(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-09-24
(45)【発行日】2024-10-02
(54)【発明の名称】ナット
(51)【国際特許分類】
F16B 37/04 20060101AFI20240925BHJP
B21D 39/00 20060101ALI20240925BHJP
【FI】
F16B37/04 C
B21D39/00 D
(21)【出願番号】P 2020190349
(22)【出願日】2020-11-16
【審査請求日】2023-04-06
(73)【特許権者】
【識別番号】390025243
【氏名又は名称】ポップリベット・ファスナー株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】503404486
【氏名又は名称】森 謙一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100067013
【氏名又は名称】大塚 文昭
(74)【代理人】
【識別番号】100086771
【氏名又は名称】西島 孝喜
(74)【代理人】
【氏名又は名称】上杉 浩
(74)【代理人】
【識別番号】100120525
【氏名又は名称】近藤 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100139712
【氏名又は名称】那須 威夫
(74)【代理人】
【識別番号】100141553
【氏名又は名称】鈴木 信彦
(72)【発明者】
【氏名】森 謙一郎
(72)【発明者】
【氏名】加藤 俊一
(72)【発明者】
【氏名】内藤 暢治
【審査官】大山 広人
(56)【参考文献】
【文献】特公昭39-018245(JP,B1)
【文献】特開平11-047852(JP,A)
【文献】特開2008-110349(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2011/0067478(US,A1)
【文献】米国特許出願公開第2013/0034404(US,A1)
【文献】特開2015-157314(JP,A)
【文献】特開2008-290088(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F16B 37/04
B21D 39/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ナット自体により母材を穿孔する円筒形状のナットであって、
前記円筒形状の内面に形成されたねじ部と、
前記円筒形状の外側面に形成された所定の曲率を有する両端部と、
前記両端部の間のストレート部とを備え、
前記両端部は前記ストレート部に向かって徐々に外径が大きくなり、前記ストレート部は外径が一定であり、
前記ナットの高さは前記母材の厚さと同じである、
ナット。
【請求項2】
前記両端部の各々が有する前記所定の曲率は、同一である、請求項1に記載のナット。
【請求項3】
ナット自体により母材を穿孔する際に、前記所定の曲率を有している前記両端部は、前記ストレート部の外径よりも小さい孔を前記母材に開けるように機能する、請求項1又は2に記載のナット。
【請求項4】
パンチを用いて円筒形状のナットにより母材を穿孔する方法であって、
前記ナットは、
前記円筒形状の内面に形成されたねじ部と、
前記円筒形状の外側面に形成された所定の曲率を有する両端部と、
前記両端部の間のストレート部とを備え、
前記両端部は前記ストレート部に向かって徐々に外径が大きくなり、前記ストレート部は外径が一定であり、
前記ナットの前記両端部の一方を前記パンチにより母材に押し込み、前記母材に前記ストレート部より小さな孔を開けて前記ナットを挿入することにより、前記ナットと前記母材とを締結する、
方法。
【請求項5】
前記母材は、前記ナットの外径より大きい径の孔を有するダイスの上に配置されており、
前記ナットの前記ストレート部の外径の大きさと、前記ダイスの前記孔の径の大きさとの差に相当するクリアランスを設けるように、前記ナットは前記母材にセットされており、
締結時に、前記母材のスクラップは、前記ダイスの前記孔を介して押し出される
請求項4に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ナットに関し、特に、ナット自体により母材を穿孔するセルフパンチングナットに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、鋼板などの母材に対してナットを締結する場合、母材に下孔を開けてねじ加工を施すか、同じく下孔を開けてナットを溶接していた。下孔を開けることを伴うねじ加工やナット溶接は生産性が悪く、また溶接時のスパッタ発生によりねじ部の損傷が起こるといった問題点がある。また、ナットを溶接すると母材より凸となり、他の部品の組立時に障害となることがある。
この点、特許文献1のように、母材に形成された孔に押し込んで固定し、ボルト等のねじ部材をねじ止めするのに使用する圧入ナットが知られている。しかしながら、このような圧入ナットも母材より凸となる構成に基づいており、他の部品の組立時に障害となることがあり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従って、本発明の目的は、ナットを母材に締結する際にナットの損傷を防ぎ、生産性を向上させることである。また、締結後のナットが他の部品の組立時に障害とならないようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
この目的を達成するため、本発明の1つの態様は、
ナット自体により母材を穿孔する円筒形状のナットであって、
前記円筒形状の内面に形成されたねじ部と、
前記円筒形状の両端にあり、外径が所定の曲率を有している2つの端部と、
前記2つの端部の間に位置し、前記2つの端部の外径より大きな一定の外径を有するストレート部とを備え、
前記ナットの高さは前記母材の厚さと同じである、
ナットである。
【0006】
前記ナットにおいて、好ましくは、前記2つの端部の各々が有する前記所定の曲率は、同一である。
【0007】
前記ナットにおいて、好ましくは、ナット自体により母材を穿孔する際に、前記所定の曲率を有している前記2つの端部は、前記ストレート部の外径よりも小さい孔を前記母材に開けるように機能する。
【0008】
本発明の別の態様は、
パンチを用いて円筒形状のナットにより母材を穿孔する方法であって、
前記ナットは、
前記円筒形状の内面に形成されたねじ部と、
前記円筒形状の両端にあり、外径が所定の曲率を有している2つの端部と、
前記2つの端部の間に位置し、前記2つの端部の外径より大きな一定の外径を有するストレート部とを備え、
前記ナットの前記2つの端部の一方を前記パンチにより母材に押し込み、前記母材に前記ストレート部より小さな孔を開けて前記ナットを挿入することにより、前記ナットと前記母材とを締結する、
方法である。
【0009】
前記方法において、好ましくは、前記母材は、前記ナットの外径より大きい径の孔を有するダイスの上に配置されており、
前記ナットの前記ストレート部の外径の大きさと、前記ダイスの前記孔の径の大きさとの差に相当するクリアランスを設けるように、前記ナットは前記母材にセットされており、
締結時に、前記母材のスクラップは、前記ダイスの前記孔を介して押し出される。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、母材に締結する際に下孔加工が不要なナットを提供することができる。また、本発明によれば、ナットを母材に締結する際の溶接が不要となり、ナットのねじ部の損傷を低減することができる。また、本発明によれば、ナットを母材に締結する際に母材の厚みとナットの高さを同一にすることにより、ナットが母材より凸となることを防ぎ、ナットが他部品の組立時に障害となることを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【
図1】本発明の実施形態によるセルフパンチングナットの斜視図である。
【
図2】
図1のセルフパンチングナットの断面図及び上面図である。
【
図3】
図1のセルフパンチングナットを鋼板に利用した様子を示す図である。
【
図4】本発明の実施形態によるセルフパンチングナットを用いた接合メカニズムを示す図である。
【
図5】セルフパンチングナットの鋼板に対するストロークと接合荷重の関係を示している。
【
図6】鋼板の板厚と最大押し戻し荷重(kN)との関係を示している。
【
図7】セルフパンチングナットの鋼板に対するストロークと接合荷重の関係を示している。
【
図8】セルフパンチングナットの丸みRと最大押し戻し荷重(kN)との関係を示している。
【
図9】セルフパンチングナットの丸みRと鋼板の接合面のだれ、しごき面及び破断面の切口面構成比との関係を示している。
【
図10】クリアランスに対するストローク(mm)と押し戻し荷重(kN)の関係を示している。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【0013】
[セルフパンチングナットの構成]
図1は、本発明の実施形態によるセルフパンチングナット100の斜視図である。
図2(a)は、
図1のセルフパンチングナット100のII(a)-II(a)の断面図である。
図2(b)は、セルフパンチングナット100の上面図である。本実施例に係るセルフパンチングナット100は、ナット自体で穿孔することができるものであり、
図3に示すように、例えば、鋼板220の穴抜き接合に用いることができる。
【0014】
セルフパンチングナット100は、外径160及び高さ170で構成される円筒形状であり、内部にねじ部120が形成されている。ねじ部120の径150は、例えば、M6とすることができる。セルフパンチングナット100は、外径が多角形の形状ではなく円筒形状とすることにより、鋼板220に挿入する際のセルフパンチングナット100の側面に対して与えられる力が全方位で均等になり、ねじ部120が鋼板220に挿入しやすくなると共にねじ部120が変形することを防止し得る。セルフパンチングナット100は、円筒形状の両端の角部(外径端部140)に所定の曲率により丸みがつけられている。また、セルフパンチングナット100は、上下の外径端部140の間に位置し、上下の外径端部の外径より大きな一定の外径を有するストレート部を有している。すなわち、上面及び下面の外径端部140は、所定の曲率を有しており、上面及び下面からストレート部にかけて徐々に外径が大きくなるように構成されている。
【0015】
ただ単に外径ストレート形状のナットで母材である厚鋼板を穿孔すると、ナットよりもダイス穴径が大きいためナットよりも大きな穴が開いてナットは鋼板に締結しない。これに対して、本発明では、セルフパンチングナット100の外径端部140に丸みを設けることにより、丸みが設けられた外径端部140の間の側面がストレート形状でも、外径端部140がナットの外径よりも小さな孔を母材に開けてナットを挿入し、ナット自体で穿孔することができ、後述するように、弾性回復によるしごき効果により実用的な強度で締結可能である。
【0016】
上述の通り、本発明に係るセルフパンチングナット100は、ナット自体で穿孔するため、下孔加工が不要である。
【0017】
また、セルフパンチングナット100は、外径端部140の丸みが円筒形状の両端で同一に形成されている。このように構成することにより、セルフパンチングナット100の上下が対称な形状となることから、外径端部140からストレート形状にすることにより方向性を無くし、使用時に上下を考慮せずに厚鋼板にセットすることができ、施工時の利便性を高めることができる。
【0018】
また、セルフパンチングナット100の高さ170は母材である鋼板220の厚さと同じである。鋼板220の厚みとセルフパンチングナット100の高さ170を同一にすると共に溶接を伴わない締結とすることにより、セルフパンチングナット100は母材より凸とならず、セルフパンチングナット100が他部品の締結時の障害となることを防止することができる。
【0019】
[接合メカニズム]
図4は、本発明の実施形態によるセルフパンチングナット100を用いた接合メカニズムを示す図である。
【0020】
図4(a)は、ダイス240の上に鋼板220をセットした後に、セルフパンチングナット100を鋼板220の上にセットした状態から、パンチ270によりセルフパンチングナット100を鋼板220に押し込み始めた様子を示している。この段階では、セルフパンチングナット100の外径端部140の丸み部分が鋼板220に当接することにより、セルフパンチングナット100のストレート部分の外径よりも少し小さな孔が鋼板220に開き始める。なお、ダイス240は、後述するように、鋼板220のスクラップ222を受け入れることができるように、セルフパンチングナット100の外径よりクリアランス210の分だけ大きい内径を有している。
【0021】
図4(b)は、
図4(a)の状態から、セルフパンチングナット100の鋼板220への挿入が更に進んだ様子を示している。この段階では、ダイス240の内径に沿った鋼板220の下面付近からクラック250が発生する。
【0022】
図4(c)は、
図4(b)の状態から、セルフパンチングナット100の鋼板220への挿入が更に進んだ様子を示している。この段階では、
図4(b)で発生したクラック250の位置に沿って鋼板220が穴抜きされ、鋼板220のスクラップ222がダイス240の孔に押し出される。
【0023】
図4(a)に示されるように、セルフパンチングナット100の外径と、下で鋼板220を受けているダイス240の孔の径との差であるクリアランス210を設けることにより、クラック250が
図4(b)に示される位置に生じ、その後、
図4(c)のようにスクラップ222がクラック250に沿って押し出すことを可能にする。すなわち、クリアランス210により、クラック250がセルフパンチングナット100の外径の外側の位置から生じさせてスクラップ222を押し出すように調整することにより、セルフパンチングナット100のねじ部の変形を使用可能な程度まで減少させることができる。
【0024】
図4(d)は、
図4(c)の状態から、セルフパンチングナット100の鋼板220への挿入が更に進み、しまりばめによってセルフパンチングナット100と鋼板220が締結された様子を示している。このとき、セルフパンチングナット100と鋼板220は、弾性回復260によるしごき効果により実用的な強度で締結される。セルフパンチングナット100は、外径端部140の丸みを利用して鋼板220に挿入されることにより、鋼板220の貫通孔の径がセルフパンチングナット100の外径よりもわずかに小さく形成され、弾性回復260によるしごき効果を利用することが可能となり、これにより、セルフパンチングナット100と鋼板220の締結力を実用的な強度レベルに高めることが可能となる。すなわち、セルフパンチングナット100の外径端部140に丸みを設けることにより、鋼板220に下孔を開けておくことなく、丸みが設けられた外径端部140の間の外径がストレート形状でも、外径端部がナットの外径よりも小さな孔を母材に開けてナットを挿入することができ、かつ、セルフパンチングナット100と鋼板220の必要な締結力を実現することができる。
【0025】
[接合に必要なセルフパンチングナットと鋼板の前提条件]
上述の通り、セルフパンチングナット100が、ナット自体で穿孔するために、本発明では、セルフパンチングナット100の外径端部140に丸みを設けている。この点、ナット自体で穿孔し、かつ、ナットとして機能するためには、セルフパンチングナット100の鋼板220への挿入において、セルフパンチングナット100のねじ部が変形しないことが条件となる。
【0026】
セルフパンチングナット100のねじ部120が変形することなくセルフパンチングナット100が鋼板220を打抜ける条件は、以下のとおり示すことができる。
【0027】
【0028】
式(1)の左辺は、セルフパンチングナット100が受ける荷重を示しており、右辺は、せん断荷重を示している。Hnは、セルフパンチングナット100のビッカース硬さ、do及びdiは、それぞれ、セルフパンチングナット100の外径及び内径、Hsは、鋼板220のビッカース硬さ、tは、鋼板220の板厚を示している。
【0029】
式(1)の関係によれば、セルフパンチングナット100の外径doが大きく、また、板厚tが小さい場合にはセルフパンチングナット100のねじ部120が変形することなくセルフパンチングナット100を打抜けることになる。
【0030】
ここで、式(1)のパラメータについて、一例として、セルフパンチングナット100の内径diをM6とし、セルフパンチングナット100のビッカース硬さを530HVとし、鋼板のビッカース硬さを180HVとする条件の下で、セルフパンチングナット100の外径と鋼板の板厚の設定について検討する。
【0031】
上記の条件の下、例えば、鋼板220の板厚が8mmのとき、外径を10mmとすると、上記の式(1)を満たさなくなるが、外径を11mmとすると、上記の式(1)を満たす。したがって、外径の設定として、この例では、鋼板220の板厚が8mmのとき、外径は少なくとも11mm程度は必要であることがわかる。なお、
図5は、外径を11mm及び12mmとしたセルフパンチングナット100のそれぞれを鋼板に挿入したときのストローク(mm)に対する接合荷重(kN)を示したグラフである。
図5に示されるように、外径が11mm及び12mmのいずれの場合も、セルフパンチングナット100が鋼板220を打ち抜く際のストロークが4mm、すなわち、セルフパンチングナット100が鋼板220に対して半分程度まで挿入されたときに接合荷重が最大になる。
【0032】
図6は、上記の条件の下、外径を11mm及び12mmとしたセルフパンチングナット100のそれぞれを鋼板220に挿入したときの鋼板220の板厚に対する最大押し戻し荷重(kN)を示したグラフである。押し戻し荷重は、セルフパンチングナット100を鋼板220に締結した状態で、パンチ270によりセルフパンチングナット100を鋼板220の裏側から押し戻したときにかかる荷重である。
図6に示されるように、鋼板220の厚板が3mmでは、最大押し戻し荷重がJIS規格で定められる3.24kNを下回っている。
図6を参照すると、セルフパンチングナット100の鋼板220への適切な締結力を有するためには、厚板が4mm程度は少なくとも必要であることが理解される。したがって、本発明では、上述の通り、セルフパンチングナット100の高さと鋼板220の厚みを同じにするため、上記の条件では、セルフパンチングナット100の高さは、少なくとも4mm程度は必要である。
【0033】
なお、他の実施例では、これに限定されるものではないが、セルフパンチングナット100の高さ(鋼板220の厚み)は、5mmから15mm程度を想定することができる。また、セルフパンチングナット100の硬度は、530HVから600HV程度を想定することができる。この点、上記の式(1)の通り、鋼板220の硬度によって、セルフパンチングナット100が変形し、ねじ部が使用不可なものとなる可能性があるため、セルフパンチングナット100の硬度と鋼板220の強度のバランスを図ることが必要である。
【0034】
[丸みRの設定]
図7は、セルフパンチングナット100の外径端部140の丸みRを0.5mm、1.0mm及び1.5mmとしたときの各々について、ストローク(mm)に対する接合荷重(kN)を示している。
【0035】
この例では、上記の条件の下、セルフパンチングナット100の外径を12mmとし、鋼板220の板厚を8mmとした。
図7に示されるように、ストロークが4mm以上、すなわち、鋼板220に孔が開いた状態では、Rの値が大きいときの方が、接合荷重が大きく、セルフパンチングナット100の鋼板220への締結の強度を高めることができる。これは、Rの値が大きさと鋼板220の孔の大きさとは反比例の関係にあり、Rの値が大きいほど、鋼板220に開く孔の大きさが小さくなり、弾性回復によるしごき効果が大きくなるからである。
【0036】
図8は、セルフパンチングナット100の外径端部140の丸みRを0.5mm、1.0mm及び1.5mmとしたときの各々についての最大押し戻し荷重(kN)を示している。
図8からわかるように、R=0.5のようにRの値が小さいときは、最大押し戻し荷重は小さい。R=0.5では、JIS規格で定められる3.24kNを下回っており、この実施例では、R=1.0又はR=1.5であれば実現可能である。なお、Rが更に大きくなり、例えば、R=2.0になると、バリが発生し、締結時にセルフパンチングナット100の高さと鋼板220の厚さとが同一とならなくなるということも生じ得る。この実施例のように、Rの値が1.0又は1.5程度であれば、適正なRとして良好な締結が行える。
【0037】
図9は、セルフパンチングナット100の外径端部140の丸みRを0.5mm、1.0mm及び1.5mmとしたときの各々について、鋼板220の接合面のだれ、しごき面及び破断面の切口面構成比を示している。しごき面は、弾性回復によるしごき効果を奏する領域であり、破断面は、鋼板220に生じたクラックにほぼ沿った領域である。Rの値が大きいほど、しごき面が大きくなっており、弾性回復によるしごき効果を奏する領域が大きく、締結力を向上させることが理解される。
【0038】
図10は、クリアランスを板厚の10%と15%のそれぞれとしたときの各々について、ストローク(mm)に対する押し戻し荷重(kN)を示している。この例では、上記の条件と同様の条件の下、鋼板220の板厚を8mmとした。板厚8mmの10%のクリアランス(C=10%)は、0.8mmであり、ここでは、ダイスの穴径を13.6mm、セルフパンチングナット100の外径を12.0mmとして、(ダイス13.6mm-外径12.0mm)/2=クリアランス0.8mmと設定した。また、板厚8mmの15%のクリアランス(C=15%)は、1.2mmであり、ここでは、ダイスの穴径を13.6mm、セルフパンチングナット100の外径を11.2mmとして、(ダイス13.6mm-外径11.2mm)/2=クリアランス1.2mmと設定した。
押し戻し荷重は、上述したように、この場合も、セルフパンチングナット100を鋼板220に締結した状態で、パンチ270によりセルフパンチングナット100を鋼板220の裏側から押し戻したときにかかる荷重である。
図10に示される通り、板厚に対するクリアランスについて、板厚の10%のクリアランス(C=10%)の方が、板厚の15%のクリアランス(C=15%)より、押し戻し開始時の押し戻し荷重が大きく、締結力が高いことが理解される。これは、クリアランスが大きくなると母材に開けられる穴が大きくなって締結力が減少するためである。したがって、板厚が8mm程度のときは、クリアランスは、板厚の10%程度であると良好な締結が可能となる。
【0039】
以上のように、本発明に係るセルフパンチングナットの実施の一形態及び実施例について説明してきたが、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、これに種々の変更を加え得るものであることは容易に理解される。そして、それらが特許請求の範囲の各請求項に記載した事項、及びそれと均等な事項の範囲内にある限り、当然に本発明の技術的範囲に含まれる。上記の実施例は、所定の寸法を有するセルフパンチングナットを対象とするものであったが、これはあくまでも一例であり、本発明がこの特定の具体例に限定されるものではない。
【符号の説明】
【0040】
100 セルフパンチングナット
120 ねじ部
140 セルフパンチングナットの外径端部
150 ねじ部の径
160 セルフパンチングナットの外径
170 セルフパンチングナットの高さ
200 板押え
220 鋼板
222 スクラップ
240 ダイス
250 クラック
260 弾性回復
270 パンチ