(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の基材と、
熱硬化性樹脂を含み前記基材上に形成される樹脂層と、を備え、
前記樹脂層は、前記基材側から順番に第１樹脂層と、第２樹脂層と、を有し、
前記第１樹脂層及び前記第２樹脂層のうち、前記第２樹脂層のみに炭素繊維が含まれており、
ウォータージャケットが前記基材と前記第１樹脂層との間に介在していることを特徴とするシリンダブロック。
【請求項２】
前記樹脂層における前記熱硬化性樹脂に対する前記炭素繊維の体積含有率は２５％以上であることを特徴とする請求項１に記載のシリンダブロック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダブロックに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、車両用エンジンのシリンダブロックとしては、アルミニウムなどの金属製のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような車両用の構造部材は、省エネ、低燃費化を目的とする近年の車重軽減の要請から軽量化が望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２５６６８５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、車両用の構造部材は、その軽量化を達成することのみならず、十分な信頼性を発揮し得る強度が必要となる。特に、前記のシリンダブロックや、駆動用モータのハウジング、トランスミッションケースなどの構造部材は、機械的強度及び熱的強度（耐熱性）に優れたものが望まれる。
しかしながら、このような車両用の構造部材において、所定の強度を有するとともに、金属よりも軽量の構造部材は未だ知られていない。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、所定の強度を有するとともに、金属よりも軽量となるシリンダブロックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決する本発明の移動体用構造部材は、金属の基材と、熱硬化性樹脂を含み前記基材上に形成される樹脂層と、を備え、前記樹脂層は、前記基材側から順番に第１樹脂層と、第２樹脂層と、を有し、少なくとも前記第２樹脂層は、炭素繊維を含んでいることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、所定の強度を有するとともに、金属よりも軽量となるシリンダブロックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係るシリンダブロックを備えるエンジンの斜視図である。
【図２】図１のII−II縦断面を部分的に拡大して示す部分拡大縦断面図である。
【図３】参考例としての移動体用構造部材を備えるモータユニットを示す斜視図である。
【図４】図３のモータユニットを構成するモータハウジング（移動体用構造部材）の断面図である。
【図５】シリンダブロックに使用される樹脂部材における炭素繊維の体積含有率［％］と、弾性率［ＧＰａ］との関係を表すグラフである。
【図６】シリンダブロックに使用される樹脂部材における炭素繊維の体積含有率［％］と、引張強度［ＭＰａ］との関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、本発明の実施形態に係るシリンダブロック（移動体用構造部材）について説明する。本発明での移動体とは、走行する車両、航行する船舶、航空機などの移動可能な構造体を意味するが、本実施形態での移動体用構造部材は、自動車用エンジンのシリンダブロックを例にとって説明する。
【００１０】
図１は、本実施形態に係るシリンダブロック（移動体用構造部材）１４を備えるエンジン１２の斜視図である。なお、以下の説明における上下の方向は、図１に示すエンジン１２が車両のエンジンルームに配置された際の、シリンダ軸線方向でクランクシャフト側を下方向とし、シリンダヘッド側を上方向とした図１に示す上下の矢印の方向を基準とする。
【００１１】
本実施形態に係るシリンダブロック（移動体用構造部材）１４は、後に詳しく説明するように、金属・樹脂・炭素繊維複合構造体で構成されていることを主な特徴点とする。以下では、エンジン１２の全体構成を説明した後に、シリンダブロック１４についてさらに詳しく説明する。
【００１２】
＜エンジンの全体構成＞
図１に示すように、本実施形態でのエンジン（内燃機関）１２は、気筒列方向に沿って３つの気筒が並ぶように配置された直列３気筒エンジンである。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、直列４気筒エンジン、Ｖバンクに沿って複数の気筒が配置されたＶ型多気筒エンジンや水平対向エンジン等にも適用される。また、単気筒や複数気筒等の気筒数も問わない。
【００１３】
エンジン１２は、後に詳しく説明するシリンダブロック１４と、このシリンダブロック１４の上側に組み付けられる図示しないシリンダヘッドと、このシリンダヘッドの上側に装着される図示しないヘッドカバーとを備えている。なお、シリンダヘッドには、燃焼室、吸気ポート、排気ポートが設けられており、吸気ポート及び排気ポートに設けられる弁体は、カムシャフト及びロッカーアームを有する動弁機構により駆動される。ちなみに、シリンダブロック１４と図示しないシリンダヘッドとの間は、図示しないガスケットによってシールされている。
【００１４】
エンジン１２は、シリンダブロック１４の下面に結合されるクランクケース１１を備えている。
クランクケース１１には、クランクシャフト１３が回転自在に支持されている。クランクシャフト１３は、クランクケース１１内を気筒列方向に沿って延びている。このクランクシャフト１３の各シリンダボア１４ａに対応する位置には、各シリンダボア１４ａ内で摺動可能に配置される図示しないピストンをクランクシャフト１３に連設する図示しないコネクティングロッド（コンロッド）が配置されている。
図１中、符号１５は、前記の図示しないシリンダヘッドをシリンダブロック１４に取り付けるボルトである。
【００１５】
＜シリンダブロック＞
次に、移動体用構造部材としてのシリンダブロック１４について説明する。
図１に示すように、シリンダブロック１４は、気筒列方向に長い略直方体を呈している。シリンダブロック１４には、前記のピストン（図示省略）が配置されるシリンダボア１４ａが形成されている。
【００１６】
シリンダブロック１４には、冷却水が流通するウォータジャケット１８が設けられている。
ウォータジャケット１８は、図１に示すように、上面視で気筒列方向に沿った３つのシリンダボア１４ａの略外周を囲繞するように連続し、かつ周回するように形成されている。
【００１７】
図２は、図１のII−II縦断面を部分的に拡大して示す部分拡大縦断面図である。
図２に示すように、ウォータジャケット１８の上端部は、開口して形成されるとともに、ウォータジャケット１８の下端部は、シリンダブロック１４の内部で閉塞するように形成されている。このようなウォータジャケット１８は、開口側の上端部から閉塞側の下端部に掛けて徐々に幅が狭まるようにテーパが設けられている。
【００１８】
なお、図示しないが、シリンダブロック１４には、冷却水をウォータジャケット１８内へ供給する冷却水入口と、エンジン１２を冷却した後の冷却水をウォータジャケット１８外に排出する冷却水出口とが設けられている。
図２中、符号１９は、シリンダボア１４ａ内でピストン１６との摺動面を形成する、薄肉の円筒体からなるシリンダライナである。本実施形態でのシリンダライナ１９の材料としては、例えばアルミ合金、鋼材、セラミックなどを想定しているが、これらに限定されるものではない。また、符号１７は、コネクティングロッドである。
【００１９】
本実施形態における移動体用構造部材としてのシリンダブロック１４は、前記したように金属・樹脂・炭素繊維複合構造体で構成されている。
具体的には、シリンダブロック１４は、図２に示すように、金属の基材２０と、この基材２０上に配置される樹脂部材２１とを有している。樹脂部材２１は、後に詳しく説明するように第１樹脂部材２２と、炭素繊維を含む第２樹脂部材２３とを有している。
【００２０】
本実施形態での基材２０は、図２に示すように、基材本体部２０ａと、フランジ部２０ｂとを有している。
基材本体部２０ａは、シリンダライナ１９が内接する円柱状空間を内側に有する略円筒部材２４（図１参照）が気筒列方向に連結されて一体となって形成されている。また、図示しないがフランジ部２０ｂ（図２参照）は、前記の各略円筒部材２４（図１参照）の下端部を互いに連結している。ちなみに、本実施形態でのフランジ部２０ｂは、それぞれの略円筒部材２４から延出するフランジ部２０ｂが一体となって矩形の板体を形成している。そして、図２に示すように、フランジ部２０ｂの外側端面と、後記する第１樹脂部材２２の外壁面とは、シリンダブロック１４の上下方向に面一となるように形成されている。
【００２１】
本実施形態での基材２０を形成する金属としては、アルミニウム合金を想定しているが、これに限定されるものではなく、従来のシリンダブロックに使用されるアルミニウム合金以外の金属を使用することもできる。
なお、本実施形態での基材２０には、後記の第１樹脂部材２２が接合する部分に表面粗化処理が施されている。この表面粗化処理については、後に詳しく説明する。
【００２２】
樹脂部材２１は、図１に示すように、基材２０の外側に配置されてシリンダブロック１４の外形である略直方体を呈している。
樹脂部材２１は、前記のように第１樹脂部材２２と、第２樹脂部材２３とを有している。これらの第１樹脂部材２２と第２樹脂部材２３とは互いに接合されて一体となっている。
樹脂部材２１は、特許請求の範囲にいう「樹脂層」を構成し、第１樹脂部材２２は、特許請求の範囲にいう「第１樹脂層」を構成し、第２樹脂部材２３は、特許請求の範囲にいう「第２樹脂層」を構成している。
【００２３】
第１樹脂部材２２の外形は、図示しないが、図１に示す第２樹脂部材２３の内側で略直方体を呈している。
また、第１樹脂部材２２は、図２に示すように、ウォータジャケット１８を形成するように基材本体部２０ａと離間する離間部２２ａと、この離間部２２ａの下方で基材本体部２０ａと接合される接合部２２ｂとを有している。
また、第１樹脂部材２２は、基材２０のフランジ部２０ｂの上面とも接合されている。
【００２４】
このような第１樹脂部材２２は、熱硬化性樹脂で形成されている。
熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アリル樹脂、フラン樹脂などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、機械的強度、耐熱性、取扱容易性、製造コストなどを考慮すると、中でもフェノール樹脂が望ましい。
本実施形態での第１樹脂部材２２は、熱硬化性樹脂のみで形成されるものを想定しているが、第１樹脂部材２２には、後記する充填剤を含めることもできる。
【００２５】
第２樹脂部材２３は、図１に示すように、シリンダブロック１４の四方の側面部を形成している。具体的には、第２樹脂部材２３は、図２に示すように、基材本体部２０ａを取り巻くように配置される第１樹脂部材２２の外壁面と、この外壁面と面一となるように形成されるフランジ部２０ｂの外側端面とを覆うように配置されている。  つまり、本実施形態に係るシリンダブロック１４は、基材２０を構成する基材本体部２０ａ上に、第１樹脂部材２２（第１樹脂層）と、第２樹脂部材２３（第２樹脂層）とがこの順番で配置されている。
【００２６】
第２樹脂部材２３は、熱硬化性樹脂と炭素繊維とを含んで構成されている。
熱硬化性樹脂としては、前記の第１樹脂部材２２を構成する熱硬化性樹脂と同様のものが挙げられる。
炭素繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系、レーヨン系、ピッチ系の炭素繊維が挙げられる。中でも、強度と弾性率のバランスに優れたＰＡＮ系炭素繊維が望ましい。
【００２７】
また、第２樹脂部材２３は、熱硬化性樹脂中で炭素繊維が所定方向に配向したものが望ましい。このような第２樹脂部材２３としては、例えば、０°、４５°、９０°、１３５°といった所定方向に配向した炭素繊維を積層したプリプレグを使用して構成することもできるし、炭素繊維クロス（織布）を含むプリプレグを使用して構成することもできる。また、第２樹脂部材２３は、ＵＤ材を積層して構成することもできる。  
【００２８】
炭素繊維の含有率は、第１樹脂部材２２に含まれる熱硬化性樹脂の体積Ｖ１、及び第２樹脂部材２３とに含まれる熱硬化性樹脂の体積Ｖ２の合計量（Ｖ１＋Ｖ２）に対して、第２樹脂部材２３に含まれる炭素繊維の体積Ｖ３の体積比［１００Ｖ３／（Ｖ１＋Ｖ２）］で２５％以上が望ましい。
【００２９】
次に、本実施形態に係るシリンダブロック１４（移動体用構造部材）の製造方法について説明する。
本実施形態に係るシリンダブロック１４の製造方法は、予め熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維を加熱して半硬化させて第２樹脂部材２３の形状を有するプリフォームを形成する第１工程と、シリンダブロック１４の外形を模ったキャビティを有する金型内の所定の位置に、前記のプリフォームと、基材２０（図２参照）と、ボルト１５（図１参照）と、ウォータジャケット１８（図２参照）の形状を模った中子と、を配置する第２工程と、金型内に熱硬化性樹脂を注型して型締めし、半硬化のプリフォームと注型した熱硬化性樹脂とを完全硬化させる第３工程と、を有して構成することができる。そして、型開きを行った後に、中子を取り出してシリンダブロック１４が得られる。
【００３０】
この製造方法では、注型した熱硬化性樹脂が硬化することによって第１樹脂部材２２が形成され、硬化したプリフォームによって第２樹脂部材２３が形成される。また、型開きを行って中子が取り出された跡に、ウォータジャケット１８が形成される。
【００３１】
第１工程で使用するプリフォームは、熱硬化性樹脂が炭素繊維に含浸している市販のプリプレグを半硬化させて形成することもできる。このような半硬化のプリフォームは、形状保持性が良好となる利点がある。また、第３工程で、半硬化のプリフォームと注型した熱硬化性樹脂とを金型内で完全硬化させることによって、第１樹脂部材２２と、第２樹脂部材２３との接合性が良好となる。
【００３２】
また、第２工程では、完全硬化したプリフォームを金型内に配置することもできる。この場合、第３工程で型内に注型された熱硬化性樹脂は、完全硬化したプリフォームの表面に形成される微細な隙間に入り込んで硬化することになる。これにより隙間に入り込んで硬化した熱硬化性樹脂は、第１樹脂部材２２と第２樹脂部材２３との間でアンカー効果を発揮して第１樹脂部材２２と第２樹脂部材２３との接合強度を向上させる。
【００３３】
また、金型内に配置される基材２０は、注型された熱硬化性樹脂と接触する表面に、言い換えれば、図２に示す第１樹脂部材２２の接合部２２ｂ（図２参照）と接触する表面に、表面粗化処理が施されている。
この表面粗化処理方法としては、公知の物理的又は化学的に基材２０の表面をエッチングする方法が挙げられる。物理的エッチング方法としては、レーザ処理、ブラスト処理、工具等による切削処理などが挙げられる。また、化学的エッチング方法を使用するものとしては、例えばアマルファ（メック株式会社登録商標）処理が挙げられる。
このような基材２０の表面粗化処理によって、第１樹脂部材２２と基材２０との接合強度が向上する。
【００３４】
また、本実施形態での製造方法は、トランスファー成形法を使用するものを想定しているが、インジェクション成形を使用するものであってもよい。
また、金型内に注型する熱硬化性樹脂は、プリフォームに使用される熱硬化性樹脂と同系統の熱硬化性樹脂が望ましい。つまり、プリフォームの熱可塑性樹脂がフェノール樹脂であれば、金型内に注型する熱硬化性樹脂についてもフェノール樹脂であることが望ましい。この場合、プリフォームを形成するプリプレグには、流動性又は半流動性の熱硬化性樹脂が使用され、金型内に注型する熱硬化性樹脂としては、常温で固形であり、所定の温度に加熱した際に流動化し、さらに加熱することによって硬化するものが望ましい。
【００３５】
また、この製造方法では、第２工程で中子を使用してウォータジャケット１８を形成しているが、中子を用いずに、予めウォータジャケット１８の形状を模った雄型をキャビティ内に有する金型を使用することもできる。
【００３６】
次に、本実施形態に係るシリンダブロック１４（移動体用構造部材）の奏する作用効果について説明する。
このシリンダブロック１４によれば、従来のシリンダブロック（例えば、特許文献１参照）の一部を樹脂に代えて構成することができるので、シリンダブロック１４の軽量化を図ることができる。
【００３７】
また、このシリンダブロック１４によれば、前記の金属・樹脂・炭素繊維複合構造体で構成されているので、車両などの移動体に要求される十分な強度を発揮することができる。特に、樹脂部材２１（図２参照）に２５％以上の炭素繊維を含むものは、金属（アルミニウム）と略同等以上の強度を発揮することができる。
【００３８】
また、このシリンダブロック１４は、シリンダボア１４ａを有する基材２０を囲むように断熱性に富む樹脂部材２１が配置されているので、エンジン１２の熱効率が向上する。
【００３９】
また、このようなシリンダブロック１４は、シリンダライナ１９及びその周辺部材を除いて、樹脂成型品で構成することができるので、シリンダライナ１９及びその周辺部材をインサートした従来の簡単な樹脂成形法で形成することができる。そのため製造コストを著しく低減することができる。
特に、基材２０と第１樹脂部材２２との間にウォータジャケット１８を形成することができるので、ウォータジャケット１８の設計自由度が一段と高まる。
【００４０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。なお、以下の他の実施形態において、前記実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４１】
前記実施形態では、基材２０と第１樹脂部材２２との間にウォータジャケット１８を形成したが、基材２０内にウォータジャケット１８を形成することもできる。
この場合、図示しないが、基材本体部２０ａの外側表面と、第１樹脂部材２２とは、上下方向の全体に亘って接合されることとなる。したがって、基材本体部２０ａの外側表面には、全体的に表面粗化処理が施されることとなる。
【００４２】
また、前記実施形態では、第１樹脂部材２２は熱硬化性樹脂のみで形成されているが、本発明では、第１樹脂部材２２に充填剤を含めることができる。この充填剤としては、例えば、短炭素繊維、その他無機充填剤が挙げられる。充填剤は、第１樹脂部材２２の耐熱性を向上させることができる。
【００４３】
また、前記実施形態では、シリンダブロック１４を例にとって移動体用構造部材について説明したが、本発明は他の車両用構造部材についても適用することができる。
図３は、参考例としての移動体用構造部材を備えるモータユニット３０を示す斜視図である。
【００４４】
図３に示すように、モータユニット３０は、電気自動車（ＥＶ）用のものであり、同軸型の駆動モータ３１と、ギアボックス３２とを備えている。図３中、符号３３は、モータユニット３０を車体側に取り付けるフレームである。
駆動モータ３１は、モータハウジング３４内に、図示しないステータと、ロータと、ドライブシャフトを内装するロータシャフトとを備えている。
ギアボックス３２内には、図示しないディファレンシャルギヤと、ファイナルギアと、カウンターギアとを備えている。
【００４５】
図４は、図３のモータユニット３０を構成するモータハウジング３４の断面図である。
図４に示すように、移動体用構造部材としてのモータハウジング３４は、アルミニウム合金からなる基材２０と、この基材２０の表面に第１樹脂部材２２が積層され、この第１樹脂部材２２の表面に第２樹脂部材２３が積層されている。
これら基材２０、第１樹脂部材２２、及び第２樹脂部材２３は、前記実施形態のシリンダブロック１４（図２参照）における基材２０（図２参照）、第１樹脂部材２２（図２参照）、及び第２樹脂部材２３（図２参照）と同様のものを使用することができる。
このようなモータハウジング３４によれば、十分な強度を発揮することができるとともに、モータハウジング３４の軽量化を図ることができる。
【００４６】
また、移動体用構造部材は、前記のシリンダブロック１４やモータハウジング３４に限定されずに、車両のサスペンションなどの足回りの部材、車体フレームなどにも使用することもできる。
また、前記実施形態では、第２樹脂部材２３が最外層を構成するもの（移動体用構造部材）を想定しているが、本発明は第２樹脂部材２３上にさらに他の層を形成する第３部材を有する構成とすることもできる。この第３部材としては、例えば金属部材、前記樹脂部材２１とは異なる他の材料からなる樹脂部材（例えば、熱可塑性樹脂からなる樹脂部材）などが挙げられる。
また、移動体用構造部材は、前記の車両用のものに限定されずに、船舶や航空機などに使用される構造部材にも適用することができる。
【実施例】
【００４７】
以下では、本発明の移動体用構造部材における樹脂部材２１（図２参照）について行った強度試験について説明する。ここでの樹脂部材２１は、フェノール樹脂をマトリックスとし、一方向に配向する炭素繊維を含む、一層からなるものを想定している。そして、フェノール樹脂に対する炭素繊維の体積含有率が０〜１００％のものについてシミュレーション試験を行って、それらの弾性率［ＧＰａ］及び引張強度［ＭＰａ］を求めた。
【００４８】
図５は、シリンダブロック１４に使用される樹脂部材２１における炭素繊維の体積含有率［％］と、弾性率［ＧＰａ］との関係を表すグラフである。
図６は、シリンダブロック１４に使用される樹脂部材２１における炭素繊維の体積含有率［％］と、引張強度［ＭＰａ］との関係を表すグラフである。
【００４９】
なお、図５及び図６には、炭素繊維をガラス繊維に置き換えたものを参考例とし、この参考例における炭素繊維の体積含有率［％］に対する弾性率［ＧＰａ］及び引張強度［ＭＰａ］の変化を一点鎖線にて併記している。
図５中、「ＡＬ  ７０ＧＰａ」で示す破線は、アルミニウム合金（ＡＤＣ１２）の弾性率である７０ＧＰａを示す基準線である。また、図６中、「ＡＬ  ２４５ＭＰａ」で示す破線は、アルミニウム合金（ＡＤＣ１２）の引張強度である２４５ＭＰａを示す基準線である。
【００５０】
図５に示すように、炭素繊維の体積含有率が２５％以上の樹脂部材２１における弾性率は、アルミニウム合金（ＡＤＣ１２）の弾性率以上となっている。
また、図６に示すように、炭素繊維の体積含有率が２５％以上の樹脂部材２１における引張強度は、アルミニウム合金（ＡＤＣ１２）の引張強度を超えている。
ちなみに、ガラス繊維を含む参考例では、弾性率と引張強度との両方で炭素繊維を含む実施例のものを下回っている。
【００５１】
以上のことから、炭素繊維の体積含有率が２５％以上の樹脂部材２１を有する移動体用構造部材は、アルミニウム合金（ＡＤＣ１２）の弾性率以上の弾性率を示し、アルミニウム合金（ＡＤＣ１２）の引張強度を超える引張強度を示すことが検証された。
また、前記のように、シリンダブロック１４及びモータハウジング３４は、一方向に配向する炭素繊維を有するプリプレグを複数層有するものや、炭素繊維クロス（織布）を含むプリプレグを使用した樹脂部材２１を想定している。したがって、これらはより確実にアルミニウム合金（ＡＤＣ１２）よりも高い強度を示すこととなる。
【符号の説明】
【００５２】
１１    クランクケース
１２    エンジン
１３    クランクシャフト
１４    シリンダブロック
１４ａ  シリンダボア
１５    ボルト
１６    ピストン
１８    ウォータジャケット
１９    シリンダライナ
２０    基材
２０ａ  基材本体部
２０ｂ  フランジ部
２１    樹脂部材
２２    第１樹脂部材
２２ａ  離間部
２２ｂ  接合部
２３    第２樹脂部材
２４    略円筒部材
３０    モータユニット
３１    駆動モータ
３２    ギアボックス
３４    モータハウジング
【図１】
0006463667.tif 000002
【図２】
0006463667.tif 000003
【図３】
0006463667.tif 000004
【図４】
0006463667.tif 000005
【図５】
0006463667.tif 000006
【図６】
0006463667.tif 000007