(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材料により形成された複合材の継手構造において、
前記複合材の少なくとも一面に貼着された増厚用プレートを備え、
前記複合材、前記増厚用プレートおよび前記複合材に接合される相手側部材に形成されている貫通孔に締結部材を挿通して固定することで、前記複合材と前記相手側部材とが締結されるとともに、
前記増厚用プレートは、金属材料によって形成され、
前記複合材に形成されている貫通孔が、前記増厚用プレートに形成されている貫通孔よりも、大径に形成されていることを特徴とする複合材の継手構造。
【請求項２】
複合材料により形成された複合材の継手構造において、
前記複合材の少なくとも一面に貼着された増厚用プレートを備え、
前記複合材、前記増厚用プレートおよび前記複合材に接合される相手側部材に形成されている貫通孔に締結部材を挿通して固定することで、前記複合材と前記相手側部材とが締結されるとともに、
前記増厚用プレートは、前記複合材よりも延性の高い樹脂基材料によって形成され、
前記複合材に形成されている貫通孔が、前記増厚用プレートに形成されている貫通孔よりも、大径に形成されていることを特徴とする複合材の継手構造。
【請求項３】
前記増厚用プレートは、前記複合材の両面に貼着されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合材の継手構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料により形成された複合材の継手構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維を強化材料とし、樹脂をマトリクス材料とするＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ＢＦＲＰ（ボロン繊維強化プラスチック）、ＡＦＲＰ（アラミド繊維強化プラスチック）などの繊維強化複合材料（以下、「複合材料」と言う）は、軽量かつ高強度の材料として、様々な分野において利用されている。例えば、強化材料に炭素繊維を用いたＣＦＲＰは、極めて高い強度と軽さを併せ持ち、航空機、船舶、自動車などの各産業分野において幅広く利用されている。
【０００３】
このような複合材料からなる複合材に接合対象である相手側部材を接合する場合には、図５に示したように、複合材板１０（複合材）および相手側部材２０のフランジ部２０ａに形成されている貫通孔２４にボルト３０等の締結体を挿通し、ナット３２を締めてボルト３０を固定することで、複合材板１０と相手側部材２０とを締結する継手構造１´が採用されることが多い。
【０００４】
この種の継手構造１´では、相手側部材２０に水平力Ｈ´が作用し、複合材板１０と相手側部材２０とがずれる方向にせん断荷重が作用する場合には、ナット３２を強く締めて複合材板１０と相手側部材２０とをボルト軸力にて強固に締結し、両者間の接合面における摩擦力によって、せん断荷重に抵抗する。しかしながら、例えば航空機の主翼スキンに複合材板１０を用いる場合などには、安全側の設計となるように、ナット３２が緩んだ場合でも、ボルト３０の複合材板１０との当接部（図５のａ´部）の面圧（ベアリング面圧）によって、せん断荷重に抵抗できるように設計される。
【０００５】
そして、作用する水平力Ｈが大きい場合には、ボルト３０の本数を増やし、またボルト３０を大きなサイズに変更するが、それらでも対応が困難な場合には、図６に示したように、複合材板１０´を増厚し、ボルト３０の複合材板１０´との当接部ａ´の面積（ベアリング面積）を増加させることで、ベアリング面圧を許容値以下に抑えるように設計される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５８−７１１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した複合材板１０´の増厚は、以下に示すように、複合材の製造上の課題が多いものであった。
すなわち、図７の（ａ）に模式的に示したように、複合材板１０は、繊維と樹脂とからなるシート状の複合材料成形用素材１０ａが積層されて一体化されることで形成されている。したがって、増厚した複合材板１０´を形成する場合には、図７の（ｂ）に拡大して示したように、複合材料成形用素材１０ａとは別に、これとは長さの異なる複合材料成形用素材１０ａ´を用意し、これをテーパ状に積層して一体化する必要があり、製造に手間およびコストがかかるものであった。
【０００８】
また、複合材板１０´の板厚の変化率（テーパの傾斜角度）にも制約があり、あまり急激に板厚を変化させることはできない。このため、増圧が必要な範囲以外の部分も増厚されてしまい、余分な材料が必要になるとともに、複合材板１０´の重量が増加してしまうとの問題がある。
【０００９】
また、特許文献１には、複合材製品のファスナー継手構造として、複合材製品の継手部に渦巻き状に巻いてなる複合材のボスを設置し、このボスを貫通する継手孔にボルト等の締結体を挿通させる継手構造が開示されている。しかしながら、この特許文献１の継手構造では、複合材製品の継手部に渦巻き状のボスを設置するが難しいとの問題がある。
【００１０】
本発明はこのような従来技術の課題に鑑みなされた発明であって、軽量かつ低コストの構造からなり、製造が容易で、大きいせん断荷重に対して抵抗できる複合材の継手構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上述したような従来技術における課題および目的を達成するために発明されたものであって、
本発明の複合材の継手構造は、
複合材料により形成された複合材の継手構造において、
前記複合材の少なくとも一面に貼着された増厚用プレートを備え、
前記複合材、前記増厚用プレートおよび前記複合材に接合される相手側部材に形成されている貫通孔に締結部材を挿通して固定することで、前記複合材と前記相手側部材とが締結されることを特徴とする。
【００１２】
このように本発明の複合材の継手構造は、複合材の少なくとも一面に貼着された増厚用プレートを備えており、増厚用プレートの厚み分だけベアリング面積が増加し、ベアリング面圧が抑えられるようになっている。このような増厚用プレートの貼着は、複合材自体の増厚よりも制約が少なく製造が容易である。また、増厚が必要な範囲だけに増厚用プレートを貼着することができるため、余分な材料を必要とせず、軽量かつ低コストの構造とすることができる。
【００１３】
なお、本発明において「貼着」とは、複合材に増厚用プレートを貼り付けることを意味する。具体的な貼着方法としては、接着剤によって複合材に増厚用プレートを接着する方法のほか、粘着剤を介して複合材に増厚用プレートを積層し、機械的に圧着する方法、および複合材および増厚用プレートが熱硬化性樹脂を含む場合には、両者を積層した状態で加熱して一体化する方法等も含まれる。
【００１４】
上記発明において、前記増厚用プレートは、前記複合材と同じ複合材料により形成することができる。
このように、増厚用プレートを複合材と同じ複合材料により形成すれば、両者間で熱膨張差が生じないため、温度変化に伴う熱応力・熱変形の影響を受けずに、貼着品質が安定する。
【００１５】
また上記発明において、前記増厚用プレートは、金属材料によって形成することができる。
このように、増厚用プレートを金属材料によって形成することで、金属材料の性質を活かした複合材の継手構造とすることができる。すなわち、例えば増厚用プレートを延性の高い金属材料によって形成するとともに、複合材に形成されている貫通孔を増厚用プレートに形成されている貫通孔よりも大径に形成することで、後述するように、複数の締結体間におけるベアリング面圧の均等化を図ることができる。
【００１６】
また上記発明において、前記増圧用プレートは、前記複合材よりも延性の高い樹脂基材料によって形成することができる。
このように、増厚用プレートを複合材よりも延性の高い樹脂基材料によって形成し、且つ複合材に形成されている貫通孔を増厚用プレートに形成されている貫通孔よりも大径に形成することで、後述するように、複数の締結体間におけるベアリング面圧の均等化を図ることができる。
【００１７】
また例えば、高強度の金属材料を採用し、さらに、複合材に形成されている貫通孔を増厚用プレートに形成されている貫通孔よりも大径に形成することで、締結体と複合材とは当接させずに、増厚用プレートだけでせん断荷重に抵抗する構造とすることもできる。
【００１８】
また上記発明において、前記増厚用プレートは、前記複合材の両面に貼着されていることが望ましい。
このように、増厚用プレートが複合材の両面に貼着されていれば、複合材の一面にだけ増厚用プレートが貼着されている場合と比べて、複合材の応力分布を一様にすることができる。また、増厚用プレートと複合材との貼着面積が２倍となるため、貼着面に作用するせん断力を１／２に低減することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、複合材に増厚用プレートを貼着することでベアリング面積を増加させ、過大なベアリング面圧が作用するのを防いでいる。このため、複合材自体を増厚する従来の複合材の継手構造と比べて、軽量かつ低コストの構造からなり、製造が容易で、大きいせん断荷重に対して抵抗することができる複合材の継手構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の複合材の継手構造の一実施形態を示した図である。
【図２】図１の（ａ）のＡ部を拡大して示した断面図である。
【図３】本発明の別の実施形態の複合材の継手構造を示した図である。
【図４】ボルト位置とベアリング面圧との関係を示したグラフである。
【図５】従来の複合材の継手構造を示した断面図である。
【図６】従来の複合材の継手構造を示した断面図である。
【図７】図６のＡ´部およびＢ´部を模式的に示した概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいてより詳細に説明する。
ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限り、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２２】
図１は、本発明の複合材の継手構造の一実施形態を示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はａ−ａ線における断面図である。
図１に示したように、本発明の一実施形態の複合材の継手構造１は、複合材料により形成された平板状の複合材板１０（複合材）の継手構造であり、複数（２本×４列）のボルト３０およびナット３２（締結体）により、複合材板１０に相手側部材２０が接合されている。
【００２３】
本発明において複合材料とは、繊維を強化材料とし、樹脂をマトリクス材料とする繊維強化複合材料を意味する。具体的には、強化材料が炭素繊維とからなるＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）、ガラス繊維からなるＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ボロン繊維からなるＢＦＲＰ（ボロン繊維強化プラスチック）、アラミド繊維からなるＡＦＲＰ（アラミド繊維強化プラスチック）などである。
【００２４】
複合材板１０に接合される相手側部材２０は、複合材板１０と同じ複合材料から形成される部材であってもよく、その他の材料によって形成される部材であってもよく、特に限定されない。本実施形態では、この相手側部材２０に対して大きな水平力Ｈが作用しており、これにより、複合材板１０と相手側部材２０との接合面にせん断力が作用している。また、複合材板１０に作用するせん断力の反力として、ボルト３０の複合材板１０との当接部（図１の（ｂ）のａ部）には、ベアリング面圧が作用している。
【００２５】
また、図１に示したように、複合材板１０の両面には、増厚用プレート４０ａおよび４０ｂが貼着されている。本実施形態では、樹脂系接着剤によって、増厚用プレート４０ａおよび４０ｂが複合材板１０の両面に接着されている。なお、本発明において「貼着」とは、複合材に増厚用プレートを貼り付けることを意味するものとし、具体的な貼着方法としては、上述した接着以外にも、粘着剤を介して複合材に増厚用プレートを積層して機械的に圧着する方法や、複合材および増厚用プレートが熱硬化性樹脂を含む場合には、両者を積層した状態で加熱して一体化する方法等で貼着されたものであってもよいものである。
【００２６】
そして、図２に拡大して示したように、複合材板１０、増厚用プレート４０ａ、４０ｂおよび相手側部材２０のフランジ部２０ａに形成されている貫通孔２４に、ボルト３０を挿通し、ナット３２で締め付けて固定することで、複合材板１０と相手側部材２０とが締結される。このように、複合材板１０に増厚用プレート４０ａおよび４０ｂが接着されていれば、増厚用プレート４０ａおよび４０ｂの厚み分だけベアリング面積を増加させ、ベアリング面圧を小さくすることができる。
【００２７】
増厚用プレート４０ａおよび４０ｂは、複合材板１０と同じ複合材料により形成することもできるし、複合材板１０とは異なる材料で形成することもできる。複合材板１０の用途等に応じて、適当な材料を選択して用いればよい。増厚用プレート４０ａおよび４０ｂを複合材板１０とは異なる材料で形成する場合は、後述する理由により、複合材板１０よりも延性が高い材料、例えば金属材料や複合材板１０よりも延性が高い樹脂基材料によって形成することが好ましい。
【００２８】
増厚用プレート４０ａ、４０ｂを複合材板１０と同じ複合材料により形成する場合のメリットとしては、複合材板１０と増厚用プレート４０ａ、４０ｂとの間で熱膨張差が生じないため、温度変化に伴う熱応力・熱変形の影響を受けずに、貼着品質が安定する点が挙げられる。
【００２９】
また、増厚用プレート４０ａ、４０ｂを金属材料によって形成する場合のメリットとしては、金属材料の性質を活かした複合材板１０の継手構造とすることができることが挙げられる。具体的には、例えば増厚用プレート４０ａ、４０ｂを延性の高い金属材料によって形成するとともに、複合材板１０に形成されている貫通孔を増厚用プレート４０ａ、４０ｂに形成されている貫通孔よりも大径に形成することで、ボルト３０ａ〜３０ｄにおいて、作用するベアリング面圧を均等化することができる。また、増厚用プレート４０ａ、４０ｂを複合材板１０よりも延性が高い樹脂基材料によって形成する場合のメリットも同様であり、複合材板１０に形成されている貫通孔を増厚用プレート４０ａ、４０ｂに形成されている貫通孔よりも大径に形成することで、ボルト３０ａ〜３０ｄにおいて、作用するベアリング面圧を均等化することができる。このことについて、図３および図４に基づいて説明する。
【００３０】
図３は、本発明の別の実施形態の複合材の継手構造を示した図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）はＢ部の拡大図である。また、図４は、ボルト位置とベアリング面圧との関係を示したグラフであり、図中の符号αは、増厚用プレート４０ａ、４０ｂに非延性材料を用いた場合のグラフ、符号ベータは、増厚用プレート４０ａ、４０ｂに延性の高い材料（例えば金属材料）を用いた場合のグラフである。
【００３１】
図３に示した複合材の継手構造１は、上述した実施形態とは異なり、複合材板１０、増厚用プレート４０ａ、４０ｂおよび相手側部材２０のフランジ部２０ａに形成されている貫通孔２６の内、複合材板１０の貫通孔２６ａが、増厚用プレート４０ａ、４０ｂの貫通孔２６ｂよりも大径に形成されている。
【００３２】
そして、図４の符号αに示したように、ベアリング面圧は、水平力Ｈの作用位置に近いボルト３０ａが最も大きく、水平力Ｈの作用位置から遠ざかるにつれ小さくなっていくが、貫通孔２６が上述した如く形成され、且つ増厚用プレート４０ａ、４０ｂに、金属材料や複合材板１０よりも延性が高い樹脂基材料を用いた場合は、ボルト３０が挿通される貫通孔２６において、増厚用プレート４０ａ、４０ｂに形成されている貫通孔２６ｂとボルト３０ａとが当接し、増厚用プレート４０ａ、４０ｂが塑性変形して貫通孔２６ｂが拡径する。この拡径量は、ベアリング面圧が大きいボルト３０ａが挿通される貫通孔２６が最も大きく、ベアリング面圧が小さいボルト３０ｄが挿通される貫通孔２６が最も小さくなる。これにより、ボルト３０ａ〜３０ｄと増厚用プレート４０ａ、４０ｂとの当たりが均一化され、図４の符号βに示したように、ボルト３０ａ〜３０ｄにおいて、ベアリング面圧が均等化される。これにより、一つのボルト３０にベアリング面圧が集中することを防ぐことができるため、ボルト３０の破損リスクを低減することができる。
【００３３】
また例えば、本実施形態において、増厚用プレート４０ａ、４０ｂに高強度の金属材料を採用することで、ボルト３０と複合材板１０とは当接させずに、増厚用プレート４０ａ、４０ｂだけでせん断荷重に抵抗する構造にすることもできる。
【００３４】
本発明において、増厚用プレート４０ａ、４０ｂに用いられる金属材料としては、高延性、高強度で且つ軽量な金属材料が好ましく、例えばチタン合金、ＭＰ−３５Ｎ（ＡＭＳ５７５８）やＩｎｃｏ６００（ＡＭＳ５６８７）等の高ニッケル合金やコバルト合金、Ａ２８６（ＡＭＳ５７３１、ＡＭＳ５７３７）等の耐食鋼等が、特に好適に用いられる。
【００３５】
また本発明において、増厚用プレート４０ａ、４０ｂに用いられる樹脂基材料としては、例えば複合材板１０にＣＦＲＰを用いる場合にはＧＦＲＰやＡＦＲＰなどのＣＦＲＰよりも延性の高い複合材料が挙げられる。また、本発明の樹脂基材料としては繊維強化されていない樹脂材料も採用可能であり、例えばポリカーボネート等、エポキシ樹脂と同等以上の強度を有し、且つ複合材板１０よりも延性の高い樹脂材料が挙げられる。
【００３６】
以上のとおり、本発明の複合材の継手構造１によれば、複合材板１０の両面に貼着された増厚用プレート４０ａ、４０ｂを備えており、増厚用プレート４０ａ、４０ｂの厚み分だけベアリング面積が増加し、ベアリング面圧が抑えられるようになっている。増厚用プレート４０ａ、４０ｂを複合材板１０に貼着することは、従来のように、複合材自体を増厚することよりも制約が少なく製造が容易である。また、本発明によれば、増厚が必要な範囲だけに増厚用プレート４０ａ、４０ｂを貼着することができるため、余分な材料を必要とせず、軽量かつ低コストの構造とすることができる。
【００３７】
なお、上述した実施形態では、複合材板１０の両面に増厚用プレート４０ａ、４０ｂが貼着されていた。このように、増厚用プレート４０ａ、４０ｂが複合材板１０の両面に貼着されていれば、複合材板１０の一面にだけ増厚用プレート４０が貼着されている場合と比べて、複合材板１０の応力分布を一様にすることができるため好ましい。また、増厚用プレート４０と複合材板１０との接触面積が２倍となるため、一つの貼着面に作用するせん断力を１／２に低減することができる。
しかしながら本発明の複合材の継手構造１はこれに限定されず、少なくとも複合材の一面に増厚用プレートが貼着されていればよいものである。
【００３８】
また、上述した実施形態では、平板状の複合材板１０の継手構造１を例に説明したが、本発明の複合材は平板状の複合材には限定されず、例えば、管状の複合材であってもよいものである。
【００３９】
以上、本発明の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、複合材料により形成された複合材の継手構造として、航空機、船舶、自動車などの各分野において利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１          複合材の継手構造
１０        複合材板（複合材）
１０ａ      複合材料成形用素材
２０        相手側部材
２０ａ      フランジ部
２４        貫通孔
２６        貫通孔
３０        ボルト
３２        ナット
４０ａ、４０ｂ  増厚用プレート
【図１】
0005924934.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005924934.tif 000008