JP3565258B2 - リップルフィルタ回路とこれを用いた増幅器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ローパスフィルタの機能を有するリップルフィルタ回路とこれを用いた増幅器であって、リップルフィルタ回路の出力端子と電源端子との電位差が少なく、電源のリップル抑圧比が優れ、電源電圧の利用率の良い増幅器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般的に、増幅器と呼ばれるオペレーショナルアンプ(以下、オペアンプと記す)の回路は、図6に示されるように構成されている。図6において、1は電源端子、2は接地端子、16,17はオペアンプの入力端子で、オペアンプの入力回路の構成は、差動回路で構成される。入力端子16,17から入力された信号は、差動回路を構成するPNPトランジスタ18,19およびカレントミラー回路を構成するNPNトランジスタ20,21で増幅され、さらにダーリントン接続で構成される増幅回路のNPNトランジスタ23,24で増幅されて、出力段を構成するPNPトランジスタ28およびNPNトランジスタ29によるB級プッシュプル回路を経て出力端子34に出力される。また、ダイオード26,27はPNPトランジスタ28およびNPNトランジスタ29のバイアス回路を構成する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成のオペアンプにおける電源からのリップル分の抑圧比は、十分ではなかった。そして、電源にリップル分が重畳した場合には、図6に示す抵抗41を介してダイオード39,40にリップル分が達して、NPNトランジスタ37のベースに入力される。さらに、定電流設定トランジスタのPNPトランジスタ22,25,36にリップル分は入力されることになり、リップル分はPNPトランジスタ25のコレクタからNPNトランジスタ29のベースへ入力され、出力端子34にリップル分が出力されることになる。このリップル分による影響は、その用途において、例えば、スイッチングレギュレータ出力を電源に使用したオペアンプ等では、影響が大きく不都合を受けるという問題があった。
【0004】
本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、スイッチングレギュレータの出力を電源に使用して電源端子にリップル分が重畳された場合においても、オペアンプの出力端子に現れるリップル分を除去し、電源使用率をよくするリップルフィルタ回路とこれを用いた増幅器を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明に係るリップルフィルタ回路は、一端が第1の抵抗を介して電源端子に接続されると共に他端が接地端子に接続されるコンデンサと、コレクタを前記電源端子に接続し、ベースを前記コンデンサの一端に接続した第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタのエミッタに一端を接続し、他端を第1の定電流源に接続した第2の抵抗と、コレクタを前記接地端子に接続し、ベースを前記第2の抵抗の他端に接続し、エミッタを第2の定電流源に接続した第2のトランジスタとを備えたリップルフィルタ回路であって、第2のトランジスタのエミッタをローパスフィルタの出力端子として使用し、電源端子と出力端子との電位差を小さくしたことを特徴とする。
【0006】
また、本発明に係るリップルフィルタ回路を用いた増幅器は、入力端子から入力される信号を差動手段や増幅手段を介して出力する増幅器であって、増幅器の出力段を駆動するトランジスタのベースに接続する、リップルフィルタ回路の出力端子から定電流を得る手段を備え、さらに、増幅器の出力段を駆動する第1のトランジスタのベースを、電源端子とコレクタを接続した第2のトランジスタのエミッタに接続し、第2のトランジスタのベースに接続する、リップルフィルタ回路の出力端子からカレントミラー回路を介し定電流を得る手段を備えて、増幅器の出力振幅のリップル分が除去され電源利用率を高くしたことを特徴とする。
【0007】
また、前記リップルフィルタ回路を用いた増幅器は、増幅器の複数個を並列接続するように構成したものである。
【0008】
前記の構成によれば、リップルフィルタ回路は電源端子にリップル分が含まれていた場合に、抵抗とコンデンサによりローパスフィルタの機能を有することから、高周波分は接地端子へ流れ、第1のトランジスタのエミッタのリップル分は除去され、同様に第2のトランジスタのエミッタからもリップル分が除去され、さらに出力電圧と電源電圧との電位差を小さくした出力電圧を得ることができる。
【0009】
また、リップルフィルタ回路を用いた増幅器は、前記のリップルフィルタ回路の出力を増幅器の定電流源に用いることにより、高周波リップル分が除去されていることから、増幅器の入力信号が増幅された場合にも高周波リップル分はなく、増幅分にも高周波リップル分が含まれることがなく、リップル抑圧比の良い増幅器を得ることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。
【0011】
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1におけるリップルフィルタ回路の一例を示す回路図である。図1において、1は電源と接続する電源端子であり、電源にリップル分が重畳している場合、抵抗4とコンデンサ5によりCRフィルタが構成され高周波成分が除去される。
【0012】
また、抵抗4とコンデンサ5の接続点とNPNトランジスタ6のベースを接続し、NPNトランジスタ6のエミッタから抵抗7を介して定電流源8に接続する。さらに、抵抗7と定電流源8の接続点にPNPトランジスタ14のベースを接続し、PNPトランジスタ14のコレクタを接地して、エミッタを端子3と接続する。
【0013】
ここで、端子3の出力電圧V3は、電源端子1の電源電圧をVcc、NPNトランジスタ6のベース−エミッタ間電圧をVbe6、PNPトランジスタ14のベース−エミッタ間電圧をVbe14、抵抗7の抵抗値をR7,定電流源8の電流値をI8、抵抗4の抵抗値をR4、NPNトランジスタ6のベース電流をIb6とすれば、
【0014】
【数1】
V3=Vcc−R4・Ib6−R7・I8−Vbe6+Vbe14
いま Vbe6=Vbe14とすれば、出力電圧V3は
【0015】
【数2】
V3=Vcc−R4・Ib6−R7・I8
と表され、抵抗7と定電流源8の電流値I8により端子3から出力される電圧値を自由に設定することができるが、PNPトランジスタ13が飽和しない値に設定する。
【0016】
例えば、Vcc=10V,R4=50kΩ,Ib6=0.05μA,R7=15kΩ,I8=10μAとすれば、前記の(数1)から
【0017】
【数3】
と計算できる。出力電圧V3=9.8975Vと電源電圧Vcc=10Vとの差は、0.1025Vであり、PNPトランジスタ13が飽和しない限界値に設定する。
【0018】
さらに、端子3と接地端子2との間にコンデンサ15を接続することにより、リップル抑圧比をさらに改善することができる。また、図1のリップルフィルタ回路は、抵抗4とコンデンサ5のCRフィルタによるローパスフィルタの特性を有していることから高周波ほど高いリップル抑圧比を得ることができる。
【0019】
以上のことから、特に高周波のリップル分の除去に効果を発揮すると共に、リップル抑圧比を高めたにも関わらず、電源電圧からの出力信号の最大出力電圧との差が少なく、出力のダイナミックレンジが狭くなることなく、電源利用率を高くできる。
【0020】
(実施の形態2)
図2は本発明の実施の形態2における前記リップルフィルタ回路を用いたオペアンプの一例を示す回路図である。ここで、前記の従来例で説明した図6に示す構成部材と同等の機能のものには同一の符号を付して示し、以下の各図においても同様とする。いま、図2に示すオペアンプ(増幅器)において、16,17は入力端子である。入力は、差動回路を構成するPNPトランジスタ18,19を介して、NPNトランジスタ20,21の能動負荷からダーリントン接続の回路を構成するNPNトランジスタ23,24へ接続される。さらに、ダイオード26,27は出力段のPNPトランジスタ28,NPNトランジスタ29のバイアス回路を構成する。
【0021】
本実施の形態2は、図1に示すリップルフィルタ回路を用いた図2のオペアンプから構成したもので、図1,図2に示す電源端子1と接地端子2は共通であり、さらに、リップルフィルタ回路の出力を得る端子3をオペアンプの端子3と共通接続する。
【0022】
前記のように構成される回路において、オペアンプの入力端子16,17に入力信号が加わると、差動回路を構成すトランジスタ18,19および能動負荷のNPNトランジスタ20,21で増幅され、さらにダーリントン接続されたNPNトランジスタ23,24で増幅されて、出力段の回路を構成するPNPトランジスタ28,NPNトランジスタ29により出力信号に変換され、出力端子34から出力される。
【0023】
そして、ダイオード39,40とNPNトランジスタ37および抵抗38により、バイアス電流Ibが設定される。このバイアス電流Ibは、ダイオード39,40の順方向電圧をVbe39,Vbe40、NPNトランジスタ37のベース−エミッタ間電圧をVbe37、抵抗38の抵抗値をR38とすると
【0024】
【数4】
Ib=(Vbe39+Vbe40−Vbe37)/R38
と表される。
ここでVbe39=Vbe40=Vbe37=Vbeとすれば
【0025】
【数5】
Ib=(Vbe+Vbe−Vbe)/R38=Vbe/R38となり、バイアス電流Ibは簡単に計算することができる。
【0026】
一般にオペアンプのバイアス電流はμAのオーダーであり、図1のリップルフィルタ回路からの出力インピーダンスの影響は受けない。さらに、端子3はリップルフィルタ回路の出力でありリップル分は微小である。また、オペアンプの電源電流の大部分は出力端子34への電流であり、図2の場合には、NPNトランジスタ29のコレクタ電流とほぼ等しく、従って電流が大きい部分を電源端子1に接続する。
【0027】
この回路構成によって、電源端子1にのみ電流が流れ、リップルフィルタ回路に出力される端子3からの電流は微小で、電流によるリップルフィルタ回路の性能に影響はない。また、前述したように、電源端子1とリップルフィルタ回路からの出力電圧との電位差が少ないので、オペアンプの出力端子34からの出力振幅の減少も少なく、ダイナミックレンジが狭くなることもなく、電源利用率を高くすることができる。
【0028】
また、図2に示すオペアンプの回路図において、リップルフィルタ回路からの出力が接続される端子3には、リップル分が微小なため差動回路を構成するPNPトランジスタ18,19への定電流設定のPNPトランジスタ22からの定電流にはリップル分は含まれず、また出力段のNPNトランジスタ29のベースへの定電流設定のPNPトランジスタ25にもリップル分が含まれず、従って出力端子34にリップル分が現れることはない。
【0029】
また、増幅器の出力トランジスタのコレクタは、通常の電源端子に接続されるが、電源端子1と接続されるNPNトランジスタ29のコレクタとエミッタ間のインピーダンスは高く、電源端子1にリップル分が含まれていてもNPNトランジスタ29のエミッタにはリップル分が現れることはなく、前記と同様にNPNトランジスタ29のベースは、定電流設定部を介して端子3に接続されるため、出力端子34にリップル分が現れることはない。
【0030】
以上の説明から明らかなように、図1のリップルフィルタ回路を用いたオペアンプ(増幅器)により、リップル抑圧比の優れた特性を有する増幅器を実現できる。
【0031】
(実施の形態3)
図3は本発明の実施の形態3における前記リップルフィルタ回路を用いたオペアンプの一例を示す回路図である。図3に示すように、入力端子16,17は差動回路のNPNトランジスタ45,46の入力端子であり、差動回路のNPNトランジスタ45,46のコレクタには、それぞれカレントミラー回路を構成するPNPトランジスタ47,48およびPNPトランジスタ49,50が接続され、PNPトランジスタ47,48およびPNPトランジスタ49,50のエミッタは、それぞれ抵抗を介してリップルフィルタ回路からの出力を得る端子3に接続されている。
【0032】
さらに、それぞれのカレントミラー回路の出力となるPNPトランジスタ50のコレクタおよびPNPトランジスタ79のコレクタを、NPNトランジスタ51,52により構成されるカレントミラー回路に接続する。このカレントミラー回路の出力であるNPNトランジスタ78のコレクタとPNPトランジスタ79のコレクタを2個の直列接続した抵抗69,70を介して接続する。
【0033】
PNPトランジスタ79のコレクタとコレクタを電源端子1に接続したNPNトランジスタ55のベースに接続して、そのNPNトランジスタ55のエミッタを接地端子2への定電流設定トランジスタへ接続する。また、NPNトランジスタ78のコレクタを接地端子2にコレクタを接続したPNPトランジスタ53のベースに接続して、PNPトランジスタ53のエミッタを電源端子1からの定電流設定トランジスタへ接続する。
【0034】
さらに、PNPトランジスタ53のエミッタからコレクタを電源端子1に接続したNPNトランジスタ29のベースに接続する。このNPNトランジスタ29のエミッタを出力端子34とすると共に、コレクタを接地端子2へ接続したPNPトランジスタ28のエミッタに接続する。また、PNPトランジスタ28のベースは、NPNトランジスタ55のエミッタに接続する回路構成である。
【0035】
図3に示す本実施の形態3において、前記実施の形態2と同様に電源端子1にリップル分が含まれていても、リップルフィルタ回路からの出力である端子3には、リップル分は現れることはない。したがって、出力端子34とエミッタが接続されるPNPトランジスタ28のベースとエミッタが接続されるNPNトランジスタ55のベースにリップル分が含まれず、PNPトランジスタ28のエミッタにもリップル分は含まれない。また、PNPトランジスタ53のベースもリップル分は含まれず、PNPトランジスタ53のエミッタにもリップル分は含まれない。
【0036】
PNPトランジスタ54のエミッタは抵抗を介して電源端子1に接続されるが、エミッタとコレクタ間およびベースとコレクタ間のインピーダンスが高いため、PNPトランジスタ54のコレクタにリップル分はほとんど現れず、従ってNPNトランジスタ29のエミッタ、つまり出力端子34にリップル分は現れない。
【0037】
前記の説明から明らかなように、図3に示す本実施の形態3においてもリップル抑圧比の優れた特性の増幅器が実現することができる。また、図3に示すコンデンサ68は位相補正用の数十pFであって、図3の回路をワンチップの集積回路に設計することは容易であり、図1に示すリップルフィルタ回路を用いたワンチップの集積回路にすることも可能である。
【0038】
図4は、前記の実施の形態2,3で説明したリップルフィルタ回路を用いたオペアンプにおいて、従来例とリップル抑圧比を比較した特性グラフを示す図である。図4に示すグラフAは、図6に示す従来のオペアンプにおけるリップル抑圧比の特性グラフである。グラフBは実施の形態2におけるリップルフィルタ回路を用いたオペアンプのリップル抑圧比の特性グラフ、グラフCは実施の形態3におけるオペアンプのリップル抑圧比の特性グラフである。
【0039】
図4のグラフAに示すように、従来例のオペアンプのリップル抑圧比は、リップル周波数が高くなると特性が急に悪くなるが、本実施の形態2,3のグラフB,Cでは、リップル周波数が高くなってもそれほど悪化せずに、優れたリップル抑圧比の特性を示している。
【0040】
(実施の形態4)
図5は本発明の実施の形態4におけるオペアンプを複数個設けたリップルフィルタ回路を用いたオペアンプ群の構成を示すブロック図である。図5に示すように、電圧源100を抵抗101,102,103,104で分割し、各オペアンプの出力34,34′,34″を設定することにより、抵抗で分割した電圧をリップル分がなく低インピーダンスで出力することができる。
【0041】
また、図5に示す回路をワンチップの半導体集積回路に設計することも容易であり、集積回路の外付けが不要な、リップル分のない複数の基準電圧をワンチップで得ることができる。さらに、オペアンプの出力端子34の設定電圧が電源電圧よりわずかに低い電圧値に設定した場合においても、ダイナミックレンジが狭くなることはなく、優れたリップル抑圧比を得ることができる。
【0042】
例えば、前記構成の集積回路を液晶表示装置に用いられる階調用の電圧に使用すれば、液晶表示装置の電源にスイッチングレギュレータを用いた場合にも、電源からのリップル分がなく、高性能な階調用電圧が得られ、液晶表示装置を高性能化することができる。
【0043】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、リップルフィルタ回路において、電源端子とリップルフィルタ回路の出力との電位差を少なくでき、リップル抑圧比を改善することができる。
【0044】
また、リップルフィルタ回路を用いたオペアンプにより、電源端子にリップル分が重畳された場合にも、オペアンプの出力端子にはリップル分のない出力信号が得られる。特に電源としてスイッチングレギュレータを使用した場合にも、スイッチング周波数等の高周波の影響を受けず、オペアンプの出力振幅の低下も少なく、ダイナミックレンジが狭くなることがなく、電源利用率の高い優れたオペアンプの特性を発揮することができる。
【0045】
また、リップルフィルタ回路を用いたオペアンプにおいて、複数個のオペアンプと抵抗で分割した電圧から、オペアンプのバッファ接続によりインピーダンス変換して、リップル分のない複数の基準電圧を低インピーダンスで出力することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1におけるリップルフィルタ回路の一例を示す回路図
【図2】本発明の実施の形態2におけるリップルフィルタ回路を用いたオペアンプの一例を示す回路図
【図3】本発明の実施の形態3におけるリップルフィルタ回路を用いたオペアンプの一例を示す回路図
【図4】リップル抑圧比を比較した特性グラフを示す図
【図5】本発明の実施の形態4におけるオペアンプを複数個設けたリップルフィルタ回路を用いたオペアンプの構成を示すブロック図
【図6】従来のオペアンプの一例を示す回路図
【符号の説明】
1 電源端子
2 接地端子
3 端子
4,7,10,11,30,31,32,38,41,69,70,101,102,103,104 抵抗
5,15,68 コンデンサ
6,20,21,23,24,29,37,45,46,51,52,55,78 NPNトランジスタ
8,9 定電流源
12,13,14,18,19,22,25,28,36,47,48,49,50,53,54,79 PNPトランジスタ
16,17 入力端子
26,27,39,40 ダイオード
34,34′,34″ 出力端子
100 電圧源
Claims (4)
- 一端が第1の抵抗を介して電源端子に接続されると共に他端が接地端子に接続されるコンデンサと、コレクタを前記電源端子に接続し、ベースを前記コンデンサの一端に接続した第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタのエミッタに一端を接続し、他端を第1の定電流源に接続した第2の抵抗と、コレクタを前記接地端子に接続し、ベースを前記第2の抵抗の他端に接続し、エミッタを第2の定電流源に接続した第2のトランジスタとを備えたリップルフィルタ回路であって、
前記第2のトランジスタのエミッタをローパスフィルタの出力端子として使用し、前記電源端子と前記出力端子との電位差を小さくしたことを特徴とするリップルフィルタ回路。 - 入力端子から入力される信号を差動手段や増幅手段を介して出力する増幅器であって、
増幅器の出力段を駆動するトランジスタのベースに接続する、前記請求項1記載のリップルフィルタ回路の出力端子から定電流を得る手段を備えて、前記増幅器の出力振幅のリップル分が除去され電源利用率を高くしたことを特徴とするリップルフィルタ回路を用いた増幅器。 - 入力端子から入力される信号を差動手段や増幅手段を介して出力する増幅器であって、
増幅器の出力段を駆動する第1のトランジスタのベースを、電源端子とコレクタを接続した第2のトランジスタのエミッタに接続し、前記第2のトランジスタのベースに接続する、前記請求項1記載のリップルフィルタ回路の出力端子からカレントミラー回路を介し定電流を得る手段を備えて、前記増幅器の出力振幅のリップル分が除去され電源利用率を高くしたことを特徴とするリップルフィルタ回路を用いた増幅器。 - 前記リップルフィルタ回路を用いた増幅器は、増幅器の複数個を並列接続したことを特徴とする請求項2または3記載のリップルフィルタ回路を用いた増幅器。
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