JP6008614B2 - 薄板金属の締結部構造 - Google Patents

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Description

本発明は、例えばプリンタやファクシミリ、複写機、またはこれらの機能をあわせもつ複合機などとされる画像形成装置のような機械装置における薄板金属を用いた締結部構造に関する。
近年の機械装置、例えばプリンタや複写機などの画像形成装置においては、重量低減による省エネルギー効果も期待され、装置を構成する金属板の板厚を薄くすることが要求されている。また、装置の筐体の強度を保持する為や、安定した電気的なフレームグラウンド接続を行って装置内部および装置周辺に電磁ノイズの放出を抑制する理由等から、装置を構成する金属板と締結される部材の接触部には所定の締結力が必要とされる。つまり、締結する金属板(以下、「締結材」という。)と締結材に締結される部材(以下、「被締結材」という。)のそれぞれを締結するための接触部(以下、「締結部」という。)には所定の締結力が必要とされる。ビスにより締結材と被締結材を締結する場合においても、所定の締結トルクでビスを締め付ける必要がある。その際、締結部には該締結トルクに耐え得る破壊トルクが必要とされている。
従来の締結材のある程度の厚みのある板厚の場合では、バーリング加工により材料を絞り上げ、絞り高さ(以下、「バーリング高さ」という。)を確保できる。それにより、絞り上げられた高さがネジの嵌合部にあたるため、充分なネジ嵌合長さを得ることが可能であり、必要な破壊トルクを確保可能である。
しかし、締結材の板厚が薄い場合においては、バーリング加工により材料を絞り上げても、板厚が薄い分、トータルのネジ嵌合長が短くなる。ビスを締結することでバーリング部に軸力が発生するが、該軸力を受けているネジ嵌合長が短くなると、ネジ山が変形しやすくなる。また、バーリング周辺部もビスでの締結による該衝撃に耐えられず変形しやすくなる。
これらの問題の対策として、特許文献1には被締結材とビスのビス頭の間にゴム製の弾性部材を配置し、弾性部材を圧縮しながらビスに締結トルクをかけて締結する手段が提案されている。この手段では、ビスを締結材に締結トルクをかけて締結することで、弾性部材が圧縮される。これにより、該弾性部材の反発力による垂直抗力と、弾性部材の接触抵抗によるビス頭との摩擦力を上げている。この弾性部材の圧縮に対する反発力による垂直抗力によるバーリング効果と、弾性部材との接触抵抗によるビス頭との摩擦力によって概ビスの締結力が向上している。
一般に、ビスの締結トルクは、ビス頭と被締結材の間の座面トルクと、ビスのネジ部が締結材のバーリング部である被締結材の雌ネジ部と係合することで生じるネジ部トルクに分割される。特許文献1で提案されている対策は、ビス頭と弾性部材の間で摩擦力を上げることで座面トルクを上げ、また、弾性部材を配置して締結したことによるバーリング効果によって締結部の破壊トルクを上げている。
特開2006−177438号公報
しかしながら、特許文献1で提案されている対策のように、締結材および被締結材とは別に弾性部材を必要とする手段では、組み付ける際に弾性部材を組み付けし忘れる可能性がある。また、部品が増えることによるコストアップにも繋がってしまう。
また、従来、締結材と被締結材との間で電気的接続を取る必要がある箇所においては、ビスで締結材と被締結材を締結することにより、締結材と被締結材の接触部で直接電気的接続が行われる。つまり、被締結材とビス頭の接触部およびビスのネジ部と締結材のネジ係合部の接触を介して、締結材と被締結材が電気的接続されている。しかし、特許文献1で提案されている手段では、ビスと被締結材との間に非導電性のゴムを用いており、締結部における導電性は期待できない。また、特許文献1の手段の非導電性ゴムから、導電性のゴムに変更したとしても、金属同士の接触より導電性は劣ってしまう。
よって、本発明の目的は、部品を増やすことなく、ビス締め時の作業生産性を保ち、更には締結材と被締結材とで安定的な電気的接続が必要な締結部の場合においても、所定の締結トルクで締結が可能な薄板金属の締結部構造を提供することである。
上記目的は本発明に係る締結部構造にて達成される。要約すれば、本発明は、ビス頭及びビスネジ部を有するビスと、前記ビスネジ部と螺合するためのネジ係合部を有する締結材と、前記ビスの座面と前記締結材との間に挟まれ、前記ビスによって締結される被締結材と、を有する締結部構造において、前記被締結材は、前記ビスが貫通する穴を備え、前記穴の縁部は、前記ビス頭側に折り返されたような形状を備えた弾性変形可能な折り返し部を備え、前記折り返し部は、前記折り返し部の先端における前記ビスの座面に対向する第1面に形成された第1の角部と、前記折り返し部の先端における前記第1面とは逆側に配置された第2面に形成された第2の角部と、を備え、前記第1の角部は、前記座面に食い込む方向で前記座面に当接される一方、前記第2の角部は、前記座面に非接触に構成されていることを特徴とする締結部構造である。
本発明の他の態様によると、ビス頭及びビスネジ部を有するビスと、前記ビスネジ部と螺合するためのネジ係合部を有する締結材と、前記ビスの座面と前記締結材との間に挟まれ、前記ビスによって締結された被締結材と、を有する締結物の製造方法において、前記ビスが貫通する穴を前記被締結材に形成する工程と、前記被締結材に形成された前記穴の周囲を、前記ビス頭が設けられる側へ折り返して弾性変形可能な折り返し部を形成する工程と、前記折り返し部の先端における前記折り返し部の前記座面と対向する第1面に形成された第1の角部は前記座面に食い込む向きで前記座面に当接される一方、前記折り返し部の先端における前記折り返し部の前記第1面とは逆側の第2面に形成された第2の角部は前記座面に接触しないように前記ビスを前記ネジ係合部にねじ込む工程と、を有することを特徴とする締結物の製造方法が提供される。
本発明によれば、部品を増やすことなく、ビス締め時の作業生産性を保ち、更には締結材と被締結材とで安定的な電気的接続が必要な締結部の場合においても、所定の締結トルクで締結が可能な薄板金属の締結部構造を提供可能である。
本発明に係る締結部構造の一実施例を示す概略断面図である。 本発明の実施例1に係るビスの回転軸が被締結材のビス穴の回転軸と異なる位置でビス締結されたときの締結部構造の概略断面図である。 従来の締結部構造の概略断面図である。 本発明の実施例1に係る締結部構造の軸力の効果比較図である。 本発明の実施例1に係る締結部構造の破壊トルクの効果比較図である。 本発明の実施例1に係る締結部構造の緩みトルクの効果比較図である。 本発明の他の実施例に係る締結部構造の概略断面図である。 本発明の他の実施例に係る締結部構造の概略断面図である。
以下、本発明に係る締結部構造を図面に則して更に詳しく説明する。
実施例1
図1は、本発明の締結部90の構造の一実施例を示す概略断面図である。
ビス10は、ビス頭11及びビスネジ部12を有している。本実施例では、ビス頭11のビスネジ部12側に直径が大とされた、ビスツバ部13が一体に形成されている。ビスツバ部13はビス頭11の一部を形成し、ビス頭11の座面部11bを形成している。ビス10のビスネジ部12の一端のビス頭11の頭頂部11aに十字ドライバ等でビス10を回転させるための十字穴形状(不図示)が形成されている。ビスネジ部12の外周面にはネジ山である雄ネジが形成されている。上述のように、ビス頭11の座面部11bを構成するビスツバ部13はビス頭11のビスネジ部12側に配置されており、ビスネジ部12長手方向に対して直交する径でビス頭11部分よりも大きい径を持つフランジ形状となっている。また、座面部11bは、ビス回転軸15に対して直交した平面とすることもでき、また、ビス回転軸15から半径方向外方向へと傾斜した凹形状とすることもできる。詳しくは後述する。
ビスネジ部12である雄ネジ部の直径である呼び径d=3mmのビス10の雄ネジ部の隣り合うネジ山同士の距離であるピッチは0.5mmである。また、呼び径d=4mmの場合のビス10のピッチは0.75mmである。呼び径dが3mmや4mmのビス10で薄鋼板である締結材20を締結する場合には、締結材20の板厚の厚さである1.2mmのみではビスネジ部12と締結材の間で十分な係合長さを確保できない。例えば、上記のような呼び径d=3mmのビス10のピッチ0.5mmでは締結材の板厚が例えば1.2mmであったときの係合は2回転と2/5回転ほどの係合となり、係合長さを確保できない。また、ビス10が呼び径d=4mmであった場合はピッチが0.75mmであり、締結部での係合は1回転と3/5ほどの係合となり、更に係合長さを確保できていない。この係合長さでは当然締結部における締結力が弱い。このため、締結材20のビス10と螺合するネジ係合部に当たるビス穴でのバーリング加工が必要となる。ビス穴でのバーリング加工を締結材20に施すことにより、本来の板厚よりも係合長さを長くすることができる。本実施例で使用の締結材20は、板厚が1.2mm以下の薄鋼板であり、バーリング加工を施されたバーリング部21を有する。
一方、被締結材30は、ビス10の回転軸位置近傍の、即ち、ビス穴31に相当する被締結材領域を折り返して凸形状を形成した折り返し形状41を有する。折り返し形状41は、ビスツバ部13の座面部11bの座面方向へと90°以上180°以下にて折り返されている。薄板状の鋼材などの金属板である締結材20のビス穴であるバーリング部21と被締結材30のビス穴31を重ね合わせる。そして、ビス10に締結トルクをかけて締め付けることによって、締結部90は締結される。締結部90では、締結トルクをかけることによってビス10に形成されたビスネジ部12が、予め締結材20のバーリング部21の内側に予め形成された雌ネジ形状が形成されたネジ係合部(以下、「雌ネジ部」という。)23と係合する。そして、ビス10のビスツバ部13の座面部11bが被締結材30の折り返し形状41の角部(第1の角部)41Cと接触部42で接触して、締結材20と被締結材30がビス10で締結される。
ここで、被締結材30の折り返し形状41が設けられているビス穴31の直径(以下、「折り返し部直径」という。)48は、ビス10の回転軸15に対する直交方向のビスツバ部13の直径(以下、「ビスツバ部直径」という。)14より短く設定されている。これは、図2に示すように、ビス10の回転軸15の中心が被締結材30のビス穴31の中心軸47と異なる位置で締結された場合でも、接触部42がビスツバ部13の直径方向内側にあるようにする為である。そのため、折り返し部直径48の最長長さをビスツバ部直径14であるビス頭11の外周直径より短くなるように設定する。例えば、呼び径d=3mmのビスで、ビス穴31が4.5mmの被締結材30を締結する場合には、呼び径d=3mmのビスツバ部直径14が約8mmである。その場合は、折り返し部直径48を、公差を含めて6.4mm以下に設定する。この値に設定することで、ビス10が被締結材30のビス穴31のどの位置に締結されても、接触部42がビスツバ部13の直径方向内側にでき、接触部42がビスツバ部13に問題なく接触する。
さらに、接触部42は、ビスツバ部13が被締結材30と接触できる領域内の、ビス10の回転軸15に対して最も遠い位置にある。
本実施例において、接触部42をビス10の回転軸15に対して、最も遠い位置に設けることの理由について以下に説明する。
図3は、従来実施されている締結材20に被締結材30を、ビス10を用いて締結した締結部90の構造の一例を示す。
ビス10は、ビス頭11、ビスネジ部12を有している。本例では、ビス頭11にはビスネジ部12側に位置してビス頭11の座面部11bを形成するビスツバ部13が一体に形成されている。ビス10のビスネジ部12の一端のビス頭11の頭頂部11aに十字ドライバ等でビス10を回転させるための十字穴形状(不図示)が形成されている。ビスネジ部12の外周面にはネジ山である雄ネジが形成されている。ビスツバ部13はビスネジ部12の回転軸に対して直交する径でビス頭11の他の部分よりも大きい径を持つフランジ形状となっている。
締結材20はバーリング加工により締結材20の一部をバーリング高さ22に絞り上げたバーリング部21を有している。このバーリング部21の内側に予め雌ネジ形状が形成されたネジ係合部である雌ネジ部23で、ビスネジ部12と螺合する。このビス10による締結部90の雌ネジ部23は、予め雌ネジ形状が切られているが、ビス10がタッピングビスの場合には予め雌ネジ形状を設けておく必要はない。
本例では、締結材20は板厚1.2mm以下の鋼材にて形成されており、締結材20を構成する鋼材に穿たれた穴部分にバーリング高さ22に絞り上げたバーリング部21を有している。
被締結材30はビス穴31を有し、ビス穴31の近傍のツバ接触部32でビスツバ部13と接する。締結材20のビス穴であるバーリング部21と被締結材30のビス穴31を重ね合わせ、ビス10に締結トルクをかけて締め付けることによって、締結部90は締結される。
ここで、ビス10を締結トルクT1で回転させ締め付けていく際のトルクおよび力の関係について説明する。
ツバ接触部32で生じる座面トルクT2は、ビスツバ部13と被締結材30のツバ接触部32での摩擦係数μA、垂直抗力NA、ビス10の回転軸15中心とツバ接触部32の距離LAの積
2=μA×NA×LA・・・(1)
で表される。摩擦係数μAは、ビスツバ部13および被締結材30の表面性で決まり、一定値である。
雄ネジ部12と雌ネジ部23の係合部で生じるネジ部トルクT3は、ビスネジ部12とバーリング部21の雌ネジ部23での摩擦係数μB、雌ネジ部23にかかる軸力NB、ビス10の回転軸中心と雌ネジ部23の距離LBの積
3=μB×NB×LB・・・(2)
で表される。摩擦係数μBにおいても、ビスネジ部12とバーリング部21の表面性で決まり、一定値である。
ここで、ビス10を締結トルクT1をかけ回転し締め付けることで垂直抗力NAおよび軸力NBは徐々に大きくなり、
1=T2+T3 (NA=NB)・・・(3)
となったところで力がつり合い、ビス10は回転しなくなる。
以上の通り、上述の式(1)に示したように、座面トルクT2は摩擦係数μAと垂直抗力NAが同じならば、回転軸中心と接触部の距離に比例する。
よって、本実施例において最も遠い位置に接触部42を設けることで、回転軸15の中心から接触部42までの距離LAの値を大きくできるため、ビス10と被締結材30の接触抵抗を上げ、座面トルクT2を上げることが可能となる。
また、ビスツバ部13と折り返し形状41は接触角θを持つ。接触角θとは、角部41Cを持つ被締結部材30のビスツバ部13と対向する面(第1面)と、ビスツバ部13の座面部11bが形成する角度θである。接触角θを形成するために折り返し部はビス10の回転軸位置近傍の被締結材領域をビス10の座面部11b方向へと90°以下に折り返されるか、90°以上180°以下の屈曲で折り返される。
接触角θを持つことで、ビスツバ部13が被締結材30の上面44に対して平行(平面)の場合でも、折り返し形状41をビスツバ部13と角部41Cで接触部42において確実に接触させることができる。それにより、座面トルクT2を上げることが可能となる。
次に、本実施例における締結部90の構造におけるビス10を締め付けた時の軸力の測定結果について述べる。
図4に、呼び径d=3mmのビス10を用い、締結材20、被締結材30ともに0.4mmの薄鋼板を用いて、締結トルクT1を一定にしてビス10を締め付けた時の軸力NBの測定を行った結果を示す。
ここで、被締結材30のビス穴31の径は4.5mmとし、被締結材30のビス穴31の端部から、折り返し部直径48が6.2mmの折り返し形状41を形成した。又、締結材20にはバーリング部21(バーリング高さ22=1.4mm)を形成した。比較例として、被締結材30に折り返し形状41を形成していない場合の軸力NBの測定結果も示す。
図4のグラフから分かるように、本実施例である折り返し形状41があるほうが、比較例である折り返し形状41がない場合と比較して軸力NBが下がっていることがわかる。
すなわち、本実施例において、ネジ部トルクT3が下がっており、締結トルクT1一定のもとでは、座面トルクT2が上がっていることがわかる。ビス締結されたときはNA=NBを満たすため、本実施例のビス10と被締結材30の間の摩擦係数をμA´とし、比較例のビス10と被締結材30の間の摩擦係数をμAとすると、μA´>μAとなる。よって、本実施例における被締結材30の上面44に対して図1の上方に向いた角部41Cで、ビスツバ部13と積極的に接触させることで、ビス10と被締結材30の間の摩擦係数μA´が増加して摩擦力が上がり、座面トルクT2が上がっていることがわかる。
次に、本実施例である折り返し形状41のある被締結材30を用いた場合と比較例として折り返し形状41の無い被締結部材30を用いた場合のビス10の破壊トルクを測定した。
図5に示す破壊トルクは呼び径d=3mmのビス10を用い、締結材20、被締結材30ともに0.4mmの薄鋼板を用いたときの、破壊トルクの測定結果である。ここで、被締結材30のビス穴31の径は4.5mmとし、被締結材30のビス穴31の端部から、折り返し部直径48が6.2mmの折り返し形状41を形成した。締結材20にはバーリング部21(バーリング高さ22=1.4mm)を形成した。比較として、同図に、折り返し形状41を形成していない場合の破壊トルクの測定結果も示す。上記の締結材20のビス穴と被締結材30のビス穴を重ね合わせ、ビス10に締結トルクをかけて締め付けた締結部90の破壊トルクの測定結果によると被締結材30の折り返し形状41の効果として、破壊トルクが平均で45%の性能向上となっている。
なお、同図5に示すように、締結材20、被締結材30の板厚が0.6mmのとき、被締結材30に折り返し形状41を形成すると、折り返し形状41がない場合に比べて、破壊トルクは平均で50%向上していることがわかる。
次に、本実施例の締結部構造と比較例として折り返し形状41を有していない締結部構造でのビス締結をした時の緩みトルクの測定結果について述べる。
図6に、呼び径d=3mmのビス10、締結材20、被締結材30ともに0.4mmの薄鋼板を用い、締結トルク0.6Nmでビス締結したときの、緩みトルクの測定結果を示す。被締結材30のビス穴31の径は4.5mmとした。締結材20にはバーリング形状21を形成し、被締結材30には、折り返し部直径48が6.2mmの折り返し形状41を形成した。比較として、同図6に、被締結材30に折り返し形状41を形成していない場合の緩みトルクの測定結果も示す。被締結材30の折り返し形状41の効果として、緩みトルクが平均で26〜36%の向上となっていることがわかる。
これらの結果からわかるように、本実施例のように被締結材30に折り返し形状41を形成した場合では、折り返し形状41を形成しないときに比べて、破壊トルクを向上させ、またトルクの緩み防止にも効果があると考えられる。
なお、被締結材30の折り返し形状41は、ビスツバ部13(即ち、座面部11b)と接触部42において角部41Cが接触する形状であればよく、図7に示す締結部90のように、接触角θが90°以上になるような折り返し形状であってもよい。即ち、被締結材30のビス回転軸15位置近傍領域をビス頭座面部11bの方向へと90°以下にて折り返しても良い。また、図8に示す締結部90のように、被締結材30のビス穴31の端部から、被締結材30の上面44に対して略平行になるように折り返す場合も同様である。即ち、被締結材30のビス回転軸位置近傍領域をビス頭座面部11bの方向へと180°折り返した折り返し形状であっても、ビスツバ部13にビス10の回転軸から半径外方へと傾斜した凹形状であるテーパ(傾斜面)のついたビス10を用いて、接触角θを持てばよい。どちらの場合でも、ビスツバ部13が折り返し形状41の角部41Cと積極的に接触し、かつ回転軸15に対して接触部42を最も遠い位置にすることで、同様の効果を得ることが可能である。
尚、本実施例において、雌ネジ部23は、予め雌ネジ形状が切られているが、ジス10がタッピングビスの場合は雌ネジ形状を設けておく必要はない。
以上のように、本発明によれば、締結トルクを向上させる手段に被締結材30の一部を使用しているため、締結材20と被締結材30の間の電気的接続を安定させた状態で、厚さ0.4〜0.6mmといった薄鋼板、その他の薄板状の金属板を用いて充分な締結力を確保することが可能となる。
したがって、締結部において、ビス締結が用いられる用途において、本発明の構造は好適に用いられる。
例えばプリンタや複写機などで電気基板が設置される電装ユニット(締結物)では、市場での部品交換性から、取り付け、取り外しが容易であることが望まれるため、ビス締結が用いられる。同時に、被締結材30とビス頭11の接触部42および、ビスネジ部12と締結材20の雌ネジ部23の接触を介して、締結材20と被締結材30の間で電気的接続を取る必要がある。
また、工場での組立性や、市場での交換性から軽量化が望まれており、電装ユニットを構成する板金は薄いほうが望ましい。
ここで、電装ユニットに使われる板金を薄鋼板にする場合、ビス締結で十分な締結力を確保する必要があるが、前述の従来の手段では、ビス10と被締結材30の間に弾性部材を挟むため、電気的接続は不安定になってしまう。
一方、本発明によれば、締結トルクを向上させる手段に被締結材30の一部を使用しているため、締結材20と被締結材30の間の電気的接続を安定させた状態で、薄鋼板を用いて充分な締結力を確保することが可能となる。
10 ビス
11 ビス頭
11b 座面部
12 ビスネジ部
13 ビスツバ部
15 ビス回転軸
20 締結材
21 バーリング部
23 ネジ係合部(雌ネジ部)
30 被締結材
32 ツバ接触部
41 折り返し形状
41C 折り返り形状角部
42 接触部
90 締結部
θ 接触角

Claims (8)

  1. ビス頭及びビスネジ部を有するビスと、
    前記ビスネジ部と螺合するためのネジ係合部を有する締結材と、
    前記ビスの座面と前記締結材との間に挟まれ、前記ビスによって締結される被締結材と、
    を有する締結部構造において、
    前記被締結材は、前記ビスが貫通する穴を備え、前記穴の縁部は、前記ビス頭側に折り返されたような形状を備えた弾性変形可能な折り返し部を備え、前記折り返し部は、前記折り返し部の先端における前記ビスの座面に対向する第1面に形成された第1の角部と、前記折り返し部の先端における前記第1面とは逆側に配置された第2面に形成された第2の角部と、を備え、前記第1の角部は、前記座面に食い込む方向で前記座面に当接される一方、前記第2の角部は、前記座面に非接触に構成されていることを特徴とする締結部構造。
  2. 前記被締結材は薄板状の金属板で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の締結部構造。
  3. 前記座面は、前記ビスネジ部の径方向外側に向かうほど前記ビスネジ部の先端側に位置するように傾斜する傾斜面を有し、前記第1の角部は、前記傾斜面と接触するように構成され、前記座面は、前記折り返し部を除いて前記被締結部材と接触しないように構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の締結部構造。
  4. 前記締結材は、板厚が1.2mm以下の金属板で形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の締結部構造。
  5. ビス頭及びビスネジ部を有するビスと、前記ビスネジ部と螺合するためのネジ係合部を有する締結材と、前記ビスの座面と前記締結材との間に挟まれ、前記ビスによって締結された被締結材と、を有する締結物の製造方法において、
    前記ビスが貫通する穴を前記被締結材に形成する工程と、
    前記被締結材に形成された前記穴の周囲を、前記ビス頭が設けられる側へ折り返して弾性変形可能な折り返し部を形成する工程と、
    前記折り返し部の先端における前記折り返し部の前記座面と対向する第1面に形成された第1の角部は前記座面に食い込む向きで前記座面に当接される一方、前記折り返し部の先端における前記折り返し部の前記第1面とは逆側の第2面に形成された第2の角部は前記座面に接触しないように前記ビスを前記ネジ係合部にねじ込む工程と、
    を有することを特徴とする締結物の製造方法。
  6. 前記被締結材は薄板状の金属板で形成されていることを特徴とする請求項5に記載の締結物の製造方法。
  7. 前記座面は、前記ビスの径方向外側に向かうほど前記ビスネジ部の先端側に位置するように傾斜する傾斜面を有し、前記折り返し部の先端の前記第1の角部は、前記傾斜面と接触するように構成され、前記座面は、前記折り返し部を除いて前記被締結部と接触しないように構成されていることを特徴とする請求項5又は6に記載の締結物の製造方法。
  8. 前記締結材は、板厚が1.2mm以下の金属板で形成されていることを特徴とする請求項5〜7のいずれか一項に記載の締結物の製造方法。
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