JP6768259B2 - ロータ及び電動モータ - Google Patents
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また、近年では、IPMモータの中でも、ロータコア内に径方向に沿うように(放射状に)永久磁石を配置し、永久磁石に磁気異方性の強い形状を持たせることによって大きなリラクタンストルクを発生させるPMR(Permanent Magnetic Reluctance)モータが知られている。また、この種のモータは、周方向に隣り合う永久磁石の間のロータコアに永久磁石の磁束を収束させ、高いトルクを得ることが可能である。
また、ロータコアの外周面において、周方向で隣り合う2つの永久磁石の間の中央(以下、1極当りのロータコアの周方向中央という)に永久磁石の磁束を誘導し、1極当りのロータコアの周方向中央の磁束密度をできるかぎり高くすることができる。さらに、ロータコアの外周面において、永久磁石に近接するほどこの永久磁石の磁束密度を低くできる。つまり、ロータコアの外周面に形成される磁束密度の正弦波形のピーク幅が狭くなり突極性が向上するので、電動モータのトルク性能を向上できる。
本発明に係るロータにおいて、前記ロータコアには、前記永久磁石によって形成される外周面の磁束密度が、前記周方向で隣り合う2つの前記永久磁石の間の中央に向かうほど大きくなるように、複数のサイドスリットが形成され、前記サイドスリットは、前記センタースリットの前記周方向両側において、前記センタースリット側に配置された第1サイドスリットと、前記永久磁石側に配置された第2サイドスリットと、の2つずつ設けられており、前記回転軸線に直交する断面において、前記センタースリットおよび前記サイドスリットの延出方向に沿う長さは、前記第2サイドスリットより前記第1サイドスリットの方が長く設定されており、前記第1サイドスリットより前記センタースリットの方が長く設定されていることを特徴とする。
本発明に係るロータにおいて、前記ロータコアは、前記永久磁石が収納された磁石収納部を有し、前記空洞部と前記磁石収納部とが連通されていることを特徴とする。
図1は、減速機付モータ1の斜視図、図2は、図1のA−A線に沿う断面図である。
図1、図2に示すように、減速機付モータ1は、例えば車両に搭載される電装品(例えば、ワイパ、パワーウインドウ、サンルーフ、電動シート等)の駆動源となるものである。減速機付モータ1は、モータ部2と、モータ部2の回転を減速して出力する減速部3と、モータ部2の駆動制御を行うコントローラ部4と、を備えている。
なお、以下の説明において、単に軸方向という場合は、モータ部2の回転軸31の軸方向をいい、単に周方向という場合は、回転軸31の周方向をいい、単に径方向という場合は、回転軸31の径方向をいうものとする。
モータ部2は、モータケース5と、モータケース5内に収納されている略円筒状のステータ8と、ステータ8の径方向内側に設けられ、ステータ8に対して回転可能に設けられたロータ9と、を備えている。
モータケース5は、例えばアルミダイキャスト等の放熱性の優れた材料に形成されている。モータケース5は、軸方向に分割可能に構成された第1モータケース6と、第2モータケース7と、からなる。第1モータケース6及び第2モータケース7は、それぞれ有底筒状に形成されている。
第1モータケース6は、底部10が減速部3のギヤケース40と接合されるように、このギヤケース40と一体成形されている。底部10の径方向略中央には、ロータ9の回転軸31を挿通可能な貫通孔10aが形成されている。
図3は、ステータ8及びロータ9の軸方向からみた平面図である。
図2、図3に示すように、ステータ8は、径方向に沿う断面形状が略正六角形となる筒状のコア部21と、コア部21から径方向内側に向かって突出する複数(例えば、本実施形態では6つ)のティース22と、が一体成形されたステータコア20を有している。
ステータコア20は、複数の金属板を軸方向に積層することにより形成されている。なお、ステータコア20は、複数の金属板を軸方向に積層して形成する場合に限られるものではなく、例えば、軟磁性粉を加圧成形することにより形成してもよい。
図4は、図3のロータ9を拡大した図である。
同図に示すように、ロータ9は、回転軸31と、回転軸31に外嵌固定されこの回転軸31を軸心C1とする円柱状のロータコア32と、ロータコア32に埋設されている永久磁石33と、を備えている。
回転軸31は、減速部3を構成するウォーム軸44と一体成形されている(図2参照)。ロータコア32は、複数の金属板を軸方向に積層することにより形成されている。なお、ロータコア32は、複数の金属板を軸方向に積層して形成する場合に限られるものではなく、例えば、軟磁性粉を加圧成形することにより形成してもよい。
さらに、ロータコア32には、貫通孔32aから若干の間隔をあけて形成され、径方向に延びる4つの空洞部111が周方向に等間隔(放射状に)で配置されている。
磁石収納部112には、永久磁石33が収納される。磁石収納部112は、径方向に沿う断面形状が径方向内側に向かうに従って周方向の幅が漸次広くなるように、略等脚台形状に形成されている。
凸条部114の径方向外側端(先端)114aは、磁石収納部112の下底に相当する位置と一致するように平坦に形成されている。つまり、凸条部114の径方向外側端114aに、永久磁石33の後述の下底33aが当接される。
各サイドスリット72,73は、ロータコア32を軸方向に貫通すると共に径方向に沿う断面形状がセンタースリット71側に向かって凸となるように湾曲形成された空洞部である。そして、各サイドスリット72,73は、全体として長円形状に形成されている。
図5は、図4のB部拡大図である。
同図に示すように、各サイドスリット72,73の内周面は、長手方向に延在する各々2つの内側面72a,73aと、各々2つの内側面72a,73aの径方向両端でこれら内側面72a,73aに跨るように形成された円弧面72b,72c,73b,73cと、により構成されている。
このようにセンタースリット71、第1サイドスリット72、及び第2サイドスリット73が形成されているので、センタースリット71と第1サイドスリット72との間の隙間は、ロータコア32の外周面32b側の隙間H1よりも永久磁石33側の隙間H2が大きく設定される。
また、永久磁石33の上底33bは、ロータコア32の爪部118に当接している。すなわち、爪部118は、永久磁石33の径方向外側への抜けを防止するように機能する。さらに、永久磁石33の脚33cは、ロータコア32の磁石収納部112の内側面に当接する。
このように構成された永久磁石33は、例えば接着剤等によりロータコア32の磁石収納部112に固着される。本実施形態では、永久磁石33は、4つ等間隔に配置され、周方向で隣り合う永久磁石33の間に介在されるロータコア32も4つになるので、ロータコア32の磁極数は4極になる。
図1、図2に戻り、減速部3は、モータケース5が取り付けられているギヤケース40と、ギヤケース40内に収納されるウォーム減速機構41と、を備えている。ギヤケース40は、例えばアルミダイキャスト等の放熱性の優れた材料により形成されている。ギヤケース40は、一面に開口部40aを有する箱状に形成されており、内部にウォーム減速機構41を収容するギヤ収容部42を有する。また、ギヤケース40の側壁40bには、第1モータケース6が一体成形されている箇所に、この第1モータケース6の貫通孔10aとギヤ収容部42とを連通する開口部43が形成されている。
軸受ボス49は、ウォーム減速機構41の出力軸48を回転自在に支持するためのものであって、内周面に不図示の滑り軸受が設けられている。さらに、軸受ボス49の先端内周縁には、不図示のOリングが装着されている。これにより、軸受ボス49を介して外部から内部に塵埃や水が侵入してしまうことが防止される。また、軸受ボス49の外周面には、複数のリブ52が設けられている。これにより、軸受ボス49の剛性が確保されている。
モータ部2の駆動制御を行うコントローラ部4は、磁気検出素子61が実装されたコントローラ基板62と、ギヤケース40の開口部40aを閉塞するように設けられたカバー63と、を有している。そして、コントローラ基板62が、ウォームホイール45のセンサマグネット側(ギヤケース40の開口部40a側)に対向配置されている。
また、カバー63の外周部に、不図示のコネクタが一体成形されている。このコネクタは、不図示の外部電源から延びるコネクタと嵌着可能に形成されている。そして、不図示のコネクタの端子に、コントローラ基板62が電気的に接続されている。これにより、外部電源の電力がコントローラ基板62に供給される。
次に、減速機付モータ1の動作について説明する。
減速機付モータ1は、不図示のコネクタを介してコントローラ基板62に供給された電力が、不図示のパワーモジュールを介してモータ部2の各コイル24に選択的に供給される。すると、ステータ8(ティース22)に所定の鎖交磁束が形成され、この鎖交磁束とロータ9の永久磁石33との間で磁気的な吸引力や反発力が生じる。これにより、ロータ9が継続的に回転する。
ロータ9が回転すると、回転軸31と一体化されているウォーム軸44が回転し、さらにウォーム軸44に噛合されているウォームホイール45が回転する。そして、ウォームホイール45に連結されている出力軸48が回転し、所望の電装品が駆動する。
不図示の外部機器は、ウォームホイール45の回転位置検出信号に基づいて、不図示のパワーモジュールのスイッチング素子等の切替えタイミングが制御され、モータ部2の駆動制御が行われる。なお、パワーモジュールの駆動信号の出力やモータ部2の駆動制御は、コントローラ部4で行われていても良い。
次に、図4、図6〜図12に基づいて、ロータ9の作用、効果について説明する。
ここで、まず図4に示すように、永久磁石33の下底33aとロータコア32のリング部115との間に、フラックスバリヤ部113が介在される。このため、周方向で隣り合う永久磁石33からの径方向内側への漏れ磁束を極力抑えることができる。
同図に示すように、ロータコア32において、永久磁石33の磁束ベクトルは、d軸方向に向く。ここで、ロータコア32に形成されているセンタースリット71は、ロータコア32を軸方向に貫通すると共に径方向に沿う断面形状が径方向に沿って延びるように形成されている。また、各サイドスリット72,73は、ロータコア32を軸方向に貫通すると共に径方向に沿う断面形状がセンタースリット71側に向かって凸となるように湾曲形成されている。この結果、各スリット71〜73は、永久磁石33のd軸に沿うように形成された形になる。このため、永久磁石33の磁束は、各スリット71〜73に磁路を遮断されることなくロータコア32に形成されることが確認できる。
図7は、従来のロータコア132におけるティース22及びロータコア32の磁束ベクトルを示す図であって、前述の図6に対応している。
同図に示すように、各スリット71〜73が形成されていない場合、q軸方向の磁路が遮断されないので、ロータコア32に、ティース22で形成される鎖交磁束が通る。この結果、この鎖交磁束の影響を受けて永久磁石33の磁束ベクトルが歪曲されてしまうことが確認できる。
同図に示すように、各サイドスリット72,73は、径方向外側の円弧面72c,73cがセンタースリット71に寄っていくように延出されている。このため、ロータコア32の外周面32b寄りにおいて、永久磁石33の磁束は、各スリット71〜73に案内されるように、1極当りのロータコア32の周方向中央に向かって磁束が形成される。この結果、ロータコア32の外周面32b寄りにおいて、1極当りのロータコア32の周方向中央の磁束密度が高いことが確認できる(図8におけるC部参照)。
図9は、ティース22及びロータコア32のそれぞれに形成される磁束の磁束密度を示す図であって、前述の図8に対応している。
同図に示すように、センタースリット71と平行に各サイドスリット72,73が形成されていると、永久磁石33の磁束の磁路が各スリット71〜73によって遮断されることはない。しかしながら、ロータコア32の外周面32b寄りにおいて、1極当りのロータコア32の周方向中央に磁束が集中することがない。このため、ロータコア32の外周面32b寄りにおいて、前述の図8と比較して1極当りのロータコア32の周方向中央の磁束密度が低いことが確認できる(図9におけるD部参照)。
図10は、縦軸を、ロータコア32の外周面32bに形成される三相(U相、V相、W相)分の鎖交磁束[Wb]とし、横軸を、ロータコア32(ロータ9)の回転角度[deg]としたときの鎖交磁束の変化を示すグラフである。図11は、縦軸を、従来のロータコア132の外周面132bに形成される三相(U相、V相、W相)分の鎖交磁束[Wb]とし、横軸を、従来のロータコア132の回転角度[deg]としたときの鎖交磁束の変化を示すグラフである。
図10、図11に示すように、従来のロータコア132(図11参照)に対し、本実施形態のロータコア32(図10参照)の鎖交磁束の正弦波形のピーク幅が狭くなっていることが確認できる。
同図に示すように、従来と比較してロータ9の中負荷領域(中回転領域;図12にE部付近)において、モータ部2のトルク性能が向上されていることが確認できる。
なお、上述の実施形態では、ロータコア32の周方向で隣り合う2つの永久磁石33の間に、それぞれセンタースリット71を1つ、第1サイドスリット72を2つ、第2サイドスリット73を2つの合計5つのスリット71〜73が形成されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、少なくともロータコア32の各極の周方向中央に、それぞれセンタースリット71が1つ形成されていればよい。また、サイドスリット71,72も合計4つに限られるものではなく、第1サイドスリット72のみでもよいし、4つ以上の複数個のサイドスリットを形成してもよい。
図13は、ロータコア32の変形例を示す軸方向からみた平面図であって、前述の図3に対応している。
ここで、図13(a)は、ロータコア32の各極の周方向中央にそれぞれセンタースリット71のみを形成した場合(スリット数1[本])を示す。図13(b)は、センタースリット71と第1サイドスリット72とを形成した場合(スリット数3[本])を示す。図13(c)は、センタースリット71、第1サイドスリット72及び第2サイドスリット73を形成した場合(スリット数5[本])を示す。
また、図13、図15に示すように、スリット71〜73の個数が多くなるのに比例して、モータ部2のトルク性能を向上できることが確認できる。
図16は、ロータコア32の変形例を示す軸方向からみた平面図であって、前述の図3に対応している。
ここで、図16(a)の各サイドスリット72,73は、径方向に沿う断面形状を湾曲形成させずに直線形状とされ、さらに、センタースリット71と各サイドスリット72,73との間の隙間が、ロータコア32の外周面32b側の隙間よりも永久磁石33の直近側の隙間が大きくなるように形成されている(以下、斜め5本という)。
また、図16(b)の各サイドスリット72,73は、センタースリット71とは反対側に向かって凸となるように湾曲形成されている(以下、逆円弧5本という)。
さらに、図16(c)の各サイドスリット72,73は、センタースリット71と平行に形成されている(以下、ストレート5本という)。
図18は、図17の横軸の目盛を小さくし、本実施形態のロータコア32(図4参照)、斜め5本のロータコア32、逆円弧5本のロータコア32、及びストレート5本のロータコア32を比較している。
ここで、図18に示すように、ストレート5本のロータコア32にあっては、本実施形態のロータコア32(図4参照)、斜め5本のロータコア32、及び逆円弧5本のロータコア32と比較して、所定の回転角度のトルクリップル(図18中、F部参照)が僅かに増大することが確認できる。
同図に示すように、ロータコア32に形成されている各サイドスリット72,73の形状が、本実施形態に加え、斜め5本の場合、及び逆円弧の場合に、とりわけトルクリップル率が低減することが確認できる。
このように、図17〜図19からも明らかなように、ロータコア32に形成する各サイドスリット72,73は、本実施形態に加え、斜め5本の場合、及び逆円弧の場合が望ましい。
より具体的には、周方向で隣り合う2つの永久磁石33の間において、ロータコア32の外周面32bの円弧中心C2は、ロータコア32の周方向中心を通る径方向に沿う直線上で、且つ回転軸31よりも対応するロータコア32の外周面32b寄りに設定されている。このため、ロータコア32の外周面32bの曲率半径は、ロータコア32の半径よりも短く設定される。
例えば、上述の実施形態では、減速機付モータ1は、車両に搭載される電装品(例えば、パワーウインドウ、サンルーフ、電動シート等)の駆動源となるものである場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、さまざまな用途に減速機付モータ1を使用することができる。
Claims (9)
- 回転軸線回りに回転するシャフトと、
前記シャフトに固定され、前記回転軸線を径方向中心とするロータコアと、
前記ロータコア内に設けられ、前記回転軸線に直交する断面形状が前記ロータコアの前記径方向に沿うように、且つ放射状に配置される複数の永久磁石と、を備え、
前記ロータコアは、
前記径方向における前記回転軸線と各前記永久磁石との間に2つずつ設けられ、前記ロータコアの周方向における各前記永久磁石の両端に設けられた空洞部と、
前記周方向で隣り合う2つの前記永久磁石の間で、且つ前記周方向で隣り合う2つの前記空洞部の間に設けられ、前記径方向に沿って延出されたブリッジ部と、
前記周方向で隣り合う2つの前記永久磁石の間の中央に設けられ、前記回転軸線に直交する断面形状が前記径方向に沿って延出されたセンタースリットと、を備え、
前記センタースリットの延出方向の延長線上に前記ブリッジ部が配置されている
ことを特徴とするロータ。 - 前記ロータコアには、前記永久磁石によって形成される外周面の磁束密度が、前記周方向で隣り合う2つの前記永久磁石の間の中央に向かうほど大きくなるように、複数のサイドスリットが形成されている
ことを特徴とする請求項1に記載のロータ。 - 前記複数のサイドスリットは、前記回転軸線に直交する断面形状が前記永久磁石の前記周方向側面の直近から前記ロータコアの外周面に向かって延びるように形成されており、
前記センタースリットと前記サイドスリットとの間の隙間は、前記ロータコアの外周面側の隙間よりも前記永久磁石の前記直近側の隙間が大きく設定されていることを特徴とする請求項2に記載のロータ。 - 前記サイドスリットは、前記回転軸線に直交する断面形状が湾曲形成されていることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載のロータ。
- 前記サイドスリットは、前記回転軸線に直交する断面形状が前記センタースリットに向かって凸となるように湾曲形成されており、
前記サイドスリットの前記断面形状において、
前記永久磁石の前記周方向側面の直近側の延出方向は、該永久磁石の前記周方向側面に対して直交する方向に沿っており、
前記ロータコアの外周面側の延出方向は、前記センタースリットの延出方向に沿っている
ことを特徴とする請求項2から請求項4の何れか1項に記載のロータ。 - 前記永久磁石は、前記回転軸線に直交する断面形状が前記径方向内側に向かうに従って前記周方向の幅が漸次広くなるように台形状に形成されている
ことを特徴とする請求項1から請求項4の何れか1項に記載のロータ。 - 前記ロータコアには、前記永久磁石によって形成される外周面の磁束密度が、前記周方向で隣り合う2つの前記永久磁石の間の中央に向かうほど大きくなるように、複数のサイドスリットが形成され、
前記サイドスリットは、前記センタースリットの前記周方向両側において、前記センタースリット側に配置された第1サイドスリットと、前記永久磁石側に配置された第2サイドスリットと、の2つずつ設けられており、
前記回転軸線に直交する断面において、前記センタースリットおよび前記サイドスリットの延出方向に沿う長さは、前記第2サイドスリットより前記第1サイドスリットの方が長く設定されており、前記第1サイドスリットより前記センタースリットの方が長く設定されている
ことを特徴とする請求項6に記載のロータ。 - 前記ロータコアは、前記永久磁石が収納された磁石収納部を有し、
前記空洞部と前記磁石収納部とが連通されている
ことを特徴とする請求項1から請求項7の何れか1項に記載のロータ。 - 請求項1から請求項8の何れか1項に記載のロータと、
前記ロータの外周を取り囲むように環状に形成され、磁界を発生させるためのコイルが巻回される複数のティースを有するステータと、を備えたことを特徴とする電動モータ。
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