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技術 電動コンプレッサ

出願人 株式会社マーレフィルターシステムズマーレインターナショナルゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング
発明者 対馬聖人森下直人
出願日 2018年12月28日 (2年2ヶ月経過) 出願番号 2018-246667
公開日 2020年7月9日 (7ヶ月経過) 公開番号 2020-105993
状態 未査定
技術分野 ころがり軸受 非容積形ポンプの構造
主要キーワード 送り流路 各出口管 略円錐台形 一次軸 圧縮酸素 二次軸 インペラ構造 雄ねじ山
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (3)

課題

少なくとも一対のインペラを有する回転軸遠心方向への振れ回りを最小限に抑えた電動コンプレッサを提供する。

解決手段

電動コンプレッサ1は、回転軸40と、回転軸40に取り付けられた一対のインペラ10:20と、一対のインペラ10:20の各インペラ10,20の間に配置され回転軸40を回転させる電動機30と、一対のインペラ10:20の各インペラ10,20と電動機30との間にそれぞれ配置され、回転軸40を回転自在に支持する一次軸受50と、回転軸40の周面に対して間隔をあけた状態で、一次軸受50に対して回転軸40の端部側に配置されており、回転軸40に振れ回りが発生した場合に回転軸40と接触して回転軸40を回転自在に支持する二次軸受60と、を備える。

概要

背景

従来、電動モータにより回転軸を介してインペラを回転させ圧縮した圧縮空気を効率的に供給する過給機として遠心式電動コンプレッサが知られている。電動コンプレッサは、回転軸と、回転軸の一端に取り付けられたインペラと、回転軸を回転させる電動モータと、回転軸を回転自在に支持する軸受とを有する。電動コンプレッサにおいて、電動モータはハウジング内に設けられている(例えば、特許文献1参照。)。

概要

少なくとも一対のインペラを有する回転軸の遠心方向への振れ回りを最小限に抑えた電動コンプレッサを提供する。電動コンプレッサ1は、回転軸40と、回転軸40に取り付けられた一対のインペラ10:20と、一対のインペラ10:20の各インペラ10,20の間に配置され回転軸40を回転させる電動機30と、一対のインペラ10:20の各インペラ10,20と電動機30との間にそれぞれ配置され、回転軸40を回転自在に支持する一次軸受50と、回転軸40の周面に対して間隔をあけた状態で、一次軸受50に対して回転軸40の端部側に配置されており、回転軸40に振れ回りが発生した場合に回転軸40と接触して回転軸40を回転自在に支持する二次軸受60と、を備える。

目的

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、少なくとも一対のインペラを有する回転軸の遠心方向への振れ回りを最小限に抑えた電動コンプレッサを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

回転軸と、前記回転軸に取り付けられた一対のインペラと、前記一対のインペラの各インペラの間に配置され前記回転軸を回転させる電動機と、前記一対のインペラの各インペラと前記電動機との間にそれぞれ配置され、前記回転軸を回転自在に支持する一次軸受と、前記回転軸の周面に対して間隔をあけた状態で、前記一次軸受に対して前記回転軸の端部側に配置されており、前記回転軸に振れ回りが発生した場合に前記回転軸と接触して前記回転軸を回転自在に支持する二次軸受と、を備えることを特徴とする電動コンプレッサ

請求項2

前記二次軸受は、前記一対のインペラに対して前記回転軸の端部側に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の電動コンプレッサ。

請求項3

前記回転軸の両端部に、互いに間隔をあけて配置された二対以上のインペラが設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の電動コンプレッサ。

請求項4

前記二次軸受は、前記二対以上のインペラのうち、隣接するいずれか二対のインペラ間に設けられていることを特徴とする請求項3に記載の電動コンプレッサ。

請求項5

前記二次軸受は、乾式の軸受であることを特徴とする請求項1から4までのいずれか一項に記載の電動コンプレッサ。

請求項6

自動車に搭載された燃料電池スタック酸化剤としての空気を供給するエアコンプレッサであることを特徴とする請求項1から5までのいずれか一項に記載の電動コンプレッサ。

技術分野

0001

本発明は、電動コンプレッサに関する。

背景技術

0002

従来、電動モータにより回転軸を介してインペラを回転させ圧縮した圧縮空気を効率的に供給する過給機として遠心式の電動コンプレッサが知られている。電動コンプレッサは、回転軸と、回転軸の一端に取り付けられたインペラと、回転軸を回転させる電動モータと、回転軸を回転自在に支持する軸受とを有する。電動コンプレッサにおいて、電動モータはハウジング内に設けられている(例えば、特許文献1参照。)。

先行技術

0003

特開2011−214523号公報

発明が解決しようとする課題

0004

回転軸に一対のインペラを備えることにより、供給空気高圧力化及び高流量化を両立させることができる一方、回転軸の全長が長くなる。回転軸が長くなることに伴い、電動コンプレッサの運転中に回転軸の遠心方向への振れ回りが回転軸の軸受よりも端部側に発生するおそれがある。回転軸の遠心方向への振れ回りによりインペラが電動コンプレッサのハウジングと接触することを防ぐためには、回転軸の径を大きくするなどの対策が必要であり、装置の小型化、低コスト化において改善の余地があった。

0005

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、少なくとも一対のインペラを有する回転軸の遠心方向への振れ回りを最小限に抑えた電動コンプレッサ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

0006

上記課題を解決するため、本発明に係る電動コンプレッサは、回転軸と、前記回転軸に取り付けられた一対のインペラと、前記一対のインペラの各インペラの間に配置され前記回転軸を回転させる電動機と、前記一対のインペラの各インペラと前記電動機との間にそれぞれ配置され、前記回転軸を回転自在に支持する一次軸受と、前記回転軸の周面に対して間隔をあけた状態で、前記一次軸受に対して前記回転軸の端部側に配置されており、前記回転軸に振れ回りが発生した場合に前記回転軸と接触して前記回転軸を回転自在に支持する二次軸受と、を備えることを特徴とする。この態様によれば、電動コンプレッサの運転中に、少なくとも一対のインペラを有する回転軸がその固有振動域に達した場合に、一次軸受より先端側での回転軸の振れ回りを効果的に抑制することができる。さらに、二次軸受は、回転軸の固有振動域外では、回転軸の回転に与える影響を低減させることができる。

0007

また、前記二次軸受は、前記一対のインペラに対して前記回転軸の端部側に配置されていてもよい。この態様によれば、電動コンプレッサの運転中に、少なくとも一対のインペラを有する回転軸がその固有振動域に達した場合に、インペラより先端側での回転軸の振れ回りを効果的に抑制することができる。これにより、インペラと電動コンプレッサの他の構成部分との接触を防ぐことができると共に、回転軸の径を抑制することができ、装置の小型化、低コスト化を実現することができる。

0008

また、前記回転軸の両端部に、互いに間隔をあけて配置された二対以上のインペラが設けられていてもよい。この態様によれば、二対以上のインペラが設けられることにより回転軸における慣性が大きくなり遠心方向での振れ回りが大きくなっても、回転軸の振れ回りを抑制しつつ、空気の高圧縮化及び高流量化を実現することができる。

0009

また、前記二次軸受は、前記二対以上のインペラのうち、隣接するいずれか二対のインペラ間に設けられていてもよい。この態様によれば、回転軸において二対のインペラのうち、端部側に設けられている一対のインペラの、回転軸の振れ回りに起因する振動を抑制することができる。

0010

また、前記二次軸受は、乾式の軸受であってもよい。この態様によれば、潤滑剤が必要にならないため、電動コンプレッサの耐用年数の向上、及び潤滑のためのメンテナンスの手間が省け、さらに、二次軸受からの電動コンプレッサ内への油成分の拡散を防ぐことができる。

0011

また、本発明に係る電動コンプレッサは、自動車に搭載された燃料電池スタックへ空気を供給するエアコンプレッサであってもよい。昨今、二酸化炭素排出規制燃料規制の観点から、燃料電池自動車の開発が進められている。燃料電池自動車においては、酸素を含む空気を吸引して、圧縮して燃料電池スタックに過給するために電動コンプレッサが用いられている。このような電動コンプレッサにおいては、電動機の回転軸の両端部に同軸に一対のインペラが配置されたエアコンプレッサもある。この態様によれば、燃料電池スタックへの圧縮酸素の供給を安定して行えることができ、かつ、電動コンプレッサの破損、それに伴う自動車の走行停止を回避することができる。

発明の効果

0012

本発明によれば、少なくとも一対のインペラを有する回転軸の遠心方向への振れ回りを最小限に抑えることができる。

図面の簡単な説明

0013

本発明に係る電動コンプレッサを回転軸線に沿って断面した断面図である。
本発明に係る電動コンプレッサの回転軸の一端部側を拡大して示す拡大図である。

実施例

0014

本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

0015

本発明に係る電動コンプレッサは、燃料電池自動車に搭載された燃料電池スタックの補機であるエアコンプレッサとして用いられる。エアコンプレッサは、酸化剤となる空気を燃料電池スタック(過給対象)へ供給する。図1は、本発明に係る電動コンプレッサ1を回転軸線xに沿って断面した断面図である。図2は、電動コンプレッサ1の回転軸40の一端部側を拡大して示す拡大図である。

0016

本発明に係る電動コンプレッサ1は、2組の一対のインペラ10:20と、電動モータ(電動機)30と、回転軸40と、一対の一次軸受50と、一対の二次軸受60と、を備える。2組の一対のインペラ10:20は、回転軸40に相対的に回動しないように取り付けられている。電動モータ30は、一対のインペラ10:20の間に配置されている。電動モータ30は、回転軸40を回転させる。一次軸受50は、一対のインペラ10:20の各インペラと電動モータ30との間にそれぞれ配置されている。一次軸受50は、回転軸40を回転自在に支持する。二次軸受60は、回転軸40の周面に対して間隔をあけた状態で、一次軸受50に対して回転軸40の端部側に配置されている。二次軸受60は、回転軸40に振れ回りが発生した場合に回転軸40と接触して回転軸40を回転自在に支持する。以下、電動コンプレッサ1について具体的に説明する。

0017

本発明に係る電動コンプレッサ1は、回転軸40の両端部に二対のインペラ10:20を有する二段型ツインインペラ構造遠心式コンプレッサである。電動コンプレッサ1のインペラ10,20、電動モータ30、回転軸40、一次軸受50及び二次軸受60は、ハウジング内に収容されている。ハウジングは、一対のコンプレッサハウジング110と、モータハウジング130と、を有する。

0018

一対のコンプレッサハウジング110は、電動モータ30の回転軸線xに沿ったモータハウジング130の両端部にそれぞれ設けられている。モータハウジング130は、一対のコンプレッサハウジング110の間に位置して、略円筒状に形成されている。モータハウジング130は、モータ室131を有する。コンプレッサハウジング110と、モータハウジング130との間には、それぞれ円板状のエンドプレート150が設けられている。コンプレッサハウジング110とモータハウジング130とは、互いにエンドプレート150を介して複数のボルトBにより互いに連結されている。

0019

一対のコンプレッサハウジング110は、それぞれ吸入ポート111と、第1室112と、第2室113と、を有する。第1室112は、第2室113に対して吸入ポート111の側に設けられている。吸入ポート111は、回転軸線xにおいてそれぞれ外側を向くコンプレッサハウジング110の端面に設けられている。吸入ポート111は、外部から空気を電動コンプレッサ1内に取り込む入口である。吸入ポート111は、コンプレッサハウジング110から回転軸線xに沿って突出した円筒状の部分として形成されている。

0020

第1室112は、送り流路114と、貫通凹部115と、を有する。送り流路114は、インペラ10によって加圧された空気を、要求圧力まで圧縮して第2室113に案内する。送り流路114は、インペラ10の外周側に形成されている。貫通凹部115は、回転軸線xと同軸に形成されている。貫通凹部115は、エンドプレート150の吸入ポート111に面する側から、電動モータ30の側に向かって凹に形成されている。回転軸40は、貫通凹部115に挿入されている。電動モータ30に面する側の貫通凹部115の開口部は、吸入ポート111に面する側の貫通凹部115の開口部よりも小さくなっている。二次軸受60は、貫通凹部115に収容されて、電動モータ30の側で支持されている。

0021

第2室113は、環状のディフューザ部116と、スクロール部117と、を有する。ディフューザ部116及びスクロール部117は、コンプレッサハウジング110において、回転軸線xを中心として第2室113の周囲に形成されている。ディフューザ部116は、インペラ20の外周部からスクロール部117へ到る流路である。ディフューザ部116は、回転軸40の回転軸線xと交差する2つの平行な壁面によって形成したベーンレス型ディフューザとして構成されている。

0022

各コンプレッサハウジング110は、回転軸線xに対して交差する面において出口管118と接続している。各出口管118は、それぞれ過給対象に向かって送られる圧縮空気の流れ方向において下流側で合流して吐出ポート119に通じている。

0023

エンドプレート150は、貫通凹部151を有する。貫通凹部151は、回転軸線xと同軸に形成されている。貫通凹部151は、エンドプレート150の吸入ポート111に面する側から、電動モータ30の側に向かって凹に形成されている。回転軸40は、貫通凹部151に挿入されている。電動モータ30に面する側の貫通凹部151の開口部は、吸入ポート111に面する側の貫通凹部151の開口部よりも小さくなっている。一次軸受50は、貫通凹部151に収容されて、電動モータ30の側で支持されている。

0024

インペラ10は、コンプレッサハウジング110の第1室112に設けられている。インペラ10は、それぞれ反対方向を向くように回転軸40に対称に取り付けられている。インペラ20は、コンプレッサハウジング110の第2室113に設けられている。インペラ20は、それぞれ反対方向を向くように回転軸40に対称に取り付けられている。インペラ10:20は、外部から取り入れた空気を圧縮する。

0025

一対のインペラ10は、外部から取り入れた空気を要求圧力の半数程度まで圧縮する第1インペラ(一段目のエアコンプレッサ)である。一対のインペラ20は、第1インペラ10によって圧縮された空気を要求圧力まで圧縮する第2インペラ(二段目のエアコンプレッサ)である。第2インペラ20は、第1インペラ10に対して空気の流入方向において下流側に位置している。

0026

第1インペラ10は、それぞれ回転軸40の両端部に位置している。第1インペラ10は、吸入ポート111の円筒状の部分にまで延びている。第1インペラ10は、複数のを有している。翼は、吸入ポート111から回転軸線xに沿って吸入した空気を、要求圧力の半分程度まで圧縮して半径方向外周側へ送る。翼は、螺旋形捩れている。翼の外縁によって定まる回転体形状としては、第1インペラ10は、略円錐台形を成している。

0027

第2インペラ20は、回転軸40において第1インペラ10に対して電動モータ30の側に位置している。第2インペラ20は、第2室113内に収容されている。第2インペラ20は、複数の翼を有している。翼は、第1インペラ10によって圧縮されて送られてきた空気をさらに圧縮して過給対象に供給する。翼は、螺旋形に捩れている。翼の外縁によって定まる回転体形状としては、第2インペラ20は、略円錐台形を成している。

0028

電動モータ30は、モータハウジング130のモータ室131に設けられている。電動モータ30は、回転軸40を回転させて、回転軸40に取り付けられた第1インペラ10及び第2インペラ20を高速回転させる。電動モータ30は、ステータ31と、永久磁石32と、を有する。ステータ31は、モータハウジング130の内周に嵌合して設けられている。ステータ31は、ステータコイル(図示せず。)を有している。永久磁石32は、回転軸40の外周面に取り付けられた回転子である。永久磁石32の外周面とステータ31の内周面は、僅かな隙間(エアギャップ)を介して対向している。

0029

回転軸40は、第1インペラ10、第2インペラ20と電動モータ30とを連結する。回転軸40は、一対のエンドプレート150にそれぞれ一次軸受50を介して回転自在に支持されている。回転軸40は、中心部分から両端部に向かうにつれて細くなっている。回転軸40の両端には、雄ねじ山(図示せず。)が形成されている。雄ねじ山にナットNが締結されているので、第1インペラ10は、回転軸40から抜け落ちない。

0030

回転軸40は、一対の軸受段部41と、一対のインペラ段部42を有する。軸受段部41は、インペラ段部42に対して電動モータ30の側に位置する。軸受段部41は、軸受段部41より回転軸40の端部側の径よりも僅かに拡大された部分である。軸受段部41は、一次軸受50を電動モータ30の側から支持する。インペラ段部42は、インペラ段部42より回転軸40の端部側の径よりも僅かに拡大された部分である。インペラ段部42は、第2インペラ20を電動モータ30の側から支持する。

0031

一次軸受50は、ボールベアリングとして形成されており、軸受鋼や、マルテンサイト系ステンレス鋼によって形成されている。一次軸受50は、外輪51と、内輪52と、複数の転動体53と、を有する。内輪52には回転軸40が挿入されている。内輪52の中心線は、回転軸40の回転軸線xと一致する。内輪52の内周面は、回転軸40が回転するように接触している。内輪52の外周面には、凹状の軌道面が形成されている。複数の転動体53は、球形状を有する。複数の転動体53は、外輪51及び内輪52の軌道面に接触している。一次軸受50は、外輪51においてエンドプレート150の貫通凹部151の内周面に嵌合している。貫通凹部151は、カバー部材170により塞がれる。

0032

カバー部材170は、円筒部分171と、フランジ部分172と、を有する。円筒部分171は、回転軸40に対して隙間をもってエンドプレート150の貫通凹部151内に挿入されている。円筒部分171は、その外周面が貫通凹部151の内周面と接触している。円筒部分171と回転軸40との間にはラビリンスシール173が設けられている。ラビリンスシール173は、一次軸受50寄りの側に設けられている。ラビリンスシール173は、一次軸受50の潤滑油が第1インペラ10及び第2インペラ20の側に移動することを防いでいる。フランジ部分172は、一次軸受50とは反対側の円筒部分171の端部に設けられている。フランジ部分172は、円筒部分171から径方向外側に環状に延びている。カバー部材170は、フランジ部分172においてエンドプレート150とコンプレッサハウジング110との間で挟まれている。

0033

過給対象へより高圧の圧縮空気を供給するために、電動コンプレッサ1は、二対のインペラ10:20を有している。電動コンプレッサ1においては、各対のインペラ10:20に対する流量を半分にすることができるので、単段の場合と比べてインペラ10:20を小型化(縮径化)することができる。これにより、インペラ10:20における慣性モーメントを低減することができ、電動コンプレッサ1において優れた応答性を得ることができる。

0034

しかしながら、インペラ10:20の多段化に伴い、回転軸40を長くする必要がある。回転軸40の全長を長くすると、電動コンプレッサ1の運転中に、所定の回転速度又は回転速度の所定の範囲内で運転されたとき、回転軸40が激しい横振動を起こすことがある。この現象が回転軸40の振れ回りであり、遠心方向への回転軸40の振れが大きくなる。

0035

回転軸40の固有振動域は、電動コンプレッサ1の運転時の低回転域にあることが分かった。電動コンプレッサ1は、通常、高回転域において使用されるため、回転軸40が低回転域において使用される期間は極めて短い。しかしながら、電動コンプレッサ1の始動及び停止の際には必ず低回転域を通過することになる。

0036

回転軸40は、一次軸受50により、第2インペラ20と電動モータ30との間において常に回転自在に支持されている。したがって、回転軸40の固有振動域に達した場合であっても、第2インペラ20と電動モータ30との間における回転軸40の振れ回りは抑制されている。

0037

これに対して、第1インペラ10は、第2インペラ20に対して回転軸40の端部側に設けられている。回転軸40の一次軸受50より端部側は、自由端となるため、特に第1インペラ10は、電動コンプレッサ1の低回転域を通過する際には、大きな振れ回りに曝されることになる。回転軸40の径を大きくして剛性を高めることにより、回転軸40の振れ回りを抑制する(固有振動域をずらす)ことも検討される。しかし、回転軸40の径の拡大に伴い、回転軸40の慣性モーメントが増大してしまう。仮に二対のインペラ10:20よりも回転軸40の端部側に軸受が配置される場合、軸受を支持するための部材を吸入ポート111に配置する必要がある。しかし、この部材により第1インペラ10へのエアの導入が影響を受ける可能性がある。そこで、本発明者らの鋭意研究により、第1インペラ10と第2インペラ20との間で回転軸40に二次軸受60を設けることが、回転軸40の振れ回りを抑制するために有意であることがわかった。この態様によれば、インペラへのエアの導入への影響を抑制しつつ、二次軸受60を適切に配置することができる。

0038

二次軸受60は、タッチダウン軸受として構成されている。二次軸受60には、回転軸40が挿入されている。二次軸受60の中心線は、回転軸線xと一致している。二次軸受60は、外輪61、内輪62と、複数の転動体63と、を有する。

0039

外輪61は、コンプレッサハウジング110の貫通凹部115の内周面に圧入されている。外輪61の内周面には、凹状の軌道面が形成されている。

0040

内輪62には回転軸40が挿入されている。内輪62の中心線は、回転軸40の回転軸線xと一致する。電動コンプレッサ1の通常運転時(回転軸40に振れ回りが生じていない。)には、内輪62の内周面と、回転軸40の外周面との間には径方向の隙間が形成されている。内輪62と、回転軸40の外周面との間の隙間は20〜50μmである。内輪62の外周面には、凹状の軌道面が形成されている。

0041

複数の転動体63は、球形状を有する。複数の転動体63は、外輪61及び内輪62の軌道面に接触している。

0042

以上のような電動コンプレッサ1によれば、運転中に、回転軸40の固有振動域に達して第1インペラ10の側で回転軸40に振れ回りが発生した場合(破線で示す(図2参照)。)、回転軸40は、二次軸受60の内輪62と接触するようになっている。これにより、回転軸40は、二次軸受60に回転自在に支持され振れ回りは抑制される。振れ回りが抑制されることにより、燃料電池スタックへの圧縮酸素(圧縮空気)を安定して供給することができる。

0043

さらに、二次軸受60は、回転軸40の固有振動域を超えた後は、回転軸40に対して隙間をもって設けられている。二次軸受60と回転軸40との接触期間は、電動コンプレッサ1の運転期間において限られており、通常運転時には、回転軸40と二次軸受60とは互いに接触していない。そのため、二次軸受60は、潤滑油を必要としない乾式型の軸受として構成されている。したがって、二次軸受60から油成分が漏れ出ることはなく、従来の潤滑剤封入型の軸受のように油成分が燃料電池スタックへ侵入するという懸念はない。

0044

<その他>
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の概念及び特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含む。また、上述した課題及び効果の少なくとも一部を奏するように、各構成を適宜選択的に組み合わせてもよい。また、例えば、上記実施の形態における各構成要素の形状、材料、配置、サイズ等は、本発明の具体的使用態様によって適宜変更され得る。

0045

上記の実施の形態において、電動コンプレッサ1は、二段型ツインインペラ構造の遠心式コンプレッサであったが、ツインインペラの構造はこれに限定されず、単段、三段以上の形態であってもよい。

0046

また、上記の実施の形態において、電動コンプレッサ1は、ツインインペラ構造であったが、回転軸40の一端にのみインペラを有する構造であってもよい。この場合、インペラは、単段、多段に設けられていてよい。

0047

1電動コンプレッサ
10 第1インペラ(インペラ)
20 第2インペラ(インペラ)
30電動モータ(電動機)
40回転軸
50一次軸受
60二次軸受

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