JP3619859B2 - 放電加工装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、工具電極と導電性のワークピースの間に放電を発生させつつ工具電極をワークピースへ向けて送ることによって種々の形状の穴をワークピース中に形作る放電加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
放電加工装置(Electric Discharge Machining Apparatus)は、硬い導電性のワークピースをモールドやダイへ精密に加工するために広く使用されている。ワークピースは加工槽内に配置されたテーブルに固定され、銅やグラファイトの工具電極は垂直に移動可能なクイルあるいはラムに工具ホルダを用いて取り付けられる。加工槽は灯油のような誘電性液で満たされ、工具電極はワークピースに非常に接近して位置決めされる。工具電極とワークピースとの隙間はギャップと呼ばれ、そのサイズは、数μmから数十μmである。オンタイムの間パワーパルスが工具電極とワークピース間に印加されると、ギャップ中の誘電性液の絶縁特性が破壊され放電が発生する。この放電による熱のため、微量のワークピース材料が蒸発するあるいは溶融して誘電性液に流される。オンタイムが終了すると、ギャップ中の誘電性液の絶縁特性を回復するためパワーパルスの印加がオフタイムの間停止される。放電によってクレータ状の微細な穴がワークピースの表面に残る。放電加工装置は、通常、オンタイムとオフタイムを1μsec〜数十msecの間で制御してパワーパルスを繰り返しギャップに印加する。放電加工装置は工具電極をワークピースへ向かってZ軸に沿って降下させギャップを一定のサイズに維持する。工具電極はワークピースに接触することなくワークピースから微量の材料を除去できるので、良好な粗さの面をもつ、形状において工具電極に相補的な窪みが精度よくワークピース中に形作られる。このような放電加工装置は、走行するワイヤ電極を使用するワイヤEDM(Wire EDM)と区別して、シンカーEDM(Sinker EDM)と呼ばれる。
【0003】
ワークピースから除去された破片をギャップから洗い流すためギャップを経由する誘電性液の流れを作り出す“フラッシング”動作が、放電加工には重要である。フラッシング動作は、ワークピースから除去された破片と工具電極との間に発生する望ましくない2次放電を防止しオフタイム中の確実な絶縁の回復に貢献する。熟練の作業者は、加工前に、新鮮な誘電性液をギャップへ送り込んだり汚れた誘電性液をギャップから吸引するための穴を工具電極やワークピース中の適当な位置に形成する。工具電極のサイズや形状に因りそのような穴の形成が制限される場合、作業者は誘電性液をギャップへ向けて噴射する噴射装置を適当な位置に配置する。フラッシングは、より速くより精度良く放電加工を行うための鍵であるけれども、ギャップのすべてにわたって均一な流れを作り出すためには熟練が必要となる。
【0004】
工具電極を周期的にZ軸に沿って急速に上昇させ急速に下降させてギャップ中の汚れた誘電性液のほとんどをワークピース中の窪みから追い出す、“ジャンプ”と呼ばれる動作が知られている。ジャンプ動作中、従来、工具電極は数百mm/minの速度で移動する。工具電極の往復距離が大きければ、より多くの新鮮な液がギャップへ流れ込みより多くの汚れた液がギャップから排出される。少なくともワークピース中に加工されている穴の深さ以上に工具電極を上昇させることが望ましい。しかしながら、ジャンプ動作中は加工が中断し、ワークピースから材料の除去が行われないため、過度に頻繁なジャンプ動作は材料除去速度を低下させてしまう。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、材料除去速度を低下させることなく、ワークピースから除去された破片を効果的にギャップから洗い流すことのできる放電加工装置を提供することである。また、本発明の別の目的は、高い熟練を必要とすることなく、ワークピースから除去された破片を効果的にギャップから洗い流すことのできる放電加工装置を提供することである。即ち、本発明は、シンカー放電加工機において、下端に工具電極を取り付けたクイルを、高い加減速で精度良く垂直方向に高速度で移動できるようにすることにある。その他の本発明の目的は、以下に続く説明の中に部分的に述べられ、発明を実践することにより、当業者に部分的に明らかになるであろう。
【0006】
しかして、本発明者らは、上記目的を達するための形彫り放電加工機用の送り機構として、リニアモータを用いた図1乃至図4、及び図5に示す送り機構を、平成10年11月17日付け出願の平成10年特許願第327316号として、先に提案した。そして、本発明は、この先発明の改良に係り、その構成等は、多く符号しているので、以下、その構成、作動、及び問題点等につき、上記図を参照して説明する。
【0007】
図1乃至図4は、上記先発明の第1の実施の形態の説明図で、図1は第1の実施の形態の送り装置を搭載した形彫放電加工機の全体構成を、要部の一部を透視図として示した斜視図。
図2はクイルを駆動する装置を図1のA−A線に沿って見た横断平面図、図3は、同じく図1のB−B線に沿って見た縦断左側面図、また、図4は、同じく図1のC−C線に沿って見た縦断正面図である。
【0008】
図1中にイラストされているように、コラム2はベッド1の背後に配置され、移動体3がY軸の方向に摺動可能にベッド1に設けられている。サドル4はY軸に直交するX軸の方向に摺動可能に移動体3に設けられている。誘電性液で満たされる加工槽5はサドル4に設けられている。ワークピース(イラストされていない)は、加工槽5中に配置されたテーブル(イラストされていない)に固定されている。ワークピースの近くに位置決めされる工具電極6は、電極取り付け装置9に取り付けられる。電極取り付け装置9はZ軸方向に移動可能な中空のクイル8の下端に固定されている。材料除去速度を低下させることなく大きい移動量のジャンプ動作を行うため、放電加工装置は、重力加速度(1G)を超える加速と減速、10m/min以上の速度で工具電極6を精度良く移動することを可能にする。
【0009】
図2中に詳細に示されるように、クイル8は外形がほぼ正方形の横断面を有する。電極取り付け装置9及び工具電極6は、図3及び図4中に示されるように、クイル8の中心軸QCと同軸に配置されているので、工具電極6は精度良く移動できる。列状の永久磁石片11と13とが中心軸QCに関して対称に四角柱状のクイル8の両側壁に配置されている。
【0010】
高い加速を得るため高い剛性を保ちつつクイル8を軽量化することに注意が払われている。クイル8は、その中心に垂直方向に延びる円筒形の穴8aを有し、4g/cm3以下の密度を有する。それは、好ましくは、小さい熱膨張係数と大きなヤング率を有するセラミックスから成る。セラミックスとしては、Al2O3等の酸化物系のものの外に、非酸化物系のSiC、特に、3.2g/cm3の密度、3.0〜3.1×106kgf/cm2のヤング率、4.5〜5.0MPa・m1/2の破壊靭性を有する窒化珪素(Si3N4)セラミックスが選ばれる。
【0011】
永久磁石片11と13とは、それらの間に良好な磁気回路を形成するため、鉄のような軟磁性材から成るできるだけ薄い磁石板12と14とに配置される。クイル8と磁石板との間になんらの部材も設けられていない。イラストされた実施例では、2列の永久磁石11が配置された磁石板12がクイル8の一方の側壁へ貼り付けられ、2列の永久磁石13が配置された磁石板14がクイル8の前記一方の側壁に背向する他方の側壁へ貼り付けられている。
【0012】
クイル8の垂直の移動を直線に案内するため、2本のリニアモーションボールベアリングレール21が互いに平行にコラム2の前面2aに取り付けられている。レール21に係合する上側及び下側ベアリングブロック22と23が、クイル8の後壁に取り付けられている。
【0013】
永久磁石11と13に向い合う電機子固定子10と15を支持する枠体7が、コラム2の前面2aに取り付けられている。図2及び図4中に示されるように、励磁コイルとヨークから成る固定子10と15が、クイル8の中心軸に関して対称となるように板7dと7eのそれぞれの垂直面に取り付けられる。板7dと7eは枠体7の両側壁に形成された窓7aと7bに固定されている。板7dと7eに積層の珪素鋼板から成るヨーク31と41がそれぞれ取り付けられ、電機子コイル32と42がヨーク31と41のそれぞれの移動方向に並ぶ磁極歯に巻かれている。ヨーク31と永久磁石11との隙間と、ヨーク41と永久磁石13との隙間は同じサイズになるよう調整されている。例えば、これら2つの隙間は、板7dと7eに設けられた多数の押しねじと引きねじによって同じサイズに調整される。その結果、2つのリニアモータの移動子と固定子の間に発生する各磁気的な吸引力が相互に相殺される。
【0014】
冷却液が通るいくつかの管33と43が、ヨーク31と41のそれぞれの中に形成された穴に挿入されている。
【0015】
リニアスケール51はクイル8の前壁に取り付けられ、クイル8の位置を読み取るセンサ52が枠体7の前壁7cの内側に設けられている。リニアモータの駆動装置(図示されていない)はセンサ52の検出信号を受け取り電機子コイル32と42へ制御信号を供給する。
【0016】
1G以上の加速度で移動可能なクイル8の荷重のつりあいをとるシリンダ61がエアバランサとして設けられる。機械をコンパクトにするため、シリンダ61は中心軸QCと同軸に穴8a中に配置されその上端はフランジ64によってクイル8に固定されている。シリンダ61はクイル8の直近に設けられているので、その高い応答性が確保される。ピストンロッド63は一端でピストン62へ接続され、その他端で連結板65へ接続されている。水平に延びる連結板65はコラム2に固定されている。ピストン62より上のシリンダ61内に形成された上室61aの空気圧は精密エアレギュレータによって一定値に維持されている。シリンダ61により、コイル32と42に供給される電力はクイル8の静止中には節約される。
【0017】
また、粉塵の侵入を防ぐためいくつかの蛇腹がクイル8と枠体7との隙間に設けられている。
【0018】
クイル8を案内する装置やリニアスケール51の位置は、図2、図3及び図4中にイラストされた実施例に限定されない。例えば、後述する先発明の第2の実施の形態である図5中にイラストされるように、クイル8の垂直な移動を案内し、ラジアルモーションを抑制するクロスローラベアリング23がクイル8の前壁と枠体7の前壁7cの間に追加的に設けられることが好ましい。この場合リニアスケール51がクイル8の後壁に設けられクイル8の位置を検出するセンサ52がコラム2の前面2aに設けられてもよい。
【0019】
以上のように、前述図1乃至図4の先発明のものは、そのリニアモータの配置構成やエアバランサの付設等により、例えば、特開平5−104332号公報や特開平8−309620号公報等に記載された公知のリニアモータ使用の放電加工機の欠点をある程度克服できたとしても、電極6、取付装置9、リニアモータの移動子、及び直線案内等を取り付けたクイル8を含む軸送り移動部が、コラム2及び枠体7の大きさ及び剛性に対しある程度大型及び/又は高重量になると、直線案内装置21、22へのラジアル荷重を含む負荷が著増し、高い加速と減速での高応答、及びバランスのよいスムーズな移動をさせることは実際上困難なものであった。したがって、本発明は、かかる先発明の欠点を解決しようとするものである。
【0020】
【課題を解決するための手段】
前述の本発明の目的は、(1)ワークピースと工具電極との間に放電を発生させながら工具電極をワークピースへ向けて垂直方向に移動させることによってワークピースを加工する放電加工装置において、
軸中心に垂直方向に延びる穴を有し垂直方向に移動可能にコラム前部に保持されたクイルと、前記クイルと同軸にクイルの下端に取り付けられた、工具電極が取り付けられる電極取付装置と、
前記クイルの軸心に関して対称に、クイルの背向する両側面に取り付けられた少なくとも1組のリニアモータ移動子と、
1組の移動子のそれぞれに向かい合うように、クイル保持の固定部に取り付けられた、1組のリニアモータの固定子と、
クイルの荷重のつりあいをとるようにクイルを中心軸位置で固定部に保持するシリンダとピストンロッド及び連結板を有するエアバランサと、
前記リニアモータの移動子を取り付けたクイルの両側面に交叉する両側面と該両側面に向い合うクイル保持の固定部とに取り付けられる垂直方向の直線案内装置であって、前記1組のリニアモータによる各発生推力の合成力の作用面が前記交叉する両側面と交わる位置に垂直方向に設けらた放電加工装置とすることにより達成される。
【0021】
また、前述の本発明の目的は、(2)前記1組の移動子は、クイルに貼り付けられた磁石板と磁石板に配置された列状の永久磁石を含み、1組の固定子は、ヨークとヨークに巻かれたコイルを含む前記(1)に記載の放電加工装置とすることにより達成される。
【0022】
また、前述の本発明の目的は、(3)前記クイルの荷重のつりあいをとるエアバランサは、ピストンロッドがクイルと並行に昇降するようにシリンダがコラム固定部に固定され、ピストンロッドが連結板を介してクイル頂部に連結される前記(1)に記載の放電加工装置とすることにより達成される。
【0023】
また、前述の本発明の目的は、(4)前記クイルの荷重のつりあいをとるエアバランサは、シリンダがクイルの前記穴に嵌挿してクイルに連結され、ピストンロッドが連結板を介してコラムに連結され前記(1)に記載の放電加工装置とすることにより達成される。
【0024】
また、前述の本発明の目的は、(5)前記交叉する両側面と該両側面に向い合うクイル保持の定部とに取り付けられた垂直方向の直線案内装置がクロスローラガイドである前記(1)に記載の放電加工装置とすることにより達成される。
【0025】
また、前述の本発明の目的は、(6)前記クイルが、4g/cm3以下の密度を有するスセラミックスからなる前記(1)に記載の放電加工装置とすることにより達成される。
【0026】
【発明の実施の形態】
図6、図7、図8、図9及び図10を参照して、本発明による放電加工装置の実施の形態が述べられる。図6は前述図1に、図7は前述図2に、また図8は前述図3と図4にそれぞれ対応してそれぞれ同様な要素、構成からなり、また図9及び図10も同様な要素からなるものであるので、図中の同様の要素には同じ参照番号が与えられ、その説明が省略される。
【0027】
一列の永久磁石16と17がそれぞれ貼り付けられた磁石板12と14が、4角柱状のクイル8の前壁と後壁にそれぞれ取り付けられている。図9及び図10中に示されるように、個々の永久磁石16と17は、トルクの脈動を減少させるため、水平方向からわずかに傾いて磁石板14と12とに貼り付けられている。クイル8は、軽量化のため中心軸QCと同軸の4角柱状の穴8aを有する。クイル8を案内するリニアクロスローラガイド24と25が、図6及び図7から明らかなように、クイル8のリニアモータを設けた背向する両側面と交叉する両側面と枠体7との間に垂直方向に沿って設けられている。また、図8中に良く示されるように、クイル8の荷重のつりあいをとるシリンダ61は、ヨーク41が取り付けられた板7eとコラム2との間に設けられている。ピストンロッド63は連結板65を用いてクイル8へ接続されている。
【0028】
図10を参照して、クイル8を駆動する力が詳細に説明される。図中の参照符号GCLは、永久磁石列16と17が対称に配置される中心線を示している。永久磁石列17とヨーク31との間に発生する推力FAと永久磁石列16とヨーク41との間に発生する推力FBの合成力TFは、クイルの中心線GCLに重なる。リニアクロスローラガイド24と25は、それぞれの案内面において、その案内力が中心線GCLに重なるように配置されている。したがって、垂直方向以外の力は、クイル8を案内するリニアクロスローラガイド24と25に作用しない。こうして、クイル8は、大型電極6等の負荷により、大型及び/又はある程度偏荷重で高重量となっても、高い加速で精度良く垂直方向に移動できる。
【0029】
底面で1.0mmの厚さと38mmの幅、各側面で1°の傾きをもつリブ状のグラファイト工具電極を使用してワークピース中に深さ70mmの穴を加工した。この時、オンタイムは100μsec、オフタイムは140μsec、電流波高値は93A、平均ギャップ電圧は55V、無負荷電圧は120V、“ジャンプ”速度は、30m/min、1サイクルの“ジャンプ”時間は0.24secに設定された。ワークピースの材質は、日本工業規格のSKD11であった。“フラッシング”は行わなかったにもかかわらず、加工速度はほぼ一定に維持され加工は135分で終了した。
【0030】
本発明によれば、下方先端に工具電極取付装置を取り付けたクイルを精度良く垂直方向に高応答、高加速度で、高速に送り移動させることができ、このため電極ジャンプに際し、熟練を要せず、したがって加工速度を低下させずに、ワークピースから除去された破片を効果的にギャップから洗い流す電極ジャンプが行なわれて、放電加工機の加工性能を格段に向上させられる。
【0031】
本発明を開示されたフォームに限定することは意図されていない。上述の記述を参照して多くの改良及びバリエーションが可能であることは明らかである。例えば、クイル8の横断面は、正方形に限定されない。それは、例えば、長方形でもよく、また、互に平行な2つの垂直面を有する形状であれば良い。
イラストされた実施例は、発明の本質とその実用的な応用を説明するために選ばれた。発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【図1】先に提案した発明の実施の形態の送り装置を搭載した形彫放電加工機の全体構成を、要部の一部を透視図として示した斜視図。
【図2】同じく、図1の実施の形態のクイルを駆動する装置を図1のA−A線に沿って見た横断平面図。
【図3】同じく、図1のB−B線に沿って見た縦断左側面図。
【図4】同じく、図1のC−C線に沿って見た縦断正面図。
【図5】図1の実施の形態のクイルを駆動する装置の付加変形例を、前記図2と同様にA−A線に沿って見た横断平面図。
【図6】本発明の実施の形態の送り装置を搭載した放電加工機を前記図1と同様に全体構成として示した斜視図。
【図7】同じく、図2と同様クイルを駆動する装置を図6のA−A線に沿って見た横断平面図。
【図8】同じく、図6のB−B線に沿って見た縦断左側面図。
【図9】同じく、クイルの軸送り機構と駆動する装置の外形斜視図。
【図10】同じく、図6乃至図9のクイルに作用する推力を示す斜視図。
【符号の説明】
1 :ベッド
2 :コラム
3 :移動体
4 :サドル
5 :加工槽
6 :工具電極
7 :枠体
7a、7b:窓
7d、7e:板
7c :前壁
8 :クイル
8a :穴
9 :電極取付装置
10、15:電機子
11、13、16、17:永久磁石片
12、14:磁石板
21 :レール
22、23:ベアリングブロック
24、25:クロスローラガイド
31、41:ヨーク
32、42:コイル
33、43:冷却管
51 :リニアスケール
52 :センサ
61 :シリンダ
62 :ピストン
63 :ピストンロッド
64 :フランジ
65 :連結板
Claims (6)
- ワークピースと工具電極との間に放電を発生させながら工具電極をワークピースへ向けて垂直方向に移動させることによってワークピースを加工する放電加工装置において、
軸中心に垂直方向に延びる穴を有し垂直方向に移動可能にコラム前部に保持されたクイルと、前記クイルと同軸にクイルの下端に取り付けられた、工具電極が取り付けられる電極取付装置と、
前記クイルの軸心に関して対称に、クイルの背向する両側面に取り付けられた少なくとも1組のリニアモータ移動子と、
1組の移動子のそれぞれに向かい合うように、クイル保持の固定部に取り付けられた、1組のリニアモータの固定子と、
クイルの荷重のつりあいをとるようにクイルを中心軸位置で固定部に保持するシリンダとピストンロッド及び連結板を有するエアバランサと、
前記リニアモータの移動子を取り付けたクイルの両側面に交叉する両側面と該両側面に向い合うクイル保持の固定部とに取り付けられる垂直方向の直線案内装置であって、前記1組のリニアモータによる各発生推力の合成力の作用面が前記交叉する両側面と交わる位置に垂直方向に設けられているものであることを特徴とする放電加工装置。 - 前記1組の移動子は、クイルに貼り付けられた磁石板と磁石板に配置された列状の永久磁石を含み、1組の固定子は、ヨークとヨークに巻かれたコイルを含む請求項1に記載の放電加工装置。
- 前記クイルの荷重のつりあいをとるエアバランサは、ピストンロッドがクイルと並行に昇降するようにシリンダがコラム固定部に固定され、ピストンロッドが連結板を介してクイル頂部に連結される請求項1に記載の放電加工装置。
- 前記クイルの荷重のつりあいをとるエアバランサは、シリンダがクイルの前記穴に嵌挿してクイルに連結され、ピストンロッドが連結板を介してコラムに連結される請求項1に記載の放電加工装置。
- 前記交叉する両側面と該両側面に向い合うクイル保持の固定部とに取り付けられた垂直方向の直線案内装置がクロスローラガイドである請求項1に記載の放電加工装置。
- 前記クイルが、4g/cm3以下の密度を有するセラミックスからなる請求項1に記載の放電加工装置。
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