JP6642918B2 - 接合部材の組立方法および接合部材 - Google Patents

Description

本発明は、接合部材の組立方法および接合部材に関するものである。

２つの部品を接合する手段として、接着剤または締結部材がある。特許文献１では、部品間に接着剤を導入して２つの部品を接合している。

しかしながら、接着剤のみで接合した部品は、接合強度の保証が難しい。よって、接合強度の保証が必要な部品や、接着剤が適用できない部品等の接合では締結部材が用いられる。

特許第４７６３１９６号公報（請求項１）

接合される各部材は、前工程までの形状精度による影響から形状公差がある。形状公差が大きい部品を重ね合せると、部品と部品との合せ面（接合面）に隙間が生じる。部品間に隙間があると、締結時に締結部材に過大な引張荷重がかかる、被締結部材に局所的に過大な変形が生じる等により破壊に至る恐れがある。

そのため、締結部材を用いて部品を組み立てる際には、締結作業前に部材間の隙間を埋める必要がある。

例えば、以下の工程により部材間の隙間を埋める（図５（Ａ）から図５（Ｃ）参照）。
（Ａ）まず、２つの部品（第１部品１，第２部品２）を重ね合せ、部品間の隙間形状を測定する。
（Ｂ）次に、隙間形状に合わせてソリッド材３を機械加工して、シム４を作成する。
（Ｃ）シム４を隙間５に挿入し、接合面間の隙間を埋める。

隙間形状は、光学的な面計測、プローブ等による隙間計測、または樹脂を流し込んで固めるなどの手法により測定する。ソリッド材３には、アルミニウム合金、樹脂などが用いられる。

上記のような方法は、非常に手間がかかり、労働集約的な方法である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、測定した隙間形状に合わせて機械加工によりシムを作成する工程を省略し、組立工程を効率化できる接合部材の組立方法およびそれにより組み立てられた接合部材を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の接合部材の組立方法および接合部材は以下の手段を採用する。

本発明は、加熱により膨張変化可能であり且つ膨張変化後に柔軟性を有する多層構造織物と、前記多層構造織物に織り込まれた強化材と、で構成された基材を、重ね合せた複数の部材間にある空隙に挿入する工程と、前記空隙に樹脂を充填して前記基材に前記樹脂を含浸させる工程と、前記基材を加熱して厚さ方向に膨張変化させる工程と、前記樹脂を硬化させる工程と、を備える接合部材の組立方法を提供する。

上記態様によれば、多層構造織物は加熱により膨張変化でき、膨張することで空隙内の複雑な立体形状に追従し、空隙内にまんべんなく配置され得る。

強化材を織り込むことで多層構造織物の剛性を向上させられる。空隙内において、硬化した樹脂および強化材を織り込んだ多層構造織物（基材）はシムとして機能する。硬化した樹脂と多層構造織物に織り込まれた強化材により、空隙に加わる応力を支える剛性をシムに与える。空隙内に基材を配置することで、樹脂単体からなるシムと比較して、剛性の高いものとなる。

空隙を充填するように膨張した基材と、これに含浸され硬化した樹脂が、その組合せにより、接合部の空隙を埋めるシムとして要求される強度、剛性を持ち、かつ、接合部での部材形状を保持して介在することで、締結部材の変形や負担を防止することにつながり、締結部材に過大な引張荷重がかかることや被締結部材に局所的に過大な変形が生じることを防ぐことができる。

上記発明の一態様において、前記多層構造織物は、加熱することで厚さ方向に膨張変化するよう熱収縮性の異なる少なくとも２種類の糸が配置された織物層を有する。

熱収縮性の異なる少なくとも２種類の糸が配置された織物層を所定温度で加熱すると、熱収縮性が高い方の糸が収縮し、それに伴って熱収縮性が低い方の糸が屈曲する。そのような性質を利用することで、厚さ方向に膨張変化する多層構造織物を形成できる。

上記発明の一態様において、前記基材を前記空隙に挿入した後、前記空隙に前記樹脂を含浸させ、前記基材を加熱して厚さ方向に膨張変化させ、その後、前記樹脂を硬化させることができる。

基材を空隙に挿入した後に加熱することで、基材は膨張変化しながら空隙内の形状に追従する。そのような基材は、重ね合せた複数の部材間で形状を保持し、接合部で必要な強度、剛性を向上させて、締結部材への過大な引張荷重や被締結部材への局所的な変形を防ぐことができる。

上記発明の一態様において、前記基材を加熱して厚さ方向に膨張変化させ、膨張変化後の前記基材を前記空隙に挿入した後、前記基材に前記樹脂を含浸させ、その後、前記樹脂を硬化させることができる。

多層構造織物は膨張変化後であっても柔軟性を有するので、空隙挿入後に加熱・膨張変化が困難な場合にも対応可能な他、発生している空隙量に対して適切なサイズの基材を選択可能である。

本発明は、重ね合せられた状態で配置された複数の部材と、前記複数の部材間を埋めるよう存在するシムと、を備え、前記シムが、基材と樹脂とを含み、前記基材が、多層構造織物と、前記多層構造織物に織り込まれた強化材と、を含み、前記多層構造織物は、熱収縮性の異なる少なくとも２種類の糸が配置された織物層を備え、前記織物層は、熱収縮性の低い糸が熱収縮性の高い糸の収縮応力により屈曲し厚さ方向に膨張した形状を有し、締結部材が複数の前記部材に貫通され、複数の前記部材同士が締結されている接合部材を提供する。

本発明によれば、自己成形可能な多層構造織物に強化材を織り込んだ基材を用いることで、測定した隙間形状に合わせて機械加工によりシムを作成する工程を省略し、組立工程を効率化できる。

多層構造織物の一例を示す縦断面模式図である。 強化材が織り込まれた１つの織物層を例示する部分斜視図である。 第１実施形態に係る接合部材の組立方法のフロー図である。 第２実施形態に係る接合部材の組立方法のフロー図である。 機械加工で作成したシムで隙間を埋める従来方法の工程を示す図である。

〔第１実施形態〕
まず、本実施形態に係る組立方法で組み立てられた接合部材について説明する。接合部材は、重ね合せられた複数の部材と、前記複数の部材間を埋めるよう存在するシムと、を備えている。また、接合部材は、重ね合せられた複数の部材を締結する締結部材を備えている。

重ね合せられる部材は、２以上であればよい。以降は、重ね合せられる部材が第１部品および第２部品であるとして説明する。第１部品および第２部品は、繊維強化複合材、アルミニウム合金などからなる。繊維強化複合材は、マトリックスおよび強化繊維で構成されている。マトリックスは、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂、ＰＥＥＫ（Poly Ether Ether Ketone）、ＰＥＫＫ（Poly Ether Ketone Ketone）、ＰＰＳ（Poly Phenylene Sulfide）などの熱可塑性樹脂などである。強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、またはアラミド繊維などである。アルミニウム合金は、２０００系、７０００系などである。

シムは、基材と樹脂１８’とを含む。基材は、多層構造織物と強化材とで構成されている。

図１は、多層構造織物の一例を示す縦断面模式図である。同図において（Ａ）は膨張変化前の多層構造織物１０ａ、（Ｂ）は膨張変化後の多層構造織物１０ｂである。

多層構造織物は、複数の織物層１１が積層され、かつ、網目状の縦断面組織を有する。網目１２が弾性構造であるため、多層構造織物１０ａ，１０ｂの形状は外圧により変形可能となる。すなわち、多層構造織物１０ａ，１０ｂは形状柔軟性を有する。

織物層１１は熱収縮性の異なる少なくとも２種類の糸で構成された織物である。織物層１１の経糸および緯糸は、ポリエステルまたはナイロン等である。

図１では、織物層１１の経糸方向Ｘには、高収縮糸１３が織り込まれている。高収縮糸１３は、多層構造織物の自己成形のための繊維糸である。高収縮糸１３は、少なくとも経糸１４に対して相対的に熱収縮性が高い。高収縮糸１３の材質は、ポリエステル、ナイロン、ポリエチレン、アクリル、ポリウレタン等である。高収縮糸１３は、織物層１１が所定温度で加熱された際に該織物層１１が厚さ方向Ｔ（積層方向）に膨張変化するよう配置されている。

強化材（不図示）は、多層構造織物１０ａ，１０ｂの緯糸方向（紙面に垂直な方向）及び経糸方向Ｘの少なくとも一方向に織り込まれている。複数方向に織り込まれる場合、強化材の各方向の配向割合は同程度が好ましい。強化材は、１つの織物層１１内で複数方向に織り込まれていてよく、複数の織物層１１の各層に一方向ずつ配向させてもよい。

図２に、強化材が織り込まれた１つの織物層を例示する。同図において、（Ａ）は加熱前の織物層、（Ｂ）は加熱後の膨張変化した織物層であり、簡略化のため緯糸の表示は省略してある。図２において、強化材２１は緯糸方向Ｙ、緯糸方向Ｙに対して傾斜する方向（右傾斜および左傾斜）の３方向に織り込まれている。識別を容易にするため、緯糸方向Ｙに配向された強化材２１は黒、傾斜する方向に配向された強化材２１は白で表示する。緯糸方向Ｙに配向された強化材２１及び傾斜する方向に配向された強化材２１は、それぞれ織物層１１の厚さ方向Ｔの上下にある高収縮糸の間に編み込まれている。図２に示した織物層１１は、加熱することで経糸方向（Ｘ）に収縮するとともに、厚さ方向Ｔに膨張変化する。熱膨張した後の織物層は、熱収縮性の低い糸が熱収縮性の高い糸の収縮応力により屈曲し厚さ方向に膨張した形状を有する。

強化材の材質は、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等である。多層構造織物１０ａ，１０ｂにおける強化材の含有率は、要求強度および剛性を満たす範囲内で調整され得る。それにより基材の板厚等の形状変化に対しても適応させることができる。例えば、炭素繊維の場合、強化材の含有率は８０体積％以下とするとよい。

樹脂の材質は、適用部位に要求される強度、剛性、靱性、耐久性、耐環境性などのすべてを満足するものであればよい。例えば、樹脂の材質は、エポキシ樹脂、ポリエーテル―テルケトン（ＰＥＥＫ）などである。樹脂は、高収縮糸１３を熱収縮させる際の温度で硬化しないものとする。ここで「硬化しない」とは、基材（織物層１１）の膨張変化を阻害しない程度の硬化反応を許容する。樹脂は、要求特性を満足させるために、適切なフィラー（チョップ材またはパウダー材など）を含有してもよい。

締結部材は、リベット、ボルト等である。締結部材は、第１部材、接合部材および第２部材を貫通する形態で、部材間での荷重伝達を可能にするように第１部材および第２部材を締結している。

次に、本実施形態に係る接合部材の組立方法について説明する。図３に、本実施形態に係る接合部材の組立方法のフロー図を示す。

（基材の挿入）
重ね合せた第１部品１５と第２部品１６との間にある空隙１７に、基材２０ａを挿入する（図３（Ａ）参照）。挿入場所については、製造時の形状公差から発生すると想定される空隙量を見積もってく。見積もった空隙量に合わせて多層構造織物のサイズ等を選択し、挿入する。想定する空隙量については、設計段階であらかじめ想定した空隙量も含む。基材２０ａは、膨張変化させる前のものであり、空隙１７内への挿入が容易である。

（樹脂の充填）
次に、空隙１７に樹脂を充填し、基材に樹脂１８を含浸させる（図３（Ｂ）参照）。樹脂１８の充填は、作業性のために必要なクリアランスを確保できるスペーサーを設置し、その間に基材を挿入して樹脂を注入することで実施できる。これにより空隙１７内の基材２０ａに樹脂１８を含浸させるとともに空隙１７を埋める。図３（Ｂ）では樹脂１８を含浸させている途中の様子を示している。

（基材の膨張）
基材を所定温度に加熱して厚さ方向に膨張変化させる。加熱は、樹脂１８の充填と同時または充填前後のいずれかのタイミングで実施され得る。例えば、充填する樹脂の温度が所定温度以上であれば別途加熱しなくても、樹脂充填と同時に基材を膨張変化させることができる。例えば、充填する樹脂の温度が所定温度未満である場合には、樹脂の充填が終了した後に、基材を加熱すればよい。

所定温度とは、高収縮糸１３が熱収縮可能な温度である。所定温度は、高収縮糸１３の材質等によって適宜設定すればよい。例えば、高収縮糸１３がポリエステルである場合、６０℃から７０℃で加熱することで、高収縮糸１３を収縮させられる。高収縮糸１３よりも熱収縮性が低い経糸および緯糸は、当該温度での収縮率は低く、これにより織物層１１を厚さ方向に膨張変化させられる。加熱は、ヒータマット、ハンドドライヤー、またはオーブンなどで実施できる。

（樹脂の硬化）
基材２０ａを膨張させた後、樹脂１８を硬化させて樹脂１８’とする（図３（Ｃ）参照）。樹脂１８にエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いた場合、樹脂１８が硬化温度（例えば９０℃から１２０℃）となるよう第１部品１５および第２部品１６をヒータマット等で覆い加熱すればよい。樹脂１８にＰＥＥＫなどの熱可塑性樹脂を用いた場合、樹脂１８が硬化する温度に達するように冷却する。冷却は、放冷でもよいし、スポットクーラーなどの冷却手段を用いて積極的に実施してもよい。

（締結）
樹脂１８を硬化させた後、締結部材で第１部品１５と第２部品１６を締結する。例えば、リベット、ボルト等を用いる。

本実施形態の組立方法によれば、強化材を織り込んだ多層構造織物を空隙に挿入することで、この基材が接合部で必要な強度、剛性を向上させ、その形状を保持することで締結部材に過大な引張荷重がかかることや被締結部材に局所的に過大な変形が生じることを防ぐことができる。

本実施形態の組立方法によれば、基材を空隙に挿入した後に加熱することで、基材は膨張変化しながら空隙内の形状に追従する。よって、複雑な立体形状を有する空隙にも適用できる。基材の形状を空隙内の形状に追従させることで、第１部品と第２部品との間でしっかりと各部品を支え、接合部材の形状を保持できる。空隙内で硬化させることで接合面を修正できる。それにより、接合部で必要な強度、剛性を向上させ、締結部材への過大な引張荷重や被締結部材への局所的な変形を防ぐことができる。

本実施形態の組立方法によれば、空隙の形状を測定して、該形状に合わせてシムを機械加工により作成する工程が不要であり、組立工程を効率化できる。

〔第２実施形態〕
本実施形態に係る組立方法で組み立てられた接合部材の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態に係る組立方法は、基材を膨張変化させるタイミングが第１実施形態と異なる。図４に、本実施形態に係る接合部材の組立方法のフロー図を示す。

（基材の膨張）
基材を所定温度に加熱して厚さ方向に膨張変化させる（図４（Ａ）参照）。図４（Ａ）は、膨張変化後の基材２０ｂの縦断面を示している。加熱は、ヒーター、ハンドドライヤーまたはオーブンなどを用いて実施され得る。

（基材の挿入）
重ね合せた第１部品１５と第２部品１６との間（合せ面側）にある空隙１７に、膨張変化させた基材２０ｂを挿入する（図４（Ａ）および図４（Ｂ）参照）。

（樹脂の充填）
空隙１７に樹脂１８を充填する（図４（Ｃ）参照）。これにより空隙１７内の基材２０ｂに樹脂１８を含浸させるとともに空隙１７を埋める。図４（Ｃ）では樹脂１８を含浸させている途中の様子を示している。

（樹脂の硬化）
樹脂１８の含浸終了後、第１実施形態と同様に樹脂１８を硬化させる（図４（Ｄ）参照）。

（締結）
第１実施形態と同様に、締結部材で第１部品１５と第２部品１６を締結する。

本実施形態では、膨張変化後であっても基材は柔軟性を有するため、該基材の空隙内への充填が可能であり、基材の形状も空隙の形状に追従できる。空隙挿入後に加熱・膨張変化が困難な場合にも対応可能な他、発生している空隙量に対して適切なサイズの基材を選択可能である。

なお、上記第１実施形態および第２実施形態では、空隙は２つの部材間にあるとしたが、これに限定されるものではない。空隙は、例えば３つ以上の部材に挟まれた空間であってもよい。

なお、高収縮糸が織り込まれる方向は、織物層１１の緯糸方向（紙面に垂直な方向）であってもよい。その場合、高収縮糸１３は、少なくとも緯糸に対して相対的に熱収縮性が高いものとする。

１，１５ 第１部品
２，１６ 第２部品
３ ソリッド材
４ （ソリッド材から機械加工により作成した）シム
５，１７ 隙間（空隙）
１０ａ 多層構造織物（膨張変化前）
１０ｂ 多層構造織物（膨張変化後）
１１ 織物層
１２ 網目
１３ 高収縮糸
１４ 経糸（低収縮糸）
１８ 樹脂（硬化前）
１８’ 樹脂（硬化後）
２０ａ 基材（膨張変化前）
２０ｂ 基材（膨張変化後）
２１ 強化材

Claims (5)

1. 加熱により膨張変化可能であり且つ膨張変化後に柔軟性を有する多層構造織物と、前記多層構造織物に織り込まれた強化材と、で構成された基材を、重ね合せた複数の部材間にある空隙に挿入する工程と、
   前記基材を加熱して厚さ方向に膨張変化させる工程と、
   前記空隙に樹脂を充填して前記基材に前記樹脂を含浸させる工程と、
   前記樹脂を硬化させる工程と、
   を備える接合部材の組立方法。
2. 前記多層構造織物は、加熱することで厚さ方向に膨張変化するよう熱収縮性の異なる少なくとも２種類の糸が配置された織物層を有する請求項１に記載の接合部材の組立方法。
3. 前記基材を前記空隙に挿入した後、前記空隙に前記樹脂を含浸させ、前記基材を加熱して厚さ方向に膨張変化させ、その後、前記樹脂を硬化させる請求項１または請求項２に記載の接合部材の組立方法。
4. 前記基材を加熱して厚さ方向に膨張変化させ、膨張変化後の前記基材を前記空隙に挿入した後、前記基材に前記樹脂を含浸させ、その後、前記樹脂を硬化させる請求項１または請求項２に記載の接合部材の組立方法。
5. 重ね合せられた状態で配置された複数の部材と、
   前記複数の部材間を埋めるよう存在するシムと、
   を備え、
   前記シムが、基材と樹脂とを含み、
   前記基材が、多層構造織物と、前記多層構造織物に織り込まれた強化材と、を含み、
   前記多層構造織物は、熱収縮性の異なる少なくとも２種類の糸が配置された織物層を備え、前記織物層は、熱収縮性の低い糸が熱収縮性の高い糸の収縮応力により屈曲し厚さ方向に膨張した形状を有し、締結部材が複数の前記部材に貫通され、複数の前記部材同士が締結されている接合部材。

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