中空構造体
【課題】複雑な中子や型を用いずに、多様な断面構造の中空構造体を形成することを目的とする。
【解決手段】３個の中空長尺状のＣＦＲＰ素材２４、２６、２８を組合わせて相互に結合することにより、中空構造体１０を形成する。各ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の長手方向から見た断面形状を三角形状とし、ＣＦＲＰ素材２４とＣＦＲＰ素材２６、ＣＦＲＰ素材２６とＣＦＲＰ素材２８を、共有する辺で結合する。
【解決手段】３個の中空長尺状のＣＦＲＰ素材２４、２６、２８を組合わせて相互に結合することにより、中空構造体１０を形成する。各ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の長手方向から見た断面形状を三角形状とし、ＣＦＲＰ素材２４とＣＦＲＰ素材２６、ＣＦＲＰ素材２６とＣＦＲＰ素材２８を、共有する辺で結合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＲＰにより構成された中空構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
中空筒状のＦＲＰ成形品の内壁面に中空筒状の内張層形成体（中子）を一体に設けた中空構造体が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７−２３２３８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、トラス構造断面等の断面が複雑形状である中空構造体を樹脂等により成形するためには、断面内側にリブを有する複雑な中子が必要となり、また、中空構造体の断面内側へ材料を注入するための注入部を有する複雑な型が必要となる可能性がある。
【０００４】
本発明は上記事実を考慮し、複雑な中子や型を用いずに、多様な断面構造の中空構造体を形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の中空構造体は、各々中空長尺状に形成された複数のＦＲＰ素材を組合わせて相互に結合することにより構成され、前記ＦＲＰ素材は、その長手方向に見た断面形状が多角形状とされていると共に、一の前記ＦＲＰ素材と他の前記ＦＲＰ素材とが共有する辺で結合されていることを特徴とする。
【０００６】
請求項１に記載の中空構造体では、各々中空長尺状に形成された複数のＦＲＰ素材が、組合わされて相互に結合されている。該ＦＲＰ素材は、その長手方向から見た断面が多角形状とされており、一のＦＲＰ素材と他のＦＲＰ素材とが共有する辺で結合されている。
【０００７】
これにより、断面内側にリブを有する複雑な中子や、中空構造体の断面内側へ材料を注入するための注入部を有する複雑な型を用いずに、多様な断面構造の中空構造体を形成することが可能となる。
【０００８】
請求項２に記載の中空構造体は、請求項１に記載の中空構造体であって、前記ＦＲＰ素材は、その長手方向に見た断面形状が三角形状とされていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の中空構造体では、長手方向から見た断面形状が三角形状という安定した構造のＦＲＰ素材の組合わせにより、トラス構造断面の中空構造体を形成することが可能となる。
【００１０】
また、中空構造体の断面内側に形成されるリブが、一の中空部材の一辺と他の中空部材の一辺との２重構造（２枚合わせの構造）となるので、該リブの剛性を向上でき、以って、中空構造体の剛性を向上できる。
【００１１】
請求項３に記載の中空構造体は、請求項１又は請求項２に記載の中空構造体であって、前記ＦＲＰ素材は、繊維が前記ＦＲＰ素材の長手方向に沿って配向された長手配向層と、繊維が前記ＦＲＰ素材の長手方向に対して傾斜する方向に沿って配向された傾斜配向層との積層構造を有しており、一の前記ＦＲＰ素材と他の前記ＦＲＰ素材とが共有する辺で、接着剤により、または成形時に互いの樹脂が結合されることにより結合されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の中空構造体では、複数のＦＲＰ素材が、接着剤により、または成形時に互いの樹脂が結合されることにより結合されている。ここで、各ＦＲＰ素材は、繊維がＦＲＰ素材の長手方向に沿って配向された長手配向層と、繊維がＦＲＰ素材の長手方向に対して傾斜する方向に沿って配向された傾斜配向層との積層構造を有している。
【００１３】
これにより、中空構造体の長手方向の剛性を向上させると共に、中空構造体の周方向の剛性の均質性を向上させることが可能となる。
【００１４】
請求項４に記載の中空構造体は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の中空構造体であって、繊維が前記ＦＲＰ素材の長手方向に対して交差する方向に沿って配向された交差配向層が、組合わされた複数の前記ＦＲＰ素材の周囲に積層されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の中空構造体では、繊維がＦＲＰ素材の長手方向に対して交差する方向に沿って配向された交差配向層が、組合わされた複数のＦＲＰ素材の周囲に積層されている。
【００１６】
これにより、中空構造体の断面内側に形成されるリブのみならず、中空構造体の外形部をも、一の中空構造体の一辺と他の中空構造体の一辺との二重構造に構成できるので、中空構造体の外形部の剛性を向上できると共に、一のＦＲＰ素材と他のＦＲＰ素材との結合面での破壊（剥離）を抑制できる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、複雑な中子や型を用いずに、多様な断面構造の中空構造体を形成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明の中空構造体の一実施形態を図１乃至図６に従って説明する。
なお、図中矢印ＦＲは車両前方方向を、矢印ＵＰは車両上方方向を、矢印ＩＮは車幅内側方向を示す。
【００１９】
図１には、本発明が適用された中空構造体１０を備える車体１２を示している。この図に示すように、車体１２には、ルーフ部１４と、ルーフ部１４の車幅方向外側端部に接合されたルーフサイドレール１４と、ルーフサイドレール１４の前端部に接合されたフロントピラー１６と、ルーフサイドレール１４の後端部に接合されたリアピラー１８とが備えられている。ルーフサイドレール１４、フロントピラー１６、及びリアピラー１８は、一体で形成されており、これらにより、車両前後方向を長手方向とする中空構造体１０が構成されている。
【００２０】
ここで、中空構造体１０やロッカやサイドメンバ（図示省略）等の車体１２を構成する車体骨格部材は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）により構成されている。但し、ガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）を排除するものではなく、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）であれば良い。
【００２１】
図２及び図３には、中空構造体１０を拡大して示している。この図に示すように、中空構造体１０の外形は、五角形筒状とされている。また、中空構造体１０の内部には、中空構造体１０の長手方向に延在する２片のリブ２０、２２が設けられている。２片のリブ２０、２２の幅方向一端部は、中空構造体１０の周方向に隣接された角部１０Ａ、１０Ｂに接合され、２片のリブ２０、２２の幅方向他端部は、中空構造体１０の角部１０Ａ、１０Ｂの対角に位置する一の角部１０Ｃに接合されている。
【００２２】
即ち、中空構造体１０の内部は、２片のリブ２０、２２により、３つの三角形状の空間Ｏに仕切られており、中空構造体１０の長手方向から見た断面がトラス構造断面とされている。
【００２３】
ここで、中空構造体１０は、ＣＦＲＰにより構成され中空構造体１０の長手方向に沿って延在する中空長尺状のＣＦＲＰ素材（ＦＲＰ素材）２４、２６、２８を３個組合わせて相互に結合することにより構成されている。各ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８は、その長手方向から見た断面形状が三角形状とされている。
【００２４】
ＣＦＲＰ素材２４の三角形状断面を構成する一辺としての壁部２４Ａと、ＣＦＲＰ素材２６の三角形状断面を構成する一辺としての壁部２６Ａとは、略同一形状、略同一寸法とされており、壁部２４Ａの全体と壁部２６Ａの全体とが重なった状態で結合されることにより、共有する辺としてのリブ２０が構成されている。
【００２５】
また、ＣＦＲＰ素材２４の三角形状断面を構成する一辺としての壁部２４Ｂと、ＣＦＲＰ素材２８の三角形状断面を構成する一辺としての壁部２８Ａとは、略同一形状、略同一寸法とされており、壁部２６Ａの全体と壁部２８Ａの全体とが重なった状態で結合されることにより、共有する辺としてのリブ２２が構成されている。
【００２６】
即ち、ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８は、トラス断面構造（所望の断面構造）の中空構造体１０を、その断面内部に設けられたリブ２０、２２を厚み方向に２分する境界線で分割することにより得られる中空長尺部材であり、そのようなＣＦＲＰ素材２４、２６、２８を組合わせて相互に結合することにより、トラス断面構造（所望の断面構造）の中空構造体１０を構成している。
【００２７】
次に、中空構造体１０の製造方法の第１実施例について説明する。
【００２８】
まず、図４（Ａ）に示すように、中空長尺状に形成され、その長手方向から見た断面形状が三角形状である（三角形筒状の外形を有する）マンドレル（中子）Ｍを用意する。このマンドレルＭは、樹脂やゴム等の伸縮性を有する材料により、ＣＦＲＰ素材２４と相似の形状に形成されている。
【００２９】
そして、図４（Ｂ）に示すように、ブレーディング成形法によりＣＦＲＰを構成する炭素繊維ＣＦを、マンドレルＭの外周面に編み付ける。これにより、マンドレルＭの周囲には、マンドレルＭの長手方向に対して傾斜した方向に沿って配向され格子網状に編まれた炭素繊維ＣＦにより構成されるブレーディング配向層Ｂが積層される。
【００３０】
次に、図４（Ｃ）に示すように、エポキシ樹脂等により形成された軟材状態でシート状の樹脂材Ｐによりブレーディング配向層Ｂの周囲を被覆する。これにより、ＣＦＲＰ素材２４が形成される。
【００３１】
その後、ＣＦＲＰ素材２４の形成方法と同様の方法により、ＣＦＲＰ素材２６、２８を形成し、これらを組合わせて相互に結合することにより、中空構造体１０を形成する。その際の結合方法としては、後述の第１の結合方法及び第２の結合方法が採用可能である。
【００３２】
まず、第１の結合方法について説明する。この結合方法では、まず、ＣＦＲＰ素材２４を、ＣＦＲＰ素材２４の外形に合わせて作成された成形用の型に嵌め込み、成形硬化させる。この際、マンドレルＭを高圧エアーにより膨張させＣＦＲＰ素材２４をマンドレルＭと型とにより加圧する。また、ＣＦＲＰ素材２４を加熱により硬化温度まで昇温させる。そして、同様の方法で、ＣＦＲＰ素材２６、２８を成形する。
【００３３】
次に、図３に示すように、成形硬化されたＣＦＲＰ素材２４、２６、２８を組合わせて相互に結合するわけであるが、その際、ＣＦＲＰ素材２４の壁部２４ＡとＦＲＰ素材２６の壁部２６Ａとを接着剤により接着し、ＣＦＲＰ素材２４の壁部２４ＢとＣＦＲＰ素材２８の壁部２８Ａとを接着剤により接着する。これにより、中空構造体１０が形成される。
【００３４】
次に、第２の結合方法について説明する。この結合方法では、まず、図３に示すように、成形硬化前のＣＦＲＰ素材２４、２６、２８を組合わせる。次に、組合わされたＣＦＲＰ素材２４、２６、２８を、中空構造体１０の外形に合わせて作成された成形用の型に嵌め込み、成形硬化させる。この際、各ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８が備えるマンドレルＭを、高圧エアーにより膨張させマンドレルＭと型とでＣＦＲＰ素材２４、２６、２８を加圧する。また、ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８を加熱により硬化温度まで昇温させると共に、ＣＦＲＰ素材２４の壁部２４ＡとＣＦＲＰ素材２６の壁部２６Ａ、ＣＦＲＰ素材２４の壁部２４ＢとＣＦＲＰ素材２８の壁部２８Ａを、互いの樹脂材Ｐを溶融結合させることにより結合する。
【００３５】
次に、本実施形態における作用及び効果について説明する。
【００３６】
長手方向から見た断面形状が三角形状という安定した構造のＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の組合わせにより、長手方向から見た断面構造がトラス構造である中空構造体１０を形成することが可能となっている。
【００３７】
ここで、図２乃至図４に示すように、中空構造体１０を形成するために用いられているマンドレルＭは、各ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の形状に合わせて作成された、三角筒状という単純構造となっている。また、中空構造体１０の断面内側に樹脂を注入する工程が不要となっている。
【００３８】
即ち、断面内側にリブを有する複雑なマンドレルＭや、中空構造体１０の断面内側へ樹脂を注入するための注入部を有する複雑な型を用いずに、トラス断面構造という複雑な断面形状を有する中空構造体１０を形成することが可能となっている。
【００３９】
また、中空構造体１０がトラス断面構造に構成されていることにより、中空構造体１０の曲げ剛性が向上されているので、ルーフサイドレール１４、フロントピラー１６、又はリアピラー１８（共に図１参照）に荷重が入力された際に、これらに生じる曲げ変形を抑制できる。
【００４０】
また、ＣＦＲＰ素材２４の壁部２４ＡとＣＦＲＰ素材２６の壁部２６Ａとにより二重構造のリブ２０が構成され、ＣＦＲＰ素材２４の壁部２６ＢとＣＦＲＰ素材２８の壁部２８Ａとにより二重構造のリブ２２が構成されており、リブ２０、２２の剛性が向上されている。よって、中空構造体１０の曲げ剛性をより一層向上でき、ルーフサイドレール１４、フロントピラー１６、又はリアピラー１８（共に図１参照）に荷重が入力された際に、これらに生じる曲げ変形をより一層抑制できる。
【００４１】
次に、中空構造体１０の製造方法の第２実施例について説明する。なお、中空構造体１０の製造方法の第１実施例とは、各ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の形成方法が異なるのみであり、形成されたＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の結合方法等は同様であるため、説明を省略する。また、ＣＦＲＰ素材２４の形成方法についてのみ説明するが、ＣＦＲＰ素材２６、２８も同様の形成方法により形成される。
【００４２】
まず、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、ブレーディング成形法により、炭素繊維ＣＦをマンドレルＭの周囲に編み付けてブレーディング層（傾斜配向層）Ｂを形成し、ブレーディング層Ｂの周囲を樹脂材Ｐにより被覆する。
【００４３】
次に、図５（Ａ）に示すように、ＣＦＲＰ素材２４の長手方向に沿って配向された炭素繊維ＣＦにより構成される長手配向層Ｌを、ブレーディング層Ｂの周囲を被覆する樹脂材Ｐの周囲に積層する。その後、図５（Ｂ）に示すように、樹脂材Ｐにより長手配向層Ｌの周囲を被覆する。
【００４４】
以上の工程を繰り返し行い、ブレーディング層Ｂと樹脂材Ｐとにより形成される層、及び長手配向層Ｌと樹脂材Ｐとにより形成される層とが複数層ずつ積み重ねられたＣＦＲＰ素材２４を形成する。
【００４５】
次に、本製造方法により製造された中空構造体１０の作用及び効果について説明する。
【００４６】
本製造方法により製造された中空構造体１０では、中空構造体１０の長手方向に沿って配向された炭素繊維ＣＦにより構成される長手配向層Ｌが、中空構造体１０の長手方向の剛性を向上させ、中空構造体１０の長手方向に対して傾斜する方向に沿って配向された炭素繊維ＣＦにより構成されるブレーディング層Ｂが、中空構造体１０の周方向の剛性の均質性を向上させる。
【００４７】
次に、中空構造体１０の製造方法の第３実施例について説明する。
【００４８】
まず、中空構造体１０の製造方法の第１実施例と同様の方法を用いて、ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８を形成し、図６（Ａ）に示すように、ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８を組合わせる。
【００４９】
次に、図６（Ｂ）に示すように、組合わされたＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の周囲に、中空構造体１０の長手方向に対して交差する方向に（螺旋状に）配向された炭素繊維ＣＦにより構成される交差配向層Ｃを積層する。
【００５０】
そして、図６（Ｃ）に示すように、樹脂材Ｐにより交差配向層Ｃを被覆することにより、組合わされたＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の周囲を覆うＣＦＲＰ素材３０を形成する。その後、組合わされたＣＦＲＰ素材２４、２６、２８、３０を、ＣＦＲＰ素材３０の外形に合わせた型に嵌め込み、各ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８が備えるマンドレルＭを、高圧エアーにより膨張させマンドレルＭと型とでＣＦＲＰ素材２４、２６、２８、３０を加圧する。また、ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８、３０を加熱により硬化温度まで昇温させると共に、ＣＦＲＰ素材２４の壁部２４ＡとＣＦＲＰ素材２６の壁部２６Ａ、ＣＦＲＰ素材２４の壁部２４ＢとＣＦＲＰ素材２８の壁部２８Ａ、及び、組合わされたＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の外周面とＣＦＲＰ素材３０の内周面を、互いの樹脂材Ｐを溶融結合させることにより結合する。
【００５１】
次に、本製造方法により製造された中空構造体１０の作用及び効果について説明する。
【００５２】
本製造方法により製造された中空構造体１０では、ＣＦＲＰ素材３０が、組合わされたＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の周囲を被覆していることにより、中空構造体１０の断面内側に形成されるリブ２０、２２のみならず、中空構造体１０の外形部をも二重構造に構成できる。よって、中空構造体１０の外形部の剛性を向上できると共に、ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の結合面での破壊（剥離）を抑制できる。
【００５３】
以上、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、本実施形態では、各ＦＲＰ素材の長手方向から見た断面を三角形中空断面とし、中空構造体をトラス断面構造に構成したが、各ＦＲＰ素材の長手方向から見た断面を六角形中空断面とし、中空構造体をハニカム断面構造に構成する等、中空構造体の長手方向から見た断面を四角形以上の中空断面とし、中空構造体をその他様々な断面構造に構成しても良い。
【００５４】
また、本実施形態では、各ＦＲＰ素材を製造する方法として、ＦＲＰを構成する繊維をマンドレルに編み付けた後、ＦＲＰを構成する樹脂により、マンドレルに編み付けられた繊維を被覆するという方法を用いたが、ＦＲＰを構成する樹脂を、ＦＲＰを構成する繊維に含浸させ、該繊維をマンドレルに編み付けるという方法を用いることも可能である。
【００５５】
さらに、本実施形態では、本発明を、ルーフサイドレール、フロントピラー、及びリアピラーに適用したが、本発明は、例えば、ロッカやサイドメンバ等の他の車体用中空構造体や、車体以外の物に備えられる中空構造体にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る中空構造体を備える車体を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る中空構造体を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る中空構造体を示す分解斜視図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、図２、図３に示す中空構造体の製造方法の第１実施例を説明するための斜視図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は、図２、図３に示す中空構造体の製造方法の第２実施例を説明するための斜視図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は、図２、図３に示す中空構造体の製造方法の第３実施例を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 中空構造体
２０ リブ（共有する辺）
２２ リブ（共有する辺）
２４ ＣＦＲＰ素材（ＦＲＰ素材）
２６ ＣＦＲＰ素材（ＦＲＰ素材）
２８ ＣＦＲＰ素材（ＦＲＰ素材）
Ｂ ブレーディング層（傾斜配向層）
Ｃ 交差配向層
ＣＦ 炭素繊維（繊維）
Ｌ 長手配向層
Ｐ 樹脂材（樹脂）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＲＰにより構成された中空構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
中空筒状のＦＲＰ成形品の内壁面に中空筒状の内張層形成体（中子）を一体に設けた中空構造体が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７−２３２３８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、トラス構造断面等の断面が複雑形状である中空構造体を樹脂等により成形するためには、断面内側にリブを有する複雑な中子が必要となり、また、中空構造体の断面内側へ材料を注入するための注入部を有する複雑な型が必要となる可能性がある。
【０００４】
本発明は上記事実を考慮し、複雑な中子や型を用いずに、多様な断面構造の中空構造体を形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の中空構造体は、各々中空長尺状に形成された複数のＦＲＰ素材を組合わせて相互に結合することにより構成され、前記ＦＲＰ素材は、その長手方向に見た断面形状が多角形状とされていると共に、一の前記ＦＲＰ素材と他の前記ＦＲＰ素材とが共有する辺で結合されていることを特徴とする。
【０００６】
請求項１に記載の中空構造体では、各々中空長尺状に形成された複数のＦＲＰ素材が、組合わされて相互に結合されている。該ＦＲＰ素材は、その長手方向から見た断面が多角形状とされており、一のＦＲＰ素材と他のＦＲＰ素材とが共有する辺で結合されている。
【０００７】
これにより、断面内側にリブを有する複雑な中子や、中空構造体の断面内側へ材料を注入するための注入部を有する複雑な型を用いずに、多様な断面構造の中空構造体を形成することが可能となる。
【０００８】
請求項２に記載の中空構造体は、請求項１に記載の中空構造体であって、前記ＦＲＰ素材は、その長手方向に見た断面形状が三角形状とされていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の中空構造体では、長手方向から見た断面形状が三角形状という安定した構造のＦＲＰ素材の組合わせにより、トラス構造断面の中空構造体を形成することが可能となる。
【００１０】
また、中空構造体の断面内側に形成されるリブが、一の中空部材の一辺と他の中空部材の一辺との２重構造（２枚合わせの構造）となるので、該リブの剛性を向上でき、以って、中空構造体の剛性を向上できる。
【００１１】
請求項３に記載の中空構造体は、請求項１又は請求項２に記載の中空構造体であって、前記ＦＲＰ素材は、繊維が前記ＦＲＰ素材の長手方向に沿って配向された長手配向層と、繊維が前記ＦＲＰ素材の長手方向に対して傾斜する方向に沿って配向された傾斜配向層との積層構造を有しており、一の前記ＦＲＰ素材と他の前記ＦＲＰ素材とが共有する辺で、接着剤により、または成形時に互いの樹脂が結合されることにより結合されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の中空構造体では、複数のＦＲＰ素材が、接着剤により、または成形時に互いの樹脂が結合されることにより結合されている。ここで、各ＦＲＰ素材は、繊維がＦＲＰ素材の長手方向に沿って配向された長手配向層と、繊維がＦＲＰ素材の長手方向に対して傾斜する方向に沿って配向された傾斜配向層との積層構造を有している。
【００１３】
これにより、中空構造体の長手方向の剛性を向上させると共に、中空構造体の周方向の剛性の均質性を向上させることが可能となる。
【００１４】
請求項４に記載の中空構造体は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の中空構造体であって、繊維が前記ＦＲＰ素材の長手方向に対して交差する方向に沿って配向された交差配向層が、組合わされた複数の前記ＦＲＰ素材の周囲に積層されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の中空構造体では、繊維がＦＲＰ素材の長手方向に対して交差する方向に沿って配向された交差配向層が、組合わされた複数のＦＲＰ素材の周囲に積層されている。
【００１６】
これにより、中空構造体の断面内側に形成されるリブのみならず、中空構造体の外形部をも、一の中空構造体の一辺と他の中空構造体の一辺との二重構造に構成できるので、中空構造体の外形部の剛性を向上できると共に、一のＦＲＰ素材と他のＦＲＰ素材との結合面での破壊（剥離）を抑制できる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、複雑な中子や型を用いずに、多様な断面構造の中空構造体を形成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明の中空構造体の一実施形態を図１乃至図６に従って説明する。
なお、図中矢印ＦＲは車両前方方向を、矢印ＵＰは車両上方方向を、矢印ＩＮは車幅内側方向を示す。
【００１９】
図１には、本発明が適用された中空構造体１０を備える車体１２を示している。この図に示すように、車体１２には、ルーフ部１４と、ルーフ部１４の車幅方向外側端部に接合されたルーフサイドレール１４と、ルーフサイドレール１４の前端部に接合されたフロントピラー１６と、ルーフサイドレール１４の後端部に接合されたリアピラー１８とが備えられている。ルーフサイドレール１４、フロントピラー１６、及びリアピラー１８は、一体で形成されており、これらにより、車両前後方向を長手方向とする中空構造体１０が構成されている。
【００２０】
ここで、中空構造体１０やロッカやサイドメンバ（図示省略）等の車体１２を構成する車体骨格部材は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）により構成されている。但し、ガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）を排除するものではなく、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）であれば良い。
【００２１】
図２及び図３には、中空構造体１０を拡大して示している。この図に示すように、中空構造体１０の外形は、五角形筒状とされている。また、中空構造体１０の内部には、中空構造体１０の長手方向に延在する２片のリブ２０、２２が設けられている。２片のリブ２０、２２の幅方向一端部は、中空構造体１０の周方向に隣接された角部１０Ａ、１０Ｂに接合され、２片のリブ２０、２２の幅方向他端部は、中空構造体１０の角部１０Ａ、１０Ｂの対角に位置する一の角部１０Ｃに接合されている。
【００２２】
即ち、中空構造体１０の内部は、２片のリブ２０、２２により、３つの三角形状の空間Ｏに仕切られており、中空構造体１０の長手方向から見た断面がトラス構造断面とされている。
【００２３】
ここで、中空構造体１０は、ＣＦＲＰにより構成され中空構造体１０の長手方向に沿って延在する中空長尺状のＣＦＲＰ素材（ＦＲＰ素材）２４、２６、２８を３個組合わせて相互に結合することにより構成されている。各ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８は、その長手方向から見た断面形状が三角形状とされている。
【００２４】
ＣＦＲＰ素材２４の三角形状断面を構成する一辺としての壁部２４Ａと、ＣＦＲＰ素材２６の三角形状断面を構成する一辺としての壁部２６Ａとは、略同一形状、略同一寸法とされており、壁部２４Ａの全体と壁部２６Ａの全体とが重なった状態で結合されることにより、共有する辺としてのリブ２０が構成されている。
【００２５】
また、ＣＦＲＰ素材２４の三角形状断面を構成する一辺としての壁部２４Ｂと、ＣＦＲＰ素材２８の三角形状断面を構成する一辺としての壁部２８Ａとは、略同一形状、略同一寸法とされており、壁部２６Ａの全体と壁部２８Ａの全体とが重なった状態で結合されることにより、共有する辺としてのリブ２２が構成されている。
【００２６】
即ち、ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８は、トラス断面構造（所望の断面構造）の中空構造体１０を、その断面内部に設けられたリブ２０、２２を厚み方向に２分する境界線で分割することにより得られる中空長尺部材であり、そのようなＣＦＲＰ素材２４、２６、２８を組合わせて相互に結合することにより、トラス断面構造（所望の断面構造）の中空構造体１０を構成している。
【００２７】
次に、中空構造体１０の製造方法の第１実施例について説明する。
【００２８】
まず、図４（Ａ）に示すように、中空長尺状に形成され、その長手方向から見た断面形状が三角形状である（三角形筒状の外形を有する）マンドレル（中子）Ｍを用意する。このマンドレルＭは、樹脂やゴム等の伸縮性を有する材料により、ＣＦＲＰ素材２４と相似の形状に形成されている。
【００２９】
そして、図４（Ｂ）に示すように、ブレーディング成形法によりＣＦＲＰを構成する炭素繊維ＣＦを、マンドレルＭの外周面に編み付ける。これにより、マンドレルＭの周囲には、マンドレルＭの長手方向に対して傾斜した方向に沿って配向され格子網状に編まれた炭素繊維ＣＦにより構成されるブレーディング配向層Ｂが積層される。
【００３０】
次に、図４（Ｃ）に示すように、エポキシ樹脂等により形成された軟材状態でシート状の樹脂材Ｐによりブレーディング配向層Ｂの周囲を被覆する。これにより、ＣＦＲＰ素材２４が形成される。
【００３１】
その後、ＣＦＲＰ素材２４の形成方法と同様の方法により、ＣＦＲＰ素材２６、２８を形成し、これらを組合わせて相互に結合することにより、中空構造体１０を形成する。その際の結合方法としては、後述の第１の結合方法及び第２の結合方法が採用可能である。
【００３２】
まず、第１の結合方法について説明する。この結合方法では、まず、ＣＦＲＰ素材２４を、ＣＦＲＰ素材２４の外形に合わせて作成された成形用の型に嵌め込み、成形硬化させる。この際、マンドレルＭを高圧エアーにより膨張させＣＦＲＰ素材２４をマンドレルＭと型とにより加圧する。また、ＣＦＲＰ素材２４を加熱により硬化温度まで昇温させる。そして、同様の方法で、ＣＦＲＰ素材２６、２８を成形する。
【００３３】
次に、図３に示すように、成形硬化されたＣＦＲＰ素材２４、２６、２８を組合わせて相互に結合するわけであるが、その際、ＣＦＲＰ素材２４の壁部２４ＡとＦＲＰ素材２６の壁部２６Ａとを接着剤により接着し、ＣＦＲＰ素材２４の壁部２４ＢとＣＦＲＰ素材２８の壁部２８Ａとを接着剤により接着する。これにより、中空構造体１０が形成される。
【００３４】
次に、第２の結合方法について説明する。この結合方法では、まず、図３に示すように、成形硬化前のＣＦＲＰ素材２４、２６、２８を組合わせる。次に、組合わされたＣＦＲＰ素材２４、２６、２８を、中空構造体１０の外形に合わせて作成された成形用の型に嵌め込み、成形硬化させる。この際、各ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８が備えるマンドレルＭを、高圧エアーにより膨張させマンドレルＭと型とでＣＦＲＰ素材２４、２６、２８を加圧する。また、ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８を加熱により硬化温度まで昇温させると共に、ＣＦＲＰ素材２４の壁部２４ＡとＣＦＲＰ素材２６の壁部２６Ａ、ＣＦＲＰ素材２４の壁部２４ＢとＣＦＲＰ素材２８の壁部２８Ａを、互いの樹脂材Ｐを溶融結合させることにより結合する。
【００３５】
次に、本実施形態における作用及び効果について説明する。
【００３６】
長手方向から見た断面形状が三角形状という安定した構造のＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の組合わせにより、長手方向から見た断面構造がトラス構造である中空構造体１０を形成することが可能となっている。
【００３７】
ここで、図２乃至図４に示すように、中空構造体１０を形成するために用いられているマンドレルＭは、各ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の形状に合わせて作成された、三角筒状という単純構造となっている。また、中空構造体１０の断面内側に樹脂を注入する工程が不要となっている。
【００３８】
即ち、断面内側にリブを有する複雑なマンドレルＭや、中空構造体１０の断面内側へ樹脂を注入するための注入部を有する複雑な型を用いずに、トラス断面構造という複雑な断面形状を有する中空構造体１０を形成することが可能となっている。
【００３９】
また、中空構造体１０がトラス断面構造に構成されていることにより、中空構造体１０の曲げ剛性が向上されているので、ルーフサイドレール１４、フロントピラー１６、又はリアピラー１８（共に図１参照）に荷重が入力された際に、これらに生じる曲げ変形を抑制できる。
【００４０】
また、ＣＦＲＰ素材２４の壁部２４ＡとＣＦＲＰ素材２６の壁部２６Ａとにより二重構造のリブ２０が構成され、ＣＦＲＰ素材２４の壁部２６ＢとＣＦＲＰ素材２８の壁部２８Ａとにより二重構造のリブ２２が構成されており、リブ２０、２２の剛性が向上されている。よって、中空構造体１０の曲げ剛性をより一層向上でき、ルーフサイドレール１４、フロントピラー１６、又はリアピラー１８（共に図１参照）に荷重が入力された際に、これらに生じる曲げ変形をより一層抑制できる。
【００４１】
次に、中空構造体１０の製造方法の第２実施例について説明する。なお、中空構造体１０の製造方法の第１実施例とは、各ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の形成方法が異なるのみであり、形成されたＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の結合方法等は同様であるため、説明を省略する。また、ＣＦＲＰ素材２４の形成方法についてのみ説明するが、ＣＦＲＰ素材２６、２８も同様の形成方法により形成される。
【００４２】
まず、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、ブレーディング成形法により、炭素繊維ＣＦをマンドレルＭの周囲に編み付けてブレーディング層（傾斜配向層）Ｂを形成し、ブレーディング層Ｂの周囲を樹脂材Ｐにより被覆する。
【００４３】
次に、図５（Ａ）に示すように、ＣＦＲＰ素材２４の長手方向に沿って配向された炭素繊維ＣＦにより構成される長手配向層Ｌを、ブレーディング層Ｂの周囲を被覆する樹脂材Ｐの周囲に積層する。その後、図５（Ｂ）に示すように、樹脂材Ｐにより長手配向層Ｌの周囲を被覆する。
【００４４】
以上の工程を繰り返し行い、ブレーディング層Ｂと樹脂材Ｐとにより形成される層、及び長手配向層Ｌと樹脂材Ｐとにより形成される層とが複数層ずつ積み重ねられたＣＦＲＰ素材２４を形成する。
【００４５】
次に、本製造方法により製造された中空構造体１０の作用及び効果について説明する。
【００４６】
本製造方法により製造された中空構造体１０では、中空構造体１０の長手方向に沿って配向された炭素繊維ＣＦにより構成される長手配向層Ｌが、中空構造体１０の長手方向の剛性を向上させ、中空構造体１０の長手方向に対して傾斜する方向に沿って配向された炭素繊維ＣＦにより構成されるブレーディング層Ｂが、中空構造体１０の周方向の剛性の均質性を向上させる。
【００４７】
次に、中空構造体１０の製造方法の第３実施例について説明する。
【００４８】
まず、中空構造体１０の製造方法の第１実施例と同様の方法を用いて、ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８を形成し、図６（Ａ）に示すように、ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８を組合わせる。
【００４９】
次に、図６（Ｂ）に示すように、組合わされたＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の周囲に、中空構造体１０の長手方向に対して交差する方向に（螺旋状に）配向された炭素繊維ＣＦにより構成される交差配向層Ｃを積層する。
【００５０】
そして、図６（Ｃ）に示すように、樹脂材Ｐにより交差配向層Ｃを被覆することにより、組合わされたＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の周囲を覆うＣＦＲＰ素材３０を形成する。その後、組合わされたＣＦＲＰ素材２４、２６、２８、３０を、ＣＦＲＰ素材３０の外形に合わせた型に嵌め込み、各ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８が備えるマンドレルＭを、高圧エアーにより膨張させマンドレルＭと型とでＣＦＲＰ素材２４、２６、２８、３０を加圧する。また、ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８、３０を加熱により硬化温度まで昇温させると共に、ＣＦＲＰ素材２４の壁部２４ＡとＣＦＲＰ素材２６の壁部２６Ａ、ＣＦＲＰ素材２４の壁部２４ＢとＣＦＲＰ素材２８の壁部２８Ａ、及び、組合わされたＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の外周面とＣＦＲＰ素材３０の内周面を、互いの樹脂材Ｐを溶融結合させることにより結合する。
【００５１】
次に、本製造方法により製造された中空構造体１０の作用及び効果について説明する。
【００５２】
本製造方法により製造された中空構造体１０では、ＣＦＲＰ素材３０が、組合わされたＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の周囲を被覆していることにより、中空構造体１０の断面内側に形成されるリブ２０、２２のみならず、中空構造体１０の外形部をも二重構造に構成できる。よって、中空構造体１０の外形部の剛性を向上できると共に、ＣＦＲＰ素材２４、２６、２８の結合面での破壊（剥離）を抑制できる。
【００５３】
以上、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、本実施形態では、各ＦＲＰ素材の長手方向から見た断面を三角形中空断面とし、中空構造体をトラス断面構造に構成したが、各ＦＲＰ素材の長手方向から見た断面を六角形中空断面とし、中空構造体をハニカム断面構造に構成する等、中空構造体の長手方向から見た断面を四角形以上の中空断面とし、中空構造体をその他様々な断面構造に構成しても良い。
【００５４】
また、本実施形態では、各ＦＲＰ素材を製造する方法として、ＦＲＰを構成する繊維をマンドレルに編み付けた後、ＦＲＰを構成する樹脂により、マンドレルに編み付けられた繊維を被覆するという方法を用いたが、ＦＲＰを構成する樹脂を、ＦＲＰを構成する繊維に含浸させ、該繊維をマンドレルに編み付けるという方法を用いることも可能である。
【００５５】
さらに、本実施形態では、本発明を、ルーフサイドレール、フロントピラー、及びリアピラーに適用したが、本発明は、例えば、ロッカやサイドメンバ等の他の車体用中空構造体や、車体以外の物に備えられる中空構造体にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る中空構造体を備える車体を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る中空構造体を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る中空構造体を示す分解斜視図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、図２、図３に示す中空構造体の製造方法の第１実施例を説明するための斜視図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は、図２、図３に示す中空構造体の製造方法の第２実施例を説明するための斜視図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は、図２、図３に示す中空構造体の製造方法の第３実施例を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 中空構造体
２０ リブ（共有する辺）
２２ リブ（共有する辺）
２４ ＣＦＲＰ素材（ＦＲＰ素材）
２６ ＣＦＲＰ素材（ＦＲＰ素材）
２８ ＣＦＲＰ素材（ＦＲＰ素材）
Ｂ ブレーディング層（傾斜配向層）
Ｃ 交差配向層
ＣＦ 炭素繊維（繊維）
Ｌ 長手配向層
Ｐ 樹脂材（樹脂）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々中空長尺状に形成された複数のＦＲＰ素材を組合わせて相互に結合することにより構成され、
前記ＦＲＰ素材は、その長手方向に見た断面形状が多角形状とされていると共に、一の前記ＦＲＰ素材と他の前記ＦＲＰ素材とが共有する辺で結合されていることを特徴とする中空構造体。
【請求項２】
前記ＦＲＰ素材は、その長手方向に見た断面形状が三角形状とされていることを特徴とする請求項１に記載の中空構造体。
【請求項３】
前記ＦＲＰ素材は、繊維が前記ＦＲＰ素材の長手方向に沿って配向された長手配向層と、繊維が前記ＦＲＰ素材の長手方向に対して傾斜する方向に沿って配向された傾斜配向層との積層構造を有しており、
一の前記ＦＲＰ素材と他の前記ＦＲＰ素材とが共有する辺で、接着剤により、または成形時に互いの樹脂が結合されることにより結合されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の中空構造体。
【請求項４】
繊維が前記ＦＲＰ素材の長手方向に対して交差する方向に沿って配向された交差配向層が、組合わされた複数の前記ＦＲＰ素材の周囲に積層されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の中空構造体。
【請求項１】
各々中空長尺状に形成された複数のＦＲＰ素材を組合わせて相互に結合することにより構成され、
前記ＦＲＰ素材は、その長手方向に見た断面形状が多角形状とされていると共に、一の前記ＦＲＰ素材と他の前記ＦＲＰ素材とが共有する辺で結合されていることを特徴とする中空構造体。
【請求項２】
前記ＦＲＰ素材は、その長手方向に見た断面形状が三角形状とされていることを特徴とする請求項１に記載の中空構造体。
【請求項３】
前記ＦＲＰ素材は、繊維が前記ＦＲＰ素材の長手方向に沿って配向された長手配向層と、繊維が前記ＦＲＰ素材の長手方向に対して傾斜する方向に沿って配向された傾斜配向層との積層構造を有しており、
一の前記ＦＲＰ素材と他の前記ＦＲＰ素材とが共有する辺で、接着剤により、または成形時に互いの樹脂が結合されることにより結合されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の中空構造体。
【請求項４】
繊維が前記ＦＲＰ素材の長手方向に対して交差する方向に沿って配向された交差配向層が、組合わされた複数の前記ＦＲＰ素材の周囲に積層されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の中空構造体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１７３７８２（Ｐ２００８−１７３７８２Ａ）
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−６９５０（Ｐ２００７−６９５０）
【出願日】平成１９年１月１６日（２００７．１．１６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月１６日（２００７．１．１６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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