(57)【要約】【課題】制動部材の軽量化を図ると共に鳴き性能の改善が容易にでき、さらには製造工数を減らすことができる制動部材及び該材料を用いたブレーキロータを提供する。【解決手段】少なくとも摩擦面２１，３１に少なくとも短炭素繊維材又は二次元炭素繊維材を含む摩擦面層２０，３０と、該摩擦面層２１，３１に積層された中間層１０Ａとを少なくとも備えたブレーキロータ１Ａであって、前記ベース層１０Ａは、中空炭素繊維材１１Ａを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも摩擦面に少なくとも短炭素繊維材又は二次元炭素繊維材を含む摩擦面層と、該摩擦面層に積層されたベース層とを少なくとも備えた制動部材であって、
前記ベース層は、中空炭素繊維材を含むことを特徴とする制動部材。
【請求項２】
前記ベース層は、前記中空炭素繊維材を渦巻き状に巻いた層であることを特徴とする請求項１に記載の制動部材。
【請求項３】
前記中空炭素繊維材は、筒状の中空材からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の制動部材。
【請求項４】
前記中空炭素繊維材は、帯材と該帯材の長手方向に沿ってコルゲート状に前記帯材に接合されたコルゲート材とを少なくとも備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の制動部材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の制動部材であって、前記ベース層を挟むように前記摩擦面層が積層された制動部材を備えることを特徴とするブレーキロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維材を含む制動部材及び該部材を用いたブレーキロータに係り、特に、軽量化及びブレーキの鳴き性の低減が要求される制動装置に好適な制動部材及びブレーキロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、車両の制動装置としてディスクブレーキ装置が用いられている。該ディスクブレーキ装置は、車両のシャフトにブレーキロータを連結し、該ブレーキロータの回転を制動することにより、車両を制動するものである。
【０００３】
例えば、前記ディスクブレーキ装置の一例として、図６に示すような油圧式のディスクブレーキ装置６０が挙げられる。該ディスクブレーキ装置６０は、シャフト５０に連結されたディスク状のブレーキロータ６１と、該ブレーキロータ６１の回転を制動させる油圧式のキャリパー６４とを少なくとも備えている。該キャリパー６４には、運転者のブレーキペダル（図示せず）の踏み込みに応じてブレーキロータ６１に向って作動する一対のピストン６５，６５が設けられており、各ピストン６５の先端にはブレーキパッド６６が配置されている。このように構成されたブレーキ装置６０は、運転者のブレーキペダルの踏み込みより一対のピストン６５，６５が移動し、移動したピストン６５，６５がブレーキパッド６６，６６を介して挟み込むようにディスクロータ６１の摩擦面６２を押圧し、その結果、ブレーキロータ６１の回転を制動することができる。
【０００４】
このようなブレーキロータ６１は、車両のシャフト５０に連結されているため、車両の操舵安定性を考慮した場合、より軽い方が望ましい。そこで、ブレーキロータの軽量化を図るため、これまでのブレーキロータの材料として鋳鉄材料を用いる代わりに、二次元炭素繊維材や短炭素繊維材などの炭素繊維材が用いられている。具体的には、図６に示すように、ブレーキロータ６１は、シート状の二次元炭素繊維材６３ａを複数積層したベース層６３と、該ベース層６３の両面に積層され、短炭素繊維材６４ａを摩擦面６２に含む摩擦面層６４とを備えている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−８９３４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に記載のブレーキロータは、ブレーキパッドに押圧されたとき、ブレーキロータ及びブレーキパッドを含むキャリパーが共振して、装置から異音が発生する（ブレーキ装置が鳴く）ことがある。この場合、ブレーキロータの固有振動数を変更すれば、前記共振を抑えることが可能である。しかし、ブレーキロータは、設置箇所に合わせて形状、大きさが制限されるため、前記固有振動数を容易に変更することができず、ブレーキロータの鳴き性能を改善することは難しい。
【０００７】
また、ブレーキロータのベース層は、シート状の二次元炭素繊維材を相互に接着するために、積層時に二次元炭素繊維材をフェノール樹脂等に含浸させている。この結果、ベース層は、ベース層の重量のうちフェノール樹脂の重量の占める割合が高くなり、ブレーキロータの軽量化が充分に図れたとはいえない。
【０００８】
さらに、前記制動部材のベース層は、上述したように二次元炭素繊維材をフェノール樹脂等に含浸させ、該含浸したシート状の二次元炭素繊維材を位置合わせしながら積層する工程を一工程とし、該工程を繰り返すことにより、形成される。例えば、厚さ３０ｍｍのブレーキロータを製造する場合には、前記シート状の二次元炭素繊維を５０枚以上積層させる必要があるため、前記工程を５０回以上行わなければならならず、多大な製造工数が必要となる。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、制動部材の軽量化を図ると共に鳴き性能の改善が容易にでき、さらには製造工数を減らすことができる制動部材及び該部材を用いたブレーキロータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決すべく、本発明に係る制動部材は、少なくとも摩擦面に少なくとも短炭素繊維材又は二次元炭素繊維材を含む摩擦面層と、該摩擦面層に積層されたベース層とを少なくとも備えた制動部材であって、前記ベース層は、中空炭素繊維材を含むことを特徴とする。なお、本発明でいう中空炭素繊維材とは、中空部が形成された三次元構造の炭素繊維材である。
【００１１】
前記のごとく構成された本発明の制動部材は、ベース層に中空炭素繊維材を含むことにより中空部が形成されることになるので、シート状の炭素繊維材を積層して同じ大きさのベース層を形成した制動部材に比べて、その重量は軽量化される。また、中空炭素繊維材の中空部の占める割合を適宜変更してベース層を形成することにより、制動部材の固有振動数を容易に変化させることが可能である。この結果、制動時における制動部材の共振を抑えて、鳴き性能を改善させることができる。さらに、中空炭素繊維材は三次元形状であるので、該中空炭素繊維材を用いてベース層を製作する製造工数は、同じ厚みのベース層をシート状の炭素繊維材を積層して製作する製造工数よりも少なく、製造工数の短縮化が図れる。
【００１２】
本発明に係る制動部材のベース層は、前記中空炭素繊維材を渦巻き状に巻いた層であることがより好ましい。このように、中空炭素繊維材を渦巻き状に巻いた層は、シート状の炭素繊維材を積層した層に比べて、少ない製造工数で形成することができる。
【００１３】
前記中空炭素繊維材は、筒状の中空材からなる炭素繊維材が好ましい。別の態様としては、前記中空炭素繊維材料は、帯材と該帯材の長手方向に沿ってコルゲート状に前記帯材に接合されたコルゲート材とを少なくとも備えた炭素繊維材が好ましい。このような筒状の中空材からなる炭素繊維材、又は、帯材とコルゲート材とを備えた炭素繊維材は製造し易く、ベース層を形成する場合、これらの中空炭素繊維材は渦巻き状に巻き易い。
【００１４】
本発明に係る制動部材は、中間層としてベース層を挟むように摩擦面層が積層されていることが好ましく、該中間層を有した制動部材を、ブレーキロータに備えることが好ましい。ブレーキロータは、ブレーキパッドに比べてベース層の厚みは厚いので、中空炭素繊維材を用いることにより軽量化も図りやすく、固有振動数を容易に変化させることが可能となり、鳴き性能の改善が容易となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る制動部材によれば、部材そのものを軽量化できると共に、部材の固有振動数を変更して鳴き性能の改善を図ることができる。また、従来のシート状の炭素繊維材料を積層して製作するものに比べて、製造工数を減らして短時間で製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、図面を参照して、本発明に係る制動部材を好適に用いたブレーキロータのいくつかの実施形態を説明する。
【００１７】
図１は、第一実施形態に係るブレーキロータ１Ａの分解斜視図を示しており、図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図を示しており、図３は、ブレーキロータ１Ａの中間層を構成する中空炭素繊維材を示している。図１に示すように、ブレーキロータ１Ａは、摩擦面２１，３１に少なくとも短炭素繊維材又は二次元炭素繊維材を含む摩擦面層２０，３０と、該摩擦面層２０及び３０に挟まれて積層された中間層（ベース層）１０Ａとを少なくとも備えており、これらの層は一体化されている。
【００１８】
摩擦面層２０，３０は、上述したように短炭素繊維材または二次元炭素繊維材を含む層である。短炭素繊維材は、繊維径が５〜１０μｍの炭素繊維を数ｍｍ〜１０ｍｍ程度に切断した繊維であり、摩擦面層２０，３０に短炭素繊維材を含む場合には、短炭素繊維、シリカ粉末、及びフェノール樹脂粉末を混合した粉末から、加熱加圧により成形される。摩擦面層２０，３０を構成する粉末材は、短炭素繊維材、シリカ粉末、及び熱硬化性樹脂粉末の配合組成が、短炭素繊維材が２０〜４０Ｖｏｌ％、シリカ粉末１０Ｖｏｌ％程度、熱硬化性樹脂粉末が５０〜７０Ｖｏｌ％程度に設定される。好ましくは、シリカ粉末１０Ｖｏｌ％、短炭素繊維材が３０Ｖｏｌ％、熱硬化性樹脂粉末が６０Ｖｏｌ％に設定される。また、シリカ粉末の代わりに、シリコン粉末を配合してもよい。
【００１９】
一方、二次元炭素繊維材は、炭素繊維材を１方向に沿って並べると共に、この方向と交差する方向に沿って他の炭素繊維材を並べて二次元方向とするものであり、摩擦面層２０，３０に二次元炭素繊維材（例えば炭素繊維織布）を含む場合には、二次元炭素繊維材の繊維径は５〜１０μｍ程度の太さのものが好ましいが、特に限定されるものでない。また、摩擦面層２０，３０は、厚さ０．１〜０．５ｍｍ程度の複数のシート状の炭素繊維織材をフェノール樹脂等の液状の熱硬化性樹脂に含浸させて積層し、加熱すると共に加圧して成形される。尚、炭素繊維材料と、熱硬化性樹脂との配合組成は、炭素繊維材料が２０〜５０Ｖｏｌ％、熱硬化性樹脂が５０〜８０Ｖｏｌ％程度に設定され、好ましくは、炭素繊維材料が３０〜４０Ｖｏｌ％、熱硬化性樹脂が６０〜７０Ｖｏｌ％に設定される。
【００２０】
中間層１０Ａは、中空炭素繊維材１１Ａを含む層であり、中空炭素繊維材１１Ａの壁部１３が隙間無く接触するように渦巻き状に巻いた層である。また、図３に示すように、中空炭素繊維材１１Ａは、中空部１２Ａを有した四角筒状の炭素繊維材であり、織布状からなる二次元炭素繊維材を加工して筒状に成形されたものである。このような筒状の中空炭素繊維材１１Ａは可撓性を有し、図１に示すように中空炭素繊維材を渦巻き状に容易に巻くことができる。また、中空炭素繊維材１１Ａの壁部１３の厚み及び断面の大きさは、ブレーキロータの固有振動数を調整してブレーキロータの鳴き性能を低減することが可能な厚み及び大きさとなっている。
【００２１】
中空炭素繊維材を渦巻き状に巻いた中間層１０Ａを形成するにあたっては、所定の長さに中空炭素繊維材１１Ａを切断後、該中空炭素繊維材１１Ａをフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂に含漬させ、図２に示すように、隣接する壁部１３同士に隙間が生じないように中空炭素繊維材１１Ａを渦巻き状に巻くことが好ましい。このような巻き方をすることにより、中間層１０Ａに中空炭素繊維材１１Ａが緻密に配置され、ブレーキロータ１Ａの強度を確保することができる。尚、本実施形態では、中空炭素繊維材は四角筒状であったが、中空炭素繊維材の形状としては例えば円筒状、又は三角筒状などが挙げられ、内部に中空部を有し、渦巻き状に巻くことができる可撓性を有する中空炭素繊維材であれば特に限定されるものではない。
【００２２】
さらに摩擦面層２０，３０及び中間層１０Ａを積層させて一体成形する方法としては、成形前の摩擦面層２０，３０を材料となる混合粉末及び中間層１０Ａを金型内に入れて加熱加圧してもよく、摩擦面層２０，３０及び中間層１０Ａを個別に製作後、これらの層を接着剤等を介して接着してもよい。
【００２３】
図４は、本発明の第二実施形態に係るブレーキロータ１Ｂの分解斜視図であり、図５は、ブレーキロータ１Ｂの中間層に含まれる中空炭素繊維材を示している。なお、第一実施形態のブレーキロータ１Ａを構成する部分と同じ機能を有する部分は、同じ符号を付して、以下の詳細な説明は省略する。
【００２４】
第二実施形態に係るブレーキロータ１Ｂが、第一実施形態のものと相違する点は、中間層を構成する中空炭素繊維材として、筒状の中空炭素繊維材を用いる代わりにコルゲート状の中空炭素繊維材を用いた点である。
【００２５】
図４に示すように、第二実施形態に係る中間層１０Ｂは、中空部１２Ｂを有した三次元構造のコルゲート状の中空炭素繊維材１１Ｂを含んでいる。具体的には、図５に示すように、コルゲート状の中空炭素繊維材１１Ｂは、帯材１４とコルゲート材１５を備えている。帯材１４及びコルゲート材１５は、二次元炭素繊維材からなり、コルゲート材１５は、帯材１４の長手方向に沿ってコルゲート状となるように帯材１４にフェノール樹脂などの接着剤を用いて接合されている。該接合により、コルゲート材１５の谷部１５ａが帯材１４に接合され、帯材１４とコルゲート材１５との間に中空部１２Ｂを形成されることになる。
【００２６】
このように中空炭素繊維材１１Ｂは、長手方向にコルゲート材１５が帯材１４に接合されており、コルゲート材１５及び帯材１４は二次元炭素繊維材からなるので、中空炭素繊維材１１Ｂは長手方向には可撓性を有し、幅方向には変形し難い構造となる。
【００２７】
この結果、中空炭素繊維材１１Ｂは、長手方向に沿って渦巻き状に巻いた中間層１０Ｂを容易に形成することができる。具体的には、コルゲート状の中空炭素繊維材を渦巻き状に巻いて中間層１０Ｂの形成する場合、まず、所定の長さに中空炭素繊維材１１Ｂを切断後、該中空炭素繊維材１１Ｂをフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂に含漬させる。次に、図４に示すようにコルゲート材１５の山部１５ｂと、コルゲート材１５の谷部１５ａが接合された帯材１４の面の裏面と、を接触させるように渦巻き状に巻きつけて、この状態の中空炭素繊維材１１Ｂを加熱して、フェノール樹脂に含まれる水分を除去する。中空炭素繊維材１１Ｂをこのように巻くことにより、中間層１０Ｂを短時間で形成できる。さらに中空炭素繊維材１１Ｂの変形し難い幅方向が、ブレーキロータ１Ｂの厚み方向に一致するように中空炭素繊維材１１が巻かれるので、たとえ中間層１０Ｂに中空部が形成されていても、より効果的にブレーキロータ１Ｂの厚み方向（ブレーキパッドにより押圧される方向）の強度を確保することができる。
【００２８】
尚、本実施形態では、中空炭素繊維材１１Ｂを渦巻き状に巻いた中間層１０Ｂの内周には、位置合わせのためのリング材１６が設けられているが、位置合わせ等ができるのであれば、特にリング材１６は設けなくてもよい。また、本実施形態では、中空炭素繊維材１１Ｂの山部１５ｂが渦巻きの中心を向くように中空炭素繊維材１１Ｂを巻いたが、山部１５ｂが中心から外側に向くように中空炭素繊維材１１Ｂを巻いてもよい。また、山部１５ｂが中心から外側に向くように中空炭素繊維材１１Ｂを巻いた場合には、前記リング材を中間層１０Ｂの外側に設けてもよい。
【実施例】
【００２９】
（実施例）
第一実施形態に係るブレーキロータとして、摩擦面の寸法が外径３１５ｍｍ、内径１９５ｍｍ、厚さ３０ｍｍのディスク状のロータを製作した。具体的には、まず、長さ４．８ｍ、外径１０ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍからなる、縦及び横の織物密度７．５本／２５ｍｍの四角筒状の中空炭素繊維材を準備した。次に液状のフェノール樹脂に中空炭素繊維材を浸漬し、内径１９５ｍｍ，外径３１５ｍｍとなるように、渦巻き状に中空炭素繊維材を巻き、フェノール樹脂に含まれる水分を加熱により除去した。加熱条件は５０℃で１０時間とした。このようにして、ブレーキロータの中間層（ベース層）となる部材を製作した。
【００３０】
摩擦面層を形成する材料として、５ｍｍ〜１０ｍｍ程度に切断した炭素繊維材、シリカ粉末、及びフェノール樹脂粉末を順次、３０Ｖｏｌ％、１０Ｖｏｌ％、６０Ｖｏｌ％となるように混合機で混合し、粉末材を作製した。
【００３１】
所定の形状をした金型のキャビティ内に、摩擦面層を形成するための粉末材を注入し、次いで中空炭素繊維材を層渦巻き状に巻いた中間層を投入し、さらに、その上に摩擦面層を形成するための粉末材を注入し、１６５℃で加熱すると共に面圧３５ｋｇ／ｃｍ２で加圧して、厚さ７．５ｍｍの摩擦面層と厚さ１５ｍｍの中間層とを一体化し、所定の形状に成形した。最後に摩擦面を研磨してブレーキロータが完成した。
【００３２】
＜重量測定＞
このようにして製造されたブレーキロータの重量を測定した。
＜鳴き性能試験＞
前記ブレーキロータを車両に搭載し、ブレーキパッドを用いてブレーキロータを５００回押圧し、そのうちブレーキロータの鳴った回数をカウントし、鳴き率（鳴った回数／押圧した回数）を算出した。
【００３３】
（比較例）
実施例と同じ大きさのブレーキロータを製作した。実施例と相違する点は、中間層の形成方法である。具体的には、外径３１５ｍｍ、内径１９５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのシート状の二次元炭素繊維材を準備し、フェノール樹脂に含浸した。そして、含浸したシート状の二次元炭素繊維材が位置ずれしないように、１枚ずつ５０枚積層した。その後、フェノール樹脂に含まれる水分を加熱により除去し、実施例１と同様に摩擦面層をさらに形成してブレーキロータを製作した。そして、実施例と同じようにして重量測定、鳴き性能試験を行った。
【００３４】
（結果１）
実施例のブレーキロータの重量は１６００ｇであったが、比較例のブレーキロータの重量は３１７０ｇであった。
【００３５】
（結果２）
実施例のブレーキロータの鳴き率の１０％であったが、比較例のブレーキロータの鳴き率は５０％であった。
【００３６】
（結果３）
比較例では、シート状の二次元炭素繊維材を外径３１５ｍｍに切断後、フェノール樹脂に１枚ずつ浸漬して、位置合わせを行いながら積層して中間層を形成したので、ブレーキロータの製造時間は１時間程度必要であったが、実施例では、筒状の中空炭素繊維材をフェノール樹脂に浸漬後、渦巻き状に巻きつけて中間層を形成したので、ブレーキロータの製造時間は１５分程度であった。
【００３７】
（考察）
結果１に示すように、実施例のように、中空炭素繊維材を用いてブレーキロータを製造した場合には、ブレーキロータの重量は５０％軽量化された。これは、実施例のブレーキロータは、中間層に中空部が形成されたことと、中間層に含まれるフェノール樹脂の量が少なかったことによると考えられる。また、実施例の如く中空炭素繊維材を用いた場合には、ブレーキロータの固有振動数を容易に変更することができるため、ブレーキロータの鳴き性能を容易に改善させることができると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第一実施形態に係るブレーキロータの分解斜視図。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図。
【図３】図１のブレーキロータの中間層を構成する筒状の中空炭素繊維材を示した図。
【図４】本発明の第二実施形態に係るブレーキロータの分解斜視図。
【図５】図４のブレーキロータの中間層を構成するコルゲート状の中空炭素繊維材を示した図。
【図６】従来のブレーキロータを備えたディスクブレーキ装置の全体構成図。
【符号の説明】
【００３９】
１Ａ、１Ｂ：ブレーキロータ（制動部材），１０Ａ，１０Ｂ：中間層（ベース層），１１Ａ，１１Ｂ：中空炭素繊維材，１２Ａ，１２Ｂ：中空部，１３：壁部，１４：帯材，１５：コルゲート材，１５ａ：谷部，１５ｂ：山部，１６：リング材，２０：摩擦面層，２１：摩擦面，３０：摩擦面層，３１：摩擦面
【図１】
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【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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