JP2678386B2 - 位置検出装置 - Google Patents
位置検出装置Info
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Description
して好適な位置検出装置に関する。
して好適な位置検出装置において、ピッチλ1の第1の
目盛、ピッチλ2(λ2≠λ1)の第2の目盛及びピッ
チλ1/m(mは2以上の整数)の第3の目盛が平行に形
成されたスケールと、それら第1、第2及び第3の目盛
を夫々読取って位相検出信号を生成する第1、第2及び
第3の検出器を有しそのスケールに対して相対変位自在
に配設された検出ヘッドと、それら3種類の位相検出信
号よりそれら第1の目盛と第2の目盛との位相差、その
第1の目盛の位相量及びその第3の目盛の位相量を検出
する位相検出回路とを設け、その位相差よりその第1の
目盛の絶対位置をピッチλ1単位で求めると共にその第
1の目盛の位相量よりこの第1の目盛のピッチλ1の中
におけるその第3の目盛の絶対位置をピッチλ1/m単位
で求めることにより、そのスケールとその検出ヘッドと
の相対変位量を絶対位置として検出することにより、高
い分解能で長尺の絶対位置検出ができる様にしたもので
ある。
るために、一方の部材に周期的なパターンの目盛が形成
されたスケールを配し、他方の部材にその目盛をセンサ
により読取って周期的な電気信号を生成する検出器を配
し、その電信号をパルス化して積算計数することにより
それら一方の部材と他方の部材との相対変位量を測定で
きるようにした所謂インクリメンタル(incremental)
方式の変位検出装置が使用されている。しかしながら、
この種のインクリメンタル方式の変位検出装置では次の
ような欠点がある。
後に作業を再開するような場合には、その積算計数値が
失われているので別途設けた原点設定器によって座標系
の原点設定作業(イニシャライズ)を行う必要がある。
即ち、作業性に劣る。
度でも誤計数が発生するそれ以後のその積算計数値は全
て誤りとなってしまうため、再びイニシャライズが必要
となる。即ち、耐ノイズ性に劣る。
が制限される。
する二部材の一方の部材に或る原点からの絶対位置を示
す非周期的なパターンの目盛が形成されたスケールを配
し、他方の部材にその目盛を読取るセンサを有する検出
器を配し、それら二部材間を相対変位量をそのスケール
上の原点からの絶対位置として検出するようにした所謂
アブソリュート(absolute)方式の位置検出装置が各種
提案されている。
従来の磁気式のアブソリュート方式の位置検出装置を示
し、この第3図において、(1)は磁性材より成るスケ
ールであり、このスケール(1)にはピッチλ1の磁気
目盛(2)及びピッチλ2(λ2<λ1)の磁気目盛
(3)が平行に形成されている。また、(4A)及び(4
B)は夫々磁気目盛(2)を読取るための一対の磁束応
答型の磁気ヘッド、(5)は1ピッチλ1内の位相θ1
(絶対位置)を検出するための位相検出回路、(6A)及
び(6B)は夫々磁気目盛(3)を読取るための一対の磁
束応答型の磁気ヘッド、(7)は1ピッチλ2内の位相
θ2を検出するための位相検出回路を示す。
に対しては定数A及び励磁周波数f/2を用いて夫々次の
式で表わされる励磁信号IA及びIBが供給される。
を(n+1/4)λ1(nは整数)、それら磁気ヘッド(4
A)及び(4B)とスケール(1)との磁気目盛(2)及
び(3)の左端を原点とした相対変位量(絶対位置)を
xとすると、磁気ヘッド(4A)及び(4B)からは定数A1
を用いて夫々次の式で表わされる位相検出信号KA及びKB
が位相検出回路(5)へ供給される。
出信号KAとKBとを加算して変位信号dを形成し、 d=KA+KB =A1sin(2πft+2πx/λ1) =A1sin(2πft+θ1) ‥‥(5) θ1=2πx/λ1 ‥‥(6) この変位信号dの位相量θ1(0〜2π)を測定す
る。この位相量θ1と変位量xとの関係は第4図Aに示
す如くなり、例えば位相量θ1がπの場合にはその変位
量xがx0,x1,x2,x3‥‥のいずれなのかの判別はできな
いが、磁気目盛(2)の1ピッチλ1の範囲内では位相
量θ1が0〜2πの或る値をとるため、その変位量xを
絶対位置として検出することができる。
如く、変位量xについて周期λ2で0〜2πの値を採る
位相量θ2が測定される。従って、 θ2=2πx/λ2 ‥‥(7) が成立している。
に供給され、この絶対位置検出回路(8)においては先
ず位相差Δθ(=θ2−θ1)が計算される。この位相
差Δθは式(6)及び(7)より次のように表わされ
る。
検出回路(8)は式(9)よりその変位量xを計算して
表示器(9)へ供給する。この場合、 0≦Δθ<2π ‥‥(10) の範囲内であればその変位量xの値は一義的に求められ
るため、その変位量xが絶対位置として正確に測定でき
る最大測定長Lは L=λ1λ2/(λ1−λ2) ‥‥(11) で表わされる。従って、この変位量xと位相差Δθとの
関係は第4図Cに示す如くなる。更に、式(9)におい
ては位相差Δθは一般に2πの1000分の1程度の分解能
で測定できるため、その変位量xの測定分解能Δxは Δx≒L×10-3 ‥‥(12) 程度となる。λ1及びλ2として具体的な数値を代入し
た場合の最大測定長L及び測定分解能Δxの値を表1に
示す。
として第5図に示すようなグレイコードを用いた装置も
知られている。この第10図において、(10)はkビット
のグレイコード(11)が形成された透光性のスケール、
(12)は発光素子、(13)はコリメータレンズ、(14)
はグレイコード(11)に対応する参照窓(15)が形成さ
れたインデックス板、(16)はグレイコード(11)に対
応するk個の受光素子を示し、発光素子(12)〜受光素
子(16)を有する検出器がそのスケール(10)に対して
x方向に変位自在に配されている。そのグレイコード
(11)の分解能をλGとすると、その検出器の受光素子
(16)より出力される電気信号をデコードして得られた
装置にλGを乗ずることにより、そのスケール(10)に
対するその検出器の変位量xが分解能λGの絶対位置と
して求められる。
できる最大測定長Lは L=λG×2k ‥‥(13) となり、例えば分解能λGを1mm、kを10とすると、そ
の最大測定長Lは1024mmとなる。
置検出装置の内で第3図例のものは、最大測定長Lを実
用的な値である1000mm程度に設定すると分解能Δxが式
(12)より1mm程度となり、分解能が極めて悪い不都合
があった。
は、変位量xからスケール(1)のピッチλ1単位の絶
対位置を特定し、最終的にその変位量xの分解能をその
ピッチλ1の例えば10-3程度まで大幅に改善できること
が開示されているが、そのピッチλ1単位での絶対位置
を正確に測定しようとすると最大測定長Lが制限される
不都合がある。
m程度が限界である。この場合、そのスケールとして実
用的な限界である12ビット程度のグレイコードを形成し
たスケールを使用した場合には、最大測定長LはΔx=
0.01mm且つ212=4096より40mm程度となり実用的でない
不都合がある。
のオーダーの実用的な範囲に設定できると共に、分解能
がインクリメンタル方式の変位検出装置並みの例えば1
μmのオーダーであるようなアブソリュート方式の位置
検出装置を提案することを目的とする。
く、ピッチλ1の第1の目盛(18)、ピッチλ2(λ2
≠λ1)の第2の目盛(19)及びピッチλ1/m(mは2
以上の整数)の第3の目盛(20)が平行に形成されたス
ケール(17)と、それら第1、第2及び第3の目盛を夫
々読取って位相検出信号を生成する第1、第2及び第3
の検出器(22)〜(24)を有しそのスケール(17)に対
して相対変位自在に配設された検出ヘッド(21)と、そ
れら3種類の位相検出信号よりそれら第1の目盛(18)
と第2の目盛(19)との位相差(θ2−θ1)、その第
1の目盛(18)の位相量θ1及びその第3の目盛(20)
の位相量θ3を検出する位相検出回路(25)〜(27)と
を設け、その位相差(θ2−θ1)よりその第1の目盛
(18)の絶対位置をピッチλ1単位で求めると共にその
第1の目盛(18)の位相量θ1よりこの第1の目盛(1
8)のピッチλ1の中におけるその第3の目盛(20)の
絶対位置をピッチλ1/m単位で求めることにより、その
スケール(17)とその検出ヘッド(21)との相対変位量
を絶対位置として検出する様にしたものである。
第2の目盛(19)との位相差(θ2−θ1)よりその検
出ヘッド(21)の絶対位置が第1の目盛(18)のピッチ
λ1よりも良好な分解能で求められるので、その検出ヘ
ッド(21)が第1の目盛(18)の何番目のピッチに在る
のかが特定される。続いて、その第1の目盛(18)の位
相量θ1よりその第1の目盛(18)のピッチλ1内にお
ける絶対位置が第3の目盛(20)のピッチλ1/mよりも
良好な分解能で求められるので、その検出ヘッド(21)
がその第1の目盛(18)の或るピッチλ1内で第3の目
盛(20)の何番目のピッチに在るのかが特定される。
1)が第1の目盛(18)のN1番目のピッチ内に在り、更
にその第1の目盛(18)のN1番目のピッチ内において第
3の目盛(20)のN2番目のピッチ内に在ると共に、その
第3の目盛(20)の位相量θ3が変位量Δxに対応する
と仮定すれば、その検出ヘッド(21)のそのスケール
(17)に対する絶対位置x(位置P)は x=(N1−1)λ1+(N2−1)λ1/m+Δx の計算式より算出することができる。
λ1/mの10-3程度の分解能で測定できるのに対して、従
来の分解能はほぼ第1の目盛(18)のピッチλ1のオー
ダーであるため、測定の分解能は略1/(103m)に改善さ
れる。
1図及び第2図を参照して説明しよう。
いて、(17)はスケールであり、このスケール(17)に
ピッチλ1の第1の目盛(18)、ピッチλ2(λ2<λ
1)の第2の目盛(19)及びピッチλ3の第3の目盛
(20)を平行に形成する。それら目盛(18)〜(20)は
磁気目盛、光学格子、電磁誘導方式の導電性パターン等
の何れでもよい。そして、ピッチλ1,λ2,λ3は比較的
大きな値の自然数n及び2以上の自然数mを用いて次の
関係を充足するように定める。
1の目盛及びピッチλ2の目盛を用いると変位量xを絶
対位置として正確に測定できる最大測定長Lはλ1λ2/
(λ1−λ2)であるが(式(11)参照)、本例では式
(15)の関係があるため L=λ1λ2/(λ1−λ2) =nλ1λ2/(nλ1−nλ2) =(n+1)λ2λ2/{(n+1)λ2−nλ2} =(n+1)λ2=nλ1 が成立する。そのため、式(15)において「(=L)」
としたものである。
方向に変位自在に支持されている検出ヘッドを示し、こ
の検出ヘッド(21)には第1の目盛(18)を読取って位
相検出信号を生成する第1の検出器(22)、第2の目盛
(19)を読取って位相検出信号を生成する第2の検出器
(23)及び第3の目盛(20)を読取って位相検出信号を
生成する第3の検出器(20)を設ける。それら検出器
(22)〜(24)は目盛(18)〜(20)が磁気目盛であれ
ば磁気ヘッドより構成し、目盛(18)〜(20)が光学格
子であれば発光素子、受光素子等より構成するなど、そ
れら目盛(18)〜(20)に対応させて構成する。
を第1の位相量検出回路(25)の入力端子及び位相差検
出回路(26)の一方の入力端子に供給し、第2の検出器
(23)より出力される位相検出信号を位相差検出回路
(26)の他方の入力端子に供給し、第3の検出器(24)
より出力される位相検出信号を第2の位相量検出回路
(27)の入力端子に供給する。その検出ヘッド(21)が
そのスケール(17)の第1の目盛(18)、第2の目盛
(19)及び第3の目盛(20)に対して夫々位相量θ1,θ
2及びθ3の位置に在るものと仮定すると(第2図参
照)、第1の位相量検出回路(25)はその位相量θ1を
検出して第1の係数判別回路(28)の一方の入力ポート
及び第2の係数判別回路(29)の一方の入力ポートに供
給し、位相差検出回路(26)は位相差(θ2−θ1)を
検出して第1の係数判別回路(28)の他方の入力ポート
に供給し、第2の位相量検出回路(27)は位相量θ3を
検出して第2の係数判別回路(29)の他方の入力ポート
に供給する。検出器(22)〜(24)が磁束応答型の磁気
ヘッドである場合は、第1及び第2の位相量検出回路
(25),(27)は夫々第3図例の位相検出回路(5)と
同様に構成でき、位相差検出回路(26)は例えば第3図
例の位相検出回路(5),(7)及び減算回路より構成
できる。
て第2図に示す如く位置Pに在り、その検出ヘッド(2
1)がスケール(17)の左端に位置するときの変位量を
0としたときのその位置Pにおける変位量(即ち絶対位
置)をxとする。そして、その変位量xは第2図Aに示
す如く第1の目盛(18)に沿って原点からN1番目のピッ
チ内に存在すると共に、その第1の目盛(18)のN1番目
のピッチ内においてその変位量xは第2図Cに示す如く
第3の目盛(20)に沿ってN2番目のピッチ内に存在する
ものとする。また、その第3の目盛(20)のN2番目のピ
ッチλ3内におけるその変位量xの絶対位置をΔxとし
て、第1の目盛(18)の(N1−1)ピッチ分の長さを
l1、第3の目盛(20)の(N2−1)ピッチ分の長さをl2
とすると、第2図より絶対位置xは x=l1+l2+Δx =(N1−1)λ1+(N2−1)λ3+Δx ‥‥(16) で表わすことができる。式(16)において、Δxは位相
量θ3と θ3=2πΔx/λ3 ‥‥(17) の関係があるため、その位相量θ3より容易に算出する
ことができる。
々第1図の第1の係数判別回路(28)及び第2の係数判
別回路(29)において計算される。先ず、係数判別回路
(28)は位相差(θ2−θ1)に対応する変位量y1を式
(9)に対応する次式より算出する。
して誤差Δy1の範囲内にあり、第1の係数判別回路(2
8)は第1の目盛(18)の1ピッチλ1単位の整数N1−
1を次式より求める。
整数部を示す。しかしながら、検出ヘッド(21)がスケ
ール(17)に対して相対的に第2図Dの位置Qに在るよ
うな場合には、式(19)では誤差Δy1のために±1の誤
差が生じ得る。これを避けるためには、Δy1がΔy1≦λ
1/2を充足するようにして、第2図Aに示す如く第1の
目盛(18)の1ピッチλ1を前部R2(0≦θ1<2π/
3)、後部R1(4π/3<θ1<2π)及びその中間部R3
(2π/3≦θ1≦4π/3)に分ける。そして、第1の目
盛(18)の位相量θ1が中間部R3に在るときには式(1
9)をそのまま採用し、その位相量θ1が後部R1に在る
ときに変位量y1が前部R2に在るときには式(19)で求め
た値から1を減算したものを真のN1−1と判定して、そ
の位相量θ1が前部R2に在るときに変位量y1が後部R1に
在るときには式(19)で求めた値に1を加算したものを
真のN1−1と判定する如くなす。この場合、位置差(θ
2−θ1)の10-3の分解能で変位量y1を測定できると仮
定すると、L=λ1λ2/(λ1−λ2)を用いて Δy1≒L×10-3≦λ1/2 ‥‥(20) を満足するようにλ1,λ2を定めればよい。
(18)の位相量θ1より第2図Aに示す1ピッチλ1内
の変位量y2を付式より算出する。
に入り、第2の係数判別回路(29)は第3の目盛(20)
のその第1の目盛(18)の1ピッチλ1内における1ピ
ッチλ3単位の整数N2−1を次式より求める。
の誤差が生じ得るため、位相量θ1の10-3の分解能で変
位量y2を測定できると仮定すると、λ1=mλ3より Δy2≒mλ3×10-3≦λ3/2 ‥‥(23) を充足するようにmの値を定める。そして、式(19)の
場合と同様に補正を行う如くなす。
は式(19)に従って算出した整数N1−1を演算回路(3
0)の第1の入力ポートに供給し、第2の係数判別回路
(29)は式(22)に従って算出した整数N2−1を演算回
路(30)の第2の入力ポートに供給し、第2の位相量検
出回路(27)は位相量θ3を演算回路(30)の第3の入
力ポートに供給する。そして、その演算回路(30)は式
(17)より第3の目盛(20)の1ピッチλ3内の絶対位
置Δxを算出した後に、式(16)に基いて総合的な変位
量である絶対位置xを算出して表示器(31)に供給す
る。
ッド(21)との変位量を最大測定長Lの範囲内で絶対位
置xとして測定することができる。また、第3の目盛
(20)の位相量θ3も10-3程度の分解能で測定すると、
その絶対位置xの分解能はλ3×10-3程度となる。
第3の目盛(20)の夫々の目盛のピッチλ1,λ2,λ
3(=λ1/m)を λ1=10.00mm λ2=9.95mm λ3=0.20mm(即ち、m=50) に設定すると、最大測定長Lは L=λ1λ2/(λ1−λ2)=1990(mm) となる。このとき、式(15)におけるn(=L/λ1)は
199となるので、第1の目盛(18)及び第2の目盛(1
9)より得られた位相差(θ2−θ1)を少なくとも199
分割すればよい。但し、式(19)における±1の誤差を
正確に除去するには、その位相差(θ2−θ1)を2×
199分割以上する必要がある。
の位相量θ1を少なくとも50分割して第3の目盛(20)
の1ピッチλ3単位の整数N2−1を算出すればよい。但
し、より正確な測定を行うにはその位相量θ1を100分
割以上する必要がある。最後に、第3の目盛(20)の1
ピッチλ3(0.2mm)を例えば200分割することによって
その1ピッチλ3の絶対位置Δxを1μmの分解能で測
定することができる。
分解能1μmで絶対位置検出することができる。
出装置において、最大測定長を実用的な範囲に設定でき
ると共に、分解能をインクリメンタル方式の変位検出装
置並みに設定できる利益がある。
(20)と平行して更に第3の目盛(20)のピッチλ3の
整数分の1のピッチを有する第4の目盛をスケール(1
7)に形成し、検出ヘッド(21)にはその第4の目盛を
読取る検出器を配することにより、更に最大測定長の範
囲を拡張し、分解能を細分化することが可能である。同
様に、第5の目盛、第6の目盛を追加していくことも可
能である。
リーエンコーダにも当然に適用することができる。ロー
タリーエンコーダの場合には、円盤上に複数の目盛を同
芯円状に形成する如くなす。
の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採り得ることは
勿論である。
的な範囲に設定できると共に、分解能がインクリメンタ
ル方式の変位検出装置並みに改善されたアブソリュート
方式の位置検出装置を実現できる利益がある。
例の動作の説明に供する線図、第3図は従来のアブソリ
ュート型の位置検出装置の一例を示す構成図、第4図は
第3図例の動作の説明に供する線図、第5図は従来のア
ブソリュート型の位置検出装置の他の例を示す斜視図で
ある。 (17)はスケール、(18)は第1の目盛、(19)は第2
の目盛、(20)は第3の目盛、(21)は検出ヘッド、
(22)は第1の検出器、(23)は第2の検出器、(24)
は第3の検出器、(25)は第1の位相量検出回路、(2
6)は位相差検出回路、(27)は第2の位相量検出回
路、(28)は第1の係数判別回路、(29)は第2の係数
判別回路、(30)は演算回路である。
Claims (1)
- 【請求項1】ピッチλ1の第1の目盛、ピッチλ2(λ
2≠λ1)の第2の目盛及びピッチλ1/m(mは2以上
の整数)の第3の目盛が平行に形成されたスケールと、 上記第1、第2及び第3の目盛を夫々読取って位相検出
信号を生成する第1、第2及び第3の検出器を有し上記
スケールに対して相対変位自在に配設された検出ヘッド
と、 上記3種類の位相検出信号より上記第1の目盛と第2の
目盛との位相差、上記第1の目盛の位相量及び上記第3
の目盛の位相量を検出する位相検出回路とを設け、 上記位相差より上記第1の目盛の絶対位置をピッチλ1
単位で求めると共に上記第1の目盛の位相量より該第1
の目盛のピッチλ1の中における上記第3の目盛の絶対
位置をピッチλ1/m単位で求めることにより、上記スケ
ールと上記検出ヘッドとの相対変位量を絶対位置として
検出する様にしたことを特徴とする位置検出装置。
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Legal Events
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