JP3178860B2 - Positioning device - Google Patents

Positioning device

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は物体の位置決めを行う位
置決め装置に関し、特に、半導体製造装置、精密加工装
置、精密測定装置等に使用され、高速かつ高精度に物体
の位置決めを行うことが要求される位置決め装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a positioning device for positioning an object, and more particularly to a positioning device used for a semiconductor manufacturing device, a precision processing device, a precision measuring device, etc., which is required to position an object with high speed and high precision. Related to a positioning device.

【0002】[0002]

【従来の技術】図3は、この種の位置決め装置の従来例
の構成を示す図である。被駆動体310は被駆動体31
0と定盤314のそれぞれに締結された3個の駆動素子
311(駆動機構)を介して定盤314上に取り付けら
れている。被駆動体310には、駆動素子311の他
に、支持部材312をそれぞれ介して定盤314に固定
された3個の板ばね313の自由端側が取り付けられて
いる。3個の板ばね313のそれぞれは、被駆動体31
0の中心から放射状に設けられており、定盤314の平
面と平行な面の並進方向および回転方向に対して剛性を
有しているが、図示Z方向には可撓性がある。
2. Description of the Related Art FIG. 3 is a diagram showing the configuration of a conventional example of this type of positioning device. The driven body 310 is the driven body 31
It is mounted on the surface plate 314 via three drive elements 311 (drive mechanisms) fastened to the base plate 314 and the base plate 314, respectively. In addition to the driving element 311, the free ends of three leaf springs 313 fixed to the platen 314 via support members 312 are attached to the driven body 310. Each of the three leaf springs 313 is connected to the driven body 31.
It is provided radially from the center of 0, and has rigidity in the translation direction and rotation direction of a plane parallel to the plane of the surface plate 314, but has flexibility in the Z direction in the figure.

【0003】PZT素子である駆動素子311は伸縮可
能に構成されたもので、上記のように被駆動体310の
平面を決定するのに必要最少な3個設けられ、外部から
の制御によってその伸縮量を調整することにより、被駆
動体310のZ方向および傾斜の位置決めが行われる。
このときの駆動素子311の駆動方向に対する剛性は駆
動素子311が主に持つように構成され、また、被駆動
体の位置検出は被駆動体の複数位置を検出するものとさ
れ、この検出結果に基づいて位置決めがなされていた。
The driving element 311 which is a PZT element is configured to be expandable and contractable. As described above, the driving element 311 is provided with a minimum of three required to determine the plane of the driven body 310, and the expansion and contraction is performed by external control. By adjusting the amount, the driven body 310 is positioned in the Z direction and the tilt.
The rigidity of the driving element 311 in the driving direction at this time is configured so that the driving element 311 mainly has the rigidity, and the position detection of the driven body is to detect a plurality of positions of the driven body. Positioning was performed based on this.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】現在求められている高
精度かつ高速な位置決めを達成するためには、位置決め
装置の固有振動数を高いものとして応答性を良くするこ
とが要求される。位置決め装置の固有振動数を高いもの
とするためには、駆動機構の剛性を高くする必要がある
が、駆動機構としてPZT素子等の駆動量が大きくとれ
ないものを用いる場合には移動量を拡大するための拡大
機構を組み込まなければならず、駆動機構の剛性を高く
するのには限界がある。このため、図3に示した構成の
ものでは位置決め装置の総合剛性を高くすることは困難
となり、XYステージ等に搭載されて使用される場合に
は、XYステージの起動時および停止時に、その加速度
によって生じる振動の振幅が大きくなり、要求される高
精度かつ高速な位置決めを実現することができないとい
う問題点がある。また、位置決めを行うための被駆動体
の位置検出は被駆動体の複数位置を計測するものであ
り、駆動機構の剛性によっては外乱により振動が生じて
しまい、この点においても高精度かつ高速な位置決めが
阻害されてしまうという問題点がある。
In order to achieve the high precision and high speed positioning required at present, it is required to improve the responsiveness by increasing the natural frequency of the positioning device. In order to increase the natural frequency of the positioning device, it is necessary to increase the rigidity of the drive mechanism. However, when a drive mechanism such as a PZT element that cannot take a large amount of drive is used, the movement amount is increased. In order to increase the rigidity of the drive mechanism, there is a limit. For this reason, it is difficult to increase the overall rigidity of the positioning device with the configuration shown in FIG. 3, and when the positioning device is used mounted on an XY stage or the like, the acceleration of the XY stage when the XY stage starts and stops. As a result, the amplitude of the vibration caused by the vibration becomes large, and the required high precision and high speed positioning cannot be realized. In addition, the position detection of the driven body for positioning is to measure a plurality of positions of the driven body. Vibration occurs due to disturbance depending on the rigidity of the driving mechanism. There is a problem that positioning is hindered.

【0005】本発明は上記のような従来の技術が有する
問題点に鑑みてなされたものであって、剛性,固有振動
数が高く、高精度かつ高速な位置決めを行うことができ
る位置決め装置を実現することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and has realized a positioning device which has high rigidity, a high natural frequency, and can perform high-accuracy and high-speed positioning. The purpose is to do.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明の位置決め装置
は、基準面と平行な面の並進方向および回転方向に対し
て剛性を有し、基準面に対して垂直な方向に可撓性を有
する複数の板ばねと、該複数の板ばねで支持された被駆
動体と、該被駆動体を該基準面に対して垂直な方向に駆
動する複数の駆動機構とを備え、各駆動機構の駆動によ
って基準面に対する該被駆動体の垂直方向の位置および
傾きを制御するものであって、前記駆動機構が4個以上
設けられ、該被駆動体の変形を矯正することを特徴とす
る。この場合、前記基準面と前記被駆動体との位置関係
を計測する複数の変位計を設けることとしてもよい。
SUMMARY OF THE INVENTION A positioning device according to the present invention has rigidity in a translation direction and a rotation direction of a plane parallel to a reference plane, and has flexibility in a direction perpendicular to the reference plane. A plurality of leaf springs; a driven body supported by the plurality of leaf springs; and a plurality of drive mechanisms for driving the driven body in a direction perpendicular to the reference plane. A vertical position and an inclination of the driven body with respect to a reference plane, wherein four or more drive mechanisms are provided to correct deformation of the driven body. In this case, a plurality of displacement meters for measuring the positional relationship between the reference plane and the driven body may be provided.

【0007】[0007]

【作用】駆動機構の個数が従来の3個から4個以上とさ
れるので、駆動機構自体の剛性が同じであっても位置決
め装置としての剛性は高いものとなる。
Since the number of drive mechanisms is three or more than the conventional three, even if the drive mechanisms themselves have the same rigidity, the rigidity of the positioning device is high.

【0008】[0008]

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図1(a)は本発明の一実施例の構成を示
す平面図であり、図1(b),(c)のそれぞれは図1
(a)のA−A線断面図およびB−B線断面図である。
本実施例において、正八角形状の被駆動体101は4個
の駆動機構を介して定盤109に取り付けられている。
この駆動機構は図1(c)に示されるように圧電素子1
02と、該圧電素子102の一端を定盤109に固定す
る固定部材103と、該圧電素子102の他端を被駆動
体101に固定する弾性ヒンジ部材104から構成され
るもので、図1(a)に示されるように被駆動体101
の中心から放射状であり、かつ4方向に均しく分散する
位置に設けられている。固定部材103,弾性ヒンジ部
材104は圧電素子102とは接着等の手段によって固
定され、被駆動体101,定盤109のそれぞれとはボ
ルト締結等の手段によって固定されている。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a plan view showing the configuration of one embodiment of the present invention, and FIGS.
It is the sectional view on the AA line of FIG.
In the present embodiment, the driven body 101 having a regular octagonal shape is attached to the surface plate 109 via four driving mechanisms.
This driving mechanism is a piezoelectric element 1 as shown in FIG.
2, a fixing member 103 for fixing one end of the piezoelectric element 102 to the surface plate 109, and an elastic hinge member 104 for fixing the other end of the piezoelectric element 102 to the driven body 101. a) As shown in FIG.
Are provided at positions radially radiated from the center of a circle and uniformly distributed in four directions. The fixing member 103 and the elastic hinge member 104 are fixed to the piezoelectric element 102 by bonding or the like, and are fixed to the driven body 101 and the surface plate 109 by bolts or the like.

【0009】これらの各駆動機構取り付け部には、この
他に一端側が支持部材107をそれぞれ介して定盤10
9に固定され、定盤109の平面と平行な面の並進方向
および回転方向に対して剛性を有するが、定盤109の
平面に対し垂直方向には可撓性を有する板ばね108の
自由端側が取り付けられている。本実施例における被駆
動体101の位置検出は被駆動体101の中心から放射
状であり、かつ3方向に均しく分散する位置に設けられ
た変位計106を用いて行われる。非接触変位計である
変位計106は、図1(b)に示されるように定盤10
9の基準面109aに対向するようにセンサホルダ10
5を介して被駆動体101に固定され、基準面109a
との距離を示す信号を出力する。
[0009] In addition to these drive mechanism mounting portions, one end side of the platen 10 via a support member 107.
9 and is rigid in the translation and rotation directions of a plane parallel to the plane of the surface plate 109, but is flexible in the direction perpendicular to the plane of the surface plate 109. Side mounted. In this embodiment, the position of the driven body 101 is detected by using a displacement meter 106 which is radial from the center of the driven body 101 and is provided at positions uniformly distributed in three directions. The displacement meter 106, which is a non-contact displacement meter, has a surface plate 10 as shown in FIG.
9 so as to face the reference surface 109a of the sensor holder 10.
5 and is fixed to the driven body 101 via the reference surface 109a.
And outputs a signal indicating the distance to the object.

【0010】変位計106を構成するものとしては渦電
流式のものや静電容量式のものを用いることができる
が、本実施例においては渦電流式のものを用いた。次
に、本実施例における位置決め制御について説明する。
本実施例においては、駆動機構が平面を決定するのに必
要最少な3個以上の4個設けられているので、被駆動体
101に変形が生じないような制御を行う必要がある。
The displacement meter 106 may be of the eddy current type or the capacitance type, but in this embodiment, the eddy current type is used. Next, positioning control in the present embodiment will be described.
In the present embodiment, since the driving mechanism is provided with three or more and four of the minimum required for determining the plane, it is necessary to perform control such that the driven body 101 is not deformed.

【0011】図2は本実施例における位置決め方式を示
す制御ブロック図である。検出系2011〜2013のそ
れぞれは、図1(b)に示した変位計106と該変位計
106の出力をディジタルの検出信号2021〜2023
に変換する変換回路(不図示)から構成され、各駆動系
2061〜2064のそれぞれは図1(c)に示される駆
動機構と該駆動機構の伸縮量を制御する駆動機構ドライ
バ(不図示)から構成されている。
FIG. 2 is a control block diagram showing a positioning method in this embodiment. Each of the detection systems 201 1 to 201 3 outputs the displacement meter 106 shown in FIG. 1B and the output of the displacement meter 106 to digital detection signals 202 1 to 202 3.
Into a conversion circuit is composed of (not shown), each drive mechanism driver (not shown for controlling the amount of expansion and contraction of the drive mechanism and the driving mechanism shown in FIG. 1 (c) of the driving systems 206 1-206 4 ).

【0012】各検出系2011〜2013のそれぞれが出
力する各検出信号2021〜2023はコントローラ20
4に入力される。コントローラ204にはこの他に外部
入力手段(不図示)からの位置決め値を示す指令値20
3が入力されており、検出信号2021〜2023から被
駆動体101の傾き量と距離とを演算し、続いて、該演
算値と指令値203とを比較演算する。次に、各駆動系
2061〜2064のそれぞれを伸縮させることにより、
被駆動体101の傾き量と距離とを指令値203と一致
させる駆動信号2051〜2054を算出して各駆動系2
061〜2064へ出力する。このように本実施例におい
ては、検出系2011〜2013とコントローラ204に
よるフィードバック系が構成され、被駆動体101の位
置決めがなされる。
[0012] Each detection signal 202 1-202 3 that each output of the detection system 201 1-201 3 controller 20
4 is input. The controller 204 also has a command value 20 indicating a positioning value from an external input means (not shown).
3 is input, the inclination amount and the distance of the driven body 101 are calculated from the detection signals 202 1 to 202 3 , and then the calculated value is compared with the command value 203. Next, by expanding and contracting each of the driving systems 206 1 to 206 4 ,
The driven member 101 of the tilt amount and the distance and the command value 203 and matched to the drive signal 205 1-205 4 calculates the respective drive system 2
And outputs it to the 06 1-206 4. As described above, in the present embodiment, a feedback system including the detection systems 201 1 to 2013 3 and the controller 204 is configured, and the driven body 101 is positioned.

【0013】本実施例においては、駆動機構が4個設け
られているので、位置決め装置の剛性と固有振動数を高
いものとし、駆動素子の制御周波数を高くすることがで
き、高速かつ高精度な位置決め装置とすることができ
た。また、4個の駆動機構が被駆動体101の中心から
放射状であり、かつ4方向に均しく分散する位置に設け
られているので、X方向に対する剛性とY方向に対する
剛性とを等しくすることができる。
In this embodiment, since four driving mechanisms are provided, the rigidity and the natural frequency of the positioning device can be increased, and the control frequency of the driving element can be increased. It could be a positioning device. Further, since the four drive mechanisms are provided radially from the center of the driven body 101 and are provided at positions uniformly distributed in the four directions, it is possible to make the rigidity in the X direction equal to the rigidity in the Y direction. it can.

【0014】なお、駆動機構を構成する駆動素子とし
て、圧電素子102を用いるものとして説明したが、駆
動素子としてはこの他にもモータと送りねじとを組み合
せたものを用いてもよく、これらをテコやクサビを介し
て駆動するように構成してもよい。また、駆動素子を5
個、6個と増設した場合にも同様の方式によって位置決
め制御を行うことが可能であり、駆動機構の設置数およ
び配置は、被駆動体の特性や要求される剛性および位置
決め装置が設置される物体の特性に応じて任意に変更可
能である。このように駆動機構が増えることは被駆動体
の支持点が増えることになるので、適性な位置に支持点
を位置決めすることにより、矯正がなされることとな
り、被駆動体の変形を防止できる。
Although the description has been made assuming that the piezoelectric element 102 is used as the drive element constituting the drive mechanism, the drive element may be a combination of a motor and a feed screw. You may comprise so that it may drive via a lever or a wedge. In addition, when the driving element is 5
Positioning control can be performed by the same method even when the number is increased to six, and the number and arrangement of the driving mechanisms are determined by the characteristics of the driven body, the required rigidity, and the positioning device. It can be arbitrarily changed according to the characteristics of the object. Since an increase in the number of drive mechanisms increases the number of support points of the driven body, correction is performed by positioning the support point at an appropriate position, and deformation of the driven body can be prevented.

【0015】[0015]

【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるので、以下に記載するような効果を奏する。駆動機
構を4個以上設けることにより、位置決め装置の剛性お
よび固有振動数を高くすることができ、高精度かつ高速
な位置決め装置を実現することができる効果がある。
Since the present invention is configured as described above, it has the following effects. By providing four or more drive mechanisms, the rigidity and the natural frequency of the positioning device can be increased, and there is an effect that a highly accurate and high-speed positioning device can be realized.

【0016】また、駆動体の支持点が増えるため、位置
決めにより被駆動体を変形を防止することができる効果
がある。
Further, since the number of support points of the driving body is increased, there is an effect that the driven body can be prevented from being deformed by positioning.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a)は本発明の一実施例の構成を示す平面図
であり、(b),(c)のそれぞれは図1(a)のA−
A線断面図およびB−B線断面図である。
FIG. 1A is a plan view showing a configuration of an embodiment of the present invention, and FIGS. 1B and 1C are A-A in FIG.
It is the sectional view on the A line and the BB line sectional view.

【図2】本実施例における位置決め方式を示す制御ブロ
ック図である。
FIG. 2 is a control block diagram illustrating a positioning method according to the present embodiment.

【図3】従来例の構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 被駆動体 102 圧電素子 103 固定部材 104 弾性ヒンジ部材 105 センサホルダ 106 変位計 107 支持部材 108 板ばね 109 定盤 109a 基準面 2011〜2013 検出系 2021〜2023 検出信号 203 指令値 204 コントローラ 2051〜2054 駆動信号 2061〜2064 駆動系101 driven member 102 piezoelectric element 103 fixing member 104 elastic hinge members 105 sensor holder 106 displacement meter 107 support member 108 leaf spring 109 plate 109a reference plane 201 1-201 3 detection system 202 1-202 3 detection signal 203 command value 204 Controller 205 1 to 205 4 Drive signal 206 1 to 206 4 Drive system

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−238759(JP,A) 特開 昭63−195589(JP,A) 特開 昭62−266490(JP,A) 特開 平1−193133(JP,A) 特開 昭63−193089(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23Q 1/01,3/18 H01L 21/68 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-1-238759 (JP, A) JP-A-63-195589 (JP, A) JP-A-62-266490 (JP, A) JP-A-1- 193133 (JP, A) JP-A-63-193089 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) B23Q 1/01, 3/18 H01L 21/68

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基準面と平行な面の並進方向および回転
方向に対して剛性を有し、基準面に対して垂直な方向に
可撓性を有する複数の板ばねと、該複数の板ばねで支持
された被駆動体と、該被駆動体を該基準面に対して垂直
方向に駆動する複数の駆動機構とを備え、各駆動機構
の駆動によって基準面に対する該被駆動体の垂直方向の
位置および傾きを制御するものであって、前記駆動機構
が4個以上設けられ、該被駆動体の変形を矯正すること
を特徴とする位置決め装置。
1. A plurality of leaf springs having rigidity in a translation direction and a rotation direction of a plane parallel to a reference plane, and having flexibility in a direction perpendicular to the reference plane, and the plurality of leaf springs. A driven body supported by the above, and the driven body is perpendicular to the reference plane.
And a plurality of drive mechanisms for driving the driven body in a vertical direction with respect to a reference plane by driving each of the drive mechanisms. The drive mechanism is provided with four or more drive mechanisms. A positioning device for correcting deformation of the driven body.
【請求項2】 前記基準面と前記被駆動体との位置関係
を計測する複数の変位計を設けたことを特徴とする請求
項1に記載の位置決め装置。
2. A claims, characterized in that a plurality of displacement meter for measuring the positional relationship between the driven member and the reference plane
Item 2. The positioning device according to Item 1 .
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