JP2017154254A - 移動体用構造部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、所定の強度を有するとともに金属のみからなるものよりも軽量となる移動体用構造部材を提供する。
【解決手段】本発明のカムシャフト１（移動体用構造部材）は、金属の基材８と、熱可塑性樹脂を含み前記基材８上に形成される樹脂層９と、を備え、前記樹脂層９は、前記基材８側から順番に第１樹脂層１１と、第２樹脂層１２と、を有し、少なくとも前記第２樹脂層１２は、炭素繊維１４を含んでいることを特徴とする。このカムシャフト１（移動体用構造部材）の第１樹脂層１１は、基材８に対する第２樹脂層１２の接合強度を高める。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両などの移動体に使用される移動体用構造部材及びその製造方法に関する。

一般に、車両用エンジンのカムシャフトとしては、例えばニッケル、クロムなどを含んだ特殊鋼の鍛造物、特殊鋳鉄の鋳造物などからなるものが知られている（例えば、特許文献１、２など参照）。このような車両用の構造部材には、省エネ、低燃費化を目的とする近年の車重軽減の要請から軽量化が望まれる。

特開２０１０−１４９１３５号公報 特開２００８−２７４９０８号公報

ところで、車両用の構造部材は、その軽量化を達成することのみならず、十分な信頼性を発揮し得る強度が必要となる。特に、前記のカムシャフトを含むエンジン部品や、パワートレイン（駆動伝達装置）などの部品には機械的強度に優れた部材が望まれる。
しかしながら、このような車両用の構造部材において、所定の強度を有するとともに、前記の鍛造品、鋳造品のような金属製のものよりも軽量の構造部材は未だ知られていない。

そこで、本発明の課題は、所定の強度を有するとともに金属のみからなるものよりも軽量となる移動体用構造部材及びその製造方法を提供することにある。

前記課題を解決する本発明の移動体用構造部材は、金属の基材と、熱可塑性樹脂を含み前記基材上に形成される樹脂層と、を備え、前記樹脂層は、前記基材側から順番に第１樹脂層と、第２樹脂層と、を有し、少なくとも前記第２樹脂層は、炭素繊維を含んでいることを特徴とする。

また、前記課題を解決する前記移動体用構造部材の製造方法は、金属の基材上に熱可塑性樹脂を含む第１樹脂層を配置する第１工程と、前記基材上に前記第１樹脂層を介して炭素繊維及び熱可塑性樹脂を含む第２樹脂層を配置する第２工程と、少なくとも前記第１樹脂層に含まれる熱可塑性樹脂を、ガラス転移温度を超える温度に加熱して前記基材に対して前記第２樹脂層を接合する第３工程と、を有していることを特徴とする。

本発明によれば、所定の強度を有するとともに金属のみからなるものよりも軽量となる移動体用構造部材及びその製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る移動体用構造部材としてのカムシャフトの斜視図である。 （ａ）は、図１のIIａ−IIａ断面図、（ｂ）は、（ａ）のIIｂ部の部分拡大である。 （ａ）から（ｅ）は、図１のカムシャフト（移動体用構造部材）の製造方法の工程説明図である。 （ａ）から（ｃ）は、本発明の他の実施形態に係る移動体用構造部材の構成説明図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の他の実施形態に係る移動体用構造部材の構成説明図である。 本発明の実施例における移動体用構造部材の評価結果を示すグラフであり、（ａ）は、曲げ剛性［Ｎ・ｍ^２］の試験結果を示すグラフ、（ｂ）は、ねじり剛性［Ｎ・ｍ^２］の試験結果を示すグラフ、（ｃ）は、質量［ｇ］の測定結果を示すグラフである。

次に、本発明の実施形態に係る移動体用構造部材について説明する。本発明での移動体とは、走行する車両、航行する船舶、航空機などの移動可能な構造体を意味する。
本実施形態での移動体用構造部材としては、直列４気筒の４サイクルエンジンのエンジン本体に取り付けられる吸気用及び排気用カムシャフトのうち、吸気用カムシャフトを例にとって説明する。なお、本発明の移動体用構造部材は、このようなカムシャフトに限定されるものではなく、後記するように他の様々なものに適用することもできる。

本実施形態に係るカムシャフト（移動体用構造部材）は、後に詳しく説明するように、金属・熱可塑性樹脂・炭素繊維複合構造体を備えて構成されていることを主な特徴点とする。以下では、カムシャフトについて説明した後に、このカムシャフトの製造方法について説明する。

≪カムシャフト≫
図１は、本発明の実施形態に係るカムシャフト１の斜視図である。
図１に示すように、カムシャフト１は略棒状体に形成され、略円柱状の外形を有するシャフト部３と、カムシャフト１の長手方向に沿って設けられる複数のカム部２とを有している。

カム部２は、カムシャフト１の回転軸方向に見た平面視で卵形の輪郭を有する厚板で形成されている。カム部２は、カムシャフト１が回転軸周りに回転することで、図示を省略したロッカアームを介してエンジン本体側のバルブを開閉する。このカム部２は、バルブ（図示省略）に対応するようにカムシャフト１の回転軸の延びる方向に沿って所定の間隔を開けて配置されている。なお、カムシャフト１は、ＯＨＶ、ＳＯＨＣ、ＤＯＨＣなどのいずれの方式についても適用することができる。

シャフト部３には、部分的にジャーナル部５が形成されている。ジャーナル部５は、カムシャフト１の回転軸と同軸の周面を有するように形成されている。このジャーナル部５は、図示を省略したエンジン本体側に複数設けられる軸受に支承され、カムシャフト１を回転自在にエンジン本体側に支持させる。
ジャーナル部５は、軸受（図示省略）に対応するようにカムシャフト１の回転軸方向に沿って所定の間隔を開けて複数設けられる。

図１中、符号６は、前記の軸受（図示省略）との間でエンジンオイルの油路を形成する環状の溝部であり、符号７は、後記のカムシャフト１の中空部４（図２参照）と溝部６とを連通させる後記する連通孔である。ちなみに、カムシャフト１の中空部４には、所定の経路でオイルパン（図示省略）のエンジンオイルが供給される。

このようなカムシャフト１としては、例えば円筒状の単体のシャフト部３に複数のカム部２を取り付けたものや、複数に分割された円筒状のシャフト部３と、分割されたそれぞれのシャフト部３に対して一体に形成されたカム部２とからなるサブアッシーを互いに接続したもの、円筒状のシャフト部３とカム部２とが鍛造品の削出、鋳造などによって予め一体に形成されたものなどのいずれであっても構わない。

図２（ａ）は、図１のIIａ−IIａ断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のIIｂ部の部分拡大である。
図２（ａ）に示すように、本実施形態のカムシャフト１は、断面視で円形の前記した中空部４を有している。この中空部４は、カムシャフト１の長手方向に延びるように形成されている。

このようなカムシャフト１は、金属で形成される基材８と、樹脂層９とを備えて構成されている。
基材８は、カムシャフト１の外形を形成し、シャフト部３の周面から径方向外側に突出するカム部２を除くと、カムシャフト１は略円筒形状を有している。

本実施形態での基材８の中空部４を形成する内周面（内壁）には、粗面化処理が施されている。粗面化処理としては、公知の物理的又は化学的に基材８の表面をエッチングする方法が挙げられる。物理的エッチング方法としては、レーザ処理、ブラスト処理、工具等による切削処理などが挙げられる。また、化学的エッチング方法を使用するものとしては、例えばアマルファ（メック株式会社登録商標）処理が挙げられる。

基材８の金属としては、例えばニッケル、クロムを含んだ特殊鋼、特殊鋳鉄などの公知のカムシャフト材料が挙げられ特に制限はない。

本実施形態での樹脂層９は、略円筒形状（管形状）の基材８の内周面（内壁）側に形成されている。
このような樹脂層９は、第１樹脂層１１と、第２樹脂層１２と、第３樹脂層１３とを備えて構成されている。第１樹脂層１１、第２樹脂層１２、及び第３樹脂層１３のそれぞれを各層別にみれば各層１１〜１３は、カムシャフト１の回転軸と同軸の円筒形状となるように形成されている。

図２（ｂ）に示すように、樹脂層９は、基材８側から第１樹脂層１１、第２樹脂層１２、及び第３樹脂層１３の順番で積層されている。なお、図２（ｂ）に示す炭素繊維１４の断面形状及びサイズは、作図の便宜上、実際の炭素繊維の断面形状及びサイズを反映したものではない。

第１樹脂層１１は、熱可塑性樹脂を含んで構成されている。
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。

本実施形態での第１樹脂層１１は、熱可塑性樹脂のみからなるものを想定しているが、後記するように、第１樹脂層１１には無方向性の短炭素繊維１４ａ（図４（ｂ）参照）を含めることもできる。

第２樹脂層１２は、マトリックスとしての熱可塑性樹脂に炭素繊維１４を含んで構成されている。
第２樹脂層１２の熱可塑性樹脂としては、前記の第１樹脂層１１の熱可塑性樹脂と同様のものが挙げられる。第１樹脂層１１の熱可塑性樹脂と第２樹脂層１２の熱可塑性樹脂とは、同種であることが望ましい。つまり第１樹脂層１１の熱可塑性樹脂として例えばポリアミドが選択される場合には、第２樹脂層１２の熱可塑性樹脂についてもポリアミドが選択されることが望ましい。

第２樹脂層１２に含まれる炭素繊維１４としては、一方向に配向したものが望ましい。
本実施形態での第２樹脂層１２は、図２（ｂ）に示すように、第１樹脂層１１側から炭素繊維１４の配向方向の異なる第１層１２ａ、第２層１２ｂ、及び第３層１２ｃで構成されている。

第１層１２ａにおける炭素繊維１４は、後に詳しく説明するように、カムシャフト１の回転軸に対して０度をなすように（平行となるように）配向している。また、第２層１２ｂにおける炭素繊維１４は、後に詳しく説明するように、カムシャフト１の回転軸に対して４５度をなす螺旋を形成するように配向している。また、第３層１２ｃにおける炭素繊維１４は、後に詳しく説明するように、カムシャフト１の回転軸に対して−４５度をなす螺旋を形成するように配向している。

第２樹脂層１２における一方向に配向した炭素繊維１４には、前記のような炭素繊維１４の配向角度が積層方向に変化する積層構造からなるもののほか、例えばＵＤ材のように一方向にのみ配向した炭素繊維１４や所定角度で炭素繊維１４が織り込まれた織物も含まれる。
このような一方向に配向した炭素繊維１４としては、ＰＡＮ系、ピッチ系のいずれでも構わない。

樹脂層９における第２樹脂層１２の厚さＴ２に対する第１樹脂層１１の厚さＴ１の比（Ｔ１／Ｔ２）は、０．００１〜０．１が望ましい。
このような比に樹脂層９を設定することで、炭素繊維１４に基づく所定強度をカムシャフト１に付与しながら第１樹脂層１１が無いものと比較して基材８に対する第２樹脂層１２の接合強度を格段に向上させることができる。

第３樹脂層１３は、熱可塑性樹脂を含んで構成されている。この第３樹脂層１３の熱可塑性樹脂としては、前記の第１樹脂層１１の熱可塑性樹脂と同様のものが挙げられる。
この第３樹脂層１３は、後に詳しく説明するように、第２樹脂層１２を基材８側に押圧する溶融した熱可塑性樹脂１７（図３（ｅ）参照）が硬化したものである。
なお、この第３樹脂層１３は、後記するように省略することもできる。

≪カムシャフトの製造方法≫
次に、図１に示すカムシャフト１（移動体用構造部材）の製造方法について説明する。
図３（ａ）から図３（ｅ）は、カムシャフト１の製造方法の工程説明図である。
本実施形態では、前記した円筒状の単体のシャフト部３（図１参照）に複数のカム部２（図１参照）が後付けされるカムシャフト１（図１参照）の製造方法を例にとって説明する。

このカムシャフト１の製造方法は、図３（ａ）から図３（ｅ）に示すように、基材８上に前記の第１樹脂層１１を配置する第１樹脂層配置工程（第１工程）と、基材８上に第１樹脂層１１を介して前記の第２樹脂層１２を配置する第２樹脂層配置工程（第２工程）と、少なくとも第１樹脂層１１に含まれる熱可塑性樹脂を、ガラス転移温度を超える温度に加熱して基材８に対して第２樹脂層１２を接合する接合工程（第３工程）と、を有している。

この製造方法についてさらに具体的に説明すると、図３（ａ）に示すように、まずシャフト部３（図１参照）を構成する金属の基材８としての略円筒体が準備される。この基材８の長さは、カムシャフト１（図１参照）の長さに略等しい。

次に、図３（ｂ）に示すように、基材８の内周面（内壁）に第１樹脂層１１が配置される。
第１樹脂層１１を基材８の内周面に配置する方法としては、例えば第１樹脂層１１の熱可塑性樹脂からなる樹脂シート、パウダー状樹脂を基材８の内周面に配置する方法、予め作製した第１樹脂層１１の熱可塑性樹脂からなる円筒体を基材８の内側に配置する方法、溶融させた第１樹脂層１１の熱可塑性樹脂を基材８の内周面に塗布する方法などが挙げられる。なお、後記するように基材８が平板状のものについては、第１樹脂層１１は、基材８上に配置したペレット状の熱可塑性樹脂を溶融させて形成することもできる。

本実施形態での製造方法では、図３（ｃ）に示すように、基材８（図３（ａ）参照）とは別に、第２樹脂層１２（図２（ａ）参照）を形成するための円筒体１５が準備される。この円筒体１５は、第２樹脂層１２と同じ層構成となるように、前記の第１層１２ａ、第１層１２ｂ、及び第１層１２ｃを有している。つまり、第１層１２ａ、第１層１２ｂ、及び第１層１２ｃは、マトリックスとしての熱可塑性樹脂に所定方向に配向する炭素繊維１４を含んでいる。具体的には、第１層１２ａにおける炭素繊維１４は、円筒体１５の中心軸に対して０度をなすように（平行となるように）配向している。また、第１層１２ｂにおける炭素繊維１４は、円筒体１５の回転軸に対して４５度をなす螺旋を形成するように配向している。また、第１層１２ｃにおける炭素繊維１４は、円筒体１５の中心軸に対して−４５度をなす螺旋を形成するように配向している。

なお、本実施形態での第２樹脂層１２における第１層１２ａ、第１層１２ｂ、及び第１層１２ｃは、例えば、マトリックスとしての熱可塑性樹脂中に炭素繊維１４が一方向に配向したＵＤ材を円柱型の周面に前記の所定の配向角度となるように積層して形成することができる。このＵＤ材は、市販のものを使用することもできる。

次に、この製造方法では、図３（ｄ）に示すように、第１樹脂層１１の内側に円筒体１５が配置されることによって、基材８の内周面（内壁）に第１樹脂層１１を介して第２樹脂層１２が配置される。

また、この製造方法の変形例として、図３（ｃ）に示す円筒体１５の外周側に、第１樹脂層１１（図３（ｂ）参照）に対応する円筒体（図示省略）を配置した組立体（図示省略）を基材８（図３（ａ）参照）とは別に作製しておき、この組立体を基材８の内側に配置する方法を採用することもできる。
この変形例によれば、基材８の内側に前記の組立体が配置されることで前記の第１工程と前記の第２工程とが同時に行われて製造工程が簡便となる。

次に、この製造方法では、前記のように、少なくとも第１樹脂層１１（図３（ｄ）参照）に含まれる熱可塑性樹脂がガラス転移温度を超える温度で加熱される。これによって第１樹脂層１１は可塑化し乃至は溶融して基材８（図３（ｄ）参照）との界面が密着して消失する。また、第１樹脂層１１は可塑化し乃至は溶融して第２樹脂層１２（図３（ｄ）参照）との界面が密着して消失する。
加熱方法としては、特に制限はなく、例えばジュール熱、赤外線、加熱媒体（例えば加熱流動体）などを使用する方法が挙げられる。なお、第１樹脂層１１に対する加熱は、基材８側から行うこともできるし、第２樹脂層１２側から行うこともできるし、基材８側及び第２樹脂層１２側の両方から行うこともできる。

そして、第１樹脂層１１の熱可塑性樹脂がガラス転移温度を下回る温度となって熱可塑性樹脂が硬化することで、第１樹脂層１１を介して基材８に第２樹脂層１２が接合される（第３工程）。その後、前記の連通孔７（図１参照）などの所定の油路がシャフト部３（図１参照）の所定の位置に形成され、カム部２（図１参照）が取り付けられることによってカムシャフト１（移動体用構造部材）の一連の製造工程が終了する。

このようなカムシャフト１（移動体用構造部材）の製造方法における前記の接合工程（第３工程）においては、少なくとも第１樹脂層１１の熱可塑性樹脂がガラス転移温度を超える温度に加熱されるが、第２樹脂層１２の熱可塑性樹脂についてもガラス転移温度を超える温度に加熱されることが望ましい。また、前記の接合工程（第３工程）においては、基材８側に第２樹脂層１２を押圧する押圧工程を、第１樹脂層１１及び第２樹脂層１２の加熱工程と並行して行うことが望ましい。

このような接合工程（第３工程）の変形例は、例えば、基材８を支持した状態で、所定圧の加熱流動体を第２樹脂層１２上に付与して行われる。具体的には、この変形例は、図３（ｅ）に示すように、例えば所定の金型１６を使用して行われる。
さらに具体的には、この接合工程（第３工程）としては、前記のように第１樹脂層１１と前記第２樹脂層１２とが配置された前記基材８を、所定の金型１６内に配置する金型内配置工程（第４工程）と、金型１６内にガラス転移温度を超える温度に加熱された熱可塑性樹脂１７を注入する加熱樹脂注入工程（第５工程）と、注入した前記熱可塑性樹脂１７の圧力によって、前記第２樹脂層１２を、前記第１樹脂層１１を介して前記基材８側に押圧するとともに、注入された前記熱可塑性樹脂１７によって前記第１樹脂層１１及び前記第２樹脂層１２の熱可塑性樹脂をガラス転移温度を超える温度に加熱する押圧・加熱工程（第６工程）と、を有するものが挙げられる。

このような接合工程（第３工程）で使用される金型１６は、基材８の外形を模ったキャビティと、前記の加熱した熱可塑性樹脂１７の注入口１６ａと、シャフト部３（図２（ａ）参照）の内側に形成される中空部４（図２（ａ）参照）に対応する位置に配置される中子１６ｂと、を備えている。

この接合工程（第３工程）では、第１樹脂層１１及び第２樹脂層１２が内部に配置された基材８が金型１６内にセットされ、例えば射出成形機などから所定の圧力で射出された前記熱可塑性樹脂１７が注入口１６ａから金型１６内に注入される。そして、金型１６内に注入された熱可塑性樹脂１７は、第２樹脂層１２と中子１６ｂとの間を所定圧で満たす。
金型１６内での熱可塑性樹脂１７は、第１樹脂層１１及び第２樹脂層１２の熱可塑性樹脂を、ガラス転移温度を超える温度で加熱する。

金型１６内での熱可塑性樹脂１７は、射出成形機による熱可塑性樹脂１７の射出圧力に応じた圧力で、前記のように第２樹脂層１２を基材８側に向けて押圧する。これにより第２樹脂層１２は、第１樹脂層１１を介して、より強固に基材８に対して接続される。
この熱可塑性樹脂１７としては、第１樹脂層１１及び第２樹脂層１２の熱可塑性樹脂と比較して、ガラス転移温度が高いものが望ましい。

金型１６内に注入された熱可塑性樹脂１７がガラス転移温度を下回る温度になって硬化した後、型抜きされて中子１６ｂが取り出された跡に中空部４（図１参照）が形成される。
硬化した熱可塑性樹脂１７は第３樹脂層１３（図１参照）となって、第２樹脂層１２を内側から保持する。
また、このような接合工程（第３工程）の変形例を適用しない前記のカムシャフト１（移動体用構造部材）の製造方法によれば、第３樹脂層１３が省略されたカムシャフト１を得ることができる。

このような接合工程（第３工程）の変形例では、所定圧の加熱流動体として射出成形機から射出された熱可塑性樹脂を想定しているが、加熱流動体はこれに限定されるものではない。この変形例における他の加熱流動体としては、例えば、大気圧を超える圧力に加圧されたオイル（鉱物油、シリコーンオイルなど）を使用することもできる。そして、加熱流動体は、第２樹脂層１２上に設けた他の層を介して第２樹脂層１２上に付与することもできる。ちなみに、この「他の層」は、結果物としてのカムシャフト１に残るもの、又は後工程で除去されて結果物としてのカムシャフト１に残らないものの何れであってもよい。

次に、本実施形態のカムシャフト１（移動体用構造部材）及びその製造方法の奏する作用効果について説明する。
本実施形態のカムシャフト１（移動体用構造部材）によれば、金属の基材８に炭素繊維を含む第２樹脂層１２が接合されているので、基材８単独で形成されるものと比べて一段と強度を高めることができる。言い換えれば、ともに同じ強度を有する本実施形態のカムシャフト１（移動体用構造部材）と、基材８を構成する金属のみで形成されるカムシャフトとにおける金属量の比較では、本実施形態のカムシャフト１のほうが、使用する金属量が少ない。よって、本実施形態のカムシャフト１は、所定の強度を有するとともに、従来の金属製のもの（例えば特許文献１、２など参照）よりも軽量となる。

また、本実施形態のカムシャフト１（移動体用構造部材）は、金属の基材８に対して炭素繊維１４を含む第２樹脂層１２が熱可塑性樹脂を含む第１樹脂層１１を介して接合されている。これにより本実施形態のカムシャフト１（移動体用構造部材）は、基材８に対して直に第２樹脂層１２を接合したものよりも基材８に対する第２樹脂層１２の接合強度がより一層向上する。

また、本実施形態のカムシャフト１（移動体用構造部材）は、金属の管体からなる基材８の内壁に樹脂層９が形成されている。つまり樹脂層９の外層が金属によって覆われる構成となる。これによりカムシャフト１（移動体用構造部材）は、この基材８の外壁に樹脂層９を設けたものと比較して外部から入力される撃力に対する強度が向上する。

また、本実施形態のカムシャフト１（移動体用構造部材）の製造方法によれば、第１樹脂層１１を介して基材８に第２樹脂層１２を接合するので、基材８に対する第２樹脂層１２の接合強度を向上させることができる。

また、本実施形態の製造方法は、少なくとも第１樹脂層１１を、ガラス転移温度を超える温度で加熱するので、第１樹脂層１１を構成する熱可塑性樹脂が基材８と第２樹脂層１２とに密着する。これにより基材８に対する第２樹脂層１２の接合強度がより向上する。そして、この際、第２樹脂層１２についてもガラス転移温度を超える温度で加熱することによって、基材８に対する第２樹脂層１２の接合強度がより向上する。

また、前記実施形態の製造方法は、少なくとも第１樹脂層１１を、ガラス転移温度を超える温度で加熱しながら第２樹脂層１２を基材８側に押圧する。これにより基材８に対する第２樹脂層１２の接合強度は、より確実に向上する。

また、本実施形態の製造方法の前記変形例（図３（ｅ）参照）では、金型１６内で基材８に第２樹脂層１２が接合される。この変形例によれば、第２樹脂層１２が接合される基材８の保持安定性が良好となる。

また、本実施形態の製造方法の図３（ｅ）に示す変形例では、溶融した熱可塑性樹脂１７を金型１６内に導入し、この熱可塑性樹脂１７によって第１樹脂層１１と第２樹脂層１２とをガラス転移温度を超える温度に加熱する。この変形例によれば、第１樹脂層１１と第２樹脂層１２とを一定温度で均一に加熱することができる。これにより基材８の内壁面に対する第２樹脂層１２の接合強度が全周面に渡って均一化する。

また、この変形例では、溶融した熱可塑性樹脂１７の金型１６内への導入圧によって第２樹脂層１２が基材８側に押圧される。この変形例によれば、基材８の内壁面の面方向に第２樹脂層１２が基材８側に均一に押圧される。これにより基材８の内壁面に対する第２樹脂層１２の接合強度が全周面に渡って均一化する。
なお、この変形例では、少なくとも第１樹脂層１１を、ガラス転移温度を超える温度に加熱するために、金型１６を所定のヒータによって加熱することもできる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。なお、以下の他の実施形態において、前記実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図４（ａ）から図４（ｃ）、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本発明の他の実施形態に係る移動体用構造部材１０の構成説明図である。なお、図４（ａ）から図４（ｃ）に示す炭素繊維１４の形状及びサイズは、作図の便宜上、実際の炭素繊維の径、断面形状を反映したものではない。

前記実施形態では、管体からなる基材８の内壁面に樹脂層９が形成されたカムシャフト１（移動体用構造部材）について説明したが（図２参照）、本発明の移動体用構造部材は、これに限定されない。本発明の移動体用構造部材は、例えば、パワートレイン（駆動伝達装置）などの部品、車載装置のハウジング、サスペンションなどの足回りの部材、車体フレームなどにも使用することもできる。そして、本発明の移動体用構造部材は、適用する部材に応じて前記のカムシャフト１のような棒状部材に限定されずに様々な形状とすることができる。また、移動体用構造部材が適用されるものに応じて基材８の金属の種類、形状などについても様々なものが選択される。

図４（ａ）に示すように、この移動体用構造部材１０は、基材８の所定の平面上に樹脂層９を有している。基材８の金属としては、移動体用構造部材１０が適用される部材に通常使用される金属を使用することができ特に制限はない。この基材８の樹脂層９が設けられる側の面には、粗面化処理が施されることが望ましい。
図４（ａ）中、符号１１は第１樹脂層であり、符号１２は第２樹脂層である。第１樹脂層１１、第２樹脂層１２に含まれる熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。
この移動体用構造部材１０における第１樹脂層１１は、前記実施形態のカムシャフト１（移動体用構造部材）と同様に形成することができる。

この移動体用構造部材１０における第２樹脂層１２は、マトリクスとしての熱可塑性樹脂１７中に、基材８側から順番に０°で炭素繊維１４が配向する第１層１２ａと、９０°で炭素繊維１４が配向する第１層１２ｂと、０°で炭素繊維１４が配向する第１層１２ｃとが積層されたものを想定している。なお、第２樹脂層１２の炭素繊維１４は、前記のように炭素繊維１４の配向角度が積層方向に変化する積層構造からなるもののほか、例えばＵＤ材のように一方向にのみ配向した炭素繊維１４や所定角度で炭素繊維１４が織り込まれた織物も含まれる。

なお、この移動体用構造部材１０には、前記実施形態のカムシャフト１（移動体用構造部材）と異なって第３樹脂層１３（図２（ａ）参照）が省略されているが、この第３樹脂層１３を第２樹脂層１２上に形成することもできる。
この移動体用構造部材１０によれば、面圧強度が要求される部材に適用した際に所定の面圧強度を有するとともに金属のみからなる部材よりも軽量となる。

図４（ｂ）に示すように、この移動体用構造部材１０は、前記したように、マトリックスとしての熱可塑性樹脂１７中に無方向性の短炭素繊維１４ａを含む第１樹脂層１１を有している。この無方向性とは、含まれる短炭素繊維１４ａの繊維軸方向の方向性がランダムになっている状態を意味する。短炭素繊維１４ａの長さは、０．０２ｍｍ〜数ｍｍが望ましい。短炭素繊維１４ａとしては、例えばチョップドカーボンファイバなどが挙げられる。
短炭素繊維１４ａとしては、ＰＡＮ系、ピッチ系のいずれでも構わない。
なお、図４（ｂ）中、符号８は基材であり、符号１１は、樹脂層９を構成する第１樹脂層であり、符号１２は、樹脂層９を構成する第２樹脂層であり、符号１４は、第１層１２ａ、第２層１２ｂ、第３層１２ｃのそれぞれで所定の方向に配向する第２樹脂層１２に含まれる炭素繊維である。

この移動体用構造部材１０における基材８及び第２樹脂層１２は、図４（ａ）に示す移動体用構造部材１０における基材８及び第２樹脂層１２と同様の構成にすることができる。
また、この移動体用構造部材１０には、前記実施形態のカムシャフト１（移動体用構造部材）と異なって第３樹脂層１３（図２（ａ）参照）が省略されているが、この第３樹脂層１３を第２樹脂層１２上に形成することもできる。

この移動体用構造部材１０によれば、短炭素繊維１４ａを含む第１樹脂層１１を有することで、基材８に対する第２樹脂層１２の接合強度を向上させるとともに、基材８と第２樹脂層１２との間の剪断強度を向上させることができる。また、この移動体用構造部材１０によれば、移動体用構造部材１０の剛性をさらに向上させることができる。
また、この移動体用構造部材１０の第１樹脂層１１は、マトリックスが熱可塑性樹脂で構成されるので押出成形などによって容易に形成することができる。

図４（ｃ）に示すように、この移動体用構造部材１０は、基材８ａと、第１樹脂層１１ａと、第２樹脂層１２と、第１樹脂層１１ｂと、基材８ｂと、がこの順番で重ねて接合されて構成されている。この移動体用構造部材１０における基材８ａ，８ｂ、第１樹脂層１１ａ，１１ｂ、及び第２樹脂層１２のそれぞれには、図４（ａ）に示す移動体用構造部材１０における基材８、第１樹脂層１１、及び第２樹脂層１２と同様のものを適用することができる。なお、図４（ｃ）中、符号１４は、第１層１２ａ、第２層１２ｂ、第３層１２ｃのそれぞれで所定の方向に配向する第２樹脂層１２に含まれる炭素繊維であり、符号１７は、樹脂層９に含まれる熱可塑性樹脂である。
この移動体用構造部材１０によれば、図４（ａ）に示す移動体用構造部材１０と比較して、さらに面圧強度を向上させることができる。

また、図４（ａ）に示す、基材８上に一方向に配向する炭素繊維１４を含む第２樹脂層１２を有するものは、第１樹脂層１１を省略することもできる。つまり、この第１樹脂層１１を省略した変形例に係る移動体用構造部材（図示を省略）は、金属の基材と、熱可塑性樹脂を含み基材上に形成される樹脂層と、を備え、樹脂層は、一方向に配向した炭素繊維を含む構成となる。

図５（ａ）に示すように、この移動体用構造部材１０は、金属の管体からなる基材８の外周壁に、樹脂層９としての第１樹脂層１１と、第２樹脂層１２と、第３樹脂層１３と、をこの順番で有する構成となっている。

基材８の金属としては、移動体用構造部材１０が適用される部材に通常使用される金属を使用することができ特に制限はない。この基材８の樹脂層９が設けられる側の面には、粗面化処理が施されることが望ましい。
この移動体用構造部材１０における第１樹脂層１１、第２樹脂層１２、及び第３樹脂層１３のそれぞれには、図２（ａ）のカムシャフト１（移動体用構造部材）における第１樹脂層１１、第２樹脂層１２、及び第３樹脂層１３と同様のものを適用することができる。

この移動体用構造部材１０によれば、樹脂層９が基材８の外壁面に形成されるので、樹脂層９の厚さなどの設計自由度が向上するとともに製造工程も簡単になる。
また、この移動体用構造部材１０によれば、中空部４側に樹脂層９を有していないので、熱可塑性樹脂に化学的な影響を与える液体を通流する配管として使用することもできる。

図５（ｂ）に示すように、この移動体用構造部材１０は、断面視で略Ｌ字状の棒状部材であり、直線状に延びるもの、長さ方向に湾曲するものなどを想定している。この移動体用構造部材１０は、例えば組み立てられて枠材として使用されるもの、ピラー、バンパ、各種ブラケットなどを補強するレインフォースメントとして使用されるものを想定している。基材８の形状としては、移動体用構造部材１０と略同形状（ニアシェイプ）のものを使用することができる。基材８の材料としては、金属であれば特に制限はない。

この移動体用構造部材１０は、基材８の内角側の面に、第１樹脂層１１と第２樹脂層１２とをこの順番で積層して構成されている。符号９は、第１樹脂層１１と第２樹脂層１２とで構成される樹脂層である。
この移動体用構造部材１０における第１樹脂層１１及び第２樹脂層１２には、図４（ａ）の移動体用構造部材１０における第１樹脂層１１及び第２樹脂層１２と同様ものを適用することができる。

この移動体用構造部材１０は、前記した作用効果に加えて組立材料として汎用性が高まる。なお、この移動体用構造部材１０の変形例としては、例えば断面形状がＵ字状（コ字状）のもの、Ｈ字状のもの、円、楕円、多角形などの閉断面を有するものなどが挙げられる。また、第１樹脂層１１及び第２樹脂層１２は、基材８の一方の面だけでなく、基材８を挟んで両方の面にそれぞれ設けることもできる。

また、本発明の実施形態（前記の他の実施形態をも含む）では、第２樹脂層１２に含まれる炭素繊維１４として一方向に配向したものを想定しているが、第２樹脂層１２としては、抄紙法で形成した炭素繊維のランダムマットや、ネット状に編み込んだ炭素繊維に熱可塑性樹脂を含むものを使用することもできる。

また、本発明の移動体用構造部材は、前記の車両用のものに限定されずに、船舶や航空機などに使用される構造部材にも適用することができる。

以下では、本発明の移動体用構造部材の奏する作用効果を検証した実施例について説明する。
本実施例では、移動体用構造部材として長さが４００ｍｍの円筒状のシャフトを作製した。このシャフトの内径は、１０ｍｍであった。

このシャフトの作製にあたって、まず長さ４００ｍｍ、外径２５ｍｍ、内径２１ｍｍのスチールパイプ（図２（ａ）の基材８に対応）を用意した。
このスチールパイプの内壁面に図２（ａ）に示した第１樹脂層１１と第２樹脂層１２と第３樹脂層１３とからなる樹脂層９を形成して前記のシャフトを得た。スチールパイプの内壁面への第１樹脂層１１、第２樹脂層１２、及び第３樹脂層１３の形成は、図３（ｅ）の金型１６内に溶融した熱可塑性樹脂を射出して行う前記の変形例にて行った。

なお、第１樹脂層１１の熱可塑性樹脂、及び第２樹脂層１２の熱可塑性樹脂には、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）が使用された。
第２樹脂層１２の炭素繊維１４は、図３（ｃ）の円筒体１５と同様に０度、４５度、及び−４５度に配向させた。
第３樹脂層１３の熱可塑性樹脂には、ポリアミド６（ＰＡ６）が使用された。
第１樹脂層１１の厚さは、０．０５ｍｍであり、第２樹脂層１２の厚さは、２ｍｍであり、第３樹脂層１３の厚さは、１ｍｍであった。

次に、作製したシャフトについて、曲げ剛性、ねじり剛性及び質量の測定試験を行った。その試験結果を図６（ａ）から図６（ｃ）に「実施例」として示す。
図６（ａ）は、曲げ剛性［Ｎ・ｍ^２］の試験結果を示すグラフ、図６（ｂ）は、ねじり剛性［Ｎ・ｍ^２］の試験結果を示すグラフ、図６（ｃ）は、質量［ｇ］の測定結果を示すグラフである。

図６（ａ）から図６（ｃ）に示すように、実施例としてのシャフトの曲げ剛性は、６４８７［Ｎ・ｍ^２］であり、ねじり剛性は、２２００［Ｎ・ｍ^２］であり、質量は、５９２［ｇ］であった。

また、この測定試験と並行して、長さ４００ｍｍ、外径２５ｍｍ、内径１３ｍｍのスチールパイプについて、前記のシャフトと同様に、曲げ剛性［Ｎ・ｍ^２］、ねじり剛性［Ｎ・ｍ^２］及び質量［ｇ］の測定試験を行った。その試験結果を図６に「比較例」として示す。
図６（ａ）から図６（ｃ）に示すように、比較例としてのスチールパイプの曲げ剛性は、６３３１［Ｎ・ｍ^２］であり、ねじり剛性は、２２００［Ｎ・ｍ^２］であり、質量は、８３１［ｇ］であった。

これらの測定試験の結果が示すように、本実施例のシャフト（移動体用構造部材）は、このシャフトと同じ形状のスチールパイプ（比較例）と同等の強度（曲げ剛性［Ｎ・ｍ^２］、ねじり剛性［Ｎ・ｍ^２］）を有することが検証された。また、本実施例のシャフト（移動体用構造部材）は、スチールパイプ（比較例）よりも質量が２９％低減されていることが検証された。

また、本実施例では、図４（ａ）に示す移動体用構造部材１０（以下、サンプル１という）と、図４（ｂ）に示す移動体用構造部材１０（以下、サンプル２という）とを作製した。また、比較例として図４（ａ）の移動体用構造部材１０において第１樹脂層１１を省略した対照品を作製した。つまり基材８上に直に第２樹脂層１２を接合したものを作製した。なお、第１樹脂層１１及び第２樹脂層１２の熱可塑性樹脂としては、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）が使用された。

次に、これらサンプル１、サンプル２及び対照品のそれぞれについて、基材８と第２樹脂層１２との間の剪断強度を測定した。
対照品の剪断強度は、４１．２［ＭＰａ］であった。これに対して短炭素繊維１４ａを含まない第１樹脂層１１を有するサンプル１の剪断強度は、５７．４［ＭＰａ］であった。この測定結果から明らかなように、第１樹脂層１１を有することで本発明の移動体用構造部材１０は、基材８と第２樹脂層１２との間の剪断強度にも優れることが確認された。

また、第１樹脂層１１に短炭素繊維１４ａを含むサンプル２の剪断強度は、６２．０［ＭＰａ］であった。第１樹脂層１１に短炭素繊維１４ａを含むことで、本発明の移動体用構造部材１０は、基材８と第２樹脂層１２との間の剪断強度がさらに向上することが確認された。

１ カムシャフト（移動体用構造部材）
２ カム部
３ シャフト部
４ 中空部
５ ジャーナル部
６ 溝部
７ 連通孔
８ 基材
８ａ 基材
８ｂ 基材
９ 樹脂層
１０ 移動体用構造部材
１１ 第１樹脂層
１１ａ 第１樹脂層
１１ｂ 第１樹脂層
１２ 第２樹脂層
１２ａ 第１層
１２ｂ 第２層
１２ｃ 第３層
１３ 第３樹脂層
１４ 炭素繊維
１４ａ 短炭素繊維
１５ 円筒体
１６ 金型
１６ａ 注入口
１６ｂ 中子
１７ 熱可塑性樹脂

Claims (7)

1. 金属の基材と、
   熱可塑性樹脂を含み前記基材上に形成される樹脂層と、を備え、
   前記樹脂層は、前記基材側から順番に第１樹脂層と、第２樹脂層と、を有し、
   少なくとも前記第２樹脂層は、炭素繊維を含んでいることを特徴とする移動体用構造部材。
2. 金属の基材と、
   熱可塑性樹脂を含み前記基材上に形成される樹脂層と、を備え、
   前記樹脂層は、一方向に配向した炭素繊維を含むことを特徴とする移動体用構造部材。
3. 前記第２樹脂層は、一方向に配向した炭素繊維を含むことを特徴とする請求項１に記載の移動体用構造部材。
4. 前記第１樹脂層は、方向性がランダムの炭素繊維を含むことを特徴とする請求項１に記載の移動体用構造部材。
5. 前記基材は、管体であり、前記樹脂層は、前記管体の内壁に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の移動体用構造部材。
6. 請求項１に記載の移動体用構造部材の製造方法であって、
   金属の基材上に熱可塑性樹脂を含む第１樹脂層を配置する第１工程と、
   前記基材上に前記第１樹脂層を介して炭素繊維及び熱可塑性樹脂を含む第２樹脂層を配置する第２工程と、
   少なくとも前記第１樹脂層に含まれる熱可塑性樹脂を、ガラス転移温度を超える温度に加熱して前記基材に対して前記第２樹脂層を接合する第３工程と、
   を有していることを特徴とする移動体用構造部材の製造方法。
7. 前記第３工程は、前記基材を支持した状態で、所定圧の加熱流動体を前記第２樹脂層上に付与して行うことを特徴とする請求項６に記載の移動体用構造部材の製造方法。

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