JPH0638050B2 - 格子干渉型変位検出装置 - Google Patents
格子干渉型変位検出装置Info
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- JPH0638050B2 JPH0638050B2 JP63011234A JP1123488A JPH0638050B2 JP H0638050 B2 JPH0638050 B2 JP H0638050B2 JP 63011234 A JP63011234 A JP 63011234A JP 1123488 A JP1123488 A JP 1123488A JP H0638050 B2 JPH0638050 B2 JP H0638050B2
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- diffraction
- grating
- diffraction grating
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Description
本発明は、格子干渉型変位検出装置に係り、特に、半導
体レーザを光源としてX−Yテーブル等に組込む際に用
いるのに好適な、回折格子が形成されたスケールと、前
記回折格子に光束を照射する光源、及び、前記回折格子
によつて生成された複数の光束の混合波を光電変換する
受光素子を含む検出器とを備え、前記スケールと検出器
の相対変位に応じて、周期的に変化する検出信号を生成
する格子干渉型変位検出装置の改良に関する。
体レーザを光源としてX−Yテーブル等に組込む際に用
いるのに好適な、回折格子が形成されたスケールと、前
記回折格子に光束を照射する光源、及び、前記回折格子
によつて生成された複数の光束の混合波を光電変換する
受光素子を含む検出器とを備え、前記スケールと検出器
の相対変位に応じて、周期的に変化する検出信号を生成
する格子干渉型変位検出装置の改良に関する。
一定ピツチの光学的な目盛の形成されたスケールを用い
て、周期的な検出信号を生成する光電型エンコーダが普
及している。この光電型エンコーダの分解能は、光学格
子の幅及びピツチと、光電変換後の信号を分割する電子
回路の特性により定まる。一般に、光学格子は、エツチ
ング法により製造されるので、4μm前後の光学格子が
最終測定精度上限界に近く、又、電子回路も大幅なコス
トアツプを伴わない範囲で用いるとなると、最終的な分
解能は1μm前後であり、これを更に高精度化するのは
困難であつた。 一方、光電型エンコーダが普及するにつれて、より高分
解能で高精度な検出信号を生成するものが求められてい
る。 光電型エンコーダの高分解能化を図つたものの1つとし
て、スケールにホログラフイの技術を用いて微細なピツ
チ(通常1μm程度)の目盛を形成し、その目盛を回折
格子として積極的に回折を生じさせて検出信号を得る格
子干渉型変位検出装置が提案されている。 第3図は、特開昭47−10034で提案された格子干
渉型変位検出装置を示すものである。この格子干渉型変
位検出装置は、ピツチd の回折格子が形成されたスケー
ル10と、該回折格子に光束としてのレーザビーム14
(波長λ)を照射するHe−Neレーザ光源12と、前
記回折格子によつて生成された0次と1次の回折光(光
束)をそれぞれ反射するミラー16、18と、ミラー1
8で反射された1次光の0次光と、ミラー16で反射さ
れた0次光の1次光との混合波を3分するビームスプリ
ツタ(粗い回折格子)20と、該ビームスプリツタ20
で3分された混合波をそれぞれ光電変換する受光素子2
2A、22B、22Cとを含んで構成されている。ここ
で、前記スケール10を除く各要素は、検出器を構成し
ている。 なお、第3図において、0次光及び1次光の光路中にそ
れぞれ挿入された偏光子24、26の偏光方向は、互い
に直交するように設定されており、受光素子22Aで干
渉縞が生じないようにされている。従つて、この受光素
子22Aでは、干渉縞ではなく、単なる和信号が得られ
るので、参照レベルとする。 又、受光素子22Bの直前には干渉縞生成用の検光子2
8Bが配置され、この受光素子22Bからは干渉縞によ
る検出信号Bが生成される。 又、受光素子22Cの直前には1/4波長板30と検光
子28Cが配置され、この受光素子22Cからは、検出
信号Bと90゜位相の異なる検出信号Cが生成される。 ここで、レーザビーム14の入射角θと、1次光の回折
角φとは、次式で関係付けられる。 d( sinθ+ sinφ)=λ ………(1) このような格子干渉型変位検出装置によれば、例えばス
ケール10をホログラム方式言で製造することによつ
て、1μm以下の光学格子を形成することができるの
で、0.01μmの分解能を達成することも可能であ
る。 一方、これらの検出装置においては、X−Yテーブル等
への組込みが要求されているが、光源が、形状が大きく
且つ発熱量の大きいHe−Neレーザ光源12では、組
込みは困難であり、又、発熱による誤差発生の恐れもあ
るので、光源として、第4図に示す如く、レーザダイオ
ード32とコリメータレンズ34を組合わせて用いるこ
とが検討されてきた。
て、周期的な検出信号を生成する光電型エンコーダが普
及している。この光電型エンコーダの分解能は、光学格
子の幅及びピツチと、光電変換後の信号を分割する電子
回路の特性により定まる。一般に、光学格子は、エツチ
ング法により製造されるので、4μm前後の光学格子が
最終測定精度上限界に近く、又、電子回路も大幅なコス
トアツプを伴わない範囲で用いるとなると、最終的な分
解能は1μm前後であり、これを更に高精度化するのは
困難であつた。 一方、光電型エンコーダが普及するにつれて、より高分
解能で高精度な検出信号を生成するものが求められてい
る。 光電型エンコーダの高分解能化を図つたものの1つとし
て、スケールにホログラフイの技術を用いて微細なピツ
チ(通常1μm程度)の目盛を形成し、その目盛を回折
格子として積極的に回折を生じさせて検出信号を得る格
子干渉型変位検出装置が提案されている。 第3図は、特開昭47−10034で提案された格子干
渉型変位検出装置を示すものである。この格子干渉型変
位検出装置は、ピツチd の回折格子が形成されたスケー
ル10と、該回折格子に光束としてのレーザビーム14
(波長λ)を照射するHe−Neレーザ光源12と、前
記回折格子によつて生成された0次と1次の回折光(光
束)をそれぞれ反射するミラー16、18と、ミラー1
8で反射された1次光の0次光と、ミラー16で反射さ
れた0次光の1次光との混合波を3分するビームスプリ
ツタ(粗い回折格子)20と、該ビームスプリツタ20
で3分された混合波をそれぞれ光電変換する受光素子2
2A、22B、22Cとを含んで構成されている。ここ
で、前記スケール10を除く各要素は、検出器を構成し
ている。 なお、第3図において、0次光及び1次光の光路中にそ
れぞれ挿入された偏光子24、26の偏光方向は、互い
に直交するように設定されており、受光素子22Aで干
渉縞が生じないようにされている。従つて、この受光素
子22Aでは、干渉縞ではなく、単なる和信号が得られ
るので、参照レベルとする。 又、受光素子22Bの直前には干渉縞生成用の検光子2
8Bが配置され、この受光素子22Bからは干渉縞によ
る検出信号Bが生成される。 又、受光素子22Cの直前には1/4波長板30と検光
子28Cが配置され、この受光素子22Cからは、検出
信号Bと90゜位相の異なる検出信号Cが生成される。 ここで、レーザビーム14の入射角θと、1次光の回折
角φとは、次式で関係付けられる。 d( sinθ+ sinφ)=λ ………(1) このような格子干渉型変位検出装置によれば、例えばス
ケール10をホログラム方式言で製造することによつ
て、1μm以下の光学格子を形成することができるの
で、0.01μmの分解能を達成することも可能であ
る。 一方、これらの検出装置においては、X−Yテーブル等
への組込みが要求されているが、光源が、形状が大きく
且つ発熱量の大きいHe−Neレーザ光源12では、組
込みは困難であり、又、発熱による誤差発生の恐れもあ
るので、光源として、第4図に示す如く、レーザダイオ
ード32とコリメータレンズ34を組合わせて用いるこ
とが検討されてきた。
しかしながら、レーザダイオード32においては、波長
が温度によつて変動するという問題あり、例えば波長λ
が設計値λ0からλ0−Δλに変動すると、第4図に示
した如く、1次光の回折角が(1)式により明らかなよ
うに小さくなり(φ→φ′)、ミラー18で反射された
1次光の0次光(1−0次光)と、ミラー16で反射さ
れた0次光の1次光(0−1次光)の方向がずれて干渉
縞が変動し、検出信号が生成されなくなつてしまう。 又、従来の検出装置の構造では、第4図に破線で示す如
く、スケール10の表面による反射光が、そのまま受光
素子22A〜22Cに入射するため、S/N比が悪化す
るという問題もあつた。 以上のような問題のうち、光源の波長変動にかかわら
ず、常に干渉縞を発生することができるものとして、出
願人は特開昭61−12016で、ミラーを、回折点を
曲率中心とする凹面鏡とすることを提案しているが、直
線反射光に関しては、問題は解決されていなかった。 又、光源の波長変動及び直接反射光の問題を共に解決で
きるものとして、出願人は特願昭62−230487
で、回折点2カ所に離して設け、この異なる回折点でほ
ぼ対称に回折させた光を干渉させて検出信号を得ること
を提案しているが、回折点間隔が離れているため、回折
格子面の傾きを光路差として検出してしまうという問題
点を生じていた。
が温度によつて変動するという問題あり、例えば波長λ
が設計値λ0からλ0−Δλに変動すると、第4図に示
した如く、1次光の回折角が(1)式により明らかなよ
うに小さくなり(φ→φ′)、ミラー18で反射された
1次光の0次光(1−0次光)と、ミラー16で反射さ
れた0次光の1次光(0−1次光)の方向がずれて干渉
縞が変動し、検出信号が生成されなくなつてしまう。 又、従来の検出装置の構造では、第4図に破線で示す如
く、スケール10の表面による反射光が、そのまま受光
素子22A〜22Cに入射するため、S/N比が悪化す
るという問題もあつた。 以上のような問題のうち、光源の波長変動にかかわら
ず、常に干渉縞を発生することができるものとして、出
願人は特開昭61−12016で、ミラーを、回折点を
曲率中心とする凹面鏡とすることを提案しているが、直
線反射光に関しては、問題は解決されていなかった。 又、光源の波長変動及び直接反射光の問題を共に解決で
きるものとして、出願人は特願昭62−230487
で、回折点2カ所に離して設け、この異なる回折点でほ
ぼ対称に回折させた光を干渉させて検出信号を得ること
を提案しているが、回折点間隔が離れているため、回折
格子面の傾きを光路差として検出してしまうという問題
点を生じていた。
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたも
ので、光源の波長変化によつて検出信号が変動すること
なく、S/N比の良い検出信号が得られ、且つ、回折格
子面の傾きによる誤差を生じることのない格子干渉型変
位検出装置を提供することを目的とする。
ので、光源の波長変化によつて検出信号が変動すること
なく、S/N比の良い検出信号が得られ、且つ、回折格
子面の傾きによる誤差を生じることのない格子干渉型変
位検出装置を提供することを目的とする。
本発明は、回折格子が形成されたスケールと、前記回折
格子に光束を照射する光源、及び、前記回折格子によっ
て生成された複数の光束の混合波を光電変換する受光素
子を含む検出器とを備え、前記スケールと検出器の相対
変位に応じて、周期的に変化する検出信号を生成する格
子干渉型変位検出装置において、前記光源からの光束を
2分する光分割手段、該2分された光束を同一の入射角
でそれぞれ対称に前記回折格子上の同一の回折点に入射
させる光反射手段、及び、該回折点で対称に生成された
回折光を、互いに直交する偏光方向とした後、再び混合
する光混合手段を前記検出器に備えると共に、前記回折
格子での前記2分された光束の一方の0次光と他方の回
折光とが分離できる程度に入射角と回折角とを異ならせ
て設定し、分離された回折光の前記光混合手段による混
合波を前記受光素子で光電変換して検出信号を得るよう
にして、前記目的を達成したものである。
格子に光束を照射する光源、及び、前記回折格子によっ
て生成された複数の光束の混合波を光電変換する受光素
子を含む検出器とを備え、前記スケールと検出器の相対
変位に応じて、周期的に変化する検出信号を生成する格
子干渉型変位検出装置において、前記光源からの光束を
2分する光分割手段、該2分された光束を同一の入射角
でそれぞれ対称に前記回折格子上の同一の回折点に入射
させる光反射手段、及び、該回折点で対称に生成された
回折光を、互いに直交する偏光方向とした後、再び混合
する光混合手段を前記検出器に備えると共に、前記回折
格子での前記2分された光束の一方の0次光と他方の回
折光とが分離できる程度に入射角と回折角とを異ならせ
て設定し、分離された回折光の前記光混合手段による混
合波を前記受光素子で光電変換して検出信号を得るよう
にして、前記目的を達成したものである。
本発明においては、光源からの光束を光分割手段(例え
ばハーフミラー)で2分し、該2分された光束を光反射
手段(例えばミラー)により同一の入射角でそれぞれ対
称に回折格子上の同一の回折点に入射させるようにして
いる。従つて、光源の波長が変化しても、共に対称に回
折角が小さくなるので、受光素子に入射する方向と位置
はほぼ一定であり、安定した干渉を起こすことができ、
検出信号は安定である。又、スケール表面での反射光が
直接受光素子に入射することがないので、S/N比の良
い検出信号が得られる。更に、同一回折点で回折させて
いるので、回折格子面の傾きによる誤差を生じることが
ない。 又、入射角と回折角を異ならせて設定しているので、0
次光と回折光が混合せず、良好な検出信号が得られる。 更に、前記回折点で対称に生成された回折光を、互いに
直交する偏光方向とした後、再び混合するようにしてい
るので、変位検出に適した適切な混合波が得られる。
ばハーフミラー)で2分し、該2分された光束を光反射
手段(例えばミラー)により同一の入射角でそれぞれ対
称に回折格子上の同一の回折点に入射させるようにして
いる。従つて、光源の波長が変化しても、共に対称に回
折角が小さくなるので、受光素子に入射する方向と位置
はほぼ一定であり、安定した干渉を起こすことができ、
検出信号は安定である。又、スケール表面での反射光が
直接受光素子に入射することがないので、S/N比の良
い検出信号が得られる。更に、同一回折点で回折させて
いるので、回折格子面の傾きによる誤差を生じることが
ない。 又、入射角と回折角を異ならせて設定しているので、0
次光と回折光が混合せず、良好な検出信号が得られる。 更に、前記回折点で対称に生成された回折光を、互いに
直交する偏光方向とした後、再び混合するようにしてい
るので、変位検出に適した適切な混合波が得られる。
以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明す
る。 本実施例は、第1図に示す如く、回折格子が形成された
スケール10と、前記回折格子に波長λのレーザビーム
14を照射する、レーザダイオード32及びコリメータ
レンズ34からなる光源31、及び、前記回折格子によ
つて生成された複数の光束の混合波を光電変換する受光
素子22A、22B、22C、検光子28B、28C、
1/4波長板30を含む検出器とを備え、前記スケール
10と検出器の相対変位に応じて周期的に変化する検出
信号を生成する格子干渉型変位検出装置において、前記
光源31からのレーザビーム14を2分するハーフミラ
ー40、及び、該2分されたレーザビームを同一の入射
角θでそれぞれ対称に前記回折格子上の同一の回折点1
0Aに入射させる一対のミラー42A、42Bを前記検
出器に備えると共に、前記回折格子での前記2分された
入射ビームa 、b の一方の0次光と他方の1次(回折)
光が分離できる程度に入射角θと回折角φとを異ならせ
て設定し(φ<θ)、分離された回折光を一対のミラー
44A、44Bで反射し、偏光子46A、46Bで互い
に直交する偏光方向とした後、その混合波を、ハーフミ
ラー48、50により前記受光素子22A、22B、2
2Cにそれぞれ入射するようにしたものである。 ここで、前記ミラー44A、44B、偏光子46A、4
6B、及び、ハーフミラー48が、光混合手段を構成し
ている。 前記入射角θ及び回折角φは、例えば回折格子のピツチ
d が0.5μm、レーザビーム14の波長λが0.78
μmの場合、入射角θ=58.5゜、回折角φ=45゜
と設定されている。これは、第2図に示す例の如く、入
射角θ′と回折角φ′が近い値とされていると、0次光
と1次光とが重畳されるようになつて、検出信号のS/
N比が悪化するためである。本実施例では、入射角θと
回折角φとを大きく異ならせているので、このような問
題を生じることはない。 他の構成は従来例と同様であるので、説明は省略する。 以下、第2図を参照して、実施例の作用を説明する。 レーザダイオード32の波長λが、設計値λ0からλ0
−Δλに変化すると、1次光a と1次光b とは、共に回
折角φ′が共通であるため、対称に回折角φ′が小さく
なる。従つて、各受光素子22A、22B、22Cに入
射する方向と位置はほぼ一定であり、検出信号は安定で
ある。又、スケール10表面での反射光も直接受光素子
に入射することがない。更に、回折点10Aが一致して
いるので、回折格子面の傾きによる誤差を生じることも
ない。更に、第2図の例とは異なり、第1図に示したよ
うに、入射角θと回折角φが大きく異なるので、0次光
と1次光が混合せず、良好な検出信号が得られる。 本実施例においては、スケール10が透過型とされてい
るので、各要素の配置の自由度が大きい。なお、本発明
の適用対象は透過型に限定されず、検出器の各構成要素
が全てスケール10に関して同一側に配置された反射型
のスケールにも同様に適用可能である。
る。 本実施例は、第1図に示す如く、回折格子が形成された
スケール10と、前記回折格子に波長λのレーザビーム
14を照射する、レーザダイオード32及びコリメータ
レンズ34からなる光源31、及び、前記回折格子によ
つて生成された複数の光束の混合波を光電変換する受光
素子22A、22B、22C、検光子28B、28C、
1/4波長板30を含む検出器とを備え、前記スケール
10と検出器の相対変位に応じて周期的に変化する検出
信号を生成する格子干渉型変位検出装置において、前記
光源31からのレーザビーム14を2分するハーフミラ
ー40、及び、該2分されたレーザビームを同一の入射
角θでそれぞれ対称に前記回折格子上の同一の回折点1
0Aに入射させる一対のミラー42A、42Bを前記検
出器に備えると共に、前記回折格子での前記2分された
入射ビームa 、b の一方の0次光と他方の1次(回折)
光が分離できる程度に入射角θと回折角φとを異ならせ
て設定し(φ<θ)、分離された回折光を一対のミラー
44A、44Bで反射し、偏光子46A、46Bで互い
に直交する偏光方向とした後、その混合波を、ハーフミ
ラー48、50により前記受光素子22A、22B、2
2Cにそれぞれ入射するようにしたものである。 ここで、前記ミラー44A、44B、偏光子46A、4
6B、及び、ハーフミラー48が、光混合手段を構成し
ている。 前記入射角θ及び回折角φは、例えば回折格子のピツチ
d が0.5μm、レーザビーム14の波長λが0.78
μmの場合、入射角θ=58.5゜、回折角φ=45゜
と設定されている。これは、第2図に示す例の如く、入
射角θ′と回折角φ′が近い値とされていると、0次光
と1次光とが重畳されるようになつて、検出信号のS/
N比が悪化するためである。本実施例では、入射角θと
回折角φとを大きく異ならせているので、このような問
題を生じることはない。 他の構成は従来例と同様であるので、説明は省略する。 以下、第2図を参照して、実施例の作用を説明する。 レーザダイオード32の波長λが、設計値λ0からλ0
−Δλに変化すると、1次光a と1次光b とは、共に回
折角φ′が共通であるため、対称に回折角φ′が小さく
なる。従つて、各受光素子22A、22B、22Cに入
射する方向と位置はほぼ一定であり、検出信号は安定で
ある。又、スケール10表面での反射光も直接受光素子
に入射することがない。更に、回折点10Aが一致して
いるので、回折格子面の傾きによる誤差を生じることも
ない。更に、第2図の例とは異なり、第1図に示したよ
うに、入射角θと回折角φが大きく異なるので、0次光
と1次光が混合せず、良好な検出信号が得られる。 本実施例においては、スケール10が透過型とされてい
るので、各要素の配置の自由度が大きい。なお、本発明
の適用対象は透過型に限定されず、検出器の各構成要素
が全てスケール10に関して同一側に配置された反射型
のスケールにも同様に適用可能である。
以上説明した通り、本発明によれば、光源の波長変化に
よつて検出信号が変動することがない。又、スケール面
での反射光が直接受光素子に入射することがないので、
S/N比の良い検出信号が得られる。更に、回折格子面
が傾いても誤差を生じることがない等の優れた効果を有
する。
よつて検出信号が変動することがない。又、スケール面
での反射光が直接受光素子に入射することがないので、
S/N比の良い検出信号が得られる。更に、回折格子面
が傾いても誤差を生じることがない等の優れた効果を有
する。
第1図は、本発明に係る格子干渉型変位検出装置の実施
例の構成を示す断面図、第2図は、前記実施例の作用を
説明するための断面図、第3図は、従来の格子干渉型変
位検出装置の一例の構成を示す断面図、第4図は、前記
従来例の問題点を説明するための断面図である。 10……スケール、 10A……回折点、 14……レーザビーム、 22A、22B、22C……受光素子、 28B、28C……検光子、 30……1/4波長板、 31……光源、 40、48、50……ハーフミラー、 42A、42B、44A、44B……ミラー、 a 、b ……入射ビーム、 θ……入射角、 φ……回折角、 46A、46B……偏光子。
例の構成を示す断面図、第2図は、前記実施例の作用を
説明するための断面図、第3図は、従来の格子干渉型変
位検出装置の一例の構成を示す断面図、第4図は、前記
従来例の問題点を説明するための断面図である。 10……スケール、 10A……回折点、 14……レーザビーム、 22A、22B、22C……受光素子、 28B、28C……検光子、 30……1/4波長板、 31……光源、 40、48、50……ハーフミラー、 42A、42B、44A、44B……ミラー、 a 、b ……入射ビーム、 θ……入射角、 φ……回折角、 46A、46B……偏光子。
Claims (1)
- 【請求項1】回折格子が形成されたスケールと、 前記回折格子に光束を照射する光源、及び、前記回折格
子によつて生成された複数の光束の混合波を光電変換す
る受光素子を含む検出器とを備え、 前記スケールと検出器の相対変位に応じて、周期的に変
化する検出信号を生成する格子干渉型変位検出装置にお
いて、 前記光源からの光束を2分する光分割手段、該2分され
た光束を同一の入射角でそれぞれ対称に前記回折格子上
の同一の回折点に入射させる光反射手段、及び、該回折
点で対称に生成された回折光を、互いに直交する偏光方
向とした後、再び混合する光混合手段を前記検出器に備
えると共に、 前記回折格子での前記2分された光束の一方の0次光と
他方の回折光とが分離できる程度に入射角と回折角とを
異ならせて設定し、 分離された回折光の前記光混合手段による混合波を前記
受光素子で光電変換して検出信号を得るようにされてい
ることを特徴とする格子干渉型変位検出装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63011234A JPH0638050B2 (ja) | 1988-01-21 | 1988-01-21 | 格子干渉型変位検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63011234A JPH0638050B2 (ja) | 1988-01-21 | 1988-01-21 | 格子干渉型変位検出装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01185415A JPH01185415A (ja) | 1989-07-25 |
JPH0638050B2 true JPH0638050B2 (ja) | 1994-05-18 |
Family
ID=11772248
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63011234A Expired - Lifetime JPH0638050B2 (ja) | 1988-01-21 | 1988-01-21 | 格子干渉型変位検出装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JPH0638050B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPS6098302A (ja) * | 1983-11-04 | 1985-06-01 | Sony Magnescale Inc | 光学式変位測定装置 |
-
1988
- 1988-01-21 JP JP63011234A patent/JPH0638050B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPH01185415A (ja) | 1989-07-25 |
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