(57)【要約】締結システム(10)はピン部材(24)を有するファスナーを含んでおり、前記ピン部材は、荷重要件の異なるワークピース(18)(20)を締結するために、材料強度の異なるカラー(14)がスエージングされた材料が収容されるようにロック用溝(26)とクレストの形状が最適化されている。ロック用溝(26)は、第１の作用を及ぼす低強度カラー(14)又は第２の作用を及ぼす高強度カラー(14)には幅を最大とし、クレストは、第２の作用を及ぼす高強度カラー(14)には幅を最大とし、強度が異なるカラー材料がロック用溝に充満すると、締結システムにより、複数の作用に対して、十分なクランプ及び引張負荷並びに破損抵抗性がもたらされる。１又は複数のピン部材が共通の直径をもつ場合、ピン部材のロック用溝とクレストは、同じ構造で、複数の作用を受けることが可能である。材質が異なる複数のカラー(14)は、スエージング用アンビル(56)のスエージング用キャビティが同一である締結用工具(48)を用いることができるように、外径が略同じであり、カラー(14)は、前記工具によって、剪断、剪断/引張、引張、複合剪断、剪断/複合引張、又は複合引張の作用を及ぼして、ロック用溝の中にスエージングされて、ワークピースが締結される。複数の作用を受けることができるように、ロック用溝及びクレストが一様な形状を有するファスナーの作製方法も提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スエージ型ファスナーを含み、複数のワークピースを締結して、締結ジョイントを形成する締結システムにおいて、該締結システムは、
(ａ)  ワークピースの整合された孔の中に収容可能に配備され、予め選択された直径の細長いシャンクを有すると共に、一方の端部が拡大されたヘッド部で終端し、他方の端部が、周方向に延びる複数のロック用溝及びクレストを有する溝部で終端するピン部材と、
(ｂ)  ロック用溝の中にスエージングされることにより、ワークピースが締結されて締結ジョイントを形成するための筒状カラーと、を具えており、
前記カラーの溝部と肩部は、スエージングによって、ロック用溝及びクレストと相互連結するようになし、ピン部材とカラーは、剪断強度が異なる材料から形成され、ピン部材とカラーの剪断強度の比を、ピン部材がスエージング中に破損しないように構成し、
(ｃ)  ピン部材は、異なる負荷条件で異なる作用を受けてワークピースを締結するために、材質が異なる複数種類のカラーがスエージングされて該カラーの材料が収容されるように最適化された形状のロック用溝とクレストを有しており、ロック用溝は、第１の作用を及ぼす低強度カラー又は第２の作用を及ぼす高強度カラーには、幅を最大とし、クレストは、第２の作用を及ぼす高強度カラーには、幅を最大とし、締結システムは、異なるカラーの材料がロック用溝に充満しても、複数の作用に対して十分なクランプ、引張荷重及び破損抵抗性をもたらすことができるようにしており、
(ｄ)  １又は複数のピン部材が共通の直径をもつ場合、ピン部材のロック用溝とクレストは、同じ構造で、複数の作用を受けることが可能であり、
(ｅ)  第２の作用を受ける場合のロック用溝の幅は、第１の作用を受ける場合のロック用溝の幅の１０％以下である、締結システム。
【請求項２】
共通の直径を有するピン部材への作用は、剪断、剪断/引張、引張、複合剪断、剪断/複合引張、又は複合引張である請求項１の締結システム。
【請求項３】
低強度カラーの剪断強度は、高強度カラーの剪断強度の約６４％である請求項１の締結システム。
【請求項４】
低強度カラーはアルミニウム合金から作られ、第１の作用は剪断であり、高強度カラーはチタン合金から作られ、第２の作用は引張である請求項１の締結システム。
【請求項５】
カラーは、チタン合金、アルミニウム合金又はスチール合金から作られる請求項１の締結システム。
【請求項６】
ロック用溝は、１７％〜２５％の範囲で過充填されている請求項１の締結システム。
【請求項７】
ワークピースは、金属、複合材料、又はこれらの組合せから作られている請求項１の締結システム。
【請求項８】
作用は、剪断、剪断/引張、複合剪断、又は剪断/複合引張であり、そのような作用を及ぼす異なる材質のカラーは、外径が略同じで、スエージング用アンビルのスエージング用キャビティが同一である締結用工具を用いて、ピン部材のロック用溝へスエージングされることができる請求項１の締結システム。
【請求項９】
締結システムは、肉厚の最大変化が１/８インチ以下のワークピースを締結するのに用いられる請求項１の締結システム。
【請求項１０】
スエージ型ファスナーを含み、複数のワークピースを締結して、締結ジョイントを形成する締結システムにおいて、該締結システムは、
(ａ)  ワークピースの整合された孔の中に収容可能に配備され、予め選択された直径の細長いシャンクを有すると共に、一方の端部が拡大されたヘッド部で終端し、他方の端部が、周方向に延びる複数のロック用溝及びクレストを有する溝部で終端するピン部材と、
(ｂ)  ロック用溝の中にスエージングされることにより、ワークピースが締結されて締結ジョイントを形成するための筒状カラーと、を具えており、
前記カラーの溝部と肩部は、スエージングによって、ロック用溝及びクレストと相互連結するようになし、ピン部材とカラーは、剪断強度が異なる材料から形成され、ピン部材とカラーの剪断強度の比を、ピン部材がスエージング中に破損しないように構成し、
(ｃ)  ピン部材は、異なる負荷条件で異なる作用を受けてワークピースを締結するために、材質が異なる複数種類のカラーがスエージングされて該カラーの材料が収容されるように最適化された形状のロック用溝とクレストを有しており、ロック用溝は、第１の作用を及ぼす低強度カラー又は第２の作用を及ぼす高強度カラーには、幅を最大とし、クレストは、第２の作用を及ぼす高強度カラーには、幅を最大とし、締結システムは、異なるカラーの材料がロック用溝に充満しても、複数の作用に対して十分なクランプ、引張荷重及び破損抵抗性をもたらすことができるようにしており、
(ｄ)  １又は複数のピン部材が共通の直径をもつ場合、ピン部材のロック用溝とクレストは、同じ構造で、複数の作用を受けることが可能である、締結システム。
【請求項１１】
共通の直径を有するピン部材への作用は、剪断、剪断/引張、引張、複合剪断、剪断/複合引張、又は複合引張である請求項１０の締結システム。
【請求項１２】
低強度カラーの剪断強度は、高強度カラーの剪断強度の約６４％である請求項１０の締結システム。
【請求項１３】
低強度カラーはアルミニウム合金から作られ、第１の作用は剪断であり、高強度カラーはチタン合金から作られ、第２の作用は引張である請求項１０の締結システム。
【請求項１４】
カラーは、チタン合金、アルミニウム合金又はスチール合金から作られる請求項１０の締結システム。
【請求項１５】
ロック用溝は、１７％〜２５％の範囲で過充填される請求項１０の締結システム。
【請求項１６】
ワークピースは、金属、複合材料、又はこれらの組合せから作られている請求項１０の締結システム。
【請求項１７】
作用は、剪断、剪断/引張、複合剪断、又は剪断/複合引張であり、そのような作用を及ぼす異なる材質のカラーは、外径が略同じであり、スエージング用アンビルのスエージング用キャビティが同一である締結用工具を用いて、ピン部材のロック用溝へのスエージングされることができる請求項１０の締結システム。
【請求項１８】
締結システムは、肉厚の最大変化が１/８インチ以下のワークピースを締結するのに用いられる請求項１０の締結システム。
【請求項１９】
第２の作用を受ける場合のロック用溝の幅は、第１の作用を受ける場合のロック用溝の幅の１０％以下である請求項１０の締結システム。
【請求項２０】
スエージ型ファスナーを含み、複数のワークピースを締結して、締結ジョイントを形成する締結システムにおいて、該締結システムは、
(ａ)  ワークピースの整合された孔の中に収容可能に配備され、予め選択された直径の細長いシャンクを有すると共に、一方の端部が拡大されたヘッド部で終端し、他方の端部が、周方向に延びる複数のロック用溝及びクレストを有する溝部で終端するピン部材と、
(ｂ)  ロック用溝の中にスエージングされることにより、ワークピースが締結されて締結ジョイントを形成するための筒状カラーと、を具えており、
前記カラーの溝部と肩部は、スエージングによって、ロック用溝及びクレストと相互連結するようになし、ピン部材とカラーは、剪断強度が異なる材料から形成され、ピン部材とカラーの剪断強度の比を、ピン部材がスエージング中に破損しないように構成し、
(ｃ)  ピン部材は、異なる負荷条件で異なる作用を受けてワークピースを締結するために、材質が異なる複数種類のカラーがスエージングされて該カラーの材料が収容されるように最適化された形状のロック用溝とクレストを有しており、ロック用溝は、第１の作用を及ぼす低強度カラーには、幅を最大とし、クレストは、第２の作用を及ぼす高強度カラーには、幅を最大とし、締結システムは、異なるカラーの材料がロック用溝に充満しても、複数の作用に対して十分なクランプ、引張荷重及び破損抵抗性をもたらすことができるようにしており、
(ｄ)  １又は複数のピン部材が共通の直径をもつ場合、ピン部材のロック用溝とクレストは、同じ構造で、複数の作用を受けることが可能である、締結システム。
【請求項２１】
共通の直径を有するピン部材には、剪断、剪断/引張、引張、複合剪断、剪断/複合引張、又は複合引張が作用する請求項２０の締結システム。
【請求項２２】
低強度カラーの剪断強度は、高強度カラーの剪断強度の約６４％である請求項２０の締結システム。
【請求項２３】
低強度カラーはアルミニウム合金から作られ、第１の作用は剪断であり、高強度カラーはチタン合金から作られ、第２の作用は引張である請求項２０の締結システム。
【請求項２４】
カラーは、チタン合金、アルミニウム合金又はスチール合金から作られる請求項２０の締結システム。
【請求項２５】
ロック用溝は、１７％〜２５％の範囲で過充填されている請求項２０の締結システム。
【請求項２６】
ワークピースは、金属、複合材料、又はこれらの組合せから作られている請求項２０の締結システム。
【請求項２７】
作用は、剪断、剪断/引張、複合剪断、又は剪断/複合引張であり、そのような作用を及ぼす異なる材質のカラーは、外径が略同じであり、スエージング用アンビルのスエージング用キャビティが同一である締結用工具を用いて、ピン部材のロック用溝へスエージングされることができる請求項２０の締結システム。
【請求項２８】
締結システムは、肉厚の最大変化が１/８インチ以下のワークピースを締結するのに用いられる請求項２０の締結システム。
【請求項２９】
締結システムに用いられるスエージ型ファスナーを作製する方法であって、
(ａ)  複数の異なる作用が及ぼす場合についてクランプと引張荷重の条件を取得し、
(ｂ)  予め選択されたピン直径を有するピン部材に、細長いピンシャンクと、拡大されたヘッド部を形成し、
(ｃ)  ピン部材に、周方向に延びる複数のロック用溝を有する溝部と、共通の形状を有するクレストを形成し、
(ｄ)  筒状カラーを、前記ロック用溝及びクレストを取り囲むように配備し、
(ｅ)  共通のロック用溝は、低強度カラーによる第１の作用を受ける場合又は高強度カラーによる第２の作用を受ける場合に、ロック用溝の幅が最大となるように形状を最適化し、
(ｆ)  クレストは、高強度カラーによる第２の作用を受ける場合に、クレストの幅が最大となるように形状を最適化し、
(ｇ)  共通の直径をもつ１又は２以上のピン部材に最適化されたロック用溝とクレストの形状を、複数の作用を受ける場合に合わせて標準化し、
(ｈ)  第２の作用を受けるロック用溝の幅を、第１の作用を受けるロック用溝の幅の１０％以下の長さにする、
ことを含んでいる方法。
【請求項３０】
共通の直径を有するピン部材への作用は、剪断、剪断/引張、引張、複合剪断、剪断/複合引張、又は複合引張である請求項２９の方法。
【請求項３１】
低強度カラーの剪断強度は、高強度カラーの剪断強度の約６４％である請求項２９の方法。
【請求項３２】
低強度カラーはアルミニウム合金から作られ、第１の作用は剪断であり、高強度カラーはチタン合金から作られ、第２の作用は引張である請求項２９の方法。
【請求項３３】
カラーは、チタン合金、アルミニウム合金又はスチール合金から作られる請求項２９の方法。
【請求項３４】
ロック用溝は、１７％〜２５％の範囲で過充填される請求項２９の方法。
【請求項３５】
ワークピースは、金属、複合材料、又はこれらの組合せから作られている請求項２９の方法。
【請求項３６】
作用は、剪断、剪断/引張、複合剪断、又は剪断/複合引張であり、そのような作用を及ぼす異なる材質のカラーは、外径が略同じであり、スエージング用アンビルのスエージング用キャビティが同一である締結用工具を用いて、ピン部材のロック用溝へスエージングされることができる請求項２９の方法。
【請求項３７】
締結システムは、肉厚の最大変化が１/８インチ以下のワークピースを締結するのに用いられる請求項２９の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピンとカラーを含み、カラーがピンのロック用溝にスエージング(スエージ加工)されるスエージ型のツーピースファスナーに関する。より具体的には、本発明は、材質及び強度が異なる複数のカラーによる複数の作用(applicatins)を受けることができるように最適化された構造のロック用溝とクレスト(ネジ山部)を有するスエージ型ファスナー(swage type fasteners)に関する。ロック用溝とクレストは、材質及び強度が異なる複数のカラーの材料がスエージング工程でスエージングされてロック用溝に収容されるように最適化されているので、カラーによる複数の作用を受けることができる。本発明はまた、材質と強度が異なる複数のカラーによる複数の作用を受ける場合に、一様な構造として用いられるように最適化されたロック用溝とクレストを有するファスナーを作製する方法を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
スエージ型ファスナーにはプルタイプとスタンプタイプがある。スエージ型ファスナーは、一般的には、ピンとカラーを含んでおり、プルタイプのピンシャンク部は、ロック用溝を有するロック部と、プル用溝を有するプル部とを含んでいる。プル用溝は、取付工具のチャック部の歯との係合によって把持されるようになっている。前記取付工具のスエージング用アンビルをカラーに係合させて、ピンとカラーとの間で相対的な軸方向の力を作用させ、アンビルをカラーの上を移動させることにより、カラーはロック用溝の中にスエージングされる。
【０００３】
プルタイプのスエージ型のファスナー(締結具)は、プル部が、低強度の破断用溝を介してロック用溝に繋がっている。前記破断用溝は、軸方向の引張力が所定の大きさに達すると破断する。この破断時の引張力は、カラーをスエージングするのに必要な力よりも大きく、プル部、つまりピンの後部は、スエージング完了後にピンシャンク部から切断されて除去される。破断用溝は、スエージングの高引張荷重に耐え得る十分な強度を有しており、プル用溝も同じ様に、取付工具のチャック部との噛合によって加えられる相対的なプル荷重に耐え得る十分な強度を有していなければならない。それゆえ、プル部は相対的に大きな直径にする必要があり、その材料は、破断用溝が必要なサイズと強度を得られるものであらねばならず、また、破断用溝の代わりにプル溝が破損するようなことは防止せねばならない。
【０００４】
スタンプタイプのファスナーは、一般的には、ピンとカラーを含んでおり、前記ピンのシャンク部は、ロック用溝を有するロック部分を有している。スエージ型ファスナーのプルタイプとスタンプタイプの違いは、スタンプタイプでは、プル用溝を有するプル部を具備していないことである。また、スタンプタイプのファスナー装置の場合、取付工具を使用し、スエージング用アンビルをカラーに係合させて、ピンとカラーの間で相対的な軸方向の力が作用するように、アンビルをカラーの上を移動させることにより、カラーはロック用溝の中にスエージングされ、バッキング部材がピンヘッドに当接する。
【０００５】
米国特許第６,３２５,５８２号、第６,２３３,８０２号、第５,１２５,７８８号、第５,０９０,８５２号、第５,０４９,０１６号、第４,８６７,６２５号、第４,８１３,８３４号、第４,４７２,０９６号、第４,２２１,１５２号及び第４,２０８,９４３号は、本発明の譲受人又は前権利者に対して発行されたものである。これらの特許は全て、様々なスエージ型ファスナーの構造に関する先行技術である。先行技術におけるファスナーは、一般的には、特定のカラー用に最適化されている。また、先行技術の代表的なファスナーは、単一のグリップ範囲であった。単一のグリップ範囲とは、ファスナーが締結できるワークピースの厚さ変化が１６分の１インチであることを意味する。
【発明の開示】
【０００６】
特定のカラー用に最適化するために本発明で用いられる技術は、従来のものとは異なる。本発明では、ロック用溝とクレストは複数の作用を受けることができる形状に最適化され、各々のロック用溝とクレストには、特定の作用に必要とされる最大の幅が設けられているので、ロック用溝が強度の異なるカラー材料で埋められたとき、締結システムに、十分なクランプ、引張荷重及び破損抵抗性がもたらされる。また、ロック用溝とクレストは、同一の構造で複数の作用を受けることができる形状であるので、共通のロック用溝及びクレストに用いられる工具を用いて、ピンの直径毎にロック用溝とクレストを製造することができる。この方法は、工具関連費用を低減することができる。
【０００７】
さらに、ピンサイズ毎に、カラーの材質は異なるが外径は略同じであるので、同一のスエージング用アンビル形状を有する取付工具を用いて、材質の異なるこれらカラーをロック用溝にスエージングさせることができ、スエージ型ファスナーは、剪断、剪断/引張、剪断複合、剪断/引張複合の作用を及ぼしてワークピースに取り付けられる。この方法により、そのような用途に用いられる工具のスエージング用アンビルの交換作業に要するコストを低減できる。
【０００８】
また、本発明のファスナーは、ダブルグリップ範囲を有する。ダブルグリップとは、厚さの変動が最大８分の１インチのワークピースを締結できるファスナーであることを意味する。このため、本発明のファスナーは、汎用性(versatility)にすぐれている。
【０００９】
本発明の目的は、ロック用溝とクレストを有するピン部材を具え、材質と強度が異なる複数のカラーがロック用溝の中にスエージングされるように最適化されたスエージ型ファスナーであって、ロック用溝とクレストは、材質と強度が異なる複数のカラーに使用できるように、ピンの直径毎に同一の構造を有するスエージ型ファスナーを提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的は、ロック用溝とクレストを有するピン部材を具え、材質と強度が異なる複数のカラーがロック用溝の中にスエージングされるように最適化されたスエージ型ファスナーであって、様々な材料が、ファスナーに対して異なるクランプ及び引張荷重をもたらし、複数の作用条件に用いられるスエージ型ファスナーを提供することである。
【００１１】
本発明の更なる目的は、ロック用溝とクレストを有するピン部材を具え、材質と強度が異なる複数のカラーがロック用溝の中にスエージングされるように最適化されたスエージ型ファスナーであって、外径が略同じであるので、一様なスエージング用キャビティをもつアンビル形状の取付工具を用いて、材質の異なるこれらカラーをロック用溝にスエージングさせることができ、剪断、剪断/引張、剪断複合、剪断/引張複合の作用を及ぼしてワークピースに取り付けられるスエージ型ファスナーを提供することである。  
【００１２】
本発明の他の目的は、ダブルグリップ範囲を有するスエージ型ファスナーを提供することである。
本発明の他の目的は、ロック用溝とクレストを具え、材質と強度の異なるカラーがロック用溝の中にスエージングされるように最適化されたスエージ型ファスナーを作製する方法であって、複数の作用に用いるために、様々な材料がファスナーに異なるクランプ及び引張荷重をファスナーにもたらすことができる。
【００１３】
本発明の幾つかの目的を達成することができる締結システムは、複数のワークピースを締結するためのファスナーを含んでおり、前記締結システムは、最適化された構造のロック用溝及びクレストを有するピン部材を含んでいる。ロック用溝とクレストの構造は、ワークピースを、荷重要件の異なる条件下で固定するために、材質及び強度の異なる複数のカラーがスエージングされた材料を収容することができるように最適化されている。ロック用溝は、第１の作用(one application)を及ぼす低強度カラー又は第２の作用(second application)を及ぼす高強度カラーに対しては、幅が最大であり、クレストは、第２の作用を及ぼす高強度カラーに対しては、幅が最大であり、強度の異なる複数のカラー材料がロック用溝に充満すると、締結システムは、複数の作用に対して十分なクランプ、引張負荷及び破損抵抗性をもたらす。この最適化により、ファスナーのサイズ縮小と重量減少がもたらされ、同じ構造のロック用溝及びクレストを、材質と強度の異なる複数のカラーに使用することができる。１又は複数のピン部材が共通の直径をもつ場合、ピン部材のロック用溝とクレストは、同じ構造で、複数の作用を受けることが可能である。強度が異なる幾つかのカラーは、略同じ外径に形成される。この構成により、同じスエージング用キャビティをもつスエージング用アンビルを有する共通の取付工具の使用が可能となり、前記工具を用いて、強度が異なるカラーをピン部材のロック用溝の中にスエージングし、剪断、剪断/引張、剪断複合、剪断/引張複合の作用を及ぼして、スエージ型ファスナーをワークピースに取り付けることができる。
【００１４】
本発明の他の目的は、締結システムに用いられるファスナーの作製方法によって達成される。この方法は、複数の適用に必要なクランプ及び引張荷重を得ること、ロック用溝については、第１の作用を及ぼす低強度カラー又は第２の作用を及ぼす高強度カラーに必要な最大幅をもたらすことによってロック用溝の形状を最適化すること、また、クレストについては、第２の作用を及ぼす高強度カラーに必要な最大幅をもたらすことによってクレスト形状を最適化することを含んでいる。この方法では、共通の直径をもつ１又は２以上のピン部材の場合、スエージ型ファスナーを複数の作用条件で使用するために、前記ピン部材に対して最適化されたロック用溝及びクレストの形状を標準化することができる。また、材質の強度が異なる幾つかのカラーを、外径をほぼ同じに形成して、ロック用溝の中にスエージングされるようにしているので、締結システムは、剪断、剪断/引張、剪断複合、及び剪断/引張複合の作用を及ぼして、十分なクランプ、引張荷重及び破損抵抗性がもたらされる。
【００１５】
スエージ型ファスナーは、異なる様々な作用に対して用いられ、その中には、所定のクランプ及び引張荷重で、様々な材質のワークピースを接合することが含まれる。例えば、航空機に適用する場合、ワークピースはアルミニウムなどの軽量金属や複合材料から作られている。本発明のスエージ型ファスナーは、金属材料製、複合材料製又はこれらの組合せ材料のワークピースの締結に用いることができるので、特に有用である。このように、本発明のスエージ型ファスナーは、ピン部材のロック用溝に、材質が異なる複数カラーの材料を充満させることができることから、さまざまな作用に適応させることができ、特に有用である。
【００１６】
図１及び図２を参照すると、図示のファスナー(10)は、ピン部材(12)と筒状のカラー(14)を含んでいる。ピン部材(12)は、細長いシャンク(15)を有しており、該シャンクは、一対のワークピース(18)(20)を締結するために、ワークピースの夫々の孔(16)(17)の中を延びている。シャンク(15)の一方の端部の拡大ヘッド部(22)は、ワークピース(18)の一方の面に当接する。シャンク(15)には、ヘッド部(22)に隣接してストレート部(24)があり、該ストレート部は、孔(16)(17)の中に軽いすきま嵌め又はしまり嵌めにて収容される。ストレート部(24)に続いて、周方向に延びる複数の環状ロック溝(26)がある。ロック用溝(26)と真直なシャンク部(24)とは、移行部(28)によって滑らかに繋がっている。
【００１７】
ロック用溝(26)に隣接して、破断用溝(40)が設けられる。この溝は、シャンク(15)の中で最も強度の弱い部分である。破断用溝(40)と複数のプル溝(44)との間に、真直なランド部(42)がある。ランド部(42)は、シャンク部(24)、ロック溝(26)及びプル溝(44)よりも直径が小さい。プル溝(44)は、ファスナー締結用工具(48)で把持できる構造である。工具(48)は、一般的には、当該分野で既知の方法で作られるので、簡素化のために、一部分だけを示している。簡単に説明すると、工具(48)は、ピン(12)のプル溝(44)を把持できる複数のチャック部(50)を有している。チャック部(50)は、筒状のコレット組立体(52)の中に設けられる。前記コレット組立体は、一方の端部がスエージング用アンビル部(56)で終端するアンビルハウジング(54)の中に摺動可能に支持される。
【００１８】
対称形状の筒状カラー(14)は、ピンシャンク(15)を覆うことができるようになっており、ワークピース(18)(20)が締め付けられると、ロック用溝(26)の一部と径方向の位置が整えられる。工具(48)を使用して、ピン(12)とカラー(14)の間に軸方向の相対的な力が作用すると、アンビル部(56)により、カラー(14)は、ピン(12)のロック用溝(26)の中へスエージングされる。スエージングが完了すると、図２に示されるように、シャンク(15)は破断用溝(40)で切断される。ここで、工具(48)の使用を続けると、カラーエジェクター部材(58)が前方に強制移動し、スエージングされたカラー(14)はアンビル部(56)から排出され、締結が完了する。図３は、ワークピース(18)(20)がファスナー(10)の最大合計厚さで、最大グリップのときに、ファスナー(10)がワークピースに接触し締結された状態を示している。ファスナー(10)はダブルグリップ範囲であるので、ワークピース(18)(20)は、肉厚が１/８インチまでの変動ならば、ファスナー(10)で締結されることができる。このように、肉厚の異なるワークピース(18)(20)を締結するファスナー(10)の汎用性を高めることができる。
【００１９】
図４及び図５に最も良く示されるように、ロック用溝(26)と環状クレストは、所定直径のピン部材が、材質と強度の異なるカラー(14)に用いられるように最適化された構造を有している。本発明で用いられる最適化技術は、特定用途の特定カラー用にファスナーを最適化することが従来行われていた技術とは異なる。本発明では、ロック用溝(26)とクレストの構造は複数種類の適用に最適化されており、ロック用溝とクレストは、各々が、特定の適用に必要な最大幅を有しており、ロック用溝の中に、強度が異なる複数のカラーの異なる材料が充満するので、締結システムの複数種類の適用において、十分なクランプ力及び引張荷重並びに破断抵抗性がもたらされる。最適化された構造は、そのピン直径の使用を含む全ての適用が可能であり、共通のロック用溝及びクレストを用いる工具で、そのピン直径用のロック用溝(26)及びクレスト(60)の製造が可能となる。それゆえ、工具に関連して発生するコストを低減することができる。
【００２０】
ロック用溝(26)には、スエージング工程において、異なる強度のカラー(14)の材料が充填されることができる。ロック用溝(26)は、クレスト(60)によって分離しており、基部(62)を有し、該基部は、一方の端部が立上り部(leading transition portion)(64)、他方の端部が立下り部(trailing transition portion)(66)に繋がっている。スエージ型ファスナーの複数種類への適用において同一構造のロック用溝(26)とクレスト(60)を形成するために、ロック用溝(26)の長さとロック用溝の長さは、夫々、材料が異なるカラー(14)に対してピン径毎に要求されるクランプと荷重が最適化される。例えば、表１は、材質が異なる複数のカラーに用いられるピン部材の異なるピン毎に、ロック用溝(26)とクレスト(60)の長さを最適化するのに用いられる。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
表１に示される具体的適用に要求される具体的なクランプ及び引張負荷を参照すると、ロック用溝(26)は、次のとおり、具体的な適用についてピン径毎に最適化されている。
式１は、ロック用溝(26)に対する剪断面積を規定している。
ΠＤMAJORＮＧW ＝ 剪断面積    （式１）
式１において、ＤMAJORは、クレスト(60)の外径であり、Ｎは、ファスナー(10)のグリップ範囲でスエージングされたカラー(14)が充填されるロック用溝の数であり、ＧWは、ロック用溝(26)の溝幅である。
また、次の式２は、ロック用溝(26)が制御することのできる引張荷重の大きさを規定する。
Ｔ×剪断面積 ＝ 引張荷重    （式２）
式２において、Ｔは、カラー(14)の材料の剪断強度であり、剪断面積は、式１から得られる値である。
【００２３】
本発明において、ロック用溝(26)のＧWは、特定のピン直径の荷重要件に適合する全てに適用することができるように、具体的適用に最適化された最も長い溝幅となるように最適化されている。それゆえ、特定のピン直径に適用できる最長の溝幅は、特定のピン直径に対する標準の溝幅として用いられる。例えば、ロック用溝(26)のＧWは、剪断用(shear applications)のアルミニウム系2024T4合金に最適化される。或いはまた、ロック用溝(26)のＧWは、引張用(tension applications)のチタン系3Al-2.5合金に最適化される。一般的に、アルミニウム系2024T4合金は、ステンレス303SE合金やチタン系3Al-2.5V合金よりも強度が低い。なお、ステンレス303SE合金の強度は、チタン系3Al-2.5V合金と略同等と考えられている。表２は、材料特性の比較を示している。一般的には、本発明のロック用溝(26)のＧWは、締結システムに対して、特定の作用を及ぼすためにカスタマーの引張荷重要件の１１０％以上の強度がもたらされるように最適化されている。
【００２４】
特定のピン直径に対する特定の適用に対して溝幅を標準化した後、ピン直径毎に行われるクレスト(60)の最適化は次の通りである。
式３は、クレスト(60)の有効剪断面積を規定する。
ΠＣDＮＣ'W ＝ 剪断面積    （式３）
式３において、ＣDは、クレスト(60)の有効直径であって、ＤMAJOR−Ｃhに略等しく、Ｎは、ファスナー(10)のグリップ範囲でスエージングされたカラー(14)が充満するロック用溝の数であり、Ｃ'Wは、Ｃhの略半分高さの位置での有効クレスト幅である。
また、次の式４は、クレスト(60)が制御することのできる引張荷重の大きさを規定する。
Ｔ×剪断面積 ＝ 引張荷重    （式４）
式４において、Ｔは、ピン部材(12)の剪断強度であり、剪断面積は、式３から得られる値である。
【００２５】
ロック用溝(26)が、チタン系3Al-2.5V合金のような比較的高強度材料の引張用のカラー(14)で満たされたときに、クレスト(60)のＣ'Wは、破損抵抗性がもたらされるように、ピン直径毎に最適化される。一般的に、ピン部材(12)のピン直径の大部分は、ロック用溝(26)のＧWは剪断用のアルミニウム2024合金に対して最適化され、クレスト(60)のＣ'Wは、引張用のチタン系3Al-2.5V合金に対して最適化されている。ロック用溝(26)とクレスト(60)は、異なる種類の作用(applications)に対して最適化されているので、ファスナー(10)のロック用溝(26)とクレスト(60)の構造の一部分のみが最適化される。一方、ロック用溝(26)に異なるカラー材料(14)充満されたとき、ファスナー(10)は、複数の作用に対して十分なクランプ、引張負荷及び破損抵抗性をもたらすので、ロック用溝(26)とクレスト(60)は、複数種類の作用に最適化される。
或いはまた、ロック用溝(26)のＧW及びクレスト(60)のＣ'Wの両方が、引張用のチタン系3Al-2.5V合金に最適化されている場合、ロック用溝(26)のＧWは、ロック用溝(26)がアルミニウム系2024T4合金に対して最適化されたときのロック用溝(26)の幅の１０％以下である。ロック用溝(26)とクレスト(60)は、同種類の作用に最適化されているので、ファスナー(10)のロック用溝(26)とクレスト(60)の構造の全体が最適化される。一方、ロック用溝(26)に異なるカラー材料(14)充満されたとき、ファスナー(10)は、複数の作用に対して十分なクランプ及び引張負荷並びに破損抵抗性をもたらすので、ロック用溝(26)及びクレスト(60)は、複数種類の作用に最適化される。
【００２６】
一般的には、本発明のクレスト(60)のＣ'Wは、締結システムに対して、具体的なピン直径の適用における引張荷重要件の１２０％以上の強度がもたらされるように最適化されている。本発明の望ましい実施例において、ピン部材(12)は、チタン系6Al-4V合金から作られており、ロック用溝(26)のＧWは、特定の作用に必要とされる最も長い溝幅であり、具体的なピン直径の適用において十分なクランプ及び引張負荷がもたらされる。クレスト(60)のＣ'Wは、ロック用溝(26)にチタン系3Al-2.5V合金が充満したとき、破損しないように最適化されており、ピン直径は、５/３２インチ乃至１/２インチの範囲である。
【００２７】
ロック用溝(26)及びクレスト(60)は各々が、ピン直径の異なる複数種類の作用の各々に最適化された後、ロック用溝(26)にスエージングするために、予め選択された材料及び計算された外径を有する適当なカラー(14)が選択され、締結システムの選択された作用に対して、十分なクランプ及び引張荷重がもたらされる。一般的に、アルミニウム系2024T4合金から作られたカラー(14)は剪断用に用いられ、ステンレス303SE合金又はチタン系3Al-2.5V合金から作られたカラー(14)は剪断/引張又は引張用に用いられる。
夫々の適用において、所定のクランプと引張荷重が得られるようにするため、カラー(14)の計算外径は試行錯誤によって修正され、ロック用溝(26)及びクレスト(60)の形状並びにスエージング用アンビル(56)ののど部(図１のＤａ)の直径は一定に維持される。材質が異なるカラー(14)の修正された外径は僅かな変化にとどまるので、当該カラーは、同一のアンビルキャビティを有するスエージング用アンビル(56)を用いて、剪断、剪断/引張、複合剪断、剪断/引張複合の作用を及ぼしてロック用溝(26)にスエージングされることができる。なお、引張及び複合引張用に適用する場合、同じ外径のカラー(14)はうまく機能することができなかった。それゆえ、引張及び複合引張用に適用する場合、外径がより大きなカラー(14)及び異なるスエージング用アンビルが用いられる。
【００２８】
このように、スエージング用アンビル部(56)が同じであると、使用者にとって、特定のピン径に対する多くの適用において、共通の取付工具(48)を用いて、カラー(14)の締結を行なえる追加の利点がある。この特徴により、ファスナー(10)の使用者は、特定のピン直径に対して、剪断、剪断/引張、複合剪断及び剪断/複合引張の作用を及ぼすために、同じスエージング用アンビル部(56)を有する単一の工具だけを準備すればよいという利点がある。このように、特定のピン径に対して、他の作用を及ぼすために使用する工具のスエージング用アンビルの交換に要する時間を最少にすることができる。エンドユーザーの労力節減が重要であることは理解されるであろう。
【００２９】
本発明の締結システムを設計するために表１に示す負荷条件は、商業用及び軍事用航空機分野で用いるために、剪断、剪断/引張及び引張の作用を及ぼす荷重要件範囲にあるボードにも有用である。それゆえ、本発明の締結システムは、商業用及び軍事用航空機用にも有用である。
【００３０】
表１から容易にわかるように、剪断、剪断/引張又は引張への適用において、様々な引張荷重及びクランプ荷重が得られるように、各々のピン径に最適化されたロック用溝(26)及びクレスト(60)を、異なるカラー材料に利用することができる。適用種類が異なると、ロック用溝(26)の数の増減が必要になることは留意されるべきである。どの場合も、特定のピン直径に対するロック用溝(26)及びクレスト(60)の形状は一定である。また、プルタイプのスエージ型ファスナーの場合、破断用溝(40)は、適用された種類のスエージング荷重要件に基づいて、軸方向の引張力が異なる大きさで破断するように構成する必要がある。これに対して、スタンプ型ファスナーの場合、ファスナーには破断用溝が無いため、破断用溝の制約はない。また、後部が切断可能なピン又は工具に代えて、米国特許第５６０４９６８号に示されるように、ネジ付きの外部ドライブ及び／又は内部ドライブ用のネジ付きマンドレルを有する着脱可能なマンドレルを使用する適用例がある。本発明の望ましい実施例において、各々のピン直径に対して最適化されたロック用溝(26)は、チタン合金、スチール合金及びアルミニウム合金のように異なる適用例における様々な材料のカラー(14)を受け入れることができる。材質が異なるカラー(14)は、具体的なピン直径の最適化されたロック用溝(26)及びクレスト(60)に対して、様々なクランプ及び引張荷重をもたらすことは理解されるであろう。
【００３１】
表１は、例えばアルミニウムの如き金属製のワークピース(18)(20)の締結に関するものである。なお、表１と同様な値を、複合材料から作られたワークピース(18)(20)にも適用できることは理解されるべきである。図１乃至図３において、金属製のワークピース(18)(20)を締結するためのカラー(14)は、筒状カラー(14)として示されているが、フランジ型カラーを、複合材料から作られたワークピースの締結に用いることができる。また、表１では、アルミニウム系2024T4合金、チタン系3Al-2.5V合金及びステンレス303SE合金から作られたカラーを示しているが、当該分野の専門家であれば、他のアルミニウム合金、他のチタン合金、他のスチール合金又はその他の金属合金又は材料は、同一形状のロック用溝(26)及びクレスト(60)を有するピン(12)と共にカラー(14)に用いられ、剪断、剪断/引張、引張又は他の作用を及ぼして、異なる引張荷重及びクランプ荷重をもたらすことは理解し得るであろう。
【００３２】
以下の実施例は、剪断、剪断/引張、及び引張が作用する場合について、剪断強度と引張強度の大きさを示している。
＜実施例１＞
この実施例は、直径５/３２インチのピンについて、最小剪断強度(ksi)と最小引張強度(lbs.)の大きさを示している。
剪断の例では、ロック用溝の個数は５個で使用数５個；カラー材料はアルミニウム2024；最小剪断強度37ksi；最小引張強度1400ポンドである。
剪断/引張の例では、ロック用溝の個数は５個で使用数５個；カラー材料はチタン系3Al-2.5V；最小剪断強度58ksi；最小引張強度1700ポンドである。
引張の例では、ロック用溝の個数は６個で使用数６個；カラー材料はチタン系3Al-2.5V；最小剪断強度58ksi；最小引張強度2300ポンドである。
この実施例１から明らかなように、剪断が作用する場合と引張が作用する場合の剪断強度の比は約６４％であり、剪断が作用する場合と引張が作用する場合の引張強度の比は約６１％である。
【００３３】
＜実施例２＞
この実施例は、直径７/１６インチのピンについて、最小剪断強度(ksi)と最小引張強度(lbs.)の大きさを示している。
剪断の例では、ロック用溝の個数は５個で使用数５個；カラー材料はアルミニウム2024；最小剪断強度37ksi；最小引張強度9500ポンドである。
剪断/引張の例では、ロック用溝の個数は５個で使用数５個；カラー材料はチタン系3Al-2.5V；最小剪断強度58ksi；最小引張強度13100ポンドである。
引張の例では、ロック用溝の個数は６個で使用数６個；カラー材料はチタン系3Al-2.5V；最小剪断強度58ksi；最小引張強度19000ポンドである。
この実施例２から明らかなように、剪断が作用する場合と引張が作用する場合の剪断強度の比は約６４％であり、剪断が作用する場合と引張が作用する場合の引張強度の比は、約５０％である。
【００３４】
図５に示されるように、本発明のファスナーは、次の関係によって規定される。
Ｐは、ＧW＋ＣWに等しい。
ＲRはＧWに等しい。
Ｃhは４Ｉに等しい。
ＢRは、直径５/３２〜１/２インチのピンの場合、０.００５インチである。
本発明のファスナーは、さらに次の関係によって規定される。
直径３/８インチ、７/１６インチ及び１/２インチのピン部材の場合、Ｃhは、ＤS×０.０３１２５である。
直径５/３２インチ、３/１６インチ、７/３２インチ、１/４インチ及び５/１６インチの場合、Ｃhは、(ＤS×０.０３１２５)＋０.００２である。
上記関係において、各々のアルファベット文字は、次の意味を表す。
Ｐ＝ピッチ
ＧW＝ロック用溝(26)の幅
ＣW＝クレスト(60)の幅
Ｉ＝谷底の水平接線と、基部(62)及び立下り部(66)の交点を通る水平線との間の距離
ＤS＝ストレート部
ＢR＝交点半径
【００３５】
本発明の一形態において、立上り部(64)は、ピン(12)の軸と横方向の平面に対して４０度であり、一方、立下り部(66)はこれより急角度で２０度である。立上り部(64)の角度が緩やかなのは、カラー(14)の材料の一部が流れ易くするためであるのに対し、立下り部(66)の角度が急なのは、扶壁部(buttress)となってカラー(14)材料を収容できるようにするためである。この扶壁効果によって、カラー(14)はスエージングによって伸びるので、ワークピース(18)(20)の締結が円滑に行われる。移行部(64)(66)は丸い基部(62)と交わって、滑らかに移行するように形成される。
【００３６】
ロック用溝(26)がこの構造の場合、カラー(14)の容積は、ロック用溝(26)にスエージングされたときに、ロック用溝(26)を充満又は充填するのに必要な量よりも多くなるようにすることが望ましい。一実施例において、カラー(14)の容積は、過充満(overfill)又は過充填(overpacking)となるように選択される。即ち、カラー(14)材料をロック用溝(26)に充満させるために、カラー(14)の容積は、アンビル(56)ののど部(36)とそれに対向するピン(12)の部分によって形成されるスエージング用エンベロープ(図１参照)に収容される量よりも実質的に多くなるようにする。本発明のシステムでは、使用する種々のカラー(14)材料に対して、少なくとも約１７％〜約２５％多くなるようにすることが望ましいことがわかった。「過充満」又は「過充填」の割合は、一般的には、のど部(36)(図１参照)の有効スエージング部の有限長(finite length)に応じて決められ、その関係式は次のとおりである。
【００３７】
【数１】
2005522641.tif 000004
上記式中、各記号の意味は次の通りである。
Ｄaはアンビル(56)ののど部(36)の直径である。
Ｄcはカラー(14)のスエージング前の外径である。
ＩＤはカラー(14)のスエージング前の内径である。
Ｄmはロック用溝(26)の平均直径である。
ｄｌはのど部(36)のスエージング部の中の有限長であるとみなされる。
【００３８】
また、ピン部材(12)は、異なるカラー材料の高圧縮スエージング負荷によって破損又は降伏しないように、カラー(14)の硬度に対して十分な硬さを有することが望ましい。望ましい実施例において、ピン部材(12)とカラー(14)は、表２に記載の材料特性を有するとき、本発明の締結システムの条件を充足できることがわかった。
【００３９】
【表２】
2005522641.tif 000005
【００４０】
一般的に、本発明では、ピン部材(12)とカラー(14)を利用して、所望のクランプ強度及びピン降伏強さを有する締結システムを提供することが好ましく、ピン部材(12)が、所望の高い引張予荷重及びカラー(14)へのスエージング負荷に対して、降伏を生ずることなく耐え得るように、ピン部材(12)は十分な硬度を有することが望ましい。この高クランプ負荷を実現するために、カラー材料が確実に軸方向へ移動して伸長するように、カラー(14)の肉厚は十分な厚さ及び容積にせねばならない。同時に、スエージングされたカラーについても、ロック用溝(26)からスプリングバックしない強度にするために、十分な肉厚を有することが望ましい。また、接合されたジョイントの引張荷重が設計荷重に達したとき、クレスト(60)とカラーの肩部との実質的に完全な係合状態が維持されるように、カラーの肉厚は、引張負荷によって径方向に拡大しないような十分な厚さを有していなければならない。カラーの壁部が径方向に十分な剛性を具えていない場合、引張荷重によって径方向に拡がって、荷重を支える有効剪断平面が減少する。その結果、クレスト(60)の先端又はカラー(14)の肩部は早期の剪断破損を招来する。このため、カラー(14)の肉厚は、直径ＤCの関数として厚くせねばならない。このように、スエージング後の最終肉厚は、剪断がカラー(14)の最大有効剪断面で行われるように、少なくとも設計引張荷重に耐え得る十分な厚さであらねばならない。一方、カラーの肉厚が厚すぎると、スエージングが妨げられ、必要な締結荷重の増大を招く。
【００４１】
このように、カラーの肉厚の選択は、スエージングにおけるロック用溝(26)への材料移動が促進されて、材料が伸長して流れ、ピン部材(12)に所定のクランプ負荷がもたらされれるように行われる。同時に、スエージング最終段階におけるカラーの肉厚の選択についても、スエージングの開始からその後の引張荷重を受ける間、ロック用溝(26)から径方向にスプリングバックしないように、十分な径方向の剛性又はフープ強度を有するように行われる。また、カラー(14)とスエージング用キャビティ(36)の容積の選択についても、カラー(14)のロック用溝(26)への材料充満が確実に行われるように行われる。本発明において、ロック用溝(26)へ約１７％〜２５％過剰に充填されることにより、満足すべき結果の得られることがわかった。過充填が１７％より少ないと、所望の高い予荷重がもたらされず、過充填が２５％を越えると、ピン部材を降伏させるのに必要な荷重が大きくなる。
【００４２】
図１乃至図３の実施例は、プル型ファスナーを示しているが、本発明の特徴は、図６に示されるスタンプ型ファスナーにも適用することができる。図６の実施例の説明において、図１乃至図３と同様な構成要素については、同じ符号に「ｂ」の添え字を付している。図１乃至図３のプル部を除いて、図１乃至図３の実施例に示すファスナー(10)の他の要素を図６の実施例に示しているが、当該分野の専門家であれば、図６のファスナー(10b)は図１乃至図３のファスナー(10)とその構造と作用は同様であることを理解し得るので、図６は簡素化して示している。
【００４３】
図６を参照すると、図示のファスナー(10b)は、ピン部材(12b)と筒状カラー(14b)を含んでいる。ピン部材(12b)は、細長いシャンク(15b)を有しており、該シャンクは、一対のワークピース(18b)(20b)を締結するために、ワークピースの夫々の孔(16b)(17b)の中を延びている。シャンク(15b)の一方の端部の拡大ヘッド部(22b)は、ワークピース(18b)の一方の面に当接する。シャンク(15b)には、ヘッド部(22b)に隣接してストレート部(24b)があり、該ストレート部は、孔(16b)(17b)の中に軽いすきま嵌め又はしまり嵌めにて収容される。ストレート部(24b)に続いて、周方向に延びる複数の環状ロック溝(26b)がある。ロック用溝(26b)と真直なシャンク部(24b)とは、移行部(28b)によって滑らかに繋がっている。
【００４４】
ファスナー(10b)は、スクイーズ式工具組立体(48b)を使用可能な構造である。工具組立体(48b)は、一般的には、当該分野で既知の方法で作られるので、簡素化のために、一部分だけを示している。簡単に説明すると、工具(48b)は、一方の端部がスエージング用アンビル部(56)で終端するアンビルハウジング(54b)と、バッキング部材(49)を含んでいる。
【００４５】
対称形状の筒状カラー(14b)は、ピンシャンク(15)を覆うことができるようになっており、ワークピース(18)(20)が移動すると、ロック用溝(26)の一部と径方向の位置が整えられる。工具(48b)を用いて、アンビル部(56b)がカラー(14b)に当接して移動する。工具(48b)から加えられた軸方向の力はバッキング部材(49)で妨げられるので、押圧力が発生し、これによってワークピース(18b)(20b)は共に押しつけられる。この相対的な力が増すと、アンビル部(56b)がカラー(14b)の上を移動し、カラー(14b)は、ピン(12b)のロック用溝(26b)の中へスエージングされる。 ここで、工具(48)の使用を続けると、アンビル部(56b)はスエージングされたカラー(14b)から取り除かれる。
【００４６】
図６のスタンプ型ファスナーの場合も同様、アンビル部(56b)によって、カラー(14b)はロック用溝(26b)へ過充填されるので、締結ジョイントのピン(12b)の降伏位置に、所望の高保持力を有する予荷重がもたらされる。図６では、図示のカラー(14b)は、金属製のワークピース(18b)(20b)を締結するための筒状カラーであるが、複合材料製のワークピースを締結するためにフランジ型カラーを用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明のファスナーをワークピースに組み込み、ワークピースを締結する前で、工具の一部をファスナーに作用させた状態を一部破断して示す縦断面図である。
【図２】工具の最小グリップでワークピースを締結するファスナーが、工具のアンビル部によってスエージングされた状態を、図１と同様、一部破断して示す縦断面図である。
【図３】工具の最大グリップでワークピースを締結するファスナーが、工具のアンビル部によってスエージングされた状態を、図２と同様、一部破断して示す縦断面図である。
【図４】図３中、ピンのロック用溝の円で囲んだ部分(4)の拡大図である。
【図５】図４のロック用溝の１つを拡大して示す図である。
【図６】プル型に代わるスタンプ型のファスナーであって、最大肉厚のワークピースを締結するためのファスナーについて、図１乃至図３と同様、一部破断して示す縦断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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