(57)【要約】熱可塑性マトリックス材料と、当該熱可塑性マトリックス材料の中に整列されて埋め込まれ、当該熱可塑性マトリックス材料を強化する繊維とを備える複合材料製の板バネを提供する。
2016520769.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材料製の板バネであって、当該複合材料製の板バネを構成するマトリックスの中に整列された状態で埋め込まれた繊維により強化された熱可塑性マトリックス材料を有する複合材料製の板バネ。
【請求項２】
前記複合材料製の板バネは、圧縮面と前記圧縮面の反対側の伸張面とを有する細長い第１の板状部材と、前記第１の板状部材を車両のフレームに取り付けるための１以上の取付部材とを有し、細長い前記第１の板状部材は前記マトリックスの中に整列された状態で埋め込まれた前記繊維により強化された前記熱可塑性マトリックス材料を有する
請求項１に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項３】
前記車両のフレームは自動車のフレームである
請求項２に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項４】
細長い前記第１の板状部材は湾曲している
請求項２に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項５】
挿入部材を有する
請求項４に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項６】
細長い前記第１の板状部材は、両端が先細りの形状となるように積層された連続する複数の層を有する
請求項２に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項７】
細長い前記第１の板状部材は、巻き上げにより形成された連続する複数の層を有する
請求項２に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項８】
湾曲した挿入部材を有する
請求項７に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項９】
金属を含む湾曲した細長い第１の板状部材と、前記マトリックスの中に整列された状態で埋め込まれた前記繊維により強化された前記熱可塑性マトリックス材料を含み前記第１の板状部材を覆う外装材とを有する
請求項１に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項１０】
カンチレバーバネである
請求項１に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項１１】
前記熱可塑性マトリックス材料は、グラスファイバーで強化されたポリプロピレンマトリックス材料であり、前記複合材料製の板バネは、ＡＳＴＭ  Ｄ−２９９０クリープ試験に従い、少なくとも２，７５０ポンドの負荷および少なくとも６１，０００ｐｓｉの応力に耐える強度を有する
請求項１に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項１２】
前記熱可塑性マトリックス材料は、グラスファイバーで強化されたポリプロピレンマトリックス材料であり、前記複合材料製の板バネは、ＡＳＴＭ  Ｄ−６９５標準試験に従い、繊維の方向における圧縮強度が少なくとも３２，０００ｐｓｉである
請求項１に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項１３】
前記熱可塑性マトリックス材料は、グラスファイバーで強化されたポリプロピレンマトリックス材料であり、前記複合材料製の板バネは、ＡＳＴＭ  Ｄ−５３７９標準試験に従う剪断強度が少なくとも３，５００ｐｓｉである
請求項１に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項１４】
前記熱可塑性マトリックス材料は、グラスファイバーで強化されたポリプロピレンマトリックス材料であり、前記複合材料製の板バネは、ＡＳＴＭ  Ｄ−２３４４標準試験に従う層間剪断強度が少なくとも３，７００ｐｓｉである
請求項１に記載の複合材料製の板バネ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願に開示の技術は、広くは板バネに関し、より具体的には一般車両やトラックのサスペンションシステム等に適用される複合材料製の板バネおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の製造業者はかねてより、一般車両、トラック、特定用途車両、レクリエーショナル・ビークル等の車両に関し、燃費の改善、最大積載量の増加、乗車および運転における特性の向上のために、車両の重量の軽減を追求してきた。多くの車両のサスペンションシステムにおいては、荷重の伝達およびエネルギーの蓄積のための部材として鋼鉄製の板バネが用いられている。鋼鉄製の板バネは、エネルギーの蓄積のための部材として働くとともに、連結部材や構造部材としての働きを持たせることができる、という点で優れている一方で、単位質量当たりのエネルギー蓄積量の点で他のタイプのバネより実質的に効率が悪い。鋼鉄製の板バネはそもそも重く、騒音を発しやすく、腐食しやすい。また、鋼鉄製の板バネの重量が重い、という点は、振動低減の要件に加え、取り付けのための要件の検討にも困難をもたらす。例えば、ショックアブソーバに鋼鉄製の板バネが用いられる場合、実施条件を満たすように板バネの質量がしばしば制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、単位質量当たりのエネルギー蓄積の効率が高く、そのため軽量な部品構成を可能とする代替的な板バネが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
以下の実施形態で例示されるように、本発明により、熱可塑性のマトリックス材料と、前記マトリックス材料に整列されて埋め込まれ前記マトリックス材料を強化する繊維とを備える複合材料製の板バネが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】実施形態にかかる、平坦な第２段部材を有するハイブリッド複合材料製板バネ部品の概略図。
【図２】図１のハイブリッド複合材料製板バネ部品の第１段部材の断面図。
【図３】鋼鉄製の第１の板と、平坦な複合材料製の第２段荷重板とを有する、代替的な構成の複合材料製板バネ部品の概略図。
【図３Ａ】実施形態にかかる、鋼鉄製の第１の板と湾曲した複合材料製の第２段荷重板とを有する、さらに代替的な構成の複合材料製板バネ部品の概略図。
【図４】実施形態にかかる、目型部品が統合された全複合材料製の板バネの斜視概略図。
【図５】実施形態にかかる、サスペンション制御アームとバネとして機能し、上向きに傾斜した取り付け構造を有する、複合材料製のサスペンション制御アームの部分斜視概略図。
【図５Ａ】実施形態にかかる、横方向に取り付けられた全複合材料製の板バネの概略図。
【図６】実施形態にかかる、リアの軸に対する位置決め部材としてラミネート材を有する、他の構成の複合材料製の板バネをフレーム内に用いたリアサスペンションのカンチレバーの部分概略図。
【図７】実施形態にかかる、リアの軸に対する位置決め部材としてラミネート材を有する、さらに他の構成の複合材料製の板バネをフレーム内に用いたリアサスペンションのカンチレバーの部分概略図。
【図８】実施形態にかかる、リアの軸に対する位置決め部材としてラミネート材を有する、さらに他の構成の複合材料製の板バネをフレーム内に用いたリアサスペンションのカンチレバーの側面図。
【図９Ａ】基本タイプの板バネの側面図。
【図９Ｂ】実施形態にかかる、目型部材の取り付けられた板バネの側面図。
【図９Ｃ】実施形態にかかる、先細りの端部を有するスライドバネの側面図。
【図９Ｄ】実施形態にかかる、発展型の板バネの側面図。
【図９Ｅ】実施形態にかかる、トレーラー型の板バネの側面図。
【図１０】実施形態にかかる、輪郭が先細りするように連続して積み重ねられた複数の層を持つ複合材料製の板バネの概略図。
【図１１】実施形態にかかる、図１０のように連続して積み重ねられた複数の層のを加熱した後に固めて得られた、先細りする形状の複合材料製の板バネの概略図。
【図１２】実施形態にかかる、巻き上げられて連続する複数の層を有する複合材料製の板バネの概略図。
【図１３】実施形態にかかる、巻き上げられて連続する複数の層と、取り付け用の目型部材と、挿入部材とを有する複合材料製の板バネの概略図。
【図１４】実施形態にかかる、巻き上げられて連続する複数の層を加熱した後に固めて得られた湾曲した部材と、取り付け用の目型部材と、挿入部材とを有する複合材料製の板バネの概略図。
【図１５】実施形態にかかる、巻き上げられて連続する複数の層を加熱した後に固めて得られた先細りの形状を示す複合材料製の板バネの概略図。
【図１６】実施形態にかかる、平坦な、繊維で強化された複合材料製の第２段の部材を有する複数板バネの斜視概略図。なお、図では第１の板は３枚の板バネで構成されるが、板バネの枚数は必要に応じて３枚より多くても少なくてもよい。
【図１７】実施形態にかかる、湾曲した繊維で強化された複合材料製の第２段の部材を有する複数板バネの斜視概略図。なお、図では第１の板は３枚の板バネで構成されるが、板バネの枚数は必要に応じて３枚より多くても少なくてもよい。
【図１８】実施形態にかかる、金属製の主となる板と繊維で強化された熱可塑性複合材料製の外装材を有するハイブリッドの板を備える複合材料製の板バネの斜視概略図。
【図１９Ａ】実施形態にかかる、繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）の熱可塑性材料で製造され、湾曲した形状の部材を移動させるカンチレバーを構成する複合材料製の板バネの概略図。
【図１９Ｂ】実施形態にかかる、繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）の熱可塑性材料で製造され、湾曲した形状の部材を移動させるカンチレバーを構成する複合材料製の板バネの概略図。
【図２０Ａ】実施形態にかかる、浮動するカンチレバーの構成を示す概略図。
【図２０Ｂ】実施形態にかかる、浮動するカンチレバーの構成を示す概略図。
【図２１】実施形態にかかる、複合材料製の複数点連結部品の概略図。
【図２２】実施形態にかかる、他の複合材料製の複数点連結部品の概略図。
【図２３】実施形態にかかる、さらに他の複合材料製の複数点連結部品の概略図。
【図２４】実施形態にかかる、全幅横断板の概略図。
【図２５Ａ】実施形態にかかる、カンチレバーバネとして機能する上側アームを有する複合材料製の板バネ部品の構成を示した概略図。
【図２５Ｂ】実施形態にかかる、カンチレバーバネとして機能する上側アームを有する複合材料製の板バネ部品の構成を示した概略図。
【図２６】図２７に示される実施形態にかかる繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）の熱可塑性複合材料製の板バネ部品で代替可能なコイルバネを用いた乗客用リアサスペンションの部品を示した概略図。
【図２７】実施形態にかかる、繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）の熱可塑性複合材料製の板バネ部品を備えるリアサスペンションの部品を示した概略図。
【図２８】他の実施形態にかかる、湾曲した形状の繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）の熱可塑性複合材料製の板バネ部品を示した概略図。
【図２９】本発明の実施形態の試験により得られたクリープ歪みと時間との関係を示したグラフ。
【図３０】本発明の実施形態の試験により得られた引っ張り強度（Ｐｓｉ）を示したグラフ。
【図３１】本発明の実施形態の試験により得られたヤング率を示したグラフ。
【図３２】本発明の実施形態の試験により得られた引っ張り強度（Ｐｓｉ）を示した他のグラフ。
【図３３】本発明の実施形態の試験により得られたヤング率を示した他のグラフ。
【図３４】本発明の実施形態の試験により得られた圧縮強度を示したグラフ。
【図３５】本発明の実施形態の試験により得られた圧縮弾性率を示したグラフ。
【図３６】本発明の実施形態の試験により得られた圧縮強度を示した他のグラフ。
【図３７】本発明の実施形態の試験により得られた圧縮弾性率を示した他のグラフ。
【図３８】本発明の実施形態の試験により得られた面内剪断強度を示した他のグラフ。
【図３９】本発明の実施形態の試験により得られた面内剪断弾性率を示した他のグラフ。
【図４０】本発明の実施形態の試験により得られた層間剪断強度を示した他のグラフ。
【図４１】本発明の実施形態の試験により得られた標本１に関するクリープ歪みと時間との関係を示したグラフ。
【図４２】本発明の実施形態の試験により得られた標本２に関するクリープ歪みと時間との関係を示したグラフ。
【図４３】本発明の実施形態の試験により得られた応力と歪みとの関係を示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本発明の発明者は、以下に説明する、繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）の材料、特に、繊維で強化された熱可塑性材料を用いた複合材料製の板バネが、例えば、古くから用いられている鋼鉄製の板バネと比較し、単位質量当たりのエネルギーの蓄積率においてかなり高い性能を示し、それゆえ、かなり軽量の部品をもたらすことを確認した。さらに、以下に説明する、繊維で強化された複合材料製の板バネとそれを用いた部品は鋼鉄製の板バネより騒音を伝達しにくく、実施条件下での制御を維持するにあたり、要求される減衰力が少ない。
【０００７】
例えば、高分子複合材料および高分子複合材料の積層体の材料となる高分子マトリックスは、実施形態において、熱可塑性マトリックス材料を含む。
【０００８】
熱可塑性複合材料の製造に用いられる高分子マトリックス材料に埋め込まれる粒状物または繊維は、高分子複合材料の製造に用いられる高分子マトリックス材料に埋め込まれる材料であればよく、例えば、カーボン、ガラス、ケブラー（米国における登録商標）繊維、アラミド繊維、これらの組み合わせ、およびこれらに類似するものを含むが、これらに限定されない。上述した粒状物または繊維に加え、鉄の粒状物もまた、以下に説明する複合材料に混入され得る。上述したように積層体を形作るように重ね合わされた複合材料は、誘導的に加熱されて複数の層状の材料が互いに固着して一体となる。
【０００９】
実施形態において、繊維で強化された熱可塑性複合材料製の板バネは、一般的に、熱可塑性マトリックス材料と、高強度強化用繊維と、他の強化用材料の組み合わせとの組み合わせを含む。熱可塑性マトリックス材料は、実施に適する熱可塑性を示すどのような材料もしくはそれらの組み合わせであってもよく、例えば、複合材料に望ましい耐火性をもたらす重合ビニリデンフッ化物（ＰＶＤＦ）、ポリアミド（ナイロン）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、硫化ポリフェニレン、ポリエーテルエーテルケトン、他の熱可塑性ポリマー、およびこれらの組み合わせを含むが、これらに限られない。高分子マトリックス材料には、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）、高密度架橋ポリエチレン（ＨＤＸＬＰＥ）等の高分子量ポリエチレンが用いられることが望ましいが、求められる性能が低くてよい場合には、架橋ポリエチレン（ＰＥＸ  ｏｒ  ＸＬＰＥ）、中密度ポリエチレン（ＭＤＰＥ）、線状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）、超精密度ポリエチレン（ＶＬＤＰＥ）等の他のポリエチレンが用いられてもよい。
【００１０】
熱可塑性材料の重量含有率は製品シートの使用目的に応じて要求される物理特性によって大きく変化してよい。複合材料は、熱可塑性マトリックスと繊維の合計重量に対し、熱可塑性マトリックスを、例えば、約５０重量パーセントから約１５重量パーセントまでの範囲内で含んでよく、より望ましくは、約４０重量パーセントから約２０重量パーセントまでの範囲内で含んでよく、さらにより望ましくは、約３０重量パーセントから約２５重量パーセントまでの範囲内で含んでよい。
【００１１】
使用される強化用繊維は、例えば、グラスファイバー（例えば、ＥグラスまたはＳグラス）、アラミド繊維（ケルバー（米国における登録商標））、カーボンファイバー、その他の高強度繊維、およびこれらの組み合わせのいずれでもよく、これらに限られない。他の繊維が、望ましくはＥグラスまたはＳグラスとの組み合わせで用いられてもよい。また、他の繊維がＥグラスまたはＳグラスの代わりに用いられてもよい。それらの他の繊維としては、ＥＣＲ、ＡグラスおよびＣグラス、およびその他のグラスファイバーや、石英、マグネシウムアルミノケイ酸塩、非アルカリアルミノホウケイ酸塩、ソーダホウケイ酸塩、ソーダケイ酸塩、ソーダ石灰−アルミノケイ酸塩、鉛ケイ酸塩、非アルカリ鉛ボロアルミナ、非アルカリバリウムボロアルミナ、非アルカリ亜鉛ボロアルミナ、非アルカリ鉄アルミノ珪酸塩、アルミナ繊維、アスベスト、カドミウムホウ酸塩、ホウ素、炭化ケイ素、炭化したポリエチレンに由来のグラファイトおよび炭素、ポリビニルアルコール、サラン、ポリアミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリオキサジアゾール、ポリフェニレン、ＰＰＲ、石油および（等方性の）コールピッチ、中間相ピッチ、セルロースおよびポリアクリロニトリル、セラミックファイバー、例えば鋼鉄、アルミ合金等の金属の繊維、およびそれらに類するものから作られた繊維が含まれる。
【００１２】
高い性能が求められ、高額の費用が正当化されるのであれば、ケルバーに例示されるアラミドから作られた高強度有機高分子繊維が用いられてもよい。一般的に、デニール当たり７グラムより強い引っ張り強度を有する一方向性繊維束は望ましい高い性能を示す他の材料である。これらの束状の高性能繊維は、より望ましくは、アラミド、伸張鎖超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）、ポリ［ｐ−フェニレン−２、６−ベンゾビスオキサゾール］（ＰＢＯ）、ポリ［ジミイダーゾピリジノリン（ジヒドロキシ）フェニレン］のいずれか、もしくはそれらの組み合わせである。
【００１３】
さらに、アルミニウム、鋼鉄、その他の鉄合金、非鉄金属、プラスチック、エポキシ樹脂、複合材料、およびその他の適切な材料といった材料が、特定の機械的特性、空間的特性、もしくは他の物理特性をバネの全体に均一に、もしくはバネの特定の領域に付加するために、強化材料、添加物、または挿入物として用いられてもよい。
【００１４】
実施形態にかかる複合材料製の板バネのための特に適切な材料の組み合わせとして、Ｅグラスファイバーで強化されたナイロンマトリックス材料がある。
【００１５】
実施形態にかかる板バネおよび部品の様々な構造および構成が以下に説明される。以下に説明される実施形態に関し、板バネおよび部品の一部もしくは全体が上述した繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）複合材料とオプションとして付加される強化材、およびそれらの組み合わせにより作られていてよい。
【００１６】
図１に示すように、本発明の第１実施形態にかかるハイブリッド板バネは符号１０で識別される。ハイブリッド板バネ１０は、第１の弾性率を有する細長い第１板１２、伸張面１４、その反対側の圧縮面１６、取付部１８を備える。取付部１８は、図示されるように、例えば、細長い第１板１２の末端部に統合されて形成された目型の取付部材であり、第１板１２を車両のフレームに取り付けるために用いられる。細長い第１板１２は、例えば、鋼鉄等の金属といった適切な材料で作られる。これに代えて、第１板１２は、例えば、金属マトリックスに複数の繊維が埋め込まれた、金属マトリックス複合材料から作られてもよい。さらに、第１板１２は、既述の繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）複合材料と付加的な強化材のいずれかの組み合わせで作られてもよい。
【００１７】
一般的に、例えば第１板１２の材料より低い弾性率を有する複合材料の少なくとも１つの層が、第１板１２の伸張面１４および圧縮面１６に実質的に平行に配置され、固着されている。複合材料の少なくとも１つの層は、望ましくは、高分子マトリックスに実質的に平行に埋め込まれた複数の繊維により作られている。図１に示されるように、複合材料第１層２０は第１板１２の伸張面１４に固着されており、複合材料第２層２２は第１板１２の圧縮面１６に固着されている。
【００１８】
ハイブリッド板バネ１０は典型的には、第１板１２に複合材料第１層２０と複合材料第２層２２を固着し、組み合わされたそれらの部材を、最終的なハイブリッド板バネの負荷が与えられていない状態の望ましい形状に応じた加熱した型を用いてプレスすることで製造される。組み合わされた部材は一緒にプレスされ、熱と圧力との組み合わせにより、一定の同一の形のハイブリッド板バネへと成形される。しかしながら、本発明はハイブリット板バネの製造方法に関して限定されず、型成形等の当業者に知られる他の製造方法が用いられてもよい。
【００１９】
締付部２４はハイブリッド板バネ１０を実施形態にかかる車両の軸２６に３点構造により取り付けるために用いられる。図示される例では、締付部２４は軸２６の周りに沿って配置される１対のＵ字ボルト２８を有し、ハイブリッド板バネ１０はこれらのＵ字ボルトの間に受容されている。Ｕ字ボルト２８の端部３４を受容する１対の開口部３２を有する固定プレート３０が複合材料第２層２２に隣接して配置され、締め具３６がネジ止めによりＵ字ボルトの端部と螺合することで、Ｕ字ボルトとハイブリッド板バネ１０が取り外し可能に軸２６に締め付けられている。また、応力が最大となる領域においてハイブリッド板バネ１０の負荷伝達能力を増大させるための荷重板３８が複合材料第２層２２と固定プレート３０の間に挿入されている。荷重板３８は複合材料第２層２２に固着されていてもよいし、締付部２４により複合材料第２層２２に接触した状態で固定されてもよい。荷重板３８は湾曲していても平坦でもよく、断面において形状が変化してもしなくてもよく、例えば金属や複合材料によって作られている。
【００２０】
軸２６に沿ってハイブリッド板バネ１０を正しく配置するために、実施形態においては、軸２６には位置決め部材４０が取り付けられており、図１の例においては、位置決め部材４０はハイブリッド板バネ１０、荷重板３８および固定プレート３０を貫通して軸２６にはまり込み、その位置において軸２６に対するハイブリッド板バネ１０の位置を固定する。位置決め部材４０は、図１の例ではピンであるが、様々な形状を取り得て、本発明の範囲から逸脱しない限り、ボルト等の他の形状が採用されてもよい。
【００２１】
有利な効果をもたらすように、本発明の発明者は、図１のハイブリッド板バネ１０の構成部の一部または全てを既述の繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）材料で作ることとした。
【００２２】
図２に示されるように、固着の強度を高めるために、接着層４２が第１板１２と複合材料第１層２０および複合材料第２層２２の各々との間に挿入されている。接着層４２の各々の中には、破線で示されるシート部材４４の強化層が含まれている。接着層４２の各々は、望ましくは、熱硬化性エポキシ接着剤であるが、本発明の範囲から逸脱しない限り、如何なるタイプの接着剤であってもよい。例えば、接着剤は、エポキシのような、古くから用いられている１液型または２液型の構造用接着剤であってもよいし、ウレタンや熱可塑性プラスチックであってもよい。
【００２３】
図３に他の例を示す。図３において、既に説明した構成部には同じ符号が用いられている。この例においては、第１板は、例えば複合材料の層を有しない古典的な鋼鉄製の第１板であり、第２段荷重板１３８は平坦な繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）複合材料で構成され、応力が最大となる領域において板バネ１０の荷重伝達能力を増強させる。図３Ａは図３の例と類似する板バネ部品を示している。この例において、第２段板１４０は湾曲した本発明のＦＲＰ複合材料で構成され、第１板バネに対し副次的な補強を与え、軽量化と、特定の負荷の大きい用途において必要とされるカスタマイズされた副次的なバネの特性とを付与する。
【００２４】
図４に示される本発明の他の例は、既述の本発明にかかる繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）熱可塑性複合材料で作られた板バネ１１２を備える。板バネ１１２の両端の各々には、板バネ１１２を車両のシャーシに取り付けるための、円状の目型部材１１８が設けられている。目型部材１１８は、例えば、鋼鉄製または他の金属製の挿入部材であり、複合材料の本体１１６に型成形において取り付けられてもよいし、既述のＦＲＰ熱可塑性複合材料のような高強度繊維を連続的に巻き上げて目型の形状とした、特別なデザインの複合材料であってもよい。バネは通常、円状の目型部材１１８の中央またはその付近に取付領域１１４を有し、取付領域１１４において、スリーブを用いて、もしくは用いずに、締め付け機構により車両の軸に取り付けられる。
【００２５】
図４に示される円状の目型部材１１８に代えて、結合をより確かにするために、結合部材が採用されてもよい。また、板バネ１１２の一方の端部に目型部材１１８を１つ備え、板バネ１１２の他の端部に第２の目型部材１１８に代えて平坦な形状の構成が採用されてもよい。
【００２６】
具体例として、板バネ１１２は図１に示した構造物における第１板１２の代替物として使用され得る。板バネ１１２によれば、軽量化がもたらされるとともに、与えられた用途に応じて強化材料を調整したり、層の構成を選択したりすることにより、バネの特性をカスタマイズすることができる。また、板バネ１１２は、第２段の補助的な支持を必要としない用途においては、１段の板バネとして用いられてもよい。そのような用途としては、例えば、軽量なトレーラー等がある。
【００２７】
すなわち、実施形態において、複合材料製の板バネは、例えば図４に示される１段板の形で用いられてもよいし、図１、図３および図３Ａに示されるように、複数段板の形で用いられてもよい。
【００２８】
実施形態において、板バネ以外の部材がサスペンションの構造的な部材や位置決め部材として用いられ、板バネは、例えば、エネルギーを蓄積する部材としてのみ機能してもよい。この場合、板バネはバネの端部に取り付け用の目型部材を有していても有していなくてもよい。
【００２９】
図５および図５Ａに例示するような構成において、本発明の実施形態は、図５において上向きにせり上がった取り付け部材として示される複合材料製の制御アーム５００を有していてもよい。この複合材料製の部材は、サスペンションの躍動しない部分に制御アームを取り付けるための取付孔５０２を有している。図５Ａに示されるように、この部材は、板バネの細長い軸が車両の前後方向の中央線に対し直行するように、車両（図示略）を横断するように取り付けられてもよい。複合材料製の部材は、サスペンションの躍動しない（例えば、車重以外の荷重がかからない）部分に制御アームを取り付けるために、取付孔５０２を有している。板バネ５０４の中央はシャーシ５１０に取り付けられ、両端は各々、例えば車両のサスペンションの上に配置され、通常、直接または連結部材を介して、車両のホイールおよびタイヤのアセンブリ５１２の各々の挙動を制御する構造部材に接続されて、カンチレバーバネとして独立して効果的に機能する。この例において、バネは、エネルギーの蓄積部材に加え、サスペンションの構造部材または位置決め部材として機能してもよい。実施形態において、代替的に、サスペンションに対する連結部として、板バネの一方の端部または両方の端部に複合材料製の部材に、例えば一体として型成形された、円状の目型部材（図示略）が採用されてもよい。図５に示される例は、サスペンションの躍動しない部分に端部を取り付けるための取付孔５０２を有している。図５および図５Ａに示される構成の一部または全てが、既述の繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）複合材料で作られ、高い強度を持つように強化された軽量な部材または部品であることが望ましい。
【００３０】
図６、７および８に例示の別の構成においては、複合材料製の板バネ６００が、リアサスペンションのフレーム内に配置されたカンチレバーとして用いられる。この例においては、部品の一方の端部６０１がシャーシ６１０、７１０、８１０の内側において固定され、部品の他方の端部６０２、７０２、８０２がサスペンションの上でエネルギーを蓄積する役割を果たす。図６の複合材料製の板バネ６００は複数段の板バネとして示されている。図７および８に各々示される複合材料の板バネ７００、８００は、１段の板バネであり、より比較的、軽量な用途に用いられる。これらの複合材料製の板バネは位置決め部材または構造部材として用いられてもよく、また、図６、７、８に示されるように、円状の目型部材を板バネのいずれの端部にも備えなくてよい。なお、図６、７、８の例では、板バネの端部は軸６１２、７１２、８１２に取り付けられている。
【００３１】
図９は５つのタイプの板バネの正面図を示しており、これらの板バネの一部または全部の部材において、本発明の実施形態にかかる既述の繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）複合材料製の板バネの部材または部品とオプションとしての付加的な強化材料の様々な組み合わせを採用することができる。
【００３２】
まず、図９Ａに示される例は実施形態にかかる標準型のバネ９０２であり、望ましくは、図９Ａに示される構成の一部または全てにおいて、既述のＦＲＰ熱可塑性複合材料の部品とオプションの強化材料が採用される。
【００３３】
図９Ｂは実施形態にかかる、目型取付部を有するバネ９０４を示している。バネ９０４は柔軟性のある中央取付部を有し、その構成の一部または全てにおいて、繊維で強化された熱可塑性の複合材料製の部材が採用される。
【００３４】
図９Ｃは実施形態にかかる、端部が先細り形状のスライドバネ９０６を示している。スライドバネ９０６は目型の取付部を有さず、その構成の一部または全てにおいて、繊維で強化された熱可塑性の複合材料製の部材が採用される。
【００３５】
図９Ｄに示す、実施形態にかかる発展型バネ９０８は、図１、３、３Ａに示されるバネと類似しており、その構成の一部または全てにおいて、繊維で強化された熱可塑性の複合材料製の部材が採用される。
【００３６】
図９Ｅには、実施形態にかかる、高負荷用途のトレーラー用スプリング９１０が示される。トレーラー用スプリング９１０もまた、その構成の一部または全てにおいて、既述の繊維で強化された熱可塑性の複合材料製の構造部材が採用される。
【００３７】
続いて、図１０〜１８には、実施形態にかかる、様々な構成の複合材料製の板バネが示される。既述の実施形態における場合と同様に、図１０〜１８の各々に示される構成の一部または全てにおいて、望ましくは、既述の繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）熱可塑性複合材料製の部材が、オプションとしての強化材料とともに、採用される。例えば、図１０は、実施形態にかかる、複合材料製の板バネ２００の概略図である。板バネ２００は、両端が先細り形状となるように連続して積み重ねられた複数の層２１０を有している。図１０の例では、例えば円状の目型部材は示されていないが、それらの構成が採用されてもよい。この点は、円状の目型部材が特に描かれていない他の例に関しても同様である。さらに、これらの様々な実施形態における積層体は既述のＦＲＰ熱可塑性材料でできた複合材料製の板で代替されてもよく、また、例えば第１段板を第２段板にしっかりと固定するための機械的な締付部材とともに用いられてもよい。
【００３８】
図１１は、実施形態にかかる、複合材料製の板バネ２２０の概略図である。板バネ２２０は図１０の層２１０のような連続した層を加熱した後に硬化させて得られる先細りの形状のバネである。
【００３９】
図１２は、実施形態にかかる、複合材料製の板バネ２３０の概略図である。板バネ２３０は、巻き上げにより形作られた連続する複数の層２４０を有している。この部材は、既述のＦＲＰ熱可塑性材料を含み、加熱された後に硬化されることで望ましい最終形状となる中間材料として利用可能である。
【００４０】
図１３は、実施形態にかかる、複合材料製の板バネ２５０の概略図である。板バネ２５０は、巻き上げにより形作られた連続する複数の層２４０と、取付用の目型部材１１８と、挿入部材２６０を有している。既述の他の様々な例における場合と同様に、図示される複合材料製の板バネの全てまたは一部の部材が、既述のＦＲＰ熱可塑性材料を含んでよい。この例において、湾曲した部材として描かれている挿入部材２６０は、例えば平坦な形状等の、他の望ましいいずれの形状であってもよい。また、挿入部材２６０は、鋼鉄等の金属製であってもよい。図１３の構成は、加熱された後に硬化されることで、例えば図１４に示される構造物２７０となる中間材料としても利用可能である。
【００４１】
図１４は、実施形態にかかる、複合材料製の板バネ２７０の概略図である。板バネ２７０は、加熱された後に硬化された連続した複数の層と、取付用の目型部材１１８と、挿入部材２６０を有し、複数の層が加熱された後に硬化されて、湾曲した形状をなっている。例えば、この構造物の材料を削減するために、実施形態において、図示される挿入部材２６０は中空のスペーサで代用されてもよい。
【００４２】
図１５は、実施形態にかかる、複合材料製の板バネ２８０の概略図である。板バネ２８０は、巻き上げられた連続する複数の層が過熱された後に硬化されて、先細りの形状となっている。この例において、既述の他の例と同様に、第２段および第３段の両方を有する複数段の板構成が採用されてもよい。
【００４３】
図１６は、実施形態にかかる、複数板バネ２９０の斜視概略図である。複数板バネ２９０は、平坦な、繊維で強化された複合材料製の第２段板３００を有する。図においては、第１板の構成として３枚の板３１０が示されているが、必要に応じて、３枚より少ない板もしくは３枚より多い板が用いられてもよい。
【００４４】
図１７は、実施形態にかかる、複数板バネ３２０の斜視概略図である。複数板バネ３２０は、湾曲した、繊維で強化された複合材料製の第２段板を有する。図においては、第１板の構成として３枚の板３１０が示されているが、必要に応じて、３枚より少ない板もしくは３枚より多い板が用いられてもよい。
【００４５】
図１８は、実施形態にかかる、複合材料製の板バネ３３０の斜視概略図である。板バネ３３０は、例えば、既述の繊維で強化された熱可塑性の複合材料製の外装材３５０を伴う金属製の主板３４０を含むハイブリット型の板を有する。
【００４６】
本発明の発明者は、さらに、いかに既述の繊維により強化された高分子（ＦＲＰ）熱可塑性材料を様々な構造物に効率的に用い、荷重下の構造物の形状（例えば、曲率）を制御するかを決定した。例えば、放射状の形状の構造物は、累進的な増加率の歪みを要する用途に用いることができる。また、構造物の両端に対応する対の構造物を用いることで、追加的な連結点に必要とされる屈曲を提供することができる。さらに、例えば、追加的な加工を行うことにより、一定の応力をもたらす構造物を作ることもできる。さらなる例として、図１９Ａ、１９Ｂは、実施形態にかかる、複合材料製の板バネ３６０を示している。板バネ３６０は、既述の繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）熱可塑性マトリックス材料を含み、特に、湾曲した形状のカンチレバーとして用いられる。湾曲した形状により応力の強さが調整され、また、次第に増加する応力がもたらされる。
【００４７】
図２０Ａおよび２０Ｂにおいて、実施形態にかかる、浮動するカンチレバー構造物３７０が示される。カンチレバー構造物３７０は、一方の端部に、合わせ梁構造の部材により荷重がかけられる。拘束されている他方の端部は、例えば単純な屈曲した形状の荷重を受ける追加的な連結点として利用される。
【００４８】
図２１は、複数連結が可能な複合材料製の板状部品３８０を示している。板状部品３８０は連結部材により空間配置が調整されている。この例において、カンチレバーバネ３８５は連結部材によって直接、動かされる。
【００４９】
同様に、図２２は、他の複数連結が可能な複合材料製の板状部品３９０を示している。板状部品３９０は連結部材により空間配置が調整されている。具体的には、カンチレバーバネ３８５は、シャックル部品を介して動かされ、シャックル部品により応力の増加率の調整が行われる。
【００５０】
図２３は、さらに他の複数連結が可能な複合材料製の板状部品４００を示している。板状部品４００もまた、連結部材により空間配置が調整されている。この例において、カンチレバーバネ３８５は連結部材により動かされる、固定的な湾曲した形状である。
【００５１】
図２４は、実施形態にかかる、繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）熱可塑性複合材料製の板状部材４１０を示している。板状部材４１０は、全幅を横断するように配置される板状部材であり、シャックル構造を有している。
【００５２】
図２５Ａおよび２５Ｂは、実施形態にかかる、複合材料製の板状部品４２０を示している。板状部品４２０の上側アーム４３０がカンチレバーバネとしての役割を果たす。
【００５３】
図２６は、乗客用のリアサスペンションの部品構造物４４０を示している。部品構造物４４０は、実施形態にかかる、繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）熱可塑性複合材料製の板状バネまたは板状部品を有している。また、図２７は、リアサスペンションの部品構造物４５０を示し、部品構造物４５０もまた、実施形態にかかる、繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）熱可塑性複合材料製の板状バネまたは板状部品を有し、現存するシャーシに対する直接的な代替物としての役割を果たす。図２７の例において、左側は直接作用するタイプであり、右側はシャックル構造を有している。
【００５４】
さらに、繊維により強化された高分子（ＦＲＰ）熱可塑性複合材料製の板バネ４６０の実施形態が図２８に示される。板バネ４６０は湾曲した形状で、両端の各々に円状の目型部材１１８を有し、鋼鉄等の金属製の主板４７０と、応力に応じた輪郭を持つＦＲＰ製の第２板４８０で構成される。このような構造物は、例えば軽量なトラックのシャーシに直接、ボルトで留めることができ、当該シャーシの軽量化がもたらされる。
【００５５】
軽量なトラックに用いられる場合、実施形態において、ボルト留めに代えて、直接、フレームに複合材料製の板部材または部品を溶接または一体に製作することにより、サスペンションを提供してもよい。
【００５６】
製造方法に関しては、複合材料製の板バネや部品等は、実施形態において、既述の、強化用繊維を含む繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）熱可塑性材料とその他の適切な材料と組み合わせたものを、通常、最終的な部品の形へと変化させる型やその他の装置の中で高温下かつ高圧下におくことで製造される。加熱および硬化は典型的には、約華氏４００度から約華氏６００度の範囲内、より典型的には華氏４５０度から約華氏５５０度の範囲内の温度で、また、典型的には約２５ｐｓｉから約１００ｐｓｉ、より典型的には約５０ｐｓｉの圧力下で行われる。実施形態において、構造物を製造する際に用いられる圧力は、熱硬化性高分子材料製の製品を製造する場合に要求される圧力と比較し著しく低い。エポキシ材料等の熱硬化性材料は、製造のために約３００ｐｓｉの圧力を必要とする。このように、ここで開示した実施形態は、製造に用いる圧力を低減することができ、その結果、製造工程全体におけるコスト低下と効率向上がもたらされる。
【００５７】
また、ここで開示した実施形態には、例えば、加熱と硬化の工程において、繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）熱可塑性複合材料製の板バネまたは部品に含まれる繊維が、高分子の熱可塑性の材料の流れに伴い、流れに沿って整列する、という利点がある。そのように繊維が整列することで、例えば繊維が引っ張られる場合の強度が増加し、また、圧縮強度も高まる。さらに、本発明の発明者は、繊維は熱可塑性の材料の流れに伴い整列を維持するが、この繊維の整列が維持される点は、熱硬化性の材料のような他の高分子材料では生じないことを確認している。
【００５８】
最終製品の強度と剛性は、他の望まれる特性と同様に、用いられる熱可塑性材料、最終製品の種別、大きさ、強化材料の方向、他の用いられる材料等によって変化する。また、最終製品の強度と剛性は、複合材料製の板バネの全体的な寸法および形状、すなわち、全長、幅、厚さ、断面積等によっても変化する。
【００５９】
実施形態のあるものにおいては、複合材料製の板バネの形状は、予め含浸された強化材料（プレプレグ）の複数の層を積み重ねることで形成されてもよい。形成された積層体は、通常、成形用の器具や型に入れられ、そこで加熱および加圧され、一体化される。
【００６０】
板バネの形状は、また、予め含浸された強化材料を予め成形された適切な材料でできた芯材または一連の芯材群、もしくは後で除去可能な芯材やピンの周囲に、バネの幅や長さに応じた望ましい断面形状となるように巻き付けることで形成されてもよい。この例においては、連続して巻き上げられる強化材料の中に目型部材を入れることで、構造物に取付用の目型部材を容易に持たせることができ、目型部材により車両が従来から備える取付機構に取り付けられる構造物とすることができる。図４に示される板バネがこの例にかかるものである。図４に示される板バネにおいては、目型部材１１８が複合材料製の板バネに統合されている。巻き上げにより製造された部品は成形器具または型に入れられ、必要に応じて加熱および加圧される。
【００６１】
また、上述した巻き上げの工程において、連続して行われる巻き上げ中に既に巻き上げられた予め含浸された材料の層に対し、新たに巻き上げられる材料の層が接触する位置または当該位置の近傍において、当該予め含浸された材料に対する局所的な加熱が行われてもよい。この例によれば、予め巻き上げにより形成された中間製品の巻き上げが解けることがなく、将来のさらなる形成および硬化のために保存しておくことができる。
【００６２】
実験例
本発明の実施形態にかかる、繊維で強化された高分子（ＦＲＰ）熱可塑性複合材料製の板バネおよび部品の様々な機械的特性を確かめるために、試験を行った。それらの試験の条件および結果を以下に説明する。
【００６３】
この試験の目的は、静的載荷方法を用いて、標本の張力およびクリープの特性を確認することである。実施形態にかかる標本として、７０重量パーセントの長繊維グラスファイバーで強化されたポリプロピレンマトリックス材料を用いた。使用した試験方法において、特定条件の環境下におけるプラスチックの張力または圧縮クリープの計測と、クリープ破断の有無の確認を行った。これらの試験方法においては、ＡＴＭＳ  Ｄ７９０の説明されている器具および原則に従い、曲げにおけるクリープの計測のために３点荷重を採用したが、４点荷重（使用頻度は低い）が採用されてもよい。クリープ破断の計測においては、張力は
いくつかの延性のあるプラスチックに関しては、曲げまたは圧縮に対して破断が起こらないため、引っ張り試験が望ましい。今回のクリープ試験は試験室雰囲気下、室温環境にて２４時間かけて行われた。
【００６４】
図２９は、実施形態にかかる、試験結果のデータ（クリープ歪み）の概要を、時間との関係で示したグラフである。以下に示す表１Ａはクリープの計測結果の概要を示すテーブルである。これらの疲労試験の結果の詳細も以下に説明する。
【００６５】
【表１Ａ】
2016520769.tif 000003
【００６６】
既述のように、試験は、繊維で強化された熱可塑性複合材料の機械的特性を評価するために行われた。実施形態にかかる標本は、７０重量パーセントの長繊維グラスファイバーで強化されたポリプロピレンマトリックス材料とした。ただし、後述する図３０〜３４には、６０重量パーセントのグラスファイバーで強化されたポリプロピレン材料に関するデータを示している。
【００６７】
試験は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）標準試験法の手順に従い行われた。具体的には、ＡＳＴＭ標準試験法には、繊維と樹脂の複合材料の引っ張り特性に関する標準試験法ＡＳＴＭ  Ｄ３０３９、硬質樹脂の圧縮特性に関する標準試験法ＡＳＴＭ  Ｄ６９５、Ｖノッチビーム法を用いた複合材料の剪断特性に関する標準試験法ＡＳＴＭ  Ｄ５７３９、高分子マトリックス複合材料とそれらの積層体のショートビーム強度に関する標準試験法ＡＳＴＭ  Ｄ２３４４、航空宇宙産業に関する一連の金属材料に関する標準試験方法、およびガラス質シリカ膨脹計を用いた固形材料の線熱膨脹に関する標準試験方法ＡＳＴＭ  Ｅ２２８、プラスチックの引っ張り、圧縮、曲げクリープおよびクリープ破断に関する標準試験法ＡＳＴＭ  Ｄ２９９０、および、高分子マトリックス複合材料の引っ張り疲労に関する標準試験法ＡＳＴＭ  Ｄ３４７９が含まれる。試験においては、固定された部材と移動する部材とを有する試験装置を用いて、標本の繊維方向、横断方向および剪断方向における、強度、弾性率、ポワソン比、熱膨脹係数、クリープおよび疲労寿命の計測が行われた。
【００６８】
これらのＡＳＴＭ標準試験法の実施に用いた試験装置は、ＡＳＴＭ標準Ｅ４「試験装置の力の検証のための運用」に記載されているものを用いた。全ての試験は試験室雰囲気下で行われた。これらの試験の実施に用いられた標本は、機械により各仕様書に記載の公称寸法となるように加工されたものである。同じ材料からタブレット状の標本を作る場合、それらの材料を固着にはＦＭ−７３接着剤を用いた。標本への荷重は、デジタル制御およびデジタルデータ取得が可能な、ＭＴＳ  １００ｋＮ油圧サーボ試験装置により行った。表面が滑らかなくさび部材を有する油圧グリップ（グリップ圧は最大２０００Ｐｓｉ）を用いた。歪みの計測には、伸縮計を伴う歪み計（ゲージ）を用いた。また、各試験に応じた荷重の決定には、ＭＴＳ荷重装置を用いた。なお、伸縮計により、標本が破断するまで歪み情報が得られる。
【００６９】
これらの標準的な条件に従い、制御された試験室の条件下で機械的負荷および熱負荷に対する材料、製品、もしくは部品の応答の計測および記述を行った。試験の結果は、特定の実際の使用時における関連する全ての要因を考慮して行われる、製品の負荷容量または耐負荷性能の評価における要素情報として利用することができる。
【００７０】
全ての標本に共通する試験の一覧を表１に示す。
【００７１】
【表１】
2016520769.tif 000004
【００７２】
表２は、各試験で用いたＡＳＴＭ標準試験法と、それらの試験の結果として得られた特性値の平均をまとめた表である。
【００７３】
【表２】
2016520769.tif 000005
【００７４】
試験例１−ＡＳＴＭ  Ｄ３０３９  繊維樹脂複合材料の引っ張り特性に関する標準試験法
この試験は、弾性率が２０Ｇｐａ（または、３×１０６  Ｐｓｉ）より高い高弾性の方向付けられた長繊維または短繊維で強化された樹脂マトリックス複合材料の引っ張り特性を特定するための試験である。この試験は、ＡＳＴＭ標準試験法Ｄ３０３９に従い行った。標本の引っ張り強度および引っ張り弾性率は固定部材と移動部材を有する試験装置を用いて特定した。この試験装置によれば、以下の式により引っ張り強度の特定を行うことができる。
Ｓ  ＝  Ｐ／ｂｄ
ただし、Ｓは最終引っ張り強度（ＭＰａまたはｐｓｉ）、Ｐは最大荷重（Ｎまたはｌｂｆ）、ｂは幅（ｍｍまたはｉｎ）、ｄは厚さ（ｍｍまたはｉｎ）。
【００７５】
弾性率の算出には、以下の式が用いられる。
Ｅ  ＝  （△Ｐ／△ｌ）（ｌ／ｂｄ）
ただし、Ｅは弾性率（Ｍｐａまたはｐｓｉ）、△Ｐ／△ｌは変形量の関数である荷重のプロットが示す曲線に含まれる直線部分における傾き、ｌは計測器のゲージの長さ（ｍｍまたはｉｎ）、ｂは幅（ｍｍまたはｉｎ）、ｄは厚さ（ｍｍまたはｉｎ）。
【００７６】
図３０および３１は各々、ＡＳＴＭ  Ｄ３０３９標準試験法に従った繊維方向における強度および弾性率に関する試験データの結果をまとめたものである。以下の表３に、標本の試験結果に関する他の情報を示す。
【００７７】
【表３】
2016520769.tif 000006
【００７８】
図３２と３３は各々、ＡＳＴＭ  Ｄ３０３９標準試験法に従った横断方向における強度および弾性率に関する試験データの結果をまとめたものである。以下の表４に、標本の試験結果に関する他の情報を示す。
【００７９】
【表４】
2016520769.tif 000007
【００８０】
繊維樹脂複合材料の引っ張り特性に関するＡＳＴＭ  Ｄ３０３９標準試験法に従い、実施形態にかかる、一方向の繊維で強化された熱可塑性複合材料の繊維方向における引っ張り強度と引っ張り弾性率の平均値は、各々、４０，５７２  Ｐｓｉと３，６３７，６２６  Ｐｓｉである、と特定された。また、横断方向における引っ張り強度と引っ張り弾性率の平均値は、各々、５５１  Ｐｓｉと５０８，３７１  Ｐｓｉである、と特定された。実施形態にかかる複合材料のポワソン比は０．１４である、と特定された。
【００８１】
試験例２−ＡＳＴＭ  Ｄ６９５  硬質樹脂の圧縮特性に関する標準試験法
以下に、一方向の高弾性の長繊維または短繊維で強化された樹脂マトリックス複合材料の圧縮特性を特定するための試験の結果を示す。
【００８２】
標本の圧縮強度および圧縮弾性率は固定部材と移動部材を有する試験装置を用いて特定した。この試験方法によれば、均一の比較的低い比率の負荷または荷重で圧縮を行うことにより、高弾性複合材料を含む、補強された、もしくは補強されない固形のプラスチックの機械的特性の特定が行われる。スタンド形状の試験標本が用いられる。一方向の長繊維または短繊維、もしくは繊維の方向を交差させた層で補強された樹脂マトリックス複合材料の圧縮特性を特定するために、ＡＳＴＭ  Ｄ３４１０に従った試験が行われてもよい。
【００８３】
図３４と３５は、各々、ＡＳＴＭ  Ｄ６９５に従う試験の、繊維方向における圧縮強度と圧縮弾性率の結果を示している。以下の表５に、標本の試験結果に関する他の情報を示す。
【００８４】
【表５】
2016520769.tif 000008
【００８５】
図３６と３７は、各々、ＡＳＴＭ  Ｄ６９５に従う試験の、横断方向における圧縮強度と圧縮弾性率の結果を示している。以下の表６に、標本の試験結果に関する他の情報を示す。
【００８６】
【表６】
2016520769.tif 000009
【００８７】
ＡＳＴＭ  Ｄ６９５標準試験法に従い、実施形態にかかる、一方向の繊維で強化された熱可塑性複合材料の繊維方向における圧縮強度と圧縮弾性率の平均値は、各々、３２，４０９  Ｐｓｉと３，６８５，８６９  Ｐｓｉである、と特定された。また、横断方向における圧縮強度と圧縮弾性率の平均値は、各々、６，１５６  Ｐｓｉと１３５６，６３８  Ｐｓｉである、と特定された。
【００８８】
試験例３−ＡＳＴＭ  Ｄ５３７９  Ｖノッチビーム法を用いた複合材料の剪断特性に関する標準試験法
以下に、一方向の高弾性の長繊維または短繊維で強化された樹脂マトリックス複合材料の剪断特性をＶノッチビーム法により特定するための試験の結果を示す。
【００８９】
標本の剪断強度および剪断弾性率は固定部材と移動部材を有する試験装置を用いて特定した。この試験方法によれば、高弾性繊維により強化された複合材料の剪断特性の特定が行われる。試験対象の複合材料は、長繊維または短繊維で補強された複合材料であり、以下の形状を備える。（１）繊維を含む層を繊維の方向を一方向に積層した積層体。なお、繊維の方向は荷重軸に対し平行または垂直。（２）織布を含む繊維質の層のみを積層した積層体。なお、横糸の方向は荷重軸に対し平行または垂直。（３）一方向の繊維を含む層のみを積層した積層体であって、繊維の方向が０度方向と９０度方向の層を同数、バランスよく対称的に配置されるような順序で積層したもの。なお、０度の方向は荷重軸に対し平行または垂直。（４）ほとんどの繊維はランダムに配置された短繊維で強化された複合材料。なお、この剪断試験のコンセプトは、もともとは繊維の方向には無関係な、金属やセラミックスのような等方向性材料のために開発されたものである。
【００９０】
図３８と３９は、各々、ＡＳＴＭ  Ｄ５３７９に従う試験の、面内剪断強度と面内剪断弾性率の結果を示している。以下の表７に、標本の試験結果に関する他の情報を示す。
【００９１】
【表７】
2016520769.tif 000010
【００９２】
ＡＳＴＭ  Ｄ５３７９標準試験法に従い、実施形態にかかる、一方向の繊維で強化された熱可塑性複合材料の剪断強度と剪断弾性率の平均値は、各々、３５８０  Ｐｓｉと１４７，４６３  Ｐｓｉである、と特定された。
【００９３】
試験例４−ＡＳＴＭ  Ｄ２３４４  高分子マトリックス複合材料とそれらの積層体のショートビーム強度に関する標準試験法
以下に、一方向の高弾性の長繊維または短繊維で強化された樹脂マトリックス複合材料の見かけの面内剪断特性をショートビーム剪断法により特定するための試験の結果を示す。
【００９４】
標本の見かけの面内剪断強度は固定部材と移動部材を有する試験装置を用いて特定した。この試験方法では、高弾性繊維で強化された複合材料のショートビーム強度が特定される。標本は最大６．００ｍｍ（０．２５ｉｎ）の厚さの湾曲した、もしくは平坦な積層体から機械加工により作成されたショートビームである。ビームには３点屈曲装置において負荷を与える。この試験方法は、ビームの縦方向の軸に対して弾性特性のバランスが取れていて対称的である、長繊維または短繊維で強化された高分子マトリックス複合材料のために用いられる。図４０は、これらの面内剪断強度の試験の結果を示している。以下の表８に、標本の試験結果に関する他の情報を示す。
【００９５】
【表８】
2016520769.tif 000011
【００９６】
ＡＳＴＭ  Ｄ２３４４標準試験法に従い、実施形態にかかる、一方向の繊維で強化された熱可塑性複合材料の見かけの面内剪断強度の平均値は、３７４３  Ｐｓｉである、と特定された。
【００９７】
試験例５−ＡＳＴＭ  Ｅ２２８  航空宇宙産業に関する一連の金属材料に関する標準試験方法、およびガラス質シリカ膨脹計を用いた固形材料の線熱膨脹に関する標準試験方法
以下に、一方向の高弾性の長繊維または短繊維で強化された樹脂マトリックス複合材料の線熱膨脹を特定するための試験の結果を示す。この試験は、ビシェイ微小測定技術ノートＴＮ−５１３−１に従い（または、上述したＡＳＴＭ  Ｅ２２８も参照して）行った。
【００９８】
標本の線熱膨張は、デジタル制御が可能なオーブンと、膨張しないセラミックの対照標本とを用いて特定された。下記の表９と１０は、各々、縦方向の熱膨張係数のデータと、横断方向の熱膨張係数のデータを示している。
【００９９】
【表９】
2016520769.tif 000012
【０１００】
【表１０】
2016520769.tif 000013
【０１０１】
上述の試験により、実施形態にかかる、一方向の繊維で強化された熱可塑性複合材料の繊維方向および横断方向における線熱膨張率の平均値は各々、５．４με／Ｆ  ａｎｄ  ３５．９με／Ｆである、と特定された。
【０１０２】
試験例６−ＡＳＴＭ  Ｄ２９９０  プラスチックの引っ張り、圧縮、曲げクリープおよびクリープ破断に関する標準試験法
以下に、ＡＳＴＭ  Ｄ２９９０標準試験法に従う引っ張りクリープ特性を特定するための試験の結果を示す。
【０１０３】
標本の引っ張りクリープ特性の特定には、引っ張りクリープまたは圧縮クリープと、特定条件の環境下にける材料のクレープ破断の特定を行うことができる、静的載荷法が用いられた。これらの試験方法では通常、曲げにおけるクリープの計測のために３点荷重の採用が指示されているが、標準試験法Ｄ７９０に記載されているように、４点荷重が同じ器具を用いて同じ原則で採用されてもよい。延性を持つプラスチックは、曲げや圧縮を受けても破断が起きないため、クリープ破断の計測においては、負荷として引っ張りを行うことが望ましい。このクリープ試験は試験室雰囲気下、かつ室温環境で２４時間かけて行われた。
【０１０４】
図４１と４２は、各々、標本１および２に関し、クリープ歪みと時間との関係を示している。以下の表１１に、標本の試験結果に関する他の情報を示す。
【０１０５】
【表１１】
2016520769.tif 000014
【０１０６】
ＡＳＴＭ  Ｄ２９９０標準試験法に従い、実施形態にかかる、一方向の繊維で強化された熱可塑性複合材料の２４時間後の室温引っ張りクリープ歪みの平均値は、２４．３μεである、と特定された。
【０１０７】
試験例７−ＡＳＴＭ  Ｄ３４７９  高分子マトリックス複合材料の引っ張り疲労に関する標準試験法
以下に、高分子マトリックス複合材料の引っ張り疲労を特定するための試験の結果を示す。この試験はＡＳＴＭ  Ｄ３４７９に従い、固定部材と移動部材を有する試験装置を用いて行われた。この試験は、繰り返し引っ張りの負荷を与えた場合の高分子マトリックス複合材料の疲労状況を特定する。試験の対象とした複合材料は、長繊維または短繊維で強化された複合材料であり、試験が行われる方向と直交する方向の弾性が優れている。この試験方法は、ノッチの付けられていない試験標本に対し一定の強さの一軸性の面内負荷を与えることにより行われ、負荷の強さは試験の制御パラメータとして決定される。この試験方法は以下の２つの手順で行われ、それらの２つの手順の各々に異なる試験制御パラメータがある。手順１：試験制御パラメータは負荷（応力）であり、試験標本に対し一定強度の負荷が繰り返し与えられるように装置が制御される。この手順において、試験制御パラメータは工学応力または運用荷重を用いた一定強度疲労変数として表現される。手順２：試験制御パラメータは負荷方向における歪みであり、試験標本に対し一定強度の歪みが繰り返し生じるように装置が制御される。この手順において、試験制御パラメータは負荷方向における工学歪みを用いた一定強度疲労変数として表現される。
【０１０８】
図４３は上述した試験の結果を示した応力歪み曲線である。下記の表１２と１３に、試験のその他の結果およびパラメータを示す。
【０１０９】
【表１２】
2016520769.tif 000015
【０１１０】
【表１３】
2016520769.tif 000016
【０１１１】
上述した試験により、実施形態にかかる、繊維で強化された熱可塑性複合材料は、負荷を強靱な繊維によく伝達しており、破断をもたらす応力の８０パーセントに等しい負荷を受けても、縦方向に実質的に全くクリープが見られない（３０マイクロ歪み未満）。また、２４時間の終期に至るまで、歪みはほとんど一定で、２４時間を超えて負荷を与えてもさらなるクリープが生じないと予測される。試験に用いた３つの標本の縦方向および横方向の両方において、試験結果はＣＴＥがとても反復的であることを示した。疲労試験においても、この材料は繊維に対する優れた荷重伝達性能を示した。破断に至るまでの疲労試験の全サイクルに渡り、弾性率の低下はごくわずかであった。破断は概ね１２０００サイクルで生じた。実施形態にかかる、この繊維で強化された熱可塑性複合材料に対して行った縦方向および横方向の強度および弾性率、クリープ、疲労に関する試験を通じて一貫して、強い長繊維に対する多くの負荷の伝達が実現されていた。これらの試験の結果により、簡単なモデル（Ｔｓａｉ−Ｈｉｌｌモデル、Ｔｓａｉ−Ｗｕモデル、複合則モデル等）を用いて、試験された標本における積層体の量を一定と仮定して、この材料の強度と弾性率を繊維比率の関数として推定することができる
【０１１２】
その他の試験例
上述した試験以外にも本発明の実施形態の材料に関する試験が成功裏に行われている。例えば、実施形態にかかる、繊維で強化されたナイロンの部品（３つのサンプル）に対し８０パーセントの屈曲強度の負荷を、１５０万サイクルを超える回数、与える試験を行った。負荷損失は平均３パーセントであり、破断したものはなかった。
【０１１３】
本発明は、具体的な実施形態に関し説明を行ったが、本発明の技術的思想の範囲から外れることなく、それらの実施形態に対し様々な変更が行われてもよく、また、均等な要素による代替が行われてもよく、また、複数の実施形態は様々に組み合わされてもよい、ということは、当業者にとって理解されることである。また、本発明の内容に対し、その本質的な範囲から外れることがない限り、具体的な状況や材料等に応じて変形が行われてもよい。従って、本発明は上述した詳細な説明において開示した具体的な実施形態の内容に限定されず、本願の請求の範囲の中に入る全ての実施形態を含むものである。
【符号の説明】
【０１１４】
１０…板バネ、１２…第１板、１４…伸張面、１６…圧縮面、１８…取付部、２０…複合材料第１層、２２…複合材料第２層、２４…締付部、２６…軸、２８…Ｕ字ボルト、３０…固定プレート、３２…開口部、３４…端部、３８…荷重板、４０…位置決め部材、４２…接着層、４４…シート部材、１１２…板バネ、１１４…取付領域、１１６…本体、１１８…目型部材、１３８…第２段荷重板、１４０…第２段板、２００…板バネ、２１０…層、２２０…板バネ、２３０…板バネ、２４０…層、２５０…板バネ、２６０…挿入部材、２７０…板バネ、２７０…構造物、２８０…板バネ、２９０…複数板バネ、３００…第２段板、３１０…板、３２０…複数板バネ、３３０…板バネ、３４０…主板、３５０…外装材、３６０…板バネ、３７０…カンチレバー構造物、３８０…板状部品、３８５…カンチレバーバネ、３９０…板状部品、４００…板状部品、４１０…板状部材、４２０…板状部品、４３０…上側アーム、４４０…部品構造物、４５０…部品構造物、４６０…板バネ、４７０…主板、４８０…第２板、５００…制御アーム、５０２…取付孔、５０４…板バネ、５１０…シャーシ、６００…板バネ、６０１…端部、６１０…シャーシ、９０２…バネ、９０４…バネ、９０６…スライドバネ、９０８…発展型バネ、９１０…トレーラー用スプリング
【図１】
2016520769.tif 000017
【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【図５】
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【図５Ａ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図１０】
2016520769.tif 000032
【図１１】
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【図１２】
2016520769.tif 000034
【図１３】
2016520769.tif 000035
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
2016520769.tif 000060
【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
2016520769.tif 000066
【図４２】
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【図４３】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年1月16日(2016.1.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材料製の板バネであって、当該複合材料製の板バネを構成するマトリックスの中に整列された状態で埋め込まれた繊維により強化された熱可塑性マトリックス材料を有し、前記熱可塑性マトリックス材料はグラスファイバーで強化されたポリプロピレンマトリックス材料であり、当該複合材料製の板バネはＡＳＴＭ  Ｄ−６９５標準試験に従い、繊維の方向における圧縮強度が少なくとも３２，０００ｐｓｉである複合材料製の板バネ。
【請求項２】
前記複合材料製の板バネは、圧縮面と前記圧縮面の反対側の伸張面とを有する細長い第１の板状部材と、前記第１の板状部材を車両のフレームに取り付けるための１以上の取付部材とを有し、細長い前記第１の板状部材は前記マトリックスの中に整列された状態で埋め込まれた前記繊維により強化された前記熱可塑性マトリックス材料を有する
請求項１に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項３】
前記車両のフレームは自動車のフレームである
請求項２に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項４】
細長い前記第１の板状部材は湾曲している
請求項２に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項５】
挿入部材を有する
請求項４に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項６】
細長い前記第１の板状部材は、両端が先細りの形状となるように積層された連続する複数の層を有する
請求項２に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項７】
細長い前記第１の板状部材は、巻き上げにより形成された連続する複数の層を有する
請求項２に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項８】
湾曲した挿入部材を有する
請求項７に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項９】
金属を含む湾曲した細長い第１の板状部材と、前記マトリックスの中に整列された状態で埋め込まれた前記繊維により強化された前記熱可塑性マトリックス材料を含み前記第１の板状部材を覆う外装材とを有する
請求項１に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項１０】
カンチレバーバネである
請求項１に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項１１】
前記複合材料製の板バネは、ＡＳＴＭ  Ｄ−２９９０クリープ試験に従い、少なくとも２，７５０ポンドの負荷および少なくとも６１，０００ｐｓｉの応力に耐える強度を有する
請求項１に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項１２】
前記複合材料製の板バネは、ＡＳＴＭ  Ｄ−５３７９標準試験に従う剪断強度が少なくとも３，５００ｐｓｉである
請求項１に記載の複合材料製の板バネ。
【請求項１３】
前記複合材料製の板バネは、ＡＳＴＭ  Ｄ−２３４４標準試験に従う層間剪断強度が少なくとも３，７００ｐｓｉである
請求項１に記載の複合材料製の板バネ。
【国際調査報告】
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