その穴のまわりの銅は、ワッシャーではない

その食い違いを、公平に書き出す

一つめは別の理由であり、しかも良い理由です。以下のどこにもそれへの反論はありません。 残る二つは矛盾に見えて、そうではありません。 二つは別々の量について話しているからです。 そのうち一方は算術なので、そこから始めます。

荷重の分散は剛性の話で、剛性は三乗で効く

ワッシャーが荷重を分散できるのは、下の材料が降伏する前に、 頭部から外へ力を運べるだけの曲げ剛性があるからです。 単位幅あたりの曲げ剛性は E × t³ で効き、 この三乗がこの議論を決めます。銅をおよそ 117 GPa、 1,6 mm の基板をおよそ 20 GPa として：

ですから、名指しされた機構、すなわちワッシャーのように荷重を分散するという点では、 反論した側が正しく、しかも四桁ぶん正しい。 実務経験が覆せる僅差ではありません。三乗です。

その観察が本当に指しているかもしれないもの

銅が効くと言った人は、曲げ剛性についての実験を述べていたのではありません。 パターンがなければ、ねじの頭は硬化した樹脂の上のソルダーレジストに当たります。 あれば、頭は焼きなまされた銅に当たります。 締められていく頭に対してどちらの表面が耐えるかは 接触と表面の問題であって、荷重の分散の問題ではありません。 二つが混ざるのは、どちらも「基板が傷む」という同じ文で終わるからです。

どちらの向きにも、引用するに足る測定は見つかりませんでした。 ですからこのページは、そのパターンが効くとも効かないとも言いません。 言えるのは、あのスレッドの議論が最初から同じ量についてのものではなかった、 だからどちらも相手を説得できなかった、ということです。

スレッドの誰も取りにいかなかった数字

心配しているのがねじによる基材の損傷なら、見るべき量は頭部が実際に当たっている面積です。 当サイトが他所でも使っている方法、すなわち規格の最小の座面径を ISO 273 のばか穴に対して取ると：

M3 の頭ひとつが当たっているのは、およそ十一平方ミリメートルです。 それが締付け力が基板へ届く接触面のすべてであり、 だからワッシャーは状況を変え、箔は変えられません。

そして規格は、尋ねられていた問いにすでに答えています。 平ワッシャーには外径の系列が三つあり、大形の系列は やわらかい材料と大きめの穴のために存在していて、 外径は呼び径のおよそ三倍まで来ます。基材はやわらかい材料です。 答えのある決定であり、その答えは銅のベタではありません。

基板に載せる前に足しておく二つ

• そのパターンがつながっているなら、それは別の設計です。金属のねじが接地したパターンを通って金属のスタッドに入るのは意図した経路であって装飾ではなく、既定値から受け継ぐのではなく図に描かれるべきものです
• ワッシャーは付属品ではなく、継手の変更です。一枚足せばつかみ長さも、締付け経路上の面も、摩擦も変わります。ここでは直径よりも材質と硬さ区分のほうが効きます。上下の部材より柔らかいワッシャーは変形し、計算した面積を返してしまうからです

どのワッシャーに手を伸ばしてよいかは見た目より狭く、 三つの平座金の規格のうち用途を述べているのは一つだけです。 いちばん幅の広いものはいちばん軟らかく、強度区分 6.8 までしか対象にしていません。

この記事は手順 3、頭部を扱います。全体の順序は相手材、ねじ、頭部、駆動部、表面処理、書類で、これを崩すと微調整ではなく手直しになる理由はねじの決め方にあります。

よくある質問

ねじ穴のまわりの銅は基板を守りますか。

荷重を分散するという意味では守りません。そしてそれが通常主張される機構です。曲げ剛性は厚さの三乗で効くので、1,6 mm の基板の上の 1 oz、35 マイクロメートルの銅は、その曲げ剛性のおよそ一万分の六しか受け持ちません。基板に並ぶには銅はおよそ 0,9 mm 必要です。頭がレジストの上ではなく銅に当たることが表面の損傷を変えるかどうかは別の問いで、そちらについては引用するに足る測定が見つかりませんでした。

小さなねじの頭は、実際どれだけの面積に当たっていますか。

思われているより小さいです。M3 の頭の規格上の最小座面径 5,07 mm を、ISO 273 の中程度のばか穴 3,4 mm に対して取ると、座面の面積はおよそ十一平方ミリメートルです。それが締付け力が基板へ届く接触面のすべてで、だからワッシャーを足すと絵が変わり、箔を足しても変わりません。

基材の上のねじには、どのワッシャーを使うべきですか。

平ワッシャーには外径の系列が三つあり、大形の系列はやわらかい材料と大きめの穴のために存在していて、外径は呼び径のおよそ三倍です。M3 なら頭部だけの座面のおよそ五倍になります。寸法ではなく規格番号で指定し、材質と硬さ区分も併せて指定してください。上下より柔らかいワッシャーは変形して、計算した面積を返してしまいます。

では銅を残す良い理由はありますか。

あります。元のスレッドで最も票を集めた返信が、力学とは無関係な理由を一つ挙げています。穴の位置を示すことです。パターンがプレーンにつながっているなら、それはねじとスタッドを通る意図した電気的経路でもあり、既定値から受け継ぐのではなく図に描かれるべき設計判断です。どちらも荷重分散の主張ではありません。

なぜあの議論は両側とも正しく聞こえたのですか。

同じ量について争っていなかったからです。一方は荷重の分散、すなわち曲げ剛性の問題を話しており、それは厚さの三乗で決まります。もう一方は頭部が触れる表面で何が起きるか、すなわち接触の問題を話していました。どちらも「基板が傷む」という同じ文で終わるので、互いに自分の機構については誤っていないまま、議論が続きえたのです。

参考資料

• ISO 14579:2011 —— ヘクサロビュラ穴付きボルト。Table 1。上で使った最小座面径の出典
• r/AskElectronics —— 出発点になったスレッド。ワッシャーのようだという主張、その反論、そして理論と経験についての返信を含む

剛性の比較は私たち自身の算術で、二つの弾性率と二つの厚さがあれば再現できる。その弾性率は標準値ではなく代表値である。銅がおよそ 117 GPa、ガラスエポキシ基材が面内でおよそ 20 GPa であり、基材の性質は等級、織り方、方向によってかなり変わる。結論はそれに敏感ではない。比が四桁あるので、弾性率が千倍単位で誤っていなければ結果は変わらないからである。銅箔の重量表記は業界の慣習であって規格ではない。M3 の座面径 5,07 mm は ISO 14579 Table 1 から、公開されているプレビューを読んだもので、3,4 mm のばか穴は ISO 273 の中程度、当サイトの先行ページに表がある。大形ワッシャーの数字は近似である。呼び径のおよそ三倍という記述から来ており、表に載った外径ではない。図面にはこの見積もりではなく規格番号を書くべきである。基材の強度、圧縮限界、ガラス転移温度はここには引用していない。引用できる出典を持たないためであり、同じ理由で、パターンが覆っている面を守るかどうかについても、このページは立場を取らない。