JP6660378B2 - コーティング及びテクスチャ加工が施されたピン部材を有するファスナー - Google Patents
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Description
＜関連出願の記載＞
本出願は、共同所有されている同時継続中の米国仮特許出願第６２／０５１６０２号（２０１４年９月１７日出願）発明の名称「FASTENERS WITH COATED AND TEXTURED PIN MEMBERS」の利益を主張した出願であって、前記仮特許出願は、引用を以てその全体が本明細書に組み込まれる。
本出願は、共同所有されている同時継続中の米国仮特許出願第６２／０５１６０２号（２０１４年９月１７日出願）発明の名称「FASTENERS WITH COATED AND TEXTURED PIN MEMBERS」の利益を主張した出願であって、前記仮特許出願は、引用を以てその全体が本明細書に組み込まれる。
＜発明の分野＞
本発明は、ファスナーに関するものであり、より具体的には、コーティング及び／又はテクスチャ加工が施されたピン部材を有するファスナーに関する。
本発明は、ファスナーに関するものであり、より具体的には、コーティング及び／又はテクスチャ加工が施されたピン部材を有するファスナーに関する。
連続繊維強化複合物は、軽量、高強度及び耐腐食性が主な関心事である主要航空機部品及び二次航空機部品の両部品における様々な用途に広く使用されている。複合物は、典型的には、微細炭素繊維からなり、特定の方向に配向され、支えとなるポリマーマトリックスに包囲される。積み重ねられた複合材料は、主負荷の方向に応じて様々な角度で配置され、得られる構造は一般的には積み重ねられた積層構造であるため、異方性及び不均一性が大きい。複合構造のかなりの部分は、ニアネットシェイプとして製造されるが、機械的ファスナーを使用して構成要素の接合を容易にするためにドリル孔が開けられる。個々の炭素繊維は不規則な角度で破断し、ファスナーと孔との間に微細な空隙が形成されるから、複合物にファスナー孔をドリル加工することは、アルミニウム又はスチールの均一性とは比較にならない。切削工具が摩耗すると、表面の欠けが増加して、切断されていない繊維又は樹脂の量及び剥離が増加する。このような欠陥を含む複合物微細構造は、「機械加工に起因するミクロテクスチャ(machining-induced micro texture)」と呼ばれる。
航空機の複合構造物は、それらの機械加工の課題に加えて、金属構造物に比べて雷の被害を受けやすい。アルミニウムのような金属材料は非常に導電性であり、落雷による高電流を放散させることができる。炭素繊維は、電流の流れに対してはアルミニウムより１００倍もの抵抗性がある。同様に、炭素繊維と組み合わせてマトリックスとしてしばしば使用されるエポキシは、アルミニウムより１００万倍も抵抗性が高い。航空機の複合物構造は局部的に、異方性の電気導体のように挙動することがしばしばある。それゆえ、炭素繊維とエポキシに固有の高抵抗性、多層構造及び異方性構造のために、複合物構造の落雷保護はより複雑になる。商業用航空機は、平均して、少なくとも１年に１回、落雷に見舞われているという推測もある。雷雨の中や周囲を飛行する航空機は、直接又は近くで落雷を受けることがしばしばあり、航空機にコロナやストリーマの生成を生じることがある。そのような場合、落雷放電は、一般的には航空機で発生し、航空機から外に向けて広がる。放電が起こっている間、落雷地点(point of attachment)は航空機のノーズから様々なパネルに移動して、航空機の外板(スキン)に影響を及ぼす。放電は、通常、尾翼を通って航空機構造から出て行く。
落雷による燃料蒸気発火に対する航空機燃料システムの保護はさらに重要である。商業用航空機には比較的多量の燃料が入れられ、非常に敏感な電子機器も具えているため、運転に際しては、落雷保護に関する特定の要件を充足しているという証明が求められる。ファスナーは、落雷電流が航空機のスキンからスパー又はリブ等の支持構造物へ流れる主要な経路となり易いこと、また、ファスナー本体と構造物の部品との間に電気接触不良があると、ファスナーがアーク放電又はスパーク発生を起こす問題のあることは広く知られた事実である。
ファスナーと複合構造物との界面での発火の可能性を回避するために、航空機の中には、ファスナー穴と緊密に接触するファスナーを使用するものがある。金属がむき出しのファスナーと複合構造物の穴との間で密接に接触することが、電流を放散させるための最良の条件であることは知られている。ファスナーと複合物の穴とを密着させるための１つの方法は、スリーブ型ファスナーを使用することである。この方法では、最初に穴の中に密着スリーブを挿入する必要がある。次に、締まり嵌め(interference fit)ピンがスリーブに入れられる。これは、スリーブを膨張させることにより、複合構造物の穴の壁との接触状態が得られる。スリーブは、ファスナーと複合構造物との間の隙間を実質的に減少させることはできるが、複合物の内穴表面全体にドリル加工によるテクスチャが存在することによって生じる小さな隙間は無くすことはできない。この機械加工に起因するテクスチャはまた、過剰のシーラントや絶縁材料を取り込むため、スリーブと穴との密接な接触を妨げる。この状態は、切削工具が摩耗するにつれて更に悪化し、機械加工に起因する欠陥はさらに大きくなる。
この状態を避けるには、電流は、ファスナー穴に直交する炭素繊維を介して逸散しなければならない。もし、ファスナーが穴の内側に密接に接触していないと、瞬時に熱エネルギーはギャップ内の空気／金属蒸気をイオン化してアークプラズマを生成し、このアークプラズマは、スパークの形態で噴出する。金属ファスナーに固有の高導電性と、航空機構造に用いられるファスナーの数の多さとが組み合わされると、ファスナーに落雷する雷アタッチメント(lightning attachment)の確率の高い状態が作り出される。
＜発明の開示＞
一実施形態において、ピン部材は、第１端部、前記第１端部に対向する第２端部及び外面を有する円筒形シャンク部を有する細長いシャンクと、前記細長いシャンクの第１端部に位置し、下面に座面(bearing surface)を有するヘッドと、前記細長いシャンクの第２端部に形成されたネジ部とを具え、ヘッドの座面がコーティングで被覆されている。一実施形態において、コーティングは、タングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ及び耐火セラミックからなる群から選択される。別の実施形態において、コーティングは、銅及び銀からなる群から選択される。一実施形態において、ヘッドの座面はテクスチャ加工されている(textured)。一実施形態において、ヘッドのテクスチャ加工された座面の表面粗さは、０．５ミクロンより大きい。一実施形態において、円筒形シャンク部の外面はコーティングされている。一実施形態において、円筒形シャンク部の外面はテクスチャ加工されている。一実施形態において、円筒形シャンク部のテクスチャ加工された外面の表面粗さは、０．５ミクロンより大きい。
一実施形態において、ピン部材は、第１端部、前記第１端部に対向する第２端部及び外面を有する円筒形シャンク部を有する細長いシャンクと、前記細長いシャンクの第１端部に位置し、下面に座面(bearing surface)を有するヘッドと、前記細長いシャンクの第２端部に形成されたネジ部とを具え、ヘッドの座面がコーティングで被覆されている。一実施形態において、コーティングは、タングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ及び耐火セラミックからなる群から選択される。別の実施形態において、コーティングは、銅及び銀からなる群から選択される。一実施形態において、ヘッドの座面はテクスチャ加工されている(textured)。一実施形態において、ヘッドのテクスチャ加工された座面の表面粗さは、０．５ミクロンより大きい。一実施形態において、円筒形シャンク部の外面はコーティングされている。一実施形態において、円筒形シャンク部の外面はテクスチャ加工されている。一実施形態において、円筒形シャンク部のテクスチャ加工された外面の表面粗さは、０．５ミクロンより大きい。
他の実施形態において、ピン部材は、第１端部、前記第１端部に対向する第２端部及び外面を有する円筒形シャンク部を有する細長いシャンクと、前記細長いシャンクの第１端部に位置し、下面に座面を有するヘッドと、前記細長いシャンクの第２端部に位置するネジ部とを具え、ヘッドの座面がテクスチャ加工されている。一実施形態において、ヘッドのテクスチャ加工された座面は、０．５ミクロンより大きな表面粗さを含む。一実施形態において、円筒形シャンク部はコーティングで被覆される。一実施形態において、コーティングは、タングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ及び耐火セラミックからなる群から選択される。別の実施形態において、コーティングは、銅及び銀からなる群から選択される。一実施形態において、円筒形シャンク部はテクスチャ加工されている。一実施形態において、円筒形シャンク部のテクスチャ加工された外面は、０．５ミクロンより大きな表面粗さを含む。
一実施形態において、ピン部材は、第１端部、前記第１端部に対向する第２端部及び外面を有する円筒形シャンク部を有する細長いシャンクと、前記細長いシャンクの第１端部に位置し、下面に座面を有するヘッドと、前記細長いシャンクの第２端部に位置するネジ部とを具え、円筒形シャンク部の外面がコーティングで被覆されている。一実施形態において、コーティングは、タングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ及び耐火セラミックからなる群から選択される。別の実施形態において、コーティングは、銅及び銀からなる群から選択される。一実施形態において、円筒形シャンク部の外面はテクスチャ加工されている。一実施形態において、円筒形シャンク部のテクスチャ加工された外面は、０．５ミクロンより大きな表面粗さを含む。
他の実施形態において、ピン部材は、第１端部、前記第１端部に対向する第２端部及び外面を有する円筒形シャンク部を有する細長いシャンクと、前記細長いシャンクの第１端部に位置し、下面に座面を有するヘッドと、前記細長いシャンクの第２端部に位置するネジ部とを具え、円筒形シャンク部の外面がテクスチャ加工されている。一実施形態において、円筒形シャンク部のテクスチャ加工された外面は、０．５ミクロンより大きな表面粗さを含む。
一実施形態において、ファスナーは、表面が落雷から保護されるよう構成されたピン部材を含む。一実施形態において、ファスナーは、ロッキング部材を含む。一実施形態において、ロッキング部材はナットである。他の実施形態において、ロッキング部材はカラーである。一実施形態において、ピン部材はボルトである。
図１に示す一実施形態において、ピン部材１２は、円筒形シャンク部１６を有する細長いシャンク１４と、円筒形シャンク部１６の一方の端部にヘッド１８と、円筒形シャンク部１６の反対側の端部にネジ部２０とを含む。一実施形態において、ヘッド１８は皿形ヘッドである。一実施形態において、下面（例えば、座面）２１を含むヘッド１８の外面と円筒形シャンク部１６は、コーティング２２で被覆される。一実施形態において、コーティング２２はタングステンである。別の実施形態において、コーティング２２はモリブデンである。別の実施形態では、コーティング２２は、タンタル又はニオブのような耐熱金属である。別の実施形態において、コーティング２２は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）又は他の金属酸化物のような耐火セラミックである。別の実施形態では、ヘッド１８の外面のみがコーティング２２で被覆される。別の実施形態では、円筒形シャンク部１６の外面のみがコーティング２２で被覆される。一実施形態において、コーティング２２は、電気接触抵抗を低下させ、アークの発生／損傷の確率を低減する。一実施形態において、コーティング２２は、高い導電率（２０％ＩＡＣＳより高い）を含み、耐食性構造（例えば、アノード指数が１．０Ｖ未満）に直流電流適合性(galvanically compatible)である。一実施形態において、前記構造は複合構造を含む。別の実施形態において、前記構造は金属構造を含む。別の実施形態において、前記構造は繊維金属積層構造を含む。
一実施形態において、コーティング２２は、約１ナノメートル〜約２００ミクロンの厚さを有する薄膜コーティングである。一実施形態において、コーティング２２は、物理蒸着によって施される。別の実施形態において、コーティング２２は、化学蒸着によって施される。別の実施形態では、コーティング２２は、選択的添加プロセスによって施される。別の実施形態において、コーティング２２は、電気めっきによって施される。別の実施形態において、コーティング２２は、スプレー法によって施される。別の実施形態では、コーティング２２は、コールドスプレー法によって施される。別の実施形態において、コーティング２２は、溶射によって施される。別の実施形態において、コーティング２２は、プラズマコーティングによって施される。別の実施形態において、コーティング２２は、スパッタ堆積プロセスによって施される。
別の実施形態において、ヘッド１８と円筒形シャンク部１６の外面はテクスチャ加工されている。一実施形態において、ピン部材１２のヘッド１８及び円筒形シャンク部１６の外面のテクスチャリングは、複合構造に開設されたファスナー穴に形成される機械加工固有のミクロテクスチャに整合し、かつ、ピン部材１２と複合構造との間に機械的インターロックが形成されるように加工される。一実施形態では、ファスナーの取付け中、ファスナーが構造体と密接に接触して、テクスチャ加工されたピン部材１２が、過剰に取り込まれたシーラントを掘り出すので、界面における電気接触抵抗を低下させる。本明細書で使用される「密接な接触(intimate contact)」という語は、ピン部材１２のテクスチャ加工された外面が変形して、ピン部材と複合構造体との間の全ての空隙又は実質的に全ての空隙に進入することを意味する。別の実施形態において、ヘッド１８の外面のみがテクスチャ加工される。また別の実施形態では、円筒形シャンク部１６の外面のみがテクスチャ加工される。
一実施形態において、ピン部材１２のテクスチャ加工面は、メディアブラスティング(media blasting)等の表面再整形プロセスによって生成される。一実施形態において、ピン部材１２のテクスチャ加工面は、グリットブラスティングが施される。一実施形態では、グリットブラスティングは、微細なグリットガラスビーズメディア（１００〜１７０メッシュ）を使用する。一実施形態では、グリットブラスティングは、ピン部材１２の外面の全体にテクスチャが形成されるまで行われる。一実施形態では、グリットブラスティングは少なくとも１分間行われる。別の実施形態では、グリットブラスティングは約１分間行われる。一実施形態では、グリットブラスティングは２回行われる。別の実施形態では、ピン部材１２のテクスチャ加工面は、選択的電気エッチング、レーザエッチング、研磨材ブラスティング及び機械ポリッシング等の除去プロセスによって生成される。別の実施形態では、ピン部材１２のテクスチャ加工面は、化学エッチングによって生成される。一実施形態において、化学エッチングは５０／５０塩酸（ＨＣｌ）を利用する。一実施形態では、化学エッチングは約３０分間行われる。一実施形態において、ピン部材１２を蒸留水で約１５〜２０秒間リンスし、室温の強制空気で約１〜２分間乾燥させる。
別の実施形態において、ピン部材１２のヘッド１８及び円筒形シャンク部１６の表面は、上述のコーティング工程によって被覆され、テクスチャリング工程によってテクスチャが形成される。一実施形態では、コーティング工程とテクスチャ工程を組み合わせて使用することにより、ピン部材１２の特定の負荷パターンに基づいてピン部材１２の機能特性を発展させることができる。例えば、一実施形態において、前負荷(preload)が高い場合、テクスチャリング／コーティングは接触抵抗を低下させるために実行される。前負荷が加えられず、複合層と密接に接触しない位置では、プラズマ生成及びアーク形成／損傷の緩和が望ましい。
一実施形態において、ピン部材１２は、複数のワークピースを互いに固定するように構成されたファスナーの一部であり、そのようなワークピースの整列した穴の中に配置されることができるようになっている。一実施形態において、ワークピースは複合材料で作られる。別の実施形態では、ワークピースは金属から作られる。別の実施形態では、ワークピースは繊維金属ラミネートから作られる。一実施形態において、ファスナーは、ロッキング部材（図示せず）を含む。一実施形態では、ロッキング部材はナットである。別の実施形態において、ロッキング部材はカラーである。一実施形態において、ファスナー１０は、ピン部材１２とワッシャー２４とを含み、前記ワッシャーは、図２及び図３に示されるように、ピン部材１２のヘッド１８の座面２１に取り付けられる。これについては後でさらに詳細に説明する。
航空機に落雷するとき、雷光は、一般的には、最初にピン部材１２のヘッド１８に到達する。一実施形態において、コーティングで被覆されるか、及び／又はテクスチャ加工されたピン部材１２は、接触抵抗が向上する。この点に関して、全ての固体表面は微小規模では粗く、２つの工学体間の接触は、２つの表面上の凹凸(asperities)の機械的接触によって生ずる離散スポット(discrete spots)で起こる。全ての固体材料について、真の接触面積は見かけの接触面積のほんの一部である。電流線は、接触スポットが近づくにつれて歪みが大きくなり、流れ線が一緒に束ねられて「ａスポット(a-spots)」を通過する。電気接合部は複数の接触「ａ−スポット」からなり、電流は前記ａスポットを通って一方のコネクタ構成要素から他方の構成要素へ通過し、界面の電気接触抵抗によって特徴付けられることがよくある。
ファスナーが隙間嵌め(clearance fit)によって複合構造体に取り付けられるとき、取り付けられたピン部材１２の主たる荷重支え面はヘッド１８の座面２１である。これは電気接点であり、該接点を通じて、高周波、高電圧電流を通過させることが望ましく、落雷防御の重要な最前線(first line)である。電流が容易に流れる経路を有する場合、アーク放電及びそれに伴う損傷は生じない。複合物界面に対するピン又はボルトが非効率的な電気接触であることは、異種材料、表面の航空機シーラント及び／又は硬質酸化物層のような電気絶縁膜の存在及び複合材料の不規則な切断パターンに起因する。電流がピン／ボルトから複合物界面へ容易に流れるようにするには、界面接触抵抗が低いことが望ましい。
接触抵抗は、接触している両表面に加えられた負荷と、接触している材料表面の電気的及び機械的特性に大きく依存する。界面で高い導電率を有する軟質材料は、高い負荷の場合と同様、接触抵抗を低下させる。ピン部材ジョイント内の荷重は、前負荷によって付与され、主に幾何形状/デザインに依存する。 上述したように、ヘッド１８の座面２１における材料コーティング２２又はテクスチャリングは、接触界面での材料の抵抗性を低下させるためと、構造との接触を良好にする軟質適合層(soft conforming layer)を提供するために用いられる。高い導電率を有する軟質材料として、例えば、銅、銀又は他の金属／材料を、接触抵抗を低下させるために使用することができる（例えば、図２及び図３に示される銅ワッシャー２４を参照）。
ピン部材１２の表面は、上述したように、周囲の複合層とより良好な親密性が得られるようにテクスチャ加工されることもできる。テクスチャ加工されたピン部材１２が配置されると、テクスチャ加工されたピン部材は変形して、複合層のドリル加工中に形成された小さな空隙の中へ進入する。ファスナーの取付け中、テクスチャ加工された表面が空隙の中へ変形すると、トラップされたシーラントが移動する。ピン部材１２を挿入すると、過剰のシーラントがピン部材１２と複合物との界面の外側に押し出される。このように、テクスチャ加工されたピン部材１２は、ファスナーを取り付けるときに、複合構造と密接に接触するので、過剰にトラップされたシーラントが掘り出される。ピン部材１２の表面の仕上げテクスチャは、適合の度合いと機械的インターロックのレベルを向上させるために、表面の微小粗さ（Ｓａ）値が調整される。一実施形態において、表面粗さ（Ｓａ）は０．５ミクロンより大きい。
上述したように、図１は、タングステンがコーティングされたピン部材１２の一実施形態を示す。一実施形態では、ピン部材１２にタングステンを堆積させるのに、プラズマコーティングが使用され、７ミクロン以上の表面粗さ（Ｓａ）を達成する。図２はワッシャー２４を示し、図３はワッシャー２４が取り付けられたピン部材１２を示しており、ワッシャー２４により、ヘッド１８の座面２１に接触する複合層との密着性が向上する。一実施形態では、ワッシャー２４は円錐台形状であり、ヘッド１８の座面２１に適合するサイズ及び形状である。別の実施形態において、これは、ヘッド１８の座面２１を銅でコーティングすることによっても達成することができる。別の実施形態では、ワッシャー２４は、キャプティブ(captive)ワッシャーである。別の実施形態では、ワッシャー２４はコーティングで被覆される。一実施形態において、ワッシャー２４のコーティングは、コーティング２２を含む。
図４はコーティングされたピン部材１２のテクスチャ変化を示す写真であり、図５は、コーティングされたピン部材１２の表面トポグラフィを示す。一実施形態において、ピン部材１２のコーティングされた表面は、平均表面粗さ（Ｓａ）が７．５ミクロンである。図６及び図７は、テクスチャ加工されたピン部材１２の写真であり、図６は４０倍、図７は１９０倍の倍率である。図６及び図７に示されるように、テクスチャ加工されたピン部材１２は、実質的に粗い仕上げ面を有する。一実施形態において、テクスチャ加工されたピン部材１２は、ピン部材１２の表面における電気的接触が向上し、シーラントによって引き起こされる誘電効果が最小に抑えられ、電流の伝達が促進されて、ピン部材１２と複合物との界面における電位を低下させるので、アーク放電のような破壊効果をもたらすことなく電流の伝達が可能となる。
一実施形態において、隙間嵌めの孔の中では、ピン部材１２のシャンク１４と複合層との間に前負荷が無いので、電気的接触は比較的悪い。それゆえ、ピン部材１２と複合層との間に大きな電流を確実に流すことは困難である。十分な電流がヘッド１８の座面２１によって伝導されない場合、シャンク１４とそれに隣接する複合層との隙間にアークが発生する可能性がある。このような条件下でのアーク形成は、典型的には金属蒸気そのものの中で開始する。高い導電率を有する高温溶融材料が存在すると、アーク放電を開始するのに十分な金属蒸気が存在しないことになる。アーク放電が開始されても、プラズマの量は少ない。導電率が高いと、接触が得られる場合において、電流はシャンク１４と複合層との間をより容易に通過することができる。上述したように、幾つかの実施形態において、タングステン、モリブデン、又は耐熱金属／セラミックのような材料は、ピン部材１２のシャンク１４上のコーティング２２として使用されることができ、アーク放電の損傷を確実に低減することができる。落雷は高周波電流を発生するので、電流は、一般的には、「スキン効果」により、ファスナー表面の近傍を流れる。この点において、ピン部材１２上にコーティングがあることにより、電流の大部分が高融点及び高導電率の材料を流れるので、ファスナーの溶融又はプラズマ生成の可能性を低下させるのに役立つ。
このように、コーティング／テクスチャ加工されたピン部材１２は、
・複合物とファスナー表面との電気的接触を向上させ、
・落雷中におけるファスナーのアーク放電を最小に抑え、
・隙間充填能力及び機械的インターロッキング能力をもたらし、
・アーク放電中におけるファスナーシャンク周囲でのプラズマ形成の可能性を低減し、
・ファスナー内でアーク放電が起こった場合でも、プラズマ発生量を低減して、プラズマが収容され易くする。
・複合物とファスナー表面との電気的接触を向上させ、
・落雷中におけるファスナーのアーク放電を最小に抑え、
・隙間充填能力及び機械的インターロッキング能力をもたらし、
・アーク放電中におけるファスナーシャンク周囲でのプラズマ形成の可能性を低減し、
・ファスナー内でアーク放電が起こった場合でも、プラズマ発生量を低減して、プラズマが収容され易くする。
この明細書に記載した実施形態は、単なる例示であって、当業者であれば、発明の精神及び範囲から逸脱することなく多くの変更及び変形を成し得ることは理解されるべきである。そのような変更及び変形は、発明の範囲に含まれることが意図される。
Claims (7)
- 第１端部、前記第１端部に対向する第２端部、及び外面を有する円筒形シャンク部を有する細長いシャンクと、
前記細長いシャンクの第１端部に位置し、下面に座面を有するヘッドと、
前記細長いシャンクの第２端部に位置するネジ部と、を具え、
前記ヘッドの座面がコーティングで被覆され、
前記円筒形シャンク部の外面がテクスチャ加工されている、ピン部材。 - 円筒形シャンク部の外面はコーティングで被覆されている、請求項１に記載のピン部材。
- 円筒形シャンク部の外面のコーティングは、タングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ及び耐火セラミックからなる群から選択される、請求項２に記載のピン部材。
- 円筒形シャンク部の外面のコーティングは、銅及び銀からなる群から選択される、請求項２に記載のピン部材。
- ヘッドの座面のコーティングは、タングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ及び耐火セラミックからなる群から選択される、請求項１乃至４の何れかに記載のピン部材。
- ヘッドの座面のコーティングは、銅及び銀からなる群から選択される、請求項１乃至４の何れかに記載のピン部材。
- 円筒形シャンク部のテクスチャ加工された外面が０．５ミクロンより大きい表面粗さ（Ｓａ）を含む、請求項１乃至６の何れかに記載のピン部材。
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