JP7380428B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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本発明は、電力変換装置に関する。
車両用のインバータなどの大電力を取り扱う電力変換器においては、駆動時に大電力が流れて発熱するバスバー等を冷却する必要がある。そこで、バスバーを熱伝導性の高い伝熱シートを介して金属プレートと接触させ、金属プレートを介してバスバーを冷却することが考えられる。
例えば、特許文献1には、バスバーの冷却構造の一例として、バスバーを熱伝導性の高い伝熱絶縁シートを介して冷却部に密着させる固定具が開示されている。この固定具を用いることで、伝熱シートの位置ずれが抑制されるので、放熱性能の低下が抑制され、バスバーを適切に冷却することができる。
特開2006-271063号公報
しかしながら、特許文献1に開示された固定具においては、伝熱絶縁シートを位置決めするための機能がないため、伝熱絶縁シートの位置ずれの発生を確実に抑制することは難しいという課題がある。
本発明の目的は、より簡便な方法で伝熱絶縁シートの位置決めを行うことができる電力変換装置を提供することである。
本発明のある態様による電力変換装置は、入出力される電力を直流又は交流に変換する電力変換装置であって、電力の入出力に用いられるバスバーと、バスバーの固定面に形成される電気絶縁性を有する突出部とを備える電力変換器と、バスバーと接触するように設けられ、突出部が貫通するシート孔を有し、熱伝導性及び電気絶縁性を有する伝熱絶縁シートと、伝熱絶縁シートを挟むように電力変換器と締結され、突出部が貫通するプレート孔を有する金属製の固定プレートと、を備える。固定プレートには、伝熱絶縁シートを挟む側の面に、プレート孔と連通するとともにプレート孔よりも開口が大きな凹部が設けられる。
本発明の電力変換装置によれば、より簡便な方法で伝熱絶縁シートの位置決めを行うことができる。
図1は、本実施形態の電力変換装置の分解斜視図である。 図2は、固定プレートの上面及び下面の斜視図である。 図3は、固定プレートのプレート孔の近傍について上面側及び下面側から見た平面図である。 図4は、図1のII-IIにおける電力変換装置の断面図である。 図5は、比較例の電力変換装置の断面図である。 図6は、伝熱シートが弾力変形しない材料により構成される場合の電力変換装置の断面図である。 図7は、伝熱シートが弾力変形する材料により構成される場合の電力変換装置の断面図である。
以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る電力変換装置100の分解斜視図である。この図に示される電力変換装置100においては、電力変換器10の上面に伝熱シート20が設けられており、伝熱シート20の上に配置される固定プレート30が電力変換器10と締結されることで、伝熱シート20が電力変換器10と固定プレート30との間に挟み込まれた状態で固定される。そして、固定プレート30が冷却器(不図示)により冷却されることで、伝熱シート20を介して電力変換器10を冷却することができる。
電力変換器10は、例えばインバータであって、直流電力と交流電力との変換を行う機器である。一例として、電力変換器10は、電動車両に用いられる場合には、駆動系においてはバッテリから供給される直流電力をモータの駆動源となる交流電力に変換するとともに、発電系においては、モータにおいて回生された交流電力を、バッテリに充電するために直流電力に変換する。本実施形態の電力変換器10においては、正極及び負極の端子(不図示)と接続される直流電力系統と、U相バスバー11U、V相バスバー11V、及び、W相バスバー11Wと接続されるUVW相の三相交流電力系統との間での変換が行われる。
なお、以下では、UVW相の区別をしない場合には、U相バスバー11U、V相バスバー11V、及び、W相バスバー11Wを、単にバスバー11と称するものとする。同様に、他の構成についても、同種の構成を区別しない場合には、符号に付されたアルファベットを省略するものとする。
バスバー11は、矩形状で電気伝導性の高い金属部材である。バスバー11は、樹脂などで構成されるターミナル12の上において短手方向に並設された状態で、長手方向の一端が固定されている。また、バスバー11は、ターミナル12に固定されていない自由端である他端に接続孔を備え、これらの接続孔において接続される配線を介してモータの三相交流電力系統と接続される。
伝熱シート20は、熱伝導性が高く、かつ、電気絶縁性の高い材料により構成されたシート状の部材である。伝熱シート20は、樹脂や弾性重合体(エラストマー)により構成されており、一定の弾性を有する。伝熱シート20は、ターミナル12の上においてバスバー11の表面と接触するように配置される。また、伝熱シート20にはシート孔21A、21Bが設けられており、シート孔21A、21Bには、ターミナル12に設けられる突出部13A、13Bが貫通する。
固定プレート30は、金属等で構成された熱伝導性の高い板状部材であって、伝熱シート20の表面と接するように配置されるとともに、冷却器(不図示)により冷却可能に構成されている。固定プレート30には、伝熱シート20と同様に、ターミナル12に設けられる突出部13A、13Bが貫通するプレート孔31A、31Bが設けられている。また、固定プレート30には、長手方向の一端にボルト孔32A、32Bが、他端にボルト孔32C、32Dが設けられている。
ボルト41A~41Dは、固定プレート30のボルト孔32A~32Dを貫通した状態で、電力変換器10に設けられたボルト締結孔14A~14Dと締結される。これにより、固定プレート30は、伝熱シート20を挟み込んだ状態で、電力変換器10に固定される。このように、ターミナル12を固定プレート30に対して締結することで、バスバー11を覆うように設けられる伝熱シート20は固定される。
以下では、ターミナル12の突出部13A,13B、及び、ボルト締結孔14A~14Dに関連する詳細な説明を行う。
ターミナル12の上面においては、U相バスバー11UとV相バスバー11Vとの間に突出部13Aが設けられ、V相バスバー11VとW相バスバー11Wとの間に突出部13Bが設けられている。突出部13A、13Bは、それぞれ、棒状の突起として形成されており、伝熱シート20のシート孔21A、21B、及び、固定プレート30のプレート孔31A、31Bを貫通する。
これにより、電力変換器10に対する伝熱シート20、及び、固定プレート30の位置決めが行われる。従って、突出部13A、13Bは位置決めピンとしての機能を備え、伝熱シート20のシート孔21A、21B、及び、固定プレート30のプレート孔31A、31Bは、位置決め孔の機能を備える。また、突出部13A、13Bの外径は、伝熱シート20のシート孔21A、21B、及び、固定プレート30のプレート孔31A、31Bの開口径よりも小さく構成されている。
また、ターミナル12のU相バスバー11U側の端面から離間するように締結台15Aが設けられており、W相バスバー11W側の端面から離間するように締結台15Bが設けられている。締結台15A、15Bは、電力変換器10の底部16と一体に構成されている。そして、締結台15Aには、バスバー11の長手方向に並設されたボルト締結孔14A、14Bが設けられ、締結台15Bには、バスバー11の長手方向に並設されたボルト締結孔14C、14Dが設けられている。ボルト締結孔14A~14Dには、その内径に締結溝が設けられており、固定プレート30のボルト孔32A~32Dを貫通するボルト41A~41Dと締結可能に構成されている。
このようにして、バスバー11上に設けられた伝熱シート20は、電力変換器10と固定プレート30との間において挟み込まれた状態で固定される。固定プレート30は冷却器(不図示)により冷却されており、また、伝熱シート20及び固定プレート30の熱伝導性が高い。そのため、駆動時に大電力が流れて発熱するバスバー11は、伝熱シート20を介して冷却される。
図2は、固定プレート30の上面及び下面を示す斜視図である。なお、固定プレート30の下面は、伝熱シート20と接触する側の面であり、図1においては視認することができない。図2(a)は固定プレート30の上面の斜視図、図2(b)は固定プレート30の下面の斜視図である。
図2(a)に示されるように、固定プレート30においては、中央寄りの位置に突出部13が貫通するプレート孔31A、31Bが設けれ、両端部にボルト孔32A~32Dを貫通するボルト孔32A~32Dが設けられている。
図2(b)に示されるように、固定プレート30の下面側においては、プレート孔31A、31Bと連通し、プレート孔31A、31Bよりも開口の大きな凹部33A、33Bが設けられている。このような凹部33A、33Bは、ザグリ孔と称されることもある。このように、固定プレート30には、伝熱シート20と接触する下面において凹部33A、33Bが設けられている。
図3は、プレート孔31Aの周辺について固定プレート30の上面側及び下面側から見た平面図である。図3(a)は固定プレート30の上面図、図3(b)は固定プレート30の下面図である。なお、図3(a)においては、参考のために、点線で凹部33Aの輪郭が示されている。これらの図に示されるように、凹部33Aは、上下方向においてプレート孔31Aと同心円状に構成されており、その半径差(オフセット幅)はdであるものとする。
本実施形態においては、プレート孔31A及び凹部33Aが円状に構成されたがこれに限らない。例えば、プレート孔31A及び凹部33Aは、矩形状に構成され、それらの開口が互いに所定の距離だけ離間するように(オフセットされるように)構成されてもよい。
図4は、図1のII-IIにおける電力変換装置100の断面図である。この断面図においては、電力変換器10、伝熱シート20、並びに、固定プレート30について、突出部13Aによる位置決め箇所、及び、ボルト41Aによる締結箇所を含む断面が示されている。
ターミナル12においてU相バスバー11U及びV相バスバー11Vの間に設けられる突出部13Aは、伝熱シート20に設けられるシート孔21A、並びに、固定プレート30に設けられる凹部33A及びプレート孔31Aを貫通する。そして、固定プレート30に設けられたボルト孔32Aを貫通するボルト41Aが、締結台15Aに設けられるボルト締結孔14Aと締結する。このように、突出部13Aがシート孔21A及びプレート孔31Aを貫通することにより、伝熱シート20及び固定プレート30は、ターミナル12(電力変換器10)に対して位置決めされる。
ここで、バスバー11と固定プレート30とは接触しておらず、以下では両者の間の非接触距離について検討する。図示されるように、伝熱シート20の上面において、伝熱シート20のシート孔21Aの開口の上端から固定プレート30の凹部33Aの開口の下端までの面内方向の距離、すなわち、凹部33Aとシート孔21Aとの半径の差を、非接触距離aと称する。伝熱シート20の積層方向の厚さであって、伝熱シート20のバスバー11との接触点からシート孔21Aの開口の上端までの上下方向の距離を、非接触距離bと称する。バスバー11の上面から凹部33Aの底面(天井面)までの上下方向の距離を、非接触距離cと称する。
ここで、絶縁性を保つために、高電圧部品であるバスバー11と、周囲に存在する導電性部品である固定プレート30との間の非接触距離は、電力変換器10の使用形態及び使用環境等によって定められる距離よりも長くなるように設計する必要がある。このように設計される距離として、沿面距離と空間絶縁距離とがある。
沿面距離は、非導電性物質(伝熱シート20)に沿った、高電圧部品(バスバー11)と導電性部品(固定プレート30)との間の非接触距離であり、この図においては、a+bに相当する。空間絶縁距離は、空間を介した、高電圧部品(バスバー11)と導電性部品(固定プレート30)との間の非接触距離であり、cに相当する。なお、伝熱シート20の突出部13Aの反対側における沿面距離については、所望の沿面距離が確保されているものとして検討を省略する。
図5は、固定プレート30に凹部33Aが設けられていない場合であって、図4と同じ位置における比較例としての電力変換装置100’の断面図である。
この図に示されるように、凹部33Aが設けられていないことによって、U相バスバー11Uから固定プレート30までの非接触距離のうち沿面距離及び空間絶縁距離は、ともに、伝熱シート20の厚さと等しくなる。この図においては、沿面距離はbで示され、空間絶縁距離はc’として示されている。
すなわち、図4の例と比較すると、沿面距離は、凹部33Aとシート孔21Aとの内径差の距離aだけ短くなり、空間絶縁距離は、凹部33Aの深さだけ短くなる。そのため、所定の沿面距離及び空間絶縁距離を確保するためには、伝熱シート20を厚くする必要がある。
しかしながら、本実施形態では凹部33Aを設けることにより、プレート孔31Aによる位置決めの精度を悪化させることなく、沿面距離及び空間絶縁距離を確保できるため、電力変換装置100の小型化を図ることができる。
さらに、伝熱シート20が弾性を備えることにより、電力変換器10と固定プレート30との間で挟み込まれた状態において、挟み込まれる前の状態よりも沿面距離を長くすることが可能となる。これについて、図6及び図7を参照して説明する。
図6は、伝熱シート20が弾性変形しない材料によって構成されている場合における電力変換装置100の断面図であり、図7は、伝熱シート20が弾性変形する材料によって構成されている場合における電力変換装置100の断面図である。
図6に示されるように、伝熱シート20が弾性を備えない場合においては、図4に示したように、点線の矢印で示すように、沿面距離はa+bとなる。
これに対して、図7に示されるように、伝熱シート20が弾性を備える場合においては、固定プレート30を電力変換器10に締結することによって、伝熱シート20は、締結時の応力によって変形する。これにより、伝熱シート20は、凹部33A内へと盛り上がるように突出することで、点線矢印で示されるように沿面距離はより長くなる。
ここで、図6に示されるように、設計公差を最小として沿面距離(a+b)を設計したと仮定する。このような場合でも、図7に示されるように、固定プレート30の締結後においては、伝熱シート20が凹部33A内に盛り上がることで沿面距離が長くなるため、所定の沿面距離を確保できる。そのため、設計公差を最小としても締結後には所定の沿面距離を確保できるため、電力変換装置100の小型化を図ることができる。
本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態の電力変換装置100によれば、電力変換器10内で強電配線であるバスバー11を冷却するための伝熱シート20が、伝熱シート20上に設けられる固定プレート30で固定されている。そして、電力変換器10が備える突出部13が、伝熱シート20のシート孔21、及び、固定プレート30のプレート孔31を貫通する。
このように、位置決めを行う突出部13、シート孔21及びプレート孔31が、電力変換器10、伝熱シート20及び固定プレート30の面内に構成される。このように、位置決め機構が電力変換装置100の部品内に設けられるため、位置決め機構の各部品間のクリアランスへの影響が抑制される。その結果、に電力変換装置100の小型化を図りながら、各部品の位置決めを行うことができる。
また、固定プレート30には、伝熱シート20と接触する側の面に、プレート孔31と連通し、プレート孔31よりも開口が大きな凹部33が設けられる。このような凹部33が設けられることにより、プレート孔31による位置決めの精度に影響を与えることなく、沿面距離を凹部33とシート孔21との径差aだけ長くすることができるとともに、空間絶縁距離を凹部33の深さだけ長くすることができる。その結果、伝熱シート20の厚さbをより薄くすることができるので、伝熱シート20の熱伝導性の向上による冷却効率の上昇、及び、伝熱シート20のコスト低減を図ることができる。
本実施形態の電力変換装置100によれば、凹部33の深さは、バスバー11において確保されるべき空間絶縁距離から伝熱シート20の厚さbを減じた差よりも大きい。このように構成されることにより、コスト上の制約等により伝熱シート20が薄くなり、バスバー11と固定プレート30とが接近する場合でも、凹部33をより深く構成することで、空間絶縁距離を確保することができる。
本実施形態の電力変換装置100によれば、固定プレート30の面内方向において、凹部33とプレート孔31とは所定長だけ離間(オフセット)している。ここで、凹部33とプレート孔31との離間距離が一定でない場合であっても、沿面距離はその離間距離が最短である箇所において定まる。そのため、凹部33とプレート孔31とを等間隔で離間させることで、凹部33において沿面距離を構成しない部分の加工を抑制することができる。その結果、固定プレート30の不要な加工を抑制しながら、沿面距離を確保することができる。
本実施形態の電力変換装置100によれば、プレート孔31は開口が円状に構成され、凹部33はプレート孔31と同心円状の開口を有するように構成される。このようにすることで、凹部33とプレート孔31とを所定長だけ離間させることができるとともに、円以外の形状の凹部33を形成する場合と比較すると加工時間が短縮されるので、固定プレート30のコスト低減を図ることができる。
本実施形態の電力変換装置100によれば、伝熱シート20の面内方向におけるシート孔21から固定プレート30の凹部33までの距離aと、伝熱シート20の厚さbとの和は、バスバー11において確保されるべき沿面距離よりも長い。そのため、例えば、シート孔21から固定プレート30の凹部33までの距離aを長くすることにより、沿面距離を確保しながら、伝熱シート20の厚さbを薄くすることができる。その結果、伝熱シート20の熱伝導性の向上による冷却効率の上昇、及び、伝熱シート20のコスト低減を図ることができる。
本実施形態の電力変換装置100によれば、伝熱シート20は、固定プレート30がボルト41を用いて電力変換器10へと締結される場合に、弾性変形可能に構成されている。これにより、固定プレート30により潰された伝熱シート20が凹部33内へと余剰としてはみ出ることで、伝熱シート20が凹部33A内に盛り上がる。
その結果、例えば、設計公差を最小として沿面距離(a+b)を設計したとしても、締結時には沿面距離が長くなるため、所定の沿面距離を確保できる。そのため、設計公差を最小としても沿面距離が確保しやすくなるので、電力変換装置100の小型化を図ることができる。
なお、上記各実施形態は、矛盾を生じない範囲の任意の組み合わせで相互に組み合わせることが可能である。
10 電力変換器
11、11U、11V、11W バスバー
13、13A、13B 突出部
20 伝熱シート
21、21A、21B シート孔
30 固定プレート
31、31A、31B プレート孔
33、33A、33B 凹部
100 電力変換装置

Claims (6)

  1. 入出力される電力を直流又は交流に変換する電力変換装置であって、
    前記電力の入出力に用いられるバスバーと、前記バスバーの固定面に形成される電気絶縁性を有する突出部とを備える電力変換器と、
    前記バスバーと接触するように設けられ、前記突出部が貫通するシート孔を有し、熱伝導性及び電気絶縁性を有する伝熱絶縁シートと、
    前記伝熱絶縁シートを挟むように前記電力変換器と締結され、前記突出部が貫通するプレート孔を有する金属製の固定プレートと、を備え、
    前記固定プレートには、前記伝熱絶縁シートを挟む側の面に、前記プレート孔と連通するとともに前記プレート孔よりも開口が大きな凹部が設けられる、
    電力変換装置。
  2. 請求項1に記載の電力変換装置であって、
    前記凹部は、当該凹部の深さが前記バスバーにおいて確保されるべき空間絶縁距離から前記伝熱絶縁シートの厚さを減じた差よりも大きくなるように構成される、
    電力変換装置。
  3. 請求項1または2に記載の電力変換装置であって、
    前記凹部は、前記固定プレートの面内方向において前記プレート孔から所定長だけ離間するように構成される、
    電力変換装置。
  4. 請求項3に記載の電力変換装置であって、
    前記プレート孔は、開口が円状に構成され、
    前記凹部は、開口が前記プレート孔と同心円状に構成される、
    電力変換装置。
  5. 請求項1から4のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
    前記伝熱絶縁シートの面内方向における前記シート孔から前記固定プレートの前記凹部までの距離と、前記伝熱絶縁シートの厚さとの和は、前記バスバーにおいて確保されるべき沿面距離よりも長い、
    電力変換装置。
  6. 請求項1から5のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
    前記伝熱絶縁シートは、前記固定プレートが前記電力変換器へと締結される場合に作用する応力によって一部が変形して前記凹部へと突出するような弾性を備える、
    電力変換装置。
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