JP3808319B2 - レーザ発振装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を発生させるレーザ発振装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、レーザ光の特性を活用するために、通信、エレクトロニクス、光技術もしくは精密加工等、種々の分野において、レーザ発振装置が利用されている。この種のレーザ発振装置として、従来、図5のような構成が一般的であった。図5は従来のレーザ発振装置の構成を示すブロック図である。
【0003】
この従来のレーザ発振装置では、レーザ光を照射するタイミングを決める照射指令部57の出力信号に基づき電流値設定部56より電流値指令が出力され、この電流値指令と電流検出部53の出力信号を比較制御部55で比較後、スイッチング電源部54に出力される。スイッチング電源部54では直流高電圧の出力信号に変換され、レーザ共振器51に電流検出部53を通して供給される。一方、電流検出部53の出力信号は比較制御部55にフィードバックされ、レーザ共振器51に安定した電流が供給されるようにフィードバック制御される。そして、照射指令部57の指令時間だけレーザ共振器51からレーザ光52が照射される。
【0004】
一般にガスレーザ発振装置などの放電負荷の場合、レーザ共振器に供給される注入電力と放電電流の関係は図6に示される。図6に示すように、スイッチング電源部よりレーザ共振器に供給される高電圧の注入電力は放電電流が増加するにつれ単調に増加するが、電流値の低いところでは注入電力が余分に必要になり、電流指令に対して注入電力制御が難しく、また、最悪の場合には放電電流の振動や放電遅れなどが発生し、放電電流の過渡応答性が阻害される場合がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のレーザ発振装置では、上記のように電流値設定部56の電流値指令と電流検出部53の出力信号を比較制御部55で比較し、フィードバック制御するため、低電流指令の領域では過渡応答性が悪くなり、検出電流に誤差が発生する場合も有り、スイッチング電源部54からレーザ共振器51に供給する電力が影響され、レーザ光52の再現性に大きく誤差が発生することがあった。
【0006】
そこで、本発明は、上記課題を解決するもので、低電流指令の領域での過渡応答性を改善し、レーザ共振器に安定した電力を供給してレーザ光の正確な照射再現性を実現することができるレーザ発振装置を提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1記載のレーザ発振装置は、供給される電力に応じてレーザ光を照射するレーザ共振器と、レーザ共振器へ電力を供給するスイッチング電源部と、スイッチング電源部からレーザ共振器へ供給される電力の電流値を検出する電流検出部と、レーザ共振器よりレーザ光を照射するタイミングを決める照射指令信号を出力する照射指令部と、照射指令部からの照射指令信号に応答して予め設定された電流値を出力する電流値設定部と、電流値設定部の出力電流値に応じてレーザ共振器に初期注入する電力に相当する電流値を演算し出力する電力演算部と、電流検出部の検出電流値と電流値設定部の出力電流値とを比較して両者の差を算出し出力する比較制御部と、電力演算部の出力値と比較制御部の出力値とを加算してスイッチング電源部へ出力する加算器とを備え、スイッチング電源部は、加算器の出力値に応じた電力をレーザ共振器へ供給するようにしたものである。
【0008】
本発明の請求項2記載のレーザ発振装置は、請求項1記載のレーザ発振装置において、予め設定された基準値を出力する基準値設定部と、電流検出部の検出電流値と基準値設定部の基準値とを比較し、電流検出部の検出電流値が基準値設定部の基準値以下になる時間を積算する電流値低下時間計測部と、電流値低下時間計測部で求めた時間が所定時間を超えたときに警報を出す警報手段とを設けたことを特徴とする。
【0009】
本発明の請求項3記載のレーザ発振装置は、請求項2記載のレーザ発振装置において、警報手段に代えて、電流値低下時間計測部で求めた時間が所定時間を超えたときに装置本体の運転を停止させる停止手段を設けたことを特徴とする。
【0010】
本発明の請求項4記載のレーザ発振装置は、請求項2または3記載のレーザ発振装置において、電流値設定部の出力電流値の増減に連動して基準値設定部の基準値を増減させることを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1記載のレーザ発振装置によれば、電流検出部の検出電流値と電流値設定部の出力電流値とを比較して両者の差を算出し出力する比較制御部を設けるとともに、電流値設定部とスイッチング電源部との間に、電流値設定部の出力電流値に応じてレーザ共振器に初期注入する電力に相当する電流値を演算し出力する電力演算部と、電力演算部の出力値と比較制御部の出力値とを加算してスイッチング電源部へ出力する加算器とを設けて、電流指令(電流値設定部の出力電流値)に対してレーザ共振器への注入電力を演算することにより、低電流指令の領域での過渡応答性を改善することができ、スイッチング電源部からレーザ共振器に安定した電力を供給して、レーザ光の正確な照射再現性を実現することができる。
【0012】
さらに、請求項2記載のレーザ発振装置によれば、予め設定された基準値を出力する基準値設定部と、電流検出部の検出電流値と基準値設定部の基準値とを比較し、電流検出部の検出電流値が基準値設定部の基準値以下になる時間を積算する電流値低下時間計測部と、電流値低下時間計測部で求めた時間が所定時間を超えたときに警報を出す警報手段とを設けたことにより、レーザ共振器への電力の供給状態を監視することができる。この結果、レーザ共振器の不安定なレーザ光の出射を監視することができ、高電圧配線の短絡や地絡の不慮の事故によってレーザ光のパワー値が低下した時に警報を出して外部に知らせることで、そのレーザ光のパワー値が低下した時に起こるレーザ加工結果に及ぼす悪い影響や不良品の混入などの検知や防止を行うことができる。
【0013】
また、請求項3記載のレーザ発振装置によれば、請求項2記載のレーザ発振装置において、警報手段に代えて、電流値低下時間計測部で求めた時間が所定時間を超えたときに装置本体の運転を停止させる停止手段を設けたことにより、レーザ共振器への電力の供給状態を監視することができる。この結果、レーザ共振器の不安定なレーザ光の出射を検知することができ、高電圧配線の短絡や地絡の不慮の事故によってレーザ光のパワー値が低下した時に装置本体の運転を停止させることで、そのレーザ光のパワー値が低下した時に起こるレーザ加工結果に及ぼす悪い影響や不良品の混入などの検知や防止を行うことができるとともに、高電圧配線の短絡や地絡の不慮の事故による機器の破損等を防止できる。
【0014】
さらに、請求項4記載のレーザ発振装置によれば、請求項2または3記載のレーザ発振装置において、電流値設定部の出力電流値の増減に連動して基準値設定部の基準値を増減させることにより、より正確な電流監視が可能になり、レーザ共振器の不安定なレーザ光の出射をより正確に検知することができる。
【0015】
(実施の形態)
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0016】
図1は、本発明の実施の形態のレーザ発振装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態のレーザ発振装置は、供給される電力Pに応じてレーザ光2を照射するレーザ共振器1と、レーザ共振器1へ電力Pを供給するスイッチング電源部4と、スイッチング電源部4からレーザ共振器1へ供給される電力Pの電流値を検出する電流検出部3と、レーザ共振器1よりレーザ光2を照射するタイミングを決める照射指令信号aを出力する照射指令部9と、照射指令部9からの照射指令信号aに応答して予め設定された電流値を出力する電流値設定部7と、電流値設定部7の出力電流値に応じてレーザ共振器1に初期注入する電力に相当する電流値を演算し出力する電力演算部6と、電流検出部3の検出電流値と電流値設定部7の出力電流値とを比較して両者の差を算出し出力する比較制御部8と、電力演算部6の出力値と比較制御部8の出力値とを加算してスイッチング電源部4へ出力する加算器5とを備え、スイッチング電源部4は、加算器5の出力値に応じた電力Pをレーザ共振器1へ供給するようにしたものである。
【0017】
さらに、このレーザ発振装置は、予め設定された基準値を出力する基準値設定部12と、電流検出部3の検出電流値と基準値設定部12の基準値とを比較し、検出電流値が基準値以下のときに信号を出力する電流値比較部11と、電流値比較部11の出力信号をカウントまたは積分する積算手段13と、積算手段13の出力が所定値を超えたときに警報を出す警報手段14とを備えている。電流値比較部11と積算手段13とにより、電流検出部3の検出電流値が基準値設定部12の基準値以下になる時間を積算する電流値低下時間計測部を構成している。
【0018】
また、本実施の形態では、電流検出部3の出力の検出電流値は検出電流値信号VCとして、電流値設定部7の出力の電流値は電流値指令信号VSとして、比較制御部8の出力は比較制御部出力信号VX(=VS−VC)として、電力演算部6の出力は電力指令信号VPとして、加算器5の出力は加算器出力信号VAとして、基準値設定部12の出力の基準値は基準値信号VKとして、いずれも電圧で出力される。
【0019】
なお、以上の構成からなるレーザ発振装置では、各構成に制御素子を設けて、各信号処理または各構成において制御するようにしたが、レーザ発振装置に、各構成に接続されるCPUを設け、各処理を統括的に制御するようにしてもよい。
【0020】
以上のように構成されるレーザ発振装置について、その動作を説明する。また、図1の各部の信号a,VS,VP,VC,VX,VA,Pの波形のタイミングチャートを図3に示す。図3において、実線が本実施の形態のものであり、破線は従来例の対応する信号を示す。
【0021】
図1に示すように、レーザ共振器1よりレーザ光2を照射する場合は、照射指令部9の照射指令信号aにより、電流値設定部7で予め設定された指令電流値に応じた電圧である電流値指令信号VSを出力し、電流値指令信号VSに対して電力演算部6で初期(放電開始時)に注入する電力に相当する電流値に応じた電圧である電力指令信号VPを演算して、加算器5に出力する。一方、電流値設定部7の電流値指令信号VSは比較制御部8にも出力し、電流検出部3の検出電流値に応じた電圧である検出電流値信号VCと比較制御部8で比較され、その差電圧である信号VXが加算器5に入力される。加算器5では、比較制御部8の出力信号VXと電力指令信号VPとを加算し、スイッチング電源部4に出力する。
【0022】
図2は加算器5,電力演算部6及び比較制御部8の構成の一例を示す回路図である。演算増幅器23と24が電力演算部6の増幅器で、可変抵抗値VRl、VR2は増幅器のオフセットとゲインに相当し、予めレーザ共振器1に注入する放電電流と注入電力の関係曲線(図6参照)に近似された状態で設定されていて、電流値設定部7の電流値指令信号VSが入力されると、初期注入電力に応じた電力指令信号VPが演算され、加算器5に出力される。また、比較制御部8は、演算増幅器21を備え、電流値設定部7の電流値指令信号VSと電流検出部3の検出電流値信号VCとを比較し、その差電圧の信号VXを出力する。加算器5は、演算増幅器22を備え、比較制御部8の出力信号VXと電力指令信号VPとを加算し、スイッチング電源部4に出力する。
【0023】
なお、電力指令信号VPは、放電電流に対する注入電力値を想定し、電流値指令信号VSの大きさにより放電初期にスイッチング電源部4へ出力する電力指令のレベル(大きさ)に相当する電圧値である。また、電力演算部6では、初期(放電開始時)の注入電力に応じた電力指令信号VPが演算され、放電中一定のVPが出力される。そして放電中、比較制御部8の出力で補正され、スイッチング電源部4への電力指令(VA)は変化する。
【0024】
図4は電流指令に対する初期の電力指令の関係図であり、従来例と本発明例(本実施の形態)の場合を示している。従来例と本発明例の違いは電流指令の低いところで電力指令がPlだけオフセットしている点で、オフセットすることにより図6に示すスイッチング電源部よりレーザ共振器に注入される高電圧の注入電力と放電電流の関係曲線に近似できる。なお、電力演算部6でP1をオフセットさせているため、信号VP,VAともに図4の関係がある。
【0025】
以上のように本実施の形態によれば、比較制御部8を設けるとともに、電流値設定部7とスイッチング電源部4との間に電力演算部6と加算器5とを設けて、電流指令(電流値設定部7の出力)に対して注入電力を演算することにより、低電流指令の領域での過渡応答性を改善することができ、スイッチング電源部4からレーザ共振器1に安定した電力を供給して、レーザ光2の正確な照射再現性を実現することができる。
【0026】
また、スイッチング電源部4よりレーザ共振器1への電力の供給が不安定になるとレーザ共振器1より不安定なレーザ光2が出射されることがあるため、電流値の監視およびモニターは非常に重要である。不慮の事故により高電圧配線に断線事故や地絡事故などが発生時は、電流が急に低下または上昇することが有るため、電流値を検知して異常の検出をすることができる。そこで、図1に示すように、電流検出部3の出力値VCと基準値設定部12の所定の基準値電圧VKとを電流値比較部11で比較する構成となっている。所定の基準値電圧VKは放電電流下限値の20〜80%の範囲に相当する値に設定されていて、電流検出部3の出力値VCが基準値電圧VK以下に低下すると電流値比較部11より出力信号が出力される。その出力信号を積算手段13で時間の関数としてカウントまたは積分し、積算手段23の出力が所定値を超えたときに警報手段14が警報を出力するようにしている。このように警報を出して外部に知らせることで、レーザ光2のパワー値が低下した時に起こるレーザ加工結果に及ぼす悪い影響や不良品の混入などの検知や防止を行うことができる。
【0027】
また、警報手段14に代えて、装置の運転を強制的に停止する等のインターロック機能を備えた停止手段を設け、積算手段23の出力が所定値を超えたときに運転を停止させることにより、レーザ光のパワー値が低下した時に起こるレーザ加工結果に及ぼす悪い影響や不良品の混入などの検知や防止を行うことができるとともに、不慮の事故による機器の破損等を防止できる。ここで、停止手段は、照射指令部9に照射の中止を指令することで運転を停止させる。
【0028】
あるいは、警報手段14に上記の停止手段を兼ねた構成でもよい。
【0029】
なお、上記実施の形態では、基準値設定部12の基準値電圧VKを放電電流下限値の20〜80%の範囲内で固定的に設定していたが、図1の破線矢印で示すように電流値設定部7の出力信号VSを基準値設定部12へ入力し、電流値設定部7で設定される電流値の増減、すなわち電流値指令電圧VSの増減に連動して基準値設定部12の基準値を増減させ、指令電流に応じて異常検出電流レベルを変更できるようにしてもよい。この場合、基準値設定部12の基準値電圧VKを電流値設定部7の電流値指令電圧VSに連動し変化させることにより、放電電流と基準値設定部12の基準値電圧VKとの差が少なくなり、放電電流の異常検出が、より正確かつ俊敏に行えるようになり、レーザ光の照射品質が更に向上し、パワー値が低下した時に起こる加工結果に及ぼす悪い影響や不良品の混入などの検知や防止をより正確に行うことができる。ここで、電流値設定部7の電流値指令電圧VSの増減は、照射指令部9よりの信号で電流値設定を切り換えることで行われる。
【0030】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の請求項1記載のレーザ発振装置によれば、電流検出部の検出電流値と電流値設定部の出力電流値とを比較して両者の差を算出し出力する比較制御部を設けるとともに、電流値設定部とスイッチング電源部との間に、電流値設定部の出力電流値に応じてレーザ共振器に初期注入する電力に相当する電流値を演算し出力する電力演算部と、電力演算部の出力値と比較制御部の出力値とを加算してスイッチング電源部へ出力する加算器とを設け、電流指令(電流値設定部の出力電流値)に対してレーザ共振器への注入電力を演算することにより、低電流指令の領域での過渡応答性を改善することができ、スイッチング電源部からレーザ共振器に安定した電力を供給して、レーザ光の正確な照射再現性を実現することができる。
【0031】
さらに、請求項2記載のレーザ発振装置によれば、予め設定された基準値を出力する基準値設定部と、電流検出部の検出電流値と基準値設定部の基準値とを比較し、電流検出部の検出電流値が基準値設定部の基準値以下になる時間を積算する電流値低下時間計測部と、電流値低下時間計測部で求めた時間が所定時間を超えたときに警報を出す警報手段とを設けたことにより、レーザ共振器への電力の供給状態を監視することができる。この結果、レーザ共振器の不安定なレーザ光の出射を監視することができ、高電圧配線の短絡や地絡の不慮の事故によってレーザ光のパワー値が低下した時に警報を出して外部に知らせることで、そのレーザ光のパワー値が低下した時に起こるレーザ加工結果に及ぼす悪い影響や不良品の混入などの検知や防止を行うことができる。
【0032】
また、請求項3記載のレーザ発振装置によれば、請求項2記載のレーザ発振装置において、警報手段に代えて、電流値低下時間計測部で求めた時間が所定時間を超えたときに装置本体の運転を停止させる停止手段を設けたことにより、レーザ共振器への電力の供給状態を監視することができる。この結果、レーザ共振器の不安定なレーザ光の出射を検知することができ、高電圧配線の短絡や地絡の不慮の事故によってレーザ光のパワー値が低下した時に装置本体の運転を停止させることで、そのレーザ光のパワー値が低下した時に起こるレーザ加工結果に及ぼす悪い影響や不良品の混入などの検知や防止を行うことができるとともに、高電圧配線の短絡や地絡の不慮の事故による機器の破損等を防止できる。
【0033】
さらに、請求項4記載のレーザ発振装置によれば、請求項2または3記載のレーザ発振装置において、電流値設定部の出力電流値の増減に連動して基準値設定部の基準値を増減させることにより、より正確な電流監視が可能になり、レーザ共振器の不安定なレーザ光の出射をより正確に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態のレーザ発振装置の構成を示すブロック図
【図2】本発明の実施の形態における電力演算部と比較制御部と加算器の回路構成図
【図3】図1の各部の信号a,VS,VP,VC,VX,VA,Pの波形のタイミングチャート。
【図4】電流指令に対する初期の電力指令の関係図
【図5】従来のレーザ発振装置の構成を示すブロック図
【図6】放電負荷に対する放電電流と注入電力の関係図
【符号の説明】
1 レーザ共振器
2 レーザ光
3 電流検出部
4 スイッチング電源部
5 加算器
6 電力演算部
7 電流値設定部
8 比較制御部
9 照射指令部
11 電流値比較部
12 基準値設定部
13 積算手段
14 警報手段
Claims (4)
- 供給される電力に応じてレーザ光を照射するレーザ共振器と、
前記レーザ共振器へ電力を供給するスイッチング電源部と、
前記スイッチング電源部から前記レーザ共振器へ供給される電力の電流値を検出する電流検出部と、
前記レーザ共振器よりレーザ光を照射するタイミングを決める照射指令信号を出力する照射指令部と、
前記照射指令部からの照射指令信号に応答して予め設定された電流値を出力する電流値設定部と、
前記電流値設定部の出力電流値に応じて前記レーザ共振器に初期注入する電力に相当する電流値を演算し出力する電力演算部と、
前記電流検出部の検出電流値と前記電流値設定部の出力電流値とを比較して両者の差を算出し出力する比較制御部と、
前記電力演算部の出力値と比較制御部の出力値とを加算して前記スイッチング電源部へ出力する加算器とを備え、
前記スイッチング電源部は、前記加算器の出力値に応じた電力を前記レーザ共振器へ供給するようにしたレーザ発振装置。 - 予め設定された基準値を出力する基準値設定部と、
電流検出部の検出電流値と前記基準値設定部の基準値とを比較し、前記電流検出部の検出電流値が前記基準値設定部の基準値以下になる時間を積算する電流値低下時間計測部と、
前記電流値低下時間計測部で求めた時間が所定時間を超えたときに警報を出す警報手段とを設けたことを特徴とする請求項1記載のレーザ発振装置。 - 警報手段に代えて、電流値低下時間計測部で求めた時間が所定時間を超えたときに装置本体の運転を停止させる停止手段を設けたことを特徴とする請求項2記載のレーザ発振装置。
- 電流値設定部の出力電流値の増減に連動して基準値設定部の基準値を増減させることを特徴とする請求項2または3記載のレーザ発振装置。
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