JP4249875B2 - 音響電気変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は音響電気変換装置に係り、特に発光素子として垂直共振器型面発光レーザダイオード(VCSEL)を用いた音響電気変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
VCSELを用いた超小型音響電気変換装置として光マイクロホン装置が知られている。
図6は光マイクロホン装置の基本構造を示す図である。
図6(a)は断面形状を示したもので、筐体1の底面8に電子回路基板12を設置し、この基板12上に発光素子LDと受光素子PDとを配置した基板9を取り付ける。
発光素子としては面発光レーザダイオードLDを、受光素子としてはフォトダイオードPDを用いている。基板9の中央に円形形状の面発光レーザダイオードLDを配置し、この面発光レーザダイオードLDを取り巻くように同心円状に受光素子PDを配置する。
【0003】
図6(b)は、図6(a)中に点線で囲んで示した受発光素子が搭載された基板9の受発光部を拡大して示した平面図である。図に示すように中央部に円形形状の発光素子LDを配置し、これを取り囲むように同心円状に受光素子PD1,PD2,…,PDnを配置する。なおここで用いられる発光素子LDとしては垂直共振器型面発光レーザを用いることができる。この発光素子LDと受光素子PDとはガリウムヒ素ウエハ上に同時に半導体製造工程により作製することができる。
従って発光素子LDと受光素子PDとの位置合わせ精度は半導体製造工程に用いられるマスクの精度によって決められるため、その合わせ精度を1μm以下とすることができ、従来の光マイクロホン素子の受発光素子の位置合わせ精度に比べ百分の一以下の高精度で実現が可能である。
【0004】
一般に、垂直共振器型面発光レーザ発光素子は発光強度分布が同心円状にほぼ均一な特性を持っている。従って、中央部に設置された発光素子LDから所定の角度で振動板2に向かって放射された放射光は、同心円状に同一強度を持って反射し、音波7の受波により振動板2が振動することにより反射角度が変化し、受光素子PDの同心円状に到達する。
したがって、同心円状に配列された受光素子PD1〜PDnの受光光量の変化を検出し、これを電気信号の変化に変換して出力することにより振動板2の振動変位を検出することができる。これにより入射音波7の強弱を検知することができるため、光マイクロホン素子として使用可能となる。
なお発光素子LDや受光素子PDを駆動、もしくは入射光量の検出のために電極11が形成されている。
【0005】
受光素子PDから検出される電気信号の変化を差動増幅器または除算器等の増幅器で増幅することにより振動板2の変位を検出する。ここで増幅器の出力を実用的なレベルまで大きくしようとすれば増幅器の増幅率を大きくする必要があり、増幅器の設計を複雑にしてしまう。また増幅率を大きくするとそれに伴って電子回路上で発生する雑音も一緒に大きくすることになってしまい、信号/雑音(S/N)比を高くすることが困難になる。そこで増幅器の増幅率を上げることなく、S/N比の高い信号を得るためには受光素子で反射光を受ける際の反射光の移動幅の変化を大きくする必要がある。
【0006】
図7は反射光の移動幅を拡大させるために基板9と振動板2との光路上にレンズ素子3を配置した構造を示している。発光素子LDと振動板2との間の距離(L0)を1.3mmとし、レンズ径を0.25mm、拡大倍率を6.5とするレンズ素子3を光路上に配置する。このレンズ素子3の焦点位置近傍に振動板2を配置し、これを基準位置とする。図7のa点は結像位置を示す。またb点は振動板2で反射し、折り返した位置での結像点を示す。図7に示す状態は振動板2が高圧の音響により凹んだ状態である。角θはレンズ素子3の収束角で定まり、図7に示す状態ではθ=12°である。なお振動板2は当初2cの位置にあり、振動により所定の変奇量δだけ振動して2dの位置に移動する。また振動板2が静止していた時の反射光の到達距離の直径を2A、振動板2が変奇量δだけ移動したときの反射光の到達距離の直径を2Bとする。
図7に示すような構成ではレンズ素子3によって収束した反射光が受光素子PDに到達する際の移動幅が大きくなり、受光感度が高くなる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし図7に示す改良された光マイクロホン装置の構造によってもなお感度が必ずしも充分高いとはいえなかった。
そこで本発明は図7に示すようなレンズ素子を用いた音響電気変換装置においてさらに受光感度の高い装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、音響により振動する振動板と、前記振動板に光を入射する発光素子と、前記振動板からの反射光を受光し、前記振動板の音響による変位を電気信号の変化に変換して出力する受光素子と、前記発光素子と前記振動板との間の光路上に配置され前記発光素子からの入射光を収束して前記振動板に導き、前記振動体からの発散反射光を光軸上の第1の焦点位置と第2の焦点位置との間に収束させて前記受光素子に導くレンズ素子とを備えた音響電気変換装置において、前記第1の焦点位置と前記第2の焦点位置との間に収束された前記発散反射光の一部を遮蔽する遮蔽手段を設け、前記発散反射光を前記光軸に対して2分して受光し、受光した光信号の大きさを差信号として取り出すことを特徴とする。
【0009】
前記音響電気変換装置において、前記発光素子を前記遮蔽手段とほぼ同位置の前記光軸上に設けることが出来る。
また、前記音響電気変換装置において、前記受光素子は前記光軸に対して2分されて構成することが出来る。
さらに、前記音響電気変換装置において、前記発光素子を垂直共振器型面発光レーザ素子とすることが出来る。
前記音響電気変換装置において、前記遮蔽手段を前記光軸に対してほぼ直角に設けられたナイフエッジとすることが出来る。
【0010】
また、本発明は、音響により振動する振動板と、前記振動板に光を入射する発光素子と、前記振動板からの反射光を受光し、前記振動板の音響による変位を電気信号の変化に変換して出力する受光素子と、前記発光素子と前記振動板との間の光路上に配置され前記発光素子からの入射光を収束して前記振動板に導き、前記振動体からの発散反射光を光軸上の第1の焦点位置と第2の焦点位置との間に収束させて前記受光素子に導くレンズ素子とを備えた音響電気変換装置において、前記第1の焦点位置と前記第2の焦点位置とにそれぞれ収束する前記発散反射光をさらに反射させて前記受光素子に導くミラー手段を設けたものである。
前記音響電気変換装置において、前記発光素子を前記ミラー手段とほぼ同位置の前記光軸上に設けることが出来る。
【0011】
さらに本発明は、発光面の発光強度分布が同心円状にほぼ均一で、前記発光面から所定の角度で立下るミラー面を有した台形状の垂直共振器型面発光レーザ発光素子を中心部に配置し、前記発光素子の両側に光軸4からd=h・tan(180−2・α)ただし、α>45°の距離で2分された受光素子を配置した基板と、前記基板に対向する位置にほぼ平行に、かつ近接して設置され、音響により振動する振動板と、前記基板と前記振動板との間の光路上に配置され前記発光素子からの入射光を収束して前記振動板に導き、前記振動板からの発散反射光を光軸上の第1の焦点位置と第2の焦点位置との間に収束させて前記受光素子に導くレンズ素子とを備え、前記発光素子の前記発光面を前記光軸上の前記第1の焦点位置と前記第2の焦点位置との間に配置し、収束された前記発散反射光を前記ミラー面で反射させて前記受光素子に導くようにしたものである。
前記音響電気変換装置において、前記発光素子と前記受光素子とを同一基板上に同一工程で作製することが出来る。
また、前記音響電気変換装置において、前記発光素子と前記受光素子とを異なる基板上に異なる工程で作製することも出来る。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の構成を説明するための原理図である。
本発明ではレンズ素子3と受光素子PDとの間に収束された発散反射光の一部を遮蔽する遮蔽手段を設ける。図1に示す例では遮蔽手段としてナイフエッジ10を設けている。振動板2で反射し発散された反射光はレンズ素子3により収束されて光軸4上の2つの焦点位置f1,f2に収束するように集光される。そこで本発明ではナイフエッジ10を短焦点位置f1と長焦点位置f2との間に設ける。これにより振動板3からの戻り光が片側の光束が遮られ、焦点前後の光束が受光素子PDの光軸に対して2分されて構成された領域A及び領域Bに分割されて到達する。したがってA領域から検出される光信号とB領域から検出される光信号との差信号をとることにより、図7に示すような構造のものに比較してより感度の高い受光量変調をおこなうことができる。
ナイフエッジ10と受光素子PDとの間の距離Δを変えることにより最適な受光素子のサイズと感度とを得ることができる。
【0013】
図2は図1に示す構成の動作原理を説明するための図である。
図2(a)に示す例ではレンズ3からの戻り光がナイフエッジ10に対して短焦点位置f1側に収束した例である。この場合には、レンズ3の上側からの戻り光はナイフエッジ10に遮られて受光素子PDのB領域に到達することはなく、A領域のみにレンズ素子3からの戻り光が照射される。
図2(b)の場合には、レンズ3からの戻り光は短焦点位置f1と長焦点位置f2の間のナイフエッジ10の位置に収束している。この例では受光素子PDのA領域で受光される受光量とB領域で受光される受光量とは等しくなる。
図2(c)の例では、戻り光はナイフエッジ10に対して長焦点位置f2側に収束している。この場合には、レンズ3の上側からの戻り光のみが受光素子PDのB領域で受光される。
受光素子PDのA領域とB領域とで受光した光信号の大きさを差信号として取り出すことにより図7に示す場合に比べて大きな差信号を得ることができる。
【0014】
なお図1(a)〜(c)に示す図は受光素子PDでの戻り光の受光状態を示す図で図2(a)〜(c)にそれぞれ対応している。なお、図1に示す実施の形態において、ナイフエッジ10と受光素子PDとの間の距離をΔ、振動板2の振動変位を±δとし、発光素子LDと振動板との間の距離を1.39mm、レンズ径を0.25mm、拡大倍率を6.5とすると、発光素子LDとレンズとの間の距離Lは1.2mm、またレンズ3と振動板2の距離Fは0.19mmとなる。なお図1に示す例では発光素子LDは光軸4上にあって、ナイフエッジ10の設置位置と同位置にある。さらに、振動板2の変位dは基準位置からのオフセット量である。さらにHapをレンズ上での戻り光の光束高さとした場合、振動板2の変位±δによる受光素子PD上での光束高さA,Bを示しており、表1に示す結果が得られる。
【0015】
【表1】
【0016】
図3は本発明の他の実施の形態を示す図で、本実施の形態では図1に示すような遮蔽手段を用いて一方の戻り光を遮蔽するのではなく、戻り光をさらに反射させて受光素子に導くようにミラー手段20a,20bを設けている。このミラー手段20a,20bにより短焦点位置f1に収束する戻り光は受光素子A1,A2に反射されて導かれ、長焦点位置f2に収束する戻り光は受光素子B1,B2に導かれる。このようなミラー手段により戻り光の光束が2つの受光素子にそれぞれ分離されて受光される。そこで両側にある受光素子の差信号の和をとることにより受光量変調を増幅して出力することができる。すなわち図3に示す例では受光出力信号は受光素子A1とB1との差と、A2とB2との差の和信号として取り出すことができる。なお、ミラー手段20a,20bは光軸4に対して対称に所定の角度だけ傾けて配置される。また発光素子はこのミラー手段20a,20bの先端部の光軸4上に設置することができる。
図3に示す例では、発光素子LDは光軸4上にあって短焦点位置f1と長焦点位置f2との間に位置するように設置されている。またミラー手段20a,20bの頂点に位置し、これによりほぼ台形状の形状が形成される。
【0017】
図4は図3に示す第2の実施の形態の詳細動作原理を説明する図である。発光面から所定の角度αで立下るミラー面20a,20bを有した台形状の垂直共振器型面発光レーザ発光素子LDを中心部に配置し、この発光素子LDの両側に光軸4からd=h・tan(180−2・α)(ただしα>45°)の距離で2分された受光素子A1,B1を配置した基板が用いられる。
ここでhは台形の高さで、ミラー面20a,20bの端を傾きαのまま延長し、光軸4との交点から基板までの高さである。またdは光軸4から2分された受光素子の分割点までの距離である。光軸4に沿った、レンズ3からの戻り光は、入射角、反射角がαとなり、d=h・tan(180−2・α)の関係が成立する。
図2(d)はこのようなミラー手段20a,20bを用いたときの戻り光の反射状態を示す図である。
【0018】
図5は図3に示す実施の形態における発光素子とミラー手段との作製方法を説明する図で、(a)はガリウムヒ素基板に受発光素子並びにミラー手段を同一工程で製造する方法を示し、(b)は受光素子をシリコン基板上に作製したのち、別途形成した発光素子とミラー手段との複合体をこの受光素子と組合せる方法を示している。
【0019】
図5(a)に示す同一工程で製造する方法は、工程数を減らすことが可能であるが、ガリウムヒ素基板が高価であるという欠点がある。この方法ではガリウムヒ素基板を用意し(ステップ40)、発光素子が形成される部分を中央に残してその周辺部をエッチング除去する(ステップ41)。ついで全面に結晶成長を行なう(ステップ42)。ついで中央部に形成される発光素子LDの側壁を所定の角度でエッチングし、斜面に形成する(ステップ43)。次にこの斜面に鏡面コートを行ない、光が反射するようにしてミラー手段の形成を行なう。
【0020】
図5(a)による製造方法では発光素子、受光素子及びミラー手段が同一基板上に一体として形成されるため精度の高い超小型の音響電気変換装置を実現することができる。しかし前述したようにガリウムヒ素基板が高価なため、コストが上昇するという欠点がある。図5(b)に示す方法は、基板価格の安価なシリコン基板を用いて受光素子のみを形成し、発光素子ならびにミラー手段は高価なガリウムヒ素基板に形成してこれをダイボンドにより一体に形成したものである。
【0021】
ステップ50に示すようにシリコン基板を用意し、基板エッチングと結晶成長とを行なうことにより(ステップ51,52)、受光素子部分を形成する。一方ガリウムヒ素基板を用意し、これに結晶成長を行い(ステップ60,61)、発光素子を形成する。ついでステップ61により形成された結晶面に所定の角度で斜面形成を行い、この斜面に鏡面コートを行なうことにより(ステップ62)、発光素子とこの発光素子に一体化されたミラー手段とを形成する。次にこれをダイシングにより分離し(ステップ63)、分離された発光素子とミラー手段とからなるチップをダイボンドによりシリコン基板からなる受光素子に結合することにより(ステップ53)、受発光素子並びにミラー手段を形成する。本製造方法は工程数が増えるものの、シリコン基板がガリウムヒ素基板に比べて安価であるため、装置のコストを減少させることができる。
【0022】
【発明の効果】
以上の実施の形態に基づいて詳細に説明したように、本発明では戻り光の一部を遮蔽する遮蔽手段あるいは戻り光をさらに反射させるミラー手段を設けたことにより戻り光の検出信号の差が大きくなるか、あるいは戻り光の移動幅を大幅に増大することができるため、高S/Nの再生音を実現することができる。
なお、本発明は光マイクロホン装置に利用できるだけでなく音響センサ等にも利用することができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る音響電気変換装置の構成原理を示す図。
【図2】図1及び図3に示す構成の動作原理を説明するための図。
【図3】本発明の第2の実施の形態の動作原理を説明するための図。
【図4】図3に示す第2の実施形態の詳細動作原理を説明するための図。
【図5】受発光素子の製造方法を示す工程図。
【図6】従来の電気音響変換装置の一例を示す図。
【図7】従来のレンズ素子を用いた音響電気変換装置の動作原理を説明するための図。
【符号の説明】
2 振動板
3 レンズ素子
LD 発光素子
PD 受光素子
10 ナイフエッジ
20a,20b ミラー手段
Claims (10)
- 音響により振動する振動板と、前記振動板に光を入射する発光素子と、前記振動板からの反射光を受光し、前記振動板の音響による変位を電気信号の変化に変換して出力する受光素子と、前記発光素子と前記振動板との間の光路上に配置され前記発光素子からの入射光を収束して前記振動板に導き、前記振動板からの発散反射光を光軸上の第1の焦点位置と第2の焦点位置との間に収束させて前記受光素子に導くレンズ素子とを備えた音響電気変換装置において、
前記第1の焦点位置と前記第2の焦点位置との間に収束された前記発散反射光の一部を遮蔽する遮蔽手段を設け、前記発散反射光を前記光軸に対して2分して受光し、受光した光信号の大きさを差信号として取り出すことを特徴とする音響電気変換装置。 - 請求項1に記載の音響電気変換装置において、
前記発光素子を前記遮蔽手段とほぼ同位置の前記光軸上に設けたことを特徴とする音響電気変換装置。 - 請求項1に記載の音響電気変換装置において、
前記受光素子が前記光軸に対して2分されて構成されることを特徴とする音響電気変換装置。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の音響電気変換装置において、
前記発光素子が垂直共振器型面発光レーザ素子であることを特徴とする音響電気変換装置。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の音響電気変換装置において、
前記遮蔽手段が前記光軸に対してほぼ直角に設けられたナイフエッジからなることを特徴とする音響電気変換装置。 - 音響により振動する振動板と、前記振動板に光を入射する発光素子と、前記振動板からの反射光を受光し、前記振動板の音響による変位を電気信号の変化に変換して出力する受光素子と、前記発光素子と前記振動板との間の光路上に配置され前記発光素子からの入射光を収束して前記振動板に導き、前記振動体からの発散反射光を光軸上の第1の焦点位置と第2の焦点位置との間に収束させて前記受光素子に導くレンズ素子とを備えた音響電気変換装置において、
前記第1の焦点位置と前記第2の焦点位置とにそれぞれ収束する前記発散反射光をさらに反射させて前記受光素子に導くミラー手段を設けたことを特徴とする音響電気変換装置。 - 請求項6に記載の音響電気変換装置において、
前記発光素子を前記ミラー手段とほぼ同位置の前記光軸上に設けたことを特徴とする音響電気変換装置。 - 発光面の発光強度分布が同心円状にほぼ均一で、前記発光面から所定の角度で立下るミラー面を有した台形状の垂直共振器型面発光レーザ発光素子を中心部に配置し、前記発光素子を取囲むように受光素子を配置した基板と、
前記基板に対向する位置にほぼ平行に、かつ近接して設置され、音響により振動する振動板と、
前記基板と前記振動板との間の光路上に配置され前記発光素子からの入射光を収束して前記振動板に導き、前記振動板からの発散反射光を光軸上の第1の焦点位置と第2の焦点位置との間に収束させて前記受光素子に導くレンズ素子とを備え、
前記発光素子の前記発光面を前記光軸上の前記第1の焦点位置と前記第2の焦点位置との間に配置し、収束された前記発散反射光を前記ミラー面で反射させて前記受光素子に導くことを特徴とする音響電気変換装置。 - 請求項8に記載の音響電気変換装置において、
前記発光素子と前記受光素子とを同一基板上に同一工程で作製したことを特徴とする音響電気変換装置。 - 請求項8に記載の音響電気変換装置において、
前記発光素子と前記受光素子とを異なる基板上に異なる工程で作製したことを特徴とする音響電気変換装置。
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