JP6030575B2 - 埋め込み装着した回転固定係留ナットのシート組立体およびそのワンヒット工具装置 - Google Patents

Description

関連出願

本出願は、“埋め込み装着した回転固定係留（キャプティブ）ナットのワンヒット工具装置”を発明の名称とし、２０１１年１月１８日を出願日とする出願であって、この優先権を主張する仮特許出願第６１/４３３，５９６号の非仮出願である。

本発明は、材料シートに回転自在に固定係留することができるファスナー（固定装置）に関する。より具体的には、硬度の強いシート材料を対象とした埋め込み装着式係留ナット（ｃａｐｔｉｖｅ ｎｕｔ）に関する。

産業界においては、回転自在にシートに固定係留することができるため、付随的な構造物や構造体を必要とすることなくプレス嵌めできるナットの需要性が高い。Ｂｅｎｔｒｉｍを発明者とするＵＳＰ３，３７４，３８２およびＭｅｈｌｂｅｒｇを発明者とするＵＳＰ５，８４２，８９４には従来例が開示されている。これら公報には、シートの背面側に埋め込まれ、シートの変形を利用してナットのプレス嵌め時に固定係留される回転自在なキャプティブナットが開示されている。固有な性質として、これらナットの場合、ナットの作用効果によってシート材料がアンダーカット溝に変位してナットをシートに固定係留できるように取り付けシートは比較的軟質な材料から構成する必要がある。Ｆｅｎｅｃｈを発明者とするＵＳＰ６，９３２，０４４に開示されているように、硬度がより強いシートを対象とした回転式キャプティブナットに従来から要求されている要件を満足するために、シートの背面側（backside）に座金などの付随的な構造物を利用しているが、この場合シートの背面側に対する所望の埋め込み取り付け性が損なわれる。

埋め込まれ時に強い（rigid）取り付けを確保する硬度が比較的強い（hard）シート材料にプレス嵌めされるキャプティブナットの場合、２工程プレス嵌めプロセスが必要である。即ち、最初にシートを全体的にドーム状または円錐台形に変形し、シート孔を取り囲む。次の第２工程で、ナットの背面側から延長する管状シャンクをシート孔に挿入し、シートに広げる。ナット端部の断面に広がった部分が、第１工程のパネル変形によって形成したシート背面側の空隙を占め、埋め込み取り付け（flush attachment）を実現することになる。このような方法の実例は、Ｍｕｌｌｅｒなどを発明者とするＵＳＰ５，４２３，６４５に開示されている。なお、これらの場合、ナットは回転式ではなく、そしてプレス作業が２回必要なため、組み立て作業のコストが高くなる。

即ち、本発明の目的は、硬度のより強い（greater hardness）シートに取り付けられるタイプであって、シートの背面側に対して埋め込み式または準埋め込み式であることを特徴とする回転式ナット取り付けを提供することである。本発明の別な目的は、このようなファスナー装置を対象とした、パンチプレスを利用する“ワンヒット”装着方法である挿入装着方法を提供することである。

ＵＳＰ３，３７４，３８２ ＵＳＰ５，８４２，８９４ ＵＳＰ６，９３２，０４４ ＵＳＰ５，４２３，６４５

本発明のこれら目的は、硬度がより強い材料（harder material）からなるパネルまたはシートにナットを装着することができ、また取り付けられた材料の平面背面側（planar backside）に埋め込み式または準埋め込み式（flush or slightly sub-flush）で取り付けられた状態で回転自在な状態にあるナット/パネル構成体を工夫することによって実現できた。シート変形およびナットフレアリングからなる従来の２工程プロセスをプレス装置のワンヒットストロークで実施できる特殊な工具を作り出すと、これら構成体の使用効果がさらに増す。

即ち、本出願人は、内部に軸方向ボアを形成した円筒形スリーブからなり、このスリーブが第１端部から突出し、軸方向に延長するエンボスリングを備えた、ホスト材料からなるシートにナットを装着するためのファスナープレス装置の２段パンチ装置を発明した。上記スリーブ内に円筒形コイルスプリングを設けるとともに、この円筒形コイルスプリングの第１端部がスリーブの内向きフランジとして作用する。上記スプリングおよび上記スリーブ内に受け取られるシャンク部分を備えた中心パンチは、スリーブボア内において接触滑動する半径方向に延長するカラー部を有する。このカラー部の表面が、スプリングの第２端部に支持される。中心パンチは尖った動作端部、およびプレスのラムに固定される対向駆動端部を備える。本発明パンチ装置は、スリーブが中心パンチの駆動端部から弾性作用によって偏倚し、パンチ装置に対する前進位置と後退位置との間でスリーブが移動できるようにスリーブ内に中心パンチを固定係留（capturing）する手段を有する。エンボスリングが軸方向に延長し、スリーブがその前進位置にあるときには中心パンチの端部を超えて延長する。これらスリーブおよび中心パンチは、その尖った端部が、中心パンチの駆動端部に作用する力によるスプリングの圧縮作用によってスリーブが後退位置にあるときに軸方向にエンボスリングを超えて延長するように動作する。この力は、エンボスリングがホスト材料に衝突することによって相殺され、スリーブが後退する。中心パンチの尖った端部がナットに支持されるため、ナットの変形によってナットが強制的にホスト材料のシートに装着され、ナットの広がった縁部とナットフランジとの間にシートを固定係留する。

上記の２段パンチ装置は、アンビルをラムの直下に設けたプレス装置の上下に移動するラムにパンチ装置の駆動端部を装着することによってナットをホスト材料のシートに固定する方法に利用できる。この場合、パンチ装置をホスト材料のシートの開口に位置合わせし、シートのパンチ装置に対向する側に設けられたプレス装置のアンビルのキャビティ内に位置するナットに対してこの開口を軸方向に位置合わせする。次に、パンチ装置を下降させ、シート材料に接触させて、パンチ装置の弾性作用によって偏倚された後退可能なスリーブの端部においてエンボスリングによって開口周囲のシート材料をエンボスする。次に、パンチ装置をさらに下降させ、パンチ装置のスリーブ内の中心パンチの尖った端部がエンボスリングを超えて延長し、かつナットに強制接触する。これによってナットが広がり、ナットの広がった縁部とナットフランジとの間にシートを固定係留する。

なお、以下本発明の少なくとも一実施態様を詳しく説明するが、本発明は適用形態において以下に説明する構成などの細部に、および添付図面に示す構成などの細部に制限を受けるものではない。本発明は他の実施態様も可能であり、各種の態様で実施可能である。また、説明に使用する用語・術語などは、例示を目的するもので、制限的な意図はない。

即ち、当業者ならば、本明細書の開示に基づいて、本発明のいくつかの目的を実現する他の構造、方法およびシステムを設計するさいの基礎として本発明の考え方を容易に利用できるはずである。即ち、重要なことは、本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、特許請求の範囲にはこのような等価な構成が含まれていることである。

本発明のナットファスナー装置を示す上部正面等角図である。 図１に示すナットを示す底部左等角図である。 本発明のパンチ装置の底部を下側からみた底部正面等角図である。 図１および図２のナットをパンチ装置アンビルの中心壁内に配置したパンチ装置アンビルを示す上部正面等角図である。 ２段パンチ装置の動作を示す装着プロセスの５工程を示す連続的な正面部分断面図である。 パンチ装置構成部品を示す横断面図である。 図５に示した装着プロセスの３工程を示す正面横断面拡大図である。 本発明の装置およびプロセスによって実施した埋め込み取り付け状態を示す上部正面等角図である。

図１および図２に、本発明の目的を実現するために利用するナットを示す。ナット１１はフランジ１３を有し、このフランジ１３はその下側に円錐形の凹部１５（ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｒ ｗｅｌｌ）を備え、この凹部は下向きに延長する管状シャンク１７の上部まで内向きかつ上向き方向にテーパ状になっている外壁から延長する。本実施態様のナットは、通常のネジ式貫通ボア１４およびレンチで挟むことができる平坦部１６を備え、ここをレンチで挟み、ナット装着後ナットを回転できる。

ここで図３について説明すると、図１および図２のナット１１は、装着用パンチ装置アンビル２３の中心カップ内に上下を逆にして装着されている。

図４に、往復動プレスラム２５の下側（bottom side）を示す。即ち、周りに下向きに突出したエンボスリング２２を備えた外側スリーブを有するパンチ装置の動作特性を示す図である。このスリーブは、尖った円錐形端部（pointed cone-shaped end）を備えた中心パンチ２４の周りで滑動可能である。

次に図５について説明すると、図５には、パンチ装置２６とともに、図１〜４に示すナット１１およびアンビル２３が断面で示されている。図５には、本発明の５つの装着工程、即ち工程５ａ〜５ｅが図示されている。図５ａに示すシート１２は、ファスナーシャンクを受け取る寸法の単純な円形孔４６を有する。図５ｂに、図３に示したパンチ装置アンビルの中心カップ状キャビティ内に上下を逆にして装着したナットを示す。そして図５ｃ〜５ｅに、パンチラムの一回のストロークでシートとナットの取り付けを順次完了する２段パンチ装置に図５ｂに示すように装着したアンビルおよびナット上に設けた図５ａのシートを示す。

図６は、２段階パンチ（two stage punch）装置の構成部品を示す組み立て図である。この装着パンチ装置は、２つの往復動要素からなる。即ち、シートに作用するエンボスリング２２を備えた外側スリーブ３１、およびナットに作用する尖った円錐形の端部３５を有する中心パンチ２４である。外側スリーブ３１の場合、このスリーブの締り嵌め式円筒形ボア３７に受け取られる中心パンチの半径方向延長カラー部３２の周りで滑動する。中心パンチの駆動端部はプレスラムに固定する。スプリング手段３６によって、中心パンチのカラー部３２が外側スリーブ３１に下向きに偏倚作用（バイアス）を加える。スプリング３６は、上部の中心パンチカラー部３２と、中心パンチ２４およびスプリング３６の両者を収容するスリーブボア３７の基部の内側フランジ３０との間で作用する。エンドキャップ３８をスリーブボアの開放端部にねじ固定し、スプリング３６および中心パンチ２４をスリーブボア内部に組み込む。このパンチ装置を図４に示すプレス装置の往復動ラム２５内に保持する。

再び図５について説明すると、組み立てられた自由な状態では、第１段および第２段パンチ装置の構成部品の動作要素の寸法については、プレスラムが下降動作している間、中心パンチがナットのシャンクに接触する前に、スリーブのエンボスリングがシート材料に係合するように設定する。この場合、図５ｄに示すように、プレス装置によってパンチ装置が下降すると、外側パンチの円周リッジがシートに下向きのプレス作用を与えるため、シートがエンボス加工され、孔縁部がナットフランジの基部において円錐台形凹部になる。図５ｅに示すようにさらにプレス加工を続けると、シートがスプリングの圧縮によって保持されているナットフランジに対して底をうち（bottom out）、その間中心パンチが下向き動作を続け、ナットシャンクを外方向に広げる。この広がったシャンクの端部によってシートがフランジに固定係留され、装着孔の周囲においてエンボス加工凹部からなる空隙がなくなる。

次に図７について説明すると、図５ｃ、５ｄおよび図５ｅに関する上記装着プロセスのより詳しい図を対応する図７ａ、７ｂおよび７ｃとして示す。この装着プロセスは、アンビル２３のキャビティ内に設けられたシート１２およびナット１１にパンチスリーブ３１および中心パンチ２４の構成部品を位置合わせすることによって開始する。図７の図７ｂに示すように、スプリングの偏倚作用を受けた外側スリーブ３１が先ずシート孔の外側縁部の周囲においてエンボスリング２２によってシート材料をエンボスし、シート１２がフランジ凹部に下降する。図７ｃに示すように、下向きのプレス力が強くなると、外側スリーブのスプリング力に打ち勝ち、シートのエンボス加工が底を打つ。次に、外側スリーブ３１とは独立して、中心パンチ２４がさらに下降し、ファスナーシャンクの端部の周囲において縁部が外側に広がり、広がったナットの縁部とナットフランジ１３との間にシート１２を固定係留する。図８に示すように、シャンクおよびその広がり部（フレアリング部）４４の長さについては、ナットの端部がエンボス空隙４２内に完全に位置し、そして周りのシート材料の面を超えないように設定し、埋め込み取り付けを確保できるようにする。

なお、以上の説明は本発明の原理の例示に過ぎない。さらに、当業者ならば容易に上記原理を応用して多くの変更などを実現できるため、図面に図示かつ以上説明してきた厳密な構成および動作に本発明を制限することは望ましくなく、すべての考えられる変更態様および等価態様は本発明の範囲内に包含されるものである。

１１：ナット
１２：シート
１３：フランジ
１４：ボア
２２：エンボスリング
２４：中心パンチ
２５：ラム
３６：スプリング

Claims (7)

1. ホスト材料からなるシートにナットを装着するファスナープレスにおける２段パンチ装置において、
   内部に軸方向ボアを有する円筒形のスリーブであって、前記シートをエンボス加工するために下方向に突出したリングを有する前記スリーブと、
   前記スリーブ内に設けたスプリングであって、このスプリングの第１端部で前記軸方向ボアの内面側フランジに対して動作する前記スプリングと、
   前記スプリングと前記スリーブの内側で受け入れられるシャンク部を有し、及び、前記軸方向ボア内で接触滑動できる半径方向に延長するカラー部を有し、並びに、このカラー部が前記スプリングの第２端部に支持される表面を有する中心パンチであって、尖った動作端部とその反対側にあるプレスのラムに固定される駆動端部とを有する中心パンチと、
   を備え、
   前記スリーブが弾性作用によって前記中心パンチの前記駆動端部から偏倚し、かつ前記スリーブが前記中心パンチに対して下方向の前進位置と上方向の後退位置との間で動作できるように前記スリーブ内に前記中心パンチを固定係留する手段を有しており、
   前記シートのエンボス加工を行う第１段の動作において、前記スリーブが前記前進位置にあるときに、前記リングが前記中心パンチの前記尖った動作端部より下方向に前進し、
   そして、
   前記リングの前記シートへの衝突によって反力を受けて前記中心パンチの前記駆動端部に作用する力で前記スプリングが圧縮するため、前記スリーブが前記後退位置にあるときに、前記ナットの端部のうち前記中心パンチに近い端部を外側に押し拡げるフレアリング縁部の加工を行う第２段の動作において、前記リングよりも下方向に越えて前記尖った動作端部が前進するように、前記スリーブおよび中心パンチが動作して、
   さらに、
   前記ナットのフランジ部と前記フレアリング縁部との間で係留させる前記シートに設けてある穴の周囲に前記スリーブで形成する空隙と、前記シートの周辺面の高さを越えないように前記空隙内に完全に収める前記フレアリング縁部とを形成するために十分な強さを有した前記スプリングであり、この構成で、回転可能にして埋め込み装着した前記ナットを提供することを特徴とする２段パンチ装置。
   
2. 前記尖った動作端部がナットと係合するように移動され、このナットが、前記シートを前記フレアリング縁部と前記ナットのフランジ部との間に固定係留する前記ナットの変形によって、ホスト材料である前記シートに前記ナットを強制的に取り付ける請求項１に記載のパンチ装置。
   
3. 前記中心パンチを固定係留する前記手段が、前記第１端部に対向する前記スリーブの第２端部において前記スリーブの雌ねじにねじ係合するエンドキャップである請求項１に記載のパンチ装置。
   
4. 前記スプリングが円筒形コイルスプリングである請求項３に記載のパンチ装置。
   
5. ホスト材料からなるシートにナットを固定する方法において、
   ２段パンチ装置を準備する工程、
   直下にアンビルが設けられたプレスの上下動ラムに前記２段パンチ装置の駆動端部を装着する工程、
   ホスト材料からなるシートの開口であって、前記２段パンチ装置に対向する前記シートの側に設けられる前記プレスの前記アンビルのキャビティ内に位置するナットに対して軸方向に位置合わせした前記開口に前記２段パンチ装置を位置合わせする工程、
   前記上下動ラムの下向きストローク時に前記２段パンチ装置を動作させて前記シートに接触させる工程、
   前記２段パンチ装置の弾性作用により偏倚された後退可能なスリーブの端部においてリングによって前記開口周囲において前記シートをエンボスする工程、および
   前記上下動ラムの前記ストローク時に前記２段パンチ装置をさらに下降させて、前記２段パンチ装置の前記弾性作用により偏奇された後退可能な前記スリーブ内の中心パンチの一端を、前記シートをエンボスする前記リングを超えて延長し、前記ナットに強制的に接触させ、これによって前記ナットを広げ、前記ナットの広がった縁部とナットフランジとの間に前記シートを固定係留する工程からなることを特徴とする固定方法。
   
6. 請求項５で利用する前記２段パンチ装置が請求項１で定めた２段パンチ装置である請求項５に記載の固定方法。
   
7. シート（１２）に取り付けた回転可能のナット（１１）の組立体において、
   円錐台形状の凹部（１５）をフランジ（１３）の下面に有する前記ナット（１１）であり、前記フランジ（１３）の前記下面から管状シャンク（１７）の上部壁までの間を内向きかつ上向きにテーパ状面を延ばして構成する前記円錐台形状の凹部（１５）、及び、ネジ用貫通ボア（１４）、並びに、前記ナット（１１）を回転させるためにレンチで挟むことができる工具用平坦部（１６）を設けた前記ナット（１１）と、
   前記管状シャンク（１７）を通した穴（４６）を有する前記シート（１２）であって、前記穴（４６）の縁部分が前記フランジ（１３）の前記下面に設けた前記円錐台形状の凹部（１５）の中に押し込まれた前記シート（１２）と、
   を備え、
   前記管状シャンク（１７）の最下端部での壁部分で、前記ネジ用貫通ボア（１４）を外側に押し拡げて形成されるフレアリング部（４４）であって、前記フレアリング部（４４）が前記穴（４６）を取り囲む空隙（４２）に押し込まれており、
   そして、
   前記テーパ状面に近接する前記縁部分を前記フレアリング部（４４）で回転可能にして覆い、前記シート（１２）を前記ナット（１１）で挟持して固定係留しており、
   そしてさらに、
   前記円錐台形状の凹部（１５）に押し込まれた前記縁部分から離れた処の前記シート（１２）の下面より下方向に伸延しないように、前記空隙（４２）内で完全に収めた前記フレアリング部（４４）によって、前記シート（１２）に前記ナット（１１）を回転可能に埋め込み取り付けたことを特徴とする組立体。

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