JP5050272B2 - 光源装置、光源装置の製造方法、光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
光源装置の光学特性としては、光源装置より射出されるレーザ光の方向性(光軸特性)と光束の平行/収束/発散性(カップリング特性)とが要求される。このため、発光点とカップリングレンズとの相対位置は3軸(x軸、y軸、z軸)方向に対して、初期調整時及び経時・環境変動時においてミクロンからサブミクロンといった非常に高い精度を保つことが必要となる。
また、近年、画像形成装置の出力速度が高まってきているが、画像形成装置の出力速度を高めるための主な手段としては、(1)像担持体の移動速度(回転速度)を高める方法と、(2)像担持体を複数用いる方法とがある。
(1)の方法を用いた場合には、像担持体の移動速度の増加に伴い、像担持体に像を書き込む光走査装置の書込速度を高める必要が生じる。光走査装置の書込速度を高める方法としては、(i)偏向手段であるポリゴンスキャナの回転速度を高める、(ii)書込ビーム数を増やすなどの方法が挙げられる。
しかし、(i)の方法では、モータの耐久性や騒音、振動、及びレーザの変調スピード等が問題となり限界がある。(ii)の方法を実現するためには、複数のレーザビームを出射するマルチビーム光源装置が必要となる。その1つとしては、例えば1パッケージ内に複数の発光点(発光チャンネル)をもつ半導体レーザアレイを用いる方式があるが、製造プロセス上チャンネル数を増加することが困難であり、また熱的/電気的なクロストークの影響を除去することが難しく、短波長化が困難であるといった理由により、現在では高価な光源手段となっている。
このため、複数のシングルビーム半導体レーザ(あるいは発光点数の少ないマルチビーム半導体レーザ)を用い、ビームを合成して走査を行う光源装置及び複数ビーム走査装置に関する技術が公知となっている(例えば特許文献2参照)。
上述のような複数のビームによって像担持体上を走査する光走査装置においては、像担持体上における複数のビームスポットの副走査方向の相対位置(ビームスポット間隔)が所定の値からずれると、それが像として周期的に繰り返されることから、周期的な縞が現れる不良画像を生じやすい。
従って、発光点とカップリングレンズとの、副走査方向の相対位置ずれを小さく抑えることが特に重要となる。また、像担持体上における複数のビームスポットの主走査方向の位置のずれは、同期検知手段による同期検知後の発光点点灯タイミングを調整することにより比較的容易に調整することができるが、副走査方向の相対位置ずれを調整するのは容易ではなく、機構が複雑になる。
これらの課題に対し、本出願人は、環境変化に伴うカップリングレンズの位置変動を抑え、複数ビームの位置変動を小さくすることができる方式を開発して提案した(特許文献3参照)。
特許文献3によると、レンズが2つの平面に接した状態で固定し、レンズ固定平面光源保持部材に保持された複数の光源が、レンズ保持部材に所定の角度に形成された光源保持部材固定面にネジにより締結することにより、レンズおよび光源の位置変動を低減することができる。
金属に比べ、環境変動に対する頑強性が小さい樹脂については、環境変化(例えば温度、振動など)によりレンズおよび光源を保持する土台自体が変形してしまい、位置ずれは大きくなる傾向にある。
これは、金属は一般的にヤング率が高い、線膨張係数が低い、そして線膨張係数が等方的であるといった性質を有することに対し、樹脂はヤング率が低くかつ線膨張係数が高い、更には異方性を有するといった性質を持つことに起因する。
を有する光源装置において、前記光学保持部材は成型品で形成されており、前記光学保持部材を成型する際の1つ以上のゲート位置の中心は、前記2つ以上の光学部材から等距離の位置にあることを特徴とする。
請求項3記載の発明では、請求項1または2記載の光源装置において、前記光学保持部材および前記光源保持部材は、樹脂で成型され、前記樹脂の流動方向の線膨張係数M.D.と流動方向に対し垂直方向の線膨張係数T.D.の差は、
|T.D.−M.D.|≦1.0×10−6[/K]を満たしていることを特徴とする。
J≧0.25W/m/℃であることを特徴とする。
請求項5記載の発明では、1つ以上の発光点を有する2つ以上の光源部と、前記発光点からの光を集光する、前記光源部と同数の光学部材と、前記光学部材を保持する光学保持部材と、を有する光源装置の製造方法において、前記光学保持部材は成型品で形成されており、前記光学保持部材を成型する際の2つ以上のゲート位置の中心は、前記2つ以上の光学部材から等距離の位置にあり、かつ、前記2つ以上のゲートから前記光学保持部材の材料を流し込む射出圧力は、略同一であることを特徴とする。
請求項7記載の発明では、マルチビーム方式の光源装置から出射された複数ビームを走査光学手段により被走査面上である像担持体上に結像する結像光学系を有する光走査装置において、請求項1〜4のいずれかに記載の光源装置もしくは請求項5または6記載の製造方法により製造された光源装置を搭載したことを特徴とする。
請求項9記載の発明では、電子写真プロセスを実行する装置を備えてなる画像形成部を複数組備え、各画像形成部は各色に対応した画像を形成し、各画像形成部で形成された画像を重ねることによってカラー画像を形成することができるカラー対応のタンデム型の画像形成装置において、前記各画像形成部において実行する電子写真プロセスのうち露光プロセスを実行する装置として請求項7記載の光走査装置を備えていることを特徴とする。
まず、本発明の技術思想を採り入れることができる光走査装置、画像形成装置の例を、図1、2を参照しながら説明する。図1の光走査装置において、符号1−1、1−2はそれぞれ光源部としてのLDを、2−1、2−2はそれぞれ光学部材としてのカップリングレンズを、3はアパーチャを、4はシリンドリカルレンズを、5はポリゴンミラー(偏向素子)を、6は第1走査レンズを、7は第2走査レンズを、8は反射ミラーを、9は感光体ドラムを示している。
2つのLD1−1、1−2からはそれぞれ2つの光束が出射される。すなわち、LD1−1、1−2はそれぞれ2つの発光点を有している。2つのLD1−1、1−2から出たそれぞれ2つの光束はカップリングレンズ2−1、2−2で後続の光学系にカップリングされ、アパーチャ3でビーム整形後、シリンドリカルレンズ4で副走査方向にのみ集光され、ポリゴンミラー5の反射点近傍で線像が形成される。
ポリゴンミラー5で偏向された計4本の光束は第1走査レンズ6、第2走査レンズ7を透過し、さらには、反射ミラー8に反射されて、感光体ドラム9に導かれる。第1走査レンズ6、第2走査レンズ7は走査光学系を構成していて、この走査光学系の結像機能およびfθ機能により、各光束は被走査面である感光体ドラム9の表面に集光されるとともに、感光体ドラム9の表面上をその回転軸方向に平行な方向に等速度的に走査される。
2つのLD1−1、1−2から出射される各光束は画像信号によって変調され、感光体ドラム9の表面上には変調信号に応じて画像が書き込まれていく。
感光体ドラム9の周囲近傍には、ドラム回転方向に沿って、帯電装置10、現像装置11、中間転写ベルト13、ドラムクリーニング装置12、除電装置(不図示)が配設されている。これらの部材により色別の画像形成部が構成されている。光走査装置50からの書き込み用のレーザ光は、帯電装置10と現像装置11の間において感光体ドラム9上に照射される。
帯電装置10(YMCK)は、各色感光体ドラム9毎に非接触に配設されたローラ形状の装置であり、感光体ドラム9の表面を帯電させる。帯電装置10により帯電された感光体ドラム9表面に光走査装置から書き込み用のレーザ光が照射されると、感光体ドラム9上に各色に対応した静電潜像が形成される。
静電潜像は、トナーで現像されることによりトナー像となる。ドラムクリーニング装置12(YMCK)は、各感光体ドラム9にブレード(クリーニングブレード)を接触させて配設された装置であり、中間転写ベルト13へのトナー像の転写後に感光体ドラム9上に残留している残留トナー・紙片等を除去・回収し、感光体ドラム9の表面をクリーニングする。中間転写ベルト13へのトナー像の転写は、各感光体ドラム9に対向して中間転写ベルト13の内側に配設された図示しない1次転写手段としての1次転写ローラによりなされる。
ドラムクリーニング装置12と帯電装置10の間には不図示の除電装置が設けられている。除電装置は、感光体ドラム9の表面を除電する。
中間転写ベルト13は、各感光体ドラム9の表面に形成された各色トナー像を順次重ね合わせて転写するための無端ベルトである。各色トナー像が順次重ね合わせられることで中間転写ベルト9上にはフルカラー画像が形成される。
転写ベルトクリーニング装置15は、中間転写ベルト13にブレード(クリーニングブレード)を接触させて配設された装置であり、給紙される記録紙へのトナー像の転写後に中間転写ベルト13上に残留している残留トナー、あるいは、トナーパターンを除去・回収し、中間転写ベルト13の表面をクリーニングする。
2次転写手段としての転写ローラ16は、中間転写ベルト13上に形成されたカラー画像を、給紙トレイ19から搬送される記録紙上に転写する。定着装置17は、記録紙上に転写されたカラー画像を記録紙に熱定着させる。レジストローラ対18は、記録紙を所定のタイミングで2次転写部位へ給紙する。
感光体ドラム9は、すべて同一の方向に回転する。また、中間転写ベルト13は、感光体ドラム9の回転方向とは逆の方向で移動し、転写ローラ16は中間転写ベルト13とは逆の方向(感光体ドラム9と同一の回転方向)で回転する。
図2では、感光体ドラム9および転写ローラ16は反時計回りに回転し、中間転写ベルト13は時計回りに回転する。
図3、図4に本発明の実施形態によるマルチビーム光源装置100を示す。
図4に示すように、光源部としての2つの半導体レーザ101は2つの光源保持部材102に圧入されて保持され、2つの光源保持部材102は、光学保持部材としてのカップリングレンズ保持部材103に形成された所定の角度(1°〜10°程度)をなす2つの光源保持部材固定面103a(図4)に接した状態でねじ105で締結される。
また2つのカップリングレンズ104は、図3に示すように、2つのカップリングレンズ固定平面103bに接した状態で接着固定される。
カップリングレンズ固定平面103bは、カップリングレンズ104の光軸方向と略平行である。
図3におけるカップリングレンズ保持部を拡大したのが図5である。図示のように、カップリングレンズ104を2つのカップリングレンズ固定平面103bに接した状態で接着固定するため、接着剤106の層の厚さを薄くすることができ、温度変動での接着剤106の伸縮によるカップリングレンズ104の位置変動を小さく抑えられる。
また、図3に示すように、2つのカップリングレンズ104を接着固定する合計4つのカップリングレンズ固定平面103bが同一部材であるカップリングレンズ保持部材103に一体的に形成されているため、2つのカップリングレンズ104が独立して位置変動することが起こりにくく、従って2つの光束の相対位置がずれにくい。
光走査装置に搭載の際には、副走査方向に対し所望の光源間隔だけ両ビームが配置されるように、回転軸O(図3)を中心に光源装置100を回転させるが、その回転量は〜1°程度である。故に画像劣化に繋がる位置変動量は、カップリングレンズ104の副走査方向の変動ばらつきに略等しいと言える。
図3の構成では、カップリングレンズ104を固定する接着剤106に光硬化性のものを用いることができる。光硬化性の接着剤106を用いれば、カップリングレンズ104の位置調整後すぐに硬化させることができるため、組付性が非常に良い。また、図3において、光硬化性の接着剤106を硬化させるための光を光照射装置からカップリングレンズ104の光軸方向に照射させる場合は、カップリングレンズ104の位置調整を、カップリングレンズ104を透過する光の特性をモニタしながら行うため、調整後に光照射装置をカップリングレンズ104の正面に移動させる機構が必要となり、また移動させるための時間も必要となる。
評価は、2つの半導体レーザ101を点灯させ、カップリングレンズ104通過後の、焦点位置(像面位置)における2光束間の相対位置変動量(以下、「ピッチ変動量」という)を測定した。アルミ製についてはピッチ変動量が2.1umであったことに対し、樹脂製については50.9μmと、アルミに比べ約25倍と大きくなることが明らかになった。
樹脂製の光源装置100が、アルミ製に比べピッチ変動量が大きくなる要因としてはいくつか挙げられる。(1)材質のヤング率の違い、(2)材質の線膨張係数の違い、(3)材質の等方性/異方性の違いの3点である。
今回の光源装置については、カップリングレンズ保持部材103と光源保持部材102を、ねじ105により締結している。両保持部材においてばらつきを含んだねじ応力を負荷することにより応力歪が生じ、2個のカップリングレンズ104および、2個の半導体レーザ101の間で左右非対称な熱変形が生じる。
このピッチ変動量は、材質のヤング率に大きく依存し、ヤング率が高いほどピッチ変動量が小さい事が明らかになっている。
[(2)について]
材質は、線膨張係数が大きいほど、温度に対して伸縮しやすい。光源装置100において、左右の僅かな非対称なずれが線膨張係数の大きさに比例し、ピッチ変動量が大きくなる。図7によれば、アルミと樹脂の線膨張係数は大差が無く、線膨張係数の影響は小さい。
[(3)について]
アルミなどの金属については、分子が規則的に配列されており、その材質特性(異方性、ヤング率)は3次元的に等方であるとみなせる。一方、樹脂、とくにグラスファイバーなどの繊維を含む樹脂については、その成型方法により位置により材質特性は大きく異なる。
特に樹脂の線膨張係数は、成型時の樹脂の流動方向(T.D.)と垂直方向(M.D.)において、値が大きく異なることが知られている。
このように異方性の大きい樹脂については、光源装置100の形状を左右対称に設定したとしても、樹脂の注入位置(ゲート位置)により、ピッチ変動量が大きく異なってくる。
(1)の特徴として、光学保持部材は成型品で形成されており、光学保持部材を成型する際の1つ以上のゲート位置の中心は、2つ以上の光学部材から等距離の位置にあるようにした。
また、光源保持部材は成型品で形成されており、光源保持部材を成型する際の1つ以上のゲート位置の中心は、1つの光源部の光軸線上にある、または2つ以上の光源部の光軸間の中心線上にあるようにした。
図8に、射出成型時のゲート位置107を変化させた2種類のカップリングレンズ保持部材103について、樹脂繊維(グラスファイバー)の配向方向をシミュレーションした結果を示す。
射出成型時のゲート位置107は、(b)複数のカップリングレンズ104から等距離の位置に配置した場合、(a)カップリングレンズ保持部材103の側面位置108に配置した場合、の2種類について計算を行った。
樹脂の熱変形の方向は、成型品内部の樹脂の配向方向に大きく依存する。それぞれの樹脂配向分布の結果を用いて60℃負荷時の熱変形量を計算したところ、(a)のピッチ変動量は(b)の場合の0.45倍となった。つまり光源装置100において、外乱(熱)によるピッチ変動量を抑制したい場合、成型品内部の樹脂の配向方向を左右対称にする、すなわちゲート位置を各光学部材から等距離の位置に来るように配置すれば良い(図10(a)、(b))。
また、複数のゲート107を配置する場合、複数ゲートの中心位置が、光学部材から等距離の位置に配置することができれば、同様の効果が得られる。例えば、カップリングレンズ保持部材103に2点のゲート位置を設定する場合は、図10(c)の様に、複数のゲート位置の中心Hを、複数カップリングレンズから等距離の位置Mに一致するように配置すれば良い。ただし、複数のゲートを設定する場合は、各々のゲートからの射出圧力は一定にする。
(2)の特徴として、光学保持部材102および前記光源保持部材103は、流動方向の線膨張係数M.D.と流動方の線膨張係数T.D.の差が、|T.D.−M.D.|≦1.0E−6[/K]を満たしていることを特徴とする。
25.4mm/1200=21μm
の間隔で副走査方向にドットを打つ必要がある。このため、感光体ドラム9上の光源ドットの許容変動量は±10μm以下に設定する必要がある。
すなわち、高密度書込み(1200dpi)に対応する光源装置を作製するためには、図12より、|T.D.−M.D.|≦1.0E−6[/K]が成立することが望ましい。
さらに本実施例に使用する材質は、熱伝導率Jが0.25W/m/℃以上であることが好ましい。光源装置100の熱源として、光源101の発熱が考えられる。光源101の発熱に伴い、光源保持部材102が大きく変形する可能性があるため、光源保持部材103およびカップリングレンズ保持部材102は、放熱性の高い材質であることが望まれる。
なお、低コストかつ高密度に対応する光源装置を実現するためには、上記に挙げた(1)の方式及び(2)の材質条件の両方が同時に満たされることが好ましい。
2−1、2−2 光学部材としてのカップリングレンズ
101 光源部としての半導体レーザ
102 光源保持部材
103 光学保持部材としてのカップリングレンズ保持部材
104 光学部材としてのカップリングレンズ
107 ゲート位置
Claims (9)
- 1つ以上の発光点を有する2つ以上の光源部と、
前記発光点からの光を集光する、前記光源部と同数の光学部材と、
前記光学部材を保持する光学保持部材と、
を有する光源装置において、
前記光学保持部材は成型品で形成されており、前記光学保持部材を成型する際の1つ以上のゲート位置の中心は、前記2つ以上の光学部材から等距離の位置にあることを特徴とする光源装置。 - 請求項1記載の光源装置において、
前記光源部を保持する光源保持部材を有し、前記光源保持部材は成型品で形成されており、前記光源保持部材を成型する際の1つ以上のゲート位置の中心は、前記光源部のうちの1つの光源部の光軸線上にあり、または前記2つ以上の光源部から等距離の位置にあることを特徴とする光源装置。 - 請求項1または2記載の光源装置において、
前記光学保持部材および前記光源保持部材は、樹脂で成型され、前記樹脂の流動方向の線膨張係数M.D.と流動方向に対し垂直方向の線膨張係数T.D.の差は、
|T.D.−M.D.|≦1.0×10−6[/K]を満たしていることを特徴とする光源装置。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の光源装置において、
前記光学保持部材および前記光源保持部材の熱伝導率Jは、
J≧0.25W/m/℃であることを特徴とする光源装置。 - 1つ以上の発光点を有する2つ以上の光源部と、
前記発光点からの光を集光する、前記光源部と同数の光学部材と、
前記光学部材を保持する光学保持部材と、
を有する光源装置において、
前記光学保持部材は成型品で形成されており、前記光学保持部材を成型する際の2つ以上のゲート位置の中心は、前記2つ以上の光学部材から等距離の位置にあり、かつ、前記2つ以上のゲートから前記光学保持部材の材料を流し込む射出圧力は、略同一であることを特徴とする光源装置の製造方法。 - 請求項5記載の光源装置の製造方法において、
前記光源部を保持する光源保持部材を有し、前記光源保持部材は成型品で形成されており、前記光源保持部材を成型する際の2つ以上のゲート位置の中心は、前記光源部のうちの1つの光源部の光軸線上にあり、または前記2つ以上の光源部の光軸間の中心線上にあり、前記2つ以上のゲートから前記光源保持部材の材料を流し込む射出圧力は、略同一であることを特徴とする光源装置の製造方法。 - マルチビーム方式の光源装置から出射された複数ビームを走査光学手段により被走査面上である像担持体上に結像する結像光学系を有する光走査装置において、
請求項1〜4のいずれかに記載の光源装置もしくは請求項5または6記載の製造方法により製造された光源装置を搭載したことを特徴とする光走査装置。 - 電子写真プロセスを実行する装置を備えた画像形成装置において、
電子写真プロセスの露光プロセスを実行する装置として請求項7記載の光走査装置を備えていることを特徴とする画像形成装置。 - 電子写真プロセスを実行する装置を備えてなる画像形成部を複数組備え、各画像形成部は各色に対応した画像を形成し、各画像形成部で形成された画像を重ねることによってカラー画像を形成することができるカラー対応のタンデム型の画像形成装置において、
前記各画像形成部において実行する電子写真プロセスのうち露光プロセスを実行する装置として請求項7記載の光走査装置を備えていることを特徴とする画像形成装置。
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