JP4123547B2 - 超高圧流体封止装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧室と低圧室との間でプランジャ(ピストン等の類似のものを含む)が往復運動するポンプ等の流体機械において、流体をシールする超高圧流体封止装置の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、高圧水を利用した加工技術も、洗浄,剥離,はつり,切断,静水圧等多種多様の用途に応用されており、流体の圧力も数百MPa以上にも及ぶ超高圧水を発生させる往復動プランジャポンプが各種類開発されている。この種の流体装置では、高圧部と低圧部とを仕切るための高圧流体封止手段において、使用条件に応じて幅広く素材を選択し、また、形状に工夫をこらし、より良好なシール効果が得られ、しかもできるだけ長寿命で安定した性能を維持し得るようにシール技術の開発が続けられている。
【0003】
一般的な封止手段としては、パッキンや弾性リング等を用いて構成されたもので、大別してセルフシール型パッキンと圧縮型パッキンがある。
【0004】
本出願人においても特開平1−203764号公報では圧力が500MPaまで適用できる流体封止装置として、往復動プランジャポンプのシリンダ内周面とプランジャ外周面との間に形成された環状間隙内に、高圧部側から低圧部側へ向かって順次弾性ペンタリング、パッキンリング、バックアップリングが配置され、アダプタリングによってシリンダ内から部材が抜け出さないように係止された圧縮型パッキンによる超高圧流体のシール効果について開示した。
【0005】
さらに、本出願人は特開平8−303591号公報により、500MPa以上の超々高圧の加圧テストや静水圧加工用の超高圧水発生装置の開発にともない、前記シール技術を応用した流体封止装置として、前記圧縮型パッキンのパッキン形状と組み合わせを工夫した改良型超々高圧シール技術を確立した装置を提供した。
【0006】
つまり、特開平8−303591号公報で開示した装置によれば、往復動プランジャポンプのシリンダ内周面とプランジャ外周面との間に形成された環状間隙内に設けられる超高圧流体封止装置において、高圧部側から順に弾性リング、パッキンリング、バックアップリング、ボトムリングが配されてなり、パッキンリングは高圧部側に向かって縮径する外周テーパ面と該外周テーパ面の縮径先端に連なる平行筒状端部を有し、弾性リングはパッキンリングより高圧部側で外側部材の内周面に当接し、パッキンリングにより押圧された状態で設けられ、外側部材の内周面と前記外周テーパ面と前記平行筒状端部の外周面とによって圧縮される。さらに低圧部側に向かって縮径するテーパ面を有するパッキンリングと高圧部側に向かって縮径するテーパ面を有するボトムリングとのそれぞれのテーパ面で形成される断面三角形状の環状空間内に配置された断面台形状のバックアップリングは、前記パッキンリングより高い降伏強度を有するものを使用しており、前記パッキンリングの低圧部側テーパ面に密着する面を下底面とし、前記ボトムリングの高圧部側テーパ面および前記外側部材内周面とにそれぞれ密着する面を両側面部とし、上底面部はボトムリングの高圧部側テーパ面と外側部材内周面とで断面三角形状の環状空間を形成するように構成されている。
【0007】
以上のような構成を持つ従来の超高圧流体封止装置の作用を図3を用いて以下に説明する。まず、流体圧によって弾性リングGおよびパッキンリングPが低圧部側(図中矢印方向)へ押圧されるのに伴い、係止手段であるアダプタXによって環状間隙内に係止されているボトムリングAのテーパ面に沿って断面台形状バックアップリングBが環状間隙の低圧部側、即ちその上底面部が一辺となる断面三角形状の環状空間S側に押し込まれ、その両側面がシール面としてシリンダ面とボトムリングAのテーパ面を押す力が大きくなると共に、パッキンリングPによる摺動面のシール力も大きくなる。したがって、流体圧の上昇に伴って、断面台形状のバックアップリングBの両側面部の接触面及びパッキンリングPの摺動面に対するシール力がそれぞれ強力となり、たとえ500MPa以上の超高圧においても良好に流体を封止できるという効果があった。
【0008】
なお、このように内部部材が外側部材および超高圧流体封止装置に対して摺動する場合、パッキンリングは摺動面に直接当接するため、高分子ポリエチレン等の比較的柔らかい材質からなるものとし、またボトムリングは超高圧で押圧されても殆ど変形しないステンレス等の金属の剛性材質からなるものが使用されてきた。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の如き従来の超高圧流体封止装置を用いて3mm/sec.までのプランジャ速度で作動させる従来のプランジャポンプでの昇圧は、たとえ500MPa以上でも問題なく可能であったが、用途により、または使用者の希望により超高圧ポンプ自体の小型軽量化が要求される場合があり、プランジャ速度をかなり上げる高速性能を持つ装置が必要となった。たとえば、28mm/sec.までプランジャ速度を上げるとバックアップリングに押圧されている金属製のボトムリングの高圧側縮径先端内周面部がプランジャの往復運動で金属同士の接触により摩擦熱を発生し、ひどくなるとプランジャに焼き付きを起こしてプランジャ表面に付着してしまい、その付着物でプランジャの摺動中にパッキンリング(耐熱性樹脂)の内周面を軸方向に傷をつけて超高圧流体を良好に封止できなくなった。
【0010】
あるいは、プランジャの速度によってはプランジャの焼き付きまでには至らなくても摺動により金属製ボトムリングの高圧側縮径先端内周面部に発生した摩擦熱でプランジャ表面を熱くし、パッキンリング自体が軟化して溶出してしまいパッキンリング寿命を短くしてしまう不都合があった。
【0011】
本発明は、上記問題点に鑑み、500MPa以上の超々高圧下で、たとえプランジャ摺動速度を上げたとしても長時間良好にシールし得る超高圧流体封止装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明に係わる超高圧流体封止装置では、外側部材と内側部材とからなる二部材間に形成された環状間隙を封止して高圧部と低圧部を仕切るために前記環状間隙内に前記高圧部側から順に弾性リング、パッキンリング、バックアップリング、ボトムリングを配置してなる超高圧流体封止装置であって、前記パッキンリングが前記外側部材の内周面と前記内側部材の外周面に当接する壁部を形成し、該壁部から高圧部側に向かって縮径する外周テーパ面と該外周テーパ面の縮径側先端に連なる平行筒状端部を有して前記弾性リングと密着させ圧縮し、さらに、前記壁部から低圧部側に向かって縮径する外周テーパ面とを有し、前記ボトムリングが前記外側部材の内周面と前記内側部材の外周面とに当接する壁部を形成し、高圧部側に向かって縮径するテーパ面を有し、前記バックアップリングが断面台形状で形成され、該断面台形状の下底面部が前記パッキンリングの低圧部側テーパ面と密着し、かつ、前記断面台形状の両側面が前記外側部材の内周面と前記ボトムリングの高圧部側テーパ面とにそれぞれ密着して前記パッキンリングと前記ボトムリングとで形成される断面略三角形の環状空間内に備えられ、前記ボトムリングのテーパ先端部で前記バックアップリングと前記内側部材の外周面に当接する部分を非金属材料とし他の部分を金属材料とした二つの部材で前記ボトムリングのテーパ面を構成し、前記ボトムリングの金属材料部分と非金属材料部分との双方の部分が、前記内側部材の外周面に当接する壁部となると共に前記バックアップリングの前記低圧部側テーパ面と密着することを特徴とする超高圧流体封止装置である。
【0013】
【発明の実施の形態】
高圧部側に配置された弾性リング、パッキンリング、バックアップリングの形状や材質は従来の流体封止部材と同様にする。つまり、パッキンリングは外側部材の内周面と内側部材の外周面に当接する壁部を形成し、該壁部から高圧部側に向かって縮径する外周テーパ面と該外周テーパ面の縮径側先端に連なる平行筒状端部を有し、弾性リングはパッキンリングより高圧部側で外側部材の内周面に当接し、パッキンリングにより押圧された状態で設けられ、外側部材の内周面と前記外周テーパ面と前記平行筒状端部の外周面とによって圧縮されているため、前記パッキンリングの縮径側先端に連なる平行筒状端部が容易に内側へ押圧されて面圧が確保され、シール性が高くなるといった同じ作用が得られるのは明かである。
【0014】
本発明においては、外側部材と内側部材とからなる二部材間に形成された環状間隙内に設けられる流体封止部材の一つであるボトムリングの構成に特徴をもたせたもので、バックアップリングとのシール性能を良好に維持しつつさらに摺動面と接触しても摩擦熱の発生をおさえる構造として、以下のように改良したものである。
【0015】
従来のボトムリングは、押圧による変形をしないように考慮してステンレス等の金属部材の一体物で構成され、さらに、バックアップリングとの強力な密着性を維持するために、外側部材の内周面と内側部材の外周面とに当接する壁部から高圧部側に向かって縮径するテーパ面を有している。ところが、内側金属部材の摺動速度が速くなると、前記ボトムリングの内周面と摺動する内側金属部材の外周面において、金属同士の接触による摩擦熱が発生してしまう。そこで、本発明では、特に摩擦熱を発生するボトムリングのテーパ先端部に前記縮径するテーパ面形状を保つ樹脂等の非金属材料のパッキンリングを使用し、他の部分を金属材料のままとした二つの部材でボトムリングを一体的に構成したため、高速往復運動によりテーパ先端部の内周面に発生する摩擦熱を非常に低くおさえることができ、強いシール力を維持しながらもパッキン類の寿命を長く延ばすことが可能となった。
【0016】
すなわち、内側部材が外側部材および超高圧流体封止装置に対して摺動する場合には、断面台形状のバックアップリングにおける下底近傍の一側面と密着して押圧されるボトムリングの縮径するテーパ面の先端部分の内周面が内側部材外周摺動面とより激しく接触して焼き付きやカジリを発生するため、その先端部のみに摺動グレードに処置した樹脂あるいは合成ゴム等焼き付けやカジリを発生しにくい材質のパッキンを使用するだけで十分に摩擦熱を低くおさえることができる。また、前記断面台形状のバックアップリングにおける上底近傍の側面と密着するボトムリングの縮径するテーパ面部は金属材料の剛性材質のままとしているため超高圧の押圧でも従来通り、殆ど変形しない状態を維持することが可能となった。
【0017】
【実施例】
本発明の一実施例として、往復動プランジャポンプのシリンダ摺動部に採用した超高圧流体封止装置の構成図を図1の断面図に示す。
【0018】
摺動部における本実施例の超高圧流体封止装置は、シリンダ10内周面とプランジャ9の外周面間に形成される環状間隙内にそれぞれ嵌合されており、高圧部側(図中スペーサリング5側)から順に、ウレタンゴムからなる断面五角形状のペンタリング1、高分子ポリエチレンからなるパッキンリング2、銅製の断面台形状のバックアップリング3、摺動特性の良い樹脂からなる断面略三角形状のデルタリング6、ステンレス製のボトムリング4が配されてなるものであり、このボトムリング4は、アダプタ7によってシリンダ10からのプランジャ挿入側端部で係止されているため、超高圧で押圧されても環状間隙からシリンダ外へ脱落することはない。
【0019】
また、本実施例では、パッキンリング2は高圧部側に向かって縮径する外周テーパ面2aと該外周テーパ面2aの縮径側先端に連なる平行筒状端部を有し、ペンタリング1はパッキンリング2より高圧部側でシリンダ10内周面に当接してパッキンリング2により押圧された状態で設けられ、シリンダ10内周面と外周テーパ面2aと平行筒状端部の外周面2bとによって圧縮されている。
【0020】
さらに、パッキンリング2は低圧部側に向かって最小径の断面頂点部がプランジャ9外周面と当接するまで縮径し、プランジャ9外周面に対して60゜の角度を持つテーパ面2cと、ボトムリング4の高圧部側に向かって縮径し、プランジャ9外周面に対して60゜の角度を持つテーパ面4aと該テーパ面角度と同じ角度にしたテーパ面を有して前記ボトムリング4の縮径先端部に一体化して取り付けた断面略三角形状のデルタリング6のテーパ面とシリンダ10内周面とで環状間隙内に形成する断面正三角形状の環境空間内に、パッキンリング2のテーパ面2cに密着する面を下底面部とし、ボトムリング4とデルタリング6とで構成するテーパ面4aおよびシリンダ10内周面とにそれぞれ密着する面を両側面部とした断面台形状のバックアップリング3を設け、該断面台形状の上底面部はボトムリング4のテーパ面4aとシリンダ10内周面とで断面三角形の環状空間8を形成している。
【0021】
このような構成の超高圧往復動プランジャポンプの摺動部において、まず、パッキンリング2のテーパ面2aがペンタリング1の圧縮力をプランジャ9方向の力に変換してプランジャ9方向に縮小すべく作用し、また逆に、ペンタリング1とパッキンリング2との当接面がペンタリング1の圧縮力をシリンダ10内周面方向の力に変化してシリンダ10内周面方向に縮小すべく作用する。即ち、ペンタリング1の復元力はその全周に作用し、各当接面はパッキンリング2により全周で密着状態となり、高圧シリンダ摺動部における初期シールが完了する。
【0022】
以上のような状態の超高圧プランジャポンプにおいて、プランジャ9を作動させ、超高圧の流体圧が上昇するに伴って、摺動部では、流体圧によってペンタリング1およびパッキンリング2が低圧部側へ押圧され、係止手段であるアダプタ7によって環状間隙内に係止されているボトムリング4とデルタリング6のテーパ面4aと6aに沿って断面台形状のバックアップリング3が環状間隙の低圧部側、即ちその上底面部が一辺となる断面三角形状の環状空間8側に押し込まれ、その両側面がシール面としてシリンダ10内周面とデルタリング6と一体的に形成されたボトムリング4のテーパ面を押す力が大きくなると共に、パッキンリング2による摺動面へのシール力も大きくなる。
【0023】
つまり、図2に示すように、デルタリング6はボトムリング4の高圧部側に向かって縮径するテーパ面4aの先端部分に位置するようにテーパ角度を同じにしてボトムリング4と一体的に構成し、該先端テーパ面6aは断面台形状のバックアップリング3における下底面部3a近傍の一側面部3bと密着させ、かつ、該内周面6bはボトムリング4の内周面4bと一致させてプランジャ外周面9aと接触させているため、昇圧時には、断面台形状のパックアップリング3の下底面部3aがパッキンリング2により押圧され、バックアップリング3の一側面3bが密着しているデルタリング6とボトムリング4とで形成するテーパ面6aと4aを押圧する。押圧されたデルタリング6は該内周面6bと当接するプランジャ外周面方向に縮小すべく作用するが、非金属材料で構成されているため摺動するプランジャと接触しても、摩擦熱の発生を低くおさえることができる。また、残りの上底近傍の一側面部3cは、金属製の剛性材質からなるボトムリング4のテーパ面4aと密着させているため、たとえ超高圧で押圧されても殆ど変形しない構成となっている。
【0024】
結果として、本実施例による超高圧流体封止装置を摺動部に備えた超高圧プランジャポンプでは、流体圧1000MPa以上という超高圧状態においても良好に流体が封止され、かつ、デルタリングの内周面と接触するプランジャ外周面状態が良好に保たれ、封止装置の寿命を延長することができた。
【0025】
実際のシール実験では、10≪/700MPaの昇圧作動において、従来のパッキン構成の封止装置では30回程度の昇圧/減圧作動繰り返しでシール不良となっていたが、本発明の封止装置を使用したところ、10倍の300回の昇圧/減圧作動でも良好なシールが可能となった。
【0026】
なお、以上の実施例においては、弾性リングとしてペンタリングを用いたが、本発明では弾性リングの形状を断面五角形に限定するものではなく、断面略円形状または断面三角形状等、種々の形状のものが使用可能であるが、初期シール性が良好となり、また弾性リングの圧力変形が大きくて寿命が短縮化されるのを避けるためにも、外側部材の内周面とパッキンリングの外周面とのあいだの環状間隙にほぼ嵌合するものが望ましい。
【0027】
また、上記実施例では、弾性リングにウレタンゴム、パッキンリングに高分子ポリエチレン、バックアップリングに銅、デルタリングに樹脂、ボトムリングにステンレスをそれぞれ材質として用いたが、本発明はこれに限るものではない。これらの他に、例えば、弾性リングには合成ゴムや天然ゴムなど、パッキンリングにはテフロンなど、バックアップリングには銅以外に、鉛、すず、アルミ、チタンなど、デルタリングには高分子ポリエチレンやテフロンなど、また、アダプタあるいはボトムリングにはステンレス以外にチタン,合金鋼などが、また従来の一般的な高圧流体封止装置に用いられていたものが同様に利用できる。
【0028】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明では、摺動部による摩擦熱が最も発生しやすいボトムリングのテーパ面先端部近傍にのみピーク樹脂等の非金属材料を使用するように構成したため、プランジャ摺動時には金属と樹脂との接触となり従来の金属と金属との摩擦による種々の問題、例えば、焼き付きやカジリ等が発生せず、しかも、流体圧の上昇に伴って、断面台形状のバックアップリングの両側面部の接触面に対する強力なシール力も維持できるパッキン形状としているため、500MPa以上の超高圧においても良好に流体を封止でき、かつ、パッキンの寿命も従来と比べ格段に延ばすことが可能という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による超高圧流体封止装置を用いた超高圧プランジャポンプの概略構成縦断面図である。
【図2】図1の超高圧流体封止装置におけるA部の拡大詳細図である。
【図3】従来の超高圧プランジャポンプの摺動部のシールに用いられている高圧流体封止装置の作用を示す説明図である。
【符号の簡単な説明】
1・・・・・・ペンタリング
2・・・・・・パッキンリング
3・・・・・・バックアップリング
4・・・・・・ボトムリング
5・・・・・・スペーサリング
6・・・・・・デルタリング
7・・・・・・アダプタ
8・・・・・・環状空間
9・・・・・・プランジャ
10・・・・・シリンダ
Claims (1)
- 外側部材と内側部材とからなる二部材間に形成された環状間隙を封止して高圧部と低圧部を仕切るために前記環状間隙内に前記高圧部側から順に弾性リング、パッキンリング、バックアップリング、ボトムリングを配置してなる超高圧流体封止装置であって、前記パッキンリングが前記外側部材の内周面と前記内側部材の外周面に当接する壁部を形成し、該壁部から高圧部側に向かって縮径する外周テーパ面と該外周テーパ面の縮径側先端に連なる平行筒状端部を有して前記弾性リングと密着させ圧縮し、さらに、前記壁部から低圧部側に向かって縮径する外周テーパ面とを有し、前記ボトムリングが前記外側部材の内周面と前記内側部材の外周面とに当接する壁部を形成し、高圧部側に向かって縮径するテーパ面を有し、前記バックアップリングが断面台形状で形成され、該断面台形状の下底面部が前記パッキンリングの低圧部側テーパ面と密着し、かつ、前記断面台形状の両側面が前記外側部材の内周面と前記ボトムリングの高圧部側テーパ面とにそれぞれ密着して前記パッキンリングと前記ボトムリングとで形成される断面略三角形の環状空間内に備えられ、前記ボトムリングのテーパ先端部で前記バックアップリングと前記内側部材の外周面に当接する部分を非金属材料とし他の部分を金属材料とした二つの部材で前記ボトムリングのテーパ面を構成し、前記ボトムリングの金属材料部分と非金属材料部分との双方の部分が、前記内側部材の外周面に当接する壁部となると共に前記バックアップリングの前記低圧部側テーパ面と密着することを特徴とする超高圧流体封止装置。
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