JP6791943B2 - 軟質材料のための締結具及び締結具システム - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１５年７月２１日に提出された米国仮特許出願第６２／１９４９９４号の利益を主張する。

本発明は、包括的には、ねじ締結具に関し、より詳細には、軟質材料を長期にわたって締結するために有用なねじ締結具に関する。

多くのタイプのねじ締結具が知られている。単純なナットとボルトとの締結システムでは、長期にわたって所望の締め付け荷重を維持することが困難である場合がある。時間とともに、ナット及びボルトの係合されたねじ部に伸長、変形又は他の変化が生じることにより、締結接続部が緩む可能性がある。ねじ締結具が、プラスチック等の比較的軟質の材料を接続するために使用される場合、更なる困難が生じる。多くのプラスチックは、適所に維持するのに高い締め付け荷重を必要としない。しかしながら、金属製のねじ締結具は、例えば、ねじ部に伸びが生じるように、係合する雄ねじ部品と雌ねじ部品との間に十分な締め付け荷重を必要とする。多くの場合、締結具に必要とされる締め付け荷重は、プラスチック部品を組み付けるのに必要な締め付け荷重よりも大きい。

ともに締結される対象物に必要とされる締め付け荷重よりも大きい締め付け荷重が、雄ねじ部品及び雌ねじ部品に必要とされる締結場面において、段付きボルト、ブッシュ及び他のタイプのスリーブが使用されてきた。しかしながら、段付き部、スリーブ又はブッシュは、十分だが過大でない締め付け荷重が締結対象物に印加され、締結具のねじ部品自体にはより大きい締め付け荷重がもたらされるように、正確な寸法で提供されなければならない。段付き部、ブッシュ又はスリーブの寸法が正確でない場合、又は、締結対象物の締結領域における厚みにばらつきがある場合、締結具は、所望のとおりに機能しない場合がある。所望のとおりに機能するように締結具を提供することにおける困難に加えて、これらのタイプの締結具は、製造するのに費用がかかる。

プラスチック及び他の軟質材料を締結する場合に生じる更なる困難は、プラスチックが、硬化後であっても流動し続けることである。「クリープ」として知られているこの現象は、時間とともに、プラスチック部材における著しい寸法変化を引き起こす可能性がある。これは、プラスチック製の１つ以上の対象物を別の対象物に接続する場合の単純なねじ締結具の使用を更に困難にする。クリープにより、ねじ部が緩むか又はねじ部の伸びが減少するのに十分なほど締め付け荷重が減少した場合、締結具は緩んで回転する可能性があり、それにより、完全な脱落が起こり得る。

したがって、時間とともにプラスチックに生じることが知られているクリープ等の状況下で緩みに抵抗し、締結対象物の変動する状況下であっても有効に機能する、軟質材料の締め付けに有用である単純なねじ締結具を得ることが望ましい。

本ねじ締結具は、変動する状況下であっても適切な締め付け荷重が与えられ、締結対象物の状態が時間とともに変化しても、部品が緩みに抵抗するように、締結具構造内に個別の係止特徴部を設けている。

１つの形態の１つの態様において、ねじ締結具システムは、締結対象物と、ボルトと、ワッシャとを備える。ワッシャは、ワッシャの外方に延びるアームによって対象物に固定され、対象物の構造と協働して、対象物に対する回転及び脱落の双方に抵抗する。ワッシャの係止特徴部はボルトに係合し、ボルトとワッシャとの相対回転に抵抗する。

一形態の別の態様において、細長い穴を画定する表面を有する締結対象物であって、表面は、穴における溝を更に画定する、対象物と、溝に受けられる外方に延びるアームを有するワッシャと、ワッシャに画定される係止特徴部と、ワッシャに受けられるボルトであって、係止特徴部に係合されてワッシャとボルトとの相対回転に抵抗する突出部を有する、ボルトとを備える、ねじ締結システムが提供される。

本明細書に開示される締結具システムにおける締結具の少なくとも１つの形態の利点は、締結具は軟質材料製の対象物を固定している間も安定であり、締結組立体が緩んでも、締結具は接続されたままとなることである。

本明細書に開示される締結具及び締結具システムの少なくとも１つの形態の別の利点は、材料の収縮又は変化に起因して、締結組立体が緩んだ場合でも、締結具のボルトは回転しないように抑制されることである。

本発明の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明、特許請求の範囲、及び図面を検討することによって当業者に明らかになる。図面では、同様の参照符号は同様の特徴を指すために使用される。

本明細書に開示されるねじ締結具を使用する締結手順における４つのステップ又は段階を示す一連の断面図の一つある。 本明細書に開示されるねじ締結具を使用する締結手順における４つのステップ又は段階を示す一連の断面図の一つある。 本明細書に開示されるねじ締結具を使用する締結手順における４つのステップ又は段階を示す一連の断面図の一つある。 本明細書に開示されるねじ締結具を使用する締結手順における４つのステップ又は段階を示す一連の断面図の一つある。 締結プロセスの中間段階における締結具、より詳細には図１ｃに示す締結部品の状態の部分断面拡大図である。 図１ｄに示す設置の完了時における締結具の部分断面拡大図である。 本明細書に開示されるねじ締結具の雄部品の斜視図である。 本明細書に開示されるねじ締結具のワッシャ部品の斜視図である。 図５に示す角度とは異なる角度からワッシャ部品を示す、ワッシャ部品の別の斜視図である。 ねじ締結具によって締結される対象物にある穴を示す平面図である。 図７の線Ａ−Ａに沿った、図７に示す対象物の断面図である。 図８の断面図と同様であるが、対象物にある穴の特徴をより良く示すように、上記対象物を或る透視角度から示す別の断面図である。 図８において文字「Ｂ」で示す丸囲み領域の部分拡大図である。 本明細書に開示されるねじ締結具のワッシャの別の実施形態の斜視図である。 図１１に示すワッシャの立面図である。 図１１及び図１２に示すワッシャの断面図である。 図１１〜図１３に示すワッシャの上面図である。

本発明の実施形態が詳細に説明される前に、本発明が、その適用において、以下の説明で述べられるか又は図面で示される構成の詳細及び構成要素の配置に限定されないことが理解される。本発明は、他の実施形態が可能であり、また、種々の方法で実施又は実行されることが可能である。同様に、本明細書で使用される言い回し及び用語は、説明のためのものであり、制限的であるとみなされるべきでないことが理解される。本明細書における「含む」、「備える」及びその変形の使用は、その前に挙げられる事項及びその等価物並びに更なる事項及びその等価物を包含することを意図される。

ここで、より詳細に図面を参照し、特に図１ａ〜図１ｄを参照すると、ねじ締結具１０は、雄ねじ部品又はボルト１２と、ワッシャ１４と、締結対象物１６とを備える。下記でより十分に説明するように、締結具１０は、ワッシャ１４が、締結具によって与えられる締め付け荷重とは無関係に対象物１６に係止されるとともに、雄ねじ部品１２がワッシャ１４に係止されるような機構を備える。したがって、雄ねじ締結具１２は、一度締結されると、締結組立体が時間とともに変化する場合でも、このねじ式組立体からの不慮の脱落に抵抗する。

ここで図４を参照すると、ボルト１２は、頭部２０と、フランジ２２と、ねじ付きシャンク２４とを有する。頭部２０は、工具又は器具によって回転させるために工具又は器具を係合させるのに適した形状又は構成で設けることができる。したがって、頭部２０は、締結組立体を完成させる際に機械によって又は手動で回転させるために、レンチ、ソケット、ねじ回し又は他の好適な器具若しくは工具を受けるように構成することができる。フランジ２２は、頭部２０を越えて外方に突出し、頭部２０に対して下側では、実質的に平滑であるが、概ね軸方向に延びる、すなわちフランジ２２の下面から離れる方へ軸方向に延びる１つ又は複数のノブ又は突出部２６を有する。図示の例示的な実施形態では、フランジ２２は、４つの突出部２６を有するが、より多数又はより少数の突出部を用いてもよいことが理解されるべきである。ねじ付きシャンク２４は、その表面にねじ山２８を画定し、ねじ山２８は、任意の好適な単純又は複雑なねじ形状を有することができる。ねじ山２８は、実質的にシャンク２６の長さにわたって延びてもよいし、ねじ締結具１０の用途及び使用による要求に応じて、シャンク２６の或る好適な部分にわたって延びてもよい。

ここで図５及び図６を参照すると、ワッシャ１４は、それぞれ上面斜視図及び底面斜視図で示されている。ワッシャ１４は、スプリングワッシャ又は圧縮ワッシャであり、緩やかなドーム形状の本体３０を有する。すなわち、図面に示すように、ワッシャ１４が実質的に垂直に向けられたボルト上に配置された場合において見たとき、ワッシャ１４の外側リム３２は、本体３０に対して第１の相対高度又は相対高さにあり、内側リム３４は、本体３に対して異なる相対高度又は相対高さにある。したがって、ワッシャ１４のこの向き（本明細書では説明の目的でワッシャ１４の垂直向きと呼ぶ）において、本体３０は、図面に示すように、外側リム３２と内側リム３４との間で傾斜して配置され、外側リム３２から内側リム３４まで上方に延びる。しかしながら、締結具１０と、したがって（正：therefore）ワッシャ１４とは、任意の向きにおいて使用することができ、必ずしも垂直に向けられなくてよいことが理解されるべきである。

外側リム３２は、離間したタブ３８及び４０を含む係止特徴部３６を画定する。タブ３８、４０のそれぞれは、外側リム３２の外縁から実質的に径方向に向けた短い切込みと、この短い切込みから延びる実質的に周方向の切込みとによって形成される。タブ３８及び４０は、実質的に垂直の向きにおけるワッシャ１４の観点から見ると、外側リム３２の平面から上方に屈曲している。タブ３８及び４０は、リムセグメント３２ａによって分離されている。

ワッシャ１４は、中央開口４２を更に画定するとともに、内方に延びるアーム４４の形式の複数の内方に延びる突出部４４を画定する。ワッシャ１４は、外方に延びるアーム４６を更に画定する。図示の例示的な実施形態では、ワッシャ１４は、３つの内方に延びるアーム４４を画定し、３つの外方に延びるアーム４６を画定する。しかしながら、より多数又はより少数のアームを用いてもよい。アーム４４、４６のそれぞれは、後述される目的のために自然の弾力性又は可撓性（deflectability）を得るように、いくらか薄く、幅が狭く、細長い。

内方に延びるアーム４４は、ボルト１２上に、より詳細にはボルト１２のシャンク２４上に受けられるように構成される。例示的な実施形態では、ねじ山２８がフランジ２２まで延びており、内方に延びるアーム４４は、ねじ山２８の外縁部上に受けられる。内方に延びるアーム４４間に画定される開口は、ワッシャ１４がシャンク２４上に受けられる地点における外径よりもいくらか小さく、したがって、シャンク２４上に設置される際に内方に延びるアーム４４が撓むことにより、内方に延びるアーム４４の自然の弾力性によってワッシャ１４をシャンク２４上に保持する。ワッシャ１４の中心は、シャンク２４に置かれることが好ましく、３つの内方に延びるアーム４４の使用は、所望のセンタリングを容易にする。しかしながら、より多数又はより少数の内方に延びるアームを用いてもよいことが理解されるべきである。例示的な実施形態において、内方に延びるアーム４４は、いくらかフック状であり、弧を描く最も内側の湾曲部分が、ねじ山２８の縁部に係合する。しかしながら、内方に延びるアーム４４に関して他の形状及び構成を用いてもよいことが理解されるべきである。

外方に延びるアーム４６も、いくらかフック状であり、外方に突出する遠位部分又は先端部４８を有する。図示の例示的な実施形態では、３つの外方に延びるアーム４６が用いられている。しかしながら、下記の締結対象物１６の更なる説明に関して、より多数又はより少数の外方に延びるアーム４６を用いてもよいことが理解されるべきである。外方に延びるアーム４６は、完全に設置されると対象物１６に対する回転に抵抗するように、後述される方式で対象物１６に係合する。

ここで図７、図８及び図９を参照すると、完全に締結された組立体において締結されるとともにフランジ２２の真下に配置されることになる対象物には、その表面として形成される形状及び寸法の穴５０が設けられる。穴５０を画定する表面には、軸方向に延びる溝５２が設けられる。溝５２は、外方に延びるアーム４６の先端部４８を受けるように等しい数及び間隔で設けられる。外方に延びるアーム４６は、軸方向に延びる溝５２間のランド又は領域によって規定される穴５０の内径よりも僅かに大きい外半径を規定する。したがって、ワッシャ１４が対象物１６に取り付けられ、外方に延びるアーム４６が穴５０の中に配置された場合、外方に延びるアーム４６は、先端部４８が溝５２間の表面に当接する場合は内方に撓み、先端部４８が溝５２と位置合わせされている場合は外方に跳ねる。

また更なる特徴として、対象物１６の穴５０の上縁部には、テーパー状の内方に突出する肩部５４が設けられる。図示の例示的な実施形態では、肩部５４は、穴５０の開口全体の周囲で周方向に延びる。しかしながら、肩部は、他の構成をとることもでき、本明細書に開示されるねじ締結具のいくつかの用途及び使用では、溝５２の端部のみに設けてもよい。図１０には、肩部５４の拡大図が示されている。

本明細書に記載のねじ締結具の多くの用途及び使用において、対象物１６は、注型又は成形によって製造されたプラスチック部品又は他の部品であり、したがって、溝５２及び肩部５４を含む穴５０の形状は、費用のかかる機械加工又は二次加工を伴わずに提供することができることが理解されるべきである。

ここで、再度図１ａ〜図１ｄを参照しながら、締結具１０の使用方法を４つのステップに関して記載する。締結具１０の使用プロセスは、必ずしも別個のステップによって規定されないことが理解されるべきである。しかしながら、図１ａ〜図１ｄに示す種々の段階又はステップにおける締結具部品の状態に関して、このプロセスの種々の態様が記載され得る。さらに、後述するように、いくつかの用途及び使用において、プロセスの順序は変更され得る。

まず図１ａを参照すると、ワッシャ１４は、ボルト１２に事前に組み付けられている。前述したように、内方に延びるアーム４４は、ねじ山２８に係合し、ワッシャ１４は、実質的にフランジ２２の下側に位置するとともに、フランジ２２の下側に当接する。内方に延びるアーム４４の撓みによってもたらされる自然の抵抗力により、ワッシャ１４は、ワッシャ１４がねじ付きシャンク２４上に配置される位置に保持される。組み付けられたボルト１２とワッシャ１４とは、ねじ付きシャンク２４を穴５０に挿通することができるように、対象物１６にある穴５０と位置合わせされる。

ここで図１ｂ及び図１ｃを参照すると、ボルト１２とワッシャ１４との組立体は、外方に延びるアーム４６が肩部５４に係合するように押し込まれる。ボルト１２又はワッシャ１４に連続的な軸方向の力を加えることにより、外方に延びるアーム４６が内方に撓み、先端部４８が肩部５４を滑って越える。肩部５４の角度、寸法及び形状と、先端部４８の寸法、形状及び構成は、ワッシャ１４に対して最小限の軸方向の力を加えることで、外方に延びるアーム４６の滑らかな撓みを促すように規定することができる。先端部４８が溝５２と位置合わせされている場合、先端部が肩部５４を越えると、先端部は、外方に跳ねて溝に収まる。そうではなく、先端部４８が溝５２間のランドと位置合わせされている場合、ボルト１２とワッシャ１４との組立体は、先端部４８が溝５２と位置合わせされて溝５２に嵌まるまで回転させることができる。

図１ａに示すように、ワッシャ１４は、ボルト１２に事前に組み付けておくことができることが理解されるべきである。しかしながら、ワッシャ１４は、ボルト１２を用いて又は用いずに、対象物１６に事前に組み付けることもできることが更に理解されるべきである。先端部４８が溝５２内に受容されると、肩部５４がワッシャの穴５０からの脱落を抑止するとともに溝５２がワッシャ１４の対象物１６に対する回転を抑止するので、ワッシャ１４は対象物１６に保持される。先端部４８が肩部５４の下で溝５２内に捕捉される様子は、図２の拡大図においてより容易に見て取れる。ワッシャ１４は、ボルト１２又は対象物１６のいずれかに事前に組み付けて準備することができ、ボルト１２、ワッシャ１４及び対象物１６の事前組立体の全体は、組立体に後で取り付けられるように準備することができる。

ここで図１ｄを参照すると、ねじ付きシャンク２４のねじ山２８に螺合する物品６０に締結された対象物１６が示されている。物品６０は、別の組立体又は部品とすることもできるし、ナット又は他の雌ねじ物品とすることもできることが理解されるべきである。さらに、物品６０は、ねじが付いていなくてもよく、このとき、ねじ山２８は、物品６０との固有の係合を確立するタッピンねじである。最終組立体内において、ワッシャ１４と、ねじ付きシャンク２４の締結末端部、ナット６０とすることができる物品６０との間に、１つ以上の他の対象物、物品又は構造物を配置することができることが更に理解されるべきである。

ボルト１２が物品６０に締め付けられると、ワッシャ１４が圧縮されて、対象物１６の上面とフランジ２２の下面との間にばね付勢をもたらす。最終的な締め付けが行われる際、フランジ２２の下側にあるノブ又は突出部２６のうちの１つが、係止タブ３８、４０（ねじの「方向（hand）」に応じる）を乗り越え、まずフランジを下方に撓ませた後、撓んだタブが外方に跳ね戻ることで外側リムセグメント３２ａに当接して収まる。結果として、ノブ又は突出部２６のうちの１つが、係止特徴部３６の係止タブ３８、４０間で外側リムセグメント３２ａに当接して捕捉される。複数の突出部２６が設けられており、係止タブ３８、４０を撓ませるように十分近接していない突出部２６から、タブを撓ませてタブ間に捕捉される次の突出部に移動するために、ボルト１２の部分的な回転しか必要とされないので、締め付け荷重は、ボルト１２の最初の向きに関わらず正確に制御されることが理解されるべきである。係止タブ３８、４０間での突出部２６の捕捉は、図３においてより明確に見て取れる。

完成した組立体において、ワッシャ１４は、先端部４８が溝５２内で肩部５４の下に捕捉されることによって、対象物１６に固定される。したがって、ワッシャ１４は、そこから容易には外れない。ボルト１２は、物品６０と螺合し、係止特徴部３６の係止タブ３８、４０間に捕捉されたノブ又は突出部２６により、ワッシャ１４に対して回転しないように固定される。したがって、対象物１６及び／又は物品６０の収縮又はクリープに起因して締め付け荷重が緩んでも、ボルト１２はワッシャ１４に対して回転できず、ワッシャ１４は対象物１６に対して回転できず、また、ワッシャ１４は対象物１６から軸方向に抜くことができないので、締結組立体の係合は解けない。したがって、物品６０におけるボルト１２の螺合は、ボルトが物品６０に対して回転しないので変化し得ない。さらに、ワッシャ１４がスプリングワッシャであるので、締結組立体における多少の変化は、圧縮ワッシャによって対応又は吸収することができる。

本明細書に開示されるねじ締結具の概念は、他の構造形式において実施することができる。例えば、図１１〜図１４は、多くの面で前述したワッシャ１４と同様であるものの、他の面では異なるワッシャ１１４の別の実施形態を示している。ワッシャ１１４は、ワッシャ本体１３０と、外側リム１３２と、内側リム１３４とを備え、これらは、前述のワッシャ本体３０、外側リム３２及び内側リム３４と同様である。係止特徴部３６と同様の係止特徴部１３６は、係止タブ１３８、１４０と外側リムセグメント１３２ａとを備え、これらは、前述の係止タブ３８、４０及び外側リムセグメント３２ａと同様である。

ワッシャ１１４は、スリーブ１７０を通る中央開口１４２を更に画定し、スリーブ１７０は、内側リム１３４から軸方向に延びる。スリーブ１７０には、ワッシャ１１４を上述のボルト１２及び締結対象物１６に係合させるための構造部が設けられる。スリーブ１７０の増大した長さにより、ボルト１２及び締結対象物１６に係合する頑健な構造部の使用が容易になっている。この例示的な実施形態では、スリーブ１７０は、ディンプル１４４の形式の内方に延びる突出部１４４を画定する。突出部１４４は、ワッシャ１１４をボルト１２上に係合するように、内方に延びるアーム４４と同様に且つ同じ目的のために機能する。スリーブ１７０は、先端部１４８を有する外方に延びるアーム１４６を更に画定する。先端部１４８を有する外方に延びるアーム１４６は、外方に延びるアーム１４６の先端部１４８が溝５２内に受容される場合にワッシャ１１４を締結対象物１６に係合させるように、前述の外方に延びるアーム４６及び先端部４８と同様に且つ同じ目的のために機能する。

上記の変形及び変更は本発明の範囲内にある。本明細書に開示及び規定されている本発明は、言及されているか、又は本文及び／又は図面から明らかである個々の特徴の２つ以上の全ての代替的な組み合わせに及ぶことが理解される。これらの様々な組み合わせの全ては、本発明の種々の代替的な態様を構成する。本明細書に記載の実施形態は、本発明を実施するためのわかっている最良の形態を説明しており、当業者が本発明を利用することを可能にする。特許請求の範囲は、従来技術が許容する範囲まで代替的な実施形態を含むものと解釈すべきである。

本発明の種々の特徴は添付の特許請求の範囲内に記載されている。

Claims (13)

1. 細長い穴を画定する表面を有する締結対象物であって、前記表面が前記穴における溝を更に画定する、締結対象物と、
   前記溝に受けられる外方に延びるアームを有するワッシャと、
   前記ワッシャに画定される係止特徴部と、
   前記ワッシャに受けられるボルトであって、前記係止特徴部に係合されて前記ワッシャと該ボルトとの相対回転に抵抗する突出部を有する、ボルトと、
   を備える、ねじ締結システム。
2. 前記締結対象物は、複数の溝を有し、前記ワッシャは、複数の外方に延びるアームを有し、前記溝ごとに１つの前記アームが存在する、請求項１に記載のねじ締結システム。
3. 前記ボルトは、複数の突出部を有し、前記ワッシャは、前記係止特徴部を１つのみ有する、請求項１又は２に記載のねじ締結システム。
4. 前記ワッシャは、前記ボルトに摩擦係合する複数の内方に延びる突出部を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のねじ締結システム。
5. 前記複数の内方に延びる突出部は、複数の内方に延びるディンプルである、請求項４に記載のねじ締結システム。
6. 前記複数の内方に延びる突出部は、複数の内方に延びるアームである、請求項４に記載のねじ締結システム。
7. 前記ワッシャは、軸方向に延びるスリーブを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のねじ締結システム。
8. 前記ワッシャの前記外方に延びるアームは、前記スリーブから延びる、請求項７に記載のねじ締結システム。
9. 前記スリーブは、前記ボルトに摩擦係合する複数の内方に延びる突出部を有する、請求項７又は８に記載のねじ締結システム。
10. 前記ボルトは、頭部を有し、該頭部は、前記突出部を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のねじ締結システム。
11. 前記係止特徴部は、前記ワッシャから前記頭部に向かって突出する対向する係止タブと、前記突出部を受ける前記係止タブ間の空隙部とを含む、請求項１０に記載のねじ締結システム。
12. 前記ボルトの前記頭部は、少なくとも第２の前記突出部を有する、請求項１０又は１１に記載のねじ締結システム。
13. 各前記溝は、該溝の入口に、内向きの肩部を有する、請求項２に記載のねじ締結システム。

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