(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルフタッピンねじなどのためのアンカーを提供するために、比較的薄いまたは脆い加工材に取り付ける、一体型金属構造の形態をしたインサートであって、
本体部分と、
前記本体部分の一方の端またはその近くに設置され、そこから半径方向に延在しているヘッド部と、
前記本体部分の、前記ヘッド部から離れている他方の端に設置された差込部と、
前記ヘッド部、本体部分、および差込部中に延在している貫通孔（a through bore）と、
を備え、
前記差込部の内孔は、セルフタッピンねじなどを受け入れるために実質的にねじ山をつけられておらず、
前記差込部の外側断面の形状および寸法、ならびに前記本体部分の内側断面の形状および寸法はそれぞれ、前記差込部が前記ヘッド部の方に引き寄せられると、加工材にある適した穴に前記インサートを固定するように前記本体部分が変形可能であるようなものであり、該穴を通して、前記差込部および前記本体部分は、前記ヘッド部がその加工材に隣接し、前記本体部分の実質的な長さが該加工材を越えて突き出るように挿入されており、前記差込部の外側のいかなる横断寸法も、対応した、同じ横断面にある本体部分の内側の横断寸法よりも大きくなく、そのため、前記差込部が前記ヘッド部の方に引き寄せられると、前記差込部により近い、前記本体部分の一部は、前記ヘッドにより近い、前記本体部分の一部の内側に入り、かつ、前記本体部分は、前記加工材の平面に入り、それによって、加工材との前記変形した本体部分の嵌合を高めることができる、インサート。
【請求項２】
前記差込部の外側断面の形状および寸法、ならびに前記本体部分の内側断面の形状および寸法はそれぞれ、前記インサートの差込部が同一インサートの本体部分内の滑合部（sliding fit）となるようなものである、請求項１に記載のインサート。
【請求項３】
前記差込部の外側断面の形状および前記本体部分の内側断面の形状はどちらも、実質的に非円形である、請求項２に記載のインサート。
【請求項４】
前記本体部分の内側断面の形状は実質的に非円形であり、前記差込部の外側断面の形状は実質的に円形である、請求項２に記載のインサート。
【請求項５】
前記インサートの前記本体部分の外側断面の形状もまた、実質的に非円形である、請求項３に記載のインサート。
【請求項６】
伸長したステム（elongated stem）および拡張したヘッド（enlarged head）を備えた、連続して前記インサートを取り付ける引き抜きマンドレル（pull−through mandrel）と組み合わせた、請求項２に記載の複数のインサートであって、該複数のインサートは、前記ステムに設置され、各インサートの前記差込部は、前記マンドレルヘッドの方を向き、隣接したインサートの本体部分内に収納される、インサート。
【請求項７】
各インサートの、前記差込部の外側断面の形状および前記本体部分の内側断面の形状はいずれも、実質的に非円形である、請求項６に記載の組み合わせ。
【請求項８】
請求項３に記載の複数のインサートを取り付けるためのインサート取り付け工具であって、該取り付け工具は、請求項７に記載する、引き抜きマンドレルとのかかる複数のインサートの組み合わせを含み、各インサートの前記本体部分の外側断面の形状もまた、実質的に非円形であり、前記取り付け工具はさらに、取り付けられようとしている先頭のインサートの後ろのインサートの本体部分の非円形の外側部と嵌合し、それによって、前記マンドレルの周りに軸方向に、嵌合したインサートを配向し、また、取り付けられようとしている先頭のインサートを配向させる手段を含む、インサート取り付け工具。
【請求項９】
請求項２に記載のインサートを加工材に取り付ける方法であって、
インサートの差込部および本体部分を、加工材にある適した穴を通して挿入して、前記本体部分の実質的な長さが加工材を越えて突き出るようにすること、
前記インサートの孔を通って延在している伸長したステムを有するマンドレルを提供することであって、該マンドレルは、前記差込部の内側の滑合部となるステムと、前記差込部を越えて半径方向に拡張したヘッドとを備えること、
管状内側支持部材を、前記マンドレルステムの外周に、かつ、その中で滑合部となる、前記インサートの本体部分の内周に提供すること、
加工材に対して前記インサートのヘッド部を支持すること、
前記インサートのヘッド部分に対して前記マンドレルを引いて、前記インサートのヘッド部分が前記インサートの差込部を嵌合し、前記管状支持部材が内側に支持されるとともに前記本体部分を軸方向につぶれ込ませる軸力をそれに加えるようにすること、
を含む、方法。
【請求項１０】
前記管状支持部材は、取り付け工具の一部を形成し、インサートを連続して取り付ける際に再使用できる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記インサートと同一のさらなるインサートが、前記インサートと同軸に配置され、
前記管状支持部材は、前記さらなるインサートの差込部によって提供され、該管状支持部材を通って前記マンドレルも延在する、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記インサートの差込部は、前記インサートの本体部分中に引き寄せられ、前記内側支持部材は、前記差込部が進むにつれて段階的に引っ込められ、それによって、その変形および加工材との嵌合を助ける、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記マンドレルヘッドは、前記インサートの差込部を通って完全に引っ込められ、それによって、前記貫通孔を所定の直径に形成する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
各実質的に非円形の形状は、実質的に正方形である、先行する請求項のいずれか一項に記載のインサート、マンドレルとの複数のインサートの組み合わせ、インサート取り付け工具、またはインサート取り付け方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、セルフタッピンねじなどのためのアンカーの差込部（receptacle）を提供するために、比較的薄いまたは脆い加工材に取り付けるインサートに関する。
【０００２】
セルフタッピンねじは、製造費用および取り付け時間がともにかかることのない、２つの構成部材を一緒に固定するための手段を提供するものとして、産業界において広く用いられている。しかしながら、セルフタッピンねじの使用は、それらが差し込まれる素材または差込部に起因する多くの欠点がある。
【０００３】
セルフタッピンねじが、薄いまたは脆い素材の加工材中に直接ねじ込まれる場合、その加工材内に形成されるねじ山の破損強度は低い。さらに、この破損強度と、ねじが嵌合し始めるのに必要とされるトルクとの間にはほとんどマージンがない。したがって、ねじ山がすり減るのを回避するために、締め付け時の初期トルク（fastener installation torque）を制御することは難しい可能性がある。また、その結果もたらされる接合の張力強度は、薄いまたは脆い素材内のねじ山の引張り破壊力（the tensil strip-out force of the thread ）によって制限される。
【０００４】
プラスチック材料（たとえばナイロン）のグロメットすなわちインサートは、セルフタッピンねじ用の差込部として用いられることがある。しかしながら、プラスチック材料は比較的脆いため、自動車組立ラインなどの実際的な産業環境での作業を十分に制御することができるように、ねじはめ合いトルク（screw-engagement torque）とねじ山破壊トルク（thread strip-out torque）との間に十分なマージンを形成するよう十分な強度を提供するために、ねじのはめ合いが長いことが要求される。ねじのはめ合いが長いことにより、加工材の後すなわち裏（blind）側に大きな突出部がもたらされるが、これは、組み立てられた製品を使用する際に、注意を要するかまたは危険である場合もある。また、ねじがより長いことにより、取り付けにより多くの時間がかかる。
【０００５】
さらに、インサートすなわちアンカーは、加工材とは全く異なる材料（たとえば、鋼に対してプラスチックのような）からなっているので、組み立てられた製品（たとえば車体）を最終的に解体することによってどちらの材料とも復元することは難しい。通常、プラスチックの構成部材は燃えてしまい、その材料は復元しない。
【０００６】
考えられる代替法は、ＡＶＤＥＬ  ＴＨＩＮ  ＳＨＥＥＴ  ＮＵＴＳＥＲＴ（登録商標）の名称で広く知られており多数の国で入手可能であるようなブラインドねじ山付きインサートを、機械ねじまたはボルトとともに使用することであろう。これは、作業速度が圧力下にある製造ライン状況下、たとえばねじをはめ合わせることが困難な状況では交叉ねじ込み（cross-threading）をもたらす欠点を有する。さらに、ねじが適用される前に、取り付けられたねじ山付きインサートを有する構成部材が塗装されている場合、この塗料がインサートに入り込み、ねじ山を詰まらせ、ひいては、ねじの適正な嵌合を妨げるおそれがある。
【０００７】
本発明の目的の１つは、従来のこれらの実際上の欠点を克服するインサートを提供することである。本発明は、併記の特許請求の範囲に定義づけられる。
【０００８】
次に、本発明のいくつかの特定の実施形態を、添付の図面の参照とともに例によって説明する。
【０００９】
図１から図５を参照すると、わずかに異なる形態の２つのインサートの立面図が見られ、図１Ｂおよび図２Ｂはそれぞれ、図１Ａおよび図２Ａの矢印ＩＢおよび矢印ＩＩＢの方向から見た、その下面の図であり、図３、図４、および図５はそれぞれ、図１Ａおよび図２Ａの線ＩＩＩ−ＩＩＩ、線ＩＶ−ＩＶ、および線Ｖ−Ｖ上の部分である。図１Ａおよび図２Ａにおいて、孔壁が、仮想線図で示されている。
【００１０】
図１、図３、および図４に示す第１の例のインサート１１は、貫通孔１３を備え、略筒形をした、鋼製の一体型構造をしている。このインサートは、一方の端に半径方向に拡張したフランジ状ヘッド１５と一体形成されている本体部分１４を備え、他方の端に差込部１６を備えている。外側部１７および内側部１８はともに形状が略正方形であり、面取りされているかまたは丸みをつけられたコーナ１９を有している。差込部１６は、ともに円筒形（すなわち断面が円形）である外側部２１および内側部２２を有しており、内側面２２は、ねじ山をつけられていない。本体１４の軸長および差込部１６の軸長は、ほぼ同じである。ヘッド１５は、外形が円形であり、軸方向に比較的薄くなっている。本体１４の壁厚は、ヘッドフランジ１５の厚さと同様であるが、差込部１６の壁厚は、本体１４およびヘッドフランジ１５の壁厚よりも実質的に厚い。差込部１６の外側部２１の直径は、本体の内側部１８の最小径（すなわち、対向面の間の距離）よりも僅かに小さく、差込部１６の外側部２１が、同一インサート１１の本体１４の内側部１８の滑合部となる。
【００１１】
図２Ａ、図２Ｂ、図３、および図５に示した第２の形態のインサートは、図１Ａ、図１Ｂ、図３、および図４を参照して説明した第１の形態のインサートの変形形態であり、同様の部分は同様の符号で示されている。第２の形態のインサート２３は、その差込部２５の外側部２４が略正方形の断面をしており、丸みをつけられたコーナ２６を備えているという点以外は、（第１の形態のインサートと）同じである。ここでもまた、インサートの差込部２５の外側部２４は、同一インサートの本体１４の内側の滑合部となる。
【００１２】
図６から図１０は、図１Ａおよび図１Ｂに示す第１の形態のインサート１１の取り付け順序を示す。取り付け工具２６は、ブラインドブレークステムリベットを取り付けるためのものとして周知のものと概して同じであるが、ただし、一方の端に、隣接した掴み溝（gripping grooves）２９を備えた伸長したステム２８を備え、他方の端に、拡張したヘッド３１を備えた再使用可能なマンドレル２７を有している点が違っており、この拡張したヘッド３１は、拡張したヘッド３１をステム２８に結合させる先細り部分３２を含む。マンドレルステム２８の直径は、インサートの差込部１６の内側部２２内の滑合部となる。よく見られるように、この工具は、環状アンビル面３４で終端している管状ノーズピース３３を有している。ノーズピース３３の内側には、マンドレルの掴み溝２９を係合する２つのあご３６を保持するあご担持部（jaw-carrier）３５がある。このあご担持部は、ともにあごを付勢する先細り状になったコレットを提供する。インサートの取り付けを容易にするために、この工具は、往復可能な支持管３７も備え、この支持管の外側部は、インサート差込部１６の外側部と同じ直径を有しており、インサート１１の本体１４内の滑合部となり、支持管の内側部は、マンドレルステム２８上で滑合部となるようになっている。この工具は、ノーズピース３３に関してあご担持部３５を引っ込めさせるための手段（たとえば、空気圧式駆動装置、油圧−空気圧式駆動装置、または電気駆動装置）（図示せず）を備える。
【００１３】
この工具を使用するために、マンドレルを内側に押してあごを開き、その後マンドレルを引くことによって、工具からマンドレルを取り外す。１つのインサートは、差込部の端部がマンドレルヘッドの先細り部分（taper）３２の底部に接触するまで差込部の端部を先にしてマンドレルの後端上に集められる（図６を参照）。次に、マンドレルの後部を、支持管３７を通して挿入してあご３６内にはめ合わせる。インサートおよび工具の相対寸法は、次にインサートヘッド１５が工具アンビル３４と接触する（図６）ようなものである。シート状の加工材３９内の、適当な寸法をした予め成形された正方形の穴３８に、インサート１１を取り付けるために、工具２６は、その工具の操作者により操作され（工具が手持ち式か、またはその工具が機械的に誘導され進められる場合）、インサート１１は、インサートヘッド１５が、アンビル３４によって支持される加工材３９と接触するまで、穴３８中へ通されるようになっている。図６で示すように、インサートの本体１４の長さの大部分が、加工材を越えて突き出る。
【００１４】
次に工具は、その駆動装置がノーズピース３３内のあご担持部３５を引っ込め、マンドレルヘッド３１をアンビル３４に向かって引っぱるように起動させられる。したがって、インサートに及ぼされる軸方向圧縮により、インサートを２つの状態に段階的に変形させる。マンドレルヘッドの先細り部分３２および外径部（full diameter portion）３１は、差込部１６を段階的に半径方向に拡張させ、その差込部に軸方向に入り、本体１４は、外向きの半径方向拡張によって、軸方向に段階的につぶれ込む。この順次的な段階は、図７から図１０に示す。インサートの本体１４は外側にバックルし（buckle）（図７）、このバックルは、本体１４と差込部１４との間の接合部の形状によって増進する。最終的に、このバックルは、折りつぶれたフランジ（folded flange）４１（図８）を形成するのに十分にバックルし、加工材３９は、インサートヘッド１５とフランジ４１との間に把持される。
【００１５】
このつぶれ込みの初期段階の間、インサートの本体１４の内側は、支持管３７によって支持され、このつぶれ込みが対称的に起こるように、したがって、穴に対して差込部を正確に位置づけでき、かつ加工材の平面に垂直になるようになっている。この支持管は、まず本体１４から付勢し、その後でマンドレルヘッドの先細り部分３２によって、軸方向につぶれ込んでいる本体から引っ込められる。
【００１６】
マンドレルヘッドは、インサートの差込部１６を通って進む際に、２つの事を行う。第１に、マンドレルヘッドは、ヘッド１５に隣接しており加工材３９の穴３８の内側にある、本体１４の一部を半径方向に拡張して、その穴の壁と密接状態にし、したがって、加工材にインサートを取り付ける安全性が高まる。これにより、加工材に穿孔される穴３８のサイズの実質的な許容差が容認される。第２に、マンドレルヘッドは、差込部の口径（bore）の拡張した内壁を、正確に既知の直径に形成し、そのため、厳密な許容差を有する取り付け差込部の口径の寸法を、最適な直径に合わせて、意図されたセルフタップねじを受け入れ、ひいては、そのねじをねじ込むのに必要とされる許容差を良好に制御する。図１０は、工具が取り外された後の、加工材に取り付けられているインサートを示す。
【００１７】
マンドレル２８は、一度に１つづつ、多数のインサートを取り付けるために再使用することができる。しかしながら、よりいっそう効率的な方法は、多数のインサートを長マンドレルのステムに充填して、各インサートが順に投じられる（placed）につれて進んでゆく一列にならんだインサートを形成することができる反復システム（repetition system）を使用することである。これを行うのに適した工具を図１１および図１２に示す。図１１は、工具のノーズピース端を通った軸の長手方向部分であり、図１２は、図１１の線ＸＩＩ−ＸＩＩ上の断面部分である。図６の工具の同様の部分は、同様の符号で示されている。
【００１８】
このような例の工具は、登録商標ＣＨＯＢＥＲＴおよびＢＲＩＶの名称で周知であり、多数の国で広く入手可能な、管状ブラインドリベットの反復取り付けに用いられる周知の工具と略同一である。この工具の構造および操作は、ここではさらに説明する必要はない。
【００１９】
図１１に示すように、各インサートの差込部の外側部分が同一インサートの本体部分内の滑合部であることにより、２つの利点がもたらされる。第１に、このことにより、マンドレルにインサートを入れ子にすることができ、各インサートの差込部２５の外側部は、そのすぐ前にあるインサートの本体１４内に嵌合することができる。これにより、反復マンドレル４３の長ステム４２に予め充填されることができるインサートの数が増し、このマンドレルのヘッド４４は、先頭のインサート４５によって引っ張られる。インサートの列は、往復可能（reciprocable）マンドレルに沿って前方向に弾性的に付勢される。マンドレルが引っ込められると、先頭のインサートのヘッドは、ノーズピースアンビル３４に接し、このインサートは前に述べたのと同じ方法で、変形されて取り付けられる。第２の利点は、変形およびつぶれ込みの間、各インサート本体を、上記の単一使用の工具の支持管３７に代わって次のインサートの差込部が支持して配置するということである。列の最後のインサートの本体部分のための支持体が、プッシャまたはばねフォロア（図示せず）上に適切な管状突起部により設けられ、この管状突起部は、インサートを前方に出すよう付勢する。
【００２０】
ＣＨＯＢＥＲＴおよびＢＲＩＶシステムにおけるように、連続インサートは、ノーズピースあご４６を介して一度に１つずつ前に送られ、このノーズピースあごは、先頭のインサートの後ろで閉まり、次に続くインサートを把持する。この工具の構造により、本発明のさらなる機能を用いることができる。図２Ａおよび図２Ｂに示す、インサートの第２の形態は、その差込部２５の外側が正方形であることが想起されるであろう。したがって、１つのインサートの正方形の差込部は、次の滑合部本体内に収納され、その次のインサートの、マンドレル軸周りの回転のアラインメントが、画定し維持される。この目的のために、図１２に示すように、工具のノーズピースあご４６は、インサート本体１４の外側の正方形断面と対応する、正方形断面４７をともに形成する内部面を有する。したがって、ノーズピースあご４６に保持されるインサートは、あごによって回転的に配向され、取り付けられようとしている先頭のインサートは、その本体内で該インサートの後ろの、前述したインサートの差込部によって回転的に配向される。したがって、取り付け工具は、手持ち式であるかまたは機械的に支持され誘導されていても、加工材にある予め成形された方形穴により、取り付けられるインサートの正確な配向が達成される。
【００２１】
図１３から図１８は、図６から図１０と概して同様であるが、インサートの変形の段階はより小さく示され、次のインサートの差込部への支持は、図示を簡潔にするために省略されており、ノーズピースあごは、単純な形で示されている。
【００２２】
図１３は、マンドレルに加えられる引張力が小さい場合の、取り付け動作の開始時点での打ち込み工具のインサート４５、マンドレル４３、およびノーズ端アンビル３４の関係を示す。マンドレルにかかる引張力の大きさが増大するにつれ、マンドレルヘッド４４は、変形し始め、インサートの差込部２５を半径方向に拡張させる。同時に本体１４は、軸方向に収縮しながら「膨らむ」。本体１４との接合部での差込部２５の外径は本体の外径よりも小さい直径をしているため、線状の力（line of force）は、本体の壁を通して作用する（react）時にずれる。これは、図１４に示すように、本体の壁を半径方向に外側に拡張するように付勢するのに作用する力のモーメントを提供する。
【００２３】
マンドレルヘッドが差込部２５に段階的に（progressively)もっと入り込むにつれて、マンドレルヘッド４４によって差込部をさらに膨張させるのに必要な力が、図１５に見られるように、本体部分を軸方向につぶれ込ませ、半径方向に拡張させるのに十分に大きい力で存在する地点がもたらされる。
【００２４】
このことは、本体の、変形した底部が、図１６に見られるように、本体の内壁の、変形した底部に接触するまで続く。
【００２５】
マンドレルの引張力が増大するにつれて、マンドレルヘッド４４は、差込部２５の孔を通して引っ込められ、差込部２５を拡張させ、さらに本体１４の底部を円錐形に変形させる。この円錐形の外面は、図１７に示すように、本体の、変形した内壁に対して強く圧され、この内壁は、本体の、外側に変形した表面を加工材に対して強く押しつける。このことは、２つの目的を有する。それは、まず、緩みのおそれまたはガタガタと音を立てることなく、加工材に非常にしっかりと固定させること、次に、穴のサイズに大きく変化がある場合に、インサートの本体の拡張が加工材の穴を埋めるのに十分であるよう常に保証することである。
【００２６】
インサートが最終的に取り付けられた構造を、図１８に示す。これは、本体の底部が円錐形に変形した形状が、本体の壁を支持し、ひいては取り付けられたインサートに強さを加えるように、本体の壁に配置されていることを示している。また差込部は、インサートのヘッドに対して軸および半径方向に固定して保持されていることも意味する。
【００２７】
図１９および図２０は、加工材に構成部材４９を取り付けるために、取り付けられた差込部２５へのセルフタッピンねじ４８の挿入を示す。セルフタッピンねじ４８を締め付ける動作により、インサートの固定を維持するために変形された本体の内部面に対して円錐形面がさらに押し付けられる。
【００２８】
前述の例では、インサートは低炭素鋼からできている。通常、本体部分１４の壁の厚さは０．４ｍｍである。
【００２９】
本発明は、前述の諸例の詳細に限定されるものではない。たとえば、非円形状は正方形である必要はなく、たとえば六角形であり得る。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  インサートの２つの代替形態を示す図である。
【図１Ｂ】  インサートの２つの代替形態を示す図である。
【図２Ａ】  インサートの２つの代替形態を示す図である。
【図２Ｂ】  インサートの２つの代替形態を示す図である。
【図３】  インサートの２つの代替形態を示す図である。
【図４】  インサートの２つの代替形態を示す図である。
【図５】  インサートの２つの代替形態を示す図である。
【図６】  取り付けられたインサートの一形態の変形の順次的な段階を示す図である。
【図７】  取り付けられたインサートの一形態の変形の順次的な段階を示す図である。
【図８】  取り付けられたインサートの一形態の変形の順次的な段階を示す図である。
【図９】  取り付けられたインサートの一形態の変形の順次的な段階を示す図である。
【図１０】  取り付けられたインサートの一形態の変形の順次的な段階を示す図である。
【図１１】  第２の形態のインサートの取り付けを繰り返す取り付け工具を示す図である。
【図１２】  第２の形態のインサートの取り付けを繰り返す取り付け工具を示す図である。
【図１３】  図１１および図１２の工具によって取り付けられた、第２の形態のインサートの変形の順次的な段階を示す図である。
【図１４】  図１１および図１２の工具によって取り付けられた、第２の形態のインサートの変形の順次的な段階を示す図である。
【図１５】  図１１および図１２の工具によって取り付けられた、第２の形態のインサートの変形の順次的な段階を示す図である。
【図１６】  図１１および図１２の工具によって取り付けられた、第２の形態のインサートの変形の順次的な段階を示す図である。
【図１７】  図１１および図１２の工具によって取り付けられた、第２の形態のインサートの変形の順次的な段階を示す図である。
【図１８】  図１１および図１２の工具によって取り付けられた、第２の形態のインサートの変形の順次的な段階を示す図である。
【図１９】  取り付けられたインサート中にねじ込まれるセルフタップねじを示す図である。
【図２０】  取り付けられたインサート中にねじ込まれるセルフタップねじを示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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