(57)【要約】【課題】ＦＲＰ円筒に加わる捩り負荷に対する捩り強度の長期信頼性を確立してその破壊を確実に防止することができるＦＲＰ円筒及びその製造方法を得る。【解決手段】同時多層巻回層は、少なくとも複数のＦＲＰ層の最内層に位置している。最内層の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグの捩り剛性保持プリプレグと座屈防止プリプレグは、その巻回開始位置が、座屈防止プリプレグが単独で少なくとも１プライ巻回され、その後、捩り剛性保持プリプレグと座屈防止プリプレグが重ねられた状態で少なくとも２プライ連続して巻回されるように、互いにオフセットされている。【選択図】図１
2014172308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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複数のＦＲＰ層としたＦＲＰ円筒であって、前記複数のＦＲＰ層中に、円筒軸線方向に斜交する繊維層を有する捩り剛性保持プリプレグと、円筒軸線方向に直交する繊維層を有する座屈防止プリプレグを重ねたセットプリプレグを複数回連続して巻回して熱硬化させた同時多層巻回層を含ませたＦＲＰ円筒において、
前記同時多層巻回層は、少なくとも前記複数のＦＲＰ層の最内層に位置していること；及び
前記最内層の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグの前記捩り剛性保持プリプレグと前記座屈防止プリプレグは、その巻回開始位置が、前記座屈防止プリプレグが単独で少なくとも１プライ巻回され、その後、前記捩り剛性保持プリプレグと前記座屈防止プリプレグが重ねられた状態で少なくとも２プライ連続して巻回されるように、互いにオフセットされていること；を特徴とするＦＲＰ円筒。
【請求項２】
請求項１記載のＦＲＰ円筒において、
前記最内層の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグは、その最内層に前記座屈防止プリプレグを有しているＦＲＰ円筒。
【請求項３】
請求項１または２記載のＦＲＰ円筒において、
前記最内層の同時多層巻回層よりも外層側に、該最内層の同時多層巻回層とは別の同時多層巻回層が位置しており、
前記最内層の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグと、前記外層側の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグは、互いに対向する巻回方向から巻回されているＦＲＰ円筒。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項記載のＦＲＰ円筒において、
前記最内層の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグ、及び／又は、前記外層側の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグにおいて、
前記捩り剛性保持プリプレグは、長繊維方向が円筒軸線方向に±α°（０＜α＜９０）で斜交する一対のバイアスプリプレグからなり、前記座屈防止プリプレグは、長繊維方向が円筒軸線方向に直交するフーププリプレグからなるＦＲＰ円筒。
【請求項５】
請求項４記載のＦＲＰ円筒において、
前記一対のバイアスプリプレグは、長繊維方向が円筒軸線方向に±３０°、±４５°又は±６０°で斜交しているＦＲＰ円筒。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項記載のＦＲＰ円筒において、
前記最内層の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグ、及び／又は、前記外層側の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグは、前記捩り剛性保持プリプレグと前記座屈防止プリプレグに、円筒軸線方向と平行をなす繊維層を有する曲げ剛性保持プリプレグをさらに重ねてなるＦＲＰ円筒。
【請求項７】
請求項６記載のＦＲＰ円筒において、
前記曲げ剛性保持プリプレグは、長繊維方向が円筒軸線方向と平行をなす０°プリプレグからなるＦＲＰ円筒。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項記載のＦＲＰ円筒において、
前記最内層の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグ、及び／又は、前記外層側の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグをなす各プリプレグは、円筒軸線方向の長さが等しく、円筒軸線方向の全長に亘って重ねられているＦＲＰ円筒。
【請求項９】
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複数のＦＲＰ層とするＦＲＰ円筒の製造方法であって、前記複数のプリプレグを筒状に巻回する際に、円筒軸線方向に斜交する繊維層を有する捩り剛性保持プリプレグと、円筒軸線方向に直交する繊維層を有する座屈防止プリプレグを重ねた状態で複数回連続して巻回する同時多層巻回工程を有するＦＲＰ円筒の製造方法において、
前記捩り剛性保持プリプレグと前記座屈防止プリプレグを重ね合わせたセットプリプレグを、前記座屈防止プリプレグが最初に少なくとも１プライ巻回されるように前記捩り剛性保持プリプレグに対してオフセットさせて準備する工程；及び
前記オフセットしたセットプリプレグを、前記複数のＦＲＰ層の最内層を形成する前記同時多層巻回工程において用い、かつ、前記座屈防止プリプレグを単独で少なくとも１プライ巻回し、その後、前記捩り剛性保持プリプレグと前記座屈防止プリプレグを重ねた状態で少なくとも２プライ連続して巻回する工程；を有することを特徴とするＦＲＰ円筒の製造方法。
【請求項１０】
請求項９記載のＦＲＰ円筒の製造方法において、
前記最内層のＦＲＰ層である同時多層巻回層を構成するセットプリプレグは、その最内層に前記座屈防止プリプレグを有しているＦＲＰ円筒の製造方法。
【請求項１１】
請求項９または１０記載のＦＲＰ円筒の製造方法において、
前記最内層のＦＲＰ層を形成するための同時多層巻回工程とは別に、前記最内層のＦＲＰ層よりも外層側のＦＲＰ層を形成するための同時多層巻回工程を有し、
前記最内層のＦＲＰ層を形成するための同時多層巻回工程と、前記外層側のＦＲＰ層を形成するための同時多層巻回工程は、互いに対向する巻回方向から実行されるＦＲＰ円筒の製造方法。
【請求項１２】
請求項９ないし１１のいずれか１項記載のＦＲＰ円筒の製造方法において、
前記最内層のＦＲＰ層を形成するための同時多層巻回工程、及び／又は、前記外層側のＦＲＰ層を形成するための同時多層巻回工程は、重ねられた状態で隣接するプリプレグの間に離型シートを挟んだ状態で行われ、
前記最内層のＦＲＰ層を形成するための同時多層巻回工程、及び／又は、前記外層側のＦＲＰ層を形成するための同時多層巻回工程の実施中に、挟まれた離型シートを除去する離型シート除去工程を有するＦＲＰ円筒の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＲＰ円筒及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃費向上による二酸化炭素排出量の削減要請を受けて、例えばドライブシャフトやプロペラシャフトなどの車両部品をＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスチックス）円筒で構成して、車両部品ひいては車両全体を軽量化する研究が盛んに行われており、一部では実用化もされている。また、ドライブシャフトやプロペラシャフトなどの車両部品をＦＲＰ円筒で構成することで、車両の低振動化や静寂性の向上といった付加価値も期待できる。
【０００３】
ＦＲＰ円筒の製造方法として、強化繊維（例えば炭素繊維）を樹脂に含浸させながらマンドレルに巻いてゆくフィラメントワインディング法、及び、強化繊維（例えば炭素繊維）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複数のＦＲＰ層とするプリプレグ法が知られている。フィラメントワインディング法によるＦＲＰ円筒は、所定量以上の樹脂を必要とし、且つ強化繊維の体積含有率に上限があるので、軽量化と高強度化の要望に充分に応えることができない。
【０００４】
これに対し、プリプレグ法によるＦＲＰ円筒は、必要最小限の樹脂量でも強化繊維の体積含有率を高くできるという特徴があり、軽量化と高強度化を同時に図る上で有利である。また、形状精度の良い小型品が製造可能であり、積層構成の自由度が高い。しかし、プリプレグ法によるＦＲＰ円筒は、各ＦＲＰ層の層間のずれが起こりやすいという問題がある。
【０００５】
この問題を解決するべく、出願人は、特許文献１において、ＦＲＰ円筒の複数のＦＲＰ層中に、円筒軸線方向に斜交する繊維層を有する捩り剛性保持プリプレグと、円筒軸線方向に直交する繊維層を有する座屈防止プリプレグを重ねたセットプリプレグを複数回連続して巻回して熱硬化させた同時多層巻回層を含ませることを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０８４８０９号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、本発明者らのその後の鋭意研究により、特許文献１によるＦＲＰ円筒は、これをトルク伝達軸であるドライブシャフトやプロペラシャフトなどの車両部品に適用した場合、ＦＲＰ円筒の軸線方向に斜交する方向に加わる捩り負荷（捩り力）を受けて破損するおそれがあり、この点において改良の余地があることが判明した。つまり、ＦＲＰ円筒に加わる捩り負荷に対する捩り強度（捩り剛性）の長期信頼性の確立が重要な技術課題である。
【０００８】
本発明は、上記の問題意識に基づいて完成されたものであり、ＦＲＰ円筒に加わる捩り負荷に対する捩り強度の長期信頼性を確立してその破壊を確実に防止することができるＦＲＰ円筒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、ＦＲＰ円筒が捩り負荷によって破壊されるメカニズムについて徹底的な解析を行った結果、まずＦＲＰ円筒の最内層を構成するプリプレグの巻回開始点を起点として層間剥離が発生し、この層間剥離がＦＲＰ円筒の外層側に進展して最終的な破壊に至ることを見出した。そして本発明者らは、ＦＲＰ円筒の最内層を構成するプリプレグの巻回開始点を起点とした層間剥離を食い止めれば、ＦＲＰ円筒に加わる捩り負荷に対する捩り強度の長期信頼性を確立してその破壊を確実に防止することができる、との知見に至って本発明を完成させた。
【００１０】
本発明のＦＲＰ円筒は、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複数のＦＲＰ層としたＦＲＰ円筒であって、前記複数のＦＲＰ層中に、円筒軸線方向に斜交する繊維層を有する捩り剛性保持プリプレグと、円筒軸線方向に直交する繊維層を有する座屈防止プリプレグを重ねたセットプリプレグを複数回連続して巻回して熱硬化させた同時多層巻回層を含ませたＦＲＰ円筒において、前記同時多層巻回層は、少なくとも前記複数のＦＲＰ層の最内層に位置していること；及び前記最内層の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグの前記捩り剛性保持プリプレグと前記座屈防止プリプレグは、その巻回開始位置が、前記座屈防止プリプレグが単独で少なくとも１プライ巻回され、その後、前記捩り剛性保持プリプレグと前記座屈防止プリプレグが重ねられた状態で少なくとも２プライ連続して巻回されるように、互いにオフセットされていること；を特徴としている。
【００１１】
前記最内層の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグは、その最内層に前記座屈防止プリプレグを有していることが好ましい。
【００１２】
前記最内層の同時多層巻回層よりも外層側に、該最内層の同時多層巻回層とは別の同時多層巻回層が位置しており、前記最内層の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグと、前記外層側の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグは、互いに対向する巻回方向から巻回されていることが好ましい。
【００１３】
前記最内層の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグ、及び／又は、前記外層側の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグにおいて、前記捩り剛性保持プリプレグを、長繊維方向が円筒軸線方向に±α°（０＜α＜９０）で斜交する一対のバイアスプリプレグから構成し、前記座屈防止プリプレグを、長繊維方向が円筒軸線方向に直交するフーププリプレグから構成することができる。
【００１４】
前記一対のバイアスプリプレグは、長繊維方向が円筒軸線方向に±３０°、±４５°又は±６０°で斜交させることができる。
【００１５】
前記最内層の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグ、及び／又は、前記外層側の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグは、前記捩り剛性保持プリプレグと前記座屈防止プリプレグに、円筒軸線方向と平行をなす繊維層を有する曲げ剛性保持プリプレグをさらに重ねて構成することができる。
【００１６】
前記曲げ剛性保持プリプレグは、長繊維方向が円筒軸線方向と平行をなす０°プリプレグから構成することができる。
【００１７】
前記最内層の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグ、及び／又は、前記外層側の同時多層巻回層を構成するセットプリプレグをなす各プリプレグは、円筒軸線方向の長さが等しく、円筒軸線方向の全長に亘って重ねられていることが好ましい。
【００１８】
本発明のＦＲＰ円筒の製造方法は、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複数のＦＲＰ層とするＦＲＰ円筒の製造方法であって、前記複数のプリプレグを筒状に巻回する際に、円筒軸線方向に斜交する繊維層を有する捩り剛性保持プリプレグと、円筒軸線方向に直交する繊維層を有する座屈防止プリプレグを重ねた状態で複数回連続して巻回する同時多層巻回工程を有するＦＲＰ円筒の製造方法において、前記捩り剛性保持プリプレグと前記座屈防止プリプレグを重ね合わせたセットプリプレグを、前記座屈防止プリプレグが最初に少なくとも１プライ巻回されるように前記捩り剛性保持プリプレグに対してオフセットさせて準備する工程；及び前記オフセットしたセットプリプレグを、前記複数のＦＲＰ層の最内層を形成する前記同時多層巻回工程において用い、かつ、前記座屈防止プリプレグを単独で少なくとも１プライ巻回し、その後、前記捩り剛性保持プリプレグと前記座屈防止プリプレグを重ねた状態で少なくとも２プライ連続して巻回する工程；を有することを特徴としている。
【００１９】
前記最内層のＦＲＰ層である同時多層巻回層を構成するセットプリプレグは、その最内層に前記座屈防止プリプレグを有していることが好ましい。
【００２０】
前記最内層のＦＲＰ層を形成するための同時多層巻回工程とは別に、前記最内層のＦＲＰ層よりも外層側のＦＲＰ層を形成するための同時多層巻回工程を有し、前記最内層のＦＲＰ層を形成するための同時多層巻回工程と、前記外層側のＦＲＰ層を形成するための同時多層巻回工程は、互いに対向する巻回方向から実行されることが好ましい。
【００２１】
前記最内層のＦＲＰ層を形成するための同時多層巻回工程、及び／又は、前記外層側のＦＲＰ層を形成するための同時多層巻回工程は、重ねられた状態で隣接するプリプレグの間に離型シートを挟んだ状態で行われ、前記最内層のＦＲＰ層を形成するための同時多層巻回工程、及び／又は、前記外層側のＦＲＰ層を形成するための同時多層巻回工程の実施中に、挟まれた離型シートを除去する離型シート除去工程を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ＦＲＰ円筒に加わる捩り負荷に対する捩り強度の長期信頼性を確立してその破壊を確実に防止することができるＦＲＰ円筒及びその製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態によるＦＲＰ円筒の構成を示す図である。
【図２】図１の同時多層巻回層を形成するセットプリプレグの構造を示す図である。
【図３】筒状に巻回したプリプレグを熱硬化させＦＲＰ層としたＦＲＰ円筒の構成を示す図である。
【図４】重ねられた状態で隣接するプリプレグの間に離型シートを挟んで同時多層巻回工程を行う場合を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態によるＦＲＰ円筒の構成を示す図である。
【図６】図５の同時多層巻回層を形成するセットプリプレグの構造を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態によるＦＲＰ円筒の構成を示す図である。
【図８】図７の同時多層巻回層を形成するセットプリプレグの構造を示す図である。
【図９】加熱硬化後のＦＲＰ円筒の最内層側の積層構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（第１実施形態）
以下、図１ないし図４を参照して、本発明の第１実施形態によるＦＲＰ円筒１について説明する。ＦＲＰ円筒１は、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複数のＦＲＰ層としたものである。強化繊維は、例えば、炭素繊維、アルミナ繊維、アラミド繊維、チラノ繊維、アモルファス繊維、ガラス繊維などを用いることができる。このような強化繊維に含浸させる樹脂は、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、ピーク樹脂、ポリイミド樹脂などを用いることができる。
【００２５】
図１に示すように、ＦＲＰ円筒１は、円筒本体をなす複数のＦＲＰ層の最内層に位置させて、同時多層巻回層１０を有している。図１では、同時多層巻回層１０を展開した状態を描いている。同時多層巻回層１０は、内層側から外層側に向かって順に、ＦＲＰ円筒１の軸線方向（以下、円筒軸線方向）に直交する方向に加わる力（座屈）に対する強度を受け持つ座屈防止層２０と、円筒軸線方向に斜交する方向に加わる力（捩り）に対する強度を受け持つ捩り剛性保持層３０とを有している。捩り剛性保持層３０は、一対のバイアス層３０Ａ、３０Ｂによって構成されている。なお、ＦＲＰ円筒１は、最内層の同時多層巻回層１０の外層側にもＦＲＰ層を有することができるが、本実施形態では、同時多層巻回層１０の外層側のＦＲＰ層の構成には自由度があるため、その図示を省略している。
【００２６】
図２に示すように、同時多層巻回層１０は、内層側から外層側に向かって順に、円筒軸線方向に直交する繊維層を有する座屈防止プリプレグ２００と、円筒軸線方向に斜交する繊維層を有する捩り剛性保持プリプレグ３００とを重ねたセットプリプレグ１００を複数回連続して巻回して熱硬化させたものである。図２では、セットプリプレグ１００を構成する各プリプレグ２００、３００の繊維方向を示すため、これらを重ね合わせる前の状態を描いている。
【００２７】
座屈防止プリプレグ２００は、長繊維方向が円筒軸線方向に直交するフーププリプレグからなる。座屈防止プリプレグ２００（図２）が加熱硬化することで、座屈防止層２０（図１）が形成される。捩り剛性保持プリプレグ３００は、長繊維方向が円筒軸線方向に±α°（０＜α＜９０）で斜交する一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂからなる。この斜交角度αは、例えば±３０°、±４５°又は±６０°である。捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）（図２）が加熱硬化することで、捩り剛性保持層３０（一対のバイアス層３０Ａ、３０Ｂ）（図１）が形成される。座屈防止プリプレグ２００と捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）は、円筒軸線方向の長さＬが等しく、円筒軸線方向の全長に亘って重ねられている。なお、長さＬはＦＲＰ円筒１の長さに対応しており、ＦＲＰ円筒１の用途に応じて適宜設定される。
【００２８】
図１、図２に示すように、座屈防止プリプレグ２００の幅Ｗ２は、これを筒状に巻回したときの周長の約７倍強に設定されており、座屈防止プリプレグ２００を筒状に７プライ連続して巻回することができるようになっている。捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）の幅Ｗ３は、これを筒状に巻回したときの周長の約６倍強に設定されており、捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）を筒状に６プライ連続して巻回することができるようになっている。従って、座屈防止プリプレグ２００と捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）の後端部（図１中の右端部）を揃えたとき、座屈防止プリプレグ２００の先端部（図１中の左端部）が、捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）の先端部（図１中の左端部）よりも、１プライ分だけ突出する。この座屈防止プリプレグ２００の突出端がセットプリプレグ１００の巻回開始位置となる。すなわち、座屈防止プリプレグ２００と捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）は、その巻回開始位置が、座屈防止プリプレグ２００が単独で１プライ巻回され、その後、座屈防止プリプレグ２００と捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）が重ねられた状態で６プライ連続して巻回されるように、互いにオフセットされている。このようにしてセットプリプレグ１００を同時多層巻回したときのプライ数は１９である。
【００２９】
以上のように構成されたＦＲＰ円筒１は、円筒本体をなす複数のＦＲＰ層の最内層に位置させて、座屈防止プリプレグ２００と捩り剛性保持プリプレグ３００とを重ねたセットプリプレグ１００を複数回連続して巻回して熱硬化させた同時多層巻回層１０を含ませたので、捩り方向と座屈方向に対する強度を高めることができる。また、座屈防止プリプレグ２００と一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂの３枚のプリプレグを予め重ね合わせ、これらをマクロな視点での１枚のプリプレグ（セットプリプレグ１００）として捉えて巻回しているので、同量の材料を個別に巻回した場合に比べて、座屈防止の効果の発現により、ＦＲＰ円筒１の軽量化と高強度化を同時に図ることができる。
【００３０】
そして、座屈防止プリプレグ２００と捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）とを重ね合わせた部分を巻回する同時多層巻回を始める前に、座屈防止プリプレグ２００を単独で１プライ巻回しているので、図９に示すように、ＦＲＰ円筒１の最内層に独立した座屈防止層２０を設け、この独立した座屈防止層２０の外層側に、座屈防止層２０と捩り剛性保持層３０（一対のバイアス層３０Ａ、３０Ｂ）が内外に隣接した同時多層巻回層１０を設けたこととなり、同時多層巻回層１０の全体座屈を防止してその断面形状を保持することができる。すなわち、ＦＲＰ円筒１の最内層を構成するプリプレグの巻回開始点を起点とした層間剥離を食い止めて、ＦＲＰ円筒１に加わる捩り負荷（捩り力）に対する捩り強度（捩り剛性）の長期信頼性を確立してその破壊を確実に防止することができる。
【００３１】
続いて、上述のように構成されたＦＲＰ円筒１を製造する方法について説明する。
【００３２】
まず金属材料からなる棒状（円柱状）のマンドレルＭ（図１）を準備する。次いで、座屈防止プリプレグ２００と捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）を重ね合わせたセットプリプレグ１００を、座屈防止プリプレグ２００を最内層に位置させてかつ座屈防止プリプレグ２００が最初に１プライ巻回されるように捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）に対してオフセットさせて準備する。次いで、オフセットさせて準備したセットプリプレグ１００を、複数のＦＲＰ層の最内層を形成する同時多層巻回工程において用い、かつ、座屈防止プリプレグ２００を単独で１プライ巻回し、その後、座屈防止プリプレグ２００と捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）を重ねた状態で６プライ連続して巻回する（合計１９プライ）。この同時多層巻回工程は、所定の予熱状態で行うことが好ましく、これにより各プリプレグを密着させて巻回することができる。
【００３３】
全てのプリプレグの積層巻回が終了したら、張力を与えた収縮テープを巻回し、外圧力が加わるようにして、加熱装置（例えばオーブン）により加熱してプリプレグを硬化させる。この加熱硬化工程は、好ましくは真空雰囲気中で実施すると良い（例えばオートクレーブ）。これにより、マンドレルＭに巻回された複数のプリプレグが加熱硬化して一体のＦＲＰ円筒１になる。つまりセットプリプレグ１００が加熱硬化して同時多層巻回層１０が形成される。
【００３４】
最後にマンドレルＭを引き抜くことにより、マンドレルＭの外径に対応する内径φと、この内径φに複数のＦＲＰ層の厚みを加えた外径Φと、プリプレグの長さに対応する長さＬとを有するＦＲＰ円筒１が完成する（図３）。
【００３５】
同時多層巻回工程は、重ねられた状態で隣接するプリプレグの間に離型紙を挟んだ状態で行うことが好ましい（離型シート巻き）。図４はその実施形態を示しており、座屈防止プリプレグ２００（座屈防止層２０）と捩り剛性保持プリプレグ３００（捩り剛性保持層３０）の間に離型シートＰ１を挟み、一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ（一対のバイアス層３０Ａ、３０Ｂ）の間に離型シートＰ２を挟んだ状態で、同時多層巻回工程を行う。そして、同時多層巻回工程の実施中に、挟まれた離型シートＰ１、Ｐ２を後端側（図４中の右側）に引き抜いて除去する。この離型シート巻きによれば、セットプリプレグ１００を均一に巻回することができ、また、ＦＲＰ円筒１の成形性が格段に良くなり内部構造、外観ともに優れたものとすることができる。従って、ＦＲＰ円筒１の表面の外観を良くするために、後加工により削って滑らかにしたり塗装を施したりする必要がない。なお、離型シートＰ１、Ｐ２として、例えばＰＴＦＥフィルムやＰＦＡフィルム等のフッ素樹脂（コーティング）シートを用いることができる。
【００３６】
（第２実施形態）
図５、図６を参照して、本発明の第２実施形態によるＦＲＰ円筒１’について説明する。本実施形態のＦＲＰ円筒１’は、最内層の同時多層巻回層１０よりも外層側に、該同時多層巻回層１０とは別の同時多層巻回層４０を有している。この同時多層巻回層４０は、内層側から外層側に向かって順に、円筒軸線方向に直交する方向に加わる力（座屈）に対する強度を受け持つ座屈防止層５０と、円筒軸線方向に斜交する方向に加わる力（捩り）に対する強度を受け持つ捩り剛性保持層６０（一対のバイアス層６０Ａ、６０Ｂ）とを有している。同時多層巻回層４０は、内層側から外層側に向かって順に、円筒軸線方向に直交する繊維層を有する座屈防止プリプレグ５００と、円筒軸線方向に斜交する繊維層を有する捩り剛性保持プリプレグ６００（一対のバイアスプリプレグ６００Ａ、６００Ｂ）とを重ねたセットプリプレグ４００を複数回連続して巻回して熱硬化させたものである。
【００３７】
外層側のセットプリプレグ４００（同時多層巻回層４０）の構成は、以下の点を除き、最内層のセットプリプレグ１００（同時多層巻回層１０）の構成と基本的に同一である。すなわち、座屈防止プリプレグ５００の幅Ｗ５、及び、捩り剛性保持プリプレグ６００（一対のバイアスプリプレグ６００Ａ、６００Ｂ）の幅Ｗ６がともに、これらを筒状に巻回したときの周長の約６倍強に設定されており、座屈防止プリプレグ５００と捩り剛性保持プリプレグ６００（一対のバイアスプリプレグ６００Ａ、６００Ｂ）を筒状に６プライ連続して巻回することができるようになっている。つまり、セットプリプレグ４００は、座屈防止プリプレグ５００と捩り剛性保持プリプレグ６００（一対のバイアスプリプレグ６００Ａ、６００Ｂ）を完全に重ね合わせた状態で、６プライ連続して同時多層巻回することができるようになっている。この場合、セットプリプレグ４００のプライ数は１８であり、セットプリプレグ１００のプライ数と合わせたＦＲＰ円筒１’の総プライ数は３７である。
【００３８】
本実施形態のように、ＦＲＰ層中に２つの同時多層巻回層１０、４０を含ませることにより、ＦＲＰ円筒１’の強度を更に高めることができる。ＦＲＰ層中にいくつの同時多層巻回層を含ませるかはＦＲＰ円筒の用途に応じて適宜変更することができ、例えばＦＲＰ層中に３つ以上の同時多層巻回層を含ませてもよい。この場合、同時多層巻回層の数に対応するセットプリプレグを用いる。
【００３９】
本実施形態のＦＲＰ円筒１’も上述した第１実施形態のＦＲＰ円筒１と同様の方法により製造可能であるが、セットプリプレグ１００とセットプリプレグ４００の同時多層巻回工程は、互いに対向する巻回方向から実行することが好ましい。図５の例では、マンドレルＭが時計方向に回転する向きにセットプリプレグ１００の同時多層巻回工程を実行した後（左から右）、マンドレルＭが反時計方向に回転する向きにセットプリプレグ４００の同時多層巻回工程を実行する（右から左）。これにより、ＦＲＰ円筒１’のＦＲＰ層の周方向における均一度が増し、強度が高まるとともに、外観上の見栄えも良くなる。なお、セットプリプレグ４００の同時多層巻回工程において、図４で示した離型シート巻きを実行してもよい。
【００４０】
（第３実施形態）
図７、図８を参照して、本発明の第３実施形態によるＦＲＰ円筒１”について説明する。本実施形態のＦＲＰ円筒１”は、最内層の同時多層巻回層７０を構成するセットプリプレグ７００の構成が、第１実施形態及び第２実施形態において最内層の同時多層巻回層１０を構成するセットプリプレグ１００の構成とは異なっている。すなわち本実施形態のセットプリプレグ７００は、内層側から外層側に向かって順に、円筒軸線方向と平行をなす繊維層を有する曲げ剛性保持プリプレグ８００と、捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）と、座屈防止プリプレグ２００とを重ねてなる。つまり座屈防止プリプレグ２００がセットプリプレグ７００の最内層ではなく最外層に位置している。曲げ剛性保持プリプレグ８００は、例えば、円筒軸線方向と平行をなす０°プリプレグによって構成することができる。曲げ剛性保持プリプレグ８００が加熱硬化することで、曲げ剛性保持層８０が形成される。セットプリプレグ７００に曲げ剛性保持プリプレグ８００を含ませることで、捩り方向と座屈方向に対する強度とともに、曲げ方向に対する強度を併せ持たせることができる。
【００４１】
図７、図８に示すように、曲げ剛性保持プリプレグ８００の幅Ｗ８は、これを筒状に巻回したときの周長の約６倍強に設定されており、曲げ剛性保持プリプレグ８００を筒状に６プライ連続して巻回することができるようになっている。従って、曲げ剛性保持プリプレグ８００、捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）及び座屈防止プリプレグ２００の後端部（図７中の右端部）を揃えたとき、座屈防止プリプレグ２００の先端部（図７中の左端部）が、曲げ剛性保持プリプレグ８００と捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）の先端部（図７中の左端部）よりも、１プライ分だけ突出する。この座屈防止プリプレグ２００の突出端がセットプリプレグ７００の巻回開始位置となる。すなわち、曲げ剛性保持プリプレグ８００、捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）及び座屈防止プリプレグ２００は、その巻回開始位置が、座屈防止プリプレグ２００が単独で１プライ巻回され、その後、曲げ剛性保持プリプレグ８００、捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）及び座屈防止プリプレグ２００が重ねられた状態で６プライ連続して巻回されるように、互いにオフセットされている。セットプリプレグ７００を同時多層巻回したときのプライ数は２５である。このようにして同時多層巻回したセットプリプレグ７００が加熱硬化したとき、図９に示すように、ＦＲＰ円筒１”の最内層に独立した座屈防止層２０が設けられ、この独立した座屈防止層２０の外層側に、曲げ剛性保持層８０、捩り剛性保持層３０（一対のバイアス層３０Ａ、３０Ｂ）及び座屈防止層２０が内外に隣接した同時多層巻回層７０が設けられる。
【００４２】
第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態の座屈防止プリプレグ２００と捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）、第２実施形態の座屈防止プリプレグ５００と捩り剛性保持プリプレグ６００（一対のバイアスプリプレグ６００Ａ、６００Ｂ）、及び、第３実施形態の曲げ剛性保持プリプレグ８００は、長繊維方向が一方向に引き揃えられた一方向強化プリプレグからなる。この場合、強化繊維の糸の太さは、好ましくは、２４Ｋ（１Ｋはフィラメント１０００本）以下であるのがよい。２４Ｋを超えると均一な繊維物性を確保できない虞があり、また製造時にマンドレルに巻き付ける作業性が悪くなる虞がある。また、プリプレグの重さは、３００ｇ／ｍ２以下であるのが好ましく、２５０ｇ／ｍ２以下であるのがより好ましい。３００ｇ／ｍ２を超えると、厚くなりすぎ製造時にマンドレルに巻回するのが困難になる。プリプレグの樹脂量は、２０から４５重量％であるのが好ましく、２５から４０重量％であるのがより好ましい。２０重量％未満であると、樹脂量が少なすぎて十分な強度を有するシャフトを製造できない虞があり、４５重量％を超えると、円筒が同重量の場合には捩り剛性が低下するおそれがある。
【００４３】
一方、座屈防止プリプレグと捩り剛性保持プリプレグとして、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態のような一方向強化プリプレグではなく、二軸織物繊維を熱硬化性樹脂シートに含浸させてなる二軸織物プリプレグ、三軸織物繊維を熱硬化性樹脂シートに含浸させてなる三軸織物プリプレグ、又は、四軸織物繊維を熱硬化性樹脂シートに含浸させてなる四軸織物プリプレグを用いる態様も可能である。この態様では、各織物繊維の糸の太さは、好ましくは６Ｋ以下であるのがよい。６Ｋを超えるとプリプレグが厚くなりすぎるとともに、均一な繊維物性（特性）を確保できない虞があり、また製造時にマンドレルに巻き付ける作業性が悪くなるおそれがある。
【００４４】
第１実施形態、第２実施形態では、最内層の同時多層巻回層１０を形成するための同時多層巻回工程において、座屈防止プリプレグ２００を単独で１プライ巻回し、その後、座屈防止プリプレグ２００と捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）を重ねた状態で６プライ連続して巻回する場合を例示して説明した（合計１９プライ）。しかし、本発明による同時多層巻回工程はこれに限定されず、座屈防止プリプレグ２００を単独で少なくとも１プライ巻回し、その後、座屈防止プリプレグ２００と捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）を重ねた状態で少なくとも２プライ連続して巻回すればよい（最低７プライ）。
【００４５】
第３実施形態では、最内層の同時多層巻回層７０を形成するための同時多層巻回工程において、座屈防止プリプレグ２００を単独で１プライ巻回し、その後、曲げ剛性保持プリプレグ８００、捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）及び座屈防止プリプレグ２００を重ねた状態で６プライ連続して巻回する場合を例示して説明した。しかし、本発明による同時多層巻回工程はこれに限定されず、座屈防止プリプレグ２００を単独で少なくとも１プライ巻回し、その後、曲げ剛性保持プリプレグ８００、捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）及び座屈防止プリプレグ２００を重ねた状態で少なくとも２プライ連続して巻回すればよい（最低９プライ）。
【００４６】
第１実施形態、第２実施形態では、最内層の同時多層巻回層１０を構成するセットプリプレグ１００の最内層に座屈防止プリプレグ２００を位置させている。しかし、座屈防止プリプレグ２００は、セットプリプレグ１００の最外層（捩り剛性保持プリプレグ３００の外層側）に位置させてもよいし、セットプリプレグ１００中の一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂの間に位置させてもよい。つまり、最内層のセットプリプレグ１００中における座屈防止プリプレグ２００の内外層の位置には自由度がある。
【００４７】
本発明者らは、本発明によるＦＲＰ円筒と従来構成のＦＲＰ円筒を試作し、これらを比較することで、本発明によるＦＲＰ円筒の優位性を実証した。
【００４８】
本発明によるＦＲＰ円筒は、上述した第１実施形態の構成を有するＦＲＰ円筒である。つまり本発明によるＦＲＰ円筒は、最内層の同時多層巻回層１０を形成するために、最内層の座屈防止プリプレグ２００を単独で１プライ巻回し、その後、座屈防止プリプレグ２００と捩り剛性保持プリプレグ３００（一対のバイアスプリプレグ３００Ａ、３００Ｂ）を重ねた状態で６プライ連続して巻回したものである（［（９０／±４５）６／９０］、合計１９プライ）。
【００４９】
従来構成のＦＲＰ円筒は、最内層の同時多層巻回層を形成するために、座屈防止プリプレグと捩り剛性保持プリプレグ（一対のバイアスプリプレグ）を完全に重ね合わせた状態で、６プライ連続して巻回したものである（［９０／±４５］６、合計１８プライ）。別言すると、従来構成のＦＲＰ円筒は、上述した第２実施形態の外層側の同時多層巻回層４０を最内層に配置した構成となっている。
【００５０】
本発明によるＦＲＰ円筒と従来構成のＦＲＰ円筒のそれぞれについてトルク試験を行った。より具体的には、各試験片を電気サーボねじり試験機に装填し、一端を完全拘束し、他端に角度変位を三角波で与えた。完全拘束端に配されたトルク検出器により捩れモーメントを測定した。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。その結果、従来構成のＦＲＰ円筒の最大トルクが２０７１Ｎｍであったのに対し、本発明によるＦＲＰ円筒の最大トルクは２３０４Ｎｍであり、約１１％の強度向上を確認することができた。
【００５１】
本発明によるＦＲＰ円筒と従来構成のＦＲＰ円筒のそれぞれについて超音波探傷装置による損傷観察実験を行った。より具体的には、各試験片を超音波探傷装置の水槽中の保持具に装填し、試験片を回転させながら上部から超音波端子により超音波を透過させ、試験片内部の損傷の有無を観察した。一周分測定した後軸方向に端子を移動し、さらに一周分測定した。これを繰り返し、試験片全長の測定後、各データを２次元画面上にマッピングし、画像データとした。その結果、従来構成のＦＲＰ円筒では、ＦＲＰ層の最内層を構成する巻回開始点を起点とした層間剥離の存在を確認できたのに対し、本発明によるＦＲＰ円筒では、ＦＲＰ層の最内層を構成する巻回開始点を起点とした層間剥離の存在は確認できなかった。
【００５２】
このように、本発明によるＦＲＰ円筒は、ＦＲＰ円筒の最内層を構成するプリプレグの巻回開始点を起点とした層間剥離を食い止めて、ＦＲＰ円筒に加わる捩り負荷に対する捩り強度の長期信頼性を確立してその破壊を確実に防止することができることが実証された。
【符号の説明】
【００５３】
１  １’  １”  ＦＲＰ円筒
１０  最内層の同時多層巻回層
２０  座屈防止層
３０  捩り剛性保持層
３０Ａ  ３０Ｂ  一対のバイアス層
１００  セットプリプレグ
２００  座屈防止プリプレグ
３００  捩り剛性保持プリプレグ
３００Ａ  ３００Ｂ  一対のバイアスプリプレグ
４０  外層側の同時多層巻回層
５０  座屈防止層
６０  捩り剛性保持層
６０Ａ  ６０Ｂ  一対のバイアス層
４００  セットプリプレグ
５００  座屈防止プリプレグ
６００  捩り剛性保持プリプレグ
６００Ａ  ６００Ｂ  一対のバイアスプリプレグ
７０  最内層の同時多層巻回層
８０  曲げ剛性保持層
７００  セットプリプレグ
８００  曲げ剛性保持プリプレグ
Ｍ  マンドレル
Ｐ１  Ｐ２  離型シート
【図１】
2014172308.tif 000003
【図２】
2014172308.tif 000004
【図３】
2014172308.tif 000005
【図４】
2014172308.tif 000006
【図５】
2014172308.tif 000007
【図６】
2014172308.tif 000008
【図７】
2014172308.tif 000009
【図８】
2014172308.tif 000010
【図９】
2014172308.tif 000011