JP2018526584A - 適合性シールを有するコーティングされたファスナー - Google Patents

Abstract

【解決手段】 ファスナーのためのピン部材(12)は、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む。ピン部材は全体がコーティングで被覆されている。適合性シール(24)がピン部材に取り付けられ、適合性シールは、ファスナーが取り付けられるとき、ファスナーから加えられる軸方向の負荷を受けて、ピン部材のヘッドの座面と周囲構造との間の微小空隙を満たす。シール要素は、ピン部材と分離しており、ピン部材とは区別される。シール要素は、便宜上の理由からピン部材に取り付けられるが、ファスナーから加えられる力に反応して、ピン部材及び周囲構造から独立して変形することができる。【選択図】 図１

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６２／０５１６０２号（２０１４年９月１７日出願）発明の名称「FASTENERS WITH COATED AND TEXTURED PIN MEMBERS」の利益を主張した同時継続中の米国特許出願第１４／８５４２２３号（２０１５年９月１５日出願）発明の名称「FASTENERS WITH COATED AND TEXTURED PIN MEMBERS」の利益を主張し、これら特許出願は、引用を以てその全体が本明細書に組み込まれる。本出願はまた、共同所有されている同時継続中の米国仮特許出願第６２／２１１２５０号（２０１５年８月２８日出願）発明の名称「CONFORMING CONICAL SEAL FOR FASTENERS」の利益を主張し、その全体が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、コーティングが施されたピン部材と円錐形の適合性シール(conforming conical seals)とを有するファスナーに関する。

連続繊維強化複合物は、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、複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があると、ファスナーがアーク放電又はスパーク発生を起こす問題のあることは広く知られた事実である。

ファスナーと複合構造物との界面での発火の可能性を回避するために、航空機の中には、ファスナー穴と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、電流を放散させるための最良の条件であ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。この方法では、最初に穴の中に密着スリーブを挿入する必要がある。次に、締まり嵌め(interference fit)ピンが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、複合構造物の穴の壁との接触状態が得られる。スリーブは、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、複合物の内穴表面全体にドリル加工によるテクスチャが存在することによって生じる小さな隙間は無くすことはできない。この機械加工に起因するテクスチャはまた、過剰のシーラントや絶縁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、機械加工に起因する欠陥はさらに大きくなる。

この状態を避けるために、電流は、ファスナー穴の内面に沿って露出した炭素繊維を介して逸散させなければならない。もし、ファスナーが穴の内側に密接に接触していないと、落雷によって瞬時に生じるジュールエネルギーにより、隙間内にプラズマを生成し、これが空気／金属蒸気をイオン化して圧力を蓄積し、スパーク又は高温粒子を放出する形態で噴出する。金属ファスナーに固有の高導電性と、航空機構造に用いられるファスナーの数の多さ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、ピン部材と、シール要素と、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、下面に位置する座面を含むヘッドと、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、前記シール要素が、ピン部材に取り付けられ、ピン部材のヘッドの座面と並置されている。一実施形態において、シール要素は銅から作られている。一実施形態において、シール要素は、第１側部及び前記第１側部に対向する第２側部を有するシール部と、前記シール部の第１側部から延在するリップとを含む。一実施形態において、リップは、シール部から角度をつけて延在する。一実施形態において、シール要素は、シール部の側部から軸方向に延在する筒状部を含む。一実施形態において、シール要素は、約５ミクロン〜約１００ミクロンの厚さを含む。一実施形態において、ピン部材はコーティングを含む。一実施形態において、コーティングは金属コーティングである。一実施形態において、金属コーティングは、金、銀及び銅からなる群から選択される。一実施形態において、コーティングは、２０％ＩＡＣＳより高い導電率を有する材料から作られる。

一実施形態において、ピン部材のヘッドは、コーティングで被覆される。一実施形態において、ピン部材の円筒形シャンク部の外面はコーティングで被覆される。一実施形態において、ピン部材のヘッド及び円筒形シャンク部はコーティングで被覆される。一実施形態において、ピン部材のネジ部及び該ピン部材の円筒形シャンク部はコーティングで被覆される。一実施形態において、ピン部材は全体がコーティングで被覆される。

一実施形態は、構造(structure)と前記構造内に取り付けられたファスナーとの組合せであって、ファスナーは、ピン部材と、シール要素と、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、下面に位置する座面を含むヘッドと、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、前記シール要素が、ピン部材に取り付けられ、ピン部材のヘッドの座面と並置されている。一実施形態において、構造は、複合材料を含む。一実施形態において、構造は、実質的に複合材料から作られる。一実施形態において、構造は、部分的に複合材料から作られる。一実施形態において、構造は、金属材料を含む。一実施形態において、金属材料はアルミニウムである。一実施形態において、構造は、実質的に金属材料から作られる。一実施形態において、構造は、部分的に金属材料から作られる。

一実施形態は、ファスナーを製造する方法であって、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、を含むピン部材を準備するステップと、シール要素を、ピン部材のヘッドの座面に並置された位置に取り付けるステップと、を含む。一実施形態において、方法は、ピン部材の少なくとも一部にコーティングを施すコーティングステップを含む。一実施形態において、コーティングは金属コーティングである。一実施形態において、金属コーティングは、金、銀及び銅からなる群から選択される。一実施形態において、コーティングは、２０％ＩＡＣＳより高い導電率を有する材料から作られる。一実施形態において、コーティングステップは、ピン部材のヘッドにコーティングを施すことを含む。一実施形態において、コーティングステップは、円筒形シャンク部の外面にコーティングを施すことを含む。一実施形態において、コーティングステップは、ピン部材のヘッド及び円筒形シャンク部にコーティングを施すことを含む。一実施形態において、コーティングステップは、ピン部材のネジ部及び円筒形シャンク部にコーティングを施すことを含む。一実施形態において、コーティングステップは、ピン部材の全体にコーティングを施すことを含む。

一実施形態は、ファスナーを構造に取り付ける方法であって、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、を含むピン部材と、前記ピン部材のヘッドの座面に並置されるように構成されたシール要素と、を有するファスナーを準備するステップ、及び、ファスナーを構造内の取付位置に取り付けるステップを含む。一実施形態において、方法は、ピン部材の少なくとも一部にコーティングを施すコーティングステップを含む。一実施形態において、コーティングは金属コーティングである。一実施形態において、金属コーティングは、金、銀及び銅からなる群から選択される。一実施形態において、コーティングは、２０％ＩＡＣＳより高い導電率を有する材料から作られる。一実施形態において、コーティングステップは、ピン部材のヘッドにコーティングを施すことを含む。一実施形態において、コーティングステップは、円筒形シャンク部の外面にコーティングを施すことを含む。一実施形態において、コーティングステップは、ピン部材のヘッド及び円筒形シャンク部にコーティングを施すことを含む。一実施形態において、コーティングステップは、ピン部材の円筒形シャンク部及びネジ部にコーティングを施すことを含む。一実施形態において、コーティングステップは、ピン部材の全体にコーティングを施すことを含む。一実施形態において、構造は、実質的に複合材料から作られる。一実施形態において、構造は、部分的に複合材料から作られる。一実施形態において、構造は、金属材料を含む。一実施形態において、金属材料はアルミニウムである。一実施形態において、構造は、実質的に金属材料から作られる。一実施形態において、構造は、部分的に金属材料から作られる。一実施形態において、方法は、シール要素を構造と同一平面にトリミングするトリミングステップをさらに含む。一実施形態において、トリミングステップは、シール要素をサンディングすることを含む。一実施形態において、方法は、金属メッシュを構造の外面に配備するステップをさらに含み、ファスナーがその取付位置にあるとき、ファスナーのシール要素は、金属メッシュと物理的かつ電気的に直接接触する。一実施形態において、シール要素は、第１側部及び前記第１側部に対向する第２側部を有するシール部と、前記シール部の第１側部から延在するリップとを含み、リップは、金属メッシュと物理的かつ電気的に直接接触する。一実施形態において、金属メッシュは銅から作られる。

図１は、選択された表面が材料で被覆されたピン部材の一実施形態の側面図である。

図２は、シールの一実施形態の底面斜視図である。

図３は、図１に示されるピン部材と図２に示されるワッシャーとが一緒に組み立てられた組立体の斜視図である。

図４は、図１に示される被覆された外面の一実施形態の写真である。

図５は、図１に示される被覆されたピン部材の一実施形態の外面のトポグラフィの写真である。

図６は、テクスチャ加工された表面を有するピン部材の一実施形態の写真である。 図７は、テクスチャ加工された表面を有するピン部材の一実施形態の写真である。

図８は、適合性シール要素を有するピン部材の一実施形態の側面図である。

図９Ａは、適合性シール要素の一実施形態の平面図である。 図９Ｂは、適合性シール要素の一実施形態の側面図である。

図１０は、取り付けられたファスナーの応力分布分析のスクリーンショットを示す。

図１１は、構造に取り付けられた標準ファスナーの横断面のミクロ写真である。

図１２Ａは、標準ファスナーが構造に取り付けられたミクロ写真である。 図１２Ｂは、図８に示されるピン部材及びシール要素が構造に取り付けられたミクロ写真である。

図１３Ａは、図８のファスナーが取り付けられた構造のサンディング前を示す写真である。 図１３Ｂは、図８のファスナーが取り付けられた構造のサンディング後を示す写真である。

図８のファスナーのサンディングステップ前を示す模式図である。 図８のファスナーのサンディングステップ後を示す模式図である。

標準ファスナーが銅メッシュを有する構造に取り付けられたミクロ写真である。 図８に示されるファスナーが銅メッシュを有する構造に取り付けられたミクロ写真である。

図８に示されるファスナーと標準ファスナーについて、面一性の許容範囲を示すグラフと、前記グラフにおける具体的データ位置に対応するよう関連づけられた写真である。

従来のファスナーが構造に取り付けられたミクロ写真（４０倍）である。 従来のファスナーが構造に取り付けられたミクロ写真（６００倍）である。 図８に示されるファスナーが構造に取り付けられたミクロ写真（２５倍）である。 図８に示されるファスナーが構造に取り付けられたミクロ写真（１０００倍）である。

構造に取り付けられた標準ファスナーに対する落雷損傷の結果を示す写真である。 構造に取り付けられた図８のファスナーに対する落雷損傷の結果を示す写真である。

構造に取り付けられた標準ファスナーに対する落雷損傷の結果を示す写真である。 構造に取り付けられた図８のファスナーに対する落雷損傷の結果を示す写真である。

図８のファスナーについて、接触抵抗の低下及び最適化された電気密接性のシミュレーション結果を示す図である。 図８のファスナーについて、接触抵抗の低下及び最適化された電気密接性のシミュレーション結果を示す図である。 図８のファスナーについて、接触抵抗の低下及び最適化された電気密接性のシミュレーション結果を示す図である。 図８のファスナーについて、接触抵抗の低下及び最適化された電気密接性のシミュレーション結果を示す図である。 図８のファスナーについて、接触抵抗の低下及び最適化された電気密接性のシミュレーション結果を示す図である。 図８のファスナーについて、接触抵抗の低下及び最適化された電気密接性のシミュレーション結果を示す図である。

図８に示されるファスナーであって、コーティングされたピン部材を有するファスナーと、陽極酸化されたファスナーとについて、電気接触抵抗対前負荷力を示すグラフである。

＜発明を実施するための最良の形態＞
図１に示す一実施形態において、ピン部材１２は、円筒形シャンク部１６を有する細長いシャンク１４と、円筒形シャンク部１６の一方の端部にヘッド１８と、円筒形シャンク部１６の反対側の端部にネジ部２０とを含む。一実施形態において、ヘッド１８は皿形ヘッドである。一実施形態において、下面（例えば、座面）２１を含むヘッド１８の外面と円筒形シャンク部１６は、コーティング２２で被覆される。一実施形態において、コーティング２２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２２はモリブデンである。別の実施形態では、コーティング２２は、タンタル又は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２２は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、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である。別の実施形態では、ヘッド１８の外面のみがコーティング２２で被覆される。別の実施形態では、円筒形シャンク部１６の外面のみがコーティング２２で被覆される。一実施形態において、コーティング２２は、電気接触抵抗を低下させ、アークの発生／損傷の確率を低減する。一実施形態において、コーティング２２は、高い導電率（２０％ＩＡＣＳより高い）を含み、耐食性構造（例えば、アノード指数が１．０Ｖ未満）に直流電流適合性(galvanically compatible)である。一実施形態において、前記構造は複合構造を含む。別の実施形態において、前記構造は金属構造を含む。別の実施形態において、前記構造は繊維金属積層構造を含む。

一実施形態において、コーティング２２は、約１ナノメートル〜約２００ミクロンの厚さを有する薄膜コーティングである。一実施形態において、コーティング２２は、物理蒸着によって施される。別の実施形態において、コーティング２２は、化学蒸着によって施される。別の実施形態では、コーティング２２は、選択的添加プロセスによって施される。別の実施形態において、コーティング２２は、電気めっきによって施される。別の実施形態において、コーティング２２は、スプレー法によって施される。別の実施形態では、コーティング２２は、コールドスプレー法によって施される。別の実施形態において、コーティング２２は、溶射によって施される。別の実施形態において、コーティング２２は、プラズマコーティングによって施される。別の実施形態において、コーティング２２は、スパッタ堆積プロセスによって施される。

別の実施形態において、ヘッド１８と円筒形シャンク部１６の外面はテクスチャ加工されている。一実施形態において、ピン部材１２のヘッド１８及び円筒形シャンク部１６の外面のテクスチャリングは、複合構造に開設されたファスナー穴に形成される機械加工固有のミクロテクスチャに整合し、かつ、ピン部材１２と複合構造との間に機械的インターロックが形成されるように加工される。一実施形態では、ファスナーの取付け中、ファスナーが構造体と密接に接触して、テクスチャ加工されたピン部材１２が、過剰に取り込まれたシーラントを掘り出すので、界面における電気接触抵抗を低下させる。本明細書で使用される「密接な接触(intimate contact)」という語は、ピン部材１２のテクスチャ加工された外面が変形して、ピン部材と複合構造体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。別の実施形態において、ヘッド１８の外面のみがテクスチャ加工される。また別の実施形態では、円筒形シャンク部１６の外面のみがテクスチャ加工される。

一実施形態において、ピン部材１２のテクスチャ加工面は、メディアブラスティング(media blasting)等の表面再整形プロセスによって生成される。一実施形態において、ピン部材１２のテクスチャ加工面は、グリットブラスティングが施される。一実施形態では、グリットブラスティングは、微細なグリットガラスビーズメディア（１００〜１７０メッシュ）を使用する。一実施形態では、グリットブラスティングは、ピン部材１２の外面の全体にテクスチャが形成されるまで行われる。一実施形態では、グリットブラスティングは少なくとも１分間行われる。別の実施形態では、グリットブラスティングは約１分間行われる。一実施形態では、グリットブラスティングは２回行われる。別の実施形態では、ピン部材１２のテクスチャ加工面は、選択的電気エッチング、レーザエッチング、研磨材ブラスティング及び機械ポリッシング等の除去プロセスによって生成される。別の実施形態では、ピン部材１２のテクスチャ加工面は、化学エッチングによって生成される。一実施形態において、化学エッチングは５０／５０塩酸（ＨＣｌ）を利用する。一実施形態では、化学エッチングは約３０分間行われる。一実施形態において、ピン部材１２を蒸留水で約１５〜２０秒間リンスし、室温の強制空気で約１〜２分間乾燥させる。

別の実施形態において、ピン部材１２のヘッド１８及び円筒形シャンク部１６の表面は、上述のコーティング工程によって被覆され、テクスチャリング工程によってテクスチャが形成される。一実施形態では、コーティング工程とテクスチャ工程を組み合わせて使用することにより、ピン部材１２の特定の負荷パターンに基づいてピン部材１２の機能特性を発展させることができる。例えば、一実施形態において、前負荷(preload)が高い場合、テクスチャリング／コーティングは接触抵抗を低下させるために実行される。前負荷が加えられず、複合層と密接に接触しない位置では、プラズマ生成及びアーク形成／損傷の緩和が望ましい。

一実施形態において、ピン部材１２は、複数のワークピースを互いに固定するように構成されたファスナーの一部であり、そのようなワークピースの整列した穴の中に配置されることができるようになっている。一実施形態において、ワークピースは複合材料で作られる。別の実施形態では、ワークピースは金属から作られる。別の実施形態では、ワークピースは繊維金属ラミネートから作られる。一実施形態において、ファスナーは、ロッキング部材（図示せず）を含む。一実施形態では、ロッキング部材はナットである。別の実施形態において、ロッキング部材はカラーである。一実施形態において、ファスナー１０は、ピン部材１２とワッシャー２４とを含み、前記ワッシャーは、図２及び図３に示されるように、ピン部材１２のヘッド１８の座面２１に取り付けられる。これについては後でさらに詳細に説明する。

航空機に落雷するとき、雷光は、一般的には、最初にピン部材１２のヘッド１８に到達する。一実施形態において、コーティングで被覆されるか、及び／又はテクスチャ加工されたピン部材１２は、接触抵抗が向上する。この点に関して、全ての固体表面は微小規模では粗く、２つの工学体間の接触は、２つの表面上の凹凸(asperities)の機械的接触によって生ずる離散スポット(discrete spots)で起こる。全ての固体材料について、真の接触面積は見かけの接触面積のほんの一部である。電流線は、接触スポットが近づくにつれて歪みが大きくなり、流れ線が一緒に束ねられて「ａスポット(a-spots)」を通過する。電気接合部は複数の接触「ａ−スポット」からなり、電流は前記ａスポットを通って一方のコネクタ構成要素から他方の構成要素へ通過し、界面の電気接触抵抗によって特徴付けられることがよくある。

ファスナーが隙間嵌め(clearance fit)によって複合構造体に取り付けられるとき、取り付けられたピン部材１２の主たる荷重支え面はヘッド１８の座面２１である。これは電気接点であり、該接点を通じて、高周波、高電圧電流を通過させることが望ましく、落雷防御の重要な最前線(first line)である。電流が容易に流れる経路を有する場合、アーク放電及びそれに伴う損傷は生じない。複合物界面に対するピン又はボルトが非効率的な電気接触であることは、異種材料、表面の航空機シーラント及び／又は硬質酸化物層のような電気絶縁膜の存在及び複合材料の不規則な切断パターンに起因する。電流がピン／ボルトから複合物界面へ容易に流れるようにするには、界面接触抵抗が低いことが望ましい。

接触抵抗は、接触している両表面に加えられた負荷と、接触している材料表面の電気的及び機械的特性に大きく依存する。界面で高い導電率を有する軟質材料は、高い負荷の場合と同様、接触抵抗を低下させる。ピン部材ジョイント内の荷重は、前負荷によって付与され、主に幾何形状/デザインに依存する。 上述したように、ヘッド１８の座面２１における材料コーティング２２又はテクスチャリングは、接触界面での材料の抵抗性を低下させるためと、構造との接触を良好にする軟質適合層(soft conforming layer)を提供するために用いられる。高い導電率を有する軟質材料として、例えば、銅、金、銀又は他の金属／材料を、接触抵抗を低下させるために使用することができる（例えば、図２及び図３に示される銅シール２４を参照）。

ピン部材１２の表面は、上述したように、周囲の複合層とより良好な親密性が得られるようにテクスチャ加工されることもできる。テクスチャ加工されたピン部材１２が配置されると、テクスチャ加工されたピン部材は変形して、複合層のドリル加工中に形成された小さな空隙の中へ進入する。ファスナーの取付け中、テクスチャ加工された表面が空隙の中へ変形すると、トラップされたシーラントが移動する。ピン部材１２を挿入すると、過剰のシーラントがピン部材１２と複合物との界面の外側に押し出される。このように、テクスチャ加工されたピン部材１２は、ファスナーを取り付けるときに、複合構造と密接に接触するので、過剰にトラップされたシーラントが掘り出される。ピン部材１２の表面の仕上げテクスチャは、適合の度合いと機械的インターロックのレベルを向上させるために、表面の微小粗さ（Ｓａ）値が調整される。一実施形態において、表面粗さ（Ｓａ）は０．５ミクロンより大きい。

上述したように、図１は、タングステンがコーティングされたピン部材１２の一実施形態を示す。一実施形態では、ピン部材１２にタングステンを堆積させるのに、プラズマコーティングが使用され、７ミクロン以上の表面粗さ（Ｓａ）を達成する。図２はシール２４を示し、図３はシール２４が取り付けられたピン部材１２を示しており、シール２４により、ヘッド１８の座面２１に接触する複合層との密着性が向上する。一実施形態では、シール２４は円錐台形状であり、ヘッド１８の座面２１に適合するサイズ及び形状である。別の実施形態において、これは、ヘッド１８の座面２１を銅でコーティングすることによっても達成することができる。別の実施形態では、シール２４は、キャプティブ(captive)ワッシャーである。別の実施形態では、シール２４はコーティングで被覆される。一実施形態において、シール２４のコーティングは、コーティング２２を含む。

図４はコーティングされたピン部材１２のテクスチャの変化を示す写真であり、図５は、コーティングされたピン部材１２の表面トポグラフィを示す。一実施形態において、ピン部材１２のコーティングされた表面は、平均表面粗さ（Ｓａ）が７．５ミクロンである。図６及び図７は、テクスチャ加工されたピン部材１２の写真であり、図６は４０倍、図７は１９０倍の倍率である。図６及び図７に示されるように、テクスチャ加工されたピン部材１２は、実質的に粗い仕上げ面を有する。一実施形態において、テクスチャ加工されたピン部材１２は、ピン部材１２の表面における電気的接触が向上し、シーラントによって引き起こされる誘電効果が最小に抑えられ、電流のより容易な伝達を促進して、ピン部材１２と複合物との界面における電位を低下させるので、アーク放電のような破壊効果をもたらすことなく電流の伝達が可能となる。

一実施形態において、隙間嵌めの孔の中では、ピン部材１２のシャンク１４と複合層との間に前負荷が無いので、電気的接触は比較的悪い。それゆえ、ピン部材１２と複合層との間に大きな電流を確実に流すことは困難である。十分な電流がヘッド１８の座面２１によって伝導されない場合、シャンク１４とそれに隣接する複合層との隙間にアークが発生する可能性がある。このような条件下でのアーク形成は、典型的には金属蒸気そのものの中で開始する。高い導電率を有する高温溶融材料が存在すると、アーク放電を開始するのに十分な金属蒸気が存在しないことになる。アーク放電が開始されても、プラズマの量は少ない。導電率が高いと、接触が得られる場合において、電流はシャンク１４と複合層との間をより容易に通過することができる。上述したように、幾つかの実施形態において、タングステン、モリブデン、又は耐熱金属／セラミックのような材料は、ピン部材１２のシャンク１４上のコーティング２２として使用されることができ、アーク放電の損傷を確実に低減することができる。落雷は高周波電流を発生するので、電流は、一般的には、「スキン効果」により、ファスナー表面の近傍を流れる。この点において、ピン部材１２上にコーティングがあることにより、電流の大部分が高融点及び高導電率の材料を流れるので、ファスナーの溶融又はプラズマ生成の可能性を低下させるのに役立つ。

このように、コーティング／テクスチャ加工されたピン部材１２は、
・複合物とファスナー表面との電気的接触を向上させ、
・落雷中におけるファスナーのアーク放電を最小に抑え、
・隙間充填能力及び機械的インターロッキング能力をもたらし、
・アーク放電中におけるファスナーシャンク周囲でのプラズマ形成の可能性を低減し、
・ファスナー内でアーク放電が起こった場合でも、プラズマ発生量を低減して、プラズマが収容され易くする。

＜円錐形の適合性シールを有するコーティングされたファスナー＞
図８、９Ａ及び９Ｂを参照すると、一実施形態において、ファスナー１１０は、滑らかな円筒形シャンク部１１５を有する細長いシャンク部１１４と、滑らかな円筒形シャンク部１１５の一方の端部にヘッド１１６と、滑らかな円筒形シャンク部１１５の反対側の端部にネジ部１１７とを有するピン部材１１２を含む。一実施形態において、ヘッド１１６は皿形(countersunk)ヘッドである。一実施形態において、ピン部材１１２に取り付けられるよう構成されたロッキング部材がある（図面には示されていない）。一実施形態において、ロッキング部材は、ピン部材１１２のネジ部１１７に係合するネジ付きナットである。他の実施形態において、ロッキング部材は、ピン部材１１２のネジ部１１７のロック溝にスエージされるよう構成されたカラーである。

一実施形態において、ピン部材１１２は、全体がコーティング１１９でコートされている。一実施形態において、コーティング１１９は、金属コーティングである。一実施形態において、コーティング１１９は、軟質の金属コーティングである。すなわち、コーティング１１９は、滑らかな円筒形シャンク部１１５を含む細長いシャンク部１１４と、ネジ部１１７と、下面（例えば、座面１２０）を含むヘッド１１６とに施される。他の実施形態において、コーティング１１９は銅である。他の実施形態において、コーティング１１９は銀である。他の実施形態において、コーティング１１９は金である。他の実施形態において、コーティング１１９は、高い導電性を有する材料、例えば、２０％ＩＡＣＳよりも高い導電性を有する材料から作られる。

他の実施形態において、コーティング１１９は、詳細に前述したピン部材１２の実施形態におけるコーティング２２のうちの何れのコーティングから構成されることができる。

他の実施形態において、ピン部材１１２は、その一部分がコーティング１１９でコートされる。一実施形態において、コーティング１１９は、ピン部材１１２のヘッド１１６及びその下面１２０に施される。他の実施形態において、コーティング１１９は、ピン部材１１２のヘッド１１６（ヘッド１１６の下面１２０を含む）及び滑らかな円筒形シャンク部１１５に施される。他の実施形態において、コーティング１１９はピン部材１１２の滑らかな円筒形シャンク部１１５及びネジ部１１７に施される。

他の実施形態において、ピン部材１１２はコーティング１１９を含まない。

図８、９Ａ及び９Ｂを再び参照すると、一実施形態において、適合性シール要素(conforming seal element)１１８は、ピン部材１１２のヘッド１１６の座面１２０に近接して細長いシャンク部１１４に取り付けられる。一実施形態において、シール要素１１８は、ピン部材１１２と分離して、ピン部材１１２とは区別される。一実施形態において、シール要素１１８は構造の穴の内部に配置されることができ、ピン部材１１２は，次に、ファスナー１１０の取付中にシール要素１１８の中に挿入されることができる。一実施形態において、シール要素１１８の形状は円錐台形であり、中央に円形形状の孔１２２を含む。前記孔は、ピン部材１１２のシャンク部１１４の周りに適合する大きさ及び形状であって、ピン部材１１２のヘッド１１６の座面１２０に近接して並べて置かれる。一実施形態において、シール要素１１８はシール部１２１を含む。他の実施形態において、リップ１２３は、シール部１２１の一方側から延在する。一実施形態において、リップ１２３は、シール部１２１から上方に角度をつけられている。他の実施形態において、筒状部１２５は、シール部１２１の他方側から軸方向に延在する。一実施形態において、シール部１１８は、銅から作られる。一実施形態において、シール要素１１８のシール部１２１は、約５ミクロン〜約１００ミクロンの厚さを有する。

ピン部材１１２及びファスナー１１０が取り付けられるよう構成された構造１５０は、固体表面の全てが、微小スケールでは粗い表面である。表面のミクロ粗さは、ピークと谷(troughs)とから構成され、それらの形状、高さ変化、平均間隔及び他の幾何学的特徴は、表面を形成するのに用いられるプロセスの詳細に依存する。２つの工学体間の接触は、２つの表面上の凹凸の機械的接触の結果である離散した(discrete)微視的スポットで起こる。全ての固体材料について、真の接触面積は、広範囲の呼び接触負荷(nominal contact loads)に対する呼び接触面積(nominal contact area)の極く一部である。

図１０及び１１を参照すると、この接触領域を通じて機械的負荷が加えられるとき、接触粗さの変形モードは、弾性、塑性、又は塑性と弾性との組合せであり、これらは、局部機械的応力並びに弾性モジュール及び硬度等の材料の特性に依存する。バルク電気的インターフェイスにおいて、相手の構成要素が金属である場合、接触表面は、酸化物又は他の電気絶縁層を含むことがよくある。一般的に、そのインターフェイスは、電気絶縁膜が接触表面の凹凸に変位されるか、又はインターフェイスの電位が電気絶縁膜の誘電強度を超えるときにのみ、導電性になる。電気コネクタの分野では、簡略化のために、離散スポットは円形と仮定されることがある。この仮定は、合わせ面(mating surfaces)の粗さトポグラフィが等方性である平均接触スポットの幾何学的記述として容認されることができる。この仮定は、金属構造には容認できるが、合わせ面が方向性ミクロテクスチャを特徴とするとき、又は本質的に明らかな異方性であるときは無効になる。ファスナーと周囲ＣＦＲＰ構造との接触の真の面積は、ＣＦＲＰ構造の複層構造及び異方性により、呼び面積の極く僅かなパーセントであり、これは、ファスナーと周囲ＣＦＲＰ構造との間の電気接触の品質をさらに悪化させる。

図１２Ａは、構造（例えば、アルミニウムパネル）に取り付けられた標準のファスナーであって、ピン部材のヘッドと構造との間の微小隙間を示している。一実施形態において、図１２Ｂを参照すると、ファスナー（例えば、ピン部材１１２のヘッド１１６の座面１１８）と最小機械的負荷を有する構造１５０との間の真の接触面積を最大にするよう構成される。一実施形態において、構造１５０は複合材料を含む。他の実施形態において、構造１５０は、複合材料から実質的に作られる。他の実施形態において、構造１５０は、部分的に、複合材料から作られる。他の実施形態において、構造１５０は、金属材料を含む。一実施形態において、金属材料はアルミニウムである。他の実施形態において、構造１５０は、金属材料から実質的に作られる。他の実施形態において、構造１５０は、部分的に、金属材料から作られる。

一実施形態において、適合性シール要素１１８は、比較的軟質で、しかも高電導性のベース層を有する複層構造と、より軟質のトップ層とを含む。前記複層構造はマクロ的な適合性をもたらし、前記トップ層はミクロ的な適合性をもたらす。

一実施形態において、シール要素を有するファスナー１１０が取り付けられる方法を以下に記載する。一実施形態において、図８、９Ａ、９Ｂ、１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ及び１４Ｂを参照すると、方法は、ピン部材１１２（前述したように全部又は一部分）をコーティング１１９でコーティングするコーティングステップ、シール要素１１８をファスナー１１０（例えば、ピン部材１１２）に取り付けるステップ、及びファスナー１１０を構造１５０に取り付けるステップを含む。一実施形態において、前述したように、ピン部材１１２がコーティング１１９でコートされていないとき、コーティングステップは含まれない。他の実施形態において、シール要素１１８は、構造１５０の穴の中に配置されることができ、ピン部材１１２はファスナー１１０の取付け中にシール要素１１８の中に挿入されることができる。一実施形態において、取付けステップ中、ファスナー１１０の前負荷はロッキング部材（例えば、ナット又はカラー）によってもたらされ、力は、ピン部材１１２のヘッド１１６と構造１５０との間に配置されたシール要素１１８を有するピン部材１１２によって構造に加えられる。シール要素１１８は、ピン部材１１２のヘッド１１６と構造１５０との間に固有のミクロ粗さに適合するので、シール要素１１８の一部は、ピン部材１１２の縁部を上方に押し出され、構造１５０の表面を超えて突出する。図１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ及び１４Ｂを参照すると、シール要素１１８は、シール要素１１８のトップ（例えば、リップ１２３の近接）と必要に応じて構造１５０とにサンディング(sanding)を行なうことにより、構造１５０の表面と同一平面になるようトリミングされる。一実施形態において、サンディングステップは、構造１５０の表面の調製において塗料１５２を塗布することと同時に行われる。

図１５Ａは、シール要素１１８を有しないピン部材の断面を示す写真であり、図１５Ｂは、シール要素１１８を有するピン部材１１２の断面を示す写真である。図示されるように、シール要素１１８は銅メッシュ１５４に沿って設けられ、塗料接着を向上させる。

図１５Ｃを参照すると、ファスナー１１０は、構造１５０内で銅メッシュ１５２との接続が維持される皿穴の範囲を向上させる。図２０のグラフに示されるように、左側に示されるファスナー１１０の面一性の許容範囲は、右側に示されるシール要素無しの基準ファスナーよりも広い。

図１６Ａ乃至図１６Ｄは、シール要素が無い従来のファスナー（図１６Ａ及び１６Ｄ）とシール要素１８を有するファスナー（図１６Ｃ及び１６Ｄ）について、ピン／ＣＦＲＰの界面における差異を示す写真である。シール要素１１８とＣＦＲＰ構造５０とがミクロレベルの適合性を有することで、ファスナーから構造１５０への電流伝達が向上し、アーク放電が低減される。

図１７Ａ乃至図１７Ｄは、シール要素１１８が無いファスナーのアルミニウムパネル（図１７Ａ及び１７Ｃ）とシール要素１１８を有するファスナーのアルミニウムパネル（図１７Ｂ及び１７Ｄ）における損傷の結果の差異を示している。シール要素１１８は、シール要素１１８に隣接する領域において、ファスナー１１０と構造との間の電気的密接性を向上させる。

図１８Ａ乃至図１８Ｆはシミュレーション結果を示しており、シール要素１１８は、ピン部材１１２のヘッド１１６周囲の接触抵抗を低減し、電気的密接性を最適化する。このナノスケールの適合性により、航空機構造１５０の上側パネルへの電流伝達が向上する。落雷があったとき、外部放電はヘッド１１６と結び付くが、より大きな電界を有する領域と結び付く傾向がある。シール要素１１８を有するファスナー１１０の場合、電界は遙かに低いから、より平坦な電界プロファイルを有する、いわゆる等ポテンシャル面となる。この電界平坦化効果は、大きな集中流れが鋭いエッジを通ることによって構造に生じる損失が最小限に抑えられる。

シール要素１１８の利点は、ファスナー組立体内におけるファスナー１１０とその周囲材料との間の電荷蓄積を大きく低減できることである。時間依存性電位はピーク値が低く、ナット領域の座面の周囲の電界強度を大きく低下させる。一般的に、ナット領域と鋭いエッジ部の周りの大電界は、誘電破壊やエッジグロー現象を生じる。電界の大きな低減は、電流輸送を直接向上させる結果となる。

図１９を参照すると、ファスナー１１０は、接触抵抗の低減を含む。接触抵抗の測定結果によれば、コーティング１１９とシール要素１１８を有するファスナー１１０は、コーティング１１９とシール要素１１８を有しない比較基準のピン部材と比べて、電流伝達が向上することを示す。

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 (69)

1. ピン部材と、シール要素と、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、
   前記シール要素が、ピン部材に取り付けられ、ピン部材のヘッドの座面と並置されている、ファスナー。
2. シール要素は銅から作られている、請求項１のファスナー。
3. シール要素は、第１側部及び前記第１側部に対向する第２側部を有するシール部と、前記シール部の第１側部から延在するリップとを含む、請求項２のファスナー。
4. リップはシール部から角度をつけて延在する、請求項３のファスナー。
5. シール要素はシール部の側部から軸方向に延在する筒状部を含む、請求項４のファスナー。
6. シール要素は約５ミクロン〜約１００ミクロンの厚さを含む、請求項５のファスナー。
7. ピン部材はコーティングを含む、請求項１のファスナー。
8. コーティングは金属コーティングである、請求項７のファスナー。
9. 金属コーティングは、金、銀及び銅からなる群から選択される、請求項８のファスナー。
10. コーティングは、２０％ＩＡＣＳより高い導電率を有する材料から作られる、請求項７のファスナー。
11. ピン部材のヘッドは、コーティングで被覆される、請求項７のファスナー。
12. ピン部材の円筒形シャンク部の外面は、コーティングで被覆される、請求項７のファスナー。
13. ピン部材のヘッドはコーティングで被覆される、請求項１２のファスナー。
14. ピン部材のネジ部はコーティングで被覆される、請求項１２のファスナー。
15. ピン部材は、全体がコーティングで被覆される、請求項７のファスナー。
16. 構造と前記構造内に取り付けられたファスナーとの組合せであって、
    前記ファスナーが、ピン部材と、シール要素と、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、
    前記シール要素が、ピン部材に取り付けられ、ピン部材のヘッドの座面と並置されている、組合せ。
17. シール要素は銅から作られている、請求項１６の組合せ。
18. シール要素は、第１側部及び前記第１側部に対向する第２側部を有するシール部と、前記シール部の第１側部から延在するリップとを含む、請求項１７の組合せ。
19. リップは、シール部から角度をつけて延在する、請求項４の組合せ。
20. シール要素は、シール部の側部から軸方向に延在する筒状部を含む、請求項１９の組合せ。
21. シール要素は約５ミクロン〜約１００ミクロンの厚さを含む、請求項２０の組合せ。
22. ピン部材はコーティングを含む、請求項１６の組合せ。
23. コーティングは金属コーティングである、請求項２２の組合せ。
24. 金属コーティングは、金、銀及び銅からなる群から選択される、請求項２３の組合せ。
25. コーティングは、２０％ＩＡＣＳより高い導電率を有する材料から作られる、請求項２２の組合せ。
26. ピン部材のヘッドはコーティングで被覆される、請求項２２の組合せ。
27. ピン部材の円筒形シャンク部の外面は、コーティングで被覆される、請求項２２の組合せ。
28. ピン部材のヘッドはコーティングで被覆される、請求項２７の組合せ。
29. ピン部材のネジ部はコーティングで被覆される、請求項２７の組合せ。
30. ピン部材は、全体がコーティングで被覆される、請求項２２の組合せ。
31. 構造は複合材料を含む、請求項１６の組合せ。
32. 構造は実質的に複合材料から作られる、請求項３１の組合せ。
33. 構造は部分的に複合材料から作られる、請求項３１の組合せ。
34. 構造は金属材料を含む、請求項１６の組合せ。
35. 金属材料はアルミニウムである、請求項３４の組合せ。
36. 構造は実質的に金属材料から作られる、請求項３４の組合せ。
37. 構造は部分的に金属材料から作られる、請求項３４の組合せ。
38. ファスナーを製造する方法であって、
    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、を含むピン部材を準備するステップと、
    シール要素を、ピン部材のヘッドの座面に並置された位置に取り付けるステップと、を含む方法。
39. ピン部材の少なくとも一部にコーティングを施すコーティングステップをさらに含む、請求項３８の方法。
40. コーティングは金属コーティングである、請求項３９の方法。
41. 金属コーティングは、金、銀及び銅からなる群から選択される、請求項４０の方法。
42. コーティングは、２０％ＩＡＣＳより高い導電率を有する材料から作られる、請求項３９の方法。
43. コーティングステップは、ピン部材のヘッドにコーティングを施すことを含む、請求項３９の方法。
44. コーティングステップは、円筒形シャンク部の外面にコーティングを施すことを含む、請求項３９の方法。
45. コーティングステップは、ピン部材のヘッドにコーティングを施すことを含む、請求項４４の方法。
46. コーティングステップは、ピン部材のネジ部にコーティングを施すことを含む、請求項４４の方法。
47. コーティングステップは、ピン部材の全体にコーティングを施すことを含む、請求項３９の方法。
48. ファスナーを構造に取り付ける方法であって、
    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、を含むピン部材と、前記ピン部材のヘッドの座面に並置されるように構成されたシール要素と、を有するファスナーを準備する準備ステップと、
    ファスナーを構造内の取付位置に取り付ける取付ステップと、を含む方法。
49. ピン部材の少なくとも一部にコーティングを施すコーティングステップをさらに含む、請求項４８の方法。
50. コーティングは金属コーティングである、請求項４９の方法。
51. 金属コーティングは、金、銀及び銅からなる群から選択される、請求項５０の方法。
52. コーティングは、２０％ＩＡＣＳより高い導電率を有する材料から作られる、請求項４９の方法。
53. コーティングステップは、ピン部材のヘッドにコーティングを施すことを含む、請求項４９の方法。
54. コーティングステップは、円筒形シャンク部の外面にコーティングを施すことを含む、請求項４９の方法。
55. コーティングステップは、ピン部材のヘッドにコーティングを施すことを含む、請求項５４の方法。
56. コーティングステップは、ピン部材のネジ部にコーティングを施すことを含む、請求項５４の方法。
57. コーティングステップは、ピン部材の全体にコーティングを施すことを含む、請求項５０の方法。
58. 構造は複合材料を含む、請求項４８の方法。
59. 構造は実質的に複合材料から作られる、請求項５８の方法。
60. 構造は部分的に複合材料から作られる、請求項５８の方法。
61. 構造は金属材料を含む、請求項４８の方法。
62. 金属材料はアルミニウムである、請求項６１の方法。
63. 構造は実質的に金属材料から作られる、請求項６１の方法。
64. 構造は部分的に金属材料から作られる、請求項６１の方法。
65. シール要素を構造と同一平面にトリミングするトリミングステップをさらに含む、請求項４８の方法。
66. トリミングステップは、シール要素をサンディングすることを含む、請求項６５の方法。
67. 金属メッシュを構造の外面に配備するステップをさらに含み、ファスナーがその取付位置にあるとき、ファスナーのシール要素は、金属メッシュと物理的かつ電気的に直接接触する、請求項６５の方法。
68. シール要素は、第１側部及び前記第１側部に対向する第２側部を有するシール部と、前記シール部の第１側部から延在するリップとを含み、リップは、金属メッシュと物理的かつ電気的に直接接触する、請求項６７の方法。
69. 金属メッシュは銅から作られる、請求項６８の方法。

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