(57)【要約】  金属製のカラー（１４）の外周は、カラー（１４）の中心軸（ＣＬ）に対して傾斜するテーパー部（１７）を有する。炭素繊維強化樹脂（以下、「ＣＦＲＰ」と称する）材（１０）における貫通孔（１３）の内周面は、電気的絶縁性を有する接着剤（２０）を介してカラー（１４）のテーパー部（１７）と当接する当接部（２１）を有する。カラー（１４）のテーパー部（１７）およびＣＦＲＰ材（１０）の当接部（２１）の傾斜角度は、温度変化に伴う熱変形によるＣＦＲＰ材（１０）の当接部（２１）表面に垂直な方向の変位とカラー（１４）のテーパー部（１７）表面に垂直な方向の変位とが釣り合う角度と同等の角度に設定される。
2016117062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
締結物である炭素繊維強化樹脂材に表面と裏面とを貫通する貫通孔を形成し、この貫通孔に筒状に形成された金属製のカラーを挿入して装着し、このカラーに被締結物を重ね合わせた状態で前記カラーの内方に締結具を挿入したのち締結具を締め付けることによって、前記炭素繊維強化樹脂材と前記被締結物とを締結する炭素繊維強化樹脂材の締結構造であって、
前記金属製のカラーの外周は、前記カラーの中心軸に対して傾斜するテーパー部を有し、
前記炭素繊維強化樹脂材における前記貫通孔の内周面は、電気的絶縁性を有する接着剤を介して前記カラーのテーパー部と当接する当接部を有し、
前記カラーのテーパー部および前記炭素繊維強化樹脂材の当接部の傾斜角度は、温度変化に伴う熱変形による前記炭素繊維強化樹脂材の当接部表面に垂直な方向の変位と前記カラーのテーパー部表面に垂直な方向の変位とが釣り合う角度と同等の角度に設定される
ことを特徴とする炭素繊維強化樹脂材の締結構造。
【請求項２】
前記カラーにおける前記被締結物側の端部を、前記炭素繊維強化樹脂材の前記表面または裏面のうち前記被締結物に対向した面よりも前記被締結物側に向けて突出させると共に、この突出したカラーの端部に前記被締結物を当接させることにより、前記被締結物を前記炭素繊維強化樹脂材から離間させて配置したことを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維強化樹脂材の締結構造。
【請求項３】
前記カラーのテーパー部および前記炭素繊維強化樹脂材の当接部は、前記カラーの中心軸を通る断面において、前記被締結物側から離れるに従って前記中心軸に直交する径方向の距離が徐々に大きくなる末広がり形状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の炭素繊維強化樹脂材の締結構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維強化樹脂（以下、「ＣＦＲＰ」と称する）材の締結構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、締結具を用いてＣＦＲＰ材と被締結物とを締結するＣＦＲＰ材の締結構造が公知である（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、ボルトおよびナットを用いてＣＦＲＰ材とブラケットとを締結する技術が開示されている。【０００３】
ＣＦＲＰを構成する樹脂はクリープ変形する性質を有するので、高強度のボルトを締結具として使用する場合、金属製のカラーをＣＦＲＰ材に装着して、ボルトの軸力を金属製のカラーで受けるようにすることがある。このようにすることにより、経時的にＣＦＲＰ材を構成する樹脂材にクリープ変形などによる肉痩せが生じてボルトの軸力が低下して、ボルトのゆるみが発生することを抑制することができる。【０００４】
このような締結構造では、液体（例えば、雨水や海水など）がＣＦＲＰ材と金属製のカラーとの間の隙間に浸入し、ＣＦＲＰ材と金属製のカラーとが接触している部分に液体が付着した場合に、金属製のカラーが電食し腐食が発生する可能性がある。このため、例えば、電気的絶縁性を有する接着剤を、金属製のカラ−を装着するＣＦＲＰ材の下穴の内周面に塗布し、ＣＦＲＰ材と金属製のカラーとを電気的に絶縁しておくことが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２９２１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述の締結構造では、金属製のカラーをＣＦＲＰ材に設けた下穴に挿入する際に、カラーの角部によって、接着剤が下穴の外へ掻き出され、金属製のカラーの外周とＣＦＲＰ材に設けた下穴の内周面とが電気的に接触する可能性があるという問題があった。【０００７】
そこで、本発明は、金属製のカラーの外周とＣＦＲＰ材に設けた下穴の内周面とが電気的に接触することを抑制することにより、金属製のカラーの電食を抑制することができるＣＦＲＰ材の締結構造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】
【０００８】
本発明に係るＣＦＲＰ材の締結構造では、金属製のカラーの外周は、カラーの中心軸に対して傾斜するテーパー部を有し、ＣＦＲＰ材における貫通孔の内周面は、電気的絶縁性を有する接着剤を介してカラーのテーパー部と当接する当接部を有する。カラーのテーパー部およびＣＦＲＰ材の当接部の傾斜角度は、温度変化に伴う熱変形によるＣＦＲＰ材の当接部表面に垂直な方向の変位とカラーのテーパー部表面に垂直な方向の変位とが釣り合う角度と同等の角度に設定される。
【発明の効果】
【０００９】
接着剤をＣＦＲＰ材に設けた下穴（貫通孔）の外へ掻き出さずに金属製のカラーを貫通孔に挿入することが可能になり、金属製のカラーの外周とＣＦＲＰ材の貫通孔の内周面とが電気的に接触することを抑制することができる。また、前述のようにテーパー部および当接部の傾斜角度を設定することにより、テーパー部表面と当接部表面との間の垂直間距離は温度が変化しても一定に保たれる。このため、ＣＦＲＰ材と金属製のカラーとの熱膨張差または熱収縮差による変形に起因して接着剤による接着剤層が破損することを抑制することが可能になる。従って、本発明に係るＣＦＲＰ材の締結構造によれば、金属製のカラーの外周とＣＦＲＰ材に設けた下穴の内周面とが電気的に接触することを抑制することにより、金属製のカラーの電食を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るＣＦＲＰ材の締結構造を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係るＣＦＲＰ材の締結構造の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面とともに詳述する。
【００１２】
本発明の実施形態に係るＣＦＲＰ材１０の締結構造を図１および図２に基づいて説明する。
【００１３】
図１に示すＣＦＲＰ材１０は、平板状に形成されているが、ＣＦＲＰ材１０全体が平板状に形成されていなくてもよく、少なくとも被締結物１１との締結部が平板状に形成されていればよい。また、ＣＦＲＰ材１０の図中の上下両面のうち図中上側の面１０ａを便宜的に「表面」と称し、図中下側の面１０ｂを便宜的に「裏面」と称する。これらの「表面」および「裏面」は、ＣＦＲＰ材１０に固定されるカラー１４の向きを特定するものではなく、いずれか一方の面を示すものである。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態に係るＣＦＲＰ材１０の締結構造は、締結物であるＣＦＲＰ材１０と被締結物１１とを締結具（本実施形態では、ボルト１２）を用いて締結するものである。本実施形態に係るＣＦＲＰ材１０の締結構造では、ＣＦＲＰ材１０に表面１０ａと裏面１０ｂとを貫通する貫通孔（下穴）１３を形成し、貫通孔１３に筒状に形成された金属製のカラー（金属カラー）１４を挿入して装着する。そして、カラー１４に被締結物１１を重ね合わせた状態でカラー１４の内方にボルト１２を挿入したのちボルト１２を被締結物１１に設けたボルト孔１５にねじ込むことによって、ＣＦＲＰ材１０と被締結物１１とを締結する。
【００１５】
ＣＦＲＰ材１０は、例えば、フード（ボンネット）、ドアパネル、バンパー、トランクリッド、リアゲート、フェンダパネル、サイドボディパネル、ルーフパネルなど車両用構成部材に適用することができる。また、ＣＦＲＰ材１０は、車両用構成部材に限定されず、各種構成部材に適用することが可能である。
【００１６】
ＣＦＲＰ材１０は、ホットプレス成形法やオートクレーブ成形法など公知の方法を用いて成形することができる。具体的には、例えば、各層ごとに予めマトリックス樹脂を繊維材に含浸させたプリプレグを用意し、このプリプレグを所定形状に裁断したものを所定枚数積層して、加熱プレスやオートクレーブ内で加圧および加熱することでＣＦＲＰ材１０を成形する。また、各繊維材を所定の配向方向で配列した繊維プリフォームを金型に封入し、金型内にマトリックス樹脂を加圧注入する方法（レジントランスファー成形法）でＣＦＲＰ材１０を成形してもよい。
【００１７】
前記マトリックス樹脂は、特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂など公知の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることができる。また、前記繊維材を構成する炭素繊維は、特に限定されず、例えば、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維を用いることができる。
【００１８】
金属製のカラー１４の内周は、ボルト１２を挿通可能なボルト挿通孔１６を有する。また、金属製のカラー１４の外周は、カラー１４の中心軸ＣＬに対して傾斜するテーパー部１７を有する。つまり、カラー１４は、中心軸ＣＬ方向の一方側の端部と他方側の端部とで外径が異なるテーパー形状に設定されている。カラー１４は、全体としては円錐台形状または角錐台形状に形成され、小径側端部に被締結物１１が当接する第１平面部１８が形成されていると共に、大径側端部にボルト１２の頭部が当接する第２平面部１９が形成されている。
【００１９】
一方、ＣＦＲＰ材１０の貫通孔１３の内周面は、電気的絶縁性を有する接着剤２０を介してカラー１４のテーパー部１７と当接する当接部２１を有する。つまり、貫通孔１３は、ＣＦＲＰ材１０の表面１０ａ側の端部と裏面１０ｂ側の端部とで内径が異なるテーパー形状に設定されている。ＣＦＲＰ材１０の当接部２１（貫通孔１３）は、全体としては円錐形状または角錐形状の穴に形成され、ＣＦＲＰ材１０の当接部２１とカラー１４のテーパー部１７との間には、全周に亘って接着剤２０による接着剤層が介在している。
【００２０】
本実施形態に係るＣＦＲＰ材１０の締結構造では、カラー１４における被締結物１１側の端部（小径側端部）を、ＣＦＲＰ材１０の表面１０ａまたは裏面１０ｂのうち被締結物１１に対向した面よりも被締結物１１側に向けて突出させると共に、この突出したカラー１４の端部に被締結物１１を当接させることにより、被締結物１１をＣＦＲＰ材１０から離間させて配置している。つまり、ＣＦＲＰ材１０と被締結物１１との間には、ＣＦＲＰ材１０が厚さ方向に熱膨張した場合にＣＦＲＰ材１０と被締結物１１とが干渉しないように、適度な隙間２２が設けられている。また、カラー１４のテーパー部１７およびＣＦＲＰ材１０の当接部２１は、カラー１４の中心軸ＣＬを通る断面において、被締結物１１側から離れるに従って中心軸ＣＬに直交する径方向の距離が徐々に大きくなる末広がり形状に形成されている。
【００２１】
前記接着剤２０は、電気的絶縁性を有するものであればよく、例えば、エポキシ樹脂系接着剤、ウレタン樹脂系接着剤を用いることができる。また、この接着剤２０は、熱硬化性の接着剤であってもよく、熱可塑性の接着剤であってもよい。
【００２２】
被締結物１１の材質は、特に限定されず、金属材料や樹脂材料などを用いることができる。ボルト１２（締結具）の材質も、特に限定されず、金属材料や樹脂材料などを用いることができる。また、ＣＦＲＰ材１０と被締結物１１とを締結するのに用いる締結具は、ボルト１２に限定されず、例えば、ボルトおよびナットの組み合わせ、ピン、リベット、タッピングボルト、スタッドボルトなどを用いることもできる。
【００２３】
次に、カラー１４のテーパー部１７およびＣＦＲＰ材１０の当接部２１のカラー１４の中心軸ＣＬに対する傾斜角度（テーパー角度）を決定する方法を図２に基づいて説明する。なお、図２では、接着剤２０による接着剤層は、図示の簡略化のために省略されている。
【００２４】
温度変化に伴う熱変形（熱膨張または熱収縮）によるＣＦＲＰ材１０の当接部２１表面に垂直な方向の変位とカラー１４のテーパー部１７表面に垂直な方向の変位とが以下の式（１）に示す関係を満たす場合に、温度が変化しても、テーパー部１７表面と当接部２１表面との間の垂直間距離（接着剤２０による接着剤層の厚さ）が一定に保たれる。
【００２５】
（εｃｔｓｉｎθ+εｃｌｃｏｓθ）ｔ＝εｍｔ  ・・・（１）
式（１）中、εｃｔはＣＦＲＰ材の面直方向（面外方向）の熱膨張率であり、εｃｌはＣＦＲＰ材の面内方向の熱膨張率であり、εｍはカラーの熱膨張率であり、ｔは温度変化であり、θはテーパー部の傾斜角度である。
【００２６】
ここで、「面直方向」および「面外方向」とは、ＣＦＲＰ材１０の表面１０ａまたは裏面１０ｂに垂直な方向をいい、「面内方向」とは、面直方向（面外方向）に対して垂直な方向をいう。
【００２７】
前記の式（１）から、以下の式（２）が導き出される。
【００２８】
εｃｔｓｉｎθ+εｃｌｃｏｓθ＝εｍ  ・・・（２）
この式（２）は、前記の式（１）の両辺を温度変化ｔで除したものである。
【００２９】
カラー１４の熱膨張率εｍは、カラー１４を構成する金属材料の熱膨張率のカタログ値または測定値を用いることができる。また、ＣＦＲＰ材１０の熱膨張率εｃｔ、εｃｌは、ＣＦＲＰ材１０を構成するＣＦＲＰの熱膨張率のカタログ値または測定値を用いることができる。ＣＦＲＰ材１０を構成するＣＦＲＰの面直方向の熱膨張率εｃｔは、有用なカタログ値などがない場合には、ＣＦＲＰ材１０を構成する樹脂材料のカタログ値で代用することができる。
【００３０】
テーパー部１７および当接部２１の傾斜角度を前記の式（１）または（２）を満たす角度θに設定することにより、テーパー部１７表面と当接部２１表面との間の垂直間距離は温度が変化しても一定に保たれる。このため、ＣＦＲＰ材１０と金属製のカラー１４との熱膨張差または熱収縮差による変形に起因して接着剤２０による接着剤層が破損することを抑制することが可能になる。
【００３１】
テーパー部１７の傾斜角度と、当接部２１の傾斜角度とは、互いに等しい角度に設定される。また、テーパー部１７および当接部２１の傾斜角度は、前記の式（１）または（２）を満たす角度θと同等の角度に設定される。
【００３２】
換言すれば、テーパー部１７および当接部２１の傾斜角度は、温度変化に伴う熱変形によるＣＦＲＰ材１０の当接部２１表面に垂直な方向の変位（Ｄ１＋Ｄ２）とカラー１４のテーパー部１７表面に垂直な方向の変位Ｄ３とが釣り合う角度θと同等の角度に設定される。
【００３３】
より好ましくは、テーパー部１７および当接部２１の傾斜角度は、前記の式（１）または（２）を満たす角度θ以下の角度（鋭角）に設定される。このような角度にテーパー部１７および当接部２１の傾斜角度を設定することにより、前記の式（１）または（２）を満たす角度θよりも大きい角度（鈍角）に設定した場合よりもＣＦＲＰ材１０と金属製のカラー１４との温度変化による相対変位が小さくなり、接着剤２０による接着剤層がより破損しにくくなる。
【００３４】
以下に、本実施形態による作用効果を説明する。
【００３５】
（１）本実施形態に係るＣＦＲＰ材１０の締結構造では、金属製のカラー１４の外周は、カラー１４の中心軸ＣＬに対して傾斜するテーパー部１７を有する。ＣＦＲＰ材１０における貫通孔１３の内周面は、電気的絶縁性を有する接着剤２０を介してカラー１４のテーパー部１７と当接する当接部２１を有する。カラー１４のテーパー部１７およびＣＦＲＰ材１０の当接部２１の傾斜角度は、温度変化に伴う熱変形によるＣＦＲＰ材１０の当接部２１表面に垂直な方向の変位とカラー１４のテーパー部１７表面に垂直な方向の変位とが釣り合う角度と同等の角度に設定される。
【００３６】
接着剤２０をＣＦＲＰ材１０に設けた下穴（貫通孔１３）の外へ掻き出さずに金属製のカラー１４を貫通孔１３に挿入することが可能になり、金属製のカラー１４の外周とＣＦＲＰ材１０の貫通孔１３の内周面とが電気的に接触することを抑制することができる。また、前述のようにテーパー部１７および当接部２１の傾斜角度を設定することにより、テーパー部１７表面と当接部２１表面との間の垂直間距離は温度が変化しても一定に保たれる。このため、ＣＦＲＰ材１０と金属製のカラー１４との熱膨張差または熱収縮差による変形に起因して接着剤２０による接着剤層が破損することを抑制することが可能になる。従って、本実施形態に係るＣＦＲＰ材１０の締結構造によれば、金属製のカラー１４の外周とＣＦＲＰ材１０の貫通孔１３の内周面とが電気的に接触することを抑制することにより、金属製のカラー１４の電食を抑制することができる。
【００３７】
（２）カラー１４における被締結物１１側の端部を、ＣＦＲＰ材１０の表面１０ａまたは裏面１０ｂのうち被締結物１１に対向した面よりも被締結物１１側に向けて突出させると共に、この突出したカラー１４の端部に被締結物１１を当接させることにより、被締結物１１をＣＦＲＰ材１０から離間させて配置した。
【００３８】
締結物であるＣＦＲＰ材１０と被締結物１１との間に隙間２２があるので、ＣＦＲＰ材１０が厚さ方向に熱膨張した場合であっても、ＣＦＲＰ材１０と被締結物１１とが干渉することを抑制することができる。
【００３９】
（３）カラー１４のテーパー部１７およびＣＦＲＰ材１０の当接部２１は、カラー１４の中心軸ＣＬを通る断面において、被締結物１１側から離れるに従って中心軸ＣＬに直交する径方向の距離が徐々に大きくなる末広がり形状に形成されている。
【００４０】
例えば接着剤２０による接着強度が低下した場合であっても、金属製のカラー１４が被締結物１１と共にＣＦＲＰ材１０から脱落することを防止することができる。
【００４１】
以上、実施例に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  ＣＦＲＰ材（炭素繊維強化樹脂材）
１１  被締結物
１２  ボルト（締結具）
１３  貫通孔
１４  カラー
１７  テーパー部
２０  接着剤
２１  当接部
【図１】
2016117062.tif 000003
【図２】
2016117062.tif 000004
【国際調査報告】
2016117062.tif 000005
2016117062.tif 000006
2016117062.tif 000007