JP2002529948A - 磁気的に結合された方形ループを持つ回転フィールドアンテナ - Google Patents

磁気的に結合された方形ループを持つ回転フィールドアンテナ

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JP2002529948A
JP2002529948A JP2000580268A JP2000580268A JP2002529948A JP 2002529948 A JP2002529948 A JP 2002529948A JP 2000580268 A JP2000580268 A JP 2000580268A JP 2000580268 A JP2000580268 A JP 2000580268A JP 2002529948 A JP2002529948 A JP 2002529948A
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JP2000580268A
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English (en)
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サード ギヤラハー，ウイリアム，エフ．，ザ
バーバー，ラッセル，イー．
Original Assignee
チエツクポイント システムズ， インコーポレーテツド
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q11/00—Electrically-long antennas having dimensions more than twice the shortest operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q11/12—Resonant antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q7/00—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)

Abstract

(57)【要約】 ８字型ループ、８字型ループに磁気的に結合された中心ループ、および８字型ループを駆動する駆動要素を含む回転フィールドアンテナが与えられる。８字型ループは上部ループ部、下部ループ部およびその間のクロスオーバ領域を持つ。中心ループはクロスオーバ領域の少なくとも一部と、並びに上部および下部ループ部の一方または両方の少なくとも一部と重なる。中心ループはオフセット８字型ループとの直接的または物理的な電気接続を持たない。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線周波数アンテナに関し、より詳細には回転フィールドを発生す
るループアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
あるタイプの電子システムにおいて、アンテナとその近接する周囲（プロキシ
メットサラウンディング）との間の結合は高いが、アンテナの設計は、アンテナ
とその離隔周囲（ディスタントサラウンディング）（すなわちアンテナから約１
波長またはそれより遠方）との間の結合は最小にされるようなものである、一つ
以上のループアンテナを設けることが知られている。このようなアンテナは一般
に近接フィールド通信用または感知応用に使用され、ここで用語「近接フィール
ド」はアンテナの半波長以内を意味する。このような応用の例は移植医療デバイ
スとの通信、コンピュータ用短距離ワイヤレス構内通信網および電子商品監視（
EAS）システムを含む。一般にこれらのループアンテナへの結合は、主に磁気誘
導による。
【０００３】 例えば無線周波識別（RFID）システムは通常共同して検出ゾーンを確立する送
信アンテナと受信アンテナの双方、および保護されるべき商品に取り付けられる
タグを含む。送信アンテナは固定でも、または第一所定周波数の小さな範囲内部
で可変でも良い電磁フィールドを発生する。タグはそれぞれ、一般に第一周波数
に等しい所定の共振周波数を持つ共振回路を含む。タグの一つが検出ゾーン内に
ある時、送信アンテナによって発生されたフィールドはタグ内の共振回路に電圧
を誘起し、その電圧は共振回路を共振させ、それによって電磁フィールドを発生
し、検出ゾーン内部のフィールドを擾乱する。受信アンテナは電磁フィールドの
擾乱を検出し、それは検出ゾーン内のタグに取り付けられた保護商品に関する品
目識別データに翻訳できる。特別なアンテナ構成が、このような目的のために設
計されてきた。
【０００４】 従来の一つのアンテナは２ループ状の、８字型を持つ。このような２ループア
ンテナにおいて、弱い検出フィールドすなわち「孔」（ホール）が、８字型のル
ープのクロスオーバ部に一般に平行である検出フィールドの中心に発生する。孔
は、タグがクロスバーの軸に直角すなわち垂直である位置に置かれる時、特に顕
著である。
【０００５】 ３個のループアンテナは通常中心ゾーンで弱いフィールド産出をする問題に取
り組むために使用される。しかしながら数立方メートルの容積を十分カバーする
程大きい３ループアンテナは、或るタグの適用に望ましい周波数である１３．５
６MHz以下で自己共振を持つであろう。従って、このようなアンテナは、１３．
５６MHzに同調できない。
【０００６】 中心ゾーンにフィールドを展開する従来の一つの技術は、中心ループを単に主
ループと同じ電流源で駆動することによる。しかしながら、「活発」（ホット）
および「不活発」（コールド）区域が、８字型および反対極性を持つ中心ループ
のフィールド成分により、それぞれ積極的な補強と破壊的な打ち消しから発展す
るので、この技術は最適ではない。フィールドを回転することにより、アンテナ
は基本的に活発および不活発スポットを平均化し、均一なフィールド産出を提供
する。
【０００７】 回転フィールドを発生する従来の別の技術は、直列／並列整合回路網を使用し
て、中心ループに他のループに対して９０°の位相ずれを起こすことである。
【０００８】 回転式均一フィールドを与える従来のこれらの両方式は、中心ループが電気的
に８字型に接続されることを必要とする。従来の一つの接続方式は、中心ループ
を位相シフト回路網を通して電気的に８字型ループに接続することである。位相
シフト回路網はコストがかさみ、アンテナへの複雑さを増す。また、回路網構成
要素の損失も、アンテナの効率を低減する。
【０００９】 従って、このような電気的接続を必要とせず、かつ１３．５６MHzの範囲の無
線周波数に良く適した回転フィールドアンテナに対する必要性が存在する。
【００１０】
【発明の概要、課題を解決するための手段、発明の効果】
８字型を持ち、かつクロスオーバ領域、８字型ループ駆動用駆動要素、および
クロスオーバ領域の少なくとも一部と重なる中心ループを含むループを有する多
重ループアンテナが提供される。中心ループはまた８字型ループの少なくとも一
部と重なる。中心ループは、８字型ループまたは駆動要素への直接的または物理
的な電気接続を持たない。磁気誘導は、８字型ループの位相と中心ループの位相
間に９０°の位相差を作り出す。駆動要素によって駆動される時、アンテナはそ
れによって回転合成フィールドを作り出す。
【００１１】
【発明の実施の形態】
上記の概要および本発明の好ましい実施例の以下の詳細な記述は、添付図面と
関連して読まれる時より良く理解されるであろう。本発明を図解する目的で現在
の好ましい実施例が図面に示されている。しかしながら、本発明は示された精密
な配置と手段に限定されるものではないことが理解されるべきである。 ここでは或る用語が利便性のためのみに使用されるが、それは本発明の限定と
して取られるべきではない。
【００１２】 図１は、本発明の一つの好ましい実施例による共振ループアンテナ１０である
。アンテナ１０は、総ての平面に磁界を作り出す。アンテナ１０は他のループの
少なくとも一つに対して９０°の位相差をつけてアンテナループの一つ以上を駆
動することにより、回転合成フィールドを展開する。従来の方式とは反対に、磁
気誘導はループ間の９０°の位相差を作り出すために使用され、ゼロ度、すなわ
ち参照フィールドを発生する一個の要素（または複数の要素）への直接的なまた
は物理的な電気接続はない。
【００１３】 アンテナ１０は一般に二つのループ、すなわち実線で示される第一８字型ルー
プアンテナ１２（以後、「８字型ループ１２」）と、破線で示される第二中心ル
ープアンテナ１４（以後「中心ループ１４」）によって規定される。８字型ルー
プアンテナ１２は、互いに並列に接続された上部ループ部１８と下部ループ部２
０を持つ。８字型ループは、以後、上部ループ部１８の底部と下部ループ部２０
の頂部間の空間または領域として規定される「クロスオーバ」または「クロスオ
ーバ領域１５」を持つ。本発明の好ましい実施例では、アンテナ１０はオフセッ
ト８字型ループアンテナ（すなわち上部ループ部１８は下部ループ部２０からか
なりオフセットしている）であり、それによって亜鈴形を規定する。しかしなが
ら８字型ループはまた従来の、非オフセット構成を持っても良い。
【００１４】 図２Ａは、図１に構成されたようなかなりの区域のハッチされたクロスオーバ
領域１５を持つオフセット８字型ループアンテナ１０を図示する。図２Ｂは、ク
ロスオーバ領域１５「を持つ非オフセット８字型ループアンテナ１０’」を図示
する。非オフセット構成において、クロスオーバ領域１５’はほんの小さな区域
を持ち、矩形ではなくて線に似ている。クロスオーバ領域１５の高さはアンテナ
１０全体の高さの約１／３から約１／２であることが好ましく、アンテナ１０全
体の高さの約１／３がより好ましい。しかしながら図２Ｂに示されるように、ク
ロスオーバ領域１５’の高さは非常に小さくてよいし、従って全アンテナ１０’
の高さの無視できる程僅かな割合を占めるであろう。
【００１５】 中心ループ１４は、クロスオーバ領域１５の少なくとも一部と８字型ループア
ンテナ１２の少なくとも一部と重なる。より詳細には、中心ループ１４はクロス
オーバ領域１５の少なくとも一部と上部ループ部１８および下部ループ部２０の
一方または両方の区域の少なくとも一部と重なる。中心ループ１４は、図１、２
Ａおよび２Ｂに示されるように、クロスオーバ領域１５の全区域と上部ループ部
１８の底部区域および下部ループ部２０の頂部区域と重なることが好ましい。中
心ループ１４は図１、２Ａおよび２Ｂに示されるように、他のループ部分よりも
少しだけ余分に一つの部分と重なることが好ましく、ここでは中心ループ１４は
下部ループ部２０よりも少しだけ多く上部ループ部１８と重なる。
【００１６】 一方のループ部分の重なり面積は、他方のループ部分の重なり面積よりも約１
０％から約２０％多いことが好ましい。しかしながら本発明の範囲は、図２Ｃに
示すように、中心ループ１４が、他方のループ部分よりも一方のループ部分とか
なり多く重なる実施例と、重なりが等しい（図示せず）実施例を含む。更に、中
心ループ１４はまた、クロスオーバ領域１５の区域全体と、または区域の一部と
、および上部または下部ループ部１８または２０の区域の一部のみと重なっても
良い。
【００１７】 例えば図２Ｄは、中心ループ１４'''がクロスオーバ領域１５'''の区域の一部
のみおよび下部ループ部２０の頂部区域のみと重なるアンテナ１０'''を示す。
図２Ｄにおいて、中心ループ１４'''は上部ループ部１８の如何なる区域とも重
ならない。
【００１８】 中心ループ１４は、一般に８字型ループ１２と同一平面上にある。しかしなが
ら８字型ループ１２の線の厚みのためと、中心ループ１４の頂部および／または
底部部分は８字型ループ１２の或る区域と僅かに重なるという事実のため、中心
ループ１４は８字型ループ１２から僅かにオフセットされるであろう。 すなわち、線の交差は、中心ループ１４と８字型ループ１２間の完全な共平面
性を妨げる。８字型ループ１２のループ１８および２０と中心ループ１４は一般
に矩形でも良く、または他のループ形状（例えば卵形、円形、またはその組合せ
）でも良い。
【００１９】 再度図１において、８字型ループ１２は点線／破線内部に示される増幅された
電圧源１６によって駆動される。別法として、８字型ループ１２は増幅された電
流源（図示せず）によって駆動されても良い。８字型ループ１２は共振／同調コ
ンデンサ２２と２４の組合せによる直列共振回路にあり、それ故電圧上昇が共振
回路のQにより８字型ループ１２の端子間に生じる。共振コンデンサ２２および
２４は一方の端部で電圧源１６のそれぞれの極性に接続され、他方の端部で抵抗
２５のそれぞれの端部に接続される。
【００２０】 中心ループ１４は、電圧源１６への直接的なまたは物理的な接続によって駆動
されるのではない。そうではなくて、８字型ループ１２の磁束の制御された部分
が中心ループ１４によって遮られるという仕方で、それは行なわれる。中心ルー
プ１４はループインダクタ２６と少なくとも一つの静電容量２８を有する直列共
振回路である。直列静電容量２８は一つの固定コンデンサ３０と一つの同調型コ
ンデンサ３２の並列組合せよりなることが好ましい。
【００２１】 得られるアンテナ構造１０において、電圧源１６は８字型ループ１２の電流を
駆動し、８字型ループ１２はそこから時間変動磁界を放射する。８字型ループ１
２のみでは、確立されたフィールドは中心領域において比較的弱い。中心領域を
中心ループ１４で埋めることにより、アンテナ１０は一次時間変動磁界と、一次
フィールドと同じ周波数でかつ一次フィールドに対して９０°位相のずれた二次
フィールドとのベクトル和から得られる、合成回転フィールドを発信することが
できる。
【００２２】 磁気誘導は、Ｎターンを通して時間変動磁束φ（ｔ）により中心ループ１４の
両端間に時間変動電圧ｅ（ｔ）を発生するために使用される。時間変動磁束φ（
ｔ）がｓｉｎ（ωｔ＋θ）によって与えられる時、
【００２３】 φ（ｔ）＝ｓｉｎ（ωｔ＋θ） および ｅ（ｔ）＝Ｎωｃｏｓ（ωｔ＋θ） であり、
【００２４】 すると誘起電圧は Ｎ ωｃｏｓ（ωｔ＋θ） で与えられ、それによって９
０°の位相シフトを引き起こす。
【００２５】 合成フィールドは、操作の基準周波数で回転する。フィールド重畳の仕組みは
、直交位相によって駆動される電気モーターに類似である。だから用語「回転」
フィールドは適切である。 中心ループ１４の電圧上昇は直列共振回路のクオリティファクターＱによって
与えられる。中心ループ１４および８字型ループ１８と２０の重なりが、次いで
平衡した合成フィールドの産出と共振タグの検出を行うために経験的に決定され
る。
【００２６】 本発明の一つの好ましい実施例では、アンテナ１０は無線周波識別（RFID）タ
グに呼び掛ける（インテロゲイトする；問い合わせをする）。RFIDタグは、入り
口または出口での通路を形成する一対のアンテナに差し出された時、検出される
。アンテナ１０は、床出口アンテナ形式で使用されることが好ましい。しかしな
がら手持ちRFIDスキャナーを含めて、他のアンテナ構成も本発明の範囲内である
。
【００２７】 本発明で使用するのに適した従来のRFIDタグの一つは、約１３．５６MHzの一
次共振周波数、すなわち基準周波数を持つ。こうしてアンテナは約１３．５６MH
zの基準周波数を持ち、電圧源１６は約１３．５６MHzの基準周波数を持つ。アン
テナの基準周波数は約１３．５６MHzであることが好ましいが、マイクロ波周波
数を含めて他の無線周波数も本発明の範囲内である。
【００２８】 アンテナ１０はそれがアンテナ検出パターン中の「孔」（ホールズ）を塞ぐの
で、従来の２ループ、８字型アンテナよりも良い。アンテナ１０はまた、中心ゾ
ーンに信号産出を強化するための位相シフト回路網を必要としないので、このよ
うな回路網を使用する従来の３ループアンテナの欠点を受けることはない。また
入り口または出口をカバーするのに十分大きい３ループアンテナは、１３．５６
MHzを超える自己共振を持つ。従ってこのような大きさの従来の３ループアンテ
ナと異なり、本発明によって構成されたアンテナは固定および／または可変静電
容量の適切な追加によって１３．５６MHzに同調できる。
【００２９】 アンテナ１０は、RFID準拠安全システムに特に有用である。アンテナ１０は総
ての可能なタグ／アンテナの方向性について十分な検出性能を与えながら、フィ
ールド射出に関して規制当局によって設定される制約条件の中で操作できる長距
離読取りアンテナシステムの一部として役立つであろう。アンテナ１０の高Ｑ、
単一周波数動作は、緩い磁気的結合／Ｑ上昇の技術に向いている。
【００３０】 この技術は低いＱを持つ広域システムには使用できない。そのようなシステム
においては、結合の重なりは非常に高くなければならないであろうし、そのこと
は中心ループが大きくなければならないであろう、ということを意味する。大き
な単一ループシステムはその遠方フィールド成分を打ち消さず、かつ最適放射に
は向かない。
【００３１】 当該技術に習熟した人々は、広い本発明の思想から逸脱せずに、上記実施例に
変更をなし得るであろう、ということを理解するであろう。従って、本発明は開
示された特定の実施例に限定されるものではなく、添付特許請求の範囲に規定さ
れる本発明の意図とその範囲内の変更を含むと解釈される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好ましい実施例による回転フィールドアンテナの略式図
【図２Ａ】 本発明の第１実施例によるアンテナ構成
【図２Ｂ】 本発明の他の実施例によるアンテナ構成
【図２Ｃ】 本発明の他の実施例によるアンテナ構成
【図２Ｄ】 本発明の他の実施例によるアンテナ構成
【符号の説明】
１０ アンテナ １２ ８字型ループアンテナ １４ 中心ループアンテナ １５ クロスオーバ領域 １６ 電圧源 １８ 上部ループ部 ２０ 下部ループ部 ２４、２６ 共振／同調コンデンサ ２５ 抵抗 ２６ ループインダクタ ２８ 直列静電容量 ３０ 固定コンデンサ ３２ 同調型コンデンサ
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年５月２３日（２０００．５．２３）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ， ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，Ｃ Ｕ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ， ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，Ｌ Ｃ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ， ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，Ｔ Ｊ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 バーバー，ラッセル，イー． アメリカ合衆国，ニユージヤージー州，ソ ロフエアー，ケネデイー コート ８ Ｆターム(参考） 5J021 AA09 AB04 CA06 DB03 EA04 FA05 FA32 GA02 HA05

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）８字型形状を持ち、クロスオーバ領域を含むループ、 （ｂ）８字型ループを駆動する駆動要素、および （ｃ）クロスオーバ領域の少なくとも一部と８字型ループの少なくとも一部と
    重なる中心ループ、但しその中心ループは８字型ループまたは駆動要素との直接
    的つまり物理的電気接続を持たず、かつ磁気誘導が８字型ループの位相と中心ル
    ープの位相との間に９０°の位相差を作り出し、それによってそのアンテナが駆
    動要素によって駆動された時、回転合成フィールドを作り出す（産出する）、 ことを特徴とする多重ループアンテナ。
  2. 【請求項２】 前記８字型ループが互いに並列に接続された上部ループ部と
    下部ループ部を有する、 ことを特徴とする請求項１に記載の多重ループアンテナ。
  3. 【請求項３】 前記中心ループが下部ループ部の頂部区域と重なる底部区域
    を含む、 ことを特徴とする請求項２に記載の多重ループアンテナ。
  4. 【請求項４】 前記中心ループが更に上部ループ部の底部区域と重なる頂部
    区域を含む、 ことを特徴とする請求項３に記載の多重ループアンテナ。
  5. 【請求項５】 前記中心ループと上部および下部ループ部の一方との重なり
    区域が、中心ループと上部および下部ループ部の他方との重なり区域よりも約１
    ０％から約２０％大きい、 ことを特徴とする請求項４に記載の多重ループアンテナ。
  6. 【請求項６】 前記駆動要素が増幅された電圧源である、 ことを特徴とする請求項１に記載の多重ループアンテナ。
  7. 【請求項７】 前記電圧源が約１３．５６MHzの基準周波数を持つ、 ことを特徴とする請求項６に記載の多重ループアンテナ。
  8. 【請求項８】 前記中心ループが、ループインダクタと静電容量とを有する
    直列共振回路である、 ことを特徴とする請求項１に記載の多重ループアンテナ。
  9. 【請求項９】 前記静電容量が固定コンデンサと同調型コンデンサの並列組
    合せである、 ことを特徴とする請求項８に記載の多重ループアンテナ。
  10. 【請求項１０】 前記駆動要素が増幅されている電流源である、 ことを特徴とする請求項１に記載の多重ループアンテナ。
  11. 【請求項１１】 前記クロスオーバ領域の高さが全アンテナの高さの略全体
    の高さの約１／３から約１／２である、 ことを特徴とする請求項１に記載の多重ループアンテナ。
  12. 【請求項１２】 前記８字型ループと中心ループが同一平面にある、 ことを特徴とする請求項１に記載の多重ループアンテナ。
  13. 【請求項１３】 （ａ）前記８字型形状ループ、および （ｂ）前記８字型形状ループに磁気的に結合された中心ループを有する、 ことを特徴とする回転フィールドアンテナ。
  14. 【請求項１４】 更に、（ｃ）前記８字型ループを駆動する駆動要素を有す
    る、 ことを特徴とする請求項１３に記載の回転フィールドアンテナ。
  15. 【請求項１５】 前記８字型形状ループが上部ループ部、下部ループ部およ
    びその間のクロスオーバ領域を持つオフセット８字型形状ループであり、かつ中
    心ループが前記クロスオーバ領域の少なくとも一部と、上部および下部ループ部
    の一方または両方の少なくとも一部と重なり、且つ中心ループがオフセット８字
    型形状ループとの直接的または物理的な電気接続を持たない、 ことを特徴とする請求項１３に記載の回転フィールドアンテナ。
  16. 【請求項１６】 前記中心ループと上部および下部ループ部の一方との重な
    り区域が、中心ループと上部および下部ループ部の他方との重なり区域よりも約
    １０％から約２０％大きい、 ことを特徴とする請求項１５に記載の回転フィールドアンテナ。
JP2000580268A 1998-11-04 1999-10-14 磁気的に結合された方形ループを持つ回転フィールドアンテナ Pending JP2002529948A (ja)

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US09/187,300 1998-11-04
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