JP2005315425A5 - - Google Patents

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プラスチック製支持部材とプラスチック製ネジ付きエレメントとを含む結合組立体
本発明は、プラスチック材料製の支持部材と、プラスチック材料製のネジ付きエレメントとを含む、結合組立体に関する。このネジ付きエレメントは、支持部材の受け孔にねじ込むものであり、コアと雄ネジとを含む。そして支持部材の受け孔にねじ込んでその受け孔に対応するネジを形成するものである。本発明はさらに、このような結合組立体に用いるネジ又はネジ付きスリーブの形状であるネジ付きエレメント、並びに結合組立体を作成するための工具及び方法に関する。
プラスチック製支持部材と、タッピン雄ネジを有するネジ又はネジ付きスリーブの形状であるプラスチック製ネジ付きエレメントとを含む結合組立体は、例えばDE4227272A1、DE4227274C2、及びDE2317736によって従来知られている。このような結合組立体のネジ付きエレメントは一般に、ネジ立て機能を発揮することができるような特定設計のネジ山形状となっている。
例えば、DE4227272A1には、いわゆる丸ネジ形状のネジ付きエレメントが開示されている。このエレメントでは、ネジ山の軸方向断面形状が丸形であり、ネジ山の巻回は軸方向に互いにわずかに離隔している。DE4227274C2には、雄ネジを有するネジ付きスリーブが開示されている。このネジ山の高さは最小値から最大値までネジ込み方向に増加しており、最大値のネジ山高さにおいて、脱係合ロックとして機能する段部を形成している。ここではネジ山は「三角ネジ」形状となっている。
DE3201846A1及びDE9115162U1には、ネジ山形状がネジ立て機能を発揮するように特定設計となっている、タッピンネジ付きエレメントが開示されている。しかしながらこのネジ付きエレメントはプラスチック材料でできているものではない。
DE2317736には、ネジの各巻回ごとに直径方向に対向する一対の切れ刃を形成する長手方向に延びる溝を有するプラスチック製のタッピンネジ又はボルトが開示されている。この切れ刃は、ネジ又はボルトを支持部材の受け孔内にねじ込むと、ネジ立て時にこの受け孔内に雌ネジを切出す作用を有するものである。
ドイツ特許出願公開第４２２７２７２A１号明細書 ドイツ特許第４２２７２７４C１号明細書 ドイツ特許出願公開第２３１７７３６号明細書 ドイツ特許出願公開第３２０１８４６A１号明細書 ドイツ実用新案第９１１５１６２U１号明細書
プラスチック製のタッピンネジ付きエレメントは現在実用化されているものの、さらなる改良が望まれている。従来のプラスチック製ネジ付きエレメントの欠点の一つは、一般に特定の一つのプラスチック材料で作成した支持部材にしか適合しておらず、多くの他のプラスチック材料には適合していないということである。またネジ付きエレメントのタッピング性能は低い場合が多い。ネジ付きエレメントおよび結合組立体の強度及び許容荷重は、ネジ形成時の刻み(notching)及び／又は締付け(clamping)作用によって悪影響を受ける。さらにネジ付きエレメントの変形抵抗及び安定性は必ずしも満足のいくものではない。またネジ切りトルクが低い場合でも、ネジ付きエレメントが支持部材の受け孔から誤って抜け落ちることがないように最大限の安全確保が必要である。
本発明は、従来技術における上記の不都合及び欠点を克服しようとするものである。より詳細には、本発明の第一の目的は、ネジの形成、機械的強度、許容荷重、変形抵抗、不慮の脱係合に対する安全性について、最適な結合組立体及びそのネジ付きエレメントを得ることができる、結合組立体、ネジ又はネジ付きスリーブの形状のネジ付きエレメント、及びこのような結合組立体を作成するための工具及び方法を提供することにある。
本発明の一つの態様によれば、ネジ付きエレメントの雄ネジは、請求項１に記載する特定のネジ山形状を有するものである。この形状の特定の実施態様を請求項２〜６に記載する。請求項７及び８に記載するように、雄ネジ部は、細目ネジ若しくは多条ネジとすることができる。
本発明の別の態様によれば、ネジ付きエレメントの雄ネジは、請求項９に記載する特定の切削形状を有するものである。この切削形状の特定の実施態様を請求項１０〜１４に記載する。ネジ付きエレメントの雄ネジのさらなる詳細を請求項１５〜１７に記載する。
請求項１８〜２２に記載するように、ネジ付きエレメントの自由端には、特定の先端領域を設けることが好ましい。
請求項２３〜２７に記載するように、ネジ付きエレメントがネジ又はボルトである場合には、軸部と頭部との間の移行領域が、特定の態様で設計されている。
別の態様として、ネジ付きエレメントは、請求項２８及び２９に記載するように、ネジ付きスリーブであってもよい。このネジ付きスリーブを支持部材の受け孔にねじ込むためには、請求項３２及び３３に記載する特別の工具を使用することが好ましい。
本発明の別の態様によれば、ネジ付きエレメントのプラスチック材料を一方とし、支持部材のプラスチック材料を他方として、これらを互いに適合させ、請求項３０及び３１に記載するように選択する。
特別な設計の結合組立体を作成するための方法を請求項３６及び３７に記載する。
上記記載から明らかなように、本発明は結合組立体並びに該結合組立体を作成するための工具及び方法に加えて、請求項３４及び３５に記載するように、ネジ（ボルト）若しくはネジ付きスリーブの形状とし得るネジ付きエレメント自体にも関するものである。
本発明のさらなる特徴及び詳細を、添付図面を参照して以下に詳細に説明する。
図１に結合組立体１を示す。この組立体１は、プラスチック材料製の支持部材２と、ネジ又はボルトの形状であり、同様にプラスチック材料製であるネジ付きエレメント４とを含んでいる。図に示す実施態様では、結合組立体１は、ネジ又はボルト４によって、支持部材２とさらに別の構造部材３とを互いに締付け結合するねじ込み継手である。しかしながら、ネジ付きエレメントがネジ付きスリーブ６（図７〜図１２）である場合には、結合組立体はネジ付きスリーブ６と支持部材２のみからなる。
ネジ又はボルト４は、中実なコア８と１条ネジ１１を備える雄ネジ部１０とを含む軸部と、頭部１２と、軸部と頭部１２との間の移行領域１４と、ドライブ手段１６と、コア８の頭部１２から離れた側の端部にある先端領域１８とを含む。
図１の左側にはネジ４を支持部材２の受け孔２０内にねじ込む前、右側にはネジ４を受け孔２０内にねじ込んだ後の結合組立体を示す。図からわかるように、ネジ４をねじ込む前は、受け孔２０は平滑な円筒形状である。ネジ４のネジ山１１は、以下に詳細に説明するように、ネジ４を受け孔２０内にねじ込むと、ネジ山１１が受け孔２０に雌ネジ２６を形成するようにネジ立てつまりネジ切りすることができる設計となっている。
さらに、図１からわかるように、支持部材２には直径Ｄ2の座ぐり２２が設けられている。この直径Ｄ2は受け孔２０の直径Ｄ1よりもわずかに大きく、雄ネジ１１の外径と実質的に略等しい。構造部材３には、直径Ｄ1及びＤ2よりもわずかに大きい直径Ｄ3の貫通孔２４が設けられている。
図２〜図６に示すネジ４Ａ及び４Ｂは、図１のネジと頭部のみが異なるものであり、ネジ４Ａ及び４Ｂの頭部は外側及び内側ドライブ手段１６を有する多機能頭部となっている。ドライブ手段はいかなるタイプ及び構造のものでもよい。図示する実施態様では、外側ドライブ手段は当接フランジを有する六角形であり、内側ドライブ手段は内側に丸みを付けた六角形であるが、別の態様として例えば十字穴としてもよい。ネジ４Ａと４Ｂとは、以下に詳細に説明するように、ネジ山形状が異なるものである。
既に上述したように、本発明は、ネジ又はネジ付きスリーブのネジ山形状、切削形状、及び先端領域、ネジの軸部と頭部との間の移行領域、ネジ又はネジ付きスリーブ並びに支持部材の材質等の結合組立体の様々な特徴、ネジ付きスリーブを支持部材に挿入するための工具、及び結合組立体を作成するための方法に関するものである。以下に本発明のこれらの特徴をより詳細に説明する。
特に断りのない限り、以下の説明はネジとネジ付きスリーブの両方に関するものである。
ネジ山形状
本発明に従って、プラスチック製ネジ及びプラスチック製ネジ付きスリーブのネジ山形状は、ネジ山１１を支持部材２の受け孔２０に挿入すると、最適な態様で雌ネジつまり対応するネジ２６を形成するように設計する。雌ネジ２６は、切削（ネジ立て、タッピング）、材料の変形、若しくはこの二つの操作を組合わせることによって形成することができる。
本発明者は、対応するネジを形成するために実質的に切削を必要とする材料からなる支持部材に対して使用するネジ付きエレメントのネジ山形状は、対応するネジを形成するために実質的に材料の変形を必要とする材料からなる支持部材に対して使用するネジ付きエレメントのネジ山形状とは、幾分異なる形状とすべきであるということに気付いた。よって、図１３〜２１に示す本発明によるネジ山形状の好ましい実施態様として、二つの異なる実施態様Ａ及びＢを示す。実施態様Ａは、支持部材をなす材料にネジを挿入する前にまず切削を必要とするような、特に硬質で剛性の高い材料について用いるものであり、実施態様Ｂは、対応するネジを形成する前にまず材料の変形を必要とするような、伸張性及び衝撃抵抗性の高い材料について用いるものである。
しかしながら、実施態様Ａ及びＢのどちらも、ネジ山形状の基本的な形状は同じである。
図１３〜図１６に示すように、雄ネジ部１０Ａ及び１０Ｂはそれぞれコア８Ａ及び８Ｂの周囲に複数回転（巻回）延びる１条ネジ１１を有している。軸方向の断面で示されているネジ山１１は、放射状の直線に対して対称的に配置されている一対の直線的なフランク３０によって規定される対称的な形状である。ネジ山のフランク３０は、好ましくは半径Ｒ1の円形曲率を有する丸みを付けた山の頂３１によってつながれている。
コア８Ａ及び８Ｂはそれぞれ、ネジ１１の巻き（巻回）間に円筒形の外表面３２を有している。円筒形の外表面３２は、好ましくは円形曲率を有する丸みを付けた隅部３３によってそれぞれネジ山１１のフランク３０につながっている。ネジ１１の巻回間の軸方向の間隔は、ネジ１１の巻回間の螺旋状間隙の体積がネジ山１１の体積よりも大きくなるように選択する。
ネジ山１１のフランク３０は、ネジ山の角度αだけ傾斜しているが、この角度αは、以下に説明する理由により比較的小さくなるように選択する。ネジ山の角度αは３０°〜５０°、好ましくは約４０°とすべきである。
これまでに説明してきたネジ山形状は、実施態様Ａ及びＢのどちらについても同様である。二つの実施態様の違いは、ピッチＰ、ネジ山の高さＺ、及び丸みを付けた山の頂３１及び丸みを付けた隅部３３の半径Ｒ1及びＲ2にある。
ネジ山形状の実施態様Ａについては、以下の範囲の値が好ましい：
Ｐ＝（０．１６〜０．９）・ＤA
Ｚ＝（０．１５〜０．５）・Ｐ
Ｒ1＝（０．４〜０．７）・Ｚ
Ｒ2＝（０．５〜０．５）・Ｚ
α＝３０°〜５０°
式中、Ｐはネジのピッチ、Ｚはネジ山の高さ、Ｒ1は山の頂３１の曲率半径、Ｒ2はコア８の円筒形外表面３２とネジ山１１のフランク３０との間の丸みを付けた隅部の曲率半径、ＤAはネジ１１の外径であり、これらを図１３〜図１６に示す。
実施態様Ａ（図１３、図１４）のネジ山形状については、以下の値が好ましい：
Ｐ＝０．２５・ＤA
Ｚ＝０．３８・Ｐ
Ｒ1＝０．６・Ｚ
Ｒ2＝０．３５・Ｚ
α＝４０°
実施態様Ｂのネジ山形状については、以下の範囲の値が好ましい：
Ｐ＝（０．２５〜０．９）・ＤA
Ｚ＝（０．３５〜０．６５）・Ｐ
Ｒ1＝（０．２５〜０．５）・Ｚ
Ｒ2＝（０．２５〜０．５）・Ｚ
α＝３０°〜５０°
実施態様Ｂ（図１５、図１６）のネジ山形状については、以下の値が好ましい：
Ｐ＝０．３３・ＤA
Ｚ＝０．５・Ｐ
Ｒ1＝０．３・Ｚ
Ｒ2＝０．３・Ｚ
α＝４０°
ネジ山の角度αを比較的小さくすることにより、ネジ１１を支持部材２の受け孔２０内にねじ込む際に、支持部材２をなす材料がネジ１１から受ける軸方向の力Ｆaxialは比較的大きいが、半径方向の力Ｆradialは小さくなるという効果がある。このことは、山の頂３１の半径Ｒ1が比較的大きいことと相まって、ネジ１１が対応するネジ２６を形成する際に、特に悪影響のある刻み及び締付け作用を生じることなく、支持部材２をなす材料がネジ１１の巻回間の間隙に最適な態様で入り込むことができるという効果を奏するものである。ネジ１１の巻回間の間隙の体積が、ネジ山１１の体積よりも実質的に大きいので、支持部材２をなす材料がコア８Ａ及び８Ｂの円筒形外表面に係合することを防止することができる。これを防止しないと締付け作用が生じるという悪影響がある。この間隙の体積とネジ山の体積との寸法的関係には、さらにネジの山の頂に外接する仮想円筒の領域内に、比較的相当量の材料が存在するという効果もある。結合組立体１（図１）に軸方向の引張力がかかると、この仮想外接円筒内の支持部材をなす材料に剪断負荷がかかる。剪断力を受ける領域にある支持部材をなす材料の量が多く、且つ好ましいノッチ要因(notching factor)が存在することにより、プラスチック製ネジ付きエレメントをなす材料に比べて支持部材をなす材料の強度が低いことを、何らかのかたちで補っている。
つまり、
ａ）半径方向の力Ｆradialが比較的小さく、半径Ｒ1が比較的大きいので、最低限の刻み作用で、悪影響を及ぼす締付け作用なしに、プラスチック製ネジ付きエレメントを支持部材２の受け孔２０内へ確実にねじ込むことができる。
ｂ）ネジ１１の巻回間の間隙が比較的大きく、好ましいノッチ要因があるため、結合組立体１に軸方向の引抜きに対する最適な抵抗力が付与される。
上記の好ましい値を有する図１３〜図１６に示すネジ山形状は、細目ネジ（図示せず）にも用いることができる。そのためには、上記に示したネジ山形状の他の好ましい値を維持しつつ、外径ＤAを大きくすることにより、ピッチ／外径比＝Ｐ／ＤAを低くするだけでよい。
図１３〜図１６に示すネジ山形状では、１条ネジとなっている。しかしながら、雄ネジ部１０Ａ及び１０Ｂはそれぞれ、ピッチＰを好ましい値の範囲の上限まで（０．９・ＤAまで）大きくして、多条ネジとすることもできることがわかる。このようにピッチの値を大きくしても、雄ネジ部１０Ａ及び１０Ｂのピッチ角（リード角）は、ネジ付きエレメントをなす材料と支持部材をなす材料の二つの材料のセルフロッキング角度(self-locking angle)よりも小さい。多条ネジの利点は、急速継手式の閉鎖装置と同様に、ネジ付きエレメントをたった数回の回転で支持部材の受け孔に挿入することができるということにある。ネジ付きエレメントは一旦取り外しても再度簡単に組み込むことができ、セルフロッキング作用によより、ネジ又はネジ付きスリーブを受け孔内に確実に係合させ、保持することができる。
ネジ山形状の切削形状
本発明のさらに別の態様によれば、ネジ付きエレメントを支持部材をなす材料に容易に挿入することができるように、実施態様Ａ及びＢのネジ山形状の外周には、切れ刃３６と逃げ角βが設けられている。ネジ山形状のこの切削形状を図１７及び図１８に示す。
この切削形状とするために、プラスチック製ネジ（又はネジ付きスリーブ）を複数のアンギュラーセグメントから形成する。図１７及び図１８に示す実施態様Ａ及びＢでは、二つのアンギュラーセグメント３４ａ及び３４ｂが設けられている。アンギュラーセグメント３４ａ及び３４ｂは、それぞれネジ１１及び外周が円弧形状のコア８Ａ及び８Ｂを有しており、それぞれの曲率中心Ｍａ及びＭｂが、コア８Ａ及び８Ｂの中心軸Ｍから半径方向逆方向にＸだけオフセットしている。そのため、アンギュラーセグメント３４ａ及び３４ｂのコア及びネジの外周は共に、互いに段状にオフセットして切れ刃３６を形成している。支持部材をなす材料にネジを挿入するのを容易にするために、切れ刃３６は、図１７及び図１８に矢印で示すように、ねじ込み方向に有効となるように配置されている。
さらに、アンギュラーセグメント３４ａと３４ｂとが半径方向にオフセットしているために、ネジ１１の外周に沿って且つ切れ刃３６に隣接して、ネジの外周と一点鎖線で示した仮想外接円Ｋとの間に逃げ角βが生じる。この逃げ角βによって、各切れ刃３６からねじ込み方向に徐々に増加する鎌型のクリアランスが形成される。
半径方向のオフセットＸの好ましい値は以下の通りである：
ＤNenn≦８mmの場合は、Ｘ＝０．１０mm
ＤNenn＞８mm且つＤNenn≦１２mmの場合は、Ｘ＝０．１５mm
ＤNenn＞１２mmの場合は、Ｘ＝０．２０mm
セグメント３４a及び３４bの呼び径ＤNennは、ネジ１１の円弧状の外周の半径Ｒの２倍である。
Ｘの値が上記の場合、逃げ角βは１°となるが、他の逃げ角の値も本発明の範囲内である。好ましくは逃げ角βは０．５°〜５°、さらに好ましくは０．５°〜２°である。
ネジ山形状の実施態様Ａ及びＢのどちらにおいても、Ｘ及びβは同じ値とすることができる。しかしながら、対応するネジを形成する際に実質的に切削を必要とする実施態様Ａ（図１７）の場合には、切り屑溝(chip groove)３８を設けるという違いがある。この切り屑溝は、ネジ付きエレメントの全長に渡って延び、切れ刃３６に隣接して配置することにより切れ刃３６を長くしている。対応するネジを形成する際に実質的に材料の変形を必要とする実施態様Ｂ（図１８）には、このような切り屑溝は設けない。
図１７及び図１８に示す切削形状の実施態様では、ネジ付きエレメントは、半径方向にオフセットした二つのアンギュラーセグメントからなっている。しかしながら、特に大径のネジ付きエレメントの場合には、三つ以上のアンギュラーセグメントを設けてもよいことがわかる。例えば、図１１に示すネジ付きスリーブ６ｂは、四つの切れ刃３６と四つの切り屑溝３８を有する四つのアンギュラーセグメントからなっている。
上記のネジ山形状における形状、特に上記の切削形状では、受け孔にネジ付きエレメントをねじ込むのに必要なトルクを比較的小さくすることができると共に、ねじ込み方向と逆方向の回転によってネジ付きエレメントが誤って抜け落ちる危険性を最小限とすることができる。
上記のようにトルク要求を小さくするためには、アンギュラーセグメント３４ａ及び３４ｂを半径方向にオフセットすることによって形成した切れ刃３６が最も有効である。図１７及び図１８に示す実施態様Ａ及びＢでは、切れ刃３６は、ネジ付きエレメントを射出成形する場合の射出成形型の割型の分割面である軸平面に配置されている。そのため切れ刃を確実に鋭くすることができる。
上記の通り結合組立体１が誤って脱係合してしまう危険性を最小限とするためには、複数の要因がある。
ネジに引張力をかけ表面圧力によって保持する従来のネジとは異なり、プラスチック製のネジ付きエレメントにおけるネジの保持は、ネジ山形状の周囲で支持部材をなすプラスチック材料が半径方向内方に弛緩することによるものである。特に重要なのは、アンギュラーセグメント３４ａ及び３４ｂが半径方向にオフセットしていること、そしてそのことによって逃げ角βが生じることである。ネジ付きエレメントを支持部材の受け孔内にねじ込むと、支持部材をなすプラスチック材料が弛緩して、逃げ角βによって生じるネジ１１の外周と仮想外接円Ｋとの間の隙間に「流れ」込む。これによりネジ付きエレメントがねじ込み方向と逆方向に回転するのを防止することができ、よって結合組立体１が誤って脱係合してしまわないように最大限の安全性を付与することができる。結合組立体１を脱係合するためのトルクは、ネジ付きエレメントを受け孔内にねじ込むのに必要なトルクよりも実質的に大きいことが試験によってわかった。
結合組立体１が誤って脱係合してしまうのを防止するのを助ける手段として、さらに、上記に示したピッチ（リード）の値、及びネジ付きエレメント及び支持部材をなすプラスチック材料の摩擦係数によるセルフロッキング作用が挙げられる。上記の値では、ピッチ角は、実施態様Ａのネジ山形状では約４．５°、実施態様Ｂのネジ山形状では約６°となる。このピッチ角は、ネジ付きエレメント及び支持部材をなすプラスチック材料のセルフロッキング角度の限界よりも顕著に低い。
この点において、ネジ付きエレメントを受け孔内にねじ込むことによって、コア８Ａ及び８Ｂの外面３２（図１３〜図１６）において材料がいかなる変形作用をも受けることがないように、支持部材をなす材料の切削及び変形特性を鑑みて、支持部材２の受け孔２０の直径Ｄ1（図１）をネジ山形状に適合すべきであることがわかる。支持部材２の入口領域に設けた座ぐり２２の直径Ｄ2は、ネジ４のネジ山１１の外径と略等しく（許容差＋０．５mm）、深さTは、ピッチPと略等しく、ネジ入口領域におけるいかなる引張力をも緩和することを目的とするものである。
先端領域
図１９〜図２１に示すように、ネジ４のネジ頭から遠い方の軸方向の端部には、所定の面取り角γ及び最小直径ＤFの面取り部４０を有する円錐状先端領域１８が設けられている。この先端領域においても、ネジ山形状の実施態様Ａ及とＢとでは、設計が異なっている。
実施態様Ａでは、先端領域４０の面取り角γは好ましくは約２０°であり、最小直径ＤFはネジ山の外径ＤAの約０．７倍である。実施態様Ｂでは、面取り角γは好ましくは約３０°であり、最小直径ＤFは好ましくはネジ山の外径ＤAの約０．５倍である。
実施態様Ａでは、先端領域１８は好ましくはチップポケット４２を含む。このチップポケットは、高さ２・Ｐ（図１９）、幅３・Ｚ（図２０）で、図２０の断面図では半径ＲSの丸みを付けた隅部を有する。雌ネジを形成するのに材料の変形を必要とする実施態様Ｂ（図２１）では、チップポケットは不要である。
雌ネジを形成する際に、支持部材をなす材料と最初に係合し、切削又は変形作用によって生じる負荷を最初に受けるのは、先端領域１８である。先端領域の耐久性及び安定性が低下すると（つまり切れ刃が「鈍く」なると）、上記の切削形状を有するネジ山形状の次の巻回が、ネジ付きエレメントを受け孔内にねじ込む際の切削及び変形作用を引き継ぐ。
ネジの軸部と頭部との間の移行領域
図２２及び図２３を参照して、プラスチック製ネジ６の軸部１０と頭部１２との間の移行領域１４の好ましい設計について説明する。これらの図面に示すように、軸部１０のコア８の外表面３２は、曲率半径がそれぞれＲa、Ｒbの丸みを付けた端部を有する円錐状表面４４によって、頭部１２の底面に連結されている。丸みを付けた端部Ｒbには短い円筒形状部分が続き、これが曲率半径Ｒcの丸みを付けた部分によって頭部１２の底面に合流する。円錐状表面４４は、ネジの中心軸Ｍに対して約３０°程度の角度δだけ傾斜している。
このように移行領域１４を略円錐形の設計とすることにより、ネジを締めることによって結合組立体１が引張力を受けた場合に移行領域１４にかかる引張力を分配することができる。これは移行領域１４に引張力のピークが生じるのを避けるのに役立つ。
さらに、移行領域１４は、軸部１０のコア８と頭部１２との間の壁の厚さＷが、コア８の外表面３２の直径の０．５倍よりも大きい設計となっている。これにより、ネジを射出成形する際に、プラスチック材料が頭部領域に容易且つスムースに流れることを確実にすることができる。さらに移行領域のこの設計、つまり比較的壁厚Ｗが厚い設計とすることにより、結合組立体が引張力を受けているときに負荷を分配することができ、移行領域１４が破損する危険性を低下させることができる。
図２２及び特に図２３からわかるように、移行領域１４の外表面には、軸平面に配置したセンターリブ４６が設けられている。センターリブ４６の外縁は、中心軸Ｍに対して例えば２０°の角度εだけ傾斜している。センターリブ４６の最大直径ＤZは、構造体３（図１）の貫通孔２４の直径Ｄ3プラス０．５mmに略等しい。そのため、支持部材２をさらに構造部材３（図１）に連結する際に、センターリブ４６は構造体３の貫通孔２４の外壁と係合する。センターリブ４６は、ネジ４を受け孔２０内にねじ込む際に、センタリング作用と、横方向の負荷に対する支持作用の両方を担う。
図１及び図２２に示すように、頭部１２の底面は、頭部１２が実質的に円形の線接触領域４８に沿って構造部材３の上面と係合するように、凹状となっている。ネジ４に軸方向の負荷がかかると、円形の線接触領域４８はより柔らかい構造部材３に入り込み、及び／又は頭部１２は材料の可撓性によって変形して、ネジの軸方向の偏向力、軸方向の負荷、若しくは熱による変形によって生じ得る引張力のピークを低下させる。
ネジ付きエレメントの材質
ネジ付きエレメント（ネジ又はネジ付きスリーブ）は、相当な耐熱性、相当な剛性、相当な強度及び耐水性を有する高性能プラスチック材料でできている。雌ネジを形成するための切削又は変形作業中に、ネジ山形状及び切削形状の所望の安定性を得るためには、このような性能値は、支持部材をなすプラスチック材料とは実質的に異なるものとすべきである。
ネジ付きエレメントのための好ましい高性能プラスチック材料としては、ポリフタルアミド−GF（PPA-GF）、ポリフタルアミド−GFに基づくコポリアミド、ポリエーテルイミド−GF（PEI-GF）、ポリエーテルエーテルケトン−GF（PEEK-GF）が挙げられる。
また、ガラス繊維強化ポリアミド、炭素繊維強化ポリフタルアミド、炭素繊維強化及びガラス繊維強化ポリフタルアミド、炭素繊維強化ポリフタルアミドに基づくコポリアミド、炭素繊維強化及びガラス繊維強化ポリフタルアミドに基づくコポリアミド、デュロメリック(duromeric)プラスチック材料も使用することができる。
これらはネジ付きエレメントの素材の単なる好ましい例示であって、他の高性能熱可塑性材料も同様に使用できることがわかるであろう。
ネジ付きスリーブ
先に述べたように、切削形状及び先端領域を含むネジ山形状について述べてきた上記解説及び説明は、ネジ４のみならずネジ付きスリーブ６にも当てはまるものである。
ネジ付きスリーブ６の例を図７〜図１２に示す。
図７及び図８に示す実施態様では、ネジ付きスリーブ６は、スリーブの軸方向全長に渡って延びている雌ネジ５０を有している。よってネジ付きスリーブ６を支持部材の受け孔内にねじ込むための工具は、以下に詳細に説明するように、この雌ネジ５０に係合する必要がある。
図９及び図１０に示す実施態様では、ネジ付きスリーブ６aは、雌ネジ５０に加えて内側ドライブ手段５２を有している。この図に示す実施態様では、この内側ドライブ手段５２は内側にある丸みを付けた六角形であり、ネジ付きスリーブ６aの軸方向一端のみに設けられている。これに代えて、ネジ付きスリーブ６aの雌ネジ５０内に内側多角形を設けてもよい。
図１１及び図１２は、雄ネジ部１０Ａを細目ネジの形状としたネジ付きスリーブ６bを示している。ネジ山形状について上記で説明したように、細目ネジは、好ましいネジ山形状の実施態様Ａ又はＢを使用し、それに対応して外径ＤAを大きくすることにより得られるものである。
上記の通り、図１１及び図１２に示すネジ付きスリーブ６ｂは、半径方向にオフセットした四つのアンギュラーセグメントからなり、四つの切れ刃３６が形成されている。図に示した実施態様では、切れ刃３６は四つの切り屑溝３８と関連している。切れ刃３６の数が多いほど、切削力が周方向に分散し、ネジ付きスリーブを受け孔内でうまく心合わせすることができる。
ネジ付きスリーブは、支持部材の円筒形（成形又は切削による）の受け孔内に挿入するが、この支持部材は低強度のプラスチック成形部品とすることができる。プラスチック成形部品を射出成形によって製造する場合には、ネジを成形型から外す煩雑な操作は不要である。よって高性能プラスチック材料からなるネジ付きスリーブは、そのネジの高い耐久性により、プラスチック成形部品の機能性及び特性を強化することができる。
ネジ付きスリーブ６、６ａ、６ｂの雌ネジ５０は、例えばピッチをオフセットしたり、直径を変えたり、若しくは部分的にネジ切りなしの領域を設けたりすることにより、ネジ保持効果を持たせるように特に設計して、ネジ付きスリーブの雌ネジ内にネジ（図示せず）を締込むことができるようにすることもできる。
組立て工具
図２４に示す工具は、図７及び図８に示すネジ付きスリーブ６を、プラスチック成形部品である支持部材２ａの受け孔２０内に挿入するように適合されている。この工具は、駆動により回転可能な工具本体５４を含み、この本体は、軸方向に延びるマンドレル５６と、これよりも直径の大きい隣接する当接部５８と、これに隣接する駆動部６０とを含む。マンドレル５６は、当接部５８に隣接して設けた比較的短いネジ切り部６２と、これに隣接する円筒形支持部６４とを有する軸状のピンである。ネジ切り部６２のネジは、ネジ付きスリーブ６の雌ネジ５０と螺合する形状となっていると共に、円筒形支持部６４の直径は、雌ネジ５０の内径に略等しくなっている。
組み立てる際には、ネジ付きスリーブ６を、当接部５８と係合するまで短いネジ切り部６２に「ねじ込む」。次いでネジ付きスリーブ６を工具本体５４によって回転させて、受け孔２０内へとねじ込む。この作業の間、マンドレル５６の円筒形部分６４はネジ付きスリーブ６を内側から支持する。当接部５８が支持部材２ａと係合したら、組立作業は完了する。ここで工具本体５４を逆方向に回転させて、マンドレル５６を引き抜く。ネジ切り部６２が短いので、挿入／抜出し操作を非常に迅速に行うことができる。
図２５に示す工具は、図９及び図１０に示す内側ドライブ手段５２を有するネジ付きスリーブ６ａを組み立てるように適合されている。この工具も駆動により回転可能な工具本体５４ａを含み、この本体は、マンドレル５６ａ、当接部５８、及び駆動部６０を含む。しかしながらこの態様では、マンドレル５６ａはネジ切りしていないピンであり、円筒形部分６６と駆動部分とを有している。この駆動部分は、ネジ付きスリーブ６ａの内側駆動手段５２と嵌合い係合する駆動手段６８を含んでいる。
この工具を使えば、組立て作業開始時には、ネジ付きスリーブ６ａを単に軸方向にスライドさせてマンドレル５６ａに嵌め、組立て作業終了時には、マンドレル５６ａをネジ付きスリーブ６ａから軸方向に引き抜くだけでよいので、簡単に組立て作業ができる。
図２５に示す工具のさらに有利な点は、組立て作業後に、ネジ付きスリーブ６ａを受け孔内で軸方向に移動させることができるということにある。よって、ネジ付きスリーブ６ａを対応する表面（図示せず）と係合させるために、受け孔２０から所定長さだけ軸方向に突出するようにセットすることができるように、ネジ付きスリーブ６ａの軸方向位置を細かく調整することができる。
分解不能な結合組立体を摩擦溶接により作成する方法
上述したように、ネジ付きエレメント（ネジ又はネジ付きスリーブ）は、簡単なねじ込み操作によって、支持部材の円筒形受け孔内に挿入することができる。それにより、「ネジを緩める」操作によってネジ付きエレメントを受け孔から外すことができる結合組立体１を形成することができる。
本発明の別の実施態様によれば、プラスチック製ネジ付きエレメントを支持部材の受け孔内に挿入して、ネジ付きエレメントと支持部材との分解不能で気密且つ液密な継手を形成することもできる。
この場合には、支持部材をなす高性能ガラス繊維強化熱可塑性材料であるプラスチック材料が、摩擦熱によって可塑化するような高速で、ネジ付きエレメント（プラスチック製ネジ又はプラスチック製ネジ付きスリーブ）を、支持部材の円筒形受け孔内へねじ込む。ネジ付きエレメントの雄ネジは、支持部材の可塑化されたプラスチック材料をねじ込み方向と逆方向に押しのける。この可塑化されたプラスチック材料は、固化すると、ネジ付きエレメントの雄ネジを包み込む。ねじ込み操作終了時には、工具の速度を０まで急激に減速する。そうしないと、ネジ付きエレメントを包み込む構造が壊れてしまい、得られた包囲体が気密ではなくなってしまう恐れがあるからである。ネジ付きエレメントをなすプラスチック材料と支持部材をなすプラスチック材料とでは物性が異なる、つまり融点が異なるので、ネジ付きエレメントが破損することはない。この「回転摩擦溶接」により、２秒未満で組立てを完了することができる。
図１は、ネジ付きエレメントの半分をネジとして形成した結合組立体の断面図である。 図２は、本発明のネジの一部断面側面立面図である。 図３は、図２のネジの斜視図である。 図４は、図２のネジの端面図である。 図５は、本発明のネジの別の実施態様を示す、図２と同様の図である。 図６は、図５のネジの斜視図である。 図７は、本発明のネジ付きスリーブの一部断面側面立面図である。 図８は、図７のネジ付きスリーブの断面図である。 図９は、本発明のネジ付きスリーブの別の実施態様の縦断面図である。 図１０は、図９のネジ付きスリーブの横断面図である。 図１１は、本発明のネジ付きスリーブのさらに別の実施態様の側面立面図である。 図１２は、図１１のネジ付きスリーブの断面図である。 図１３は、本発明のネジ付きエレメントのネジ山形状の実施態様Ａの断面図である。 図１４は、図１３に示すネジ山形状を拡大して示す断面図である。 図１５は、ネジ山形状の実施態様Ｂの断面図である、図１３と同様の図である。 図１６は、図１５のネジ山形状の断面図である、図１４と同様の図である。 図１７は、本発明のネジの実施態様Ａの断面図であり、切削形状を示すものである。 図１８は、本発明のネジの実施態様Ｂに係る、図１７と同様の断面図である。 図１９は、本発明のネジの実施態様Ａの先端領域の一部断面側面立面図である。 図２０は、図１９の矢印Ｉ−Ｉに沿った横断面図である。 図２１は、本発明のネジの実施態様Ｂの、図１９と同様の側面立面図である。 図２２は、本発明のネジの軸部と頭部との間の移行領域の縦断面図である。 図２３は、図２２の矢印ＩＩ−ＩＩに沿った横断面図である。 図２４は、ネジ付きスリーブと支持部材とからなる結合組立体を作成するための工具の一部断面側面立面図である。 図２５は、ネジ付きスリーブと支持部材とからなる結合組立体を作成するための工具の別の実施態様を示す、図２４と同様の側面立面図である。

Claims (32)

  1. 孔壁によって規定される受け孔（２０）を有するプラスチック材料製の支持部材（２）と、
    中心軸（Ｍ）を有するコア（８）と雄ネジ部（１０）とを有するプラスチック材料製のネジ付きエレメント（４、６）とを含み、該雄ネジ部は、ネジ付きエレメントを支持部材（２）の受け孔（２０）の壁内へねじ込むと、切削及び／又は変形によって受け孔（２０）内に雌ネジ部（２６）を形成し、
    ネジ付きエレメント（４、６）の前記雄ネジ部（１０）は、複数巻回に渡って延び且つ軸方向断面において丸みを付けた山の頂（３１）によって連結されている直線的なフランク（３０）を有する形状のネジ山（１１）を有し、
    ネジ付きエレメント（４，６）の前記コア（８）は、ネジ（１１）の巻回間に、軸方向断面において、丸みを付けた隅部（２１）によってネジ山（１１）のフランク（３０）に連結されている円筒形外表面（３２）を有し、
    ネジ（１１）の巻回は、ネジ山（１１）の体積よりも大きい体積の螺旋状間隙を巻回間に規定する、結合組立体。
  2. 前記ネジ山（１１）のフランク（３０）がなすネジ山角度（α）が３０°〜５０°、好ましくは約４０°である、請求項１に記載の結合組立体。
  3. 支持部材（２）が前記雌ネジ部（２６）を形成するために実質的に切削を必要とする材料からなっている場合、前記雄ネジ部（１０Ａ）のネジ（１１）山の形状が、
    Ｐ＝（０．１６〜０．９）・ＤA
    Ｚ＝（０．１５〜０．５）・Ｐ
    Ｒ1＝（０．４〜０．７）・Ｚ
    Ｒ2＝（０．５〜０．５）・Ｚ
    （式中、Ｐはネジ（１１）のピッチ、Ｚはネジ山（１１）の高さ、Ｒ1は丸みを付けた山の頂（３１）の曲率半径、Ｒ2はコア（８）の円筒形外表面（３２）とネジ山（１１）のフランク（３０）との間の丸みを付けた隅部（３３）の曲率半径、ＤAはネジ（１１）の外径である）
    で規定される、請求項１又は２に記載の結合組立体。
  4. Ｐ、Ｚ、Ｒ1、及びＲ2が、
    Ｐ＝０．２５・ＤA
    Ｚ＝０．３８・Ｐ
    Ｒ1＝０．６・Ｚ
    Ｒ2＝０．３５・Ｚ
    である、請求項３に記載の結合組立体。
  5. 支持部材（２）が前記雌ネジ部（２６）を形成するために実質的に変形を必要とする材料からなっている場合、前記雄ネジ部（１０Ｂ）のネジ山（１１）の形状が、
    Ｐ＝（０．２５〜０．９）・ＤA
    Ｚ＝（０．３５〜０．６５）・Ｐ
    Ｒ1＝（０．２５〜０．５）・Ｚ
    Ｒ2＝（０．２５〜０．５）・Ｚ
    （式中、Ｐはネジ（１１）のピッチ、Ｚはネジ山（１１）の高さ、Ｒ1は丸みを付けた山の頂（３１）の曲率半径、Ｒ2はコア（８）の円筒形外表面（３２）とネジ山（１１）のフランク（３０）との間の丸みを付けた隅部（３３）の曲率半径、ＤAはネジ（１１）の外径である）
    で規定される、請求項１又は２に記載の結合組立体。
  6. Ｐ、Ｚ、Ｒ1、及びＲ2が、
    Ｐ＝０．３３・ＤA
    Ｚ＝０．５５・Ｐ
    Ｒ1＝０．３・Ｚ
    Ｒ2＝０．３・Ｚ
    である、請求項５に記載の結合組立体。
  7. ネジ山（１１）の形状が、請求項４又は６に記載した形状であり、細目ネジとするために、直径ＤAを大きくし、ピッチ／外径比＝Ｐ／ＤAを低くした、請求項１〜６のいずれか１項に記載の結合組立体。
  8. 前記雄ネジ部（１０）が、ピッチ／外径比＝Ｐ／ＤAを上げた複数のネジを含む、請求項３又は５に記載の結合組立体。
  9. 前記ネジ付きエレメント（４、６）は、複数のアンギュラーセグメント（３４ａ、３４ｂ）を含み、該セグメントは、ラジアル平面において、曲率中心（Ｍａ、Ｍｂ）が中心軸（Ｍ）に対して半径方向にオフセットしたアーチ形の外周を有しており、隣接するアンギュラーセグメントの外周が段状にオフセットして、ネジ付きエレメントを支持部材の受け孔内へねじ込む際に切削を行う切れ刃（３６）を形成している、請求項１〜８のいずれか1項に記載の結合組立体。
  10. 前記アンギュラーセグメント（３４ａ、３４ｂ）のネジ（１１）のアーチ形の外周と、中心軸（Ｍ）上に中心を有する仮想外接円（Ｋ）とが、逃げ角βをなす、請求項９に記載の結合組立体。
  11. 前記逃げ角（β）が０．５°〜５°、好ましくは０．５°〜２°、特に好ましくは１°である、請求項１０に記載の結合組立体。
  12. アンギュラーセグメント（３４ａ、３４ｂ）のアーチ形外周の曲率中心（Ｍａ、Ｍｂ）が、ネジ付きエレメント（４、６）の中心軸（Ｍ）に対して反対方向に距離Ｘだけオフセットしており、
    ＤNenn≦８mmの場合は、Ｘ＝０．１０mm
    ＤNenn＞８mm且つＤNenn≦１２mmの場合は、Ｘ＝０．１５mm
    ＤNenn＞１２mmの場合は、Ｘ＝０．２０mm
    （式中、ＤNennはアンギュラーセグメント（３４ａ、３４ｂ）のネジ（１１）のアーチ形外周の曲率半径（Ｒ）の２倍である）
    である、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の結合組立体。
  13. 支持部材（２）が前記雌ネジ部（２６）を形成するために実質的に切削を必要とする材料からなっている場合、前記アンギュラーセグメント（３４ａ、３４ｂ）のネジ（１１）がそれぞれ、ネジ付きエレメント（４、６）の全長に渡って延び、関連する切れ刃（３６）を長くする切り屑溝（３８）を有する、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の結合組立体。
  14. 支持部材（２）が前記雌ネジ部（２６）を形成するために実質的に変形を必要とする材料からなっている場合、前記アンギュラーセグメント（３４ａ、３４ｂ）のネジ（１１）が切り屑溝を有していない、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の結合組立体。
  15. 支持部材（２）の受け孔（２０）が、ネジ付きエレメント（４、６）のネジ（１１）の外径（ＤA）と少なくとも同じ大きさである直径（Ｄ2）の座ぐり（２２）を有している、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の結合組立体。
  16. ネジ付きエレメント（４、６）のネジ（１１）のリード角が、ネジ付きエレメント（４、６）をなすプラスチック材料及び支持部材（２）をなすプラスチック材料のセルフロッキング角度より小さい、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の結合組立体。
  17. 雌ネジ部（２６）を形成する際に、ネジ付きエレメント（４、６）のコア（８）の外表面（３２）がいかなる変形作用をも受けることがないように、支持部材（２）の受け孔（２０）の直径（Ｄ1）が、ネジ付きエレメント（４、６）のネジ（１１）に適合してある、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の結合組立体。
  18. ネジ付きエレメント（４、６）の軸方向自由端に、所定の面取り角（γ）及び所定の切削直径（ＤF）を有する切削面取り部（４０）を含む円錐状先端領域（１８）を設けてなる、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の結合組立体。
  19. 支持部材（２）が前記雌ネジ部（２６）を形成するために実質的に切削を必要とする材料からなっている場合、前記面取り部（４０）の面取り角（γ）が約２０°であり、切削直径（ＤF）が、ネジ山（１１）の外径（ＤA）の約０．７倍である、請求項１８に記載の結合組立体。
  20. 前記先端領域（１８）が、高さがネジ（１０Ａ）のピッチ（Ｐ）の約２倍、深さがネジ（１０Ａ）のネジ山高さ（Ｚ）の実質的に３倍であるチップポケット（４２）を有する、請求項１９に記載の結合組立体。
  21. 支持部材（２）が前記雌ネジ部（２６）を形成するために実質的に変形を必要とする材料からなっている場合、前記面取り部（４０）の面取り角（γ）が約３０°であり、切削直径（ＤF）が、ネジ（１０Ｂ）の外径（ＤA）の約０．５倍である、請求項１８に記載の結合組立体。
  22. 前記先端領域（１８）がチップポケットを有していない、請求項２１に記載の結合組立体。
  23. ネジ付きエレメントが、軸部と頭部（１２）とを有するネジ（４）である、請求項１〜２２のいずれか１項に記載の結合組立体。
  24. ネジ付きエレメントのコア（８）の外表面（３２）が、丸みを付けた端部（Ｒa、Ｒb）を有する円錐状外表面（４４）を含む移行領域（１４）によって前記頭部（１２）に連結している、請求項２３に記載の結合組立体。
  25. ネジ付きエレメントのコア（８）と頭部（１２）との間の前記移行領域（１４）の壁厚（Ｗ）が、コア（８）の外表面（３２）の直径の半分よりも大きい、請求項２４に記載の結合組立体。
  26. 軸部と頭部（１２）との間の前記移行領域（１４）の外表面に、軸平面に配置したセンターリブ（４６）が設けられ、該センターリブは、支持部材（２）をさらなる部材（３）にネジ付きエレメントによって連結する際に、該さらなる部材（３）の貫通孔（２４）の壁と係合する、請求項２４又は２５に記載の結合組立体。
  27. 前記ネジの頭部（１２）の底面が、頭部が半径方向外側領域において実質的に円形の線接触（４８）をするように凹所を有する、請求項２３〜２６のいずれか１項に記載の結合組立体。
  28. 前記ネジ付きエレメントが、雌ネジ（５０）を有するネジ付きスリーブ（６、６ａ）である、請求項１〜２２のいずれか１項に記載の結合組立体。
  29. 前記ネジ付きスリーブ（６ａ）が、前記雌ネジ（５０）に加えて内側ドライブ手段（５２）を有している、請求項２８に記載の結合組立体。
  30. 前記ネジ付きエレメント（４、６）が、実質的に耐熱性、剛性、及び強度を有する高耐久性プラスチック材料からなり、この耐久性が支持部材（２）をなすプラスチック材料よりも高い、請求項１〜２９のいずれか１項に記載の結合組立体。
  31. 前記高耐久性プラスチック材料が、ポリフタルアミド−GF（PPA-GF）、ポリフタルアミド−GFに基づくコポリアミド、ポリエーテルイミド−GF（PEI−GF）、ポリエーテルエーテルケトン−GF（PEEK-GF）、若しくはガラス繊維強化ポリアミド、炭素繊維強化ポリフタルアミド、炭素繊維強化及びガラス繊維強化ポリフタルアミド、炭素繊維強化ポリフタルアミドに基づくコポリアミド、炭素繊維強化及びガラス繊維強化ポリフタルアミドに基づくコポリアミド、又はデュロメリック(duromeric)プラスチック材料である、請求項３０に記載の結合組立体。
  32. 請求項１〜３１のいずれか1項に記載の結合組立体のためのネジ又はネジ付きスリーブを含むプラスチック材料製のネジ付きエレメントであって、該ネジ付きエレメントは、中心軸（Ｍ）を有するコア（８）と雄ネジ部（１０）とを有し、該雄ネジ部は、ネジ付きエレメントを支持部材（２）の受け孔（２０）の壁内へねじ込むと、切削及び／又は変形によって受け孔（２０）内に雌ネジ部（２６）を形成し、
    ネジ付きエレメント（４、６）の前記雄ネジ部（１０）は、複数巻回に渡って延び且つ軸方向断面において丸みを付けた山の頂（３１）によって連結されている直線的なフランク（３０）を有する形状のネジ山（１１）を有し、
    ネジ付きエレメント（４，６）の前記コア（８）は、ネジ（１１）の巻回間に、軸方向断面において、丸みを付けた隅部（２１）によってネジ山（１１）のフランク（３０）に連結されている円筒形外表面（３２）を有し、
    ネジ（１１）の巻回は、ネジ山（１１）の体積よりも大きい体積の螺旋状間隙を巻回間に規定する、ネジ付きエレメント。
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