(57)【要約】  【課題】高い剛性と軽量性を犠牲にせずに生産性を向上させた棒状部材の構造を提供する。  【解決手段】棒状部材を、少なくとも長手方向に開口部を設けた棒状シェル構造と、その内部に開口深さの５０％以上の高さのリブ構造の組み合わせとすることにより課題を解決できる。  【選択図】  図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも長手方向に延在する開口部を有するシェル構造と、その内部に開口深さの５０％以上の高さのリブを有する棒状部材。
【請求項２】
前記リブが、棒状部材の長手方向に対し、斜めに配置されており、かつシェル構造の内側のコーナー部にかかるように配置されているものを含むことを特徴とする請求項１に記載の棒状部材。
【請求項３】
前記斜めに配置されたリブが、棒状部材の長手方向に対してなす角度が３０〜６０度の範囲になるように配置されたものであることを特徴とする請求項２記載の棒状部材。
【請求項４】
前記斜めに配置されたリブの少なくとも一部のリブが相互に交差するように配置されていることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の棒状部材。
【請求項５】
前記リブが、棒状部材の長手方向に沿った向きに配置されているものを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の棒状部材。
【請求項６】
前記リブが、棒状部材の長手方向に対して直角に配置されているものを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の棒状部材。
【請求項７】
棒状部材の長手方向の任意の５０ｍｍ間の領域において１本以上前記斜めに配置されたリブが配置されている事を特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の棒状部材。
【請求項８】
前記棒状部材の長手方向に対して直角な任意の断面の断面積をＳとし、その断面での重心回りの断面２次極モーメントをＩｐとしたときに、Ｉｐ／Ｓ２の最小値が０．３以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の棒状部材。
【請求項９】
前記棒状部材が、リンク機構やクランク機構の節にあたる部材である事を特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の棒状部材。
【請求項１０】
前記棒状部材が、繊維強化プラスチックからなる事を特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の棒状部材。
【請求項１１】
前記棒状部材の断面形状が、開口部に向かって広がっていく形状であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の棒状部材。
【請求項１２】
前記棒状部材が他部材との結合部を有し、該結合部に軽金属インサートが埋め込まれている、もしくは軽金属部品が接着されている事を特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の棒状部材。
【請求項１３】
前記シェル構造が、プリプレグのプレス成形で作られたものであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の棒状部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽量で高い剛性を有するうえに、成形性が良く簡便に生産可能な棒状部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
棒状部材はさまざまな製品において構造部材や動力伝達部材等に用いられている。このうち、自動車の懸架装置のアーム類や、自転車のクランクアームなど、荷重を受けるとともに、運動する部材があり、このような部材は軽量性が求められると同時に、荷重に対する高い寸法安定性すなわち高い剛性が求められる。そこで、高い剛性と軽量性を両立させるために、棒状部材を中空構造にするという考えがあった。
しかし、中空構造を成形するのは工程数が増えたり、生産性が悪かったりし、技術的なハードルが高い。例えば、特許文献１ではコの字型断面の部材を作り後からふたを溶接する方法が提案されている。この方法ではコの字断面部材とふた部材の２つ成形する必要がありさらに溶接工程も入り工程数が多くなる。溶接により欠陥が入らないよう管理する必要もあり、生産性に難がある。また、特許文献２では砂による中子をつめて成形し、後から中子を取り出すという方法が提案されている。この方法では中子の精度の良さと成形後の取り出しやすさを両立させる事が難しく、中子取りだし工程において残留物なく取り出すことも難しい。また、特許文献３や特許文献４では中空パイプ状の芯材を埋め込んで成形する事により中空構造を得る方法が提案されている。この方法では成形時の加熱加圧に耐えられる構造の芯材が必要であり、充分な強度の芯材は軽量性にかけるという欠点がある。
以上のように、荷重を受けながら運動するような棒状部材において、軽量性と高い剛性、高い生産性を両立させることは難しかった。
【特許文献１】特開平０９−１３６６８５号公報
【特許文献２】特開平１０−１８１６６５号公報
【特許文献３】特開平１０−１８１６６３号公報
【特許文献４】特開２００３−７２６６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、上記の課題を解決し、高い剛性と軽量性を犠牲にせずに生産性を向上させた棒状部材の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】
【０００４】
上記課題に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は中空構造のかわりに開口部のあるシェル構造内にリブを配置する事で、力学特性を落とさずに生産性を上げうる構造を発見し、本発明に想到した。
すなわち、
（１）少なくとも長手方向に延在する開口部を有するシェル構造と、その内部に開口深さの５０％以上の高さのリブを有する棒状部材。
【０００５】
（２）前記リブが、棒状部材の長手方向に対し、斜めに配置されており、かつシェル構造の内側のコーナー部にかかるように配置されているものを含むことを特徴とする前記（１）に記載の棒状部材。
【０００６】
（３）前記斜めに配置されたリブが、棒状部材の長手方向に対してなす角度が３０〜６０度の範囲になるように配置されたものであることを特徴とする前記（２記載の棒状部材。
【０００７】
（４）前記斜めに配置されたリブの少なくとも一部のリブが相互に交差するように配置されていることを特徴とする前記（２）または（３）のいずれかに記載の棒状部材。
【０００８】
（５）前記リブが、棒状部材の長手方向に沿った向きに配置されているものを含むことを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載の棒状部材。
【０００９】
（６）前記リブが、棒状部材の長手方向に対して直角に配置されているものを含むことを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかに記載の棒状部材。
【００１０】
（７）棒状部材の長手方向の任意の５０ｍｍ間の領域において１本以上前記斜めに配置されたリブが配置されている事を特徴とする前記（２）〜（６）のいずれかに記載の棒状部材。
【００１１】
（８）前記棒状部材の長手方向に対して直角な任意の断面の断面積をＳとし、その断面での重心回りの断面２次極モーメントをＩｐとしたときに、Ｉｐ／Ｓ２の最小値が０．３以上であることを特徴とする前記（１）〜（７）のいずれかに記載の棒状部材。
【００１２】
（９）前記棒状部材が、リンク機構やクランク機構の節にあたる部材である事を特徴とする前記（１）〜（８）のいずれかに記載の棒状部材。
【００１３】
（１０）前記棒状部材が、繊維強化プラスチックからなる事を特徴とする前記（１）〜（９）のいずれかに記載の棒状部材。
【００１４】
（１１）前記棒状部材の断面形状が、開口部に向かって広がっていく形状であることを特徴とする前記（１）〜（１０）のいずれかに記載の棒状部材。
【００１５】
（１２）前記棒状部材が他部材との結合部を有し、該結合部に軽金属インサートが埋め込まれている、もしくは軽金属部品が接着されている事を特徴とする前記（１）〜（１１）のいずれかに記載の棒状部材。
【００１６】
（１３）前記シェル構造が、プリプレグのプレス成形で作られたものであることを特徴とする前記（１）〜（１２）のいずれかに記載の棒状部材。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、以下に説明するとおり、高い剛性を持ち、軽量で、かつ簡便な方法により生産できる棒状部材を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の棒状部材は後述する特定の寸法を有し、その両端部もしくはその周辺に穴、ねじ、ほぞ、ピンなど他部材と結合するための部分を持つものである。この結合部の中心同士を結んだ線分の方向を、この棒状部材の長手方向、前記線分の長さを代表長さ、前記線分に直交する断面の最大面積の２乗根を代表太さとする。棒状部材とは、前記代表長さが前記代表太さに対して２倍以上となっているものを指す。
【００１９】
本発明の棒状部材は、シェル構造を有する。シェル構造とは、少なくとも一面に開口部をもち、内部に中空な閉じた空間を持たない形状をいう。本発明の棒状部材は開口部が長手方向に延在することを特徴とする。本発明の棒状部材の長手方向に直交する断面形状は図１に一例を示すような、Ｅ型の他にＣ型などの断面形状を有するものであっても良い。一般に開口部を持つ断面形状の部材は中空構造部材に比べて製造工程が少なく済んだり、製品間のばらつきを少なくできたりする点で有利である。さらに、断面形状が図２に一例を示すように開口部に向かって広がっていく形状とすると成形型等が抜けやすくなり、生産性向上の点からさらに好ましい。
【００２０】
また本発明の棒状部材は内部にリブを有することが必要である。リブとは、畝状もしくは板状に材料を部分的に盛り上げる事により部材のたわみを抑える構造であり、図１，２における２で表される部分である。このリブは開口深さに対して５０〜１１０％の高さを持つものであることが必要である。５０％未満では部材のたわみを抑える効果が不十分となるためであり、開口深さの１１０％を超える場合は、リブの高さに対しシェルの高さを敢えて相対的に低くする意味がないためである。
【００２１】
このリブはアーム部材のねじりを抑制するためには、長手方向に対して斜めに配置されるものであることが好ましい。また、ねじり荷重に対してシェル構造のコーナー部は倒れこむ方向の応力を受けるため、図３に示すようにコーナー部の補強としてこの斜めに配置されたリブがかかることが好ましい。
【００２２】
ねじり荷重は部材に対して長手方向に対して４５度の角度での引張または圧縮応力として伝達される。そのため、斜めに配置されるリブは３０度〜６０度の範囲にあることがより好ましい。３０度より小さな角度で配置されるリブ、６０度より大きな角度で配置されるリブはねじりに対する抑制効果が小さくなるため、多数配する必要があるからである。      
【００２３】
荷重を受けながら運動する棒状部材にかかるねじり荷重は周期的に向きを変えることが多い。そのため、斜めに配置されるリブは、図４に一例を示すように長手方向に対して右上がりのものと右下がりのものが数にして２：３〜３：２の比率で配置されている事が好ましく、さらにそれらのリブが互いに交差するよう配置されているものがあればさらに好ましい。
【００２４】
ねじり剛性Ｊは、材料のせん断弾性率Ｇと形状の断面重心回りの断面２次極モーメントＩｐによって、下記（１）式で表される。
Ｊ＝ＧＩｐ・・・（１）
ここでは、棒状部材の形状について考えているので断面重心回りの断面２次極モーメントＩｐに着目する。断面領域をＡ、断面の微小領域をｄＡ、その微小領域の断面重心からの座標位置をｘ，ｙとすると、断面重心回りの断面２次極モーメントＩｐは下記（２）式で与えられる。
Ｉｐ＝∫Ａ（ｘ２＋ｙ２）ｄＡ・・・（２）
この重心周りの断面２次極モーメントＩｐが大きいほどねじり剛性は高くなる。ここで、Ｉｐは長さの４乗の次元を持つため、寸法効果によらない評価をするために断面積Ｓを用い、Ｉｐ／Ｓ２という無次元化パラメータを考える。このパラメータが大きいほど断面積に比したねじり剛性は高く、軽量かつ高いねじり剛性をもつということになる。ここで、棒状部材内のリブの配置は、両端の結合部間の任意の断面においてＩｐ／Ｓ２の最小値が０．３以上となるようにすることが好ましい。
【００２５】
つぎに、棒状部材の曲げ剛性について考える。棒状部材に曲げ荷重がかかると、中立軸に対して一方に引張応力、他方に圧縮応力がかかる。このとき中立軸より離れた部分ほど大きな応力を受ける。そのため曲げ剛性を高くするためには中立軸から離れた部分を増やすため、図５に一例を示すように長手方向にリブを配置する事が好ましい。
【００２６】
また、圧縮応力に対して面外への座屈変形が起きると強度、剛性が低下する。これに対しては図６に一例を示すようにリブを長手方向に対して直角に配置すると面外への座屈変形を抑制することができ好ましい。
【００２７】
ここまで見てきたように、リブは荷重時の変形量を抑制するものであるため、少なすぎると剛性を向上させる効果が少ない。そこで、棒状部材の長手方向に任意の５０ｍｍの間隔を取ったとき、この領域内には少なくとも一本の斜めに配置されたリブが配置されている事が好ましい。
【００２８】
この、棒状部材はリンク機構やクランク機構の節となる部材として用いると、軽量性や高剛性という特性が良く生かされるので好ましい。クランク機構やリンク機構は複数の節を回転可能もしくはすべり可能な結合部で結んだ機構であり、この機構内のある点を動かすことにより他の点を運動させることができ、動きや力の伝達に用いられる。具体的には自動車の懸架装置やガソリンエンジンやディーゼルエンジンのピストン、コンロッド、クランクシャフトの組み合わせや、電車のパンタグラフや、自転車をこぐ足、ペダル、クランクの組み合わせなどの形で応用されている。このような機構において、正確な動き、無駄のない力の伝達をなすためには、節が高い剛性を持っていることが必要とされる。特に結合部周辺での変形を避けるためにはねじり剛性が重要である。また、節は動く部材であるために、軽量である事が望まれている。
【００２９】
この棒状部材は、金属、木材、プラスチック、セラミックスもしくはこれらの組み合わせなどの材料からなっていても良いが、軽量性と高い剛性との特性を得るためには、繊維強化プラスチックからなることが好ましい。
【００３０】
繊維強化プラスチックの強化繊維は炭素繊維やガラス繊維などの無機繊維や、アラミド繊維（ケブラー、トワロンなど）、高強度ポリエチレン繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズオキサゾール）繊維（「ザイロン」（登録商標）など）などの有機繊維などを用いることができる。また、タングステン線にボロンを化学真空蒸着したボロン繊維や、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）繊維、チラノ繊維、ニカロン繊維などのセラミック繊維も高強度であり、本発明に好ましい繊維の一つである。
【００３１】
樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルイミド樹脂など熱可塑樹脂が使用できる。成形サイクルを短くするためには熱可塑樹脂を適用できる。耐熱性が必要な部材を成形するときにはフェノール樹脂やポリエーテルイミド樹脂が好ましい。また、高い力学特性を求められる場合にはエポキシ樹脂が好ましく適用できる。
【００３２】
棒状部材のリブ部とシェル部は、別に成形して結合しても良いし、同時に一体成形しても良い。別に成形する場合にはリブ部とシェル部で異なる材料を用いる事もでき、設計の自由度が向上する。結合方法は、接着、溶着、溶接、機械的接合などが適用できる。また、工程を簡略化するためにはリブ部とシェル部を同時に一体成形する事が好ましい。一体成形する場合には、材料基材として流動性のあるものを用いると成形が容易であり好ましい。流動性のある材料基材として射出成型用の短繊維強化熱可塑樹脂ペレット、ＳＭＣ（シートモールディングコンパウンド）基材等が好適に使用できる。棒状部材に求められる剛性が特に高い場合にはシェル構造部にプリプレグを用いるのが特に好ましい。一体成形する場合には生産性の点からみて、金型でプレス成形するのが好ましい。
【００３３】
棒状部材は端部で他部材と結合されるが、この結合部はねじを切った軸をねじ止めしたり、溝を切った軸をスライドさせたりするので、金属部品をインサートしたり、もしくは接着することが好ましい。軽量な構造とするためには、金属部品をアルミ合金やマグネシウム合金などの軽金属製とすることがさらに好ましい。
【実施例】
【００３４】
図７に示す形状の棒状部材について検討した。この形状は両端に他部材との結合用の軸を取り付けるための穴（直径１５ｍｍ）があいており、これらの軸間距離が１７０ｍｍである。部財の幅は４０ｍｍ、厚さは１５ｍｍである。
使用した材料は、弾性率２８０ＧＰａ，引張強度４．４ＧＰａの炭素繊維を一方向に引きそろえてエポキシ樹脂を含浸したプリプレグＡ（東レ（株）製Ｐ２２５ＡＦ−１９、繊維目付１９０ｇ／  ｍ２，樹脂重量含有率３５％，樹脂硬化温度１２０℃）である。端部の他部品結合用穴には、アルミ合金Ａ２０１４を切削して作ったインサート部品（重量：３６．２ｇ、２個）を埋め込んだ。
（実施例１）
プリプレグＡを３５層重ねたシェル部分に相当するプリフォームと、１５層重ねたリブ部分に相当するプリフォームを重ねて積層基材を作成し、この積層基材を金型に入れプレス成形する事により、図８に示すようなリブ配置とした形状に成形した。リブの高さは開口深さと同一とした。この部材を切断した状態の斜視図を図９に示す。
（実施例２）
プリプレグＡを３５層重ね、金型でプレス成形し、シェル構造部分を成形した。また、ＳＭＣ基材を用いて、リブ構造部分をプレス成形した。その後、シェル構造部分とリブ構造部分を構造用エポキシ接着剤（東レ（株）製ケミットＴＥ−２２２０）を用いて接着し一体化した。リブの形状、配置は実施例１と同様とした。
（比較例１）
プリプレグＡを２１層重ね、金型でプレス成形し、コの字型形状のシェル構造を２体作成した。このシェルを構造用エポキシ接着剤（ケミットＴＥ−２２２０）で貼り合わせ中空な棒状部材を作成した。この部材を切断した状態の斜視図を図１０に示す。
（比較例２）
プリプレグＡを５３層重ね、金型でプレス成形し、コの字型形状のシェル構造を作成した。この部材にはリブを配置しなかった。この部材を切断した状態の斜視図を図１１に示す。
（比較例３）
ＳＭＣ基材を用いてプレス成形し、中実な棒状部材を成形した。この部材を切断した状態の斜視図を図１２に示す。
【００３５】
上記の結果を表１にまとめる。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
比較例１はねじり剛性を評価するパラメータは良好であるが、成形時間が他の方法に比べ圧倒的に長く生産性が悪い。比較例２は成形時間は短いが、ねじり剛性が低くこの部材に必要とされる剛性を満たさない。また、実施例３は同一寸法条件では重量が他に比べ重く、ねじり剛性も低い。それらに対して、実施例１，２とも成形時間は短く生産性が良好であり、ねじり剛性も比較的高くこの部材に必要とされる剛性を満たす。
【００３８】
以上のことより、本発明の構造を取る棒状部材は高い剛性を持ち、軽量で、かつ簡便な方法により生産できることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の棒状部材の形状の一例を示す長手方向に直交する断面図である。
【図２】本発明の棒状部材の形状の別の例を示す長手方向に直交する断面図である。
【図３】コーナー部にかかるリブの配置の一例を示す斜視図である。
【図４】斜めに配置されたリブの一例
【図５】長手方向へのリブの配置の一例を示す平面図である。
【図６】長手方向に対して直角に配置されたリブの一例を示す平面図である。
【図７】検討した棒状部材の斜視図である。
【図８】検討した棒状部材のリブ配置図を示す平面図である。
【図９】実施例の棒状部材の一部を切断した状態の斜視図である。
【図１０】比較例１の棒状部材の一部を切断した状態の斜視図である。
【図１１】比較例２の棒状部材の一部を切断した状態の斜視図である。
【図１２】比較例３の棒状部材の一部を切断した状態の斜視図である。
【符号の説明】
【００４０】
１：棒状部材のシェル構造
２：棒状部材のリブ構造
３：他部材取りつけ穴
４：インサート部品
５：開口部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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