(57)【特許請求の範囲】
【請求項２】
ねじ部材および該ねじ部材を締め付けるねじ締付工具の一方および他方に設けられているとともに、それぞれ中心線まわりに等角度間隔で外周側へ突き出す複数のトルク伝達部を有して互いに嵌合される嵌合穴および嵌合凸部から成り、前記ねじ締付工具が該中心線まわりに回転させられることにより該トルク伝達部を介して前記ねじ部材に締付トルクを伝達するねじ締付構造であって、
前記トルク伝達部は、前記中心線と直角な断面形状において接線が該中心線を通る直線と略一致する係合部を有し、該係合部を介してトルク伝達が行われる一方、
前記ねじ部材はおねじを有するもので、前記嵌合凸部は該ねじ部材に設けられており、該嵌合凸部の最大径寸法Ｄｍａｘ、最小径寸法Ｄｍｉｎ、および該嵌合凸部の前記中心線と平行な方向の高さ寸法ｋは、それぞれ該おねじの外径ｄに対して次式（４）、（５）、（６）を満足する
0004085054.tif 000005
ことを特徴とするねじ締付構造。
【請求項４】
前記係合部の接線と前記中心線を通る直線との交差角は±３°以下である請求項２に記載のねじ締付構造。
【請求項５】
前記係合部の接線と前記中心線を通る直線との交差角は±１°以下である請求項２に記載のねじ締付構造。
【請求項６】
５個又は６個のトルク伝達部を備えたものである請求項２に記載のねじ締付構造。
【請求項７】
前記係合部は、前記接線方向において所定の寸法を有する平坦面であることを特徴とする請求項２に記載のねじ締付構造。
【請求項９】
おねじを有するとともに請求項２に記載の嵌合凸部が設けられていることを特徴とするねじ部材。
【請求項１１】
前記嵌合凸部は前記ねじ部材に設けられ、前記中心線まわりにおけるその嵌合凸部の前記トルク伝達部の角度をθ１、隣接するトルク伝達部間の角度をθ２とした時、次式（７）を満足する
１．３≦θ１／θ２≦１．４                  ・・・（７）
ことを特徴とする請求項２に記載のねじ締付構造。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明はねじ締付構造に係り、特に、ねじ部材を小型で軽量化できるねじ締付構造に関するものである。
背景技術
ねじ締結に関しては、従来六角頭が一般に広く用いられているが、六角頭の駆動角α（図１０参照）は６０°で余分な分力が発生するため、頭部径や頭の高さを小さくして小型化することが困難であった。図１０において、駆動角αは、六角頭１００に締付トルクが伝達される着力点Ｑ（六角形の頂点）において、ねじ締付工具から加えられる面直角力Ｎと、締め付けに有効な締付力Ｆとの間の角度のことで、六角頭１００の場合は６０°になり、締付トルクＴは締付力Ｆおよび半径寸法ｒを用いて次式（１）で表される。この時、六角頭１００には次式（２）から明らかなように締付力Ｆの２倍の面直角力Ｎが着力点Ｑに加えられることになり、その半径方向の拡張反力Ｅは次式（３）から明らかなように、締付力Ｆの約１．７倍になる。そして、締付トルクＴを維持しながら半径寸法ｒを小さくすると、それに反比例して締付力Ｆを大きくする必要があるため、面直角力Ｎや拡張反力Ｅが更に大きくなり、ねじ締付工具の回転に必要な回転操作力が大きくなるとともに、着力点Ｑすなわち六角頭１００の角部が潰れる可能性がある。
0004085054.tif 000002
このため、例えばＪＩＳ  Ｂ１１８０の「六角ボルト」やＪＩＳ  Ｂ１１８９の「フランジ付き六角ボルト」では、図１１、図１２に示す六角頭の各部の寸法ｓ、ｅ、ｋ（何れもｍｍ）について、図１３に示すようにねじの径寸法（呼び）に応じて細かく規定している。これ等の規定について、六角頭の外接円の直径ｅおよび高さ寸法ｋとねじの外径ｄ（ｍｍ）との関係（割合）を調べた結果が、図１３の「ｅ／ｄ」欄、「ｋ／ｄ」欄の値で、直径ｅは１．５５ｄ以上であり、高さ寸法ｋは０．６ｄ以上である。
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、同等以上の締付トルクを確保しつつねじ部材を小型で軽量化できるねじ締付構造を提供することにある。
発明の開示
かかる目的を達成するために、第１発明は、ねじ部材およびそのねじ部材を締め付けるねじ締付工具の一方および他方に設けられているとともに、それぞれ中心線まわりに等角度間隔で外周側へ突き出す複数のトルク伝達部を有して互いに嵌合される嵌合穴および嵌合凸部から成り、前記ねじ締付工具がその中心線まわりに回転させられることによりそのトルク伝達部を介して前記ねじ部材に締付トルクを伝達するねじ締付構造であって、（ａ）前記トルク伝達部は、前記中心線と直角な断面形状において接線がその中心線を通る直線と略一致する係合部を有し、その係合部を介してトルク伝達が行われる一方、（ｂ）そのトルク伝達部の外周側部分は、平面視において前記中心線を中心とする扇形状を成しており、且つ前記嵌合凸部において周方向に隣接するそのトルク伝達部間の溝形状は５角形、または滑らかに湾曲した底部を有するＵ字形状であることを特徴とする。
第２発明は、ねじ部材およびそのねじ部材を締め付けるねじ締付工具の一方および他方に設けられているとともに、それぞれ中心線まわりに等角度間隔で外周側へ突き出す複数のトルク伝達部を有して互いに嵌合される嵌合穴および嵌合凸部から成り、前記ねじ締付工具がその中心線まわりに回転させられることによりそのトルク伝達部を介して前記ねじ部材に締付トルクを伝達するねじ締付構造であって、（ａ）前記トルク伝達部は、前記中心線と直角な断面形状において接線がその中心線を通る直線と略一致する係合部を有し、その係合部を介してトルク伝達が行われる一方、（ｂ）前記ねじ部材はおねじを有するもので、前記嵌合凸部はそのねじ部材に設けられており、その嵌合凸部の最大径寸法Ｄｍａｘ、最小径寸法Ｄｍｉｎ、およびその嵌合凸部の前記中心線と平行な方向の高さ寸法ｋは、それぞれそのおねじの外径ｄに対して次式（４）、（５）、（６）を満足することを特徴とする。
0004085054.tif 000003
また、第３発明は、ねじ部材およびそのねじ部材を締め付けるねじ締付工具の一方および他方に設けられているとともに、それぞれ中心線まわりに等角度間隔で外周側へ突き出す複数のトルク伝達部を有して互いに嵌合される嵌合穴および嵌合凸部から成り、前記ねじ締付工具がその中心線まわりに回転させられることによりそのトルク伝達部を介して前記ねじ部材に締付トルクを伝達するねじ締付構造であって、（ａ）前記トルク伝達部は、前記中心線と直角な断面形状において接線がその中心線を通る直線と略一致する係合部を有し、その係合部を介してトルク伝達が行われる一方、（ｂ）前記ねじ部材はおねじを有するもので、前記嵌合凸部はそのねじ部材に設けられており、その嵌合凸部の最大径寸法Ｄｍａｘおよび最小径寸法Ｄｍｉｎは、何れもそのおねじの外径ｄより小さいことを特徴とする。
なお、接線と中心線を通る直線とが略一致する場合は、それ等の交差角が±３°以下であることを意味しており、トルク伝達部の少なくとも一部にそのような係合部が設けられておれば良い。但し、接線と中心線を通る直線とが完全に一致することが理想的で、それ等の交差角が±１°以下であることが望ましい。
第７発明は、第１発明〜第３発明のねじ締付構造において、前記係合部は、前記接線方向において所定の寸法を有する平坦面であることを特徴とする。
第８発明はねじ部材に関するもので、第１発明に記載の嵌合穴または嵌合凸部を備えていることを特徴とする。
第９発明はねじ部材に関するもので、おねじを有するとともに第２発明または第３発明に記載の嵌合凸部が設けられていることを特徴とする。
第１０発明はねじ締付工具に関するもので、第１発明に記載の嵌合穴または嵌合凸部を備えていることを特徴とする。
このようなねじ締付構造においては、外周側へ突き出す複数のトルク伝達部が、中心線と直角な断面形状において接線がその中心線を通る直線と略一致する係合部を有し、その係合部を介してトルク伝達が行われるため、前記駆動角αが略０°になって面直角力Ｎと締付力Ｆとが略一致するようになるとともに、拡張反力Ｅが略０になる。このため、前記図１０に示す六角頭の場合に比較して面直角力Ｎが小さくなり、ねじ締付工具に加える回転操作力やトルク伝達部に作用する負荷が小さくなるとともに、係合部の圧潰などを回避しつつ所定の締付トルクを確保しながら径寸法を小さくしてねじ部材などの軽量化、小型化を図ることができる。
第７発明では、前記接線方向に所定の寸法を有する平坦面、すなわち中心線を略通る直線に沿って平坦な係合部が設けられているため、締付力Ｆが分散されて面圧が小さくなり、更に軽量化、小型化を図ることができる。
第２発明では、おねじを有するねじ部材に設けられた嵌合凸部の最大径寸法Ｄｍａｘ、最小径寸法Ｄｍｉｎ、および高さ寸法ｋがそれぞれ前記（４）式、（５）式、（６）式を満足するため、従来の六角頭に比較してトルク伝達部の圧潰や破断などを回避しつつおねじの外径ｄに対して嵌合凸部が小さくなり、ねじ部材が小型で軽量になる。
第８発明のねじ部材および第１０発明のねじ締付工具は、実質的に前記第１発明と同様の作用効果が得られ、第９発明のねじ部材は実質的に前記第２発明または第３発明と同様の作用効果が得られる。
ここで、ねじ締付構造は、六角ボルトなどのようにねじ部材側に嵌合凸部が設けられ、ねじ締付工具側に嵌合穴が設けられるが場合が多いが、ねじ部材側に嵌合穴（リセス）を設けるとともにねじ締付工具側に嵌合凸部（羽根部）を設けることもできる。それ等の嵌合穴および嵌合凸部は、軸方向に略平行に設けることも可能であるが、鍛造成形性、嵌合容易性などの点で中心線に対して傾斜する傾斜部や面取部などを設けることもできる。
嵌合凸部および嵌合穴の外周側へ突き出すトルク伝達部の数は、一般に５個或いは６個が適当であるが、４個以下や６個以上とすることも可能である。
中心線と直角な断面形状において接線が中心線を通る直線と略一致する係合部は、第２発明のように接線方向に所定の寸法を有する平坦面とすることが望ましく、例えば断面形状において外周側から略中心線に向かう直線状の一対の側壁面を係合部として備えているトルク伝達部が好適に用いられるが、円弧形状に湾曲している側壁面の一部の接線が中心線を通る直線と略一致する場合であっても良い。
第３発明では、最小径寸法Ｄｍｉｎは勿論最大径寸法Ｄｍａｘについても外径ｄより小さいが、その場合は、所定の破断強度が得られるように高さ寸法ｋを必要に応じて０．４５ｄ以上とすれば良い。
第２発明で、最大径寸法Ｄｍａｘを１．５ｄ以下にするとともに、高さ寸法ｋを０．４５ｄより小さくしたのは、従来の六角ボルトの場合より小さくする趣旨で、高さ寸法ｋを０．３ｄ以上としたのは、締付時におけるおねじ部分の破断強度より頭部すなわち嵌合凸部の破断強度の方が大きくなるようにするためである。
また、好適には、前記嵌合凸部は前記ねじ部材に設けられ、前記中心線まわりにおけるその嵌合凸部の前記トルク伝達部の角度をθ１、隣接するトルク伝達部の間の角度をθ２とした時、次式（７）を満足することが望ましい。すなわち、ねじ締付工具の材質は、例えばＪＩＳ  Ｂ４６３６「ソケットレンチ−ソケット」では、ＪＩＳ  Ｇ４１０５のＳＣＭ４３５または同等以上の材料とすることが規定されている一方、ねじ部材の材質は一般に強度区分８．８に属するものが広く用いられており、ＳＣＭ４３５は強度区分１０．９に属し、その引張強度は１０４０Ｎ／ｍｍ２程度であるのに対し、強度区分８．８のねじ類の引張強度は８００Ｎ／ｍｍ２程度であるため、（７）式を満足するようにすれば、ねじ部材側のトルク伝達部の破断が好適に防止されるのである。なお、上記「強度区分」は、ＪＩＳ  Ｂ１０５１の「鋼製のボルト・小ねじの機械的性質」に規定の強度区分のことで、以後の説明も同じである。
１．３≦θ１／θ２≦１．４              ・・・（７）
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例であるねじ部材１０を示す図で、（ａ）は頭部１２側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図であり、頭部１２に連続して中心線Ｏと同心におねじ１４が一体に設けられており、図２に示すねじ締付工具３０のソケット部３２が頭部１２に嵌合されて中心線Ｏまわりに回転させられることにより、おねじ１４が締め付けられ、或いは緩められる。頭部１２は嵌合凸部に相当し、中心線Ｏまわりに等角度間隔すなわち６０°間隔で６個のトルク伝達部１６が外周側へ突き出すように設けられており、そのトルク伝達部１６の外周側部分は、図１（ａ）の平面視において中心線Ｏを中心とする扇形状を成し、外周縁から中心線Ｏに向かう直線状の一対の側壁面１８が係合部として設けられている。側壁面１８は、中心線Ｏを通る直線との交差角が略０°、すなわち本実施例では±１°以下である。頭部１２の外周形状は中心線Ｏと平行に設けられていて、図１（ａ）の平面視の形状は、中心線Ｏと直角な断面形状と一致し、側壁面１８は中心線Ｏと平行な平坦面である。なお、隣接するトルク伝達部１６の側壁面１８は、内側へ対称的に傾斜する一対の平坦な傾斜面２０を介して互いに接続されており、トルク伝達部１６の間には５角形の溝２２が設けられている。
そして、頭部１２の最大径寸法Ｄｍａｘ、最小径寸法Ｄｍｉｎ、および高さ寸法ｋは、それぞれおねじ１４の外径ｄに対して前記（４）式、（５）式、（６）式を満足するように設定されている。また、中心線Ｏまわりにおけるトルク伝達部１６の角度θ１、および隣接するトルク伝達部１６の間の溝２２の角度θ２は、前記（７）式の関係を満足するように定められている。因みに、図１では、Ｄｍａｘ＝１．５ｄ、Ｄｍｉｎ＝１．１ｄ、ｋ＝０．３５ｄ、θ１／θ２≒１．４であり、二点鎖線はＪＩＳ  Ｂ１１８０で規定されている六角ボルトの六角頭１００を比較のために示したものである。
一方、前記ねじ締付工具３０のソケット部３２は、嵌合穴３４を有する有底円筒形状を成している。図２の（ａ）は、ソケット部３２側から見た底面図で、（ｂ）は中心線Ｓと直角な方向から見た正面図であり、嵌合穴３４には中心線Ｓまわりに等角度間隔すなわち６０°間隔で６個のトルク伝達部３６が外周側へ突き出すように設けられているとともに、トルク伝達部３６は、図２（ａ）の底面視において扇形状を成し、外周縁から中心線Ｓに向かう直線状の一対の側壁面３８が係合部として設けられている。嵌合穴３４の各部の寸法は、前記頭部１２の外周側に嵌合できるように頭部１２の各部の寸法より多少大きめに定められており、トルク伝達部３６内に頭部１２のトルク伝達部１６がそれぞれ入り込むようにソケット部３２が頭部１２に同心に嵌合されて中心線Ｓまわりに回転させられることにより、側壁面３８および１８を介してねじ部材１０にトルクが伝達される。
このようなねじ部材１０およびねじ締付工具３０から成るねじ締付構造においては、外周側へ突き出す６個のトルク伝達部１６、３６が、それぞれ中心線ＯまたはＳと直角な断面形状において中心線Ｏ、Ｓを通る直線上に側壁面１８、３８を有し、それ等の側壁面１８、３８を介してトルク伝達が行われるため、締付トルクが伝達される着力点Ｑにおいて、ねじ締付工具３０から加えられる面直角力Ｎの方向と、締め付けに有効な締付力Ｆの方向（中心線Ｏを中心とする周方向）とが一致するとともに、拡張反力Ｅ（図１０参照）が略０になる。このため、従来の六角頭１００に比較して面直角力Ｎが小さくなり、ねじ締付工具３０に加える回転操作力やトルク伝達部１６、３６に作用する負荷が小さくなるため、トルク伝達が行われる側壁面１８、３８の圧潰などを回避しつつ、所定の締付トルクを確保しながらねじ部材１０の頭部１２の径寸法を小さくして小型化、軽量化することができる。
特に、本実施例では中心線ＯまたはＳを通る直線上に平坦な側壁面１８、３８が設けられているため、締付力Ｆが分散されて面圧が小さくなり、ねじ部材１０の頭部１２を更に軽量化、小型化することができる。
すなわち、本実施例ではねじ部材１０の頭部１２の最大径寸法Ｄｍａｘ＝１．５ｄ、高さ寸法ｋ＝０．３５ｄであるため、図１から明らかなように従来の六角頭１００に比較して頭部１２が大幅に小さくなり、ねじ部材１０が小型で軽量になる。
ここで、頭部１２の高さ寸法ｋについて検討すると、おねじ１４の最大引張強度Ｆｍａｘ（ねじ）、および頭部１２の最大引張強度Ｆｍａｘ（頭部）は、ねじ材料の引張強度Ｒｍ、おねじ１４の有効断面積Ａ（ｓ）、剪断強度τＢ、頭部１２の剪断面積Ａｓｋ（＝ｋ×π×ｄ）を用いてそれぞれ次式（８）、（９）で表される。また、頭部１２の最大引張強度Ｆｍａｘ（頭部）はおねじ１４の最大引張強度Ｆｍａｘ（ねじ）よりも大きいことが要求されるため、Ｆｍａｘ（頭部）＞Ｆｍａｘ（ねじ）から次式（１０）が得られ、最低高さ寸法ｋｍｉｎは次式（１１）で表される。
0004085054.tif 000004
一方、ねじ用材料の剪断強度τＢと引張強度Ｒｍとの比（τＢ／Ｒｍ）は、ドイツ技術協会ＶＤＩ２２３０「高強度ねじ締結の体系的計算法」で強度区分毎に図３のように定められており、外径ｄが異なる幾つかのねじ部材１０について強度区分毎に上記（１１）式に従って最低高さ寸法ｋｍｉｎを求めると図４のようになり、強度区分１２．９について（ｋｍｉｎ／ｄ）を求めると図４の一番右側の欄に示す値になる。したがって、強度区分１２．９の場合でも、本実施例のように高さ寸法ｋ＝０．３５ｄであれば十分な破断強度が得られる。なお、強度区分８．８や１０．９の場合は条件が緩和され、高さ寸法ｋ＝０．３ｄ程度でも十分な破断強度が得られる。
また、本実施例ではトルク伝達部１６の角度θ１、および溝２２の角度θ２が前記（７）式の関係を満足しているため、ねじ部材１０側のトルク伝達部１６の破断が好適に防止される。すなわち、ねじ締付工具３０の材質がＪＩＳ  Ｂ４６３６「ソケットレンチ−ソケット」で定められているようにＪＩＳ  Ｇ４１０５のＳＣＭ４３５で、ねじ部材１０の材質が強度区分８．８に属するものである場合、ＳＣＭ４３５は強度区分１０．９に属し、その引張強度は１０４０Ｎ／ｍｍ２程度であるのに対し、強度区分８．８のねじ類の引張強度は８００Ｎ／ｍｍ２程度であるため、（７）式を満足するようにすれば、ねじ締付工具３０よりもねじ部材１０の破断強度が高くなるのである。
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実施例において前記実施例と実質的に共通する部分には同一の符号を付して詳しい説明を省略する。
図５のねじ部材４０は、トルク伝達部１６が中心線Ｏまわりに等角度間隔で５個設けられている場合であり、各部の寸法Ｄｍａｘ、Ｄｍｉｎ、ｋ、θ１、θ２は前記（４）式、（５）式、（６）式、および（７）式を満足するように設定されている。
図６のねじ部材４２は、前記ねじ部材１０の頭部１２に、トルク伝達部１６に対応して６溝のリセス４４を設けた場合で、２種類のねじ締付工具を使用して締付作業などを行うことが可能である。なお、リセス４４は本発明の要件を満足するものではなく、中心線Ｏを通る直線と略一致する係合部を有するものではない。
図７、図８のねじ部材４６、４８は、５角形の溝２２の代わりに平坦な側壁面１８から滑らか湾曲した略半円形状の底部５０を有するＵ字形状の溝５２を設けるとともに、その溝５２の開口部に丸みを付けた場合で、前記ねじ部材１０、４０と同様の作用効果が得られる。
図９は、本発明がスタッドボルト６０に適用された場合で、嵌合凸部として機能する頭部６２、および一対のおねじ６４、６６を有するねじ部６８を同心に一体に備えている。頭部６２の平面視の形状は前記頭部１２と同じで、一対の側壁面１８を有する６個のトルク伝達部１６を備えているが、径寸法Ｄｍａｘ、Ｄｍｉｎは何れもおねじ６４、６６の外径ｄより小さい。この場合も、平面視において中心線Ｏを通る直線上に位置する平坦な側壁面１８を介してトルク伝達が行われるため、頭部６２の小型化に伴って大きな締付力Ｆが必要になっても、側壁面１８に加えられる力（＝面直角力Ｎ）は締付力Ｆと同じであるため、側壁面１８の圧潰などが防止される。なお、図９の（ａ）は頭部６２側から見た平面図で、（ｂ）は中心線と直角な方向から見た正面図である
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施例であるねじ部材を示す図で、（ａ）は頭部側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
図２は、図１のねじ部材の締付に用いられるねじ締付工具を示す図で、（ａ）はソケット側から見た底面図、（ｂ）は中心線Ｓと直角な方向から見た正面図である。
図３は、ねじ用材料の剪断強度τＢと引張強度Ｒｍとの比（τＢ／Ｒｍ）の一例を強度区分毎に示した図である。
図４は、図３の比（τＢ／Ｒｍ）を用いて強度区分毎に求めた最低高さ寸法ｋｍｉｎ、および一例として強度区分１２．９について求めた（ｋｍｉｎ／ｄ）の値を示す図である。
図５は、本発明の他の実施例を説明する図で、図１に対応する図である。
図６は、本発明の更に別の実施例を説明する図で、図１に対応する図である。
図７は、本発明の更に別の実施例を説明する図で、図１に対応する図である。
図８は、本発明の更に別の実施例を説明する図で、図１に対応する図である。
図９は、本発明の更に別の実施例を説明する図で、（ａ）は頭部側から見た平面図、（ｂ）は中心線と直角な方向から見た正面図である。
図１０は、従来の六角ボルトの六角頭を示す図である。
図１１は、ＪＩＳ  Ｂ１１８０の「六角ボルト」に規定されている各部の寸法ｓ、ｅ、ｋ、ｄを示す図である。
図１２は、ＪＩＳ  Ｂ１１８９の「フランジ付き六角ボルト」に規定されている各部の寸法ｓ、ｅ、ｋ、ｄを示す図である。
図１３は、図１１、図１２の各部の寸法ｓ、ｅ、ｋの具体例と、それ等の値から「ｅ／ｄ」、「ｋ／ｄ」を求めた結果を示す図である。
【図１】
0004085054.tif 000006
【図２】
0004085054.tif 000007
【図３】
0004085054.tif 000008
【図４】
0004085054.tif 000009
【図５】
0004085054.tif 000010
【図６】
0004085054.tif 000011
【図７】
0004085054.tif 000012
【図８】
0004085054.tif 000013
【図９】
0004085054.tif 000014
【図１０】
0004085054.tif 000015
【図１１】
0004085054.tif 000016
【図１２】
0004085054.tif 000017
【図１３】
0004085054.tif 000018