JP5907422B2 - 繊維強化樹脂材料部材の締結構造 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ロボット等の産業用機械や自動車等の運輸機械等の一般機械に用いられるＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ：炭素繊維強化樹脂複合材料）等の繊維強化樹脂材料を用いた繊維強化樹脂材料部材の締結構造に関するものである。

従来から、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂複合材料）等の繊維強化樹脂材料（いわゆるＦＲＰ）は、強度に優れ、鉄やアルミなどの金属に比べて、同じ強度・剛性であってもより軽量化できるという特徴から、釣り竿やゴルフクラブのシャフト等に用いられており、近年では、量産性が改善されて、自動車等の一般機械に採用されつつある。

もっとも、ボルト・ナットといった締結部材によって、繊維強化樹脂材料部材を他の材料部材に締結固定する場合には、繊維強化樹脂材料部材にボルトを挿通する締結孔を開けることになるので、荷重を受けた際などには、ボルトを挿通する締結孔が変形・破壊してしまい十分な締結強度が得られないという問題がある。

この問題に対しては、従来から様々な技術が提案されており、例えば、締結孔の内周に金属製のカラー等をインサートして締結孔の強度を高めるものや、下記特許文献１に記載されているように、締結孔の内周面や上部表面に鉄の被膜層を設けることで、締結孔の強度を高めるもの等が提案されている。

特開２０１０−２５３６９７号公報

ところで、ロボット等の産業用機械においては、ある所定以上の荷重や衝撃が入ると、その荷重や衝撃が、電動モータや油圧アクチュエータに直接作用しないようにして（すなわち、荷重が伝達されないようにして）、電動モータ等の破損を防止したいというニーズがある。

また、自動車などの運輸機械においても、所定以上の荷重や衝撃が外部から作用した場合には、その荷重や衝撃が、車両内部等に伝達されないようにして、車室内等の安全性を高めたいというニーズがある。

これらのニーズに対して、金属材料部材をボルト・ナットで締結する一般的な構造においては、金属材料部材自体に座屈変形部や破断部等を設けることで、所定以上の荷重や衝撃が作用した際には、金属材料部材の一部に変形を生じさせて、荷重や衝撃の伝達を防いだり、また、ボルトに破断部を設けることで、ボルト自体を破損させて、荷重や衝撃の伝達を防いで、電動モータや車室内等に、所定以上の荷重や衝撃が直接伝達されないように構成することが行われている。

繊維強化樹脂材料部材をボルト・ナットで締結する構造においても、所定以上の荷重や衝撃が電動モータ等や車室内等に直接伝達されないように構成することを検討すると、例えば、繊維強化樹脂材料部材に変形部等を設けたり、又はボルトに破断部を設けることが想起される。しかし、繊維強化樹脂材料部材は、曲げ変形等に対して極めて強く、金属材料部材のように座屈変形や破断が生じにくいため、所望の変形等が生じず荷重や衝撃が伝達されてしまう可能性がある。また、ボルトに破断部を設ける構造は、構造上どうしてもボルトの締結力が低下してしまい、十分な締結強度が得られないという問題がある。

こうした問題に対して、前述の特許文献１の構造においては、締結孔の強度を高めることが記載されているに過ぎず、所定以上の荷重や衝撃が作用した場合における荷重伝達について、何ら対策がなされていない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、繊維強化樹脂材料部材をボルト・ナット等の締結部材で締結する繊維強化樹脂材料部材の締結構造において、締結部材による締結強度を確実に確保しつつ、締結部分に所定以上の荷重や衝撃が作用した場合には、締結部分が破損することによって、他の部分への荷重や衝撃の伝達を防ぐことができる繊維強化樹脂材料部材の締結構造を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明では、繊維強化樹脂材料部材をボルト・ナット等の締結部材で締結するにあたり、繊維強化樹脂材料部材の締結孔と締結部材との間に略ワッシャ状の金属製補強部材を介在させて、この金属製補強部材を、繊維強化樹脂材料部材に対して接合強度調整手段によって接合固定することで、所定以上の荷重や衝撃が作用した場合には、荷重伝達が行われないように構成している。

第１の発明は、繊維強化樹脂材料部材を、締結対象部材に対し、締結部材によって締結固定する繊維強化樹脂材料部材の締結構造であって、前記繊維強化樹脂材料部材には、締結部材を挿通する締結孔が形成されており、該締結孔周りの繊維強化樹脂材料部材の外表面には、該締結孔に対応する挿通孔を中央に有する略ワッシャ形状の金属製補強部材が配置され、該金属製補強部材と前記繊維強化樹脂材料部材とは、接着剤で構成された両者の間の接合強度を調整する接合強度調整手段によって接合されており、前記接合強度調整手段は、所定値未満の荷重入力に対しては、前記金属製補強部材と前記繊維強化樹脂材料部材との間の接合状態が維持される一方、所定値以上の荷重入力に対しては、前記金属製補強部材と前記繊維強化樹脂材料部材との間の接合状態が外れるように、前記接合強度を調整すること、を特徴とするものである。

この構成によれば、繊維強化樹脂材料部材又は締結対象部材のいずれか一方から、荷重や衝撃が作用した場合には、締結部材を介して繊維強化樹脂材料部材又は締結対象部材の他方に、その荷重が伝達される。このとき、接合強度調整手段によって接合強度が調整されているため、所定値未満の荷重入力に対しては、金属製補強部材が繊維強化樹脂材料部材に接合維持されることから、締結孔が変形することなく、確実に荷重を伝達することができる。一方、所定値以上の荷重入力があった場合には、金属製補強部材の繊維強化樹脂材料部材との接合状態が外れることから、締結孔が一気に変形して、荷重伝達が行われないことになる。

このため、この発明によると、所定値未満の荷重や衝撃に対しては、確実に荷重伝達を行いつつも、所定値以上の荷重や衝撃が作用した場合には、締結部分が破損して他の部分への荷重伝達が行われないようにすることができる。

なお、前記金属製補強部材は、挿通孔を有すれば、略ワッシャ状に形成されていれば良い。ここで「略ワッシャ状」とは、外形形状が丸形状に限定されるだけではなく、四角形状や六角形状、さらには歯車形状等様々な形状を含み、中央に開口を有する形状を意味するものである。

また、前記「締結対象部材」とは、締結対象とされる部材であれば、金属材料部材等だけではなく、繊維強化樹脂材料部材自体も含むものである。

第２の発明は、第１の発明において、前記接合強度調整手段は、前記接着剤の接着面積の大きさによって、前記金属製補強部材と前記繊維強化樹脂材料部材との間の接着面積の大きさによって接合強度を調整することを特徴とするものである。

この構成によれば、金属製補強部材と繊維強化樹脂材料部材の間の接着剤の接着面積が小さければ、接合強度は小さく設定されて、接着剤の接着面積が大きければ、接合強度は大きく設定されることになる。このように、接着剤の接着面積を変化させるという単純な構成によって、接合強度調整手段の接合強度の調整を行うことができる。

よって、この発明によると、生産コストの上昇や作業性の悪化を防止しつつ、簡便に接合強度調整手段の機能を得ることができる。

第３の発明は、第２の発明において、前記略ワッシャ形状の金属製補強部材は、円形状の外形を有し、前記接着面積の大きさが得られるように、該金属製補強部材の全面に前記接着剤が塗布されていることを特徴とするものである。

この構成によれば、金属製補強部材が円形状の外形を有し、その全面に接着剤が塗布されて接着面積を得ているため、金属製補強部材の大きさを最大限、接合強度の向上に当てることができる。

よって、この発明によると、全方位に対する接合強度を均等にすることができ、荷重伝達の方向性について均等化できる。また、金属製補強部材の大きさを効率的に活用することができるため、比較的コンパクトに締結構造を得ることができる。さらに、金属製補強部材の大きさに応じて伝達できる荷重値が変化するので、目視によって伝達荷重の制限値を容易に確認することができる。

第４の発明は、第２の発明又は第３の発明において、前記接着剤に接する前記金属製補強部材の表面に、接合強度を増加する接合強度増加部が設けられていることを特徴とするものである。

この構成によれば、接着剤に接する金属製補強部材の表面に、接合強度増加部を設けることにより、繊維強化樹脂材料部材と金属製補強部材との間の接合強度をさらに高めることができる。

よって、この発明によると、接着剤の接着面積を増やすことなく、接合強度を高めることができるため、締結構造をコンパクトに構成しつつも、荷重伝達を行える幅を広げることができる。

本発明によれば、所定値以下の荷重や衝撃に対しては、確実に荷重伝達を行いつつも、所定値以上の荷重や衝撃が作用した場合には、締結部分が破損して、他の部分への荷重伝達が行われないようにすることができる。

よって、繊維強化樹脂材料部材をボルト・ナット等の締結部材で締結する繊維強化樹脂材料部材の締結構造において、締結部材による締結強度を確実に確保しつつ、締結部分に所定以上の荷重や衝撃が作用した場合には、締結部分が破損することによって、他の部分への荷重や衝撃の伝達を防ぐことができる。

本発明の実施形態にかかる繊維強化樹脂材料部材の締結構造の縦断面図である。 （ａ）実験サンプルと実験装置を説明する一部断面の側面図、（ｂ）Ａ方向から見た実験サンプルの平面図である。 実験によって得られた「締結構造の荷重×ヘッドストローク」のグラフと、各種実験サンプルの最大荷重を示した表である。 外径寸法を変化させた複数の金属製補強部材と、各金属製補強部材を用いた伝達荷重の強化効果を示した表である。 （ａ）本発明の第二実施形態にかかる締結構造の縦断面図、（ｂ）第三実施形態にかかる締結構造の縦断面図、（ｃ）第四実施形態の金属製補強部材の平面図、（ｄ）第五実施形態の金属製補強部材の平面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１は、本発明の実施形態にかかる繊維強化樹脂材料部材の締結構造の縦断面図である。この締結構造Ｍ１は、金属材料で構成される締結対象部材であるフレーム部材１と、そのフレーム部材１の上側で水平方向に延びる平板状のＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂複合材料）で構成される繊維強化樹脂材料部材（以下、ＦＲＰ板とする）２と、このＦＲＰ板２と前記フレーム部材１を上下方向に貫通して、螺合締結する締結部材であるボルト部材３と、を備えている。

そして、前記ＦＲＰ板２の外表面である上側には、いわゆるワッシャ状にボルト部材３に挿通されて、締結時にボルト部材３の頭部３１とＦＲＰ板２との間で挟み込まれる金属製補強部材４が設けられている。さらに、この金属製補強部材４とＦＲＰ板２との間は、接合強度調整手段５が設けられている。

より詳細に説明すると、まず、前記フレーム部材１は、鉄系素材によって構成されており、前記ボルト部材３を螺合する位置には、上下方向に延びる螺合孔１１が形成されている。この螺合孔１１の内周面１１ａには、ボルト部材３の軸部３２に形成されたオネジ部３３に対応したメネジ溝（図示せず）が形成されている。

前記ＦＲＰ板２は、炭素繊維に熱可塑性プラスチック材料を溶融・含浸した後に、再度溶融させて成形した複合材料のＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂複合材料）で構成されており、薄板の平板状に形成されている。このＦＲＰ板２には、ボルト部材３を挿通するための締結孔２１が形成されており、この締結孔２１にボルト部材３を挿通して、ボルト部材３をフレーム部材１に螺合することで、ＦＲＰ板２がフレーム部材１に締結固定される。なお、ＦＲＰ板２の他端側には、外部からの荷重が入力される荷重入力点（図示せず）が設定されている。

前記ボルト部材３は、鉄系素材で構成されており、頭部３１と軸部３２を備えている。頭部３１は、周知の如くスパナ等によって回転操作できるように六角形に形成されており、頭部３１の下面でフレーム部材１（下方）側に圧力を与えて締結力を出すように構成されている。軸部３２は、前述したようにオネジ部３３がほぼ全体に形成されており、フレーム部材１の螺合孔１１に螺合することで、フレーム部材１の内部に位置するように構成されている。

前記金属製補強部材４は、鉄系素材、具体的には、鋼板（ＪＩＳ：ＳＳ４００）で構成されており、内径４１と外径４２を有する略ドーナツ形状の板材で構成されている。金属製補強部材４の内径４１は、ボルト部材３を挿通する挿通孔４３として構成され、前記ＦＲＰ板２の締結孔２１とほぼ同径に形成されている。一方、金属製補強部材４の外径４２は、比較的大きく形成されており、ボルト部材３の頭部３１よりも、約２.５倍程度の大きさで構成されている。この外径４２の寸法によって、後述するように、接着面積を調整するように構成されている。

前記接合強度調整手段５は、接着剤５１、具体的には、構造用接着剤（例えば、製品名：ＰＬＥＸＵＳ ＭＡ４２５）で構成されており、この接着剤５１によって、金属製補強部材４をＦＲＰ板２に接着している。この接着剤５１は、金属製補強部材４の下側全面に亘って塗布されて、金属製補強部材４を確実にＦＲＰ板２に接着している。

そして、この接合強度調整手段５は、その接着剤５１の接着面積の大小によって、接合強度を調整するように構成されている。すなわち、金属製補強部材４の外径４２が大きいと、接着剤５１の接着面積を大きくできるため、接合強度を高めることができる。一方、金属製補強部材４の外径４２が小さいと、接着剤５１の接着面積も小さくなるため、接合強度を低めることができるのである。

このように、本実施形態では、金属製補強部材４の外径を変化させることで、接合強度調整手段５である接着剤５１の接着面積を変化させ、金属製補強部材４とＦＲＰ板２との接着強度を調整するようにしている。そして、このように接着強度を調整することで、締結構造Ｍ１の荷重伝達特性を変えるようにしている。

なお、もっとも、この接着面積は、必ずしも金属製補強部材４の外径４２に関係なく、自由に設定することもできる。しかし、その場合には、接着剤５１を塗布していない部分（面積）が生じて無駄な部分が生じるため、締結構造Ｍ１をコンパクトに構成することができない。

次に、金属製補強部材４をＦＲＰ板２に接着することにより、荷重伝達特性（ボルトせん断方向の荷重）がどのように変化するかを示す実験結果について、図２、図３によって説明する。

図２（ａ）に示すように、実験サンプルＳは、上下方向に延びる長尺平板状のＦＲＰ板２と、同様に上下方向に延びる長尺平板上の鉄板６と、この両者を水平方向に延びて締結固定する締結部材であるボルト・ナット７，８と、ＦＲＰ板２の外方側面に設けられる金属製補強部材４と、この金属製補強部材４とＦＲＰ板２の間に設けられる接合強度調整手段５としての接着剤５１と、で構成される。なお、図示しないが、この接着剤を無くした、すなわち接着を行っていない実験サンプルも準備した。

実験サンプルＳは、ＦＲＰ板２の上部と、鉄板６の下部とが、それぞれ引張り試験機の上部ヘッド９と、下部ヘッド１９と、に挟持固定されている。そして、この上部ヘッド９と下部ヘッド１０が、上下方向に離間（ストローク）していくことで、実験サンプルＳに引張り荷重（ボルトせん断方向の荷重）が作用するように構成している。なお、図２（ｂ）は、この実験サンプルをＡ方向から見た平面図である。

本実験では、４つの実験サンプルを準備した。（Ａ）：接着なし・疑似等方性ＣＦＲＰの実験サンプル、（Ｂ）：接着なし・異方性ＣＦＲＰの実験サンプル、（Ｃ）：接着あり・疑似等方性ＣＦＲＰの実験サンプル、（Ｄ）：接着あり・異方性ＣＦＲＰの実験サンプル、以上、４つの実験サンプルである。

まず、「接着あり・接着なし」の条件は、金属製補強部材４を接着剤５１でＦＲＰ板２に接着しているか否かの条件で、接合強度調整手段５の有無の判別条件である。なお、接着剤５１は、前述の実施形態と同様に、構造用接着剤（製品名：ＰＬＥＸＵＳ ＭＡ４２５）を使用した。なお、接着剤５１は、この材料に限られるものではなく、他の構造用接着剤でもよい。

また、「疑似等方性ＣＦＲＰ・異方性ＣＦＲＰ」の条件は、ＦＲＰ板２の素材がどのように積層成形されているかを示す条件である。具体的に、疑似等方性ＣＦＲＰは、ポリアミド樹脂を母材としたＴｅｎｃａｔｅ製のプリプレグ２４枚を、（［０／６０／−６０］４ｓ）で積層して、溶融温度以上に加熱しプレス成形することで構成している。（なお、『（［０／６０／−６０］４ｓ）』とは、プリプレグを、角度０°、角度６０°、角度−６０°の順番で３枚積層して、これを４回繰り返したものを、対称的に向き合うように積層すること。を意味する。）
一方、異方性ＣＦＲＰは、ポリアミド樹脂を母材としたＴｅｎｃａｔｅ製のプリプレグ２４枚を、（［０／６０／−６０／０９］ｓ）で積層して、溶融温度以上に加熱しプレス成形することで構成している。（なお、『（［０／６０／−６０／０９］ｓ）』とは、プリプレグを、角度０°、角度６０°、角度−６０°、角度０°×９枚の順番で、１２枚を積層して、これを対称的に向き合うように積層すること。を意味する。）
なお、Ｔｅｎｃａｔｅ製のプリプレグは、連続するカーボン長繊維のフィラメントが一方向に敷き詰められて、樹脂で固められたものであり、カーボン繊維の長さ方向には強い特性を示すが、これと直交する方向には強度が弱いものである。このため、各実験サンプルでは、プリプレグをそれぞれ所定の方向に向けて積層することで、所望の強度を得るように構成している。

このように構成することで、疑似等方性ＣＦＲＰでは、あらゆる方向の荷重入力に対して、方向性に依存せず同じ物性を得ることができる。一方、異方性ＣＦＲＰでは、これと異なり、荷重入力に対して特定の方向に依存して異なった物性を得るようになっている。

また、全ての実験サンプルにおいて、ボルト・ナット７，８は、Ｍ１２（１０．９級）、締付トルク７６Ｎｍで、締結固定している。

図３のグラフに示すように、（Ａ）の実験サンプルでは、ヘッドストローク０〜３ｍｍの時は、ヘッドストロークの増加に比例して荷重も増加する。しかし、ヘッドストロークが３ｍｍを超えると荷重の増加が緩やかになり、４ｍｍ以上では、１５Ｎｍでほぼ荷重の変化がない状態となる。

これは、（Ａ）の実験サンプルでは、金属製補強部材４がＦＲＰ板２に接合されていないため、ヘッドストローク３ｍｍ以上では金属製補強部材４が滑りだし、ＦＲＰ板２の締結孔２１だけが変形して荷重を受けるためである。そして、この荷重値の１５．５Ｎｍがこの実験サンプルの最大荷重（伝達荷重）となる。

次に、（Ｂ）の実験サンプルでも、ヘッドストローク０〜３ｍｍの時に、ヘッドストロークの増加に比例して荷重も増加する。しかし、ヘッドストロークが３ｍｍを超えると、この（Ｂ）の実験サンプルでも、荷重の増加が緩やかになり、４ｍｍ以上では、１２Ｎｍでほぼ荷重変化のない状態になる。

これも、（Ｂ）の実験サンプルでは、（Ａ）の実験サンプル同様に、金属製補強部材４がＦＲＰ板２に接合されていないため、３ｍｍ以上では金属製補強部材４が滑りだし、ＦＲＰ板２の締結孔２１だけが変形して荷重を受けるためである。また、（Ｂ）の実験サンプルの最大荷重（伝達荷重）が１２．６Ｎｍと、（Ａ）の実験サンプルの１５．５Ｎｍに対して低いのは、（Ｂ）の実験サンプルが、異方性ＣＦＲＰを使用したサンプルであり、疑似等方性ＣＦＲＰよりも異方性が強く、繊維の向きと異なる孔の縁に沿う方向に最大主応力が発生する応力場では強度が弱くなるためである。

一方、（Ｃ）の実験サンプルでは、ヘッドストローク０〜７ｍｍの時、傾斜勾配は（Ａ）（Ｂ）の実験サンプルよりも緩やかであるものの、ヘッドストロークの増加に比例して荷重も増加する。これは、金属製補強部材４がＦＲＰ板２に接合されていることから、３ｍｍ以上も金属製補強部材４が締結孔２１の位置に留まり、金属製補強部材４の挿通孔４３と締結孔２１とでボルト７から作用する荷重を受け止めるためである。

もっとも、ヘッドストロークが７ｍｍ付近を超えると、一気に荷重が減少して、その後、（Ａ）の実験サンプルの荷重値よりも荷重が減少する。これは、接合強度調整手段５である接着剤５１の接着強度が限界を超えて、金属製補強部材４がＦＲＰ板２から剥離して、ボルト７の荷重を締結孔２１だけで受けることになり、一気に締結孔２１が変形するからである。

こうした現象は、いわゆる電気回路の「ヒューズ」のような機能を発揮することになり、所定値以上の荷重が作用した場合には、荷重伝達が行われない状態を作り出すことができる。なお、（Ｃ）の実験サンプルでは、最大荷重（伝達荷重）が２７．５Ｎｍと一番高い値を示す。

また、（Ｄ）の実験サンプルでも、ヘッドストローク０〜５．５ｍｍの時、ヘッドストロークの増加に比例して荷重も増加する。これも、金属製補強部材４がＦＲＰ板２に接合されていることから、金属製補強部材４が締結孔２１の位置に留まり、金属製補強部材４の挿通孔４３と締結孔２１とでボルト７からの荷重を受け止めるためである。

そして、この実験サンプルでも、ヘッドストロークが５．５ｍｍ付近を超えると、一気に荷重が減少して、その後、（Ｃ）の実験サンプルと同様に、（Ａ）の実験サンプルの荷重値よりも荷重が減少する。これも、接合強度調整手段５である接着剤５の接合強度が限界を超えて、金属製補強部材４がＦＲＰ板２から剥離して、ボルト７からの荷重を締結孔２１だけで受けて、一気に締結孔２１が変形するからである。

このように、（Ｄ）の実験サンプルでも、「ヒューズ」のような機能を発揮することができる。なお、（Ｄ）の実験サンプルの最大荷重は、（Ｃ）の実験サンプルよりも低く、２４．０Ｎｍである。これは、（Ｄ）の実験サンプルが異方性ＣＦＲＰを使用した実験サンプルで、疑似等方性ＣＦＲＰよりも変形しやすいからである。

以上のように、この実験サンプルの実験データから、金属製補強部材４をＦＲＰ板２に、接合強度調整手段５である接着剤５１で接着すると、最大荷重値が高まり、また、最大荷重値を超えると一気に荷重が減少してしまい、いわゆる「ヒューズ」のように、ほとんど荷重伝達がなされないことが分かる。

また、この現象は、ＦＲＰ板２が疑似等方性ＣＦＲＰ・異方性ＣＦＲＰの関係なく、同じように発生することも分かる。もっとも、疑似等方性ＣＦＲＰの方が最大荷重値が高いのは、疑似等方性ＣＦＲＰでは異方性を排除するように、異なる方向に繊維を配向して積層しているため、孔の周辺で発生する孔の縁に沿う方向に最大主応力が発生する応力場に対して有利であるからである。

また、図３の下の表に示すように、伝達荷重の強化効果については、疑似等方性ＣＦＲＰが１２．０ｋＮで、異方性ＣＦＲＰが１１．４ｋＮと、ほぼ同じ値を示す。このことは、ＦＲＰ板２の疑似等方性・異方性の違いに関係なく、金属製補強部材４の接着によって、ほぼ同じ値が得られることを示している。

なお、この値は、以下の式の値からも導ける。

Ｆ＝Ａ・σ＝π/４（Ｄｏ２−Ｄｉ２）・σ
Ｆ：伝達荷重の強化効果
Ａ：金属製補強部材の接着面積
σ：引張せん断接着強度（１０．３４ＭＰａ：接着剤の接着強度）
Ｄｏ：金属製補強部材の外径
Ｄｉ：金属製補強部材の内径
この式に、実験サンプルで用いた金属製補強部材４の外径（４０ｍｍ）と内径（１３ｍｍ）を入れて計算すると、Ｆ＝約１１．６ｋＮという値が得られる。この値が金属製補強部材４を接合強度調整手段５によって接着したことによる、伝達荷重の強化効果の値（本発明の所定値）である。この値は、前述した疑似等方性ＣＦＲＰが１２．０ｋＮで、異方性ＣＦＲＰが１１．４ｋＮであるとする値と、ほぼ同じである。

次に、こうして、接着面積によって伝達荷重の強化効果が変化することから、図４に示すように、金属製補強部材４の直径を変えて、接着面積を変えることによって、伝達荷重の強化効果を調整できることについて説明する。具体的には、図４の（１）〜（６）に示すように、外径が異なる金属製補強部材４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆを６枚準備して、それぞれの伝達荷重の強化効果を、図４の下の表に示す。

（１）〜（６）の金属製補強部材４Ａ〜４Ｆは、全て内径ｄｉが１３ｍｍで、外径ｄｏが２１〜６０ｍｍ（ｄｏ１〜ｄｏ６）と異ならせた略ドーナツ状の鉄系素材で構成している。そして、この金属製補強部材４Ａ〜４Ｆの面積が全て接着面積となるように、接合強度調整手段５である接着剤５１で、ＦＲＰ板２に接着する（図１参照）。なお、（１）の金属製補強部材４Ａは、Ｍ１２用平座金（小型丸）であり、（２）の金属製補強部材４Ｂは、Ｍ１２用平座金（みがき丸）である。また、（４）の金属製補強部材４は、前述した実験サンプルと同じ外径である。

この表に示すように、（１）から（６）に進むに従い、接着剤５１の接着面積が増加するため、伝達荷重の強化効果の値が高まる。具体的には、（１）の金属製補強部材４Ａでは、２．２ｋＮ程度の伝達荷重の強化効果の値しかないが、（６）の金属製補強部材４Ｆでは、２７．９ｋＮと言った大きな伝達荷重の強化効果の値が得られる。

このように、本実施形態では、金属製補強部材４の接着面積を変えることによって、伝達荷重の値が変わるため、一般機械の設計者等は、機械締結に必要な伝達荷重を検討した上で、適切な接着面積を算出して、適切な金属製補強部材４と接合強度調整手段５の接着剤５１を選択して、金属製補強部材４とＦＲＰ板２との接合強度を調整することができる。そして、このように接合強度を調整することで、締結構造Ｍ１の荷重伝達特性を変えることができるのである。

すなわち、適切な大きさの金属製補強部材４と、接合強度調整手段５の接着剤５１を選択して、接着面積の大きさを調整することによって、所定値未満の荷重入力に対しては、金属製補強部材４がＦＲＰ板２に接着維持されることから、締結孔２１が変形することなく、確実に荷重を伝達することができる。一方、所定値以上の荷重入力があった場合には、金属製補強部材４のＦＲＰ板２との接着状態が外れることから、一気に締結孔２１が変形して、荷重伝達が行われないことになるのである。

よって、所定値未満の荷重に対しては、確実に荷重伝達を行いつつも、所定値以上の荷重に対しては、荷重伝達が行われないようにすることができるのである。

したがって、本実施形態によると、ボルト部材３等の締結強度を確実に確保しつつ、締結部分に所定以上の荷重や衝撃が作用した場合には、締結部分が破損することによって、他の部分への荷重や衝撃の伝達を防ぐことができる。

また、本実施形態では、接合強度調整手段５を接着剤５１によって構成しているため、単純に接着剤５１を金属製補強部材４に塗布して、接着面積を変化させるという単純な作業だけで、接合強度調整手段５の接合強度を調整することができる。よって、生産コストの上昇や作業性の悪化を防止しつつ、簡便に接合強度調整手段５の機能を得ることができる。

また、本実施形態では、金属製補強部材４の外形が円形状に構成されており、その金属製補強部材４の全面に接着剤５１が塗布されて接着面積を得ているため、金属製補強部材４の大きさを最大限、接合強度の向上に当てることができる。よって、全方位に対する接合強度を均等にすることができ、荷重伝達の方向性について均等化できる。また、金属製補強部材４の大きさも効率的に活用するため、比較的コンパクトに締結構造を得ることができる。加えて、金属製補強部材４の大きさに応じて伝達できる荷重値が変化するので、目視によって伝達荷重値を容易に確認できるという効果も奏する。

もっとも、本実施形態においては、金属製補強部材４の大きさを大きくすれば、荷重伝達できる値も無限に大きくなるようにも思われるが、必然的に金属製補強部材４が大きくなることにより重量が嵩み、軽くて強いという繊維強化樹脂材料部材の特長を活かすことができなくなるため、実用上、金属製補強部材４の大きさに限界が生じて、荷重伝達性能にも影響が生じる。

また、本実施形態では示さなかったが、同じ接着面積であっても、金属製補強部材４の内周側に接着剤５１を塗布するものの方が、外周側に接着剤５１を塗布するものより、やや接合強度が高いと考えられる。これは、荷重を受けた際にボルト部材３が当接する締結孔２１と挿通孔４３とが上下でバラつかず、ボルト部材３から均一に荷重を受けることができ、金属製補強部材４がＦＲＰ板２から剥離しにくくなると考えられるためである。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限定されず、その主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。図５にいくつかの他の実施形態を示す
まず、（ａ）が第二実施形態を示した図である。この第二実施形態は、接合強度調整手段５をＦＲＰ板２の溶着部１０５で構成したものである。すなわち、接着剤を用いることなく、金属製補強部材４を接合しているのである。なお、他の構成要素については、前述の実施形態と同様であるため、同一の符号を付して説明を省略する。

この第二実施形態の溶着部１０５は、金属製補強部材４をＦＲＰ板２の上に置いた状態で上方から高熱の加熱手段（図示せず）で加熱して、ＦＲＰ板２を溶融させることにより、構成している。

この溶着部１０５も、前述の接着剤と同様に金属製補強部材４とＦＲＰ板２との間の接合強度を調整することによって、締結構造Ｍ２の伝達荷重値を調整することができる。この接合強度の調整は、金属製補強部材４の外径と加熱温度の調整によって行う。

この第二実施形態では、特に、接合強度調整手段５を溶着部１０５で構成することで、接着剤を必要としないため、材料費を削減できるという効果を奏する。

次に、（ｂ）が第三実施形態を示した図である。この第三実施形態では、金属製補強部材１０４の下側表面に、接合強度を増加する接合強度増加部１０６を設けている。具体的には、金属製補強部材１０４の下側表面を、ギザギザ状の粗加工面１０６Ａとすることで、ボルトせん断方向の摩擦抵抗を高めて、接着剤５１による接合強度を高めるように構成している。この接合強度増加部１０６も、粗加工形状を、工夫して調整することにより、接合強度の大小を調整することができる。

この第三実施形態によると、接合強度増加部１０６を設けているため、接合強度を高めことができ、接着剤５１の接着面積を増やすことなく、接合強度を高めることができる。よって、締結構造Ｍ３をコンパクトに構成しつつも、荷重伝達できる幅を広げることができる。

次に、（ｃ）が第四実施形態の金属製補強部材を示した図である。この第四実施形態では、金属製補強部材１１４の外形を正四角形としている。すなわち、角ワッシャと呼ばれるワッシャと同じ形状にしているのである。

この第四実施形態によると、締結孔２１（図１参照）の周囲に、円形の金属製補強部材４を配置できないような場所においても、四角形であれば、ある程度の接着面積を確保することができるため、狭い場所において接合強度の調整を行うことができる。

最後に、（ｄ）が第五実施形態の金属製補強部材を示した図である。この第五実施形態では、金属製補強部材１２４の外形を正六角形としている。このように、金属製補強部材１２４を正六角形とすることもできる。

このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

以上説明したように、本発明にかかる繊維強化樹脂材料部材の締結構造は、例えば、ロボット等の産業用機械や自動車等の運輸機械等の一般機械に用いられる締結構造に有用である。

Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ 締結構造
１ フレーム部材（締結対象部材）
２ ＦＲＰ板（繊維強化樹脂材料部材）
３ ボルト部材（締結部材）
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ，４Ｆ，１０４，１１４，１２４ 金属製補強部材
５ 接合強度調整手段
５１ 接着剤
１０５ 溶着部
１０６ 接合強度増加部

Claims (4)

1. 繊維強化樹脂材料部材を、締結対象部材に対し、締結部材によって締結固定する繊維強化樹脂材料部材の締結構造であって、
   前記繊維強化樹脂材料部材には、締結部材を挿通する締結孔が形成されており、
   該締結孔周りの繊維強化樹脂材料部材の外表面には、該締結孔に対応する挿通孔を中央に有する略ワッシャ形状の金属製補強部材が配置され、
   該金属製補強部材と前記繊維強化樹脂材料部材とは、接着剤で構成された両者の間の接合強度を調整する接合強度調整手段によって接合されており、
   前記接合強度調整手段は、所定値未満の荷重入力に対しては、前記金属製補強部材と前記繊維強化樹脂材料部材との間の接合状態が維持される一方、所定値以上の荷重入力に対しては、前記金属製補強部材と前記繊維強化樹脂材料部材との間の接合状態が外れるように、前記接合強度を調整する
   ことを特徴とする繊維強化樹脂材料部材の締結構造。
2. 請求項１記載の繊維強化樹脂材料部材の締結構造において、
   前記接合強度調整手段は、前記接着剤の接着面積の大きさによって、前記金属製補強部材と前記繊維強化樹脂材料部材との間の接合強度を調整する
   ことを特徴とする繊維強化樹脂材料部材の締結構造。
3. 請求項２記載の繊維強化樹脂材料部材の締結構造において、
   前記略ワッシャ形状の金属製補強部材は、円形状の外形を有し、前記接着面積の大きさが得られるように、該金属製補強部材の全面に前記接着剤が塗布されている
   ことを特徴とする繊維強化樹脂材料部材の締結構造。
4. 請求項２又は３記載の繊維強化樹脂材料部材の締結構造において、
   前記接着剤に接する前記金属製補強部材の表面に、接合強度を増加する接合強度増加部が設けられている
   ことを特徴とする繊維強化樹脂材料部材の締結構造。

Images