JP7664411B2 - 多目的パイロットを有するセルフクリンチング及びセルフピアシング構造要素 - Google Patents

Description

[0001] 本願は、概して、自己取り付け構造要素に関し、より具体的には、クリンチナット、スタッド及びねじ山なし構造要素（例えば、スペーサ）に関する。

[0002] 自己取り付け構造要素は、金属基材にさまざまな部品を固定するために、例えば、自動車産業及び家電産業などの多くの産業で使用されている。設置中、構造要素は、金属基材に対して自身が回転しないように十分な回転抵抗を有していなければならない。さらに、使用中、構造要素は、例えば、振動又は他の引張力などの外力が加えられた場合に金属基材から自身が分離されないように十分な押出抵抗を有していなければならない。

[0003] 従来の金属基材（例えば、平坦で比較的薄い金属パネル）に従来の構造要素を設置する（すなわち、取り付ける）ことは、通常、金属基材の材料が塑性変形して構造要素の特徴及び輪郭を選択するように適合するように、金属基材内に構造要素を押し込む（すなわち、駆動機構と固定ブロックとの間に構造要素と金属基材とを挟み込む）ことによって達成される。

[0004] 従来の構造要素及び従来の設置技術は、比較的薄い金属パネルなどの一般的な金属基材に構造要素が取り付けられる場合に、満足のいく回転抵抗及び押出抵抗を生じさせるのに十分である。しかしながら、中空金属管などのより複雑な金属基材（すなわち、困難な形状を有している）に関しては、従来の構造要素及び／又はそれらに関連する設置技術では、十分な抵抗が得られない、又は、金属基材を構造的に変形させてその意図した用途に使用することができなくする。

[0005] したがって、当技術分野では、複雑な形状を有する非従来型の金属基材に確実かつ一貫して取り付け可能な改良された構造要素（すなわち、セルフクリンチング及び／又はセルフピアシング）が必要とされており、非従来型の金属基材に構造要素を取り付けることによって、前記金属基材の構造的完全性を損なうことなく、十分な押出強度、十分な回転抵抗が得られる。

[0006] 一態様によれば、塑性変形可能な金属基材に取り付けるためのセルフクリンチング構造要素が提供される。セルフクリンチング構造要素は、中心軸線を有する本体部分を含む。前記本体部分は、前記中心軸線の方向に延在する外周面と、前記中心軸線に垂直な方向に延在する環状面と、を有している。パンチ部分が、前記中心軸線と同軸であり、かつ、前記本体部分から延在している。前記パンチ部分は、前記中心軸線の方向に延在する外周面を含む。パイロットエンボスが前記環状面と前記パンチ部分との間に同心円状に配置されるように、前記パイロットエンボスは、前記中心軸線と同軸であり、かつ、前記本体部分から延在している。前記パイロットエンボスは、前記パンチ部分の前記外周面に規定された凹状ポケットに前記金属基材が流入するように、前記金属基材に係合して前記金属基材を塑性変形させるように構成されている。複数の離間したラグが、前記環状面から軸線方向外側に突出し、かつ、前記パイロットエンボスから径方向外側に延在している。複数の離間したラグは共同して前記パイロットエンボスを取り囲んでいる。

[0007] 別の態様によれば、塑性変形可能な金属基材に取り付けるためのセルフクリンチング構造要素が提供される。前記セルフクリンチング構造要素は、中心軸線を有する本体部分を含む。前記本体部分は、前記中心軸線の方向に延在する外周面と、前記中心軸線に垂直な方向に延在する環状面と、を有している。パンチ部分が、前記中心軸線と同軸であり、かつ、前記本体部分から延在している。前記パンチ部分は、前記中心軸線の方向に延在する外周面を含む。パイロットエンボスが前記環状面と前記パンチ部分との間に同心円状に配置されるように、前記パイロットエンボスは、前記中心軸線と同軸であり、かつ、前記本体部分から延在している。ラグが、前記環状面から軸線方向外側に突出し、かつ、前記パイロットエンボスから径方向外側に延在している。前記金属基材への前記セルフクリンチング構造要素の設置中、前記パイロットエンボス及び前記ラグは、前記金属基材が前記ラグに係合する前に前記パイロットエンボスに係合するように寸法的に構成されている。

[0008] さらに別の態様によれば、塑性変形可能な金属基材に取り付けるためのセルフクリンチング構造要素が提供される。前記セルフクリンチング構造要素は、中心軸線を有する本体部分を含む。前記本体部分は、前記中心軸線の方向に延在する外周面と、前記中心軸線に垂直な方向に延在する環状面と、を有している。パンチ部分が、前記中心軸線と同軸であり、かつ、前記本体部分から延在している。前記パンチ部分は、前記中心軸線の方向に延在する外周面を含む。さらに、前記パンチ部分は、第１周囲面及び第２周囲面と、前記第１周囲面及び前記第２周囲面の間に配置された中間面と、を含む。前記中間面は、前記中心軸線に垂直な方向に沿って前記第１周囲面から前記第２周囲面に向かって徐々に連続的に上に向かって傾斜している。前記第２周囲面は、前記第１周囲面から径方向にオフセットされて前記パンチ部分に凹状ポケットを規定する。

[0009] 前記セルフクリンチング構造要素はパイロットエンボスをさらに含み、前記パイロットエンボスは、前記パイロットエンボスが前記環状面と前記パンチ部分との間に同心円状に配置されるように、前記中心軸線と同軸であり、かつ、前記本体部分から延在している。前記パイロットエンボスは、前記パンチ部分の周りに途切れることなく連続的に延在し、かつ、周辺面及び係合面を含む。前記周辺面は前記中心軸線の方向に延在し、前記係合面は、環状の形状で、かつ、前記中心軸線に垂直な方向に延在している。前記係合面は、前記金属基材が前記凹状ポケットに流入するように、前記金属基材に係合して前記金属基材を塑性変形させるように構成されている。複数の離間したラグが、前記環状面から軸線方向外側に突出し、かつ、前記パイロットエンボスの前記周辺面から径方向外側に延在している。前記複数の離間したラグは共同して前記パイロットエンボスを取り囲んでいる。前記ラグのうちの１つは、前記金属基材に係合するように構成された接触面を有しており、この接触面は凹形状である。前記金属基材への前記セルフクリンチング構造要素の設置中、前記パイロットエンボス及び前記ラグのうちの前記１つは、前記金属基材が前記接触面に係合する前に前記パイロットエンボスの前記係合面に係合するように寸法的に構成されている。

[0010] セルフクリンチング及びセルフピアシング構造要素の斜視図である。 [0011] 図１に示す構造要素の平面図である。 [0012] 図２の線３－３に沿った構造要素の断面図である。 [0013] 図３に示す詳細領域「４」の拡大図である。 [0014] 図３に示す詳細領域「５」の拡大図である。 [0015] 図１に示すクリンチ装着部分を含むスタッドの斜視図である。 [0016] 図６に示すスタッドの断面図である。

[0017] 以下の説明には、特徴の全部又は一部を含み得るさまざまな組み合わせで利用可能な多くの特徴が含まれることを理解されたい。特徴のすべてのそうした組み合わせは本願の範囲内に含まれることが意図されている。ここで図面を参照すると、図１は、塑性変形可能な金属基材（例えば、プレート、パネル、中空円筒など）に取り付けるためのファスナを含む構造要素１００を示している。具体的には、本明細書に記載された構造要素１００は、従来型の金属基材（例えば、平坦で比較的薄い金属パネル）と非従来型の金属基材（例えば、中空金属管）の両方に取り付け可能であり、かつ、十分な回転抵抗及び押出抵抗を提供する。構造要素１００は、金属基材への設置中、１ｍｍ以上の厚さを有する金属基材に形成された予め形成された孔にクリンチして取り付けるセルフクリンチング構造要素であってもよい。任意選択的に、構造要素１００は、設置中に金属基材に開口部を穿孔し、かつ、金属基材にそれ自体をクリンチするセルフピアシング及びセルフクリンチング構造要素である。図示の実施形態は、スペーサ、スリーブなど（すなわち、ねじ山なし構造要素）として構造要素１００を示しているが、例えば、セルフピアシング及び／又はセルフクリンチングスタッドなどの他のセルフクリンチング構造要素（図６に示されており、以下で簡単に説明する）並びにセルフピアシング及び／又はセルフクリンチングナットが本発明の範囲内にある。簡潔にするため、セルフピアシング及び／又はセルフクリンチングスタッド及び／又はナット並びに任意の他のタイプの構造要素にも本開示が同様に適用されるとの理解に基づいて、以下の説明の大部分は、セルフクリンチングスペーサ（すなわち、ねじ山なし構造要素）として構造要素１００を示す実施形態に関して行われる。

[0018] 構造要素１００は、本体部分１０２と、本体部分１０２の一端から延在する多目的パイロットすなわちパンチ部分１０４と、を有している。貫通孔すなわちボア１０６が、本体部分１０２及びパンチ部分１０４の両方を貫通して軸線方向に延在している。ボア１０６は、単純な貫通孔（すなわち、滑らかで途切れのない周壁を有している）として示されているが、相手方のねじ山ありファスナ（例えば、ボルト、ねじなど）が、そこに取り付けるためのねじ孔に挿入されることができるように、（セルフクリンチングナットをもたらすために）ボア１０６にはねじ山が付けられてもよいことが考えられる。構造要素１００は、図６に示すようなセルフピアシング及びセルフクリンチングスタッドである別の例では、パンチ部分１０４は、中実であってもよく、かつ、貫通孔を含まなくてもよく；その代わりに、以下に説明するように、ねじ山あり又はねじ山なしのスタッドが本体部分１０２の反対側から外側に延在し得る。

[0019] 構造要素１００がセルフクリンチングスペーサであるさらに別の例では、塑性変形可能な金属基材への構造要素１００の設置中、ファスナの頭部と金属基材との間、又は、対応のナット（ボルト、ねじなどに取り付けられるように構成されている）と金属基材との間のいずれかに、間隔が設けられるようにファスナ（例えば、ボルト、ねじなど）がボア１０６内に挿入可能である。すなわち、構造要素１００は、２つの別個の物体（すなわち、金属基材及び別個のファスナ）の間に既定の空間を提供する。

[0020] さらに示すように、本体部分１０２及びパンチ部分１０４は中心軸線「Ｘ」と同軸である。図１～図３を参照すると、本体部分１０２は、構造要素１００の一方の軸線方向先端に対応する、構造要素１００の底面すなわち第１端面１０２ａまで延在している。構造要素１００の第１端面１０２ａは、中心軸線「Ｘ」に対して実質的に垂直であり、かつ、その径方向の外周に面取りを有しているものとして示されている。ただし、第１端面１０２ａは他の幾何学的構成を有してもよく；例えば、第１端面１０２ａは、中心軸線「Ｘ」に対して上に向かって傾斜していてもよく、又は、下に向かって傾斜していてもよい。言い換えると、第１端面１０２ａは、構造要素１００の設置方向に対して、径方向内側に徐々に収束してもよく、又は、径方向外側に徐々に発散してもよい。さらに示すように、パンチ部分１０４は、構造要素１００の他方の軸線方向先端に対応する、構造要素１００の上面すなわち第２端面１０４ａまで延在する。構造要素１００の第２端面１０４ａも同様に、中心軸線「Ｘ」に対して実質的に垂直であるように示されているが、第２端面１０４ａは、第１端面１０２ａに関して上述したように、代替的に、角度を付けられてもよい。

[0021] パンチ部分１０４は、本体部分１０２が、パンチ部分１０４を取り囲む全体的に環状の表面１０８を含むように、本体部分１０２よりも径方向に小さい。すなわち、パンチ部分１０４は、本体部分１０２から中心軸線「Ｘ」方向に延在し、かつ、環状面１０８がパンチ部分１０４を取り囲むように配置されている。環状面１０８は、中心軸線に垂直な方向に延在し（すなわち、構造要素１００の径方向「ｒ」に延在している、図２参照）、かつ、構造要素１００が取り付けられる金属基材に係合するように構成されている。

[0022] さらに示すように、構造要素１００は、構造要素１００の第１端面１０２ａとは反対の方向に本体部分１０２から軸線方向外側に突出するパイロットエンボス１１０を含む。パイロットエンボス１１０はパンチ部分１０４を取り囲んでいる。より具体的には、パイロットエンボス１１０は、構造要素１００の第２端面１０４ａと環状面１０８との間に（径方向「ｒ」において）同心円状に配置されている。したがって、パイロットエンボス１１０は、パンチ部分１０４よりも径方向に大きいが、本体部分１０２よりも径方向に小さい。さらに、パイロットエンボス１１０は全体的に円筒形の形状として示されている。ただし、パイロットエンボス１１０は、多角形など（例えば、六角形、八角形など）の他の幾何学的構成を有してもよいことが考えられる。さらに、パイロットエンボス１１０は、パンチ部分の周りに途切れることなく（周方向に）連続的に延在するように示されている。すなわち、パイロットエンボス１１０には周方向の隙間が形成されていない。ただし、他の実施形態では、パイロットエンボス１１０は、複数の（別個の）セクションに分割されてもよく、かつ、パイロットエンボス１１０の複数のセクションが共同してパンチ部分１０４を取り囲むように、パンチ部分１０４の周りで周方向に互いに離間して配置されてもよい。

[0023] 図示するように、パイロットエンボス１１０は周辺面１１２及び係合面１１４を含む。パイロットエンボス１１０の周辺面１１２は、軸線方向（すなわち、中心軸線「Ｘ」に平行）に延在し、係合面１１４は、以下にさらに説明するように、全体的に環状の形状であり、かつ、径方向「ｒ」に延在している。

[0024] 構造要素１００は、共同してパイロットエンボス１１０を取り囲む複数の離間したラグ１１６をさらに含む。ラグ１１６の各々は、構造要素１００の第１端面１０２ａとは反対の方向に環状面１０８から軸線方向外側に突出し、かつ、パイロットエンボス１１０から径方向外側に突出している。より具体的には、ラグ１１６の各々は、以下にさらに説明するように、直立する１対の側壁１１８と、前記１対の側壁１１８の間に延在する接触面１２０と、を含む。一実施形態では、図示するように、複数のラグ１１６が、互いに等間隔に離間されており、かつ、すべて同じ構成を有している。代替的に、複数のラグ１１６は、パイロットエンボス１１０の周りに互いに不等間隔に離間されてもよく、及び／又は、さまざまな構成を有してもよい。

[0025] 図１及び図３に関して、本体部分１０２及びパンチ部分１０４は、それぞれ、中心軸線「Ｘ」の方向に延在する外周面１２２、１２４を含む。一実施形態では、本体部分１０２の外周面１２２は、（断面において）平坦であり、かつ、中心軸線「Ｘ」に対して平行であり、円筒形状を提供する。代替的に、本体部分１０２の外周面１２２は、手作業又は工作機械で容易に使用可能な複数の平坦な側面を有してもよい。例えば、本体部分１０２の外周面１２２は、多角形であってもよく、かつ、本体部分１０２の外周面１２２が６面又は８面で形成されるように、複数の面がすべて同じ寸法（すなわち、高さ及び幅）を有してもよい。代替的に、合計４～１２の面が本体部分１０２の外周面１２２を形成してもよい。さらにまた、本体部分１０２の外周面１２２は、凸形状又は凹形状で（断面において）湾曲していてもよく、及び／又は、中心軸線「Ｘ」に対して非平行であってもよい。本体部分１０２の高さ（すなわち、軸線方向寸法）及び幅（すなわち、径方向寸法）は、上述したように、所望の間隔を提供するように選択される。構造要素１００がセルフクリンチングスタッドを有している場合、本体部分１０２の高さ及び幅は、スタッド及び任意の意図された相手方のファスナに十分な強度を提供するように同様に選択するように選択可能である。

[0026] 図３に示す構造要素１００の丸で囲まれた領域の拡大詳細図である図４に示すように、本体部分１０２の環状面１０８は第１仮想水平面「Ｈ１」上に位置する。さらに、パイロットエンボス１１０の係合面１１４は第２仮想水平面「Ｈ２」上に位置する。特に、第１仮想水平面「Ｈ１」及び第２仮想水平面「Ｈ２」は、互いに平行であり、かつ、両方とも中心軸線「Ｘ」が第１仮想水平面「Ｈ１」及び第２仮想水平面「Ｈ２」に垂直であるように構成されている。言い換えれば、図示の例は、本体部分１０２の環状面１０８とパイロットエンボス１１０の係合面１１４とが、ほぼ同じ方向（すなわち、径方向「ｒ」）に外側に延在し、かつ、互いに対して平行であることを示している。

[0027] さらに図示するように、本体部分１０２の環状面１０８及びパイロットエンボス１１０の係合面１１４は、パイロットエンボス１１０の周辺面１１２を介して互いに離間して互いに接続されている。一時的に図３に戻ると、環状面１０８の外径は、第１周縁１２６において本体部分１０２の外周面１２２と交わる（すなわち、交差する）。言い換えると、環状面１０８は、第１周縁１２６において本体部分１０２の外周面１２２と境界を共有する。ここで図４を参照すると、環状面１０８の内径は周辺面１１２の一端（すなわち、最下端）に交わり（すなわち、交差し）、係合面１１４の外径は周辺面１１２の他端（すなわち、最下端）に交わる（すなわち、交差する）。すなわち、周辺面１１２は、第２周縁１２８において係合面１１４と境界を共有する。

[0028] 環状面１０８及び係合面１１４は、両方ともそれぞれの仮想水平面上にあるように示されているが、環状面１０８及び／又は係合面１１４は、それらの対応する平面に対して角度を付けられてもよいことが考えられる。例えば、環状面１０８は、その内径から第１周縁１２６まで径方向「ｒ」に上に向かって傾斜又は下に向かって傾斜してもよい。追加的又は代替的に、係合面１１４は、その内径から第２周縁１２８まで径方向「ｒ」に上に向かって傾斜又は下に向かって傾斜してもよい。したがって、環状面１０８及び係合面１１４は互いに対して平行である必要がないことを理解されたい。図示するように、環状面１０８及び係合面１１４は、周辺面１１２を介して互いに対して離間して互いに接続されている。したがって、図示の実施形態では、周辺面１１２は、パイロットエンボス１１０が本体部分１０２から軸線方向に（すなわち、中心軸線「Ｘ」に沿って）延在する距離（すなわち、高さ）を規定する。

[0029] ここで、図３に示す構造要素１００の丸で囲まれた領域の拡大詳細図である図５を参照すると、パイロットエンボス１１０の周辺面１１２は、第１仮想周面「Ｃ１」上に位置する。特に、第１仮想周面「Ｃ１」は中心軸線「Ｘ」と同軸かつ平行である。したがって、周辺面１１２は、係合面１１４及び環状面１０８の両方に対して垂直である。ただし、周辺面１１２は係合面１１４及び／又は環状面１０８に対して垂直である必要はないことが考えられる。例えば、周辺面１１２は、周辺面１１２と中心軸線「Ｘ」との間の径方向距離が環状面１０８から係合面１１４の方向に徐々に増加又は減少するように、中心軸線「Ｘ」に対して角度を付けられてもよい。

[0030] さらに図５に示すように、パンチ部分１０４の外周面１２４は、全体的に角度を付けられた形状を有している。具体的には、パンチ部分１０４の外周面１２４は、第１周囲面１３０と、第２周囲面１３２と、第１周囲面１３０及び第２周囲面１３２の間に配置された中間面１３４と、を備えている。第１周囲面１３０及び第２周囲面１３２は、形状が全体的に円筒形であり、かつ、それぞれ第２仮想周面「Ｃ２」及び第３仮想周面「Ｃ３」上に位置する。第２仮想周面「Ｃ２」及び第３仮想周面「Ｃ３」は、両方とも中心軸線「Ｘ」と同軸かつ平行である。したがって、第１周囲面１３０及び第２周囲面１３２は、軸線方向に（すなわち、中心軸線「Ｘ」に沿って）延在し、かつ、互いに対して平行である。さらに、第２仮想周面「Ｃ２」と第３仮想周面「Ｃ３」とは同心円状に配列されている。具体的には、第２仮想周面「Ｃ２」は、第３仮想周面「Ｃ３」よりも小さい半径寸法を有している。したがって、第１周囲面１３０は、第２周囲面１３２から径方向にオフセットされている。すなわち、第１周囲面１３０は、第２周囲面１３２よりも径方向「ｒ」において中心軸線「Ｘ」により近い位置に配置されている。特に、第１周囲面１３０及び第２周囲面１３２は、断面において（すなわち、図５に示すように）平面形状であるように示されている。ただし、第１周囲面１３０及び／又は第２周囲面１３２が、異なる幾何学的構成を有してもよいことが考えられる。例えば、第１周囲面１３０及び／又は第２周囲面１３２は断面において凸形状又は凹形状であってもよい。

[0031] 上述したように、中間面１３４は、第１周囲面と第２周囲面との間に配置されている。より具体的には、中間面１３４は、径方向「ｒ」に沿って第１周囲面１３０から第２周囲面１３２まで徐々に連続的に上に向かって傾斜している。言い換えると、中間面１３４が第１周囲面１３０に交わる（すなわち、交差する）位置における中間面１３４の径方向寸法は、中間面１３４が第２周囲面１３２に交わる（すなわち、交差する）位置における中間面１３４の径方向寸法よりも小さく、中間面１３４の径方向寸法は、第１周囲面１３０から第２周囲面１３２の方向に（中心軸線「Ｘ」に沿って）連続的に増加する。この構成によれば、凹状ポケット１３６がパンチ部分１０４の外周面１２４に規定され、ポケット１３６は、パイロットエンボス１１０に隣接するより大きな（径方向の）深さを有している。この凹状ポケット１３６は、以下でさらに説明するように、金属基材への構造要素１００の設置中に、金属基材の変形した材料を受け入れて保持するように構成されている。

[0032] 特に、凹状ポケット１３６は、上述した特定の構成に制約されないことを理解されたい。例えば、凹状ポケット１３６は、パンチ部分１０４の外周面１２４に形成された単純なＣ字形の溝であってもよく、かつ、パンチ部分１０４の周りに途切れることなく周方向に延在する。代替的に、Ｃ字形の溝は、さまざまな別個の周方向セクションに分割され、それらが一緒になって凹状ポケット１３６を形成することもできる。したがって、凹状ポケット１３６は、任意の幾何学的形状を取り得ることを理解されたい。

[0033] 図示の実施形態では、パンチ部分１０４の外周面１２４の中間面１３４は、断面において（すなわち、図５に示すように）平面形状であるように示されている。ただし、中間面１３４は、異なる幾何学的構成を有してもよいことが考えられる。例えば、中間面１３４は断面において凹形状又は凸形状を有してもよい。

[0034] ここで図１に戻ると、上で簡単に説明したように、各ラグ１１６の各々は、本体部分１０２の環状面１０８から軸線方向外側に突出し、かつ、パイロットエンボス１１０から径方向外側に延在している。以下の開示が他のラグにも同様に当てはまることを理解した上で、単一のラグ１１６の幾何学的形状についてここで説明する。接触面１２０は、１対の側壁１１８の間に（すなわち、構造要素１００の周方向に）延在し、かつ、径方向「ｒ」に延在している。具体的には、図３に示すように、接触面１２０は、反対側の第１（径方向）端部１２１ａ及び第２（径方向）端部１２１ｂを有している。第１端部１２１ａは、パイロットエンボス１１０の周辺面１１２に隣接して配置され、より具体的には、ラグ１１６がパイロットエンボス１１０から直接（径方向外側に）延在するように周辺面１１２とともに形成される。第２端部１２１ｂは、第１周縁１２６まで延在し、かつ、第１周縁１２６と（軸線方向に）位置合わせされている。すなわち、第２端部１２１ｂ及び本体部１０２の外周面１２２は共通の仮想周面（図示せず）上に存在する。

[0035] 図１に最も良く示されているように、接触面１２０は凹形状を有している。より具体的には、接触面１２０の湾曲した性質は、その最下点が湾曲の中心に存在するように（断面において）全体的に放物線状である。別の実施形態では、接触面１２０は凹形状である必要はない。例えば、接触面１２０は、平坦形状であっても、凸形状であってもよく、又は、さまざまな幾何学的形状を有する複数の表面を有していてもよい。特に、図示の実施形態に関して、接触面１２０の最下点でさえも環状面１０８から離されている。すなわち、接触面１２０の全体が、第１端面１０２ａから第２端面１０４ａに向かう方向において第１仮想水平面「Ｈ１」から軸線方向に離間している。

[0036] さらに、接触面１２０と環状面１０８との間の（軸線方向の）距離は、接触面１２０と１対の側壁１１８との間のそれぞれの接合部で最大である。すなわち、ラグ１１６の側壁１１８は、環状面１０８が位置する第１仮想水平面「Ｈ１」に対するラグ１１６の軸線方向において最大距離（すなわち、高さ）を規定する。

[0037] さらに図示するように、ラグ１１６の（環状面１０８に対する）最大高さは、（周辺面１１２の軸線方向寸法によって規定される）パイロットエンボス１１０の高さよりも低い。この寸法差により、以下でさらに説明するように、ラグ１１６が金属基材に係合する前に、パイロットエンボス１１０が金属基材に係合することを保証する。特に、接触面１２０の第２端部１２１ｂは、第１周縁１２６から離されている（すなわち、第１仮想水平面「Ｈ１」から離されている）ように示されているが、接触面１２０は、第１端部１２１ａの少なくとも一部（例えば、その最下点）が第１周縁１２６と境界を共有するように、径方向に傾斜していてもよいことが考えられる。すなわち、ラグ１１６の接触面１２０は、パイロットエンボス１１０から径方向外側の方向に径方向に傾斜していてもよい。他の実施形態では、ラグ１１６の接触面１２０は、パイロットエンボス１１０から径方向外側の方向に、上に向かって傾斜するように径方向に傾斜していてもよい。

[0038] さらに、ラグ１１６は、パイロットエンボス１１０から直接延在している（すなわち、物理的に接触している）必要はないことが考えられる。例えば、ラグ１１６は、それらの間にギャップ距離が規定されるように、パイロットエンボス１１０の周辺面１１２から径方向に離間していてもよい。さらに別の実施形態では、ラグ１１６は、本体部分１０２の外周面１２２が位置する仮想周面（図示せず）まで径方向に延在する必要はない。むしろ、ラグ１１６は、前記仮想周面（図示せず）から径方向に（内側に）離間した位置まで延在していてもよい。

[0039] 上述した構造要素１００のすべての構成要素、特に本体部分１０２、パンチ部分１０４、パイロットエンボス１１０及びラグ１１６は互いに対して一体的に形成される。すなわち、本体部分１０２、パンチ部分１０４、パイロットエンボス１１０及びラグ１１６はすべて同じ資源（stock）材料から形成される。例えば、構造要素１００は、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、真鍮又は他の金属から製造されてもよい。さらに、構造要素１００の材料は、それが取り付けられる金属基材の硬度よりも高い硬度を有していることが好ましい。ここで説明するように、構造要素がセルフクリンチングスタッドである場合、スタッドは、同様に同じ材料から一体的に形成される。

[0040] 上で簡単に述べたように、図６及び図７に関して、構造要素１００はセルフクリンチスタッドであってもよい。このような構成では、構造要素１００は、本体部分１０２とパンチ部分１０４とを備えている。シャンク１３８が、中心軸線「Ｘ」に沿って構造要素１００の第２端面１０４ａから外側に延在している。特に、構造要素１００を貫通するボア（例えば、図３に示すボア１０６）は形成されていない。他の例では、シャンク１３８は、中心軸線「Ｘ」に沿って構造要素１００の第１端面１０２ａから外側に延在していてもよい。図示するように、ねじ山１４０がシャンク１３８の少なくとも一部の周囲に設けられている。

[0041] さらに図６に示すように、本体部分１０２の外周面１２２は、多角形であり、かつ、すべて同じ全体的な寸法（例えば、高さ及び幅）を有する複数の平坦形状の面を含む。この構成は、本体部分１０２と機械又は手動工具との間の十分な係合を促進する。パイロットエンボス１１０も同様に、多角形状（例えば、八角形状）を有するものとして示されている。八角形状を有するパイロットエンボス１１０は、平面形状の面が金属基材に埋め込まれた場合に回転に抵抗するので、設置後に構造要素１００と金属基材との間の係合に関するトルク性能を高めることができる。特に、パイロットエンボス１１０の形状は、本体部分１０２の外周面１２２の形状に一致する。ただし、代替の実施形態では、パイロットエンボス１１０の形状は本体部分１０２の外周面１２２の形状と異なっていてもよい。

[0042] 図７（図６の構造要素１００の断面を図示している）を参照すると、パンチ部分１０４の外周面１２４はまた、第１周囲面１３０及び第２周囲面１３２と、第１周囲面１３０及び第２周囲面１３２の間に配置された中間面１３４と、を含む。特に、パンチ部分１０４の外径「ｄ１」（すなわち、第２周囲面１３２の外径）はねじ山１４０の外径「ｄ２」よりも大きい。この寸法差は、設置中（すなわち、シャンク１３８が金属基材に形成された予め作られた孔内に受け入れられる際）の金属基材に対するファスナ１００の位置合わせを容易にし、かつ、曲げモーメント性能を高める。

[0043] ここで、金属基材への構造要素１００の設置に関して説明する。以下の開示は、金属基材に、（図１～図５に示すような）セルフクリンチングスペーサである構造要素１００を設置することに焦点を当てているが、同一又は類似の設置ステップが他のセルフクリンチング構造要素（例えば、図６及び図７に図示するようなセルフクリンチングナット、セルフクリンチングスタッドなど）にも同様に適用されることを理解されたい。

[0044] 上で簡単に述べたように、従来の金属基材（例えば、平坦で比較的薄い金属パネル）に従来のセルフクリンチング構造要素を取り付ける場合、構造要素は金属基材の一方の側に配置される一方で、固定ブロックが、前記金属基材の反対側に配置されて構造要素と位置合わせされる。その後、駆動機構（すなわち、プレス）が、固定ブロックに向かう方向に金属基材内に構造要素を押し込む。すなわち、構造要素及び金属基材は、金属基材が塑性変形して構造要素のさまざまな形状に適合するように、駆動機構と固定ブロックとの間に本質的に挟み込まれることになる。

[0045] このような従来の設置技術は、比較的厚い金属基材又は中空金属管などのより複雑な金属基材では不可能である。特に、駆動機構と固定ブロックとの間に中空金属管とそれに対応する構造要素とを挟み込むと、中空金属管を完全に変形させる、又は、許容できない押し出し結果を生じさせる（すなわち、押し出しは、金属基材から構造要素を分離するために必要な力の量である）。後者のシナリオでは、そのような従来の構造要素は、そこに構造要素をクリンチングすることに関連する構造要素の特定の形状に金属基材を完全に適合させるために十分な変形材料が流動することを許容しない。

[0046] 上述した構造要素１００（例えば、セルフクリンチングスペーサ）は、従来の設置技術の欠点なしに、扱いにくい形状を有する金属基材（例えば、中空金属管）への取り付けを容易にするように設計されている。例えば、構造要素１００は、管に形成された予め作られた孔とパンチ部分１０４とが同軸となるように、中空金属管に隣接して配置されている。次に、予め作られた孔内にパンチ部分１０４が受け入れられるように、かつ、管の遠位端がパイロットエンボス１１０に係合するように、構造要素１００が軸線方向に平行移動させられる。特に、パイロットエンボス１１０とラグ１１６との間の寸法差により、管の遠位端がパイロットエンボス１１０に係合する（すなわち、物理的に接触する）際、管の遠位端は、設置のこの段階ではラグ１１６のいずれとも係合しない。

[0047] その後、駆動機構（すなわち、プレス）が、中空金属管に向かって構造要素１００を押し込む（例えば、駆動ヘッドが、構造要素１００の第１端面１０２ａに物理的に接触し、かつ、管の周壁内に軸線方向に構造要素１００を駆動する）。加えられた力により、パイロットエンボス１１０に係合する管の一部が、塑性変形して、パンチ部分１０４に規定された環状の凹状ポケット１３６に流入する。言い換えると、駆動機構から加えられた力は、パイロットエンボス１１０を介して管（又は基材）に伝達される。構造要素１００が管内に軸線方向に打ち込まれ続けると、管の遠位端はその後、ラグ１１６のそれぞれの接触面１２０に係合する。また、加えられた力により、ラグ１１６に係合する管の一部が塑性変形して、ラグ１１６の幾何学的形状に適合するように流動する。例えば、管の材料は流動して本体部分１０２の環状面１０８に係合（すなわち、物理的に接触）することができる。

[0048] したがって、完全に設置された位置では、管の材料は、構造要素１００の第２端面１０４ａとパイロットエンボス１１０の係合面１１４との間の凹状ポケット１３６内に捕捉され、かつ、ラグ１１６の全体的な形状に適合する。したがって、構造要素１００は、軸線方向の動きと回転方向の動きとの両方に対して所定の位置にクリンチされる。より具体的には、凹状ポケット１３６内に受け入れられる材料は、構造要素１００が金属基材（すなわち、中空金属管）及びラグ１１６の全体的な形状に適合する材料から容易に分離されないように、十分な押し出し結果を促進し、トルク性能を向上させる（すなわち、設置後の金属基材に対する構造要素１００の回転を妨げる）。

[0049] ただし、構造要素１００は、さまざまな厚さ及び材料を有する従来の平坦な金属基材にも同様に適用可能であることを理解されたい。このような設置では、パイロットエンボス１１０は、構造要素１００を固定するためにパンチ部分１０４に規定された環状の凹状ポケット１３６に金属基材が流入するように、同様に平坦な金属基材を塑性変形させるように作用する。例えば、構造要素１００が、従来の平坦な金属基材に取り付けられるように構成されたセルフピアシング及びセルフクリンチングスペーサである場合、構造要素１００が金属基材の片側に配置される一方で、固定ブロックが金属基材の反対側に配置されて構造要素１００に位置合わせされる。その後、駆動機構（すなわち、プレス）が、固定ブロックに向かう方向に金属基材内に構造要素１００を押し込む。特に、この例の構造要素１００はセルフピアシング及びセルフクリンチングスペーサであるので、金属基材に予め作られた開口部は形成されない。むしろ、構造要素１００が金属基材と強制的に係合されると、構造要素１００の第２端面１０４ａが、金属基材を穿孔し、かつ、構造要素１００のパンチ部分１０４を収容するための空間（すなわち、開口部、貫通孔など）を形成する。特に、構造要素１００と金属基材との間の相対移動により、構造要素１００の第２端面１０４ａの周縁を金属基材内に（かつ、金属基材を貫通するように）変形（shear）させる。

[0050] 構造要素１００が金属基材内に打ち込まれると、金属基材の材料がパイロットエンボス１１０に係合し、これによって前記材料を塑性変形させ、その結果、前記材料は、パンチ部分１０４に規定された環状の凹状ポケット１３６に流入する。続いて、金属基材の材料がラグ１１６のそれぞれの接触面１２０に係合する。また、（プレスを介して）加えられた力により、前記材料は、塑性変形し、かつ、ラグ１１６の幾何学的形状に適合するように流動する。例えば、金属基材の材料は、流動し、かつ、本体部分１０２の環状面１０８及び／又はそれぞれの各ラグ１１６の１対の側壁１１８に係合（すなわち、物理的に接触）することができる。

[0051] 上述した例示的な実施形態を参照して本発明を説明した。本明細書を読んで理解すれば、他の実施形態に対する修正及び変更が生じる。本発明の１以上の態様を組み込んだ例示的な実施形態は、添付の特許請求の範囲内に属する限り、そのような修正及び変更をこれまでのところすべて含むことが意図されている。

Claims (18)

1. 塑性変形可能な金属基材に取り付けるためのセルフクリンチング構造要素であって、前記セルフクリンチング構造要素は、
   中心軸線を有する本体部分であって、前記中心軸線の方向に延在する外周面と、前記中心軸線に垂直な方向に延在する環状面と、を含む本体部分と、
   前記中心軸線と同軸であり、かつ、前記本体部分から延在するパンチ部分であって、前記パンチ部分は、前記中心軸線の方向に延在する外周面を含み、前記パンチ部分の前記外周面は、第１周囲面及び第２周囲面と、前記第１周囲面及び前記第２周囲面の間に配置された中間面と、を備え、前記中間面は、前記中心軸線に対して角度を付けられており、前記第１周囲面及び前記第２周囲面は、円筒状であり、かつ、それぞれ、第１仮想周面及び第２仮想周面上に位置し、前記第２仮想周面は、前記第１仮想周面から径方向にオフセットされており、前記径方向のオフセットは凹状ポケットを規定する、パンチ部分と、
   パイロットエンボスが前記環状面と前記パンチ部分との間に同心円状に配置されるように、前記中心軸線と同軸であり、かつ、前記本体部分から延在するパイロットエンボスであって、前記パンチ部分の前記外周面に規定された前記凹状ポケットに前記金属基材が流入するように、前記金属基材に係合して前記金属基材を塑性変形させるように構成されたパイロットエンボスと、
   前記環状面から軸線方向の外側に突出し、かつ、前記パイロットエンボスから径方向外側に延在する複数の離間したラグであって、前記パイロットエンボスを共同して取り囲む複数の離間したラグと、を備える、セルフクリンチング構造要素。
2. 前記ラグのうちの１つは、前記金属基材に係合するように構成された接触面を含み、前記接触面は凹形状である、請求項１に記載のセルフクリンチング構造要素。
3. 前記パイロットエンボスが周辺面及び係合面を備え、前記周辺面が前記中心軸線の方向に延在し、前記係合面が環状の形状であり、かつ、前記中心軸線に垂直な方向に延在する、請求項１に記載のセルフクリンチング構造要素。
4. 前記周辺面は、前記中心軸線に平行な第３仮想周面上に位置し、前記係合面は、前記周辺面に対して垂直である、請求項３に記載のセルフクリンチング構造要素。
5. 前記環状面は仮想水平面上に位置し、前記パイロットエンボスは前記仮想水平面から第１距離だけ軸線方向に突出し、前記ラグは前記仮想水平面から第２距離だけ軸線方向に突出し、前記第１距離は前記第２距離よりも大きい、請求項３に記載のセルフクリンチング構造要素。
6. 前記ラグのうちの１つは、１対の直立側壁の間に延在する接触面を備え、前記接触面は、対向する第１端部及び第２端部を含み、前記第１端部は前記パイロットエンボスの前記周辺面を有するように形成され、前記第２端部は、前記本体部分の前記外周面まで延在する、請求項３に記載のセルフクリンチング構造要素。
7. 前記第１周囲面は、前記パイロットエンボスから前記中間面まで軸線方向に延在し、前記第２周囲面は、前記中間面から前記セルフクリンチング構造要素の端面まで軸線方向に延在する、請求項１に記載のセルフクリンチング構造要素。
8. 前記中間面が、前記中心軸線に垂直な方向に前記第１周囲面から前記第２周囲面に向かって徐々に連続的に上に向かって傾斜している、請求項７に記載のセルフクリンチング構造要素。
9. 前記第１周囲面及び前記第２周囲面並びに前記中間面が断面においてすべて平坦である、請求項１に記載のセルフクリンチング構造要素。
10. ボアをさらに備え、前記ボアは、前記ボアが前記セルフクリンチング構造要素の第１端面から前記セルフクリンチング構造要素の第２端面まで延在するように、前記本体部分と前記パンチ部分との両方を通って前記中心軸線の方向に延在する、請求項１に記載のセルフクリンチング構造要素。
11. 前記ボアは、前記中心軸線に沿ってねじ切りされている、請求項１０に記載のセルフクリンチング構造要素。
12. 前記構造要素の端面から外側に延在するシャンクをさらに備え、前記シャンクは、前記中心軸線と同軸であり、かつ、前記中心軸線に沿ってねじ切りされている、請求項１に記載のセルフクリンチング構造要素。
13. 前記パイロットエンボスが、前記パンチ部分の周りに途切れることなく連続的に延在している、請求項１に記載のセルフクリンチング構造要素。
14. 塑性変形可能な金属基材に取り付けるためのセルフクリンチング構造要素であって、前記セルフクリンチング構造要素は、
    中心軸線を有する本体部分であって、前記中心軸線の方向に延在する外周面と、前記中心軸線に垂直な方向に延在する環状面と、を含む本体部分と、
    前記中心軸線と同軸であり、かつ、前記本体部分から延在するパンチ部分であって、前記パンチ部分は、前記中心軸線の方向に延在する外周面を含み、前記パンチ部分の前記外周面は、第１周囲面及び第２周囲面と、前記第１周囲面及び前記第２周囲面の間に配置された中間面と、を備え、前記中間面は、前記中心軸線に対して角度を付けられており、前記第１周囲面及び前記第２周囲面は、円筒状であり、かつ、それぞれ、第１仮想周面及び第２仮想周面上に位置し、前記第２仮想周面は、前記第１仮想周面から径方向にオフセットされており、前記径方向のオフセットは凹状ポケットを規定する、パンチ部分と、
    パイロットエンボスが前記環状面と前記パンチ部分との間に同心円状に配置されるように、前記中心軸線と同軸であり、かつ、前記本体部分から延在するパイロットエンボスと、
    前記環状面から外側に突出し、かつ、前記パイロットエンボスから径方向外側に延在するラグと、
    前記金属基材への前記セルフクリンチング構造要素の設置中、前記パイロットエンボス及び前記ラグは、前記ラグと係合する前に前記金属基材が前記パイロットエンボスに係合するように寸法的に構成される、セルフクリンチング構造要素。
15. 前記パイロットエンボスは、前記金属基材が前記パイロットエンボスに係合すると、前記金属基材が、塑性変形して、前記パンチ部分の前記外周面に規定された前記凹状ポケットに径方向内側に流入するように構成されている、請求項１４に記載のセルフクリンチング構造要素。
16. 前記環状面は第１仮想水平面上に位置し、前記パイロットエンボスは、前記金属基材に係合するように構成された係合面を備え、前記係合面は第２仮想水平面上に位置し、前記中心軸線は、前記第１仮想水平面及び前記第２仮想水平面の両方に対して垂直である、請求項１４に記載のセルフクリンチング構造要素。
17. 前記パイロットエンボスが、前記中心軸線の方向に延在する周辺面をさらに備え、前記周辺面が、前記パンチ部分の前記外周面よりも前記中心軸線から径方向に大きい距離を有している、請求項１６に記載のセルフクリンチング構造要素。
18. 塑性変形可能な金属基材に取り付けるためのセルフクリンチング構造要素であって、前記セルフクリンチング構造要素は、
    中心軸線を有する本体部分であって、前記中心軸線の方向に延在する外周面と、前記中心軸線に垂直な方向に延在する環状面と、を含む本体部分と、
    前記中心軸線と同軸であり、かつ、前記本体部分から延在するパンチ部分であって、前記パンチ部分は、前記中心軸線の方向に延在する外周面を含み、前記パンチ部分は、第１周囲面及び第２周囲面と、前記第１周囲面及び前記第２周囲面の間に配置された中間面と、を備え、前記第１周囲面及び前記第２周囲面は、円筒状であり、かつ、それぞれ、第１仮想周面及び第２仮想周面上に位置し、前記中間面は、前記中心軸線に垂直な方向に前記第１周囲面から前記第２周囲面に向けて徐々に連続的に上に向かって傾斜しており、前記第２周囲面は、前記第１周囲面から径方向にオフセットされて前記パンチ部分に凹状ポケットを規定する、パンチ部分と、
    パイロットエンボスが前記環状面と前記パンチ部分との間に同心円状に配置されるように、前記中心軸線と同軸であり、かつ、前記本体部分から延在するパイロットエンボスであって、前記パイロットエンボスは、前記パンチ部分の周りに途切れることなく連続的に延在し、前記パイロットエンボスは周辺面及び係合面を備え、前記周辺面は前記中心軸線の方向に延在し、前記係合面は、環状の形状であり、かつ、前記中心軸線に垂直な方向に延在し、前記係合面は、前記金属基材が前記凹状ポケットに流入するように前記金属基材に係合して前記金属基材を塑性変形させるように構成される、パイロットエンボスと、
    前記環状面から軸線方向外側に突出し、かつ、前記パイロットエンボスの前記周辺面から径方向外側に延在する複数の離間したラグであって、前記複数の離間したラグが共同して前記パイロットエンボスを取り囲み、前記ラグのうちの１つが、前記金属基材に係合するように構成された接触面を有しており、前記接触面が凹状の形状である、複数の離間したラグと、を備え、
    前記金属基材への前記セルフクリンチング構造要素の設置中、前記パイロットエンボスと前記ラグのうちの前記１つとは、前記金属基材が、前記接触面に係合する前に前記パイロットエンボスの前記係合面に係合するように寸法的に構成される、セルフクリンチング構造要素。

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