JP2016056824A - ファスナー - Google Patents

Abstract

【課題】材料を挟み込んだとき、材料表面の瑕付きを防止することが可能なファスナーを提供することを目的とする。
【解決手段】ファスナー１は、先端が周方向に複数に分割された筒部２と、筒部２に螺合可能であり、筒部２の内部に挿入されることで、筒部２の先端を開くねじ部３とを備え、筒部２の先端は、半径方向に突出した係止部７が形成され、係止部７における筒部２の先端側に対し反対側の板材５０との接触面７ａは、半径方向断面が、筒部２の軸線側が凸で筒部２の半径方向外側端部に至るまで湾曲した形状を有し、係止部７の接触面７ａは、周方向端部が球面形状とされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の板材を挟み込み密着させることが可能なファスナーに関するものである。

複数の板材を重ね合わせて互いに密着させるため、それぞれの板材に設けられた貫通孔内にファスナーと呼ばれる金具を通し、ファスナーの挟み込む力によって、複数の板材を両面から固定する場合がある。

ファスナーには、ボルトとナットの組み合わせからなり、ボルトとナットの間の締結力で複数の板材を密着させるものがあるが、ボルトを締める作業と反対側の板材の裏側で、ワッシャーを取り付けたりナットを固定したりする作業が必要である。航空機に用いられる板材は面積が広いため、１本のファスナーを固定するために二人で作業を行う必要がある。

下記の特許文献１には、ファスナーが、ラチェット歯を有する縦長本体部と、ラチェットロックを介してラチェット歯と噛合うつめ素子とを備え、縦長本体部の先端の拡張部とつめ素子との間で工作物片を挟むことが記載されている。

特表２００７−５２０６７１号公報（段落［００５８］，［００５９］，［００６６］）

これに対し、ファスナーを通す側から、ファスナーの挟み込む力を発揮させることができ、一人で板材の挟み込み作業を行うことが可能なファスナーもある。このファスナーは、ワンウェイファスナーとも呼ばれ、先端が周方向に複数に分割された筒部と、筒部の内部に挿入され筒部に螺合可能なねじ部を有する。筒部をねじ部に対し回していくと、筒部がねじ部に対して移動し、筒部先端部とねじ部先端部の間の距離が縮まるとともに、筒部の先端が開く。

また、筒部の先端は、半径方向に突出した係止部が形成されており、筒部をねじ部に対し回し、筒部先端部とねじ部先端部の距離が縮まると、係止部とねじ部先端部が板材に当たる。その結果、ねじ込み前は筒部を板材の貫通孔に挿入できる一方、ねじ込み後はファスナーが貫通孔から抜けず、かつ、係止部がねじ部先端部との間で板材を挟み込むことが可能になる。

ところで、このワンウェイファスナーは、筒部の先端側を貫通孔に挿入し、筒部の先端を開くことによって、筒部の先端に形成された係止部が板材の裏側に当たるような構造を有している。そのため、板材の貫通孔の断面積よりも係止部の断面積を広くできず、先端の係止部が板材と接触する面積を、ボルトとナットの組み合わせによる場合に比べ十分に確保できない。

したがって、ファスナーの軸方向の挟み込む力や板材の材質によって、係止部が板材を凹ませて剪断してしまい、板材表面に瑕を付ける場合がある。特に板材がＣＦＲＰ等の複合材の場合、表面に樹脂層があるため、仮止め程度の軸力でも瑕が付く場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、材料を挟み込んだとき、材料表面の瑕付きを防止することが可能なファスナーを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のファスナーは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るファスナーは、先端が周方向に複数に分割された筒部と、前記筒部に螺合可能であり、前記筒部の内部に挿入されることで、前記筒部の先端を開くねじ部とを備え、前記筒部の先端は、半径方向に突出した係止部が形成され、前記係止部における前記筒部の先端側に対し反対側の材料との接触面は、半径方向断面が、前記筒部の軸線側が凸で前記筒部の半径方向外側端部に至るまで湾曲した形状を有し、前記係止部の前記接触面は、周方向端部が球面形状とされている。

この構成によれば、筒部の先端が周方向に複数に分割されており、ねじ部が筒部の内部に挿入されることで、筒部の先端が開かれる。ねじ部は、筒部に螺合可能であり、ねじ部と筒部がねじ回しされることで、ねじ部と筒部が相対的に軸方向に移動する。筒部の先端が開かれる前は、筒部の先端側の径が小さいことから、材料（例えば板材）の貫通孔に筒部を挿入することができる。筒部を貫通孔に通した後、筒部の先端を開くことによって、筒部の先端において、半径方向に突出して形成された係止部は、材料に係止され、筒部が貫通孔から抜けなくなる。このとき、係止部における筒部の先端側に対し反対側の材料との接触面は、半径方向断面が、筒部の軸線側が凸で筒部の半径方向外側端部に至るまで湾曲した形状を有し、周方向端部が球面形状であることから、係止部が材料と接触した際、接触面圧の局所的な上昇が生じにくく、材料表面の疵付きを防止できる。ここで、係止部における接触面の半径方向断面が、筒部の軸線側が凸であるとは、筒部の先端側の反対側方向に膨らんだ形状、かつ、半径方向内側のほうが半径方向外側端部に比べて膨らんだ形状をいう。

本発明に係るファスナーは、先端が周方向に複数に分割された筒部と、前記筒部に螺合可能であり、前記筒部の内部に挿入されることで、前記筒部の先端を開くねじ部とを備え、前記筒部の先端は、半径方向に突出した係止部が形成され、前記係止部における前記筒部の先端側に対し反対側の材料との接触面は、半径方向断面が、前記筒部の軸線側が凸で前記筒部の半径方向外側端部に至るまで湾曲した形状を有し、前記係止部の前記接触面は、周方向断面が、周方向中央部が凸で周方向端部に至るまで湾曲した形状とされている。

この構成によれば、筒部の先端が周方向に複数に分割されており、ねじ部が筒部の内部に挿入されることで、筒部の先端が開かれる。ねじ部は、筒部に螺合可能であり、ねじ部と筒部がねじ回しされることで、ねじ部と筒部が相対的に軸方向に移動する。筒部の先端が開かれる前は、筒部の先端側の径が小さいことから、材料（例えば板材）の貫通孔に筒部を挿入することができる。筒部を貫通孔に通した後、筒部の先端を開くことによって、筒部の先端において、半径方向に突出して形成された係止部は、材料に係止され、筒部が貫通孔から抜けなくなる。このとき、係止部における筒部の先端側に対し反対側の材料との接触面は、半径方向断面が、筒部の軸線側が凸で筒部の半径方向外側端部に至るまで湾曲した形状を有し、周方向断面が、周方向中央部が凸で周方向端部に至るまで湾曲した形状を有することから、係止部が材料と接触した際、接触面圧の局所的な上昇が生じにくく、材料表面の疵付きを防止できる。ここで、係止部における接触面の半径方向断面が、筒部の軸線側が凸であるとは、筒部の先端側の反対側方向に膨らんだ形状、かつ、半径方向内側のほうが半径方向外側端部に比べて膨らんだ形状をいう。

上記発明において、前記接触面の前記半径方向断面は、円弧形状であり、所定の軸力及び所定の材料の剛性において、挟み込みにより前記材料が変形するとき、前記円弧形状の半径は、前記材料が前記接触面の曲面形状の外周端部に接触しない値に決定されている。

この構成によれば、接触面の半径方向断面は、円弧形状であり、その円弧形状の半径は、材料の挟み込み時に材料が変形する際、材料が接触面の曲面形状の外周端部に接触しない値に決定されていることから、接触面圧の局所的な上昇が生じにくい。材料の変形は、軸力及び材料の剛性に応じて異なることから、所定の軸力及び所定の材料の剛性における材料変形を考慮して、円弧形状の半径が決定される。

本発明によれば、材料を挟み込んだとき、材料表面の瑕付きを防止することができる。

本発明の一実施形態に係るファスナーを示す縦断面図であり、板材に挿入する前の状態を示す。 本発明の一実施形態に係るファスナーを示す縦断面図であり、板材に挿入した後の状態を示す。 図１のIII-III線で切断した横断面図である。 図２のIV-IV線で切断した横断面図である。 本発明の一実施形態に係るファスナーの挿入部を示す正面図である。 本発明の一実施形態に係るファスナーの係止部の第１の例を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るファスナーの係止部の第２の例を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るファスナーの係止部の第３の例を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係るファスナーの係止部の第４の例を示す斜視図である。 図８に示した係止部を周方向に沿ってX-X線を含む面で切断した縦断面図である。 図９に示した係止部を周方向に沿ってXI-XI線を含む面で切断した縦断面図である。 比較例に係るファスナーの係止部を示す縦断面図である。

まず、本発明の一実施形態に係るファスナー１の構成について説明する。
ファスナー１は、例えば複数の板材５０を重ね合わせて互いに密着させるための金具として用いられる。ファスナー１は、図１及び図２に示すように、板材５０に設けられた貫通孔５１に通され、ファスナー１の挟み込む力によって、複数の板材５０を両面から固定する。

ファスナー１は、先端が周方向に複数に分割された筒部２と、筒部２の内部に挿入され筒部２に螺合可能なねじ部３を有する。

筒部２は、図１及び図２に示すように、大きく二つに分けることができ、板材５０の貫通孔５１に通される挿入部４と、一端側で挿入部４を支持し、ファスナー１の締結作業を行う作業員が把持可能な把持部５とを有する。

挿入部４は、先端側に係止部７が形成された本体部８と、把持部５に固定される基部９とから構成される。本体部８は、図３から図５に示すように、先端側が周方向に複数に分割された形状を有する。したがって、本体部８の先端に形成された係止部７も分割されている。例えば、本体部８の先端部分は、周方向に四つの壁部１０に分割される。一つの壁部１０は、例えば、断面が1/4円の円弧形状を有する。壁部１０間には、図５に示すように、溝１１が形成され、壁部１０の基部９側は、互いに連結されている。

挿入部４及び把持部５の軸芯部分には、先端部から後端部にかけてねじ部３が挿通される。図１に示すように、把持部５をねじ部３にねじ込む前の状態では、挿入部４の本体部８は基部９よりも細く、本体部８の先端に向けて先細りとなるテーパー形状を有する。但し、係止部７の部分で、再び半径方向に突出しており、ねじ部３の拡径部１６が挿入部４の内部に侵入する前の状態では、係止部７の外径は、基部９の外径よりも細い。係止部７の詳細については、後述する。

基部９は、把持部５の内部に設けられ、挿入部４は、軸方向に移動可能に把持部５に支持されている。把持部５と基部９は、基部９が把持部５から軸方向に抜けないような構造を有している。たとえば、把持部５の端部は、挿入部４が貫通する開口部１２を有し、開口部１２の内径は、基部９の外径よりも小さい。

把持部５は、軸芯部分に雌ねじ部１３が形成され、雌ねじ部１３は、ねじ部３の雄ねじ部１４と螺合する。把持部５の後端側の外周面は、例えば断面が六角形を有する。

ねじ部３は、直線状の棒状部材であり、雄ねじ部１４が形成された本体部１５と、本体部１５の一端側に形成された拡径部１６と、本体部１５の他端部に形成された、例えば断面が六角形を有する頭部１７とを有する。拡径部１６は、本体部１５よりも外径が大きく、本体部１５側から徐々に径が大きくなる形状を有している。頭部１７は、レンチ等によってねじ部３を回しやすい形状となっている。

挿入部４を板材５０の貫通孔５１に通した後、ねじ部３と把持部５を相対的にねじ回しすると、把持部５に対するねじ部３の位置が変更される。すなわち、ねじ部３及び／又は把持部５を軸線周りに回すことによって、拡径部１６が、挿入部４の係止部７に近づいたり、離れたりする。一方向に回すことによって、拡径部１６が挿入部４の先端に当たる。さらに同一方向に回し続けることによって、拡径１６が挿入部４の内側に侵入する。その結果、挿入部４の先端側が開き、係止部７の外径は拡大する。また、さらに同一方向に回すと、挿入部４の係止部７と、把持部５の先端部の間の距離が短くなる。その結果、図２に示すように、係止部７と把持部５の先端部の間で、板材５０を挟み込むことが可能になる。

一方、板材５０が挟み込まれた状態から、反対方向にねじ部３及び／又は把持部５を軸線周りに回すことによって、拡径部１６が挿入部４から離れていく。その結果、板材５０が挟まれた状態が解除され、かつ、挿入部４の先端側が閉じる。そして、係止部７の外径は、基部９の外径よりも細くなる。その結果、挿入部４を板材５０の貫通孔５１から抜くことができる。

次に、本実施形態の挿入部４の先端部に形成されている係止部７について説明する。
係止部７の把持部５側の面は、板材５０と接触する接触面７ａである。
接触面７ａの半径方向の断面形状は、図６又は図７に示すように、係止部７の軸線側が、把持部５の方向に凸で、係止部７の半径方向外側端部７ｂに至るまで湾曲した曲面形状を有する。すなわち、接触面７ａの半径方向の断面形状は、クラウニング形状であり、把持部５の方向に膨らんだ形状、かつ、半径方向内側のほうが半径方向外側端部７ｂに比べて膨らんだ形状である。
接触面７ａは、曲面形状のみから構成され、平面部分がない。接触面７ａの半径方向の曲面形状は、例えば、中心が接触面７ａ内側端部の軸方向延長上（図６又は図７の二点鎖線上）にあり、径が一定のＲ面形状である。接触面７ａは、挿入部４の壁部１０の外周面とは接続面１０ａを介して滑らかに接続される。この接続面１０ａは、板材５０とは接触しない。

図８に示す例では、接触面７ａは、周方向端部７ｃが、半径方向断面の曲面形状とほぼ同一径の球面形状を有している。すなわち、図１０に示すように、周方向端部７ｃの周方向の断面形状は、端部以外は直線上であり、周方向端部７ｃにて円弧形状を有する。図１０は、係止部７を周方向に沿って切断した縦断面図である。

図９に示す例では、接触面７ａの半径方向の断面形状は、上述した形状と同一であり、接触面７ａの周方向の断面形状が上述した形状と異なる。すなわち、図１１に示すように、接触面７ａの周方向の断面形状は、接触面７ａの周方向中央部が、把持部５の方向に凸で、係止部７の周方向端部７ｄに至るまで湾曲した曲面形状を有する。すなわち、接触面７ａの周方向の断面形状は、クラウニング形状である。図１１は、係止部７を周方向に沿って切断した縦断面図である。

次に、ファスナー１を板材５０に挟み込み、板材５０に所定の軸力をかけたとき、板材５０の表面に生じる接触面圧について説明する。
上述した接触面７ａの半径方向の断面形状が、クラウニング形状である例を本実施形態に係る実施例とし、図１２に示すように、本実施形態と異なり、係止部４７の接触面４７ａにおいて平面部分を有し、半径方向外側端部４７ｂのみをＲ面取りした例を比較例として、両者の板材５０表面における接触面圧を比較した。以下、半径方向外側端部４７ｂでＲ面取りした部分を外周Ｒ部ともいう。

また、比較例において、平面部分が広い場合（比較例１）と、比較例１に比べ外周Ｒ部の径を大きくして平面部分が狭い場合（比較例２）とを比較した。なお、これらの比較は、軸力を同一としている。

その結果、比較例１及び２ともに、外周Ｒ部にて平面部分よりも高い接触面圧を示す傾向にあることが分かった。すなわち、接触面４７ａにおいて平面部分が存在することにより、係止部４７の外周端付近で高い面圧が生じ、外周端付近で板材５０の変形が発生し疵が付きやすいことがわかる。

また、外周Ｒ部の径を大きくした比較例２の場合、全体の接触面積が減少したため、外周Ｒ部の接触面圧が比較例１よりも大きくなった。

一方、本実施形態に係る実施例では、接触面７ａが、平面部分を有さない、クラウニング形状であることから、外周端部における接触面圧の上昇が発生しにくいことが分かった。さらに、実施例について、クラウニング形状のＲ径を異ならせて、比較すると、Ｒ径が大きい場合、板材５０の変形量が曲面形状の接触面７ａを越えて、係止部７の外周端部に至ったため、外周端部の接触面圧の上昇が生じた。これに対し、Ｒ径が比較的小さい場合、板材５０の変形量が曲面形状の接触面７ａを越えない、すなわち、板材５０は、変形後も曲面形状の部分のみに接触しているため、外周端部の接触面圧の上昇が生じないことが分かった。また、Ｒ径を小さくしていくと、接触面積が小さくなっていくため、接触面７ａ全体での接触面圧が上昇していくとの結果も得られた。

したがって、板材５０の変形は、軸力及び板材５０の剛性に応じて異なることから、所定の軸力や所定の板材５０の剛性に応じて、外周端部において接触面圧の上昇を発生させず、かつ、接触面７ａ全体での接触面圧の上昇を抑制できる適切なＲ径を算出することができる。

軸力が小さい場合や、板材５０の剛性が高い場合は、板材５０の変形が生じにくいことから、比較例のように、平面部分を設けつつ半径方向外側端部４７ｂのみをＲ面取りした断面形状であっても、疵が付きにくい。しかし、ＣＦＲＰ等の複合材の場合、表面が合成樹脂層であることから、軸力を上げると疵が付いてしまう。

これに対し、本実施形態に係る実施例では、接触面７ａのクラウニング形状のＲ径を適切に選択することで、表面における疵付きを防止することができる。すなわち、軸力が比較的大きい場合、又は、板材５０の剛性が比較的小さい場合は、図７の例のように、Ｒ径を比較的小さくすることによって、板材５０の変形量が曲面形状の接触面７ａを越えることなく、かつ、接触面積を増やすことができる。

軸力が比較的小さい場合、又は、板材５０の剛性が比較的大きい場合は、図６の例のように、Ｒ径を比較的大きくしたとしても、板材５０の変形量が曲面形状の接触面７ａを越えることなく、かつ、接触面積を増やすことができる。したがって、軸力の大小、及び、板材５０の剛性の大小の両者を勘案することで、クラウニング形状のＲ径を適切に選択でき、表面における疵付きを防止できる。

次に、上述した接触面の周方向端部の断面形状が、未処理の場合（比較例）、接触面７ａの周方向端部７ｃの断面形状が、図８及び図１０のように球面形状とした実施例、接触面７ａの周方向が、図９及び図１１のように中央部を凸として周方向端部７ｄにかけて曲面形状とするクラウニング形状とした実施例の接触面圧を比較した。

その結果、周方向端部の断面形状が未処理であると、周方向端部において接触面圧が局所的に上昇する領域が生じることが分かった。一方、周方向端部７ｃの断面形状を球面形状とした場合と、周方向にわたってクラウニング形状とした場合のいずれも、接触面圧の局所的な上昇は発生しなかった。そして、周方向にわたってクラウニング形状とした方が、周方向の端部の接触面圧は、球面形状とする場合よりも低減できることが分かった。

以上、本実施形態に係るファスナー１によれば、、係止部７における筒部２の先端側に対し反対側の板材５０との接触面７ａは、半径方向断面が、筒部２の軸線側が凸で筒部２の半径方向外側端部７ｂ至るまで湾曲した形状を有し、周方向端部７ｃが球面形状である、又は、周方向断面が、周方向中央部が凸で周方向端部７ｄに至るまで湾曲した形状を有することから、係止部７が板材５０と接触した際、接触面圧の局所的な上昇が生じにくく、板材５０の表面の疵付きを防止できる。

１ ファスナー
２ 筒部
３ ねじ部
４ 挿入部
５ 把持部
７，４７ 係止部
７ａ，４７ａ 接触面
７ｂ，４７ｂ 半径方向外側端部
８ 本体部
９ 基部
１２ 開口部
１３ 雌ねじ部
１４ 雄ねじ部
１５ 本体部
１６ 拡径部
１７ 頭部
５０ 板材（材料）
５１ 貫通孔

Claims (3)

1. 先端が周方向に複数に分割された筒部と、
   前記筒部に螺合可能であり、前記筒部の内部に挿入されることで、前記筒部の先端を開くねじ部と、
   を備え、
   前記筒部の先端は、半径方向に突出した係止部が形成され、
   前記係止部における前記筒部の先端側に対し反対側の材料との接触面は、半径方向断面が、前記筒部の軸線側が凸で前記筒部の半径方向外側端部に至るまで湾曲した形状を有し、
   前記係止部の前記接触面は、周方向端部が球面形状とされているファスナー。
2. 先端が周方向に複数に分割された筒部と、
   前記筒部に螺合可能であり、前記筒部の内部に挿入されることで、前記筒部の先端を開くねじ部と、
   を備え、
   前記筒部の先端は、半径方向に突出した係止部が形成され、
   前記係止部における前記筒部の先端側に対し反対側の材料との接触面は、半径方向断面が、前記筒部の軸線側が凸で前記筒部の半径方向外側端部に至るまで湾曲した形状を有し、
   前記係止部の前記接触面は、周方向断面が、周方向中央部が凸で周方向端部に至るまで湾曲した形状とされているファスナー。
3. 前記接触面の前記半径方向断面は、円弧形状であり、
   所定の軸力及び所定の材料の剛性において、挟み込みにより前記材料が変形するとき、前記円弧形状の半径は、前記材料が前記接触面の曲面形状の外周端部に接触しない値に決定されている請求項１又は２に記載のファスナー。
   
   

Images