JP3793822B1 - マイクロウエーブセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】 受動型赤外線センサなどを追加することなく、金属板などによるマスキング行為を検出可能なマイクロウエーブセンサを提供する。
【解決手段】 送信アンテナ部A1の経路上に接続される第1の方向性結合器DC1と、受信アンテナ部A2の経路上に接続される第2の方向性結合器DC2と、これらの各モニタ出力に基づいて、送信アンテナ部A1における反射特性に対応する散乱パラメータS11と送信アンテナ部A1から受信アンテナ部A2への伝送特性に対応する散乱パラメータS21とを求めるとともに、これらの散乱パラメータS11および散乱パラメータS21の少なくとも一方がそれぞれに予め定められた所定範囲外の値となる状態が所定時間以上継続したときに警告信号Dout2を出力する判定部4とを備える。
【選択図】 図1
【解決手段】 送信アンテナ部A1の経路上に接続される第1の方向性結合器DC1と、受信アンテナ部A2の経路上に接続される第2の方向性結合器DC2と、これらの各モニタ出力に基づいて、送信アンテナ部A1における反射特性に対応する散乱パラメータS11と送信アンテナ部A1から受信アンテナ部A2への伝送特性に対応する散乱パラメータS21とを求めるとともに、これらの散乱パラメータS11および散乱パラメータS21の少なくとも一方がそれぞれに予め定められた所定範囲外の値となる状態が所定時間以上継続したときに警告信号Dout2を出力する判定部4とを備える。
【選択図】 図1
Description
本発明は、マイクロ波によって侵入者などを検出するマイクロウエーブセンサに関し、特に、金属板などを使用したマスキング行為などの画策に対処可能なマイクロウエーブセンサに関する。
従来、防犯センサの一つとして、マイクロ波を検出エリアに向けて送信し、検出エリア内に人体(侵入者)が存在する場合には、その人体からの反射波(ドップラー効果によって変調したマイクロ波)を受信して人体を検出するマイクロウエーブセンサが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
さらに、マイクロウエーブセンサの1タイプとして、周波数の異なる複数のマイクロ波を利用して検出エリア内に存在する人体等の物体(以下、ターゲットと呼ぶ)までの距離を計測するようにしたものも知られている。この種のセンサは、例えば、周波数の異なる2種類のマイクロ波を検出エリアに向けて送信し、それぞれの反射波に基づく2つのIF信号の位相差を検出するようになっている。この位相差はターゲットまでの距離に相関があり、ターゲットまでの距離が大きいほど位相差も大きくなる傾向がある。つまり、この位相差を求めることによりターゲットまでの距離を計測することが可能である。また、この位相差の時間的な変化を認識することにより検出エリア内のターゲットが移動しているか否かを判定することも可能である。これにより、例えば、検出エリア内で移動しているターゲットのみを、検出すべきターゲット(侵入者)として判定することが可能になる。
ところが、このようなマイクロウエーブセンサに対する画策として、マイクロウエーブセンサのアンテナ部に金属板や金属ボックスが被せられたり金属テープなどが貼られたりするなどのいわゆるマスキング行為が行われることがある。このような場合、アンテナ部からのマイクロ波の電磁界の放射が妨げられてしまい、検出エリア内のターゲットの監視に支障を来してしまうことになる。
そこで、マイクロウエーブセンサと受動型赤外線センサ(PIRセンサ)とを組み合わせることによってマスキング行為を検出可能にした組合せセンサシステム(例えば、特許文献2参照。)も提案されている。この組合せセンサシステムは、可視光線よりも低周波の電磁波を検知エリアに向けて発信し、人体からの反射波を受信して人体を検出する第1のセンサと、前記検知エリアと重なる第2の検知エリア内の人体からの赤外線を受けて人体を検知する第2のセンサとを有するセンサ部と、前記第1のセンサからの第1検出信号が第1しきい値を超えたときに検知エリア内に人体が存在することを検出する第1の検出回路と、前記第1のセンサからの第1検出信号が前記第1しきい値よりも高い第2しきい値を超えたとき前記センサ部に人体が接近したことを検出する第2の検出回路と、前記第2のセンサからの第2検出信号が第3しきい値を超えたときに前記検知エリア内に人体が存在することを検出する第3の検出回路と、前記第2の検出回路による検出後の一定時間内に前記第3の検出回路による検出がなされなかったとき、妨害行為があったと判別して妨害検知信号を出力する判別回路とを備えたことを特徴とするものである。
特開平7−37176号公報
特開平11−39574号公報
しかしながら、上述の特許文献2のような従来技術では、マイクロウエーブセンサに加えて受動型赤外線センサも必要となるため、全体としての大型化、構成の複雑化、コストアップなどをもたらす要因になってしまう。
従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、受動型赤外線センサなどを追加することなく、金属板などによるマスキング行為を検出可能なマイクロウエーブセンサを提供することである。
上記目的を達成するため、本発明のマイクロウエーブセンサは、検知エリアに向けて送信アンテナ部からマイクロ波を送信し、前記検知エリア内に存在する物体によって反射された前記マイクロ波の反射波を受信アンテナ部で受信し、受信した反射波に基づいて物体検知動作を行うマイクロウエーブセンサにおいて、前記送信アンテナ部の経路上に接続される第1の方向性結合器と、前記受信アンテナ部の経路上に接続される第2の方向性結合器と、これらの第1の方向性結合器および第2の方向性結合器からの各モニタ出力に基づいて、前記送信アンテナ部における反射特性に対応する散乱パラメータS11と前記送信アンテナ部から前記受信アンテナ部への伝送特性に対応する散乱パラメータS21とを求めるとともに、これらの散乱パラメータS11および散乱パラメータS21の少なくとも一方がそれぞれに予め定められた所定範囲外の値となる状態が所定時間以上継続したときに警告信号を出力する判定部とを備えることを特徴とする。
この発明のマイクロウエーブセンサによれば、金属板などが前記送信アンテナ部や前記受信アンテナ部に接近していることを前記散乱パラメータS11および前記散乱パラメータS21の値の増大によって認識できる。これにより、金属板などによるマスキング行為を検出して警告を発することが可能となる。受動型赤外線センサなどを追加する必要がないため、全体としての大型化やコストアップなどを極力避けることができる。
また、本発明のマイクロウエーブセンサにおいて、前記判定部は、前記散乱パラメータS11の絶対値が第1の基準値以上であるか、または前記散乱パラメータS21の絶対値が第2の基準値以上であるときに前記警告信号を出力することを特徴としてもよい。
この発明のマイクロウエーブセンサによれば、前記散乱パラメータS11の絶対値および前記散乱パラメータS21の絶対値の両方を判定に使用する。これにより、金属板などを検出できる距離を拡大するとともに、一方のみを判定に使用した場合の検出もれなどを極力回避できる。
また、本発明のマイクロウエーブセンサにおいて、前記判定部は、前記散乱パラメータS11をベクトル値として監視し、前記散乱パラメータS11が所定領域外にあるときに前記警告信号を出力することを特徴としてもよい。
この発明のマイクロウエーブセンサによれば、前記散乱パラメータS11の絶対値のようにスカラー値としてではなくベクトル値として監視するので、前記散乱パラメータS11が正常範囲内か否かの判定がより的確にできるようになる。これにより、スカラー値で監視する場合に比べて検出能力を向上させることができる。
本発明のマイクロウエーブセンサによれば、金属板などが送信アンテナ部や受信アンテナ部に接近していることを散乱パラメータS11および散乱パラメータS21の値の増大によって認識できる。これにより、金属板などによるマスキング行為を検出して警告を発することが可能となる。受動型赤外線センサなどを追加する必要がないため、全体としての大型化やコストアップなどを極力避けることができる。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
<マイクロウエーブセンサ1の回路構成および人体等の検出動作>
図1は、本発明の一実施形態に係るマイクロウエーブセンサ1の構成の概略図である。この図に示すように、マイクロウエーブセンサ1は、マイクロ波の送受信などを行うRFモジュール2と、このRFモジュール2から出力される信号を処理する信号処理部3と、この信号処理部3からの出力に基づいて人体等を検出するとともにRFモジュール2で検出される散乱パラメータに基づいてマスキング行為などを検出する判定回路4とを備えている。
図1は、本発明の一実施形態に係るマイクロウエーブセンサ1の構成の概略図である。この図に示すように、マイクロウエーブセンサ1は、マイクロ波の送受信などを行うRFモジュール2と、このRFモジュール2から出力される信号を処理する信号処理部3と、この信号処理部3からの出力に基づいて人体等を検出するとともにRFモジュール2で検出される散乱パラメータに基づいてマスキング行為などを検出する判定回路4とを備えている。
RFモジュール2は、マイクロ波を発振する発振器21と、この発振器21から発振されるマイクロ波の周波数を切り換えるための変調器22と、発振器21から発振されたマイクロ波を検知エリアに向けて送信する送信アンテナA1と、人体等の物体によって反射されたマイクロ波を受信する受信アンテナA2と、この受信アンテナA2によって受信されたマイクロ波と発振器21の電圧波形とをミキシングして出力するミキサ25とを備えている。つまり、送信アンテナA1から検知エリアに向けて送信されたマイクロ波は、検知エリア内に人体等が存在する場合、ドップラー効果によりその人体等からの反射波の周波数が変調されて受信アンテナA2に受信される。この受信された反射波はミキサ25によって発振器21の電圧波形とミキシングされた後、RFモジュール2の出力側2aからIF出力信号(IFout0)として信号処理部3に出力されるようになっている。
なお、送信アンテナA1と発振器21とは送信側の方向性結合器DC1を介して接続され、この方向性結合器DC1のモニタ出力Mout1は判定回路4に接続されている。同様に、受信アンテナA2とミキサ25とは受信側の方向性結合器DC2を介して接続され、この方向性結合器DC2のモニタ出力Mout2は判定回路4に接続されている。ここで、方向性結合器とは一般にカプラとも呼ばれるもので、マイクロ波などの信号を隔離、分離または結合するためのルーティングに使用される。このマイクロウエーブセンサ1では、方向性結合器DC1は送信アンテナA1における信号のモニタに使用され、方向性結合器DC2は受信アンテナA2における信号のモニタに使用される。
信号処理部3は、送信アンテナA1から送信する各周波数のマイクロ波毎に対応して、IFアンプ34およびコンパレータ36を有する第1出力ラインL1と、IFアンプ35およびコンパレータ37を有する第2出力ラインL2と、コンパレータ36、37の基準電圧となる電源33とを備えている。さらに、RFモジュール2が2種類のマイクロ波を発振するための電源31、32が備えられ、コンパレータ36、37の各出力はそれぞれ判定回路4に接続されている。
IFアンプ34、35は、第1スイッチSW1を介してRFモジュール2の出力側2aに接続されている。この第1スイッチSW1は、上記2種類のマイクロ波のうち一方が送信アンテナA1から送信されている場合には第1出力ラインL1に接続し、他方のマイクロ波が送信アンテナA1から送信されている場合には第2出力ラインL2に接続するように切り換えられる。つまり、一方のマイクロ波の送信時に人体等によって反射された反射波に係るIF出力信号は第1出力ラインL1に出力され、他方のマイクロ波の送信時に人体等によって反射された反射波に係るIF出力信号は第2出力ラインL2に出力される構成となっている。
また、電源31、32は、上記第1スイッチSW1に連動する第2スイッチSW2を介してRFモジュール2の入力側2bに接続されている。この第2スイッチSW2も、2種類のマイクロ波のうちいずれのマイクロ波を送信アンテナA1から送信するかによって、電源31、32に対する接続状態が切り換わるようになっている。つまり、この第2スイッチSW2が一方の電源31に接続している状態と他方の電源32に接続している状態とで、変調器22がマイクロ波の周波数を切り換え、これによって送信アンテナA1から送信されるマイクロ波の周波数が切り換えられる構成となっている。
さらに、第1スイッチSW1および第2スイッチSW2の切り換え動作に伴い、2つの処理動作(第1処理動作および第2処理動作)が所定時間間隔(例えば数msec間隔)をもって切り換えられるようになっている。ここで、第1処理動作とは、一方の周波数のマイクロ波が送信アンテナA1から検知エリアに向けて送信され、その反射波に基づくIF出力信号が信号処理部3の第1出力ラインL1に出力されてこの第1出力ラインL1において信号処理が行われる動作である。第2処理動作とは、他方の周波数のマイクロ波が送信アンテナA1から検知エリアに向けて送信され、その反射波に基づくIF出力信号が信号処理部3の第2出力ラインL2に出力されてこの第2出力ラインL2において信号処理が行われる動作である。そして、第1処理動作では、RFモジュール2から出力されたIF出力信号がIFアンプ34によって増幅され、このIFアンプ34からの出力(IFout1)がコンパレータ36によって矩形波に成形された後に判定回路4に出力される。同様に、第2処理動作では、RFモジュール2から出力されたIF出力信号がIFアンプ35によって増幅され、このIFアンプ35からの出力(IFout2)がコンパレータ37によって矩形波に成形された後に判定回路4に出力されるようになっている。
検知エリア内に人体等の物体が存在していない場合には、送信アンテナA1から送信されたマイクロ波の周波数と受信アンテナA2に受信されたマイクロ波の周波数は等しいため、IFアンプ34、35からの出力信号におけるIF周波数は「0」となり、コンパレータ36、37からは信号が出力されない。これに対して、検知エリア内に人体等が存在する場合には、送信アンテナA1から送信されたマイクロ波の周波数に対して、受信アンテナA2に受信されたマイクロ波は変調されて周波数が異なっているため、コンパレータ36、37の出力信号波形には変化が生じ、この矩形波が判定回路4に出力されるようになっている。
判定回路4は、コンパレータ36、37からの出力信号波形を受け、これら出力信号波形に基づいて検知エリア内に存在する物体までの相対距離を求める。つまり、検知エリア内に存在する物体からの各マイクロ波の反射波の位相差に基づいて物体までの相対距離を計測するよう構成されている。上述したように、2つのIF出力信号(IFout1、IFout2)の位相差は物体(ターゲット)までの距離に相関があり、物体までの距離が大きいほど位相差も大きくなる傾向がある。したがって、この位相差を求めることにより物体までの距離の計測をすることができる。次に、検知エリア内に存在する物体の単位時間当たりの移動距離(速度ではなく、例えば1秒間に物体が実際に移動した距離)を求める。つまり、上述したように計測される物体までの相対距離の単位時間当たりの変化量を計測し、その物体の単位時間当たりの移動距離を求める。さらに、上述したようにして得られた物体の単位時間当たりの移動距離を、物体までの相対距離に応じて予め設定されている所定の閾値と比較する。そして、上記変化量(物体の移動距離)の方が大きいとき、その物体は検知すべき物体(人体)であると判定して、物体検知信号Dout1を出力する。
<マスキング行為の検出動作>
次に、金属板などが被せられたりするマスキング行為の検出動作について、引き続き図1を参照しながら説明する。
次に、金属板などが被せられたりするマスキング行為の検出動作について、引き続き図1を参照しながら説明する。
マイクロウエーブセンサ1の送信アンテナA1および受信アンテナA2に、例えば、金属板5が近づけられている場合、送信アンテナA1から放射されたマイクロ波の電磁界は金属板5によって反射される。そして、送信アンテナA1および受信アンテナA2から金属板5までの距離dが小さくなればなるほど、そのときの反射波の強度は強くなり、次第に送信アンテナA1から放射されたマイクロ波の電磁界のほとんどが反射されるようになってくる。このとき、一部の反射波W2は受信アンテナA2に入力するが、別の一部の反射波W1は送信アンテナA1に戻ってきて再び入力する。
ここで、送信アンテナA1をポート1、受信アンテナA2をポート2とする2ポート回路における散乱パラメータ(Sパラメータ)は、ポート1における入射波振幅をa1、ポート1における出力波振幅をb1、ポート2における入射波振幅をa2、ポート2における出力波振幅をb2とすると、次式で定義される。
マイクロウエーブセンサ1のRFモジュール2では、送信アンテナA1における反射特性(反射波W1によるもの)に対応する散乱パラメータS11および送信アンテナA1から受信アンテナA2への伝送特性(反射波W2によるもの)に対応する散乱パラメータS21は、送信アンテナA1への経路上に接続された方向性結合器DC1のモニタ出力Mout1と、送信アンテナA1への経路上に接続された方向性結合器DC2のモニタ出力Mout2とに基づいて求めることができる。
これらの散乱パラメータS11および散乱パラメータS21のレベルは、金属板5までの距離dが小さいときは、金属板5が存在しない通常の場合に比べて極端に大きくなり、そのような状態が長時間継続する。
判定回路4は、これらの散乱パラメータS11および散乱パラメータS21の各レベルを常時監視しており、例えば、これらの少なくとも一方が予め定めたそれぞれの基準値を超える状態が所定時間以上継続したときに、金属板5などによるマスキング行為が行われたと判断して、アラーム信号Dout2を出力する。
図2は、本実施形態のマイクロウエーブセンサ1において、金属板5との距離dを変えて散乱パラメータS11および散乱パラメータS21を測定した結果の例である。図3は、この測定結果の散乱パラメータS11をスミスチャート上に図示したものである。図4は、この測定結果の散乱パラメータS11および散乱パラメータS21のそれぞれの絶対値を対数軸のグラフに示したものである。
図2および図4に示すように、散乱パラメータS11の絶対値はスカラー値で示され、金属板5が存在しないかまたは十分遠距離にあるときは−22dB程度である。金属板5との距離dが約3cmよりも近くなると急激に大きくなり始め、2cmでは−14dB程度、0.5cmでは−10dB程度に達する。
したがって、散乱パラメータS11の絶対値の基準値S01として、例えば−15dBと定めておけば、散乱パラメータS11の絶対値がこの基準値S01を超えたとき、送信アンテナA1および受信アンテナA2から約2cm以内の距離に金属板5などが存在していると判断することができる。つまり、この場合のマスキング行為の検出可能距離範囲は約2cm以内ということになる。ただし、誤検出などを極力防止するため、散乱パラメータS11の絶対値が基準値S01を超える状態が一定時間以上継続していることを確認して判断を行うことが好ましい。この点は、以下に述べる他の判断方法でも同様である。
また、散乱パラメータS11の測定結果のいくつかのデータをベクトル値としてスミスチャート(インピーダンスチャート)上に図示すると、図3のようになる。金属板5が存在しない場合の対応位置Pxを含む中心部分の小さな円内が、正常領域(マスキング行為などが行われていない状態)である。金属板5との距離dが3cmのときの対応位置P4はほぼこの円周上にある。そして、距離dが2cmのときの対応位置P3、距離dが1cmのときの対応位置P2、距離dが0.5cmのときの対応位置P1はいずれもこの円外にある。
したがって、散乱パラメータS11の測定結果をベクトル値として監視するようにすれば、この円内にあるか否かでマスキング行為を判断することができるので、この場合のマスキング行為の検出可能距離範囲は約3cm以内ということになる。このことは、上述のように散乱パラメータS11の絶対値をスカラー値として監視するより、ベクトル値として監視する方がマスキング行為の検出能力が向上することを示している。
また、散乱パラメータS21の絶対値は、金属板5が存在しないかまたは十分遠距離にあるときは−48dB程度である。金属板5との距離dが小さくなるとき、距離dが約30cmでは−35dB程度で、距離dが約10cmになるまでは徐々に大きくなって−21dB程度に達する。その後は、距離dが小さくなっても散乱パラメータS21の絶対値はほとんど変化せず、距離dが約3cmによりも小さくなると散乱パラメータS21の絶対値は再び小さくなり始める。これは、金属板5が送信アンテナA1および受信アンテナA2に極端に近づきすぎると、送信アンテナA1から放射されたマイクロ波の反射波の方向が受信アンテナA2から離れていくためである。
散乱パラメータS21の絶対値の基準値S02としては、例えば−30dBと定めておけば、散乱パラメータS21の絶対値がこの基準値S02を超えたとき、送信アンテナA1および受信アンテナA2から約20cm以内の距離に金属板5などが存在していると判断することができる。つまり、この場合のマスキング行為の検出可能距離範囲は約20cm以内まで広がることになる。
なお、散乱パラメータS21の絶対値による判断だけでは、距離dが極端に小さいときにも検出できなくなるおそれがあるが、散乱パラメータS11の測定結果の監視も併用することでこのような検出漏れを回避するとともに、広い検出可能範囲を確保することができる。
また、上記の各基準値などはあくまでも例示に過ぎないが、実際のマイクロウエーブセンサ1では、予め様々な条件下で測定したデータに製品で考えられるばらつきなどを考慮して各基準値などを定めてもよい。あるいは、マイクロウエーブセンサ1の設置作業時などに設置状態でデータを測定し、その測定データを基にして各基準値などを定めるようにしてもよい。
<その他の実施形態>
本発明の適用は、周波数の異なる2種類のマイクロ波を利用して検知対象物体を判定するようにしたマイクロウエーブセンサに限るものではなく、単一周波数のマイクロ波を利用して検知対象物体を判定するようにしたマイクロウエーブセンサや、周波数の異なる3種類以上のマイクロ波を利用して検知対象物体を判定するようにしたマイクロウエーブセンサに適用してもよい。
本発明の適用は、周波数の異なる2種類のマイクロ波を利用して検知対象物体を判定するようにしたマイクロウエーブセンサに限るものではなく、単一周波数のマイクロ波を利用して検知対象物体を判定するようにしたマイクロウエーブセンサや、周波数の異なる3種類以上のマイクロ波を利用して検知対象物体を判定するようにしたマイクロウエーブセンサに適用してもよい。
なお、本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
1 マイクロウエーブセンサ
2 RFモジュール
21 発振器
22 変調器
25 ミキサ
3 信号処理部
31、32、33 電源
34、35 IFアンプ
36、37 コンパレータ
L1 第1出力ライン
L2 第2出力ライン
SW1 第1スイッチ
SW2 第2スイッチ
4 判定回路
5 金属板
A1 送信アンテナ
A2 受信アンテナ
DC1 方向性結合器(送信側)
DC2 方向性結合器(受信側)
Dout1 物体検知信号
Dout2 アラーム信号
2 RFモジュール
21 発振器
22 変調器
25 ミキサ
3 信号処理部
31、32、33 電源
34、35 IFアンプ
36、37 コンパレータ
L1 第1出力ライン
L2 第2出力ライン
SW1 第1スイッチ
SW2 第2スイッチ
4 判定回路
5 金属板
A1 送信アンテナ
A2 受信アンテナ
DC1 方向性結合器(送信側)
DC2 方向性結合器(受信側)
Dout1 物体検知信号
Dout2 アラーム信号
Claims (3)
- 検知エリアに向けて送信アンテナ部からマイクロ波を送信し、前記検知エリア内に存在する物体によって反射された前記マイクロ波の反射波を受信アンテナ部で受信し、受信した反射波に基づいて物体検知動作を行うマイクロウエーブセンサにおいて、
前記送信アンテナ部の経路上に接続される第1の方向性結合器と、
前記受信アンテナ部の経路上に接続される第2の方向性結合器と、
これらの第1の方向性結合器および第2の方向性結合器からの各モニタ出力に基づいて、前記送信アンテナ部における反射特性に対応する散乱パラメータS11と前記送信アンテナ部から前記受信アンテナ部への伝送特性に対応する散乱パラメータS21とを求めるとともに、これらの散乱パラメータS11および散乱パラメータS21の少なくとも一方がそれぞれに予め定められた所定範囲外の値となる状態が所定時間以上継続したときに警告信号を出力する判定部とを備えることを特徴とするマイクロウエーブセンサ。 - 請求項1に記載のマイクロウエーブセンサにおいて、
前記判定部は、前記散乱パラメータS11の絶対値が第1の基準値以上であるか、または前記散乱パラメータS21の絶対値が第2の基準値以上であるときに前記警告信号を出力することを特徴とするマイクロウエーブセンサ。 - 請求項1に記載のマイクロウエーブセンサにおいて、
前記判定部は、前記散乱パラメータS11をベクトル値として監視し、前記散乱パラメータS11が所定領域外にあるときに前記警告信号を出力することを特徴とするマイクロウエーブセンサ。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005002356A JP3793822B1 (ja) | 2005-01-07 | 2005-01-07 | マイクロウエーブセンサ |
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