JP3623969B2

JP3623969B2 - ねじ

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Publication number: JP3623969B2
Application number: JP24258091A
Authority: JP
Inventors: アラン・プリッチャード
Original assignee: Research Engineering and Manufacturing Inc
Current assignee: Research Engineering and Manufacturing Inc
Priority date: 1990-08-28
Filing date: 1991-08-27
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2020-02-23
Also published as: US5061135A; ES2071228T3; BR9103681A; AU639820B2; DE69107386D1; JP2004218845A; ATE118603T1; AU8263691A; JPH04262109A; EP0476831B1; JP4030978B2; DE69107386T2; EP0476831A1

Description

【０００１】
【産業状の利用分野】
本発明はタッピンねじ（ｔｈｒｅａｄｅｄｔａｐｐｉｎｇｓｃｒｅｗ）における改良に関し、特にタッピンねじの新規で改良されたねじ山形状の設計に関する。本発明による新規なねじ山形状は、ねじ（ｔｈｒｅａｄｅｄｆａｓｔｅｎｅｒ）と、これを加工物にねじ込む際に形成されるねじ山（ｍａｔｉｎｇｔｈｒｅａｄｓ）との結合の荷重を改良するものであり、このような改良により、結合された組立体は、他の既知のねじ山の形状で製造されたものを凌ぐことが可能となる。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、比較的軟質である素材の結合に効果がある雄ねじの大部分は、自己穿孔（ｓｅｌｆ−ｔｈｒｅａｄｉｎｇ）型、あるいはねじ山形成（ｔｈｒｅａｄ−ｆｏｒｍｉｎｇ）型である。例えば、このようなねじは柔軟なプラスチック素材や、軽合金の素材あるいはナットに使用されている。これらのねじは、ナットアンカー即ち受け側の加工物の案内孔に、雄ねじのねじ山と嵌合するねじ山を作り出すために素材のプラスチック応力変形を利用している。一般的に、こうした応用におけるねじ山のデザインは一定間隔を置いたねじ山（ｓｐａｃｅｄｔｈｒｅａｄ）型であり、ねじ立てトルク（ｔａｐｐｉｎｇｔｏｒｑｕｅ）とストリッピングトルク（ｓｔｒｉｐｐｉｎｇｔｏｒｑｕｅ）との関係がよくなるように設計されている。特にこれらの柔軟なプラスチック素材や軽合金素材においては、フープ応力（ｈｏｏｐｓｔｒｅｓｓ）即ち放射状応力が重要である。放射状応力は自己穿孔型またはねじ山形成型のねじを素材にねじ込む際に、ねじ山の構造により惹起されるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような柔軟な材料は、例えば鉄のような硬い材料の持つ低温流動特性ではなく、切り欠きもろさを示す。切り欠きもろさは応力の集中を意味し、応力の集中は材料に対して応力あるいは張力が掛けられた場合に、一部分のねじ溝またはその他の割れ目に発見される。この点で、プラスチックは大きく変化に富んでいる。即ち、あるものは非常に柔軟であるが、その他は大変脆弱であり、従って切り欠きもろさが高い。いかなる場合でも、自己穿孔型またはねじ山形成型のねじをねじ込む間に加わる高い応力集中は、最終的な結合組立体の有効性を脅かすナット部材あるいはボスの亀裂を惹起する傾向がある。
【０００４】
ここに使用されている「ボス」と言う用語は、プラスチックまたはその他の軽く柔軟な材料において、案内孔を開ける部位の周辺に肉厚部を形成するための一般的な処置を指している。案内孔の寸法や、組み込まれるねじの呼び径に相応するボスの壁厚は一定の標準規格により決定されている。当然、素材に掛かるフープ応力と呼ばれるものの大半はボスの側壁に集中し、範囲が限定される。ボス側壁に対するいかなる損壊または亀裂も、完成した組立体の効果を損なわせることになる。最後に、このような組立体が平衡状態において、さらには結合構造に外部応力が掛けられた状態下で、ねじと加工物が使用中に当前記部位に掛かる外部力の影響を受けても決して緩まない、完成された結合組立状態を維持することが望まれる。
【０００５】
【課題を解決する手段】
従って、ナットまたは加工物にねじ込まれた場合、ねじとしての性能を強化する、新規で改良されたねじ山形状を有するねじを供給し、既存のねじ山の幾何学的形状のものを越えることが、本発明の一般的な目的である。
【０００６】
更に特定の目的としては、ねじをねじ込む間に、ナットまたは加工物に対して差動荷重（ｄｉｆｆｅｒｒｅｎｔｉａｌｌｏａｄｉｎｇ）を掛けるようなねじ山の形状を利用することである。この差動は、分力の方向を変化させるのに役立つので、荷重を作り出し、加工物の材料流動を誘発し、フープ応力を減少させ、ねじと加工物との接触面を増加させる方向に導く。接触部位においては、そのような接触面はナットのねじ山剥離に対する抵抗を増し、軸方向の引出し荷重に耐える性能を強化する。
【０００７】
前述の目的を達成する本発明のタッピンねじは、このタッピンねじを加工物に形成されている案内孔にねじ込む間に、偶力の組み合わせ及び該偶力の結果生じるモーメントが当該タッピンねじのねじ山の周囲に前記加工物の材料の材料流動を引き起こし、当該タッピンねじのねじ山と前記加工物に形成されたねじ山の間に面接触を生じさせるタッピンねじであって、前記タッピンねじが、軸（A）を画定するねじ切りされた本体部分（11）とドライバーヘッド部分（10）からなり、前記ねじ切りされた本体部分（11）が、軸方向断面において非対称かつ非三角形状のねじ山輪郭（15）を有し、複数の区域からなり、当該区域が、前記加工物内へ前記タッピンねじが進行する方向に関するトレーリング面（29）からなり、このトレーリング面が平坦であり、前記本体部分（11）の直径に対して第一の角度（α）を画定する第一区域（I）と、既定半径（22）の曲面を画定するリーディング面（31）からなり、それによって前記加工物にねじ山が形成される間に、前記加工物の材料が、概略半径方向内向きの、前記加工物に対して前記タッピンねじが進行する方向に関して前方への、前記角度の付いたトレーリング面に対する流れを誘発され、前記タッピンねじのねじ山と前記加工物に形成されたねじ山の間の面接触が増大し、それによって前記加工物の材料内のフープ応力が減少し、かつ前記リーディング面におけるねじ山輪郭の有効深さを超えて前記トレーリング面におけるねじ山輪郭の有効深さが増大する第二区域（II）と、前記ねじ山の先端部分からなり、この先端部分の前面が、前記本体部分の前記直径に対して第二の角度（β）を画定し、この第二の角度が前記第一の角度よりも大きく、前記リーディング面（31）が、前記タッピンねじの全ねじ山深度（19）の23％〜27％の深度で前記先端部分（30）と接する第三区域（III）とを含む。
【０００８】
別の態様では、前述の目的を達成する本発明のタッピンねじは、このタッピンねじを加工物に形成されている案内孔にねじ込む間に、偶力の組み合わせ及び該偶力の結果生じるモーメントが当該タッピンねじのねじ山の周囲に前記加工物の材料の材料流動を引き起こし、当該タッピンねじのねじ山と前記加工物に形成されたねじ山の間に面接触を生じさせるものにおいて、前記タッピンねじが、軸（A）を画定するねじ切りされた本体部分（11）とドライバーヘッド部分（10）からなり、前記ねじ切りされた本体部分（11）が、軸方向断面において非対称かつ非三角形状のねじ山輪郭（15）を有し、複数の区域からなり、当該区域が、前記本体部分の直径に対して10°〜15°の範囲の角度を画定する平坦なトレーリング面（29）からなる第一区域（I）と、前記タッピンねじの呼び径の0.22倍〜0.30倍の範囲にある既定半径（22）の曲面を画定するリーディング面（31）からなり、それによって前記加工物にねじ山が形成される間に、前記加工物の材料が、概略半径方向内向きの、前記加工物に対して前記タッピンねじが進行する方向に関して前方への、前記角度の付いたトレーリング面に対する流れを誘発され、前記タッピンねじのねじ山と前記加工物に形成されたねじ山の間の面接触が増大し、それによって前記加工物の材料内のフープ応力が減少し、かつ前記リーディング面におけるねじ山輪郭の有効深さを超えて前記トレーリング面におけるねじ山輪郭の有効深さが増大する第二区域（II）と、前記ねじ山の先端部分からなり、この先端部分の前面が、前記本体部分の前記直径に対して第二の角度（β）を画定し、この第二の角度が前記第一の角度よりも大きく、前記リーディング面（31）が、前記タッピンねじの全ねじ山深度（19）に対して既定の距離（34）で前記先端部分（30）と接する第三区域（III）とを含む。
【０００９】
【発明の実施の態様】
前記半径方向に伸びるリーディング面（３１）は、前記ねじのねじ山の全深度（１９）の２５％の深度で前記先端部分（３０）と接するのが好ましい。
前記半径方向に伸びるリーディング面（３１）の反りの半径（２２）は、ねじの呼び径の０．３０から０．２２の間であるのが好ましい。
前記第一の角度は１００−１０５°の間であるのが好ましい。
前記先端部分（３０）と前記本体（１１）の直径とがなす角度（β）は１７−２５°の間であるのが好ましい。
【００１０】
【実施例】
本発明の構造並びに方法は、添付図面に関連する以下の説明によりもっとも良く理解されるであろう。図中で同一番号は同一要素を表示する。
【００１１】
図１にはヘッド１０と軸部または本体部分１１を有する本発明のねじ、即ち、タッピンねじが図示されている。
【００１２】
ヘッド１０としてはいかなる形も可能である。即ち、横断溝１２、または十字型凹部を有するもの、あるいは外部のレンチが結合可能な構造が備えたもの、あるいはねじの駆動システムを介してねじに回転運動を伝達可能であればいかなるものでもよい。
【００１３】
図示された軸部１１は一般的にシリンダー状の断面形であり、長さ１３を取り囲むように図示されているテーパー加工された進入端部１４を有している。本発明はこのテーパー加工された進入端部に限定されるものではなく、必要ならばドリル先端部で知られている進入端部か、あるいはどのような進入端部でも備えることが可能である。
【００１４】
軸部１１はその全長にわたる非対称性のねじ山１５を有している。ねじ部は必要であれば軸部の一部分にのみ限定することが出来る。ねじ山１５はシリンダー状中心部の直径１６の周囲にラセン形状に生成される。ラセン角２０の大きさは、ねじ外径１７と、ねじピッチまたはリード１８と結合したねじ深さ１９との正比例の関係で決定されるものである。
【００１５】
図１に示されたねじでは、一条ねじ山１５がシリンダー状中心部の直径１６の周りに形成されているように図示されているが、本発明はシリンダー状中心部の直径１６の周りに展開される２条ラセンねじにも同様に適用できるものである。中心部の直径１６の周りに展開される２条ラセンねじの場合、ラセン角２０の大きさは、ねじ外径１７とねじ深さ１９、そしてねじピッチ１８の２倍の値に等しいねじのリード２１との正比例の関係によって決定される。
【００１６】
図２は、本発明によるねじ山形状の拡大断面図である。ねじ外径１７と同様、ねじ山の深さ１９及びねじピッチまたはリード１８は、図１において既に論じられているものである。図２におけるＩを「第一区域」と呼び、ＩＩを「第二区域」と呼び、ＩＩＩを「第三区域」と呼ぶ。
【００１７】
ねじ外径１７は直径１．４ｍｍから１０ｍｍの間のねじサイズの範囲内に収まることが望ましい。実用的な見地からは、各ねじは一定間隔を開けたねじタイプの比例的な標準メートルサイズまたは標準インチサイズのタッピンねじと同等の寸法を有することが望ましい。しかしながら、本発明は直径または表面的な寸法の何れにも限定されるものではない。本発明のねじ山の形状寸法は例えば以下の通りである。
【００１８】
第一区域（Ｉ）において、ねじ山形状のトレーリング面（ｔｒａｉｌｉｎｇｆａｃｅ）２９（各区画された外形上のねじ進入点よりもっとも離れている）は、ねじのシリンダー状中心部の直径に対して角度を持ち（直径はシリンダー状中心部のＡ軸に対して９０°である）、それはアルファ（α）として示されている。この角度αの望ましい大きさは、１５°である（Ａ軸に対して１０５°）が１０°から１５°の範囲内で可能である（Ａ軸に対して１００°から１０５°）。第三区域（ＩＩＩ）において、ねじ山形状のリーディング面（ｌｅａｄｉｎｇｆａｃｅ）３１の先端３０は、ベータ（β）で示されるように、中心部直径に対して角度を有しており、それは１７°から２５°の範囲内で可能であるが、望ましい角度βは２０°である。リーディング面３１の曲部３１ａの半径の大きさは、名目上のねじサイズの０．２２倍から０．３０倍の範囲内が可能であるが、表面上のねじ直径またはサイズ１７の０．２２倍が望ましい。
【００１９】
ねじ外径１７より低い位置にある、角度が付けられたねじ先端３０の高さ３４の望ましい値は、ねじ外形深さ１９の２５％であるが、交点２３までの先端高さはねじ深さ１９の２３％から２７％の範囲が可能である。
【００２０】
第二区域（ＩＩ）において、リーディング面３１とねじのシリンダー状中心部１６との交点は３２において発生するが、中心部の表面３３が半径２２に接するような状態にはならない。中心部表面３３の断面は、図２の破線にて図示されているように、常時半径２２の弦である。
【００２１】
好ましい実施例に関して次に述べる寸法的な関係は、いかなる意味においても本発明を限定するものではない。ねじ山の頂２５は、平面でもよいし、２６にて図示されているように湾曲していてもよい。面２９及び３０が、３５にてその先端を頂点として三角形を形成するように伸長された場合、２５で示される先端におけるねじ外形の膨張は、ねじの呼び寸法１．４ｍｍから５ｍｍに対しては実質値０．１ｍｍを越えてはならない。また、ねじサイズ６ｍｍから１０ｍｍあるいは、標準インチサイズと等価のねじに対しては０．２０ｍｍを越えてはならない。
【００２２】
ねじのシリンダー状中心部の直径１６とねじ輪郭面２９との交点において、帯状部２７が認められている。帯の最大容認半径は、交点の高さ２８をねじ深さ１９の全長の０．２倍以下にするものでなければならない。
【００２３】
ラセンねじの軸ピッチ１８は、ねじの呼び径の０．４５倍に等しいことが望ましいが、ねじサイズの０．４倍から０．６倍の範囲内であることが可能である。
【００２４】
本発明による上記のねじ外形寸法は、ナット或は他の加工物におけるアンカー材料の材料流動の生成による改善された性能をもたらす。この材料流動は、力の作用及び力のモーメントを展開させるような上記形状の発明的特徴によりもたらされる。これらの力は、ナットの材料流動を誘導するような方法で生成されるのであり、タッピンねじをねじ込む動作の間に、他の既知のねじ形状のような、例えば、実質的に三角形状で、ねじ軸に対して垂直な仮定線に対称的な形状を有しているものより、高い結合性能を付与する接触面を結合ねじに生成する。
【００２５】
アンカー素材に使用されるねじ形成型ねじの開発は、ここ数年継続して進展している。一定間隔を開けたタッピンねじが使用されるこのアンカー素材には合成柔軟プラスチック材またはその他の材料がある。
【００２６】
従来のねじ外形設計の追求に費やされてきた基本研究は、元来、ねじ山外形の角度及びねじの軸ピッチまたはリードの変更に関係するものであった。それらの変更は、示力図を使用することにより、製品が改善された軸方向の荷重支持特性を有すること、並びにねじ山形成の動作の間にナット、加工物あるいはアンカー素材に起きる高度誘発性のフープ応力や放射状応力に関連する状態を改善できることを示している。
【００２７】
図３に図示されているように、このような研究の１つは２つの寸法的分析によるベクトル図及び素材域押し退け公式により、ねじフランク角が６０°（この値を含む。）の初期の研究サイズから、改善されたサイズである３０°（含む）に減らした場合、力Ｆａ１及びＦｒ１よりもＦａ２及びＦｒ２の大きさにおいて、優位となる。結合ねじを形成するのに必要であるトルクは、部分押し退け容量が同等であると仮定すれば、これにより初期値６０°（含む）より３０°（含む）に引き下げが可能であることを示している。
【００２８】
押し退け容量が同等であれば（Ａ１＝Ａ２）、ねじ角度を６０°（含む）から３０°（含む）に下げることにより、ねじ山の側部結合の長さが増加する（ｇ２がｇ１より大きい）。この分析は、発生した内部力と、合成柔軟プラスチック素材のナットアンカーに挿入するねじに対して掛けられるこれらの力に関連している。他の全ての要素が同一であることを前提として、この基礎研究は、実質的に三角形の断面形状である、対称性のねじ山のフランク角の変更によって開発が可能である関連特性について有用な指針となり得る。
【００２９】
しかし、前述の研究が指針として有用であるとしても、ここには雌ねじ山形成中にアンカー材中において誘発される力及び材料流動の方向は全く考慮されていない。
【００３０】
このねじ立て（ｔａｐｐｉｎｇ）概念の展開において使用された基本原理が図４に図示されている。ナットまたはその他の加工物要素３６は直径３７の単純な孔を備えている。ねじはこの孔にねじ込まれ、それによりアンカー材が押し退けられる。素材は矢印３９が示すように、半径方向内向きに押し出され、そして矢印４０が示す軸方向の押し退け容量は、平衡状態になるまでの間、即ちねじ山タイプＡにより押し出された容量がナット部材３６において生成された容量Ｂに一致するまで押し退けられる。これは噛合部分のねじ山結合を増大させ、当初の孔の直径３７より短少になった加工物の雌ねじの内径３８の有効性を増している。
【００３１】
開発用に採用された同一容量の押し退けの分析による、この概念及び論理的アプローチは、矢印３９及び４０で示された方向に材料流動を誘導するために生成され、かつ、必要とされる内部力について考慮していない。
【００３２】
図５は図３のベクトル図分析の拡大図である。実質的に三角形である対称なねじ山形状において、分力Ｆｒ１とＦａ１はベクトル合力Ｒ１を発生する。同様に、分力Ｆｒ２とＦａ２はベクトル合力Ｒ２を発生する。そして
Ｒ１＝Ｒ２
Ｆａ１＝Ｆａ２
Ｆｒ１＝Ｆｒ２
となる。
【００３３】
合力Ｒ１及びＲ２はそれらの相互作用により、点４５においてベクトル合力Ｒ４を創出している。このシステムで発生した力の大きさは、押し退けられた素材の容量とアンカー材の強度或は剛性率に直接的に関連している。
【００３４】
発生した力の最も高い値は、点４２ではＦａ１とＦｒ１、点４３ではＦａ２とＦｒ２であり、力がナットアンカー材の強度に起因する相互−反作用に曝されるにつれて、実際値は減少する。こうして、Ｆａ１は点４２における最大値から点４６で最小値に減少し、Ｆａ２は点４３における最大値から点４７で最小値に減少する。この力の減少は直線的に退行する。そのため、設計の目的としては、ナットねじが形成される際の、ねじサイズ及び閉じ込める必要のあるエネルギーに応じて、点４６及び４７において負荷をゼロ若しくはゼロに近くすること、そしてボス直径４４をこの必要性を満たすのに充分に大きくすることである。
【００３５】
アンカー材中に誘発される力を構成部品の構造物内に閉じ込める必要があるとすれば、発生する反力及びベクトル図分析によって、発生した合力に対する反作用があるはずである。ねじ山形成概念を使用して、ナット部材の材料の内方向への流動及びねじ側部結合の増大を可能にするものは、力に対するこうした反作用である。
【００３６】
力Ｆａ１及びＦｒ１に対する反作用値の減少に伴い、合力Ｒ１もまた減少し、そしてナット材料による内方向の動きの誘導に必要な力の合力の減少が見られる。この合力の減少は合力Ｒ４に対する反作用が、組み立てられたシステム上に有する影響の増加により、部分的に反発される。これらの変化する荷重が合成される結果、図６に示されるように、押し退け容量Ａが、図４で明確にされている案内孔３７への押し退け容量Ｂと等量であるようなナットねじ山の中心形状が作り出される。
【００３７】
この図６によれば、間隙４８がナットねじ山部材の中に生成してしまう。これは、結合組立体に加わる軸方向の引き離し力という負の効果に耐える能力を、図４に関連して展開された理論的ねじ形状において指示される値以下に減じている。一定間隔を開けたねじ型、対称性三角形状ねじ型のねじを、ねじが切られていないナットアンカー材内に結合ねじを作るために使用した場合、このような間隙４８は必ず発生する。これは、特にナットアンカー素材が合成柔軟プラスチックタイプである場合に顕著である。
【００３８】
本発明の目的は、ねじ山形成のためのさらなる技術開発である。本発明によれば、ねじ山形成の時にナット部材内のねじ山形状を、力の発生並びに諸力の合力の発生と相関させることにより、ナット部材の材料流動を生成させる。これにより、従来の一定間隔を開けたねじ山型や対称性で実質的に三角形状を有するねじ山形状型において観察され、記録されて来たねじ以上に、組立て性能を高め、進歩させるのである。
【００３９】
本発明の好ましいねじ山輪郭形状は、図１及び図２に関して既に説明したところである。
【００４０】
次に説明する方法においては、ベースナットあるいはアンカー部材が柔軟な合成プラスチック材である場合に、本発明によるねじ山輪郭形状の発明的特性をナットあるいは他の加工物及びねじの組立体の開発に対して使用すると改善された結果をもたらす。しかし、本発明によるねじは、一定間隔を置いてねじ切りされたねじ山形成型のタッピンねじを使用する他の全ての材料に使用されても、同様に良い結果をもたらすものである。
【００４１】
図７では、本発明による先端形状及び隣接する軸方向へのねじ山輪郭の部分的断面図が示されている。ねじ山の先端は、寸法的に非対称性であり、角βは角αよりも大きい。これらの角の割合は、前述のものに一致している。
【００４２】
孔３７は、ナットあるいは他の加工物またはボス要素３６内に在り、本発明のねじを差し込めば、自己ねじ立てによってねじ嵌合状態がもたらされる。押し退けられる材料の容積については、押し退け容積Ｄが押し退け容積Ｅに等しく、容積Ｄ及びＥの合計が容積Ａに等しいという関係になっている。こうした押し退けは、ほぼそれぞれの矢印４９及び５０が指示する方向へナット部材の流動を誘発する。
【００４３】
押し退け容積Ｄ及びＥが実質的に等しいことから、ナット部材に及ぼす力はベクトル図の分析によって解明することが可能である。Ｒ１及びＲ２で表わされる運用力は、実質的に合力に等しい力を有しているが、ねじ山の先端の形状差に直接関連して相違する可変分力Ｆａ１とＦｒ１及びＦａ２とＦｒ２から構成される。ベクトル図解析概念に従って、こうした力を生み出す場所は面積Ｄ及びＥの中心に直接関連し、また、ねじ面の輪郭２９及び３１に関連し、そして、示力図は点５４及び５５に関連する。上記説明によるねじ山先端形状の性格上、相対的な高度差５１は、点５５が点５４の場所より外側で放射状に位置するような、点５４、５５の間に存在する。
【００４４】
本発明によるねじ山形状の直接的結果として、以下のような状況が見られる。
合力Ｒ１及びＲ２は、実質的に大きさが等しい。
α及びβと表示されている面角の相対差は、結果的にこうした力に対する相対的な方向変化となる。
α角のタンジェントとβ角のタンジェントに比例して、放射状分力Ｆｒ２は、同Ｆｒ１以下に減じられている。
Ｆｒ１及びＦｒ２の大きさの違いは、本発明によるねじ形状については約３％である。実用上では、また、ボスあるいはナット部材に生じる可能性のある付加的なフープ応力の相対レベルにとっては、この僅かな相違は取るに足らないものと見なされている。
軸方向分力Ｆａ２及びＦａ１の大きさは、ここでも、角α及び角βの異なる各タンジェント値に比例している。
【００４５】
ボスあるいはナットアンカー材料に働く本発明による誘発力と、相対的な力及び合力の大きさと方向とが構造内に平衡状態を確立するような状況下では、その後の誘発偶力及び合力は、結合ねじの形成中にナットアンカー材料の流動に影響を与えるこうした偶力のモーメントから発生する。誘導偶力の影響から発生する力のモーメントは、Ｒ１とＲ２に関してはＭＲ１及びＭＲ２、また、Ｆａ１とＦａ２に関してはＭＦａ１及びＭＦａ２として表示される。
【００４６】
力のモーメントＭＲ１及びＭＦａ１の合成効果はナットアンカー材料の流動方向に最も大きく影響し、ナット及びねじ山の改良された接触をねじの輪郭２９の面に沿って達成させる。
【００４７】
ＭＦａ１及びＭＦａ２が等しいのと同じく、ＭＲ１及びＭＲ２は等しいが、こうした力に対して等しい抑制力が働いているとすれば、こうした力による各影響は無効ということになるであろう。しかし、実用的考察にあっては、また、柔軟な合成プラスチック材料における結合ねじの形成に応用される自己ねじ立て原理（ｓｅｌｆ−ｔａｐｐｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ）に従えば、ねじ及びナット部材の形状を確立する必要がある。
【００４８】
図８において、下記の形状を概略案として検討する。
孔の内径３７は、直径６３の円筒形ボス内にある。
この孔に、タッピンねじが入れられる。
ボス部材における雌ねじ生成により、ボスに働き、またボス内に必ず含まれる半径方向力が生成される。
目的は、全ての放射的な外方向への力５８の結合が、ボス外壁表面に何の荷重も応力も生成させずにボス材料中に分散されるようなボス壁の厚さ６２を決定することである。
最大の力及びその結果としての応力は、ボスの中心に向かうものであり、図面では長さ６０によって図示され、点５９でゼロに減少する。
ボス壁がボスの外面に何の応力も発生させないことを保証するだけの厚みを保持できない場合、ボス材料による外部への放射状運動が起こり、「膨脹」が発生する。
【００４９】
この基本概念は、タッピンねじ組立概念と関連する全ての設計に関係し、本発明にのみ限定されるものではない。これは、ナットアンカー材料を好ましい方向へと流動させる点においてここに呈示された革新的概念の今後の理解と改良の基礎となるものである。
【００５０】
図７についてさらに説明すると、力Ｆｒ１、Ｆｒ２、ＭＲ２及びＭＦａ２は外部への放射状の方向性を有し、また、図８の説明にもあるように、ボスの設計によって制限されるべきものである。これらの力が及ぼす外方向の力による効果の範囲は、説明上、仮定的な保留壁６４によって表示されている。これらの壁６４により、Ｆｒ１、Ｆｒ２、ＭＲ２及びＭＦａ２に対する反力が生じ、ねじ立ての原理により押し退けられる物質に対するナット部材の形状に従って、ナットアンカー材料内に誘発される力及びその結果としての応力と合算される。こうした力は実質上、ねじの軸方向に働く。
【００５１】
力ＭＲ１及びＭＦａ１はナット材料上に加わるが、その方向は、図８に関連して説明されているようなナット部材設計概念によって、こうした力が元のゼロ応力を達成するようには制限されていない。
【００５２】
これらの力ＭＲ１及びＭＦａ１は、Ｆｒ１、Ｆｒ２、ＭＲ２及びＭＦａ２から生じる反力と共に、ナット材料内に誘発される力と合体する。その力は、本発明によるねじ形状の非対称性の先端設計によって共同的に内方向へ働き、ナット材料を矢印５２及び５３の示す方向へ流動させる。
【００５３】
力Ｆｒ１及びＦｒ２に対する反力は、それぞれトレーリング面２９に向かうとともにこの面によって制御されたナット材料による内方向への流動をも生じさせる。こうした力は、他の力の考察において既に述べた基本的作用を有するものである。
【００５４】
当初の利点は図７によるナットアンカー形状によって生じるが、押し退けられる材料の割合は、接合体に加えられる軸方向荷重に対して期待される抵抗を生み出すべくねじ山側部の噛み合いを大きく増大させるには、それだけでは不十分である。従って、実用的な考察においては、本発明によってねじの形状を決定し、並びに、ねじの直径１７（図１）に関連して、ナットアンカー３６内に孔３７の位置を決定し、もって、ナットアンカー材料内に押し退けられるＡで表示された材料量をナットとねじのねじ側部の噛み合いが十分に強化されるように大きくする必要がある。
【００５５】
図９において、ナットアンカー部材内の孔のサイズが３７と表示されていたものから上記の要件に一致する３７ａへと縮小された状態が表示されている。縮小された孔の直径３７ａが作り出す状態では、ねじ輪郭側部３１の凹面の一部３１ａはねじ立ての原理に従ってナット部材によりねじが形成される間に発生し、アンカーナット３６を包含する力にさらに影響を与える。
【００５６】
孔３７ａの縮小形状が作り出す状態においては、本発明によるねじを挿入する間、さらに多くの材料が押し退けられる。この材料を押し退けるためには、望ましいナット部材の流動の誘発に際し、孔がより大きな直径３７の中に保持される場合以上のエネルギーを必要とするであろう。このように、力Ｒ２の大きさが図７で説明した状態でのものより大きい反面、Ｒ２及びその分力Ｆｒ２とＦａ２の相互比率は変化しない。
【００５７】
図９の状態において、力Ｒ３の方向は凹面３１ａの接線に垂直であるが、新しい点７４から広がる増大した力Ｒ３及びその分力であるＦｒ３とＦａ３は、図７に関して説明した力Ｒ１及びＦｒ１、Ｆａ１に比較しても比率的な変化は見られない。
【００５８】
点７４に加わる増大した圧力（力）と並んで凹面３１ａは、伸長するねじの輪郭面角βが、延長線７５として表示される中心軸の方向に継続される場合に発生したと考えられるものよりもさらに合力Ｒ３を増大させるような効果を有する。従って、Ｒ３とＲ１（図７）には線形的な関連はない。さらに力Ｒ３の方向は、角度関係をβからβ＋へと増大させるような凹面３１ａによる効果によって変更される。このように、分力Ｆｒ３とＦａ３の間の関係は、先に説明した（図７）Ｆｒ１とＦａ１のものと同じ比率を保持するものではない。
【００５９】
以後の考察として、点７４が凹面３１ａの下方に内方向へと、つまり図７の点５５に関連して、移動するにつれて、角β＋がさらに増大することが解るであろう。
【００６０】
誘発される力Ｒ３の発生とその大きさ及び方向は、力のモーメントＭＲ３を増大させ、一旦平衡状態が達成されるとＭＲ３はＭＲ２に等しくなるであろう。しかし、この力のモーメントＭＲ３の大きさの増大によって、平衡状態に至る以前に、より高度な力及びナットアンカー材料３６内にその結果としての応力が生じる。こうした力は、下向き、内方向性であり、ねじ形状のトレーリング面２９へと向かうものである。
【００６１】
仮定壁６４は力Ｆｒ２、Ｆｒ３、ＭＲ２及びＭＦａ２による実質的放射状の方向性を持つ効果を保留し続け、下向き、および内方向への荷重をさらに増大させる反力を発生させ、また、孔３７ａの初期の位置には含まれることのない応力をナットアンカー材料内に発生させる。結果的にこうした力は、加圧下でナットアンカー材料による低温流動となり、本発明によるねじと、ねじ立ての原理によって作り出されるナットねじとの間に可能な限り最良な接合を達成する方向へ誘発される。
【００６２】
これに加えて、本発明による凹形のねじ形状と並んで非対称性のねじ先端は、柔軟な合成プラスチックから成るナットアンカー材料内に力の発生を誘発し、偶力及びその偶力の合力モーメントを生成させる。これにより、ねじ立て動作の間、ナット材料はだいたい図１０に図示される状態で流動することとなる。
【００６３】
ナット材料の方向性のある流動は誘発された力によって発生するものであり、６５でのねじ形状の有効深度を６６のものよりも増大させる。組立てが平衡状態に到達すると、Ａ量はＢ量に等しくなる。結果的にねじの中心となる部分に発生する可能性のある間隙４８はどれも、前述の部分で説明したようにねじ形状が対称性で三角形のものよりもさらに、ねじ接面２９から離れているであろう。
【００６４】
本発明を使用することによる、また、ねじ立ての原理に基づく、改良されたねじ及びナットの組み立てにおける荷重流動の性質に関連する利点は、図１１についての説明でさらに理解することができる。
【００６５】
ねじは、７６で指示されるような回転によって、ボス部材３６内の孔３７ａへと挿入される。ねじ山により円筒形の孔の周囲に発生するつる巻状の回転７６に影響され、また最初の「起動」末端圧力７８が指示される方向へ加わって、ねじは軸方向７７へと前進する。ねじが上記の影響を受けながら前進するにつれ、本発明によるねじ山の輪郭形状の結果として結合ねじのねじ山輪郭の接触深度を増大させるようにナットアンカー材料に歪みが発生する。放射状の接触高さ６５を増加させるようなこの歪みは、非対称性三角形であるねじ山形状の使用によって起こる間隙の上側に発生する。
【００６６】
ボス３６の接触範囲とクランププレート７０が互いに影響を与え合い始める点において、ねじの回転の継続により７１に示されるような引っ張り力が発生する。この引っ張り力は、行路７２に沿ってヘッド１０を通じ、クランププレート７０を通って伝達され、構成部材３６と７０を締め付ける圧縮力を生み出す。引っ張り力７１は、ねじ山形状のトレーリング面２９及び形成されるナットねじ山における結合接触とによる抵抗を受けて初めて発生する。
【００６７】
リーディング面３１がねじ山による任意の引っ張り荷重の伝達の可能性に対し検出し得る影響を与えるのは、ねじ山がそうした荷重を受けて曲折し破壊したりするのを防止するだけ十分な「太さ」を有する場合のみである。
【００６８】
従って、ここで重要な点は、ナットとねじ山輪郭間の接面を、結合部に加わる軸方向の引っ張り荷重による有害な影響のないように構築しなければならない、ということである。こうした状態は、図２に関する前述の説明のような本発明によるねじを使用することによって作り出される。それによると、本発明の特徴であるねじ山の非対称性輪郭形状によって、ナットの材料流動は、６５におけるねじ山高度を６６よりも大きくし、結合形成能力を改良するべく誘発される。
【００６９】
本発明による特定の実施例について指示、説明してきたが、本発明の種々の面における変更及び修正は広い意味での発明から逸脱することなしに実施が可能である。その変更及び修正の内のあるものは日常の工学的あるいは設計上の問題であり、他のものは考察によって判明することは、当業者にとっては明白であろう。発明の範囲は特別の実施例及びここに詳述された特定の構造によって限定されるものではなく、前記の特許請求の範囲及びその同等物によって限定されるべきものである。従って、前記特許請求の範囲の目的は、発明の真の精神及び範囲内にある全ての変更、並びに修正を含むことである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するねじ部品の概略側面図である。
【図２】本発明によるねじの形状を示す図面である。
【図３】従前のねじ山形状アングルを統合した力のベクトルを示す図面である。
【図４】加工物と噛み合った第３図に示されているねじ山形状を示す図面である。
【図５】図３及び図４で示されたねじが、ねじ山を形成する間の、材料流動を誘導する力のベクトルの図面である。
【図６】加工物における第３図ないし第５図のねじ部品により形成されたねじ山の概略図である。
【図７】本発明の非対称性ねじ山先端の形状より展開された力のベクトル図である。
【図８】ねじ立てにより誘発された放射状荷重を応受可能なボスの容積の図面である。
【図９】本発明の凹面ねじ形状部分より誘発される力のベクトルの図面である。
【図１０】本発明のねじ形状に起因する加工物の動きの概略図である。
【図１１】本発明のねじ部品を使用した完全な組立体の略図である。
【符号の説明】
Ａ軸
Ｉ第１の区域
II 第２の区域
III 第３の区域
α 第１の角度
β 第２の角度
１０ドライバーヘッド
１１本体部分
１５ねじ山
１９ねじ山の全深度
２２反りの既定半径
２９トレーリング面
３０ねじ山の先端部分
３１リーディング面

Claims

タッピンねじであって、このタッピンねじを加工物に形成されている案内孔にねじ込む間に、偶力の組み合わせ及び該偶力の結果生じるモーメントが当該タッピンねじのねじ山の周囲に前記加工物の材料の材料流動を引き起こし、当該タッピンねじのねじ山と前記加工物に形成されたねじ山の間に面接触を生じさせるものにおいて、
前記タッピンねじが、軸（A）を画定するねじ切りされた本体部分（11）とドライバーヘッド部分（10）からなり、前記ねじ切りされた本体部分（11）が、軸方向断面において非対称かつ非三角形状のねじ山輪郭（15）を有し、複数の区域からなり、当該区域が、
前記加工物内へ前記タッピンねじが進行する方向に関するトレーリング面（29）からなり、このトレーリング面が平坦であり、前記本体部分（11）の直径に対して第一の角度（α）を画定する第一区域（I）と、
既定半径（22）の曲面を画定するリーディング面（31）からなり、それによって前記加工物にねじ山が形成される間に、前記加工物の材料が、概略半径方向内向きの、前記加工物に対して前記タッピンねじが進行する方向に関して前方への、前記角度の付いたトレーリング面に対する流れを誘発され、前記タッピンねじのねじ山と前記加工物に形成されたねじ山の間の面接触が増大し、それによって前記加工物の材料内のフープ応力が減少し、かつ前記リーディング面におけるねじ山輪郭の有効深さを超えて前記トレーリング面におけるねじ山輪郭の有効深さが増大する第二区域（II）と、
前記ねじ山の先端部分からなり、この先端部分の前面が、前記本体部分の前記直径に対して第二の角度（β）を画定し、この第二の角度が前記第一の角度よりも大きく、前記リーディング面（31）が、前記タッピンねじの全ねじ山深度（19）の23％〜27％の深度で前記先端部分（30）と接する第三区域（III）と
を含むタッピンねじ。
前記リーディング面（31）の前記既定半径（22）が、前記タッピンねじの呼び径（17）の0.22倍〜0.30倍の範囲にある請求項１記載のタッピンねじ。
前記第一の角度（α）が10°〜15°の範囲にある請求項１記載のタッピンねじ。
前記第二の角度（β）が17°〜25°の範囲にある請求項１記載のタッピンねじ。
タッピンねじであって、このタッピンねじを加工物に形成されている案内孔にねじ込む間に、偶力の組み合わせ及び該偶力の結果生じるモーメントが当該タッピンねじのねじ山の周囲に前記加工物の材料の材料流動を引き起こし、当該タッピンねじのねじ山と前記加工物に形成されたねじ山の間に面接触を生じさせるものにおいて、
前記タッピンねじが、軸（A）を画定するねじ切りされた本体部分（11）とドライバーヘッド部分（10）からなり、前記ねじ切りされた本体部分（11）が、軸方向断面において非対称かつ非三角形状のねじ山輪郭（15）を有し、複数の区域からなり、当該区域が、
前記本体部分の直径に対して10°〜15°の範囲の角度を画定する平坦なトレーリング面（29）からなる第一区域（I）と、
前記タッピンねじの呼び径の0.22倍〜0.30倍の範囲にある既定半径（22）の曲面を画定するリーディング面（31）からなり、それによって前記加工物にねじ山が形成される間に、前記加工物の材料が、概略半径方向内向きの、前記加工物に対して前記タッピンねじが進行する方向に関して前方への、前記角度の付いたトレーリング面に対する流れを誘発され、前記タッピンねじのねじ山と前記加工物に形成されたねじ山の間の面接触が増大し、それによって前記加工物の材料内のフープ応力が減少し、かつ前記リーディング面におけるねじ山輪郭の有効深さを超えて前記トレーリング面におけるねじ山輪郭の有効深さが増大する第二区域（II）と、
前記ねじ山の先端部分からなり、この先端部分の前面が、前記本体部分の前記直径に対して第二の角度（β）を画定し、この第二の角度が前記第一の角度よりも大きく、前記リーディング面（31）が、前記タッピンねじの全ねじ山深度（19）に対して既定の距離（34）で前記先端部分（30）と接する第三区域（III）と
を含むタッピンねじ。
前記リーディング面（31）が前記先端部分（30）と前記タッピンねじの全ねじ山深度（19）の23％〜27％の範囲の深度で接する請求項５記載のタッピンねじ。
前記第二の角度（β）が17°〜25°の範囲にある請求項５記載のタッピンねじ。