(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
釘状構造を有する拡径ヘッド留め具装置であって、
シャンク軸に沿って第一端と第二端との間に延びるシャンクと、
前記シャンクの前記第二端に配置され、前記シャンク軸に略直交する横断面内で前記シャンクの第二端から外側に延び、ヘッド周縁部を形成するヘッドとを備え、
前記シャンクは、前記シャンク軸に直交するシャンク断面を有し、前記シャンク断面は、円形状であってシャンク径を有し、
前記シャンクは、前記第一端と前記第二端との間に延びる外面を有し、前記シャンクの前記外面は、ねじ切りされていない滑らかな円筒形を成しており、
前記ヘッドは前記シャンクの第二端に隣接する前面と、前記前面と反対側の後面とを有し、
少なくとも一つのリッジ構造が前記ヘッドの前面に配置されて突出し前記ヘッドを補強し、
前記少なくとも一つのリッジ構造は、前記ヘッド周縁部に隣接する前記ヘッドの前面に配置される外部端と、前記外部端より前記シャンクの第二端に近い内部端との間に連続的に延び、
前記ヘッドの前面は、軸受面と収束遷移部とを有し、前記軸受面は前記ヘッド周縁部に隣接する外径端から内径端に向けて内向きに延び、前記収束遷移部は、前記軸受面の前記内径端に隣接する大径端から前記シャンクの第二端に隣接する小径端に内向きに延び、前記収束遷移部は前記大径端と前記小径端との間に延びる外面を有し、前記少なくとも一つのリッジ構造は前記収束遷移部の外面の少なくとも一部を横断して延び、
前記少なくとも一つのリッジ構造は、前記大径端と前記小径端との間の直線として前記収束遷移部の前記外面を横断して延び、前記少なくとも一つのリッジ構造は、前記内径端と前記外径端との間で曲線として前記軸受面を横断して延びることを特徴とする拡径ヘッド留め具装置。
【請求項２】
請求項１に記載の拡径ヘッド留め具装置であって、
前記収束遷移部の大径端は、円形状であって、前記シャンク径の１．２５から２．０５倍の大きさとされて、前記収束遷移部は、前記ヘッドを補強することを特徴とする拡径ヘッド留め具装置。
【請求項３】
請求項１に記載の拡径ヘッド留め具装置であって、
前記収束遷移部は、前記シャンク軸に平行な第二方向に沿って前記収束遷移部の大径端と小径端との間で測定可能な軸長を有し、前記収束遷移部の軸長は、前記シャンク径の０．５５から１．７５倍の長さとされることを特徴とする拡径ヘッド留め具装置。
【請求項４】
請求項１に記載の拡径ヘッド留め具装置であって、
前記収束遷移部は、前記収束遷移部が円錐台形状を有するように収束遷移部基準線に沿って前記大径端と前記小径端との間に延びる外面を有し、前記収束遷移部基準線は、前記シャンクの第一端と第二端との間の位置で、１２．５度から３２．５度の範囲の角度で前記シャンク軸と交差することを特徴とする拡径ヘッド留め具装置。
【請求項５】
請求項１に記載の拡径ヘッド留め具装置であって、
前記収束遷移部は前記大径端と前記小径端との間に延びる外面を有し、前記外面は、前記収束遷移部が放物線状錐台形状となるように湾曲することを特徴とする拡径ヘッド留め具装置。
【請求項６】
請求項１に記載の拡径ヘッド留め具装置であって、
前記軸受面は、前記外径端と前記内径端とによって区画される軸受面領域を有し、前記軸受面領域の面積は、前記シャンクの断面積の少なくとも９倍の大きさであることを特徴とする拡径ヘッド留め具装置。
【請求項７】
請求項１に記載の拡径ヘッド留め具装置であって、
前記軸受面は前記横断面に略平行な基準平面を形成し、前記ヘッドと前記シャンクは一体構造の一部として一体であり、第一接触位置と第二接触位置との間で移動可能とされることを特徴とする拡径ヘッド留め具装置。
【請求項８】
請求項７に記載の拡径ヘッド留め具装置であって、
前記収束遷移部は前記ヘッドと前記シャンクと一体とされ、前記収束遷移部が前記ヘッドを補強することを特徴とする拡径ヘッド留め具装置。
【請求項９】
請求項７に記載の拡径ヘッド留め具装置であって、
前記軸受面の外径端は丸められて、前記軸受面と前記ヘッド周縁部とがなだらかに遷移するようにし、前記ヘッドと前記シャンクとが前記第一接触位置から前記第二接触位置に移動する際に、基板材料の第一面の表面繊維が切断されないようにすることを特徴とする拡径ヘッド留め具装置。
【請求項１０】
釘状構造を有する拡径ヘッド留め具装置であって、
シャンク軸に沿って第一端と第二端との間に延びるシャンクと、
前記シャンクの前記第二端に配置され、前記シャンク軸に略直交する横断面内で前記シャンクの第二端から外側に延び、ヘッド周縁部を形成するヘッドとを備え、
前記シャンクは、前記シャンク軸に直交するシャンク断面を有し、前記シャンク断面は、円形状であってシャンク径を有し、
前記シャンクは、前記第一端と前記第二端との間に延びる外面を有し、前記シャンクの前記外面は、ねじ切りされていない滑らかな円筒形を成しており、
前記ヘッドは前記シャンクの第二端に隣接する前面と、前記前面と反対側の後面とを有し、
少なくとも一つのリッジ構造が前記ヘッドの前面に配置されて突出し前記ヘッドを補強し、
前記少なくとも一つのリッジ構造は、前記ヘッド周縁部に隣接する前記ヘッドの前面に配置される外部端と、前記シャンクの前記外面に配置された内部端との間に連続的に延び、
前記ヘッドの前面は、軸受面と収束遷移部とを有し、前記軸受面は前記ヘッド周縁部に隣接する外径端から内径端に向けて内向きに延び、前記収束遷移部は、前記軸受面の前記内径端に隣接する大径端から前記シャンクの第二端に隣接する小径端に内向きに延び、前記収束遷移部は前記大径端と前記小径端との間に延びる外面を有し、
前記少なくとも一つのリッジ構造は、前記シャンクの前記外面の一部に沿い、前記収束遷移部の前記外面を横断し、かつ、前記軸受面を横断して延びることを特徴とする拡径ヘッド留め具装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の拡径ヘッド留め具装置において、
前記ヘッドは前記シャンクの前記第二端に対してオフセットされることを特徴とする拡径ヘッド留め具装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の拡径ヘッド留め具装置であって、
前記ヘッドは、前記ヘッド周縁部に対して前記ヘッドの中央に位置する中点を有し、前記中点は前記横断面内に配置され、前記シャンク軸から横方向にオフセット距離だけ横方向に離隔配置されることを特徴とする拡径ヘッド留め具装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の拡径ヘッド留め具装置であって、
前記ヘッドは、前記横断面内に延び前記シャンク軸と交差し前記中点を通過する横軸を規定し、前記ヘッドは前記横軸に平行に測定されるヘッド長と、前記横軸に直交して測定されるヘッド幅とを有し、前記ヘッドは、前記ヘッド長が前記ヘッド幅よりも大きくなるよう前記横軸に沿って長手状とされることを特徴とする拡径ヘッド留め具装置。
【請求項１４】
請求項１０に記載の拡径ヘッド留め具装置であって、
前記少なくとも一つのリッジ構造は、前記シャンクの前記第二端と前記ヘッド周縁部との間で、前記ヘッドの前記前面を直線状に横断して延びることを特徴とする拡径ヘッド留め具装置。
【請求項１５】
請求項１０に記載の拡径ヘッド留め具装置であって、
前記少なくとも一つのリッジ構造は、尖った補強リブであり、三角形状の断面形状を有することを特徴とする拡径ヘッド留め具装置。
【請求項１６】
請求項１０に記載の拡径ヘッド留め具装置であって、
前記少なくとも一つのリッジ構造は丸形補強リブであり、半円状の断面形状を有することを特徴とする拡径ヘッド留め具装置。
【請求項１７】
請求項１０に記載の拡径ヘッド留め具装置であって、
前記少なくとも一つのリッジ構造は、前記ヘッドの前記前面上に均等に離隔配置された複数のリッジ構造を有することを特徴とする拡径ヘッド留め具装置。
【請求項１８】
拡径ヘッド留め具装置の製造方法であって、
それぞれ第一型端部と、第二型端部と、前記第一型端部と前記第二型端部との間に延び互いに対向する合わせ面とを有する少なくとも二つの形成金型を対向配置し、
前記少なくとも二つの形成金型の第一型端部に隣接してハンマー型を配置し、
前記少なくとも二つの形成金型に、前記第一型端部に沿ったヘッド形成キャビティと、前記ヘッド形成キャビティに隣接する収束遷移部形成キャビティと、前記収束遷移部形成キャビティと前記第二型端部との間に前記合わせ面に沿って延びるシャンク形成キャビティとを設け、
前記第二型端部から前記第一型端部まで、金属ワイヤの端部が前記第一型端部から突出するまで前記金属ワイヤを前記少なくとも二つの形成金型の前記合わせ面の間に延ばし、
前記少なくとも二つの形成金型を前記金属ワイヤ上で閉塞し、前記金属ワイヤが前記少なくとも二つの形成金型のそれぞれの前記ヘッド形成キャビティ、前記収束遷移部形成キャビティ及び前記シャンク形成キャビティに収容されるようにし、
前記ハンマー型を前記第一型端部に向けて移動させることで、前記金属ワイヤの前記第
一型端部から突出する端部を、前記金属ワイヤと前記ハンマー型との間で一回打ち付け、
前記打ち付け工程に応じて、前記金属ワイヤの材料を、前記少なくとも二つの形成金型のそれぞれの前記ヘッド形成キャビティと前記収束遷移部形成キャビティとに押し出して充填し、拡径ヘッド留め具装置のヘッドと収束遷移部とを形成し、
前記打ち付け工程に応じて、前記金属ワイヤの材料を前記少なくとも二つの形成金型の合わせ面の間に押し出して、前記ヘッドの前面と前記収束遷移部とから突出する少なくとも二つのリッジ構造を形成することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１５年６月１０日に出願されたアメリカ特許出願番号１４／７３５，９３４の優先権を主張し、また２０１４年６月１０日に出願されたアメリカ仮出願番号６２／０１０，１６３および２０１５年１月２７日に出願されたアメリカ仮出願番号６２／１０８，２５９の利益をも主張する。本願は、２０１５年６月１０日に出願されたアメリカ出願番号１４／７３５，９２０にも関連する。上記出願の開示事項全体がここに援用される。
【０００２】
本願開示事項は、全体として留め具及びその製造方法に関する。例示的に、かつこれに限られないが、このような留め具は複数の建築部材を互いに固定するために建設産業で利用可能である。
【背景技術】
【０００３】
本セクションは、必ずしも先行する技術ではない本願開示事項に関連する背景技術情報を提示するものである。
【０００４】
釘状留め具は数千年にわたって用いられている。いくつかの考古学的証拠が示すところでは、釘状留め具はメソポタミアで紀元前３５００年の昔から用いられている可能性がある。初期の釘は、鍛造されるか、ハンマーで形作られていた。数千年の後、１５００年代に、鉄片から「無頭釘（ｃｕｔ−ｎａｉｌ）」留め具を製造する機械が開発された。１８００年代中頃まで、金属ワイヤから釘状留め具を製造する機械および方法は開発されなかった。今日の釘状留め具の多くは、なお、金属ワイヤ形成工程を用いる機械、方法および技術によって製造される。
【０００５】
アメリカ革命の初期、イギリスは世界の釘製造者のリーダーという栄誉を保持していた。当時、アメリカ植民地には、商業スケールでの釘製造は、実質的に行われていなかった。結果として、多くの植民地の家庭は、炉の火を道具とする単純な釘製造方法を編み出した。入植者は、自らのため、また他の製品およびサービスと物々交換するために釘を製造した。アメリカ合衆国内で最初にワイヤ釘の製造が広まったのは、ノルウェーからの鉄製ワイヤを用いての１８７７−１８７９年のことであった。ワイヤ釘は、これらがアメリカ合衆国の建設市場に導入される前に、ノルウェーで長い年月用いられていた。早くとも１８８４年に行われた、マサチューセッツ州ウォータータウンでのウォータータウンアーセナル社により行われた試験により、鉄製ワイヤ釘と比べて無頭釘が優れた引抜抵抗を有することがわかった。しかし、ワイヤ釘は無頭釘よりもはるかに低コストで製造可能であったことから、建設業界はワイヤ釘を用い、無頭釘を避ける傾向にあった。１３０年以上経った現在、２０００種類を超える釘状留め具が今日では製造されている。
【０００６】
釘状留め具は数多くの目的で用いられ、多くの種類の材料および／または用途に用いるよう設計される。用途の一つはツーバイフォー建築（ｗｏｏｄ  ｆｒａｍｅ  ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）産業におけるものであり、そこでは釘状留め具は木材および／または木質材料を互いに留めるのに用いられる。一般に、建設産業では、木材および／または木質材料からなる構造基板部材を用いて多くの住居用および／または商業用構造を作る。この木材および／または木質基板材料には、木材および／木質基板材料を互いに、又は他の建設部材に保持および／または連結するのに用いられる留め具装置が挿通される。釘、ねじおよびボルトといった従来の留め具は、およそ、長手方向に延びるシャンクと、シャンクの端部から径方向に延びるヘッドとを有する。
【０００７】
標準的な釘の多くはばらばらであり、これにより手で打ち込むのが容易となるが、他の多くの釘は、何らかの形で結束され（ｃｏｌｌａｔｅ）、または螺旋状に巻かれて、電動工具を用いるのを容易とする。同様に、ねじも手で、および／または電動工具を用いる用途に利用可能である。通常、ボルト状留め具は、手でまたは電動システムの補助を受けて最終トルクを加えながら取り付けられる。留め具の保持および把持力を補助するため、多くの機構が釘、ねじおよびボルトのシャンクに設けられる。釘状留め具のシャンクに適用される機構の例としては、いくつか挙げるだけでも、特殊コーティング、螺旋状ねじれ部、リングシャンク（ｒｉｎｇ  ｓｈａｎｋ）、こぶ、返し、リブおよびスプラインがある。釘状および／またはねじ状留め具のいくつかは、同じシャンク上に複数のシャンク機構を組み合わせて有する。同様に、ねじ状およびボルト状シャンクは、いくつか挙げるだけでも、数多くの異なるねじパターン、連続ねじ、不連続ねじ、単一ひだ、複数ひだ、特殊コーティング、および同じシャンク上のねじパターンの組み合わせを有する。数多くのバリエーションがあるものの、住居用および商業用建築物で木材および／または木質材料を接続および／または保持するのに用いられる留め具のヘッドの多くは比較的小さなサイズである。さらに、多くの従来型留め具のヘッドは、基板材料の表面繊維を切断および／または破断しないように設計され製造される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の留め具が従来の木材および／または木質材の基板材料に設置されると、基板材料と留め具との間に綱引きのような結果が生じる。例えば、従来のツーバイフォー建築物の基板材料の合板ルーフデッキは、釘を使って木材の垂木枠材基板材料に留められる。強風にさらされやすい海岸地域付近の多くでは、安全な使用荷重設計を実現するため、建築法により、所定のパターンと間隔とを有する少なくとも８ｄの釘を用いなくてはならない。このシナリオでの綱引きは、強風下で、ルーフデッキの基板材料が木材垂木枠材基板材料からはがれ、分離する力を受けるときに現れる。実際上、ルーフデッキの基板材料を、木材垂木基板材料と一体に維持する唯一の存在は釘である。釘のシャンクは、木材垂木基板材料から抜けないようにしなくてはならないのと同時に、釘のヘッドはルーフデッキの基板材料を貫通しないようにしなくてはならない。
【０００９】
貫通と引抜の綱引き中で最も弱いリンクが最初に壊れることになり、したがって３つの破壊態様の一つが生じる。第１の態様では、釘のシャンクが木材垂木基板材料から引き抜かれ、釘のヘッドがルーフデッキの基板材料に埋設されたままとなる（すなわち、ルーフデッキの基板材料が釘と一緒に木材垂木基板材料から離れる）。第２の態様では、釘のヘッドがルーフデッキの基板材料を貫通し、釘のシャンクは木材垂木基板に埋設されたままとなる（すなわち、釘が木材垂木基板材料中に残った状態で、ルーフデッキの基板材料が木材垂木基板材料から離れる）。第３の態様は、第１および第２の態様より稀であるが、ヘッドまたはシャンクが、破断、屈曲又は剪断により破壊される留め具破壊である。これら３つの破壊態様のいずれかが生じた場合、木材ルーフデッキ基板材料が剥がれることで、建築物が甚大な損害を被りおよび財産損失が生じることになる。
【００１０】
ＮＴＡ  Ｉｎｃ．により行われた独立第三者実験室試験により、一般的に使われる釘は、打ち込まれた後二日以内にその初期引抜抵抗の半分を失うことが実証されている。その後、約一月後には、基板材料の木材繊維が釘と結合してその引抜抵抗が増加するものの、最終的な引抜抵抗はやはり初期抵抗よりも著しく小さい。
【００１１】
返し、リングシャンク、螺旋およびひだ等のシャンク機構は、基板材料が環境条件にさらされて、長期間にわたり木材基板繊維が乾燥して収縮することにより、著しく引抜抵抗を失うことが示されている。加えて、返し、リングシャンク、螺旋及びひだ等のシャンク機構は、構造に吹き当たる強風、トルネードが移動する際に生じる振動活動及び自身及び地滑りによる振動活動により生じる振動に釘及び基板材料がさらされる際に、著しく引抜抵抗を失うことも示されている。
【００１２】
釘状留め具の例としては、Ｊ．Ｆ．Ｔｈａｙｅｒに１８８８年８月７日に発行されたアメリカ特許番号３８７，３８０  「平坦先端釘又は鋲」、Ｋｒａｅｍｅｒに１９３７年９月２１日に発行されたアメリカ特許番号２，０９３，６１０  「釘」、及びＳｃｈｎｉｅｄｅｒｍｅｉｅｒに１９９０年６月１２日に発行されたアメリカ特許番号４，９３２，８２０  「シャンクに沿って異なる保持性能を有する釘」がある。これら特許に記載される留め具の一つの問題点は、ヘッドが木材および／または木質基板材料の表面繊維を容易に切断および／または破断することである。この種の留め具の別の重大な問題点は、留め具の貫通抵抗（ｐｕｌｌ−ｔｈｒｏｕｇｈ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）が基板材料の厚みに比例して増加しないことである。ＮＴＡ  Ｉｎｃ．による独立第三者試験により、基板材料の厚みの増加に伴うこれらの留め具の貫通抵抗は、より少ない割合で増加することが判明している。
【００１３】
建設業界の中には、留め具のヘッドの下に平ワッシャを用いて留め具の有効軸受面を拡大するよう工夫している人もいる。ワッシャ型の装置を用いることで軸受面は増加するものの、これにより留め具のヘッドの相対厚みも増加することとなり、基板材料の表面からヘッドが突出することとなる。留め具とワッシャの組み合わせが基板材料の表面と面一になるまで打ち込まれる場合、基板材料は切断され、傷つけられ、および／または損傷して、さらに変形してその後に構造的一体性を失うことになりやすい。
【００１４】
ワッシャ状装置と組み合わせた釘状留め具の例は、Ｈ．  Ｍａｚｅに１９４１年９月１６日に発行されたアメリカ特許番号２，２５６，４０１  「留め具」、Ｗｈｉｔｍａｎに１９８９年８月２９日に発行されたアメリカ特許番号４，８６０，５１３  「屋根葺き留め具」、及びＭｅｙｅｒに１９８９年１２月５日に発行されたアメリカ特許番号４，８８４，９３２  「デッキ用防振留め具（Ｄｅｃｋｉｎｇ  Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ  Ｆａｓｔｅｎｅｒ）」がある。これらの特許に開示された留め具の問題点の一つとして、ワッシャ状装置は木材および／または木質材料基板の表面繊維の切断および／または破断を防止するようには設計されていないことが挙げられる。釘のヘッドが木材基板の表面繊維を破断するのと同様、ワッシャ状装置も、釘ヘッド径よりもより大きな径で木材基板の表面繊維を破断する。
【００１５】
留め具の有効軸受面を増大させるために拡径ヘッドを有する釘を開発した人は他にもいる。例えば、Ｓｕｔｔ，Ｊｒに２００４年７月６日に発行されたアメリカ特許番号６，７５８，０１８  「拡径ヘッドを有し保持力を向上した動力打ち込み釘、及び方法（Ｐｏｗｅｒ  Ｄｒｉｖｅｎ  Ｎａｉｌｓ  Ｆｏｒ  Ｓｈｅａｔｈｉｎｇ  Ｈａｖｉｎｇ  Ｅｎｌａｒｇｅｄ  Ｄｉａｍｅｔｅｒ  Ｈｅａｄｓ  Ｆｏｒ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ）」は、ヘッドの大きさとシャンクの大きさとが特定の比率であることを要件とする拡径ヘッドを有する留め具を開示する。この比率によって特定される拡径ヘッドにより、一般に用いられる釘と比較して大きな貫通抵抗が得られる。「Ｈｕｒｒｉｑｕａｋｅ」というブランドで市販される留め具は、この特許の派生商品である。試験の結果、この種の留め具は、従来のより小さな大きさのヘッドと比較してより大きな貫通抵抗を示すことがわかっている。しかし、この設計の問題点の一つは、釘ヘッドの幾何学形状が比較的平坦かつ平面的であり、鋭利端がヘッドの下側に沿って設けられることである。留め具のシャンクと比較したときの拡径ヘッドの大きさの利点は、ヘッド設計の幾何学形状のもたらす生来的な有害作用（ｄｅｔｒｉｍｅｎｔａｌ  ｂｅｎｅｆｉｔ）のため限定される。具体的に、拡径ヘッド釘は、いくつかの重大な破壊態様を含むことが示されている。一つの破壊態様は、貫通力（ｐｕｌｌ−ｔｈｒｏｕｇｈ  ｆｏｒｃｅｓ）が加えられる前に、釘を最初にセットした時点から、ヘッド下側の鋭利端により木材基板材料の表面繊維が破断し、分断されることで生じる。別の破壊態様は、強風により裏返った傘のように、基板材料を貫通した後、釘の拡径ヘッドが著しく変形してぐらつくことで起こる。テスト中に見られたさらに別の重大な問題点は、様々な厚みの基板材料でテストした釘の対応する貫通抵抗が、基板の増加した厚みと等価でないことであった。すなわち、拡径ヘッドを設けたにも関わらず、独立第三者試験では、基板の厚みが増加しても、この種の釘の貫通抵抗には対応する貫通抵抗の増加が見られないことが判明している。このような拡径ヘッド留め具にまつわる別の問題点は、このような留め具の製造方法にある。この留め具の拡径ヘッドを形成するためには、その大きさのため、この留め具のシャンクを形成する金属ワイヤが対向する型片によってクランプされた後、複数回のハンマーによる打撃が必要とされる。すなわち、最初のハンマー打ち付けの後のヘッド径は不十分であり、一回以上、追加でハンマーを打ち付けてワイヤ材料を外側に押し出して拡径ヘッドを形成することが必要となる。これにより、製造方法の生産効率が低下することとなり、製造コストが増大する。
【００１６】
したがって、釘状留め具、ねじ状留め具及びボルト状留め具の貫通抵抗を増大させる、より優れた留め具ヘッド設計が、なお求められる。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本セクションは、開示事項の概括的要約を示すものであり、その全体の範囲ないし全ての特徴を包括的に開示するものではない。
【００１８】
本願開示の一つの側面によれば、シャンクとヘッドとを有する拡径ヘッド留め具装置が設けられる。このシャンクはシャンク軸に沿って第一端と第二端との間で延びる。シャンクは第一端と第二端との間に延びる外面を有し、シャンクはシャンク軸に直交するシャンク断面を有する。シャンク断面は、円形状でありシャンク径を有する。ヘッドは、シャンクの第二端に配置され、横断面内でシャンクの第二端から外側に延出してヘッド周縁部を形成する。この横断面はシャンク軸と略直交する。ヘッドはシャンクの第二端に隣接して配置される前面と、前面と反対側の後面とを有する。ヘッドの前面は、外径端から内径端に第一方向に内向きに延びる軸受面を有する。外径端は、ヘッド周縁部に隣接する位置であり、第一方向は横断面に略平行である。ヘッドの前面は、大径端から小径端に内向きに延びる収束遷移部をも有する。収束遷移部の大径端は、軸受面の内径端に隣接して配置され、収束遷移部の小径端はシャンクの第二端に隣接して配置される。収束遷移部の大径端は、円形形状であり大径端径を有する。大径端径は、シャンク径の１．２５から２．０５倍の大きさとされ、拡径ヘッド留め具装置の設置時に干渉することなく、収束遷移部によってヘッドが補強される。
【００１９】
本願開示事項の別の側面によれば、拡径ヘッド留め具装置は、ヘッドの前面に配置され、ヘッドの前面から突出する少なくとも一つのリッジ構造を有する。この少なくとも一つのリッジ構造は、外部端と内部端との間で連続的に延びる。この少なくとも一つのリッジ構造の外部端は、ヘッド周縁部に隣接するヘッドの前面上に配置される。他方、この少なくとも一つのリッジ構造の内部端は、この少なくとも一つのリッジ構造の外部端よりもシャンクの第二端に近く配置される。有利なことに、この少なくとも一つのリッジ構造により、ヘッドがさらに補強されることになる。
【００２０】
さらに別の側面によれば、本願開示事項により、本願明細書記載の拡径ヘッド留め具装置の製造方法が示される。この方法は、少なくとも二つの形成金型を対向させて配置する工程を含む。少なくとも二つの形成金型はそれぞれ第一型端部と、第二型端部と、第一型端部と第二型端部との間に延びる合わせ面とを有する。これらの少なくとも二つの形成金型の合わせ面は互いに対向する。この方法は、ハンマー型を少なくとも二つの形成金型の第一型端部に隣接して配置し、この少なくとも二つの形成金型のそれぞれにヘッド形成キャビティ、収束遷移部形成キャビティ、及びシャンク形成キャビティを設ける工程を含む。より具体的に、ヘッド形成キャビティは第一型端部に沿って設けられ、収束遷移部形成キャビティはヘッド形成キャビティに隣接して設けられ、シャンク形成キャビティは、少なくとも二つの形成金型の合わせ面に沿って、収束遷移部形成キャビティと第二型端部との間に設けられる。この方法は、さらに、第二型端部から第一型端部に向け、少なくとも二つの形成金型の合わせ面の間に金属ワイヤを、この金属ワイヤの端部が第一型端部から突出するまで延ばす工程と、この少なくとも二つの形成金型を金属ワイヤ上で閉塞する工程とを含む。この閉塞工程により、金属ワイヤが、少なくとも二つの形成金型のそれぞれのヘッド形成キャビティ、収束遷移部形成キャビティ、及びシャンク形成キャビティ内に収容される。この方法は、さらに、第一型端部から突出した金属ワイヤの端部を一回（ｉｎ  ａ  ｓｉｎｇｌｅ  ｉｍｐａｃｔ）打ち付け、金属ワイヤの材料を、少なくとも二つの形成金型のそれぞれのヘッド形成キャビティと収束遷移部形成キャビティとに押し出させて充填する工程を含む。打ち付け工程中の一回の打撃が行われるのは、ハンマー型が少なくとも二つの形成金型の第一型端部に向けて移動（すなわち、移動又は駆動）されたときの金属ワイヤの端部とハンマー型との間の部分である。この方法によれば、打ち付け工程に応じて、押し出し工程により、拡径ヘッド留め具装置のヘッドと収束遷移部とが形成される。
【００２１】
したがって、本明細書に記載される留め具装置及びその製造方法は、数多くの利点を示し、従来の留め具及び関連するその製造方法の問題点を克服する。本明細書に記載される留め具ヘッドの設計により、小ヘッド留め具及び既存の拡径ヘッド留め具と比べて、実質的に優れた保持性能並びに優れた貫通抵抗が得られる。収束遷移部と少なくとも一つのリッジ構造との双方により、本願の拡径ヘッド留め具装置のヘッドが補強され、基板材料を貫通した後に拡径ヘッドが雨傘のように裏返るという、他の留め具において発生する破壊モードを実質的になくすことができる。本願の拡径ヘッド留め具装置のヘッドがより変形しにくいことから、開示される拡径ヘッド留め具装置の貫通抵抗はより高い。加えて、開示された拡径ヘッド留め具装置の貫通抵抗は、基板材料の厚みが増加すると大幅に増加する。試験により、このレベルの留め具性能は、上述の小ヘッド留め具、または従来の拡径ヘッド留め具によっては実現されないことが示されている。有利なことに、本明細書に記載される開示事項は、釘状留め具、ねじ状留め具及びボルト状留め具を含む広い範囲の異なる留め具の種類に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本発明のその他の利点は、添付の図面と合わせて以下の詳細な説明を参照することにより、容易に理解されるであろう。これらの図面は以下を示す。
【図１】本願開示事項にしたがって構成される、例示的な拡径ヘッド留め具装置の斜視側面図である。
【図２】図１に示される、例示的な拡径ヘッド留め具装置の側面図である。
【図３Ａ】図１に示される、例示的な拡径ヘッド留め具装置の一部の側面図である。
【図３Ｂ】線３Ｂ−３Ｂに沿った図３Ａに示される例示的拡径留め具装置の上面断面図である。
【図４】本願開示事項にしたがって構成される、リブ付シャンクを有する別の例示的な拡径留め具装置の側面図である。
【図５Ａ】本願開示事項にしたがって構成される、曲面状の外面を有する収束遷移部を含む別の例示的な拡径留め具装置の一部の側面図である。
【図５Ｂ】本願開示事項にしたがって構成される、一つ以上の歯を有する収束遷移部を含む別の例示的な拡径留め具装置の一部の側面図である。
【図６】本願開示事項にしたがって構成される、ヘッドの前面に設けられたリッジ構造を有するヘッドを備える別の例示的な拡径留め具装置の一部の側面図である。
【図７】図６に示される、例示的な拡径ヘッド留め具装置の一部の底面図である。
【図８】線８−８に沿った図７に示される例示的拡径留め具装置の一部の側面断面図である。
【図９】図６に示される、例示的な拡径ヘッド留め具装置の一部の底面斜視図である。
【図１０】図９に示される、リッジ構造の一つを示す例示的な拡径ヘッド留め具装置の一部の拡大底面斜視図である。
【図１１】図９に示される、ヘッドを切り欠いてリッジ構造の一つの形状を示す例示的な拡径ヘッド留め具装置の一部の別の拡大底面斜視図である。
【図１２】本願開示事項にしたがって構成される、ヘッドの軸受面にわたって曲線状とされたリッジ構造を有するヘッドを備える別の例示的な拡径留め具装置の一部の底面斜視図である。
【図１３】図１２に示される、例示的な拡径ヘッド留め具装置の底面図である。
【図１４】図１２に示される、例示的な拡径ヘッド留め具装置の斜視側面図であり、基板材料に埋設された例示的拡径ヘッド留め具装置を示す。
【図１５Ａ】本願開示事項にしたがって構成される、オフセットヘッドを有する別の例示的な拡径ヘッド留め具装置の斜視側面図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａに示される、例示的な拡径ヘッド留め具装置の側面図である。
【図１５Ｃ】図１５Ａに示される例示的圧縮圧入留め具装置のオフセットヘッドから見下ろした上面図である。
【図１５Ｄ】図１５Ａに示される、例示的な拡径ヘッド留め具装置の一部の側面図である。
【図１６Ａ】図１に示される、留め具ストリングの一部として結束された例示的な拡径ヘッド留め具装置のいくつかの側面図である。
【図１６Ｂ】図１６Ａに示される、例示的な拡径ヘッド留め具装置の上面図である。
【図１６Ｃ】図１５Ａに示される、留め具ストリングの一部として結束された例示的な拡径ヘッド留め具装置のいくつかの上面図である。
【図１７】小ヘッド留め具と従来型拡径ヘッド留め具で得られる貫通抵抗と、図１に示される例示的拡径ヘッド留め具装置で得られる貫通抵抗とを比較したグラフ（ｐｌｏｔ）である。
【図１８】本願開示事項にしたがって構成される例示的な拡径ヘッド留め具装置の例示的製造方法を示すフローチャートである。
【図１９】図１８に示される方法を実行するのに用いられる例示的な金型アセンブリの側面図である。
【図２０】図１９に示される、例示的な金型アセンブリの正面斜視図である。
【図２１】図１８に示される方法を実行するのに用いられる別の例示的な金型アセンブリの側面図である。
【図２２】図１９に示される、例示的な金型アセンブリの二つの形成金型を示す正面図である。
【図２３】図２１に示される、例示的な金型アセンブリの二つの形成金型を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図面を参照して拡径ヘッド留め具装置２０を説明するが、図面を通じて同じ符号は対応する要素を示す。
【００２４】
例示的実施形態を、添付図面を参照してより十分に説明する。例示的実施形態を、本願開示を十全なものとし、当業者にその範囲を十分に伝えるよう示している。本願開示の実施形態の十全な理解を提供するため、具体的な構成要素、素子及び方法の例など、数多くの具体的詳細を記載している。当業者にとって、具体的な詳細を用いる必要はなく、例示的実施形態は多くの異なる形態で実装可能であり、また本願開示を限定するものと解釈すべきでないことは明らかであろう。いくつかの例示的実施形態において、公知の方法、公知の素子構造及び公知の技術は、詳細に記載されない。
【００２５】
本明細書中で用いられる用語は、具体的な例示的実施形態を記述することのみを目的とするものであり、限定的であることを意図しない。本明細書で使用される際、単数形は、明示されていない限り複数形も含むことを意図する。用語「備える」、「備えて」、「含んで」および「有して」は包括的であり、述べられた特徴、整数、工程、操作、要素、および／または部品の存在を特定する。しかし、１以上の特徴、整数、工程、操作、要素、部品および／または群の存在または追加を排除するものではない。本明細書で記載される方法工程、プロセスおよび操作は、実行順序として詳細に特定されない限り、必ずしも記載または図示された特定の順序で実行を要するものと解釈されるべきではない。追加工程または代替工程が用いられてもよいことも当然である。
【００２６】
要素または層が、他の要素または層「上に」ある、「に係合」、「に接続」または「に連結」すると記される場合、この要素または層は直接に他の要素または層上にあるか、係合、接続、または連結してもよい。または、介在要素または層があってもよい。一方、要素が、他の要素または層の「直接上に」ある、「に直接係合」、「に直接接続」または「に直接連結」すると記される場合、介在要素または層は存在しなくてよい。要素同士の関係を説明するのに使用される他の文言（例えば、「の間に」と「直接の間に」、「隣接して」と「直接隣接して」など）は、同様に解釈されるべきである。…本明細書で用いられる際、用語「および／または」は１以上の関連づけられたリスト項目の全ての組み合わせを含む。
【００２７】
第一、第二、第三等の用語が各種要素、部品、領域、層および／または切断面を説明するために本明細書で使用されるが、これらの要素、部品、領域、層および／または切断面はこれらの用語により限定されるものではない。これらの用語は、ある要素、部品、領域、層および／または切断面を他の領域、層または切断面から区別するためにのみ使用されてもよい。本明細書で使用される際の「第一」「第二」のような用語および他の数に関する用語は、文脈で明示されない限り、配列または順序を意味しない。したがって、下記で論じられる第一要素、部品、領域、層および／または切断面は、実施例の教示から逸脱することなく第二要素、部品、領域、層および／または切断面と称されることも可能である。
【００２８】
「インナー」、「アウター」、「真下に」、「下に」、「下側の」「上に」、「上部に」等のような空間的に相対的な用語が、図示する際、ある要素または特徴と他の要素または特徴との関係の記載を容易にするために、本明細書で使われてもよい。空間的に相対的な用語は、図示される向きに加えて、使用時または操作時における装置の異なる向きを包含するものとしてもよい。例えば、図の装置がひっくり返ると、他の要素または特徴の「下に」または「真下に」と記載される要素は、他の要素または特徴の「上に」置かれるだろう。このように、例示の用語「下に」は上と下両方への向きを包含することが可能である。装置は他方向に向いてもよく（９０度回転または他の向きに）、本明細書で使用される空間関連記述子はそのように解釈される。本明細書で用いられる「略平行」との用語は、記載される要素が正確に平行であるか、あるいはプラスマイナス５度の範囲の角度をもって配置されることを意味する。本明細書で用いられる「略直交」との用語は、記載される要素が正確に平行であるか、あるいは８５度以上９５度以下の範囲の角度をもって配置されることを意味する。
【００２９】
図１、２、３Ａ、及び３Ｂに、釘状構造の拡径ヘッド留め具装置２０が示される。この拡径ヘッド留め具装置は、シャンク２２、ヘッド２４、及び先端２６を有する。なお、図示される例においては、シャンク２２、先端２６、及びヘッド２４は互いに一体化されて、一体構造を形成する。シャンク２２は、シャンク軸２８に沿って第一端３０と第二端３２との間で直線的に延びる。シャンク２２は、第一及び第二端３０、３２の間に延びる外面３４を有する。他の形状とされても良いが、示される例では、シャンク２２の外面３４は円筒形状を有する。図３Ｂに最も良く示されるように、シャンク２２は円形形状でありシャンク径３８を有するシャンク断面３６を有する。シャンク断面３６がシャンク軸２８に対して直交して延びることも理解される。
【００３０】
先端２６は、シャンク２２の第一端３０に設けられる。各種の先端形状が利用可能であるものの、図示された例では、先端２６はシャンク２２の第一端３０に隣接して配置される位置でのシャンク径３８から、第一端３０から外側に離隔される位置の点４０まで先細り形状とされる。先端２６は、少なくとも二つの角度付側面４２を有する。図１及び２において、先端２６の半分のみが見え、図示される例では、全部で４つの角度付側面４２を有する。これら角度付側面４２は点４０で収束し、角度付側面４２のそれぞれは平面形状である。先端２６の点４０は、シャンク軸２８に沿って配置されても良い（すなわち、シャンク断面３６に対して中央に位置しても良い）。別の構成では、先端２６は円錐形状、または一つのみの角度付側面を有しても良い（図示略）。先端２６が一つのみの角度付側面を有する場合、点４０はシャンク軸２８に対して横方向にオフセットされても良い（図示略）。拡径ヘッド留め具装置２０のシャンク２２は、先端２６なしで設けられ、シャンク２２が第一端３０で終結しても良い。
【００３１】
ヘッド２４は、シャンク２２の第一端３２に設けられる。したがって、ヘッド２４はシャンク２２上に先端２６と反対側に配置される。ヘッド２４は、シャンク軸２８に略直交する横断面４６内でシャンク２２の第二端３２から外側に延びる。図１、２、３Ａ及び３Ｂにおいて、ヘッド２４はシャンク軸２８を中心とするが、ヘッド２４がシャンク軸２８に対してオフセットされる別の構成も可能である（図２３Ａ−２３Ｄ）。ヘッド２４は横断面４６内で外側に延びるものの、ヘッド２４は平面状である必要はない。代わりに、横断面４６は、ヘッド２４を二分するようにヘッド２４に対して配置される。ヘッド２４はシャンク２２の第二端３２に隣接する前面４８と、前面４８と反対側の後面５０とを有する。ヘッド２４は、ヘッド２４の前面及び後面４８、５０との間でシャンク軸２８に平行に延びるヘッド厚５４を有する。図１に示されるように、ヘッド２４はシャンク軸２８に対して直交して延びるヘッド断面５６を有し、ヘッド断面５６はヘッド周縁部５８によって区画される。ヘッド断面５６は図１、２、３Ａ及び３Ｂに示される例では円形形状を有する。しかし、ヘッド２４は様々な異なる形状及び大きさで形成可能である。限定的でない例として、ヘッド断面５６は、楕円、三角形、正方形、矩形、五角形または八角形の形状を有しても良い。ヘッド周縁部５８は、シャンク径３８よりも大きなヘッド幅６０を規定する。ヘッド断面５６が円形形状を有する場合、ヘッド幅６０はヘッド２４の径と等しい。ヘッド周縁部５８は、ヘッド２４の前面及び後面４８、５０の間でシャンク軸２８と略平行な方向に延びる。図１、２、３Ａ及び３Ｂに示される例では、ヘッド周縁部５８は円筒形状を有する。これらの実施例に関わらず、ヘッド周縁部５８は円筒以外の形状を有しても良い。
【００３２】
ヘッド２４の後面５０は、各種の異なる形状を有しても良い。限定的ではない例として、ヘッド２４の後面５０は平面形状またはドーム型形状を有しても良い。ヘッド２４の後面５０は、工具によって駆動される構造としても良い（図示略）。拡径ヘッド留め具装置２０が図に示されるように釘状の構造で形成される場合、工具は例えばハンマーである。一般に、このようなハンマーを振り下ろしてヘッド２４の後面５０と接触させることで、先端２６及びその後にシャンク２２を基板材料６６に打ち込む（図１４では図示略）。拡径ヘッド留め具装置２０がねじ状の構造で形成される場合、工具は例えばねじ回しであっても良い。したがって、拡径ヘッド留め具装置２０のヘッド２４は、後面５０からシャンク２２の第二端３２に向けてヘッド内に延びてもよい工具収容凹部（図示略）を有しても良い。工具収容凹部の幾何学形状は、工具の一部を収容して、拡径ヘッド留め具装置２０が工具によって回転駆動可能なように構成される。限定的でない例として、工具収容凹部は、平頭ヘッド工具部、フィリップスヘッド工具部、トルクスヘッド工具部、または六角ヘッド工具部、正方形ヘッド工具部、ポジドライブ（Ｐｏｚｉｄｒｉｖ）ヘッド工具部、ポリドライブ（Ｐｏｌｙｄｒｉｖｅ）ヘッド工具部などの工具部を収容するよう構成されても良い。ねじ状構造として拡径ヘッド留め具装置２０が設けられる場合、圧縮圧入留め具装置２０はさらにシャンク２２の外面３４から外側に延びて基板材料６６と係合する（図１４に図示）ねじ（図示略）を有しても良い。このねじは、工具がヘッド２４とシャンク２２とを回転させるにつれて基板材料６６に切り込み、シャンク２２をシャンク軸２８に沿って基板材料６６に対して長手方向に動かす。
【００３３】
拡径ヘッド留め具装置２０がボルト状拡径ヘッド留め具装置２０である場合、拡径ヘッド留め具装置２０は先端２６を有しても有しなくても良い。ヘッド２４は、一つ以上の平面状工具接触面（図示略）を有してもよい。この少なくとも一つの平面状工具接触面は、工具と係合可能な大きさ及び形状を有する。限定的でない例として、工具はレンチまたはソケットであっても良く、ヘッド２４は、任意の数の平面工具接触面を設けて良いものの、全部で６つの平面状工具接触領域１４４を有しても良い。この構成によれば、拡径ヘッド留め具装置２０はさらにシャンク２２の第一端３０に螺合されるナット（図示略）を有しても良い。このナットは、一つ以上の平面状工具接触面を有してもよい。
【００３４】
ヘッド２４の前面４８は、シャンク２２の外側の露出領域７２を含む。したがって、この露出領域７２は、基板材料６６の第一面７４（図１４に図示）と接触するように構成される。ヘッド２４の前面４８は、シャンク２２とヘッド周縁部５８との間に配置される収束遷移部７６を有する。収束遷移部７６は、シャンク２２の第二端３２の周囲に切れ目無く連続的に延びる。図１、２、３Ａ及び３Ｂに示されるシャンク断面３８が円形の例では、収束遷移部７６は、シャンク２２の第二端３２を囲む。収束遷移部７６は、ヘッド周縁部５８の内側に離隔されて軸受面７８を形成する。したがって、軸受面７８は収束遷移部７６とヘッド周縁部５８との間に配置される。軸受面７８は、ヘッド２４の前面４８上の露出領域７２内に配置される。露出領域７２内にあることにより、軸受面７８は基板材料６６の第一面７４と接触するように構成される。他の形状とされても良いが、図１、２、３Ａ及び３Ｂに示される軸受面７８は平面、リング状形状を有する。
【００３５】
軸受面７８は、横断面４６と略平行かつシャンク軸２８と略直交する基準平面８０を規定する。軸受面７８が平面状でありシャンク軸２８に直交する構成においては、基準平面８０は軸受面７８に沿って延びる。軸受面７８が非平面状及び／またはシャンク軸２８に直交しない構成においては、基準平面８０は軸受面７８に接する（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）。言い換えれば、基準平面８０は後面５０から最も遠い点（すなわち、シャンク２２の第一端３０に最も近い点）において軸受面７８と接触する。ヘッド２４の形状に応じて、軸受面７８によって規定される基準平面８０は、横断面４６と離隔されても良く、または横断面４６と同一の外延を有しても良い。
【００３６】
図３Ａに示されるように、軸受面７８は外径端８２と内径端８４との間に延びる。外径端８２は軸受面７８とヘッド周縁部５８との間に配置され、内径端８４は軸受面７８と収束遷移部７６との間に配置される。外径端８２と内径端８４とにより、ヘッド周縁部５８と、軸受面７８と収束遷移部７６との間のなだらかな遷移が形成される。特に、外径端８２は、軸受面７８が基板材料６６に進入する際、基板材料６６の第一面７４の表面繊維が切断されるのを防止するのを補助する。図１、２、３Ａ、及び３Ｂに示される例では、軸受面７８に沿って延び、シャンク軸２８に向かって径方向内側に延びる第一方向８６に順に、ヘッド周縁部５８、外径端８２、軸受面７８、内径端８４、収束遷移部７６、及びシャンク２２の外面３４が同心円状に配置される。
【００３７】
収束遷移部７６は、大径端１０２と小径端１０４との間に延びて収束遷移部基準線１０６を形成する。収束遷移部７６の大径端１０２は、軸受面７８の内径端８４に隣接して配置され、小径端１０４はシャンク２２の第二端３２に沿って配置される。収束遷移部７６は、大径端１０２と小径端１０４との間に延びる外面１０８を有する。収束面基準線１０６は、角度１１０で、シャンク２２の第一及び第二端３０、３２の間に配置される位置１１２においてシャンク軸２８と交差する。収束遷移部基準線１０６とシャンク軸２８との間に形成される角度１１０は、１２．５度から３２．５度の間である。結果として、図１、２、３Ａ及び３Ｂの収束遷移部７６の外面１０８は円錐台形状を有する。角度１１０がシャンク軸２８に対して測定されることも理解される。収束遷移部７６はシャンク軸２８に対して対称である。したがって、角度１１０は、収束遷移部７６の一方側と収束遷移部７６の他方側との間で測定される角度Ｗの半分を表す。したがって、角度１１０が１２．５度から３２．５度である場合、角度Ｗは２５度から６５度である。試験の結果、角度１１０が１２．５度から３２．５度の間にあることが極めて重要であることが判明している。角度１１０が１２．５度未満である場合、収束遷移部７６は、先端２６及びシャンク２２によって基板材料６６に形成される孔Ｈ（図１４に図示）に対してヘッド２４を常に中央に寄せるのに十分な基板材料６６を移動させない。角度１１０が３２．５度よりも大きい場合、収束遷移部７６が移動させる基板材料６６は多すぎて、孔Ｈに対してヘッド２４を常に中央に寄せることができない。また、収束遷移部７６が移動させる基板材料６６の量が多すぎるため、後面５０が基板材料６６の第一面７４と面一になる位置までヘッド２４を基板材料６６に進入させることが困難である。
【００３８】
図１、２、３Ａ、及び３Ｂに示されるように、収束遷移部７６の大径端１０２は円形形状であり大径端径１１４を有する。同様に、収束遷移部７６の小径端１０４も円形形状であり小径端径１１６を有する。大径端径１１４は小径端径１１６よりも大きく、小径端径１１６はシャンク径３８と等しい。試験により、大径端径がシャンク径３８（したがって、小径端径１１６）の１．２５から２．０５倍の大きさであることが極めて重要であることがわかっている。大径端径１１４がシャンク径３８の１．２５倍未満である場合、拡径ヘッド留め具装置２０が暴風下などの破壊的な分離引抜力にさらされる際に、ヘッド２４がより折れやすい。大径端径１１４がシャンク径３８の２．０５倍よりも大きい場合、収束遷移部７６が移動させる基板材料６６の量が多すぎるため、ヘッド２４を孔Ｈに対して常に中央に位置させることができず、また後面５０が基板材料６６の第一面７４と面一になる位置までヘッド２４を基板材料６６に進入させることが困難となる。
【００３９】
収束遷移部７６は、シャンク軸２８に平行な第二方向１２０に沿って収束遷移部７６の大径端１０２と小径端１０４との間で測定可能な軸長１１８を有する。試験により、軸長１１８がシャンク径３８の０．５５から１．７５倍の大きさであることが極めて重要であることがわかっている。軸長１１８がシャンク径３８の０．５５倍未満である場合、拡径ヘッド留め具装置２０が暴風下などの破壊的な分離引抜力にさらされる際に、ヘッド２４はより折れやすい。軸長１１８がシャンク径３８の１．７５倍よりも大きい場合、収束遷移部７６が移動させる基板材料６６の量が多すぎるため、ヘッド２４を孔Ｈに対して常に中央に位置させることができず、また後面５０が基板材料６６の第一面７４と面一になる位置までヘッド２４を基板材料６６に進入させることが困難となる。
【００４０】
図３Ａに最もわかりやすく示されるように、軸受面７８は外径端８２と内端径８４とによって区画される軸受面領域１２２を有する。試験により、軸受面領域１２２がシャンク断面３６の少なくとも９倍の大きさであることが極めて重要であることがわかっている。軸受面領域１２２がシャンク断面３６の９倍未満の大きさである場合、軸受面７８は基板材料６６に過剰な圧縮荷重軸受圧力を加える可能性があり、これによりヘッド２４が基板材料６６を貫通する（ｐｕｌｌ  ｔｈｒｏｕｇｈ）可能性がある。
【００４１】
図４、５Ａ、及び５Ｂには、シャンク２２の外面３４及び収束遷移部７６の外面１０８が変形される拡径ヘッド留め具装置２０の変形例が示される。図４は本願開示にかかる拡径ヘッド留め具装置２０であって、シャンク２２がシャンク２２の外面３４の周囲に延び、かつ突出する保持構造１２４を有するものを示す。この保持構造１２４は孔Ｈに隣接する基板材料６６に係合し、シャンク２２を基板材料６６により確実に固定する。図５Ａでは、収束遷移部７６の外面１０８は、収束遷移部７６の大径端１０２から小径端１０４に移動するにつれて湾曲している。したがって、収束遷移部７６は放物線状錐台形状を有する。図５Ｂに示されるように、収束遷移部７６の外面１０８は、基板材料６６と係合するよう設けられる一つ以上の歯１２８を有しても良い。一つ以上の歯１２８のそれぞれは、環状とされ、外径１３０を有しても良い。この一つ以上の歯１２８の外径１３０は、収束遷移部７６が収束遷移部７６の小径端１０４から収束遷移部７６の大径端１０２に移動するにつれ漸増的に広くなるよう、収束遷移部７６の小径端１０４から収束遷移部７６の大径端１０２に移動するにつれて大きくなっても良い。一つ以上の歯１２８のそれぞれは、タラップ状の輪郭（ｒａｍｐ−ｌｉｋｅ  ｐｒｏｆｉｌｅ）を有し、鋭利端１３２に向けて先細り状とされても良い。鋭利端１３２は、基板材料６６の孔Ｈに食い込むように構成されて、拡径ヘッド留め具装置２０を孔Ｈに保持して拡径留め具装置２０が基板材料６６から抜け出るのを防止するのを補助する。この構成によれば、収束遷移部基準線１０６は一つ以上の歯１２８のそれぞれの鋭利端１３２と交差する。一つ以上の歯１２８は、収束遷移部７６の外面１０８の全面または一部に沿って延びても良く、これにより軸受面７８の基準平面８０の上方、下方または上方および下方に配置されても良い。上述の相違点を除き、図４、５Ａ及び５Ｂに示される拡径ヘッド留め具装置２０の構造は、図１、２、３Ａ及び３Ｂに示される拡径ヘッド留め具装置２０の構造とほぼ同じである。
【００４２】
図６−１３には、収束遷移部７６の軸受面７８、外面１０８及びシャンク７８の外面３４が変形される拡径ヘッド留め具装置２０の他の変形例が示される。これらの図を通じて示されるように、一つ以上のリッジ構造１３４がヘッド２４の前面４８に設けられ、前面４８から突出する。リッジ構造１３４のそれぞれは、ヘッド２４の前面４８のヘッド周縁部５８に隣接する位置に配置される外部端１３６と、シャンク２２の外面３４のシャンク２２の第二端３２に隣接する位置に配置される内部端１３８との間で連続的に延びる。したがって、リッジ構造１３４のそれぞれは、シャンク２２の外面３４の一部に沿って、収束遷移部７６の外面１０８を横断し、かつ軸受面７８を横断してヘッド周縁部５８に向けて延びる。拡径ヘッド留め具装置２０が、シャンク軸２８が垂直に延びる状態で配置される場合（図６）、リッジ構造１３４は軸受面７８から下向きに、かつ収束遷移部７６の外面１０８から径方向外側に突出する。
【００４３】
リッジ構造１３４は、各種の異なる形状を有しても良い。図６−１１に示される構造では、リッジ構造１３４はシャンク２２の第二端３２とヘッド周縁部５８との間で、ヘッド２４の前面４８を直線状に横断して延びる。これに対し、図１２及び１３においては、リッジ構造１３４は、収束遷移部７６の大径端１０２と小径端１０４との間では直線１４０として収束遷移部７６の外面１０８を横断して延びるが、リッジ構造１３４は内径端８４と外径端８２との間では曲線１４２として軸受面７８を横断して延びる。これにより、リッジ構造１３４は軸受面７８を横断する螺旋状パターンを形成する。リッジ構造１３４は、それぞれ断面形状１４４、リッジ高さ１４６、及びリッジ幅１４８を有する。図６−８に示される構造では、リッジ構造１３４のそれぞれは、断面形状１４４が半円状又は丸みを帯びた形状を有する丸形補強リブである。図９−１１に示される構造では、リッジ構造１３４のそれぞれは、断面形状１４４が三角形形状を有する尖った補強リブである。
【００４４】
図６−１３に示されるように、拡径ヘッド留め具装置２０はヘッド２４の前面４８に均等に離隔配置された複数のリッジ構造１３４を有しても良い。図６−１１に示される構造では、拡径ヘッド留め具装置２０はシャンク軸２８に対して互いに１８０度離れて配置される二つのリッジ構造１３４を有する。図１２及び１３に示される構造では、拡径ヘッド留め具装置２０はシャンク軸２８に対して互いに６０度離れて配置される六つのリッジ構造１３４を有する。このリッジ構造１３４は、ヘッドの変形に抗し、かつ拡径ヘッド留め具装置２０に破壊的な引抜力が加えられた際にヘッド２４が裏返ることを防止することによって、拡径ヘッド留め具装置２０のヘッド２４を補強する。したがって、ヘッド２４の構造的一体性をより強固なものとしつつ、ヘッド厚５４を実際に薄くすることができる。したがって、このリッジ構造１３４は、リッジ構造１３４なしに実現可能なものよりも、より薄いヘッド厚５４を実現するのに利用可能である。リッジ構造１３４を設けることにより、基板材料６６の第一面７４に沿って高圧縮集中線（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ  ｌｉｎｅｓ  ｏｆ  ｈｉｇｈ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）１５０を形成して、基板材料６６の表面繊維が互いに滑る可能性をも低減する。基板材料６６中のこれらの高圧縮集中線１５０は、リッジ構造１３４の下の基板材料６６に位置し、留め具が引っ張られて貫通するケースにおいて（ｉｎ  ａ  ｐｕｌｌ−ｔｈｒｏｕｇｈ  ｓｃｅｎａｒｉｏ）、高圧縮集中線１５０に隣接する位置の基板材料内に配置された表面繊維が、互いに滑ることを抑制する。したがって、このリッジ構造１３４により、数多くの異なる点で拡径ヘッド留め具装置２０の貫通抵抗が増大する。上述の相違点を除き、図６−１３に示される拡径ヘッド留め具装置２０の構造は、図１、２、３Ａ及び３Ｂに示される拡径ヘッド留め具装置２０の構造とほぼ同じである。
【００４５】
図１４に示されるように、圧縮圧入留め具装置２０のシャンク２２及びヘッド２４は、第一接触位置（図示略）と第二接触位置（図１４に図示）との間で同時に移動可能である。任意の数の中間位置を第一及び第二接触位置の間に規定することが可能である。第一及び第二接触位置の双方において、シャンク２２は基板材料６６の孔Ｈ中に配置され、シャンク２２が第一面７４から基板材料６６に入り込む。基板材料６６中の孔Ｈは、シャンク２２を基板材料６６中に挿入するのに先立ってシャンク２２の先端２６によって形成されても良く、あるいはシャンク２２が基板材料６６に進入して内部を移動する時に形成されても良い。第一接触位置において、軸受面７８の基準平面８０は基板材料６６の第一面７４と同じ高さとなり、軸受面７８が基板材料６６の第一面７４と面一で接触する。したがって、ヘッド２４は、拡径ヘッド留め具装置２０が第一接触位置にある時には、まだ基板材料６６内に進入していない。図１４に示される第二接触位置において、ヘッド２４は、完全に基板材料６６内に進入している。この位置において、ヘッド２４の後面５０は基板材料６６の第一面７４と同じ高さとなり、ヘッド２４の後面５０が基板材料６６の第一面７４と面一となる。
【００４６】
ヘッド２４は、圧縮圧入留め具装置２０のシャンク２２およびヘッド２４が同時に第一接触位置から第二接触位置に移動する際に変形に抗する剛性材料からなる。基板材料６６は、ヘッド２４の剛性材料よりも軟質であり、液体、気体、ゲル、またはスラリーに対する意味で固体であり、板またはシートの幾何学形状を有する。基板材料６６は繊維材料であっても良く、木材または木質材料からなっても良い。例えば、基板材料６６は、材木、羽目板、合板、ファイバボード、及び配向性ストランドボードからなる群から選択されるものであって良い。基板材料６６は、限定的でない例として、材木、羽目板、合板、ファイバボード、及び配向性ストランドボードを含む、複数の重ねられた板またはシートからなるものであって良い。ヘッド２４を形成する剛性材料１２０の、より柔らかい基板材料６６に対する相対的な硬度により、基板材料６６は、ヘッド２４が基板材料６６内部に第二接触位置に向けて進入する際に、軸受面７８及び収束遷移部７６によって破壊される（ｙｉｅｌｄｓ  ｔｏ）。収束遷移部７６は孔Ｈを囲む基板材料６６の一部を移動させて、基板材料６６を補強して貫通抵抗を増大させる。
【００４７】
図１５Ａ−Ｄには、ヘッド２４がシャンク２２の第二端３２に対してオフセットされる拡径ヘッド留め具装置２０の別の構成が示される。この構成は、限定的でない例として、釘打機などの並列電動打ち込みシステム（ｃｏｌｌａｔｅｄ  ｐｏｗｅｒ  ｄｒｉｖｅｎ  ｄｅｌｉｖｅｒｙ  ｓｙｓｔｅｍｓ）に特に適する。ヘッド２４は、ヘッド断面５６に沿ってヘッド周縁部５８に対して中央に配置される中点１５４を有する。この中点１５４は横断面４６内に、シャンク軸２８に対してオフセット距離１５６だけ横方向に離隔配置される。したがって、ヘッド２４はシャンク２２の一方の側に、より大きなオフセット距離１５６で延びる。拡径ヘッド留め具装置２０のヘッド２４は、横断面４６において長手状とされても良い。ヘッド２４は横断面４６内に延びる横軸１６２を規定し、この横軸１６２はヘッド２４の中点１５４を通過し、シャンク軸２８と交差する。ヘッド２４は、横軸１６２に平行に測定されるヘッド長１６４を有し、ヘッド幅６０は横軸１６２に直交して測定される。ヘッド２４は、ヘッド長１６４がヘッド幅６０よりも大きくなるよう横軸１６２に沿って長手状とされる。上述の相違点を除き、図１５Ａ−Ｄに示される拡径ヘッド留め具装置２０の構造は、図１、２、３Ａ及び３Ｂに示される拡径ヘッド留め具装置２０の構造とほぼ同じである。
【００４８】
図１６Ａ−Ｃは、本願の拡径ヘッド留め具装置２０の可能な用途の一つを示すものであり、この中では、拡径ヘッド留め具装置２０は釘状構造であり、釘打機等の並列電動打ち込みシステム（ｃｏｌｌａｔｅｄ  ｐｏｗｅｒ  ｄｒｉｖｅｎ  ｄｅｌｉｖｅｒｙ  ｓｙｓｔｅｍ）に使用するのに適する。図１６Ａ−Ｃにおいて、いくつかの拡径ヘッド留め具装置２０が結束されて留め具ストリング１６６として構成される。使用時には、この留め具ストリング１６６が並列電動打ち込みシステム中に装填される。図１６Ｂ及び１６Ｃからわかるように、留め具ストリング１６６内の拡径ヘッド留め具装置２０のヘッド２４は、互いに重なり合っても良く、円形又は楕円形のヘッド断面５６を有しても良い。
【００４９】
図１７は、図１、２、３Ａ及び３Ｂに示される拡径ヘッド留め具装置で得られる貫通抵抗と、従来型小ヘッド拡径ヘッド留め具装置及び従来型拡径ヘッド留め具の貫通抵抗とを比較したグラフ（ｐｌｏｔ）である。示されたデータは、ＮＴＡ，  Ｉｎｃによって行われた独立第三者試験の結果をまとめたものである。図１７において、小ヘッド留め具によって得られる貫通抵抗はバー２００によって示され、従来型拡径ヘッド留め具によって得られる貫通抵抗はバー２０２によって示され、本願開示にしたがって構成される拡径ヘッド留め具装置２０によって得られる貫通抵抗はバー２０４によって示される。各留め具は、１５／３２インチ、１９／３２インチ、および２３／３２インチを含む異なる３種の厚みの合板基板材料６６について試験された。このグラフが示すのは、試験された各厚みの基板材料６６について、従来型拡径ヘッド留め具で得られる貫通抵抗が小ヘッド留め具で得られる貫通抵抗よりも高いことである。また、このグラフは、試験された各厚みの基板材料６６について、本明細書に記載される拡径ヘッド留め具装置２０で得られる貫通抵抗が、小ヘッド留め具及び従来型拡径ヘッド留め具の双方で得られる貫通抵抗よりも高いことを示す。これらの試験結果は、本明細書に記載される拡径ヘッド留め具装置２０で得られる優れた貫通抵抗を確認し定量化するものである。
【００５０】
予想されるように、各留め具の貫通抵抗は、基板材料６６の厚みが増すのにつれて増大した。しかし、ある意味予測できなかったことであるが、小ヘッド留め具と従来型拡径ヘッド留め具の貫通抵抗は、基板材料６６の厚みに比例して増加する訳ではなく、より低い割合で増加した。これは、一定の力が留め具に加わると、小ヘッド留め具と従来型拡径ヘッド留め具の平面形状が、基板材料６６の表面繊維を切断および／または破断するという事実によるものと考え得る。
【００５１】
図１７に、参考目的で、増加する基板材料６６の厚みを表す第一線２０６が示される。第二線２０８は、小ヘッド留め具によって得られる貫通抵抗の増加する値を表し、第三線２１０は、従来型拡径ヘッド留め具によって得られる貫通抵抗の増加する値を表す。最後に、本明細書に記載される拡径ヘッド留め具装置２０で得られる貫通抵抗は第四線２１２によって表される。小ヘッド留め具及び従来型拡径ヘッド留め具の貫通抵抗に対応する第二及び第三線２０８、２１０は、第一線２０６の傾きと略同じまたはより小さな傾きを有する。すなわち、第二及び第三線２０８、２１０は互いに略平行であり、かつ第二及び第三線２０８、２１０は基板材料６６の厚みの増加に対応する第一線２０６よりもなだらかである。これは、従来型拡径ヘッド留め具によって得られる貫通抵抗の値が小ヘッド留め具によって得られる貫通抵抗の値よりも大きいとしても、小ヘッド留め具及び従来型拡径ヘッド留め具はともに基板材料６６の厚みの増加に対して同様の挙動を示すことを意味する。また、これは基板材料６６の厚みの増加が、小ヘッド留め具及び従来型拡径ヘッド留め具で得られる貫通抵抗の値に勝ることをも意味する。すなわち、基板材料６６の厚みが２倍になった場合でも、小ヘッド留め具及び従来型拡径ヘッド留め具で得られる貫通抵抗は２倍にはならず、より小さな割合で増加する。
【００５２】
これに対し、本明細書で記載される拡径ヘッド留め具装置２０の貫通抵抗に対応する第四線２１２は、第一線２０６の傾きよりも大きな傾きを有する。これは、開示される拡径ヘッド留め具装置２０で得られる貫通抵抗の値が、基板材料６６の厚みの増加に勝ることをも意味する。すなわち、基板材料６６の厚みが２倍になった場合、開示される拡径ヘッド留め具装置２０で得られる貫通抵抗は２倍を超える。
【００５３】
さらに別の性能的利点が、開示される拡径ヘッド留め具装置２０から得られる最低貫通抵抗の値（すなわち厚みが１５／３２インチである時の値）に対応する水平基準線２１４によって示される。従来型拡径ヘッド留め具によって得られる最も高い貫通抵抗の値は、水平基準線２１４の下であり、したがって開示される拡径ヘッド留め具装置２０の最低貫通抵抗値よりもオフセット値Ｓだけ小さい。同様に、小ヘッド留め具によって得られる最も高い貫通抵抗の値は、水平基準線２１４の下であり、したがって開示される拡径ヘッド留め具装置２０の最低貫通抵抗値よりも値Ｔだけ小さい。したがって、開示される拡径ヘッド留め具装置２０は、小ヘッド留め具または従来型拡径ヘッド留め具がより厚い２３／３２インチの基板材料６６において達成するものよりも高い貫通抵抗値をより薄い１５／３２インチの基板材料６６において達成することができることから、本明細書に記載される拡径ヘッド留め具装置２０の利点は、図１７に示されるグラフから明らかである。したがって、より優れた貫通抵抗を実現しつつ、より薄く、より費用効率の高い基板材料６６を利用することで費用低減可能である。したがって、本明細書に記載される拡径ヘッド留め具装置２０は、限定的でない例として、ツーバイフォー建築物などの各種構造の構造提起一体性を著しく向上可能である。
【００５４】
図１８には、上述の拡径ヘッド留め具装置２０の製造方法が示される。本明細書に記載される方法の工程を示す図１８のフローチャートに加え、この方法を行うのに用いられる、金型アセンブリ４００を含む機械を示す図１９−２３が参照される。この方法は、ブロック３００によって示される、少なくとも二つの形成金型４００ａ、４００ｂを対向させて配置する工程を含む。二つの形成金型４００ａ、４００ｂはそれぞれ第一型端部４０２と、第二型端部４０４と、第一型端部４０２と第二型端部４０４との間の合わせ面４０６とを有する。これらの少なくとも二つの形成金型４００ａ、４００ｂの合わせ面４０６は互いに対向する。この方法は、ブロック３１０及びブロック３２０で示される、ハンマー型４０８を少なくとも二つの形成金型４００ａ、４００ｂの第一型端部４０２に隣接して配置し、この少なくとも二つの形成金型４００ａ、４００ｂのそれぞれにヘッド形成キャビティ４１０、収束遷移部形成キャビティ４１２、及びシャンク形成キャビティ４１４を設ける工程を含む。より具体的に、ヘッド形成キャビティ４１０は第一型端部４０２に沿って設けられ、収束遷移部形成キャビティ４１２はヘッド形成キャビティ４１０に隣接して設けられ、シャンク形成キャビティ４１４は、少なくとも二つの形成金型４００ａ、４００ｂの合わせ面４０６に沿って、収束遷移部形成キャビティ４１２と第二型端部４０４との間に設けられる。この方法は、さらにブロック３３０及び３４０によって示される、第二型端部４０４から第一型端部４０２に向け、少なくとも二つの形成金型４００ａ、４００ｂの合わせ面４０６の間に金属ワイヤ４１６を、この金属ワイヤ４１６の端部４１８が第一型端部４０２から突出するまで延ばす工程と、この少なくとも二つの形成金型４００ａ、４００ｂを金属ワイヤ４１６上で閉塞する工程とを含む。ブロック３４０によって示される閉塞工程により、金属ワイヤ４１６が、少なくとも二つの形成金型４００ａ、４００ｂのそれぞれのヘッド形成キャビティ４１０、収束遷移部形成キャビティ４１２、及びシャンク形成キャビティ４１４内に収容される。さらに、この方法はブロック３５０によって示される金属ワイヤ４１６を予熱する工程を含んでも良い。このブロック３５０によって表される予熱工程が行われない場合、金属ワイヤ４１６は、開示される方法に基づき冷間成形される。この方法は、さらにブロック３６０及び３７０によって表される、第一型端部４０２から突出した金属ワイヤ４１６の端部４１８を一回（ｉｎ  ａ  ｓｉｎｇｌｅ  ｉｍｐａｃｔ）打ち付け、金属ワイヤ４１６の材料を、少なくとも二つの形成金型４００ａ、４００ｂのそれぞれのヘッド形成キャビティ４１０と収束遷移部形成キャビティ４１２とに押し出させて充填する工程を含む。ブロック３６０によって示される打ち付け工程中の一回の打撃が行われるのは、ハンマー型４０８が少なくとも二つの形成金型４００ａ、４００ｂの第一型端部４０２に向けて移動（すなわち、移動又は駆動）されたときの金属ワイヤ４１６の端部４１８とハンマー型４０８との間の部分である。この方法によれば、ブロック３６０によって示される打ち付け工程に応じて、ブロック３７０によって表される押し出し工程により、拡径ヘッド留め具装置２０のヘッド２４と収束遷移部７６とが形成される。この方法はさらに、ブロック３８０によって示される打ち付け工程に応じて、ブロック３８０によって示される、金属ワイヤ４１６からの材料を少なくとも二つの形成金型４００ａ、４００ｂの合わせ面４０６の間から押し出し、拡径ヘッド留め具装置２０のヘッド２４の前面４８と収束遷移部７６とから突出する少なくとも二つのリッジ構造１３４を形成する工程を含んでも良い。ブロック３８０によって示される押し出し工程にしたがって、図１９及び２０に示される二つの形成金型４００ａ、４００ｂにより、図９−１１に示される拡径ヘッド留め具装置２０のように、１８０度間隔で配置される二つのリッジ構造１３４を有する拡径ヘッド留め具装置２０が製造される。他方、ブロック３８０によって示される押し出し工程を実行することに応じて、図２０から２３に示される二つの形成金型４００ａ、４００ｂにより、図１２及び１３に示される拡径ヘッド留め具装置２０のように、６０度間隔で配置される六つのリッジ構造１３４を有する拡径ヘッド留め具装置２０が製造される。
【００５５】
この方法での工程３００−３８０は特定の順番で記載され図示されるものの、工程３００−３８０は、工程の順序が別の形で記載される場合を除き、本願開示事項の範囲から逸脱しない範囲で異なる形で実施されても良い。
【００５６】
本発明については、上記開示事項に照らし、数多くの変形例が可能であり、添付請求項の範囲内で具体的に記載されるのとは別の形で実施可能なことは明らかである。これらの先行記載は、発明性のある新規性（ｉｎｖｅｎｔｉｖｅ  ｎｏｖｅｌｔｙ）が有用である任意の組み合わせをカバーするものと解釈されるべきである。装置クレーム中の「前記（ｔｈｅ）」との単語の使用は、請求項の範囲内に含まれることを意図する積極的記載である先行的基礎を指し示すが、この「前記（ｔｈｅ）」との単語は、請求項の範囲に含まれることを意図しない用語に前置される。さらに、クレーム中の参照符号は便宜上のものであり、何らかの意味で限定的なものと解釈されてはならない。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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