JP3636888B2 - エンコーダ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種の工作機械や複写機などの移動する物体の移動量を検出する測長機器や計測装置に使用するエンコーダに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
スケールの移動距離を光学的に検出するの装置としては、例えば特開昭59−163517号公報に示されているように各種の装置は使用されている。従来の光学的スケール読取装置は、図15に示すように、光源41からの光を偏光ビームスプリッタ42によって直交する2つの直線偏光に分離し、分離した直線偏光をそれぞれ1/4波長板43,44を通して円偏光とし、ミラー45,46を介して回折格子のスケール47に照射する。スケール47に照射された光をそれぞれ回折してレンズ48に入射してレンズ48と一体化されたミラー49で反射し、同じ光路を通って1/4波長板43,44まで戻す。そこで入射の際とは90度傾きの異なる直線偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ42により光源41の方向と異なる方向へ出射する。偏光ビームスプリッタ42から出射した光は1/2波長板50を通り偏光面を45度回転して偏光ビームスプリッタ51に入射し2つの直線偏光に分けられる。偏光ビームスプリッタ51で分離された直線偏光はそれぞれ偏光板52,53を通り、偏光面が45度異なる偏光をフォトダイオード54,55に入射する。この2つフォトダイオード54,55から出力する45度位相が異なる信号からスケール47の移動距離を検出している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の装置で高い分解能を得るためには、偏光ビームスプリッタや偏光子等を多くの部品点数を必要とし、コスト高になるという短所があった。この発明はかかる短所を改善し、簡単な構成で高い分解能を得ることができるエンコーダを提供することを目的とするものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るエンコーダは、移動物体に取り付けた光の反射率と透過率が周期的に変化する移動スリットに光源から光を投射し、移動スリットによる透過光と回折光をレンズで収斂させ、移動スリットによる透過光と回折光の像がほぼ等ピッチで重なる位置に設けられ、移動スリットのピッチの1/nピッチを有する固定スリットに入射し、固定スリットを透過した光を受光素子で受光し、受光素子の出力から移動物体の移動量を検出することを特徴とする。この回折光は1次回折光を利用すると良い。
【0009】
また、上記固定スリットは1/4ピッチずらせた2つの領域を有し、各領域からの光をそれぞれ受光素子で検出したり、固定スリットに1/4ピッチずらした3つの領域を設け、各々の領域からの透過する光をそれぞれ受光素子で検出し、相隣合う二つの受光素子からの出力の差を2組演算したり、固定スリットに第1の領域の透過部と反射部と1/4ピッチ位相が異なる透過部と反射部を有する第2の領域と、第2の領域の透過部と反射部と1/2ピッチ位相が異なる透過部と反射部を有する第3の領域と、第3の領域の透過部と反射部と1/4ピッチ位相が異なり、第1の領域の透過部と反射部と1/2ピッチ位相が異なる透過部と反射部を有する第4の領域を設け、各領域からの光をそれぞれ受光素子で検出し、第1の領域からの光を受光した受光素子の出力と第2の領域からの光を受光した受光素子の出力の差を演算し、第3の領域からの光を受光した受光素子の出力と第4の領域からの光を受光した受光素子の出力の差を演算したりすると良い。
【0010】
【発明の実施の形態】
この発明のエンコーダは、光源と固定スリットとレンズと移動スリットと受光素子及びカウンタを有する。固定スリットは一定ピッチで光を透過する透過部と反射する反射部が多数平行に設けられている。移動スリットも光の反射する部分と透過する部分が一定ピッチで周期的に設けられている。
【0011】
上記のように構成されたエンコーダで移動スリットの移動量を測定するとき、光源から固定スリットに光を照射する。固定スリットに照射された光は固定スリットの透過部を透過して、明暗が縞状に分布した光をレンズに入射し、レンズにより収斂して移動スリット上に照射される。この移動スリットに光を照射するときに、移動スリットに照射される光の断面分布の明暗のピッチが移動スリットのスケールピッチと同じになるように移動スリットとレンズの位置を適切に設定しておく。
【0012】
移動スリットに照射された光は、明暗の縞の明部が移動スリットの一定ピッチで設けられている反射部に入射したときに反射してレンズを通して固定スリットに戻る。また、明暗の縞の明部が移動スリットの透過部に入射したとき、移動スリットに入射した光は移動スリットを透過し、固定スリットには移動スリットのスケールピッチに応じて反射した光が入射する。この固定スリットは光の透過部と反射部が一定ピッチで多数設けられていて光を回折する機能を有し、移動スリットからの反射光は固定スリットで回折され受光素子に入射する。この受光素子に入射する光は移動スリットのスケールピッチに応じて強弱が変化している。そこで受光素子は入射した光の強弱に応じた信号をカウンタに出力し、カウンタは入力した信号を計数し、計数した値と移動スリットのスケールピッチから移動スリットの移動量を検出する。
【0013】
【実施例】
図1はこの発明の一実施例の構成図である。図に示すように、エンコーダ1は光源2と固定スリット3とレンズ4と移動物体5に取り付けた移動スリット6と受光素子7及びカウンタ8を有する。固定スリット3は、図2の斜視図に示すように、一定ピッチPで光を透過する透過部3Tと反射する反射部3Rが多数平行に設けられている。移動スリット6も光の反射する部分と透過する部分が一定ピッチPsで周期的に設けられている。
【0014】
上記のように構成されたエンコーダ1で移動物体5の移動を測定するとき、光源2から固定スリット3に光を照射する。固定スリット3に照射された光は固定スリット3の透過部3Tを透過して、図2の斜視図に示すように、明暗が縞状に分布した光9をレンズ4に入射し、レンズ4により収斂して移動スリット6上に照射される。この移動スリット6に光を照射するときに、移動スリット6に照射される光の断面分布の明暗のピッチが移動スリット6のスケールピッチPsと同じになるように光学諸元を設定しておく。この設定は、光源2から照射する光がコリメート光でないので、移動スリット6とレンズ4の位置を適切に設定することにより容易に実現することができる。
【0015】
移動物体5により移動している移動スリット6に照射された光は、明暗の縞の明部が移動スリット6の一定ピッチで設けられている反射部に入射したときに反射してレンズ4を通して固定スリット3に戻る。また、明暗の縞の明部が移動スリット6の透過部に入射したとき、移動スリット6に入射した光は移動スリット6を透過して固定スリット3側には戻らず、固定スリット3には移動スリット6のスケールピッチPsに応じて移動スリット6から反射した光が入射する。この固定スリット3は光の透過部3Tと反射部3Rが一定ピッチで多数設けられていて光を回折する機能を有すから、移動スリット6からの反射光は固定スリット3で回折され受光素子7に入射する。この受光素子7には、図3に示すように、移動スリット6のスケールピッチPsに応じて強弱が変化する光が入射する。受光素子6は入射した光の強弱に応じた信号をカウンタ8に出力する。カウンタ8は入力した信号を計数し、計数した値と移動スリット6のスケールピッチPsから移動スリット6の移動量を算出して表示する。このようにして簡単な構成で移動スリット6の移動量すなわち移動物体5の移動量を検出することができる。
【0016】
上記実施例は、固定スリット3と移動スリット6の間にレンズ4を設けて、レンズ4で光を収斂させる場合について説明したが、図4に示すように、レンズ4を使用しなくても良い。この場合、受光素子7には発散光が進行して一部は受光素子7に入射しないが、受光素子7に入射する光は全体として移動スリット6のスケールピッチPsに応じて強度が変調されるので、受光素子7から移動スリット6のスケールピッチPsに応じた信号を出力することができる。
【0017】
次に、移動スリット6の移動量とともに移動方向を検出する実施例について説明する。この場合は、固定スリット3に、図5(a)に示すように、固定スリット3に一定ピッチPで光の透過部3Tと反射部3Rを多数平行に設けた第1の領域31と、第1の領域31の透過部3Tと反射部3Rと1/4ピッチ位相が異なる透過部3Tと反射部3Rを有する第2の領域32を設け、受光素子7には、図5(b)に示すように、固定スリット3の第1の領域31からの光を受光する第1の受光部71と固定スリット3の第2の領域32からの光を受光する第2の受光部72を設けておく。そして光源2から固定スリット3に光を照射し、第1の領域31と第2の領域32を透過した光を移動物体5により移動している移動スリット6上に照射し、移動スリット6からの反射光を固定スリット3の第1の領域31と第2の領域32を介して受光素子7に入射する。受光素子7には、図6に示すように、第1の受光部71に固定スリット3の第1の領域31からの光Aが入射し、第2の受光部72には固定スリット3の第2の領域32からの光Bが入射する。この受光素子7の第2の受光部72に入射する光Bは光Aより位相が移動スリット6のスケールピッチPsの1/4だけずれている。そこで第1の受光部71から出力するA相の信号と第2の受光部72から出力するB相の信号の順序から移動スリット6の移動方向を検出することができる。この第1の受光部71から出力するA相の信号と第2の受光部72から出力するB相の信号にはバイアス成分Cを有し、信号処理上のノイズとなる。そこでA相の信号とB相の信号の差をとり、バイアス成分Cのない単相の信号により移動スリット6の移動量を検出する。
【0018】
上記実施例は固定スリット3に1/4ピッチ位相が異なる第1の領域31と第2の領域32を設けて、A相の信号とB相の信号の差をとり、バイアス成分Cのない単相の信号により移動スリット6の移動量を検出する場合について説明したが、図7(a)に示すように、第1の領域31の透過部3Tと反射部3Rと1/4ピッチ位相が異なる透過部3Tと反射部3Rを有する第2の領域32と、第2の領域32の透過部3Tと反射部3Rと1/4ピッチ位相が異なる透過部3Tと反射部3Rを有する第3の領域33を設け、受光素子7には、図7(b)に示すように、第1の領域31からの光を受光する第1の受光部71と、第2の領域32からの光を受光する第2の受光部72及び第3の領域33からの光を受光する第3の受光部73を設け、第1の受光部71の出力信号と第2の受光部72の出力信号の差と、第2の受光部72の出力信号と第3の受光部73の出力信号の差を求めることにより、バイアス成分CがなくスケールピッチPsの1/4だけ位相がずれた2つの信号を得ることができる。したがつて移動スリット6の移動量と移動方向をより確実に検出することができる。
【0019】
上記実施例は固定スリット3に3つの領域31〜33を設けた場合について説明したが、図8(a)に示すように、固定スリット3に第1の領域31の透過部3Tと反射部3Rと1/4ピッチ位相が異なる透過部3Tと反射部3Rを有する第2の領域32と、第2の領域32の透過部3Tと反射部3Rと1/2ピッチ位相が異なる透過部3Tと反射部3Rを有する第3の領域33と、第3の領域33の透過部3Tと反射部3Rと1/4ピッチ位相が異なり、第1の領域31の透過部3Tと反射部3Rと1/2ピッチ位相が異なる透過部3Tと反射部3Rを有する第4の領域34を設け、受光素子7には、図8(b)に示すように、第1の領域31からの光を受光する第1の受光部71と、第2の領域32からの光を受光する第2の受光部72と、第3の領域33からの光を受光する第3の受光部73及び第4の領域33からの光を受光する第4の受光部74を設け、第1の受光部71の出力信号と第2の受光部72の出力信号の差と、第3の受光部72の出力信号と第4の受光部74の出力信号の差を求めることにより、バイアス成分Cがなく位相がずれた2つの信号を得ることができる。
【0020】
また、上記各実施例の固定スリット3は周期的に設けられた透過部3Tと反射部3Rで回折格子の役割をして、移動スリット7から反射した光を受光素子7の方向に導くが、固定スリット3による回折効率は低い。そこで、図9に示すように、固定スリット3の受光素子7側に効率の高い回折格子10を設けたり、固定スリット3の移動スリット6側に回折格子10を設けることにより、受光素子7の受光量を増やしてノイズ成分の少ない信号を得ることができる。この回折格子10としては表面レリーフ回折格子や体積型の回折格子を使用すると、受光素子7の受光量効率良く増やすことができる。
【0021】
また、例えば図10(a)に示すように、基板11の一方の面に回折格子部12を設け、他方の面にスリット部13を設けで固定スリット3を構成したり、図10(b)に示すように、固定スリット3の透過部3Tに回折格子部12を設けて、固定スリット3と回折格子10を一体にすることにより小型化を図ることができる。図10(a)に示すように、基板11の両面に回折格子部12とスリット部13を設ける場合、スリット部13はクロムマスクやアルミマスクやエマルジョンタイプのマスクにより形成し、このマスクの反対側の面に、光ディスクの基板の作製などで使用されているスタンパを用いて回折格子部12を複製することができる。また、図10(b)に示した、透過部3Tに回折格子部12を有する固定スリット3は、クロムマスクやアルミマスクによりスリット部を作製する。例えばフォトリソグラフィの方法でアルミマスクを作成し、このマスク上にネガ型レジストをスピンコート法などで塗布してからアルミマスクの裏面より紫外線照射した後、ウエットやドライの現像をする。この現像により残ったネガ型レジストの未露光部を回折格子のパターンをもつマスクを用いて露光し、現像することにより作製することができる。
【0022】
上記各実施例は光源2からの光を固定スリット3により明暗が縞状に分布した断面を有する光9を移動スリットに照射する場合について説明したが、図11に示すように、固定スリット3の中心部に一定面積を有する光の透過部30を設け、図12に示すように、光源2からの光を透過部30を通して移動スリット6に照射し、移動スリット6から反射した明暗が縞状に分布した断面を有する光を固定スリット3の透過部30の周囲にある反射部3Rで反射して受光素子7に入射するようにしても、受光素子7に移動スリット6のスケールピッチPsに応じて強弱が変化する光を入射することができ、受光素子6の出力信号により移動スリット6の移動量を検出することができる。この場合も、固定スリット3に反射部3Rと透過部3Tの位相が異なるが2つから4つの領域31〜34を設けることにより、移動スリット6の移動量と移動方向を検出することができる。さらに、図13(a)〜(c)に示すように、固定スリット3と受光素子7の間や、固定スリット3と移動スリットの間または固定スリット3と受光素子7の間と固定スリット3と移動スリットの間にレンズ4を設けて受光素子7に入射する光を収斂させることにより、受光素子7に効率良く光を導くことができ、移動スリット6の移動量と移動方向をより確実に検出することができる。
【0023】
また、上記各実施例は移動スリット6からの反射光を利用して移動スリット6の移動量と移動方向を検出する場合について説明したが、移動スリット6からの回折光を利用して移動スリット6の移動量と移動方向を検出するようにしても良い。例えば図14に示すように、光源2から光を移動物体5に設けた移動スリット6に照射し、移動スリット6からの回折光をレンズ4で収斂して固定スリット3を介して受光素子7で受光する。この移動スリット6からの回折光の回折次数は移動スリット6のスリットピッチPsと光の波長で定まり、1次の回折光の強度を高めることは容易にできる。そこで例えば図13に示すように、移動スリット6からの透過光と1次の回折光をレンズ4で固定スリット3に重ね合わせる。このとき、重ね合わせた各光による移動スリット6の像14が等間隔になるようにレンズ4と固定スリット3の位置を調整しておく。また、固定スリット3の透過部3Tと反射部3RのピッチPは移動スリット6のスリットピッチPsの1/n、例えば1/3にしておく。この場合、移動スリット6が1ピッチ移動すると、固定スリット3上の像14は固定スリット3の3ピッチ分だけ移動する。したがって固定スリット3を透過した光は移動スリット6が1ピッチ移動するたびに3周期変化して受光素子7に入射する。この受光素子7からの出力信号により移動スリット6の移動量を検出することにより、3倍の分解能で移動スリット6の移動量を検出することができる。
【0024】
この場合も、固定スリット3に反射部3Rと透過部3Tの位相が異なるが2つから4つの領域31〜34を設けることにより、移動スリット6の移動量と移動方向を検出することができる。
【0025】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、光源から移動スリットに光を直接照射し、移動スリットによる透過光と回折光をレンズにより収斂させ固定スリットに入射し、固定スリットを透過した光を受光素子で受光することにより、簡単な構成で移動物体の移動量を検出することができる。また、移動スリットによる透過光と回折光の1次光を移動スリットのピッチの1/nピッチを有する固定スリットに入射することにより、高分解能で移動物体の移動量を検出することができる。
【0029】
さらに、固定スリットは透過部と反射部の位相が異なる領域を設け、各領域からの光を受光素子で受光することにより、移動物体の移動量とともに移動方向も検出することができる。また、各領域からの光を受光した受光素子の出力の差を演算することによりバイアス成分をなくした信号を得ることができ、ノイズに対して強くすることができ、移動物体の移動量と移動方向を安定して検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例の構成図である。
【図2】固定スリットの構成を示す斜視図である。
【図3】受光素子に入射するする光の強度分布図である。
【図4】第2の実施例の構成図である。
【図5】第3の実施例の固定スリットと受光素子の構成図である。
【図6】第3の実施例の受光素子に入射するする光の強度分布図である。
【図7】第4の実施例の固定スリットと受光素子の構成図である。
【図8】第5の実施例の固定スリットと受光素子の構成図である。
【図9】第6の実施例の構成図である。
【図10】第6の実施例における他の固定スリットの構成図である。
【図11】第7の実施例の固定スリットの構成図である。
【図12】第7の実施例の構成図である。
【図13】第7の実施例の他の構成図である。
【図14】第8の実施例の構成図である。
【図15】従来例の構成図である。
【符号の説明】
1 エンコーダ
2 光源
3 固定スリット
4 レンズ
5 移動物体
6 移動スリット
7 受光素子
8 カウンタ
Claims (5)
- 移動物体に取り付けた光の反射率と透過率が周期的に変化する移動スリットに光源から光を投射し、移動スリットによる透過光と回折光をレンズで収斂させ、移動スリットによる透過光と回折光の像がほぼ等ピッチで重なる位置に設けられ、移動スリットのピッチの1/nピッチを有する固定スリットに入射し、固定スリットを透過した光を受光素子で受光し、受光素子の出力から移動物体の移動量を検出することを特徴とするエンコーダ。
- 上記回折光の1次光を利用する請求項1記載のエンコーダ。
- 上記固定スリットは1/4ピッチずらせた2つの領域を有し、各領域からの光をそれぞれ受光素子で検出する請求項1又は2に記載のエンコーダ。
- 上記固定スリットは1/4ピッチずらした3つの領域を有し、各々の領域からの透過する光をそれぞれ受光素子で検出し、相隣合う二つの受光素子からの出力の差を2組演算する請求項1又は2に記載のエンコーダ。
- 上記固定スリットは第1の領域の透過部と反射部と1/4ピッチ位相が異なる透過部と反射部を有する第2の領域と、第2の領域の透過部と反射部と1/2ピッチ位相が異なる透過部と反射部を有する第3の領域と、第3の領域の透過部と反射部と1/4ピッチ位相が異なり、第1の領域の透過部と反射部と1/2ピッチ位相が異なる透過部と反射部を有する第4の領域を設け、各領域からの光をそれぞれ受光素子で検出し、第1の領域からの光を受光した受光素子の出力と第2の領域からの光を受光した受光素子の出力の差を演算し、第3の領域からの光を受光した受光素子の出力と第4の領域からの光を受光した受光素子の出力の差を演算する請求項1又は2に記載のエンコーダ。
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