JP2013181610A - 軽軟材用テーパーねじ - Google Patents

Abstract

【課題】スギ材やポプラ材等に代表される軽軟材に使用する木ねじにおいて、軽軟材の特性を逆手に利用し、比重差により低下する接合性を向上させる軽軟材用テーパーねじを提供する。
【解決手段】締付用回転工具との係合部となる頭部１と、頭部１の端面から延びる外面の全部（全ねじ）又は一部（半ねじ）に螺旋状のねじ山が設けられた軸部２とで形成し、軸部２の少なくとも一部を頭部１側から先端部４ａ側に向かって斬次縮径するテーパー形状に形成する。該テーパー形状は胴部（但し、首下丸み部３ａと胴部からねじ部に移行する境界部３ｂを除く）３ｃの外郭又はねじ部（但し、先端部４ａを除く）４ｂの山の頂５ａと谷底５ｂのいずれかに接する仮想線が先端部４ａ側に向かって斬次細くなる形状とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、木材又は木質材料に使用される木ねじに関し、特にスギ材やポプラ材等に代表される比較的比重の低い軽軟材の接合に有効なねじに関する。

従来使われている木ねじとしては、日本工業規格による狭義の木ねじのみならず、コーチねじ、コーススレッド、接合金物取付用ねじ等を挙げることができ、並びに木ねじに代用されるタッピンねじ等を挙げることができる（図１）。これらのねじは、締付用回転工具との係合部となる頭部１と全部（全ねじ）又は一部（半ねじ）の外面に螺旋状のねじ山が形成された軸部２とからなり、一般的に軸部２が円柱形状をした平行ねじである。即ち、軸部２のねじ切り加工されたねじ部４の山径Ｄｃと谷径ｄｒ及び軸部２のねじ切り加工されていない胴部３の径Ｄｕはそれぞれ長さ方向に一定である（図２）。一方、日本工業規格による狭義の木ねじはねじ部４に適当なテーパーを付けるように規定されているが（非特許文献１参照）、先端部を除くねじ部４ｂはほぼ同径に形成され（非特許文献２参照）、先端部４ａのみが漸次縮径する尖鋭な鋭角の円錐形状をなしていることから、前記同様、平行ねじの範囲に属するとされている。

この種のねじに関する先行特許としては、例えば、軽質の木材と硬質の木材を固定する際、ねじ込み時に必要なトルクを軽減してねじ込み作業性の向上を図るとともに、引き抜き強度を向上させるねじ釘（特許文献１参照）。頭部とこの頭部に連続する首部を有し、この首部に連続する胴部に螺旋状にねじ部が形成されたねじであって、ねじ部の山部は同じ外径に形成され、谷部は先端に近づくにつれて縮径するように形成され、頭部の駆動穴にドライバビットの係合部を係合して回転させたときに、ねじの頭部の根元の部分でのねじり破断を防止できるタッピングねじ（特許文献２参照）。屋根の強度メンバーである垂木を横架材に木ネジによって簡易に固定できると共に、垂木と横架材との締結保持力が従来の固定金具と同等の効果が得られるようにされた垂木固定用木ネジ（特許文献３参照）等が提案されている。

特開２００２−８９５２５号公報 実用新案登録第３１１２３５９号公報 特開２００７−３２７５４０号公報

日本工業規格（日本規格協会発行）ＪＩＳ Ｂ １１１２（十字穴付き木ねじ：１９９５年２月１日改正）及びＪＩＳ Ｂ １１３５（すりわり付き木ねじ：１９９５年２月１日改正） 木質構造設計規準・同解説（日本建築学会発行：２００６年１２月１日改正）Ｐ．２７９−２８５「６０２．６ 木ねじ接合」

木ねじは、釘と比較して引き抜き抵抗が大きく、ボルトと比較して初期ガタが小さい接合具であり、近年、電動ドライバーの発達により施工性・解体性が向上したことから、造作用途のみならず構造用途においても使用が増加している。特に、木質構造の主要構造部材における木ねじの使用増加に伴い、高い接合性が必要となっている。

以下、ねじの種類を定義する。
管用テーパーねじ：管、管用部品、流体機器などの接続においてねじ部の耐密性を主目的とするねじ。管用テーパーねじの種類には管用テーパーおねじ、管用テーパーめねじ及び管用平行めねじの３つがあり、管用テーパーおねじと管用テーパーめねじ、または管用テーパーおねじと管用平行めねじの組み合わせにより成り立つ。念のため、管用テーパーねじはテーパー形状を適用する目的及びおねじと共にめねじを必ず必要とする構造が本発明と異なることを先に明示しておく。
ねじ：ねじ山をもった品物の総称。本発明では、ボルトと対照する意味で、ナットを組まないで用いるおねじをもった品物の総称。
木ねじ：木材又は木質材料におねじだけで止めるねじの総称。
狭義の木ねじ：建具や家具の組立・取り付け等に使われてきた比較的小さいねじで、ＪＩＳ Ｂ １１１２（十字穴付き木ねじ）及びＪＩＳ Ｂ １１３５（すりわり付き木ねじ）による。頭部側にねじが切られていない胴部を有し、ねじが切られたねじ部は全長の約２／３を占める。先端部は木材にねじ込むのに適した尖った形状をしていると同時にその最先端までねじ山が形成されている。
コーチねじ：一般の木ねじより、比較的大きいねじ。建築・土木・造船現場等で、一般の木ねじでは耐力が足りない場合に使われる。
コーススレッド：建築内外装工事において、ボード類の木下地への取り付け等に使用が急増しているねじで、ねじ山のピッチが粗く形成されたことを特徴とする。木材の切り屑がねじ山に詰まらず排出されるため、一般の木ねじより下穴をあける手間を解消できる。
接合金物取付用ねじ：木造の継手・仕口部で接合部の補強や材の脱落防止のために用いられる金物を取り付けるのに使用されるねじ。各建築金物メーカーが独自に開発・製造・販売している。
タッピンねじ：薄い鋼板や樹脂等にめねじを切ることなく、ねじ自身でねじ立てができるねじの総称。

しかしながら、従来の木ねじは比較的比重の高い木材を対象としているため、いわゆる軽軟材と称されるスギ材やポプラ材等の比較的比重の低い木材に使用すると、比重差により引き抜き性能やせん断性能が低下することが判明されている。本発明は、軽軟材の特性を逆手に利用して、その接合性を向上することができる軽軟材用テーパーねじを提供することを目的とする。

軽軟材の一例である早生樹オビスギ（宮崎産スギ材）の特性は以下のように示せる。
（１）年輪幅が広い（早材の割合が多い）
（２）軽い（比重が低い）
（３）軟らかい（割れ難い、潰れ易い）
（４）粘り強い（塑性率が大きい）

上記目的を達成するために、本発明者らは、軽軟材に適したねじ形状を考案した。本発明のテーパーねじは、締付用回転工具との係合部となる頭部と、頭部の端面から延びる外面の全部（全ねじ）又は一部（半ねじ）に螺旋状のねじ山が設けられた軸部とからなり、前記軸部の先端部が被削材への食い付きが良好な形状に形成されると共に、軸部の少なくとも一部が頭部側から先端部側に向かって斬次縮径するテーパー形状に形成されることを第１の特徴とし、軸部の少なくとも一部がテーパー比の異なる円錐台を積層した形状に形成されることを第２の特徴とする。また、軸部の少なくとも一部が異径円柱を積層した段差のある形状に形成されることを第３の特徴とした。

テーパー形状は軽軟材の特性を逆手に利用する工夫である。軽軟材の割れ難さを活かして下穴や先導孔を最小化または無くし、細くなったねじ先端部を軽軟材に押し込んで回転操作を行うと、ねじが食い付いた後、先端部側の小径部から頭部側の大径部まで順にねじ込まれていくと共に、より効果的に軽軟材を潰すことができる。これにより、ねじと接触する部分における締め付け力を高める圧密効果を狙った。結果的に軽軟材の変形能力（粘り）を耐力に転換させ、接合性の向上を図ることができる。

本発明によれば、下記の利点がある。
（１）軽軟材におけるねじの接合性（引き抜き性能やせん断性能）を向上させることができる。
（２）下穴や先導孔の穿設工程を省き、施工性向上を図ることができる。

木ねじの従来例を示す。狭義の木ねじ例の（ａ−１）平面図と（ａ−２）側面図、コーチねじ例の（ｂ−１）平面図と（ｂ−２）側面図、コーススレッド例の（ｃ−１）平面図と（ｃ−２）側面図、接合金物取付用ねじ例の（ｄ−１）平面図と（ｄ−２）側面図、タッピンねじ例の（ｅ−１）平面図と（ｅ−２）側面図である。 接合金物取付用ねじ（従来例）の詳細と形状因子を示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 テーパーねじの実施形態を表す例を示す。（ａ）〜（ｄ）は胴部形状例の側面図、（１）〜（６）はねじ部形状例の側面図である。 テーパーねじ（実施例）の詳細と形状因子を示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 同一径ねじ（対照群）の詳細と形状因子を示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 接合金物取付用ねじの宮崎産スギ材における引き抜き試験結果を示すグラフである。（ａ）では試験体Ａ６０（０）とＡ６０（１５）を比較する。（ｂ）では試験体Ｂ７５（０）とＢ７５（１５）とＢ７５（３０）を比較する。（ｃ）では試験体Ａ６０（０）とＣ６０（０）を比較する。参考までに、比較的比重の高いスプルース材における引き抜き試験結果を（ｄ）に示す。 テーパーねじと同一径ねじの宮崎産スギ材における引き抜き試験結果を示すグラフである。

以下、図２乃至図５を参照しながら、ねじの形状因子を定義する。
頭部１：ねじの頭の部分。
凹み１ａ：回転工具と係合してねじを締め付けるために設けた穴（又は溝）。
軸部２：ねじの頭部１を除いた部分。
胴部３：頭部１とねじ部４との間にある、ねじ切り加工されていない部分。首下丸み部３ａと胴部からねじ部に移行する境界部３ｂは胴部３に含める。全ねじの場合は胴部がないため、首下丸み部３ａをねじ部４に含める。
首下丸み部３ａ：頭部１から軸部２へ移行する部分に付けたすみ肉の部分。
ねじ部４：ねじ切り加工され、螺旋状のねじ山を有する部分。先端部４ａはねじ部４に含める。
先端部４ａ：ねじ部４の先・端。ねじ込み時、最初に被削材へ食い付く部分。とがり先や切り刃先等様々な形状がある。
山の頂５ａ：ねじ山の両側のフランクを連結する面。
谷底５ｂ：ねじ溝の両側のフランクを連結する面。
フランク５ｃ：山の頂５ａと谷底５ｂとを連結する面。
ねじの軸線Ｌ：胴部３の外郭又はねじ部４の山の頂５ａと谷底５ｂのいずれかに接する仮想立体の中心を通る直線。
胴部径Ｄｕ：胴部（但し、首下丸み部３ａと胴部からねじ部に移行する境界部３ｂを除く）３ｃの外郭に接する仮想立体の直径。
山径Ｄｃ：ねじ部（但し、先端部４ａを除く）４ｂの山の頂５ａに接する仮想立体の直径。
谷径ｄｒ：ねじ部（但し、先端部４ａを除く）４ｂの谷底５ｂに接する仮想立体の直径。
ねじ山の角度α：ねじの軸線Ｌを含む断面において測った隣り合う二つのフランク５ｃがなす角度。
ピッチＰ：ねじの軸線Ｌを含む断面において、互いに隣り合うねじ山の相対応する２点を軸線Ｌに平行に測った距離。
ねじ先端の角度β：先端部円錐の軸断面における二つの母線のなす角度。
胴部第１端径Ｄｕ１：胴部（但し、首下丸み部３ａと胴部からねじ部に移行する境界部３ｂを除く）３ｃの外郭に接する仮想立体の頭部側端の軸直角断面（第１端面）における直径。
胴部第２端径Ｄｕ２：胴部（但し、首下丸み部３ａと胴部からねじ部に移行する境界部３ｂを除く）３ｃの外郭に接する仮想立体の先端部側端の軸直角断面（第２端面）における直径。
ねじ山第１端径Ｄｃ１：ねじ部（但し、先端部４ａを除く）４ｂの山の頂５ａに接する仮想立体の頭部側端の軸直角断面（第１端面）における直径。
ねじ山第２端径Ｄｃ２：ねじ部（但し、先端部４ａを除く）４ｂの山の頂５ａに接する仮想立体の先端部側端の軸直角断面（第２端面）における直径。
ねじ谷第１端径ｄｒ１：ねじ部（但し、先端部４ａを除く）４ｂの谷底５ｂに接する仮想立体の頭部側端の軸直角断面（第１端面）における直径。
ねじ谷第２端径ｄｒ２：ねじ部（但し、先端部４ａを除く）４ｂの谷底５ｂに接する仮想立体の先端部側端の軸直角断面（第２端面）における直径。
テーパー比Ｃ：円錐又は円錐台において、二つの軸直角断面の直径差とその両断面の間隔との比。

以下、図２乃至図５を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。

本発明に係るテーパーねじとは、胴部（但し、首下丸み部３ａと胴部からねじ部に移行する境界部３ｂを除く）３ｃ又はねじ部（但し、先端部４ａを除く）４ｂあるいは両方の少なくとも一部がテーパー形状をしたおねじを指す。ここで、本発明で言うテーパー形状とは、ねじの軸線Ｌを含む断面において、胴部３ｃの外郭又はねじ部４ｂの山の頂５ａと谷底５ｂのいずれかに接する仮想線が先端部側に向かって漸次細くなる形状と定義する。即ち、テーパーねじの十分条件として、以下の３点を挙げられる。
（１）胴部第１端径Ｄｕ１＞胴部第２端径Ｄｕ２
（２）ねじ山第１端径Ｄｃ１＞ねじ山第２端径Ｄｃ２
（３）ねじ谷第１端径ｄｒ１＞ねじ谷第２端径ｄｒ２
従って、前記の仮想線を母線とする立体が、一定テーパー比の円錐台形状（例えば、図３の（ｂ）、（２）〜（４））、テーパー比の異なる円錐台を積層した形状（例えば、図３の（ｃ）、（５））、径の異なる円柱を積層した段差のある形状（例えば、図３の（ｄ）、（６））等に形成されたものを含む。

テーパーねじの実施形態は、図３に示すように、（ａ）〜（ｄ）の胴部形状例と（１）〜（６）のねじ部形状例の組み合わせ等により表すことができる。但し、（ａ）と（１）の組み合わせは含まない。尚、全ねじの場合は胴部が存在しないため、ねじ部形状例のみで表せるが、（１）を除く。

また、ねじの胴部と先端部形状が引き抜き性能に及ぼす影響について試験を行い検討した。試験用ねじとしては、接合金物取付用ねじの従来例（図２）３種類を用いた。各ねじの仕様詳細は表１に示す。

試験材は宮崎産スギ材（長さ１０００ｍｍ×幅１２５ｍｍ×厚さ１２５ｍｍ、気乾比重の平均値０．４１７）とした。試験用ねじをインパクトドライバーで試験材の繊維方向に対し垂直に打ち込んだ。加力は、試験体を固定した後、ねじの頭部に治具を引っ掛け、変位速度１ｍｍ／ｍｉｎの一方向単調加力とした。この時、クロスヘッドの移動量を測定し、ねじの引き抜き変位とした。最大荷重に達した後、８割以下まで低下した時点で試験を終了した。試験体はねじ込み条件を制御した６種類とし、試験体数は種類別に各１０体とした。

引き抜き試験結果は、Ｘ軸を引き抜き変位、Ｙ軸を引き抜き耐力とするグラフに各種類別１０体の平均としてプロットした（図６）。胴部の影響はねじＡとＢの胴部ねじ込み深さ条件を制御した試験体で比較し、先端部形状の影響はねじＡとＣの先端部形状以外の条件を同一に制御した試験体で比較した。ここで、試験体記号のアルファベットはねじ種類、数字はねじ部ねじ込み深さ、括弧の中の数字は胴部ねじ込み深さを意味する。

ねじ部と共に胴部をねじ込んだＡ６０（１５）は、ねじ部のみをねじ込んだＡ６０（０）と比較して、引き抜き耐力が向上した。同様にＢ７５（１５）とＢ７５（３０）も、Ｂ７５（０）と比較して、引き抜き耐力が向上した。これらには有意差が認められ、スギ材において胴部の存在が引き抜き耐力に寄与することが明らかになった。比較的比重の高いスプルース材における引き抜き試験結果とは対照的である。一方、Ｂ７５（１５）とＢ７５（３０）では、引き抜き耐力にほとんど差がないため、胴部のねじ込み深さが増加しても一定以上の耐力寄与は期待できないと判断される。

先端部形状が異なるＡ６０（０）とＣ６０（０）の引き抜き耐力を比較した結果、有意な差は認められなかった。切り刃先とスプーンカットの形状違いは引き抜き耐力にそれほど影響しないことがわかった。

図４に示すテーパーねじの実施例は、偏平円盤状の頭部１と一部の外面にねじ山がある軸部２とからなっている。頭部１の上面にはドライバー等の回転工具が係合される凹み１ａが形成されており、先端部４ａを被削材に押し込んだ後、回転操作を行ってねじ込むようにされている。凹み１ａの形状は六角穴であるが、四角穴、十字穴、すりわり等が形成されても良い、もしくは凹み１ａが無く、偏平四角状や偏平六角状等に形成された頭部１に回転工具のキャップを直接かぶせて締め付けるものでも良く、本実施例に限定するものではない。軸部２は円柱状の胴部３と胴部３の一端から延びるねじ部４とからなり、ねじ部４は山の頂５ａと谷底５ｂに接する仮想立体が両方とも先端部４ａ側に向かって漸次縮径するテーパー形状に形成されている。即ち、図３の（ａ）のような胴部と（４）のようなねじ部の組み合わせによる形態である。先端部４ａの形状は、最先端までねじ山が設けられた円錐に割れ目が入ったスプーンカットである。被削材への食い付きが良好な形状であれば、とがり先や切り刃先等で代替されて良い。

テーパーねじの引き抜き性能について試験を行い検討した。試験用ねじとしては、テーパー比Ｃが異なるテーパーねじ実施例（図４）４種類とその対照群となる同一径ねじ（図５）５種類を用いた。各ねじの仕様詳細は表２に示す。

試験材は宮崎産スギ材（長さ２００ｍｍ×幅１２５ｍｍ×厚さ１２５ｍｍ、気乾比重の平均値０．３９６）とした。試験用ねじをエアードライバーで試験材の繊維方向に対し垂直にねじ込んだ。加力は、試験体を固定した後、ねじの頭部に治具を引っ掛け、変位速度０．５ｍｍ／ｍｉｎの一方向単調加力とした。この時、クロスヘッドの移動量を測定し、ねじの引き抜き変位とした。最大荷重に達した後、８割以下まで低下した時点で試験を終了した。試験体数は種類別に各３体とした。

引き抜き試験結果は、Ｘ軸をねじ平均径、Ｙ軸を単位長さ当たりの引き抜き耐力とするグラフにプロットした（図７）。ここで、ねじ平均径とは、先端部を除くねじ部のねじ込まれた範囲における山径の平均値を意味し、単位長さ当たりの引き抜き耐力とは、先端部を除くねじ部長さの１／１０を単位長さとする引き抜き耐力の換算値を意味する。そしてプロットしたテーパーねじと同一径ねじのデータから求めた最小二乗回帰直線を同じグラフに重ねて表示した。引き抜き耐力を比較するに当たり、先端部を除くねじ部の山の頂に接する仮想立体、即ち、円錐台形状（テーパーねじ）と円柱形状（同一径ねじ）の木材へ接触する面積が同じになることを条件とした。言い換えると、テーパーねじと、それの平均径と同径の同一径ねじを比較することになる。テーパーねじの各種類別３体の平均値座標と同一径ねじの線形回帰関数による算出値座標を比較した結果、テーパーねじの方で約１５〜１８％の引き抜き耐力向上効果が見られた。

テーパーねじのせん断性能についてＥｕｒｏｃｏｄｅ５に示された計算式を基に検討した。せん断耐力は各破壊モードに対して与えられているが、便宜上簡略化すると次式のように表せる。

即ち、せん断を受ける木ねじ接合は引き抜き抵抗による荷重増加が期待できる接合として位置づけられ、右辺第一項のヨーロッパ型降伏理論に加えて、右辺第二項にロープ効果の影響を考慮している。接合具の曲げや回転が生じる破壊モードではロープ効果が生じ、そのロープ効果によるせん断耐力の加算上限値はμ・Ｆｙ，ｋの１００％まで認められている。従って、テーパーねじの方は引き抜き耐力の向上と伴い、自然とせん断耐力の向上効果も得られる。

尚、本発明は、木材のみならず断熱材や樹脂などの軽軟質材に広く適用できる。又、上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨を逸脱することがなければ、種々の設計変更が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

１ 頭部
１ａ 凹み
２ 軸部
３ 胴部
３ａ 首下丸み部
３ｂ 胴部からねじ部に移行する境界部
３ｃ 首下丸み部３ａと胴部からねじ部に移行する境界部３ｂを除く胴部
４ ねじ部
４ａ 先端部
４ｂ 先端部４ａを除くねじ部
５ａ 山の頂
５ｂ 谷底
５ｃ フランク
Ｌ ねじの軸線
Ｄｕ 胴部径
Ｄｃ 山径
ｄｒ 谷径
α ねじ山の角度
Ｐ ピッチ
β ねじ先端の角度
６ 胴部（但し、首下丸み部３ａと胴部からねじ部に移行する境界部３ｂを除く）３ｃの外郭に接する仮想立体の模式図
７ ねじ部（但し、先端部４ａを除く）４ｂの山の頂に接する仮想立体の模式図
８ ねじ部（但し、先端部４ａを除く）４ｂの谷底に接する仮想立体の模式図
Ｄｕ１ 胴部第１端径
Ｄｕ２ 胴部第２端径
Ｄｃ１ ねじ山第１端径
Ｄｃ２ ねじ山第２端径
ｄｒ１ ねじ谷第１端径
ｄｒ２ ねじ谷第２端径
Ｃ テーパー比

Claims (3)

1. 締付用回転工具との係合部となる頭部と、頭部の端面から延びる外面の全部（全ねじ）又は一部（半ねじ）に螺旋状のねじ山が形成された軸部とからなり、前記軸部の先端部が被削材への食い付きが良好な形状に形成されると共に、軸部の少なくとも一部が頭部側から先端部側に向かって斬次縮径するテーパー形状に形成され、下記（１）、（２）、（３）の少なくとも１つを満たすことを特徴とする軽軟材用テーパーねじ。
   テーパーねじの十分条件；（１）胴部第１端径 Ｄｕ１＞胴部第２端径 Ｄｕ２
   （２）ねじ山第１端径Ｄｃ１＞ねじ山第２端径Ｄｃ２
   （３）ねじ谷第１端径ｄｒ１＞ねじ谷第２端径ｄｒ２
2. 軸部の少なくとも一部がテーパー比の異なる円錐台を積層した形状に形成されることを特徴とする請求項１記載の軽軟材用テーパーねじ。
3. 軸部の少なくとも一部が異径円柱を積層した段差のある形状に形成されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の軽軟材用テーパーねじ。

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