WO2024101318A1 - 繊維強化樹脂ボルト - Google Patents

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WO2024101318A1
WO2024101318A1 PCT/JP2023/039924 JP2023039924W WO2024101318A1 WO 2024101318 A1 WO2024101318 A1 WO 2024101318A1 JP 2023039924 W JP2023039924 W JP 2023039924W WO 2024101318 A1 WO2024101318 A1 WO 2024101318A1
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WO
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core
bolt
outer periphery
frp
core portion
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/039924
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
正雄 石田
史隆 西郷
豊 及川
陽一 村上
Original Assignee
株式会社サンノハシ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 株式会社サンノハシ filed Critical 株式会社サンノハシ
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/40—Shaping or impregnating by compression not applied
    • B29C70/42—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B35/00—Screw-bolts; Stay-bolts; Screw-threaded studs; Screws; Set screws

Definitions

  • the present invention relates to bolts made of fiber reinforced plastic (FRP).
  • FRP fiber reinforced plastic
  • the method of manufacturing an FRP bolt disclosed in Patent Document 1 includes the steps of winding a prepreg containing a second reinforcing fiber and a thermosetting resin impregnated therein around the surface of a core material containing a first reinforcing fiber aligned in one direction along the axial direction of the bolt and a synthetic resin impregnated therein, thermally curing the prepreg to produce a fiber-reinforced resin round bar, and forming a thread on the surface of the fiber-reinforced resin round bar.
  • the manufacturing method for FRP bolts disclosed in Patent Document 2 includes a winding process in which a reinforced fiber resin tape formed in a strip shape integrated with resin with the reinforcing fibers oriented in the longitudinal direction is wound around a winding axis so that the reinforcing fibers are concentric to form a reinforced fiber resin tape layer, and a hardening process in which the resin in the reinforced fiber resin tape layer formed by the winding process is hardened.
  • FRP bolts are required to have both high tensile strength and torsional strength to withstand all of these forces.
  • the object of the present invention is to provide an FRP bolt with an advantageous structure in terms of both tensile strength and torsional strength.
  • Another object of the present invention is to provide an FRP bolt having a structure that can be manufactured using a highly productive method.
  • a fiber-reinforced resin bolt has a shaft portion.
  • the shaft portion has a core portion made of FRP containing a large number of reinforcing long fibers extending in the longitudinal direction of the shaft portion, and an outer periphery made of FRP containing a large number of reinforcing short fibers having a length shorter than that of the reinforcing long fibers, covering the outer periphery of the core portion.
  • the outer periphery of the core portion has an uneven or wavy shape that mechanically bonds with the outer periphery portion.
  • a fiber-reinforced resin bolt has a shaft portion.
  • the shaft portion has a core portion made of FRP containing a large number of reinforcing long fibers extending in the longitudinal direction of the shaft portion, and an outer peripheral portion made of FRP containing a large number of reinforcing short fibers having a length shorter than that of the reinforcing long fibers, covering the outer periphery of the core portion.
  • the core portion has a rope structure in which a number of strands extending in the longitudinal direction of the core portion are twisted together. Each strand is a long fiber bundle in which a large number of the reinforcing long fibers extending in the longitudinal direction of each strand are bundled together and interconnected by synthetic resin.
  • the outer periphery has a screw thread, and if the screw thread is right-handed, the twist direction of the core is S-twist, and if the screw thread is left-handed, the twist direction of the core is Z-twist.
  • a fiber-reinforced resin bolt has a shaft portion.
  • the shaft portion has a core portion made of FRP containing many reinforcing long fibers extending in the longitudinal direction of the shaft portion, and an outer periphery made of FRP containing many reinforcing short fibers having a length shorter than that of the reinforcing long fibers, covering the outer periphery of the core portion.
  • the core portion includes at least one long fiber bundle formed by bundling many reinforcing long fibers and bonding them together with a synthetic resin. The long fiber bundle extends in the longitudinal direction of the core portion, and is twisted around the central axis of the core portion or around the central axis of the long fiber bundle.
  • the outer periphery has a screw thread, and if the screw thread is right-handed, the twist direction of the long fiber bundle is right-handed, and if the screw thread is left-handed, the twist direction of the long fiber bundle is left-handed.
  • the fiber-reinforced resin bolt further has a head provided at one end of the shaft.
  • the core in the shaft extends into the head, and the core in the head has an expanded core portion formed by a large number of reinforcing long fibers expanding in the radial direction and having an outer diameter larger than that of the core in the shaft.
  • the head has an outer periphery that covers the outer periphery of the expanded core portion.
  • the FRP of the core portion contains a first thermoplastic resin
  • the FRP of the outer periphery portion contains a second thermoplastic resin.
  • the first thermoplastic resin has better impregnation between fibers in a liquid state than the second thermoplastic resin.
  • the first thermoplastic resin is an acrylic resin and the second thermoplastic resin is a polyamide resin.
  • the reinforcing long fibers and short reinforcing fibers are carbon fibers.
  • a light-emitting portion having a light-emitting function is provided on part or all of the outer periphery.
  • the luminous section is made of FRP that contains a thermoplastic resin containing a phosphorescent pigment and the reinforcing short fibers.
  • the phosphorescent pigment has a particle size of 10 to 100 ⁇ m, and the phosphorescent pigment content in the thermoplastic resin is 5 to 20%.
  • the head in a bolt having a head and a shaft, has corners on its outer periphery against which a tool comes into contact when fastening or releasing the fastening bolt, and the head has a luminous portion containing a phosphorescent pigment on the outer periphery excluding the corners, and the corners do not have a luminous portion.
  • FIG. 1 shows a longitudinal sectional structure of a fiber reinforced resin bolt according to one embodiment.
  • Fig. 2A shows a cross-sectional structure along line AA of the fiber-reinforced resin bolt in Fig. 1.
  • Fig. 2B shows a cross-sectional structure of one of the multiple strands in the core.
  • FIG. 13 is a side view showing an example of a variation in the structure of the strand.
  • FIG. 13 is a side view showing another example of a variation in the strand structure.
  • 11 shows a cross-sectional structure of a bolt according to another embodiment.
  • 5 shows a cross-sectional structure of a modified example of the bolt of FIG. 4 . An example of a method and an apparatus for manufacturing the bolt shown in FIG. 4 or 5 will be described.
  • FIG. 11 shows an example of the configuration of a core portion of a shank of a bolt according to another embodiment.
  • An example of the configuration of a bolt using the core portion 43 of FIG. 7 is shown.
  • Another example of the configuration of a bolt using the core portion 43 of FIG. 7 is shown.
  • 2 shows a modification of the bolt shown in FIG. 1 .
  • 1 shows a modified example of a bolt having a head.
  • 1 shows a modified example of a bolt having a head.
  • Fig. 1 shows the cross-sectional structure of a fiber-reinforced resin bolt (hereinafter referred to as bolt) 1 according to one embodiment.
  • bolt a fiber-reinforced resin bolt
  • the core 3 is shown in a side view rather than a cross-sectional view.
  • Fig. 2A shows the cross-sectional structure of the bolt 1 in Fig. 1 taken along line A-A.
  • Fig. 2B shows the cross-sectional structure of one strand 9 of the multiple strands 9 in the core in Fig. 2A.
  • the bolt 1 is, for example, a stud bolt having only a shaft portion without a head.
  • the bolt 1 has a core portion 3 that is approximately cylindrical and extends linearly, and an outer peripheral portion 5 that is approximately cylindrical and covers the entire outer peripheral surface of the core portion 3.
  • the core portion 3 and the outer peripheral portion 5 are, for example, arranged coaxially.
  • a screw thread 7 is formed on the outer peripheral surface of the outer peripheral portion 5.
  • the core portion 3 and the outer peripheral portion 5 are both made of FRP, but have different specific structures, as will be explained below.
  • the core 3 is made by twisting together multiple strands 9 that are rod-shaped and thinner than the core 3.
  • the core 3 has a structure similar to that of a rope (hereinafter referred to as a rope structure).
  • the inclination angle ⁇ that the central axis 13 of the strand 9 makes with respect to the central axis 11 of the core 3 is within a range of 45 degrees or less and greater than 0 degrees.
  • the twist direction of the core 3 may be selected according to the direction of the threads 7 of the bolt 1 as follows. That is, if the threads 7 are right-handed, the core 3 may be S-twisted (right-handed), and if the threads 7 are left-handed, the core 3 may be Z-twisted (left-handed). Note that the twist direction of the core 3 here refers to the spiral winding direction of each strand 9.
  • Each strand 9 is made of FRP having a bundle (long fiber bundle) of numerous reinforcing long fibers 15 and synthetic resin impregnated within the bundle of reinforcing long fibers 15.
  • the fibers contained in the FRP for reinforcing the resin are referred to as reinforcing fibers
  • relatively long fibers are referred to as reinforcing long fibers
  • reinforcing fibers shorter than the reinforcing long fibers are referred to as reinforcing short fibers.
  • the numerous reinforcing long fibers 15 in each strand 9 extend over the entire length of the strand 9 from one end to the other end in a direction parallel to or slightly oblique to the central axis 13 of the strand 9.
  • the outer periphery 5 is made of FRP having numerous reinforcing short fibers (not shown) that are shorter than the reinforcing long fibers 15 of the core 3, and synthetic resin impregnated between the reinforcing short fibers.
  • the length of the reinforcing short fibers of the outer periphery 5 can be selected to be suitable for molding the outer periphery 5.
  • the length of the reinforcing short fibers may be suitable for forming the screw threads 7 by rolling or injection molding.
  • the reinforcing long fibers of the core portion 3 and the reinforcing short fibers of the outer peripheral portion 5 can both be made of materials such as carbon fiber, glass fiber, basalt fiber, and aramid fiber.
  • the synthetic resin of the outer periphery 5 may be, for example, a thermoplastic resin such as polypropylene, polycarbonate, polyamide, polyether ether ketone, polyether sulfone, etc. More preferably, the synthetic resin of the outer periphery 5 may be a thermoplastic resin that is excellent in not only moldability but also recyclability.
  • thermoplastic resins can also be used for the synthetic resin of the core 3.
  • the synthetic resin of the core 3 may be a thermoplastic resin with the same or higher impregnation ability into the bundle of long fibers as the thermoplastic resin of the outer periphery 5 described above.
  • the synthetic resin of the core 3 may be a thermosetting resin such as an epoxy or acrylic resin that has better impregnation ability into the bundle of long fibers than the above-mentioned thermoplastic resins and has thermoplastic properties.
  • a resin that has good impregnation ability into the bundle of long fibers here may be a resin with low viscosity in a liquid state.
  • An example of a thermosetting acrylic resin product that has good impregnation ability into the bundle of long fibers and has thermoplastic properties is ELIUM (registered trademark) from ARKEMA.
  • the structure of the bolt 1 according to the embodiment described above contributes to ensuring the tensile strength and torsional strength as follows:
  • a large number of reinforcing long fibers 15 are arranged diagonally with respect to the central axis of the bolt 1 over the entire length of the core 3. In this way, the large number of reinforcing long fibers 15 extending in the longitudinal direction of the bolt 1 without substantially bending makes it easier to ensure the tensile strength of the core 3.
  • the inclination angle ⁇ of the central axis 13 of the strand 9 with respect to the central axis 11 of the core 3 is between 45 degrees and 0 degrees as described above, it is easier to ensure the tensile strength of the core 3 compared to when the inclination angle ⁇ is greater than 45 degrees.
  • the rope structure of the core 3 makes the outer surface of the core 3 uneven rather than smooth. This shape creates a mechanical bond between the core 3 and the outer periphery 5, where they mesh with each other. This mechanical bond between the core 3 and the outer periphery 5 makes it easier to ensure the shear fracture strength of the boundary between the core 3 and the outer periphery 5 when the bolt 1 is fastened.
  • the tensile load applied to the outer periphery 5 including the threads 7 at this time is smaller than the tensile load applied to the core 3. Therefore, the tensile strength of the outer periphery 5 can be ensured even with FRP that does not contain reinforcing long fibers. As a result, it is easy to ensure the sufficient tensile strength required of the bolt 1.
  • the tensile strength of the outer periphery 5 including the threads 7 can also be ensured by increasing the number of threads 7 that the nut screws into. Increasing the number of threads 7 increases the engagement with the threads on the nut (not shown) (the area where the male and female threads engage). This reduces the load on each thread, and prevents shear fracture in the tensile direction of the outer periphery including the threads 7. Note that the number of threads is expressed assuming a cross-section of the threads 7, but since a screw has one helical thread, it can be rephrased as the length of the thread.
  • the rope structure of the core 3, and in particular the rope structure with its twist direction selected as described above, makes it easier to ensure the torsional strength of the core 3.
  • the fact that the numerous reinforcing long fibers 15 extend gently in a spiral without substantially bending also contributes to ensuring torsional strength.
  • the mechanical bond between the core 3 and the outer periphery 5 created by the rope structure of the core 3 makes it easier to ensure the shear fracture strength of the boundary between the core 3 and the outer periphery 5 that can withstand the strong torsional load when the bolt 1 is fastened. As a result, it is easier to ensure the sufficient torsional strength required of the bolt 1.
  • the structure of the bolt 1 according to the embodiment described above is advantageous in ensuring both tensile strength and torsional strength (torsional shear strength).
  • Figures 3A and 3B show side views of variations in the structure of one strand 9 within the core 3.
  • a large number of reinforcing long fibers 15 extend in a direction parallel to the central axis 13 of the strand 9. In other words, the strand 9 is not twisted.
  • the strand 9 shown in FIG. 3B the strand 9 is twisted, and a large number of reinforcing long fibers 15 extend in a spiral direction at a slight angle to the central axis 13 of the strand 9.
  • the strand 9 is S-twisted, but it may also be Z-twisted.
  • Untwisted strands 9 as shown in FIG. 3A may be more advantageous for ensuring tensile strength.
  • Twisted strands 9 as shown in FIG. 3B may be more advantageous for ensuring torsional strength.
  • Figure 4 shows the cross-sectional structure of a bolt according to another embodiment. Note that in this figure, the core is shown in a side view rather than a cross-sectional view.
  • the bolt 20 has a shaft 21 with threads 27 on its outer circumferential surface, and a head 22 that is larger in diameter than the shaft 21 and is gripped with a wrench or the like when fastening.
  • the head 22 is provided at one end of the shaft 21 and is integrated with the shaft 21.
  • the shaft portion 21 has the same structure as the bolt 1 shown in FIG. 1. That is, the shaft portion 21 has a core portion 23 having a rope structure in which multiple strands 29 are twisted together, and a substantially cylindrical outer periphery 25 that covers the entire outer periphery of the core portion 23.
  • the detailed structure of the core portion 23 and the outer periphery 25 is substantially the same as that of the bolt 1 shown in FIG. 1.
  • the main structural difference between the bolt 20 shown in FIG. 4 and the bolt 1 shown in FIG. 1 is the head 22.
  • the core 23 of the shaft 21 not only passes through the shaft 21 in the axial direction, but also extends into the inside of the head 22.
  • the core 23 is made up of, for example, multiple strands 29, and these strands 29 may be made up of a bundle of multiple reinforcing long fibers.
  • the multiple strands 29 of the core 23 are broken down from the twisted rope structure and spread outward radially from the head 22 to form an expanding core 23A that is roughly shaped like an open flower.
  • the expanding core 23A may be arranged radially so as to be approximately uniform in the circumferential direction around its central axis.
  • the maximum outer diameter D1 of the expanding core 23A in the head 22 is greater than the outer diameter D2 of the core 23 in the shaft 21.
  • the outer periphery 25 made of FRP containing reinforcing short fibers not only covers the outer periphery of the expansion core 23A, but also fills the gaps between the multiple scattered strands 29.
  • the numerous bundles of reinforced long fibers that make up the core 23 inside the shaft 21 extend continuously into the head 22, and within the head 22 they open outward in the radial direction to form the expanded core 23A.
  • This structure makes it easy to ensure the tensile strength (tear strength) of the base portion between the head 22 and the shaft 21 against the strong tensile force applied when fastening.
  • Fig. 5 shows the cross-sectional structure of a modified version of the bolt shown in Fig. 4. Note that in this figure, the core is shown in a side view rather than a cross-sectional view.
  • the structural difference between the bolt 30 shown in FIG. 5 and the bolt 20 shown in FIG. 4 is the structure of the expanded core portion within the head 22.
  • the multiple strands 29 that make up the core portion 23 spread out within the head 22 to form an expanded core portion 23B that is roughly shaped like an inflated ball.
  • the maximum outer diameter D1 of the expanded core portion 23B within the head 22 is larger than the outer diameter D2 of the core portion 23 within the shaft portion 21.
  • the outer periphery 25 made of FRP containing reinforcing short fibers not only covers the outer periphery of the expanded core portion 23B, but also fills the gaps between the multiple spread-out strands 29.
  • the bolt 30 shown in FIG. 5 also makes it easy to ensure sufficient tensile strength (tear strength) at the base of the head 22 and shaft 21 to withstand the strong tensile force that is applied when fastened.
  • FIG. 6 shows an example of a method and device configuration for manufacturing the bolt shown in FIG. 4 or FIG. 5.
  • each strand manufacturing device 100 There are multiple strand manufacturing devices 100.
  • a large number of reinforcing long fibers 103 are drawn from a fiber source 101.
  • a binding device 105 collects the large number of reinforcing long fibers 103 into a single bundle, which is then immersed in superheated liquid thermoplastic resin 109 in a synthetic resin tank 107, and then drawn out of the synthetic resin tank 107 and cooled to an appropriate temperature to form a single strand 111.
  • the rope twisting device 113 inputs the multiple strands 111 output from the multiple strand manufacturing devices 100 and twists the multiple strands 111 together to create a single long FRP rope 115.
  • the core molding device 117 inputs the long FRP rope 115 and cuts it to create a short FRP rope 119 of a length suitable for the overall length of the bolt. Furthermore, the core molding device 117 places the short FRP rope 119 into a head molding mold 121, and in the head molding mold 121, expands one end of the short FRP rope 119 to fit the head.
  • the head molding mold 121 has a fixed mold 123 and a movable mold 125.
  • the fixed mold 123 holds the main part of the short FRP rope 119 and accommodates one end of the short FRP rope 119 in the cavity 126.
  • the movable mold 125 compresses the portion of the short FRP rope 119 in the cavity 126 from that end, deforming and expanding that portion.
  • the expanded structure and shape of the head of the FRP core 124 can be adjusted by adjusting the shape design of the cavity 126 of the fixed mold 123 and the movable mold 125.
  • the head molding mold 121 may have a well-known structure, such as a structure that is divided into upper and lower parts, allowing the input of the short FRP rope 119 and the removal of the FRP core 124 (not shown).
  • the bolt molding device 127 adds FRP containing reinforcing short fibers around the FRP core 124 output from the core molding device 117 to create a composite FRP bolt 131 having the same structure and shape as the bolt 20 or 30 shown in FIG. 4 or FIG. 5.
  • the FRP core 124 is placed in the center of the cavity of the bolt molding die 130, and high-temperature short-fiber FRP liquid is injected into the bolt molding die 130 by injection molding, and then cooled to create the composite FRP bolt 131.
  • the bolt molding die 130 may have a well-known structure, such as a structure that is divided into upper and lower parts, to allow the input of the FRP core 124 and the removal of the composite FRP bolt 131 (not shown).
  • the threads of the composite FRP bolt 131 may be simultaneously formed using a thread mold that is pre-installed in the bolt forming mold 130, or may be formed separately using a known rolling method after the composite FRP bolt 131 is removed from the bolt forming mold 130.
  • FIG. 7 shows an example of the configuration of the core of the shaft of a bolt according to another embodiment.
  • the core 43 shown in Figure 7 is a simple twisted FRP rod made by bundling a number of reinforcing long fibers 45 into a single bundle 41, impregnating the bundle 41 with synthetic resin, and twisting the bundle 41 around its central axis.
  • the cross-sectional shape of the core portion 43 is rectangular, but this is not limited to this and any shape may be used. If the cross-sectional shape of the core portion 43 is non-circular, such as an ellipse, oval, polygon, etc., the outer peripheral surface of the twisted core portion 43 will not be flat but will be uneven or wavy, resulting in an uneven or wavy shape, which is preferable for ensuring the tensile strength and torsional strength of the bolt. As mentioned above, the cross-sectional shape of the core portion 43 may be polygonal, etc., but from the standpoint of strength, it is preferable that the corners are rounded rather than sharp.
  • FIGS. 8 and 9 show two example bolt configurations using the core portion 43 shown in FIG. 7.
  • the core 43 in the shaft 51 extends into the head 52, and within the head 52, the numerous reinforcing long fibers of the core 43 are spread outward in the radial direction to form an expanded core 43A shaped like an open flower.
  • the expandable core 43A may be arranged radially so as to be almost uniform in the circumferential direction around its central axis.
  • An outer peripheral portion 55 made of FRP containing reinforcing short fibers covers the outer periphery of the core 43 and the expanded core 43A, and fills the gaps between the spread long fibers of the expanded core 43A.
  • the outer periphery 55 has threads 57 on its outer periphery in the shaft portion 51. If the threads 57 are right-handed, the twisting direction of the core portion 43 is right-handed, and if the threads 57 are left-handed, the twisting direction of the core portion 43 is preferably left-handed.
  • the bolt 60 shown in FIG. 9 differs from the bolt 50 shown in FIG. 8 only in the shape of the expanded core portion 43B in the head 62.
  • the numerous reinforcing long fibers of the core portion 43 are expanded radially outward in the head 62 to form the expanded core portion 43B shaped like an inflated ball.
  • the outer periphery 65 has threads 67 on its outer periphery in the shaft portion 61. If the threads 67 are right-handed, the twisting direction of the core portion 43 is right-handed, and if the threads 67 are left-handed, the twisting direction of the core portion 43 is preferably left-handed.
  • the structure of the bolts 50 and 60 shown in Figures 8 and 9 is also advantageous in ensuring tensile strength and torsional strength.
  • FIG. 10 shows a cross-sectional view taken along line A-A of a modified version of the bolt 1 shown in FIG. 1.
  • the bolt 1 according to this modified version has a light-emitting function.
  • the bolt 1 according to this modified version has a light-emitting portion that has a light-emitting function in at least a part thereof.
  • the configuration of the bolt 1 other than the light-emitting function is basically the same as in the several embodiments described above.
  • the entire outer periphery 5 of the shaft 21 is formed by the light-emitting portion 8.
  • the light-emitting section 8 is, for example, made of FRP that constitutes the outer periphery 5, which contains a phosphorescent pigment as a light-emitting body.
  • the light-emitting section 8 is made of FRP containing a light-emitting body, in which a thermoplastic resin containing a phosphorescent pigment is impregnated into reinforced short fibers (not shown).
  • the bolt 1 may be formed in a similar manner by replacing the FRP that constitutes the outer periphery 5 with FRP containing a light-emitting body.
  • the particle size of the phosphorescent pigment is preferably 10 to 100 ⁇ m, and a particle size of 25 ⁇ m is more preferable.
  • the content of phosphorescent pigment in the thermoplastic resin of the light-emitting section 8 is preferably 5-20%, and more preferably 10%.
  • thermoplastic resin of the light-emitting section 8 is preferably highly transparent. This is because highly transparent thermoplastic resins allow light to pass through more easily, making it easier for the phosphorescent pigment to exhibit its phosphorescent function.
  • thermoplastic resins include PC polycarbonate, PMMA acrylic, PP polypropylene, PE polyethylene, ABS acrylonitrile butadiene styrene, and PS polystyrene.
  • the bolt 1 according to this modified example has an outer peripheral portion 5 (light-emitting portion 8) that has a light-emitting function, which makes it easier for workers to find the bolt 1 even in dimly lit places such as at night. This improves work efficiency when fastening the bolt 1, as well as when checking or refastening an already fastened bolt 1.
  • the bolt 1 according to this modified example has a controlled particle size of the phosphorescent pigment contained in the luminous body-containing FRP of the light-emitting portion 8, and a controlled content of the phosphorescent pigment relative to the thermoplastic resin of the luminous body-containing FRP.
  • the light-emitting portion 8 is configured to maintain the strength of the outer peripheral portion 5, which prevents the strength of the bolt 1 from being reduced by the light-emitting function.
  • the light-emitting section 8 is made of FRP containing a light-emitting body, which has a thermoplastic resin with added phosphorescent pigment and reinforced short fibers.
  • the FRP containing a light-emitting body of the light-emitting section 8 may use reinforced short fibers (phosphorescent fibers) that have a phosphorescent function as the light-emitting body instead of or in addition to the above configuration.
  • a light-emitting material having a phosphorescent function such as a phosphorescent pigment or phosphorescent fiber
  • a light-emitting material having a fluorescent function such as a fluorescent pigment or fluorescent fiber
  • a light-emitting material having another light-emitting function may be used.
  • the above modification shows an example of a bolt 1 having only a shank 21 without a head, but the same modification can be applied to an embodiment of a bolt having a head.
  • the entire outer periphery of the shank, including the head, can be configured as a light-emitting portion.
  • one end of the core 3 inside the light-emitting portion 8 may also appear on the outside, as shown in FIG. 10.
  • the FRP constituting the core 3 may be replaced with an FRP containing a light-emitting body.
  • the light-emitting body-containing FRP constituting the core 3 may be a thermoplastic resin to which a light-emitting body (e.g., a phosphorescent pigment) has been added, as in the light-emitting portion 8, or reinforced long fibers having a light-emitting function may be used instead of or in addition to this.
  • FIGS 11 and 12 are perspective views showing modified examples of bolt 70 having a head.
  • Bolt 70 has a light-emitting function. Note that the configuration of bolt 70 other than the light-emitting function is basically the same as in the several embodiments described above.
  • Bolt 70 has an outer peripheral portion 75 and a core portion (not shown).
  • a head 72 is provided at one end of shaft portion 71.
  • the head 72 in the illustrated example includes a flange portion 72a at its lower end, but the head 72 does not have to have a flange portion 72a.
  • the bolt 70 may have a light-emitting portion 78a over the entire outer periphery 75 of the head 72.
  • the bolt 70 may have a light-emitting portion 78b on a portion of the outer periphery 75 of the head 72.
  • the light-emitting portions 78a, 78b may be made of FRP containing a phosphorescent pigment, similar to the light-emitting portion 8 of the modified example described above.
  • the light-emitting portions 78a, 78b may be a coating of paint or FRP containing a phosphorescent pigment that is applied to the outer periphery 75 of the head 72.
  • bolt 70 is the same as that of bolt 1 according to the modified example.
  • bolt 70 has light-emitting portion 78 only on head 72, the amount of light-emitting body (phosphorescent material) can be reduced compared to when the entire outer periphery 75 of the bolt is made the light-emitting portion, thereby reducing costs.
  • the light-emitting portion 78b may be provided in a portion of the head 72 excluding a portion where a tool such as a wrench comes into contact when fastening or releasing the bolt 70 (in the illustrated example, a corner portion 79 on the side of the head). This reduces the amount of light-emitting body (phosphorescent material) and also reduces the possibility that the light-emitting portion 78b will be damaged by a tool such as a wrench and become detached from the head 72.
  • the light-emitting portion 78b as shown in FIG. 12 can also be applied to general metal fastening bolts.
  • the position of the light emitting unit 78 on the head 72 is not limited to the illustrated example, but may be anywhere that is visible to the operator.
  • the light-emitting portion 78 is not limited to the above configuration as long as the surface of the outer periphery 75 of the head 72 emits light.
  • the light-emitting portion 78 may be formed by applying a synthetic resin containing a pigment having a light-emitting function or a paint having a light-emitting function to the surface of the outer periphery 75, or by attaching a sheet having a light-emitting function to the surface of the outer periphery 75.
  • the surface of the outer periphery 75 of the head 72 may be given a light-emitting function using a conventionally known configuration.
  • Strand manufacturing device 101 Fiber source 103
  • Chemical continuous fiber 105 Binding device 107
  • Synthetic resin tank 109 Thermoplastic resin 111
  • Strand 113 Rope twisting device 115
  • Long FRP rope 117
  • Core molding device 119
  • Short FRP rope 121
  • Head molding mold 123
  • Fixed mold 125
  • Movable mold 126
  • Cavity 127
  • Bolt molding device 130 Bolt molding mold 131... Composite FRP bolt

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Abstract

引張強度と捩り強度の双方において有利な構造を持つＦＲＰボルトを提供し得る。　繊維強化樹脂ボルトは、軸部を有し、軸部は、軸部の長手方向に延びる多数の強化長繊維を含むＦＲＰ製の芯部と、芯部の外周を覆う、強化長繊維より短い長さの多数の強化短繊維を含むＦＲＰ製の外周部と、を有する。芯部の外周面は、外周部と機械的に結合するような凸凹形状又は波形上を持つ。

Description

繊維強化樹脂ボルト
　本発明は、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製のボルトに関する。
　特許文献１に開示されたＦＲＰボルトの製造方法は、ボルトの軸方向に沿って一方向に引き揃えられた第１の強化繊維及びこれに含侵された合成樹脂を含む芯材の表面に、第２の強化繊維及びこれに含侵された熱硬化性樹脂を含むプリプレグを巻回するステップと、そのプリプレグを熱硬化させて繊維強化樹脂丸棒を製造するステップと、その繊維強化樹脂丸棒の表面にネジ山を形成するステップとを有する。
　特許文献２に開示されたＦＲＰボルトの製造方法は、強化繊維の向きが長手方向となるように、樹脂と一体化して帯状に形成された強化繊維樹脂テープを、その強化繊維が巻回軸の周りに同心状になるように巻回して強化繊維樹脂テープ層を形成する巻回工程と、その巻回工程により形成した強化繊維樹脂テープ層の樹脂を硬化させる硬化工程とを有する。
特開２０１２－５２８７４６号公報 特開２０１９－１２４３５１号公報
　螺子ボルトを強く締結するとき、ボルトには、その中心軸を回転中心にした大きな捩り（ねじり）力と、中心軸に沿った大きな引張力が加わる。従って、これらの力の全てに耐える高い引張強度と捩り強度の双方がＦＲＰボルトに要求される。
　また、できるだけ生産性の高い方法で製造可能な構造を持つＦＲＰボルトが望まれる。
　上記２つの観点に鑑みたとき、特許文献１及び２に開示されたＦＲＰボルトの構造には、改良の余地があるであろう。
　本発明の目的は、引張強度と捩り強度の双方において有利な構造を持つＦＲＰボルトを提供することにある。
　本発明の別の目的は、生産性の高い方法で製造可能な構造を持つＦＲＰボルトを提供することにある。
　本発明のその他の目的は、以下の説明から明らかになるであろう。
　一実施形態に従う、繊維強化樹脂ボルトは、軸部を有する。軸部は、軸部の長手方向に延びる多数の強化長繊維を含むＦＲＰ製の芯部と、芯部の外周を覆う、強化長繊維より短い長さの多数の強化短繊維を含むＦＲＰ製の外周部と、を有する。芯部の外周面は、外周部と機械的に結合するような凸凹形状又は波形上を持つ。
　一実施形態に従う、繊維強化樹脂ボルトは、軸部を有する。軸部は、軸部の長手方向に延びる多数の強化長繊維を含むＦＲＰ製の芯部と、芯部の外周を覆う、強化長繊維より短い長さの多数の強化短繊維を含むＦＲＰ製の外周部と、を有する。芯部は、芯部の長手方向に延びる複数のストランドが撚り合わされてなるロープ構造を有する。各ストランドは、各ストランドの長手方向に延びる前記多数の強化長繊維が束ねられて合成樹脂により相互結合されてなる長繊維束である。
　一実施形態に従えば、外周部は螺子山を有し、螺子山が右螺子の場合には芯部の撚り方向はＳ撚りであり、螺子山が左螺子の場合には芯部の撚り方向はＺ撚りである。
　一実施形態に従う、繊維強化樹脂ボルトは、軸部を有する。軸部は、軸部の長手方向に延びる多数の強化長繊維を含むＦＲＰ製の芯部と、芯部の外周を覆う、強化長繊維より短い長さの多数の強化短繊維を含むＦＲＰ製の外周部と、を有する。芯部は、多数の強化長繊維が束ねられて合成樹脂により相互結合されてなる少なくとも１本の長繊維束を含む。長繊維束が芯部の長手方向に延び、長繊維束が、芯部の中心軸回り又は長繊維束の中心軸回りに捩られている。
　一実施形態に従えば、外周部は螺子山を有し、螺子山が右螺子の場合には長繊維束の捩り方向は右捩りであり、螺子山が左螺子の場合には長繊維束の捩り方向は左捩りである。
　一実施形態に従えば、繊維強化樹脂ボルトは、さらに、軸部の一端に設けられた頭部を有する。軸部内の芯部は、頭部内に延び出ており、頭部内の芯部は、多数の強化長繊維が径方向へ広がってなる、軸部内の芯部より外径の大きい拡張芯部を有する。頭部は、拡張芯部の外周を覆う外周部を有する。
　一実施形態に従えば、芯部のＦＲＰは、第１の熱可塑性樹脂を含み、外周部のＦＲＰは、第２の熱可塑性樹脂を含む。第１の熱可塑性樹脂は、第２の熱可塑性樹脂よりも、液体状態における繊維間への含侵性がよい。
　一実施形態に従えば、第１の熱可塑性樹脂はアクリル系樹脂であり、第２の熱可塑性樹脂はポリアミド系樹脂である。
　一実施形態に従えば、強化長繊維と強化短繊維は、炭素繊維である。
　一実施形態に従えば、外周部の一部又は全部には、発光機能を有する発光部が設けられる。
　一実施形態に従えば、発光部は、蓄光顔料を含有する熱可塑性樹脂と前記強化短繊維を含むＦＲＰ製である。
　一実施形態に従えば、蓄光顔料は、粒径が１０～１００μｍであり、熱可塑性樹脂に対する蓄光顔料の含有率は、５～２０％である。
　一実施形態に従えば、頭部と軸部を有するボルトにおいて、頭部はその外周部に、締結ボルトの締結又は解除の際に工具が当接する角部を有し、頭部が、外周部のうちの角部を除く部分に、蓄光顔料を含んだ発光部を有し、角部には発光部を有しない。
一実施形態に係る繊維強化樹脂ボルトの縦断面構造を示す。 図２Aは、図１の繊維強化樹脂ボルトのＡ－Ａ線に沿った横断面構造を示す。図２Bは、芯部内の複数本のストランドのうちの１本の横断面構造を示す。 ストランドの構造のバリエーションの一例を示す側面図を示す。 ストランドの構造のバリエーションの他の例を示す側面図を示す。 別の実施形態に係るボルトの断面構造を示す。 図４のボルトの変形例の横断面構造を示す。 図４又は図５のボルトを製造する方法と、装置の構成例を示す。 また別の実施形態に係るボルトの軸部の芯部の構成例を示す。 図７の芯部４３を用いたボルトの構成例の一例を示す。 図７の芯部４３を用いたボルトの構成例の他の例を示す。 図１に示されたボルトの変形例を示す。 頭部を有するボルトの変形例を示す。 頭部を有するボルトの変形例を示す。
　以下、本発明に係る一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態に係る繊維強化樹脂ボルト（以下、ボルトという。）１の横断面構造を示す。なお、この図では、芯部３は断面図でなく側面図で示されている。図２Ａは、図１のボルト１のＡ－Ａ線に沿った横断面構造を示す。図２Ｂは、図２Ａの芯部内の複数本のストランド９の１本のストランド９の横断面構造を示す。
　ボルト１は、例えば、頭部の無い軸部のみをもつスタッドボルトである。ボルト１は、直線的に延びるほぼ円柱形状の芯部３と、芯部３の外周面の全てを覆うほぼ円筒形状の外周部５とを有する。芯部３と外周部５は、例えば同軸に配置される。外周部５の外周面には、螺子山７が形成される。芯部３と外周部５は、ともにＦＲＰ製であるが、以下に説明するように、具体的な構造が異なる。
　芯部３は、芯部３より細い棒形状の複数本のストランド９を撚り合わせることで作られる。芯部３は、この点でロープと同様の構造（以下、ロープ構造という。）をもつ。図１に示す側面視で、ストランド９の中心軸１３が、芯部３の中心軸１１に対してなす傾斜角θは、４５度以下で０度より大きい範囲内にある。
　芯部３の撚り方向は、ボルト１の螺子山７の方向に応じて次のように選んでよい。すなわち、螺子山７が右螺子の場合は、芯部３はＳ撚り（右撚り）であり、螺子山７が左螺子の場合は、芯部３はＺ撚り（左撚り）にしてよい。なおここで、芯部３の撚り方向とは、各ストランド９の螺旋の巻き方向である。
　このように、芯部３の撚り方向を選ぶと、ボルト１の締結時に外部から加わる捩り力が、芯部３の撚りを強める（締める）ように作用する。
　各ストランド９は、多数本の強化長繊維１５の束（長繊維束）と、それら強化長繊維１５の束内に含侵された合成樹脂とを有するＦＲＰにより作られる。なお、この明細書では、ＦＲＰに含まれる、樹脂を強化するための繊維を強化繊維とし、繊維の比較的長いものを強化長繊維、強化長繊維よりも短い強化繊維を強化短繊維という。各ストランド９内の多数本の強化長繊維１５は、ストランド９の中心軸１３に平行又は僅かに斜めの方向に、ストランド９の一端から多他端までその全長に渡って延びる。
　外周部５は、芯部３の強化長繊維１５より短い多数本の強化短繊維（図示なし）と、それら強化短繊維間に含侵された合成樹脂とを有するＦＲＰにより作られる。外周部５の強化短繊維の長さは、外周部５の成形に適した長さに選ぶことができる。例えば、強化短繊維の長さは、螺子山７を転造又は射出成形などにより形成するのに適した長さであってよい。
　芯部３の強化長繊維と外周部５の強化短繊維は、いずれも、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維、アラミド繊維等の材料を用いることができる。
　外周部５の合成樹脂には、例えば、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルサルフォン等の熱可塑性樹脂を用いることができる。より好ましくは、外周部５の合成樹脂には、成形性に加えリサイクル性にも優れる熱可塑性樹脂を用いてもよい。
　芯部３の合成樹脂にも、上述の熱可塑性樹脂を用いることができる。例えば、芯部３の合成樹脂には、長繊維の束への含侵性が上述の外周部５の熱可塑性樹脂と同等か又はそれ以上の熱可塑性樹脂を用いてよい。より好ましくは、芯部３の合成樹脂には、上述の熱可塑性樹脂よりも長繊維の束への含侵性がよく、かつ熱可塑性を有したエポキシ系又はアクリル系等の熱硬化性樹脂を用いてもよい。なおここで、長繊維の束への含侵性がよい樹脂とは、液体状態における粘度が低い樹脂であってよい。長繊維への束への含侵性がよく、熱可塑性を有した熱硬化性アクリル系樹脂製品の一例として、ＡＲＫＥＭＡ社のＥＬＩＵＭ（登録商標）がある。
　上述した一実施形態に係るボルト１の構造は、その引張強度と捩り強度の確保に以下のように貢献する。
　多数本の強化長繊維１５が、芯部３の全長に渡り、ボルト１の中心軸に対して斜め方向に配置される。このように、実質的に屈曲せずにボルト１の長手方向に延びる多数本の強化長繊維１５により、芯部３の引張強度を確保しやすくなる。特に、芯部３の中心軸１１に対するストランド９の中心軸１３の傾斜角θが、上述のように４５度から０度の間である場合は、傾斜角θが４５度より大きい場合に比較して、芯部３の引張強度をより確保しやすい。
　また、芯部３のロープ構造が、芯部３の外周面を、滑らかでなく、凹凸を持つ形状にする。この形状により、芯部３と外周部５との間に両者が相互に噛み合った機械的な結合が生まれる。この芯部３と外周部５の機械的な結合が、ボルト１締結時における、芯部３と外周部５間の境界部の剪断破壊強度を確保しやすくなる。
　また、ボルト１締結時には、芯部３に強い引張負荷がかかる。一方、このとき螺子山７を含む外周部５にかかる引張負荷は、芯部３にかかる引張負荷よりも小さい。このため、外周部５の引張強度は、強化長繊維を含まないＦＲＰであっても確保し得る。これらの結果、ボルト１に要求される十分な引張強度が確保しやすい。
　また、螺子山７を含む外周部５の引張強度は、ナットの螺合する螺子山７の数を増やすことによっても確保できる。螺子山７の数を増やすことで、ナット側の螺子山（図示なし）との掛かり代（雄螺子と雌螺子の係合する面積）を増やすことができる。これにより、１つの螺子山にかかる負荷が低減され、螺子山７を含む外周部の引張方向への剪断破壊を防止することができる。なお、螺子山７を断面で見た場合を想定し、螺子山の数と表現したが、螺子は螺旋状の１本の螺子山を有するので、螺子山の長さと言い換えることができる。
　芯部３のロープ構造が、とりわけその撚り方向が上述のように選ばれたロープ構造が、芯部３の捩り強度を確保しやすくする。多数本の強化長繊維１５が実質的に屈曲せず緩やかに螺旋に延びていることも、捩り強度の確保に貢献する。また、芯部３のロープ構造が生む芯部３と外周部５との機械的な結合が、ボルト１締結時の強い捩り負荷にも耐え得る芯部３と外周部５との間の境界の剪断破壊強度を確保しやすくする。これらの結果、ボルト１に要求される十分な捩り強度が確保しやすい。
　従って、上述した一実施形態に係るボルト１の構造は、引張強度と捩り強度（捩り剪断強度）の双方の確保に有利である。
　また、上述した一実施形態にかかるボルト１の製造には、後述するようなシンプルな製造工程が採用でき得る。製造の生産性をより高くすることができ、それゆえボルト１のコストを削減することもできる。
　図３Ａ及び図３Ｂは、芯部３内の１つのストランド９の構造のバリエーションの側面図を示す。
　図３Ａに示すストランド９では、多数本の強化長繊維１５がストランド９の中心軸１３に平行な方向に延びている。つまり、ストランド９は、撚られていない。図３Ｂに示すストランド９は、撚られており、多数本の強化長繊維１５がストランド９の中心軸１３に対し僅かに傾斜して螺旋方向に延びている。なお、図３Ｂの例は、ストランド９はＳ撚りであるが、Ｚ撚りであってもよい。
　図３Ａに示される撚ってないストランド９は、引張強度を確保するのにより有利であろう。図３Ｂに示される撚られたストランド９は、捩り強度を確保するのにより有利であろう。撚られたストランド９を採用する場合、ボルト１に要求される引張強度と捩り強度やその他の条件に応じて、ストランド９の撚り方向と芯部３の撚り方向とが一致する普通撚りと、ストランド９の撚り方向と芯部３の撚り方向とが逆方向となるラング撚りのいずれを選ぶか決めてよい。
　図４は、別の実施形態に係るボルトの断面構造を示す。なお、この図では、芯部は断面図でなく側面図で示されている。
　ボルト２０は、その外周面に螺子山２７を持つ軸部２１と、軸部２１より径が大きく、締結時にスパナなどで把持される頭部２２を有する。頭部２２は、軸部２１の一端部に設けられ、軸部２１と一体化されている。
　軸部２１は、図１に示されたボルト１と同様の構造をもつ。すなわち、軸部２１は、複数本のストランド２９が縒り合されたロープ構造の芯部２３と、芯部２３の外周面の全部を覆うほぼ円筒形状の外周部２５とを有する。芯部２３と外周部２５の詳細な構造は、図１に示されたボルト１のそれと実質的に同じである。
　図４に示されたボルト２０の、図１に示されたボルト１との構造上の相違点は、主として頭部２２にある。軸部２１の芯部２３が、軸部２１を軸方向へ貫通するだけでなく、頭部２２の内部にまで延び出ている。なお、芯部２３は、例えば、複数本のストランド２９で構成されており、それらストランド２９は多数本の強化長繊維の束で構成されていてよい。
　頭部２２内では、芯部２３の複数本のストランド２９が、撚り合わされたロープ構造から崩されて、頭部２２の径方向外方へ広がり、散開して、概略的に、開いた花のような形状の拡張芯部２３Ａを構成する。例えば、拡張芯部２３Ａは、その中心軸を中心とした円周方向にほぼ均一になるよう放射状に配置されてよい。頭部２２内の拡張芯部２３Ａの最大外径Ｄ１は、軸部２１内の芯部２３の外径Ｄ２より大きい。
　頭部２２内では、強化短繊維を含んだＦＲＰ製の外周部２５が、拡張芯部２３Ａの外周を覆うだけでなく、散開した複数本のストランド２９の相互間の隙間を埋める。
　このように、軸部２１内の芯部２３を構成する多数本の強化長繊維の束が、頭部２２内まで連続して延び出るとともに、頭部２２内では径方向外方へ開いて拡張芯部２３Ａを構成している。この構造により、締結時の強い引張力に対する頭部２２と軸部２１との付け根部分の引張強度（引裂強度）が確保しやすい。
　図５は、図４に示されたボルトの変形例の横断面構造を示す。なお、この図では、芯部は断面図でなく側面図で示されている。
　図５に示されたボルト３０の、図４に示されたボルト２０との構造上の相違点は、頭部２２内の拡張芯部の構造である。図５に示されたボルト３０では、芯部２３を構成する複数本のストランド２９が、頭部２２内で広がって、概略的に、膨らんだボールのような形状の拡張芯部２３Ｂを構成する。頭部２２内の拡張芯部２３Ｂの最大外径Ｄ１は、軸部２１内の芯部２３の外径Ｄ２より大きい。頭部２２内では、強化短繊維を含んだＦＲＰ製の外周部２５が、拡張芯部２３Ｂの外周を覆うだけでなく、散開した複数本のストランド２９の相互間の隙間を埋める。
　図５に示されたボルト３０でも、図４に示されたボルト２０と同様に、締結時の強い引張力に対抗する頭部２２と軸部２１との付け根部分の引張強度（引裂強度）が確保しやすい。
　図６は、図４又は図５に示されたボルトを製造する方法と、装置の構成例を示す。
　複数のストランド製造装置１００がある。各ストランド製造装置１００では、繊維源１０１から多数本の強化長繊維１０３が引き出される。バインド装置１０５が、それら多数本の強化長繊維１０３を集めて１本の束にしながら、その束を合成樹脂槽１０７内の過熱された液体の熱可塑性樹脂１０９に含侵してから合成樹脂槽１０７から引き出し、適温まで冷却して、１本のストランド１１１を形成する。
　ロープ撚り装置１１３が、複数のストランド製造装置１００から出力される複数本のストランド１１１を入力して、それら複数本のストランド１１１をより合わせて１本の長尺ＦＲＰロープ１１５を作る。
　芯部成形装置１１７が、その長尺ＦＲＰロープ１１５を入力し、切断して、ボルトの全長に適した長さの短尺ＦＲＰロープ１１９を作る。さらに、芯部成形装置１１７が、短尺ＦＲＰロープ１１９を頭部成形型１２１に入れて、頭部成形型１２１内で、短尺ＦＲＰロープ１１９の一端部を頭部用に拡径させる。例えば、頭部成形型１２１は、固定型１２３と可動型１２５とを有する。固定型１２３が、短尺ＦＲＰロープ１１９の主要部分を把持し、かつ、短尺ＦＲＰロープ１１９の一端部をキャビティ１２６内に収容する。可動型１２５が、キャビティ１２６内の短尺ＦＲＰロープ１１９の部分をその一端から圧縮して、その部分を変形させて拡径させる。これにより、図４又は図５に示した拡張芯部２３Ａ又は２３Ｂを有する芯部２３と同様の構造と形状を持つＦＲＰ芯部１２４が作られる。ＦＲＰ芯部１２４の頭部の拡径された構造と形状をどのようにするかは、固定型１２３のキャビティ１２６と可動型１２５の形状デザインなどにより調整できる。なお、頭部成形型１２１は、例えば、上下に分割される構造等の周知の構造により、短尺ＦＲＰロープ１１９の入力及びＦＲＰ芯部１２４の取り出しを可能としてよい（図示なし）。
　ボルト成形装置１２７が、芯部成形装置１１７から出力されたＦＲＰ芯部１２４の周囲に、強化短繊維を含んだＦＲＰを追加して、図４又は図５に示したボルト２０又は３０と同様の構造と形状を持つ複合ＦＲＰボルト１３１を作る。例えば、ボルト成形型１３０のキャビティ内の中央にＦＲＰ芯部１２４を配置し、射出成形の方法でボルト成形型１３０内に高温の短繊維ＦＲＰ液体を注入し、そして、冷却することで、複合ＦＲＰボルト１３１作成される。なお、ボルト成形型１３０は、例えば、上下に分割される構造等の周知の構造により、ＦＲＰ芯部１２４の入力及び複合ＦＲＰボルト１３１の取り出しを可能としてよい（図示なし）。
　ここで、複合ＦＲＰボルト１３１の螺子山は、ボルト成形型１３０に予め設けられた螺子山型により同時成形されてもよいし、あるいは、ボルト成形型１３０から複合ＦＲＰボルト１３１が取り出された後に、公知の転造方法により別途形成されてもよい。
　図７は、また別の実施形態に係るボルトの軸部の芯部の構成例を示す。
　図７に示される芯部４３は、多数本の強化長繊維４５を１本の束４１に束ね、その束４１に合成樹脂を含侵させるとともに、その束４１をその中心軸回りに捩ることで作られた、単純な一本の捩りＦＲＰ棒である。
　図７では、芯部４３が捩れている様をわかりやすく図示するために、芯部４３の横断面形状は、四角形であるが、これに限られる訳ではなく、どのような形状であってもよい。芯部４３の横断面形状は、例えば、楕円形、長円形、多角形等の非円形であると、捩られた芯部４３の外周面が平ではなく凹凸する又は波打って、凸凹形状又は波形形状となるので、ボルトの引張強度と捩り強度を確保するためには好ましい。なお、上記のとおり芯部４３の横断面形状は多角形等であってもよいが、強度上角は尖らずに丸みがついていた方が望ましい。
　図８と図９は、図７に示された芯部４３を用いたボルトの２つの構成例を示す。
　図８に示されたボルト５０では、軸部５１内にある芯部４３が、頭部５２内に延び出ており、頭部５２内で芯部４３の多数本の強化長繊維が径方向外方へ広げられて、開いた花のような形状の拡張芯部４３Ａを構成する。例えば、拡張芯部４３Ａは、その中心軸を中心とした円周方向にほぼ均一になるよう放射状に配置されてよい。強化短繊維を含んだＦＲＰ製の外周部５５が芯部４３と拡張芯部４３Ａの外周囲を覆い、かつ、拡張芯部４３Ａの散開した長繊維間の隙間を満たす。
　外周部５５は、軸部５１におけるその外周面に螺子山５７を有する。螺子山５７が右螺子の場合には芯部４３の捩り方向は右捩りであり、螺子山５７が左螺子の場合には芯部４３の捩り方向は左捩りであることが好ましい。
　図９に示されたボルト６０は、頭部６２内の拡張芯部４３Ｂの形状においてのみ、図８に示されたボルト５０と相違する。ボルト６０では、頭部６２内で芯部４３の多数本の強化長繊維が径方向外方へ拡げられて、膨らんだボールのような形状の拡張芯部４３Ｂを構成する。
　外周部６５は、軸部６１におけるその外周面に螺子山６７を有する。螺子山６７が右螺子の場合には芯部４３の捩り方向は右捩りであり、螺子山６７が左螺子の場合には芯部４３の捩り方向は左捩りであることが好ましい。
　図８と図９に示されたボルト５０と６０の構造も、引張強度と捩り強度を確保するのに有利である。
　以下、本実施形態に係るボルトのいくつかの変形例について説明する。なお以下では、上記の実施形態と同様の要素については、同じ参照番号を用いて説明する場合がある。
　図１０は、図１に示されたボルト１の変形例のA-A断面図を示す。本変形例に係るボルト１は、発光機能を備える。本変形例に係るボルト１は、少なくともその一部に発光機能を備える発光部を有する。なお、発光機能以外のボルト１の構成は、基本的には上述したいくつかの実施形態と同様である。例えば、ボルト１は、軸部２１の外周部５全体が発光部８により構成される。
　発光部８は、例えば、外周部５を構成するＦＲＰに、発光体としての蓄光顔料を含有してなる。具体的には、発光部８は、蓄光顔料を添加した熱可塑性樹脂を、強化短繊維（図示なし）に含侵させた、発光体含有のＦＲＰにより構成される。また、ボルト１の成形は、外周部５を構成するＦＲＰを、発光体含有のＦＲＰに置き換えて同様の方法によりされてよい。
　蓄光顔料は、輝度、耐水性に応じて様々な種類のものが存在するが、ボルト１に要求される機能や特性に応じて適切な種類の蓄光顔料を用いてもよい。蓄光顔料は、粒径の大きいものほど蓄光の性能は高い。しかし、粒径が大きすぎると熱可塑性樹脂の強度が低下するため、発光部８を構成するＦＲＰの強度をも低下させる場合がある。このため、熱可塑性樹脂に含まれる蓄光顔料の粒径は、１０～１００μｍのものが望ましく、粒径２５μｍのものがより望ましい。
　また、発光部８の熱可塑性樹脂に対する蓄光顔料の含有率は、高ければ高いほど蓄光の性能は高い。しかし、当該含有率が高すぎると熱可塑性樹脂の強度が低下するため、発光部８を構成するＦＲＰの強度をも低下させる場合がある。このため、発光部８の熱可塑性樹脂に対する蓄光顔料の含有率は、５～２０％が望ましく、さらには１０％がより望ましい。
　なお、発光部８の熱可塑性樹脂は、透明性が高いものが望ましい。熱可塑性樹脂の透明性が高いと、光を透過しやすくなり、蓄光顔料の蓄光機能を発揮しやすいためである。熱可塑性樹脂は、例えば、ＰＣポリカーボネート、ＰＭＭＡアクリル、ＰＰポリプロピレン、ＰＥポリエチレン、ＡＢＳアクリルニトリルブタジエンスチレン、ＰＳポリスチレンを用いてもよい。
　本変形例に係るボルト１は、発光機能を有する外周部５（発光部８）としたことで、夜間等の薄暗い場所においても作業者がボルト１を見つけやすくすることができる。これにより、ボルト１締結作業においても、すでに締結されたボルト１の確認作業や再締結作業等においても、作業効率を向上することができる。また、本変形例に係るボルト１は、上述の通り、発光部８の発光体含有のＦＲＰに含まれる蓄光顔料の粒径、及び、当該発光体含有のＦＲＰの熱可塑性樹脂に対する蓄光顔料の含有率をそれぞれコントロールされている。これにより、発光部８は、外周部５としての強度を保つように構成されるので、発光機能によりボルト１の強度を低減することを防止できる。
　なお、本変形例では、発光部８が、蓄光顔料を添加した熱可塑性樹脂と強化短繊維とを有する発光体含有のＦＲＰにより構成される例を示した。しかしながら、発光部８の発光体含有のＦＲＰは、上記の構成に代えて又は加えて、発光体として蓄光機能を有する強化短繊維（蓄光繊維）を用いてもよい。
　さらに、上記の例では、発光部８に含有される発光体として、蓄光顔料や蓄光繊維等の蓄光機能を有する発光体を示したが、蓄光機能を有する発光体に代えて、蛍光顔料や蛍光繊維等の蛍光機能を有する発光体やその他の発光機能を有する発光体を用いてもよい。
　また、上記の変形例は、頭部のない軸部２１のみのボルト１の例を示したが、頭部を有するボルトの実施形態においても同様の変形例を適用できる。この場合、頭部を含む軸部の外周部全体が発光部により構成され得る。
　なお、上記の変形例においては、図１０に示すように発光部８（外周部５）の内側の芯部３の一端も外側に現れる場合がある。このため、芯部３を構成するＦＲＰを発光体含有のＦＲＰに代えてもよい。芯部３を構成する発光体含有のＦＲＰは、発光部８と同様に、熱可塑性樹脂に発光体（例えば蓄光顔料）を添加してもよいし、これに代えて又は加えて、発光機能を有する強化長繊維を用いてもよい。
　以下、頭部を含むボルトの他の変形例を示す。図１１、１２は、頭部を有するボルト７０の変形例を示す斜視図である。ボルト７０は、発光機能を備える。なお、発光機能以外のボルト７０の構成は、基本的には上述したいくつかの実施形態と同様である。ボルト７０は、外周部７５と、図示しない芯部とを有する。軸部７１の一端には、頭部７２が設けられる。図示例の頭部７２は、その下端にフランジ部７２ａを含むが、頭部７２は、フランジ部７２ａ有さなくてもよい。
　図１１に示すように、ボルト７０は、頭部７２の外周部７５全体にわたって発光部７８ａを有してよい。あるいは、図１２のように、ボルト７０は、頭部７２の外周部７５の一部に発光部７８ｂを有してもよい。発光部７８ａ、７８ｂは、上述の変形例の発光部８と同様、蓄光顔料を含んだＦＲＰにより構成されてよい。或いは、発光部７８ａ、７８ｂは、頭部７２の外周部７５に塗布された、蓄光顔料を含んだ塗料又はＦＲＰの被膜であってもよい。
　ボルト７０の作用効果は、変形例に係るボルト１と同様である。これに加えて、ボルト７０は、頭部７２のみに発光部７８を備えるので、ボルトの外周部７５全体を発光部とするよりも発光体（蓄光材料）の量を低減することができ、コストを削減することができる。
　図１２に示すように、発光部７８ｂは、頭部７２において、ボルト７０の締結や解除時にスパナ等の工具が当接する部分（図示例では頭部側面の角部７９）を除いた部分に設けられてよい。それにより、発光体（蓄光材料）の量を低減することができ、また、発光部７８ｂがスパナ等の工具によって損傷されて頭部７２から脱離する可能性が減る。図１２に示すような発光部７８ｂは、一般的な金属製の締結ボルトにも適用できる。
　また、頭部７２における発光部７８の位置は図示例に限られるものではなく、作業者が視認できる位置であればどこでもよい。
　さらに、発光部７８は、頭部７２の外周部７５の表面が発光するものであればよく、上記の構成には限られない。例えば、発光部７８は、発光機能を有する顔料含有の合成樹脂、又は、発光機能を有するペイントを外周部７５の表面に塗布してもよいし、発光機能を有するシートを外周部７５の表面に貼付してもよい。この他、従来周知の構成により、頭部７２の外周部７５の表面に発光機能を持たせるようにしてもよい。
　以上説明した実施形態は、説明のための単なる例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態のみに限定する趣旨ではない。本発明は、上記の実施形態とは違うさまざまな形態で、実施することができる。
１…ボルト　３…芯部　５…外周部　７…螺子山　８…発光部　９…ストランド　１１…中心軸　１３…中心軸　１５…強化長繊維　２０…ボルト　２１…軸部　２２…頭部　２３…芯部　２３Ａ…拡張芯部　２３Ｂ…拡張芯部　２５…外周部　２９…ストランド　３０…ボルト　４１…束　４３…芯部　４３Ａ…拡張芯部　４３Ｂ…拡張芯部　４５…強化繊維　５０…ボルト　５１…軸部　５２…頭部　５５…外周部　５７…螺子山　６０…ボルト　６１…軸部　６２…頭部　６５…外周部　６７…螺子山　７０…ボルト　７１…軸部　７２…頭部　７２ａ…フランジ　７５…外周部　７７…螺子山　７８ａ…発光部　７８ｂ…発光部　１００…ストランド製造装置　１０１…繊維源　１０３…化長繊維　１０５…バインド装置　１０７…合成樹脂槽　１０９…熱可塑性樹脂　１１１…ストランド　１１３…ロープ撚り装置　１１５…長尺ＦＲＰロープ　１１７…芯部成形装置　１１９…短尺ＦＲＰロープ　１２１…頭部成形型　１２３…固定型　１２５…可動型　１２６…キャビティ　１２７…ボルト成形装置　１３０…ボルト成形型　１３１…複合ＦＲＰボルト
 

Claims (14)

  1. 　軸部を有し、
    　前記軸部は、前記軸部の長手方向に延びる多数の強化長繊維を含むＦＲＰ製の芯部と、
    　前記芯部の外周を覆う、前記強化長繊維より短い長さの多数の強化短繊維を含むＦＲＰ製の外周部と、を有し、
    　前記芯部の外周面は、前記外周部と機械的に結合するような凸凹形状又は波形上を持つ、
    繊維強化樹脂ボルト。
     
  2. 　軸部を有し、
    　前記軸部は、前記軸部の長手方向に延びる多数の強化長繊維を含むＦＲＰ製の芯部と、
    　前記芯部の外周を覆う、前記強化長繊維より短い長さの多数の強化短繊維を含むＦＲＰ製の外周部と、を有し、
    　前記芯部は、前記芯部の長手方向に延びる複数のストランドが撚り合わされてなるロープ構造を有し、
    　各ストランドは、前記各ストランドの長手方向に延びる前記多数の強化長繊維が束ねられて合成樹脂により相互結合されてなる長繊維束である、
    繊維強化樹脂ボルト。
     
  3. 　前記外周部は螺子山を有し、
    　前記螺子山が右螺子の場合には前記芯部の撚り方向はＳ撚りであり、前記螺子山が左螺子の場合には前記芯部の撚り方向はＺ撚りである、
    請求項２に記載の繊維強化樹脂ボルト。
     
  4. 　軸部を有し、
    　前記軸部は、前記軸部の長手方向に延びる多数の強化長繊維を含むＦＲＰ製の芯部と、
    　前記芯部の外周を覆う、前記強化長繊維より短い長さの多数の強化短繊維を含むＦＲＰ製の外周部と、を有し、
    　前記芯部は、前記多数の強化長繊維が束ねられて合成樹脂により相互結合されてなる少なくとも１本の長繊維束を含み、
    　前記長繊維束が前記芯部の長手方向に延び、
    　前記長繊維束が、前記芯部の中心軸回り又は前記長繊維束の中心軸回りに捩られている、
    繊維強化樹脂ボルト。
     
  5. 　前記外周部は螺子山を有し、
    　前記螺子山が右螺子の場合には前記長繊維束の捩り方向は右捩りであり、前記螺子山が左螺子の場合には前記長繊維束の捩り方向は左捩りである、
    請求項４に記載の繊維強化樹脂ボルト。
     
  6. 　さらに、前記軸部の一端に設けられた頭部を有し、
    　前記軸部内の前記芯部は、前記頭部内に延び出ており、
    　前記頭部内の前記芯部は、前記多数の強化長繊維が径方向へ広がってなる、前記軸部内の前記芯部より外径の大きい拡張芯部を有し、
    　前記頭部は、前記拡張芯部の外周を覆う外周部を有する、
    請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の繊維強化樹脂ボルト。
     
  7. 　前記芯部のＦＲＰは、第１の熱可塑性樹脂を含み、
    　前記外周部のＦＲＰは、第２の熱可塑性樹脂を含み、
    　前記第１の熱可塑性樹脂は、前記第２の熱可塑性樹脂よりも、液体状態における繊維間への含侵性がよい、
    請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の繊維強化樹脂ボルト。
     
  8. 　前記第１の熱可塑性樹脂はアクリル系樹脂であり、前記第２の熱可塑性樹脂はポリアミド系樹脂である、
    請求項７に記載の繊維強化樹脂ボルト。
     
  9. 　前記強化長繊維と前記強化短繊維は、炭素繊維である、
    請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の繊維強化樹脂ボルト。
     
  10. 　軸部を有し、
    　前記軸部は、前記軸部の長手方向に延びる多数の強化長繊維を含むＦＲＰ製の芯部と、
    　前記芯部の外周を覆う、前記強化長繊維より短い長さの多数の強化短繊維を含むＦＲＰ製の外周部と、を有し、
    　さらに、前記軸部の一端に設けられた頭部を有し、
    　前記軸部内の前記芯部は、前記頭部内に延び出ており、
    　前記頭部内の前記芯部は、前記多数の強化長繊維が径方向へ広がってなる、前記軸部内の前記芯部より外径の大きい拡張芯部を有し、
    　前記頭部は、前記拡張芯部の外周を覆う外周部を有する、
    繊維強化樹脂ボルト。
     
  11. 　前記外周部の一部又は全部に、発光機能を有する発光部を有する、
    請求項１から５及び１０のうちのいずれか１項に記載の繊維強化樹脂ボルト。
     
  12. 　前記発光部は、蓄光顔料を含有する熱可塑性樹脂と前記強化短繊維を含むＦＲＰ製である、
    請求項１１に記載の繊維強化樹脂ボルト。
     
  13. 　前記蓄光顔料は、粒径が１０～１００μｍであり、
    　前記熱可塑性樹脂に対する蓄光顔料の含有率は、５～２０％である、
    請求項１２に記載の繊維強化樹脂ボルト。
     
  14. 頭部と軸部を有するボルトにおいて、
    　前記頭部はその外周部に、前記締結ボルトの締結又は解除の際に工具が当接する角部を有し、
    　前記頭部が、前記外周部のうちの前記角部を除く部分に、蓄光顔料を含んだ発光部を有し、前記角部には前記発光部を有しない
    ボルト。

     
     
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