JP3893872B2 - 偏光変換素子およびプロジェクタ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源から射出された光束を2種類の偏光光に分離した後、偏光方向の揃った1種類の偏光光に変換する偏光変換素子、およびこの偏光変換素子を含んで構成される照明光学系を備えたプロジェクタに関する。
【0002】
【背景技術】
従来より、光源と、この光源から射出された光束を画像情報に応じて変調する液晶パネル等の電気光学装置と、この電気光学装置で変調された光束を拡大投写する投写光学系とを備えたプロジェクタが利用されている。
このようなプロジェクタには、光源から電気光学装置に至る光路上に光束分割光学素子および偏光変換素子等を含む照明光学系が採用され、これにより光源光を無駄なく利用し、かつ明るさや色ムラのない投写画像を形成できるような工夫が施されている。
【0003】
ここで用いられる偏光変換素子は、偏光方向がランダムな入射光束を2種類の偏光光に分離し、どちらか一方の偏光光の偏光方向を回転させることにより、偏光方向が揃った光束を射出する光学素子である。その具体的な構造を図6の(A),(B)に示す。
【0004】
図6において、偏光変換素子90は、光入射側に配置された図示しないレンズアレイ(光束分割光学素子)で形成される複数の光源像に対応した複数の偏光変換部91を備えている。
この偏光変換部91は、偏光方向の異なる2種類の偏光光S、Pのうち、一方(図6では偏光光P)を透過し、他方(図6では偏光光S)を反射する偏光分離膜92と、分離された他方の偏光光Sを反射する反射膜93と、透過した偏光光Pを回転させる位相差板94と、反射膜93に対応した位置へ偏光光S,Pが入射するのを防ぐ遮光板95とを含んで構成される。
【0005】
このような偏光変換素子90を採用することにより、光源から射出される光束の偏光光S、Pを一方向の偏光光Sのみに揃えることができるため、液晶パネルへの光路中に配置された偏光板で遮られる偏光光を少なくして、光源光の利用効率を向上させることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、偏光変換素子90では、一対の断面平行四辺形または三角形のガラス体96,97(図6(B)でのハッチングを省略)を貼り合わせて一つの偏光変換部91を構成するうえ、各偏光変換部91を複数段積層した構造になっているため、ガラス体96,97間相互の位置決めに手間がかかるなど、容易に製作することができないという問題がある。
さらに、各偏光変換部91を複数段積層した構造では、偏光変換部91毎に遮光板95を設ける必要があるため、この遮光板95が偏光変換素子90の小型化を阻害するという問題がある。
【0007】
本発明の目的は、容易に製作でき、かつ確実に小型化できる偏光変換素子、およびこの偏光変換素子を用いたプロジェクタを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の偏光変換素子は、略錐体状の中央部と、この中央部の錐面を囲うように設けられた外形略錐台状の外周部とからなる素子本体を備え、この外周部および中央部はそれぞれの錐面の拡がり方向が同じとされているとともに、外周部は、中央部の頂点側に設けられた光の入射面と、当該中央部の光出射側の中央出射面周囲に位置して環状に連続して設けられ、かつ当該中央出射面と同じ方向に面した外側出射面とを備え、中央部は、外周部の錐体状の凹状部分に嵌め込まれており、中央部および外周部との境界には偏光分離部が形成され、中央部の中央出射面には当該中央出射面の全域にわたって位相差部が直に形成され、外周部の錐面には当該錐面の全域にわたって反射部が直に形成されていることを特徴とする。
【0009】
このような構成では、その製作にあたって、例えば、それぞれ別体とされた中央部と外周部とを組み合わせるが、この際には、外周部の凹状部分に中央部を嵌め込むだけでよいから、互いの位置決めが容易に行え、作業性が向上する。
また、素子本体(外周部)の光入射側の面状部の全域に偏光光を入射させることが可能になるので、従来の遮光板が不要になり、小型化が促進される。
以上により、本発明の目的が達成される。
【0010】
本発明の偏光変換素子では、前記素子本体が面内方向に複数配置されていてもよい。
このような構成では、光源から射出された光束をレンズアレイ等の光束分割光学素子を用いて複数の部分光束に分割し、これらの部分光束を各素子本体に入射させることにより、電気光学装置などの画像形成領域等の照明領域に対し、輝度分布の揃った照明光束が照射される。
【0011】
本発明の偏光変換素子では、前記中央部の頂点部は、素子本体の光入射側の面状部表面よりも光出射側の内部にずれて位置していることが望ましい。
このような構成では、素子本体の入射側の面状部での反射が防止されるから、当該面状部に照射された光源光が漏れなく素子本体内に入射し、光源光の利用効率が向上する。
【0012】
本発明の偏光変換素子では、前記素子本体は円錐台状であり、前記中央部は円錐状であってもよい。
光源から出射される光源光は通常、照射形状が円形であるから、素子本体を円錐台にして光入射側の面状部を円形にすれば、この面状部に対して光源光が無駄なく入射するようになり、特に、一つの素子本体で偏光変換素子を構成する場合での光源光の利用効率が向上する。
また、一つの素子本体で偏光変換素子を構成した場合には、従来の光束分割光学素子が不要になるので、この偏光変換素子を含む照明光学系全体の小型化が促進されるうえ、コストも削減される。
【0013】
これに対し、本発明の偏光変換素子では、前記素子本体は角錐台状であり、前記中央部は角錐状であってもよい。
このような構成では、素子本体の光出射側の面状部は多角形面となるから、素子本体の面状部の辺同士を近接させることで、複数の素子本体が隙間なく効率よく配置されるようになり、それら複数の素子本体で偏光変換素子を構成する場合での配置効率、ひいては光源光の利用効率が向上する。
【0014】
一方、本発明のプロジェクタは、前述したいずれかの偏光変換素子と、この偏光変換素子の光入射側に配置された光源装置とを含んで構成された照明光学系を備えていることを特徴とする。
このようなプロジェクタでも、前記偏光変換素子を有することにより、前述した作用効果が同様に得られるから、本発明の目的が達成される。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本実施形態に係るフロントタイプのプロジェクタに用いられる光学ユニット4を示す平面図である。
【0016】
〔1.光学ユニットの全体説明〕
光学ユニット4は、光源から出射された光束を、光学的に処理して画像情報に対応した光学像を形成するユニットであり、インテグレータ照明光学系41、色分離光学系42、リレー光学系43、電気光学装置44、クロスダイクロイックプリズム45、および投写レンズ46を備えている。
【0017】
インテグレータ照明光学系41は、電気光学装置44を構成する3枚の液晶パネル441(色光毎に液晶パネル441R,441G,441Bと示す)の画像形成領域に光束を供給するための光学系であり、光源装置413と、UVフィルタ414と、平行化レンズ415と、偏光変換素子416と、凸レンズ417とを備えている。
【0018】
このうちの光源装置413は、放射状の光線を出射する放射光源としての光源ランプ411と、この光源ランプ411から出射された放射光を反射するリフレクタ412とを有する。光源ランプ411としては、ハロゲンランプやメタルハライドランプ、または高圧水銀ランプが用いられることが多い。リフレクタ412としては、楕円面鏡を用いることが好ましい。
【0019】
偏光変換素子416は、UVフィルタ414を通して照射される光源装置413の光源光を1種類の偏光光に変換するものであり、これにより、電気光学装置44での光の利用効率が高められている。偏光変換素子416によって1種類に変換された偏光光は、凸レンズ417および色分離光学系42を通って集光レンズ418に集光し、最終的に電気光学装置44の液晶パネル441R,441G,441B上にほぼ重畳される。
【0020】
偏光光を変調するタイプの液晶パネル441を用いた本実施形態のプロジェクタ1(電気光学装置44)では、1種類の偏光光しか利用できないため、他種類のランダムな偏光光を発する光源ランプ411からの光のほぼ半分が利用されない。そこで、偏光変換素子416を用いることにより、光源ランプ411からの出射光を全て1種類の偏光光に変換し、電気光学装置44での光の利用効率を高めている。
なお、偏光変換素子416の具体的な構造については後述する。
【0021】
色分離光学系42は、2枚のダイクロイックミラー421,422と、反射ミラー423とを備え、ダイクロイックミラー421、422によりインテグレータ照明光学系41から射出された偏光光を赤、緑、青の3色の色光に分離する機能を有している。
【0022】
リレー光学系43は、入射側レンズ431、リレーレンズ433、および反射ミラー432、434を備え、色分離光学系42で分離された色光、例えば青色光を液晶パネル441Bまで導く機能を有している。
【0023】
電気光学装置44は、3枚の光変調装置となる液晶パネル441R,441G,441Bを備え、これらは、例えば、ポリシリコンTFTをスイッチング素子として用いたものであり、色分離光学系42で分離された各色光は、これら3枚の液晶パネル441R,441G,441Bによって、画像情報に応じて変調されて光学像を形成する。
【0024】
クロスダイクロイックプリズム45は、3枚の液晶パネル441R,441G,441Bから射出された各色光ごとに変調された画像を合成してカラー画像を形成するものである。
なお、プリズム45には、赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが、4つの直角プリズムの界面に沿って略X字状に形成され、これらの誘電体多層膜によって3つの色光が合成される。そして、プリズム45で合成されたカラー画像は、投写レンズ46から射出され、スクリーン上に拡大投写される。
【0025】
〔2.偏光変換素子の説明〕
以下には、図2,3をも参照し、本実施形態での最も特徴的な偏光変換素子416について詳説する。
偏光変換素子416は円錐台状の素子本体10を備え、素子本体10は円錐状の中央部11と、この中央部11の錐面12を囲むように設けられた外周部13とを含んで構成されている。これらの中央部11および外周部13は共にガラス製である。素子本体10(外周部13)の錐面14と中央部11の錐面12とは同じ拡がり方向、すなわち光出射側に向かうに従って拡がるように形成されている。
なお、図3の断面図では、図面の見易さを考慮して、中央部11および外周部13のガラス部分(充実部分)のハッチングを省略してある。
【0026】
中央部11の錐面12と外周部13に設けられた凹状部分の内面15との間には、偏光光P,Sのうちの偏光光Sを反射し、偏光光Pのみを透過する偏光分離部としての偏光分離膜16が形成されている。中央部11の光出射側の面状部である中央出射面17には、偏光光Pを偏光光Sに変換する位相差部としての(1/2λ)位相差板18が設けられている。
【0027】
一方、素子本体10の錐面14には反射部としての反射膜19が形成されている。この反射膜19は、偏光分離膜16で反射した偏光光Sをさらに反射させて外周部13の円環状の外側出射面20から出射させるものである。ただし、このような反射膜19の外表面は逆に、偏光光P,Sの反射が抑えられるような黒色等の色合いを有していることが好ましい。
【0028】
また、中央部11の偏光分離膜16を含む頂点部21は、素子本体10の光入射側の面状部である入射面22表面よりも光出射側の内部に位置している。偏光分離膜16分の厚みを含めた中央部11の中央出射面17の径寸法R1は、素子本体10の入射面22の径寸法R2よりも若干大きく設定されており、入射した偏光光P,Sが外側出射面20からそのまま出射するのを防いで偏光分離膜16に確実に照射されるようになっている。
【0029】
このような構成では、先ず、中央部11と外周部13とを予め別体に製作しておき、中央部11の錐面12または外周部13の内面15に偏光分離膜16を形成し、中央部11の中央出射面17に位相差板18を取り付け、外周部13(素子本体10)の錐面14に反射膜19を形成し、この後に中央部11を外周部13の円錐形の凹状部分に嵌め込んで偏光変換素子416を完成させる。
なお、位相差板18や反射膜19を、中央部11と外周部13とを組み合わせた後に設けてもよい。
【0030】
〔3.実施形態の効果〕
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
(1)偏光変換素子416を製作するにあたっては、それぞれ別体とされた中央部11と外周部13とを組み合わせるが、この際には、外周部13に設けられた凹状部分に中央部11を嵌め込むだけでよく、手間のかかる互いの位置決め作業をなくすことができ、製作を容易に行える。
【0031】
(2)また、中央部11と外周部13とは一対用意すればよいから、互いを嵌め込む手間も一回ですみ、偏光変換部91(図6)を複数段積層する従来に比し、製作時の作業性を格段に向上させることができる。
【0032】
(3)偏光変換素子416では、その構造上から反射膜19の外表面が従来の遮光板としても機能するため、従来の遮光板95(図6)を別途設ける必要がなく、偏光変換素子416をコンパクトにできる。
【0033】
(4)偏光変換素子416は、一つの素子本体10を備えていることで入射面22も一つであるから、従来のようなレンズアレイ等の厚手で高価な光束分割光学素子を設ける代わりに、集光する光源光を平衡化するための平行化レンズ415を設けるだけでよい。従って、偏光変換素子416を含むインテグレータ照明光学系41全体を小型化できるとともに、コストを大幅に削減できる。
【0034】
(5)偏光変換素子416では、中央部11の頂点部21が入射面22表面よりも光出射側の内部に位置しているので、入射面22を完全に平面化でき、この入射面22に照射される光源光を反射させることなく内部に入射させることができ、光源光の利用効率を向上させることができる。
【0035】
(6)さらに、円錐台状の素子本体10等によって入射面22も円形となるから、もともと照射形状が円形である光源光を無駄なく入射させることができ、この点からも、光源光の利用効率を向上させることができる。
【0036】
〔4.変形例〕
図4、5には本発明の変形例としての偏光変換素子516が示されている。ここで、前記実施形態と同じ機能部材には同一符号を付し、それらの詳細な説明を省略または簡略化する。
偏光変換素子516は、同一平面上に配置された複数の素子本体10を含んで構成され、これらの素子本体10は、図4中に2点鎖線で示すような外形六角形状の取付部材30に取り付けられている。
【0037】
素子本体10は六角錐台状であり、中央部11は六角錐状とされている。この素子本体10の一つの大きさは前記実施形態に比較すると非常に小さいが、素子本体10を複数配置することで形成される偏光変換素子516全体の大きさは、前記実施形態の偏光変換素子416とほぼ同じになっている。
その他、素子本体10の断面形状や素子本体10の製作手順などは、前記実施形態と同じである。
【0038】
また、このような偏光変換素子516では、外側出射面20の一辺同士を互いに近接させることにより、これらの素子本体10を隙間なく配置している。ただし、光入射側では各素子本体10の入射面22間が離間するので、入射面22に光源光を効率よく入射させるために、個々のレンズ形状が六角形をしたレンズアレイ等の光束分割光学素子が用いられる。
【0039】
このような変形例では、前記実施形態と同様な構成により、前述の(1)、(3)、(5)の効果を同様に得ることができ、また、その特有な構成により、以下の効果がある。
(7)光束分割光学素子からの分割光束の輝度を等しくすることにより、各素子本体10から出射される偏光光の輝度も均等にできるから、電気光学装置44の画像形成領域等の照明領域に対し、輝度分布の揃った照明光束を照射でき、ムラのない投写画像を実現できる。
【0040】
(8)外側出射面20は六角形となるから、この外側出射面20の辺同士を近接させることで、それぞれの素子本体10を隙間なく効率よく配置でき、例えば、円錐台状の素子本体を用いる場合よりも、取付部材30内での素子本体10の配置効率、ひいては光源光の利用効率を向上させることができる。
また、素子本体10間に隙間が生じないことで、このような隙間を遮蔽する遮蔽部材も不要である。
【0041】
その他、変形例としては、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような形態も本発明に含まれる。
例えば、前述の偏光変換素子416,516では、中央部11の中央出射面17と外周部13の外側出射面20とは面一(図3)であったが、中央部11の中央出射面17を位相差板18の厚さ分だけへこませてもよい。このような場合には、中央部11と外周部13とを組み合わせた後に当該へこみ部分が形成されるが、このへこみ部分を利用することで位相差板18の位置決めを容易にでき、その取付作業を迅速に行える。
【0042】
前記実施形態のように、一つの素子本体10で偏光変換素子416を構成する場合などには、中央部11の中央出射面17と外周部13の外側出射面20とを平面状(フラット)に形成するのではなく、連続した球面状(凸レンズ状)に形成してもよい。このような場合には、出射する偏光光が集光するので、実施形態で用いた凸レンズ417を不要にでき、より小型化およびコスト削減を促進できる。
【0043】
さらに、前記実施形態の偏光分離膜16は、偏光光Sが反射し、偏光光Pが透過したが、偏光光Pが反射し、偏光光Sが透過する偏光分離膜を用いてもよく、偏光光Pを偏光光Sに回転させる位相差板18の代わりに、偏光光Sを偏光光Pに回転させる位相差板を用いてもよい。
【0044】
また、本発明に係る素子本体の形状は円錐台や六角錐台に限定されるものではなく、その他の多角錐台状であってよい。そして、その内部に配置される中央部の形状も、素子本体の形状に応じて適宜変更してよい。
さらに、本発明に係る偏光分離部、位相差部、および反射部は、フィルム状や板状の部材で形成されてもよく、塗布された材料によって形成されてもよい。
【0045】
さらに、前記実施形態では、3つの光変調装置を用いたプロジェクタの例のみを挙げたが、本発明は、1つの光変調装置のみを用いたプロジェクタ、2つの光変調装置を用いたプロジェクタ、あるいは、4つ以上の光変調装置を用いたプロジェクタにも適用可能である。
【0046】
また、前記実施形態では、光変調装置として液晶パネルを用いていたが、マイクロミラーを用いたデバイスなど、液晶以外の光変調装置を用いてもよい。
さらに、前記実施形態では、光入射面と光出射面とが異なる透過型の光変調装置を用いていたが、光入射面と光出射面とが同一となる反射型の光変調装置を用いてもよい。
【0047】
さらにまた、前記実施形態では、スクリーンを観察する方向から投写を行なうフロントタイプのプロジェクタの例のみを挙げたが、本発明は、スクリーンを観察する方向とは反対側から投写を行なうリアタイプのプロジェクタにも適用可能である。
【0048】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、偏光変換素子を容易に製作でき、かつ確実に小型化できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す平面図である。
【図2】前記実施形態の偏光変換素子を拡大して示す全体斜視図である。
【図3】前記偏光変換素子の断面図である。
【図4】本発明の変形例に係る偏光変換素子を光出射側から見た図である。
【図5】前記変形例の構成部品を拡大して示す全体斜視図である。
【図6】従来技術を示す斜視図(A)および断面図(B)である。
【符号の説明】
1 プロジェクタ
10 素子本体
11 中央部
12,14 錐面
13 外周部
16 偏光分離部である偏光分離膜
17 中央出射面
18 位相差部である(1/2λ)位相差板
19 反射部である反射膜
21 頂点部
22 入射面
41 インテグレータ照明光学系
416,516 偏光変換素子
Claims (3)
- 略錐体状の中央部と、この中央部の錐面を囲うように設けられた外形略錐台状の外周部とからなる素子本体を備え、
この外周部および中央部はそれぞれの錐面の拡がり方向が同じとされているとともに、 外周部は、中央部の頂点側に設けられた光の入射面と、当該中央部の光出射側の中央出射面周囲に位置して環状に連続して設けられ、かつ当該中央出射面と同じ方向に面した外側出射面とを備え、
中央部は、外周部に設けられた錐体状の凹状部分に嵌め込まれており、
中央部および外周部との境界には偏光分離部が形成され、
中央部の中央出射面上には当該中央出射面の全域にわたって位相差部が直に形成され、 外周部の錐面には当該錐面の全域にわたって反射部が直に形成されている
ことを特徴とする偏光変換素子。 - 請求項1に記載の偏光変換素子において、前記素子本体が面内方向に複数配置されていることを特徴とする偏光変換素子。
- 請求項1または請求項2に記載の偏光変換素子と、この偏光変換素子の光入射側に配置された光源装置とを含んで構成される照明光学系を備えていることを特徴とするプロジェクタ。
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