JP2014228146A - ねじ要素 - Google Patents

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Abstract

【課題】割裂現象の発生を回避するとともに、ねじ締め込み時に要する軸方向押圧力を低下させたねじ要素の提供。【解決手段】ねじ軸部2及びねじ先端部4上に形成されたねじ山12を備えたねじ要素にいて、ねじ山12が形成されたねじ先端部4は、第1先端部分4aと多角形断面を有する第2先端部分4bとからなり、多角形断面の包絡円直径は第1先端部分4aの基底直径よりも大である。第1先端部分4aから第2先端部分4bへの移行部において、長手中心線X−Xに対して、直径拡大方向である径方向へ延びる、少なくとも1つの端縁面9が形成され、端縁面9は第2先端部分4の包絡円上にある多角形断面の1頂点を先端としており、かつ、ねじ山12はねじ先端部4の第1先端部分4a及び第2先端部分4bの全長にわたって中断することなく連続的に形成されている。【選択図】図1

Description

本発明は、ねじ軸部と、一方の軸端に形成されたねじ先端部と、反対側の軸端に形成された操作力作用部を有するねじ頭部とを含んでおり、前記ねじ軸部上ならびに前記ねじ先端部上に形成されたねじ山を備えたねじ要素に関する。
上記のタイプのねじ要素は欧州特許公開公報第0869287号明細書に開示されている。この種のねじ要素は、特には、種々の異なった材料、たとえば木材やプラスチックに対する、前もって中心孔を設けておく必要のないねじ締め込みに使用される。このねじ要素は、それぞれの材料に直接ねじ込まれ、その際、先ず、ねじ先端が材料中に侵入することによって、押しのけ効果が達成される。ねじ締め方向において前端まで延びるねじ山は、ねじ要素の優れた食い込みと侵入を僅かな軸方向押圧力で−したがって、主として回転による力のみで−行うための食い込み先端として機能する。この公知のねじ要素において、多角形コア断面を有する領域は、それぞれ、ねじの先端側の前端まで延びている。加えてさらに、多角形コア断面は、凸状に湾曲した側面、及び、角(角を作り出している先端は丸められていてもよい)を有している。これらの多角形頂点は、包絡円上に位置している。当該包絡円直径は、ねじ軸部の円筒状の軸コアの直径よりも小さいか、もしくは等しくてよい。この場合、この公知の締結エレメントにより、ねじ締め込み時の切り屑形成が大幅に回避されることとなる。これは、締結エレメントの自己穿孔作用は、ねじ先端がその多角形コア断面によって材料中に押し込まれることで発生し、その際、回転時のモーメントの増減によって径方向の押しつけが行われるからである。
ただし、この公知のねじ要素の場合、特に硬質木材へのねじ締め込み時に、多角形断面を有するねじ先端の押しのけ効果により、割裂現象が発生する。加えてさらに、当初のねじ締め込み時に、ねじ山を有するねじ先端を食い込ませるために比較的高い軸方向押圧力が必要である。
欧州特許公開公報第0869287号明細書
本発明の課題は、冒頭に述べたタイプのねじ要素をその特性の点で大幅に改善し、特には、割裂現象の発生を大幅に回避すると同時に、ねじ締め込み時に要する軸方向押圧力を大幅に低下させることである。
上記課題を達成するため、本発明による、ねじ要素は、ねじ軸部と、一方の軸端に形成されたねじ先端部と、反対側の軸端に形成された操作力作用部を有するねじ頭部とを含んでおり、前記ねじ軸部上ならびに前記ねじ先端部上に形成されたねじ山を備え、前記ねじ先端部は、ねじ締め方向で見て前方に位置する、ねじ要素端部に向かって尖鋭化していく第1先端部分と、それに続く、多角形断面を有する第2先端部分とからなる。前記多角形断面の包絡円直径は前記第1先端部分の基底直径よりも大である。さらに、前記第1先端部分は円形断面を有し、前記第1先端部分から前記第2先端部分への移行部において、長手中心線に対して、直径拡大方向である径方向へ延びる、少なくとも1つの端縁面が形成され、前記端縁面は第2先端部分の包絡円上にある前記多角形断面の1頂点を先端としており、かつ、前記ねじ山はねじ先端部の第1先端部分及び第2先端部分の全長にわたって中断することなく連続的に形成されている。
ねじ締め方向で見て前方に位置し、尖鋭化していく先端部と、それに続く、切れ刃ないしフライス刃として機能する径方向を向いた端縁面のエッジと、前方先端部に続く多角形断面を有する領域と、前方の第1先端部分からそれに続く第2先端部分まで連続して延びるねじ山とを一体に組み合わせることにより、一方では、ねじの容易な侵入が可能になる。そして、他方では、前方に位置する円錐状領域の侵入時に直ちに、連続して延びるねじ山が材料への食い込みを果たし、中断のないねじ山による軸方向の力の作用によって、多角形断面を有する領域に形成された径方向を向いた端縁面のエッジの切れ刃効果が支援される。これにより、本発明によるねじ要素の種々の材料への浸入くい込みの容易さが実現する。前方に位置するテーパ状に尖鋭化しながら延びる部分が、当該部分に続く多角形断面を有する領域の包絡円直径よりも小さい最大直径を有するよう構成されていることにより、種々の材料への浸入くい込みの容易さが実現する。これによっても、割裂効果は大幅に減少する。本発明によれば、前方に位置する尖鋭化していく先端部は先端円錐体として形成され、10°〜40°、特に20°の円錐角を有しているのが好適である。その際、円錐状の前方先端部分の部分長は、本発明によるねじ要素のねじ山ピッチの0.8〜2.0倍の範囲にあるのが好適である。ねじ先端部の円錐状部分の本発明による好適な実施形態の1つでは、円錐角が小さくかつねじ軸部の直径に比較して直径が縮小して形成されており、これにより、本発明によるねじ要素の種々の材料への浸入くい込みの容易さが実現する。円錐状部分に続く多角形断面を有する先端部は、好ましくは、円形断面を有するねじ軸部の最大基底直径以上の包絡円直径を有している。これにより、ねじ締め方向において前方に位置する切れ刃として機能する端縁面のエッジによって作られたねじ孔は、多角形断面を有する先端部に形成された、好ましくは長手中心軸と平行に延びる基底エッジにより、このねじ要素がねじ込まれた材料の復元によって、再び狭まってしまうことがない。場合により材料が元に戻ったとしてもそれは径方向に押しのけられるか、あるいは形成された基底エッジによって除去されるため、多角形断面を有する先端部に続くねじ軸部は、ねじ先端によって作られた中ぐり穴に大きな抵抗なしに入り込むとができる。
その他の好適な実施形態の例が従属請求項に記載されている。
本発明によるねじ要素を示す斜視図である。 図1に示したねじ要素の、ねじ山なしでの斜視図である。 図2に示したねじ要素の、ねじ頭部なしでの縦断面図である。 図3に示したねじ要素の断面図であり、(A)は図3の切断線A−Aによる断面図であり、(B)は図3の切断面B−Bによる断面図であり、(C)は図3の切断面C−Cによる断面図である。 本発明によるねじ要素の多角形断面を有する先端部の一実施形態の断面図である。 本発明によるねじ要素の多角形断面を有する先端部の別実施形態の断面図である。 本発明によるねじ要素の多角形断面を有する先端部の別実施形態の断面図である。 図1に示した本発明によるねじ要素の側面図である。 図8に示した本発明によるねじ要素の断面図であり、(A)は図8の切断線A−Aに沿った断面を示す図であり、(B)は図8の切断線B−Bに沿った断面を示す図であり、(C)は図8の切断線C−Cに沿った断面を示す図である。 図8に示したねじ要素を45°回転変位したポジションにおけるねじ要素の側面図である。 図10に示した本発明によるねじ要素の断面図であり、(A)は図10の切断線A−Aに沿った断面図であり、(B)は図10の切断線B−Bに沿った断面図であり、(C)は図10の切断線C−Cに沿った断面図である。 本発明によるねじ要素のさらに別の実施形態の斜視図である。 図12に示した本発明によるねじ要素の、ねじ山なしでの斜視図である。
以下に述べる本発明の実施形態例に関する説明において、本発明はこれらの実施形態に制限されるものではなく、かつその際、説明の行なわれた特徴組み合わせのうちの必ずしもすべての特徴もしくはいくつかの特徴の組み合わせに制限されるものではない。むしろ、それぞれの実施形態におけるそれぞれの部分特徴はそれと関連して説明された他のすべての部分特徴から切り離されてもそれ自体発明上の意義を有するとともに、他の実施形態の任意の特徴と組み合わされても本発明の対象なるものである。
なお、図面に示した種々の図において、同一の部分には常に同一の符号が付されている。
本発明によるねじ要素1は、一連の図に示すように、ねじ軸部2、一端に形成されたねじ先端部4、ねじ先端部4とは反対側の端部に形成されたドライバ用の工具係合部である操作力作用部7を有するねじ頭部5を含んでいる。ねじ頭部5は、たとえば、皿頭、丸頭または平頭として形成されてもよいし、また、ねじ頭部5は、ねじ軸部2の円筒状延長部として形成されてもよい。操作力作用部7は、マイナス溝、プラス溝または、たとえば六角穴または星形穴の形の穴状作用部としてねじ頭部5に形成されても、たとえば六角頭として形成されてもよい。
ねじ軸部2上及びねじ先端部4上には、ねじ山12が形成されている。ねじ山は、好ましくは、らせん状に延びる、断面が三角形状に形成されたねじ条13として形成される(図8及び図10参照)。本発明によるねじ山12は、それが多条ねじ山として、たとえば、周方向にずらして配置された2本のらせん状のねじ条から形成されているものも、同じく、本発明の範囲に属するねじ要素である。
本発明によるねじ山12は、好ましくは、セルフタッピングないしセルフフォーミングねじ山として形成される。本発明によるねじ山12は、ねじ部の領域全体にわたって、一定不変のピッチを有していても、可変的なピッチを有していてもよい。本発明によるねじ山12は最大ねじ山径d−本発明によるねじ要素の呼び径−を有しており、これは図示された実施形態においてねじ軸部領域において一定不変であるため、この領域においてねじ山径は変化しない。本発明によるねじ山のピッチは、詳細には1条ねじ山においてであるが、本発明によるねじ山の呼び径dの好ましくは40%〜70%である。
ねじ先端部4は、本発明によれば、2つの先端部分、つまり、ねじ締め方向Zで見て前方の、ねじ要素端部に向かって尖鋭化していく第1先端部分4a、及びそれに続く第2先端部分4bからなっている。第2先端部分4bは、長手中心線X−Xに対して垂直に見て、断面が多角形をなすコア断面を有しており、当該多角形の頂点を通る包絡円14は直径dを有している(図4の(B)参照)。第1先端部分4aは、図1に示したように、好ましくは先端円錐体として形成されており、その際、該円錐の円錐角αは10°〜40°、特に20°であってよい(図3参照)。円錐状の第1先端部分4aは、長手中心軸X−Xを基準として、垂直方向に延びる円形のコア断面を有している。ねじ山12はねじ先端部4の全長にわたって延びており、その径方向高さは、円錐状の領域である第1先端部分4aの末端に向かって、ゼロにまで減少する。断面が多角形状に形成されている第2先端部分4bの領域では、ねじ山12は、好ましくは、一定不変のねじ山高さで延びているため、第2先端部分4bの領域においてもねじ山12は、ねじ軸部2の領域におけると同様に、ねじ山呼び径dを有している。多角形断面を有する第2先端部分4bの包絡円14は、第1先端部分4aの領域の中核部の直径である基底直径dよりも大である(図3参照)。本発明によれば、第1先端部分4aから第2先端部分4bへの移行部において、第2先端部分4bには、長手中心線X−Xに対して径方向を向いた、詳細には直径拡大方向へ延びる、第2先端部分4bの包絡円上にある多角形断面の1頂点15を先端とする少なくとも1つの端縁面9が存在している。この径方向に延びる端縁面9は一種の切れ刃ないしフライス刃を形成する。図示された実施形態において、第2先端部分4bの多角形断面は4個の頂点15を有していることから、詳細には本発明によるねじ要素1の外周には、4つの端縁面9が形成されている(図2参照)。特に図1から理解できるように、ねじ山12は第1先端部分4aと第2先端部分4bの全長にわたって連続して延びているため、端縁面(エッジ)9の領域においてもねじ山12が形成されている。図2には、本発明によるねじ要素1のコア、詳細には、ねじ軸部2の領域のコアならびに先端部4の領域のコアのみが表されているが、この図2から、第1先端部分4aから第2先端部分4bへの移行部に、端縁面(エッジ)9の形成が明瞭に読み取ることができる。ここでは、端縁面(エッジ)9は、縦軸X−Xに対して、径方向に延びている。第2先端部分4bの包絡円14は、好適には、円形断面を有する軸部2の最大基底直径d以上の直径dを有している。この場合、多角形断面を有する第2先端部分4bの包絡円14の直径は、該先端部の軸方向全長にわたって、一定不変であるのが好適である。個々の図から理解できるように、円錐状の第1先端部分4aの底面、つまり第1先端部分4aと第2先端部分4bとの間の移行部に位置する底面の直径は、ねじ軸部2の最大基底直径dよりも小である。さらに、本発明によれば、ねじ山12は、第2先端部分4bの領域においても、同じく軸部2の領域においても、多角形断面を有する第2先端部分4bの最大包絡円直径dよりも大きな外径dを有している。
図示された実施形態において、ねじ山12は、ねじ軸部2の全長にわたって延びている。また、ねじ山12がねじ軸部2の全長にわたって延びるのではなく、たとえば、ねじ軸部2のねじ山部とねじ頭部5との間にねじ山なしの軸部が形成されて、ねじ軸部2上に部分的なねじ山のみが存在するようにするのも、同じく本発明の範囲に属する。
さらに、本発明によれば、第1先端部分4aの部分長は、ねじ山12のピッチの少なくとも0.8倍から最大2.0倍の範囲にあるのが好適である。
特に、図4、図5、図6、図7から理解できるように、第2先端部分4bの多角形断面は4個の頂点15を有する四角形として形成されている。その際、4個の頂点15は、それぞれ、長手中心軸X−Xと直交して延びる、多角形断面の互いに交差する直線g,g上にあり、それぞれ、縦軸X−Xから等距離bを有している。この場合、本発明によれば、断面で見て、頂点15をつなぐ基底辺22は、とくに図7から理解できるように、凹状に形成されているのが好適である。また、基底辺22は直線状に延びていてもよい。図示された実施形態において、四角形は第2先端部分4bの多角形断面として表されているが、同じく本発明によれば、断面として三角形断面が選択されていても、四角形を上回る頂点を有する多角形断面が選択されてもよい。その際、正多角形断面が形成されるのが好ましい。多角形断面を有する第2先端部分4bの縦方向に連続する個々の断面の頂点15は長手中心軸X−Xと平行に延びる直線上にあるために、一直線に延びる基底エッジ18が形成されて、これにより、本発明によるねじ要素1がねじ込まれる材料の復元が生ずる場合に、付加的なフライス作用を発揮することができる。図7に示したように、第2先端部分4bの多角形としての四角形断面は、それぞれ、直交する直線g,gを基準として、折り畳み対称で形成されてもよい。図5にはそれとは異なる形状が表されており、この場合、基底辺22ないしそれから結果するコア面全体は直交する直線g,gを基準にして非対称的に形成されている。図5には、それぞれの頂点15ないし基底エッジ18から出発する、回転方向Dを向いた辺部ないし面部が、縦軸X−X方向に向かい、径方向に急勾配をなし、つまり頂点15を通って延びるそれぞれの直線との間に鋭角β<20°の挟角を形成して延び、次いで、回転方向Dにおける次の頂点15に向かってほぼ一直線に延びる態様が表されている。図5には、本発明によるこの種の形状が時計回りの回転方向Dについて表されており、図6には、同じ形状が反時計回りの回転方向Dについて表されている。図3と図4には、図5に相当する第2先端部分4bの多角形断面形状が表されている。また、図8及び図10においても、多角形断面を有する第2先端部分4bのそれに相当する断面形状が選択されている。図5及び図6に示した多角形断面形状の形成により、切断エッジとしての基底エッジ18の切断作用ないしフライス作用の向上が達成され、これは図5に示した実施形態に当てはまる。図6に示した実施形態においても、相応して、本発明によるねじ要素の螺脱時の回転方向Dにおいて、螺脱に対する高い抵抗がもたらされる。
図12及び図13には、図1〜図11に示したねじ要素1と基本的に同じタイプの本発明によるねじ要素1の実施態様の1つが表されており、多角形断面を有する第2先端部分4bの包絡円14の包絡円直径dは第2先端部分4bの全長にわたって一定不変で同じ大きさであるわけではなく、包絡円直径dは、端縁面9の領域における直径dh1から出発してねじ軸部2の方向に向かって、多角形断面を有する第2先端部分4bの残余の領域における最大包絡円直径dh2に達するまで、好ましくは連続的に増大してゆく点で双方の態様は相違している。この場合、最大直径に達するまでの包絡円直径dの増大が行なわれる区域の長さは、多角形断面を有する第2先端部分4bの全長の、好ましくは、10%〜50%である。端縁面(エッジ)9の領域における包絡円直径dh1と、多角形断面を有する第2先端部分4bのうち、一定不変の包絡円直径dh2が存在する領域における最大包絡円直径dh2との直径差は、最大包絡円直径dの5%〜20%である。
本発明によるねじ要素1において、各図に示したように、ねじ山12の外側ねじ山稜は、ねじ軸部2の領域におけるとともに、多角形断面を有する第2先端部分4bの全長にわたっても、一定不変の半径と一定不変のねじ山高さとを有している。ねじ条13は、円錐形状の先端部分4aの領域の全長にわたり、その末端に達するまで、らせん状に延びて、その半径はゼロにまで連続的に減少すると同時に、ねじ山高さも同様に減少する。
さらに、図面で不図示の好適な実施態様において、ねじ山12のねじ山稜は、少なくともねじ先端部4の領域におけると同時にねじ山フランク面の領域においても、連続した山と谷が存在するように波状に形成されている。これについては、ドイツ特許公開公報第3335092号明細書の開示内容全体が参照される。
本発明は、図を用いて説明した実施形態に制限されるものではなく、本発明の趣旨と同一の機能を有するあらゆる実施形態をも含むものである。上記実施形態は、必ずしも、組み合わされたすべての特徴に制限されるものではなく、むしろ、個々の各々の部分特徴は、その他のあらゆる部分特徴から切り離されても、それ自体として発明上の意義を有するものであることは明らかである。さらに、本発明は、従来もそれぞれの独立した請求項によって定義された特徴コンビネーションに制限されるものではなく、総じて開示されたすべての個別特徴のうちの特定の特徴及びその他の特徴の任意の組み合わせによって定義することが可能である。このことは、基本的に請求項1のいずれの個別的特徴も実際にはなくすことも可能であり、また本出願のその他の箇所に開示された少なくとも1つの個別の特徴によって置き換えることも可能である。
1 ねじ要素
2 ねじ軸部
4 ねじ先端部
4a 第1先端部
4b 第2先端部
5 ねじ頭部
7 操作力作用部
9 端縁面(端縁面(エッジ))
12 ねじ山
13 ねじ条
14 包絡円
15 頂点
18 基底エッジ(切断エッジ)
22 基底辺
b 距離
D 回転方向
ねじ山径
包絡円の直径
h1 包絡円の直径
h2 包絡円の直径
第1先端部の基底直径
ねじ軸部の最大基底直径
直交直線
直交直線
X−X 長手中心軸
Z ねじ締め方向

Claims (15)

  1. ねじ軸部(2)と、一方の軸端に形成されたねじ先端部(4)と、反対側の軸端に形成された操作力作用部(7)を有するねじ頭部(5)とを含んでおり、前記ねじ軸部(2)上ならびに前記ねじ先端部(4)上に形成されたねじ山(12)を備えたねじ要素(1)であって、
    前記ねじ先端部(4)は、ねじ締め方向(Z)で見て前方に位置する、ねじ要素端部に向かって尖鋭化していく第1先端部分(4a)と、それに続く、多角形断面を有する第2先端部分(4b)とからなり、前記多角形断面の包絡円直径(d)は前記第1先端部分(4a)の基底直径(d)よりも大であり、
    前記第1先端部分(4a)は円形断面を有し、
    前記第1先端部分(4a)から前記第2先端部分(4b)への移行部において、長手中心線(X−X)に対して、直径拡大方向である径方向へ延びる、少なくとも1つの端縁面(9)が形成され、前記端縁面(9)は第2先端部分(4b)の包絡円(14)上にある前記多角形断面の1頂点(15)を先端としており、かつ、
    前記ねじ山(12)はねじ先端部(4)の第1先端部分(4a)及び第2先端部分(4b)の全長にわたって中断することなく連続的に形成されていることを特徴とするねじ要素。
  2. 前記第2先端部分(4b)の包絡円(14)は、好ましくは円形断面を有するねじ軸部(2)の最大基底直径(d)よりも大または等しい直径(d)を有していることを特徴とする請求項1に記載のねじ要素。
  3. 前記先端部(4)の前記第2先端部分(4b)の包絡円直径(d)は前記第2先端部分(4b)の軸方向長さ全体にわたって一定不変であることを特徴とする請求項1または2に記載のねじ要素。
  4. 前記先端部(4)の前記第2先端部分(4b)は、前記第1先端部分(4a)から前記第2先端部分(4b)への移行部において、前記第2先端部分(4b)の前記ねじ軸部(2)側の端部における包絡円直径(dh2)よりも小さな包絡円直径(dh1)を有していることを特徴とする請求項1または2に記載のねじ要素。
  5. 前記第1先端部分(4a)は、10°〜40°の範囲の円錐角とくに20°の円錐角(α)を有する先端円錐体として形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のねじ要素。
  6. 前記先端円錐体として形成された前記第1先端部分(4a)の、前記第1先端部分(4a)と前記第2先端部分(4a,4b)との間の移行部に位置する底面の直径である前記基底直径(d)は、前記ねじ軸部(2)の最大基底直径(d)よりも小であることを特徴とする請求項5に記載のねじ要素。
  7. 前記ねじ山(12)は、前記第2先端部分(4b)ならびに前記軸部(2)の領域において、多角形断面を有する前記第2先端部分(4b)の領域における最大包絡円直径(d)よりも大きな外径(d)を有していることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のねじ要素。
  8. 前記第1先端部分(4a)の部分長は、前記ねじ山(12)の最大ピッチ(S)の0.8〜2.0倍であり、その際、好ましくは、ピッチ(S)は1条ねじ山の最大ねじ山径(d)の40%〜70%であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のねじ要素。
  9. 前記第1先端部分(4a)のねじ山径(d)は、0から発して、前記第2先端部分(4b)の最大ねじ山径(d)に達するまで増大することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のねじ要素。
  10. 前記第2先端部分(4b)の多角形断面は、前記多角形断面を有する第2先端部分(4b)の包絡円(14)上に位置する少なくとも3個、好ましくは4個の頂点(15)を有していることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のねじ要素。
  11. 前記4個の頂点(15)は、前記長手中心軸(X−X)と直交して延びる、前記多角形断面の互いに交差する2本の直線(g,g)上にあり、それぞれ、縦軸(X−X)から等距離(b)を有していることを特徴とする請求項10に記載のねじ要素。
  12. 前記多角形断面を有する先端部(4b)の多角形断面の4個の頂点(15)は、それぞれ、前記長手中心軸(X−X)と平行に延びる直線上に縦方向に連続して配置されることで、直線状の基底エッジ(18)が形成されることを特徴とする請求項10または11に記載のねじ要素。
  13. 前記多角形断面の頂点(15)は凹状の形態を有する基底辺(22)によって連結されて、それぞれ頂点(15)を通って延びる直交する直線(g,g)に対して折り畳み対称的に形成された多角形断面が形成されていることを特徴とする請求項11または12に記載のねじ要素。
  14. 前記多角形断面の頂点(15)を連結する基底辺(22)は、頂点(15)を通って延びる直交する直線(g,g)に関して非対称的に形成されて、このねじ要素のねじ締め回転方向(D)またはねじ外し回転方向(D)に高い切断作用ないしフライス作用が達成されることを特徴とする請求項11または12に記載のねじ要素。
  15. 前記ねじ山(12)の外側ねじ山稜は、長手中心軸(X−X)の軸方向で見て、らせん状に、前記ねじ軸部(2)の領域において一定不変の半径を有して延び、かつ、前記先端部(4)の領域の全長にわたり、らせん状に、半径が連続的に減少して延びていることを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載のねじ要素。
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