JP4736795B2 - 繊維強化プラスチック構造体 - Google Patents

Description

本発明は、締結用の金属製インサートが埋設された繊維強化プラスチック構造体に関する。

従来技術では、コア部材を所望の形状として、その周囲に繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics：ＦＲＰ）を材質とする外皮部材を固着することにより、軽くて強固なＦＲＰ構造体を得ている。このようなＦＲＰ構造体を他の部材に締結して固定するためには、ＦＲＰ構造体の内部に締結用の金属製インサートを埋め込む必要がある。金属製インサートが埋設されたＦＲＰ構造体が、特許文献１，２に記載されている。

特許文献１に記載される方法では、ＦＲＰ構造体をドリル等を用いて機械加工することにより、硬質の外皮部材を貫通してコア部材の内部まで至る凹部を形成し、金属製インサートをその凹部に嵌め込んで、金属製インサートとコア部材との間に接着剤を充填して固化させている。上述した方法を採用した場合には、ＦＲＰ製の外皮部材を金属製ドリルで加工する際に、ドリルの磨耗が著しいためドリルの交換頻度が増し、コスト高の要因となってしまう。また、ドリルで外皮部材を切削する際に、多くの割れが外皮部材に生じることを回避するために、ドリルを低速で回転せざるを得ず、加工時間が長くなってしまう。
特開平５−１１６２６７号公報 特開２００４−２７６４２９号公報

ところで、インサート部材の全てを金属製とすると、ＦＲＰ構造体の重量が増加してしまう。そこで、図７に示されるように、ＦＲＰ構造体５０では、インサート部材の各部位の機能に応じて材質を最適化することが考えられる。具体的には、インサート部材において、ネジ穴が形成される内側部材５２については、その締結機能を確保するために金属製とする。一方、内側部材５２に接合された外側部材５４については、内側部材５２を保持する機能を確保すればよいため、軽量なＦＲＰ製とする。

しかし、このようにインサート部材が２つの材質からなる場合には、ＦＲＰ構造体の製造時にＦＲＰを硬化させるために加熱すると、金属とＦＲＰとの熱膨張率の違いにより、内側部材５２と外側部材５４との間で剥離が生じて、ＦＲＰ構造体５０と他の部材との強固な締結が損なわれてしまう。このようなインサート部材の剥離を防止するためには、例えば、次に説明する方法が採用され得る。

即ち、内側部材５２と外側部材５４との間で剥離が生じることを防止するために、ＦＲＰ構造体５０の製造時に、室温程度の比較的に低い温度でＦＲＰを固化させる。しかしながら、このようにＦＲＰを低温で固化させた場合には、ＦＲＰ構造体５０の耐熱性能が低くなってしまう。また、低温で固化させたとしても、金属製の内側部材５２とＦＲＰ製の外側部材５４とに熱膨張差があることに変わりはないため、ＦＲＰ構造体５０の使用環境次第で、内側部材５２と外側部材５４との間で剥離が生じる可能性が残っている。

そこで、本発明は、金属製インサートとＦＲＰ製インサートとの間で剥離が生じても、強固な締結状態が損なわれることを防止可能なＦＲＰ構造体を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明に係る繊維強化プラスチック構造体は、コア部材と、コア部材を覆う繊維強化プラスチック製の外皮部材と、コア部材の外部から内部まで延設された棒状の部材であって、外部に露出した一端には、取付対象物に締結するための締結部が形成され、外部から内部に進むほど、軸線に垂直な断面積が拡大する抜け止め部が形成されている、金属製の第１インサート部材と、第１インサート部材の抜け止め部と係合する係合部が形成されている、繊維強化プラスチック製の第２インサート部材と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、繊維強化プラスチック構造体において、金属製の第１インサート部材には、外部から内部に進むほど、軸線棒軸に垂直な断面積が拡大する抜け止め部が形成されており、第１インサート部材の抜け止め部は、第２インサート部材の係合部と係合されている。よって、第１インサート部材と第２インサート部材とが剥離しても、第１インサート部材は第２インサート部材から抜けることがなく、繊維強化プラスチック構造体と他の部材との強固な締結状態が損なわれることを防止することができる。

上述した繊維強化プラスチック構造体において、第１インサート部材の抜け止め部は、外部から内部に進んだ距離に比例して直径が増加するテーパ形状を有していることが好ましい。この構成によれば、第１インサート部材と第２インサート部材とが剥離した場合でも、第１インサート部材と第２インサート部材との隙間の大きさに拘らず、第１インサート部材と第２インサート部材とをテーパ面全域で係合させることができる。よって、第１インサート部材と第２インサート部材との接触面積を大きくして、繊維強化プラスチック構造体の締結状態を安定させることができる。

また、上述した繊維強化プラスチック構造体において、第１インサート部材には、軸線に沿って広がる当接面からなる回り止め部が形成されていることが好ましい。この構成によれば、第１インサート部材と第２インサート部材とが剥離した場合でも、第１インサート部材には回り止め部が形成されているため、第２インサート部材に対して第１インサート部材が回転することが防止されている。ここで、回り止め部の当接面は、第２インサート部材と広い面積で当接するため、締結時に第１インサート部材に作用するトルクに抗して第１インサート部材の回転を抑止することができる。

また、上述した繊維強化プラスチック構造体において、第１インサート部材の締結部は、外部に露出した端面から加工されたネジ穴を含んでおり、第１インサート部材の締結部の端面は、外皮部材の外面よりも内側に退避していることが好ましい。この構成によれば、第１インサート部材の締結部の端面は、外皮部材の外面よりも内側に退避しており、繊維強化プラスチック構造体を製造する観点から好ましい。即ち、第１インサート部材の締結部の端面は、外皮部材の外面よりも内側に退避しているように構成されると、繊維強化プラスチック構造体を成形型を用いて製造した場合に、第１インサート部材の締結部の端面が成形型に引っ掛かることがなく、繊維強化プラスチック構造体を容易に成形型から取り出すことができる。

また、上述した繊維強化プラスチック構造体と、当該繊維強化プラスチック構造体が取り付けられる取付対象物とを含む締結構造において、第１インサート部材の端面に対向する取付対象物の部位には、当該端面に向けて突出する突出面が設けられており、第１インサート部材の端面は、取付対象物の突出面に当接しており、端面の周囲の外皮部材は、取付対象物から離れていることが好ましい。この構成によれば、繊維強化プラスチック構造体が取付対象物に取り付けられた状態において、外皮部材は取付対象物から離れている。即ち、繊維強化プラスチック構造体の外皮部材が押圧された状態とならないため、外皮部材のクリープにより締結が緩んでしまうことを未然に防止することができる。

また、上述した締結構造において、外皮部材及び取付対象物は、両部材の隙間に充填された接着剤により固着されていることが好ましい。この構成によれば、接着剤を用いて外皮を取付対象物に固着することで、繊維強化プラスチック構造体を取付対象物により強固に固定することができる。

本発明のＦＲＰ構造体によれば、金属製インサートとＦＲＰ製インサートとの間で剥離が生じても、強固な締結状態が損なわれることを防止することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係るＦＲＰ構造体の好適な実施形態について説明する。なお、以下に説明するＦＲＰ構造体は、その軽量で高剛性の特性から、自動車、船舶、航空機などの構造用部材を用途として用いることができる。自動車の部材としては、ルーフ、フロア、ドア、バンパなどである。

本実施形態においてＦＲＰ構造体は柱状の部材であり、ＦＲＰ構造体の略矩形の断面が図１に示されている。図１に示されるように、ＦＲＰ構造体１０は、ＦＲＰ構造体１０の内部に配置されるコア部材１２と、コア部材１２に差し込まれるように配置される金属製の第１インサート部材１４と、第１インサート部材１４を保持するように配置されるＦＲＰ製の第２インサート部材１６とを備えている。そして、コア部材１２、第１インサート部材１４及び第２インサート部材１６が組み合わされて結合体が構成されており、その結合体がＦＲＰ製の外皮部材１８により覆われている。なお、ＦＲＰ製の第２インサート部材１６は、２つの部材を接着剤で接合して構成されている。第２インサート部材１６の一方の部材は、第１インサート部材１４に沿って配置された円筒状の第１片１６Ａであり、第２インサート部材１６の他方の部材は、第１片１６Ａと外皮部材１８との間に配置された板状の第２片１６Ｂである。

ここで、第２インサート部材１６及び外皮部材１８を構成する繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics：ＦＲＰ）とは、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸して固化することで得られる材料である。強化繊維としては、本実施形態で用いられる炭素繊維の他に、ガラス繊維等の無機繊維や、ケブラー繊維、ポリエチレン繊維、ポリアミド繊維などの有機繊維からなる強化繊維が挙げられる。さらに、マトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂、ポリウレタン樹脂等の熱可塑性樹脂が挙げられる。

ＦＲＰ構造体１０において、コア部材１２は、ＦＲＰ構造体１０の内部に配置される部材であり、ＦＲＰ構造体１０の形状を概略決定している。本実施形態では、ＦＲＰ構造体１０が柱状の部材であるため、コア部材１２も柱状の部材であり、図１において紙面に垂直に延びている。コア部材１２は、ＦＲＰ構造体１０の重量を増加させることなく剛性に高めるために、ポリウレタンフォーム、ポリスチレンフォーム、ポリエチレンフォーム、ポリプロピレンフォーム、アクリルフォーム、塩化ビニルフォーム、ポリイミドフォーム等の硬質フォームを材質としている。但し、コア部材１２の材質は、これらに限られず、ケミカルウッド材や木材、ハニカム材等を用いることもできる。

第１インサート部材１４は、ＦＲＰ構造体１０の外部から内部まで延設されて、ＦＲＰ構造体１０の中心付近まで延びる棒状の部材である。ＦＲＰ構造体１０を他の部材に締結可能とするために、第１インサート部材１４は、鋼、アルミニウム、チタン等の金属材料を材質として、その一部に雌ネジや雄ネジなどの締結部が機械加工されて形成される。より詳しく説明すると、第１インサート部材１４の外側の端部は、残りの部分から突き出た突出部１４ａとなっている。そして、突出部１４ａの端面１４ｂは、ＦＲＰ構造体１０の外部に露出しており、この端面１４ｂから軸線Ｌに沿ってネジ穴１４ｃが形成されている。

また、図２に示されるように、第１インサート部材１４の外周面の一部１４ｄ，１４ｅは、軸線Ｌに対して３°〜１０°のテーパ状となっており、ＦＲＰ構造体１０の外部から内部へ進んだ距離に比例してテーパ面１４ｄ，１４ｅが拡径している。言い換えれば、第１インサート部材１４は、ＦＲＰ構造体１０の外部から内部へ進むほど、軸線Ｌに垂直な断面積が増加している。第１インサート部材１４のテーパ部位１４ｄ，１４ｅが、第１インサート部材１４がＦＲＰ構造体１０から抜けることを防止するための抜け止め部となっている。

即ち、第１インサート部材１４の軸線Ｌに垂直な断面積が増加するために、第１インサート部材１４の外側への移動を抑止するように、第２インサート部材の第１片１６Ａは第１インサート部材１４と係合する。よって、ＦＲＰ構造体１０の製造時に、第１インサート部材１４及び第２インサート部材１６を加熱して、両部材１４，１６間に剥離が生じても、第１インサート部材１４は第２インサート部材の第１片１６Ａにより保持されて、ＦＲＰ構造体１０から抜けることがない。このような構成とすることで、ＦＲＰ構造体１０の締結に緩みが生じることを未然に防止することができる。

また、上述した第１インサート部材１４において、テーパ状の抜け止め部１４ｄ，１４ｅが、外部から内部へ進んだ距離に比例して直線的に拡径していることが、特に好ましい。仮に、抜け止め部１４ｄ，１４ｅが、外部から内部へ進んだ距離に比例して直線的に拡径しない場合には、第１インサート部材１４と第２インサート部材の第１片１６Ａとの剥離による隙間の大きさによっては、第１インサート部材１４と第２インサート部材の第１片１６Ａとは局部的に当接することとなる。これに対して、抜け止め部１４ｄ，１４ｅが、外部から内部へ進んだ距離に比例して直線的に拡径した場合には、第１インサート部材１４と第２インサート部材の第１片１６Ａとの間の隙間の大きさに拘らず、第１インサート部材１４と第２インサート部材の第２片１６Ａとはテーパ面全域で係合する。よって、第１インサート部材１４と第２インサート部材の第１片１６Ａとの接触面積を大きくして、ＦＲＰ構造体１０の締結状態を安定させることができる。

また、上述した第１インサート部材１４において、２つのテーパ状の抜け止め部１４ｄ，１４ｅの間の部位１４ｆ，１４ｇは、軸線Ｌに沿って互いに平行に延びる平面（当接面）となっており、この平面状の部位１４ｆ，１４ｇが、第１インサート部材１４がＦＲＰ構造体１０の内部で回転することを防止するための回り止め部となっている。第１インサート部材１４のネジ穴１４ｂにボルトを締め付けるときには、第１インサート部材１４には大きなトルクが作用する。回り止め部の平面１４ｆ，１４ｇは第２インサート部材の第１片１６Ａと広い面積で当接するため、上記のトルクにより第１インサート部材１４が回転することを防止することができる。なお、第１インサート部材１４の当接面１４ｆ，１４ｇは、軸線Ｌに平行に広がってもよいし、軸線Ｌから傾いて広がってもよい。

図３に示されるように、第２インサート部材の第１片１６Ａは、第１インサート部材１４の突出部１４ａを除いて、第１インサート部材１４の周囲に配置されている。第２インサート部材の第１片１６Ａは、シートモールディングコンパウンド（Sheet Molding Compound：ＳＭＣ）プレス法により製作されることが好ましい。即ち、第１インサート部材１４を成形型にセットしてから、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた半硬化状態のプリプレグを裁断した小片を成形型に投入し、１３０℃で２時間程度加熱することにより、第２インサート部材の第１片１６Ａが得られる。なお、第２インサート部材の第１片１６Ａは、特許請求の範囲における第２インサート部材の係合部に対応している。

また、図３に示されるように、第２インサート部材の第２片１６Ｂは、第１インサート部材１４の突出部１４ａを挿通可能な２つの貫通穴１６Ｂｈが形成された板状の部材である。第２インサート部材の第２片１６Ｂは、広い面積で外皮部材１８と当接することにより、外皮部材１８に作用する単位面積当たりの圧力を低減するための当接部となっている。強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた半硬化状態のプリプレグを切断して円形の貫通穴１６Ｂｈを形成してから、プリプレグを８枚程度積層し、１３０℃で２時間程度加熱することにより、第２インサート部材の第２片１６Ｂが得られる。

図４に示されるように、コア部材１２には、第２インサート部材１６の形状に合わせて、嵌合穴１２ａが形成されている。第１インサート部材１４及び第２インサート部材１６を組み合わせてから嵌合穴１２ａに嵌め込むと、コア部材１２の一面１２ｂと、第２インサート部材の第２片１６Ｂの一面１６Ｂｉとは、面一となる。このように、コア部材１２、第１インサート部材１４及び第２インサート部材を組み合わせることで、これらの部材の結合体１１が得られる。

外皮部材１８は、ＦＲＰを材質としている。外皮部材１８は、ＦＲＰ構造体１０を飛躍的に強化するために、強化繊維基材をマトリックス樹脂で固化して形成されている。ここで、強化繊維基材とは、強化繊維が薄く一方向又は複数方向に並べられた素材形態や、強化繊維が織物状に編みこまれた素材形態である。図５に示されるように、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた半硬化状態のプリプレグ１８を、上記の結合体１１の外周に８枚程度積層して巻いてから、ＦＲＰ構造体１０を成形型Ｃ１に載せて、全体をナイロンバッグＣ２で包む。そして、ナイロンバッグＣ２の内部を真空減圧したまま、１３０℃で２時間程度加熱してマトリックス樹脂を固化させることにより、外皮部材１８が得られる。なお、第１インサート部材１４の端面１４ｂは、外皮部材１８により覆われず、外部に露出されることとなる。

図５において、第１インサート部材１４の外部に露出した端面１４ｂは、外皮部材１８の外面１８ａよりも内側に２ｍｍ程度退避している。このように第１インサート部材１４の端面１４ａが退避することは、ＦＲＰ構造体１０を製造する観点から好ましい。即ち、第１インサート部材１４の端面１４ａは、外皮部材１８の外面１８ａよりも内側に退避しているように構成されると、ＦＲＰ構造体１０を成形型Ｃ１を用いて製造した場合に、第１インサート部材１４の締結部の端面が成形型Ｃ１に引っ掛かることがなく、ＦＲＰ構造体１０を容易に成形型Ｃ１から取り出すことができる。

上述したＦＲＰ構造体１０が取付対象物３０に固定されることにより、図６に示される締結構造１が得られる。ＦＲＰ構造体１０が取り付けられる取付対象物３０は、板状の構造物であり、第１インサート部材１４に対応して、一方面から他方面まで貫通したボルト穴３０ａが形成されている。各ボルト穴３０ａにボルト３２が通されて、ボルト先端のネジ部３２ａが第１インサート部材１４のネジ穴１４ｃに螺着されている。このボルト締結により、ＦＲＰ構造体１０が取付対象物３０に固定されている。

また、取付対象物３０において、ボルト穴３０ａの周辺であって、第１インサート部材１４の端面１４ｂに対向する部位には、当該端面１４ｂに向けて突出する突出面３０ｂが形成されている。ＦＲＰ構造体１０が取付対象物３０に取り付けられた状態において、第１インサート部材１４の端面１４ｂは、取付対象物３０の突出面３０ｂに当接している。一方、外皮部材１８の外面１８ａは、取付対象物３０から離れている。この構成によれば、ＦＲＰ構造体１０が取付対象物３０に取り付けられた状態において、外皮部材１８が押圧された状態とならないため、外皮部材１８のクリープにより締結が緩んでしまうことを未然に防止することができる。

さらに、取付対象物３０と外皮部材１８との隙間には、ペースト状のエポキシ系接着剤３４が充填されて固化されている。これにより、外皮部材１８及び取付対象物３０は、両部材１８，３０の隙間に充填された接着剤により互いに固着されており、ＦＲＰ構造体１０を取付対象物３０により強固に固定することができる。

なお、上述した実施形態では、第２インサート部材１６が第１片１６Ａ及び第２片１６Ｂにより構成されたが、他の実施形態では、第２インサート部材１６の第１片１６Ａ及び第２片１６Ｂが単一の部材として構成されてもよい。

実施形態に係るＦＲＰ構造体を示す断面図である。 第１インサート部材を示す斜視図である。 ＦＲＰ構造体の製造工程を示す第１の工程図である。 ＦＲＰ構造体の製造工程を示す第２の工程図である。 ＦＲＰ構造体の製造工程を示す第３の工程図である。 ＦＲＰ構造体が取付対象物に固定された様子を示す断面図である。 従来技術に係るＦＲＰ構造体を示す断面図である。

符号の説明

１…締結構造、１０…繊維強化プラスチック構造体、１２…コア部材、１４…第１インサート部材、１４ａ…突出部、１４ｂ…端面、１４ｃ…ネジ穴（締結部）、１４ｄ，１４ｅ…抜け止め部、１４ｆ，１４ｇ…回り止め部、１６…第２インサート部材、１６Ａ…第１片、１６Ｂ…第２片、１８…外皮部材、３０…取付対象物、３０ｂ…突出面、３２…ボルト、３４…接着剤。

Claims (4)

1. 繊維強化プラスチック構造体と、当該繊維強化プラスチック構造体が取り付けられる取付対象物とを含む締結構造であって、
   前記繊維強化プラスチック構造体は、
   コア部材と、
   前記コア部材を覆う繊維強化プラスチック製の外皮部材と、
   前記コア部材の外部から内部まで延設された棒状の部材であって、外部に露出した一端には、取付対象物に締結するための締結部が形成され、外部から内部に進むほど、軸線に垂直な断面積が拡大する抜け止め部が形成されている、金属製の第１インサート部材と、
   前記第１インサート部材の抜け止め部と係合する係合部が形成されている、繊維強化プラスチック製の第２インサート部材と、
   を備え、
   前記第１インサート部材の締結部は、外部に露出した端面から加工されたネジ穴を含んでおり、
   前記第１インサート部材の締結部の端面は、前記外皮部材の外面よりも内側に退避しており、
   前記第１インサート部材の端面に対向する前記取付対象物の部位には、当該端面に向けて突出する突出面が設けられており、
   前記第１インサート部材の端面は、前記取付対象物の突出面に当接しており、前記端面の周囲の外皮部材は、前記取付対象物から離れていることを特徴とする締結構造。
2. 前記外皮部材及び前記取付対象物は、両部材の隙間に充填された接着剤により固着されていることを特徴とする請求項１に記載の締結構造。
3. 前記第１インサート部材の抜け止め部は、外部から内部に進んだ距離に比例して直径が増加するテーパ形状を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の締結構造。
4. 前記第１インサート部材には、軸線に沿って広がる当接面からなる回り止め部が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の締結構造。
   

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