JP4394086B2 - Stepping motor drive device - Google Patents
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Description
本発明は中・高速域に発生するモータ振動を抑制することが可能なステッピングモータ用駆動装置に関する。 The present invention relates to a stepping motor drive device capable of suppressing motor vibration generated in a middle / high speed range.
ステッピングモータにおいては、中・高速域にて大きな振動が発生するという欠点を有していることから、その速度領域で機械負荷を高精度で駆動させるには、機械的・電気的ダンパを用いて振動を抑止することが必要不可欠になる。 Stepping motors have the drawback of generating large vibrations in the middle and high speed range. To drive the mechanical load with high accuracy in the speed range, use mechanical and electrical dampers. It becomes indispensable to suppress vibration.
電気的ダンパの一例としては次のようなものがある。即ち、ステッピングモータに備えられたレゾルバから出力される位置検出信号を復調し、復調された信号と位置指令信号との速度の差により、ステッピングモータの固定子磁極の励磁位相の補正分を演算し、その補正分を位置指令信号に加算した信号を電力増幅器を介し、励磁電流としてステッピングモータに供給するようにしている(例えば、特許文献1等)。
しかしながら、上記従来例による場合、全体の構成が複雑である上に、高分解能のレゾルバや高速プロセッサ等が必要になり、低コスト化を図ることが非常に困難という欠点が内在している。 However, in the case of the conventional example described above, the overall configuration is complicated, and a high-resolution resolver, a high-speed processor, and the like are required, and there is a drawback that it is very difficult to reduce the cost.
本発明は上記した背景の下で創作されたものであり、その目的とするところは、全体の構成が非常に簡単であるにもかかわらず、中・高速域の振動を十分に抑止することが可能なステッピングモータ用駆動装置を提供することにある。 The present invention has been created under the above-mentioned background, and the object of the present invention is to sufficiently suppress vibrations in the middle and high speed ranges despite the fact that the overall configuration is very simple. An object of the present invention is to provide a driving device for a stepping motor that can be used.
本発明のステッピングモータ用駆動装置は、ステッピングモータの動作指令たる入力パルス及び当該ステッピングモータの回転量を示すエンコーダパルスが入力される入力端子と、当該入力パルスの一周期において当該エンコーダパルス又はその逓倍若しくは分周したパルスを計数し、当該計数値と基準値とを比較し、当該比較結果を回転ムラ検知信号として出力するモータ異常検知部と、当該回転ムラ検知信号が、ステッピングモータの回転が入力パルスに比べて位相的に進み回転ムラの異常を示しているときは当該入力パルスの位相を当該回転ムラを抑制するために遅らせるモータ振動抑制部と、モータ振動抑制部から導かれた入力パルスに基づいてステッピングモータを駆動させるための各相電流を生成する電源部とを具備している。上記モータ振動抑制部の代わりに、当該回転ムラ検知信号が、ステッピングモータの回転が当該入力パルスに比べて位相的に遅れ回転ムラの異常を示しているときは当該入力パルスの位相を当該回転ムラを抑制するために進ませる構成のものを用いても良い。 The stepping motor drive device of the present invention includes an input terminal to which an input pulse as an operation command of the stepping motor and an encoder pulse indicating the rotation amount of the stepping motor are input, and the encoder pulse or its multiplication in one cycle of the input pulse. or counting the dividing pulses is compared with the count value and the reference value, a motor abnormality detecting section for outputting the comparison result as uneven rotation detection signal, the rotation unevenness detection signal, rotation of the stepping motor is input When the phase shifts in comparison with the pulse and indicates abnormal rotation unevenness, the motor vibration suppression unit that delays the phase of the input pulse to suppress the rotation unevenness, and the input pulse derived from the motor vibration suppression unit And a power supply unit that generates each phase current for driving the stepping motor. In place of the motor vibration suppression unit, when the rotation unevenness detection signal indicates that the rotation of the stepping motor is delayed in phase with respect to the input pulse, the rotation unevenness is abnormal. It is also possible to use a structure that can be advanced to suppress this.
モータ振動抑制部については、入力パルスの位相を調整する位相調整器と、前記入力パルスと位相調整器により位相調整された入力パルスとが入力されており且つ両信号を回転ムラ検知信号に応じて選択して出力するセレクタとを有する構成となっているものを用いると良い。 For the motor vibration suppression unit, a phase adjuster that adjusts the phase of the input pulse, and the input pulse and the input pulse that is phase-adjusted by the phase adjuster are input, and both signals are input according to the rotation unevenness detection signal. It is preferable to use a configuration having a selector for selecting and outputting.
本発明に係るステッピングモータ駆動装置による場合、入力パルスの一周期のエンコーダパルス等の計数結果に応じてステッピングモータの回転ムラの異常を検出し、回転ムラの異常が検出されると、入力パルスの位相を調節する構成となっている。従来例による場合とは異なり、高分解能のレゾルバや高速プロセッサ等を使用することなく、ステッピングモータの中・高速域の振動を十分に抑止することが可能になる。しかも全体の構成が非常に簡単であることから、低コスト化を図ることが可能になる。 In the case of the stepping motor driving device according to the present invention, the rotation unevenness of the stepping motor is detected according to the counting result of the encoder pulse of one cycle of the input pulse, and when the rotation unevenness is detected, The phase is adjusted. Unlike the case of the conventional example, it is possible to sufficiently suppress the vibration in the middle and high speed range of the stepping motor without using a high resolution resolver, a high speed processor or the like. In addition, since the overall configuration is very simple, the cost can be reduced.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図1はステッピングモータ駆動装置の構成図、図2はモータ振動抑制部の回路図、図3はモータ異常検知部の各種信号波形を示すタイミングチャート、図4はモータ振動抑制部の各種信号波形を示すタイミングチャート、図5は5相ステッピングモータを駆動させた場合の実験結果であって、同モータの回転数と振動レベルとの特性を示すグラフ、図6は2相ステッピングモータを駆動させた場合の実験結果であって、同モータの回転数と振動レベルとの特性を示すグラフである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a stepping motor driving device, FIG. 2 is a circuit diagram of a motor vibration suppression unit, FIG. 3 is a timing chart showing various signal waveforms of a motor abnormality detection unit, and FIG. FIG. 5 is a result of an experiment when a five-phase stepping motor is driven, and is a graph showing characteristics of the rotational speed and vibration level of the motor. FIG. 6 is a case where a two-phase stepping motor is driven. 6 is a graph showing the characteristics of the rotational speed and vibration level of the motor.
ここに掲げるステッピングモータ駆動装置Aは、図1に示すようにコントローラ等とステッピングモータBとの間に接続され、コントローラ等から入力された入力パルスaに応じてステッピングモータBを駆動させる装置である。 The stepping motor driving device A listed here is a device that is connected between a controller or the like and a stepping motor B as shown in FIG. 1 and drives the stepping motor B according to an input pulse a input from the controller or the like. .
ステッピングモータ駆動装置Aは、具体的には、ステッピングモータBの動作指令たる入力パルスa及びステッピングモータBの回転量を示すエンコーダパルスbが入力される入力端子10と、入力パルスaの一周期においてエンコーダパルスbを逓倍したパルスを計数し、この計数値eと基準値e0とを比較し、この比較結果を回転ムラ検知信号cとして出力するモータ異常検知部20と、回転ムラ検知信号cがステッピングモータBの回転ムラの異常を示しているときは入力パルスaの位相をステッピングモータBの回転ムラを抑制するために調整するモータ振動抑制部30と、モータ振動抑制部30から導かれた入力パルスdに基づいてステッピングモータBを駆動させるための各相電流fを生成する電源部40とを具備している。
Specifically, the stepping motor driving apparatus A includes an
ステッピングモータBについてはロータリーエンコーダ付き5相ステッピングモータを使用している。これは、5相ステッピングモータのシャフトにインクリメンタル形式のロータリーエンコーダが予め連結されているもので、同ロータリーエンコーダに電源電圧を別に供給すると、同モータの回転量をA相、B相パルスb1,b2に変換し、これをエンコーダパルスbとして出力するようになっている。 For the stepping motor B, a 5-phase stepping motor with a rotary encoder is used. In this, an incremental rotary encoder is connected in advance to the shaft of a five-phase stepping motor. When a power supply voltage is separately supplied to the rotary encoder, the rotation amount of the motor is changed to the A phase and B phase pulses b1 and b2. And this is output as an encoder pulse b.
モータ異常検知部20はカウンタ等を組み合わせたデジタル回路であって、入力パルスaが立ち上がったタイミングでエンコーダパルスbを逓倍して順次計数し、この計数結果を入力パルスaが次に立ち上がるタイミングまで保持するアップ/ダウンカウンタ21と、入力パルスaが立ち上がったタイミングでアップ/ダウンカウンタ21の計数値eと予め設定された基準値e0とを比較し、計数値eが基準値e0以上であるときはHレベル、基準値e0未満であるときはLレベルである信号を生成し、これを回転ムラ検知信号cとしてモータ振動抑制部30に出力する比較部22とを備えている。
The motor abnormality detection unit 20 is a digital circuit that combines a counter and the like, and multiplies the encoder pulse b at the timing when the input pulse a rises and sequentially counts, and holds the count result until the timing when the input pulse a rises next. The count value e of the up / down
アップ/ダウンカウンタ21については、エンコーダパルスbに含まれるA相パルスb1とB相パルスb2との間の位相に検知してステッピングモータBの回転方向を検出する機能を有し、その検出結果が正回転を示すときにはアップカウンタ、これとは逆に逆回転を示すときにはダウンカウンタとして動作するようになっている。比較部22については、ゲート回路を組み合わせた比較回路であり、その出力信号が回転ムラ検知信号cになっている。
The up / down
モータ振動抑制部30は入力端子10と電源部40との間に接続された回路であって、図2に示すような構成となっている。即ち、入力パルスaの位相を調整する位相調整器31と、入力パルスaと位相調整器31により位相調整された入力パルスa’とが入力されており且つ両信号を回転ムラ検知信号cに応じて切り替え、これを入力パルスdとして出力するセレクタ32とを有した構成となっている。
The motor
ここでは位相調整部31として信号遅延回路を使用している。その時定数はステッピングモータBの種類等により異なり、中・高速域の振動を十分に抑止し得るような値を実験等により求めて適宜設定すれば良い。
Here, a signal delay circuit is used as the
電源部40は、入力された商用交流を整流してモータ電流を生成する電源回路と、モータ電流を定値制御する定電流制御回路と、ステッピングモータBの各相コイルを所定の励磁シーケンスで励磁するために入力パルスdに基づいて相分配信号を生成する相分配回路と、相分配信号に基づいてスイッチングするバイポーラスイッチング素子群であって、定電流化されたモータ電流を各相毎にスイッチングして各相電流fに生成するインバータ回路とを有する構成となっている。 The power supply unit 40 excites the power supply circuit that rectifies the input commercial alternating current to generate a motor current, the constant current control circuit that controls the motor current at a constant value, and each phase coil of the stepping motor B in a predetermined excitation sequence. Therefore, a phase distribution circuit that generates a phase distribution signal based on an input pulse d and a bipolar switching element group that switches based on a phase distribution signal, the motor current that is made constant current is switched for each phase. And an inverter circuit that generates each phase current f.
以上のように構成されたステッピングモータ駆動装置の動作について図3及び図4を参照して説明する。 The operation of the stepping motor driving apparatus configured as described above will be described with reference to FIGS.
ステッピングモータBの回転数が一定であるにもかかわらず、振動が発生すると、ステッピングモータBに回転ムラが生じ、これに伴ってエンコーダパルスbの周期が長くなったり短くなったりする。 When vibration occurs even though the rotation speed of the stepping motor B is constant, rotation unevenness occurs in the stepping motor B, and accordingly, the period of the encoder pulse b becomes longer or shorter.
図5(a)はステッピングモータBを一般的な装置を用いて駆動させた場合の同モータの回転数と振動レベルとの特性の測定結果を示している。同図から明らかなように、低速度域を除いて、2〜4kHzの中速域と9kHzの高速域において、振動レベルが高くなっている。 FIG. 5A shows the measurement results of the characteristics of the rotational speed and vibration level of the stepping motor B when the stepping motor B is driven using a general device. As is clear from the figure, the vibration level is high in the medium speed range of 2 to 4 kHz and the high speed range of 9 kHz except for the low speed range.
モータ異常検知部20のアップ/ダウンカウンタ21の計数値eについては、入力パルスaの一周期における逓倍されたエンコーダパルスbの個数を示し、入力パルスaとエンコーダパルスbとの周期の比率に比例した値となっている。そのため、ステッピングモータBに振動が発生して回転ムラが生じていないときには、その回転数に関係なく一定であり、ステッピングモータBに振動が発生して回転ムラの異常が生じると、不規則に変化することになる。
The count value e of the up / down
本実施形態においては、図3に示すようにステッピングモータBが振動なく定速度で回転した場合に計数値eが4になるようにエンコーダの分解能やアップ/ダウンカウンタ21の逓倍率等が設定されており、基準値e0が5に設定されている。また、位相調整部31の時定数は4.63μSに設定されている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, when the stepping motor B rotates at a constant speed without vibration, the resolution of the encoder, the multiplication factor of the up / down
このことから、図3に示すように計数値eが5未満である期間において回転ムラ検知信号cがLレベルとなり、このときには図4に示すようにセレクタ32により入力パルスaが選択され、入力パルスdとして出力される。一方、図3に示すように計数値eが5以上である期間において回転ムラ検知信号cがHレベルとなり、このときには図4に示すようにセレクタ32により入力パルスa’が選択され、入力パルスdとして出力される。
Accordingly, as shown in FIG. 3, the rotation unevenness detection signal c becomes L level during the period when the count value e is less than 5, and at this time, the input pulse a is selected by the
このような入力パルスdに基づいて電源部40により各相電流fが生成され、ステッピングモータBが駆動される。回転ムラ検知信号cがHレベルである期間については、ステッピングモータBの回転が入力パルスaに比べて位相的に進んでいる状態であるが、入力パルスdの位相が自動的に遅れるように調整されることから、ステッピングモータBの回転ムラが是正され、結果として、ステッピングモータBの振動が抑制される。 Each phase current f is generated by the power supply unit 40 based on such an input pulse d, and the stepping motor B is driven. During the period when the rotation unevenness detection signal c is at the H level, the rotation of the stepping motor B is in a phase advance compared to the input pulse a, but is adjusted so that the phase of the input pulse d is automatically delayed. Therefore, the rotation unevenness of the stepping motor B is corrected, and as a result, the vibration of the stepping motor B is suppressed.
なお、回転ムラ検知信号cがLレベルである期間については、ステッピングモータBに回転ムラがない状態だけでなく、その回転が入力パルスaに比べて位相的に遅れている状態も対象として含んでいるが、位相調整部31として位相遅延回路を使用していることに関連して、この期間においては入力パルスdの位相調整を行っていない。
Note that the period in which the rotation unevenness detection signal c is at the L level includes not only the state in which the stepping motor B has no rotation unevenness but also the state in which the rotation is delayed in phase with respect to the input pulse a. However, in connection with the use of the phase delay circuit as the
図5(b)はステッピングモータBを本案装置Aを用いて駆動させた場合の同モータの回転数と振動レベルとの特性の測定結果を示している。低速度域を除いて2〜4kHzの中速域と9kHzの高速域において振動レベルが十分に抑制されることが実証されている。 FIG. 5B shows the measurement results of the characteristics of the rotational speed and vibration level of the stepping motor B when the proposed apparatus A is driven. It has been proved that the vibration level is sufficiently suppressed in the medium speed range of 2 to 4 kHz and the high speed range of 9 kHz except for the low speed range.
このように高分解能のレゾルバや高速プロセッサ等を使用することなく、ステッピングモータBの中・高速域の振動を十分に抑止することが可能になる。しかも位相調整部31として位相遅延回路を使用している点も含めて、全体の構成が非常に簡単であり、これに伴って低コスト化を図ることも可能になる。
Thus, it becomes possible to sufficiently suppress the vibration in the middle and high speed range of the stepping motor B without using a high resolution resolver, a high speed processor, or the like. In addition, the entire configuration including the use of a phase delay circuit as the
なお、本実施形態においては、ステッピングモータBとして5相ステッピングモータを駆動する場合を例に掲げたが、他の種類のステッピングモータについても同様に適用可能であり、その場合には同装置Aを励磁シーケンスパターン等を適宜設計変更するだけで良い。 In the present embodiment, the case where a five-phase stepping motor is driven as the stepping motor B has been described as an example. However, the present invention can also be applied to other types of stepping motors. It is only necessary to change the design of the excitation sequence pattern and the like as appropriate.
図6(a)は2相ステッピングモータを一般的な装置を用いて駆動させた場合の同モータの回転数と振動レベルとの特性の測定結果を示している。同図から明らかなように、低速度域を除いて1kHz以上の速域領域において振動レベルが非常に高く、温度上昇により駆動を続行させることが不可能であった。 FIG. 6A shows the measurement results of the characteristics of the rotational speed and vibration level of the two-phase stepping motor when it is driven using a general device. As is clear from the figure, the vibration level is very high in the speed region of 1 kHz or more except for the low speed region, and it is impossible to continue driving due to the temperature rise.
図6(b)は2相ステッピングモータを本案装置を用いて駆動させた場合の同モータの回転数と振動レベルとの特性の測定結果を示している。同図から明らかなように、低速度域を除いて1kHz以上の速域領域において振動レベルが大きく抑えられており、低振動化の大きな効果が得られることが実証されている。 FIG. 6B shows the measurement results of the characteristics of the rotational speed and vibration level of the two-phase stepping motor driven by using the proposed apparatus. As is clear from the figure, the vibration level is greatly suppressed in the speed region of 1 kHz or more except for the low speed region, and it has been proved that a great effect of low vibration can be obtained.
なお、本発明に係るステッピングモータ装置駆動は上記実施形態に限定されなず、エンコーダの種類や出力形式が限定されないことは勿論、ステッピングモータと外付けする形態であってもかまわない。 The driving of the stepping motor device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the type and output format of the encoder are not limited, and may be a form external to the stepping motor.
モータ異常検知部については、入力パルスの一周期においてエンコーダパルス又はその逓倍若しくは分周したパルスを計数し、当該計数値と基準値とを比較し、当該比較結果を回転ムラ検知信号として出力する構成である限り、どのような回路構成のものを用いても良い。 The motor abnormality detection unit is configured to count an encoder pulse or a pulse obtained by multiplying or dividing the pulse in one cycle of an input pulse, compare the count value with a reference value, and output the comparison result as a rotation unevenness detection signal. As long as it is, any circuit configuration may be used.
モータ振動抑制部については、回転ムラ検知信号がステッピングモータの回転ムラの異常を示しているときは当該入力パルスの位相を当該回転ムラを抑制するために調整する構成である限り、どのような回路構成のものを用いても良い。特に、ステッピングモータの回転が入力パルスに比べて位相的に遅れている状態であるときには、入力パルスの位相を進む方向に調整したり、ステッピングモータの回転ムラの程度に応じて位相調整の度合いを可変調整する形態をとってもかまわない。 As for the motor vibration suppression unit, when the rotation unevenness detection signal indicates an abnormality in the rotation unevenness of the stepping motor, any circuit can be used as long as the phase of the input pulse is adjusted to suppress the rotation unevenness. You may use the thing of a structure. In particular, when the rotation of the stepping motor is delayed in phase compared to the input pulse, the phase of the input pulse is adjusted to advance or the degree of phase adjustment is adjusted according to the degree of rotation unevenness of the stepping motor. You may take the form of variable adjustment.
A ステッピングモータ駆動装置
10 入力端子
20 モータ異常検知部
30 モータ振動抑制部
40 電源部
B ステッピングモータ
a 入力パルス
b エンコーダパルス
A Stepping
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