繊維強化樹脂材の接合方法と接合構造
【課題】繊維強化樹脂材同士を短時間でしかも高い接合強度で接合することのできる繊維強化樹脂材の接合方法と接合構造を提供する。
【解決手段】２つのマトリックス樹脂１ａ，２ａが熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂材１，２の少なくとも一部同士を重ね合わせて重ね合わせ箇所を形成し、マトリックス樹脂３ａが熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂シート３を該重ね合わせ箇所の上面に配して、重ね合わせ箇所のマトリックス樹脂を軟化させるステップ、繊維強化樹脂シート３の上方から押し込みピンＰを押し込み、該繊維強化樹脂シート３の一部と押し込みピンＰの一部を最下層の繊維強化樹脂材２の途中位置まで到達させ、押し込みピンＰを取り外し、すべてのマトリックス樹脂を硬化させて２つの繊維強化樹脂材１，２の重ね合わせ箇所を押し込まれて変形した繊維強化樹脂シート３で接合するステップからなる接合方法である。
【解決手段】２つのマトリックス樹脂１ａ，２ａが熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂材１，２の少なくとも一部同士を重ね合わせて重ね合わせ箇所を形成し、マトリックス樹脂３ａが熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂シート３を該重ね合わせ箇所の上面に配して、重ね合わせ箇所のマトリックス樹脂を軟化させるステップ、繊維強化樹脂シート３の上方から押し込みピンＰを押し込み、該繊維強化樹脂シート３の一部と押し込みピンＰの一部を最下層の繊維強化樹脂材２の途中位置まで到達させ、押し込みピンＰを取り外し、すべてのマトリックス樹脂を硬化させて２つの繊維強化樹脂材１，２の重ね合わせ箇所を押し込まれて変形した繊維強化樹脂シート３で接合するステップからなる接合方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２以上の繊維強化樹脂材の重ね合わせ箇所を接合する接合方法と接合構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
樹脂に強化用繊維材が混入されてなる繊維強化樹脂材（繊維強化プラスチック（ＦＲＰ））は、軽量かつ高強度であることから、自動車産業や建設産業、航空産業など、様々な産業分野で使用されている。
【０００３】
たとえば自動車産業においては、ピラーやロッカー、床下フロアなどの車両の骨格構造部材や、ドアアウターパネルやフードなどの意匠性が要求される非構造部材に上記繊維強化樹脂材が適用され、車両の強度保証を図りながらその軽量化を実現し、低燃費で環境フレンドリーな車両を製造する試みがおこなわれている。
【０００４】
上記する繊維強化樹脂材は、たとえば、径が数μｍの長繊維や短繊維がマトリックス樹脂内にランダムに、もしくは所定の配向をもって埋設されたプリプレグシートや、長繊維よりも長い連続繊維がマトリックス樹脂内に一方向に配向された一方向材（ＵＤ材）からなるプリプレグシートを成形型内で積層し、加熱処理することで製造される。また、同様に連続繊維を含有するプリプレグシートを使用し、各プリプレグシート内の連続繊維の配向を０度、９０度、±４５度等に積層して擬似等方材を形成したり、連続繊維からなる経糸と緯糸からなる織物をマトリックス樹脂内に含有させてなるプリプレグシートを使用し、やはりそれらを成形型内で積層し、加熱処理する製造方法などもある。
【０００５】
ところで、上記する繊維強化樹脂材同士の接合方法に関しては、接着剤で接合する方法や溶着で接合する方法、リベットで接合する方法、さらにはそれらを組み合わせた接合方法などが一般に用いられているが、それぞれに課題を有している。
【０００６】
接着剤による接合方法では、被接合材の材料種によっては接合強度が発揮されないことから、繊維強化樹脂材を形成するマトリックス樹脂の材料種に応じて接着剤の種類を選別しなければならず、さらには、接着剤が一般に熱硬化系材料からなることからその反応までに時間を要するという課題がある。
【０００７】
溶着による接合方法では、繊維強化樹脂材を形成するマトリックス樹脂が熱可塑系材料からなる場合に、高分子同士が絡み合う条件が必要となるし、繊維同士が絡み合うことまで期待できないために高い接合強度を期待できず、たとえば車両の高負荷を受ける上記骨格構造部材同士の接合への展開は難しい。
【０００８】
また、リベットによる接合方法では、被接合材に下孔を予め開設しておく必要があるが、これが繊維強化樹脂材の場合には孔加工に長時間を要するために量産に適しておらず、硬度の高い繊維強化樹脂材に孔加工をおこなうことから孔加工用の刃具の寿命が短くなってしまい、加工コストが嵩むという課題がある。
【０００９】
そこで、特許文献１で開示されるように、アルミ板や鋼板等同士を接合する際に適用されるセルフピアスリベットによる接合方法をＦＲＰ部材同士の接合に適用しようとする試みもある。ここで開示される接合方法は、接合される２つのＦＲＰ部材間に接着剤を塗工し、この接着剤が未硬化の状態でセルフピアスリベットを打ち込んで、リベットを上方のＦＲＰ部材に貫通させて下方のＦＲＰ部材内へその先端を留まらせるものである。
【００１０】
しかし、このように被接続部材の少なくとも一方がＦＲＰ部材である部材同士の接続にセルフピアスリベットによる接合方法を適用すると、リベットの先端の突き刺さりによってマトリックス樹脂が割れたり、ＦＲＰ繊維が切れたりしてしまい、リベットとＦＲＰ部材が金属板のように十分に固定され難い。さらには、接着剤の硬化と接合のタイミングを合わせる必要が生じ、これらＦＲＰ部材同士を接合して量産しようとする場合には量産工程上の制約が生じてしまう。また、セルフピアスリベットによる特殊接合ゆえに材料コストが嵩むといった課題もある。
【００１１】
従来の繊維強化樹脂材同士を接合する際の上記する種々の課題に鑑み、本発明者等は、セルフピアスリベットのような高価な接合具を使用することなく、繊維強化樹脂材同士を高い接合強度で接合することのできる接合方法とこの接合方法によって形成された接合構造の発案に至っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−２２９９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、接着剤による接合方法、溶着による接合方法、リベットやセルフピアスリベットを使用してなる接合方法のいずれの接合方法でもなく、繊維強化樹脂材同士を短時間でしかも高い接合強度で接合することのできる繊維強化樹脂材の接合方法とこの接合方法によって形成された繊維強化樹脂材の接合構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成すべく、本発明による繊維強化樹脂材の接合方法は、少なくとも２つの繊維強化樹脂材であって、ともにマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂材の少なくとも一部同士を重ね合わせて重ね合わせ箇所を形成し、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂シートを該重ね合わせ箇所の上面に配して、重ね合わせ箇所のマトリックス樹脂を軟化させる第１のステップ、前記繊維強化樹脂シートの上方から押し込みピンを押し込み、該繊維強化樹脂シートの一部と押し込みピンの一部を最下層の繊維強化樹脂材の途中位置まで到達させ、押し込みピンを取り外し、すべてのマトリックス樹脂を硬化させて少なくとも２つの繊維強化樹脂材の重ね合わせ箇所を押し込まれて変形した繊維強化樹脂シートで接合する第２のステップからなるものである。
【００１５】
本発明の繊維強化樹脂材の接合方法は、少なくとも２つのマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂材の重ね合わせ箇所の上に、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂シートを配してこれらを軟化させ、押し込みピンで繊維強化樹脂シートを最下層の繊維強化樹脂材まで押し込んで押し込みピンを取り外すことにより、押し込みピンの押し込みで凹溝が形成された繊維強化樹脂シートで２以上の繊維強化樹脂材同士を接合する方法である。
【００１６】
「２以上の繊維強化樹脂材同士」ゆえに、接合される繊維強化樹脂材は、２つであっても３以上であってもよいし、それらの形状形態も、平面状のもの同士を接合する形態や、湾曲状の３次元形状のもの同士を接合する形態、２以上の平面が相互に傾斜した３次元形状のもの同士、もしくはこのような３次元形状のものと平面状のものを接合する形態などであってもよい。さらに、接合される繊維強化樹脂材の用途としては、車両のピラーやロッカー、床下フロアなどの車両の骨格構造部材、ドアアウターパネルやフードなどの意匠性が要求される非構造部材などを挙げることができる。
【００１７】
この接合方法の第１のステップにおいてマトリックス樹脂を溶融させる形態としては、全ての部材を積層させた後に熱処理して溶融させる方法や、全ての部材を予めプレヒートしておき、これらを積層する方法、さらには、押し込みピンを熱処理しておいてこれによる押し込みの際に伝熱を利用してマトリックス樹脂を軟化させる方法などを挙げることができる。いずれの方法であっても、積層姿勢で隣接する繊維強化樹脂材が軟化状態から硬化することにより、双方の界面が接着されることによって接合される（界面接着）ことに加えて、押し込まれて変形しながら２以上の繊維強化樹脂材の間に押し込まれた繊維強化樹脂シートの特に繊維材が部材間を繋ぐことによっても接合が図られることから、極めて高い接合強度を期待することができる。
【００１８】
また、押し込みピンは最終的には取り外されることから、セルフピアスリベットによる接合のように接合部の重量が嵩むといった問題も生じ得ない。さらには、リベット接合のように下穴を開設しておくといった前処理が一切不要であること、接着剤による接合のように接着剤の強度発現まで長時間を要するといった問題もないことから、効率的な接合方法で軽量かつ高強度な接合構造を形成することができる。
【００１９】
ここで、繊維強化樹脂材や繊維強化樹脂シートは、長繊維や短繊維がマトリックス樹脂内にランダムに、もしくは所定の配向をもって埋設されたプリプレグシートやその積層体、長繊維よりも長い連続繊維がマトリックス樹脂内に一方向に配向された一方向材（ＵＤ材）からなるプリプレグシートやその積層体、連続繊維を含有する複数のプリプレグシートのそれぞれの連続繊維の配向が０度、９０度、±４５度等になるように積層してなる擬似等方材、連続繊維からなる経糸と緯糸からなる織物をマトリックス樹脂内に含有させてなるプリプレグシートやその積層体などを挙げることができる。また、プリプレグシートやその積層体のみならず、別途の成形型内で射出成形やＲＴＭ成形、ＳＭＣ成形等されて製作された部材などであってもよい。
【００２０】
繊維強化樹脂シートを構成する繊維材は、押し込みピンの径φと、押し込みピンが重ね合わせ箇所で埋め込まれる埋め込み長さＬの２倍の長さ２Ｌの合計長さφ＋２Ｌ以上の繊維長を有しているのが望ましい。
【００２１】
押し込みピンが取り外されてできた接続部において、繊維強化樹脂シートは最上層の繊維強化樹脂材の上面にその一部がフランジのように張り付き、その内側で押し込みの際に凹溝状に変形された部分は最上層の繊維強化樹脂材から最下層の繊維強化樹脂材の途中位置まで延びている。そこで、この繊維強化樹脂シート内の繊維材がφ＋２Ｌ以上の繊維長を有していることにより、最上層の繊維強化樹脂材から最下層の繊維強化樹脂材に至り、さらに最上層の繊維強化樹脂材まで連続した繊維材（断面的に見ると略Ｕの字状に連なった繊維材）にて接合部を補強することができるため、極めて高い接合強度を期待することができる。
【００２２】
また、繊維強化樹脂材や繊維強化樹脂シートを構成する熱可塑性樹脂からなるマトリックス樹脂としては、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）、ナイロン（ＰＡ：ナイロン６、ナイロン６６など）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの結晶性プラスチック、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ＡＢＳ樹脂、熱可塑性エポキシなどの非結晶性プラスチックなどを挙げることができる。なお、溶融した後に硬化して２以上の繊維強化樹脂材と繊維強化樹脂シートが接着された際の接着強度の観点で言えば、２以上の繊維強化樹脂材と繊維強化樹脂シートのすべてのマトリックス樹脂が同素材の熱可塑性樹脂からなるのが好ましい。
【００２３】
さらに、マトリックス樹脂内に含有されている繊維材（短繊維、長繊維、連続繊維）としては、ボロンやアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニアなどのセラミック繊維や、ガラス繊維や炭素繊維といった無機繊維、銅や鋼、アルミニウム、ステンレス等の金属繊維、ポリアミドやポリエステルなどの有機繊維のいずれか一種もしくは２種以上の混合材を使用することができる。
【００２４】
また、押し込みピンの断面形状も任意であり、円形、楕円形、正方形、長方形やそれ以外の多角形、十の字状などの断面形状を挙げることができる。
【００２５】
この押し込みピンの押し込みは、作業員の人力による押し込みやロボットハンドによる押し込み、さらには、セルフピアスリベットを押し込む際の押し込み機などを適用できる。
【００２６】
また、本発明は繊維強化樹脂材の接合構造にも及ぶものであり、この接合構造は、少なくとも２つの繊維強化樹脂材であって、ともにマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂材の少なくとも一部同士が重ね合わされてなる重ね合わせ箇所において、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂シートが該重ね合わせ箇所の上面から最下層の繊維強化樹脂材の途中位置まで押し込まれた姿勢で到達し、少なくとも２つの繊維強化樹脂材の重ね合わせ箇所を接合しているものである。
【００２７】
この接合構造においても、接合される繊維強化樹脂材は、２つであっても３以上であってもよいし、それらの形状形態も、平面状のもの同士を接合する形態や、湾曲状の３次元形状のもの同士を接合する形態、２以上の平面が相互に傾斜した３次元形状のもの同士、もしくはこのような３次元形状のものと平面状のものを接合する形態などがある。
【００２８】
そして、既述するように、少なくとも繊維強化樹脂シートを構成する繊維材は、押し込みピンの径φと、押し込みピンが重ね合わせ箇所で埋め込まれる埋め込み長さＬの２倍の長さ２Ｌの合計長さφ＋２Ｌ以上の繊維長を有しているのが望ましい。
【００２９】
本発明の繊維強化樹脂材の接合構造は、セルフピアスリベット等が接合構造内に存在せず、軽量な繊維強化樹脂シートにて繊維強化樹脂材同士の接合構造が形成されていることから軽量な接合構造となり、これが車両の骨格構造部材同士の接合や骨格構造部材と非骨格構造部材の接合構造の場合には、車両の軽量化に繋がるものとなる。
【００３０】
また、繊維強化樹脂シートを介して繊維強化樹脂材同士が接合されることに加えて、溶融状態の繊維強化樹脂材同士や繊維強化樹脂材と繊維強化樹脂シートが硬化することによる接合界面の接着により、極めて高い接合強度を有する接合構造となる。
【発明の効果】
【００３１】
以上の説明から理解できるように、本発明の繊維強化樹脂材の接合方法と接合構造によれば、少なくとも２つのマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂材の重ね合わせ箇所の上に、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂シートを配してこれらを軟化させ、押し込みピンで繊維強化樹脂シートを最下層の繊維強化樹脂材まで押し込んで押し込みピンを取り外す接合方法とこの方法によって形成される接合構造ゆえに、双方の界面が接着されることによって接合される（界面接着）ことに加えて、押し込まれて変形しながら２以上の繊維強化樹脂材の間に押し込まれた繊維強化樹脂シートの特に繊維材が部材間を繋ぐことによっても接合が図られることから、極めて高い接合強度を有する接合構造が得られる。また、この接合方法においては、押し込みピンは最終的に取り外されることから、セルフピアスリベットによる接合のように接合部の重量が嵩むといった問題も生じ得ないし、リベット接合のように下穴を開設しておくといった前処理も一切不要であり、接着剤による接合のように接着剤の強度発現まで長時間を要するといった問題もないことから、効率的な接合方法で軽量かつ高強度な接合構造を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の繊維強化樹脂材の接合方法の第１のステップを説明した模式図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はともに図１のII−II矢視図であって、押し込みピンの断面形状の実施の形態を示す図である。
【図３】図１に続いて、本発明の接合方法の第２のステップを説明した模式図である。
【図４】図３に続いて第２のステップを説明した模式図であって、本発明の繊維強化樹脂材の接合構造を説明した図である。
【図５】接合強度、接合材料費、前処理の有無、接合所要時間および接合材料重量を比較する実験で使用した、実施例の試験体の構成要素の寸法を説明した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示例は２つの平面状の繊維強化樹脂材同士を繋ぐ接合方法とこれによってできる接合構造を示すものであるが、３以上の繊維強化樹脂材が接合されるものであってもよいし、湾曲状や相互に傾斜した平面からなる３次元形状の繊維強化樹脂材同士を接合するものであってもよいことは勿論のことである。
【００３４】
図１，３，４はこの順で、本発明の繊維強化樹脂材の接合方法を説明するフロー図となっており、かつ、図４は、この接合方法によって得られる本発明の繊維強化樹脂材の接合構造をも示す図である。具体的には、図１は本発明の繊維強化樹脂材の接合方法の第１のステップを説明した模式図であり、図３，４は順に本発明の接合方法の第２のステップを説明した模式図である。
【００３５】
まず第１のステップとして、マトリックス樹脂１ａ，２ａが熱可塑性樹脂からなり、その中に繊維材１ｂ、２ｂがそれぞれ含有されてなる２つの繊維強化樹脂材１，２の一部同士を重ね合わせて重ね合わせ箇所を形成し、マトリックス樹脂３ａが熱可塑性樹脂からなり、その中に繊維材３ｂが含有されてなる繊維強化樹脂シート３を該重ね合わせ箇所の上面に配し、重ね合わせ箇所のマトリックス樹脂を軟化させる。
【００３６】
ここで、マトリックス樹脂１ａ，２ａ，３ａの軟化は、各部材を重ね合わせた後に熱処理して軟化させてもよいし、予めプレヒートされて軟化している部材同士を重ね合わせてもよい。さらには、熱処理されて高温の押し込みピンＰで繊維強化樹脂シート３を押し込む際に、押し込みピンＰからの伝熱によって各マトリックス樹脂が軟化するものであってもよい。
【００３７】
ここで、マトリックス樹脂１ａ，２ａ，３ａを構成する熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）、ナイロン（ＰＡ：ナイロン６、ナイロン６６など）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの結晶性プラスチック、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ＡＢＳ樹脂、熱可塑性エポキシなどの非結晶性プラスチックを使用できる。さらに、マトリックス樹脂１ａ，２ａ，３ａ内に含有されている繊維材１ｂ、２ｂ、３ｂとしては、ボロンやアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニアなどのセラミック繊維や、ガラス繊維や炭素繊維といった無機繊維、銅や鋼、アルミニウム、ステンレス等の金属繊維、ポリアミドやポリエステルなどの有機繊維のいずれか一種もしくは２種以上の混合材を使用することができる。
【００３８】
また、繊維強化樹脂材１，２や繊維強化樹脂シート３は、長繊維や短繊維がマトリックス樹脂内にランダムに、もしくは所定の配向をもって埋設されたプリプレグシートやその積層体、長繊維よりも長い連続繊維がマトリックス樹脂内に一方向に配向された一方向材（ＵＤ材）からなるプリプレグシートやその積層体、連続繊維を含有する複数のプリプレグシートのそれぞれの連続繊維の配向が０度、９０度、±４５度等になるように積層してなる擬似等方材、連続繊維からなる経糸と緯糸からなる織物をマトリックス樹脂内に含有させてなるプリプレグシートやその積層体などを挙げることができる。また、プリプレグシートの積層体のみならず、別途の成形型内で射出成形やＲＴＭ成形、ＳＭＣ成形等されて製作された部材などであってもよい。
【００３９】
繊維強化樹脂材１，２と繊維強化樹脂シート３が重ね合わされた重ね合わせ箇所の上方には、押し込みピンＰが位置決めされる。
【００４０】
この押し込みピンＰは、図２ａ，ｂ，ｃ，で示すような円形、楕円形、十の字状などの断面形状のもの、もしくは、正方形や長方形、これ以外の多角形（図示なし）の断面形状のものなどを適用できる。
【００４１】
軟化状態の繊維強化樹脂材１，２および繊維強化樹脂シート３に対して、押し込みピンＰを下方に押し込むことにより（図１のＸ方向）、図３で示すように、繊維強化樹脂シート３が押し込みピンＰによる押し込みで変形してその中央は凹溝を形成し、その周辺部は繊維強化樹脂材１の表面にフランジのように張り付いた姿勢をなす。
【００４２】
そして、押し込みピンＰによる押し込みによって繊維強化樹脂シート３の下方は繊維強化樹脂材２の途中位置にまで至る。
【００４３】
ここで、押し込みピンＰを押し込む手段は、作業員の人力やロボットハンド、セルフピアスリベットを押し込む際の押し込み機などのいずれかを適用できる。
【００４４】
繊維強化樹脂シート３を所望深度まで押し込んだら、図４で示すように押し込みピンＰを取り外し、すべてのマトリックス樹脂１ａ，２ａ，３ａが硬化することによって、繊維強化樹脂材の接合構造１０が形成される（第２のステップ）。
【００４５】
この接合構造１０は、繊維強化樹脂材１，２の界面、およびこれらと繊維強化樹脂シート３の界面が軟化状態から硬化することによって界面接着されることに加えて、押し込まれて変形しながら２以上の繊維強化樹脂材１，２の間に押し込まれた繊維強化樹脂シート３が双方を繋ぐことによっても接合が図られることから、極めて高い接合強度を有するものとなる。
【００４６】
特に、図示例の接合構造１０では、繊維強化樹脂シート３を構成する繊維材３ｂが、押し込みピンＰの径φと、押し込みピンＰが重ね合わせ箇所で埋め込まれる埋め込み長さＬの２倍の長さ２Ｌの合計長さφ＋２Ｌ以上の繊維長を有しており、したがって、図４の断面視において、略Ｕの字状の繊維強化樹脂シート３の全長に亘って連続する複数の繊維材３ｂが繊維強化樹脂材１，２を繋いでおり、このことによっても高い接合強度が保証されている。
【００４７】
また、図示する接合方法においては、押し込みピンＰは最終的に取り外されることから、セルフピアスリベットによる接合のように接合部の重量が嵩むといった問題も生じ得ないし、リベット接合のように下穴を開設しておくといった前処理も一切不要であり、接着剤による接合のように接着剤の強度発現まで長時間を要するといった問題もないことから、効率的な接合方法で軽量かつ高強度な接合構造１０を形成することができる。
【００４８】
[接合強度、接合材料費、前処理の有無、接合所要時間および接合材料重量を比較する実験とその結果]
本発明者等は、本発明の繊維強化樹脂材の接合方法によってできた接合構造（実施例）と従来の接合方法でできた接合構造（比較例１，２，３，４）の各試験体を試作し、それぞれの接合強度、接合材料費、前処理の有無、接合所要時間および接合材料重量を比較する実験をおこなった。
【００４９】
ここで、実施例の試験体は、図５で示すように、厚み３ｍｍで長さ１００ｍｍ、幅２５ｍｍの２枚の繊維強化樹脂材Ｍ１，Ｍ２であって、２５ｍｍ長の炭素繊維がランダムに配向した状態でポリアミド６樹脂からなるマトリックス樹脂内に含有された繊維強化樹脂材Ｍ１，Ｍ２を１０ｍｍ幅でラップさせ、この上に、炭素繊維の不織布にポリアミド６樹脂を複合化した直径φ２０ｍｍの平面視円形の繊維強化樹脂シートＭ３を配設し、２３０℃の高温雰囲気下で２５０℃以上に予熱しておいた押し込みピン（幅１０ｍｍ、厚み１ｍｍで下方から５ｍｍの高さ位置にフランジ）で繊維強化樹脂シートＭ３を繊維強化樹脂材Ｍ２の途中まで押し込み、引抜いて試験体Ｍを製作した。
【００５０】
一方、比較例１は、実施例と同様の繊維強化樹脂材を用い、サンディング、脱脂後にエポキシ接着剤で接合した。また、比較例２は、実施例と同様の繊維強化樹脂材を用い、振動溶着にて接合した。また、比較例３は、実施例と同様の繊維強化樹脂材を用い、下穴を加工した後にリベットにて接合した。さらに、比較例４は、実施例と同様の繊維強化樹脂材を用い、セルフピアスリベットにて双方を接合した。
【００５１】
実施例および比較例１〜４それぞれの接合強度、接合材料費、前処理の有無、接合所要時間および接合材料重量を求め、実施例の値を１に正規化し、各比較例の値を実施例に対する比率で特定した。なお、接合強度に関しては、接合された２つの繊維強化樹脂材に引張力を付与し、その際の界面におけるせん断強度を測定してこれを接合強度とした。実験結果を以下の表１に示す。
【００５２】
【表１】
【００５３】
表１より、接合強度（界面におけるせん断強度）に関しては、実施例は各比較例の１．２倍〜２倍もの高い強度を示すことが実証されている。
【００５４】
また、材料費、材料重量に関しては振動溶着による比較例２には及ばないものの、前処理も必要なく、接合所要時間は最も短くなっており、接合強度に優れた接合構造を高い作業効率の下で形成できることが実証されている。
【００５５】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５６】
１，２…繊維強化樹脂材、１ａ，２ａ…マトリックス樹脂、１ｂ、２ｂ…繊維材、３…繊維強化樹脂シート、３ａ…マトリックス樹脂、３ｂ…繊維材、１０…繊維強化樹脂材の接合構造、Ｐ…押し込みピン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２以上の繊維強化樹脂材の重ね合わせ箇所を接合する接合方法と接合構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
樹脂に強化用繊維材が混入されてなる繊維強化樹脂材（繊維強化プラスチック（ＦＲＰ））は、軽量かつ高強度であることから、自動車産業や建設産業、航空産業など、様々な産業分野で使用されている。
【０００３】
たとえば自動車産業においては、ピラーやロッカー、床下フロアなどの車両の骨格構造部材や、ドアアウターパネルやフードなどの意匠性が要求される非構造部材に上記繊維強化樹脂材が適用され、車両の強度保証を図りながらその軽量化を実現し、低燃費で環境フレンドリーな車両を製造する試みがおこなわれている。
【０００４】
上記する繊維強化樹脂材は、たとえば、径が数μｍの長繊維や短繊維がマトリックス樹脂内にランダムに、もしくは所定の配向をもって埋設されたプリプレグシートや、長繊維よりも長い連続繊維がマトリックス樹脂内に一方向に配向された一方向材（ＵＤ材）からなるプリプレグシートを成形型内で積層し、加熱処理することで製造される。また、同様に連続繊維を含有するプリプレグシートを使用し、各プリプレグシート内の連続繊維の配向を０度、９０度、±４５度等に積層して擬似等方材を形成したり、連続繊維からなる経糸と緯糸からなる織物をマトリックス樹脂内に含有させてなるプリプレグシートを使用し、やはりそれらを成形型内で積層し、加熱処理する製造方法などもある。
【０００５】
ところで、上記する繊維強化樹脂材同士の接合方法に関しては、接着剤で接合する方法や溶着で接合する方法、リベットで接合する方法、さらにはそれらを組み合わせた接合方法などが一般に用いられているが、それぞれに課題を有している。
【０００６】
接着剤による接合方法では、被接合材の材料種によっては接合強度が発揮されないことから、繊維強化樹脂材を形成するマトリックス樹脂の材料種に応じて接着剤の種類を選別しなければならず、さらには、接着剤が一般に熱硬化系材料からなることからその反応までに時間を要するという課題がある。
【０００７】
溶着による接合方法では、繊維強化樹脂材を形成するマトリックス樹脂が熱可塑系材料からなる場合に、高分子同士が絡み合う条件が必要となるし、繊維同士が絡み合うことまで期待できないために高い接合強度を期待できず、たとえば車両の高負荷を受ける上記骨格構造部材同士の接合への展開は難しい。
【０００８】
また、リベットによる接合方法では、被接合材に下孔を予め開設しておく必要があるが、これが繊維強化樹脂材の場合には孔加工に長時間を要するために量産に適しておらず、硬度の高い繊維強化樹脂材に孔加工をおこなうことから孔加工用の刃具の寿命が短くなってしまい、加工コストが嵩むという課題がある。
【０００９】
そこで、特許文献１で開示されるように、アルミ板や鋼板等同士を接合する際に適用されるセルフピアスリベットによる接合方法をＦＲＰ部材同士の接合に適用しようとする試みもある。ここで開示される接合方法は、接合される２つのＦＲＰ部材間に接着剤を塗工し、この接着剤が未硬化の状態でセルフピアスリベットを打ち込んで、リベットを上方のＦＲＰ部材に貫通させて下方のＦＲＰ部材内へその先端を留まらせるものである。
【００１０】
しかし、このように被接続部材の少なくとも一方がＦＲＰ部材である部材同士の接続にセルフピアスリベットによる接合方法を適用すると、リベットの先端の突き刺さりによってマトリックス樹脂が割れたり、ＦＲＰ繊維が切れたりしてしまい、リベットとＦＲＰ部材が金属板のように十分に固定され難い。さらには、接着剤の硬化と接合のタイミングを合わせる必要が生じ、これらＦＲＰ部材同士を接合して量産しようとする場合には量産工程上の制約が生じてしまう。また、セルフピアスリベットによる特殊接合ゆえに材料コストが嵩むといった課題もある。
【００１１】
従来の繊維強化樹脂材同士を接合する際の上記する種々の課題に鑑み、本発明者等は、セルフピアスリベットのような高価な接合具を使用することなく、繊維強化樹脂材同士を高い接合強度で接合することのできる接合方法とこの接合方法によって形成された接合構造の発案に至っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−２２９９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、接着剤による接合方法、溶着による接合方法、リベットやセルフピアスリベットを使用してなる接合方法のいずれの接合方法でもなく、繊維強化樹脂材同士を短時間でしかも高い接合強度で接合することのできる繊維強化樹脂材の接合方法とこの接合方法によって形成された繊維強化樹脂材の接合構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成すべく、本発明による繊維強化樹脂材の接合方法は、少なくとも２つの繊維強化樹脂材であって、ともにマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂材の少なくとも一部同士を重ね合わせて重ね合わせ箇所を形成し、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂シートを該重ね合わせ箇所の上面に配して、重ね合わせ箇所のマトリックス樹脂を軟化させる第１のステップ、前記繊維強化樹脂シートの上方から押し込みピンを押し込み、該繊維強化樹脂シートの一部と押し込みピンの一部を最下層の繊維強化樹脂材の途中位置まで到達させ、押し込みピンを取り外し、すべてのマトリックス樹脂を硬化させて少なくとも２つの繊維強化樹脂材の重ね合わせ箇所を押し込まれて変形した繊維強化樹脂シートで接合する第２のステップからなるものである。
【００１５】
本発明の繊維強化樹脂材の接合方法は、少なくとも２つのマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂材の重ね合わせ箇所の上に、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂シートを配してこれらを軟化させ、押し込みピンで繊維強化樹脂シートを最下層の繊維強化樹脂材まで押し込んで押し込みピンを取り外すことにより、押し込みピンの押し込みで凹溝が形成された繊維強化樹脂シートで２以上の繊維強化樹脂材同士を接合する方法である。
【００１６】
「２以上の繊維強化樹脂材同士」ゆえに、接合される繊維強化樹脂材は、２つであっても３以上であってもよいし、それらの形状形態も、平面状のもの同士を接合する形態や、湾曲状の３次元形状のもの同士を接合する形態、２以上の平面が相互に傾斜した３次元形状のもの同士、もしくはこのような３次元形状のものと平面状のものを接合する形態などであってもよい。さらに、接合される繊維強化樹脂材の用途としては、車両のピラーやロッカー、床下フロアなどの車両の骨格構造部材、ドアアウターパネルやフードなどの意匠性が要求される非構造部材などを挙げることができる。
【００１７】
この接合方法の第１のステップにおいてマトリックス樹脂を溶融させる形態としては、全ての部材を積層させた後に熱処理して溶融させる方法や、全ての部材を予めプレヒートしておき、これらを積層する方法、さらには、押し込みピンを熱処理しておいてこれによる押し込みの際に伝熱を利用してマトリックス樹脂を軟化させる方法などを挙げることができる。いずれの方法であっても、積層姿勢で隣接する繊維強化樹脂材が軟化状態から硬化することにより、双方の界面が接着されることによって接合される（界面接着）ことに加えて、押し込まれて変形しながら２以上の繊維強化樹脂材の間に押し込まれた繊維強化樹脂シートの特に繊維材が部材間を繋ぐことによっても接合が図られることから、極めて高い接合強度を期待することができる。
【００１８】
また、押し込みピンは最終的には取り外されることから、セルフピアスリベットによる接合のように接合部の重量が嵩むといった問題も生じ得ない。さらには、リベット接合のように下穴を開設しておくといった前処理が一切不要であること、接着剤による接合のように接着剤の強度発現まで長時間を要するといった問題もないことから、効率的な接合方法で軽量かつ高強度な接合構造を形成することができる。
【００１９】
ここで、繊維強化樹脂材や繊維強化樹脂シートは、長繊維や短繊維がマトリックス樹脂内にランダムに、もしくは所定の配向をもって埋設されたプリプレグシートやその積層体、長繊維よりも長い連続繊維がマトリックス樹脂内に一方向に配向された一方向材（ＵＤ材）からなるプリプレグシートやその積層体、連続繊維を含有する複数のプリプレグシートのそれぞれの連続繊維の配向が０度、９０度、±４５度等になるように積層してなる擬似等方材、連続繊維からなる経糸と緯糸からなる織物をマトリックス樹脂内に含有させてなるプリプレグシートやその積層体などを挙げることができる。また、プリプレグシートやその積層体のみならず、別途の成形型内で射出成形やＲＴＭ成形、ＳＭＣ成形等されて製作された部材などであってもよい。
【００２０】
繊維強化樹脂シートを構成する繊維材は、押し込みピンの径φと、押し込みピンが重ね合わせ箇所で埋め込まれる埋め込み長さＬの２倍の長さ２Ｌの合計長さφ＋２Ｌ以上の繊維長を有しているのが望ましい。
【００２１】
押し込みピンが取り外されてできた接続部において、繊維強化樹脂シートは最上層の繊維強化樹脂材の上面にその一部がフランジのように張り付き、その内側で押し込みの際に凹溝状に変形された部分は最上層の繊維強化樹脂材から最下層の繊維強化樹脂材の途中位置まで延びている。そこで、この繊維強化樹脂シート内の繊維材がφ＋２Ｌ以上の繊維長を有していることにより、最上層の繊維強化樹脂材から最下層の繊維強化樹脂材に至り、さらに最上層の繊維強化樹脂材まで連続した繊維材（断面的に見ると略Ｕの字状に連なった繊維材）にて接合部を補強することができるため、極めて高い接合強度を期待することができる。
【００２２】
また、繊維強化樹脂材や繊維強化樹脂シートを構成する熱可塑性樹脂からなるマトリックス樹脂としては、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）、ナイロン（ＰＡ：ナイロン６、ナイロン６６など）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの結晶性プラスチック、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ＡＢＳ樹脂、熱可塑性エポキシなどの非結晶性プラスチックなどを挙げることができる。なお、溶融した後に硬化して２以上の繊維強化樹脂材と繊維強化樹脂シートが接着された際の接着強度の観点で言えば、２以上の繊維強化樹脂材と繊維強化樹脂シートのすべてのマトリックス樹脂が同素材の熱可塑性樹脂からなるのが好ましい。
【００２３】
さらに、マトリックス樹脂内に含有されている繊維材（短繊維、長繊維、連続繊維）としては、ボロンやアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニアなどのセラミック繊維や、ガラス繊維や炭素繊維といった無機繊維、銅や鋼、アルミニウム、ステンレス等の金属繊維、ポリアミドやポリエステルなどの有機繊維のいずれか一種もしくは２種以上の混合材を使用することができる。
【００２４】
また、押し込みピンの断面形状も任意であり、円形、楕円形、正方形、長方形やそれ以外の多角形、十の字状などの断面形状を挙げることができる。
【００２５】
この押し込みピンの押し込みは、作業員の人力による押し込みやロボットハンドによる押し込み、さらには、セルフピアスリベットを押し込む際の押し込み機などを適用できる。
【００２６】
また、本発明は繊維強化樹脂材の接合構造にも及ぶものであり、この接合構造は、少なくとも２つの繊維強化樹脂材であって、ともにマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂材の少なくとも一部同士が重ね合わされてなる重ね合わせ箇所において、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂シートが該重ね合わせ箇所の上面から最下層の繊維強化樹脂材の途中位置まで押し込まれた姿勢で到達し、少なくとも２つの繊維強化樹脂材の重ね合わせ箇所を接合しているものである。
【００２７】
この接合構造においても、接合される繊維強化樹脂材は、２つであっても３以上であってもよいし、それらの形状形態も、平面状のもの同士を接合する形態や、湾曲状の３次元形状のもの同士を接合する形態、２以上の平面が相互に傾斜した３次元形状のもの同士、もしくはこのような３次元形状のものと平面状のものを接合する形態などがある。
【００２８】
そして、既述するように、少なくとも繊維強化樹脂シートを構成する繊維材は、押し込みピンの径φと、押し込みピンが重ね合わせ箇所で埋め込まれる埋め込み長さＬの２倍の長さ２Ｌの合計長さφ＋２Ｌ以上の繊維長を有しているのが望ましい。
【００２９】
本発明の繊維強化樹脂材の接合構造は、セルフピアスリベット等が接合構造内に存在せず、軽量な繊維強化樹脂シートにて繊維強化樹脂材同士の接合構造が形成されていることから軽量な接合構造となり、これが車両の骨格構造部材同士の接合や骨格構造部材と非骨格構造部材の接合構造の場合には、車両の軽量化に繋がるものとなる。
【００３０】
また、繊維強化樹脂シートを介して繊維強化樹脂材同士が接合されることに加えて、溶融状態の繊維強化樹脂材同士や繊維強化樹脂材と繊維強化樹脂シートが硬化することによる接合界面の接着により、極めて高い接合強度を有する接合構造となる。
【発明の効果】
【００３１】
以上の説明から理解できるように、本発明の繊維強化樹脂材の接合方法と接合構造によれば、少なくとも２つのマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂材の重ね合わせ箇所の上に、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂シートを配してこれらを軟化させ、押し込みピンで繊維強化樹脂シートを最下層の繊維強化樹脂材まで押し込んで押し込みピンを取り外す接合方法とこの方法によって形成される接合構造ゆえに、双方の界面が接着されることによって接合される（界面接着）ことに加えて、押し込まれて変形しながら２以上の繊維強化樹脂材の間に押し込まれた繊維強化樹脂シートの特に繊維材が部材間を繋ぐことによっても接合が図られることから、極めて高い接合強度を有する接合構造が得られる。また、この接合方法においては、押し込みピンは最終的に取り外されることから、セルフピアスリベットによる接合のように接合部の重量が嵩むといった問題も生じ得ないし、リベット接合のように下穴を開設しておくといった前処理も一切不要であり、接着剤による接合のように接着剤の強度発現まで長時間を要するといった問題もないことから、効率的な接合方法で軽量かつ高強度な接合構造を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の繊維強化樹脂材の接合方法の第１のステップを説明した模式図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はともに図１のII−II矢視図であって、押し込みピンの断面形状の実施の形態を示す図である。
【図３】図１に続いて、本発明の接合方法の第２のステップを説明した模式図である。
【図４】図３に続いて第２のステップを説明した模式図であって、本発明の繊維強化樹脂材の接合構造を説明した図である。
【図５】接合強度、接合材料費、前処理の有無、接合所要時間および接合材料重量を比較する実験で使用した、実施例の試験体の構成要素の寸法を説明した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示例は２つの平面状の繊維強化樹脂材同士を繋ぐ接合方法とこれによってできる接合構造を示すものであるが、３以上の繊維強化樹脂材が接合されるものであってもよいし、湾曲状や相互に傾斜した平面からなる３次元形状の繊維強化樹脂材同士を接合するものであってもよいことは勿論のことである。
【００３４】
図１，３，４はこの順で、本発明の繊維強化樹脂材の接合方法を説明するフロー図となっており、かつ、図４は、この接合方法によって得られる本発明の繊維強化樹脂材の接合構造をも示す図である。具体的には、図１は本発明の繊維強化樹脂材の接合方法の第１のステップを説明した模式図であり、図３，４は順に本発明の接合方法の第２のステップを説明した模式図である。
【００３５】
まず第１のステップとして、マトリックス樹脂１ａ，２ａが熱可塑性樹脂からなり、その中に繊維材１ｂ、２ｂがそれぞれ含有されてなる２つの繊維強化樹脂材１，２の一部同士を重ね合わせて重ね合わせ箇所を形成し、マトリックス樹脂３ａが熱可塑性樹脂からなり、その中に繊維材３ｂが含有されてなる繊維強化樹脂シート３を該重ね合わせ箇所の上面に配し、重ね合わせ箇所のマトリックス樹脂を軟化させる。
【００３６】
ここで、マトリックス樹脂１ａ，２ａ，３ａの軟化は、各部材を重ね合わせた後に熱処理して軟化させてもよいし、予めプレヒートされて軟化している部材同士を重ね合わせてもよい。さらには、熱処理されて高温の押し込みピンＰで繊維強化樹脂シート３を押し込む際に、押し込みピンＰからの伝熱によって各マトリックス樹脂が軟化するものであってもよい。
【００３７】
ここで、マトリックス樹脂１ａ，２ａ，３ａを構成する熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）、ナイロン（ＰＡ：ナイロン６、ナイロン６６など）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの結晶性プラスチック、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ＡＢＳ樹脂、熱可塑性エポキシなどの非結晶性プラスチックを使用できる。さらに、マトリックス樹脂１ａ，２ａ，３ａ内に含有されている繊維材１ｂ、２ｂ、３ｂとしては、ボロンやアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニアなどのセラミック繊維や、ガラス繊維や炭素繊維といった無機繊維、銅や鋼、アルミニウム、ステンレス等の金属繊維、ポリアミドやポリエステルなどの有機繊維のいずれか一種もしくは２種以上の混合材を使用することができる。
【００３８】
また、繊維強化樹脂材１，２や繊維強化樹脂シート３は、長繊維や短繊維がマトリックス樹脂内にランダムに、もしくは所定の配向をもって埋設されたプリプレグシートやその積層体、長繊維よりも長い連続繊維がマトリックス樹脂内に一方向に配向された一方向材（ＵＤ材）からなるプリプレグシートやその積層体、連続繊維を含有する複数のプリプレグシートのそれぞれの連続繊維の配向が０度、９０度、±４５度等になるように積層してなる擬似等方材、連続繊維からなる経糸と緯糸からなる織物をマトリックス樹脂内に含有させてなるプリプレグシートやその積層体などを挙げることができる。また、プリプレグシートの積層体のみならず、別途の成形型内で射出成形やＲＴＭ成形、ＳＭＣ成形等されて製作された部材などであってもよい。
【００３９】
繊維強化樹脂材１，２と繊維強化樹脂シート３が重ね合わされた重ね合わせ箇所の上方には、押し込みピンＰが位置決めされる。
【００４０】
この押し込みピンＰは、図２ａ，ｂ，ｃ，で示すような円形、楕円形、十の字状などの断面形状のもの、もしくは、正方形や長方形、これ以外の多角形（図示なし）の断面形状のものなどを適用できる。
【００４１】
軟化状態の繊維強化樹脂材１，２および繊維強化樹脂シート３に対して、押し込みピンＰを下方に押し込むことにより（図１のＸ方向）、図３で示すように、繊維強化樹脂シート３が押し込みピンＰによる押し込みで変形してその中央は凹溝を形成し、その周辺部は繊維強化樹脂材１の表面にフランジのように張り付いた姿勢をなす。
【００４２】
そして、押し込みピンＰによる押し込みによって繊維強化樹脂シート３の下方は繊維強化樹脂材２の途中位置にまで至る。
【００４３】
ここで、押し込みピンＰを押し込む手段は、作業員の人力やロボットハンド、セルフピアスリベットを押し込む際の押し込み機などのいずれかを適用できる。
【００４４】
繊維強化樹脂シート３を所望深度まで押し込んだら、図４で示すように押し込みピンＰを取り外し、すべてのマトリックス樹脂１ａ，２ａ，３ａが硬化することによって、繊維強化樹脂材の接合構造１０が形成される（第２のステップ）。
【００４５】
この接合構造１０は、繊維強化樹脂材１，２の界面、およびこれらと繊維強化樹脂シート３の界面が軟化状態から硬化することによって界面接着されることに加えて、押し込まれて変形しながら２以上の繊維強化樹脂材１，２の間に押し込まれた繊維強化樹脂シート３が双方を繋ぐことによっても接合が図られることから、極めて高い接合強度を有するものとなる。
【００４６】
特に、図示例の接合構造１０では、繊維強化樹脂シート３を構成する繊維材３ｂが、押し込みピンＰの径φと、押し込みピンＰが重ね合わせ箇所で埋め込まれる埋め込み長さＬの２倍の長さ２Ｌの合計長さφ＋２Ｌ以上の繊維長を有しており、したがって、図４の断面視において、略Ｕの字状の繊維強化樹脂シート３の全長に亘って連続する複数の繊維材３ｂが繊維強化樹脂材１，２を繋いでおり、このことによっても高い接合強度が保証されている。
【００４７】
また、図示する接合方法においては、押し込みピンＰは最終的に取り外されることから、セルフピアスリベットによる接合のように接合部の重量が嵩むといった問題も生じ得ないし、リベット接合のように下穴を開設しておくといった前処理も一切不要であり、接着剤による接合のように接着剤の強度発現まで長時間を要するといった問題もないことから、効率的な接合方法で軽量かつ高強度な接合構造１０を形成することができる。
【００４８】
[接合強度、接合材料費、前処理の有無、接合所要時間および接合材料重量を比較する実験とその結果]
本発明者等は、本発明の繊維強化樹脂材の接合方法によってできた接合構造（実施例）と従来の接合方法でできた接合構造（比較例１，２，３，４）の各試験体を試作し、それぞれの接合強度、接合材料費、前処理の有無、接合所要時間および接合材料重量を比較する実験をおこなった。
【００４９】
ここで、実施例の試験体は、図５で示すように、厚み３ｍｍで長さ１００ｍｍ、幅２５ｍｍの２枚の繊維強化樹脂材Ｍ１，Ｍ２であって、２５ｍｍ長の炭素繊維がランダムに配向した状態でポリアミド６樹脂からなるマトリックス樹脂内に含有された繊維強化樹脂材Ｍ１，Ｍ２を１０ｍｍ幅でラップさせ、この上に、炭素繊維の不織布にポリアミド６樹脂を複合化した直径φ２０ｍｍの平面視円形の繊維強化樹脂シートＭ３を配設し、２３０℃の高温雰囲気下で２５０℃以上に予熱しておいた押し込みピン（幅１０ｍｍ、厚み１ｍｍで下方から５ｍｍの高さ位置にフランジ）で繊維強化樹脂シートＭ３を繊維強化樹脂材Ｍ２の途中まで押し込み、引抜いて試験体Ｍを製作した。
【００５０】
一方、比較例１は、実施例と同様の繊維強化樹脂材を用い、サンディング、脱脂後にエポキシ接着剤で接合した。また、比較例２は、実施例と同様の繊維強化樹脂材を用い、振動溶着にて接合した。また、比較例３は、実施例と同様の繊維強化樹脂材を用い、下穴を加工した後にリベットにて接合した。さらに、比較例４は、実施例と同様の繊維強化樹脂材を用い、セルフピアスリベットにて双方を接合した。
【００５１】
実施例および比較例１〜４それぞれの接合強度、接合材料費、前処理の有無、接合所要時間および接合材料重量を求め、実施例の値を１に正規化し、各比較例の値を実施例に対する比率で特定した。なお、接合強度に関しては、接合された２つの繊維強化樹脂材に引張力を付与し、その際の界面におけるせん断強度を測定してこれを接合強度とした。実験結果を以下の表１に示す。
【００５２】
【表１】
【００５３】
表１より、接合強度（界面におけるせん断強度）に関しては、実施例は各比較例の１．２倍〜２倍もの高い強度を示すことが実証されている。
【００５４】
また、材料費、材料重量に関しては振動溶着による比較例２には及ばないものの、前処理も必要なく、接合所要時間は最も短くなっており、接合強度に優れた接合構造を高い作業効率の下で形成できることが実証されている。
【００５５】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５６】
１，２…繊維強化樹脂材、１ａ，２ａ…マトリックス樹脂、１ｂ、２ｂ…繊維材、３…繊維強化樹脂シート、３ａ…マトリックス樹脂、３ｂ…繊維材、１０…繊維強化樹脂材の接合構造、Ｐ…押し込みピン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂材の少なくとも一部同士を重ね合わせて重ね合わせ箇所を形成し、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂シートを該重ね合わせ箇所の上面に配して、重ね合わせ箇所のマトリックス樹脂を軟化させる第１のステップ、
前記繊維強化樹脂シートの上方から押し込みピンを押し込み、該繊維強化樹脂シートの一部と押し込みピンの一部を最下層の繊維強化樹脂材の途中位置まで到達させ、押し込みピンを取り外し、すべてのマトリックス樹脂を硬化させて少なくとも２つの繊維強化樹脂材の重ね合わせ箇所を押し込まれて変形した繊維強化樹脂シートで接合する第２のステップからなる繊維強化樹脂材の接合方法。
【請求項２】
前記繊維強化樹脂シート内の繊維材が、押し込みピンの径φと、押し込みピンが重ね合わせ箇所で埋め込まれる埋め込み長さＬの２倍の長さ２Ｌの合計長さφ＋２Ｌ以上の繊維長を有している請求項１に記載の繊維強化樹脂材の接合方法。
【請求項３】
少なくとも２つのマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂材の少なくとも一部同士が重ね合わされてなる重ね合わせ箇所において、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂シートが該重ね合わせ箇所の上面から最下層の繊維強化樹脂材の途中位置まで押し込まれた姿勢で到達し、少なくとも２つの繊維強化樹脂材の重ね合わせ箇所を接合している繊維強化樹脂材の接合構造。
【請求項４】
前記繊維強化樹脂シート内の繊維材が、押し込みピンの径φと、押し込みピンが重ね合わせ箇所で埋め込まれる埋め込み長さＬの２倍の長さ２Ｌの合計長さφ＋２Ｌ以上の繊維長を有している請求項３に記載の繊維強化樹脂材の接合構造。
【請求項１】
少なくとも２つのマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂材の少なくとも一部同士を重ね合わせて重ね合わせ箇所を形成し、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂シートを該重ね合わせ箇所の上面に配して、重ね合わせ箇所のマトリックス樹脂を軟化させる第１のステップ、
前記繊維強化樹脂シートの上方から押し込みピンを押し込み、該繊維強化樹脂シートの一部と押し込みピンの一部を最下層の繊維強化樹脂材の途中位置まで到達させ、押し込みピンを取り外し、すべてのマトリックス樹脂を硬化させて少なくとも２つの繊維強化樹脂材の重ね合わせ箇所を押し込まれて変形した繊維強化樹脂シートで接合する第２のステップからなる繊維強化樹脂材の接合方法。
【請求項２】
前記繊維強化樹脂シート内の繊維材が、押し込みピンの径φと、押し込みピンが重ね合わせ箇所で埋め込まれる埋め込み長さＬの２倍の長さ２Ｌの合計長さφ＋２Ｌ以上の繊維長を有している請求項１に記載の繊維強化樹脂材の接合方法。
【請求項３】
少なくとも２つのマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂材の少なくとも一部同士が重ね合わされてなる重ね合わせ箇所において、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂シートが該重ね合わせ箇所の上面から最下層の繊維強化樹脂材の途中位置まで押し込まれた姿勢で到達し、少なくとも２つの繊維強化樹脂材の重ね合わせ箇所を接合している繊維強化樹脂材の接合構造。
【請求項４】
前記繊維強化樹脂シート内の繊維材が、押し込みピンの径φと、押し込みピンが重ね合わせ箇所で埋め込まれる埋め込み長さＬの２倍の長さ２Ｌの合計長さφ＋２Ｌ以上の繊維長を有している請求項３に記載の繊維強化樹脂材の接合構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２３２４５３（Ｐ２０１２−２３２４５３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０１５５６（Ｐ２０１１−１０１５５６）
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【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２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]