(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
締結用挿通孔を有する複数の被締結体と、
雄ねじ部と頭部を有するボルトと、
前記被締結体に面接触する底面を有する基部と、該基部の中央部から突出し軸対称でかつ側面視略台形状の突出部と、を有し、該突出部に該突出部の中心軸から偏心しているボルト挿通孔が形成されたワッシャと、
雌ねじ部の一方の開口部周辺に軸対称でかつ断面視略台形状の凹部が形成され、該凹部の側面の傾斜角が前記ワッシャの突出部の側面の傾斜角よりも大きいナットと、
を有してなり、前記ボルトの雄ねじ部が前記被締結体の締結用挿通孔及び前記ワッシャのボルト挿通孔に挿通され、該雄ねじ部に前記ナットの雌ねじ部が螺合された締結構造体であって、
前記ナットの凹部の側面は前記ワッシャの突出部の角部に接触して嵌合しているとともに、前記ワッシャのボルト挿通孔の内周縁の一部は前記ボルトの雄ねじ部の一部に接触しており、前記ナットは前記ボルトに対して傾斜していることを特徴とする締結構造体。
【請求項２】
雄ねじ部と頭部を有するボルトと、
被締結体に載置されたとき面接触する底面を有する基部と、該基部の中央部から突出し軸対称でかつ側面視略台形状の突出部と、を有し、該突出部に該突出部の中心軸から偏心しているボルト挿通孔が形成されたワッシャと、
雌ねじ部の一方の開口部周辺に軸対称でかつ断面視略台形状の凹部が形成され、該凹部の側面の傾斜角が前記ワッシャの突出部の側面の傾斜角よりも大きいナットと、
を用いて、締結用挿通孔を有する複数の被締結体を締結する締結方法であって、
前記ボルトの雄ねじ部を前記被締結体の締結用挿通孔及び前記ワッシャのボルト挿通孔に挿通し、該雄ねじ部に前記ナットの雌ねじ部を螺合させ、
前記ナットを回して締め付けるに従い、該ナットの凹部の側面を前記ワッシャの突出部の角部に接触させて嵌合させるとともに、前記ワッシャのボルト挿通孔の内周縁の一部を前記ボルトの雄ねじ部の一部に接触させ、前記ナットを前記ボルトに対して傾斜させ、設定された最大締付トルクに達すると締め付けを完了することを特徴とする締結方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物などを構成する複数の部材（被締結体）をボルトとワッシャとナットを用いて締結してなる締結構造体及び締結方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被締結体をボルトとワッシャとナットを用いて締結してなる締結構造体に関して、本願発明者の一人は、特許文献１、２などで、強固な締結を可能にするために、特有形状のワッシャ（座金）と特有形状のナットを用いたものを提案している。
【０００３】
図７に示す締結構造体１０１は、特許文献１、２に記載されたのと同様な基本的な締結構造体である。被締結体１０８、１０９は、締結用挿通孔１０８Ａ、１０９Ａを有する。ボルト１０２は、雄ねじ部１２１と頭部１２２を有する。ワッシャ１０３は、基部１３１と、この基部１３１の中央部から突出した突出部１３２と、を有している。突出部１３２は、軸対称でかつ側面視略台形状となっており、その中央部には、突出部１３２の中心軸から偏心しているボルト挿通孔１３３が形成されている。ナット１０４は、雌ねじ部１４１の一方の開口部（図７において下方）周辺に軸対称でかつ断面視略台形状の凹部１４２が形成されている。
【０００４】
締結方法は、先ず、ボルト１０２の雄ねじ部１２１を、被締結体１０８、１０９の締結用挿通孔１０８Ａ、１０９Ａ及びワッシャ１０３のボルト挿通孔１３３に挿通し、ナット１０４の雌ねじ部１４１に螺合させる。そして、ボルト１０２に対してナット１０４を回して行くことにより、ナット１０４の凹部１４２をワッシャ１０３の突出部１３２に接触させて嵌合させるとともに、ワッシャ１０３のボルト挿通孔１３３の内周縁１３３ａの一部をボルト１０２の雄ねじ部１２１の一部に接触させる（図７の中央右側参照）。締結完了した締結構造体によれば、ワッシャ１０３のボルト挿通孔１３３の内周縁１３３ａの一部がボルト１０２の雄ねじ部１２１の一部に接触して噛み合うので、ワッシャ１０３はボルト１０２に強力に結合して緩み止め効果を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２０６５１５号公報
【特許文献２】特開２００７―２１１８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、被締結体が良好に締結された状態の締結構造体を得るためには、軸力（ボルトの軸方向にかかっている引張力）を適切にすることが重要である。現場においては、ナットを回して締め付けるにつれて締付トルク（締め付けるのに必要な力）が増大しそれとともに軸力が増大する関係に基づき、ナットを締め付ける際の適度な最大締付トルクを設定することによって、適切な軸力を実現することが一般に行われている。
【０００７】
しかし、上記した締結構造体の特有形状のワッシャ１０３と特有形状のナット１０４を用いる場合、ナットを締め付ける際のワッシャ１０３とナット１０４の動作が単純ではないために、所望の適度な最大締付トルクで所望の軸力が得にくい場合も有り得る。
【０００８】
例えば、図８に示すものは、ナット１０４を回して締め付けて行っても、締付トルク及び軸力が単純に、すなわち単調か或いは単調に近い曲線で持って増大しなかったサンプルの特性図である。縦軸は、締付トルク（曲線ａ、単位：Ｎｍ）及び軸力（曲線ｂ、単位：ＫＮ）の値である。横軸は、ナット１０４を回すナット回転角度（単位：度）である。このサンプルのワッシャ１０３は、基部１３１の底面１３１ａが外周縁１３１ｂから内方に向かって約１８度の勾配を有したものであり、ナット１０４は、凹部１４２の側面１４２ａの傾斜角がワッシャ１０３の突出部１３２の側面１３２ａの傾斜角よりも小さくなっているものである。ナット１０４は、Ｍ１２のサイズである。
【０００９】
このサンプルでは、軸力は余り大きくならず、最大締付トルクを、Ｍ１２のナットを使った他の一般的な場合に用いられる数値である６０Ｎｍに設定したならば、約１５ＫＮの軸力になる。また、締付トルクが約４０〜５５Ｎｍの範囲において、締付トルク及び軸力が特異な変化を示しているので、バラツキを考慮すると、このサンプルと同じものを使用するのならば、最大締付トルクは６０Ｎｍよりもある程度大きく設定する方が良いことになる。
【００１０】
本発明は係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の被締結体をボルトとワッシャとナットを用いて締結してなる締結構造体及び締結方法において、ナットを締め付ける際に締付トルク及び軸力が単純に増大し、かつ、適度な最大締付トルクで適切な軸力が得やすいものを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の締結構造体は、締結用挿通孔を有する複数の被締結体と、雄ねじ部と頭部を有するボルトと、前記被締結体に面接触する底面を有する基部と、該基部の中央部から突出し軸対称でかつ側面視略台形状の突出部と、を有し、該突出部に該突出部の中心軸から偏心しているボルト挿通孔が形成されたワッシャと、雌ねじ部の一方の開口部周辺に軸対称でかつ断面視略台形状の凹部が形成され、該凹部の側面の傾斜角が前記ワッシャの突出部の側面の傾斜角よりも大きいナットと、を有してなり、前記ボルトの雄ねじ部が前記被締結体の締結用挿通孔及び前記ワッシャのボルト挿通孔に挿通され、該雄ねじ部に前記ナットの雌ねじ部が螺合された締結構造体であって、前記ナットの凹部の側面は前記ワッシャの突出部の角部に接触して嵌合しているとともに、前記ワッシャのボルト挿通孔の内周縁の一部は前記ボルトの雄ねじ部の一部に接触しており、前記ナットは前記ボルトに対して傾斜していることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の締結方法は、雄ねじ部と頭部を有するボルトと、被締結体に載置されたとき面接触する底面を有する基部と、該基部の中央部から突出し軸対称でかつ側面視略台形状の突出部と、を有し、該突出部に該突出部の中心軸から偏心しているボルト挿通孔が形成されたワッシャと、雌ねじ部の一方の開口部周辺に軸対称でかつ断面視略台形状の凹部が形成され、該凹部の側面の傾斜角が前記ワッシャの突出部の側面の傾斜角よりも大きいナットと、を用いて、締結用挿通孔を有する複数の被締結体を締結する締結方法であって、前記ボルトの雄ねじ部を前記被締結体の締結用挿通孔及び前記ワッシャのボルト挿通孔に挿通し、該雄ねじ部に前記ナットの雌ねじ部を螺合させ、前記ナットを回して締め付けるに従い、該ナットの凹部の側面を前記ワッシャの突出部の角部に接触させて嵌合させるとともに、前記ワッシャのボルト挿通孔の内周縁の一部を前記ボルトの雄ねじ部の一部に接触させ、前記ナットを前記ボルトに対して傾斜させ、設定された最大締付トルクに達すると締め付けを完了することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の締結構造体及び締結方法によれば、ナットを回して締め付けるにつれて締付トルク及び軸力が単純に増大し、かつ、適度な最大締付トルクで適切な軸力が得やすいものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る締結構造体を示す側面視断面図である。
【図２】同上の締結構造体に用いるワッシャを示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面視断面図である。
【図３】同上の締結構造体に用いるナットを示すもので、（ａ）は側面視断面図、（ｂ）は底面図である。
【図４】同上の締結構造体の締結途中の状態を示す側面視断面図である。
【図５】同上の締結構造体の締結途中の他の状態を示す側面視断面図である。
【図６】同上の締結構造体を使用したサンプルの例の特性図である。
【図７】従来の締結構造体を示す側面視断面図である。
【図８】従来の締結構造体を使用したサンプルの例の特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を説明する。本発明の実施形態に係る締結構造体１は、図１に示すように、複数の被締結体８、９とボルト２とワッシャ（座金）３とナット４を有してなる。被締結体８、９は、締結用挿通孔８Ａ、９Ａを有している。ボルト２は、雄ねじ部２１と頭部２２を有するものであり、広く用いられている汎用品でよい。締結構造体１は、ボルト２の雄ねじ部２１を被締結体８、９の締結用挿通孔８Ａ、９Ａ及びワッシャ３の後述するボルト挿通孔３３に挿通し、雄ねじ部２１にナット４の後述する雌ねじ部４１を螺合させている。
【００１６】
ワッシャ３は、図２に示すように、基部３１と、この基部３１の中央部から突出した突出部３２と、を有している。基部３１は、被締結体９に載置されたとき、それに面接触するような底面（裏面）３１ａを有している。すなわち、基部３１の底面３１ａは、その外周縁３１ｂから内方に向かって勾配を有さないように形成されている。
【００１７】
突出部３２は、軸対称でかつ側面視略台形状となっており、その中央部には、突出部３２の中心軸Ｘから偏心しているボルト挿通孔３３が形成されている。なお、軸対称とは突出部３２の中心軸Ｘに関して対称の意である。
【００１８】
詳細には、突出部３２の表面は、側面３２ａと頂面３２ｂからなっている。側面３２ａは、軸方向（中心軸Ｘの方向）に対し傾斜角φで傾斜しており、頂面３２ｂは、軸方向に対し直交している。側面３２ａの傾斜角φは、例えば約１５度とすることができる。
【００１９】
ボルト挿通孔３３は、上述したように突出部３２の中心軸Ｘから偏心しているので、図２（ａ）に示すように、平面視において、突出部３２の側面３２ａと頂面３２ｂの境目の角部３２ｃが描く円の中心位置ｉ点は中心軸Ｘ上にあり、ボルト挿通孔３３の周縁３３ａが描く円の中心位置ｊ点は、中心位置ｉ点からずれている。なお、図２（ｂ）では、ｊ点を通過する軸を中心軸Ｙとして示している。
【００２０】
ナット４は、雌ねじ部４１の一方（図３（ａ）において下方）の開口部周辺に軸対称でかつ断面視略台形状の凹部４２が形成されている。凹部４２の側面４２ａの傾斜角θは、ワッシャ３の突出部３２の側面３２ａの傾斜角φよりも大きくなっている。なお、軸対称とはナット４の中心軸Ｔに関して対称の意である。
【００２１】
詳細には、ナット４は、図３に示すように、角柱状（例えば正六角形の角柱）であり、汎用品であるボルト２の雄ねじ部２１と螺合する雌ねじ部４１は、その中心軸Ｔに沿って形成されている。凹部４２は、上述した側面４２ａと底面４２ｂからなっている。側面４２ａは、上述したように、軸方向（中心軸Ｔの方向）に対し傾斜角θで傾斜しており、底面４２ｂは、軸方向に対し直交している。凹部４２の平面視のサイズについては、ナット４がワッシャ３と重なり合ったときに、ナット４の凹部４２の側面４２ａにワッシャ３の突出部３２の角部３２ｃが接触できるサイズである。
【００２２】
ナット４の凹部４２の側面４２ａの傾斜角θは、上述したようにワッシャ３の突出部３２の側面３２ａの傾斜角φよりも大きくなっているので、ワッシャ３の突出部３２がナット４の凹部４２に嵌り込んで行くときには、ワッシャ３の突出部３２の角部３２ｃがナット４の凹部４２の側面４２ａに接触しながら嵌り込んで行く。ナット４の凹部４２の側面４２ａの傾斜角θは、例えば約１７〜１８度とすることができる。
【００２３】
このようなボルト２とワッシャ３とナット４を用いて被締結体８、９を締結する締結方法を以下詳細に説明する。
【００２４】
先ず、位置合わせがされた被締結体８と被締結体９のそれぞれの締結用挿通孔８Ａ、９Ａにボルト２の雄ねじ部２１を挿通させ、また、図４に示すように、被締結体９の締結用挿通孔９Ａを挿通して突出したボルト２の雄ねじ部２１をワッシャ３のボルト挿通孔３３に挿通させるとともに、ワッシャ３の基部３１を被締結体９に面接触させて載置する。
【００２５】
ボルト２の雄ねじ部２１にナット４の雌ねじ部４１を螺合させ、ボルト２に対してナット４を回して行く。このとき、ナット４の中心軸Ｔは、ボルト２の中心軸に一致している。ナット４を回して行くに従い、ワッシャ３の突出部３２は、ナット４の凹部４２に徐々に入り込んで行き、やがて、その角部３２ｃがナット４の凹部４２の側面４２ａに接触し、ナット４の凹部４２に嵌合した状態になる。
【００２６】
更に、ナット４を回して締め付けて行くと、ワッシャ３の突出部３２は、ワッシャ３の突出部３２の角部３２ｃがナット４の凹部４２の側面４２ａから圧力を受けながら、更にナット４の凹部４２に嵌り込んで行く。このとき、締付トルクは、この嵌り込みに使われながら、締め付けに従って徐々に上昇し、また、軸力も徐々に上昇する。
【００２７】
そして、前述のように、ワッシャ３のボルト挿通孔３３は突出部３２の中心軸Ｘから偏心しているため、図５の中央右側に示されるように、ワッシャ３のボルト挿通孔３３の内周縁３３ａの一部がボルト２の雄ねじ部２１の一部に接触して噛み合うようになる。これにより、ワッシャ３はボルト２に強力に結合する。
【００２８】
ここにおいて、ワッシャ３のボルト挿通孔３３の内周縁３３ａとボルト２の雄ねじ部２１との接触の位置と、ワッシャ３（角部３２ｃ）とナット４との接触の位置と、はほぼ固定され、しかも、それらをつなぐラインは、ナット４の軸方向（中心軸Ｔの方向）に対して略垂直である。このため、ナット４を更に回して締め付けて行くと、上記ラインにナット４の軸方向の移動は強い抵抗を受け、ナット４はボルト２に対して段々と傾斜する（図１参照）。すなわち、ナット４の中心軸Ｔはボルト２の中心軸から段々と回動する。そうすると、ナット４とボルト２のねじ山間の摩擦は増大する。締付トルクは、その増大した摩擦に使われながら、締め付けに従って徐々に上昇し、また、軸力も徐々に上昇する。
【００２９】
設定された最大締付トルクに達すると、締め付けを完了する。
【００３０】
このようにして、ボルト２とワッシャ３とナット４を用いて被締結体８、９が締結される。ワッシャ３の基部３１の底面３１ａは被締結体９に面接触し、底面３１ａの突出部３２近傍は被締結体９に接触しているので、基部３１は常に一定の状態であり、締め付ける際に締付トルク及び軸力には影響しない。また、ナット４の締め付けに応じて、ワッシャ３の突出部３２がナット４の凹部４２に嵌り込んで行き、それから、ナット４がボルト２に対して傾斜するという一連の動作となる。このため、締付トルク及び軸力が特異な変化をすることなく、単純に、すなわち単調或いは単調に近い曲線で変化し、その結果、適度な最大締付トルクを設定して適切な軸力を得ることが容易になる。
【００３１】
以上説明した締結方法によって締結完了した締結構造体１は、図１に示すように、ワッシャ３の基部３１の底面３１ａが被締結体９に面接触しており、そして、ナット４の凹部４２の側面４２ａがワッシャ３の突出部３２の角部３２ｃに接触して嵌合しているとともに、ワッシャ３のボルト挿通孔３３の内周縁３３ａの一部がボルト２の雄ねじ部２１の一部に接触しており、ナット４がボルト２に対して傾斜している状態となる。締結構造体１は、適切な軸力を実現しており、また、ナット４とボルト２のねじ山間の摩擦は大きく、また、ナット４とボルト２の結合は強力になっている。
【００３２】
図６に示すものは、ナット４を回して締め付けて行ったときの、締付トルク及び軸力の変化の例を示す特性図である。縦軸は、締付トルク（曲線ａ、単位：Ｎｍ）及び軸力（曲線ｂ、単位：ＫＮ）の値である。横軸は、ナット４を回すナット回転角度（単位：度）である。ワッシャ３の突出部３２の側面３２ａの傾斜角は約１５度、ナット４の凹部４２の側面４２ａの傾斜角は約１７〜１８度としている。ナット４は、サイズがＭ１２のものである。
【００３３】
最大締付トルクを６０Ｎｍに設定したならば、約２５ＫＮの軸力が得られる。また、締付トルクが約９０Ｎｍになるまでに、締付トルク及び軸力は単調に増加している。
【００３４】
以上、本発明の実施形態に係る締結構造体及び締結方法について説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、実施形態に記載したワッシャ３の突出部３２、ナット４の凹部４２の大きさや細かな形状などは、それらが用いられる環境や被締結体に合わせて任意に変更可能である。また、背景技術の欄で示した特許文献２に記載されている弾性体ワッシャを併せて用いることも可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１    締結構造体
２    ボルト
２１  ボルトの雄ねじ部
２２  ボルトの頭部
３    ワッシャ
３１  ワッシャの基部
３１ａ  ワッシャの基部の底面
３１ｂ  ワッシャの基部の外周縁
３２  ワッシャの突出部
３２ａ  ワッシャの突出部の側面
３２ｂ  ワッシャの突出部の頂面
３２ｃ  ワッシャの突出部の角部
３３  ワッシャのボルト挿通孔
３３ａ  ワッシャのボルト挿通孔の内周縁
４    ナット
４１  ナットの雌ねじ部
４２  ナットの凹部
４２ａ  ナットの凹部の側面
４２ｂ  ナットの凹部の底面
８、９  被締結体
８Ａ，９Ａ  被締結体の締結用挿通孔
【図１】
0005864339.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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