JPH078540B2 - 複合材料を用いた棒状体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば油、空圧シリンダ用ロッド、ロボット
アーム、CFRP製トラス構造物、自動車用ドライブシャフ
ト等に用いて好適な複合材料を用いた棒状体に関し、特
に、複合材料としての繊維強化樹脂製の棒状部材と金属
部材との結合構造の改良に関する。

〔従来技術〕

一般に、接着性の樹脂を含浸させた繊維材料を巻回して
棒状に形成した繊維強化樹脂製棒状体が知られている。
この種の棒状体を例えば油圧シリンダ用ロッドとして使
用するために、相手方部材とねじ結合する場合には、該
ロッドの構造は、従来第９図又は第10図に示すようにな
っていた。

即ち、第９図において、１はロッドで、該ロッド１は例
えばエポキシ樹脂を含浸させた炭素繊維からなる糸状繊
維材料を巻回して棒状に形成したものからなっており、
該ロッド１の一側軸端には切削加工によって形成した雄
ねじ部1Aが一体的に設けられている。

一方、第10図において、２はロッド本体３と雄ねじ部材
４とからなるロッドで、該ロッド本体３は第１の従来技
術に示したロッド１と同様にエポキシ樹脂等の接着性樹
脂を含浸させた炭素繊維等の糸状繊維材料を巻回して棒
状に形成したものからなっており、該ロッド本体３の一
側軸端には挿入穴3Aが軸方向に穿設されている。一方、
雄ねじ部材４は金属材料によって挿入軸部4Aと雄ねじ部
4Bとからなっており、挿入軸部4Aをロッド本体３の挿入
穴3Aに挿嵌し、接着剤で固着することにより、ロッド本
体３と雄ねじ部材４を接続している。

〔発明が解決しようとる問題点〕

而して、ロッド１に雄ねじ部1Aを切削加工する第１の従
来技術にあっては、次のような欠点がある。まず、雄ね
じ部1Aを形成するための切削加工によって、ロッド１を
形成している糸状繊維材料が短く切断されてしまうた
め、繊維方向には大きな強度を有する繊維強化樹脂の強
度が部分的に失われてしまうことである。第２に、ロッ
ド１は糸状繊維材料を巻回して成形したものであるか
ら、ロッド１に切削加工によって雄ねじ部1Aを形成する
と、該切削部分から層間剥離が起こり易く、ねじ山が崩
れてしまうことである。更に、第３の欠点としては、雄
ねじ部1Aを形成している樹脂及び糸状繊維材料は金属に
比較して軟らかいために、例えば該雄ねじ部1Aに金属製
ナットを螺合して強く締付けた場合、雄ねじ部1Aが変形
する恐れがあり、強い締付力を与えられないことであ
る。

一方、第10図に示すようにロッド本体３と雄ねじ部材４
を挿嵌して接着する他の従来技術にあっても、該接着部
分の剪断強度が低いために、ロッド本体３を繊維強化樹
脂で成形することによって高強度化を図ろうとした目的
を達成することができないという欠点がある。

本発明は上述した従来技術の欠点に鑑みなされたもの
で、本発明は樹脂を含浸させた繊維材料からなる繊維強
化樹脂製の棒状部材と金属部材とを強固に結合すること
ができ、繊維強化樹脂の利点を十分に活して、高強度
化、軽量化等を図りうるようにした複合材料を用いた棒
状体を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上述した問題点を解決するために本発明は、樹脂を含浸
させた繊維材料によって成形され、軸端側に軸方向の有
底穴部が形成された棒状部材と、該棒状部材の有底穴部
内に嵌合される内側金属部材と、前記棒状部材の軸端側
外周に嵌合される外側金属部材とを備え、前記内側金属
部材の外周側には雄テーパ部を形成し、前記外側金属部
材の内周側には該雄テーパ部と共に前記棒状部材の軸端
側を径方向に変形させて、該棒状部材の軸端側を雄テー
パ部との間で挟み込むように挟持する雌テーパ部を形成
してなる構成を採用している。

ここで、前記繊維材料には、炭素繊維、ガラス繊維、ア
ラミド繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維等が用いら
れ、該繊維材料に含浸させる樹脂には、熱硬化性と接着
性を有するエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミ
ド樹脂等が用いられる。そして、前記棒状部材は繊維材
料をフィラメントワインディング法、テープワインディ
ング法等を用いて所定の巻角で巻回して成形したもの、
あるいは一方向引抜材等によって構成される。また、内
側金属部材及び外側金属部材は高硬度の金属材料、例え
ばS45C等の熱処理した炭素鋼によって構成される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図ないし第８図に基づき、
複合材料を用いた棒状体として油圧シリンダ用ロッドを
例に挙げて説明する。

第１図ないし第５図は本発明の第１の実施例を示してい
る。

図において、11は樹脂を含浸させた糸状の繊維材料12か
らなる繊維強化樹脂製の棒状部材を示し、該棒状部材11
は、例えば繊維強化樹脂からなる一方向引抜材、金属材
またはセラミック材等によって中実な丸棒状に形成され
た芯材（図示せず）に、前記繊維材料12をフィラメント
ワインディング法等の手段を用いて、中心軸O-Oに対す
る巻角θが零度に近い巻角、例えばθ＝20度程度の所定
の巻角で交差巻付けすることによって長尺の丸棒状に成
形されており、これによって引張強度を大幅に高めるよ
うになっている。なお、該棒状部材11は繊維強化樹脂か
らなる一方向引抜材のみによって形成してもよく、この
場合でも引張強度を大きくすることができる。

ここで、前記繊維材料12は炭素繊維、ガラス繊維、アラ
ミド繊維、アルミナ繊維または炭化ケイ素繊維等が用い
られ、該繊維材料12に含浸させる樹脂には熱硬化性と接
着性を有するエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂またはポ
リイミド樹脂等が用いられる。かくして、棒状部材11は
硬い繊維材料12と軟かい樹脂とからなる複合材料（繊維
強化樹脂）によって形成され、樹脂の割合は40〜70％程
度となるから、後述の外側金属部材14によって容易に変
形される。そして、該棒状部材11の一側軸端には後述す
る雌テーパ部14Aの最大径に対応する小径段部11Aが、例
えば旋盤等の機械加工によって同心円状に形成され、該
小径段部11Aの外周側には外側金属部材14が嵌合される
ようになっている。また、該小径段部11Aの内周側には
後述する雄テーパ部13Cの最大径に対応する軸方向の有
底穴部11Bが該小径段部11Aと対応する長さ寸法（例えば
15mm程度）をもって同心円状に形成され、該有底穴部11
B内には後述する内側金属部材13の挿入軸部13Aが嵌合さ
れるようになっている。

13は棒状部材11の有底穴部11B内に嵌合固着される内側
金属部材を示し、該内側金属部材13は高硬度の金属材
料、例えばS45C等の熱処理した炭素鋼によって短尺の略
丸棒状に形成され、有底穴部11B内に挿入される挿入軸
部13Aと、該挿入軸部13Aの一端側に位置し、外周面に雄
ねじが形成された雄ねじ部13Bと、挿入側となる挿入軸
部13Aの他端側に位置し、一端側に向けて徐々に縮径す
るように形成された雄テーパ部13Cとからなっている。
ここで、該雄テーパ部13Cは棒状部材11の外径が22.4mm
程度、有底穴部11Bの長さが15mm程度のときに、その長
さ寸法が７〜10mm程度に形成され、そのテーパ角αは0.
1〜1.0度くらいに形成される。また、該内側金属部材13
の雄ねじ部13Bには、例えば取付アイ等の相手方部材
（図示せず）が螺着されるようになっている。

14は棒状部材11の小径段部11A外周側に嵌合固着される
外側金属部材を示し、該外側金属部材14は内側金属部材
13と同様に高硬度の金属材料によって、例えば15mm程度
の長さを有する円筒状に形成され、その外径は棒状部材
11と同様に22.4mm程度、その内径は内側金属部材13の挿
入軸部13A外径に小径段部11A側の肉厚分を加算した程度
となっている。また、該外側金属部材14の内周側には挿
入側となる他端から一端側に向けて徐々に縮径した雌テ
ーパ部14Aが形成され、該雌テーパ部14Aの長さ寸法は７
〜10mm程度、そのテーパ角βは0.1〜1.0度くらいになっ
ている。そして、該外側金属部材14は棒状部材11の有底
穴部11B内に内側金属部材13の挿入軸部13Aを挿入した
後、小径段部11Aの外周側に雌テーパ部14A側から第２図
中の矢示Ａ方向に嵌合され、該雌テーパ部14Aによって
棒状部材11の小径段部11A側を矢示Ｂ方向に縮径させ、
内側金属部材13の挿入軸部13Aを有底穴部11B内に雄テー
パ部13Cを介して嵌合固着させるようになっている。

なお、棒状部材11の図示しない他側軸端にも小径段部11
Aと有底穴部11Bとを同様に形成し、内側金属部材13およ
び外側金属部材14と同様のものを嵌合固着させるように
してもよい。

本実施例による油圧シリンダ用ロッドは上述の如き構成
を有するもので、次にその製造方法について説明する。

まず、一方向の引抜き成形またはフィラメントワインデ
ィング法等の手段を用いて繊維強化樹脂からなる棒状部
材11を所定の寸法と仕上精度とをもって長尺の丸棒状に
成形し、該棒状部材11の軸端には旋盤等を用いて小径段
部11Aと有底穴部11Bとを同心円状に形成する（第３図参
照）。

次に、第４図中に示すように該棒状部材11の有底穴部11
B内に内側金属部材13の挿入軸部13Aを雄テーパ部13C側
から挿入し、該内側金属部材13の中心軸を棒状部材11の
中心軸O-Oと一致させた状態に保持しておく。そして、
この状態で棒状部材11の小径段部11A外周側に外側金属
部材14を、第５図中に示す如く雌テーパ部14A側から矢
示Ａ方向に冷間圧入し、該外側金属部材14の雌テーパ部
14Aにより棒状部材11の小径段部11A側を内側金属部材13
の雄テーパ部13C側へと縮径させ、該雄テーパ部13Cと雌
テーパ部14Aとの間で棒状部材11の小径段部11A側を挟み
込むように挟持させる。

而して、本実施例によれば、棒状部材11の小径段部11A
側を内側金属部材13の雄テーパ部13Cと外側金属部材14
の雌テーパ部14Aとの間で挟み込むように挟持させたか
ら、内側金属部材13の挿入軸部13Aを棒状部材11の有底
穴部11B内に嵌合した状態で強固に結合することができ
る。また、この場合、棒状部材11の素材である糸状の繊
維材料12を雌テーパ部14A等で切断することはないか
ら、該繊維材料12の強度を十分に活すことができ、棒状
部材11の軸端側に内側金属部材13を確実に抜止め、廻止
めすることができる。そして、当該ロッドの引張強度を
大幅に向上させることができ、信頼性を高めることがで
きる。また、外観形状もスマートにすることができる。

さらに、外側金属部材14を冷間圧入等の手段を用いて棒
状部材11の小径段部11Aに嵌合するだけでよいから、全
体の工程を簡単化でき、小規模な設備で生産性を向上さ
せることができる。また、引張強度等が要求される棒状
部材11には繊維強化樹脂材を、雄ねじ部13B等に硬度が
要求される部分には内側金属部材13を適宜に使用して、
両者を強固に一体化できるから、設計の自由度が大幅に
増加し、最適設計が可能となる。そして、当該ロッド全
体における金属部材13,14部分を最小限に少なくするこ
とができ、引張強度等を大きくできる上に、軽量化を図
りうる等、種々の効果を奏する。

第６図は本発明の第２の実施例を示し、本実施例の特徴
は、棒状部材の小径段部外周側に外側金属部材を嵌合し
た後、該棒状部材の有底穴部内に内側金属部材を圧入嵌
合することにより、外側金属部材を棒状部材の小径段部
に結合固着するようにしたことにある。

図中、21は繊維強化樹脂製の棒状部材を示し、該棒状部
材21は前記第１の実施例で述べた棒状部材11と同様に形
成され、その軸端には小径段部21Aと有底穴部21Bとが形
成されている。22は内側金属部材、23は外側金属部材を
示し、該金属部材22,23は第１の実施例で述べた金属部
材13,14とほぼ同様に形成されるものの、内側金属部材2
2は短尺な円柱状（例えば長さ寸法が15mm程度）に形成
され、その一端側には挿入側となる他端側から一端側に
向けて徐々に拡径する雄テーパ部22Aが形成されてい
る。

また、外側金属部材23の雌テーパ部23Aは挿入側となる
他端内周側から一端側内周に向けて徐々に拡径するよう
に形成され、該金属部材23の外周面には相手方部材（図
示せず）に螺着するための雄ねじ部23Bが形成されてい
る。なお、前記雄テーパ部22Aおよび雌テーパ部23Aは前
記第１の実施例で述べた雄テーパ部13Cおよび雌テーパ
部14Aと傾斜方向が異なるものの、その長さ寸法やテー
パ角等は同様に形成されている。

かくして、このように構成される本実施例では、まず、
棒状部材21の小径段部21A外周側に外側金属部材23を雌
テーパ部23A側から嵌合した後、棒状部材21の有底穴部2
1B内に内側金属部材22を冷間圧入し、該金属部材22の雄
テーパ部22Aで棒状部材21の有底穴部21Bを拡径させるこ
とにより、該雄テーパ部22Aと雌テーパ部23Aとの間に棒
状部材21の小径段部21A側を挟み込むように挟持でき、
前記第１の実施例と同様の効果を奏する。

次に、第７図は本発明の第３の実施例を示し、本実施例
では前記第２の実施例で述べた棒状部材21や内側金属部
材22をそのまま援用する。然るに、本実施例の特徴は外
側金属部材31を径方向に突出するフランジ状に形成した
ことにある。ここで、該外側金属部材31の内周側には前
記第２の実施例で述べた雌テーパ部23Aと同様の雌テー
パ部31Aが形成されている。そして、該外側金属部材31
には径方向の中間部に周方向に所定間隔をもって複数の
ボルト挿通穴31Bが穿設され、該各ボルト挿通穴31Bを介
して外側金属部材31は相手方部材（図示せず）とボルト
等により固着されるようになっている。

かくして、このように構成される本実施例でも、前記第
２の実施例とほぼ同様の作用効果を得ることができる。

次に、第８図は本発明の第４の実施例を示し、本実施例
では前記第１の実施例で述べた棒状部材11や内側金属部
材13を援用するものとする。然るに、本実施例の特徴は
外側金属部材41を棒状部材11の小径段部11A外周側に嵌
合した後、該外側金属部材41の一端側外周に加圧ローラ
（図示せず）等によるロール加工を施すことによって、
該外側金属部材41を縮径させ、内周側に雌テーパ部（図
示せず）を形成し、該外側金属部材41の雌テーパ部と内
側金属部材13の雄テーパ部13Cとの間で棒状部材11の小
径段部11A側を挟持させるようにしたことにある。

ここで、外側金属部材41は、例えば長さ寸法が15mm程度
の短尺な円筒状に形成され、その外径は棒状部材11の外
径に対応し、その内径は小径段部11Aの外径に対応して
平滑な円筒面状に形成される。そして、該外側金属部材
41は棒状部材11の有底穴部11B内に内側金属部材13の挿
入軸部13Aを挿入した後、小径段部11Aの外周側に嵌合さ
れ、その後一端側外周にロール加工を施して矢示Ｃ方向
に縮径させることにより、該外側金属部材41の内周側に
は他端側から一端側に向けて徐々に縮径する雌テーパ部
が形成される。

かくして、このように構成される本実施例でも、前記第
１の実施例とほぼ同様の作用効果を得ることができる
が、特に本実施例では、外側金属部材41に予め雌テーパ
部を形成する必要がないから、高精度なテーパ穴加工が
不要となり、製造コストの削減化を図ることができる。
また、ロール加工により外側金属部材41に雌テーパ部を
形成するから、棒状部材11の小径段部11A側を、有底穴
部11Bが内側金属部材13の挿入軸部13Aや雄テーパ部13C
に密着するように縮径させることができ、棒状部材11と
内側金属部材13の結合強度を高めることができる。

なお、前記各実施例では、棒状部材11（21）の軸端に小
径段部11A（21A）を形成するものとして述べたが、該小
径段部11A（21A）は必ずしも形成しなくてもよい。この
場合には、棒状部材11（21）の軸端外周側に外側金属部
材14（23,31,41）とほぼ同様のものを嵌合すればよい。
また、有底穴部11B（21B）の径を大きくして、軸端側の
肉厚を適宜に変えてもよい。

また、前記各実施例では、棒状部材11（21）をフィラメ
ントワインディング法等の手段を用いて形成するものと
して述べたが、これに替えて棒状部材11（21）をテープ
状の繊維材料を用いるテープワインディング法、あるい
は織物状の繊維材料を用いるハンドレイアップ法等の手
段で形成するようにしてもよい。

さらに、前記各実施例では、油圧シリンダ用ロッドを例
に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず空圧シリン
ダ用ロッド、ロボットアーム、CFRP製トラス構造物また
は自動車用ドライブシャフト等に適用してもよく、棒状
部材11（21）等は必らずしも丸棒状に限らず、角棒状に
形成してもよいものである。

〔発明の効果〕

以上詳述した通り、本発明によれば、棒状部材の有底穴
部内に嵌合される内側金属部材に雄テーパ部を形成し、
棒状部材の軸端側外周に嵌合される外側金属部材に雌テ
ーパ部を形成し、該雌テーパ部と雄テーパ部との間で棒
状部材の軸端側を径方向に変形させて、挟み込むように
挟持する構成としたから、棒状部材の素材である繊維材
料を切断することなく、該棒状部材を内側および外側金
属部材に強固に結合でき、引張強度等を大幅に高めて信
頼性を向上できる。また、設備等も簡素化でき、作業性
を向上できる等種々の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の第１の実施例を示し、第
１図は油圧シリンダ用ロッドの一部縦断面図、第２図は
第１図中の要部拡大図、第３図は棒状部材を示す一部半
断面図、第４図は棒状部材の有底穴部内に内側金属部材
を挿入した状態を示す半断面図、第５図は第４図に示す
棒状部材に外側金属部材を嵌合した状態を示す半断面
図、第６図は第２の実施例を示すロッドの一部縦断面
図、第７図は第３の実施例を示すロッドの一部半断面
図、第８図は第４の実施例によるロッドの組立て状態を
示す一部半断面図、第９図は従来技術を示すロッドの一
部外観図、第10図は他の従来技術を示すロッドの部分縦
断面図である。 11,21……棒状部材、11A,21A……小径段部、11B,21B…
…有底穴部、12……繊維材料、13,22……内側金属部
材、13B,23B……雄ねじ部、13C,22A……雄テーパ部、1
4,23,31,41……外側金属部材、14A,23A,31A……雌テー
パ部、31B……ボルト挿通穴、α，β……テーパ角。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】樹脂を含浸させた繊維材料によって成形さ
   れ、軸端側に軸方向の有底穴部が形成された棒状部材
   と、該棒状部材の有底穴部内に嵌合される内側金属部材
   と、前記棒状部材の軸端側外周に嵌合される外側金属部
   材とを備え、前記内側金属部材の外周側には雄テーパ部
   を形成し、前記外側金属部材の内周側には該雄テーパ部
   と共に前記棒状部材の軸端側を径方向に変形させて、該
   棒状部材の軸端側を雄テーパ部との間で挟み込むように
   挟持する雌テーパ部を形成してなる複合材料を用いた棒
   状体。
2. 【請求項２】前記内側金属部材の雄テーパ部と外側金属
   部材の雌テーパ部とはそれぞれ挿入側から徐々に縮径す
   るように形成され、該外側金属部材の雌テーパ部により
   前記棒状部材の軸端側を内側金属部材の雄テーパ部側へ
   と縮径させてなる特許請求の範囲（１）項記載の複合材
   料を用いた棒状体。
3. 【請求項３】前記内側金属部材の雄テーパ部と外側金属
   部材の雌テーパ部とはそれぞれ挿入側から徐々に拡径す
   るように形成され、該内側金属部材の雄テーパ部により
   前記棒状部材の軸端側を外側金属部材の雌テーパ部側へ
   と拡径させてなる特許請求の範囲（１）項記載の複合材
   料を用いた棒状体。
4. 【請求項４】前記外側金属部材の雌テーパ部は、前記棒
   状部材の有底穴部内に内側金属部材を挿入し、その軸端
   側外周に該外側金属部材を嵌合した後、該外側金属部材
   を内側金属部材の雄テーパ部側へと縮径させることによ
   り形成してなる特許請求の範囲（１）項記載の複合材料
   を用いた棒状体。