JPWO2005068284A1 - 自転車用クランクおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

製造効率が良く、疲労耐久性や剛性に優れかつ軽量な自転車用クランクを得るために、繊維強化プラスチックからなる外殻と、ペダル軸から荷重を導入しうる第１のインサート部材と、ブラケットスピンドルに接続されスプロケットに荷重を伝達しうる第２のインサート部材とを有する自転車用クランクにおいて、外殻を、少なくとも２つの、少なくとも一部があらかじめ成形された繊維強化プラスチック部材から構成する。

Description

本発明は、自転車用クランクおよびその製造方法に関し、とくに、繊維強化プラスチックからなる外殻を有する自転車用クランクおよびその製造方法に関する。

周知のように、自転車用クランクは、ペダルとブラケットスピンドルとを繋ぐ部品であり、ペダルからの踏力を伝える動力伝達部材である。このクランクへの要求特性としては、ペダルからの荷重を繰り返し受けても損傷や変形を生じないための耐疲労性や、ペダルを踏んだ際のフィーリングを良好としたりクランクが変形によってフレームやチェーンと接触しないための剛性が重視される。さらに、車体全体の軽量化要求があることに加えてクランク自体が回転運動するため、できるだけ軽量であることが望まれる。こうした要求は、いわゆるロードレーサーなどの競技用自転車において特に厳しい。

これらの要求に対して、従来クランクの材料としては主にアルミニウム合金が使用されてきた。具体的には7075合金のような高強度の合金が使用され、更に軽量化のために中空構造としたクランクも上市されている。しかしながら、アルミニウム合金では軽量化に限界があり、さらなる軽量化要求に対しては材料の置き換えが必要となる。

このような観点から、軽量、高強度、高剛性の材料として繊維強化プラスチックが注目され、クランクへの適用が検討されており、一部で市販されているものもある。しかしながら、繊維強化プラスチックを使用しても、上記の要求特性を全て満たすことは困難であるか、たとえ可能であってもクランクの製造工程が複雑になり、コスト高となることが多かった。すなわち、従来の繊維強化プラスチック製クランクにおいて、耐疲労性、剛性、軽量化を全て満足するものを低コストで提供することは困難であった。

この問題に対し、クランク外殻を繊維強化プラスチック製とし、内部を軽量なコアあるいは中空とした構造が提案されている。たとえば特許文献１には、インサートと発泡材によるコアの外側が繊維強化プラスチックの外殻で覆われた自転車用クランクが開示されている。この特許文献１では、一部が開放した繊維強化プラスチックの外殻内に発泡材を注入してコアを形成する方法を採っている。しかし、この方法では、型内での作業が多くなり成形効率を上げることが難しく、コスト高となる。また、外殻の繊維強化プラスチック材料は、発泡材の圧力によって外型に押しつけられて成形されるが、この圧力は通常のプレス成形やオートクレーブ成形等で加わる圧力よりも低く、外殻中にボイドや繊維のうねりのような欠陥を生じやすく、クランクの強度や剛性が低下しやすい。また、発泡材を注入するための開口部も欠陥となってしまう。さらに、圧力を加えることができるような発泡材は概して比重が高いため、クランクの軽量化にも限界がある。

また、特許文献２にも、インサートとコアの周りを繊維強化プラスチックの外殻で覆った自転車用クランクが開示されている。この特許文献２では、コア及びインサートの周りにプラスチック材料母材に混合された強化繊維のテープを巻き付け型成形するという手順を採っており、この方法にも繊維の蛇行やボイドの発生を避けるのが難しいという欠点がある。また、中空なクランクを得るためには、成形後にコアを取り出すという工程を入れる必要があり、クランクを簡便に作るには不利である。

以上のように、従来の繊維強化プラスチック製クランクにおいて、外殻を繊維うねりやボイドが少ない繊維強化プラスチックとし、かつ内部を中空あるいは非常に軽量な発泡体として、軽量かつ高強度、高剛性を安価に実現することは困難であった。
米国特許第6,202,506号公報 特開2003-72666号公報

そこで本発明の課題は、上記のような問題点を解決し、製造効率がよく安定して所望の品質を得ることが可能でしかも軽量な自転車用クランクおよびその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る自転車用クランクは、繊維強化プラスチックからなる外殻と、ペダル軸から荷重を導入しうる第１のインサート部材と、ブラケットスピンドルに接続されスプロケットに荷重を伝達しうる第２のインサート部材とを有する自転車用クランクにおいて、前記外殻が、少なくとも２つの、少なくとも一部があらかじめ成形された繊維強化プラスチック部材からなることを特徴とするものからなる。

自転車用クランクは、自転車のペダルとブラケットスピンドルとを接続しており、通常は左右１対となっているが、本発明のクランクは左右どちらであってもよく、また両方であってももちろんよい。

本発明の自転車用クランクは、繊維強化プラスチックからなる外殻を有する。その強化繊維としては炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維等が適用できるが、力学的特性に優れている点から炭素繊維であることが好ましい。炭素繊維にはピッチ系、ＰＡＮ系等の炭素繊維や黒鉛繊維があり、なかでも強度や弾性率に優れるＰＡＮ系炭素繊維が好ましい。クランクの剛性と強度とのバランスから、炭素繊維の引張弾性率は２００ＧＰａ〜７００ＧＰａの範囲内であることが好ましく、２００ＧＰａ〜５００ＧＰａの範囲内であることがより好ましく、２５０ＧＰａ〜３５０ＧＰａの範囲内であることが特に好ましい。形態は連続繊維の一方向引き揃え形態、織物形態、不連続繊維の分散形態等が使用できる。マトリクス樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂等の熱可塑性樹脂が適用できるが、なかでも力学的特性に優れ、炭素繊維との接着性の高いエポキシ樹脂が好適に使用できる。

また、上記少なくとも２つの繊維強化プラスチック部材を構成する強化繊維（特に、炭素繊維）の５０％以上が、弾性率が２９０〜７００ＧＰａの範囲内にあり、繊維体積含有率（Ｖｆ）が４０〜７０％の範囲内にあることが好ましい。このような高弾性率設計の自転車用クランクは、軽量、高剛性であり、長時間使用しても疲れないクランクとなる。また、繊維強化プラスチック部材を構成する５０％以上の強化繊維の形態が連続繊維である一方向引き揃え形態または織布であると、中空であっても耐貫通衝撃性が向上して好ましい。

本発明の自転車用クランクの外殻は、クランクの外表面を実質的に形成するシェル状の部材であり、弾性率の高い繊維が使用されるため荷重を多く負担する。そのため強化繊維のうねりやボイドが少ないことがクランクの特性上求められる。強化繊維のうねりを抑制するには、プレス成形等によって外殻の内外両面から型押しされてなる平滑な面を有することが好ましく、すなわち外観上は平滑性を要求されない外殻内面も平滑であることが好ましい。本発明においては外殻内面のうち少なくとも一箇所の一方向において、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９８２に従い測定長さ７．５ｍｍ、カットオフ値２．５ｍｍで測定した中心線平均粗さＲａが１００μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下であることが好ましい。

外殻の厚さは０．１ｍｍ〜４．０ｍｍの範囲内であることが好ましい。外殻の厚さがこの範囲より小さいと成形が困難となり、逆に大きいと重量が増し本発明による軽量化効果が減少する。外殻の内面に、その強度や剛性を増すためにリブ、突起、凹凸を形成したり、金属その他の材料と組み合わせて所望の特性を得る構造とすることも可能である。

上記外殻は全体が一体成形されてはおらず、複数の（少なくとも２つの）繊維強化プラスチック部材が接着結合または機械的結合によって一体化されてなる。これにより成形される個別部材の形状が単純となり、ボイドや繊維うねりの少ない部材とすることができる。部材数は２以上の任意の数でクランクの形状により異なるが、クランク上面（自転車の車体から離れた側）と下面（車体に近い側）をそれぞれ実質的に形成する２部材であることが最も好ましい。

また、繊維強化プラスチック部材同士は、重なり合わせることが好ましい（例えば、後述の図５に図示）。重なり合っていることで、剛性を大きくできるととともに、許容される部材の寸法精度を吸収することができる。すなわち、繊維強化プラスチック部材同士を突き合わせる構造とすると、突き合わせ部で隙間が生じて、この隙間から水分が進入して耐久性を低下させたり、逆に部材同士が干渉して所定の形状に組み立てられず、部材を追加加工する工程が発生したりすることが、重ね合わせ構造とすることで解消することが可能となる。さらに、両部材は、部材同士が重なり合った部分で、接着あるいは、機械接合にて接合させることが好ましい。重なり合った部分の全部または一部を接着剤で接合することで、重なり合っている以上に剛性を向上させて、より信頼性の高い軽量なクランクの構造となる。機械接合の場合は、重なり合っている部分に、孔を設ける等して部材同士をボルト、ネジ、ファスナー等で固定すればよい。機械接合の場合、部材の分解が可能であるため、修理が容易となる。機械接合と接着接合を併用することも、クランクという高い耐久性、信頼が要求される部材には好ましい態様の一つである。

また、部材同士の重なる部分により形成される接合線（部材同士の境界線、特に外部側に現れる接合線）は、クランクの長手方向に延在していることが好ましい。クランクのペダル部分には、ライダーの体重により、クランクを引き伸ばそうとする力が作用するが、部材同士が重なる部分がクランクの長手方向と垂直であると、重なる部分の面積を極めて大きくする必要があり、高重量となるからである。上記したように、クランク上面（自転車の車体から離れた側）と下面（車体に近い側）をそれぞれ実質的に形成する２部材であると、軽量であることに加えて、両部材の重なる部分で大きな接着面積が得られるので、高い信頼性を有する接合が可能となる。かつ、クランクに作用するクランクを引き伸ばす力に対しても、上面、下面部材両方から直接ブラケットスピンドル部へ力を伝達することができて、信頼性の高いクランクとなる。さらに、この構造では、接合部が意匠面（自転車を側面から見た時の面）にないため、外観上からも最も好ましい。

また、本発明に係る自転車用クランクにおいては、外殻の外側に、さらに付加的に繊維強化プラスチック層が配されていてもよい。この層の強化繊維がクランク周囲にわたり連続したものとすることにより、前記外殻の接合部をカバーし、クランクの耐久性をさらに高めることができる。すなわち、前記外殻の少なくとも一部が繊維強化プラスチック層で覆われている構造である。より具体的には、例えば、上記少なくとも２つの繊維強化プラスチック部材が、外部側に現れるそれらの接合線がクランクの長手方向に延在するように、互いに接合されており、該接合線の少なくとも一部が繊維強化プラスチック層で覆われている構造である。この場合、上記接合線の全長の５０〜１００％が繊維強化プラスチック層で覆われていることが好ましい。

上記付加的な繊維強化プラスチック層を形成する具体的な方法としては、例えば、外殻の外側に、未硬化の樹脂と強化繊維からなるテープ状（トウプレグ等）あるいは、シート状（プリプレグなど）の基材を巻き付け、オーブン、プレス、モールドあるいはオートクレーブ中で樹脂を硬化させる方法を採用できる。巻き付けは外殻全体であっても、一部であっても差し支えないが、強度上で重要な箇所には、巻き付け量を増やすことが好ましい。好ましくは、上述の如く接合線の全長の半分（５０％）以上を覆って形成すると耐久性が著しく向上する。半分未満では、付加的な繊維強化プラスチックによる補強効果が十二分に発現しているとは言い難いケースの可能性があるからである。

尚、好ましい付加的な繊維強化プラスチック層の厚さは、接合線を形成する２つの繊維強化プラスチック部材のいずれよりも薄いことが好ましく、かつ２つの繊維強化プラスチック部材の表面の５０％以上を覆っていることが好ましい。付加的な繊維強化プラスチック層の厚さが、接合線を形成する２つの繊維強化プラスチック部材よりも厚いと、層形成時に、繊維強化プラスチック部材が変形して、所定の形状・寸法に仕上がらず、最終的にクランクの耐久性を低下させる可能性があるためである。好ましい付加的な繊維強化プラスチック層の厚さは、０．１〜２ｍｍ程度である。さらに、付加的な繊維強化プラスチック層は、２つの繊維強化プラスチック部材の表面の半分（５０％）以上を覆っていることが好ましい。

また、付加的な繊維強化プラスチック層における強化繊維の３０％以上は、外に出てくる接合線に対し４５〜１３５度（外に出てくる接合線の方向が０度方向、角度は時計回りに計測する、と定義する）に配向していることが好ましい。こうすることで、付加的な繊維強化プラスチック層は、接合部の開口をより効果的に抑制することができて、クランクの耐久性をより効率よく向上させることが可能となる。開口変位を抑制する最も効果的な配向は、９０度である。尚、開口変位抑制以外に、ねじり剛性や、曲げ剛性を向上させる効果も併せ持たせることが可能である。ねじり剛性の向上には、４５度方向に、曲げ剛性の向上には、０度方向に近い配向の繊維の量を増やして調整することが好ましい。

付加的な繊維強化プラスチック層は、オートクレーブ、金型プレス、ラバーモールドなどで形成が可能である。付加的な繊維強化プラスチック層は、クランクのほぼ最終外観となるため、皺や凹凸が生じないように張力をかけた状態で巻き付けることが好ましい。特に、凹凸を少なくするためには、ラバーモールドで０．１〜０．５ＭＰａの圧力を作用させて形成することが好ましい。また、繊維強化プラスチック層は、最外層を構成し、意匠面を形成するので、良好な意匠性をもたせるために、この繊維強化プラスチック層を構成する強化繊維の形態は織布であることが好ましい。湾曲部など複雑な形状の部分には作業効率上からテーププリプレグを用いることも好ましい。

繊維強化プラスチック部材同士が接着結合されている場合、接着面積を広くする観点から、接着される２部材が５ｍｍ以上、より好ましくは１５ｍｍ以上の幅で重なり合っていることが好ましい。また、接着を強固なものとするため、接着面の角度等を工夫することにより、接着後の部材を分断しようとする方向に力が加わる際に接着面に圧縮応力がかかるような構造とすると、クランクの強度が高くなり特に好ましい。接着剤としては加熱硬化、室温硬化のいずれでもよく、エポキシ系、ウレタン系等各種の接着剤の中から適宜選択できるが、作業性と接着耐久性等の観点から室温硬化エポキシ系接着剤であることが特に好ましい。

また、接着剤のバーコール硬度は、繊維強化プラスチック部材を構成するマトリックス樹脂のそれよりも小さいことが好ましい。製造工程において、接着剤がはみ出したりして繊維強化プラスチック部材に付着硬化した接着剤を除去する際に、接着剤の硬度が高いと繊維強化プラスチック部材も削り込んでしまう可能性があるからである。

本発明に係る自転車用クランクは、外殻が予備成形された部材が接着されてなることにより、容易に中空構造とすることができる。中空構造とすることにより、クランクの軽量化が容易となる。

本発明に係る自転車用クランクは、外殻内に少なくとも２つのインサート部材を有する。第１のインサート部材は、ペダル軸と結合可能な構造、たとえばネジ山を有する貫通穴等を有している。一方第２のインサートはブラケットスピンドルに接続可能な構造、たとえばラチェット溝を有する貫通穴等を有している。第２のインサート部材には、他にスプロケットに有効にトルクを伝達するための構造、たとえば４〜５本の腕状に延びた部分の先端に各々ボルト接続可能な貫通穴等が付されていることが好ましい。また、その貫通穴は、外殻形成用部材（後述の１または２）との一体構造に対して形成してもよい。これら２つのインサート部材はクランクの両端にそれぞれ配されていることが好ましい。両者の間の力の伝達は主に外殻によってなされる構造とすると、内部を中空あるいは非常に軽量な発泡材として軽量化をはかることができる。ただし、製造上の理由、たとえばインサート部材相互の位置決めなどを目的として、両者の間を線材のようなもので接続しておくことも可能である。

本発明に係る自転車用クランクにおいて、ペダルからの踏力の導入およびブラケットスピンドルやスプロケットへのトルクの伝達は、主にインサート部材を介して行われる。ギヤ取り付け貫通穴を外殻形成用部材と一体で形成した場合は、インサート部材より貫通穴にトルクが伝達される。一方、インサート部材間の力の伝達は主に外殻が受け持つ。従ってインサート部材と外殻との間の力の伝達は、クランクの強度や剛性上非常に重要である。そのため、インサート部材と外殻との間の接着面積は大きい方が好ましく、インサート部材の外表面積の５０％以上が外殻に接着していることが好ましい。また、この接着の強さを増すために、接着面にフィルム状の接着層が配されていることが好ましい。また、それぞれのインサート部材が、外殻をなす複数の繊維強化プラスチック製部材の全てと直接接着していると、繊維強化プラスチック部材間相互の接着部の負担を軽減でき、クランクの耐久性や剛性を極めて高くすることができ非常に好ましい。また、インサート部材に貫通孔、空洞部、あるいは開口部を設けることによって接着性向上や、軽量化を図ってもよい。

インサート部材の材料としては各種のものが使用可能であるが、各種金属、樹脂、繊維強化プラスチックのうちから選択されるか、これらの組み合わせであることが好ましい。なかでもアルミニウム合金、アルミニウム合金と炭素繊維強化プラスチックとの複合体であることが特に好ましい。

中でも、疲れ強さが１０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上、より好ましくは１５ｋｇｆ／ｍｍ² 以上の熱処理アルミニウム合金であることが好ましい。なぜなら、繊維強化プラスチックとアルミニウムという異種材料のハイブリッド構造では、境界部で剛性が急激に変化するため、局所的に大きな応力が作用し、アルミニウムが疲労破壊を来す可能性があるためである。繊維強化プラスチックは高い疲労強さを有するが、インサート部材にこれに見合った高い疲れ強さを持たせることで、クランクの耐久性を向上させることができる。さらに、熱処理をしていることで、経時変化が小さく、屋外で使用するクランクの耐久性を向上させることができる。

さらに、アルミニウム合金には、厚さ３〜３０μｍの酸化皮膜を例えば陽極酸化処理等で形成しておくことが耐久性上好ましい。中でも、炭素繊維強化プラスチックとの組み合わせでは、電気腐食の可能性があり、３〜３０μｍの酸化皮膜を形成しておくことで、電気腐食を抑制することが可能となる。酸化被膜の形成は、硫酸アルマイト処理、燐酸アルマイト処理により可能である。中でも、燐酸アルマイト処理は、強固な酸化皮膜が形成できて、最も好ましい。

外殻の内部は中空あるいは軽量の発泡材であることが好ましいが、クランクを軽量化する観点から、中空であることが特に好ましい。

本発明に係る自転車用クランクの製造方法は、繊維強化プラスチックからなる複数の部材を片面型または両面型により予備成形する工程と、次にその複数の部材を一体化する工程を含むことを特徴とする方法からなる。とくに、前記予備成形工程により成形された複数の繊維強化プラスチック部材を、ペダル軸から荷重を導入しうる第１のインサート部材と、ブラケットスピンドルに接続されスプロケットに荷重を伝達しうる第２のインサート部材の外殻として一体化する方法である。

すなわち、本発明に係る自転車用クランクを製造するには、たとえば詳細については後述する図３に概念図を示すように、繊維強化プラスチックからなる複数の部材を予めプレス成形やオートクレーブ中で片面型または両面型により成形し、しかる後にそれらを一体化することによって外殻をなす。この一体化の過程でインサート部材を外殻内に配して同時に接着等により一体化することが好ましい。

また、本発明に係る自転車用クランクを製造する際に、後述する図４に示すように外殻を成形するとき型形状を工夫して、一部を冷却する等の手段によって、その一部を成形されないまま残し、組立時に成形することにより接合を兼ねることもできる。

本発明に係る自転車用クランクおよびその製造方法によれば、製造効率よくかつ安定して、所望の品質を有する軽量な自転車用クランクを得ることができる。

本発明の一実施態様に係る自転車用クランクの構成要素を示す分解斜視図である。 本発明の一実施態様に係る自転車用クランクの一部断面表示した斜視図である。 本発明の一実施態様に係る自転車用クランクの製造方法を示す概略工程フロー図である。 本発明の別の実施態様に係る自転車用クランクの製造方法を示す概略工程フロー図である。 本発明の別の実施態様に係る自転車用クランクの構成要素を示す、図１のＸ−Ｘ’線に沿う部分に相当する部分の横断面図である。 図５の構成要素を形成する方法を示す概略工程フロー図である。

符号の説明

１、２ 外殻形成用部材
３、４ インサート部材
５、６ 外殻形成用部材
７ クランク
８、９、１０、１１、１２、１３ 外殻成形用型
１４、１５ 組立用型
１６、１７ 外殻の一部を成形しないための装置
１８ 外殻形成用部材が重なり合っている部分
１９ 外側に現れる接合線
２０ 繊維強化プラスチック層
２１ 繊維強化プラスチック層を形成する基材

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る自転車用クランクの構成要素を分解した状態で示す斜視図、図２は、各構成要素をクランクとして組み立てた本発明の一実施態様に係る自転車用クランクの一部断面表示した斜視図である。

図１において、符号１、２は外殻をなす繊維強化プラスチック部材を示しており、組み立てることによりクランクとしての形状とすることが出来る。符号３はペダル軸に結合されるインサート部材、符号４はブラケットスピンドルに結合されるインサート部材をそれぞれ示しており、これらインサート部材３、４が外殻の内部に配置される。これらの外殻形成用部材１、２およびインサート部材３、４の組立は、接着または機械的接合によってなされる。

好ましくは、これらインサート部材３、４は、金属、樹脂、繊維強化プラスチック、もしくはこれらの組み合わせで作られる。より好ましくはインサート部材がアルミ合金と炭素繊維強化プラスチックの組み合わせによって形成される。

次に図３、図４を参照して、本発明の一実施態様に係る自転車用クランクの製造方法について説明する。
図３は、本発明に係る自転車用クランクの製造方法の一例を示した概念図であり、成形から組立にかけて断面方向からみた模式的な図である。図４は、さらに工夫された製造方法の概念図である。図３において、符号８は外殻形成用部材１を成形するための雌型の成形型、符号９は成形型８に対応することで、外殻形成用部材１を成形するのに必要なキャビティを作り出す形状の雄型の成形型を示す。符号５は外殻形成用部材１を成形するための強化繊維やプリプレグによる基材を表している。成形型８、９を用いて基材５を加圧加熱することにより外殻形成用部材１を得ることができる。

符号１０は、外殻形成用部材２を成形するための成形型、符号１１は外殻形成用部材２の内面を加圧するための成型用中子、符号１３は外殻２を成形するための雌型の成形型、符号１２は外殻２の壁面に圧力をかけ成形するための型構造を示す。また、符号６は外殻形成用部材２を成形するための強化繊維やプリプレグによる基材を表す。成形型構造１０〜１３により基材６を加圧加熱することにより外殻形成用部材２を得ることができる。

符号１４は外殻部材を組み立てるための組立用型であり、符号１５は組立用型１４と対応することでクランク７の外形に対応するキャビティを作り出す形状の組立用型である。組立用型１４、１５に外殻形成用部材１、２に接着剤を塗布したものを入れ加圧および必要なら加熱することにより外殻形成用部材同士が結合されてクランク７を得ることができる。

図４には、外殻形成用部材１、２の一部を、成形時には硬化させない製造法を示す。符号１６は成形型９の一部を冷却する構造を表す。外殻形成用部材１を成形するとき、外殻の接着部分に当たる領域を冷却して成形時の熱が伝わらないようにすることにより、この部分を未硬化なまま外殻形成用部材１を得ることができる。符号１７も成形型の一部を冷却するための構造である。この構造１７により外殻形成用部材２を成形するとき、接着部分に当たる領域が未硬化な外殻形成用部材２を得ることができる。

このようにして得られた未硬化な領域を持つ外殻形成用部材１、２を組み立て、組立用型１４、１５により加圧加熱すると未硬化だった部分が接合しながら硬化するため、基材５、６に含まれた樹脂自体を接着剤とすることにより接合することができる。

図５は、本発明の別の実施態様に係る自転車用クランクの構成要素を示す、図１のＸ−Ｘ’線に沿う部分に相当する部分の横断面図であり、外殻の少なくとも一部が（本例の場合、外殻の外面全周にわたって）繊維強化プラスチック層で覆われている場合の例を示している。図６は、図５の構成要素を形成する方法を示す概略工程フロー図である。

図５においては、外殻形成用部材１、２により構成される外殻の外面全周にわたって、繊維強化プラスチック層２０で覆われている。この繊維強化プラスチック層２０は、特に、外殻形成用部材１、２が重なり合っている部分１８、中でも、外側に現れ、クランク長手方向に沿って延びる接合線１９の少なくとも一部を覆うように設けられる。また、この繊維強化プラスチック層２０は外殻の外側に付加的に設けられるものであり、クランクの最外面を形成し、良好な意匠性が求められることから、繊維強化プラスチック層２０を構成する強化繊維には織布を用いることが好ましい。

本実施態様では、上記付加的な繊維強化プラスチック層２０は、図６に示すように繊維強化プラスチック層２０を形成する基材２１が巻き付けられることにより形成される。つまり、外殻形成用部材１、２により構成される外殻に対し、所定巻き付け長にて、基材２１を順次巻き付けていき、外殻、特に接合線１９を覆う付加的な繊維強化プラスチック層２０を形成する。この後、付加層の硬化を行う。

弾性率230GPaの炭素繊維からなるクロス材（東レ（株）製CO6343）にエポキシ樹脂を含浸したプリプレグＡ（樹脂重量含有率30％）と、弾性率280GPaの炭素繊維からなるクロス材（東レ（株）製CO6142）にエポキシ樹脂を含浸したプリプレグＢ（樹脂重量含有率30％）と、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Ｃ（東レ（株）製P2053-20、繊維目付200g/m² 、樹脂重量含有率30％）を用いた。測定には右クランクのクランク長さ１７０ｍｍのものを用いた。

実施例１
外殻部材として、クランクの表側形状となる部材はプリプレグＡを１層、プリプレグＣを６層積層し、裏側形状となる部材はプリプレグＡを１層、プリプレグＣを１６層積層し、それぞれ金型内に入れ１３０℃で１時間プレス成形した。この外殻の内面の表面粗さRaは2.8μｍであった。

インサート部材として、ペダル軸側とブラケットスピンドル側との２箇所の形状に合わせたものを切削加工により作成した。このうちブラケットスピンドル側インサート部材はアルミ合金製の主構造上に炭素繊維強化プラスチック部分を一体化してインサート部材とした。

これら２つの外殻部材およびインサート（２０２４ＡＬ）の接着面をサンディングし粗面化した後、室温硬化高靱性エポキシ接着剤（東レ（株）製TE2220）を塗布し組み立てて一体化した後、室温で１２時間放置し硬化させた。その後、周辺部のバリを機械加工により取り除き、図１に示す如き構造の自転車用クランクを得た。

実施例２
外殻部材として、クランクの表側形状となる部材はプリプレグＣを１０層積層し、裏側形状となる部材はプリプレグＣを８層積層し、金型内に入れ１３０℃で１時間プレス成形した。この外殻の内面の表面粗さRaは2.7μｍであった。実施例１と同様にしてインサート部材を作製した。

これらの外殻部材およびインサートの接着面をサンディングし粗面化した後、ここにエポキシ接着剤（東レ（株）製TE2220）を塗布し室温で１２時間放置し硬化させた。その後、周辺部のバリを機械加工により取り除き、クランクの表側から包み込むようにプリプレグＢを３層巻き付け、ナイロンフィルムで包み、内部を減圧した後１３０℃の硬化炉内で２時間バッグ成形し、図２に示す如き構造の自転車用クランクを得た。

実施例１および実施例２では、日本工業規格ＪＩＳ自転車用ギアクランクＤ９４１５に示されるテストにより、従来品と比較され、十分な強度があることが確認されている。

本発明は、自転車用クランクに関するものであるが、これに限定されず、例えば自転車フレーム、サスペンションアームなど複雑形状で中空構造としたいものにも適用することができる。

本発明の一実施態様に係る自転車用クランクの構成要素を示す分解斜視図である。 本発明の一実施態様に係る自転車用クランクの一部断面表示した斜視図である。 本発明の一実施態様に係る自転車用クランクの製造方法を示す概略工程フロー図である。 本発明の別の実施態様に係る自転車用クランクの製造方法を示す概略工程フロー図である。 本発明の別の実施態様に係る自転車用クランクの構成要素を示す、図２のＸ−Ｘ’線に沿う部分に相当する部分の横断面図である。 図５の構成要素を形成する方法を示す概略工程フロー図である。

図５は、本発明の別の実施態様に係る自転車用クランクの構成要素を示す、図２のＸ−Ｘ’線に沿う部分に相当する部分の横断面図であり、外殻の少なくとも一部が（本例の場合、外殻の外面全周にわたって）繊維強化プラスチック層で覆われている場合の例を示している。図６は、図５の構成要素を形成する方法を示す概略工程フロー図である。

Claims (19)

1. 繊維強化プラスチックからなる外殻と、ペダル軸から荷重を導入しうる第１のインサート部材と、ブラケットスピンドルに接続されスプロケットに荷重を伝達しうる第２のインサート部材とを有する自転車用クランクにおいて、前記外殻が、少なくとも２つの、少なくとも一部があらかじめ成形された繊維強化プラスチック部材からなることを特徴とする自転車用クランク。
2. 前記外殻が、前記少なくとも２つの繊維強化プラスチック部材を接着することにより形成されている、請求項１に記載の自転車用クランク。
3. 前記外殻が、前記少なくとも２つの繊維強化プラスチック部材を機械的に接合することにより形成されている、請求項１に記載の自転車用クランク。
4. 前記少なくとも２つの繊維強化プラスチック部材を構成する強化繊維の５０％以上が、弾性率が２９０〜７００ＧＰａの範囲内にあり、繊維体積含有率（Ｖｆ）が４０〜７０％の範囲内にある、請求項１〜３のいずれかに記載の自転車用クランク。
5. 前記少なくとも２つの繊維強化プラスチック部材を構成する強化繊維の形態が連続繊維である一方向引き揃え形態または織布である、請求項１〜４のいずれかに記載の自転車用クランク。
6. 前記外殻の少なくとも一部が繊維強化プラスチック層で覆われている、請求項１〜５のいずれかに記載の自転車用クランク。
7. 前記少なくとも２つの繊維強化プラスチック部材が、外部側に現れるそれらの接合線がクランクの長手方向に延在するように、互いに接合されており、該接合線の少なくとも一部が繊維強化プラスチック層で覆われている、請求項６に記載の自転車用クランク。
8. 前記接合線の全長の５０〜１００％が繊維強化プラスチック層で覆われている、請求項７に記載の自転車用クランク。
9. 前記接合線上の繊維強化プラスチック層の厚さは、前記少なくとも２つの繊維強化プラスチック部材のいずれよりも小さい、請求項７または８に記載の自転車用クランク。
10. 前記接合線上における前記繊維強化プラスチック層の強化繊維の３０％以上は、前記接合線に対し４５〜１３５度に配向している、請求項７〜９のいずれかに記載の自転車用クランク。
11. 前記繊維強化プラスチック層を構成する強化繊維の形態が織布である、請求項６〜１０のいずれかに記載の自転車用クランク。
12. 前記インサート部材のうち少なくとも一つが、金属、樹脂、繊維強化プラスチック、もしくはこれらの組み合わせからなる、請求項１〜１１のいずれかに記載の自転車用クランク。
13. 前記インサート部材のうち少なくとも一つが、アルミ合金と繊維強化プラスチックとの組み合わせからなる、請求項１２に記載の自転車用クランク。
14. 前記インサート部材のうち少なくとも一つが、疲れ強さが１０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上の熱処理アルミニウム合金からなる、請求項１２に記載の自転車用クランク。
15. 前記インサート部材のうち少なくとも一つが、厚さ３〜３０μｍの酸化皮膜が形成されたアルミニウム合金からなる、請求項１２に記載の自転車用クランク。
16. 前記インサート部材のうち少なくとも一つが、前記繊維強化プラスチック部材の全てと直接接着されている、請求項１〜１５のいずれかに記載の自転車用クランク。
17. 前記接着に使用されている接着剤のバーコール硬さが、前記繊維強化プラスチック部材を構成するマトリックス樹脂より小さい、請求項２、４〜１６のいずれかに記載の自転車用クランク。
18. 繊維強化プラスチックからなる複数の部材を片面型または両面型により予備成形する工程と、次にその複数の部材を一体化する工程を含むことを特徴とする自転車用クランクの製造方法。
19. 前記予備成形工程により成形された複数の繊維強化プラスチック部材を、ペダル軸から荷重を導入しうる第１のインサート部材と、ブラケットスピンドルに接続されスプロケットに荷重を伝達しうる第２のインサート部材の外殻として一体化する、請求項１８に記載の自転車用クランクの製造方法。

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