ＦＲＰ複合シャフト及びその製造方法
【課題】ＦＲＰ円筒と継手部材の接合部に捩り方向の力が加わったときに起こる接着剤破壊（接着界面破壊）を確実に防止し、加工が簡単で低コストであるＦＲＰ複合シャフト及びその製造方法を得ること。
【解決手段】本発明は、ＦＲＰ円筒の中空端部内に継手部材を挿入し、接着剤を介して接合してなるＦＲＰ複合シャフトにおいて、上記ＦＲＰ円筒の内周面と上記継手部材の外周面の間のクリアランス内に挿入する上記接着剤中に、上記ＦＲＰ円筒の内周面の呼び径と上記継手部材の外周面の呼び径との差をＸとしたとき、Ｘ／２よりも粒径が大きくかつ上記ＦＲＰ円筒及び上記継手部材よりも機械的強度が強い無機粒子を含有させたことを特徴としている。
【解決手段】本発明は、ＦＲＰ円筒の中空端部内に継手部材を挿入し、接着剤を介して接合してなるＦＲＰ複合シャフトにおいて、上記ＦＲＰ円筒の内周面と上記継手部材の外周面の間のクリアランス内に挿入する上記接着剤中に、上記ＦＲＰ円筒の内周面の呼び径と上記継手部材の外周面の呼び径との差をＸとしたとき、Ｘ／２よりも粒径が大きくかつ上記ＦＲＰ円筒及び上記継手部材よりも機械的強度が強い無機粒子を含有させたことを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば車両のフレームに用いられるＦＲＰ複合シャフト及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＲＰ複合シャフトは、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスチックス）円筒の中空端部内に例えば金属製の継手部材を挿入し、接着剤を介して接合してなるもので、全体が金属のシャフトに比べて軽量という利点がある。しかし、ＦＲＰ円筒と継手部材との接合強度を如何にして高くするかが大きな技術課題であり、従来各種の提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、フランジ継手の嵌合部の外周面上に軸線方向に延びる複数の突条からなる嵌合のきつい接合部を形成し、嵌合部の外周面及びＣＦＲＰ製シャフトの端部内周面に接着剤を塗布してフランジ継手をＣＦＲＰ製シャフトの端部に挿入して接着固定することにより、突条がある部分でフランジ継手とＣＦＲＰ製シャフトの同軸度及び真直度を向上させるとともに、突条がない部分に接着剤を行き渡らせて接合強度を高めることが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ＦＲＰ製シャフトの端部に挿入される継手のボスの外周面の一部にローレット歯によって凹凸加工を施すとともに、この凹凸部の外表面を砥石によって研削して案内部を形成し、この案内部によって継手をＦＲＰ製シャフトに対してセンタリングした状態でボスとＦＲＰ製シャフトとの間に介在される接着剤によって接着固定することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−８３２４０号公報
【特許文献２】特開平１１−１６６５５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、本発明者らによれば、ＦＲＰ複合シャフトにおいては、ＦＲＰ円筒と継手部材の接合部に捩り方向の力が加わったときに起こる接着剤破壊（接着界面破壊）を防止する必要があるのに対し、特許文献１及び特許文献２記載の従来技術は、この接着剤破壊への対策が十分とは言えない。接着剤破壊が起こるとＦＲＰ円筒と継手部材が自由に相対回転できる状態となってトルクを伝達できず、もはやＦＲＰ複合シャフトとしての機能を発揮することができない。
【０００７】
また、特許文献１及び特許文献２記載の従来技術にあっては、フランジ継手の嵌合部の外周面上に軸線方向に延びる複数の突条を形成する加工及びＦＲＰ製シャフトの端部に挿入される継手のボスの外周面の一部にローレット歯によって凹凸加工を施す加工が長時間に亘って煩雑であり、加工コストが高くなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、以上の問題意識に基づき、ＦＲＰ円筒と継手部材の接合部に捩り方向の力が加わったときに起こる接着剤破壊（接着界面破壊）を確実に防止し、加工が簡単で低コストであるＦＲＰ複合シャフト及びその製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、従来ＦＲＰ円筒と継手部材を接合するための接着剤中に、ＦＲＰ円筒の内周面と継手部材の外周面のクリアランスより粒径が大きくかつＦＲＰ円筒及び継手部材よりも機械的強度が強い無機粒子を含有させれば、ＦＲＰ円筒と継手部材の接合部に捩り方向の力が加わっても、この無機粒子がＦＲＰ円筒と継手部材の双方に噛み合って（引っ掛って）捩り方向の力を受け止める結果、接着剤が変形して破壊されるのを効果的に防止することができるとの結論に達して、本発明をするに至った。
【００１０】
すなわち、本発明のＦＲＰ複合シャフトは、ＦＲＰ円筒の中空端部内に継手部材を挿入し、接着剤を介して接合してなるＦＲＰ複合シャフトにおいて、上記ＦＲＰ円筒の内周面と上記継手部材の外周面の間のクリアランス内に挿入する上記接着剤中に、上記ＦＲＰ円筒の内周面の呼び径と上記継手部材の外周面の呼び径との差をＸとしたとき、Ｘ／２よりも粒径が大きくかつ上記ＦＲＰ円筒及び上記継手部材よりも機械的強度が強い無機粒子を含有させたことを特徴としている。
【００１１】
また本発明のＦＲＰ複合シャフトの製造方法は、ＦＲＰ円筒の中空端部内に継手部材を挿入し、接着剤を介して接合するＦＲＰ複合シャフトの製造方法において、上記ＦＲＰ円筒の内周面の呼び径と上記継手部材の外周面の呼び径をそれぞれ測定するステップ；測定されたＦＲＰ円筒の内周面の呼び径と継手部材の外周面の呼び径との差をＸとしたとき、Ｘ／２よりも粒径が大きくかつ上記ＦＲＰ円筒及び上記継手部材よりも機械的強度が強い無機粒子を含む無機粒子群を選択するステップ；及び選択した無機粒子群を接着剤中に混合し、その混合接着剤をＦＲＰ円筒の内周面と継手部材の外周面との間のクリアランス内に挿入して固化させるステップ；を有することを特徴としている。
【００１２】
継手部材を金属製（例えばアルミニウム製）として、ＦＲＰ円筒と金属性の継手部材を接合したＦＲＰ金属複合シャフトとすることができる。あるいは、継手部材を接着剤よりも強度の強い樹脂を用いたＦＲＰ製として、ＦＲＰどうしを接合した複合シャフトとすることもできる。すなわち、継手部材の材質は、接着剤よりも強度が強いものであれば特に限定されない。
【００１３】
「ＦＲＰ円筒の内周面の呼び径」は、例えばボアマチックゲージなどの内径測定装置によりＦＲＰ円筒の内周面の径をその周方向位置を変えながら複数回測定し、その測定値を平均したものを意味する。また、「継手部材の外周面の呼び径」は、例えばノギスなどの測定装置により継手部材の外周面の径をその周方向位置を変えながら複数回測定し、その測定値を平均したものを意味する。
【００１４】
Ｘ／２よりも粒径が大きい無機粒子を、Ｘ／２のクリアランス内に介在させることは一見不可能であるが、実際には、ＦＲＰ円筒の内周面と継手部材の外周面（特にＦＲＰ円筒の内周面）は幾何的な円筒面ではなくて、微小な凹凸が存在することから、充分可能であることが確かめられた。そして、Ｘ／２のクリアランス内に、Ｘ／２よりも大きい粒径の無機粒子を介在させることで、無機粒子がＦＲＰ円筒と継手部材の双方に噛み合って（引っ掛って）捩り方向の力を受け止める結果、接着剤が変形して破壊されるのを効果的に防止することができる。
【００１５】
好ましい一態様では、上記継手部材は、上記ＦＲＰ円筒の内周面に密に嵌合する密嵌合部と、同ＦＲＰ円筒の内周面に緩く嵌合する緩嵌合部とを有していて、上記ＦＲＰ円筒の内周面と上記継手部材の緩嵌合部の外周面の間のクリアランス内に上記接着剤（混合接着剤）が挿入される。
【００１６】
無機粒子（群）の選択（選定）には、各種の手法が考えられる。例えば、全粒子数を１００としたとき、上記Ｘ／２よりも粒径が大きい無機粒子が３０以上含まれる度数分布を示す無機粒子（群）を選択することが好ましい。
【００１７】
このような無機粒子（群）を選択することにより、ＦＲＰ円筒（の内周面）と継手部材（の外周面）に噛み合って捩り方向の力を受け止める無機粒子が一定の割合で存在するので、接着剤破壊を効果的に防止することができる。
【００１８】
あるいは、無機粒子の粒径は、Ｘ／２[mm]〜（Ｘ／２＋０．１）[mm]の範囲内とすることが好ましい。
【００１９】
このような無機粒子（群）を選択することにより、接着剤に含有される無機粒子の大部分が、ＦＲＰ円筒（の内周面）と継手部材（の外周面）に噛み合って捩り方向の力を受け止めるので、接着剤破壊をより効果的に防止することができる。
【００２０】
上記接着剤に含有される無機粒子は、上記接着剤の重量基準で３〜９重量％であることが好ましい。
【００２１】
これにより、ＦＲＰ円筒（の内周面）と継手部材（の外周面）を接着するという接着剤の役割（化学的接着）と、ＦＲＰ円筒（の内周面）と継手部材（の外周面）に噛み合って捩り方向の力を受け止めるという無機粒子の役割（物理的接着）とのバランスが適切に維持される。この条件の上限を超えると、無機粒子の量が多すぎて内周面と外周面の接着面積が減り、また、無機粒子が完全な異物となってしまう為、ＦＲＰ円筒（の内周面）と継手部材（の外周面）の接着が不十分となる。この条件の下限を超えると、ＦＲＰ円筒（の内周面）と継手部材（の外周面）に噛み合う無機粒子の数が足りず、捩り方向の力が加わったときに接着剤破壊が発生するおそれがある。
【００２２】
上記無機粒子（群）は、ジルコニア粒子（群）も採用可能であるが、機械的強度が強くコストが低いアルミナ粒子（群）とすることが好ましい。
【００２３】
上記ＦＲＰ円筒は、例えば、炭素強化繊維を熱硬化性樹脂シート中に含浸させてなる複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＣＦＲＰ層から構成することができる。
【００２４】
上記継手部材は、上記ＦＲＰ円筒の端面が当接するフランジ部を有し、このフランジ部の両側にそれぞれ上記密嵌合部及び緩嵌合部が形成されていることが好ましい。これにより、フランジ部でＦＲＰ円筒の軸方向（スラスト方向）の位置が規制されるとともに、フランジ部の両側にそれぞれＦＲＰ円筒を接合できるので、車両のフレームに用いるのに好適なＦＲＰ円筒が得られる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、ＦＲＰ円筒と継手部材の接合部に捩り方向の力が加わったときに起こる接着剤破壊（接着界面破壊）を確実に防止し、加工が簡単で低コストであるＦＲＰ複合シャフト及びその製造方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係るＦＲＰ複合シャフトを示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るＦＲＰ複合シャフトを示す断面図である。
【図３】図２の領域Ａを拡大して示す図である。
【図４】ＦＲＰ円筒の内周面と継手部材の外周面の間のクリアランスを誇張して描いた図２に対応する断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るＦＲＰ複合シャフトを軸線方向から見た図である。
【図６】図５の領域Ｂを拡大して示す図である。
【図７】本実施例で製造したアルミナ粒子から無作為に選んだ１００個のサンプル粒子の粒径の分布を示すグラフである。
【図８】本実施例で製造したＦＲＰ複合シャフトの捩り破壊試験の結果を示す図である。
【図９】比較例として製造したＦＲＰ複合シャフトの捩り破壊試験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１ないし図６を用いて、本発明の一実施形態に係るＦＲＰ複合シャフト（ＦＲＰ金属複合シャフト）１００を説明する。ＦＲＰ複合シャフト１００は、ＦＲＰ円筒１０の中空端部内に、金属製（例えばアルミニウム製）のフランジ継手（継手部材）２０を挿入し、接着剤３０を介して接合してなる。
【００２８】
ＦＲＰ円筒１０は、炭素強化繊維を熱硬化性樹脂シート中に含浸させてなる複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics：炭素繊維強化プラスチックス）層からなる。
【００２９】
フランジ継手２０は、大径のフランジ部２１と、このフランジ部２１の両側に続けて対称に設けられたフランジ部２１より小径の嵌合部２２とを有する。ＦＲＰ円筒１０の中空端部内にフランジ継手２０を嵌合した状態（図２、図４）では、フランジ部２１にＦＲＰ円筒１０の端面１１が当接し、嵌合部２２にＦＲＰ円筒１０の内周面１２が嵌合する。図１はフランジ部２１の片側（の嵌合部２２）にのみＦＲＰ円筒１０を接合した状態を示しており、図２及び図４はフランジ部２１の両側（の嵌合部２２）にＦＲＰ円筒１０を接合した状態を示している。フランジ継手２０は、継手の強度を高く維持するため、フランジ部２１と嵌合部２２を一体に有する一部材から構成されている。
【００３０】
嵌合部２２は、フランジ部２１の側から遠ざかるように順に位置する密嵌合部２２Ａと緩嵌合部２２Ｂとを有している。密嵌合部２２Ａは、ＦＲＰ円筒１０の中空端部内にフランジ継手２０を嵌合した状態（図２、図４）では、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２に密に嵌合して、ＦＲＰ円筒１０とフランジ継手２０を同軸に位置（センタリング）させる。緩嵌合部２２Ｂは、ＦＲＰ円筒１０の中空端部内にフランジ継手２０を嵌合した状態（図２、図４）では、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２に緩く嵌合して、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２と緩嵌合部２２Ｂの外周面の間にクリアランスが形成される。図４では、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２と緩嵌合部２２Ｂの外周面の間のクリアランスを誇張するため、密嵌合部２２Ａと緩嵌合部２２Ｂの段差を誇張して描いている。
【００３１】
ＦＲＰ円筒１０の内周面１２と緩嵌合部２２Ｂの外周面の間のクリアランスには接着剤３０が充填固化されており、この接着剤３０によりＦＲＰ円筒１０とフランジ継手２０が接合されている。接着剤３０は、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂などの樹脂系溶剤型、ゴム系溶剤型の各種の材料からなる接着剤を使用できる。
【００３２】
本実施形態では図６に示すように、接着剤３０中に、ＦＲＰ円筒１０及びフランジ継手２０よりも機械的強度が強いアルミナ粒子（無機粒子）３１が含有されている。このアルミナ粒子３１には、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２の呼び径Ｄと緩嵌合部２２Ｂの外周面の呼び径ｄとの差をＸとしたとき、Ｘ／２（＝（Ｄ−ｄ）／２）よりも粒径が大きいもの（ＦＲＰ円筒１０の内周面１２と緩嵌合部２２Ｂの外周面の間のクリアランスの幅よりも粒径が大きいもの）が含まれている。
【００３３】
「ＦＲＰ円筒１０の内周面１２の呼び径Ｄ」は、例えばボアマチックゲージなどの内径測定装置によりＦＲＰ円筒１０の内周面１２の径をその周方向位置を変えながら複数回測定し、その測定値を平均したものを意味する。また、「緩嵌合部２２Ｂの外周面の呼び径ｄ」は、例えばノギスなどの測定装置により緩嵌合部２２Ｂの外周面の径をその周方向位置を変えながら複数回測定し、その測定値を平均したものを意味する。
【００３４】
実際にはアルミナ粒子３１の粒径にはある程度のバラツキがあるが、接着剤３０に含有されるアルミナ粒子３１の全粒子数を１００としたとき、Ｘ／２よりも粒径が大きいものが３０以上含まれていることが好ましい。あるいは、接着剤３０に含有されるアルミナ粒子３１の粒径は、Ｘ／２[mm]〜（Ｘ／２＋０．１）[mm]の範囲内であることが好ましい。また、接着剤３０に含有されるアルミナ粒子３１は、接着剤３０の重量基準で３〜９重量％であることが好ましい。
【００３５】
接着剤３０に含有されたアルミナ粒子３１は、次の作用効果を奏する。ＦＲＰ円筒１０の内周面１２及び緩嵌合部２２Ｂの外周面は、図３に示すような平坦な形状ではなく、実際には図６に示すような微細な凹凸のある形状となっている。特にＦＲＰ円筒１０の内周面１２は、炭素繊維がある程度隆起しており凹凸の度合いが大きい。つまり、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２と緩嵌合部２２Ｂの外周面の間のクリアランスをミクロに見たときには、クリアランスの幅がＸ／２より大きい部分と小さい部分が混在している。
【００３６】
このクリアランスにアルミナ粒子３１を含有した接着剤３０を充填固化すると、各アルミナ粒子３１は、自身の粒径とミクロに見たクリアランスの幅が合致する位置に入り込んで（Ｘ／２より大きい粒径の粒子はミクロに見てＸ／２より大きい幅のクリアランスに入り込み、Ｘ／２より小さい粒径の粒子はミクロに見てＸ／２より小さい幅のクリアランスに入り込んで）、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２と緩嵌合部２２Ｂの外周面の双方にくさびを打ち込んだような状態で噛み合う（引っ掛る）。したがって、ＦＲＰ円筒１０とフランジ継手２０の接合部に捩り方向の力が加わっても、アルミナ粒子３１がこの捩り方向の力を受け止めてＦＲＰ円筒１０とフランジ継手２０の相対回転を規制する結果、接着剤３０が変形して破壊されるのを効果的に防止することができる。
【００３７】
本発明はアルミナ粒子３１の製造方法を問うものではないが、次に製造方法の一例を説明する。まず、アルミナ粉末と分散剤と水を混合し、原料スラリー（液状原料）とする。一方、アルミナ粉末と撥水剤と水を混合した後、この混合物を１００℃程度で乾燥させ、粉砕して篩いを通して敷き粉とし、この敷き粉を１ｍｍ程度の厚さに敷いて滴下面とする。そして、振動式のノズルから原料スラリーを滴下面に滴下する。その結果、滴下面では、原料スラリーの液滴が落下した箇所がわずかに沈み込んで液滴を受ける。その際、液滴は、滴下面上で球状液滴となる。次に、球状液滴を敷き粉とともに６０度程度で加熱し、乾燥させ、球状液滴をアルミナ粒子３１の前駆体としての小球体生成物とする。次に、小球体生成物の前駆体と敷き粉を篩い分けした後、小球体生成物を１２００〜１３００℃程度で焼成し、アルミナ粒子３１を得る。このように、１２００〜１３００℃程度の低温で焼結することによって、粒子の急成長を防いで、例えば０．１〜０．５ｍｍ程度の粒径の微細なアルミナ粒子３１を製造することができる。また、このように製造したアルミナ粒子３１は、ビッカース硬度が１９〜２１ＧＰａであり、一般的なアルミナ粒子のビッカース硬度（１１〜１３ＧＰａ）と比較して高硬度である。
【００３８】
ＦＲＰ複合シャフト１００は、次のようにして製造する（組み立てる）。まず、上述のように構成されたＦＲＰ円筒１０とフランジ継手２０を準備する。次いで、フランジ継手２０の緩嵌合部２２Ｂの外周面に、アルミナ粒子３１を含有する接着剤３０を塗布する。接着剤３０は硬化時に収縮するので、緩嵌合部２２Ｂには十分な量の接着剤３０を塗布して、硬化時に収縮しても均一な接着剤層が形成されるようにする。次いで、接着剤３０を塗布したフランジ継手２０の嵌合部２２をＦＲＰ円筒１０の中空端部内に嵌合する。すると、フランジ部２１にＦＲＰ円筒１０の端面１１が当接してＦＲＰ円筒１０の軸方向（スラスト方向）の位置が規制されるとともに、密嵌合部２２Ａの外周面にＦＲＰ円筒１０の内周面１２が密に嵌合してＦＲＰ円筒１０とフランジ継手２０が同軸に位置（センタリング）される（図２、図４）。同時に、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２と緩嵌合部２２Ｂの外周面の間のクリアランス内にアルミナ粒子３１が位置して両者に噛み合う（引っ掛かる）。この状態で所定時間が経過すると、接着剤３０が固化（硬化）し、接着剤３０の化学的接着とアルミナ粒子３１の物理的接着の相乗効果によりＦＲＰ円筒１０とフランジ継手２０が強固に接合されたＦＲＰ複合シャフト１００が完成する。尚、フランジ継手２０の密嵌合部２２Ｂの外周面には、アルミナ粒子を含まない接着剤を塗布してもよい。
【００３９】
このように、本実施形態によれば、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２とフランジ継手（継手部材）２０の緩嵌合部２２Ｂの外周面の間のクリアランス内に挿入する接着剤３０中に、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２の呼び径Ｄと緩嵌合部２２Ｂの外周面の呼び径ｄとの差をＸとしたとき、Ｘ／２（＝（Ｄ−ｄ）／２）よりも粒径が大きくかつＦＲＰ円筒１０及びフランジ継手２０よりも機械的強度が強いアルミナ粒子（無機粒子）３１を含有させたので、このアルミナ粒子３１が、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２とフランジ継手２０の緩嵌合部２２Ｂの外周面の双方に噛み合って（引っ掛かって）捩り方向の力を受け止める結果、接着剤３０が変形して破壊されるのを防止することができる。
また、フランジ継手２０の嵌合部２２に複雑な加工を施す必要がなく低コストである。
【００４０】
以上の実施形態では、ＦＲＰ円筒をプリプレグ法で作製する場合を例示しているが、本発明は、ＦＲＰ円筒の構成及び製法は問わずに適用することができる。例えば、フィラメントワインディング法などで製造したあらゆる構成のＦＲＰ円筒を適用可能である。
【００４１】
以上の実施形態では、接着剤に含有させる無機粒子をアルミナ粒子とした場合を例示して説明したが、ＦＲＰ円筒及び継手部材よりも機械的強度（耐力）が強い無機粒子であれば、ジルコニア粒子を用いることもできる。
【００４２】
以上の実施形態では、フランジ継手（継手部材）を金属製（例えばアルミニウム製）の材料から構成しているが、接着剤よりも強度の強い樹脂を用いたＦＲＰ製の材料から構成して、ＦＲＰどうしを接合した複合シャフトとすることもできる。
【実施例】
【００４３】
本発明者らは、上述した方法で、アルミナ粒子を含有する接着剤によりＦＲＰ円筒と金属製のフランジ継手を接合したＦＲＰ複合シャフト（ＦＲＰ金属複合シャフト）を実際に作製して捩り破壊試験を行った。
【００４４】
まず、アルミナ粉体（大明化学工業株式会社製の商品名ＴＭ−ＤＡＲ、アンモニウムアルミニウムカーボネイトハイドロオキサイドを熱分解し粉砕処理したアルミナ粉体、アルミナ含有率９９．９９％以上）１００ｇを、適量の分散剤（東亞合成株式会社製の商品名アロンＡ−６１１４）とともに水３７ｇに加えてボールミルにて混合し原料スラリー（液状原料）とした。アルミナ粉体の平均粒子径の測定にあたっては、アルミナ粉体をヘキサメタリン酸ソーダ０．０７重量％溶液中で超音波分散機にて１５分間分散させて試料懸濁液を調製した後、遠心沈降式粒度分布測定装置（株式会社島津製作所製のＳＡ−ＣＰ３）にて粒度分布を測定した。
一方、敷き粉はアルミナ粉体１００ｇと、撥水剤としてステアリン酸エマルジョン（中京油脂株式会社製の商品名セロゾール）５０ｇと、水１００ｇをボールミルにて混合した後、この混合物を１００℃で乾燥させ、その後粉砕して８０メッシュを通して調製した。次に、この敷き粉を１ｍｍ程度の厚さに敷いて滴下面を構成した。
次に、振動式のノズルから原料スラリーを滴下面に滴下させてスラリーを球状液滴とした。次に、球状液滴を敷き粉とともに約６０℃の温度で加熱、乾燥させ、球状液滴をアルミナ粒子の前駆体としての小球体生成物とした。次に、小球体生成物と敷き粉を篩い分けした後、小球体生成物を１２６０℃の温度で２時間焼成し、アルミナ粒子を得た。尚、アルミナ粒子に付着している敷き粉由来の付着層は研磨により除去した。
【００４５】
このようにして得たアルミナ粒子の見掛け密度は、３．８９ｇ／ｃｍ3であった。見掛け密度はゲーリュサック型比重瓶を用いて測定した。また真球度は９８％であった。
【００４６】
このようにして得たアルミナ粒子から１００個のサンプル粒子を無作為に選び、ＳＥＭ写真を画像解析することにより粒径を測定した。図７はその粒径の分布を示しており、１００個のサンプル粒子のうち、０．２５〜０．２７ｍｍの粒径の粒子が５個、０．２７〜０．２９ｍｍの粒径の粒子が３４個、０．２９〜０．３１ｍｍの粒径の粒子が２７個、０．３１〜０．３３ｍｍの粒径の粒子が１３個、０．３３〜０．３５ｍｍの粒径の粒子が１１個、０．３５〜０．３７ｍｍの粒径の粒子が７個、０．３７〜０．３９ｍｍの粒径の粒子が３個であった。１００個のサンプル粒子のうち、最大粒径は０．３７６ｍｍ、最小粒径は０．２６０ｍｍであった。また、１００個のサンプル粒子の粒径の平均値を示す平均粒径は０．３０５ｍｍであった。この実施形態は、アルミナ粒子の度数分布を調べた実施形態であり、平均粒径と分散から正規分布を求めた実施形態ではない。
【００４７】
このようにして得たアルミナ粒子を接着剤（住友3M製 DP460）に混合した。アルミナ粒子の含有量は、接着剤の重量基準で３重量％であった。
【００４８】
一方、準備したＦＲＰ円筒の内周面の呼び径Ｄは３３．５２４ｍｍであった。この呼び径Ｄは、内径測定機（Mitsutoyo製 568-338 SBM‐40C）によりＦＲＰ円筒の内周面の径をその周方向位置を変えて２回測定した結果（３３．５２５ｍｍ、３３．５２３ｍｍ）の平均値である。
また、準備したフランジ継手の緩嵌合部の外周面の呼び径ｄは３２．９０ｍｍであった。この呼び径ｄは、ノギス（Mitsutoyo製 M型標準ノギス）によりフランジ継手の緩嵌合部の外周面の径をその周方向位置を変えて２回測定した結果（３２．９０ｍｍ、３２．９０ｍｍ）の平均値である。
したがって、ＦＲＰ円筒の内周面と緩嵌合部の外周面の間のクリアランスを示すＸ／２（＝（Ｄ−ｄ）／２）は、０．３１ｍｍであった。
【００４９】
捩り破壊試験は次のようにして行った。各試験片を油圧式捩り試験機に装填し、一端を完全拘束し、他端に角度変位を振幅±４５°、速度０．０２Ｈｚの正弦波で与えた。完全拘束端に配されたトルク検出器により捩り強度を測定した。捩れ角度は、変位側の軸に取り付けられたエンコーダーにより測定を行った。
【００５０】
図８（Ａ）−（Ｃ）はそれぞれ同一の製法で作製した３つのＦＲＰ複合シャフトに対する捩り破壊試験の結果を示している。図８（Ａ）−（Ｃ）に示すように、作製したいずれのＦＲＰ複合シャフトも、捩り角度（Ａｎｇｌｅ／Ｄｅｇ）を大きくするに従って若干のトルク値（Ｔｏｓｉｏｎａｌ Ｍｏｍｅｎｔ／ｋＮｍ）の落ち込みが数回見られるものの、捩り角度が４０Ｄｅｇを超えるまで接着剤破壊（接着界面破壊）が起こることはなく、トルクが伝達できていた。
【００５１】
また、捩り破壊試験を行った後に、ＦＲＰ円筒からフランジ継手を引き抜いて接合部分を観察したところ、ＦＲＰ円筒の内周面及びフランジ継手の緩嵌合部の外周面に、周方向に延びる引掻き傷が残っていた。これは接着剤に含有されるアルミナ粒子が、ＦＲＰ円筒の内周面とフランジ継手の緩嵌合部の外周面の双方に噛み合って（引っ掛って）捩り方向の力を受け止めたことを示していると考えられる。
【００５２】
図９（Ａ）、（Ｂ）は、比較例として、アルミナ粒子を含有しない接着剤でＦＲＰ円筒とフランジ継手を接合した２つのＦＲＰ複合シャフトに対する捩り破壊試験の結果を示している。図９（Ａ）では、捩り角度が２５Ｄｅｇを超えた辺りで接着剤破壊（接着界面破壊）が起こり、ＦＲＰ円筒とフランジ継手が自由に相対回転できる状態となってしまった。図９（Ｂ）では、捩り角度が１３Ｄｅｇを超えた辺りで接着剤破壊（接着界面破壊）が起こり、ＦＲＰ円筒とフランジ継手が自由に相対回転できる状態となってしまった。
【符号の説明】
【００５３】
１００ ＦＲＰ複合シャフト（ＦＲＰ金属複合シャフト）
１０ ＦＲＰ円筒
１１ 端面
１２ 内周面
２０ フランジ継手（継手部材）
２１ フランジ部
２２ 嵌合部
２２Ａ 密嵌合部
２２Ｂ 緩嵌合部
３０ 接着剤（混合接着剤）
３１ アルミナ粒子（無機粒子）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば車両のフレームに用いられるＦＲＰ複合シャフト及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＲＰ複合シャフトは、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスチックス）円筒の中空端部内に例えば金属製の継手部材を挿入し、接着剤を介して接合してなるもので、全体が金属のシャフトに比べて軽量という利点がある。しかし、ＦＲＰ円筒と継手部材との接合強度を如何にして高くするかが大きな技術課題であり、従来各種の提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、フランジ継手の嵌合部の外周面上に軸線方向に延びる複数の突条からなる嵌合のきつい接合部を形成し、嵌合部の外周面及びＣＦＲＰ製シャフトの端部内周面に接着剤を塗布してフランジ継手をＣＦＲＰ製シャフトの端部に挿入して接着固定することにより、突条がある部分でフランジ継手とＣＦＲＰ製シャフトの同軸度及び真直度を向上させるとともに、突条がない部分に接着剤を行き渡らせて接合強度を高めることが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ＦＲＰ製シャフトの端部に挿入される継手のボスの外周面の一部にローレット歯によって凹凸加工を施すとともに、この凹凸部の外表面を砥石によって研削して案内部を形成し、この案内部によって継手をＦＲＰ製シャフトに対してセンタリングした状態でボスとＦＲＰ製シャフトとの間に介在される接着剤によって接着固定することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−８３２４０号公報
【特許文献２】特開平１１−１６６５５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、本発明者らによれば、ＦＲＰ複合シャフトにおいては、ＦＲＰ円筒と継手部材の接合部に捩り方向の力が加わったときに起こる接着剤破壊（接着界面破壊）を防止する必要があるのに対し、特許文献１及び特許文献２記載の従来技術は、この接着剤破壊への対策が十分とは言えない。接着剤破壊が起こるとＦＲＰ円筒と継手部材が自由に相対回転できる状態となってトルクを伝達できず、もはやＦＲＰ複合シャフトとしての機能を発揮することができない。
【０００７】
また、特許文献１及び特許文献２記載の従来技術にあっては、フランジ継手の嵌合部の外周面上に軸線方向に延びる複数の突条を形成する加工及びＦＲＰ製シャフトの端部に挿入される継手のボスの外周面の一部にローレット歯によって凹凸加工を施す加工が長時間に亘って煩雑であり、加工コストが高くなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、以上の問題意識に基づき、ＦＲＰ円筒と継手部材の接合部に捩り方向の力が加わったときに起こる接着剤破壊（接着界面破壊）を確実に防止し、加工が簡単で低コストであるＦＲＰ複合シャフト及びその製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、従来ＦＲＰ円筒と継手部材を接合するための接着剤中に、ＦＲＰ円筒の内周面と継手部材の外周面のクリアランスより粒径が大きくかつＦＲＰ円筒及び継手部材よりも機械的強度が強い無機粒子を含有させれば、ＦＲＰ円筒と継手部材の接合部に捩り方向の力が加わっても、この無機粒子がＦＲＰ円筒と継手部材の双方に噛み合って（引っ掛って）捩り方向の力を受け止める結果、接着剤が変形して破壊されるのを効果的に防止することができるとの結論に達して、本発明をするに至った。
【００１０】
すなわち、本発明のＦＲＰ複合シャフトは、ＦＲＰ円筒の中空端部内に継手部材を挿入し、接着剤を介して接合してなるＦＲＰ複合シャフトにおいて、上記ＦＲＰ円筒の内周面と上記継手部材の外周面の間のクリアランス内に挿入する上記接着剤中に、上記ＦＲＰ円筒の内周面の呼び径と上記継手部材の外周面の呼び径との差をＸとしたとき、Ｘ／２よりも粒径が大きくかつ上記ＦＲＰ円筒及び上記継手部材よりも機械的強度が強い無機粒子を含有させたことを特徴としている。
【００１１】
また本発明のＦＲＰ複合シャフトの製造方法は、ＦＲＰ円筒の中空端部内に継手部材を挿入し、接着剤を介して接合するＦＲＰ複合シャフトの製造方法において、上記ＦＲＰ円筒の内周面の呼び径と上記継手部材の外周面の呼び径をそれぞれ測定するステップ；測定されたＦＲＰ円筒の内周面の呼び径と継手部材の外周面の呼び径との差をＸとしたとき、Ｘ／２よりも粒径が大きくかつ上記ＦＲＰ円筒及び上記継手部材よりも機械的強度が強い無機粒子を含む無機粒子群を選択するステップ；及び選択した無機粒子群を接着剤中に混合し、その混合接着剤をＦＲＰ円筒の内周面と継手部材の外周面との間のクリアランス内に挿入して固化させるステップ；を有することを特徴としている。
【００１２】
継手部材を金属製（例えばアルミニウム製）として、ＦＲＰ円筒と金属性の継手部材を接合したＦＲＰ金属複合シャフトとすることができる。あるいは、継手部材を接着剤よりも強度の強い樹脂を用いたＦＲＰ製として、ＦＲＰどうしを接合した複合シャフトとすることもできる。すなわち、継手部材の材質は、接着剤よりも強度が強いものであれば特に限定されない。
【００１３】
「ＦＲＰ円筒の内周面の呼び径」は、例えばボアマチックゲージなどの内径測定装置によりＦＲＰ円筒の内周面の径をその周方向位置を変えながら複数回測定し、その測定値を平均したものを意味する。また、「継手部材の外周面の呼び径」は、例えばノギスなどの測定装置により継手部材の外周面の径をその周方向位置を変えながら複数回測定し、その測定値を平均したものを意味する。
【００１４】
Ｘ／２よりも粒径が大きい無機粒子を、Ｘ／２のクリアランス内に介在させることは一見不可能であるが、実際には、ＦＲＰ円筒の内周面と継手部材の外周面（特にＦＲＰ円筒の内周面）は幾何的な円筒面ではなくて、微小な凹凸が存在することから、充分可能であることが確かめられた。そして、Ｘ／２のクリアランス内に、Ｘ／２よりも大きい粒径の無機粒子を介在させることで、無機粒子がＦＲＰ円筒と継手部材の双方に噛み合って（引っ掛って）捩り方向の力を受け止める結果、接着剤が変形して破壊されるのを効果的に防止することができる。
【００１５】
好ましい一態様では、上記継手部材は、上記ＦＲＰ円筒の内周面に密に嵌合する密嵌合部と、同ＦＲＰ円筒の内周面に緩く嵌合する緩嵌合部とを有していて、上記ＦＲＰ円筒の内周面と上記継手部材の緩嵌合部の外周面の間のクリアランス内に上記接着剤（混合接着剤）が挿入される。
【００１６】
無機粒子（群）の選択（選定）には、各種の手法が考えられる。例えば、全粒子数を１００としたとき、上記Ｘ／２よりも粒径が大きい無機粒子が３０以上含まれる度数分布を示す無機粒子（群）を選択することが好ましい。
【００１７】
このような無機粒子（群）を選択することにより、ＦＲＰ円筒（の内周面）と継手部材（の外周面）に噛み合って捩り方向の力を受け止める無機粒子が一定の割合で存在するので、接着剤破壊を効果的に防止することができる。
【００１８】
あるいは、無機粒子の粒径は、Ｘ／２[mm]〜（Ｘ／２＋０．１）[mm]の範囲内とすることが好ましい。
【００１９】
このような無機粒子（群）を選択することにより、接着剤に含有される無機粒子の大部分が、ＦＲＰ円筒（の内周面）と継手部材（の外周面）に噛み合って捩り方向の力を受け止めるので、接着剤破壊をより効果的に防止することができる。
【００２０】
上記接着剤に含有される無機粒子は、上記接着剤の重量基準で３〜９重量％であることが好ましい。
【００２１】
これにより、ＦＲＰ円筒（の内周面）と継手部材（の外周面）を接着するという接着剤の役割（化学的接着）と、ＦＲＰ円筒（の内周面）と継手部材（の外周面）に噛み合って捩り方向の力を受け止めるという無機粒子の役割（物理的接着）とのバランスが適切に維持される。この条件の上限を超えると、無機粒子の量が多すぎて内周面と外周面の接着面積が減り、また、無機粒子が完全な異物となってしまう為、ＦＲＰ円筒（の内周面）と継手部材（の外周面）の接着が不十分となる。この条件の下限を超えると、ＦＲＰ円筒（の内周面）と継手部材（の外周面）に噛み合う無機粒子の数が足りず、捩り方向の力が加わったときに接着剤破壊が発生するおそれがある。
【００２２】
上記無機粒子（群）は、ジルコニア粒子（群）も採用可能であるが、機械的強度が強くコストが低いアルミナ粒子（群）とすることが好ましい。
【００２３】
上記ＦＲＰ円筒は、例えば、炭素強化繊維を熱硬化性樹脂シート中に含浸させてなる複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＣＦＲＰ層から構成することができる。
【００２４】
上記継手部材は、上記ＦＲＰ円筒の端面が当接するフランジ部を有し、このフランジ部の両側にそれぞれ上記密嵌合部及び緩嵌合部が形成されていることが好ましい。これにより、フランジ部でＦＲＰ円筒の軸方向（スラスト方向）の位置が規制されるとともに、フランジ部の両側にそれぞれＦＲＰ円筒を接合できるので、車両のフレームに用いるのに好適なＦＲＰ円筒が得られる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、ＦＲＰ円筒と継手部材の接合部に捩り方向の力が加わったときに起こる接着剤破壊（接着界面破壊）を確実に防止し、加工が簡単で低コストであるＦＲＰ複合シャフト及びその製造方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係るＦＲＰ複合シャフトを示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るＦＲＰ複合シャフトを示す断面図である。
【図３】図２の領域Ａを拡大して示す図である。
【図４】ＦＲＰ円筒の内周面と継手部材の外周面の間のクリアランスを誇張して描いた図２に対応する断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るＦＲＰ複合シャフトを軸線方向から見た図である。
【図６】図５の領域Ｂを拡大して示す図である。
【図７】本実施例で製造したアルミナ粒子から無作為に選んだ１００個のサンプル粒子の粒径の分布を示すグラフである。
【図８】本実施例で製造したＦＲＰ複合シャフトの捩り破壊試験の結果を示す図である。
【図９】比較例として製造したＦＲＰ複合シャフトの捩り破壊試験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１ないし図６を用いて、本発明の一実施形態に係るＦＲＰ複合シャフト（ＦＲＰ金属複合シャフト）１００を説明する。ＦＲＰ複合シャフト１００は、ＦＲＰ円筒１０の中空端部内に、金属製（例えばアルミニウム製）のフランジ継手（継手部材）２０を挿入し、接着剤３０を介して接合してなる。
【００２８】
ＦＲＰ円筒１０は、炭素強化繊維を熱硬化性樹脂シート中に含浸させてなる複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics：炭素繊維強化プラスチックス）層からなる。
【００２９】
フランジ継手２０は、大径のフランジ部２１と、このフランジ部２１の両側に続けて対称に設けられたフランジ部２１より小径の嵌合部２２とを有する。ＦＲＰ円筒１０の中空端部内にフランジ継手２０を嵌合した状態（図２、図４）では、フランジ部２１にＦＲＰ円筒１０の端面１１が当接し、嵌合部２２にＦＲＰ円筒１０の内周面１２が嵌合する。図１はフランジ部２１の片側（の嵌合部２２）にのみＦＲＰ円筒１０を接合した状態を示しており、図２及び図４はフランジ部２１の両側（の嵌合部２２）にＦＲＰ円筒１０を接合した状態を示している。フランジ継手２０は、継手の強度を高く維持するため、フランジ部２１と嵌合部２２を一体に有する一部材から構成されている。
【００３０】
嵌合部２２は、フランジ部２１の側から遠ざかるように順に位置する密嵌合部２２Ａと緩嵌合部２２Ｂとを有している。密嵌合部２２Ａは、ＦＲＰ円筒１０の中空端部内にフランジ継手２０を嵌合した状態（図２、図４）では、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２に密に嵌合して、ＦＲＰ円筒１０とフランジ継手２０を同軸に位置（センタリング）させる。緩嵌合部２２Ｂは、ＦＲＰ円筒１０の中空端部内にフランジ継手２０を嵌合した状態（図２、図４）では、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２に緩く嵌合して、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２と緩嵌合部２２Ｂの外周面の間にクリアランスが形成される。図４では、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２と緩嵌合部２２Ｂの外周面の間のクリアランスを誇張するため、密嵌合部２２Ａと緩嵌合部２２Ｂの段差を誇張して描いている。
【００３１】
ＦＲＰ円筒１０の内周面１２と緩嵌合部２２Ｂの外周面の間のクリアランスには接着剤３０が充填固化されており、この接着剤３０によりＦＲＰ円筒１０とフランジ継手２０が接合されている。接着剤３０は、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂などの樹脂系溶剤型、ゴム系溶剤型の各種の材料からなる接着剤を使用できる。
【００３２】
本実施形態では図６に示すように、接着剤３０中に、ＦＲＰ円筒１０及びフランジ継手２０よりも機械的強度が強いアルミナ粒子（無機粒子）３１が含有されている。このアルミナ粒子３１には、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２の呼び径Ｄと緩嵌合部２２Ｂの外周面の呼び径ｄとの差をＸとしたとき、Ｘ／２（＝（Ｄ−ｄ）／２）よりも粒径が大きいもの（ＦＲＰ円筒１０の内周面１２と緩嵌合部２２Ｂの外周面の間のクリアランスの幅よりも粒径が大きいもの）が含まれている。
【００３３】
「ＦＲＰ円筒１０の内周面１２の呼び径Ｄ」は、例えばボアマチックゲージなどの内径測定装置によりＦＲＰ円筒１０の内周面１２の径をその周方向位置を変えながら複数回測定し、その測定値を平均したものを意味する。また、「緩嵌合部２２Ｂの外周面の呼び径ｄ」は、例えばノギスなどの測定装置により緩嵌合部２２Ｂの外周面の径をその周方向位置を変えながら複数回測定し、その測定値を平均したものを意味する。
【００３４】
実際にはアルミナ粒子３１の粒径にはある程度のバラツキがあるが、接着剤３０に含有されるアルミナ粒子３１の全粒子数を１００としたとき、Ｘ／２よりも粒径が大きいものが３０以上含まれていることが好ましい。あるいは、接着剤３０に含有されるアルミナ粒子３１の粒径は、Ｘ／２[mm]〜（Ｘ／２＋０．１）[mm]の範囲内であることが好ましい。また、接着剤３０に含有されるアルミナ粒子３１は、接着剤３０の重量基準で３〜９重量％であることが好ましい。
【００３５】
接着剤３０に含有されたアルミナ粒子３１は、次の作用効果を奏する。ＦＲＰ円筒１０の内周面１２及び緩嵌合部２２Ｂの外周面は、図３に示すような平坦な形状ではなく、実際には図６に示すような微細な凹凸のある形状となっている。特にＦＲＰ円筒１０の内周面１２は、炭素繊維がある程度隆起しており凹凸の度合いが大きい。つまり、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２と緩嵌合部２２Ｂの外周面の間のクリアランスをミクロに見たときには、クリアランスの幅がＸ／２より大きい部分と小さい部分が混在している。
【００３６】
このクリアランスにアルミナ粒子３１を含有した接着剤３０を充填固化すると、各アルミナ粒子３１は、自身の粒径とミクロに見たクリアランスの幅が合致する位置に入り込んで（Ｘ／２より大きい粒径の粒子はミクロに見てＸ／２より大きい幅のクリアランスに入り込み、Ｘ／２より小さい粒径の粒子はミクロに見てＸ／２より小さい幅のクリアランスに入り込んで）、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２と緩嵌合部２２Ｂの外周面の双方にくさびを打ち込んだような状態で噛み合う（引っ掛る）。したがって、ＦＲＰ円筒１０とフランジ継手２０の接合部に捩り方向の力が加わっても、アルミナ粒子３１がこの捩り方向の力を受け止めてＦＲＰ円筒１０とフランジ継手２０の相対回転を規制する結果、接着剤３０が変形して破壊されるのを効果的に防止することができる。
【００３７】
本発明はアルミナ粒子３１の製造方法を問うものではないが、次に製造方法の一例を説明する。まず、アルミナ粉末と分散剤と水を混合し、原料スラリー（液状原料）とする。一方、アルミナ粉末と撥水剤と水を混合した後、この混合物を１００℃程度で乾燥させ、粉砕して篩いを通して敷き粉とし、この敷き粉を１ｍｍ程度の厚さに敷いて滴下面とする。そして、振動式のノズルから原料スラリーを滴下面に滴下する。その結果、滴下面では、原料スラリーの液滴が落下した箇所がわずかに沈み込んで液滴を受ける。その際、液滴は、滴下面上で球状液滴となる。次に、球状液滴を敷き粉とともに６０度程度で加熱し、乾燥させ、球状液滴をアルミナ粒子３１の前駆体としての小球体生成物とする。次に、小球体生成物の前駆体と敷き粉を篩い分けした後、小球体生成物を１２００〜１３００℃程度で焼成し、アルミナ粒子３１を得る。このように、１２００〜１３００℃程度の低温で焼結することによって、粒子の急成長を防いで、例えば０．１〜０．５ｍｍ程度の粒径の微細なアルミナ粒子３１を製造することができる。また、このように製造したアルミナ粒子３１は、ビッカース硬度が１９〜２１ＧＰａであり、一般的なアルミナ粒子のビッカース硬度（１１〜１３ＧＰａ）と比較して高硬度である。
【００３８】
ＦＲＰ複合シャフト１００は、次のようにして製造する（組み立てる）。まず、上述のように構成されたＦＲＰ円筒１０とフランジ継手２０を準備する。次いで、フランジ継手２０の緩嵌合部２２Ｂの外周面に、アルミナ粒子３１を含有する接着剤３０を塗布する。接着剤３０は硬化時に収縮するので、緩嵌合部２２Ｂには十分な量の接着剤３０を塗布して、硬化時に収縮しても均一な接着剤層が形成されるようにする。次いで、接着剤３０を塗布したフランジ継手２０の嵌合部２２をＦＲＰ円筒１０の中空端部内に嵌合する。すると、フランジ部２１にＦＲＰ円筒１０の端面１１が当接してＦＲＰ円筒１０の軸方向（スラスト方向）の位置が規制されるとともに、密嵌合部２２Ａの外周面にＦＲＰ円筒１０の内周面１２が密に嵌合してＦＲＰ円筒１０とフランジ継手２０が同軸に位置（センタリング）される（図２、図４）。同時に、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２と緩嵌合部２２Ｂの外周面の間のクリアランス内にアルミナ粒子３１が位置して両者に噛み合う（引っ掛かる）。この状態で所定時間が経過すると、接着剤３０が固化（硬化）し、接着剤３０の化学的接着とアルミナ粒子３１の物理的接着の相乗効果によりＦＲＰ円筒１０とフランジ継手２０が強固に接合されたＦＲＰ複合シャフト１００が完成する。尚、フランジ継手２０の密嵌合部２２Ｂの外周面には、アルミナ粒子を含まない接着剤を塗布してもよい。
【００３９】
このように、本実施形態によれば、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２とフランジ継手（継手部材）２０の緩嵌合部２２Ｂの外周面の間のクリアランス内に挿入する接着剤３０中に、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２の呼び径Ｄと緩嵌合部２２Ｂの外周面の呼び径ｄとの差をＸとしたとき、Ｘ／２（＝（Ｄ−ｄ）／２）よりも粒径が大きくかつＦＲＰ円筒１０及びフランジ継手２０よりも機械的強度が強いアルミナ粒子（無機粒子）３１を含有させたので、このアルミナ粒子３１が、ＦＲＰ円筒１０の内周面１２とフランジ継手２０の緩嵌合部２２Ｂの外周面の双方に噛み合って（引っ掛かって）捩り方向の力を受け止める結果、接着剤３０が変形して破壊されるのを防止することができる。
また、フランジ継手２０の嵌合部２２に複雑な加工を施す必要がなく低コストである。
【００４０】
以上の実施形態では、ＦＲＰ円筒をプリプレグ法で作製する場合を例示しているが、本発明は、ＦＲＰ円筒の構成及び製法は問わずに適用することができる。例えば、フィラメントワインディング法などで製造したあらゆる構成のＦＲＰ円筒を適用可能である。
【００４１】
以上の実施形態では、接着剤に含有させる無機粒子をアルミナ粒子とした場合を例示して説明したが、ＦＲＰ円筒及び継手部材よりも機械的強度（耐力）が強い無機粒子であれば、ジルコニア粒子を用いることもできる。
【００４２】
以上の実施形態では、フランジ継手（継手部材）を金属製（例えばアルミニウム製）の材料から構成しているが、接着剤よりも強度の強い樹脂を用いたＦＲＰ製の材料から構成して、ＦＲＰどうしを接合した複合シャフトとすることもできる。
【実施例】
【００４３】
本発明者らは、上述した方法で、アルミナ粒子を含有する接着剤によりＦＲＰ円筒と金属製のフランジ継手を接合したＦＲＰ複合シャフト（ＦＲＰ金属複合シャフト）を実際に作製して捩り破壊試験を行った。
【００４４】
まず、アルミナ粉体（大明化学工業株式会社製の商品名ＴＭ−ＤＡＲ、アンモニウムアルミニウムカーボネイトハイドロオキサイドを熱分解し粉砕処理したアルミナ粉体、アルミナ含有率９９．９９％以上）１００ｇを、適量の分散剤（東亞合成株式会社製の商品名アロンＡ−６１１４）とともに水３７ｇに加えてボールミルにて混合し原料スラリー（液状原料）とした。アルミナ粉体の平均粒子径の測定にあたっては、アルミナ粉体をヘキサメタリン酸ソーダ０．０７重量％溶液中で超音波分散機にて１５分間分散させて試料懸濁液を調製した後、遠心沈降式粒度分布測定装置（株式会社島津製作所製のＳＡ−ＣＰ３）にて粒度分布を測定した。
一方、敷き粉はアルミナ粉体１００ｇと、撥水剤としてステアリン酸エマルジョン（中京油脂株式会社製の商品名セロゾール）５０ｇと、水１００ｇをボールミルにて混合した後、この混合物を１００℃で乾燥させ、その後粉砕して８０メッシュを通して調製した。次に、この敷き粉を１ｍｍ程度の厚さに敷いて滴下面を構成した。
次に、振動式のノズルから原料スラリーを滴下面に滴下させてスラリーを球状液滴とした。次に、球状液滴を敷き粉とともに約６０℃の温度で加熱、乾燥させ、球状液滴をアルミナ粒子の前駆体としての小球体生成物とした。次に、小球体生成物と敷き粉を篩い分けした後、小球体生成物を１２６０℃の温度で２時間焼成し、アルミナ粒子を得た。尚、アルミナ粒子に付着している敷き粉由来の付着層は研磨により除去した。
【００４５】
このようにして得たアルミナ粒子の見掛け密度は、３．８９ｇ／ｃｍ3であった。見掛け密度はゲーリュサック型比重瓶を用いて測定した。また真球度は９８％であった。
【００４６】
このようにして得たアルミナ粒子から１００個のサンプル粒子を無作為に選び、ＳＥＭ写真を画像解析することにより粒径を測定した。図７はその粒径の分布を示しており、１００個のサンプル粒子のうち、０．２５〜０．２７ｍｍの粒径の粒子が５個、０．２７〜０．２９ｍｍの粒径の粒子が３４個、０．２９〜０．３１ｍｍの粒径の粒子が２７個、０．３１〜０．３３ｍｍの粒径の粒子が１３個、０．３３〜０．３５ｍｍの粒径の粒子が１１個、０．３５〜０．３７ｍｍの粒径の粒子が７個、０．３７〜０．３９ｍｍの粒径の粒子が３個であった。１００個のサンプル粒子のうち、最大粒径は０．３７６ｍｍ、最小粒径は０．２６０ｍｍであった。また、１００個のサンプル粒子の粒径の平均値を示す平均粒径は０．３０５ｍｍであった。この実施形態は、アルミナ粒子の度数分布を調べた実施形態であり、平均粒径と分散から正規分布を求めた実施形態ではない。
【００４７】
このようにして得たアルミナ粒子を接着剤（住友3M製 DP460）に混合した。アルミナ粒子の含有量は、接着剤の重量基準で３重量％であった。
【００４８】
一方、準備したＦＲＰ円筒の内周面の呼び径Ｄは３３．５２４ｍｍであった。この呼び径Ｄは、内径測定機（Mitsutoyo製 568-338 SBM‐40C）によりＦＲＰ円筒の内周面の径をその周方向位置を変えて２回測定した結果（３３．５２５ｍｍ、３３．５２３ｍｍ）の平均値である。
また、準備したフランジ継手の緩嵌合部の外周面の呼び径ｄは３２．９０ｍｍであった。この呼び径ｄは、ノギス（Mitsutoyo製 M型標準ノギス）によりフランジ継手の緩嵌合部の外周面の径をその周方向位置を変えて２回測定した結果（３２．９０ｍｍ、３２．９０ｍｍ）の平均値である。
したがって、ＦＲＰ円筒の内周面と緩嵌合部の外周面の間のクリアランスを示すＸ／２（＝（Ｄ−ｄ）／２）は、０．３１ｍｍであった。
【００４９】
捩り破壊試験は次のようにして行った。各試験片を油圧式捩り試験機に装填し、一端を完全拘束し、他端に角度変位を振幅±４５°、速度０．０２Ｈｚの正弦波で与えた。完全拘束端に配されたトルク検出器により捩り強度を測定した。捩れ角度は、変位側の軸に取り付けられたエンコーダーにより測定を行った。
【００５０】
図８（Ａ）−（Ｃ）はそれぞれ同一の製法で作製した３つのＦＲＰ複合シャフトに対する捩り破壊試験の結果を示している。図８（Ａ）−（Ｃ）に示すように、作製したいずれのＦＲＰ複合シャフトも、捩り角度（Ａｎｇｌｅ／Ｄｅｇ）を大きくするに従って若干のトルク値（Ｔｏｓｉｏｎａｌ Ｍｏｍｅｎｔ／ｋＮｍ）の落ち込みが数回見られるものの、捩り角度が４０Ｄｅｇを超えるまで接着剤破壊（接着界面破壊）が起こることはなく、トルクが伝達できていた。
【００５１】
また、捩り破壊試験を行った後に、ＦＲＰ円筒からフランジ継手を引き抜いて接合部分を観察したところ、ＦＲＰ円筒の内周面及びフランジ継手の緩嵌合部の外周面に、周方向に延びる引掻き傷が残っていた。これは接着剤に含有されるアルミナ粒子が、ＦＲＰ円筒の内周面とフランジ継手の緩嵌合部の外周面の双方に噛み合って（引っ掛って）捩り方向の力を受け止めたことを示していると考えられる。
【００５２】
図９（Ａ）、（Ｂ）は、比較例として、アルミナ粒子を含有しない接着剤でＦＲＰ円筒とフランジ継手を接合した２つのＦＲＰ複合シャフトに対する捩り破壊試験の結果を示している。図９（Ａ）では、捩り角度が２５Ｄｅｇを超えた辺りで接着剤破壊（接着界面破壊）が起こり、ＦＲＰ円筒とフランジ継手が自由に相対回転できる状態となってしまった。図９（Ｂ）では、捩り角度が１３Ｄｅｇを超えた辺りで接着剤破壊（接着界面破壊）が起こり、ＦＲＰ円筒とフランジ継手が自由に相対回転できる状態となってしまった。
【符号の説明】
【００５３】
１００ ＦＲＰ複合シャフト（ＦＲＰ金属複合シャフト）
１０ ＦＲＰ円筒
１１ 端面
１２ 内周面
２０ フランジ継手（継手部材）
２１ フランジ部
２２ 嵌合部
２２Ａ 密嵌合部
２２Ｂ 緩嵌合部
３０ 接着剤（混合接着剤）
３１ アルミナ粒子（無機粒子）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦＲＰ円筒の中空端部内に継手部材を挿入し、接着剤を介して接合してなるＦＲＰ複合シャフトにおいて、
上記ＦＲＰ円筒の内周面と上記継手部材の外周面の間のクリアランス内に挿入する上記接着剤中に、上記ＦＲＰ円筒の内周面の呼び径と上記継手部材の外周面の呼び径との差をＸとしたとき、Ｘ／２よりも粒径が大きくかつ上記ＦＲＰ円筒及び上記継手部材よりも機械的強度が強い無機粒子を含有させたことを特徴とするＦＲＰ複合シャフト。
【請求項２】
請求項１記載のＦＲＰ複合シャフトにおいて、
上記継手部材は、上記ＦＲＰ円筒の内周面に密に嵌合する密嵌合部と、同ＦＲＰ円筒の内周面に緩く嵌合する緩嵌合部とを有していて、上記ＦＲＰ円筒の内周面と上記継手部材の緩嵌合部の外周面の間のクリアランス内に上記接着剤が挿入されているＦＲＰ複合シャフト。
【請求項３】
請求項１または２記載のＦＲＰ複合シャフトにおいて、
上記接着剤に含有される無機粒子は、全粒子数を１００としたとき、上記Ｘ／２よりも粒径が大きい無機粒子が３０以上含まれるＦＲＰ複合シャフト。
【請求項４】
請求項１または２記載のＦＲＰ複合シャフトにおいて、
上記接着剤に含有される無機粒子の粒径は、Ｘ／２[mm]〜（Ｘ／２＋０．１）[mm]の範囲内であるＦＲＰ複合シャフト。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項記載のＦＲＰ複合シャフトにおいて、
上記接着剤に含有される無機粒子は、上記接着剤の重量基準で３〜９重量％であるＦＲＰ複合シャフト。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項記載のＦＲＰ複合シャフトにおいて、
上記無機粒子はアルミナ粒子からなるＦＲＰ複合シャフト。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項記載のＦＲＰ複合シャフトにおいて、
上記ＦＲＰ円筒は、炭素強化繊維を熱硬化性樹脂シート中に含浸させてなる複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＣＦＲＰ層からなるＦＲＰ複合シャフト。
【請求項８】
請求項２ないし７のいずれか１項記載のＦＲＰ複合シャフトにおいて、
上記継手部材は、上記ＦＲＰ円筒の端面が当接するフランジ部を有し、このフランジ部の両側にそれぞれ上記密嵌合部及び緩嵌合部が形成されているＦＲＰ複合シャフト。
【請求項９】
ＦＲＰ円筒の中空端部内に継手部材を挿入し、接着剤を介して接合するＦＲＰ複合シャフトの製造方法において、
上記ＦＲＰ円筒の内周面の呼び径と上記継手部材の外周面の呼び径をそれぞれ測定するステップ；
測定されたＦＲＰ円筒の内周面の呼び径と継手部材の外周面の呼び径との差をＸとしたとき、Ｘ／２よりも粒径が大きくかつ上記ＦＲＰ円筒及び上記継手部材よりも機械的強度が強い無機粒子を含む無機粒子群を選択するステップ；及び
選択した無機粒子群を接着剤中に混合し、その混合接着剤をＦＲＰ円筒の内周面と継手部材の外周面との間のクリアランス内に挿入して固化させるステップ；を有することを特徴とするＦＲＰ複合シャフトの製造方法。
【請求項１０】
請求項９記載のＦＲＰ複合シャフトの製造方法において、
上記継手部材は、上記ＦＲＰ円筒の内周面に密に嵌合する密嵌合部と、同ＦＲＰ円筒の内周面に緩く嵌合する緩嵌合部とを有していて、上記ＦＲＰ円筒の内周面と上記継手部材の緩嵌合部の外周面の間のクリアランス内に上記混合接着剤が挿入されているＦＲＰ複合シャフトの製造方法。
【請求項１１】
請求項９または１０記載のＦＲＰ複合シャフトの製造方法において、
上記混合接着剤に含有される無機粒子群は、全粒子数を１００としたとき、上記Ｘ／２よりも粒径が大きい無機粒子が３０以上含まれるＦＲＰ複合シャフトの製造方法。
【請求項１２】
請求項９または１０記載のＦＲＰ複合シャフトの製造方法において、
上記混合接着剤に含有される無機粒子群の粒径は、Ｘ／２[mm]〜（Ｘ／２＋０．１）[mm]の範囲内であるＦＲＰ複合シャフトの製造方法。
【請求項１３】
請求項９または１０記載のＦＲＰ複合シャフトの製造方法において、
上記混合接着剤に含有される無機粒子群は、上記混合接着剤の重量基準で３〜９重量％であるＦＲＰ複合シャフトの製造方法。
【請求項１４】
請求項９ないし１３のいずれか１項記載のＦＲＰ複合シャフトの製造方法において、
上記無機粒子群はアルミナ粒子群からなるＦＲＰ複合シャフトの製造方法。
【請求項１５】
請求項９ないし１４のいずれか１項記載のＦＲＰ複合シャフトの製造方法において、
上記ＦＲＰ円筒は、炭素強化繊維を熱硬化性樹脂シート中に含浸させてなる複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＣＦＲＰ層からなるＦＲＰ複合シャフトの製造方法。
【請求項１６】
請求項１０ないし１５のいずれか１項記載のＦＲＰ複合シャフトの製造方法において、
上記継手部材は、上記ＦＲＰ円筒の端面が当接するフランジ部を有し、このフランジ部の両側にそれぞれ上記密嵌合部及び緩嵌合部が形成されているＦＲＰ複合シャフトの製造方法。
【請求項１】
ＦＲＰ円筒の中空端部内に継手部材を挿入し、接着剤を介して接合してなるＦＲＰ複合シャフトにおいて、
上記ＦＲＰ円筒の内周面と上記継手部材の外周面の間のクリアランス内に挿入する上記接着剤中に、上記ＦＲＰ円筒の内周面の呼び径と上記継手部材の外周面の呼び径との差をＸとしたとき、Ｘ／２よりも粒径が大きくかつ上記ＦＲＰ円筒及び上記継手部材よりも機械的強度が強い無機粒子を含有させたことを特徴とするＦＲＰ複合シャフト。
【請求項２】
請求項１記載のＦＲＰ複合シャフトにおいて、
上記継手部材は、上記ＦＲＰ円筒の内周面に密に嵌合する密嵌合部と、同ＦＲＰ円筒の内周面に緩く嵌合する緩嵌合部とを有していて、上記ＦＲＰ円筒の内周面と上記継手部材の緩嵌合部の外周面の間のクリアランス内に上記接着剤が挿入されているＦＲＰ複合シャフト。
【請求項３】
請求項１または２記載のＦＲＰ複合シャフトにおいて、
上記接着剤に含有される無機粒子は、全粒子数を１００としたとき、上記Ｘ／２よりも粒径が大きい無機粒子が３０以上含まれるＦＲＰ複合シャフト。
【請求項４】
請求項１または２記載のＦＲＰ複合シャフトにおいて、
上記接着剤に含有される無機粒子の粒径は、Ｘ／２[mm]〜（Ｘ／２＋０．１）[mm]の範囲内であるＦＲＰ複合シャフト。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項記載のＦＲＰ複合シャフトにおいて、
上記接着剤に含有される無機粒子は、上記接着剤の重量基準で３〜９重量％であるＦＲＰ複合シャフト。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項記載のＦＲＰ複合シャフトにおいて、
上記無機粒子はアルミナ粒子からなるＦＲＰ複合シャフト。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項記載のＦＲＰ複合シャフトにおいて、
上記ＦＲＰ円筒は、炭素強化繊維を熱硬化性樹脂シート中に含浸させてなる複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＣＦＲＰ層からなるＦＲＰ複合シャフト。
【請求項８】
請求項２ないし７のいずれか１項記載のＦＲＰ複合シャフトにおいて、
上記継手部材は、上記ＦＲＰ円筒の端面が当接するフランジ部を有し、このフランジ部の両側にそれぞれ上記密嵌合部及び緩嵌合部が形成されているＦＲＰ複合シャフト。
【請求項９】
ＦＲＰ円筒の中空端部内に継手部材を挿入し、接着剤を介して接合するＦＲＰ複合シャフトの製造方法において、
上記ＦＲＰ円筒の内周面の呼び径と上記継手部材の外周面の呼び径をそれぞれ測定するステップ；
測定されたＦＲＰ円筒の内周面の呼び径と継手部材の外周面の呼び径との差をＸとしたとき、Ｘ／２よりも粒径が大きくかつ上記ＦＲＰ円筒及び上記継手部材よりも機械的強度が強い無機粒子を含む無機粒子群を選択するステップ；及び
選択した無機粒子群を接着剤中に混合し、その混合接着剤をＦＲＰ円筒の内周面と継手部材の外周面との間のクリアランス内に挿入して固化させるステップ；を有することを特徴とするＦＲＰ複合シャフトの製造方法。
【請求項１０】
請求項９記載のＦＲＰ複合シャフトの製造方法において、
上記継手部材は、上記ＦＲＰ円筒の内周面に密に嵌合する密嵌合部と、同ＦＲＰ円筒の内周面に緩く嵌合する緩嵌合部とを有していて、上記ＦＲＰ円筒の内周面と上記継手部材の緩嵌合部の外周面の間のクリアランス内に上記混合接着剤が挿入されているＦＲＰ複合シャフトの製造方法。
【請求項１１】
請求項９または１０記載のＦＲＰ複合シャフトの製造方法において、
上記混合接着剤に含有される無機粒子群は、全粒子数を１００としたとき、上記Ｘ／２よりも粒径が大きい無機粒子が３０以上含まれるＦＲＰ複合シャフトの製造方法。
【請求項１２】
請求項９または１０記載のＦＲＰ複合シャフトの製造方法において、
上記混合接着剤に含有される無機粒子群の粒径は、Ｘ／２[mm]〜（Ｘ／２＋０．１）[mm]の範囲内であるＦＲＰ複合シャフトの製造方法。
【請求項１３】
請求項９または１０記載のＦＲＰ複合シャフトの製造方法において、
上記混合接着剤に含有される無機粒子群は、上記混合接着剤の重量基準で３〜９重量％であるＦＲＰ複合シャフトの製造方法。
【請求項１４】
請求項９ないし１３のいずれか１項記載のＦＲＰ複合シャフトの製造方法において、
上記無機粒子群はアルミナ粒子群からなるＦＲＰ複合シャフトの製造方法。
【請求項１５】
請求項９ないし１４のいずれか１項記載のＦＲＰ複合シャフトの製造方法において、
上記ＦＲＰ円筒は、炭素強化繊維を熱硬化性樹脂シート中に含浸させてなる複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＣＦＲＰ層からなるＦＲＰ複合シャフトの製造方法。
【請求項１６】
請求項１０ないし１５のいずれか１項記載のＦＲＰ複合シャフトの製造方法において、
上記継手部材は、上記ＦＲＰ円筒の端面が当接するフランジ部を有し、このフランジ部の両側にそれぞれ上記密嵌合部及び緩嵌合部が形成されているＦＲＰ複合シャフトの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２４５８０３（Ｐ２０１１−２４５８０３Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２３３７６（Ｐ２０１０−１２３３７６）
【出願日】平成２２年５月２８日（２０１０．５．２８）
【出願人】（０００００５１７５）藤倉ゴム工業株式会社 (120)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２８日（２０１０．５．２８）
【出願人】（０００００５１７５）藤倉ゴム工業株式会社 (120)
【Ｆターム（参考）】
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