JP4072105B2 - セルフタッピンネジ - Google Patents

Description

本発明は、後部領域（頭部に近い側）においてねじ山の外径が実質的に円柱状であり、前部領域（頭部に遠い側）においてねじ山の外径がネジ先端側に先細るセルフタッピンネジに関する。

この型のセルフタッピンネジは多くの実施例が周知である。例えば、ドイツ実用新案第７１２５２９４号公報には、いわゆる、シートメタルネジが開示されている。そのネジは、
円錐領域がねじ込み先まであり、それによりシートメタルネジはシートメタル板の孔に容易にねじ込み可能である。ネジ頭部近くのねじピッチが小さい部分をのぞき、ネジ軸からネジ先端までのネジ構造は一様である。同様な構造は、ドイツ特許明細書第１９８３１２６９号に記載されている。そのネジはねじ山外径はネジ頭部の後部領域において拡大し、この領域におけるねじ山軸断面は半径に関して非対称である。このねじ山の短い区間の特徴を除くと、ネジの残りの領域のネジの構造は一様である。さらに、ドイツ公開明細書第２８５３９７６号公報には、後部領域においてねじ山は連続する対称な軸断面と円柱状の外径を有し、小さい基軸径と先端を含む前部領域において、ねじ山は実質的に小さい外径と小さいネジピッチを有し、点状の先端にまで延長する。

始のシートメタルネジを除き、他の２つの公報に記載されるネジは、プラシチック材にねじ込まれる形状である。
ドイツ実用新案公報第７１２５２９４号 ドイツ特許公報第１９８３１２６９号 ドイツ公開特許公報第２８５３９７６号

本発明は、シートメタル材へのねじ込みに好適なネジの提供を課題とするものであり、そのネジは、ねじ込み作用により、シートメタル材から押し出される材料が、実質的にねじ込み方向、即ち、ネジ頭部とは反対側のシートメタル材側に集中してサポートを形成する形状を有し、さらに、締め付け後、そのネジは引き抜き力に対して高い抵抗を示す。

課題を解決するため、本発明のねじ山は、前部領域と後部領域の双方において、ねじ山頂で測定されるフランク角の二等分線に関して非対称な軸断面を有する。その軸断面は、半径方向に対して傾斜し、後部領域（第１断面）から前部領域（第２断面）へと変向する。第２断面の領域において、二等分線は、ネジ頭部側に傾斜する。ねじ山軸断面の変向点は、第１断面が実質的に後部領域にあり第２断面が実質的に前部断面にある位置である。

二等分線が傾くため、即ち、斜めであるため、前部領域において、ネジ頭部側に傾斜するねじ山は、ネジがねじ込まれるに従い、より大きな面積のリアフランク（ネジ頭部に遠い側）により、シートメタル材に対し特に高い軸方向圧力を作用し、それ故に、ロードフランク（ネジ頭に近い側）よりも多くのシートメタル材料をねじ込み方向に移動させる。この結果、ネジがねじ込まれる工程において形成されるサポート（シートメタルビード）は実質的にねじ山の前方に押し出され、シートメタル材のネジ頭部の反対側の面上に現れる。それ故、サポート形成可能な材料は、シートメタル材のネジ頭部側の面から排除されることなく、殆どが、反対側の面上に残る。ネジの後部領域において、ねじ山軸断面は前部領域とは反対側に向く、すなわち、後部領域のねじ山の二等分線は、ネジ頭部から遠ざかる側に向く。後部領域のねじ山は、シートメタル材に対しロードフランクにより良く支持される。ロードフランクは、リアフランクに比べると、傾斜が平らであり面積が大きいため、ねじ込まれるネジに高い引き抜き抵抗を与える。ねじ山の軸断面の変向による効果は、前部及び後部領域のいずれにおいても、シートメタル材に関する移動が変向する効果である。その第一は、サポートを所望の形状とすることであり、第二は、ネジに高い引き抜き抵抗を与えることである。

ねじ山は、便宜上、両領域において、その二等分線がネジ基底軸の軸方向コースに対して約８２°傾斜するように形成する。これに対し、正規の対称ねじ山の二等分線とネジ基底軸の軸方向コースの間の角度は９０°である。、

ねじ山軸断面の変向点は、ネジ上の多くの点に、特に後部領域から前部領域へ移行する遷移領域に配置可能である。しかしながら、ねじ山軸断面の変向点は、後部領域から前部領域へ移行する遷移領域の前側にも後側にも配置することができる。

ネジは、便宜上、第１断面が第２断面との関係において鏡像となるように形成する。この場合、ネジがシートメタル材にねじ込まれるとき、第１断面と第２断面の双方が同様な関係にあるネジにより押しのけられる材料については、シートメタル材を前部領域の第２断面により前方へ押し出す作用は、後部領域の第１断面においてシートメタルの引き抜き力に抵抗する力と同じ力によりなされるという結果をもたらす。

ねじ山の軸断面形状を変えることも可能である。例えば、ネジは、ねじ山のロードフランクとリアフランクの双方を直線状にすることも可能である。この形状は、ドイツ公開特許明細書３２３５３５２号により公知である。

別のねじ山軸断面の有利な形状は、後部領域において、ロードフランクを直線状に延長し、リアフランクをねじ山外径から大きなフランク角のベンドを経てネジ基底まで延長し、前部領域において、リアフランクを直線状に延長し、ロードフランクをねじ山外径から大きなフランク角のベンドを経てネジ基底まで延長するものである。この形状の基本は、ドイツ特許明細書 １９９６０２８７ により公知であり、特に有利な結果は、前部領域においてシートメタルから材料をその前方に押し出す力であり、それにより、ネジ頭部に遠い側の面にのみサポートを形成する。ねじ山のベンドと基底の間のより大きなフランク角は、サポート特性として有利に作用し、それによりねじ山に対して高い安定性を与える。

ネジは、実用上、ベンドがねじ山の高さの２０％から５０％、即ち、ねじ山高さの３分の１弱程度となるような形状とする。

ベンドを有するねじ山フランクの有利な形状は、フランク角をねじ山基底とベンドの間の領域においては約７０°とし、ベンドとねじ山先端の間の領域においては約４５°とすることである。

ねじ山は、実用上、ねじ山先端において測定されるフランク角が、両領域共に同じとし、その値は約４５°とする。

ネジに生じる前部及び後部領域の応力差を解消するために、ネジの形状を、ねじ山先端において測定される前部領域のフランク角が、後部領域のものより大きくすることも可能である。この場合、シートメタル材は、ねじ込むネジの前方に特に強く押され、それ故に、サポートはネジ頭部から遠い面上にのみ生じる。この場合、実用上、ねじ山は両領域において１点に向かって延長するように形成される。この場合、前部領域がナット部品にねじを切り易くするために、実用上、ねじ山軸断面は、前部領域の各ねじ山頂上が円周角約９０°の面に沿うように形成する。

本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。
図１は、非対称に延長するねじ山からなるセルタッピンネジを示す図である。
図２ａ及び図２ｂは、後部領域及び前部領域のねじ山コースを示す略図であり、ロードフランク及びリアフランクが直線であるねじ山を基本とする。
図３ａ及び図３ｂは、リアフランク及びロードフランクにベンドがあるねじ山コースを示す略図である。

図１に示すように、非対称に延長するねじ山を備えるセルフタッピンネジ１は、、ネジ頭部２とネジ軸３とを有する。ネジ軸３は、ネジ頭部２に遠い側の前部領域４と、ネジ頭部２に近い側の後部領域５を含み、両領域は符号６で識別される変向点において合体する。後部領域５において、ねじ山は実質的に円柱形の外径に沿い、前部領域４において、ねじ山の外径は減少し、ねじ山は実質的に円錐形に沿うコースとなる。

後部領域５及び前部域４の双方において、ねじ山は軸断面が非対称である。事実、後部領域５において、ねじ山はネジ頭部２から離れる方に傾斜し、他方、前部領域４において、ねじ山はネジ頭部２の方へ傾斜する。このねじ山の傾斜については、図２ａ、図２ｂ、図３ａ、図３ｂに示す実施例に基づいて詳細に説明する。

図１に示すネジの特徴は、後部領域５と前部領域４のねじ山の軸断面が、相互に反対向きになることであり、後部領域５においてねじ山の軸断面はネジ頭部から離れる側へ傾斜するが、前部領域４において、ねじ山の軸断面はネジ頭部側へ傾斜する。この傾斜については、図２ａ、図２ｂ、図３ａ、図３ｂにおいて、それぞれのフランク角に基づいてさらに詳細に説明する。

図１に示すネジ１は、好適な用例として、鋼板又はアルミ板等の比較的薄いメタルシートにねじ込まれる。外径が４ｍｍのネジは、メタルシートがアルミ板の場合、板厚約１ｍｍのものに、鋼板の場合、板厚約０．８ｍｍのものにねじ込まれる。このため、メタルシートには、ネジの前部領域４先端の最小外径が嵌入する孔を設ける必要がある。

ネジ１がねじ込まれるとき、前部領域４の比較的小さな外径が孔に嵌入してねじ切りを開始する。この前部領域４の作用による結果として、ねじ山はシートメタルに雌ねじを切る。この工程において、前部領域４のねじ山のロードフランク（ネジ頭部側）に比べて面積がより大きなリアフランク（ネジ先端側）は、シートメタルの材料をより強く加圧し、それ故、工程中に特に多量のシートメタル材料をリアフランクと共に前方に押し出す。それから、リアフランクは、シートメタルのネジ頭部２とは反対側の裏面上に好ましいサポート（シートメタルビード）を形成する。シートメタルへのねじ切りを容易にするため、変向点６の領域にあるねじ山には複数の平坦部１６が設けられる。

ネジ頭部２には、トルクス等のネジ締め用工具７を押し込み、そのタッピングトルクをネジに伝達することを指摘しておく。

図２ａ及び図２ｂは、図１のネジ軸３のねじ山軸断面の略図であり、特に、ネジの軸心線８の片側を示す。

図２ａは、ねじ山がネジ先端側に向く後部領域５に関するものである。ここで後部領域５のねじ山のフランク角αは４５°である。さらに、１つのねじ山について、図２ａはフランク角αの二等分線９を示す。ここで、その二等分線のねじ山の基底軸１０の軸方向コースに対する傾斜角βは約８２°である。

図２ｂに示すように、図１に示すネジ軸３のねじ山の前部領域４は、原則的には図２ａに示す後部領域５のねじ山断面に相当する。しかし、外径は軸方向に減少する円錐形である。図２ｂの二等分線９の角は、図２ａと同じ角βである。この角はいずれもねじ山の基底軸１０の軸方向コースにより規定される。前部領域４のねじ山基底軸は円錐形である。前部領域４のフランク角αは後部領域５のフランク角αに等しい。特に、薄いシートメタルに適用する場合、前部領域４において、リアフランクの傾斜をより平らにしてフランク角αをより大きくすることができる。これは図３ａ及び図３ｂのねじ山にも適用することができる。

次に、ねじ山の特別な作用を、図２ａ及び図２ｂに基づいて説明する。ネジがシートメタルにねじ込まれるに従い、前部領域４のねじ山のリアフランク１１は、ロードフランク１２よりも、実質的により多くの材料をネジ頭部２の反対側に軸方向に移動させる。ロードフランク１２は、面積がより小さいため、リアフランク１１よりもシートメタルに対する作用は弱い。その結果、リアフランク１１は、自身の前方にロードフランク１２よりもより多くの材料をシートメタルから押し出す。しかしながら、ロードフランク１２は、引き抜く力に対して抵抗しなければならない。引き抜き力は後部領域５が耐えなければならない。そのため、後部領域５において、ロードフランク１２はリアフランク１１よりも面積が大きくなるように設計される。その結果、後部領域がシートメタル材にねじ込まれると、ネジの引き抜き力に対する抵抗は非常に大きくなる。

図３ａ及び図３ｂに示す実施例は、図１、図２ａ、図２ｂに示すねじ山の変形である。図２ａ、図２ｂに示すねじ山のロードフランク１２とリアフランク１１は直線状であるが、
図３ａ、図３ｂに示すねじ山はいずれもフランクにベンド１５が存在する。ベンド１５を有するフランクは、フランク角がねじ山頂１３からの初期は小さく、ベンド１５以後はより大きくなるように、外径（ネジ山頂１３）から基底（ねじ山基底１４）へ延長する。図３ａにおいて、より小さい外フランク角はγとし、より大きな内フランク角はδとする。図に示す実施例は、角γが４５°、角δが７０°である。二等分線９は角γに対するものである。ここで、ベンド１５はねじ山高さの３０％に位置する。

ベンド１５は、より大きなフランク角で基底軸（ねじ山基底線１０）へ延長するため、その反対側のねじ山フランクに負荷が掛かるとき、各ねじ山は特に具合良く支持される。即ち、このねじ山の形状は、特に曲げ又は剪断に対して各ねじ山を保護する。負荷は、ネジがねじ込まれるに従い、前部領域４が負担する。この場合、特にねじ山のリアフランク１１がメタルシートにねじを切り、それ故、自身の前方に材料を押す。後部領域５においては、対照的に、ロードフランク１２は発生する引き抜き力を負担し、その工程において、ネジ頭部から離れる方向に曲がり、それ故、各ねじ山は反対側にあるベンド付きリアフランクにより、都合良く支持される。ベンド１５を備えるねじ山は、それ故、高引き抜き力に対する抵抗性に優れる。

非対称に延長するねじ山からなるセルタッピンネジを示す図である。 後部領域のねじ山の軸方向コースを示す略図であり、ロードフランク及びリアフランクが直線であるねじ山を基本とする。 前部領域のねじ山の軸方向コースを示す略図であり、ロードフランク及びリアフランクが直線であるねじ山を基本とする。 リアフランクにベンドがあるねじ山を示す略図である。 ロードフランクにベンドがあるねじ山を示す略図である。

符号の説明

１：セルフタッピンネジ
２：ネジ頭部
３：ネジ軸部
４：前部領域
５：後部領域
６：変向点
７：ドライバ
８：中心線
９：二等分線
１０：基底軸
１１：リアフランク
１２：ロードフランク
１３：ねじ山頂
１４：基底
１５：ベンド
１６：平坦部

Claims (14)

1. ねじ山は、ネジ頭部に近い側の後部領域（５）において、実質的に円柱状外径を有し、ネジ頭部に遠い側の前部領域（４）において、ネジ先端へ延長すると共に外径が減少するセルフタッピンネジであって、前記ねじ山は、後部領域（５）及び前部領域（４）において、ねじ山頂（１３）で測定されるフランク角（α、γ）の二等分線（９）に関して非対称な軸断面を有し、前記軸断面は、基底軸（１０）の軸方向コースに対して傾斜し、前記二等分線がネジ頭部の反対側へ傾斜する第１断面からネジ頭部側へ傾斜する第２断面へ変向し、前記ねじ山軸断面の変向点は、前記第１断面が前記後部領域（５）にあり、前記第２断面が前記前部領域（４）にあるように位置することを特徴とするセルフタッピンネジ。
2. 前記二等分線（９）は、前記後部（５）及び前部領域（４）において、前記基底軸（１０）の軸方向コースに対して約８２°傾斜することを特徴とする請求項１記載のセルフタッピンネジ。
3. ねじ軸断面の変向点（６）は、後部領域（５）から前部領域（４）へ移行する領域に位置することを特徴とする請求項１又は２記載のセルフタッピンネジ。
4. ねじ軸断面の変向点（６）は、後部領域（５）から前部領域（４）へ移行する領域より前方に位置することを特徴とする請求項１又は２記載のセルフタッピンネジ。
5. ねじ軸断面の変向点（６）は、後部領域（５）から前部領域（４）へ移行する領域より後方に位置することを特徴とする請求項１又は２記載のセルフタッピンネジ。
6. 第２断面は、第１断面の鏡像の形であること特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のセルフタッピンネジ。
7. ねじ山のロードフランク（１２）とリアフランク（１１）は双方とも直線状であること特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のセルフタッピンネジ。
8. 後部領域（５）において、ロードフランク（１２）は直線状に延長し、リアフランク（１１）は外径から基底（１４）まで大きなフランク角（δ）のべンド（１５）を経て延長し、前部領域（４）において、リアフランク（１１）は直線状に延長し、ロードフランク（１２）は外径から基底（１４）まで大きなフランク角（δ）のべンド（１５）を経て延長すること特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のセルフタッピンネジ。
9. ベンド（１５）はねじ山の高さの２０％ないし１５％であることを特徴とする請求項８記載のセルフタッピンねじ
10. ベンド付きねじフランクのフランク角δは基底（１４）とベンド（１５）の間の領域においては約７０°であり、ベンド（１５）とねじ山頂（１３）の間の領域においては約４５°でることを特徴とする請求項８又は９記載のセルフタッピンネジ。
11. ねじ山頂（１３）で測定されたフランク角（α、γ）は、後部及び前部両領域においては、双方とも、約４５°であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載のセルフタッピンネジ。
12. 前部領域（４）において、ねじ山頂（１３）で測定されたフランク角（α、γ）は、後部領域（５）において測定されたものよりも大きいことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載のセルフタッピンネジ。
13. 後部及び前部領域において、ねじ山は一点に先細ることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載のセルフタッピンネジ。
14. 変向点（６）の領域において、各ねじ山頂は円周角が９０°より大きい平坦部（１６）を有することを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１つに記載のセルフタッピンネジ。
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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