JP2016040881A - 検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
本発明は、電界の検出感度を向上し得る検出装置を提案する。
【解決手段】
本発明の検出装置1は、差動アンプ11と、当該差動アンプ11の一方の入力端に接続される第1電極12と、当該差動アンプ11の他方の入力端に接続される第2電極13とを備える。第1電極12は、誘電体DL1に覆われる。第2電極13は、第1電極12を覆う誘電体DL1の誘電率よりも小さい誘電率を有する誘電体DL2に覆われる。このような検出装置1が例えば人体の手で握られた場合、人体と第1電極12との結合が、当該人体と第2電極13との結合よりも強くなり、第1電極12と第2電極13との間には電位差が生じ、差動アンプ11の利得が高まる。
【選択図】 図1
本発明は、電界の検出感度を向上し得る検出装置を提案する。
【解決手段】
本発明の検出装置1は、差動アンプ11と、当該差動アンプ11の一方の入力端に接続される第1電極12と、当該差動アンプ11の他方の入力端に接続される第2電極13とを備える。第1電極12は、誘電体DL1に覆われる。第2電極13は、第1電極12を覆う誘電体DL1の誘電率よりも小さい誘電率を有する誘電体DL2に覆われる。このような検出装置1が例えば人体の手で握られた場合、人体と第1電極12との結合が、当該人体と第2電極13との結合よりも強くなり、第1電極12と第2電極13との間には電位差が生じ、差動アンプ11の利得が高まる。
【選択図】 図1
Description
本発明は検出装置に関し、例えば、人体などの通信媒体に誘起される電界を用いて通信する場合に好適なものである。
従来、人体などの通信媒体に誘起される電界を用いて信号を送受信するカード装置が提案されている(特許文献1参照)。このカード装置では、人体に誘起される電界が、平板状の筺体において対向する面に配置された一対の電極間の電位差として捉えられ、これが差動アンプで増幅される。
しかしながら、上記特許文献1のカード装置が利用者によって握られた場合、その端末内で平行に配置される一対の電極が人体を介して短絡することによって差動アンプの利得が著しく低下し、電界の検出感度が悪くなる問題があった。
本発明はこのような問題を解決することを目的として、電界の検出感度を向上し得る検出装置を提案する。
かかる課題を解決するため本発明の検出装置は、差動アンプと、前記差動アンプの一方の入力端に接続される第1電極と、前記差動アンプの他方の入力端に接続される第2電極とを備え、前記第1電極は、誘電体に覆われ、前記第2電極は、前記第1電極を覆う誘電体の誘電率よりも小さい誘電率を有する誘電体に覆われることを特徴とする。
このような検出装置では、当該検出装置が例えば人体の手で握られた場合、人体と第1電極との間に介在する誘電体の誘電率が、当該人体と第2電極との間に介在する誘電体の誘電率よりも大きい。このため、人体と第1電極との結合が、当該人体と第2電極との結合よりも強くなり、第1電極と第2電極との間には電位差が生じることになる。したがって、検出装置が人体の手で握られたとしても差動アンプの利得を高めることができ、当該人体を通信媒体として誘起される電界を電位差として良好に捕捉することができる。こうして、電界の検出感度を向上し得る検出装置が実現される。
なお、このような検出装置を防水性の袋に入れて塩水中に配置しても、所定の発振源から発振される交番電界を電位差として良好に捕捉することが本発明者らにより確認されている。
なお、このような検出装置を防水性の袋に入れて塩水中に配置しても、所定の発振源から発振される交番電界を電位差として良好に捕捉することが本発明者らにより確認されている。
以下、本発明における実施形態について図面を用いながら詳細に説明する。図1は、本実施形態の検出装置1を示す図である。図1に示すように、本実施形態の検出装置1は、差動アンプ11、第1電極12、第2電極13、一対の平滑部材14及び15を主な構成要素として備える。
第1電極12は、差動アンプ11における第1の入力端IN1に電線21を通じて接続されており、当該第1電極12と隙間を隔てることなく誘電体DL1に覆われる。なお、電線21のうち第1電極12の接続端から入力端IN1の途中部位までの電線部分は、当該電線部分と隙間を隔てることなく誘電体DL1に覆われる。また、図1では、便宜上、電線21が平滑部材14を貫通しているように示されているが、当該電線21は平滑部材14を貫通しておらず、一対の平滑部材14及び15と誘電体DL1及びDL2に囲まれる領域を介して差動アンプ11と第1電極12とが接続される。
本実施形態の場合、第1電極12は板状とされ、誘電体DL1は導電性よりも誘電性が優位となる固形部材とされる。この固形部材の材料としては、例えば、アクリロニトリル(Acrylonitrile)、ブタジエン(Butadiene)及びスチレン(Styrene)の共重合合成樹脂(ABS樹脂)、フェノール樹脂、セラミックなどが挙げられる。
第2電極13は、差動アンプ11における第2の入力端IN2に電線22を通じて接続されており、当該第1電極12の厚さ方向とは直交方向であって第1電極12を覆う誘電体DL1の側方に配置される。このように第2電極13が配置されることで検出装置1を薄厚化することが可能となる。本実施形態の場合、第2電極13は第1電極12と同一の形状及び同一の大きさとされ、第1電極12における広面と第2電極13の広面とが同じ直線上を通るように、第1電極12の側方へ並べて配置される。
また、第2電極13は、当該第2電極13と隙間を隔てることなく誘電体DL2に覆われる。なお、電線22のうち第2電極13の接続端から入力端IN2の途中部位までの電線部分は、当該電線部分と隙間を隔てることなく誘電体DL2に覆われる。
誘電体DL2は、第1電極12を覆う誘電体DL1の誘電率よりも小さい誘電率を有するものとされる。本実施形態の場合、誘電体DL2は、導電性よりも誘電性が優位となる固形部材とされる。この固形部材の材料としては、例えば、誘電体DL1と同様のものが挙げられ、誘電体DL1の材料がフェノール樹脂である場合にはABS樹脂などが挙げられる。
このような第1電極12と第2電極13との相対的な位置関係は固定とされ、検出装置1内での第1電極12及び第2電極13の配置位置も固定とされる。
一対の平滑部材14及び15は、第1電極12及び第2電極13に生じる電荷の分布の偏りを低減して滑らかにする部材であり、当該第1電極12を覆う誘電体DL1及び第2電極13を覆う誘電体DL2を挟んで対向される。
本実施形態の場合、平滑部材14及び15は、誘電性よりも導電性が優位となる固形部材とされる。具体的には、例えば、銅やタングステンなどの単一金属、あるいは、金属同士や金属と炭素とを含む合金などが挙げられる。また、平滑部材14と平滑部材15との形状及び大きさは同一とされ、平滑部材14から第1電極12及び第2電極13までの距離と、平滑部材15から第1電極12及び第2電極13までの距離とも同一とされる。
図2は、検出装置1が人体HUの手で握られた場合における電気的結合の様子を示す図である。図2に示すように、人体HUと平滑部材14との間には静電容量C1が形成され、当該人体HUと平滑部材15との間には静電容量C2が形成される。
なお、検出装置1が人体HUの手で握られているか否かにかかわらず、平滑部材14と第1電極12との間には静電容量Caが形成され、当該平滑部材14と第2電極13との間には静電容量Cbが形成される。同様に、平滑部材15と第1電極12との間には静電容量Caが形成され、当該平滑部材15と第2電極13との間には静電容量Cbが形成される。
上述したように、第1電極12と一対の平滑部材14及び15とに介在する誘電体DL1は、第2電極13と一対の平滑部材14及び15とに介在する誘電体DL2の誘電率よりも大きい。
このため、第1電極12と一対の平滑部材14及び15との間の静電容量Caは、第2電極13と一対の平滑部材14及び15との間の静電容量Cbよりも大きい。つまり、第1電極12と一対の平滑部材14及び15との結合が、第2電極13と一対の平滑部材14及び15との結合よりも強い状態である。
したがって、一対の平滑部材14及び15が人体HUの手で包含されることで、当該人体HUと平滑部材14との間の静電容量C1、及び、人体HUと平滑部材15との間の静電容量C2が同程度となっても、第1電極12と第2電極13との間には電位差が生じることになる。
このため、第1電極12と一対の平滑部材14及び15との間の静電容量Caは、第2電極13と一対の平滑部材14及び15との間の静電容量Cbよりも大きい。つまり、第1電極12と一対の平滑部材14及び15との結合が、第2電極13と一対の平滑部材14及び15との結合よりも強い状態である。
したがって、一対の平滑部材14及び15が人体HUの手で包含されることで、当該人体HUと平滑部材14との間の静電容量C1、及び、人体HUと平滑部材15との間の静電容量C2が同程度となっても、第1電極12と第2電極13との間には電位差が生じることになる。
ところで、一対の平滑部材14及び15が省略された場合であっても、第1電極12と第2電極13との間には電位差が生じる。
すなわち、一対の平滑部材14及び15が省略された場合、人体HUと第1電極12との間に静電容量が形成され、当該人体HUと第2電極13との間に静電容量が形成されることになるが、人体HUと第1電極12との間に介在する誘電体DL1は、人体HUと第2電極13との間に介在する誘電体DL2の誘電率よりも大きい。
このため、人体HUと第1電極12との間に形成される静電容量は、当該人体HUと第2電極13との間に形成される静電容量よりも大きい状態となり、一対の平滑部材14及び15がある場合と同様に、第1電極12と第2電極13との間には電位差が生じることになる。
ただし、一対の平滑部材14及び15があるほうが好ましい。例えば、第2電極13だけを摘むように検出装置1が把持される場合が生じ得る。この場合、一対の平滑部材14及び15が省略されていると、第1電極12を覆う誘電体DL1の誘電率が、第2電極13を覆う誘電体DL2の誘電率よりも大きくても、人体HUと第1電極12との間に形成される静電容量と、当該人体HUと第2電極13との間に形成される静電容量とが同程度となることが想定し得る。このように、人体HUの持ち方などによって第1電極12と第2電極13との間に電位差が生じる場合と生じない場合とを低減する観点では、一対の平滑部材14及び15があるほうが好ましい。
すなわち、一対の平滑部材14及び15が省略された場合、人体HUと第1電極12との間に静電容量が形成され、当該人体HUと第2電極13との間に静電容量が形成されることになるが、人体HUと第1電極12との間に介在する誘電体DL1は、人体HUと第2電極13との間に介在する誘電体DL2の誘電率よりも大きい。
このため、人体HUと第1電極12との間に形成される静電容量は、当該人体HUと第2電極13との間に形成される静電容量よりも大きい状態となり、一対の平滑部材14及び15がある場合と同様に、第1電極12と第2電極13との間には電位差が生じることになる。
ただし、一対の平滑部材14及び15があるほうが好ましい。例えば、第2電極13だけを摘むように検出装置1が把持される場合が生じ得る。この場合、一対の平滑部材14及び15が省略されていると、第1電極12を覆う誘電体DL1の誘電率が、第2電極13を覆う誘電体DL2の誘電率よりも大きくても、人体HUと第1電極12との間に形成される静電容量と、当該人体HUと第2電極13との間に形成される静電容量とが同程度となることが想定し得る。このように、人体HUの持ち方などによって第1電極12と第2電極13との間に電位差が生じる場合と生じない場合とを低減する観点では、一対の平滑部材14及び15があるほうが好ましい。
なお、図2における等価回路としては図3のようになる。この図3のRaは差動アンプ11における一方の入力端IN1の入力インピーダンスを表し、Rbは差動アンプ11における他方の入力端IN2の入力インピーダンスを表している。また、ESは交流電源であり人体HUに相当している。
このように、検出装置1外部に配置される人体HU等の電気伝導体と第1電極12及び第2電極13とで静電容量が形成される場合に、その電気伝導体と第1電極12とで形成される静電容量と、電気伝導体と第2電極13とで形成される静電容量とで差が生じるように、第2電極13を覆う誘電体DL2の誘電率が第1電極12を覆う誘電体DL1の誘電率よりも小さくなっている。
以上のとおり、本実施形態における検出装置1では、記第1電極12が誘電体DL1に覆われ、第2電極13が第1電極12を覆う誘電体DL1の誘電率よりも小さい誘電率を有する誘電体DL2に覆われる。
このような検出装置1では、当該検出装置1が例えば人体の手で握られた場合、人体と第1電極12との間に介在する誘電体の誘電率が、当該人体と第2電極13との間に介在する誘電体の誘電率よりも大きい。
このため、人体と第1電極12との結合が、当該人体と第2電極13との結合よりも強くなり、第1電極12と第2電極13との間には電位差が生じることになる。したがって、検出装置1が人体の手で握られたとしても差動アンプ11の利得を高めることができ、当該人体を通信媒体として誘起される電界を電位差として良好に捕捉することができる。こうして、電界の検出感度を向上し得る検出装置1が実現される。
なお、このような検出装置1を防水性の袋に入れて塩水中に配置しても、所定の発振源から発振される交番電界を電位差として良好に捕捉することが本発明者らにより確認されている。このシミュレーションについては後述する。
上記実施形態が例として説明されたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することが可能である。
例えば上記実施形態では、第1電極12及び第2電極13の形状が板状とされた。しかしながら、第1電極12及び第2電極13は、例えば球、半球あるいは楕円などの形状を適用することができ、当該形状以外にも様々な形状を幅広く適用することができる。なお、第1電極12と第2電極13との形状、あるいは、第1電極12と第2電極13との大きさは同じであっても異なっていても良い。
ところで、第1電極12の表面積が第2電極13の表面積よりも大きくされた場合、あるいは、第1電極12の体積が第2電極13の体積よりも大きくされた場合、検出装置1を覆う人体等の物体と第1電極との結合が、当該物体と第1電極との結合よりも強くなる。このため、上記実施形態の場合に比べて、第1電極12と第2電極13との間に生じる電位の差がより一段と大きくなる。したがって、検出装置1における電界の検出感度を向上させる観点では、第1電極12の表面積が第2電極13の表面積よりも大きい場合、あるいは、第1電極12の体積が第2電極13の体積よりも大きい場合がより好ましい。
ところで、第1電極12の表面積が第2電極13の表面積よりも大きくされた場合、あるいは、第1電極12の体積が第2電極13の体積よりも大きくされた場合、検出装置1を覆う人体等の物体と第1電極との結合が、当該物体と第1電極との結合よりも強くなる。このため、上記実施形態の場合に比べて、第1電極12と第2電極13との間に生じる電位の差がより一段と大きくなる。したがって、検出装置1における電界の検出感度を向上させる観点では、第1電極12の表面積が第2電極13の表面積よりも大きい場合、あるいは、第1電極12の体積が第2電極13の体積よりも大きい場合がより好ましい。
また上記実施形態では、第1電極12とその第1電極12を覆う誘電体DL1との間、及び、第2電極13とその第2電極13を覆う誘電体DL2との間には隙間が形成されていなかったが、当該隙間が形成されていても良い。
また上記実施形態では、第2電極13を覆う誘電体DL2が固形部材とされた。しかしながら、図4に示すように、誘電体DL2は空気とされても良い。このように誘電体DL2が空気とされる場合、第2電極13が固形部材に覆われることなく、第1電極12を覆う誘電体DL1の側方の位置で支持される。なお、図4の例では、第2電極13の側端部が、第1電極12を覆う誘電体DL1の側面に固着され支持される。
このように誘電体DL2が空気とされた場合、上記実施形態の場合に比べて、誘電体DL1の誘電率との差を大きくすることができるため、検出装置1を覆う人体等の物体と第1電極との結合が、当該物体と第1電極との結合よりも強くなる。したがって、検出装置1における電界の検出感度を向上させる観点では、誘電体DL2が空気とされる場合がより好ましい。
このように誘電体DL2が空気とされた場合、上記実施形態の場合に比べて、誘電体DL1の誘電率との差を大きくすることができるため、検出装置1を覆う人体等の物体と第1電極との結合が、当該物体と第1電極との結合よりも強くなる。したがって、検出装置1における電界の検出感度を向上させる観点では、誘電体DL2が空気とされる場合がより好ましい。
また上記実施形態では、第2電極13が第1電極12の厚さ方向とは直交方向であって第1電極12を覆う誘電体DL1の側方に配置された。しかしながら、第2電極13は、例えば、誘電体DL1の側方ではあるが、第1電極12の側方へ並べて配置されていなくても良い。また、第1電極12の厚さ方向に配置されていても良い。ただし、検出装置1を薄厚化する観点では、第1電極12の厚さ方向とは直交方向であって第1電極12を覆う誘電体DL1の側方に第2電極13を配置することが好ましい。
また上記実施形態では、一対の平滑部材14及び15の形状が板状とされたが、様々な形状を幅広く適用することができる。なお、平滑部材14と平滑部材15との形状、あるいは、平滑部材14と平滑部材15との大きさは同じであっても異なっていても良い。また、平滑部材14及び15は、第1電極12及び第2電極13に生じる電荷の分布の偏りを低減するのであれば、誘電性が導電性よりも優位となる部材であっても良い。ただし、第1電極12及び第2電極13に生じる電荷の分布の偏りをより低減する効果を高める観点では、平滑部材14及び15が導電性部材とされる場合がより好ましい。さらに、一対の平滑部材14及び15は省略されても良いが、上述したように、人体の持ち方などによって第1電極12と第2電極13との間に電位差が生じる場合と生じない場合とを低減する観点では、一対の平滑部材14及び15があるほうが好ましい。
次に、上記実施形態のシミュレーションに関して説明する。ただし、本発明は、このシミュレーションに限定されるものではない。
<シミュレーション方法>
塩分濃度が3.5%の塩水を水槽に貯留し、その水槽の外側に交番電界の発振源としてファンクションジェネレータを配置した。このファンクションジェネレータはGWInstek社製のSFG-2110を使用し、出力電圧を2.52Vとし、周波数を5MHzとした。
また、互いに異なる構造でなる複数の電極対を用意し、これら電極対をそれぞれ別の防水性の袋に入れて塩水中に浸し、当該電極対における電位差をスペクトラムアナライザで測定した。このスペクトラムアナライザはAnritsu社製のMS2721Bを使用した。
電極対としては、第1に、図4に示す第1電極12及び第2電極13と、図4に示す誘電体DL1をABS樹脂でなる固形部材とした電極対(以下、第1実施例という)を用意した。第2に、図4に示す第1電極12及び第2電極13と、図4に示す誘電体DL1をフェノール樹脂でなる固形部材とした電極対(以下、第2実施例という)を用意した。第3に、図1に示す第1電極12及び第2電極13と、図1に示す誘電体DL1をフェノール樹脂でなる固形部材とし、図1に示す誘電体DL2をABS樹脂でなる固形部材とした電極対(以下、第3実施例という)を用意した。第4に、一対の平板電極を平行に配置した電極対(以下、比較例という)を用意した。
なお、上記誘電体DL1及びDL2のサイズは、それぞれ、縦幅45mm×横幅55mm×厚さ2mmとした。また、上記第1電極12及び第2電極13と平板電極とのサイズは、それぞれ、縦幅40mm×横幅40mm×厚さ0.1mmとした。
<シミュレーション結果>
上述のシミュレーション方法で得た結果を図5に示す。図5に示す実施例1〜実施例3と、比較例との比較から、電極対の一方と他方とを覆う誘電体の誘電率に差を設ければ、当該電極対を塩水中に配置しても交番電界を電位差として良好に捕捉できることが分かった。
<シミュレーション方法>
塩分濃度が3.5%の塩水を水槽に貯留し、その水槽の外側に交番電界の発振源としてファンクションジェネレータを配置した。このファンクションジェネレータはGWInstek社製のSFG-2110を使用し、出力電圧を2.52Vとし、周波数を5MHzとした。
また、互いに異なる構造でなる複数の電極対を用意し、これら電極対をそれぞれ別の防水性の袋に入れて塩水中に浸し、当該電極対における電位差をスペクトラムアナライザで測定した。このスペクトラムアナライザはAnritsu社製のMS2721Bを使用した。
電極対としては、第1に、図4に示す第1電極12及び第2電極13と、図4に示す誘電体DL1をABS樹脂でなる固形部材とした電極対(以下、第1実施例という)を用意した。第2に、図4に示す第1電極12及び第2電極13と、図4に示す誘電体DL1をフェノール樹脂でなる固形部材とした電極対(以下、第2実施例という)を用意した。第3に、図1に示す第1電極12及び第2電極13と、図1に示す誘電体DL1をフェノール樹脂でなる固形部材とし、図1に示す誘電体DL2をABS樹脂でなる固形部材とした電極対(以下、第3実施例という)を用意した。第4に、一対の平板電極を平行に配置した電極対(以下、比較例という)を用意した。
なお、上記誘電体DL1及びDL2のサイズは、それぞれ、縦幅45mm×横幅55mm×厚さ2mmとした。また、上記第1電極12及び第2電極13と平板電極とのサイズは、それぞれ、縦幅40mm×横幅40mm×厚さ0.1mmとした。
<シミュレーション結果>
上述のシミュレーション方法で得た結果を図5に示す。図5に示す実施例1〜実施例3と、比較例との比較から、電極対の一方と他方とを覆う誘電体の誘電率に差を設ければ、当該電極対を塩水中に配置しても交番電界を電位差として良好に捕捉できることが分かった。
なお、検出装置1の各構成要素は、上記実施形態若しくは変形例に示された内容以外に限定されず、本発明の目的を達せできる範囲内において、適宜、省略、変更、周知技術の付加などできる。
本発明は、人体などの電界通信媒体に誘起された電界を用いて通信する分野などにおいて利用可能性がある。
1……検出装置
11……差動アンプ
12……第1電極
13……第2電極
14,15……平滑部材
11……差動アンプ
12……第1電極
13……第2電極
14,15……平滑部材
Claims (6)
- 差動アンプと、
前記差動アンプの一方の入力端に接続される第1電極と、
前記差動アンプの他方の入力端に接続される第2電極と
を備え、
前記第1電極は、誘電体に覆われ、
前記第2電極は、前記第1電極を覆う誘電体の誘電率よりも小さい誘電率を有する誘電体に覆われる
ことを特徴とする検出装置。 - 前記第1電極を覆う誘電体及び前記第2電極を覆う誘電体を挟んで対向され、前記第1電極及び前記第2電極に生じる電荷の分布の偏りを低減する一対の平滑部材
をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の検出装置。 - 前記第2電極は、前記第1電極の厚さ方向とは直交方向に配置される
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の検出装置。 - 前記第1電極を覆う誘電体は固形部材であり、前記第2電極を覆う誘電体は空気である
ことを特徴とする請求項3に記載の検出装置。 - 前記第1電極を覆う誘電体は固形部材であり、前記第2電極を覆う誘電体は前記第1電極を覆う誘電体の誘電率よりも小さい誘電率を有する固形部材である
ことを特徴とする請求項3に記載の検出装置。 - 前記第1電極の表面積は、前記第2電極の表面積よりも大きい
ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の検出装置。
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PCT/JP2015/072823 WO2016024603A1 (ja) | 2014-08-12 | 2015-08-12 | 検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014164563A JP2016040881A (ja) | 2014-08-12 | 2014-08-12 | 検出装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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ID=55304230
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014164563A Pending JP2016040881A (ja) | 2014-08-12 | 2014-08-12 | 検出装置 |
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WO (1) | WO2016024603A1 (ja) |
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Citations (2)
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JP2008027219A (ja) * | 2006-07-21 | 2008-02-07 | Sony Corp | 情報処理システム、受信装置および方法、記録媒体、並びにプログラム |
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2014
- 2014-08-12 JP JP2014164563A patent/JP2016040881A/ja active Pending
-
2015
- 2015-08-12 WO PCT/JP2015/072823 patent/WO2016024603A1/ja active Application Filing
Patent Citations (2)
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---|---|---|---|---|
JP2008027219A (ja) * | 2006-07-21 | 2008-02-07 | Sony Corp | 情報処理システム、受信装置および方法、記録媒体、並びにプログラム |
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