JP5243906B2 - ねじ部品におけるねじ山 - Google Patents

Description

本発明は、部品をワークに所定の締結力で締結するねじであって、特に、ワークの下穴あるいは雌ねじにねじ込む際に、ねじ山により下穴や雌ねじを削ることなくワークの塑性変形やねじ山の倣い作用によりねじ込み可能にしたねじ部品におけるねじ山に関する。

近年多く普及している携帯電話、パソコン及び携帯型音楽プレーヤ等の電気製品や自動車部品等においては、その軽量化、薄型化及び小型化等から比較的軽量の材料、例えばアルミニウム合金、マグネシウム合金あるいは樹脂材をワークとして採用し、これに電子配線基板や制御基板等の部品が固定されている。また、この他に冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ版）等鉄系のワークも使用されている。このような部品をワークに固定する構造では、主としてねじが採用されており、このねじのねじ山１１０は、図１１に示すような形状を有している。これは、一般によく普及しているねじ山１１０の先端のフランク角が６０°に形成されたタッピンねじ１０１であり、通常、ワーク１４０にあらかじめ形成されている下穴１４１に雌ねじ１４２を成形しながらねじ込むようになっているねじがある。

また、図１３はもう一つの従来技術で、これは特開平１０−１７６７０９号公報として開示されている。これには、ねじ山２１０を雄ねじの基部側が４５°で、先端側を６０°に設定した雄ねじが示してあり、ナット２４０に螺合されるねじ２０１とナット２４０とが離散しないようにしたものである。そして、このように基部側のねじ山角度が先端側のねじ山角度より小さく成形されているのは、転造前の軸部が細いためにねじ山を所定量高くする必要があるからである。
特開平１０−１７６７０９号公報

しかしながら、これらの従来からの技術において、先に示した技術では、前記タッピンねじは先端が６０°あるいはそれ以下の鋭角に形成されていることから、雌ねじを成形する際にねじ山先端が切り込み作用を生じ、ワークに亀裂を発生させる要因ともなっている。また、この先端には、成形時の応力が集中することから摩擦によるワークの剥離が発生し、ワークの下穴が貫通穴の場合、これが屑となって電子基板上に落下し、電子回路のショートを誘発している。更に、これら屑に加えて、ねじ山と雌ねじとの間でも摩耗粉やねじ山の鍍金剥離粉等も発生し、これらもねじ込み時に発生する成形屑となっている。その上、ワークとの間の摩擦熱によりねじが完全にねじ込まれない状態、即ち、ねじ浮き現象も生じたりしている。しかも、一旦ねじ込まれたねじを緩めて取り外し、再度、前回のねじ込みで雌ねじが形成されている雌ねじ穴にねじ込んだ場合、図１２に示すように、既に形成されている雌ねじ１４２に倣いながらねじ込まれることは難しく、例えば、雌ねじ穴の中心線（Ａ）に対して、θ°だけねじの中心線（Ｂ）が傾斜してねじ込まれると、これが修正されず、タッピンねじのねじ山が雌ねじの側面に食い込み、そのため、雌ねじを削ったりしている。このことは、繰り返し再ねじ込みを行うと、やがては十分な強度を持たない雌ねじとなり、部品の取り付けが不可能になっている。また、もう一つの従来技術の場合でも、ねじ山先端のフランク角が６０°であるため、依然として前記と同様の問題が生じている等の課題がある。

本発明の目的は、このような課題を解消するとともにねじ込みトルクを高くすることなくしかも、再ねじ込み作業においてもねじと雌ねじとの間での成形屑の発生を極力少なくなるようにしたねじ部品のねじ山を得ることである。

本発明の目的は、駆動穴を有する頭部（２）とこれと一体の脚部（３）とから構成され、この脚部にねじ山（１０）が形成されたねじにおいて駆動穴を有する頭部（２）とこれと一体の脚部（３）とから構成され、この脚部にねじ山（１０）が形成されたねじにおいて、リード線に直交する断面において、前記ねじ山は、基部と稜線部（２０）とから成り、前記基部は、第１の追い側フランク面（１２）と第１の進み側フランク面（１３）とから形成され、前記稜線部は、連続するねじ山の頂点が形成する稜線（２１）を境にした第２の追い側フランク面（２２）と第２の進み側フランク面（２３）とから形成され、前記稜線部の幅は、前記基部の幅よりも狭く設定され、前記基部の両フランク面がなす角を第１のフランク角（α）、前記稜線部の両フランク面がなす角を第２のフランク角（β）としたとき、第２のフランク角（β）＞第１のフランク角（α）の関係を満たすととともに、第２のフランク角（β）が１００°〜１２０°に設定されていることを特徴とするねじ部品におけるねじ山を提供することで達成される。

なお、第２のフランク角（β）は１２０°±１０％の角度範囲に設定されていることが好ましい。また、第１のフランク面と第２のフランク面はこれらフランク面で形成される角が円弧で接続されていることが好ましい。

なお、稜線部は円弧で形成されているとともにその両端が第１の追い側ランク面と第１の進み側フランク面とに夫々接続されていることが好ましい。

本発明によれば、ねじのねじ山は基部側のフランク面で形成される第１のフランク角（α）よりねじ山先端側の第２のフランク角（β）が大きい鈍角になっているので、雌ねじを成形する際にねじ山先端が切り込み作用を生じ難いとともにワークの下穴に雌ねじを滑らかに成形することから、ワークに亀裂を発生させることがなくなる。また、この先端には、成形時の応力集中が減少するから、摩擦によるワークの剥離の発生が少なくなり、剥離片等の成形屑が電子基板上に落下し、電子回路のショートを誘発するといったことも減少する。更に、ねじ山と雌ねじとの間でも摩耗粉やねじ山の鍍金剥離粉等も少なくなり、ねじ込み時に発生する成形屑の発生が抑制されるので、従来のように成形屑を吸着する作用を付加する構成が減り、安価なねじの提供が可能になる。また、第２のフランク角（β）は１２０°を中心として最小１００°〜最大１３０°超の範囲に設定されているので、この範囲より小さいあるいは大きい角度のねじ山に比べて粉状以外の具体的には、細い長短帯状の成形屑の発生が最も少ない。その上、一旦ねじ込まれたねじを緩めて取り外し、再度、同じ雌ねじ穴にねじ込んだ場合に、既に形成されている雌ねじに対してねじ山が食い込むことなく正確に雌ねじに倣いながらねじ込まれるので、同じ雌ねじへの繰り返しねじ込みが可能になりその耐久性が向上する。このことは、部品の交換等において十分な部品固定が維持されることになる等の特有の効果が得られる。

以下、本発明について最良の実施の形態を図１乃至図１０に基づき説明する。図１及び図２において、１は頭部２とこれに一体に形成された脚部３とからなる雌ねじ成形機能付きねじの一例としてのタッピン機能を有するタッピンねじであり、頭部２にはねじ１にドライバビット（図示せず）からねじ込み駆動力が伝達される駆動穴４が形成されている。この頭部２と一体の前記脚部３にはねじ山１０が頭部２の座面５の近くから脚部３の先端にかけて形成してあり、この脚部３は図３に示すように、円形形状となっている。しかも、この脚部３の先端部分はねじ山１０が徐々に低くなっており、ねじ山１０の谷部１１はワーク４０の下穴径より細い直径となっていて脚部３の先端のねじ山１０は不完全ねじ部となってワーク４０の下穴４１に嵌る構成になっている。

このねじ山１０は脚部３の全長に渡って図１に示すように、ねじ山１０のリード線に直交する断面において、第１の追い側フランク面１２と第１の進み側フランク面１３とから構成される第１のフランク角（α）が等角となった形状であり、通常、この第１のフランク角（α）はＪＩＳに規定されているタッピンねじのフランク角と同じかそれ以下に設定してあり、この実施例では４５°〜６０°に設定されている。そして、このねじ山１０のねじ山稜線側には前記ねじ山基部側の第１の追い側フランク面１２と第１の進み側フランク面１３とのなす第１のフランク角（α）より大きく且つ鈍角をなす第２のフランク角（β）を有する稜線部２０が形成されている。この稜線部２０は前記第１の追い側フランク面１２と第１の進み側フランク面１３とに夫々接続され、稜線部２０が前記第１の追い側フランク面１２と第１の進み側フランク面１３とに接続する接続部２４の幅（Ｌ）はねじ山高さを（Ｈ）とすると、Ｌ＝Ｈ／２．３５で表される関係を有する構成である。

また、前記稜線部２０はその連続する頂点が形成する稜線２１を境に両側に幅の狭い第２の追い側フランク面２２及び第２の進み側フランク面２３を有し、これら互いのフランク面２２、２３が形成する前記第２のフランク角（β）の角度は９０度以上の鈍角であればよいが、その最適角度としては、１００°〜１２０°に設定すればよい。この設定値は、この第２のフランク角が９０°以下であれば、ねじ山１０の稜線部２０の角がきつくなり、下穴４１に亀裂を発生させる恐れが高く、一方、１２０°より大きい角度であれば、第１のフランク面１２、１３と第２のフランク面２２、２３との接続個所の角がきつくなり、この部分が雌ねじ４２のフランク面に食い込む恐れがあることから最適な値として決定されたものである。しかしながら、これ以上であっても第１のフランク面１２、１３と第２のフランク面２２、２３との接続部２４を円弧で接続することにより、前記食い込み作用は解消されるものであり、このように第１のフランク面１２、１３と第２のフランク面２２、２３との角を円弧形状にすれば、第２のフランク角（β）が１２０°を超えてもよい。しかも、この第１フランク面１２、１３と第２のフランク面２２、２３とを円弧で接続する構成は特にこの角度に限定するものではなく、前記角度である１２０°より小さくてもよい。

更に、前記最適角度を詳細に検討したのでそれを示す。表１は第２のフランク角（β）を９０°、１２０°、１５０°とした三種類のねじをサンプルとして夫々３本宛準備し、これらを夫々ワーク４０の下穴４１に初めてねじ込んだときと初めてねじ込んだときに成形された雌ねじを有する下穴４１に二回、三回とねじ込んだときのねじ山１０との摩擦により発生する夫々の成形屑の量（あるいは数）を２０倍の投影機に写し、これを目視で確認して比較したものである。このときのタッピンねじ１とワーク４０の測定条件を示すと、タッピンねじの呼び寸法は、呼び径がＭ３、脚長が１２ｍｍで、ねじのメッキは三価クロメートである。またワークは、厚み１．２ｍｍの冷間圧延鋼板、下穴径２．８ｍｍで、このタッピンねじを電動ドライバで締め付ける締め付けトルクは０．８Ｎ・ｍである。

このような前記測定条件に基づき、得られたデータを比較すると、第２のフランク角（β）が１２０°の場合は切削屑の発生がいずれの場合でも最も少ないことがわかる。即ち、この測定に使用されたタッピンねじ１のねじ山１０は図４に示す形状であり、前記ねじ山高さ（Ｈ）（図１参照）は三種類とも同じで前記接続部２４の幅（Ｌ）も三種類とも同じに設定してあり、第２のフランク角（β）は９０°、１２０°、１５０°に設定したもので、これから明らかなように、図４（イ）に示すように、幅（Ｌ）の範囲において稜線部２０の断面長さは角９０°に設定したものが最も長く、次に長いのは図４（ロ）に示すように、角１２０°に設定した場合で、最も稜線部２０の短いものは図４（ハ）に示すように、角１５０°に設定したものである。また、ワーク４０の下穴４１へのねじ込み時にワーク４０に作用する応力（Ｆ）は稜線部２０の夫々の第２フランク面２２、２３からワーク４０に作用することになり、この応力の分力（ａ）は下穴４１をねじの軸直角方向に広げようとする力であり、分力（ｂ）は下穴４１のワーク４０を押し退け、この押し退けられた肉（材料組織）を雌ねじ４２のねじ山に変形させようとする力を表している。即ち、分力（ａ）はこれら三種類のねじにおいては、第２のフランク角（β）が１５０°のものが最も大きく、分力（ｂ）は第２のフランク角（β）が９０°のものが最も大きいことが明らかである。

これによると、稜線部２０の長さの最も長い第２のフランク角（β）が９０°のものはワーク４０を押し退ける分力（ｂ）も大きいので、ワーク４０は塑性変形されてその肉が移動し、ねじ込み時に生じるねじ込み抵抗となるワークとの間において発生する成形屑は少ないことになる。また一方で、この稜線部２０はワーク４０との接触面積が最も多いことや稜線部２０の稜線２１が最も鋭いことから、これにより帯状及び粉状の多くの成形屑が発生することになる。

これに対して第２のフランク角（β）が１５０°のものは、ねじ込み時に下穴４１のワーク４０を押し退ける分力（ｂ）は第２のフランク角（β）が大きくなるにつれて小さくなるので、この稜線部２０によるワーク４０の塑性変形量は少ない。また、ワーク４０との接触面積も少ないことから一見して成形屑の発生量は少ないと言うことになるが、一方、分力（ａ）は最も大きいため、ねじ込み時に発生する下穴４１との間での摩擦が大きく、そのため、この部分での成形屑の量は多くなり、この第２のフランク角（β）の稜線部２０を有するねじ山１０により発生する成形屑の量は第２のフランク角（β）が９０°のものよりも少ないが、１２０°のものよりも多くなると推測される。

このことは表１の測定結果からも明らかである。即ち、第２のフランク角（β）が９０°、１２０°、１５０°夫々の平均値を見ると、ワーク４０の下穴４１に雌ねじを成形しながらねじ込んだ場合は、第２のフランク角（β）が１２０°のタッピンねじ１が最も成形屑の発生量が少ない。また、このタッピンねじ１を緩めて再び同じ雌ねじ穴に二回、三回と繰り返しねじ込んだ場合もねじ込み時に発生する成形屑の量は第２のフランク角（β）１２０°のタッピンねじ１が最も少ないという測定結果が得られた。このことは前記第２のフランク角（β）の角度により得られる稜線部２０の面積の差異、稜線部２０の斜面がワークに作用する応力（Ｆ）の分力（ａ）、（ｂ）の大小等の要素が総合的に作用することから得られることを裏付けており、第２のフランク角（β）が１２０°のものが最も好適であることを示している。これにより、この第２のフランク角（β）は１２０°±１０％の許容範囲にすることが好ましい。

一方、前記接続部の幅（Ｌ）の設定は、この幅があまり大きいと、下穴４１へのタッピンねじ１のねじ込み時に大きなねじ込み抵抗が発生することになり、反対にこの幅（Ｌ）が狭いと、ねじ山１０の先端の稜線部分に応力集中が発生しやすいことになることに鑑み、ねじ込み時に僅かな傾斜を生じてもねじ山１０が雌ねじ４２のフランク面に食い付きにくい形状にするために設定されたものである。そして、前記のような関係式にすることで、タッピンねじ１の呼びに応じて適切に接続部２４の幅（Ｌ）を求めることが可能になり、これにより、ねじ１の呼び径が変わってねじ山１０の高さ（Ｈ）が変更されてもその作用はほとんど変化するものではない。

更に、上記説明では、第１の追い側フランク面１２と第１の進み側フランク面１３とを前記稜線部２０において第２のフランク角（β）を有する平坦な斜面の第２の追い側フランク面２２と第２の進み側フランク面２３とで直線状に接続した構成としたが、この稜線部２０の第２のフランク面２２、２３に代えて、これを円弧形状とした弧状面（図示せず）としてその両端が第１の追い側フランク面１２と第１の進み側フランク面１３とに夫々接続される構成としてもよく、これによっても十分にその作用が得られる。

このように構成されたタッピンねじ１のねじ山１０をあらかじめワーク４０に形成されている下穴４１に図５に示すようにねじ込むと、脚部先端のねじ山１０が最初にこの下穴４１に嵌り、これをねじ込んでいくと、下穴４１にねじ山１０で雌ねじ４２が徐々に形成されながらねじ込まれる。このとき、ねじ山１０により下穴４１の内周にねじ山１０の稜線部２０が徐々に進入していくことになり、このため、下穴４１のワークの肉を押し退けながら塑性変形させて雌ねじ４２は成形される。

このようにして、雌ねじ４２を成形しながらタッピンねじ１はねじ込まれることになる。一方、このタッピンねじ１を緩めた場合は、雌ねじ４２は既に成形されて塑性変形した状態となっており、これに再度、同一のねじ１をねじ込むと、図６に示すように、タッピンねじ１のねじ山１０はその稜線部２０が第２の追い側フランク面２２と第２の進み側フランク面２３を有していることから、ねじ込み開始時に既に形成されている雌ねじ４２に嵌り、雌ねじ４２を削ることなく、雌ねじ４２にねじ山１０が倣いながらねじ込まれることになる。これにより、タッピンねじ１の中心線（Ｂ）が雌ねじ４２が形成された下穴４１の中心線（Ａ）に対してθ°だけ傾斜した状態（図６において、実線で示された状態）でねじ込まれても、この傾斜が修正（図６において、二点鎖線で示された状態）されながらねじ込まれるから、ねじ込み時において、成形屑の発生が極端に減少する。

図７及び図８は、本発明の実施の形態のおける第１の変形例であり、同一の符号を用いて説明すると、前記実施の形態では、ねじ山１０を等角山としたが、この例では、第１の追い側フランク面１２と第１の進み側フランク面１３とから構成される第１のフランク角（α）を角度（α１）、（α２）を合わせた不等角とした非対称ねじ山である。このため、ねじ込み後の軸力即ち、締結力は大きくなり、緩みも生じにくい。この第１の追い側フランク面１２と第１の進み側フランク面１３とをねじ山稜線側で接続されている稜線部２０は前記と同様に第２の追い側フランク面２２と第２の進み側フランク面２３とで形成される第２のフランク角（β）が等角となっており、その第１、第２の追い側フランク面１２、２２、第１、第２の進み側フランク面１３、２３の接続部２４の幅（Ｌ）も前記実施の形態の実施例と同じくＬ＝Ｈ／２．３５の関係を有している。

また、図９及び図１０は、本発明の実施の形態における第２の変形例を第１の変形例と同様に同一の符号を用いて示しており、第１の変形例と異なるところは、脚部３の頭部側約１／３は脚部３の軸線に直交する断面が円形形状で、脚部３の先端から頭部側の円形形状まではその断面が略三角形状となっており、頭部側に近づくに連れて徐々に略三角形状から円形形状になるように設定されている点と、脚部３の先端部は二山がねじ１の頭部側のねじ山１０の半分程度の高さの不完全ねじ部３０となっている点と、この不完全ねじ部３０と頭部側の完全ねじ部３１との間に完全ねじ部３１より僅かに谷部１１からのねじ山高さが高い雌ねじ成形部３２を一山だけ設けた点である。これにより、下穴４１へのねじ込み時におけるねじ込み抵抗が軽減されるようになっており、このねじ山１０の全長に対しても等角の第２のフランク角（β）が形成されているものである。これら第１、第２変形例においても、これら変形例特有の作用効果に加えて成形屑の発生が減少する等、同様の作用効果が得られている。

本発明の実施の形態としての一実施例を示す要部拡大正面図である。 本発明を採用したタッピンねじの全体正面図である。 図２の右側面図である。 本発明のねじ山稜線部がワークに作用する状態を示すものであり、（イ）は第２のフランク角（β）が９０°を示し、（ロ）は第２のフランク角（β）が１２０°を示し、（ハ）は第２のフランク角（β）が１５０°を示すねじ山の拡大断面図である。 本発明のねじ込み開始状態を示す要部断面拡大図である。 本発明の再ねじ込み開始状態を示す要部断面拡大図である。 本発明の第１の変形例を示す一部断面要部拡大図である。 図７の要部拡大断面図である。 本発明の第２の変形例を示す一部断面要部拡大図である。 図９の右側面図である。 本発明の従来例を示す要部断面図である。 図１１におけるねじの再ねじ込み状態を示す要部断面図である。 もう一つの従来例によるねじ込み開始状態を示す要部断面図である。

符号の説明

１ タッピンねじ
２ 頭部
３ 脚部
４ 駆動穴
５ 座面
１０ ねじ山
１１ 谷部
１２ 第１の追い側フランク面
１３ 第１の進み側フランク面
２０ 稜線部
２１ 稜線
２２ 第２の追い側フランク面
２３ 第２の進み側フランク面
２４ 接続部
３０ 不完全ねじ部
３１ 完全ねじ部
３２ 雌ねじ成形部
４０ ワーク
４１ 下穴
４２ 雌ねじ

Claims (4)

1. 駆動穴を有する頭部（２）とこれと一体の脚部（３）とから構成され、この脚部にねじ山（１０）が形成されたねじにおいて、
   リード線に直交する断面において、前記ねじ山は、基部と稜線部（２０）とから成り、
   前記基部は、第１の追い側フランク面（１２）と第１の進み側フランク面（１３）とから形成され、
   前記稜線部は、連続するねじ山の頂点が形成する稜線（２１）を境にした第２の追い側フランク面（２２）と第２の進み側フランク面（２３）とから形成され、
   前記稜線部の幅は、前記基部の幅よりも狭く設定され、
   前記基部の両フランク面がなす角を第１のフランク角（α）、前記稜線部の両フランク面がなす角を第２のフランク角（β）としたとき、第２のフランク角（β）＞第１のフランク角（α）の関係を満たすととともに、第２のフランク角（β）が１００°〜１２０°に設定されていることを特徴とするねじ部品におけるねじ山。
2. 第２のフランク角（β）は１２０°±１０％の角度範囲に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のねじ部品におけるねじ山。
3. 第１のフランク面と第２のフランク面はこれらフランク面で形成される角が円弧で接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のねじ部品におけるねじ山。
4. 稜線部は円弧で形成されているとともにその両端が第１の追い側ランク面と第１の進み側フランク面とに夫々接続されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のねじ部品におけるねじ山。

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