(57)【要約】【課題】曲げ部における内外周差を吸収して曲げ部の強度及び剛性を確保すること。【解決手段】一方向強化材からなる繊維強化樹脂材であるプリプレグ１８ａを、曲げ部１４の外表面に対し芯金１６の軸線方向に沿って複数並列して貼り付けた後、プリプレグ１８ａが芯金１６の径方向外側へ移動することを規制する熱収縮テープ２６を巻回する。このようにして得られた中間成形体を熱硬化させた後、熱収縮テープを剥離させることで、例えば、車両用フレーム等の曲げ部１２を有する軸状複合部材１０が得られる。【選択図】図２
2015145104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲げ部を有する軸状複合部材の製造方法であって、
一方向強化材からなる繊維強化樹脂材を、前記曲げ部の外表面に対し芯金の軸線方向に沿って複数並列して貼り付ける貼付工程と、
前記貼付工程の後に前記繊維強化樹脂材が前記芯金の径方向外側へ移動することを規制する拘束材を巻回する拘束工程と、
を有することを特徴とする軸状複合部材の製造方法。
【請求項２】
曲げ部を有する軸状複合部材であって、
芯金と、
一方向強化材からなり前記芯金の外表面を被覆する繊維強化樹脂材と、
を備え、
前記繊維強化樹脂材は、前記曲げ部に対し前記芯金の軸線方向に沿って複数並列して貼り付けられていることを特徴とする軸状複合部材。
【請求項３】
請求項２記載の軸状複合部材において、
前記軸状複合部材は、略Ｌ字形状を有し、
前記繊維強化樹脂材の繊維配向角は、前記軸状複合部材の軸線を基準として、約±１０度の範囲内（０度を含む）に設定されることを特徴とする軸状複合部材。
【請求項４】
曲げ部を有する軸状複合部材であって、
一方向強化材からなる繊維強化樹脂材を、前記曲げ部に対し芯金の軸線方向に沿って複数並列して貼り付け、
前記繊維強化樹脂材を貼り付けた後に前記繊維強化樹脂材の前記芯金の径方向外側への移動を規制する拘束材を螺旋状に巻回することにより中間成形体が得られることを特徴とする軸状複合部材。
【請求項５】
請求項４記載の軸状複合部材において、
前記軸状複合部材は、前記曲げ部の他に直線部を有し、
前記拘束材は、テープであり、
前記曲げ部を巻回する前記テープの幅寸法は、前記直線部を巻回する前記テープの幅寸法よりも小さく設定されることを特徴とする軸状複合部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸状複合部材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車には、燃費性能の向上のために各種部材を軽量化・高強度化することが希求されており、例えば、カーボン材等の繊維強化樹脂が利用されている。繊維強化樹脂を利用したものとして、例えば、特許文献１には、ローリングテーブルを用い、カーボン繊維強化アルミパイプ（金属軸状部材）の外面にカーボン繊維強化層（繊維強化層）を巻き付ける技術的思想が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平３−１６６９３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、例えば、自動車のフレーム構造体に用いられる軸状複合部材のように、曲率の高い形状（曲げ部）を有する軸状複合部材に対して繊維強化樹脂材を利用しようとした場合、曲げ部に繊維強化樹脂材を巻き付けてフレーム構造体の剛性を確保することが困難である。例えば、特許文献１に開示されたカーボン繊維強化層を直線状の芯金に巻き付けた後に芯金を曲げ変形させた場合、芯金の曲げ部の曲率が高くなると曲げ部の外側に巻き付けられたカーボン繊維強化層が伸長して破断するおそれがある。
【０００５】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、曲げ部における内外周差を吸収して曲げ部の所望の強度及び剛性を確保することが可能な軸状複合部材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するために、本発明は、曲げ部を有する軸状複合部材の製造方法であって、一方向強化材からなる繊維強化樹脂材を、曲げ部の外表面に対し芯金の軸線方向に沿って複数並列して貼り付けた後、繊維強化樹脂材が芯金の径方向外側へ移動することを規制する拘束材を巻回することを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、例えば、一方向にのみ繊維が配向されたプリプレグ等の一方向強化材からなる繊維強化樹脂材を、所定のテンションを付与しながら芯金の軸線方向に沿って複数並列して貼り付けた軸状複合部材を得ることができる。従って、本発明では、軸状複合部材の曲げ部における繊維強化樹脂材の内外周差を吸収し、例えば、しわやよりを生じることなく形成することができる。この結果、本発明では、軸状複合部材の曲げ部における所望の強度及び剛性を確保することができる。
【０００８】
また、本発明は、曲げ部を有する軸状複合部材であって、芯金と、一方向強化材からなり前記芯金の外表面を被覆する繊維強化樹脂材と、を備え、前記繊維強化樹脂材は、前記曲げ部に対し前記芯金の軸線方向に沿って複数並列して貼り付けられていることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、繊維強化樹脂材が、曲げ部に対し芯金の軸線方向に沿って複数並列して貼り付けられていることで、曲げ部における繊維強化樹脂材の内外周差を吸収することができる。このため、本発明では、軸状複合部材の曲げ部における所望の強度及び剛性を確保することができる。
【００１０】
さらに、本発明は、前記軸状複合部材が、略Ｌ字形状を有し、前記繊維強化樹脂材の繊維配向角は、前記軸状複合部材の軸線を基準として、約±１０度の範囲内（０度を含む）に設定されることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、繊維強化樹脂材の繊維配向角が、約±１０度の範囲内（０度を含む）に設定されることにより、所望の曲げ剛性を有する軸状複合部材を得ることができる。
【００１２】
さらにまた、本発明は、曲げ部を有する軸状複合部材であって、一方向強化材からなる繊維強化樹脂材を、前記曲げ部に対し芯金の軸線方向に沿って複数並列して貼り付け、前記繊維強化樹脂材を貼り付けた後に前記繊維強化樹脂材の前記芯金の径方向外側への移動を規制する拘束材を螺旋状に巻回することにより中間成形体が得られることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、繊維強化樹脂材が、曲げ部に対し芯金の軸線方向に沿って複数並列して貼り付けられていることで、曲げ部における繊維強化樹脂材の内外周差を吸収することができる。このため、本発明では、中間成形体の曲げ部における所望の強度及び剛性を確保することができる。
【００１４】
さらにまた、本発明は、前記軸状複合部材が、前記曲げ部の他に直線部を有し、前記拘束材は、テープであり、前記曲げ部を巻回する前記テープの幅寸法は、前記直線部を巻回する前記テープの幅寸法よりも小さく設定されることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、曲げ部におけるテープの幅寸法が直線部よりも幅狭に設定されているため、曲げ部の内側形状に沿ってテープを追従させることができる。このため、本発明では、曲げ部の内周側における繊維強化樹脂材の拘束力を増大させると共に、芯金の内側形状に沿って貼り付けられた繊維強化樹脂材の意匠的美観性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、曲げ部における内外周差を吸収して曲げ部の所望の強度及び剛性を確保することが可能な軸状複合部材及びその製造方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る軸状複合部材の製造方法を用いて製造された軸状複合部材の斜視図である。
【図２】製造装置によって、芯金に対して複数のプリプレグを貼り付けると共に、貼り付けられた複数のプリプレグを熱収縮テープによって拘束する状態を示す斜視図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、軸状複合部材の製造工程を時系列に沿って示した説明図である。
【図４】（ａ）は、プリプレグの繊維配向角と軸状複合部材の曲げ部におけるヤング率との関係を示す特性図、（ｂ）は、軸線を基準とする繊維配向角（±θ）の説明図、（ｃ）は、軸状複合部材に付与される荷重入力ポイントを示す説明図である。
【図５】（ａ）は、軸状複合部材の直線部と曲げ部とを螺旋状に巻回する熱収縮テープの幅寸法をそれぞれ同一に設定した場合の部分平面図、（ｂ）は、（ａ）で巻回した熱収縮テープの中心点を結んだ線図である。
【図６】（ａ）は、軸状複合部材の曲げ部を螺旋状に巻回する熱収縮テープの幅寸法Ｗ２が直線部を螺旋状に巻回する熱収縮テープの幅寸法Ｗ１よりも幅狭に設定した場合の部分平面図、（ｂ）は、（ａ）で巻回した熱収縮テープの中心点を結んだ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る軸状複合部材の製造方法を用いて製造された軸状複合部材の斜視図である。
【００１９】
図１に示されるように、軸状複合部材１０は、その一部に略Ｌ字形状を有し、直線部１２と曲げ部１４とが組み合わされた複合形状からなる。この軸状複合部材１０は、金属製（例えば、アルミニウム製）の中空パイプで形成された芯金１６と、芯金１６の外表面の略全面を被覆し、繊維配向方向が一方向のみ（一方向強化材）からなる繊維強化樹脂材１８とを備えて構成されている。
【００２０】
繊維強化樹脂材１８としては、例えば、後記するプリプレグ（prepreg）１８ａ等であることが好ましい。このプリプレグ１８ａの繊維配向方向は、プリプレグ１８ａの軸線方向（長手方向）と一致する一方向のみである。繊維強化樹脂材１８は、後記するように、芯金１７の外周面に対し、芯金１６の軸線方向に沿って複数並列して貼り付けられることで、芯金１６の外表面にコーティングされている。換言すると、繊維強化樹脂材１８は、その繊維配向角度（fiber orientation angle）が０度であり、芯金１６の軸線方向と繊維強化樹脂材１８の繊維配向方向とが平行となっている。
【００２１】
「プリプレグ」とは、例えば、炭素繊維等の繊維状補強材に対して、硬化剤等の添加物を混合した熱硬化性樹脂を均等に含浸させ、さらに、加熱又は乾燥して半硬化状態にした強化プラスチック成形材料をいい、後に加熱等により完全に硬化される。プリプレグ１８ａとしては、例えば、「トゥプリプレグ」が用いられることが好ましい。
【００２２】
軸状複合部材１０の軸方向に沿った両端部には、装着部２０が設けられている。この装着部２０は、軸状複合部材１０が車両に組み付けられた際、図示しない車両構造体（例えば、ボディパネル）に対して装着される部分である。装着部２０は、芯金１６の外表面に繊維強化樹脂材１８がコーティングされておらず、芯金１６の外表面が外部に露呈している。
【００２３】
本実施形態に係る軸状複合部材の製造方法によって製造された軸状複合部材１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００２４】
先ず、軸状複合部材１０の製造装置について概略説明する。図２は、製造装置によって、芯金に対して複数のプリプレグを貼り付けると共に、貼り付けられた複数のプリプレグを熱収縮テープによって拘束する状態を示す斜視図である。
図２に示されるように、この製造装置は、複数の小径ボビン２２と、単一の大径ボビン２４と、芯金１６の外周面を囲繞する貫通孔２８ａを有するゴム部材２８とを備える。
【００２５】
複数の各小径ボビン２２には、それぞれ、繊維強化樹脂材１８の前駆体であるプリプレグ１８ａが予め所定量（例えば、完成品である軸状複合部材１０の長さに対応する長さ）が巻回されている。各プリプレグ１８ａは、同一材料からなり、軸線と略直交する幅寸法が同一に構成されている。複数の各小径ボビン２２は、芯金１６の軸芯を略中心とする外径側に略環状に配置され、図示しない変位手段を介して、全体が略環状に配置されたまま芯金１６の軸方向に沿って変位可能に設けられている。
【００２６】
単一の大径ボビン２４には、拘束材として機能する熱収縮テープ２６が予め所定量（施工に必要な量）が巻回されている。ゴム部材２８は、図示しない変位手段を介して芯金１６の軸線方向に沿って変位可能に設けられている。なお、本実施形態では、軸線と略直交する熱収縮テープ２６の幅寸法は、直線部１２と曲げ部１４においてそれぞれ同一寸法に設定されているが、後記するように、異なる寸法で設定されるようにしてもよい。いずれの寸法であっても、プリプレグ１８ａを芯金１６の表面に、プリプレグ１８ａ同士の間に隙間を生じることなく貼り付けるためのものである。
【００２７】
次に、この製造装置によって製造される軸状複合部材１０の製造方法について、以下詳細に説明する。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、軸状複合部材の製造工程を時系列に沿って示した説明図である。
【００２８】
先ず、軸方向に沿った一端から他端まで直線状に形成された金属製の芯金に対し曲げ加工を施して、直線部１２と、所望の曲率半径を有するＲ部からなる曲げ部１４とが組み合わされた略Ｌ字状の芯金１６を形成する。なお、直線部１２と曲げ部１４とが組み合わされた略Ｌ字状の芯金１６を、他の成形方法で、例えば、鋳造成形又は鍛造成形によって形成してもよい。
【００２９】
続いて、図示しないテンショナを介して各プリプレグ１８ａに対して所定のテンションが付与された状態において、各小径ボビン２２からプリプレグ１８ａを引き出し、芯金１６の軸方向に沿って複数のプリプレグ１８ａを並列に隙間無く貼り付ける（図２参照）。複数のプリプレグ１８ａの貼り付けは、略Ｕ字状の芯金１６の一方の装着部２０と直線部１２との境界部分から直線部１２、曲げ部１４及び直線部１２を経て、他方の装着部２０と直線部１２との境界部分に向かって連続して貼り付けられる。
【００３０】
なお、芯金１６の外周面に対する複数のプリプレグ１８ａの貼り付けは、同時又は略同時に遂行されることが好ましいが、一部のプリプレグ１８ａを芯金１６の軸方向に沿って貼り付けた後、残部のプリプレグ１８ａを芯金１６の軸方向に沿って貼り付けるような場合であってもよい。
【００３１】
芯金１６の軸方向に沿って並列に貼り付けられた複数のプリプレグ１８ａには、隣接するプリプレグ１８ａとの間でその一部が重畳する段差部が形成される。なお、段差部を形成しないで隣接するプリプレグ１８ａ間のクリアランスが零となるように、複数のプリプレグ１８ａを芯金１６の軸線と平行に配設してもよい。いずれも、プリプレグ１８ａ同士の間に隙間を生じさせない。
【００３２】
図２に示されるように、テンションが付与されて各小径ボビン２２から引き出された各プリプレグ１８ａは、芯金１６の外周面を囲繞する円板状のゴム部材２８によって芯金１６の外周面に対し整列された状態で保持される。芯金１６の外周面に保持された複数のプリプレグ１８ａは、直線部１２及び曲げ部１４において、芯金１６の軸線と並列に配置される。
【００３３】
ゴム部材２８によって複数のプリプレグ１８ａが芯金１６の外周面に保持された後、大径ボビン２４から引き出された熱収縮テープ２６を芯金１６に対して螺旋状に巻回する（図２参照）。
【００３４】
すなわち、複数のプリプレグ１８ａを芯金１６の軸方向に沿って芯金１６の外周面に貼り付けた後、さらに、大径ボビン２４に巻回された熱収縮テープ２６を図示しない他のテンショナを介して所定のテンションが付与された状態で引き出し、プリプレグ１８ａの上から螺旋状に巻き付けて複数のプリプレグ１８ａを拘束する。
【００３５】
熱収縮テープ２６は、芯金１６に貼り付けられたプリプレグ１８ａの上に積層（重畳）される。芯金１６の外周面に貼り付けられた複数のプリプレグ１８ａは、熱収縮テープ２６によって拘束されるまでの間、ゴム部材２８の貫通孔２８ａの内周面によって保持される。なお、複数のプリプレグ１８ａと芯金１６の外周面との間には、例えば、接着剤等を介在させるようにしてもよい。
【００３６】
この熱収縮テープ２６は、拘束材として機能するものであり、プリプレグ１８ａが芯金１６の径方向外側へ移動することや、プリプレグ１８ａが芯金１６の周方向へ移動してズレが生ずることを規制する。この結果、芯金１６の外周面に軸方向に沿って並列に貼り付けられた複数のプリプレグ１８ａの配置を乱すことが回避される。
【００３７】
このようにしてプリプレグ１８ａが熱収縮テープ２６によって拘束された中間成形体３０（図３（ａ）参照）を、図示しない加熱炉等の硬化炉に収容し、加熱手段３２所定の温度で加熱して熱硬化させる（図３（ｂ）参照）。熱硬化させることにより、芯金１６の外周面に貼り付けられた複数のプリプレグ１８ａ（半硬化状態）が完全に硬化して芯金１６の外周面に一体的に結合される。
【００３８】
最後に、熱収縮テープ２６を、プリプレグ１８ａ及び芯金１６から剥離させることにより、完成品としての軸状複合部材１０が完成する（図３（ｃ）参照）。なお、熱収縮テープ２６を剥離させた後、複数のプリプレグ１８ａが並行配置された段差部を研磨して凹凸を無くすことにより、意匠的美観性を向上させるようにしてもよい。
【００３９】
図４（ａ）は、プリプレグの繊維配向角と軸状複合部材の曲げ部におけるヤング率との関係を示す特性図、図４（ｂ）は、軸線を基準とする繊維配向角（±θ）の説明図、図４（ｃ）は、軸状複合部材に付与される荷重入力ポイントを示す説明図である。図４（ａ）に示されるように、各プリプレグ１８ａを芯金１６の軸方向に沿って貼り付けるときの角度（繊維配向角θ）は、約１０度以下（０度を含む）に設定されるとよい。繊維配向角が約１０度を超えると、ヤング率が急激に減少して曲げ剛性が低下するからである。なお、図４（ｂ）に示されるように、繊維配向角度（θ）は、芯金の軸線を基準として±θの角度に設定される。また、図４（ｃ）に示されるように、曲げ部１４におけるヤング率（応力／歪）を算出する際の荷重入力ポイントは、軸状複合部材１０の一端部の装着部２０であり、装着部２０の軸線と略直交する鉛直下方向に向かって荷重を付与している。
【００４０】
この結果、プリプレグ１８ａ（繊維強化樹脂材１８）の繊維配向角（±θ）は、軸状複合部材１０の軸線を基準として、約±１０度の範囲内（０度を含む）に設定されることが好ましい。なお、繊維配向角が０度の場合には、芯金１６の軸線と各プリプレグ１８ａの軸線とが平行となり、最も高い曲げ剛性が得られる。
【００４１】
本実施形態では、一方向にのみ繊維が配向されたプリプレグ１８ａからなる繊維強化樹脂材１８を、所定のテンションを付与しながら芯金１６の軸線方向に沿って複数並列して貼り付けた軸状複合部材１６を得ることができる。従って、本実施形態では、曲げ部１４の外周面を螺旋状に巻回した場合と比較して、曲げ部１４におけるプリプレグ１８ａの内外周差を吸収することができ、例えば、しわやよりなく形成することができる。この結果、本実施形態では、軸状複合部材１０の曲げ部１４における所望の強度及び剛性を確保することができる。
【００４２】
また、本実施形態では、図４に示される特性図から、プリプレグ１８ａの繊維配向角が、約±１０度の範囲内（０度を含む）に設定されることにより、所望の曲げ剛性を有する軸状複合部材１０を得ることができる。
【００４３】
図５（ａ）は、軸状複合部材の直線部と曲げ部とを螺旋状に巻回する熱収縮テープの幅寸法をそれぞれ同一に設定した場合の部分平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）で巻回した熱収縮テープの中心点を結んだ線図、図６（ａ）は、軸状複合部材の曲げ部を螺旋状に巻回する熱収縮テープの幅寸法Ｗ２が直線部を螺旋状に巻回する熱収縮テープの幅寸法Ｗ１よりも幅狭に設定した場合の部分平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）で巻回した熱収縮テープの中心点を結んだ線図である。
【００４４】
本実施形態では、図５（ａ）に示されるように、軸状複合部材１０の直線部１２と曲げ部１４における熱収縮テープ２６の幅寸法Ｗをそれぞれ同一に設定しているが、例えば、図６（ａ）に示されるように、曲げ部１４を螺旋状に巻回する熱収縮テープ２６の幅寸法Ｗ２を、直線部１２を巻回する熱収縮テープ２６の幅寸法Ｗ１よりも小さく設定するとよい（Ｗ１＞Ｗ２）。
【００４５】
曲げ部１４を巻回する熱収縮テープ２６の幅寸法Ｗ２が直線部１２を巻回する熱収縮テープ２６の幅寸法Ｗ１よりも幅狭に設定することで、曲げ部１４の内側形状に沿って熱収縮テープ２６を追従させることができる（図５（ｂ）と図６（ｂ）とを比較参照）。このため、本実施形態では、曲げ部１４の内周側におけるプリプレグ１８ａの拘束力を増大させると共に、芯金１６の内側形状に沿って貼り付けられたプリプレグ１８ａの意匠的美観性を向上させることができる。
【００４６】
なお、直線部１２と曲げ部１４との間で幅寸法が異なる熱収縮テープ２６は、それぞれ連続して一体的に構成してもよいし、又は、それぞれ別個の熱収縮テープ２６を用いてもよい。別個の熱収縮テープ２６を用いた場合、直線部１２と曲線部１４との間の非連続部分は、図示しない仮止め手段によって仮止めするとよい。
【００４７】
また、本実施形態では、曲げ部１４を有する軸状複合部材１０を用いて説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、自動車用サスペンション部材、スタビライザ、自転車用フレーム等に適用することが可能である。加えて、本実施形態では、プリプレグ１８ａを熱硬化させる例を示しているが、光で硬化させるようにしてもよい。
【００４８】
さらに、本実施形態では、プリプレグ１８ａ（繊維強化樹脂材１８）の繊維配向角（±θ）は、軸状複合部材１０の軸線を基準として、約±１０度の範囲内（０度を含む）に設定することを例示しているが、ねじり剛性をより一層向上させるため、約±１０度の範囲内に配置されたプリプレグ１８ａの内側の層、又は、外側の層に異なる繊維配向角（例えば、約±４５度）を有する層を積層させるようにしてもよい。
【００４９】
さらにまた、本実施形態では、略Ｌ字状を有する軸状複合部材１０を例に挙げて説明しているが、例えば、その一部にＬ字状を有する形状（例えば、略Ｕ字状）からなる軸状複合部材に適用してもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１０    軸状複合部材
１２    直線部
１４    曲げ部
１６    芯金
１８    繊維強化樹脂材
１８ａ  プリプレグ
２６    熱収縮テープ（拘束材、テープ）
【図１】
2015145104.tif 000003
【図２】
2015145104.tif 000004
【図３】
2015145104.tif 000005
【図４】
2015145104.tif 000006
【図５】
2015145104.tif 000007
【図６】
2015145104.tif 000008