JP2017530312A - 二元的表皮深さのワッシャーを有するファスナー - Google Patents

Abstract

【解決手段】 ファスナー(10)は、ピン部材(12)を含み、前記ピン部材が、第１端部、前記第１端部に対向する第２端部及び外面を有する円筒形シャンク部(18)を有する細長いシャンク(16)と、前記細長いシャンク(16)の第１端部に配置され、下面に座面(24)を有するヘッド(20)と、前記細長いシャンク(16)の第２端部に形成されたネジ部(22)とを含む。ファスナー(10)は、ピン部材(12)のヘッド(20)の座面(24)に当てて配置されたワッシャー(14)を含む。ワッシャー(14)は、外面を含み、前記外面に少なくとも１つの誘電ガスケット層が配置されている。【選択図】 図２

Description

＜関連出願の記載＞
本出願は、共同所有されている同時継続中の米国仮特許出願第６２／０５１６９３号（２０１４年９月１７日出願）発明の名称「FASTENERS WITH DUAL SKIN DEPTH WASHERS」の利益を主張した出願であって、前記仮特許出願は、引用を以てその全体が本明細書に組み込まれる。

＜発明の分野＞
本発明は、ファスナーに関するものであり、より具体的には、二元的な表皮深さ(skin depth)を有するワッシャーを具えたファスナーに関する。

連続繊維強化複合物（ＣＦＲＰｓ）は、軽量、高強度及び耐腐食性が主な関心事である主要航空機部品及び二次航空機部品の両部品における様々な用途に広く使用されている。複合物は、典型的には、微細炭素繊維からなり、特定の方向に配向され、支えとなるポリマーマトリックスに包囲される。積み重ねられた複合材料は、主負荷の方向に応じて様々な角度で配置され、得られる構造は一般的には積み重ねられた積層構造であるため、異方性及び不均一性が大きい。複合構造のかなりの部分は、ニアネットシェイプとして製造されるが、機械的ファスナーを使用して構成要素の接合を容易にするためにドリル孔が開けられる。個々の炭素繊維は不規則な角度で破断し、ファスナーと孔との間に微小な空隙が形成されるから、複合物にファスナー孔をドリル加工することは、アルミニウム又はスチールの均一性とは比較にならない。切削工具が摩耗すると、表面の欠けが増加して、切断されていない繊維又は樹脂の量及び剥離が増加する。このような欠陥を含む複合物微細構造は、「機械加工に起因するミクロテクスチャ(machining-induced micro texture)」と呼ばれる。

航空機の複合構造物は、それらの機械加工の課題に加えて、金属構造物に比べて雷の被害を受けやすい。アルミニウムのような金属材料は非常に導電性であり、落雷による高電流を放散させることができる。炭素繊維は、電流の流れに対してはアルミニウムより１００倍もの抵抗性がある。同様に、炭素繊維と組み合わせてマトリックスとしてしばしば使用されるエポキシは、アルミニウムより１００万倍も抵抗性が高い。航空機の複合物構造は局部的に、異方性の電気導体のように挙動することがしばしばある。それゆえ、炭素繊維とエポキシに固有の高抵抗性、多層構造及び異方性構造のために、複合物構造の落雷保護はより複雑になる。商業用航空機は、平均して、少なくとも１年に１回、落雷に見舞われているという推測もある。雷雨の中や周囲を飛行する航空機は、直接又は近くで落雷を受けることがしばしばあり、航空機にコロナやストリーマの生成を生じることがある。そのような場合、落雷放電は、一般的には航空機で発生し、航空機から外に向けて広がる。放電が起こっている間、落雷地点(point of attachment)は航空機のノーズから様々なパネルに移動して、航空機の外板(スキン)に影響を及ぼす。放電は、通常、尾翼を通って航空機構造から出て行く。

落雷による燃料蒸気発火に対する航空機燃料システムの保護はさらに重要である。商業用航空機には比較的多量の燃料が入れられ、非常に敏感な電子機器も具えているため、運転に際しては、落雷保護に関する特定の要件を充足しているという証明が求められる。ファスナーは、落雷電流が航空機のスキンからスパー又はリブ等の支持構造物へ流れる主要な経路となり易いこと、また、ファスナー本体と構造物の部品との間に電気接触不良は、ファスナーと複合物に対して、アーク放電、スパーク発生、内部のプラズマ生成、表面高温度、熱電子放出及び高蒸気圧等の悪影響を及ぼす。

ファスナーと複合構造物との界面で落雷に起因するこれらの悪影響を回避するために、航空機の中には、ファスナーとＣＦＲＰ穴とが緊密に接触するファスナーを使用するものがある。金属が露出したファスナーと複合構造物の穴との間で密接に接触することが、電流の放散を向上させることは知られている。ファスナーと複合物の穴とを密着させるための１つの方法は、スリーブ型ファスナーを使用することである。この方法は、最初に、穴の中に密着スリーブを挿入する。次に、ピンが締まり嵌めでスリーブに入れられる。これは、スリーブを膨張させることにより、複合構造の中のＣＦＲＰ穴とが接触状態におかれる。スリーブ型ファスナーは、ファスナーと複合構造物との間の隙間を実質的に減少させることはできるが、内穴表面にドリル加工で生じた微細テクスチャの存在によって生じる小さな隙間を無くすことはできない。機械加工に起因するテクスチャはまた、過剰の燃料タンクシーラントや絶縁誘電材料を取り込むため、スリーブと穴との密接な接触を妨げる。この状態は、切削工具が摩耗するにつれて更に悪化し、表面の不規則性はより大きくなり、機械加工によって生じる欠陥がより大きくなる。さらに、これらのサイズ拡大した穴は、追加のスリーブ厚さに適合させるために、ドリル加工される必要があり、構造のさらなる重量化を招く。

落雷に起因するこれら種類の状態を緩和するには、高振幅過渡電流が、表面に埋め込まれた炭素繊維構造及び銅メッシュの全体に分布されなければならず、電流の大部分は、ＣＦＲＰ抵抗率の異方性により、ファスナー穴に直交する方向である。ファスナーが穴の内側と密接に接触しない場合、周波数に依存する表皮深さ領域内に含まれるジュール加熱エネルギーが、金属表面層及び隣接するシーラント層を溶融して、高蒸気圧領域を生じる。落雷による典型的な放電は、１０〜１００クーロンの電荷を放出し、誘電層及び隙間領域の全域に大きな電圧差が生じる。これらの高い電場は、電圧破壊現象をもたらし、この現象は蒸気圧の増加（高粒子密度）によって加速され、アーク放電及びスパーク発生を生じる。これらの効果は、内部プラズマ（イオン化ガス）形成の触媒であり、ファスナーと穴との間の容積内部では高温度及び高内部圧力に達する。金属ファスナーに固有の高い導電率と航空機構造に使用される多数のファスナーとが組み合わされると、ファスナーに落雷する雷アタッチメント(lightning attachment)の確率の高い状態が作り出され、これらの効果を形成する。

新しい航空機の開発及び避雷に関する規制要件の変更により、スリーブ型ファスナーシステムを収容できない航空機構造領域に適合するファスナー構造が必須となっている。多くの状況において、穴のサイズ及びファスナーの近似性は機械的な制約のために限定されるので、落雷から保護するために、代替となるファスナーの設計が必須である。雷電流の分布は、ファスナーとＣＦＲＰとの間での良好な電気的接触の確立に大きく依存する。複合システムの多くは、ファスナーと穴とがファスナーの取付け中に締まり嵌めされるので、炭素繊維の破損や大きな剪断力が生じ、複合層内で剥離や破損（割れ）の機構が生じる。

＜発明の開示＞
一実施形態において、ファスナーはピン部材を具え、前記ピン部材が、第１端部、前記第１端部に対向する第２端部、及び外面を有する円筒形シャンク部を有する細長いシャンクと、前記細長いシャンクの第１端部に位置し、下面に座面(bearing surface)を有するヘッドと、前記細長いシャンクの第２端部に位置するネジ部とを含み、前記ファスナーは、ピン部材のヘッドの座面に当てて配置されたワッシャーをさらに含み、前記ワッシャーが、外面と、前記外面に配備された少なくとも１つの誘電ガスケット層と、を含む。一実施形態において、ワッシャーは金属から作られる。一実施形態において、ワッシャーは銅から作られる。一実施形態において、ワッシャーは銀から作られる。一実施形態において、ワッシャーの少なくとも１つの誘電ガスケット層は第１コーティングを含む。一実施形態において、第１コーティングは、導電性金属のコーティングを含む。一実施形態において、少なくとも１つの誘電ガスケット層は、複数の誘電ガスケット層を含む。

一実施形態において、ピン部材のヘッドの座面は、第２コーティングで被覆される。一実施形態において、第２コーティングは、タングステン、モリブデン、銅及び耐火セラミックからなる群から選択される。一実施形態において、ピン部材の円筒形シャンク部の外面は第２コーティングで被覆される。一実施形態において、ピン部材のネジ部は第３コーティングで被覆される。一実施形態において、第２コーティングはＴＥＦＬＯＮ（登録商標）ＰＴＦＥである。一実施形態において、ワッシャーは、テクスチャ加工された外面を含む。

一実施形態において、ファスナーは、構造の穴の中に配備されるように構成され、ピン部材と、前記ピン部材のヘッドの下面に配置されたワッシャーとを含む。一実施形態において、ファスナーはロッキング部材を含む。一実施形態において、ロッキング部材はナットである。一実施形態において、ピン部材はボルトである。一実施形態において、構造は複合構造を含む。他の実施形態において、構造は金属構造を含む。他の実施形態において、構造は、繊維金属ラミネート構造を含む。

一実施形態において、ワッシャーは、二元的な(dual)表皮深さ(skin-depth)を有する金属ワッシャーである。一実施形態において、ワッシャーは、薄肉の誘電層を有する低抵抗金属ワッシャー（例えば、約１０^−６〜約１０^−８Ω＊ｍ）である。他の実施形態において、ワッシャーは、誘電層を有しない低抵抗金属ワッシャーである。一実施形態におけるワッシャーの厚さは、ファスナーに沿って流れる電流が増加し、その電流がファスナーが取り付けられる構造の炭素繊維複合物層の中に流れるように最適化された表皮深さが得られる厚さが選択される。幾つかの実施形態において、ワッシャーのコーティングの厚さは、約１０ミクロン〜約２５０ミクロンの範囲である。一実施形態において、ワッシャー表面とピン部材のヘッドの下面とは誘電層によって分離されているので、表皮深さの電流通路の並列化が可能となり、これによって、ファスナーの電気入力インピーダンスが効果的に低減される。一実施形態において、ワッシャーは軟質金属材料であり、取付け時に変形して、複合構造の炭素繊維と小さな空隙とに密接に接触する。

一実施形態において、ファスナーと複合物との界面における選択された領域との間で良好な電気接触を達成し、構造の穴への損傷を低減するために、ファスナーは、特別材料のコーティングと共に、ファスナー／複合物システムの電磁特性を利用して高電流の流れを達成し、表面のジュール加熱を低減する。一実施形態において、約１０^−６〜約１０^−８Ω＊ｍの低抵抗金属及び合金は、２０００℃を超える溶融温度を有しており、これをファスナーの複層コーティングに使用して、表面間の電荷移動を向上させ、渦電流生成を選択的に制御することにより表皮深さ厚さを改善する。他の実施形態において、低抵抗金属及び合金は、上記した約１０^−６〜約１０^−８Ω＊ｍよりも大きな抵抗を有することができる。一実施形態において、高電圧分離の特徴は、低漏洩、フラッシュオーバー保護及び耐トラッキング性を有する特別な誘電コーティングを施すことによって組み込まれる。

図１は、第１の材料でコーティングが施されたピン部材の一実施形態を示す図である。

図２は、第１の材料及び第２の材料でコーティングが施されたピン部材の一実施形態を示す図である。

図３は、ワッシャーの一実施形態の斜視図である。

図４は、図１に示されたピン部材と、図３に示されたワッシャーとが互いに組み立てられた組立体の斜視図である。

図５Ａは、ワッシャーの二元的表皮深さの特徴を示す模式図である。 図５Ｂは、ワッシャーの二元的表皮深さの特徴を示す模式図である。

図１〜図４を参照すると、一実施形態において、ファスナー１０は、ピン部材１２と、ピン部材１２に取り付けられたワッシャー１４とを含む。一実施形態において、ピン部材１２は、滑らかな円筒形シャンク部１８を有する細長いシャンク１６と、前記滑らかな円筒形シャンク部１８の一端部にあるヘッド２０と、前記滑らかな円筒形シャンク部１８の反対側端部にあるネジ部２２と、を含む。一実施形態において、ヘッド２０は皿形(countersunk)ヘッドである。一実施形態において、ヘッド２０は、その下面に座面２４を含む。一実施形態において、ピン部材１２はチタンから作られる。一実施形態において、座面２４を含むヘッド２０の外面と滑らかな円筒形シャンク部１８は、コーティング２６で被覆される。一実施形態において、コーティング２６はタングステンである。別の実施形態において、コーティング２６はチタン、タンタル及びニオブのような耐熱金属である。別の実施形態において、コーティング２６は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、アルミノシリケート（例えば、Ａｌ_２ＳｉＯ_５）、シリカ（ＳｉＯ_２）又は他の金属酸化物のような耐火セラミック、及びマグネサイト、ドロマイト又はクロム鉱石から作られた材料である。別の実施形態において、ヘッド２０の外面のみがコーティング２６で被覆される。別の実施形態では、滑らかな円筒形シャンク部１８の外面のみがコーティング２６で被覆される。図２を参照すると、一実施形態において、滑らかな円筒形シャンク部１８は、第１コーティングで被覆され、ネジ部は、前記第１コーティングとは異なる第２コーティングで被覆される。一実施形態において、滑らかな円筒形シャンク部１８はタングステンでコーティングされ、ネジ部２２は、ＴＥＦＬＯＮ ＰＴＦＥでコーティングされる。幾つかの実施形態において、滑らかな円筒形シャンク部１８は、他の全てのコーティングをカバーするＴＥＦＬＯＮコートを有する。他の実施形態において、ネジ部２２は、ポリマーマトリックスコーティング等の他のコーティング又はＮＡＳ４００６の規定に適合するあらゆる他のコーティングで被覆されることができる。

図２〜図４を参照すると、一実施形態において、ワッシャー１４がピン部材１２に取り付けられる。一実施形態において、図２及び図４に示されるように、ワッシャー１４は、ピン部材１２のヘッド２０の座面２４に当てて配備される。一実施形態において、ワッシャー１４は円錐台形状である。一実施形態において、ワッシャー１４は金属から作られる。一実施形態において、ワッシャー１４は銅から作られる。他の実施形態において。ワッシャー１４は銀から作られる。一実施形態において、ワッシャー１４は、外面と、前記外面に配置されたた少なくとも１つの誘電ガスケット層とを含み、表皮深さが２通りあるという特徴を具える。一実施形態において、誘電ガスケット層は、プラズマ蒸着法、電気溶着又は他のコーティング法を用いて形成される。他の実施形態において、ワッシャー１４は、銀、金、タングステン、アルミニウム及びチタン等の導電性金属のコーティングを有する誘電ワッシャーである。一実施形態において、ワッシャー１４はチタンに直流電流適合性(galvanically compatible)の金属（例えば、ガルバニック腐食を軽減する金属）から作られる。幾つかの実施形態において、ワッシャー１４のコーティング２６の厚さは、約１０ミクロン〜約２５０ミクロンであり、これは最適な電流−重量比を達成するための周波数依存性表皮深さに基づく。他の実施形態において、ワッシャー１４は、テクスチャ加工された表面を含む。一実施形態において、ワッシャー１４のテクスチャ加工面と金属可鍛性が、ファスナーと構造内の炭素繊維との電気接触の向上をもたらす。一実施形態において、構造は、複合構造を含む。他の実施形態において、構造は金属構造を含む。他の実施形態において、構造は繊維金属ラミネート構造を含む。

図５Ａ及び図５Ｂは、ワッシャー１４について２通り表面深さの特徴の一実施形態を示す。ワッシャー１４の表皮深さ層はδとして示される。図５Ａ及び図５Ｂに示されるように、金属が露出したワッシャーは、誘導される渦電流がコア電流を打ち消し、結果として、表面の電流の流れが表面より下の表皮深さ層δの中に集められる。一実施形態において、ワッシャー１４の表面は、δ／１０にほぼ等しい厚さを有する高絶縁酸化物層でコートされる。この酸化物層は、次に、タングステン等の高導電層でコートされる。図５Ａ及び図５Ｂに示されるように、高導電層は、離された流れ(uncoupled flow)と同様、渦電流の生成を防止する。このように、表皮深さ層δ内での渦電流の流れは、高導電層とは分離される。

一実施形態において、ファスナーの取付方法は次の通りである。
（１）ヘッドを有するピン部材を準備する。一実施形態において、ピン部材はボルトである。
（２）ピン部材のヘッドの下に誘電ワッシャーを挿入する。
（３）誘電ワッシャーの上に第２の金属ワッシャーを挿入する。
（４）ピン部材とワッシャーを、複合構造の穴の中に取り付ける。

他の実施形態において、ファスナーの取付方法は次の通りである。
（１）ヘッドを有するピン部材を準備する。一実施形態において、ピン部材はボルトである。
（２）ピン部材のヘッドの下に金属ワッシャーを挿入する。
（３）ピン部材とワッシャーを、複合構造の穴の中に取り付ける。

一実施形態において、ファスナー１０は、その取付中に剪断力が生じるのを防止するように構成される。この剪断力は、通常、締まりばめによる炭素繊維複合パネルに重大な損傷をもたらすためである。一実施形態では、ファスナー１０は、落雷による電流を、ファスナー１０から、電気的に絶縁されたワッシャー１４を通じて周囲の炭素繊維複合物へ流すため、ヘッド１８の座面２４にある表皮深さが調節された表面層の電流密度を低減する。一実施形態において、ワッシャーのガスケット層は、電圧差が極く小さいため、渦電流の形成を最小に抑えて、誘電破壊を防止する。一実施形態において、ファスナー１０の電気的特徴は、電流を分配するための低インピーダンス表皮深さ導電領域が複数存在することにより、プラズマの発生を低減してアーク放電現象を防止する。一実施形態において、ワッシャー１４は、軟質金属から作られ、ファスナー１０に直接接触して、表皮深さの大きな改良をもたらし、電流の流れを向上させる。一実施形態において、ワッシャー１４の表面とピン部材１２のヘッド２０の座面２４とが、ワッシャー１４の誘電層によって分離されるので、表皮深さの並列導電経路が可能となり、ファスナー１０の電気入力インピーダンスが５０％以上効果的に低減される。なお、他の実施形態において、ワッシャー１４に誘電層が無い場合でも、表皮深さの並列導電経路は、ファスナー１０の電気入力インピーダンスを４０％以上を効果的に低減することができる。

一実施形態において、ワッシャー１４の可鍛性特徴は、複合構造の炭素繊維との密接な接触を可能にする。この明細書で使用される「密接な接触(intimate contact)」という語は、ワッシャー１４の外面が変形して、ワッシャー１４と複合構造との間の全ての空隙又は実質的に全ての空隙に進入することを意味する。ワッシャー１４は電荷の蓄積を低減し、ファスナー縁部の上面に沿って銅メッシュの中及びヘッド２０の下へ流れる電流を増加させる。鋭い角部と屈曲部は高抵抗領域を提供するので、複数の導電経路は、高温スポットを加熱する高温度ジュールの生成を調節する上で重要である。誘電ワッシャーシステムは、２通りの導電経路の存在を可能にし、電流負荷を低減するだけでなく、銅メッシュとの電気接触に傷害が起きた場合に、少なくとも別の導電経路を利用することができる。

この明細書に記載した実施形態は、単なる例示であって、当業者であれば、発明の精神及び範囲から逸脱することなく多くの変更及び変形を成し得ることは理解されるべきである。そのような変更及び変形は、発明の範囲に含まれることが意図される。

Claims (13)

1. ピン部材と、前記ピン部材に取り付けられたワッシャーと、を具えるファスナーであって、
   前記ピン部材が、第１端部、前記第１端部に対向する第２端部、及び外面を有する円筒形シャンク部を有する細長いシャンクと、前記細長いシャンクの第１端部に位置し、下面に座面を有するヘッドと、前記細長いシャンクの第２端部に位置するネジ部とを含み、
   前記ワッシャーが、ピン部材のヘッドの座面に当てて配置されており、外面を含み、前記外面に少なくとも１つの誘電ガスケット層が配置されている、ファスナー。
2. ワッシャーは金属から作られる、請求項１のファスナー。
3. ワッシャーは銅から作られる、請求項２のファスナー。
4. ワッシャーは銀から作られる、請求項２のファスナー。
5. ワッシャーの少なくとも１つの誘電ガスケット層は第１コーティングを含む、請求項２のファスナー。
6. 第１コーティングは導電性金属のコーティングを含む、請求項５のファスナー。
7. 少なくとも１つの誘電ガスケット層は複数の誘電ガスケット層を含む、請求項６のファスナー。
8. ピン部材のヘッドの座面は第２コーティングで被覆される、請求項６のファスナー。
9. 第２コーティングは、タングステン、モリブデン、銅及び耐火セラミックからなる群から選択される、請求項８のファスナー。
10. ピン部材の円筒形シャンク部の外面は第２コーティングで被覆される、請求項８のファスナー。
11. ピン部材のネジ部は第３コーティングで被覆される、請求項１０のファスナー。
12. 第２コーティングはＴＥＦＬＯＮ ＰＴＦＥである、請求項１１のファスナー。
13. ワッシャーは、テクスチャ加工された外面を含む、請求項２のファスナー。

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