JPH0537533Y2 - - Google Patents

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JPH0537533Y2
JPH0537533Y2 JP1984035653U JP3565384U JPH0537533Y2 JP H0537533 Y2 JPH0537533 Y2 JP H0537533Y2 JP 1984035653 U JP1984035653 U JP 1984035653U JP 3565384 U JP3565384 U JP 3565384U JP H0537533 Y2 JPH0537533 Y2 JP H0537533Y2
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piezoelectric plate
plate
ultrasonic transducer
piezoelectric
interdigital electrodes
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Description

【考案の詳細な説明】 (産業上の利用分野〕 本考案は、圧電体板の表面に対して垂直方向に
バルク波を発生させる表面励振型超音波トランス
ジユーサに関する。
[Detailed Description of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to a surface-excited ultrasonic transducer that generates bulk waves in a direction perpendicular to the surface of a piezoelectric plate.

(従来技術) 圧電体板上に交差指電極、あるいはすだれ状電
極と呼ばれる励振変換器と受信変換器等を形成し
た弾性表面波素子が、発振器素子などに使用され
ている。この種の弾性表面波素子は、通常IDT
(Interdigital Transducer)と呼ばれ、既に分極
済みの圧電板か、水晶のような自然圧電体からな
る板の上に前記交差指電極、あるいは、すだれ状
電極と呼ばれる励振変換器と受信変換器を形成し
て製造する。この弾性表面波素子は、励振変換器
により電気信号を弾性表面波信号に変換し、また
受信変換器によりこの弾性表面波信号を受信して
電気信号に変換するもので、圧電体板の表面と垂
直方向に対するバルク波は発生し難く、またこの
バルク波が発生しても、これを何等かの手段を用
いて抑圧するようにしてスプリアス特性の向上を
計つていた。
(Prior Art) A surface acoustic wave element in which an excitation transducer and a reception transducer called interdigital electrodes or interdigital electrodes are formed on a piezoelectric plate is used as an oscillator element. This type of surface acoustic wave device is usually IDT
The excitation transducer and reception transducer, called interdigital electrodes or interdigital electrodes, are formed on an already polarized piezoelectric plate or a plate made of a natural piezoelectric material such as crystal. and manufacture it. This surface acoustic wave element converts an electric signal into a surface acoustic wave signal using an excitation converter, and receives this surface acoustic wave signal and converts it into an electric signal using a receiving converter. Bulk waves in the vertical direction are difficult to generate, and even if these bulk waves are generated, they are suppressed by some means to improve spurious characteristics.

ところで、上記弾性表面波素子とは別に、分極
処理を施していない強誘電体、例えば圧電セラミ
ツクス、ニオブ酸リチユームやタンタル酸リチユ
ームなどの強誘電体からなる板状体の表面に交差
指電極を設け、これら交差指電極間で分極処理を
施した後、その電極間を直流あるいは交流電源で
励振すると、前記弾性表面波素子とは異り、その
表面と垂直方向に縦波あるいは横波のバルク波を
発生させることができる。このようなトランスジ
ユーサのことを『表面励振型超音波トランスジユ
ーサ』と呼ぶことにする。この表面励振型超音波
トランスジユーサについて、さらに説明する。
By the way, in addition to the above-mentioned surface acoustic wave device, interdigital electrodes are provided on the surface of a plate-shaped body made of a ferroelectric material that has not been subjected to polarization treatment, such as piezoelectric ceramics, lithium niobate, and lithium tantalate. After polarization treatment is performed between these interdigital electrodes, when the electrodes are excited with a DC or AC power source, unlike the surface acoustic wave elements described above, bulk waves such as longitudinal waves or transverse waves are generated in the direction perpendicular to the surface of the interdigital electrodes. can be generated. Such a transducer will be referred to as a "surface-excited ultrasonic transducer." This surface excitation type ultrasonic transducer will be further explained.

第1図aは圧電体板1の表面に交差指電極2,
3を設けた状態を示す表面図であり、第1図bは
同断面図であり、第1図cは圧電体板1中の分極
の様子を示す同断面図である。この表面励振型超
音波トランスジユーサは第1図cから分かるよう
に、圧電体板1の分極分布は表面に近いところ
は、表面に極めて平行に近い形で分極が生じてい
る。
FIG. 1a shows interdigital electrodes 2 on the surface of the piezoelectric plate 1.
FIG. 1b is a sectional view of the same, and FIG. 1c is a sectional view of the piezoelectric plate 1 showing the state of polarization in the piezoelectric plate 1. FIG. As can be seen from FIG. 1c in this surface-excited ultrasonic transducer, the polarization distribution of the piezoelectric plate 1 is such that the polarization is extremely parallel to the surface in areas close to the surface.

(従来技術の問題点) 上述の如き従来の表面励振型超音波トランスジ
ユーサは、第1図cから分かるように、不要な表
面波や横波が生じやすくなつていることを示す。
このため、これを発振素子として使用する場合に
は、バルク波の発振強度が小さくなり、またこれ
を受信素子として使用する場合には、受信感度が
小さくなるという欠点がある。
(Problems with the Prior Art) As can be seen from FIG. 1c, the conventional surface-excited ultrasonic transducer described above tends to generate unnecessary surface waves and transverse waves.
Therefore, when this is used as an oscillating element, the oscillation intensity of the bulk wave is reduced, and when this is used as a receiving element, the reception sensitivity is reduced.

(考案の目的) 本考案の目的は、圧電体の表面に対して垂直方
向にバルク波が生し易い表面励振型超音波トラン
スジユーサを提供することにある。
(Objective of the invention) An object of the invention is to provide a surface-excited ultrasonic transducer that easily generates bulk waves in a direction perpendicular to the surface of a piezoelectric body.

(考案の概要) 上述の如き本考案の目的を達成するために本考
案は、未分極の強誘電体板上に設けた交差指電極
を用い該強誘電体板に分極処理を施して圧電体板
に形成し、該圧電体板の表面とほぼ垂直方向にバ
ルク波を発生させる表面励振型超音波トランスジ
ユーサにおいて、該圧電体板の音響的厚みをt、
該圧電体板上に形成された上記交差指電極間隔に
依存する振動波長をλとする時、 t=n・λ/4 (ただし、nは整数) とし、圧電体板の表面での反射率をr、圧電体板
の音響インピーダンスをZS、圧電体板と接してい
る物質の音響インピーダンスをZOとする時、 r=(ZS−ZO)/(ZS+ZO) とし、(ZS<ZO)の時、nは奇数とし、 (ZS>ZO)の時、nは偶数とした表面励振型超音
波トランスジユーサを提供し、更に、上記構成要
件に加えて、交差指電極間に切込み溝を形成した
表面励振型超音波トランスジユーサを提供する。
(Summary of the invention) In order to achieve the purpose of the invention as described above, the invention uses interdigital electrodes provided on an unpolarized ferroelectric plate to polarize the ferroelectric plate to create a piezoelectric material. In a surface-excited ultrasonic transducer that is formed on a plate and generates a bulk wave in a direction substantially perpendicular to the surface of the piezoelectric plate, the acoustic thickness of the piezoelectric plate is t,
When the vibration wavelength depending on the interval between the interdigital electrodes formed on the piezoelectric plate is λ, t=n・λ/4 (where n is an integer), and the reflectance on the surface of the piezoelectric plate is When r is the acoustic impedance of the piezoelectric plate, Z S is the acoustic impedance of the piezoelectric plate, and Z O is the acoustic impedance of the material in contact with the piezoelectric plate, r=(Z S − Z O )/(Z S + Z O ), and ( Provided is a surface-excited ultrasonic transducer in which n is an odd number when Z S < Z O ) and n is an even number when (Z S > Z O ), and further, in addition to the above configuration requirements, A surface-excited ultrasonic transducer in which a cut groove is formed between interdigital electrodes is provided.

(実施例) 次に本考案の実施例を図面を用いて詳細に説明
する。
(Example) Next, an example of the present invention will be described in detail using the drawings.

第2図は、本考案に係る表面励振型超音波トラ
ンスジユーサの第1の実施例を示す断面図であ
る。同図において、10は圧電セラミツクスやニ
オブ酸リチユームやタンタル酸リチユームなどの
圧電体板であり、この圧電体板10の表面には交
差指電極11,12が形成されている。なお、圧
電体板10は、この表面励振型超音波トランスジ
ユーサを製造する際、未分極の圧電セラミツクス
やニオブ酸リチユーム及びタンタル酸リチユーム
などの強誘電体板の上に交差指電極11,12を
設け、これに電圧を印加しながら、分極作業が行
われたものである。そして、これら交差指電極1
1,12間に電気信号を印加すると、該圧電体板
10は所定の振動数を有する超音波を該圧電体板
10に対して垂直方向に発生するが、この振動数
は、主として圧電体板10の表面に形成された交
差指電極11,12の間隔によつて決定される
が、従来の共振型振動子と違つて共振現象が生じ
ないため、周波数帯域が非常に広くなる。そのた
め、逆にある周波数帯で高感度を得ようとするこ
とが困難である。そこで、この圧電体板10の音
響的厚みtを、この圧電体板10の振動周波数帯
域内の所要の周波数の波長λに対して、 t=n・λ/4 ただし、nは整数 の関係を持たせてある。
FIG. 2 is a sectional view showing a first embodiment of a surface-excited ultrasonic transducer according to the present invention. In the figure, 10 is a piezoelectric plate made of piezoelectric ceramics, lithium niobate, lithium tantalate, or the like, and interdigital electrodes 11 and 12 are formed on the surface of this piezoelectric plate 10. Note that when manufacturing this surface-excited ultrasonic transducer, the piezoelectric plate 10 is formed by forming interdigital electrodes 11 and 12 on a ferroelectric plate made of unpolarized piezoelectric ceramics, lithium niobate, lithium tantalate, or the like. The polarization process was carried out by applying a voltage to the electrode. And these interdigital electrodes 1
When an electric signal is applied between 1 and 12, the piezoelectric plate 10 generates ultrasonic waves having a predetermined frequency in a direction perpendicular to the piezoelectric plate 10. The frequency band is determined by the interval between the interdigital electrodes 11 and 12 formed on the surface of the vibrator 10, but unlike the conventional resonant type vibrator, a resonance phenomenon does not occur, so the frequency band becomes very wide. Therefore, on the contrary, it is difficult to obtain high sensitivity in a certain frequency band. Therefore, the acoustic thickness t of the piezoelectric plate 10 is expressed as t=n·λ/4 with respect to the wavelength λ of a required frequency within the vibration frequency band of the piezoelectric plate 10, where n is an integer. I have it.

ここで、圧電体板10の音響インピーダンスを
ZS、この圧電体板10と接している部分の音響イ
ンピーダンスをZOとするとき、該圧電体板10内
の内部にて発生した超音波AWはその表面SFに
て反射し、圧電体板10の内部方向に戻る。そし
てその反射率rは、 r=(ZS−ZO)/(ZS+ZO) である。ここで、ZS>ZOであれば、反射係数rは
プラスとなり、表面SFで入射波に対して反射波
は同位相となる。したがつて、圧電体板10の音
響的な厚みを波長λの1/2、すなわち往復路で波
長λの整数倍とすれば往復路で互いに同位相の超
音波は干渉して共振状態となる。すなわち、 この場合は圧電体板10の厚みtを1/4・λの偶
数倍とすれば良い。
Here, the acoustic impedance of the piezoelectric board 10 is
Z S , and when the acoustic impedance of the part in contact with this piezoelectric plate 10 is Z O , the ultrasonic wave AW generated inside the piezoelectric plate 10 is reflected by its surface SF, and the piezoelectric plate Return to the inside direction of 10. The reflectance r is r=(Z S −Z O )/(Z S +Z O ). Here, if Z S >Z O , the reflection coefficient r becomes positive, and the reflected wave has the same phase as the incident wave at the surface SF. Therefore, if the acoustic thickness of the piezoelectric plate 10 is set to 1/2 of the wavelength λ, that is, an integer multiple of the wavelength λ in the round trip, ultrasonic waves having the same phase will interfere with each other in the round trip, resulting in a resonance state. . That is, in this case, the thickness t of the piezoelectric plate 10 may be set to an even multiple of 1/4·λ.

逆にZS<ZOであれば、反射係数rはマイナスと
なり表面SFで反射波の位相は反転する。したが
つて、圧電体板10の音響的な厚みを往復路で波
長λの整数倍よりも1/2・λのパスで超音波の位
相は反転するために往復路の超音波は互いに同位
相で干渉して共振する。すなわちこの場合は圧電
体板10の厚みtを1/4・λの奇数倍とすれば良
い。
Conversely, if Z S <Z O , the reflection coefficient r becomes negative and the phase of the reflected wave is reversed at the surface SF. Therefore, the acoustic thickness of the piezoelectric plate 10 is reversed in the reciprocating path by a path of 1/2 λ, which is an integral multiple of the wavelength λ, so that the ultrasonic waves in the reciprocating path are in phase with each other. interferes and resonates. That is, in this case, the thickness t of the piezoelectric plate 10 may be set to an odd multiple of 1/4·λ.

このように、本考案においては、表面励振型超
音波トランスジユーサと接する物質の音響インピ
ーダンスの大きさにより、また表面励振型超音波
トランスジユーサを構成する圧電体板の厚みを換
えることによつて、効率のよい表面励振型超音波
トランスジユーサを構成することができる。
In this way, in the present invention, the thickness of the piezoelectric plate constituting the surface-excited ultrasonic transducer is changed depending on the acoustic impedance of the material in contact with the surface-excited ultrasonic transducer. Thus, an efficient surface-excited ultrasonic transducer can be constructed.

第3図は、本考案の第2実施例を示す正面図で
ある。第3図において、20はニオブ酸リチユー
ムやタンタル酸リチユームなどの強電体板上に交
差指電極21と22を形成し、それらの間に強電
体板20の表面から切込み溝24を設ける。この
切込み溝24を挟んで分極を掛けると、強誘電体
板20は圧電体板となり、第3図に示すように、
この分極分布は、この切込み溝24をまたぐよう
になり、分極分布が圧電体板10の表面に対して
鋭利な角度となるので、表面波が発生しにくくな
り、またこの切込み溝14によつて表面波が圧電
体板10の表面を伝播することを防ぎ、所要のバ
ルク波を第3図矢印方向に効率良く発生させるこ
とができる。
FIG. 3 is a front view showing a second embodiment of the present invention. In FIG. 3, interdigital electrodes 21 and 22 are formed on a ferroelectric plate 20 made of lithium niobate or lithium tantalate, and a cut groove 24 is provided from the surface of the ferroelectric plate 20 between them. When polarization is applied across this cut groove 24, the ferroelectric plate 20 becomes a piezoelectric plate, as shown in FIG.
This polarization distribution straddles the cut grooves 24 and forms a sharp angle with respect to the surface of the piezoelectric plate 10, making it difficult to generate surface waves. It is possible to prevent surface waves from propagating on the surface of the piezoelectric plate 10, and to efficiently generate required bulk waves in the direction of the arrow in FIG. 3.

分極の強度は、この切込み溝14の深さdと幅
gとによつて調整できる。分極電圧が一定なら
ば、分極の強度(あるいは程度)は、深さdと幅
gが大きくなれば、小さくなる傾向を示す。ま
た、発生する超音波の振動数は、交差指電極の間
隔に依存する。
The intensity of polarization can be adjusted by the depth d and width g of the cut groove 14. If the polarization voltage is constant, the strength (or degree) of polarization tends to decrease as the depth d and width g increase. Furthermore, the frequency of the generated ultrasonic waves depends on the interval between the interdigital electrodes.

一方、圧電体板20の音響的厚みtは、前記実
施例と同様、この圧電体板20の振動周波数帯域
内の所要周波数の波長λに対して、 t=n・λ/4 ただし、nは整数 の関係を持たせてある。
On the other hand, as in the previous embodiment, the acoustic thickness t of the piezoelectric plate 20 is t=n·λ/4, where n is It has an integer relationship.

ここで、圧電体板20の音響インピーダンスを
ZS、この圧電体板20と接している部分の音響イ
ンピーダンスをZOとするとき、該圧電体板20の
内部にて発生した超音波AWはその表面SFにて
反射し、圧電体板20の内部方向に戻る。そして
その反射率rは、 r=(ZS−ZO)/(ZS+ZO) である。ここで、ZS>ZOであれば、反射係数rは
プラスとなり、表面SFで入射波に対して反射波
は同位相となる。したがつて、圧電体板10の音
響的な厚みを波長λの1/2、すなわち往復路で波
長λの整数倍とすれば往復路で互いに同位相の超
音波は干渉して共振状態となる。すなわち、 この場合は圧電体板10の厚みtを1/4・λの偶
数倍とすれば良い。
Here, the acoustic impedance of the piezoelectric board 20 is
Z S and the acoustic impedance of the part in contact with the piezoelectric plate 20 is Z O , the ultrasonic wave AW generated inside the piezoelectric plate 20 is reflected by its surface SF, and the piezoelectric plate 20 Return to the inside direction. The reflectance r is r=(Z S −Z O )/(Z S +Z O ). Here, if Z S >Z O , the reflection coefficient r becomes positive, and the reflected wave has the same phase as the incident wave at the surface SF. Therefore, if the acoustic thickness of the piezoelectric plate 10 is set to 1/2 of the wavelength λ, that is, an integer multiple of the wavelength λ in the round trip, ultrasonic waves having the same phase will interfere with each other in the round trip, resulting in a resonance state. . That is, in this case, the thickness t of the piezoelectric plate 10 may be set to an even multiple of 1/4·λ.

逆にZS<ZOであれば、反射係数rはマイナスと
なり表面SFで反射波の位相は反転する。したが
つて、圧電体板10の音響的な厚みを往復路で波
長λの整数倍よりも1/2・λのパスで超音波の位
相は反転するために往復路の超音波は互いに同位
相で干渉して共振する。すなわちこの場合は圧電
体板10の厚みtを1/4・λの奇数倍とすれば良
い。
Conversely, if Z S <Z O , the reflection coefficient r becomes negative and the phase of the reflected wave is reversed at the surface SF. Therefore, the acoustic thickness of the piezoelectric plate 10 is reversed in the reciprocating path by a path of 1/2 λ, which is an integral multiple of the wavelength λ, so that the ultrasonic waves in the reciprocating path are in phase with each other. interferes and resonates. That is, in this case, the thickness t of the piezoelectric plate 10 may be set to an odd multiple of 1/4·λ.

(考案の効果) 以上詳細に説明したように、本考案は、未分極
の強誘電体板上に設けた交差指電極を用い該強誘
電体板に分極処理を施して圧電体板に形成し、該
圧電体板の表面とほぼ垂直方向にバルク波を発生
させる表面励振型超音波トランスジユーサにおい
て、該圧電体板の音響的厚みをt、該圧電体板上
に形成された上記交差指電極間隔に依存する振動
波長をλとする時、 t=n・λ/4 (ただし、nは整数) とし、圧電体板の表面での反射率をr、圧電体板
の音響インピーダンスをZS、圧電体板と接してい
る物質の音響インピーダンスをZOとする時、 r=(ZS−ZO)/(ZS+ZO) とし、(ZS<ZO)の時、nは奇数とし、 (ZS>ZO)の時、nは偶数としたことを特徴とし
ているので、圧電体板そのものを共振させること
ができ、したがつて、表面励振型超音波トランス
ジユーサと接する物質の音響インピーダンスの大
きさにより、また表面励振型超音波トランスジユ
ーサを構成する圧電体板の厚みを換えることによ
つて、効率のよい表面励振型超音波トランスジユ
ーサを構成することができる。そして、本考案に
係る表面励振型超音波トランスジユーサを発振素
子として使用する場合には、バルク波の発振強度
が従来のものと比較して大きくすることができ、
またこれを受信素子として使用する場合には、受
信感度を従来のものと比較して大きくすることが
できるものである。
(Effects of the invention) As explained in detail above, the present invention uses interdigital electrodes provided on an unpolarized ferroelectric plate to polarize the ferroelectric plate to form a piezoelectric plate. , in a surface-excited ultrasonic transducer that generates a bulk wave in a direction substantially perpendicular to the surface of the piezoelectric plate, the acoustic thickness of the piezoelectric plate is t, and the interdigitated fingers formed on the piezoelectric plate are When the vibration wavelength depending on the electrode spacing is λ, t=n・λ/4 (where n is an integer), the reflectance on the surface of the piezoelectric plate is r, and the acoustic impedance of the piezoelectric plate is Z S , when the acoustic impedance of the material in contact with the piezoelectric plate is Z O , r = (Z S − Z O ) / (Z S + Z O ), and when (Z S < Z O ), n is an odd number. When (Z S > Z O ), n is an even number, so the piezoelectric plate itself can resonate, and therefore the material in contact with the surface-excited ultrasonic transducer An efficient surface excitation type ultrasonic transducer can be constructed by changing the acoustic impedance of the surface excitation type ultrasonic transducer and by changing the thickness of the piezoelectric plate constituting the surface excitation type ultrasonic transducer. When the surface-excited ultrasonic transducer according to the present invention is used as an oscillation element, the oscillation intensity of the bulk wave can be increased compared to conventional ones,
Furthermore, when this is used as a receiving element, the receiving sensitivity can be increased compared to the conventional one.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図aは圧電体板1の表面に交差指電極2,
3を設けた状態を示す表面図、第1図bは同断面
図、第1図cは圧電体板1中の分極の様子を示す
同断面図、第2図は本考案に係る表面励振型超音
波トランスジユーサの一実施例を示す断面図、第
3図は本考案に係る表面励振型超音波トランスジ
ユーサの第2の実施例を示す断面図である。 10……圧電体板、11,12……交差指電
極、24……切込み溝。
FIG. 1a shows interdigital electrodes 2 on the surface of the piezoelectric plate 1.
1b is a sectional view of the same, FIG. 1c is a sectional view of the same showing the state of polarization in the piezoelectric plate 1, and FIG. 2 is a surface excitation type according to the present invention. FIG. 3 is a sectional view showing an embodiment of the ultrasonic transducer; FIG. 3 is a sectional view showing a second embodiment of the surface excitation type ultrasonic transducer according to the present invention. 10... Piezoelectric plate, 11, 12... Interdigital electrode, 24... Cut groove.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】 (1) 未分極の強誘電体板上に設けた交差指電極を
用い該強誘電体板に分極処理を施して圧電体板
に形成し、該圧電体板の表面とほぼ垂直方向に
バルク波を発生させる表面励振型超音波トラン
スジユーサにおいて、該圧電体板の音響的厚み
をt、該圧電体板上に形成された上記交差指電
極間隔に依存する振動波長をλとする時、 t=n・λ/4 (ただし、nは整数) とし、圧電体板の表面での反射率をr、圧電体
板の音響インピーダンスをZS、圧電体板と接し
ている物質の音響インピーダンスをZOとする
時、 r=(ZS−ZO)/(ZS+ZO) とし、(ZS<ZO)の時、nは奇数とし、(ZS
ZO)の時、nは偶数としたことを特徴とする表
面励振型超音波トランスジユーサ。 (2) 交差指電極間に切込み溝を形成したことを特
徴とする実用新案登録請求の範囲第(1)項記載の
表面励振型超音波トランスジユーサ。
[Claims for Utility Model Registration] (1) A piezoelectric plate is formed by polarizing the ferroelectric plate using interdigital electrodes provided on an unpolarized ferroelectric plate; In a surface-excited ultrasonic transducer that generates a bulk wave in a direction substantially perpendicular to the surface, the acoustic thickness of the piezoelectric plate is t, and the vibration depends on the interval between the interdigital electrodes formed on the piezoelectric plate. When the wavelength is λ, t=n・λ/4 (where n is an integer), the reflectance on the surface of the piezoelectric plate is r, the acoustic impedance of the piezoelectric plate is Z S , and the surface in contact with the piezoelectric plate is When the acoustic impedance of the material is Z O , r = (Z S − Z O ) / (Z S + Z O ), when (Z S < Z O ), n is an odd number, and (Z S >
Z O ), n is an even number. (2) The surface excitation type ultrasonic transducer according to claim (1) of the utility model registration, characterized in that a cut groove is formed between the interdigital electrodes.
JP3565384U 1984-03-13 1984-03-13 Surface-excited ultrasonic transducer Granted JPS60149244U (en)

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JPS60149244U JPS60149244U (en) 1985-10-03
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5033071U (en) * 1973-07-18 1975-04-10
JPS50134350A (en) * 1974-04-10 1975-10-24

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5033071U (en) * 1973-07-18 1975-04-10
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