(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボルト軸部の少なくとも先端部側に形成されたピッチｐbの雄螺子部と、前記雄螺子部のボルト頭側又はボルト円筒部側の螺子山の頂部の一部が除去され前記ボルト頭側又は前記ボルト円筒部側に向かって螺子山外径が縮径したテーパ部と、前記テーパ部の最小径部から前記ボルト頭側又は前記ボルト円筒部側に向かって緩やかに円弧状に拡径して形成された不完全螺子除去部と、を有し、前記雄螺子部のピッチｐbと前記雄螺子部と螺合して締結される雌螺子のピッチｐnが、０．００３≦（ｐn−ｐb）／ｐb≦０．０５の関係であることを特徴とするボルト。
【請求項２】
請求項１に記載のボルトと、少なくとも一部が前記ボルトの前記テーパ部と螺合して締結されるピッチｐnの雌螺子と、を有することを特徴とする締結具。
【請求項３】
前記雌螺子が、前記雌螺子の全長の５０％〜８０％の範囲で前記ボルトの前記テーパ部と螺合されることを特徴とする請求項２に記載の締結具。
【請求項４】
前記雌螺子の前記ボルト頭側又は前記ボルト円筒部側の端部の螺子山と嵌合する前記ボルトの前記テーパ部の螺子山の高さが、前記雌螺子の前記螺子山の高さの１０％〜７５％の高さであることを特徴とする請求項２又は３に記載の締結具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、緩み防止機能を有すると共に、疲労強度に優れることにより、各種機械装置、鉄橋、建築物、建設機械、各種搬送機器、電気製品、眼鏡等の可動部または外部から振動を受ける部材の接合部に好適に使用されるボルト及びそれを用いた締結具に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボルトは、通常、同一箇所に複数本使用され、これらが緩まなければ使用中に破損することはほとんど考えられなかった。また、ボルトは螺子のテーパー効果（楔効果）で、厚い部材でも強力な締付けを行うことができ、かつ締付けたものでも簡単な工具で容易に緩ませることもできる、という優れた特徴を有している。その反面、締付けたものでも、長期の使用期間中にナットまたはボルトが逆回転し、「緩む」という現象が発生し、一度緩みが発生すると、その部分を再度締め直さない限り、その後の繰返し応力によって、ボルトに過大な応力が負荷され、ボルトが簡単に破壊するという問題点が発生していた。
特に、可動部または外部から振動を受ける部材の接合部に使用される螺子締結具（主として、ボルトおよびナット）においては、当初はきちんと締結されていても、長期にわたって繰返し使用されることにより、外部応力によってボルトに緩みが発生することは避けられず、使用期間中に締め直す必要があった。
そこで、これらの問題点を解決するために、近年、緩み防止機能を有する種々のボルト及びその製造方法等が研究・開発されている。
例えば、ダブルナット・ボルトの一種として、（特許文献１）のように、同一箇所に並目および細目の螺子を加工し、それぞれに対応して内側に並目、外側に細目のナットを嵌合させることで、極めて緩み難いボルトとナットの締結システムが提案されている。
また、（特許文献２）には、雌螺子のピッチを雄螺子のピッチより大きく形成することで、シングルナットのみでも極めて緩み難い螺子が提案されている。
一方、ボルトの疲労強度向上策として、有効なものは極めて少ないが、例えば、（特許文献３）には、雌螺子に嵌合する雄螺子を引張り力方向へ先細状に整形することにより、疲れ特性を改善させた螺子継手が提案されている。
【特許文献１】特許第３７７０３２０号公報
【特許文献２】ＷＯ２００６／１００７６６
【特許文献３】特公昭５６−５３６５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら上記従来の技術は、以下のような課題を有していた。
（１）（特許文献１）では、ダブルナットを使用するために、その分だけ製品の重量が重くなるだけでなく、ナットの締結に要する作業工数が増加し、ユーザから敬遠されることや用途が限定されることがあるという課題を有していた。
また、このようなダブルナット・ボルトの締結システムは、繰返し荷重が加わった場合、螺子締結部が緩まないという利点はあるものの、ボルトそのものには疲労強度向上策は適用されていないので、現状の螺子締結具よりもボルト本数を減らす、あるいはより安全性を確保する、というような利点までは期待できなかった。
（２）また、鉄骨構造物の固定には、溶接歪みが発生せず、高所での作業が容易で、分解も可能な高力ボルトが好適に用いられているが、遅れ破壊や応力腐食割れが発生するという課題を有していた。しかし、（特許文献１）のようなダブルナット・ボルトの締結システムでは、ボルトそのものの疲労強度は従来と変わらないので、遅れ破壊や応力腐食割れの観点から、ボルトの疲労強度の向上が望まれていた。
（３）（特許文献２）は、シングルナットのみでも極めて緩み難く、施工性に優れるものであったが、疲労強度の向上については、十分な検討が行われていなかった。
即ち、ボルト（雄螺子）のピッチがナット（雌螺子）のピッチよりも小さいことにより、通常状態では、ボルトの螺子谷底に圧縮応力が生じるので、外部から引張り応力が加わった場合、この圧縮応力と引張り応力が相殺し、外部応力の影響が抑えられ、疲労強度の改善は見られるが、ボルト及びナットのピッチが、緩み止めを目的として設定されているため、疲労強度向上策として不十分であり、現状の螺子締結具よりもボルト本数を減らす、あるいはより安全性を確保する、というような利点までは期待できなかった。
（４）（特許文献３）の螺子継手では、疲労強度を向上させることはできるが、緩みを防止するという点に関しては全く考慮されていなかった。
即ち、ボルトそのものの疲労強度は優れるものの、繰返し荷重が加わることにより、螺子締結部に緩みが生じるので、繰返し荷重（振動）が加えられる箇所に使用する際に、現状の螺子締結具よりもボルト本数を減らす、あるいはより安全性を確保する、というような利点までは期待できなかった。
（５）以上、説明したように、ボルトの緩みは繰り返し荷重（振動）が加えられる箇所に発生するため、本来であれば、螺子締結具には、緩み防止機能を有すると同時に、疲労強度の向上が望まれるが、十分に締結されている状態の螺子締結具においては、ボルトの外力の負担割合が１／３〜１／５程度しかないという理由から、ボルトの破損防止の研究は、緩み防止の研究に重きが置かれ、十分な緩み防止機能と疲労強度向上策を兼ね備えた螺子締結具については検討されていなかった。
緩みは発生し難いが、強度が不足するボルトや十分な強度があっても緩みが発生し易いボルトを使用する限り、ボルトの本数や寸法等を低減することができず、製品の重量や寸法が増加し易く、設計の自由度に欠けると共に、孔あけ加工やボルトの締付け作業等に工数を要し、実用性、信頼性に欠けるという課題を有していた。
【０００４】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、量産性に優れ、繰り返し荷重（振動）を受けても緩み難い優れた緩み防止機能と締結力と共に、大幅に改善された疲労強度を兼ね備えることにより、従来の螺子締結具では得られなかった優れた安全性、信頼性を実現することができるボルトの提供、そのボルトを用いることにより簡素な構成で、部品点数が少なく、ボルト，ナットの使用数や寸法を大幅に低減し、製品の小型化、軽量化を実現できるだけでなく、ボルトの孔あけ加工や締付け作業等に要する工数を低減して製品のコストダウンを図ることができ、製品設計の自在性、組立て作業性を著しく向上させることができる実用性に優れる締結具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記従来の課題を解決するために本発明のボルト及びそれを用いた締結具は、以下の構成を有している。
本発明の請求項１に記載のボルトは、ボルト軸部の少なくとも先端部側に形成されたピッチｐbの雄螺子部と、前記雄螺子部のボルト頭側又はボルト円筒部側の螺子山の頂部の一部が除去され前記ボルト頭側又は前記ボルト円筒部側に向かって螺子山外径が縮径したテーパ部と、前記テーパ部の最小径部から前記ボルト頭側又は前記ボルト円筒部側に向かって緩やかに円弧状に拡径して形成された不完全螺子除去部と、を有し、前記雄螺子部のピッチｐbと前記雄螺子部と螺合して締結される雌螺子のピッチｐnが、０．００３≦（ｐn−ｐb）／ｐb≦０．０５の関係である構成を有している。
この構成により、以下のような作用が得られる。
（１）雄螺子部のボルト頭側又はボルト円筒部側の螺子山の頂部の一部が除去されボルト頭側又はボルト円筒部側に向かって螺子山外径（呼び径）が縮径したテーパ部を有することにより、雌螺子と螺合されるテーパ部の各々の螺子山の高さが、分担する面圧力に逆比例して漸減するので、テーパ部の各々の螺子山の荷重分担が均一化し、雌螺子を螺合した際に、雌螺子のボルト頭側又はボルト円筒部側（内側）の端面近傍のテーパ部の螺子谷底に引張りや曲げの応力が集中するのを緩和でき、ボルトの疲労強度を大幅に向上することができる。
（２）通常、雄螺子部の切始めに形成される不完全螺子部には応力集中が発生し易いが、テーパ部の最小径部からボルト頭側又はボルト円筒部側に向かって緩やかに円弧状に拡径して不完全螺子除去部を形成することにより、テーパ部を形成しても不完全螺子除去部に応力集中がほとんど発生せず、テーパ部による疲労強度改善効果を維持することができる。
（３）雄螺子部のピッチｐbと雄螺子部と螺合して締結される雌螺子のピッチｐnが、０．００３≦（ｐn−ｐb）／ｐb≦０．０５の関係であることにより、雌螺子のピッチｐnが雄螺子部のピッチｐbよりも大きくなるので、螺合状態で雄螺子部の螺子山の間隔を広げようとする力と、その力に抗する力に基づいて、雄螺子部とナットの螺子山間に適度な摩擦力を発生させ、雌螺子の螺合、締付けを可能にすると共に、緩み方向への大きな抵抗を付与することができ、外部から変動応力が加わっても優れた緩み止め機能を維持することができる。この結果、長期の使用期間を通して外力による緩みの発生を確実に抑えることができ、緩みに伴うトラブルを防止でき、信頼性、メンテナンス性に優れる。
（４）テーパ部の作用により、雌螺子内側の端面近傍の螺子谷底に引張りや曲げの応力が集中することはないが、外部からボルトに引張り応力が加わったとしても、雄螺子部のピッチｐbが雌螺子のピッチｐnよりも小さく、通常（静止）状態では雄螺子部の螺子谷底に圧縮応力が生じているので、この引張り応力と圧縮応力が相殺し、外部応力の影響を確実に抑えることができ、疲労破壊の一番の原因である繰り返しの変動応力に対する耐性を大幅に向上させることができ、優れた緩み防止機能と疲労強度を兼ね備えることができる。
【０００６】
ここで、ボルトとしては、ボルト頭部を有するものとして、六角ボルト、四角ボルト、アイボルト、角根丸頭ボルト、皿ボルト、蝶ボルト、基礎ボルト、六角穴付きボルト等があり、両端に雄螺子部が形成されボルト頭部を有さないものとして、植込みボルトやＵボルト等がある。ボルトに螺合される雌螺子は、一般的にはナットであるが、このボルトは埋込みボルトとしても使用でき、その場合には、雌螺子として、接合部に埋設された雌螺子部材や接合部に形設された雌螺子部などが用いられる。
ボルトの材料に関して、特に制約を設ける必要はなく、金属，非金属を問わず、全ての固体材料にその考え方を適用できる。しかし、特に効果が顕著と考えられるのは、鉄鋼材料や銅，アルミニウム，チタン，マグネシウム等の軟質金属とそれらの合金類である。
雄螺子部の螺子山の断面形状としては、三角螺子、台形螺子、角螺子、のこ刃螺子、丸螺子等が挙げられる。
ボルトと雌螺子のピッチ差ｐn−ｐbのボルトのピッチｐbに対する割合は０．３％〜５％が好ましい。この割合が０．３％より小さくなるにつれ、雌螺子によってボルトの雄螺子部の螺子山の間隔を広げようとする力やボルトと雌螺子の螺子山間に生じる摩擦力が低下し、緩み止め機能が低下し易くなる傾向があり、５％より大きくなるにつれ、ボルトと雌螺子の間にかじり付きが発生し易くなり、締結に必要な締付トルクが増加して、施工性が低下し易くなる傾向があり、いずれも好ましくない。
【０００７】
本発明の請求項２に記載の締結具は、請求項１に記載のボルトと、少なくとも一部が前記ボルトの前記テーパ部と螺合して締結されるピッチｐnの雌螺子と、を備えている構成を有している。
この構成により、以下のような作用が得られる。
（１）ボルトが、雄螺子部のボルト頭側又はボルト円筒部側の一部の螺子山の頂部の一部が除去されボルト頭側又はボルト円筒部側に向かって螺子山外径（呼び径）が縮径したテーパ部を有することにより、雌螺子と螺合されるテーパ部の各々の螺子山の高さが、分担する面圧力に逆比例して漸減するので、テーパ部の各々の螺子山の荷重分担が均一化し、螺合された雌螺子のボルト頭側又はボルト円筒部側（内側）の端面近傍のテーパ部の螺子谷底に引張りや曲げの応力が集中するのを緩和でき、ボルトの疲労強度を大幅に向上することができる。
（２）雌螺子の少なくとも一部がボルトのテーパ部と螺合して締結されることにより、雌螺子のボルト頭側又はボルト円筒部側（内側）の端面のテーパ部の螺子山に対し、撓み易いナットの螺子山の先端側のみで接触し、接触面積が小さくなるため、片当たりが緩和され、危険断面に近いテーパ部の螺子谷底における応力を大幅に低減して破壊を防止することができ、ボルトの疲労限を向上できる。
（３）ボルトの雄螺子部のピッチｐbと雄螺子部と螺合して締結される雌螺子のピッチｐnが、０．００３≦（ｐn−ｐb）／ｐb≦０．０５の関係であることにより、螺合状態でボルトの螺子山の間隔を広げようとする力と、その力に抗する力に基づいて、ボルトと雌螺子の螺子山間に適度な摩擦力を発生させ、雌螺子の螺合、締付けを可能にすると共に、緩み方向への大きな抵抗を付与することができ、外部から変動応力が加わっても優れた緩み止め機能を維持することができる。この結果、長期の使用期間を通して外力による緩みの発生を確実に抑えることができ、緩みに伴うトラブルを防止でき、信頼性、メンテナンス性に優れる。
【０００８】
ここで、雌螺子の材料に関しては、ボルトと同様のものが好適に用いられるが、一部の硬質金属を使用する場合、ボルトおよび雌螺子の両方とも同じ硬質であると、嵌合時に噛り付きを起こす恐れもあるので、その場合は破壊され難い雌螺子の材料をいくらか軟らかいものにした方が望ましい。具体的には、ボルトのビッカース硬さHvbと雌螺子のビッカース硬さHｖnの関係が、０．５Hvb≦Hｖn＜Hvbのものが好適に用いられる。ボルトのピッチｐbと雌螺子のピッチｐnのピッチ差が小さければ、硬さの差も小さくすることができるので、ピッチ差に応じて、各々の硬さHvb，Hｖを前述の範囲から選択することができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の締結具であって、前記雌螺子が、前記雌螺子の全長の５０％〜８０％の範囲で前記ボルトの前記テーパ部と螺合される構成を有している。
この構成により、請求項２で得られる作用に加え、以下のような作用が得られる。
（１）雌螺子が、ナットの全長の５０％〜８０％の範囲でボルトのテーパ部と螺合されることにより、危険断面である雌螺子の内側端面側のボルトのテーパ部の螺子谷底において、確実かつ効率的に、荷重分担の均一化，引張り及び曲げの応力集中の緩和，片当たりの緩和を図ることができ、疲労強度の信頼性に優れる。
【００１０】
ここで、雌螺子は、雌螺子の全長の５０％〜８０％の範囲で、ボルトのテーパ部と螺合されることが好ましい。雌螺子と雄螺子部の嵌合部分に含まれるテーパ部が雌螺子の全長の５０％より少なくなるにつれ、テーパ部による疲労強度向上作用が低下する傾向があり、８０％より多くなるにつれ、テーパ部による疲労強度向上作用が低下すると共に、雌螺子と雄螺子部の引掛かりが減少して締付け力が低下し易くなる傾向があり、いずれも好ましくない。
尚、雌螺子の位置を最適な位置とするために、被締結体の厚みに応じて、ボルトのボルト軸部の長さを選択するが、必要に応じてワッシャを用いることにより、雌螺子の位置を調節して良好な締結状態を得ることができ、優れた疲労強度及び緩み防止機能を実現できる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の締結具であって、前記雌螺子の前記ボルト頭側又は前記ボルト円筒部側の端部の螺子山と嵌合する前記ボルトの前記テーパ部の螺子山の高さが、前記雌螺子の前記螺子山の高さの１０％〜７５％の高さである構成を有している。
この構成により、請求項２又は３で得られる作用に加え、以下のような作用が得られる。
（１）雌螺子のボルト頭側又はボルト円筒部側の端部の螺子山と嵌合するテーパ部の螺子山の高さが、雌螺子の螺子山の高さの１０％〜７５％の高さであることにより、十分な締付け力を確保することができ、安全性の低下を防ぐことができる。
【００１２】
ここで、雌螺子のボルト頭側又はボルト円筒部側の端部の螺子山と嵌合するテーパ部の螺子山の高さは、雌螺子の螺子山の高さの１０％〜７５％の高さとすることが好ましい。危険断面である雌螺子の内側端面側で雌螺子の螺子山と嵌合するテーパ部の螺子山の高さが、雌螺子の螺子山の高さの１０％より低くなるにつれ、疲労強度が低下し、テーパ部における各々の螺子山の引掛かりが少なくなり、嵌合している残りの螺子山の負担が増加して、応力集中が発生し易くなると共に、締結安定性が低下する傾向があり、７５％より高くなるにつれ、テーパ部による疲労強度向上作用が得られ難くなる傾向があり、いずれも好ましくない。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明のボルト及びそれを用いた締結具によれば、以下のような有利な効果が得られる。
請求項１に記載の発明によれば、以下のような有利な効果が得られる。
（１）雌螺子と螺合されるテーパ部の各々の螺子山の高さを、分担する面圧力に逆比例するように漸減させることにより、テーパ部の各々の螺子山の荷重分担を均一化し、雌螺子の内側端面近傍のテーパ部の螺子谷底に引張りや曲げの応力が集中するのを緩和でき、疲労強度を大幅に改善できる安全性、信頼性に優れたボルトを提供することができる。
（２）テーパ部の最小径部からボルト頭側又はボルト円筒部側に向かって緩やかに円弧状に拡径して形成された不完全螺子除去部により、応力集中の発生を防ぐことができ、テーパ部による疲労強度改善効果を維持して遅れ破壊や応力腐食割れなどの発生率を低減することができ、長寿命性、締結安定性に優れたボルトを提供することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、以下のような有利な効果が得られる。
（１）雌螺子の少なくとも一部をボルトのテーパ部と螺合させて締結することにより、雌螺子内側端面のテーパ部の螺子山に対し、撓み易い雌螺子の螺子山の先端側のみで接触させ、接触面積を低減することができ、片当たりを緩和して、危険断面に近いテーパ部の螺子谷底における応力を大幅に低減してボルトの破壊を防止することができ、ボルトの疲労強度を大幅に改善できる安全性、信頼性に優れた締結具を提供することができる。
（２）ボルトの雄螺子部のピッチｐbと雄螺子部と螺合して締結される雌螺子のピッチｐnが、０．００３≦（ｐn−ｐb）／ｐb≦０．０５であることにより、雌螺子によってボルトの螺子山の間隔を広げようとする力と、その力に抗する力に基づいて、ボルトと雌螺子の螺子山間に適度な摩擦力を発生させ、雌螺子の螺合、締付けを可能にすると共に、緩み方向への大きな抵抗を付与することができ、長期間使用しても外部からの変動応力による緩みが発生し難く、緩み防止機能の確実性、メンテナンス性に優れた締結具を提供することができる。
（３）確実な緩み防止機能と、大幅に改善された疲労強度を兼ね備えることにより、ボルト，雌螺子の使用数や寸法を大幅に低減することができ、製品の小型化、軽量化を実現できるだけでなく、ボルトの孔あけ加工や締付け作業等に要する工数を低減して製品のコストダウンを図ることができ、製品設計の自在性、組立て作業性、量産性を著しく向上させることができ、繰り返し使用が可能で、実用性、省資源性に優れた締結具を提供することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の効果に加えて以下のような有利な効果が得られる。
（１）雌螺子が、雌螺子の全長の５０％〜８０％の範囲でボルトのテーパ部と螺合されることにより、危険断面である雌螺子の内側端面側のボルトのテーパ部の螺子谷底において、確実かつ効率的に、荷重分担の均一化，引張り及び曲げの応力集中の緩和，片当たりの緩和を図ることができるだけでなく、テーパ部を除く雄螺子部との螺合部分で強固な締付け力を得ることができ、疲労強度の信頼性と共に、緩み防止機能の信頼性、確実性に優れた締結具を提供することができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、請求項２又は３に記載の効果に加えて以下のような有利な効果が得られる。
（１）雌螺子の内側端部の螺子山と嵌合するテーパ部の螺子山の高さを、雌螺子の螺子山の高さの１０％〜７５％の高さとすることにより、十分な締付け力を確保して、安全性の低下を防ぐことができ、繰り返し使用が可能な耐久性、省資源性に優れた締結具を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態におけるボルト及びそれを用いた締結具について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は実施の形態１のボルトの要部側面図であり、図２は図１のＡ部の拡大模式側面図である。
図１中、１は実施の形態１のボルト、２はボルト１のボルト軸部、３は冷間鍛造等により形成されたボルト１のボルト頭、４は切削又は転造によりボルト軸部２の先端部から所定部まで形成されたボルト１の雄螺子部である。
次に、ボルトの雄螺子部の詳細について説明する。
図２中、４ａは雄螺子部４の螺子山の頂部、４ｂは雄螺子部４の谷底部、４ｃは雄螺子部４のフランク、５は雄螺子部４のボルト頭３側の螺子山の頂部の一部が除去されボルト頭３側に向かって螺子山外径（呼び径）が縮径したボルト１のテーパ部、６はテーパ部５の最小径部からボルト頭３側に向かって緩やかに円弧状に螺子山外径（呼び径）が拡径して形成されたボルト１の不完全螺子除去部である。
【００１８】
図３は実施の形態１のボルトを用いた締結具の使用状態を示す要部断面模式側面図である。
図３中、１０はボルト頭３側の一部がピッチｐbのボルト１のテーパ部５と螺合して締結された実施の形態１のボルトを用いた締結具におけるピッチｐnの雌螺子としてのナット、２０は実施の形態１のボルトを用いた締結具によって締結された被締結体、ｈnはナット１０の螺子山の高さ、ｈtはナット１０のボルト頭３側の端部の螺子山と嵌合するボルト１のテーパ部５の螺子山の中央高さ（ナット１０に嵌合するテーパ部５の最小螺子山高さという。）、ｌnはナット１０の全長、ｌtはボルト１のテーパ部５の内のナット１０と螺合される部分の長さである。
【００１９】
図３において、ボルト１のピッチｐbと、ナット１０のピッチｐnの関係が、０．００３≦（ｐn−ｐb）／ｐb≦０．０５となるようにした。ボルト１とナット１０の螺合範囲におけるボルト１のピッチｐbに対するボルト１とナット１０のピッチ差ｐn−ｐbの割合が０．３％より小さくなるにつれ、ナット１０によってボルト１の螺子山の間隔を広げようとする力やボルト１とナット１０の螺子山間に生じる摩擦力が低下し、緩み止め機能が低下し易くなる傾向があり、５％より大きくなるにつれ、ボルト１とナット１０の間にかじり付きが発生し易くなり、締結に必要な締付トルクが増加して、施工性が低下し易くなる傾向があることがわかったためである。
０．００３≦（ｐn−ｐb）／ｐb≦０．０５とすることにより、ボルト１とナット１０を螺合する際に、抵抗が発生するが、両者のピッチ差が小さく、螺子山の弾性変形によって吸収できる範囲となっているので、一般的に用いられる工具のみで容易に締結することができる。
尚、ボルト１やナット１０の材料に関して、特に制約を設ける必要はなく、金属，非金属を問わないが、効果の面からは、鉄鋼材料や銅，アルミニウム，チタン，マグネシウム等の軟質金属とそれらの合金類が好ましい。一部の硬質金属を使用する場合、ボルト１及びナット１０の両方とも同じように硬質であると、嵌合時に噛り付きを起こす恐れもあるので、その場合は破壊し難い側であるナット１０の材料をいくらか軟らかいものにした方が望ましい。具体的には、ボルト１のビッカース硬さHvbとナット１０のビッカース硬さHｖnの関係が、０．５Hvb≦Hｖn＜Hvbのものが好適に用いられる。ボルト１のピッチｐbとナット１０のピッチｐnのピッチ差が小さければ、硬さの差も小さくすることができるので、ピッチ差に応じて、各々の硬さHvb，Hｖを前述の範囲から選択することができる。
【００２０】
また、ナット１０の全長ｌnと、ボルト１の雄螺子部４のテーパ部５の内のナット１０と螺合される部分の長さｌtの関係が、０．５ｌn≦ｌt≦０．８ｌnとなるようにした。ナット１０とボルト１の雄螺子部４の嵌合部分に含まれるテーパ部５がナット１０の全長ｌnの５０％より少なくなるにつれ、テーパ部５による疲労強度向上作用が低下する傾向があり、８０％より多くなるにつれ、テーパ部５による疲労強度向上作用が低下すると共に、ナット１０と雄螺子部４の引掛かりが減少してナット１０による締付け力が低下し易くなる傾向があることがわかったためである。
ナット１０のボルト頭３側の端部の螺子山と嵌合するテーパ部５の螺子山の高さｈtと、ナット１０の螺子山の高さｈnの関係が、０．１ｈn≦ｈt≦０．７５ｈnとなるようにした。危険断面であるナット１０の内側端面側でナット１０の螺子山と嵌合するテーパ部５の螺子山の高さｈtが、ナット１０の螺子山の高さｈnの１０％より低くなるにつれ、疲労強度が低下し、テーパ部５における各々の螺子山の引掛かりが少なくなり、嵌合している残りの螺子山の負担が増加して、応力集中が発生し易くなると共に、寸法精度がばらつき易く、その影響によって疲労強度のばらつきも発生し易くなり、締結安定性が低下する傾向があり、７５％より高くなるにつれ、テーパ部５による疲労強度向上作用が得られ難くなる傾向があることがわかったためである。
【００２１】
図３において、所定位置で締付けが完了した状態では、ナット１０側から見れば、ボルト１の雄螺子部４の螺子山のピッチｐbをナット１０のピッチｐnに近づけようとする力、つまり、雄螺子部４の螺子山を左右方向に押し広げようとする力が、矢印のように働いている。
一方、ボルト１側から見れば、雄螺子部４の螺子山を押し広げようとする力に抗する力が発生し、ボルト１とナット１０の螺子山間に適度な摩擦力が生じ、緩み難い状態となっている。
図３では、ナット１０の全長の１／２の位置を境にして、矢印で示した雄螺子部４の螺子山を押し広げようとする力の向きが左右に分かれているが、ナット１０の位置が変われば、ボルト１とナット１０の各々の螺子山の嵌合状態は周期的に変化し、それに伴って、力の働く向きも周期的に変化することになる。
【００２２】
通常のピッチの等しいボルトとナットの組合せでは、締結使用中のボルトの螺子谷底では、引張応力が発生し、ナット側では圧縮応力が発生する。螺子谷底の径は、ボルト側よりもナット側が大きいことから、一般にボルト側から破壊が発生し易くなっている。そして、ボルトが疲労破壊する場合には、一般に引張応力によって、螺合するナットの内側端面側から破壊が起こる。
本実施の形態では、ボルト１のピッチｐbがナット１０のピッチｐnよりも小さく、通常（静止）状態では、ナット１０の内側端面側のボルト１の螺子谷底に圧縮応力が生じているので、外部からボルト１に加わる引張り応力と相殺し、外部応力の影響を確実に抑え、変動応力に対する耐性を大幅に向上させることができる。
また、ナット１０と螺合されるテーパ部５の各々の螺子山の高さを、螺子山が分担する面圧力に逆比例するように漸減させることにより、テーパ部５の各々の螺子山の荷重分担を均一化し、ナット１０の内側端面近傍のテーパ部５の螺子谷底に引張りや曲げの応力が集中するのを緩和すると共に、ナット１０の一部をボルト１のテーパ部５と螺合させて締結することにより、ナット１０の内側端面のテーパ部５の螺子山に対し、撓み易いナット１０の螺子山の先端側のみで接触させ、接触面積を低減することができ、片当たりを緩和して、危険断面に近いテーパ部５の螺子谷底における応力を大幅に低減している。
これらの相乗効果により、緩み防止機能に加え、ボルト１の疲労強度を飛躍的に向上させることができる。
【００２３】
実施の形態１のボルト１を製造するには、まず、絞り加工工程において、ボルト材料に不完全螺子除去部６とテーパ部５を形成する。
次に、転造工程又は切削工程により、雄螺子部４を形成する。このとき、ボルト１のピッチｐbとナット１０のピッチｐnが、０．００３≦（ｐn−ｐb）／ｐb≦０．０５の関係となるようにする。
尚、ＩＳＯやＪＩＳ等の寸法規格に適合するようにボルト１を製造し、さらに上式を満たすようにボルト１のピッチｐbよりもピッチが大きなピッチｐnのナット１０を製造してもよいが、ＩＳＯやＪＩＳ等の寸法規格に適合するように製造されたナット１０を基準として、上式を満たすようにナット１０のピッチｐnよりもピッチが小さなピッチｐbのボルト１を製造するようにすれば、既存のナット１０をそのまま使用することができ、汎用性、使用性に優れる。
また、本実施の形態では、ボルト１に螺合される雌螺子としてナット１０を用いた場合について説明したが、このボルト１を埋込みボルトとして使用する際には、雌螺子として、接合部に埋設された雌螺子部材や接合部に形設された雌螺子部などを用いることができる。
【００２４】
以上のような本発明の実施の形態１のボルトによれば、以下のような作用が得られる。
（１）雄螺子部４のボルト頭３側の螺子山の頂部の一部が除去されボルト頭３側に向かって螺子山外径が縮径したテーパ部５を有することにより、ナット１０と螺合されるテーパ部５の各々の螺子山の高さが、分担する面圧力に逆比例して漸減するので、テーパ部５の各々の螺子山の荷重分担が均一化し、ナット１０（雌螺子）を螺合した際に、ナット１０のボルト頭３側（内側）の端面近傍のテーパ部５の螺子谷底に引張りや曲げの応力が集中するのを緩和でき、ボルト１の疲労強度を大幅に向上することができる。
（２）通常、雄螺子部４の切始めに形成される不完全螺子部には応力集中が発生し易いが、テーパ部５の最小径部からボルト頭３側に向かって緩やかに円弧状に拡径して不完全螺子除去部６を形成することにより、テーパ部５を形成しても不完全螺子除去部６に応力集中がほとんど発生せず、テーパ部５による疲労強度改善効果を維持することができる。
（３）雄螺子部４のピッチｐbと雄螺子部４と螺合して締結されるナット１０（雌螺子）のピッチｐnが、０．００３≦（ｐn−ｐb）／ｐb≦０．０５の関係であることにより、ナットのピッチｐnが雄螺子部４のピッチｐbよりも大きくなるので、螺合状態で雄螺子部４の螺子山の間隔を広げようとする力と、その力に抗する力に基づいて、雄螺子部４とナット１０の螺子山間に適度な摩擦力を発生させ、ナット１０の螺合、締付けを可能にすると共に、緩み方向への大きな抵抗を付与することができ、外部から変動応力が加わっても優れた緩み止め機能を維持することができる。この結果、長期の使用期間を通して外力による緩みの発生を確実に抑えることができ、緩みに伴うトラブルを防止でき、信頼性、メンテナンス性に優れる。
（４）テーパ部５の作用により、ナット１０内側の端面近傍の螺子谷底に引張りや曲げの応力が集中することはないが、外部からボルト１に引張り応力が加わったとしても、雄螺子部４のピッチｐbがナット１０のピッチｐnよりも小さく、通常（静止）状態では雄螺子部４の螺子谷底に圧縮応力が生じているので、この引張り応力と圧縮応力が相殺し、外部応力の影響を確実に抑えることができ、疲労破壊の一番の原因である繰り返しの変動応力に対する耐性を大幅に向上させることができ、優れた緩み防止機能と疲労強度を兼ね備えることができる。
【００２５】
以上のような本発明の実施の形態１のボルトを用いた締結具によれば、以下のような作用が得られる。
（１）ボルト１が、雄螺子部４のボルト頭３側の一部の螺子山の頂部の一部が除去されボルト頭３側に向かって螺子山外径が縮径したテーパ部５を有することにより、ナット１０と螺合されるテーパ部５の各々の螺子山の高さが、分担する面圧力に逆比例して漸減するので、テーパ部５の各々の螺子山の荷重分担が均一化し、螺合されたナット１０のボルト頭３側（内側）の端面近傍のテーパ部５の螺子谷底に引張りや曲げの応力が集中するのを緩和でき、ボルト１の疲労強度を大幅に向上することができる。
（２）ナット１０の少なくとも一部がボルト１のテーパ部５と螺合して締結されることにより、ナット１０のボルト頭３側（内側）の端面のテーパ部５の螺子山に対し、撓み易いナット１０の螺子山の先端側のみで接触し、接触面積が小さくなるため、片当たりが緩和され、危険断面に近いテーパ部５の螺子谷底における応力を大幅に低減して破壊を防止することができ、ボルト１の疲労限を向上できる。
（３）ボルト１の雄螺子部４のピッチｐbと雄螺子部４と螺合して締結されるナット１０（雌螺子）のピッチｐnが、０．００３≦（ｐn−ｐb）／ｐb≦０．０５の関係であることにより、螺合状態でボルト１の螺子山の間隔を広げようとする力と、その力に抗する力に基づいて、ボルト１とナット１０の螺子山間に適度な摩擦力を発生させ、ナット１０の螺合、締付けを可能にすると共に、緩み方向への大きな抵抗を付与することができ、外部から変動応力が加わっても優れた緩み止め機能を維持することができる。この結果、長期の使用期間を通して外力による緩みの発生を確実に抑えることができ、緩みに伴うトラブルを防止でき、信頼性、メンテナンス性に優れる。
（４）ナット１０が、ナット１０の全長ｌnの５０％〜８０％の範囲でボルト１のテーパ部５と螺合されることにより、危険断面であるナット１０の内側端面側のボルト１のテーパ部５の螺子谷底において、確実かつ効率的に、荷重分担の均一化，引張り及び曲げの応力集中の緩和，片当たりの緩和を図ることができ、疲労強度の信頼性に優れる。被締結体２０の厚みに応じて、ボルト１のボルト軸部２の長さを選択すると共に、必要に応じてワッシャを用いることにより、ナット１０の位置を最適な位置に調節して良好な締結状態を得ることができ、優れた疲労強度及び緩み防止機能を実現できる。
（５）ナット１０のボルト頭３側の端部の螺子山と嵌合するテーパ部５の螺子山の高さｈtが、ナット１０の螺子山の高さｈnの１０％〜７５％の高さであることにより、十分な締付け力を確保することができ、安全性の低下を防ぐことができる。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１〜３、比較例１，２によるピッチ差の評価）
まず、ＪＩＳ  Ｂ  ０２０５−１９９７に規定されるＭ１６の並目ナットを基準として、実施の形態１で説明した製造方法により、ピッチｐbが異なるボルトを製造した。
製造したボルトのピッチｐbに対するボルトとナットのピッチ差ｐn−ｐbの割合（％）を表１に示す。
比較例２のボルトはナットとのかじり付きが発生したので、実施例１〜３及び比較例１のボルトを振動バーレルに挿通し、ボルトの雄螺子部にＪＩＳ  Ｂ  ０２０５−１９９７に規定されるＭ１６のナットを螺合し、同一の締付トルク（１４５Ｎ・ｍ）で締結した。
十分な疲労強度が得られるように、ナットに嵌合するテーパ部の最小螺子山高さの割合（＝（ｈt／ｈn）×１００（％））を１０％とし、ナット全長に対するテーパ部長さの割合（＝（ｌt／ｌn）×１００（％））を８０％として評価を行った結果を表１に示す。
【表１】
0004701253.tif 000002
以上のようにして、振動バーレルに締結した締結具に、ＮＡＳ式高速緩み試験機（米国航空機規格ＮＡＳ３３５０に準じる）を用いて、ボルトの軸方向と直交する方向に振動を繰り返し与える振動試験を１７分間（３００００回）行った。振動数は１７８０ｒｐｍｍ、加振ストロークは１１ｍｍ、インパクトストロークは１９ｍｍとした。
評価の結果、比較例１では、試験後にナットに緩みが発生したが、実施例１〜３については、試験後にナットに緩みが発生しているものはなかった。
【００２７】
次に、実施例１〜３及び比較例１のボルトについて疲労強度試験を行った。
実施例１〜３及び比較例１のボルトを治具に挿通し、ボルトの雄螺子部にＪＩＳ  Ｂ  ０２０５−１９９７に規定されるＭ１６のナットを螺合し、同一の締付トルク（１４５Ｎ・ｍ）で締結した。ナットの位置は表１に示した通りである。
サーボ型疲労試験機（±３９２ｋＮ）を用い、ボルトの頭部とナットをボルトの軸方向に繰返し引張り、破壊が発生するまでの繰返し回数（時間）をカウントした。尚、引張りの平均応力は１７６．４ＭＰａで一定とし、繰返し速度は５００回／分とした。
評価は、従来のＭ１６の並目ボルトと並目ナットを螺合した締結具の疲労強度を１００％とした時の相対値とした。
表１に示すように、ボルトのピッチｐbに対するボルトとナットのピッチ差ｐn−ｐbの割合が０．３％〜５％の範囲を満たす実施例１〜３では、従来の２倍以上の優れた疲労強度を有することがわかった。
ボルトのピッチｐbに対するボルトとナットのピッチ差ｐn−ｐbの割合が０．３％より小さな比較例１では、従来の並目ボルトと並目ナットを螺合した締結具と同等の疲労強度しかなく、疲労強度改善効果が得られないことがわかった。
【００２８】
（実施例４〜１２、比較例３〜１０によるナット螺合位置の評価）
実施例１〜３、比較例１，２によるピッチ差の評価で、ボルトのピッチｐbと、ナットのピッチｐnの関係を０．００３≦（ｐn−ｐb）／ｐb≦０．０５とすることにより、優れた緩み防止機能が得られることがわかったので、ボルトのピッチｐbと、ナットのピッチｐnの関係を（ｐn−ｐb）／ｐb＝０．０２で一定（実施例２相当）にし、ナットの位置を変えながら、緩みの発生及び疲労強度について評価を行った結果を表２に示す。
【表２】
0004701253.tif 000003
尚、実施例４〜１２、比較例３〜１０のボルトに螺合したナットに嵌合するテーパ部の最小螺子山高さの割合（＝（ｈt／ｈn）×１００（％））及びナット全長に対するナットが螺着されたテーパ部長さの割合（＝（ｌt／ｌn）×１００（％））は、それぞれ表２に示した通りである。
振動バーレルに締結した締結具に、ＮＡＳ式高速緩み試験機（米国航空機規格ＮＡＳ３３５０に準じる）を用いて、ボルトの軸方向と直交する方向に振動を繰り返し与える振動試験を１７分間（３００００回）行った。振動数は１７８０ｒｐｍｍ、加振ストロークは１１ｍｍ、インパクトストロークは１９ｍｍとした。
評価の結果、試験後又は試験中にナットに緩みが発生するものはなく、実施例４〜１２、比較例３〜１０の全てが合格となった。
【００２９】
次に、実施例４〜１２、比較例３〜１０のボルトについて疲労強度試験を行った。
ナットの位置が異なる以外は、実施例１〜３及び比較例１と同様にして評価を行った。
表２に示すように、ナットに嵌合するテーパ部の最小螺子山高さｈtが、ナットの螺子山の高さｈnの１０％〜７５％の高さで、ナットが、ナットの全長ｌnの５０％〜８０％の範囲でボルトのテーパ部と螺合された実施例４〜１２は、優れた疲労強度を有することがわかった。
また、ナットに嵌合するテーパ部の最小螺子山高さｈtをナットの螺子山の高さｈnの８０％とした比較例４，６，８では、従来の並目ボルトと並目ナットを螺合した締結具と同等の疲労強度しかなく、疲労強度改善効果が得られないことがわかった。
さらに、ナットが、ナットの全長ｌnの４０％でボルトのテーパ部と螺合された比較例９では、５０％の実施例４と比べて急激に疲労強度改善効果が低下することがわかった。また、ナットが、ナットの全長ｌnの９０％でボルトのテーパ部と螺合された比較例１０では、従来の１．５倍の疲労強度が得られることはわかったが、ナットの全長ｌnのほとんどがテーパ部で螺合しているため、外力などによってすっぽ抜ける可能性があり、締結の信頼性に欠けるので、好ましくない。
尚、ナットに嵌合するテーパ部の最小螺子山高さｈtをナットの螺子山の高さｈnの５％とした比較例３，５，７は、ナットに嵌合するテーパ部の最小螺子山高さｈtをナットの螺子山の高さｈnの５０％とした実施例５，８，１１ほぼ同程度の疲労強度となっているが、ナットに嵌合するテーパ部の最小螺子山高さｈtをナットの螺子山の高さｈnの１０％とした実施例４，７，１０をピークとして、急激に疲労強度が低下しており、５％〜１０％の範囲は、少しの位置の違いで疲労強度にばらつきが発生し易い不安定な領域であると言える。また、テーパ部における各々の螺子山の引掛かりが少ないため、嵌合している残りの螺子山の負担が増加し、応力集中が発生し易くなり、実用性に欠けるので、好ましくない。さらに、螺子山の高さが低くなると、寸法精度のばらつきの影響を受け易く、製造安定性に欠けると共に、疲労強度のばらつきが発生し易く、締結安定性に欠けるので、好ましくない。
本実施例では、一般的に使用される代表的なＭ１６のサイズに形成されたボルトを用いたが、ボルトのサイズによらず、表１，２と同様の傾向が見られる。
※疲労強度試験の説明（赤字）につき、問題がないかご確認下さい。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、量産性に優れ、繰り返し荷重（振動）を受けても緩み難い優れた緩み防止機能と締結力と共に、大幅に改善された疲労強度を兼ね備えることにより、従来の螺子締結具では得られなかった優れた安全性、信頼性を実現することができるボルトの提供、そのボルトを用いることにより簡素な構成で、部品点数が少なく、ボルト，ナットの使用数や寸法を大幅に低減し、製品の小型化、軽量化を実現できるだけでなく、ボルトの孔あけ加工や締付け作業等に要する工数を低減して製品のコストダウンを図ることができ、製品設計の自在性、組立て作業性を著しく向上させることができる実用性に優れる締結具の提供を行うことができ、各種機械装置、鉄橋、建築物、建設機械、各種搬送機器、電気製品、眼鏡等の可動部または外部から振動を受ける部材の接合部の信頼性を高めることができ、遅れ破壊や応力腐食割れの発生率を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施の形態１のボルトの要部側面図
【図２】図１のＡ部の拡大模式側面図
【図３】実施の形態１のボルトを用いた締結具の使用状態を示す要部断面模式側面図
【符号の説明】
【００３２】
１  ボルト
２  ボルト軸部
３  ボルト頭
４  雄螺子部
４ａ  頂部
４ｂ  谷底部
４ｃ  フランク
５  テーパ部
６  不完全螺子除去部
１０  ナット
２０  被締結体
【図１】
0004701253.tif 000004
【図２】
0004701253.tif 000005
【図３】
0004701253.tif 000006