JP5401663B2

JP5401663B2 - ボルト

Info

Publication number: JP5401663B2
Application number: JP2009173731A
Authority: JP
Inventors: 武彦大木
Original assignee: Ohgi Technological Creation Co Ltd
Current assignee: Ohgi Technological Creation Co Ltd
Priority date: 2009-07-24
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-07-24
Also published as: JP2011027182A

Description

本発明は、炭素繊維と接合材を用いた軽量なボルトに関する。

産業一般において、雄ねじ又は雌ねじが形成された部材を雌ねじ又は雄ねじが形成された他の部材に結合、すなわち螺合させて締結したり運動伝達したりする螺合用部材が広く使用されている。螺合用部材は、鉄やステンレス鋼などの金属製のものが一般的であるが、軽量さが重視される場合には、合成樹脂製のものや更にそれを繊維で補強したものも用いられる。特許文献１には、合成樹脂に炭素繊維などの長繊維を軸方向に配向して含有した素材をプレス成形した繊維強化樹脂締結ボルトが記載されている。この繊維強化樹脂締結ボルトは、外周部には直線状に長繊維を配し、軸心部には屈曲状に配することにより、軸のせん断強度を向上させようとしている。

特開平６−１８５５１４号公報

このような繊維、特に長繊維の炭素繊維で補強した合成樹脂製の螺合用部材は、強度を高くすることができる上に非常に軽量である。しかしながら、使用される施設や機械によっては、より高い強度のものが求められる。例えば、特許文献１に記載のボルトは、長繊維を含んだ合成樹脂を加熱して溶融させ、成形用治具に押し当てることによりねじを成形しているので、ねじ山部分の強度に長繊維は余り寄与しておらず、それに関しては少なくとも改善の余地がある。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、炭素繊維と、合成樹脂などの接合材と、を用いた軽量なものであって、特にねじ山部分の強度を高くした螺合用部材を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載のボルトは、直線状の炭素繊維が平行に集合して成る平らな箔状の炭素繊維集合体が接合材を介在させて軸方向に多数積層されており、外周面に雄ねじのねじが形成された螺合用部材本体を備え、前記螺合用部材本体の炭素繊維集合体は、隣接するものの炭素繊維の方向が互いに異なっており、かつ、ねじの１ピッチ内に炭素繊維の方向が互いに異なるものを含むことを特徴とする。

請求項２に記載のボルトは、請求項１に記載のボルトにおいて、前記螺合用部材本体の炭素繊維集合体は、ねじの１ピッチ内に少なくとも２層分が存在するものであることを特徴とする。

請求項３に記載のボルトは、請求項１又は２に記載のボルトにおいて、前記螺合用部材本体の炭素繊維集合体は、ねじの山の頂部分に炭素繊維の方向が互いに異なるものを含んでいるよう積層されていることを特徴とする。

請求項４に記載のボルトは、請求項１〜３のいずれか１項に記載のボルトにおいて、前記螺合用部材本体の隣接する炭素繊維集合体の炭素繊維の方向は、互いに直交する関係にあることを特徴とする。

請求項５に記載のボルトは、請求項１〜４のいずれか１項に記載のボルトにおいて、軸方向に平行又は斜めになるように炭素繊維が集合してなる炭素繊維集合体を含む螺合用部材補助体を更に備えることを特徴とする。

請求項６に記載のボルトは、請求項１〜５のいずれか１項に記載のボルトにおいて、少なくとも前記ねじの表面に、ダイヤモンドライクカーボンの被膜が設けられていることを特徴とする。

本発明に係るボルトによれば、多数積層された螺合用部材本体の炭素繊維集合体は、隣接するものの炭素繊維の方向が互いに異なっており、かつ、ねじの１ピッチ内に炭素繊維の方向が互いに異なるものを含んでいるので、ねじ山部分の強度を高くすることができる。

本発明の実施形態に係る螺合用部材１を示すものであって、（ａ）がねじ部１ａの先端側から見た平面図、（ｂ）が正面視断面図である。同上の螺合用部材１のねじ部１ａの螺合用部材本体１０の一部を拡大して示したものであって、（ａ）が正面図、（ｂ）が正面視断面図である。同上の螺合用部材１の螺合用部材本体１０の炭素繊維集合体Ｓ、Ｓの炭素繊維ＣＦの方向を模式的に示すものであって、（ａ）と（ｂ）は隣接する炭素繊維集合体Ｓ、Ｓの平面視拡大断面図である。同上の螺合用部材１の螺合用部材本体１０を製造途中で形成される板状体ＢＬを簡略して示す正面図である。同上の螺合用部材１のねじ部１ａの別の例の螺合用部材本体１０の一部を拡大して示した正面視断面図である。同上の螺合用部材１の螺合用部材本体１０をねじ部１ａの先端側から透視した模式図である。同上の螺合用部材１の螺合用部材補助体１１を拡大して示したものであって、（ａ）が平面図、（ｂ）が一部の正面視断面図である。である。同上の螺合用部材１の変形例１’を示すものであって、（ａ）がねじ部１ａ’の先端側から見た平面図、（ｂ）が正面視断面図である。同上の螺合用部材１の別の変形例１’’を示す正面視断面図である。参考の実施形態に係る螺合用部材２の一部を拡大して示した正面視断面図である。同上の螺合用部材２の変形例２’を示すものであって、（ａ）が平面図、（ｂ）が正面視断面図である。

以下、本発明を実施するための好ましい形態を説明する。本発明の実施形態に係る螺合用部材１は、締結用のボルトとして用いられるものである。この螺合用部材１は、図１に示すように、雄ねじのねじが形成されたねじ部１ａと頭部１ｂとを有した通常のボルトと同様の外形を成す螺合用部材本体１０を有している。螺合用部材本体１０には、軸方向の孔が穿たれており、その孔に螺合用部材補助体１１が挿入されている。

螺合用部材本体１０は、外周面に雄ねじが形成されており、図２（ｂ）に示すように、平らな箔状（例えば、０．１〜０．２ｍｍ程度の厚さ）の炭素繊維集合体Ｓが軸方向（中心軸Ｃｅに沿う方向）に多数積層されている。この炭素繊維集合体Ｓは、直線状の炭素繊維ＣＦ（例えば、０．５〜５０μｍ程度の直径）が平行に（かつ、軸方向に対して垂直に）集合して成るものである。炭素繊維集合体Ｓは、母材（マトリックス）と称される接合材ＢＩを介在させて積層されているなお、炭素繊維集合体Ｓを構成する炭素繊維ＣＦ同士も、接合材ＢＩが含浸することによって或いは別の接合材によって接合している。そして、これらの炭素繊維集合体Ｓ、Ｓは、隣接する（接合材ＢＩを介して隣り合う）ものの炭素繊維ＣＦの方向（炭素繊維ＣＦが延びている方向）が互いに異なっている。この実施形態では、隣接する炭素繊維集合体Ｓ、Ｓは、図３に示すように、炭素繊維ＣＦの方向が互いに直交する関係、すなわち９０度異なっている。

螺合用部材本体１０は、次のようにして製造することができる。すなわち、所定の大きさの炭素繊維集合体Ｓに接合材ＢＩとなる合成樹脂（例えば、エポキシ樹脂）或いはピッチなどを塗布又は含浸して、炭素繊維ＣＦの方向が異なるように積層し、加熱及び加圧することによって全ての炭素繊維集合体Ｓを固着させて、図４に示すような所定の厚さの、いわゆる炭素繊維強化炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジット）或いは炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）の板状体ＢＬを形成する。炭素繊維含有率は、例えば、４０〜７０ｖｏｌ％程度である。加熱の温度は、Ｃ／Ｃコンポジットの場合は、接合材ＢＩの合成樹脂或いはピッチが炭素化し部分的に黒鉛化するような高温（例えば、２０００〜３０００℃）であり、これにより接合材ＢＩの黒鉛と炭素繊維集合体Ｓの黒鉛とが強力に結合する。ＣＦＲＰの場合は、それよりも低い温度であり、接合材ＢＩの合成樹脂が硬化して炭素繊維集合体Ｓと結合する。なお、Ｃ／ＣコンポジットとするかＣＦＲＰは、螺合用部材１に必要とされる強度（後述のねじ山部分の強度や軸のせん断強度など）や使用温度などから決定する。

それから、その板状体ＢＬから、螺合用部材１の軸方向が炭素繊維集合体Ｓの積層方向になるように螺合用部材本体１０の原型を多数切り出して切削加工する。切り出し及び切削加工は、ダイヤモンドなどの刃先を用いて行い、螺合用部材本体１０のねじを含む外形及び螺合用部材補助体１１を挿入する孔を形成する。このようにして、螺合用部材本体１０を製造することができる。

螺合用部材本体１０の炭素繊維集合体Ｓは、ねじの１ピッチＴ_Ｐ内に炭素繊維ＣＦの方向が互いに異なるものを含んでいるよう積層される。好ましくは、炭素繊維集合体Ｓは、ねじの１ピッチＴ_Ｐ内に少なくとも２層分が存在するよう積層される。２層分とは、２層の完全な炭素繊維集合体Ｓの合計、或いは、１層の完全な炭素繊維集合体Ｓ及びその上下の合わせて１層分の厚みを成す炭素繊維集合体Ｓの合計、を言う。具体的には、ねじのピッチＴ_Ｐが１．７５ｍｍ、炭素繊維集合体Ｓの厚さが０．１ｍｍ、接合材ＢＩの厚さが０．０５ｍｍとすると、図２（ｂ）に示すように、１ピッチＴ_Ｐ内に１１層分以上の炭素繊維集合体Ｓが積層されていることになる。また、別の例では、例えば、ねじのピッチＴ_Ｐが０．８ｍｍ、炭素繊維集合体Ｓの厚さが０．２ｍｍ、接合材ＢＩの厚さが０．１５ｍｍとすると、図５に示すように、１ピッチＴ_Ｐ内に２層分以上の炭素繊維集合体Ｓが積層されていることになる。１ピッチＴ_Ｐ内に炭素繊維ＣＦの方向が互いに異なるものを含んでいるよう炭素繊維集合体Ｓが積層されることによって、螺合用部材１が雌ねじの螺合用部材と螺合したときにねじの根元（谷底）１０Ｂ近傍にかかるせん断力に対するねじ山部分の強度が高められる。このことを図６を用いて以下説明する。なお、１ピッチＴ_Ｐ内に少なくとも２層分が存在するよう炭素繊維集合体Ｓが積層されると、せん断力に対するねじ山部分の強度が安定して高められる。

図６において、Ａ点〜Ｅ点はそれぞれ、ねじの根元１０Ｂにある周方向の角度位置の異なる点である。図の上下方向の直線は、方向ＤＩＲ_１に沿いＡ点〜Ｅ点のいずれかを通過する炭素繊維ＣＦを表している。図の左右方向の直線は、方向ＤＩＲ_２に沿いＡ点〜Ｅ点のいずれかを通過する炭素繊維ＣＦを表している。方向ＤＩＲ_１に沿い延長すると中心軸Ｃｅに交差するような炭素繊維ＣＦ_１Ａ上のＡ点においては、少なくとも炭素繊維ＣＦ_１Ａが作用しその曲げ強度によってねじ山部分の強度を高めている。方向ＤＩＲ_２に沿い延長すると中心軸Ｃｅに交差するような炭素繊維ＣＦ_２Ｅ上のＥ点においては、少なくとも炭素繊維ＣＦ_２Ｅが作用しその曲げ強度によってねじ山部分の強度を高めている。Ａ点とＥ点の真中の角度位置のＣ点においては、少なくとも炭素繊維ＣＦ_１Ｃと炭素繊維ＣＦ_２Ｃが作用しその曲げ強度によってねじ山部分の強度を高めている。Ａ点とＣ点の真中の角度位置のＢ点においては、少なくとも炭素繊維ＣＦ_１Ｂと炭素繊維ＣＦ_２Ｂが作用しその曲げ強度によってねじ山部分の強度を高めている。Ｃ点とＥ点の真中の角度位置のＤ点においては、少なくとも炭素繊維ＣＦ_１Ｄと炭素繊維ＣＦ_２Ｄが作用しその曲げ強度によってねじ山部分の強度を高めている。このようにして、ねじの根元１０Ｂにおいては、周方向のどの角度位置であっても、いずれかの方向の炭素繊維ＣＦが作用してねじ山部分の強度を高めるようになるのである。

好ましくは、ねじ山の頂部分、つまりねじ山の両斜面（フランク）の先端間１０Ｔにおいて、炭素繊維ＣＦの方向が互いに異なるものを含んでいるよう炭素繊維集合体Ｓが積層されているようにする。図２（ｂ）の例では、ねじ山の頂部分１０Ｔの幅Ｔ_Ｔが約０．２２ｍｍになり、炭素繊維ＣＦの方向が互いに異なるものを含んでいるよう炭素繊維集合体Ｓが積層されている。ねじ山の頂部分１０Ｔにおいて炭素繊維ＣＦの方向が互いに異なるものを含んでいるよう炭素繊維集合体Ｓが積層されることによって、螺合用部材１が雌ねじの螺合用部材と合わさって螺合用部材１の軸が雌ねじの螺合用部材の軸と傾くような力が加えられたような場合に、ねじ山の頂部分１０Ｔに局所的に大きなせん断力がかかったとしても、それに対する強度が高められる。

また、炭素繊維ＣＦの方向が互いに直交する炭素繊維集合体Ｓが交互に積層されているものに限らず、炭素繊維ＣＦの方向が或る一定の角度（例えば、４５度或いは６０度など）ずつ異なる炭素繊維集合体Ｓが順に積層されているようにすることも可能である。この場合も、いずれかの方向の炭素繊維ＣＦが作用して、周方向のどの角度位置であってもねじ山部分の強度を高めるようになる。

螺合用部材補助体１１は、軸方向に平行又は斜めになるように炭素繊維ＣＦが集合してなる炭素繊維集合体Ｓ’を含む。例えば、図７に示すように、上記の炭素繊維集合体Ｓと同様な、直線状の炭素繊維ＣＦが平行に集合して成る箔状の炭素繊維集合体Ｓ’が、輪状に巻かれたり螺旋状に巻かれたりして管状体とされており、複数の管状体が中心軸Ｃｅの周りに多重に設けられ、接合材ＢＩと同様な接合材ＢＩ’で固着されている。中心軸Ｃｅを含む中心部は、図７に示すように炭素繊維集合体Ｓ’を設けてもよいし、中心軸Ｃｅに沿って空けた小径の孔としてもよい。或いは、複数の管状体のかわりに、１枚の箔状の炭素繊維集合体Ｓ’を巻物状に巻いて隣接する面を接合材ＢＩ’で固着させてもよい。螺合用部材補助体１１は、いわゆるＣ／Ｃコンポジット或いはＣＦＲＰの一種である。なお、螺合用部材補助体１１と上記の螺合用部材本体１０とがともにＣ／Ｃコンポジットの組み合わせ、ともにＣＦＲＰの組み合わせ、ＣＦＲＰとＣ／Ｃコンポジットの組み合わせ、Ｃ／ＣコンポジットとＣＦＲＰの組み合わせ、が可能である。

螺合用部材本体１０の内部に挿入された螺合用部材補助体１１は、螺合用部材本体１０から抜け落ちることがないよう、抜け落ち防止の処理がされる。具体的には、螺合用部材本体１０と螺合用部材補助体１１とを接合材ＢＩと同様な接合材で固着することで、抜け落ち防止が可能である。また、後述のようにねじの表面にダイヤモンドライクカーボンの被膜を形成するときに、同時に、ねじ部１ａの端面とその反対の頭部１ｂの端面において螺合用部材本体１０と螺合用部材補助体１１の境目にダイヤモンドライクカーボンの被膜を形成することで抜け落ち防止を行うことが可能である。

螺合用部材補助体１１は、炭素繊維ＣＦが軸方向に平行又は斜めに配向されているので、これを内部に含む螺合用部材１は、螺合用部材補助体１１の炭素繊維ＣＦの曲げ強度
によって、軸のせん断強度、すなわち中心軸Ｃｅに垂直な方向のせん断力に対する強度が高いものとなる。すなわち、上記の螺合用部材本体１０は、その炭素繊維集合体Ｓが軸方向に積層され、その炭素繊維ＣＦが軸方向に対して垂直に配向していて、中心軸Ｃｅに垂直な方向のせん断力に対する強度が余り高くないので、それを螺合用部材補助体１１が補完して高めるのである。

また、螺合用部材補助体１１は、図１に示すように中心軸Ｃｅに沿って単一のものを挿入するだけでなく、図８に示すように、４個の螺合用部材補助体１１’のように複数のものを挿入することも可能である。また、図９に示す螺合用部材補助体１１’’のように部分的に直径を変えることもできる。更に、螺合用部材補助体１１（又は１１’、１１’’）は、通常、円柱状又は円筒状であるが、場合によっては、角柱状又は角型筒状とすることも可能である。

次に、螺合用部材１の表面処理について説明する。螺合用部材本体１０のねじの表面には、炭素繊維ＣＦの切断面が表れている。このようなねじの表面は、特性も不安定になり易く、また、欠けや亀裂も起こり易い。そのため、ねじの表面に、気相成長させたダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の被膜を設けるのが好ましい。

このダイヤモンドライクカーボンの被膜は、プラズマＣＶＤやＰＶＤなどの蒸着法により形成されるものであり、硬質である。また、ダイヤモンドライクカーボンの被膜は、一般的な摩擦係数が低い（潤滑性が高い）のものから、摩擦係数が高いものまで可能であるので、螺合用部材１のねじ込み易さや緩み難さなどのバランスを考慮して、適切な摩擦係数のものとすることができる。

以上説明した螺合用部材１は、締結用のいろいろなものに変形して適用することが可能である。タッピンねじや木ねじに適用する場合は、当然であるが、ねじ部１ａの先端の少し頭部側の内部から頭部の端まで螺合用部材補助体１１が設けられる。

次に、参考の実施形態に係る螺合用部材２を説明する。この螺合用部材２は、締結用のナットとして用いられるものである。螺合用部材２は、通常のナットと同様の外形を成し、雌ねじのねじが形成された螺合用部材本体２０から成っている。

この螺合用部材本体２０も、図１０に示すように、螺合用部材本体１０と実質的に同様の炭素繊維集合体Ｓが接合材ＢＩを介在させて軸方向に多数積層されており、内周面に雌ねじが形成されている。また、螺合用部材本体２０は、螺合用部材本体１０と同様にして、製造することができる。

螺合用部材本体２０の炭素繊維集合体Ｓ、Ｓも、螺合用部材本体１０と同様に、隣接するものの炭素繊維ＣＦの方向が互いに異なっている。また、ねじの１ピッチＴ_Ｐ内に炭素繊維ＣＦの方向が互いに異なるものを含んでいるよう積層され、好ましくは、少なくとも２層分が存在するよう積層される。これにより、周方向のどの角度位置であっても、いずれかの炭素繊維ＣＦが作用してねじ山部分の強度を高めるようになっている。好ましくは、螺合用部材本体１０と同様に、ねじ山の頂部分、つまりねじ山の両斜面（フランク）の先端間２０Ｔにおいても、炭素繊維ＣＦの方向が互いに異なるものを含んでいるよう炭素繊維集合体Ｓが積層されているようにして、ねじ山の頂部分に局所的に大きなせん断力がかかったとしても、それに対する強度が高められるようにする。

螺合用部材２は、通常、軸方向の長さが短いために、軸方向に垂直な方向にかかるせん断力は余り大きくなく、螺合用部材１における螺合用部材補助体１１のような螺合用部材補助体は必ずしも必要ではない。ただし、軸方向の長さが比較的長いなどの場合には、図１１に示す６個の螺合用部材補助体２１のように、複数の螺合用部材補助体を挿入してもよい。

螺合用部材２の表面処理は、螺合用部材１と同様に、ねじ山の表面に、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の被膜を設けるのが好ましい。

以上、本発明の実施形態に係る螺合用部材について説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、上記の螺合用部材は、締結用以外の運動伝達用や位置調整などの用途にも変形して適用することが可能である。このとき、螺合（噛合）する他の部材は歯車などの場合も可能である。

１、２螺合用部材
１０、２０螺合用部材本体
１０Ｂ、２０Ｂ螺合用部材本体の根元（谷底）
１０Ｔ、２０Ｔ螺合用部材本体のねじ山の頂部分
１１、２１螺合用部材補助体
ＢＩ接合材
ＣＦ炭素繊維
Ｓ炭素繊維集合体
Ｔ_Ｐねじのピッチ
Ｔ_Ｔねじ山の頂部分の幅

Claims

直線状の炭素繊維が平行に集合して成る平らな箔状の炭素繊維集合体が接合材を介在させて軸方向に多数積層されており、外周面に雄ねじのねじが形成された螺合用部材本体を備え、
前記螺合用部材本体の炭素繊維集合体は、隣接するものの炭素繊維の方向が互いに異なっており、かつ、ねじの１ピッチ内に炭素繊維の方向が互いに異なるものを含むことを特徴とするボルト。
請求項１に記載のボルトにおいて、
前記螺合用部材本体の炭素繊維集合体は、ねじの１ピッチ内に少なくとも２層分が存在するものであることを特徴とするボルト。
請求項１又は２に記載のボルトにおいて、
前記螺合用部材本体の炭素繊維集合体は、ねじの山の頂部分に炭素繊維の方向が互いに異なるものを含んでいるよう積層されていることを特徴とするボルト。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のボルトにおいて、
前記螺合用部材本体の隣接する炭素繊維集合体の炭素繊維の方向は、互いに直交する関係にあることを特徴とするボルト。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のボルトにおいて、
軸方向に平行又は斜めになるように炭素繊維が集合してなる炭素繊維集合体を含む螺合用部材補助体を更に備えることを特徴とするボルト。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のボルトにおいて、
少なくとも前記ねじの表面に、ダイヤモンドライクカーボンの被膜が設けられていることを特徴とするボルト。