KR20100018526A - 스크류 헤드 요홈 드라이브 및 대응하는 드라이버 공구와 요홈 펀치 - Google Patents

Abstract

요홈 헤드를 구비한 체결구가 제공되는데, 그것의 드라이브 헤드는 네 개의 로브 형태의 요홈 채널들을 구비한다. 각 채널은 제1 벽, 제2 벽, 저부 표면, 및 요홈 측벽을 포함한다. 제1 벽 및 제2 벽은 서로 대향되는 부분들을 가지며, 채널의 벽을 연속적으로 그리고 매끄럽게 형성하는 일정한 곡률반경을 갖는다. 토크를 생성하는 드라이버 공구는 짝맞춤가능한 맞물림을 위한 체결구의 드라이브 헤드의 요홈에 대해 실질적으로 상보적인 형상 및 크기를 갖는 단면 형태로 형성된다. 또한 체결구를 제조하기 위한 요홈 펀치는 펀치 홀더 및 그 홀더와 일체인 펀치 핀을 포함한다.

Description

스크류 헤드 요홈 드라이브 및 대응하는 드라이버 공구와 요홈 펀치{Screw head recess drive and corresponding driver tool and recess punch}

본 발명은 스크류 헤드 요홈 드라이브, 및 스크류의 스크류 헤드 요홈 드라이브와 맞물릴 수 있는 대응하는 드라이버 공구 또는 비트(bit)에 관한 것이다.

대략 0.4mm 내지 대략 2.0mm 범위의 크기를 갖는 주문제작의 낮은 프로파일 헤드 높이 제품(custom low profile head height product)을 위한 전형적인 모든 형태의 소형 스크류들을 위한 드라이브 시스템은 특수한 목적의 적용예를 위하여 통상적으로 이용된다. 그러한 적용예의 경우에 있어서, 스크류의 나사산(thread)들과 헤드 높이는 체결(joint)에 있어서의 기능적 요건 및 특정의 품질을 충족시키도록 주문제작식으로 설계된다. 예를 들어, 스크류 헤드 높이의 설계가 예를 들어 일본 카메라 산업 표준(Japanese Camera Industrial Standard; JCIS), 미국 표준 기구(American National Standards Institute; ANSI), 독일 표준 기구(German Institute for Standardization; DIN), 또는 국제 표준 기구(International Organization for Standardization; ISO)의 산업 표준보다 얇은 경우에는 체결에 있어서 높은 토크를 달성 및 전달하기 위하여 깊은 요홈 깊이가 필요하다. 다른 일 예로서는, 나사산을 구비한 조립용 체결부재가 높은 프리베일링 토 크(prevailing torque)를 갖는 스크류를 형성하는 때인데, 이 때에는 요홈 드라이브 및 드라이버 공구가 그러한 적용예를 위한 설치 중에 높은 토크를 견디고 전달할 필요가 있다.

그러나, 현재의 통상적인 드라이브 요홈들 및/또는 드라이버 공구들은 설치를 위한 기능적 필요와 품질 둘 다와 소형 제품 및 공정 적용예를 위한 특별한 신뢰도 및 특성이 필요한 경우에 적합하지 않다. 전형적으로 필요한 기능상의 요건들로서는: 자동화된 조립 솔루션(automated assembly solution)에 대한 호환성; 높은 드라이버 비트 수명; 조립 중에 드라이버 비트가 미끄러져 나옴(cam-out)이 없을 것; 요홈 및 드라이버 비트에서의 높은 토크 전달성; 경도 저항 특성(temper resistant characteristic); 크시 선택의 가변성; 소형 스크류를 위한 초박형 헤드 높이의 적용성; 높은 파손 토크(failure torque); 드라이브의 걸림이 없을 것; 또는 요홈 마모(recess stripping)가 없을 것;이 있다.

그러나, 전술된 바와 같이, 종래의 드라이브 시스템은 상기 열거된 기능상의 요건들의 일부 또는 모두를 적절히 충족시키지 못한다. 예를 들어, 미국 특허 제6,253,649호, 제4,084,478호, 제4,202,244호, 제5,120,173호, 및 제5,137,407호에는 종전의 스크류 헤드 요홈들 일부가 기재되어 있다. 이와 같은 종전의 스크류 헤드 요홈 구성형태들은 많은 국가들에서 일부 스크류 헤드의 형태 내에 형성되는 "요홈"으로서 채택되어 왔고 지금은 세계적으로 널리 퍼져 있다. 이와 같은 종전의 스크류 헤드 요홈 드라이브들은, 그들의 횡단 요홈들 덕분에 토크를 확실히 전달할 수 있도록 하고 또한 드라이버 비트(driver bit)가 요홈 내에 넉넉하고 확실 하게 끼워지도록 하며, 이로써 스크류의 조임 또는 제거에서 작업 효율을 향상시키기는 하지만, 특히 전기 장치의 제조와 관련하여서는 일부 문제점들이 나타났는데, 전기 장치의 제조에 있어서는 제조사들이 그들의 제품을 소형화시키는 추세에 있는바, 이것은 현재의 산업 표준의 적용 상의 필요보다 높은 적용 상의 필요를 충족시킬 수 있도록 특수한 품질, 기능성, 및 신뢰성을 갖도록 설계되어야 하는 체결구(fastener) 크기에 직접적인 영향을 준다. 문제는 통상적으로 대략 0.4mm 내지 대략 2.0mm 범위의 제품 크기에 관하여 발생한다.

대부분의 종래의 스크류들은 예를 들어 대략 0.20mm 의 매우 낮은 헤드 높이를 갖도록 설계된다. 그러한 낮은 헤드 높이는 많은 적용예들에 있어서 충분한 토크를 전달할 수 있는 충분한 요홈 깊이를 제공하지 않는다. 이 적용예들에 있어서의 종래의 스크류들은 해당 산업계의 기능상 요건들을 충족시키지 못하는 기능상의 한계를 갖는다. 그러므로, 본 기술분야에서는 종래 기술과 관련된 문제를 해결하는 요홈 드라이브 스크류 헤드 및 이에 대응하는 드라이버에 대한 필요가 있다.

본 발명의 일 형태에 따르면, 요홈 헤드를 구비한 스크류 및 이에 대응하는 드라이버 비트가 기재되는데, 그 헤드는 드라이버 비트로부터의 토크를 받기 위한 복수의 로브 형태의 요홈 채널들을 구비한다. 일 실시예에 따른 체결구가 기재되는데, 그 체결구는: 상부 표면과 축을 갖는 헤드(head); 및 헤드의 축과 중앙에서 정렬된 로브 형태의 요홈(lobular recess)에 의해 한정되는 드라이브(drive);를 포함하고, 요홈은, 헤드의 상부 표면 상에 배치되고 반경방향으로 정렬되며 헤드의 축에 대해 대칭적으로 배치된 복수의 요홈 채널(recess channel)들에 의하여 형성되고, 각 채널은 제1 벽, 제2 벽, 저부 표면, 및 요홈 측벽을 포함하며, 제1 벽 및 제2 벽은 서로 대향되고 일정한 곡률 반경을 갖는 부분들을 구비하고, 요홈 측벽은, 수직으로 배치되어 헤드의 상부 표면으로부터 요홈의 가장 깊은 지점까지 연장되어서 요홈의 저부 표면과 만나는 표면을 구비하며, 저부 표면(bottom surface)의 다른 단부는 제1벽, 제2 벽, 및 측벽과 맞닿아서 채널의 벽을 연속적이로 매끄럽게 형성한다.

일 실시예에서, 복수의 채널들 각 채널의 제1 벽은 인접한 채널의 제2 벽과 함께 연속적으로 그리고 매끄럽게 벽을 형성한다. 요홈 측벽의 표면은 드라이브 헤드의 상부 표면과 실질적으로 직각이다. 요홈 측벽의 표면은 드라이브 헤드의 상부 표면에 대해 테이퍼(taper)져 있을 수 있다. 체결구에서, 헤드는 헤드의 반경을 한정하는 실질적으로 원형인 형상으로 구성될 수 있다. 헤드의 상부 표면은 실질적으로 편평할 수 있다. 복수의 채널 요홈들은 네 개의 채널 요홈들을 포함할 수 있다. 체결구는, 파손 토크(breaking torque)를 최대화시키도록 구성된, 요홈 측벽으로부터 체결구의 헤드의 측벽까지의 헤드 대 생크 재료 비율(head to shank material ratio)을 더 포함할 수 있다. 헤드 대 생크 재료 비율은 적어도 1:1 일 수 있다. 요홈은 요홈 깊이를 가지며, 체결구는 헤드 높이를 가지고, 헤드 높이는 요홈 깊이보다 작다. 헤드 높이는 0.1 mm 와 요홈 깊이의 범위 내에 있을 수 있다. 헤드 높이는 0.2mm 의 범위 내에 있을 수 있고, 요홈 깊이는 0.28mm 이다. 체결구는 0.4mm 내지 2.0mm 범위의 대 직경을 포함할 수 있고, 개별의 요홈 깊이는 0.28mm 내지 0.80 mm 의 범위이다. 제1 벽 및 제2 벽은 내측 로브들일 수 있고, 요홈 측벽은 외측 로브이다. 제1 및 제2 내측 로브 벽들 각각의 반경은 외측 로브 요홈 측벽의 반경과 동일할 수 있다.

본 발명의 다른 일 형태에 따르면, 체결구를 작동하기 위한 토크-생성용 드라이버 공구(torque-producing driver tool)가 기재되는데, 그 공구는 핸들; 및 제1 단부와 제2 단부를 갖는 생크(shank)를 포함하고, 생크의 제1 단부는 핸들에 연결되며, 생크의 제2 단부는, 체결구의 요홈 드라이브와 짝맞춤가능한 맞물림을 위하여 체결구의 상기 헤드의 네 개의 요홈이 형성된 채널에 대해 실질적으로 상보적인 크기 및 형상을 갖는 단면 형태(cross sectional signature)를 갖는다. 일 실시예에서, 드라이버 공구는, 체결구의 요홈 드라이브와 맞물린 때에 0 도의 드라이브 각도를 갖도록 구성된다.

본 발명의 다른 일 형태에 따르면, 체결구의 제조를 위한 요홈 펀치(recess punch)가 제공되는데, 요홈 펀치는: 펀치 홀더(punch holder); 및 제1 단부와 제2 단부를 갖는 펀치 핀(punch pin)을 포함하고, 펀치 핀의 제1 단부는, 체결구의 요홈 드라이브의 제조를 위하여 체결구의 헤드 내로 요홈을 펀칭(punching)하기 위한, 체결구의 헤드의 드라이브의 요홈에 대해 실질적으로 상보적인 크기 및 형상을 갖는 단면 형태(cross sectional signature)를 갖는다. 일 실시예에서, 펀치 핀의 제2 단부는 펀치 홀더와 일체이다. 다른 일 실시예에서, 펀치 홀더는 펀치 핀을 수용하기 위한 수용 구멍(receiving aperture)를 가지고, 펀치 핀은 수용 구멍을 통하여 펀치 홀더와 미끄럼가능하게 맞물린다.

본 발명이 완전히 이해되고 용이하게 실시될 수 있도록, 이하에서는 하기의 첨부된 예시적인 도면들을 참조로 하여 본 발명의 예시적이고 비제한적인 실시예들을 설명할 것이다.

도 1a 및 도 1b 는 본 발명의 실시예에 따른 스크류 헤드의 평면도이고;

도 2a 는 도 1a 의 스크류의 측부 횡단 단면도이고, 도 2b 는 도 2a 의 스크류 헤드의 평면도이고, 도 2c 및 도 2d 는 각각 본 발명에 따른 도 2b 의 선 A-A, 및 B-B 을 따라 취한 횡단면도들이고;

도 3a 는 본 발명의 실시예에 따른 드라이버 공구의 측면도이고, 도 3b 는 선 B-B을 따라 취한 드라이버 공구의 일부분의 확대도이고, 도 3c 는 도 3a 의 드라이버 공구의 선 B-B 을 따라 취한 단면도이고, 도 3d 내지 도 3f 는 본 발명의 실시예에 따른 것으로서 A-A 및 B-B 을 따라 취한 단면도이고;

도 4a 는 도 3a 의 드라이버 공구의 측면도와 맞물리고 중첩된, 도 2a 의 스크류의 단면도이고, 도 4b 는 본 발명의 실시예에 따른 화살표 방향을 보고 선 A-A 을 따라 취한 드라이버 공구의 단면도이고;

도 5a 및 도 5b 는 각각 요홈 펀치의 평면도 및 측면도이고, 도 5c 및 도 5e 는 펀치 홀더(punch holder)의 평면도 및 측면도이고, 도 5d 는 펀치 핀(punch pin)의 도면이고, 도 5f 는 본 발명의 실시예에 따른 것으로서 조립된 펀치 핀 및 홀더를 도시하고;

도 6a 및 도 6b 는 각각 "불량(NO GO)"의 측면도 및 단면도이고, 도 6c 및 도 6d 는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 "양호(GO)의 측면도 및 단면도이고;

도 7a 는 테이퍼진(tapered) 요홈 드라이브의 평면도이고, 도 7b 는 저면도이고, 도 7c 는 본 발명의 일 실시예에 따른 스크류 헤드 및 테이퍼진 요홈 드라이브의 평면도 및 저면도의 조합이고;

도 8a 는 도 7a 의 스크류의 측단면도이고, 도 8b 는 도 7a 의 스크류 헤드의 평면도이고, 도 8c 및 도 8d 는 각각 도 8b 의 선 A-A, 및 B-B 을 따라 취한 단면도이고, 도 8e 는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 요홈 채널 곡선(recess channel curve)의 내측 벽 및 외측 벽의 삼차원 도면이고;

도 9a 는 도 10a 의 드라이버 공구의 측면도와 맞물리고 중첩된 것으로서, 도 8a 의 스크류의 단면도이고, 도 9b 는 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로서 화살표 방향으로 보고 선 A-A을 따라 취한 드라이버 공구의 단면도이고;

도 10a 내지 도 10h 는 본 발명의 일 실시예에 따른 드라이버 공구의 측면도이고;

도 11a 내지 도 11b 는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 요홈 펀치의 측면도 및 평면도이고;

도 12a 내지 도 12b 는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 요홈 게이지(recess gauge)의 측면도 및 평면도이다.

본 발명에 따른 스크류 헤드 내의 스크류 헤드 요홈의 실시예들이 설명된다. 또한, 그 요홈들에 짝맞는 것으로서 대응되는 드라이버 공구 또는 비트들이 설명된 다. 스크류 헤드들 내에 있는 요홈들은 높은 토크의 전달에 적합하고 자동 조립에 대해 호환성어 있으며, 또한 높은 드라이브 비트 수명을 가지고 높은 견딜 수 있는 파손 토크를 갖는다. 요홈이 형성된 스크류 헤드 및 대응되는 대응되는 드라이버 비트는 상이한 측벽 구성형태를 갖는 것으로 설명된다. 도 1 내지 도 6 에 도시된 바와 같이, 도시되고 설명되는 일 실시예는 곧은 벽(straight wall)의 구성형태를 갖는 로브 형태의(lobular) 요홈 드라이브 실시예이다. 도시 및 설명된 다른 일 실시예는, 도 7 내지 도 12 에 도시된 것으로서, 테이퍼진 벽의 구성형태를 갖는 로브 형태의 요홈 드라이브 실시예이다.

실시예들에서, 상부 표면(top surface; 16)의 기본적 기하형태 및 구성형태는 도 1a 에 도시된 바와 마찬가지로 동일하다. 그러나, 그 실시예들에서의 요홈 형상은 높은 토크를 전달하면서도 요홈과 드라이버 비트가 들러붙지 않는 특성(non-sticking characteristic)을 갖도록 넓은 단면적을 갖도록 형성 및 적합화되는데, 여기에서 외측 로브(외측 로브) 및 내측 로브(내측 로브)는 어떠한 예리한 에지(edge)가 없게 매끄럽게 형상화 및 형성되고, 이것은 드라이버에 대한 드라이브의 들러붙음을 제거하여 능동적 맞물림(positive engagement)을 제공한다. 상부 표면의 기본적인 기하형태 및 구성형태는 동일하다. 그럼에도 불구하고, 테이퍼진 형상과 테이퍼지지 않은 형상은 높은 토크를 전달하면서도 요홈과 드라이버 비트가 들러붙지 않는 특성(non-sticking characteristic)을 가져서 능동적인 맞물림을 제공하게끔 넓은 단면적을 갖도록 적합화된다. 곧은 벽을 갖는 드라이브에 비하여 테이퍼 드라이브 실시예에 있어서는, 더 깊은 요홈 깊이(예를 들어, 0.28mm)를 갖 는 매우 낮은 프로파일의 헤드 높이(ultra low profile head height)(예를 들어, 0.2mm)를 적용예들에서 적용할 수 있게 된다. 이 구성형태는, 제조용 공구, 다이(die), 게이지 등의 비용이 통상적인 적용예의 경우에서보다 낮게 될 수 있기 때문에 제품 제조의 비용을 저감시킨다. 또한, 이 구성형태는 요홈 내에서의 가능한 재료 구김(material folds)을 저감시키고 드라이버 비트 접촉을 향상시키며 맞물림을 최대화한다. 또한, 이 구성형태에 따르면, 헤드 대 생크(head to shank)의 재료 비율이 높게 유지되는데, 제품 헤드 높이 또는 요홈 깊이에 최소 및 최대의 재료 조건들이 적용되는 경우에도 최소 1:1의 비율로 되며, 이것은 스크류 헤드 드라이브의 품질 및 내구성을 유지시킨다. 헤드 대 생크의 재료 비율은, 도 2a 및 도 8a 를 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 체결구의 요홈 측벽으로부터 헤드의 측벽까지의 비율로서 정의되는데, 이것은 파손 토크(breaking torque)를 최대화시키기 위한 것이다. 또한, 이 구성형태는 드라이브 비트의 수명을 개선 및 연장시킨다.

곧은 벽을 구비한 로브 형태의 요홈 드라이브는 고강도 재료 시리즈 및 주문제작으로 만들어지는 스틸(steel)에 적용될 수 있는 부가적인 특성을 갖는다. 스크류를 위한 재료의 수는 임의적으로 선택될 수 있다는 것이 이해될 것인데, 예를 들어 저탄소 스틸, 스테인레스 스틸 300 및/또는 400 시리즈, 알루미늄, 황동, 티타늄, 기타 특수 고강도 재료, 명세 및 적용예에 따른 다른 재료 등이 선택될 수 있다.

도 1 내지 도 6 을 참조하면, 스크류 헤드의 상부에 형성된 곧은 벽을 구비한 로브 형태의 요홈 드라이브(14)는 중앙 영역(central region; 20)을 포함하는 데, 상기 중앙 영역은 중앙 영역으로부터 계속되어 반경방향으로 연장된 네 개의 로브 형태의 홈(groove; 24) 또는 채널들을 구비한다. 홈들은 지점(62) 까지 스크류 헤드의 저부를 향하여 깊어지면서 연장되는데, 그 지점(62)은 각각 도 2a 및 도 8a 에 도시되어 있는 바와 같이 두 실시예들의 형태에 있어서 유효 요홈 깊이(56 및 156)와 테이퍼진 원추부(26)를 한정하고, 요홈 저부에 있는 중앙 지점(28)에서 만난다. 구체적으로, 각 채널은 내측 로브(inner lobe; 44)들, 외측 로브(outer lobe; 48)들, 및 요홈의 저부에 의해 한정된다. 제1 벽은 반경방향의 단부 지점(radial end point)들까지 곡선을 이루는데, 그 단부 지점은 두 원호들 사이에 놓여 있고, 단부 지점들은 중앙 지점에 대해 상대적으로 서로로부터 90도로 이격되어 있다. 각 채널의 수직인 내측 로브(44)에 의해 한정되는 제1 벽은, 수직의 내측 로브가 단부지점까지 연장된 것과 같이 매끄럽게 곡선을 이룬다. 유사하게, 수직의 외측 로브(48)들은 각 채널의 제2 벽을 한정하며 매끄럽게 곡선을 이루고 또한 연장되어서 제1 벽의 단부지점과 만나고 연접된다. 기본적 구성의 원들에 공칭 치수(nominal dimension)가 적용되는 때에는, 제1 벽 및 제2 벽의 반경(22)이 동일하다. 헤드의 상부 표면은 편평하거나 원형인 것이 바람직하고, 채널들 각각의 저부 표면은 테이퍼지고 채널의 공통 단부지점(28)에서 만나는 것이 바람직하다.

곧은 벽 구성형태를 갖는 로브 형태의 요홈 드라이브는 경도 저항성(temper resistance), 드라이버 비트의 축방향 자동 삽입, 및 전체 및 절반 슬롯 특징부(full and half slot features)의 조합에 대한 적합성과 변환성의 선택성을 가질 수 있다는 것이 이해될 것인데, 이것은 고객의 요구와 공구, 몰드, 및 게이지의 제 조를 제한하지 않고 설계자에게 선택구너을 부여한다는 경쟁력있는 장점을 제공한다.

도 1a 및 도 1b 를 참조하면, 스크류 요홈의 기본적인 기하형태에 있어서 곧은 벽의 구성형태를 가진 로브 형태의 요홈 드라이브는 9개의 동일한 원들(c1-c9)로 이루어지는데, 3개의 원들은 3열을 이루어 가로 및 세로로 배치된다. 내측 원(42)의 중앙 지점은 각각 반경(r1 , r2, r3, r4)을 갖는 내측 로브(44)들을 형성하고, 외측 원(46)의 중앙 지점은 반경(R1 , R2, R3, R4)을 갖는 외측 로브(48)들을 형성하며, 지점들(P1 , P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8)은 연결된다. 내측 로브(44)들은 아래에서 설명되는 방식의 구조를 갖는다; r1 은 P1 과 P2 를 연결하고, r2 는 P3 와 P4 를 연결하고, r3 는 P5 와 P6 를 연결하고, r4 는 P7 와 P8 을 연결한다.

이 실시예에서, 외측 로브(48)들은 아래에 설명되는 방식의 구조를 갖는다. R1 은 P8 과 P1 을 연결하고, R2 는 P2 와 P3 를 연결하고, R3 는 P4 와 P5 를 연결하고, R4 는 P6 와 P7 을 연결한다. 원(50)은 요홈의 대 직경(major diameter)을 이루고, 원(50)은 또한 내접된 원의 요홈의 소 직경(minor diameter)을 이루며, 원(42)은 요홈의 소직경을 이룬다. 지점(28)은 요홈 드라이브의 중앙 지점이다. 각 로브 간의 각도는 90도를 이룬다.

도 2a 내지 도 2d 를 참조하면, 도 2a 에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 체결구(10)는 헤드(12), 예를 들어 0.4mm - 2.0mm 범위의 대 직경(52)과 예를 들어 0.28mm - 0.80mm 범위의 요홈 깊이(56)를 가지며 통상적인 나사산이 형성되고 헤드(12)의 저부 측에 직각으로 연결된 생크(60)(도면에는 그 일부만이 도시됨)를 포함한다(상기 범위는 더 확장될 수 있음). 도 2a 에는 스크류의 나사산들 또는 나사산들의 대 직경에 의해 한정되는 크기(52)를 갖는 스크류 또는 체결구가 도시되어 있는데, 그것의 요홈 깊이(56)는 헤드 높이(54)에 비하여, 스크류의 생크 크기(58)에 비하여 더 깊다. 파손 토크를 최대로 하기 위하여, 헤드 대 생크 비율은 1:1 보다 큰 비율로 유지된다. 기재된 바와 같이, 헤드 대 생크의 재료 비율은, 도 2a 및 도 8a 를 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 체결구의 요홈 측벽으로부터 헤드의 측벽까지의 비율로서 정의되는데, 이것은 파손 토크(breaking torque)를 최대화시키기 위한 것이다. 체결구는 중앙축(central axis; 11)을 갖는다. 도 2a 에 도시된 실시예에서, 원형이고 실질적으로 편평한 헤드(12)는 헤드(12)의 상부 표면(17) 안으로 밀링(milling)되고 중앙 지점을 갖는 네 개의 요홈 채널들을 구비한다. 스크류 헤드의 원형 형상은 헤드의 반경을 한정한다. 요홈은 저부를 구비하며, 헤드의 상부 표면에 배치된 복수의 채널들에 의하여 형성된다. 이 실시예에서는, 도 2b 에 도시된 바와 같이 요홈을 형성하는 상기 헤드의 상기 상부 표면에 대칭적으로 배치된 네 개의 채널들이 있다. 내측 로브 및 외측 로브는 저부 측의 지점(62)과 연결되는 수직의 곧은 벽(22)을 구비하는데, 이것은 유효 요홈 깊이를 형성한다. 외측 로브의 최극단으로부터 다른 외측 로브의 최극단까지 A-A 선을 따라 취한 단면이 도 2c 에 도시되어 있고, 내측 로브의 최외측 지점으로부터 다른 내측 로브의 최외측 지점까지 B-B 선을 따라 취한 단면이 도 2d 에 도시되어 있다. 테이퍼 지점(68)은, 내측 로브와 외측 로브에 있어서의 저부 지점(62)로부터 단부 지점(28)을 향하여 연접되는 120도의 각도를 갖는다. 단부 지점 또는 중앙 지점(28)은 체결구의 상부 표면(16)에 대하여 가장 깊은 곳이고, 또한 요홈 깊이가 측정되는 계측 지점이기도 하다. 계측 지점은 스크류 헤드(16)의 상부로부터 최저 지점(62) 까지이다. 각 요홈 채널의 내측 및 외측의 수직 벽(22)들은 도 8e 의 삼차원 이미지로서 도시된바와 같이 곡선을 이루어서, 대응되는 드라이버 공구로부터의 토크가 스크류의 설치 및 제거 양 방향에서 전달 및 적용된다. 상부 표면은, 예를 들어 둥근 형태, 오목한 형태, 볼록한 형태, 및/또는 사각 형태나 육각 형태 등과 같이, 편평하거나 원형이 아닌 다른 구성형태를 가질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

일 실시예에서, 각 채널은 내측 벽, 외측 벽, 및 저부의 뾰족한 단부를 포함하고, 그 채널들은 헤드의 중앙 지점으로부터 반경방향 외향으로 곡선을 이룬다. 내측 벽 및 외측 벽은 저부 지점에 대하여 실질적으로 '곧은 벽'의 구성형태와 '테이퍼진 벽'의 구성형태를 갖는다. 저부 지점에서 내측 벽과 외측 벽은 일정한 곡률 반경을 갖는데, 이것은 공칭(nominal) 재료의 조건에서 동등할 수 있다. 다시 말하면, 내측 벽의 표면은 특정의 곡률 반경으로 내향으로 매끄럽게 곡선을 이루면서 단부지점으로 연장될 수 있다. 그 곡률 반경은 공칭의 재료 조건에서 동일한 내측 로브 및 외측 로브의 반경이다. 외측 벽의 표면은 동일한 곡률 반경으로 외향으로 매끄러움 곡선을 이루며, 그 곡선은 연장 및 수렴하여서 단부지점에서 외측 로브의 표면과 만난다. 스크류 헤드 드라이브 요홈은 요홈이 형성된 원형의 곧은 벽과 중앙 단부지점에 배치된 테이퍼진 벽 표면을 구비한다. 원형의 곧고 테이퍼 진 벽 표면은 헤드의 상부 표면에 대하여 가장 깊은 지점에 수직으로 배치되고, 각 채널의 저부 표면은 헤드의 중앙으로부터 각 채널의 단부지점까지 선형적으로 올라간다.

그 헤드는 예를 들어 네 개인, 복수의 로브 형태의 채널들을 구비하는 요홈을 포함하는데, 그 기하형태에는 날카로운 에지와 모서리가 없어서 들러붙음이 방지되며, 또한 높은 공구 수명을 견딜 수 있는 제조 몰드(manufacture moulds)를 구현할 수 있다. 그 채널들은 요홈의 저부에 있는 중앙 지점에서 만난다. 구체적으로, 각 채널은 두 개의 원호들 사이에 놓인 반경방향 단부 지점까지 곡선을 이루고, 단부 지점들은 중앙 지점에 대하여 서로로부터 90도 만큼 이격되어 있다. 각 채널의 내측 로브의 수직 벽은, 단부지점까지 연장됨에 따라서 동등하게 매끄러운 곡선을 이룬다. 유사하게, 각 채널의 외측 로브의 수직 벽도 외향으로 매끄러운 곡선을 이루면서 연장되어 내측 벽의 단부지점과 만나고 연접된다. 기본적 구조의 원들에 공칭 치수가 적용되는 때에는, 내측 로브 및 외측 로브의 벽의 반경이 동일하다.

헤드의 상부 표면은 편평하거나 원형인 것이 바람직하고, 헤드의 저부 표면은 편평하거나 테이퍼진 것이 바람직하다. 곧고 테이퍼진 벽을 구비한 로브 형태의 요홈 드라이브, 및 상보적인 드라이버 헤드를 구비한 드라이버 공구는 작동을 위하여 접촉된다. 나사산이 형성된 생크는 헤드로부터 연장되되 그와 일체적으로 그리고 직각으로 연결된다. 헤드는 그 상부 표면에서 곧고 테이퍼진 수직 벽을 구비한 복수, 즉 네 개의 원형 요홈 채널들을 포함하는데, 이것은 요홈의 저부에서 만나고 공통의 중앙 지점을 향해 반경방향으로 곡선을 이룬다.

일 실시예에서, 각 원형의 요홈 채널은 두 개의 원호들 사이에 놓여 있는 반경방향 단부 지점을 향해 곡선을 이루고, 각 요홈 채널은 서로로부터 90도로 이격되어 있는데, 이것은 네 개의 축을 이루는 네 개의 원형 로브들을 제공한다. 각 채널의 수직의 외측 벽은 단부지점으로 연장될 때에 외향으로 매끄러운 곡선을 이룬다. 내측 벽도 그와 동일하며, 내측 로브와 외측 로브의 벽을 위한 반경은, 공칭의 재료 조건에서 동일하고, 기본 원 직경의 최소값 및 최대값에 기초하여 달라질 것이다.

스크류 헤드의 상부에 형성된 곧은 벽의 실시예를 구비한 로브 형태의 요홈 드라이브는, 중앙 영역으로부터 계속되어 반경방향으로 연장되고 그에 따라 그것을 둘러싸는 네 개의 로브 형태의 홈들을 구비한다. 채널들은 요홈의 저부에 있는 중앙 지점에서 만난다. 구체적으로, 각 채널은 두 개의 원호들 사이에 놓인 반경방향 단부 지점을 향해 곡선을 이루고, 그 단부 지점들은 중앙 지점에 대해 서로로부터 90도로 이격된다. 각 채널의 수직인 내측 로브들은, 내측 로브들이 단부지점으로 연장됨에 따라서, 동등하게 매끄러운 곡선을 이룬다. 유사하게, 수직인 외측 로브가 내측 로브의 단부지점과 만나서 연접하도록 연장됨에 따라서, 각 채널의 수직인 외측 로브 벽도 내향으로 매끄러운 곡선을 이룬다. 기본 구조 원들에 공칭 치수가 적용되는 때에, 외측 로브와 내측 로브 벽들의 반경은 동일하다. 앞서 설명된 바와 같이, 헤드의 상부 표면은 편평하거나 원형인 것이 바람직하고, 채널들 각각의 저부 표면은 테이퍼지고 채널의 공통 단부지점에서 만나는 것이 바람직하 다. 다만, 상부 표면이 다른 형상일 수도 있다는 것이 이해되어야 할 것이다. 이것은 고객의 요구사항 그리고/또는 DIN, JCIS, ANSI, ISO 등에 따른 표준 헤드 형상에 기초하게 될 것이다.

도 3a 내지 도 3f 를 참조하면, 도 3a 에 도시된 바와 같이 드라이버 공구(80)는 핸들(82), 생크(84), 및 상보적인 드라이빙 접촉부(complementary driving contact; 86)를 구비한다. 도 3b 에는 드라이버 비트를 위한 편평한 단부 표면인 드라이버 공구의 지점(90)을 보다 상세히 보여주기 위하여 드라이빙 접촉부(86)가 도시되어 있다. 도 3c 는 선 B-B 를 따라 취한 것으로서, 도 3a 에 도시된 드라이빙 접촉부의 단면도이다. 도 3e 내지 도 3f 는 도 3d 의 선 A-A 및 B-B 을 따라 취한 단면도이다. 토크를 생성시키는 드라이버 공구는, 체결구(10)의 헤드에 있는 복수, 예를 들어 네 개의 홈으로 형성된 채널들에 의하여 형성된 요홈에 대해 크기와 형상 면에서 실질적으로 상보적인 단면 형태를 갖는 생크를 구비한다. 생크가 요홈 내로 삽입되는 때에, 생크는 요홈과 실질적으로 짝맞는 맞물림으로 정렬된다. 드라이버의 제조를 위한 임의의 갯수의 재료가 적합한 재료로서 선택될 수 있는 것이 이해될 것인데, 예를 들어, 카바이드(carbide), 공구 스틸, 및 본 요구사항과 적용예 등에 따른 다른 재료와 같은 것이 있다.

도 4a 는 도 2 의 스크류의 맞물린 드라이브(10) 및 도 3a 의 맞물린 드라이버 비트의 단면도인데, 여기에서도 제로의 드라이브 각도를 가진 곧은 벽의 구성형태를 구비한 로브 형태의 요홈 드라이브가 도시되어 있다. 이 구성형태는 드라이브는 물론 드라이버에서의 반경방향의 응력을 저감시킬 뿐만 아니라, 조립을 위한 토크의 높은 전달도를 낳는다. 도 4b 에는 도 4a 의 A-A 을 따라 취해진 드라이버 공구의 단면도가 도시되어 있고 또한 드라이브 비트와 요홈의 맞물림이 도시되어 있는데, 여기에서는 제로(zero)의 드라이브 및 드라이버 각도 접촉부(88)가 0 도로 도시되어 있다.

도 5a 내지 도 5f 를 참조하면, 도 5a 내지 도 5b 에는 도 5c 내지 도 5f 에 도시된 중실의(solid) 펀치 구성형태(100)를 갖는 요홈 펀치가 도시되어 있고, 도 5d 및 도 5e 에는 펀치 핀(100)과 펀치 홀더(112)가 도시되어 있으며, 도 5c 는 펀치 홀더의 평면도이다. 도 5f 에는 두 조각의 펀치(100)의 완전히 조립된 펀치 핀 및 홀더가 도시되어 있다. 펀치 핀, 펀치 홀더, 및 펀치의 제조를 위하여 임의의 갯수의 재료가 적합한 재료로 선택될 수 있다는 것이 이해될 것인데, 예를 들어 M42와 같은 고속 스틸(high speed steel), 다른 공구 스틸, 요구사항 및 적용예 등에 따른 다른 재료가 있다. 유사하게, 펀치 핀은 홀더와 동일한 재료 또는 그와 다른 적합한 재료로 제작될 수 있는데, 예를 들어 카바이드, M42와 같은 고속 스틸, 등으로 제작될 수 있다.

도 6a 내지 도 6d 에는, 로브 형태의 요홈드라이브가 요구되는 허용공차 및 요구조건에 따라 제조되었는지를 확인하는 것을 가능하도록, 요홈 드라이브를 체크(check)하기 위한 양호 및 불량 게이지(GO and NO GO gauge)가 도시되어 있다. 불량(120) 요소들은 도 6a 에 도시된 생크(126) 상의 두 개의 방사상 홈들(122, 124)로서 식별된다. 도 6c 의 양호 게이지는 생크 식별부 상의 하나의 방사상 홈에 의하여 식별된다. 도 6b 및 도 6d 는 양호 게이지 및 불량 게이지 둘 다의 평 면도이다.

도 7a 내지 도 7c 를 참조하면, 테이퍼진 벽을 구비한 로브 형태의 요홈 드라이브의 실시예가 도시되어 있고, 테이퍼진 벽을 구비한 로브 형태의 요홈 드라이브의 원주상의 구성형태 및 기하형태가 묘사되어 있다. 앞선 실시예와 관련하여 기술된 것과 유사한 사항들에 관하여는, 유사한 참조 번호들이 이용된다. 도 7a 내지 도 7c 에서, 도 7a 에는 테이퍼진 요홈 드라이브의 상부 표면의 구성형태가 도시되어 있고, 도 7b 에는 하측으로부터 본 도면이 도시되어 있으며, 도 7c 에는 본 발명의 실시예에 따른 테이퍼진 요홈 드라이브 및 스크류 헤드의 평면도 및 저면도가 조합된 것이 도시되어 있다. 요홈 드라이브를 위한 요홈 채널들은 저부를 향하여 깊어져 감에 따라서 테이퍼(132)진다.

스크류 헤드의 상부에 형성된 테이퍼진 벽을 구비한 로브 형태의 요홈 드라이브는 네 개의 로브 형태의 홈들을 구비한 중앙 영역을 포함하는데, 그 네 개의 로브 형태의 홈들은 상기 중앙 영역으로부터 계속되어 중앙 영역으로부터 반경방향으로 연장되어서 중앙 영역을 둘러싸는바, 각 홈은 중앙 영역으로부터 먼 반경방향으로 배치된 원추형의 저부를 향해서 각 홈의 폭이 감소되도록 테이퍼진다. 각 홈은 서로 대면하여 대향되고 토크를 전달하는 측벽들과 원추형의 저부에 의하여 한정되는데, 그 원추형의 저부는 측벽들의 외측 에지들을 서로에 대해 연결시킨다. 이와 같은 구성형태는, 매우 낮은 헤드 높이를 가진 스크류에 깊은 요홈이 형성되는 것을 가능하게 하면서도, 미끄러저 나감(cam-out) 없이 체결부의 조립을 위한 높은 토크를 전달하는 것을 가능하게 한다.

도 8a 내지 도 8e 에 있어서, 도 8a 에는 테이퍼진 벽을 구비한 로브 형태의 요홈 드라이브의 실시예에 관한 것으로서 그 요홈 드라이브의 단면이 도시되어 있는데, 여기에서 측벽(132)은 상부 표면(16)에 대하여 대략 20도로 테이퍼져 있다. 이 구성형태에서는, 도 2a 와 비교하면, 도 8a 에는 스크류 크기(152)의 생크 크기(158)에 비하여, 얇은 헤드 높이(154)에 비하여 더 깊은, 깊은 요홈 깊이(156)가 도시되어 있다. 이 구성형태에서 헤드 대 생크 비율은 상이하며 또한 개선된다. 도 8b 에는 평면도가 도시되어 있다. 외측 로브의 채널(48)은 상부 표면(16)으로부터 20도로 테이퍼지고, 저부에서 외측 로브(15)들과 연접되는데, 이는 도 8c 에 도시된 바와 같다. 내측 로브 채널(44)들은 상부 표면(16)으로부터 5도로 테이퍼지고 요홈의 저부에서 내측 로브(17)들과 연접되며, 도 8d 에 도시된 바와 같이 단부 지점(28)을 향하여 원추형으로 더 테이퍼진다. 외측 로브와 내측 로브의 채널들이 20도와 5도로 테이퍼지도록 하는 것의 목적은, 스크류의 헤드 및 생크 부위에서 재료의 체적을 최대화시켜서 높은 파손 토크를 가지도록 하고, 기하형태에서 균일하게 오프셋(offset)되고 매끄럽게 테이퍼진 채널들을 가지도록 하며, 또한 공구, 게이지, 및 드라이브 비트 제조의 용이성을 도모하기 위한 것이다. 도 8e 에는 본 발명의 일 실시예에 따른 요홈 채널 곡선들 각각의 내측 벽과 외측 벽의 삼차원 도면이 도시되어 있다.

도 9a 내지 도 9b 는 도 8a 의 스크류(10)의 단면도인데, 여기에서 요홈은 드라이버 비트와 맞물린 테이퍼진 벽(132)들을 구비하고, 요홈의 깊이는 스크류(10)의 생크까지 최대 한계로 들어가며, 얇은 헤드 높이를 구비한 스크류에 적용 되도록 요홈 드라이브를 국한시키지 않고, 높은 파손 토크를 유지시킨다.

도 10a 내지 도 10h 에는 핸들(82) 및 생크(84)를 구비한 드라이버 공구(80)와, 드라이버 공구(80)의 상보적인 드라이브 접촉부(86)가 도시되어 있다. 지점(90)은 도 8a 의 스크류 드라이브 헤드와의 맞물림 및 맞물림해제를 위해 토크를 전달하기 위한 것으로서 요홈 상에의 맞물림을 위한 테이퍼진 단부 표면을 갖는다. 도 10e 에는 드라이버 공구의 드라이브 접촉 표면의 저면도가 도시되어 있다. 도 10d 는 도 10a 의 B-B 선을 따라 취한 생크의 단면도이다. 도 10f 및 도 10h 는 각각 도 10e 에서의 선 A-A 및 B-B 을 따라 취한 생크의 단면도이다.

도 11a 및 도 11b 에는 테이퍼진 표면을 갖는 중실의(solid) 요홈 펀치(200)가 도시되어 있다.

도 12a 및 도 12b 에는 드라이버 비트의 맞물림과 토크의 전달에 중요한 테이퍼 지점을 구비한 로브 형태의 요홈 드라이브의 관통 깊이를 측정하기 위한 요홈 게이지(250)가 도시되어 있다.

기재된 스크류의 요홈 드라이브 및 관련된 공구는 제조가 용이하고 저렴할 뿐만 아니라, 부품 설계자가 제품과 수리의 능력을 최적화할 수 있도록 하는 폭넓은 드라이브 시스템의 선택을 제공한다. 또한 여기에 기술된 실시예들은 보다 신뢰성있는 조립체로 귀결되고 조립의 시간을 저감시킨다. 이것은 예를 들어 네 개인 복수의 로브들을 구비하고, 또한 드라이버 비트와 요홈의 유효 맞물림을 위한 제로 드라이브 각도(zero drive angle)를 갖는 로브 형태의 요홈 드라이브들을 갖는 드라이브 시스템을 포함하는데, 이것은 조립 중에 요홈과 드라이버의 벗겨 짐(stripping)을 방지한다. 이와 같은 구성형태에 따르면, 드라이브 공구가 스크류와의 맞물림으로부터 미끌어져 나옴이 저감된다. 또한, 요홈 깊이와 헤드 높이를 갖는 체결구에 의하여 높은 헤드 파손 토크가 얻어진다.

위에서는 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 설명되었지만, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 구체적인 설계와 구조에 있어서 많은 변형과 변화가 가능하다는 것을 이해할 것이다.

Claims (20)

1. 상부 표면과 축을 갖는 헤드(head); 및 헤드의 축과 중앙에서 정렬된 로브 형태의 요홈(lobular recess)에 의해 한정되는 드라이브(drive);를 포함하는 체결구(fastener)로서, 요홈은, 헤드의 상부 표면 상에 배치되고 반경방향으로 정렬되며 헤드의 축에 대해 대칭적으로 배치된 복수의 요홈 채널(recess channel)들에 의하여 형성되고, 각 채널은 제1 벽, 제2 벽, 저부 표면, 및 요홈 측벽을 포함하며, 제1 벽 및 제2 벽은 서로 대향되고 일정한 곡률 반경을 갖는 부분들을 구비하고, 요홈 측벽은, 수직으로 배치되어 헤드의 상부 표면으로부터 요홈의 가장 깊은 지점까지 연장되어서 요홈의 저부 표면과 만나는 표면을 구비하며, 저부 표면(bottom surface)의 다른 단부는 제1벽, 제2 벽, 및 측벽과 맞닿아서 채널의 벽을 연속적이로 매끄럽게 형성하는, 체결구.
2. 제 1 항에 있어서,

   복수의 채널들 각 채널의 제1 벽은 인접한 채널의 제2 벽과 함께 연속적으로 그리고 매끄럽게 벽을 형성하는, 체결구.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   요홈 측벽의 표면은 드라이브 헤드의 상부 표면과 실질적으로 직각인, 체결구.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   요홈 측벽의 표면은 드라이브 헤드의 상부 표면에 대해 테이퍼(taper)져 있는, 체결구.
5. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

   헤드는 헤드의 반경을 한정하는 실질적으로 원형인 형상으로 구성된, 체결구.
6. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

   헤드의 상부 표면은 실질적으로 편평한, 체결구.
7. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

   복수의 채널 요홈들은 네 개의 채널 요홈들을 포함하는, 체결구.
8. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

   파손 토크(breaking torque)를 최대화시키도록 구성된, 요홈 측벽으로부터 체결구의 헤드의 측벽까지의 헤드 대 생크 재료 비율(head to shank material ratio)을 갖는, 체결구.
9. 제 8 항에 있어서,

   헤드 대 생크 재료 비율은 적어도 1:1 인, 체결구.
10. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

    요홈은 요홈 깊이를 가지며, 체결구는 헤드 높이를 가지고, 헤드 높이는 요홈 깊이보다 작은, 체결구.
11. 제 10 항에 있어서,

    헤드 높이는 0.1 mm 와 요홈 깊이의 범위 내에 있는, 체결구.
12. 제 10 항에 있어서,

    헤드 높이는 0.2mm 의 범위 내에 있고, 요홈 깊이는 0.28mm 인, 체결구.
13. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

    체결구는 0.4mm 내지 2.0mm 범위의 대 직경을 포함하고, 개별의 요홈 깊이는 0.28mm 내지 0.80 mm 의 범위인, 체결구.
14. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

    제1 벽 및 제2 벽은 내측 로브들이고, 요홈 측벽은 외측 로브인, 체결구.
15. 제 14 항에 있어서,

    제1 및 제2 내측 로브 벽들 각각의 반경은 외측 로브 요홈 측벽의 반경과 동일한, 체결구.
16. 제 1 항 내지 제 15 항 중의 어느 한 항에 따른 체결구를 작동하기 위한 토크-생성용 드라이버 공구(torque-producing driver tool)로서, 그 공구는 핸들; 및 제1 단부와 제2 단부를 갖는 생크(shank)를 포함하고, 생크의 제1 단부는 핸들에 연결되며, 생크의 제2 단부는, 체결구의 요홈 드라이브와 짝맞춤가능한 맞물림을 위하여 체결구의 헤드의 드라이브의 요홈에 대해 실질적으로 상보적인 크기 및 형상을 갖는 단면 형태(cross sectional signature)를 갖는, 드라이버 공구.
17. 제 16 항에 있어서,

    드라이버 공구는, 체결구의 요홈 드라이브와 맞물린 때에 0 도의 드라이브 각도를 갖도록 구성된, 드라이버 공구.
18. 제 1 항 내지 제 15 항 중의 어느 한 항에 따른 체결구의 제조를 위한 요홈 펀치(recess punch)로서, 요홈 펀치는: 펀치 홀더(punch holder); 및 제1 단부와 제2 단부를 갖는 펀치 핀(punch pin)을 포함하고, 펀치 핀의 제1 단부는, 체결구의 요홈 드라이브의 제조를 위하여 체결구의 헤드 내로 요홈을 펀칭(punching)하기 위한, 체결구의 헤드의 드라이브의 요홈에 대해 실질적으로 상보적인 크기 및 형상을 갖는 단면 형태(cross sectional signature)를 가지는, 요홈 펀치.
19. 제 18 항에 있어서,

    펀치 핀의 제2 단부는 펀치 홀더와 일체인, 요홈 펀치.
20. 제 18 항에 있어서,

    펀치 홀더는 펀치 핀을 수용하기 위한 수용 구멍(receiving aperture)를 가지고, 펀치 핀은 수용 구멍을 통하여 펀치 홀더와 미끄럼가능하게 맞물리는, 요홈 펀치.

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