WO1998047094A2 - Kontakloses transpondersystem - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a contactless transponder system with a contactless transponder, in particular a contactless chip card, a head station, in particular a read / write station or a read / write station, and an interface for transmitting information and / or energy between the transponder and the head-end station, at the end point of which at least one energy / transmitter coil is provided.
- Such contactless transponder systems are gaining interest, especially in the form of contactless chip cards, for example in connection with security systems.
- An essential feature of these systems is the contactless interface, which is also referred to as a contactless interface.
- Energy is transmitted contactlessly from the head-end station to the contactless transponder via this interface.
- this interface is used to transmit information between the head-end station and the contactless and batteryless transponder.
- the transmission of energy and information generally takes place via a magnetic field. In this case one speaks of a magnetically coupled contactless transponder system.
- End point of the head-end station is provided with a coil which is adapted to the respective application or for the respective operating environment and which serves as an energy and transmission coil (hereinafter referred to as energy / transmission coil).
- the energy / transmitter coil of the contactless transponder system is subject to approval regulations of the relevant national and international approval authorities with regard to a limitation of the field strengths and, on the other hand, a voluntary commitment on the part of the manufacturers with regard to the provision of human / environmentally compatible devices to minimize exposure to so-called "electrosmog".
- the permissible field strength values in Germany are determined by the requirements of the radio approval (e.g. ETS 300330) or by the condition of the medical safety of the generated field strengths (human exposure (e.g. ENV 50166-2, DIN VDE 0848-2)).
- the functional range of the entire contactless transponder system is limited, particularly when the transponder configuration is fixed.
- An ideal energy / transmitter coil is one which generates the magnetic field strength necessary for the operation of the transponder or for the data exchange with the transponder in a defined spatial area in such a way that the field strength is as homogeneous as possible in this area, while outside of in this area, as far as possible, neither magnetic nor electric fields are generated, ie in particular, no energy is emitted in the form of an electromagnetic wave field with far-field effects.
- a material for separating the spatial area in which the function of the contactless transponder system is to be guaranteed and the remaining space outside of this area is not available.
- An object of the present invention is ang 'esichts of this prior art is a non-contact transponder dersystem the type mentioned in the preamble of claim 1 is to provide the far field effect is reduced as much as possible, without adversely affecting the intended Nahfeldrial. This object is achieved by the characterizing features of claim 1. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.
- the invention accordingly provides for compensation measures on the energy / transmitter coil in order to weaken its far field components as much as possible.
- the measure according to the invention consists in providing at least one compensation coil which is assigned to the energy / transmitter coil in order to cancel or compensate for its far field components.
- the compensation coil is advantageously flowed through by a current which generates far-field components which are opposite to those of the energy / transmitter coil.
- the current flow in the compensation coil is preferably opposite to the current flow in the energy / transmitter coil.
- the compensation coil has at least one turn for generating far field components to compensate for the far field components of the energy / transmitter coil, and particularly preferably a plurality of such turns.
- a ⁇ denotes the area enclosed by the energy / transmission coil
- x denotes the number of turns of the energy / transmission coil
- I x denotes the current carried by the energy / transmission coil
- a 2n , W 2n and I 2n the corresponding Denote the area, number of turns and the corresponding current of the nth compensation coil
- k denotes the number of compensation coils.
- the compensation coil is arranged at a predetermined distance from the energy / transmitter coil, this distance being empirical, for example is optimized.
- Fig. 1 is a schematic view of a combination of energy foundry / transmitter coil and bucking coil with Galvanis' cher coupling and coplanar arrangement of the two coils
- Fig. 2 is a schematic representation of a combination of energy / transmitter coil and bucking coil with inductive coupling and co-planar, of the two coils
- FIG. 3 a combination of energy / transmitter coil and four compensation coils with galvanic coupling and coplanar arrangement of the coils
- Fig. 4 shows a combination of energy / transmitter coil and compensation coil with an axially offset arrangement and galvanic coupling of the coils.
- the energy / transmitter coil is generally designated by the reference number 1, while the compensation coil assigned to it is generally designated by the reference number 2.
- the coils 1 and 2 are both circular, are concentric e.g. in a common plane and are galvanically coupled to one another, the compensation coil 2 having a larger diameter than the energy / transmission coil 1.
- the configuration of the coils 1, 2 is such that they are formed from a continuous wire loop, starting at Drop point 3 (9 o'clock position) of the energy / transmitter coil 1.
- the drop point 3 is followed by a 540 ° turn in the counterclockwise direction, which is guided radially outwards at 4 (3 o'clock position) and counterclockwise is continued again by 540 °, in order to then run radially inward at (3 o'clock position) 5 into the area of the coil, where it is returned counterclockwise again by 540 ° to the drop point 6 (9 o'clock position).
- This configuration forms an energy / transmission coil 1 with three turns and a compensation coil with two turns, the turns in the two coils 1, 2 being guided such that opposite currents flow in them, as shown schematically by arrows A and B. so that the far field effect of coil 1 is compensated for by the far field winding of coil 2.
- Fig. 2 shows an embodiment of a combination of energy / transmitter coil and compensation coil with inductive coupling.
- the circular energy / transmission coil 1 again designated by the reference number 1
- the circular compensation coil 2 is arranged concentrically within the circular compensation coil 2, and which via the feed points 3, 6 into the energy / Current coil 1 fed current is inductively transferred to the larger compensation coil 2, in which a two-pole ZP is arranged.
- the current in the compensation coil 2 can be set for the best possible compensation in the far field.
- FIG. 3 shows a further embodiment of a galvanic coupling of energy / transmission and compensation coils, namely an energy / transmission coil 1 with four compensation coils 7, 8, 9, 10, which are generally designated by the reference number 11, radially outside in a cross shape of the centrally arranged energy / transmission coil are arranged in a common plane with it, have diameters of equal size, are significantly smaller than the diameter of the coil 1 and, in contrast, comprise several turns.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein kontaktloses Transpondersystem mit einem kontaktlosen Transponder, insbesondere einer kontaktlosen Chipkarte, einer Kopfstation, insbesondere einer Schreib-/Lesestation bzw. einer Lese-/Schreibstation, und einer Schnittstelle zur Übertragung von Information und/oder Energie zwischen dem Transponder und der Kopfstation an deren Endpunkt wenigstens eine Energie-/Sendespule (1) vorgesehen ist. Um die Fernwirkung der Energie-/Sendespule aufzuheben bzw. zumindest zu verringern, ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass der Energie-/Sendespule (1) wenigstens eine Kompensationsspule (2, 11) zur Kompensation von Fernfeldkomponenten der Energie-/Sendespule (1) zugeordnet ist.
Description
B e s ehr e ibung
Kontaktloses Transpondersystem
Die Erfindung betrifft ein kontaktloses Transpondersystem mit einem kontaktlosen Transponder, insbesondere einer kontaktlosen Chipkarte, einer KopfStation, insbesondere einer Schreib- /Lesestation bzw. einer Lese- /Schreibstation, und einer Schnittstelle zur Übertragung von Information und/oder Ener- gie zwischen dem Transponder und der Kopfstation, an deren Endpunkt wenigstens eine Energie- /Sendespule vorgesehen ist.
Derartige kontaktlose Transpondersysteme gewinnen, vor allem in Gestalt kontaktloser Chipkarten zunehmend beispielsweise in Verbindung mit Sicherheitssysteme an Interesse. Ein wesentliches Merkmal dieser Systeme ist die kontaktlose Schnittstelle, die auch als kontaktloses Interface bezeichnet wird. Über diese Schnittstelle wird kontaktlos Energie von der Kopfstation auf den kontaktlosen Transponder übertragen. Außerdem dient diese Schnittstelle zur Übertragung von Information zwischen der Kopfstation und dem kontakt- und batterielosen Transponder. Für Abstände zwischen dem Endpunkt der KopfStation und dem Transponder von typischerweise bis zu einem Meter erfolgt die Übertragung von Energie und Information im allgemeinen über ein Magnetfeld. In diesem Fall spricht man von einem magnetisch gekoppelten kontaktlosen Transpondersystem.
Zur Erzeugung des Magnetfelds für die Übertragung von Energie und Information von der Kopfstation zum Transponder ist am
Endpunkt der Kopfstation eine auf den jeweiligen Anwendungsfall bzw. für die jeweilige Einsatzumgebung angepaßte Spule vorgesehen, die als Energie- und Sendespule (nachfolgend Energie- /Sendespule genannt) dient.
Die Energie- /Sendespule des kontaktlosen Transpondersystems unterliegt zum einem Zulassungsbestimmungen der einschlägigen
nationalen und internationalen Zulassungsbehörden hinsichtlich einer Begrenzung der Feldstärken wie andererseits einer Selbstverpflichtung der Hersteller bezüglich der Bereitstellung menschen-/umweltverträglicher Geräte zur Geringhaltung einer Belastung durch sogenannten "Elektrosmog" . Die zulässigen Feldstärkenwerte sind in Deutschland durch die Anforderungen der Funkzulassung (z.B. ETS 300330) bzw. durch die Bedingung der medizinischen Unbedenklichkeit der erzeugten Feldstärken (Human Exposure (z.B. ENV 50166-2, DIN VDE 0848- 2)) bestimmt. Während die geforderte medizinische Unbedenklichkeit der erzeugten Felder Anforderungen an die maximal zulässigen Feldstärken im gesamten Raum, und damit insbesondere auch in unmittelbarer Nähe der Energie- /Sendespule stellt, legen die Funkzulassungen die maximale zulässige Feldstärke in einem verglichen mit den Abmessungen der allgemein üblichen Anordnungen von Energie- /Sendespulen relativ großen Abstand fest. Das Unterschreiten der für die medizinische Unbedenklichkeit festgelegten Grenzwerte bereitet im allgemeinen allenfalls in unmittelbarer Umgebung des Leiters der Energie-/Sendespule ein Problem, während das Unterschreiten der Grenzwerte der Funkzulassung, wesentlich problematischer ist und die eigentliche Zulaßbarkeit festlegt.
Durch den Energiebedarf des kontaktlosen Transponders einer- seits und die Bedingungen der maximal zulässigen Feldstärken andererseits wird, insbesondere bei festgelegter Transponder- konfiguration, die Funktionsreichweite des gesamten kontaktlosen Transpondersystems begrenzt.
Vielfach besteht der Wunsch, die durch das kontaktl se Trans- pondersystem erzielbare maximale Reichweite zu vergrößern, d.h. das räumliche Gebiet in dem zuverlässig eine Funktion gewährleistet ist, zu erweitern. Dieser Wunsch steht in unmittelbarer Konkurrenz zur Absenkung des Energiebedarfs des Transponders, der heutzutage bereits soweit abgesenkt ist, wie dies aus technologischen Gründen möglich ist. Andererseits ist eine Leistungserhöhung zu Erweiterung des Funk-
tionsumfangs des kontaktlosen Transpondersystems durch eine Änderung der Transponderkonfiguration, d.h. insbesondere durch eine Vergrößerung der Empfangsspule des Transponders in die Praxis nicht umsetzbar, weil auch hier bereits sämtliche Reserven ausgeschöpft sind bzw. die Chipkartenabmessungen gemäß ISO 7816-1 festgelegt und nicht ohne weiteres änderbar sind.
Die Erzeugung höherer magnetischer Feldstärken mittels der herkömmlichen, allgemein üblichen Energie-/Sendespulen und damit einer Erweiterung des Funktionsumfangs des Transpondersystems ist andererseits nicht statthaft, da die durch die vorstehend aufgezeigten Anforderungen (Funkzulassung, Human Exposure) vorgegebenen Grenzwerte im allgemeinen bereits vollständig ausgenützt sind.
Eine ideale Energie- /Sendespule ist eine solche, die in einem definierten räumlichen Gebiet die zum Betrieb des Transponders bzw. die zum Datenaustausch mit dem Transponder notwen- dige magnetische Feldstärke so erzeugt, daß in diesem Gebiet die Feldstärke möglichst homogen ist, während außerhalb von diesem Gebiet möglichst weder magnetische noch elektrische Felder erzeugt werden, d.h. insbesondere keine Energie in Form eines elektromagnetischen Wellenfelds mit Fernfeldwir- kung abgestrahlt wird. Ein Material zur Trennung zwischen dem räumlichen Gebiet, in welchem die Funktion des kontaktlosen Transpondersystems gewährleistet sein soll und dem restlichen Raum außerhalb dieses Gebiets steht nicht zur Verfügung.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ang'esichts dieses Standes der Technik darin, ein kontaktloses Transpon- dersystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, dessen Fernfeldwirkung so stark wie möglich verringert ist, ohne die beabsichtigte Nahfeldwirkung ungünstig zu beeinflussen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demnach sieht die Erfindung mit anderen Worten Kompensations- maßnahmen an der Energie- /Sendespule vor, um deren Fernfeldkomponenten so stark wie möglich abzuschwächen.
Im einzelnen besteht die erfindungsgemäße Maßnahme im Bereit- stellen wenigstens einer Kompensationsspule, die der Energie- /Sendespule zugeordnet ist, um deren Fernfeldkomponenten aufzuheben bzw. zu kompensieren.
Vorteilhafterweise ist die Kompensationsspule zu diesem Zweck von einem Strom durchflössen, der Fernfeldkomponenten erzeugt, die denjenigen der Energie- /Sendespule entgegengesetzt sind. Bevorzugt ist dabei der Stromfluß in der Kompensationsspule dem Stromfluß in der Energie- /Sendespule entgegengesetzt .
Die Kompensationsspule weist wenigstens eine Windung zur Erzeugung von Fernfeldkomponenten zur Kompensierung der Fernfeldkomponenten der Energie- /Sendespule auf, und besonders bevorzugt mehrere derartige Windungen.
Zur Optimierung der erfindungsgemäß vorgesehen Kompensation von Fernfeldkomponenten der Energie- /Sendespule können auch mehrere Kompensationsspulen vorgesehen werden, wobei folgende Beziehung zwischen der Energie- /Sendespule und der bzw. den ihr zugeordneten Kompensationsspule (n) gilt: k
Al • Wl • II = A„ • W2n • n (1) n=l
wobei Aλ die von der Energie- /Sendespule umschlossene Fläche bezeichnet, wobei x die Windungszahl der Energie- /Sendespule bezeichnet, wobei Ix den von der Energie- /Sendespule geführten Strom bezeichnet, wobei A2n, W2n und I2n die entsprechende
Fläche, Windungszahl und den entsprechenden Strom der n-ten Kompensationsspule bezeichnen, und wobei k die Anzahl der Kompensationsspulen bezeichnet.
Um die Wirksamkeit der Energie-/Sendespule im räumlichen Gebiet, der für den Betrieb des kontaktlosen Transpondersystems vorgesehen ist, möglichst nicht oder zumindest wenig zu stören, ist die Kompensationsspule unter einem vorgegebenen Abstand von der Energie-/Sendespule angeordnet, wobei dieser Abstand beispielsweise empirisch optimiert wird.
Das von der Kombination aus Energie-/Sendespule und Kompensationsspule (n) erzeugte Fernfeld wird durch die vorstehend angeführten erfindungsgemäßen Maßnahmen minimiert (Näherung "tiefe Frequenzen"), wobei die Kompensationswirkung verglichen mit den Abmessungen dieser Spulenkombination in relativ geringerer Entfernung von dieser Kombination einsetzt.
Grundsätzlich bestehen zwei unterschiedliche Möglichkeiten zur Realisierung der Kompensationsspule (n) , nämlich einerseits durch eine induktive Ankopplung der Kompensationsspule an die Energie- /Sendespule und andererseits durch eine galvanische Verbindung dieser beiden Spulen, die im übrigen bevorzugt allgemein kreisförmig gebildet sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Kombination aus Ener- gie- /Sendespule und Kompensationsspule mit galvanis'cher Ankopplung und koplanarer Anordnung der beiden Spulen, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kombination aus Energie-/Sendespule und Kompensationsspule mit induktiver Kopplung und koplanarer Anordnung der beiden Spulen, Fig. 3 eine Kombination aus Energie- /Sendespule und vier Kom- pensationsspulen mit galvanischer Kopplung und koplanarer Anordnung der Spulen, und
Fig. 4 eine Kombination aus Energie- /Sendespule und Kompensationsspule mit axial versetzter Anordnung und galvanischer Kopplung der Spulen.
In Fig. 1 ist die Energie- /Sendespule allgemein mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet, während die ihr zugeordnete Kompensationsspule allgemein mit der Bezugsziffer 2 bezeichnet ist. Die Spulen 1 und 2 haben beide Kreisform, liegen konzentrisch z.B. in einer gemeinsamen Ebene und sind galvanisch miteinan- der gekoppelt, wobei die Kompensationsspule 2 einen größeren Durchmesser hat als die Energie- /Sendespule 1. Die Konfiguration der Spulen 1, 2 ist so getroffen, daß sie aus einer durchgehenden Drahtschleife gebildet sind, beginnend beim Aufgabepunkt 3 (9 -Uhr-Position) der Energie- /Sendespule 1. An den Aufgabepunkt 3 schließt sich im Gegenuhrzeigersinn verlaufend eine 540° -Windung an, die bei 4 (3-Uhr-Position) radial nach außen geführt ist und im Gegenuhrzeigersinn erneut um 540° fortgesetzt ist, um daraufhin bei (3-Uhr-Position) 5 radial einwärts in den Bereich der Spule zu verlaufen, wo sie im Gegenuhrzeigersinn wiederum um 540° zum Aufgabepunkt 6 (9- Uhr-Position) zurückgeführt ist. Durch diese Konfiguration ist eine Energie- /Sendespule 1 mit drei Windungen und eine Kompensationsspule mit zwei Windungen gebildet, wobei die Windungen in den beiden Spulen 1, 2 so geführt sind, daß in ihnen entgegengesetzte Ströme fließen, wie durch Pfeile A und B schematisch gezeigt, so daß die Fernfeldwirkung der Spule 1 durch die Fernfeldwicklung der Spule 2 kompensiert wird.
Für die Anordnung von Fig. 1 gilt in Gleichung (1) Wx = 3, W2 = 2, und R2 » 1,22 x R .
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer Kombination aus Energie- /Sendespule und Kompensationsspule mit induktiver Kopplung. Zu diesem Zweck ist die wiederum mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete kreisförmige Energie- /Sendespule 1 konzentrisch innerhalb der kreisförmigen Kompensationsspule 2 angeordnet, und der über die Aufgabepunkte 3, 6 in die Energie-
/Sendespule 1 eingespeiste Strom wird induktiv auf die umfanggrößere Kompensationsspule 2 übertragen, in welcher ein Zweipol ZP angeordnet ist. Mit Hilfe des Zweipols ZP kann der Strom in der Kompensationsspule 2 für bestmögliche Kompensa- tion im Fernfeld eingestellt werden.
Für die Anordnung von Fig. 2 gilt in Gleichung (1) Wx = W2 = 1.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform einer galvanischen Kopplung von Energie- /Sende- und Kompensationsspulen, und zwar einer Energie- /Sendespule 1 mit vier Kompensationsspulen 7, 8, 9, 10, die allgemein mit der Bezugsziffer 11 gemeinsam bezeichnet, kreuzartig radial außerhalb von der zentral ange- ordneten Energie- /Sendespule in einer gemeinsamen Ebene mit dieser angeordnet sind, untereinander gleich große Durchmesser, deutlich kleiner als der Durchmesser der Spule 1 aufweisen und im Gegensatz zu dieser mehrere Windungen umfassen.
Fig. 4 zeigt eine axial versetzte Anordnung von zwei gleich großen, koaxialen kreisförmigen Energie- /Sende- und Kompensa- tionsspulen 1, 2 mit Aufgabepunkten 12, 13, ebenfalls jeweils in Kreisform, wobei der Stromfluß wiederum durch Pfeile A, B bezeichnet ist.
Claims
1. Kontaktloses Transpondersystem mit einem kontaktlosen Transponder, insbesondere einer kontaktlosen Chipkarte, einer Kopfstation, insbesondere einer Schreib- /Lesestation bzw. einer Lese-/Schreibstation, und einer Schnittstelle zur Übertragung von Information und/oder Energie zwischen dem Transponder und der Kopfstation an deren Endpunkt wenigstens eine Energie- /Sendespule (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Energie- /Sendespule (1) wenigstens eine Kompensationsspule (2, 11) zur Kompensation von Fernfeldkomponeten der Energie- /Sendespule (1) zugeordnet ist.
2. Kontaktloses Transpondersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspule (2, 11) von einem Strom durchflössen ist, der Fernfeldkomponenten erzeugt, die denjenigen der Energie- /Sendespule (1) entgegengerichtet sind.
3. Kontaktloses Transpondersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromfluß in der Kompensationsspule (2, 11) demjenigen in der Energie- /Sendespule entgegengesetzt ist.
4. Kontaktloses Transpondersystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspule (2, 11) wenigstens eine Windung aufweist.
Kontaktloses Transpondersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Beziehung zwischen der Energie- /Sendespule (1) und der bzw. den zugeordneten Kompensationsspule (n) (1, 11) gilt:
6. Kontaktloses Transpondersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensations- spulen (2, 11) unter einem vorgegebenen Abstand von der Energie- /Sendespule (1) angeordnet ist.
7. Kontaktloses Transpondersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspule (1, 11) gegebenenfalls über eine Steuerschaltung an die Energie- /Sendespule gekoppelt ist.
Kontaktloses Transpondersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspule (1) induktiv an die Energie- /Sendespule (2) gekoppelt ist.
9. Kontaktloses Transpondersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zweipol (ZP) vorgesehen ist, mit dessen Hilfe der ström in der Kompensationsspule (2) für bestmögliche Kompensation bei der Betreibstrequenz eisteilbar ist.
10. Kontaktloses Transpondersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspule (2, 11) in Reihe zu der Energie- /Sendespule (1) geschaltet ist.
11. Kontaktloses Transpondersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie-
/Sendespule (1) und die Kompensationsspule (1, 11) allgemein kreisförmige Form aufweisen.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AK | Designated states |
Kind code of ref document: A2 Designated state(s): BR CN JP KR MX RU UA US |
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| AL | Designated countries for regional patents |
Kind code of ref document: A2 Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE |
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| DFPE | Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101) | ||
| AK | Designated states |
Kind code of ref document: A3 Designated state(s): BR CN JP KR MX RU UA US |
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| AL | Designated countries for regional patents |
Kind code of ref document: A3 Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE |
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: JP Ref document number: 1998543375 Format of ref document f/p: F |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |