JPH11325029A - 金属ねじ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 樹脂部品に圧入されたときの強度特性が優
れ、かつ、バリの発生を抑制できる金属ねじの提供。 【解決手段】 孔部を有する樹脂部品の孔部に超音波振
動を用いて圧入され前記樹脂部品と結合される金属ねじ
であって、外周に設けられた縦溝と横溝の溝深さが０．
４〜０．９ｍｍであり、圧入代が０．２５〜０．５ｍｍ
であり、圧入代対縦溝深さの比が０．６〜０．７である
ことを特徴とする、金属ねじ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、樹脂部品に超音波
振動を用いて圧入される金属ねじに関する。

【０００２】

【従来の技術】樹脂部品に、超音波振動を用いて締結用
金属部材となる、外周に格子状に溝が形成されたあやめ
ローレット形状の金属ねじを圧入することは、従来から
行われている。超音波振動により樹脂部品と金属ねじの
間に摩擦熱が生じ、樹脂部品が溶融し、溶融した樹脂が
金属ねじの溝内に充填されながら金属ねじは樹脂部品に
圧入される。金属ねじが樹脂部品に圧入されたときに要
求される特性は、耐トルク性、耐引き抜き特性などの強
度特性と、樹脂部品の孔部の軸芯に対する金属ねじの軸
芯の傾き、バリによるボルト締結時のカミ込みによるボ
ルト緩み見栄えにかかわる特性である。たとえば、特開
平２−９６２０号には、金属ねじの外周に形成される溝
の幅、深さを特定の値にすることにより、樹脂部品と金
属ねじの固定力が優れ、バリの発生も少なくされること
が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の金属ね
じでは樹脂部品に圧入されたときにバリの発生を防止す
ることができず、見栄えが悪いという問題がある。本発
明の目的は、樹脂部品に圧入されたときの強度特性が優
れ、かつ、バリの発生を抑制できる金属ねじを提供する
ことにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明はつぎの通りである。 （１） 孔部を有する樹脂部品の孔部に超音波振動を用
いて圧入され前記樹脂部品と結合される金属ねじであっ
て、側面に設けられた縦溝と横溝の溝深さが０．４〜
０．９ｍｍであり、圧入代が０．２５〜０．５ｍｍであ
り、圧入代対縦溝の深さの比が０．６〜０．７であるこ
とを特徴とする、金属ねじ。 （２） 前記金属ねじは上端から径方向外側に突出した
鍔部を備え、該鍔部の幅は０．７〜２ｍｍである、
（１）記載の金属ねじ。 （３） 前記金属ねじは下部に外径が小さくされたガイ
ド部を備える、（１）記載の金属ねじ。 （４） 前記金属ねじはテーパ状とされ、前記樹脂部品
の孔部に対して０〜３°の傾きを有する、（１）記載の
金属ねじ。

【０００５】上記（１）の金属ねじでは、０．４〜０．
９ｍｍの深さの縦溝と横溝と、０．２５〜０．５ｍｍの
圧入代と、を有し、圧入代対縦溝の深さの比が０．６〜
０．７とされているので、樹脂部品の圧入されたときに
強度特性に優れ、また、バリの発生を抑制できる。上記
（２）の金属ねじでは、鍔部を備え、鍔部の幅が０．７
〜２ｍｍとされているので、（１）の効果に加え、圧入
時の金属ねじの樹脂部品に対する傾きを防止できる。上
記（３）の金属ねじでは、下部にガイド部が設けられて
いるので、金属ねじの溝内へ樹脂充填が行われやすくな
る。上記（４）の金属ねじでは、樹脂部品の孔部に対し
て０〜３°の傾きを有するので、（１）より抜き強度が
向上する。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明実施例の金属ねじを、図１
〜図１９を参照して、説明する。

【０００７】本発明実施例の金属ねじは、円管状の孔径
Φｄの樹脂部品の中に超音波振動により圧入される。超
音波振動により、金属ねじ１の樹脂部品２との間に摩擦
熱が生じ、樹脂部品２が溶ける。図１、図２に示すよう
に、金属ねじは軸部１ｃの外周面に縦溝と横溝とを有し
ている。縦溝は金属ねじの軸芯方向に平行に１０ｍｍの
長さで形成されている。横溝は任意方向に形成されても
よいが、図１には、縦溝に直交する方向に形成された横
溝を示す。金属ねじは、プレス品であり、溝もプレス加
工によって形成されている。縦溝が先に形成され、横溝
は縦溝が形成された後に形成される。溝の形状は、たと
えば、縦溝が断面略凹状とされ山部と山部の間に溝部が
ある。山部は部分的に横溝によってつぶされ凹状とされ
ている。溶けた樹脂は樹脂部品に圧入される金属ねじの
縦溝および横溝に充填されて、圧入完了時の金属ねじの
強度特性に寄与する。とくに、縦溝の深さｔが０．４〜
０．９ｍｍ、さらに好ましくは０．４〜０．６ｍｍ、横
溝の深さｙが０．４〜０．９ｍｍ、さらに好ましくは
０．４〜０．６ｍｍ、圧入代Ａが０．２５〜０．５ｍ
ｍ、圧入代対縦溝の深さの比が０．６〜０．７のとき
に、樹脂部品に圧入されたときの金属ねじの強度特性が
優れ、かつバリの発生がない。圧入代は片側圧入代を示
し、（金属ねじの外径−樹脂部品の孔径）／２によって
求める。なお、強度特性は、格子状に溝が形成されたあ
やめローレット形状の従来の金属ねじにより得られるト
ルク強度（ねじり試験機により測定）および抜き強度
（ロードセルにより荷重測定）以上のときを優れた特性
としている。

【０００８】以下には、金属ねじの縦溝と横溝の深さを
それぞれ０．４〜０．９ｍｍ、圧入代０．２５〜０．５
ｍｍ、圧入代対縦溝の深さの比が０．６〜０．７とする
理由を説明する。まず、縦溝の深さが０．４ｍｍ以上で
ある理由を示す。金属ねじが樹脂部品に圧入されたとき
のトルクは、主として金属ねじに形成された縦溝の深さ
によって変化する。図４には、図３に示す縦溝の深さｔ
の異なる（ただし、横溝は形成されていない）金属ねじ
を用いて圧入代Ａを変えて樹脂部品に圧入した場合にお
ける、トルクの測定結果を示す。各金属ねじの縦溝の数
は２０本で、金属ねじの全周に均等に設けられている。
トルクは縦溝の深さｔに影響される。図４に示すよう
に、縦溝の深さが０．３ｍｍの金属ねじ（●）では、圧
入代が０．２ｍｍ以上でトルクが安定するがバリが発生
する。縦溝の深さが０．４ｍｍの金属ねじ（▲）では、
圧入代が０．２５ｍｍからトルクが安定し、圧入代が
０．３ｍｍ以上でバリが発生し始める。縦溝の深さが
０．６ｍｍの金属ねじ（◇）では、圧入代が０．３５ｍ
ｍからトルクが安定し、圧入代が０．５ｍｍ以上でバリ
が発生し始める。なお、比較のために、０．３ｍｍの深
さ溝を有するあやめローレット形状の、従来の金属ねじ
（□）を用いた場合のトルクも測定した。図４より、従
来の金属ねじにより得られる強度特性以上の強度特性を
保つには、縦溝の深さは０．４ｍｍ以上が必要とされ
る。圧入代Ａ対縦溝の深さｔの比が０．６〜０．７を満
たしている場合には、バリの発生が抑制される。

【０００９】つぎに、横溝の深さが０．４ｍｍ〜０．９
ｍｍおよび縦溝の深さが０．９ｍｍ以下である理由を示
す。図５には、図３に示す、金属ねじを、圧入代Ａを変
えて樹脂部品に圧入した場合における、抜き荷重の測定
結果を示す。各金属ねじの縦溝は金属ねじの全周に均等
に２０本設けられる。横溝は幅が１ｍｍ、横溝の数は３
個としている。抜き荷重は、主に横溝の深さに影響され
る。また、比較のために、０．３ｍｍの深さの溝を有す
るあやめローレット形状の溝が設けられた従来の金属ね
じ（□）を用いた場合の抜き荷重の測定結果も図５に示
している。本発明の実施例の金属ねじと従来のあやめロ
ーレット形状の金属ねじ（□）とを比較すると、本発明
実施例の金属ねじは、縦溝および横溝深さが０．４ｍｍ
以上のときに、従来の金属ねじより高い抜き強度を得る
ことができる。しかし、０．９ｍｍを超えると、抜き強
度が、従来のあやめローレット形状の金属ねじにより得
られる抜き強度より低くなることから０．９ｍｍ以下と
される。

【００１０】図８には、縦溝の溝深さと圧入代を図７に
示すように規定した金属ねじ（横溝は形成されていな
い）に対する樹脂部品２の傾き（図６参照）のトルクへ
の影響について測定した結果を示す。縦溝深さ０．３ｍ
ｍの金属ねじ（●）の場合は１°の傾きによってトルク
が低くなり、縦溝深さ０．４ｍｍの金属ねじ（▲）の場
合は２°の傾きによってトルクが低くなり、バリが発生
する傾向がある。縦溝深さ０．６ｍｍの金属ねじ（◇）
の場合は２°までの傾きでは高いトルクが得られ、バリ
の発生はない。

【００１１】図９には、図７に示すように規定した金属
ねじに対する樹脂部品の傾きの抜き荷重への影響につい
て測定した結果を示す。横溝深さ０．４ｍｍの金属ねじ
（▲）の場合は２°の傾きによって抜き荷重が低くな
る。横溝深さ０．６ｍｍの金属ねじ（◇）の場合は２°
までの傾きでは高い抜き強度が得られている。溝深さが
浅い（０．３ｍｍ）場合にトルクおよび抜き荷重の強度
低下が生じるのは、樹脂部品の傾きにより金属ねじ外周
と樹脂部品内面の間に隙間が発生し、片側にまったく樹
脂が充填されない溝部の領域が発生するためである。溝
深さが深い（０．６ｍｍ）場合は、金属ねじ外周と樹脂
部品の内面の間に隙間が発生しても、溝深さの半分は樹
脂が充填されているため、強度低下に影響を与えない。
樹脂部品に２°以上のソリがある場合には、金属ねじの
溝深さを０．６ｍｍ以上にすることが望ましい。

【００１２】また、金属ねじに０．７〜２ｍｍの幅の鍔
部を設けることにより金属ねじの樹脂部品への圧入時の
傾き（軸芯の傾き）を矯正することが可能である。以下
には金属ねじの形状について説明する。

【００１３】図１０に示すように、たとえば、樹脂部品
の軸芯に対し金属ねじの軸芯が傾いている場合、段差
は、−段差（樹脂部品の上端面から最も下方にある金属
ねじの上端面までの距離）と、＋段差（樹脂部品の上端
面から最も上方にある金属ねじの上端面までの距離）の
合計を示す。段差が０より大きいほど金属ねじが樹脂部
品に対して大きく傾いている。図１１には、超音波発振
ホーン３に対する樹脂部品の穴の傾きと圧入後に発生し
た、各種の鍔部を有する各種金属ねじの段差を測定した
結果を示す。図１１より、金属ねじに１．０ｍｍの幅の
鍔部を設けることで、鍔部のない場合（□）に比べて、
金属ねじの段差を４０〜６０％低減することができる。
図１１より、２°の傾きを有する樹脂部品に鍔部が形成
されている金属ねじが圧入される場合は、１°の傾きを
有する樹脂部品に鍔部のない金属ねじが圧入される場合
より段差を小さくすることが可能となる。金属ねじの傾
きを矯正することができる理由は、鍔部が樹脂部品座面
に当たり、その面に倣うためと考えられる。鍔部の幅が
０．７ｍｍ未満では、金属ねじの鍔部が樹脂部品に接触
したときに接触面がすぐに溶け、金属ねじの傾きを矯正
することができないおそれがある。鍔部の幅が０．７ｍ
ｍ以上の場合、樹脂部品との接触面が溶けることなく、
金属ねじの傾きを矯正することができる。ただし、鍔部
の幅が大きすぎても、スペース、重量などの問題が生じ
るので、鍔部の幅は２．０ｍｍ以下とすることが好まし
い。また、鍔部の幅が０．７ｍｍ以上の場合、金属ねじ
が樹脂部品へ圧入されると超音波発振ホーンが必要とす
る電力が急激に高くなるため、電力を測定することで金
属ねじの樹脂部品への圧入終了を検知できる。

【００１４】また、図１２に示すように、鍔部の裏面に
縦溝と同数で同位相の溝を縦溝の延長線上に設けること
で、図１３に示すように、トルクが向上し、バリが発生
するまでの適正圧入代が向上する。そのため、圧入代の
上限値を高くすることができ、たとえば上限値を０．７
ｍｍにすることができる。鍔部の裏面に設ける溝の形状
は、任意形状でよく、たとえば、鍔部の外周端にかけて
溝の幅が狭くされている形状、鍔部の外周端にかけて溝
の幅が同じとされているストレート形状、鍔部の外周端
にかけて溝が湾曲した湾曲形状などがある。また、溝の
深さは鍔部の外周端にかけて浅くされていてもよい。

【００１５】図１に示す金属ねじには、下端部に外径が
小さくされたガイド部１ｂが設けられている。ガイド部
１ｂにより、金属ねじの溝部への樹脂の充填が潤滑に行
われる。ガイド部１ｂは外径が樹脂部品の孔径との差が
０．１〜０．２ｍｍであることが好ましい。また、ガイ
ド部１ｂに図１４に示すように、先端が径方向外側に曲
げられた、アンダーカット部１ｄを設けることで、抜き
強度が向上する。アンダーカット部は、図１５に示すよ
うに、軸芯方向に平行に延びるガイド部に、先端が略円
錐状とされたパンチを下方から押し当てて成形する。ま
た、溝への樹脂充填量が金属ネジ外周溝体積に対して過
剰になった場合、樹脂部品の穴の上部にバリを発生させ
ることなく、穴の下部に過剰となった樹脂を排出させる
ために、ガイド部１ｂの側面に縦溝を設けることが好ま
しい。縦溝の形状は任意である。ガイド部に設けられた
縦溝により、余剰な樹脂量分が樹脂部品の下方へ排出さ
れて、必要な樹脂は金属ねじの縦溝、横溝へ優先的に充
填することが可能となる。

【００１６】また、金属ねじは軸部１ｃの外周面が図１
６に示すように、樹脂部品の孔部を形成する内周面に対
して０〜３°、好ましくは１〜２°のテーパを有するこ
とが好ましい。樹脂部品の孔部は下方に向けて径が小さ
くされ、１〜２°のテーパにされている。そのため、金
属ねじは下端に向けて径が小さくされ、１〜４°のテー
パにされる。テーパとされることにより、金属ねじの溝
への樹脂の充填性が向上し、金属ねじの抜き強度が向上
する。樹脂部品の孔部のテーパが１°で、金属ねじの軸
部のテーパが２°のときに最も良好な強度が得られる。

【００１７】本発明実施例の金属ねじの製造方法を以下
に示す。本発明実施例の金属ねじは一枚の金属板から形
成され、図１７に示すように、ｎ回の絞り工程を経て金
属板をカップ状に成形する絞り工程と、サイジング工程
と、カップ状の底部の一部に穴を開ける抜き工程と、バ
ーリング工程と、縦溝の成形工程と、内径シゴキ工程
と、外径コイニング工程と、フランジトリム工程と、内
周面にネジを形成するネジ転造工程と、からなる。横溝
は、たとえば、図１８に示す横パンチ４により成形す
る。横溝の成形は、縦溝を成形した後に、外径コイニン
グ工程で行われる。横パンチ４は２つ以上必要とされ
る。縦溝部の山が剪断にて割れないように横溝を成形す
るには、横パンチが６つあることがよい。また、寄せカ
ムでも横溝を成形できる。６個の寄せカムにて縦溝と縦
溝の間の山部の上に横溝を成形すると、横溝周辺形状は
機械加工の切削のものとは異なり、金属材料の流れが起
こり、横溝の径方向に縦山部が膨らむ。これにより、引
き抜き時の剪断力が、横溝の樹脂充填部のみに加えて、
縦溝へのせん断力も加わり、その結果引き抜き強度が向
上する。横溝は、金属ねじの軸芯に平行に延びる縦溝に
対して直交する形状のもの、図１９に示すように、縦溝
に対して斜めに延びる形状のものなど任意の形状に成形
できる。横溝は縦溝に対して直交する場合より傾斜する
場合のほうが、剪断面積が向上し、トルク強度および抜
き強度が向上する。また、横溝を、金属ねじの全周方向
に連続して設けるよりは、たとえば、１／４周ずつ隣に
設けられる横溝とは高さを異ならせて互い違いに設ける
ことにより、トルクが向上し、かつ剪断力向上による抜
き強度も大きくなる。縦溝は、塑性加工による型成形に
よって、深い縦溝と浅い縦溝を交互に設けることができ
る。これにより、浅い溝のみのものと比べて、深い溝で
の樹脂の吸収量が増加でき、バリの発生する圧入代の上
限値が広がる。

【００１８】

【発明の効果】請求項１の金属ねじによれば、縦溝と横
溝の深さが０．４〜０．９ｍｍ、圧入代が０．２５〜
１．０ｍｍ以下と、を有し、圧入代対縦溝の深さの比が
０．６〜０．７とされているので、強度特性に優れ、ま
た、バリの発生を抑制できる。請求項２の金属ねじによ
れば、鍔部を備え、鍔部の幅が０．７〜２ｍｍとされて
いるので、請求項１の効果に加え、圧入時の金属ねじの
樹脂部品に対する傾きを防止できる。請求項３の金属ね
じによれば、下部にガイド部が設けられているので、金
属ねじの溝内へ樹脂充填が行われやすくなる。請求項４
の金属ねじによれば、テーパ状とされ、樹脂部品の孔部
に対して０〜３°の傾きを有するので、抜き強度が向上
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の金属ねじの側面図である。

【図２】本発明実施例の金属ねじの底面図である。

【図３】溝深さの異なる金属ねじを示す図である。

【図４】図３に示す金属ねじの圧入代とトルクの関係を
示す図である。

【図５】図３に示す金属ねじの圧入代と抜き荷重の関係
を示す図である。

【図６】金属ねじの樹脂部品の傾きを示す図である。

【図７】溝深さの異なる金属ねじを示す図である。

【図８】図７に示す金属ねじに対する樹脂部品の傾きと
段差の関係を示す図である。

【図９】図７に示す金属ねじに対する樹脂部品の傾きと
抜き荷重の関係を示す図である。

【図１０】樹脂部品の上端面に対し金属ねじの上端面が
傾いている場合の段差を説明する図である。

【図１１】鍔部の幅が異なる金属ねじに対する樹脂部品
の傾きと段差の関係を示す図である。

【図１２】鍔部の裏面に溝が形成されている金属ねじの
底面図である。

【図１３】縦溝・横溝の深さが０．６ｍｍの金属ねじの
圧入代とトルクの関係を示す図である。

【図１４】ガイド部の先端にアンダーカット部を有する
金属ねじの側面図である。

【図１５】図１４に示すアンダーカット部を形成する方
法を説明する図である。

【図１６】テーパが設けられた金属ねじを示す図であ
る。

【図１７】金属ねじの製造方法を説明する図である。

【図１８】金属ねじに横溝を成形するときに使用する装
置の側面図である。

【図１９】金属ねじの横溝の形状を示す図である。

【符号の説明】

１ 金属ねじ １ａ 鍔部 １ｂ ガイド部 ２ 樹脂部品

フロントページの続き (72)発明者 伊藤 誠 愛知県額田郡額田町大字牧平字岩田３番41 株式会社高木製作所内 (72)発明者 岩瀬 泰史 愛知県額田郡額田町大字牧平字岩田３番41 株式会社高木製作所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 孔部を有する樹脂部品の孔部に超音波振
   動を用いて圧入され前記樹脂部品と結合される金属ねじ
   であって、外周に設けられた縦溝と横溝の溝深さが０．
   ４〜０．９ｍｍであり、圧入代が０．２５〜０．５ｍｍ
   であり、圧入代対縦溝の深さの比が０．６〜０．７であ
   ることを特徴とする、金属ねじ。
2. 【請求項２】 前記金属ねじは上端から径方向外側に突
   出した鍔部を備え、該鍔部の幅は０．７〜２ｍｍであ
   る、請求項１記載の金属ねじ。
3. 【請求項３】 前記金属ねじは下部に外径が小さくされ
   たガイド部を備える、請求項１記載の金属ねじ。
4. 【請求項４】 前記金属ねじはテーパ状とされ、前記樹
   脂部品の孔部に対して０〜３°の傾きを有する、請求項
   １記載の金属ねじ。