JP5811059B2 - 部材の接続装置 - Google Patents

Description

本発明は、２以上の部材の重ね合わせ箇所を接続する部材の接続装置に係り、特に、重ね合わせ箇所を形成する少なくとも１つの部材が熱可塑性樹脂の内部に補強用の繊維材が含有されてなる繊維強化樹脂材である部材同士を接続する際に用いられる部材の接続装置に関するものである。

樹脂に補強用の繊維材が含有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。そして、繊維強化樹脂材同士の接続に関しては、接着剤を介して接続する方法やボルトによって接続する方法、さらにはそれらを組み合わせた接続方法などが一般に用いられている。

一方、アルミ板や鋼板等の金属部材同士の接続に関しては、スポット溶接や摩擦攪拌接合、メカニカルクリンチ、ろう付け、ネジ留め、セルフピアスリベットによる接続方法などが一般に用いられている。

さらに繊維強化樹脂材と金属部材同士の接続、すなわち、異種部材同士の接続に関しては、上記接続方法のいずれか一種もしくは二種以上の組み合わせにて接続がおこなわれている。

繊維強化樹脂材同士の接続や金属部材同士の接続といったいわゆる同種部材同士の接続、繊維強化樹脂材と金属部材のいわゆる異種部材同士の接続のいずれにおいても、既述するこれまでの接続方法では種々の問題がある。具体的には、接着剤を使用する場合は接着までに時間を要すること、ボルトやネジ留め、セルフピアスリベット等による場合は接続部品を要することから、製造時間が長くなるといった問題や接続部品に起因する製造コスト増といった問題である。

特に三次元的に複雑な形状を呈する部材同士をボルト等の接続部品を使用して接続する場合には、被接続部材同士の位置合わせのためのハンドリングが容易でなく、接続部品にて接続する際の組み付け手間が多くなり易い。また、接着や溶着による方法では、三次元的に複雑な接続箇所（重ね合わせ箇所）の全てにおいて、可及的に均一に接着剤を塗工したり、可及的に均一に加熱するのが極めて困難であることは理解に易い。

ここで、特許文献１には、接合部に老化防止剤を塗布した後、非接触熱板溶着法にて部材同士を接続する方法が開示されている。

この接続方法によれば、強度ばらつきの小さな接合部を形成できるとしているが、しかしながら、空気を通しての加熱であるがゆえに伝熱効率が悪く、したがって加熱による接合に時間を要することから既述する課題を解消できるものではない。また、この接続方法においても、三次元的に複雑な接続箇所（重ね合わせ箇所）の全てにおいて、可及的に均一に加熱するのが極めて困難であることに代わりはない。

そこで、たとえば特許文献２で開示されるプラスチックフィルムの溶着装置、溶着方法のように、レーザービームを照射してフィルムを溶着させる技術を適用する方法もある。しかし、特許文献２で開示の装置は、２つの回転ローラ間にフィルムを送り込んで狭圧する構成を必須としており、たとえば比較的剛性のある熱可塑性樹脂のプレート同士の接続や熱可塑性樹脂のプレートと金属素材のプレートの接続などに適用することはできない。

特開２０１０−２２８７９８号公報 特開２００９−２０２５０２号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、２以上の被接続部材であって、少なくとも１つの部材が熱可塑性樹脂の内部に補強用の繊維材が含有されてなる繊維強化樹脂材である部材の重ね合わせ箇所を高い接続強度で接続することのできる部材の接続装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による部材の接続装置は、２以上の部材の少なくとも１つの部材が熱可塑性樹脂内に発熱抵抗体となる補強用の繊維材を含有してなる繊維強化樹脂材である、該２以上の部材の重ね合わせ箇所を接続する部材の接続装置であって、前記接続装置は、内部に電磁誘導コイルを備えて部材の重ね合わせ箇所を加圧しながら移動する移動体から構成されており、移動体のうち、部材の重ね合わせ箇所と接触する接触箇所は、電磁誘導コイルに通電した際に生じる電磁誘導によって発熱しない、もしくは発熱し難い素材から形成されており、移動体の移動により、電磁誘導によって繊維材が発熱して熱可塑性樹脂を溶融させ、移動体による加圧によって部材の重ね合わせ箇所が接続されるものである。

本発明の部材の接続装置は、少なくとも１つの部材が熱可塑性樹脂内に補強用で発熱抵抗体となる繊維材を含有してなる繊維強化樹脂材である、該２以上の部材の重ね合わせ箇所を接続する部材の接続装置である。

被接続部材の組み合わせ形態としては、以下のような形態が挙げられる。すなわち、２つの部材がともに繊維強化樹脂材からなる形態や、２つの部材の一方が繊維強化樹脂材であり、他方が繊維材を含まない樹脂材からなる形態である。また、２つの部材の一方が金属部材であり、他方が繊維強化樹脂材からなる異種部材の形態や、３つ以上の部材の１つもしくは２つが繊維強化樹脂材であり、他方が繊維材を含まない樹脂材もしくは金属部材からなる形態、さらには、３つ以上の部材の全部が繊維強化樹脂材からなる形態である。なお、たとえば３つの被接続部材を接続する場合であって繊維強化樹脂材がそのうちの一つのみである場合は、３つの部材の中央に繊維強化樹脂材を配することになる。

繊維強化樹脂材としては、長繊維や短繊維が熱可塑性樹脂内にランダムに含有されたもの、たとえばJISで規定するように50mmを超える連続繊維が熱可塑性樹脂内に一方向に配向された一方向材（UD材）や擬似等方材（多軸積層材や経糸および緯糸からなる織物など）などを挙げることができる。また、その適用例として、フロントサイドメンバやセンタークロスメンバ、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を挙げることができる。繊維強化樹脂材を車両の骨格構造部材等に適用することにより、その強度保証と軽量化を図りながら、低燃費で環境フレンドリーな車両を製造することが可能となる。

また、繊維強化樹脂材を形成する熱可塑性樹脂としては、ポリアミド（PA）やポリプロピレン（PP）などの結晶性プラスチック、ポリスチレン（PS）やポリ塩化ビニル（PVC）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。また、発熱抵抗体となる繊維材としては、炭素繊維、金属繊維、セラミック繊維のいずれか一種もしくは二種以上が混合されたものを挙げることができる。

本発明の接続装置の接続対象に関し、そのうちの少なくとも１つの被接続部材は、繊維強化樹脂材の熱可塑性樹脂内に、補強用でしかも発熱抵抗体となり得る繊維材が含有されている。そして、この発熱抵抗体となる繊維材を本発明の接続装置による電磁誘導加熱で加熱することによって発熱抵抗体を発熱させ、この熱にて周囲の熱可塑性樹脂を溶融させるものである。このことにより、繊維材を熱可塑性樹脂内に満遍なく分散させておくことで、繊維強化樹脂材の重ね合わせ箇所の全範囲を満遍なく溶融させることが可能となる。

本発明の接続装置は、内部に電磁誘導コイルを備えて部材の重ね合わせ箇所を加圧しながら移動する移動体から構成されている。

すなわち、移動体の移動に応じて、電磁誘導コイルに通電して発熱抵抗体となり得る繊維材を発熱させ、その周囲の熱可塑性樹脂を順次溶融していきながら、しかも移動体によって部材の重ね合わせ箇所を加圧するものであり、その後に溶融した繊維強化樹脂材の界面が硬化することによって部材同士を接続することができる。

ここで、「移動体」の実施の形態を例示すると、単体の回転ローラからなる形態、複数の回転ローラとその周りに配設された帯から構成されるキャタピラ（登録商標）からなる形態を挙げることができる。

移動体による加圧は、移動体を所望する重量となるようにその骨格部材の素材を選定したり、移動体に所望重量となるように錘を搭載しておくことなどにより、部材の重ね合わせ箇所に対して所望の加圧力を付与することが可能となる。なお、その他の形態として、移動体をその上方に延設するレールに沿って移動できるように装置を構成しておき、レール下にはレールに沿って移動する車輪とエアシリンダ等が一体に吊り下げられ、エアシリンダのシリンダ先端が移動体に取付けられ、移動体がレールに沿って移動する際にエアシリンダにて移動体を所望の押圧力で押すことで部材の重ね合わせ箇所に対して所望の加圧力を付与することができる形態などであってもよい。

このように、本発明の接続装置では、被接続部材の加熱と加圧を同時に実行することから、たとえば被接続部材を加熱し、部材同士を溶着させた後に加圧する場合のように、加圧による圧着前に接続面における溶融樹脂が固着してしまい、十分な圧着ができずに接続界面の強度が不足するといった問題は生じ得ない。

また、被接続部材同士を加圧せずに加熱するのみでは被接続部材の表面が溶融し、接続界面は溶融しない。

さらに、本発明の接続装置では、移動体のうち、部材の重ね合わせ箇所と接触する接触箇所は、電磁誘導コイルに通電した際に生じる電磁誘導によって発熱しない、もしくは発熱し難い素材から形成されている。

仮に部材の重ね合わせ箇所と接触する移動体の接触箇所が電磁誘導によって発熱するものであると、この熱によって移動体と接触している熱可塑性樹脂の接触面やその領域が溶融してしまい、移動体の加圧力を部材の重ね合わせ箇所に十分に伝えることができなくなってしまう。

このように電磁誘導にて発熱しない、もしくは発熱し難い素材としては、熱硬化性樹脂や非磁性金属、コンクリート、セラミックスなどを挙げることができる。そして、移動体が単体の回転ローラからなる場合は少なくともローラの外周面がこの接触箇所であり、キャタピラからなる場合は少なくとも帯の外周面がこの接触箇所となる。

本発明の部材の接続装置によれば、移動体の移動に応じて電磁誘導によって発熱抵抗体である繊維材を発熱させ、この熱で周囲の熱可塑性樹脂を溶融させることと、部材の重ね合わせ箇所の移動体による加圧を同時に実行すること、および、移動体のうち、重ね合わせ箇所に接触する接触箇所が電磁誘導によって発熱しない、もしくは発熱し難いことにより、高い接続強度で部材の重ね合わせ箇所を接続することができる。また、部材の重ね合わせ箇所を移動体が移動しながら部材同士を接続することから、部材の表面が湾曲面、凹凸面といった三次元形状を呈する場合であっても、部材同士の接続を容易におこなうことができる。

また、本発明は部材の接続方法にも及ぶものであり、この接続方法は、２以上の部材の少なくとも１つの部材が熱可塑性樹脂内に発熱抵抗体となる補強用の繊維材を含有してなる繊維強化樹脂材である、該２以上の部材の重ね合わせ箇所を接続する部材の接続方法であって、内部に電磁誘導コイルを備えて部材の重ね合わせ箇所を加圧しながら移動する移動体から構成され、移動体のうち、部材の重ね合わせ箇所と接触する接触箇所は、電磁誘導コイルに通電した際に生じる電磁誘導によって発熱しない、もしくは発熱し難い素材から形成されている接続装置を用意するステップ、電磁誘導コイルに通電しながら接続装置を構成する移動体を移動させ、電磁誘導によって繊維材を発熱させて熱可塑性樹脂を溶融させ、移動体にて部材の重ね合わせ箇所を加圧して該部材の重ね合わせ箇所を接続するステップからなるものである。

以上の説明から理解できるように、本発明の部材の接続装置によれば、接続装置を構成する移動体を移動させる過程で電磁誘導による部材の重ね合わせ箇所の熱可塑性樹脂の溶融と移動体の加圧を同時に実行することで、効率的に接続強度の高い接続構造を形成することができる。

本発明の接続装置の実施の形態１とこれを使用した接続方法を説明した模式図である。 図１のII−II矢視図である。 本発明の接続装置の実施の形態２とこれを使用した接続方法を説明した模式図である。 本発明の接続装置の実施の形態３とこれを使用した接続方法を説明した模式図である。 本発明の接続装置の実施の形態４とこれを使用した接続方法を説明した模式図である。

以下、図面を参照して本発明の部材の接続装置とこの接続装置を使用した接続方法の実施の形態を説明する。なお、図示例は２つの繊維強化樹脂材（マトリックス樹脂は熱可塑性樹脂）からなる被接続部材を接続対象として示したものであるが、一方が繊維強化樹脂材（マトリックス樹脂は熱可塑性樹脂）であって他方が金属部材を接続対象とするもの、３以上の被接続部材を接続するものであってもよいことは勿論のことである。また、図示する２つの被接続部材はともにフラットなパネルであるが、少なくとも一方の被接続部材の側面（接続界面、非接続界面）が三次元形状（湾曲状、波型状、湾曲と平面のユニット形状など）のものであってもよい。

（接続装置の実施の形態１とこれを用いた接続方法）
図１は本発明の接続装置の実施の形態１とこれを使用した接続方法を説明した模式図であり、図２は図１のII−II矢視図である。

図示する接続装置１０は、回転軸１ａを中心に回転しながら（Ｘ１方向）移動する（Ｘ２方向）回転ローラ１（移動体）と、回転ローラ１の内部に収容された交流電源回路２ａおよび電磁誘導コイル２とから大略構成されている。

回転ローラ１は、２つの被接続部材（繊維強化樹脂材Ｗ１，Ｗ２）の重ね合わせ箇所Ｋに所望の圧力Ｐを付与できる重量を有している。

回転ローラ１の移動の際に、交流電源回路２ａから交流電流を電磁誘導コイル２に通電し、電磁誘導を生ぜしめるとともに、自身の重量にて重ね合わせ箇所Ｋを圧力Ｐで押圧しながら重ね合わせ箇所Ｋの全域を移動する。

また、回転ローラ１の素材は、電磁誘導の際に発熱しない、もしくは発熱し難い素材が選定され、たとえば、フェノール樹脂やアミノ樹脂(PF)、エポキシ樹脂(EP)、不飽和ポリエステル樹脂(UP)などの熱硬化性樹脂、ステンレス鋼などの非磁性金属、コンクリート、アルミナ等のセラミックスなどを挙げることができる。

回転ローラ１が電磁誘導の際に発熱しない、もしくは発熱し難いことで直接接触する繊維強化樹脂材Ｗ１の表面が溶融軟化されず、このことによって回転ローラ１からの圧力Ｐを重ね合わせ箇所Ｋの特に接続界面に作用させることができる。

ここで、繊維強化樹脂材Ｗ１，Ｗ２のマトリックス樹脂である熱可塑性樹脂Ｒ１，Ｒ２としては、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)、ポリアミド(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のうちのいずれか一種もしくはそれらの二種以上を混合した材料を適用することができる。

また、発熱抵抗体である繊維材Ｆ１，Ｆ２としては、黒鉛を含む炭素繊維、Ni-Cr合金、Fe-Cr-Al合金、モリブデン、タングステン、白金などの金属繊維、SiC（炭化ケイ素）やMoSi₂（二珪化モリブデン）などのセラミック繊維のいずれか一種もしくは二種以上が混合されたものを適用することができる。また、繊維材Ｆ１，Ｆ２は、短繊維や長繊維、さらには連続繊維のいずれであってもよく、たとえば部材全体の10〜50体積％の含有量の繊維材Ｆ１，Ｆ２が含有された繊維強化樹脂材Ｗ１，Ｗ２を使用することができる。尤も、連続繊維の場合には、重ね合わせ箇所にある繊維材の熱が重ね合わせ箇所以外の領域に伝熱し得ることから、使用する繊維材としては10mm以下の短繊維や30mm以下の長繊維が望ましい。

次に、製造装置１０を用いた部材の接続方法を概説する。

図１で示すように、治具Ｊの上に被接続部材である２つの繊維強化樹脂材Ｗ１，Ｗ２の重ね合わせ箇所Ｋを固定する。

次に、電磁誘導コイル２に通電しながら接続装置１０を構成する回転ローラ１を回転させる（Ｘ１方向）ことで移動させ（Ｘ２方向）、電磁誘導によって繊維強化樹脂材Ｗ１，Ｗ２内の繊維材Ｆ１，Ｆ２を発熱させ、この熱で熱可塑性樹脂Ｒ１，Ｒ２の特に接続界面付近を溶融させる。そして、この接続界面付近の樹脂溶融と同時に回転ローラ１が圧力Ｐで重ね合わせ箇所Ｋを加圧する。

このように、重ね合わせ箇所Ｋの全域に亘って接続界面付近の熱可塑性樹脂を溶融させながら加圧し、溶融樹脂が硬化することによって重ね合わせ箇所Ｋにおける接続が完了する。

図示する部材の接続装置１０を使用した接続方法によれば、移動体である回転ローラ１の移動に応じて電磁誘導によって発熱抵抗体である繊維材Ｆ１，Ｆ２を発熱させ、この熱で周囲の熱可塑性樹脂Ｒ１，Ｒ２を溶融させることと、２つの繊維強化樹脂材Ｗ１，Ｗ２の重ね合わせ箇所Ｋの回転ローラ１による加圧を同時に実行すること、さらには、回転ローラ１が電磁誘導によって発熱しない、もしくは発熱し難い素材から形成されていることにより、高い接続強度で部材の重ね合わせ箇所Ｋを接続することができる。

（接続装置の実施の形態２とこれを用いた接続方法）
図３は本発明の接続装置の実施の形態２とこれを使用した接続方法を説明した模式図である。

図示する接続装置は、図１で示す接続装置１０を重ね合わせ箇所Ｋの上下に配したものであり、上下の回転ローラ１，１をそれぞれ対応する位置に配し、同期して回転させながら（Ｘ１方向、Ｘ１’方向）同じ速度で移動させる（ともにＸ２方向）過程で、界面の溶融と加圧を同時に実行し、部材同士の接続をおこなうものである。

この接続装置は、特に重ね合わせ箇所Ｋの厚みが厚い場合の接続に効果的であり、被接続部材が３以上の場合に好適である。

（接続装置の実施の形態３とこれを用いた接続方法）
図４は本発明の接続装置の実施の形態３とこれを使用した接続方法を説明した模式図である。

図示する接続装置１０Ａは、レール３と、このレール３に沿って移動する（Ｘ２方向）電動輪４と、電動輪４から吊り下げられたエアシリンダ５と、エアシリンダ５のシリンダ先端が回転ローラ１の回転軸１ａの端部と不図示のベアリング機構等を介して繋げられてその全体が構成されたものである。

治具Ｊの上に繊維強化樹脂材Ｗ１，Ｗ２の重ね合わせ箇所Ｋを固定し、電動輪４の移動の際に、エアシリンダ５を稼動して（稼働量δ）回転軸１ａを介して回転ローラ１を圧力Ｐで押圧し、電磁誘導も同時に生ぜしめて部材の重ね合わせ箇所Ｋの溶融と加圧を同時に実行する。

この形態によれば、回転ローラ１の移動方向をレール３で精緻に規制することができる。なお、レール３はその延設方向を自由に変更できるように構成しておくこと、２以上のレールを併設してそれぞれのレールに固有の回転ローラを装備しておくこと、２以上のレールが所望する角度で交差し、回転ローラが交点で進行方向を変更できることなど、図示例以外にも装置形態は多様に存在する。

（接続装置の実施の形態４とこれを用いた接続方法）
図５は本発明の接続装置の実施の形態４とこれを使用した接続方法を説明した模式図である。

図示する接続装置１０Ｂは、２つの回転ローラ１，１とその周りに配設された帯６から構成されるキャタピラを移動体とするものであり、それぞれの回転ローラ１の内部に電磁誘導コイル２が配設され、双方の電磁誘導コイル２からの電磁誘導によって部材界面の樹脂の溶融と帯６を介した分布荷重である圧力Ｑによる加圧が実行される。

この形態は、複数の回転ローラ１の間に間隔を置いて双方を帯６で一体とした移動体を移動させることから、部材の重ね合わせ箇所Ｋの長さが長い場合に好適であり、この装置を使用することで接続加工時間を短縮することができる。

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。

１…回転ローラ（移動体）、１ａ…回転軸、２…電磁誘導コイル、２ａ…交流電源回路、３…レール、４…電動輪、５…エアシリンダ、６…帯（移動体）、１０，１０Ａ，１０Ｂ…接続装置、Ｗ１，Ｗ２…繊維強化樹脂材（被接続部材）、Ｒ１、Ｒ２…熱可塑性樹脂、Ｆ１，Ｆ２…繊維材、Ｋ…重ね合わせ箇所、Ｊ…治具、Ｐ，Ｑ…圧力

Claims (4)

1. ２以上の部材の少なくとも１つの部材が熱可塑性樹脂内に発熱抵抗体となる補強用の繊維材を含有してなる繊維強化樹脂材である、該２以上の部材の重ね合わせ箇所を接続する部材の接続装置であって、
   前記接続装置は、内部に電磁誘導コイルを備えて部材の重ね合わせ箇所を加圧しながら移動する移動体である回転ローラと、該回転ローラが回転自在に取り付けられた回転軸を先端に備えたエアシリンダと、該エアシリンダを吊り下げた電動輪と、該電動輪の移動方向を規制するレールと、から構成されており、
   移動体のうち、部材の重ね合わせ箇所と接触する接触箇所は、電磁誘導コイルに通電した際に生じる電磁誘導によって発熱しない、もしくは前記繊維材よりも発熱し難い素材から形成されており、
   移動体の移動により、電磁誘導によって繊維材が発熱して熱可塑性樹脂を溶融させ、移動体による加圧によって部材の重ね合わせ箇所が接続される部材の接続装置。
2. 少なくとも前記回転ローラの外周面が前記接触箇所である請求項１に記載の部材の接続装置。
3. 前記接続箇所が、熱硬化性樹脂、非磁性金属、コンクリート、セラミックスのうちのいずれか一種から形成されている請求項１または２に記載の部材の接続装置。
4. 前記繊維材が、炭素繊維、金属繊維、セラミック繊維のいずれか一種もしくは二種以上が混合されたものである請求項１〜３のいずれかに記載の部材の接続装置。

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