JPH10335049A - セラミックヒータ - Google Patents
セラミックヒータInfo
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- JPH10335049A JPH10335049A JP13893097A JP13893097A JPH10335049A JP H10335049 A JPH10335049 A JP H10335049A JP 13893097 A JP13893097 A JP 13893097A JP 13893097 A JP13893097 A JP 13893097A JP H10335049 A JPH10335049 A JP H10335049A
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Abstract
部が加熱冷却の反復に耐え、耐熱衝撃性、高温安定性に
優れ、昇温特性の良好な各種燃焼機器の点火、気化、加
熱用ヒータや内燃機関用等に好適な高温用のセラミック
ヒータを得る。 【解決手段】通電により発熱する無機導電材から成る発
熱部と非酸化物系セラミック焼結体から成る絶縁部材と
で構成されるセラミック発熱体の電極取り出し部に、活
性金属を含有した貴金属から成る金属層を介してリード
線を接合した電極取り出し金属板を、前記金属層から成
る接合パッド部の表面積に対して20〜80%の接合面
積となるように電気的に接続する。
Description
定性に優れ、昇温特性及び耐久性の良好な石油ファンヒ
ータ等の各種燃焼機器の点火用又は気化用ヒータや、酸
素センサー等の各種センサーや測定機器、電子部品、産
業機器、あるいは温水ヒータ、半田ごて等の一般家庭用
電気製品等の加熱用ヒータ、更にはディーゼルエンジン
等の始動時やアイドリング時に副燃焼室内を急速に予熱
する内燃機関用グロープラグ等に適用される直流あるい
は交流電源で使用される高温用のセラミックヒータに関
するものである。
進に用いられるグロープラグをはじめとする各種点火用
並びに加熱用ヒータとしては、耐熱金属製のシース内に
高融点金属線等から成る発熱抵抗体を埋設した各種シー
ズヒータや、火花放電を利用した各種点火装置が多用さ
れていたが、それらはいずれも急速昇温が困難であり、
その上、耐摩耗性や耐久性に劣り、とりわけ前記各種点
火装置においては、点火時に雑音等の電波障害が発生し
易い他、確実な点火という点からの信頼性に欠ける等の
欠点があった。
で電波障害が発生せず、しかも確実に点火して安全性も
高く、耐摩耗性や耐久性に優れた信頼性の高い発熱体と
して、セラミック焼結体と高融点金属やその化合物、及
びそれらを主成分とする各種無機導電材から成る発熱部
を担持または接合、あるいは埋設したセラミック発熱体
が、内燃機関のグロープラグをはじめ、各種加熱用ヒー
タとして広く利用されるようになってきた。
ミナセラミックスの表面や内部に高融点金属の発熱部を
設けたセラミックヒータが知られているが、電気絶縁材
料として用いられるアルミナ(Al2 O3 )は耐熱衝撃
性や高温強度に劣ることから、セラミック発熱体の絶縁
部材には耐熱性や耐熱衝撃性、耐酸化性に優れた非酸化
物系セラミックス、とりわけ耐熱性に優れ、高温強度も
高く、熱容量が小さく、電気絶縁性が良好な窒化珪素質
セラミックスが、急速昇温可能な高温用のセラミック発
熱体の絶縁部材として広く採用されている。
無機導電材から成る発熱部と接続したリード部材がそれ
ぞれ導出されて電極取り出し部が形成され、必要に応じ
て該電極取り出し部にニッケル(Ni)等の金属が被覆
され、その上からメタライズ金属層を被着形成し、該メ
タライズ金属層から成る接合パッド部を介して外部電源
に接続されるリード線がろう付け接合されてセラミック
ヒータが構成されている。
ろう材は耐熱性を必要とするため、銀ろう等の高温用の
ろう材が用いられており、従ってろう付け接合する際に
は高温加熱されることから、冷却過程で絶縁部材のセラ
ミックスとリード線の金属との熱膨張差により残留応力
が生じてセラミックスとリード線との接合強度が低下す
るという欠点があった。
ラミックスと金属との間に接合応力緩和材としてNi板
を用いてろう付け接合することが提案されている(特開
平7−25674号公報)。
合応力緩和材を介してセラミックスと金属を接合する技
術をセラミックヒータのリード線の接合に適用し、接合
強度が高い活性金属を含有するろう材を用いて前記同様
に接合したとしても、従来例と同様、電極取り出し部の
温度を想定した40℃と450℃の温度に繰り返し加熱
冷却する耐久試験では、短期的な試験には耐えるもの
の、500サイクルを越える長期的な加熱冷却の反復に
対しては、セラミックスと接合応力緩和材のNiとの
9.4〜11.8×10-6/℃にも及ぶ熱膨張差から、
セラミックヒータのろう付け部周辺に残留応力が発生
し、前記加熱冷却の繰り返しによりクラックが成長して
接合強度が低下し、その結果、接合応力緩和材の剥離
や、前記クラックから発熱部が酸化してセラミックヒー
タ自体の抵抗変化等を生じて耐久性が劣化し、長期的な
信頼性に欠けるという課題があった。
で、その目的は、リード線を接合した電極取り出し金属
板の接合部が長期的な加熱冷却の反復に耐える強度を有
し、クラック等が発生せず、かつ耐熱衝撃性、高温安定
性に優れ、昇温特性の良好な各種燃焼機器の点火用又は
気化用ヒータや、各種センサーや測定機器、電子部品、
産業機器、一般家庭用電気製品等の加熱用ヒータ、更に
は内燃機関用グロープラグ等に好適な高温用のセラミッ
クヒータを提供することにある。
ついて種々検討した結果、非酸化物系セラミック焼結体
から成る絶縁部材と発熱部に接続する電極取り出し金属
板との熱膨張の相関関係から、電極取り出し部と電極取
り出し金属板とを電気的に接続する活性金属を含有した
金属層から成る接合パッド部において、該接合パッド部
の表面積とそれに接着する電極取り出し金属板の接合面
積が、接続部周辺の残留応力に重大な影響を及ぼし、リ
ード線を接合した電極取り出し金属板の絶縁部材との接
合強度を左右していることを突き止めた。
結果、前述のような加熱冷却の厳しい長期間の熱履歴を
受けても電極取り出し金属板が剥離したり、絶縁部材に
クラックが発生したりせず、前記課題が解消できること
を見いだし、優れた耐久性が得られることが明らかとな
った。
により発熱する無機導電材から成る発熱部を、窒化珪
素、炭化珪素、又はサイアロン等の非酸化物系セラミッ
ク焼結体から成る絶縁部材に担持、あるいは該絶縁部材
と接合、あるいは該絶縁部材中に埋設する等してセラミ
ック発熱体を構成し、該セラミック発熱体の一端に導出
された電極取り出し部に、活性金属を含有した貴金属か
ら成る金属層を介して、電極取り出し金属板を接合する
前記金属層から成る接合パッド部の表面積に対して、2
0〜80%の接合面積となるようにリード線を接合した
電極取り出し金属板を電気的に接続して成ることを特徴
とするものである。
てV又はTiを含有し、貴金属としてAuを主成分とす
るものがより望ましいものである。
する無機導電材から成る発熱部と非酸化物系セラミック
焼結体から成る絶縁部材とで構成されるセラミック発熱
体の電極取り出し部に、活性金属を含有した貴金属から
成る金属層を介して、該金属層から成る接合パッド部の
表面積に対して20〜80%の接合面積となるようにリ
ード線を接合した電極取り出し金属板を電気的に接続し
たことから、稼働時の加熱冷却の反復によるセラミック
発熱体の絶縁部材と、前記電極取り出し金属板との熱膨
張差で発生する応力は、活性金属を含有した金属層と電
極取り出し部及び絶縁部材、電極取り出し金属板等との
接合強度を損なうことなく、前記電極取り出し金属板に
作用して該金属板自体が塑性変形し、前記応力を緩和し
てセラミックヒータを構成するセラミック発熱体のろう
付け部周辺、即ち接合パッド部周囲のクラック発生を防
止して耐久性が向上することになる。
について詳述する。本発明において、前記発熱部の無機
導電材は、W、Mo、Ti等の高融点金属、あるいはW
CやMoSi2 、TiN等の高融点金属の炭化物や珪化
物、窒化物等を主成分とする抵抗体が挙げられ、望まし
くは絶縁部材の非酸化物系セラミック焼結体との熱膨張
差、及び高温度下でもそれらと反応し難いという点から
は、WCあるいはWを主成分とするものが好適である。
分は、逆に絶縁部材である非酸化物系セラミック焼結体
に添加して熱膨張差や反応性を調整しても良いことは言
うまでもない。
その粒成長を制御して絶縁部材との熱膨張差によるクラ
ックを防止し、かつ抵抗を増大させないようにするため
に、分散材として窒化珪素、窒化硼素、窒化アルミニウ
ムあるいは炭化珪素の一種以上を含有させても良く、そ
の量は主成分100重量部に対して、例えば、窒化珪素
は5〜30重量部、窒化硼素は1〜20重量部、窒化ア
ルミニウムは1〜15重量部、炭化珪素は3〜15重量
部の割合であることが望ましい。
構成する発熱部は、ブロック状や線状、又は層状のいず
れでも良く、前記絶縁部材をその間に介してU字状に曲
げたり、コイル状に巻回したり、平面にジグザグに折り
曲げたりして、前記発熱部を平面視した時にU字状やW
字状等、任意の形状を成すものとし、絶縁部材に担持し
たり、接合したり、あるいは埋設したりできる他、前記
各種形状で絶縁体を介して2層以上の積層構造とする
等、各種形状形態で適用でき、その両端にはW材等から
成るリード部を電気的に接続したものでも良い。
る絶縁部材は、窒化珪素、炭化珪素、又はサイアロン等
が適用可能だが、強度や耐熱衝撃性、高温時の粒界相に
おける金属イオンの電界移動による電気絶縁性の低下の
防止、耐久性の点からは窒化珪素質焼結体が最適であ
る。
り出し金属板は、活性金属を含有した金属層で加熱接合
した後の冷却過程や、稼働時の加熱冷却で発生するセラ
ミック発熱体の絶縁部材との熱膨張差を緩和するもので
あれば、いずれの材質でも適用可能だが、前記絶縁部材
の3.0〜5.4×10-6/℃の熱膨張率に近似した
3.0〜7.5×10-6/℃の金属板が望ましい。
う点からは、ヤング率が14〜15×103 kg/mm
2 を示すFe−Ni−Co合金やFe−Ni合金等の鉄
(Fe)基合金が最適であり、前記金属板自体の塑性変
形で前記熱膨張差により発生する応力を十分吸収できる
という点からは、該金属板の厚さを薄くして0.1〜
0.5mm程度とすることが望ましく、周知の如く金属
板の角部は応力集中を回避するために面取りや丸く曲面
加工を施しておくことはより好ましい。
出面のままでも良いが、Ni等の金属被覆を施し、更に
電極取り出し金属板に接続するリード線は低熱膨張率の
Ni線等も適用できる。
貴金属から成る金属層としては、Au及び/又はAg
と、Ni又はPdのいずれか一種以上あるいはCu、C
o、Siのいずれか一種の合計量が90〜99重量%
で、残部1〜10重量%がV、Mo、Ti、Zr、H
f、Mnのいずれか一種以上の活性金属を含有するもの
等が挙げられ、前記活性金属は窒化物や炭化物、水素化
物等の形態で含有させても良い。
では接合強度の向上効果が見られず、10重量%を越え
ると前記金属層の焼き付け温度が高くなり、冷却時に大
きな残留応力を生じてクラックの原因となるため前記範
囲に限定され、1〜5重量%が最も望ましい。
止という点からは、金属層としては貴金属の主成分とし
てAuにV又はTiを活性金属として含有するものが最
も望ましい。
金属板は、熱膨張差による応力が狭い範囲に集中するの
を回避するため、電極取り出し金属板が接合される前記
金属層から成る接合パッド部の表面積に対して20%以
上の接合面積で接合することが必要であるが、逆に、8
0%を越えると電極取り出し金属板の外周部に応力が集
中することから、前記接合面積は接合パッド部の表面積
の20〜80%に限定され、しかも前記金属板の外周部
は金属層の外周部のいずれの縁とも重ならないことが望
ましい。
部と電気的に接続しておれば、電極取り出し部より引き
出して設けることも可能であり、該接合パッド部の表面
積の20〜80%の範囲内に電極取り出し金属板が実質
的に接着した面積を有しておれば良い。
図面に基づき説明する。図1は、本発明のセラミックヒ
ータの一実施例を示す斜視図であり、1は通電により発
熱する無機導電材から成る発熱部2と、非酸化物系セラ
ミック焼結体から成る絶縁部材3で構成されるセラミッ
ク発熱体4の電極取り出し部5に被着形成された金属層
6を成す接合パッド部7を介して、リード線9を接合し
た電極取り出し金属板8を電気的に接続したセラミック
ヒータである。
状の窒化珪素質焼結体から成る絶縁部材3の一方の端部
に埋設されたWCを主成分とする略U字状の発熱部2
と、該発熱部2の両端部と電気的に接続されたリード部
10と、該リード部10に接続し他端側面で露出した電
極取り出し部5と、金属層6を成す接合パッド部7を介
して電気的に接続されたリード線9を接合した電極取り
出し金属板8で構成された略直方体形状を成すものであ
り、リード部10は、WCを主成分とする導電体、また
はW線、あるいはそれらを組み合わせて構成されるもの
で、通電による発熱も発熱部2よりはるかに低い温度に
しか到達しないものである。
ド線9を接合した電極取り出し金属板8を含む要部断面
図であり、以下、図中の符号は図1と同一内容である。
例を示す要部断面図であり、金属層6から成る接合パッ
ド7が一端面からそれに続く両側面にまで延設されたも
のである。
例を示す要部断面図であり、セラミック発熱体4を構成
する絶縁部材3の断面を円形とした円柱形状を成すもの
である。
例を示す要部側面図であり、金属層6を複数個の電極取
り出し部5から延設し、リード線9を接合した電極取り
出し金属板8を電極取り出し部5から離れた部分で接続
したもので、金属層6の破線部が接合パッド部7であ
り、この場合、電極取り出し金属板8の接合面積は該接
合パッド部7の表面積に対して20〜80%の範囲内と
なるものである。
セラミック発熱体は、ブロック状又は層状の発熱部を平
面視した時にU字状やW字状等、任意の形状を成すもの
で、該発熱部を絶縁部材に担持したり、接合したり、ま
たは埋設したり、あるいは、線状の発熱部をコイル状に
巻回したり、屈曲させたりしたものを絶縁部材に担持し
たり、接合したり、または絶縁部材中に埋設し、かかる
発熱部の両端にはW材等から成るリード部を電気的に接
続したものでも良い。
詳述するようにして評価した。先ず、比表面積が7〜1
5m2 /gのSi3 N4 粉末に、希土類元素の酸化物と
してYb2 O3 を10〜15重量%、及びMoSi2 を
5重量%未満と、Al2 O3 を適量、それぞれ焼結助剤
として添加し、必要に応じて着色剤や熱膨張率調整剤と
してMoSi2 、Mo2 C、WSi2 、WO3 、WC等
を適宜含有させて24時間ボールミルで湿式混合した。
乾燥して造粒し、該造粒体を用いてプレス成形法により
平板状の成形体を作製した。
粉末15重量%の混合粉末に溶媒を加えて調製したペー
ストを使用して、スクリーン印刷法等によりU字状のパ
ターンで、最終的に焼結体の先端より約5mm以内に位
置するように前記成形体表面に発熱部を形成する。
i3 N4 の各微粉末から成るペーストを使用して、前記
発熱部の両端と一部が重なるようにしてリード部の一部
を所定の位置に形成する。
同一組成のペーストでセラミック成形体の他端表面に、
前記同様にして矩形状のパターンを2か所、セラミック
成形体の側面まで平行に所定の配置でそれぞれ形成し
た。
出し部をそれぞれ印刷形成した各成形体に、直径0.2
5mmのW線を前記リード部及び電極取り出し部のパタ
ーンとそれぞれ電気的に接続するように載置し、その上
に別の成形体を重ねた後、Si/SiO2 雰囲気を調整
した炭素(C)を含む還元性の雰囲気下、1700〜1
900℃の温度で1時間以上、加圧焼成して略直方体形
状のセラミック発熱体を得た。
出し部の露出部と接続するように、表1に示す各金属層
組成物をそれぞれスクリーン印刷法で3mm角の正方形
状に被着し、真空炉中で900〜1200℃の温度で金
属層を焼き付けた。
接合面積を種々設定した直径0.6mmのNi製のリー
ド線を溶接したFe−Ni−Co合金及びFe−Ni合
金から成る正方形状の電極取り出し金属板を載置し、真
空炉中、900〜1200℃の温度で接続した。
タを用いて、600℃の温度で1000時間暴露する連
続放置の耐久試験後、及び40℃と450℃の両温度に
暴露する工程を1サイクルとする冷熱サイクルを100
00サイクル実施する耐久試験後のそれぞれの電極取り
出し金属板の接続状態を以下のような方法で評価した。
耐久試験前後の抵抗値を測定し、抵抗変化率の最大値を
求めると共に、冷熱サイクル耐久試験後の電極取り出し
金属板の接続部周辺を浸透探傷試験法と顕微鏡による検
査を行い、クラックの有無を確認した。
方向に金属層を通り切断し、該切断面の金属層を挟ん
で、金属層外縁間の絶縁部材に残留する圧縮応力をX線
応力解析装置により測定した。
外である試料番号1、9、10、15、16、24、2
5、29は、耐久試験前後の抵抗変化率が13.3%以
上と大きく、しかもいずれも耐久試験後には絶縁部材に
クラックが認められ、残留応力も37.8kg/mm2
以上であるのに対して、本発明のセラミックヒータはい
ずれも抵抗変化率が6.0%以下と小さく、絶縁部材に
もクラックは認められず、残留応力も10.2kg/m
m2 以下と抵抗変化率及びクラックの有無の結果と良く
一致しており、電極取り出し金属板の接合面積比が本発
明の範囲内では応力の集中が回避されており、その結
果、電極取り出し金属板の接続強度が大幅に改善されて
いることが確認できた。
例に限定されるものではなく、前記接合パッド及び電極
取り出し金属板の形状は、本発明の主旨を逸脱しないも
のであればいかなる形状でも良く、またセラミック発熱
体の断面形状も用途に応じて種々の変更が可能であり、
また発熱抵抗体を平行に複数配設して多層構造とし、各
発熱抵抗体を直列にあるいは並列に接続した構造とした
ものに適用しても同様の効果を奏するものである。
は、非酸化物系セラミックスを絶縁部材とし、通電によ
り発熱する無機導電材から成る発熱部を具備したセラミ
ック発熱体の電極取り出し部に被着形成した金属層を介
して、電極取り出し金属板の接合面積の比率を前記金属
層から成る接合パッドの表面積に対して所定範囲内とな
るように接続したことから、常温付近から高温まで急速
に昇温することを長時間にわたり反復したり、高温下で
発熱させて飽和状態で長時間、連続稼働したりしても、
リード線を接続した電極取り出し金属板との接合部が長
期的な加熱冷却の反復に耐える強度を有し、かつ耐熱衝
撃性、高温安定性に優れ、昇温特性の良好な耐久性に優
れたセラミックヒータが得られる。
す一実施例を示す斜視図である。
電極取り出し金属板を含む要部断面図である。
断面図である。
す他の例を示す要部断面図である。
側面図である。
Claims (2)
- 【請求項1】通電により発熱する無機導電材から成る発
熱部と非酸化物系セラミック焼結体から成る絶縁部材と
で構成されるセラミック発熱体の電極取り出し部に、リ
ード線を接合した電極取り出し金属板を、活性金属を含
有した貴金属から成る金属層を介して電気的に接続した
セラミックヒータであって、前記金属層に接着する電極
取り出し金属板の接合面積が、該金属層から成る接合パ
ッド部の表面積に対して20〜80%を占めることを特
徴とするセラミックヒータ。 - 【請求項2】前記金属層は、活性金属としてバナジウム
(V)又はチタン(Ti)を含有し、貴金属として金
(Au)を主成分とすることを特徴とする請求項1記載
のセラミックヒータ。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP13893097A JP3588227B2 (ja) | 1997-05-28 | 1997-05-28 | セラミックヒータ |
Applications Claiming Priority (1)
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JP13893097A JP3588227B2 (ja) | 1997-05-28 | 1997-05-28 | セラミックヒータ |
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JPH10335049A true JPH10335049A (ja) | 1998-12-18 |
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Family Applications (1)
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003045618A (ja) * | 2001-07-31 | 2003-02-14 | Kyocera Corp | ウエハ加熱装置 |
KR101201388B1 (ko) | 2004-07-28 | 2012-11-14 | 쿄세라 코포레이션 | 세라믹 히터 및 그것을 사용한 가열용 인두 |
JP2020161325A (ja) * | 2019-03-26 | 2020-10-01 | 京セラ株式会社 | ヒータおよびこれを備えたグロープラグ |
-
1997
- 1997-05-28 JP JP13893097A patent/JP3588227B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003045618A (ja) * | 2001-07-31 | 2003-02-14 | Kyocera Corp | ウエハ加熱装置 |
JP4688363B2 (ja) * | 2001-07-31 | 2011-05-25 | 京セラ株式会社 | ウエハ加熱装置 |
KR101201388B1 (ko) | 2004-07-28 | 2012-11-14 | 쿄세라 코포레이션 | 세라믹 히터 및 그것을 사용한 가열용 인두 |
JP2020161325A (ja) * | 2019-03-26 | 2020-10-01 | 京セラ株式会社 | ヒータおよびこれを備えたグロープラグ |
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