JP6421187B2 - ベルビル・ヘッドを備えたファスナー - Google Patents

Description

関連出願

本特許出願は、２０１３年８月２８日に出願され、ベルビル・ヘッド（Ｂｅｌｌｅｖｉｌｌｅ Ｈｅａｄ：皿ばね形状頭部）を備えたファスナーを発明の名称とする仮特許出願第６１/８７１，０１９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、Ｐｅｎｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏｒｐ．が製造し、ＴａｃｋＰｉｎｓ（タックピン）およびＴａｃｋＳｃｒｅｗｓ（タックネジ）として知られているタイプであるヘッドの非常に小さい押し込み式ファスナーに関する。より具体的には、本発明は別な部品を必要とせずにベルビル座金（Ｖｅｌｌｖｉｌｌｅ ｗａｓｈｅｒ）の機能を実現するベルビル・ヘッドを備えたタックピンまたはタックネジに関する。

２つの部材を取り付けるさい、多数の異なる方法で取り付けることができる。一部の取り付け方法の場合、例えば粘着剤、接着剤、溶接などを使用する取り付け方法の場合、部材間に強力な接合を形成できるが、部材間に圧搾力や締め付け力を発生することはない。一般的なリベットやタックピンおよびタックネジなどのファスナーの場合も部材に締め付け力を発生しない。締め付け力を必要とする場合には、一般的にネジを使用してこれを得る。

多くの民生用製品装置の場合、これらを組み立てるために使用するファスナーよりも軟質の薄壁筐体を使用して設計している。このファスナーと薄壁筐体の同時使用は、パネルの表面で締め付け（ｃｌｉｎｃｈ：クリンチ）且つ硬度差を必要とするセルフクリンチングファスナー（ｓｅｌｆ−ｃｌｉｎｃｈｉｎｇ ｆａｓｔｅｎｅｒ）に有利に作用する。しかし、ネジの場合には効果が逆で、ネジの利用できる締め付け荷重（ｃｌａｍｐ ｌｏａｄ：締結力）を制限することになる。この場合、締め付け荷重で制限される力は、筐体のネジが係合するネジ山の降伏強度に等しい。本発明は、このタイプの組立体に適用される。

ネジ山が完全に擦り減ると組立体が構成できないので、作用する荷重の最大許容値を計算する目的で設計上の降伏力を検討する。雌ネジ山の降伏力は、図１に示すように、せん断作用を受けているネジ山の面積を乗じて、下側パネルのネジ山の降伏応力として算出される。縦方向に圧縮伸縮を受ける際、ネジがパネルのネジ山を破断する場合に荷重を受けるネジ山部分の夫々の円筒面が、ネジ山のせん断領域になる。なぜなら、この領域におけるネジ山螺旋の影響が非常に小さいため、一つのネジ山の円筒形面積をせん断作用を受けているネジ山の個数に乗じることで、せん断作用を受けているネジ山の面積は簡略化できる。

図１において、従来例の締め付け荷重は、ネジの締め付け時に発生する。ネジを締め付けると、ネジに張力が発生する。それはヘッドの下側とネジ係合部材の上部との間のネジ部分になる。発生した締め付け荷重の一部は、ネジをバネのように延伸する。フックの法則は、ネジの長さ変化を記述するものである。ネジが短くなるほど、延伸能力が小さくなる。フックの法則は、締め付け荷重によって圧縮される上側パネルに同じく適用できる。上側シート（上側パネル）に作用する力は、締め付け荷重に等しい。図１に示す例では、パネルが薄いので圧縮可能な範囲を制限される。硬いネジを薄い軟質の筐体に使用すると、ネジ山に対して完全な締め付け取り付けを実現できる。

図２に、別な従来ファスナー例を示す。タックピンまたはタックネジを押し込み、取り付け時に張力が作用しないため、締め付け荷重はほとんど作用しない。上側シートを圧縮すると、締め付けの一部になるが、この状態はネジの場合とは多少異なる。そのタックピンに装着負荷が与えられると結果として上側シートに作用すると、フックの法則に従って両者（タックピンと上側シート）の長さが変化する（短くなる、すなわち圧縮）。それらの各部分が降伏点を超えて潰されない限り、その装着負荷が除去されると、両者（タックピンと上側シート）に緩和力が作用する（元の長さに戻ろうとする）。

本発明では、力を緩和させて、既知寸法および既知材料特性を考えに入れて相対的な撓み（偏倚）を発生させる。下側シート（下側パネル）が均質な特性をもつとして、パネル圧縮と比較すると、タックピン圧縮については３つの異なるシナリオが存在する。本発明では小さな部品を想定しているため、以下の説明が考えられる。タックピンおよびパネルの撓みが同じ場合、押込みパンチを除去後、両者（タックピンおよびパネル）はほぼ等量のスプリングバック（ｓｐｒｉｎｇ ｂａｃｋ）を起し、締め付け荷重は発生しない。タックピンの剛性が大きい場合、タックピンはパネルよりも撓みが小さくなる。その場合パネル圧縮が生じ、従って小さな締め付け荷重が発生する。この場合は、タックピンのスプリングバックがパネルよりも小さい。パネルの剛性が大きく、タックピンよりも撓みが小さい場合には、締め付けは発生しない。実際には、タックピンのスプリングバックは取り付けパネルよりも大きく、ヘッドの下側が小さなギャップ（間隙）になる。タックピンおよびタックネジが小さな締め付け荷重を発生する実例は、上側シートがゴムなどのガスケット材からなる場合である。ネジと同様に、下側シートでアンダーカット部に起こる低温流れ降伏（塑性流動）は、上側シートが耐えることができるならば、タックピンおよびタックネジの最大許容締め付け荷重に優先されて起きることになる。

クリンチ作用を有するタックピンおよびタックネジは、非常に小さなネジのすぐれた代替物であり、従来のネジよりも多くの作用効果を示す。例えば、
１）ネジ立て穴のネジ立てを必要としない。
２）破損したネジ山の擦り減りは、排除できる。
３）タックピンおよびタックネジは圧入できるため、装着が極めて簡単である。
４）タックピンおよびタックネジはネジ山の固定用パッチが必要ないので、本質的に緩むことがない。
５）タックピンおよびタックネジは、ヘッドがきわめて薄いため、ヘッドのドライバーを必要とする厚いヘッドが必要なネジよりも設計を薄くできる。

しかし、タックピンおよびタックネジには以下のようないくつかの問題がある。
１）締め付け荷重がほとんどない（最小ではあるが、短いネジの場合小さな締め付け荷重が発生する）。
２）装着時に、ヘッドの下にギャップ（隙間）が残り、軸方向に浮く。
３）過度に圧入することなく装着時にタックピンのヘッド下部が上側シートに接触する完全装着には、コストの高い装置が必要になる。

単に、組立体のネジおよびタックピンに別な座金を加えるだけでは、部品増に関連する問題すべてが発生し、ベルビル座金の場合、直径が１．０ｍｍの範囲にあるマイクロネジ（ｍｉｃｒｏ ｓｃｒｅｗ）やきわめて小さいタックピンに十分使用できるように小型化することは不可能である。即ち、使用時に、接合対象要素に残留締め付け荷重を付与できる新規な形式の単一のファスナー（ｕｎｉｔａｒｙ ｆａｓｔｅｎｅｒ）が依然として求められている。

ウェブサイトＳｐｒｉｎｇ−Ｉ−Ｐｅｄｉａ ａｔ： ｈｔｔｐ://ｓｐｒｉｎｇｉｐｅｄｉａ．ｃｏｍ/ｂｅｌｌｅｖｉｌｌｅ−ｗａｓｈｅｒｓ−ｆｏｒｍｕｌａｓ．ａｓｐ

以上説明したタックピンおよびタックネジの問題は、いずれもベルビル型のバネ（Ｂｅｌｌｖｉｌｌｅ ｔｙｐｅ ｓｐｒｉｎｇ）の設計をタックピンまたはタックネジのヘッドに採用した新規な設計変更によって解決できる。なお、バネ機能のヘッドに設計改善をすると、タックピンまたはタックネジは短いネジの作用効果をすべてもつことができ、小さなサイズのために別な座金を追加使用することが実用できない場所で通常のタックピンによって得られる作用効果も実現できる。このバネ機能のヘッド構造は締め付け荷重問題に直接対処できる上に、装着時の圧入距離に対する許容範囲を広く設定でき、装着を完璧にする必要条件を緩和することができる。

より具体的には、本発明はファスナー、および２つの要素、即ち対面した上側要素および下側要素を有する要素の組立体に関する。ファスナーは、ファスナーの最大直径を構成する半径方向に延在する円錐形フランジを有し、かつ下向きの装着力の作用時に、上側要素に対して上側に弾性的に偏倚する全外周を連続してつなげた非割り型の円周面の縁にしたヘッドを有する。また、ファスナーは、螺旋ネジ山やクリンチ作用のためのアンダーカット形状の係合手段を設けたシャンク（ｓｈａｎｋ：軸部）を有する。

本発明の主目的は、ファスナーのヘッドにベルビル型座金（Ｂｅｌｌｖｉｌｌｅ ｗａｓｈｅｒ：ベルビル ワッシャ）の設計を採用することによって、締め付け荷重能力を高め、タックピンの軸方向装着許容範囲を広げることにある。マイクロネジのヘッド周囲に同じ特徴を付与できるため、第２の目的はヘッドにベルビル型座金を採用して、ネジ中の予荷重（ｐｒｅｌｏａｄ）の損失を防ぐ作用効果を実現するネジ設計を案出することにある。第３の目的は、製作コストを抑制し、かつ装着を必要とする付加的な固定していない部品を排除することによって上記目的を実現することにある。

なお、本発明の少なくとも一つの実施態様を詳細に説明する前に、以下に説明し、かつ添付図面に示す各構成成分の構成、配置の細部に本発明は制限されるものではないことを指摘しておく。本発明は、他の実施態様でも実施可能であり、各種の方法で実施可能である。また、本明細書で使用する表現法および用語などは例示を目的とするもので、制限を意図するものではない。

また、当業者ならば、本開示の基礎となる技術思想は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の基礎として容易に展開できることを理解できるはずである。即ち、重要なことは、特許請求の範囲の記載は、本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、等価な構成を包含するものとして解釈すべきことである。

従来例のファスナーを示す横断面図である。 従来例のファスナーを示す横断面図である。 本発明の３つの実施態様を示す横断面図である。

図３について説明すると、ベルビル型座金との並列比較において本発明ファスナーの３つの実施態様を示す図である。実施態様はいずれも、上側シートを下側シートに接合する図１または図２に示した従来例のファスナーの代わりにシート（図省略）との組立体を実現するためのものである。各実施態様は、最左端に示すベルビル型座金の構造および性能に類似の円錐形フランジを備えたヘッドを有する。

ベルビル型座金は、その圧縮方向と逆の力を発生する。図３には、タックピン、タックネジおよびマイクロネジのヘッドにベルビル型座金を採用する方法を示す。ベルビル型バネの最大力能力については、ウェブサイトＳｐｒｉｎｇ−Ｉ−Ｐｅｄｉａ ａｔ： ｈｔｔｐ://ｓｐｒｉｎｇｉｐｅｄｉａ．ｃｏｍ/ｂｅｌｌｅｖｉｌｌｅ−ｗａｓｈｅｒｓ−ｆｏｒｍｕｌａｓ．ａｓｐを出典とする数式によって表すことができる。

装着した上で、上側シートに加圧接触しているので、円錐形フランジの外周縁が弾性的に上側に偏倚する（ｄｅｆｌｅｃｔｓ）。フランジの材料が持つ弾性作用によって継続的にバイアス作用力（付勢力）が働き、残留締め付け荷重が維持される。

締め付け荷重に伴って、装着後のアンダーカット形状部における金属シートの低温流れ降伏が起こり、それによって締め付け荷重が等価的に最少となるタックピンの利用がより効果的である。タックピンやタックネジのヘッド部分にベルビル型座金の機能を合体させると、上側シートがタックピン等の圧縮厚さ分として有効になる。このヘッドデザインでは、上側シートをタックピンまたはタックネジの寸法よりも大きな寸法に変えても締め付け荷重の発生を確実にする利点がある。この実施例におけるヘッド部分の撓みは、平坦シート単独で想定される撓みよりもはるかに大きくなる。同様にマイクロネジの場合、ベルビル型座金ヘッドの設計式については、雌ネジ山の降伏強度の力に関する式をベルビル型座金に適用される最大力として等しく設定する。

このマイクロネジの場合、張力を発生した状態でネジを装着することが前提なので締め付け荷重が発生し、これをベルビル型ヘッドが行う必要性は、タックピンまたはタックネジの場合よりも重要ではないが、このマイクロネジにベルビル型ヘッドを採用すると、以下の作用効果が加わる。
１）ネジの予荷重の損失を防止できる。
２）装着を維持しながら、締め付けトルクの設定範囲が広くなる。

以上の本発明の説明から、本発明の目的が実現できたことを容易に理解できるはずである。タックピンの設計にベルビル座金型ヘッドを採用すると、タックピンを使用したパネルの組立体であって、以前はきわめて小さい締め付け荷重が狭い範囲内で使用可能であったパネルの組立体に締め付け荷重を与える能力が高くなる。さらに、このタイプのヘッドをタックピンに採用すると、装着圧入長さに対する許容範囲を広げることが可能になり、過剰圧入や外見上の損傷の原因となり得る過剰荷重から保護するのに役立つ。最後にタックピンの場合、装着が十分でない部分がある場合にヘッド下部のギャップ（隙間）を生む可能性を排除できるので、パネルの組立体がより堅牢になる。このタイプのヘッドからマイクロネジに対して得られる作用効果により、ネジ止め接合における予荷重が維持されるだけでなく、必要な装着トルク範囲に対する装着許容範囲も広くなる。ファスナーの構造における別な座金の作用効果も相乗するため、製造コストが低くなり、固定していない部品分に関する問題も少なくなる上に、小型の部品にとっては実用的ではない座金組み立て工程を排除できる。

以上の説明は、本発明の原理を説明するに過ぎず、また当業者ならば、多くの修正や変更などを本発明に加えることが可能な以上、本発明は以上説明し、図面に示した正確な構成および操作に限定されず、すべての適当な変更や等価物はいずれも本発明の範囲に包摂されるものである。

Claims (6)

1. 上側構成材および下側構成材の２つの要素を互いに対向させた接合に用いる単一タックピン型ファスナーにおいて、
   このファスナーの最大径を構成する円錐形フランジのヘッドがあって、この円錐形フランジは連続円形の外周縁を有し、
   前記ヘッドの下側には前記へッドから直接下向きに延在するシャンクがあって、このシャンクはタック圧縮に利用できる長さを有するシャンク最大太さの段付き座を有して、この段付き座が前記２つの要素のうちの少なくとも前記下側構成材に変形を起こさせる作用を施すものであり、そして、前記円錐形フランジを上側に弾性的に偏倚させることで、前記シャンクの前記作用が前記２つの要素のうちの少なくとも前記下側構成材の低温流れを前記シャンクのアンダーカット部に流入させて、前記２つの要素を前記接合させることを特徴とする単一タックピン型ファスナー。
   
2. 上側構成材および下側構成材の２つの要素を互いに対向させた接合に用いる単一タックピン型ファスナーにおいて、
   このファスナーの最大径を構成する円錐形フランジのヘッドがあって、この円錐形フランジは連続円形の外周縁を有し、前記ヘッドの下側に前記へッドから直接下向きに延在するシャンクがあって、そして、前記円錐形フランジを上側に弾性的に偏倚させて前記下側構成材に係合させる取り付け手段に、螺旋ネジ山を付けた前記シャンクの構成で前記接合させることを特徴とする単一タックピン型ファスナー。
   
3. 請求項１あるいは請求項２に記載の単一タックピン型ファスナーと、
   下側構成材に対面して当接した上側構成材であって、前記ファスナーのシャンクを通す開口を有する前記上側構成材とを備え、
   前記ファスナーのシャンクを前記下側構成材に設けた下穴の深部に係合させ、前記ファスナーのヘッドに設けたフランジの外周部が前記上側構成材に加圧して接触し、そして、前記外周部が２つの前記要素間の残留締め付け荷重として下向きの弾性的付勢力を与えるために十分に撓むことで、前記下側構成材へ取り付けられる前記ファスナーの前記シャンクを有することを特徴とする部材の組立体。
   
4. 前記シャンクの取り付けられる手段が、前記アンダーカット部のみである請求項１に記載の単一タックピン型ファスナー。
   
5. 前記シャンクの直径が１．０ｍｍである請求項３に記載の組立体。
   
6. 請求項１あるいは請求項２に記載の単一タックピン型ファスナーにおいて、前記ヘッドに加わる下向きの装着力によってのみ材料の低温流れを発生させる単一タックピン型ファスナー。

Images