JP4082928B2 - 流体圧回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、主弁および補助弁により流体圧アクチュエータの動作を制御する流体圧回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
図8に従来のパイロット作動式スプール弁1を含む代表的なオープンセンタ式油圧回路図を示す。
【0003】
今、図8において、図示しない操作器の操作レバーが中立位置に保たれ、この操作器からパイロットポートPp1,Pp2にパイロット圧が印加されていないときは、メインスプール2は両側のリターンスプリング3により中立位置にあり、ポンプPoから供給された油は、パイロット作動式スプール弁1のバイパスポート入口E1から流入し、センタバイパス通路を経てバイパスポート出口E2より流出し、タンクTaヘ排出される。
【0004】
次に、パイロットポートPp1にパイロット圧が負荷されると、メインスプール2に右方向の力が加わり、この右方向の力が、リターンスプリング3の抗力と釣り合う所までメインスプール2が変位する。
【0005】
メインスプール2が右方向に変位していくと、やがて流体がポートPからポートAの方向、およびポートBからポートTの方向に流れる。
【0006】
また、ポートAは、例えば油圧ショベルのブームシリンダなどの油圧シリンダ4のヘッド側油室5にヘッド側ライン7を介して繋がっているとともに、ポートBは、油圧シリンダ4のロッド側油室6にロッド側ライン8を介して繋がっており、ポンプPoからポートPを経てポートAに供給された油がヘッド側油室5に流れ、ロッド側油室6からの戻り油がポートBからポートТを経てタンクТaヘ流れることにより、ロッド9が伸び方向に動く。
【0007】
メインスプール2の開口部S、UおよびWには、いわゆるノッチと称する切欠きがあり、これらの開口部S、UおよびWは、図9に示すような開口特性カーブSx、UxおよびWxを有しているものとする。以下、センタバイパス通路の開口部Wを、バイパスノッチ部Wという。
【0008】
この開口特性は、油圧シリンダ4に代表されるアクチュエータの場合、図10に示すような、いわゆるスピード制御を行なう上で重要な役割を果たすもので、その良し悪しで操作性が左右される。
【0009】
ここで、メインスプール2のバイパスノッチ部Wが開口したときの開口面積をAx、通過油量をQ、バイパスノッチ部Wのノッチ直前の圧力(ポンプ圧)をP1、ノッチ直後の圧力をP2、ノッチ前後差圧をΔPとすると、ベルヌーイの式より次の式(数1)が成り立つ。
【0010】
(数1)
Q=K・Ax・ΔP1/2
ただし、ΔP=P1−P2、K:定数
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、式(数1)より、バイパスノッチ部Wの前後差圧ΔPの大小により、同じ開口面積Axでも通過油量が変わるため、例えば、図10において、油圧シリンダ4の負荷が最小負荷のM1で、油圧シリンダ4のヘッド側油室5のヘッド保持圧がPc1、バイパスノッチ部Wのノッチ直前の圧力(ポンプ圧)をPb1、ノッチ直後の圧力をPb2とし、その前後差圧ΔPbのときに図10における理想的操作性カーブC1となるものとし、油圧シリンダ4のシリンダ動き出し時の操作器レバーポイントをR1、そのときのバイパスノッチ部Wの開度をAR1とすると、バイパスノッチ部Wのノッチ前後にて式(数1)より、下記の式(数2)が成り立つ。
【0012】
なお、油圧シリンダ4が上方に動き出すためには、ポンプ圧Pb1がヘッド保持圧Pc1と等しくなること、つまり、Pb1=Pc1となることが必要である。したがって、
(数2)
Qw=K・AR1・(Pb1−Pb2)1/2=K・AR1・(Pc1−Pb2)1/2
ただし、Qw=バイパスノッチ部Wの通過油量、K:定数
【0013】
今、油圧シリンダ4の負荷がM1より大きいM2となった場合のヘッド保持圧をPc2とすると、Pc1<Pc2となることから、前述のとおり、油圧シリンダ4が動き出すためには、Pb1=Pc2となることが必要である。
【0014】
また、油圧シリンダ4が動き出す直前までは、ポンプPoからの供給油は全てバイパスノッチ部Wを通過することから、油圧シリンダ4のシリンダ動き出し時の操作器レバーポイントをR2、そのときのバイパスノッチ部Wの開度をAR2とすると、下記の式(数3)が成り立つ。
【0015】
(数3)
Qw=K・AR2・(Pc2−Pb2)1/2
【0016】
よって、式(数2)および式(数3)より、
AR1・(Pc1−Pb2)1/2=AR2・(Pc2−Pb2)1/2となるが、
Pc1<Pc2であることから、AR1>AR2となる。
【0017】
したがって、油圧シリンダ4のシリンダ動き出し時のバイパスノッチ部Wの開口面積Axや、動き出しポイントは、図9および図10に示すとおり、操作器レバーポイントR1より右寄りの操作器レバーポイントR2となり、油圧シリンダ4のシリンダスピードカーブもC2のような、ゲインの高いカーブとなる。
【0018】
つまり、アクチュエータ負荷の増大により、動き出しレバーポイントが深くなり(すなわち中立位置から遠くなり)、かつ、スピードカーブの変化も急になって、操作性が悪化してしまうという問題がある。
【0019】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、流体圧アクチュエータの負荷が変化しても、流体圧アクチュエータが動き出すときの操作器ポイントが変化せず、かつ、流体圧アクチュエータのスピードカーブも変化しないようにすることで、操作性を向上させる流体圧回路を提供することを目的とするものである。
【0020】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載された発明は、操作器からの信号に応じて変位してポンプから流体圧アクチュエータに供給される作動流体を方向制御および流量制御する主弁と、流体圧アクチュエータの負荷を圧力で検出する圧力センサと、圧力センサからの信号に応じて信号を出力するコントローラと、コントローラからの信号に応じたパイロット圧信号を出力する電磁比例弁と、主弁内に設けられ電磁比例弁からのパイロット圧信号によりパイロット作動される補助弁とを具備し、コントローラは、流体圧アクチュエータの負荷が変化してもアクチュエータ動き出し時の操作器の操作位置が変化せず、かつ、操作器の操作量に対するアクチュエータスピードの特性カーブが所望の操作性カーブとなるように、電磁比例弁を通じて補助弁を制御する流体圧回路であり、操作器からの信号に応じて変位する主弁により流体圧アクチュエータを制御する際に、コントローラは、圧力センサで検出した流体圧アクチュエータの負荷が変化しても、アクチュエータ動き出し時の操作器の操作位置が変化せず、かつ、操作器の操作量に対するアクチュエータスピードの特性カーブが所望の操作性カーブとなるように、電磁比例弁を通じて主弁内の補助弁を制御するので、流体圧アクチュエータの負荷が変化しても、操作器の一定の操作位置により流体圧アクチュエータが動き出し、かつ、操作器の所定の操作量により所定のアクチュエータスピードが得られ、従来のようにアクチュエータ負荷が高くなればなる程、アクチュエータ動き出し操作位置が深くなり、かつ、アクチュエータスピードの特性カーブの変化も急になって、操作性が悪化してしまう、という問題を解消でき、アクチュエータ負荷の大小にかかわらず、良好な操作性が得られる。
【0021】
請求項2に記載された発明は、請求項1記載の流体圧回路における電磁比例弁が、コントローラからの信号に対してパイロット圧が比例的に変化する正特性を有し、補助弁は、電磁比例弁からのパイロット圧信号がないときの中立位置で全開状態となるものであり、正特性の電磁比例弁を用いるときは、中立位置で全開状態となる補助弁を用いて、流体圧アクチュエータの負荷が変化しても、操作器の一定の操作位置により流体圧アクチュエータが動き出し、かつ、操作器の所定の操作量により所定のアクチュエータスピードが得られ、操作性を向上できる。
【0022】
請求項3に記載された発明は、請求項1記載の流体圧回路における電磁比例弁が、コントローラからの信号に対してパイロット圧が逆比例的に変化する逆特性を有し、補助弁は、電磁比例弁からのパイロット圧信号がないときの中立位置で全閉状態となるものであり、逆特性の電磁比例弁を用いるときは、中立位置で全閉状態となる補助弁を用いて、流体圧アクチュエータの負荷が変化しても、操作器の一定の操作位置により流体圧アクチュエータが動き出し、かつ、操作器の所定の操作量により所定のアクチュエータスピードが得られ、操作性を向上できる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図1乃至図4に示された一実施の形態、図5乃至図7に示された他の実施の形態を参照しながら詳細に説明する。なお、これらの実施の形態において、図8に示された従来の流体圧回路と同様の部分には、同一符号を付して、その説明を省略する場合がある。
【0024】
先ず、図1乃至図4に示された一実施の形態を説明すると、図1において、1は、オープンセンタ式油圧回路における主弁としてのパイロット作動式スプール弁であり、このパイロット作動式スプール弁1は、操作器(リモートコントロール弁)11からのパイロット圧信号に応じて変位して、ポンプPoから流体圧アクチュエータとしての油圧シリンダ4に供給される作動流体としての作動油を方向制御および流量制御するメインスプール2を有する。
【0025】
このメインスプール2には、中立位置でポンプPoをタンクТaに連通するバイパスノッチ部Wが設けられている。
【0026】
操作器11は、パイロット油圧源Ppから供給されたパイロット1次圧を減圧制御して、操作レバー12のレバー操作量(または操作ペダルのペダル踏込量)に応じたパイロット2次圧としてのパイロット圧信号を、メインスプール2の一端または他端に供給する減圧弁である。
【0027】
油圧シリンダ4のヘッド側ライン7には、油圧シリンダ4の負荷を圧力(すなわちヘッド保持圧)で検出する圧力センサ13が設置されている。
【0028】
この圧力センサ13から引出された信号ライン14は、コントローラ15に接続されて、この圧力センサ13により検出されたヘッド保持圧、すなわち最小のPc1から最大のPcmまでの圧力信号がコントローラ15に入力されるようになっている。
【0029】
このコントローラ15は、圧力センサ13からの信号に応じて電気信号ライン16に電気信号を出力する。この電気信号ライン16は電磁比例弁17のソレノイド17aに接続されている。
【0030】
電磁比例弁17は、コントローラ15からの電気信号により作動し、パイロット油圧源Ppから供給されたパイロット1次圧を制御して、コントローラ15からの電気信号に応じたパイロット2次圧としてのパイロット圧信号を外部信号ライン18に出力するものであり、図2に示すような電気信号に対してパイロット圧が比例的に変化する正特性を持っている。
【0031】
前記パイロット作動式スプール弁1のメインスプール2内には補助弁21が内蔵されている。
【0032】
この補助弁21は、電磁比例弁17からのパイロット圧信号によりパイロット作動される小スプール22が、スプリング23の付勢力とバランスする位置に制御されるものであり、その小スプール22は、電磁比例弁17からのパイロット圧信号がないときの中立位置で全開状態となり、図3に示されるように、電磁比例弁17から外部信号ライン18を経て供給されるパイロット圧により、開口面積Z1の全開状態から漸次閉じる方向に変位するような開口特性を持っている。
【0033】
この補助弁21の小スプール22は、外部信号圧がゼロのとき、図4に示す開口特性カーブZx(最大開口面積Z1)の開口特性となるが、この小スプール22の開口特性カーブZxと、メインスプール2のバイパスノッチ部Wの開口特性カーブYxとの合成特性カーブが、図9にも示された開口特性カーブWxに等しくなるように設定されている。
【0034】
さらに、開口特性カーブYxは、油圧シリンダ4に負荷し得る最大荷重Mm時の最大ヘッド保持圧Pcmの場合に、図10における動き出し時の操作器レバーポイントがR1となり、かつ、油圧シリンダ4のシリンダスピードカーブが所望の理想的操作性カーブC1となるような特性カーブに設定されている。
【0035】
次に、図1乃至図3に示された実施の形態の作用を、図4を参照しながら説明する。
【0036】
コントローラ15は、圧力センサ13により検出されたヘッド保持圧を受けて、予め設定されたプログラムにより、そのときの油圧シリンダ4のヘッド保持圧に対応する電気信号を演算して電磁比例弁17に出力する。
【0037】
すなわち、図4に示されるように、そのときのヘッド保持圧に対応するパイロット作動式スプール弁1のバイパスノッチ部Wの開口特性カーブWxを、開口特性カーブWxxに変化させる必要がある場合、開口特性カーブWxxは、メインスプール2の開口特性カーブYxと、補助弁21の開口特性カーブZxxとの合成特性カーブであり、補助弁21を開口特性カーブZxxとなるように制御したときに、図10における動き出し時の操作器レバーポイントがR1となり、かつ、油圧シリンダ4のシリンダスピードカーブが所望の理想的操作性カーブC1となるので、コントローラ15は、開口特性カーブZxxとなるように補助弁21を作動するパイロット圧を電磁比例弁17が出力するように、電気信号を電磁比例弁17に入力する。
【0038】
このように、コントローラ15が、圧力センサ13から得られた油圧シリンダ4の負荷情報に基づき、電磁比例弁17を通じて補助弁21を制御することで、油圧シリンダ4の負荷が変化しても、シリンダ動き出し時の操作器11のレバー操作位置が常にR1となり変化せず、かつ、操作器11の操作量に対するシリンダスピードの特性カーブが所望の理想的操作性カーブC1となるように、バイパスノッチ部Wの開口特牲が、油圧シリンダ4の負荷に応じて変化する。
【0039】
次に、図5乃至図7に示された他の実施の形態を説明する。なお、上記一実施の形態と同様の部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【0040】
上記一実施の形態では、図2に示されるようにコントローラ15からの電気信号に対してパイロット圧が比例的に変化する正特性を持った電磁比例弁17と、図3に示されるように中立位置で全開状態となっている補助弁21を用いた場合を示したが、図5に示されたオープンセンタ式油圧回路は、図6に示されるように、コントローラ15からの電気信号に対してパイロット圧が逆比例的に変化する逆特性を持った、いわゆる逆特性型電磁比例弁17と、図7に示されるように電磁比例弁17からのパイロット圧信号がないときの中立位置でスプリング23の付勢力により全閉状態となっている補助弁21とを用いたものである。
【0041】
そして、油圧シリンダ4のヘッド保持圧が最小のPc1のとき、補助弁21は、電磁比例弁17より最大パイロット圧が供給されていて全開状態となっており、その合成開口特性カーブはWxとなっていて、ヘッド保持圧が高くなればなる程、コントローラ15からの電気信号により、電磁比例弁17からのパイロット圧が減圧され、このパイロット圧の減圧にしたがって、補助弁21の開口特性は徐々に小さくなって行き、ヘッド保持圧が最大のPcmとなったとき、補助弁21は全閉状態となり、バイパスノッチ部Wの開口特性カーブは、最小のYxとなり、前記一実施の形態と同等の結果が得られる。
【0042】
以上のように、油圧シリンダ4の負荷が変化し、ヘッド保持圧が変化しても、動き出し時の操作器レバーポイントが常にR1となり同じで、かつ、シリンダスピードカーブが理想的操作性カーブC1となるように、バイパスノッチ部Wの開口特牲が、そのヘッド保持圧に応じて変化するため、従来のようにヘッド保持圧が高くなればなる程、動き出しレバーポイントが深く、かつ、スピードカーブの変化も急になって、操作性が悪化してしまうという問題を解消でき、ヘッド保持圧の大小にかかわらず、良好な操作性が得られるようになった。
【0043】
なお、上記の実施の形態では、流体圧アクチュエータが油圧シリンダ4の場合について述べたが、流体圧アクチュエータが例えば油圧ショベルの旋回モータや走行モータといった回転式アクチュエータについても、本発明により、同様の効果が得られる。
【0044】
【発明の効果】
請求項1記載の発明によれば、操作器からの信号に応じて変位する主弁により流体圧アクチュエータを制御する際に、コントローラは、圧力センサで検出した流体圧アクチュエータの負荷が変化しても、アクチュエータ動き出し時の操作器の操作位置が変化せず、かつ、操作器の操作量に対するアクチュエータスピードの特性カーブが所望の操作性カーブとなるように、電磁比例弁を通じて主弁内の補助弁を制御するので、流体圧アクチュエータの負荷が変化しても、操作器の一定の操作位置により流体圧アクチュエータが動き出し、かつ、操作器の所定の操作量により所定のアクチュエータスピードが得られ、従来のようにアクチュエータ負荷が高くなればなる程、アクチュエータ動き出し操作位置が深くなり、かつ、アクチュエータスピードの特性カーブの変化も急になって、操作性が悪化してしまう、という問題を解消でき、アクチュエータ負荷の大小にかかわらず、良好な操作性が得られる。
【0045】
請求項2記載の発明によれば、正特性の電磁比例弁を用いるときは、中立位置で全開状態となる補助弁を用いて、流体圧アクチュエータの負荷が変化しても、操作器の一定の操作位置により流体圧アクチュエータが動き出し、かつ、操作器の所定の操作量により所定のアクチュエータスピードが得られ、操作性を向上できる。
【0046】
請求項3記載の発明によれば、逆特性の電磁比例弁を用いるときは、中立位置で全閉状態となる補助弁を用いて、流体圧アクチュエータの負荷が変化しても、操作器の一定の操作位置により流体圧アクチュエータが動き出し、かつ、操作器の所定の操作量により所定のアクチュエータスピードが得られ、操作性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る流体圧回路の一実施の形態を示す回路図である。
【図2】同上回路で用いられる電磁比例弁の特性を示す特性図である。
【図3】同上回路で用いられる補助弁の開口特性を示す特性図である。
【図4】同上回路で用いられるパイロット作動式スプール弁の開口特性を示す特性図である。
【図5】本発明に係る流体圧回路の他の実施の形態を示す回路図である。
【図6】同上回路で用いられる逆特性型電磁比例弁の特性を示す特性図である。
【図7】同上回路で用いられる補助弁の開口特性を示す特性図である。
【図8】従来のオープンセンタ式油圧回路を示す回路図である。
【図9】同上従来回路のパイロット作動式スプール弁の開口特性を示す特性図である。
【図10】同上スプール弁のシリンダスピードカーブを示す特性図である。
【符号の説明】
Po ポンプ
1 主弁としてのパイロット作動式スプール弁
4 流体圧アクチュエータとしての油圧シリンダ
11 操作器
13 圧力センサ
15 コントローラ
17 電磁比例弁
21 補助弁
Claims (3)
- 操作器からの信号に応じて変位してポンプから流体圧アクチュエータに供給される作動流体を方向制御および流量制御する主弁と、
流体圧アクチュエータの負荷を圧力で検出する圧力センサと、
圧力センサからの信号に応じて信号を出力するコントローラと、
コントローラからの信号に応じたパイロット圧信号を出力する電磁比例弁と、主弁内に設けられ電磁比例弁からのパイロット圧信号によりパイロット作動される補助弁とを具備し、
コントローラは、流体圧アクチュエータの負荷が変化してもアクチュエータ動き出し時の操作器の操作位置が変化せず、かつ、操作器の操作量に対するアクチュエータスピードの特性カーブが所望の操作性カーブとなるように、電磁比例弁を通じて補助弁を制御する
ことを特徴とする流体圧回路。 - 電磁比例弁は、コントローラからの信号に対してパイロット圧が比例的に変化する正特性を有し、
補助弁は、電磁比例弁からのパイロット圧信号がないときの中立位置で全開状態となる
ことを特徴とする請求項1記載の流体圧回路。 - 電磁比例弁は、コントローラからの信号に対してパイロット圧が逆比例的に変化する逆特性を有し、
補助弁は、電磁比例弁からのパイロット圧信号がないときの中立位置で全閉状態となる
ことを特徴とする請求項1記載の流体圧回路。
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