JP4023369B2 - ダイポールアンテナ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＵＨＦ帯のテレビ電波を受信するのに用いられ、広帯域で高利得の特性を小型で実現するダイポールアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のダイポールアンテナとしては、半波長の長さの折り返しダイポールアンテナが広帯域特性を持ち広く用いられてきた（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
図６は、半径ｒの約１波長の導体を幅Ｗに保つように折り返してなる従来の一般的な折り返しダイポールアンテナ１で、通常使うケーブルインピーダンス７５オームに整合する為のインピーダンス変換器２を備えたものである。
【０００４】
折り返しダイポールアンテナ１は、１／２波長のダイポールアンテナと先端が短絡された１／４波長線路の回路組合せとして解析でき、出力インピーダンス３００オーム近くの広帯域周波数特性を持つ。出力インピーダンス３００オームを７５オームに変換するために、通常４：１のバラントランスよりなるインピーダンス変換器２を介し、アンテナよりの受信電波をアンテナ出力端子３に効率よく送り出す。
【０００５】
また、ダイポールアンテナの小型化の従来事例として、広帯域の周波数で使用するために、ダイポールアンテナの中央部にローディングコイルと整合回路よりなるものもある（例えば、特許文献１参照。）。図７は前記特許文献に記載されているダイポールアンテナを示すものである。図７において、アンテナ素子４よりなるダイポールアンテナの中央部にローディングコイル５を接続し、インダクターと整合コンデンサおよびと可変容量ダイオードからなる整合回路６を備えている。さらに、必要とするアンテナ出力インピーダンスの周波数帯域特性を得る為に、バリキャップダイオード印加電圧をコントロールすることで、ケーブルインピーダンスに整合するようバリキャップダイオードの容量を変化せしめている。図７ではバリキャップダイオードに印加する直流回路は示していないが、使用する周波数に応じて印加電圧を変化させる構成を用いている。
【０００６】
【非特許文献１】
虫明康人：”アンテナ・電波伝搬”、コロナ社、昭和４６年、ＰＰ．４３〜４５図４・７
【特許文献１】
特開平９−１３０１３２号公報（第６頁、第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記従来の折り返しダイポールアンテナの構成では、折り返し部が同一直径ｒの場合、単純なダイポールの出力インピーダンスの４倍となり、テレビ信号の伝送に使用する７５オーム特性のケーブルに整合するには４：１のインピーダンス変換器を必要とした。また、必要とするインピーダンス変換器をアンテナ中央部に持たせるには、回路基板および保持構造が必要であった。
【０００８】
さらに、また、近年移動体の携帯無線機器に取り付けるには、折り返し部の強度大きさにまつわる取扱いの容易性と製造価格においても課題を有していた。
【０００９】
特許文献１に示された折り返し部を持たないダイポールアンテナの場合、広帯域の周波数特性を得るには、ローディングコイルやコンデンサとインダクターよりなる複雑な整合回路を必要とし、折り返しアンテナと同様、整合回路をアンテナ中央部に持たせるには、回路基板および保持構造が必要であった。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ダイポールアンテナを単純な構造で実現することにより、インピーダンス変換器または整合回路を必要とせず、広帯域の周波数に渡りにケーブルインピーダンスに整合せしめるダイポールアンテナを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明のダイポールアンテナは、外部導体と中心導体よりなる同軸状の１／２波長の長さのアンテナエレメントの両端を短絡し、さらに、前記同軸状アンテナエレメントの外部導体を中央部で二分し、外部導体の中心部端より受信電波出力を取り出すアンテナ出力端子を有し、広帯域周波数のダイポールアンテナを実現している。
【００１２】
本構成によって、アンテナエ素子を折り曲げることなく、しかもインピーダンス変換器なしで、接続ケーブルのインピーダンスである７５オームに整合させることができる。さらに、単純な同軸構造で、ローディングコイルや複雑な整合回路なしに広帯域周波数特性のダイポールアンテナを実現している。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるダイポールアンテナの構成図である。
【００１５】
図１において、図６および図７と同じ構成要素については、同じ符号を用い説明を省略する。
【００１６】
図１において、外部導体８と中心導体７によって直径ｒの同軸構造を有するアンテナ素子４は、同軸両端部で電気的に短絡される短絡部１０を持つ、前記外部導体８は中央部で２分されており、前記の外部導体８の中央部側より受信電波出力を取り出すアンテナ出力端子３を備えた構造である。また、誘電体９は中心導体７を支える役割があり、アンテナ素子４の長さＬは使用する周波数のおおよそ１／２波長に選ばれる。
【００１７】
かかる構成によるアンテナ素子４の出力インピーダンスＺａは、図２（ａ）に示すように外部導体による単純なダイポール構成よりなるアンテナ放射インピーダンスＺｂと終端が短絡された１／４波長の長さの同軸インピーダンスＺｄの２倍よりなるＺｃを並列接続した特性により求まる。
【００１８】
直径ｒの外部導体８よりなるアンテナインピーダンスＺｂは長さＬが１／２波長の周波数で凡そ７０オーム程度で周波数が高いと誘導性示し、周波数が低いと容量性を示す特性であり、いっぽう、片方が終端短絡された長さＬ／２の同軸インピーダンスＺｄは、Ｚｄ＝Ｚｏｄ・ｔａｎ（ｋＬ／ε）であり、電気的実行長が１／４波長の周波数で開放特性になり、周波数が高いと容量性を示し周波数が低いと誘導性を示す特性となる。ここでＺｏｄは同軸線路の特性インピーダンス、ｋは２π／λとする。さらに、Ｚｃは終端が短絡された同軸を直列接続したものとして、Ｚｃ＝２Ｚｄになる。
【００１９】
図２（ｂ）は、このようにして求められるインピーダンスＺｂ、Ｚｃの変化特性図であり、周波数ＦＬは同軸長Ｌが１／２波長を示す長さとなる。図２〈ｂ〉に示された特性のＺｂおよびＺｃの並列接続より求められるＺａは、周波数ＦＬより低い周波数では容量性と誘導性が打ち消されるだけでなく接続インピーダンスの７５オームに近づく作用があり、周波数ＦＬより周波数が離れてもアンテナインピーダンスが７５オームに近づく効果がある。
【００２０】
たとえば、テレビ電波の周波数は４７０ＭＨｚ〜７７０ＭＨｚで放送されているので、中心周波数ＦＬ＝６００ＭＨｚとした場合、アンテナ素子長Ｌは、光速／周波数÷２で計算でき、Ｌ＝２５ｃｍとなる。
【００２１】
図３は本発明による実施の形態１の直径８ｍｍ長さ２５ｃｍでのダイポールアンテナの出力特性例と、折り返し部を持たない同じ大きさよりなる単純なダイポールアンテナ特性例とを、７５オームを中心とするスミスチャートで示している。スミスチャートの中心に近い周波数特性領域が如何に広いかが、広帯域周波数特性の良さを示している。本発明によるダイポールアンテナ例では、ＶＳＷＲ＝２内の円内にテレビ電波周波数である４７０ＭＨｚから７７０ＭＨｚが収まっており周波数特性が良いことを示している。
【００２２】
従来例の折り返しダイポールアンテナは、図６に示す給電部１２での出力インピーダンスは給電部１２側のアンテナ素子の直径と折り返し素子部が同じ場合、折り返し素子の効果でＶＳＷＲ＝４の３００オームに近いの特性を示すが、本発明によるダイポールでは、折り返し部に相当する中心導体７による出力インピーダンスを７５オームに凝縮させる作用を利用している。 これは、折り返し素子から放射する電磁界が給電部に近い側素子部に影響を与えることでインピーダンスを高くしており、本発明の中心導体７は電磁界放射作用に寄与しないことが特性に差を生じさせている。
【００２３】
なお、誘電体９はその誘電率の違いにより帯域幅および中心周波数に変化が生ずるが、アンテナエレメント長Ｌを適切に選ぶことにより必要特性を得ることができる。また、中心導体が機構的に保持できる場合には本実施例に必要不可欠のものではなく、誘電体９が部分的もしくは全体が欠落していても本発明の実施例に含まれるものである。
【００２４】
さらに、本実施の形態において外部導体８は、円形パイプ以外でも良く、また、金属線からなるメッシュ状の編素線を用いた場合には、機構的に柔軟性を持たせることができる。
【００２５】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２におけるダイポールアンテナの構成図である。
【００２６】
図４において、図１および図７と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００２７】
図４において、図１における外部導体６は幅Ｗ長さＬの長さ方向に凹みを持つ２個の導電板１２に置き換わっており、凹み部に添わせた導電線１３と絶縁用誘電体１４よりなる被覆線１５の両端は、前記導電板１２の端部と短絡接続部１６で接続されている。２個の前記導電板１２は互いに対称の位置に支持体１７とネジ１８により固定され、対称中心部に近い導電板１２の中央端に、アンテナ出力端子３を備えた構造である。
【００２８】
凹みに沿わせた被覆線１５の導電線１３の直径は導電板の幅より十分小さく、しかも凹みに落ち込んでいることより、導電線１３に流れる高周波電流は外部に電磁放射されること無く、導電板１２と被覆線１５によって決まるインピーダンスＺｄをもつ実施形態の１の同軸と同じである。また外部導体８と導電板１２は外形が異なるが、導電板１２の幅Ｗを同軸直径ｒより少し大きくすれば、同様の電波の放射特性が得られ、使用する１／２波長の長さＬで、電磁界を放射するアンテナ素子として同様の役割をする。
【００２９】
かかる構成によれば実施形態１の外部導体６と中心導体が導電板１２と被覆線１５と置き換わることにより、導電板で得られるアンテナ出力インピーダンスは実施の形態１で説明した同様の作用が起こり、広帯域周波数で使用できるダイポールアンテナを実現することができる。
【００３０】
また、整合回路を必要とせず、小型で機器に不要な突起部がなくなり信頼性を向上し、取扱いし易くすることができる。
【００３１】
なお、本実施例の形態において、支持体に稼動部を設けることにより、折りたたみ機能・収納機能をもたせたり、被覆線を含むコネクタ構造にて機器装置と分離し取り外せる構造にしたりしても良い。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明のダイポールアンテナによれば、アンテナエ素子を折り曲げることなく、しかもインピーダンス変換器なしで接続ケーブルのインピーダンスである７５オームに整合させることができる。さらに単純な同軸構造で、ローディングコイルや複雑な整合回路なしに広帯域周波数特性のダイポールアンテナを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１におけるダイポールアンテナの構成図
【図２】 本発明の実施の形態１の特性説明図
【図３】 本発明の実施の形態１の出力インピーダンス説明図
【図４】 本発明の実施の形態２におけるダイポールアンテナの構成図
【図５】 折り返し構造による従来のダイポールアンテナの構成図
【図６】 整合回路を用いた従来のダイポールアンテナの構成図
【符号の説明】
１ 折り返しダイポールアンテナ
２ インピーダンス変換器
３ アンテナ出力端子
４ アンテナ素子
５ ローディングコイル
６ 整合回路
７ 中心導体
８ 外部導体
９ 誘電体
１０ 短絡部
１２ 導電板
１３ 導電線
１４ 絶縁用誘電体
１５ 被覆線
１６ 短絡接続部
１７ 支持体
１８ ネジ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＵＨＦ帯のテレビ電波を受信するのに用いられ、広帯域で高利得の特性を小型で実現するダイポールアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のダイポールアンテナとしては、半波長の長さの折り返しダイポールアンテナが広帯域特性を持ち広く用いられてきた（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
図６は、半径ｒの約１波長の導体を幅Ｗに保つように折り返してなる従来の一般的な折り返しダイポールアンテナ１で、通常使うケーブルインピーダンス７５オームに整合する為のインピーダンス変換器２を備えたものである。
【０００４】
折り返しダイポールアンテナ１は、１／２波長のダイポールアンテナと先端が短絡された１／４波長線路の回路組合せとして解析でき、出力インピーダンス３００オーム近くの広帯域周波数特性を持つ。出力インピーダンス３００オームを７５オームに変換するために、通常４：１のバラントランスよりなるインピーダンス変換器２を介し、アンテナよりの受信電波をアンテナ出力端子３に効率よく送り出す。
【０００５】
また、ダイポールアンテナの小型化の従来事例として、広帯域の周波数で使用するために、ダイポールアンテナの中央部にローディングコイルと整合回路よりなるものもある（例えば、特許文献１参照。）。図７は前記特許文献に記載されているダイポールアンテナを示すものである。図７において、アンテナ素子４よりなるダイポールアンテナの中央部にローディングコイル５を接続し、インダクターと整合コンデンサおよびと可変容量ダイオードからなる整合回路６を備えている。さらに、必要とするアンテナ出力インピーダンスの周波数帯域特性を得る為に、バリキャップダイオード印加電圧をコントロールすることで、ケーブルインピーダンスに整合するようバリキャップダイオードの容量を変化せしめている。図７ではバリキャップダイオードに印加する直流回路は示していないが、使用する周波数に応じて印加電圧を変化させる構成を用いている。
【０００６】
【非特許文献１】
虫明康人：”アンテナ・電波伝搬”、コロナ社、昭和４６年、ＰＰ．４３〜４５図４・７
【特許文献１】
特開平９−１３０１３２号公報（第６頁、第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記従来の折り返しダイポールアンテナの構成では、折り返し部が同一直径ｒの場合、単純なダイポールの出力インピーダンスの４倍となり、テレビ信号の伝送に使用する７５オーム特性のケーブルに整合するには４：１のインピーダンス変換器を必要とした。また、必要とするインピーダンス変換器をアンテナ中央部に持たせるには、回路基板および保持構造が必要であった。
【０００８】
さらに、また、近年移動体の携帯無線機器に取り付けるには、折り返し部の強度大きさにまつわる取扱いの容易性と製造価格においても課題を有していた。
【０００９】
特許文献１に示された折り返し部を持たないダイポールアンテナの場合、広帯域の周波数特性を得るには、ローディングコイルやコンデンサとインダクターよりなる複雑な整合回路を必要とし、折り返しアンテナと同様、整合回路をアンテナ中央部に持たせるには、回路基板および保持構造が必要であった。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ダイポールアンテナを単純な構造で実現することにより、インピーダンス変換器または整合回路を必要とせず、広帯域の周波数に渡りにケーブルインピーダンスに整合せしめるダイポールアンテナを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明のダイポールアンテナは、外部導体と中心導体よりなる同軸状の１／２波長の長さのアンテナエレメントの両端を短絡し、さらに、前記同軸状アンテナエレメントの外部導体を中央部で二分し、外部導体の中心部端より受信電波出力を取り出すアンテナ出力端子を有し、広帯域周波数のダイポールアンテナを実現している。
【００１２】
本構成によって、アンテナエ素子を折り曲げることなく、しかもインピーダンス変換器なしで、接続ケーブルのインピーダンスである７５オームに整合させることができる。さらに、単純な同軸構造で、ローディングコイルや複雑な整合回路なしに広帯域周波数特性のダイポールアンテナを実現している。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるダイポールアンテナの構成図である。
【００１５】
図１において、図６および図７と同じ構成要素については、同じ符号を用い説明を省略する。
【００１６】
図１において、外部導体８と中心導体７によって直径ｒの同軸構造を有するアンテナ素子４は、同軸両端部で電気的に短絡される短絡部１０を持つ、前記外部導体８は中央部で２分されており、前記の外部導体８の中央部側より受信電波出力を取り出すアンテナ出力端子３を備えた構造である。また、誘電体９は中心導体７を支える役割があり、アンテナ素子４の長さＬは使用する周波数のおおよそ１／２波長に選ばれる。
【００１７】
かかる構成によるアンテナ素子４の出力インピーダンスＺａは、図２（ａ）に示すように外部導体による単純なダイポール構成よりなるアンテナ放射インピーダンスＺｂと終端が短絡された１／４波長の長さの同軸インピーダンスＺｄの２倍よりなるＺｃを並列接続した特性により求まる。
【００１８】
直径ｒの外部導体８よりなるアンテナインピーダンスＺｂは長さＬが１／２波長の周波数で凡そ７０オーム程度で周波数が高いと誘導性示し、周波数が低いと容量性を示す特性であり、いっぽう、片方が終端短絡された長さＬ／２の同軸インピーダンスＺｄは、Ｚｄ＝Ｚｏｄ・ｔａｎ（ｋＬ／ε）であり、電気的実行長が１／４波長の周波数で開放特性になり、周波数が高いと容量性を示し周波数が低いと誘導性を示す特性となる。ここでＺｏｄは同軸線路の特性インピーダンス、ｋは２π／λとする。さらに、Ｚｃは終端が短絡された同軸を直列接続したものとして、Ｚｃ＝２Ｚｄになる。
【００１９】
図２（ｂ）は、このようにして求められるインピーダンスＺｂ、Ｚｃの変化特性図であり、周波数ＦＬは同軸長Ｌが１／２波長を示す長さとなる。図２〈ｂ〉に示された特性のＺｂおよびＺｃの並列接続より求められるＺａは、周波数ＦＬより低い周波数では容量性と誘導性が打ち消されるだけでなく接続インピーダンスの７５オームに近づく作用があり、周波数ＦＬより周波数が離れてもアンテナインピーダンスが７５オームに近づく効果がある。
【００２０】
たとえば、テレビ電波の周波数は４７０ＭＨｚ〜７７０ＭＨｚで放送されているので、中心周波数ＦＬ＝６００ＭＨｚとした場合、アンテナ素子長Ｌは、光速／周波数÷２で計算でき、Ｌ＝２５ｃｍとなる。
【００２１】
図３は本発明による実施の形態１の直径８ｍｍ長さ２５ｃｍでのダイポールアンテナの出力特性例と、折り返し部を持たない同じ大きさよりなる単純なダイポールアンテナ特性例とを、７５オームを中心とするスミスチャートで示している。スミスチャートの中心に近い周波数特性領域が如何に広いかが、広帯域周波数特性の良さを示している。本発明によるダイポールアンテナ例では、ＶＳＷＲ＝２内の円内にテレビ電波周波数である４７０ＭＨｚから７７０ＭＨｚが収まっており周波数特性が良いことを示している。
【００２２】
従来例の折り返しダイポールアンテナは、図６に示す給電部１２での出力インピーダンスは給電部１２側のアンテナ素子の直径と折り返し素子部が同じ場合、折り返し素子の効果でＶＳＷＲ＝４の３００オームに近いの特性を示すが、本発明によるダイポールでは、折り返し部に相当する中心導体７による出力インピーダンスを７５オームに凝縮させる作用を利用している。 これは、折り返し素子から放射する電磁界が給電部に近い側素子部に影響を与えることでインピーダンスを高くしており、本発明の中心導体７は電磁界放射作用に寄与しないことが特性に差を生じさせている。
【００２３】
なお、誘電体９はその誘電率の違いにより帯域幅および中心周波数に変化が生ずるが、アンテナエレメント長Ｌを適切に選ぶことにより必要特性を得ることができる。また、中心導体が機構的に保持できる場合には本実施例に必要不可欠のものではなく、誘電体９が部分的もしくは全体が欠落していても本発明の実施例に含まれるものである。
【００２４】
さらに、本実施の形態において外部導体８は、円形パイプ以外でも良く、また、金属線からなるメッシュ状の編素線を用いた場合には、機構的に柔軟性を持たせることができる。
【００２５】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２におけるダイポールアンテナの構成図である。
【００２６】
図４において、図１および図７と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００２７】
図４において、図１における外部導体６は幅Ｗ長さＬの長さ方向に凹みを持つ２個の導電板１２に置き換わっており、凹み部に添わせた導電線１３と絶縁用誘電体１４よりなる被覆線１５の両端は、前記導電板１２の端部と短絡接続部１６で接続されている。２個の前記導電板１２は互いに対称の位置に支持体１７とネジ１８により固定され、対称中心部に近い導電板１２の中央端に、アンテナ出力端子３を備えた構造である。
【００２８】
凹みに沿わせた被覆線１５の導電線１３の直径は導電板の幅より十分小さく、しかも凹みに落ち込んでいることより、導電線１３に流れる高周波電流は外部に電磁放射されること無く、導電板１２と被覆線１５によって決まるインピーダンスＺｄをもつ実施形態の１の同軸と同じである。また外部導体８と導電板１２は外形が異なるが、導電板１２の幅Ｗを同軸直径ｒより少し大きくすれば、同様の電波の放射特性が得られ、使用する１／２波長の長さＬで、電磁界を放射するアンテナ素子として同様の役割をする。
【００２９】
かかる構成によれば実施形態１の外部導体６と中心導体が導電板１２と被覆線１５と置き換わることにより、導電板で得られるアンテナ出力インピーダンスは実施の形態１で説明した同様の作用が起こり、広帯域周波数で使用できるダイポールアンテナを実現することができる。
【００３０】
また、整合回路を必要とせず、小型で機器に不要な突起部がなくなり信頼性を向上し、取扱いし易くすることができる。
【００３１】
なお、本実施例の形態において、支持体に稼動部を設けることにより、折りたたみ機能・収納機能をもたせたり、被覆線を含むコネクタ構造にて機器装置と分離し取り外せる構造にしたりしても良い。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明のダイポールアンテナによれば、アンテナエ素子を折り曲げることなく、しかもインピーダンス変換器なしで接続ケーブルのインピーダンスである７５オームに整合させることができる。さらに単純な同軸構造で、ローディングコイルや複雑な整合回路なしに広帯域周波数特性のダイポールアンテナを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１におけるダイポールアンテナの構成図
【図２】 本発明の実施の形態１の特性説明図
【図３】 本発明の実施の形態１の出力インピーダンス説明図
【図４】 本発明の実施の形態２におけるダイポールアンテナの構成図
【図５】 折り返し構造による従来のダイポールアンテナの構成図
【図６】 整合回路を用いた従来のダイポールアンテナの構成図
【符号の説明】
１ 折り返しダイポールアンテナ
２ インピーダンス変換器
３ アンテナ出力端子
４ アンテナ素子
５ ローディングコイル
６ 整合回路
７ 中心導体
８ 外部導体
９ 誘電体
１０ 短絡部
１２ 導電板
１３ 導電線
１４ 絶縁用誘電体
１５ 被覆線
１６ 短絡接続部
１７ 支持体
１８ ネジ
Claims (1)
- 平板に凹みをもたせた２つの導電板を直線状に並べ、導電線と絶縁用誘電体よりなる被覆線を前記導電板の凹みに添わせ、前記被覆線の両端を前記導電板の外側の端子で短絡接続し、前記２つの導電板が互いに向き合う内側端にアンテナ出力端子を備えた構造よりなるダイポールアンテナ。
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003119982A JP4023369B2 (ja) | 2003-04-24 | 2003-04-24 | ダイポールアンテナ |
Publications (2)
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Family Applications (1)
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Families Citing this family (3)
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2003
- 2003-04-24 JP JP2003119982A patent/JP4023369B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2004328365A (ja) | 2004-11-18 |
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