(57)【要約】【課題】  金型や機械加工を必要とせず、製造工程において剛性を向上させることが可能で、十分な耐スクラッチ性あるいは耐摩耗性を有し、意匠性の向上した高精度の自転車フレーム用部材を生産することができる自転車フレーム用部材の製造方法及び自転車を提供すること。【解決手段】  中空部材８の外周面を選択的にマスキングし、マスキングした部分２２を除く中空部材８の外周面をセラミックスコーティングした。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空部材の外周面を選択的にマスキングし、マスキングした部分を除く前記中空部材の外周面をセラミックスコーティングしたことを特徴とする自転車フレーム用部材の製造方法。
【請求項２】
前記マスキングした部分が前記中空部材の少なくとも一端部であることを特徴とする請求項１に記載の自転車フレーム用部材の製造方法。
【請求項３】
前記中空部材の外周面を選択的にマスキングする前に前記中空部材の少なくとも一端部にバテッド加工を施したことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の自転車フレーム用部材の製造方法。
【請求項４】
前記中空部材の最も薄い部分の肉厚が０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の自転車フレーム用部材の製造方法。
【請求項５】
前記中空部材のうち、他の部材と溶接される部分をマスキングしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の自転車フレーム用部材の製造方法。
【請求項６】
前記中空部材のうち、肉厚が所定値以上の部分をマスキングしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の自転車フレーム用部材の製造方法。
【請求項７】
受注生産による自転車のフレームに使用されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の自転車フレーム用部材の製造方法。
【請求項８】
競技用自転車のフレームに使用されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の自転車フレーム用部材の製造方法。
【請求項９】
自転車のユーザに合わせてフレームの剛性を調整するために使用されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の自転車フレーム用部材の製造方法。
【請求項１０】
前記中空部材がチタン合金製またはチタン製であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の自転車フレーム用部材の製造方法。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の自転車フレーム用部材の製造方法により製造した自転車フレーム用部材を備えたことを特徴とする自転車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自転車フレーム用部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
軽量化及び高剛性が要求される自転車フレーム用の部材として、比較的大きな応力が作用するパイプの継手部分である両端部（または一端部）の肉厚を厚くし、中間部の肉厚を薄くすることで、パイプの軽量化を図りながら、剛性の低下を最小限に抑えて、十分な剛性を確保させるバテッド加工方法は既に知られている。
【０００３】
従来のバテッド加工方法としては、大きく分けて、冷間加工によるものと、酸洗いなどのケミカルミーリング（化学切削）によってパイプの内周を加工するものとの２種類のものがある。
【０００４】
冷間加工としては、図７に示されるロール法による加工方法と、図８に示される引抜法による加工方法がある。
【０００５】
前者の加工方法は、図７（ａ）に示されるように、まず均一な肉厚の素材管５０内に円柱形状の心金５１を挿入し、これらを軸心を中心に回転させた状態で、素材管５０の中間部となる箇所をロール５２により外周部分を側方から押圧して薄肉状に形成し、この後、図７（ｂ）に示されるように、心金５１を抜いた状態で、孔部５３ａの直径Ｄ１が素材管５０の直径Ｄ２よりも小さい（ロール５２で強制的に変形させた素材管５０の細径部分の直径Ｄ３と略等しい）ダイ５３から素材管５０を引き抜くことで、図７（ｂ）において２点鎖線で示されるように、端部が厚肉のパイプ５５を得るものである。
【０００６】
一方、後者の加工方法は、図８に示されるように、肉厚が略一定な素材管６０に、端部が細径となった心金６１を挿入し、この状態で、素材管６０を、孔部６２ａの直径Ｄ４が素材管６０の直径Ｄ５よりも小さいダイ６２から引き抜くことで、端部が厚肉のパイプ６５を得るものである。
【０００７】
このような冷間加工によるバテッド加工方法を用いると、加工後におけるパイプ５５、６５の形状が、肉厚が徐々に変化するように形成されるので応力集中が生じ難いという利点や、冷間加工工程において加工硬化による強度が向上するという利点がある。
【０００８】
また、従来のケミカルミーリングによる加工方法は、図９（ａ）に示されるように、均一な肉厚の素材管７０の両端部内側に、中央部にケミカルミーリング用の処理液（腐食液）７２を流入させるための流路７１ａを形成したマスキング用のゴム栓７１をそれぞれ挿入し、この後、流路７１ａから処理液７２を素材管７０の内部に導入することで、処理液７２により素材管７０の内周面を溶かして（エッチングして）、図９（ｂ）に示されるように、中間部が薄肉形状になったパイプ７５を形成するものである。
【０００９】
このケミカルミーリングによりパイプの内周を加工する方法は、化学的にパイプの内周を溶かすため、機械的加工が難しい材料でも加工することが可能となる利点や、ダイなどの金型を一般に必要としないので、多品種少量生産に適している。
【００１０】
しかしながら、上述したロール法や引抜法などの冷間加工方法では、素材管５０、６０の素材として延性が大きな材料を用いた場合には、比較的小さな力で加工できるので、比較的容易にバテッド加工を施すことができるが、延性が小さくて引張強度が高いチタンなどの材料では極めて大きな力で加工しなければならず、加工が困難であるという課題がある。また、ダイ５３、６２などの大掛かりな金型が必要であるため、多品種少量生産の場合、製品１つ当たりの製造コストが高くなるという課題もある。さらに、大きな力により変形させながら加工するので、パイプとして比較的長いものが必要である自転車フレーム用部材の場合、加工時に形状誤差を生じ易くなり、精度よく生産することが困難である。また、加工途中で肉厚の測定を行うことができないので、肉厚の管理が難しい欠点もある。
【００１１】
また、ケミカルミーリングによりパイプの内周を加工する従来の方法では、エッチング途中での肉厚変化を外側から認識することができないため、肉厚の管理が困難である。したがって、ケミカルミーリングにより素材管７０におけるマスキング部分とマスキングしていない部分とに大きな段差を生じる場合もあり、パイプ７５内周の段差部７５ａに応力集中を生じやすいという欠点がある。
【００１２】
さらに、ケミカルミーリングによりパイプ内周を加工する従来の方法では、複雑な加工をすることが難しかった。
【００１３】
そこで、最近では素材管の外周の一部をマスキングし、マスキング後の素材管の外周をケミカルミーリングして素材管の外周におけるマスキング部を除く個所を薄肉状にすることにより、自転車フレーム用パイプを製造する方法も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１４】
この方法によれば、金型や機械加工を必要とせず、自転車フレーム用パイプが長尺であっても良好な形状を得ることができ、さらに素材管の外周の変化を容易に確認することができるという利点がある。
【００１５】
【特許文献１】特開２００３−２００８７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、特許文献１に記載の方法は、化学的手法（エッチング）で素材管の剛性を調整することから、剛性を下げることは容易であるが、剛性を高めるのは難しい。
【００１７】
また、硬度の高い材料を用いて表面硬度を確保する場合、硬度の高い材料は加工が難しくコストアップとなる。
【００１８】
さらに、最近の競技用自転車等の特殊な自転車においては、さらなる軽量化や見栄えの向上に対する要望があり、必要な剛性あるいは強度を確保した上で軽量化を図る必要があることから薄肉で高強度の材料を使用する傾向がある。しかしながら、肉厚が薄いと少しのキズが疲労強度に及ぼす影響は大きく、耐スクラッチ性や耐摩耗性、あるいは見栄えの向上の点でまだまだ改善の余地があった。
【００１９】
本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、金型や機械加工を必要とせず、製造工程において剛性を向上させることが可能で、十分な耐スクラッチ性あるいは耐摩耗性を有し、意匠性の向上した高精度の自転車フレーム用部材を生産することが可能な自転車フレーム用部材の製造方法及び自転車を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明のうちで請求項１に記載の発明は自転車フレーム用部材の製造方法であって、中空部材の外周面を選択的にマスキングし、マスキングした部分を除く前記中空部材の外周面をセラミックスコーティングしたことを特徴とする。
【００２１】
また、請求項２に記載の発明は、前記マスキングした部分が前記中空部材の少なくとも一端部であることを特徴とする。
【００２２】
さらに、請求項３に記載の発明は、前記中空部材の外周面を選択的にマスキングする前に前記中空部材の少なくとも一端部にバテッド加工を施したことを特徴とする。
【００２３】
また、請求項４に記載の発明は、前記中空部材の最も薄い部分の肉厚が０．５ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項５に記載の発明は、前記中空部材のうち、他の部材と溶接される部分をマスキングしたことを特徴とする。
【００２５】
また、請求項６に記載の発明は、前記中空部材のうち、肉厚が所定値以上の部分をマスキングしたことを特徴とする。
【００２６】
また、請求項７に記載の発明は、受注生産による自転車のフレームに使用されることを特徴とする。
【００２７】
また、請求項８に記載の発明は、競技用自転車のフレームに使用されることを特徴とする。
【００２８】
また、請求項９に記載の発明は、自転車のユーザに合わせてフレームの剛性を調整するために使用されることを特徴とする。
【００２９】
また、請求項１０に記載の発明は、前記中空部材がチタン合金製またはチタン製であることを特徴とする。
【００３０】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の自転車フレーム用部材の製造方法により製造した自転車フレーム用部材を備えたことを特徴とする自転車である。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、中空部材の外周を選択的にマスキングし、マスキングした部分を除く中空部材をセラミックスコーティングしたので、成膜されたセラミックス薄膜により剛性が上昇し、薄肉状の中空部材であっても十分な強度あるいは剛性を確保することができるとともに、設計の自由度が向上する。また、顧客の好みに応じて自由に剛性を変えることができ、重量を増加することなく剛性を高めることができる。さらに、加工性を損なうことなく材料の表面硬度を高めることができるので、キズがつきにくい。また、金型や機械加工を必要としないので、自転車フレーム用部材が長尺寸法であっても良好な形状に形成でき、精度よく自転車フレーム用部材を製造できる。さらに、成膜されたセラミックス薄膜は独特の光沢があり、金属光沢を保持したまま様々な色調が得られることから、自転車フレームの意匠性も向上する。
【００３２】
また、中空部材の端部にマスキングを施し、端部以外の部分にセラミックスコーティングを施すようにしたので、他の中空部材との溶接を容易に行うことができる。
【００３３】
さらに、マスキングする前に中空部材の端部にバテッド加工を施すようにしたので、大きい応力が加わる端部の強度を向上させることができる。
【００３４】
また、中空部材の最も肉厚が薄い０．５ｍｍ以下の部分にセラミックスコーティングを施すようにしたので、キズに弱い薄肉状の自転車フレーム用部材の耐スクラッチ性が向上する。
【００３５】
また、延性が小さくて引張強度が高いチタンまたはチタン合金を使用した場合でも、良好な形状の自転車フレーム用部材を比較的短い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】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は自転車（電動アシスト自転車を含む）のフレーム２を示しており、互いに接続された複数のパイプにより構成されている。図１に示される自転車のフレーム２を構成する複数のパイプのうち、ヘッドパイプ４及びハンガラグ６に両端が接続された下パイプ（以下、単にパイプという）８を例にとり本発明にかかる自転車フレーム用部材の製造方法を説明する。
【００３７】
図２（ａ）は、本発明にかかる製造方法に用いられる中空の棒状部材としての自転車フレーム用パイプの素材管８（ここでは、完成品としてのパイプ８と同じ参照番号を付している）であり、円筒形状で肉厚は略一定である。素材材料としては、例えばチタン合金（または純粋なチタン）が使用され、チタン合金としては、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｍｏ−１Ｖ等が挙げられる。
【００３８】
図２（ｂ）及び（ｃ）は本発明にかかる製造方法により製造されたパイプ８を示しており、両端部が厚肉に形成され、両端部間の中間部１０が両端部より薄肉状となるように形成されている。パイプ８は、内周面には段差がなく、外周面の両端部に段差（段付部）１２が形成されている。このバテッド加工は、図７を参照して既に説明したロール法による冷間加工において、図７（ａ）の工程のみにより行うことができ、また、外周をケミカルミーリングしても行うことができる。
【００３９】
図１及び図２（ｂ），（ｃ）に示されるように、パイプ８の一端部には自転車のヘッドパイプ４に接続されるヘッドパイプ側端部１４が形成され、他端部には自転車のハンガラグ６に接続されるハンガラグ側端部１６が形成され、これらの端部１４，１６間の中間部１０が薄肉形状に形成されている。このように、中間部１０を薄肉状に形成して軽量化を図りながら、端部１４，１６を厚肉状に形成することにより、パイプ８を含む種々の部品を自転車用フレームとして組付けて完成品である自転車を使用する際に、大きな応力が作用しやすい箇所を補強し、応力が作用した場合にも応力を分散させて、応力集中を防止することができる。
【００４０】
なお、図３に示されるように、必要に応じて、中間部１０に、水筒支持用金具のネジ１８や変速レバー取付用金具２０などが形成される場合もある。
【００４１】
次に、図４を参照しながら本発明にかかるパイプ８の製造方法を説明する。
【００４２】
まず、円筒形状で肉厚が略一定の素材管を所定の長さに切断し、素材管８の両端に上述した公知のバテッド加工を施してヘッドパイプ側端部１４及びハンガラグ側端部１６を形成する。次に、必要に応じて、素材管８の中間部に小物（ネジ１８あるいは金具２０）を取り付けた後、ヘッドパイプ側端部１４及びハンガラグ側端部１６の外面をマスキングテープでカバーしてマスキングし、マスキング部２２を形成する。マスキングは、ここでは、テープを使用して行うようにしているが、塗料の塗布、シルクスクリーン、フォトレジスト等で行ってもよい。
【００４３】
なお、図５はマスキング部２２を展開して示している。
【００４４】
さらに、素材管８にセラミックスコーティングを施すことにより素材管８の表面に例えば５〜５０μｍのセラミックス薄膜を成膜した後、マスキングテープを取り除くと、パイプ８が完成する。
【００４５】
上述した工程を経て、両端部１４，１６が厚肉状となり、中間部１０が両端部１４，１６より薄肉状となるようにバテッド加工されたパイプ８が製造される。
【００４６】
その後、パイプ８はその両端がヘッドパイプ４及びハンガラグ６にそれぞれ溶接され接続される。
【００４７】
なお、セラミックスコーティング処理は、真空中で蒸発させた金属原子をイオン化し、被処理物に負の電位を印可することによりＴｉＮ、ＴｉＣ、ＣｒＮ等のセラミックス薄膜を密着性良く成膜させる方法であり、公知の技術なのでその説明は省略する。このコーティングは剛性が必要とされる部分あるいは顧客の好みに応じて必要な部分にのみ所定の膜厚を施し、フレーム剛性を調整するために行われる。
【００４８】
また、セラミックスコーティングをフレーム全体に施そうとすると大きな加工装置が必要になるが、パイプ単体のセラミックスコーティングの場合、比較的小さな装置で加工を行うことができる。
【００４９】
本発明にかかる製造方法によれば、金型あるいは機械加工が不要となり、多品種少量生産を良好に行いながら、製造単価は比較的安価となる。また、複数の素材管をコーティング装置に一度に収容することにより、複数の自転車フレーム用パイプを一度に得ることができ、作業能率が向上する。さらに、機械加工を行わないため、自転車フレーム用パイプが長尺寸法であっても良好な形状に形成でき、精度よく自転車フレーム用パイプを製造することができる。
【００５０】
なお、上記実施の形態は、ヘッドパイプ４及びハンガラグ６に両端が接続される下パイプ８を例にとり説明したが、自転車のフレーム２を構成する他のパイプ、例えば上パイプ、立パイプ、チェーンステー、バックホーク、ホーク足、ホークステム等を製造する場合にも適用できることはもちろんである。
【００５１】
また、上記実施の形態においては、自転車フレーム用パイプの素材管として円筒形状で肉厚が略一定のものを例にとり説明したが、素材管は円筒形状に限らず、四角柱、三角柱、三角錐、円錐、四角錐等でもよく、曲がっているものでもよい。
【００５２】
さらに、上記実施の形態においては、両端部を厚肉形状とし、これらの中間部を薄肉形状としたダブルバテッド加工のパイプを製造する場合について述べたが、これに限るものではなく、一方の端部のみ厚肉形状とし、中間部及び他の端部を薄肉形状としたシングルバテッド加工のパイプを製造する場合や、両端部をそれぞれ互いに異なる厚みの厚肉形状とし、これらの中間部を薄肉形状としたトリプルバテッド加工のパイプを製造する場合にも適用できる。
【００５３】
また、上記実施の形態においては、素材管８の両端部１４，１６をマスキングするようにしたが、特に肉厚が所定値以上の部分、他の部材と溶接される部分等については、セラミックスコーティングを施す必要のない部分あるいは施してはならない部分であり、基本的にはこのような部分を除く素材管８にセラミックスコーティングが施される。
【００５４】
さらに、上記実施の形態においては、素材材料がチタンである場合を例にとり説明したが、これに限るものではなく、素材材料としてマグネシウム、アルミニウム、炭素鋼、ステンレス鋼、ベリリウム等の材料も用いることができる。
【実施例１】
【００５５】
図６は、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、３ｍｍの肉厚のチタン合金製の素材管に対し、膜厚を変えてセラミックスコーティングを施した場合の剛性の変化を示している。なお、縦軸は母材（素材管）を１００とした場合のセラミックスコーティング後の剛性を示している。
【００５６】
図６のグラフからわかるように、肉厚が薄いほどセラミックスコーティングによる剛性の上昇率が大きく、特に０．５ｍｍ以下の肉厚の素材管にセラミックスコーティングを施すと剛性の上昇が顕著である。したがって、素材管の最も薄い肉厚の部分が０．５ｍｍ以下の場合に、特にその部分にセラミックスコーティングを施すと有利であることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明にかかる自転車フレーム用部材の製造方法は、薄肉状の中空部材であっても十分な強度あるいは剛性を確保することができるとともにキズがつきにくく、金属光沢を保持したまま様々な色調が得られることから、特に受注生産により製造され軽量化あるいは意匠性が要求される競技用自転車等の特殊な自転車に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明にかかる自転車のフレームを示す右側面図である。
【図２】本発明にかかる自転車フレーム用部材の製造方法に用いる素材管を示しており、（ａ）はその一部切欠正面図、（ｂ）はバテッド加工後の正面図、（ｃ）はバテッド加工後の断面図である。
【図３】図２（ｂ）に示されるバテッド加工後の素材管の他の例を示す正面図である。
【図４】本発明にかかる自転車フレーム用部材の製造方法の各工程を示す正面図である。
【図５】図４に示される製造方法におけるマスキング部の展開図である。
【図６】種々の肉厚の素材管に対し膜厚を変えてセラミックスコーティングを施した場合の剛性の変化を示すグラフである。
【図７】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれロール法の冷間加工による従来の自転車フレーム用パイプの製造方法の各工程を示す断面図である。
【図８】引抜法の冷間加工による従来の自転車フレーム用パイプの製造方法を示す断面図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ従来のケミカルミーリングによる自転車フレーム用パイプの製造方法の各工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
２    自転車用フレーム、
４    ヘッドパイプ、
６    ハンガラグ、
８    下パイプ、
１０  下パイプの中間部、
１２  段差、
１４  ヘッドパイプ側端部、
１６  ハンガラグ側端部、
１８  水筒支持用金具のネジ、
２０  変速レバー取付用金具、
２２  マスキング部。
【図１】
2005132221.tif 000003
【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】
2005132221.tif 000009
【図８】
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【図９】
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