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JPH10177033A - 加速度測定装置 - Google Patents

加速度測定装置

Info

Publication number
JPH10177033A
JPH10177033A JP9341805A JP34180597A JPH10177033A JP H10177033 A JPH10177033 A JP H10177033A JP 9341805 A JP9341805 A JP 9341805A JP 34180597 A JP34180597 A JP 34180597A JP H10177033 A JPH10177033 A JP H10177033A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
individual sensors
acceleration
individual
acceleration measuring
sensitivity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP9341805A
Other languages
English (en)
Inventor
Helmut Seidel
ヘルムート・ザイデル
Josef Schalk
ヨーゼフ・シヤルク
Ulrich Prechtel
ウルリヒ・プレヒテル
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Daimler Benz AG
Conti Temic Microelectronic GmbH
Original Assignee
Daimler Benz AG
Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler Benz AG, Temic Telefunken Microelectronic GmbH filed Critical Daimler Benz AG
Publication of JPH10177033A publication Critical patent/JPH10177033A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0822Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
    • G01P2015/0825Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0828Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0845Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration using a plurality of spring-mass systems being arranged on one common planar substrate, the systems not being mechanically coupled and the sensitive direction of each system being different

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 安価に製造可能で精雅な寸法を持つ加速度測
定装置を提供する。 【構成】 加速度測定装置は、共通な基板10上に設け
られかつそれぞれ1つの主感度軸12a,12cを持つ
少なくとも2つの個別センサ2a,2cを含み、各個別
センサ2a,2cは、撓み梁4a,4cに結合されかつ
重心S,Sを持つ地震質量としての片持ちパドル片
3a,3cを持つている。各撓み梁4a,4cは地震質
量の偏向を測定する手段それぞれを持ち、すべての撓み
梁は基板10の表面に対して平行に設けられている。そ
れぞれの個別センサ2a,2cの主感度軸12a,12
cは、基板表面の法線14a,14cに対してそれぞれ
位相角αを持つている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、 a)加速度測定装置が、共通な基板上に設けられかつそ
れぞれ主感度軸を持つ少なくとも2つの個々の個別セン
サを含み、 b)各個別センサが、撓み梁に結合されかつ重心を持つ
地震質量としての片持ちパドル片を持ち、 c)各撓み梁が地震質量の偏向を測定する手段を持ち、 d)すべての撓み梁が基板の表面に対して平行に設けら
れている加速度測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】加速度を測定する公知の装置はPCT出
願公開W094/12886号明細書に記載されてい
る。従来技術によるこの装置は、それぞれ40゜互いに
回されて基板上に設けられる4つの同じセンサのモノリ
シツク組合わせである。各センサでは、傾斜した片持ち
桟橋片の自由振動する端部に地震質量が設けられてい
る。片持ら桟橋片は基板表面に対して結晶学的に規定さ
れた位相角を持つている。
【0003】このような装置は、両側の従つて非常に費
用のかかるエツチングに必要なマスクの誤調節により、
桟橋片の厚さに関して大きい不確実性が生ずる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、前記
の欠点のない加速度の3軸測定装置を提示することであ
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】この課題は、次の特徴を
持つ加速度測定装置によつて解決される。 a)加速度測定装置が、共通な基板上に設けられかつそ
れぞれ主感度軸を持つ少なくとも2つの個々の個別セン
サを含み、 b)各個別センサが、撓み梁に結合されかつ重心を持つ
地震質量としての片持ちパドル片を持ち、 c)各撓み梁が地震質量の偏向を測定する手段を持ち、 d)すべての撓み梁が基板の表面に対して平行に設けら
れ、 e)それぞれの個別センサの主感度軸が基板表面の法線
に対してそれぞれ位相角を持つている。
【0006】本発明の利点は、4つの同じセンサを空間
的に非常に密集して設けることにより、非常に良好な同
期性が得られ、それにより温度及び時間に関するドリフ
ト誤差が大幅に除去される。更に装置は1軸加速度セン
サのために開発された技術に基いているので、既存の製
造設備及び取得した専門知識を引続き利用することがで
きる。
【0007】本発明の有利な展開が従属請求項に示され
ている。即ち請求項2によれば、加速度の2軸測定のた
めの装置は、加速度測定装置が、それぞれ主感度軸を持
つ2つの個別センサを含み、両方の個別センサの主感度
軸の方向が互いに相違している、という特徴を持つてい
る。
【0008】請求項3による加速度の3軸測定のための
装置は、加速度測定装置が、それぞれ主感度軸を持つ少
なくとも3つの個別センサを含み、それぞれの個別セン
サの主感度軸の方向が互いに対になつて相違し、これら
の主感度軸のすべてが1つの面にあるのではない、とい
う特徴を持つている。別の従属請求項には本発明の別の
有利な展開が示されている。
【0009】
【実施例】本発明の実施例を図に基いて以下に詳細に説
明する。
【0010】図1は4つの同じ個別センサ2a〜2dを
含む加速度の3軸測定用加速度センサ1を示している。
各個別センサ2a〜2dは地震質量としてパドル片3a
〜3dを持ち、このパドル片3a〜3dは撓み梁4a〜
4dにより外枠5にそれぞれ結合されている。パドル片
3a〜3dを外枠5へ付加的に取付けるため、パドル片
当りそれぞれ2つの側方桟橋片8が存在するが、これら
の側方桟橋片8はなくてもよい。各パドル片3a〜3d
は重心S,S,S及びSを持つている。外枠5
は4つの個別センサ2a〜2dをまとめ、中間枠6によ
り区分されている。中間枠6はなくてもよい。
【0011】各個別センサ2a〜2dはX方向、Y方向
及びZ方向に感度を持つている。しかし対応する加速度
,a及びaを求めるため、すべての感度が必要
ではなく、次にあげる感度のみが必要である。Z方向に
おけるすべての個別センサ2a〜2dの感度k、X方
向における個別センサ2a及び2cの感度k、Y方向
における個別センサ2b及び2dの感度k、X方向に
おける個別センサ2b及び2dの横感度q及びY方向
における個別センサ2a及び2cの横感度q
【0012】各撓み梁4a〜4dには、ホイートストン
ブリツジ(図3)となるように接続されるそれぞれ4つ
の圧電抵抗体7が設けられている。これらの圧電抵抗体
7は、加速度センサ1へ1つ又は複数の加速力が作用す
る時に現れる撓みを測定するのに用いられる。撓みのた
め圧電抵抗体7が変形し、それにより圧電抵抗体7の抵
抗値が変化する。従つて圧電抵抗体7の抵抗値は、それ
ぞれの撓み梁4a〜4dへ作用する加速力の尺度であ
る。
【0013】図2には、図1の加速度センサ1が断面A
−Aで示されている。例えばウエーハボンデイングによ
り、シリコンから成る下の覆いウエーハ9が、同様にシ
リコンから成りかつ公知のマイクロメカニツクにより構
造化されたウエーハ10に結合される。エツチング工程
により、ウエーハ10へパドル片3a〜3d及び側方桟
橋片8が構成される。拡散工程によりそれぞれ4つの圧
電抵抗体7が撓み梁4a〜4dのウエーハ10へ設けら
れる。ウエーハ10の構造化により、パドル片3a〜3
dと覆いウエーハ9との間に空隙11が形成されるの
で、加速力の作用する際、パドル片3a〜3dは覆いウ
エーハ9の方へもそれることができる。
【0014】各パドル片3a〜3dはそれぞれの重心S
,S,S及びSを通る主感度軸12a〜12d
を持ち、この主感度軸12a〜12dの方向は、パドル
片3a〜3dの片側懸架のため及び外方へずれている重
心S,S,S及びSのため、それぞれの法線1
3a〜13dに対して平行には延びていない。それぞれ
の主感度軸12a〜12dと法線13a〜13dとの間
には、Z方向におけるそれぞれの重心S,S,S
及びSがそれぞれのパドル片3a〜3dの懸架部とし
てのそれぞれの撓み梁4a〜4dより深い所にあること
によつて実現するいわゆる位相角αが現れる。同じ構造
のためすべての個別センサ2a〜2dにおける位相角α
は同じ大きさである。位相角αの典型的な値は0ないし
20゜である。この原理は一般化可能なので、個別セン
サ2a〜2dは異なる位相角を持つことができる。
【0015】X方向、Y方向及びZ方向の加速度を測定
できるようにするため、主感度軸12a〜12dは法線
13a〜13dに対して平行な成分14a〜14dと法
線13a〜13dに対して直角な成分15a〜15dと
に分解される。
【0016】それぞれのパドル片3a〜3dは製造工程
により十分同じ幾何学的寸法を持つているので、X方向
におけるその感度k、Y方向におけるその感度k
Z方向におけるその感度k、X方向における横感度q
及びY方向におけるその横感度qも同様に十分同じ
である。
【0017】図3は接続点A,B,C及びDを持つ公知
のホイートストンブリツジを示している。接続点AとB
との間には可変抵抗Rが、接続点BとCとの間には可
変抵抗Rが、接続点CとDとの間には可変抵抗R
が、また接続点DとAとの間には可変抵抗Rが設け
られ、可変抵抗R〜Rとして、撓み梁4a〜4d
(図1)上にあるそれぞれ4つの圧電抵抗体7が用いら
れる。接続点B及びDは典型的には5Vの電源に接続さ
れ、接続点A及びCから出力電圧が取出され、この出力
電圧では個別センサ2a〜2dの圧電抵抗体7の出力電
圧U,U,U及びUが問題となる。
【0018】抵抗R及びRの抵抗変化は抵抗R
びRの抵抗変化とは逆の方向に推移するので、特定の
方向例えばZ方向における加速力のため、抵抗R及び
の値は小さくなり、抵抗R及びRの値は大きく
なる。
【0019】加速度センサ1(図1)へ作用しかつX方
向、Y方向及びZ方向に成分a,a及びaを持つ
加速度を計算するため、次の式が適用される。 ここでaはX方向における加速度成分、aはY方回
における加速度成分、aはZ方向における加速度成
分、kはX方回における個別センサ2a及び2cの感
度、kはY方回における個別センサ2b及び2dの感
度、kはZ方向における個別センサ2a〜2dの感
度、qはX方回における個別センサ2h及び2dの横
感度、qはY方回における個別センサ2a及び2cの
横感度、Uは個別センサ2aの出力電圧、Uは個別
センサ2bの出力電圧、Uは個別センサ2cの出力電
圧、Uは個別センサ2dの出力電圧である。
【0020】個別センサ2a〜2dの同じ設計では、係
数k及びkとq及びqはそれぞれ互いに同じに
なる。個別センサ2a〜2dの圧電抵抗体7の出力電圧
〜Uは評価装置(図示してないがなるべくマイク
ロプロセツサ)へ供給される。評価装置は好都合に感度
係数を記憶する固定記憶装置を持ち、成分a,a
びaによる加速度の計算がこの評価装置において行わ
れる。
【0021】図4及び5は、共通な基板26上にある2
つの同じ個別センサ17a又は17bを含む加速度の2
軸測定用加速度センサ16を示している。各個別センサ
17a又は17bは地震質量してパドル片18a又は1
8bを持ち、このパドル片18a又は18bはそれぞれ
撓み梁19a又は19bにより外枠20に結合されてい
る。各パドル片18a又は18bは重心S又はS
持つている。外枠20は両方の個別センサ17a及び1
7bをまとめている。
【0022】各撓み梁19a又は19b上には、ホイー
トストンブリツジ(図3)となるように接続されるそれ
ぞれ4つの圧電抵抗体21が設けられている。これらの
圧電抵抗体21は、既に上述したように、加速度センサ
16へ1つ又は複数の加速力が作用する時に現れる撓み
を測定するのに用いられる。
【0023】各個別センサ17a又は17bはX方向及
びY方向に感度を持つている。加速度a′及びa
を求めるため、前述した次の感度が必要である。Z方向
における個別センサ17a又は17bの感度k′、及
びX方向における個別センサ17a又は17bの感度k
′。
【0024】各パドル片18a又は18bはそれぞれの
重心S又はSを通る主感度軸22a又は22bを持
ち、パドル片18a又は18bの片側懸架のためセンサ
外方へずれている重心S又はSのため、主感度軸2
2a又は22bの方向はそれぞれの法線23a又は23
bに対して平行には延びていない。主感度軸22a又は
22bとそれぞれの法線23a又は23bとの間には、
既に説明したように、いわゆる位相角α′が現れる。同
じ構造のため、両方の個別センサ17a及び17bにお
ける位相角α′は同じ大きさである。位相角α′の典型
的な値は10ないし20゜である。原理は一般化可能な
ので、個別センサ17a又は17bは異なる位相角を持
つている。
【0025】X方向及びZ方向における加速度を測定で
きるようにするため、主感度軸22a又は22bは、法
線23a又は23bに対して平行な成分24a又は24
b、及び法線23a又は23bに対して直角な成分25
a又は25bに分解される。
【0026】パドル片18a又は18bは製造工程によ
り十分同じ幾何学的寸法を持つていので、X方向におけ
るその感度k′とZ方向におけるその感度k′は大
幅に同じである。
【0027】加速度センサ16へ作用しかつX方向及び
Z方向の成分a′及びa′を持つ加速度の計算のた
めに次の式が適用される。 ここでa′はX方向における加速度成分、a′はZ
方回における加速度成分、k′はX方向における個別
センサ17a及び17bの感度、k′はZ方向におけ
る個別センサ17a及び17bの感度、U′は個別セ
ンサ17aの出力電圧、U′は個別センサ17bの出
力電圧である。
【0028】個別センサ17a及び17bの同じ設計で
は、係数k′とk′は同じになる。個別センサ17
a及び17bの圧電抵抗体21の出力電圧U′及びU
′は評価装置(図示してないがなるべくマイクロプロ
セツサ)へ供給される。評価装置は好都合に感度係数を
記憶する固定記憶装置を持ち、成分a′及びa′に
よる加速度の計算がこの評価装置において行われる。
【0029】ここに記載した圧電抵抗原理のほかに、地
震質量の偏向の測定のために、他の例えば容量性原理も
使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】共通な基板上にある4つの同じ個別センサを含
む、本発明による加速度の3軸測定装置の平面図であ
る。
【図2】図1による装置のA−A線に沿う断面図であ
る。
【図3】加速度を求める評価回路の接続図である。
【図4】共通な基板上にある2つの同じ個別センサを含
む、本発明による加速度の2軸測定装置の平面図であ
る。
【図5】図4による装置の斜視図である。
【符号の説明】
1;16 加速度センサ 2a〜2d;17a,17b 個別センサ 3a〜3d;18a,18b パドル片 4a〜4d;19a,19b 撓み梁 10;26 基板 12a〜12d;22a,22b 主感度軸 13a〜13d;23a,23b 法線 S,S,S,S;S,S 地震質量
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 593063437 ダイムラー−ベンツ・アクチエンゲゼルシ ヤフト Daimler−Benz Aktien gesellschaft ドイツ連邦共和国シユトウツトガルト80・ エツプレシユトラーセ225 (72)発明者 ヘルムート・ザイデル ドイツ連邦共和国シユタルンベルク・モー スビヒルシユトラーセ1 (72)発明者 ヨーゼフ・シヤルク ドイツ連邦共和国アルトハイム・アム・ア ンゲル19アー (72)発明者 ウルリヒ・プレヒテル ドイツ連邦共和国ミユンヘン・プレツトシ ユトラーセ9

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】a)加速度測定装置が、共通な基板(1
    0;26)上に設けられかつそれぞれ主感度軸(12a
    〜12d;22a,22b)を持つ少なくとも2つの個
    々の個別センサ(2a〜2d;17a,17b)を含
    み、 b)各個別センサ(2a〜2d;17a,17b)が、
    撓み梁(4a〜4d;19a,19b)に結合されかつ
    重心(S,S,S,S;S,S)を持つ地
    震質量としての片持ちパドル片(3a〜3d;18a,
    18b)を持ち、 c)各撓み梁(4a〜4d;19a,19b)が地震質
    量の偏向を測定する手段を持ち、 d)すべての撓み梁(4a〜4d;19a,19b)が
    基板(10;26)の表面に対して平行に設けられてい
    るものにおいて、それぞれの個別センサ(2a〜2d;
    17a,17b)の主感度軸(12a〜12d;22
    a,22b)が基板表面の法線(13a〜13d;23
    a,23b)に対してそれぞれ位相角(α;α′)を持
    つていることを特徴とする、加速度測定装置。
  2. 【請求項2】 加速度測定装置が、それぞれ主感度軸
    (22a,22b)を持つ2つの個別センサ(17a,
    17b)を含み、両方の個別センサ(17a,17b)
    の主感度軸(22a,22b)の方向が互いに相違して
    いることを特徴とする、加速度の2軸測定のための請求
    項1に記載の装置。
  3. 【請求項3】 加速度測定装置が、それぞれ主感度軸
    (12a〜12d)を持つ少なくとも3つの個別センサ
    (2a〜2d)を含み、それぞれの個別センサの主感度
    軸の方向が互いに対になつて相違し、これらの主感度軸
    のすべてが1つの面にあるのではないことを特徴とす
    る、加速度の3軸測定のための請求項1に記載の装置。
  4. 【請求項4】 地震質量の重心(S,S,S,S
    ;S,S)が撓み梁(4a〜4d;19a,19
    b)の面外にあり、地震質量の片側懸架が選ばれている
    ことによつて、位相角(α;α′)が生ずることを特徴
    とする、請求求項1ないし3の1つに記載の装置。
  5. 【請求項5】 位相角(α;α′)が10ないし20゜
    であることを特徴とする、請求項1ないし4の1に記載
    の装置。
  6. 【請求項6】 加速度測定装置が4つの個別センサ(2
    a〜2d)を含んでいることを特徴とする、請求項3に
    記載の装置。
  7. 【請求項7】 加速度測定装着がシリコンから製造され
    ていることを特徴とする、請求項1ないし6の1つに記
    載の装置。
  8. 【請求項8】 加速度測定装置がマイクロメカニツクに
    製造されていることを特徴とする、請求項1ないし7の
    1つに記載の装置。
  9. 【請求項9】 地震質量の偏向の測定手段として圧電抵
    抗体(7;21)が用いられ、この圧電抵抗体が撓み梁
    (4a〜4d;19a,19b)に設けられていること
    を特徴とする、請求項1に記載の装置。
  10. 【請求項10】 各撓み梁(4a〜4d;19a,19
    b)に4つの圧電抵抗体(7;21)が設けられている
    ことを特徴とする、請求項9に記載の装置。
  11. 【請求項11】 4つの圧電抵抗体(7;21)がホイ
    ートストンブリツジにまとめられていることを特徴とす
    る、請求項10に記載の装置。
  12. 【請求項12】 地震質量の偏向を測定するため容量性
    タツプが使用されることを特徴とする、請求項1に記載
    の装置。
JP9341805A 1996-11-30 1997-11-07 加速度測定装置 Pending JPH10177033A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19649715A DE19649715C2 (de) 1996-11-30 1996-11-30 Anordnung zur Messung von Beschleunigungen
DE19649715.9 1996-11-30

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH10177033A true JPH10177033A (ja) 1998-06-30

Family

ID=7813250

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP9341805A Pending JPH10177033A (ja) 1996-11-30 1997-11-07 加速度測定装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US6122965A (ja)
EP (1) EP0851233B1 (ja)
JP (1) JPH10177033A (ja)
DE (2) DE19649715C2 (ja)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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