(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
雄ねじ付き固定具であって、
３つのソーンにより画定されるねじ山輪郭を備えており、
外側ゾーンの輪郭が、放物線として構成されたねじ山の輪郭面を有するよう画定されており、
中央ゾーンが、台形の側辺として構成された輪郭面を有するよう画定されており、
内側ゾーンが、双曲線として構成された輪郭面を有するよう画定されており、
前記輪郭の形状が、所定のピッチ円直径の周囲に形成されており、該所定のピッチ円直径が、標準的な仕様から選択された所定の基本ピッチ円直径に、該所定の基本ピッチ円直径について選定された製造公差に基づく所定の基本偏差を加えたものであり、該所定の基本偏差が、該基本ピッチ円直径の上下に等間隔に位置する前記台形の前記側辺の高さを有し、
前記外側ゾーンの前記放物線が、該ねじ／ボルトのねじ山の外径に向かって前記中央ゾーンの台形の上方ポイントから構成されており、該外径において前記放物線が終端する先端幅が存在し、前記内側ゾーンの前記双曲線が、前記中央ゾーンの前記台形の内方ポイントから構成され及び前記ねじ山の内径に向かって延びており、
該内側ゾーンの該双曲線が、該ねじ山の内径に接触するポイントで該ねじ山間の中央へと延びている、
雄ねじ付き固定具。
【請求項２】
前記中央ゾーンの前記台形の高さが、前記製造公差の1.3倍である、請求項１に記載の雄ねじ付き固定具。
【請求項３】
前記中央ゾーンの前記台形の高さが、前記製造公差の1.3〜2倍の範囲内である、請求項１に記載の雄ねじ付き固定具。
【請求項４】
前記ねじ山輪郭の外径における前記先端幅が、前記ねじ山の所定の軸方向ピッチの0.10倍である、請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の雄ねじ付き固定具。
【請求項５】
前記ねじ山輪郭の外径における前記先端幅が、前記ねじ山の所定の軸方向ピッチの0.100〜0.125倍の範囲内である、請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の雄ねじ付き固定具。
【請求項６】
前記外側ゾーンの前記ねじ山の輪郭のために形成された前記放物線が、前記先端幅の外側ポイントと前記中央ゾーンの前記台形の上方／外側ポイントとの間に形成される、請求項１ないし請求項５の何れか一項に記載の雄ねじ付き固定具。
【請求項７】
前記内側ゾーンの前記ねじ山の輪郭が、前記中央ゾーンの前記台形の下方／外側ポイントと、隣接する前記ねじ山の中間ポイントであって該ねじ山の内径と一致する中間ポイントとの間の双曲線として形成されている、請求項１に記載の雄ねじ付き固定具。
【請求項８】
前記先端幅に隣接する前記外側ゾーンの前記放物線が、前記中央ゾーンの前記台形の輪郭面と平行な第１の側辺及び第２の側辺と、該第１の側辺及び該第２の側辺と直交する第３の側辺及び第４の側辺とを有する仮想的な矩形により画定され、該第１の側辺と該第３の側辺とが交わる該矩形の第１の隅が前記先端幅において前記放物線と交差し、及び該第２の側辺と該第４の側辺とが交わる該矩形の第２の隅が、該放物線及び前記台形と交差する、請求項１に記載の雄ねじ付き固定具。
【請求項９】
前記内側ゾーンの前記双曲線が、該固定具の軸心と直交する第１の側辺及び第２の側辺と、該第１の側辺及び該第２の側辺と直交する第３の側辺及び第４の側辺とを有する仮想的な矩形により画定され、該第１の側辺と該第３の側辺とが交わる該矩形の第１の隅が、前記内側ゾーンの前記双曲線及び前記中央ゾーンの前記台形と交差し、該第２の側辺と該第４の側辺とが交わる該矩形の第２の隅が、前記内側ゾーンの前記双曲線及び前記ボルトの軸と交差する、請求項１に記載の雄ねじ付き固定具。
【請求項１０】
３つのゾーンにより画定される螺旋状のねじ山輪郭を有する雄ねじ付き固定具であって、
台形の側辺として構成された第１ゾーンねじ山輪郭面を有するよう画定された輪郭を有する第１のゾーンであって、その輪郭形状が、標準的な仕様から選択された所定の基本ピッチ円直径に所定の基本偏差を加えてなる所定の選択されたピッチ円直径に基づくものであり、該基本偏差が、該基本ピッチ円直径について選定された製造公差に基づくものであり、及び該基本偏差が、前記台形の前記側辺により画定され、該台形の該側辺の中間ポイントが該所定の基本ピッチ円直径の上下で等間隔となるように該台形の該側辺が位置している、第１のゾーンと、
放物線として構成された第２ゾーンねじ山輪郭面を有するよう画定された輪郭を有する第２のゾーンと
双曲線として構成された第３ゾーンねじ山輪郭面を有するよう画定された輪郭を有する第３のゾーンと
からなる、３つのゾーンにより画定される螺旋状のねじ山輪郭を有する雄ねじ付き固定具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、「ねじ山のないナットアンカーで使用するための高性能ねじ山転造ねじ／ボルト（HIGH PERFORMANCE THREAD ROLLING SCREW/BOLT FOR USE IN AN UNTHREADED NUT ANCHOR）」と題するAlan Pritchard氏の2013年7月19日に出願された米国仮特許出願第61/856,218号を優先権主張の基礎とするものである。
【０００２】
本発明は、組み立てを行う際に延性材料からなるねじ山のないナットアンカーに挿入される高性能ねじ山転造ねじに用いた際に特に有益である新規のねじ山の輪郭形状に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
高性能ねじ山転造ねじは、結合対象となる鋼及び軽合金製のアンカーナットにねじを切る手段を提供するために1960年代に市場に最初に導入されたものであり、該アンカー内に形成されたねじ山は、標準的な機械のねじ／ナットのねじ山に関する従前のねじ山タッピング又はねじ山形成技術により形成されるものと等しいものとなる。該ねじは、アセンブリ内に挿入された際に、完成した該アセンブリの一体的な部分となる。該システムは、シート状金属構造を組み立てるために1930年代に導入されたセルフタッピンねじと多くの点で類似するものである。かかる２つのシステムの違いは、「高性能ねじ山転造ねじ」が、特定の「機械ネジ規格」と等価な、係合対象ナットのねじ山を形成するものとなり、公称ねじ直径（nominal screw diameter）の２倍を超える厚さを有するアンカーに使用することができることにある。この特徴は、1930年代のセルフタッピンねじでは通常は得ることができなかったものである。
【０００４】
当業界では、「高性能ねじ山転造ねじ」の当初の設計思想に対して多くの強化が行われ、かかる製品の現場コストの節減（in-place-cost-saving）という利点は、1960年代版が導入された際に想定された利益に加えて更なる利益を要求してきたことが分かった。
【０００５】
この種の製品の業界での要求を満たすべくこれまで行われてきた進行中の取り組みの独創的な性質に注目した多くの特許が世界中で発行されてきた。強化の必要性を満たす米国特許として、「THREADED FASTENER SYSTEM」と題するAlan Pritchard氏の1998年3月3日に発行された米国特許第5,722,808号が挙げられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、ねじがアンカーの単一直径の（plain diameter）穴に挿入され、該ねじのねじ山の螺旋角によって該ねじ／ボルトの相対的な軸方向前方の運動が該アンカー内へと生じるように該ねじが回転された際に、結合対象となるナットねじ山を形成するのに特に適している、ねじ／ボルトのねじ山の輪郭形状を提供することにある。この回転及び相対的な軸方向の運動は、ねじ／ボルトのねじ山と結合し接触するネットねじ山を形成する際の原動力となる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の新規のねじ山輪郭設計は、ナットねじ山形成プロセスにおいてそれぞれが独自の役割を果たす３つの規定のゾーン又はセクションからなる点で、他の既知の高性能ねじ山転造ねじで使用される設計とは異なり、該３つの規定のゾーン又はセクションが相前後して（in tandem）作用して他の既知のシステムを上回る利益を提供する。本発明のねじ山輪郭は、ねじ／ボルトの軸と垂直な仮想線に関して対称的なものである。
【０００８】
ゾーンＡ（図２）と定義するねじ山輪郭の中間セクションは、機械ねじ型ねじ山（machine screw style thread）の所定の基本ピッチ円直径（basic pitch diameter）に所定の「基本偏差（fundamental deviation）」を加えた直径に関して形成される。この所定の値は、Ｍ輪郭のねじ山の規格、U.N.Cねじ山の規格、U.N.Fねじ山の規格、又は特定の必要性に適用可能なものとみなされる他の任意の規格として許容されるものとすることが可能である。ゾーンＡの高さは、台形形状のセクションを形成するように、この基準の上下に等しく隔置される。該台形の該高さの大きさは、例示的に、特定の固定具のねじ山のための所定のピッチ径の公差の約1.5〜3倍となっている。該台形の角度は、所定の特定の規格に関する角度となっている。Ｍ輪郭のユニファイねじの場合、この角度は60°である。
【０００９】
ゾーンＢ（図２）と定義する該ねじ山輪郭の先端セクションは、放物線を使用して形成される。外側セクションの両側にある該放物線は、該ねじ山の外周及び先端幅から構成され、ゾーンＡの上方／外側ポイントが終端するポイントに関連する。これら終端ポイントの位置は、図２及び図３に関して明らかとなろう。
【００１０】
ゾーンＣ（図２）として定義する根元セクションは、双曲線を使用して形成される。該内側ゾーンのねじ山の両側にある該双曲線は、ゾーンＡの内方／外側ポイントと、ねじ山の根元部分が各ねじ山間の空間の中心と一致するポイントとから構成される。
【００１１】
最初に請求するのは、外側先端（ゾーンＢ）に向かう放物線、及び双曲線の根元セクション（ゾーンＣ）の形成が、それぞれの形状を形成する始点となる様々な開始位置を使用することである。該先端に向かう該放物線は、台形の側面と平行に進む辺を有する矩形に基づくものである。根元の双曲線の展開のための矩形は、ねじの軸心と垂直な辺を有する。以下では、これらの違いの目的を示し、及びそれらの革新的な利用について説明することとする。
【００１２】
該ねじ／ボルトの差込ポイントは、該差込ポイントに向かって内方にテーパー付けされた所定の個数の複数のねじ山ピッチからなる。本発明の新規のねじ山輪郭設計により、かかるテーパー付けされた複数のねじ山は、その差込時に、全輪郭中のゾーンＢとして画定される放物線状の形状を有するものとなる。この形状は、初期の低いねじ形成トルクを可能とし、及びナットねじ山が十分に形成されるにつれて制御された増大を呈するものとなる。この先端のねじ形状はまた、該ねじ／ボルトを取り外して再挿入しなければならない場合の「交差ねじ切り（cross threading）」の防止に資するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の例示的な一実施形態による固定具の側面図である。
【図２】本発明の例示的な一実施形態による革新的なねじ山輪郭を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明の例示的な一実施形態によるねじ山先端部分の放物線を形成するために使用される展開（development）を示している。
【図４】本発明の例示的な一実施形態によるねじ山根元部分の双曲線を形成するために使用される展開を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の上述その他の利点については、以下の詳細な説明を添付図面に関連して参照することにより一層良好に理解することが可能であり、該図面では、同様の符号は同一要素又は機能的に同様の要素を示している。
【００１５】
図１は、本発明の例示的な一実施形態による革新的なねじ山輪郭26を有するねじ山転造ねじ／ボルト20を示している。該ねじ／ボルトは、該ねじ／ボルトとナット部材Ｎ（ねじ山のない適当な下穴を含むもの）との間の相対的な回転を与えるための適当な手段を有するヘッド22を含む。ねじ山が形成された軸23は、該ねじ／ボルトの前記ヘッドの下側から延び、該ヘッド22から最も遠い位置にあるテーパーの付いた先頭の差込ポイント24で終端している。該軸23は、例示的に、米国特許第3,195,196号で定義された形態を有する小葉（lobular）断面積形状を含む。該断面積は、必要に応じて円形とすることも可能である。テーパー付きの先端の差込ポイント24には、ナットアンカーＮの下穴への挿入を容易にするためのテーパー24aが形成されている。
【００１６】
軸23は、中心部25と、該中心部25の周囲に形成された螺旋状のねじ山26とを含む。該螺旋状のねじ山26は、該ねじ／ボルトの軸心28に対して垂直な仮想線27に関して対称的なものである。該ねじ山の螺旋角αの大きさは、ねじ山の外径29及び所定のねじ山ピッチ34の所定の値から数学的に展開されたものである（mathematical development）。
【００１７】
図２は、ねじ山輪郭を一層詳細に示したものである。同図から分かるように、ねじ山26は、３つのゾーンＡ,Ｂ,Ｃからなる。各ゾーンは、固定具の軸心28（図１）と垂直な仮想線27に関して対称的なものである。
【００１８】
ゾーンＡは、断面で見た場合のねじ山の中央セクションである。該ゾーンＡは、両側辺に60°の角度101を有する台形とみなすことができ、又は特定のアセンブリの必要性に合うよう選択された既知の規格の仕様で指定された角度を有することが可能である。直径31は、ねじ山の所定の基本ピッチ円直径に所定の基本偏差を加えたものに関するものである。基本ピッチ円直径に加えた「基本偏差」の使用は、先端幅40と関連して用いる場合に構造的に確定した先端輪郭の放物線を達成するための新規の手段である。前記台形の高さ32は、直径31を中心として等間隔をなしている。該高さ32は、例示的に、該固定具の螺旋ねじ山26の直径31について選定された製造公差の２倍に等しい大きさとなっている。しかし、該台形の高さ32は、ねじ山のピッチ円直径31について選定された製造公差の1.3〜2倍の範囲内とすることが可能である。平坦面の幅32aは、該高さ32及び該平坦面の角度101から数学的に算出される（例えば、該平坦面の角度＝60°の場合、該平坦面の幅32a＝高さ32／sin60）。
【００１９】
所定のピッチ円直径31に関する前記台形の幅33は、例示的に、該固定具について選定された軸方向のねじ山ピッチ34の１／２に等しくなっている。該台形のゾーンの末端は、ポイント35,35a,36,36aで終端している。これらのポイントは、ねじ山先端ソーンＢ（ポイント35,35a）及びねじ山根元構造ソーンＣ（ポイント36,36a）のための開始点のための相対的な位置を提供する。
【００２０】
ゾーンＢは、先端幅40と、固定具の所定のピッチ円直径31よりも上方の高さ41とを有するねじ山の先端として示されている。該先端幅40は、固定具の軸心28と垂直な仮想線27を中心として等間隔をなし、及び所定のねじ軸方向ピッチの10分の1に等しい例示的な大きさを有している。しかし、該先端幅40は、所定の軸方向ピッチ34の0.10〜0.125倍の範囲内とすることが可能である。この先端幅の両端はポイント42,42aで示されている。２つの更なる仮想ポイント43,43aは、ゾーンＡの側方の輪郭面と直交し且つ該輪郭面と平行な線44,44aに直接関連する位置にある。
【００２１】
先端の輪郭45,45aは、放物線で構成され、ゾーンＢのねじ山輪郭及び先端セクションを完成させる。放物線45は、35,42,43で示す各ポイント間で構成され、放物線45aは、35a,42a,43aで示す各ポイント間で構成される。
【００２２】
図３は、かかる相対的な複数のポイント間に見られる放物線45の構成を示している。放物線45aは、放物線45の鏡像として構成される。
【００２３】
先端の放物線は、最初に該固定具がナットアンカーＮに挿入され駆動されて係合対象となるナットねじ山が形成される際の該ナットアンカーＮの材料の制御された流速（flow rate）を提供するために導入される。初期の流速は比較的高くなり、及び係合対象となるねじ山との係合が達成されるにつれて放物線の影響下で流速が制御され低くなる。この制御の利点は、互いに係合するナット及びボルトのねじ山を形成するための一層効率的な方法を提供することにある。
【００２４】
ゾーンＣの輪郭面51,51aは、双曲線として形成される。輪郭面51はポイント36,52,53間で構成される。例示的な位置を有するポイント52は、固定具の中心部25の外周上で該固定具のねじ山の所定の軸方向ピッチ19の中間点に位置する。例示的な位置を有するポイント53は、ゾーンＡの輪郭面のポイント36で示す位置から内方へ延びる仮想的な垂直線と該固定具の中心部分25の外周との交差点に位置する。
【００２５】
図４は、ねじ山輪郭の根元に双曲線を形成するために使用される方法を示している。輪郭面51aは、末端36a,52a,53aを用いた双曲線として形成され、上記で概説した形状の鏡像をなすものとなる。
【００２６】
この根元を双曲線として形成する目的は、該高性能ねじ山転造ねじ／ボルトの挿入時におけるナットねじ山の形成を改善するものとなる、制御された速度でのナット材料の流れに資することである。更なる利点は、本発明のねじ山の根元形状の新規の構成が、アセンブル中に該ねじ／ボルトの疲労が深刻な因子となる可能性に抗することに資するものとなることにある。
【００２７】
上記では、本発明の例示的な実施形態について説明してきたが、本発明から逸脱することなくその設計又は構成に様々な変形又は修正を加えることが可能であることが当業者には理解されよう。
【００２８】
本発明の代替的な一実施形態は、該ねじがプラスチック部品のアセンブリに使用された際に利益が提供されるように本発明の革新的な理解を構築することである。この場合には、図２に対して次のような変更を加えることが可能である：
ねじ山の角度101は、65〜75°の範囲内となる。先端幅40は、「プラスチック材料にねじを使用する」場合の一般的な実践に従って選定される。仮想的なピッチ円直径31は、ねじ山の深さの高さの１／２となるように選定される。かかる高さは、ねじ外径29からねじ根元直径25を減算し、その結果を２で除算することにより構成される。
【００２９】
輪郭（ゾーンＢ）の先端は、仮想線44に沿って形成される所定のポイント42,43を用いた双曲線として構成されたねじ山表面を有する。この場合、該仮想線44は、プラスチック材料で使用するための革新的なねじ山の傾斜した表面輪郭となる。該ねじ山の根元に向かうねじ山の形状もまた双曲線となる。この構成方法を用いることにより、ねじ山の幅33は、傾斜した表面44が仮想的なピッチ円直径31と出会う際の幅と一致するように縮小することになる。
【００３０】
特許請求の範囲は、本書で説明した本発明の汎用的な及び特定の特徴の全てを網羅することを意図したものであることもまた理解されよう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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