JP2017524116A - 緩み止めワッシャー - Google Patents

Abstract

本発明はワッシャーの傾斜面とナットが直接接触するようにしてナットが緩める方向に回転する際に、ワッシャの傾斜面によりくさび効果を常に保障するようにする 緩み止めワッシャーを提供するのにその主な目的がある。上記の目的を達成するために開発された本発明による緩み止めワッシャーは、中央にボルト挿入孔が形成されて、上部面にボルトヘッドまたはナットが安着されるワッシャのボディ部；上記のワッシャーのボディ部の上部面に上記のボルトまたはナットが締められる方向に回転する際に、上記のボルトヘッドまたはナットの角部がかかるように形成される係止突起；および上記のワッシャーのボディ部上部面に上記のボルトまたはナットが緩める方向に回転する際に、上記のボルトヘッドまたはナットの底面と接触され上記のボルトヘッドまたはナットが乗り上がるように形成された傾斜面；が含まれる。

Description

本発明は緩み止めワッシャーに関するものであり、より詳しくは傾斜面を用いてボルトまたはナットの緩みを防止するように開発された緩み止めワッシャに関するものである。

一般的に、ボルトや締結部材を用いて部品を締結する際には、通常の部品とボルトまたはナットの間にワッシャーを介在させ、その締付力を増加させ、緩みを防止するが、一般的によく見られるワッシャーは平ワッシャーとスプリングワッシャーを挙げることができる。

平ワッシャーは、特に木材などの軟らかい部材にボルトとナットを締結する際に、ボルトヘッドやナットがよく安着されるようにする役割をする。スプリングワッシャーは弾性復元力を用いて、ボルトとナットで結合された部材が振動や衝撃を受けた場合でも、ボルトとナットに加わるネジ軸方向の軸受圧力の変化に対する緩衝作用をすることにより、ボルトとナットの緩み止めに貢献する。しかし、スプリングワッシャーの弾性復元力の大きさがボルトまたはナットの軸受圧力に比べて相対的に小さく、時間が経過するにつれて、弾性復元力の大きさも減少されるので、緩み止め機能に限界があった。

緩み止め効果を向上させたもので、最近に最も多く使われているワッシャー構造として、図１に示されたノルトロック（ＮｏＲｄ−Ｌｏｃｋ）緩み止めシステムがある。ノルトロック緩み止めワッシャー４は、２つの母材１を結合させるために締結されるボルト２とナット３の間に、より正確には、ナット３と母材１との間に挟まれ締結される。

上記のノルトロック緩み止めワッシャー４は、上部ワッシャー板４ａと下部ワッシャー板４ｂで構成され、この一対の上、下部ワッシャー板４ａ、４ｂは、相互に傾斜するようにかみ合うように対面する面に円周方向に沿って鋸歯状の傾斜面５が形成される。この鋸歯状の傾斜面５が噛み合う傾斜角αは、上記のボルト２とナット３が締結されるネジ山の傾斜角βよりも常に大きくなるように形成される。ボルト２とナット３を締める方向に回転させると、上部ワッシャー板４ａと下部ワッシャー板４ｂの鋸歯の傾斜面が完全にかみ合う状態でロックされる。

前述するように、ワッシャーの傾斜面がかみ合う傾斜角αがボルト２とナット３が締結されるネジ山の傾斜角βより大きいので、振動や外力によってナット３が緩む方向に回転すると、ナット３がネジ山に乗って前進するボルトのネジ軸方向の移動距離より上部ワッシャー板４ａが鋸歯の傾斜面に乗って前進するボルトのネジ軸方向の移動距離がより大きくなる。その結果、上部ワッシャー板４ａがナット３を加圧することになって、これにより増加される摩擦抵抗モーメントがナット３が緩む方向に回転することを抑制するくさび効果を発揮して緩みを抑制することになる。

このノルトロック緩み止めワッシャーを用いる場合、上部ワッシャー板４ａと下部ワッシャー板４ｂとの間でのみスライディングが発生すれば、ボルトとナットの間に結合されたネジ山が破損したり、ワッシャーの傾斜面が破損されない限り、半永久的にナットの緩みを防止することができるようになる。

しかし、ノルトロック緩み止めワッシャー４の緩み止めの原理は、ナット３が緩む方向に回転する際に、ナット３の底面と上部ワッシャー板４ａの上部面との間に発生する摩擦抵抗力によってナット３と上部ワッシャー板４ａが一体化されて一緒に回転することを前提としているが、実際にナット３が緩む方向に回転すると、ナット３と上部ワッシャー板４ａの間の接触面が離隔される方向にナット３が移動するので、接触面の軸受圧力と、これによる摩擦抵抗力が急激に減少しながら、上部ワッシャー板４ａがナット３と一緒に回転しないようになって緩み止め機能を喪失する問題があった。

さらに、各接触面の摩擦係数の差が大きくなければ、傾斜面よりは水平面が先にスライディングするしかないので、上部ワッシャー板４ａと下部ワッシャー板４ｂとの間の傾斜接触面５よりナット３と上部ワッシャー板４ａとの間の水平接触面６や下部ワッシャー板４ｂと母材１との間の水平接触面７から、先にスライディングが起こりながら、ノルトロックワッシャーのくさび効果そのものが発揮されない場合も発生した。

一方、ノルトロックワッシャーは傾斜接触面５より水平接触面６、７で先にスライディングが発生する現象を緩和するために、上部ワッシャー板４ａの上面や下部ワッシャー板４ｂの底面に凹凸を形成して部材の間の接触面の面積を減らす事例もあった。しかし、摩擦抵抗力の大きさは、垂直方向の軸受圧力と摩擦係数のみで左右されるだけであって、部材の間の接触面の面積とは無関係なので、ワッシャーの底面に凹凸を形成しても、摩擦抵抗力が増加されない。

また、母材やナットが金属やセラミックなどの圧縮強度が強い材質である場合には、ワッシャーの凹凸部位が母材やナットに打ち込まれて逆回転に抵抗するようにする効果も期待できない。万一、ナットを締め付ける際に、ナットの底面に圧縮変形が発生したとしても、ワッシャーがナットに沿って一緒に沿って回る場合には緩む時にも一緒に回るので、緩み止め機能を発揮できないものであり、ワッシャーがナットに沿って回らない場合には、ナットの底面が回転方向に沿って長く掘れた形状に圧縮変形されるので、ナットの緩みを防止する凹凸機能を行うことができなくなる。

これに加えて、ノルトロックワッシャーはナットの底面の面積によってナットとワッシャーとの間の水平接触面の面積が決定されるので、ワッシャーの直径をナットの直径より大きく拡大して製作する場合にも緩み止めのための水平接触面６の摩擦抵抗モーメントの増大効果は発揮されることができないという限界がある。

また、ノルトロック緩み止めワッシャーはペアで取り付ける必要があるので、現場での作業が面倒で購入コストも高くなり経済性が低下する問題点もあった。

本発明はこのようなノルトロック緩み止めワッシャーの問題点を解決するために開発されたもので、ボルトまたはナットがワッシャーの傾斜面に直接接触するように構成された緩み止めワッシャーを一つのみ用いながらもボルトまたはナットが緩まる方向に相対回転する際に常にワッシャーとの傾斜接触面のみでスライディングが発生するようにすることで、これによるくさび効果を保障するようにする緩み止めワッシャーを提供するのにその主な目的がある。

上記する目的を達成するために開発された本発明による緩み止めワッシャーは、
中央にボルト挿入孔が形成されて、上部面にボルトヘッドまたはナットが安着されるワッシャーのボディ部；上記のワッシャーのボディ部の上部面に上記のボルトまたはナットが締める方向に回転する際に、上記のボルトヘッドまたはナットの角部がかかるように形成された係止突起；および
上記のワッシャーのボディ部の上部面に上記のボルトまたはナットが緩む方向に回転する際に、上記のボルトヘッドまたはナットの底面と接触されて上記のボルトヘッドまたはナットが乗り上がるように形成された傾斜面；が含まれる。

また、上記の係止突起および傾斜面は上記のボルト挿入孔の中心軸を基準に一定半径で画かれる円の円周方向に沿って複数個が形成されることができる。

また、上記の係止突起は多角形である上記のボルトヘッドまたはナットのそれぞれの角部に一対一に対応されるように形成することができる。

また、上記の傾斜面は上記のボルトまたはナットが緩められる方向に回転する際に、上記のボルトヘッドまたはナットがネジ山に乗って前進するボルトのネジ軸方向の移動距離より上記のボルトヘッドまたはナットが上記の傾斜面に乗って上がりながら前進するボルトのネジ軸方向の移動距離がより大きくなるように形成されることができる。

また、上記の傾斜面は上記のナットの底面の角部に対応する線の外側に形成された側面の傾斜面と上記のナットのそれぞれの底面の角部に対応する線の内側に延長形成された底の傾斜面を含むことができる。

また、上記のワッシャーのボディ部には上記のボルト挿入孔の中心軸に向けて、下方または上方に傾斜になるように形成されて、上記のボルトまたはナットが締めた状態でボルトのネジ山に嵌合される嵌合固定片が設けられることできる。

また、上記のワッシャーのボディ部にはその周りに沿ってフランジ部が延長形成されることができる。

また、上記のワッシャーのボディ部は多角形で形成されることできる。

また、上記のワッシャーのボディ部の底面にその縁に沿って下方に突出形成された底面の突部が設けられることができる。

また、上記のワッシャーのボディ部の底面には複数個の底面の固定突起が下方に尖った突出形成されることができる。

また、上記の係止突起と傾斜面は平たい板材の形態になった上記のワッシャーのボディ部の一部を上記のボルトヘッドまたはナットの角のラインに沿って一定な形状で切り開けて、この切り開けた部分を上部に曲げ加工して作った傾斜屈曲片により一体で形成されることができる。

また、上記の係止突起と傾斜面は平たい板材の形態になったワッシャーのボディ部の上部面に上記のボルトヘッドまたはナットの角部のラインに沿って一定な長さを有するように突出形成した傾斜突起片により一体で形成されることができる。

上記のように構成された本発明による緩み止めワッシャーによれば、ボルトまたはナットが緩む方向に回転する際に、ボルトヘッドまたはナットがワッシャーの傾斜面に直接乗って上がるようになることによって、ボルトまたはナットのネジ軸方向での軸受圧力と摩擦抵抗モーメントが急激に増加するようになって、この増加された摩擦抵抗モーメントによるくさび効果がボルトまたはナットの緩みを完全に抑制してくれる。

また、ワッシャーのボディ部の周りに沿って延長形成されたフランジ部およびワッシャーのボディ部の底面にその縁に沿って突出形成された底面の突部はワッシャーと母材の間の摩擦抵抗モーメントを増加させる。また、ワッシャーのボルト挿入孔の周りに沿って形成された嵌合固定片がナットが完全に締めた状態でボルトを強く噛むことにより、ワッシャーとボルトの間の相対回転に抵抗する摩擦抵抗モーメントを発生させる。

また、ボルトヘッドまたはナットが挿入される緩み止め補助シューズはボルトヘッドまたはナットとワッシャーの間の規格及び形状（四角、六角など）の差を克服するようにするだけでなく、ボルトヘッドまたはナットに比べて直径が大きいワッシャを用いることで、ワッシャーと母材の間の摩擦抵抗モーメントもさらに増加させてくれる。

その結果、ワッシャーと母材の間の水平接触面でよりナットとワッシャーの間の傾斜接触面で先にスライディングが発生されるようにすることで、上述したナットとワッシャーの傾斜面の間の摩擦抵抗モーメントの増加によるくさび効果をさらに確実に保障してくれる。

また、従来のノルトロックワッシャーの場合、ペアのワッシャーで挿入しなければならないのに対し、本発明のワッシャーは一つのワッシャーのみで緩み止め機能を行うことができるので、現場作業の生産性が高くなり、ワッシャーの購買コストも節減することができる。

図１は従来のノルトロック（ＮｏＲｄ−Ｌｏｃｋ）緩み止めワッシャーを示す図面。 図２は本発明による緩み止めワッシャーを示す図面。 図３は本発明による他の実施例の緩み止めワッシャーを示す図面。 図４は本発明による他の実施例の緩み止めワッシャーを示す図面。 図５は本発明による緩み止めワッシャーの構成詳細図。 図６は本発明による他の実施例の緩み止めワッシャーの構成詳細図。 図７は本発明による緩み止めワッシャーの傾斜面の構造を示す図面。 図８は本発明による他の実施例の緩み止めワッシャーの構成詳細図。 図９は図８のワッシャーを変形した他の実施例の緩み止めワッシャーの構成詳細図。 図１０は本発明による緩み止めワッシャーとナットの回転の際にワッシャーとの接触状態を示す図面。 図１１は本発明による他の実施例の緩み止めワッシャーとナットの回転の際にワッシャーとの接触状態を示す図面。 図１２は本発明による緩み止めワッシャーにおいて傾斜面および係止突起の第１変形例を示す図面。 図１３は本発明による緩み止めワッシャーにおいて傾斜面および係止突起の第２変形例を示す図面。 図１４は本発明による緩み止めワッシャーにおいて傾斜面および係止突起の第３変形例を示す図面。 図１５は本発明による緩み止めワッシャーにおいて傾斜面および係止突起の第４変形例を示す図面。 図１６は本発明による緩み止めワッシャーにおいて傾斜面および係止突起の第５変形例を示す図面。 図１７は従来のノルトロック緩み止めワッシャーの応力分布を示す図面。 図１８は従来のノルトロック緩み止めワッシャーの回転モーメントの分布を示す図面。 図１９は本発明による緩み止めワッシャーとナットの結合状態を示す図面。 図２０は本発明による緩み止めワッシャーの応力分布を示す図面。 図２１は本発明による緩み止めワッシャーの回転モーメントの分布を示す図面。 図２２は本発明による緩み止めワッシャーの嵌合固定片を示す図面。 図２３は本発明による他の実施例の嵌合固定片を示す図面。 図２４は本発明による嵌合固定片の様々な変形例を示す図面。 図２５は本発明による四角形の補助シューズを示す図面。 図２６は本発明による六角形の補助シューズを示す図面。 図２７は本発明による底面の固定突起を示す図面。

以下で添付された図面を参考に本発明による望ましい一実施例をより詳細に説明する。本発明は様々な相違な形態で具現することができ、ここで説明する実施例に限定されない。

本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略して、明細書の全体を通して同一または類似な構成要素に対しては同一な参考符号を付けるようにする。

明細書の全体で、ある部分が他の部分と「連結」されているとする際に、これは「直接的に連結」されている場合だけでなく、他の部材を間において「間接的に連結」されたものも含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」とする際に、これは特に反対される記載がない限り他の構成要素を除外するものではなく他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

図２は本発明の一実施例による緩み止めワッシャーを示す図面である。緩み止めワッシャー２０は基本的に中央にボルト挿入孔２３が形成されて、上部面２２にナット１０が安着される板材の形態のワッシャーのボディ部２１；上記のワッシャーのボディ部２１の上部面２２にナット１０が締まる方向に回転する際に、ナット１０の外側面の角部１１がかかるように形成された係止突起２５；および上記のワッシャーのボディ部２１の上部面にナット１０が緩む方向に回転する際にナット１０の底面と接触されてナット１０、より正確にはナット１０の底面の角部１３が乗り上がるように形成された傾斜面２４；が含まれる。

図２の（ａ）は本発明による最も基本的な形態の緩み止めワッシャー２０を示す。この緩み止めワッシャー２０はワッシャーのボディ部２１の上部面２２にボルト挿入孔２３のみ形成されて、他の加工がされていない形態である。したがって、上記のワッシャーのボディ部２１の上部面２２は単にナット１０が安着される機能を行う。望ましくは、上記の緩み止めワッシャー２０の上部面２２はナットの形態（四角形、六角形など）と同一または類似に形成されてナット１０が安定的に安着されるようにする。

ナット１０の内周面に沿って形成されたネジ山１２がボルト（図示なし）のネジ山と結合された状態で締まれば、主にナット１０の外側面の角部１１が緩み止めワッシャー２０の係止突起２５にかかるので、緩み止めワッシャー２０もナット１０と一緒に回転するようになる。初期にはナット１０とワッシャー２０がまだ母材に圧着される前なので摩擦力がないから、少しだけかかっても一緒によく回り、ナット１０がますますいっぱいになると、該当の外側面が角部１３が係止突起２５によりさらに深くかかりながらさらに大きい締付力を耐えられることができる。

ここで、係止突起２５にかかるナット１０の外側面の角部１１とは、多角柱の形状であるナットにそれぞれの外側面が会って形成される角に隣接する外側面の部分を指す。これと対比される概念として、ナット１０の底面の角部１３とは、多角柱の形状であるナットの各外側面と底面が会う線に沿って形成される角に隣接する底面の部分を指す。上記のナット１０の外側面の角部１１はナット１０が締まる方向に回転する際に緩み止めワッシャー２０の係止突起２５にかかる部分であり、上記のナット１０の底面の角部１１はナット１０が緩む方向に回転する際に緩み止めワッシャー２０の傾斜面２４に乗って上がる部分になる。

上記の傾斜面２４はナットの緩み止めのために新しく採択された技術の構成の中の一つとして、ワッシャーのボディ部２１の上部面にナット１０が緩む方向に回転する際に、ナット１０の底面の角部１３と接触されてナット１０が傾斜面２５に乗って上がるように形成される。このように、本発明による傾斜面２４は緩み止めの対象物であるナット１０と直接接触するという点で従来のノルトロック緩み止めワッシャーと区別される。

また、上記の傾斜面２４は上記のナット１０が緩む方向に回転する際に、上記のナット１０がネジ山に乗って前進するボルトのネジ軸方向の移動距離より上記のナット１０が上記の傾斜面２４に乗って上がりながら前進するボルトのネジ軸方向の移動距離がより大きくなるように形成される。その結果、ナット１０が緩む方向に回転しても傾斜面２４によりボルトのネジ軸方向、つまり、ナット１０の中心軸の方向にナット１０がワッシャー２０と母材を押す軸受圧力が発生してナット１０がこれ以上緩まないように固定させるものである。

したがって、本発明の緩み止めワッシャー２０を用いれば、ナット１０のネジ山または緩み止めワッシャー２０の傾斜面が破損されない限り半永久的にナット１０の緩みが防止される。傾斜面２４により発生するナット１０の軸受圧力に関するより詳しい説明は図１７ないし図２１を参考に後述するようにする。

図２の（ｂ）は本発明の他の実施例による緩み止めワッシャー２０を示す。この緩み止めワッシャー２０がワッシャーのボディ部２１、係止突起２５および傾斜面２４で構成されている点では図２の（ａ）は同一するので、これに関する説明は省略する。

ただし、この緩み止めワッシャー２０はワッシャーの上部面が単にナット１０が安着される部分のみで機能するものではなく、ボルトのネジ山に嵌合される嵌合固定片２６が形成されるという点で技術的な特徴がある。この嵌合固定片２６は上記のワッシャーのボディ部２１の上部面に一部が上記のボルト挿入孔２３の半径方向に複数個に切り開けて上記のボルト挿入孔２３の中心軸に向けて下方または上方に傾斜になるように形成される。この嵌合固定片２６は上記のナット１０が締めることに従いネジ軸方向に加圧されて水平方向に変形されながらボルトの胴体のネジ山の凹凸部分に強く嵌合されるように構成される。この嵌合固定片２６に関する詳細な説明は図２２ないし図２４を参考に後述することにする。

図２の（ｃ）は本発明の他の実施例による緩み止めワッシャー２０を示す。この緩み止めワッシャー２０がワッシャーのボディ部２１、係止突起２５、傾斜面２４および嵌合固定片２６で構成されている点では図２の（ｂ）と同一するので、これに関する詳細な説明は省略する。

ただし、この緩み止めワッシャー２０はワッシャーのボディ部２１にはその周りに沿ってフランジ部２７が延長形成されるという点で技術的な特徴がある。このフランジ部２７は緩み止めワッシャー２０が母材に圧着される際に、摩擦抵抗モーメントを増加させて（「摩擦抵抗モーメント＝力×腕の長さ」であるので、摩擦抵抗モーメントはモーメント中心で母材と接触面までの長さに比例する）緩み止めワッシャー２０と母材の間でスライディングが発生することをさらに確実に抑制してくれる。

これはナットが結合された部分に外力や振動が加える際に、母材と緩み止めワッシャー２０の水平接触面よりナット１０と緩み止めワッシャー２０の間の傾斜接触面で先にスライディングが発生するようにするので、緩み止めワッシャー２０が緩み止めの機能を発揮することができるよう、より確実に保障する。

図２の（ｃ）の緩み止めワッシャー２０が図２の（ｂ）と比較する際に、またの異なる点は上記の嵌合固定片２６の端部の形状が両側が尖る形態から丸い形態に変わった点である。このように、嵌合固定片２６の端部の形状は丸い形態、尖る形態、鋸歯の形態など様々な模様で形成することができる。この嵌合固定片２６の端部の形状に関する様々な実施例に関しては図２４を参考に後述することにする。

図３の（ａ）ないし（ｃ）は緩み止めワッシャー２０の外形が四角形をなすという点を除いては、図２の（ａ）ないし（ｃ）とその技術的な内容が同一するので、これに関する詳細な説明は省略する。緩み止めワッシャー２０の外形が四角形を成せば、必要に応じてワッシャーを解かなければならないときにレンチなどを用いてあらゆる面を握って回すことができるようになる。このような目的のために緩み止めワッシャー２０の外形が六角形のような他の形態の多角形でも構成されたり、外形が丸い形状であるワッシャーの外側面に放射状で突起部が形成されることもできる。

図４の（ａ）ないし（ｃ）は緩み止めワッシャー２０がナットではなくボルトと結合される点を除いては図３の（ａ）ないし（ｃ）とその技術的な内容が同一するので、これに関する詳細な説明は省略する。自動車のエンジンのような動力機関にはフレームに雌ネジを形成して、ナットを用いらないままボルトのネジ山１８を雌ネジに挿入して締め付け結合させる形態も多く用いられている。

本発明による緩み止めワッシャー２０はこの場合にナットなしでもボルトヘッド１５と直接接触して圧着されるように用いることもできる。この際に、ボルトヘッド１５の底面の角部１７が図２および図３で説明したナット１０の底面の角部１３と同一な方式で緩み止めワッシャー２０と結合する。

後述する図５ないし図２７ではナット１０を用いた実施例を通して説明するが、ナットの代わりにボルトヘッドが直接本発明によ緩み止めワッシャー２０に結合する形態も本発明の技術的な思想に含むことは当然である。

図５ないし図８は本発明の様々な実施例による緩み止めワッシャー２０の構成をより詳しく示す。図５の（ａ）に図示されるように、上記の係止突起２５および傾斜面２４は上記のボルト挿入孔２３の中心を基準に一定半径Ｒで画かれる円の円周方向に沿って複数個が形成されることができる。この場合、上記の係止突起２５および傾斜面２４をナット１０の底面の角部１３より少し外側に位置するように形成されることで、ナットが緩み止めワッシャー２０の上部面に正確に安着されるようにすることができる。

この際に、上記の係止突起２５は多角形である上記のナット１０のそれぞれの外側面の角部１１に一対一で対応できるように形成することで、ナットが緩み止めワッシャー２０の上部面２２により正確に安着されるようにすることができる。

また、上記の係止突起２５は上記の上部面２２に上記の傾斜面２４の上端部までの高さの差ｈを用いて一体に形成することにより、これらをそれぞれ別に形成することより製作が容易になり、傾斜面２４のスタート位置ないしワッシャの傾斜角を調節して係止突起の高さｈを簡単に調節することができるようにする。

上記の係止突起の高さｈはナットが締まる方向に回転する際に、係止突起２５にナット１０の外側面の角部１１がかかって緩み止めワッシャー２０がナットと一緒に回ることができるような十分な高さで構成される。この係止突起の高さｈはワッシャーの傾斜面２４のスタート位置ないしワッシャーの傾斜面２４の傾斜角θ３の大きさに応じて異なることができる。

ワッシャーの傾斜面２４の内側の角のスタート位置はナット１０の各底面の角部１３に対応する線２４ａの上に位置することになる。図５の（ａ）にはワッシャーの傾斜面２４の内側の角のスタート位置がナットの各底面の角部１３に対応する線２４ａの中央部に位置する例が図示されている。図６の（ａ）にはワッシャーの傾斜面２４の内側の角のスタート位置がナットの各底面の角部１３に対応する線２４ａの始終点（一個の底面の角部の両頂点部分）に位置する例が図示されている。本発明はこれに限定されなく、傾斜面２４の内側の角のスタート位置がナットの底面の角部１３に対応する線２４ａの上のとこに位置しても構わない。

図７に例示されているように、ワッシャーの傾斜面２４の内側の角のスタート位置が係止突起２５側に近接するほど同一な係止突起の高さｈを形成するのに必要なワッシャーの傾斜角はますます増加することになる（θ４＞θ３＞θ２＞θ１）。

一方、図５の（ａ）および（ｂ）に図示されるように緩み止めワッシャー２０の底面２８はフランジ部２７を拡張させることで、その直径を自由に調節することができる。この底面２８は緩み止めワッシャー２０が完全に締めた状態で母材と水平に接触する面である。ワッシャーの直径を増加させれば上記のワッシャーの底面２８と母材が接触する面積が増加するようになるので、ワッシャーと母材が接触する水平面の上の摩擦抵抗モーメントが増加することになる。

またの他の実施例として、図６の（ｂ）に図示されるように緩み止めワッシャー２０の底面２８にはその周りに沿って下方に突出形成された底面の突部２９が設けられることができる。この底面の突部２９もワッシャーの中心から母材１との接触面までの長さを増加させるので、水平接触面の摩擦抵抗モーメントがこれに比例して増加することになる。

その結果、従来のノルトロック緩み止めワッシャーで傾斜面より水平面で先にスライディングが発生してノルトロックワッシャーのくさび効果、そのものが発揮されなくなる問題点を解決する。これに関する詳細な説明は図１７ないし図２１を参考に詳細に後述することにする。

図８は本発明による他の実施例の緩み止めワッシャーを示す。本実施例は図２および図３に図示される実施例と比べる際にワッシャーのボディ部２１にナットを安着させるために上部面２２を別に加工しなく、板材１枚を用いて簡単に製造することができるというメリットがある。

より詳しく説明すれば、図８の（ａ）の場合には平たい板材の形態で、ワッシャーのボディ部２１にボルト挿入孔２３の中心から一定半径ほど離隔された部分をナットの多角（例えば、六角または四角）の角のラインに沿って一定な形状で切り開けて、この切り開けられた部分を上部に曲げ加工して傾斜屈曲片３０を形成する。その結果、この傾斜屈曲片３０によりナットの底面の角部１３が乗り上がるようにする傾斜面２４とナットの外側面の角部１１がかかれる係止突起２５が一体に形成される。緩み止めワッシャー２０のボディ部２１には上記の傾斜屈曲片３０により多角形態のナットの底面が圧着される上部面２２が自然に形成される。

この場合、上記の傾斜屈曲片３０の末端部と向かい合うボディ部の上部面２２の部位を圧縮加工などを通して傾斜屈曲片３０の方向に多少延長されるように形成することで、傾斜屈曲片３０が水平方向に伸ばす力を強く受ける場合にも傾斜屈曲片３０の末端部がボディ部の上部面２２にかかって完全に伸ばさなく一定な角度の傾斜面２４を維持して緩み止め機能を行うことができるようにすることが望ましい。

図８の（ｂ）の場合には、平たい板の形態になったワッシャーのボディ部２１の上部面２２に上記のボルト挿入孔２３の中心から一定の半径ぐらい離隔された部分にナットの多角の角のラインに沿って傾斜突起片３１が形成されるよう製造される。この傾斜突起片３１によってナットの底面の角部１３が乗って上るようにしてくれるの傾斜面２４とナットの外側面の角部１１がかかっている係止突起２５が一体に形成される。本実施例によれば、図８の（ａ）の 傾斜屈曲片とは異なり、傾斜突起片３１が押されたり曲がらないメリットがある。緩み止めワッシャー２０のボディ部２１には、上記の傾斜突起片３１によって多角の形態のナットの底面が安着される上部面２２が自然に形成される。

図９は、図８のワッシャーを変形した他の実施例の緩み止めワッシャーを示す。図８の（ｂ）に図示された緩み止めワッシャー２０は、係止突起２５と傾斜面２４が一つの傾斜突起片３１によって同時に形成される。つまり、傾斜突起片３１の上部面は傾斜面２４になり、内側面は係止突起２５となる。その結果、ワッシャーの傾斜角θの大きさと係止突起２５の高さhが互いに比例するので、２つを独立的に制御することができなくなる。

しかし、本変形例によれば、図９の（ｂ）に示すように傾斜面２４を形成する傾斜突起片３２と係止突起２５を形成する係止ブロック部３３を別に形成することができる。その結果、図９の（ａ）に示すようにワッシャーの傾斜角θの大きさとは関係なく係止突起の高さHを高くすることができる。このように、係止突起の高さHを高くすれば、ナットを締め付ける際には、ナットの外側面の角部が係止突起によくかかるようになって、大きな締付トルクでも一緒によく回り、ナットが緩むときにはワッシャーの傾斜角θを最小限に抑えることができるので、ワッシャーの底面の摩擦抵抗力を高めることができる。

図１０の（ａ）は、ナットがネジで締まる方向Ａに回転する状態を示す。ナットの外側面の角部が緩み止めワッシャー２０の係止突起２５にかかるようになり、ナットと緩み止めワッシャーが一緒に回転することになる。回転初期にはナットとワッシャがまだ母材に圧着される前なので、摩擦力がないため、少しだけかかっても一緒によく回り、ナットがますますいっぱいになると外側面の角部が係止突起により奥深くかかり、より大きな締付力を耐えられることができる。

図１０の（ｂ）は、ナットが緩む方向Ｂに回転する状態を示す。ナットが緩む方向に回転すると、ナットとワッシャーの係止突起との接触が解除されるので、ワッシャーは、回転しない。ナットは、図面で点線で示すように、ナットの六角形の各底面の角部が緩み止めワッシャー２０の傾斜面２４と、重畳しながら回転することになる。その結果、ナットの六角形の各底面の角部１３が傾斜面２４に乗って上がりながらナットをボルトのネジ軸方向に前進させるものである。

図１１の（ａ）は、四角形のナットのための緩み止めワッシャー２０を示し、図１１の（ｂ）は、四角形のナットが緩む方向に回転する際に緩み止めワッシャー２０の傾斜面２４と、重畳される形を示す。四角形のナットのためものという点を除いては、六角形のナットを例示した上記の図１０の（ａ）、（ｂ）の場合と同様であるので詳細な説明は、これを参考してすることにする。

図１２ないし図１５は、図５及び図６を参考にして説明した本発明による緩み止めワッシャー２０の係止突起２５と傾斜面２４の基本的な形態に関するいくつかの変形可能な例を示す。

図１２は、図５に示すように緩み止めワッシャー２０の傾斜面２４がナット１０の各底面の角部１３に対応する線２４ａの外側にのみ形成されていた基本的な形を変形したものであり、ナット１０の各底面の角部１３に対応する線２４ａの内側に延長された底の傾斜面２４ｂを追加で形成したものである。上記の底の傾斜面２４ｂとの用語の混乱を避けるために、ナット１０の各底面の角部１３に対応する線２４ａの外側に形成されていた既存の傾斜面を側面の傾斜面２４と命名する。

ナット１０が締まる方向に回転する際には、「Ａ」の領域に示すように、ナット１０の外側面の角部１１が係止突起２５にかかって一緒に回転することになる。逆に、ナット１０が緩む方向に回転する際には、「Ｂ」の領域に示すように、ナット１０の底面の角部１３が上記の底の傾斜面２４ｂをすぐに上がって乗るようになる。

図５に図示された基本的な形態によると、ナット１０の底面の外接円の直径がワッシャーの底面の外接円の直径より小さいときにはナット１０が緩む方向に一定の角度で回転した後、傾斜面２４と会うので、ナット１０の底面の角部１３が傾斜面２４に乗って上がって行く前にナット１０の軸受圧力が減少して緩みに対する摩擦抵抗モーメントが弱化された。その結果、ナット１０が、強い振動や衝撃を受けると微細に緩んだり締まったりすることを繰り返しながらワッシャーが少しずつ緩むこともあった。

しかし、図１２に図示された変形例のようにナット１０の各底面の角部１３に対応する線２４ａの内側に延長されるように、底の傾斜面（２４ｂ）を形成するようになると、「Ｂ」の領域に示すように、ナット１０の直径が少し小さいものを用いてもナット１０が緩む方向に回転するとともに、ワッシャーの底の傾斜面２４ｂに乗って上がることができるので、ナットのネジ軸方向への軸受圧力と摩擦抵抗モーメントがすぐに増加することになる。

図１３は、図１２に示したように、緩み止めワッシャー２０の側面の傾斜面２４と底の傾斜面２４ｂがナット１０の各底面の角部１３に対応する線２４ａの外側と内側にそれぞれ形成されていた形態を変形したものであり、ナット１０の各底面の角部１３に対応する線２４ａの外側に形成されていた既存の側面の傾斜面２４を除去し、底の傾斜面２４ｂだけを残しておいたものである。その結果、「Ｃ」の領域に示すように、傾斜面の高い方の一部が除去された形態を有する。

ナット１０が締まる方向に回転する際には、「Ａ」の領域に示すように、ナット１０の外側面の角部１１がワッシャーの内壁面２５ａにかかって一緒に回転することになる。本変形例では、側面の傾斜面２４を除去することに応じてワッシャーの内壁面２５ａが係止突起２５の役割をすることになる。逆に、ナット１０が緩む方向に回転する際には、「Ｂ」の領域に示すように、ナット１０の底面の角部１３が上記の底の傾斜面２４ｂをすぐに上がって乗るされる。

この変形例は、図１２に比べて、より簡単な形態で製造可能であるというメリットがあり、ナット１０の底面の外接円の直径がワッシャーの底面２２の外接円の直径より内接円の直径に近くて、ナット１０が緩む方向に回転する際に、ナット１０の底面の角部１３が底の傾斜面２４ｂに乗って上がる距離と高さだけで十分な軸受圧力と摩擦抵抗モーメントを確保することができる場合に用いることができる。

図１４は、図９を参考に上述した緩み止めワッシャー２０と類似する形態であって、ナット１０の各底面の角部１３に対応する線２４ａの外側に形成された既存の側面の傾斜面２４とは別にナット１０の各外側面の角部１１に対応する地点に別の係止ブロック部２５ｂを形成したものである。

ナット１０がネジで締まる方向に回転する際には、「Ａ」の領域に示すように、ナット１０の外側面の角部１１が上記の係止ブロック部２５ｂにかかって回転することになる。逆に、ナット１０が緩む方向に回転する際には、「Ｂ」の領域に示すように、ナット１０の底面の角部１３が上記の側面の傾斜面２４を上がって乗ることになる。

本変形例のように、係止ブロック部２５ｂを別に形成すれば、ワッシャーの傾斜角θの大きさとは関係なく係止突起を高くすることができる。その結果、ナットを締め付ける際に、ナットの外側面の角部が係止突起によくかかるようになって、大きな締付トルクでも一緒によく回って、ナットが緩むときにはワッシャー傾斜角θを最小化することができるので、摩擦抵抗力を高めることができる。

図１５は、図１２に示すように緩み止めワッシャー２０の側面の傾斜面２４および底傾斜面２４ｂがナット１０の各底面の角部１３に対応する線２４ａの外側および内側にそれぞれ形成されていた形態を変形したものであり、底の傾斜面２４ｂの内側の枠線がナット１０の各底面の角部１３に対応する線２４ａに接する内接円（ＩＣ、ＩｎｓｃＲｉｂｅｄ ＣｉＲｃｌｅ）の線形に沿って円弧状で形成される。

その結果、図１５の（ｂ）で確認できるように、上記の底の傾斜面２４ｂは、ナット１０の各底面の角部１３に対応する線２４ａと、これに接する内接円ＩＣの間のみ形成される。底の傾斜面２４ｂをこのように形成すれば、側面の傾斜面２４の中央から底の傾斜面２４ｂの円弧が開始されるので、底の傾斜面２４ｂの上に重なるナットの底面の角部１３の長さを最大化することができ、底の傾斜面２４ｂと側面の傾斜面２４が連続的に折れなく、同じ傾斜角で形成されることができ、ナットが締めたり緩められる方向に回転する際に内接円ＩＣの奥まで突出した底の傾斜面２４ｂの角によって妨げされることなくワッシャーの傾斜面をスムーズに乗って上がることができるようになる。

図１５の（ａ）に示すように、１セットの側面の傾斜面２４および底の傾斜面２４ｂは、左が高く右が低い形で構成されたことは、右に回転するときに締まる右ネジ（Ｒｉｇｈｔ−ｈａｎｄｅｄ ｔｈＲｅａｄ）に用いられるものである。逆に、左に回転するときに締まる左ネジ（ＬｅＦｔ−ｈａｎｄｅｄ ｔｈＲｅａｄ）に用いられるための１セットの側面の傾斜面２４および底の傾斜面２４ｂが右が高く、左が低い形態で構成されることもあるのは当然あるだろう。

図１５の（ｂ）に示されている数字は、ナットが緩む方向に回転し始めて上がる高さを示す。底の傾斜面２４ｂのスタート位置は、ナット１０の各底面の角部１３に対応する線２４ａ上に位置することになる。本実施例では、底の傾斜面２４ｂのスタート位置がナットの底面の角部１３に対応する線２４ａの中央点となって、この時の高さは０.０ｍｍとなる。

ナット１０が緩む方向に回転し続けるようになると底の傾斜面２４ｂに乗って上がりながら高さが０.０〜１.２ｍｍまで高くなる。ここで、ナット１０が底の傾斜面２４ｂに乗って上がって行き始まる高さが０.０ｍｍである場合は、ナット１０の中心から外側面の角部１１までの半径がナット１０の各底面の角部１３に対応する線２４ａに接する内接円ＩＣの半径より小さいか同じであれば発生することができ、ナットの規格が大きくなるほどナットが乗って上がり始まる底の傾斜面２４ｂの上のスタート位置も高くなる。

ナット１０が１.２ｍｍの高さまで上がるとナットの底面の角部１３が乗って上がる傾斜が底の傾斜面２４ｂから側面の傾斜面２４に移されることになる。続いて回転するようになると側面の傾斜面２４に乗って上がりながら１.２〜２.４ｍｍまで高くなる。つまり、側面の傾斜面２４の最高点は、２.４ｍｍとなる。

図１５の（ｂ）には、底の傾斜面２４ｂのスタート位置は、各底面の角部１３に対応する線２４ａの中央点になる実施例が示されているが、本発明はこれに限定されず、ナットの内接円ＩＣの円弧上に位置する任意の地点（例えば、０.６ｍｍの高さの線と交差する地点）からスタートすることができる。

図１６は、図１５を参考に上述した緩み止めワッシャー２０の変形例として、ナット１０の各底面の角部１３に対応する線２４ａの外側に形成された既存の側面の傾斜面２４とは別にナット１０の各外側面の角部１１に対応する地点に別の係止ブロック部２５ｂを形成したものである。

このように、係止ブロック部２５ｂを別に形成すれば、ワッシャーの傾斜角θの大きさとは関係なく係止突起を高くすることができる。その結果、ナットを締め付ける際に、ナットの外側面の角部が係止突起によくかかるようになって、大きな締付トルクでも一緒によく回って、ナットが緩む際にワッシャーの傾斜角θを最小化することができるので、摩擦抵抗力を高めることができる。

次に、図１７ないし図２１を参考に従来のノルトロックワッシャー４と、本発明による緩み止めワッシャー２０との作用上の相違点を具体的に説明する。つまり、ノルトロックワッシャーはナットが緩む方向に回転する際に、上部ワッシャー４ａと下部ワッシャー４ｂがなす傾斜面５でなく、ナット３と上部ワッシャー４ａの水平接触面６または下部ワッシャー４ｂと母材との水平方向の接触面７から、先にスライディングが起こりやすい事実と、本発明による緩み止めワッシャー２０は、ワッシャーと母材との水平接触面ではなく、ナットとワッシャーの傾斜面で常に最初にスライディングが行われることができるという事実を構造力学的に詳しく説明する。

図１７は、従来のノルトロックワッシャーの応力分布を示した図面であり、図１８は、ノルトロックワッシャーの回転モーメント分布を示した図面である。図１７の図面符号は、図１に示されたノルトロックワッシャーの構成要素を表す符号が同じである。

ナットが完全に締めたら垂直軸受圧力Ｐが作用する。この際に、外力や振動によってナットが緩むの回転方向に側面の作用力Ｆ１が加えられるとき、ノルトロックワッシャーの各構成要素に作用する力は、次のように定義される。

まず、ボルト２とナット３のネジ山の結合部分には、上記の垂直軸受圧力Ｐの分力であるネジ山の垂直応力Ｒ１が作用し、ネジ山面に沿って摩擦抵抗力μ１Ｒ１が作用する。このとき、ネジ山は、一定の傾斜角ａ１をなす。ナット３と上部ワッシャー４ａとの水平接触面６は、上記の垂直軸受圧力Ｐの分力である上部の水平面の垂直応力Ｒ２が作用し、水平接触面６に沿って摩擦抵抗力（μ２Ｒ２）が作用する。

上部ワッシャー４ａと下部ワッシャー４ｂとの傾斜面５には、上記の垂直軸受圧力Ｐの分力である傾斜面の垂直応力Ｒ３が作用し、傾斜面５に沿って摩擦抵抗力（μ３Ｒ３）が作用する。この際に、傾斜面は、一定の傾斜角ａ３をなす。この傾斜面の傾斜角は、上記のネジ山の傾斜角より大きく構成されている（ａ３＞ａ１）。下部ワッシャー４ｂと母材（図示せず）との水平接触面７には、上記の垂直軸受圧力Ｐの分力である下部の水平面の垂直応力Ｒ４が作用し、水平接触面７に沿って摩擦抵抗力（μ４Ｒ４） が作用する。

図１８を参考にナット３が緩む方向に回転力が加わると、回転モーメントないし摩擦抵抗モーメント（Ｍ＝Ｆ×Ｌ）を計算するための各モーメントの腕の長さを定義する。まず、ネジ山が形成されたナットの雌ネジの半径はｒ１である。回転力Ｆ１が加えられる際に、ナット３の回転モーメントの腕の長さは、回転中心からナット３の外側面の角部１１までの距離であるＬ１になる。

ナット３と上部ワッシャー４ａとの水平接触面６の摩擦抵抗モーメントの腕の長さは、ナット３の回転中心から摩擦力の作用点までの長さであるＬ２となる。上部ワッシャー４ａと下部ワッシャー４ｂとの傾斜面５の摩擦抵抗モーメントの腕の長さは、ワッシャー４の回転中心から摩擦力の作用点までの長さであるＬ３となる。下部ワッシャー４ｂと母材との水平接触面７の摩擦抵抗モーメントの腕の長さは、下部ワッシャー４ｂの回転中心から摩擦力の作用点までの長さであるＬ４となる。

以下の表１は、比較例で提示されたノルトロックワッシャーの各構成要素の数値とナットによる垂直軸受圧力Ｐ、ナットが緩む方向に加わる側面の作用力Ｆ１を示す。

計算の簡略化のために、各表面からの摩擦係数はすべて同じものと仮定する。ナットの規格は、Ｍ２０の並目ネジを目安に、雌ネジの半径ｒ１は１０ｍｍ、ナットの回転中心から多角形であるナットの底面の角部１３までの鉛直距離１５ｍｍ、ナットの回転中心からナットの外側面の角部１１までの鉛直距離L１は、１７.５ｍｍで仮定する。ネジ山の傾斜角ａ１は、ネジ山のピッチ（Ｐｉｔｃｈ）を２.５ｍｍにして導出された値であり、ノルトロックワッシャーの傾斜面の傾斜角ａ３は、ワッシャーの傾斜面２４の数を６個、各傾斜面の側面の係止突起２５の高さを１.５ｍｍと仮定して導出された値である。ナットを底面の半径が（１７．５ｍｍ、Ｌ１）である円筒形であると仮定すれば、ナットの回転中心から底面に作用する摩擦力の合力が作用する地点までの腕の長さであるＬ２は１４.１ｍｍで計算される。このような規格のノルトロックワッシャーにおいて、垂直軸受圧力Ｐが１００ＫＮ、ナットが緩む回転方向に加わる側面の作用力Ｆ１が１００ＫＮと仮定すると、各接触面でのスライディング抑制に必要な水平方向の最小支持力の大きさを算出することにより、どの部位で一番最初にスライディングが発生するかを力学的に計算した。

この際に、ノルトロックワッシャーの大きさは、ワッシャーの半径がナットの外側面の角部１１が接する円形の半径と同じであると仮定する。したがって、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４はすべて１４.１ｍｍで同じ値を有して、Ｌ１は１７.５ｍｍの値を有する。もちろんワッシャーの半径をナットの半径より大きくすることもできるが、この場合、上部ワッシャー４ａと下部ワッシャー４ｂ、下部ワッシャー４ｂと母材の間に接触面積が増加し、摩擦抵抗モーメントが増加するので、ナット３と上部ワッシャー４ａとの水平接触面６でスライディングが起こる可能性が非常に増加する。これは水平面６,７でのスライディングより傾斜面５でスライディングが先に起こることを前提としているノルトロックワッシャーの構造的な特性上、好ましくない。したがって、図１に例示されたように、一般的に、ノルトロックワッシャーはワッシャーの大きさがナットの大きさとほぼ同じになるように作られる。このような点を考慮して、本比較例ではＬ２、Ｌ３、Ｌ４はすべて同じ値を有することを前提とする。

ノルトロックワッシャーでスライディングが起こることができる３つの地点である、ナット３と上部ワッシャー４ａの水平接触面６、上部ワッシャー４ａと下部ワッシャー４ｂとの傾斜面５、下部ワッシャー４ｂと母材との水平接触面７でスライディングが発生し始めた時点での力の力学関係を考慮すれば、次の通りである。

まず、ナット３と上部ワッシャー４ａとの水平接触面６に作用する垂直軸受圧力Ｒ２は、垂直軸受圧力Ｐと力の方向が同じなので、その値が同じである。この水平接触面６でナット３が緩む回転方向にＦ１の力が作用する際に、ナット３がスライディングしないようにするのに必要な最小の反力をＦ２と仮定する。この水平接触面６に最大静止摩擦力が発生する時点（スライディングが発生する時点では、（Ｆ１-Ｆ２）による回転モーメントＭとこの水平接触面６の摩擦力による摩擦抵抗モーメントＭ′が平衡状態になる。この２つのモーメントが同じであるという数式から上記のＦ２の値を導出することができる。逆に、側面作用力Ｆ１が１００ＫＮ作用の際に、水平接触面６でスライディングが発生しないようにするために必要な垂直軸受圧力Ｐ２の大きさも導出することができる。

上部ワッシャー４ａと下部ワッシャー４ｂとの傾斜接触面５に作用する垂直軸受圧力Ｒ３は、全体の垂直軸受圧力Ｐと傾斜面の傾斜角ａ３を用いて導出される。この傾斜面５からナット３が緩む回転方向にＦ１の力が作用する際に、ペアのワッシャー４ａ、４ｂの間でスライディングが発生しないようにするのに必要な最小の反力をＦ３と仮定する。この傾斜面５からスライディングが発生するということは、（Ｆ１-Ｆ３）による回転モーメントＭ３は、この傾斜面５の摩擦力による摩擦抵抗モーメントＭ３′より大きいことを意味する。この２つのモーメントが同じであるという数式から上記の最小反力であるＦ３の値を導出することができる。また、Ｆ３ = ０になるために必要な最小の垂直軸受圧力Ｐ３を導出することができる。

下部ワッシャー４ｂと母材との水平接触面７からスライディングが発生しないようにするのに必要な反力Ｆ４は、上記のＦ２と同一であり、このＦ４=０になるために必要な最小の垂直軸受圧力Ｐ４は、上記のＰ２と同一である。

ここで、
Ｒ１＝Ｐ／｛ｃｏｓ（ａ１）＋μ１×ｓｉｎ（ａ１）｝、
Ｒ２＝Ｒ４＝Ｐ、
Ｒ３＝Ｐ／｛ｃｏｓ（ａ３）−μ３×ｓｉｎ（ａ３）｝、
Ｆ２＝Ｆ４＝Ｆ１＋（Ｐ／１．７５）×［｛ｓｉｎ（ａ１）−μ１×｛ｃｏｓ（ａ１）｝＋μ１×ｓｉｎ（ａ１）｝−１．４１×μ２］、
Ｆ３＝Ｆ１＋（Ｐ／１．７５）×［｛ｓｉｎ（ａ１）−μ１×ｃｏｓ（ａ１）｝／｛ｃｏｓ（ａ１）＋μ１×ｓｉｎ（ａ１）｝−１．４１×｛ｓｉｎ（ａ３）＋μ３×ｃｏｓ（ａ３）｝／｛（ｃｏｓ（ａ３）−μ３×ｓｉｎ（ａ３））｝
で計算される。

以上で説明したそれぞれの応力値をまとめると以下の表２のようである。

上記の表２に示すように、ノルトロックワッシャーの２つの水平面上にスライディングを防止するために必要な反力（Ｆ２、Ｆ４）が６８ＫＮとして、ワッシャーの傾斜面の上でスライディングを防止するために必要な反力Ｆ３である６０.８ＫＮより大きい。したがって、垂直軸受圧力Ｐ=１００ＫＮが加えられた場合、水平方向にナットの緩みを誘発する側面の作用力Ｆ１が３２．０ＫＮ（１００−６８．０＝３２．０）以上の大きさすら加わっても、２つの水平面でスライディングが発生し始めるが、傾斜面では、側面作用力Ｆ１が３９.２ＫＮ（１００ - ６０.８ = ３９.２）以上の大きさで加わる前にはスライディングが発生しないため、傾斜接触面５より、２つの水平接触面６,７で、先にスライディングが発生しながらナットが緩むようになる。逆に計算すると、側面の作用力Ｆ１=１００ＫＮが加えられた場合、水平接触面６,７でのスライディングの防止に必要とされる最小の垂直軸受圧力（Ｐ２、Ｐ４）は３１２.３ＫＮとして、傾斜接触面５でのスライディングの防止に必要とされる最小の垂直軸受圧力Ｐ３である２５５.２ＫＮより大きい。これは、垂直軸受圧力Ｐとして３００ＫＮが作用した場合、傾斜面は完全にスライディングが防止されている一方で、２つの水平面でスライディングが発生するということを意味する。

これにより、ノルトロックワッシャーの傾斜面より水平面で先にスライディングが発生することになるので、傾斜面でのスライディングを基本前提としたノルトロックワッシャーの緩み止め機能は発揮されないという点が構造力学的に証明された。

次に、図１９ないし図２１を参考に本発明による緩み止めワッシャー２０の場合、ワッシャーの傾斜面では、いつも先にスライディングが起こるようにすることができることを力学的な計算によって説明する。

図１９及び図２０を参考に緩み止めワッシャー２０がスライディングする際に加わる外力分布を説明する。

まず、ナット１０が緩く締められてボルトのネジ山がナットのネジ山を押す垂直軸受圧力が発生していない状態（Ｐ＝０）を仮定する。

この状態で、ナットが緩めて締められて回転方向に側面の作用力Ｆ１が加わると、初期にはワッシャーの傾斜面に摩擦力がない状態なので、ナットの底面とワッシャーの傾斜面の間でスライディングが発生する。ワッシャーの傾斜面でスライディングが進むにつれて傾斜面に垂直応力Ｒ３との摩擦抵抗力（μ３Ｒ３）が発生して、これらの傾斜面の垂直応力Ｒ３と摩擦抵抗力（μ３Ｒ３）はワッシャーの底面に水平方向回転力とともに底面２８の垂直応力Ｒ４との摩擦抵抗モーメントを発生させる。従って、ワッシャーの底面と母材との間に作用する回転モーメントが摩擦抵抗モーメントより大きい場合ワッシャーの底面と母材との間の水平接触面でスライディングが発生するものであり、摩擦抵抗モーメントより小さい場合、底面ではなく、ワッシャーの傾斜面でスライディングが発生ことが分かる。

一方、最初から一定の大きさの垂直方向軸受圧力Ｐが作用しても、側面の作用力Ｆ１による底面の垂直応力Ｒ４がＰ値を超えた後には、Ｐ=０の状態でＦ１を加えた場合と同じ結果が発生する。ここで、Ｐ値は、ナットの締め付け強度を調節することにより、任意に変更することができるので、ワッシャーの傾斜面２４とナットの底面が接触する傾斜接触面とワッシャーの底面２８と母材が接触する水平接触面のいずれかでスライディングしているかどうかは、ナットの初期の垂直軸受圧力Ｐの大きさと関係ないことを知ることができる。

これをより具体的に説明すると、次のように定義される。

まず、緩んで締められているナット１０の外側面の角部１１に側面の作用力Ｆ１がナットが緩む回転方向に加えられる。これにより、ボルトとナットのネジ山の結合部分には、ネジ山垂直応力Ｒ１が発生し、ネジ山の面に沿って摩擦抵抗力（μ１Ｒ１）が発生する。この際に、ネジ山は、一定な傾斜角ａ１をなす。

ナット１０とワッシャーの傾斜面２４との間には、傾斜面の垂直応力Ｒ３が発生し、傾斜面２４に沿って摩擦抵抗力（μ３Ｒ３）が発生する。この際に、傾斜面は、一定の傾斜角ａ２をなす。ワッシャーの底面２８と母材との水平接触面には、水平面の垂直応力Ｒ４が発生し、水平接触面に沿って摩擦抵抗力（μ４Ｒ４）が発生する。

図２１を参考にナット１０が緩む回転方向に側面の作用力Ｆ１が加えられる際にき、回転モーメントないし摩擦抵抗モーメント（Ｍ＝Ｆ×Ｌ）を計算するための各モーメントの腕の長さを定義する。まず、ネジ山が形成されたナットの雌ネジの半径はＲ１である。

側面の作用力Ｆ１が加えられる際に、発生する可能なナット１０の回転モーメントの最大の腕の長さは、回転中心からナット１０の外側面の角部１１までの鉛直距離であるＬ１と同じである。ナット１０とワッシャーの傾斜面２４との間に発生する摩擦抵抗モーメントの腕の長さで定義されるＬ３も回転中心からナット１０の外側面の角部１１までの鉛直距離であるＬ１より若干小さいかほぼ同一である。

ワッシャーの底面２８と母材との水平方向の接触面のモーメントの腕の長さは、ワッシャーの底面２８の最枠線の端に下方に突出した底面の突部２９を形成した場合に、回転中心からワッシャーの底面２８の最枠線の端までの距離またはワッシャーの底面２８の半径とほぼ同じである。

以下の表３は、本ワッシャーに加わる側面の作用力Ｆ１とワッシャーの各構成要素の値を例示する。

計算の簡略化のために、各表面からの摩擦係数はすべて同じものと仮定する。

ナットの規格は、Ｍ２０の並目ネジを目安に、雌ネジの半径（Ｒ１は１０ｍｍ、ナットの回転中心から多角形であるナットの底面の角部１３までの鉛直距離１５ｍｍ、ナットの回転中心からナットの外側面の角部１１までの鉛直距離L１は、１７.５ ｍｍであると仮定する。ネジ山の傾斜角ａ１は、ネジ山のピッチ（Ｐｉｔｃｈ）を２.５ｍｍにして導出された値であり、ワッシャーの傾斜面の傾斜角ａ２は、ワッシャーの傾斜面２４の数を６個、各傾斜面の側面を活用した係止突起２５の高さを１.５ｍｍと仮定して導出された値である。

ワッシャー２０の底面２８の最小半径で定義されるL４の長さは、上記した図５の（ｂ）に示すようにワッシャー２０）のフランジ部２７）の幅を拡張したり、図６の（ｂ）のようにワッシャーの底面２８の周りに底面の突部２９を形成してワッシャーの底面の外郭部位のみ母材に接触されるようすることで、自由に増加させることができる。これは、従来のノルトロックワッシャーと対比されるものであり、本発明の特徴的な技術構成をなす。ノルトロックワッシャーの場合、ワッシャーの半径を増加させるとワッシャーの傾斜面または下部ワッシャーと母材との間の水平接触面での摩擦抵抗モーメントが増加することになった。その結果、ナットと上部ワッシャーとの水平接触面でスライディングが発生することになるのでワッシャーの半径を自由に増加させなかった。

他の実施例によると、ワッシャー２０のフランジ部２７を拡張して、摩擦抵抗モーメントを増加させる方法以外にも、ワッシャー２０の底面２８を摩擦係数が高い材質に変更して、摩擦抵抗モーメントを増加させたり、ワッシャー２０の傾斜面２４を摩擦係数が低い材質に変更して摩擦抵抗モーメントを減少させることができる。

ワッシャーと母材の間で発生する摩擦抵抗モーメントの最小の腕の長さを示すＬ４はネジ山の半径Ｒ１からどのよう半径が増加されたを示すワッシャー半径拡大係数Kを利用して、Ｌ４＝Ｋ×Ｒ１と定義する。このＫ値は、ナットに緩み方向の回転を誘発する振動などの側面作用力Ｆ１が加えられる際に、ナットの底面とワッシャーの傾斜面の間で先にスライディングが発生した後、停止された状態を想定して、この際に側面作用力Ｆ１によってワッシャーの底面２８に誘発されたナットの緩み方向の回転モーメントの大きさが底面２８の摩擦抵抗モーメントの大きさと同じであるとして計算することで導出することができる。

実際には、ワッシャーの底面の半径がＬ４（Ｋ×Ｒ１）より大きくなると、ワッシャーの底面２８と母材の水平面でより、ナットの底面とワッシャーの傾斜面２４で、いつも先にスライディングが起こる。したがって、ワッシャーの傾斜面の角度（傾斜面の高さ）が決まると、それに応じて傾斜面のスライディングを確保することができるワッシャーの最小の半径（Ｌ４＝Ｋ×Ｒ１）が決定され、ワッシャーの底面の半径（摩擦抵抗モーメントの腕の長さ）をこの最小の半径よりさらに大きく製作することにより、ナットの緩みを完全に防止することができる。

上記の表３のように定義された緩み止めワッシャー２０において、実際のワッシャーの半径の拡大係数Ｋを計算してみると、ワッシャーの傾斜面の高さが１.５ｍｍの際に、傾斜面の傾斜角は４.６８度になって、ワッシャーの半径の拡大係数Ｋは、２.３７となる。この際に、ネジ山の半径Ｒ１が１０ｍｍなので、ワッシャーの底面の最小の半径は、L４=２３.７ｍｍとなる。したがって、実際のワッシャーの底面の半径が２３.７ｍｍよりも大きい場合ワッシャーの底面よりワッシャーの傾斜面では、いつも最初にスライディングが起きるようになる。

これらのＫ値は、算出式は次のように計算される。

まず、Ｆ１によるワッシャーの回転誘発モーメントＭ１=[１.７５* Ｒ１]* [Ｒ３*{sin（ａ２）+μ３cos（ａ２）}]であり、Ｆ１によるワッシャーの底面の摩擦抵抗モーメントＭ２=（K*Ｒ１）*μ４* Ｒ４になる。ここで、Ｒ４= Ｒ３*{cos（ａ２）-μ３sin（ａ２）}なので、回転誘発モーメントと摩擦抵抗モーメントの平衡状態（Ｍ１= Ｍ２）を仮定すると、
Ｋ＝（１．７５／μ４）×［｛ｓｉｎ（ａ２）＋μ３×ｃｏｓ（ａ２）｝／｛ｃｏｓ（ａ２）−μ３×ｓｉｎ（ａ２）｝］が導出される。

ここでは、ワッシャー半径の拡大係数Kは、水平作用力Ｆ１と垂直軸受圧力Ｐとは関係なく、ナットのネジ山の傾斜角ａ１とワッシャーの傾斜面の傾斜角ａ２に大きな影響を受けることを知ることができる。

ワッシャーの半径が２３.７ｍｍの場合と２５.０ｍｍである場合、側面の作用力Ｆ１=１００ＫＮによりワッシャーに発生する回転モーメントとワッシャ底面の摩擦抵抗モーメントを計算してみると、以下の表４のとおりである。

表４に示すように、ナットの回転モーメント（Ｆ１ * L１ = １,７５０）によって誘発されるナットのネジの摩擦抵抗モーメント（４５５）とワッシャーの回転モーメント（１,２９５ = １７５０ - ４５５）は、ワッシャーの底面の最小半径L４と関係なく一定である。一方、実際のワッシャーの底面の半径がＫ・ｒ１と同じか（Ｌ４＝２３．７ｍｍ）小さい場合には、ワッシャーの底面に作用する摩擦抵抗モーメントがワッシャーの回転モーメントと同じか小さいのでワッシャーの底面でスライディングが発生する可能性が、底面の半径がＫ・ｒ１より大きい場合（L４ = ２５.０ｍｍ）には、ワッシャーの底面に作用する摩擦抵抗モーメント（１,３６５）がワッシャーの回転モーメント（１,２９５）より大きいので、ワッシャーの底面でスライディングが発生しないようになって永久に緩みを防止することができる。

表５および表６は、本発明による緩み止めワッシャー２０の傾斜面２４の高さｈによる応力分布とワッシャの半径の拡大係数Ｋを示したものである。Ｆ１によって傾斜面２４のみでスライディングが十分発生した後停止し、ワッシャーと母材との間の水平面でスライディングが発生していない力の平衡状態を条件で計算したものである。残りのナットとワッシャの各構成要素の値は、上記の表３に規定したものと同じである。

ワッシャーの傾斜面の高さが増加することによって傾斜面でのスライディングを確保するための最小ワッシャー半径Ｌ４も増加する。しかし、ワッシャーの傾斜面の高さの増加率にワッシャー半径の増加率は１/１０レベルに過ぎないので、ワッシャーの傾斜面の変化によるワッシャーの半径の増減は、それほど大きくない。したがって、本発明によれば、必要に応じてワッシャーの半径（モーメントの腕の長さ、Ｌ４）を少しずつ増加させることで水平面での摩擦抵抗モーメントを増加させて傾斜面でのスライディングを確実に保証することができる。もちろん、水平面での摩擦抵抗モーメントを増加させる方法は、ワッシャーの半径を増加させること以外にも、摩擦係数を増加させるなど、様々な方法を並行することは、すでに上記した通りである。

これに加えて、ノルトロックワッシャーは、一定の大きさの垂直軸受圧力Ｐが加えられた状況でのみ摩擦抵抗モーメントを発生させることができたが、本発明は、垂直方向の軸受圧力Ｐが加えられていない状況であっても側面の作用力Ｆ１ が加わると、すぐに傾斜面２４による圧縮応力と摩擦抵抗力が発生するので、ボルトが緩んでいる状態でも緩み止め機能を発揮できるという別のメリットがある。なぜなら、本発明の緩み止めワッシャーは、緩みを誘発する水平方向の衝撃力Ｆ１の大きさに関係なく、常に水平面より傾斜面で先にスライディングが発生し、垂直方向の軸受圧力Ｐを増加させ、増加された軸受圧力Ｐは、傾斜面と水平面の摩擦抵抗モーメントを増加させ、好循環するからである。

次に図２２ないし図２４を参考に、本発明によるもう一つの重要な技術構成である嵌合固定片２６について説明する。

この嵌合固定片２６は、ワッシャーのボディ部２１に上記のボルト挿入孔２３の中心軸方向に向かって上方または下方に傾斜するように形成され、上記のボルトまたはナットが締また状態で、ボルトのネジ山に強く嵌合されるように構成されている。

図２２は、ワッシャーの嵌合固定片２６が下方に傾斜するように形成された実施例を示す。図２２の（ａ）に示すように、ナット１０が締まる方向に回転するようになると、ナット１０の底がワッシャーのボディ部２１の上部面２２に接触され続けて下降することになる。これにより、ワッシャーの嵌合固定片２６がネジ軸方向に加圧されて、徐々に水平に伸ばされるようになって、図２２の（ｂ）のように、最終的にボルト２の胴体のネジ山との間に圧着されて嵌合される。その結果、上記の嵌合固定片２６がボルト２の胴体を強力に噛むことで、衝撃と振動などの外力によるワッシャーの揺らぎを防止し、緩み止めワッシャー２０と母材１との間の摩擦抵抗力に加えて緩み止めワッシャー２０とボルト２の胴体との間の相対回転に抵抗する摩擦抵抗力を発生させ、これはナットとワッシャーの傾斜面２４で一番最初にスライディングが発生するように補助する。

特に、このような嵌合固定片２６は、ナットとワッシャーに加わる衝撃と振動などの外力によってワッシャーが先に微細に緩む方向に回転してナットがついて回る現象を繰り返しながら緩むようになる問題点も源泉的に解消させる。なぜなら、複数の嵌合固定片がボルトのネジ山を強く噛んでいるので、ワッシャーがナットよりも先に逆回転するとすれば、ボルトのネジ山に沿って回転しながらネジ軸方向に移動しなければならないが、ナットの底面により移動経路が詰まっているのでワッシャーがナットより先に緩む方向に回転することができないからである。

さらに、図２２の（ｂ）に示すように、ボルト２のネジ山が螺旋状に形成されているので、ボルト２の軸方向を基準に左右に形成されたネジ山の高さが異なるようになる。したがって、緩み止めワッシャー２０の嵌合固定片２６が強く嵌合されるボルトのネジ山の位置（Ａ、Ｂ）の高さが変わってきて、その結果、ナット１０とボルト２の胴体との間に偏心が発生して、摩擦抵抗力をさらに増加させる。

図２３はワッシャーの嵌合固定片２６が上方に傾斜するように形成されている実施例を示す。嵌合固定片２６の傾斜方向を除いては、図２２を参考に説明した実施例と動作の関係が同じであるため、これに対する詳細は省略することにする。

図２４は、ワッシャーの嵌合固定片２６の端部形状に関する様々な変形例を示す。図２４の（ａ）に図示された鋸歯型は、嵌合固定片２６の端部が鋸歯状になされたものであり、これらの鋸歯がボルト２のネジ山を上下にずらして噛むのでワッシャーの位置固定力を向上させる。図２４の（ｂ）に図示された先鋭型は嵌合固定片２６の端部が尖った形状からなるものであり、ボルト２の胴体を食い込む単位面積当たりの軸受圧力を増加させる。図２４の（ｃ）に図示された櫛型は嵌合固定片２６の端部が半径方向に沿って複数個に割れた形状からなるものであり、振動と衝撃によって端部が破損しないよう緩衝機能を提供してくれる。図２４の（ｄ）に図示された複合形は、上述した鋸歯型と櫛型を繰り返し実施したものであり、両変形例のメリットを複合的に示す。

最後に、図２５及び図２６に示すように、本発明の緩み止めワッシャーはナットまたはボルトヘッドの大きさを増加させることができる補助シューズをセットで備えることができる。図２５には、四角ワッシャーに挿入することができる四角形の補助シューズ４０が例示されており、図２６には、六角ワッシャーに挿入することができる六角形の補助シューズ４０が例示されている。

現在販売されているナットまたはボルトヘッドの大きさは規格によって非常に様々である。これらの規格をすべて満足させるために、様々な直径を有する緩み止めワッシャーを製造することもできる。

しかし、他の実施例として図２５及び図２６に示すように、本発明による緩み止めワッシャー２０の規格は、通常のナット１０またはボルトヘッドの大きさより少し大きく製造し、補助シューズ４０を用いてナット１０またはボルトヘッドの大きさを緩み止めワッシャー２０の規格に合わせて増加させる方法も使用可能である。相対的に複雑な形状を有する本発明による緩み止めワッシャー２０の規格は、いくつかのみに標準化して、より簡単な形態で製造可能な補助シューズ４０をナットまたはボルトヘッドの大きさに合わせて、さまざまな規格で製造することにより、生産および使用の上の利便性を向上することができる。

さらに、図２５に示すように、補助シューズ４０を用いると、六角形のナット１０を四角形の緩み止めワッシャー２０に用いることもできる。その結果、六角形の緩み止めワッシャー２０を用いる場合より傾斜面の長さの増加、傾斜角の下げおよび係止突起の高さを高める効果により安定した係止および緩み止め機能を発揮することができる。

最後に、図２７は、本発明による底面の固定突起２８ａを示す。この底面の固定突起２８ａは、緩み止めワッシャー２０の底面２８に三角の形状を有する複数の突起が下方に尖って配列される。この底面の固定突起２８ａは、ナットが締まる方向に回転する際に母材の表面を引っかきながら掘り下げるため母材の表面に傾斜面が形成され、ワッシャーが緩む方向に回転することを防止する摩擦抵抗モーメントを増加させることができる。また、このような底面の固定突起２８ａの数を２〜３個で最小化したり、固定突起２８ａの高さをお互いに異なるように形成すれば母材を掘り下げる単位面積当たりの軸受圧力が極大化されて、ボルトとナットのネジ軸の間に偏心発生による摩擦抵抗力の増加も誘導することができる。

以上のように本発明では具体的な構成要素などのような特定事項と限定された実施例および図面により説明されたが、これは本発明のより全般的な理解を助けるために提供されるものだけであり、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明が属する分野で通常的な知識を有する者であれば、このような記載から様々な修正および変形ができる。

したがって、本発明の思想は説明された実施例に局限されて決められてはいかなく、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等したり等価的な変形があるすべてのものが本発明の思想の範疇に属するとする。

１：母材
２：ボルト
１０：ナット
１１：外側面の角部
１３：底面の角部
２０：緩み止めワッシャー
２１：ボディ部
２２：上部面
２３：ボルト挿入孔
２４：傾斜面
２５：係止突起
２６：嵌合固定片
２７：フランジ部
２８：底面
２８ａ：底面の固定突起
２９：底面の突部
３０：傾斜屈曲片
３１：傾斜突起片
４０：補助シューズ
ａ１：ネジ山の傾斜角
ａ２：ワッシャーの傾斜角

Claims (12)

1. 中央にボルト挿入孔が形成されて、上部面にボルトヘッドまたはナットが安着されるワッシャーのボディ部；
   上記のワッシャーのボディ部に上記のボルトまたはナットが締められる方向に回転する際に、上記のボルトヘッドまたはナットの角部がかかるように形成された係止突起；および
   上記のワッシャーのボディ部の上部面に上記のボルトまたはナットが緩める方向に回転する際に、上記のボルトヘッドまたはナットの底面と接触されて上記のボルトヘッドまたはナットが乗り上がるように形成された傾斜面；が含まれることを特徴とする緩み止めワッシャー。
2. 上記の係止突起および傾斜面は上記のボルト挿入孔の中心軸を基準に一定半径で画かれる円の円周方向に沿って複数個が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の緩み止めワッシャー。
3. 上記の係止突起は多角形である上記のボルトヘッドまたはナットのそれぞれの角部に一対一に対応されるように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の緩み止めワッシャー。
4. 上記の傾斜面は上記のボルトまたはナットが緩められる方向に回転する際に、上記のボルトヘッドまたはナットがネジ山を乗り前進するボルトのネジ軸方向の移動距離より上記のボルトヘッドまたはナットが上記の傾斜面を乗って上がりながら前進するボルトのネジ軸方向の移動距離がより大きくなるように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の緩み止めワッシャー。
5. 上記の傾斜面は上記のナットの底面の角部に対応する線の外側に形成された側面の傾斜面と上記のナットのそれぞれの底面の角部に対応する線の内側に延長形成された底の傾斜面を含むことを特徴とする、請求項１に記載の緩み止めワッシャー。
6. 上記のワッシャーのボディ部には上記のボルト挿入孔の中心軸に向けて、下方または上方に傾斜になるように形成されて、上記のボルトまたはナットが締められた状態でボルトのネジ山に嵌合される嵌合固定片が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の緩み止めワッシャー。
7. 上記のワッシャーのボディ部にはその周りに沿ってフランジ部が延長形成されることを特徴とする、請求項１に記載の緩み止めワッシャー。
8. 上記のワッシャーのボディ部は多角形で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の緩み止めワッシャー。
9. 上記のワッシャーのボディ部の底面にはその縁に沿って下方に突出形成された底面の突部が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の緩み止めワッシャー。
10. 上記のワッシャーのボディ部の底面には複数個の底面の固定突起が下方に細く突出形成されることを特徴とする、請求項１に記載の緩み止めワッシャー。
11. 上記の係止突起と傾斜面は平たい板材の形態になった上記のワッシャーのボディ部の一部を上記のボルトヘッドまたはナットの角のラインに沿って一定な形状で切り開けて、切り開けた部分を上部に曲げ加工して作った傾斜屈曲片により一体で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の緩み止めワッシャー。
12. 上記の係止突起と傾斜面は平たい板材の形態になったワッシャーのボディ部の上部面に上記のボルトヘッドまたはナットの角部のラインに沿って一定な長さを有するように突出形成される傾斜突起片により一体で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の緩み止めワッシャー。

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