき摩擦力により鏡筒101も動くが、その駆動部材
117の加速度が小さいときには鏡筒101は駆動部材
117に対する滑りを生じないで動くことができる。し
かし、加速度が限界を超えると滑りが生じてしまう。そ
の限界の加速度alimは alim=Fs/mm となる。従来のこの種の駆動装置に
おいては、駆動部材を目的方向に動かすときには、駆動
部材の加速度がalimを超えないようにして移動部材を
滑りなく動かし、駆動部材を目的方向と逆向きに動かす
ときには、駆動部材の加速度がalimを超えて移動部材
との間に滑りが生じるようにすることで、移動部材を目
的方向に動かすようにしている。
を図中左下方向(レンズの繰り出し方向)に駆動する際
の電位、変位、速度、加速度の様子を図2〜図5に示
す。何れも実線が駆動部材(117)、破線が移動部材
(鏡筒101)である。図2は圧電素子に対してかける
電圧を示したものであって、ゆっくりとした立ち上がり
で電圧を印加し、急速に印加電圧を解除する。これによ
り、電圧印加時には加速度が上記限界加速度を越えるこ
とがないので、移動部材は駆動部材とともに移動し、電
圧解除時には加速度が上記限界加速度を越えてしまい、
移動部材は実質的に静止したまま(条件によってはわず
かに逆行する)駆動部材のみが元の位置に復帰する。こ
れを繰り返すことによって駆動部材の往復運動を移動部
材の一方向運動に変換して移動部材が移動する。図3は
その駆動部材と移動部材の変位を示すものである。ま
た、このときの駆動部材と移動部材の速度が図4に、駆
動部材と移動部材の加速度が図5に示されている。電圧
印加の周波数、すなわち駆動周波数を大きくしてゆくと
移動部材の速度も上昇する。
に駆動部材の駆動目的方向移動に対して移動部材が完全
に追随するように構成すると、低周波数(長周期)で駆
動するのなら良いが、高周波数(短周期)で駆動するに
は問題があった。換言すると、低速で駆動するのなら問
題はないが、高速で駆動するのは困難であった。その理
由について説明する。圧電素子で物体を動かす場合、物
体の質量に応じて応答の遅れが生じる。このため、圧電
素子に例えば図13のような衝撃的な電圧を加えて、駆
動部材と移動部材の両方を動かす場合と駆動部材のみを
動かす場合とでは、応答の遅れが図14に見られるよう
に違ってくる。ここで、実線が移動部材が滑って駆動部
材のみが動くときの状態、破線が滑らないで駆動部材と
移動部材の両方が動くときの状態を示している。このと
きのそれぞれの場合に生じる遅れをt1、t2とする(t
1≫t2)。目的方向に駆動部材を動かす場合には滑りを
生じさせないから応答遅れはt1となり、目的方向と逆
方向に駆動部材を動かす場合には滑りを生じさせるので
移動部材の質量分を考えなくてよいから応答遅れはt2
となる。そのため、駆動周期がこの応答遅れを合わせた
時間(t1+t2)より長い場合は、図15に示すように
圧電素子は応答の遅れなく十分変位するが、駆動周期が
この応答遅れを合わせた時間(t1+t2)より短い場合
は、図16に示すように圧電素子が伸びきらないうちに
縮む。その結果、駆動部材の変位量が小さくなり移動部
材の速度が上がらない。よって、従来の方法では駆動周
期は(t1+t2)近辺、駆動周波数は1/(t1+t2)
近辺で移動部材の速度がピークとなる。なお、図15、
16において、太い実線で示された直線は電圧を示し、
破線と実線によって示された曲線は圧電素子、すなわち
駆動部材の変位を示している。破線部分では移動部材は
滑っておらず、実線部分で滑りが生じている。また、図
16において横軸に平行に記載された直線は、この図の
電圧を印加すれば本来この位置まで変位するはずである
ことを示しており、常に滑りが生じているときには略こ
の位置まで変位することを破線のみの曲線で現わしてあ
る。
2である。また、共振周期は共振周波数の逆数である。
ここで滑りのない系での共振周波数f1は、自由端に駆
動部材と移動部材を一体として固定し、もう一端を固定
端とした場合の圧電素子の共振周波数である。それに対
して滑りのある系での共振周波数f2は、自由端に駆動
部材を固定し、もう一端を固定端とした場合の圧電素子
のの共振周波数である。圧電素子の両端自由で無負荷の
場合の共振周波数をf0、圧電素子の質量をmp、駆動部
材の質量をmrとしたときf1、f2は f1=f0/2・√(mp/(mp+2(mr+mm))) f2=f0/2・√(mp/(mp+2mr)) とできる。これらのf1、f2を使って従来の駆動速度の
ピークとなる駆動周波数flim1を求めると、 flim1≒1/(t1+t2)、t1=1/2f1、t2=1
/2f2 であるから、 flim1≒(2f1・f2)/f1+f2 となり、これ以上駆動周波数を上げても移動部材の速度
は上昇せず、高速での駆動はできなかった。
させることができる駆動装置を得ることにある。また、
そのような駆動方法を得ることにある。
め、駆動周波数が人間の可聴周波数帯域に入ってしま
い、駆動音がするという欠点もある。このため、静かな
場所で使用する可能性があるような装置に使用すること
が困難であった。本発明の他の目的は、駆動音がうるさ
くないようにすることができる駆動装置を得ることにあ
る。
め、本願発明は、静止部材と、前記静止部材にその伸縮
方向の一端を固定され、その伸長時と縮小時とでは異な
る速度で伸縮するように電圧の印加を受ける電気機械変
換素子と、前記電気機械変換素子の伸縮方向の他端に結
合され、前記電気機械変換素子の伸縮方向に移動できる
ように支持された駆動部材と、前記駆動部材に摩擦係合
され、前記電気機械変換素子の伸縮方向に移動できるよ
うに支持された移動部材と、前記駆動部材と前記移動部
材間に摩擦力を発生させる摩擦力付加部材とからなる駆
動装置において、前記電気機械変換素子の伸長時と縮小
時のどちらにおいても、前記駆動部材と前記移動部材間
に滑りを生じさせるべく設定したことを特徴としてい
る。
気機械変換素子は、上記一端を固定端とし上記他端に駆
動部材と移動部材を固定した場合における共振周波数を
f1、上記一端を固定端とし上記他端に駆動部材を固定
した場合における共振周波数f2としたとき、その駆動
周波数fを ((2・f1・f2)/(f1+f2))<f
<f2 とすることを特徴としている。
止部材にその伸縮方向の一端を固定され、その伸長時と
縮小時とでは異なる速度で伸縮するように電圧の印加を
受ける電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の伸
縮方向の他端に結合され、前記電気機械変換素子の伸縮
方向に移動できるように支持された駆動部材と、前記駆
動部材に摩擦係合され、前記電気機械変換素子の伸縮方
向に移動できるように支持された移動部材と、前記駆動
部材と前記移動部材間に摩擦力を発生させる摩擦力付加
部材とからなる駆動装置において、前記電気機械変換素
子の伸長時と縮小時のどちらにおいても、前記駆動部材
と前記移動部材間に滑りを生じさせつつ駆動することを
特徴としている。
気機械変換素子は、上記一端を固定端とし上記他端に駆
動部材と移動部材を固定した場合における共振周波数を
f1、上記一端を固定端とし上記他端に駆動部材を固定
した場合における共振周波数f2としたとき、 ((2・
f1・f2)/(f1+f2))<f<f2 を駆動周波数f
として駆動することを特徴としている。
素子の伸長時と縮小時のどちらにおいても(駆動部材を
目的方向に動かすときと逆向きに動かすときのどちらに
おいても)駆動部材の加速度がalimを超えるように、
すなわち、駆動部材と移動部材との間に滑りを生じさせ
つつ駆動される。このため、滑っている間、移動部材は
駆動部材との速度差を減らすように動摩擦力Fdを受け
ている。そのとき、駆動部材の動きの方向による速度差
から、目的方向にFdを受けている時間taのほうが目的
方向と逆向きにFdを受けている時間tbより長くなる。
そのため、移動部材の1サイクルでの速度変化dvは dv=Fd(ta−tb)/mm となる。移動部材はサイ
クルを重ねるに連れて速度を増し、ta=tbとなった時
点で定常状態に達する。この結果、移動部材は目的方向
に動いていく。
加速度の様子を図6〜図9に示す。図7〜図9において
実線は駆動部材、破線は移動部材を現わしている。図6
は圧電素子に対してかける電圧を示したものであって、
ゆっくりとした立ち上がりで電圧を印加し、急速に印加
電圧を解除する。このとき、電圧印加時にも電圧解除時
にも加速度が上記限界加速度を越え、この結果、どちら
においても駆動部材と移動部材との間に滑りが生じる。
速度の変化が示されている。この図から分かるように、
駆動部材の動きは図4で示した従来技術の場合と同じで
あるが、移動部材の動きは明瞭に異なっている。つま
り、波線で示す移動部材は、駆動開始直後傾きFd/mm
で速度が上昇してゆき、駆動部材の速度が移動部材の速
度を下回ると傾きFd/mmで速度が減少する。しかし、
増速時間はta、減速時間がtbであってta>tbである
ことから、元の位置に戻ることはない。これを繰り返す
ことによって駆動部材7の往復運動を移動部材11の一
方向運動に変換して移動部材11が移動する。図9はそ
の駆動部材7と移動部材11の加速度を示すものであ
る。
進むときも、駆動部材と移動部材間に滑りのある状態で
動かしているため、駆動周期中での応答遅れ時間は2t
2である。これにより従来方法に比べて応答遅れをずっ
と小さくでき(t1≫t2であるから)、図17、18に
示すように高駆動周波数でも十分、圧電素子を変位させ
ることができる。これで駆動周波数をより高くすること
ができる。本発明におけるアクチュエーター速度のピー
クとなる駆動周波数flim2はflim2<1/(2・t
2)、t2=1/(2・f2) であるから、flim2<f2
である。
図20は本発明をレンズ駆動装置に適用した実施例の構
成を示す。図20における機械的構成は図1を参照して
説明した従来技術のものと同じである。すなわち、1は
レンズを保持する鏡筒(移動部材)、3は鏡筒を支持す
るとともに光軸方向に案内するガイドバーである。ガイ
ドバー3は鏡筒1から伸びる支持部1eに形成されたフ
ォーク1fを貫通することによって鏡筒1を支持、案内
する。
であり、上記支持部1eと協働して鏡筒1を支持すると
ともに鏡筒1を軸方向に駆動するためのものである。該
駆動部材7は駆動部材支持部材13(静止部材)に設け
られた立ち上がり部13a、13cに形成される孔13
b、13dに挿入されており、軸方向に移動可能となっ
ている。そして、該駆動部材7は、鏡筒1から上記指示
部1eとは反対方向に伸びるコ字状部1kの両端1a、
1cに形成された孔1b、1dを貫通している。さら
に、駆動部材7の後端は圧電素子(電気機械変換素子)
2の前端に固定されている。該圧電素子2の後端は駆動
部材支持部材13のもう一つの立ち上がり部13eに固
定されている。さらに、板バネ(摩擦力付加部材)4が
ネジ15及び16により鏡筒1の上記両端1a、1cに
図中下方から取り付けられている。該板バネ4は駆動部
材7と平行になるようになっている。また、該板バネ4
の略中央には図中上方に突出した摩擦部4cが形成され
ており、これが駆動部材7に接触することによって鏡筒
1と駆動部材7との間に摩擦が発生し、鏡筒1の駆動が
可能であるようになっている。摩擦は板バネ4のバネ圧
により発生するものである。なお、図中左下方向がレン
ズの繰り出し方向である。
圧が印加されるようになっており、印加電圧に従って圧
電素子2は伸縮する。8は位置検出回路であって、鏡筒
1の位置を検出する。鏡筒1が駆動目標位置に到達する
とこの検出回路8が駆動回路5に停止を指示し、圧電素
子2への電圧印加が終了する。この結果、圧電素子2が
印加電圧によって伸長・収縮して駆動部材7が長手方向
に作動すると、摩擦によって鏡筒1も移動し、目標位置
に到達したときに圧電素子2の伸縮が終了して駆動が完
了する。
の伸びと縮みにおいて駆動部材と移動部材との間に滑り
が生じるように設定されている。この結果、圧電素子3
が印加電圧によって伸長・収縮して駆動部材7が長手方
向(図中左右の方向)に作動すると、摩擦によって移動
部材も左右に移動可能となるが、滑りが生じるため、従
来技術とは異なり、移動部材は駆動部材には完全には追
随しない。
示されたように制御されている。すなわち、入力装置か
ら移動目標位置が入力され、制御回路は電流1充電回
路、電流1放電回路、電流2充電回路、電流2放電回路
を制御して圧電素子への充放電を繰り返す。なお、電流
1は電流2より大きく、さらに電流1、電流2の充放電
で駆動部材、移動部材間に滑りが生じるように設定して
ある。その結果、駆動部材が往復作動し、それに対して
滑りながら移動部材が移動する。移動した位置は位置検
出器で検出され、制御回路にフィードバックされる。制
御回路はフィードバックされた位置と目標位置とを比較
し、両者が一致したところで圧電素子への充放電を終了
する。これにより移動部材が目標位置まで移動する。な
お、図20で示した戻り方向へレンズを動かすには、電
流1で充電し、電流2で放電する。図20で示した繰り
出し方向へレンズを動かすときには、電流2で充電し、
電流1で放電する。
例を示す。Aは電流1で充電する回路であって、制御回
路の端子Aと電源端子Vhに接続されたMOS・FET
を有している。Bは電流1で放電する回路であって、制
御回路の端子Bに接続されるとともに接地されたMOS
・FETを有している。Cは電流2で充電する回路であ
って、制御回路の端子Cと電源端子Vhに接続されたト
ランジスタを有している。また、Dは電流2で放電する
回路であって、制御回路の端子Dに接続されるとともに
接地されたトランジスタを有している。ここでC、Dは
定電流回路としている。これは圧電素子の遅い動きの方
はできるだけ等速となるように制御したほうが移動体が
速く動くからである。
御するタイムチャートを示す。図23は、電流2で充電
し電流1で放電するものである。まず、端子Aをハイレ
ベル(以下、H)、端子Dをローレベル(以下、L)に
維持することによって、回路Aと回路Dとを遮断状態に
保つ。この状態でまず端子CをL、端子DをLとする。
この結果、回路Cのトランジスタが導通し、圧電素子に
電流2(i2)が流れ、充電される。充電開始後しばら
くすると圧電素子が飽和し、充電が停止する。所定時間
経過すると、端子CをHにして回路Cを遮断し、次に端
子BをHにして回路BのMOS・FETを導通させる。
これにより、圧電素子に充電されていた電荷は回路Cを
介して急激に放電される。逆方向に駆動する場合、すな
わち電流1で充電し電流2で放電する場合には、図24
に示すように端子BをL、端子CをHに保つことによっ
て回路Cと回路Bを遮断状態に保った上で端子Aと端子
Dをスイッチングすることで充放電を行なう。
定した。 本願発明 駆動部材と移動部材間の動摩擦力 200gf 従来技術 駆動部材と移動部材間の動摩擦力 2000gf 計算より求めるとt1≒140sec、t2≒10μsec そして次のような結果が得られた。 最高速度 速度ピーク周波数 従 来 技 術 8mm/sec 6kHz 本願発明実験例 40mm/sec 25kHz 従来技術と本願発明の特性の比較 図10に低駆動周波数での従来技術と本願発明との比較
を示す。また、図11に高駆動周波数(本願発明で最高
速度を出すことができる周波数)での従来技術と本願発
明との比較を示す。何れも、実線は従来技術、破線は本
願発明を示している。横軸に負荷をとり、縦軸にそのと
きの移動部材の速度をとって現わしている。負荷は移動
部材の質量を変えて上向きに動かすことで調整し、負荷
0は移動部材を水平方向に動かすときのものである。ま
た、速度は移動部材の定常状態での平均速度である。
は、性能のトレードオフがあることがわかる。すなわ
ち、本願発明は従来技術に比べて、駆動部材が目的方向
と逆に動くときの移動部材の速度低下が少ないので定常
速度をより速くすることができる。上述の図8からわか
るように、その速度は駆動部材の目的方向へ動く速度近
くまで出すことができる。その理想的最高速度は(駆動
周波数×実際の素子変位量×2)である。一方、本願発
明では余り大きな負荷は駆動できない。また、立ち上が
り速度も従来技術に比べて遅く、従来技術が1周期目か
ら定常速度に達するのに比べて、上述の図6〜図9(特
に図8)に示されているように定常速度に達するのに3
周期かかっている。このようにメリット、デメリットが
あるわけだが、低駆動周波数において本願発明は、物体
を水平に動かすような負荷の少ない状態で高速で動かし
たいときに適しているといえる。
な低い駆動周波数で比較を行った。しかし、本願のよう
な駆動装置をより高速で動かすためには、できるだけ高
い駆動周波数で使うのが望ましい。そこで、本願発明で
移動部材が最高速度となる駆動周波数まで上げた場合が
図11に示されている。この駆動周波数では従来技術で
は移動部材は動かなくなってしまう。これは、従来の方
法と本発明とでは動かせる駆動周波数域に差があるため
である。図12に駆動周波数を変えたときの従来の方法
と本発明の比較を示すが、実線が従来技術、破線が本願
発明である。横軸に駆動周波数をとり、縦軸に移動部材
の速度をとって現わされている。速度は移動部材の定常
状態での速度である。これからわかるように、移動部材
の速度は駆動周波数に対してほぼ比例して速くなり、あ
る周波数でピークを迎えてその後遅くなる。本願発明
は、従来技術よりもピークを迎える駆動周波数が高いの
で、より速い速度を出すことができるのである。
が上がるだけでなく次のようなメリットも生まれ、低駆
動周波数では従来技術より劣っていた性能も改善され
る。すなわち、まず1周期の時間が短くなるから、立ち
上がり速度を速くすることができる。そして、駆動部材
の加速度が大きくなるから、限界加速度alimを上げる
ことができ、より大きな負荷も駆動できるようになる。
さらに、人間の可聴周波数帯域を越える20kHz以上
で駆動することができ、駆動音を抑えて静かに駆動する
ことができる。
速で駆動することができるようになり、さまざまな装置
に使用することができるようになる。また、駆動周波数
を高くすることで1周期の時間が短くなるから、立ち上
がり速度を速くすることができる。そして、駆動部材の
加速度が大きくなるから、限界加速度を上げることがで
き、より大きな負荷も駆動できるようになる。さらに、
人間の可聴周波数帯域を越える20kHz以上で駆動す
ることができるので駆動音が静かになり、静かな場所で
使用する装置にも採用することができるようになる。
を比較する説明図。
図。
性を比較する説明図。
変位を示す説明図。
変位を示す説明図。
変位を示す説明図。
変位を示す説明図。
路の回路図。
チャートを示す説明図。
イムチャートを示す説明図。
Claims (4)
- 【請求項1】 静止部材と、 前記静止部材にその伸縮方向の一端を固定され、その伸
長時と縮小時とでは異なる速度で伸縮するように電圧の
印加を受ける電気機械変換素子と、 前記電気機械変換素子の伸縮方向の他端に結合され、前
記電気機械変換素子の伸縮方向に移動できるように支持
された駆動部材と、 前記駆動部材に摩擦係合され、前記電気機械変換素子の
伸縮方向に移動できるように支持された移動部材と、 前記駆動部材と前記移動部材間に摩擦力を発生させる摩
擦力付加部材と、からなる駆動装置において、 前記電気機械変換素子の伸長時と縮小時のどちらにおい
ても、前記駆動部材と前記移動部材間に滑りを生じさせ
るべく設定されていることを特徴とする駆動装置。 - 【請求項2】 前記電気機械変換素子は、上記一端を固
定端とし上記他端に前記駆動部材と前記移動部材を固定
した場合における共振周波数をf1、上記一端を固定端
とし上記他端に前記駆動部材を固定した場合における共
振周波数f2としたとき、その駆動周波数fを ((2・f1・f2)/(f1+f2))<f<f2 とすることを特徴とする請求項1記載の駆動装置。 - 【請求項3】 静止部材と、 前記静止部材にその伸縮方向の一端を固定され、その伸
長時と縮小時とでは異なる速度で伸縮するように電圧の
印加を受ける電気機械変換素子と、 前記電気機械変換素子の伸縮方向の他端に結合され、前
記電気機械変換素子の伸縮方向に移動できるように支持
された駆動部材と、 前記駆動部材に摩擦係合され、前記電気機械変換素子の
伸縮方向に移動できるように支持された移動部材と、 前記駆動部材と前記移動部材間に摩擦力を発生させる摩
擦力付加部材と、からなる駆動装置における駆動方法で
あって、 前記電気機械変換素子の伸長時と縮小時のどちらにおい
ても、前記駆動部材と前記移動部材間に滑りを生じさせ
ながら移動部材を作動させることを特徴とする駆動方
法。 - 【請求項4】 前記電気機械変換素子は、上記一端を固
定端とし上記他端に前記駆動部材と前記移動部材を固定
した場合における共振周波数をf1、上記一端を固定端
とし上記他端に前記駆動部材を固定した場合における共
振周波数f2としたとき、 ((2・f1・f2)/(f1+f2))<f<f2 によって示された駆動周波数fによって駆動することを
特徴とする請求項3記載の駆動方法。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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