(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
引抜き法により薄肉太径に成形された繊維強化樹脂パイプにおいて、その長手方向に繊維束が引き揃えられると共に、外面表層および内面表層の両面に、パイプ周方向の引張歪みを抑制する周方向強化繊維布を設けた繊維強化樹脂パイプであって、前記周方向強化繊維布の目付けを１００ｇ／ｍ2以上で６００ｇ／ｍ2以下とし、周方向に縮径可能な長手方向のスリットを有し、金属パイプに内挿可能としたことを特徴とする繊維強化樹脂パイプ。
【請求項２】
前記周方向強化繊維布を構成する繊維がガラス繊維であることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂パイプ。
【請求項３】
金属製継手要素と金属パイプを接合した動力伝達シャフトにおいて、請求項１又は２に記載の繊維強化樹脂パイプが内挿されたことを特徴とする動力伝達シャフト。
【請求項４】
前記繊維強化樹脂パイプが自然状態で外周の０．０１％以上で４０％以下の幅のスリットを有することを特徴とする請求項３に記載の動力伝達シャフト。
【請求項５】
前記スリットが繊維強化樹脂パイプの軸方向を基準にして±３０°以内のバイアス角を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の動力伝達シャフト。
【請求項６】
前記繊維強化樹脂パイプの外径をＤ1、前記金属パイプの内径をＤ2としたとき、Ｄ1／Ｄ2の値が１より大きく、かつ、１．３以下である請求項３乃至５のいずれかに記載の動力伝達シャフト。
【請求項７】
前記繊維強化樹脂パイプが内挿された金属パイプの外周部を塑性加工により縮径させて繊維強化樹脂パイプと金属パイプを固定したことを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の動力伝達シャフト。
【請求項８】
前記繊維強化樹脂パイプと金属パイプを接着剤により固定したことを特徴とする請求項３乃至７のいずれかに記載の動力伝達シャフト。
【請求項９】
前記繊維強化樹脂パイプの外周部に接着剤だまりを形成する部位を設けたことを特徴とする請求項８に記載の動力伝達シャフト。
【請求項１０】
前記金属パイプの内周部に接着剤だまりを形成する部位を設けたことを特徴とする請求項８又は９に記載の動力伝達シャフト。
【請求項１１】
前記金属パイプの長さをＰＬ、前記繊維強化樹脂パイプの長さをＦＬとしたとき、ＦＬ／ＰＬの値が０．１以上で１．０以下であることを特徴とする請求項３乃至１０のいずれかに記載の動力伝達シャフト。
【請求項１２】
前記金属パイプの肉厚をｔ1、前記繊維強化樹脂パイプの肉厚をｔ2としたとき、ｔ2／ｔ1の値が０．０１以上で１０以下であることを特徴とする請求項３乃至１１のいずれかに記載の動力伝達シャフト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は繊維強化樹脂パイプ及びこれを用いた動力伝達シャフトに関し、例えば、自動車の動力伝達系の一部を構成するプロペラシャフト（推進軸）やドライブシャフト（駆動軸）に使用される繊維強化樹脂パイプ及びこれを用いた動力伝達シャフトに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の動力伝達系を構成するシャフトには、変速機から減速歯車装置に動力を伝達するプロペラシャフトや、エンジンとハブジョイントを繋ぐドライブシャフトがあり、いずれも軸端部にユニバーサルジョイント（自在継手）を設けて変速機と減速歯車装置またはエンジンとハブジョイントの相対位置の変化による長さと角度の変動に対応できる構造を有する。
【０００３】
図８に動力伝達シャフトの一例としてプロペラシャフト１の全体概観を示す。このプロペラシャフト１は、中間軸２の両端に金属製の継手要素の一種であるスタブシャフト３，４を接合した構造を有する。スタブシャフト３，４は等速ジョイント５，６の継手内輪とスプライン又はセレーションにより嵌合されている。図９は動力伝達シャフトの他例としてドライブシャフトの中間軸を示す。同図（ａ）はダイナミックダンパーなしの中間軸７、同図（ｂ）は振動対策用にダイナミックダンパー９を取り付けた中間軸８を例示している。これらプロペラシャフト１の中間軸２やドライブシャフトの中間軸７、８には中空または中実の鋼製シャフトを使用するのが一般的であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの動力伝達シャフトを構成する等速ジョイント間の中間軸は、曲げ剛性の観点から長軸になると、その中間部分にサポート用軸受や振動対策用ダイナミックダンパーなどを取り付ける必要があり、重量、コスト面からの改善が要求され、長軸化を困難なものにしていた。
【０００５】
この改善点に鑑みて、曲げ剛性の強い繊維強化樹脂製の中空パイプ（以下、ＦＲＰパイプと称す）を金属パイプと併用することで中間軸の曲げ剛性を向上させ、中間部分のサポート用軸受や振動対策用ダイナミックダンパーを省略して軽量化、コスト低減を図り、長軸化を実現することが発案されている。
【０００６】
前述したＦＲＰパイプは、例えば引抜き法により薄肉太径に成形することが可能である。引抜き法は、複数の繊維束を長手方向に引き揃えながら連続的に硬化させて断面一様なパイプ状成形体を効率よく製造することができる成形方法である。この引抜き法により得られたＦＲＰパイプを金属パイプと併用する形態として、ＦＲＰパイプを機械的な圧入により金属パイプに内挿する手法が一般的である。
【０００７】
つまり、ＦＲＰパイプを金属パイプに内挿した後、金属パイプの外周部を塑性加工により縮径させてＦＲＰパイプと金属パイプを固定することや、金属パイプとＦＲＰパイプとの間隙に接着剤を注入して固定する手段が考えられる。しかしながら、ＦＲＰパイプの外径と金属パイプの内径のそれぞれに寸法公差があるため、単純な円筒状のパイプとした場合、微小な嵌合合わせや圧入力を工程上管理するためにそれぞれの寸法を合わせること（マッチング）が必要となり、組み込み作業が著しく煩雑となる。
【０００８】
これに対して、軸方向にスリットを有するＦＲＰパイプを用いれば、前述したような微小な嵌合合わせが不要となり、かつ、圧入力も小さくて済む。すなわち、金属パイプの内側にＦＲＰパイプを組み込む際に、前記ＦＲＰパイプを周方向に縮径させれば、スリット幅分の弾性変形が可能であり、スリットなしの円筒状パイプを圧入する場合と比較して圧倒的に組み込み作業が容易となる。
【０００９】
さらに、スリット入りＦＲＰパイプの外径を金属パイプの内径よりも大きく成形し、スリット幅分だけ周方向に弾性変形させたときの見かけ上の外径が金属パイプの内径よりも小さくしておけば、組み込み後に金属パイプ内でＦＲＰパイプが成形時の外径まで戻ろうして拡径することになり、この弾性復元力がＦＲＰパイプの金属パイプへの押し付け力となってＦＲＰパイプを金属パイプに強固に固定することができる。
【００１０】
ところが、ＦＲＰパイプを金属パイプに内挿するに際して、ＦＲＰパイプに亀裂やクラックが発生して実用上の性能を発揮できない程度に破損が生じるようでは、前述した各種の手法の有効性自体が損なわれてしまい、動力伝達シャフトとして用いることが困難となる。
【００１１】
引抜き法によりＦＲＰパイプを成形する場合、そのＦＲＰパイプに使用する繊維の機械的特性を最も効率よく発揮させるためには、全ての繊維束の配列をパイプ長手方向に合わせるように引き揃えるのが一般的である。しかしながら、引抜き法により薄肉太径に成形されたＦＲＰパイプは、周方向からの押し潰し力に弱く、縦割れやクラックが生じ易いという問題が顕著になってくる。
【００１２】
さらに、スリット入りＦＲＰパイプをスリット幅分の弾性変形により縮径させたとき、パイプ中心点に対してスリット反対側のパイプ外表面に最大の引張応力が周方向に発生する。この引張応力はＦＲＰパイプのスリット幅が大きいほど、それに比例して大きくなるため、亀裂が発生する可能性が増大することになる。特に、パイプ長手方向に引き揃えられた補強繊維を使用した場合には、外力による応力以外にも、熱膨張または熱圧縮により発生する応力でもって縦割れやクラックが生じ易いという問題が起こり易くなる。
【００１３】
そこで、本発明は前記問題点に鑑みて提案されたもので、引抜き法により薄肉太径に成形されたＦＲＰパイプを周方向に縮径させて金属パイプに内挿するに際して、ＦＲＰパイプの破損がなく実用上の性能を十分に発揮させることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための技術的手段として、引抜き法により薄肉太径に成形された繊維強化樹脂パイプにおいて、その長手方向に繊維束が引き揃えられると共に、外面表層および内面表層の両面に、パイプ周方向の引張歪みを抑制する周方向強化繊維布を設けた繊維強化樹脂パイプであって、周方向強化繊維布の目付けを１００ｇ／ｍ2以上で６００ｇ／ｍ2以下とし、周方向に縮径可能な長手方向のスリットを有し、金属パイプに内挿可能としたことを特徴とする。この発明では、パイプ長手方向に繊維束が引き揃えられていることにより、ＦＲＰパイプに使用する繊維の機械的特性を最も効率よく発揮させることができると共に、ＦＲＰパイプの外面表層および内面表層の両面に周方向強化繊維布を設けたことにより、パイプ周方向の引張歪みを抑制することができる。
【００１５】
さらに、ＦＲＰパイプを金属パイプの内側に組み込む際に、前記ＦＲＰパイプを周方向に縮径させれば、スリット幅分の弾性変形が可能であり、スリットなしの円筒状パイプを圧入する場合と比較して圧倒的に組み込み作業が容易となる。
【００１６】
ＦＲＰパイプの繊維束を構成する繊維の引張弾性率が１９６ＧＰａ以上であれば、ＦＲＰパイプの曲げの一次共振周波数を高めることができる。このような引張弾性率を有する繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維が好適である。
【００１７】
ＦＲＰパイプの周方向強化繊維布を構成する繊維の引張弾性率が５８．８ＧＰａ以上であることにより、パイプ周方向に発生する引張歪みを抑制することが容易となる。
【００１８】
ＦＲＰパイプの周方向強化繊維布の目付けが１００ｇ／ｍ２以上で６００ｇ／ｍ２以下としたことにより、引抜き法によりＦＲＰパイプを連続的に成形することが容易となる。ここで、目付けとは、単位面積当たりの重量を意味する。
【００１９】
ＦＲＰパイプの周方向強化繊維布の肉厚が０．０５ｍｍ以上で１．０ｍｍ以下としたことにより、引抜き法によりＦＲＰパイプを連続的に成形することが容易となる。
【００２０】
ＦＲＰパイプの周方向強化繊維布を構成する繊維としては、ガラス繊維、あるいは、ＰＡＮ系炭素繊維が好適である。
【００２１】
金属製継手要素と金属パイプを接合した動力伝達シャフトにおいて、上記ＦＲＰパイプが内挿されたことを特徴とする。この発明では、曲げ剛性の強いＦＲＰパイプを金属パイプの内側に介在させることにより、動力伝達シャフトの曲げ剛性を向上させ、中間部分のサポート用軸受や振動対策用ダイナミックダンパーを省略できることで軽量化、コスト低減を図り、長軸化を実現する。
【００２２】
ＦＲＰパイプが２０層以下の積層構造を有することから、その成形時の段取り作業が煩雑となることがなく、ＦＲＰパイプの量産性向上が図れる。
【００２３】
ＦＲＰパイプが自然状態で外周の０．０１％以上で４０％以下の幅のスリットを有することから、ＦＲＰパイプ外径と金属パイプ内径の微小な嵌合合わせや圧入力を工程上管理するためのマッチングが不要で、動力伝達シャフトの高速回転時においても良好なバランス状態を確保することができる。
【００２４】
ＦＲＰパイプの軸方向を基準にして±３０°以内のバイアス角を有することにより、動力伝達シャフトの曲げ剛性向上を確保することができる。
【００２５】
ＦＲＰパイプの外径をＤ１、金属パイプの内径をＤ２としたとき、Ｄ１／Ｄ２の値が１より大きく、かつ、１．３以下であることにより、ＦＲＰパイプの外径を金属パイプの内径よりも大きく成形し、スリット幅分だけ周方向に弾性変形させたときの見かけ上の外径を金属パイプの内径よりも小さくして、組み込み後に金属パイプ内でＦＲＰパイプが成形時の外径まで戻ろうして拡径することによって、ＦＲＰパイプを金属パイプに強固に固定することができる。
【００２６】
ＦＲＰパイプと金属パイプとの固定は、ＦＲＰパイプが内挿された金属パイプの外周部を塑性加工により縮径させたり、あるいは、接着剤を用いることが可能である。後者の接着剤を用いる場合、接着剤だまりを形成する部位を、ＦＲＰパイプの外周部に設けるか、あるいは、金属パイプの内周部のみまたはＦＲＰパイプの外周部と金属パイプ内周部の両方に設けてもよい。これにより、組み込み後にＦＲＰパイプの外径と金属パイプの内径間に接着層を確実に形成することが可能となる。
【００２７】
金属パイプの長さをＰＬ、繊維強化樹脂パイプの長さをＦＬとしたとき、ＦＬ／ＰＬの値が０．１以上で１．０以下であることにより、動力伝達シャフトの曲げ剛性を確保することができる。
【００２８】
金属パイプの肉厚をｔ１、繊維強化樹脂パイプの肉厚をｔ２としたとき、ｔ２／ｔ１の値が０．０１以上で１０以下であることにより、動力伝達シャフトの曲げの固有振動数を満足する曲げ剛性を確保することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を以下に詳述する。この実施形態では、図１（ａ）に示す金属パイプ１１と図１（ｂ）に示すＦＲＰパイプ１２とを併用し、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように引抜き法により薄肉太径に成形されたＦＲＰパイプ１２を金属パイプ１１に内挿することにより動力伝達シャフトの中間軸２，７，８（図８及び図９参照）として使用される。このように曲げ剛性の強いＦＲＰパイプ１２を金属パイプ１１の内側に介在させることにより、動力伝達シャフトの曲げ剛性を向上させ、中間部分のサポート用軸受や振動対策用ダイナミックダンパーを省略できることで軽量化、コスト低減を図り、長軸化を実現する。
【００３０】
また、金属パイプ１１の内側にＦＲＰパイプ１２を内挿させた動力伝達シャフトを形成することで、シャフト端部の継手要素との接合部位が金属であるため、大きなせん断が生じても十分な耐久強度をもって動力伝達が可能である。つまり、金属パイプ１１と金属製継手要素との溶接または摩擦圧接のような信頼性のある完全な接合法を採用することができるため、周方向のすべりや軸方向の抜け出しの不具合は全く生じず、接合部の長期の信頼性を得ることができる。
【００３１】
さらに、金属パイプ１１に内挿するＦＲＰパイプ１２の繊維配向角を金属パイプ１１の軸方向に対し０°および±４５°のＦＲＰ層を組み合わせて積層することもでき、これにより曲げ剛性やねじり剛性の制御ができる点で望ましい。金属パイプ１１に内挿するＦＲＰパイプ１２の長さ、金属パイプ１１とＦＲＰパイプ１２の肉厚比、使用する繊維の弾性率などで、曲げ、ねじり剛性ならびに耐座屈性を制御するようにしてもよい。
【００３２】
ＦＲＰパイプ１２と金属パイプ１１との固定は、図２（ｃ）に示すようにＦＲＰパイプ１２を金属パイプ１１の内側に組み込んだ後、例えば絞り加工により、金属パイプ１１に塑性変形を与えて縮径させることによってＦＲＰパイプ１２を固定する（図中、縮径部分を符号１３で示す）。
【００３３】
また、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように軸方向にスリット１４を形成したＦＲＰパイプ１２ａを使用することも可能である。このように軸方向にスリツト１４を形成しておけば、ＦＲＰパイプ１２ａを縮径させて金属パイプ１１の内側に組み込む場合、周方向でスリット幅Ｗ分の弾性変形が容易であるため〔図３（ｄ）（ｅ）参照〕、スリットなしの単純なＦＲＰパイプを圧入する場合に比べ、圧倒的に組み込み工程が容易になる。つまり、ＦＲＰパイプ外径および金属パイプ内径それぞれに寸法公差があるため、単純な円筒パイプ形状では圧入力を工程上管理するためにそれぞれの寸法をマッチングさせる必要があるのに対して、スリット１４を有するＦＲＰパイプ１２ａを組み込む場合はこのようなマッチングが不要になり、かつ、圧入力も小さくてすむ。
【００３４】
スリット幅Ｗは自然状態でＦＲＰパイプ外周の０．０１％以上４０％以下に設定するのが好ましい。スリット幅ＷがＦＲＰパイプ外周の０．０１％より小さいと、周方向に弾性変形させてもマツチングが必要になる場合がある。逆に、スリット幅ＷがＦＲＰパイプ外周の４０％よりも大きいと、回転時のアンバランス量が大きくなり、高速回転時に振れ回りなどの問題が発生する場合がある。スリット１４の断面形状については制限されないが、引抜き法による成形時に連続的に形成できるものであればより好都合であることは言うまでもない。また、スリット１４は、円筒状のＦＲＰパイプ１２を成形しておいて後加工で削つて形成してもよい。
【００３５】
引抜き法による成形時にスリットを連続的に形成する場合、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように軸方向に対してバイアス角θをつけたスリット１４ａをＦＲＰパイプ１２ｂに形成することができる。この場合、バイアス角θは±３０°以内とするのが好ましい。スリット１４ａのバイアス角θが３０°を超えると、トウの配向はその方向に倣うために、弾性率の大きな繊維を用いてもＦＲＰパイプ組込み後の動力伝達シャフトの曲げ剛性向上を図ることが困難となる。
【００３６】
スリット１４を有するＦＲＰパイプ１２の外径を金属パイプ１１の内径より大きく成形し、スリット幅Ｗ分だけ周方向に弾性変形（縮径）させたときの見かけ外径が金属パイプ１１の内径より小さくなるようにしてもよい。この場合、スリット１４を有するＦＲＰパイプ１２の外径をＤ1〔図３（ｄ）参照〕、金属パイプ１１の内径をＤ2〔図１（ａ）参照〕としたとき、Ｄ1／Ｄ2の値が１より大きく１．３以下にあることが望ましい。Ｄ1／Ｄ2の値が１以下ではスリット１４を有するＦＲＰパイプ１２の外径は金属パイプ１１の内径より大きくならず、すきまを生じてしまう。逆に、Ｄ1／Ｄ2の値が１．３より大きいと縮径時の変形は弾性変形域を超える場合があり、割れなどの不具合を生ずる場合がある。組込み後は金属パイプ１１内でＦＲＰパイプ１２が成形時の外径まで戻ろうとして張っていることになり、この力が金属パイプ１１の内径とＦＲＰパイプ１２の外径間での押し付け力となって金属パイプ１１内でＦＲＰパイプ１２を固定させようとする。金属パイプ１１の絞り加工や接着剤を用いる方法において、この固定力はより都合のよいものとなる。
【００３７】
ＦＲＰパイプ１２は、引抜き法により薄肉太径に成形されるときに、パイプ長手方向に繊維束が引き揃えられると共に、ＦＲＰパイプ１２の外面表層および内面表層に周方向強化繊維布１５を設ける〔図１（ｂ）等参照〕。パイプ長手方向に繊維束が引き揃えられていることにより、ＦＲＰパイプ１２に使用する繊維の機械的特性を最も効率よく発揮させることができると共に、ＦＲＰパイプ１２の外面表層および内面表層に周方向強化繊維布１５を設けたことにより、パイプ周方向の引張歪みを抑制することができる。
【００３８】
これらの繊維を引抜き法により薄肉太径に成形するに際しては、これらの繊維を未硬化のマトリクス樹脂に含浸し、それら複数のトウをオーバーワインディングしながら連続的に硬化させてパイプのような一様断面の成形体を効率良く製造することができる。ＦＲＰパイプ１２はあらかじめシートラップ法によっても成形することができるが、引抜き成形を用いる場合、製造時の材料損失が大幅に削減できるためにコスト的により有利となる場合がある。積層構造を有するＦＲＰパイプ１２を引抜き成形で得る場合、オーバーワインディングによつて成形できるが、その積層数は２０層以内にとどめるのが好ましい。積層数が２０を超える成形体を得ようとすると、その段取り作業が非常に煩雑になり量産性が損なわれるからである。
【００３９】
このＦＲＰパイプ１２を構成する繊維としては、動力伝達シャフトの曲げの一次共振周波数を高めるために、密度が小さく弾性率が高い繊維が望ましい。このような繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維やピッチ系炭素繊維、炭化けい素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、ガラス繊維、パラ系アラミド（たとえばデュポン社製ケブラー）繊維、金属（鋼、アルミ合金、チタン合金、銅、タングステン）繊維等が挙げられる。
【００４０】
ＦＲＰパイプ１２の低コスト化を図るためには、二種以上の繊維を組み合わせることも可能である。比弾性率が大きい繊維が軽量化の効果が大きく、動力伝達シャフトへの使用としては、例えば比強度の点でＰＡＮ系炭素繊維が、比弾性率の点でピッチ系炭素繊維が好適である。しかし、コスト低減化の観点からこれらの炭素繊維同士、あるいは、これらの炭素繊維とガラス繊維のハイブリッドタイプでも可能である。
【００４１】
ＰＡＮ系炭素繊維を使用する場合、その線径は１μｍ以上２０μｍ以下、さらに望ましくは５μｍ以上８μｍ以下がよい。繊維の線径が１μｍ未満の場合、原料となるアクリル繊維のコストが高く、かつ、焼成して炭素繊維に加工する時の制御が難しくなり、繊維の価格が高くなって低コストなシャフトを製作することが困難となる。繊維の線径が２０μｍ以上では高弾性率の繊維を製造することが困難となる。また、ピッチ系炭素繊維を使用する場合、長繊維でかつ高弾性率のメソフェースピッチ系炭素繊維がよい。
【００４２】
ＦＲＰパイプ１２の長手方向に引き揃えられた繊維束を構成する繊維の引張弾性率は１９６ＧＰａ以上であることがよく、好ましくは２４５ＧＰａ以上である。この繊維の引張弾性率が１９６ＧＰａ未満では、ＦＲＰパイプ１２を厚肉にしても外径が一定のため、断面二次モーメントの向上効果が低く、動力伝達シャフトの曲げの一次共振周波数を高くすることが困難となる。
【００４３】
一方、ＦＲＰパイプ１２の外面表層および内面表層に設けた周方向強化繊維布１５を構成する繊維の引張弾性率としては、スリット１４を有するＦＲＰパイプ１２ａを縮径させたとき、パイプ中心点に対してスリット反対側のパイプ表面側に発生する周方向の引張歪みを抑制できることが要求される。そのため、周方向強化繊維布１５を構成する繊維としては、引張弾性率の大きい繊維が望ましく、引張弾性率が５８．８ＧＰａ以上を必要とする。このような繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維やピッチ系炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などが挙げられる。
【００４４】
この周方向強化繊維布１５の形態としては、ランダムチョップドマット、コンティニュアスストランドマット等を使用することが可能である。また、周方向強化繊維布１５の目付けとしては、１００ｇ／ｍ2以上で６００ｇ／ｍ2以下、好ましくは、２００ｇ／ｍ2以上で４００ｇ／ｍ2以下が必要である。また、周方向強化繊維布１５の肉厚は、０．０５ｍｍ以上で１．０ｍｍ以下、好ましくは、０．１ｍｍ以上で０．８ｍｍ以下が必要である。この繊維布１５の目付けが１００ｇ／ｍ2未満、もしくは繊維布１５の肉厚が０．０５ｍｍ未満では引抜き成形するときに張力により破断して連続的な成形が困難となる場合がある。また、繊維布１５の目付けが６００ｇ／ｍ2よりも大きいと引抜き成形時にしわが発生しやすく、繊維布１５の肉厚が１．０ｍｍより大きいと、引抜き成形時に連続的に成形金型の外型側または内型側に入れることが困難となる。
【００４６】
なお、ＦＲＰパイプ１２の内外面表層の周方向強化繊維布１５に代えて、ガラス繊維などの補強繊維を、引抜き成形と同時または引抜き成形後に長手方向に対してある角度でもってフィラメントワインディングすることも可能である。しかし、引抜き成形と同時にフィラメントワインディングを併用することは、特別の装置が必要であり、生産性が悪いことから、前記周方向強化繊維布１５を用いる方が優れていることは言うまでもない。
【００４７】
金属パイプ１１とＦＲＰパイプ１２の固定には接着剤を使用することも可能である。単純な円筒パイプ同士の圧入の場合、ＦＲＰパイプ圧入時に接着剤が取り除かれて金属パイプ１１の内径とＦＲＰパイプ１２の外径間で接着層が形成されないことがある。この問題を改善するため、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように組込み後に金属パイプ１１とＦＲＰパイプ１５の間で接着剤だまりを形成する軸方向溝１６をＦＲＰパイプ１２の外周に設けておく。そのような接着剤だまり形成部位の他の形態としては、周方向溝１６ａ〔図６（ａ）参照〕、凹部１６ｂ〔図６（ｂ）参照〕等が挙げられる。また、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように組込み後に接着剤だまりを形成するような周方向溝１６ｃを金属パイプ１１ａの内径面に塑性加工により予め形成しておいてもよい。
【００４８】
使用する接着剤は一般的に金属とＦＲＰを接着できるものであれば何ら制限されない。たとえば、株式会社高分子刊行発行、「接着の科学と実際」や、株式会社技術評論社発行、「高性能を生む接着剤選び」に記載される金属―ＦＲＰ用接着剤はすべて使用できるが、より望ましい接着剤としては、溶液タイプのエポキシ系接着剤にアルミ粉もしくは酸化鉄粉を含有し、スポット溶接に代表される抵抗溶接を可能にした構造用接着剤がある。後工程でシャフトのバランス修正を行う時、この溶接可能な接着剤を使用していれば問題なくパランスピースを溶接できるからである。接着剤の硬化過程には、金属パイプ外周部に施す焼付け塗装時の熱を利用することができる。
【００４９】
ＦＲＰパイプ１２のマトリクスとして使用する熱硬化性樹脂は、特に制限されるものではない。一般に熱硬化性を示すエポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビスフェノールＡタイプ又はノボラックタイプのビニルエステル樹脂、ウレタン樹脂、アルキッド樹脂、キシレン樹脂、メラミン樹脂、フラン樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂等が使用できるが、強度上からエポキシ樹脂やビニルエステル樹脂が好適である。
【００５０】
マトリクスにエポキシ樹脂を用いる場合、エポキシ硬化後の耐熱性はガラス転位点で６０℃以上、好ましくは８０℃以上がよい。自動車の動力伝達軸として使用される場合、雰囲気温度は６０℃程度になるため、エポキシ硬化後の耐熱性が６０℃未満では破損などの重大な問題を起こすことがあり、マトリクスに使用できない。
【００５１】
また、エポキシ樹脂中にゴム粒子を介在させ海島構造を形成して耐衝撃性を付与した改質エポキシ樹脂や、主鎖または側鎖を化学構造的に変成した変成エポキシ樹脂を用いることもできる。この場合、得られた動力伝達シャフト構造体に減衰性を付与することができる。また、エポキシ樹脂中に導電性のカーボンブラックのような充填材や金属粉を分散させて導電性を付与したエポキシ樹脂を用いることもできる。
【００５２】
マトリクスにビニルエステル樹脂を用いる場合、硬化後ガラス転位点は６０℃以上、好ましくは７０℃以上がよい。自動車の動力伝達軸として使用される場合、雰囲気温度は６０℃程度になるため、硬化後ガラス転位点は６０℃未満では弾性率の低下などによりＦＲＰパイプ１２の曲げ剛性が低下する場合がある。また、マトリクスにビニルエステル樹脂を用いて引抜き成形により内挿するＦＲＰパイプ１２を製造しようとする場合、内部離型剤などを含有させることで成形性の向上を図ることも可能である。
【００５３】
使用する強化繊維表面をオゾン酸化処理や紫外線の照射で表面活性化したり、シランカップリング剤またはチタンカップリング剤などで湿式処理を行って親和性を向上させたり、反応性の高い官能基サイトを繊維表面に形成し、熱硬化性マトリクス樹脂との硬化後化学結合を有する強固な接着を付与することで、マトリクスと繊維間の界面強度を向上させることもできる。
【００５４】
金属パイプ１１の金属種は、穴あけ加工などの機械加工、溶接加工、摩擦圧接加工または圧入加工ができる金属であれば特に制限されないが、好ましいものは、鉄・アルミ・銅・チタン・タングステン・ニッケルなどが挙げられる。また、これらのいずれの金属の合金でもよい。
【００５５】
金属パイプ１１とＦＲＰパイプ１２で構成される動力伝達シャフトの寸法諸元は、動力伝達シャフトに要求される曲げの固有振動数で決められる。つまり、金属パイプ１１のみで要求される曲げの固有振動数を満足しようとすると大径になり、かつ、重量は重くなる場合、たとえば金属パイプ１１の肉厚を要求される静ねじり強度のみを満足するように設計しておき、この金属パイプ１１の外周部に要求される曲げの固有振動数を満足するように弾性率の大きいＦＲＰパイプ１２を内挿させることで、最外径寸法は小さくなり、かつ、軽量化できる。
【００５６】
このような金属パイプ１１を構成する寸法諸元は、長さは１００ｍｍ以上６０００ｍｍ、望ましくは２００ｍｍ以上６０００ｍｍ以下がよい。金属パイプ１１の長さが１００ｍｍより短いときは、要求される静ねじり強度を満足するような金属パイプ径ですでに剛性が高くＦＲＰパイプ１２を内挿させる必要はない。金属パイプ１１の長さが６０００ｍｍより長いと、たとえトラック等に使用する場合でも車両への組付け施工が困難になる。
【００５７】
また、金属パイプ１１に内挿するＦＲＰパイプ１２の軸方向の長さは、金属パイプ１１の長さをＰＬ〔図１（ａ）参照〕、ＦＲＰパイプ１２の長さをＦＬ〔図１（ｂ）参照〕としたとき、ＦＬ／ＰＬの値が０．１以上１．０以下がよい。ＦＬ／ＰＬの値が０．１より小さい場合、たとえ比弾性率の大きいＦＲＰパイプ１２を組み付けても要求される曲げ剛性にすることは困難である。ＦＬ／ＰＬの値が１．０より大きい場合、ＦＲＰパイプ１２が金属パイプ１１より長くなる。つまり、得られた動力伝達シャフトの少なくとも一方で金属同士の接合法が採用できないことになり不適である。
【００５８】
金属パイプ１１の肉厚は１ｍｍ以上１０ｍｍ以下がよい。金属パイプ１１の肉厚が１ｍｍより薄いと金属パイプ１１の運搬時やＦＲＰパイプ１２の内挿時に金属パイプ１１を破損する場合がある。また、金属パイプ１１の内径、肉厚を車両用動力伝達シャフトに要求される静ねじり強度のみを満足するように設計することが困難になり、たとえ設計できてもパイプ径が太くなる。金属パイプ１１の肉厚が１０ｍｍより大きい場合、乗用車に使用するシャフトとして重過ぎて軽量化の目的を達成することはできない。金属パイプ１１の外径は１０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下、望ましくは１５ｍｍ以上２３０ｍｍ以下、さらに望ましくは２０ｍｍ以上２００ｍｍ以下がよい。金属パイプ１１の外径が１０ｍｍより小さいと、たとえＦＲＰパイプ１２を内挿しても乗用車に使用する場合のトルク伝達が満足できず、２５０ｍｍより大きいと車両内で他の部品と干渉するなどスペース上の問題が生じる。
【００５９】
また、金属パイプ１１の肉厚をt1〔図１（ａ）参照〕、ＦＲＰパイプ１２の肉厚をt2〔図１（ｂ）参照〕としたとき、t2／t1の値が、０．０１以上１０以下が好適である。ｔ2／t1の値が０．０１より小さい場合、たとえ比弾性率の大きいＦＲＰパイプ１２を組み付けても要求される曲げの固有振動数を満足する曲げ剛性にすることは困難である。ｔ2／t1の値が１０より大きい場合、ＦＲＰパイプ１２の組付けにより曲げ剛性の向上を期待できるものの、使用するＦＲＰ量が相対的に多くなるため製造コストが多大になるなどの問題が生じる。
【００６０】
このようにして得られた動力伝達シャフトは車両用としてねじり強度および接合強度の信頼性を有し、軽くコンパクトであることは言うまでもない。また、外周部が金属表面となるためバランス修正や塗装作業が現行のライン、工程で行うことができる。さらに、実車走行時の耐飛び石性（耐チッピング性）や耐塩水腐食性についても、現行のプロペラシャフトと同等性能になる。特にＦＲＰパイプの製作法において引抜き成形法を採用する場合、シートラップ法に比較してプリプレグシートの巻回工程、シュリンクテープおよびシュリンクテープ巻回工程、プリプレグ硬化工程（熱処理）が省けるため、製造時の材料損失が大幅に削減できるために動力伝達シャフトの製造コスト低減が実現する。
【００６１】
【実施例】
以下、動力伝達シャフトの代表例として自動車のプロペラシャフトに適用した本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。ここで、曲げ剛性の評価方法としてハンマリング法を用い、両端支持で曲げの一次の固有振動数の計測値が１３０Ｈｚ以上であることを合格基準として判定した。
【００６２】
［実施例１］
ＦＲＰパイプ（外径７０ｍｍ、肉厚３ｍｍ）を弾性率２５５ＧＰa のＰＡＮ系炭素繊維トウ「パイロフィルＴＲＨ５０、三菱レイヨン製」と弾性率７２．３ＧＰa のガラス繊維を使用した連続繊維布（コンティニュアスストランドマット）「ＣＳＭ＃３００、旭ファイバーグラス（株）製」にビニルエステル樹脂「８２５０Ｈ、日本ユピカ（株）製」を含浸させながら引抜き成形で製作した。ＦＲＰパイプ１２の内外面表層にガラス繊維布１５を配置し、その間に炭素繊維を軸方向に引き揃えた構成とした。長さ０．８ｍ、幅９ｍｍのスリット加工を行い、ＦＲＰパイプを周方向に弾性変形させて鋼製の金属パイプ（ＳＴＫＭ１３Ｂ材、外径７０ｍｍ、肉厚１．４ｍｍ、長さ０．９ｍ）の中央部まで内挿し、金属パイプ内でスリット加工入りＦＲＰパイプを周方向にスプリングバックで張らせて固定した。その後、両端にスタブシャフトを溶接し、プロペラシャフトの中間軸を製作した。得られた中間軸について、両端支持してハンマリング法を用いて曲げの一次の固有振動数を測定した結果、１４０Ｈｚであった。これは、プロペラシャフトとして十分に実用レベルであった。
【００６３】
［実施例２］
ＦＲＰパイプ（外径７０ｍｍ、肉厚３ｍｍ）を弾性率２５５ＧＰa のＰＡＮ系炭素繊維トウ「パイロフィルＴＲＨ５０、三菱レイヨン（株）製」と弾性率７２．３ＧＰa のガラス繊維を使用した連続繊維布（コンティニュアスストランドマット）「ＣＳＭ＃３００、旭ファイバーグラス（株）製」にビニルエステル樹脂「８２５０Ｈ、日本ユピカ（株）製」を含浸させながら引抜き成形で製作した。ＦＲＰパイプの内外面表層にガラス繊維布を配置し、その間に炭素繊維を軸方向に引き揃えた構成とした。長さ０．８ｍ、幅９ｍｍのスリット加工を行い、ＦＲＰパイプを周方向に弾性変形させて鋼製の金属パイプ（ＳＴＫＭ１３Ｂ材、外径７０ｍｍ、肉厚１．４ｍｍ、長さ０．９ｍ）の中央部まで内挿し、接着剤「ペンギンセメント＃１０８１Ｌ、サンスター技研（株）製」にて接着した。その後、両端にスタブシャフトを溶接し、プロペラシャフトの中間軸を製作した。得られた中間軸について、両端支持してハンマリング法を用いて曲げの一次の固有振動数を測定した結果、１４３Ｈｚであった。これは、プロペラシャフトとして十分に実用レベルであった。
【００６４】
［比較例］
ガラス繊維布を使用しない以外、前記実施例と同様にしてＦＲＰパイプを引抜き成形し、幅９ｍｍのスリット加工を行い、ＦＲＰパイプを周方向に弾性変形させて鋼製の金属パイプに内挿する際、ＦＲＰパイプの表面にクラックが発生し、金属パイプ内で復元せず、金属パイプとの接着ができない状態となった。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、引抜き法により薄肉太径に成形された繊維強化樹脂パイプにおいて、その長手方向に繊維束が引き揃えられると共に、外面表層または内面表層の少なくとも一方に周方向強化繊維布を設けたことにより、周方向からの押し潰し力に対して強固になり、縦割れやクラックが生じ難くなるため、引抜き法により薄肉太径に成形された繊維強化樹脂パイプを周方向に縮径させて金属パイプに内挿するに際して、繊維強化樹脂パイプの破損がなく実用上の性能を十分発揮し得る最適な繊維強化樹脂パイプを提供することができる。
【００６６】
その結果、本発明の動力伝達シャフトは、繊維強化樹脂シャフトと金属製継手要素との接合に、強固かつ長期の使用においても信頼性の高い溶接加工を利用できるため、等速ジョイントを具備した自動車用としても使用でき、かつ、自動車用途のみならず船舶用途、各種産業機械用途および航空機用途などの動力伝達シャフトとして好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は金属パイプを示す斜視図である。
（ｂ）は繊維強化樹脂パイプを示す斜視図である。
【図２】（ａ）は繊維強化樹脂パイプを金属パイプに圧入する過程を示す斜視図である。
（ｂ）は繊維強化樹脂パイプを圧入した金属パイプを示す斜視図である。
（ｃ）は両端部を絞り加工した金属パイプを示す斜視図である。
【図３】（ａ）はスリット入り繊維強化樹脂パイプを示す斜視図である。
（ｂ）はスリット入り繊維強化樹脂パイプを金属パイプに圧入する過程を示す斜視図である。
（ｃ）はスリット入り繊維強化樹脂パイプを圧入した金属パイプを示す斜視図である。
（ｄ）はスリット入り繊維強化樹脂パイプの自然状態を示す端面図である。
（ｅ）はスリット入り繊維強化樹脂パイプの縮径状態を示す端面図である。
【図４】（ａ）はバイアス角付きのスリット入り繊維強化樹脂パイプを示す斜視図である。
（ｂ）はバイアス角付きのスリット入り繊維強化樹脂パイプを金属パイプに圧入する過程を示す斜視図である。
（ｃ）はバイアス角付きのスリット入り繊維強化樹脂パイプを圧入した金属パイプを示す斜視図である。
【図５】（ａ）は軸方向溝付きのスリット入り繊維強化樹脂パイプを示す斜視図である。
（ｂ）は軸方向溝付きのスリット入り繊維強化樹脂パイプを金属パイプに圧入する過程を示す斜視図である。
（ｃ）は軸方向溝付きのスリット入り繊維強化樹脂パイプを圧入した金属パイプを示す斜視図である。
【図６】（ａ）は周方向溝付きのスリット入り繊維強化樹脂パイプを示す斜視図である。
（ｂ）は凹部付きのスリット入り繊維強化樹脂パイプを示す斜視図である。
【図７】（ａ）は内径面に周方向溝を形成した金属パイプを示す斜視図である。
（ｂ）は（ａ）の金属パイプを示す縦断面図である。
（ｃ）は繊維強化樹脂パイプを内挿した金属パイプを示す斜視図である。
（ｄ）は（ｃ）の縦断面図である。
【図８】プロペラシャフトの一例を示す外観図である。
【図９】（ａ）はドライブシャフトの中間軸の一例を示す正面図である。
（ｂ）はドライブシャフトの中間軸の他例を示す正面図である。
【符号の説明】
１１（１１ａ）  金属パイプ
１２（１２ａ〜１２ｅ）  繊維強化樹脂パイプ（ＦＲＰパイプ）
１４（１４ａ）  スリット
１５  周方向強化繊維布
１６（１６ａ〜１６ｃ）  接着剤だまりを形成する部位
θ  バイアス角
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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