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技術 ロボットを用いた重量測定システム及び重量測定方法

出願人 ファナック株式会社
発明者 蛯原建三大木武
出願日 2016年1月13日 (4年2ヶ月経過) 出願番号 2016-004385
公開日 2017年7月20日 (2年8ヶ月経過) 公開番号 2017-124461
状態 特許登録済
技術分野 マニプレータ
主要キーワード 重量オーバー 負荷重量 ワーク重量 可搬重量 定位置姿勢 比例計 空タンク 重量計
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年7月20日)のものです。
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図面 (13)

課題

ロボットを用いて、該ロボットの可搬重量を超える重量も測定可能重量測定ステム及び重量測定方法の提供。

解決手段

重量測定システム10は、ロボット16と、ロボット16の動作を制御するロボット制御装置18と、被測定物重量計算等を行う演算処理装置20とを有する。ロボット16は、タンク14が、少なくとも1つの支持点又は支持面の一部が浮上すると同時に、浮上した支持点又は支持面の一部以外の部分は接地した姿勢となるように、タンク14に連結された作用点に力を加える。ロボット16が作用点に加えている力と梃子比との関係から、加工液12を含むタンク14の重量を測定することができる。

概要

背景

多関節ロボット等のロボットでは、その各関節に減速機を介してモータが搭載されており、モータの負荷から、ロボットのハンドで持ち上げた物体の重量を推定(測定)することができる。これに関する従来技術として、例えば特許文献1には、サーボモータで駆動されるロボットや工作機械等の制御対象に、付加的に取り付けられるハンドやツール等についての負荷重量を、質量や重心位置を表わすパラメータを外部から入力することなく推定することを企図した負荷重量推定方法が記載されている。

また特許文献2には、ワーク重量を想定せずにモータに向けて送られたトルク指令と、把持されたワークの重量に応答して現実に生じているトルクとの差異に着目して、ワークの重量を推定することを企図した負荷推定装置及び負荷推定方法が記載されている。

概要

ロボットを用いて、該ロボットの可搬重量を超える重量も測定可能重量測定ステム及び重量測定方法の提供。重量測定システム10は、ロボット16と、ロボット16の動作を制御するロボット制御装置18と、被測定物重量計算等を行う演算処理装置20とを有する。ロボット16は、タンク14が、少なくとも1つの支持点又は支持面の一部が浮上すると同時に、浮上した支持点又は支持面の一部以外の部分は接地した姿勢となるように、タンク14に連結された作用点に力を加える。ロボット16が作用点に加えている力と梃子比との関係から、加工液12を含むタンク14の重量を測定することができる。

目的

本発明は、ロボットを用いて、該ロボットの可搬重量を超える重量も測定可能な重量測定システム及び重量測定方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

複数の支持点又は1つ以上の支持面接地することで自重支えている被測定物の重量を、ロボットを用いて測定する重量測定ステムであって、前記ロボットは、前記被測定物が、前記支持点の少なくとも1つ又は前記支持面の一部が浮上すると同時に、前記少なくとも1つの支持点以外の残りの支持点又は浮上した前記支持面の一部以外の部分は接地した姿勢となるように、前記被測定物に連結された作用点に力を加えるように構成されており、前記重量測定システムは、前記ロボットに搭載されたモータ負荷に基づいて前記作用点に加わる力の大きさを算出し、前記力の大きさ、及び、前記作用点と、前記少なくとも1つの支持点以外の残りの支持点又は浮上した前記支持面の一部以外の部分と、前記被測定物の重心との位置関係から、前記被測定物の重量を算出する演算処理装置を有する、重量測定システム。

請求項2

前記作用点の位置を検出する手段と、前記作用点の位置に基づいて前記支持点の少なくとも1つ又は前記支持面の一部の浮上を検知する手段とを有する、請求項1記載の重量測定システム。

請求項3

前記モータの負荷が、該モータの上限負荷以下の予め定めた閾値を下回った場合、又は上回った場合に、外部にアラーム又は信号を出力する手段を有する、請求項1又は2に記載の重量測定システム。

請求項4

前記支持点又は支持面と作用点との相対位置が同じである場合は、前記演算処理装置は、前記モータの負荷から比例計算によって前記被測定物の重量を計算する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の重量測定システム。

請求項5

前記被測定物は液体の入ったタンクであり、前記演算処理装置は、予め測定された空のタンクの重量を前記被測定物の重量から減算することにより、前記液体の重量を算出する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の重量測定システム。

請求項6

複数の支持点又は1つ以上の支持面が接地することで自重を支えている被測定物の重量を、ロボットを用いて測定する重量測定方法であって、前記被測定物が、前記支持点の少なくとも1つ又は前記支持面の一部が浮上すると同時に、前記少なくとも1つの支持点以外の残りの支持点又は浮上した前記支持面の一部以外の部分は接地した姿勢となるように、前記ロボットを用いて、前記被測定物に連結された作用点に力を加える工程と、前記ロボットに搭載されたモータの負荷に基づいて前記作用点に加わる力の大きさを算出する工程と、前記力の大きさ、及び、前記作用点と、前記少なくとも1つの支持点以外の残りの支持点又は浮上した前記支持面の一部以外の部分と、前記被測定物の重心との位置関係から、前記被測定物の重量を算出する工程と、を含む、重量測定方法。

技術分野

0001

本発明は、ロボットを用いて物品の重量を測定する重量測定ステム及び重量測定方法に関する。

背景技術

0002

多関節ロボット等のロボットでは、その各関節に減速機を介してモータが搭載されており、モータの負荷から、ロボットのハンドで持ち上げた物体の重量を推定(測定)することができる。これに関する従来技術として、例えば特許文献1には、サーボモータで駆動されるロボットや工作機械等の制御対象に、付加的に取り付けられるハンドやツール等についての負荷重量を、質量や重心位置を表わすパラメータを外部から入力することなく推定することを企図した負荷重量推定方法が記載されている。

0003

また特許文献2には、ワーク重量を想定せずにモータに向けて送られたトルク指令と、把持されたワークの重量に応答して現実に生じているトルクとの差異に着目して、ワークの重量を推定することを企図した負荷推定装置及び負荷推定方法が記載されている。

先行技術

0004

特開平08—190433号公報
特開2011—235374号公報

発明が解決しようとする課題

0005

通常、ロボットの可搬重量は、その減速機やモータの仕様等に基づいて予め定められており、ロボットで持ち上げた物体の重量を測定する場合、該可搬重量が、測定可能な物体の重量の上限となる。従って測定対象物品の重量が該可搬重量を超える場合は、可搬重量がより大きい他のロボットを使用する必要があった。上述の特許文献1及び2はいずれも、ロボットの可搬重量を超える重量を測定可能とする手段や方法についての言及はない。

0006

そこで本発明は、ロボットを用いて、該ロボットの可搬重量を超える重量も測定可能な重量測定システム及び重量測定方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

上記目的を達成するために、本願第1の発明は、複数の支持点又は1つ以上の支持面接地することで自重支えている被測定物の重量を、ロボットを用いて測定する重量測定システムであって、前記ロボットは、前記被測定物が、前記支持点の少なくとも1つ又は前記支持面の一部が浮上すると同時に、前記少なくとも1つの支持点以外の残りの支持点又は浮上した前記支持面の一部以外の部分は接地した姿勢となるように、前記被測定物に連結された作用点に力を加えるように構成されており、前記重量測定システムは、前記ロボットに搭載されたモータの負荷に基づいて前記作用点に加わる力の大きさを算出し、前記力の大きさ、及び、前記作用点と、前記少なくとも1つの支持点以外の残りの支持点又は浮上した前記支持面の一部以外の部分と、前記被測定物の重心との位置関係から、前記被測定物の重量を算出する演算処理装置を有する、重量測定システムを提供する。

0008

第2の発明は、第1の発明において、前記作用点の位置を検出する手段と、前記作用点の位置に基づいて前記支持点の少なくとも1つ又は前記支持面の一部の浮上を検知する手段とを有する、重量測定システムを提供する。

0009

第3の発明は、第1又は第2の発明において、前記モータの負荷が、該モータの上限負荷以下の予め定めた閾値を下回った場合、又は上回った場合に、外部にアラーム又は信号を出力する手段を有する、重量測定システムを提供する。

0010

第4の発明は、第1〜第3のいずれか1つの発明において、前記支持点又は支持面と作用点との相対位置が同じである場合は、前記演算処理装置は、前記モータの負荷から比例計算によって前記被測定物の重量を計算する、重量測定システムを提供する。

0011

第5の発明は、第1〜第4のいずれか1つの発明において、前記被測定物は液体の入ったタンクであり、前記演算処理装置は、予め測定された空のタンクの重量を前記被測定物の重量から減算することにより、前記液体の重量を算出する、重量測定システムを提供する。

0012

第6の発明は、複数の支持点又は1つ以上の支持面が接地することで自重を支えている被測定物の重量を、ロボットを用いて測定する重量測定方法であって、前記被測定物が、前記支持点の少なくとも1つ又は前記支持面の一部が浮上すると同時に、前記少なくとも1つの支持点以外の残りの支持点又は浮上した前記支持面の一部以外の部分は接地した姿勢となるように、前記ロボットを用いて、前記被測定物に連結された作用点に力を加える工程と、前記ロボットに搭載されたモータの負荷に基づいて前記作用点に加わる力の大きさを算出する工程と、前記力の大きさ、及び、前記作用点と、前記少なくとも1つの支持点以外の残りの支持点又は浮上した前記支持面の一部以外の部分と、前記被測定物の重心との位置関係から、前記被測定物の重量を算出する工程と、を含む、重量測定方法を提供する。

発明の効果

0013

本発明によれば、ロボットが被測定物を部分的に持ち上げることにより、モータの負荷と被測定物の重心位置から、被測定物の重量を測定することができるため、ロボットの負荷容量を超えた物体の重量も測定することができる。

図面の簡単な説明

0014

本発明の好適な実施形態に係る重量測定システムの概略構成を示す図である。
図1の重量測定システムにおいて、重量が既知を測定している状態を示す図である。
被測定物が、平面視において正方形の4隅にそれぞれ位置する4つの支持点を有する場合を説明する図である。
被測定物の支持点が構成する図形の平面形状が正方形や長方形等の対称形状である場合に、その重心の位置の求め方の一例を示す図である。
被測定物が、平面視において正三角形頂点部にそれぞれ位置する3つの支持点を有する場合を説明する図である。
図3及び図5の実施例を一般化した図である。
タンク内の加工液の量が少ない状態を例示する図である。
タンク内の加工液の量が十分である状態を例示する図である。
ロボットが、梃子押し下げる動作によって被測定物の一部を浮上させた状態を例示する図である。
ロボットが、タンクの側面を押す動作によって被測定物の一部を浮上させた状態を例示する図である。
ロボットが、ボルトナットの組み合わせによって被測定物の一部を浮上させた状態を例示する図である。
図11部分拡大図である。

実施例

0015

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を説明する。図1は、本発明の好適な実施形態に係る重量測定システム10を用いて、被測定物(ここでは加工液等の液体12が入ったタンク14)の重量を測定している状態を説明する図である。重量測定システム10は、ロボット16と、ロボット16の動作(より具体的には、ロボット16に搭載された各軸のモータ)を制御するロボット制御装置18と、後述する重量計算等を行う演算処理装置20とを有する。なお演算処理装置20は、ロボット制御装置18と一体でもよいし、図1に示すようにロボット制御装置18とは別個の装置でもよい。

0016

タンク14は、複数の支持点又は1つ以上の支持面が接地することでその自重を支える構造を有しており、例えば後述する図3の例では、平面視で略矩形形状を有し、その4隅A〜Dが支持点に相当する。

0017

ロボット16は、例えば6軸の多関節ロボットであり、アーム22やアーム22の先端に取り付けたハンド24等の可動部を有し、該可動部は、タンク14が、支持点A〜Dの少なくとも1つ(図3の例では支持点A及びB)又は支持面の一部が浮上すると同時に、支持点A及びB以外の残りの支持点(図2の例では支持点C及びD)又は浮上した支持面の一部以外の部分は接地した姿勢となるように、タンク14に連結された作用点に力を加えるように構成されている。図1の例では、ロボットハンド24の先端に、タンク14の上部に取り付けられたアイボルト26に係合するフック28が取り付けられており、フック28がアイボルト26に係合した状態でハンド24を上方に(矢印30の方向に)引き上げることによって、タンク14が部分的に持ち上げられる。

0018

図2は、ロボット16を用いて負荷重量を測定する方法の一例を示す図である。先ず、図1に示した測定位置にロボット16の各軸を移動させ、重量が既知(例えば5kg)の錘32をハンド24に取り付ける。参照符号34で例示するように、このときの各軸のモータ負荷を求め、適当なメモリ等に記憶しておく、図2の例は、ロボット16の手首軸等(例えば6軸(J1〜J6)のうちのJ4、J5及びJ6軸)のモータ負荷を、最大負荷能力に対する割合(%)で表している。なおこのようなモータ負荷は、ロボット制御装置18の表示部36又は演算処理装置20の表示部38等に表示されるようにしてもよい。

0019

参照符号34に例示するような、ロボットのある測定位置(姿勢)において既知の重量を測定したときの各軸のモータ負荷を用いることにより、同じ位置姿勢でロボット16が被測定物の作用点に加えている力を求めることができる。例えば、図1のような状態においてJ4、J5及びJ6軸のモータ負荷がそれぞれ45%、60%及び90%であれば、図2の参照符号34で示すモータ負荷との比較から、ロボット16が持ち上げている重量は7.5kgと計算できる。

0020

また、図2に示すように、錘32を取り付けた状態でロボット16の手首軸等(例えばJ4、J5及びJ6軸)を回転させ、同じ重量の錘を異なる測定位置姿勢で測定した場合のモータ負荷をさらに求めておいてもよい。このようにすれば、ロボット16が異なる位置姿勢で作用点に力を加えている場合も正確に作用点にかかる力を測定することができる。

0021

図3は、被測定物(加工液12を含むタンク14)が、平面視において正方形の4隅にそれぞれ位置する4つの支持点A〜Dを有する場合に、ロボット16がタンク14の一部を持ち上げるための力を作用させる作用点Lとタンク14の重心Gとの位置関係を説明する図である。ここでは、作用点Lは2つの支持点A及びBの中間に位置するものとする。演算処理装置20は、ロボット16の各軸のモータ負荷に基づいて作用点Lに加わる力の大きさを算出し、該力の大きさ、及び、作用点Lと、タンク14の浮上した支持点又は支持面の一部以外の部分(ここでは支持点C及びD)と、タンク14の重心Gとの位置関係から、切削液12を含むタンク14の重量を算出することができる。以下、これを詳細に説明する。

0022

図3において、ロボット16がタンク14の作用点Lを持ち上げると、4つの支持点のうち支持点C及びDは接地した状態のまま、支持点A及びBが上方に移動する。このとき、参照符号40で示すように、梃子比の関係から、被測定物の重量がロボット16の可搬重量の2倍以下であれば、ロボット16は被測定物の一部を持ち上げることができる。また図3の例では梃子比が2なので、ロボット16が作用点Lに加えている力(ロボット16が持ち上げている重量)の2倍に相当する重量が、被測定物(加工液12を含むタンク14)の重量となる。なお図3及び後述する図5、6における「M」は、被測定物(本実施例では加工液12を含むタンク14)の重量を表す。

0023

図4は、被測定物の支持点が構成する図形の平面形状が正方形や長方形等の対称形状である場合に、その重心Gの位置(座標)の求め方の一例を示す図である。図4の例では、支持点A〜Dの座標がそれぞれ(x1,y1)、(x1,y2)、(x2,y2)、(x2,y1)であり、この場合、重心Gの座標(x,y)は以下の式で表すことができる。
x=(x1+x2)/2
y=(y1+y2)/2

0024

図5は、図3の変形例として、被測定物の支持点が正三角形の各頂点に位置する場合を説明する図である。図5において、ロボット16がタンク14の作用点L(ここでは支持点Aと同一)を持ち上げると、3つの支持点のうち2つの支持点B及びCは接地した状態のまま、残りの支持点Aが上方に移動する。このとき、参照符号42で示すように、梃子比の関係から、被測定物の重量がロボット16の可搬重量の3倍以下であれば、ロボット16は被測定物の一部を持ち上げることができる。また図5の例では梃子比が3なので、ロボット16が作用点Lに加えている力(ロボット16が持ち上げている重量)の3倍に相当する重量が、被測定物(加工液12を含むタンク14)の重量となる。

0025

図6は、図3及び図5の例を一般化したものである。同図に示すように、被測定物の形状並びに重心及び作用点の位置等によっては、梃子比を任意に設定することができ、より具体的には、物体の重心位置Mから把持位置(作用点)Lを離すほど、梃子比が大きくなり、より重い重量の被測定物の一部を持ち上げることができることがわかる。ちなみに図3の例はRが1の場合に相当し、図5の例はRが2の場合に相当する。

0026

なお本実施形態では、ロボットの各軸のモータの回転角度位置等から、作用点Lの位置(ロボット16によるタンク14の把持位置)を検出することができる。各モータの回転角度位置は、例えば各モータに関連付けたエンコーダによって測定可能である。またこの作用点の位置が変化(上方に変位)したときに、ロボット制御装置18又は演算処理装置20は、被測定物の一部が浮上したと判断することができる。従って本実施形態では、被測定物の一部が浮上しているときの作用点及び重心の位置、並びにモータ負荷から、被測定物の重量を測定することができる。なお、被測定物が液体を有するタンクである等、被測定物の重心の位置がその一部を持ち上げることによって大きく変化する場合は、被測定物の浮上量は極力、小さくすることが好ましい。より具体的には、被測定物が浮上した瞬間のモータ負荷を用いて重量測定を行うことが好ましい。

0027

図7は、ロボット16の各軸のモータ負荷に、該モータ負荷の上限以下の閾値を設け、測定時のモータ負荷が該閾値を下回ったときにアラーム信号を出力する例を示している。詳細には、ロボット16が切削液12を含むタンク14の一部を持ち上げたときのモータ負荷が閾値を下回っている場合は、切削液12が少なくなったと判断して、切削液12を使用する加工機等に対してロボット制御装置18又は演算処理装置20からアラーム又は信号を送り、切削液の供給を促すことができる。より具体的には、タンク14には切削液12の下限容量44が予め設定されており、上記閾値は、下限容量44に相当する量又はこれに所定のマージンを付加した量の切削液12を含むタンク14の重量を測定したときのモータ負荷として設定される。このようにすれば、切削液12が不足して加工機等の動作が停止してしまう等の不具合を未然に防止することができる。また、ロボットによる重量測定を、上記閾値との比較のみに使用する場合は、ロボットの可搬重量は、該閾値に相当する重量を僅かに超える程度であれば足りる。

0028

一方、図8は、ロボット16の各軸のモータ負荷に、該モータ負荷の上限又はこれに近い閾値を設け、測定時のモータ負荷が該閾値を上回ったときにアラーム信号を出力する例を示している。詳細には、ロボット16が切削液12を含むタンク14の一部を持ち上げたときのモータ負荷が閾値を上回っている場合は、重量オーバーのために被測定物の重量測定ができない旨をアラーム又は信号として、ロボット制御装置18又は演算処理装置20から外部に出力することができる。但しこの場合、タンク14内には十分な量の切削液12が残っていると判断できるので、切削液12を使用する加工機等はそのまま所定の作業を続行することができる。

0029

なお図7及び図8の例において、タンク14のみ(空タンク)の重量を予め測定しておけば、測定値から空タンクの重量を減算することにより、タンク14内の切削液12のみの重量(容量)を測定することができる。

0030

図9は、ロボット16の可搬重量を増加させずに、測定可能な被測定物の重量の上限を上げる手段の一例を説明する図である。図9の例では、梃子46を使って、切削液12を含むタンク14の重量を測定する。より具体的には、ロボット16はその可動部の先端に(例えば棒状の)押圧部材48を有し、押圧部材48を梃子46の一端(図示例では左端)に上方から押し当てることにより、梃子46の他端(右端)に載置されているタンク14の一部(作用点)を上方に持ち上げることができる。この場合、ロボット16自体は持ち上げる動作ではなく、自重も利用した押し下げ動作を行うので、より強い力を梃子46に加えることができることに加え、梃子46の梃子比を適宜設定することにより、より重量の大きい被測定物の重量も測定することができる。

0031

図10は、ロボット16がタンク14を横向きに押すことによってタンク14の一部を上昇させた状態を示す図である。詳細には、ロボット16はその可動部の先端に(例えば棒状の)押圧部材48を有し、押圧部材48によってタンク14の側部を押圧することにより、タンク14を傾け、その結果、タンク14の一部を浮上させることができる。この場合も、ロボット16の各軸のモータ負荷に基づいて作用点に加わる力の大きさを算出し、該力の大きさ、及び、作用点と、タンク14の浮上した支持点又は支持面の一部以外の部分と、タンク14の重心との位置関係から、切削液12を含むタンク14の重量を算出することができる。このとき、図10に示すように、タンク14がロボット16によって横方向に押圧されたときに設置面上を摺動することを防止するために、ロボット16によって押される側と反対側のタンク14の下端部に当接するストッパ50を設置面に設けてもよい。

0032

図11は、タンク14の一部をボルトとナットの組み合わせによって持ち上げることによってタンク14の重量を測定している状態を説明する図であり、図12図11の参照符号52で示す部分の部分拡大図である。詳細には、ロボットの可動部(ハンド24)の先端に回転可能に取り付けた回転部材54にボルト56を固定し、一方、タンク14の下端部にナット58を固定する。ボルト56とナット58とを螺合させ、ナット58に対してボルト56を回転させることにより、ナット58を上方に変位させることができ、これに伴ってタンク14の一部を浮上させることができる。この場合、回転移動直線移動に変換するので大きな力を生じさせることができ、ボルト56の回転量と重量比との関係を予め求めておけば、切削液12を含むタンク14の重量を測定することができる。

0033

図9図12を用いて説明したように、ロボットの動作は、必ずしも被測定物の一部を持ち上げる動作に限定されず、例えば横方向や下向きに押圧する動作も含まれ、結果として被測定物の一部が持ち上がるように、ロボットが力を作用させるものであればよい。

0034

また上述の実施形態において、被測定物の支持点又は支持面と作用点との相対位置が常に同じである場合(例えば被測定物の形状が不変の場合)は、モータ負荷と被測定物の重量は一対一で対応する(両者は比例関係にある)ので、演算処理装置20は単純な比例計算によって被測定物の重量計算を行うことができる。

0035

なお図3及び図5では、被測定物(タンク14)が複数の支持点を有する例を説明しているが、タンク14が一定の面積を持つ支持面を有する場合も本発明は同様に適用可能である。

0036

本発明では、ロボットが被測定物の1点を持ち上げるか、作用点に力を加えることで、被測定物を完全に持ち上げることなく、ロボットの各軸のモータの負荷及び被測定物の重心位置から、被測定物の重量を測定することができる。従って、ロボットの可搬重量を超える重量も測定することができる。

0037

10重量測定システム
12加工液
14タンク
16ロボット
18ロボット制御装置
20演算処理装置
22ロボットアーム
24ロボットハンド
26アイボルト
28フック
32錘
36、38 表示部
46梃子
48押圧部材
56ボルト
58 ナット

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