JP2018532963A - 薄板クリンチ式ファスナー - Google Patents

Abstract

【構成】本発明の個装用金属クリンチ式ファスナーは、最上部ヘッドおよび内向きテーパーをもつショルダーを有し、このショルダーはヘッドから軸線方向下向きに延在し、ヘッドの直下に設けられる。ショルダーは、ファスナーを装着した金属パネルの材料を変形させる外向きの角度付き面を有する。ショルダーの下に外向きに広がるシャンクを設ける。このシャンクの上向き外面がパネルの装着穴の縁部に係合する。シャンクとショルダーとの接合部に縮径ネックを設け、これを装着穴の縁部に係合させ、ファスナーをパネルに取り付ける。パネルの円錐形凹部の中心にパネル装着穴を設け、収斂方向に下向きに角度を付け、装着穴の縁部をシャンクの上向き面に係合する。【選択図】図５

Description

関連出願

本出願は、２０１５年１０月２２日を出願日とし、“薄板クリンチ式ファスナー”を発明の名称とする米国仮特許出願第６２/２４５，０７９号の非仮特許出願であり、この優先権を主張する出願である。

本発明は、特に薄板金属パネルの装着および使用に有用なクリンチ式ファスナー（ｃｌｉｎｃｈ ｆａｓｔｅｎｅｒｓ）に関する。

クリンチ式ファスナーは、堅牢なファスナーを板金プレートに永久固定するためによく知られている。クリンチ式ファスナーの場合、一般的に、ヘッド１３、変位部１４、アンダーカット１５およびシャンク１９を有し、これらを例えば図１に示すように、ファスナーのヘッド端部から順次遠位自由端部まで配置する。板金パネル１７の開口に挿入し、プレスすると、変位部が変形し、開口を取り囲む金属を例えば図２に示すように、アンダーカット内に押し込む。変位部とシャンクとの間に形成したアンダーカットの直径は、シャンクの直径よりも小さい。シャンクの長さに応じて、シャンクをパネルの底部を超えて延在させてもよく、あるいは延在させなくてもよい。シャンクの長さについて、装着後に板金の底部側と高さが同じになるように選択した場合、シャンク、変位部およびアンダーカットが事実上パネルの肉厚内に収まる。トルク耐性が必要な場合には、非円形の変位部を使用する。これを一旦パネルに圧入（プレス）すると、回転しなくなる。

クリンチ式ファスナーをパネルに永久装着した後は、ファスナーの引き抜き強度はアンダーカット内の金属の厚みによって支配され、力が不足している場合には、金属がせん断力によって切断するか、押し出されることになる。アンダーカット内の金属の厚みが減少すると、ファスナーとパネルとの間の接続力も小さくなる。

パネルがきわめて薄くなると、例えば０．００８インチの厚みになると、製造方法が機能しなくなる。というのは、クリンチに必要な作用が一定範囲のトレランスを必要とし、このトレランスを満足し、かつその機能を発揮させることは不可能ではないにせよ、きわめて難しいからである。変位部およびアンダーカットを０．００８インチの厚みのシート内に収める必要がある場合には、これらの厚みは０．００３〜０．００４インチに過ぎず、一般に、ファスナーのシャンクが底部（アンビル）側と同じ高さになる構成にはならない。即ち、きわめて薄いパネルに装着できるクリンチ式ファスナーを提供することが望まれている。また、きわめて薄いパネルへの装着時に強い引き抜き強度を示すクリンチ式ファスナーを提供することも望まれている。

一つの好適な実施態様では、薄板用の個装用クリンチ式ファスナーは全体として最上部のヘッド、内向きテーパーを設けたショルダー、外向きに広がるシャンクおよび縮径ネックを有する。ヘッドは、直径がファスナーの構成部分の中で最大であり、形状が円形であり、外面が円筒形である。内向きテーパーを設けたショルダーは、ヘッドの基部から軸方向下向きに延在する。ショルダーは、外向きかつ下向きに収斂する角度付き面を有し、これによってファスナーを装着する金属パネルの材料を変形させる。外側に広がるシャンクは、ショルダーの直下に設ける。シャンクの外向き外面が、ショルダーによって変形されたパネルの装着穴の縁部に係合する。シャンクの縮径アンダーカット即ちネックについては、シャンクとショルダーとの接合部に設ける。このネックが、ファスナーがパネルに取り付けられ、固定されるように装着穴の縁部を受け取る。一つの実施態様では、ショルダーの外面全体が外向きの角度付き面を有する。シャンクの下に設けた第２アンダーカットが、第２対象物を取り付ける取り付け手段になる。この取り付け手段の場合、収斂テーパーを設けた底部を有することができ、この底部はファスナーの底部まで延在する。

本発明のファスナーは、このファスナーを固定する金属パネルとのアセンブリーの形で使用できる。ファスナーは、パネルの円錐形凹部の中心にある装着穴を貫通延在する。装着穴周囲のパネルの凹部がファスナーのショルダーに当接し、下向きに傾斜し、装着穴の縁部がシャンクの上向き面に係合する。

組立プロセス中に、パネルがアンビルによって支持されている状態で、単にファスナーをパネルにプレスするだけでパネルからの材料が変形する。アンビルはショルダーの大きさおよび形状に対応する凹部を有する。プレス時に装着穴の直径が小さくなり、圧印部分（ｃｏｉｎｅｄ ｐｏｒｔｉｏｎ）がファスナーのネック周囲に迫り、装着穴を栓塞する。プレス後、ファスナーヘッドの上部が、パネルの上面と高さが同じパネル凹部内に位置できる。

アセンブリーの形態が引き抜き抵抗を担保し、この抵抗は標準的なクリンチ式ファスナーアセンブリーよりもはるかに高い。引き抜き力、即ちファスナーの装着方向とは反対方向にファスナーに加わる力は、パネルのインライン圧縮抵抗力によって打ち消される。このような構造のために、本発明のクリンチ式ファスナーは例えば０．００８インチ程度の厚みのきわめて薄いパネルに使用できる。

薄いシートのクリンチ式ファスナーは、従来技術に対して以下の作用効果をもつ。本発明のファスナーは、一般に標準的なクリンチ式ファスナーを装着する金属シートよりもきわめて薄い金属シートに装着できる。また、本発明のファスナーは、標準サイズのクリンチ式ファスナーではきわめて困難な、あるいは不可能なきわめて小さなスケールで装着できる。本発明のファスナーを装着すると、金属パネルに円錐形凹部を形成でき、この凹部はファスナーを取り囲み、新しい保持モードを保証するものである。円錐の逆構成が圧縮保持力を発生し、この保持力は従来のクリンチ式ファスナーのアンダーカットが発生するせん断保持力よりも強い。

装着し、板金パネルに締め付けた状態にある従来のクリンチ式ファスナーを示す横断面図である。 装着し、板金パネルに締め付けた状態にある従来のクリンチ式ファスナーを示す横断面図である。 薄い板金パネルに装着し、締め付ける前の状態にある本発明の好適な実施態様に従って構成したクリンチ式ファスナーを示す横断面図である。 薄い板金パネルに締め付けた後の状態を示す、図３のクリンチ式ファスナーを示す横断面図である。 引き抜き強度を示す、図４のクリンチ式ファスナーを示す横断面図である。 本発明の別な実施態様に従って構成したクリンチ式ファスナーを示す正面図である。 本発明の別な実施態様に従って構成したクリンチ式ファスナーを示す正面図である。 本発明の別な実施態様に従って構成したクリンチ式ファスナーを示す正面図である。 本発明のさらに別な実施態様に従って構成したクリンチ式ファスナーを示す、一部断面を含む正面図である。 本発明のさらに別な実施態様に従って構成したクリンチ式ファスナーを示す、一部断面を含む正面図である。 本発明の別な実施態様に従って構成したクリンチ式ファスナーを示す正面図である。

本発明の好適な実施態様に従って構成したクリンチ式ファスナーは図３〜図５に示す通りであり、参照符号３０で示す。このクリンチ式ファスナー３０は横断面が円形で、全体としてヘッド４２、変位部（ｄｉｓｐｌａｃｅｒ）３１、アンダーカット３３およびシャンク３５を有し、これらをヘッド端部３０ａから順次ファスナーの遠位自由端部３０ｂに向けて配置する。以上の構造部分は従来のクリンチ式ファスナーの構造部分と同じ名称をもつが、本発明のファスナーは、従来のクリンチ式ファスナーとは異なる態様をもつ。

ヘッド４２は、円形の上部平面４２ａおよび環状リム４２ｂを有し、この上面は中心の長手軸線に直交する。図３〜図５に示す好適な実施態様では、ヘッドの底面は中心軸線に対して斜交し、テーパーショルダー（ｔａｐｅｒｅｄ ｓｈｏｕｌｄｅｒ）３１を形成する。このショルダー３１の内向きテーパーは、ヘッド端部３０から遠位自由端部３０ｂまで延在する。好適な実施態様では、ショルダーのテーパーは線形であり、このショルダーの形状は円錐台形である。なお、テーパーは別な実施例では、非線形であってもよい。

ショルダー３１の（ヘッドに対する）遠位端部はシャンク３５の縮径部、即ちネックを有するアンダーカット３３で終端する。以下に記載するように、アンダーカット３３は、ファスナー３０をパネル３７に取り付ける装着時にパネル３７からの金属の冷間流れを受け取る。図３〜図５に示す実施態様では、このアンダーカット３１は凸状湾曲形状を有するが、図６ａ〜図６ｆに示すような他の好適な実施態様では、アンダーカットは直線状の形状を有することができる。

アンダーカット３３の（ヘッドに対する）遠位端部は、外向きに広がるシャンク３５にスムーズに移行する。このシャンク３５は外向きの外面を有し、パネル３７がショルダー３１によって変形したさい、この外面が装着穴４３に近接するパネル３７の縁部３７ａに係合する。シャンク３５の直径は、シャンク３５の中間点３５ａにおいて最大になる。この最大直径は、パネル３７の装着穴４３の直径に最近似する。中間点を超えるシャンクの遠位部分３５ｂは、好適な実施態様に示すように、あるいは図６ａ〜図６ｆに示す他の実施態様に示すように、各種の構成および形状を取ることができる。

本発明の好適な実施態様に従ってファスナー３７の装着方法を図３および図４に示す。この実施態様の方法は、特に薄い板金パネルにクリンチ作用によって締め付けるために有効な新規装置を有する。この装着装置は平坦なヘッド３２ａを有するプレス機３２、および上面３４ａから好ましくはファスナー３０の少なくとも同程度の長さに相当する深さまで延在する中心ボア４４を備えたアンビル３４を有する。ボア４４ａの上部は、円錐形凹部３９を形成するファスナーのショルダー３１の大きさおよび形状に対応する円錐台形状および大きさを有する。ボア４４ｂの下部は全体として円筒形である。

図３を参照して説明すると、まずアンビル３４に支持された薄い板金パネル３７の装着穴４５にファスナー３０を装着する。板金パネル３７については、装着穴４５がアンビルの中心ボア４４に対して同心円を構成するように適正に位置合わせする必要がある。この初期段階では、ファスナーは、ショルダー３１とパネル３７の縁部との間の接触点によって装着穴４５に支持されるが、これら接触点については、パネル３７およびファスナー３０の相対的なサイズに応じて他の接触点も考えられる。

図４を参照して説明を続けると、次に、ファスナー３０の上面３０ａがパネル３７の上面と同じ高さになるまで、プレス機３２がファスナーを下向きに押し出す。この下向き押し出し時に、ファスナー３０が変形し、パネル３７に締め付けられる。締め付け時に、装着穴４３を取り囲むパネルの部分が変形し、円錐台形状になる。締め付け時に変形する装着穴を取り囲むパネルの部分については、“圧印部分３６”と呼ぶ。圧印部分３６の変形は、ショルダー３１がパネル３７にぶつかり、押圧してこれを装着穴４５の直下で周囲にあるアンビル３４の円錐台形状上部４４ａに接触させるため生じる。ショルダー３１によってパネル３７に連続的にプレスされるため、圧印部分３６の横断面が小さくなり、この過程で金属がパネルから下向きかつ内向きにアンダーカット３３に変位する。パネルからの金属が、アンダーカットの形状に対応する形状に冷間成形（ｃｏｌｄ ｆｏｒｍｅｄ）し、アンダーカット周囲の装着穴４５を閉じる。変形時にファスナー周囲に形成した円錐形によってファスナー３０がパネル３７に固く取り付けられる。

新規なファスナー３０、プレス機３２およびアンビル３４は、締め付け時に従来のクリンチ式ファスナー、プレス機およびアンビルとは異なる機能を発揮し、ファスナーとパネルとの間に良好な接続を構成する。例えば、新規なファスナー３０、プレス機３２およびアンビル３４は、締め付け時に少なくとも以下の新規な工程を行う。即ち、（１）挿入穴４５を取り囲むパネル３７の部分を変形し、円錐形の圧印部分３６を形成する工程、（２）冷間流れ変形によって圧印部分を圧縮し、これを薄くして、圧印部分３６を加工硬化する工程、および（３）ファスナー３０のネックまたはアンダーカット３３の周囲の装着穴４５を閉じる工程である。なお、図４に示す締め付け方法の場合、図２に示す従来方法よりも金属パネルの変形量はかなり少ない。従来のファスナーおよび方法を使用して薄い板金パネルを締め付けた場合、変形は薄い板金をほぼせん断するほど強い。

締め付け後、ファスナーのシャンク３５の直径は、アンダーカット３３の周囲に閉じられた装着穴４５の直径より大きい。この結果、ファスナー３０が薄いパネル３７内に取り込まれる。図４について説明すると、当業者ならば理解できるように、パネル３７のファスナーの保持機構の形態は、図２に示す従来の保持機構とは異なる。従来のファスナーの引き抜き抵抗は主に引っ張り力によって発生する一方、新規ファスナー３０の引き抜き抵抗は主に圧縮力によって発生する。

図５は、プレス機を取り外し、パネルを引き抜きブッシュＢによって支持した後に図４のファスナーに加えられる引き抜き力Ｐに対する反応機構を示す概略図である。引き抜き力は、ファスナーの装着方向の反対方向に作用する。引き抜き力Ｐについては、パネルの後側においてファスナーの遠位端部に加わる力として図示してあるが、この引き抜き力はパネル上部側においてファスナーのヘッドに加わる引き抜き力であってもよい。力の作用線は、参照符号Ｐに隣接する破線によって示す。この引き抜き力Ｐがファスナーを上向きに押圧するが、シャンク３５の遠位部分３５ｂの直径が（締め付け時に締め付けられる）装着穴４５の直径よりも大きいため、シャンクが圧印部分３６の縁部３８に押し付けられ、これを上向きに押圧する。これに応じて、圧印部分３６が、参照符号Ｄに隣接する破線によって示す方向にその元の湾曲点を中心にして開き、即ち回転する。この動作が生じると、圧印部分が回転弧により内向きに移動し、アンダーカット３３内のファスナー３０のネックを締め付ける。引き抜き力Ｐが強くなるほど、装着穴がファスナーのネックに迫ることが難しくなるため、第１降伏金属なしではこの取り付け構造にゆるみが発生することはない。圧印部分のインライン圧縮力については、このファスナーの引き抜き故障が発生する前に対処しておく必要がある。当業者ならば容易に理解できるように、本発明のファスナーの構造的一体性（ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）は、図１および図２に示す標準的なクリンチ式取り付け構造とは異なっている。

図３および図４に示す好適な実施態様では、ファスナーはさらに第２パネル（図示省略）を取り付ける手段をシャンク３５の遠位部分３５ｂに有する。この好適な実施態様では、取り付け手段は第２アンダーカット４０およびテーパー底部４１を有し、この底部はファスナー３０の遠位端部３０ｂに対して遠位方向に延在する。

図６ａ〜図６ｆに、本発明の別な好適な実施態様に従って構成したファスナーを示す。これら図にはそれぞれピン１３０、フラッシュスタッド２３０、重量のあるヘッドスタッド３３０、スタンドオフ４３０、ナット５３０およびフラッシュタック６３０を示す。各ファスナー１３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０は横断面が円形で、全体としてそれぞれがヘッド１４２、２４２、３４２、４４２、５４２、６４２、変位部１３１、２３１、３３１、４３１、５３１、６３１、アンダーカット１３３、２３３、３３３、４３３、５３３、６３３およびシャンク１３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０を有し、これら部分については、上記ファスナー３０と同様なファスナーのヘッド端部から順に遠自由端部まで設ける。図６ａ〜図６ｆに、本発明の薄型クリンチ式特徴が各種型式のファスナーにおける標準的なクリンチ式構成と置き換えて適用できることを示す。ネジを設けたファスナーと同様に、本発明のファスナーの具体的用途において耐トルク性が必要な場合、変位部に刻みを設けることができる。

上記実施態様は、本発明原理の説明のみを目的としている。当業者にとって、各種の一部変更および改変は容易なはずである。即ち、本発明を図示し、説明してきた正確な構成および動作に限定する意図はない。従って、これらの妥当な一部変更および改変はいずれも特許請求の範囲に記載する発明の範囲内に包摂されるものである。

１７：板金パネル
３０：クリンチ式ファスナー、ファスナー
３０ａ：ヘッド端部、上面
３０ｂ：遠位自由端部、遠位端部
３１：テーパーショルダー、ショルダー、変位部、アンダーカット
３２：プレス機
３４：アンビル
３４ａ：上面
３５ｂ：遠位部分
３６：圧印部分
３７：板金パネル、パネル
３７ａ：縁部
３９：円錐形凹部
４０：第２アンダーカット
４１：テーパー底部
４２ａ：上部平面
４２ｂ：環状リム
４３：装着穴
４４、４４ｂ：ボア
４４ａ：円錐台形状上部、ボア
４５：装着穴、挿入穴
１３０：ピン
２３０：フラッシュスタッド
３３０：ヘッドスタッド
４３０：スタンドオフ
５３０：ナット
６３０：フラッシュタック
１３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０：ファスナー
１３、３２ａ、４２、１４２、２４２、３４２、４４２、５４２、６４２：ヘッド
１４、１３１、２３１、３３１、４３１、５３１、６３１：変位部
１５、３３、１３３、２３３、３３３、４３３、５３３、６３３：アンダーカット
１９、３５、１３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０：シャンク
Ｂ：引き抜きブッシュ
Ｐ：引き抜き力

Claims (14)

1. 個装用金属ファスナーであって、
   前記ファスナーのうちで最も大きな直径を有する最上部ヘッド、
   前記ヘッドから軸線方向下向きに延在し、前記ファスナーを装着する金属パネルの材料を変位させる外向きかつ内向きに収斂する角度付き表面を有するショルダー、
   前記ショルダーの下に設けられ、前記ショルダーによって変形されたパネル材料の装着穴の縁部に係合する上向きの外面を有する外向きに広がるシャンク、および
   前記シャンクと前記ショルダーの接合部に設けられ、前記ファスナーがパネルに取り付けられるように前記パネルの前記装着穴の縁部を受け取る縮径ネックを有することを特徴とする個装用金属ファスナー。
   
2. さらに、第２対象物の装着穴によって前記ファスナーをこの第２対象物に取り付けるために前記シャンクの下に設けられた取り付け手段を有する請求項１に記載のファスナー。
   
3. 前記取り付け手段が、前記第２対象物にクリンチ式で取り付けるアンダーカットを有する請求項２に記載のファスナー。
   
4. 前記ヘッドが、円筒形外面を有する円形ヘッドである請求項１に記載のファスナー。
   
5. 前記ショルダーの前記外面全体が、前記外向きの角度付き表面である請求項１に記載のファスナー。
   
6. 前記取り付け手段が、前記ファスナーの底部まで下向きに延在する、収斂方向にテーパーをもつ底部分を有する請求項２に記載のファスナー。
   
7. 板金パネルに対するファスナーのアセンブリーであって、
   前記ファスナーのうちで最も大きな直径を有する最上部ヘッド、
   前記ヘッドから軸線方向下向きに延在し、前記ファスナーを装着する金属パネルの材料を変位させる外向きかつ下向きに収斂する角度付き表面を有するショルダー、
   前記ショルダーの直下に設けられ、前記ショルダーによって変形されたパネル材料の装着穴の縁部に係合する上向きの外面を有する外向きに広がるシャンク、および
   前記シャンクと前記ショルダーの接合部に設けられる縮径ネックであって、このネック周囲の領域が前記パネルの前記装着穴の縁部を受け取るアンダーカットを構成するネックを有する個装用金属ファスナーを有し、
   前記ファスナーが、前記パネルの円錐形凹部の中心に設けられたこのパネルの前記装着穴を貫通して延在し、前記パネルから前記ネックのアンダーカットに流れる金属の冷間流れによって前記ファスナーを前記パネルに取り付け固定し、これによって前記装着穴を縮径したことを特徴とするアセンブリー。
   
8. 前記パネルの厚みがほぼ０．００８インチである請求項７に記載のアセンブリー。
   
9. さらに、前記シャンクの下に設けられた前記ファスナーによってこのファスナーに取り付けた第２対象物を有する請求項７に記載のアセンブリー。
   
10. 前記パネルの前記装着穴周囲の前記円錐形部の縁部が前記ショルダーに当接し、この円錐形部の角度が下向きで、前記穴の前記縁部が前記シャンクの前記上向き面に係合する請求項７に記載のアセンブリー。
    
11. 前記ヘッドの上面の高さが前記パネルの上面と同じである請求項７に記載のアセンブリー。
    
12. 前記ファスナーをアンビルに押圧されている前記パネルにプレスすることによってのみ前記パネルの前記材料が変形し、前記ファスナーをこのパネルに取り付ける請求項１０に記載のアセンブリー。
    
13. 前記アンビルが、前記プレス時に前記パネルの前記円錐形部分を形成する円錐形凹部を有する請求項１２に記載のアセンブリー。
    
14. ファスナーの装着方向とは反対方向に前記ファスナーに加えられる力が、主に前記パネルのインライン圧縮抵抗によって打ち消される請求項１０に記載のアセンブリー。

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