| 【発明の名称】 |
密封装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】大林 新一
【氏名】境 真太郎
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| 【要約】 |
【課題】密封装置において、ポンピング効果による密封流体戻し作用を強化し、密封性能を高めること。
【解決手段】ケース２に嵌合装着した環状芯金１０と、環状芯金１０に取り付けて回転軸３の外周面に接触させられるリップ４１を有するシール部材４０とからなる密封装置１において、シール部材４０のリップ４１の接触周面４１ａに、複数の螺旋溝５０，６０が互いに交差しない状態で周方向等配状態で形成されている。これにより、リップ４１の接触周面４１ａに形成する各螺旋溝５０，６０の経路長を短くできるので、この螺旋溝５０，６０で受け止めた密封流体が従来例に比べて早期に戻されることになる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】径方向内外に同心状に配設される２つの部材の対向環状空間に設けられて前記環状空間を軸方向で仕切る密封装置であって、前記いずれか一方の部材に嵌合装着される環状芯金と、この環状芯金に取り付けられて他方の部材に面接触するリップを有するシール部材とを備え、前記リップの接触周面において、複数の密封流体戻し用の螺旋溝が互いに交差しない状態で形成されている、ことを特徴する密封装置。
【請求項２】請求項１の密封装置において、前記複数の密封流体戻し用の螺旋溝が、周方向等配状態で形成されている、ことを特徴する密封装置。
【請求項３】請求項１または２の密封装置において、前記複数の密封流体戻し用の螺旋溝が、前記リップの接触周面において自由端端面との間に軸方向一定長さ範囲の平滑周面を残す状態で形成されている、ことを特徴する密封装置。
【請求項４】請求項１ないし３の密封装置において、前記シール部材が、合成樹脂製のシートとされている、ことを特徴する密封装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、径方向内外に同心状に配設される２つの部材の対向環状空間を軸方向で２つの空間に仕切る密封装置に関する。特に、シール部材と回転軸との密封部に侵入した密封流体を回転軸の動圧によるポンピング効果によって密封流体封入側に戻す機能をもたせた密封装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来例の密封装置を図９に示す。図例の密封装置１は、２つの金属環２０，３０からなる環状芯金１０にシール部材４０を取り付けた構成である。
【０００３】第１金属環２０の円筒部２１と第２金属環３０の円筒部３１とを嵌合させた状態で、第１金属環２０の環状板部２２と第２金属環３０の環状板部３２との間にシール部材４０の外周部分４２を挟持させている。
【０００４】第１金属環２０がケース２に内嵌固定され、シール部材４０の内周部分が回転軸３の外周面に対して面接触させられている。このシール部材４０の内周部分がリップ４１となる。
【０００５】なお、シール部材４０は、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン樹脂）などのフッ素系樹脂材とされている。
【０００６】しかし、このような合成樹脂製のシール部材４０の場合には、ゴム製のシール部材に比べると、その剛性が比較的に高くて弾性復元性に劣り、軸振れに対する追随性が低いため、そのリップ４１の内周面が平滑であると、この平滑な接触周面４１ａに密封流体が侵入しやすく、十分な密封性能が得られない。
【０００７】そこで、リップ４１の接触周面４１ａに螺旋溝８０を形成し、そのポンピング効果を利用して、接触周面４１ａに侵入した密封流体を密封流体封入側（図面上の右側）に戻すように工夫している。この密封流体戻し用の螺旋溝８０は、リップ４１の自由端端面４１ｂまでわたっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記従来例では、リップ４１の接触周面４１ａに形成された密封流体戻し用の螺旋溝８０が１本のみであるため、下記のような不都合をもたらしている。
【０００９】ポンピング効果による密封流体戻し作用が不十分なものとなっている。それは、侵入した密封流体が単一螺旋溝８０に沿って自由端端面４１ｂまで案内されて排出されるまでの経路長が長いものとなっているからである。のちに図５で詳しく説明することになるが、鎖線で示す単一螺旋溝８０の開口ポイントＢから軸方向に寸法ｘだけ奥に侵入した密封流体が単一螺旋溝８０に案内されて開口ポイントＢから排出されるに至るまでの経路長Ｌｘ′は、Ｌｘ′＝ｘ／sinθｓであり、この経路長Ｌｘ′が比較的に長いものであるため、ポンピング効果による密封流体戻し作用が不十分なものとなりがちである。
【００１０】密封流体戻し作用が不十分であると、接触周面４１ａに密封流体が滞留しがちとなり、そうなると、その滞留密封流体の容積分が接触周面４１ａに隙間を形成する状態が継続することとなって、密封性能が大きく低下するという不都合な事態を招く。
【００１１】回転軸３が回転している稼働モードではポンピング効果が働くのでまだよいが、回転軸３が静止している静止モードではポンピング効果が消失してしまうので、密封流体の漏洩のおそれがある。
【００１２】また、従来例においては、単一螺旋溝８０が自由端端面４１ｂまで達しているので、密封流体封入側から密封流体が単一螺旋溝８０の開口ポイントＢから侵入することを許してしまい、上記の不都合を助長することとなっていた。これは、特に静止モードで影響が強くなる。
【００１３】なお、類似する従来技術として、特開平１０−１２２３７７号公報、特開平１０−１８４９３０号公報、特開平１０−２６７１３３号公報などを挙げることができるが、これらはいずれも課題が違っていたり、課題解決手法が異なっていたりする。
【００１４】このような事情に鑑み、本発明は、同心状で相対回転する２つの部材間の環状空間を軸方向に仕切る密封装置において、ポンピング効果による密封流体戻し作用を強化し、密封性能を高めることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明第１の密封装置は、径方向内外に同心状に配設される２つの部材の対向環状空間に設けられて前記環状空間を軸方向で仕切るもので、前記いずれか一方の部材に嵌合装着される環状芯金と、この環状芯金に取り付けられて他方の部材に面接触するリップを有するシール部材とを備え、前記リップの接触周面において、複数の密封流体戻し用の螺旋溝が互いに交差しない状態で形成されている。
【００１６】本発明第２の密封装置は、上記第１の密封装置において、前記複数の密封流体戻し用の螺旋溝が、周方向等配状態で形成されている。
【００１７】本発明第３の密封装置は、上記第１または第２の密封装置において、前記複数の密封流体戻し用の螺旋溝が、前記リップの接触周面において自由端端面との間に軸方向一定長さ範囲の平滑周面を残す状態で形成されている。
【００１８】本発明第４の密封装置は、上記第１ないし第３の密封装置において、前記シール部材が、合成樹脂製のシートとされている。
【００１９】このような本発明の構成では、リップの接触周面に密封流体戻し用の螺旋溝が１本ではなくて複数本形成されているから、それぞれの螺旋溝が接触周面に侵入した密封流体をポンピング効果によって密封流体封入側に戻すときの螺旋溝に沿った経路長が短いものとなり、密封流体戻し作用が効果的に発揮されることになる。したがって、接触周面での密封流体の滞留が抑制でき、密封性能を向上させることができる。
【００２０】特に、第２の密封装置のように複数の螺旋溝を等配した場合には、螺旋溝全体としてのピッチやリード角が均一となり、密封流体戻し作用が安定化する。
【００２１】また、第３の密封装置のように複数の螺旋溝を形成するのに、リップの自由端側に平滑周面を残しておけば、特に静止モードでの漏れ出しを効果的に防止することができる。
【００２２】さらに、シール部材として耐摩耗性、耐熱性、耐薬品性等のある合成樹脂製のシートを用いたときには、本発明の効果がきわめて有効に発揮される。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明の詳細を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００２４】図１は本発明の一実施形態の密封装置の上半分の構造を示す断面図である。下半分の構造は水平方向の中心線に関して上半分と対称となっている。
【００２５】図示例の密封装置１は、径方向内外に同心状に配置されたケース（ハウジング）２と回転軸３との間の対向環状空間４に設けられてその環状空間４を軸方向で仕切るものであり、環状芯金１０と、シール部材４０とを備えている。この密封装置１は、ケース２に対する環状芯金１０の密着と回転軸３に対するシール部材４０の密着とにより環状空間４を軸方向で油密的に仕切っている。
【００２６】環状芯金１０は、第１金属環２０と第２金属環３０とからなり、その外径側の第１金属環２０がケース２の内周面に嵌合装着されるようになっている。この２つの金属環２０，３０は、円筒部２１，３１と、この円筒部２１，３１の一方の軸端箇所から径方向内向きに一体的に延出された環状板部２２，３２とを有する断面Ｌ字形状をなしている。この第１金属環２０に対して第２金属環３０が内嵌されていて、第１金属環２０の円筒部２１の自由端２３を薄肉として、この薄肉の自由端２３を径方向内向きに折り曲げることにより、第２金属環３０を第１金属環２０に対して抜け止めさせている。このように抜け止めを行うので、第１金属環２０に対する第２金属環３０の嵌合は、すきま嵌めであってもよい。
【００２７】シール部材４０は、その外周部４２が第１金属環２０の環状板部２２と第２金属環３０の環状板部３２との間に挟持されており、その内周部分が回転軸３の外周面に面接触して密封部を形成するリップ４１とされている。このシール部材４０は、耐摩耗性、耐熱性、耐薬品性等を確保するために、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン樹脂）などのふっ素系樹脂製のシートを採用している。
【００２８】そして、シール部材４０のリップ４１において回転軸３に接触する接触周面４１ａには、複数の（図示例の場合は２本の）密封流体戻し用の第１および第２の螺旋溝５０，６０が互いに交差しない状態で形成されている。図面では、分かりやすくするために、第１の螺旋溝５０を実線で表し、第２の螺旋溝６０を破線で表し、ピッチおよびリード角を大きめにデフォルメしている。
【００２９】図示例では、第１の螺旋溝５０と第２の螺旋溝６０とを周方向等配状態で形成している。但し、リップ４１の接触周面４１ａにおいて、その自由端端面４１ｂ側から軸方向一定長さ範囲Ｌ０にわたる平滑周面４１ｃを残す状態で形成してある。また、第１の螺旋溝５０と第２の螺旋溝６０とは、軸方向で互いに同じ長さ範囲Ｌ１において互いに位相を１８０度異ならせた状態で形成されている。
【００３０】以下、図２、図３を用いて、リップ４１に２つの螺旋溝５０，６０を設ける形態を具体的に説明する。
【００３１】図２はシール部材４０のリップ４１の内周面である接触周面４１ａを軸方向に沿って拡張した状態で図示したデフォルメ斜視図である。このように軸方向に沿って拡張するのは、螺旋溝のピッチを拡張することで、両螺旋溝５０，６０の様子を分かりやすくするためである。図３は接触周面４１ａを軸心７０を通る１つの平面で切断して展開したものに相当している。上下に付した符号７３が切断線を示している。図２、図３において、第１の螺旋溝５０は実線で表し、第２の螺旋溝６０は破線で表している。
【００３２】第１および第２の螺旋溝５０，６０における自由端端面４１ｂ側の端点をそれぞれ始点５０ａ，６０ａとし、その反対側の端点をそれぞれ終点５０ｂ，６０ｂとする。自由端端面４１ｂは、軸心７０に対して垂直な平面上に存在する。この自由端端面４１ｂから前記の軸方向一定長さ範囲Ｌ０だけ隔てた箇所において軸心７０に対して垂直な第１の垂直平面７１を考える。自由端端面４１ｂからこの第１の垂直平面７１までの間が、螺旋溝５０，６０を形成しない平滑周面４１ｃとなっている。この第１の垂直平面７１上に第１の螺旋溝５０の始点５０ａと第２の螺旋溝６０の始点６０ａとが１８０度の位相を隔てた状態で位置している。同様に、第１の垂直平面７１から前記の軸方向一定長さ範囲Ｌ１だけ隔てた箇所において軸心７０に対して垂直な第２の垂直平面７２を考える。第１の垂直平面７１から第２の垂直平面７２までの間が、螺旋溝５０，６０を形成してある密封流体戻し領域４５となっている。この第２の垂直平面７２上に第１の螺旋溝５０の終点５０ｂと第２の螺旋溝６０の終点６０ｂとが１８０度の位相を隔てた状態で位置している。
【００３３】第１の螺旋溝５０は、第２の螺旋溝６０において軸方向で隣接する２つの単位螺旋間の丁度中点を通る軌跡を描いて接触周面４１ａ上を旋回し、同様に、第２の螺旋溝６０は、第１の螺旋溝５０において軸方向で隣接する２つの単位螺旋間の丁度中点を通る軌跡を描いて接触周面４１ａ上を旋回している。単位螺旋というのは、螺旋において３６０度範囲を切り取ったものと考えてよい。
【００３４】第１の螺旋溝５０と第２の螺旋溝６０とは、それぞれのピッチＰ１，Ｐ２が互いに等しく、かつ、それぞれのリード角θ１，θ２が互いに等しくなっている。これを、Ｐ１＝Ｐ２＝Ｐとし、θ１＝θ２＝θとする。第１の螺旋溝５０と第２の螺旋溝６０との隣接ピッチＰａは、Ｐの２分の１である。この隣接ピッチＰａが従来技術の場合のピッチＰｓと等しくなっており、リード角θが従来技術の場合のリード角θｓの２倍となっている。すなわち、Ｐ＝Ｐ１＝Ｐ２＝２・Ｐａ＝２・Ｐｓθ＝θ１＝θ２＝２・θｓである。
【００３５】次に、回転軸３の回転に伴って発生する動圧によって密封流体を戻す動作について、従来技術と比較しながら説明する。
【００３６】本発明のこの実施形態の場合の第１の螺旋溝５０と第２の螺旋溝６０と従来技術の場合の単一螺旋溝８０とを重ね合わせて図示したのが図４である。実線が第１の螺旋溝５０を表し、破線が第２の螺旋溝６０を表し、鎖線が従来の単一螺旋溝８０を表している。Ａは接触周面４１ａの周長であり、接触周面４１ａの半径（内径）をｒとすると、Ａ＝２πｒである。この周長は３６０度範囲に相当している。なお、従来技術の場合には平滑周面４１ｃは存在しない。
【００３７】接触周面４１ａにおいて、第１の垂直平面７１から軸方向に寸法ｘだけ離れたライン７４上にある密封流体が螺旋溝に沿って第１の垂直平面７１まで案内されて排出されるまでの経路長が、本発明実施形態と従来技術とでどのように違うかを見てみる。
【００３８】鎖線の従来例の単一螺旋溝８０についてみると、単位螺旋のイ→ロ→ハ→ニ→ホの順に案内されて、その経路長はおよそ５周分と幾らかである。
【００３９】実線の第１の螺旋溝５０についてみると、単位螺旋の半分の■から単位螺旋■→■の順に案内されて、その経路長はおよそ２周半と少しである。
【００４０】破線の第２の螺旋溝６０についても、単位螺旋ａ→ｂから単位螺旋の半分のｃの順に案内されて、その経路長はおよそ２周半と少しである。
【００４１】より正確に求めるために、図５を用いる。この図５は７周分を連続して展開したものである。直角三角形を円柱に巻き付けたとき、その斜辺は螺旋をなすことを利用している。寸法ｘのときの従来技術の単一螺旋溝８０に相当する斜辺の長さＬｘ′は、直角三角形ＢＥＦにおいて、Ｌｘ′＝ｘ／sinθｓまた、同じ寸法ｘのときの第１の螺旋溝５０に相当する斜辺の長さＬｘは、直角三角形ＢＣＤにおいて、Ｌｘ＝ｘ／sinθである。θ＝２θｓであるから、Ｌｘ＝ｘ／sin２θｓ＝ｘ／２sinθｓcosθｓ第２の螺旋溝６０に相当する斜辺の長さも同じＬｘである。Ｌｘ′に対するＬｘの比をγとすると、γ＝Ｌｘ／Ｌｘ′＝１／２cosθｓとなるが、θｓが微小であるので、cosθｓ＝１とおいてよく、したがって、γ＝１／２となる。
【００４２】参考のために寸法関係について一例を示しておく。接触周面４１ａの半径ｒとして、例えば、ｒ＝２６ｍｍ、螺旋溝５０，６０のピッチＰ１，Ｐ２（＝Ｐ）として、例えば、Ｐ＝１ｍｍがある。この場合、接触周面４１ａの周長Ａは、Ａ＝１６３．３ｍｍであり、リード角θ１，θ２（＝θ）は、tanθ＝Ｐ／Ａより、θ≒０．３５°となる。このθの値はきわめて小さくて、そのcosθ＝０．９９９９８≒１となる。
【００４３】したがって、上記のγ＝１／２は成立し、螺旋溝としてこの実施形態のように第１の螺旋溝５０と第２の螺旋溝６０の２つの螺旋溝を備えた場合には、経路長が従来技術の場合の２分の１となるのである。なお、念のためにいうと、図２〜図５の図示の形態として、軸方向に拡張した結果、リード角θ１，θ２を数十倍に拡大した状態で図示したものとなっている。
【００４４】本発明としては、螺旋溝の本数は２以上の任意の値をとってよいものとする。例えば、３本の螺旋溝を形成した場合には、経路長は従来技術の３分の１となる。一般的に、ｎを２以上の自然数として、ｎ本の螺旋溝を形成した場合には、経路長は従来技術のｎ分の１となる。
【００４５】シール部材４０の形状は、そのリップ４１が円筒状であり、その樹脂シール基部４２が円環状であり、これら両者が滑らかに連なった形状となっている。このような形状のシール部材４０は、元からそのような形状の状態で成形してもよいが、フリー状態でワッシャーのような平板円環状のものとし、回転軸３を差し込むことにより、回転軸３の外周面に密着状態で沿わせながら押し拡げて、円筒状のリップ４１を形作るようにしてもよい。そのような一例を図６に示す。
【００４６】図６は、図１のシール部材４０を矢印Ｘ１方向から見た図である。但しこの図６に示すシール部材４０は、屈曲させずに伸ばした状態になっており、中央に円孔４３が形成されたワッシャー状の平円環板４０Ａとなっている。この場合、中央円孔４３の内周縁が自由端端面４１ｂとなる。平円環板４０Ａの一側板面４０ｂにおいて、中央円孔４３と同心状で中央円孔４３よりも大きい径の円形境界線４４を考え、この円形境界線４４の内側が平滑周面４１ｃとなる。したがって、円形境界線４４は第１の垂直平面７１に対応している。円形境界線４４上の１点を始点５１ａとして、左旋回の第１の渦巻溝５１が実線で示すように一側板面４０ｂに形成されている。そして、前記の始点５１ａから１８０度隔てた円形境界線４４上の１点を始点６１ａとして、左旋回の第２の渦巻溝６１が破線で示すように一側板面４０ｂに形成されている。これらの渦巻溝はそれぞれアルキメデスの螺旋（回転角φに比例して動径ｒが増加する曲線で、ｒ＝ｋ・φ）となっている。第１の渦巻溝５１において半径方向の隣接間隔Ｐ１′は第１の螺旋溝５０のピッチＰ１に対応し、第２の渦巻溝６１において半径方向の隣接間隔Ｐ２′は第２の螺旋溝６０のピッチＰ２に対応している。
【００４７】図７（ａ），（ｂ）は第１および第２の螺旋溝５０，６０の断面形状の例を示すものである。軸方向で１つおきに、第１の螺旋溝５０と第２の螺旋溝６０とが交互となっている。図７（ａ）の場合は、溝幅Ｗ１が隣接ピッチＰａよりも十分に小さくなっており、図７（ｂ）の場合は、溝幅Ｗ２が隣接ピッチＰａの約２分の１となっている。もっとも、このような寸法、形状は単なる例示にすぎず、仕様に応じて適宜に変更してよいことはいうまでもない。
【００４８】上記の実施形態では、リップ４１の接触周面４１ａに形成する螺旋溝の数を２本としたが、必ずしもそれにとらわれる必要性はなく、螺旋溝の本数は任意である。
【００４９】実験によって、螺旋溝の本数と動圧によるポンプ効果のポンプ量との関係を求めた。その結果を図８に示す。この実験の際の条件は次のとおりである。
【００５０】
回転軸３の軸径（直径） ：φ５２ｍｍ 回転速度（回転数） ：２０００ｒｐｍ 各螺旋溝の隣接ピッチ ：０．５ｍｍ 密封流体戻し領域４５の軸方向長さ：６ｍｍ 油種 ：エンジンオイルＳＡＥ５Ｗ‐２０ 油温 ：８０℃図８の特性から明らかなように、螺旋溝の本数が多くなるほどポンプ量が比例的に増加し、密封装置１の密封性能が高くなる。この螺旋溝の本数としては、例えば２〜４本が適切な本数であると考えられる。なお、２本の場合は、図６に示したように、両螺旋溝の始点の位相が１８０°ずれているが、３本の場合は１２０°ずらすものとし、４本の場合は９０°ずらすことにすれば、複数本の螺旋溝の配置が周方向および軸方向に沿って均等配置となる。
【００５１】なお、本発明は上記実施形態のみに限定されるものではなく、種々な応用や変形が考えられる。
（１）上記の実施形態では、シール部材４０をふっ素系樹脂などの合成樹脂材としたが、例えばゴム材などとする場合にも本発明を同様に適用できる。
（２）すでに述べたように密封流体戻し用の螺旋溝の本数については任意である。上記実施形態では、複数本の螺旋溝を周方向等配としたが、必ずしもそれにとらわれる必要性はなく、少しのずれがあってもよい。
（３）上記の実施形態では、リップ４１の接触周面４１ａにおいて自由端端面４１ｂとの間に平滑周面４１ｃを残しているが、必ずしもそれにとらわれる必要性はなく、自由端端面４１ｂにまでわたって各螺旋溝を形成してもよい。
（４）上記の実施形態では、螺旋溝５０，６０の断面形状を三角形や台形としたが、これは単に一例であるにすぎず、任意の形状のものを採用してよい。あるいは突起状としてもよい。
（５）螺旋溝５０，６０の旋回回数については全く任意である。数回から数十回までが適当である。螺旋溝の数を例えば１０として、３６度ずつ開けて形成してもよい。この場合に、個々の螺旋溝を３６０度以下の範囲のもの、例えば７２度の範囲としてもよい。
（６）上記の実施形態では、螺旋溝５０，６０として右旋回螺旋のものを例示したが、左旋回螺旋のものとしてもよい。
（７）リップ４１の接触周面４１ａが軸方向に長いものであれば、必要に応じて、軸方向の一方で右螺旋の螺旋溝を複数本形成し、軸方向の他方で左螺旋の螺旋溝を複数本形成してもよい。
（８）なお、径方向内外同心状の２つの部材として、外側の固定のケース２と内側の回転軸３の形態で説明したが、内側に固定の軸体を配置し、外側に回転する部材を配置した場合において、内側の軸体に嵌合装着される環状芯金を内径側に有し、外側の回転部材に摺接するリップを外径側に有する形態の密封装置に、本発明を適用することも考えられる。
【００５２】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、密封流体戻し用の螺旋溝を複数本形成してあるので、接触周面に侵入した密封流体をポンピング効果によって戻す螺旋溝経路長を短くでき、密封流体戻し作用を良好化できるとともに、接触周面での密封流体の滞留を抑制でき、密封性能を向上させることができる。
【００５３】特に、複数螺旋溝を形成するのにリップの自由端側に平滑周面を残しておけば、特に静止状態での漏れ出しを効果的に防止することができる。
【００５４】なお、シール部材として耐摩耗性、耐熱性、耐薬品性等のあるシール部材を用いたときには、本発明の効果がきわめて有効に発揮される。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１６７１９６
【氏名又は名称】光洋シーリングテクノ株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年１２月８日（１９９９．１２．８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８６７３７
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 和秀
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１６５３２７（Ｐ２００１−１６５３２７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年６月２２日（２００１．６．２２） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３４８７０３ |
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