JP4218201B2 - 材料試験装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料に対して圧縮や引張りの繰り返し荷重をかけて疲労試験を行ったり、機械的構造体に対して抜き差しなどの繰り返し動作に対する耐久性を試験するための材料試験装置に関し、特に微小な試験力を必要としたり、繰り返し速度の速い試験に適した材料試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料に繰り返し荷重をかけて材料の変形や破壊などの特性を評価する試験装置は疲労試験機として知られている。またこの疲労試験機は、コネクタなどの様に２つの機械的構造体を抜き差しした場合の挿抜耐久性や、伸び縮み可能なアンテナなどの可動部分の伸縮耐久性を試験する場合に利用することができる。
【０００３】
従来の材料試験装置は、試験体に対して伸び縮みの繰り返し荷重を与えるために、ネジザオの回転や油圧シリンダーをアクチュエータとして利用している。例えばネジザオを利用する場合は、試験機本体の構造を形成するフレームに対して移動可能なクロスヘッドに固定されたメネジにネジザオを螺合させ、ネジザオをモータにより回転させることによりこのクロスヘッドをフレームに対して移動させる構造とする。試験体の一端をフレームに固定されたチャックに挟み、試験体の他端をクロスヘッドに装着されたチャックに挟んだ状態でクロスヘッドをネジザオの回転により移動させれば、クロスヘッドの移動方向に応じて試験体には圧縮または引張りの荷重がかかり、そのときの試験体の伸びと試験体にかかる荷重を測定して材料試験が行われる。
【０００４】
材料試験装置を利用して疲労試験や耐久試験を行う場合には、試験体に対して振動的に変化する荷重を与える必要があるが、このときアクチュエータであるネジザオは正逆の回転を繰り返して行うように駆動される。また、アクチュエータとして油圧シリンダを利用する場合には、油圧シリンダにかかる油圧を制御するサーボバルブが繰り返し荷重を与えるように制御される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ネジザオによるクロスヘッドの駆動は比較的遅い動きを実行することができるが、速い繰り返し負荷を試験片に与えることは困難である。また、油圧シリンダをアクチュエータとする場合には、油圧シリンダの制御には油圧源やサーボバルブも必要であり、構成が複雑でコンパクトな装置を実現することが困難である。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、小さな負荷荷重を試験体に対して精密にかけることができ、高い繰返し速度を実現できるようにアクチュエータ部分の応答速度が早く、小型で低コストな材料試験装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した課題を解決するために、試験体に対して負荷軸方向に繰り返し荷重をかけて該試験体の特性または耐久性を試験する材料試験装置において、試験装置の全体を支持するフレームと、試験体を固定する試料台と、この試料台を負荷軸に沿って直線的に駆動するリニアモータ駆動部を有する直線駆動部材と、この直線駆動部材を前記フレームに対して負荷軸方向に直線的に駆動するネジザオを備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の材料試験装置においては、試験体はリニアモータ駆動部によって負荷軸方向に直線的に駆動されるとともに、ネジザオによってもリニアモータ駆動部を含む直線駆動部材全体が負荷軸に沿って駆動される。すなわち、試験体はリニアモータによって負荷が加えられるとともに、ネジザオによっても負荷が加えられる。したがって速い繰り返し負荷がリニアモータによって実現され、しかもネジザオによって大きな負荷と大きなストロークも与えられるので、複合的な負荷を試験体に与えることができる。また、ネジザオの大きなストロークは試験体の大きさにかかわらず直線駆動部材を最適な位置に配置することが可能となる。
【０００９】
さらに、ネジザオは駆動モータとネジザオとの連結部分やメネジとの嵌合部分において機械的遊びが比較的大きいが、リニアモータによる駆動はこれに比べて機械的な遊びが少ないので、ネジザオを所定の位置で固定した使用方法では試験精度が向上する。また、リニアモータは駆動または制御に他の機械的構成要素を必要としないので装置全体を小型に構成できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は本発明の材料試験装置を示す図である。
【００１１】
試験装置全体の構造を支えるフレーム１に対して、両端が軸受によって支持されたネジザオ５が回転可能に固定されて配置されている。ネジザオ５の一端にはモータ４が連結され、また、ネジザオ５にはフレーム１の上で直線的に移動できる移動部材２に固定されたメネジに螺合されており、モータ４によりネジザオ５が回転されることによって、移動部材２が矢印Ａのように図１の左右方向に駆動される。移動部材２は図示していないリニアガイドなどによって支持されているのでフレーム１に対して低摩擦力で摺動でき、ネジザオ５と移動部材２の間の機構は周知のボールネジ機構などを採用することができる。
【００１２】
移動部材２の上には試料台３が組みつけられており、この試料台３はリニアガイド１１（図２参照）などにより移動部材２に対して直線的に移動可能となっている。試料台３は、移動部材２および試料台３に内蔵された永久磁石やコイルによって構成されるリニアモータ６によって矢印Ｂのように直線的に駆動される。この試料台３の移動方向（矢印Ｂ方向）は上述の移動部材２の移動方向（矢印Ａ方向）と同一であって、図１の左右方向である。この矢印Ｂ方向は試験体に加えられる負荷方向ともなる。なお、試料台３およびリニアモータ６などが課題を解決するための手段に記載された直線駆動部材を構成している。また、上述のネジザオ５による駆動距離（ストローク）はリニアモータ６による駆動距離よりも大きく設定されている。
【００１３】
試験されるべき試験体Ｓはフレーム１に固定されたチャック７と試料台３に固定されたチャック８との間に装着される。またチャック７の基部にはロードセル９が配設され、試験体Ｓにかかる負荷荷重を出力することができる。モータ４の駆動やリニアモータ６の駆動は制御装置１０によって制御され、またロードセル９の出力も制御装置１０に取り込まれる。制御装置１０はコンピュータと各種のドライバおよびインターフェース回路などから構成され、本試験装置の試験条件の設定・駆動対象の制御・データ取り込み・各種データ処理などを行う。
【００１４】
次に本試験装置を用いて材料の疲労試験を行う場合の動作を説明する。疲労試験をされるべき試験体Ｓは一端がチャック７で把持され他端がチャック８で把持される。そしてネジザオ５の回転により移動部材２を試験体Ｓが引張られる方向に駆動し、試験体Ｓに対して所定の引張り初荷重をかける。その状態でリニアモータ６を用いて試料台３が矢印Ｂの方向に振動するように駆動する。リニアモータは動きの応答が速いので速い繰り返し荷重を試験体Ｓに与えることができる。上述の初荷重はゼロと設定する場合あるいはマイナス（圧縮方向）と設定する場合もあることはもちろんである。
【００１５】
また、たとえばコネクタの挿抜試験などを行う場合には、試験されるコネクタのレセプタクル部分はフレーム１に固定されたチャック（または固定具）７に取り付けられ、コネクタのプラグ部分は、試料台３に固定されたチャック（または固定具）８に取り付けられる。ネジザオ５の回転により移動部材２を適当な位置まで移動し、１対のコネクタが向き合って対向するよう配置する。この状態でリニアモータ６により試料台３を矢印Ｂの方向に繰り返して移動させると、試験体であるコネクタははめ込まれたり離れたりするので、コネクタの抜き差しの耐久性を試験することができる。このときロードセル９の出力を継続的にモニタしておけば何回の繰り返しでコネクタに変化が現れるかなどのデータにより精密な試験を行うことができる。リニアモータは小さな力を発生させることができるので小さな力を用いた試験には最適である。
【００１６】
伸び縮み可能なアンテナの伸縮耐久性を試験する場合には、アンテナの根元をチャック９で把持し、先端をチャック８で把持する。その後は上述したのと同様に、ロードセル９の出力をモニタしながらリニアモータ６によりアンテナの伸び縮みを繰り返して、耐久性を試験する。伸び縮みのストロークが大きければリニアモータ６による駆動はせずにネジザオ５による駆動を用いることができる。
【００１７】
図２は上述のリニアモータ部分を説明する図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）はＣ方向から見た断面図である。リニアモータ６は、試料台３に配置された電磁コイル６ａとその基台（移動部材２）に配置された永久磁石６ｂにより構成される。永久磁石６ｂはＳ極とＮ極が交互に並ぶように多数が直線状に固定的に配置され、その端部であるＳ極またはＮ極は電磁コイル６ａの磁極に対向している。電磁コイル６ａに位相を制御された電流が流されると、永久磁石６ｂのＳ極とＮ極との間で吸引と反発を繰り返しながら矢印Ｂ方向に直線的な移動推進力を発生させる。なお、試料台３は矢印Ｂ方向に伸びたリニアガイド１１を介して移動部材２によって支持されているので、矢印Ｂ方向になめらかな動きが可能である。
【００１８】
上述のリニアモータの構成は一例であり、永久磁石を試料台３側に配置し電磁コイルを移動部材２側に配置してもよい。また、永久磁石の代わりに電磁コイルを用いてステータ側の磁極とすることも可能である。また、試料台３を移動部材２に対して支持するリニアガイド１１としては、レールとボールベアリングを用いたものに限られず、非接触的に支持するようエアベアリングなどを用いてもよいのはもちろんである。
【００１９】
上述の試験装置の駆動の説明において、ネジザオ５による負荷とリニアモータ６による負荷を試験体Ｓに対して同時にかける例を示したが、試験体Ｓにかける負荷の大きさがリニアモータ６の発生できる力を超える場合にはネジザオ５だけによって負荷をかけることも可能である。このとき試料台３は移動部材２にリニアモータ以外の機械的固定機構により固定しておく。また、試料台３の移動範囲を制限する強固な当たりを設けておき、この当たりに当てた状態でネジザオ５による負荷を試験体Ｓにかければ、試料台やリニアモータに無理な力をかけることなく大きな力による試験が可能である。
【００２０】
図１に示した材料試験装置は負荷軸方向を水平方向にした例を示しているが、負荷軸方向が鉛直方向であるようにレイアウトすることも可能である。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の材料試験装置においては、試験体はリニアモータによって負荷が加えられるとともに、ネジザオによっても負荷が加えられるので、速い繰り返し負荷がリニアモータによって実現され、しかもネジザオによって大きな負荷と大きなストロークも与えられるので、複合的な負荷を試験体に与えることができる。したがって、従来は分けて行っていた別々の試験を同時に行うことができる。また、大きな負荷を発生できるネジザオと小さな負荷を発生できるリニアモータを使い分けることにより、１台の試験装置での試験範囲を広げることができる。また、ネジザオの大きなストロークは試験体の大きさあわせてリニアモータを内蔵した直線駆動部材を配置することが可能なので、種々の大きさの試験体を試験することが容易である。さらに、小さな負荷試験では、機械的な遊びの大きいネジザオを固定して遊びの影響をなくすことができるので試験精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の材料試験装置の構成を示す図である。
【図２】リニアモータ駆動部分を示す図である。
【符号の説明】
１…フレーム ２…移動部材
３…試料台 ４…モータ
５…ネジザオ ６…リニアモータ
７…チャック ８…チャック
９…ロードセル １０…制御部
１１…リニアガイド
Ｓ…試験体
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料に対して圧縮や引張りの繰り返し荷重をかけて疲労試験を行ったり、機械的構造体に対して抜き差しなどの繰り返し動作に対する耐久性を試験するための材料試験装置に関し、特に微小な試験力を必要としたり、繰り返し速度の速い試験に適した材料試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料に繰り返し荷重をかけて材料の変形や破壊などの特性を評価する試験装置は疲労試験機として知られている。またこの疲労試験機は、コネクタなどの様に２つの機械的構造体を抜き差しした場合の挿抜耐久性や、伸び縮み可能なアンテナなどの可動部分の伸縮耐久性を試験する場合に利用することができる。
【０００３】
従来の材料試験装置は、試験体に対して伸び縮みの繰り返し荷重を与えるために、ネジザオの回転や油圧シリンダーをアクチュエータとして利用している。例えばネジザオを利用する場合は、試験機本体の構造を形成するフレームに対して移動可能なクロスヘッドに固定されたメネジにネジザオを螺合させ、ネジザオをモータにより回転させることによりこのクロスヘッドをフレームに対して移動させる構造とする。試験体の一端をフレームに固定されたチャックに挟み、試験体の他端をクロスヘッドに装着されたチャックに挟んだ状態でクロスヘッドをネジザオの回転により移動させれば、クロスヘッドの移動方向に応じて試験体には圧縮または引張りの荷重がかかり、そのときの試験体の伸びと試験体にかかる荷重を測定して材料試験が行われる。
【０００４】
材料試験装置を利用して疲労試験や耐久試験を行う場合には、試験体に対して振動的に変化する荷重を与える必要があるが、このときアクチュエータであるネジザオは正逆の回転を繰り返して行うように駆動される。また、アクチュエータとして油圧シリンダを利用する場合には、油圧シリンダにかかる油圧を制御するサーボバルブが繰り返し荷重を与えるように制御される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ネジザオによるクロスヘッドの駆動は比較的遅い動きを実行することができるが、速い繰り返し負荷を試験片に与えることは困難である。また、油圧シリンダをアクチュエータとする場合には、油圧シリンダの制御には油圧源やサーボバルブも必要であり、構成が複雑でコンパクトな装置を実現することが困難である。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、小さな負荷荷重を試験体に対して精密にかけることができ、高い繰返し速度を実現できるようにアクチュエータ部分の応答速度が早く、小型で低コストな材料試験装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した課題を解決するために、試験体に対して負荷軸方向に繰り返し荷重をかけて該試験体の特性または耐久性を試験する材料試験装置において、試験装置の全体を支持するフレームと、試験体を固定する試料台と、この試料台を負荷軸に沿って直線的に駆動するリニアモータ駆動部を有する直線駆動部材と、この直線駆動部材を前記フレームに対して負荷軸方向に直線的に駆動するネジザオを備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の材料試験装置においては、試験体はリニアモータ駆動部によって負荷軸方向に直線的に駆動されるとともに、ネジザオによってもリニアモータ駆動部を含む直線駆動部材全体が負荷軸に沿って駆動される。すなわち、試験体はリニアモータによって負荷が加えられるとともに、ネジザオによっても負荷が加えられる。したがって速い繰り返し負荷がリニアモータによって実現され、しかもネジザオによって大きな負荷と大きなストロークも与えられるので、複合的な負荷を試験体に与えることができる。また、ネジザオの大きなストロークは試験体の大きさにかかわらず直線駆動部材を最適な位置に配置することが可能となる。
【０００９】
さらに、ネジザオは駆動モータとネジザオとの連結部分やメネジとの嵌合部分において機械的遊びが比較的大きいが、リニアモータによる駆動はこれに比べて機械的な遊びが少ないので、ネジザオを所定の位置で固定した使用方法では試験精度が向上する。また、リニアモータは駆動または制御に他の機械的構成要素を必要としないので装置全体を小型に構成できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は本発明の材料試験装置を示す図である。
【００１１】
試験装置全体の構造を支えるフレーム１に対して、両端が軸受によって支持されたネジザオ５が回転可能に固定されて配置されている。ネジザオ５の一端にはモータ４が連結され、また、ネジザオ５にはフレーム１の上で直線的に移動できる移動部材２に固定されたメネジに螺合されており、モータ４によりネジザオ５が回転されることによって、移動部材２が矢印Ａのように図１の左右方向に駆動される。移動部材２は図示していないリニアガイドなどによって支持されているのでフレーム１に対して低摩擦力で摺動でき、ネジザオ５と移動部材２の間の機構は周知のボールネジ機構などを採用することができる。
【００１２】
移動部材２の上には試料台３が組みつけられており、この試料台３はリニアガイド１１（図２参照）などにより移動部材２に対して直線的に移動可能となっている。試料台３は、移動部材２および試料台３に内蔵された永久磁石やコイルによって構成されるリニアモータ６によって矢印Ｂのように直線的に駆動される。この試料台３の移動方向（矢印Ｂ方向）は上述の移動部材２の移動方向（矢印Ａ方向）と同一であって、図１の左右方向である。この矢印Ｂ方向は試験体に加えられる負荷方向ともなる。なお、試料台３およびリニアモータ６などが課題を解決するための手段に記載された直線駆動部材を構成している。また、上述のネジザオ５による駆動距離（ストローク）はリニアモータ６による駆動距離よりも大きく設定されている。
【００１３】
試験されるべき試験体Ｓはフレーム１に固定されたチャック７と試料台３に固定されたチャック８との間に装着される。またチャック７の基部にはロードセル９が配設され、試験体Ｓにかかる負荷荷重を出力することができる。モータ４の駆動やリニアモータ６の駆動は制御装置１０によって制御され、またロードセル９の出力も制御装置１０に取り込まれる。制御装置１０はコンピュータと各種のドライバおよびインターフェース回路などから構成され、本試験装置の試験条件の設定・駆動対象の制御・データ取り込み・各種データ処理などを行う。
【００１４】
次に本試験装置を用いて材料の疲労試験を行う場合の動作を説明する。疲労試験をされるべき試験体Ｓは一端がチャック７で把持され他端がチャック８で把持される。そしてネジザオ５の回転により移動部材２を試験体Ｓが引張られる方向に駆動し、試験体Ｓに対して所定の引張り初荷重をかける。その状態でリニアモータ６を用いて試料台３が矢印Ｂの方向に振動するように駆動する。リニアモータは動きの応答が速いので速い繰り返し荷重を試験体Ｓに与えることができる。上述の初荷重はゼロと設定する場合あるいはマイナス（圧縮方向）と設定する場合もあることはもちろんである。
【００１５】
また、たとえばコネクタの挿抜試験などを行う場合には、試験されるコネクタのレセプタクル部分はフレーム１に固定されたチャック（または固定具）７に取り付けられ、コネクタのプラグ部分は、試料台３に固定されたチャック（または固定具）８に取り付けられる。ネジザオ５の回転により移動部材２を適当な位置まで移動し、１対のコネクタが向き合って対向するよう配置する。この状態でリニアモータ６により試料台３を矢印Ｂの方向に繰り返して移動させると、試験体であるコネクタははめ込まれたり離れたりするので、コネクタの抜き差しの耐久性を試験することができる。このときロードセル９の出力を継続的にモニタしておけば何回の繰り返しでコネクタに変化が現れるかなどのデータにより精密な試験を行うことができる。リニアモータは小さな力を発生させることができるので小さな力を用いた試験には最適である。
【００１６】
伸び縮み可能なアンテナの伸縮耐久性を試験する場合には、アンテナの根元をチャック９で把持し、先端をチャック８で把持する。その後は上述したのと同様に、ロードセル９の出力をモニタしながらリニアモータ６によりアンテナの伸び縮みを繰り返して、耐久性を試験する。伸び縮みのストロークが大きければリニアモータ６による駆動はせずにネジザオ５による駆動を用いることができる。
【００１７】
図２は上述のリニアモータ部分を説明する図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）はＣ方向から見た断面図である。リニアモータ６は、試料台３に配置された電磁コイル６ａとその基台（移動部材２）に配置された永久磁石６ｂにより構成される。永久磁石６ｂはＳ極とＮ極が交互に並ぶように多数が直線状に固定的に配置され、その端部であるＳ極またはＮ極は電磁コイル６ａの磁極に対向している。電磁コイル６ａに位相を制御された電流が流されると、永久磁石６ｂのＳ極とＮ極との間で吸引と反発を繰り返しながら矢印Ｂ方向に直線的な移動推進力を発生させる。なお、試料台３は矢印Ｂ方向に伸びたリニアガイド１１を介して移動部材２によって支持されているので、矢印Ｂ方向になめらかな動きが可能である。
【００１８】
上述のリニアモータの構成は一例であり、永久磁石を試料台３側に配置し電磁コイルを移動部材２側に配置してもよい。また、永久磁石の代わりに電磁コイルを用いてステータ側の磁極とすることも可能である。また、試料台３を移動部材２に対して支持するリニアガイド１１としては、レールとボールベアリングを用いたものに限られず、非接触的に支持するようエアベアリングなどを用いてもよいのはもちろんである。
【００１９】
上述の試験装置の駆動の説明において、ネジザオ５による負荷とリニアモータ６による負荷を試験体Ｓに対して同時にかける例を示したが、試験体Ｓにかける負荷の大きさがリニアモータ６の発生できる力を超える場合にはネジザオ５だけによって負荷をかけることも可能である。このとき試料台３は移動部材２にリニアモータ以外の機械的固定機構により固定しておく。また、試料台３の移動範囲を制限する強固な当たりを設けておき、この当たりに当てた状態でネジザオ５による負荷を試験体Ｓにかければ、試料台やリニアモータに無理な力をかけることなく大きな力による試験が可能である。
【００２０】
図１に示した材料試験装置は負荷軸方向を水平方向にした例を示しているが、負荷軸方向が鉛直方向であるようにレイアウトすることも可能である。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の材料試験装置においては、試験体はリニアモータによって負荷が加えられるとともに、ネジザオによっても負荷が加えられるので、速い繰り返し負荷がリニアモータによって実現され、しかもネジザオによって大きな負荷と大きなストロークも与えられるので、複合的な負荷を試験体に与えることができる。したがって、従来は分けて行っていた別々の試験を同時に行うことができる。また、大きな負荷を発生できるネジザオと小さな負荷を発生できるリニアモータを使い分けることにより、１台の試験装置での試験範囲を広げることができる。また、ネジザオの大きなストロークは試験体の大きさあわせてリニアモータを内蔵した直線駆動部材を配置することが可能なので、種々の大きさの試験体を試験することが容易である。さらに、小さな負荷試験では、機械的な遊びの大きいネジザオを固定して遊びの影響をなくすことができるので試験精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の材料試験装置の構成を示す図である。
【図２】リニアモータ駆動部分を示す図である。
【符号の説明】
１…フレーム ２…移動部材
３…試料台 ４…モータ
５…ネジザオ ６…リニアモータ
７…チャック ８…チャック
９…ロードセル １０…制御部
１１…リニアガイド
Ｓ…試験体
Claims (1)
- 試験体に対して負荷軸方向に繰り返し荷重をかけて該試験体の特性または耐久性を試験する材料試験装置において、試験装置の全体を支持するフレームと、試験体を固定する試料台と、この試料台を負荷軸に沿って直線的に駆動するリニアモータ駆動部を有する直線駆動部材と、この直線駆動部材を前記フレームに対して負荷軸方向に直線的に駆動するネジザオを備えたことを特徴とする材料試験装置。
Priority Applications (1)
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| JP2000298828A JP4218201B2 (ja) | 2000-09-29 | 2000-09-29 | 材料試験装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP2000298828A JP4218201B2 (ja) | 2000-09-29 | 2000-09-29 | 材料試験装置 |
Publications (2)
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|---|---|
| JP2002107278A JP2002107278A (ja) | 2002-04-10 |
| JP4218201B2 true JP4218201B2 (ja) | 2009-02-04 |
Family
ID=18780734
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000298828A Expired - Lifetime JP4218201B2 (ja) | 2000-09-29 | 2000-09-29 | 材料試験装置 |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP4218201B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2000
- 2000-09-29 JP JP2000298828A patent/JP4218201B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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