JP4224480B2 - ねじ山形成ねじを採用した固定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ねじ山形成ねじを使用して構成部品を別の部材に固定するための固定装置に関する。

過酷な環境において、腐蝕問題を最小化するために、多くの場合、ステンレス鋼パネルが構造構成部品、ハウジングなどに使用される。ねじ切りを施したねじのような固定具を使用して、様々な構成部品をこのようなパネルに取り付ける、または、２枚またはそれ以上のこうしたパネルどうしを固定することが必要な場合が頻繁にある。このような状況でねじ山形成または自己タッピングねじを使用して、ねじ立てしたパイロット穴をパネルに形成する必要をなくすことが望ましい。しかし一般に、ねじ山形成ねじは軟鋼およびその他から成り、ステンレス鋼は実質的に軟鋼よりも硬質である。慨して、ねじ山はねじ山を切るまたは形成するためにより硬質な材料を使用して作成されるべきであるが、一般に入手可能な固定具はステンレス鋼ほど硬質でない。

ほとんどのねじ山形成固定具では、ねじ山形成は、ねじの軸に対して直角な平面に設けられたパイロット穴の円形縁（つまり、穴の円筒形内面とパネルの平坦な外面の交差により画定された縁）から開始する。固定具のねじ山は、この円形縁に対して浅い角度を形成している。ねじ山形成固定具を機能させるには、この縁への挿入後にも、ねじ山の大部分が無損傷の状態を保つ必要がある。一般に、ステンレス鋼上において、軟質のねじ山がこの縁によって損傷し、縁を通過することが不可能になってしまう。

固定具のねじ山と穴の縁の間の浅い角度と、ねじの、より硬質な材料を形成する上での制限された機能とにより、ステンレス鋼にねじ山を形成することが非常に困難となる。

ステンレス鋼へのねじ山形成固定具の使用が困難である結果、一般に、物体をステンレス鋼パネルに固定するための別のアプローチを使用する必要がある。一般的な解決法として、例えば、ねじ切りした挿入部、リベットナット、溶接ナット、クリップイン・ナットが挙げられる。しかし都合の悪いことに、これらの解決法のいずれにおいても、部品および動作を追加する必要があり、製造コストを増大させてしまう。

本発明は、ねじ山形成ねじを、このねじの硬性と同じまたはそれ以上の硬性を有する部材に使用できる手段を提供することにより、上述の必要性を提示し、その他の利点を達成する。したがって本発明は、構成部品を部材に固定するために、リベットナット、溶接ナット、クリップイン・ナット、その他のような部品を追加する必要がない。驚くことに、ねじ山形成ねじは、特定形状のねじを使用し、ねじ山形成ねじをねじ込むパイロット穴を適切に形成することで、ねじの硬性と同じまたはこれ以上の硬性を有する材料の部材にねじ山を形成できることがわかっている。

本発明の一実施形態によれば、ねじ山形成丸い突出部（小葉形）ねじと、非先細りパイロット穴を内部に画定する部材とを備えた固定装置が得られる。ねじは、シャフトと、シャフトの基端部と結合した頭部とを設けており、シャフトは、シャフトの中心縦軸周囲の円周上で離間した複数Ｎの丸い突出部を画定しており、シャフトの外面上にねじ山が形成されている。ねじは、ねじ山の頂部にて大形直径を画定し、ねじ山の谷部にて小形直径を画定し、また、ねじ山直径は各丸い突出部にて最大となり、丸い突出部どうしの間において減少する。パイロット穴は、ねじのねじ山の大形直径と小形直径の中間にあたる直径の中心部分と、円周上で離間し、中心部分から放射状に延びた、複数Ｎのカットアウト部とを備える。パイロット穴のカットアウト部と中心部分の間の連結点には、ねじの軸と平行した、複数の縦長に延びた縁が画定されており、この縁は、ねじシャフトの縦軸とほぼ平行している。パイロット穴内でねじを回転させると、丸い突出部上のねじ山が部材を可塑変形させ、この可塑変形はパイロット穴の縁から始まり、これによりパイロット穴内にねじ山が形成される。

したがって、先述したように、ねじ山が、ねじ山と穴の円形縁との間の非常に浅い角度にて部材の材料内に侵入を試みるねじ山形成ねじを使用した従来のアプローチとは反対に、本発明によれば、ねじ山は、パイロット穴のカットアウト部と中心部分の間の縁に関連した連結点によってほぼ垂直角度を形成する。その結果、ねじ山に付加される力は、従来技術の場合のようにねじ山フランクに対して側方に向けられる状態ではなく、ねじ山のらせん方向に沿って整列した状態に非常に近くなる。これにより、ねじ山が非常に優れた状態で支持されるため、部材材料の硬度がねじの硬度と同じまたはより高い場合においても、パイロット穴の縁から始まっている部材の材料を可塑変形させることが可能になる。例えば、ねじはカーボンスチールを含有することができる一方で、部材はステンレス鋼を含有することができる。あるいは、ねじは比較的軟性のポリマーを含有でき、その一方で部材は比較的硬性のポリマーを含有できる。

本発明の顕著な利点は、削り屑を生じることなく、ねじ山を部材に形成できることである。理論に束縛されることは望まないが、ねじのねじ山によって変形される部材の材料がカットアウト部内に流入できるようにすることで、部材とねじにかかる応力を低減し、削り屑が生じないようにできると考えられる。金属削り屑によって電気装置に電気短絡またはアークが発生する可能性があることから、これは部材が電気伝導性金属である場合に特に重要である。

丸い突出部およびカットアウト部の数Ｎは、２、３、４、またはこれ以上であってよいが、２つまたは３つの丸い突出部を備えた実施形態が好ましい。本発明の別の実施形態では、ねじが１つの丸い突出部を備え、これに関連してパイロット穴が１つのカットアウト部を備える点を除き、固定装置はほぼ上述したとおりに提供される。このような実施形態は、複数丸い突出部式、複数カットアウト部実施形態ほど有利であるとは予測されないが、特に部材がねじよりも硬質でないといったいくつかの場合においては適している。

部材に設けた穴は通し穴または隠し穴であってよい。穴が、板またはシート部材に設けられるような通し穴である場合には、穴の深度（つまり部材の厚み）が、ねじのねじ山のピッチを越える、より好ましくは、ねじ山のピッチの約２倍を越えることが有利である。

本発明を、一般用語を用いて説明したが、次に添付の図面を参照し、これらの図面は必ずしも縮尺である必要のない。

次に、これ以降において、全てではないがいくつかの本発明の実施形態を示す添付の図面を参照しながら本発明をより完全に説明する。当然ながらこれらの発明は、多くの異なる形態にて実現することができ、ここで説明する実施形態に制限されるものとして解釈されるべきではなく、むしろこれらの実施形態は、この開示が適合可能な法的必要性を満たせるように提供される。全図面において、同様の要素には同様の参照符号を付している。

図１〜図４に、本発明の第１実施形態による固定装置１０を示す。この装置は、丸い突出部状（小葉形状）のねじ山形成ねじ２０と、部材４０に形成された雌ねじ切りを施していないパイロット穴５０内にねじを留めることによりねじを固定する部材を含む。この固定装置は、ねじ２０を各々の構成部品６０の開口部６２に通し、部材４０とねじ頭部２４の間の構成部品を捕らえることで、１つまたはそれ以上の構成部品６０を部材４０にねじ留めするために便利である。

ねじ山形成ねじ２０は、シャフト基端部に結合したシャフト２２と頭部２４を備える。頭部２４は、多様なタイプの標準または非標準ドライバと係合するべく様々な形状であってよい。シャフト２２は、その外面に沿って形成された螺旋形ねじ山２６を備える。図示のとおり、シャフトの末端部には先細りしたリードイン部分が設けられている。シャフト２２は、シャフトの円周周囲で均等に離間した３つの丸い突出部（ねじ筋）２８を画定する丸い突出部形状をしている。ねじ山２６は、その頂部に大形直径Ｄを、谷部に小形直径ｄを有する。図３に最良に示すように、大形直径Ｄはシャフト円周周囲で変化し、その各々の丸い突出部２８にて局所的最大値に達し、丸い突出部２８間にて縮小し、同様に、小形直径ｄも、その各々の丸い突出部にて局所的最大値に達し、丸い突出部間にて縮小する。さらに直径Ｄ、ｄもシャフトの長さに沿って変化し、先細りしたリードイン部分に沿って、頭部２４に向かって徐々に増大してゆき、その後は、軸方向において実質的に均等なまま続く。３つの丸い突出部２８はシャフト２２に沿って、ねじ山２６の螺旋方向と反対の螺旋方向に向かって螺旋状に延びている（図１）。

丸い突出部状ねじ山形成ねじを採用した従来の固定装置では、ねじは、固定される部材に設けた円形の非先細りパイロット穴内で係合する。部材へのねじ山形成は、穴の円形縁にて、つまりねじ軸に対して垂直な部材面と、穴の円筒形内面との交差によって形成された縁から始まる必要がある。理解されるように、ねじ山のらせん方向と、この穴の円形縁との間の角度はねじ山のらせん角度と等しい、つまり、一般にねじ間隔が広いねじの場合であってもこの角度は小さいである。これにより、ねじ山にかかる反力が、ねじ山フランクに対して直角となる大きな成分を有し、また、ねじ山はこの方向において最も弱くなる。ねじの材料の硬度が、ねじが挿入されるねじ部材の硬度よりも高ければ、これにより問題が生じることはない。しかしながら、部材材料の硬度がねじの硬度と等しい、またはねじの硬度よりも高い場合には、ねじ山が、フランクに対して直角をなす形でねじ山に付加される強い力成分に耐えることができず、ねじ山が損傷または磨耗してしまい、部材にねじ山を切ることができない。

本発明によれば、部材４０のパイロット穴５０は完全に円形でなく、中心円部分５２と、中心部分５２と結合し、そこから放射状に延びた複数のカットアウト部５４とを備える。カットアウト部５４の数は、ねじ２０上の丸い突出部２８の数と同数である。円形中心部分５２は、ねじ丸い突出部２８における大形直径Ｄと小形直径ｄの中間である直径ＤＨを有する。カットアウト部５４はさらに、丸い突出部における大形直径Ｄを越える直径へと延びている。パイロット穴のカットアウト部５４と円形中心部５４の間の連結点において、パイロット穴内に縁５６が画定されている。縁５６は、パイロット穴の中心縦軸と実質的に平行に、したがってねじ軸と平行に延びている。したがって、丸い突出部２８がカットアウト５４と整列した状態でねじ２０をパイロット穴に挿入すると、ねじが回転し、各丸い突出部２８上のねじ山２６が各々の縁５６と接触する。パイロット穴の深度は、少なくともねじのねじ山２６ピッチとほぼ同一であることが有利であり、さらに、このピッチを実質的に越えて（例えば図４に示すとおり）、ねじ山２６が部材４０の端面における穴の縁とではなく、縁５６と交差することがより好ましい。ねじが回転すると、縁５６とねじ山２６の螺旋方向との間の角度がねじ山の螺旋角度から９０°引いた角度となり、垂直に近くなる。その結果、ねじ山にかかる反力が、ねじ山の螺旋方向と実質的に整列し、また、ねじ山フランクに対して直角をなす力成分は非常に少なくなる。そのため、ねじ山が、実質的に変形または損傷することなく、この反力に耐え得るようになり、部材４０内に、パイロット穴の縁５６から始まるねじ山を切ることが可能となる。次に、カットアウト部５４の間に画定されたパイロット穴の中心円形部分５２の円形アーク区間５８に沿ってねじ山形成が継続する。さらに、複数の開始ねじ山（つまり、各縁５６につき少なくとも１つの開始ねじ山）が効率的に存在し、ねじ山形成反力がより広範囲の総ねじ山表面範囲にかけて分散されるため、本発明は、複数のカットアウト部５４、つまりねじ山が始まる複数の縁５６を提供することで、ねじ山を大きく損傷することなくねじ山形成を促進することができる。またさらに、パイロット穴５０の深度がねじ山２６のピッチの約２倍を越えると、各縁５６毎に開始ねじ山が２つ存在するようになるため、したがって図１〜図４の実施形態では合計で６つの開始ねじ山が存在することになる。図４は、部材の厚さがピッチの２倍を超えた場合に部材に形成された２回転分のねじ山を示している。

ねじ軸と平行な縁から始まるねじ山を形成できるようになることに加えて、カットアウト部５４によって、部材４０の材料が材料として流れる内部をねじ２０によって可塑変形できる容積が得られると考えられる。こうすることで、カットアウト部が、カットアウト部を設けない場合にはねじ上にかかるであろう応力をいくらか解放する補助となると考えられる。

本発明は、ここまで説明してきた３つの丸い突出部状ねじに限定されるものではない。丸い突出部とカットアウト部の数Ｎは、１、２、３、４、またはこれ以上であってよい。例えば、図５は、２つの丸い突出部１２８を有する丸い突出部状ねじ１２０を２つ採用した本発明の別の実施形態による固定装置１１０を示している。部材１４０は、２つのカットアウト部１５４を備えたパイロット穴１５０を設けている。ねじのねじ山１２６は、先行の実施形態に示したように、カットアウト部１５４と穴１５２の円形中心部分１５２の間の連結点によって形成された縁から始まるねじ山を部材１４０に形成する。

図６は、１つの丸い突出部２２８を備えた１丸い突出部型ねじ２２０を設けた固定装置２１０を示す。部材２４０のパイロット穴２５０はこれに関連するカットアウトを１つ設けているが、しかし、所望であれば、２つまたはそれ以上のカットアウト部を有するパイロット穴に２丸い突出部型ねじを使用することもできる旨が理解されるだろう。

ねじ２０、１２０、２２０と部材４０、１４０、２４０は様々な材料から形成することができる。前述したように、本発明の利点の１つは、ねじの材料が部材の材料よりも硬質である必要がないことである。したがって、例えば、ねじは、異なった材料（例えば、亜鉛／アルミニウムエポキシ樹脂コーティング）でコーティングされるローカーボンスチール、ミディアムカーボンスチール（例えば、ＳＡＥ Ｊ４２９、等級２）を含有してよい一方、部材はステンレスのようなより硬度の高いスチール、またさらには適切なデュシリティ（ｄｕｃｉｌｉｔｙ）を有する特定タイプのセラミックのような硬質非金属材料を含有してもよい。あるいは、ねじはポリマー（例えばナイロン）のような非金属材料であってよく、また、部材は、ねじと同タイプあるいは異なるタイプのポリマーのような非金属材料を含有することもできる。

部材４０、１４０、２４０は、形成されるパイロット穴５０、１５０、２５０と共に、様々な形態であってよく、また様々な工程によって形成することができる。例えば、部材は１枚の金属シートまたは金属板であってよく、また、穿孔、プラズマ放電、水噴射、レーザ、その他の処理によって、このシートまたは板の厚み全体を貫通するパイロット穴を形成することができる。あるいは、部材は、金属、ポリマー、セラミック、その他の材料で鋳造または成形することができ、パイロット穴は、この鋳造または成形の最中に、通し穴またはブラインドホールとして形成することができる。雌ねじを施しておらず、鋳造または成形が容易に行えるパイロット穴を採用できる点は、本発明の別の利点である。

パイロット穴の中心部分５２、１５２、２５２およびカットアウト部５４、１５４、２５４は様々な形状であってよい。例証した実施形態では、中心部分は円形であり、カットアウト部にも、この中心部分に部分的に重なる円形部分を設けることができる。しかし、ねじ山開始の最中に各々のカットアウト部と中央部分の間の連結点を差し込める縦長縁を画定するものであれば、これ以外の形状を採用することも可能である。縦長縁を比較的鋭く薄型に形成する、つまり、縁において交差する２つの集束面の間の角度を実質的に１２０°よりも大きくしない、より好ましくは実質的に約９０°よりも大きくしないことが有利であるが、しかし本発明は特定の角度に制限されるものではない。

さらに、図面は縮尺して作成したものではないことも注意すべきである。図示の明確性を目的として、図示されたカットアウト部５４、１５４、２５４は、中心部分に関連して、あるべき寸法よりも大きく示されており、また、ねじの「丸い突出部形」の度合いは誇張されている。各カットアウト部の放射状および円周寸法は、最初にねじをパイロット穴に挿入した際に、各丸い突出部におけるねじ山の最大直径部分がカットアウト部内に十分に入ることができる寸法でありさえすればよい。

既に記述した本発明の利点に加えて、本発明による固定装置は自己ロック機能を備える。部材内部にねじ山が形成されると、パイロット穴内でねじを回転させるために必要なトルクはねじが完全に１回転する最中、丸い突出部が整列し、穴のカットアウト部との整列から逸脱するに従って変化する。これにより、使用中にねじを穴から戻すべく、ねじにトルクが発せられると、ねじは、トルクが再び上昇し始めるまで部分的に回転するが、付加されたトルクが最大値を超えなければ、ねじがそれ以上回転することはない。

当業者は、前述の示唆および関連する図面に示された教示の利益を有する本発明に関連する、本明細書に記載の本発明の多くの改良およびこれ以外の実施形態を思いつくだろう。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に制限されるものではなく、また、改良および他の実施形態は付属の特許請求項の範囲内に含まれるものとする。本明細書では特定の用語を採用しているが、これらの用語は総称的および記述的意味においてのみ使用されたものであり、制限の目的で使用されたものではない。

本発明の一実施形態による固定装置の側面展開図である。 ねじ山形成ねじを挿入する以前の固定装置の部材の断面図である。 図１中の線３−３に沿って固定装置を見た断面図であり、パイロット穴内に最初に挿入され、しかし、ねじを回転して部材内にねじ山形成する以前のねじを示している。 ねじを回転させて、部材内にねじ山が形成された後の、図３と類似した図である。 ねじ山が形成された後の部材の斜視図であり、より明瞭な例証を目的として、ねじを取り除いた状態にて示している。 ２つの丸い突出部形ねじを採用した、本発明の別の実施形態を示す。 １つの丸い突出部形ねじを採用した、さらに別の実施形態を示す。

Claims (8)

1. 固定装置であって、
   ねじ山を形成する丸い突出部を有するねじを備え、前記丸い突出部を有するねじがシャフトと前記シャフトの基端部に結合した頭部とを有し、ねじ山が前記シャフトの外面上に形成されており、前記ねじ山が、ねじ山の頂部にて大形直径を画定し前記ねじ山の谷部にて小形直径を画定しており、前記シャフトが丸い突出部を画定しており、前記大形および小形直径の各々が丸い突出部にて局所最大に達し前記丸い突出部から離れた場所にて減少しており、さらに、
   前記ねじの硬度以上の硬度を有し、非先細りパイロット穴を内部に画定している部材をさらに備え、このパイロット穴が、前記丸い突出部の前記大形直径と前記小形直径の中間にあたる直径を有する中心部分と、前記中心部分から放射状に延びたカットアウト部とを備えており、前記パイロット穴が前記パイロット穴の前記カットアウト部と前記中心部分の間の連結点にて、前記ねじのシャフトの軸とほぼ平行な縦長縁を画定しており、これにより、前記パイロット穴内で前記ねじを回転させると、前記丸い突出部上の前記ねじが縦長縁から開始する前記部材を、前記パイロット穴内にねじ山を形成するように塑性変形させる固定装置。
2. パイロット穴の中心部分が円形である、請求項１に記載の固定装置。
3. パイロット穴が、ねじ山のピッチを越える深度を有する、請求項１に記載の固定装置。
4. パイロット穴が、ねじ山のピッチの約２倍を越える深度を有する、請求項１に記載の固定装置。
5. シャフトがシャフトの末端部に先細りしたリードイン部分を有する、請求項１に記載の固定装置。
6. カットアウト部が実質的に円形アーク形状の外周部分を有する、請求項１に記載の固定装置。
7. シャフトが前記シャフトの中心縦軸周囲の円周上で離間した複数Ｎの丸い突出部を画定しており、前記大形直径と前記小形直径の各々が前記丸い突出部の各々にて局所的最大値に達し、前記丸い突出部間にて減少しており、さらに、
   パイロット穴が前記中心部分から放射状に延びている、複数Ｎの円周上で離間したカットアウト部を備えており、前記パイロット穴が前記パイロット穴の前記カットアウト部と前記中心部分の間の連結点にて、ねじシャフトの軸とほぼ平行な複数の縦長縁を画定しており、これにより、前記パイロット穴内で前記ねじを回転させると、前記丸い突出部上の前記ねじ山が、前記縦長縁にて開始する前記部材を塑性変形させ、前記パイロット穴内にねじ山を形成させる、請求項１に記載の固定装置。
8. ねじが３つの丸い突出部を有し、パイロット穴が３つのカットアウト部を有し、その結果、ねじ山が開始するパイロット穴の縦長縁が３つ存在する、請求項７に記載の固定装置。

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