(57)【要約】      （修正有）【課題】電磁エネルギー保護を実現する、複合構造体用の留め具システムを提供する。【解決手段】電磁エネルギー保護を実現する、複合構造体用の留め具システム１０は、シャンク１２を含んでおり、シャンク１２は、その第１端部に、導入部１８で終結するネジ部１４を有する。シャンク１２の第２端部には、頭部１６が設けられている。シャンク１２は、締り嵌め穴の内面と緊密に導電接触するように構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合構造体用の留め具システムであって、
シャンクと、
前記シャンクの第１端部に設けられた、導入部で終結するネジ部と、
前記シャンクの第２端部に設けられた頭部、とを含み、
前記シャンクは、複合材に設けられた締り嵌め穴の内面と緊密に導電接触するように構成されている、留め具システム。
【請求項２】
前記導入部は、前記複合構造体を損傷することなく前記締り嵌め穴の前記内面を広げるように構成されている、請求項１に記載の留め具システム。
【請求項３】
前記シャンクは、前記穴の前記内面と緊密に導電接触していることによって、大電流密度を伝導する、請求項２に記載の留め具システム。
【請求項４】
前記ネジ部及び前記導入部は、ドライ潤滑剤によって被覆されている、請求項１〜３のいずれかに記載の留め具システム。
【請求項５】
前記シャンクは、凸部及び凹部を有するように粗面化された本体部を有し、前記留め具システムは、前記本体部に設けられた潤滑コーティングをさらに含み、前記コーティングを除去することにより、前記凸部を露出させて確実な導電接触を維持する一方、締り嵌め穴への滑らかな挿入のために前記凹部には前記コーティングを残留させている、請求項１〜４のいずれかに記載の留め具システム。
【請求項６】
前記潤滑コーティングは、潤滑顔料を含むフェノール樹脂系、エポキシ系コーティング、及び、固体潤滑添加材を加えた樹脂又はセラミック系の固体フィルム潤滑剤、の１つである、請求項５に記載の留め具システム。
【請求項７】
前記シャンクには軟質金属層が付着されており、前記軟質金属層は、剪断により、確実な導電接触を維持しつつ、締り嵌め穴への挿入を可能にしている、請求項１〜６のいずれかに記載の留め具システム。
【請求項８】
少なくとも前記本体部には接着層が付着されており、前記軟質金属層は、前記接着層上にめっきされている、請求項７に記載の留め具システム。
【請求項９】
前記軟質金属層は、スズ‐亜鉛‐ビスマス、スズ‐ビスマス、スズ‐インジウム、亜鉛‐インジウム、スズ‐アルミニウム、アルミニウム‐ポリエステル、又は、アルミニウム‐窒化ホウ素の１つを含む、請求項７に記載の留め具システム。
【請求項１０】
前記接着層は、ニッケル付着層、銅付着層、又は、鉄付着層の１つを含む、請求項８に記載の留め具システム。
【請求項１１】
複合構造体における留め具のＥＭＥ保護方法であって、
複合構造接合部内に留め具を取り付けるための穴を特定することと、
留め具の径を決定することと、
前記穴に締り嵌めができるように、前記留め具のシャンクを形成することと、
前記留め具のネジ部及び導入部に潤滑コーティングを付着させることと、
前記穴に前記留め具を挿入することと、
前記シャンクと前記穴とを締り嵌めによって緊密に導電接触させることと、
ＥＭＥ事象の間、電気エネルギーを移動させること、とを含む方法。
【請求項１２】
前記形成する工程は、
前記留め具の前記シャンクの本体部に粗面を形成することと、
前記留め具の本体部を潤滑コーティングで被覆することと、
前記粗面を研磨することによって、前記粗面の凸部から前記潤滑コーティングを除去する一方、凹部に前記コーティングを残留させること、とを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記形成する工程は、前記シャンクに軟質金属コーティングを付着させることを含む、請求項１１〜１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記形成する工程は、前記留め具に接着層を付着させることと、前記接着層に前記軟質金属コーティングを付着させること、とをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記接着層は、ニッケル付着層、銅付着層、又は、鉄付着層を含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は、概して、複合構造体に用いられる金属留め具用の留め具技術の分野に関し、より具体的には、導電性を向上させつつ高い滑り性を実現するために、シャンクに処理を施した留め具に関する。
【背景技術】
【０００２】
軽量の複合材料は、航空機の主要な構造体に頻繁に使用されている。繊維複合材料は、従来の金属合金に比べて、比強度及び剛性が大幅に向上している。高い比強度及び剛性は、軽量化につながり、軽量化は、燃料の節約及び低い運転コストにつながる。さらに、複合材料は、アルミニウムのようには腐食せず、疲労に対する耐性も高い。しかし、これらの航空機の複合構造体は、落雷によって発生した、極端に高い電流や電磁気力を容易に消散させることができない。
【０００３】
複合材料を用いた構造体の製造では、多くの組み立て作業において、留め具が必要になる。金属製の留め具は、導電性を有するため、落雷及びその他の電磁影響（ＥＭＥ）問題に対処するための、電磁影響用の設計要件が生じる。落雷に備えて留め具のスパークモードを設計しなければならず、このような落雷状況は、高温粒子放出（Hot Particle Ejection: HPE）、及び、留め具の頭部の外面と他の構造体又は留め具のスリーブ部との間でのアーク発生を含むものである。
【０００４】
金属製の留め具が取り付けられた炭素繊維強化プラスティック（ＣＦＲＰ）構造体に落雷した場合、電流の相当な部分が、留め具を通って付近の構造体に流れる。電気エネルギーが２つの表面の間を通る時、接触抵抗熱によって、材料が破壊され、穴の内部や、留め具と、当該留め具と係合する内側ネジ切り留め具、例えばナットや壊れやすい鍔部、との間に、高温ガス（又はプラズマ）が発生する。
【０００５】
スリーブ付き留め具は、落雷からの保護、及び、留め具と、複合構造接合部に設けられた対応する穴との締り嵌めを実現するための構造上の要件、の両方を満たす解決策として、現在、多くの複合構造体に用いられている。しかし、スリーブは、構造体の重量及び組み立ての費用及び時間を増大させる上に、その他の付加的な欠陥を有する場合がある。
【０００６】
従って、複合構造体での使用に適した締結システムを提供することが望まれており、具体的には、従来の留め具取り付け方法の問題点を解消しつつ、ＨＰＥ及びアーク発生を防止し、スリーブを必要とすることなく締り嵌めを実現可能なシステムが望まれている。
【発明の概要】
【０００７】
本明細書に開示された実施形態は、電磁エネルギー保護を実現する、複合構造体用の留め具システムを提供し、当該システムは、シャンクを含んでおり、シャンクは、その第１端部に、導入部で終結するネジ部を有する。シャンクの第２端部には、頭部が設けられている。シャンクは、締り嵌め穴の内面と緊密に導電接触するように構成されている。
【０００８】
実施形態は、複合構造体における留め具の電磁影響保護方法を提供する。当該方法においては、複合構造接合部内に、留め具を取り付けるための穴を特定する。留め具の径を決定し、穴に締り嵌めができるように、留め具のシャンクを形成する。留め具のネジ部及び導入部に潤滑コーティングを付着させる。次に、穴に留め具を挿入し、シャンクと穴とを締り嵌めによって緊密に導電接触させる。次に、ＥＭＥ事象の間、電気エネルギーを移動させる。
【０００９】
上述した特徴、機能、利点は、本願の開示の様々な実施形態によって個別に達成することができ、あるいは、さらに他の実施形態と組み合わせてもよく、そのさらなる詳細は、以下の記載及び図面を参照することによってより明らかになるものである。
【００１０】
また、本開示は、以下の付記による実施形態を含む。
【００１１】
付記１  複合構造体の接合部であって、複合材層と、前記複合材層に隣接する接合対象要素とを含み、前記複合材層及び接合対象要素には穴が貫通しており、
前記穴に締り嵌めされており、シャンクを有する留め具と、
前記シャンクの第１端部に設けられた、導入部で終結するネジ部と、
前記シャンクの第２端部に設けられた頭部、とをさらに含み、
前記シャンクは、前記穴の内面と緊密に導電接触するように構成されている、接合部。
【００１２】
付記２  前記接合対象要素は、金属下部構造体である、付記１に記載の複合構造体の接合部。
【００１３】
付記３  前記導入部は、前記複合構造体を損傷することなく前記締り嵌め穴の前記内面を広げるように構成されている、付記１に記載の複合構造体の接合部。
【００１４】
付記４  前記シャンクは、凸部及び凹部を有する粗面の本体部を有し、前記留め具システムは、前記本体部に設けられた潤滑コーティングをさらに含み、前記コーティングを、除去することにより前記凸部を露出させて確実な導電接触を維持する一方、締り嵌め穴への滑らかな挿入のために前記凹部にはコーティングを残留させている、付記１に記載の複合構造体の接合部。
【００１５】
付記５  前記シャンクには軟質金属層が付着されており、前記軟質金属層は、剪断により、緊密な導電接触を維持しつつ、締り嵌め穴への挿入を可能にしている、付記１に記載の複合構造体の接合部。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】航空機の製造及びサービス方法のフロー図である。
【図２】航空機のブロック図である。
【図３】ローレット加工されたシャンクに潤滑コーティングが施されている、第１実施形態の斜視図である。
【図４】潤滑コーティングが施された、シャンクのローレット加工部分の詳細断面図である。
【図５】シャンクのネジ部及び導入部に潤滑コーティングが施されており、シャンクの導入部と頭部との間に軟質金属コーティングが施されている、第２実施形態の斜視図である。
【図６】シャンクにおける被覆された本体部の詳細断面図である。
【図７】複合構造接合部の穴に締り嵌めによって取り付けられた、第１実施形態又は第２実施形態の留め具の部分断面図である。
【図８】実施形態に規定したようなＥＭＥ保護機能を有する留め具システムの使用方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施形態によれば、落雷、高強度放射電界（High Intensity Radiated Fields）、故障電流（fault currents）、降水空電（Precipitation Static）、機能接地（functional grounding）を含む様々なＥＭＥからの保護に必要な、留め具による確実な導電接触を、スリーブを使用することなく実現することができる。第１の実施形態は、粗面化されたシャンク表面に、ドライ潤滑コーティングが施された留め具を提供する。シャンク粗面を後に研磨することによって、凸部では留め具の基材金属を露出させ、凹部には潤滑コーティングを残しておく。これによって、雷エネルギーのための高電流密度の導電経路を維持するのに十分な導電性だけでなく、締り嵌め（interference fit）による取り付けに必要な滑り性も実現する。第２の実施形態は、２つの改変を加えた留め具シャンクを提供する。留め具の少なくとも導入部に潤滑コーティングを施し、シャンクの残りの部分は軟質金属で被覆する。留め具の潤滑コーティングによって、十分な滑り性がもたらされ、これによって留め具を締り嵌め穴に確実に取り付けることができる一方、軟質金属によって、良好な電気的接続が実現され、且つ取り付けが容易になる。いずれの実施形態においても、スリーブを用いずに締り嵌めによる取り付けを実現することができ、このような取り付けによって、留め具と構造体との間の空隙（voids）を減らすことができ、ＨＰＥを生じさせる空隙内における空気のイオン化を防止することができる。
【００１８】
図面を参照しつつ、本開示の実施形態を、図１に示すように航空機の製造及びサービス方法１００に関連させ、また、図２に示すように航空機１０２に関連させて説明する。生産開始前の工程として、例示的な方法１００は、航空機１０２の仕様決定及び設計１０４と、材料調達１０６とを含む。生産中の工程としては、部品及び小組立品（subassembly）の製造１０８、及び、航空機１０２のシステムインテグレーション１１０が行われる。その後、航空機１０２は、例えば認証及び納品１１２の工程を経て、就航１１４に入る。顧客によるサービス中は、航空機１０２は、定例のメンテナンス及びサービス１１６（変更、再構成、改装なども含む場合もある）のスケジュールに組み込まれる。
【００１９】
方法１００の各工程は、システムインテグレーター、第三者、及び／又はオペレーター（例えば顧客）によって実行または実施することができる。説明のために言及すると、システムインテグレーターは、航空機メーカー及び主要システム（majority-system）下請業者をいくつ含んでいてもよいが、これに限定されない。第三者は、売主、下請業者、供給業者をいくつ含んでいてもよいが、これに限定されない。オペレーターは、航空会社、リース会社、軍事団体（military entity）、サービス組織（service organization）などであってもよい。
【００２０】
図２に示すように、例示的な方法１００によって製造される航空機１０２は、例えば、複数のシステム１２０と内装１２２とを備えた機体１１８を含む。ハイレベルシステム１２０の例としては、１つ又はそれ以上の駆動系１２４、電気系１２６、油圧系１２８、環境系１３０が挙げられる。また、その他のシステムをいくつ含んでいてもよい。また、航空宇宙産業に用いた場合を例として説明したが、本開示の原理は、例えば自動車産業などの他の産業に適用してもよい。
【００２１】
本明細書において具体的に例示された装置及び方法は、製造及びサービス方法１００における、１つ又はそれ以上のどの段階において採用してもよい。例えば、製造工程１０８に対応する部品又は小部品は、航空機１０２のサービス段階で作製される部品又は小部品と同様に作製することができる。また、１つまたはそれ以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、例えば、実質的に航空機１０２の組み立て速度を速めたりコストを削減したりすることによって、製造工程１０８及び１１０で用いてもよい。同様に、１つまたはそれ以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、航空機１０２のサービス中に、例えば、メンテナンス及びサービス１１６に用いてもよいが、これに限定されない。
【００２２】
本明細書に記載した実施形態は、ＥＭＥ保護を実現する留め具システムを提供し、図１及び図２に規定し且つ上述した航空機の方法もしくはシステム、又は、任意の同様の構造体、の組み立て要素に用いることができる。
【００２３】
図３に示すように、留め具システムの第１の実施形態は、シャンク１２を有する留め具１０を含む。シャンクは、第１端部にネジ部１４を、第２端部に頭部１６を有する。留め具は、六角穴１７などの回転防止部を含んでいてもよく、ネジ部１４にナットを取り付ける際にこれを用いてもよい。導入部１８が、ネジ部１４からシャンク１２の本体部２０への移行部を形成している。導入部１８は、丸み付けられた肩部１９又はテーパー部を含むことができ、これによって、シャンクの本体部２０と穴の内面とをスムーズに係合させて締り嵌め状態にすることができる。本体部２０は、粗面を有しており、当該粗面は、ローレット加工又は同様の機械加工によって形成することができる。例示的な実施形態においては、凸部から凹部までの高さは、０．０００２インチと０．００１インチの間とされる。滑り性を有するドライコーティングが、本体部上のローレット加工部を含め、留め具に施されている。例示的な実施形態として、当該ドライコーティングは、「アルミニウム顔料入りコーティング」であり、これは、本実施例では、（母材としての）フェノール樹脂をベースとし、潤滑顔料、典型的にはアルミニウム薄片または粒子など、を含むものであり、例えば、ＢＭＳ１０−８５フェノール系アルミニウム顔料入りコーティングである。腐食防止用の添加剤も使用してもよい。代替の実施形態において、エポキシ系のコーティングと、樹脂又はセラミック系の他の固体フィルム潤滑剤を、固体潤滑添加剤と共に用いてもよい。ローレット加工されたシャンク部を研磨することによって、図４に示すように、ローレット加工部の凸部２２からコーティングを除去する一方、ローレット加工部の凹部２４にはコーティングを残す。ローレット加工部の凹部におけるシャンク本体部上の潤滑表面領域、並びに、ネジ部、及び導入部１８の形状は、留め具１０を、締り嵌め状態で複合構造体の穴に挿入し、複合構造体を損傷させずに穴の内面を広げることができるように構成されている。一方で、ローレット加工されたシャンク本体部の研磨された凸部の接触表面領域は、留め具と穴の表面とを緊密に導電接触させ、以下により詳しく説明するように、高電流密度の電気エネルギー移動を可能にする。
【００２４】
第２実施形態を図５及び図６に示す。第１実施形態と同様に、留め具１０は、シャンク１２を有し、シャンクは、第１端部にネジ部１４を、第２端部に頭部１６を有する。導入部１８が、ネジ部１４から、シャンク１２の本体部２０への移行部を形成している。ネジ部１４及び導入部１８は、ドライ（且つガルヴァニック的に相性の良い）コーティングで被覆されており、当該コーティングは、滑り性を有しており、例えば、ＢＭＳ１０−８５フェノール系アルミニウム顔料入り塗料からなる。コーティングは、ディップ（dip）、噴霧、及び他の一般的な有機コーティング技術によって施すことができる。本体部２０は、複数層の金属積層体によって被覆されている。チタン留め具の場合の例示的な実施形態として、接着層２６を、少なくとも本体部２０上に付着させる。例示的な一実施形態において、接着層としてニッケル付着層（nickel strike）を用いてもよい。代替の実施形において、銅付着層又は鉄付着層を用い、当該接着層を、電着に代えて真空蒸着によって付着させてもよい。次に、図６に示すように、軟接着層上に軟質金属層２８を付着させる。例示的な実施形態として、スズ‐亜鉛‐ビスマス合金が用いられる。代替の実施形態において、スズ‐ビスマスを用いてもよい。前者の場合、軟質金属層２８は、約６５％がスズ、約３２〜３３％が亜鉛、残りがビスマスである。スズ‐亜鉛合金は、当技術分野では周知の、一般的なカドミウムに代わるコーティングである。後者の場合、軟質金属層は、犠牲層としてではなく、補償のために湿式取り付け（wet-installed）することもできる。スズ系コーティングにおいて、ビスマスは、スズペスト（tin pest）、すなわち、低温におけるスズの脆弱相への転移、を防止又は抑制するのに役立つ。また、ＰＴＦＥ又は窒化ホウ素などの固体の添加剤をコーティングに加えてもよく、これらは、ＣＦＲＰを含む積層構成における滑り性を高めるのに役立つ。留め具１０のネジ部１４及び導入部１８上に設けられた潤滑コーティングによって、締り嵌め穴への最初の段階の挿入が可能となる。スズ‐亜鉛‐ビスマスは軟質であり、締り嵌め穴への留め具の本体部２０の挿入を続ける際のせん断抵抗を小さくすることができる。一方で、スズ‐亜鉛‐ビスマス合金は、導電性が高く、留め具と穴の表面とを緊密に導電接触させることができる。代替の実施形態においては、スズ‐インジウム又は亜鉛‐インジウムなどのインジウム系の合金を用いてもよくこれらは、軟質で、アルミニウムとガルヴァニック的に相性がよい（galvanically compatible）。スズ‐アルミニウムのような合金は、真空蒸着又は特別なめっき液によって形成可能である。代替の実施形態においては、熱スプレー処理によって付着させることができるコーティング、例えば、アルミニウム‐ポリエステルやアルミニウム‐窒化ホウ素を、接着層を用いずに使用してもよい。
【００２５】
図７に示すように、上述した実施形態のいずれかの留め具１０を、複合材層３２を含む接合部に設けられた穴３０に挿入する。一方の接合対象要素が、複合材層に隣接する金属下部構造体３４、例えば燃料タンク壁、などの場合の特に好適な接合形態では、本実施形態は、留め具１０と、複合材層３２及び金属下部構造体３４の両方を貫通する穴３０の内面とを、緊密に接触させることができる。（落雷状況における最大値１００〜２００キロアンペアの電流に起因する）高電流密度を有しうる落雷又は他のＥＭＥ事象においては、頭部１６に到達した電荷３６は、矢印３８で示すように、留め具１０、すなわち、ローレット加工された本体の凸部における留め具の露出金属部分、及び／又は、ニッケル及びスズ‐亜鉛‐ビスマスなどの金属コーティング層を通って下方に伝導され、矢印４０で示すように、留め具から金属コーティング又は留め具の露出金属部分を介して金属下部構造体３４に伝導される。ローレット加工された凸部２２における露出金属または軟質金属層２８のいずれかによる、確実な導電接触の組み合わせによって、ＥＭＥ事象の際に必要な１平方インチあたり１．５×１０6アンペアまでの大電流密度に及ぶ電気エネルギー移動のための良好な経路が形成され、且つ、締り嵌めによって、留め具と、穴を有する構造体との間に間隙ができるのを防止することによって、ＨＰＥを抑制することができる。本明細書に記載した実施形態は、ネジ切りされた留め具に関して説明したが、例えば、ブラインド型（blind）留め具などの他の留め具システムを、代替の実施形態において用いてもよい。
【００２６】
本明細書に記載した実施形態は、取り付けられた留め具の電磁影響保護のために採用することができ、図８に示すように、工程８０２において、留め具を取り付けるための複合構造接合部の穴を特定する。工程８０４において、留め具の径を決定し、穴に締り嵌めできるように留め具のシャンクを形成する。工程８０６において、例えばローレット加工によって、留め具のシャンクの本体部に粗面を形成する。工程８０８において、留め具の本体を潤滑コーティングで被覆する。工程８１０において、粗面を研磨することによって、粗面の凸部から潤滑コーティングを除去する一方、凹部にはコーティングを残しておく。あるいは、これに代えて、工程８１２において留め具に接着層を付着させ、工程８１４において接着層上に軟質金属コーティングを付着させる。工程８１６において、留め具のネジ部及び導入部に潤滑コーティングを付着させる。次に、工程８１８において、穴に留め具を挿入し、工程８２０において、研磨された凸部又は軟質金属コーティングと穴の表面との間に、締り嵌めによる緊密な導電接触を確立し、工程８２２において、ＥＭＥ事象中に電気エネルギーの移動が行えるようにする。
【００２７】
特許法によって要求されるとおり、本開示の様々な実施形態を詳しく述べたが、当業者であれば、本明細書に開示した具体的な実施形態に対する改変及び代替例を認識できるであろう。そのような改変は、以下の特許請求の範囲によって規定される本開示の範囲及び趣旨の範囲内である。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図３】
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【図５】
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【外国語明細書】
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