JP5726309B2 - 自動車用シートバックフレームおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用シートバックフレーム、特に繊維強化複合材料を用いた軽量な自動車用シートバックフレーム及びその製造方法に関する。

自動車用フロントシートバックフレームには、乗員の体を適切に支持するための剛性が求められるだけでなく、自動車が衝突した際の乗員に作用する加速度によって生じる大荷重に耐えうる高い強度が要求される。

シートバックフレームの構造としては、金属製のパイプ材を曲げ加工した部材や、金属製の板材を板金加工した部材を溶接で接合したものが一般的であるが、車両重量の軽減に関する要望から、シートバックフレームについても軽量化が求められており、シートバックフレームを樹脂や繊維強化複合材料で製造することが考えられている。

樹脂や繊維強化複合材料をシートバックフレームに適用するにあたっての重要な課題として、リクライニング装置の取り付け方法が挙げられる。リクライニング装置は、乗員の適切な乗車姿勢を確保するため、任意の角度でシートバックフレームを固定するため、歯車などの複雑な機構部品から構成されており、かつ車両衝突時にシートバックフレームに作用するモーメントに耐えうる強度が必要とされることから、金属で製造されるのが一般的となっている。前述の金属製シートバックフレームの場合は、リクライニング装置を直接シートバックフレームに溶接にて接合することが可能であるが、樹脂や繊維強化複合材料をシートバックフレームに適用するにあたっては、リクライニング装置を確実にシートバックフレームに固定するための工夫が必要となる。

特許文献１には、樹脂成型品から構成されたシートバックフレームにおいて、サイドフレームの下端部に板金状の取り付けブラケットが固定されており、このブラケットを介してヒンジ機構（リクライニング装置）に連結したシートバックフレームが開示されている。このような構造では、車両衝突時にシートバックフレームに作用する大きなモーメント荷重をリクライニング装置に伝達するにあたって、樹脂とブラケットの接合部分に荷重が集中する可能性が高く、樹脂フレーム／板金ブラケットともに大型化することが懸念される。また、板金ブラケットを樹脂成型品に取り付けるにあたっては、熱かしめなどの後工程が必要になる。

特許文献２には、熱可塑性樹脂マトリックスと強化繊維とを含む繊維強化複合材料により、一体部材として形成されたシートバックフレームにおいて、リクライニング装置の一部分であるヒンジが、一体部材にオーバーモールドされたシートバックフレームの構造が開示されている。ここでは、第一の実施例として左右のどちらか一方にヒンジを取り付けた構造が示されているが、その場合には、車両衝突時にシートバックフレームに作用する大きなモーメント荷重を片側のヒンジ機構のみで支えることになるため、ヒンジやシートバックフレームが大型化することが懸念される。第二の実施例として左右両方にヒンジをオーバーモールドで取り付けた構造が示されているが、この場合、成型後の繊維強化複合材料の収縮や反りなどで、左右のヒンジの軸がずれ、シートバックフレームの円滑な動作が妨げられる可能性がある。さらには、いずれの実施例においても、ヒンジの形状が非常に複雑なものとなっており、重量／コストが下がらないことが懸念される。また、内圧で成型品を膨らませながらヒンジをオーバーモールドすることから、十分な接合強度が得られないことも懸念される。

特許第４２３６９８３号 特許第３７３７０８１号

本発明は、繊維強化複合材料をシートバックフレームに適用して大幅な軽量化を図るにあたって、量産型自動車に適用可能なレベルの生産タクトを実現しつつ、リクライニング装置を重量／コストを極力増加させない簡素な方法にて、確実かつ高精度に取り付けることが可能な自動車用シートバックフレームの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１のアスペクトは、自動車用シートバックフレームの製造方法であって、熱可塑性樹脂マトリックスと強化繊維とを含む繊維強化複合材料を加熱して軟化させることと、前記軟化させた繊維強化複合材料をコールドプレス成形によってシートバックフレーム本体の形状に賦形するとともに、賦形の際にインサート成形により金属製プレートを前記シートバックフレーム本体に溶着することと、を備えた自動車用シートバックフレームの製造方法であることを要旨とする。

また、前記金属製プレートを誘導加熱装置で加熱してから前記コールドプレス成形を行ってもよい。

本発明のシートバックフレームおよびその製造方法によれば、繊維強化複合材料をシートバックフレームに適用して大幅な軽量化を図るにあたって、重要な課題となるシートバックフレーム本体への金属製リクライニング装置の取り付けを、重量／コストを極力増加させずに、高精度かつ高い生産性をもって行うことが可能となる。

図１は、本発明の実施形態に係るリクライニング装置取り付け状態のシートバックフレームの斜視図である。 図２は、本発明の実施形態に係るリクライニング装置取り付け前のシートバックフレームの斜視図である。 図３（ａ）は、本発明の実施形態に係るリクライニング装置取り付け前のシートバックフレームの断面拡大図であり、図３（ｂ）は、リクライニング装置取り付け後のシートバックフレームの断面拡大図である。 図４は、金属製プレート（円板形状）の片面が溶着された状態の斜視図である。 図５は、金属製プレート（円板形状）の両面が溶着された状態の斜視図である。 図６は、金属製プレート（略方形状）の両面が溶着された状態の斜視図である。 図７は、金属製プレート（コの字形状）の片面が溶着された状態の斜視図である。 図８（ａ）〜（ｄ）は、金属製プレートの溶着強度を上げるための追加工を示す断面図であり、それぞれ異なる例を示す。

以下、本発明の実施形態に係るシートバックフレーム及びその製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。

［繊維強化複合材料］
本発明の実施形態に係るシートバックフレーム１００のシートバックフレーム本体１における繊維強化複合材料とは、強化繊維と熱可塑性マトリックス樹脂とを含むものである。繊維強化複合材料中の強化繊維の形態は、短繊維でも、長繊維でも、連続繊維でも良く、これらのうち２種類以上を組み合わせて用いても良い。短繊維とは繊維長が０．１〜１０ｍｍ、長繊維とは繊維長が１０ｍｍ〜１００ｍｍ、連続繊維とは繊維長が１００ｍｍ以上のものである。短繊維や長繊維の場合は、チョップドストランド等を用いて抄紙されたペーパーであってもよい。連続繊維の場合は、織編物、ストランドの一方方向配列シート状物及び多軸織物等のシート状、または不織布状でマトリックス樹脂中に含有されていることも好ましい。なお、多軸織物とは、一般に、一方向に引き揃えた繊維強化材の束をシート状にして角度を変えて積層したもの（多軸織物基材）を、ナイロン糸、ポリエステル糸、ガラス繊維糸等のステッチ糸で、この積層体を厚さ方向に貫通して、積層体の表面と裏面との間を表面方向に沿って往復しステッチした織物をいう。

シートバックフレーム本体１を構成する繊維強化複合材料は、強化繊維がランダムに分散したもの、あるいは特定の繊維配向をしたものでもよく、強化繊維が面配向したものあるいは一軸配向したもの、あるいはそれらの組み合わせ、あるいはそれらの積層体であることが好ましい。シートバックフレーム本体１における繊維強化複合材料は、繊維強化複合材料の部分と樹脂のみの部分との積層体やサンドイッチ構造にすることもできる。サンドイッチ構造の場合は、コア部材が複合材料であって表皮部材が樹脂であっても良く、逆にコア部材が樹脂のみの部分であって、表皮部材が複合材料であっても良い。

シートバックフレーム本体１を構成する繊維強化複合材料における熱可塑性樹脂の存在量は、強化繊維１００重量部に対し、５０〜１０００重量部であることが好ましい。より好ましくは、強化繊維１００重量部に対し、熱可塑性樹脂５５〜５００重量部、更に好ましくは、強化繊維１００重量部に対し、熱可塑性樹脂６０〜３００重量部である。

成形体を構成する熱可塑性樹脂としては、特に制限はないが、塩化ビニル樹脂、塩化ビニリデン樹脂、酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリロニトリル−スチレン樹脂（ＡＳ樹脂）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド６樹脂、ポリアミド１１樹脂、ポリアミド１２樹脂、ポリアミド４６樹脂、ポリアミド６６樹脂、ポリアミド６１０樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ボリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリ乳酸樹脂、およびこれらの樹脂から選ばれる２種類以上の混合物（樹脂組成物）等からなる群から選択された少なくとも１種が好ましく挙げられる。上記の樹脂組成物としては、ポリカーボネート樹脂とポリエステル樹脂の組成物、ポリカーボネートとＡＢＳ樹脂との組成物、ポリフェニレンエーテル樹脂とポリアミド樹脂の組成物、ポリアミド樹脂とＡＢＳ樹脂の組成物、およびポリエステル樹脂とナイロン樹脂の組成物等からなる群から選択された少なくとも１種が、より好ましい。

なお、本発明の目的を損なわない範囲で、繊維強化複合材料に熱可塑性樹脂に機能性の充填材や添加剤を含有させても良い。例えば、有機／無機フィラー、難燃剤、耐ＵＶ剤、顔料、離型剤、軟化剤、可塑剤、界面活性剤などが挙げられるが、この限りではない。

［強化繊維］
本発明の実施形態に係るシートバックフレーム１００のシートバックフレーム本体１に用いられる強化繊維としては、ガラス繊維、ポリエステル繊維、ポリオレフィン繊維、炭素繊維、パラ系アラミド繊維、メタ系アラミド繊維、ボロン繊維、アゾール繊維、アルミナ繊維等からなる群から選択された少なくとも１種が好ましいものとして挙げられ、特に好ましくは比強度と比弾性に優れる炭素繊維である。シートバックフレーム本体１に用いられる繊維強化複合材料の強化繊維は、必ずしも１種である必要はなく、部分的に異なる強化繊維が使い分けられても良く、同じ部分に異なる強化繊維を有する繊維強化複合材料からなる層が積層されていても良い。

［シートバックフレーム本体］
本発明の実施形態は、熱可塑性樹脂マトリックスと強化繊維とを含む繊維強化複合材料で形成されたシートバックフレーム本体１である。シートバックフレーム本体１のリクライニング装置２取り付け位置に金属製プレート３が溶着面３Ｂで溶着されており、金属製のリクライニング装置２と金属製プレート３とが溶接面４で溶接接合されている。シートバックフレーム本体１の形状に特に制限はなく、一体成型品であっても良く、別体で成型された部品が組み合わされたものであっても良いが、図１〜図２に示すように、シートバックフレーム本体１をアッパーフレーム１Ａと左右のサイドフレーム１Ｂとから構成することにより、生産タクトの向上や、成型に要する金型の小型／簡略化が実現できる。さらには、金属製プレート３とサイドフレーム１Ｂの溶着面に十分な成型圧力を負荷できることから溶着強度が向上するので、より好ましい。シートバックフレーム本体１には、必要に応じてリクライナー機構を保護するためのバックカバー１Ｃ等の付属部品が取り付けられても良い。バックカバー１Ｃの材質に制限はなく、金属、樹脂、繊維強化複合材料などの材料から任意に選択が可能であるが、サイドフレーム１Ｂとの接合を考慮すると、熱可塑性樹脂、もしくは熱可塑性マトリクスと強化繊維を備えてなる繊維強化複合材料とするのが好ましい。

シートバックフレーム本体１には、リクライナー、ヘッドレスト、サスペンションマット、クッションパッド、表皮材等の部品が取り付けられても良い。シートバックフレーム本体１はこれら部品と組み合わさってフロントシートバックを形成し、最終的にはクッションフレームに接続されてシートアセンブリーを形成する。

［リクライニング装置］
本発明の実施形態に係るリクライニング装置２は、一般的な金属製のシートバックフレームに使用されているものである。乗員の適切な乗車姿勢を確保する目的から、任意の角度でシートバックフレームを固定するため、歯車などの複雑な機構部品から構成され、かつ車両衝突時にシートバックフレームに作用するモーメントに耐えうる強度が必要とされることから、金属で製造されたものである。金属材料としては、鉄、アルミ、マグネシウム、チタンなどが挙げられるが、強度／コストの観点から鉄が好ましく用いられる。

［金属製プレート］
本発明の実施形態に係る金属製プレート３の材質は、鉄、アルミ、マグネシウム、チタンなどの金属材料の中から任意に選択可能であるが、リクライニング装置２が鉄製であることが多いことから、金属製プレート３も同種の鉄製とすることが好ましく、大きな荷重が負荷されることから高張力鋼鈑製であることが、より好ましい。

金属製プレート３の厚みは０．５〜５ｍｍが好ましく用いられ、１〜２ｍｍがより好ましく用いられる。金属製プレート３の形状は任意であり、図４〜図７に示すように、略円板形状、略楕円形状、略方形状、コの字形状などが例として挙げられ、これらの外周部や内部に加工を施した形状も含む。略方形状やコの字形状は、機械的なアンカー効果による接合面のすべり防止が見込める反面、金属製プレート３が大きくなる傾向にあり、かつシートバックフレーム本体１に応力集中が発生することが懸念される。一方、略円板形状は、シートバックフレーム本体１に作用するモーメント荷重を効率的にリクライニング装置２に伝えることが可能なため、一般的な板金状のブラケットと比較して小型化が可能であることから、好ましく用いられる。略円板形状の外径は７０〜１５０ｍｍが好ましく用いられ、８０〜１２０ｍｍがより好ましく用いられる。

金属製プレート３には、左右のリクライニング装置２を連動させて動作させるための駆動軸２Ａを容易に取り付けるための貫通口３Ａを設けることも可能である。貫通口３Ａの直径は、１０〜６０ｍｍが好ましく用いられ、２０〜５０ｍｍがより好ましく用いられる。

シートバックフレーム本体１との密着性を向上させるため、金属製プレート３に化学的表面処理やエッチングを施すことも好ましく実施可能である。また、図８（ａ）〜（ｄ）に示すように、金属製プレート３のシートバックフレーム本体１との溶着面３Ｂに、凹凸加工３Ｃ、穴あけ加工３Ｄ、切り起こし加工３Ｅ、歯車加工３Ｆなどの後加工を施し、機械的なアンカー効果によって接合強度を向上させることも可能である。

［金属製プレートとシートバックフレーム本体との接合］
本発明の実施形態は、シートバックフレーム１００のシートバックフレーム本体１のリクライニング装置取り付け位置に金属製プレート３が溶着されている。溶着状態としては、金属製プレート３の片面のうち、リクライニング装置２との接合部分を除いた残りの面の全部もしくは一部をシートバックフレーム本体１に溶着することが好ましく用いられる。この場合、シートバックフレーム本体１の製造に用いる金型の構造を極めてシンプルにすることが可能となる。一方、金属製プレートの両面のうち、リクライニング装置２との接合部分を除いた残りの面の全部もしくは一部をシートバックフレーム本体１に溶着することも、より好ましく用いられる。この場合、金属製プレート３とシートバックフレーム本体１の溶着面３Ｂの面積が増えるため、金属製プレート３の更なる小型化と、シートバック１に作用するモーメント荷重以外の面外荷重（例えばシートバック左右方向に作用する荷重）に対する強固な構造を実現することが可能となる。

構造上、金属製プレート３の外縁部がシートバックフレーム本体１の開口部の外側に溶着されることが好ましい。溶着部分の幅は５〜２０ｍｍが好ましく用いられ、１０〜１５ｍｍがより好ましく用いられる。

溶着部分と溶接接合部分の距離が近すぎる場合、溶接時に発生する熱が溶着部に悪影響を及ぼす可能性があるため、溶着部分と溶接部は好ましくは５ｍｍ以上、より好ましくは１０ｍｍ以上の距離をとることが好ましい。

溶着方法としては、振動溶着、超音波溶着、熱板溶着などの方法によって、成型後に溶着することも可能であるが、熱可塑性樹脂マトリックスと強化繊維とを含む繊維強化複合材料を加熱・軟化させ、コールドプレス成形によってシートバックフレーム本体１の形状に賦形するシートバックフレーム本体１の製造方法において、賦形の際に、インサート成形により金属製プレート３をシートバックフレーム本体１に溶着する方法が、より好ましく用いられる。これにより、余分な後工程を省略できることから生産タクトが向上し、かつ、安定的に金属製プレート３とシートバックフレーム本体１を溶着することが可能となる。なお、コールドプレス成型時にインサート成型するにあたって、金属製プレート３を誘導加熱装置で加熱してからコールドプレス成形を行うことも好ましく実施可能である。これによって金属製プレート３とシートバックフレーム本体１を強固に溶着することが可能となる。

［金属製プレートとリクライニング装置の接合］
本発明の実施形態は、熱可塑性樹脂マトリックスと強化繊維とを含む繊維強化複合材料で形成されたシートバックフレーム本体１である。シートバックフレーム本体１のリクライニング装置取り付け位置に金属製プレート３が溶着されており、同じく金属製のリクライニング装置２が金属製プレート３に溶接接合されている。溶接方法の例としては、ガス溶接、アーク溶接、スポット溶接、レーザー溶接、摩擦攪拌溶接などが挙げられるが、生産性や接合部の形状自由度の面から、スポット溶接やレーザー溶接が好ましく用いられ、高強度に耐えうることからレーザー溶接がより好ましく用いられる。

成型したシートバックフレーム本体１に多少のひずみや反りがあることが想定されるため、左右のリクライナー装置２を後から治具などを介して溶接で取り付けることが好ましく実施可能である。これによってシートバックフレーム本体１の円滑な動作を確保することが可能となる。

本発明の実施形態に係るシートバックフレーム１００は、高い強度と剛性を有するとともに軽量であるため、高い強度が求められて軽量化の難しい自動車のフロントシートに特に有用である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。

本発明のシートバックフレーム１００およびその製造方法は、自動車のフロントシートに好適に適用することが可能であり、量産型の自動車に適用可能なレベルの生産タクトにて供給することが可能となる。

１ シートバックフレーム本体
１Ａ アッパーフレーム
１Ｂ サイドフレーム
１Ｃ バックカバー
２ リクライニング装置
２Ａ 駆動軸
３ 金属製プレート
３Ａ 貫通口
３Ｂ 溶着面
３Ｃ 凸凹加工
３Ｄ 穴あけ加工
３Ｅ 切り起こし加工
３Ｆ 歯車加工
４ 溶接部（リクライニング装置／金属製プレート）
１００ シートバックフレーム

Claims (2)

1. 熱可塑性樹脂マトリックスと強化繊維とを含む繊維強化複合材料を加熱して軟化させることと、
   前記軟化させた繊維強化複合材料をコールドプレス成形によってシートバックフレーム本体の形状に賦形するとともに、賦形の際にインサート成形により金属製プレートを前記シートバックフレーム本体に溶着することと、
   を備えた自動車用シートバックフレームの製造方法。
2. 前記金属製プレートを誘導加熱装置で加熱してから前記コールドプレス成形を行う請求項１に記載の自動車用シートバックフレームの製造方法。