(57)【要約】【課題】収容部材に対する締結時の応力集中を軽減することができる締結構造を提供する。【解決手段】締結構造は、被締結体３、４を締結するボルト１及びナット２と、ボルト１の頭部及びナット２のうち、その輪郭形状が正多角形である一方を収容してその回動を制限する収容凹部６を有する収容部材５とを備えている。収容部材５の弾性率及び降伏応力はそれぞれ、収容凹部６に収容されるボルト１又はナット２の弾性率及び降伏力よりも小さい。収容凹部６の内壁面２０は、曲率の連続する曲面で構成されており、収容凹部６に収容されるボルト１の頭部又はナット２の輪郭形状から所定の長さｄ分大きな外形の基準正多角形Ｒの各辺にそれぞれ接する、収容凹部６の内側に向かって凸の曲面の第１曲面部分２１を有している。【選択図】  図３
2017219084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被締結体を締結するボルト及びナットと、
前記ボルトの頭部及び前記ナットのうち、その輪郭形状が正多角形である一方を収容してその回動を制限する収容凹部を有する収容部材とを備え、
前記収容部材の弾性率は、前記収容凹部に収容される前記ボルト又は前記ナットの弾性率よりも小さく、
前記収容部材の降伏応力は、前記収容凹部に収容される前記ボルト又は前記ナットの降伏応力よりも小さく、
前記収容凹部の内壁面は、曲率の連続する曲面で構成されており、
前記収容凹部の内壁面は、前記収容凹部に収容される前記ボルトの頭部又は前記ナットの輪郭形状から所定の長さ分大きな外形の基準正多角形の各辺にそれぞれ接する、前記収容凹部の内側に向かって凸の曲面の第１曲面部分を有している
ことを特徴とする締結構造。
【請求項２】
請求項１に記載の締結構造において、
前記第１曲面部分の輪郭形状は、それぞれ線対称である
ことを特徴とする締結構造。
【請求項３】
請求項１に記載の締結構造において、
前記収容凹部に収容される前記ボルトの頭部又は前記ナットの輪郭形状は、正六角形であり、
前記第１曲面部分の輪郭形状は、それぞれ曲率半径がｒの円弧であり、
前記曲率半径ｒは、前記正六角形の一辺の長さをＬ、前記基準正多角形を規定する前記所定の長さをｄとしたときに、次式を満たすように設定されている
【数１】
2017219084.tif 000011
ことを特徴とする締結構造。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか1項に記載の締結構造において、
前記収容部材は、樹脂製である
ことを特徴とする締結構造。
【請求項５】
請求項４に記載の締結構造において、
前記収容部材は、内部に電気回路が配置されるケースであり、
前記被締結体は、前記電気回路に接続される端子を含む
ことを特徴とする締結構造。
【請求項６】
請求項５に記載の締結構造を複数備えた半導体装置であって、
前記ケースは、前記収容凹部を複数有しており、複数の締結構造に共通な収容部材である
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
ボルト及びナットによる被締結体の締結時に用いられる締結構造の収容部材であって、
前記収容部材は、前記ボルトの頭部及び前記ナットのうち、その輪郭形状が正多角形である一方を収容してその回動を制限する収容凹部を有し、
前記収容部材の弾性率は、前記収容凹部に収容される前記ボルト又は前記ナットの弾性率よりも小さく、
前記収容部材の降伏応力は、前記収容凹部に収容される前記ボルト又は前記ナットの降伏応力よりも小さく、
前記収容凹部の内壁面は、曲率の連続する曲面で構成されており、
前記収容凹部の内壁面は、前記収容凹部に収容される前記ボルトの頭部又は前記ナットの輪郭形状から所定の長さ分大きな外形の基準正多角形の各辺にそれぞれ接する、前記収容凹部の内側に向かって凸の曲面の第１曲面部分を有している
ことを特徴とする締結構造の収容部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、締結構造及び締結構造の収容部材に係り、更に詳しくは、ボルト及びナットのいずれか一方を収容部材に収容した状態で被締結体をボルト及びナットで締結する構造及びその収容部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
締結構造は、ボルト、ナット、被締結体、及び収容部材で構成されており、半導体装置等の締結を必要とする様々な製品に用いられている。収容部材は、ナットやボルトの頭部を収容するための収容凹部を有している。収容凹部は、組立時にナットやボルトを挿入しやすいように、ナットやボルトの外形よりもやや大きく成形されている。締結構造は、ナット又はボルトを収容部材の収容凹部に収容した状態で、ボルトとナットとの間に被締結体を挟み込み、収容凹部に収容されていないボルト又はナットに締付トルクを負荷することで、ボルト、ナット及び被締結体を締結する構造である。収容凹部は、トルクを負荷して締結する際に、収容されたナット又はボルトと接触することで、ナット又はボルトの回り止めとして機能する。このとき、収容凹部のナット又はボルトとの接触位置やその近傍に応力が集中するので、収容部材の信頼性向上のためには、応力集中の軽減や強度確保が必要となる。
【０００３】
締結構造の収容部材に対する応力集中の軽減や強度確保のための技術として、特許文献１に記載の電子機器の端子装置が知られている。この端子装置は、端子台（収容部材）に形成したナット挿入穴（収容凹部）に六角ナットを嵌め合い保持した上で、六角ナットに端子ネジを螺合したものであり、ナット挿入穴を、六角ナットの外形に相応した穴形状を基本として、この六角穴の各対角部に六角ナットの角部との接触を避ける凹状の逃げ溝を形成した異形穴とし、さらに逃げ溝を挟んだ六角穴の各辺を、六角ナットの平坦な周面が当接するように角度付けしたテーパー壁面としたものである。
【０００４】
また、締結構造の収容部材のようにボルトやナットを収容するものとして、六角ボルト等の多角形ボルトの頭部又は六角ナット等の多角形ナットを挿入するための挿入穴を有する工具ソケットが知られている。工具ソケットは、多角形ボルト又は多角形ナットに挿入穴を嵌め込み回転させることで、ボルト又はナットの締付け又は緩めを行うものである。このような工具ソケットには、多角形ボルト又は多角形ナットの角部の数と同じ数の内壁面と、該内壁面間に形成された角凹部とで構成された挿入穴を有し、各内壁面を径方向内側に膨らむ円弧形状の第１曲面形状をベースとし、各角凹部を径方向外側に膨らむ円弧形状としたものがある（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載の工具ソケットにおいては、締付けトルク又は緩めトルクを維持したまま工具に生ずる集中応力を低減するために、内壁面のうち、角凹部に対して周方向一方側に隣接する一方面部分を、周方向他方側に隣接する他方面部分（第１曲面形状の一部）よりも径方向外側に位置するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−８６１９号公報
【特許文献２】特開２０１４−１７６９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、ボルト、ナット、被締結体、及び収容部材で構成される締結構造において、締結時のボルト又はナットと収容凹部の内壁面との接触に起因した収容部材の割れ等に対する信頼性向上のためには、収容部材における応力集中の軽減や強度確保が課題となる。
【０００７】
特許文献１に記載の端子装置においては、六角ナットの角部がナット挿入穴の内壁面に接触して端子台に応力集中が生じてしまうことがないように、六角穴の各対角部に逃げ溝を設けている。この逃げ溝は、その形状から、ナット挿入穴の内壁面における曲率の不連続な部分となる。ボルト又はナットへのトルク負荷時には、ナット挿入穴の形成されている端子台に応力が生じるが、ナット挿入穴における曲率の不連続な部分は、応力の集中箇所になる可能性がある。
【０００８】
また、特許文献２に記載の工具ソケットにおいては、工具に生じる集中応力を低減するために、挿入穴の各内壁面のベースを径方向内側に膨らむ円弧形状とすることで、挿入穴に収容したボルト又はナットの外周面と挿入穴の内壁面とが面接触するようにしている。しかし、工具ソケットが金属製のボルト又はナットと同様な硬い材質で形成されている場合には、ボルトやナットの外周面と挿入穴の内壁面とが接触したとしても、内壁面の変形が小さいので、十分な接触面積を確保できず、応力集中の軽減効果が十分に得られない可能性がある。
【０００９】
さらに、特許文献２に記載の工具ソケットにおいては、内壁面間の角凹部を径方向外側に膨らむ円弧形状とし、角凹部に対して周方向他方側に隣接する内壁面の他方面部分を、角凹部の円弧形状よりも大きな曲率半径で径方向内側に膨らむ円弧形状としているので、内壁面の他方面部分と角凹部の繋ぎ目は、曲率の不連続な部分となる。曲率の不連続な部分は、上述したように、ボルト又はナットへのトルク負荷時に応力の集中箇所になる可能性がある。
【００１０】
本発明は、上記の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、収容部材に対する締結時の応力集中を軽減できる締結構造及び締結構造の収容部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、被締結体を締結するボルト及びナットと、前記ボルトの頭部及び前記ナットのうち、その輪郭形状が正多角形である一方を収容してその回動を制限する収容凹部を有する収容部材とを備え、前記収容部材の弾性率は、前記収容凹部に収容される前記ボルト又は前記ナットの弾性率よりも小さく、前記収容部材の降伏応力は、前記収容凹部に収容される前記ボルト又は前記ナットの降伏応力よりも小さく、前記収容凹部の内壁面は、曲率の連続する曲面で構成されており、前記収容凹部の内壁面は、前記収容凹部に収容される前記ボルトの頭部又は前記ナットの輪郭形状から所定の長さ分大きな外形の基準正多角形の各辺にそれぞれ接する、前記収容凹部の内側に向かって凸の曲面の第１曲面部分を有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、収容されるボルト又はナットの材質よりも変形しやすい材質で収容部材を形成すると共に、収容部材の収容凹部の内壁面の一部分を基準正多角形の各辺にそれぞれ接する収容凹部の内側に向かって凸の曲面とすることで、ボルト又はナットの外周面と収容凹部の内壁面とが締結時に十分な接触面積をもって面接触するようにしたので、収容部材に生じる応力を分散することができる。また、収容凹部の内壁面を曲率の連続する曲面で構成したので、内壁面に曲率の不連続な部分がなく、締結時の応力集中の発生の可能性を回避することができる。すなわち、収容部材に対する締結時の応力集中を軽減することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の締結構造の第１の実施の形態の各構成を分解した状態で示す斜視図である。
【図２】本発明の締結構造の第１の実施の形態の各構成を締結した状態で示す斜視図である。
【図３】図１に示す本発明の締結構造の第１の実施の形態の一部を構成する収容部材の収容凹部をナットを収容した状態で示す平面図である。
【図４】図３に示す本発明の締結構造の第１の実施の形態の一部を構成する収容部材の収容凹部とナットの回動位置との関係を示す平面図である。
【図５】図３に示す本発明の締結構造の第１の実施の形態を構成する収容部材の収容凹部における一部の輪郭形状を示す説明図である。
【図６】図５に示す本発明の締結構造の第１の実施の形態を構成する収容部材の収容凹部における一部の輪郭形状の各種条件に応じた具体的寸法の計算例を示す表である。
【図７】曲率の不連続な部分を有する従来技術の収容部材をモデル化した図である。
【図８】本発明の締結構造の第１の実施の形態を構成する収容部材に対する第１の比較例の収容部材に生じる応力状態を示す特性図である。
【図９】本発明の締結構造の第１の実施の形態を構成する収容部材に対する第２の比較例の収容部材に生じる応力状態を示す特性図である。
【図１０】本発明の締結構造の第１の実施の形態を構成する収容部材に生じる応力状態を示す特性図である。
【図１１】本発明の締結構造の第２の実施の形態を一部分解した状態で示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の締結構造の実施の形態を図面を用いて説明する。
［第１の実施の形態］
まず、本発明の締結構造の第１の実施の形態の構成を図１及び図２を用いて説明する。図１は本発明の締結構造の第１の実施の形態の各構成を分解した状態で示す斜視図、図２は本発明の締結構造の第１の実施の形態の各構成を締結した状態で示す斜視図である。
【００１５】
図１において、締結構造は、ボルト１及びナット２と、ボルト１及びナット２により締結される被締結体としての第１及び第２の被締結部材３、４と、ナット２を収容する収容凹部６を有する収容部材５とを備えている。ボルト１及びナット２は、鉄鋼、ステンレス、又は真鍮等からなる金属製であり、広く流通している一般的なものである。ボルト１として、例えば、六角穴付きボルトが用いられている。収容凹部６に収容されるナット２は、例えば、六角ナットである。第１及び第２の被締結部材３、４として、例えば、金属製の端子や配線、バスバー等がある。第１及び第２の被締結部材３、４には、例えば、ボルト１の軸部が挿通する挿通孔３ａ、４ａがそれぞれ設けられている。収容凹部６は、収容部材５の上面に形成されている。
【００１６】
本締結構造においては、図１及び図２に示すように、収容部材５の収容凹部６にナット２を収容した状態で被締結体３、４をナット２とボルト１との間に挟み込み、ボルト１に締付トルクを負荷することで、ボルト１、ナット２及び被締結体３、４を締結している。収容凹部６は、締付トルクをボルト１に負荷したときに、ナット２の供回りを防止する、つまり、ナット２を収容してその回動を制限するものである。
【００１７】
本発明の締結構造の第１の実施の形態は、収容部材の材質及び収容部材の収容凹部の形状に基本的な特徴がある。
【００１８】
まず、収容部材の材質について説明する。収容部材５は、収容するナット２よりも変形しやすい材質で形成されている。すなわち、収容部材５は、弾性率及び降伏応力の両方がナット２の材質よりも小さい材質からなる。収容部材５の材質として、例えば、ＰＰＳ（Poly Phenylene Sulfide）、ＡＢＳ（Acrylonitrile Butadiene Styrene）、ナイロン等の樹脂が挙げられる。収容部材５の材質として樹脂材料を使用する場合、電気的な絶縁性を確保できるので、本締結構造は電気配線に用いる場合に好適である。
【００１９】
次に、収容部材の収容凹部の形状を図３及び図４を用いて説明する。図３は図１に示す本発明の締結構造の第１の実施の形態の一部を構成する収容部材の収容凹部をナットを収容した状態で示す平面図、図４は図３に示す本発明の締結構造の第１の実施の形態の一部を構成する収容部材の収容凹部とナットの回動位置との関係を示す平面図である。なお、図３及び図４において、図１及び図２に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００２０】
収容部材５の収容凹部６は、上述したように、ナット２を収容し、締付け時や緩め時のトルク負荷時にナット２の回動を制限するためのものである。そこで、収容凹部６は、図３に示すように、組立時にナット２を挿入しやすいように、その輪郭形状がナット２の外形よりも一回り大きくなるように形成されている。つまり、収容凹部６の内壁面２０は、ナット（六角ナット）２の外周面２ａを構成する各面（６つの面）との間にそれぞれ、所定以上の隙間（クリアランス）が存在するように形成されている。このクリアランスの存在により、ボルト１（図１参照）の締付け時及び緩め時に、ナット２が収容凹部６内で回動する。そこで、収容凹部６の内壁面２０は、トルク負荷時に、ナット２の外周面２ａの各面の一部分と接触するように形成されている。
【００２１】
具体的には、内壁面２０は、収容凹部６に収容するナット（六角ナット）２の輪郭形状から所定の長さｄ分大きな外形の基準正多角形（破線で示す正六角形）Ｒの各辺にそれぞれ接する、収容凹部６の内側に向かって凸の曲面の第１曲面部分２１を有している。内壁面２０は、さらに、ナット２との干渉を回避可能な領域において隣接する第１曲面部分２１同士をそれぞれ結合する第２曲面部分２２を有している。各第１曲面部分２１及び各第２曲面部分２２は、それぞれ曲率の連続する曲面で構成されており、第１曲面部分２１と第２曲面部分２２の繋ぎ目も曲率が連続するよう結合されている。つまり、内壁面２０全体が曲率の連続する曲面で構成されている。
【００２２】
このように構成された収容部材５において、図４に示すナット２は、締付け時に一点鎖線で示す第１の接触位置Ｙに回動し、その外周面２ａの各面がそれぞれ内壁面２０の各第１曲面部分２１の一部分に接触する。また、ナット２は、緩め時に二点鎖線で示す第２の接触位置Ｚに回動し、その外周面２ａの各面がそれぞれ内壁面２０の各第１曲面部分２１の別の一部分に接触する。つまり、ナット２は、第１の接触位置Ｙと第２の接触位置Ｚの間で回動可能である。内壁面２０の各第１曲面部分２１が収容凹部６の内側に凸の曲面であるので、ナット２の外周面２ａの各面に対して内壁面２０の最も近い部分は、ナット２の回転位置に応じて、締付け時にナット２と接触する部分と緩め時にナット２と接触する部分との間の領域で変化する。図４の実線で示すナット２は、締付け時の第１の接触位置Ｙと緩め時の第２の接触位置Ｚとの間の中間回動位置Ｘに位置する。この中間回動位置Ｘでは、ナット２の外周面２ａの各面と内壁面２０の最も近い部分における距離（クリアランス）ｄが最大となる。
【００２３】
次に、本発明の締結構造の第１の実施の形態の収容部材の収容凹部における第１曲面部分の具体的な形状の一例を図５及び図６を用いて説明する。
【００２４】
図５は図３に示す本発明の締結構造の第１の実施の形態を構成する収容部材の収容凹部における一部の輪郭形状を示す説明図、図６は図５に示す本発明の締結構造の第１の実施の形態を構成する収容部材の収容凹部における一部の輪郭形状の各種条件に応じた具体的寸法の計算例を示す表である。図５中、二点鎖線Ｒは基準正六角形を、実線Ｙは締付け時の第１の接触位置に回動したナットを、破線Ｘは中間回動位置に回動したナットを示している。なお、図５において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００２５】
図５において、収容凹部６（図３参照）の内壁面２０の各第１曲面部分２１は、上述したように、ナット（六角ナット）２の輪郭形状（正六角形）から所定の長さｄ分大きな外形の基準正六角形Ｒの各辺にそれぞれ接するものである。また、各第１曲面部分２１の輪郭形状を、例えば、曲率半径がｒの円弧とする。ここで、この円弧の中心点を点Ｐ、ナット（六角ナット）２の輪郭形状（正六角形）の中心点を点Ｏとおく。各円弧の中心点Ｐは、ナット２の中心点Ｏとナット２の輪郭形状（正六角形）の各辺の中点を通る仮想線Ｉ上に設定されている。また、ボルト１（図１参照）の締付時における内壁面２０とナット２の外周面２ａとの接触点を点Ｂ、ナット２の対角線のうち、点Ｂを通る辺に平行な対角線と直線ＰＢとの交点を点Ａとおく。ナット２の輪郭形状（正六角形）の一辺の長さをＬとし、ナット２の輪郭形状（正六角形）の頂点のうち、点Ｂに最も近い頂点と点Ｂとの距離をａとする。また、図５の破線で示すナット２の位置Ｘは、ナット２の外周面２ａの各面と内壁面２０の最も近い部分における距離（クリアランス）が最大となる回動中間位置であり、このクリアランスは、基準正六角形Ｒを規定する所定の長さｄと同じものとなる。
【００２６】
このとき、
ＰＢ＝ｒ、  ＢＡ＝（√３）Ｌ／２
なので、
ＰＡ＝ＰＢ＋ＢＡ＝ｒ＋（√３）Ｌ／２
となる。同様に、
ＰＯ＝ｒ＋ｄ＋（√３）Ｌ／２
である。また、
ＯＡ＝Ｌ−（Ｌ／２）−ａ＝（Ｌ／２）−ａ
である。
【００２７】
したがって、直角三角形ＰＯＡに関する三平方の定理より、次の式（１）が成り立つ。
【００２８】
【数１】
2017219084.tif 000003
【００２９】
これをａについて解くと、以下の式（２）で表わされる。
【００３０】
【数２】
2017219084.tif 000004
【００３１】
式（２）において、ナット２の六角形状の一辺の長さＬはナット２の規格で決まる定数であり、クリアランス（基準正六角形Ｒを規定する所定の長さ）ｄは設計値である。クリアランスｄは、小さすぎるとナット２を挿入しにくくなり、大きすぎるとナット２の回動及び移動が過剰となる。このため、例えば、一辺が数ｍｍ〜十数ｍｍのナット２に対して０．１ｍｍオーダで規定する。
【００３２】
したがって、接触点Ｂの位置ａは、上述した式（２）により、曲率半径ｒを指定することにより一意に定まる。ただし、曲率半径ｒには上限が存在する。なぜなら、式（２）においてａ＞０となる必要がある。したがって、以下の式（３）が成り立つ。
【００３３】
【数３】
2017219084.tif 000005
これを曲率半径ｒについて整理すると、次式の式（４）が成り立つ。
【００３４】
【数４】
2017219084.tif 000006
したがって、曲率半径ｒの上限ｒｍａｘは、以下の式（５）に示すものとなる。
【００３５】
【数５】
2017219084.tif 000007
【００３６】
このように、第１曲面部分２１の曲率半径ｒは、ナット２の規格で決まる定数Ｌ及び設計値としてのクリアランスｄを設定し、上限ｒｍａｘよりも小さい値の範囲で決定すればよい。
【００３７】
具体例としてＭ８の六角ナットを用いた場合における、本実施の形態の第１曲面部分２１の選択可能な曲率半径ｒ及び選択された曲率半径ｒのときに一意に定まるナット２の接触点Ｂの位置ａの計算例を図６に示す。Ｍ８の六角ナットの１辺の長さＬは約７．５ｍｍである。また、クリアランスｄは、Ｍ８の六角ナットの大きさに対応して、０．２〜０．４ｍｍで設計する。
【００３８】
上記した六角ナットの１辺の長さＬとクリアランスｄの組み合わせにより、曲率半径ｒの上限ｒｍａｘは定まる。この上限ｒｍａｘよりも小さい値の曲率半径ｒを設定したとき、各曲率半径ｒに対して接触点Ｂの位置ａは一意に定まる。図６に示すように、接触点Ｂの位置ａはａ＞０であるから、ナット２は締付け時に、角部ではなく、外周面２ａの各面の一部分が、収容凹部６の第１曲面部分２１に接触した状態となる。
【００３９】
なお、各第１曲面部分２１の輪郭形状は、その円弧の中心点Ｐを、ナット２の中心点Ｏとナット２の輪郭形状の各辺の中点を通る仮想線Ｉ上に設定しているので、仮想線Ｉに対して線対称となる。したがって、ナット２は締付け時だけでなく緩め時においても、その外周面２ａの各面の一部分が収容凹部６の第１曲面部分２１に接触した状態となる。
【００４０】
次に、本発明の締結構造の第１の実施の形態の効果を図４を用いて説明する。
ボルト１（図１参照）の締付時には、図４に示したように、収容部材５の収容凹部６とナット２の外周面２ａは接点Ｂで接触する。したがって、ナット２の角部のみが収容部材５に接触することはなく、収容凹部６の輪郭形状がナット２の輪郭形状（正六角形）と相似形の場合と比較して、収容部材５に対する応力集中の低減を図ることができる。
【００４１】
しかし、上述のようにナット２の外周面２ａの一部が収容凹部に接触したとしても、収容部材が変形しにくい材質で形成されている場合、収容部材の接点Ｂという局所的な部分に応力が作用することに変わりはない。したがって、十分な応力集中の低減効果を得ることはできない可能性がある。
【００４２】
それに対して、本実施形態においては、収容部材５がナット２よりも変形しやすい材質により形成されており、ボルト１の締付時、収容部材５は接点Ｂを中心に凹むように変形する。このため、収容部材５のナット２に対する接触面幅が増加するので、応力集中の十分な低減効果を得ることができる。
【００４３】
上述した収容部材の接触面幅の増加効果をヘルツ（Ｈｅｒｔｚ）の公式を用いて説明する。
接触面が円筒面である収容部材５のヤング率をＥＡ、ポアソン比をνＡ、曲率半径をｒ（図５参照）とおく。接触面が平面であるナット２のヤング率をＥＢ、ポアソン比をνＢとおく。円筒面と平面が押し付け合うときの単位長さ当たりの垂直力をＦ（図５参照）とすると、ヘルツの公式により接触面幅ｂ１は、次の式（６）で表わされる。
【００４４】
【数６】
2017219084.tif 000008
【００４５】
収容部材５のヤング率、ポアソン比がそれぞれ、ナット２のヤング率ＥＢ、ポアソン比νＢと同じである場合の接触面幅をｂ０とすると、接触面幅ｂ０は次の式（７）で表わされる。
【００４６】
【数７】
2017219084.tif 000009
【００４７】
したがって、収容部材５とナット２の材質が異なる場合の接触面幅ｂ１と収容部材５とナット２の材質が同じ場合の接触面幅ｂ０との比は、次の式（８）で表わされる。
【００４８】
【数８】
2017219084.tif 000010
【００４９】
ここで、ＥＡ＝３ＧＰａ（ＰＰＳ相当）、ＥＢ＝２００ＧＰａ（鉄相当）、νＡ＝νＢ＝０．３とすると、ｂ１／ｂ０＝５．８となる。すなわち、本実施の形態においては、収容部材５がナット２と同様の鉄系材質である場合と比較して、ナット２よりも変形しやすい樹脂等（ここではＰＰＳ）の材質を用いた効果により接触面積を約５．８倍に増加でき、その分、応力集中を低減できることがわかる。
【００５０】
次に、本発明の締結構造の第１の実施の形態のもう１つの効果を従来の収容部材と比較しつつ図７乃至図１０を用いて説明する。
図７は曲率の不連続な部分を有する従来技術の収容部材をモデル化した図、図８は本発明の締結構造の第１の実施の形態を構成する収容部材に対する第１の比較例の収容部材に生じる応力状態を示す特性図、図９は本発明の締結構造の第１の実施の形態を構成する収容部材に対する第２の比較例の収容部材に生じる応力状態を示す特性図、図１０は本発明の締結構造の第１の実施の形態を構成する収容部材に生じる応力状態を示す特性図である。図８乃至図１０中、横軸ｒは切欠き先端からの距離、縦軸σは応力を示している。ただし、応力σは、切欠き先端からの距離が単位長さ（ｒ＝１）において生じる応力を１として表されている。
【００５１】
本実施の形態においては、前述したように、収容凹部６の内壁面２０を曲率の連続する曲面で構成している（図３参照）。それに対して、従来技術においては、収容凹部の内壁面の大部分を円弧形状等の曲率の一定な曲面で形成しているが、これら円弧形状同士を繋ぎ合わせる部分等の一部に曲率の不連続な部分が存在する。この相違点に基づく効果を図７に示すモデルを用いて説明する。
【００５２】
従来技術のように、収容部材の収容凹部の内壁面において曲率の不連続な部分が存在する場合、その内壁面は、図７に示すように、曲率の不連続な部分を切欠きに置換した表面形状に相当するものと見なすことができる。図７において、切欠き先端からの距離をｒ、切欠きの角度をθとする。曲率の不連続な部分が切欠き先端に相当し、角度θ≠１８０°となる。一方、本実施の形態のように、内壁面２０が曲率の連続する曲面で構成されている場合、角度θ＝１８０°の切欠き形状（切欠きのない形状）に相当するものと見なすことができる。
【００５３】
図７に示す切欠きモデルに対して、引張方向に力を作用させた場合を考える。この引張方向の力は、締付け時に収容したナットとの接触により収容部材に作用する力に相当するものである。このような力を作用させた場合において、切欠きの角度θ＝１７０°、１７９°、１８０°の異なる構造における応力分布を比較すると、以下のようになる。
【００５４】
切欠きの角度θ＝１７０°の場合、明らかに曲率の異なる部分を有する構造に相当する。この場合、図８に示すように、切欠き先端からの距離ｒが約０．８までは、距離ｒ＝１と略同じ応力である。しかし、それより切欠き先端に近い部分では徐々に応力が上昇し、切欠き先端近傍（ｒ＜０．１）では応力が急上昇する。すなわち、曲率の異なる部分である切欠き先端の近傍に応力集中が発生している。
【００５５】
切欠きの角度θ＝１７９°の場合、曲率の連続した曲面に近い形状であるが、曲率の異なる部分を有するものに相当する。この場合、図９に示すように、切欠き先端からの距離ｒが約０．２までは、距離ｒ＝１と略同じ応力である。しかし、切欠き先端部分（ｒ＝０近傍）で応力が急上昇している。つまり、たとえ収容凹部の内壁面が曲率の連続した曲面に近い形状であったとしても、曲率の不連続な部分は応力の集中箇所となる可能性がある。
【００５６】
それに対して、切欠きの角度θ＝１８０°の場合、つまり、本実施の形態ように、曲率の連続した曲面を有する場合、図１０に示すように、切欠き先端からの距離ｒによらず、応力は一定となる。すなわち、応力集中の生じた状態が見られない。
【００５７】
このように、切欠きの角度θ≠１８０°の場合、つまり、曲率の不連続な部分が存在する場合には、その曲率の不連続な部分が応力の集中箇所となる可能性がある。それに対して、本実施の形態の収容凹部６の内壁面２０のような曲率の連続する曲面を有する収容部材では、応力集中の発生の可能性を回避することができる。
【００５８】
上述した本発明の締結構造の第１の実施の形態によれば、収容されるボルト１又はナット２の材質よりも変形しやすい材質で収容部材５を形成すると共に、収容部材５の収容凹部６の内壁面２０の一部分（第１曲面部分２１）を基準正多角形Ｒの各辺にそれぞれ接する収容凹部６の内側に向かって凸の曲面とすることで、ボルト１又はナット２の外周面２ａと収容凹部６の内壁面２０とが締結時に十分な接触面積をもって面接触するようにしたので、収容部材５に生じる応力を分散することができる。また、収容凹部６の内壁面２０を曲率の連続する曲面で構成したので、内壁面２０に曲率の不連続な部分がなく、締結時の応力集中の発生の可能性を回避することができる。すなわち、収容部材５に対する締結時の応力集中を軽減することができる。したがって、収容部材５の厚肉化を図ることなく、収容部材５の信頼性を向上できる。
【００５９】
また、本実施の形態によれば、収容凹部６の内壁面２０の第１曲面部分２１の輪郭形状を線対称としたので、緩め時のボルト１に逆向きのトルクを負荷する場合であっても、締付け時と全く同じ効果を得ることができる。つまり、緩め時においても、ナット２の角部のみが収容部材５に接触することはなく、収容部材５に対する応力集中の低減を図ることができる。また、収容部材５がナット２よりも変形しやすい材質により形成されており、収容部材５のナット２に対する接触面幅が増加するので、十分な応力集中の低減効果を得ることができる。
【００６０】
また、本実施の形態によれば、内壁面２０の第１曲面部分２１を曲率半径ｒの円弧とし、曲率半径ｒを上記所定の数式を満たすように設定したので、内壁面２０の各第１曲面部分２１は、トルクの負荷時に、ナット２の角部に接触せず、確実にナット２の外周面２ａの一部と接触する。
【００６１】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の締結構造の第２の実施の形態を図１１を用いて説明する。図１１は本発明の締結構造の第２の実施の形態を一部分解した状態で示す斜視図である。なお、図１１において、図１乃至図１０に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００６２】
図１１に示す本発明の締結構造の第２の実施の形態は第１の実施の形態の締結構造を半導体装置の締結構造に適用したものであり、半導体装置は複数（図１１では、４つ）の締結構造を備えている。ただし、図１１中、４つの締結構造のうち、手前側の２つの締結構造の大部分の構成部材の図示を省略している。
【００６３】
具体的には、半導体装置は、ベース部材３０と、ベース部材３０に取り付けられ、内部に電気回路用の基板（図示せず）や配線（図示せず）が配置された樹脂製のケース３５とを備えている。ケース３５の上面３５ａには、帯状に突起する帯状部３５ｂが間隔をあけて複数（図１１では２つ）設けられている。各帯状部３５ｂにはそれぞれ、２つの収容凹部３６が形成されている。すなわち、ケース３５は、複数（図１１では４つ）の収容凹部３６を有している。
【００６４】
本半導体装置は、ケース３５の各収容凹部３６に応じてそれぞれ締結構造を備えている。本半導体装置の各締結構造は、ボルト３１及びナット３２と、ボルト３１及びナット３２により締結される被締結体としてのバスバー３３及び端子３４と、複数の締結構造に共通の収容部材としてのケース３５とを備えている。本半導体装置の各締結構造は、さらに、座金３８及びばね座金３９を備えている。
【００６５】
ボルト３１は、広く流通している一般的なものであり、例えば、六角穴付きボルトである。ナット３２は、その外形が略正多角形のものであり、例えば、フランジ付き六角ナットである。端子３４は、ケース３５の内部で電気回路（図示せず）と接続されている。バスバー３３及び端子３４には、ボルト３１の軸部が挿通する挿通孔３３ａ、３４ａがそれぞれ設けられている。ケース３５の各収容凹部３６には、それぞれナット３２が収容されている。各収容凹部３６は、ナット３２の本体部を収容する第１凹部３６ａと、第１凹部３６ａの上側に位置し、ナット３２のフランジ部を収容する第２凹部３６ｂとで構成されている。第１凹部３６ａは、第１の実施の形態の収容凹部６と同様な形状のものである。第２凹部３６ｂの輪郭形状はフランジ部の外形に対応した略円状となっている。
【００６６】
各締結構造においては、ケース３５の収容凹部３６にナット３２を収容した状態で、ばね座金３９、座金３８、バスバー３３、端子３４を上から順にボルト３１とナット３２の間に挟み込み、ボルト３１に締付トルクを負荷することで、それらを締結している。
【００６７】
本実施の形態の半導体装置は、１つのケース３５上に複数の端子３４を備えている。複数の端子３４を異なる電位で用いる場合には、これらの端子３４間を絶縁する必要がある。ケース３５を樹脂製とすることで、ケース３５の収容凹部３６とナット３２の締付け時の接触面積の増加という効果だけでなく、複数の端子３４間の絶縁性の確保という効果も得ることができる。
【００６８】
また、本締結構造を備える本半導体装置においては、ナット３２を収容する複数の収容凹部３６をケース３５の複数の帯状部３５ｂに分けて配置しており、隣接するバスバー３３及び端子３４間の電気的な沿面距離の確保を図っている。しかし、ケース３５の帯状部３５ｂに収容凹部３６を設けると、帯状部３５ｂに薄肉部分が生じる場合がある。また、半導体装置の高密度化に伴う構造の複雑化により、ケース３５の一部に従来よりも薄肉箇所が生じる場合もある。
【００６９】
そのような問題に対して、上述した本発明の締結構造の第２の実施の形態によれば、ケース３５の各収容凹部３６の第１凹部３６ａが第１の実施の形態の収容凹部６と同様な形状なので、前述した第１の実施の形態と同様に、ナット３２と収容凹部３６とが締結時に十分な接触面積をもって面接触し、ケース３５の帯状部３５ｂに生じる応力を分散することができる。また、収容凹部３６に曲率の不連続な部分がなく、締結時の応力集中の発生の可能性を回避することができる。すなわち、ケース３５に対する締結時の応力集中を軽減することができる。したがって、ケース３５の厚肉化を図ることなく、ケース３５の信頼性を向上できる。
【００７０】
［その他の実施の形態］
なお、上述した本発明の締結構造の第１及び第２の実施の形態においては、収容凹部６に収容するナットとして、六角ナット２を用いた例を示したが、収容凹部６に収容するナットは、その外形が正六角形以外の正多角形のナットも可能である。この場合、収容するナットの外形に応じて、収容凹部６の輪郭形状も変更する必要がある。例えば、ナットが四角ナットの場合、内壁面は、四角ナットの輪郭形状（正方形）から所定の長さ分大きな外形の基準正方形の各辺にそれぞれ接する、収容凹部の内側に向かって凸の曲面の第１曲面部分を有している。隣接する第１曲面部分同士は、四角ナットとの干渉を回避可能な領域において第２曲面部分により結合される。各第１曲面部分及び各第２曲面部分は、それぞれ曲率の連続する曲面で構成され、第１曲面部分と第２曲面部分の繋ぎ目も曲率が連続するよう結合される。すなわち、内壁面の全周を曲率の連続する曲面で構成する。なお、収容凹部６に収容されずに締付けトルクが負荷されるボルトとしては、任意のボルトが使用可能である。
【００７１】
また、上述した実施の形態においては、ナット２を収容凹部６に挿入し、上からボルト１で締結した例を示したが、逆に、ボルト１を収容凹部６に挿入し、上からナット２で締結する構造も可能である。この場合、ボルトは、六角穴付きボルトではなく、六角ボルト等の正多角形の頭部を有するボルトである。ボルトを収容凹部６に収容して被締結体３、４を締結する場合であっても、本発明の締結構造の第１及び第２の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
【００７２】
なお、本発明は上述した第１及び第２の実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１、３１…ボルト、  ２、３２…ナット、  ３…第１の被締結部材（被締結体）、  ４…第２の被締結部材（被締結体）、５…収容部材、  ６、３６…収容凹部、  ２０…内壁面、  ２１…第１曲面部分、  ３３…バスバー（被締結体）、  ３４…端子（被締結体）、  ３５…ケース（収容部材）
【図１】
2017219084.tif 000012
【図２】
2017219084.tif 000013
【図３】
2017219084.tif 000014
【図４】
2017219084.tif 000015
【図５】
2017219084.tif 000016
【図６】
2017219084.tif 000017
【図７】
2017219084.tif 000018
【図８】
2017219084.tif 000019
【図９】
2017219084.tif 000020
【図１０】
2017219084.tif 000021
【図１１】
2017219084.tif 000022