JP2005515072A - セルフピアシング部品、取付方法及びダイ部材 - Google Patents

Abstract

セルフピアシング部品は、軸、環状フランジ、管状バレル部を備える。フランジ部は、互いに離間する凹面を備える。環状のベアリング面は、凹面の少なくとも４カ所に領域を備える。部品は中心ダイポストを備えるメス型ダイに保持されたパネルに取り付けられる。ダイポストの外表面は、円錐状であり、５から１２度の角度である。取付作業の際、管状バレル部は、パネルに穴を開ける。パネルは、管状バレル部の外表面に沿って、U字状に変形される。フランジは、同時にダイキャビティに受け止められる。パネルは、徐々に円錐状の側壁と、フランジ部との間の凹面内に変形させられ、優れたトルク抵抗を提供する。

Description

本発明は、管状バレル部を備えるセルフピアシングスタッドのようなセルフピアシング部品と、装着方法と、セルフピアシング部品を金属板に取り付けるダイ部材に関する。

ナットのような、セルフピアシング・クリンチングメス型ファスナーは、例えば特許文献１に開示されているように、約５０年前から出願人（マルチファスナーコーポレーション）によって開発されてきた。
セルフピアシング・クリンチングナットは、ダイプレス内で、金属板に装着される。ダイプレスは、同時にパネルを形成するのに用いられ、通常、取付ヘッドを有する上部ダイプラテンと、ダイ部材、換言すればダイボタンを有する下部ダイプラテンとを備える。
そのようなセルフピアシング・クリンチングナットは、突出したパイロット部を備える。パイロット部は、パネルに開口部を開け、パネルの開口部の周囲の素材をダイプレスのストロークを用いてファスナーにクリンチさせる。

最近では、オス型及びメス型のセルフピアシング・クリンチングファスナーが開発された。これらは、例えば本願出願人に帰属する特許文献２に開示されているように管状バレル部とを備える。
この特許に開示されているセルフピアシング・クリンチングファスナーは、管状バレル部と、環状フランジ部を備える。
そのような自己装着型オス型ファスナーは、上述したように、ダイプレス内で、取り付けられる。ダイプレスの下側のダイプラテンは、パネルを支える面を有するダイボタンと、中心ダイポストと、ダイポストを囲む環状のダイキャビティとを備える。
環状のダイキャビティは、半円形で環状の底面と、半円形の底面の上側の領域に、環状のリップ部と、環状のリップ部からダイボタンの端面に広がるほぼ円錐状の表面と、を備える。
この特許で開示されている実施の形態で、ほぼ円錐状の上部ダイ表面は、環状のリップから、ダイボタンのベアリング面に向かって広がる複数の平面を備える。この複数の平面は、スタッドファスナーのフランジを引き込みわずかに変形させることによって、抗回転の力を生み出す。
セルフピアシング・リベット型オス型ファスナーの大部分の利用法において、ファスナーは、ファスナーとパネルとの組み合わせを破壊することがある強いトルク負荷に、パネルを変形させずに耐えられることが、とても重要である。
しかしながら、この特許に開示されている抗回転の方法は、自動車産業を含む多くの利用法で、耐えられないことが明らかとなっている。

特許文献２に開示されている種類の、セルフピアシング・リベット型スタッドファスナーのトルク抵抗を向上させるための様々な試みがされてきた。
最初に、例えば本願出願人に帰属する特許文献３に開示されているように、ボディ部に隣接するバレル部又は、バレル部に隣接するフランジ部に、それぞれ抗回転の突起又は節が形成された。
現在、ここで開示されている種類の自己装着型スタッドファスナーは、本願出願人に帰属する特許文献４に開示されているように、バレル部に隣接するフランジ部の外側のエッジに、複数の互いに離間するポケットを備える。
しかしながら、特許文献４に開示されている様に、いまだに、ポケットに関して複数の問題が残っている。
第１に、ポケットを形成するダイ表面が摩耗してしまい、結果として、ポケットは、いつも完全にフランジ部内に形成されておらず、トルク抵抗が不十分である。
第２に、セルフピアシングスタッドファスナーとパネルとの組み合わせは、圧力に対して繊細である。
つまり、もしパネルの金属が、完全にポケットに変形されないと、トルク抵抗は不十分なものとなる。
さらに、ポケットは、ファスナーとパネルとの組み合わせの欠陥の要因となるパネル内の応力上昇を引き起こす。
最後に、フランジ部のポケットを利用することは、特に強いトルク抵抗が必要とされる時、不十分なトルク抵抗しか提供できない。

ここで開示されている種類のセルフピアシング・クリンチングファスナーの取り付けに関して、他の問題がある。この問題は、本発明の改善されたファスナー、取付方法、ダイ部材によって取り組まれるべき問題である。
第１に、ボルトを囲む、言い換えれば、例えばオス型ファスナーにおいてスタッド部を囲むフランジ部は、取付ヘッドの環状のプランジャによって、スタッド部に対して放射状と、同軸状の両方に変形させられる。プランジャは、特にプレスのセッティングが取り付けに必要な力より強いとき、セルフピアシング・クリンチングファスナーを、パネル及びダイボタン内に押し込む。
こうして、フランジ部は取付作業中にダイボタン内で、パネルに対して底を付ける。
上述した特許文献２に最も良く記述されているように、穴開けされた開口部の周囲のパネルの金属は、ダイボタンの放射状のリップの底に達し、そして、バレル部の開放端に形成された、U字状の端部に対して動かされる。
第２に、セルフピアシングファスナーのパネルへの取付は、圧力に対して繊細である。
つまり、もしプレスが取付全部に対して十分な力を提供できなかった場合、ファスナーは、パネル内で緩んだ状態となり、不十分な引き抜き力、トルク抵抗しか提供することが出来なくなる。
代わりに、ダイプレスのオーバーヒット状態の時、フランジ部は、上述したように、冷間加工によって変形させられる。
しかしながら、ファスナーが好ましいダイセッティングで、適切にパネルに取り付けられた場合でさえも、上述したようにトルク抵抗は不十分である、又はスタッド又はボルトは、パネル内の傾斜に対して不十分な抵抗しか提供できない。
最後に、ダイボタンは比較的複雑であり、製造費用が高いにもかかわらず比較的寿命が短い。特にダイボタンが、ここで述べたセルフピアシングファスナーを、例えばHSLAスチールなどの比較的強度の高い金属へ取り付ける場合である。
こうして、トルク抵抗を提供し、変形又はフランジ部の冷間加工の問題を克服し、ダイプレスのセッティングに対する繊細さを減少させ、ダイボタンのコストを削減し、寿命を改善することが望まれている。

以下に記述するように、取付方法において用いられる自己装着型セルフピアシングファスナーの好ましい実施形態は、フランジ部の外側の側面に、複数の互いに離間した環状且つ弓状の凹面、又は弓状のカーブした面を備える。
本願出願人に帰属する特許文献５は、セルフリベット型ファスナーを開示している。ここで開示されているファスナーは、管状バレル部と、環状のフランジ部とを備える。環状のフランジ部は、フランジ部の外側の表面に、トルク抵抗を提供する、複数の互いに離間する環状且つ弓状の凹面を備える。バレル部は、予め開口部の形成された、より厚いパネルに取り付ける為に開発された円錐状の外表面を備える。
こうして、この発明で開示されている取付方法は、好ましくは、パネルの開口部を予め開ける工程と、バレル部をパネルの開口部を通じて、半円形の環状のダイキャビティ内に押し込み、バレル部の開放端を概ねU字状又はC字状に変形させる工程とを備える。
環状のプランジャ又はパンチを用いて、フランジ部を動かし続けることで、フランジ部をパネルに対して動かし、パネルをカットし、凹状且つ凸状の形状に変形させ、改善されたトルク抵抗を提供する。
米国特許第2,707,322号 米国特許第4,555,838号 米国特許第4,810,134号 米国特許第5,020,950号 米国特許第6,122,816号

しかしながら、特許文献５に開示されている取付方法は、圧力への繊細さ、とりわけプレスのオーバーヒット（overhit）状態におけるフランジ部の変形又は冷間加工を含むセルフピアシングファスナーの取付方法に関連して、上述した技術と同様の多数の問題を抱えている。
オーバーヒット状態で、バレル部またはボディ部から、フランジ部をなくすことは実際可能である。
この特許に開示されている方法によって、フランジ部がパネルに対して押し込まれると、波形に加工されたフランジが、パネルに割り込み、特に弓状の凹面、又は溝の間に位置する凸状の端部分で応力上昇を引き起こす。
さらに、フランジの下側のパネルの金属は、圧迫されてフランジの上面のベアリング面を変形させる。

本発明のセルフピアシング部材をパネルに取り付ける方法、セルフピアシング、クリンチングオス型ファスナー、ダイ部材は、先行する取付方法に関連する問題を解決する。そして、ダイ部材は比較的簡単な構造をしており、コストを削減し、ダイ寿命を延ばす。
以下に記述するように、本発明の方法で用いられるセルフピアシング部品は、開放端を備える管状バレル部と、管状バレル部に隣接し、複数の内側に凹状の平面、又は波形の表面を備える外表面を有する環状フランジ部とを備える。
好ましい実施の形態において、管状バレル部の開放端は、内側に小さな溝を備える。その結果、パネルが穴あけされた際に生じるスラグは、管状バレル部の内径よりもわずかに大きな外径を有する。
取り付ける際、パネルのスラグは、管状バレル部に受け止められる。パネルに形成された開口部の内径は、バレル部の外径よりも小さい。この結果、パネルの開口部の周囲は、例えば上述した米国特許第4,555,838に開示されている様に、ダイ部材へと押し込まれる。

本発明のメス型ダイ部材、換言すればダイボタンは、概ね平面状のパネル支持面と、端面に形成される環状且つ凹状のダイキャビティと、環状で凹状のダイキャビティから端面に対して突き出ている中心ダイポストを備える。中心ダイポストは、端面の平面より下に、端面から離れて位置する端表面を備え、端表面は、好ましくは比較的鋭い円形の端で形作られる外側のピアシング面を備える。
凹状のダイキャビティは、半円形の底面と、環状の半円形の底面から、端面に対して接線方向に延びる、連続する平坦な円錐状の側壁とを備える。
こうして、上述した米国特許第4,555,838号に開示されている、環状の半円形の底面と、概ね円錐状の側壁との間に位置する環状のリップをなくす。
連続する平坦な円錐状の側壁は、好ましくは、5から12度の角度である。最も好ましいのは、約6から10度の間である。この角度は、上述した米国特許第4,555,838号に開示されている、概ね円錐状の上部ダイ表面の勾配と比較して、十分急である。そして、出願人に帰属する米国特許第5,140,735号と比較して、さらに急である。

以下に記述するように、ダイ部材の連続する平坦な円錐状の側壁の好適な角度は、管状バレル部の半径によって定まる。そして、管状バレル部の半径は、オス型ファスナーのスタッド部の半径と、セルフピアシング部品とが取り付けられるパネルの厚みとによって定まる。
さらに、本発明のセルフピアシング部品のパネルへの取付方法において、穴開けされたパネルの開口部周辺のパネルは、端面と、連続する円錐状の側壁とが交差する付近の、環状で凹状のダイキャビティ内に変形される。この交差する部分は、好ましくは、0.04インチ以下の範囲が好ましい。この半径は、本ダイボタンで採用されている半径よりも小さい。
ダイ部材、換言すればダイボタンの好ましい実施の形態において、ダイポストの外側の表面又は、凹状のダイキャビティの内側の表面は、半円形の底面からダイポストの端面に対して接線方向に、好ましくは約７度で延びている円錐状の側壁によって定まる。
さらに、中心ダイポストの外側の端におけるピアシング面は、好ましくは比較的鋭いのがよい。また、上述した米国特許第5,140,735号に開示されているように、管状バレル部内に、切り出されたパネルのスラグを永久的に支えるために杭状のキャビティを備えるのがよい。

本発明のセルフピアシング・クリンチングファスナーの好ましい実施の形態は、軸部、換言すればスタッド部を備えるオス型ファスナーである。スタッド部は、利用法によってねじ切られていてもよいし、ねじ切られていなくてもよい。
例えば、スタッド部は、ボールジョイントの軸でもよい。
ファスナーは、さらに軸部と一体となった環状のフランジ部と、穴あけの為の開放端を備えるスタッド部に対して同軸に並ぶフランジ部と一体となった管状バレル部と、を備える。
フランジ部の外側の表面は、以下に記述するように、取付作業の間、パネルを支える複数の互いに離間した凹面を備える。
スタッド部を囲むフランジ部の環状のベアリング面は、好ましくは平坦であり、ベアリング面の平面で計測した凹面の隣接する表面の少なくとも５倍の広さを備える、好ましくは少なくとも6倍か、それ以上の領域を備える。
好ましくは、軸部に対して垂直に計測された凹面の幅は、バレル部に対して垂直に計測したフランジ部の幅の約0.75倍である。

凹面間のフランジ部の表面は、好ましくは円柱状である。そして、凹面は、好ましくは外側の円柱状の表面から計測した凹面の幅と同じか、それ以上の間隔、管状バレル部から離間しているのがよい。
こうして、セルフピアシング・クリンチングスタッドファスナーの好ましい実施の形態は、スタッド部の周囲に十分広いベアリング領域を備える。広いベアリング領域は、以下に記述するフランジ部の変形又は、冷間加工の可能性を削減する。
最も好ましい実施の形態において、フランジ部の外表面の凹面は、円柱状である。

本発明のパネルへセルフピアシング部品を取り付ける方法は、ダイボタンの端面にパネルを支える工程、セルフピアシング部品の管状バレル部の開放端をパネルに対して動かし、中心ダイポストの端面に対してパネルを動かす工程を備える。
パネルに対して、セルフピアシング部品の管状バレル部の開放端を動かし続けることによって、バレル部の開放端と、中心ダイポストとの間のパネルから、スラグを切り出し、貫通する開口部を形成する。同時にパネルの開口部に隣接する第１のパネル部を、端面と、ダイ部材の円錐状の側壁とが交差する付近に位置する環状のダイキャビティ内に変形させる。
管状バレル部が、穴開けされたパネル開口部を通して動かされることによって、パネルは、バレル部の外側の円柱状の表面に環状に引き込まれる。
本発明の方法は、こうして管状バレル部の内側の表面を、ダイポストを囲む半円形の底面に対して動かし、バレル部の開放端をU字状の端部に変形させる。
パネルは、同時に管状バレル部の外側の表面に対して引き込まれ、変形中の管状バレル部のU字状の端部に引き込まれる。
しかしながら、ダイ部材は、凹状の半円形の底面と、円錐状の表面との間に、上述した米国特許第4,555,838号に開示されているような環状のリップを備えないために、パネルはダイキャビティ内で保持されていない状態が維持されている。そして、先行する取付方法について上述したように、フランジ部は、ダイキャビティ内の底に達しない。

最後に、本発明の方法は、端面に隣接する環状のダイキャビティ内で、徐々に円錐状の側壁に対して、第２のパネル部を変形させ、フランジ部の外側の側面における、互いに離間した凹面内に十分変形させる。しかし、凹面を完全に満たすことはない。
つまり、端面から、内側に傾斜しているダイキャビティの円錐状の、外側の側壁は、エッジとして機能し、徐々に周囲のパネルを内側且つ放射状に凹面内に変形させる。
この方法は、上述した米国特許第6,122,816号に開示された方法とは、異なるものである。開示された方法は、カーブしたフランジ部がパネルに押し込まれ、パネルをカットするものである。

取付が完了するまで、パネルはダイキャビティ内で支えられていないため、フランジは、ダイキャビティ内で底に達したパネル内へ動かされることはない。 上述したように、本発明の方法は、十分セルフピアシング部品をダイキャビティ内に動かすための環状のパンチ、又はプランジャによるフランジ部の変形又は冷間加工を十分除去することが出来る。
さらに、ダイ部材は比較的簡潔な構造なので、ダイ部材のコストを削減し、ダイ部材の寿命が改善される。
さらに、パネルの金属は、フランジ部の外側の互いに離間する凹面内に徐々に変形、言い換えれば圧迫されるため、パネル内のセルフピアシング部品のトルク抵抗は十分改善される。特に、上述した米国特許第4,555,838号に開示されている方法以上のトルク抵抗でである。
実際、テストで、6mmかそれ以下のシャフト半径を備えるスタッドファスナーにおいて、スタッド部は、パネル内のファスナー部材が回転する前は、通常のトルクを発生しないことが示されている。
さらに、フランジ部の側面全体がパネル内に支えられているので、弱い結合ではない。
最後に、本発明の取付方法は、ダイプレスのセッティングに対して、繊細ではない。つまり、オーバーヒット状態は、フランジの変形を引き起こさないし、取付は、アンダーヒット状態に対しても繊細ではない。

本発明のセルフピアシング部品のパネルへの取付方法と、ダイ部材とは、このようにして、先行するセルフピアシング部品をパネルに取り付ける技術の抱える問題を削減又は除去し、より優れた取付が出来る。
本発明の特徴的な、他の利点、メリットは、以下に記述する好適な実施の形態と、請求項と、図と、その簡単な説明から明らかとなる。

上述した通り、本発明は、大幅に改善されたトルク抵抗を備える、セルフピアシング・クリンチングオス型ファスナーと、セルフピアシングファスナーをパネルへ取り付ける方法と、メス型ダイ部材とに関連する。
当業者によれば理解されるように、図は、本発明の好適な実施の形態を説明するものであり、請求項に記載されている内容のみに限定する趣旨ではない。

図１乃至３は、本発明の実施の形態に係るセルフピアシング・クリンチングファスナー２０を示す図である。セルフピアシング・クリンチングファスナー２０は、ねじ切られた軸部２２を備えるオス型ファスナーの形状である。
理解されるように、スタッド又は軸部２２は、ねじ切られていても、ねじ切られていなくとも良いし、様々な形状に形成することが出来る。
ここで、ファスナーという単語は、主として、セルフピアシングファスナー２０が取り付けられるパネル又は板に対して、部品を取り付けるというファスナーの機能を示すときに用いる。
セルフピアシングという単語は、以下に記述するようにファスナーが取り付けられる際、締め付け部材がパネルに自らの穴あけを行う機能を示す。

セルフピアシングファスナー２０は、更に、軸部２２と一体の環状フランジ部２４と、環状フランジ部２４と一体であり、且つ軸部２２と同軸に位置合わせされた管状バレル部２６とを備える。
管状バレル部２６の好ましい実施の形態は、図３に最も良く示すように、円柱状の外面２８と円柱状の内面３０とを備える。
管状バレル部は、弓形で環状のベアリング面３４と、小さい溝の形状のピアシング面３６とを備え、且つ穴あけをする開放端３２と、を備える。
上述した米国特許第4,555,838に更に詳細に開示されているように、面取りされたピアシング面３６は、据付の作業中、パネル上のファスナーを心出しし、パネルに開口部を開ける。この開口部の半径は、円柱状の外面２８より小さい。

環状フランジ部２４は、軸部２２を囲む、環状且つ平面状のベアリング面３８と、外表面４０とを備える。外表面４０は、互いに離間して配置された凹面４２と、図２に最も良く示されているように、凹面４２間に位置する円柱状の外表面４４とを備える。外表面４４も同様に平坦である。
軸部２２と、環状のベアリング面３８と、凹面４２の半径との関係は、セルフピアシングファスナー２０の機能と改善点にとって重要である。そして、本発明の方法は以下に記述する。

本発明のセルフピアシングファスナー２０は、特に大量生産に適合させることが出来る。例えば、自動車産業において、ブラケット、ボディパネル、とそれらに類似するものを含む金属部品に、セルフピアシング・クリンチングファスナーを装着させるために使われる。
そのようなシート状の金属部品は、通常ダイプレス内で形成される。
本発明のセルフピアシングファスナーは、ダイプレスのストロークによって、シート状の金属パネル又はプレートに据え付けられる。ダイプレスの上部プラテンは、通常往復プランジャ５２を有する取付ヘッドを備える。また、下部プラテンは、通常図４に示すように、より詳細には米国特許第4,555,838号に示すように、メス型ダイ部材、言い換えればダイボタン５４を備える。
環状のプランジャ５２は、円柱状のボア５６を備える。ボア５６は、ファスナーの軸部２２、言い換えればスタッド部を受け止める。プランジャの駆動端部５８は、図４等に示すように、環状フランジ部２４の平面状且つ環状のベアリング面３８に対して受け止められるように構成される。
メス型ダイ部材、言い換えればダイボタン５４は、図５に最も良く示すように、平面状のベアリング端面６０を備える。ベアリング端面６０は、パネル５０を支える。パネル５０は、ベアリング端面６０（図示せず）に固定されても良い。
メス型ダイ部材５４は、中心ダイポスト６４を取り囲むベアリング端面６０内に形成される環状のメス型ダイキャビティ６２を備える。
環状のダイキャビティ６２は、環状で半円形の底面又は側面６６と、円錐状の外側壁６８とを備える。外側壁６８は、半円形の底面６６から、ベアリング端面６０に対して接線方向に延びており、曲面（radius）７０で、ベアリング端面６０と接する。
連続し、平坦な円錐状の外側壁６８は、環状且つ半円形の底面６６から図５に示すａの角度で接線方向に、5度から12度の間で、延びる。角度は最も好ましいのは6度から10度である。そして、円錐状の外側壁６８と、ベアリング端面６０とが接する部分は、0.04インチ以下である。
中心ダイポスト６４の端表面７６は、同様に、上述した米国特許第5,056,207に開示されているように、パネル５０から切り出されたスラグを保持するための支柱孔を備える。
以下に記述する本発明の取付方法から、本発明の特徴的なダイボタン５４とファスナー２０の利点は、明らかとなる。

図４に概略的に示すように、オス型のセルフピアシングファスナー２０と、プランジャ５２と、ダイボタン５４とは、取り付ける前は、取付器具、換言すればヘッドによって、軸ｂに対し同軸に並ぶ。
上述した米国特許第5,092,724号に、より詳細に開示されている様に、オス型のセルフピアシングファスナー２０は、一般的に上部ダイプラテンに位置する取付ヘッドに受け止められている。軸部２２は、最初はプランジャと同軸のボア５６に保持されている。
上述したように、パネル５０は、下部ダイプラテン（図示せず）内のダイボタンのベアリング端面６０に固定されている。
図５は、パネル５０にセルフピアシングファスナー２０を取り付ける作業の、最初のステップを説明する図である。
プランジャ５２の駆動端部５８が、環状フランジ部２４の環状のベアリング面３８に向かって動かされる。駆動端部５８は、バレル部２６の開放端３２を、パネル５０に向かって動かす。駆動端部５８は、パネル５０を、図５に示すように、ダイポスト６４の端面７６に向かって変形させる、
パネル５０は、曲面７０の周囲で、図示するようにダイポスト６４及び端表面７６に向かってダイキャビティ６２内へ変形させられる。

図６乃至１４は、パネル５０にファスナー２０を取り付ける一連の作業を示す図である。
図６に示すように、面取りされたピアシング面３６は、図８に示すように、スラグ５０ａがパネルから切り離されるまで、図６及び図７に示すようにダイポスト６４の円形の鋭い外側ピアシングエッジ７４に対して、パネルを切る。
こうして、切り出されたスラグ５０ａに隣接するパネル５０ｂのエッジ部は、図８及び９に示すように、管状バレル部２６の円柱状の外面２８に受け止められる。管状バレル部２６の外面２８は、環状のダイキャビティ２６内に、パネル部５０ｂを引き込む。
管状バレル部２６の内面３０は、図９に示すように、ダイポスト６４の円錐状の表面７２に対して、第１に受け止められる。そして、図１０に最も良く示すように、環状で半円形の底面６６に受け止められる。管状バレル部２６の開放端３２は、図１０乃至１２に示すように、環状で半円形の底面６６に対して、Ｕ字状に変形させられる。
図１０乃至１２で説明した一連の取付作業中、パネル部５０ｂは、ダイキャビティ２６内で、管状バレル部の外面に対して、保持されていない状態が続いていることは、指摘しておくべきである。
さらに、重要な点は、フランジ部２４は、１０乃至１２に示すように、パネル部５０ｂに向かって動かされない点である。そして、パネル部５０ｂは、上述した米国特許に開示された取付方法とは逆に、環状のダイキャビティの外壁６８から離れた状態が維持されている。
穴開けされたパネルのエッジに隣接するパネル部５０ｂは、最終的に、図１２及び１３に示すように、Ｕ字状の開放端３２ａ内に取り込まれる。
しかしながら、環状の半円形の底面６６に、開放端３２ａを形成する際、Ｕ字状の開放端３２ａは、図１３に示すように、円錐状の側壁６８から離れている。

最終的に、図１３及び１４の連続した図に示すように、上側の曲面７０に隣接するダイキャビティ２６内のパネル部５６ｃは、徐々に曲面７０に隣接する側壁６８と円柱状の外表面４４との間で、図１４に示すように互いに離間する凹面４２内に、パネルの金属が凹面４２を十分に満たすまで、圧迫されていく。
図１４に示すように、フランジ部２４は、好ましくはダイキャビティ６２内に押し込まれ、結果として環状のベアリング面３８が、わずかにパネル５０の平面より下に位置するようにすると良い。
なぜなら、この実施の形態において軸部２２であるファスナー部は、パネル５０に、パネル上に好ましくは平らに置かれた部品（図示せず）を取り付けるのに使われるからである。
理解されるように、仮に取付にパネルと同一平面のベアリング面３８を用いた場合、通常生じうる誤差が重なると、パネル５０の上にフランジ部が位置する結果となる。
上述した本発明の方法の説明と、図６乃至１４に示す一連の取付作業とからも理解されるように、パネル５０と、バレル部の開放端３２ａとは、平面状のベアリング面６０に隣接することを除けば、円錐状の外側壁６８に接触しない。
こうして、円錐状の側壁６８は、開口部に隣接する部分を除いて、フランジ部の幅と、それに加えてパネル５０の平面に埋め込まれた間隔を加えたのと同じ深さは、必要なくなる。
さらに、好適な実施の形態において、パネル部５６ｃは、十分に、しかしフランジ部２４の変形を避けるために、完全に凹面４２を満たさない程度、互いに離間した凹面内に圧迫、又は変形される。
ベアリング面６０に隣接する円錐状の外側壁６８は、こうして、ダイキャビティ６２に徐々に押し込まれ、パネル部５６ｃを凹面４２内に変形させていくフランジ部２４の端と同様の機能をする。

パネルのスラグ５０ａは、同時に、環状フランジ部の底面４６に押し込まれる。そして、上述した米国特許第5,056,207に開示されているように、底面部に対して保持される。
フランジ部２４は、上述した米国特許に開示されているように、パネルに向かって押し込まれない。しかし、徐々に放射状に、フランジ部２４は、凹面間の円柱状の表面４４によって、互いに離間した凹面４２に向かって圧迫される。その結果、更に以下で議論する先行する取付方法に関する問題を解消しつつ、特に厚み0.030から0.040インチの薄いパネルにおいて、優れたトルク抵抗を提供することが出来る。
上述したように、軸部２２は、パネルでファスナーが回転動作をしない限り、トルク試行の間は機能しない。

上述したように、環状のベアリング面３８の領域と、互いに離間した凹面４２との関係は、本発明のセルフピアシングファスナー２０と、取付方法において重要である。
第１に、セルフピアシングファスナー２０のパネルへの取付方法は、上述した米国特許に開示されている先行技術と比較して、著しく圧力に対する繊細さを軽減しているが、ベアリング面３８は、フランジ部の軸方向への変形又は、冷間加工を避けるために効果的である。冷間加工とは、特にダイプレスのオーバーヒット状態で、従来の取付方法で生じていた問題である。
これは、環状のフランジ部２４が、パネル５０に押し込まれないこと、そして、パネル部５６ｃが、ダイキャビティ６２内で放射状に保持されない状態が維持されていることに基づく。
パネルの金属は、たとえ図１４に示すように取付が完成した場合であっても、ダイキャビティ６２を満たさない。
さらに、好適な実施形態において、凹面４２は円柱状であるが、他の凹面は、優れたトルク抵抗を提供するように用いられている。

環状フランジ部２４と一体の軸部２２ａとを備える本発明のセルフピアシングファスナー２０の、環状のベアリング面３８と、凹面４２と、管状バレル部２６との、好適な立体的関係は、軸部２２ａが透視されている図２に最もよく説明されている。
軸部２２ａを囲む環状のベアリング面３８の領域は、ベアリング面３８の平面で測定した場合の、互いに離間した凹面４２、言い換えればフィレットの領域の、少なくとも５倍、好ましくは６倍がよい。
より具体的には、表面領域の比は、6mmスタッドでは、6.3、8mmスタッドでは7.2、10mmスタッドでは、8.5である。
言い換えれば、軸部２２ａから凹面４２を計測したものである図２に示すｃは、軸部２２ａから互いに離間する凹面の間に位置する円柱状の外表面４４までを計測したｄの長さの少なくとも70パーセントである。
凹面４２は、同様に、好ましくは管状バレル部の円柱状の外面２８と、円柱状の外表面４４との距離より約0.75に等しい程度、管状バレル部２６の円柱状の外面２８から離れているのがよい。

理解されるように、本発明のセルフピアシングファスナー、取付方法、ダイ部材は、先行する取付方法に関する問題を解消しつつ、優れたトルク抵抗を提供する。
上述したように、フランジ部２４のベアリング表面３８は、ダイの力が、取付に必要な程度を超えた場合であっても、環状のプランジャ５２によって、スタッド部２２に関して、放射状又は、同軸状に変形させられることはない。
更に、取付は、先行する方法と同じに圧力に対して繊細ではない。そして、フランジ部がパネルに押し込まれないことによって、応力上昇が凹面又はフィレット（fillet）部分で生じない。

本発明の好適な実施形態における、セルフピアシング・クリンチングオス型ファスナーの斜視図である。 図１に示すセルフピアシング・クリンチングファスナーの底面を示す端面図である。 図１及び２に示すファスナーの側面の部分的な断面図である。 ダイ部材と、駆動部材とともに取付のために並んでいる図１乃至３に示すファスナーを示す側面の分解断面図である。 本発明のダイ部材の好適な実施の形態における図１乃至４に示した、本発明のファスナー及びダイ部材の側面の断面図である。 本発明の取付方法及び一連の取付作業を示す、本発明のダイ部材及びファスナーの側面の断面図である。 本発明の取付方法及び一連の取付作業を示す、本発明のダイ部材及びファスナーの側面の断面図である。 本発明の取付方法及び一連の取付作業を示す、本発明のダイ部材及びファスナーの側面の断面図である。 本発明の取付方法及び一連の取付作業を示す、本発明のダイ部材及びファスナーの側面の断面図である。 本発明の取付方法及び一連の取付作業を示す、本発明のダイ部材及びファスナーの側面の断面図である。 本発明の取付方法及び一連の取付作業を示す、本発明のダイ部材及びファスナーの側面の断面図である。 本発明の取付方法及び一連の取付作業を示す、本発明のダイ部材及びファスナーの側面の断面図である。 本発明の取付方法及び一連の取付作業を示す、本発明のダイ部材及びファスナーの側面の断面図である。 本発明の取付方法及び一連の取付作業を示す、本発明のダイ部材及びファスナーの側面の断面図である。

Claims (17)

1. ダイ部材に保持されたパネルにセルフピアシング部品を取り付ける方法であって、
   前記セルフピアシング部品は、ピアシング面を備える開放端を有する管状バレル部と、複数の互いに離間する内側に凹状の凹面を有する外表面を備え、前記管状バレル部に隣接するフランジ部とを備え、
   前記ダイ部材は、パネルを保持する端面と、前記端面より低い位置にピアシング面を備える中心ダイポストと、前記中心ダイポストを囲む環状のダイキャビティとを備え、
   前記環状のダイキャビティは、環状且つ半円形の底面と、該環状で半円形の底面から、前記端面に対して延びる側壁とを備え、
   前記方法は、
   前記ダイ部材の前記端面に、パネルを保持するステップと、
   前記セルフピアシング部品の前記開放端を、前記パネルに向かって動かし、前記パネルを前記ダイポストの前記端表面に向かって動かすステップと、
   前記バレル部の前記開放端を、パネルに向かって動かし続け、前記バレル部の前記ピアシング面と、前記中心ダイポストの端表面との間の、前記パネルからスラグを切り出し、前記パネルを貫通する開口部を形成し、同時に前記開口部に隣接する前記パネルの第１の部分を、前記管状バレル部の外表面に沿って、前記環状のダイキャビティ内に変形させるステップと、
   前記バレル部の前記開放端を、前記環状のダイキャビティの前記環状且つ半円形の底面内に動かし、前記バレル部の前記開放端を、前記端面に対して、放射状に、外側及び上側に変形させ、前記バレル部にＵ字状の端部を形成し、前記パネルの穴開けされた端を、前記バレル部のＵ字状の端部内に変形させるステップと、
   前記セルフピアシング部品の前記フランジ部の前記外表面と、前記環状のダイキャビティの前記側壁との間の前記ダイキャビティ内における、前記パネルの第２の部分を、前記凹面に内側に連続して、徐々に、変形させるステップと、を備えることを特徴とする。
2. 前記側壁は、前記底面から、５度から１２度の角度で、接線方向に延びる連続する円錐状の側壁であり、前記方法は、前記バレル部の前記開放端を、前記側壁に対して、隣接するが離れた形状となるよう、上側に変形させるステップを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記端面に隣接する前記連続する円錐状の側壁と、前記フランジ部の前記外表面との距離は、前記パネルの厚さより少なく、前記方法は、互いに離間した内側に凹状の前記凹面の間の位置で、前記パネルを薄くするステップを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記方法は、前記パネルの第１の部分が、前記環状のダイキャビティの前記側壁から離れた状態を維持するステップを備えることを特徴する請求項１に記載の方法。
5. ダイ部材に保持されたパネルにセルフピアシング部品を取り付ける方法であって、
   前記セルフピアシング部品は、開放端を有する管状バレル部と、前記管状バレル部に隣接し、複数の互いに離間する凹面を有するほぼ円柱状の外表面を有する環状のフランジ部とを備え、
   前記ダイ部材は、端面と、前記端面の下に位置する端面を有する中心ダイポストと、前記ダイポストを囲む環状のダイキャビティとを備え、
   前記ダイキャビティは、環状で半円形の底面と、前記半円形の底面から、前記端面に対して延びる円錐状の側壁とを備え、
   前記方法は、
   前記ダイ部材の前記端面にパネルを保持するステップと、
   前記セルフピアシング部品の前記バレル部の前記開放端を、前記パネルに対して動かし、前記パネルを前記中心ダイポストの前記端面に対して動かすステップと、
   前記バレル部の前記開放端を前記パネルに対して動かし続け、それによって、前記バレル部の前記開放端と、前記中心ダイポストの前記端面との間の前記パネルからスラグを切り出すステップと、
   前記セルフピアシング部品の前記開放端を前記パネルに向かって動かし続けることによって、前記バレル部の前記開放端と、前記中心ダイポストの前記端面との間の前記パネルから、スラグを切り出し、前記パネルを貫通する開口部を形成し、同時に前記開口部に隣接する前記パネルの端部を、前記環状のダイキャビティ内に、前記端面と前記ダイ部材の前記連続し滑らかな円錐状で、環状の側壁とが交差する付近の前記管状バレル部の外側の表面に対して変形させるステップと、
   前記バレル部の前記開放端を、前記環状のダイキャビティの前記環状で半円形の底面に対して動かし、それによって、前記バレル部の前記開放端を、前記端面に対して放射状に、上側及び外側に、そして、前記パネルの端部の周囲に変形させ、こうして、前記パネルの端部を囲む前記バレル部のU字状の端部を形成するステップと、
   前記側壁と前記フランジ部の前記円柱状の面との間の、第２のパネル部を、前記ダイ部材の前記端面に隣接する環状のダイキャビティ内に、徐々に、連続的に変形させ、それによって、前記パネルが前記側壁から離間した状態を維持しつつ、該第２のパネル部を薄くし、前記複数の互いに離間する、内側に凹状の凹面内に変形させるステップと、を備えることを特徴とする。
6. 前記方法は、第１パネル部の穴開けされた端を、前記パネルの厚みより厚く、前記フランジ部と前記バレル部のU字状の端部との間で計測した高さが幅より大きい、拡大ビード（bead）に変形させるステップを備えることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 管状バレル部と、環状のフランジ部とを備えるセルフピアシング部品を、パネルに取り付けるためのダイ部材であって、
   前記ダイ部材は、端面と、前記端面に対し概ね垂直に延び、端表面を有する中心ダイポストと、前記中心ダイポストを囲む環状のダイキャビティと、を備え、
   前記環状のダイキャビティは、環状で半円形の底面と、前記半円形の底面から前記端面に接線方向に延びる、滑らかに連続する円錐状の側壁を備えることを特徴とするダイ部材。
8. 前記滑らかに連続する円錐状の側壁は、５度から１２度の角度であることを特徴とする請求項７に記載のダイ部材。
9. 前記連続する円錐状の側壁は、0.04インチ以下の範囲を備える曲面（radius）で、前記端面と接することを特徴とする請求項７に記載のダイ部材。
10. 前記中心ダイポストは、環状で平面状の端表面と、前記半円形の底面から該環状で平面状の端表面に対して、約７度の角度で延びる円錐状の側壁と、から定まるピアシングエッジを備えることを特徴とする請求項７に記載のダイ部材。
11. 管状バレル部と、環状のフランジ部とを備えるセルフピアシング部品をパネルに取り付けるためのダイ部材であって、前記ダイ部材は、
    概ね平面状のパネルを支持する端面と、該端面に定められた環状の凹状ダイキャビティと、前記概ね平面状のパネルを支持する端面より下に位置する端表面と、ピアシング面とを有し、前記環状の凹状ダイキャビティから、前記端面に対して突き出ている中心ダイポストと、を備え、
    前記環状の凹状ダイキャビティは、環状で半円形の底面と、該環状且つ半円形の底面から、前記端面に対して接線方向に５度から１２度の角度で延びる滑らかに連続する円錐状の外側の側壁とを備えることを特徴とする。
12. 前記円錐状の外側の側壁は、0.04インチ以下の範囲の曲面で、端面と接することを特徴とする請求項１１に記載のダイ部材。
13. 中心ダイポストの前記ピアシング面は、環状で平面状の面と、前記環状で半円形の底面から該環状で平面状の面に延びる円錐状の内側の面と、によって鋭いピアシングエッジとして形成されることを特徴とする請求項１１に記載のダイ部材。
14. セルフピアシングオス型ファスナーは、
    軸部と、
    前記軸部と一体となった環状フランジ部と、
    前記環状フランジ部と一体であり、パネルに開口部を開けるピアシング面を有する開放端を備える管状バレル部と、を備え、
    前記フランジ部は、前記バレル部より大きい半径を備え、前記軸部を囲む、概ね平面状で環状のベアリング面と、複数の互いに離間する凹面を有する外表面と、を備え、
    前記環状のベアリング面の領域は、前記概ね平面状のベアリング面の平面で計測した場合、少なくとも前記凹面の領域の５倍あることを特徴とする。
15. 前記ベアリング面の前記領域は、前記ベアリング領域の平面で計測した場合、前記凹面の前記領域の少なくとも６倍の広さを備えること特徴とする請求項１４に記載のセルフピアシングオス型ファスナー。
16. 前記凹面は、前記凹面の深さと同じか、それより大きく前記管状バレル部から、離れていることを特徴とする請求項１４に記載のセルフピアシングオス型ファスナー。
17. 前記凹面の深さは、前記軸部から計測した前記ベアリング面の幅の約０．７５倍であることを特徴とする請求項１４に記載のセルフピアシングオス型ファスナー。
    

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