JP3701088B2 - 工具交換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の主軸に取り付けられる工具を交換する工具交換装置に係り、特にそれに使用させる工具クランプ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、切削加工や研削加工などの機械加工を自動的かつ効率良く行うために、いわゆるマシニングセンタが多用されている。このマシニングセンタは、必要とする機械加工の種類に応じて適宜加工工具を選択して自動的にこれを工作機械本体に取り付け、加工を行うようになっている。この加工工具は、工具ホルダに把持された状態で取り扱われ、ここではこれを総称して工具と呼ぶ。この工具の取り付け、取り外しは、工具を自動的に交換する工具交換装置により行われている。この場合、一般には工具の後端にプルボルトを取り付け、工具の切り欠きと主軸端の回り止めキーをオリエンテーションで位相を合わせ機械の主軸に工具を挿入し、コレットにて前記プルボルトを引き込むことで工具を主軸に引き込み固定する方式がよく知られている。そして待機中の工具を保持する工具マガジンが別途設けられ、この工具マガジンは、工具を抜き差し可能なポットを有し、オリエンテーション内のプルボルトを引き込む装置により保持する。
【0003】
一方、工具には、ねじ結合によって、工作機械の主軸に取り付けられるものがある。すなわち、工作機械の主軸に形成されたキーを工具の外周面基端側に形成されたキー溝に挿入させて主軸と工具を一体化し、該主軸と同軸上を回転するねじを回転させることにより、工具を主軸に取り付けるものである。この場合、主軸が回転自在であるとねじ結合の際に主軸並びに工具が回転してしまい、ねじ締めができなくなる虞があり、よって従来は主軸が自由に回転できないもの、例えばフライス盤のように主軸がギヤ駆動されるために非駆動時に回転阻止力が働くものにその適用が限定される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
近年の工作機械の高速加工の要望に沿い、工作機械の主軸を高速回転させるには、軸受けの温度上昇を抑えるべく主軸径を小さくし周速を小さくすれば良いが、工具を把持する為の引き込み装置を主軸内に組み込むことが困難になり、また引き込み装置を主軸内に組み込むことができたとしても、回転バランスを悪くし、振動などの原因となる。このことから工具を主軸にねじ結合することが、内部構造を簡素化し回転バランスを保つ方法として考えられる。しかし、高速回転に用いられる主軸はモータを直接主軸に組み込むことが多く、前述の非駆動時の回転阻止力はモータの電磁力だけとなり、ロータ径の小さいモータでは回転阻止力は小さくなり、工具と主軸が一体となってもねじ棒と工具とは共に回転してしまい、工具を主軸にねじ結合することができない。
【0005】
そこで、本発明は、高速機械の主軸に着脱可能に取り付けられる回転バランスの良い工具を主に自動で交換するものにおいて、高速回転に適し、構造簡単でかつコンパクトな工具交換装置を提供することを目的とする。
【0006】
【目的を解決するための手段】
以上の目的を解決するために、本発明は、工作機械の主軸に対して取り付けられる工具を交換するに当たり、該工具を把持するためのクランプ装置を備えた工具交換装置において、該クランプ装置は、工具が挿入されて工具の外周が保持される保持穴を有し、該保持穴の内周面には工具の回転により工具の外周面と前記内周面との間に食い込むくさび部材が配置されていることを特徴とするものである。
【0007】
前記工具交換装置は、前記主軸の軸芯を貫通して該主軸に対して回転し得るねじ棒を設け、該ねじ棒のねじと螺合し得るねじが工具の基端に設けることにより、工具が主軸に対してねじ結合されるように構成されていることが好ましい。
【0008】
前記保持穴の内周面にはくさび部材を保持する保持手段が設けられ、この保持手段は、くさび部材を収容する遊び領域とくさび領域を有し、くさび部材は、工具の周方向への回転によりくさび領域に位置して工具の外周面と該くさび領域の壁面との間に食い込むよう構成されていることが好ましく、前記くさび領域は遊び領域の周方向両側に形成され、くさび部材は工具の一方またはその逆方の周方向への回転により遊び領域からいずれかのくさび領域に移動して工具の外周面と該くさび領域の壁面との間に食い込むよう構成されていることが好ましい。
【0009】
前記保持手段は、前記保持穴の内周面に配置され、くさび部材を周方向に所定の間隔を移動可能に保持するリテーナと、前記保持穴の内周面に形成され、前記遊び領域と前記くさび領域の深さを決定する溝と、を備えていることが好ましく、前記リテーナは、工具と当接する当接部を有し、工具の回転がこの当接部を介してリテーナに伝達されるように構成されていることが好ましい。
【0010】
前記クランプ装置は、工具交換装置本体に対して工具の軸方向及び半径方向に遊びを持って支持されていることが好ましい。
【0011】
クランプ装置は、前記主軸と、該主軸から離れた位置にある工具マガジンとの間を移動可能に構成されていることが好ましく、工具マガジンは、待機中の工具を収納する工具ポットを有し、該工具ポットは、前記工具の基端に設けられたねじと螺合し得るねじ棒を備えていることが好ましい。
【0012】
前記主軸は、該主軸から離れた位置にある工具マガジンへ移動可能とされ、工具マガジンは、前記クランプ装置によりそれぞれ把持された工具を複数備えていることが好ましい。
【0013】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例について図に基づいて説明する。図1は、本発明の実施例に係る工具交換装置10及びその工具マガジン装置12、並びに工具交換装置10が適用される工作機械の主軸頭14の全体図であり、図2は、工具交換装置10と主軸頭14の正面断面図である。
【0014】
主軸頭14は、工具16を把持するとともに、それ自体回転することにより、その把持した工具16を回転させる主軸18を備えている。工具16は、先端側(図2の下側)にドリル、エンドミル等を把持する工具把持孔20を有し、基端側にねじ穴22を有している。工具16のフランジ部17等の外周面は滑らかに形成されており、トルク伝達用のキー溝等は形成されていない。このため、この工具16は、高速回転させても、回転バランスを保つことができるので、高速回転に適している。また、主軸18には、その軸芯を貫通するねじ棒24が主軸18に対して回転可能に備えられており、ねじ棒24は、その先端に前記工具16のねじ穴22に螺合するねじ溝26が形成されている。
【0015】
工具交換装置10は、工具16を把持する工具クランプ装置28と、工具クランプ装置28をベローズ部材30を介して固定し、工具クランプ装置28を主軸18と工具マガジン装置12との間を移動させる工具クランプ移動装置31と、を備えている。
【0016】
工具クランプ装置28は、工具クランプ移動装置31に対して対称に一対備えられているが、両方とも構造が同じであるので、一方についてのみ説明する。工具クランプ装置28は、略円筒状に形成されており、工具16が挿入されて、工具16のフランジ部17が保持される保持穴34を有する。保持穴34は、図1及び図2に示すように工具クランプ装置28の上面から底面に亘って貫通しており、その内周面先端側(図2の上側)には、工具16を把持する工具把持機構36が備えられている。
【0017】
図3は、工具クランプ装置28の工具16が挿入されていない状態の図1のIII−III線に沿った断面図であり、図4は、図3のIV−IV線に沿った断面図である。工具把持機構36は、保持穴34の内周面38の周方向に適宜間隔をおいて複数配置された円柱状のくさび部材40と、各くさび部材40を保持する環状のリテーナ44と、を備えている。リテーナ44は、全体が周方向に移動することにより各くさび部材40を周方向移動可能に保持している。すなわち、リテーナ44は、保持穴34の内周面38の周方向に回動可能に配置されており、このリテーナ44には、前記くさび部材40をその位置で回転可能に収容する収容溝46が周方向に適宜間隔で複数形成されている。また、リテーナ44は、工具16のフランジ部17の外径よりも若干大きな内径を有し、かつその下端部は同軸の環状座48に嵌着されている。環状座48は、その全周に亘って前記フランジ部17の外径より小さな内径を有するように半径方向内側に突出するとともに、工具16が保持穴34に挿入された場合、工具16のフランジ部17の基端面19が当接する当接面47を有する。
【0018】
保持穴34の内周面38には、図5に示すように保持穴34の内周面38から断面円弧状に陥没するとともに軸方向(図5の紙面の垂直方向)に少なくともくさび部材40の長さだけ延びる溝42が形成されている。この溝42の比較的深い部分によってくさび部材40を非拘束状態で収納する遊び領域50が画成される。遊び領域50の溝の深さは、くさび部材40の一部がリテーナの内周面39から内側に若干突出するとともに、工具16が保持穴34に挿入された場合にそのフランジ部17の外周面21に接するように形成されている。また、溝42のうち、遊び領域50の周方向両側の比較的浅い部分によって、くさび部材40を溝42とフランジ部17の外周面21との間でくさび状に食い込ませるくさび領域52A、52Bが画成される。
【0019】
また、工具クランプ装置28の外周面の基端側(図2の下側)には、フランジ53が半径方向外側に突出するように形成されている。このフランジ53には、後述するベローズ部材30の一端を固定するフランジ56がねじ60を介して固定され、さらに後述する回り止め部材62が挿入される孔59が2つ対角線上に形成されている。ベローズ部材30の他端にもフランジ58が固定され、このフランジ58は、ねじ60により工具クランプ移動装置のアーム32に固定される。これにより工具クランプ装置28は、ベローズ部材30を介してアーム32に固定される。ベローズ部材30のフランジ58には、ほぼ垂直方向に延びる円柱状の回り止め部材62が固定されており、この回り止め部材62は、その外径より大きい内径を有するフランジ56の孔64、及び工具クランプ装置28のフランジ53の孔59に挿入されている。このため、回り止め部材62の外周面と孔53及び64の内周面との間には、若干隙間57が形成されていることになる。工具クランプ装置28は、回り止め部材62によって、アーム32に対して周方向へのねじれ又は回転が規制されるが、ベローズ部材30が工具クランプ装置28の軸方向に伸縮自在に構成されているので、軸方向(図1の上下方向)に遊びを有し、かつベローズ部材30が工具クランプ装置28の半径方向に傾動自在に構成されるとともに、回り止め部材62の外周面と孔64の内周面との間に若干隙間が形成されているので、その隙間の範囲内で半径方向に遊びを有することになる。
【0020】
なお、ベローズ部材30としていわゆるカップリング機能を有するものを使用すれば、それ自体で工具クランプ装置28の周方向のねじれ又は回転は規制され、回り止め部材は不要となる。
【0021】
工具クランプ移動装置31は、ベローズ部材30を介して工具クランプ装置28を固定するアーム32と、このアーム32を回転させるアーム軸54と、を備えている。アーム32は、アーム軸54に回動自在に支持されている。また、アーム32は、アーム軸54と一体となって軸方向(図1の上下方向)に移動可能に構成されている。
【0022】
次に、待機中の工具を収納しておくための工具マガジン装置12について説明する。工具マガジン装置12は、工具16を保持、収納する工具ポット66を複数、例えば3つ備えており、これら工具ポット66は、いずれかが工具クランプ装置28の上に位置するように移動可能に構成されている。
【0023】
また、各工具ポット66には、工具16のねじ穴22に螺合するねじ棒68が工具ポット66本体に対して回転可能に装着されており、このねじ棒68の基端には、例えば六角穴70が形成されている。また、工具マガジン装置12は、工具クランプ装置28の上に位置する工具ポット66の穴70に挿入し、ねじ棒68を回転する回転軸72を備える。
【0024】
次に、本実施例の動作について説明する。工具クランプ装置31のアーム軸54が回転されることにより、アーム32に支持された各クランプ装置28が主軸18及び一つの工具ポート66と同軸上に位置したり、その位置から退避したりする。
【0025】
先ず、主軸18に装着されている工具16を取り外す場合、主軸18と同軸上に位置するクランプ装置28がアーム32を介して主軸18に向かって前進し、保持穴34に工具16が挿入され、工具16のフランジ部17の基端面19がリテーナ44の当接面47に当接するまで、アーム32を軸方向に移動させる(図2の左半分の状態)。この際、工具クランプ装置28は、ベローズ部材30によって、半径方向に遊びを有するので、工具クランプ装置28の中心が、工具16の中心から若干ずれても、保持穴34に工具16を挿入させることができる。
【0026】
保持孔34に工具16が挿入されると、工具16のテーパ状突出部16Aが主軸18のテーパ状凹部18Aに臨んで芯合わせをし、ねじ棒24が工具16のねじ穴22に対峙する。この時、くさび部材40は、遊び領域50に位置する(図5の状態)。この遊び領域50は、遊びを持ってくさび部材40を収納するため、フランジ部17との食い込みはない。よって、工具16を保持穴34に挿入する際、くさび部材40の外周面がフランジ部17の外周面21に接するもののその作業を妨げるものではなく、スムーズに工具16を保持穴34に挿入することができる。
【0027】
次に、主軸18のねじ棒24を工具16のねじ穴22から外れる方向、すなわち左回りに回転させると、工具16は、連れ回りをするので、同様に左回り(図5の反時計方向)に回転する。工具16が左回りに回転すると、くさび部材40は、フランジ部17の外周面に接していることにより、自転しつつ相対的に図5の反時計方向に移動し、くさび部材40はくさび領域52Aに位置し、くさび部材40は、図6に示されるように、くさび領域52Aの壁面とフランジ部17の外周面21との間にくさび状に食い込み、工具16は工具クランプ装置28に反時計方向に一体化し固定される。さらに、ねじ棒24を回転させることによりねじ棒24はねじ穴22から外れ、工具16はクランプ装置28に把持されたまま主軸18から外れる(図2の右半分の状態)。この際、工具クランプ装置28は、ベローズ部材30を介してアーム32に支持されているので、軸方向に遊びを有する。よって、必ずしもねじのリードにあわせて工具クランプ装置28を移動させる必要はない。また、本実施例においては、リテーナ44の当接面47に工具16の基端面19が当接しているので、工具16が回転した際に例えくさび部材40が工具16のフランジ17の外周面21に接せず、空回りしたとしても、リテーナ44の当接面47と工具16の基端面19との間の摩擦によって、リテーナ44が工具16と一体となって周方向に回転し、くさび部材40を移動させることができる。
【0028】
以上の動作が工具ポット66に装着されている工具に対しても同様にかつ同時に行われ、各クランプ装置によって主軸18及び工具ポット66に装着されていた工具が取り外される(図1参照)。この際、主軸側と工具ポート側でねじのリードが異なってもベローズ部材30がこれを吸収する。
【0029】
次に、アーム32を、工具16が主軸頭14等に当たらない位置まで軸方向下方に移動させ、アーム軸54を軸として180度回転させる。そして、ねじ棒24及び66の先端が工具16のねじ穴22に挿入するまで、アーム32を軸方向上方に移動させる。
【0030】
次に、ねじ棒24及び68をねじ穴22に螺合する方向、すなわち右回りに回転させると、前述と同様にして工具16は、連れ回りにより、時計方向に回転し、くさび部材40は、反対側のくさび領域52Bに位置し、くさび部材40は、図7に示されるように、くさび領域52Bの壁面とフランジ部17の外周面21との間にくさび状に食い込み、工具16は工具クランプ装置28に時計方向に一体化し固定される。ねじ棒24、68を更に回転することにより、工具は主軸、工具ポットに引き込まれる。この際、工具クランプ装置28は、ベローズ部材30を介してアーム32に装着されているので、軸方向に遊びを有する。よって、工具クランプ装置28を必ずしもねじのリードにあわせて移動させる必要はない。
【0031】
ねじ棒24、68の回転を停止すると、くさび部材40のくさび力が弱まり、クランプ装置28を引き降ろすと、その際の衝撃で、又は自動的に、くさび部材40は遊び領域50に移動する。この遊び領域50は、上述するように遊びを持ってくさび部材40を収納するため、フランジ部17との食い込みはなく、くさび部材40の外周面がフランジ部17の外周面21に接するもののその作業を妨げるものではないので、スムーズにクランプ装置を工具から外すことができる。次に、主軸頭14等に当たらない位置まで工具クランプ装置28をさらに軸方向下方に移動させ、アーム32を90度回転させる。
【0032】
以上のように、本実施例の工具交換装置10は、外周面にキー溝等がない滑らかな面を有する高速回転に適した工具16を自動交換することができる。
【0033】
次に、本発明の第2実施例について図8に基づいて説明する。本発明の第2実施例に係る工具自動交換装置10は、工具マガジン装置12に、工具クランプ装置28が設置されたものである。よって、この例では、工具ポットの工具引き込み用ねじ棒は不要であり、かつ工具クランプ装置28を移動する工具クランプ移動装置31を備えていない。また、この例では、主軸18が軸方向及び幅方向に移動することにより、所定の工具ポットに対向し、工具16の交換を行う。工具クランプ装置28は、コイルばね74を介して工具マガジン装置本体76に設置されている。コイルばね74も第1実施例のベローズ部材と同様に工具クランプ装置28の軸方向及び半径方向への遊びを許容する。
【0034】
以上のように、第2実施例に係る工具自動交換装置10は、第1実施例と異なり、工具クランプ移動装置31を備えていないので、第1実施例に比べて部品数を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る工具交換装置及びその工具マガジン装置、並びに工具交換装置が適用される工作機械の主軸頭の全体図
【図2】工具交換装置と主軸頭の正面断面図
【図3】工具クランプ装置の工具が挿入されていない状態の図1のIII−III線に沿った断面図
【図4】図3のIV−IV線に沿った断面図
【図5】くさび部材が遊び領域に位置する状態図
【図6】くさび部材がくさび領域に位置する状態図
【図7】くさび部材がくさび領域に位置する状態図
【図8】本発明の第2実施例の状態図
【符号の説明】
10 工具交換装置
16 工具
18 主軸
21 工具の外周面
28 クランプ装置
34 保持穴
38 保持穴の内周面
40 くさび部材
Claims (10)
- 工作機械の主軸に対して取り付けられる工具を交換するに当たり、該工具を把持するためのクランプ装置を備えた工具交換装置において、
該クランプ装置は、工具が挿入されて工具の外周が保持される保持穴を有し、
該保持穴の内周面には、工具の回転により工具の外周面と前記内周面との間に食い込むくさび部材が配置されると共に、当該くさび部材を保持する保持手段が設けられ、
この保持手段は、前記くさび部材を収容する遊び領域とくさび領域を有し、当該くさび部材は、工具の周方向への回転により、前記くさび領域に位置して工具の外周面と該くさび領域の壁面との間に食い込むよう構成されてなる工具交換装置。 - 前記主軸の軸芯を貫通して該主軸に対して回転し得るねじ棒が設けられ、該ねじ棒のねじと螺合し得るねじが工具の基端に設けられることにより、工具は主軸に対してねじ結合される請求項1記載の工具交換装置。
- 前記くさび領域は遊び領域の周方向両側に形成され、くさび部材は工具の一方またはその逆方の周方向への回転により遊び領域からいずれかのくさび領域に移動して工具の外周面と該くさび領域の壁面との間に食い込むよう構成された請求項1または請求項2記載の工具交換装置。
- 前記保持手段は、前記保持穴の内周面に配置され、くさび部材を周方向に所定の間隔を移動可能に保持するリテーナと、前記保持穴の内周面に形成され、前記遊び領域と前記くさび領域の深さを決定する溝と、を備えている請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の工具交換装置。
- 前記リテーナは、工具と当接する当接部を有し、工具の回転がこの当接部を介してリテーナに伝達されるように構成した請求項4記載の工具交換装置。
- 前記クランプ装置は、工具交換装置本体に対して工具の軸方向に遊びを持って支持されている請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の工具交換装置。
- 前記クランプ装置は、工具交換装置本体に対して工具の半径方向に遊びを持って支持されている請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の工具交換装置。
- クランプ装置は、前記主軸と、該主軸から離れた位置にある工具マガジンとの間を移動可能に構成された請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の工具交換装置。
- 工具マガジンは、待機中の工具を収納する工具ポットを有し、該工具ポットは、前記工具の基端に設けられたねじと螺合し得るねじ棒を備えている請求項8記載の工具交換装置。
- 前記主軸は、該主軸から離れた位置にある工具マガジンへ移動可能とされ、工具マガジンは、前記クランプ装置によりそれぞれ把持された工具を複数備えている請求1ないし請求項7のいずれか一項に記載の工具交換装置。
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