JP6584066B2 - 繊維強化樹脂ネジ - Google Patents

Description

本発明は、樹脂に強化繊維を含有させた樹脂組成物を、素材に用いた繊維強化樹脂ネジに関する。

従来、耐薬品性や耐蝕性、生体適合性、防爆性、軽量性、保温性が要求される分野において物品同士の締結や送り動作を行う際に、素材に樹脂を用いた樹脂ネジが用いられている。

樹脂ネジは種々の特徴を有しているものの、金属ネジと比較すると強度が低いことに伴って適用範囲が限られている。従って、より高強度が要求される分野に用いることができなかった。

ネジの引張破壊強度を向上させるために、繊維を混入させた樹脂ネジの発明が、特開平７−２９３５３５号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１に記載されている樹脂ネジでは、平均繊維長さが０．３mm以上の長繊維を熱可塑性樹脂に混入させて、強化繊維と樹脂との結合・密着力を高め、複合材料としての強度を向上させている。

特開平７−２９３５３５号公報

特許文献１に記載されている繊維強化樹脂製ボルトは、平均繊維長さが０．３ｍｍ以上の長繊維をネジの軸方向と平行に強く配向させることで、ボルトの引張破壊強度を向上させることを目的としている。

しかしながら、長繊維を含有させることで軸方向の引張強度が向上した場合であっても、より少ないスペースでネジ結合を行いたい場合のように、雄ネジと雌ネジとの螺合長さを短くしたい場合には、ネジ山の強度が不足する場合がある。

本発明の目的は、繊維強化樹脂ネジにおけるネジ山の強度を向上させることである。

以下に、（発明を実施するための形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明による繊維強化樹脂ネジ（１０、２０）は、樹脂に強化繊維を含有させた樹脂組成物を用いて成形したネジである。繊維強化樹脂ネジ（１０、２０）におけるネジ山のピッチ（Ｐ）は、メートル並目ネジ、ユニファイ並目ネジ又はユニファイ細目ネジの規格に規定されるネジ山の外径（Ｄ）に対応する規格ピッチに対して１．５乃至２倍の長さである。強化繊維の平均繊維長さは、繊維強化樹脂ネジ（１０、２０）におけるネジ山のピッチ（Ｐ）の１乃至１／３倍である。樹脂組成物における強化繊維の含有率は、２０乃至８０％である。

本発明による繊維強化樹脂ネジ（１０、２０）は、樹脂に強化繊維を含有させた樹脂組成物を用いて成形したネジである。繊維強化樹脂ネジ（１０、２０）におけるネジ山のピッチ（Ｐ）は、ネジ外径の１／４．３乃至１／２．２の長さである。強化繊維の平均繊維長さは、ピッチ（Ｐ）の１乃至１／３倍である。樹脂組成物における強化繊維の含有率は、２０乃至８０％である。

繊維強化樹脂ネジ（１０、２０）におけるネジ山の角度（Ａ）は、６０乃至９０°である。

繊維強化樹脂ネジ（１０、２０）の外径は、３．５乃至１０ｍｍである。

樹脂組成物における樹脂は、芳香族ポリエーテルケトン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリふっ化ビニリデン樹脂、ポリカーボネード樹脂、ポリアセタール樹脂、フェノール樹脂、超高分子量ポリエチレン樹脂、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、又はポリ塩化ビニル樹脂である。

樹脂組成物における強化繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、炭化珪素繊維、アラミド繊維、又は超高分子量ポリエチレン繊維である。

本発明に係る繊維強化樹脂ネジを用いることによって、ネジ山の強度が高い樹脂ネジを提供することができる。ネジ山の強度が高い繊維強化樹脂ネジを提供することによって、耐薬品性や耐蝕性、生体適合性、防爆性、軽量性、保温性が要求される分野における樹脂ネジの適用範囲を拡大することができる。

図１は、本発明に係る繊維強化樹脂ネジ（雄ネジ）の一部断面図である。 図２は、本発明に係る繊維強化樹脂ネジ（雌ネジ）の一部断面図である。 図３（ａ）は、ＵＮＦ３／１６相当のネジ山の角度Ａ（６０°）、及びピッチＰ（３２山／インチ）を有する雄ネジにおける強化繊維の配向解析結果を表した図である。（ｂ）は、ＵＮＦ３／１６相当に対してネジ山の角度Ａ＝７５°とし、この角度Ａに応じてピッチＰを変更した雄ネジにおける強化繊維の配向解析結果を表した図である。（ｃ）は、ＵＮＦ３／１６相当に対してネジ山の角度Ａ＝９０°とし、この角度Ａに応じてピッチＰを変更した雄ネジにおける強化繊維の配向解析結果を表した図である。 図４（ａ）は、ＵＮＦ３／１６相当のネジ山の角度Ａ（６０°）、及びピッチＰ（３２山／インチ）を有する雄ネジにおける強化繊維の配向解析結果を表した図である。（ｂ）は、ＵＮＦ３／１６相当に対してネジ山の角度Ａ＝１０５°とし、この角度Ａに応じてピッチＰを変更した雄ネジにおける強化繊維の配向解析結果を表した図である。（ｃ）は、ＵＮＦ３／１６相当に対してネジ山の角度Ａ＝１２０°とし、この角度Ａに応じてピッチＰを変更した雄ネジにおける強化繊維の配向解析結果を表した図である。 図５（ａ）は、ＵＮＦ３／１６相当のネジ山の角度Ａ（６０°）、及びピッチＰ（３２山／インチ）を有する雄ネジにおける強化繊維の配向解析結果を表した図である。（ｂ）は、ＵＮＦ３／１６相当に対してネジ山のピッチＰを１．２倍に変更した雄ネジにおける強化繊維の配向解析結果を表した図である。 図６（ａ）は、ＵＮＦ３／１６相当に対してネジ山のピッチＰを１．４倍に変更した雄ネジにおける強化繊維の配向解析結果を表した図である。（ｂ）は、ＵＮＦ３／１６相当に対してネジ山のピッチＰを１．６倍に変更した雄ネジにおける強化繊維の配向解析結果を表した図である。 図７（ａ）は、ＵＮＦ３／１６相当に対してネジ山のピッチＰを１．８倍に変更した雄ネジにおける強化繊維の配向解析結果を表した図である。（ｂ）は、ＵＮＦ３／１６相当に対してネジ山のピッチＰを２倍に変更した雄ネジにおける強化繊維の配向解析結果を表した図である。 図８は、樹脂及び強化繊維の含有割合を変更した際の、繊維強化樹脂ネジの引張強度（ｋＮ）の変化について表した図である。

添付図面を参照して、本発明による繊維強化樹脂ネジを実施するための形態を、以下に説明する。

図１は、本発明に係る繊維強化樹脂ネジ（雄ネジ）の一部断面図である。図２は、本発明に係る繊維強化樹脂ネジ（雌ネジ）の一部断面図である。なお、図２に示す雌ネジのネジ山形状は、図１に示す雄ネジのネジ山形状と同様であるので、その説明は省略する。

図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂ネジ１０、２０は、樹脂に強化繊維を含有させた樹脂組成物を用いて成形したネジであり、外径Ｄは、３．５ｍｍ≦外径Ｄ≦１０ｍｍの範囲である。一般に外径Ｄが大きなネジではネジ山も大きく、ネジ山の裾部の幅も長くなるのでネジ山の強度も高い。しかし、外径Ｄが１０ｍｍ以下の樹脂ネジでは、ネジ山の強度が不足する場合がある。

ここで、繊維強化樹脂ネジにおけるピッチＰを、一般的に用いられる規格ネジのピッチよりも長く設定することによって、ネジ山の裾部を長く確保して、ネジ山の強度を向上させることができる。繊維強化樹脂ネジ１０、２０のピッチＰは、ネジの外径Ｄに対してＤ／４．３乃至Ｄ／２．２の長さとすることが好ましい。また、繊維強化樹脂ネジ１０、２０のネジ山の外径Ｄが、メートル並目ネジ、ユニファイ並目ネジ又はユニファイ細目ネジの規格に規定されるネジ山の外径と同じ場合には、繊維強化樹脂ネジ１０、２０のピッチＰは、メートル並目ネジ、ユニファイ並目ネジ又はユニファイ細目ネジの規格に規定されるネジ山の外径に対応する規格ピッチに対して、１．５乃至２倍の長さとすることが好ましい。

繊維強化樹脂ネジ１０、２０を射出成形するに際して、ネジの頭部Ｈ又はネジの底部Ｂにゲートを配置するのが一般的であり、このとき樹脂組成物の多くはネジ山に直交するように流れる。従って、ネジ山の部分においても樹脂組成物の流れは軸方向に向く傾向がある。ここで、ネジ山の裾部を長く確保すると、ネジ山の高さに対して樹脂の入り口幅を広く取ることができるので、ネジ山の形状に沿った樹脂流動性を得ることができる。これにより、繊維強化樹脂ネジ１０、２０を射出成形する際に、樹脂組成物に含有される強化繊維が、ネジ山の凹凸に沿って配向されるようになる。すると、ネジ山の剪断に対する強度が増して、ネジ山の強度が高い樹脂ネジを得ることができる。

また、繊維強化樹脂ネジ１０、２０のピッチＰを長くすると共に、ネジ山のネジの頂（トップ・ランド）、又はネジの谷底（ボトム・ランド）をネジの軸心に対して平行に形成し、この平行部を軸方向に長く設定することによって、ネジ山の裾部を長く確保することができる。そして、ネジ山の形状に沿った樹脂流動性を得て、より多くの強化繊維をネジ山の凹凸に沿って配向させることができる。但し、この平行部を長くし過ぎると、繊維強化樹脂ネジ１０、２０同士を螺合させる際において、螺合長さ（雄ネジと雌ネジとが螺合する長さ）も長くなりすぎてしまう。

また、繊維強化樹脂ネジ１０、２０のネジ山同士における摩擦角が、ネジのリード角よりも小さくなると自然に緩みが生じる。そのため、繊維強化樹脂ネジ１０、２０のピッチＰは、メートル並目ネジ、ユニファイ並目ネジ又はユニファイ細目ネジの規格ピッチに対して１．５乃至２倍の範囲内とすることが望ましい。繊維強化樹脂ネジ１０、２０のネジ山同士の摩擦係数μを０．１程度とした場合には、ネジ山のリード角は、規格ネジに対して約１．８倍ピッチになるまで寝かせることができる。

繊維強化樹脂ネジ１０、２０に含有される強化繊維の平均繊維長さは、ピッチＰの１乃至１／３倍、又はネジ山の高さと同等であることが好ましい。平均繊維長さが短いと、強化繊維を含有させたことによるネジの軸方向の引張強度向上、及びネジ山の強度向上の効果が妨げられる。他方、平均繊維長さが長すぎると、射出成形時における強化繊維の流れがネジ山の凹凸形状に沿い難くなり、ネジ山の強度が向上しない。

メートル並目ネジや、ユニファイ並目ネジ又はユニファイ細目ネジでは、ネジ山の角度Ａは６０°である。繊維強化樹脂ネジ１０、２０のネジ山の角度Ａを、一般の規格ネジにおけるネジ山の角度Ａよりも大きく設定することで、ネジ山における軸方向の傾斜がなだらかになり、強化繊維はネジ山の凹凸に沿って流れ易くなる。但し、ネジの自立条件から、ネジ山の角度Ａの上限は１０５°程度と考えられる。実用的には、ネジ山の角度Ａは６０乃至９０°程度が望ましい。

図１及び図２に示す実施形態では、繊維強化樹脂ネジ１０、２０のネジ山の形状を台形ネジとしてある。本発明は、台形ネジに限定されるものではなく、ネジの谷底をＵ字形の谷とすることもできる。また、谷径ｄを大きくして、ネジ山の裾部を長く確保することが好ましいが、ネジ山同士の掛け高さが減少してしまうので、谷径ｄをあまり大きくすることは好ましくない。

繊維強化樹脂ネジ１０、２０を構成する原料の樹脂は、その繊維強化樹脂ネジ１０、２０の用途に応じて、芳香族ポリエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ、ＰＥＫ等）、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリふっ化ビニリデン樹脂、ポリカーボネード樹脂、ポリアセタール樹脂、フェノール樹脂、超高分子量ポリエチレン樹脂、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、その他の熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を用いることができる。

強化繊維として、ガラス繊維、炭素繊維、炭化珪素繊維、アラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、その他の強化繊維を用いることができる。繊維強化樹脂ネジ１０、２０に含有する強化繊維の量は、２０乃至８０％の含有率とすることが好ましく、３０〜６０％とすることが、より好ましい。特に、防爆性や電食性が要求される用途には、ガラス繊維などの非導電性を備える強化繊維を用いることが望ましい。

次に、図３乃至図７を用いて、外径Ｄ＝約４．８ｍｍの繊維強化樹脂ネジ（雄ネジ）の、射出成形時における樹脂の流れに基づく強化繊維の配向をシミュレーションした結果について説明する。図３乃至図７において表される色（又は濃度）の違いは、ネジの軸方向（Ｙ方向）に繊維が向いている確率を表しており、その値が９×１０^-1の場合には、その部位における強化繊維の９０％が軸方向（Ｙ方向）を向いていることを示している。

射出成形時において、強化繊維を含有させた樹脂組成物を注入するゲートは、ネジの底部Ｂに配置してある。そして、射出成形時においては、樹脂組成物がネジの軸方向に流れるようにして、繊維強化樹脂ネジ１０、２０における引張強度を向上させている。また、繊維強化樹脂ネジ１０、２０に含有される強化繊維の平均繊維長さは、ピッチＰの１乃至１／３倍である。先ず、図３及び図４に示す繊維強化樹脂ネジにおける強化繊維の配向解析結果について説明する。

図３（ａ）は、ＵＮＦ３／１６相当のネジ山の角度Ａ（６０°）、及びピッチＰ（３２山／インチ）を有する雄ネジを射出成形する際における強化繊維の配向解析結果を表した図である。図３（ｂ）は、ＵＮＦ３／１６相当に対してネジ山の角度Ａ＝７５°とし、この角度Ａに応じてピッチＰを変更した雄ネジを射出成形する際における強化繊維の配向解析結果を表した図である。図３（ｃ）は、ＵＮＦ３／１６相当に対してネジ山の角度Ａ＝９０°とし、この角度Ａに応じてピッチＰを変更した雄ネジを射出成形する際における強化繊維の配向解析結果を表した図である。

図４（ａ）は、ＵＮＦ３／１６相当のネジ山の角度Ａ（６０°）、及びピッチＰ（３２山／インチ）を有する雄ネジを射出成形する際における強化繊維の配向解析結果を表した図である。図４（ｂ）は、ＵＮＦ３／１６相当に対してネジ山の角度Ａ＝１０５°とし、この角度Ａに応じてピッチＰを変更した雄ネジを射出成形する際における強化繊維の配向解析結果を表した図である。図４（ｃ）は、ＵＮＦ３／１６相当に対してネジ山の角度Ａ＝１２０°とし、この角度Ａに応じてピッチＰを変更した雄ネジを射出成形する際における強化繊維の配向解析結果を表した図である。

図３（ａ）〜（ｃ）及び図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、ネジ山の角度Ａの増加に伴って色の境界がネジ山の凹凸形状に入り込んでおり、樹脂組成物に含有される強化繊維の流れがネジ山の凹凸形状に沿って配向される傾向が強くなっていることが判る。従って、ネジ山の強度が向上するものと判断できる。なお、図３及び図４に示すシミュレーション結果は、外径Ｄ＝約４．８ｍｍの繊維強化樹脂ネジについての強化繊維の配向解析結果であるが、外径Ｄが、３．５ｍｍ≦外径Ｄ≦１０ｍｍの範囲における繊維強化樹脂ネジについても同様に成立する。

次に、図５乃至図７に示す繊維強化樹脂ネジにおける強化繊維の配向解析結果について説明する。

図５（ａ）は、ＵＮＦ３／１６相当のネジ山の角度Ａ（６０°）、及びピッチＰ（３２山／インチ）を有する雄ネジを射出成形する際における強化繊維の配向解析結果を表した図である。図５（ｂ）は、ＵＮＦ３／１６相当に対してネジ山のピッチＰを１．２倍に変更した雄ネジを射出成形する際における強化繊維の配向解析結果を表した図である。

図６（ａ）は、ＵＮＦ３／１６相当に対してネジ山のピッチＰを１．４倍に変更した雄ネジを射出成形する際における強化繊維の配向解析結果を表した図である。図６（ｂ）は、ＵＮＦ３／１６相当に対してネジ山のピッチＰを１．６倍に変更した雄ネジを射出成形する際における強化繊維の配向解析結果を表した図である。

図７（ａ）は、ＵＮＦ３／１６相当に対してネジ山のピッチＰを１．８倍に変更した雄ネジを射出成形する際における強化繊維の配向解析結果を表した図である。図７（ｂ）は、ＵＮＦ３／１６相当に対してネジ山のピッチＰを２倍に変更した雄ネジを射出成形する際における強化繊維の配向解析結果を表した図である。

図５（ａ）、（ｂ）〜図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ネジ山のピッチＰの増加に伴ってネジ山の裾部が長くなり、樹脂組成物に含有される強化繊維の流れがネジ山の凹凸形状に沿って配向される傾向が強くなっていることが判る。従って、ネジ山の強度が向上するものと判断できる。なお、図５乃至図７に示すシミュレーション結果は、外径Ｄ＝約４．８ｍｍの繊維強化樹脂ネジについての強化繊維の配向解析結果であるが、外径Ｄが、３．５ｍｍ≦外径Ｄ≦１０ｍｍの範囲における繊維強化樹脂ネジについても同様に成立する。

次に、図１及び図２に示した繊維強化樹脂ネジ１０、２０同士を螺合させた状態での引張強度試験結果について図８を用いて説明する。図８は、外径Ｄ＝約４．８ｍｍの繊維強化樹脂ネジ１０について、樹脂及び強化繊維の含有割合を変更した際の、引張強度の変化について表した図である。図８の縦軸は引張強度（ｋＮ）である。

素材の記号Ａは、樹脂に高粘度ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）を用い、強化繊維としてガラス繊維を３０％含有させた樹脂組成物を表す。素材の記号Ｂは、樹脂に低粘度ＰＥＥＫを用い、強化繊維としてガラス繊維を６０％含有させた樹脂組成物を表す。素材の記号Ｃは、樹脂に中粘度ＰＥＥＫを用い、強化繊維としてガラス繊維を３０％含有させた樹脂組成物を表す。素材の記号Ｄは、樹脂に低粘度ＰＥＥＫを用い、強化繊維としてガラス繊維を５０％含有させた樹脂組成物を表す。

記号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの測定結果は、ＵＮＦ３／１６相当のネジ山の角度Ａ（６０°）、及びピッチＰ（３２山／インチ）を有する繊維強化樹脂ネジ１０、２０についての引張強度試験結果である。これらに対し、記号Ａ（１．５Ｐ）、Ｂ（１．５Ｐ）、Ｃ（１．５Ｐ）、及びＤ（１．５Ｐ）は、ＵＮＦ３／１６相当のネジ山の角度Ａ（６０°）、及びピッチＰ（２１山／インチ）を有する繊維強化樹脂ネジ１０、２０についての引張強度試験結果である。

図８に示すように、繊維強化樹脂ネジ１０、２０に含有される強化繊維の平均繊維長さを、ピッチＰの１乃至１／３倍とする共に、ネジ山のピッチＰを長くすることによって、平均の引張強度が向上（約４〜１０％）することが判る。

以上、実施の形態を参照して本発明による繊維強化樹脂ネジを説明したが、本発明による繊維強化樹脂ネジは上記実施形態に限定されない。上記実施形態に様々の変更を行うことが可能である。上記実施形態に記載された事項と上記他の実施形態に記載された事項とを組み合わせることが可能である。

１０...繊維強化樹脂ネジ（雄ネジ）
２０...繊維強化樹脂ネジ（雌ネジ）
Ａ...ネジ山の角度
Ｂ...ネジの底部
Ｄ...外径
ｄ...谷径
Ｈ...ネジの頭部
Ｐ...ピッチ

Claims (4)

1. 繊維強化樹脂ネジの頭部又は底部に配置されたゲートを介して射出成形機から注入された、樹脂に強化繊維を含有させた樹脂組成物を用いて成形された繊維強化樹脂ネジであって、
   前記繊維強化樹脂ネジの外径は、３．５乃至１０ｍｍであり、
   前記繊維強化樹脂ネジにおけるネジ山のピッチは、メートル並目ネジ、ユニファイ並目ネジ又はユニファイ細目ネジの規格に規定される前記ネジ山の外径に対応する規格ピッチに対して１．５乃至２倍の長さであり、
   前記強化繊維の平均繊維長さは、前記繊維強化樹脂ネジにおけるネジ山のピッチの１乃至１／３倍であり、
   前記強化繊維の含有率は、２０乃至８０％である
   繊維強化樹脂ネジ。
2. 前記繊維強化樹脂ネジにおけるネジ山の角度は、６０乃至９０°である
   請求項１に記載の繊維強化樹脂ネジ。
3. 前記樹脂は、芳香族ポリエーテルケトン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリふっ化ビニリデン樹脂、ポリカーボネード樹脂、ポリアセタール樹脂、フェノール樹脂、超高分子量ポリエチレン樹脂、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、又はポリ塩化ビニル樹脂である
   請求項１又は２に記載の繊維強化樹脂ネジ。
4. 前記強化繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、炭化珪素繊維、アラミド繊維、又は超高分子量ポリエチレン繊維である
   請求項１乃至３のいずれかに記載の繊維強化樹脂ネジ。