JP6846828B2 - 耐破壊用ネジ締結体 - Google Patents
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Description
しかし、ボルト及びナットを用いたネジ締結体は、通常、繰返し荷重が加えられる条件下で使用されるため、当初はしっかりと所定のトルクで適切に締結されていても、長期にわたる使用期間中に、外部応力によりボルト緩みが発生し、場合によっては疲労破壊に至ることがあるという問題がある。
しかし、特許文献2に記載のボルトは、「耐緩み」には効果があるが、ボルトのネジ山谷部に生起される荷重が引張応力であるため、「耐疲労」には効果が全くないか、ややマイナスの効果がある。
さらに(2)一部完全ネジ山でないネジ山を有する、いわゆる「耐疲労ボルト」(特許第4701253号、特許第4977178号)のようなボルトには、非完全ネジ部におけるボルトとナットのネジ山の摺接個所が少ないため適用することができない。
これにより、場合によっては、一個所で使用しているボルト及びナットの数を大幅に減らすことができ、ボルト孔加工や作業工数の減少、安全・安心のネジ継手及びメンテナンスフリー等による大幅なコスト低減にも結び付けることができる。
表1はボルトが疲労劣化を生ずる要因、対策及びその効果についてまとめたものであ
る。疲労劣化を生ずる要因としては、(1)荷重分担が不均一、(2)高い引張応力集中、(3)高い曲げ応力集中、(4)片当り、の4つを挙げることができる。
対策については、本発明による対策を四角の二重線で囲ってある。また、従来から行われてきた対策を四角の一重線で囲ってある。なお、従来から行われてきた対策についての説明は省略する。
の問題点を解決又は改善するナット及び当該ナットを使用した耐破壊用ネジ締結体を提供するものである。具体的には(1)ナットの雌ネジのネジ山をボルトの雄ネジ部の引張り方向に2〜10°傾けて形成するものである。また、(2)前記(1)に記載のナットと前記耐疲労ボルトとを併用するものである。
一方、ボルトとナットのネジ山同士が摺接する個所に加わる力は、ボルトもナットも等しいため、ナットの方が雌ネジの谷の径の円周長が大きく、単位円周長当たりに受ける力が小さくなるため壊れにくくなる。
ボルト軸線の先端側に形成された雄ネジ部と、前記雄ネジ部のボルト頭部側又はボルト円筒部側のネジ山の頂部の一部が除去され前記ボルト頭部側又は前記ボルト円筒部側に向かってネジ山外径が縮径したテーパー部と、前記テーパー部の最小径部から前記ボルト頭部側又は前記ボルト円筒部側に向かって緩やかな円弧状に形成された不完全ネジ除去部と、を有するボルトと、を螺合させて使用するものである。
当該摺接によりナットの雌ネジの先端部分が、ボルトの雄ネジの根元部分押圧するとともに、反発力を受けて変形しながら摺接する構造とすることで緩みにくくすることができる。
更には、本発明に係る耐破壊用ネジ締結体は、請求項1に記載の前記ナットと、前記「耐疲労ボルト」と、を螺合させて使用するものである。
また、不完全ネジ部の応力集中がほとんどなくなるため、応力集中係数はほとんど1に等しくなる。その結果、(1)荷重分担の均一化、(2)引張応力集中の緩和、(3)曲げ応力集中の緩和、(4)片当りの減少を期待することができる。さらに、雌ネジのネジ山の先端部分を雄ネジのネジ山の根元部分に摺接させることにより、ボルト軸線の方向に反発力が発生し、この力がネジ締結体の緩み防止に効果を発揮する。さらに、ボルトのナットと摺接する端面に圧縮応力を付与せしめるため、その後の繰返しに対し壊れにくくなる。
また、本耐破壊用ネジ締結体は、適切な使用条件のもとでは、ほとんど緩むおそれがないため、疲労限の向上分だけボルトには大きな変動荷重を付加させることができる。
また、ボルト・ナットの使用本数を減らすことができることは、締結部の重量軽減にもつなげることができる。
まず、最初にボルト・ナットにおける疲労破壊の要因及び対策等について、概要を説明する。ただし、以下の図面は模式的なものであり、各部の配置や寸法の比率等は現実のものとは必ずしも一致するものではない。
ここで、「従来のボルト」及び「従来のナット」とは、従来から一般に使用されているメートルネジ(JIS B 0205)のボルト及びナットを指すものとする。「従来のネジ」も同様とする。
従来のボルト1は、図1に示すように、軸線9上の、略六角形のボルト頭部3、ボルト円筒部5及び雄ネジ部4から構成し、当該雄ネジ部4にナット2の雌ネジ部24を螺合させて締結するよう構成している。そして、ボルト1の座面3aにワッシャ又は/及びバネ座金7並びに被締結物8、8を挿通し、さらにワッシャ又は/及びバネ座金7を挿通し、ナット2を螺合して締結する。
この傾向は、ネジ山数が10のときも同じである。しかも、ネジ山数の多寡にかかわりなく荷重分担比率は、ほぼ同じである。
図2から分かるように、(1)ボルト1の各ネジ山10biの荷重分担は不均一となっている。(2)ボルト1のネジ山数に関係なく、最初のネジ山10b1に全体の荷重の約3分の1の荷重P1がかかっている。また、最初のネジ山10b1、2番目のネジ山10b2、3番目のネジ山10b3は、それぞれ荷重P1、P2、P3を分担し、ネジ山10b1からネジ山10b3で全体の約70%強の荷重を分担している。このように、先頭のネジ部分であるネジ山10b1から10b3に荷重が集中し、これが疲労破壊を発生する要因となっている。
そうすると、ボルト1のネジ山10b1は本図の左側のフランク11が押圧されているために「+」となり、フランク11の右側はその逆となって「−」となる。
2番目のネジ山10b2の谷底には、−σ12、+σ22、+σ32・・・+σv2、3番目のネジ山10b3には、−σ13、−σ23、+σ33・・・+σv3の応力が作用する。
以下同様にして、引張応力の「+」と圧縮応力の「−」がキャンセルし合って、ネジ山10biの番号が後になればなるほど、その谷底13の応力σmiは小さくなっていく。
次に、従来のボルト・ナットの締結体における疲労破壊の要因について、図面により説明する。なお、以下の説明では、煩雑さを避けるためにネジ山「10bi、20ni」の符号の表記は、特に必要のない限り省略する。
同様に、ナット2の雌ネジ20のネジ山の角度φnもフランク角φ1とφ2との和である。そして、従来のネジ山の角度φb、φnは、この和の角度(φ1+φ2)であり、いずれも60°である。
以上のように、雄ネジ10と雌ネジ20のそれぞれのフランク角は30°で等しいため、両者は上下対称であり、理論上は、前記雄ネジ10のフランク11bと、前記ナット2の雌ネジ20のフランク22a及びフランク11aとフランク22bとは、全面で摺接する。
すなわち、ボルト1の雄ネジ10のフランク11bの先端部分Xは、力F2=Fcosφ1と力F1=Fsinφの成分を有する力Fで、押圧される。
なお、φ=30°であるから、cosφ=(√3/2)、sinφ=(1/2)となるが、以下では、cosφ、sinφで表記する。
すなわち、ナット2の雌ネジ20のフランク22aの根元部分は、ボルト1の雄ネジ10のフランク11bの先端部分Xから、力f2=fcosφと、力f1=fsinφの成分を有する反作用による力fを受ける。
なお、作用反作用の法則により、力F1と力f1及び力F2と力f2とはそれぞれ大きさが同じで、力の向きが180°反対である。
しかし、当該ネジ山が伸張する塑性変形をしない限り、その形状を維持するために、ネジ山の内部では当該引張力F1に対する内部応力が発生する。
内部応力σ=引張力/断面積 で表される。
したがって、摺接する個所である先端部分Xにおける雄ネジ10の内部応力σ1は、当該先端部分Xにおける力Fが加えられる部分の断面積をS1とすると、
σ1=F1/S1 となる。
そして、摺接する個所である先端部分Xにおけるネジ山の断面積S1は、ネジ山の谷底13における断面積に比べて小さい。したがって、先端部分Xにおける内部応力σ1は、ネジ山の根元部分におけるよりも大きくなる。
一方、雄ネジ10の谷底13から先端部分Xまでは長さが長いため、曲げようとする力F2を受けると、雄ネジ10のネジ山の伸縮量及び圧縮量も大きくなる。したがって、曲げ応力は大きくなり疲労強度に大きく影響する。
よって、雄ネジ10には、その先端部分Xである長さL1の個所から力F2によるL1×F2なる力のモーメントによる力が加えられ、その結果、雄ネジ10を力F2の加わる方向に曲げようとする大きな力が作用することになる。
したがって、前記4つの要因のいずれか又はその全てについて対策を講じることが、ボルト、ナットの疲労強度を改善することにつながる。
次に、第1の発明に係るナット2を使用することにより従来のボルト・ナット締結体における前記疲労破壊の要因の対策について、図面により説明する。
図6は、第1の発明に係るナット2の断面図である。本図において、実線は本発明に係るナット2の山形を示す。また、二点鎖線は従来のナット2の山形を示す。
図7において、二点鎖線で表された従来のネジ山の角度は、当該ネジ山のフランク22a、22bを上方に延長した交点Eのなす角度であり、前記のとおり60°である。また、フランク22a、22bのなすそれぞれのフランク角φ、φは、点Eと当該ネジのピッチLpを二等分する点Hを結ぶ直線Lと、それぞれのフランク22a、22bとがなす角度であり、それぞれ角度は相等しいため、ネジ山の角度の1/2となり、前記のとおり30°である。
なお、直線Lは、軸線9と直交する。
この傾きの角度θは、当該雌ネジ20のネジ山のフランク22a、22bを上方に延長した交点Fと当該ネジのピッチLpを二等分する点Jとを結ぶ直線を直線Mとすると、当該直線Mと前記直線Lとのなす角度である。
この傾きの角度θを2〜10°とした理由について以下に説明する。先述のように、従来のネジ山の角度は60°であり、フランク角はその半分の30°である。
そうすると、当該傾きの角度θを30°にしたのではネジ山が入らなくなる。そこで、上限値をその1/3の10°とした。また、当該傾きの角度θを0°にしたのでは圧力を生じない。そこで、下限値を2°とした。この数値は図面を描いて幾何学的手法を用いて決定したものであり、この範囲内であれば所期の目的を達成することが可能である。
ナット2の雌ネジ20のフランク22a先端部分は、本図に示すように、前記ボルト1の雄ネジ10のフランク11bの根元部分Yで摺接する。そして、当該根元部分Yには、前記のとおり力Fが作用する。すなわち、ナット2の雌ネジ20のフランク22aは、ボルト1の雄ネジ10のフランク11bを力Fで押圧する。この力Fは、前記フランク11bの垂直方向の成分であるF2=Fcosφと、フランク11bに沿った方向の成分であるF1=Fsinφに分解することができる。
すなわち、ボルト1の雄ネジ10のフランク11bの根元部分Yは、力F2=Fcosφと力F1=Fsinφの成分を有する力Fで押圧される。
すなわち、ナット2の雌ネジ20のフランク22aの先端部分は、ボルト1の雄ネジ10のフランク11bの根元部分Yから、力f2=fcosφと、力f1=fsinφの成分を有する反作用による力fを受ける。
なお、作用反作用の法則により、力F1とf1及び力F2とf2は、それぞれ大きさが同じで、力の向きが180°反対である。
しかし、当該ネジ山が伸張する塑性変形をしない限り、その形状を維持するために、ネジ山の内部では当該引張力F1に対する内部応力が発生する。
内部応力σ=引張力/断面積 で表される。
したがって、摺接する個所である根元部分Yにおける内部応力σ2は、当該根元部分Yにおける断面積をS2とすると、
σ2=F1/S2 となる。
そして、摺接する個所である根元部分Yにおける力F1が加えられる部分のネジ山の断面積S2は、前記ネジ山の先端部分Xにおける断面積に比べてはるかに大きい。したがって、根元部分Yにおける内部応力σ2は、前記内部応力σ1よりもはるかに小さくなる。
したがって、長さL1が長くなれば雄ネジ10の根元部分Yに加わる力のモーメントの大きさも大きくなり、その結果、雄ネジ10の引張応力及び曲げ応力も大きくなる。
したがって、根元部分Yと変曲点Gとの長さL1における伸縮量及び圧縮量は小さいため、力のモーメントにより発生する曲げ応力の値は小さくなる。
よって、当該曲げ応力が疲労強度に与える影響は小さい。
そして、締結後は局部的な塑性変形によりナット2とボルト1のフランク11b、22aの当該塑性変形部分全体が摺接する構造となるため摺接面積が拡大して摩擦力が増大し、緩みにくくすることができる。
(2)高い引張応力集中及び(3)高い曲げ応力集中について、上記の原理により要因を解消することができる。
以上のとおり、第1の発明によれば、ボルトの疲労強度を支配する4つの要因のうち、(2)から(4)の3つの要因について対策を実施することができる。
次に、第2の発明について図面により説明する。
本発明は、第1の発明をさらに上回る特性を備えたものである。すなわち、第2の発明に係る耐破壊用ネジ締結体100は、雄ネジ10と雌ネジ20の螺合によるネジ締結体において、図10に示すように、前記第1の発明に係るナット2と、前記「耐疲労ボルト」と、を螺合させて使用することを特徴とするものである。
したがって、第2の発明は、前記(2)から(4)の要因を対策済みの第1の発明に係るナット2を併用するものであるため、ボルト1の危険断面であるナット2の雌ネジ20の端面において疲労強度を支配する(1)から(4)の4つの要因の全てに対して、対策を講じていることになる。すなわち、(1)荷重分担の均一化、(2)引張応力集中の緩和、(3)曲げ応力集中の緩和、(4)片当りの減少、の全てを実現することができる。
ナット2の雌ネジ20のネジ山を雄ネジ部4の引張り方向に2〜10°傾けることにより、螺合させる際に摩擦力の増加を生ずるが、従来どおり、素手で螺合させた後、工具を使用することで、問題なく締結することができる。
また、本耐破壊用ネジ締結体100は、適切な使用条件のもとでは、ほとんど緩むおそれがないため、疲労限の向上分だけボルト1には大きな変動荷重を付加させることができる。
また、ボルト1、ナット2の使用本数を減らすことができることは、締結部の重量軽減にもつなげることができる。
このように構成することにより、部分的に片当りが発生していても、締結使用時に軟らかいナット2のネジ山が変形して、片当りを緩和する。
第1の発明に係るナット2は、ナット2の雌ネジ20のネジ山を雄ネジ部4の引張り方向に2〜10°傾けた形状に螺設することにより製造することができる。このような加工工程は、まず(1)材料を投入する。材料はコイル状の丸棒である。(2)投入された材料を工作機械で六角形状等の棒鋼を掴んで回転させながら、切削加工により外形を仕上げて六角ナットのブランクを製作する。(3)前記六角ナットのブランクの中央部に雌ネジ20を螺設するための下孔あけ加工を行う。
ステッキの石突に相当する部分が雌ネジ20を螺設する刃の部分であるタップ部41を形成する。タップ部41から延伸したシャンク42は、ステッキの杖部に相当する直線部42aと、その終端にステッキの握り手に相当する曲がった部分であるベント脚部42bとから構成されている。
当該タップ部41のネジ山は、ナット2の頭部から螺設する場合は、図11(b)のD部拡大図に示す方向に2〜10°傾けて形成しているものを使用する。また、ナット2の底部から螺設する場合は、図11(c)のD部拡大図に示す方向に2〜10°傾けて形成しているものを使用する。
主軸55は、ベントタップ40の直線部42aを軸として当該ベントタップ40を回転させる。
前記六角ナットのブランク51の下孔に挿入された前記タップ部41の刃は、回転しながら、徐々に雌ネジ20を螺設する。
(1)冷間圧造により六角ナットのブランク加工を行う。
ア 冷間圧造に使用する材料は、前記コイル状の丸棒を使用する。
前記材料は、まず直線機で直線状にされる。
イ 次に、ナットフォーマという機械に投入し、ブランク加工をする。
ナットフォーマでは、
(ア)材料を必要な量に切断する。
(イ)次に、圧造された六角の外面取り及び孔面取りを行う。
(ウ)中心部の雌ネジ20となる下孔をあける。この下孔あけの工程を特に「ピアシング」と呼ぶ。
(1)ボルト1の不完全ネジ除去部6に該当する部位を鈍い円弧状に、そこからはテーパー状に絞り加工を行う。
(2)その後は、通常の転造工程による雄ネジ10の螺設加工を行う。
雄ネジ10の螺設加工においては、螺合するナット2の厚さの3/4程度は、上記ボルト1の雄ネジ部4のテーパー部4aが含まれるように加工することが、本発明の目的を達成するためには必要である。
このように構成することにより、部分的に片当りが発生していても、締結使用時に軟らかいナット2のネジ山が変形して、片当りを緩和する。
2 ナット
3 ボルト頭部
3a 座面
4 雄ネジ部
4a テーパー部
4b 雄ネジ部の先端部
5 ボルト円筒部
6 不完全ネジ除去部
7 ワッシャ又は/及びバネ座金
8 被締結物
9 軸線
10 雄ネジ
10b 雄ネジのネジ山
11 雄ネジのフランク
13 雄ネジの谷底
20 雌ネジ
20n 雌ネジのネジ山
22 雌ネジのフランク
23 雌ネジの谷底
24 雌ネジ部
40 ベントタップ
41 タップ部
42 シャンク
42a 直線部
42b ベント脚部
50 タップ立て装置
51 六角ナットのブランク
100 耐破壊用ネジ締結体
θ 傾きの角度
φ、φ1、φ2 フランク角
φb、φn ネジ山の角度
Lp ピッチ
L、M 直線
G 変曲点
Claims (4)
- ナットの雌ネジのネジ山を、これに螺合するボルトの雄ネジ部の引張り方向に2〜10°傾けて、当該雌ネジのネジ山の傾斜面を当該ボルトの雄ネジのネジ山の根元部分と摺接させることによりボルトのネジ山に与える引張力及び曲げ力により生ずる内部応力を小さくするように形成したことを特徴とするナット。
- 前記請求項1に記載されたナットと、
ボルト軸線の先端側に形成された雄ネジ部と、
前記雄ネジ部のボルト頭部側又はボルト円筒部側のネジ山の頂部の一部が除去され前記ボルト頭部側又は前記ボルト円筒部側に向かってネジ山外径が縮径したテーパー部と、
前記テーパー部の最小径部から前記ボルト頭部側又は前記ボルト円筒部側に向かって緩やかな円弧状に形成された不完全ネジ除去部と、
を有するボルトと、を螺合させて使用することを特徴とする耐破壊用ネジ締結体。 - 丸棒のコイル状材料を冷間圧造又は切削加工により外形を仕上げて六角ナットのブランクを製作し、前記六角ナットのブランクの中央部に雌ネジを螺設するための下孔あけ加工を行い、前記六角ナットのブランクの下孔にタップのタップ部を挿通して下孔に雌ネジを螺設するナットの製造方法において、
タップ部のネジ山を当該タップ部の先端方向又はその逆の方向に2〜10°傾けて形成したタップにより雌ネジの螺設加工を行うことを特徴とするナットの製造方法。 - タップ部に形成した雌ネジ螺設用のネジ山を、当該タップ部の先端方向又はその逆の方
向に2〜10°傾けて形成したことを特徴とするタップ。
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